CN106170625A - 用于从流体流动中提取功率的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于提取功率的设备，所述设备包括轨道和被联接到所述轨道上的翼面。所述轨道包括第一细长区段和第二细长区段，其中所述第一细长区段被定位在所述第二细长区段上方。所述翼面包括处于吸力表面与所述轨道之间的压力表面，并且当交替地联接到所述第一细长区段和所述第二细长区段上时在相反的方向上可移动。

Description

用于从流体流动中提取功率的设备
公开领域
本公开总体上涉及可再生能源。更确切地，本公开描述了用于从流体流动中提取功率的设备和方法。
发明背景
从流体流动中提取功率是可再生能源的重要来源。主流实例包括风力发电和水力发电。
用于从流体流动中提取功率的传统***主要是以涡轮机为基础的。在涡轮机中，一个或多个叶片可围绕中心点进行旋转，该中心点被刚性地附接到锚定物(通常为塔架)上。这些叶片被放置在流动的流体中，流体引起了这些叶片的旋转，并且旋转被转变为电力。
涡轮机可能会有许多缺点。例如，施加在涡轮机上的力与涡轮机叶片的长度的立方成比例。随着涡轮机叶片在尺寸上的增加，破坏力(例如围绕塔架的力矩)成立方地增加。相反，可用的功率仅成平方地增加。
这种“平方-立方”规则在涡轮机的规模方面施加显著的局限性。不可避免地，从更大尺寸中提取的额外功率的增益没有被解决破坏力增加的成本抵消。至少为此原因，涡轮机的规模受到限制。
其他已知的解决方案消除了塔架或其他刚性锚定物。这种功率提取***的示例包括空中风能***(“AWE”)。典型地，这些***是在高于风力涡轮机高度的海拔处飞翔的被栓系到地面的空气动力学物体(例如，风筝)。
存在两个主要机构用于从AWE穿过空气的运动中提取功率：机载功率产生和以地面为基础的功率产生。前者的示例包括在风筝上的涡轮机，该涡轮机以与上述涡轮机相同的方式来产生电力。后者的示例包括被附接到卷筒上的长栓绳，其中风筝的运动使栓绳从卷筒上伸开，这使卷筒和相连的发电器旋转，因此将风力转变为电力。
AWE也可能会有许多缺点。例如，因为所述***需要与空中物体成角度的栓绳，所提取的功率将是可用功率和栓绳角度的余弦的函数。因此，所提取的功率可能绝不会等于可用功率。此外，栓绳在其移动穿过空气时将产生阻力，使风筝变慢，并且因此减少获得的功率。最后，高空飞行的AWE承受航空管制，这局限了它们的地理范围(例如由于禁飞区)并且对于其实现造成了监管障碍。
概述
本公开的示例针对克服了以上表明的缺点的用于从流体流动中提取功率的设备和方法。作为示例性优点，这些设备的范围可以不被平方-立方法则所限制。作为另一个示例性优点，这些设备和这些方法可以不经受栓绳阻力和/或余弦损失。作为另一个示例性优点，这些设备出于监管的目的可以不被归类为“空中装置”。
在一些示例中，一种用于提取功率的设备包括轨道和被联接到所述轨道上的翼面。所述轨道包括第一细长区段和第二细长区段，其中所述第一细长区段被定位在所述第二细长区段上方。所述翼面包括定位在吸力表面与所述轨道之间的压力表面，并且所述翼面当交替地联接到所述第一细长区段和所述第二细长区段上时在相反的方向上可移动。
通过使吸力表面面朝所述轨道，所述轨道可以被定向成使得翼面相对于大气风速横风移动(crosswind)。这种横风运动可以有利地允许翼面以大于大气风的速度行进。进一步的，通过将所述第一细长区段定位在所述第二细长区段上方，在这些区段中任一个上行进的翼面将直接接收大气风；也就是说，在翼面上的入射风不被其他细长区段上的翼面干扰。这可以允许增加功率提取。
在一些另外的示例中，系索被联接到所述轨道上并且被锚固到地面。系索可以有益地允许更少的结构支撑，从而减少功率提取设备的成本。
系索还可以有益地允许减少在设备上的破坏力。例如，三个或三个以上系索可以沿细长区段分布以减少在细长区段的长度上的力矩。
在一些另外的示例中，翼面与水平面成约90–γ度滚转以抵消来自与水平面成γ度的系索角度的力。
在一些示例中，当翼面被联接到所述第一细长区段上时所述翼面具有相对于水平面的第一滚转，并且当所述翼面被联接到所述第二细长区段上时所述翼面具有相对于水平面的第二不同滚转。
在一些示例中，所述轨道包括连接所述第一细长区段与所述第二细长区段的终端，其中当所述翼面从所述第一细长区段过渡至所述终端时所述翼面减速，并且其中当所述翼面从所述终端过渡至所述第二细长区段时所述翼面加速。这可以消除方向改变所伴随的较高的力。翼面的减速还可以被获得作为功率。
在一些示例中，所述轨道包括连接所述第一细长区段和所述第二细长区段的终端，其中所述翼面在所述翼面沿所述终端行进时偏航。
