CN106715897A - 空中装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空中装置(10)，其包括至少三个支撑机翼(12)与连接装置(18)，机翼通过第一柔性缆线(16)连接到彼此，每个机翼都通过第二柔性缆线(20)进一步连接到连接装置(18)，连接装置连接到用于连接到基部(46、48)的第三柔性缆线(22)，当空中装置承载到风中时，第一缆线、第二缆线与第三缆线是张紧的。

Description

空中装置
相关申请的交叉引用
本专利申请要求法国专利申请FR14/57001的优先权，其将通过引用的方式包含于此。
技术领域
本发明涉及用于将风的动能转化为机械能的空中装置。
背景技术
用于将风的动能转化成机械能的空中装置大体上包括风筝或浮空器。优点是此空中装置可以用于与低海拔处相比风通常地更强和/或更有规律的高海拔处。
可以利用空中装置拉动例如船的交通工具。可以利用空中装置来驱动发电机。发电机可以通过空中装置支撑或者定位在地面上。空中装置然后形成使得能够将风的动能转化成电力的机载风力涡轮机。
尤其是与传统风力涡轮机相比，空中装置尤其是当它们用作机载风力涡轮机时的弊端是它们的低效率。此外，空中装置的结构可以是复杂的，并且通过空中装置跟随的轨迹的控制可能是困难的。
发明内容
实施方式的目的旨在克服用于将风的动能转化成机械能的上述空中装置的全部或部分弊端。
实施方式的另一个目的是增加空中装置的效率。
实施方式的另一个目的是用于使空中装置具有简单结构。
实施方式的另一个目的是用于空中装置的跟随轨迹以便简化地控制。
为此目的，实施方式提供了空中装置，其包括至少三个带翼型机翼与连接装置，机翼通过第一柔性缆线连接在一起，各机翼进一步通过第二柔性缆线连接到连接装置，连接装置连接到用于连接到基部的第三柔性缆线，当将空中装置布置在风中时，第一缆线、第二缆线与第三缆线伸展。
根据实施方式，此装置不包括将机翼连接在一起的刚性框架。
根据实施方式，连接装置包括连接到第二部分的第一部分，第二缆线附接到第一部分并且第三缆线附接到第二部分，第一部分能够相对于第二部分枢转。
根据实施方式，机翼中的至少一个包括至少一个第一致动器，其能够改变在所述机翼与其它机翼中的一个之间伸展的第一缆线中的一个的部分的长度。
根据实施方式，机翼中的至少一个包括第二致动器，此第二致动器能够改变在所述机翼与连接装置之间伸展的第二缆线的部分的长度。
根据实施方式，每个机翼都通过至少两个第一缆线连接到至少两个其它机翼。
根据实施方式，每个机翼都包括第一致动器，其能够独立地改变在所述机翼与两个其它机翼之间伸展的所述至少两个第一缆线的部分的长度。
根据实施方式，此装置包括至少两对机翼，每对中的两个机翼通过第一缆线中的一个连接在一起，每对中的每个机翼都通过第一缆线中的另一个连接到另一对的机翼中的至少一个。
根据实施方式，每个机翼的跨度都在从5m到50m的范围内。
根据实施方式，机翼中的至少一个包括通过前缘、后缘、与第一侧边缘与第二侧边缘连接到下表面的上表面，机翼弦从第一侧边缘到第二侧边缘增加并且然后减小。
根据实施方式，对于每个机翼来说，第一缆线中的至少一个通过机翼的侧边缘穿入到机翼中，当空中装置布置在风中时，机翼的侧边缘位于空中装置的最里面。
根据实施方式，对于每个机翼来说，第二缆线都通过机翼的下表面穿入到机翼中。
实施方式还提供了发电系统，其包括诸如先前限定的空中装置以及连接到空中装置的第三缆线的发电机。
实施方式还提供了运输系统，其包括诸如前面限定的空中装置，以及连接到空中装置的第三缆线的尤其是船的交通工具。
附图说明
在下面的具体实施方式的非限定描述中将结合附图详细地说明上述以及其它特点与优点，在附图中：
图1是空中装置的实施方式的局部简化立体图；
图2是包括图1中示出的空中装置的发电系统的部分简化立体图；
