CN107077923A - 用于空中风力发电站的电能传输系绳 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于空中风力发电站(1)的电能传输系绳(3)，该系绳包括：弹性芯(4)；第一一个或更多个电导体层(5)，其中，该第一电导体层的电导体围绕弹性芯(4)螺旋缠绕；围绕第一电导体层(5)的电绝缘层(7)；第二一个或更多个电导体层(9)，其中，第二电导体层的电导体围绕电绝缘层(7)螺旋缠绕；以及围绕第二电导体层(9)的承载层(10)，用于吸收作用在系绳上的拉力和径向压力。

Description

用于空中风力发电站的电能传输系绳
技术领域
本发明涉及用于空中风力发电站的电能传输系绳。电能传输系绳用于将电能从空中风力发电站传输到地面站，并且吸收在操作期间由空中风力发电站引起的拉力。本发明还涉及包括这样的电能传输系绳和用于缠绕系绳的卷筒的系绳单元，并且本发明还涉及具有空中风力发电站、地面站和用于将风力发电站连接到地面站的这样的电能传输系绳的电力单元。
现有技术
为了将风能转化成电能，空中风力发电站是已知的并且正在不断发展。空中风力发电站包括安装在通常具有飞机状结构的飞行体上的一个或更多个发电机。配备有螺旋桨的发电机由风和特定飞行机动驱动以产生电能。电能借助于将空中风力发电站连接到地面站的系绳转移到地面。因此，系绳部分地用于控制空中风力发电站的飞行机动并且将电能从发电机传输到地面。为了将空中风力发电站从地面站带到空中用于发电的最佳位置或为了将空中风力发电站从空中的位置收回到地面站，发电机可以用作电动机。在操作的这些启动和收回阶段中，借助于一个或更多个系绳从地面站向空中风力发电站馈送电能。
由于风强烈且经常变化，在某些飞行机动期间，系绳受到变化幅度的高机械拉伸应力。在高载荷状况下，系绳可以显示出超过其原始长度1％的明显伸长。然而，存在于系绳内的电导体的材料例如铜显示出非常低的约0.1％的弹性范围。因此，即使在相对较小的伸长的情况下，常规电导体也将塑性地并且不可逆地变形。在系绳的轴向拉力随后减小之后，变形的电导体趋于屈曲并且趋于断裂。
在收回阶段期间，系绳在被缠绕在地面站中的卷筒上时也受到机械应力。将系绳弯曲到卷筒的周界外表面使得系绳的面向卷筒中心的部分受到压缩并且使得面向径向向外的部分受到拉伸。因此，通过将系绳缠绕到卷筒上引起的机械应力也可以导致设置在系绳内的电导体的塑性变形。
US 2012/0070122 A1中示出了一种将空中风力发电站物理上并且电耦接到地面的系绳。该系绳包括高强度芯，电导体围绕该高强度芯螺旋缠绕。然而，这种结构导致系绳相对较粗且重。因此，系绳的重量和风阻可能影响空中风力发电站的飞行特性，因此尤其降低总体发电效率。此外，系绳的粗而重的结构导致系绳卷筒上的重量较高，从而导致惯性增加并且因此导致拉伸调节较慢。另外的缺点是运输成本增加以及地面站的成本更密集且更宽敞的建造。此外，当导体被缠绕在卷筒上时，位于高强度芯外侧的导体不足以防止径向压缩力，这将导致塑性变形和失效。芯与卷筒表面之间的高径向压缩力不仅可能由于系绳围绕卷筒的弯曲引起，而且还可能由于大风状况或特定飞行机动而作用在系绳上的高拉力引起。
在WO 2009/049616 A2中，公开了一种围绕两个相互绝缘的电导体层编制有化学纤维绳的线缆。化学纤维绳用于保护线缆免受拉力和径向压缩力。然而，当被缠绕在卷筒上时，由于高的径向力，线缆的横截面积朝向椭圆形状的明显形变仍然发生。此外，空中风力发电站的应用中的大量轴向载荷变化导致线缆寿命明显缩短。由于这些原因，需要实现对抗径向压缩力的另外的措施以达到足够的疲劳寿命。
US 4,116,153、US 4,975,543、US 2,759,990和US 4,514,058中公开了有弹性的并且能够在一定程度上抵抗拉力的其它电能传输线缆。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于空中风力发电站的电能传输系绳，该电能传输系绳不仅能够抵抗高拉力并且具有轻质结构，而且还能很好地免受外部径向力影响。该目的通过如权利要求1所述的电能传输系绳来解决。在权利要求14中，示出了包括这样的电能传输系绳和卷筒的系绳单元。此外，权利要求16提供了具有空中风力发电站、地面站和这样的电能传输系绳的电力单元。在从属权利要求2至13以及15中提供了本发明的其它实施方式。
本发明提供了一种用于空中风力发电站的电能传输系绳，包括：
弹性芯；
第一一个或更多个电导体层，该第一电导体层的电导体围绕弹性芯螺旋缠绕；
围绕第一电导体层的电绝缘层；
第二一个或更多个电导体层，该第二电导体层的电导体围绕电绝缘层螺旋缠绕；以及
围绕第二电导体层的承载层，用于吸收作用在系绳上的拉力和径向压缩力。
系绳用于将空中风力发电站物理上并且电耦接到地面。换言之，系绳适于抵抗由作用在空中风力发电站上的风引起的拉力以及适于将电能从风力发电站传输到地面，并且优选地，还适于将电能从地面传输至风力发电站。
承载层用于吸收作用在系绳上的拉力，并且由于其拉伸刚度，承载层限制了强风和风力发电站的特定飞行机动所引起的系绳的轴向伸长。因此，承载层限定了系绳在最大预期的拉伸载荷下的最大轴向伸长。通过将承载层尽可能地布置在系绳上的径向外侧，特别是在电导体的径向外侧，承载层的横截面积由于其大的周向长度而最大。换言之，为了实现系绳的一定的拉伸强度，可以通过如所提出的布置来使由承载层占据的系绳的半径最小。此外，电导体层和绝缘层可以被布置成更靠近系绳的纵向中心轴线，使得这些层的周向长度最小，这进一步减小了系绳的重量。因此，可以通过将承载层布置在电导体的径向外侧来优化系绳的整体重量和直径。通过将电导体和绝缘层布置成更靠近纵向中心轴线，可以降低在系绳被弯曲的情况下作用在电导体和绝缘层上的拉力和压缩力。有利地，除了可能存在的另外的磨损保护层以外，承载层甚至表示系绳的最外层。由于承载层被布置在电导体层和绝缘层的径向外侧，因此例如当系绳被缠绕在卷筒上并且由于强风而轴向张紧时，承载层还保护这些层免受外部径向压缩影响。
空中风力发电站通常被设计为具有附接有一个或更多个发电机的翼型件的飞机状飞行体。发电机借助于螺旋桨来驱动以产生电能。由发电机产生的电能可能处于低压范围(最高达1kV)或中压范围(1kV至52kV)的下半部分。然而，为了减轻重量并减小系绳的直径，可以将电压水平变换成高达中压范围(1kV至52kV)或高压范围(52kV至300kV)，特别是对于传输的电力超过1MW的情况。因此，在某些实施方式中，系绳可以适于这些电压。代替飞机状配置，风力发电站当然也可以被设计为系留气球、飞艇或任何其他飞行体。
系绳还包括布置在第一电导体层与电绝缘层之间的第一半导电层，并且优选地还包括布置在电绝缘层与第二电导体层之间的第二半导电层。例如可以由半导电聚乙烯制成的半导电层用于向绝缘层提供明确定义的光滑表面，以便在两个电导体层之间实现均匀电场。因此，半导电层有助于克服电绝缘问题，特别是对于中压和高压电器。通常对于这些应用，包括导体上的半导电层、电绝缘层和电绝缘层上的半导电层的整个绝缘系统以紧密布置的3阶段共挤压工艺施加。当然，不具有任何半导电层的中压或高压电能传输系绳的结构也是可以的。然而，为了在没有任何半导电层的这种情况下实现足够均匀的电场，通常需要提供厚度相对较大的绝缘层。因此，提供半导电层还有助于减小系绳的整体直径和重量。
