可变翼展风筝风力机的制作方法

本发明涉及利用自然环境中的流体动能产生往复机械运动的原动机技术领域，特别是涉及一种可变翼展风筝风力机。

背景技术：

风能是以空气为工质将太阳能转换为流体动能的可再生清洁能源。目前，风能利用主要集中在风力发电领域，一些能源工业发达国家的风力发电量已逾发电总量的30％。由于在地球大气对流层内，风能的密度及持续性普遍与距地表高度正相关，因而风能转换高度是目前影响风力发电能力的经济性、稳定性的首要非自然因素。但受工程和/或经济的能力制约，以固定在地面的刚性杆、塔顶端的水平轴风力涡轮机为代表的当前主流技术产品，其风能转换高度普遍在距地表高度200m以下。

为突破风能转换高度的成本制约，以便在更广泛的地域范围内获取更廉价的风能，基于系留飘飞装置的高空风力发电技术备受关注。其核心目的是：利用缆索在长度和抗拉强度方面突出的性价比，显著增加风能转换高度，并同时向地面传递机械动能或电能。其技术方法主要分为：通过系留缆索的收放传递动能的飞行风力机，通过系留缆索传递电能的飞行/漂浮发电机。虽然，由于风载的单向性，使单一的飞行风力机只能通过拖曳系留缆索驱动系留缆索卷筒沿释放系留缆索方向单向转动，系留缆索的回收则需借助地面提供的收卷动力，但相对简单的轻质结构使飞行风力机较飞行发电机具有成本、工期和安全性优势，因而基于轻质非刚性滑翔翼的飞行风力机在欧洲已开始规模化实验。由于飞行风力机最初包含了传统板式风筝的滞空机理，因而相关的风力发电方法被习惯性的称为“风筝发电”。

传统板式风筝基于系留缆索的柔性约束、平面风阻结构的对称性及其质心/形心各自分别相对于系留点和系留缆索中心线的位置所产生的力矩，通过系留缆索仰角的自适应变化，使其风载与包括系留缆索滞空段在内的所有滞空质量形成力矩平衡，并以即时负反馈方式自持纠偏，因而其平衡自持稳定；这不仅使其平面风阻结构因系留缆索的仰角而获得滞空高度，也使其仅以缆索收放控制即可改变系留缆索的长度；这种基于结构的滞空可靠性、简捷的控制及时间、空间、结构、质量、力学等方面的效费比，至今仍是预期往复式飞行风力机(尤其是往复式风筝风力机)具有先进性的依据。但也正是因系留缆索的稳态张力变化基于力矩平衡而与系留缆索的摆动相关，使其不适应具有“变向变载”特征的一维往复做功运动对系留缆索稳态张力即时受控变化的需求。

针对传统板式风筝的机理性缺陷，现有飞行风力机基于非对称翼型的飞行器沿球坐标系内单向循环轨迹的受控飞行，通过以飞行速度为主、以结构风阻为辅产生的牵引力实现系留缆索的张力受控变化及其与长度变化的时序相关。但首先，该技术必须由一台自动驾驶仪实时测控迎风角、侧风角、航向、航速、航程历时、缆索长度、缆索张力等多个独立参数，既增加了控制的复杂性和成本，又使其行程效率和空间利用率低于仅需缆索长度变化所对应的预期目标；其次，受限于响应延迟而必须与飞行器近距离随行的自动驾驶仪，将同样面临馈电缆索或空中发电等能源供给难题；更为堪忧的机理隐患是：由于运动中的滞空姿态完全受优先级最高的随行自动驾驶仪控制，因而其滞空可靠性无法同传统板式风筝一样仅基于结构完整性。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种可变翼展风筝风力机，旨在以传统板式风筝的滞空机理及其滞空可靠性为基础，在系留缆索的稳态张力不与其摆动直接相关的前提下，通过地面主机对收卷动力的开/关控制，使系留缆索的稳态张力随其滞空端的运动方向即时产生基于风阻面积的自适应“变向变载”。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种可变翼展风筝风力机，包括：铰链帆、系留缆索组以及地面主机；铰链帆和地面主机通过系留缆索组的连接传递动力和运动；系留缆索组的柔性约束限定承受风载的铰链帆始终位于地面主机的下游；铰链帆包括基于同一对称面的张力帆和力矩帆，铰链帆基于风阻使系留端被定位的系留缆索组产生张力；张力帆包括一组轴对称可变风阻单元；在轴对称可变风阻单元的对称轴垂面内，张力帆的特征为最小包络四边形为凸筝形的轴对称平面连杆机构；且凸筝形的两相邻长边及长对角线分别对应不同的缆索，两相邻短边共同对应轴对称可变风阻单元，短对角线对应张力帆的翼展；受缆索的柔性约束限定，承受风载的轴对称可变风阻单元位于凸筝形相邻长边的下游；当凸筝形的长对角线长度因短边交点或长边交点被限定为相对低速点而变化时，张力帆的翼展及其所决定的等效风阻面积受自身风载作用产生的变化，使张力帆的风载随即变化；

