本發(fā)明涉及一種風箏。

背景技術：

人們已經利用了風能數(shù)千年。近來，將風能轉化為其他形式的能量以及特定的電能的系統(tǒng)已經變得越來越流行。已知使用風力渦輪機來從風中提取能量。還已知，風箏也能從風中提取能量。風箏可以在風速比風力渦輪機的輪轂高度處的風速更可靠的高度飛行。風力渦輪機的輪轂高度可以為80m或100m，然而風箏可以在400m到700m或甚至更高的高度處飛行。借助基于風箏的發(fā)電系統(tǒng)，質量的大部分保持接近地面或水平面，這使彎矩最小化，并顯著地減少設備的質量。設備的維修和服務更容易，因為所有這些都在低水平高度。在海上，設備可以安裝在可牽引的駁船或浮標上，以便允許被取回港口以進行大修或維修。

從風中提取能量的風箏系統(tǒng)典型地包括使用栓繩連接到基座單元的風箏。在一種類型的系統(tǒng)中，栓繩纏繞在卷筒上。隨著栓繩被脫離，卷筒的旋轉被用來發(fā)電，且在動力循環(huán)結束時，卷筒被翻轉以卷入栓繩。在另一類型的系統(tǒng)中，螺旋槳或轉子設置在風箏上，且當風通過螺旋槳或轉子時，螺旋槳或轉子用于產生電力，該電力沿著栓繩向下被傳送到基座單元。

為了有效地使用風箏發(fā)電，希望風箏能夠飛過空氣。栓繩的端部上的靜態(tài)風箏只能相對于實際風速產生升力；然而，當風箏被允許移動時，由于由風箏相對于真實風的運動產生的明顯的風，升力增加。

已栓繩的風箏具有空間區(qū)域，其中其可以在栓繩中產生高張力。該區(qū)域的中心直接地位于基座單元的下風向，且取決于例如風箏的設計、發(fā)電設備和風速的限制，位于與基座單元的一仰角處。其中可以產生適當?shù)母邚埩Φ膮^(qū)域在下文中將通常被稱為“風的中心”。如果風箏在方位角或仰角上移動遠離風的中心，則栓繩中可以產生的張力的量可能小于從風中提取能量的系統(tǒng)的最佳效果。因此，希望將風箏保持在風的中心附近，且還希望控制風箏在風中以高速移動。已經建議，當風箏被控制成飛行8字形或連續(xù)環(huán)形圖案時，獲得合適的飛行樣式。如果在發(fā)電階段電力產生在地面水平上而不是在翼上，則當風箏以環(huán)形或8字形圖案的樣式飛行時，線將連續(xù)地從旋轉發(fā)電機的滾筒或產生動力的泵脫離。

當動力行程結束時，線需要被收回。在收回階段，需要由風箏產生的力，以減少能量需要并增加整體效率。這通常通過使風箏遠離風的中心到發(fā)電區(qū)域的邊緣、特別是朝向頂點或窗口的邊緣來實現(xiàn)。位置越接近90°遠離風向，則風箏被收回的阻力越小。已經提出了一些系統(tǒng)，以某種方式對風箏改型以減少收回期間的張力，但是這些傾向于復雜的布置，其顯著地增加成本或顯著地增加部件失效的可能性，或者既顯著地增加成本又顯著地增加部件失效的可能性。

附圖說明

圖1和圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的風箏的等距視圖；

圖3是示出圖1和圖2實施例的栓繩從完全動力位置到去除動力位置的運動的視圖；

圖4示出了第二實施例，其具有由穩(wěn)定線支撐的單個桿(spar，圓桿)且并不直接附接到風箏；

圖5示出了第三實施例，具有水平桿，該水平桿給出進一步傾斜穩(wěn)定性；

圖6示出了第四實施例，其中主桿在橫梁下方延伸；以及

圖7示出了控制線如何經由滑輪被引導以便阻止到栓繩的角度變得平直且增加致動器上的力的細節(jié)。

具體實施方式

簡言之，本發(fā)明涉及通過增加風箏的可控性而提高使用風箏產生的功率。這些實施例將剛性元件提供給柔性空氣動力學結構，以便為與傾斜(pitch，俯仰)和滾動中立點(rollneutralpoint)有關而構造的栓繩系統(tǒng)形成附接點，以便允許利用平衡的低能量系統(tǒng)產生風箏的有效控制。

