用于机载风力发电系统的绳索的制作方法

1.本发明涉及一种绳索，其适于作为系留机载风力发电系统的系绳电缆(tether cable)的承载芯，该绳索具有至少100米的长度，并且包括载承芯，该载承芯包括具有至少1.0牛顿/特克斯(n/tex)的细丝韧度的细丝。本发明还涉及包括这样的绳索的机载风力发电系统。本发明还涉及用于生产这样的绳索的方法。术语承载芯和载承芯在本文中可互换使用。


背景技术：

2.鉴于世界化石燃料资源有限，需要减少co2排放，对替代能源的需求增加，特别是对可再生能源的需求。目前正在开发不同的可再生能源系统，其中使用风能、太阳能或波浪能和/或潮汐能作为能源。
3.风能系统的一个示例是高空风能系统，其通常由风筝、气球或类似飞机的结构组成，在100至11,000米或100至5,000米的高度飞行，最佳利用高空风。这样的风能系统通常被称为机载风能(awe)系统。风能系统的另一个示例是高空风能系统，其包括在100至11,000米的高度飞行的结构，该结构在这里也可以称为机载单元。这样的结构通常最佳地利用高空风。这样的结构的示例包括风筝、气球、飞机、滑翔机和无人驾驶飞机。替代地，机载单元在200至2.000米的高度飞行。目前存在不同的系统，其包括具有基于地面发电机的系统，如wo2018072890中所述的，但是也已经提出了具有机载或飞行发电机的系统。美国专利7,335,000描述了这样的系统的示例。
4.如上所述的大多数系统将需要包括承载绳索的系绳，以将系统锚定到锚定点，例如地面或海床。这些系统可能还需要一根或多根电缆，以便将电力输送到系统，用于控制系统，或者将电力从发电机输送到地面站。
5.ep3 141 513 a1公开了张紧构件，例如用于电梯系统中的张紧构件，用于电梯轿厢和/或配重的悬挂和/或驱动。us6 410 126 b1公开了一种单向碳纤维带。us8 689 534 b1公开了分段合成绳索结构、系统和方法。us2014/076669 a1公开了张紧构件，例如用于电梯系统中的张紧构件，用于电梯轿厢和/或配重的悬挂和/或驱动。us2018/044137 a1公开了一种提升装置绳索、一种电梯以及一种使用提升装置绳索和电梯的方法。
6.wo2012013659描述了将锚定构件的功能与多个导体相结合的系绳。例如在wo2018072890中描述的风力发电系统采用包括地面站、机载单元和将该单元与地面站连接的系绳的系统。地面站包括用于存储多余长度系绳的可旋转卷轴和连接到所述卷轴的发电机。电力由重复的操作循环产生，该操作循环包括系绳自由长度增加的生产阶段，包括使机载单元远离地面站飞行，并通过由暴露于风中的机载单元产生的升力驱动发电机来产生能量，并且所述操作循环还包括系绳自由长度减少的卷绕阶段，包括使机载单元朝向所述地面站飞行。在一个循环期间，系绳首先承受高拉伸载荷，将风能传递到卷轴上，同时系绳的自由长度不断增加。在循环的第二阶段，当机载单元降低其高度并且自由系绳长度减小时，系绳上的拉伸载荷基本不存在。
7.系绳的设计，特别是它们所包含的承载绳索，根据操作高度、卷绕系统、机载单元产生的预期升力以及系统的维护间隔进行调整。典型地，这样的绳索由高韧度复细丝纱线制成，在低线性重量下提供最高强度。然而，据观察，包括根据现有技术绳索技术设计和制造的承载绳索的系绳可能会遭受过早的、未预料到的故障。尤其是在上述循环卷绕操作中使用的系绳，尤其是高空系绳，表现出这样的无法解释的失效行为。本解决方案是要增加安全系数，并因此在这样的应用中显著地过度设计用于系绳的绳索。缺点是这样的结构更厚、更贵，并且由于增加了由机载单元提升的阻力和重量而降低了发电系统的效率。卷轴也需要重新设计，以适应额外的系绳体积。


技术实现要素：

8.为了克服上述缺点，本发明人设计了用于系留机载风力发电系统(tethered airborne wind power generation systems)的绳索，该绳索包含存在于具有0.05米和0.7*lr之间的细丝长度(lf)的绳索中的合成细丝总重量的重量分数χ，其中所述重量分数至少为50重量％。本发明涉及一种具有至少为100米的长度lr的绳索，该绳索包括细丝韧度至少为1.0n/tex的合成细丝，其特征在于承载芯中存在的合成细丝的总重量的重量分数χ具有在0.01米至0.7*lr的范围内的长度lf，其中所述重量分数至少为50重量％。在根据本发明的绳索的一实施例中，承载芯中存在的合成细丝总重量的重量分数χ具有在0.05米至0.7*lr范围内的长度lf，其中所述重量分数至少为50重量％。
9.在一实施例中，根据本发明的绳索具有至少100米的长度lr，绳索包括细丝韧度至少为1.0n/tex的合成细丝，其特征在于承载芯中存在的合成细丝总重量的重量分数χ具有0.05米至0.7*lr之间的长度lf，其中所述重量分数为至少50重量％。