在本公开的一些示例中，提取功率的方法包括：提供轨道；定位所述轨道；将机架联接到所述轨道上；并且通过所述机架的运动从大气风中获得功率。如在此所使用的，机架可以包括翼面，并且还可以例如包括机身和尾翼。机架还可以简单地是翼面。所述轨道包括第一细长区段以及比所述第一细长区段更低的第二细长区段。所述轨道可以被定位成使得所述机架相对于大气风横风行进。
一些另外的示例包括将系索附接到所述轨道上并且锚固所述系索。又另外的示例包括将至少三个系索附接到所述第一细长区段上。在一些示例中，这些系索之一与水平面成γ度的角度，并且该方法包括当所述机架被联接到所述第一细长区段上时使所述机架与水平面成约90–γ度滚转。
在一些示例中，该方法包括：当所述机架被联接到所述第一细长区段上时使所述机架与水平面成第一角度滚转，并且当所述机架被联接到所述第二细长区段上时使所述机架与水平面成第二角度滚转，其中所述第一角度与所述第二角度不同。
一些示例包括：将终端连接在所述第一细长区段与所述第二细长区段之间，其中当所述机架从所述第一细长区段过渡至所述终端时所述机架减速，并且其中当所述机架从所述终端过渡至所述第二细长区段时所述机架加速。
在一些示例中，该方法包括：将终端联接在所述第一细长区段和所述第二细长区段之间，并且使所述机架在所述机架沿所述终端行进时偏航。
在本公开的一些示例中，功率提取***包括：轨道；与水平面成γ度的角度并且被联接到所述轨道上的系索；以及被联接到所述轨道上并且与水平面成约90–γ度滚转的机架。
在本公开的一些示例中，提取功率的方法包括：提供轨道；将机架联接到所述轨道上；将所述轨道定位成使得所述机架相对于大气风横风行进；将系索附接到所述轨道上并且将所述系索锚固成使得其与水平面成γ度的角度；使所述机架与水平面成约90–γ度滚转；并且通过所述机架的运动从大气风中获得功率。
附图简要说明
图1A和图1B展示了根据本公开的示例的示例性功率提取设备。图1A展示了在大气风的流动方向上来看的设备。图1B展示了在侧面剖开视图中的设备。
图2A展示了根据本公开的示例的示例性机架。
图2B展示了根据本公开的示例的示例性翼面的横截面。
图2C展示了根据横风行进的物体的一个示例的示例性相对风速。
图3A和图3B展示了根据本公开的示例的示例性系索***。图3A展示了系索***的侧视图，并且图3B展示了顶视图。
图3C展示了根据本发明的实例的当机架与水平面成90度滚转时在功率提取***上的力。
图3D展示了根据本公开的示例的在机架上所引入的示例性滚转的侧视图。
图4展示了根据本公开的示例的提取功率***的方法。
详细说明
在对实施例的以下说明中，参照在此构成其一部分的附图，并且在附图中通过说明的方式展示了可以实践的特定实施例。应当理解的是，在不脱离所公开的实施例的情况下，可以使用其他实施例并且可以做出结构改变。
本公开的示例是多种设备，所述设备包括轨道和被联接到所述轨道上的翼面。所述轨道包括第一细长区段和第二细长区段，其中所述第一细长区段被定位在所述第二细长区段上方。所述翼面包括处于吸力表面与所述轨道之间的压力表面，并且当交替地联接到所述第一细长区段和所述第二细长区段上时在相反的方向上可移动。
在一些示例中，提取功率的方法包括：提供轨道；定位所述轨道；将机架联接到所述轨道上；并且通过所述机架的运动从大气风中获得功率。所述轨道包括第一细长区段以及比所述第一细长区段更低的第二细长区段。所述轨道可以被定位成使得所述机架相对于大气风横风行进。
图1A和图1B展示了根据本公开的示例的用于提取功率的示例性设备100。图1A展示了在大气风124的流动方向上来看的所述设备。图1B展示了从在图1A中的虚线并且看向末端108的侧面剖开视图中的设备。
设备100包括分别在上细长区段104和下细长区段106上行进的机架112和116。细长区段104和106是轨道102的部件，所述轨道还包括终端108和110。
机架112和116通过载体114和118来联接到轨道102上。这些轨道被定向成使得这些机架相对于大气风124横风行进。如在此所使用的，当物体的行进方向不与大气风的方向对齐时，物体可以被理解为“横风”行进。大气风可以是主导风，但不需要被如此限制。
在一些示例中，物体在其行进方向垂直于大气风的方向时横风行进。在一些示例中，物体在其行进方向从与大气风的方向垂直的方向偏离小于+/-45度时横风行进。在一些示例中，物体在其行进方向从与大气风的行进方向垂直的方向偏离小于+/-20度时横风行进。
在一些示例中，可以通过在效率损失方面的极限来计算从(相对于大气风的)垂直行进方向偏离的最大角度偏置。在一些另外的示例中，可以使用算法来将角度偏置(β)与在效率损失方面的极限(EL)联系起来。示例性算法可以包括EL＝(1–cosβ)和EL＝(1–cos2β)。对于在效率损失方面的给定极限，可以确定最大偏置角。
