CN101484694B - 利用风筝驱动立轴式风轮机进行能量转换的风力系统及利用该系统产生电能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转化风力能的风力系统，包括至少一能从地面上驱动且能工作于风流W中的风筝(1)和一安装于地面上的转轴垂直安装的风轮机(2)，该风轮机(2)包括至少一转动臂(3)，转动臂一端通过两缆绳(4)连接至风筝(1)，风筝(1)在风轮机(2)转动其转动臂(3)时能被驱动并能通过与风轮机(2)协同运转的发电机-马达系统(15a、15b)将风力能转化成电能，缆绳(4)既能在转动臂和风筝(1)之间相互传递机械能，又能用于控制风筝(1)的飞行轨道；本发明还公开了利用该风力系统产生电能的方法。

Description

利用风筝驱动立轴式风轮机进行能量转换的风力系统及利用该系统产生电能的方法
技术领域
本发明涉及一种风力系统，其由飞行牵引物体(power winged profiles)(风筝(kites))驱动而工作且转轴垂直安装(平旋、水平旋转)。本发明还涉及使用该风力系统产生电能的方法。 
 背景技术
过去，有关利用可再生能量资源以低成本来获取能量的问题已有很多处理方法，特别是下文提及的在先专利中，其公开了风力能的转化方法，而且也公开了几种通过风筝(kite)从风力能中获得能量的设备。 
特别地，美国专利US 4124182公开了一种装配有降落风筝(parakites)或称作改进的降落伞的设备，利用其获取风力能并将获得的风力能转换成转轴的旋转运动，转轴再带动发电机运动发电。该设备具有一对降落风筝列阵(trainsofparakites)，每个降落风筝列阵中串联连接有多个降落风筝。每个降落风筝列阵配有一条牵引绳，但该牵引绳不够长，因此降落风筝列阵不能到达一个能获得相对于地表面而言具有较强风力和空气流比较一致的高度。每个降落风筝列阵通过相应的牵引绳限制至绞辊(drum)或绞盘(winch)上，绞辊或绞盘的转动方向能够交替变换以便于在风力牵引作用下绕紧或松开牵引绳。每个降落风筝列阵还配置有连接至列阵里各个降落风筝的第二根牵引绳，称作天蓬绳(cap rope)，通过天蓬绳可以选择性地折叠起降落风筝以使绕紧动作更加容易。借助减速器，各绞盘的旋转运动传递给发电机，驱动发电机发电。当其中一个降落风筝升起的时候，单滑轮组通过离合器和变速装置使另一个降落风筝 回复原位。获得的风力能然后转化成机械能，机械能中的一部分将立即被用于将复位的降落风筝的伞盖折叠收起，另一部分将被转化成电能。降落风筝凭借限制在每个降落风筝阵列上的空气静力平衡气球的充气和排气来保持停留在期望的高度并保持降落风筝天蓬盖有固定的方向。 
中国公开号为CN1052723的专利申请公开了一种装配有一对风筝的风力发电机，风力产生的牵引通过风筝及高强度缆绳转变成安装在地面上的绞辊的旋转运动，绞盘则驱动能将机械能转化成电能的液压马达工作。 
英国专利GB2317422公开了一种具有多个风筝的发电设备，其在风力作用下驱动一轴线垂直安装并连接至发电机转轴的主轴，风筝被水平方向上作圆形轨迹运动的风力驱动。为了保证运转的飞行连续性，每个风筝上安装有能改变风向起始角的装置。 
美国专利US6072245公开了一种利用风力能的设备，其包括多个连接至环形缆绳上的风筝，风筝按上升的路径和下降的路径交替改变的方式驱动，使其一直沿同一个方向旋转。每个风筝均连接至一牵引绳用于传递机械能，并还连接至一驱动绳组成的系统用于调整每个风筝的风向起始角。牵引绳使滑轮(pulleys)转动并由此发电。驱动绳用来使得每个风筝处于一个这样的位置，在上升的路径中时，使得风筝被风力向上拉起：处于另一个位置及在下降的路径中时，每个风筝收到风力向下的猛力推动。 
美国专利US 6254034公开了一种装有风筝(系留飞行物(tether aircraft))的利用风力能的设备，其由一被控速的风力驱动。风筝通过一缆绳连接至绞盘上，绞盘可带动发电机发电。风筝上装配有一驱动系统，其可侦测并改变风向起始角，并改变获取的风的迎风面积。该驱动系统能在地面上由操作员控制，通过观看显示出来的传感器传输数据进行控制，或者通过遥控系统进行自动控 制。为了让风筝顺风升起，风筝以大的风向起始角来驱动；完成上升动作之后，风向起始角减小，风筝逆风滑下，风筝回复至原始位置，然后又顺风升起并且依此循环。 
荷兰专利NL 1017171C公开了一种风力系统，其类似上述专利中提及的设备，只是没有提供手动模式，为了在缆绳绕紧时将风力阻力降至最小，风筝回复至原始位置的方式是通过将风筝倾斜像旗帜一样回复原位。 
美国专利US 6523781公开了一种获得风力能的设备，包括一风筝(机翼风筝(airfoil kite))，其具有入口边(inlet edge)、出口边(outlet edge)及两侧边，风筝通过其自身设置的驱动机构来驱动。该风力系统配置有连接至风筝边部(edges)的牵引绳，风筝通过改变上升角度并通过缆绳来驱动。驱动机构通过置于牵引绳内部的电缆供电工作，牵引绳将风筝连接至绞盘上，绞盘带动发电机发电。风筝利用风力对其的抬升力上升并沿几乎垂直于风速的方向上升。完成上升动作之后，风筝即回复至原始位置，然后又在风力抬升力作用下上升。 
美国公开号为US2005046197的专利申请公开了一种配置有风筝的利用风力能的设备，其通过牵引绳来驱动绞盘及与绞盘连接在一起的发电机工作来获取电能。其上的风筝通过配置另外的缆绳来改变风筝的风向起始角以实现驱动。风筝在大的风向起始角下上升，完成上升动作后，将风向起始角减到最小使其回复至原位，然后重复循环。 
分析现有技术可知，现有的风力系统配置有具如下共同特征的风筝： 
-风筝配有动力绳和牵引绳：这意味着来自动力绳的用于发电的动力未能传输至风筝的引导机构(改变风向起始角等的机构)上，而是传输到风力系统的其它元件上，适宜地利用牵引绳来完成该功能。未利用动力绳来驱动风筝(引导机构)使得风力系统变得复杂，出现以下不足： 
-风筝通过直接安装在其上的引导机构或通过至少四根额外的牵引绳来驱动，缆绳的放松和绕紧通过绞盘来实现，绞盘安装在地面或悬空安置(即安装在风筝上)。如果使用牵引绳，绞盘则可安装在地面上，无需消耗风筝从风力能中获取的能量来克服引导机构自身的重力； 
-风筝通过利用风力对其的拖拽力驱动上升发电(即风力的推动与风速方向平行)。紧跟该上升动作之后是风筝的回复至原位的动作，风筝置如旗帜的样子来最小化风力对其的阻力。在少数风力系统中，除了利用拖拽力让风筝上升之外，还想到了利用抬升力(即风力的推动与风速垂直)。相对于前一方式而言后一种方式的有点在于，为了更好地发电，后一方式不但考虑了风筝的阻力，而且还考虑了利用风筝的抬升力。无论如何，两种模式的间歇性升降循环(上升动作和回复至原始位置的动作交替进行)意味着作用于风筝上的用来发电的拖拽作用只出现在半个运动路径中(实际上，风筝回复至原始位置过程中没有出现)； 
-能量转换是利用动力绳通过使绞盘旋转带动连接在其上的发电机工作来实现的，可能其中还连接有减速器。由于在风筝回复至原位过程中是通过马达来驱动绞盘的，这使同一个循环中发电过程不连续。在这种方式里，发电是间断性的，而且还需要消耗掉一部分前一过程中产生的电能。要连续地向外部用户供电需要使用储存器才能实现。 
-通过循环方式发电已经受到专门关注。为了最大化能量的转换率需要选择好风筝飞行的路径，这一点几乎完全被忽视了。 
-关于风筝或串联连接有多个风筝的风筝列阵的控制系统问题仅仅在数量十分有限的项目和调查中才被处理。这也是由于许多现今的调查研究重点在提高现有设备的产出率上而不是在开发新的能量转换设备上这一实情所致。 
为了解决上述的部分问题，欧洲专利EP1672214(申请人为SequoiaAutomation S.R.L.IPPOL)公开了将风力的动能转化成电能的设备，其通过对连接至该设备的风筝的飞行状态进行可预测的和适应性的控制，该设备为具有垂直轴线的风轮机旋转木马式(carousel type)的风力系统。 
发明内容
本发明的目的是通过提供一种使用了风筝的将风力能进行转换的设备来解决现有技术中存在的问题，其包括至少一个能量转换发电机，发电机通过轴心垂直安装的风轮机的转动臂的旋转运动来驱动，每个转动臂通过单副缆绳连接至少一个风筝，在风力推动和驱逐下，产生旋转运动从而达到让转动臂转动。 
本发明的另一个目的是提供一种风力系统，设备中使用的风筝通过同一根缆绳来实现驱动及将能量传递至风力风轮机的转动臂上。 