图3是包括图1中示出的空中装置的运输系统的局部简化立体图；
图4是图1中示出的空中装置的机翼的实施方式的局部简化俯视图；
图5和图6分别是图1中示出的空中装置的机翼的另一个实施方式的局部且简化的立体图与前视图；
图7是图1中示出的空中装置的机翼的另一个实施方式的局部简化俯视图；以及
图8和图9是图1中示出的空中装置的缆线的实施方式的局部简化横截面视图。
具体实施方式
为了清楚起见，在不同附图中相同的元件以相同的附图标记指示，并且此外，不同附图不是按比例的。在下面的描述中，除非另外指出，术语“基本上”、“大约”、“大致”以及“约为”表示“在10％以内”。
图1示出了空中装置10的实施方式。空中装置10包括至少三个机翼，例如从三个到八个机翼12。优选地，空中装置10包括偶数个机翼12。机翼12通过柔性缆线连接在一起。柔性缆线是可以在外力的动作下变形并且尤其是弯曲而不损坏或撕断的缆线。没有将机翼12连接在一起的刚性框架。作为实例，在其中空中装置10包括四个机翼12的情形中，每个机翼12都通过柔性缆线14连接到各邻近机翼，并且通过柔性缆线16连接到相对机翼。此外，每个机翼12都通过柔性缆线20连接到连接装置18。连接装置18通过柔性缆线22连接到未示出的锚定回路。根据设想的应用，锚定系统可以在地上、在浮标上、或在船上。根据实施方式，连接装置18包括第一部分24，第一部分24使缆线20附接至其，并且连接到使缆线22附接至其的第二部分26。第一部分24能够围绕缆线22的轴线相对于第二部分26枢转。连接装置18可以与旋转件相应。
每个机翼12都对应一翼型，包括下表面30，该下表面通过前缘34、后缘36、指向装置10的外侧的外侧边缘38、以及指向装置10的内部的内侧边缘40连接到上表面32。每个机翼12都可以与例如具有NACA轮廓的压型机翼相应。
根据实施方式，对于每个机翼12来说，缆线14和16基本上都连接到内侧边缘40的相同点。根据实施方式，对于各机翼12来说，缆线20在距离前缘34、距离后缘、距离外侧边缘38以及距离内侧边缘40一定距离处的下表面30的点处连接到机翼12。作为变型，缆线20可以连接到内侧边缘40。
空中装置10如下操作。在通过箭头42示意性地示出的风的动作下，机翼12在提升力的作用下移动。离心力趋于径向地分离机翼12，使得缆线14和16永久地伸展。然后获得了在图1中通过箭头44示出的机翼12的旋转运动。施加在各机翼12上的提升力导致拉动缆线20，并且由此拉动缆线22。由此获得将风42的动能到机械能的转化以便拉动缆线22。优选地，缆线20连接到下表面30，使得机翼12的纵向轴线与缆线16对准。
空中装置10的机翼12如地面上的风力涡轮机的叶片一样旋转。本实施方式以这样的事实为基础，对于在地面上的传统风力涡轮机来说，在操作中对于捕获风的动能来说最有效的叶片部分定位在叶片的自由端附近，在该自由端由于风产生的驱动转矩最大。机翼12由此定位在其中由于风42产生的驱动转矩最大的有用区域中，并且缆线14、16、20定位在其中由于风42产生的驱动转矩小的区域中。由此，通过机翼12描述的表面区域在它们运动过程中可以是大的，同时空中装置具有简单结构与小的重量。
优选地，在空中装置10的操作中的最大直径在从20m到200m，优选为从100m到150m的范围内。在不计算缆线22的情况下空中装置10的重量可以在从20千克到20吨的范围内。在机翼操作中的旋转速度可以在从每分钟1.5到200转的范围内。
图2示出了其中空中装置10的缆线22连接到发电机46的发电系统45的实施方式。作为变型，每个机翼12都可以包括发电机，其包括在机翼12的移动过程中驱动的涡轮机。产生的电能然后可以通过缆线20和22传送到地面。
图3示出了其中空中装置10的缆线22连接到交通工具48的运输系统47的实施方式，在本实例中交通工具是船。空中装置10然后用作用于拉动交通工具48的装置。