通过横风行进，在此描述的一些示例可以能够以大气风速的许多倍来行进。此外，通过沿细长区段行进，一些实施例可以从比机架的翼展跨度大许多倍的面积中捕获风力。在一些示例中，那个功率提取面积是细长区段的组合长度乘以机架的翼展跨度。相反，风力涡轮机局限于从具有与涡轮叶片的跨度对应的半径的圆的面积中获得风能。
在此描述的一些实施例还可以提供超越AWE的益处。例如，因为一些实施例不使用栓绳，则不存在与获得风力相关的余弦损失，并且不存在由于栓绳阻力而产生的能量损失。此外，一些示例与AWE相反不被归类为“空中装置”，并且因此避免了航空管制和限制的缺点。
返回至图1A和图1B，机架112和116分别在上区段104和下区段106上在相反的方向120和122上行进。这些机架沿终端108从上区段变至下区段并且在终端110上从下区段变至上区段。沿终端行进还致使机架方向改变。虽然沿对应于终端的路径行进，机架可以偏航以实现所希望的横风取向。在设备100中，机架在沿对应于终端的路径行进时(在机架的参照系中)偏航180度。
此外，方向的改变导致机架在行进在上细长区段104上时以相对于水平面的第一滚转行进，并且在行进在下细长区段106上时以相对于水平面的第二滚转行进。更确切地，当在图1A和图1B中的机架在方向120上行进时，机架(在地球参照系中)向右舷滚转90度。当机架在方向122上行进时，机架向左舷滚转90度。通过在行进在不同方向上时以不同的角度滚转，本公开的一些示例允许这些机架沿这些细长区段在两个方向上横风行进并且将机架定向在对于相对风的空气动力学有效迎角(如下文中进一步描述的)。
可以使用任何数量的机构(未示出)或这些机构的组合从这些机架的运动中捕获电力。在一些示例中，在机架上的阻力可以被转变为电力。这可以使用电动机或发电机(例如在机架上的推进器)来实现。当推进器旋转时，产生电力。其他示例可以包括具有沿轨道运转的多个轮(例如参见图1中的元件126和128)的支架。当轮旋转时，在支架中的电动机中产生电力。在一些其他的示例中，缆线或其他输送带连接至机架，并且功率产生在输送轮毂而不是在机架上。一些示例可以包括齿条与齿轮安排，其中齿轮附接到机架上并且齿条在细长区段中。在另外的示例中，在轨道上可以存在许多缆线、输送带、导轨等，从而使得可以独立地捕获不同的机架速度和/或可以使用一些输送带来在需要时加速机架。
在一些示例中，通过感应来捕获电力。可以在细长区段中安装电线圈，并且在机架上安装磁体。当机架移动时，磁体在线圈中感生电流，其可以被捕获作为电力。这种安排可以有益地减少机械零件(例如齿轮和/或缆线)的数量。在一些示例中，电线圈缠绕在芯周围。可以在单个细长区段中使用多个线圈，使得可以独立地捕获不同的机架速度和/或使得可以使用一些线圈来加速机架。
在一些示例中，这些机架独立于彼此移动。所述***可以改变在不同细长区段上的机架的速度和/或改变在任何时候在每个细长区段上的机架的数量。在一定的风环境中，具有基本上不同的速度可以是有益的，例如从而增加从风中提取的功率。在一些示例中，低风速可能需要相对大数量的、行进相对缓慢的机架，相反，高风速可能需要较小数量的行进相对快速的机架。在一些示例中，不垂直于机架行进方向的风方向可能需要在轨道上的不同速度和/或不同数量的机架。在一些示例中，在速度和/或数量方面的改变是手动引入的，并且在其他示例中这些改变是自动引入的。在一些其他的实例中，手动和自动控制的组合引入这些变化。
为了帮助不同速度和/或不同数量的机架，这些机架可以在没有行进在细长区段上时聚集在终端处。在区段上的机架的数量可以类似于风力涡轮机的实度(solidity)。如在此所使用的，实度可以被理解为包括机架或涡轮机叶片扫过的面积(扫掠面积)分别与由机架或涡轮机叶片占据的面积相比的度量。与风力涡轮机不同，本公开的示例可以在一个风条件到另一个风力条件和从一个细长区段到另一个细长区段中改变实度。
在一些示例中，对于不同的风条件可以使用具有不同空气动力学轮廓的机架。对于在于大气风对齐的方向上行进的机架，可以有利地使表面积最大化，从而由机架捕获更多功率。另一方面，横风行进的机架可以从相对高升力/阻力轮廓中获益，从而增加升力(由此增加横风速度)。机架可以被存储在围栏中并且在给定时间响应于风条件来改变。
在细长区段末端的这种围栏还可以用于改变在一个方向上行进的机架的数量的比率。例如，具有三个或三个以上细长区段的设备可以提供在一个方向上行进的不同数量的机架。这样一种安排在风条件使机架在一个方向上行进更有利于另一个方向时可以是有利的。例如，当机架行进在大气风对齐的方向上时，可以有利地使机架以高速返回(即，在逆风方向上)。可以通过利用低阻力剖面来减少逆风行进的阻力(和因此提供的功率)。相反，顺风速度可以相对缓慢。因此，对于三个或三个以上区段，可以有益地分配多个细长区段顺风行进。逆风机架的速度可以被选择成使得这些机架在逆风围栏处再充满至提供顺风行进所需的速率。