本发明进一步的目的是提供一种其风筝由智能控制系统(smart controlsystem)驱动的风力系统，智能控制系统启动安装在地面并连接在绞盘上的马达，可能需要通过减速器，绞盘功能包括通过放松和绕紧缠绕其上的缆绳来驱动风筝并承担来自缆绳上的用于能量转换的载荷。 
本发明的另一个目标是提供一种其风筝由智能控制系统驱动的风力系统，在风筝起落的每个循环中，智能控制系统使风筝按最优路径运动以实现从风能中获得高的转换效率。 
而且本发明的另一个目标是提供一种使用风筝的风力系统，其中风筝主要利用风力的抬升力来进行能量转换，并且风筝运行在几乎整个循环路径中均有拖拽效果的路径上。 
另外，本发明的另一个目标是提供一种利用本发明的风力系统进行发电的方法，其与现有技术相比具有更高的效率。 
本发明的上述目标和其它目标及优点能够从权利要求1中所述的由风筝驱动轴心垂直安装的风力风轮机来进行发电的风力系统得到，也可在下面的说明中得到。 
此外，本发明的上述目标和其它目标及优点能够从权利要求79中所述的使用本发明的风力系统来进行发电的方法得到。 
附图说明
本发明将通过优选实施例并结合附图来进行更好的说明，本发明的实施例并不是对本发明的限制，附图说明如下： 
图1为本发明风力系统的优选实施例的立体图； 
图2为图1中风力系统的放大立体图； 
图3为本发明风力系统的另一优选实施例的立体图； 
图4为图3中元件的放大立体图； 
图5为图4中元件的侧面视图； 
图6为图3和图4中元件的俯视图； 
图7为本发明风力系统的另一元件的立体图； 
图8为本发明风力系统的另一元件的立体图； 
图9为图8中元件的侧面示意图； 
图10为图3中风力系统的元件的放大立体图； 
图11为图10中元件的放大立体图； 
图12为图10中另一元件的放大立体图； 
图13为图12中元件另一实施例的示意图； 
图14为图12中元件另一实施例的示意图； 
图15为图12中元件另一实施例的示意图； 
图16为本发明的风力系统操作过程示意图； 
图17为处于空气流中的空气动力表面的静态受力状态示意图； 
图18为沿垂直风速方向上自由运动时的空气动力表面受力状态示意图。 
如下面详细说明中可知，本发明的风力系统一般包括一轴心垂直安装(即水平转动，简称平旋)的风轮机，风轮机适用于将空气流特别是大气对流层(地球表面以上15Km左右)的风力能转换成电能，风筝被置空气流中并被连接在风轮机的转动臂上，每只风筝均由伺服(servo-assisted)绞盘驱动，各伺服绞盘单独地由智能控制系统驱动，与前述现有技术不同之处在于采用本发明的风筝飞行时的路径可以得到最大的能量转换率，以及包含垂直轴心的风轮机建筑的不同。 
具体实施方式
参照附图，根据本发明的转换能量的风力系统包括至少一只风筝1，其置于空气流W中并通过两根缆绳4连接至轴心垂直地安装在地面上的风力风轮机2的至少一个转动臂3上，风筝1适合于通过与其连接的风轮机2的转动臂3的旋转来驱动，并且通过至少一个与风轮机2协同工作的发电机/马达系统15a或15b来实现将风力能转换成电能。另外两根缆绳4适合于将机械能传递至风筝或将机械能从风筝传递回来使风轮机2运动并且控制风筝自身的飞行轨道。 
本发明附图所示的风力系统实施例的轴心垂直的风轮机2配置有两个转动臂3，转动臂的端部处分别连接有一风筝3。然而，风轮机2使用不同数量的转动臂3和风筝1显然也落在本发明的保护范围之内。特别是，为了增大对缆绳4的拉力，在风轮机2的转动臂3上连接多个风筝1，相互串联连接(风筝1形成的风筝列阵)。每个风筝1的列阵通过单个缆绳4的组成的系统连接至风轮机2上，因此其工作原理不依赖于串接的风筝数量。使用多个风筝阵列的 优点在于增加了被风筝截入的迎风面积，进而增大风轮机2的动量和每个工作循环中的产生的电量，这一点将在下面作更详细的说明。 
风筝1置入将被获取的空气流中，其一般使用用于制造某些体育运动中的专门帆布的编制纤维(weaving fibre)做成，如帆船(surf)和轻型车(cart)竞赛。风筝1可以是完全柔性的也可以是半刚性的(semi-rigid)，其半刚性刚度是通过使用十分轻质的框架，由于该框架的作用使得风筝可以采用如形态几乎相同的机翼。依靠其半刚性可保证性能大幅度提升，获得更高的驱动平稳性。主要的技术特征是风筝具有球形的表面。由于近年来对空气动力的研究，风筝能在市面上获得，其控制性能和操作性能方面均基本能达到要求。通过合适的操纵，可以实现风力能的转换。风筝1从空气流获得的牵引力应该处于最大值并且同时削弱风轮机2上的转动臂3的旋转，这一点是很基本的要求。也就是说，在靠近各转动臂3处，风筝1必须使风轮机2的旋转方向保持相同或者在不产生反向运动的条件下停止旋转。通过适当调整风力能转换设备可产生这样的结果，这一点在后文还将仔细说明。 
本发明的风力系统还包括一智能控制系统，其工作与风轮机2上，通过该智能控制系统，风筝1的飞行状态可自动掌控；设备还包括一与该智能控制系统协同工作的用于管理储电和送出电能的供电系统。 
智能控制系统与一组传感器协同工作，传感器独立地安装在风筝1上并将信息传送到只能控制系统的地面接受元件上，优选使用无线的方式传送该信息。智能控制系统将这些信息与来自其它地面元件的信息(如通过下文提到的马达扭力值得到的缆绳载荷值)集中并且进行计算分析，在风力系统工作过程中自动地控制风筝1。 
参考图2至图6，风轮机2的每个转动臂3被支撑系统5a或5b支撑。在转动臂3的端部，还安装有供风筝1回复至原位的复位系统6，复位系统6与 用于回复和推出风筝1的缩回-推出系统7集成一体，如图7所示。缆绳4对向风轮机2沿转动臂3布置，缆绳通过配置有至少一个张紧-缓冲系统8的传送器驱动。靠近风轮机2的中心处的每个转动臂3上配置有一势能蓄积系统9，用于补偿载荷突然变化时，缆绳4上的绕入-绕出系统10具有一对用于驱动风筝1的第一绞盘11和由一对第二绞盘13组成的用于存放缆绳4的储缆系统12，缆绳存放器的每个第二绞盘13配置有引导模块14，引导模块迫使缆绳4有序地卷入第二绞盘13中。风轮机2的转动臂3的转动通过减速器带动依赖于能量转换发电机的发电机/马达15a或15b运动。 
风筝1通过第一绞盘11放松或绕紧缆绳4的方式来进行操纵，缆绳4即为风筝1与风轮机2的转动臂3之间的连接部件和传力部件。当风筝1被风力抬升时，风筝即可带动风轮机2的转动臂3转动，并且随后通过基于发电机的发电机/马达15a或15b进行能量转换。显然，缆绳4的长度和直径依赖于风力的状况以及人员操作该设备时的安全要求。为了让风筝1易于升起，转动臂3也被用来启动该风力系统。实际上，在转动臂3的末端安装有复位系统6，用于当风力系统不工作的时候将风筝1回复至原位。风筝1启动时需要地面有风力的存在。如果在较小高度处缺少风力，发电机/马达15a或15b中的马达将被启动以转动转动臂3，这将使运动转矩转换成风力作用，从而使风筝1上升。 
转动臂3的结构可以是桁架(grid)结构，类似常用的建筑用的起重机架。这样的结构实际上满足了使能量转换最优所必要的轻量要求。 
靠近风轮机2中央处，转动臂3固定至旋转轴16上，可相对风轮机2其它固定部分转动并通过一系列其它部件与风轮机实现连接。 
风轮机2需要装备转动臂3的数量根据风力系统所输送的功率来决定。 
转动臂3的支撑系统5a或5b风轮机2的部件，其有助于支撑转动臂3的重力和缆绳4的拉力，可以用来避免桁架因内部应力而变形，而削弱风力系统运作。 
为了实现支撑系统5a或5b，可以采用两个方案。第一个方案是如图2所示的支撑加5a，采用第一、第二拉杆(tie-rod)系统支撑风轮机2的转动臂3。第一拉杆系统包括第一拉杆17，其一端定位在转动臂上，另一端连接至单独的立柱结构18上，竖直结构位于风轮机2中央处并跟随转动臂3一起转动；第二拉杆系统置于风轮机2的旋转平面上，包括第二拉杆19，第二拉杆一端定位在转动臂3上，另一端连接至中央的旋转轴16上，转动臂3通过旋转轴连接到一起。在风力系统运作过程中，当第一拉杆系统支撑转动臂3的重量时，第二拉杆系统用于抵消缆绳4的拉力。实施这些方案所必需的技术知识与实施张紧结构所需的相同。 
第二方案的支撑系统5b如图3和图4所示，包括将风轮机2上的转动臂3通过减震桁车20邻接到地面上，减震触轮作为弹性支撑。因此，每一个第二方案中的支撑系统即5b均配置有一对轮子21，为了在设备工作过程中产生专门的切向力，其旋转轴通过风轮机2的中心。减震桁车20与风轮机2上的转动臂3之间的连接通过一弹性连接件如弹簧，其与减震器22平行装配一体。如果第二方案被采用，风轮机2必须在靠近每个转动臂3的位置配置支撑系统5b。 
