高頻雙向ac電力傳輸?shù)闹谱鞣椒?br>【專利摘要】一種方法可以涉及在配備有生成電力的風(fēng)力渦輪機(jī)的系留飛行器和被配置為互連所生成的電力到配電網(wǎng)絡(luò)中的地面站之間傳送電力。電力可以使用高壓、高頻的AC電信號(hào)傳送，并且在地面站和飛行器上的變壓器可以縮放AC電壓以在各自的位置使用。然后在地面站和飛行器中的轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換變換后的電壓為DC。AC電壓可以通過系繩以部分地基于該系繩的多個(gè)導(dǎo)電路徑之間的內(nèi)部電容的系繩的諧振頻率傳送。
【專利說明】
高頻雙向AG電力傳輸
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]除非在本文中另外指示，否則在本部分中描述的材料不是本申請(qǐng)中的權(quán)利要求的現(xiàn)有技術(shù)，并且并不因?yàn)楸话ㄔ诒静糠种芯捅怀姓J(rèn)為是現(xiàn)有技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]電力生成系統(tǒng)將化學(xué)能/或機(jī)械能(例如，動(dòng)能)轉(zhuǎn)換為用于諸如公用系統(tǒng)的各種應(yīng)用的電能。作為一個(gè)例子，風(fēng)能系統(tǒng)可以將風(fēng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。風(fēng)能系統(tǒng)可以使用具有耦合到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的渦輪機(jī)。入射風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)軸，然后發(fā)電機(jī)可以使用軸的運(yùn)動(dòng)通過相對(duì)于彼此移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)繞組和/或磁體誘發(fā)通過繞組中的一個(gè)的磁通量中的振蕩由此廣生繞組上的振蕩電壓以生成電力。
[0003]電力傳輸和分配系統(tǒng)使用導(dǎo)電線網(wǎng)絡(luò)分配電能。通常地，電能從發(fā)電站輸送給能源消費(fèi)者。為了有效地通過網(wǎng)絡(luò)輸送電能，這樣的網(wǎng)絡(luò)通常攜帶高電壓交流(AC)電信號(hào)。因?yàn)閷?dǎo)電線上傳輸?shù)碾娏σ话闩c電流和電壓的乘積成比例，并且導(dǎo)電線中耗散的電力一般與電流的平方成比例。因此，對(duì)于給定的傳輸電力，增加電壓1倍使得電流減小1倍，而耗散電力降低100倍。
[0004]此外，AC傳輸線路使用變壓器使得在各種變電站縮放電壓電平。變壓器具有圍繞共同的磁芯纏繞的感應(yīng)耦合繞組，每個(gè)繞組的端部分別提供用于輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的引線。由于電感耦合繞組中磁通量和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系，在一個(gè)繞組上(例如，使用輸入引線)施加的AC電壓通過該芯和另一繞組生成變化的磁通量，其接著導(dǎo)致另一繞組的引線兩端上與磁通量成比例的電壓。因?yàn)橥ㄟ^每個(gè)繞組的磁通量與圍繞共同磁芯的每個(gè)繞組的圈數(shù)成比例，所以縮放每個(gè)繞組的匝數(shù)允許相對(duì)于輸出縮放輸入的AC電壓。因此，使用AC電壓，可以方便地在高壓下長距離傳輸電能，并且然后在各分配點(diǎn)使用變壓器縮放(“降低”)到較低電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本文公開一種系統(tǒng)，其中配備風(fēng)力渦輪機(jī)的用于生成電力的系留飛行器通過系繩將電力傳送至被配置為連接(或互連)所生成的電力到配電網(wǎng)絡(luò)的地面站。此外，系繩用于在諸如起飛和/或著陸操作期間，當(dāng)飛行器本身不生成電力時(shí)從地面站向飛行器傳送電力?？梢允褂酶邏?、高頻AC電信號(hào)通過系繩傳送電力，并且在地面站和飛行器上的變壓器可以在各自的位置縮放AC電壓以供使用。AC電壓可以在部分地基于該系繩的多個(gè)導(dǎo)電路徑之間的內(nèi)部電容以系繩的諧振頻率通過系繩傳送。