在下文中，所有涉及左、右、向前、向后、滾動、傾斜等都是相對于風箏飛行時其前進的方向來說的。

參照附圖，所有實施例提供了一種用于從風中提取能量的系統(tǒng)的風箏。該風箏包括用于提供升力的翼1，在翼1下方連接的桿裝置2以及從桿連接到翼1的約束線或半剛性張力構件3。栓繩4連接到栓繩附接點5。栓繩附接點5通過連接鏈(connectionlink)14(是栓繩4的延伸部)連接到桿裝置2上的主連接點8。栓繩附接點5也連接到至少一個副連接點，在該處，也安裝在桿裝置2下方的致動器機構6、7能以傾斜或以傾斜與滾動結合的方式影響風箏。

這些實施例允許風箏的栓繩附接點在由控制線之間的三角形(triangulation，三角測量)及控制線的長度所限制的受控區(qū)域之內移動，且這通過使栓繩附接點5偏斜來促進。這不需要相對于翼移動任何單獨的約束線就可以實現(xiàn)。它涉及與栓繩4和連接鏈14中的張力相比相對較小的控制力。其他控制方法和設備可以與此(例如副翼或拖翼)結合使用，且這些其他控制方法和設備可減少致動器機構6、7所需的力，以提供風箏的栓繩附接點在受控區(qū)域內的運動。

首先參照圖1和圖2，示出了用于從風中提取能量的系統(tǒng)的風箏的第一實施例。該風箏包括用于提供升力的翼1，以及連接在翼1下方的剛性桿裝置2。約束線或半剛性張力構件3從桿裝置2連接到翼1。栓繩4連接到桿裝置2并延伸到地面站(圖中未示出)。在圖1和圖2中，桿裝置2包括三角形或a形結構的三個連接的桿。較長的桿在主連接點處一起連接到翼1。較長的桿是大體豎直的。較短的桿將較長的桿的另一端連接在較低的桿角落處。較短的桿是交叉桿，且是大體水平的。

桿裝置2的更豎直的元件通過約束線的作用被保持在壓縮狀態(tài)，該約束線通過風在翼1上的作用而被放置成是張緊的。

在桿裝置2與栓繩4之間有兩個附接點5、8，其中一個附接點包括可以調整桿裝置2與栓繩4之間的距離的致動器系統(tǒng)或控制機構6、7，以對風箏產生控制。例如，如下所述，通過使用第一致動器6調整桿裝置的一個下角部與栓繩4上的栓繩附接點5之間的距離，來縮短或延長將桿裝置的角部連接到栓繩附接點5的第一繩索。通過使用第二致動器7調整桿裝置的另一個下角部與栓繩附接點5之間的距離，來縮短或延長將桿裝置的角部連接到栓繩附接點5的第二繩索。因此，通過控制致動器6、7，可以調整交叉桿與栓繩4之間的距離，以調整翼1的斜度，如下所述。并且，如下所述，交叉桿相對于栓繩的橫向位置可以被調整以調整翼1的滾動。

特別地，第一附接點8遠離地面站，且靠近翼1；第二附接點遠離翼1，且靠近地面站。具體地，第一附接點8在翼1的滾動中立(neutral)點上方，第二附接點5在翼1的滾動中立點下方。滾動中立點是這樣一個位置，圍繞該位置，翼1(如果被約束)在被擾動時，圍繞滾動軸線中立地穩(wěn)定。滾動中立點是升力面的空氣動力特性，并不由約束物或約束物組的結構連接點限定。在實踐中，滾動中立點根據(jù)翼1的飛行位置而改變。例如，當翼1傾斜以給出不同的進入風中的攻角時該中立點改變，以及當存在翼1的偏航運動時該中立點改變。滾動中立點作為相對于飛行面向前方和后方的平面中的一點而存在?？梢悦枥L出，滾動中立點可以位于垂直于該平面延伸的線上的任何位置。

