專利名稱：利用風箏驅動立軸式風輪機進行能量轉換的風力系統(tǒng)及利用該系統(tǒng)產生電能的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風力系統(tǒng)，其由飛行牽引物體(power winged profiles)(風 箏(kites))驅動而工作且轉軸垂直安裝(平旋、水平旋轉)。本發(fā)明還涉及使 用該風力系統(tǒng)產生電能的方法。
背景技術：
過去，有關利用可再生能量資源以低成本來獲取能量的問題已有很多處理 方法，特別是下文提及的在先專利中，其公開了風力能的轉化方法，而且也公 開了幾種通過風箏(kite)從風力能中獲得能量的設備。
特別地，美國專利US 4124182公開了一種裝配有降落風箏(parakites)或 稱作改進的降落傘的設備，利用其獲取風力能并將獲得的風力能轉換成轉軸的 旋轉運動，轉軸再帶動發(fā)電機運動發(fā)電。該設備具有一對降落風箏列陣(trains of parakites),每個降落風箏列陣中串聯連接有多個降落風箏。每個降落風箏列 陣配有一條牽引繩，但該牽引繩不夠長，因此降落風箏列陣不能到達一個能獲 得相對于地表面而言具有較強風力和空氣流比較一致的高度。每個降落風箏列 陣通過相應的牽引繩限制至絞輥(drum)或絞盤(winch)上，絞輥或絞盤的 轉動方向能夠交替變換以便于在風力牽引作用下繞緊或松開牽引繩。每個降落 風箏列陣還配置有連接至列陣里各個降落風箏的第二根牽引繩，稱作天蓬繩 (cap mpe)，通過天蓬繩可以選擇性地折疊起降落風箏以使繞緊動作更加容 易。借助減速器，各絞盤的旋轉運動傳遞給發(fā)電機，驅動發(fā)電機發(fā)電。當其中 一個降落風箏升起的時候，單滑輪組通過離合器和變速裝置使另一個降落風箏回復原位。獲得的風力能然后轉化成機械能，機械能中的一部分將立即被用于 將復位的降落風箏的傘蓋折疊收起，另一部分將被轉化成電能。降落風箏憑借 限制在每個降落風箏陣列上的空氣靜力平衡氣球的充氣和排氣來保持停留在 期望的高度并保持降落風箏天蓬蓋有固定的方向。
中國公開號為CN1052723的專利申請公開了一種裝配有一對風箏的風力 發(fā)電機，風力產生的牽引通過風箏及高強度纜繩轉變成安裝在地面上的絞輥的 旋轉運動，絞盤則驅動能將機械能轉化成電能的液壓馬達工作。
英國專利GB2317422公開了一種具有多個風箏的發(fā)電設備，其在風力作 用下驅動一軸線垂直安裝并連接至發(fā)電機轉軸的主軸，風箏被水平方向上作圓 形軌跡運動的風力驅動。為了保證運轉的飛行連續(xù)性，每個風箏上安裝有能改 變風向起始角的裝置。
美國專利US6072245公開了一種利用風力能的設備，其包括多個連接至環(huán) 形纜繩上的風箏，風箏按上升的路徑和下降的路徑交替改變的方式驅動，使其 一直沿同一個方向旋轉。每個風箏均連接至一牽引繩用于傳遞機械能，并還連 接至一驅動繩組成的系統(tǒng)用于調整每個風箏的風向起始角。牽引繩使滑輪
(pulleys)轉動并由此發(fā)電。驅動繩用來使得每個風箏處于一個這樣的位置， 在上升的路徑中時，使得風箏被風力向上拉起處于另一個位置及在下降的路 徑中時，每個風箏收到風力向下的猛力推動。
美國專利US 6254034公開了一種裝有風箏(系留飛行物(tether aircraft)) 的利用風力能的設備，其由一被控速的風力驅動。風箏通過一纜繩連接至絞盤 上，絞盤可帶動發(fā)電機發(fā)電。風箏上裝配有一驅動系統(tǒng)，其可偵測并改變風向 起始角，并改變獲取的風的迎風面積。該驅動系統(tǒng)能在地面上由操作員控制， 通過觀看顯示出來的傳感器傳輸數據進行控制，或者通過遙控系統(tǒng)進行自動控
11制。為了讓風箏順風升起，風箏以大的風向起始角來驅動；完成上升動作之后， 風向起始角減小，風箏逆風滑下，風箏回復至原始位置，然后又順風升起并且 依此循環(huán)。
荷蘭專利NL 1017171C公開了一種風力系統(tǒng)，其類似上述專利中提及的設 備，只是沒有提供手動模式，為了在纜繩繞緊時將風力阻力降至最小，風箏回 復至原始位置的方式是通過將風箏傾斜像旗幟一樣回復原位。
美國專利US 6523781公開了一種獲得風力能的設備，包括一風箏(機翼 風箏(airfoil kite))，其具有入口邊(inlet edge)、出口邊(outlet edge)及兩側 邊，風箏通過其自身設置的驅動機構來驅動。該風力系統(tǒng)配置有連接至風箏邊 部(edges)的牽引繩，風箏通過改變上升角度并通過纜繩來驅動。驅動機構通 過置于牽引繩內部的電纜供電工作，牽引繩將風箏連接至絞盤上，絞盤帶動發(fā) 電機發(fā)電。風箏利用風力對其的抬升力上升并沿幾乎垂直于風速的方向上升。 完成上升動作之后，風箏即回復至原始位置，然后又在風力抬升力作用下上升。
美國公開號為US2005046197的專利申請公開了一種配置有風箏的利用風 力能的設備，其通過牽引繩來驅動絞盤及與絞盤連接在一起的發(fā)電機工作來獲 取電能。其上的風箏通過配置另外的纜繩來改變風箏的風向起始角以實現驅 動。風箏在大的風向起始角下上升，完成上升動作后，將風向起始角減到最小 使其回復至原位，然后重復循環(huán)。
分析現有技術可知，現有的風力系統(tǒng)配置有具如下共同特征的風箏
一風箏配有動力繩和牽引繩這意味著來自動力繩的用于發(fā)電的動力未 能傳輸至風箏的引導機構(改變風向起始角等的機構)上，而是傳輸到風力系 統(tǒng)的其它元件上，適宜地利用牽引繩來完成該功能。未利用動力繩來驅動風箏 (引導機構)使得風力系統(tǒng)變得復雜，出現以下不足一風箏通過直接安裝在其上的弓I導機構或通過至少四根額外的牽引繩來 驅動，纜繩的放松和繞緊通過絞盤來實現，絞盤安裝在地面或懸空安置(即安 裝在風箏上)。如果使用牽引繩，絞盤則可安裝在地面上，無需消耗風箏從風 力能中獲取的能量來克服引導機構自身的重力；
一風箏通過利用風力對其的拖拽力驅動上升發(fā)電(即風力的推動與風速 方向平行)。緊跟該上升動作之后是風箏的回復至原位的動作，風箏置如旗幟 的樣子來最小化風力對其的阻力。在少數風力系統(tǒng)中，除了利用拖拽力讓風箏 上升之外，還想到了利用抬升力(即風力的推動與風速垂直)。相對于前一方 式而言后一種方式的有點在于，為了更好地發(fā)電，后一方式不但考慮了風箏的 阻力，而且還考慮了利用風箏的抬升力。無論如何，兩種模式的間歇性升降循 環(huán)(上升動作和回復至原始位置的動作交替進行)意味著作用于風箏上的用來 發(fā)電的拖拽作用只出現在半個運動路徑中(實際上，風箏回復至原始位置過程 中沒有出現)；
一能量轉換是利用動力繩通過使絞盤旋轉帶動連接在其上的發(fā)電機工作 來實現的，可能其中還連接有減速器。由于在風箏回復至原位過程中是通過馬 達來驅動絞盤的，這使同一個循環(huán)中發(fā)電過程不連續(xù)。在這種方式里，發(fā)電是 間斷性的，而且還需要消耗掉一部分前一過程中產生的電能。要連續(xù)地向外部 用戶供電需要使用儲存器才能實現。
一通過循環(huán)方式發(fā)電己經受到專門關注。為了最大化能量的轉換率需要 選擇好風箏飛行的路徑，這一點幾乎完全被忽視了。
一關于風箏或串聯連接有多個風箏的風箏列陣的控制系統(tǒng)問題僅僅在數 量十分有限的項目和調査中才被處理。這也是由于許多現今的調査研究重點在 提高現有設備的產出率上而不是在開發(fā)新的能量轉換設備上這一實情所致。為了解決上述的部分問題，歐洲專利EP1672214 (申請人為Sequoia Automation S.R丄.IPPOL)公開了將風力的動能轉化成電能的設備，其通過對 連接至該設備的風箏的飛行狀態(tài)進行可預測的和適應性的控制，該設備為具有 垂直軸線的風輪機旋轉木馬式(carousel type)的風力系統(tǒng)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是通過提供一種使用了風箏的將風力能進行轉換的設備來 解決現有技術中存在的問題，其包括至少一個能量轉換發(fā)電機，發(fā)電機通過軸 心垂直安裝的風輪機的轉動臂的旋轉運動來驅動，每個轉動臂通過單副纜繩連 接至少一個風箏，在風力推動和驅逐下，產生旋轉運動從而達到讓轉動臂轉動。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種風力系統(tǒng)，設備中使用的風箏通過同一根 纜繩來實現驅動及將能量傳遞至風力風輪機的轉動臂上。
本發(fā)明進一步的目的是提供一種其風箏由智能控制系統(tǒng)(smart control system)驅動的風力系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)啟動安裝在地面并連接在絞盤上的馬 達，可能需要通過減速器，絞盤功能包括通過放松和繞緊纏繞其上的纜繩來驅 動風箏并承擔來自纜繩上的用于能量轉換的載荷。
本發(fā)明的另一個目標是提供一種其風箏由智能控制系統(tǒng)驅動的風力系統(tǒng)， 在風箏起落的每個循環(huán)中，智能控制系統(tǒng)使風箏按最優(yōu)路徑運動以實現從風能 中獲得高的轉換效率。
而且本發(fā)明的另一個目標是提供一種使用風箏的風力系統(tǒng)，其中風箏主要 利用風力的抬升力來進行能量轉換，并且風箏運行在幾乎整個循環(huán)路徑中均有 拖拽效果的路徑上。
另外，本發(fā)明的另一個目標是提供一種利用本發(fā)明的風力系統(tǒng)進行發(fā)電的 方法，其與現有技術相比具有更高的效率。本發(fā)明的上述目標和其它目標及優(yōu)點能夠從權利要求1中所述的由風箏驅 動軸心垂直安裝的風力風輪機來進行發(fā)電的風力系統(tǒng)得到，也可在下面的說明 中得到。
此外，本發(fā)明的上述目標和其它目標及優(yōu)點能夠從權利要求79中所述的 使用本發(fā)明的風力系統(tǒng)來進行發(fā)電的方法得到。


本發(fā)明將通過優(yōu)選實施例并結合附圖來進行更好的說明，本發(fā)明的實施例 并不是對本發(fā)明的限制，

如下
