УПРАВЛЕНИЕ СТРАХОВОЧНЫМ ФАЛОМ ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ
CONTROL OF SAFETY TETHER FOR AIR ELECTRIC GENERATORS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе генерирования электроэнергии с помощью воздушного электрогенератора, а также к способу управления страховочным фалом, соединенным с воздушным электрогенератором.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ископаемое топливо является основным источником энергии для планеты. Скорость потребления вероятно должна опередить скорость добычи ископаемого топлива, так как население планеты продолжает расти и так как менее экономически развитые страны становятся индустриализированными. Этот ожидаемый рост потребности в ископаемом топливе может исчерпать мировые запасы ископаемого топлива в течение следующих нескольких десятилетий, если не будут обнаружены новые источники энергии.
Желательно использовать энергию из возобновляемых источников, таких как солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия и/или геотермальная энергия, чтобы минимизировать зависимость от ископаемого топлива.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи включены для обеспечения дополнительного понимания вариантов осуществления, и объединены в и составляют часть этого описания изобретения. Чертежи иллюстрируют варианты осуществления и вместе с описанием служат для пояснения принципов вариантов осуществления. Другие варианты осуществления и многие предполагаемые преимущества вариантов осуществления будут без труда оценены по достоинству, по мере того как становятся более понятны посредством ссылки на последующее подробное описание. Элементы чертежей не обязательно определены масштабом относительно друг друга. Сходные номера ссылок обозначают соответствующие подобные части.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает общий вид системы генерирования электроэнергии, включающей в себя узел страховочного фала, соединенный между воздушным электрогенератором и узлом лебедки, согласно одному из вариантов осуществления;
Фиг.2A изображает несколько общих видов одного из вариантов осуществления воздушного электрогенератора, проиллюстрированного на фиг.1;
Фиг.2B изображает вид сверху воздушного электрогенератора в сравнении с Боингом 747-400 согласно одному из вариантов осуществления;
Фиг.3A изображает общий вид одного из вариантов осуществления узла лебедки;
Фиг.3B изображает вид сверху стола узла лебедки, проиллюстрированного на фиг.3A;
Фиг.4 изображает общий вид одного из вариантов осуществления кабелей узла страховочного фала, такого как проиллюстрированный на фиг.1;
Фиг.5 изображает общий вид нескольких вариантов осуществления узлов лебедки, применяемых для независимого наматывания кабелей, показанных на фиг.4, при намотке узла страховочного фала, такого как проиллюстрированный на фиг.1;
Фиг.6 изображает общий вид системы генерирования электроэнергии, развернутой с надземного узла лебедки, согласно одному из вариантов осуществления;
фиг.7 изображает общий вид одного из вариантов осуществления системы генерирования электроэнергии, проиллюстрированной на фиг.1, включающей в себя воздушный электрогенератор, развернутый в конфигурации генерирования электричества;
Фиг.8 изображает общий вид воздушного электрогенератора, проиллюстрированного на фиг.7, осуществляющего авторотацию на место приземления, согласно одному из вариантов осуществления;
Фиг.9 изображает диаграмму, иллюстрирующую относительный угол развертывания кабеля и профили кабеля для различных узлов высоты подъема и расстояний воздушного электрогенератора согласно одному из вариантов осуществления;
Фиг.10 изображает общий вид узла лебедки, включающего в себя карусель намотки, согласно одному из вариантов осуществления;
Фиг.11 изображает блок-схему последовательности операций способа управления страховочным фалом, соединенного с воздушным электрогенератором, согласно одному из вариантов осуществления;
Фиг.12 изображает блок-схему последовательности операций способа минимизации износа в страховочном фале, соединенного с воздушным электрогенератором, согласно одному из вариантов осуществления;
Фиг.13 изображает вид сверху одного из вариантов осуществления стола узла лебедки для управления узлом страховочного фала, присоединенным к воздушному электрогенератору;
Фиг.14 изображает схему, в общих чертах иллюстрирующую систему генерирования электроэнергии, включающую в себя узел страховочного фала, соединенного между воздушным электрогенератором и узлом лебедки, согласно одному из вариантов осуществления.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последующем подробном описании сделана ссылка на прилагаемые чертежи, которые образуют часть этого описания изобретения и на которых проиллюстрированы конкретные варианты осуществления, в которых изобретение может быть осуществлено на практике. В этом отношении терминология направлений, такая как «верх», «низ», «перед», «зад», «передний», «задний» и т.д., используется со ссылкой на ориентацию по описываемому чертежу. Так как компоненты вариантов осуществления могут быть расположены в некотором количестве ориентаций, терминология направлений используется только для целей иллюстрации и ни в коем случае не является ограничивающей. Должно быть понятно, что могут использоваться другие варианты осуществления, и структурные или логические изменения могут быть произведены, не выходя за объем раскрытия. Последующее подробное описание раскрывает примерные варианты осуществления, которые не должны восприниматься в ограничивающем смысле.
Должно быть понятно, что признаки различных примерных вариантов осуществления, описанных в материалах настоящей заявки, могут быть объединены друг с другом, если конкретно не отмечено иное.
Варианты осуществления предусматривают систему генерирования электроэнергии, включающую в себя воздушный электрогенератор, узел страховочного фала, соединенный с генератором и сконфигурированный с возможностью передачи электричества от генератора на землю, и узел лебедки, применяемый для развертывания и втягивания узла страховочного фала и воздушного электрогенератора. Один из вариантов осуществления узла лебедки сконфигурирован с возможностью наматывания узла страховочного фала на барабан некоторым образом, при котором намотанный участок узла страховочного фала имеет меньшее натяжение, чем участок узла страховочного фала, который присоединен к воздушному электрогенератору. Намотка низкого натяжения узла страховочного фала может значительно продлевать срок его эксплуатации.
Варианты осуществления предусматривают зажимной механизм, который сконфигурирован с возможностью фиксации узла страховочного фала наряду с минимизацией износа узла страховочного фала. Варианты осуществления узла лебедки в комбинации с зажимным механизмом сконфигурированы для модуляции натяжения по длине узла страховочного фала, а также контроля и минимизации износа узла страховочного фала.