承载层包括用于吸收径向压缩力的耐压缩层和用于吸收拉力的拉伸护面层。因此，承载层包括两个子层，其中，一个特别适于吸收径向压缩力，而另一个特别适于吸收拉力。
弹性芯、第一电导体层和第二电导体层、绝缘层以及承载层的横截面优选地为圆形，并且在系绳的整个长度上通常具有恒定的形状和面积。优选地，每个层具有大致呈圆筒形的形状，并且围绕系绳的纵向中心轴线同心地布置。有利地，每个层沿着系绳的径向方向占据一定的明确定义的径向范围。电导体通常由金属线来实现，特别是铜线或铝线。
为了实现高拉伸刚度和径向刚度，承载层可以用诸如纤维的细长元件来加固，这些细长元件优选地围绕最外侧电导体层——即，通常为第二电导体层——螺旋缠绕。承载层优选地由纤维增强材料，特别是纤维增强塑料材料例如聚合物基复合材料(PMC)或带有例如环氧树脂基质材料的纤维增强热固性聚合物制成。还可以使用带有橡胶添加剂的环氧树脂例如端羧基聚丁二烯丙烯腈无规共聚物(CTBN)改性的环氧树脂基质材料来提高纤维复合材料的柔韧性。纤维可以是例如可能带有环氧树脂或热塑性基质材料的碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维，并且纤维可以与系绳的纵向中心轴线平行地布置或者围绕最外侧电导体层——即，通常为第二电导体层——螺旋缠绕。纤维相对于系绳的纵向中心轴线的倾斜布置，特别是螺旋缠绕有助于承载层的径向刚度。如果重量限制允许更高的重量，则也可以将例如高强度钢用于与例如弹性体基质结合的承载层的细长元件。承载层可以根据应用的具体要求以不同的方式来设计。
例如，具有良好的抗径向压缩能力的承载层的轻质且相对刚性的设计——其尤其适用于小直径的系绳——可以以围绕最外电导体层——通常为第二电导体层——螺旋缠绕纤维的方式来实现。可以存在在每个层中螺距角相同但沿相反方向缠绕的具有单向纤维取向的两个或更多个层。为了增加拉伸刚度，例如可以对纤维进行编织。对纤维的编织可以是双轴线的或三轴线的。在随后的层中可以应用纤维的具有不同螺距角的编织物，以优化承载层的机械性能。当相对于纵向中心轴线倾斜时，特别是当被螺旋缠绕时，纤维相对于纵向中心轴线的螺距角优选地在35°至90°之间，更优选地在45°至75°之间(以及/或者在沿相反方向缠绕的层的情况下，在-35°-90°之间，更优选地在-45°至-75°之间)，以获得良好的径向压缩保护。当然，也可以应用这些敷设技术和/或具有不同螺距角的若干纤维层的组合。基质材料可以是例如聚乙烯(PE)、聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)；当然也可以使用环氧树脂作为基质材料。为了减轻重量，承载层有利地是非金属的。
为了实现弯曲刚度比上述允许的更低(例如，卷筒直径更小)的承载层，还可以以由圆形布置的拉伸护面元件形成的两个同心的层的形式来实现承载层。这些拉伸护面元件优选地以在+/-65°至+/-85°的范围内的螺距角围绕系绳的纵向中心轴线螺旋布置。这些拉伸护面元件可以由复合材料制成，例如带有环氧树脂或热塑性基质材料的拉挤的碳纤维线，或者如果重量限制允许更高的重量，则也可以由高强度钢制成。替代拉伸护面元件，可以使用填充系数比拉伸护面元件更高的拉伸护面型材。拉伸护面型材也优选地以在+/-65°至+/-85°的范围内的螺距角围绕系绳的纵向中心轴线布置。
在系绳的轴向应变下，螺旋施加的拉伸护面元件通常会引起对系绳的内部部分的压缩力。因此，可以提供由软质材料例如硅弹性体、解聚橡胶或聚氨酯制成的弹性缓冲层，以便使作用在最外侧电导体层上的径向压缩力均匀化。这将有助于避免塑性变形以及电导体层中电线的屈曲和断裂的危险。
承载层还可以以两层拉伸护面复合层的形式来实现。拉伸护面复合层有利地由具有单向纤维取向的复合材料制成。纤维优选地以+/-65°至+/-85°的范围内的螺距角围绕系绳的纵向轴线螺旋布置。缠绕方向随着层不同的变化(例如，一层的纤维沿顺时针方向缠绕，而另一层的纤维沿逆时针方向缠绕)有助于使在轴向应变下系绳的扭转特性机械上平衡。可以在两个拉伸护面层之间设置滑移/减摩层。当然，可以根据系绳的轴向载荷要求提供由拉伸护面元件或拉伸护面型材或拉伸护面复合层形成的多个层。
为了实现在非常大的空中风力发电站的情况下的足够的电力传输能力，需要大直径的系绳。利用上述方法，作用在系绳上的轴向力增大，这导致径向压缩力增大，从而可能导致电导体的劣化增加。为了朝向与保护电系统免受高径向压缩力结合的高拉伸载荷要求来优化弯曲半径限制，承载层还可以设置有与滑移/减摩层和拉伸护面层结合的耐压缩层。
耐压缩层可以由导电材料如金属制成，以便作为电系统的附加部分承载电流和/或还用作防雷保护层。当然，耐压缩层还可以由非导电材料制成。
耐压缩层可以以s形互锁耐压缩胎体的形式来实现。在s形互锁耐压缩层中使用的具有s形型材的各个细长元件优选地以在1°至20°的范围内的螺距角，更优选地以在5°至10°的范围内的螺距角，围绕系绳3的纵向轴线螺旋布置。耐压缩层还可以由例如z形、T形、倾斜式或扁平的轴向细长的螺旋缠绕的元件制成。它们可以由复合材料例如由拉挤的碳纤维制成，或者如果重量限制允许更高的重量，则也可以由例如高强度钢制成。耐压缩层也可以由具有单向纤维取向的复合材料制成。纤维优选地以在1°至20°范围内的螺距角，更优选地以在5°至10°范围内的螺距角，围绕系绳3的纵向轴线螺旋布置。复合耐压缩层例如可以由环氧树脂或热塑性基质的碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维制成。
优选地，在承载层与电系统之间设置滑移/减摩层。还可以在承载层与磨损保护层之间设置滑移/减摩层。由于不同层的非粘合状态，这些滑移/减摩层有助于使得实现整个系绳3的小的弯曲半径。滑移/减摩层例如可以由热塑性材料如尼龙11(PA11)或含氟聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)组成。
拉伸护面层可以以通过滑移/减摩层彼此分开的两层螺旋布置的拉伸护面元件的形式来实现。这些拉伸护面元件优选地以在+/-35°至+/-65°的范围内的螺距角围绕系绳3的纵向轴线螺旋布置。它们可以由复合材料例如由拉挤的碳纤维线制成，或者如果重量限制允许更高的重量，则也可以由例如高强度钢制成。
缠绕方向随层不同的变化，例如一层的纤维沿顺时针方向缠绕，而另一层的纤维沿逆时针方向缠绕)，有助于使在轴向应变下系绳的扭转特性机械上平衡。在两个拉伸护面层之间，可以实现滑移/减摩层。根据系绳的拉伸强度需求，可以提供拉伸护面元件的其他子层。
