用于通過由固定長度的線纜拴系至地面的動力翼型的飛行將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)，不 ...的制作方法
【專利摘要】一種方法和系統(tǒng)，其用于通過至少一個動力翼型(10)的飛行將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能或機械能，該動力翼型通過一根或多根線纜(11)拴系至地面單元(9)，該地面單元通過該動力翼型沿交替位移的路徑(12)移動以驅(qū)動發(fā)電機(13)，其中交替位移的路徑(12)是可定向的，來將自身設(shè)在基本與風(fēng)(W)的方向正交的方向(17)上。在動力翼型(10)的飛行階段期間、在產(chǎn)生能量的狀態(tài)下，線纜(11)的長度保持恒定。
【專利說明】用于通過由固定長度的線纜拴系至地面的動力翼型的飛行將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)，不具有被動階段，并且具有對風(fēng)的狀況的自動適應(yīng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用單元沿預(yù)定路徑的交替運動，該單元設(shè)在地面上并且由動力翼型(power wind profile)拉拽。所述翼型通過至少一根線纜拴系至地面單元，并且由有目的地設(shè)置的控制系統(tǒng)自動地控制。將地面單元連接至翼型的線纜或多根線纜在系統(tǒng)的正常運行期間具有固定的長度。通過適當(dāng)?shù)馗淖兊孛鎲卧穆窂?，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠自動地適應(yīng)風(fēng)的方向的變化，以便優(yōu)化能量的生產(chǎn)。地面單元的路徑以兩種可能的形狀提出，也即，直線的線段或圓周的弧，但通?？蔀槎喾N形狀。
[0002]此外，本發(fā)明涉及一種最佳調(diào)節(jié)的策略，在下列基礎(chǔ)之上:風(fēng)的強度作為離地平面的高度的函數(shù)，風(fēng)的強度作為用于所述系統(tǒng)的線纜的長度的函數(shù)，該系統(tǒng)用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能或機械能。
[0003]此外，本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)，其用于將前述的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和上文的創(chuàng)新應(yīng)用于海洋領(lǐng)域，特別地用于開發(fā)離岸風(fēng)。
[0004]同樣地，本發(fā)明涉及一種動力翼型的飛行的自動控制策略，該動力翼型用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的所述系統(tǒng)，該策略能夠考慮風(fēng)的狀況來最大化能量的生產(chǎn)，與此同時，防止對系統(tǒng)的完整性潛在地有害或危險的運行狀態(tài)。
[0005]最后，本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)，在用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的所述系統(tǒng)的反向運動的階段期間，也即，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)電單元抵達預(yù)設(shè)路徑的端點并且開始沿同一路徑在相反的方向上運動的時候，該系統(tǒng)用于能量的回收和管理。
【背景技術(shù)】
[0006]在從科學(xué)性質(zhì)到通俗水平的雜志上發(fā)表的一些論文以及從一些在先專利，對本領(lǐng)域已知的是用于通過裝置的方式轉(zhuǎn)換風(fēng)能的方法，該裝置能夠?qū)⒂娠L(fēng)源產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為某些其他形式的能量，典型地為電能，該裝置使用通過線纜的方式連接至其上的動力翼型(通常稱為“風(fēng)箏”)從風(fēng)提取(subtract)能量。例如，美國專利號US 3，987，987、US 4，076，190、US 4，251，040、US 6, 254, 034 BK US 6, 914, 345 B2、US 6, 523, 781 B2、US 7,656,053以及國際申請第W0/2009/035492號描述了系統(tǒng)，這些系統(tǒng)用于通過動力翼型的飛行的控制而將風(fēng)流的動能轉(zhuǎn)換為電能，這些動力翼型通過一根或多根線纜連接至地面。在諸多此類系統(tǒng)中，至少一個翼型通過線纜連接至操縱及能量產(chǎn)出單元，該單元固定在地面上，并且該翼型被循環(huán)地引導(dǎo)通過牽引階段和回收階段，在牽引階段中該翼型由風(fēng)推動上升，并且在這期間，線纜的解纏使地面單元的發(fā)電機轉(zhuǎn)動，該發(fā)電機設(shè)計為用于產(chǎn)生電能；在回收階段中翼型通過線纜的再纏繞而回收，然后被操縱以便開始另一牽引階段。所述解決方案體現(xiàn)了具有地面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，該地面結(jié)構(gòu)具有已包含的成本(contained-cost)并且相對容易建造。然而，存在線纜以可為高的速率和帶有相當(dāng)大的牽引力來纏繞和解纏的持續(xù)運動的相當(dāng)大的缺點。隨之而來的是，可引發(fā)線纜的磨損的相當(dāng)大的問題，伴隨有由于其頻繁的更換而導(dǎo)致的隨之產(chǎn)生的高成本以及在所述更換操作期間的發(fā)電機不工作。
