使用系留翼面來利用風能的方法和系統的製作方法

2023-05-08 02:35:16

專利名稱：使用系留翼面來利用風能的方法和系統的製作方法
技術領域：
本披露針對於一種使用系留翼面來利用風能的方法和系統。
背景技術：
對環境友好並且可再生的能源存在不斷增長的需要。這種不斷增長的需要至少部分是因為全球範圍內增加的能量需求以及環境意識，以及對可容易獲取的礦物燃料的降低的供應。一種對環境友好並且可再生的能源是風。可利用風能的一種方式是通過使用抽放風箏式發電機(pumping kitegenerator)ο 一直在研究解決與抽放風箏式發電機相關聯的技術問題。
附圖簡要說明在附圖中，說明了一個或多個示例性實施例:

圖1描繪一種根據第一實施例的用於使用系留翼面來利用風能的系統，該系統利用一種包括儲存滾筒和雙絞盤的絞卷裝置來向風箏繫繩施加張力並且從風箏繫繩釋放張力。圖2描繪一種根據第二實施例的用於使用系留翼面來利用風能的系統，該系統不利用雙絞盤。圖3描繪一種根據第三實施例的用於使用系留翼面來利用風能的系統，其中，一個液壓馬達機械地聯接至一個發動機-發電機(「發電機組」)上以便產生電力。圖4描繪一種根據第四實施例的用`於使用系留翼面來利用風能的系統，其中，液壓馬達機械地聯接至一個發電機，該發電機電聯接至該發電機組。圖5 (a)描繪一種根據第五實施例的用於使用系留翼面來利用風能的系統，其中，該系統包括液壓地聯接至多個地面站模塊的一個發電模塊。圖5 (b)描繪圖5 Ca)中所展不的發電模塊的一個實施例。圖5 (c)描繪圖5 Ca)中所展示的這些地面站模塊之一的一個實施例。圖6 (a)描繪一種根據第六實施例的用於使用系留翼面來利用風能的系統，其中，該系統包括電聯接至多個地面站模塊的一個電控制模塊。圖6 (b)描繪圖6 Ca)中所展示的電控制模塊的一個實施例。圖6 (C)描繪圖6 Ca)中所展示的這些地面站模塊之一的一個實施例。圖7描繪可用於利用風能的系留翼面的兩個實施例。圖8描繪一種根據第七實施例的用於使用系留翼面來利用風能的系統，其中，翼面使用三根繫繩系留到地面上，並且其中使用一種差動線繩致動器來改變這三根繫繩的相對長度。圖9描繪一種根據第八實施例的用於使用系留翼面來利用風能的系統，其中，翼面使用三根繫繩系留到地面上，並且其中使用多個絞車滾筒來改變這三根繫繩的相對長度。圖10 (a)和10 (b)示意性地描繪圖8中所示的差動線繩致動器是如何改變三根繫繩的相對長度的。圖10 (c)是形成圖8中所示的差動線繩致動器的一部分的且可用於控制繫繩的相對長度的設備的透視圖。

發明內容
根據第一方面，在此提供了一種用於使用系留翼面來利用風能的方法。該方法可包括:在一種牽拉階段期間，允許風延伸一根風箏繫繩，並且機械地儲存通過延伸該風箏繫繩而利用的風能，之後使用所儲存的風能來產生電力；並且在一種收回階段期間，使用在該牽拉階段期間機械地儲存的風能的至少一部分來收回該風箏繫繩。機械地儲存風能可使用一個儲能器來完成。可使用在牽拉階段期間所利用的風能來產生電力。電力可以是使用在該牽拉階段期間機械地存儲的風能的至少一部分來產生的。電力可以是在該收回階段期間產生的。電力可以是以一個恆定的功率水平產生的；可替代地，電力可以是以隨一個設施將要滿足的電負荷而變化的功率水平產生的。在該牽拉階段期間，可以確定在當前的牽拉階段期間正在利用的風能是否足以產生某一功率閾值的電力。當風能不足以產生該某一功率閾值的電力時，可以使用在當前或先前的牽拉階段期間機械地儲存的風能的至少一部分來補充正在利用的風能，從而使得以該某一功率閾值產生電力。另外或者作為前述方面的替代方案，在該牽拉階段期間，可以確定在當前牽拉階段期間正在利用的風能是否超過產生該某一功率閾值的電力所使用的風能。當正在利用的風能超過產生該某一功率閾值的電力所需的風能時，可以機械地儲存超出產生該某一功率閾值的電力所使用的風能之外的風能。另外或者作為前述方面的替代方案，可以確定可用風能(其包括在當前牽拉階段期間正在利用的風能以及在當前或先前的牽拉階段期間機械地儲存的風能)是否足以產生該某一功率閾值的電力。當該可用風能不足以產生該某一功率閾值的電力時，可以使用一個可調度的發電機來補充該可用風能，從而使得以該某一功率閾值產生電力。另外或者作為前述方面的替代方案，可以確定是否存在足夠的儲存能力來機械地儲存在當前牽拉階段期間正在利用的風能。當沒有足夠的儲存能力來機械地儲存正在利用的風能時，可以耗散無法儲存的風能。可以通過一個縮減裝置來產生耗散，該縮減裝置用這種能量來做有用功，或者通過使用一個壓力釋放閥來排洩能量。一個可變排量液壓泵/馬達可以機械地聯接至該風箏繫繩，並且該風箏繫繩的延伸和收回可以通過調整該可變排量液壓泵/馬達的每循環排量來控制。舉例來說，當使用一個液壓迴路來利用風能時，在牽拉階段期間，可以使該液壓迴路中的液壓流體流動速率與液壓壓力的乘積最大化，從而使得使用風箏而利用的風能的量最大化。類似地，在牽拉階段期間，可以使該液壓迴路中的液壓流體流動速率與液壓壓力的乘積最小化，從而使得用於收回風箏繫繩的功率量最小化。至少三根風箏繫繩(包括兩根轉向繫繩和一根俯仰繫繩)可聯接在系留翼面與地面站之間。替代地，一個空中風箏控制單元可以通過包括兩根轉向繫繩和一根俯仰繫繩在內的至少三根風箏繫繩而聯接至該系留翼面，並且該風箏控制單元可以使用一根額外的風箏繫繩聯接至 地面站。
還可使系留翼面轉向。系留翼面可以通過改變這些轉向繫繩的相對長度來朝向這些轉向繫繩之一轉向。另外或替代地，可以通過相對於這些轉向繫繩調整該俯仰繫繩的長度來調整系留翼面的迎角。根據另一方面，在此提供一種用於使用系留翼面來利用風能的系統。該系統包括:一個翼面；一根繫繩，該繫繩聯接至該翼面；一個絞卷裝置，該繫繩卷繞在該絞卷裝置周圍，該絞卷裝置被配置成允許該繫繩在牽拉階段期間延伸，並且允許在收回階段期間收回該繫繩；一個儲能器，該儲能器被配置成儲存所利用的風能；一個絞卷裝置液壓泵/馬達，該絞卷裝置液壓泵/馬達機械地聯接至該絞卷裝置並且液壓地聯接至該儲能器，該絞卷裝置液壓泵/馬達被配置成:在該收回階段期間將儲存在該儲能器中的所利用的風能進行轉換以便致動該絞卷裝置從而收回該繫繩，並且在該牽拉階段期間將通過延伸該繫繩而利用的所利用的風能從該絞卷裝置傳遞到該儲能器中以供進行儲存；以及一個控制系統，該控制系統通信聯接至該絞卷裝置液壓泵/馬達以及該儲能器。該控制系統可以被配置成執行一種方法，該方法包括:在牽拉階段期間，允許風延伸該繫繩，並且將所利用的風能儲存在該儲能器中，之後使用所利用的風能來產生電力；並且在收回階段期間，使用儲存於該儲能器中的所利用的風能的至少一部分來收回該繫繩。該系統可以包括:一個液壓馬達，該液壓馬達液壓地聯接至該儲能器並且液壓地聯接至該絞卷裝置液壓泵/馬達；以及一個發電機，該發電機機械地聯接至該液壓馬達；如果是這樣的話，就可以使用所利用的風能來產生電力。電力可以是使用儲存於該儲能器中的所利用的風能的至少一部分來產生的。電力也可以是在收回階段期間產生的。電力可以是以一個恆定的功率水平產生的；或者，電力可以是以隨一個設施將要滿足的電負荷而變化的功率水平產生的。由該控制系統執行的方法還可以包括:在牽拉階段期間確定在當前牽拉階段期間正在利用的風能是否足以產生某一功率閾值的電力。