拉伸护面层还可以以通过滑移/减摩层彼此分离的两层拉伸护面复合层的形式来提供。拉伸护面复合层优选地由具有单向纤维取向的复合材料制成。纤维优选地以在+/-35°至+/-65°范围内的螺距角围绕系绳的纵向轴线螺旋布置。与针对拉伸护面元件相同的关于分别顺时针和逆时针取向的布置考虑也可以适用于拉伸护面复合层，以便得到系绳3的对称均衡的机械特性。拉伸护面复合层例如可以由环氧树脂或热塑性基质的碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维制成。滑移/减摩层例如可以由热塑性材料如尼龙11(PA11)或含氟聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)制成。
径向地布置在两个电导体层之间的电绝缘层有利地以挤压工艺施加。合适的材料例如是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或含氟聚合物族的耐高温材料如聚偏氟乙烯(PVDF)或四氟乙烯/六氟丙烯共聚物(FEP)。对于一些应用，电绝缘层还可以被设置成可以由例如PVDF或FEP制成的箔。
优选地，第一电导体层的电导体和/或第二电导体层的电导体以在25°至45°的范围内的螺距角，更优选地以在30°至40°的范围内的螺距角，并且最优选地以大约为35°的螺距角，缠绕在系绳的纵向中心轴线上。利用在这些范围内的螺距角，使得作用在电导体、绝缘层和弹性芯上的机械应力最小，因为如果系绳轴向伸长或弯曲，则螺旋缠绕的电导体和弹性芯以及电绝缘层显示基本上相同的径向收缩/扩张。
第一层的各个电导体和/或第二层的各个电导体在各自情况下可以被螺旋缠绕成使得它们都彼此平行地对准。然而，优选的实施方式是第一电导体层和/或第二电导体层由编织线形成。因此，在这种情况下，电导体形成规则的缠结结构。
与第二层的电导体相比，第一层的电导体可以沿相反方向围绕系绳的纵向中心轴线缠绕。第一电导体层和/或第二电导体层可以分别包括若干相邻的螺旋缠绕线子层。相邻子层的线有利地沿相反方向缠绕。因此，在这种情况下，相邻子层的线的螺距角按照其代数符号彼此不同。通过沿相反方向缠绕第一层和第二层的线以及/或者相邻子层的线，可以使系绳的机械特性对称均衡。
关于系绳的纵向方向，承载层的拉伸刚度通常大于弹性芯、第一电导体层和第二电导体层以及电绝缘层一起的整体有效拉伸刚度。细长元件(例如，系绳或层)的拉伸刚度在此被定义为元件的材料沿元件的纵向方向的弹性模量或杨氏模量与元件的横截面积的乘积。因此，拉伸刚度表示相应元件抵抗由于拉伸载荷引起的弹性变形的能力。通过具有大于系绳的其余层合起来的整体拉伸刚度的拉伸刚度，承载层限制了其它层的最大应变暴露。当受到拉力或者围绕例如卷筒弯曲时，由于弹性伸长、弯曲和扭转引起的机械应力在很大程度上被承载层吸收。电导体、弹性芯和绝缘层基本上仅与承载层一起移动而不受到任何临界机械应力。
在一些实施方式中，系绳还包括有利地布置在弹性芯内的至少一个数据传输线缆。在这种情况下，弹性芯优选地具有中空或圆筒形的设计。数据传输线缆优选地是光纤线缆。
在一些实施方式中，在最外侧电导体层——即，通常为第二电导体层——与承载层之间设置有防潮层和/或滑移层。对于一些材料，滑移和湿气阻隔的两个功能具体地通过提供滑移性能并形成防潮层的单个层来实现，例如聚酰胺11(PA11)或特定含氟聚合物(如聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF))。出于这些目的，还可以具有两个层，即，在最外侧电导体层上施加湿气阻隔层，并且在湿气阻隔层与承载层之间施加滑移层。为了与电导体层良好互锁，可以在电导体层上挤包湿气阻隔层/组合的滑移与湿气阻隔层。可替选地或另外地，还可以在最外侧电导体层与承载层之间设置粘合层和/或缓冲层。
为了保护承载层例如避免摩擦或日照，可以围绕承载层设置磨损保护层。为了减少系绳的风阻，磨损保护层可以具有例如与高尔夫球表面类似的、尺寸可以在毫米范围内的小的球面压痕的结构化外表面。
本发明还提供了一种系绳单元，其包括所示的系绳和用于缠绕系绳的卷筒。例如，如果风力发电站未处于操作状态，则卷筒可以用于存放系绳，或者如果在风力发电站的操作期间系绳没有完全退绕的情况下，则卷筒可以用于容纳系绳长度的一部分。卷筒可以是还包括空中风力发电站和所示的系绳的电力单元的地面站的一部分。系绳单元可以针对同一系绳具有不同尺寸的两个独立卷筒。第一卷筒可以用于道路运输，并且根据系绳的弯曲半径限制而具有最小直径，以便在通过具有尺寸限制的道路通道(如桥梁或隧道)时避免运输问题。第二卷筒可以用于系绳与空中风力发电站和地面站结合的服务操作，其具有针对系绳材料的低疲劳进行优化的较大直径。
如果系绳具有第一外半径并且卷筒包括用于容纳系绳的具有第二外半径的周界表面，则对于承载层由具有单向纤维取向的两个或更多个复合层制成或者承载层由一个或更多个编织的复合层制成的情况，系绳的第一外半径与卷筒的周界表面的第二外半径之比优选地为至少0.3％且不超过2％，更优选地为至少0.5％且不超过1.5％。对于承载层由以圆形布置的拉伸护面元件或拉伸护面型材或拉伸护面复合层形成的同心的层制成或者承载层由耐压缩层与滑移/减摩层和拉伸护面层结合制成的情况，系绳的第一外半径与卷筒的周界表面的第二外半径之比优选地为至少0.3％且不超过5％，更优选地为至少0.5％且不超过3％。利用系绳的外半径与卷筒的外半径的这种比率，卷筒的尺寸被设计成使得：一方面，系绳在缠绕在卷筒上时受到的机械应力不会太高，并且另一方面，卷筒的尺寸最小。
此外，本发明提供了一种电力单元，其包括空中风力发电站、地面站和至少一个所示的系绳。系绳用于将空中风力发电站物理上和电连接到地面站。
附图说明
以下参照附图来描述本发明的优选实施方式，附图仅用于说明的目的而且没有限制的作用。在附图中，示出了：
图1示意性地示出了根据本发明的具有空中风力发电站、地面站和电能传输系绳的电力单元；
图2以透视图示出了发明的电能传输系绳的第一实施方式的结构；
图3以透视图示出了发明的电能传输系绳的第二实施方式的结构；
图4示出了如图2或图3所示的系绳的弹性芯和螺旋缠绕的电导体的侧视图；
图5示出了如图2或图3所示的系绳的弹性芯和多个螺旋缠绕的电导体的侧视图；
图6示出了如图2或图3所示的系绳的弹性芯和多个螺旋缠绕且编织的电导体的侧视图；
图7示出了在整个系绳的轴向延伸ε为+1.5％时取决于线的螺距角α的螺旋线与弹性芯之间的径向收缩的差(Δρ径向)；
图8示出了发明的电能传输系绳的第三实施方式的横截面，其具有如a1)、b1)和c1)所示的不同可能实施方式的承载层；
图9示出了发明的电能传输系绳的第四实施方式的轴向切割，其具有不同可能实施方式的包括如a2)、b2)、c2)、d2)、e2)、f2)、g2)所示的内耐压缩层、滑移/减摩层以及如a3)、b3)所示的不同可能实施方式的外拉伸护面层的承载层；
图10示出了发明的电能传输系绳的第五实施方式的轴向切割，其具有不同可能实施方式的包括如a4)、b4)、c4)、d4)、e4)所示的内耐压缩层和外拉伸护面层并且包括具有导体保护层和/或一个或更多个缓冲层的电系统的承载层；