这些围栏可以是终端的子区段或代替终端。这些围栏可以包括类似于使轮系滑动的辅助导轨。这些机架可以搭在辅助导轨上并且在需要时被引入到细长区段中。(手动或自动)开关可以在需要时将这些机架引导到这些围栏中。
轨道可以在两个末端上由塔架支撑。如在此所使用的，轨道可以被理解成包括多个细长区段和多个终端，这些细长区段和这些终端包括闭环。这些塔架可以采用足以支撑轨道的任何尺寸或形状。这些塔架可以被定位在每个终端的末端处、或可以被定位在细长区段/轨道上的向内点处。在一个示例中，多个轨道并列安排，各自附接到两个塔架上(类似于被附接到电线杆上的电线)。以此方式，可以支撑多个轨道，并且可以切断单个轨道的服务以用于维修或其他事件，而无需干扰其他轨道的功率提取。在一些示例中，可以使用多个塔架来加长并支撑这些细长区段。在这些示例中，加长这些区段(而不是提供多个轨道)可以增加***的效率，因为减少了终端的数量(因此减少了在终端处的总体能量损失)。
在一些示例中，多个轨道堆叠在彼此的顶部。在这些示例中，这些机架可以在轨道对上在相反旋转方向上行进，从而平衡可能由每个轨道上的机架的旋转和/或在终端处的机架的加速造成的扭转力矩。
在一些示例中，细长区段和/或整个轨道背靠背安排。在一些示例中，轨道相对于彼此安排成90度，由此允许这些机架对于各种入射大气风方向而横风行进。在其他示例中，这些轨道被定位成在0度至90度之间的其他相对角度，包括15度、30度、45度、60度和75度。
在一些示例中，细长区段被安排成格子状。例如，细长区段的行可以东-西延伸，并且列可以北-南延伸。当从上方来看时，这些细长区段可以描绘出棋盘图案，其中地面代表棋盘的“方格”。这种安排允许功率提取无视大气风的取向。在一些示例中，这些细长区段可以被定向成多个重叠的等边三角形。这可以允许在各种大气风取向下增加功率提取并且还可以允许这些细长区段作用为系杆。这些细长区段可以共享塔架。类似地，这些细长区段可以共享在细长区段之间转移的机架，取决于大气风的取向。在不同取向中的细长区段可以交替升高。例如，如果每个北-南和东-西安排都具有四个细长区段，则这些北-南安排可以被定位在3英尺、9英尺、15英尺和21英尺处，而这些东-西安排可以被定位在6英尺、12英尺、18英尺和24英尺处。这种间距将允许机架具有小于6英尺的翼展跨度，从而行进在任何的细长区段上而不会打到另一个细长区段。
在一些示例中，一个或多个轨道相对于地面或其他参考点可移动。例如，与这些轨道相关联的一个塔架可以是可移动的，并且另一个被固定，从而使得轨道围绕固定塔架枢转。可移动的塔架可以是在轮上的并且连接至用于运输的电机。以此方式，一些示例可以能够改变机架的行进相对于入射大气风方向的角度偏置。同样，具有可移动轨道的一些示例可以能够被重新定向成对于各种大气风方向的所希望的角度偏置。
图2A展示了根据本公开的示例的示例性机架200。机架200包括多个翼202、机身204和尾翼210。尾翼210包括竖直稳定翼212和水平稳定翼214。
如将容易理解的，机架200被提供作为示例并且可以采取许多变化而不偏离本公开的范围。例如，一些机架可以仅包括水平稳定翼或仅包括竖直稳定翼。在一些实施例中，机架不包括尾翼。
图2B展示了根据本公开的示例的示例性翼面230。翼面230可以直接联接到轨道上、或可以是较大的机架的一部分。在一些示例中，翼面230可以是以上关于图2A描述的翼202的横截面。
翼面230描绘了提供有用升力/阻力系数的空气动力学有效形状。翼面230包括前缘232、后缘234、吸力表面236和压力表面238。当相对风240移动经过翼面230时，该形状引起在翼面上的向上力(如在图2B中来看)。力在从压力侧朝吸力侧的方向上作用在翼面上。
如在此所使用的，翼面可以被理解成在流体流动中提供动态力的任何物体、或物体的横截面。这些包括(而不局限于)翼、帆、和涡轮机叶片。翼面可以是较大物体的一部分，具有附加部件。例如，机架可以不仅包括翼面，还包括机身和尾翼，例如以上关于图2A所描述的。在一些示例中，机架可以简单地是翼面。
当翼面被设计具有压力表面和吸力表面时，翼面可以在轨道的区段上被定向成使得压力表面被定位在轨道与吸力表面之间。这种安排可以使翼面以更大的速度横风移动。
翼弦242是将前缘232和后缘234结合的假想直线。翼面以迎角α(244)定向，迎角可以被理解成在翼弦238与相对风的方向238之间的角度。
如在此所使用的，术语“相对风”可以被理解成是所产生的风速度与大气风速的矢量和。图2C展示了根据横风移动的物体(未示出)的一个示例的示例性相对风速254。矢量250代表物体的地面速度，并且矢量252代表大气风速。
