在側風飛行和懸停飛行之間轉換飛行器的方法和系統的制作方法
【專利說明】在側風飛行和懸停飛行之間轉換飛行器的方法和系統
[0001 ]與相關申請的橫向參考
[0002]本申請要求2013年12月30日提交的美國專利申請第14/144,545號的優先權，該申請是2013年9月16日提交的美國專利申請第14/028,251的部分繼續申請，二者由此通過引用整體結合于此。
技術領域
【背景技術】
[0003]除非在此另有所指，在這個部分中描述的材料不是本申請中的權利要求的現有技術，也不是通過包括在這個部分中而承認為現有技術。
[0004]能量產生系統可以將化學和/或機械能量(例如，動能)轉化成電能，以用于各種用途，如電器系統。作為一個例子，風能系統可以將動態風能轉換成電能。
【發明內容】
[0005]在此描述了在特定飛行模式之間轉換飛行器的方法和系統，該方法和系統利于將動能向電能轉化。簡要地說，在此描述的實施方式可以減少在飛行器上的阻力，這可以減小飛行器用于飛行的推力。此外，在此描述的實施方式可以允許飛行器的推力對重量比降低。于是，飛行器的一個或多個部件的尺寸，如馬達或推進器可以被減小，這可以允許飛行器被優化以用于能量產生飛行。
[0006]在一個方面，該方法可以包括以懸停飛行取向操作飛行器，其中，該飛行器連接到系繩，該系繩限定了具有基于系繩的長度的半徑的系繩球體，其中，該系繩連接到地面站；在飛行器處于懸停飛行取向的同時，將飛行器定位在基本上在所述系繩球體上的第一位置，其中，該第一位置在地面站的基本下風處，飛行器從懸停飛行取向向向前飛行曲線變換，使得飛行器從系繩球體移動，其中飛行器具有附著流(attached flow)，且其中，系繩的張力被減小;并且在向前飛行取向下操作飛行器，以升角升高到第二位置，該第二位置基本上在系繩球體上，其中，該第二位置在地面站的基本下風處。
[0007]在另一方面，系統可以包括:連接到地面站的系繩，其中該系繩限定了具有基于系繩的長度的半徑的系繩球體;連接到該系繩的飛行器；以及控制系統，該控制系統被構造成:以懸停飛行取向操作飛行器;在飛行器處于懸停飛行取向的同時，將飛行器定位在基本上處于系繩球體上的第一位置處，其中，該第一位置在地面站的基本下風處;將飛行器從懸停飛行取向向向前飛行取向變換，使得飛行器從系繩球體移動，其中飛行器具有附著流，并且其中，系繩的張力被減小；以及在向前飛行取向下操作飛行器，以升角升高到第二位置，該第二位置基本上在系繩球體上，其中，所述第二位置在地面站的基本下風處。
[0008]在另一方面，一種方法可以包括在側風飛行取向下操作飛行器，其中該飛行器連接到系繩，該系繩限定了具有基于系繩的長度的半徑的系繩球體，其中，該系繩連接到地面站;在飛行器處于側風飛行取向下的同時，將飛行器定位在第一位置，該第一位置基本上在系繩球體上，其中該第一位置在地面站的基本下風處;將飛行器從側風飛行取向變換到向前飛行取向，使得飛行器從系繩球體移動，其中，該飛行器具有附著流，并且其中，系繩的張力被減小，并且在向前飛行取向下操作飛行器，以升角升高飛行器到第二位置，其中，該第二位置在地面站的基本下風處。
[0009]在另一方面，一種系統可以包括用于在懸停飛行取向下操作飛行器的裝置，其中，該飛行器連接到系繩上，該系繩限定了具有基于系繩的長度的半徑的系繩球體，其中，所述系繩連接到地面站;在飛行器處于懸停飛行取向下的同時，用于將飛行器定位在第一位置的裝置，該第一位置基本上在系繩球體上，其中，該第一位置在地面站的基本下風處；用于將飛行器從懸停飛行取向向向前飛行取向轉換使得飛行器從系繩球體移動的裝置，其中，飛行器具有附著流，并且其中系繩的張力被減小；以及用于在向前飛行取向下操作飛行器以升角升高到第二位置的裝置，所述第二位置基本上在系繩球體上，其中，所述第二位置在地面站的基本下風處。
