CN107076110B - 用于控制及转向发电牵引风筝或旋转叶轮的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种牵引风筝控制系统，其允许精确可靠地定位牵引风筝或旋转叶轮。标准的牵引风筝具有两到四个用于转向的牵引索。在根据本发明所述的设备中，除转向控制之外，牵引力也应可调节。为尽量减少绳索数，多个牵引风筝借助于连接索(3)相连接而组成一组。该组内的每个单独的牵引风筝均仅具两个牵引索来传递和控制牵引风筝的牵引力。借助于连接索(3)，各个牵引风筝以网状方式彼此相连接。为控制各牵引风筝组或叶轮组的位置，以类似于已知的屋脊型帐篷的方式，斜向下延伸的定位牵引索(4)张拉于外侧牵引风筝处。牵引索(5)实际上则承担所知帐篷杆的功能。牵引风筝组还能够进行横8字形式的水平运动或者循环圆周运动。这样只有单独的伞结构借助旋转轴承(8)以及绳索旋转器(9)而根据运动方向或风向旋转。风向能够通过对各牵引力与各自定位牵引索的长度的对比测量来确定。通过改变与相邻的伞结构或牵引索相比的相对牵引力，牵引风筝组合的位置能够配合风向或所需的运动方向。从而能够使各个牵引风筝组之间的距离最小化。

Description

用于控制及转向发电牵引风筝或旋转叶轮的设备

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的用于控制及转向牵引风筝的设备。

背景技术

在风力发电领域中，已广泛应用具有旋转驱动器的风力设施。此外，还已知使用风能的各种可能用途，例如还借助于牵引风筝发电。在此情形下，利用一个或多个牵引风筝的转向来进行发电，例如参阅公开文献DE102008047261A1。

发明内容

发明目的

为定位或控制牵引风筝，需提供附加的控制装置，例如，在各牵引风筝之下或之中安装机动化运行的控制索。由于定位精度有限，因此各个牵引风筝组之间需要有相当远的距离。

此外，对于不同的计划而言，地面站以可旋转或可移动的方式安置，这就意味着额外的技术费用并且增加设施成本。

解决方案

为解决上述问题，本发明提出权利要求1的特征部分。

在本文所述的申请中，描述了一种用于控制和转向牵引风筝的设备，该牵引风筝用于由风力发电。

为控制牵引力，根据本发明所述牵引风筝分别具有两个牵引索。优选地，这两个牵引索5通过使用导向轮6而承受相等的负荷。借助牵引索长度间的相对变化，能够改变有效牵引力。因而，在使每个风筝的牵引力转向期间，不受风强的影响，能够设定所需的牵引力。在达到最大的理想上升高度后，牵引力最小，再收降伞结构。

借助于连接索3，各个牵引风筝以网状方式彼此相连接。

具体实施方式

牵引风筝的建组

为使用于地面站的连接索的数量最少，替代单个牵引风筝，提供多个相互连接且统一运动的牵引风筝来结合成一组。对此，该组内的每个牵引风筝均借助于连接索3而与其相邻的牵引风筝以网状的方式相连接，因此仅需要两个牵引索来调节和传递牵引力。

为了固定该牵引风筝组在水平方向上的位置，在各自外侧牵引风筝的绳索导向轮6处张拉斜向下延伸的定位索，在原理上正如公知的用于稳固帐篷的定位索。这两个牵引索5实际上在此承担帐篷杆的功能。

通过采用定位索4，纵使作业高度较高，也能精确地定位牵引风筝组合，由此会尽量缩减到各自的相邻牵引风筝组的最短距离，因而实现风力发电厂的集约利用，这一点在大型风力发电厂中十分有益。

尽管在风向变化的情况下，各牵引风筝组还是保持水平取向。只有单独的伞结构及其伞结构牵引索借助旋转轴承8以及绳索旋转器9而根据风向旋转。关于高度，每一组的各个牵引风筝可选择以相等的高度或者以一定高度偏差来布置。因而，在风筝组的水平运动中，能够使相邻牵引风筝的空气涡流降至最低。

测定风向及水平定位

通过基于牵引索5的长度来测量相应的牵引力及相应定位索4的绳索长度，能够确定当前的风向。

外侧牵引风筝(例如S3，如图2a所示)的牵引力被分成两个牵引索5及在侧面张拉的定位索4的牵引力。由此，对牵引风筝的连接索3产生水平力。据此，能够确保各个牵引风筝相互之间保持距离。

同时，还能使牵引风筝组合32在其水平位置相对于当前风向准确取向。

例如，倘若如图2所示的右侧定位索4缩短，则伞结构S3对牵引索5的牵引力有所减小并且其对伞结构S3与S6之间的连接索3产生向右的水平力。

这种定位还额外得助于，如图2a所示，在左侧定位索4处于超负荷的情况下，伞结构S11和S9的牵引力增大并且/或者牵引风筝S6和S3的牵引力略减小。

因伞结构S6与S3之间的距离a1(参见图2a至2c)与相应绳索绞盘12与13的较大水平距离a2相比较小，故作为补充或替选，左侧定位索4的牵引力增加还能够产生额外的水平向左作用的力。从而，例如图5所示的较大型风筝组合也能够用相对较少的定位索4或完全不同这种定位索的方式来进行操作。图2b和2c最后还示出不用附加的定位索3来操作的牵引风筝组合。在此情形下，仅通过对各牵引风筝组合的各外侧牵引风筝的牵引力进行相对调适即实现水平定位。

借助于这类定位辅助，风筝组合也能够例如呈8字形飞动，这在风力很小的情况下致使可用的牵引力增大。借助旋转轴承8以及旋转器9，还能使牵引风筝组32进行简单的循环圆周运动。

如图3所示，三个每隔120°偏置的定位索4足以用于对牵引风筝组的位置进行精确的探测。

通过测量全体牵引索5及必要时定位索4的全部牵引力，实现对牵引风筝组中参与的所有风筝的牵引力进行控制。持续重新计算这些牵引力并且相应校正成所需的额定值。这一点通过相应调适全部绳索绞盘12和13处的松索或拉索速度来实现。由此，避免全体伞结构、绳索区段以及各个绳索绞盘上的超负荷，并且牵引风筝分别以最佳方式相对于风向和牵引力得到定位。