出于解释相对风速254的目的，必须首先理解“所产生的风”。所产生的风速简单地是地面速度250的大小，但是方向相反。为了计算相对风速，所产生的风速和大气风速252矢量相加以得出相对风速254。
返回至图2B，可以采用各种迎角。在一些示例中，根据所希望的升力/阻力比来计算迎角。例如，如果预先确定的升力/阻力需要6度的迎角，则基于大气风和地面速度来改变航空器的俯仰。如果大气风速是8m/s，并且地面速度是50m/s，则相对风速将与轨道成9.09度(tan-1(8/50))。为了实现与相对风的6度的迎角，翼面将与轨道成-3度。
一般而言，可以通过大气速度、地面速度和所希望的迎角来确定相对于轨道的俯仰角。首先由大气风速和地面速度确定相对风与轨道的角度。然后由所希望的迎角减去相对风的角度，以得到机架相对于轨道的所希望的俯仰角。
对于不同的风条件可以改变迎角。也就是说，例如有效功率提取和受限的结构完整性的考量可以确定所希望的迎角。迎角可以经由尾翼(即，经由在水平稳定翼上的升降机)来控制、或机械地通过移动/重新定向在轨道与机架之间的联接来控制。
在一些示例中，当在细长区段上行进在不同的方向上时，迎角不需要相同。这可以考虑不垂直于细长区段的大气风。
可以使用尾翼来被动和/或自动地实施阵风安全系数。阵风增大迎角。尾部可以被设计成使得阵风增加尾部上的升力。当尾部(相对于风)“上升”时，机架的迎角减小，并且机架的姿态返回到预先确定的范围内。
在一些示例中，可以选择性地定向机架以产生很小的力或不产生力。这可以有益于解决过大的风或无指向的风，并且有益于(例如维修操作的)停工期。通过将滚转角设定为(相对于水平面)零，并且将俯仰角设定为零(或零升力迎角)，并且允许机架自由偏航，机架将在轨道上施加很小的力。
在一些示例中，使用一个或多个系索来锚固电力提取设备。图3A和图3B展示了根据本公开的示例的示例性系索***。图3A展示了系索***300的侧视图，并且图3B展示了顶视图。
系索***300包括分别被联接至上细长区段302和下细长区段304上的系索308和310。在一些示例中，细长区段302和304可以是以上关于图1A和图1B描述的上细长区段和下细长区段。
系索308和310共同锚固在锚固点306处。在一些示例中，两个系索可以被锚固在不同的锚固点处。系索308和310限定相对于包含锚固点306的参考线的角度γ1和γ2。在一些示例中，参考线可以是地面、水平面、或其他物理参照物的水平。
图3B展示了以上的系索***，描绘了被附接到每个细长区段上的多个系索。由于在这个示例中细长区段的竖直对齐，细长区段302是在图3B中唯一可见的细长区段。
如在图3B中可见，系索***300包括横跨细长区段分布的多个系索308、314和318。每个系索分别在锚固点306、312和316处附接到细长区段302上。该多个系索将细长区段302的长度324划分成子长度320和322。
如上所述，细长区段302由于图3B的有利位置而遮盖了细长区段304。出于相同的原因，在图3B中仅可见上系索308、314和318。***300还包括由上系索308遮盖的至少下系索310并且可以包括被上系索314和318遮盖的额外系索。
本公开的系索***可以有益地分布顺风力，减少其在功率提取设备上的破坏效应。在风力涡轮机中，所有力都集中在轮毂(或中央点)处，这致使在塔架上的大力矩。至少出于这个原因，在风力涡轮机中的塔架可能非常大。在此描述的设备中，顺风力分布在多个机架上。进一步的，系索使顺风力分布在子长度上，使得任何一个子长度经受实质性减少的力矩。
尽管在图3B中子长度320和322近似相等，其他示例可以包括不同的子长度。同样，尽管在图3B中展示了三个系索，其他示例可以包括任何数量的系索。
每个子长度可以被选择成考虑各种考量。例如，机架的翼面积、机架的速度、导轨的强度等。在一些示例中，根据流体密度、机架面积、轨道上的载体的速度、机架升力系数和轨道弹性模量中的一项或多项来确定子长度。在一些示例中，子长度各自约为2.5米。在一些示例中，系索的数量是通过同时在细长区段上行进的机架的数量来确定的，并且可以被选择成使得存在比同时行进的机架更多的子长度。
在一些示例中，系索***被选择成适合周围地形和特定的实施因素。在一些示例中，每个系索单独地锚固并且从地面至轨道直线延伸。在其他的示例中，系索被配置成类似于斜拉桥：这些系索被附接到一个(或多个)锚固点，并且然后扇形散开至导轨附接点。在另一个示例中，这些系索被配置成类似于吊桥：吊索在两个附接点之间形成弧线，并且单独的系索被附接到这个弧线上。在又另一个示例中，系索***包括飞行锚固点。在这个示例中，拉索/栓绳从地面上升至中央“飞行锚定物”。系索附接到这个“飞行锚定物”上并且扇形散开至轨道。在另一个示例中，在主要锚固点与轨道之间安装辅助塔状物。于是拉索以大角度从地面延伸至辅助塔状物，并且然后(经由单独的系索或成组的锚定物)重新引导至轨道。通过重新引导系索，辅助塔状物吸收了一些向下的力，从而允许总系索长度更短(或有效角度更低)，由此减少了由于升高造成的余弦损失。
