用于将包含于水平流中的动能转化成可用的机械能的方法 和系统 技术领域 本发明涉及一种用于将包含于水平流中的动能转化成可用的机械能的方法和系 统， 这些水平流产生于自然存在的、 积聚于地面上方的流体中。
背景技术 在地球上几乎到处有在显著存在的流体 ( 地表上方的包含于大气中的空气、 在水 体中聚积的淡水或咸水 ) 中自然存在的水平流。 “水平流” 在本发明的意义上理解成总是具 有水平分量的流。例如这种流是在不同大气层中的风或者洋流或者水体中的其它流动。原 则上这些流是大能量的储存器， 它们的利用是多方面值得追求的并且已经有各种各样的转 化。 例如这种流的技术上已经实现的利用包括 ： 潮汐发电厂， 它们充分利用在涨潮时流过来 的或者在退潮时退去的水量的流动， 以便通过叶轮机和设置于其上的发电机产生电能 ； 或 者风力设备， 它们的通过在陆地上方吹动的风驱动的转子首先将风能转化成机械能， 并通 过连接于其上的发电机转化成电能。
另外有如下一些方案， 其中为了运输， 在船舶上设置风筝类的飞行体， 它们通过固 定绳与船舶连接， 并在充分利用风力的情况下用于船舶的推进。
在存在于这种流中的能量的利用相对于从化石燃料或通过利用核过程获取能量 具有如下优点 ： 明显对环境更友好。
发明内容 在至今未公开的欧洲专利申请 No.06014634.7 中说明一种系统， 其利用沿着环路 至少成对运动的升力体工作， 这些升力体根据相对于流的定向的不同情况缩短或加长其距 离循环元件的距离。 利用这样的系统已经可以非常有效地充分利用包含于这样的流中的能 量。但是在此可以进一步优化， 其中使得流动能量能被利用的角度范围被增大。
上述任务通过本发明达到。 本发明在此基于的思考类似于在上述至今未公开的欧 洲专利申请 No.06014634.7 中进行的思考。在此原则上也利用如下事实， 即在地面上方的 流与高度有关具有不同的流速。 典型地， 例如有地区不同地持续的风， 它例如在欧洲基本上 并且几乎连续地从西向吹来， 较大的高度位置上达到比地面附近明显较大的风速。这现在 如下充分利用， 即在环路的走向中升力体在它沿循环方向可以受到正的推进力之处移动到 距离环路或循环元件的这样的距离， 它在这样的距离中受到强烈的流动力， 例如风的流动 力， 即受到高的风速。在环路的哪些不能实现所谓的 “正推进” 的范围内调节升力体到循环 元件的距离， 使得它处于具有较小流速的水平层中。
但是相对于在上述未公开的欧洲专利申请中说明和要求保护的发明， 本发明设定 明显的改变。在较早的申请中升力体未被详细说明， 并且在假设为纯高阻抗转子的情况下 实际上基本上仅能沿环路的一半获取能量， 而现在设定， 升力体在其相对于流的定向中这 样调节， 使得它在循环元件的与流成横向的运行方向时也还能沿循环元件的运行方向的方
向施加推进力到固定绳或固定链上。为此升力体例如可以按照风筝的形式构成， 但是也可 以按其它方式方法以具有空气动力学作用的翼片或类似起作用的构造的飞行体的形式构 成。 类似于帆船， 升力体在此甚至可以逆着斜前方流来的流 “之字形行进” ， 并也在这种情况 下还有助于获取能量。按这种方式， 环路的对于正的能量转化可用的角度范围从在纯阻抗 转子时的最大 180°显著提高到直至大约 270°的角度范围。在此在按本发明的该实施形 式中， 不同于已知的结构， 不必总是存在两个升力体。更准确地说， 升力体在不在流中获取 能量的情况下必须走过的路段在消耗能量的情况下被克服， 其中升力体在那里例如借助于 馈入的电能被主动地牵引， 直至升力体又进入一个范围内， 它在该范围内由于流而将拉力 施加到固定绳或固定链上并一定程度上可以转化正能量。
在水平流的方向与高度有关地发生变化的地方， 可以实现转化的机械能的收益的 继续优化， 此时适配于不同方向使升力体在其循环期间移动到不同的高度位置。
原则上在循环元件与升力体之间的距离的改变可以按各种不同的方式方法实现， 但是有利地为此使用固定绳或固定链。它可以在其长度方面通过卷绕或退卷进行调整。固 定绳或固定链也可以在两个能彼此离开的点上固定在循环元件上并且在这两点之间引导 至升力体。通过增大这两个固定在循环体上的固定元件端部的间距， 升力体被拉近循环元 件， 在缩小该间距时增大升力体至循环元件的距离。 通过采用滑轮组还可以增大效果， 此时 在固定绳或固定链的两个端部远离时实现所述间距的强得多的缩短。 例如这尤其是如下实 现， 即沿循环方向看位于后面的固定部分为了收回升力体首先被停止， 而前面的部分继续 与循环元件一起运动。由于存在于流体中的流动而位于系统中的动能被利用， 以便收回升 力体。通过松开沿循环方向看位于后面的元件， 在固定绳或固定链的两个端部之间的间距 又变短并且升力体可以向上滑动。为此必要的力通过升力体自身的升力施加。 为了使得对于升力体继续引导经过如下区域的能量消耗尽可能低， 在所述区域内 不能在由流施加沿循环元件的循环方向的方向定向的力， 有利的是， 在这样的区域内使得 升力体的作用横截面最小化。
