阅读说明：本技术 包括风力涡轮机和机载风能系统的风力设备 (Wind power installation comprising a wind turbine and an onboard wind energy system ) 是由 T·L·鲍恩 于 2018-05-04 设计创作，主要内容包括：公开了一种风力设备,所述风力设备包括风力涡轮机(1)和例如为风筝(12)或滑翔器(13)形式的机载风能系统(12、13)。所述风力涡轮机(1)经由输电线路(27)电连接至电网。所述风力设备还包括例如为风筝(12)或滑翔器(13)形式的用于产生电能的机载风能系统(12、13)。所述机载风能系统(12、13)包括经由线缆(6)联接至所述风力涡轮机(1)的单独发电机,并且所述单独发电机电连接至所述输电线路(27)。(A wind power installation is disclosed, comprising a wind turbine (1) and an on-board wind energy system (12, 13), for example in the form of a kite (12) or a glider (13). The wind turbine (1) is electrically connected to a power grid via a power transmission line (27). The wind power installation also comprises an onboard wind energy system (12, 13) for generating electrical energy, for example in the form of a kite (12) or a glider (13). The on-board wind energy system (12, 13) comprises a separate generator coupled to the wind turbine (1) via a cable (6) and electrically connected to the power transmission line (27).)

包括风力涡轮机和机载风能系统的风力设备

技术领域

本发明涉及一种包括风力涡轮机的风力设备(wind installation)，该风力涡轮机包括放置在底座上的塔架以及安装在塔架上并且承载转子的至少一个机舱以用于产生电网的电能。本发明的风力设备还包括机载风能系统。

背景技术

现代风力涡轮机用于产生电网的电能。为此，将联接至转子的一组风力涡轮机叶片对准迎面而来的风，并且风能被风力涡轮机叶片提取并使得转子旋转，从而将风的能量转换成机械能。转子直接地或者经由齿轮排布结构连接至发电机，从而将旋转转子的机械能转换成电能。电能经由适当组件被供应给电网。

风力涡轮机的发电量取决于风力涡轮机站点处的风力状况，包括风速。在风速低于指定最小风速(有时称为切入风速)时，风力涡轮机不产生电能。在切入风速与标称风速之间的风速，风力涡轮机产生的电力随着风速的增加而逐渐增加，直到在标称风速下达到标称发电量为止。在风速高于标称风速时，风力涡轮机的发电量被限制到标称发电量。然而，在风速高于最大风速(有时称为切出风速)时，为了防止损坏风力涡轮机，风力涡轮机停止或者以降低的发电量来运行。

将风力涡轮机连接至电网的输电线路通常被设计成应对特定功率水平。对于风力涡轮机的各种组件(例如变压器、转换器等)，情况也是如此。因此，当风力涡轮机的发电量低于该设计水平时，输电线路的容量不被完全利用。因此，期望能够利用这种附加容量。

能够在比传统风力涡轮机更高的高度捕获风能的各种机载风能系统是众所周知的。这些系统的共同点是，系统的一部分可以被发射至高空，在高空中收集风能。收集的能量以机械能的形式或者以电能的形式被传递至基站。在所传递的能量为机械能形式的情况下，通常将在基站处设置发电机，以便将机械能转换成电能。在所传递的能量为电能形式的情况下，机载风能系统包括机载发电机，即，该系统的被发射至高空的部分包括发电机。机载风能系统的被发射到高空的所述部分例如可以包括风筝或滑翔器。

Cherubini等人在“Airborne Wind Energy Systems:A review of thetechnologies(机载风能系统：技术回顾)”,Renewable and Sustainable EnergyReviews,51(2015)1461-1476中描述了许多机载风能系统。

US 2007/0126241公开了一种包括从动部件和控制装置的用于航空发电系统的风力驱动设备。该从动部件被构造和成形为在顺风运行阶段期间提供来自提升和拖曳的最大力，并且在逆风阶段期间提供最小力。从动部件具有带前缘和后缘的帆部分。控制装置在顺风运行的高力组态(configuration)与逆风运行的低力组态之间改变从动部件，调整从动部件的俯仰角和方位角并且控制外倾角。在一个实施方式中，从动部件附接至可旋转地安装在塔架顶部的机舱上的轴。

发明内容

本发明的实施方式的目的是提供一种更大程度地利用将风力涡轮机连接至电网的输电线路的总容量的风力设备。

本发明的实施方式的另一目的是提供一种增加风力涡轮机的地理站点的总发电量的风力设备。

根据第一方面，本发明提供了一种包括风力涡轮机和机载风能系统的风力设备，所述风力涡轮机包括放置在风力涡轮机站点的底座上的塔架，所述风力涡轮机还包括安装在所述塔架上的至少一个机舱，并且针对各机舱包括联接至所述机舱并且绕旋转轴线旋转的转子，所述转子连接至发电机以用于将旋转转子的能量转换成电网的电能，所述风力涡轮机经由输电线路电连接至电网，所述机载风能系统包括用于产生电能的单独发电机，所述机载风能系统经由线缆联接至所述风力涡轮机，并且所述单独发电机电连接至所述输电线路。

因此，本发明的风力涡轮机包括其上安装有机舱以及联接至所述机舱的转子的塔架。因此，所述风力涡轮机通过基本上以上述方式将风能转换成电能来产生电网的电能。所述风力涡轮机经由输电线路连接至电网，以便能够将所产生的电能供应给电网。

所述风力设备还包括用于产生电能的机载风能系统。所述机载风能系统经由线缆联接至所述风力涡轮机。因此，所述机载风能系统借助于所述线缆机械地附接至所述风力涡轮机。由此，不要求用于安装所述机载风能系统的单独站点。作为代替，已经分配给所述风力涡轮机的站点还可以用于容纳所述机载风能系统。这增加了每单位面积的潜在总发电量，从而可以达到大发电量，而无需清空过多区域或者防止其它用途。

“机载风能系统”在本文中被定义为包括基站以及被发射到比基站更高的高度并且能够捕获风能的部分的系统。基站和被发射到更高高度的所述部分通过线缆连接。所收集的能量以机械能的形式或者以电能的形式被传递至基站。

