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能轉換為電能的系統，不 ...的制作方法
【專利摘要】一種方法和系統，其用于通過至少一個動力翼型(10)的飛行將風能轉換為電能或機械能，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)移動以驅動發電機(13)，其中交替位移的路徑(12)是可定向的，來將自身設在基本與風(W)的方向正交的方向(17)上。在動力翼型(10)的飛行階段期間、在產生能量的狀態下，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能轉換為電能的系統，不具有被動階段，并且具有對風的狀況的自動適應
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于將風能轉換為電能的系統，該系統利用單元沿預定路徑的交替運動，該單元設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，并且由有目的地設置的控制系統自動地控制。將地面單元連接至翼型的線纜或多根線纜在系統的正常運行期間具有固定的長度。通過適當地改變地面單元的路徑，轉換系統能夠自動地適應風的方向的變化，以便優化能量的生產。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，但通常可為多種形狀。
[0002]此外，本發明涉及一種最佳調節的策略，在下列基礎之上:風的強度作為離地平面的高度的函數，風的強度作為用于所述系統的線纜的長度的函數，該系統用于將風能轉換為電能或機械能。
[0003]此外，本發明涉及一種系統，其用于將前述的轉換系統和上文的創新應用于海洋領域，特別地用于開發離岸風。
[0004]同樣地，本發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能轉換為電能的所述系統，該策略能夠考慮風的狀況來最大化能量的生產，與此同時，防止對系統的完整性潛在地有害或危險的運行狀態。
[0005]最后，本發明涉及一種系統，在用于將風能轉換為電能的所述系統的反向運動的階段期間，也即，當地面發電單元抵達預設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，該系統用于能量的回收和管理。
【背景技術】
[0006]在從科學性質到通俗水平的雜志上發表的一些論文以及從一些在先專利，對本領域已知的是用于通過裝置的方式轉換風能的方法，該裝置能夠將由風源產生的機械能轉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“風箏”)從風提取(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，這些系統用于通過動力翼型的飛行的控制而將風流的動能轉換為電能，這些動力翼型通過一根或多根線纜連接至地面。在諸多此類系統中，至少一個翼型通過線纜連接至操縱及能量產出單元，該單元固定在地面上，并且該翼型被循環地引導通過牽引階段和回收階段，在牽引階段中該翼型由風推動上升，并且在這期間，線纜的解纏使地面單元的發電機轉動，該發電機設計為用于產生電能；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。所述解決方案體現了具有地面結構的優點，該地面結構具有已包含的成本(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大的牽引力來纏繞和解纏的持續運動的相當大的缺點。隨之而來的是，可引發線纜的磨損的相當大的問題，伴隨有由于其頻繁的更換而導致的隨之產生的高成本以及在所述更換操作期間的發電機不工作。
[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，其中地面單元由環形的旋轉木馬式轉盤(carousel)組成,通過一系列的動力翼型而投入旋轉，并且能量由旋轉木馬式轉盤的旋轉運動產生。所述解決方案也可通過以協調的方式沿環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《使用受控動力風箏的高空風能生產》(High Altitude Wind EnergyGeneration Using Controlled Power Kites)中所描述，該論文發表于《IEEE控制系統技術學報》2010 年第 18 期第 279 至 293 頁(IEEE Transactions on Control SystemTechnology N0.18，pp.279 - 293，2010)。所述旋轉木馬式轉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。除了從旋轉木馬式轉盤的旋轉運動獲得的能量之夕卜，帶有可變的線纜長度的旋轉木馬式轉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造所提到，該解決方案展現出線纜的磨損的缺點，并且具有更高的成本和相當大的建造復雜性。帶有固定線纜長度的旋轉木馬式轉盤解決方案展現出有限的線纜磨損的優點；然而，由于所謂“被動階段”，該解決方案僅能產生有限量的能量，該被動階段對于在與風相反的方向上以大約70°的旋轉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:作為對風能發電中的根本創新的關鍵技術》(Control as a key technology for a radicalinnovation in wind energy generation)中展現的理論研究和數字分析所支持,該論文發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)，并且在相應的會議論文集上發表，其中清楚地顯現了上述的所有解決方案的缺點和優點，這些解決方案涉及以上的基于動力翼型的飛行的發電系統，這些系統帶有設在地面上的發電單元。