在一些示例中，这些系索对于上区段和下区段具有不同的长度。这可以使得轨道以所希望的滚转角度滚转，然后可以迫使机架到达所希望的滚转角度(参见以下关于滚转角度的讨论)。
在一些实施例中，上细长区段在系索附接点处刚性地附接到下细长区段上。再次可以使用不同的系索长度。这种安排还可以迫使细长区段达到适当的角度。与之前段落中的示例相比，这种构型(通过增加分隔)轻微地强调了线的长度，从而允许更加实际的控制。
当获得不同大气风方向时，一些示例可以包括双向飞行扶壁。在这些示例中，可以在“逆风”区段与“顺风”区段之间放置倒置的V。这些区段刚性地附接到这个扶壁上，并且这些载体/机架附接到这些区段上，使得它们只可以滑动。两个逆风系索和两个顺风系索附接到扶壁上，其方式使得它们可以避免机架的所有潜在取向。以此方式，可以构造双向设备，所述双向设备也维持导轨处于合适的滚转角度。
系索可以在轨道上引入额外的力。例如，图3C展示了根据本发明的示例的、当机架360相对于水平面滚转90度时在功率提取***350上的力。机架360在横风方向(未示出)上产生力，其作为功率被收获。机架360经由载体358联接至细长区段352并且在细长区段352上产生顺风力(FD)。
顺风力(FD)是由系索354来平衡的。然而，系索354以角度γ定向并且因此系索力(FB)作用在与水平面偏离90-γ的角度处。作为结果，系索力(FB)同时具有水平分量(用于平衡机架的顺风力)和竖直分量。这个竖直分量(在图3C的示例中不具有配衡)倾向于朝下拉动轨道，这可能在轨道上施加应力。
在一些实施例中，向机架中引入与水平面偏离小于90度的滚转。所述滚转可以使机架相对于导轨和系索定向成使得作用在机架上的力近似在系索的方向上。
图3D展示了根据本公开的示例的在机架360上所引入的示例性滚转的侧视图。如上，系索354在锚固点356处联接至地表面，并且系索354与水平面成γ的角度。为了平衡系索力，机架360与水平面成角度滚转(注意的是在此提及的是水平，但是可以使用任何参考线)。
在图3D的示例中，机架360以角度滚转。在一些实施例中，γ可以不等于90–γ，但是滚转远离90–γ的度数。在一些示例中，可以通过在效率损失方面的极限来计算与90–γ偏离的最大角度偏置。在一些另外的示例中，可以使用算法来将角度偏置(γ)与在效率损失方面的极限(EL)联系起来。示例性算法可以包括EL＝(1–cosγ)。对于在效率损失方面的给定极限，可以确定最大偏置角。还可以通过轨道的结构来限制最大角度偏置。当在机架滚转与系索升高之间的角度增加时，在轨道上的应力增加。对于给定材料，可以计算最大偏置以将轨道上的应力保持在预先确定的限制内。
机架360经由载体358联接至细长区段352。载体358可以相对于细长区段352旋转，使得机架360可以改变其相对于细长区段352的角度。一些载体可以包括将机架定向成所希望的滚转角度的伺服机，如以下更详细讨论的。
在一些示例中，上细长区段和下细长区段可以具有不同的系索角度(参见图3A)并且因此在机架上具有不同的滚转。当机架沿终端行进时，必须引入滚转改变，从而使得机架可以为细长区段采取正确的滚转角度。这可以在机架沿对应于终端的路径上行进时通过使机架偏航成180度同时还使机架滚转所希望的量来实现。在一些变化中，这种滚转的大小将是系索角度之和。
在一些实施例中，可以因此测量和调整机架的滚转。在一些示例中，可以使用附接到机架上的传感器、或经由通过例如卡尔曼滤波器的传感器融合算法整合的惯性导航***(例如陀螺仪、加速计和gps)来测量滚转。还可以经由RFID或其他近场通信通过在传感器融合算法中利用的那些输出来感测机架的位置。在一些实施例中，使用附接到支架上的机械传感器来测量机架的滚转。
存在多个机构，通过该多个机构可以控制机架的滚转。在一些示例中，机架在其翼上配备有多个副翼。通过操纵这些副翼可以控制机架的滚转。在一些实施例中，细长区段可以为机架引入自然的滚转。例如，细长区段可以是由柔性材料构造的，该柔性材料自然地挠曲以使机架滚转并且平衡系索力。在一些实施例中，轨道可旋转地附接到支撑塔架上。以此方式，轨道可以自然地重新定向成与水平面成角度，所述角度对应于机架中的适当滚转。在一些示例中，附接到载体上的机架可以侧向的与压力中心偏置从而引起滚转。当实现了所希望的滚转时，附接可以重新设定到压力中心。一些实施例通过将翼尖区别地栓系到载体上来控制滚转。例如可以加长右舷栓绳，并且缩短左舷栓绳，引起朝向左舷的滚转。