Циклы механической нагрузки узла страховочного фала потенциально будут нагревать и растягивать узел страховочного фала. В некоторых вариантах осуществления, узел страховочного фала включает в себя многочисленные кабели, которые потенциально нагреваются/растягиваются на разные величины, и обеспечен обобщенный способ управления токопередающим узлом страховочного фала с низким натяжением намотки некоторым образом, который минимизирует износ для узла страховочного фала во время циклического повторения механической нагрузки (наматывания, разматыванияи т.д.).
Фиг.1 изображает общий вид системы 20 генерирования электроэнергии (системы 20) согласно одному из вариантов осуществления. Система 20 включает в себя воздушный электрогенератор 30 (генератор 30) и узел 40 страховочного фала, соединенный между генератором 30 и узлом 50 лебедки. Узел 40 страховочного фала включает в себя первый конечный участок 42, соединенный с генератором 30 и сконфигурированный с возможностью передачи электричества от генератора 30 вниз, в наземную электрораспределительную сеть 60. Узел 50 лебедки сконфигурирован с возможностью наматывания узла 40 страховочного фала на барабан 52 из условия, чтобы натяжение намотки, прикладываемое к узлу 40 страховочного фала, наматываемому на барабан 52, было меньшим, чем натяжение на первом конечном участке 42 узла 40 страховочного фала. В одном из вариантов осуществления, высоковольтные компоненты системы 20 защищены, для чего заключены внутри экранирующей клетки, расположенной вокруг узла 50 лебедки.
Генератор 30 сконфигурирован с возможностью съема мощности с распределительной сети 60 и отрыва от земли с наземной площадки, полета при активном полете на высоту развертывания, перехода на подходящую высоту для эффективного генерирования электричества, которое выдается в распределительную сеть 60, и снижения при управляемом полете обратно на землю, на наземную площадку. В одном из вариантов осуществления, генератор 30 летает на высоте генерирования электричества приблизительно 30000 футов и пропускает электроэнергию через узел 40 страховочного фала обратно в наземную электрораспределительную сеть.
Узел 40 страховочного фала присоединен к генератору 30 и сконфигурирован с возможностью пропускания электричества с воздушного генератора 30 вниз, в наземную электрораспределительную сеть 60. В одном из вариантов осуществления, узел 40 страховочного фала имеет длину, подходящую для предоставления генератору 30 возможности летать на высоте развертывания приблизительно 45000 футов перед переходом на высоту генерирования электричества приблизительно 30000 футов. В одном из вариантов осуществления, узел 40 страховочного фала имеет длину менее чем приблизительно 60000, причем одна из пригодных длин для узла 40 страховочного фала находится между приблизительно 40000 и 50000 футами.
Узел 50 лебедки сконфигурирован с возможностью наматывания узла 40 страховочного фала управляемым и низко натянутым образом на барабан 52. Узел 50 лебедки сконфигурирован с возможностью управления узлом 40 страховочного фала посредством избирательной фиксации узла 40 страховочного фала (например, зажатия узла 40 страховочного фала) из условия, чтобы генератор 30 был привязан к земле для полета на требуемой высоте. Узел 50 лебедки сконфигурирован с возможностью управления узлом 40 страховочного фала (например, регулирования натяжения намотки и контроля зажима) некоторым образом, который минимизирует износ узла 40 страховочного фала.
В одном из вариантов осуществления, распределительная сеть 60 выдает мощность, которая дает генератору 30 возможность отрываться от земли и взлетать на высоту. На высоте генератор 30 переходит в режим генерирования электричества и вырабатывает избыток электроэнергии сверх используемого для полета. Избыточная электроэнергия, вырабатываемая генератором 30, пропускается по узлу 40 страховочного фала обратно в распределительную сеть 60 и может с пользой применяться для питания домов и коммерческих предприятий.
На фиг.2A показано множество общих видов одного из пригодных воздушных электрогенераторов 30 согласно одному из вариантов осуществления. Варианты осуществления систем и способов управления страховочными фалами для воздушных электрогенераторов могут применяться с любым пригодным воздушным электрогенератором, таким как летающие электрогенераторы, которые легче воздуха, вырабатывающие электроэнергию аэростаты и воздушные змеи, и тому подобное, летающие ветродвигательные электрогенераторы или электрогенераторы с винтокрылым летательным аппаратом. Варианты осуществления воздушных электрогенераторов 30, описанные в материалах настоящей заявки, дают только некоторые примеры пригодных воздушных электрогенераторов, которые могут полезно управляться узлом 40 страховочного фала и узлом 50 лебедки. Последующее описание воздушного электрогенератора 30 не предназначено для ограничения разновидности типа воздушного электрогенератора, который может применяться в пределах системы 20.
В одном из вариантов осуществления, генератор 30 включает в себя один или более модулей 100 электродвигателей/генераторов (модулей 100), соединенных с рамой 102. Модули 100 сконфигурированы, чтобы электрически связываться друг с другом через систему 104 управления, поддерживаемую в пределах рамы 102. В одном из вариантов осуществления, каждый модуль 100 включает в себя гондолу 110, вмещающую электрогенератор, ступицу 112, присоединенную к электрогенератору, ротор 114, проходящий от ступицы 112, поверхность управления, такую как лопасть 116, и уздечку 118 страховочного фала, соединенную с гондолой 110. В одном из вариантов осуществления, каждый модуль 100 двигателя/генератора сконфигурирован с возможностью выдачи приблизительно 1 МВт при 25000 В.
Рама 102 сконфигурирована с возможностью обеспечения высокого соотношения предела прочности к массе для поддержки генератора 30 без чрезмерного отягощения генератора 30. Другие конфигурации для рамы 102, имеющей высокое отношение предела прочности к массе, также приемлемы. В одном из вариантов осуществления, рама 102 сконструирована с возможностью оптимизации и уравновешивания стоимости, веса, прочности, жесткости и аэродинамического сопротивления. Аэродинамическое сопротивление, вызванное рамой 102, может создавать возмущение воздушного потока, достигающее лопастей, которые находятся «по ветру» от рамы, кроме как во время активного набора высоты, а возмущения потока осложняют динамическое поведение и управление и повышают усталостные нагрузки на вращающееся оборудование. В одном из вариантов осуществления, в раме 102 используются цилиндрические рамные элементы, достаточно большие по диаметру (0,5 метров или больше), чтобы обеспечить возможность полета при числе Рейнолдса поперечного обтекания, большем чем 400000. Это изменяет воздушный поток так, что уменьшает аэродинамическое сопротивление рамы (и возмущение потока в направлении ветра) на коэффициент около 4.