图11示出了如图10所示的系绳的横截面，其具有如a5)、b5)和c5)所示的不同可能实施方式的导体保护层和缓冲层；
图12示出了发明的电能传输系绳的第六实施方式的轴向切割，其中两个电导体层中的每个层包括在其间设置有滑移/减摩层的两个子层；以及
图13以透视图示出了发明的电能传输系绳的第七实施方式的结构，其具有如a6)和b6)所示的不同可能实施方式的电导体层。
具体实施方式
图1示出了其中空中风力发电站1借助于单个电能传输系绳3连接到地面站2的电力单元。当然，还可以提供多于一个的电能传输系绳3以用于将空中风力发电站1连接到地面站2。
电能传输系绳3用于将空中风力发电站1物理上和电连接到地面。因此，系绳3需要能够抵抗由作用在空中风力发电站1上的风引起的拉力以及由于特定飞行机动使空中风力发电站1的方向变化而引起的拉力。拉力通常在短时段内强烈地变化，这导致系绳3与其无载荷状况相比纵向拉伸，并因此导致径向收缩。
如图1所示，在地面站2中，在风力发电站1的操作状态期间，系绳3的一部分缠绕在卷筒15上。卷筒15用于在空中风力发电站1的启动和收回阶段期间以及在空中风力发电站1的正常操作状态期间但系绳3的最大长度未被使用的情况下容纳系绳3的一部分。卷筒15还可以用于运输目的。如果从系绳3的制造位置到安装位置的运输路线要求较小的卷筒直径，则还可以应用满足系绳3的最小弯曲半径要求的较小卷筒。
由于系绳3沿着卷筒15的周界外表面弯曲，因此，系绳3的面向卷筒15的中心的部分受到一定的压缩，并且径向背离卷筒15的部分受到一定的拉力。由于系绳3沿着卷筒15的周界外表面弯曲，因此，系绳3在卷筒15的径向方向上也受到压缩，使得系绳3缠绕在卷筒15上的部分通常具有略呈椭圆形的横截面。
空中风力发电站1包括附接有一个或更多个发电机16的翼型件。发电机16各自由螺旋桨驱动以产生电能。优选地，发电机16也可以用作电动机以便例如在空中风力发电站1的启动和收回阶段期间驱动螺旋桨。由发电机16在风力发电站1的正常操作状态下产生的电能以及发电机16在用作电动机时消耗的电能借助于系绳3在风力发电站1与地面站2之间转移，反之亦然。另外，空中风力发电站1的飞行运动可以通过由卷筒15的驱动系统调节对系绳3的拖动来控制。
借助于例如螺旋桨或方向舵的相应动作对风力发电站1的飞行运动的控制可以通过在风力发电站1和地面站2上提供相应的无线信号传输单元无线地实现或者通过风力发电站1与地面站2之间的有线信号连接来实现。在有线信号连接的情况下，可以在系绳3内设置金属信号线或者优选地是光纤线缆，以用于该目的。
图2示出了发明的电能传输系绳3的第一实施方式的内部结构。系绳3具有多层结构，其具有若干个层4至10，每个层具有圆形横截面。每个层4至10沿着具有恒定横截面的系绳3的整个纵向长度延伸。
在系绳3的中心设置有弹性芯4，该弹性性4由弹性非金属材料——通常为弹性体，例如三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶(NBR)或硅弹性体——制成。还可以应用热塑性材料，例如具有在3％或以上的范围内的合适弹性的聚乙烯(PE)。对于弹性体，弹性芯4的杨氏模量在1N/mm2至100N/mm2的范围内，并且对于热塑性材料，弹性芯4的杨氏模量高达大约4000N/mm2。
由于系绳3表示空中风力发电站1到地面的唯一连接，因此需要借助于系绳3来实现与地电位无关的电能传输。因此，系绳3包括借助于电绝缘层7彼此分开的至少两个电导体层5、9。在两个电导体层5、9之间，可以建立电磁场，以便从风力发电站1向地面站2传输电能(或者从地面站2向发电站1传输电能)。
尽管以金属线5的形式的第一层的电导体直接围绕弹性芯4缠绕在弹性芯4上，但以金属线9的形式的第二层的电导体围绕电绝缘层7缠绕。为了在此由层5、7和9形成的电传输系统实现一定的弹性，金属线5和9中的每一个分别沿弹性芯4或电绝缘层7的纵向方向螺旋地或成螺旋形地缠绕。布置在系绳3的同一层5或9中的各个金属线5和9通常彼此不电隔离。金属线5和9优选地由铜制成。
径向地布置在两个电导体层5、9之间的电绝缘层7有利地以挤压工艺施加。合适的材料例如是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或者含氟聚合物族的耐高温材料如聚偏氟乙烯(PVDF)或四氟乙烯/六氟丙烯共聚物(FEP)。对于电系统电压仅为几千伏的一些应用，电绝缘层7还可以被设置成可以由例如PVDF或FEP制成的包裹箔。
在绝缘层7的沿着系绳3的径向方向的两侧上设置有半导电层6、8。第一半导电层6布置在第一金属线层5与绝缘层7之间，并且第二半导电层8设置在绝缘层7与第二金属线层9之间。借助于具有最小表面粗糙度特征的半导电层6和8，可以实现几何学上明确定义的均匀电场，其中该半导电层6和8例如可以由半导电聚乙烯制成。
为了吸收在空中风力发电站1的操作期间作用在系绳3上的拉力，设置了承载层10。为了实现高拉伸刚度和径向刚度，承载层10可以包括围绕最外侧电导体层9螺旋缠绕的细长元件如纤维。承载层10围绕第二金属线层9并且因此表示系绳3的径向最外层。承载层10保护内层5、6、7、8、9避免轴向和非轴向载荷并且限制这些层的最大应变暴露。根据承载层10的选择的具体实施方式，承载层10在系绳3的轴向方向上的杨氏模量在20’000N/mm2至200’000N/mm2的范围内，优选地在60’000N/mm2至160’000N/mm2的范围内。承载层10优选地由纤维增强材料，特别是纤维增强塑料材料例如聚合物基复合材料(PMC)或带有例如环氧树脂基质材料的纤维增强热固性聚合物制成。还可以使用带有橡胶添加剂的环氧树脂例如端羧基聚丁二烯丙烯腈无规共聚物(CTBN)改性的环氧树脂基质材料来提高纤维复合材料的柔韧性。纤维可以是例如可能带有环氧树脂或热塑性基质材料的碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维，并且纤维可以与系绳3的纵向中心轴线平行地布置或者围绕最外侧电导体层——在此由第二电导体层9表示——螺旋缠绕。纤维相对于系绳3的纵向中心轴线的倾斜布置，特别是螺旋缠绕有助于承载层10的径向刚度。如果重量限制允许更高的重量，则也可以将例如高强度钢用于承载层10的细长元件。
特别是当承载层10由金属材料如钢制成时，还可以在金属线9与承载层10之间设置磨损保护层。然而，为了节省重量，优选的是将非金属材料用于承载层。