力矩帆包括至少一个迎角安定结构；力矩帆的形心/质心均位于张力帆的形心所在对称轴垂面的下游；基于质心位置、风载的对称性以及系留缆索组的柔性约束，力矩帆的对称面与系留缆索组的滞空段质心重合并平行于风向；基于形心位置，通过系留缆索组的仰角自适应变化，力矩帆的风载与铰链帆、系留缆索组滞空段的自重形成力矩平衡，使铰链帆获得稳定的滞空高度；基于迎角及等效风阻面积的自适应变化，力矩帆以其风载变化抵减铰链帆的运动以及系留缆索组的滞空段长度、风速的变化对系留缆索组力矩平衡的影响；地面主机包括直立筒轴、转台、负载缆索卷筒、控制缆索卷筒、缆索导向机构、从动机、收卷机、两个单向联动变速轮、两组缆索长度检测单元以及两组缆索张力检测单元；转台安装在直立筒轴上并以其中心线为旋转轴线；负载缆索卷筒和控制缆索卷筒均安装在转台上；从动机和收卷机均安装在转台上，并分别通过安装在各自转轴上的单向联动变速轮与负载缆索卷筒、控制缆索卷筒形成轮缘传动；单向联动变速轮分别以不同的轮径适应从动机、收卷机对传动比的要求；缆索导向机构沿转台半径方向安装在转台上并离心偏置；缆索导向机构包括轮轴架和两组导向轮组；两组导向轮组分别安装在轮轴架上；两组缆索长度检测单元和两组缆索张力检测单元均分别安装在两组导向轮组中；系留缆索组至少包括负载缆索和控制缆索；负载缆索在负载缆索卷筒上卷绕后，其系留端固定在负载缆索卷筒上，其滞空端穿过一组导向轮组后与张力帆中对应凸筝形短边交点的结构连接；控制缆索在控制缆索卷筒上卷绕后，其系留端固定在控制缆索卷筒上，其滞空端穿过另一组导向轮组后与张力帆中对应凸筝形长边交点的结构连接；受连接的位置和/或结构限定，系留缆索组的中心线始终与张力帆的形心重合；

受结构和/或控制的限定，负载缆索卷筒与控制缆索卷筒的联动位置取决于转动方向；受单向联动变速轮基于结构的限定，负载缆索卷筒只能沿释放缆索方向驱动从动机，否则其输出侧空载；控制缆索卷筒只能沿回收缆索方向受收卷机驱动，否则其输入侧空载；基于缆索导向机构将位于缆索绕组最小包络圆上的等效系留点沿转台半径方向的离心偏置，铰链帆的风载相对于转台的旋转轴线所产生的力矩驱动转台产生自适应转动，使其旋转轴线始终保持与系留缆索组的中心线共面；缆索长度检测单元和缆索张力检测单元分别在缆索的长度和/或张力达到上限或下限时，直接和/或间接控制收卷机的启/停；共同承受风载的驱动或阻尼的负载缆索卷筒和控制缆索卷筒，因结构和/或控制对联动的动力和位置的不同限定，在释放缆索时由负载缆索卷筒传递从动机的阻尼，在回收缆索时由控制缆索卷筒传递收卷机的驱动；负载缆索卷筒和控制缆索卷筒因此形成的自持相对运动，限定系留缆索组对应绝对长度同步变化的收/放过程，分别自动以负载缆索与控制缆索的相对长度的增/减为前序；当地面主机通过对收卷动力的开关控制，收/放系留缆索组时，负载缆索卷筒和控制缆索卷筒首先发生相对转动，使张力帆的翼展因自身风载作用而按“收/小、放/大”的对应关系发生变化，系留缆索组的张力随即直接产生相应的变化；直至负载缆索卷筒和控制缆索卷筒同步转动后，铰链帆或由对应张力帆最大翼展的风载驱动，克服负载缆索卷筒传递的运动阻尼沿系留缆索组中心线顺流离心运动；或由控制缆索卷筒传递的收卷动力驱动，克服对应张力帆最小翼展的风载沿系留缆索组中心线逆流向心运动。

可选地，张力帆还包括v形缆索组、轮轨式汇接滑车以及至少两组y形缆索组；轴对称可变风阻单元包括动翼铰接轴以及两张动翼；两张动翼对称铰接在动翼铰接轴上；动翼在额定载荷下形状自持；v形缆索组包括定心汇接件以及至少两根定心缆索；所有定心缆索的中心线共面；定心汇接件的中心与v形缆索组的最小包络三角形的一个顶点重合；定心汇接件为v形缆索组对外连接的点铰接端；所有定心缆索的第一端均分别按中心线重合于定心汇接件中心的形式与定心汇接件连接，第二端均分别重合在v形缆索组的最小包络三角形中与定心汇接件相对的边上，构成v形缆索组对外连接的轴铰接端组；在v形缆索组的最小包络三角形内，所有两相邻边均分别与定心缆索的中心线重合的三角形等高；y形缆索组包括一组v形缆索组以及一根转接缆索；转接缆索的中心线与v形缆索组的最小包络三角形共面；转接缆索的第一端按中心线重合于v形缆索组的定心汇接件中心的形式与v形缆索组的定心汇接件连接；转接缆索的第二端为y形缆索组对外连接的点铰接端；v形缆索组的轴铰接端组为y形缆索组对外连接的轴铰接端组；y形缆索组以不同长度的转接缆索对应张力帆中不同连接部位的点线间距；动翼铰接轴与一组v形缆索组的轴铰接端组连接；v形缆索组的点铰接端与负载缆索的滞空端连接；动翼在平行于动翼铰接轴的另一侧与至少一组y形缆索组的轴铰接端组分别连接，y形缆索组的点铰接端与轮轨式汇接滑车同侧连接；控制缆索的滞空端连接在轮轨式汇接滑车上；轮轨式汇接滑车始终以负载缆索为其往复运动的导轨；受v形缆索组、y形缆索组以及轮轨式汇接滑车的共同限定，轴对称可变风阻单元的形心始终与系留缆索组的中心线重合。