В одном из вариантов осуществления, система 104 управления включает сохраненное в памяти компьютера программное обеспечение, которое поддерживает связь с электродвигателями, сервоприводами, контроллерами, исполнительными механизмами или тому подобным, которое применяется для маневрирования модулями 100 и приема данных с модулей 100, например, через контур обратной связи, пригодный при управлении модулями 100.
Гондола 110 в целом предусматривает аэродинамически профилированный корпус, сконфигурированный с возможностью вмещения компонентов электрогенератора. Вращение ротора 114, например, набегающим потоком ветра вращает ступицу 112, которая вращает один или более передаточных механизмов электрогенератора, чтобы вращать двигатели/генераторы (внутри гондолы 110), которые вырабатывают электричество.
В одном из вариантов осуществления, ротор 114 включает в себя автогидророторы встречного вращения, хотя другие пригодные конфигурации для ротора 114 также приемлемы.
В одном из вариантов осуществления, ступица 112 сконфигурирована с возможностью обеспечения роторов 114 управлением общего наклона, при котором каждый ротор 114 каждого модуля 100 сконфигурирован с возможностью вращения с одинаковым мгновенным углом атаки. В еще одном варианте осуществления, ступица 112 сконфигурирована с возможностью снабжения ротора дифференциальным управлением общего наклона, сконфигурированным с возможностью управления одним или более разнесенных в стороны роторов 114, действующих во взаимодействии, причем регулировка угла атаки на одном роторе 114 сопровождается одновременным уменьшением на другом роторе 114 на соответствующую действующую величину. Другие пригодные способы управления роторами 114, в том числе элементы управления и обобщенные способы, применяемые для управления роторами вертолетов, также приемлемы.
В одном из вариантов осуществления, лопасть 116 предусмотрена для управления требуемой ориентацией каждого модуля 100 и, соответственно, генератора. В одном из вариантов осуществления, уздечка 118 страховочного фала обеспечивает точку присоединения для крепления узла 40 страховочного фала (фиг.1) к модулю 100. В одном из вариантов осуществления, уздечка 118 страховочного фала сконфигурирована с возможностью нести аэродинамические нагрузки генератора 30 и обеспечивать токопровод с электрогенератора 30 вниз в наземную распределительную сеть 60 (фиг.1).
В одном из вариантов осуществления, опционально предусмотрены и присоединены к раме 102 провода 120 стабилизирующего натяжения, чтобы стабилизировать генератор 30 во время полета. В одном из вариантов осуществления, шасси 122 присоединено к раме 102 и прилегает к каждому модулю 100. Шасси 122 сконфигурировано с возможностью обеспечения амортизации и выравнивания для генератора 30, чтобы дать возможность приземления генератора 30 на до некоторой степени неровные поверхности.
Фиг.2B изображает сравнительные виды сверху генератора 30 по отношению к Боингу 747-400. В одном из вариантов осуществления, каждый ротор 114 имеет диаметр приблизительно 142 фута из условия, чтобы конструктивный размах крыла для генератора 30 был большим, чем размах крыла Боинга 747-400, который имеет значение около 211 футов.
Фиг.3A изображает общий вид узла 50 лебедки согласно одному из вариантов осуществления. Узел 50 лебедки включает в себя намоточный барабан 52, стол 200, установленный вне барабана 52, и переходный узел 202, расположенный на входе стола 200, находящемся напротив барабана 52. В одном из вариантов осуществления, стол 200 сконфигурирован с возможностью ослабления натяжения в узле 40 страховочного фала перед или одновременно с намоткой узла 40 страховочного фала на барабан 52. Переходный узел 202 сконфигурирован с возможностью выравнивания/сохранения угла узла 40 страховочного фала относительно стола 200 (например, угла A узла лебедки по фиг.14), который выбран так, чтобы минимизировать натяжение в узле 40 страховочного фала, в то время как он поступает на стол 200.
В одном из вариантов осуществления, барабан 52 приводится в движение электродвигателем, сконфигурированным с возможностью регулирования натяжения, которое сообщается узлу 40 страховочного фала, по мере того как он наматывается на барабан 52. Барабан 52 удерживается в нише или углублении барабана. Это только одна из приемлемых ориентаций для барабана 52, так как другие конфигурации, такие как надземные конфигурации, также приемлемы.
В одном из вариантов осуществления, переходный узел 202 включает в себя колоколообразную воронку 204 и является подвижным относительно стола 200 на азимутальные углы A приблизительно в пределах 0-270 градусов и зенитные углы приблизительно в пределах 10-90 градусов. В одном из вариантов осуществления, по меньшей мере, воронка 204 является подвижной и сконфигурирована для выравнивания с направлением полета генератора 30 (фиг.1) из условия, чтобы узел 40 страховочного фала был выровнен со столом 200 и барабаном 52. В одном из вариантов осуществления, воронка 204 сконфигурирована так, чтобы узел 40 страховочного фала имел угол намотки примерно горизонтального уровня (например, угол B намотки по фиг.14), в то время как узел 40 страховочного фала возвращается барабаном 52.
В одном из вариантов осуществления, переходный узел 202 сконфигурирован с возможностью удерживания узла 40 страховочного фала в ориентации контактной подвески, при которой натяжение вдоль узла 40 страховочного фала минимизировано обеспечением относительно малого угла выхода кабеля для узла 40 страховочного фала, в то время как он поступает в переходный узел 202 (например, угла A узла лебедки по фиг.14). Угол выхода кабеля определен в качестве угла узла 40 страховочного фала относительно горизонтали, когда он подходит к переходному узлу 202. Контактная подвеска является профилем свисающей гибкой цепи/стропы/кабеля, которая поддерживается на своих концах и подвергается действию равномерной силы тяжести (то есть веса страховочного фала). Участки контактной подвески, имеющие нулевой или почти нулевой уклон, связаны с сегментами контактной подвески, которые несут меньшую величину веса в конструкции. Воронка 204 расположена на нижнем конце контактной подвески, образованной свисающим узлом 40 страховочного фала. Таким образом, натяжение в узле 40 страховочного фала минимизируется, так как узел 40 страховочного фала оказывается в пределах 0-10 градусов от горизонтали, в то время как он поступает на стол 20 (например, угол B намотки по фиг.14). Другими словами, согласно вариантам осуществления, натяжение в узле 40 страховочного фала минимизировано для небольших зенитных углов Z входа (например, угла B намотки по фиг.14), которые имеют значение ненулевых, но близких к нулю градусов.