复位系统6是风轮机2上用于将风筝1回复静止至原位的元件。复位系统6包括至少一个圆柱管6a，其安装在转动臂3的末端并适当地倾斜以致减小风力系统运作过程中对缆绳4的阻力。特别地，假设风轮机2的旋转方向一直保持不变，各复位系统6相对于水平面向上倾斜(如图5所示)，并在垂直平面与缆绳4一同朝向风筝1(如图6所示)。复位系统6的圆柱管6a的出口端口 (outlet)优选进行圆角处理，以使得管道便于风筝1复位和启动时更加容易。优选布置在各圆柱管6a的内部，转动臂3配置有一与缆绳4一起的用于回复和推进风筝1的缩回-推出系统7。显然，风力风轮机2在靠近转动臂3的位置配置复位系统6。 
风筝1的缩回-推出系统7供风轮机2在停止和启动风力系统时用于回复和启动风筝1之用。各缩回-推出系统7配置有至少一个桁车23，其定位在两轨道24之间，轨道24迫使桁车23在复位系统6的圆柱管6a内滑动并与这种装置的轴线平行。桁车23上安装有一对让缆绳4运动方便的滑轮25，在风力系统工作或静止时，桁车23位于它的工作行程的端点(end-of-stroke)位置。特别地，在工作条件下，桁车23位于复位系统6的外端；在静止条件下，小滑车23位于复位系统6外端向内的下游位置。桁车23由至少一根马达减速器(motoreducer)带动的皮带驱动，优选使用有齿的皮带。小滑车只有在风力系统启动和停止过程中需要回复和推动风筝1时才被拉动。回复风筝1时，当风筝1靠近风轮机2上的转动臂3时，两缆绳4中间的一根被拉动以使风筝1倾斜至与复位系统6的轴线平行并且方便进出其中。连接到假定有齿的皮带上的马达减速器启动并且桁车23下降至复位系统6中，使得风筝1渐进地回复至原位。 
当推动风筝1或其风筝列阵时，可以采用人工喷气机(artificial wind thrustdevice)模仿空气流动形成风来向外推动风筝1，这种情况下，桁车23在皮带带动下随着风筝1在复位系统6中运动。风力风轮机2可在靠近每个复位系统6处装备风筝1的缩回-推出系统7。 
传输系统是风轮机2用于引导位于风筝1的复位系统6与势能蓄积系统9之间的缆绳4的部件。在图8所示的优选实施例中，传输系统包括装配于风轮机2的转动臂3上的滑轮，滑轮绕其销轴旋转并插入安装销轴的两个面与头部 之间。风轮机2的每个转动臂3装备有一传输系统，传输系统包括两套滑轮，每根缆绳4(用于驱动风筝1)对应一套滑轮。这些滑轮组头部在上、下方向上交替布置。这使得缆绳4看起来像沿风轮机2的转动臂布置的折线。每个传输系统中的滑轮可以分成四种： 
-第一滑轮25装配于风筝1的缩回-推出系统的滑动块上； 
-第二滑轮26直接安装固定在风轮机2的转动臂3上； 
-第三滑轮27为缆绳4上张紧-缓冲系统8的一部分； 
-第四滑轮28安装于缆绳4的引导模块14的滑动块上，风力风轮机2可以在每个转动臂3上安装一传输系统。显然，组成传输系统的滑轮总数量依赖于转动臂3的长度。 
缆绳4的张紧-缓冲系统8是风轮机2用于在静止条件下保持缆绳4沿这转动臂3张紧的元件，也有利于缓冲缆绳4自身不能吸收的突然变化的载荷。在图8所示的实施例中，张紧-缓冲系统8包括至少一对第三滑轮27，其连接至至少一个缓冲配重块29，配重块能从地面抬起并且能在竖直方向调动和用合适的挡块限位。用于驱动风筝1的两根缆绳4分别缠绕在两个第三滑轮27上，以使缆绳4保持配重块29被抬升。由于重力影响，配重块29向地面方向拉缆绳4。有两方面的效果，首先，缆绳4一直保持在张紧状态，当风力系统静止时也是如此；其次，这样的张紧-缓冲系统8有利于缓冲一定量的突变载荷。 
当风的冲击作用至设备时，突变载荷增量的一部分拉长缆绳4而被缓冲掉，一部分抬起张紧-缓冲系统8的配重块而被缓冲掉。反之亦然，如果载荷减少，缆绳4形变减小并且配重块29下降，部分地补偿因张力下降而使智能控制系统进行干预所引起的延误。每个张紧-缓冲系统8上的一对第三滑轮27连接至单个配重块29这一点是很重要的。如果每个第三滑轮27均被连接至不同的配重块，那么智能控制系统对风筝1的可操纵将会削弱。为控制风筝1的列阵， 实际上智能控制系统基于各缆绳4的长度的差异来进行工作。如果每个张紧-缓冲系统8的滑轮27连接到不同的配重块，那么差异将不仅只依赖于智能控制系统，而且，考虑到同一组缆绳4中的其它缆绳及该缆绳上的不同配重块，该差异还依赖于跟缆绳4协同工作的配重块的下降程度。 
如图9所示，作为一特别的替换方案，张紧-缓冲系统8配置有至少一个包括一对第五滑轮31的装置31，第五滑轮限制在铰接杆32的端部，铰接杆32铰接连接至风力风轮机2的转动臂3的另一端。铰接杆32通过插入弹性元件与风轮机2的转动臂3协同工作，优选至少一根减震弹簧33，在缆绳4受拉力作用下被压缩。对装有配重块29的张紧-缓冲系统8而言，其状况是一样的。张紧-缓冲系统8的改变保持缆绳4处于张紧状态，并且补偿因被压缩的减震弹簧33突然伸长所产生的突变载荷。风力风轮机2可以在转动臂上装备多个张紧-缓冲系统8，这依赖于转动臂的长度。 
从图10中可以看出，势能蓄积系统9是风轮机2上转动臂3上游与缆绳4上的绕入-绕出系统10下游的元件。风轮机可以在邻接转动臂3的位置配置势能蓄积系统9。势能蓄积系统9的作用包括将能量倒转，进一步补偿缆绳4和张紧-缓冲系统8不能完全补偿的大突变载荷，参照图11，作为优选实施例，势能蓄积系统9包括至少两个用于减速(gearing-down)的减速滑轮34a和34b，还包括至少一个从地面抬升起来的能竖直拉起的配重块35，优选使用合适的挡块来限制配重块。用于驱动风筝1的缆绳4缠绕在减速滑轮34a和34b上，使缆绳4的张紧保持配重块35提升。在风力系统工作过程中，配重块35能识别自身所处于上下限之间的位置。特别是，如果缆绳4的拉力小于限值(依赖于配重块的质量和构成势能蓄积系统9的滑轮的数量)，配重块35为一最小重量(如图10、图11和图12)。反之亦然，如果缆绳4的拉力大于上述限值，配重块35为一最大重量。因此，势能蓄积系统9具有两个稳定的状态：处于 最小高度和处于最大高度。所有其它中间位置只是从一个状态切换至另一状态的过程。如果配重块35降落，则释放能量；如果配重块35升起，则储存能量。储能系统的减速滑轮34a和34b布置在上下两个层面位置上。靠近每个层面，减速滑轮34a和34b并排安装并且其旋转轴垂直风轮机2上转动臂3。上层的减速滑轮34a限制转动臂3上；下层的减速滑轮34b限制在配重块35上。由于每个风筝1由一对缆绳4驱动，从功能角度而言，将每个势能蓄积系统9的减速滑轮34a和34b分成两个子滑轮组是可以的。两缆绳4中的每一根交替地缠绕至上层的减速滑轮34a和下层的减速滑轮34b。缠绕若干圈后(圈数依赖于势能蓄积系统9所装配的减速滑轮34a和减速滑轮34b的数量)，两缆绳4中的每一根停止向缆绳4绕紧和放松。在风力系统工作时，对应于相应缆绳4上的载荷，每个配重块35保持在最大高度。在风筝升起循环步骤中，为了不使其方向与与其所连接的转动臂的旋转相反，缆绳的载荷比前一步骤中低很多，前一步骤主要是往上提升作用。缆绳4载荷减小使得配重块35下降，这是为了弥补载荷较低并保持缆绳4被拉紧。当回复至往上提升步骤，智能控制系统阻止绕入-绕出系统10中的第一绞盘11一段时间，以便配重块35在缆绳4载荷下提升起来，由此储存势能。系统必须定好尺寸，使在操作循环中缆绳缺乏拉力作用大的阶段过程中发生的张力降完全由配重块35下降来补偿，无需缆绳4的绕入-绕出系统10干预。对张紧-缓冲系统8而言，其状况是相似的，各势能蓄积系统9的减速滑轮34a和34b的两子系统连接到单独的配重块35上这一点是很重要的。如果事实上减速滑轮34a和34b的每个子系统固定在不同的配重块上，智能控制系统对风筝1的可驱动性能将被削弱。 
在优选实施例中(图中未显示)，势能蓄积系统9也能用液压储能系统来实现。在该实施例中，所储存的能量不在是重力势能，而是液体被压缩后释放 的能量。风轮机2的转动臂3的上游装设有一个势能蓄积系统9。显然，该势能蓄积系统9与转动臂3是集成一体式的。 
从图12中可以看出，缆绳4的绕入-绕出系统10是风轮机2上被置于势能蓄积系统9和储缆系统12之间的元件。风轮机2的各转动臂3均装设有一绕入-绕出系统10.作为优选方案，每个绕入-绕出系统10包括一对第一绞盘11，用于将相对应的风筝1上的那对缆绳4绕于其上，这些第一绞盘11通过一对减速器连接至一对第一马达36上，该马达有智能控制系统来掌控启动，通过以上第一绞盘11实现对风筝1的驱动。 