图4是图1中示出的空中装置10的机翼12中的一个的实施方式的简化视图。空中装置10中的每个机翼12都可以基本上具有如图4中示出的结构。机翼12形成部分中空闭合件并且在图4中示意性示出了布置在机翼2的内部空间中的多个元件。机翼12例如由合成材料制成。缆线14、16、20可以由合成纤维，尤其是在商标名Kevlar下销售的产品制成。
在下面的描述中，机翼的纵向轴线D指示垂直于两个最远距离平行平面的轴线，它们中的一个与外侧边缘38相切并且另一个与内侧边缘40相切。机翼12的跨度E是这些平面之间的距离。跨度E在从5m到50m，优选地从25m到35m的范围内。在垂直于纵向轴线D的平面中测量的机翼12的弦沿着轴线D不是恒定的。此弦从内侧边缘40增加到最大弦并且然后朝向外侧边缘38减小。最大弦在从0.25m到5m，优选地从1.25m到3.5m的范围内。最大弦基本上定位在远离内侧边缘40的跨度的10％与45％之间，优选的15％与30％之间。远离内侧边缘40的跨度的50％，此弦与最大弦的比率在从60％到100％，优选地从70％到90％的范围内。上表面与下表面之间的最大厚度在位于此位置处的弦的值的从7％到25％，优选地位于此位置的弦的值的从8％到15％的范围内。每个缆线14、16、20都具有从5mm到10cm的范围内的平均直径。
前缘掠角FA表示轴线D与同前缘34相切的平面之间的角度。当在机翼的上表面处观察时，当从轴线D指向切向平面的角度处于逆时针方向时，掠角为正，并且在相反情形中为负。根据实施方式，前缘掠角FA沿着轴线D从内侧边缘40到外侧边缘38变化。根据实施方式，前缘掠角FA当从内侧边缘40开始的距离沿着轴线D增加时依次为负值，并且当从内测边缘40开始的距离沿着轴线D增加时绝对值减小，消除并且然后是正值且朝向外侧边缘38增加。根据实施方式，远离内侧边缘40的跨度的20％，前缘34的掠角在从-20度到5度的范围内，并且远离内侧边缘40的跨度的60％，前缘34的掠角位于从0度到10度的范围内。后缘掠角FF指示与后缘相切的平面与轴线D之间的角度。根据实施方式，后缘掠角FF沿着轴线D从内侧边缘40到外侧边缘38变化。根据实施方式，后缘掠角FF当从内测边缘40开始的距离沿着轴线D增加时依次为正值、零、负值、零、以及正值。根据实施方式，远离内侧边缘40的跨度的20％，后缘掠角FF在从30度到0度的范围内，并且远离内侧边缘40的跨度的60％，后缘掠角FF在从-10度到10度的范围内。
机翼12可以包括扭曲部，即，弦与参考平面之间的角度或俯仰角可以沿着轴线D改变。
机翼12包括：
控制单元50，例如包括处理器；
传感器52，其连接到控制单元50，例如速度传感器、机翼位置传感器，例如GPS(全球定位系统)、陀螺仪、加速度计、导向管、磁力计，和晴雨表；
致动器53，54，55，56，每个致动器53、54、55、56都通过控制单元50控制并且连接到缆线14，16，20中的一个；
至少一个可移动后缘阻流板，在图4中示出了两个可移动阻流板57、58；
连接到控制单元50的远程通信单元59；以及
蓄能器电池60，其用于驱动控制单元50、致动器53、54、55、56以及阻流板57、58的驱动电机。
作为变型，可以通过发电机替换电池60。作为变型，用于供给控制单元50、缆线14、16、20的驱动电机54、以及阻流板57、58的驱动电机的电力可以经由缆线20和22输送到各机翼。
每个致动器53、54、55、56都能够改变机翼12的外部的缆线14、16、或20的伸展部分的长度。作为实例，每个致动器53、54、55、56都能够使缆线14、16、20解开缠绕或缠绕，该致动器连接至缆线14、16、20。由此可以改变在两个机翼12之间延伸的每个缆线14、16的部分的长度以及在机翼12与连接装置18之间延伸的每个缆线20的部分的长度。
