风筝发动机与风筝动力产生方法与流程

本发明涉及新能源动力技术领域，特别是涉及风筝发动机与风筝动力产生方法。

背景技术：

最简单的风筝，是由小棍细绳彩纸扎成的花花绿绿的儿童玩具。

大约20年前，越来越多的冲浪爱好者开始用大型风筝动力代替摩托艇拉着滑板冲浪，20平米大的风筝加上强度是钢索15倍的高科技绳索，可以让冲浪者飚出100公里开外的时速，或是飞到15米以上的空中再轻轻滑回水面。

眼下，各国科研人员正在努力赋予风筝一项新的功能——让它成为高空风力发电平台。在可预见的未来，“风电风筝”将会飞入高空，将那里更强劲、更稳定的风能“捕获”回来。

根据记载，虽然早在十九世纪初就有人用大型风筝动力来拉小火车，但直到1980年左右，才有人着手研究风筝动力发电的可能性。

开创这一领域理论研究的研究人员叫万里-劳埃德，他在加利福尼亚州的劳伦斯&middot；利弗莫尔国家实验室里计算出，如果风筝翼展能达到洛克希德c-5运输机机翼大小(68米长)，理论上从每秒10米的风力中，风筝在风中来回飞行时，就能获得兆瓦级的能量，这已能与当今大型地面风力动力输出端相提并论。

劳埃德提出两种风筝发电的方式：一是在风筝机翼上安装类似螺旋桨的涡轮机叶片，空气带动叶片旋转产生电能，然后通过导电的绳索将电能传送到地面，这种技术如今被昵称作“飞翔的动力输出端”；另一种方案是通过空中的风筝施加给控制绳索的力，带动地面设备发电。

与高塔、风车式样的传统风力动力输出端相比，这种“筝载”高空风力发电系统自有其优势：这种带绳索的飞行器能到达更高的空中，那里的风能更加强劲稳定。此外，因为不用建高塔支撑巨大的旋转叶片，这就大幅度削减了建设成本和安装时间。

与传统风电设备相比，尚处于实验室阶段的风筝发电系统还有很多难题要克服。

譬如，在这种系统中，风筝作为风能采集器将高空风能转化为机械能，同时也是保持系统稳定的平衡器，但平衡运动与做功运动相互耦合、相互影响，很难设计出平衡与做功的最佳控制模式，系统复杂，持续性和稳定性难以保障。

还要考虑安全问题，碰到雷雨天气，电站容易被“顺绳索而下”的雷电击毁。

作为全球开发精密风筝发电原型的“先驱者”之一，罗伯特-克莱顿创办的windlift公司从2005年开始开发风筝发电系统，目前他们正在陆地上使用冲浪风筝进行发电试验。

实验用的发电系统包括一个90厘米直径的滚筒和一个60千瓦动力输出端连接，风筝通过绳索拉动滚筒带动动力输出端发电，然后通过控制线使风筝释放拉力，在这个过程中反过来用电机反转滚筒并再次拉紧风筝。

现在实验面临的问题是，在再次拉紧过程中，风筝需释放所有拉力或者最好让拉力为负，即让空气把风筝向下推，但风筝只有完全收起翼展才能释放绳索大部分拉力，科研人员因此使用了一种翅膀前面有一条细长空气泡的充气风筝，用来保持翅膀形状。

即便如此，翅膀还是过于灵活，再次拉紧时难以控制。

windlift的风筝用的是更接近传统风筝的纤维翅膀，而它的部分竞争对手则研究使用刚性翅膀，这种设计思路更贵、着陆时更易损坏，但刚性翅膀比纤维翅膀更符合空气动力学，能从风中获得更多能量。

位于加利福尼亚州的makanipower公司就是这种思路的“龙头企业”之一。他们制造的大型碳复合材料风筝，配备4台带螺旋桨的动力输出端。起飞时，动力输出端作为电动机带动螺旋桨转动，作为风筝上天的动力；起飞后，产生的升力很快能让风筝不需要其他助力飞行，一旦风带来的推力和螺旋桨拉力平衡，动力输出端就开始发电。