尽管以上说明主要关注于在确定滚转角度时在机架上系索力与空气动力学力的平衡，还可以考虑其他力。这些力可以包括在机架和载体上的重力、在细长区段上的重力、在支撑塔架和扶壁上的重力、在细长区段上的阻力、以及所连接的物体的任何浮力(例如在水实施例或空中实施例中)。在一些实施例中，细长区段被空气动力学地成型以减少阻力。
在一些空中示例中，可以通过由机架引起的升力来平衡由设备的重量引起的重力。这样一种设备可以例如首先使用起重机、航空器、或浮力装置来升高到所希望的高度。一旦在适当高度，可以利用风来改变或维持高度。这可以有益地允许空中实施例捕获在高的高度处的高速风矢量。
在一些示例中，多个系索可以附接到在轨道上的单个点上并且“扇形散开”从而使得每个系索产生与轨道的不同角度(当从上方来看时)。这种安排可以有益地抵消在各种相对风方向上的空气动力学力。
在一些示例中，在轨道与最外系索之间的角度和在系索对之间的角度可以是相等的。在另外的示例中，这些相等的角度可以各自是180度除以一加系索的数量(例如，180/(n+1)，其中n是系索的数量)。例如，对于附接到相同点上的两个系索，在这些系索之间的角度可以是60度，并且在每个系索与轨道之间的角度可以是60度。在其他的示例中，在轨道与最外系索之间的角度和在系索对之间的角度可以不相等。
通过将多个系索附接到轨道上的相同点上，并且将这些系索安排成与轨道成不同角度，一些示例可以改善对于各种大气风速和机架风速的空气动力学力偏置。例如，如果机架在轨道上相对快速地行进，则相对风可以近似地平行于细长区段的取向(导致力垂直于细长区段)。在这样一种情形中，在细长区段上连接至单个点并且成不同角度的多个系索将允许力分布在这些系索之间。
相反，如果机架速度较慢，相对风可能不平行于细长区段(并且因此力可能不垂直于细长区段)。在这样一种情形中，空气动力学力可以与这些系索之一更加对齐并且那个系索可以抵消动态力。将这与单个系索的实施例相比，其中仅由系索部分地平衡(对细长区段的)非垂直力。
成不同角度的多个系索可以允许跨各种风条件下的优化。例如，相对慢的大气风可能在“逆风”方向上需要高的机架速度和低的迎角，但是在“顺风”方向上需要低的机架速度和高的迎角。
尽管对系索和引起的滚转的以上说明主要关注于具有两个细长区段的***，本领域普通技术人员将容易地理解这些概念可以应用于具有单个细长区段的***或具有多个细长区段的***。本领域普通技术人员还将容易地理解以上描述的系索和引起的滚转概念可以应用于非细长区段。以上说明应用于包括系索和机架的任何***安排，其中机架可以滚转以抵消系索中的力。
现转至连接这些细长区段的终端，将理解的是机架在改变方向时在轨道上施加离心力。这种离心力可能需要对在终端处的轨道进行增强。
除了在终端处的离心力之外，还引入了空气动力学力。确切地，机架可以在终端处偏航。这将导致外翼尖具有比内翼尖更高的地面速度。因此，外翼尖具有不同的迎角。因此，表观的迎角和表观的风速在内侧和外侧上是不同的。这可能引起在外翼上比在内翼上更多的升力。
在一些实施例中，通过减少在终端处的机架的绝对速度来解决在终端处的力和定位需求。这种减速可以作为功率被收获。
在一些实施例中，机架在终端处滚转以对抗由偏航产生的力。例如，如果外副翼升高并且内副翼降低，则外升力将下降而内升力增高。这可以用于平均升力分布并且减少必须由结构吸收的滚转力矩。
尽管以上实施例的说明主要提供关于锚固到地面的轨道，但本公开不限于此。在一些示例中，轨道可以是空中的或可以是近海的。
此外，尽管以上主要讨论了单个翼的机架，一些实施例可以包括多个翼航空器，例如双翼或者复翼机架。这些翼可以堆叠或彼此前后安排，或二者结合。
图4展示了根据本公开的示例的提取功率的方法400。方法400包括提供轨道402。所述轨道包括第一细长区段以及比所述第一细长区段更低的第二细长区段。方法400包括将机架联接到轨道404上，从而使得机架相对于大气风横风行进。
在一些示例中，提取功率的方法还可以包括将系索附接到第一细长区段上。系索可以被锚固并且与水平面成γ度的角度。本方法还可以包括当所述机架联接到所述第一细长区段上时，将所述机架以相对于水平面约90–γ度的角度滚转。一些示例可以包括多于一个系索。
在一些示例中，该方法还可以包括：当所述机架被联接到所述第一细长区段上时使所述机架与水平面成第一角度滚转，并且当所述机架被联接到所述第二细长区段上时使所述机架与水平面成第二角度滚转，其中所述第一角度与所述第二角度不同。
一些方法可以包括将终端联接在所述第一细长区段与所述第二细长区段之间，其中当所述机架从所述第一细长区段过渡至所述终端时所述机架减速，并且其中当所述机架从所述终端过渡至所述第二细长区段时所述机架加速。在一些示例中，方法可以包括：将终端联接在所述第一细长区段和所述第二细长区段之间，并且使所述机架在其沿所述终端行进时偏航。