[0006]在一個(gè)方面，一種系統(tǒng)包括飛行器、系繩和地面站。該飛行器可包括螺旋槳、機(jī)械耦合到螺旋槳的馬達(dá)-發(fā)電機(jī)、電耦合到馬達(dá)-發(fā)電機(jī)的DC總線、變壓器以及與電耦合到變壓器的轉(zhuǎn)換器。馬達(dá)-發(fā)電機(jī)可被配置為交替地:(i)使用來自DC總線的能量移動(dòng)螺旋槳，從而生成在飛行器上的推力；以及(ii)通過螺旋槳的運(yùn)動(dòng)生成電能，并且使用所生成的電能供給DC總線。系繩可以耦合到飛行器。系繩可以包括第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑，被配置為通過第一導(dǎo)電路徑傳導(dǎo)相對(duì)于第二導(dǎo)電路徑上的電壓而周期性變化的電壓來傳送AC電壓。地面站可以經(jīng)由系繩耦合到飛行器。地面站和飛行器上的DC總線可以被配置為經(jīng)由系繩在彼此之間傳送電力。系繩可以具有在第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑之間的內(nèi)部系繩電容。變壓器可以被配置為在通過系繩傳送的AC電壓和降低的AC電壓之間變換。轉(zhuǎn)換器可以被配置為在降低的AC電壓和供給DC總線的DC電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
[0007]在另一方面，公開了一種方法。該方法可以包括將電力轉(zhuǎn)換為高頻AC電壓。該方法可以包括將高頻AC電壓變換為高壓傳輸電平。該方法可以包括通過系繩傳送變換后的高頻AC電壓到飛行器。該方法可以包括經(jīng)由布置在飛行器上的變壓器將高頻AC電壓從高壓傳輸電平變換到更低的電壓電平。該方法可以包括將由變壓器變換到更低的電壓電平的變換后的高頻AC電壓轉(zhuǎn)換到DC電壓。該方法可以包括從轉(zhuǎn)換后的DC電壓汲取電力為飛行器供電。
[0008]在另一方面，公開了一種方法。該方法可以包括由耦合到位于飛行器上的風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)生成電力。該方法可以包括將生成的電力轉(zhuǎn)換為高頻AC電壓。該方法可以包括使用飛行器上的變壓器將高頻AC電壓變換為高壓傳輸電平。該方法可以包括通過系繩將變換后的高頻AC電壓傳送到地面站。
[0009]另一方面，本公開的一些實(shí)施例提供了用于由耦合到位于飛行器上的風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)生成電力的機(jī)制。本公開的一些實(shí)施例提供了用于將生成的電力轉(zhuǎn)換為高頻AC電壓的方法。本公開的一些實(shí)施例提供了使用飛行器上的變壓器將高頻AC電壓變換為高壓傳輸電平的方法。本公開的一些實(shí)施例提供通過系繩將變換后的高頻AC電壓傳送到地面站的方法。
[0010]通過參考附圖的適當(dāng)部分閱讀下面的詳細(xì)描述，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，這些以及其他方面、優(yōu)點(diǎn)和替代將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0011]圖1描繪了根據(jù)示例性實(shí)施例的機(jī)載風(fēng)力渦輪機(jī)(AWT)。
[0012]圖2是示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的使用AWT的系統(tǒng)的部件的簡化框圖。
[0013]圖3A是根據(jù)示例性實(shí)施例的使用AC信號(hào)將飛行器連接到地面站的簡化框圖。
[0014]圖3B是在圖3A中顯示的系統(tǒng)中的系繩電壓和電流的圖形表示。
[0015]圖4A是根據(jù)示例性實(shí)施例的使用AC信號(hào)經(jīng)由諧振網(wǎng)絡(luò)連接飛行器到地面站的簡化框圖。
[0016]圖4B是根據(jù)示例性實(shí)施例的使用AC信號(hào)經(jīng)由另一諧振網(wǎng)絡(luò)連接飛行器到地面站的簡化框圖。
[0017]圖5A是為系留飛行器供電的示例過程的流程圖。
[0018]圖5B是用于分配由系留飛行器上的機(jī)載風(fēng)力渦輪機(jī)生成的電力的示例過程的流程圖。
[0019]圖6描繪了根據(jù)示例性實(shí)施例的非瞬時(shí)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本文描述了示例的方法和系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)理解的是，“示例”一詞在本文中用于表示“用作示例、實(shí)例或說明”。本文中被描述為“示例”或“示例性”的任何實(shí)施例或特征不必被解釋為比其他實(shí)施例或特征優(yōu)選或有利。更一般地，本文所描述的實(shí)施例并不意味著是限制性的。將容易理解所公開的方法和系統(tǒng)的某些方面可以以各種不同的配置布置和組合，所有這些涵蓋于本文中。