В одном из вариантов осуществления, узел 50 лебедки обеспечен множеством дискретных компонентов, которые сконфигурированы с возможностью транспортироваться по дорогам общего пользования, разрешенным образом. В одном из вариантов осуществления, узел 50 лебедки снабжен тремя разрешенными на дорогах компонентами, включающими в себя барабан 52, стол 200 и переходный узел 202.
В одном из вариантов осуществления, узел 50 лебедки устанавливается на поворотном круглом столе или устройстве вращающейся платформы, которые обеспечивают узлу 50 лебедки возможность вращаться вокруг вертикальной оси вплоть до 360 градусов, чтобы выравнивать стол 200 и барабан 52 с узлом 40 страховочного фала во время намотки.
Фиг.3B изображает вид сверху стола 200. Стол 200 включает в себя фрикционный привод 210, зажимной узел 212 и контроллер 214, поддерживающий связь с зажимным узлом 212. Стол 200 предусматривает фрикционный привод 210 для регулирования и минимизации натяжения в пределах узла 40 страховочного фала, а контроллер 214 и зажим 212 предусмотрены, чтобы контролировать и равномерно распределять физический износ, прикладываемый к узлу 40 страховочного фала.
Фрикционный привод 210 включает в себя ролики 200, управляемые и приводимые в движение двигателями 222. Ролики 220 сконфигурированы с возможностью схватывания за счет трения узла 40 страховочного фала и ослабления натяжения в узле 40 страховочного фала, по мере того как он перемещается по столу 200 и наматывается на барабан 52 (фиг.3A). В одном из вариантов осуществления, двигатели 222 являются электродвигателями, сконфигурированными с возможностью демпфирования или иного регулирования натяжения, прикладываемого с роликов 220 на узел 40 страховочного фала.
В одном из вариантов осуществления, зажимной узел 212 включает в себя захваты, которые фиксируют узел 40 страховочного фала, зажимая с боков узел 40 страховочного фала. Желательно зажимать узел 40 страховочного фала на месте, чтобы удерживать генератор 30 (фиг.1) на требуемой высоте генерирования электричества. Также желательно зажимать узел 40 страховочного фала, чтобы удерживать генератор 30 в полете, в то время как барабан 52 или часть узла 40 страховочного фала заменяется и/или ремонтируется. Зажимной узел 40 потенциально может изнашивать или истирать узел 40 страховочного фала во время использования. В одном из вариантов осуществления, контроллер 214 включает в себя управляемую компьютером память и сконфигурирован с возможностью записи и хранения/выборки места зажатия зажимного узла 212 вдоль узла 40 страховочного фала. Посредством контроля контроллером 214 положений вдоль узла 40 страховочного фала, которые были подвергнуты зажатию, можно минимизировать износ вдоль узла 40 страховочного фала распределением усилий зажима по участкам узла 40 страховочного фала, которые ранее не были зажаты. Другими словами, согласно вариантам осуществления, зажимной узел 212 и контроллер 214 объединяются, чтобы избежать повторного зажатия на некоторых участках узла 40 страховочного фала.
В одном из вариантов осуществления, стол 200 опционально включает в себя успокоитель 224, который сконфигурирован с возможностью демпфирования узла 40 страховочного фала, в то время как он перемещается в воронку 204 через фрикционный привод 210. Пригодные успокоители включают в себя механические подпружиненные успокоители, вязкостные демпферные успокоители или полимерные демпферы колебаний.
Фиг.4 изображает общий вид одного из вариантов осуществления кабелей узла 40 страховочного фала. В одном из вариантов осуществления, узел 40 страховочного фала включает в себя несущий кабель 300 нагрузки, первый проводник 302a и второй проводник 302b. Другие конфигурации, включающие в себя другие количества и виды кабелей, также приемлемы. По меньшей мере, один несущий кабель 300 нагрузки применяется для страховочного фала воздушного электрогенератора 30 (фиг.1) на высоте и возвращения генератора 30, когда он приземляется. В одном из вариантов осуществления, кабель 300 является кабелем Vectran или подобным высокопрочным кабелем, имеющим массу на единицу длины приблизительно 0,8 фунтов на фут, и сконфигурирован с возможностью выдерживания приблизительно 80% усилия или нагрузки при развертывании генератора 30. Другие пригодные кабели также приемлемы, в том числе кабели, армированные углеродным волокном, одноосно ориентированные кабели и другие соответственно высокоэластичные кабели.
Проводники 302a, 302b (проводники 302) сконфигурированы с возможностью передачи электричества между генератором 30 и распределительной сетью 60 (фиг.1). Один из подходящих проводников 302 имеет массу на единицу длины в 0,25 фунтов на фут, и каждый проводник 302 сконфигурирован с возможностью передачи приблизительно 10% нагрузки или усилия генератора 30. Пригодные материалы для проводников 302 включают в себя алюминий, медь, сплавы алюминия, сплавы меди или другие пригодные электропроводящие материалы.
Таблица I, приведенная ниже, представляет физические характеристики кабеля(ей) 300 и проводников 302. Вообще, кабель 300 выдерживает большую часть нагрузки и имеет большую массу на единицу длины. Например, в одном из вариантов осуществления, проводящие кабели 302a и 302b являются более легкими (каждый ~ 1/3 веса кабеля 300), умеренно более плотными и более тонкими (каждый < 1/2 диаметра и аэродинамического сопротивления кабеля 300). Когда они сформированы из алюминия, алюминий в проводящих кабелях 302 является ориентировочно половиной веса кабеля, но имеет очень малую прочность. Когда они сформированы из графита/эпоксидной смолы, графит/эпоксидная смола или другой прочный материал низкого растяжения, подходящий для проводящих кабелей 302, типично имеет более высокую себестоимость и вес при той же самой допустимой нагрузке, таким образом, кабели эксплуатируются с приблизительно удвоенным провисанием кабеля 300. Проводящие кабели 302a и 302b могут иметь стоимость, ориентировочно в два раза большую на каждый фунт основного прочного кабеля 300, а следовательно, могут стоить больше, чем кабель 300, несмотря на более низкий эквивалентный вес. В дополнение, допустимая долговечность при полном циклическом нагружении может быть меньшей для кабелей 302, чем кабеля 300.