圖1為本發(fā)明風力系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的立體圖2為圖1中風力系統(tǒng)的放大立體圖3為本發(fā)明風力系統(tǒng)的另一優(yōu)選實施例的立體圖4為圖3中元件的放大立體圖5為圖4中元件的側面視圖6為圖3和圖4中元件的俯視圖7為本發(fā)明風力系統(tǒng)的另一元件的立體圖8為本發(fā)明風力系統(tǒng)的另一元件的立體圖9為圖8中元件的側面示意圖10為圖3中風力系統(tǒng)的元件的放大立體圖11為圖10中元件的放大立體圖12為圖10中另一元件的放大立體圖13為圖12中元件另一實施例的示意圖14為圖12中元件另一實施例的示意圖15為圖12中元件另一實施例的示意圖；圖16為本發(fā)明的風力系統(tǒng)操作過程示意圖17為處于空氣流中的空氣動力表面的靜態(tài)受力狀態(tài)示意圖； 圖18為沿垂直風速方向上自由運動時的空氣動力表面受力狀態(tài)示意圖。 如下面詳細說明中可知，本發(fā)明的風力系統(tǒng)一般包括一軸心垂直安裝(即 水平轉動，簡稱平旋)的風輪機，風輪機適用于將空氣流特別是大氣對流層(地 球表面以上15Km左右)的風力能轉換成電能，風箏被置空氣流中并被連接在 風輪機的轉動臂上，每只風箏均由伺服(servo-assisted)絞盤驅動，各伺服絞 盤單獨地由智能控制系統(tǒng)驅動，與前述現有技術不同之處在于采用本發(fā)明的風 箏飛行時的路徑可以得到最大的能量轉換率，以及包含垂直軸心的風輪機建筑 的不同。
具體實M^:
參照附圖，根據本發(fā)明的轉換能量的風力系統(tǒng)包括至少一只風箏i，其置
于空氣流W中并通過兩根纜繩4連接至軸心垂直地安裝在地面上的風力風輪 機2的至少一個轉動臂3上，風箏1適合于通過與其連接的風輪機2的轉動臂 3的旋轉來驅動，并且通過至少一個與風輪機2協同工作的發(fā)電機/馬達系統(tǒng)15a 或15b來實現將風力能轉換成電能。另外兩根纜繩4適合于將機械能傳遞至風 箏或將機械能從風箏傳遞回來使風輪機2運動并且控制風箏自身的飛行軌道。 本發(fā)明附圖所示的風力系統(tǒng)實施例的軸心垂直的風輪機2配置有兩個轉動 臂3，轉動臂的端部處分別連接有一風箏3。然而，風輪機2使用不同數量的 轉動臂3和風箏1顯然也落在本發(fā)明的保護范圍之內。特別是，為了增大對纜 繩4的拉力，在風輪機2的轉動臂3上連接多個風箏1，相互串聯連接(風箏 l形成的風箏列陣)。每個風箏l的列陣通過單個纜繩4的組成的系統(tǒng)連接至 風輪機2上，因此其工作原理不依賴于串接的風箏數量。使用多個風箏陣列的
16優(yōu)點在于增加了被風箏截入的迎風面積，進而增大風輪機2的動量和每個工作 循環(huán)中的產生的電量，這一點將在下面作更詳細的說明。
風箏1置入將被獲取的空氣流中，其一般使用用于制造某些體育運動中的 專門帆布的編制纖維(weaving fibre)做成，如帆船(surf)和輕型車(cart) 競賽。風箏1可以是完全柔性的也可以是半剛性的(semi-rigid)，其半剛性剛 度是通過使用十分輕質的框架，由于該框架的作用使得風箏可以采用如形態(tài)幾 乎相同的機翼。依靠其半剛性可保證性能大幅度提升，獲得更高的驅動平穩(wěn)性。 主要的技術特征是風箏具有球形的表面。由于近年來對空氣動力的研究，風箏 能在市面上獲得，其控制性能和操作性能方面均基本能達到要求。通過合適的 操縱，可以實現風力能的轉換。風箏1從空氣流獲得的牽引力應該處于最大值 并且同時削弱風輪機2上的轉動臂3的旋轉，這一點是很基本的要求。也就是 說，在靠近各轉動臂3處，風箏1必須使風輪機2的旋轉方向保持相同或者在 不產生反向運動的條件下停止旋轉。通過適當調整風力能轉換設備可產生這樣 的結果，這一點在后文還將仔細說明。
本發(fā)明的風力系統(tǒng)還包括一智能控制系統(tǒng)，其工作與風輪機2上，通過該 智能控制系統(tǒng)，風箏l的飛行狀態(tài)可自動掌控；設備還包括一與該智能控制系 統(tǒng)協同工作的用于管理儲電和送出電能的供電系統(tǒng)。
智能控制系統(tǒng)與一組傳感器協同工作，傳感器獨立地安裝在風箏1上并將 信息傳送到只能控制系統(tǒng)的地面接受元件上，優(yōu)選使用無線的方式傳送該信 息。智能控制系統(tǒng)將這些信息與來自其它地面元件的信息(如通過下文提到的 馬達扭力值得到的纜繩載荷值)集中并且進行計算分析，在風力系統(tǒng)工作過程 中自動地控制風箏l。
參考圖2至圖6，風輪機2的每個轉動臂3被支撐系統(tǒng)5a或5b支撐。在 轉動臂3的端部，還安裝有供風箏1回復至原位的復位系統(tǒng)6，復位系統(tǒng)6與用于回復和推出風箏1的縮回-推出系統(tǒng)7集成一體，如圖7所示。纜繩4對 向風輪機2沿轉動臂3布置，纜繩通過配置有至少一個張緊-緩沖系統(tǒng)8的傳 送器驅動?？拷L輪機2的中心處的每個轉動臂3上配置有一勢能蓄積系統(tǒng)9， 用于補償載荷突然變化時，纜繩4上的繞入-繞出系統(tǒng)10具有一對用于驅動風 箏1的第一絞盤11和由一對第二絞盤13組成的用于存放纜繩4的儲纜系統(tǒng)12， 纜繩存放器的每個第二絞盤13配置有引導模塊14，引導模塊迫使纜繩4有序 地巻入第二絞盤13中。風輪機2的轉動臂3的轉動通過減速器帶動依賴于能 量轉換發(fā)電機的發(fā)電機/馬達15a或15b運動。
風箏1通過第一絞盤II放松或繞緊纜繩4的方式來進行操縱，纜繩4即 為風箏1與風輪機2的轉動臂3之間的連接部件和傳力部件。當風箏1被風力 抬升時，風箏即可帶動風輪機2的轉動臂3轉動，并且隨后通過基于發(fā)電機的 發(fā)電機/馬達15a或15b進行能量轉換。顯然，纜繩4的長度和直徑依賴于風力 的狀況以及人員操作該設備時的安全要求。為了讓風箏l易于升起，轉動臂3 也被用來啟動該風力系統(tǒng)。實際上，在轉動臂3的末端安裝有復位系統(tǒng)6，用 于當風力系統(tǒng)不工作的時候將風箏1回復至原位。風箏1啟動時需要地面有風 力的存在。如果在較小高度處缺少風力，發(fā)電機/馬達15a或15b中的馬達將被 啟動以轉動轉動臂3，這將使運動轉矩轉換成風力作用，從而使風箏l上升。
轉動臂3的結構可以是桁架(grid)結構，類似常用的建筑用的起重機架。 這樣的結構實際上滿足了使能量轉換最優(yōu)所必要的輕量要求。
靠近風輪機2中央處，轉動臂3固定至旋轉軸16上，可相對風輪機2其 它固定部分轉動并通過一系列其它部件與風輪機實現連接。
風輪機2需要裝備轉動臂3的數量根據風力系統(tǒng)所輸送的功率來決定。轉動臂3的支撐系統(tǒng)5a或5b風輪機2的部件，其有助于支撐轉動臂3的 重力和纜繩4的拉力，可以用來避免桁架因內部應力而變形，而削弱風力系統(tǒng) 運作。
為了實現支撐系統(tǒng)5a或5b，可以采用兩個方案。第一個方案是如圖2所 示的支撐加5a，采用第一、第二拉桿(tie-rod)系統(tǒng)支撐風輪機2的轉動臂3。 第一拉桿系統(tǒng)包括第一拉桿17，其一端定位在轉動臂上，另一端連接至單獨的 立柱結構18上，豎直結構位于風輪機2中央處并跟隨轉動臂3—起轉動；第 二拉桿系統(tǒng)置于風輪機2的旋轉平面上，包括第二拉桿19，第二拉桿一端定位 在轉動臂3上，另一端連接至中央的旋轉軸16上，轉動臂3通過旋轉軸連接 到一起。在風力系統(tǒng)運作過程中，當第一拉桿系統(tǒng)支撐轉動臂3的重量時，第 二拉桿系統(tǒng)用于抵消纜繩4的拉力。實施這些方案所必需的技術知識與實施張 緊結構所需的相同。
第二方案的支撐系統(tǒng)5b如圖3和圖4所示，包括將風輪機2上的轉動臂3 通過減震桁車20鄰接到地面上，減震觸輪作為彈性支撐。因此，每一個第二 方案中的支撐系統(tǒng)即5b均配置有一對輪子21，為了在設備工作過程中產生專 門的切向力，其旋轉軸通過風輪機2的中心。減震桁車20與風輪機2上的轉 動臂3之間的連接通過一彈性連接件如彈簧，其與減震器22平行裝配一體。 如果第二方案被采用，風輪機2必須在靠近每個轉動臂3的位置配置支撐系統(tǒng) 5b。
復位系統(tǒng)6是風輪機2上用于將風箏1回復靜止至原位的元件。復位系統(tǒng) 6包括至少一個圓柱管6a，其安裝在轉動臂3的末端并適當地傾斜以致減小風 力系統(tǒng)運作過程中對纜繩4的阻力。特別地，假設風輪機2的旋轉方向一直保 持不變，各復位系統(tǒng)6相對于水平面向上傾斜(如圖5所示)，并在垂直平面 與纜繩4一同朝向風箏1 (如圖6所示)。復位系統(tǒng)6的圓柱管6a的出口端口(outlet)優(yōu)選進行圓角處理，以使得管道便于風箏l復位和啟動時更加容易。 優(yōu)選布置在各圓柱管6a的內部，轉動臂3配置有一與纜繩4 一起的用于回復 和推進風箏1的縮回-推出系統(tǒng)7。顯然，風力風輪機2在靠近轉動臂3的位置 配置復位系統(tǒng)6。
風箏1的縮回-推出系統(tǒng)7供風輪機2在停止和啟動風力系統(tǒng)時用于回復 和啟動風箏1之用。各縮回-推出系統(tǒng)7配置有至少一個桁車23，其定位在兩 軌道24之間，軌道24迫使桁車23在復位系統(tǒng)6的圓柱管6a內滑動并與這種 裝置的軸線平行。桁車23上安裝有一對讓纜繩4運動方便的滑輪25，在風力 系統(tǒng)工作或靜止時，桁車23位于它的工作行程的端點(end-of-stroke)位置。 特別地，在工作條件下，桁車23位于復位系統(tǒng)6的外端；在靜止條件下，小 滑車23位于復位系統(tǒng)6外端向內的下游位置。桁車23由至少一根馬達減速器 (motoreducer)帶動的皮帶驅動，優(yōu)選使用有齒的皮帶。小滑車只有在風力系 統(tǒng)啟動和停止過程中需要回復和推動風箏l時才被拉動?；貜惋L箏1時，當風 箏1靠近風輪機2上的轉動臂3時，兩纜繩4中間的一根被拉動以使風箏1傾 斜至與復位系統(tǒng)6的軸線平行并且方便進出其中。連接到假定有齒的皮帶上的 馬達減速器啟動并且桁車23下降至復位系統(tǒng)6中，使得風箏1漸進地回復至 原位。
當推動風箏1或其風箏列陣時，可以采用人工噴氣機(artificial wind thrust device)模仿空氣流動形成風來向外推動風箏l，這種情況下，桁車23在皮帶 帶動下隨著風箏1在復位系統(tǒng)6中運動。風力風輪機2可在靠近每個復位系統(tǒng) 6處裝備風箏1的縮回-推出系統(tǒng)7。
傳輸系統(tǒng)是風輪機2用于引導位于風箏1的復位系統(tǒng)6與勢能蓄積系統(tǒng)9 之間的纜繩4的部件。在圖8所示的優(yōu)選實施例中，傳輸系統(tǒng)包括裝配于風輪 機2的轉動臂3上的滑輪，滑輪繞其銷軸旋轉并插入安裝銷軸的兩個面與頭部之間。風輪機2的每個轉動臂3裝備有一傳輸系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)包括兩套滑輪， 每根纜繩4 (用于驅動風箏1)對應一套滑輪。這些滑輪組頭部在上、下方向 上交替布置。這使得纜繩4看起來像沿風輪機2的轉動臂布置的折線。每個傳 輸系統(tǒng)中的滑輪可以分成四種