去年，makani推出了额定功率30千瓦的风筝发电系统原型。据了解，它的最终目标是在海上部署成型的风筝发电系统，并将生产的电能接入电网。

在高空风电领域，国外科研机构拥有“先发优势”，占据着“天时地利”优势的中国，前景同样看好。

据统计，全球各大地面风力发电站的风力密度平均低于1千瓦/平方米，纽约上空急流附近风力密度可达到16千瓦/平方米，中国陆地上空万米高空处大部分地区风力密度均超过5千瓦/平方米，而浙苏鲁地区上空高空急流附近风力密度甚至达到30千瓦/平方米，为世界之最。

凭借“地利”，近年来国内也有部分企业开始涉足高空风电项目。

2009年11月，“广东高空风能技术有限公司”落户广州，公司计划利用特制大风筝，在几千米至上万米的高空，利用风能和自身重力上下升降，用产生的拉力带动地面动力输出端发电，公司制定的近期目标是：建造2兆瓦产业化样机，建设10兆瓦中高空风能发电示范电站。

该公司使用的技术叫“伞梯组合风能采集技术”，高空风能发电系统采用模块组合结构，将升力平衡系统和做功系统相互分开、分别控制。

目前，该公司已研制出高空风能发电原理样机“天风一号”，整套系统安装在一台经过改装的卡车上，正在进行放飞和发电试验。

总的说来，国内外有多家研发单位在研究、设计和实验风筝发电装置，目前还都没有进入商业化运行，其原因就是核心技术没过关，即风筝发动机的诸多问题还没有解决。

技术实现要素：

风筝发动机，它的结构包括：转轮、一级传动轴、增速器、二级传动轴、动力输出端、风筝拉绳、主力风筝。

从地面转轮到高空，风筝拉绳形成一个由上升段和下降段组成的大循环封闭曲线，在这个封闭曲线上等间距设置有多个主力风筝。

主力风筝是三角风筝，它的结构包括：竖立的中心柱、中心柱两侧风衣形成对称的两翼、两翼的外缘是左右边柱、中心柱上有三角形的牵引布；风筝拉绳与主力风筝的牵引布连接，并穿过风筝中心连接下一个主力风筝；从转轮开始的上升段，所有主力风筝两翼迎风展开，当越过风筝拉绳空中大循环最高点后的下降段，所有主力风筝左右两翼合拢，合拢的主力风筝不产生向上的拉力；上升段和下降段主力风筝拉力的差值，对地面转轮产生转矩，带动转轮旋转，转轮通过一级传动轴带动增速器，增速器通过二级传动轴带动动力输出端对外输出动力。

所述风筝发动机的结构，还包括平衡风筝；

所述主力风筝的结构，还包括弹簧机关。

所述平衡风筝，它是普通三角风筝，它比主力风筝小，风衣面积为主力风筝的一半左右，它的结构包括：风衣、左边柱、横梁、中心柱、牵引布、右边柱、短拉线；

平衡风筝的轮廓呈钝角等边三角形，如将风筝的钝角顶角朝上，则风筝的中心柱为垂直竖立状态，以中心柱为中心，风筝左右风衣呈对称的两翼，左翼外缘为左边柱，右翼外缘为右边柱，中心柱的中上方有三角形的牵引布，中心柱与水平的横梁垂直相交，平衡风筝的短拉线的一头与牵引布的顶角连接，短拉线的另一头与风筝拉绳上的一点相固定。

所述弹簧机关，它的结构包括：左半横梁、右半横梁、弹簧、左拉线、右拉线等5部分。

左半横梁的左端与左边柱连接，左半横梁的右端与弹簧的左端连接，弹簧的右端与右半横梁连接，右半横梁的右端与右边柱连接。

水平的弹簧的中心与垂直竖立的中心柱相固定；左拉线的一端与左半横梁的左端连接，右拉线的一端与右半横梁的右端连接，左右拉线的另一端与风筝拉绳连接，左右拉线长度相等，左右拉线与左右半梁和弹簧形成一个水平钝角等边三角形，左右拉线是两个钝角边，它的钝角顶角与风筝拉绳相固定。