Узел 40 страховочного фала имеет приблизительно 45000 футов в длину, а проводники 302 провисают больше, чем кабель 300. По этой причине, желательно предусматривать узел лебедки, подобный узлу 50 лебедки, который сконфигурирован с возможностью независимого управления намоткой кабеля 300, отдельной от намотки проводников 302, как описано ниже.
Известные электромеханические кабели представляют сложную задачу по той причине, что используемые высокопрочные материалы имеют гораздо большее приемлемое расчетное растяжение, чем проводники. В противоположность этому, узел 40 страховочного фала сконфигурирован с возможностью использования на многих циклах нагрузки, когда проводники удерживаются в натяжении, а затем, когда нагрузка ослаблена, проводники становятся ненатянутыми (это имеет меньшую проблему при использовании линий передачи, которые испытывают почти статические нагрузки натяжения, как только один раз развернуты). Циклическая нагрузка и получающаяся в результате слабина имеет потенциальную возможность вызвать проблемы управления во время наматывания. Варианты осуществления, описанные в материалах настоящей заявки, дают снижение механической нагрузки на проводящих кабелях (до ~10% общей нагрузки для каждого проводника), что обеспечивает возможность более высокого запаса прочности для проводящих кабелей. Снижение нагрузки также предоставляет возможность использования графитовой жилы низкого натяжения, низкой прочности/веса с более крепким защитным элементом Vectran (с гораздо более высоким расчетным натяжением) для управления остальными ~80% нагрузки. Таким образом, проводник не растягивается в большой степени около расчетной нагрузки, хотя это может не быть оптимальным исходя из себестоимости или удельной прочности. Проводник сконфигурирован с возможностью минимального натяжения, обеспеченного максимальным провисанием. Большая часть нагрузки отделяется от проводника и выдерживается кабелями более высокого растяжения.
<b>Таблица I</b>
Узел страховочного фала
Масса/длина (фунт/фут)
Нагружение (%)
Провисание (фут)
Себестоимость ($)
Кабель(и)
0,8
80%
X
Y
Проводники (каждый)
0,25
10%
2,5X
0,6Y
Фиг.5 изображает общий вид вариантов осуществления трех узлов 250a, 250b, 250c лебедки, примененных для независимой намотки кабеля 300 и проводника 302a, 302b узла 40 страховочного фала. В одном из вариантов осуществления, каждый из узлов 250a, 250b, 250c лебедки подобен узлу 50 лебедки, описанному выше, и включает в себя стол, предусматривающий фрикционный привод(ы) и зажимной узел, переходный узел и барабан, на который наматываются соответствующий кабель или проводник.
В одном из вариантов осуществления, узел 250a лебедки применяется для управления проводником 302a и электрически изолирован от узла 250b лебедки и узла 250c лебедки. В одном из вариантов осуществления, узел 250b лебедки применяется для управления проводником 302b и электрически изолирован от узла 250a лебедки и узла 250c лебедки. В одном из вариантов осуществления, узел 250c лебедки применяется для управления кабелем 300 и электрически изолирован от узлов 250a, 250b лебедки. В одном из вариантов осуществления, каждый из узлов 250a, 250b, 250c лебедки включает в себя свой собственный контроллер и сконфигурирован с возможностью извлечения соответственного одного из кабеля или проводника на скорости, которая не зависит от других узлов лебедки. Например, как отмечено выше, проводники 302 провисают приблизительно в два с половиной раза больше кабеля 300, и узлы 250a, 250b лебедки сконфигурированы для наматывания проводников 302a, 302b на скорости, которая больше, чем скорость, с которой узел 250c лебедки подматывает кабель 300. В одном из вариантов осуществления, кабель 300 наматывается или сматывается в соответствии с определенным планом работы (с вариантами для демпфирования нежелательных динамических усилий) наряду с тем, что наматывание проводящих кабелей 302 поддерживает местный угол возвышения схода в диапазоне около 6-10 градусов (например, угол B намотки на фиг.14) и к тому же демпфирует динамическое поведение проводящего кабеля.
Замена одной большой лебедки, которая построена или размещена на месте, двумя или более лебедок или подузлов, каждый из которых достаточно мал, чтобы транспортироваться на «разрешенном на дорогах автоприцепе», может значительно сократить затраты на транспортировку, установку и техническое обслуживание/ремонт.
Фиг.6 изображает общий вид одного из вариантов осуществления системы 20 генерирования электроэнергии, включающей в себя узел 50 лебедки, установленный на стойке 310, которая поднимает высоковольтные электрические проводники 302 (фиг.4) вне пределов досягаемости пешеходов. Должно быть понятно, что один из вариантов осуществления узла 50 лебедки включает в себя три отдельных лебедки, описанных выше и проиллюстрированных на фиг.5.
Воздушный электрогенератор 30 (генератор 30) проиллюстрирован летящим на первой высоте H1 развертывания. В одном из вариантов осуществления, высота H1 развертывания находится приблизительно между 40000-50000 футами, и генератор 30 получает электричество из распределительной сети 60 для полета генератора 30 вверх на высоту H1 развертывания. При одной из рабочих схем, зажимной узел 212 (фиг.3B) осуществляет зажим узла 40 страховочного фала, в то время как генератор 30 летает на высоте H1 развертывания. В этом смысле, генератор 30 «устанавливается» на высоте H1 развертывания. После этого генератор 30 переходит на высоту генерирования электричества на высоте H2, на которой генератор 30 наклонен под углом атаки к набегающему ветру, как проиллюстрировано на фиг.7.
Фиг.7 изображает общий вид генератора 30, переведенного на высоту генерирования электричества на высоте H2, которая обычно меньше, чем высота H1 развертывания, согласно одному из вариантов осуществления. Один из обобщенных способов развертывания предусматривает полет генератора 30 электроэнергии на высоту H1 генерирования электричества (фиг.6), а впоследствии перевод генератора 30 на высоту H2, который, некоторым образом, минимизирует натяжение, прикладываемое к узлу 40 страховочного фала во время наматывания.