[0021]1.概述
[0022]實(shí)施例涉及在風(fēng)能系統(tǒng)中使用的飛行器，如機(jī)載風(fēng)力渦輪機(jī)(AWT)系統(tǒng)。特別是，實(shí)施例可以涉及在其中電能在配備了由螺旋槳驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)的飛行器和地面站之間傳送的AWT系統(tǒng)。在飛行器上生成的電力可以通過在連接該飛行器和地面站的導(dǎo)電系繩上攜帶的AC電信號(hào)進(jìn)行傳送。
[0023]作為背景，AWT系統(tǒng)可包括飛行器，其沿著路徑飛行同時(shí)由系繩連接到地面站。在飛行時(shí)，AWT使用耦合到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子(螺旋槳)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能。為生成電力，飛行器和風(fēng)力運(yùn)動(dòng)的組合引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，其提供扭矩給軸使發(fā)電機(jī)中的磁體/繞組轉(zhuǎn)動(dòng)，由此生成電力。AWT也可以通過施加扭矩到螺旋槳來使用螺旋槳生成對(duì)飛行器的推力，這可以通過馬達(dá)-發(fā)電機(jī)組合來執(zhí)行。在一些情況下，AWT可以生成推力和/或操縱飛行器上的翼型件，以使飛行器:從地面站起飛，在海拔范圍內(nèi)大體沿路線飛行，并降落在地面站。在飛行時(shí)，依據(jù)所涉及的機(jī)動(dòng)，AWT交替地從風(fēng)動(dòng)能生成電能和消耗電能向螺旋槳供電以生成推力。
[0024]當(dāng)風(fēng)力條件不利于發(fā)電時(shí)，飛行器可在它的地面站(或停留地)內(nèi)/或上休息。一旦條件有利于發(fā)電，則地面站還可以部署(或發(fā)射)飛行器。此外，當(dāng)部署了飛行器而風(fēng)力不利于發(fā)電時(shí)，飛行器可以返回到地面站。
[0025]AWT由用來在AWT和地面站之間攜帶電能和可選地傳輸通信信號(hào)的系繩連接到地面站。在實(shí)踐中，當(dāng)AWT被用于生成電能時(shí)，如在側(cè)風(fēng)飛行中，系繩可以用于從AWT向地面站傳送電能。當(dāng)AWT被用于生成推力時(shí)，如在起飛和/或著陸中，系繩可用于從地面站向AWT傳送電能。
[0026]在一些實(shí)施中，在這樣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的飛行器配備有多個(gè)AWT(即耦合到馬達(dá)-發(fā)電機(jī)的多個(gè)螺旋槳)，以及各種航空電子傳感器、通信系統(tǒng)、以及控制模塊。在飛行器上的各種電子器件可以從飛行器上的DC總線接收電力，DC總線可以是具有DC電容或類似物的總線。當(dāng)被用于生成推力時(shí)，各個(gè)AWT則可以從DC總線汲取電力，并且當(dāng)其被用于生成電能時(shí)，各個(gè)AWT可以提供電力給DC總線。
[0027]高壓、高頻的AC電信號(hào)被用于經(jīng)由系繩在飛行器和地面站之間傳送電能。高壓(例如，約5千伏)被用來降低在系繩上的傳輸損耗。使用AC以允許使用變壓器在飛行器上來增高/降低電壓。使用高頻(例如，約5千赫茲)來減小位于飛行器上的變壓器的尺寸和重量。一般地，因?yàn)榇呕娏麟S著頻率減小且感應(yīng)電壓隨著頻率升高，所以更高頻率的AC信號(hào)需要更小的磁芯以變換與更低頻率的信號(hào)相同的電量。其結(jié)果是，對(duì)于給定電力，比起在更低頻率下運(yùn)行的變壓器，在更高頻率下運(yùn)行的變壓器可以采用相對(duì)更小(更輕)的磁性組件。相比于在電力配電網(wǎng)中典型采用的AC頻率(例如，約50赫茲或約60赫茲)，或甚至在一些飛機(jī)上采用的AC頻率(例如，約400赫茲)，用于經(jīng)由系繩傳送電力的頻率可以大得多，也許甚至要比這樣的電網(wǎng)頻率大一個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0028]飛行器還包括將系繩上的AC電壓轉(zhuǎn)換成用于DC總線的DC電壓的AC到DC轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器處理去往/來自變壓器的AC信號(hào)，這允許轉(zhuǎn)換器以由變壓器匝數(shù)比確定的電壓電平工作。