所述线缆可以是导电的。在这种情况下，所述线缆可以被配置为以AC电流或DC电流的形式传输电力和/或传输通信信号。作为另选例，所述线缆可以仅被配置为将所述机载风能系统机械地附接至所述风力涡轮机，但不被用于传输电流。在这种情况下，所述线缆例如可以为绳索、电线等的形式。所述线缆可以至少部分地由耐用材料制成，例如合成纤维材料，诸如在这种情况下，所述线缆例如能够应对来自所述机载风能系统的预期拉伸载荷。例如，所述线缆可以包括被合成纤维材料包围的导电芯，从而提供一种既导电又耐用的线缆。

而且，可以将至少一些基础设施用于所述风力涡轮机以及用于所述机载风能系统。这例如可以包括道路、底座、服务设备、电力线等。服务人员还可以在对所述站点进行单次保养访问期间对所述风力涡轮机和所述机载风能系统进行保养或维护，从而减少服务人员为了执行保养或维护所需的总时间。

所述机载风能系统还电连接至将所述风力涡轮机连接至电网的所述输电线路。因此，由所述机载风能系统产生的电能经由该输电线路被供应给电网。这是有利的，因为由此所述机载风能系统可以使用所述输电线路的未被所述风力涡轮机利用的任何容量。这允许更大程度地利用所述输电线路的容量，从而可能增加该站点的总发电量。另外，可以获得更稳定的发电量水平。而且，在一些情况下，所述风力涡轮机可能减载运行，即，所述风力涡轮机的发电量可能故意被降低，作为代替，可以允许增加所述机载风能系统的发电量。这减少所述风力涡轮机的磨损，增加所述风力涡轮机的预期寿命，而不减少所述站点的总发电量。

所述机载风能系统包括至少一个单独发电机。因此，所述机载风能系统借助于所述单独发电机产生电能，随后以适当方式将源自所述机载风能系统的电能供应至所述输电线路。因此，源自所述风力涡轮机的电能借助于所述风力涡轮机发电机产生，而源自所述机载风能系统的电能借助于所述单独发电机产生，但是源自所述风力涡轮机的电能以及源自所述机载风能系统的电能均经由所述输电线路被提供给电网。

通过向所述机载风能系统提供单独发电机，可以实现由所述风力涡轮机产生电能与由所述机载风能系统产生电能不彼此干扰。在一个实施方式中，所述风力涡轮机和所述机载风能系统中的一个可以持续产生电能，而不管所述风力涡轮机和所述机载风能系统中的另一个是否已经停止产生电能(例如，由于维护)。

所述单独发电机可以是机载发电机，由此，所述机载风能系统可以包括至少一个机载发电机。根据该实施方式，所述机载风能系统的所述单独发电机是机载的，即，该单独发电机被包括在所述机载风能系统的被发射到高空的所述部分中。因此，由所述机载风能系统从风中收集的能量在高空处就被转换成电能，并且以电能的形式朝地面传递。因此，在所述机载风能系统的所述机载部分与所述风力涡轮机之间要求导电连接。例如，将所述机载风能系统机械地附接至所述风力涡轮机的所述线缆可以由导电材料制成。作为另选例，可以提供单独导电线缆。

作为另选例，所述机载风能系统可以包括位于所述基站处(例如，所述机舱中)的至少一个发电机；即，所述单独发电机可以位于所述机舱中。根据该实施方式，由所述机载风能系统从风中收集的能量以机械能的形式朝向地面被传递，并被供应给设置在所述风力涡轮机的所述机舱中的单独发电机。

作为另一另选例，所述机载风能系统的所述单独发电机可以位于任何其它适当的位置，例如处于所述风力涡轮机的塔架中或附近和/或所述底座中或附近。

所述单独发电机可以联接至所述风力涡轮机的转换器单元和/或变压器。根据该实施方式，源自所述机载风能系统的电能经由所述风力涡轮机的所述转换器和/或所述变压器提供给所述输电线路。因此，所述机载风能系统不要求单独转换器单元和/或单独变压器。这降低了所述发电设备的成本。

所述机载风能系统的所述线缆的一端可以安装在所述机舱上。在风力涡轮机中，所述机舱通常经由偏航轴承安装在所述塔架上，从而允许所述机舱相对于所述塔架执行偏航移动，以便将所述风力涡轮机叶片对准迎面而来的风。当所述机载风能系统的所述线缆安装在所述机舱上时，所述线缆并且由此所述机载风能系统在所述机舱执行偏航移动时与所述机舱一起旋转。因此，根据该实施方式，所述风力涡轮机和所述机载风能系统共享偏航系统。从而自动确保所述机载风能系统对准迎面而来的风。

而且，当将所述线缆的一端安装在所述机舱上时，与将所述线缆附接在地面处的一位置或地面附近的位置处的情形相比，减少为了将所述机载风能系统的被发射部分定位在适当高度处所要求的所述线缆的长度。这减少了重量并且降低了所述线缆的成本，特别是在所述线缆需要导电且机械耐用的情况下，因为这样的线缆既重又昂贵。

最后，将所述线缆的一端安装在所述机舱上允许改善所述机载风能系统的发射条件。例如，所述机载风能系统将更快地脱离所述风力涡轮机叶片，从而降低所述机载风能系统与所述风力涡轮机叶片之间发生碰撞的风险。而且，在所述机载风能系统的发射和/或收回期间必需停止所述风力涡轮机和/或邻近风力涡轮机的运行的情况下，可以缩减必须停止所述风力涡轮机的运行的时段。

所述机载风能系统可以经由旋转连接至所述机舱的安装基座被安装在所述机舱上。根据该实施方式，允许所述安装基座并由此所述机载风能系统相对于所述机舱执行小旋转移动。因此，即使所述机载风能系统与所述机舱一起并且借助于所述风力涡轮机的所述偏航系统大致对准迎面而来的风，也仍然可以通过使所述安装基座相对于所述机舱稍微旋转而将所述机载风能系统稍微移开该位置。例如在所述机载风能系统是包括风筝、滑翔器或类似装置的类型的情况下这是有利的，该风筝、滑翔器或类似装置跟随侧风飞行路径(呈“八”字形)，同时产生电能。

作为另选例，所述线缆可以直接安装在所述机舱上。

作为另一另选例，所述机载风能系统的所述线缆的一端可以安装至所述风力涡轮机的所述底座或塔架。根据该实施方式，所述机载风能系统不共享所述风力涡轮机的所述偏航系统。

在这种情况下，所述线缆可以经由关于所述塔架沿周向设置的轴承系统被安装。由此，允许所述机载风能系统关于所述底座或者所述风力涡轮机的所述塔架执行偏航移动，以便使所述机载风能系统对准迎面而来的风，从而所述轴承系统执行用于所述机载风能系统的单独偏航系统的功能，该轴承系统关于所述风力涡轮机的所述偏航系统独立运行。