當正在利用的風能不足以產生該某一功率閾值的電力時，可以使用儲存在該儲能器中的所利用的風能來補充正在利用的風能，從而使得以該某一功率閾值產生電力。另外或作為前述方·面的替代方案，由該控制系統執行的方法還可以包括:在牽拉階段期間確定在當前牽拉階段期間正在利用的風能是否超過產生該某一功率閾值的電力所使用的風能。當正在利用的風能超過產生該某一功率閾值的電力所使用的風能時，可以將超出產生該某一功率閾值的電力所使用的風能之外的風能儲存在該儲能器中。另外或作為前述方面的替代方案，由該控制系統執行的方法還可以包括:確定可用風能(其包括在當前牽拉階段期間正在利用的風能以及儲存在該儲能器中的所利用的風能)是否足以產生該某一功率閾值的電力。當該可用風能不足以產生該某一功率閾值的電力時，可以使用一個可調度的發電機來補充該可用風能，從而使得以該某一功率閾值產生電力。該系統的前述方面中的任一方面可以包括一個縮減裝置，該縮減裝置液壓地聯接至該絞卷裝置液壓泵/馬達。該縮減裝置可以用於通過用能量做有用功來從該系統的耗散能量。當存在該縮減裝置時，由該控制系統執行的方法還可以包括:確定該儲能器是否具有足夠的儲存能力來儲存當前牽拉階段期間正在利用的風能；並且當該儲能器不具有足夠的儲存能力來儲存正在利用的風能時，使用該縮減裝置來耗散無法儲存的正在利用的風能。
該系統的前述方面中的任一方面還可以包括機械地聯接在該發電機與該液壓馬達之間的一個發動機。替代地或另外，該系統還可以包括機械地聯接至一個發電機組發電機的一個發動機，其中該發電機的輸出和該發電機組發電機的輸出被電聯接在一起。替代地或另外，該系統可以包括一個發動機以及機械地聯接至該發動機並且液壓地聯接至該儲能器的一個液壓泵。該系統的前述方面中的任一方面可以包括多個地面站模塊，該多個地面站模塊遠離一個發電模塊而安置並且液壓地聯接至該發電模塊。這些地面站模塊中的每一個都可以包括該翼面、該繫繩、該絞卷裝置以及該絞卷裝置液壓泵/馬達。該發電模塊可以包括該儲能器、該液壓馬達以及該發電機。替代地或另外，該系統的前述方面中的任一方面可以包括多個地面站模塊，該多個地面站模塊遠離一個電氣控制模塊而安置並且電聯接至該電氣控制模塊。這些地面站模塊中的每一個都可以包括該翼面、該繫繩、該絞卷裝置、該儲能器、該絞卷裝置液壓泵/馬達、該液壓馬達，以及該發電機。該電氣控制模塊可以包括一個開關網絡，這樣使得這些地面站模塊中的任一個地面 站模塊都可以電聯接至其他地面站模塊中的任何一個或多個地面站模塊。該系統的前述方面中的任一方面中的絞卷裝置液壓泵/馬達可以是一種可變排
量液壓泵/馬達。該系統還可以包括至少三根風箏繫繩(包括兩根轉向繫繩和一根俯仰繫繩)，這至少三根風箏繫繩聯接至該翼面，並且該牽拉絞車可以包括三個絞車滾筒，這三個絞車滾筒中的每一個都在其上卷繞著這些繫繩中的一根繫繩。該系統還可以包括:一個風箏控制單元，在正在利用風能時，該風箏控制單元處於空中；以及至少三根風箏繫繩(包括兩根轉向繫繩和一根俯仰繫繩)，這至少三根風箏繫繩將該風箏控制單元聯接至該翼面。額外的風箏繫繩可以將該風箏控制單元聯接至該絞卷裝置。一個差動線繩致動器可以聯接在該牽拉絞車與該翼面之間，並且可以被配置成調整這些轉向繫繩相對於彼此的長度，並且調整該俯仰繫繩相對於這些轉向繫繩的長度。該差動線繩致動器可以包括:一個參考臺；一個可移動臺，該可移動臺可沿著一個縱向軸線相對於該參考臺移動；以及多個可移動的轉向繫繩導輥，這些可移動的轉向繫繩導輥安裝在該可移動臺上。這些可移動的轉向繫繩導輥可以各自相對於該可移動臺縱向地移動。根據另一方面，在此提供一種計算機可讀媒體，該計算機可讀媒體上面編碼有多個語句和指令以致使一個控制器執行該方法的前述方面中的任一方面。根據另一方面，在此提供一種用於使用系留翼面來利用風能的系統。該系統包括一個控制器以及通信聯接至該控制器的一個計算機可讀媒體，該計算機可讀媒體上面編碼有多個語句和指令以致使該控制器執行該方法的前述方面中的任一方面。
具體實施例方式在以下描述中使用的例如「頂部」、「底部」、「向上」、「向下」、「垂直地」和「水平地」
等方向性術語僅用於提供相對參考的目的，且非旨在對使用期間將如何定位任何設備，或者將如何在部件中或相對於環境來安裝任何設備加以任何限制。
可使用一種被稱為「抽放風箏式發電機」的設備來利用風能。這種抽放風箏式發電機是由一個地面站以及附接於一個繫繩上的翼面構成。一個翼面包括因風而飛的、並且具有由空氣動力導致的產生變化的繫繩張力的能力的任何可控制裝置。在地面站處，繫繩通過一個繫繩繞其卷繞的絞卷裝置以及其他用於傳遞所利用的風能的元件而聯接至形成該地面站的一部分的一個發電機。當翼面行進遠離該地面站時，繫繩從絞卷裝置退繞，因此將機械能傳遞到發電機，該發電機於是產生電力。為了產生有用功，翼面以低角度在地面站在下風方向飄飛，並且實現與其空氣動力效率成比例的空速。翼面表面上的這種高空速產生拉動繫繩的力。該繫繩由地面站以一個速率放出，該速率取決於風速的絕對量值以及抽放風箏式發電機的物理限制。通過允許繫繩從絞卷裝置脫卷而將繫繩的線性運動轉變為旋轉運動。隨後將通過絞卷裝置利用的能量傳遞到發電機，該發電機將機械能轉換為電能。當將繫繩拉離絞卷裝置並且抽放風箏式發電機產生電力時，抽放風箏式發電機運行於「牽拉階段」中。最終，繫繩將延伸到其最大程度。此時，使翼面更靠近地面站。為實現此目的，一個控制系統更改翼面的形狀和迎角中的一者或兩者，以便減小翼面產生的升力水平，並且激活絞卷裝置以使得將繫繩收回某一量；在收回繫繩時，抽放風箏式發電機運行於「收回階段」中。在收回階段期間，翼面不將風能轉換為電能；而是使用能量來使翼面更靠近地面站。在收回之後，抽放風箏式發電機可再次經歷一個這種牽拉階段，從而利用更多的風能。當使用抽放風箏式發電機產生電力時會遇到若干問題。舉例來說，一個問題是如何將由繫繩提供的線性的、振蕩的機械輸入有效地轉換為電力，並且如何產生施加於繫繩的線性的、振蕩的機械輸出。另一問題是如何使得產生電力的方式對於電氣設施來說在經濟上相對有價值。對於一個設施相對有價值的發電是這種發電可以追蹤設施所必須滿足的電氣負荷；這種類型的發電被稱作「負荷跟隨」發電。相對沒有價值的發電是這種發電不可預測地可變。遺憾的是，若干因素固有地使得使用抽放風箏式發電機進行的發電是可變的。舉例來說，抽放風箏式發電機經歷反覆的牽拉和收回階段，在收回階段期間不利用風能。另外，風本身固有地是可變的，並且在無風時期到風很大的狂風時期之間交替。另一問題是遞送到電氣設施的電力應維持一種特定的電壓、頻率和相位。因為風能固有是可變的，所以常規 的風力電廠難以滿足這些標準。常規的風力電廠可以利用功率電子器件來提供對所產生電力中的變化的非常短期的平滑效果以便防止電網不穩定，但是功率電子器件典型地無法實際上提供一致的功率輸出。此外，功率電子器件是相當昂貴的，因而大大增加了電力產生的成本。本文中所描述的實施例針對於一種用於使用抽放的風箏來利用風能的方法和系統，其利用液壓傳輸來儲存風能，以便甚至在收回階段期間使用所儲存的風能產生電力，並且是不使用許多常規的風力電廠中出現的相對昂貴的功率電子器件而做到的。「風箏」是由多個部件構成，這些部件包括翼面，並且在一個實施例中包括可更改翼面的形狀和迎角的一個風箏控制單元。風箏之所以被稱作「抽放的」風箏是因為風箏在反覆地經歷牽拉階段和收回階段時所採取的運動類型。現在參看圖1，描繪了根據第一實施例用於使用抽放的風箏來利用風能的系統100。