AC/DC轉(zhuǎn)換器可以包括兩個(gè)AC端子和兩個(gè)DC端子，以及相對(duì)于DC端子交替切換進(jìn)入/傳出AC端子的極性的開關(guān)組合。整流器和/或其他信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)備也可以被包含在AC/DC轉(zhuǎn)換器中。類似地，地面站也可以包括縮放來自系繩的電壓的變壓器以及將變換后的電壓轉(zhuǎn)換為DC的AC/DC轉(zhuǎn)換器。在地面站的AC/DC轉(zhuǎn)換器接著可以與在DC電壓和諸如在50Hz或60Hz的多相AC信號(hào)的適于與配電網(wǎng)絡(luò)連接的電壓之間轉(zhuǎn)換的逆變器或其他模塊互連。
[0029]然而，系繩表現(xiàn)內(nèi)部電容，并且因此在系繩上驅(qū)動(dòng)AC信號(hào)涉及系繩電容兩端的振蕩電壓。這樣，經(jīng)由AC/DC轉(zhuǎn)換開關(guān)網(wǎng)絡(luò)連接到系繩的DC電壓源對(duì)系繩電容充電。然后，一旦切換施加到系繩的極性，則來自反轉(zhuǎn)電壓源的極性的開關(guān)能量(例如，由于對(duì)系繩電容快速放電和再充電)被開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)開關(guān)以與當(dāng)開關(guān)打開時(shí)開關(guān)兩端的電壓的平方成比例地耗散。
[0030]本公開內(nèi)容提供了兩種不同的技術(shù)來在系繩傳送AC的同時(shí)減輕開關(guān)損耗。在一個(gè)實(shí)例中，DC電流源，而不是DC電壓源，被耦合至AC/DC轉(zhuǎn)換器。一旦反轉(zhuǎn)電流源的極性，則經(jīng)由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，在系繩電容中的電壓緩慢升高以反映反轉(zhuǎn)后的極性。系繩電容起作用以在極值之間回轉(zhuǎn)電壓，從而避免了突然的轉(zhuǎn)變和伴隨的開關(guān)損耗。
[0031]在另一示例中，系繩電容被用于創(chuàng)建被配置為以驅(qū)動(dòng)頻率振蕩的諧振網(wǎng)絡(luò)。特別地，一個(gè)或多個(gè)電感器可被耦合到系繩以創(chuàng)建具有至少部分地由電感器的電感和系繩電容的組合所定義的諧振振蕩頻率的電路。因此，系繩電容可以并入用于在飛行器和地面站之間傳送能量的諧振網(wǎng)絡(luò)。此外，系繩電容可以通過在地面站和/或飛行器上添加電容器來補(bǔ)充。該附加的電容器可以用來實(shí)現(xiàn)所期望的電容和/或降低系繩電容變化的影響。其結(jié)果是，在該系繩上的電壓自然采用正弦形式，并且在AC/DC轉(zhuǎn)換器上的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以被操作為實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)，這顯著減輕開關(guān)損耗。
[0032]I1.示例發(fā)電系統(tǒng)
[0033]A.機(jī)載風(fēng)力渦輪機(jī)(AWT)
[0034]圖1描繪了根據(jù)示例性實(shí)施例的AWT 100AffT 100包括地面站110、系繩120和飛行器130。飛行器130可以連接到系繩120，系繩120可以連接到地面站110。地面站110還可以連接到用于電力的分配和/或傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)(例如，通常被稱為“電網(wǎng)”的電力分配網(wǎng)絡(luò))。飛行器130包括耦合到發(fā)電機(jī)的螺旋槳134A-D。在飛行過程中，螺旋槳134A-D的運(yùn)動(dòng)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。AWT 100因此可用于生成電能。在實(shí)踐中，在飛行器130上生成的電能可經(jīng)由系繩120傳送到地面站110，并且地面站110(和/或一個(gè)或多個(gè)中間站)可以傳送電力到電力分配網(wǎng)絡(luò)(例如，通過多相AC電壓信號(hào))。
[0035]如圖1所示，系繩120可以在地面站110上的一個(gè)位置附著到地面站110，以及在飛行器130上的兩個(gè)位置附著到飛行器130。然而，在其他例子中，系繩120可以在一個(gè)或多個(gè)位置附著到地面站110和/或飛行器130的任何部分。