当释放出势能蓄积系统9上的减速滑轮34a时，每根缆绳4绕入对应的绕入-绕出系统10上的第一绞盘11上，较好地完成有限次的旋转(如几圈或其它数量的圈数，绕入后层数不超过一层)，之后就绕入储缆系统12中。绕入-绕出系统10实际上承受着整个缆绳的拉力。 
由于连接至风筝1列阵上的缆绳4的长度很长，所以绕入-绕出系统10与缆绳4的储缆系统12之间的差别是必要的。实际上，如果每根缆绳4仅仅配置一个绞盘的话，缆绳将完全地绕入绞盘上(形成多层)，并同时承担着大的载荷。必须要避免这种情况发生，由于不同绳匝之间在绕入和绕出时产生摩擦，这就会使缆绳4磨损，削弱其机械性能。 
作为替换方案，缆绳的绕入-绕出系统10可包括足够数量的如图13中所示的装置37，该装置配置有一对相对的导轨38，缆绳4夹于两履带之间。由于履带组成的夹持部件被活塞3推压贴近，其上装有设定形状的橡胶垫(如轮胎)。在这钟装置中，通过导轨38转动，缆绳4跟随风筝1运动。在该对履带的上游通过绞盘将缆绳绕入，实现缆绳4的储存，这样缆绳的张力最小。 
在进一步的替换方案中，如图14中所示，绕入-绕出系统10的每根缆绳4配置有四个绞盘40。这些绞盘40分两层布置(两个在上层、两个在下层)， 并且它们的转轴相互平行。平均每根缆绳4绕入这些绞盘40四分之三圆周。因为每根缆绳4存在四个绞盘40，所以该系统中绕入这四个绞盘40上的所有圈数等于使用单个绞盘时的三圈。因此，含四个绞盘40的系统能像前述的两替换方案中的第一绞盘一样承受缆绳4的载荷。为了接纳缆绳4并增加缆绳4与绞盘40的接触面积，每个绞盘40与缆绳4之间的摩擦力能通过合适的绞盘40表面形状。 
为了进一步通过向储缆系统12前进来增加缆绳4与绞盘40之间的摩擦，使这四个绞盘的表面粗糙度不相同这一点是可能的。相对于使用一个绞盘的情形，使用四个绞盘40的有点在于采用这种方式后，在缆绳绕入的不同绳匝之间不会出现重叠，在每根缆绳4只装设一个绞盘的绕入-绕出系统10中，当绞盘的辊转动时，缆绳4倾向于往第一绞盘11的面上绕入(依赖于绕入的方向)。缆绳4在绞盘的辊上滑动是必要的，然后通过绕入，缆绳4将会走到第一绞盘的外部，由于滑动的影响，缆绳4仍然存在相邻绳匝之间重叠的风险。这种情况在每根缆绳4装设有四个绞盘40的情况下就不会发生，在每个绞盘40上，甚至不会出现有整圈绳匝的情况。 
风轮机2可以在转动臂3上游的缆绳4上装设一绕入-绕出系统10。显然，这个系统是与转动臂3集成一体式的。 
缆绳4上的储缆系统12是风轮机2用于存放风筝1的缆绳4的元件。 
同样地，对于缆绳4的绕入-绕出系统10，风轮机2的每个转动臂3均装设有一个这样的储缆系统12，如图12所示，每个储缆系统包括至少一对第二绞盘13，相对应的风筝1的该对缆绳4绕入第二绞盘上，这些第二绞盘13通过一对减速器连接至相应的第二马达14上，该第二马达由智能控制系统进行掌控。 
如前所述，储缆系统12不用于驱动风筝1。这样的话，绕入储缆系统12上的第二绞盘13上的缆绳4的张力低于绕入-绕出系统10中的缆绳4绕入第一绞盘11上的部分中的张力。因此，当缆绳4上的载荷最大时，第一绞盘11的辊上的绳匝的数量从来不会布置两层或多于两层。反之亦然，在储缆系统12的第二绞盘13上，缆绳4绕入多层，但是张力是最小的。组成储缆系统12的第二绞盘13的辊的直径要大于绕入-绕出系统10上的第一绞盘11的直径，以使绕入的绳匝层数最小。 
显然，智能控制系统的目的是让缆绳4的绕入-绕出系统10的第一绞盘11的转动与该同一根缆绳绕入的储缆系统12的第二绞盘13同步。这一点对于管控第一绞盘11和第二绞盘13之间的缆绳4上横断面上的载荷是很基本的要求，最起码，在风轮机启动和停止阶段是这样的。 
由于缆绳4上的储缆系统12的第二绞盘13上的绳匝有多层，靠近每个第二绞盘13处必需装设一个引导组件14，用于驱动缆绳4执行有序地绕入第二绞盘13并阻止缆绳4与第二绞盘13表面及绳匝之间的滑动。风轮机2在转动臂3的上游处装设有储缆系统12，显然，这个系统与转动臂3是集成一体式的。 
缆绳4的引导组件14是风轮机2用于驱动缆绳4执行有序绕入储缆系统12上的第二绞盘13动作并且阻止缆绳4与第二绞盘13表面及缆绳4的绳匝之间滑动的元件。 
图10所示的优选实施例中，引导组件14配置有滑块42，其被限制在与第二绞盘13轴心平行的轨道中，滑块42能双向移动并且还装有一第四滑轮28。特别地，滑块42在第二绞盘13的每一个转动步骤中均会移动，根据机械远离，可以有两种不同的产生直线运动的模块用来实现滑块42的运动：螺纹传动(screw-controlled)和带传动(belt-controlled)。在螺纹传动中，滑块42的平移由精密的循环滚珠丝杠驱动；在带传动中，滑块42装于有齿的皮带上。 
在缆绳的引导组件14中，滑块的移动与第二绞盘13的转动是一起发生的，第二绞盘被驱动风筝1的智能控制系统控制的第三电动马达43带动。 
在风轮机2中，靠近每个转动臂3存在一对缆绳引导组件14，储缆系统12的每个第二绞盘13对应着一引导组件。 
作为缆绳引导组件14之用途的替换方案，将缆绳4对应的储缆系统12上的第二绞盘13置于滑车44上是可能的。滑车在与对应的第二绞盘13的旋转轴线平行的轨道45上移动。如图15中替换方案所示。滑车44的滑动由滑动装置驱动，其与第二绞盘13的转动一起动作，通过智能控制系统管控的电动马达来带动其转动，可能用到至少一个外摆线减速器。采用这一配置后，由于第二绞盘13移动来将缆绳4有序绕入，缆绳引导组件14不再必要。 
风轮机2还装设有既能作为发电机而工作又能作为马达而工作的发电机-马达系统。 
该电动马达是风轮机用于驱动第一、二绞盘11、13及缆绳引导组件14的元件。特别地，对于每根缆绳4，风轮机2配置有三个电动马达： 
-第一电动马达36负责缆绳4上绕入-绕出系统10的第一绞盘11的转动； 
-第二电动马达41负责缆绳4上的储缆系统12的第二绞盘13的转动； 
-第三电动马达43扶着缆绳4上引导组件14上的或滑车44上的滑块42的移动，滑车44上装设有第二绞盘13。 
第一、二、三电动马达36、41、43中的每个通过减速器如外摆线减速器连接至相应的绞盘或缆绳引导组件上。 
由于这些电动马达36、41、43也能发电，第一电动马达36通过利用风筝1作用在缆绳4上的绕入-绕出系统10的第一绞盘11的拉力来发电是可能的。实际上，这个未被抵消的牵引力能被用于驱动第一电动马达36通过第一绞盘11转动进行发电。通过该模式发电过程类似与欧洲专利EP 1672214中的方案。 
电动马达有智能控制系统和风筝1对应的缆绳4上的其它部件显然应该同步工作。 
发电机-马达15a或15b是风轮机2用来发电的部件。风轮机2工作时，由转动臂3的转动来带动其工作。有关电能转换，可以采用两种发电机在风轮机内的不同配置，较简单的配置包括将发电机15a置于风轮机2的中央处。特别地，可以确定三个供选择的方案： 
-实现单一的发电系统，可将安装在风轮机2的转动臂3的中转轴16作为转子，将安装固定在风轮机2中央的零件作为定子。建议在转子行采用永久磁铁(因为不需要任何电源供电)，在定子上采用发电线圈； 
-使用单一发电机，其转子由中转轴16驱动，在中间接入增速器(multiplier)以实现增加旋转的输入速度； 
-通过变速器系统(gears)启动多个发电机，变速器系统具有一个与多个小齿轮啮合的齿轮，每个小齿轮带动一个发电机，达到带动多个发电机的目的。 
另一种配置方案是将发电机15a置于风轮机2的中央，其只有当风轮机2的转动臂3通过减震桁车20静止在地面时才适用。该方案中，发电机15b直接置于减震桁车20上，并且由轮子21的转动来驱动。如可以考虑将每个滑车配四个发电机15b，每个轮子21上配两个，，每个部件上一个。如果该方案被采用，提供一个用于将转动部件上的电能传递至风轮机2上的固定部件的带调路板(manifold)的结构是必要的。 
这个配置相对于之前的配置有以下有点： 
-通过适当确定减震桁车20轮子21的直径和轮子21与风轮机2中心的距离，那么轮子的角速度大于风轮机2的速度。这明显是一个关系到发电机15b的尺寸的有点； 