[0007]此外，已知的解決方案，諸如歐洲專利第EP I 672 214 BI號中描述的一個解決方案，其中地面單元由環(huán)形的旋轉(zhuǎn)木馬式轉(zhuǎn)盤(carousel)組成,通過一系列的動力翼型而投入旋轉(zhuǎn)，并且能量由旋轉(zhuǎn)木馬式轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生。所述解決方案也可通過以協(xié)調(diào)的方式沿環(huán)形軌道移動的一系列的地面單元來獲得，例如，如在M.Canale、L.Fagiano和M.Milanese的論文《使用受控動力風(fēng)箏的高空風(fēng)能生產(chǎn)》(High Altitude Wind EnergyGeneration Using Controlled Power Kites)中所描述，該論文發(fā)表于《IEEE控制系統(tǒng)技術(shù)學(xué)報》2010 年第 18 期第 279 至 293 頁(IEEE Transactions on Control SystemTechnology N0.18，pp.279 - 293，2010)。所述旋轉(zhuǎn)木馬式轉(zhuǎn)盤解決方案能以可變的線纜長度和以固定的線纜長度來運行。除了從旋轉(zhuǎn)木馬式轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)運動獲得的能量之夕卜，帶有可變的線纜長度的旋轉(zhuǎn)木馬式轉(zhuǎn)盤解決方案使能量也能夠從線纜的解纏的運動獲得，但如先前對用于固定在地面上的構(gòu)造所提到，該解決方案展現(xiàn)出線纜的磨損的缺點，并且具有更高的成本和相當(dāng)大的建造復(fù)雜性。帶有固定線纜長度的旋轉(zhuǎn)木馬式轉(zhuǎn)盤解決方案展現(xiàn)出有限的線纜磨損的優(yōu)點；然而，由于所謂“被動階段”，該解決方案僅能產(chǎn)生有限量的能量，該被動階段對于在與風(fēng)相反的方向上以大約70°的旋轉(zhuǎn)角度拉拽翼型是必要的。
[0008]上文概述的因素由在M.Milanese、L.Fagiano和D.Piga的論文《控制:作為對風(fēng)能發(fā)電中的根本創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)》(Control as a key technology for a radicalinnovation in wind energy generation)中展現(xiàn)的理論研究和數(shù)字分析所支持,該論文發(fā)表于在馬里蘭州巴爾的摩舉行的2010年美國控制會議(American Control Conference2010，Baltimore, MD)，并且在相應(yīng)的會議論文集上發(fā)表，其中清楚地顯現(xiàn)了上述的所有解決方案的缺點和優(yōu)點，這些解決方案涉及以上的基于動力翼型的飛行的發(fā)電系統(tǒng)，這些系統(tǒng)帶有設(shè)在地面上的發(fā)電單元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于，通過提供一種系統(tǒng)來解決當(dāng)前構(gòu)造中展現(xiàn)的上述的所有問題，該系統(tǒng)用于通過拴系至地面的動力翼型的飛行來將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，在其中，能量通過地面單元沿預(yù)定路徑的交替運動而產(chǎn)生。所述系統(tǒng)通過以固定長度的線纜運行來產(chǎn)生能量，因此防止了線纜磨損的問題。此外，由于地面單元的路徑的恰當(dāng)選擇，除了由于維護的原因或由于風(fēng)的缺乏的翼型起飛和降落的短暫時間，該系統(tǒng)不展現(xiàn)出被動階段，因此在給予相同的動力翼型特性的情況下，相比于當(dāng)前的解決方案能夠產(chǎn)生更多的能量。在現(xiàn)有技術(shù)中已知的是名為“嬰兒車(buggy) ”的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在《風(fēng)箏基金會期刊》雜志2004年秋季第 16 期(Drachen Foundation Journal, N0.16, Autumn 2004)中發(fā)表，由 Joe Hadzicki所著。