系統100包括個風寧翼面(圖1到圖6中未圖不，但在圖7中標記為703)，該風寧翼面聯接至在地面與翼面之間延伸的一根繫繩102上。繫繩102聯接至一個絞卷裝置104，該絞卷裝置在此實施例中是由一個儲存滾筒108和一個雙絞盤105 (還被稱為摩擦收卷機)構成，該雙絞盤具有一個第一滾筒106a和一個第二滾筒106b ;如下文進一步詳細地描述的，在替代性實施例中，絞卷裝置104可被替代地構建。相對於翼面，繫繩102首先卷繞在雙絞盤105周圍，且隨後卷繞儲存滾筒108。例如可使用一個或多個獨立驅動的滑輪來構建雙絞盤105 ;這些滑輪的縱向軸線可水平地或垂直地對準，並且這些滑輪中的一個或多個可以被堆疊。儲存滾筒108以及第一滾筒106a和第二滾筒106b中的每一個都經由一個軸機械地聯接至其自己的可變排量液壓泵/馬達；第一滾筒106a聯接至第一滾筒泵/馬達110a，第二滾筒106b聯接至第二滾筒泵/馬達110b，並且儲存滾筒108聯接至儲存滾筒泵/馬達112 ;泵/馬達110a、110b、112統稱為絞卷裝置液壓泵/馬達。如下文進一步詳細地論述的，這些泵/馬達110a、110b、112中的每一個都在抽放風箏式發電機運行於牽拉階段中時為儲存風能而作為液壓泵運行，並且在抽放風箏式發電機運行於收回階段中時使用所儲存的風能來收回翼面。另外，儲存滾筒108充當繞線軸來儲存繫繩102。當儲存滾筒泵/馬達112通過圍繞其縱向軸線旋轉儲存滾筒108來對此進行促進時，一個水平卷繞器114平行於該縱向軸線反覆地致動，以便沿著儲存滾筒108的長度均勻地分布繫繩102。雖然在所描繪的實施例中，水平卷繞器114被液壓地提供動力，但在替代性實施例(未描繪)中，水平卷繞器114被替代地合適地提供動力，例如電動地或氣動地。第一滾筒106a和第二滾筒106b向繫繩102施加力以便控制其延伸。雙絞盤105和儲存滾筒108聯合工作以維持繫繩102上的適當張力，從而使得可將繫繩102可以適當地卷繞在儲存滾筒108上。泵/馬達110a、110b、112中的每一個都液壓地聯接至一個儲能器116，該儲能器將風能儲存為機械能。舉例來說，在牽拉階段期間，第一滾筒106a、第二滾筒106b以及儲存滾筒108由於繫繩102退繞而旋轉。聯接至第一滾筒106a和第二滾筒106b以及儲存滾筒108的這些軸因此旋轉並且致使泵/馬達110a、110b、112將液壓流體泵送到儲能器116中。儲能器116因此以被壓縮的高壓氣體的形式儲存能量。儲存在儲能器中的風能在用於產生電力之前先被儲存。利用的一些風能可以同時在用於產生電力之前被儲存在儲能器116中，並且一些風能可立即用於產生電力，而不用首先被機械性地儲存。假如能量供應超過需求，並且如果儲能器116不具有剩餘的儲存能力，那麼可將由泵/馬達110a、110b、112泵送的液壓流`體遞送到一個縮減裝置120。縮減裝置120通過用多餘的能量作有用功來從系統100耗散無法儲存的多餘的能量。舉例來說，縮減裝置120可用於以下各項中的任何一項或多項:加熱；產生未經調製的電力；泵送水；通過反滲透將水脫鹽；通過電解產生氫氣；壓縮氣體以進行儲存或用於工業過程中；泵送流體以用於工業目的；以及與生物燃料相關的應用(例如，使藻類罐循環或暴露於空氣中)。或者，可使用壓力釋放閥(未圖示)來耗散來自系統100的多餘能量。泵/馬達110a、110b、112中的每一個、水平卷繞器114以及縮減裝置120是沿著具有「高壓側」和「低壓側」的一個液壓迴路而安置的並且形成該液壓迴路的一部分的多個部件；沿著該液壓迴路而安置並且形成該液壓迴路的一部分的這些部件中的每一個都是「液壓元件」。液壓迴路的高壓側終止於儲能器116處，而液壓迴路的低壓側終止於液壓儲箱126處，該液壓儲箱供應由液壓元件使用的液壓流體。系統100還包括:為了維持液壓流體的適當的操作溫度的一個液壓流體冷卻單元128 ;以及一個充液泵130，該充液泵可以用於在(例如)長期關閉之後系統壓力過低時在系統100中的建立壓力。雖然在圖1中示出為將一個儲能器116聯接至液壓迴路，但在替代性實施例(未描繪)中，可以將多個儲能器116聯接至該液壓迴路以增加儲存能力。利用來自液壓迴路的高壓側的能量使用液壓馬達122來產生電力，該液壓馬達也是沿著液壓迴路而安置的液壓元件之一。液壓馬達122可以是(例如)一種軸向柱塞或其他合適的可變排量液壓馬達。利用來自液壓迴路的高壓側的能量來給液壓馬達122提供動力，該液壓馬達旋轉將液壓馬達122機械地聯接至發電機124的一個軸。發電機進而產生電力。系統100包括被配置成對系統100的操作進行控制的一個控制系統132。雖然在圖1中未描繪，但控制系統132通信聯接至液壓元件中的每一個上。控制系統132可以包括(例如)一個控制器134，該控制器通信聯接至一個存儲器136，該存儲器上面已經編碼有多個語句和指令以用於致使控制器134對系統100進行控制，從而使得系統100使用抽放的風箏來利用風能。因為系統100包括儲能器116的形式的一個儲存元件，對於儲能器116的儲存容量所提供的程度而言，系統100能夠產生某一功率閾值的穩定的、恆定水平的電力，而不管系統100的當前操作模式如何。舉例來說，在收回階段期間，當不利用風力時，儲能器116卻能將能量供應給用於產生電力的液壓馬達122。儲能器116還供應用於收回繫繩102的能量，並且因此不需要替代性能源來收回繫繩102，這些替代性能源例如是昂貴的並且不是很好適合於它們在系統100的典型操作過程中會遇到的這種頻繁的充電/放電循環的電池，或礦物燃料發電機。此外，如果在任何時候正在利用的能量超過滿足設施的電力要求所需的量，那麼可在滿足設施的電力要求的同時將多餘的風能儲存在儲能器116中以供將來使用。由於系統100的快速響應時間，系統100能夠操作以在某一功率閾值下輸出恆定水平的電力(如上文所描述)， 並且還能夠「負荷跟隨」可能對於設施的需求，一直到儲能器116的儲存能力所容許的程度。換句話說，系統100能夠充當半可調度發電機。舉例來說，在高峰電力使用時間期間，設施必須滿足的電力負荷可能突然猛增10%;響應於來自設施的信號，系統100能夠非常快速地將額外的能量從儲能器116轉移到液壓馬達122以便相應地增加電力產生。這與例如核電廠和燃煤電廠等發電機形成鮮明對比，這些發電機通常不能負荷跟隨，並且因此主要用於滿足基礎電負荷。這也與氣體發電機形成對比，氣體發電機可負荷跟隨，但是氣體發電機是通過燃燒礦物燃料從而產生對環境不友好並且相對昂貴的能量來做到的，並且這也與例如常規的太陽能和風力發電機的其他可再生能量源形成對t匕，在那些能量源中沒有或有非常有限的可調度性。有利的是，通過在收回階段期間使用儲存在儲能器116中的能量的至少一部分來收回繫繩102，可在不利用來自設施的電力的情況下收回繫繩102。這是有益的，因為系統100不充當設施上的電負荷，甚至在收回階段期間也是如此。如果系統100要求來自設施的電力來收回繫繩102，那麼設施將不合意地必須使用設施自身的產生能力中的一些，並且可能必須使用設施的有價值的「負荷跟隨」產生能力中的一些來收回繫繩102。在系統100的操作期間控制系統132考慮若干變量。舉例來說，為了滿足來自設施的改變的功率要求，控制系統132修改液壓馬達122施加到將液壓馬達122聯接至發電機124的軸上的扭矩，同時使得該軸的旋轉頻率維持恆定。