承载层10的设计可以根据应用的具体要求以不同的方式进行选择。例如，具有良好的抗径向压缩能力的承载层10的轻质且相对刚性的实施方式——其尤其适合于小直径的系绳3——可以以围绕最外侧电导体层9螺旋缠绕纤维的方式来选择。可以存在螺距角相同但沿相反方向缠绕的具有单向纤维取向的两个或更多个层。为了增加拉伸刚度，例如可以对纤维进行编织。对纤维的编织可以是双轴线的或三轴线的。在随后的层中可以应用纤维的具有不同螺距角的编织物，以优化承载层10的机械性能。当相对于纵向中心轴线倾斜时，特别是当被螺旋缠绕时，纤维的螺距角优选地在+/-35°至+/-90°之间，更优选地在+/-45°至+/-75°之间，以获得良好的径向压缩保护。当然，也可以应用这些敷设技术和/或具有不同螺距角的若干纤维层的组合。基质材料可以是例如聚乙烯(PE)、聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)；当然也可以使用环氧树脂作为基质材料。为了节省重量，承载层10有利地是非金属的。
承载层10的其它可能实施方式在图8至图11中示出。
图3示出了用于空中风力发电站1的发明的电能传输系绳3的第二实施方式。在图1至图13中，具有相同或相似功能的元素以相同的附图标记注释。
除其他以外，图3所示的实施方式与图2的实施方式的不同之处在于包括光纤线缆11。光纤线缆11沿着系绳3的整个纵向长度在弹性芯4内延伸并且用于地面站2与风力发电站1之间的数据通信。例如，用于控制风力发电站1的飞行运动的控制信号或者状态或传感器信号可以借助于光纤线缆11来传输。将空中风力发电站1作为用于传输民用或军用的电磁无线电信号的站的用途也可以通过光纤线缆11和位于空中风力发电站1上的合适的接收和发射天线的帮助来实现。根据当地风况，系统可以实现全部或部分自给。光纤线缆11布置在在此具有中空或圆筒形设计的弹性芯4的中心，并且因此与系绳3的纵向中心轴线重合。
在图3的实施方式中，为金属线5和金属线9提供了两个相邻的子层。金属线5和9的两个子层在各自情况下例如可以由相应金属线5或9围绕系绳3的纵向中心轴线缠绕的方向来表征。例如，第一内子层的金属线5可以围绕弹性芯4沿顺时针方向缠绕，并且相邻的第二外子层的金属线5可以沿相反的逆时针方向缠绕，以便使系绳3的机械特性对称均衡。通常，可以为金属线5和9的层提供其它子层。
在弹性芯4内，可以沿着系绳3的纵向方向设置弹性或非弹性绞合线12。如果绞合线是非弹性的，则它们仅被设置用于生产目的，并且意在在系绳3的第一次使用期间使其断裂。
在如图3所示的实施方式中，在第二外层金属线9与承载层10之间设置有滑移层13。滑移层13用于提供承载层10与外层金属线9之间的低摩擦滑移的可能性。在当前实施方式中，滑移层13还具有防潮层的功能，以防止湿气到达金属线5和9，特别是电绝缘层7，电绝缘层7可能由于湿气而导致其电绝缘能力劣化。当然，滑移层13也可以是透湿的，并且可以在滑移层13与外层金属线9之间设置另外的湿气阻隔层。如果不需要承载层10在金属线9上低摩擦滑移，则层13也可以是不具有任何滑移功能的湿气阻隔层。
在图3的实施方式中，磨损保护层14被布置在承载层10的外侧作为最外层，以保护承载层10例如免受在被缠绕在卷筒15上时的机械摩擦影响或者免受存在于空气中的水分、阳光或某些酸性物质影响。为了减少系绳3的风阻，可以用与高尔夫球表面类似的遍布有尺寸在毫米范围内的小的球面压痕的表面来实现磨损保护层14。磨损保护层14还可以包括螺距角在+/-40°至+/-60°的范围内的例如由例如芳纶制成的高拉力绞合线的绞合线编织物，以加固磨损保护层14并且防止磨损保护层14在局部劣化时剥落。
图4示出了在如图2和图3所示的实施方式中的第一电导体层的金属线5如何围绕弹性芯4螺旋缠绕。第二电导体层的金属线9可以相应地围绕绝缘层7缠绕。金属线5(或9)形成螺距角为α的螺旋。在如图2和图3所示的实施方式中，金属线5和9的螺距角α优选地在25°至45°的范围内，特别地在30°至40°的范围内。针对金属线5和9使用这样的螺距角α引起在由于系绳3的高拉伸载荷或绕轴操作所产生的轴向伸长或压缩的情况下的金属线5和9以及弹性芯4和绝缘层7的基本相等的径向收缩。
优选地，如图5所示，在第一金属线层5和第二金属线层9中均设置有多个紧密缠绕的金属线。
在特别优选的实施方式中，第一电导体层5以及第二电导体层9均被设置成电线相互编织的形式。如图6可见，第一电导体层5(以及相应地，第二电导体层9的)的所有金属线5(或9)以同一螺距角α围绕弹性芯4螺旋缠绕，其中螺距角α在25°至45°(-25°至-45°)的范围内，特别地在30°至40°(-30°至-40°)的范围内。
金属线5和9围绕系绳3的纵向中心轴线螺旋缠绕，以防止高度无弹性的导体材料例如铜的塑性变形。然而，已经认识到，为了避免系绳3在例如高拉伸载荷下或者在围绕卷筒15弯曲时损坏，由金属线5和9形成的螺旋的螺距角是关键。因而，提出下面用于优化在金属线5围绕弹性芯4螺旋缠绕的情况(如图4所示的情况)下的螺距角α的计算：
弹性芯4的长度的相对变化ε引起径向收缩。对弹性芯4的径向收缩系数ρ1的计算如下：
螺旋的长度的相对变化ε引起金属线5的径向收缩，该径向收缩取决于螺距角α。螺旋的径向收缩系数ρ2可以如下进行计算：
由金属线5相对于弹性芯4形成的螺旋在轴向应变下的行为可以被细分成以下情况：
I.ρ1<ρ2：由线5形成的螺旋从弹性芯4剥离。
II.ρ1＝ρ2：由线5形成的螺旋与弹性芯4同步地移动。
III.ρ1>ρ2：由线5形成的螺旋被压入弹性芯4中。
在情况I下，径向地布置在金属线5的外侧的层例如绝缘层7限制螺旋从弹性芯4的剥离。金属线5因而暴露于压缩应变并且金属线5极有可能屈曲，这将最终导致系绳3的电能传输能力的失效。
在情况III下，如果在第一方法中弹性芯4被模制为不可压缩的，则金属线5的螺旋不可能刺入弹性芯4的表面。因此，与金属线5的塑性变形结合的伸长将会发生。当被迫使移动回无轴向拉力的情况下的中性位置(ε＝0)时，伸长的金属线5将屈曲。
在情况II下，相等的径向收缩引起金属线5和弹性芯4的最小机械应力。
在满足情况II时的最佳螺距角α可以如下进行计算：
在图7中针对轴向伸长ε＝1.5％的情况示出了用于寻找最佳螺距角α的该等式的图形表示。
最佳螺距角α的这种计算的结果是：
因此，针对整个系绳3的+1.5％的轴向伸长ε，获得的由金属线5形成的螺旋的最佳螺距角α1为34.96°。在将系绳3缠绕在卷筒15上的情况下，系绳3的面向卷筒15的中心的部分被压缩。针对例如金属线5的-1.5％的ε的压缩，获得的最佳螺距角α2为35.57°。采用针对两种载荷情况(伸长和压缩)的平均值(α1+α2)/2＝αopt，即35.265°，该值被四舍五入成35.3°，相对于α1和α2的精确值的约0.3°的差异将处于生产容限内。请注意，以上计算也适用于由围绕绝缘层7缠绕的金属线9形成的螺旋。
试验已经显示，用于空中风力发电站1的系绳3应当被选择成使得：对于预期的最大拉伸载荷，沿系绳的纵向方向的伸长ε在5％以下，更优选地在3％以下。需要一定的弹性来更好地吸收作用在系绳3上的拉力。然而，如果系绳3被伸长大于3％，或者甚至大于5％，则存在绝缘层7将劣化的风险。利用典型的绝缘材料聚乙烯的试验显示，由于在高于5％的重复应变率下绝缘材料的劣化，电绝缘能力开始下降。可以观测到针对系绳3的可能的伸长ε的范围，电导体的理论最佳螺距角α为具有仅+/-0.3°的偏差的35.3°。对于螺旋缠绕的金属线5和9的实际实现方式，基于给定应变率和疲劳循环率要优化的部分是在轴向方向上的导电性以及其他。因此，最佳螺距角具有较宽的变化范围。因此，金属线5和9优选地以25°至45°的螺距角，更优选地以35°至40°的螺距角，并且最优选地以大约35°的螺距角，围绕系绳3的纵向中心轴线缠绕。