可选地，力矩帆还包括弹性偏转轴和顺风安定结构；顺风安定结构始终与张力帆保持对称面重合；顺风安定结构上有轴座，其中心线位于顺风安定结构的质心上游，且垂直于顺风安定结构的对称面，轴座用于安装弹性偏转轴；顺风安定结构和弹性偏转轴的质心均位于张力帆的形心所在对称轴垂面的下游；弹性偏转轴上连接的两个迎角安定结构在顺风安定结构两侧保持对称，其形心/质心均位于弹性偏转轴的下游；迎角安定结构的初始迎角、转角范围由弹性偏转轴的结构及安装限定；迎角安定结构的形状自持且能在其最大平面的法向产生与其所受风载对应的弯曲；力矩帆通过迎角及等效风阻面积的自适应变化，抵减铰链帆的运动以及系留缆索组的长度、风速的变化对系留缆索组力矩平衡的影响。

可选地，地面主机还包括回差联轴器以及两个变速器；回差联轴器和变速器均安装在转台上；两个变速器的高速轴分别与负载缆索卷筒和控制缆索卷筒连接；回差联轴器包括回差轴和从动轴；回差轴和从动轴分别与两个变速器的低速轴连接；回差轴和从动轴上均至少设有一个限位挡块；限位挡块具有两个对应转向的单向限位接触面；回差轴和从动轴通过相对转动改变限位挡块间的接触位置，形成转向相反的两种同步转动状态；受回差联轴器基于结构的限定，负载缆索卷筒和控制缆索卷筒在两种转向上形成同步转动的相对位置不同；两个联动位置的转换必须通过负载缆索卷筒和控制缆索卷筒的相对转动，由此产生的角位移量经变速器产生位移放大后对应负载缆索和控制缆索的相对长度变化。

可选地，地面主机还包括机械离合器、电控制动器、控制电动机、操纵线、操纵线卷轴以及可编程控制器；机械离合器安装在转台上，并分别与负载缆索卷筒和控制缆索卷筒连接；控制电动机、操纵线卷轴和电控制动器按轴线重合连接后安装在转台上；机械离合器的控制端通过操纵线连接操纵线卷轴；机械离合器的传动状态受控于操纵线卷轴对操纵线的收放；通电时，控制电动机驱动操纵线卷轴通过正/反向转动收/放操纵线；断电时，操纵线卷轴被电控制动器制动；受机械离合器基于状态持续时间的限定，在有限的相对位移范围内，负载缆索卷筒和控制缆索卷筒在两种转向上均可任选形成同步转动的相对位置，因而使负载缆索和控制缆索的相对长度取值具有连续性；可编程控制器根据缆索长度检测单元、缆索张力检测单元输出的模拟或数字信号，以及由可编程控制器的手动开关和/或网络接口输入的操作指令，分别控制收卷机、控制电动机和电控制动器，使地面主机的往复运动被分解为四种独立的机械联动模态，即：仅控制缆索卷筒受收卷机驱动的降载模态；控制缆索卷筒和负载缆索卷筒均受收卷机驱动的收缆模态；收卷机停止，负载缆索卷筒和控制缆索卷筒未同步转动的加载模态；收卷机停止，负载缆索卷筒和控制缆索卷筒同步转动的放缆模态。

可选地，张力帆还包括定心汇接件、轮轨式汇接滑车以及至少四组y形缆索组；轴对称可变风阻单元包括铰座翼、两张动翼以及两根动翼铰接轴；两张动翼分别通过两根动翼铰接轴对称铰接在铰座翼两侧；铰座翼和动翼在额定载荷下形状自持；y形缆索组包括一组v形缆索组以及一根转接缆索；v形缆索组包括定心汇接件以及至少两根定心缆索；所有定心缆索的中心线共面；定心汇接件的中心与v形缆索组的最小包络三角形的一个顶点重合；定心汇接件为v形缆索组对外连接的点铰接端；所有定心缆索的第一端均分别按中心线重合于定心汇接件中心的形式与定心汇接件连接，第二端均分别重合在v形缆索组的最小包络三角形中与定心汇接件相对的边上，构成v形缆索组对外连接的轴铰接端组；在v形缆索组的最小包络三角形内，所有两相邻边均分别与定心缆索的中心线重合的三角形等高；转接缆索的中心线与v形缆索组的最小包络三角形共面；转接缆索的第一端按中心线重合于v形缆索组的定心汇接件中心的形式与v形缆索组的定心汇接件连接；转接缆索的第二端为y形缆索组对外连接的点铰接端；v形缆索组的轴铰接端组为y形缆索组对外连接的轴铰接端组；y形缆索组以不同长度的转接缆索对应张力帆中不同连接部位的点线间距；动翼铰接轴与一组y形缆索组的轴铰接端组连接；两根动翼铰接轴上连接的y形缆索组的点铰接端和负载缆索的滞空端分别按中心线重合于定心汇接件中心的形式与定心汇接件连接；动翼在平行于动翼铰接轴的另一侧与至少一组y形缆索组的轴铰接端组分别连接，动翼上连接的y形缆索组的点铰接端分别与轮轨式汇接滑车同侧连接；控制缆索的滞空端连接在轮轨式汇接滑车上；轮轨式汇接滑车始终以负载缆索为其往复运动的导轨；受y形缆索组和轮轨式汇接滑车的共同限定，轴对称可变风阻单元的形心始终与系留缆索组的中心线重合。

