CN107106915A - 风筝 - Google Patents

Abstract

一种在从风中提取能量的系统中使用的风筝包括：翼(1)，当风筝在飞行时具有滚动中立点或区域；栓绳(4)，直接或间接地联接到翼；刚性杆装置(2)；张力联接件(3)，从杆装置到翼上的多个位置；以及致动器联结装置(6、7、10、11)，具有能够被可控地调整的长度尺寸。杆装置具有到栓绳的第一附接部(8)和第二附接部(5)，在第一附接部(8)处，杆装置在位于翼的滚动中立点或区域上方的位置处固定到栓绳，而在第二附接部(5)处，杆装置通过致动器装置(6、7、10、11)在位于翼的滚动中立点或区域下方的位置处附接到栓绳。

Description

风筝

技术领域

本发明涉及一种风筝。

背景技术

人们已经利用了风能数千年。近来，将风能转化为其他形式的能量以及特定的电能的系统已经变得越来越流行。已知使用风力涡轮机来从风中提取能量。还已知，风筝也能从风中提取能量。风筝可以在风速比风力涡轮机的轮毂高度处的风速更可靠的高度飞行。风力涡轮机的轮毂高度可以为80m或100m，然而风筝可以在400m到700m或甚至更高的高度处飞行。借助基于风筝的发电系统，质量的大部分保持接近地面或水平面，这使弯矩最小化，并显著地减少设备的质量。设备的维修和服务更容易，因为所有这些都在低水平高度。在海上，设备可以安装在可牵引的驳船或浮标上，以便允许被取回港口以进行大修或维修。

从风中提取能量的风筝系统典型地包括使用栓绳连接到基座单元的风筝。在一种类型的系统中，栓绳缠绕在卷筒上。随着栓绳被脱离，卷筒的旋转被用来发电，且在动力循环结束时，卷筒被翻转以卷入栓绳。在另一类型的系统中，螺旋桨或转子设置在风筝上，且当风通过螺旋桨或转子时，螺旋桨或转子用于产生电力，该电力沿着栓绳向下被传送到基座单元。

为了有效地使用风筝发电，希望风筝能够飞过空气。栓绳的端部上的静态风筝只能相对于实际风速产生升力；然而，当风筝被允许移动时，由于由风筝相对于真实风的运动产生的明显的风，升力增加。

已栓绳的风筝具有空间区域，其中其可以在栓绳中产生高张力。该区域的中心直接地位于基座单元的下风向，且取决于例如风筝的设计、发电设备和风速的限制，位于与基座单元的一仰角处。其中可以产生适当的高张力的区域在下文中将通常被称为“风的中心”。如果风筝在方位角或仰角上移动远离风的中心，则栓绳中可以产生的张力的量可能小于从风中提取能量的系统的最佳效果。因此，希望将风筝保持在风的中心附近，且还希望控制风筝在风中以高速移动。已经建议，当风筝被控制成飞行8字形或连续环形图案时，获得合适的飞行样式。如果在发电阶段电力产生在地面水平上而不是在翼上，则当风筝以环形或8字形图案的样式飞行时，线将连续地从旋转发电机的滚筒或产生动力的泵脱离。

当动力行程结束时，线需要被收回。在收回阶段，需要由风筝产生的力，以减少能量需要并增加整体效率。这通常通过使风筝远离风的中心到发电区域的边缘、特别是朝向顶点或窗口的边缘来实现。位置越接近90°远离风向，则风筝被收回的阻力越小。已经提出了一些系统，以某种方式对风筝改型以减少收回期间的张力，但是这些倾向于复杂的布置，其显著地增加成本或显著地增加部件失效的可能性，或者既显著地增加成本又显著地增加部件失效的可能性。

