Patenty szybowcowe

Jest to szósty z naszej serii wybranych elementów związanych z szybowcami z akt Urzędu Patentów i Znaków Towarowych Stanów Zjednoczonych (patrz Zasoby poniżej). Są one prezentowane wyłącznie dla zainteresowania i rozrywki naszych czytelników. Nie są one w żaden sposób redagowane, poza przeplataniem rysunków w całym tekście. Zastrzeżenia prawne: a) Włączenie danego patentu do tej serii nie stanowi wyrażenia jakiejkolwiek opinii o samym patencie. b) niniejszy dokument nie ma żadnej mocy prawnej; w tym celu zapoznaj się z oryginalnym dokumentem na stronie internetowej USPTO. — Ed.

Abstrakcyjny

Ujawniono szybowiec, system i sposoby wytwarzania energii elektrycznej z wiatru. Szybowiec zawiera płat, pokładowe środki sterujące do pochylania, kołysania i odchylania szybowca w powietrzu, środki czujnikowe, które dostarczają pierwszy sygnał związany z bezwzględną pozycją szybowca, drugi sygnał związany z prędkością lotu szybowca i trzeci sygnał związany z przyspieszeniem szybowca, urządzenie sterujące podłączone do środków sterujących do sterowania autonomicznym lotem szybowca w oparciu o sygnały dostarczane przez środki czujnikowe oraz środki łączące dla liny łączącej szybowiec z naziemną instalacją elektryczną maszyna skonstruowana do przekształcania siły nośnej generowanej podczas wystawienia płata na działanie wiatru i przenoszonej na ziemię za pośrednictwem uwięzi na energię elektryczną. W skład systemu wchodzi szybowiec,

Odsyłacze do powiązanych aplikacji

[0001] Niniejsze zgłoszenie jest kontynuacją zgłoszenia międzynarodowego nr PCT/EP2013/002446, złożonego 14 sierpnia 2013 r., i zastrzeżeniami pierwszeństwa do EP 12181506.2, złożonego 23 sierpnia 2012 r.

Tło wynalazku

[0002] 1. Dziedzina wynalazku

[0003] Wynalazek dotyczy szybowca do wytwarzania energii elektrycznej z wiatru. Wynalazek dotyczy ponadto systemu do wytwarzania energii elektrycznej z wiatru.

[0004] 2. Krótki opis pokrewnego stanu techniki

[0005] Wytwarzanie energii elektrycznej z wiatru jest generalnie realizowane za pomocą płatów lub konstrukcji o profilu aerodynamicznym, które wytwarzają siłę nośną po wystawieniu na działanie wiatru. W ten sposób z wiatru pobierana jest energia, którą można przekształcić w energię elektryczną, na przykład poprzez zbadanie wspomnianych sił nośnych w celu napędzania generatora elektrycznego. Na przykład dobrze znane turbiny wiatrowe zawierają wirnik z aerodynamicznie wyprofilowanymi łopatami wirnika, w których siły nośne łopat wirnika powodują obracanie się wirnika. Wirnik jest zamontowany na generatorze elektrycznym, który znajduje się na przykład na szczycie wieży, w celu wytwarzania energii elektrycznej.

[0006] W celu zbadania zasobów energii wiatrowej na wysokościach powyżej kilkuset metrów nad ziemią, gdzie przeciętny wiatr jest silniejszy i stabilniejszy dzięki mniej zakłócającemu oddziaływaniu z powierzchnią ziemi, zaproponowano wykorzystanie płatów powietrznych. Koncepcje te są często określane jako powietrzna energia wiatrowa lub powietrzna produkcja energii wiatrowej.

[0007] Jednym z wyzwań związanych z powietrzną produkcją energii wiatrowej jest przenoszenie energii pozyskiwanej z wiatru na dużych wysokościach na ziemię. Zaproponowano dwa ogólne podejścia, pierwsze przewidujące generator powietrzny, a następnie stosunkowo ciężki obiekt latający, a drugie przewidujące generator naziemny, w którym energia pozyskiwana z wiatru musi być mechanicznie przenoszona na ziemię.

[0008] Przykładem tego ostatniego podejścia jest tak zwana koncepcja pompowania latawca. Latawiec leci z wiatrem od naziemnego generatora podłączonego do jego linek sterujących, ciągnąc w ten sposób liny i napędzając generator, gdy latawiec odlatuje od generatora. Aby odzyskać linki, generator jest napędzany jako silnik, który odciąga latawiec. Podczas tej fazy latawiec jest sterowany tak, aby wywierał mniejszy nacisk na linki, tak że zużycie energii do odciągnięcia latawca jest mniejsze niż moc wytwarzana przez latawiec ciągnący linki wcześniej.

[0009] Zasadniczym problemem wynalazku jest zapewnienie wytwarzania energii elektrycznej z wiatru z wykorzystaniem płata w powietrzu, przy czym w szczególności zintegrowana wydajność energetyczna ma zostać poprawiona w odniesieniu do stanu techniki opisanego powyżej.