可选地，张力帆还包括多组轴对称可变风阻单元以及多组层间缆索组；层间缆索组包括v形缆索组和y形缆索组；v形缆索组的点铰接端与y形缆索组的点铰接端连接；多组轴对称可变风阻单元通过层间缆索组沿系留缆索组中心线串接；其中，动翼铰接轴间由一组层间缆索组连接，动翼间在平行于动翼铰接轴的另一侧由至少一组层间缆索组连接；所有层间缆索组均平行于动翼铰接轴；基于轴对称可变风阻单元的形心所在的对称轴垂面，受层间缆索组基于连接位置的限定，所有轴对称可变风阻单元串接后的等效形心仍然始终与系留缆索组的中心线重合。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的可变翼展风筝风力机包括由系留缆索组连接的铰链帆、地面主机；按风阻面的形心位置对系留缆索组的张力及所受风载力矩的影响，铰链帆按对称面重合分为张力帆和力矩帆；力矩帆基于结构实现传统板式风筝的滞空机理和滞空可靠性；张力帆基于自身风载和轴对称平面连杆机构的特性，即时响应地面主机对收卷动力的开/关控制和对联动的动力及位置的限定，使其受结构限定仅与系留缆索组的张力相关的风载随铰链帆的往复运动方向自适应的“收/小、放/大”；因而使可变翼展风筝风力机的风能转换高度与风载的受控变化无关、机群阵列密度与铰链帆的运动无关、占地面积的功率容限仅取决于可变风阻面积沿系留缆索组串接后的机械可靠性。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中的单轴铰链帆为最大翼展状态的可变翼展风筝风力机示意图；

图2为本发明的一个实施例中的单轴铰链帆为最小翼展状态的可变翼展风筝风力机示意图；

图3为本发明的一个实施例中的单轴铰链帆的最大翼展状态示意图；

图4为本发明的一个实施例中的单轴铰链帆的最小翼展状态示意图；

图5为本发明的一个实施例中的力矩帆的示意图；

图6为本发明的一个实施例中的地面主机的示意图；

图7为本发明的一个实施例中的回差联轴器的第一联动状态示意图；

图8为本发明的一个实施例中的回差联轴器的第二联动状态示意图；

图9为本发明的一个实施例中的基于双稳态机械离合器数控联动的地面主机示意框图；

图10为本发明的一个实施例中的级联式单轴铰链帆为最大翼展状态的可变翼展风筝风力机示意图；

图11为本发明的一个实施例中的级联式单轴铰链帆为最小翼展状态的可变翼展风筝风力机示意图；

图12为本发明的一个实施例中的级联式单轴铰链帆的最大翼展状态示意图；

图13为本发明的一个实施例中的级联式单轴铰链帆的最小翼展状态示意图；

图14为本发明的一个实施例中的双轴铰链帆为最大翼展状态的可变翼展风筝风力机示意图；

图15为本发明的一个实施例中的双轴铰链帆为最小翼展状态的可变翼展风筝风力机示意图；

图16为本发明的一个实施例中的双轴铰链帆的最大翼展状态示意图；

图17为本发明的一个实施例中的双轴铰链帆的最小翼展状态示意图；

图18为本发明的一个实施例中的级联式双轴铰链帆为最大翼展状态的可变翼展风筝风力机示意图；

图19为本发明的一个实施例中的级联式双轴铰链帆为最小翼展状态的可变翼展风筝风力机示意图；

图20为本发明的一个实施例中的级联式双轴铰链帆的最大翼展状态示意图；

图21为本发明的一个实施例中的级联式双轴铰链帆的最小翼展状态示意图；

图中，1：单轴铰链帆；2：负载缆索；3：控制缆索；4：地面主机；5：级联式单轴铰链帆；6：双轴铰链帆；7：级联式双轴铰链帆；11：动翼铰接轴；12：动翼；13：v形缆索组；14：y形缆索组；15：定心汇接件；16：轮轨式汇接滑车；17：层间缆索组；18：铰座翼；19：力矩帆；191：迎角安定结构；192：弹性偏转轴；193：顺风安定结构；194：t形杆；401：回差联轴器；401a：回差轴；401b：从动轴；402：负载缆索卷筒；403：控制缆索卷筒；404：变速器；405：单向联动变速轮；406：从动机；407：收卷机；408：缆索导向机构；409：转台；410：直立筒轴；420：可编程控制器；421：缆索长度检测单元；422：缆索张力检测单元；423：电控制动器；424：控制电动机；425：操纵线；426：操纵线卷轴；427：机械离合器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例中的可变翼展风筝风力机包括：单轴铰链帆1、负载缆索2、控制缆索3以及地面主机4；单轴铰链帆1与地面主机4通过负载缆索2、控制缆索3连接；负载缆索2、控制缆索3始终共同承受单轴铰链帆1的风载；受柔性约束特性的限定，单轴铰链帆1始终位于地面主机4的下游；对应负载缆索2与控制缆索3由地面主机4以同步释放缆索的联动状态所限定的最小相对长度，单轴铰链帆1在自身风载作用下处于最大翼展状态；