10.基于他的发现，并且不受理论的束缚，发明人假设合成纤维绳索的意外失效模式与纵向冲击波以音速通过绳索的合成细丝传播的共振现象有关。建议在临界操作条件下，由振动机载单元通过绳索发出并由地面站反射的冲击波叠加并放大，可能导致系绳的承载绳索的快速退化和过早失效。尽管诸如振动频率、细丝尺寸和模量、绳索尺寸和操作时的张力等参数的复杂相互作用还没有完全理解，但本文提供的创造性绳索示出了用于风力发电系统的系绳的优化长期操作。
11.优点在于，当根据本发明的绳索用作系绳的承载芯时，系绳不需要过度设计以示出延长的操作寿命和/或系绳没有过早失效。因此，相关的优点是风力发电系统至少具有减小的卷轴和系绳尺寸，由此可以进一步优化系绳系统的能量效率。在这样的系统中，由系绳施加在机载单元上的重量以及由风和天气施加在系绳上的阻力通过根据本发明使用的绳索的低体积和低重量得到优化。此外，这样的系绳特别适合于需要系绳在相当大的纵向张力和横向压缩下被重复地绞盘的系绳动态机载风力发电系统。据观察，包括本发明绳索的系绳系统可以显示出更好的强度效率，并且可以在失效或预防性更换之前提供更长的系绳操作时间。因此，可以应用的安全系数可以降低，因此包括绳索的系绳具有高强度效率，意味着系绳的强度相对于现有技术的系绳相对较高。
12.根据本发明的系绳是指一种包括绳索的装置，被附接到机载单元，以锚定和引导所述机载单元，并将风力传递到机载单元和/或从机载单元传递到地面上的卷绕绞盘(a reeling winch)。系绳还可以将能量和引导信号从地面传输到机载单元。特别地，系绳可以
将能量和引导信号从地面站传输到机载单元。系绳包括作为载承芯的绳索，并且可以还包括增强其性能的装置，例如涂层、导体、安全灯、传感器等。
13.在本发明的上下文中，绳索是细长体，其长度远大于其例如宽度和厚度或直径的横向尺寸。根据本发明使用的绳索可以具有圆形、整圆的或多边形或其组合的横截面。
14.优选地，在高风能发电系统中使用具有圆形或基本圆的横截面的绳索。这里所说的绳索直径被理解为绳索的横截面的外围上的两个相对位置之间的最大距离。根据本发明使用的绳索的直径可以在大范围内变化，例如从5毫米或更小的直径到高达200毫米甚至高达300毫米的直径。虽然不是限制因素，但是观察到有效的能量产生系统需要其绳索直径至少为10毫米、更优选至少为20毫米、最优选至少30毫米的系绳。绳索直径的上限将强烈取决于传递到卷轴的风能，并且可能高达100毫米，甚至可能150毫米或甚至200毫米。
15.在一方面，根据本发明的系统包括具有非圆形横截面的绳索，例如椭圆形横截面。在一方面，根据本发明的绳索具有非圆形横截面，例如椭圆形横截面。对于非圆形截面的绳索，将其尺寸定义为等效直径的圆形绳索更为准确；也就是与非圆形绳索同等质量的圆形绳索的直径。然而，一般来说，绳索的直径是用于测量其尺寸的不确定参数，因为绳索的不规则边界是由绳股确定的。更简洁的尺寸参数是绳索的线密度，也称为纤度(titer)或线重(linear weight)；这是其单位长度的质量。纤度可以用千克/米来表示，但通常使用的纺织单位是旦尼尔(denier)(克/9000米)或分特(dtex)(克/10000米)。直径和纤度根据公式d＝(t/(10*ρ*v))
0.5
相互关联，其中t是纤度(dtex)，d是直径(毫米)，ρ是细丝的密度(kg/m3)，v是堆积因子(packing factor)(通常在约0.7和0.9之间)。然而，在绳索行业，用直径值表示绳索尺寸仍然是惯例。优选地，根据本发明的绳索是具有至少为20毫米、更优选至少为30、40、50或甚至至少为60毫米的等效直径的绳索，因为绳索越大，本发明的优点变得越相关。已知最大的绳索具有的直径高达约300毫米，用于机载风能设备的绳索直径通常具有的直径高达约200毫米，优选高达100毫米。
16.系绳中使用的绳的长度(lr)由机载风能产生系统的设计决定，其范围可以从低至100米的长度到高达10,000米。例如，小规模和/或离网设备可能在高达几百米的高度操作机载单元，并且需要具有长度至少为100米的绳索的系绳，优选地至少200米，最优选地至少300米。相比之下，商业上感兴趣的机载单元可以从风向和风速恒定且高的高空风中获得动力。这样的设备可以在高达几千米的高度操作机载单元，并且需要具有长度高达3,000米、优选高达5,000米、最优选高达10,000米的绳索的系绳。
17.根据本发明的绳索包括至少一个承载芯，也称为加强构件，并且可以包括其他元件，例如基本上位于加强构件周围的保护覆盖物。这样的覆盖物可以是针织(knitted)或外编织(overbraided)的合成纤维覆盖物和/或保护涂层。
18.在本发明中，主绳股是指当绳索打开时遇到的第一绳股的绳股。一般来说，这些是绳索的最外层绳股，但也可以包括芯绳股，如果有的话。主绳股可以由另外的次级绳股组成。