附图说明

图1和图2是根据本发明的第一实施例的风筝的等距视图；

图3是示出图1和图2实施例的栓绳从完全动力位置到去除动力位置的运动的视图；

图4示出了第二实施例，其具有由稳定线支撑的单个杆(spar，圆杆)且并不直接附接到风筝；

图5示出了第三实施例，具有水平杆，该水平杆给出进一步倾斜稳定性；

图6示出了第四实施例，其中主杆在横梁下方延伸；以及

图7示出了控制线如何经由滑轮被引导以便阻止到栓绳的角度变得平直且增加致动器上的力的细节。

具体实施方式

简言之，本发明涉及通过增加风筝的可控性而提高使用风筝产生的功率。这些实施例将刚性元件提供给柔性空气动力学结构，以便为与倾斜(pitch，俯仰)和滚动中立点(roll neutral point)有关而构造的栓绳系统形成附接点，以便允许利用平衡的低能量系统产生风筝的有效控制。

在下文中，所有涉及左、右、向前、向后、滚动、倾斜等都是相对于风筝飞行时其前进的方向来说的。

参照附图，所有实施例提供了一种用于从风中提取能量的系统的风筝。该风筝包括用于提供升力的翼1，在翼1下方连接的杆装置2以及从杆连接到翼1的约束线或半刚性张力构件3。栓绳4连接到栓绳附接点5。栓绳附接点5通过连接链(connection link)14(是栓绳4的延伸部)连接到杆装置2上的主连接点8。栓绳附接点5也连接到至少一个副连接点，在该处，也安装在杆装置2下方的致动器机构6、7能以倾斜或以倾斜与滚动结合的方式影响风筝。

这些实施例允许风筝的栓绳附接点在由控制线之间的三角形(triangulation，三角测量)及控制线的长度所限制的受控区域之内移动，且这通过使栓绳附接点5偏斜来促进。这不需要相对于翼移动任何单独的约束线就可以实现。它涉及与栓绳4和连接链14中的张力相比相对较小的控制力。其他控制方法和设备可以与此(例如副翼或拖翼)结合使用，且这些其他控制方法和设备可减少致动器机构6、7所需的力，以提供风筝的栓绳附接点在受控区域内的运动。

首先参照图1和图2，示出了用于从风中提取能量的系统的风筝的第一实施例。该风筝包括用于提供升力的翼1，以及连接在翼1下方的刚性杆装置2。约束线或半刚性张力构件3从杆装置2连接到翼1。栓绳4连接到杆装置2并延伸到地面站(图中未示出)。在图1和图2中，杆装置2包括三角形或A形结构的三个连接的杆。较长的杆在主连接点处一起连接到翼1。较长的杆是大体竖直的。较短的杆将较长的杆的另一端连接在较低的杆角落处。较短的杆是交叉杆，且是大体水平的。

杆装置2的更竖直的元件通过约束线的作用被保持在压缩状态，该约束线通过风在翼1上的作用而被放置成是张紧的。

在杆装置2与栓绳4之间有两个附接点5、8，其中一个附接点包括可以调整杆装置2与栓绳4之间的距离的致动器系统或控制机构6、7，以对风筝产生控制。例如，如下所述，通过使用第一致动器6调整杆装置的一个下角部与栓绳4上的栓绳附接点5之间的距离，来缩短或延长将杆装置的角部连接到栓绳附接点5的第一绳索。通过使用第二致动器7调整杆装置的另一个下角部与栓绳附接点5之间的距离，来缩短或延长将杆装置的角部连接到栓绳附接点5的第二绳索。因此，通过控制致动器6、7，可以调整交叉杆与栓绳4之间的距离，以调整翼1的斜度，如下所述。并且，如下所述，交叉杆相对于栓绳的横向位置可以被调整以调整翼1的滚动。

特别地，第一附接点8远离地面站，且靠近翼1；第二附接点远离翼1，且靠近地面站。具体地，第一附接点8在翼1的滚动中立(neutral)点上方，第二附接点5在翼1的滚动中立点下方。滚动中立点是这样一个位置，围绕该位置，翼1(如果被约束)在被扰动时，围绕滚动轴线中立地稳定。滚动中立点是升力面的空气动力特性，并不由约束物或约束物组的结构连接点限定。在实践中，滚动中立点根据翼1的飞行位置而改变。例如，当翼1倾斜以给出不同的进入风中的攻角时该中立点改变，以及当存在翼1的偏航运动时该中立点改变。滚动中立点作为相对于飞行面向前方和后方的平面中的一点而存在。可以描绘出，滚动中立点可以位于垂直于该平面延伸的线上的任何位置。