因為供應給設施的電力的頻率將保持恆定，所以旋轉頻率保持恆定。旋轉頻率可隨電網頻率而變，或者可以確定電網頻率，這取決於系統100的操作模式，如下文更詳細地論述。為了影響液壓馬達122供應的扭矩，控制系統132調整液壓馬達122的排量。控制系統132還旋轉第一滾筒104a和第二滾筒104b，以便防止繫繩102在滾筒104a、104b上滑動，從而防止將不想要的張力或鬆弛引入到繫繩102中，並且從而促進對風能的利用。每次將繫繩102卷繞在滾筒104a、104b之一周圍時，繫繩102中的張力減小，並且繫繩102因此壓縮；為了防止滑動，控制系統132以不同速率旋轉滾筒104a、104b。當雙絞盤105減小繫繩102中的張力時,使用雙絞盤105可以有利地延長繫繩壽命。另外，當旋轉儲存滾筒108時，控制系統132考慮到儲存滾筒108上的繫繩102的卷數來確定旋轉儲存滾筒108以維持繫繩102中的張力的速率；因為繫繩102離儲存滾筒108的中心的距離一般與繫繩102卷繞在儲存滾筒108上的次數一起增加，所以儲存滾筒108的旋轉速率一般與卷數一起減小。在一個實施例中，儲存滾筒102旋轉以使得儲存滾筒102維持繫繩102中的恆定張力。在牽拉階段期間，控制系統132根據所測得的風速來控制第一滾筒106a和第二滾筒106b的速度。控制系統132實行牽拉階段的一個前提條件是風速足以克服由儲存滾筒108和雙絞盤105施加到繫繩102上的張力；此速度被稱作「切入速度」。如果風超過系統100的額定風速，那麼控制系統132可執行若干動作中的一個來防止系統100在其操作參數之外操作。舉例來說，控制系統132可以在空氣動力學上使翼面減載運行，以便降低翼面利用風的效率。替代地，控制系統132可增加繫繩102的繫繩角度。同樣替代地，控制系統132可以用非恆定的速度使得風箏飛過風窗，然後讓風箏盤旋較短的時間，並且然後以非恆定的速度使得風箏返回飛過風窗。有利的是，泵/馬達110a、110b、112中的每一個的排量都可被改變來致使在牽拉階段期間液壓迴路中的流體流動速率與壓力的乘積相對高(並且理想上最大化)，以便使用風箏利用相對高量的風能。有利的是，在收回階段期間，泵/馬達110a、110b、112中的每一個的排量都可被改變來致使流體流動速率與壓力的乘積相對低(並且理想上最小化)，以便在收回風箏時利用相對小量的風能。控制系統132還可以在對系統100進行控制時考慮到其他因素，例如風箏所利用的預計風能；儲能器116中的儲存容量將如何受風速預報影響；以及對電力的預計需求。舉例來說，當系統100正運行以將恆定水平的功率輸出到設施時，控制系統132可基於儲存在儲能器116中的能量以及所預報的風速來確定系統100將能夠在哪段時期維持功率輸出。作為另一實例，控制系統132可基於所預報的風速來確定是否由於低風速、暴風雨事件或者其他氣象現象而應將風箏卷回到地面站。另外，控制系統132可通過保證功率、可變功率以及被縮減的功率的邊際成本來確定運行系統100的相對最佳的方式,從而增加利潤。控制系統132還可以與電氣設施以及其他發電器材(例如:例如柴油發動機等可調度的發電機)中的一者或兩者進行通信，從而使得如果系統100將無法滿足其發電職責，控制系統132就可以建議該設施調用一個不同的可調度發電源，或可以自己調用該不同的可調度發電源。如上文所論述，控制系統132可以相對於其產生的電力的頻率和相位而在兩種模式中操作。如果系統100是電網上的 相對支配的發電機，那麼該系統將確定電網上的電力的頻率和相位，並且控制系統132保持該頻率和相位恆定。如果系統100是電網上的相對小的發電機，那麼控制系統132使系統100產生的電力的相位和頻率與電網的相位和頻率匹配。現在參看圖2，描繪了實質上類似於圖1的系統100的實施例的系統100的另一實施例，不同之處在於，絞卷裝置104不包括雙絞盤105，並且絞卷裝置液壓泵/馬達相應地不包括泵/馬達110a、110b。雖然在圖2中未使用絞盤，但在替代實施例(未描繪)中，可使用一個單一絞盤，或者可使用三個或更多絞盤。與圖1中所描繪的、其中第一滾筒106a和第二滾筒106b的存在意味著相對小的張力位於儲存滾筒108處的繫繩102上的系統100相t匕，在圖2的系統100中，在儲存滾筒108處的繫繩102中存在相對高量的張力。因此，如果將繫繩102多次卷繞在儲存滾筒108周圍，以使得繫繩102卷繞在其自身上的話，那麼相對高的張力會迫使被卷繞的繫繩102的最上層朝向儲存滾筒108的中心並進入被卷繞的繫繩102的其他層中並且穿過這些其他層；這被稱為「滾筒擠壓」，並且可顯著磨損繫繩102。為了減輕滾筒擠壓，圖2中的控制系統132可操作儲存滾筒108以使得緊接在任一個這種收回階段之後並且在任一個這種牽拉階段之前，繫繩102最多僅在儲存滾筒108周圍卷繞一次。因為繫繩102未卷繞在其自身上，所以消除了滾筒擠壓。現在參看圖3，描繪了系統100的一個實施例，其中一個內燃機發動機300通過軸而機械地聯接在液壓馬達122與發電機組發電機124之間。發動機300與發電機組發電機124的這種組合是一個「發電機組」。雖然在圖3中展示了第一滾筒106a和第二滾筒106b，但還可以在沒有這些滾筒的情況下實施圖3的系統100。發動機300的存在產生了一種促進系統設計中的靈活性的混合系統，因為發動機300允許在不損害系統100產生電力的能力的情況下減小儲能器116中的儲存量。舉例來說，如果沒有充足的能量儲存在儲能器116中來滿足設施的電需求，那麼該發動機可以燃燒燃料來供應滿足該設施所需的能量差額。發動機300的存在還簡化了用於操作液壓馬達122的控制算法，因為在有發動機300的情況下，不需要關注由液壓馬達122輸出的速度和扭矩，因為發電機組集成的控制系統(未圖示)確保了這個驅動發電機的軸的速度和扭矩是足夠的。另外，如果儲能器116中未留有充足的能量來在收回階段期間·收回繫繩102的話，那麼來自發動機300的能量可用於收回繫繩。在替代性實施例(未描繪)中，作為將發動機300聯接在發電機124與液壓馬達122之間的替代，液壓馬達122和發電機124可直接聯接在一起。發動機300可以被替代地機械聯接至另一個液壓泵(未圖示)，該另一液壓泵又液壓聯接至液壓迴路的高壓側。在沒有充足的風能可利用來滿足電氣設施的需求的情況下，可操作發動機300來致使液壓泵在液壓迴路中建立壓力，進而增加發電機124可產生的電力量。以此方式，可使用風能以及(如果希望的話)使用為發動機300提供動力的燃料兩者來產生電力。現在參看圖4，描繪了系統100的一個實施例，其中發動機300和液壓馬達122機械地聯接至多個不同的發電機，這些不同的發電機隨後電聯接在一起。液壓馬達122機械地聯接至發電機124，而發動機300機械地聯接至發電機組發電機125。因為兩個發電機124,125仍然是聯接的，所以圖4的系統100共享了圖3的系統100的優點。另外，圖3的系統100是有益的，原因在於與圖3中所示的在發電機組與液壓馬達122之間的機械連結相比，在兩個發電機124、125之間的電連結實施起來典型地更簡單。然而，與圖3的系統100相比，控制系統132無法僅依賴於發電機組集成的控制系統來管理電力產生，而是直接控制液壓馬達122來確保發電機124以適合於設施的頻率和功率來產生電力。