-如果发电机15b装配在减震桁车20上，那么对风轮机2的转动臂3的刚度要求较低。因为运动转矩在其产生的地方即被释放，因此转动臂3的弯矩是较低的。较低的刚度意味着转动臂3具有较小的重量，且因惯性(在启动时间)所耗费的能量损失较小，最首要的是降低了制造该结构的成本。 
在本发明的风轮机2中，为了使风筝1升起更加容易，发电机-马达系统15a或15b也可作为马达使用，其在启动时决定转动臂3的转动。 
发电机-马达系统15a或15b由智能控制系统驱动，并且风轮机2配置有不定数量的发电机-马达系统15a或15b，根据实际装配在支撑臂5b的支撑系统或置于风轮机2的中西。 
智能控制系统是用来自动驱动风筝1的系统。该元件主要任务是通过驱动绕入-绕出系统10中的和储缆系统12中的第一、二绞盘11、13转动的马达来自动控制和驱动每个风筝1的飞行。显然，每个风筝1与其它风筝独立地驱动，但无论如何，要避免飞行时相互干扰。 
对单个风筝1的飞行的自动控制由智能控制系统执行，通过预先的控制算法，可以避免风筝1驱动时摆动、不稳定及局部牵引力增大的情况发生。为了优化在最大安全度、最大程度符合动态参数及最小化从当前位置至预测的位置的循环条件下所产生的能量，风筝1运行的路径是被事先预定。 
单个风筝1的自动驱动通过实时处理来子地面和风筝1上的传感器的信息来实现。为了不将无线通信过载，在风筝1上对传感器探测到的数据进行预处理是必要的。输入信息涉及风筝的空间位置、加速、受力(如从马达扭矩读出的缆绳载荷)及几何量(geometrically defined quantities)，该过程通过预定的算法处理输入信息并产生一可驱动连接在第一绞盘11、13的输出。 
输入信息的处理需要一定的时间间隔，这与所处理的数据长度成正比。通过最小化时间间隔的长度来减小风筝1被驱动的迟滞。由于这个原因，人们趋 向于优先考虑短时长的分析，但是短时长分析不能从时间上深度优化对其路径进行预测。因此，优先考虑一个折中的优化解决方案是重要的，其是数据可在短时间内加工处理，但要足够长到能预测出一条优化路径。无论如何，假定预测一个比所描述的更长的路径是没有用的，这一点是合情理的。 
预定的算法在每个瞬时根据飞行状况和控制参数(如飞行高度、配重情况、牵引力状况、禁止进入区域的安全性估算(结构应力的位置、不稳定性或受力过大)、驱动必须执行的瞬时时长...)来确定下一个瞬时必须发生的最优位置。对每个瞬时时长，风筝1应该在该瞬时时长到达的最适宜位置的坐标(指参数)符合每个参数。每个参数也指派一个相对重量，其设置是在每个瞬时通过可改正最关键的重量参数的反馈系统来设定，其目的是为了使得关于这些参数的结论更加重要。一旦收集到对于每个参数而言都是最好的情况所对应的坐标，预测时考虑的每个瞬时时长参数的矢量和会被执行。最后，导入时间之后，为每个瞬时时长计算优先短时策略、最适宜坐标的权重。 
预测到风筝1在下个瞬时时长必须发生的最理想的位置之后，实时程序确定风筝1运行到该位置的最佳路线。用于该目的的算法使用关于飞行、风筝规格和依赖于缆绳4上牵引力微分的自变量变化率(reaction percentage)的方程式来确定风筝运动规律。为了管控因惯性原因，动力链弹性变形和测量延迟引起的摆动和过量增量，通过合适的控制技术驱动被校准。 
智能控制系统的功能不仅仅只局限于对第一、二绞盘11、13的转动进行控制。实际上，该系统还包括一自我校准子系统，其对风筝1上的传感器组进行自我校准程序。 
装配至风筝1上的传感器实际上已有一个出厂校准，自我校准的必要性来自于传感器对某些外部变量的怀疑而这些外部变量是用来修改测量数值与实际值的符合性。外部参数之中包括： 
-传感器在风筝1上的装配准确性(即柔性支撑)； 
-校准的时间； 
-温度变化(其可以使传感器发生漂移)； 
飞行姿态变化不能归于外部变量，外部变量的作用必须是可以被补偿的，因为它们使输出变量能准确地被测量。 
磁铁和电磁铁的磁场及地面参考的临时中断的变化看作是干扰。 
执行传感器自我校准的方法本质上基于直接传感器能提供给系统的冗余级别(redundancy level)，而且，智能控制系统拥有的所有来自风力系统的所获取信息。例如，缆绳形成的角度及结构上测得的力分布情况。 
另外，由与可用的测量共同工作的直接传感器所提供的瞬时冗余，可能使用一周期性冗余，基于同一风力系统的校准检查。当风力系统工作时，传感器与风筝1在空中一起运动，考虑到每个传感器的笛卡尔坐标参照系统、重力加速度矢量和地球磁场矢量改变方向，但保持它们的模数不变。由于矢量模数由每个传感器测得的三个分量的矢量和决定。创建依赖于其位置的从相关错误获取的系统方程是可能的。利用合适的数学方法，该错误能进入到反馈循环中并工作于每根单轴的增益和偏移参数基础上。 
更进一步提供本质上已知的加速度仪和磁强仪传感器之间的交互作用是可能的，由于它的固有属性和依赖于被选择的用于安装风力系统的位置这一实际情况，地球磁场与重力加速度方向之间有一恒定的倾斜。该两矢量的夹角被认为是一关于风力系统作为一整体的自我校准的控制变量。 
关于磁力计的使用，必须记住，因为地磁场根据地理位置和地区会发生角度变化，这些仪器的出厂校准对工作地点是不合适的。磁力计在第一次系统启动步骤重新校准是必须的。 
保持自我校准程序一直处于活跃状态，还可作为诊断程序来使用。在这种情况下，万一有临时干扰，必须提供一些陷阱(trap)来捕获这些干扰，以防止之前的校准被视为无效。 
自我校准程序必须能尽可能快地向正常的校准集中，然而，要避免削弱之前获得的结果。为达到这些目的，可以用统计、收集及错误变化的评估方式，通过该方式，校准数据库可以建立起来，参考该数据库降低自我校准子系统的出错可能性。 
上述系统必须能在不干涉到风力系统正常工作的前提下工作，由于还没有能足够以保证充分安全的校准数据可以利用，这些原理不能在第一次启动风力系统就能观测得到。最初施加给风筝1的限定几何路径可被忽略掉，为避开使用所有的系统自由度。由于通过绝对传感器来对零部件进行选取，所以本质上来说会更安全，如加速度仪，其出厂预校准对于风力系统启动而言认为是可靠的。在空中运动的自由度是受限的，直到自我校准算法达成一致为止。这个步骤需要相对较短的时间周期，几秒钟的时间。风力系统的每一个完整的工作循环有助于使校准更准确。从优化自我校准这个角度来看，几个工作循环之后，系统被认为已处于稳定状态。但是，在风力系统工作循环中，自我校准一直处于激活状态，其是在后台运行的。 
智能控制系统进一步包括一安全子系统，风筝1飞行时，该系统进一步干预以防止风筝1与可能出现的位于风力系统飞行空间的飞行器或飞行物相撞。 
实际上，风力系统占用的空间，能被其它能飞上天的物体横越时，如飞行器和小鸟。首先，在其它类型的场合如工厂上方的情况与上述情况类似，比如在原子能工厂上方。因此，建议为风力系统保留一定的空间，即合适面积的禁止飞行物飞入其内的空间区域。 
然而，这些预防措施对于防止风筝1与飞行物相撞还是不够的，还必须考虑不可预见的或紧急的情况。特别地，能入侵到禁飞区域的飞行物体包括： 
-失去航道的飞机，但其装备有能远程求助的识别仪器； 
-由于类别差异，不能通信或被识别的飞机，或者不知道飞机故障发生在何处的飞行物体，包括本风力系统的风筝1； 
-单只或成群的小鸟。 
风筝1通过三个自由度限制在风轮机2上运动，相对于风轮机2的转动平面和缆绳4的长度的缆绳4上的等分线的两导向余弦，这三个自由度可充分使得风筝独立飞行，防止与有可能飞入其区域内的飞行物相撞。 
这个子系统的运行基于对飞行区域的仿真观测(artificial view)，其观测风力系统的飞行区域及邻近区域，如飞行物快速接近飞行区域时，系统作出反应所需的时间所决定扩展空间。本发明的风力系统因此可包括一仿真观测系统，如光学类型的或微波类型的，仿真观测系统与安全子系统一起工作。通常，典型的雷达是一扫描微波束，微波视域产生图像。对使用光学摄像机的情况也与之类似。 
从仿真观测系统中，用于定位飞行物与风力系统自留空间的交叉轨迹的所有的信息能通过合适的数学方法而挑选或推断出来。显然，这样的路线被唯一决定，并且及时更新其变化(为试图避免相撞，飞机被最大程度地操作甚至拐弯)。因为这个原因，给每个靠近的飞机指定一个完美路径是不可能的，而只是一条连续跟新的可行的圆锥双曲线(hyperbolic cone)轨道。为构建这样的锥形，假设是很大的、快速的且可识别的飞行物，知道它们的动态特性并且能够被控制系统获得是必需的。向正靠近的飞行物发出信号后，相互通讯是可以进行的。该双曲圆锥构建在空间和时间上，通过该方式，使风筝1接到该空间禁止飞行的指令，使其绕行来远离同一双曲圆锥标出的区域。 