【發明內容】

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

【附圖說明】
[0011]本發明將參考附圖，通過在本發明中的一些優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:
【權利要求】
1.一種用于通過至少一個動力翼型的飛行來將風能轉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動發電機裝置，其特征在于，所述交替位移的路徑是可定向的，以便將其自身設定在基本與風的方向正交的方向上。
2.根據權利要求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、在能量產生的情況下，所述至少一根線纜的長度保持恒定。
3.根據權利要求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的風的強度以及其梯度的基礎之上，確定所述至少一根線纜的恒定長度的值。
4.根據權利要求2或權利要求3所述的方法，其特征在于，以適應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電機裝置產出的電能的函數。
5.根據前述權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.根據權利要求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.根據權利要求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中心的垂直軸在角度上可變化。
8.根據前述權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.根據前述權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。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述接觸通過應用至所述地面單元并且操作地連接至所述發電機裝置的滾動構件提供。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，其設想了所述滾動構件的受控操縱。
12.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述滾動構件經受制動，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.根據權利要求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.根據權利要求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/發電機。
15.一種用于通過至少一個動力翼型的飛行將風能轉換為電能或機械能的系統，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動發電機裝置，其特征在于，所述系統包括用于將所述交替位移的路徑定向在基本與風的方向正交的方向上的裝置。
16.根據權利要求15所述的系統，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的風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。
17.根據權利要求15或權利要求16所述的系統，其特征在于，其包括用于測量由所述發電機裝置產生的電能的裝置，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。
18.根據權利要求15或權利要求16所述的系統，其特征在于，所述交替位移的路徑由引導軌道限定，并且在于，所述地面單元設有與所述引導軌道接合的滾動構件。
19.根據權利要求18所述的系統，其特征在于，所述地面單元的所述滾動構件操作地連接至所述發電機裝置。
20.根據權利要求18或權利要求19所述的系統，其特征在于，所述引導軌道是直線的。
21.根據權利要求20所述的系統，其特征在于，所述直線的引導軌道可圍繞通過它們的中心的垂直軸定向。
22.根據權利要求21所述的系統，其特征在于，所述引導軌道設有用于在地面上滾動的構件。
23.根據權利要求15或權利要求16所述的系統，其特征在于，所述地面單元設有用于在地面上滾動的構件，該構件可被操縱來限定所述交替位移的路徑。
24.根據權利要求23所述的系統，其特征在于，所述地面單元的所述滾動構件操作地連接至所述發電機裝置。
25.根據權利要求18或權利要求19所述的系統，其特征在于，所述引導軌道是環形的，并且所述交替位移的路徑由所述環形引導軌道的角度可變的段組成。
26.根據權利要求16或權利要求21所述的系統，其特征在于，操作地與所述滾動構件相關聯的是制動裝置，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.根據權利要求15或權利要求16所述的系統，其特征在于，所述交替位移的路徑由引導軌道限定，并且在于，所述軌道和所述地面單元構成能夠產生能量的線性發電機/馬達。
28.根據權利要求27所述的系統，其特征在于，所述線性發電機/馬達能夠將所述地面單元的運動轉換為電能，還能夠制動所述地面單元，并且能夠實現制動能量的回收，該能量用于在隨后的反向運動中加速所述地面單元。
29.根據權利要求15或權利要求16所述的系統，其特征在于，所述單元由漂浮在液體表面上的主體組成。
30.根據權利要求29所述的系統，其特征在于，所述漂浮主體的所述發電機裝置包括水下的渦輪機，該渦輪機可被驅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 優先權日:2011年3月23日
【發明者】L.法吉亞諾, M.米拉內塞 申請人:能源配備有限公司