該“嬰兒車”系統(tǒng)能夠以恒定的線纜長度運行并且不出現(xiàn)被動階段；然而，該系統(tǒng)受限于此，是由于其僅在妥善確定的風(fēng)的方向的值的最佳狀況下運行，而當(dāng)所述狀態(tài)變化時，產(chǎn)生的能量減少。本發(fā)明使這些缺陷在一定程度能夠被克服，是由于本發(fā)明能夠適應(yīng)風(fēng)的方向的變化。最后，本發(fā)明設(shè)想了離岸環(huán)境的應(yīng)用的可能性，相比于當(dāng)前的離岸技術(shù)，本發(fā)明的大的優(yōu)點在于，除了能夠獲得高空風(fēng)能(high-altitude-wind power)外,還在于不需要至海床的基座(foundation)或錨定(anchorage)。相比于基于傳統(tǒng)風(fēng)力塔樓(wind tower)的現(xiàn)有解決方案，所有這些特性使得風(fēng)能的離岸發(fā)電的成本能夠可觀地降低，并且安裝場地的數(shù)目能夠可觀地增加。
[0010]如將從描述的結(jié)果顯現(xiàn)，本發(fā)明的上文和進一步的目的以及優(yōu)點以一種用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的方法來實現(xiàn)，該方法基于翼型的飛行，該翼型以盛行(prevalently)的固定長度的線纜拴系并且適應(yīng)于風(fēng)的方向，該方法如在權(quán)利要求1和從屬至其的權(quán)利要求中所限定；又以一種系統(tǒng)實現(xiàn)，該系統(tǒng)如在權(quán)利要求15和從屬至其的權(quán)利要求中所限定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]本發(fā)明將參考附圖，通過在本發(fā)明中的一些優(yōu)選實施例而更詳細地描述，這些實施例作為非限制性實例提供，其中:
【權(quán)利要求】
1.一種用于通過至少一個動力翼型的飛行來將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能或機械能的方法，該動力翼型通過至少一根線纜拴系至地面單元，該地面單元由所述動力翼型沿交替位移的路徑移動以驅(qū)動發(fā)電機裝置，其特征在于，所述交替位移的路徑是可定向的，以便將其自身設(shè)定在基本與風(fēng)的方向正交的方向上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述動力翼型的飛行階段期間、在能量產(chǎn)生的情況下，所述至少一根線纜的長度保持恒定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在測量與所述動力翼型相對于地面的高度相關(guān)的風(fēng)的強度以及其梯度的基礎(chǔ)之上，確定所述至少一根線纜的恒定長度的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，以適應(yīng)的方式確定所述至少一根線纜的恒定長度的值作為由所述發(fā)電機裝置產(chǎn)出的電能的函數(shù)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其特征在于，所述交替位移的路徑是直線的，并且圍繞通過其中心的垂直軸定向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的方法，其特征在于，所述交替位移的路徑是彎曲的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述位移的彎曲路徑為圓周的弧線，該弧線圍繞通過其旋轉(zhuǎn)中心的垂直軸在角度上可變化。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，所述交替位移的路徑位于地面上，其特征在于，所述路徑相對于地面的定向通過滾動接觸獲得。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其特征在于，所述地面單元非滑動接觸地沿所述交替位移的路徑引導(dǎo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述接觸通過應(yīng)用至所述地面單元并且操作地連接至所述發(fā)電機裝置的滾動構(gòu)件提供。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，其設(shè)想了所述滾動構(gòu)件的受控操縱。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述滾動構(gòu)件經(jīng)受制動，該制動用于所述地面單元相對于所述交替位移的路徑的反向運動，并且制動能量被回收，以用于在隨后的反向運動中加速所述地面單元。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述交替位移的直線路徑位于漂浮的液體表面上。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項所述的方法，其特征在于，所述交替位移的路徑與所述地面單元一起組成線性馬達/發(fā)電機。