一第一滑輪25裝配于風箏1的縮回-推出系統(tǒng)的滑動塊上； 一第二滑輪26直接安裝固定在風輪機2的轉動臂3上； 一第三滑輪27為纜繩4上張緊-緩沖系統(tǒng)8的一部分； 一第四滑輪28安裝于纜繩4的引導模塊14的滑動塊上，風力風輪機2 可以在每個轉動臂3上安裝一傳輸系統(tǒng)。顯然，組成傳輸系統(tǒng)的滑輪 總數量依賴于轉動臂3的長度。 纜繩4的張緊-緩沖系統(tǒng)8是風輪機2用于在靜止條件下保持纜繩4沿這 轉動臂3張緊的元件，也有利于緩沖纜繩4自身不能吸收的突然變化的載荷。 在圖8所示的實施例中，張緊-緩沖系統(tǒng)8包括至少一對第三滑輪27，其連接 至至少一個緩沖配重塊29，配重塊能從地面抬起并且能在豎直方向調動和用合 適的擋塊限位。用于驅動風箏1的兩根纜繩4分別纏繞在兩個第三滑輪27上， 以使纜繩4保持配重塊29被抬升。由于重力影響，配重塊29向地面方向拉纜 繩4。有兩方面的效果，首先，纜繩4 一直保持在張緊狀態(tài)，當風力系統(tǒng)靜止 時也是如此；其次，這樣的張緊-緩沖系統(tǒng)8有利于緩沖一定量的突變載荷。
當風的沖擊作用至設備時，突變載荷增量的一部分拉長纜繩4而被緩沖掉， 一部分抬起張緊-緩沖系統(tǒng)8的配重塊而被緩沖掉。反之亦然，如果載荷減少， 纜繩4形變減小并且配重塊29下降，部分地補償因張力下降而使智能控制系 統(tǒng)進行干預所引起的延誤。每個張緊-緩沖系統(tǒng)8上的一對第三滑輪27連接至 單個配重塊29這一點是很重要的。如果每個第三滑輪27均被連接至不同的配 重塊，那么智能控制系統(tǒng)對風箏1的可操縱將會削弱。為控制風箏1的列陣，實際上智能控制系統(tǒng)基于各纜繩4的長度的差異來進行工作。如果每個張緊-緩沖系統(tǒng)8的滑輪27連接到不同的配重塊，那么差異將不僅只依賴于智能控 制系統(tǒng)，而且，考慮到同一組纜繩4中的其它纜繩及該纜繩上的不同配重塊， 該差異還依賴于跟纜繩4協同工作的配重塊的下降程度。
如圖9所示，作為一特別的替換方案，張緊-緩沖系統(tǒng)8配置有至少一個 包括一對第五滑輪31的裝置31，第五滑輪限制在鉸接桿32的端部，鉸接桿 32鉸接連接至風力風輪機2的轉動臂3的另一端。鉸接桿32通過插入彈性元 件與風輪機2的轉動臂3協同工作，優(yōu)選至少一根減震彈簧33，在纜繩4受拉 力作用下被壓縮。對裝有配重塊29的張緊-緩沖系統(tǒng)8而言，其狀況是一樣的。 張緊-緩沖系統(tǒng)8的改變保持纜繩4處于張緊狀態(tài)，并且補償因被壓縮的減震 彈簧33突然伸長所產生的突變載荷。風力風輪機2可以在轉動臂上裝備多個 張緊-緩沖系統(tǒng)8，這依賴于轉動臂的長度。
從圖10中可以看出，勢能蓄積系統(tǒng)9是風輪機2上轉動臂3上游與纜繩4 上的繞入-繞出系統(tǒng)10下游的元件。風輪機可以在鄰接轉動臂3的位置配置勢 能蓄積系統(tǒng)9。勢能蓄積系統(tǒng)9的作用包括將能量倒轉，進一步補償纜繩4和 張緊-緩沖系統(tǒng)8不能完全補償的大突變載荷，參照圖ll，作為優(yōu)選實施例， 勢能蓄積系統(tǒng)9包括至少兩個用于減速(gearing-down)的減速滑輪34a和34b， 還包括至少一個從地面抬升起來的能豎直拉起的配重塊35，優(yōu)選使用合適的擋 塊來限制配重塊。用于驅動風箏1的纜繩4纏繞在減速滑輪34a和34b上，使 纜繩4的張緊保持配重塊35提升。在風力系統(tǒng)工作過程中，配重塊35能識別 自身所處于上下限之間的位置。特別是，如果纜繩4的拉力小于限值(依賴于 配重塊的質量和構成勢能蓄積系統(tǒng)9的滑輪的數量)，配重塊35為一最小重 量(如圖IO、圖11和圖12)。反之亦然，如果纜繩4的拉力大于上述限值， 配重塊35為一最大重量。因此，勢能蓄積系統(tǒng)9具有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)處于最小高度和處于最大高度。所有其它中間位置只是從一個狀態(tài)切換至另一狀態(tài)
的過程。如果配重塊35降落，則釋放能量；如果配重塊35升起，則儲存能量。 儲能系統(tǒng)的減速滑輪34a和34b布置在上下兩個層面位置上。靠近每個層面， 減速滑輪34a和34b并排安裝并且其旋轉軸垂直風輪機2上轉動臂3。上層的 減速滑輪34a限制轉動臂3上；下層的減速滑輪34b限制在配重塊35上。由 于每個風箏l由一對纜繩4驅動，從功能角度而言，將每個勢能蓄積系統(tǒng)9的 減速滑輪34a和34b分成兩個子滑輪組是可以的。兩纜繩4中的每一根交替地 纏繞至上層的減速滑輪34a和下層的減速滑輪34b。纏繞若干圈后(圈數依賴 于勢能蓄積系統(tǒng)9所裝配的減速滑輪34a和減速滑輪34b的數量)，兩纜繩4 中的每一根停止向纜繩4繞緊和放松。在風力系統(tǒng)工作時，對應于相應纜繩4 上的載荷，每個配重塊35保持在最大高度。在風箏升起循環(huán)步驟中，為了不 使其方向與與其所連接的轉動臂的旋轉相反，纜繩的載荷比前一步驟中低很
多，前一步驟主要是往上提升作用。纜繩4載荷減小使得配重塊35下降，這 是為了彌補載荷較低并保持纜繩4被拉緊。當回復至往上提升步驟，智能控制 系統(tǒng)阻止繞入-繞出系統(tǒng)10中的第一絞盤11 一段時間，以便配重塊35在纜繩 4載荷下提升起來，由此儲存勢能。系統(tǒng)必須定好尺寸，使在操作循環(huán)中纜繩 缺乏拉力作用大的階段過程中發(fā)生的張力降完全由配重塊35下降來補償，無 需纜繩4的繞入-繞出系統(tǒng)10干預。對張緊-緩沖系統(tǒng)8而言，其狀況是相似的， 各勢能蓄積系統(tǒng)9的減速滑輪34a和34b的兩子系統(tǒng)連接到單獨的配重塊35 上這一點是很重要的。如果事實上減速滑輪34a和34b的每個子系統(tǒng)固定在不 同的配重塊上，智能控制系統(tǒng)對風箏l的可驅動性能將被削弱。
在優(yōu)選實施例中(圖中未顯示)，勢能蓄積系統(tǒng)9也能用液壓儲能系統(tǒng)來 實現。在該實施例中，所儲存的能量不在是重力勢能，而是液體被壓縮后釋放的能量。風輪機2的轉動臂3的上游裝設有一個勢能蓄積系統(tǒng)9。顯然，該勢 能蓄積系統(tǒng)9與轉動臂3是集成一體式的。
從圖12中可以看出，纜繩4的繞入-繞出系統(tǒng)10是風輪機2上被置于勢 能蓄積系統(tǒng)9和儲纜系統(tǒng)12之間的元件。風輪機2的各轉動臂3均裝設有一 繞入-繞出系統(tǒng)10.作為優(yōu)選方案，每個繞入-繞出系統(tǒng)10包括一對第一絞盤11， 用于將相對應的風箏1上的那對纜繩4繞于其上，這些第一絞盤11通過一對 減速器連接至一對第一馬達36上，該馬達有智能控制系統(tǒng)來掌控啟動，通過 以上第一絞盤11實現對風箏1的驅動。
當釋放出勢能蓄積系統(tǒng)9上的減速滑輪34a時，每根纜繩4繞入對應的繞 入-繞出系統(tǒng)10上的第一絞盤11上，較好地完成有限次的旋轉(如幾圈或其 它數量的圈數，繞入后層數不超過一層)，之后就繞入儲纜系統(tǒng)12中。繞入-繞出系統(tǒng)10實際上承受著整個纜繩的拉力。
由于連接至風箏1列陣上的纜繩4的長度很長，所以繞入-繞出系統(tǒng)10與 纜繩4的儲纜系統(tǒng)12之間的差別是必要的。實際上，如果每根纜繩4僅僅配 置一個絞盤的話，纜繩將完全地繞入絞盤上(形成多層)，并同時承擔著大的 載荷。必須要避免這種情況發(fā)生，由于不同繩匝之間在繞入和繞出時產生摩擦， 這就會使纜繩4磨損，削弱其機械性能。
作為替換方案，纜繩的繞入-繞出系統(tǒng)10可包括足夠數量的如圖13中所 示的裝置37，該裝置配置有一對相對的導軌38，纜繩4夾于兩履帶之間。由 于履帶組成的夾持部件被活塞3推壓貼近，其上裝有設定形狀的橡膠墊(如輪 胎)。在這鐘裝置中，通過導軌38轉動，纜繩4跟隨風箏1運動。在該對履 帶的上游通過絞盤將纜繩繞入，實現纜繩4的儲存，這樣纜繩的張力最小。
在進一步的替換方案中，如圖14中所示，繞入-繞出系統(tǒng)10的每根纜繩4 配置有四個絞盤40。這些絞盤40分兩層布置(兩個在上層、兩個在下層)，
24并且它們的轉軸相互平行。平均每根纜繩4繞入這些絞盤40四分之三圓周。 因為每根纜繩4存在四個絞盤40，所以該系統(tǒng)中繞入這四個絞盤40上的所有 圈數等于使用單個絞盤時的三圈。因此，含四個絞盤40的系統(tǒng)能像前述的兩 替換方案中的第一絞盤一樣承受纜繩4的載荷。為了接納纜繩4并增加纜繩4 與絞盤40的接觸面積，每個絞盤40與纜繩4之間的摩擦力能通過合適的絞盤 40表面形狀。
為了進一步通過向儲纜系統(tǒng)12前進來增加纜繩4與絞盤40之間的摩擦， 使這四個絞盤的表面粗糙度不相同這一點是可能的。相對于使用一個絞盤的情 形，使用四個絞盤40的有點在于采用這種方式后，在纜繩繞入的不同繩匝之 間不會出現重疊，在每根纜繩4只裝設一個絞盤的繞入-繞出系統(tǒng)10中，當絞 盤的輥轉動時，纜繩4傾向于往第一絞盤11的面上繞入(依賴于繞入的方向)。 纜繩4在絞盤的輥上滑動是必要的，然后通過繞入，纜繩4將會走到第一絞盤 的外部，由于滑動的影響，纜繩4仍然存在相鄰繩匝之間重疊的風險。這種情 況在每根纜繩4裝設有四個絞盤40的情況下就不會發(fā)生，在每個絞盤40上， 甚至不會出現有整圈繩匝的情況。
風輪機2可以在轉動臂3上游的纜繩4上裝設一繞入-繞出系統(tǒng)10。顯然， 這個系統(tǒng)是與轉動臂3集成一體式的。
纜繩4上的儲纜系統(tǒng)12是風輪機2用于存放風箏1的纜繩4的元件。
同樣地，對于纜繩4的繞入-繞出系統(tǒng)10，風輪機2的每個轉動臂3均裝 設有一個這樣的儲纜系統(tǒng)12，如圖12所示，每個儲纜系統(tǒng)包括至少一對第二 絞盤13，相對應的風箏1的該對纜繩4繞入第二絞盤上，這些第二絞盤13通 過一對減速器連接至相應的第二馬達14上，該第二馬達由智能控制系統(tǒng)進行 掌控。如前所述，儲纜系統(tǒng)12不用于驅動風箏1。這樣的話，繞入儲纜系統(tǒng)12 上的第二絞盤13上的纜繩4的張力低于繞入-繞出系統(tǒng)10中的纜繩4繞入第 一絞盤ll上的部分中的張力。因此，當纜繩4上的載荷最大時，第一絞盤ll 的輥上的繩匝的數量從來不會布置兩層或多于兩層。反之亦然，在儲纜系統(tǒng)12 的第二絞盤13上，纜繩4繞入多層，但是張力是最小的。組成儲纜系統(tǒng)12的 第二絞盤13的輥的直徑要大于繞入-繞出系統(tǒng)10上的第一絞盤11的直徑，以 使繞入的繩匝層數最小。
顯然，智能控制系統(tǒng)的目的是讓纜繩4的繞入-繞出系統(tǒng)10的第一絞盤11 的轉動與該同一根纜繩繞入的儲纜系統(tǒng)12的第二絞盤13同步。這一點對于管 控第一絞盤11和第二絞盤13之間的纜繩4上橫斷面上的載荷是很基本的要求， 最起碼，在風輪機啟動和停止階段是這樣的。
由于纜繩4上的儲纜系統(tǒng)12的第二絞盤13上的繩匝有多層，靠近每個第 二絞盤13處必需裝設一個引導組件14，用于驅動纜繩4執(zhí)行有序地繞入第二 絞盤13并阻止纜繩4與第二絞盤13表面及繩匝之間的滑動。風輪機2在轉動 臂3的上游處裝設有儲纜系統(tǒng)12，顯然，這個系統(tǒng)與轉動臂3是集成一體式的。