當風箏向系統100貢獻相對小部分的能量並且發動機300因此一直運行時，典型地使用圖3的實施例，而當間歇地使用發動機300時，典型地使用圖4的實施例。在圖3和圖4的系統100中，控制系統132直接控制發電機組的功率輸出，並且可以特定地使發電機組的輸出與系統100的需求匹配。相比而言，在不存在發電機組集成的控制系統的多種系統中，控制系統132典型地不具有這種控制水平。現在參看圖5 (a)，展示了系統100的陣列類型實施例的方框圖，其中一個發電模塊500液壓地聯接至多個地面站模塊502。在所描繪的實施例中，可將圖1到圖4、圖8和圖9中所描繪的「地面站」在功能上劃分為地面站模塊502和發電模塊500。在圖5 (b)中展不發電模塊500的一個實施例，並且在圖5 (c)中展不這些地面站模塊502之一的一個實施例。在圖1到圖4中所描繪的實施例中，用於收回和延伸繫繩102的這些系統元件(「地面站元件」，例如:儲存滾筒108、第一絞盤106a和第二絞盤106b，以及相關的液壓泵/馬達112、110a、110b)與用於產生電力的這些系統元件(「發電元件」，例如:液壓馬達122、發電機124，以及儲能器 116)緊密物理接近。在圖5 (a)到(c)的實施例中，發電模塊500包括多個發電元件，並且地面站元件502中的每一個都包括一組地面站元件。圖5 (a)的陣列類型實施例在兩個方面是有利的。首先，由於具有多個地面站模塊502，所以可同時使用多個翼面來產生電力。這不僅增加了系統100的總的電力產生能力，而且不同的地面站模塊502處的這些翼面可以互補的方式延伸和收回，從而使得系統100連續地利用風。這減少了系統100中所需的儲存量。其次，由於在中央定位這些發電元件並且在多個地面站模塊502之間共享這些發電元件，所以減少了設備的重複，並且因此減少了資本成本。在圖5 (b)中，描繪了多個發電元件；在所描繪的實施例中，這些發電元件包括縮減裝置120、儲能器116、液壓儲箱126、液壓馬達122，以及發電機124。在圖5 (c)中，描繪了這些地面站元件；在所描繪的實施例中，這些地面站元件包括儲存滾筒108,水平卷繞器114，第一絞盤106a和第二絞盤106b，液壓泵/馬達110a、110b、112，縮減裝置120，充液泵130，液壓儲箱126，以及液壓流體冷卻單元128。每一個地面站模塊502的液壓泵/馬達110a、110b、112液壓地聯接至發電模塊500的液壓馬達122以及儲能器116。這允許由地面站模塊502利用的風能被儲存在儲能器116中並且用於為液壓馬達122提供動力，並且允許使用儲存在儲能器116中的能量來將每個地面站模塊502的繫繩102收回。作為在地面站模塊502處使用縮減裝置120的替代，可使用壓力釋放閥；將壓力釋放閥安裝在地面站模塊502處可以降低接管要求。安裝在發電模塊500處的這種縮減裝置120可以被配置成用被縮減的能量做有用功，例如泵送水；將這樣一個縮減裝置定位在發電模塊500處有利地允許縮減裝置120利用由任一個地面站模塊502所利用的風能。現在參看圖6 (a)，展示了系統100的陣列類型實施例的方框圖，其中電氣控制模塊600電聯接至多個另一實施例的地面站模塊502。與圖5 (a)中所示的、其中多個地面站模塊502液壓地聯接在一起的系統的實施例相比，在圖6 Ca)的實施例中，地面站模塊502電聯接在一起。與在圖5(a)的實施例中一樣，這允許同時地或互補地利用來自多個站點的風能。這還允許路徑確定由任一個地面站模塊502產生的能量以供在另一地面站模塊502在收回階段期間使用。
圖6(b)描繪電氣控制模塊600的一個實施例。在所描繪的實施例中，存儲裝置未定位在中心；而是，電氣控制模塊600是由通過多個開關602互連的多個電導體604構成。這些開關被配置成使得任一電導體604都可以電聯接至另一電導體604 ；因為地面模塊502中的每一個都電聯接至這些電導體604之一，所以電氣控制模塊600允許地面站模塊502中的任一個電聯接至其他地面站模塊502中的任何一個或多個。因此，當這些地面站模塊502之一處於牽拉階段並且正在利用風能時，不是將能量進行儲存，而是可以將這種能量轉移到處於收回階段的這些其他地面站模塊502中的任何一個或多個並且供這一個或多個其他地面站模塊使用。由地面站模塊502中的任一者產生的風能還可以被儲存在其他地面站模塊502中的任一者的儲能器116中；在這些地面站模塊502之一的儲能器116不具有更多的存儲空間，但是這些地面站模塊502中的另一個地面站模塊的儲能器116具有容量的情況下，這是有用的。在一個替代性實施例(未描繪)中，一個非常大的液壓儲能器可以液壓地聯接至這些地面站模塊502中的每一個，並且可以用於儲存能量。圖6 (C)描繪用於圖6 (a)中所描繪的陣列類型實施例中的地面站模塊502的一個實施例。圖6 (c)的實施例實質上類似於圖1中所描繪的系統100，不同之處在於，發電機124的輸出被電聯接至電氣控制模塊600，而不是直接聯接至電氣設施。當地面站模塊502從其他地面站模塊502之一接收電能時，發電機124充當馬達來將所接收的電能轉換成對液壓馬達122提供動力的機械能，並且這種機械能產生了被傳遞到儲能器116的能量。因為可以在這些地面站模塊502之間共享儲存能力，這可以允許各地面站模塊502處的這些儲能器116小於它們在其他情況下所具有的大小。雖然所描繪的發電模塊500和地面站模塊502是源自圖1中所描繪的系統100的實施例，但在替代性實施例(未描繪)中，圖2到圖4中的任一者中所示的系統100的實施例可以類似地被適配以形成圖5 (a)到(C)以及6 (a)到(C)中所示的陣列類型實施例。在另一替代性實施例(未描繪)中，多個翼面可以各自聯接一根繫繩，該繫繩終止於一個一般的地面站處。通過一系列的導輥來引導各個繫繩，使得這些繫繩各自離開地面的點被物理地分開。現在參看圖7，描繪了可與系統100 —起使用以利用風能的翼面703的兩種配置。一種配置在下文被稱作風箏控制單元(「K⑶`」)配置700，而另一種配置在下文被稱作3線繩配置701。K⑶配置700與上文圖1到圖6中所描繪的系統100的多個實施例結合使用。K⑶配置700是一種「二元件」系統，其中當使用系統100時，翼面703 (—個元件)以及一個K⑶702 (另一元件)都在空中。K⑶702經由繫繩102連接至圖1到圖4中所描繪的這些地面站中的任一地面站，並且聯接至圖5 (c)和6 (c)中所描繪的這些地面站模塊中的任一地面站模塊；KOT 702還使用一個右俯仰繫繩704a和一個左俯仰繫繩704b (統稱為「俯仰繫繩704」)以及一個右轉向繫繩708a和一個左轉向繫繩708b (統稱為「轉向繫繩708」)而連接至翼面703。繫繩102是這些俯仰繫繩704和轉向繫繩708之外的並且高於它們的一個額外的風箏繫繩。K⑶702自身包括用於調整俯仰繫繩704和轉向繫繩708上的張力的多個機械系統(未圖示)，以及用於在適當時與地面站和地面站模塊進行通信的一個通信系統(未圖示)。可有線地或無線地執行通信，並且當使用電線執行通信時，這些電線可嵌入在繫繩102內。K⑶702能夠使翼面703轉向並且調整翼面的迎角。為了使翼面703轉向，K⑶702調整轉向繫繩708的相對長度。舉例來說，為了使得翼面703朝向右轉向繫繩708a而轉向，K⑶702使得右轉向繫繩708a相對於左轉向繫繩708b而縮短。