双曲圆锥有非常可变的特性如形状和依赖于飞行物尺寸、接近的速度和驱动能力。飞行物越是能突然驱动，圆锥的出口边就越宽；飞行物速度越快且驱动能力越低，圆锥的出口边就越窄，越易于预测和限定边界。 
负责实现该双曲圆锥的安全子系统与风筝1的每个控制单元进行通信，其坐标限定禁飞区域，优先考虑风筝1的最优参数。基于当前位置，每个控制单元有不同的信息，在风力系统空间区域和双曲圆锥的交叉区域，基于当前位置和风筝1在该区域内行进的时间。安全子系统计算飞行物的接近速度，并及时提示风力系统设定的位置。交叉区域形成的禁止飞行空间，其几何形状连续更新，提供给每个控制单元的信息也不断更新。禁止的区域能在设定有安全富余量(safety margin)区域的状态下进行观测。如果风筝相对于该区域和可预见的时间而必须用该区域来最佳地定位，则系统允许其通过。在控制层级方面，运行其算法指定安全位置，考虑到对事件的实时相应，重建场景是必要的。在这种方式中，能预测将来会发生的充分复杂的行为及充分早地用程序指令执行安全移动动作。 
用于管理防止相撞的仿真观测系统有相同的、用于在空中风筝1处测量冗余功能的测深，以产生能量。因此，该光学系统输出通过从光栅信号到几何图形、传输提交、合适的数学方法处理最后变成完全已知的矢量，如方向、几何量(sense)、转心(spin)。雷达以充分快的速度扫描以提供精确的预报。通过仿真观测系统，有能将单次扫描中获得的参数组织起来的优点。另外一些用于处理轨道的双曲圆锥和飞机路线的算法的有用信息是风筝1的位置和飞行物的识别标识，其能为预设的飞机或不能分类的能探索性地识别的小鸟或飞机进行动作。 
假使出现紧急情况，风力系统的基本目的(产生电能)变成第二或第三重要的目的。首先，安全子系统将试着避免相撞；其次，避免风力系统在异常条 件下工作，从而保护飞机和风力系统，并在紧急情况消除后允许重新开始能量转换工作。 
假使有未预测到小鸟或飞机，安全子系统将增大风筝1的驱动富余量，达到特别的运转状况或将风筝1控制在受限速度下运转。这样的运动在风筝1具有非常低的规格、本质上超轻并配置有大量的控制装备的条件下是可以实现的。配置有大量的控制装备且超轻的车辆实际上能趋向于无限加速。由于其具有高的可驱动性能，风筝1能保持仅仅需要支撑在空气中的速度，因此，意味着更加可预见、更少突然性的障碍，其不会发出飞行员或小鸟不期望的反作用。 
实际上，一群或一只小鸟当它们看见风筝1时就能作出反应，飞行员也一样。那么建议将轨道或飞机的路线的双曲圆锥排除在仿真观测系统之外。风力系统不应该增添不便和进一步的风险。 
在最后且极紧急的情况下将风筝1快速收回。迅速使系统复位可通过将风筝缆绳的自由段快速绕回来实现。放飞的风筝1将跟随轴向运动即缆绳4的等分线方向运动。 
如最后一种情况所描述的，本发明的风力系统包括一剪力系统(shearingsystem)(未显示)，其与安全子系统协同工作，负责中止风筝的牵引缆绳。这样的设置可使风筝1失去沿绳向的拉力，成为不活动的物体。在该情况下，由所谓的监控器(watch dog)进行管控，其用来干预紧随在智能控制系统失去控制之时。 
如前所述，智能控制系统还分管启动缆绳4的引导组件14。用于启动引导组件14的第三电动马达43被驱动来配合第二绞盘13的转动以带动引导组件14上的滑块42滑动。同样地，如果风力系统没有装配引导组件14，而是装备滑车44，那么智能控制系统将驱动马达运转，马达再带动滑车移动。 
因此，是通过智能控制系统来对滑块42或第二绞盘13的速度和移动方向进行调整来使缆绳4有序地绕入第二绞盘13上，并防止缆绳与绞盘表面及缆绳与缆绳之间滑动。 
智能控制系统也管控发电机-马达系统15a或15b的运转。特别地，该控制系统干预风轮机2的启动，启动马达是转动臂3转动及使风筝1容易升起。 
智能控制系统最终能辨别并及时处理不可预见的事件，如风力冲击和载荷消失等情况。一旦出现风力冲击，如果载荷增量未张紧-缓冲系统8完全补偿，该控制系统将通过减小缆绳4的张力来干预风力系统以避免过载而损坏风力系统。这一过程是通过启动第一绞盘11工作来实现的，其使缆绳4快速释放。应该避免载荷突然下降，如果缆绳4上没有拉力，风筝1将因无驱动力而降落。在标准的操作循环中，载荷下降发生在拉力消失阶段之后。然而这种张力下跌是可预见的，因此，势能蓄积系统9需按规定的尺寸来制作以保证在绕入-绕出系统10没有干预的情况下，缆绳4上有合适的张紧力。如果有载荷突然降低的情况，不发生在张力消失的阶段，如张紧-缓冲系统8为对载荷下跌采取补偿，那么智能控制系统将使缆绳4快速绕入来进行干预。在该方式中，被控制的风筝1列阵将回复至原位。 
供电系统包括用来实现存储和输出电能的所有必要元件。特别地，风轮机2装备有电源、变压器和用于存储所产生的电能的蓄电池(accumulator)。电能用于在风能机2启动和风筝1复位时输送电能至马达、给所有的电子元件及向外部用户使用。风力系统的所有电子元件的工作均由智能控制系统进行控制。 
从以上描述中可清楚看出，本发明的风力系统是一个转轴垂直布置的风轮机，其由智能控制系统自动驱动的风筝带动进行工作。考虑到现有技术中提出的方案，这样的风力系统给出了一种创新的风筝控制模式，该模式中飞行牵引 缆绳与发电动力缆绳不必区分开来，其功能由风筝1的单对缆绳4实现。然而在现存的方案中，存在用于驱动风筝的绞盘和用于将风筝复位并且发电的绞盘。在本发明的风力系统中，第一绞盘11专门用于风筝1的驱动，并且通过绕于第一绞盘11上的同一缆绳4使得转动臂3转动实现能量的转换。风筝的启动角和相对于风的迎风面可通过释放出来的缆绳4的长度进行控制，以便获得最大的可输出的能量。 
本发明进一步涉及使用上述风力系统进行发电的方法。 
总的来说，本发明的发电方法包括由风能想电能进行能量转换的转换步骤，利用本发明的风力系统实现。该方法包括风力系统工作过程中重复执行的四个步骤。以单个转动臂3的情况作为参考，在本发明的前三个步骤中，转动臂3的转动是通过连接在转动臂3上的风筝1从空气流中获取风能驱动进行的。智能控制系统引导风筝1的运动，以便从空气流中获取的能量达到最大，适应于在整个过程中保持这两根缆绳4尽可能垂直转动臂3的情形。实际上，缆绳4越靠近转动臂3的外端部的圆周的切线方向，转动臂3产生的转动转矩牵引力的有用分量就越大。将缆绳4保持与风轮机2的转动臂3垂直这意味着智能控制系统主要利用抬升力即垂直风向的的分量来驱动风筝1。在该方式中，风筝1掠过迎风面前进。然后，风力向前推进，风筝1张紧连接在转动臂3上的缆绳4，该拖拽作用使得转动臂3转动并带动发电机-马达系统15a或15b转动来产生电能，可能用到减速器。必须记住，由于转动臂3被限制在中转轴16上，转动臂3被看作是刚性体的一部分。这意味着工作循环中某一瞬时，能用于转换成电能的能量是所有的转动臂3提供的风能的总和。 
本发明的方法的第四个步骤发生在顺风区域。智能控制系统驱动风筝1快速穿越该区域，不让转动臂3产生任何刹车阻力。特别地，不仅智能控制系统引导风筝1转动，而且在该步骤中，风筝1的拉力作用仍旧存在(即使十分微 弱)。该步骤中，转动臂3的转动主要有前三个步骤中转动臂3的转动及由连接在其它转动臂上的风筝获取的风能的驱动来实现。 
参照图16，其显示了本发明的风力系统在标准工作循环中的潜在路径，并假设风速方向W和转动方向R保持恒定，来看一下风轮机上单个转动臂3的工作情况。本发明的发电方法的四个步骤中，分别由折线a、b、c和d来界定风筝1所处的空间区域的变化情况，该区域依赖于风向W，如下： 
a)该步骤中，风筝1相对于风向W的横向前进(如图16中a区域)。因此，风相对于风筝前进方向横向吹来，风筝1远离转动臂3，缆绳4释放出来的自由段长度增加。在该步骤的起始阶段，风筝1的拖拽作用被用来抬升相应的势能蓄积系统9上的配重块。这是通过利用缆绳4自身的载荷并通过储缆系统12的第二绞盘13转动来实现的。其中，势能被储存起来(在第四阶段的顺风阶段中，当方位转变时，用来补偿缆绳载荷的突然下降)。此步骤中，对飞行轨道进行管控是必需的，优选采用智能控制系统以使风筝1相对于风向W横向前进。由此，风筝1拉紧缆绳4从而带动转动臂3转动，使得各势能蓄积系统9上的配重块35升起； 