滾動中立點的可能的運動范圍限定了滾動中立區(qū)域。當翼1處于產生能夠將本體保持在空氣中的升力的飛行狀態(tài)時，滾動中立點將始終在滾動中立區(qū)域內。滾動中立區(qū)域的極限由飛行狀態(tài)下翼1的滾動中立點的可能移動范圍限定。在下文中，部件相對于滾動中立點的位置將被理解為指的是它們相對于滾動中立區(qū)域的放置位置，其中當風箏處于飛行狀態(tài)時，滾動中立點必須位于滾動中立區(qū)域中。

在圖1和圖2的實施例中，第一附接點8在翼1的升力(標記為n)的標準中心的前方(如圖3所示)。換言之，第一附接點8在翼的傾斜中立位置前方。這允許控制機構6、7提供傾斜控制。提供傾斜控制，因為存在用于控制機構6、7的不平衡或力矩來拉動。從圖3可以理解，當升力發(fā)生在翼上時，整個裝置試圖向下傾斜翼1的前部(鼻部)。然而，這由致動器機構6、7的在附接點5處連接到栓繩4的線阻止。特別地，翼1試圖向下傾斜，也嘗試向前傾斜桿裝置2，但是控制機構限制了桿裝置2的底部與栓繩4的第二附接點5分離。這使得致動器機構6、7的線被張緊地放置。張力的量取決于第一附接點8與傾斜中立點之間的弦向(前到后)距離以及由翼提供的升力。張力導致在第二附接點5的位置處在栓繩以及連接線14在布置中存在小的扭結(kink)。

應理解，翼1的升力中心隨著翼1到風中的攻角的改變而改變。這樣，傾斜中立位置也改變。這導致致動器機構6、7中的張力即使在風速沒有任何變化的情況下也變化。

傾斜控制是有用的，因為其允許風箏在高升起位置與低升起位置之間移動。風箏的高升起位置最佳地用于通過允許風箏從地面站處的聯(lián)接發(fā)電機的滾筒放松繩(payout)來發(fā)電。低升起位置最佳地用于在另一個發(fā)電周期之前使風箏能夠朝向地面站收回。在低升起位置時由風箏產生的升力在圖3中用l表示?？梢钥闯觯^低，且還進一步集中回到翼中。通過當風箏被收回時控制風箏以提供低升力，收回風箏所需的能量可以被減少。

連接線14/栓繩4在第一連接點8處附接并接合到桿裝置2。在第二附接點5處，連接線14/栓繩4不接合桿裝置2，但聯(lián)接在距離桿裝置2一定距離處，該距離可通過致動器機構6、7的致動器來控制。通過致動器的適當控制，實現(xiàn)對風箏的傾斜或滾動，或者傾斜和滾動結合的控制。

第一致動器機構6包括致動器，其經由第一張力鏈10在一端聯(lián)接到剛性地固定到第一桿角部的臂，并在另一端在第二附接點5處連接到栓繩4。第二致動器機構7包括致動器，其通過第二張力鏈10在一端聯(lián)接到剛性地固定到第二桿角部的另一臂，并在另一端在第二附接點5處連接到栓繩4。通過適當控制致動器6來調整第一致動器機構6(或形成其一部分的第一張力鏈10)的長度，以及因此調整桿角部(和整個桿裝置2)與第二附接點之間的距離。這同樣應用于第二致動器機構7和形成其一部分的第二張力鏈10。致動器機構6、7的致動器在這里是伺服系統(tǒng)或伺服電機的形式，但是可采取一些其他形式，例如絞盤或撞錘(ram)。通常，致動器可控制地調整致動器機構6、7的長度。

通過在每個致動器機構6、7上以相同的量調整致動器機構6、7的致動器，栓繩附接點5的位置被直接地調整。這特別地通過改變翼1相對于栓繩的傾斜角來改變翼1的縱傾傾斜角(trimmedpitchangle)。

通過不同地調整致動器機構6、7的致動器(即，使一個比另一個更長)，則相對于栓繩4調整翼1的滾動。

上述兩種方法都可以用于使翼相對于栓繩進行傾斜和滾動結合的控制。風箏的滾動導致風箏的轉向，即改變航向。

在圖1中，一個或多個桿2的頂部安裝到翼1上?？蛇x地，如圖4所示，其相對于翼的位置通過一系列由翼1的剛性和升力保持張緊的吊索線(riggingwire)或構件而穩(wěn)定。