Krótki opis wynalazku

[0010] Zgodnie z wynalazkiem problem ten został rozwiązany przez szybowiec do wytwarzania energii elektrycznej z wiatru, który to szybowiec zawiera płat, pokładowe środki sterujące do pochylania, kołysania i odchylania szybowca w powietrzu, środki czujnikowe dostarczające pierwszy sygnał związany z położenie bezwzględne szybowca, drugi sygnał związany z prędkością lotu szybowca i trzeci sygnał związany z przyspieszeniem szybowca, urządzenie sterujące połączone ze środkami sterującymi do sterowania autonomicznym lotem szybowca w oparciu o dostarczone sygnały przez środki czujnikowe, oraz środki łączące dla liny łączącej szybowiec z naziemną maszyną elektryczną zbudowaną do przekształcania siły nośnej generowanej podczas wystawiania płata na działanie wiatru i przenoszonej na ziemię za pośrednictwem liny na energię elektryczną.

[0011] Szybowiec lub szybowiec w rozumieniu wynalazku jest w szczególności stałopłatem, zwłaszcza bez środków napędowych, takich jak śmigła lub silniki odrzutowe, przy czym pokładowe środki sterujące umożliwiają pełną manewrowość w locie szybowca wokół jego osi wzdłużnej, jego oś boczna i oś pionowa. Zgodnie z wynalazkiem, te trzy główne osie tworzą kartezjański układ współrzędnych, w którym początek wspomnianego układu współrzędnych jest określony jako środek ciężkości szybowca.

[0012] Ogólnie rzecz biorąc, w odniesieniu do lotu prostego i poziomego, oś wzdłużna odnosi się do kierunku ruchu, oś pionowa odnosi się do kierunku wznoszenia, a oś poprzeczna jest zasadniczo pozioma, aby uzupełnić kartezjański układ współrzędnych.

[0013] Szybowiec zawiera na przykład kadłub i skrzydło główne, przy czym skrzydło główne stanowi lub zawiera płat. W tej konfiguracji oś podłużna jest zasadniczo równoległa do kadłuba, oś poprzeczna jest zasadniczo równoległa do głównego skrzydła, a oś pionowa jest prostopadła zarówno do osi podłużnej, jak i bocznej. Specjaliści w tej dziedzinie docenią, że szybowiec może mieć inną konfigurację samolotu, na przykład samolot ze wszystkimi skrzydłami, z odpowiednimi definicjami głównych osi.

[0014] Zgodnie z wynalazkiem kołysanie odnosi się do obrotu szybowca wokół jego osi wzdłużnej, kołysanie odnosi się do obrotu szybowca wokół jego osi bocznej, a zbaczanie odnosi się do obrotu szybowca wokół jego osi pionowej.

[0015] Szybowiec zapewnia zaletę niskiego oporu aerodynamicznego lub oporu aerodynamicznego i dużej siły nośnej aerodynamicznej dzięki stałemu skrzydłu o odpowiednio sztywnym profilu aerodynamicznym lub profilu aerodynamicznym. Jest to szczególnie korzystne, ponieważ energia skutecznie pozyskiwana z wiatru silnie zależy od siły nośnej i oporu, w szczególności od tak zwanego stosunku siły nośnej do oporu.

[0016] Środki czujnikowe i urządzenie sterujące szybowca według wynalazku umożliwiają lot bezzałogowy, co zmniejsza całkowitą wagę szybowca. Dlatego większa część całkowitej siły nośnej generowanej przez płat jest dostępna do produkcji energii elektrycznej, a tym samym zwiększa zintegrowany uzysk energii.

[0017] W celu zwiększenia bezpieczeństwa szybowca, środki łączące są w szczególności przystosowane do rozłączalnego połączenia liny z szybowcem, przy czym lina łączy lub jest przystosowana do łączenia szybowca z naziemną maszyną elektryczną.

[0018] Środki czujnikowe i urządzenie sterujące pozwalają również na automatyczną optymalizację lotu, w szczególności w celu maksymalizacji siły nośnej podczas fazy wytwarzania energii oraz w celu zminimalizowania ciągnięcia liny podczas fazy odzyskiwania. Ponadto lot w fazie regeneracji można zoptymalizować pod kątem minimalnego czasu trwania.

[0019] W rozumieniu wynalazku, sygnał odnoszący się w szczególności do określonego parametru jest wartością pomiarową lub zestawem wartości pomiarowych, który jest pobierany w sposób ciągły lub powtarzalny podczas lotu i umożliwia określenie określonego parametru.

[0020] Pozycja szybowca jest w szczególności pozycją bezwzględną względem ziemi, która na przykład jest podana we współrzędnych światowych, tj. jako długość, szerokość i wysokość nad poziomem morza.

[0021] Sygnałem związanym z położeniem jest na przykład prędkość względem ziemi szybowca, która umożliwia iteracyjne określenie położenia szybowca, zaczynając od znanego położenia początkowego. W szczególności prędkość względem ziemi to odpowiednio ruch lub prędkość szybowca względem ziemi.

[0022] W korzystnym przykładzie wykonania wynalazku środki czujnikowe obejmują pierwszy czujnik położenia, w szczególności czujnik GPS, tj. czujnik zgodny ze standardem dobrze znanego Globalnego Systemu Pozycjonowania. W szczególności czujnik położenia dostarcza bezpośredni sygnał pomiarowy położenia bezwzględnego, który często jest dokładniejszy niż iteracyjne określanie położenia. Specjaliści w tej dziedzinie docenią, że czujnik położenia może być czujnikiem zgodnym ze standardami dowolnych systemów pozycjonowania opartych na satelitach, na przykład projektu Galileo, lub może być oparty na innych technologiach nawigacyjnych, takich jak RADAR.