所述轴承系统可以设置在某一高度和/或接近地面设置。在所述轴承系统设置在地面附近的情况下，所述轴承系统可以关于所述底座或者关于所述塔架的所述基座周向设置。另选地，所述轴承系统可以设置在某一高度处，即，沿着所述底座与所述机舱之间的所述塔架。

在所述风力涡轮机是多转子风力涡轮机(即，包括两个或更多个转子的风力涡轮机)的情况下，所述转子可以安装在远离所述塔架延伸的臂上。在这种情况下，所述线缆可以安装在所述塔架的完全离开所述转子的顶部处。这是非常有利的，因为所述机载风能系统与所述风力涡轮机叶片之间发生碰撞的风险非常低。

所述风力设备可以包括控制系统，所述控制系统用于根据所述风力涡轮机的运行来控制所述机载风能系统的运行。根据该实施方式，协调对所述风力涡轮机的控制和对所述机载风能系统的控制。例如，如上所述，这允许更大程度地利用所述输电线路的容量和/或可以减小所述风力涡轮机上的磨损，而不会降低所述站点的总发电量。这将在下面进一步详细描述。

控制所述风力涡轮机和所述机载风能系统的运行例如可以包括监测风向和所述风力涡轮机的偏航位置。在所述风力涡轮机的偏航位置与风向不同的情况下，所述风力涡轮机叶片以及所述机载风能系统关于迎面而来的风未被正确地定位。如果所述偏航位置与风向之间的差异变得太大，则所述机载风能系统与所述风力涡轮机的所述风力涡轮机叶片之间存在碰撞的风险。因此，当这样的差异出现时，为了避免这种碰撞，可以停止所述风力涡轮机的运行。这在预期风向发生较大和/或频繁变化的站点处特别有利。

根据第二方面，本发明提供了一种包括许多风力设备的风能场，其中，至少一个风力设备是根据本发明的第一方面的风力设备。因此，所述风能场的所述风力涡轮机中的至少一个上安装有机载风能系统。因此，所述风能场的所述站点的基础设施(包括电缆、道路、服务设备等)被更大程度地利用。而且，可以增加所述站点的总发电量，和/或可以提供站点的更稳定发电量。

可以以如下方式来运行所述风能场：所述风能场的总发电量保持在或接近特定发电量水平。例如，在所述风力涡轮机中的一个或更多个例如因保养或维护或者因失灵而停止的情况下，可以发射其它风力设备中的一个或更多个的所述机载风能系统，以便补偿被停止的风力涡轮机的缺失发电量，从而保持所述风能场的总发电量。

特别地，所述机载风能系统的所述线缆可以在远离所述风力涡轮机叶片定位的附接点处被附接至所述风力涡轮机。由此，可以避免所述线缆被所述旋转叶片缠绕。

根据第三方面，本发明提供了一种包括风力涡轮机和机载风能系统的风力设备，所述风力涡轮机包括放置在风力涡轮机站点的底座上的塔架，所述风力涡轮机还包括安装在所述塔架上的至少一个机舱，并且针对各机舱包括联接至所述机舱并且绕旋转轴线旋转的转子以用于产生电网的电能，所述风力涡轮机经由输电线路电连接至电网，所述机载风能系统被配置成产生电能并且经由所述输电线路传输所述电能，所述机载风能系统经由线缆联接至所述风力涡轮机，其中，所述线缆在附接点处附接至所述风力涡轮机，所述附接点独立于所述转子的旋转。

通过将所述机载风能系统附接在独立于所述风力涡轮机的转子的旋转的附接点处，由所述风力涡轮机产生能量和由所述机载风能系统产生能量可以彼此独立地执行。而且，可以减少或甚至避免由所述转子造成的移动与由所述机载风能系统造成的移动之间的机械干扰。

在一个实施方式中，所述机载风能系统可以机械地联接至所述风力涡轮机的传动系统。在本文中，术语“传动系统”应被解释成包括将所述风力涡轮机的转子和发电机互连的机械部分。因此，根据该实施方式，从所述机载风能系统的被发射到高空的所述部分传递的能量为机械能的形式。该机械能被提供给所述风力涡轮机的传动系统的适当部分，从而经由所述传动系统供应给所述风力涡轮机的发电机。例如，所述机载风能系统可以机械地联接至所述风力涡轮机的主轴或轮毂。

应注意的是，本领域技术人员将容易地认识到，结合本发明的第一方面描述的任何特征也可以与本发明的第二或第三方面相结合，结合本发明的第二方面描述的任何特征也可以与本发明的第一或第三方面相结合，以及结合本发明的第三方面描述的任何特征也可以与本发明的第一或第二方面相结合。

在一个实施方式中，所述风力设备可以包括控制结构，所述控制结构被配置成控制所述机载风能系统的可以被发射到更高高度的所述部分的移动。应当明白，该控制结构可以形成上述方面中的任一方面的一部分。

还应明白，以下描述的用于根据所述风力涡轮机的运行来控制所述机载风能系统的运行的控制系统以及用于控制所述机载风能系统的移动的控制结构可以是两个单独系统。然而，在一个实施方式中，所述控制结构和所述控制系统中的一个可以是所述控制结构和所述控制系统中的另一个的子系统。所述控制结构和所述控制系统还可以集成在同一计算机系统中。所述控制结构和所述控制系统可以彼此独立地运行。

所述控制结构可以被配置成执行实现所述机载风能系统的旋转移动(即，绕转子轴线的360度移动)的预定移动模式。所述旋转移动可以是均匀的，意味着与先前的旋转相同，或者可以是不均匀的；即，每个旋转可能跟随与先前旋转不同的另一路径。所述旋转例如可以圆形、椭圆形、波形等，同时仍然形成旋转移动。

所述风力涡轮机的转子可以限定旋转平面；即，叶片旋转的平面。所述旋转平面可以限定沿着所述旋转轴线轴向延伸的大致锥形流动区域，其中，所述锥形流动区域的外周由所述风力涡轮机叶片尖端来限定，以使所述流动区域的径向尺寸至少与所述叶片的长度相同。可以控制所述机载风能系统的移动，使得所述旋转移动在所述流动区域之外。