19.本发明绳索的加强构件的绳股，例如主绳股，包含包含合成细丝的纱线，在本文中也称为高韧度细丝。这里的细丝被理解为细长体，其长度尺寸远大于宽度和厚度的横向尺寸。因此，术语细丝包括具有规则或不规则横截面的丝带、条、扎带、带等。细丝可以具有连续的长度，在本领域中称为连续细丝，或者不连续的长度，在本技术的上下文中称为短纤
维。
20.短纤维通常通过切割或拉伸断裂细丝获得。用于本发明目的的纱线是包含至少2根细丝、优选至少25根细丝的细长体。
21.存在于本发明的绳索中的合成细丝具有至少1.0n/tex，优选至少1.2n/tex，更优选至少1.5n/tex，更优选至少2.0n/tex，还更优选至少2.2n/tex，最优选至少2.5n/tex的细丝韧度。当高性能细丝是uhmwpe细丝时，所述uhmwpe细丝优选具有至少1.8n/tex的韧度，更优选至少2.5n/tex，甚至更优选至少3.0n/tex，最优选至少3.5n/tex。优选地，高性能细丝具有至少30n/tex的模量，更优选至少50n/tex，最优选至少60n/tex。优选地，uhmwpe细丝具有至少50n/tex的拉伸模量，更优选至少80n/tex，最优选至少100n/tex。n/tex和n/tex在本文中可互换使用，因此本发明的绳索中存在的合成细丝具有至少1.0n/tex的细丝韧度，优选至少1.2n/tex，更优选至少1.5n/tex，更优选至少2.0n/tex，还更优选至少2.2n/tex，最优选至少2.5n/tex。当高性能细丝是uhmwpe细丝时，所述uhmwpe细丝优选具有至少1.8n/tex的韧度，更优选至少2.5n/tex，甚至更优选至少3.0n/tex，最优选至少3.5n/tex。优选地，高性能细丝具有至少30n/tex的模量，更优选至少50n/tex，最优选至少60n/tex。优选地，uhmwpe细丝具有至少50n/tex的拉伸模量，更优选至少80n/tex，最优选至少100n/tex。
22.在本发明的上下文中，韧度和模量是根据iso 5079:1995，使用textechno’s favimat(tester no.37074,from textechno herbert stein gmbh&co.kg,monchengladbach,germany)在单细丝上定义和确定的，该细丝的标称规格长度为50毫米，十字头速度为25毫米/分钟，夹具带有由型气动夹子制造的标准钳口面(4*4毫米)。细丝以25毫米/分钟的速度预加载0.004n/tex。细丝的线密度可以根据astm d1577-01测量。测量过程中钳口之间的距离保持在50毫米，单细丝以0.06n/tex的速度以2毫米/分钟的速度拉紧。
23.本发明的绳索的特征在于，承载芯中存在的合成细丝总重量的重量分数χ具有的长度lf在0.05米和0.7*lr之间，其中所述重量分数至少为50重量％。换句话说，这意味着至少一半的细丝在重量上比绳索的长度短得多，因此在细丝水平上不会在机载单元和地面站之间形成直接连接。同样不受理论的约束，发明人认为，在这样的绳索结构中，机载单元和地面站之间冲击波的传输和反射受到显著阻碍，并防止了波的有害放大。by是与绳中存在的合成细丝的总重量相比，在限定的长度范围内的具有长度lf的绳中存在的合成细丝的限定重量分数。形成分数χ的一部分的细丝的上部长度是0.7*lr。因此，如果绳索的长度为500米，则占所述分数的细丝长度的上限为350米。细丝长度lf的上限优选为0.6*lr，更优选为0.5*lr，最优选为0.4*lr。优选地，细丝长度lf的下限是0.08米、更优选地是0.10米、甚至更优选地是0.12米，最优选地是0.15米。绳索中存在的细丝的较低上限可以增加操作窗口(负载、尺寸、绳索长度)，在该操作窗口中，绳索不会由于共振而遭受过早失效。尽管发现50重量％的分数χ足以有益于绳索性能，但优选所述重量分数为至少70重量％，优选至少90重量％，更优选至少95重量％，最优选至少99重量％。发现在机载单元和地面站之间不提供直接连接的更大量的光纤进一步改善了系绳的共振特性。
24.在优选实施例中，根据本发明的绳索还包括聚合物基质，优选绳索的纱线，更优选绳索的细丝至少部分涂覆有聚合物基质，由此聚合物基质优选为热固性或热塑性聚合物。聚合物基质优选是能够与细丝形成合适复合物的热固性或热塑性聚合物，而硅树脂和乙烯
结晶塑性体分别是优选的热固性或热塑性聚合物。在一方面，根据本发明的绳索具有至少100米的长度lr，包括纱线，所述纱线包括细丝韧度至少为1.0n/tex的合成细丝，其特征在于承载芯中存在的合成细丝总重量的重量分数χ具有在0.01米至0.7*lr范围内的长度lf，其中所述重量分数为至少50重量％。