[0023] Korzystnie, środki czujnikowe zawierają drugi czujnik położenia, w szczególności czujnik GPS, przy czym drugi czujnik położenia jest umieszczony w określonej odległości od pierwszego czujnika położenia. Pozwala to na określenie orientacji wirtualnej linii między pierwszym czujnikiem położenia a drugim czujnikiem położenia, a tym samym daje orientację szybowca względem światowego układu współrzędnych.

[0024] W przeciwieństwie do prędkości względem ziemi, prędkość powietrza jest odpowiednio ruchem lub prędkością szybowca względem otaczającego powietrza. W szczególności ze względu na obecność wiatru prędkość powietrza zasadniczo różni się od prędkości względem ziemi. Jednak prędkość powietrza można wyprowadzić z prędkości względem ziemi i prędkości wiatru, tj. prędkości powietrza względem ziemi, przy czym prędkość względem ziemi można na przykład określić na podstawie zmiany położenia szybowca w czasie.

[0025] Korzystne jest, aby środki czujnikowe zawierały czujnik prędkości powietrza, w szczególności rurkę Pitota. W tym przypadku sygnał związany z prędkością powietrza jest bezpośrednim sygnałem pomiarowym i ogólnie bardziej precyzyjnym niż pośrednie określenie prędkości powietrza na podstawie prędkości względem ziemi i prędkości wiatru.

[0026] Rurka Pitota jest dobrze znanym przyrządem do określania prędkości samolotu na podstawie pomiaru różnicy ciśnień, na przykład różnicy ciśnienia powietrza w kierunku lotu (ciśnienie dynamiczne) i ciśnienia powietrza otoczenia w kierunku prostopadłym do kierunku lotu (ciśnienie statyczne).

[0027] Na przykład rurka Pitota zawiera cylindryczną rurkę zorientowaną wzdłuż osi wzdłużnej samolotu z otworem na końcu i otworem z boku, przy czym te dwa otwory są połączone wewnętrznymi kanałami z czujnikiem różnicy ciśnień.

[0028] Korzystnie, czujnik prędkości powietrza jest kierunkowym czujnikiem prędkości powietrza, w szczególności wielokanałową rurką Pitota. Na przykład różnica ciśnień lewa-prawa i różnica ciśnień dół-góra są mierzone dodatkowo do opisanej powyżej dynamicznej-statycznej różnicy ciśnień.

[0029] Na przykład wielokanałowa rurka Pitota zawiera cylindryczną rurkę z końcówką w kształcie kopuły zorientowaną względem osi wzdłużnej samolotu, przy czym wspomniana rurka zawiera pięć otworów na końcu do określania ciśnienia dynamicznego i co najmniej jeden otwór z boku rury do określania ciśnienia statycznego. Można w nim przewidzieć więcej niż jeden otwór do wyznaczania ciśnienia statycznego, na przykład cztery lub nawet dwanaście otworów rozmieszczonych równomiernie wzdłuż okręgu wokół boku rury. Pięć otworów na końcówce jest rozmieszczonych z jednym otworem na środku końcówki w kształcie kopuły, a pozostałe cztery otwory są rozmieszczone w równej odległości od środkowego otworu, przy czym te cztery otwory są zorientowane parami z osią boczną i osią pionową samolotu, odpowiednio. W tej konfiguracji różnica ciśnień lewa-prawa to różnica ciśnień z dwóch otworów zorientowanych względem osi bocznej, różnica ciśnień od dołu do góry to różnica ciśnień z dwóch otworów zorientowanych wzdłuż osi pionowej, a dynamiczno-statyczna różnica ciśnień to ciśnienie różnicy od środkowego otworu na końcówce i średniego ciśnienia z otworów z boku rurki. Alternatywnie, ciśnienie bezwzględne w każdym z dziewięciu otworów można na przykład mierzyć niezależnie, przy czym różnica ciśnień lewa-prawa, różnica ciśnień dół-góra i dynamiczna-statyczna różnica ciśnień są obliczane odpowiednio z tych pomiarów. a dynamiczna-statyczna różnica ciśnień to różnica ciśnień od środkowego otworu na końcówce i średniego ciśnienia od otworów z boku rury. Alternatywnie, ciśnienie bezwzględne w każdym z dziewięciu otworów można na przykład mierzyć niezależnie, przy czym różnica ciśnień lewa-prawa, różnica ciśnień dół-góra i dynamiczna-statyczna różnica ciśnień są obliczane odpowiednio z tych pomiarów. a dynamiczna-statyczna różnica ciśnień to różnica ciśnień od środkowego otworu na końcówce i średniego ciśnienia od otworów z boku rury. Alternatywnie, ciśnienie bezwzględne w każdym z dziewięciu otworów można na przykład mierzyć niezależnie, przy czym różnica ciśnień lewa-prawa, różnica ciśnień dół-góra i dynamiczna-statyczna różnica ciśnień są obliczane odpowiednio z tych pomiarów.

[0030] Przyspieszenie szybowca może być przyspieszeniem translacyjnym lub, w przypadku ruchu obrotowego, jest ruchem przyspieszonym, prędkością obrotową i jest indukowane przez siły działające na szybowiec jako całość. Sygnałem związanym z przyspieszeniem jest np. druga pochodna po czasie położenia w przypadku przyspieszenia postępowego i pierwsza pochodna po czasie orientacji w przypadku prędkości obrotowej.

