CN109996955A - 空中风能产出系统的操作方法及相应的系统 - Google Patents

Abstract

一种空中风能产出系统的操作方法，所述系统包括地面站、具有机翼的适航滑翔机、以及将滑翔机与地面站连接的系绳，所述系统配置且布置为使用暴露于风的机翼产生的升力进行空中风能产出，其中，第一操作阶段与第二操作阶段交替重复，在第一操作阶段中，增加自由长度的系绳，包括使所述滑翔机飞离所述地面站，在第二操作阶段中，减少自由长度的系绳，包括使所述滑翔机飞向所述地面站。根据本发明的操作方法的特征在于，监测风况，其中在风况低于预定的最小条件时，滑翔机在第二操作阶段的至少一部分期间经由所述系绳被朝向所述地面站拉动，从而增加所述滑翔机的速度，其中，附加的速度在随后的第二操作阶段期间用于提升所述滑翔机的高度。

Description

空中风能产出系统的操作方法及相应的系统

技术领域

本发明涉及一种用于空中风能产出系统的操作方法，所述系统包括地面站、具有机翼的空中滑翔机、以及将所述滑翔机与所述地面站连接的系绳，所述地面站包括用于储存多余长度的系绳的可旋转卷轴和与所述卷轴有效连接的旋转电机，其中，所述系统在常规操作模式中以重复的操作周期操作，所述操作周期包括产出阶段，其中系绳的自由长度增加，其包括使所述滑翔机飞行远离所述地面站，并使用暴露于风的所述滑翔机的机翼产生的升力经由所述系绳驱动所述旋转电机来产出能量，并且，所述操作周期还包括卷回阶段，其中系绳的自由长度减少，其包括使所述滑翔机飞向所述地面站。

本发明还涉及用于空中风能产出的相应系统。

背景技术

利用例如从EP 2 631 468 A1中已知的这种系统，通常通过在第一操作阶段期间控制滑翔机以遵循高升力飞行轨迹来产出电力，这导致系绳上的高负荷，其可以用来驱动地面站处的电机。在第二操作阶段期间，滑翔机通常被控制以遵循低升力飞行轨迹，地面站处的电机卷回多余长度的系绳，从而消耗比在第一操作阶段产出的电力少得多的电力。

与传统的风力涡轮机类似，空中风能产出系统通常用于自动操作，需要高水平的操作安全性。由于经济原因，这些系统还需要在大范围的风况下可操作，具有优化的效率和较少的停机时间。

本发明的目的是提供一种空中风能产出系统的操作方法，使其确保操作安全性和经济可行性。

发明内容

这一目的通过一种空中风能产出系统的操作方法实现，所述系统包括地面站、具有机翼的空中滑翔机、以及将所述滑翔机与所述地面站连接的系绳，所述地面站包括用于储存多余长度的系绳的可旋转的卷轴，以及与所述卷轴有效连接的旋转电机，其中，所述系统在常规操作模式中以重复的操作周期操作，所述操作周期包括产出阶段，其中系绳的自由长度增加，其包括使所述滑翔机飞离所述地面站，并使用暴露于风的所述滑翔机的机翼产生的升力经由所述系绳驱动所述旋转电机来产出能量，并且，所述操作周期还包括卷回阶段，其中系绳的自由长度减少，其包括使所述滑翔机飞向所述地面站。其中，根据本发明的方法的特征在于，监测风况，并且，当监测的风况下降到低于预定的下风况阈值时，所述系统的操作改变为弱风操作模式，和/或当监测的风况上升高于预定的上风况阈值时，所述系统的操作模式改变为强风操作模式。

这里，术语“风况”特别是指适合于表征风的状况的一个或多个参数。这些参数可以包括但不限于风速、风向或阵风的频率、持续时间和峰值风速。

就本发明而言，滑翔机或翱翔机尤其是固定翼的、重于空气的飞行器，其中，机载控制装置允许滑翔机具有围绕其纵向轴线、横向轴线和竖直轴线的完全飞行操纵性。就本发明而言，这三个主轴形成笛卡尔坐标系，其中所述坐标系的原点被定义在滑翔机的重心处。