25.在另一方面，根据本发明的绳索具有至少100米的长度lr，包括纱线，所述纱线包括细丝韧度至少为1.0n/tex的合成细丝，其特征在于承载芯中存在的合成细丝总重量的重量分数χ具有在0.01米至0.7*lr范围内的长度lf，其中所述重量分数至少为50重量％，并且其中细丝在其表面上具有硅树脂或乙烯结晶塑性体。聚合树脂或乙烯结晶塑性体覆盖长形体的合成细丝的总表面的至少50％，优选70％，最优选90％的合成细丝总表面。根据该实施例的绳索可以形成具有优化的绳索强度或卷绕特性的系绳。至少部分嵌入基质中的细丝在系绳加载和弯曲时将受到较小的内摩擦。当系绳在循环负载条件下使用时，例如包括发电绞盘作为地面单元的机载风力发电系统，这是有利的。此外，在根据本文描述的本发明的绳索和机载风力发电系统的其他实施例中，使用其中细丝至少部分嵌入基质中的绳索可能是有利的，使得它们在系绳的加载和弯曲时受到较小的内部摩擦。聚合物基质还提供了进一步的保护，防止例如在动态负载条件下的损伤发展，并限制了长期使用期间的性能退化。据观察，包括这样的绳索的系绳可能不需要任何进一步的部件，换句话说，绳索本身可以用作系绳。在优选实施例中，绳索中合成细丝与聚合物基质的重量比在100和4之间，优选在50和5之间，最优选在40和8之间。这里，合成细丝的重量是绳索中存在的根据本发明定义的所有合成细丝的总重量，聚合物基质的重量是绳索中存在的聚合物基质的总重量。
26.在本发明的一优选实施例中，绳索包括至少一重量分数χ的短纤维，即在5厘米和1.0米范围内的细丝。这样的纤维长度与通常称为短纤维(staple fibers)并用于本领域公知的细纱(spun yarns)中的纤维形成对比。这些短纤维通常具有比本发明的短纤维更小的长度。优选地，本发明的绳索包括长度在0.05和1.0米之间、优选在0.10和0.75米之间、最优选在0.15和0.5米之间的短纤维的重量分数χ。据观察，这样的绳索为系绳提供了显著的阻尼波叠加，同时没有显示出已知的由细纱制备的绳索的强度降低。本发明的一特别优选的实施例是使用短纤维的重量分数χ并结合至少部分涂覆所述短纤维的聚合物基质的存在，如上面进一步定义的。已发现，这样的特征的组合为绳索提供了基于细丝韧度的关于阻尼和强度效率的优化性能。
27.在另一方面，根据本发明的绳索具有至少100米的长度lr，包括纱线，所述纱线包括本文公开的合成细丝，其细丝韧度至少为1.0n/tex，其特征在于绳索的承载芯中存在的合成细丝总重量的重量分数χ具有0.05至1.0米之间的长度，其中所述重量分数χ为至少50重量％，并且其中细丝在其表面上具有硅树脂或乙烯结晶塑性体。在这方面，细丝优选在其表面上具有乙烯结晶塑性体。在该实施例的一方面，合成细丝的长度为0.10米至0.75米，优选为0.15米至0.5米。在该实施例的一方面，聚合树脂或乙烯结晶塑性体覆盖长形体的合成细丝总表面的至少50％，优选为合成细丝总表面的70％，最优选为90％。在这方面，细丝优选在其表面上具有乙烯结晶塑性体。
28.在又一优选实施例中，本发明的绳索是包括所述重量分数的绳股的编织或捻制结构(a braided or laid construction)，其中至少50重量％的所述子绳股具有的长度ls在5.0米和0.7*lr之间，优选在25米和0.7*lr之间，更优选在100米和0.7*lr之间，最优选在200
米和0.7*lr之间。在替代实施例中，本发明的绳索是绳股的编织或捻制结构，其中所述绳股由包含合成细丝的重量分数χ的子绳股编织或捻制而成，其中至少50重量％的所述绳股具有的长度l
ss
在5米和0.07*lr之间，优选在10米和0.07*lr之间，最优选在20米和0.7*lr之间。据观察，具有所述优选长度的绳股或子绳股的绳索代表了商业上有吸引力的绳索设计，其具有在较小程度上的上述有害行为，即显示出沿长度方向通过系绳绳索传播的冲击波的正阻尼行为(a positive dampening behavior)。根据本发明，绳股和子绳股的优选长度将易于生产和加工成绳索。本领域技术人员将会意识到，编织技术允许制造这样的绳索，该绳索包含至少重量分数χ的存在于其中的合成细丝。优选至少70重量％，更优选至少90重量％，最优选至少95重量％的绳股或子绳股具有长度ls或l
ss
，如上所限定的。具有此处限定的重量百分比和绳股及子绳股长度的编织或捻制的绳索优选具有这样的特征，即在其制造过程中，绳股或子绳股以规则的间隔分别引入到绳索或绳股制造过程中，并且理想地，当绳索或绳股中仍然存在的相应绳股和子绳股结束时。换句话说，存在于根据本发明的绳索中的一根或多根绳索具有与本领域已知的普通绳索或绳股相同的编织或捻制模式，不同之处在于，沿着绳索或绳股的长度，形成它们的绳股或子绳股规则地终止，而新的绳股或子绳股在一绳索或绳股中占据它们各自的位置。因此，本发明的一实施例是，绳索包括绳股端部或子绳股端部，其沿着绳索的长度方向成规则的间隔。
29.包含高强度细丝的绳索可以提供高强度的绳索。因此，本发明的实施例涉及绳索和系绳系统，其中绳索具有至少0.50n/tex的韧度，优选绳索具有至少0.60n/tex的韧度，更优选至少0.70n/tex，甚至更优选0.80n/tex，最优选至少1.00n/tex。在本发明的另一实施例中，强度构件具有至少0.9n/tex的韧度，优选至少1.1n/tex，更优选至少1.3n/tex，最优选至少1.5n/tex。