圖4的實施例類似于圖1的實施例，相同的附圖標記表示相同的元件。主要差異在于，在桿裝置2的下端與栓繩4的連接點5之間僅存在一個張力鏈10。一個致動器6構造成可控制地改變第一張力鏈10的長度。因此，圖4實施例的風箏是可控制的，因為通過改變張力鏈10的長度來控制傾斜，但這不能用于產生滾動控制。直接地使用用于滾動的副翼、翼的變形，或者間接地經由附接在桿2和翼1自身之間的線，使用對于翼1的空氣動力學改變，可以產生滾動。然而，可以通過致動器裝置6的控制來實現(xiàn)傾斜控制。桿裝置2包括豎直地布置的單個桿2。桿裝置是長形的，但是由于不具有需要間隔開的多個致動器，所以不需要交叉桿，因此桿裝置不需要是三角形或a形的。

在圖4中，桿2的頂部通過由翼1的剛性和升力保持張緊的一系列的吊索線或構件而穩(wěn)定。這說明第一附接點8不需要直接在翼1上。用于將附接點8與翼1分開的該技術也可應用到其他實施例。在圖4中，附接點8可替代地直接設置在翼1上。

圖5示出了第三實施例，其具有給出進一步的傾斜穩(wěn)定性的水平桿或橫撐桿(spreader)16。這里，水平桿16從前到后延伸。水平桿16的端部通過栓繩延伸部15附接到栓繩4。水平桿16的端部還通過另外的栓繩延伸部12附接到連接點8。這樣，栓繩4連接到連接點8?？梢哉J為，栓繩4分裂為被水平桿16保持分開的裂縫的兩個分支。這可被稱為分裂附接構件(splitattachingmember)。由翼1提供的力通過栓繩延伸部12、15被提供到栓繩4。該力的一部分作為壓縮力被施加到水平桿16。

桿裝置2大致如圖1和圖2所示，除了它連接到水平桿16。桿裝置2通過前后張力鏈10a、10b、11a、11b連接到水平桿16。每個致動器6、7由前后張力鏈10a、10b、11a、11b中的一個連接到水平桿的每一端。

借助圖5的實施例，傾斜中立點不需要在連接點8的前方。而是，正常飛行中的傾斜中立點可以與連接點8一致。這意味著只需要由致動器6、7施加的更小的力，來實現(xiàn)傾斜控制。如果系統(tǒng)對于連接點8是中立的或不穩(wěn)定的，則這允許伺服電機或其他致動器控制傾斜。這同樣應用于滾動控制。

借助圖6的實施例，主桿裝置2在橫梁的下方延伸。這允許在致動器6、7和張力鏈10、11的位置下方的點(位置)，將約束線3連接到桿裝置。

在圖6中，翼1是剛性的，所以需要較少的約束線3。這種剛性翼1也可以用于其他實施例。

在翼1的作用力中心(centreofeffort)前方保持其位置(作用力中心被示出為圖3中的升力n的位置，但是在所有附圖的翼中都有作用力中心)，圖6的實施例的桿裝置2的底部在翼1的滾動中立區(qū)域之下。栓繩4，特別是附接點5相對于一個或多個桿2的相對位置由致動器機構6、7的致動器控制。

在圖1-3、圖5和圖6的實施例中，連接點8可通過將桿裝置2附接到中心肋來提供，中心肋可以是翼上的剛性的或充氣的表面附接部，其附接到桿的頂端。除了圖4的實施例之外，連接點8的位置被翼沿弦向的傾斜中立點控制。由連接點8與傾斜中立點之間的弦向距離產生的傾斜力矩越大，裝置越穩(wěn)定，且致動器6、7的力需求越大。

該系統(tǒng)被設計成使得翼具有升力(作用力)向量，當風箏處于飛行狀態(tài)時，在第二附接點5和致動器機構6、7的致動器之間的張力鏈10、11中產生張力，這在大多數(shù)操作條件下，在傾斜和滾動方面給予裝置自然穩(wěn)定性。陣風或飛行操縱的極端條件可能導致在張力鏈10、11的一個中發(fā)生短暫松弛。