原则上一个唯一的升力体在循环元件上足以用于实现本发明， 当然也可以用多个 升力体实现较大量的能量转化。
另外为了在突然的流动变化例如在用在风中时的暴风中避免升力体撕裂， 在借助 于固定绳或固定链固定升力体的系统中， 可设置一个或多个带有所谓的打滑离合器的耦联 元件或其它用于短时间承受强力的装置。
封闭环路的轨迹走向可以是圆形的、 椭圆形的或任意其它连续的形状。根据实际 存在的流动情况也可以选择基本上三角形或类似的轨迹走向。
本发明方法或本发明系统原则上可以用于沿着环路输送物品或人员。
但是现在特别优选所述方法或系统应用于获取电能。 此时所述方法或系统是特别 有利的。通过循环元件的速度能沿着封闭的环路调节， 在较强的流动时通过提高运行速度 可以降低加载于固定绳或固定链上的力。另一方面， 在获取电能时发电可以适配于正好需 要的负载。
通过选择在其相对于流动方向的定向可调的升力体， 这些升力体可能甚至在没有 单独的升力物质例如相对于空气较轻的气体的情况下能够工作， 但是这样的升力物质也可 以在本发明设定在其相对于流动方向定向方面可调节的升力体中使用。 没有单独的升力物
质的升力体具有如下优点 ： 它们原则上是更不需要维护的。不同于例如在填充气体的升力 体中 ( 其中必须周期性地补充升力气体 )， 在没有单独的升力物质的升力体中取消这样的 维护。
在风中工作时， 例如没有升力物质的构造成风筝类的升力体可以首先通过系统的 机动的驱动而上升， 并送入到较大的高度， 直至它们在那里由气流抓住。 因此没有主动的升 力元件的系统也能在几乎零流动的情况下在地面附近或封闭环路附近起动。 另外该系统在 对于无升力物质的升力体的循环显著不够的流速例如风速时也能通过在环路中在能量消 耗方面相对低的 “拖动运行” ( 在拖动运行时升力体被机动地上升 ) 以及通过在远离地面的 高度位置上的升力体被保持。这是特别重要的， 因为将升力体保持于其高度位置上的流的 断裂否则使之坠落并且例如通过撞击地面而损坏或通过污物或水 ( 在水上运行的情况下 ) 弄脏并不能再容易地起动。
相对于常规的现代的需要至少 5m/s 接通速度的风力设备， 本发明系统可以在明 显较低的风速 ( 自 2m/s 的风速起 ) 获取能量地工作。这源于本发明系统相对于现代风力 设备的明显较小的摩擦损失和其他起动损失。 在临时降到该值之下的风速时系统可以转到 上述拖动运行中， 以便在风速重新升高时又获取能量地工作。
按照现在的计算， 本发明的系统在利用风发电的实施形式中例如 90％的时间可以 发电， 因为 2m/s 的必要的起动速度在关注的地区通常有这个概率。
虽然本发明的系统尤其是用作为风力设备， 但这不是唯一的应用形式。原则上也 可以考虑， 将该原理也应用在其它连续的流动中， 例如应用在洋流中。 作为获取能量的其它 应用例如用于运输人员或物品的应用也在本发明的范围内是可能的。 附图说明
由实施例的以下说明参照附图得出本发明的其它特征和优点。其中 ：
图 1 显示示意的图表， 其表示风速与地面上方的高度相关的关系 ；
图 2 以示意图的形式显示封闭环路的原则上也在本发明中利用的系统， 但包括气 体静力学的升力体 ；
图 3a 显示带有升力体的另一视图， 其具有可变的作用横截面 ；
图 3b 示意显示一个角度范围， 在该角度范围内在圆形的环路中在来自一个方向 的气流中可以实现正的能量转化 ；
图 4a 示意显示本发明的系统的视图， 其包括按空气动力学原理起作用的升力体 ；
图 4b 示意显示一个角度范围的视图， 在该角度范围内在圆形环路中在恒定的流 动方向的情况下利用按空气动力学原理作用的飞行体可以实现正的能量转化 ；
图 5 示意显示充分利用在不同高度位置上的不同流动方向， 以便继续优化本发明 的系统。 具体实施方式
在附图中借助于可能的实施例以及借助于与在至今未公开的欧洲专利申请 No.06014634.7 中说明的系统的比较示意描述本发明。
首先在图 1 中借助于风示意描述， 风速怎样随着距地面的距离即高度而增长。在此作为示例的升力体画出在不同高度阶段的飞艇， 以便表示它们受到不同的风速。