В одном из вариантов осуществления, генератор 30 летит под углом атаки в набегающем ветровом потоке W на высоте H2, которая имеет значение вплоть до 35000 футов. Один из обобщенных способов развертывания для генератора 30 включает в себя полет генератора 30 из условия, чтобы транспортное средство ориентировало себя на набор высоты почти прямо вверх при зенитном угле приблизительно в 90 градусов, регулируя подъем и управление роторами 114, чтобы учесть местные ветровые условия. Через первый километр, генератор 30 пилотируется в почти горизонтальной конфигурации. Ожидается, что при наличии ветра на высоте, из условия ожидания, генератор 30 должен дрейфовать по ветру. Узел 40 страховочного фала сматывается с барабана 52 достаточно быстро, чтобы поддерживать все три кабеля (кабель 300 и два проводника 302) почти горизонтально относительно переходного узла 202 (фиг.3A). Сохранение наименее безопасных углов схода кабеля около лебедки минимизирует натяжение, а отсюда, предоставляет возможность более быстрого набора высоты с меньшей мощностью, чем при больших углах и натяжении кабеля. В дополнение, посредством доведения до максимума провисания, оно предоставляет возможность умеренно большего развертывания кабеля на данное расстояние винтокрылого летательного аппарата от лебедки.
В одном из вариантов осуществления, фрикционные приводы 210 (фиг.3B) применяются для сохранения натяжения в узле 40 страховочного фала в состоянии меньшего натяжения, чем натяжение кабелей 300, 302, в то время как они наматываются на барабан 52. Во время подъема, генератор 30 наклоняется, чтобы ограничивать зенитные углы подъема приблизительно между 45-70 градусов на всем протяжении развертывания. Когда генератор 30 достигает высоты H1 развертывания (фиг.6), зажимной узел 212 зажимает узел 40 страховочного фала на требуемой длине, и генератор 30 наклоняется, чтобы увеличивать нагрузку на кабель 300. После этого проводящие кабели 302 зажимаются, когда их избыточная длина провисает на равновесную длину с кабелем 300. Постепенно генератор 30 наклоняется так, что он дрейфует дальше по ветру по мере того, как мощность (и натяжение) в узле 40 страховочного фала наращивается.
Варианты осуществления обобщенного способа развертывания, проиллюстрированные на фиг.6-7, обеспечивают относительно низкое натяжение в узле 40 страховочного фала по сравнению с пилотированием генератора 30 прямо против набегающего ветра для полноты своего развертывания наружу.
Еще один вариант осуществления обобщенного способа развертывания предусматривает пилотирование генератора 30 под углом атаки к набегающему ветровому потоку W с его площадки приземления возле поверхности Земли вверх и прямо на высоту H2. Этот обобщенный способ развертывания оказывает более высокое натяжение на узел 40 страховочного фала по сравнению с обобщенным способом по фиг.6-7, поскольку узел 40 страховочного фала поддерживает как вес узла 40 страховочного фала, так и аэродинамические силы генератора 30 при сматывании с барабана 52.
Фиг.8 изображает общий вид генератора 30, возвращающегося на свое место приземления. В одном из вариантов осуществления, роторы 114 на генераторе 30 задействуют в режиме авторотации, по мере того как генератор 30 снижается с высоты H2 (фиг.7) на землю. В одном из вариантов осуществления, авторотация дает возможность управляемого снижения генератора 30 и отличается восходящим потоком воздуха через роторы 114, который дает роторам 114 возможность вращаться на, по существу, их нормальной скорости, в то время как генератор 30 снижается. Роторы 114 осуществляют авторотацию для уравновешивания аэродинамических сил, которые дают генератору 30 возможность «планировать» на землю, по мере того как роторы 114 планируют в своей плоскости вращения. В одном из вариантов осуществления, требуемый диапазон эксплуатационных режимов для генератора 30 включает в себя активный набор высоты до высоты H1, переход с высоты H1 на высоту H2, сопровождаемый авторотацией с высоты H2 обратно на место приземления, как лучше всего проиллюстрировано на фиг.6-7.
В одном из вариантов осуществления, генератор 30 управляется, чтобы летать по схеме «восьмерки» во время авторотационного снижения, для обеспечения надлежащей траектории планирования без планирования слишком далеко вдаль. Желательно снабжать генератор 30 возможностью неактивного приземления в случае повреждения кабеля или электрической цепи. Для этого один из вариантов осуществления системы 20 включает в себя программируемый механизм автопилота, который управляет воздушным электрогенератором 30, узлом 40 страховочного фала и узлом 50 лебедки, чтобы дать возможность авторотации во время приземления, которая поддерживает планирующее снижение до тех пор, пока не настает время для выравнивания генератора 30 перед посадкой и посадки на землю. В одном из вариантов осуществления, круговая нагрузка при приземлении имеет значение приблизительно 0,5 фунтов на квадратный фут, так что скорость авторотационного снижения является низкой. Ожидается, что влияние земли будет начинаться приблизительно на ста футах над землей. Комбинация низкой круговой нагрузки, низких скоростей снижения, четырех близко разнесенных роторов большого диаметра и полной массы винтокрылого летательного аппарата, которая является всего лишь умеренным кратным числом масс роторов, дает возможность более управляемого и спокойного авторотационного приземления с лучшим управлением места приземления, чем обычно осуществляется с традиционным винтокрылым летательным аппаратом.
Фиг.9 изображает диаграмму примерных профилей для одного из вариантов осуществления узла 40 страховочного фала при различных конфигурациях полета генератора 30. Что касается высот развертывания между 10000-30000 футов, набор 400 данных (представляющий активный набор высоты) приводит к наименьшему расчетному натяжению в лебедке и в первом конечном участке 42 (фиг.1) узла 40 страховочного фала. Например, активный набор высоты до 30000 футов имеет следствием генератор 30, имеющий расстояние развертывания в 8,17 км при подъеме зенитного угла в 71,9 градусов, с расчетной нагрузкой лебедки менее чем 5% и нагрузкой кабеля в верхнем конечном участке 42 узла 40 страховочного фала приблизительно 27%.