可以控制所述移动，使得从所述锥形流动区域的外周到所述机载风能系统的距离小于所述锥形流动区域的半径的百分之十。通过这种控制，所述机载风能系统的能量产生可能因叶片所造成的特定流动条件而增加。

在一个实施方式中，所述旋转移动可以是大致圆形的。

而且，所述控制结构可以被配置成控制所述旋转移动与所述转子的旋转同步，从而所述机载风能系统可以跟随所述叶片的移动。

根据第四方面，本发明提供了一种控制风力设备的运行的方法，所述风力设备包括风力涡轮机和机载风能系统，所述风力涡轮机包括放置在底座上的塔架，所述风力涡轮机还包括安装在所述塔架上的至少一个机舱，并且针对各机舱包括联接至所述机舱的转子，所述转子连接至发电机以用于将旋转转子的能量转换成电网的电能，所述风力涡轮机经由输电线路电连接至电网，所述机载风能系统包括用于产生电能的单独发电机，所述方法包括以下步骤：根据所述风力涡轮机的运行来控制所述机载风能系统的运行。

应注意的是，本领域技术人员将容易地认识到，结合本发明的第一方面描述的任何特征也可以与本发明的第二或第三或第四方面相结合，结合本发明的第二方面描述的任何特征也可以与本发明的第一或第三或第四方面相结合，结合本发明的第三方面描述的任何特征也可以与本发明的第一或第二或第四方面相结合，以及结合本发明的第四方面描述的任何特征也可以与本发明的第一或第二或第三方面相结合。

根据本发明的第四方面所述的方法是一种控制包括风力涡轮机和机载风能系统的类型的风力设备的运行的方法。因此，所述风力设备可以是根据本发明的第一或第三方面的风力设备。因此，上面阐述的评论在这里同样适用。

根据本发明的第四方面的方法，根据所述风力涡轮机的运行来控制所述机载风能系统的运行。由此，可以按允许充分利用或至少更大程度地利用将所述风力涡轮机连接至电网的所述输电线路的潜在容量的方式来控制所述机载风能系统的运行，特别是在所述风力涡轮机的发电量低于标称发电量的情况下。而且，可以控制所述机载风能系统的运行，以便从所述风力涡轮机和所述机载风能系统向电网提供更稳定的总电力供应。

应注意的是，所述风力涡轮机的发电量以及所述机载风能系统的发电量是可控的。由此，可以通过源自所述风力涡轮机的发电量和源自所述机载风能系统的发电量的多种分配，获得来自所述系统的给定总电力输出。这提供了非常灵活的系统，在该系统中，所述风力涡轮机的发电量和所述机载风能系统的发电量皆可以按实现其它目的的方式来选择，只要获得期望的总发电量即可。

例如，在所述风力涡轮机的发电量低于额定功率的低风速下，可以控制所述机载风能系统，以从所述机载风能系统获得最大发电量，以便增加总发电量。随着所述风力涡轮机的发电量接近额定功率，可以逐渐降低所述机载风能系统的发电量，以便确保总发电量不超过与所述风力涡轮机的额定功率相对应的水平。

另选地或者另外地，在所述风力涡轮机上的负载相对较高的情况下，可以使所述风力涡轮机故意减载运行，并增加所述机载风能系统的发电量。从而减少所述风力涡轮机的磨损，并且可以增加所述风力涡轮机的寿命。这例如在接近额定风速的风速下是相关的，在这样的风速下，变桨系统上的负载通常很高。

类似地，可能存在所述机载风能系统的运行可能导致对所述机载风能系统造成损坏或过载的风险，但可以存在所述风力涡轮机在没有此类风险的情况下运行的情形。在这种情况下，所述机载风能系统可能减载运行或停止，而所述风力涡轮机正常运行。

另选地或者另外地，通过发射所述机载风能系统，总发电量可以简单地增加到所述风力涡轮机的额定功率之上。然而，这要求将所述风力涡轮机连接至电网的所述输电线路设计为应对这种增加的功率水平。

可以例如通过控制所述风力涡轮机叶片的桨距角或者通过经由转换器控制转速来控制所述风力涡轮机的发电量。

当所述风力涡轮机的发电量低于所述风力涡轮机的额定功率时，可以发射所述机载风能系统。根据该实施方式，当所述风力涡轮机的发电量低于额定功率或者标称功率水平时，可以假定未完全利用将所述风力涡轮机连接至电网的所述输电线路的容量。而且，供应给电网的所述功率水平低于额定功率水平或者标称功率水平。

因此，当这种情况出现时，发射所述机载风能系统，从而使得所述机载风能系统产生电能并经由所述输电线路将该电能提供给电网。从而增加了所述风力涡轮机和所述机载风能系统两者的总发电量，例如足以达到所述风力涡轮机的标称发电量水平。由此，所述输电线路的潜在容量被完全或几乎完全利用，并且确保到电网的大致恒定电力供应。

另选地或者另外地，可以在低于特定风速上限阈值的风速下，发射所述机载风能系统。在这种情况下，可以将所述风速上限阈值选择为所述风力涡轮机的发电量达到额定发电量水平或标称发电量水平的风速。

类似地，当所述风力涡轮机的发电量达到所述风力涡轮机的额定功率时，可以收回所述机载风能系统。在这些情况下，可以预期的是，所述风力涡轮机的发电量足以完全利用所述输电线路的容量，因此不要求来自所述机载风能系统的额外发电量。

另选地或者另外地，在高于预定风速上限阈值的风速下，可以收回所述机载风能系统。在这种情况下，所述预定风速上限阈值可以是所述风力涡轮机的发电量达到额定发电量水平的风速。

在所述机载风能系统的发射和/或收回期间，可以停止所述风力涡轮机的运行。当停止所述风力涡轮机的运行时，承载风力涡轮机叶片的转子停止旋转。因此，最小化在所述机载风能系统的发射和/或收回期间所述机载风能系统的所述线缆与所述风力涡轮机叶片碰撞的风险。从所述风力涡轮机叶片移动至所述机载风能系统与所述风力涡轮机叶片之间发生碰撞的风险被最小化的位置的意义上来说，风力涡轮机例如停止，转子处于最佳位置。例如，在所述风力涡轮机包括三个风力涡轮机叶片的情况下，所述转子可以停止在以下位置：所述风力涡轮机叶片中的一个指向下方，而其余两个风力涡轮机叶片沿倾斜方向向上延伸。这在两个向上延伸的风力涡轮机叶片之间留有一区域，在该区域中可以发射或收回所述机载风能系统而不会与所述风力涡轮机叶片发生碰撞。