30.优选地，本发明的绳索具有高韧度和高直径。这些特征的组合提供具有至少10kn、更优选地至少50kn并且最优选地至少100kn的断裂强度(也称为最小断裂载荷(mbl))的绳索或系绳。mbl可以通过根据iso 2307的测试获得，由此通过将所述mbl除以绳索的纤度来计算绳索的韧度。
31.优选地，合成细丝是由选自由以下构成的组的聚合物制成的细丝：聚酰胺和聚芳酰胺的，例如聚(对苯二甲酰对苯二胺)(poly(p-phenylene terephthalamide))(被称为)；聚四氟乙烯(ptfe)；聚(2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑)(poly{2,6-diimidazo-[4,5b-4’,5’e]pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylene})(被称为m5)；聚对苯撑苯并双噁唑(poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole))(pbo)(被称为)；液晶聚合物(lcp)；聚(六亚甲基己二酰胺)(poly(hexamethyleneadipamide))(称为尼龙6,6)，聚(4-氨基丁酸)(poly(4-aminobutyric acid))(被称为尼龙6)；聚酯，例如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(poly(ethylene terephthalate))、聚(对苯二甲酸丁二醇酯)(poly(butylene terephthalate))和聚对苯二甲酸-1,4-环己二甲酯(poly(1,4cyclohexylidene dimethylene terephthalate))；聚乙烯醇；还有聚烯烃，例如聚乙烯和/或聚丙烯的均聚物和共聚物。优选的合成细丝选自聚芳酰胺纤维和高分子量或超高分子量聚乙烯(hmwpe或uhmwpe)纤维。优选地，hmwpe纤维是熔纺(melt spun)的，而uhmwpe纤维是凝胶纺(gel spun)的，例如由荷兰的dsm dyneema(dsm dyneema,nl)制造的纤维。在一
方面，合成丝是e-ptfe纤维(被称为)。液晶聚合物(lcp)被称为
[0032]
在优选实施例中，绳索包括超高分子量聚乙烯(uhmwpe)细丝，更优选凝胶纺的uhmwpe细丝。在进一步优选的实施方案中，绳索中存在的至少50重量％、更优选至少80重量％、甚至更优选至少90重量％、最优选所有的合成细丝是uhmwpe细丝。在一实施例中，用于系留机载风力发电系统的绳索包括承载的主绳股，主绳股包括纱线，其中纱线包括超高分子量聚乙烯纤维。在另一个实施例中，纱线中存在的至少50重量％、更优选至少80重量％、甚至更优选至少90重量％、最优选所有的纤维都是uhmwpe纤维。
[0033]
优选地，存在于uhmwpe细丝中的uhmwpe具有至少3dl/g、更优选至少4dl/g、最优选至少5dl/g的特性粘度(iv)。优选地，所述iv为至多40dl/g、更优选至多30dl/g、更优选至多25dl/g。iv可根据astm d1601(2004)在135℃十氢化萘(decalin)中测定，溶解时间为16小时，使用bht(丁羟甲苯(butylated hydroxy toluene))作为抗氧化剂，溶液量为2g/l，通过外推在不同浓度下测量的粘度至零浓度。用于制造uhmwpe纤维的凝胶纺丝工艺的示例在许多出版物中有所描述，包括wo 01/73173 a1,ep 1,699,954和在“advanced fibre spinning technology”中,ed.t.nakajima,woodhead publ.ltd(1994),isbn 185573 182 7。
[0034]
根据优选实施例，绳索和/或绳股在构建系绳之前被预拉伸。该预拉伸步骤优选在升高的温度下进行，但低于绳股中(最低熔点)细丝的熔点(也称为热拉伸或热定型)；优选在80-150℃的温度范围内。在ep 398843b1或us 5901632中描述了这样的预拉伸步骤。
[0035]
本发明的绳索可以具有大约圆形或圆的横截面，但是也可以具有椭圆形的横截面，这意味着张紧绳索的横截面呈现扁平的、卵形的，或者甚至(取决于主绳股的数量)和几乎矩形的形式。这样的椭圆形截面优选具有1.2至4.0范围内的纵横比，即较大直径与较小直径之比(或宽度与厚度之比)。
[0036]
在一方面，这里张紧的绳索的横截面是在300兆帕的负载下绳索的横截面。
[0037]