本发明的一个方面提供不同的操作模式：常规操作，其中优先考虑为最大化能量产出；弱风和/或强风操作，其中优先考虑为降低风险以确保安全。因此，本发明允许在这些操作模式期间单独地优化操作，这在实现自动操作例程时尤其有益。

在本发明的优选实施例中，所述常规操作模式的所述操作周期包括在产出阶段和之后的卷回阶段之间的第一过渡阶段，和/或其中，所述常规操作模式的所述操作周期包括在卷回阶段和之后的产出阶段之间的第二过渡阶段。

具有第一过渡阶段增强了操作安全性，例如因为可在任何时间终止产出阶段，而不受启动卷回阶段的边界条件的约束。第二过渡阶段使滑翔机的飞行操作能够平稳地转移到启动下一个产出阶段的最佳条件，而不受卷轴和/或旋转电机的操作的约束。

当在所述第一过渡阶段和/或所述第二过渡阶段期间改变操作模式时，这是更有益的。当在所述第一过渡阶段期间改变操作模式时，预期最稳定的系统操作。

当在所述产出阶段期间，预期最大能量产量，控制所述滑翔机的飞行以获得最大升力，且控制所述系绳的张力以获得最大功率输出，特别是经由所述旋转电机的转矩控制。特别地，术语“功率输出”是指通过旋转电机分别传递给电力或电能的瞬时功率。

为了避免系统过载或减轻对系统结构和/或操作的其他危害，进一步优选的是，通过暂时降低所述系统的电力产出效率来降低所述系统的功率输出。

这里，效率是指实际上通过系统收集并转换成电力的能量占风中存在的能量的分数。

根据本发明暂时降低系统效率的一种方法是，通过保持所述系绳的张力高于预定的张力阈值，其中，所述张力阈值特别是风况和/或系统设计参数和/或系统状态参数的函数。这例如可以通过调节旋转电机的反转矩来实现，该旋转电机特别是或者可以是转矩可控的。在弱风况下增加系绳的张力可以以功率输出为代价增加滑翔机的空速，这尤其有利于确保滑翔机的超临界空速。

根据本发明暂时降低系统效率的另一种方法是，通过保持所述滑翔机的升力低于预定的升力阈值，其中，所述升力阈值特别是风况和/或系统设计参数和/或系统状态参数的函数。例如，这可以通过减小滑翔机在飞行中的迎角来实现。如果通过滑翔机设计预见，也可以通过改变机翼的有效空气动力学轮廓来减小升力，例如借助于襟翼(如果有的话)。将升力保持在阈值以下可以避免滑翔机结构上的临界载荷。另外，可有效避免过度供电。

减少升力的替代方案是增加滑翔机的阻力，例如通过空气制动器(如果可用的话)。

根据本发明暂时降低系统效率的另一种方法是，通过增加所述滑翔机的飞行轨迹的仰角和/或尺寸。这改变了风相对于滑翔机的飞行路径的至少一部分的角度，这可减小理论上可用于提取的风中的最大能量。通常，提升仰角使得系统操作(尤其是飞行控制)对阵风更具鲁棒性。增加轨迹的尺寸的另一个方面是减小了转弯半径，这使得安全飞行操作的要求降低。

更优选的是，所述弱风操作模式包括重复的操作周期，该操作周期包括第一阶段，其中系绳的自由长度增加，其包括使所述滑翔机飞离所述地面站，并且，所述操作周期还包括第二阶段，其中系绳的自由长度减少，其包括使所述滑翔机飞向所述地面站，其中，在所述第二操作阶段的至少一部分期间，所述滑翔机经由所述系绳被朝向所述地面站拉动，从而增加所述滑翔机的速度，其中，附加的速度用于在随后的第二操作阶段期间提升滑翔机的高度。