风筝动力产生方法，它的步骤是：

(1)从地面到几千米高空，风筝拉绳被系列风筝所带动，形成一个绕经地面转轮并向上延展到高空的的大循环封闭曲线；

(2)在这个封闭大循环的风筝拉绳上，依次设有多个主力风筝，所有风筝间距都相等；在大循环的去程的上升段和回程的下降段，主力风筝相对于风向的姿态不同，受风作用力不同；

(3)在风筝拉绳大循环的上升段，每个主力风筝都张开风衣，产生升力，并将这个升力通过风筝中心的牵引布传递到风筝拉绳上，再通过风筝拉绳，将上升段全部主力风筝的总拉力传到转轮上；

(4)在风筝拉绳大循环的下降段，主力风筝风衣合拢，处于下降段并已经合拢风衣的主力风筝，不再具有对风筝拉绳向上的拉力；

(5)风筝拉绳大循环上升段和下降段主力风筝拉力的差值，通过风筝拉绳带动大循环最底端的转轮旋转，转轮通过传动轴带动增速机，增速机通过传动轴带动动力输出端对外输出动力；

该方法的特征在于：

(1)所述主力风筝，其上设有左右半梁和弹簧机关，当主力风筝沿着上升段到达大循环最高点时，主力风筝背面拉线开始下行段的回程，下行回程的风筝拉绳将弹簧机关的弹簧下拉弯曲，在与风力的联合作用下，风筝左右半横梁立刻合拢，风衣合拢，该主力风筝不再具有升力；

(2)所述风筝拉绳大循环，其上除了设有主力风筝外，还设有平衡风筝，两种风筝按照等间距相间设置，两种风筝彼此数量相等；在上升段和下降段，每个平衡风筝都张开风衣，产生升力，因此，上升段和下降段的平衡风筝的拉力相等，仅对转轮产生正压力，不产生转矩。

附图说明

图1是本发明风筝发动机实施例总体图；

图2是本发明风筝发动机实施例的主力风筝结构图；

图3是本发明风筝发动机实施例的主力风筝回程状态图；

图4是本发明风筝发动机实施例的主力风筝过轮状态图；

图5是本发明风筝发动机实施例的平衡风筝结构图；

图6是本发明风筝发动机实施例的平衡风筝过轮状态图；

图7是本发明风筝动力产生方法步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

图1给出了本发明风筝发动机实施例总体图。

本发明风筝发动机实施例总体结构包括：转轮1、一级传动轴2、增速器3、二级传动轴4、动力输出端5、风筝拉绳6、主力风筝7、平衡风筝8。

风筝拉绳6在空中，从高空到低空，形成一个由上升段和下降段组成的大循环封闭曲线，在这个封闭曲线上，有相同数量的主力风筝7和平衡风筝8，两种风筝相间设置。

主力风筝7和平衡风筝8两种风筝与风筝拉绳6的连接方式不同，风筝拉绳6与主力风筝7连接并穿过风筝中心，而平衡风筝8引出短拉线的另一端连接在风筝拉绳6上。

在风筝拉绳6从转轮1开始的上升段，上升段所有主力风筝7全部充分迎风展开，在风力作用下，主力风筝7带动风筝拉绳6的上升段向高空升起；当主力风筝7到达风筝拉绳6形成的空中大循环封闭曲线的最高点时，由于风筝拉绳6开始下行，向下的风筝拉绳6触动了最高点主力风筝7的弹簧机关，最高点主力风筝7迎风展开的风衣，立刻合拢，合拢了风衣的合拢风筝在风筝拉绳6上，就像一件湿衣服挂在晾衣绳上，合拢风筝的迎风面积很小，也不具有合理的空气动力外形，它不再具有对风筝拉绳6向上的拉力。

平衡风筝8的数目与主力风筝7相同，二者相间设置。与主力风筝7不同的是：在风筝拉绳6形成的空中大循环封闭曲线的全部线段，包括上升段和下降段，平衡风筝8都是迎风充分展开，另外，平衡风筝8比主力风筝7小，平衡风筝8的迎风面积是主力风筝7迎风面积的一半左右。