[0031] W korzystnym przykładzie wykonania wynalazku środki czujnikowe zawierają czujnik bezwładnościowy, który w szczególności zapewnia bezpośredni pomiar przyspieszenia postępowego i/lub prędkości obrotowej. Na przykład czujnik bezwładności mierzy przyspieszenie translacyjne w trzech różnych kierunkach i prędkość obrotową wokół trzech różnych osi.

[0032] Odpowiedni czujnik bezwładności zawiera w szczególności akcelerometr do pomiaru przyspieszenia postępowego i/lub żyroskop do pomiaru prędkości obrotowej.

[0033] Środki sterujące korzystnie zawierają co najmniej jedną aerodynamicznie aktywną powierzchnię sterową.

[0034] Aerodynamicznie aktywne powierzchnie sterowe są wykorzystywane do wywierania momentu obrotowego na szybowiec wokół jednej lub większej liczby głównych osi szybowca. Te powierzchnie sterowe zawierają na przykład co najmniej jedną lotkę, która głównie wywołuje kołysanie i/lub co najmniej jedną ster wysokości, która głównie wywołuje kołysanie i/lub co najmniej jeden ster, który głównie wywołuje odchylanie. Jednakże fachowcy w tej dziedzinie docenią, że inne powierzchnie sterowe znane w technice lotniczej są również odpowiednimi środkami sterującymi w rozumieniu wynalazku. W szczególności, określona powierzchnia sterowa może wywołać obrót wokół dowolnej osi, która nie odpowiada jednej z głównych osi szybowca.

[0035] Poza powierzchniami sterowymi, środki sterujące szybowca obejmują na przykład ponadto elementy wykonawcze, takie jak silniki elektryczne lub układy hydrauliczne z pompami i cylindrami, do poruszania powierzchniami sterowymi. Siłowniki te są na przykład zasilane z pokładowego źródła zasilania, takiego jak akumulator. Alternatywnie, środki łączące mogą obejmować wtyczkę zasilania do łączenia szybowca z naziemnym źródłem zasilania poprzez linkę, co znacznie zmniejsza wagę szybowca. W tej konfiguracji szybowiec może nadal zawierać małą baterię awaryjną do dalszego bezpiecznego lotu w przypadku utraty połączenia z ziemią.

[0036] Kolejny przykład wykonania wynalazku charakteryzuje się tym, że urządzenie sterujące zawiera jednostkę do przechowywania danych do przechowywania danych związanych z charakterystyką lotu szybowca oraz jednostkę przetwarzającą dane do uzyskiwania sygnałów sterujących dla środków sterujących na podstawie przechowywanych danych i na sygnałach dostarczanych przez czujniki.

[0037] W tym przypadku danymi dotyczącymi charakterystyki lotu jest na przykład model samolotu, który w szczególności zawiera zestaw zmierzonych lub symulowanych krzywych odpowiedzi dla korelacji między działaniem lub zmianą działania środków sterujących a wynikającym z tego stanem lub zmianą stan szybowca.

[0038] Korzystnie, urządzenie sterujące realizuje filtr Kalmana. W ten sposób zmniejsza się wpływ niepewności pomiaru na sterowanie środkami sterującymi, aw konsekwencji na lot szybowca.

[0039] Ponadto korzystne jest, aby urządzenie sterujące realizowało bezzapachowy filtr Kalmana, ponieważ w szczególności bezzapachowy filtr Kalmana pozwala na nieliniowe zależności i korelacje.

[0040] W celu zoptymalizowania produkcji energii elektrycznej urządzenie sterujące korzystnie zapewnia pierwszy tryb działania do ciągnięcia na uwięzi łączącej szybowiec z naziemną maszyną elektryczną, przy czym urządzenie sterujące zapewnia drugi tryb działania do zbliżania się do maszyny elektrycznej .

[0041] W szczególności dwa tryby działania różnią się odpowiednio zamierzonym torem lotu lub wzorem lotu. Na przykład schemat lotu pierwszego trybu działania jest torem lotu szybowca z dużym wznoszeniem, z lotem szybowca głównie z wiatrem bocznym, podczas gdy schemat lotu drugiego trybu działania obejmuje głównie prosty tor lotu szybowca pod wiatr.

[0042] W dalszym korzystnym przykładzie wykonania wynalazku, szybowiec zawiera co najmniej jedną aerodynamiczną powierzchnię sterową do zmiany współczynnika siły nośnej profilu i/lub do zmiany współczynnika oporu powietrza i/lub do zmiany współczynnika oporu powietrza szybowiec. Może to na przykład zoptymalizować siłę nośną i/lub opór szybowca, zoptymalizowaną w odniesieniu do bieżącego trybu działania. W szczególności wysokie wznoszenie i niski opór, co jest korzystne dla pierwszego trybu działania, może opóźnić opadanie szybowca, a tym samym spowodować wolniejszy powrót podczas drugiego trybu działania. Dlatego korzystne jest, aby podczas drugiego trybu pracy można było zmniejszyć siłę nośną i/lub zwiększyć opór.

[0043] Odpowiednimi powierzchniami sterowymi są tzw. spojlery znajdujące się na górze płata, tzw. listwy znajdujące się na krawędzi natarcia płata, tzw. które wpływają tylko na współczynnik oporu powietrza całego szybowca.

[0044] Dodatkowo lub alternatywnie, płat może zawierać zmienny profil aerodynamiczny, który jest innym sposobem zmiany współczynnika siły nośnej i/lub współczynnika oporu powietrza. Na przykład płat o zmiennym profilu aerodynamicznym jest półsztywny i można go modyfikować w swojej krzywiźnie.