因此，当风况不足以产出至少支撑滑翔机自身重量所需的升力时，本发明能够使滑翔机在空中停留。这避免了使滑翔机降落，这是危险的操作，需要复杂的技术措施和/或操作人员的人工干预。使滑翔机悬空的另一个方面是，一旦风况足够，可以恢复常规操作，避免对于事先启动滑翔机的需要。

本发明的另一优选实施例的特征在于，所述强风操作模式包括重复的操作周期，该操作周期包括产出阶段，其中系绳的自由长度增加，其包括提升所述滑翔机的高度，从而使用暴露于风的所述滑翔机的机翼产生的升力经由所述系绳驱动所述旋转电机来产出能量，且所述操作周期还包括卷回阶段，其中系绳的自由长度减少，其包括降低所述滑翔机的高度，其中，除了高度变化之外，所述滑翔机基本上保持静止。

这样，本发明即使在以下风况下也能够产出能量，该风况对于系统的常规操作模式是禁止的，因为横风飞行中发生的高负载。

为了进一步减弱风险，所述强风操作模式优选地包括控制所述滑翔机的飞行以悬停静止，特别是当风况高于预定的临界风况阈值时，其中，具体地，所述临界风况阈值高于所述上风况阈值。

已经提出了将滑翔机保持在空中的益处。然而，在最强风况下处于空中仍然具有潜在的危险性。因此，优选连续地监测风况，其中所述滑翔机在检测到或预测到潜在危险情况时着陆。

开篇所讨论的本发明的目的还通过一种空中风能产出系统来实现，其包括地面站、具有机翼的适航的滑翔机、以及用于将所述滑翔机与所述地面站连接的系绳。所述地面站包括用于储存多余长度的系绳的可旋转的卷轴，和与所述卷轴有效连接的旋转电机。所述系统还包括用于操作所述系统的控制机构，其中所述系统的特征在于，所述控制机构配置且设计为根据本发明的方法的一个实施例来操作所述系统。

附图说明

下面参考附图基于示例性实施例描述本发明，不限制本发明的总体意图。在附图示出：

图1示出根据本发明的用于空中风能产出系统的示意图；

图2a、b分别示出根据本发明的系统的常规操作中的产出阶段和卷回阶段的示意图；

图3示出在产出阶段期间的根据本发明的操作的示意图；

图4示意性地示出在示例性风况下在根据本发明的产出阶段期间的功率输出；

图5示意性地示出针对根据本发明的系统的操作的作为风况函数的平均功率输出；

图6示意性地示出在另一示例性风况下在根据本发明的产出阶段期间的功率输出；

图7示意性地示出在另一示例性风况下在根据本发明的产出阶段期间的功率输出；以及

图8示意性地示出在弱风操作模式中的根据本发明的系统的操作。

在附图中，相同或相似类型的元件或对应的部件设有相同的附图标记，以防止需要重新引入元件。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于从风中产出电力的系统的示例性实施例

该系统的适航或空中部分包括滑翔机10，其在图1所示的实施例中设计成比空气重的固定翼飞行器。滑翔机10包括机身12、主翼14、水平尾翼16和控制面20、22、24。还示出了纵向轴线32、横向轴线34和竖直轴线36，它们在滑翔机的重心30处相交并且构成滑翔机的固有坐标系。

主翼14例如可以由单个翼构成，如图1所示的实施例中那样。然而，例如在机身12的任一侧具有单独主翼14的替代设计也在本发明的范围内。

在飞行中，滑翔机10由控制面操纵，在示例性实施例中，控制面包括在主翼12的任一侧的副翼20，以及在水平尾翼16处的升降舵22和方向舵24。控制面20、22、24例如是用于通过空气动力学方式围绕滑翔机10的主轴32、34、36引起转矩的铰接表面。

借助于副翼20引起围绕纵向轴线32的转矩，副翼20可以同时并且在相反的方向上操作。这里，相反的方向意味着当左副翼相对于主翼14向上移动时，右副翼向下移动。由此，升力在主翼14的右侧增大并且在主翼14的左侧减小，从而引起围绕纵向轴线32的转矩。所产生的滑翔机10的运动为围绕其纵向轴线32的旋转，其被称为滚动。