此外，计算且借此选择全部绳索绞盘的松索或拉索速度，这样就能持续最优化发出的电功率，同时还能实现牵引风筝组合32的形状稳定性并且在因强风而超负荷之前实现保护。

多个牵引风筝的组合的另一优势在于针对单个牵引风筝意外坠落的安全性，无论原因是绳索断裂、绳索绞盘12和13故障还是伞结构中的一个发生损坏。这一点十分重要，因为这些牵引风筝在高空作业，因而应避免因意外坠落对设施周边造成危险。通过尽可能高速拉索的布局，增加这种安全性。以这样的方式布设，即便在突然发生风倒的情况下，拉索速度也能高于伞结构的降落速度。

风筝组合的类型

参照图3、图4和图5，对风筝组合相关联的牵引风筝的相应组成、形状和规模予以描述。

在图3中示出10个牵引风筝的较小型组合。这些牵引风筝中的每一个均在水平方向上通过两个(S1、S7、S10)、四个或六个(S8)向不同方向延伸的风筝连接索3保持连在一起或于其各自相邻的牵引风筝保持距离。

图4示出由12个伞结构组成的群组。图5示出例如13或19个伞结构的另一种可行的群组布置方案，例如在矩形或六角形的布置中，这些伞结构彼此相连并且借由四个、六个乃至十二个定位索来装配。

在图5B中示出举例而言19个牵引风筝S1至S19的较大型组合。每一个牵引风筝水平地均通过六个向不同方向延伸的牵引风筝连接索而与相邻的牵引风筝保持距离。

在边缘处，六个定位索4以各60°的水平角距斜向各自的索鼓轮引导。

对于风向也会有所变化的强风暴而言，更有可能在地面附近操作风筝。由此，增大定位索处的侧张紧角，这样就能在牵引风筝连接索3之间形成更大的张力。反之，对于弱风以及稳定的风向而言，风力随着高度升高而显著增强，因此将风筝置于较高的位置。

在图4中示出12个牵引风筝的较小型组合，这些牵引风筝通过六个定位索来装备，所述定位索以在水平面上各自成60°角的方式与其各自的绳索绞盘13相连接。

牵引风筝在抗扭绳索导向轮处旋转

如图6和图7所示，绳索导向轮6由两个索槽组成。一条槽用于使牵引索5转向，而第二条槽使伞结构控制索2转向且引向控制索导向轮7。这种伞结构控制索能够借此将两个牵引索的相对长度变化进一步传递至牵引风筝。在此情形下，伞结构控制索穿过旋转轴承8的中央孔。借助于绳索旋转器9，在牵引风筝的旋转运动中，避免伞结构控制索相对于抗扭的绳索导向轮绞转。与此同时，风筝组32进行持续稳定的圆周运动，这使得牵引力有所提高。借助旋转器9及旋转轴承8，各个伞结构能够进行这种不断的圆圈运动。

改变牵引力-防风暴

强风暴会导致牵引索或牵引风筝超负荷。

通过持续地测量牵引索5的牵引力，能够借助于更改两个牵引索5的相对长度来缩小伞结构的牵引力，借此使其适合于理想的额定值。

为了快速且自动地调整力补偿，将这两个牵引索中的一个牵引索实施成具有较高的弹性。如图6所示，若牵引索5a的弹性小于牵引索5b，则伞结构控制索2的长度缩短，因为该伞结构控制索与牵引索5b相连接。当这两个牵引索5a和5b具有相同的弹性，而通过伞结构控制索2提高牵引索5b一侧的牵引力，由此使该侧在风暴的情况下产生更大的绳索拉伸应变，也能够获得同样的效果。

这种风电设备不依赖于地点，据此能够安装于能源密集的工业中心附近，或者安装为海上设施亦或安装于深水域中。

抗扭地面站

图8示出以抗扭方式设置的索鼓轮12。借助可垂直旋转的第二导向轮16，牵引索5能够跟踪任意风向。

图24a和24b示出另一种起到类似作用的实施方式。

在图25中，在绳索绕在索鼓轮上时，绳索导向轮也承担引导绳索的作用。对此，索鼓轮及绳索导向轮以可水平旋转的方式安置并且通过导向杆以角同步的方式来驱动。

如此同步制导索鼓轮及绳索导向轮，使得绳索在拉紧阶段中始终垂直于索鼓轮。

在图9中示出单个伞结构的整体绳索走向。

海上应用方案

图10至图14c示出海上应用的地面站40的各种不同布置方案，地面站40能够游动或潜水，其以抗风的方式置于水下(参见图14)。在此，只有一种通气管18伸出水外。

借助于导向轮16，两个牵引索都根据风向而转向。在图10和图12中，伞结构在狂风下受护于安全的装载空间中。

地面站容置两个索鼓轮24并且布置于水面下。该空间深置于水下，从而在狂风的情况下，波浪远在地面站的上方。

借助于锚具57，使地面站在位置上固定(参见图14)。

在图15和图16中分别示出用于容纳两个牵引索5的地面站。在图16中示出针对两个索鼓轮而言使用一个共同的索鼓轮的地面站。借助于差分驱动器，伺服电动机能够在两个牵引索5a与5b之间产生相对的长度变化。

借助高风车代替牵引风筝发电

在图18至20中示出替代牵引风筝的旋转式固定叶轮50。一组高风车的姿态控制以基本上与上述牵引风筝相同的方式运作。

借助于导向轮6，使牵引力均匀地分布于两个牵引索。更改两个牵引索彼此的相对长度能够通过伞结构控制索2来调整叶轮。在这种解决方案中，取决于牵引力的绳索纵向变形也通过导向轮6来补偿。

牵引索导向轮6与交叉连接索3在水平方向上以抗扭的方式布置。

通过旋转轴承8及绳索旋转器9实现叶轮的旋转。

安装于旋转轴承上的传感器测量叶轮的旋转角并将该数据发送至地面站。

这种腾空的风力设施在两个工作阶段中运作。

第一阶段：发电(起始高度，例如200m)