纜繩4的引導組件14是風輪機2用于驅動纜繩4執(zhí)行有序繞入儲纜系統(tǒng) 12上的第二絞盤13動作并且阻止纜繩4與第二絞盤13表面及纜繩4的繩匝之 間滑動的元件。
圖IO所示的優(yōu)選實施例中，引導組件14配置有滑塊42，其被限制在與第 二絞盤13軸心平行的軌道中，滑塊42能雙向移動并且還裝有一第四滑輪28。 特別地，滑塊42在第二絞盤13的每一個轉動步驟中均會移動，根據機械遠離， 可以有兩種不同的產生直線運動的模塊用來實現滑塊42的運動螺紋傳動 (screw-controlled)和帶傳動(belt-controlled)。在螺紋傳動中，滑塊42的平 移由精密的循環(huán)滾珠絲杠驅動；在帶傳動中，滑塊42裝于有齒的皮帶上。在纜繩的引導組件14中，滑塊的移動與第二絞盤13的轉動是一起發(fā)生的， 第二絞盤被驅動風箏1的智能控制系統(tǒng)控制的第三電動馬達43帶動。
在風輪機2中，靠近每個轉動臂3存在一對纜繩引導組件14，儲纜系統(tǒng) 12的每個第二絞盤13對應著一引導組件。
作為纜繩引導組件14之用途的替換方案，將纜繩4對應的儲纜系統(tǒng)12上 的第二絞盤13置于滑車44上是可能的?；囋谂c對應的第二絞盤13的旋轉 軸線平行的軌道45上移動。如圖15中替換方案所示。滑車44的滑動由滑動 裝置驅動，其與第二絞盤13的轉動一起動作，通過智能控制系統(tǒng)管控的電動 馬達來帶動其轉動，可能用到至少一個外擺線減速器。采用這一配置后，由于 第二絞盤13移動來將纜繩4有序繞入，纜繩引導組件14不再必要。
風輪機2還裝設有既能作為發(fā)電機而工作又能作為馬達而工作的發(fā)電機-馬達系統(tǒng)。
該電動馬達是風輪機用于驅動第一、二絞盤ll、 13及纜繩引導組件14的 元件。特別地，對于每根纜繩4，風輪機2配置有三個電動馬達 一第一電動馬達36負責纜繩4上繞入-繞出系統(tǒng)10的第一絞盤11的轉動；
第二電動馬達41負責纜繩4上的儲纜系統(tǒng)12的第二絞盤13的轉動； 一第三電動馬達43扶著纜繩4上引導組件14上的或滑車44上的滑塊42的 移動，滑車44上裝設有第二絞盤13。
第一、二、三電動馬達36、 41、 43中的每個通過減速器如外擺線減速器 連接至相應的絞盤或纜繩引導組件上。
由于這些電動馬達36、 41、 43也能發(fā)電，第一電動馬達36通過利用風箏 1作用在纜繩4上的繞入-繞出系統(tǒng)10的第一絞盤11的拉力來發(fā)電是可能的。 實際上，這個未被抵消的牽引力能被用于驅動第一電動馬達36通過第一絞盤 11轉動進行發(fā)電。通過該模式發(fā)電過程類似與歐洲專利EP 1672214中的方案。電動馬達有智能控制系統(tǒng)和風箏1對應的纜繩4上的其它部件顯然應該同 步工作。
發(fā)電機-馬達15a或15b是風輪機2用來發(fā)電的部件。風輪機2工作時，由 轉動臂3的轉動來帶動其工作。有關電能轉換，可以采用兩種發(fā)電機在風輪機 內的不同配置，較簡單的配置包括將發(fā)電機15a置于風輪機2的中央處。特別 地，可以確定三個供選擇的方案 _實現單一的發(fā)電系統(tǒng)，可將安裝在風輪機2的轉動臂3的中轉軸16作為 轉子，將安裝固定在風輪機2中央的零件作為定子。建議在轉子行采用永久 磁鐵(因為不需要任何電源供電)，在定子上采用發(fā)電線圈； 一使用單一發(fā)電機，其轉子由中轉軸16驅動，在中間接入增速器(multiplier) 以實現增加旋轉的輸入速度；
一通過變速器系統(tǒng)(gears)啟動多個發(fā)電機，變速器系統(tǒng)具有一個與多個 小齒輪嚙合的齒輪，每個小齒輪帶動一個發(fā)電機，達到帶動多個發(fā)電機的目 的。
另一種配置方案是將發(fā)電機15a置于風輪機2的中央，其只有當風輪機2 的轉動臂3通過減震桁車20靜止在地面時才適用。該方案中，發(fā)電機15b直 接置于減震桁車20上，并且由輪子21的轉動來驅動。如可以考慮將每個滑車 配四個發(fā)電機15b，每個輪子21上配兩個，，每個部件上一個。如果該方案被 采用，提供一個用于將轉動部件上的電能傳遞至風輪機2上的固定部件的帶調 路板(manifold)的結構是必要的。
這個配置相對于之前的配置有以下有點
一通過適當確定減震桁車20輪子21的直徑和輪子21與風輪機2中心的 距離，那么輪子的角速度大于風輪機2的速度。這明顯是一個關系到發(fā)電機15b 的尺寸的有點；
28一如果發(fā)電機15b裝配在減震桁車20上，那么對風輪機2的轉動臂3的 剛度要求較低。因為運動轉矩在其產生的地方即被釋放，因此轉動臂3的彎矩 是較低的。較低的剛度意味著轉動臂3具有較小的重量，且因慣性(在啟動時 間)所耗費的能量損失較小，最首要的是降低了制造該結構的成本。
在本發(fā)明的風輪機2中，為了使風箏1升起更加容易，發(fā)電機-馬達系統(tǒng) 15a或15b也可作為馬達使用，其在啟動時決定轉動臂3的轉動。
發(fā)電機-馬達系統(tǒng)15a或15b由智能控制系統(tǒng)驅動，并且風輪機2配置有不 定數量的發(fā)電機-馬達系統(tǒng)15a或15b，根據實際裝配在支撐臂5b的支撐系統(tǒng) 或置于風輪機2的中西。
智能控制系統(tǒng)是用來自動驅動風箏1的系統(tǒng)。該元件主要任務是通過驅動 繞入-繞出系統(tǒng)10中的和儲纜系統(tǒng)12中的第一、二絞盤ll、 13轉動的馬達來 自動控制和驅動每個風箏1的飛行。顯然，每個風箏1與其它風箏獨立地驅動， 但無論如何，要避免飛行時相互干擾。
對單個風箏1的飛行的自動控制由智能控制系統(tǒng)執(zhí)行，通過預先的控制算 法，可以避免風箏1驅動時擺動、不穩(wěn)定及局部牽引力增大的情況發(fā)生。為了 優(yōu)化在最大安全度、最大程度符合動態(tài)參數及最小化從當前位置至預測的位置 的循環(huán)條件下所產生的能量，風箏1運行的路徑是被事先預定。
單個風箏1的自動驅動通過實時處理來子地面和風箏1上的傳感器的信息 來實現。為了不將無線通信過載，在風箏1上對傳感器探測到的數據進行預處 理是必要的。輸入信息涉及風箏的空間位置、加速、受力(如從馬達扭矩讀出 的纜繩載荷)及幾何量(geometrically defined quantities)，該過程通過預定的 算法處理輸入信息并產生一可驅動連接在第一絞盤11、 13的輸出。
輸入信息的處理需要一定的時間間隔，這與所處理的數據長度成正比。通 過最小化時間間隔的長度來減小風箏1被驅動的遲滯。由于這個原因，人們趨向于優(yōu)先考慮短時長的分析，但是短時長分析不能從時間上深度優(yōu)化對其路徑 進行預測。因此，優(yōu)先考慮一個折中的優(yōu)化解決方案是重要的，其是數據可在 短時間內加工處理，但要足夠長到能預測出一條優(yōu)化路徑。無論如何，假定預 測一個比所描述的更長的路徑是沒有用的，這一點是合情理的。
預定的算法在每個瞬時根據飛行狀況和控制參數(如飛行高度、配重情況、 牽引力狀況、禁止進入區(qū)域的安全性估算(結構應力的位置、不穩(wěn)定性或受力 過大)、驅動必須執(zhí)行的瞬時時長...)來確定下一個瞬時必須發(fā)生的最優(yōu)位置。 對每個瞬時時長，風箏1應該在該瞬時時長到達的最適宜位置的坐標(指參數) 符合每個參數。每個參數也指派一個相對重量，其設置是在每個瞬時通過可改 正最關鍵的重量參數的反饋系統(tǒng)來設定，其目的是為了使得關于這些參數的結 論更加重要。 一旦收集到對于每個參數而言都是最好的情況所對應的坐標，預 測時考慮的每個瞬時時長參數的矢量和會被執(zhí)行。最后，導入時間之后，為每 個瞬時時長計算優(yōu)先短時策略、最適宜坐標的權重。
預測到風箏1在下個瞬時時長必須發(fā)生的最理想的位置之后，實時程序確 定風箏l運行到該位置的最佳路線。用于該目的的算法使用關于飛行、風箏規(guī)
格和依賴于纜繩4上牽引力微分的自變量變化率(reactionpercentage)的方程 式來確定風箏運動規(guī)律。為了管控因慣性原因，動力鏈彈性變形和測量延遲引 起的擺動和過量增量，通過合適的控制技術驅動被校準。
智能控制系統(tǒng)的功能不僅僅只局限于對第一、二絞盤11、 13的轉動進行 控制。實際上，該系統(tǒng)還包括一自我校準子系統(tǒng)，其對風箏l上的傳感器組進 行自我校準程序。
裝配至風箏1上的傳感器實際上己有一個出廠校準，自我校準的必要性來 自于傳感器對某些外部變量的懷疑而這些外部變量是用來修改測量數值與實 際值的符合性。外部參數之中包括—傳感器在風箏1上的裝配準確性(即柔性支撐)； 一校準的時間；
一溫度變化(其可以使傳感器發(fā)生漂移)；
飛行姿態(tài)變化不能歸于外部變量，外部變量的作用必須是可以被補償的， 因為它們使輸出變量能準確地被測量。
磁鐵和電磁鐵的磁場及地面參考的臨時中斷的變化看作是干擾。
執(zhí)行傳感器自我校準的方法本質上基于直接傳感器能提供給系統(tǒng)的冗余 級別(redundancylevel)，而且，智能控制系統(tǒng)擁有的所有來自風力系統(tǒng)的所 獲取信息。例如，纜繩形成的角度及結構上測得的力分布情況。
另外，由與可用的測量共同工作的直接傳感器所提供的瞬時冗余，可能使 用一周期性冗余，基于同一風力系統(tǒng)的校準檢查。當風力系統(tǒng)工作時，傳感器 與風箏1在空中一起運動，考慮到每個傳感器的笛卡爾坐標參照系統(tǒng)、重力加 速度矢量和地球磁場矢量改變方向，但保持它們的模數不變。由于矢量模數由 每個傳感器測得的三個分量的矢量和決定。創(chuàng)建依賴于其位置的從相關錯誤獲 取的系統(tǒng)方程是可能的。利用合適的數學方法，該錯誤能進入到反饋循環(huán)中并 工作于每根單軸的增益和偏移參數基礎上。
更進一步提供本質上已知的加速度儀和磁強儀傳感器之間的交互作用是 可能的，由于它的固有屬性和依賴于被選擇的用于安裝風力系統(tǒng)的位置這一實 際情況，地球磁場與重力加速度方向之間有一恒定的傾斜。該兩矢量的夾角被 認為是一關于風力系統(tǒng)作為一整體的自我校準的控制變量。
關于磁力計的使用，必須記住，因為地磁場根據地理位置和地區(qū)會發(fā)生角 度變化，這些儀器的出廠校準對工作地點是不合適的。磁力計在第一次系統(tǒng)啟 動步驟重新校準是必須的。
31保持自我校準程序一直處于活躍狀態(tài)，還可作為診斷程序來使用。在這種
情況下，萬一有臨時干擾，必須提供一些陷阱(trap)來捕獲這些干擾，以防止之前的校準被視為無效。
自我校準程序必須能盡可能快地向正常的校準集中，然而，要避免削弱之前獲得的結果。為達到這些目的，可以用統(tǒng)計、收集及錯誤變化的評估方式，通過該方式，校準數據庫可以建立起來，參考該數據庫降低自我校準子系統(tǒng)的出錯可能性。