b)在该步骤中，风筝1沿着与风向W相同的方向前进(如图16中b区域)。该步骤中风筝1升起，这使得风筝1速度大于风速，并且为了获得拖拽作用，将缆绳4回绕一部分是必要的。尽管出现收回的动作，但能量的收支是正的。该步骤中管控好风筝的飞行轨道是必要的，以使其沿着风向前进。因此，风筝1拉紧缆绳4使转动臂3在拖拽作用下转动，并通过第一绞盘11回绕缆绳4使风筝靠近转动臂，不必降低配重块35； 
c)与上述a)步骤中描述的情形类似，本步骤中，风筝1被带动相对于风向W的方向横向前进(如图16中c区域)，并且因为风筝1远离转动臂3，缆绳4的自由段长度增加。为了使配重块35的高度不下降，释放缆绳4的动 作由智能控制系统进行控制。这使得存储的势能可用于接下来的工作循环中。该步骤中，管控风筝1的飞行轨道是必要的，以使风筝相对于风向W横向前进，从而张紧缆绳4并在拖拽作用下带动转动臂3转动，并且在没有将配重块35下降的前提下通过第一电动马达36带动第一绞盘11将缆绳4释放，使风筝1远离转动臂3； 
d)在该步骤中，风筝1沿风向的相反方向前进(如图16中c区域)。由于执行方位的转换动作，智能控制系统驱动风筝1使其不产生刹车，该转换动作包括在两个交叉成员之间快速转换。该转换过程中，风筝1在空中运行一段距离，该距离等于圆周上产生作用的圆弧的至少三倍。风筝1在没有阻碍转动臂3的转动的前提下降落。该步骤中，在相对短的时间内收回缆绳4的自由段。通过合适地确定势能蓄积系统9的尺寸，能用来补偿缆绳4的载荷下跌并同时通过降低配重块实现回复动作，这就可以不必用智能控制系统来进行干预，智能控制系统通过启动绕入-绕出系统10上的第一、二绞盘11、13进行复位动作。 
方位转换的最后阶段，风筝1置于能获取风能并相对于风向横向前进的位置。因此，在这个步骤中，管控风筝1的飞行轨道以使其沿着风向的相反方向前进，并且对转动臂3的转动不产生任何阻碍作用，并且通过降低配重块35的高度来使风筝1靠近转动臂3、使风筝回到风向W方向的横向升起的初始位置； 
e)对风轮机2的转动臂3的每个完整转动重复执行上述步骤。 
本发明的发电方法中，在横向风力步骤中，风筝1远离转动臂3。相反，在复位和顺风的步骤中，由于需要绕回缆绳4，风筝1靠近转动臂3。总之，在本发明的发电方法的整个循环过程中，风筝1交替地升起和降落，这一选择是首要的(由于技术需要)，转动臂3转动比风筝1要慢；其次，连续的升起 和降落交替变化对从风力中获取能量是十分有利的。实际上，通过掠过风的正面，风筝1能较大程度地获取能量，如下面的详细描述。 
释放缆绳4产生的能量比收回缆绳4所耗费的能量大，因此，能量收支差额是正数。利用本发明的发电方法由于使用智能控制系统实时处理来自风筝1的和来自地面的传感器的信息，使得风筝1主要利用风力的抬升力升起是可行的。这种方式中，每个风筝1的飞行轨道在获取风力能方面是最适宜的。采用这些轨道可以截取最大的空气量。因此本发明的发电方法不但保证发电连续性，也保证相对于现有技术中的同样尺寸的风筝而言，在每个循环中获取的能量是很乐观的。 
作为本发明的风力系统及利用其进行发电的方法具有高的效率的证据，提供一些有关单个风筝1获取能量的论述是能办得到的。 
为了上述目的，参考图17，首先描述风力系统的气体动力学的情况。众所周知，当风吹至静止的空气动力表面(机翼)会产生两个力：平行风向W的拖拽力D和垂直与风向W的抬升力L，假设由薄层状的空气流构成的风流进机翼AS，机翼上表面的空气流AF1比其下表面的空气流AF2要快，这是因为需要流经较长的距离，这就会降低风筝上侧的压力，因此，压力场存在梯度，这样就会产生抬升力L。 
参照图18，假定风筝AM可以沿抬升力的方向DT移动。由于该动作的影响，风筝AM的空气动力学的下表面与风向之间产生倾斜，在该实例中，抬升力和拖拽力分别垂直和平行风向。 
指定S1为与移动方向平行的力、S2为与移动方向垂直的力。抬升力L在平行于移动方向上的分量有与风筝AM移动方向一致的分矢量，但拖拽力D有与其相反的分矢量。 
因为之一原因，为了保持在垂直于风向W上的移动，建议将风正AM倾斜以便获得抬升力L在移动方向上的分量DT与拖拽力D在该方向上的分量的高比率。 
这些论述对单个风筝1的风力系统是有效的。 
实际上，智能控制系统驱动每个风筝1使其保持抬升力和拖拽力之间有高比率。通过缆绳4的拉动，风筝1持续周期性地摆动一掠过风的正面来产生能量。 
单只风筝产生的能量功过特定风能P(Specific Wind Power)与风筝截取的迎风面区域A(风筝的面积)以及风筝动力因子KPF相乘来进行计算。 
该动力因子是一个依赖于飞行速度Vk与风速Vw的比率Vk/Vw和另外两个系数Kd和K1的性能系数。 
系数Kd指拖拽，即风筝拉力和沿风向的速度；系数K1指抬升，即风筝拉力(为掠过风向正面的周期性摆动)。由于抬升作用，风筝速度比风速高，风筝动力相对于拖拽高于和大于抬升力。 
例如，假定Vk/Vw＝10，K1＝1.2，Kd＝0.1。这样可得到KPF＝20。 
假定空气密度为常数且ρ＝1.225Kg/m3，特定风能将是： 
SpecificWindPower＝1/2*ρVw 3＝0.5*1.225*63＝132.3W/m2
由风筝产生的能量KitePower由下面的公式表示： 
KitePower＝KPF*SpecificWindPower*A 
例如，如果风筝有一个18m2的面积，风力以60m/s的速度吹动风筝以6m/s的速度移动，产生的能量将是47628W。该数量为风筝能产生的最大能量。 
通过KPF得出的该数值依赖于风筝效率，使KPF假定值大于20是可能的，例如KPF＝40，能获得的最大的能量是95256W(风筝面积18m2) 
本发明的风力系统使风能转化为电能可以达到兆瓦特级。然而，由于本系统的高可测量性，对风力系统进行修改来产生更高的能量是可行的，如产生功率达到1吉瓦特(1Gigawatt)。 

Claims (25)

1.能量转换风力系统，包括至少一个能置于空气流W中的、能从地面驱动的风筝(1)和一置于地面的转轴垂直布置的风轮机(2)，所述风轮机(2)上安装有至少一转动臂(3)，该转动臂通过缆绳(4)连接所述风筝(1)，风筝(1)能够被驱动来实现转动臂(3)转动并通过风轮机(2)实现风力能向电能的转换，转换过程是通过至少一能用作发电机的发电机-马达系统(15a、15b)与风轮机(2)协同工作来实现；所述缆绳(4)既能在转动臂与所述风筝(1)间传递机械能，又能用于控制所述风筝(1)的飞行轨道，其特征在于：该风力系统还包括一智能控制系统，其能自动控制所述的风筝(1)沿所述的轨道飞行；智能控制系统包括有一系列安装于所述风筝(1)上的传感器和一系列地面传感器。
2.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：该能量转换风力系统包括有与所述智能控制系统协同工作的供管控能量蓄积或输出的供电系统。
3.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：所述的一系列安装于风筝(1)上的传感器以无线通讯的模式将信息发送至智能控制系统。
4.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于风轮机(2)的所述转动臂(3)设有至少一个拉杆支撑系统(5a)或桁车支撑系统(5b)。
5.根据权利要求4所述的能量转换风力系统，特征在于所述拉杆支撑系统(5a)包括有拉杆(17)，拉杆一端固定在风轮机(2)的转动臂(3)上，另一端固定在单独的立柱结构(18)上，所述立柱结构置于风轮机(2)的中央并与转动臂(3)一起转动。
6.根据权利要求4或5所述的能量转换风力系统，特征在于所述的拉杆支撑系统(5a)还包括位于风轮机(2)的转动平面内的第二拉杆(19)，所述第二拉杆的一端固定在风轮机的转动臂(3)上，另一端固定在风轮机(2)的中转轴(16)上。
7.根据权利要求4所述的能量转换风力系统，特征在于所述的桁车支撑系统(5b)包括至少一个供风轮机(2)的转动臂(3)有弹性地停置于地面的减震桁车(20)。
8.根据权利要求7所述的能量转换风力系统，特征在于所述的桁车支撑系统(5b)装设有弹性元件，弹性元件与至少一个减震器(22)平行地配合。
9.根据权利要求7所述的能量转换风力系统，特征在于所述的减震桁车(20)装设有至少一对轮子(21)，该对轮子的旋转中心线穿过风轮机(2)的旋转中心。