[0045] Podstawowy problem wynalazku jest również rozwiązany przez system do wytwarzania energii elektrycznej z wiatru, zawierający szybowiec według wynalazku, naziemną maszynę elektryczną i linkę łączącą szybowiec z maszyną elektryczną, przy czym maszyna elektryczna jest skonstruowany do przekształcania siły nośnej generowanej podczas wystawienia płata na działanie wiatru i przenoszonej na ziemię przez uwięź w energię elektryczną.

[0046] Problem jest dodatkowo rozwiązany przez zastosowanie szybowca według wynalazku do wytwarzania energii elektrycznej z wiatru.

[0047] Dalsze cechy wynalazku staną się oczywiste na podstawie opisu przykładów wykonania według wynalazku wraz z zastrzeżeniami i załączonymi rysunkami. Przykłady wykonania według wynalazku mogą spełniać indywidualne cechy lub kombinację kilku cech.

Krótki opis rysunków

[0048] Wynalazek jest opisany poniżej, bez ograniczania ogólnego zamysłu wynalazku, w oparciu o przykładowe wykonania, w których wyraźnie odniesiono się do rysunków w odniesieniu do ujawnienia wszystkich szczegółów według wynalazku, które nie zostały wyjaśnione bardziej szczegółowo w tekście. Rysunki pokazują w:

[0049] FIG. 1 schematycznie szybowiec według wynalazku;

[0050] FIG. 2 schematycznie działanie systemu według wynalazku w pierwszym trybie działania; oraz

[0051] FIG. 2b przedstawia schematycznie działanie systemu według wynalazku w drugim trybie działania .

[0052] Na rysunkach te same lub podobne typy elementów lub odpowiednio odpowiadające im części są zaopatrzone w te same numery referencyjne, aby zapobiec konieczności ponownego wprowadzenia elementu.

Dokładny opis wynalazku

[0053] FIG. 1 przedstawia przykład wykonania szybowca 10 do wytwarzania energii elektrycznej z wiatru 50 według wynalazku.

[0054] Szybowiec 10 jest zaprojektowany jako stałopłat zawierający kadłub, skrzydło główne 14 , statecznik poziomy 16 i powierzchnie sterowe 20 , 22 , 24 . Przedstawiony również na FIG. 1 przedstawiają osie wzdłużne 32 , osie poprzeczne 34 i osie pionowe 36 , które spotykają się w środku ciężkości szybowca 10 i które tworzą wewnętrzny układ współrzędnych szybowca 10 .

[0055] W pokazanym przykładzie kadłub zawiera rurę wykonaną z materiału kompozytowego wzmocnionego włóknem jako szkielet mechaniczny 11 pomiędzy głównym skrzydłem 14 a statecznikiem 16 oraz gondolę 13 , która jest zamontowana przed głównym skrzydłem 14 .

[0056] Skrzydło główne 14 może na przykład być zbudowane z pojedynczego skrzydła, jak w przykładzie wykonania przedstawionym na FIG. 1 . Jednakże, alternatywne konstrukcje, na przykład z oddzielnym głównym skrzydłem 14 po obu stronach kadłuba, mieszczą się w zakresie wynalazku.

[0057] W locie szybowiec 10 jest manewrowany za pomocą powierzchni sterowych, które w przykładowym przykładzie wykonania zawierają lotki 20 po obu stronach głównego skrzydła 14 , jak również stery wysokości 22 i ster 24 na stateczniku poziomym 16 . Na przykład powierzchnie sterowe 20 , 22 , 24 są powierzchniami przegubowymi używanymi do wywoływania momentu obrotowego wokół głównych osi 32 , 34 , 36 szybowca 10 za pomocą środków aerodynamicznych.

[0058] Moment obrotowy wokół osi wzdłużnej 32 jest wywoływany za pomocą lotek 20 , które mogą być lub działają jednocześnie iw przeciwnych kierunkach. Tutaj przeciwne kierunki oznaczają, że kiedy lewa lotka jest przesuwana w górę względem głównego skrzydła 14 , prawa lotka jest przesuwana w dół. W ten sposób siła nośna jest zwiększona po prawej stronie głównego skrzydła 14 i zmniejszona po lewej stronie głównego skrzydła 14 , powodując moment obrotowy wokół osi wzdłużnej 32 . Wynikający z tego ruch szybowca 10 , obrót wokół jego osi wzdłużnej 32 , nazywany jest toczeniem.

[0059] Obrót szybowca 10 wokół jego osi bocznej 34 , który jest określany jako przechylanie, jest osiągany przez stery wysokości 22 , które są wykorzystywane do zwiększania lub zmniejszania siły nośnej na stateczniku poziomym, indukując w ten sposób moment obrotowy wokół osi bocznej 34 .

[0060] Ster 24 powoduje obrót szybowca 10 wokół jego osi pionowej 36 , co jest określane jako odchylanie.