滚动中立点的可能的运动范围限定了滚动中立区域。当翼1处于产生能够将本体保持在空气中的升力的飞行状态时，滚动中立点将始终在滚动中立区域内。滚动中立区域的极限由飞行状态下翼1的滚动中立点的可能移动范围限定。在下文中，部件相对于滚动中立点的位置将被理解为指的是它们相对于滚动中立区域的放置位置，其中当风筝处于飞行状态时，滚动中立点必须位于滚动中立区域中。

在图1和图2的实施例中，第一附接点8在翼1的升力(标记为N)的标准中心的前方(如图3所示)。换言之，第一附接点8在翼的倾斜中立位置前方。这允许控制机构6、7提供倾斜控制。提供倾斜控制，因为存在用于控制机构6、7的不平衡或力矩来拉动。从图3可以理解，当升力发生在翼上时，整个装置试图向下倾斜翼1的前部(鼻部)。然而，这由致动器机构6、7的在附接点5处连接到栓绳4的线阻止。特别地，翼1试图向下倾斜，也尝试向前倾斜杆装置2，但是控制机构限制了杆装置2的底部与栓绳4的第二附接点5分离。这使得致动器机构6、7的线被张紧地放置。张力的量取决于第一附接点8与倾斜中立点之间的弦向(前到后)距离以及由翼提供的升力。张力导致在第二附接点5的位置处在栓绳以及连接线14在布置中存在小的扭结(kink)。

应理解，翼1的升力中心随着翼1到风中的攻角的改变而改变。这样，倾斜中立位置也改变。这导致致动器机构6、7中的张力即使在风速没有任何变化的情况下也变化。

倾斜控制是有用的，因为其允许风筝在高升起位置与低升起位置之间移动。风筝的高升起位置最佳地用于通过允许风筝从地面站处的联接发电机的滚筒放松绳(pay out)来发电。低升起位置最佳地用于在另一个发电周期之前使风筝能够朝向地面站收回。在低升起位置时由风筝产生的升力在图3中用L表示。可以看出，升力较低，且还进一步集中回到翼中。通过当风筝被收回时控制风筝以提供低升力，收回风筝所需的能量可以被减少。

连接线14/栓绳4在第一连接点8处附接并接合到杆装置2。在第二附接点5处，连接线14/栓绳4不接合杆装置2，但联接在距离杆装置2一定距离处，该距离可通过致动器机构6、7的致动器来控制。通过致动器的适当控制，实现对风筝的倾斜或滚动，或者倾斜和滚动结合的控制。

第一致动器机构6包括致动器，其经由第一张力链10在一端联接到刚性地固定到第一杆角部的臂，并在另一端在第二附接点5处连接到栓绳4。第二致动器机构7包括致动器，其通过第二张力链10在一端联接到刚性地固定到第二杆角部的另一臂，并在另一端在第二附接点5处连接到栓绳4。通过适当控制致动器6来调整第一致动器机构6(或形成其一部分的第一张力链10)的长度，以及因此调整杆角部(和整个杆装置2)与第二附接点之间的距离。这同样应用于第二致动器机构7和形成其一部分的第二张力链10。致动器机构6、7的致动器在这里是伺服系统或伺服电机的形式，但是可采取一些其他形式，例如绞盘或撞锤(ram)。通常，致动器可控制地调整致动器机构6、7的长度。

通过在每个致动器机构6、7上以相同的量调整致动器机构6、7的致动器，栓绳附接点5的位置被直接地调整。这特别地通过改变翼1相对于栓绳的倾斜角来改变翼1的纵倾倾斜角(trimmed pitch angle)。