附图说明

现在参照附图对本发明进行更详细描述，其中

图1至图3例示了根据本发明的三个实施方式的风力设备，

图4和图5是根据本发明的实施方式的在风力设备中使用的两个机载风能系统的立体图，

图6至图9例示了根据本发明的四个实施方式的风力设备，

图10和图11例示了根据本发明的实施方式的风力设备的运行，

图12是例示根据本发明的实施方式的与风力设备有关的电力输出和推力的曲线图，

图13例示了根据本发明的实施方式的机载风能系统在风力涡轮机上的安装，

图14和图15例示了根据本发明的两个实施方式的风能场，

图16例示了根据本发明的实施方式的风力设备到电网的电连接，

图17例示了根据本发明的六个实施方式的风力涡轮机和机载风能系统的运行，

图18和图19例示了根据本发明的两个实施方式的包括多转子风力涡轮机的风力设备，

图20和图21例示了根据本发明的实施方式的包括多转子风力涡轮机的风力设备的运行，

图22是例示根据本发明的实施方式的用于控制风力设备的运行的方法的流程图，

图23例示了根据本发明的实施方式的风力设备，以及

图24例示了图23所示的风力设备的运行。

具体实施方式

图1例示了根据本发明的实施方式的风力涡轮机1。风力涡轮机1包括塔架2和安装在塔架2上的机舱3。转子4按以下方式联接至机舱3：当风作用于安装在转子4上的风力涡轮机叶片(未示出)时，允许转子4相对于机舱3旋转。

转子4连接至主轴5，并且转子4的旋转移动由此被传递至主轴5。主轴5依次经由齿轮系统(未示出)联接至发电机(未示出)。由此，借助于发电机将主轴5的旋转移动变换成电能。

将机载风能系统(未示出)经由线缆6联接至风力涡轮机1。通过将线缆6缠绕在围绕主轴5设置的部件7上而将该线缆6机械地联接至主轴5。因此，抽出或取回线缆6使部件7旋转。该旋转可以被传递至主轴5，从而增加主轴5的转速，并对应地增加发电机的能量产生。这允许最大程度地利用将发电机连接至电网的输电线路的容量，特别是在风力涡轮机1的能量产生例如因低风速而较低的情况下。

线缆6可以借助于机载风能系统的移动被抽出和取回，在这种情况下，该线缆可以为风筝的形式。这将在下面进一步详细描述。根据该实施方式，由机载风能系统产生的能量以机械能的形式被传递至风力涡轮机1。

图2例示了根据本发明的实施方式的风力涡轮机1。该风力涡轮机1类似于图1的风力涡轮机1，因此这里将不再详细描述。在图2中，示出了风力涡轮机1的齿轮系统8和发电机9。

在图2的实施方式中，线缆6缠绕在部件7上，该部件7经由旋转轴10与齿轮系统8联接。因此，将通过抽出或取回线缆而造成的部件7的旋转移动传递至齿轮系统8，从而增加了发电机9的输入轴的转速。因此，增加了发电机9的能量产生，这与上面参照图1描述的情形相似。因此，在图2的实施方式中，由机载风能系统产生的能量也以机械能的形式被传递至风力涡轮机1。

图3例示了根据本发明的实施方式的风力涡轮机1。该风力涡轮机1类似于图1和图2两者的风力涡轮机1，因此这里将不再详细描述。

在图3的实施方式中，将线缆6电连接至风力涡轮机1的变压器11。变压器11还连接至风力涡轮机1的发电机(未示出)。因此，由机载风能系统产生的能量以电能的形式被传递至风力涡轮机1，因此线缆6需要为导电的。

因此，还在该实施方式中，将风力涡轮机1连接至电网的输电线路的容量可以被更大程度地利用。

图4是根据本发明的实施方式的在风力设备中使用的为风筝12形式的机载风能系统的立体图。风筝12捕捉风并由此移动。这使得附接至风筝12的线缆6被抽出或取回，从而产生机械能。将该机械能以适当方式传递至风力涡轮机。例如，可以将该机械能传递至风力涡轮机的传动系统，例如，传递至如上参照图1和图2描述的齿轮系统的主轴。另选地，可以将该机械能传递至单独发电机，该单独发电机又电联接至风力涡轮机的电气组件，例如电联接至如上参照图3描述的变压器，或者电联接至转换器单元。

图5是根据本发明的实施方式的在风力设备中使用的为滑翔器13(有时也称为麻卡尼(Makani))形式的另选机载风能系统的立体图。滑翔器13设置有五个转子14，每个转子都能够从风中提取能量并产生电能。将所产生的电能例如以上面参照图3描述的方式借助于导电线缆(未示出)传递至风力涡轮机。

图6例示了图4的风筝12的运行。可以看出，风作用于风筝12并使该风筝沿着移动模式移动。例如，风筝12可以沿着大致线性路径被抽出，随后在沿着具有如虚线所示的八字形形状的移动模式移动时被收回。在风筝12的线性移动期间，可以将机械能传递至设置在附接点15处的部件，从而导致例如以上面参照图1至图3描述的方式来产生电能。在风筝12的随后收回期间，可能会消耗能量。然而，预期消耗的能量小于在风筝12的线性移动期间产生的能量。

应注意到，即使图6示出了风筝12直接连接至底座16，该风筝12也可以另选地例如以图1至图3中的任一个所示的方式连接至风力涡轮机。

图7例示了图5的滑翔器13的运行。可以看出，风作用于滑翔器13并使该滑翔器沿着如虚线所示的大致圆形的移动模式移动。滑翔器13的这种移动导致转子14的旋转，从而产生电能。该电能经由导电线缆6被传递至设置在附接点15处的适当电气组件，例如变压器或转换器单元。