风轮组通过风而置身于旋转之中并由升到空中。通过叶轮的旋转，如在常规的风轮中，飞翔力的有效面积增大。在此情形下，叶片漫游(durchstreichen)较大的受风面积59并且产生最大的牵引力。

第二阶段：收降风轮(例如从500m的高度)

如此调整风轮的攻角，使得叶轮更改其旋转方向并且随着牵引力减小而向下骤降至初始高度。在此情形下，叶轮的直径也减到最小，具体方式是，叶片被拉向旋转中心点的方向(参见图20)倘若下降结束，则叶轮的攻角再复原并且换回旋转方向。叶轮再次展开(参见图19和图18)并且再次开始产生顺风攀升的电流。

在地面处，通过牵拉两个牵引索而各自驱动用于发电的发电机。整个周期大概持续1至2分钟。

转子叶片的牵引力可借助于调整两个牵引索的相对长度而得到控制。在着陆之前，使叶轮停止旋转并且借助角度传感器而自动使叶片进入预设的角位置。

使叶轮置于叶轮支架70上并且保持抗风，以便着陆。这些叶轮全自动地自其支架70松脱并且通过整组的圆圈运动(参见图26)而再次拉升，从而重启。

叶轮的功能

每个叶轮由三个单叶片组成。

这些叶片能够非常容易实现，因为它们类似于运动风筝，沿其长度在数个位置上通过牵索1(54)来保持。

借助于叶片定位索58，各个转子叶片彼此相连并且固定(如图18和图21所示)。每三个附加的固定索59固定于叶片中部并且在伸展状态下确保叶轮的形状稳定性。

各叶片的牵索58通过导向轮61来引导并且在旋转中心点与控制索相连接。

借助控制索2，能够改变有效面积59并借此改变转子叶片的牵引力。在弱风情况下，三个转子叶片彼此远离(参见图18)，从而获得最大的有效面积。旋转中心点的控制索在顺风期间释放应变。

随着风强增大，通过牵拉控制索2，将转子叶片拉近旋转中心点，使得转子叶片的有效面积减小。

对此，通过控制索2强牵索58和固定索59收拉至旋转中心点60。呈十字形布置的固定索62保持其原始长度。

转子叶片的有效面积缩小，由此也使叶片的牵引力有所减小。

在风力持续增强的情况下，转子叶片的有效面积最终减至最小(参见图20)，这就导致进一步减小牵引力。在这种姿态下，在湍流和高风速时也能确保叶轮的形状安全。

倘若还继续牵拉伞结构控制索2，则如图21和图22所示，完全消除叶片的攻角，这样就使叶轮停止旋转。由此，进一步减小牵引力。

通过牵拉控制索2实现攻角的调整，由此使控制索51向右移动(参见图21和图22)。从而，牵引索52的绳索长度缩短，由此改变攻角(参见图22)。

在正常的旋转运行中，攻角α＞90°会确保叶轮正向旋转。通过叶片牵引索1，得到大部分叶片上升的牵引力。在正常运行期间，与叶片牵引索相连接的定位索52确定攻角(参见图22)。

通过触碰叶片內缘，借助于控制索2、51和52设定α＜90°的负攻角，这样叶片就开始反向旋转。

在着陆阶段中，借此能够通过相应地拉曳控制索而如愿调节叶轮相对于固持装置的旋转角位置。置于旋转轴承上的角度传感器就此持续测量叶轮的旋转角并经由无线电将其报告至地面站。

根据旋转调整攻角

为确保叶轮10在运转中处于牵引索5的所需牵引方向上，类似于控制直升飞机，根据旋转对叶轮攻角进行调整。

在图23中示出这种功能。管件63使导向轮的牵引方向导过牵引风筝连接索3的连接点。在其上端存在两个旋转轴承8。在这两个旋转轴承8中的下方旋转轴承上固定有三个伞结构牵引索1(54)，而在上方旋转轴承8上布置有杆件53，该杆件在其外端固定控制索51，用于根据旋转来调整攻角。

倘若叶轮改变其相对于管件63的牵引方向，则伞结构牵引索1的相对长度相对于控制索51的长度进行调整。这种长度变化使控制索51继续牵引运动并且导致牵引索52的长度变化。以此实现根据旋转来调整叶轮的攻角。借此使叶轮的牵引方向相对于牵引索1的角度得到稳定。通过借助牵引索进行调整，能够获得根据旋转调整攻角的长期稳健的作用。

叶轮的固持装置

容纳装置用于在无风、雷雨风暴或设施服务期间妥善地保管叶轮。

如图27a和27b所示，对叶轮支架70的伞结构容纳部能够垂直地进行调整并且以可水平旋转的方式支承。这种着陆装置在其高度上如此敷设，使得叶片的牵引索连同牵引索的导向轮24并未达至索鼓轮24(参见图28)。出于服务目的，将该着陆装置设计成可折叠72。

着陆后，便用固定夹73围住叶片，这样就确保以防风暴的方式进行保存。在启动和着陆期间，展开固持装置。在升起叶轮之后，便收回固持装置。

叶轮组的启动和着陆

收降叶轮

在着陆过程期间，叶轮支架70伸出并且水平定位成其任何外缘都不会触碰到交叉连接索(参见图30a)。借助于索鼓轮13对交叉连接索3进行控制，使得叶轮70的两个牵引索5顺势滑近左侧外缘。

一旦交叉连接索抵达叶轮支架70之下，便使该叶轮支架进行旋转(参见图30b)。与此同时，对叶轮50的齿廓攻角α进行控制，使得叶片的旋转角完全对准叶轮支架50。

此时，借助于索鼓轮13对交叉连接索3进行控制

借此，叶片牵引索1自动地位于叶轮支架内。

此时，如图30c所示，叶轮覆在叶轮支架71的形状上。固定夹73伸出并且扣住叶轮50。

将叶轮支架收回(参见图27b)。此时，叶轮抵达地面，抵抗风暴。

在此情形下同时收回全部叶轮。

重启叶轮

借助交叉连接索3实现叶轮组的重新启动(参见图31a至图31c)。对此，侧向的交叉连接索4的索鼓轮13构成张紧的网格。该网格朝向当前的风向运动。固定夹73仍扣住叶轮50，这样叶片牵引索1就开始张紧。