每个机翼12的控制单元50都能够经由通信单元59、通过其它机翼12的控制单元50例如根据高频式远程数据传送方法远程地改变信号。每个机翼12的控制单元50可以进一步能够经由通信单元59、通过地面站远程地互换信号。
通过改变阻流板57、58的倾斜以及通过改变在操作中在机翼12之间或者在机翼12与连接装置18之间伸展的缆线14、16和20的部分的长度由控制单元50来执行各机翼12的迎角的控制。根据实施方式，在机翼12的旋转过程中，每个机翼12的迎角都可以周期性地改变。根据另一个实施方式，在其中空中装置10连接到发电机46的情形中，发电机46的操作可以包括第一阶段与第二阶段的交替。在各第一阶段中，控制机翼12的迎角以增加通过空中装置10施加的牵引效应，空中装置10远离发电机46移动。在各第二阶段中，控制机翼12的仰角以减小通过空中装置10施加在缆线22上的牵引效应，以便能够使空中装置10更靠近发电机46，同时花费最小数量的能量。
此外，当将空中装置10从地面提升直到操作高度时，机翼12之间或者机翼12与连接装置18之间的伸展部分14、16、20可以初始地减小以使空中装置10的体积减小。
图5和图6示出了机翼12的另一个实施方式，其中机翼12还包括每个都可以含有移动翻板64的两个稳定器62。第一稳定器62从上表面32突出并且第二稳定器62从下表面30突出。通过控制单元50控制每个稳定器62的可移动翻板64的致动。可移动翻板64的致动尤其使得能够控制空中装置10相对于风42的侧向位置。
每个机翼12都可以设有推进系统。在发动空中装置10以前，机翼12可以布置在支撑件上并且缆线14、16和20的长度可以减小。每个机翼12的推进系统都可以被致动。这致使缆线14、16的伸展，以及机翼12的旋转。在提升效应的作用下，空中装置10在空中上升。缆线14、16、20的长度可以随着空中装置10的高度增加逐渐增加，直到空中装置10到达期望高度。只要空中装置10暴露在足够的风中以保持空中装置10的高度与旋转，那么就可以使机翼12的推进系统去致动。当风42的动力不足以将空中装置10保持在此高度时，推进系统还可以在飞行中被致动，同时空中装置10位于其操作高度。
图7示出了机翼12的实施方式，其中机翼推进系统包括电机驱动螺旋部70，其在操作中根据机翼12的旋转方向从机翼的前缘34突出到机翼的前面。可以通过控制单元50控制电机驱动螺旋部70或者可以通过地面站远程地控制电机驱动螺旋部70。使用电机驱动螺旋部的优点是，其使得能够进一步在操作中根据机翼12的旋转朝向前面移动机翼12的重心。这对于改进机翼稳定性可以是有利的。根据实施方式，螺旋部70可以是可移除的，并且当不使用时至少部分地折叠到机翼12中。作为变型，推进系统可以包括喷射发动机，尤其是火箭发动机或者压缩空气推进系统。
每个机翼12还可以包括未示出的起落架，这允许机翼12在地面上移动。起落架可以是可移除的，以便当不使用时至少部分地折叠到机翼12中。
图8示出了其中每个缆线14、16、20或22或者缆线14、16、20或22中的至少一个具有包括前缘72与后缘74的薄化异型截面。这特别地使得能够减小缆线拖拽。
图9示出了其中每个缆线14、16、20、或22或者缆线14、16、或30中的至少一个还包括容纳在异型壳体78内的芯部76的实施方式。芯部76可以由第一材料制成并且壳体78可以由第二材料制成，第一材料的密度大于第二材料的密度。这使得能够朝向前缘拉动缆线的重心并且由此改进缆线的空气动力学稳定性。
上文已经描述了具有不同变型的多个实施方式。应该指出的是，本领域中的技术人员可以在不显示任何创造性的情况下结合这些不同实施方式和变型的多个元件。特别地，空中装置10可以包括诸如图7中示出的螺旋部70的推进系统，如图8和图9中示出的异型缆线14、16、20，以及起落架。