[0010]在仍另一方面，一種系統可以包括用于在側風飛行取向下操作飛行器的裝置，其中所述飛行器連接到系繩，該系繩限定了具有基于系繩的長度的半徑的系繩球體，其中該系繩連接到地面站;在飛行器處于側風飛行取向下的同時，用于將飛行器定位在基本上處于系繩球體上的第一位置的裝置，其中，該第一位置在地面站的基本下風處；用于將飛行器從側風飛行取向向向前飛行取向轉換使得飛行器從系繩球體移動的裝置，其中，飛行器具有附著流，且其中系繩的張力被減小；以及用于在向前飛行取向下操作飛行器以升角升高到第二位置的裝置，其中，所述第二位置在地面站的基本下風處。
[0011]在另一方面，一種系統可以包括連接到地面站的系繩，其中，該系繩限定了具有基于系繩的長度的半徑的系繩球體;連接到系繩的飛行器；以及控制系統，該控制系統被構造成:在側風飛行取向下操作飛行器;在飛行器處于側風飛行取向下，將飛行器定位在基本上在所述系繩球體上的第一位置處，其中，該第一位置在所述地面站的基本下風處;將飛行器從側風飛行取向向向前飛行取向轉換，使得飛行器從系繩球體移動，其中，該飛行器具有附著流，并且其中系繩的張力被減小，以及在向前飛行取向下操作飛行器以升角升高到第二位置，其中，該第二位置在地面站的基本上下風處。
[0012]在另一方面，一種方法可以包括在側風飛行取向下操作飛行器，其中該飛行器連接到系繩，該系繩限定了具有基于系繩的長度的半徑的系繩球體，其中，該系繩連接到地面站;在飛行器處于側風飛行取向的同時，將飛行器定位在第一位置，該第一位置基本上在所述系繩球體上，其中，所述第一位置在地面站的基本上下風處;將飛行器從側風飛行取向向向前飛行取向變換，使得系繩的張力減小，其中，所述飛行器具有附著流；以及在向前飛行取向下操作飛行器，以升角升高到第二位置，其中，第二位置在地面站的基本下風處。
[0013]在仍另一方面中，一種系統可以包括用于在側風飛行取向下操作飛行器的裝置，其中，該飛行器連接到系繩上，該系繩限定了具有基于系繩的長度的半徑的系繩球體，其中，所述系繩連接到地面站;在所述飛行器處于側風飛行取向的同時，用于將飛行器定位在基本上處于系繩球體上的第一位置處的裝置，其中該第一位置在地面站的基本下風處；用于將飛行器從側風飛行取向向向前飛行取向變換使得系繩的張力減小的裝置，其中，所述飛行器具有附著流；以及用于在向前飛行取向上操作飛行器以升角升高到第二位置的裝置，其中該第二位置在地面站的基本上下風處。
[0014]通過適當參照附圖閱讀以下的詳細描述，這些以及其他方面、優點和替代方案對本領域技術人員來說將變得清楚。
【附圖說明】
[0015]圖1描繪了根據示例性實施方式的空中風力渦輪機(AWT);
[0016]圖2是示出根據示例性實施方式的AWT的部件的簡化方塊圖；
[0017]圖3a和3b描繪了根據示例性實施方式的從懸停飛行向側風飛行變換的飛行器的示例；
[0018]圖4a_4c是涉及根據示例性實施方式的升角的圖形表示；
[0019]圖5a和5b描繪根據示例性實施方式的系繩球體；
[0020]圖6a_6c描繪根據示例性實施方式的從側風飛行向懸停飛行變換的飛行器的示例；
[0021 ]圖7a是根據示例性實施方式的方法的流程圖；
[0022]圖7b是根據示例性實施方式的另一方法的流程圖；
[0023]圖8a是根據示例性實施方式的另一方法的流程圖；