滑翔机10围绕其横向轴线34的旋转(称为俯仰)通过升降舵22实现，升降舵22用于增大或减小尾翼处的升力，从而引起围绕横向轴线34的转矩。

滑翔机10围绕其竖直轴线36的旋转(称为偏航)由方向舵24引起

滑翔机10经由系绳44连接到地面站40，系绳44在一连接装置处附接到滑翔机10或者与滑翔机10连接，该连接装置优选地布置在滑翔机10的重心30附近。这样，系绳44上的变化载荷不会显著破坏滑翔机10在飞行中的平衡。

在地面站40处，多余长度的系绳44储存在卷轴42上，卷轴42连接到旋转电机46。旋转电机46例如连接到电力存储和/或分配系统(未示出)，例如电网、变电站或大规模能量储存器。本领域技术人员将理解，电力存储和/或分配系统可以是能够从旋转电机46接收电力以及将电力输送到旋转电机46的任何装置或系统。

图1中所示系统的常规操作包括具有两个主要阶段的操作周期，所述两个主要阶段为：图2a中所示的产出阶段和图2b中所示的卷回阶段。

在产出阶段中，滑翔机10被控制以遵循在地面站40下风向的以线52指示的高升力飞行轨迹。箭头50表示风的方向。在横风飞行期间，特别是快速横风飞行期间，滑翔机10的机翼或主翼14分别产生比将滑翔机10保持在给定高度所需的大得多的升力。结果，滑翔机在系绳44上施加拉力，其用于驱动作为发电机的旋转电机46以产出电力。

只要系绳44被卷开，滑翔机10就飞行远离地面站40。因此，产出阶段受到系绳44的总长度的限制。

在卷回阶段期间，即，为了将系绳44卷回到卷轴42上，旋转电机46作为电动机操作，同时滑翔机10沿低升力飞行轨迹54被控制，以便最小化系绳44上的拉力。

在产出阶段期间的示例性系统操作的替代图示在图3中示出。同样，风由箭头50表示。

在此，滑翔机10沿着在地面站40的下风向的产出飞行路径51飞行。产出飞行路径51类似于重复的、基本上为八字形的环。仰角(elevation)可以表示为飞行路径51的高度与距地面站40的距离的比率，其相对较低，允许拉平系绳方向与风50之间的小角度。

图4示出了对于示例性条件的获得的功率输出111，其中，水平轴线101以任意单位示出时间，而竖直轴线102以任意单位示出功率。可以看出，功率输出111具有波动的分量，其主要是由于沿着飞行路径51在高度增益时动能到势能的转换，反之亦然。

虚线120表示在地面站40处的发电机的额定功率。

功率输出111的可实现水平取决于风况，特别是风速。图5示出了平均功率输出110，其中，水平轴线201以任意单位示出风速，而竖直轴线202以任意单位示出平均功率。

用箭头表示的是风速的特征阈值。

低于下限阈值131，即使没有任何电力产出，风况也不足以使滑翔机10正常地飞行。换句话说，可用于从风50中提取的能量甚至不足以使滑翔机10保持在空中。

对于这种弱风况，本发明提供了一种弱风操作模式，如图8所示。在该弱风运行模式中，滑翔机10沿着保持飞行路径51’飞行。当保持飞行路径51’靠近地面站时，即，处于大仰角，如图8中示例性地所示，系绳44的自由长度很短。这最小化了滑翔机10除了其自身重量之外必须承载的额外重量。然而，根据本发明的方法也适用于保持具有较小仰角的飞行路径。

保持飞行轨迹51’类似于八字形闭环。多余长度的系绳44增加的卷开阶段和多余长度的系绳44减少的卷回阶段沿着飞行路径分布。

根据本发明，在至少一个卷回阶段的至少一部分52期间，拉力施加在系绳44上，从而将滑翔机10拉向地面站40。这增加了滑翔机10的速度，这进而可以在下一个卷开阶段期间用于高度增益。换句话说，系绳44用于增加滑翔机10的动能，然后该动能转换为势能并帮助将滑翔机10保持在空中。