[0061] Oprócz powierzchni sterowych 20 , 22 , 24 , szybowiec 10 zawiera spojlery 26 po obu stronach głównego skrzydła 14 , które można podnieść, aby zmniejszyć współczynnik siły nośnej i jednocześnie zwiększyć współczynnik oporu powietrza główne skrzydło 14 . Można przewidzieć dalsze powierzchnie sterowe na głównym skrzydle 14 do wpływania na współczynnik siły nośnej i/lub współczynnik oporu głównego skrzydła 14 . W szczególności mogą to być powierzchnie sterowe na krawędzi natarcia głównego skrzydła 14 , tak zwane listwy i/lub na krawędzi spływu głównego skrzydła 14, tak zwane klapy. Podobne efekty można osiągnąć za pomocą skrzydła o zmiennym profilu aerodynamicznym, na przykład skrzydła półsztywnego, w którym można zmieniać krzywiznę profilu aerodynamicznego.

[0062] Dodatkowo lub alternatywnie można przewidzieć hamulce pneumatyczne na kadłubie, które zwiększają współczynnik oporu powietrza całego szybowca 10 bez zmiany współczynnika siły nośnej głównego skrzydła 14 .

[0063] Działanie powierzchni sterowych 20 , 22 , 24 jest sterowane przez urządzenie sterujące umieszczone w gondoli 13 , które na przykład generuje sygnały sterujące do przemieszczania powierzchni sterowych 20 , 22 , 24 zgodnie z zamierzonym torem lotu lub lotem odpowiednio wzór 52 , 54 .

[0064] Zamierzony tor lotu, którym sterowany jest lot szybowca 10 , może być zewnętrznie ustawiony lub wyprowadzony przez urządzenie sterujące zgodnie z trybem działania urządzenia sterującego. W szczególności tor lotu może być kontrolowany i przyjmowany w sposób ciągły, na przykład w celu uwzględnienia niestabilnych warunków 50 wiatru .

[0065] Na przykład, urządzenie sterujące określa oszacowanie aktualnego stanu szybowca 10 i porównuje to z pożądanym stanem określonym przez zamierzony tor lotu 52 , 54 . W przypadku, gdy stan szacowany i stan pożądany różnią się, urządzenie sterujące określa sygnały sterujące dla powierzchni sterowych 20 , 22 , 24 , biorąc pod uwagę znane charakterystyki lotu szybowca 10 .

[0066] Stan lub wektor stanu szybowca 10 jest zbiorem parametrów zawierających wystarczającą ilość informacji do opisania chwilowego lotu szybowca 10 i jego zróżnicowanej ewolucji. Wektor stanu szybowca 10 zawiera na przykład położenie szybowca 10 we współrzędnych świata, wektor prędkości szybowca 10 względem otaczającego powietrza oraz przyspieszenie postępowe i prędkość obrotową w trzech wymiarach, każdy z szybowca 10 .

[0067] Wektor stanu jest wyznaczany w sposób ciągły na podstawie sygnałów pomiarowych dwóch czujników położenia 17 , 17' zamontowanych na szkielecie mechanicznym 11 , czujnika prędkości powietrza 18 zamontowanego na czubku gondoli 13 oraz czujnika bezwładności z trójkierunkowym przyspieszeniomierzem oraz trójosiowy żyroskop umieszczony w gondoli.

[0068] Aby ograniczyć wpływ niepewności pomiaru na lot szybowca 10 , urządzenie sterujące wykorzystuje filtr Kalmana, a dokładniej bezzapachowy filtr Kalmana. W szczególności urządzenie sterujące zawiera jednostkę pamięci danych, jednostkę procesora danych oraz odpowiednie algorytmy zaimplementowane w sprzęcie lub oprogramowaniu.

[0069] W celu wytworzenia energii elektrycznej szybowiec 10 jest połączony ze stacją naziemną 40 za pomocą linki 44 , która jest przymocowana do szybowca 10 lub połączona z nim za pomocą środków łączących, które korzystnie są umieszczone blisko środka ciężkości szybowiec 10 . W ten sposób zmieniające się obciążenie liny 44 nie wpływa znacząco na równowagę szybowca 10 w locie.

[0070] W stacji naziemnej 40 nadmiar długości uwięzi 44 jest przechowywany na szpuli 42 , która jest połączona z maszyną elektryczną 46 . Maszyna elektryczna 46 jest połączona z systemem magazynowania i/lub dystrybucji energii elektrycznej (nie pokazanym), takim jak sieć energetyczna, stacja transformatorowa lub wielkoskalowy zbiornik energii. Specjaliści w tej dziedzinie docenią, że system magazynowania i/lub dystrybucji energii może być dowolnym urządzeniem lub systemem zdolnym do odbierania energii elektrycznej z i dostarczania energii elektrycznej do wirującej maszyny elektrycznej.

[0071] System zawierający szybowiec 10 , linę 44 i stację naziemną 40 pracuje naprzemiennie w pierwszym trybie pracy do wytwarzania energii elektrycznej, zilustrowanym na FIG. 2a , oraz drugi tryb działania dla odzyskiwania systemu, przedstawiony na FIG. 2b .

[0072] W pierwszym trybie działania, który w szczególności jest trybem działania wytwarzania energii, szybowiec 10 jest sterowany za pomocą urządzenia sterującego tak, aby podążał za wzorcem lotu wysokiego wzniosu wskazanym przez linię 52 z wiatrem od stacji naziemnej 40 . Na figurach kierunek wiatru jest oznaczony strzałką 50 . Podczas lotu z bocznym wiatrem, w szczególności z szybkim lotem z bocznym wiatrem, odpowiednio płat lub skrzydło główne 14 szybowca 10 wytwarza siłę nośną znacznie większą niż wymagana do utrzymania szybowca 10 na danej wysokości. W konsekwencji szybowiec wywiera nacisk na linę 44 , co jest skorelowane z nadmierną siłą nośną.