通过不同地调整致动器机构6、7的致动器(即，使一个比另一个更长)，则相对于栓绳4调整翼1的滚动。

上述两种方法都可以用于使翼相对于栓绳进行倾斜和滚动结合的控制。风筝的滚动导致风筝的转向，即改变航向。

在图1中，一个或多个杆2的顶部安装到翼1上。可选地，如图4所示，其相对于翼的位置通过一系列由翼1的刚性和升力保持张紧的吊索线(rigging wire)或构件而稳定。

图4的实施例类似于图1的实施例，相同的附图标记表示相同的元件。主要差异在于，在杆装置2的下端与栓绳4的连接点5之间仅存在一个张力链10。一个致动器6构造成可控制地改变第一张力链10的长度。因此，图4实施例的风筝是可控制的，因为通过改变张力链10的长度来控制倾斜，但这不能用于产生滚动控制。直接地使用用于滚动的副翼、翼的变形，或者间接地经由附接在杆2和翼1自身之间的线，使用对于翼1的空气动力学改变，可以产生滚动。然而，可以通过致动器装置6的控制来实现倾斜控制。杆装置2包括竖直地布置的单个杆2。杆装置是长形的，但是由于不具有需要间隔开的多个致动器，所以不需要交叉杆，因此杆装置不需要是三角形或A形的。

在图4中，杆2的顶部通过由翼1的刚性和升力保持张紧的一系列的吊索线或构件而稳定。这说明第一附接点8不需要直接在翼1上。用于将附接点8与翼1分开的该技术也可应用到其他实施例。在图4中，附接点8可替代地直接设置在翼1上。

图5示出了第三实施例，其具有给出进一步的倾斜稳定性的水平杆或横撑杆(spreader)16。这里，水平杆16从前到后延伸。水平杆16的端部通过栓绳延伸部15附接到栓绳4。水平杆16的端部还通过另外的栓绳延伸部12附接到连接点8。这样，栓绳4连接到连接点8。可以认为，栓绳4分裂为被水平杆16保持分开的裂缝的两个分支。这可被称为分裂附接构件(split attaching member)。由翼1提供的力通过栓绳延伸部12、15被提供到栓绳4。该力的一部分作为压缩力被施加到水平杆16。

杆装置2大致如图1和图2所示，除了它连接到水平杆16。杆装置2通过前后张力链10a、10b、11a、11b连接到水平杆16。每个致动器6、7由前后张力链10a、10b、11a、11b中的一个连接到水平杆的每一端。

借助图5的实施例，倾斜中立点不需要在连接点8的前方。而是，正常飞行中的倾斜中立点可以与连接点8一致。这意味着只需要由致动器6、7施加的更小的力，来实现倾斜控制。如果系统对于连接点8是中立的或不稳定的，则这允许伺服电机或其他致动器控制倾斜。这同样应用于滚动控制。

借助图6的实施例，主杆装置2在横梁的下方延伸。这允许在致动器6、7和张力链10、11的位置下方的点(位置)，将约束线3连接到杆装置。

在图6中，翼1是刚性的，所以需要较少的约束线3。这种刚性翼1也可以用于其他实施例。

在翼1的作用力中心(centre of effort)前方保持其位置(作用力中心被示出为图3中的升力N的位置，但是在所有附图的翼中都有作用力中心)，图6的实施例的杆装置2的底部在翼1的滚动中立区域之下。栓绳4，特别是附接点5相对于一个或多个杆2的相对位置由致动器机构6、7的致动器控制。

在图1-3、图5和图6的实施例中，连接点8可通过将杆装置2附接到中心肋来提供，中心肋可以是翼上的刚性的或充气的表面附接部，其附接到杆的顶端。除了图4的实施例之外，连接点8的位置被翼沿弦向的倾斜中立点控制。由连接点8与倾斜中立点之间的弦向距离产生的倾斜力矩越大，装置越稳定，且致动器6、7的力需求越大。