[0024]圖Sb是根據示例性實施方式的再另一方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0025]在此描述了示例性方法和系統。應該理解的是，在此使用“示例性”意在“作為示例，例子或說明”。在此描述為“示例性”或“說明性”特征的任何實施方式或特征不必理解為比其他實施方式或特征更優選或有利。更總體地說，在此描述的實施方式不意在限制。將輕易理解到的是所公開的方法和系統的特定方面可以按照各種不同構造來布置和組合，所有這些都在此考慮。
[0026]1.概述
[0027]說明性實施方式涉及飛行器，它可以用在風能系統，如空中風力渦輪機(AWT)中。尤其是，說明性實施方式可以涉及或采取用于將飛行器在特定飛行模式之間轉換的系統和方法的形式，所述飛行模式利于將動能轉變成電能。
[0028]作為背景，AWT可以包括在諸如基本上環形路徑的路徑上飛行的飛行器，以將風的動能轉變成電能。在說明性的實現方式中，飛行器可以通過系繩連接到地面站。在用系繩系緊時，飛行器能夠(i)在一定范圍高度上并基本上沿著所述路徑飛行，并返回到地面以及
(ii)將電能通過系繩傳遞到地面站。(在一些實現方式中，地面站可以將電力傳遞到飛行器用于起飛和/或著陸)。
[0029]在AWT中，在風不利于發電時，飛行器可以在地面站內和/或上休整(或停留)。當風有利于發電時，如當在200米(m)高度處的風速可以為3.5米每秒(m/s)時，地面站可以部署(或發射)飛行器。另外，當飛行器被部署并且風不利于發電時，飛行器可以返回到地面站。
[0030]此外，在AWT中，飛行器可以被構造成懸停飛行和側風飛行。側風飛行可以用于以諸如基本上環形運動的運動運行，并由此可以是用于產生電能的主要技術。懸停飛行接著可以由飛行器使用，以將其自身為側風飛行作準備和定位。尤其是，飛行器可以至少部分基于懸停飛行而升高到用于側風飛行的位置。此外，飛行器可以通過懸停飛行起飛和/或著陸。
[0031]在懸停飛行中，飛行器的主翼的翼展可以基本上平行于地面取向，并且飛行器的一個或多個推進器可以導致飛行器在地面之上懸停。在一些實現方式中，飛行器可以在懸停飛行下垂直升高或下降。
[0032]在側風飛行中，飛行器可以由風基本上沿如上所述的路徑推進，可以將風的動能轉變成電能。在一些實現方式中，飛行器的一個或多個推進器可以通過減慢入射的風來產生電能。
[0033]當(i)飛行器具有附著流(例如，穩定流和/或不失速條件(這可以指的是空氣流與翼型不分離)以及(ii)系繩處于張力下時飛行器可以進入側風飛行。此外，飛行器可以在在地面站的基本上下風的位置進入側風飛行。
[0034]在一些實現方式中，在側風飛行期間系繩的張力可以大于在懸停飛行期間系繩的張力。例如，在側風飛行期間系繩的張力可以是15千牛頓(KN)，而在懸停飛行期間系繩的張力可以是1KN。
[0035]在此描述的實施方式涉及將飛行器從懸停飛行向側風飛行的轉換。在說明性實現方式中，一種方法可以涉及到將飛行器從懸停飛行取向向向前飛行取向轉換，并且在向前飛行取向下操作飛行器以升高到用于側風飛行的位置。簡要地說，在此描述的實施方式可以減小在升高到用于側風飛行的位置期間在飛行器上的拖曳(阻力)，這可以減少飛行器的功耗。此外，在此描述的實施方式可以允許飛行器的推力對重量比降低。于是，飛行器的一個或多個部件的尺寸，如馬達或推進器的尺寸可以減小，這可以允許飛行器針對能量產生飛行而優化。
[0036]此外，其他實施方式可以涉及將飛行器從側風飛行向懸停飛行轉換。例如，一些實現方式可以涉及將飛行器從側風飛行取向向向前飛行取向轉換，并在向前飛行取向下操作飛行器以移動到用于懸停飛行的位置。另外，一些實現方式可以涉及到將飛行器從側風飛行取向向向前飛行取向轉換，以使飛行器減速到用于懸停飛行的速度。簡要地說，這種實現方式通過在低海拔高度下快速降低飛行器速度而可以改善進入懸停飛行。