[0073] Ciągnięcie linki 44 jest wykorzystywane do odwijania linki 44 ze szpuli 42 w kierunku strzałki R, wywołując w ten sposób obrót szpuli 42 . Powstały moment obrotowy, który w szczególności zależy od średnicy szpuli 42 i siły, z jaką ciągnięta jest linka 44 , jest przekazywany do maszyny elektrycznej 46 , gdzie energia mechaniczna jest przetwarzana na energię elektryczną. Opcjonalnie między bębnem 42 a maszyną elektryczną 46 umieszczona jest przekładnia , która nie jest pokazana na figurach ze względu na prostotę.

[0074] Dopóki linka 44 jest rozwijana, szybowiec 10 odlatuje od stacji naziemnej 40 . Tym samym całkowita długość paska mocującego 44 ogranicza utrzymywanie pierwszego trybu działania.

[0075] W celu odzyskania uwięzi 44 szybowiec 10 jest ponownie sterowany za pomocą urządzenia sterującego tak, aby leciał w kierunku stacji naziemnej 40 . Gdy szybowiec 10 zbliża się do stacji naziemnej 40 , swobodna długość liny 44 jest skracana, a lina 44 jest nawijana na szpulę 42 , jak wskazano strzałką R', wykorzystując maszynę elektryczną 46 jako silnik, a nie jako generator . Na przykład niezbędna moc jest dostarczana lub dostarczana przez system magazynowania i/lub dystrybucji energii elektrycznej.

[0076] W drugim trybie działania korzystne jest, aby ciągnięcie linki 44 było jak najmniejsze, aby zminimalizować zużycie energii do zwijania linki 44 i tak szybko, jak to możliwe, aby zminimalizować czas martwy, tj. okres, w którym nie jest wytwarzana energia elektryczna. Szybowiec 10 jest zatem sterowany tak, aby nadążał za schematem lotu 54 z niskim wznoszeniem , którym jest na przykład opadanie lub szybkie nurkowanie szybowca 10 pod wiatr 50 w kierunku stacji naziemnej 40 . Jednak schemat lotu 54 niskiego wzniosu może być również podejściem szybowca 10 w kierunku stacji naziemnej 40bez utraty wysokości, w tym niewielkiego wzrostu wysokości.

[0077] Jeśli podejście przebiega wolno, na przykład z powodu wysokiego współczynnika siły nośnej głównego skrzydła 14 opóźnia opadanie szybowca 10 , siła nośna może zostać zmniejszona i/lub opór może zostać zwiększony za pomocą spojlerów 26 lub równoważne środki omówione powyżej. W ten sposób można przyspieszyć powrót szybowca 10 w kierunku stacji naziemnej 40 i skrócić czas, w którym system nie wytwarza energii elektrycznej.

[0078] Optymalizację siły nośnej i/lub oporu można również osiągnąć przez zmodyfikowane działanie lotek 20 . Zamiast przeciwrównoległego działania w celu obracania szybowca 10 , obie lotki 20 równolegle mogą być przesuwane w górę w celu zmniejszenia wzniosu lub w dół w celu zwiększenia wzniosu.

[0079] Jeżeli szybowiec ma dwie powierzchnie sterowe po obu stronach głównego skrzydła 14 , na przykład lotkę 20 i dodatkową klapę, opór można zwiększyć bez lub prawie bez zmiany siły nośnej, przesuwając lotki 20 w górę i klapy w dół lub odwrotnie. W tym przypadku klapa w szczególności odnosi się do odchylanej powierzchni sterującej na krawędzi spływu głównego skrzydła 14 , tj. powierzchni sterującej, która jest strukturalnie podobna do lotki 20 .

[0080] Wszystkie nazwane cechy charakterystyczne, w tym te wzięte z samych rysunków, oraz indywidualne cechy charakterystyczne, które są ujawnione w połączeniu z innymi cechami charakterystycznymi, są uważane pojedynczo iw połączeniu za ważne dla wynalazku. Przykłady wykonania według wynalazku mogą być zrealizowane poprzez indywidualne cechy lub kombinację kilku cech.

Lista odnośników Numery pojawiające się na załączonych rysunkach

• [0081] 10 szybowców
• [0082] 11 mechaniczny szkielet
• [0083] 13 gondoli
• [0084] 14 główne skrzydło
• [0085] 16 stateczników poziomych
• [0086] 17 , 17' czujnik położenia
• [0087] 18 czujnik prędkości powietrza
• [0088] 20 lotek
• [0089] Winda 22
• [0090] 24 ster
• [0091] 26 spojler
• [0092] 32 oś wzdłużna
• [0093] 34 oś boczna
• [0094] 36 osi pionowej
• [0095] 40 stacja naziemna
• [0096] 42 rolki
• [0097] 44 uwięź
• [0098] 46 maszyna elektryczna
• [0099] 50 wiatr
• [0100] 52 wzorzec lotu z wysokim wznoszeniem
• [0101] 54 schemat lotu niskiego wznoszenia