该系统被设计成使得翼具有升力(作用力)向量，当风筝处于飞行状态时，在第二附接点5和致动器机构6、7的致动器之间的张力链10、11中产生张力，这在大多数操作条件下，在倾斜和滚动方面给予装置自然稳定性。阵风或飞行操纵的极端条件可能导致在张力链10、11的一个中发生短暂松弛。

借助两个张力链10、11和两个致动器6、7，风筝可以被滚动。当杆装置2的底部低于系统的滚动中立点时，风筝自然地是滚动稳定的。通过缩短张力链11到致动器7的长度并延长从致动器7到栓绳附接点5的张力链11，杆装置2向左移动。这引起向左的滚动。当使控制输入反向时，杆装置2向右移动，引起向右侧滚动。

杆装置2的一个或多个杆可以是单个物品或刚性构件的任何装置，这些刚性构件给出一个或多个约束附接点与压缩元件的顶部之间的压缩元件。这应用为直接附接到翼或被间接地支撑(如图4所示)。

杆、横支柱和横撑杆可以由铝、玻璃纤维、碳纤维或能够形成轻质压缩支柱的任何材料制成。这些构件的形状应设计成提供具有低重量和空气动力阻力的高抗压强度。

在图1和图2中给出的示例中，杆在空气动力学方面形成有交叉横支柱和吊索线，该装置给出了非常轻的坚硬结构。通过提供杆空气动力学形式，它们还具有前后深度，这有助于在该方向上的刚性。可用于杆的形状的其他示例是具有横撑杆和空气动力学吊索的双锥形杆或空气动力学杆。在图6中，附接的横撑杆被示出为具有金刚石吊索线。

在具有多个杆(例如参见图1和图2)或具有侧向延伸的单个竖直杆(例如参见图6)的装置中，致动器6、7能够完全或部分地控制滚动以及倾斜。

由于添加了一个或多个压缩构件，整个约束装置保持稳定并张紧。在约束系统之内不需要滑轮，所以约束线可以具有低空气动力阻力的轮廓。

这里描述的系统比标准风筝系统稳定得多，且更不容易疲劳。该系统不排除滑轮和移动约束线，其可用于扭曲翼表面或翼上的控制表面。

致动器可几乎安装在系统内的任何地方，因为仅需要将线附接到附接点5。

小直线绞盘可以适配为致动器6、7，可选地，滑轮12可与通向主杆2内的绞盘或线性致动器或液压油缸的线一起使用。这在图7中示出。

杆装置2可以用于照明设备的装配。照明设备还可以被装配，以便光学传感可用于最终进坞(docking)操作。杆内的腔可以用于安装航空电子设备和通信设备，例如包含GPS、惯性测量设备、雷达、无线电三角测量应答器、通信设备、电池、超级电容器和所有其他辅助设备的传感平台。

用于运行航空电子设备和控制器的局部动力可以通过将小型涡轮机固定在杆装置2的下部或底部处而产生。这给出了局部发电装置的稳定性，这在没有刚性杆装置2的情况下难以获得。涡轮机增加了阻力，这可有助于翼1的倾斜稳定性。

约束线3可以以任何合适的方式布置。例如，它们可以从翼向下延续到杆装置2的底部(如图5所示)，被分组(如图4所示)，或者如果翼具有高刚性，则可以装配最小的约束(如图6所示)。

在操作中，上述风筝能够在保持飞行稳定性的同时快速改变攻角，允许风筝在不发电时更直接地返回向基站，从而减少时间并因此减少系统中的损失。

如果圆形飞行样式相对于8字形飞行样式是优选的，转环13在栓绳4中的装配避免了栓绳的过度扭转。

杆装置2可以存放能量存储装置、航空电子设备、传感器、通信设备和/或天线(图中未示出)。

杆装置可容纳照明设备。在进坞和发射连续事件(sequence)期间，照明设备可用于帮助定位风筝。

对于本领域技术人员而言，各种替代和改型将是显而易见的。保护范围受所附权利要求限制但不受上述描述限制。

Claims (15)