借助兩個張力鏈10、11和兩個致動器6、7，風箏可以被滾動。當桿裝置2的底部低于系統(tǒng)的滾動中立點時，風箏自然地是滾動穩(wěn)定的。通過縮短張力鏈11到致動器7的長度并延長從致動器7到栓繩附接點5的張力鏈11，桿裝置2向左移動。這引起向左的滾動。當使控制輸入反向時，桿裝置2向右移動，引起向右側滾動。

桿裝置2的一個或多個桿可以是單個物品或剛性構件的任何裝置，這些剛性構件給出一個或多個約束附接點與壓縮元件的頂部之間的壓縮元件。這應用為直接附接到翼或被間接地支撐(如圖4所示)。

桿、橫支柱和橫撐桿可以由鋁、玻璃纖維、碳纖維或能夠形成輕質壓縮支柱的任何材料制成。這些構件的形狀應設計成提供具有低重量和空氣動力阻力的高抗壓強度。

在圖1和圖2中給出的示例中，桿在空氣動力學方面形成有交叉橫支柱和吊索線，該裝置給出了非常輕的堅硬結構。通過提供桿空氣動力學形式，它們還具有前后深度，這有助于在該方向上的剛性?？捎糜跅U的形狀的其他示例是具有橫撐桿和空氣動力學吊索的雙錐形桿或空氣動力學桿。在圖6中，附接的橫撐桿被示出為具有金剛石吊索線。

在具有多個桿(例如參見圖1和圖2)或具有側向延伸的單個豎直桿(例如參見圖6)的裝置中，致動器6、7能夠完全或部分地控制滾動以及傾斜。

由于添加了一個或多個壓縮構件，整個約束裝置保持穩(wěn)定并張緊。在約束系統(tǒng)之內不需要滑輪，所以約束線可以具有低空氣動力阻力的輪廓。

這里描述的系統(tǒng)比標準風箏系統(tǒng)穩(wěn)定得多，且更不容易疲勞。該系統(tǒng)不排除滑輪和移動約束線，其可用于扭曲翼表面或翼上的控制表面。

致動器可幾乎安裝在系統(tǒng)內的任何地方，因為僅需要將線附接到附接點5。

小直線絞盤可以適配為致動器6、7，可選地，滑輪12可與通向主桿2內的絞盤或線性致動器或液壓油缸的線一起使用。這在圖7中示出。

桿裝置2可以用于照明設備的裝配。照明設備還可以被裝配，以便光學傳感可用于最終進塢(docking)操作。桿內的腔可以用于安裝航空電子設備和通信設備，例如包含gps、慣性測量設備、雷達、無線電三角測量應答器、通信設備、電池、超級電容器和所有其他輔助設備的傳感平臺。

用于運行航空電子設備和控制器的局部動力可以通過將小型渦輪機固定在桿裝置2的下部或底部處而產生。這給出了局部發(fā)電裝置的穩(wěn)定性，這在沒有剛性桿裝置2的情況下難以獲得。渦輪機增加了阻力，這可有助于翼1的傾斜穩(wěn)定性。

約束線3可以以任何合適的方式布置。例如，它們可以從翼向下延續(xù)到桿裝置2的底部(如圖5所示)，被分組(如圖4所示)，或者如果翼具有高剛性，則可以裝配最小的約束(如圖6所示)。

在操作中，上述風箏能夠在保持飛行穩(wěn)定性的同時快速改變攻角，允許風箏在不發(fā)電時更直接地返回向基站，從而減少時間并因此減少系統(tǒng)中的損失。

如果圓形飛行樣式相對于8字形飛行樣式是優(yōu)選的，轉環(huán)13在栓繩4中的裝配避免了栓繩的過度扭轉。

桿裝置2可以存放能量存儲裝置、航空電子設備、傳感器、通信設備和/或天線(圖中未示出)。

桿裝置可容納照明設備。在進塢和發(fā)射連續(xù)事件(sequence)期間，照明設備可用于幫助定位風箏。

對于本領域技術人員而言，各種替代和改型將是顯而易見的。保護范圍受所附權利要求限制但不受上述描述限制。