1. Szybowiec do wytwarzania energii elektrycznej z wiatru, przy czym wspomniany szybowiec zawiera płat, pokładowe elementy sterujące do pochylania, kołysania i odchylania szybowca w powietrzu, pierwszy czujnik położenia do dostarczania pierwszego sygnału związanego z bezwzględną pozycją szybowca, drugie położenie czujnik do dostarczania sygnału związanego z prędkością lotu szybowca i czujnik prędkości powietrza do dostarczania sygnału związanego z przyspieszeniem szybowca, urządzenie sterujące połączone z elementami sterującymi do sterowania lotem autonomicznym szybowca na podstawie dostarczonych sygnałów przez pierwszy czujnik położenia, drugi czujnik położenia i czujnik prędkości powietrza,oraz złącze do linki łączącej szybowiec z naziemną maszyną elektryczną skonstruowaną do przekształcania siły nośnej generowanej podczas wystawiania płata na działanie wiatru i przenoszonej na ziemię przez linkę w energię elektryczną.
2. Szybowiec według zastrzeżenia 1 , w którym pierwszy czujnik położenia jest czujnikiem GPS.
3. 2. Szybowiec według zastrzeżenia 2 , w którym drugi czujnik położenia jest czujnikiem GPS i w którym drugi czujnik położenia jest umieszczony na szybowcu w określonej odległości względem pierwszego czujnika położenia.
4. Szybowiec według zastrzeżenia 1 , w którym czujnikiem prędkości powietrza jest rurka Pitota.
5. Szybowiec według zastrzeżenia 1 , w którym czujnik prędkości powietrza jest kierunkowym czujnikiem prędkości powietrza
6. 5. Szybowiec według zastrzeżenia 5 , w którym kierunkowy czujnik prędkości powietrza jest wielokanałową rurką Pitota.
7. Szybowiec według zastrzeżenia 1 , w którym szybowiec zawiera ponadto czujnik bezwładności.
8. 7. Szybowiec według zastrzeżenia 7 , w którym czujnik bezwładności zawiera żyroskop i/lub akcelerometr.
9. Szybowiec według zastrzeżenia 1 , w którym elementy sterujące zawierają co najmniej jedną aerodynamicznie aktywną powierzchnię sterową.
10. 11. Szybowiec według zastrzeżenia 10 , w którym aerodynamicznie aktywna powierzchnia sterowa jest wybrana z grupy składającej się z co najmniej jednej lotki, co najmniej jednej steru wysokości i co najmniej jednego steru kierunku.
11. Szybowiec według zastrzeżenia 1 , w którym urządzenie sterujące zawiera jednostkę pamięci danych do przechowywania danych związanych z charakterystyką lotu szybowca oraz jednostkę przetwarzającą dane do uzyskiwania sygnałów sterujących dla elementów sterujących na podstawie przechowywanych danych i sygnałów dostarczanych przez pierwszy czujnik położenia, drugi czujnik położenia i czujnik prędkości powietrza.
12. Szybowiec według zastrzeżenia 1 , w którym urządzenie sterujące realizuje filtr Kalmana.
13. 13. Szybowiec według zastrzeżenia 12 , w którym filtr Kalmana jest bezzapachowym filtrem Kalmana.
14. Szybowiec według zastrzeżenia 1 , w którym urządzenie sterujące zapewnia pierwszy tryb działania do ciągnięcia linki łączącej szybowiec z naziemną maszyną elektryczną i w którym urządzenie sterujące zapewnia drugi tryb działania do zbliżania się do naziemnej maszyny elektrycznej maszyna.
15. Szybowiec według dowolnego zastrzeżenia 1 , w którym szybowiec zawiera co najmniej jedną aerodynamiczną powierzchnię sterującą do zmiany współczynnika siły nośnej płata i/lub do zmiany współczynnika oporu aerodynamicznego płata i/lub do zmiany współczynnika oporu powietrza szybowca.
16. Szybowiec według zastrzeżenia 1 , w którym płat zawiera zmienny profil aerodynamiczny.
17. System do wytwarzania energii elektrycznej z wiatru, zawierający szybowiec według zastrzeżenia 1 , naziemną maszynę elektryczną i linkę do łączenia szybowca z maszyną elektryczną, przy czym maszyna elektryczna jest skonfigurowana do przekształcania siły nośnej generowanej po wystawieniu na działanie wiatru płata do wiatru i przeniesiony na ziemię za pomocą uwięzi w energię elektryczną.
18. 1. Sposób wytwarzania energii elektrycznej z wiatru obejmujący: zapewnienie szybowca według zastrzeżenia 1 ; wystawienie płata na działanie wiatru w celu wytworzenia siły nośnej podczas autonomicznie sterowanego lotu szybowca; przeniesienie siły nośnej z szybowca na naziemną maszynę elektryczną za pomocą liny; oraz przekształcanie siły nośnej w energię elektryczną.

• US Patent and Trademark Office (USPTO) — USPTO zapewnia znakomitą wyszukiwarkę, która umożliwia przekopywanie się przez (pozornie) każdy patent w ich biurze. Postępuj ostrożnie — możesz łatwo spędzićwiele dnina przekopywaniu się przez ich niezwykle fascynujące pliki.
• US 2015/0266574 A1 — plik PDF oryginalnego patentu pobrany ze strony internetowej USPTO, na którym oparty jest ten artykuł.
• Ampyx Corporation z Wikipedii — „Ampyx Power to holenderska firma z siedzibą w Hadze, której celem jest rozwój powietrznych systemów energii wiatrowej na skalę użytkową… [o] 19 kwietnia 2022 r. Ampyx złożył wniosek o zawieszenie płatności z sąd w Hadze… 4 maja ogłoszono upadłość”.