1.一种在从风中提取能量的系统中使用的风筝，所述风筝包括：

翼(1)，当所述风筝在飞行时具有滚动中立点或区域；

栓绳(4)，直接或间接地联接到所述翼；

刚性杆装置(2)；

张力联接件(3)，从所述杆装置到所述翼上的多个位置；以及

致动器联结装置(6、7、10、11)，具有能够被能控制地调整的长度尺寸，

其中：

所述杆装置具有到所述栓绳的第一附接部(8)和第二附接部(5)，

在所述第一附接部(8)处，所述杆装置在位于所述翼的滚动中立点或区域上方的位置处固定到所述栓绳上，以及

在所述第二附接部(5)处，所述杆装置通过所述致动器装置(6、7、10、11)在位于所述翼的所述滚动中立点或区域下方的位置处附接到所述栓绳。

2.根据权利要求1所述的风筝，其中，所述致动器联结装置是能控制的，以调整所述第二附接部与所述杆装置之间的距离，以实现所述风筝的倾斜控制。

3.根据权利要求1或2所述的风筝，其中，所述杆装置具有在所述翼的宽度方向上延伸的交叉杆，其中所述致动器联结装置包括第一致动器联结装置和第二致动器联结装置，所述第一致动器联结装置和所述第二致动器联结装置沿所述翼的宽度方向在不同位置处连接到所述交叉杆，且其中所述第一致动器联结装置和所述第二致动器联结装置是能控制的，以在所述翼的前后方向上调整所述杆装置与所述栓绳之间的角度，以实现所述风筝的滚动控制。

4.根据权利要求3所述的风筝，其中，所述致动器安装到所述交叉杆或与所述交叉杆接触的其他杆。

5.根据权利要求3所述的风筝，其中，所述致动器安装到所述交叉杆的延伸部上或与所述交叉杆接触的其他杆的延伸部上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的风筝，包括弦向杆，所述弦向杆被布置成使所述栓绳前后裂开。

7.根据前述权利要求中任一项所述的风筝，其中，所述第一附接部包括所述杆装置与所述翼之间的直接附接。

8.根据权利要求7所述的风筝，其中，所述杆装置在所述第一附接部处连接到所述翼的中心肋。

9.根据前述权利要求中任一项所述的风筝，其中，所述杆装置容纳能量存储装置、航空电子设备、传感器、通信设备和/或天线。

10.根据前述权利要求中任一项所述的风筝，其中，所述杆装置容纳照明设备。

11.根据前述权利要求中任一项所述的风筝，其中，照明设备用于帮助在进坞和发射的连续事件期间定位所述风筝。

12.一种风筝，包括：

翼(1)；

栓绳(4)，直接或间接地联接到所述翼；

刚性杆装置(2)，具有到所述栓绳的第一附接部(8)和第二附接部(5)；

张力联接件(3)，从所述杆装置到所述翼上的多个位置；以及

致动器联结装置(6、7、10、11)，具有能够被能控制地调整的长度尺寸，

其中：

在所述第一附接部(8)处，所述杆装置固定到所述栓绳，以及

在所述第二附接部(5)处，所述杆装置附接到所述栓绳，并与所述栓绳分开一定距离，所述距离通过所述致动器装置(6、7、10、11)的控制来调整。

13.根据权利要求12所述的风筝，其中，所述杆装置具有在所述翼的宽度方向上延伸的交叉杆，其中所述致动器联结装置包括第一致动器联结装置和第二致动器联结装置，所述第一致动器联结装置和所述第二致动器联结装置沿所述翼的宽度方向在不同位置处连接到所述交叉杆，且其中所述第一致动器联结装置和所述第二致动器联结装置是能控制的，以在所述翼的前后方向上调整所述杆装置与所述栓绳之间的角度，以实现所述风筝的滚动控制。

14.根据权利要求13所述的风筝，其中，所述致动器安装到所述交叉杆或与所述交叉杆接触的其他杆。

15.根据权利要求13所述的风筝，其中，所述致动器安装到所述交叉杆的延伸部上或与所述交叉杆接触的其他杆的延伸部上。