在要使翼面703朝向左轉向繫繩708b而轉向的情況下，K⑶702類似地使得左轉向繫繩708b相對於右轉向繫繩708a而縮短。為了調整翼面703的迎角，K⑶702同時調整這些俯仰繫繩704相對於轉向繫繩708的長度。假設翼面703正朝向俯仰繫繩704飄飛，當俯仰繫繩704相對於轉向繫繩708縮短時，迎角減小；類似地，當俯仰繫繩704相對於轉向繫繩708變長時，迎角增力口。以此方式，可從地面使翼面703轉向並且對翼面進行控制。雖然在所描繪的實施例中，這些俯仰繫繩704兩者的長度被同時調整，但在替代性實施例(未描繪)中，K⑶702可以調整這些俯仰繫繩704之間的相對長度。3線繩配置701是一種「一元件」系統，其中在利用風能時，翼面703而不是K⑶702在空中。與K⑶配置700 —樣，這些轉向繫繩708和俯仰繫繩704附接到翼面703上，它們以與K⑶配置700相同的方式使翼面703轉向並且改變翼面的迎角。然而，在3線繩配置701中，右俯仰繫繩704a和左俯仰繫繩704b合併以形成一個統一的俯仰繫繩706。這個統一的俯仰繫繩706和這兩根轉向繫繩708完全延伸到地面站或地面站模塊，在地面站或地面站模塊處使用例如下文圖8到圖10 (c)中所描述的系統和設備來調整這些繫繩的相對長度。有利的是，將右俯仰繫繩704a和左俯仰繫繩704b合併為單根統一的俯仰繫繩706增加了能量效率，因為僅使得這種統一的俯仰繫繩706延伸到地面與使得這兩根右左俯仰繫繩704a和704b都延伸到地面相比產生更小的拖拽。在替代性實施例(未描繪)中，可以用不同方式來執行使翼面703轉向和調整翼面的迎角。舉例來說，翼面703的形狀可被變形或扭曲；可替代地，可通過使用多個移動的控制表面(例如類似於飛機上所使用的副翼的表面)，或通過轉變位於翼面703上的不同質量，來控制翼面703。用於此類變形或轉變的任何致動器都可以被容納在翼面703的體積內，並且可以與翼面703的剛性或半剛性結構相抵靠地進行致動。在另一替代性實施例(未圖示)中，K⑶702可以被集成在翼面703內而不是懸掛在其下方。在這個實施例中，K⑶702可以通過執行以下各項中的一項或多項來控制風箏:差動地拉動這些俯仰繫繩704和轉向繫繩708 ;使翼面703 的形狀變形或扭曲；以及致動各種控制表面。K⑶配置700比3線繩配置701有利的地方在於，K⑶配置700僅使用單根繫繩102將翼面703連接至地面站或地面站模塊，這與3線繩配置701中所使用的這三根繫繩706、708a、708b相比產生更少的拖拽。另外，與3線繩配置701中所使用的這三根繫繩706、708a、708b相比,可以在地面站或地面站模塊處使用更少件的設備來處置和控制K⑶配置700中所使用的單根繫繩102，從而允許使用技術上相對簡單的地面站或地面站模塊。3線繩配置701比K⑶配置700有利的地方在於，不使用K⑶702從而減小了處於空中的設備的質量，這可以降低在出現事故的情況下的成本和不利條件，並且這可促進公眾對抽放風箏技術的接受。3線繩配置701還在這些繫繩706、708a、708b的末尾處僅具有一個單一元件，即，翼面703，這與K⑶配置700中存在的兩個元件形成對比。因此，與K⑶配置700相比，可使用更簡單的算法和過程來控制3線繩配置701。另外，因為操作3線繩配置701不涉及與空中的K⑶702進行通信，所以與使用K⑶配置700相比，使用3線繩配置701涉及更少的通信問題。3線繩配置701中所使用的這些繫繩706、708a、708b相應地也不需要包括KCU配置700中所存在的供KCU 702使用的功率布線或通信布線。
現在參看圖8，展示了實質上類似於圖1中所描繪的系統100的實施例的系統100的另一實施例，不同之處在於，絞卷裝置104包括儲存滾筒108以及一個差動線繩致動器804，而不包括雙絞盤105。差動線繩致動器804被配置成與3線繩配置701的翼面703 —起使用，並且該差動線繩致動器聯接至該統一的俯仰繫繩706並且聯接至這些轉向繫繩708以便能夠調整這些繫繩的相對長度。在通過差動線繩致動器804之後，這些俯仰繫繩706和轉向繫繩708被卷繞在儲存滾筒108上。在所描繪的實施例中，這些俯仰繫繩706和轉向繫繩708被卷繞在同一儲存滾筒108的不同部分上，從而使得這些繫繩不彼此重疊。然而，在替代性實施例(未圖示)中，這些繫繩706、708a、708b中的每一個可以被卷繞在其自身的儲存滾筒上。如上文所論述，差動線繩致動器804能夠調整右轉向繫繩708a和左轉向繫繩708b相對於彼此的長度，並且還能夠調整這些轉向繫繩708相對於這個統一的俯仰繫繩706的長度，以便使翼面703轉向並且調整翼面的迎角。在圖10 (a)中展示了對於差動線繩致動器804是如何調整這個統一的俯仰繫繩706的長度的一個示意性展示，而在圖10 (b)中展示了對於差動線繩致動器804是如何調整這些轉向繫繩708的長度的一個示意性展示。在圖10 Ca)中，當統一的俯仰繫繩706從翼面703接近地面站時，統一的俯仰繫繩首先卷繞在一個可移動的俯仰繫繩導輥1002周圍，並且然後卷繞在一個參考俯仰繫繩導輥1004周圍，之後卷繞在儲存滾筒108周圍。參考俯仰繫繩導輥1006相對於地面是靜止的，而可移動的俯仰繫繩導輥1006可橫向地移動，如由圖10 (a)中的箭頭所指示。當可移動的俯仰繫繩導輥1006移位遠離參考俯仰繫繩導輥1004時，統一的俯仰繫繩706縮短；當可移動的俯仰繫繩導輥1006朝向參考俯仰繫繩導輥1004移位時，統一的俯仰繫繩706變長。類似地，在圖10 (b)中，當右轉向繫繩708a從翼面703接近地面站時，右轉向繫繩首先卷繞在可移動的右轉向繫繩 導輥1006周圍，並且然後卷繞在參考右轉向繫繩導輥1008周圍，之後卷繞在儲存滾筒108周圍。當左轉向繫繩708b從翼面703接近地面站時，左轉向繫繩首先卷繞在可移動的左轉向繫繩導輥1010周圍，並且隨後卷繞在參考左轉向繫繩導輥1012周圍，之後卷繞在儲存滾筒108周圍。這些參考轉向繫繩導輥1008、1012相對於地面是靜止的，而這些可移動的轉向繫繩導輥1006、1010可橫向地移動，如由圖10(b)中的箭頭所指示。為了調整這些轉向繫繩708中的一個相對於另一個的長度，這些可移動的轉向繫繩導輥1006、1010中的一個可相對於另一個而移動。舉例來說，為了使翼面703朝向右轉向繫繩708a而轉向，可移動的右轉向繫繩導輥1006可以移位而遠離參考右轉向繫繩導輥1008 ;可移動的左轉向繫繩導輥1010可以朝向參考左轉向繫繩導輥1012而移位；或以上兩者都進行。為了調整翼面703的迎角，可以在保持可移動的轉向繫繩導輥1006、1010靜止的同時調整統一的俯仰繫繩706的長度；可以在保持可移動的俯仰繫繩導輥1002靜止的同時一致地移動這些可移動的轉向繫繩導輥1006、1010 ;或以上兩者都進行。現在參看圖10 (C)，展示了一個設備1018，該設備可以用於控制這些可移動的轉向繫繩導輥1006、1010的移動，並且該設備可以因此形成差動線繩致動器804的一部分。設備1018包括一個參考臺1016和一個可移動臺1014，它們彼此鄰近並且相對於彼此是可縱向滑動的。在所描繪的實施例中，這些臺1014、1016中的每一個都是由兩個縱向延伸的梁構建，在這兩個縱向延伸的梁之間放置著兩個橫向延伸的梁，並且這兩個橫向延伸的梁固定到這兩個縱向延伸的梁上從而形成一個矩形臺。