倘若产生张紧，则所有叶轮50处的固定夹73同时打开并且释放叶轮(参见图31c)。

网格加速其水平迎风运动。

叶轮迅速从叶轮支架70拉开并且开始升高。叶轮支架71迅速收回72，因此不会使交叉连接索3缠入其中。

借助于定位索，如图26所示，叶轮组呈圆周运动，这样就能始终继续拉升叶轮。

在此情形下，交叉连接索3(网格)呈圆圈而抗扭的方式运动。

过载保护

为使牵引索及叶片在重量和成本方面得到优化，对叶片的牵引力应用限制。如图32所示，叶片牵引索1进入叶片的前区内，通过两个导向轮转向，最后再于叶片轮廓的右侧(参见图32)延伸出来。叶片内部中的弹簧使绳索52抵靠在挡块上向上拉。风对叶片的总力大多在叶片牵引索1上，使得一个作用力作用于牵引弹簧。在强风暴下，作用力F3超过两个作用力之和F1+F2，这就导致弹簧伸长并且叶片左侧升高。与此同时，减轻叶片的负载并且使牵引索1获得牵引力。

再填充装置

具有太阳能流体的太阳能设备存在若干用于填充或再填充的填装方法。因此提供泵，其利用根据齿轮原理来驱动的钻床工作。这种装置所获得的压力通常都会因泄漏较多而不足。

此外，存在手泵，其从敞开的容器中抽吸太阳能流体并且压入太阳能设备中。然而，填充及排空槽盆造价高昂且繁复并且连接管的通风也非常繁复。填充进展得非常缓慢。

所述的装置借助压缩空气使太阳能流体从压力容器103压入太阳能设备114中。这种压力容器在任一载客汽车(PKW)中用作散热器稳压罐，由此是价格低廉的外购件。

为了开始太阳能容器的填充过程，一次性从罐体101向压力容器103填充太阳能流体。在关闭压力容器之后，使填充管与太阳能设备相连接。此时，优选从空气压缩机的压缩空气喷枪使压缩空气通过压缩空气连接管泵入压力容器中。太阳能流体首先被压入再填充管111，而再填充管中的空气通过自动排气口逸出。止回阀108在此防止太阳能流体从压力容器103流入罐体。在再填充管完全填充有太阳能流体之后，压力超过150mbar后，开始通过填充管110填充太阳能设备。

就在压力容器103完全排空之前，打开压缩空气连接装置并且从压力容器中排出空气。止回阀106防止流体再从太阳能设备流出。此时，从置于稍高处的罐体101抽吸太阳能流体并且导入较深处的压力容器中。就在将其完全填满之前，从压缩空气喷枪向压缩空气管输入压缩空气，由此再一次向太阳能设备填充太阳能流体。该过程反复交替进行压缩空气的注气与排气，直至使太阳能设备完全填满。

所述再填充装置的特征在于：

-简单且可靠的功能性

-拆卸后不会无意泄露太阳能流体→两个管端(填充管及再填充管)都借助于止回阀而防止流出

-直接从罐体中抽吸太阳能流体

-制造成本低廉，因为压力容器为数众多地构建于各PKW中

-容易借助于将填充管(不会在旋开时因RV而损耗流体)罐体而排空填充装置。随后将压缩空气管插入罐体并且抬高另一管端。

-通常用现有的空气压缩机来产生压缩空气-必要时还借助于自行车脚踏式活塞泵

利用水压在海底蓄能

针对替代能源的进一步发展，能量的贮存十分重要。当今已有在海洋的深水域中借助风力发电的可行途径。根据研究，十分之九的特大城市靠近海岸。三十年以来，四分之三的人口居住在海边或沿海地区。在此情形下，海洋距大多数海岸线约30km处的的水深已然超过1000m。据此，不仅能够在海洋中产生替代能源而且还能存储替代产生的能源，从而能够简单地实现从城市海岸向这些人口密集地区供应各自所需的能量。

特征及优势

·卓越的环境适应能力，因为与常规的抽水蓄能电站相比，不会对环境产生影响

·可扩建至任意规模，因为在海底存在足够的位置

·设施的能力密度高，因为水压很高

·准备时间短，因为(一旦开发)能够批量生产

·类似于公知飞盘的构型在壁厚相同的情况下实现远大于球状存储器的设施

·居民的接纳度高，因为置于海底不会为人所见

·存储器在完全排空的状态下能漂浮，借此在服务或修缮事件中能够随时通过简单的方式浮出水面

ο简化对设施部件的服务或修缮

ο容易从制备地点输送至所需的使用地点

·水泵涡轮机能够用于水深达1000m

·通过使用预制模块及预制模板施工，简单地制造蜂窝状单柱

·涡轮机的第一压缩机级具有较大体积，由此即便在低绝对压力或真空下也具抽吸能力

·潜在风险低，因为存储器置于较深处

·直接在水中进行制造-故无需昂贵且视情况受限于存储器尺寸的旱坞

·在海岸批量制造，故极具成本效益(与现有抽水蓄能电站的通常难以进入的独立施工场地更加高效)

·布线极短，由此动态响应性能绝佳，因为水体在输送管路中的惯性较小

·存储器的位置可能靠近消费者(例如，海岸线距人口密集中心≤30km)

ο39％的人口居住地离海岸线不到100km(20％不到30km)

ο通常距海岸线30km即为深水域(＞1000m水深)

·没有支脚，由此能够浮出水面(在海底用薄膜封闭存储器底面的腔室，以便根据液压原理获得均匀分布的支承力；存储器装满后的净重约为460000吨！)

·超压较小，即存储器与海底(存储器腔室高度在20m时，最大1.6bar)

·存储器自重较小(与海蛋(Meer-Ei)相比)