[0036]地面站110可以用于保持和/或支持飛行器130，直到它處于操作模式為止。地面站110還可以被配置為允許重新定位飛行器130以進(jìn)行部署。此外，地面站110還可以被配置為在著陸期間接收飛行器130。地面站110可以由當(dāng)飛行器130在懸停飛行、向前飛行、和/或側(cè)風(fēng)飛行操作時(shí)能夠保持飛行器130(通過系繩120)附著和/或錨定到地面的任何材料制成。在一些實(shí)施中，地面站110可以被配置為在陸地上使用。然而，地面站110也可在水體上實(shí)施，諸如湖泊、江河、大海或大洋。例如，在其他可能性中，地面站可能包括或可被安排在浮動(dòng)的離岸平臺(tái)或船上。此外，地面站110可以被配置為保持靜止或相對(duì)于地面或水體的表面移動(dòng)。
[0037]此外，地面站110可以包括用于調(diào)節(jié)系繩120長度的一個(gè)或多個(gè)部件(未示出)，諸如絞盤。例如，當(dāng)部署飛行器130時(shí)，地面站110可以卷入/放出系繩120。在一些實(shí)施中，地面站110可以被配置為松出系繩120到預(yù)定的長度，以允許飛行器130沿預(yù)定飛行路徑150飛行。此外，當(dāng)飛行器130著陸時(shí)，地面站110可以被配置為卷入系繩120。
[0038]系繩120可以將飛行器130所生成的電能傳送給地面站110。另外，系繩120可以傳送電到飛行器130以對(duì)飛行器130供電用于起飛、著陸、懸停飛行和/或向前飛行。在一些示例中，系繩120可以具有固定長度和/或可變的長度。系繩120可以以允許傳輸、遞送和/或駕馭由飛行器130生成的電能和/或傳送電到飛行器130的任何形式和任何材料來構(gòu)造。
[0039]系繩120也可以被配置為當(dāng)飛行器130飛行時(shí)承受一個(gè)或多個(gè)來自飛行器130的張力。例如，系繩120可以包括被配置為當(dāng)飛行器130懸停飛行、向前飛行和/或側(cè)風(fēng)飛行時(shí)承受飛行器130的一個(gè)或多個(gè)力的芯。芯可由高拉伸強(qiáng)度的纖維構(gòu)造。除了高拉伸強(qiáng)度芯外，系繩120可以包括諸如由鋁、銅和/或其他可用于傳送電力的導(dǎo)體(碳納米管等)組成的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)線。導(dǎo)線(或多個(gè))可以是絞合的或固體的，并且可以被各種不同的屏蔽和/或絕緣體所包圍。例如，承重芯可以由兩個(gè)或更多的絕緣和/或屏蔽導(dǎo)線包圍，并且護(hù)套可以可選地包圍絕緣/屏蔽線和芯兩者?？梢允褂脤?dǎo)電線來提供飛行器和地面站之間的導(dǎo)電路徑，并且電力可以通過在導(dǎo)電線上施加電信號(hào)在導(dǎo)電路徑上傳送。
[0040]飛行器130可以被配置為大體上沿著路徑150飛行以生成電能。當(dāng)在本公開中使用時(shí)，術(shù)語“大體上沿著”指的是精確地沿著和/或不顯著影響如本文所述電能的生成的對(duì)準(zhǔn)確沿著的或多或少(one or more)的偏離。此外，飛行器可在如本文描述的在特定飛行模式之間的轉(zhuǎn)變期間離開特定的飛行路徑。
[0041]對(duì)于其他的可能性，飛行器130可以包括或采取各種類型的被配置為從通過大氣中的運(yùn)動(dòng)來生成升力的設(shè)備的形式，例如風(fēng)箏、直升機(jī)、飛翼(wing)和/或飛機(jī)。飛行器130可以由形成翼型件的金屬、塑料和/或其他聚合物的固體結(jié)構(gòu)形成。飛行器130可以包括被配置為允許高推力對(duì)重量比的結(jié)構(gòu)。可以選擇材料以允許閃電硬化(I i g h t n i n ghardened)、冗余和/或容錯(cuò)設(shè)計(jì)，其能夠處理在環(huán)境條件中的其他變化之中的大的和/或突然的風(fēng)速和風(fēng)向變化。
[0042]此外，電力生成和/或傳輸部件可以包括在飛行器130中(例如，發(fā)電機(jī)、電壓轉(zhuǎn)換器、變壓器等)。這樣的部件可以被配置為當(dāng)飛行器130飛行時(shí)生成電能并且在系繩120上傳送電能。其他材料也是可能的。
[0043]飛行路徑150可在不同的實(shí)施例中呈現(xiàn)各種不同的形狀。例如，路徑150可以是大體上圓形的。并且在至少一個(gè)這樣的例子中，路徑150可具有約265米的半徑。當(dāng)在本公開中使用時(shí)，術(shù)語“大體上圓形的”指的是精確的圓形和/或不顯著影響如本文描述的電能生成的對(duì)精確圓形的或多或少的偏離。路徑150的其他形狀可以是卵形、橢圓形、果凍豆(或腎)形、數(shù)字8形等。在某些情況下，路徑150可以允許側(cè)風(fēng)飛行，其中沿路徑150的飛行方向沿飛行路徑150整個(gè)長度大體上垂直于風(fēng)向。例如，側(cè)風(fēng)飛行可通過由具有大體與對(duì)風(fēng)向較準(zhǔn)的法線方向的路徑150的輪廓定義的平面來定向路徑150而實(shí)現(xiàn)。