图8示出了系绳3的横截面，其示出了承载层10与弹性缓冲层17结合的可能的不同构造，弹性缓冲层17用于使由承载层10在拉伸载荷下的径向收缩所引起的朝向电传输系统4、5、6、7、8、9的可能实施方式的径向压缩力均衡。
如子图a1)所示，承载层10可以实现为两层圆形布置的拉伸护面元件18、19的形式。这些拉伸护面元件以在+/-65°至+/-85°的范围内的螺距角围绕系绳3的纵向轴线螺旋布置。它们可以由复合材料例如由拉挤的碳纤维线制成，或者如果重量限制允许更高的重量，则也可以由例如高强度刚制成。两层拉伸护面元件18、19在各自情况下例如可以由相应拉伸护面元件围绕系绳3的纵向中心轴线缠绕的方向来表征。例如，第一内子层的拉伸护面元件18可以沿顺时针方向围绕弹性缓冲层17缠绕，相邻的第二外子层的拉伸护面元件19可以沿相反的逆时针方向缠绕，以使系绳3的机械特性对称均衡。根据系绳的拉伸强度需求，可以设置另外的拉伸护面元件子层。
在系绳3的轴向应变下，螺旋施加的拉伸护面元件18、19将对系绳3的内部部分产生压缩力。因而，可以应用由软材料例如硅弹性体、解聚天然橡胶或聚氨酯组成的弹性缓冲层17，以使最外侧电导体层9上的径向压缩力均匀化。这将有助于避免电导体层9中的电线的塑性变形以及屈曲和断裂的危险。
如子图b1)所示，承载层10还可以实现为两层环形布置的拉伸护面型材20、21的形式。关于拉伸护面型材20、21的布置的考虑，可以应用与针对拉伸护面元件18、19相同的考虑。拉伸护面型材可以由复合材料例如由拉挤的碳纤维线制成，或者如果重量限制允许更高的重量，则也可以由例如高强度钢制成。
如子图c1)所示，承载层10还可以实现为两层拉伸护面复合层22、23的形式。拉伸护面复合层22、23由具有单向纤维取向的复合材料制成。纤维以+/-65°至+/-85°的范围内的螺距角围绕系绳3的纵向轴线螺旋布置。关于拉伸护面复合层的沿顺时针取向和逆时针取向的布置的考虑，可以应用与针对拉伸护面元件18、19相同的考虑，以得到系绳3的对称均衡的机械特性。拉伸护面复合层22、23可以例如由环氧树脂或热塑性基质的碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维制成。拉伸护面复合层22、23可以通过另外的滑移/减摩层分开，以实现在整个系绳3被缠绕在卷筒15上时的较小弯曲半径。
为了实现在非常大的空中风力发电站1的情况下的足够的电力传输能力，需要大直径的系绳3。利用根据图8的方法，作用在系绳3上的轴向力增大，这导致径向压缩力增大，从而可能导致电导体的劣化增加。
在图9中，示出了发明的电能传输系绳3的另外的实现，其通过添加抗压缩层25以及另外的滑移/减摩层24、26、28、37、40并且因此具有对电系统4、5、6、7、8、9的增强的保护的特征来朝向高拉伸载荷需求优化其弯曲半径限制。
承载层10被细分成耐压缩层25、滑移/减摩层26和拉伸护面层27。优选地在承载层10与电系统4、5、6、7、8、9之间实现滑移/减摩层24。还可以在承载层10与磨损保护层14之间实现滑移/减摩层24。由于不同层的未结合状态，这些滑移/减摩层24、26、28有利于使得能够实现整个系绳3的小的弯曲半径。滑移/减摩层24、26、28可以例如由热塑性材料如尼龙11(PA11)或含氟聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)组成。
如子图a2)所示，耐压缩层25可以实现为s形互锁耐压缩层29的形式，其也称为胎体。在s形互锁耐压缩层29中使用的具有s形型材的各个细长元件以在1°至20°的范围内的螺距角，更优选地在5°至10°的范围内的螺距角，围绕系绳3的纵向轴线螺旋布置。取决于s形互锁耐压缩层29的螺距角和s形互锁耐压缩层29的s形型材的宽度，耐压缩层25可以包括多于一个的螺旋施加的s形互锁耐压缩层29的s形型材。它们可以由复合材料例如由拉挤的碳纤维制成，或者如果重量限制允许更高的重量，则也可以由高强度钢制成。
在b2)中，耐压缩层25的另外的实施方式被示出为z形互锁耐压缩层30，也称为箍强度层。针对z形互锁耐压缩层30，也可以应用与针对s形互锁耐压缩层29的布置考虑相同的布置考虑。z形互锁耐压缩层30可以由复合材料例如由拉挤的碳纤维构成，或者如果重量限制允许更高的重量，也可以由例如高强度钢制成。
以下示出了耐压缩层25的实施方式的另外的形状：在c2)中示出了z形耐压缩层31；在d2)中示出了T形耐压缩层32；在e2)中示出了倾斜式耐压缩层33；并且在f2)中示出了扁平耐压缩层34。与耐压缩层29和30不同的是，这些层不是互锁的，但是具有更简单的横截面型材特征，更易于生产。针对耐压缩层25的实施方式31、32、33、34，也可以应用与针对s形互锁耐压缩层29的布置考虑相同的布置考虑。耐压缩层25的实施方式31、32、33、34可以由复合材料例如由拉挤的碳纤维制成，或者如果重量限制允许更高的重量，则也可以由例如高强度钢制成。
在g2中示出了耐压缩层25的实施方式的另外的可能：由具有单向纤维取向的复合材料制成的复合耐压缩层35。纤维以在1°至20°的范围内的螺距角，更优选地在5°至10°的范围内的螺距角，围绕系绳3的纵向轴线螺旋布置。复合耐压缩层35可以例如由环氧树脂或热塑性基质的碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维制成。
如子图a3)所示，拉伸护面层27可以实现为通过滑移/减摩层37彼此分开的两层螺旋布置的拉伸护面元件36、38的形式。这些拉伸护面元件36、38以在+/-35°至+/-65°的范围内的螺距角围绕系绳3的纵向轴线螺旋布置。它们可以由复合材料例如由拉挤的碳纤维电线制成，或者如果重量限制允许更高的重量，则也可以由例如高强度钢制成。两层拉伸护面元件36、38在每种情况下例如可以由相应拉伸护面元件围绕系绳3的纵向中心轴线缠绕的方向来表征。例如第一内子层的拉伸护面元件36可以沿顺时针方向围绕滑移/减摩层26缠绕，相邻的第二外子层的拉伸护面元件38可以沿逆时针方向围绕滑移/减摩层37缠绕，以使系绳3的机械特性对称均衡。根据系绳的拉伸强度需求，可以设置另外的拉伸护面元件子层。滑移/减摩层37可以例如由热塑性材料如尼龙11(PA11)或含氟聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)制成。