·内壁仅承垂直力

·底板及盖板承水平力

针对替代能源生产的进一步发展，提供存储容量较大的蓄能器十分重要。

对此，迄今通常使用抽水蓄能电站。在德国的全部抽水蓄能电站的总存储容量约为40GWh。然而，为进一步发展可再生能源(太阳能及风力)，需要这一当前可用存储容量的数倍。

在德国不可能进一步大幅扩建常规的抽水蓄能电站。由于在进一步扩建风力发电站方面的需求日益增长，全球市场对抽水蓄能电站的广泛研究在近十年里前所未有地发展起来。到2020年，将建成超过100个新设施，装机功率大概为74千兆瓦特。

另一方面表明，在世界范围内的所有都市区或特大城市中，多数位于临海。有鉴于此，使用海洋作为存储发电能的地点或介质非常合理。此外，在此期间，在海洋的深水域中也能够由风力产生电能，例如通过牵引风筝或者风轮的漂浮结构的形式。

补充存储风能表现为向沿海的人口中心供给能量的理想解决方案，这样就能借助于海底电缆而直接从海洋获取各自实际所需的能源需求。海洋地图示出，除特例外，多数大洲在相对较近的位置也具有超过1000m的水深以上的较深水域。

因此，在本申请中提出在海洋深处利用现行的水压来适时存储产能过剩。

这是通过在深水中设立空腔来实现，该空腔的稳定性足以承受住巨大的水压。这种存储器例如由高强混凝土构成。在水面上，这种存储器在排空状态下具有一定比重，其略小于海水的比重。通过这种方式，存储容器可能已灌有较少量的水，直至沉至海底(例如，沉至700m至2000m的水深)。

这种存储器具备相应尺寸的涡轮机，其与发电机耦合。出于备用原因，提供2至3个这种水泵涡轮机分布放置于设施中。

这种存储器的发电机/电动机通过海底电缆而与控制中心相连接。

海洋存储器的功能说明

如果存在电力需求，则海水能够流入存储器的空内室中。通过例如100bar的高水压(在1000米的水深处)，能够产生大量的电能。倘若存储器装满海水，假如例如所产生的风能的产能过剩，则能够借助高压泵将这些海水再从存储器中泵出。高水压进而令大量电能可得以存储。在此情形下，能够达成抽水蓄能电站已知效率的80％至85％。在1000m的水深操作这种设施对应于上池与下池之间1000m落差的抽水蓄能式水电站。

将蓄能器置于海底能够使用任意种类的蓄能器，从而与陆上的蓄能器相比，不存在空间限制，由此能够始终设置相应所需的总体设施规格。

原则上，如此所需，使用耐高压的空腔，容易想到采用球状配置。就此，从公布文献中已知这种实施方式。

因此，有关构型的选取在低成本的制造及可行的设施尺寸方面极具挑战性。

故而，不似球状配置，在本发明中提出扁圆形状，诸如飞盘。其优势在于，相对于外壁厚度类似的球状配置，能够达成数倍可能的存储器容积。在侧视图中(参见图34)说明这种形状设计，其中该形状设计在其俯视图中(参见图35和图36)具有圆形或八角形的形状。

采用类似于飞盘的形状，如图35和图36所示，与球状构型相比，在壁厚相同的情况下，能够获得50倍的存储容积。在通过图34所示的设施示例中，在此假设高度25m，总体直径在此示为150m。

在该示例中，在1000m的水深处，外壳的厚度需为约2.5m。与之相比，球状容器的所需外壳厚度同样设为2.5m。

抗压强度

如图38所示，飞盘形式的压力存储器的静态压力负载分为两个计算部分。呈圆形且在其侧剖视图中呈半圆形的外环202通过作用力F2和F3确定上下容器盖201的厚度，而在俯视图中显然呈蜂窝状的腔215(参见图36和图37)则由作用于容器盖或底201的竖向作用的压力F1算出。

以此能够在外壁厚度尺寸相同的情况下获得更大的存储容积。

在外径25米的球状存储器与结构高度相同及由此外壁厚度相同的飞盘状存储器比较容积的示例中，以200m的直径，结果是大50倍的存储容积。

举例而言，在图36中选择的存储容器构型示出各自具有水泵涡轮机的三个机器室208。这些机器室能够如图34所示在侧面安装。在图36、图39和图40中，机器室整合于存储器的腔室内。置于机器室208中的组件在修缮或服务事件中能够以模块方式整块从存储容器中拔出并酌情更换。

因能够浮出水面，能够更加简单地保养全部机器内置部件和组件，其中蓄能器在其浮出水面时可能处于任意位置(平卧、悬浮或竖立于水中)。

导航

借助于空间中靠近各水泵涡轮机210水柱喷嘴217能够使整个存储器在上浮或下沉期间运动和导航。借助球形阀218，能够使由水泵涡轮机抽吸的海水转向水柱喷嘴。为了导航，全部三个水泵涡轮机可用例如240MW(1GWh的设施)的高驱动功率。

存储器的构造

在图35和图36中示出由约1200个蜂窝状模块(参见图37)组成的存储器。这些能漂浮的单模块(尺寸3m/6m×20m)具有约28cm的壁厚，它们分别由四个单件拼合。

在图36的示例中，针对1000m水深，存储器具有下列特征：

直径215m，高度25m(根据外部尺寸)

外壁厚度(底、盖、半圆侧边)各2.5m厚

每一个蜂窝状模块由各三个预制混凝土(2份)制成的侧壁、底以及预制混凝土(2份)制成的盖组成。

全部蜂窝状模块都至少在其底侧具有侧开口，这样水体就能在填装或排空期间流经全部内模块向外或向内流动。

水泵涡轮机可向上拆除并同样可置于存储器的蜂窝状安装控件中。环绕的半圆形外壁202用作集流槽(到水泵涡轮机的进口)。

为在工作期间防止对存储器的内室造成污染的风险，由存储器泵出的水借助于直接安装于存储器上方的薄膜207来保存。由此能够确保在随后再次填装存储器期间再利用相同的水，而无需重新过滤这些水。