本发明利用由图 1 得到的原理， 用于将包含于风 ( 气流 ) 中的动能转化成可用的 机械能。
原则上由上述未公开的欧洲专利申请已知的、 用于这种能量转化的、 也作为本发 明基础的系统示意地描述于图 2 中。作为主要组成部分， 该系统包含至少一个沿着封闭的 环路导向的循环元件 1。该循环元件 1 例如可以是环绕封闭的绳子或者这样的链。同样， 循 环元件 1 也可以是在轨道上滚动的滑架。在循环元件 1 上， 在图示的实施例中， 设置两个固 定在固定绳 2、 3 上的、 形式为汽艇 4 的升力体。这些汽艇 4 是所谓的氢气球， 它们基本上仅 在主要从后面作用的气流时才受到推进并因此可以转化能量。
图 2 所示的系统的作用方式基于， 在较大的高度上对保持于较长的固定绳 3 上的 汽艇 4 沿着循环元件 1 的方向作用的力大于对保持于较短固定绳 2 上的汽艇 4 在相反方向 上作用的力。在循环元件 1 相对于风向发生转向的点上， 固定绳 2 和 3 的长度发生改变， 使 得固定绳 2 现在具有较长的长度， 而固定绳 3 缩短， 并因此可以通过在不同高度位置中的受 力差而继续净获能量。
该系统还可以如下改进， 即如图 3a 所示， 在汽艇 4 上设置附加的帆 5， 其在沿风的 方向 ( 在图 3a 中朝左后方 ) 运动时打开， 而在逆着风向返回时收起。一定程度上除了通过 高度差得到的力差之外还通过不同的作用面积或作用横截面积而得到另外的力差。 在图 3a 中描述固定绳 2’ 和 3’ 的另一结构。在此各两个固定绳引导至循环元件 1 并固定在那里， 或者设置一个固定绳， 其例如穿过汽艇 4 上的吊耳并用两个自由端系在循 环元件 1 上。
在图 3b 中示意描述， 怎样沿着圆形环路 U 利用这样的空气静力学作用的飞行体仅 能在大大受限的角度范围 W( 灰色表示 ) 实际上正转化能量， 该飞行体基本上仅在从后面强 的入流时才能获得能量。
现在在真正意义上开始本发明。
为此取代空气静力学作用的汽艇 4， 在固定绳 2、 3 的端部上分别设置一个按空气 动力学原理工作的、 在图中为风筝 6 形式的升力体。它可以通过相应的控制措施例如通过 控制绳相对于气流如此调整， 使得它也在侧向作用的气流时、 甚至在斜前方作用的气流时 例如通过 “之字形行进” 还获得沿循环元件 1 的循环方向作用的力。相应地得到相对于图 3a 和 3b 显示的实施形式明显增大的沿着圆形环路 U 的角度范围 W， 其在图 4b 中用灰色阴 影表示。
原则上装备按空气动力学原理工作的升力体的装置或者这样的系统不需要多个 升力体， 而是可以利用仅一个设置在循环元件上的升力体工作。在作用范围 W 之外的小的 在图中未用灰色阴影表示的范围上， 该升力体例如可以通过使用电能等被拖动离开。它总 是还沿着在大作用范围 W 上的其它环路产生过量的能量。
当然， 如图 4b 所示， 如果多个构成为风筝 6 的升力体分布在该系统上并且与一个 共同的或多个单独的循环元件 1 连接， 那么该系统变得更有效。
能借助于按空气动力学原理工作的升力体获得机械能的有效范围的附加提高在 于优化地充分利用在不同高度上不同定向的流动关系。例如常见的是陆地上的风， 在地面 附近的流动方向不同于离地面较远处的流动方向。这在图 5 中描述。在此用 B 表示靠近地
面即在地面附近的风向， 用 H 表示在较高层上的风向。与在各高度位置上的风向 B、 H 以及 陆地上的其它条件有关， 在竖立该系统为了充分利用风能时例如利用这一点， 以优化封闭 环路的形状， 在该实施例中为三角形， 并且也将形式为按空气动力学原理工作的风筝 6 的 升力体送入到不同的高度。 因此例如在较高高度上仅还以 30°在风中定位的升力体接着下 降到较低的层， 它在那里例如以 58°在风中定位并从而可以产生沿着循环元件 1 的循环方 向的继续推进。
通过这种优化措施还可以进一步改进沿着本发明的系统的环路的作用范围 W。
由实施例的上述说明再次特别清楚地得出本发明的优点。 本发明的系统或方法尤 其是可以用于从自然的流例如恒定风中按特别有效和经济上有利的方式获得电能。 但是本 发明的系统不限制于应用在获取电能。该系统或方法也可以用于运输物品例如人员。
实施例不应限制本发明范围， 本发明的主题下面在权利要求书中确定。
附图标记列表
1 循环元件
2、 2’固定绳
3、 3’固定绳
4 5 6 B H U W汽艇 帆 风筝 风向 风向 环路 角度范围