[0044]如圖1所示，在示例性實(shí)施例中，飛行器130可包括主翼131、前部132、轉(zhuǎn)子連接器133A-B、轉(zhuǎn)子134A-D、尾梁135、尾翼136和垂直穩(wěn)定翼137。任何這些組件可以是促進(jìn)生成升力和/或推力的任何形式的翼型件形狀。
[0045]主翼131可以提供飛行器130的主升力。主翼131可包括一個(gè)或多個(gè)剛性或柔性的翼型件，并且可包括各種控制面，如小翼、護(hù)翼、舵、升降舵等。控制面可以用來在懸停飛行、向前飛行和/或側(cè)風(fēng)飛行過程中穩(wěn)定飛行器130和/或減輕飛行器130的阻力。
[0046]包括在飛行器中的主翼131和其他翼型件可由諸如碳纖維或e-玻璃的層壓纖維材料和/或由諸如鋁或其他金屬片制造。此外，主翼131可具有8米的跨度、4平方米的面積、以及15的縱橫比。在某些情況下，主翼131可具有對(duì)應(yīng)于常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的一個(gè)或多個(gè)尺寸。前部132可包括被配置為在飛行過程中減輕飛行器130上的阻力的一個(gè)或多個(gè)部件，如鼻錐(nose)。
[0047]轉(zhuǎn)子連接器133A-B可以連接轉(zhuǎn)子134A-D到主翼131。轉(zhuǎn)子134A-D在本文中可選地稱為螺旋槳并且包括響應(yīng)于風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)的多個(gè)葉片。轉(zhuǎn)子134A-D由轉(zhuǎn)子連接器133A-B耦合到主翼131。在一些示例中，轉(zhuǎn)子連接器133A-B可以采取一個(gè)或多個(gè)外掛架(pylon)的形式或者形式上與之類似。轉(zhuǎn)子連接器133A-B可以被布置為使得轉(zhuǎn)子134A-D以垂直的間隔與主翼131分離(例如，轉(zhuǎn)子134A可以位于主翼131的上方，轉(zhuǎn)子134B可以位于其下方)。在一些示例中，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子(例如，轉(zhuǎn)子134A和轉(zhuǎn)子134B或轉(zhuǎn)子134C和轉(zhuǎn)子134D)之間的垂直間隔可以是大約0.9米。
[0048]為了生成電能的目的，轉(zhuǎn)子134A-D可以被配置為驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)子134A-D可以每個(gè)包括一個(gè)或多個(gè)葉片，例如三個(gè)葉片。并且葉片可耦合到耦合到發(fā)電機(jī)的軸。在飛行期間，葉片與大氣相互作用并在軸上提供扭矩。在發(fā)電機(jī)中，旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)被用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電繞組和磁場之間的相互作用，以便改變通過導(dǎo)電繞組的磁通量，從而誘發(fā)通過繞組的時(shí)變的電動(dòng)勢(shì)(例如，配備有在磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電繞組的電樞)，從而將旋轉(zhuǎn)葉片的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。此外，轉(zhuǎn)子134A-D也可以被配置為在飛行期間向飛行器130提供推力。例如，可以施加時(shí)變的電流到發(fā)電機(jī)內(nèi)的導(dǎo)電繞組，其創(chuàng)建耦合到葉片的軸上的扭矩。使用這種布置，轉(zhuǎn)子134A-D可以起到諸如螺旋槳的一個(gè)或多個(gè)推進(jìn)單元的作用，并且發(fā)電機(jī)可以起到馬達(dá)的作用。在另一示例中，馬達(dá)-發(fā)電機(jī)可通過DC電流/電壓來驅(qū)動(dòng)(以及用于生成DC電流/電壓)，例如在其中繞組相對(duì)于磁場旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)由刷連接器連接以由DC源來驅(qū)動(dòng)(或生成DC輸出)的例子。雖然在此例中飛行器130配備有四個(gè)轉(zhuǎn)子，但是在其他示例中，飛行器130可包括任何數(shù)量的轉(zhuǎn)子，例如少于四個(gè)轉(zhuǎn)子或多于四個(gè)轉(zhuǎn)子。