本发明的绳索可以是各种结构的，包括捻制的(laid)、编织的(braided)、平行的和类似钢丝绳(wire rope)的结构绳索。绳索中绳股的数量也可以变化很大，但通常至少为3股，优选最多为16股，以获得良好性能和易于制造的组合。优选地，本发明的绳索是编织绳索、捻制绳索、平行股绳绳索、束带编织绳索或平行纤维绳索。在一方面，本发明的绳索是束带编织绳索(soutache braided rope)。
[0038]
在一个实施例中，根据本发明的绳索是编织结构，以提供在使用期间保持其一致性的坚固且扭矩平衡的绳索。已知有多种编织类型，每种类型通常通过形成绳索的方法来区分。合适的结构包括束带编织物、管状编织物和扁平编织物。管状或圆形编织物是绳索应用中最常见的编织物，通常由两组缠绕在一起的绳股组成，可能有不同的图案。管状编织物中的绳股的数量可以变化很大。特别是如果绳股的数量较高，和/或如果绳股相对较薄，管状编织物可以具有空心；并且编织物可以折叠(collapse)成椭圆形。
[0039]
本发明的编织绳索中的绳股数量优选至少为3股。绳股的数量没有上限，尽管实际上绳索通常不超过32股。特别合适的是8股或12股编织结构的绳索。这样的绳索提供了韧度和抗弯曲疲劳的有利组合，并且可以在相对简单的机器上经济地制造。
[0040]
本发明的绳索可以是这样的结构，其中捻距(the lay length)(在捻制结构中一圈绳股的长度)或编织周期(与编织绳索的宽度相关的节距长度)不是特别关键的。合适的
捻距和编织周期是在绳索的直径的4至20倍的范围内。更高的捻距或编织周期可能导致具有更高强度效率的损失更大(more lose)的绳索，但其不太坚固且更难接合。过低的捻距或编织周期会大大降低韧度。
[0041]
因此，优选地，捻距或编织周期约为绳索的直径的5-15倍，更优选为绳索的直径的6-10倍。
[0042]
本发明的绳索可以是这样的结构，其中编织周期(即与绳索的宽度相关的节距长度)或捻距不是特别关键的；合适的编织周期和捻距在4到20的范围内。更高的周期或捻距导致具有更高强度效率的损失更大的绳索，但是其不太坚固并且更难接合。编织周期太短会大大降低韧度。因此，优选编织周期约为5-15，更优选6-10。
[0043]
本发明的绳索最适合作为机载风力发电系统的系绳系统的承载芯。绳索可用于锚定，并可选择地向高空风能系统提供电流或从高空风能系统提供电流。该绳索适用于配备有地面发电机的高空风能系统的系绳，但也适用于系绳将电力从机载发电机传输到地面站的系统。因此，本发明还涉及机载风力发电系统，该系统包括至少一个绞盘和由系绳连接的机载单元，其中系绳包括根据本发明的绳索。在根据本发明的机载风力发电系统的实施例中，这样的系统包括地面站和发电机，该地面站包括用于存储多余长度的系绳的绞盘。绞盘可以是卷筒绞盘(drum winch)或牵引绞盘(trantion winch)，其与连接到其上的存储绞盘相结合。发电机可以是地面站的一部分或机载风力单元的一部分。在后一种情况下，将使用导电系绳将产生的能量从机载单元传输到地面站。所述机载风力发电系统的系绳可以包括至少2个部分，其中至少一个部分包括根据本发明的绳索，第二部分包括具有纵横比在1.2至4.0之间的圆形或椭圆形横截面的另一绳索，其中根据本发明的绳索安装到机载单元，并且另一编织绳索安装到绞盘。通常，系绳的两个部分通过连接器连接。
[0044]
在一个实施例中，所述机载风力发电系统的系绳包括至少2个部分，其中至少一个部分包括根据本发明的绳索，第二部分包括具有纵横比在1.2至4.0范围内的圆形或椭圆形横截面的另一编织绳索，其中空气动力学编织绳索安装到机载单元，并且另一编织绳索安装到绞盘。
[0045]
发明人发现绳索的有益特性源于对在所述绳索的纵向方向上传播和干扰的冲击波的抑制。如所假设的，振动的叠加和放大是诸如振动频率、细丝尺寸和模量、绳索尺寸和操作中的张力等参数的复杂相互作用。尽管在机载应用中静态使用绳索时，即在机载单元的固定高度处，可能会遇到一组不利的参数，但是当动态操作时，即当在循环卷放应用中操作时，例如在基于地面的发电单元中，绳索显著更有可能受到一组不利的参数。因此，本发明还涉及根据本发明的绳索在根据本发明的机载风力发电系统中的使用，其中基座和机载单元之间的绳索长度在最大长度l
max
和最小长度l
min
之间振荡，其中l
max
至多为10,000米，l
min
至少为100米，并且其中l
max
与l
min
的比率在10和1.5之间。
具体实施方式
[0046]
本发明包括以下实施例:
[0047]
1.一种具有至少为100米的长度lr的绳索，该绳索包括细丝韧度至少为1.0n/tex的合成细丝，其特征在于承载芯中存在的合成细丝的总重量的重量分数χ具有在0.01米至0.7*lr的范围内的长度lf，其中所述重量分数至少为50重量％。
[0048]