本发明甚至允许在没有风50的情况下使滑翔机10飞行。

替代地，当风况下降到低于下阈值131时，滑翔机10可以着陆。最终的选择应该估计弱风期的预期持续时间，并且基于经济考虑和风险评估。通常，使滑翔机10保持在空中或者进行强风险着陆风险，需要在功耗和维护成本之间进行权衡。

在图5中进一步示出的是上阈值132，在该上阈值132之上，风况太苛刻，以至于不能确保滑翔机10安全横风飞行。因此，如上所述的用于能量产出的常规操作限于下阈值131和上阈值132之间的风况。

对于不同范围的风况，常规操作略有不同，其中这些范围分别由图5中的A、B、C和D表示。

在范围A内的风况下，滑翔机10通常被控制为飞行以获得最大升力，而地面站40处的发电机46的转矩被优化以获得最大能量产出。在风况范围A内，系绳44的张力和卷开速度都随着风速的增加而增加，导致平均功率输出110随着风速的增加而立方性地增加。

在范围A和范围B之间的过渡处，系绳44的张力达到其设计最大值，使得在不损害系统的操作安全性的情况下不能进一步增加发电机转矩。

因此，对于范围B内的风况，发电机转矩被控制到最大系绳张力，而滑翔机10的飞行仍被控制为获得最大升力。在范围B内，卷开速度随着风速的增加而线性增加，导致功率输出的线性增加。

图4中所示的功率输出111是对于范围A或范围B内的风况的示例，其中，对于任何给定时间，功率输出111低于额定发电机功率120。

对于范围C内的示例性风况的功率输出111C在图6中示出。显而易见的是，存在过功率区域121，其中，最大功率输出将高于额定发电机功率120，如虚线段所示。为了避免发电机过载，必须通过降低空中风能产出系统的效率来限制功率输出111C。例如，这可以通过分别暂时降低滑翔机10的升力或增加阻力来实现。

范围D中的示例性风况的情况在图7中示出。这里，由点划线表示的最大功率输出115在产出阶段期间的任何时间都高于额定发电机功率120。如前所述，需要降低系统效率，以便在任何时间将实际功率输111D限制至额定发电机功率120

一种方法是如前所述，降低滑翔机10的升力和/或增加阻力。然而，这通常会导致滑翔机10的结构上的不必要的高负荷，特别是对于机翼和转向面以及相应的铰链和致动器。

在本发明的优选实施例中，飞行路径51的仰角增加，这使最大功率输出115朝向优化的功率输出116降低，如虚线所示。从此处开始，如前所述，通过降低滑翔机10的升力或增加阻力来进一步减小系统效率。结果，实际功率输出111D随着时间在额定发电机功率120的水平上是恒定的。

在特别猛烈的风况下，可以选择将目标功率输出111D降低到额定发电机功率120以下，以便增加系统的安全裕度，从而在不影响操作或结构安全的情况下，对不可预见的阵风进行正确反应。

参考图5，已经讨论过，在高于上阈值132的风况下，经由滑翔机10的横风飞行的动力产出已不再是一种选择。然而，根据本发明，仍然可以通过在泵浦(pumping)模式中使滑翔机10在地面站40上方竖直地飞行来发电。在此，例如通过正确地控制迎角，周期性地增加和减少升力。结果，滑翔机10高度增大，从而拉动系绳44，然后降低高度，允许系绳44卷回。

在高于临界阈值133的甚至更高的风速下，发电完全终止，并且系统仅由被控制以便最小化风险。最安全的选择始终是降落滑翔机10并将其固定在地面上。当适当的风险评估允许时，在本发明的范围内，还可以将滑翔机10控制为悬垂静止，其中控制飞行以使滑翔机10、系绳44和地面站设备上的结构载荷最小。