如上所述，本公开不局限于风力发电。一些示例可以包括其他气体或流体。示例性水力实施例可以包括河流设施或潮汐能设施。在一些其他的示例中，电能提取设备可以附接到多个浮力装置上，这些浮力装置可以产生升力。例如通过操纵滚转角度(通过结构或主动控制)，所述设备可以维持在所希望的深度或高度处以增加能量捕获。当在此使用时，可能暗示特定应用(例如横风或大气风)的术语应该被理解成在其他流体流动中具有类似术语。
进一步的，如在此使用的，术语“细长区段”可以被理解成机架可以联接到其上并且横风行进该机架大小的多倍的距离的任何结构。细长区段可以不必须是直线的，并且可以包括曲线或其他非直线的外观。在一些实施例中，用于提取功率的设备或方法可以包括水平安排的单个细长区段或多个细长区段，而不是在此描述的竖直取向。
尽管已经参照附图充分地描述了所公开的实施例，应注意的是各种变化和修改对本领域技术人员将变得明显。这种改变和修改被理解成包含在如由所附权利要求书限定的公开实施例的范围内。

Claims (12)

1.一种用于提取功率的设备，包括：
包括第一细长区段和第二细长区段的轨道，其中所述第一细长区段被定位在所述第二细长区段上方；
包括吸力表面和压力表面的翼面，其中所述翼面被联接至所述轨道上，使得所述压力表面处于所述吸力表面与所述轨道之间，并且其中所述翼面在交替地联接至所述第一细长区段和所述第二细长区段上时在相反方向上可移动；
在第一末端处联接到所述第一细长区段上并且在第二末端处联接到锚定物上的系索，其中所述系索与水平面成γ度的角度，并且所述翼面在联接到所述第一细长区段上时与水平面成约90–γ度滚转；以及
发电机，所述发电机用于通过所述翼面的运动从大气风中获得功率。
2.如权利要求1所述的设备，进一步包括被联接到所述第一细长区段上的至少三个系索。
3.如权利要求1所述的设备，其中当所述翼面被联接到所述第一细长区段上时所述翼面具有相对于水平面的第一滚转，并且当所述翼面被联接到所述第二细长区段上时所述翼面具有相对于水平面的第二滚转，并且其中所述第一滚转与所述第二滚转不同。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述轨道进一步包括连接所述第一细长区段与所述第二细长区段的终端，其中当所述翼面从所述第一细长区段过渡至所述终端时所述翼面减速，并且其中当所述翼面从所述终端过渡至所述第二细长区段时所述翼面加速。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述轨道进一步包括连接所述第一细长区段和所述第二细长区段的终端，其中所述翼面在其沿所述终端行进时偏航。
6.一种提取功率的方法，包括：
提供轨道，所述轨道包括第一细长区段以及比所述第一细长区段更低的第二细长区段；
将机架联接到所述轨道上，其中所述机架包括吸力表面和压力表面，其中所述机架被联接到所述轨道上，使得所述压力表面处于所述吸力表面与所述轨道之间；
将所述轨道定位成使得所述机架相对于大气风横风行进；
将系索附接到所述第一细长区段上；
锚固所述系索，其中所述系索与水平面成γ度的角度；
当所述机架联接到所述第一细长区段上时，使所述机架以相对于水平面约90–γ度的角度滚转；并且
通过所述机架的运动从大气风中获得功率。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括将至少三个系索附接到所述第一细长区段上。
8.如权利要求6所述的方法，其中当所述机架被联接到所述第一细长区段上时使所述机架与水平面成第一角度滚转，并且当所述机架被联接到所述第二细长区段上时使所述机架与水平面成第二角度滚转，并且其中所述第一角度与所述第二角度不同。
9.如权利要求6所述的方法，进一步包括将终端联接在所述第一细长区段与所述第二细长区段之间，其中当所述机架从所述第一细长区段过渡至所述终端时所述机架减速，并且其中当所述机架从所述终端过渡至所述第二细长区段时所述机架加速。
10.如权利要求6所述的方法，进一步包括将终端联接在所述第一细长区段和所述第二细长区段之间，并且使所述机架在其沿所述终端行进时偏航。
11.一种功率提取***，包括
轨道；
与水平面成γ的角度并且被联接到所述轨道上的系索；以及
被联接到所述轨道上并且以相对于水平面约90–γ度的角度滚转的机架。
12.一种提取功率的方法，包括：
提供轨道；
将机架联接到所述轨道上；
将所述轨道定位成使得所述机架相对于大气风横风行进；
将系索附接到所述轨道上并且将所述系索锚固成使其与水平面成γ度的角度；
使所述机架以相对于水平面约90–γ度滚转；并且
通过所述机架的运动从大气风中获得功率。
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