上述系統(tǒng)必須能在不干涉到風力系統(tǒng)正常工作的前提下工作，由于還沒有能足夠以保證充分安全的校準數據可以利用，這些原理不能在第一次啟動風力系統(tǒng)就能觀測得到。最初施加給風箏1的限定幾何路徑可被忽略掉，為避開使用所有的系統(tǒng)自由度。由于通過絕對傳感器來對零部件進行選取，所以本質上來說會更安全，如加速度儀，其出廠預校準對于風力系統(tǒng)啟動而言認為是可靠的。在空中運動的自由度是受限的，直到自我校準算法達成一致為止。這個步驟需要相對較短的時間周期，幾秒鐘的時間。風力系統(tǒng)的每一個完整的工作循環(huán)有助于使校準更準確。從優(yōu)化自我校準這個角度來看，幾個工作循環(huán)之后，系統(tǒng)被認為己處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是，在風力系統(tǒng)工作循環(huán)中，自我校準一直處于激活狀態(tài)，其是在后臺運行的。
智能控制系統(tǒng)進一步包括一安全子系統(tǒng)，風箏1飛行時，該系統(tǒng)進一步干預以防止風箏1與可能出現的位于風力系統(tǒng)飛行空間的飛行器或飛行物相撞。
實際上，風力系統(tǒng)占用的空間，能被其它能飛上天的物體橫越時，如飛行器和小鳥。首先，在其它類型的場合如工廠上方的情況與上述情況類似，比如在原子能工廠上方。因此，建議為風力系統(tǒng)保留一定的空間，即合適面積的禁止飛行物飛入其內的空間區(qū)域。然而，這些預防措施對于防止風箏l與飛行物相撞還是不夠的，還必須考慮不可預見的或緊急的情況。特別地，能入侵到禁飛區(qū)域的飛行物體包括
一失去航道的飛機，但其裝備有能遠程求助的識別儀器；
一由于類別差異，不能通信或被識別的飛機，或者不知道飛機故障發(fā)生在何處的飛行物體，包括本風力系統(tǒng)的風箏l;
一單只或成群的小鳥。
風箏1通過三個自由度限制在風輪機2上運動，相對于風輪機2的轉動平面和纜繩4的長度的纜繩4上的等分線的兩導向余弦，這三個自由度可充分使得風箏獨立飛行，防止與有可能飛入其區(qū)域內的飛行物相撞。
這個子系統(tǒng)的運行基于對飛行區(qū)域的仿真觀測(artificial view)，其觀測風力系統(tǒng)的飛行區(qū)域及鄰近區(qū)域，如飛行物快速接近飛行區(qū)域時，系統(tǒng)作出反應所需的時間所決定擴展空間。本發(fā)明的風力系統(tǒng)因此可包括一仿真觀測系統(tǒng)，如光學類型的或微波類型的，仿真觀測系統(tǒng)與安全子系統(tǒng)一起工作。通常，典型的雷達是一掃描微波束，微波視域產生圖像。對使用光學攝像機的情況也與之類似。
從仿真觀測系統(tǒng)中，用于定位飛行物與風力系統(tǒng)自留空間的交叉軌跡的所有的信息能通過合適的數學方法而挑選或推斷出來。顯然，這樣的路線被唯一決定，并且及時更新其變化(為試圖避免相撞，飛機被最大程度地操作甚至拐彎)。因為這個原因，給每個靠近的飛機指定一個完美路徑是不可能的，而只是一條連續(xù)跟新的可行的圓錐雙曲線(hyperbolic cone)軌道。為構建這樣的錐形，假設是很大的、快速的且可識別的飛行物，知道它們的動態(tài)特性并且能夠被控制系統(tǒng)獲得是必需的。向正靠近的飛行物發(fā)出信號后，相互通訊是可以進行的。該雙曲圓錐構建在空間和時間上，通過該方式，使風箏l接到該空間禁止飛行的指令，使其繞行來遠離同一雙曲圓錐標出的區(qū)域。雙曲圓錐有非?？勺兊奶匦匀缧螤詈鸵蕾囉陲w行物尺寸、接近的速度和驅動能力。飛行物越是能突然驅動，圓錐的出口邊就越寬；飛行物速度越快且驅動能力越低，圓錐的出口邊就越窄，越易于預測和限定邊界。
負責實現該雙曲圓錐的安全子系統(tǒng)與風箏1的每個控制單元進行通信，其坐標限定禁飛區(qū)域，優(yōu)先考慮風箏1的最優(yōu)參數?；诋斍拔恢?，每個控制單元有不同的信息，在風力系統(tǒng)空間區(qū)域和雙曲圓錐的交叉區(qū)域，基于當前位置和風箏l在該區(qū)域內行進的時間。安全子系統(tǒng)計算飛行物的接近速度，并及時提示風力系統(tǒng)設定的位置。交叉區(qū)域形成的禁止飛行空間，其幾何形狀連續(xù)更新，提供給每個控制單元的信息也不斷更新。禁止的區(qū)域能在設定有安全富余
量(safety margin)區(qū)域的狀態(tài)下進行觀測。如果風箏相對于該區(qū)域和可預見的時間而必須用該區(qū)域來最佳地定位，則系統(tǒng)允許其通過。在控制層級方面，運行其算法指定安全位置，考慮到對事件的實時相應，重建場景是必要的。在這種方式中，能預測將來會發(fā)生的充分復雜的行為及充分早地用程序指令執(zhí)行安全移動動作。
用于管理防止相撞的仿真觀測系統(tǒng)有相同的、用于在空中風箏1處測量冗余功能的測深，以產生能量。因此，該光學系統(tǒng)輸出通過從光柵信號到幾何圖形、傳輸提交、合適的數學方法處理最后變成完全己知的矢量，如方向、幾何量(sense)、轉心(spin)。雷達以充分快的速度掃描以提供精確的預報。通過仿真觀測系統(tǒng)，有能將單次掃描中獲得的參數組織起來的優(yōu)點。另外一些用于處理軌道的雙曲圓錐和飛機路線的算法的有用信息是風箏1的位置和飛行物的識別標識，其能為預設的飛機或不能分類的能探索性地識別的小鳥或飛機進行動作。
假使出現緊急情況，風力系統(tǒng)的基本目的(產生電能)變成第二或第三重要的目的。首先，安全子系統(tǒng)將試著避免相撞；其次，避免風力系統(tǒng)在異常條件下工作，從而保護飛機和風力系統(tǒng)，并在緊急情況消除后允許重新開始能量轉換工作。
假使有未預測到小鳥或飛機，安全子系統(tǒng)將增大風箏1的驅動富余量，達到特別的運轉狀況或將風箏1控制在受限速度下運轉。這樣的運動在風箏1具有非常低的規(guī)格、本質上超輕并配置有大量的控制裝備的條件下是可以實現的。配置有大量的控制裝備且超輕的車輛實際上能趨向于無限加速。由于其具有高的可驅動性能，風箏l能保持僅僅需要支撐在空氣中的速度，因此，意味著更加可預見、更少突然性的障礙，其不會發(fā)出飛行員或小鳥不期望的反作用。
實際上， 一群或一只小鳥當它們看見風箏l時就能作出反應，飛行員也一樣。那么建議將軌道或飛機的路線的雙曲圓錐排除在仿真觀測系統(tǒng)之外。風力系統(tǒng)不應該增添不便和進一步的風險。
在最后且極緊急的情況下將風箏1快速收回。迅速使系統(tǒng)復位可通過將風
箏纜繩的自由段快速繞回來實現。放飛的風箏1將跟隨軸向運動即纜繩4的等分線方向運動。
如最后一種情況所描述的，本發(fā)明的風力系統(tǒng)包括一剪力系統(tǒng)(shearingsystem)(未顯示)，其與安全子系統(tǒng)協同工作，負責中止風箏的牽引纜繩。這樣的設置可使風箏l失去沿繩向的拉力，成為不活動的物體。在該情況下，由所謂的監(jiān)控器(watchdog)進行管控，其用來干預緊隨在智能控制系統(tǒng)失去控制之時。
如前所述，智能控制系統(tǒng)還分管啟動纜繩4的引導組件14。用于啟動引導組件14的第三電動馬達43被驅動來配合第二絞盤13的轉動以帶動引導組件14上的滑塊42滑動。同樣地，如果風力系統(tǒng)沒有裝配引導組件14，而是裝備滑車44，那么智能控制系統(tǒng)將驅動馬達運轉，馬達再帶動滑車移動。因此，是通過智能控制系統(tǒng)來對滑塊42或第二絞盤13的速度和移動方向 進行調整來使纜繩4有序地繞入第二絞盤13上，并防止纜繩與絞盤表面及纜 繩與纜繩之間滑動。
智能控制系統(tǒng)也管控發(fā)電機-馬達系統(tǒng)15a或15b的運轉。特別地，該控制 系統(tǒng)干預風輪機2的啟動，啟動馬達是轉動臂3轉動及使風箏1容易升起。
智能控制系統(tǒng)最終能辨別并及時處理不可預見的事件，如風力沖擊和載荷 消失等情況。 一旦出現風力沖擊，如果載荷增量未張緊-緩沖系統(tǒng)8完全補償， 該控制系統(tǒng)將通過減小纜繩4的張力來干預風力系統(tǒng)以避免過載而損壞風力系 統(tǒng)。這一過程是通過啟動第一絞盤11工作來實現的，其使纜繩4快速釋放。 應該避免載荷突然下降，如果纜繩4上沒有拉力，風箏1將因無驅動力而降落。 在標準的操作循環(huán)中，載荷下降發(fā)生在拉力消失階段之后。然而這種張力下跌 是可預見的，因此，勢能蓄積系統(tǒng)9需按規(guī)定的尺寸來制作以保證在繞入-繞 出系統(tǒng)10沒有干預的情況下，纜繩4上有合適的張緊力。如果有載荷突然降 低的情況，不發(fā)生在張力消失的階段，如張緊-緩沖系統(tǒng)8為對載荷下跌采取 補償，那么智能控制系統(tǒng)將使纜繩4快速繞入來進行干預。在該方式中，被控 制的風箏1列陣將回復至原位。
供電系統(tǒng)包括用來實現存儲和輸出電能的所有必要元件。特別地，風輪機 2裝備有電源、變壓器和用于存儲所產生的電能的蓄電池(accumulator)。電 能用于在風能機2啟動和風箏1復位時輸送電能至馬達、給所有的電子元件及 向外部用戶使用。風力系統(tǒng)的所有電子元件的工作均由智能控制系統(tǒng)進行控 制。
從以上描述中可清楚看出，本發(fā)明的風力系統(tǒng)是一個轉軸垂直布置的風輪 機，其由智能控制系統(tǒng)自動驅動的風箏帶動進行工作。考慮到現有技術中提出 的方案，這樣的風力系統(tǒng)給出了一種創(chuàng)新的風箏控制模式，該模式中飛行牽引纜繩與發(fā)電動力纜繩不必區(qū)分開來，其功能由風箏l的單對纜繩4實現。然而 在現存的方案中，存在用于驅動風箏的絞盤和用于將風箏復位并且發(fā)電的絞 盤。在本發(fā)明的風力系統(tǒng)中，第一絞盤11專門用于風箏1的驅動，并且通過
繞于第一絞盤11上的同一纜繩4使得轉動臂3轉動實現能量的轉換。風箏的 啟動角和相對于風的迎風面可通過釋放出來的纜繩4的長度進行控制，以便獲 得最大的可輸出的能量。
本發(fā)明進一步涉及使用上述風力系統(tǒng)進行發(fā)電的方法。 總的來說，本發(fā)明的發(fā)電方法包括由風能想電能進行能量轉換的轉換步 驟，利用本發(fā)明的風力系統(tǒng)實現。該方法包括風力系統(tǒng)工作過程中重復執(zhí)行的 四個步驟。以單個轉動臂3的情況作為參考，在本發(fā)明的前三個步驟中，轉動 臂3的轉動是通過連接在轉動臂3上的風箏1從空氣流中獲取風能驅動進行的。 智能控制系統(tǒng)引導風箏l的運動，以便從空氣流中獲取的能量達到最大，適應 于在整個過程中保持這兩根纜繩4盡可能垂直轉動臂3的情形。實際上，纜繩 4越靠近轉動臂3的外端部的圓周的切線方向，轉動臂3產生的轉動轉矩牽引 力的有用分量就越大。將纜繩4保持與風輪機2的轉動臂3垂直這意味著智能 控制系統(tǒng)主要利用抬升力即垂直風向的的分量來驅動風箏1。在該方式中，風 箏l掠過迎風面前進。然后，風力向前推進，風箏1張緊連接在轉動臂3上的 纜繩4，該拖拽作用使得轉動臂3轉動并帶動發(fā)電機-馬達系統(tǒng)15a或15b轉動 來產生電能，可能用到減速器。必須記住，由于轉動臂3被限制在中轉軸16 上，轉動臂3被看作是剛性體的一部分。這意味著工作循環(huán)中某一瞬時，能用 于轉換成電能的能量是所有的轉動臂3提供的風能的總和。