[0049]尾梁135可以將主翼131連接到尾翼136。尾梁135可以采取飛行器130的主體和/或機(jī)身的形式，并且可任選地?cái)y帶有效載荷。在示例中，尾梁135可具有大約2米的長度。尾翼136和/或垂直穩(wěn)定翼137可用于穩(wěn)定飛行器130和/或減輕在懸停飛行、向前飛行和/或側(cè)風(fēng)飛行期間飛行器130上的阻力。例如，尾翼136和/或垂直穩(wěn)定翼137可用于在懸停飛行、向前飛行和/或側(cè)風(fēng)飛行期間維持飛行器130的俯仰。垂直穩(wěn)定翼137可附著到尾梁135上，并且尾翼136可位于垂直穩(wěn)定翼137的頂部。在一些例子中，尾翼136可具有約2米的長度和約0.45米平方的表面積。另外，尾翼136可以位于飛行器130的質(zhì)心上方約I米。
[0050]雖然在上面以及根據(jù)特定實(shí)施例描述了飛行器130，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本文中所描述的方法和系統(tǒng)可涉及被配置為在通過系繩120連接到地面站110的同時(shí)在飛行期間生成電力的各種不同的飛行器。
[0051 ] B.AWT的說明性組件
[0052]圖2是示出了AWT 200的組件的簡化框圖。AWT 200可采取AWT 100的形式或類似于AffT 100的形式。AWT 200包括地面站210、系繩220和飛行器230。地面站210、系繩220和飛行器230可以與如上結(jié)合圖1描述的地面站110、系繩120和飛行器130相同或相似。
[0053]如圖2所示，地面站210可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器212、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)214和程序指令216。處理器212(或多個(gè))可以包括通用處理器和/或?qū)Ｓ锰幚砥?例如，數(shù)字信號(hào)處理器、專用集成電路等)。處理器212(或多個(gè))可以被配置為執(zhí)行存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)214中的計(jì)算機(jī)可讀程序指令216。程序指令的執(zhí)行可引起地面站210提供本文所述的功能的至少一些。
[0054]在另一方面，地面站210可以包括通信系統(tǒng)218。通信系統(tǒng)218可包括一個(gè)或多個(gè)無線接口和/或一個(gè)或多個(gè)有線接口，其允許地面站210經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信。這樣的無線接口可以根據(jù)一個(gè)或多個(gè)無線通信協(xié)議提供通信。這樣的有線接口可以包括以太網(wǎng)接口、通用串行總線(USB)接口或類似的接口以通過導(dǎo)線、雙絞線、同軸電纜、光鏈路、光纖鏈路或其他物理連接與有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。地面站210可以經(jīng)由通信系統(tǒng)218與飛行器230、其他地面站和/或其他實(shí)體(例如，指揮中心)進(jìn)行通信。
[0055]在示例性實(shí)施例中，通信系統(tǒng)218可以允許短程通信和遠(yuǎn)程通信兩者。例如，地面站210可以被配置為充當(dāng)遠(yuǎn)程支持設(shè)備(例如，飛行器230和/或其他地面站)與一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)或代理。經(jīng)這樣的配置，地面站210可以操作向/從這樣的遠(yuǎn)程支持設(shè)備(或多個(gè))提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)。
[0056]系繩220可以經(jīng)由各自的支架物理地連接到地面站210和飛行器230。系繩支架可以包含可調(diào)整的組件以負(fù)責(zé)飛行器230和地面站210之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。例如，系繩220可以經(jīng)由萬向架連接到飛行器230。系繩220可包括傳輸組件222和通信鏈路224。傳輸組件222可以被配置為從飛行器230傳送電能到地面站210和/或從地面站210傳送電能到飛行器230。傳輸組件222可包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體，并且可以包括屏蔽體和/或絕緣體。在一些示例中，傳輸組件222可包括鋁和/或允許電流傳導(dǎo)的另一材料。此外，在一些實(shí)施中，傳輸組件222可以圍繞系繩220的承重芯(未示出)。例如，鋼芯或其他高拉伸強(qiáng)度材料可以由鋁包圍。在一些示例中，傳輸組件222可以包括兩個(gè)單獨(dú)的導(dǎo)線，其由絕緣體和/或屏蔽體分離并且可用于傳送AC和/或DC電信號(hào)。