因能够创建较大的存储器容积，形成相对较重的自重，从而海底上的大面积设施在装满海水的状态下本身产生极高的支承力。在示例中，25m的结构高度在装满状态下甚至在完全扁平的设施中也会产生约每平米16吨的作用力。这是在使用单个支柱的情况下无法实施的方案。通过采用置于存储器底侧的水垫204，尽管海底丘陵起伏，也能够实现存储器自重的支承力的均匀力分布。从而，还能避免存储器受到弯曲应力，这样其结构布局就只归结于因水压所致的压应力。

存储器的定位及校平

存储器因其扁平的构建方式而具备对海底的极大支承面。通过处于填满水状态下的存储器的高重量，均衡的重量分布十分重要(在存储器大小为1GWh时，存储器填满重量约为460000吨)。

防水且采用钢丝缆加强的薄膜在海面构成封闭的空间。由于薄膜占据存储器下方的整个表面，因此在存储器填满时，形成仅1.6bar的相对超压。

如图39中所示，支承垫分成三个区域。这三个垫中的每个垫均能由空间上毗邻的水泵涡轮机来填装并由此得到校平。

通过这种三分方式，除承重目的外，还能够实现泵压存储器相对于例如微倾斜地表的整平。在正常工作中，这三个存储器垫隔水，由此形成一种三腿支垫。在存储器几乎排空的状态下，水准垫中不存在超压。

借助于蜂窝状预制模块创建设施

因飞盘状存储容器的较平构型(25m高度，例如150至200m直径)，使得存储器在较平的水域中也能够直接建在海岸线上。通过采用预制模块，在水中将它们拼合，能够通过并置拼合全部蜂窝状单模块而构建基体。在蜂窝状模块的上侧，给上盖板201以及圆形的径向侧壁202浇灌一定壁厚(例如2.5m)的混凝土。

此后，将已经密封的存储器放入较深的水域并翻转，由此能够构建下面的底板厚度连同下面的外部构造。最后，具有泵及驱动器的涡轮机208能够集成一体并且设置成可供使用。通过这种方式，以较低成本便能建立甚至更大的蓄能器，而不使用昂贵的旱坞。如此建成的存储器能够在制成之后借助于牵引机而运输至全球的任何期望的使用地点并就地投入运作。

借助于3D绘图仪创建设施

代替使用彼此相连并从外部包封固体混凝土外壳的单个蜂窝状模块，还能够借助于特定的3D绘图仪来打印整个存储容器。

现今，这种技术开发用于批量生产并且在几个月中已经可用于批量生产。

为了提高存储器的效率及稳定性，本发明提出在某些方面采取新的方式。

3D绘图仪仅创建模板

3D绘图仪并非创建整个壁部及盖部，而是仅创建一种脚手架。在这种建成的“模板”中，填充选择使用的混凝土。在存储器会受高压的情况下，使用硬化时间可能稍长的高强混凝土。仅连续绘制直接的外壁。在壁部或盖部内，仅绘制出一种网格状结构。这种处理一方面显著增进绘制速度，同时也为高强混凝土形成持续连接的配置。

因而，3D绘图仪具有两个打印头。实际的绘图仪喷嘴以及用于向间隙填充实际选择的结构材料(在此为高强混凝土)的另一个较大喷嘴。

能够向绘图仪添加第二臂，例如在盖区域以及壁区域中，该第二臂将小型预制件(薄片)保持在相应的绘制处。3D绘图仪在这些薄片上进行打印并且将它们与已经存在的盖部相连接。倘若未照常呈平卧，而是在例如30°的轻微角度下进行绘制，则能够一体创建自支承盖部，而无需额外的辅助设备或支撑元件。

定位3D绘图仪

目前已知的3D绘图仪通常固定于支座上，该支座能够沿滑轨在X、Y及Z方向上移动。由此也能够简单地确定位置并借此得出绘图仪应在何处施加材料的信息。在待创建对象较大时，例如在上述存储器的情况下，这种方式存在缺陷。在此情形下，滑轨系统不便或具有较大的空间范围，这就难以快速准确地进行作业。

因此，本发明提出使用如图43所示的可移动式机械手来代替滑轨。这种机械手在工业领域中已经投入使用数十年，而不管其壁部是否可旋转地安装，都容易精确地进行线性移动。如图43所示，这种机械手并未以固定方式锚定，而是能够借助多个可移动的支脚进行移动。这些支脚能够支撑在水平地面上，但也能够借助于钳状抓具(参见图43和图44)而抓住竖直的壁部。借此，机械手能够自行移动并固定至待创建的结构之处或之上。通过在中央控制计算机中已知待创建结构的准确状态能轻易实现这一点。机械手了解可受力盖部、底部和壁部的环境以及状态。

在每次改变其位置后，机械手需首先准确地确定其新位置。对此，将固定的位置标记置于施工场地的外缘。借助于激光测量系统，能够识别位置，其中相机可以支持这种在定向。此时，一个或多个机械手能够再将新位置考虑在内而继续其作业。

为使机械手的位置变化频率降至最低，还能够将机械手置于滑轨上并且使该滑轨在其各端部分别配设有如图44所示的多脚基座，在其支脚端分别具有抓具。

这样机械手就能沿滑轨简单而迅速地移动。如图44所示，多个机械手也能够沿共同的滑轨移动。同样，滑轨也可以具有较大的纵向范围或甚至在整个施工场地的宽度上延伸，其中在多处使用具有固定抓具的支脚。

这种3D绘图仪-机械手系统能够通用，并且除创建海洋存储器外，还能够用于建立任意的小型和大型以及高型结构。为此所需的工业机械手连同所需的抓臂及其控制装置在工业中已经广泛使用。

创建存储器的新途径

通过绘制，还能够得出新型的存储器创建方案。如图41和图42中所示，能够在深水域中创建存储器。在创建期间，如图所示，存储器能够布置成竖直或倾斜。已经在水面下建成的存储器部件悬浮于水中，由此可易于固定。