若此时地面主机4未提供收卷动力，则单轴铰链帆1以其最大翼展所对应的风载为动力，拖曳处于同步联动状态的负载缆索2、控制缆索3，克服地面主机4的负载阻尼，沿负载缆索2、控制缆索3的滞空端中心线方向相对于地面主机4的中心轴顺流离心运动，负载缆索2、控制缆索3的滞空段长度随即同步增大；若此时地面主机4开始提供收卷动力，则控制缆索3的联动相关性由只受单轴铰链帆1的风载作用，改变为还受地面主机4的收卷动力作用；当控制缆索3的张力因此大于负载缆索2的张力时，二者因速度差异而脱离当前沿释放缆索方向基于单向限位的同步联动位置，其相对长度因而开始增大，单轴铰链帆1的翼展及其对应的风载随即开始减小；直至控制缆索3、负载缆索2沿缆索回收方向再次因单向限位而处于同步联动状态时，单轴铰链帆1达到最小翼展状态；

如图2所示，对应负载缆索2与控制缆索3由地面主机4以同步回收缆索的联动状态所限定的最大相对长度，单轴铰链帆1在自身风载作用下处于最小翼展状态；

若此时地面主机4仍在提供收卷动力，则处于同步联动状态的负载缆索2、控制缆索3共同拖曳单轴铰链帆1，克服单轴铰链帆1的最小翼展所对应的风载，沿负载缆索2、控制缆索3的滞空端中心线方向，相对于地面主机4的中心轴逆流向心运动，负载缆索2、控制缆索3的滞空段长度随即同步减小；若此时地面主机4停止提供收卷动力，则控制缆索3的联动相关性由同时受单轴铰链帆1的风载和地面主机4的收卷动力作用，改变为只受单轴铰链帆1的风载作用；当控制缆索3的张力因此远小于负载缆索2的张力时，二者因速度差异而脱离当前沿缆索回收方向基于单向限位的同步联动位置，其相对长度因而开始减小，单轴铰链帆1的翼展及其对应的风载随即开始增大；直至控制缆索3、负载缆索2沿释放缆索方向再次因单向限位而处于同步联动状态时，单轴铰链帆1达到最大翼展状态；

如图3所示，单轴铰链帆1对应动翼铰接轴11与轮轨式汇接滑车16的最小间距处于最大翼展状态；

优选地，单轴铰链帆1包括基于同一对称面的张力帆、力矩帆19，单轴铰链帆1基于风阻使系留端被定位的负载缆索2、控制缆索3同时产生张力；

本实施例中的张力帆包括一组轴对称可变风阻单元；还包括v形缆索组13、轮轨式汇接滑车16以及至少两组y形缆索组14；

本实施例中的轴对称可变风阻单元包括动翼铰接轴11、两张动翼12，两张动翼12对称铰接在动翼铰接轴11上；动翼12在额定载荷下形状自持；

优选地，动翼12采用以框或网为骨架的轻质膜/板结构；

v形缆索组13包括定心汇接件15以及至少两根定心缆索；所有定心缆索的中心线共面；定心汇接件的中心与v形缆索组13的最小包络三角形的一个顶点重合；定心汇接件15为v形缆索组13对外连接的点铰接端；所有定心缆索的第一端均分别按中心线重合于定心汇接件15中心的形式与定心汇接件15连接，第二端均分别重合在v形缆索组13的最小包络三角形中与定心汇接件15相对的边上，构成v形缆索组13对外连接的轴铰接端组；在v形缆索组13的最小包络三角形内，所有两相邻边均分别与定心缆索的中心线重合的三角形等高；

y形缆索组14包括一组v形缆索组13以及一根转接缆索；转接缆索的中心线与v形缆索组13的最小包络三角形共面；转接缆索的第一端按中心线重合于v形缆索组13的定心汇接件15中心的形式与v形缆索组13的定心汇接件15连接；转接缆索的第二端为y形缆索组14对外连接的点铰接端；v形缆索组13的轴铰接端组为y形缆索组14对外连接的轴铰接端组；y形缆索组14以不同长度的转接缆索对应张力帆中不同连接部位的点线间距；动翼铰接轴11与一组v形缆索组13的轴铰接端组连接；动翼12在平行于动翼铰接轴11的另一侧与至少一组y形缆索组14的轴铰接端组分别连接，y形缆索组14的点铰接端与轮轨式汇接滑车16同侧连接；由此构成在动翼铰接轴11垂面内的特征为“最小包络四边形为凸筝形”的轴对称平面连杆机构；

负载缆索2的滞空端穿过轮轨式汇接滑车16连接在v形缆索组13的定心汇接件15上，控制缆索3的滞空端连接在轮轨式汇接滑车16上且处于负载缆索2下方；

当风载作用使所有缆索被正常张紧时，负载缆索2、控制缆索3以及动翼铰接轴11的中心线共面并与轮轨式汇接滑车16的对称面重合；轮轨式汇接滑车16以负载缆索2为其往复运动的导轨，其相对于动翼铰接轴11的轴线的距离取决于负载缆索2、控制缆索3的相对长度；受v形缆索组13、y形缆索组14、轮轨式汇接滑车16的共同限定，轴对称可变风阻单元的形心始终与负载缆索2、控制缆索3的滞空端中心线的等距线重合；

本实施例中的张力帆由此具备的机构学特性是：当负载缆索2、控制缆索3所受地面主机4的作用力相同时，张力帆以恒定的翼展沿其风载与地面主机4作用力的合力方向运动；当负载缆索2、控制缆索3所受地面主机4的作用力不同时，若控制缆索3的张力大于负载缆索2的张力，则因对应凸筝形两相邻长边交点的轮轨式汇接滑车16相对动翼铰接轴11的低速，使单轴铰链帆1的翼展减小；若控制缆索3的张力小于负载缆索2的张力，则因对应凸筝形两相邻短边交点的动翼铰接轴11相对轮轨式汇接滑车16的低速，使单轴铰链帆1的翼展增大；在此过程中，张力帆的凸筝形结构特征使其风载对翼展的响应具有正反馈方式，且仅在风载趋于地面主机4的最小动阻尼时开始钝化；而张力帆的形心与负载缆索2、控制缆索3的滞空端中心线的位置关系，使负载缆索2、控制缆索3的稳态张力无需通过二者的摆动即可实时受控变化；