应注意到，即使图7示出了滑翔器13直接连接至底座16，该滑翔器13也可以另选地例如以图1至图3中的任一个所示的方式连接至风力涡轮机。

图8例示了根据本发明的实施方式的风力设备。图8a是风力涡轮机1的侧视图，图8b是风力涡轮机1沿线B-B的截面图。风力涡轮机1包括：塔架2、安装在塔架2上的机舱3以及可旋转地联接至机舱3的承载一组风力涡轮机叶片17的转子4。

为风筝12形式的机载风能系统经由线缆6并且经由关于塔架2沿周向设置的轴承系统18联接至风力涡轮机1的塔架2。这允许线缆6与轴承系统18之间的附接点19绕塔架2的中心轴线旋转，从而根据风向相对于风力涡轮机1定位风筝12。因此，轴承系统18提供了机载风能系统的单独偏航系统，该轴承系统独立于风力涡轮机1的偏航系统运行。

图9例示了根据本发明的实施方式的风力设备。图9a是风力涡轮机1的侧视图，图9b是风力涡轮机1沿线B-B的截面图。图9的风力涡轮机1与图8的风力涡轮机非常相似，因此这里将不再详细描述。然而，在图9的实施方式中，机载风能系统为滑翔器13的形式，并且线缆6是导电的。

图10例示了根据本发明的实施方式的风力设备的运行。图10中示出了三个风力涡轮机1，每个风力涡轮机都包括塔架2、机舱3以及承载一组风力涡轮机叶片17的转子4。每个风力设备还包括联接至机舱3的为风筝12形式的机载风能系统。由此，风筝12在各自机舱3相对于各自塔架2执行偏航移动时沿着各自机舱3旋转，以便将风力涡轮机叶片17对准迎面而来的风。因此，确保了风筝12在背离风筝联接到的风力涡轮机1的风力涡轮机叶片17的方向上被发射。这降低了线缆6与风力涡轮机叶片17之间发生碰撞的风险。

而且，风筝12以如下方式被发射：风筝12设置在邻近风力涡轮机1上方，从而降低了风筝12与邻近风力涡轮机1之间发生碰撞的风险。

可以看出，风筝12被发射到远高于风力涡轮机1产生的尾流的高度。而且，预期在该高度处盛行的风速通常高于在风力涡轮机1的转子4的高度处盛行的风速。这样可以很好地利用风力涡轮机1的站点处的可用风，从而与机载风能系统未联接至风力涡轮机1的情形相比，可以增加所述站点的总能量产生。

风筝12能够沿着指定移动路径移动，例如，如上参照图6描述的。由此产生机械能并将该机械能传递至相应风力涡轮机1。在这里，可以将该机械能传递至风力涡轮机1的传动系统，例如，如上参照图1和图2所描述的。另选地，可以将该机械能供应给设置在机舱3中的单独发电机，并且可以将由该单独发电机产生的电能以上面参照图3描述的方式供应给风力涡轮机1的适当电气组件，诸如变压器或转换器单元。

图11例示了根据本发明的实施方式的风力设备的运行。图11的风力涡轮机1与图10的风力涡轮机非常相似，因此这里不再对它们进行更详细描述。

然而，在图11的风力设备中，机载风能系统为滑翔器13的形式。滑翔器13能够沿着指定移动路径移动，例如，如上参照图7描述的。由此，滑翔器13的转子14产生电能，并且将所产生的电能经由导电线缆6传递至相应机舱3。这里，可以将该电能以上面参照图3描述的方式供应给风力涡轮机1的适当电气组件，诸如变压器或转换器单元。

图12是例示根据本发明的实施方式的与风力设备有关的电力输出和推力的曲线图。虚线20表示作为风速(v)的函数的来自风力涡轮机的电力输出(P)。实线21表示作为风速(v)的函数的风力涡轮机上的推力(T)。在区域22内的风速下，通过将机载风能系统联接至风力涡轮机，可以增加风力设备的总电力输出，而不会增加成本或风力涡轮机的机械磨损。在区域23内的风速下，通过将机载风能系统联接至风力涡轮机，也可以增加风力设备的总电力输出。然而，在这种情况下，增加了风力涡轮机的电气部分的成本。在区域23中，可以使风力涡轮机和/或机载风能系统减载运行，以将总发电量限制到特定最大水平。例如，在增加机载风能系统的发电量的同时，可以使风力涡轮机减载运行，以便减少风力涡轮机上的负载。

图13例示了根据本发明的实施方式的机载风能系统在风力涡轮机1上的安装。图13a是风力涡轮机1的侧视图，并且图13b是风力涡轮机1的俯视图。机载风能系统经由线缆6被安装在风力涡轮机1的机舱3上。由此，机载风能系统通常在机舱3执行偏航移动时与机舱3一起旋转。然而，线缆6被附接至安装基座24，安装基座可旋转地连接至机舱3。因此，允许线缆6的附接点相对于机舱3稍微旋转。例如，当机载风能系统沿着如上参照图6和图7描述的移动模式移动时，可能要求这样做。

图14示出了根据本发明的实施方式的风能场。因此，该风能场包括许多风力设备，从上方示出了其中的九个风力设备。每个风力设备都包括风力涡轮机和为风筝12形式的机载风能系统，该风筝12借助于线缆6附接至风力涡轮机1的机舱3。迎面而来的风的方向由箭头25指示。可以看出，风力涡轮机1的机舱3均已经偏航至转子4对准迎面而来的风25的位置。还可以看到，所有风筝12都沿着迎面而来的风25的方向在远离相应风力涡轮机1的方向上被发射。还可以看到，风筝12沿着它们的移动模式处于不同位置。因此，风筝12不需要以同步方式运行。

图15示出了根据本发明的实施方式的风能场。图15的风能场与图14的风能场非常相似，因此这里将不再详细描述。然而，在图15的风能场中，机载风能系统为滑翔器13的形式。

图16例示了根据本发明的实施方式的风力设备到电网的电连接。图16示出了根据本发明的实施方式的四个风力设备，其中每个风力设备都包括风力涡轮机1和为风筝12形式的机载风能系统。风力涡轮机1设置在风能场中，该风能场还包括未联接机载风能系统的许多风力涡轮机la，示出了其中的四个风力涡轮机。

风力涡轮机1、1a均经由相应输电线路27连接至变电站26。每条输电线路的最大容量为3400kVa。在一些风力条件下，风力涡轮机1、1a不能够维持利用其输电线路27的最大容量的能量产生。在这些情况下，风力设备可以发射它们的风筝12，从而增加风力设备的总能量产生。由此，更大程度地利用输电线路27的容量，并且增加了风能场的总能量产生。