平衡风筝8的作用有两点：

1，在风筝拉绳6形成的空中大循环封闭曲线的下降段，主力风筝7变为合拢风筝，没有向上的拉力，由于合拢风筝本身的重力和风的阻力的共同作用，形成一个下行力，平衡风筝8用于抵消这个下行力，不然，下降段的合拢风筝会把上升段的风筝拉下来。

2，如果仅有主力风筝，上升段的主力风筝拉着风筝拉绳6向上走，下降段的主力风筝变为合拢状态，拉着风筝拉绳6向下走，风筝拉绳6对转轮1几乎没有正压力，也就几乎没有摩擦力，风筝拉绳6在转轮上打滑，也就不可能带动转轮旋转了。

在风筝拉绳6形成的空中大循环封闭曲线的上升段和下降段，平衡风筝8全部迎风展开，同时牵动拉线6向上，使拉线6对转轮产生正压力。

在风筝拉绳6形成的空中大循环封闭曲线的上升段和下降段，主力风筝7的拉力不同，这个拉力差对转轮1产生转矩，带动转轮1旋转。当转轮1旋转时，它通过一级传动轴2带动增速器3低速旋转，增速器3通过二级传动轴4带动动力输出端5高速旋转，动力输出端对外输出动力。

图2给出了本发明风筝发动机实施例的主力风筝结构图。

本发明风筝发动机实施例的主力风筝是三角风筝，是等边钝角三角形，本图它的钝角顶角朝上，它的总体为左右对称的两翼。

对于市场上出售的商品三角风筝，它是由三角形的风衣、中心柱、左边柱、右边柱、横梁、三角形的牵引布和风筝拉绳组成。

本发明风筝发动机实施例的主力风筝，它是在商品三角风筝的基础上做了改动。本发明风筝发动机实施例的主力风筝的结构为：风衣24、中心柱30、左边柱23、右边柱29、牵引布28、左半横梁22、右半横梁26、弹簧27、左拉线21、右拉线25、风筝拉绳6。

其中，风衣24、中心柱30、左边柱23、右边柱29、牵引布28和风筝拉绳6等6部分与商品三角风筝是一样的，没做改动。其中牵引布28是钝角三角形的，它的钝角顶角与风筝拉绳6相固定，钝角相对的底边固定在中心柱30上。

本发明风筝发动机实施例的主力风筝对原商品风筝的改动有两处：

1，将对原商品风筝的横梁从中间截断，形成左半横梁22右半横梁26，在横梁的中间截口处安装一个螺旋弹簧，利用这个螺旋弹簧将左半横梁22和右半横梁26连接起来，并利用中心柱上原来固定横梁的布带，将螺旋弹簧的中心点固定住；

2，分别从左半横梁22与左边柱23的连接点，右半横梁26与右边柱29的连接点，引出左拉线21和右拉线25，左右拉线21、25的一端与风筝拉绳6固定在一点。左右拉线21、25与左半横梁22、右半横梁26、螺旋弹簧27形成一个水平钝角等边三角形，左右拉线21、25是两个钝角边。这个水平钝角等边三角形称其为水平牵引角，它的钝角顶角与风筝拉绳6相固定。

本发明风筝发动机实施例的主力风筝，与原商品风筝相比，它结构功能变化为

1，由于将原商品风筝的横梁从中间截断，形成左半横梁和右半横梁，在横梁的中间截口处安装一个螺旋弹簧，这样做的目的是，主力风筝的水平横梁不是刚性的，而是挠性的，是可以折弯的。目的是风筝下降段即回程中，左右半横梁合拢，风筝两翼合拢，风筝左右两半风衣合拢，类似蝴蝶两翅膀并拢，从而迎风面减少，风筝升力减少，结果是：在空间大循环中，上升段拉力远大于回程的下降段拉力，利用这个拉力差推动转轮，带动动力输出端。事实上，回程下降段主力风筝没有升力，只有阻力和重力。