10.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：风轮机(2)的转动臂(3)包括至少一供风筝(1)回复至静止状态的复位系统(6)；该复位系统(6)包括至少一圆柱管(6a)；该圆柱管(6a)的出口边进行圆角处理；所述复位系统(6)相对于转动臂(3)倾斜布置。
11.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：风轮机(2)的转动臂(3)包括至少一缩回-推出系统(7)；该缩回-推出系统(7)置于复位系统(6)内；缩回-推出系统(7)包括至少一桁车(23)，复位系统(6)的圆柱管(6a)内部设有至少两条供该桁车滑行的滑轨(24)；桁车(23)通过至少一条由马达减速器带动的皮带驱动；所述缩回-推出系统(7)上安装有人工吹风装置，该人工吹风装置用于产生能推动风筝(1)离开复位系统(6)的人工气流。
12.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：风轮机(2)的转动臂(3)包括一供缆绳(4)张紧和缓冲的张紧-缓冲系统(8)；该张紧-缓冲系统(8)安装有至少一被抬离地面并能在垂直方向上移动的缓冲配重块(29)；该配重块(29)当缆绳(4)张紧时被抬离地面；所述张紧-缓冲系统(8)安 装有至少一机构(30)，该机构包括一铰接于风轮机(2)的转动臂(3)上的铰接杆(32)，所述铰接杆(32)与转动臂(3)通过弹性元件协同工作，所述的弹性元件为至少一个减震弹簧(33)。
13.根据权利要求12所述的能量转换风力系统，特征在于：所述缆绳(4)上的张紧-缓冲系统(8)为一液压蓄能器。
14.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：风轮机(2)的转动臂(3)包括一势能蓄积系统(9)；该势能蓄积系统(9)包括至少两个减速滑轮(34a、34b)和至少一个被抬离地面并能在垂直方向移动的配重块(35)；所述配重块(35)当缆绳(4)张紧而被抬离地面；所述减速滑轮(34a、34b)分别安装在高度方向的下层和上层；位于上层的减速滑轮(34a)固定在风轮机(2)的转动臂(3)上；位于下层的减速滑轮(34b)固定配重块(35)上。
15.根据权利要求14所述的能量转换风力系统，特征在于：所述缆绳(4)交替地绕过上层的一减速滑轮(34a)和下层的一减速滑轮(34b)上。
16.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：风轮机(2)的转动臂(3)包括一用于缆绳(4)绕入和绕出的绕入-绕出系统(10)；该绕入-绕出系统(10)包括至少两个第一绞盘(11)，缆绳(4)中相应的缆绳绕入或绕出第一绞盘，所述各第一绞盘(11)连接至由智能控制系统控制的第一电动马达(36)；第一电动马达(36)也能作为发电机使用；缆绳(4)绕入第一绞盘(11)的绳匝数量是一有限数值，其所绕的匝数只有一层。
17.根据权利要求16所述的能量转换风力系统，特征在于缆绳(4)上的绕入-绕出系统(10)包括至少两对由活塞(39)推紧的相互贴近的导轨(38)，所述缆绳(4)穿入两导轨间。
18.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：风轮机(2)的转动臂(3)包括至少一个供储存缆绳(4)的储缆系统(12)；缆绳(4)的储 缆系统(12)包括至少两个第二绞盘(13)，两缆绳(4)中的缆绳分别绕入相应的第二绞盘中；所述的各第二绞盘(13)连接至少由智能控制系统控制的第二电动马达(41)上；第二绞盘(13)通过至少一外摆线减速器连接至第二电动马达(41)；第二绞盘(13)装设有使缆绳(4)有序绕入第二绞盘(13)的引导组件(14)；第二绞盘(13)安装在滑车(44)上，所述滑车能沿着与第二绞盘(13)的转轴平行的轨道(45)滑动；由与第二绞盘(13)的旋转运动一起动作的滑动机构驱动滑车(44)沿轨道(45)滑动，滑动机构由智能控制系统控制的电动马达驱动工作；所述滑动机构通过至少一外摆线减速器连接至该电动马达。
19.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：转动臂(3)包括一用于引导缆绳(4)朝向风筝(1)的传输系统；该传输系统包括至少一对安装于风筝(1)的缩回-推出系统(7)的桁车(23)上的第一滑轮(25)、安装于风轮机(2)的转动臂(3)上的第二定滑轮(26)、至少一对为缆绳(4)的各张紧-缓冲系统(8)准备的第三滑轮(27)及至少一对安装于缆绳(4)的引导组件(14)的滑动块(42)上的第四滑轮(28)；滑动块(42)沿着与储缆系统(12)的第二绞盘(13)的旋转轴平行的轨道滑动；由与第二绞盘(13)的旋转运动一起动作的滑动机构驱动所述滑车(42)沿所述轨道滑动；滑动机构由智能控制系统控制的第三电动马达(43)驱动工作；滑动机构为螺纹传动类型或带传动类型的滑动机构。
20.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：所述发电机-马达系统(15a、15b)作为发电机工作时由风轮机(2)的转动臂(3)驱动，作为马达工作时由所述的智能控制系统进行控制；所述发电机-马达系统(15a)包括齿轮组，齿轮组有多个小齿轮，各小齿轮驱动与之对应的发电机。
21.根据权利要求7所述的能量转换风力系统，特征在于：所述发电机-马达 系统(15b)装设于所述减震桁车(20)上，并通过转动轮子(21)来驱动；该发电机-马达系统(15b)通过至少一个外摆线减速器与所述的轮子(21)连接；电能从发电机-马达系统(15b)至风轮机(2)的固定部件的传输是通过位于中央或靠近所述轨道的调路板实现。
22.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：智能控制系统基于缆绳(4)的绕入-绕出系统(10)的第一、二绞盘(11、13)和缆绳(4)的储缆系统(12)通过处理程序来引导风筝(1)沿飞行轨道飞行，所述处理程序执行至少一个基于每个瞬时的预测算法来决定风筝(1)接下来至少一个瞬时所必须占据的最优位置，所述预测算法利用飞行和控制参数、来自安装在风筝(1)上的传感器及安装于地面的传感器的信息优先考虑风力产生的抬升力。
23.根据权利要求1所述的能量转换风力系统，特征在于：智能控制系统包括一用于干预风筝(1)飞行以防止飞行碰撞的安全子系统；该安全子系统与仿真观测系统协同工作；仿真观测系统是一种光学类型的或微波类型的仿真系统；安全子系统与缆绳(4)的剪力系统协同工作，剪力系统通过监控器进行管控。
24.应用权利要求1所述的能量转换风力系统进行发电的方法，其特征在于：对于每个风筝(1)，包括如下步骤：
a)控制风筝(1)的飞行轨道使风筝(1)相对于风向W横向前进，风筝(1)张紧连接在风轮机(2)转动臂(3)上的缆绳(4)，风筝(1)拉动转动臂(3)转动并远离风轮机(2)的转动臂(3)，使得势能蓄积系统(9)的配重块(35)抬离地面；
b)控制风筝(1)的飞行轨道使风筝(1)沿着与风向W相同的方向前进，风筝(1)拉紧风轮机(2)转动臂(3)上的缆绳(4)，风轮机通过第一电动马达(36)使第一绞盘(11)回绕缆绳(4)，使转动臂(3)转 动并使风筝(1)靠近转动臂(3)，而不会降低势能蓄积系统(9)上的配重块(35)；
c)控制风筝(1)的飞行轨道使风筝(1)相对于风向W横向前进，风筝(1)拉紧连接于风轮机(2)转动臂(3)上的缆绳(4)，在拉力作用下使转动臂(3)转动，并通过第一电动马达(36)使第一绞盘(11)释放已绕入的缆绳(4)来使风筝(1)离开风轮机(2)转动臂(3)，而不会降低势能蓄积系统(9)上的配重块(35)；
d)控制风筝(1)的飞行轨道使风筝(1)相对于风向W的反方向前进，不对风轮机(2)转动臂(3)的转动产生任何刹车作用，并通过降低势能蓄积系统(9)的配重块(35)使风筝(1)靠近风轮机(2)的转动臂(3)，以使风筝(1)回到起动位置，即相对于风向W横向前进的位置；
e)重复执行上述步骤。
25.根据权利要求24所述的应用能量转换风力系统进行发电的方法，特征在于所述的步骤a、步骤b、步骤c、步骤d和步骤e中的任一或所有步骤均由智能控制系统自动执行。 
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