应注意的是，所述风力设备中的一个或更多个的机载风能系统可以为滑翔器的形式，而不是为风筝的形式。

图17例示了根据本发明的六个实施方式的风力涡轮机和机载风能系统的运行。这些曲线图示出了作为风速的函数的发电量。实线28表示风力涡轮机的发电量，虚线29表示风力涡轮机和机载风能系统两者的总发电量。曲线28与曲线29之间的区域30表示由机载风能系统提供的对总发电量的贡献。

图17a例示了将为风筝形式的机载风能系统安装在风力涡轮机上的情形。机载风能系统在风力涡轮机的发电量低于额定功率的低风速下被发射。因此，在这些风速下增加了总发电量。然而，当风力涡轮机的发电量达到额定功率时，机载风能系统被收回，并且总发电量对应于风力涡轮机的发电量。从图17a可以看出，风筝能够以低于风力涡轮机的切入风速的风速来进行发电。

图17b例示了与图17a所示的情形相似的情形。然而，在图17b中，机载风能系统为滑翔器的形式。从图17b可以看出，由滑翔器提供的对总发电量的贡献略低于由图17a的风筝提供的贡献。而且，滑翔器的切入风速与风力涡轮机的切入风速大致相同。

图17c例示了机载风能系统为风筝形式的情形，与图17a所示情形相似。在低风速下的运行基本上为如上参照图17a所描述的那样。然而，在这种情况下，当风力涡轮机的发电量达到额定功率时，机载风能系统仍处于发射状态，由此机载风能系统继续为总发电量做出贡献，直到达到机载风能系统的切出风速为止。因此，在图17c所示的情形下，在大风速范围内，总发电量超过风力涡轮机的额定功率。这要求将风力涡轮机连接至电网的输电线路被设计成应对这种增加的发电量。

图17d例示了与图17c所示的情形相似的情形。然而，在这种情况下，机载风能系统为滑翔器的形式。可以看出，滑翔器能够继续以高于风力涡轮机的切出风速的风速进行发电。这增加了由系统发电的风速范围。

图17e例示了机载风能系统为风筝形式的情形，与图17a和图17c所示的情形相似。在低风速下的运行基本上为如上参照图17a所描述的那样。然而，在这种情况下，当风速接近风力涡轮机能够产生额定功率的风速时，使风力涡轮机减载运行，即，故意运行成提供低于额定功率的发电量。作为代替，机载风能系统仍保持发射状态，并且以如下方式被控制：风力涡轮机和机载风能系统两者的总发电量对应于风力涡轮机的额定功率。这一直持续到达到机载风能系统的切出风速为止，在该切出风速下，机载风能系统被收回并且控制风力涡轮机产生额定功率。因此，在这种情况下，总发电量在任何时间都不会超过风力涡轮机的额定功率，但由于机载风能系统在大风速范围内提供了总发电量的很大一部分，从而降低了风力涡轮机的负载。

图17f例示了与图17e所示的情形相似的情形。然而，在这种情况下，机载风能系统为滑翔器的形式。如上参照图17d所述，可以看出，滑翔器能够在高风速下发电，因此风力涡轮机保持减载运行，直到达到风力涡轮机的切出风速为止。

图18例示了根据本发明的实施方式的风力设备。风力涡轮机1包括四个转子4、每个转子4都被安装在臂31上，臂31被安装在塔架2上。因此，图18的风力涡轮机1是多转子风力涡轮机。

为风筝12形式的机载风能系统借助于线缆6被安装在塔架2的顶部处的风力涡轮机1上。由于在距塔架2一定距离处将转子4安装在臂31上，因此风力涡轮机叶片17完全离开风筝12的安装位置。因此，风力涡轮机叶片17与风筝12或线缆6之间发生碰撞的风险非常低。因此，图18的风力涡轮机1非常适于在其上安装机载风能系统。

风力设备的总发电量包括来自转子4中的每个以及来自风筝12的贡献。通过适当地控制这些组件4、12中的每个组件的发电量，可以达到给定发电量。例如，当风筝12产生最大功率时，转子4中的一个可以完全停止。

应注意到，即使图18的风力涡轮机1包括四个转子4，具有不同数量转子的多转子风力涡轮机也将落入本发明的保护范围内。特别地，具有大致设置在相同垂直高度处的两个转子4的多转子风力涡轮机是非常适当的。

图19例示了根据本发明的实施方式的风力设备。图19的风力涡轮机1与图18的风力涡轮机1非常相似，因此这里将不再详细描述。然而，在图19的风力涡轮机1中，机载风能系统为滑翔器13的形式。

图20例示了根据本发明的实施方式的风力设备的运行。图20与图10非常相似，因此这里将不再详细描述。然而，在图20中，风力涡轮机1是图18所示的类型。

图21例示了根据本发明的实施方式的风力设备的运行。图21与图11非常相似，因此这里将不再详细描述。然而，在图21中，风力涡轮机1是图19所示的类型。

图22是例示根据本发明的实施方式的用于控制风力设备的方法的流程图。该处理在步骤32开始。在步骤33，调查风力涡轮机的发电量是否低于风力涡轮机的额定功率。如果不是这种情况，则继续风力涡轮机的正常运行，并且该处理返回至步骤33以继续监测风力涡轮机的发电量。

在步骤33揭示风力涡轮机的发电量低于风力涡轮机的额定功率的情况下，这表明将风力涡轮机连接至电网的输电线路的容量未被完全利用。因此，该处理转至步骤34，在步骤34中，发射联接至风力涡轮机的机载风能系统。在开始发射机载风能系统之前，停止风力涡轮机的运行，以便避免在发射的机载风能系统与风力涡轮机的移动风力涡轮机叶片之间发生碰撞。

在步骤35，调查是否已经完成机载风能系统的发射。如果尚且不是这种情况，则风力涡轮机的运行仍保持停止，并且该处理返回至步骤35，以继续监测发射处理。

在步骤35揭示已经完成机载风能系统的发射的情况下，重新启动风力涡轮机的运行被认为是安全的。因此，该处理转至步骤36，在步骤36中，启动风力涡轮机。因此，风力设备的总发电量包括风力涡轮机本身的发电量以及机载风能系统的发电量。因此，增加了风力设备的总发电量，并且可以更大程度地利用输电线路的容量。