本领域技术人员将理解，产出飞行路径51和保持飞行路径51’都是示例性实施例。其他原理形状(例如，圆形或椭圆形)也意在由本发明涵盖。

Claims (12)

1.一种空中风能产出系统的操作方法，

所述系统包括地面站、具有机翼的空中滑翔机、以及将所述滑翔机与所述地面站连接的系绳，

所述地面站包括用于储存多余长度的所述系绳的可旋转的卷轴和与所述卷轴有效连接的旋转电机，

其中，所述系统在常规操作模式中以重复的操作周期操作，所述操作周期包括产出阶段，其中，系绳的自由长度增加，包括使所述滑翔机飞离所述地面站，并使用暴露于风的所述滑翔机的机翼产生的升力经由所述系绳驱动所述旋转电机产出能量，并且，所述操作周期还包括卷回阶段，其中，系绳的自由长度减少，包括使所述滑翔机飞向所述地面站，

其特征在于，

监测风况，并且，

当监测的风况下降到低于预定的下风况阈值时，所述系统的操作改变为弱风操作模式，和/或

当监测的风况上升到高于预定的上风况阈值时，所述系统的操作改变为强风操作模式。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述常规操作模式的所述操作周期包括在产出阶段和之后的卷回阶段之间的第一过渡阶段，和/或，其中，

所述常规操作模式的所述操作周期包括在卷回阶段和之后的产出阶段之间的第二过渡阶段。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，

在所述第一过渡阶段和/或所述第二过渡阶段期间，优选在所述第一过渡阶段期间，改变操作模式。

4.如权利要求1或3中任一项所述的方法，其特征在于，

在所述产出阶段期间，控制所述滑翔机的飞行以获得最大升力，且控制所述系绳的张力以获得最大功率输出，特别是经由所述旋转电机的转矩控制。

5.如权利要求1或4中任一项所述的方法，其特征在于，

通过暂时降低所述系统的电力产出的效率，降低所述系统的功率输出。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

通过保持所述系绳的张力高于预定的张力阈值暂时降低系统效率，其中，所述张力阈值具体是风况和/或系统设计参数和/或系统状态参数的函数。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，

通过保持所述滑翔机的升力低于预定的升力阈值暂时降低系统效率，其中，所述升力阈值具体是风况和/或系统设计参数和/或系统状态参数的函数。

8.如权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，

通过增加所述滑翔机的飞行轨迹的仰角和/或尺寸暂时降低系统效率。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，

所述弱风操作模式包括重复的操作周期，该操作周期包括第一阶段，其中系绳的自由长度增加，包括使所述滑翔机飞离所述地面站，且所述操作周期还包括第二阶段，其中系绳的自由长度减少，包括使所述滑翔机飞向所述地面站，其中，在所述第二操作阶段的至少一部分期间，所述滑翔机经由所述系绳被拉向所述地面站，从而增加所述滑翔机的速度，其中，附加的速度用于在随后的第二操作阶段期间提升所述滑翔机的高度。

10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，

所述强风操作模式包括重复的操作周期，该操作周期包括产出阶段，其中系绳的自由长度增加，包括提升所述滑翔机的高度，从而使用暴露于风的所述滑翔机的机翼产生的升力经由所述系绳驱动所述旋转电机产出能量，且所述操作周期还包括卷回阶段，其中系绳的自由长度减少，包括降低所述滑翔机的高度，其中除了高度变化之外，所述滑翔机基本上保持静止。

11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，

所述强风操作模式包括控制所述滑翔机的飞行悬停静止，特别是当风况高于预定的临界风况阈值时，其中具体地，所述临界风况阈值高于所述上风况阈值。

12.一种空中风能产出系统，包括地面站、具有机翼的适航的滑翔机、以及用于将所述滑翔机与所述地面站连接的系绳，所述地面站包括用于储存多余长度的系绳的可旋转的卷轴和与所述卷轴有效连接的旋转电机，所述系统还包括用于操作所述系统的控制机构，

其特征在于，所述控制机构配置且设计为根据权利要求1至11中的任一项操作所述系统。