本發(fā)明的方法的第四個步驟發(fā)生在順風區(qū)域。智能控制系統(tǒng)驅動風箏1快 速穿越該區(qū)域，不讓轉動臂3產生任何剎車阻力。特別地，不僅智能控制系統(tǒng) 引導風箏1轉動，而且在該步驟中，風箏1的拉力作用仍舊存在(即使十分微弱)。該步驟中，轉動臂3的轉動主要有前三個步驟中轉動臂3的轉動及由連 接在其它轉動臂上的風箏獲取的風能的驅動來實現。
參照圖16，其顯示了本發(fā)明的風力系統(tǒng)在標準工作循環(huán)中的潛在路徑，并 假設風速方向W和轉動方向R保持恒定，來看一下風輪機上單個轉動臂3的 工作情況。本發(fā)明的發(fā)電方法的四個步驟中，分別由折線a、 b、 c和d來界定 風箏1所處的空間區(qū)域的變化情況，該區(qū)域依賴于風向W,如下
a) 該步驟中，風箏1相對于風向W的橫向前進(如圖16中a區(qū)域)。 因此，風相對于風箏前進方向橫向吹來，風箏1遠離轉動臂3，纜繩4釋放出 來的自由段長度增加。在該步驟的起始階段，風箏1的拖拽作用被用來抬升相 應的勢能蓄積系統(tǒng)9上的配重塊。這是通過利用纜繩4自身的載荷并通過儲纜 系統(tǒng)12的第二絞盤13轉動來實現的。其中，勢能被儲存起來(在第四階段的 順風階段中，當方位轉變時，用來補償纜繩載荷的突然下降)。此步驟中，對 飛行軌道進行管控是必需的，優(yōu)選采用智能控制系統(tǒng)以使風箏1相對于風向W 橫向前進。由此，風箏1拉緊纜繩4從而帶動轉動臂3轉動，使得各勢能蓄積 系統(tǒng)9上的配重塊35升起；
b) 在該步驟中，風箏1沿著與風向W相同的方向前進(如圖16中b區(qū) 域)。該步驟中風箏l升起，這使得風箏1速度大于風速，并且為了獲得拖拽 作用，將纜繩4回繞一部分是必要的。盡管出現收回的動作，但能量的收支是 正的。該步驟中管控好風箏的飛行軌道是必要的，以使其沿著風向前進。因此， 風箏1拉緊纜繩4使轉動臂3在拖拽作用下轉動，并通過第一絞盤11回繞纜 繩4使風箏靠近轉動臂，不必降低配重塊35;
c) 與上述a)步驟中描述的情形類似，本步驟中，風箏l被帶動相對于風 向W的方向橫向前進(如圖16中c區(qū)域)，并且因為風箏1遠離轉動臂3， 纜繩4的自由段長度增加。為了使配重塊35的高度不下降，釋放纜繩4的動作由智能控制系統(tǒng)進行控制。這使得存儲的勢能可用于接下來的工作循環(huán)中。
該步驟中，管控風箏1的飛行軌道是必要的，以使風箏相對于風向w橫向前
進，從而張緊纜繩4并在拖拽作用下帶動轉動臂3轉動，并且在沒有將配重塊 35下降的前提下通過第一電動馬達36帶動第一絞盤11將纜繩4釋放，使風箏 l遠離轉動臂3;
d) 在該步驟中，風箏1沿風向的相反方向前進(如圖16中c區(qū)域)。由 于執(zhí)行方位的轉換動作，智能控制系統(tǒng)驅動風箏1使其不產生剎車，該轉換動 作包括在兩個交叉成員之間快速轉換。該轉換過程中，風箏l在空中運行一段 距離，該距離等于圓周上產生作用的圓弧的至少三倍。風箏1在沒有阻礙轉動 臂3的轉動的前提下降落。該步驟中，在相對短的時間內收回纜繩4的自由段。 通過合適地確定勢能蓄積系統(tǒng)9的尺寸，能用來補償纜繩4的載荷下跌并同時 通過降低配重塊實現回復動作，這就可以不必用智能控制系統(tǒng)來進行干預，智 能控制系統(tǒng)通過啟動繞入-繞出系統(tǒng)10上的第一、二絞盤11、 13進行復位動 作。
方位轉換的最后階段，風箏1置于能獲取風能并相對于風向橫向前進的位 置。因此，在這個步驟中，管控風箏l的飛行軌道以使其沿著風向的相反方向 前進，并且對轉動臂3的轉動不產生任何阻礙作用，并且通過降低配重塊35 的高度來使風箏1靠近轉動臂3、使風箏回到風向W方向的橫向升起的初始位 置；
e) 對風輪機2的轉動臂3的每個完整轉動重復執(zhí)行上述步驟。 本發(fā)明的發(fā)電方法中，在橫向風力步驟中，風箏1遠離轉動臂3。相反，
在復位和順風的步驟中，由于需要繞回纜繩4，風箏1靠近轉動臂3。總之， 在本發(fā)明的發(fā)電方法的整個循環(huán)過程中，風箏l交替地升起和降落，這一選擇 是首要的(由于技術需要)，轉動臂3轉動比風箏1要慢；其次，連續(xù)的升起和降落交替變化對從風力中獲取能量是十分有利的。實際上，通過掠過風的正 面，風箏1能較大程度地獲取能量，如下面的詳細描述。
釋放纜繩4產生的能量比收回纜繩4所耗費的能量大，因此，能量收支差 額是正數。利用本發(fā)明的發(fā)電方法由于使用智能控制系統(tǒng)實時處理來自風箏1 的和來自地面的傳感器的信息，使得風箏1主要利用風力的抬升力升起是可行 的。這種方式中，每個風箏1的飛行軌道在獲取風力能方面是最適宜的。采用 這些軌道可以截取最大的空氣量。因此本發(fā)明的發(fā)電方法不但保證發(fā)電連續(xù) 性，也保證相對于現有技術中的同樣尺寸的風箏而言，在每個循環(huán)中獲取的能 量是很樂觀的。
作為本發(fā)明的風力系統(tǒng)及利用其進行發(fā)電的方法具有高的效率的證據，提 供一些有關單個風箏1獲取能量的論述是能辦得到的。
為了上述目的，參考圖17,首先描述風力系統(tǒng)的氣體動力學的情況。眾所 周知，當風吹至靜止的空氣動力表面(機翼)會產生兩個力平行風向W的 拖拽力D和垂直與風向W的抬升力L，假設由薄層狀的空氣流構成的風流進 機翼AS，機翼上表面的空氣流AF,比其下表面的空氣流AF2要快，這是因為 需要流經較長的距離，這就會降低風箏上側的壓力，因此，壓力場存在梯度， 這樣就會產生抬升力L。
參照圖18，假定風箏AM可以沿抬升力的方向DT移動。由于該動作的影 響，風箏AM的空氣動力學的下表面與風向之間產生傾斜，在該實例中，抬升 力和拖拽力分別垂直和平行風向。
指定Si為與移動方向平行的力、S2為與移動方向垂直的力。抬升力L在 平行于移動方向上的分量有與風箏AM移動方向一致的分矢量，但拖拽力D 有與其相反的分矢量。因為之一原因，為了保持在垂直于風向W上的移動，建議將風正AM傾 斜以便獲得抬升力L在移動方向上的分量DT與拖拽力D在該方向上的分量的 高比率。
這些論述對單個風箏1的風力系統(tǒng)是有效的。
實際上，智能控制系統(tǒng)驅動每個風箏1使其保持抬升力和拖拽力之間有高 比率。通過纜繩4的拉動，風箏1持續(xù)周期性地擺動一掠過風的正面來產生能
單只風箏產生的能量功過特定風能P (Specific Wind Power)與風箏截取 的迎風面區(qū)域A (風箏的面積)以及風箏動力因子KPF相乘來進行計算。
該動力因子是一個依賴于飛行速度Vk與風速Vw的比率Vk/Vw和另外兩個 系數Kd和Jd的性能系數。
系數Kd指拖拽，即風箏拉力和沿風向的速度；系數K,指抬升，即風箏拉 力(為掠過風向正面的周期性擺動)。由于抬升作用，風箏速度比風速高，風 箏動力相對于拖拽高于和大于抬升力。
例如，假定Vk/V^10， K尸1.2， &=0.1。這樣可得到KPF-20。
假定空氣密度為常數且P =1.225 Kg/m3，特定風能將是
SpecificWindPower=l/2* P Vw3 =0.5*1.225*63 =132.3 W/m2
由風箏產生的能量KitePower由下面的公式表示
KitePower=KPF* Specific WindPower* A
例如，如果風箏有一個18!!12的面積，風力以60 m/s的速度吹動風箏以6 m/s 的速度移動，產生的能量將是47628W。該數量為風箏能產生的最大能量。
通過KPF得出的該數值依賴于風箏效率，使KPF假定值大于20是可能的， 例如KPF-40，能獲得的最大的能量是95256W (風箏面積18m2)
41本發(fā)明的風力系統(tǒng)使風能轉化為電能可以達到兆瓦特級。然而，由于本系 統(tǒng)的高可測量性，對風力系統(tǒng)進行修改來產生更高的能量是可行的，如產生功
率達到1吉瓦特(1 Gigawatt)。
權利要求
1、能量轉換風力系統(tǒng)，其特征在于包括至少一個置于空氣流W中的能從地面驅動的風箏(1)和一置于地面的轉軸垂直布置的風輪機(2)，所述風輪機(2)上裝設有至少一轉動臂(3)，轉動臂通過纜繩(4)連接所述的風箏(1)，風箏(1)可以被驅動來實現轉動臂(3)的轉動并通過風輪機(2)實現所述的由風力能向電能的轉換，轉換過程是通過至少一能基于發(fā)電機功能工作的發(fā)電機-馬達系統(tǒng)(15a、15b)與風輪機(2)協同工作來實現；所述纜繩(4)既能在轉動臂與所述風箏(1)間傳遞機械能，又能實現控制所述的風箏(1)的飛行軌道。
2、 根據權利要求1所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述風箏(1)是完全 柔韌的。
3、 根據權利要求1所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述風箏(1)是半剛 性的。
4、 根據權利要求1所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于還包括一智能控制系 統(tǒng)，其能自動控制所述的風箏(1)沿所述的軌道飛行。
5、 根據權利要求4所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于還包括與所述智能控 制系統(tǒng)協同工作的供管控能量蓄積或輸出的供電系統(tǒng)。
6、 根據權利要求4所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于智能控制系統(tǒng)包括有 一套安裝于所述風箏(1)上的傳感器。
7、 根據權利要求6所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的一套安裝于風 箏(1)上的傳感器以無線通訊的模式將信息發(fā)送至所述的智能控制系統(tǒng)。
8、 根據權利要求4所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述智能控制系統(tǒng)裝 設有一套地面?zhèn)鞲衅鳌?br> 9、 根據權利要求1所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于風輪機(2)的所述轉 動臂(3)設有至少一個拉桿支撐系統(tǒng)(5a)或桁車支撐系統(tǒng)(5b)。