由新型3D绘图仪产生下列特征及优势

·针对模板制作的材料性质能够不依赖于实际结构材料所需的特性而加以选择

·理想的材料结构(在此为高强混凝土)不必能够绘制或适用，因为可通过简单的方式将其注入已经预制的模型中

·只需绘制实际结构的一小部分

→显著降低成本的制造方式

→显著提高绘制功率，即缩短施工时间

·机械手在可移动支脚上的移动布置无需辅助设备，例如结构上的滑轨系统

·代替单独使用移动机械手，还能够将其置于滑轨式装置上

·为使工作范围最大化，能够将多个绘图机械手置于共用的滑轨上

附图说明

图1示出伞结构组32横向于风向的示意性侧视图，其由四个伞结构10与相应示出的牵引索5以及两个侧导向索4组成。

图2a示出如图1的伞结构组32在风向上的示意性侧视图(正视)。

图2b和2c示出这种牵引风筝组的类似布置。

图3示出十个牵引风筝10的组合的俯视图，这些牵引风筝通过网状连接索3而彼此相连且通过另外三个导向索4导向其水平位置(各偏移120°)。

图4以类似于图3的方式示出十二个牵引风筝的稍大组合的俯视图，其在该示例中通过各成60°偏置的六个导向索4而在水平地导向其水平位置。

图5以类似于图3和图4的方式最后示出另外两种十三和十九个风筝的组合的俯视图。

图6示出在牵引风筝通过四个定位牵引索居中布置于牵引风筝组内的示例中的两个牵引索在牵引风筝上的连接。

图7示出同一导向轮6的细节图，而此处在牵引风筝组32的边缘具有倾斜向下张紧的附加定位索4。

图8示出陆上应用的位置固定的索鼓轮与以可垂直旋转方式安装的导向轮的侧视图。

图9示出双索鼓轮23和24连同牵引风筝10与在不同方向上外伸的连接索的完整设施配置。

图10示出如图8的地面站，针对海上应用能够浮动或潜水的地面站与用于引导绳索的装置17。

图11示出绳索绞盘12与用于引导绳索的装置的侧视图。

图12是针对海上应用的地面站的另一种实施方式，装载空间45在风暴下容纳伞结构，而鼓风机则为再次开始运转而展开伞结构。

图13示出图12的海上应用的地面站与索鼓轮的另一种布置的侧视图，在风暴的情况下，椭圆U型装置将伞结构容纳于其中。

图14示出如图12和13的在风暴期间保管伞结构的另一种实施方式。

图14a至14c示出伞结构收降的不同阶段。

图15示出双重绳索绞盘，各自具有用于各索鼓轮的单独发电机/电动机。

图16示出类似的双重绳索绞盘，具有用于两个伞结构牵引索的共同发电机/电动机，在差分驱动器25和26旁的单独控制电机28控制两个牵引索5a和5b到索鼓轮之差。

图17示出两个对向运行的牵引风筝组的输入或输出功率的时间进程以及最终的总输出功率。

图18a至20示出代替牵引风筝的叶轮的俯视图，其由三个旋转叶片组成。

图18示出这种叶轮在顺风期间的正常工作状态下具有外展的叶片，这些叶片仅借助于绳索而彼此相连。

图19示出这种叶轮在过渡过程中向旋转中心收缩三个叶片。

图20最后示出叶轮在收降期间处于完全收缩的状态，其中叶片彼此相连且叶轮在相反的旋转方向上旋转。

图21示出借助于绳索保持的叶片的正视图，其根据旋转来适配攻角。

图22示出同一叶片在其不同攻角下的轮廓。

图23示出导向轮与两个牵引索以及根据旋转来调整叶轮攻角的装置。

图24a和24b在不同的侧视图中示出索鼓轮以及导向轮的布置。

图25示出可旋转的索鼓轮的俯视图，导向轮在缠绕绳索期间承担引导绳索的作用。

图26示出叶轮如在启动期间借助外部绳索绞盘通过圆圈运动而得以抬升，以此使叶轮在无风时也能升至一定起始高度。

图27a和27b示出用于容纳叶轮的固持装置的侧视图。

图28同样示出固持装置与叶轮的侧视图。

图29示出置于固持装置中的叶轮的俯视图。

图30a至30c示出叶轮在收降期间的俯视图。

图30a示出交叉连接索仍位于固持装置之上时的布置。

图30b示出交叉连接索已经处于固持装置之下。

图30b示出叶轮最终置于固持装置中。

图31a至31c示出如图30所示的叶轮在启动过程中的俯视图。

图31a示出叶轮仍位于固持装置中且固定于此。

图31b示出交叉连接索借助外部索鼓轮而逆风移动，以令牵引索拉紧叶片。

图31c示出拆除固定架，使叶轮自固持装置侧向拔出并且开始攀升。

图32示出具有超载保护功能的叶片的剖视图。

图33示出对太阳能集热设备进行再填充的装置。

图34示出飞盘状海洋存储器的侧视图，水垫作为相对于海底的支承面。

图35示出海洋存储器的剖面的俯视图，具有其蜂窝状腔体开口的圆形外形。

图36示出存储器的另一种变型方案的剖面的俯视图，具有八角形外形。

图37示出用于支承垂直空间的蜂窝状模块的立体图。

图38示出因高水压从外部作用于存储容器的力的力流的侧剖视图。

图39示出用于支承和校平存储器的三个各自分开的水垫的仰视图。

图40示出存储器在由电动机/发电机、水泵涡轮机及用于切换的球形阀组成的机器室区域内的侧视图。

图41示出存储器以连接管路连接至紧贴海面下的控制及变换中心。

图42示出存储器借助于3D绘图仪的替选设置。

图43示出具有3D打印头及可移动支脚的工业机械手。

图44最后示出滑轨，多个这类机械手可沿其移动，该滑轨在其相应的端部受装配有抓具的机械臂支撑和定位。

附图标记列表

1 伞结构牵引索

2 伞结构控制索

3 牵引风筝连接索

4 定位索

5a 第一牵引索

5b 第二牵引索

5c 伞结构控制索2与牵引索5b的固定处

6 绳索导向轮，用于两个牵引索的力分布

7 伞结构控制索的控制索导向轮

8 旋转轴承，具有用于伞结构控制索2的内通路

9 绳索旋转器

10 单个牵引风筝或高风车

11 风向