然而，在其他實施例中，可以用任何合適的方式構建這些臺，或任何合適類型的基底。可移動的右轉向繫繩導輥1006被安裝在可移動臺1014的一側上，並且可移動的左轉向繫繩導輥1010被安裝在可移動臺1014的另一側上。這些可移動的轉向繫繩導輥1006,1010中的每一個都在可移動臺1014上是相對於這些可移動轉向繫繩導輥1006、1010中的另一個可縱向地滑動的，這允許這些轉向繫繩708相對於彼此調整長度。這些可移動的轉向繫繩導輥1006、1010還可以相對於可移動臺1014被保持靜止，並且可移動臺1014可以隨後相對於參考臺1016而移動，以便相對於這些轉向繫繩708的長度來調整統一的俯仰繫繩706的長度，進而改變翼面703的迎角。雖然未描繪，但可使用一種類似的設備來調整統一的俯仰繫繩706的長度。在一個實施例中，這些可移動的轉向繫繩導輥1006、1010各自聯接至一條皮帶，該皮帶同時地移動這些可移動的轉向繫繩導輥1006、1010兩者；可替代地，這些可移動的轉向繫繩導輥1006、1010可以各自是獨立地可縱向滑動的。現在參看圖9，描繪了實質上類似於圖8中所描繪的系統100的實施例的、用於利用風能的系統100的另一實施例，不同之處在於，儲存滾筒108和差動線繩致動器804已經被三個絞車滾筒902a-c所取代，這些絞車滾筒中的每一個都對應地由一個液壓泵/馬達904a-c獨立地提供動力。右轉向繫繩708a卷繞在這些絞車滾筒中的一個902a上，左轉向繫繩708b卷繞在這些絞車滾筒中的另一個902b上，而統一的俯仰繫繩706卷繞在絞車滾筒中的第三個902c上。與圖8中所示的使用差動線繩致動器804相比，圖9的使用這些絞車滾筒902a-c來改變這些繫繩706、708a、708b的相對長度更高效，因為在使用這些絞車902a-c來獨立地控制繫繩長度時減少了線繩損耗。然而，圖9中所示的實施例利用了三個液壓泵/馬達904a-c，這與圖8的實施例中所使用的一個液壓泵/馬達112形成對比。這些液壓泵/馬達112、904a-c的成本可以因此使得圖9的實施例對於相對小規模的風力電廠來說是不經濟的。任選地，在調整這些繫繩706、708a、708b的相對長度時，這些液壓泵/馬達904a-c的控制系統可以彼此進行通信以便增加準確性。在前述實施例中，可將可變排量液壓泵/馬達用於液壓泵/馬達110a、110b、112、904a-c。可以使用的一種示例性可變排量液壓泵/馬達是使用HNC100-SEK數字控制器組件進行控制的例如A4VS040-DS1的次級控制BoschTMRexroth 泵。具體來說，使用可變排量液壓泵/馬達允許操作員直接控制這些液壓泵/馬達110a、110b、112、904a-c的這些輸出軸的速度和扭矩，這對於在不使用低效的、浪費能量的節流閥的情況下精確地控制這些繫繩102、706、708的長度來說是有用的。在前述實施例中，可以避免節流閥，因為這些不同的液壓元件是壓力聯接的，其中它們經歷實質上相同的壓力，但不必須經歷液壓流體的相同流動；這與這些液壓元件是流動聯接的(其中它們將經歷液壓流體的相同流動，但不必須經歷實質上相同的壓力)形成對比。由控制系統132採用來對系統100的前述實施例中的任一實施例進行控制的方法可以被存儲在一個計算機可讀的媒體上以供任何合適的控制器執行，該控制器例如為一個處理器、微控制器、可編程邏輯控制器、現場可編程門陣列，或者可以(例如)使用專用集成電路將該方法實施於硬體中。舉例來 說，控制系統132可以包括具有一個內部存儲器和一個外部存儲器中的一者或兩者的一個可編程邏輯控制器，該內部存儲器和該外部存儲器上單獨地或共同地編碼有多個語句和指令來使得控制系統132執行這些前述實施例的方法中的任一方法。示例性計算機可讀媒體包括基於光碟的媒體(例如，⑶-ROM和DVD)，磁性媒體(例如，硬碟驅動器和其他形式的磁碟存儲裝置)、基於半導體的媒體(例如，快閃記憶體媒體、隨機存取存儲器以及只讀存儲器)。出於方便起見，將以上示例性實施例描述為多種不同的互連的功能塊或獨特的軟體模塊。然而，這並不是必須的，並且可能存在這些功能塊或模塊等效地聚集在一個單個的邏輯裝置、程序或操作中而沒有清楚的界限的情況。在任何情況下，這些功能塊和軟體模塊或靈活接口的特徵可由它們自身實施，或者與硬體或軟體中的其他操作組合地實施。雖然已經在上文描述了特定的實例性實施例，但是將理解，其他實施例是可能的並且是旨在包括在本文中的。本領域的技術人員將清楚，未展示的對前述實例性實施例的修改和調整也是可能·的。
權利要求
1.一種用於使用系留翼面來利用風能的方法，該方法包括: Ca)在一種牽拉階段期間，允許風延伸一根風箏繫繩，並且機械地儲存通過延伸該風箏繫繩而利用的風能，之後使用所儲存的風能來產生電力；並且 (b)在一種收回階段期間，使用在該牽拉階段期間機械地儲存的風能來收回該風箏繫繩。
2.根據權利要求1所述的方法，其中機械地儲存風能包括使用一個儲能器來儲存風倉泛。
3.根據權利要求1所述的方法，進一步包括使用在該牽拉階段期間所利用的風能來產生電力。
4.根據權利要求3所述的方法，其中電力是使用在該牽拉階段期間機械地儲存的風能來產生的。
5.根據權利要求4所述的方法，其中電力是在該收回階段期間產生的。
6.根據權利要求3所述的方法，進一步包括: (a)在該牽拉階段期間，確定正在利用的風能是否足以產生某一功率閾值的電力；並且 (b)當正在利用的風能不足以產生該某一功率閾值的電力時，使用在該牽拉階段期間機械地儲存的風能來補充正在利用的風能，從而使得以該某一功率閾值產生電力。
7.根據權利要求3所述的方法，進一步包括: (a)在該牽拉階段期間，確定正在利用的風能是否超過產生某一功率閾值的電力所使用的風能；並且 (b)當正在利用的風能超過產生該某一功率閾值的電力所需的風能時，機械地儲存超出產生該某一功率閾值的電力所使用的風能之外的風能。
8.根據權利要求3所述的方法，進一步包括: (a)確定包括正在利用的風能以及在該牽拉階段期間機械地儲存的風能在內的可用風能是否足以產生某一功率閾值的電力；並且 (b)當該可用風能不足以產生該某一功率閾值的電力時，使用一個可調度的發電機來補充該可用風能，從而使得以該某一功率閾值產生電力。
9.根據權利要求1所述的方法，進一步包括: Ca)確定是否存在足夠的儲存能力來機械地儲存正在利用的風能；並且(b)當沒有足夠的儲存能力來機械地儲存正在利用的風能時，耗散無法儲存的正在利用的風能。
10.根據權利要求3所述的方法，其中電力是以恆定的一個功率水平產生的。
11.根據權利要求3所述的方法，其中電力是以隨一個設施將要滿足的電負荷而變化的功率水平產生的。
12.根據權利要求1到11中任一權利要求所述的方法，其中一個可變排量液壓泵/馬達被機械地聯接至該風箏繫繩，並且該風箏繫繩的延伸和收回是通過調整該可變排量液壓泵/馬達的每循環排量來控制的。
13.根據權利要求1到12中任一權利要求所述的方法，其中包括兩根轉向繫繩和一根俯仰繫繩在內的至少三根風箏繫繩被聯接在該系留翼面與一個地面站之間。
14.根據權利要求1到12中任一權利要求所述的方法，其中一個空中風箏控制單元通過包括兩根轉向繫繩和一根俯仰繫繩在內的至少三根風箏繫繩而聯接至該系留翼面，並且其中該風箏控制單元用一根額外的風箏繫繩聯接至一個地面站。