在步骤37，调查风力设备的发电量是否已经达到风力涡轮机的额定功率。如果不是这种情况，则继续进行风力涡轮机的运行以及机载风能系统的运行，并且该处理返回至步骤37以继续监测风力设备的发电量。

在步骤37揭示风力设备的发电量已达到风力涡轮机的额定功率的情况下，可以假定风力涡轮机本身的发电量现在足以完全利用输电线路的容量。因此，不再需要由机载风能系统提供的额外发电量。因此，该处理转至步骤38，在步骤38中，开始机载风能系统的收回。在机载风能系统的收回期间，停止风力涡轮机的运行，以便避免在机载风能系统与风力涡轮机的旋转风力涡轮机叶片之间的碰撞。

在步骤39，调查是否已经完成机载风能系统的收回。如果尚且不是这种情况，则风力涡轮机的运行仍保持停止，并且该处理返回至步骤39，以继续监测收回处理。

在步骤39揭示已经完成机载风能系统的收回的情况下，该处理转至步骤40，在步骤40中，启动风力涡轮机的运行。

最后，该处理返回到步骤32，以便监测风力涡轮机的发电量。

图23例示了根据本发明的实施方式的风力设备。该风力设备包括风力涡轮机1和机载风能系统13。风力涡轮机1包括塔架2和安装在塔架2上的机舱3。转子4按以下方式联接至机舱3：当风作用于安装在转子4上的风力涡轮机叶片17时，允许转子4相对于机舱3旋转。机载风能系统13经由线缆6联接至风力涡轮机1。

该风力设备包括控制结构(未示出)，该控制结构被配置成控制机载风能系统13的发射到更高高度的部分的移动。

该控制结构可以被配置成执行实现机载风能系统13的旋转移动(即，绕旋转轴线的360度移动)的预定移动模式。

转子4限定旋转平面41；即，叶片17旋转的平面。该旋转平面41限定轴向上沿着旋转轴线的大致锥形流动区域42，其中，该锥形流动区域的外周由风力涡轮机叶片尖端43限定。控制机载风能系统13的移动，使得旋转移动在流动区域42之外。由此，机载风能系统13的能量产生可能因叶片17造成的特定流动条件而增加。这通过V1和V4示意性地例示，其中，V1是叶片17前方的风速，V4是叶片17后方的风速，其中，V4大于V1。

图24例示了图23所示的风力设备的运行，其中，控制机载风能系统13的移动，使得该机载风能系统13的旋转移动在流动区域42(虚线所示)之外。

实施方式

本发明例如可以通过以下实施方式来覆盖：

实施方式1.一种风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机包括放置在风力涡轮机站点的底座上的塔架(2)，所述风力涡轮机(1)还包括安装在所述塔架(2)上的至少一个机舱(3)和联接至各机舱(3)的转子(4)以用于产生电网的电能，所述风力涡轮机(1)经由输电线路(27)电连接至电网，风力涡轮机(1)还包括用于产生电能的机载风能系统(12、13)，所述机载风能系统(12、13)经由线缆(6)联接至所述风力涡轮机(1)并且电连接至所述输电线路(27)。

实施方式2.根据实施方式1所述的风力涡轮机(1)，其中，所述机载风能系统(12、13)机械地联接至所述风力涡轮机(1)的传动系统。

实施方式3.根据实施方式1或2所述的风力涡轮机(1)，其中，所述机载风能系统(12、13)包括至少一个单独发电机。

实施方式4.根据实施方式3所述的风力涡轮机(1)，其中，所述机载风能系统(13)包括至少一个机载发电机。

实施方式5.根据实施方式3所述的风力涡轮机(1)，其中，所述机载风能系统(12、13)包括位于所述机舱(3)中的至少一个发电机。

实施方式6.根据实施方式3至5中的任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述单独发电机联接至所述风力涡轮机(1)的转换器单元和/或变压器(11)。

实施方式7.根据前述实施方式中的任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述机载风能系统(12、13)的所述线缆(6)的一端安装在所述机舱(3)上。

实施方式8.根据实施方式7所述的风力涡轮机(1)，其中，所述机载风能系统(12、13)经由旋转连接至所述机舱(3)的安装基座(24)被安装在所述机舱(3)上。

实施方式9.根据实施方式1至6中的任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述机载风能系统(12、13)的所述线缆(6)的一端被安装至所述底座或所述风力涡轮机(1)的塔架(2)。

实施方式10.根据实施方式9所述的风力涡轮机(1)，其中，所述线缆(6)经由关于所述塔架(2)沿周向设置的轴承系统(18)被安装。

实施方式11.根据实施方式10所述的风力涡轮机(1)，其中，所述轴承系统(18)被设置在某一高度处和/或地面附近。

实施方式12.根据前述实施方式中的任一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机(1)包括控制系统，所述控制系统用于根据所述风力涡轮机的运行来控制所述机载风能系统(12、13)的运行。

实施方式13.一种包括许多风力涡轮机(1)的风能场，其中，至少一个风力涡轮机(1)是根据前述实施方式中的任一项所述的风力涡轮机(1)。

实施方式14.一种用于控制风力涡轮机(1)的运行的方法，所述风力涡轮机(1)包括放置在底座上的塔架(2)，所述风力涡轮机(1)还包括经由偏航轴承安装在所述塔架(2)上的至少一个机舱(3)和联接至每个机舱(3)的转子(4)以用于产生电网的电能，所述风力涡轮机(1)还包括用于产生电能的机载风能系统(12、13)，所述方法包括以下步骤：根据所述风力涡轮机的运行来控制所述机载风能系统(12、13)的运行。

实施方式15.根据实施方式14所述的方法，其中，当所述风力涡轮机(1)的发电量低于所述风力涡轮机(1)的额定功率时，发射所述机载风能系统(12、13)。

实施方式16.根据实施方式14或15所述的方法，其中，当所述风力涡轮机(1)的发电量达到所述风力涡轮机(1)的额定功率时，收回所述机载风能系统(12、13)。

实施方式17.根据实施方式14至16中的任一项所述的方法，其中，在高于预定风速上限阈值的风速下收回所述机载风能系统(12、13)。

实施方式18.根据实施方式14至17中的任一项所述的方法，其中，在所述机载风能系统(12、13)的发射和/或收回期间停止所述风力涡轮机(1)的运行。