Набор 410 данных, представляющий авторотационное снижение с 30000 футов, имеет следствием генератор 30, возвращенный с расстояния развертывания в 11,56 км вниз с подъема зенитного угла в 42,2 градуса, с расчетной нагрузкой лебедки между 10-22% и нагрузкой кабеля в верхнем конечном участке 42 узла 40 страховочного фала приблизительно 44%.
Набор 420 данных представляет работу на полную мощность на вплоть до 30000 футов и имеет следствием генератор 30, имеющий расстояние развертывания в 13,58 км на подъеме зенитного угла в 34,9 градусов, с расчетной нагрузкой лебедки между 78-86% и нагрузкой кабеля в верхнем конечном участке 42 узла 40 страховочного фала приблизительно между 91-100%.
Варианты осуществления сконфигурированы с возможностью уменьшения натяжения на лебедке, в качестве доли расчетной нагрузки, при наматывании или сматывании кабеля. Активный набор высоты предусматривает гораздо более низкие натяжения лебедки для любой заданной длины кабеля. Авторотационное снижение, с винтокрылым летательным аппаратом, имеющим наклон вниз (наклонно к ветру), предоставляет возможность геометрий и натяжений кабеля, подобных таковым при активном наборе высоты, в отличие от удержания или набора высоты авторотационной станции, которые наклоняют винтокрылый летательный аппарат вверх и вызывают значительно большие натяжения и большие расстояния дальности снижения.
Наборы 430, 440, 450 данных представляют углы развертывания и натяжения для кабеля 300 и проводников 302 для диапазона градусов лебедки в пределах 16-26 градусов.
Фиг.9, таким образом, иллюстрирует, что варианты осуществления обобщенного способа пилотирования с активным набором высоты дают низкое натяжение в узле 50 лебедки и вдоль узла 40 страховочного фала, в то время как генератор 30 утягивает узел 40 страховочного фала с барабана 52. Активный набор высоты с большим углом подъема для генератора 30, как видно с узла 50 лебедки, предусматривает наименьшие натяжения лебедки во время развертывания.
В одном из вариантов осуществления, после развертывания на высоту H1, переход с активного полета на авторотационный полет, при перемещении генератора 30 на высоту H2, задерживается до тех пор, пока не была развернута наибольшая часть кабельного узла 40. Предполагается, что натяжение от активного полета до авторотационного полета может быть более гладким, когда генератор 30 имеет хорошую скорость ветра (которая может получаться благодаря маневрированию генератора 30). Чем дальше генератор 30 летит по ветру, тем больше натяжение кабеля на лебедке, значит желательно задерживать переход до тех пор, пока не была развернута наибольшая часть кабеля, или до тех пор, пока не развернута полная требуемая длина кабелей 300, 302.
Фиг.10 изображает общий вид узла 500 лебедки согласно еще одному варианту осуществления. Узел 500 лебедки включает в себя стол и переходный узел, подобные столу 200 и переходному узлу 202 на фиг.3A, применяемым с механизмом 502 карусельной намотки. Механизм 502 намотки обеспечивает низкопрофильную и регулируемую по натяжению намотку узла 40 страховочного фала, но, в некоторых вариантах осуществления, потенциально слишком велик, чтобы транспортироваться по Федеральной системе скоростных автострад, когда имеется другое дорожное движение.
Фиг.11 изображает блок-схему 600 последовательности операций одного из вариантов осуществления способа управления страховочный фалом, соединенным с воздушным электрогенератором. Способ включает в себя этапы, на которых привязывают воздушный электрогенератор к земле на этапе 602. На этапе 604, воздушный электрогенератор пилотируют на первую высоту. На этапе 606, натяжение в страховочном фале уменьшают наряду с пилотированием воздушного электрогенератора. На этапе 608, страховочный фал наматывают на барабан, а на этапе 610, воздушный электрогенератор приземляют на землю.
Фиг.12 изображает блок-схему 700 последовательности операций способа минимизации износа страховочного фала, соединенного с воздушным электрогенератором, согласно одному из вариантов осуществления. Способ включает в себя этапы, на которых пилотируют воздушный электрогенератор, соединенный со страховочный фалом, на этапе 702. На этапе 704, страховочный фал подматывают, чтобы подмотать воздушный электрогенератор. На этапе 706, страховочный фал зажимают зажимным узлом. На этапе 708, положения зажима вдоль страховочного фала, где были приложены усилия зажима, становятся местами постоянного отслеживания. На этапе 710, страховочный фал зажимают в местах, которые не были зажаты ранее, некоторым образом, который минимизирует износ страховочного фала.
В одном из вариантов осуществления, кабель изготовлен из нескольких дискретных отрезков с монтажным стыком, который предусмотрен в качестве точки зажима. Зажим предпочтительно применяется к отрезку монтажного стыка, который, в одном из вариантов осуществления, является заменяемым. В одном из вариантов осуществления, монтажный стык сформирован из упрочненного материала, сконфигурированного с возможностью выдерживания повторных зажимов. В любой данный момент времени будет обеспечена как оптимальная высота полета, так и длина кабеля. Умеренные изменения в любой или обеих из этих переменных, как правило, будут сообщать ухудшения рабочих характеристик, которые незначительны. Например, это обеспечивает возможность зажима на дискретных интервалах, может быть приблизительно километровых интервалах между точками зажима.
Фиг.13 изображает вид сверху одного из вариантов осуществления узла 800 лебедки для управления узлом 40 страховочного фала, который соединен с воздушным электрогенератором, как описано выше. Узел 800 лебедки включает в себя стол 802, поддерживающий фрикционный привод 810 для наматывания узла 40 страховочного фала, зажимной узел 812 для закрепления узла 40 страховочного фала, контроллер 814, связанный с зажимным узлом 812, и вращающийся шкив 816, сконфигурированный с возможностью направления узла 40 страховочного фала в узел 800 лебедки. Фрикционный привод 810 сконфигурирован с возможностью регулирования и минимизации натяжения в пределах узла 40 страховочного фала, а контроллер 814 и зажим 812 предусмотрены для контроля и равномерного распределения физического износа узла 40 страховочного фала.