2，本发明风筝发动机实施例的主力风筝与原商品风筝相比，增加了水平牵引角部分。其作用是，由于风筝横梁由刚性改为挠性，在风筝上升段，风筝全展开时，利用水平牵引角的左右拉线21、25牵住左边柱23和右边柱29，使风筝的风衣24保持平面张开形状。

本发明风筝发动机实施例的主力风筝，它的左半横梁22、右半横梁26、弹簧27、左拉线21、右拉线25等5部分构成弹簧机关，其中：左半横梁22的左端与左边柱23连接，左半横梁22的右端与弹簧27的左端连接，弹簧27的右端与右半横梁26连接，右半横梁26的右端与右边柱29连接；水平的弹簧27与垂直竖立的中心柱固定，左拉线21的一端与左半横梁22的左端连接，右拉线25的一端与右半横梁26的右端连接，左右拉线的另一端与风筝拉绳6连接。左右拉线长度相等，左右拉线与左右半梁和弹簧形成一个水平钝角等边三角形，左右拉线21、25是两个钝角边。这个水平钝角等边三角形称其为水平牵引角，它的钝角顶角与风筝拉绳6相固定。

弹簧机关的功能原理是：在风筝拉绳6形成的空中大循环封闭曲线的上升段，主力风筝弹簧机关保障主力风筝张开两翼，产生升力；在风筝拉绳6大循环封闭曲线的最高点，风筝背面的风筝拉绳6开始向下的回程运动时，拉动弹簧弯曲，在与风力的联合作用下，主力风筝瞬间崩溃，主力风筝的两翼立刻合拢，同时失去升力；在风筝拉绳6大循环封闭曲线的下降段，弹簧机关始终维持主力风筝的两翼为合拢状态；当主力风筝通过地面的转轮，重新进入上升段，风筝正面面对来风，在弹簧恢复力和风力的共同作用下，主力风筝重新张开双翼，产生升力。

图3给出了本发明风筝发动机实施例的主力风筝回程状态图。

本图给出了本发明风筝发动机实施例的主力风筝回程状态，该主力风筝的正面向下，沿着中心轴30，俯卧在风筝拉绳6上。由于左右半横梁中心的螺旋弹簧27受风力和重力作用而弯曲，风筝的左右两部分风衣24及左右半横梁、左右边柱23、29，已在风筝拉绳6的左右两侧分别下垂，其中，右半横梁26、右边柱29在一侧，左边柱23和左半横梁在另一侧，将主力风筝这种卷缩合拢状态，称为合拢风筝。合拢风筝与空间大气流作用面积很小，由于外形的原因，几乎没有升力，只有空气阻力和本身的重力。

风筝拉绳6在地面转轮的带动下，沿着一个倾斜角度向下运动，而俯卧在拉线6上的主力风筝，随着拉线6向下运动。主力风筝的钝角顶角朝上，而钝角的对应底边向下，可以说主力风筝回程的向下运动是倒退着进行，风筝的底边将首先与地面的转轮相遇。

图4给出了本发明风筝发动机实施例的主力风筝过轮状态图。

本发明风筝发动机实施例的主力风筝回程终了的过轮状态，主力风筝的正面朝下，中心柱30与风筝拉绳6重合，左右两半风衣与左右边柱、左右半横梁分别在风筝拉绳6的两侧下垂。

风筝拉绳6缠绕转轮1，当主力风筝下行到接触转轮1，风筝拉绳6将风筝中心柱30和风衣中心线，沿着风筝转轮的外圆轮廓碾压，风筝拉绳6与风筝中心柱30、风衣中心线同风筝转轮的外圆轮廓一样弯曲，主力风筝与转轮1一起旋转，而风筝的左半横梁22和左边柱23在弯曲中心柱30的一侧下垂，右半横梁和右边柱23在另一侧下垂，并被风筝拉绳6和中心柱30带动着，在转轮1外圆外侧，一起旋转，一起前进。

当主力风筝离开转轮1时，在风吹力和弹簧的的作用下，主力风筝立刻张开风衣，就像张开帆的帆船，乘风前进，向高空升起。

图5给出了本发明风筝发动机实施例的平衡风筝结构图。

本发明风筝发动机实施例的平衡风筝，它是未经任何改动的普通三角风筝，它的外形呈钝角等边三角形，它比主力风筝小，风衣面积为主力风筝的一半左右。它的结构为：风衣31、左边柱32、横梁33、中心柱34、牵引布35、右边柱36、短拉线37。