10、 根據權利要求9所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述拉桿支撐系統(tǒng)(5a) 包括有拉桿(17)，拉桿一端固定在風輪機(2)的轉動臂(3)上，另一端固 定在單獨的立柱結構(18)上，所述立柱結構置于風輪機(2)的中央并與轉 動臂(3) —起轉動。
11、 根據權利要求9或10所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的拉桿支 撐系統(tǒng)(5a)包括位于風輪機(2)的轉動平面內的拉桿(19)，拉桿的一端 固定在風輪機的轉動臂(3)上，另一端固定在風輪機(2)的中轉軸(16)上。
12、 根據權利要求9所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的桁車支撐系統(tǒng) (5b)包括至少一個供風輪機(2)的轉動臂(3)有彈性地停置于地面的減震桁車(20)。
13、 根據權利要求12所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的桁車支撐系 統(tǒng)(5b)裝設有彈性元件，彈性元件與至少一個減震器(22)平行地配合。
14、 根據權利要求12所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的減震桁車(20) 裝設有至少一對輪子(21)，該對輪子的旋轉中心線穿過風輪機(2)的旋轉 中心。
15、 根據權利要求1所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的風輪機(2) 的轉動臂(3)包括至少一供風箏(1)回復至靜止狀態(tài)的復位系統(tǒng)(6)。
16、 根據權利要求15所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于復位系統(tǒng)(6)包括 至少一圓柱管(6a)。
17、 根據權利要求16所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的圓柱管(6a) 的出口邊進行圓角處理。
18、 根據權利要求15所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的復位系統(tǒng)(6) 相對于轉動臂(3)傾斜布置。
19、 根據權利要求1所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于風輪機(2)的轉動 臂(3)包括至少一縮回-推出系統(tǒng)(7)。
20、 根據權利要求19所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的縮回-推出系 統(tǒng)(7)置于復位系統(tǒng)(6)內。
21、 根據權利要求20所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的縮回-推出系 統(tǒng)(7)包括至少一桁車(23)，復位系統(tǒng)(6)的圓柱管(6a)內部設有至少 兩條供該桁車滑行的滑軌(24)。
22、 根據權利要求21所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于桁車(23)通過至 少一條由馬達減速器帶動的皮帶驅動。
23、 根據權利要求20所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的縮回-推出系 統(tǒng)(7)上裝設有人工吹風裝置，該人工吹風裝置用于產生能推動風箏(1)離 開復位系統(tǒng)(6)的人工氣流。
24、 根據權利要求1所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述風輪機(2)的 轉動臂(3)包括一供纜繩(4)張緊和緩沖的張緊-緩沖系統(tǒng)(8)。
25、 根據權利要求24所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的張緊-緩沖系 統(tǒng)(8)裝設有至少一被抬離地面并能在垂直方向上移動的緩沖配重塊(29)。
26、 根據權利要求25所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述配重塊(29) 當纜繩(4)張緊時被抬離地面。
27、 根據權利要求25所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的張緊-緩沖系 統(tǒng)(8)裝設有至少一機構(30)，該機構包括一鉸接于風輪機(2)的轉動臂(3)上的鉸接桿(32)，所述鉸接桿(32)與轉動臂(3)通過彈性元件協同 工作。
28、 根據權利要求27所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的彈性元件為 至少一個減震彈簧(33)。
29、 根據權利要求1所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于風輪機(2)的轉動 臂(3)包括一勢能蓄積系統(tǒng)(9)。
30、 根據權利要求29所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的勢能蓄積系 統(tǒng)(9)包括至少兩個減速滑輪(34a、 34b)和至少一個被抬離地面并能在垂 直方向移動的配重塊(35)。
31、 根據權利要求30所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的配重塊(35) 當纜繩(4)張緊而被抬離地面。
32、 根據權利要求30所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的減速滑輪(34a、 34b)分別安裝在高度方向的下層和上層。
33、 根據權利要求32所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于位于上層的減速滑輪(34a)固定在風輪機(2)的轉動臂(3)上；位于下層的減速滑輪(34b) 固定配重塊(35)上。
34、 根據權利要求32所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的各纜繩(4) 交替地繞過上層的一減速滑輪(34a)和下層的一減速滑輪(34b)上。
35、 根據權利要求24所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的纜繩(4)上 的張緊-緩沖系統(tǒng)(8)為一液壓蓄能器。
36、 根據權利要求1所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于風輪機(2)的轉動 臂(3)包括一用于纜繩(4)繞入和繞出的繞入-繞出系統(tǒng)(10)。
37、 根據權利要求36所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的繞入-繞出系 統(tǒng)(10)包括至少兩個第一絞盤(11)，纜繩(4)中相應的纜繩繞入或繞出 第一絞盤，所述各第一絞盤(11)連接至由智能控制系統(tǒng)控制的第一電動馬達(36)。
38、 根據權利要求37所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于第一電動馬達(36) 也具有發(fā)電機的發(fā)電功能。
39、 根據權利要求37所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的第一絞盤(11) 通過至少一外擺線減速器連接至第一電動馬達(36)。
40、 根據權利要求37所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于纜繩(4)繞入第一 絞盤(11)的繩匝數量是一有限數值，其所繞的匝數只有一層。
41、 根據權利要求36所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于纜繩(4)上的繞入 -繞出系統(tǒng)(10)包括至少兩對由活塞(39)推緊的相互貼近的導軌(38)， 所述纜繩(4)穿入兩導軌間。
42、 根據權利要求36所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于纜繩(4)上的繞入 -繞出系統(tǒng)(10)包括至少四個安裝于同一纜繩(4)上、處于兩個不同高度且 轉軸相互平行的絞盤(40)。
43、 根據權利要求42所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于纜繩(4)繞入所述 各絞盤(40)的四分之三圓周。
44、 根據權利要求42所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的絞盤(40) 的輥面設有利于收納纜繩(4)及增加與纜繩接觸面積的形狀。
45、 根據權利要求42所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的各絞盤(40) 具有不同的表面粗糙度。
46、 根據權利要求1所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的風輪機(2) 的轉動臂(3)包括至少一個供儲存纜繩(4)的儲纜系統(tǒng)(12)。
47、 根據權利要求46所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述纜繩(4)的儲 纜系統(tǒng)(12)包括至少兩個第二絞盤(13)，兩纜繩(4)中的纜繩分別繞入 相應的第二絞盤中；所述的各第二絞盤(13)連接至少由智能控制系統(tǒng)控制的 第二電動馬達(41)上。
48、 根據權利要求47所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的第二絞盤(13) 通過至少一外擺線減速器連接至第二電動馬達(41)。
49、 根據權利要求47所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述第二絞盤(13) 裝設有使纜繩(4)有序繞入第二絞盤(13)的引導組件(14)。
50、 根據權利要求47所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的第二絞盤(13) 安裝在滑車(44)上，所述滑車能沿著與第二絞盤(13)的轉軸平行的軌道(45)滑動。