12 双列式绳索绞盘，具有用于发电的发电机/电动机

13 风筝组边上的牵引风筝的绳索绞盘，用于水平控制风筝组

14 绳索导向轮

15 可倾斜支承的导向轮

16 可根据风向垂直旋转支承的绳索导向轮

17 可旋转的绳索导轨

18 用于海上作业的通气管，绳索绞盘或桅杆置于水下

19 夜间照明灯

20 发电机/电动机

21 转子

22 定子

23 第一绳索的索鼓轮

24 第二绳索的索鼓轮

25 索鼓轮的正齿轮传动装置间的差速锥齿轮

26 轴轮

27 差速锥齿轮

28 伺服电动机，用于调整牵引力

29 安装框

30 滚珠轴承式绳索绞盘

31 正齿轮传动装置

32 牵引风筝组

40 潜水密封式地面站，具有双绳索绞盘

41 防风雨护罩，以可旋转方式安装用于容纳伞结构

42 水面

43 防止渗水的隔水器

44 伞结构捕集部的弹簧钢丝

45 风暴时收降伞结构的装载空间

46 用于使伞结构展开的鼓风机

47 鼓风机的进气道

S1-S19 牵引风筝组中的各个伞结构

48 伞结构支架，由绳索导向轮、旋转轴承和伞结构绳索组成

49 导向杆，用于在缠绕绳索时引导绳索

50 高风车的单个叶片

51 控制索，用于根据旋转调整攻角

52 牵引索，用于调整叶片攻角

53 杆件，用于调动控制索连接

54 叶片的牵引索

55 正向旋转的顺风模式中的叶距

56 方向旋转的降落模式中的叶距

57 地面站在地面站的锚具

58 叶片定位索

59 转子叶片的有效面积

60 控制索的连接点

61 导向轮

62 固定索

63 作为导向轮的延长部的硬管

70 可旋转且可向高处摆转的叶轮固持装置

71 可折叠的叶轮支承杆

72 收回状态的叶轮支承杆

73 用于可折叠式叶轮固定的固定夹

74 叶轮在启动期间的运动方向

101 带有太阳能流体的罐体

102 太阳能流体

103 压力容器，例如球状

104 填充盖，具有一体卸压阀

105 压缩空气连接管

106 止回阀，约150mbar的开启压力，例如整合于向太阳能设备中供料的3/4英寸(3/4”)的螺纹接口

107 自动排气口

108 止回阀，约20mbar的开启压力

109 止回阀，约20mbar的开启压力

110 到太阳能设备的填充管

111 再填充管，用于再次填充出自罐体的太阳能流体

112 用于采取太阳能流体的吸管

113 压缩空气供给，用于再填充的充气和排气

114 供料至太阳能设备中

115 整合于阀控喷嘴中的卸压阀，例如2至4bar

200 整个海洋存储器

201 存储器盖/存储器底

202 圆形，径向侧壁

203

204 水垫，分成三个腔

205 水垫的底膜

206 海底

207 存储器外由薄膜包围的水体

208 机器室

209 发电机/电动机

210 水泵涡轮机

211 到外存储器的连接管

212 到蓄能器的连接管

213 用于存储器的闸板泵

214 用于外存储器的闸阀泵

215 用于竖向空间支撑的蜂窝状单模块

216 用于保护薄膜的钢丝缆，

217 用于导航存储器上浮和下沉的水柱喷嘴

218 球形阀，用于使水泵涡轮机切换至存储器工作模式、水柱喷嘴或校平水垫(204)

219 环形支承面

220 控制中心及变换模块

221 用于锚具的锚固索

222 用于向海岸传输电流的海底电缆

223 用于传输电流及控制的中继电缆

224 从水泵涡轮机到周围水体的中继电缆

225 浮力体

600 工业机器人型机械手，置于可移动式抓臂上

601 两截式抓臂，适用于抓住例如竖立的壁部

602 竖立的壁部

603 用于扩展工作区域及放置多个3D绘图机器人的滑轨

604 用于绘制模板的3D打印头以及用于填装混凝土的第二喷嘴

Claims (5)

1.一种用于牵引风筝的设备，该牵引风筝用于借助风力发电，其特征在于，能够精确地水平定位一组牵引风筝组，其由两个以上牵引风筝彼此相连，以定位整个牵引风筝组，这是通过在所述牵引风筝组的边缘倾斜张拉的附加定位索(4)，实现所述牵引风筝的固定位置，其中，每个牵引风筝通过牵引索(5)分别连接各自单独的发电机，通过牵拉牵引索(5)而各自驱动单独的发电机。

2.根据权利要求1所述的用于牵引风筝的设备，其特征在于，在风向变化的情况下，每个牵引风筝通过第一绳索导向轮(6)与牵引索(5)连接，所述第一绳索导向轮(6)以及整个风筝组(32)抗扭转地保持水平取向。

3.根据权利要求2所述的用于牵引风筝的设备，其特征在于，每个牵引风筝均连接有伞结构控制索(2)和伞结构牵引索(1)，所述第一绳索导向轮(6)的一个槽用于使所述牵引索(5)转向，而其另一个槽使伞结构控制索(2)转向，所述伞结构控制索(2)穿过旋转轴承(8)的中央孔，所述旋转轴承(8)上固定有伞结构牵引索(1)，所述伞结构控制索(2)借助于所述旋转轴承(8)和绳索旋转器(9)，在整个牵引风筝组的圆圈运动中仅使单个牵引风筝根据风向转动。

4.根据权利要求3所述的用于牵引风筝的设备，其特征在于，在牵引风筝或牵引风筝组附近的附加定位索(4)的牵引力与所述附加定位索(4)的长度的比率用于识别相应的当前风向。

5.根据权利要求1所述的用于牵引风筝的设备，其特征在于，所述用于牵引风筝的设备包括地面站，所述地面站容置用于盘卷所述牵引索(5)的索鼓轮(12)，其中，所述地面站及其索鼓轮(12)与两个牵引索(5)及其第二绳索导向轮(16)以抗相对扭转的方式固定布置。

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