如子图b3所示，拉伸护面层27还可以实现为可以通过滑移/减摩层40彼此分开的两层拉伸护面复合层39、41的形式。拉伸护面复合层39、41由具有单向纤维取向的复合材料制成。纤维以在+/-35°至+/-65°的范围内的螺距角围绕系绳的纵向轴线螺旋布置。针对拉伸护面复合层39、41，也可以应用与针对拉伸护面元件36、38相同的关于分别顺时针和逆时针取向的布置考虑，以使系绳3的机械特性对称均衡。拉伸护面复合层39、41可以例如由环氧树脂或热塑性基质的碳纤维、玻璃或芳纶纤维制成。滑移/减摩层40可以例如由热塑性材料如尼龙11(PA11)或含氟聚合物如聚四氟乙烯(PTFE)制成。
在另外的实施方式中，拉伸护面层27可以借助于化学纤维绳来实现。化学纤维绳可以例如由芳纶、或制成并且通常是螺旋形编织的。化学纤维绳例如在被应用在耐压缩层25上时可以不可逆地伸展。
在图10和图11中，示出了根据本发明的电能传输系绳3的另外的可能的实施方式。在这些实施方式中，系绳3的电系统包括导体保护层44和/或一个或更多个缓冲层45、46，其中这些实施方式当然可以与图1至图9中所示的实施方式组合。承载层10包括内耐压缩层25、外拉伸护面层27以及介于耐压缩层25与拉伸护面层27之间的滑移/减摩层26。
耐压缩层25可以例如以如子图a4)所示的形式借助于环形耐压缩元件42来实现。环形耐压缩元件42围绕内层4至9以及层44至46——如果设置有的话——来布置。环形压缩元件42优选地由陶瓷、金属或纤维增强材料制成。如果由纤维增强材料制成，则基质可以例如为热固性或热塑性材料。
在如子图b4所示的实施方式中，每个环形耐压缩元件42包括涂层47。优选地完全覆盖环形耐压缩元件42的表面的涂层47可以例如由金属制成，以提高对系绳3的防雷保护。替选地，涂层47可以由特别耐磨损的材料制成，以延长系绳3的寿命。
在如子图c4)所示的实施方式中，在两个相邻环形耐压缩元件42中的每一个之间布置有环形轴向缓冲元件43。可以例如由聚氨酯或由硅弹性体制成的环形轴向缓冲元件43用于减少作用在环形耐压缩元件42上的局部应力。作用在环形耐压缩元件42上的局部应力可以特别在将系绳3弯曲在诸如图1所示的卷筒15的卷筒上时发生。该实施方式的环形耐压缩元件42可以包括涂层47或者可以不包括涂层47。如果存在由金属制成的涂层47以用于保护系绳3免受雷电以及静电放电的影响，则环形轴向缓冲元件43也可以由导电材料例如导电弹性体制成。
耐压缩层25还可以以如子图d4)所示的形式借助于环形阶梯状耐压缩元件54来实现。环形阶梯状耐压缩元件54围绕内层4至9以及层44至46——如果设置有的话——来布置。环形阶梯状耐压缩元件54优选地由金属、陶瓷或纤维增强材料制成。如果由纤维增强材料制成，则基质可以例如为热固性或热塑性材料。如果由非导电性材料制成，则可以应用金属涂层。如果由金属材料制成，则可以使用例如高强度钢或钛合金。还可以使用具有高导电性的高强度金属合金如铍铜，以具有用于防雷保护的另外的导电层，或者以承载流过电导体9或相应地流过最外层的电导体线的电流的一部分。
在如子图e4)所示的实施方式中，在两个相邻环形阶梯状耐压缩元件54中的每一个之间布置有环形阶梯状轴向缓冲/接触元件55。可以例如由聚氨酯或由硅弹性体制成的环形阶梯状轴向缓冲/接触元件55与子图c4)中所示的实施方式的环形轴向缓冲元件43类似用于减少作用在环形阶梯状耐压缩元件54上的局部应力。如果打算使耐压缩层25为导电性的，则环形阶梯状轴向缓冲/接触元件55可以由导电性材料如铍铜或如半导电热塑性塑料或弹性体制成，以实现相邻的导电性环形阶梯状耐压缩元件54之间的电接触。
导体保护层44用于保护电系统，即电导体5和9以及绝缘层7以及半导电层6和9的金属线免受潮湿、压缩、摩擦和/或磨损的影响。导体保护层44可以被设置成或者可以不被设置成相邻层之间的简单的空隙空间的形式。
如子图a5)所示的实施方式中所示，可以存在导体保护层44而不具有任何缓冲层45、46。在该情况下，导体保护层44可以适用于提供高的静摩擦力，以防止导体保护层44与耐压缩层25之间的相对滑移。在导体保护层44与耐压缩层25之间，可以设置环形间隙，使得当系绳3处于其无载荷状态时导体保护层44相对于耐压缩层25是松弛的。对这样的间隙的设置可能例如对于在系绳3的生产期间在层4至9以及层44上施加耐压缩层25是重要的，特别是在导体保护层44不可压缩的情况下。
在如子图b5)中所示的实施方式中，在导体保护层44与耐压缩层25之间设置有单个缓冲层45。填充导体保护层44与耐压缩层25之间的空间的缓冲层45可以由基于泡沫的弹性体或由具有高弹性的热塑性材料制成。缓冲层45可以在系绳3的生产期间被预先挤压，以便当系绳3处于拉力下并且因此被径向压缩时缓冲层45也填充导体保护层44与耐压缩层25之间的空间。另外地或替选地，缓冲层45可以适于提供高的静摩擦力，以防止特别是在系绳3的上端处的导体保护层44与耐压缩层25之间的相对滑移，从而防止对电系统的局部轴向应力。
在如子图c5)中所示的实施方式中，设置有包括抓握表面的单个缓冲层46。径向向外朝向耐压缩层25的抓握表面借助于沿系绳3的整个纵向方向延伸的轴向肋状物来实现。由于其抓握表面，缓冲层46使电系统5至9与导体保护层44以弹性方式居中于耐压缩层25内。为了补偿当被径向拉伸时的电系统的直径的减小，缓冲层46可以相应地被预拉伸。由于在周向方向上在抓握表面的肋状物之间设置有空隙空间，所以允许缓冲层46的弹性材料扩展和收缩。在此，肋状物之间的空隙空间在截面图中具有半圆形状，但是当然也可以设想这些空隙空间的其他形状。缓冲层46可以由弹性体、硅弹性体或具有高弹性的橡胶材料制成。
在图12中，示出了根据本发明的电能传输系绳3的另外的实施方式。为了简化起见，在图12中示出了系绳3的仅到达电导体层9的内层。存在至少承载层10形式的另外的层。可以另外地设置诸如缓冲层45或46、导体保护层44、湿气阻隔层13、磨损保护层14以及/或者滑移/减摩层26、28的其他层。
在根据图12的实施方式中，电导体层5、9中的每个层包括两个金属线子层。在各自情况下，在两个子层之间设置有滑移/减摩层48、49，以减少相邻子层的金属线之间的磨损和微动磨损并且鉴于高次数的疲劳循环而增加了系绳3的寿命。滑移/减摩层48、49可以例如由聚四氟乙烯(PTFE)、尼龙、热塑性材料或制成。
图13示出了发明的电能传输系绳3的提供了设置和布置电导体5和9的另外的可能性的实施方式。如在先前的实施方式中，电导体层5和9分别被布置在弹性芯4与半导电层6之间以及半导电层8与承载层10之间。
根据子图a6)，电导体5和9中的每一个可以包括以在15°至60°之间的螺距角β围绕单个或——如子图a6)中所示——多个弹性芯51螺旋缠绕的金属线50。弹性芯51自身以30°至60°之间的螺距角γ围绕中心弹性芯4螺旋缠绕。利用如子图a6)所示的电导体5、9的金属线50的布置，可以减小作用在金属线50上的应力，以实现系绳3的增加的寿命。