51、 根據權利要求50所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于由與第二絞盤(13) 的旋轉運動一起動作的滑動機構驅動所述滑車(44)沿軌道(45)滑動。
52、 根據權利要求51所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的滑動機構由 智能控制系統(tǒng)控制的電動馬達驅動工作。
53、 根據權利要求51所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的滑動機構通 過至少一外擺線減速器連接至該電動馬達。
54、 根據上述任一權利要求所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的纜繩(4) 上的繞入-繞出系統(tǒng)(10)被置于勢能蓄積系統(tǒng)(9)與纜繩(4)的儲纜系統(tǒng)(12)之間。
55、 根據上述任一權利要求所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的轉動臂 (3)包括一用于引導纜繩(4)朝向風箏(1)的傳輸系統(tǒng)。
56、 根據權利要求55所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的傳輸系統(tǒng)包 括至少一對安裝于風箏(1)的縮回-推出系統(tǒng)(7)的桁車(23)上的第一滑 輪(25)、安裝于風輪機(2)的轉動臂(3)上的第二定滑輪(26)、至少一 對為纜繩(4)的各張緊-緩沖系統(tǒng)(8)準備的第三滑輪(27)及至少一對安 裝于纜繩(4)的引導組件(14)的滑動塊(42)上的第四滑輪(28)。
57、 根據權利要求56所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述滑動塊(42)沿著與儲纜系統(tǒng)(12)的第二絞盤(13)的旋轉軸平行的軌道滑動。
58、 根據權利要求57所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于由與第二絞盤(13) 的旋轉運動一起動作的滑動機構驅動所述滑車(42)沿所述軌道滑動。
59、 根據權利要求56所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的滑動機構由 智能控制系統(tǒng)控制的第三電動馬達(43)驅動工作。
60、 根據權利要求58所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的滑動機構為 螺紋傳動類型的滑動機構。
61、 根據權利要求58所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的滑動機構為 帶傳動類型的滑動機構。
62、 根據上述任一權利要求所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的發(fā)電機 -馬達(15a、 15b)作為發(fā)電機工作時由風輪機(2)的轉動臂(3)驅動，作 為馬達工作時由所述的智能控制系統(tǒng)進行控制。
63、 根據權利要求62所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的發(fā)電機-馬達 系統(tǒng)(15a)中，中轉軸(16)作為轉子，固定在風輪機(2)中心的零件作為 定子。
64、 根據權利要求62所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的發(fā)電機-馬達 系統(tǒng)(15a)包括至少一個由所述中心軸(16)的轉動并通過接入一增速器來 驅動的轉子。
65、 根據權利要求62所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的發(fā)電機-馬達 系統(tǒng)(15a)包括包括齒輪組，齒輪組有多個小齒輪，各小齒輪驅動與之對應 的發(fā)電機。
66、 根據權利要求63所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的發(fā)電機-馬達 系統(tǒng)(15a)通過至少一增速器與中轉軸(16)協同工作。
67、 根據上述任一權利要求所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的發(fā)電機 -馬達系統(tǒng)(15b)裝設于所述的減震桁車(20)上，并通過轉動輪子(21)來 驅動。
68、 根據權利要求67所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的發(fā)電機-馬達 系統(tǒng)(15b)通過至少一個外擺線減速器與所述的輪子(21)連接。
69、 根據權利要求68所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于電能從所述的發(fā)電 機-馬達系統(tǒng)(15b)至風輪機(2)的固定部件的傳輸是通過位于中央或靠近所述軌道的調路板(manifold)實現。
70、 根據上述任一權利要求所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于智能控制系統(tǒng)基于纜繩(4)的繞入-繞出系統(tǒng)(10)的第一、二絞盤(11、 13)和纜繩(4)的儲纜系統(tǒng)(12)通過處理程序來引導風箏(1)沿飛行軌道飛行，所述處理程序執(zhí)行至少一個基于每個瞬時的預測算法來決定風箏(1)接下來至少一個瞬時必須占據的最有位置，所述預測算法利用飛行和控制參數、來自安裝在風箏(1)上的傳感器及安裝于地面的傳感器的信息優(yōu)先考慮風力產生的抬升力。
71、 根據上述任一權利要求所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的智能控制系統(tǒng)包括一用于對安裝于風箏1上的該套傳感器實施自我校準程序的自我校準子系統(tǒng)。
72、 根據上述任一權利要求所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的智能控制系統(tǒng)包括一用于干預風箏(1)飛行以防止飛行碰撞的安全子系統(tǒng)。
73、 根據權利要求72所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的安全子系統(tǒng)與仿真觀測系統(tǒng)協同工作。
74、 根據權利要求73所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的仿真觀測系統(tǒng)是一種光學類型的仿真系統(tǒng)。
75、 根據權利要求73所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的仿真觀測系統(tǒng)是一種微波類型的仿真系統(tǒng)。
76、 根據上述任一權利要求所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的安全子系統(tǒng)與纜繩(4)的剪力系統(tǒng)協同工作。
77、 根據權利要求76所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的剪力系統(tǒng)通過監(jiān)控器進行管控。
78、 根據權利要求1所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于還包括一為蓄積和輸出電能的供電系統(tǒng)。
79、 應用上述任一權利要求所述的能量轉換風力系統(tǒng)進行發(fā)電的方法，其特征在于對于每個風箏(1)，包括如下步驟a)控制風箏(1)的飛行軌道使風箏(1)相對于風向W橫向前進，風箏(1)張緊連接在風輪機(2)的轉動臂(3)上的纜繩(4)，風箏(1)拉動轉動臂(3)轉動并遠離風輪機(2)的轉動臂(3)，使得勢能蓄積系統(tǒng)(9)的配重塊(35)抬離地面；b) 控制風箏(1)的飛行軌道使風箏(1)沿著與風向w相同的方向前進，風箏(1)拉緊風輪機(2)的轉動臂(3)上的纜繩(4)，風輪機通過第一電動馬達(36)使第一絞盤(11)回繞纜繩(4)，使轉動臂(3)轉動并使風箏(1)靠近轉動臂(3)，而不會降低勢能蓄積系統(tǒng)(9)上的配重塊(35);c) 控制風箏(1)的飛行軌道使風箏(1)相對于風向W橫向前進，風箏(1)拉緊連接于風輪機(2)的轉動臂(3)上的纜繩(4)，在拉力作用下使轉動臂(3)轉動，并通過第一電動馬達(36)使第一絞盤(11)釋放己繞入的纜繩(4)來使風箏(1)離開風輪機(2)的轉動臂(3)，而不會降低勢能蓄積系統(tǒng)(9)上的配重塊(35);d) 控制風箏(1)的飛行軌道使風箏(1)相對于風向W的反方向前進，不對風輪機(2)的轉動臂(3)的轉動產生任何剎車作用，并通過降低勢能蓄積系統(tǒng)(9)的配重塊(35)使風箏(1)靠近風輪機(2)的轉動臂(3)，以使風箏(1)回到起動位置，即相對于風向W橫向前進的位置；e) 重復執(zhí)行上述步驟。
80、 根據權利要求79所述的能量轉換風力系統(tǒng)，特征在于所述的步驟a、步驟b、步驟c、步驟d和步驟e中的任何或所有步驟均油智能控制系統(tǒng)自動執(zhí)行。
81、 應用權利要求1至78中任一項所述的能量轉換風力系統(tǒng)進行發(fā)電的方法，特征在于第一電動馬達(36)也具有發(fā)電功能，通過轉動第一絞盤(11)可以產生電能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種轉化風力能的風力系統(tǒng)，包括至少一能從地面上驅動且能工作于風流W中的風箏(1)和一安裝于地面上的轉軸垂直安裝的風輪機(2)，該風輪機(2)包括至少一轉動臂(3)，轉動臂一端通過兩纜繩(4)連接至風箏(1)，風箏(1)在風輪機(2)轉動其轉動臂(3)時能被驅動并能通過與風輪機(2)協同運轉的發(fā)電機-馬達系統(tǒng)(15a、15b)將風力能轉化成電能，纜繩(4)既能在轉動臂和風箏(1)之間相互傳遞機械能，又能用于控制風箏(1)的飛行軌道；本發(fā)明還公開了利用該風力系統(tǒng)產生電能的方法。
文檔編號F03D5/00GK101484694SQ200780025199
公開日2009年7月15日 申請日期2007年6月13日 優(yōu)先權日2006年7月4日
發(fā)明者法蘭科·塔蒂, 瑪斯莫·愛普力拓 申請人:瑪斯莫·愛普力拓;法蘭科·塔蒂