В одном из вариантов осуществления, фрикционный привод 810 включает в себя многочисленные пары вращающихся барабанов 820a, 820b, 820c,... 820n (барабанов 820), которые сконфигурированы с возможностью наматывания узла 40 страховочного фала относительно катушек набора без сгибания узла 40 страховочного фала. В одном из вариантов осуществления, барабаны 820 включают в себя наполненные воздухом покрышки, которые являются по отдельности подвижными в боковом направлении под действием выбранной, но переменной силы, чтобы сжимать узел 40 страховочного фала между каждой парой барабанов 820. Траектория узла 40 страховочного фала является, по существу, линейной (то есть характеризуется отсутствием изгибов или обратных движений), так как вращающиеся покрышки/барабаны 820 наматывают или сматывают узел 40 страховочного фала на или от узла 800 лебедки. В одном из вариантов осуществления, покрышки/барабаны 820 включают в себя бороздчатую резьбу, которая сконфигурирована с возможностью сцепления с или охватывания узла 40 страховочного фала, в то время как наполненные воздухом покрышки выравниваются относительно друг друга.
В одном из вариантов осуществления, зажим 812 сконфигурирован в качестве токового контакта, когда узел 40 страховочного фала зажимается в конфигурации высокого натяжения высокой мощности. Во время наматывания, токовый контакт обеспечивается внутренним металлическим шкивом низкого натяжения, который, в одном из вариантов осуществления, примыкает к барабану 52.
Шкив 816 расположен вне стола 802 и предусматривает переходный узел, который сконфигурирован с возможностью регулирования угла узла 40 страховочного фала относительно стола 802. В одном из вариантов осуществления, шкив 816 разворачивается, чтобы обеспечивать отслеживание направлений для узла 40 страховочного фала. Шкив 816 сконфигурирован с возможностью минимизации трения, прикладываемого к узлу 40 страховочного фала посредством ограничения площади контакта между шкивом 816 и узлом 40 страховочного фала. В одном из вариантов осуществления, шкив 816 включает в себя одиночный шкив, имеющий диаметр приблизительно между 6-12 футами. Также приемлемы другие формы шкива 816, в том числе шкивы, имеющие износостойкие покрытия и токопроводящие покрытия.
Фиг.14 изображает схему, в общих чертах иллюстрирующую систему 20 генерирования электроэнергии, включающую в себя узел 40 страховочного фала, соединенный между воздушным электрогенератором 30 и узлом 50 лебедки, согласно одному из вариантов осуществления. В действии, когда генератор 30 набирает высоту до высоты развертывания (например, высоты H1 развертывания по фиг.6) в режиме авторотации и снижается до высоты генерирования электроэнергии (например, высоты H2 генерирования электричества по фиг.7), работает с полной мощностью на высоте генерирования электричества, или будучи возвратным генератором 30 с полной мощностью или в режиме авторотации, верхний угол C присутствует между первым концом 42 узла 40 страховочного фала и горизонталью, угол A узла лебедки присутствует между узлом 40 страховочного фала и горизонталью на переходном узле 202 (например, шкиве), и угол B намотки присутствует между узлом 40 страховочного фала и столом 200. Как описано выше, угол A узла лебедки, угол B намотки и верхний угол C в материалах настоящей заявки иногда указываются ссылкой с использованием разных терминов. В частности, со ссылкой на фиг.9, угол A узла лебедки и верхний угол C соответственно указываются ссылкой в таблицах по фиг.9 под заголовками «Угол кабеля», в качестве «Лебедки» и «Верхний». Угол C узла лебедки также указывается как «угол выхода кабеля», а угол B намотки указывается как «угол наклона намотки обмотки относительно основной поверхности».
Хотя на фиг.14 зажимной узел указан в качестве расположенного на «внутренней» стороне переходного узла 202, в других вариантах осуществления зажимной узел 212 может быть расположен на «внешней» стороне переходного узла 202, как указано пунктирными прямоугольниками. Отмечено, что при расположении на внешней стороне переходного узла 202 зажимной узел 212 сконфигурирован с возможностью вращения вертикально, чтобы регулировать свой зенитный угол, как указано двойной стрелкой.
Согласно одному из вариантов осуществления, скорость, с которой барабан 52 наматывает или сматывает узел 40 страховочного фала, основана на сохранении угла A узла лебедки в требуемом значении. Например, при подматывании генератора 30, если значение угла A узла лебедки является большим, чем требуемое значение, скорость, с которой барабан 52 подматывает узел 40 страховочного фала, уменьшается. Подобным образом, при подматывании генератора 30, если значение угла A узла лебедки является меньшим, чем требуемое значение, скорость, с которой барабан 52 подматывает узел 40 страховочного фала, увеличивается. Удержанием угла A узла лебедки на требуемом значении как при наматывании, так и сматывании узла 40 страховочного фала механическое напряжение на узле 40 страховочного фала может быть минимизировано.
Подводя итог вышесказанному, наматывание лебедкой страховочных фалов, кабелей или проводов под большим натяжением потенциально может портить кабели. Наматывание лебедкой длинных и/или тяжелых электрических кабелей может делать необходимым использование сложных и мощных машин с фрикционным приводом. Варианты осуществления, описанные выше, предлагают системы и способы для ограничения натяжения в кабелях, в том числе электрических кабелях типа страховочного фала, во время наматывания лебедкой, которое сильно снижает износ кабеля и опасность разрыва кабеля во время наматывания лебедкой. Некоторые варианты осуществления предусматривают зажимной узел, сконфигурированный с возможностью зажима узла страховочного фала снаружи лебедки всякий раз, когда узел страховочного фала находится в режиме генерирования электроэнергии с высоким натяжением. Варианты осуществления обобщенного способа возврата предусматривают авторотацию воздушного электрогенератора при возврате узла страховочного фала, чтобы минимизировать натяжение в кабелях.
Хотя специфичные варианты осуществления были проиллюстрированы и описаны в материалах настоящей заявки, рядовыми специалистами в данной области техники будет принято во внимание, что многообразие альтернативных и/или эквивалентных реализаций может использоваться вместо показанных и описанных специфичных вариантов осуществления, не выходя из объема настоящего изобретения. Подразумевается, что эта заявка должна покрывать любые переделки или варианты специфичных вариантов осуществления, обсужденных в материалах настоящей заявки.