15.根據權利要求13和14中任一權利要求所述的方法，進一步包括通過改變這些轉向繫繩的相對長度來使該系留翼面朝向這些轉向繫繩之一轉向。
16.根據權利要求13和14中任一權利要求所述的方法，進一步包括通過相對於這些轉向繫繩調整該俯仰繫繩的長度來調整該系留翼面的迎角。
17.一種用於使用系留翼面來利用風能的系統，該系統包括: (a)—個翼面； (b)一根繫繩，該繫繩聯接至該翼面； (c ) 一個絞卷裝置，該繫繩卷繞在該絞卷裝置周圍，該絞卷裝置被配置成允許該繫繩在牽拉階段期間延伸，並且允許在收回階段期間收回該繫繩； Cd) 一個儲能器，該儲能器被配置成儲存所利用的風能； (e)—個絞卷裝置液壓泵/馬達，該絞卷裝置液壓泵/馬達機械地聯接至該絞卷裝置並且液壓地聯接至該儲能器，該絞卷裝置液壓泵/馬達被配置成:在該收回階段期間，將儲存在該儲能器中的所利用的風能進行轉換以便致動該絞卷裝置從而收回該繫繩；並且在該牽拉階段期間，將通過延伸該繫繩而利用的所利用的風能從該絞卷裝置傳遞到該儲能器中以供進行儲存；以及 Cf) 一個控制系統，該控制系統通信聯接至該絞卷裝置液壓泵/馬達以及該儲能器，該控制系統被配置成執行包括以下各項的一種方法: (i)在該牽拉階段期間，·允許風延伸該繫繩，並且將所利用的風能儲存在該儲能器中，之後使用所利用的風能來產生電力；並且 (ii)在該收回階段期間，使用儲存於該儲能器中的所利用的風能來收回該繫繩。
18.根據權利要求17所述的系統，進一步包括: Ca) 一個液壓馬達，該液壓馬達液壓地聯接至該儲能器並且液壓地聯接至該絞卷裝置液壓泵/馬達；以及 (b)—個發電機，該發電機機械地聯接至該液壓馬達，該發電機使用所利用的風能來產生電力。
19.根據權利要求18所述的系統，其中電力是使用儲存在該儲能器中的所利用的風能來產生的。
20.根據權利要求19所述的系統，其中電力是在該收回階段期間產生的。
21.根據權利要求18所述的系統，其中該方法進一步包括: (a)在該牽拉階段期間，確定正在利用的風能是否足以產生某一功率閾值的電力；並且 (b)當正在利用的風能不足以產生該某一功率閾值的電力時，使用儲存在該儲能器中的所利用的風能來補充正在利用的風能，從而使得以該某一功率閾值產生電力。
22.根據權利要求18所述的系統，其中該方法進一步包括: (a)在該牽拉階段期間，確定正在利用的風能是否超過產生某一功率閾值的電力所使用的風能；並且 (b)當正在利用的風能超過產生該某一功率閾值的電力所使用的風能時，將超出產生該某一功率閾值的電力所使用的風能之外的風能儲存在該儲能器中。
23.根據權利要求18所述的系統，其中該方法進一步包括: Ca)確定包括正在利用的風能以及儲存在該儲能器中的所利用的風能在內的可用風能是否足以產生某一功率閾值的電力；並且 (b)當該可用風能不足以產生該某一功率閾值的電力時，使用一個可調度的發電機來補充該可用風能，從而使得以該某一功率閾值產生電力。
24.根據權利要求17所述的系統，進一步包括一個縮減裝置，該縮減裝置液壓地聯接至該絞卷裝置液壓泵/馬達，並且其中該方法進一步包括: Ca)確定該儲能器是否具有足夠的儲存能力來儲存正在利用的風能；並且 (b)當該儲能器不具有足夠的儲存能力來儲存正在利用的風能時，使用該縮減裝置來耗散無法儲存的正在利用的風能。
25.根據權利要求18所述的系統，其中電力是以恆定的一個功率水平產生的。
26.根據權利要求18所述的系統，其中電力是以隨一個設施將要滿足的電負荷而變化的一個功率水平產生的。
27.根據權利要求18所述的系統，進一步包括機械地聯接在該發電機與該液壓馬達之間的一個發動機。
28.根據權利要求18所述的系統，進一步包括機械地聯接至一個發電機組發電機的一個發動機，並且其中該發電機的輸出和該發電機組發電機的輸出被電聯接在一起。
29.根據權利要求18所述的系統，進一步包括一個發動機以及機械地聯接至該發動機並且液壓地聯接至該儲能器的一個液壓泵。
30.根據權利要求18所述的系統，進一步包括多個地面站模塊，該多個地面站模塊遠離一個發電模塊而安置並且液壓地聯接至該發電模塊，並且其中: (a)該多個地面站模塊中的每一個地面站模塊都包括該翼面、該繫繩、該絞卷裝置以及該絞卷裝置液壓泵/馬達；並且 (b)該發電模塊包括該儲能器、該液壓馬達以及該發電機。
31.根據權利要求18所述的系統，進一步包括多個地面站模塊，該多個地面站模塊遠離一個電氣控制模塊而安置並且電聯接至該電氣控制模塊，並且其中: (a)該多個地面站模塊中的每一個地面站模塊都包括該翼面、該繫繩、該絞卷裝置、該儲能器、該絞卷裝置液壓泵/馬達、該液壓馬達，以及該發電機；並且 (b)該電氣控制模塊包括一個開關網絡，這樣使得該多個地面站模塊中的任一個地面站模塊都能夠電聯接至這些其他地面站模塊中的任何一個或多個地面站模塊。
32.根據權利要求17到31中任一權利要求所述的系統，其中該絞卷裝置液壓泵/馬達包括一個可變排量液壓泵/馬達。
33.根據權利要求17到32中任一權利要求所述的系統，其中包括兩根轉向繫繩和一根俯仰繫繩在內的至少三根風箏繫繩聯接至該翼面，並且其中牽拉絞車包括三個絞車滾筒，這三個絞車滾筒中的每一個都在其上卷繞著這些繫繩中的一根繫繩。
34.根據權利要求17到32中任一權利要求所述的系統，進一步包括: Ca) 一個風箏控制單元，在正在利用風能時，該風箏控制單元處於空中； (b)包括兩根轉向繫繩和一根俯仰繫繩在內的至少三根風箏繫繩，這至少三根風箏繫繩將該風箏控制單元聯接至該翼面，並且其中，一根額外的風箏繫繩將該風箏控制單元聯接至該絞卷裝置。
35.根據權利要求33所述的系統，進一步包括一個差動線繩致動器，該差動線繩致動器聯接在該牽拉絞車與該機翼之間，並且被配置成調整這些轉向繫繩相對於彼此的長度，並且調整該俯仰繫繩相對於這些轉向繫繩的長度。
36.根據權利要求35所述的系統，其中該差動線繩致動器包括: (a)—個參考臺； (b)一個可移動臺，該可移動臺可沿著一個縱向軸線相對於該參考臺移動；以及 (C)多個可移動的轉向繫繩導輥，這些可移動的轉向繫繩導輥安裝在該可移動臺上，其中這些可移動的轉向繫繩導輥是相對於該可移動臺可各自縱向地移動。
37.一種計算機可讀媒體，該計算機可讀媒體上面編碼有多個語句和指令以致使一個控制器執行根據權利要求1到16中任一權利要求所述的方法。
38.一種用於使用系留翼面來利用風能的系統，該系統包括: (a)—個控制器；以及 (b)一個計算機可讀媒體，該計算機可讀媒體通信聯接至該控制器並且其上編碼有多個語句和指令以致使該控制器執行根據權利要求1到16中任一權利要求所述的方法。
全文摘要
本披露針對於一種用於使用系留翼面來利用風能的方法和系統。在牽拉階段期間，允許風延伸一根風箏繫繩。通過延伸該風箏繫繩而利用的風能被機械地儲存，之後使用所儲存的風能來產生電力。在收回階段期間，使用在該牽拉階段期間機械地儲存的風能來收回該風箏繫繩。有利的是，這種機械儲存允許在不依賴於來自電網的電力的情況下收回該風箏繫繩。
文檔編號F03D9/02GK103249945SQ201180045117
公開日2013年8月14日 申請日期2011年5月3日 優先權日2010年8月5日
發明者麥可·安德魯·塔特斯菲爾德, 喬爾·弗雷澤·阿特沃特, 科裡·保羅·霍勒 申請人:側風能源系統公司