Claims (13)

1.一种空中装置(10)，其包括至少三个带翼型机翼(12)与连接装置(18)，所述机翼通过第一柔性缆线(14，16)相互连接，每个机翼进一步通过第二柔性缆线(20)连接到所述连接装置(18)，所述连接装置连接到用于连接到基部(46，48)的第三柔性缆线(22)，当将所述空中装置布置在风中时，所述第一缆线、第二缆线与第三缆线伸展，其中，所述机翼(12)中的至少一个包括至少一个第一致动器(53，54)，所述至少一个第一致动器(53，54)能够改变在所述机翼与所述其它机翼中的一个之间伸展的所述第一缆线(16)中的一个的部分的长度。
2.根据权利要求1所述的空中装置，其不包括将所述机翼(12)连接在一起的刚性框架。
3.根据权利要求1所述的空中装置，其中，所述连接装置(18)包括连接到第二部分(26)的第一部分(24)，所述第二缆线(20)附接到所述第一部分并且所述第三缆线(22)附接到所述第二部分，所述第一部分能够相对于所述第二部分枢转。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的空中装置，其中，所述机翼(12)中的至少一个包括第二致动器(56)，所述第二致动器能够改变在所述机翼与所述连接装置(18)之间伸展的所述第二缆线(20)的部分的长度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的空中装置，其中，每个机翼(12)都通过至少两个第一缆线(14，16)连接到至少两个其它机翼。
6.根据权利要求5所述的空中装置，其中，每个机翼(12)都包括第一致动器(53，54)，所述第一致动器(53，54)能够独立地改变在所述机翼与两个其它机翼之间伸展的所述至少两个第一缆线的部分的长度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的空中装置，其包括至少两对机翼(12)，每对中的两个机翼通过所述第一缆线(16)中的一个连接在一起，每对中的每个机翼都通过所述第一缆线中的另一个(14)连接到另一对的机翼中的至少一个。
8.根据权利要求1-7中任一项的空中装置，其中，每个机翼(12)的跨度在从5m到50m的范围内。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的空中装置，其中，所述机翼(12)中的至少一个包括上表面(32)，所述上表面通过前缘(34)、后缘(36)以及第一侧边缘与第二侧边缘(38，40)连接到下表面(30)，机翼弦从所述第一侧边缘到所述第二侧边缘先增大并且然后减小。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，对于每个机翼(12)来说，所述第一缆线(14，16)中的至少一个通过所述机翼(12)的所述侧边缘(40)穿入到所述机翼中，当所述空中装置布置在风中时，所述机翼(12)的所述侧边缘(40)位于所述空中装置的最里面。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其中，对于每个机翼(12)来说，所述第二缆线(20)都经由所述机翼的所述下表面(30)穿入到所述机翼(12)中。
12.一种发电系统(45)，其包括权利要求1到11中任一项的空中装置(10)以及连接到所述空中装置的所述第三缆线(22)的发电机(46)。
13.一种运输系统(47)，其包括权利要求1至11中任一项的所述空中装置(10)以及连接到所述空中装置的所述第三缆线(22)的尤其是船的交通工具(48)。
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