如图4所示，单轴铰链帆1对应动翼铰接轴11与轮轨式汇接滑车16的最大间距处于最小翼展状态；

如图5所示，本实施例中的力矩帆19包括顺风安定结构193、弹性偏转轴192以及两个迎角安定结构191；

优选地，顺风安定结构193固定连接在动翼铰接轴11的下游端并始终与张力帆保持对称面重合；顺风安定结构193上有中心线与其对称面垂直的轴座，用于安装弹性偏转轴192；顺风安定结构193、弹性偏转轴192的质心始终位于张力帆的形心所在动翼铰接轴11垂面的下游；弹性偏转轴192上连接的两个迎角安定结构191在顺风安定结构193两侧保持对称，其形心/质心均处于弹性偏转轴192的下游；迎角安定结构的初始迎角、转角范围由弹性偏转轴的结构及安装限定；迎角安定结构191的形状自持且能在其最大平面的法向产生与其所受风载对应的弯曲；

优选地，迎角安定结构191采用以框或网为骨架的轻质膜/板结构；

基于张力帆的风载，当系留缆索组所受张力使其整体摆动的角速度相同时，相对于地面主机4上的等效系留点以及负载缆索2、控制缆索3的滞空端中心线的等距线，由迎角安定结构191的风载产生的力矩是单轴铰链帆1克服所有滞空质量获得滞空高度的唯一力学因素；因此，单轴铰链帆1的滞空性能及其可靠性、稳定性取决于迎角安定结构191的等效风阻面积和形心位置；此外，受单轴铰链帆1顺流离心/逆流向心运动所产生的附加风载作用，迎角安定结构191的迎角沿使其风载增/减的方向产生自适应变化，反之亦然；其等效风阻面积基于频响特性更高的弹性应变以负反馈方式即时响应风速瞬变；因此，迎角安定结构191能以其迎角、平面风阻结构的自适应变化，抵减单轴铰链帆1的运动以及系留缆索组长度、风速的变化对系留缆索组力矩平衡的影响；

基于公知的技术原理，力矩帆19的质心、顺风安定结构193的风载相对于负载缆索2、控制缆索3的滞空端中心线的等距线的力矩，使单轴铰链帆1的对称面保持铅锤且平行于风向；

如图6所示，优选地，地面主机4包括直立筒轴410、转台409、负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403、回差联轴器401、缆索导向机构408、从动机406、收卷机407以及两个变速器404、两个单向联动变速轮405、两组缆索长度检测单元421、两组缆索张力检测单元422；转台409安装在固定于地面或移动平台的直立筒轴410上并绕其中心线转动；负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403、回差联轴器401以及两个变速器404均基于转台409中心线串装在转台409上；两个变速器404的低速轴均与回差联轴器401连接，高速轴分别与顶部的负载缆索卷筒402、底部的控制缆索卷筒403连接；缆索导向机构408沿转台409半径方向安装在转台409上并离心偏置；从动机406、收卷机407均按与转台409轴线平行状态安装在转台409上，并分别通过各自转轴上安装的单向联动变速轮405与负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403形成轮缘传动；单向联动变速轮405分别以不同的轮径适应从动机406、收卷机407对传动比的要求；缆索导向机构408包括两组导向轮组以及轮轴架；两组导向轮组分别安装在轮轴架的上下侧；两组缆索长度检测单元421、两组缆索张力检测单元422均分别安装在缆索导向机构408的两组导向轮组中；负载缆索2在负载缆索卷筒402上卷绕后将系留端固定在负载缆索卷筒402上；控制缆索3在控制缆索卷筒403上卷绕后将系留端固定在控制缆索卷筒403上；负载缆索2、控制缆索3的滞空端分别单独穿过缆索导向机构408中的上/下导向轮组后与张力帆连接；

基于缆索导向机构408将位于缆索绕组最小包络圆上的等效系留点沿转台409半径方向的离心偏置，单轴铰链帆1的风载相对于转台409的旋转轴线所产生的力矩驱动转台409产生自适应转动，使其旋转轴线始终与负载缆索2、控制缆索3的中心线的等距线保持共面；缆索长度检测单元421、缆索张力检测单元422分别在缆索的长度和/或张力达到上限或下限时，通过对供电回路的通/断控制，启/停收卷机407；受回差联轴器401基于结构的限定：负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403在两种转向上形成同步转动的相对位置不同；两个联动位置的转换必须通过负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403的相对转动，由此产生的角位移量经变速器404产生位移放大后对应负载缆索2、控制缆索3的相对长度变化；

地面主机4基于单向联动变速轮405的结构限定：负载缆索卷筒402只能沿释放缆索方向驱动从动机406，否则其输出侧空载；控制缆索卷筒403只能沿回收缆索方向受收卷机407驱动，否则其输入侧空载；因而，始终共同承受风载的驱动或阻尼的负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403，在同时沿释放缆索方向各自独立转动时的动力学特性为“驱动相同、阻尼不同”，在同时沿回收缆索方向各自独立转动时的动力学特性为“阻尼相同、驱动不同”；