[0037]I1.說明性系統
[0038]A.空中風力渦輪機(AWT)
[0039]圖1示出根據示例性實施方式的AWT 100。尤其是，AWT 100包括地面站110、系繩120和飛行器130。如圖1中所示，飛行器130可以連接到系繩120，且系繩120可以連接到地面站110。在這個示例中，系繩120可以在地面站110上的一個位置處附連到地面站110，并在飛行器130上的兩個位置處附連到飛行器130。但是，在其他示例中，系繩120可以在多個位置處附連到地面站110和/或飛行器130的任何部分上。
[0040]地面站110可以用于保持和/或支撐飛行器130，直到它處于操作模式為止。地面站110也可以被構造成允許飛行器130的重新定位，使得裝置的部署成為可能。此外，地面站110可以進一步構造成在著陸期間接收飛行器130。地面站110可以由適當地保持飛行器130的任何材料形成，該飛行器130在處于懸停飛行、向前飛行、側風飛行的同時附連和/或錨固到地面上。在一些實現方式中，地面站110可以被構造成在陸地上使用。但是，地面站110也可以在水體、如湖泊、河流、大海或大洋上實現。例如，除了其它可能性外，地面站110可以包括或布置在浮動的離岸平臺或船舶上。此外，地面站110可以被構造成保持靜止或相對于地面或水體的表面移動。
[0041 ]另外，地面站110可以包括一個或多個部件(未示出)，如絞盤，該絞盤可以改變系繩120的長度。例如，當飛行器130被部署時，所述一個或多個部件可以被構造成付出和/或展開系繩120。在一些實現方式中，所述一個或多個部件可以被構造成付出和/或展開系繩120到預定長度。作為示例，所述預定長度可以等于或小于系繩120的最大長度。此外，當飛行器130著陸在地面站110上時，所述一個或多個部件可以被構造成卷入系繩120。
[0042]所述系繩120可以將飛行器130產生的電能傳遞到地面站110。另外，系繩120可以將電力傳遞到飛行器130，以便給飛行器130供能，用于起飛、著陸、懸停飛行和/或向前飛行。系繩120可以以任何形式且利用任何材料構造，所述材料可以允許飛行器130產生的電能的傳輸、傳送和/或利用且/或將電力傳輸到飛行器130。在飛行器130處于操作模式時，系繩120也可以構造成承受飛行器130的一個或多個力。例如，系繩120可以包括芯部，在飛行器130處于懸停飛行、向前飛行和/或側風飛行時，該芯部被構造成承受飛行器130的一個或多個力。芯部可以由任何高強度纖維構成。在一些示例中，系繩120可以具有固定長度和/或可變長度。例如，在至少一個這樣的示例中，系繩120可以具有140米的長度。
[0043]飛行器130可以被構造成基本上沿著路徑150飛行以產生電能。術語“基本上沿著”如在本文中使用的，指的是精確沿著或從精確沿著的一個或多個偏離，該偏離并不明顯影響如在此描述的電能的產生和/或如在此描述的飛行器在特定飛行模式之間的轉換。
[0044]飛行器130可以包括或采取各種類型的裝置的形式，除了其它可能性外，如風箏、直升機、飛翼和/或飛機。飛行器130可以由金屬、塑料和/或其他聚合物的實心結構形成。飛行器130可以由允許高推力對重量比以及產生電能的任何材料形成，該電能可以在電器用途中使用。另外，材料可以被選擇以允許輕量的、加硬的、冗余和/或容錯設計，這能夠處理風速和風向上的較大和/或突然轉變。其他材料也是有可能的。
[0045]在各種不同實施方式中，路徑150可以是各種不同形狀。例如，路徑150可以基本上為環形。并且在至少一個這樣的示例中，路徑150可以具有達到