子图b6)示出了其中电导体层5、9中的每个层包括以螺距角α围绕系绳3的纵向轴线螺旋缠绕并且涂覆有减摩/绝缘涂层53的金属线52的实施方式。可以对每个电导体层5、9的一个、若干个或所有金属线52进行涂覆。涂层53的减摩性能用于增加通常暴露于反复摩擦的电导体5、9的寿命。替选地或除了减摩性能以外可以存在的电绝缘性能用于检测电线破损并且有助于确定系绳3的服务寿命的结束。可以通过测量绝缘线52之一的电阻来检测线断裂。当线52之一断裂时，相应线的电阻显著增大。在一个电导体层5、9的线彼此不绝缘的情况下，线间导电性导致难以检测到线的电阻的变化。然而，在这些情况下，作用在系绳3上的高拉伸载荷可以容易地导致电导体层5、9之一的沿系绳3的纵向方向的部分或完全的电流中断。在该情况下，在电薄弱部分处的电弧或者突然的高的温度增加可以使系绳3演变并且毁坏系绳3。减摩/绝缘涂层53的材料可以例如为PTFE、热塑性材料、氟化乙烯丙烯(FEP)、或清漆。
本发明当然不限于之前所介绍的实施方式并且多种修改是可能的。例如系绳3可以具有此处尚未提及的另外的层。光纤线缆11或任何其他的数据通信线缆可以例如被布置在专用于数据通信的另外的层中，而不是被设置在弹性芯4中。光纤线缆还可以以25°至45°的最佳螺距角，更优选地以在30°至40°的范围内的螺距角螺旋布置。还可以具有利用金属线的另外的导电层。例如，可以设置第三金属线导电层以使得具有Δ配置的三相电力能够通过系绳来传输，或者甚至可以设置第三金属线导电层和第四金属线导电层以使得具有Y配置的三相电力能够通过系绳来传输。径向最外侧的导电层可以适于防雷保护。除第一金属线导电层和第二金属线导电层5和9以外，当然还可以设想具有特别适于防雷保护的单独的导电层，在该情况下，该单独的导电层优选地被布置在第一导电层和第二导电层的外侧并且有利地借助于例如的高温热塑性材料与这些层隔离开。然而，由于重量约束，优选的是如图2和图3所示的实施方式，其中，系绳3仅包括如这些图中所示的层，而没有另外的层。地面站2可以可选地包括用于吸收在被缠绕在卷筒15上之前的系绳3的拉力的设备，以避免由风力发电站1引起的拉伸载荷作用在卷筒15上。此外，可以在第二金属线层9与滑移层13之间设置另外的缓冲层，以允许在不损害系绳3的情况下承载层10和第二金属线层9的不同径向收缩。缓冲层例如可以包括泡沫材料，例如由例如氯丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶或硅橡胶制成的泡沫橡胶。多个另外的修改也是可以的。
附图标记
1 风力发电站
2 地面站
3 系绳
4 弹性芯
5 电导体
6 半导电层
7 绝缘层
8 半导电层
9 电导体
10 承载层
11 光纤线缆
12 绞合线
13 湿气阻隔层/滑移层
14 磨损保护层
15 卷筒
16 发电机
17 弹性缓冲层
18 拉伸护面元件
19 拉伸护面元件
20 拉伸护面型材
21 拉伸护面型材
22 拉伸护面复合层
23 拉伸护面复合层
24 滑移/减摩层
25 耐压缩层
26 滑移/减摩层
27 拉伸护面层
28 滑移/减摩层
29 S形互锁耐压缩层
30 Z形互锁耐压缩层
31 Z形耐压缩层
32 T形耐压缩层
33 倾斜式耐压缩层
34 扁平耐压缩层
35 复合耐压缩层
36 拉伸护面元件
37 滑移/减摩层
38 拉伸护面元件
39 拉伸护面复合层
40 滑移/减摩层
41 拉伸护面复合层
42 环形耐压缩元件
43 环形轴向缓冲元件
44 导体保护层
45 电系统的缓冲层
46 电系统的具有抓握表面的缓冲层
47 环形耐压缩元件上的涂层
48 滑移/减摩层
49 滑移/减摩层
50 金属线
51 弹性芯
52 金属线
53 减摩/绝缘涂层
54 环形阶梯状耐压缩元件
55 环形阶梯状轴向缓冲/接触元件

Claims (16)

1.一种用于空中风力发电站(1)的电能传输系绳(3)，包括:
弹性芯(4)；
第一一个或更多个电导体层(5)，其中，所述第一电导体层(5)的电导体围绕所述弹性芯(4)螺旋缠绕；
围绕所述第一电导体层(5)的电绝缘层(7)；
第二一个或更多个电导体层(9)，其中，所述第二电导体层(9)的电导体围绕所述电绝缘层(7)螺旋缠绕；以及
承载层(10)，用于吸收作用在所述系绳(3)上的拉力和径向压缩力，所述承载层(10)围绕所述第二电导体层(9)并且限定所述系绳(3)在最大预期的拉伸载荷下的最大轴向伸长，
其特征在于，
所述系绳(3)还包括布置在所述第一电导体层(5)与所述电绝缘层(7)之间的第一半导电层(6)，并且所述承载层(10)包括用于吸收径向压缩力的耐压缩层(25)和用于吸收拉力的拉伸护面层(27)。
2.根据权利要求1所述的系绳，其中，所述承载层(10)由细长元件特别是纤维来加固。
3.根据权利要求2所述的系绳，其中，所述细长元件围绕所述第二电导体层(9)螺旋缠绕。
4.根据前述权利要求中的一项所述的系绳，其中，所述承载层(10)包括布置在所述耐压缩层(25)与所述拉伸护面层(27)之间的滑移/减摩层(26)。
5.根据前述权利要求中的一项所述的系绳，其中，所述第一电导体层(5)的电导体和/或所述第二电导体层(9)的电导体以在25°至45°的范围内特别是在30°与40°的范围内的螺距角来缠绕。
6.根据前述权利要求中的一项所述的系绳，其中，所述第一电导体层(5)和/或所述第二电导体层(9)由编织线形成。
7.根据前述权利要求中的一项所述的系绳，其中，所述第一电导体层(5)和/或所述第二电导体层(9)各自包括若干相邻的螺旋缠绕线子层，所述相邻子层的线沿相反方向缠绕。
8.根据前述权利要求中的一项所述的系绳，其中，针对所述系绳(3)的纵向方向，所述承载层(10)的拉伸刚度大于所述弹性芯(4)、所述第一电导体层和所述第二电导体层(5,9)以及所述电绝缘层(7)一起的整体有效拉伸刚度。
9.根据前述权利要求中的一项所述的系绳，所述系绳(3)另外地包括布置在所述弹性芯(4)内的至少一个数据传输线缆(11)，特别地是光纤线缆(11)。
10.根据前述权利要求中的一项所述的系绳，所述系绳(3)还包括布置在所述电绝缘层(7)与所述第二电导体层(9)之间的第二半导电层(8)。
11.根据前述权利要求中的一项所述的系绳，其中，在所述第二电导体层(9)与所述承载层(10)之间设置有防潮层和/或滑移层(13)。
12.根据前述权利要求中的一项所述的系绳，其中，设置有围绕所述承载层(10)的磨损保护层(14)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系绳，所述承载层(10)是非金属的。
14.一种系绳单元，包括根据前述权利要求中的一项所述的系绳和用于缠绕所述系绳的卷筒。
15.根据权利要求14所述的系绳单元，其中，所述系绳具有第一外半径，并且所述卷筒包括用于容纳所述系绳(3)的具有第二外半径的周界表面，并且其中，所述第一外半径与所述第二外半径之比为至少0.3％且不超过5％，特别地是至少0.5％且不超过3％。
16.一种电力单元，包括空中风力发电站(1)、地面站(2)以及至少一个根据权利要求1至13中的一项所述的用于将所述空中风力发电站(1)物理上并且电连接到所述地面站(2)的系绳。
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