基于公知的技术原理，单向联动变速轮405为基于如单向轴承或离合器的轮轴传动机构；相应的，优选但不限定收卷机407的转子具有低惯性阻尼特性；

若收卷机407沿回收缆索方向的峰值转矩大于从动机406沿释放缆索方向转动的阻尼转矩，则地面主机4的运动及其动力的特性为：当通过对收卷机407的开/关控制，收/放负载缆索2、控制缆索3时，控制缆索卷筒403的动力状态首先跃变为同时承受单轴铰链帆1的风载和地面主机4的收卷动力，或只承受单轴铰链帆1的风载；负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403因此产生的相对转动，使二者从回差联轴器401对应当前转向的联动位置向其对应另一转向的联动位置运动，负载缆索2、控制缆索3随即发生相对长度的增/减；直至负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403抵达回差联轴器401的另一个联动位置而再次开始同步转动；

如图7和图8所示，优选地，回差联轴器401包括回差轴401a和从动轴401b；优选但不限定回差轴401a套装在从动轴401b内；回差轴401a上优选但不限定设有对称的两个梯形抵接端a1、a2；从动轴401b上设有与回差轴401a的梯形抵接端形状、位置对应的梯形抵接端b1、b2；由于回差轴401a与从动轴401b沿任意转向产生一定的相对角位移后，必然因抵接端发生a1-b1/a2-b2或a1-b2/a2-b1的抵接而终止沿该方向的相对转动，因此，抵接端沿转动方向发生抵接，即为回差轴401a与从动轴401b沿此转动方向开始同步转动；这种相对的单向限位，使回差轴401a、从动轴401b必须通过不可逆的相对转动过程，才能分别在基于a1-b1/a2-b2或a1-b2/a2-b1抵接的两种同步转动状态间进行转换；受回差联轴器401基于结构对联动位置的限定，负载缆索2、控制缆索3对应绝对长度同步变化的收/放过程均以其相对长度变化为前序，因而限定单轴铰链帆1的往复运动必然首先对应运动方向产生自适应的“变向变载”。

本实施例中的可变翼展风筝风力机在单机工作状态下，优选但不限定以发电机为从动机406、以异步电动机为收卷机407；优选但不限定分别以变速器、弹性元件与行程开关构成缆索长度检测单元421、缆索张力检测单元422；优选但不限定缆索长度检测用于过程控制、缆索张力检测用于极限控制；其中，张力上限、电动机的峰值转矩是单轴铰链帆1能否可靠减载的基础，受单轴铰链帆1在最小翼展状态对应的风载限定；

本实施例中的可变翼展风筝风力机，力矩帆19基于结构实现传统板式风筝的滞空机理和滞空可靠性；张力帆基于自身风载和轴对称平面连杆机构的特性，通过其翼展对系留缆索组的相对长度变化的即时响应，以其受结构限定而仅与系留缆索组张力相关的风载变化实现系留缆索组张力的即时受控；地面主机4基于受运动方向限定的结构相关性，通过对收卷动力的开/关控制改变系留缆索组的受力状态及联动位置，使系留缆索组的相对/绝对长度以恒定的顺序产生变化；基于这种机械的自动控制，在单轴铰链帆1的往复运动中，张力帆的翼展及其相关的风载以运动方向的变化为触发条件，自适应的实现“收/小、放/大”的状态阶跃。

实施例2：

如图9所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：由可编程控制器420进行时序及状态的数控、数据及指令的联网交互；由双稳态机械离合器实现负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403间的联动；

优选地，本实施例中的双稳态机械离合器包括电控制动器423、控制电动机424、操纵线425、操纵线卷轴426以及机械离合器427；机械离合器427安装在转台409上，并按轴线重合分别与负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403连接；控制电动机424、操纵线卷轴426、电控制动器423按轴线重合连接后安装在转台409上；机械离合器427的控制端通过操纵线425连接操纵线卷轴426；机械离合器427的传动状态受控于操纵线卷轴426对操纵线425的收放；通电时，控制电动机424驱动操纵线卷轴426通过正/反向转动收/放操纵线425；断电时，操纵线卷轴426被电控制动器423制动；可编程控制器420根据缆索长度检测单元421、缆索张力检测单元422输出的模拟或数字信号，以及由可编程控制器420的手动开关和/或网络接口输入的操作指令，分别对收卷机407、控制电动机424、电控制动器423进行控制；其中，控制电动机424、电控制动器423的单稳态供电脉冲由收卷机407的开/关状态触发，以双极性脉冲对应控制电动机424的正/反转，单稳态脉冲的宽度取决于机械离合器427的状态转换时间；因此，地面主机4在往复运动中所涉及的过程状态被分解为四种独立的机械联动模态，即：仅控制缆索卷筒403受收卷机407驱动的降载模态；控制缆索卷筒403、负载缆索卷筒402均受收卷机407驱动的收缆模态；收卷机407停止，负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403未同步转动的加载模态；收卷机407停止，负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403同步转动的放缆模态。

受机械离合器427基于状态持续时间的限定，在有限的相对位移范围内，负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403在两种转向上均可任选形成同步转动的相对位置，因而使负载缆索2、控制缆索3的相对长度取值具有连续性；

本实施例中的可变翼展风筝风力机，基于可编程控制器420的数控、联网功能以及机械离合器427的状态及其持续时间的受控，张力帆的翼展不再只有“最大”、“最小”两种状态，单轴铰链帆1的做功行程中风载波动也能基于现场组态控制即时调用的加/减载过程加以抑制，使可变翼展风筝风力机通过张力伺服控制满足规模化应用中稳频、调峰和分散式组网的需求；基于可持续的机械离/合，张力帆的翼展控制功耗与加/减载过程的持续时间无关；