平衡风筝的短拉线37的一头与牵引布35的顶角连接，短拉线37的另一头与风筝拉绳6上的一点相固定。

在风筝拉绳6形成的高空到地面的大循环中，无论在上升段或是下降段，平衡风筝都张满风衣，接受风吹的气动作用，始终产生对风筝拉绳6的向上的拉力作用。由于平衡风筝在循环拉线上是均匀分布，在上升段和下降段产生的拉力基本相等，对于转轮来说，两个拉力的力矩的作用方向相反，不会产生对于转轮的旋转力矩，因而不做功。

平衡风筝的作用是：1，拉住回程下降段主力风筝，使回程下降段没有升力的主力风筝，不会拉掉上升段的主力风筝；2，虽然平衡风筝在上升段和下降段产生的两个拉力相等，不会产生对于转轮的旋转力矩，不做功，但这两个拉力共同作用的结果，保证了风筝拉绳6对转轮外圆表面的正压力，进而保证了摩擦力，从而风筝拉绳6可以利用主力风筝作用力矩，拉动转轮，输出动力。

图6给出了本发明风筝发动机实施例的平衡风筝过轮状态图。

本发明风筝发动机实施例的平衡风筝过轮状态，平衡风筝7依靠短拉线37固定在风筝拉绳6上。回程拉线6被转轮1带动，沿着风筝大循环的下降段，拉线6通过短拉线37带动平衡风筝7一步步靠近转轮1。转轮1中心的转轴是个半轴，转轮1左侧通过半轴输出动力，转轮1右侧无轴悬空。当平衡风筝7即将被拉线6卷入转轮1的外圆槽道时，平衡风筝7接触到一个长条状的风筝导板9，沿着转轮1所在平面的垂直方向，从左向右，风筝导板9将平衡风筝7引导出转轮1所在平面，从而使平衡风筝7避开转轮1碾压。平衡风筝7从转轮1的没有转轴的右侧空间掠过，躲过转轮1的外圆槽道，再从转轮1的出口处向上进入风筝拉线大循环的上升段。

图7给出了本发明风筝动力产生方法步骤示意图。

本发明风筝动力产生方法，它的具体步骤是：

(1)从地面到千百米高空，风筝拉绳6被系列风筝带动形成一个绕经地面转轮1并延展到高空的的大循环封闭曲线；

(2)在这个封闭大循环的风筝拉绳6上，设有多个两种风筝：主力风筝7和平衡风筝8，两种风筝按照等间距相间设置，两种风筝彼此数量相等；

(3)风筝拉绳6大循环的最低端绕过转轮1外圆，转轮1通过传动轴带动增速机3，增速机3通过传动轴带动动力输出端5；

(4)在风筝拉绳6大循环的上升段和下降段的平衡风筝8的数量相等，每个平衡风筝8都张开风衣，产生升力，因此，上升段和下降段的平衡风筝的拉力相等，仅对转轮1产生正压力，不产生转矩；

(5)在风筝拉绳6大循环的上升段，每个主力风筝7都张开风衣，产生升力，并将这个升力通过风筝中心的牵引布传递到风筝拉绳6上，再通过风筝拉绳6，将上升段全部主力风筝的总拉力传到转轮1上；

(6)当主力风筝7沿着上升段，到达风筝拉绳6空中大循环的最高点时，由于该主力风筝背面拉线6开始下行段的回程，下行回程的风筝拉绳6将弹簧机关的弹簧下拉弯曲，在与风力的联合作用下，风筝左右半横梁立刻合拢，风衣合拢。过了最高点，处于下降段并已合拢的主力风筝，不再具有对风筝拉绳6向上的拉力；

(7)风筝拉绳6大循环上升段和下降段主力风筝拉力的差值，对转轮1产生转矩，带动转轮1旋转，转轮1带动增速机3，增速机3带动动力输出端5对外输出动力。