15.一種用于通過至少一個動力翼型的飛行將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能或機械能的系統(tǒng)，該動力翼型通過至少一根線 纜拴系至地面單元，該地面單元由所述動力翼型沿交替位移的路徑移動以驅(qū)動發(fā)電機裝置，其特征在于，所述系統(tǒng)包括用于將所述交替位移的路徑定向在基本與風(fēng)的方向正交的方向上的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于測量與所述動力翼型相對于地面的高度相關(guān)的風(fēng)的強度以及其梯度的裝置，以及在所述動力翼型的飛行階段期間、在能量產(chǎn)生的情況下用于維持所述至少一根線纜為恒定長度的裝置，該恒定長度被選擇為測得的強度和梯度的函數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，其包括用于測量由所述發(fā)電機裝置產(chǎn)生的電能的裝置，以及在所述動力翼型的操作飛行的階段期間用于維持所述至少一根線纜為恒定長度的裝置，該恒定長度被選擇為測得的電能的函數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15或權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述交替位移的路徑由引導(dǎo)軌道限定，并且在于，所述地面單元設(shè)有與所述引導(dǎo)軌道接合的滾動構(gòu)件。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述地面單元的所述滾動構(gòu)件操作地連接至所述發(fā)電機裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述引導(dǎo)軌道是直線的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述直線的引導(dǎo)軌道可圍繞通過它們的中心的垂直軸定向。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述引導(dǎo)軌道設(shè)有用于在地面上滾動的構(gòu)件。
23.根據(jù)權(quán)利要求15或權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述地面單元設(shè)有用于在地面上滾動的構(gòu)件，該構(gòu)件可被操縱來限定所述交替位移的路徑。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述地面單元的所述滾動構(gòu)件操作地連接至所述發(fā)電機裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求18或權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述引導(dǎo)軌道是環(huán)形的，并且所述交替位移的路徑由所述環(huán)形引導(dǎo)軌道的角度可變的段組成。
26.根據(jù)權(quán)利要求16或權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，操作地與所述滾動構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的是制動裝置，該裝置用于所述地面單元相對于所述交替位移的路徑的反向運動；以及用于在隨后的反向運動中用于加速所述地面單元的制動能量的回收的裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求15或權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述交替位移的路徑由引導(dǎo)軌道限定，并且在于，所述軌道和所述地面單元構(gòu)成能夠產(chǎn)生能量的線性發(fā)電機/馬達。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述線性發(fā)電機/馬達能夠?qū)⑺龅孛鎲卧倪\動轉(zhuǎn)換為電能，還能夠制動所述地面單元，并且能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量的回收，該能量用于在隨后的反向運動中加速所述地面單元。
29.根據(jù)權(quán)利要求15或權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述單元由漂浮在液體表面上的主體組成。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述漂浮主體的所述發(fā)電機裝置包括水下的渦輪機，該渦輪機可被驅(qū)動來確定所述交替位移的方向。
【文檔編號】F03D5/02GK103748357SQ201280024858
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月23日
【發(fā)明者】L.法吉亞諾, M.米拉內(nèi)塞 申請人:能源配備有限公司