双稳态机械离合器同样适用于限定负载缆索卷筒402、控制缆索卷筒403的动力特性。

实施例3：

如图10至13所示，本实施例与实施例1、实施例2的不同之处在于：由级联式单轴铰链帆5实现风能转换，其张力帆具有多组轴对称可变风阻单元以及多组层间缆索组17；层间缆索组17包括v形缆索组13、y形缆索组14；v形缆索组13与y形缆索组14通过点铰接端连接；多组轴对称可变风阻单元通过多组层间缆索组17沿负载缆索2、控制缆索3的滞空端中心线的等距线方向串接；其中，动翼铰接轴11之间由一组层间缆索组17连接，动翼12之间在平行于动翼铰接轴11的另一侧由至少一组层间缆索组17连接；所有层间缆索组17均平行于动翼铰接轴11；基于轴对称可变风阻单元的形心所在的对称轴垂面，受层间缆索组17基于连接位置的限定，所有轴对称可变风阻单元串接后的等效形心仍然始终与负载缆索2、控制缆索3的滞空端中心线的等距线重合；

优选但不限定在顶层的轴对称可变风阻单元上连接有力矩帆19；力矩帆的数量可以在不小于1和不大于轴对称可变风阻单元数量的范围内任选；

由于两张相邻的动翼12与其间连接的层间缆索组17一同组成平行四边形平面连杆机构，因而级联式单轴铰链帆5的机构学特性与实施例1、实施例2中的地面主机4输出的控制特性完全兼容；

本实施例中的可变翼展风筝风力机，基于空间利用率提高占地面积的功率容限以及轴对称可变风阻单元的通用性。

实施例4：

如图14至17所示，本实施例与实施例1、实施例2的不同之处在于：由双轴铰链帆6实现风能转换，其张力帆包括由铰座翼18、两张动翼12以及两根动翼铰接轴11组成的轴对称可变风阻单元；还包括定心汇接件15、轮轨式汇接滑车16以及至少四组y形缆索组14；其力矩帆19通过t形杆194，按对称面重合的限定连接在两根动翼铰接轴11的下游端；

本实施例中的轴对称可变风阻单元的两张动翼12分别通过两根动翼铰接轴11对称铰接在铰座翼18两侧，具有与翼展无关的最小风载；铰座翼18、动翼12在额定载荷下形状自持；

优选地，铰座翼18、动翼12采用以框或网为骨架的轻质膜/板结构；

动翼铰接轴11与一组y形缆索组14的轴铰接端组连接；两组连接在动翼铰接轴11上的y形缆索组14的点铰接端、负载缆索2的滞空端分别按中心线重合于定心汇接件中心的形式与定心汇接件15连接；动翼12在平行于动翼铰接轴11的另一侧与至少一组y形缆索组14的轴铰接端组分别连接，连接在动翼12上的y形缆索组的点铰接端与轮轨式汇接滑车16同侧连接；控制缆索3的滞空端连接在轮轨式汇接滑车16上；轮轨式汇接滑车16始终以负载缆索2为其往复运动的导轨；受y形缆索组14、轮轨式汇接滑车16的共同限定，本实施例中的轴对称可变风阻单元的形心始终与负载缆索2、控制缆索3的滞空端中心线的等距线重合；由于本实施例中的张力帆在其轴对称可变风阻单元的对称轴垂面内的特征仍然为最小包络四边形为凸筝形的轴对称平面连杆机构，因而双轴铰链帆6的机构学特性与实施例1、实施例2中的地面主机4的控制特性完全兼容；

本实施例中的可变翼展风筝风力机，基于由铰座翼的风载限定的系留缆索组最小张力，消除了轴对称平面四连杆机构在翼展变化范围内的机械自锁隐患；相较轴梁结构，本实施例中的翼梁结构能基于结构增强滞空可靠性。

实施例5：

如图18至21所示，本实施例与实施例4的不同之处在于：本实施例采用级联式双轴铰链帆7作为风能转换部件；级联式双轴铰链帆7中的张力帆具有多组轴对称可变风阻单元以及多组层间缆索组17；层间缆索组17包括v形缆索组13、y形缆索组14；v形缆索组13与y形缆索组14通过点铰接端连接；多组轴对称可变风阻单元通过多组层间缆索组17沿负载缆索2、控制缆索3的滞空端中心线的等距线方向串接；其中，动翼铰接轴11之间由一组层间缆索组17连接，动翼12之间在平行于动翼铰接轴11的另一侧由至少一组层间缆索组17连接；所有层间缆索组17均平行于动翼铰接轴11；基于轴对称可变风阻单元的形心所在的对称轴垂面，受层间缆索组17基于连接位置的限定，所有轴对称可变风阻单元串接后的等效形心仍然始终与负载缆索2、控制缆索3的滞空端中心线的等距线重合；

优选但不限定在顶层的轴对称可变风阻单元上连接有力矩帆19；力矩帆的数量可以在不小于1和不大于轴对称可变风阻单元数量的范围内任选；

由于两张相邻的动翼12与其间连接的层间缆索组17一同组成平行四边形平面连杆机构，因而级联式双轴铰链帆7的机构学特性与实施例1、实施例2中的地面主机4输出的控制特性完全兼容；

本实施例中的可变翼展风筝风力机，基于空间利用率提高占地面积的功率容限以及轴对称可变风阻单元的通用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。