2.根据实施例1的绳索，其中，绳索具有至少100米的长度lr，绳索包括细丝韧度至少为1.0n/tex的合成细丝，其特征在于承载芯中存在的合成细丝的总重量的重量分数χ具有在0.05米和0.7*lr之间的长度lf，其中所述重量分数为至少50重量％。
[0049]
3.根据实施例1或2的绳索，其中，所述重量分数为至少70重量％，优选至少90重量％，更优选至少95重量％，最优选至少99重量％。
[0050]
4.根据实施例1至3中任一项的绳索，其中，所述绳索还包括聚合物基质。
[0051]
5.根据实施例4的绳索，其中，在承载芯中的合成细丝与聚合物基质的重量比在100和4之间，优选在50和5之间，最优选在40和8之间。
[0052]
6.根据实施例1至5的绳索，其中，所述重量分数的合成细丝是长度lf在0.05至1.0米之间、优选在0.10至0.75米之间、最优选在0.15至0.5米之间的短纤维。
[0053]
7.根据实施例1至5所述的绳索，其中，所述绳索是包括合成细丝的重量分数χ的绳股的编织或捻制结构，其中至少50重量％的所述绳股具有的长度ls在5.0米和0.7*lr之间，优选在25米和0.7*lr之间，更优选在100米和0.7*lr之间，最优选在200米和0.7*lr之间。
[0054]
8.根据实施例1至5的绳索，其中，所述绳索是绳股的编织或捻制结构，其中所述绳股由包含合成细丝的重量分数χ的子绳股编织或捻制而成，其中至少50重量％的所述子绳股具有的长度l
ss
在5米和0.07*lr之间，优选在10米和0.07*lr之间，最优选在20米和0.7*lr之间。
[0055]
9.根据实施例7或8的绳索，其中至少70重量％，优选至少90重量％，最优选至少95重量％的所述绳股或子绳股具有长度ls或l
ss
。
[0056]
10.根据实施例7至9的具有绳股的编织或捻制结构的绳索，由此绳索包括沿着绳索的长度方向成规则间隔的绳股端部或子绳股端部。
[0057]
11.根据前述任一实施例的绳索，其中，合成细丝选自由聚芳酰胺细丝和超高分子量聚乙烯(uhmwpe)细丝组成的组。
[0058]
12.根据前述任一实施例的绳索，其中，所述细丝具有的韧度至少为1.5n/tex、优选2.0n/tex、最优选2.5n/tex。
[0059]
13.根据前述任一实施例的绳索，具有至少300米的长度。
[0060]
14.根据前述任一实施例的绳索，其中绳索是编织绳索、捻制绳索、平行股绳绳索、束带编织绳索或平行纤维绳索。
[0061]
15.根据前述任一实施例的绳索，其中，绳索是编织绳索、捻制绳索或束带编织绳索。
[0062]
16.根据前述任一实施例的绳索，其中，绳索是平行绳股绳索或平行纤维绳索。
[0063]
17.根据前述任一实施例的绳索，其中，系绳是导电的，优选地，系绳在通道之一内具有导电元件。
[0064]
18.一种机载风力发电系统，包括通过系绳连接的至少一绞盘和机载单元，其中系绳包括根据前述实施例中任一个的绳索。
[0065]
19.一种机载风力发电系统，包括发电机、根据前述任一实施例的系绳、包括绞盘的地面站，由此系绳连接机载单元和绞盘。
[0066]
20.根据前述任一实施例的机载风力发电系统，其中，绞盘是与存储绞盘相结合的卷筒卷筒或牵引绞盘，该存储绞盘连接到其上，用于存储多余长度的系绳。
[0067]
21.根据前述任一实施例的机载风力发电系统，其中，发电机是地面站的一部分。
[0068]
22.根据前述任一实施例的机载风力发电系统，其中，发电机是机载风力单元的一部分，系绳是适于将所产生的能量从机载单元传输到地面站的导电系绳。
[0069]
23.根据任何前述实施例的机载风力发电系统，其中，机载单元选自风筝、气球、飞机或无人机。
[0070]
24.根据实施例17或18的机载风力发电系统，其中，绞盘是卷绕绞盘。
[0071]
25.根据任何前述实施例的机载风力发电系统，其中，绳索具有椭圆形横截面，优选地，椭圆形横截面具有1.2至4.0范围内的纵横比，其中纵横比是较大直径与较小直径的比率。
[0072]
26.根据前述任一实施例的机载风力发电系统，其中，绳索具有椭圆形横截面，优选地，椭圆形横截面具有1.2至4.0范围内的纵横比，其中纵横比是宽度与厚度的比率。
[0073]
27.根据前述任一实施例的机载风力发电系统，其中，系绳包括根据前述任一实施例的承载绳索，以将机载单元锚定到锚定点，优选地，锚定点连接到地面、船的甲板、离岸平台或海床。
[0074]
28.根据任何前述实施例的机载风力发电系统，其中，系绳包括至少2个部分，其中第一部分包括根据前述任一实施例的绳索，第二部分包括具有纵横比在1.2至4.0之间的圆形或椭圆形横截面的另一绳索，其中根据前述任一实施例的绳索被安装到机载单元，并且另一编织绳索被安装到绞盘，并且第一和第二部分经由连接器连接，使得绞盘和机载单元连接。
[0075]
29.根据任何前述实施例的机载风力发电系统，其中，绞盘和机载单元之间的绳索的长度在100米至10,000米的范围内
[0076]
30.根据任何前述实施例的机载风力发电系统，其中，绞盘和机载单元之间的绳索的长度使得其允许最大长度l
max
和最小长度l
min
之间的振荡，其中l
max
至多为10,000米，l
min
至少为100米，并且其中l
max
与l
min
的比率在10和1.5之间。
[0077]
31.根据任何前述实施例的绳索在根据任何前述实施例的机载风力发电系统中的用途，其中基座和机载单元之间的绳索长度在最大长度l
max
和最小长度l
min
之间振荡，其中l
max
至多为10，000米，l
min
至少为100米，并且其中l
max
与l
min
的比率在10和1.5之间。
[0078]
32.根据任何前述实施例的绳索在根据任何前述实施例的机载风力发电系统中的用途，其中绞盘和机载单元之间的绳索的长度在最大长度l
max
和最小长度l
min
之间振荡，其中l
max
至多为10,000米，l
min
至少为100米，并且其中l
max
与l
min
的比率在10和1.5之间。
[0079]
33.根据前述任一实施例的绳索作为系留机载风力发电系统的系留电缆的承载芯的用途。
[0080]
34.根据前述任一实施例的用途，其中，机载风力发电系统是动态操作的。
[0081]
35.根据前述任何实施例的用途，其中，机载风力发电系统在循环卷-放应用中操作。
[0082]
36.根据前述任一实施例的用途，其中，基座是基于地面的发电单元。
[0083]
37.根据前述任一实施例的用途，其中，系绳包括根据前述任一实施例的承载绳，以将该系统锚定到锚定点，优选地，锚定点是地面或海床。
[0084]
38.根据前述任一实施例的用途，其中，系绳包括至少2个部分，其中至少一个部分
包括根据任一实施例中的绳索，第二部分包括具有纵横比在1.2至4.0之间的圆形或椭圆形横截面的另一绳索，其中根据任一实施例的绳索...安装在机载单元上，另一根编织绳索安装在绞盘上。
[0085]
39.根据前述任一实施例的用途，其中，包括绞盘的基座和机载单元之间的绳索的长度在最大长度l
max
和最小长度l
min
之间振荡，其中l
max
至多为8,000m，l
min
至少为150米，并且其中l
max
与l
min
的比率在10和1.5之间。
[0086]
40.根据前述任一实施例所述的用途，其中，包括绞盘的基座与所述机载单元之间的绳索的长度在最大长度l
max
与最小长度l
min
之间振荡，其中l
max
至多为1000m且l
min
至少为50m并且其中l
max
与l
min
的比率在10和1.5之间。
[0087]
41.根据前述任一实施例所述的用途，其中包括绞盘的地面站和机载单元之间的绳索的长度在最大长度l
max
和最小长度l
min
之间振荡，其中l
max
最多为8,000m和l
min
至少为150m并且其中l
max
与l
min
的比率在10和1.5之间。
[0088]
42.根据前述任一实施例所述的用途，其中，包括绞盘的地面站和所述机载单元之间的绳索的长度在最大长度l
max
和最小长度l
min
之间振荡，其中l
max
最多为1000m和l
min
至少为50m并且其中l
max
与l
min
的比率在10和1.5之间。
附图说明
[0089]
图1示意性地描绘了根据本发明的机载风力发电系统的实施例，该机载风力发电系统包括由系绳(2)连接的绞盘(3)和机载单元(4)，其中系绳包括根据本发明的绳索(1)。绞盘(3)是地面站(5)的一部分。地面站连接到地面，船的甲板，通常是船首，海床的离岸平台(统称为6)。
[0090]
图2示意性地描绘了根据本发明的绳索的实施例。绳索(1)具有长度lr，并且包括具有长度lf的合成细丝(10)。长度lr被定义为绞盘(3)和机载单元(4)之间的距离。在操作期间，lr在l
min
和l
max
之间变化，即在最大长度l
max
和最小长度
lmin
之间变化，其中l
max
至多为10,000m，l
min
至少为100m，并且其中l
max
与l
min
的比率在10和1.5之间。
[0091]
图3示意性地描绘了根据本发明的机载风力发电系统的实施例。在该实施例中，系绳(2)包括至少两个部分，其中第一部分(8)包括根据本发明的绳索，第二部分(9)包括具有纵横比为1.2至4.0的椭圆形横截面的另一绳索。根据本发明的绳索(8)安装到机载单元(4)上，并且另一编织绳索(9)安装到绞盘(3)上，并且第一部分(8)和第二部分(9)经由连接器(7)连接，使得绞盘和机载单元连接。
[0092]
图4示意性地描绘了另一编织绳索(9)的横截面，该编织绳索具有较大直径(d)(或宽度)和较小直径(d)(或厚度)的椭圆形横截面。椭圆形截面优选具有1.2至4.0范围内的纵横比，即较大直径与较小直径的比率(或宽度与厚度的比率)。