[0057]地面站210可經(jīng)由通信鏈路224與飛行器230通信。通信鏈路224可以是雙向的，并且可以包括一個(gè)或多個(gè)接口?？赡艽嬖跇?gòu)成該通信鏈路224的至少一部分的一個(gè)或多個(gè)路由器、交換器和/或其他設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)。另外，在其中通信鏈路224包括用于在地面站210和飛行器230之間攜帶信號(hào)的通信線纜的例子中，電纜可以包括屏蔽體和/或絕緣體，以幫助減輕也包括在系繩220中的傳輸組件222上的可能與電力傳輸相關(guān)聯(lián)的噪聲。
[0058]飛行器230可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感器232、電力總線234、電力生成和/或轉(zhuǎn)換組件236、通信系統(tǒng)238、控制系統(tǒng)248、一個(gè)或多個(gè)處理器242和在其上可以存儲(chǔ)程序指令246的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)244。
[0059]電力生成/轉(zhuǎn)換組件236可包括由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)發(fā)電機(jī)，例如由轉(zhuǎn)子134A-D驅(qū)動(dòng)的高速、直接驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。例如，由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)(或多個(gè))可以被配置為在11.5米每秒的風(fēng)速和超出60%的容量因子下操作(例如，在特定的時(shí)間間隔期間，超過60%的時(shí)間生成電力)。發(fā)電機(jī)(或多個(gè))可以生成從40千瓦到600兆瓦的電力。
[0060]此外，轉(zhuǎn)換組件236可以被配置為轉(zhuǎn)換由發(fā)電機(jī)生成的電力，以適合于在系繩220上傳輸(例如，經(jīng)由在傳輸組件222上傳導(dǎo))。這樣的轉(zhuǎn)換組件可以包括例如AC至DC和/或DC至AC轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器可被用于將由發(fā)電機(jī)輸出的AC電壓轉(zhuǎn)換成通過系繩220傳送的DC電壓。類似的，這樣的轉(zhuǎn)換器可以被用于將在系繩220傳送的DC電壓轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)-發(fā)電機(jī)的AC電壓以在轉(zhuǎn)子上施加扭矩(例如，以生成推力)。此外，轉(zhuǎn)換器可以將從發(fā)電機(jī)輸出的AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓，并且來自每個(gè)發(fā)電機(jī)的DC電壓然后可以提供給位于飛行器230的DC電力總線234。另外，電力生成/轉(zhuǎn)換組件236可以包括用于在不同的DC電壓之間轉(zhuǎn)換的DC-DC轉(zhuǎn)換器。此外，轉(zhuǎn)換組件也可以包括用于縮放AC電壓到不同電平的變壓器。
[0061]電力總線234可提供電力到飛行器230上的電力消耗組件，諸如處理器(或多個(gè))242、控制系統(tǒng)248、傳感器232及通信系統(tǒng)238。在一些實(shí)施中，電力總線234可以包括匯流條(bus bar)或具有DC電容的類似設(shè)備，其可以經(jīng)由充電系統(tǒng)被充電/再充電。電力總線234可以至少部分地由飛行器230中生成的電力供電:也即，電力生成組件236中的轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)提供的電能。來自每個(gè)發(fā)電機(jī)的電力可被轉(zhuǎn)換成DC(例如，經(jīng)由與每個(gè)發(fā)電機(jī)，或者可能是一對(duì)發(fā)電機(jī)相關(guān)聯(lián)的整流器/變換器)，然后來自各個(gè)發(fā)電機(jī)的電力可以共同供給DC電力總線234。
[0062]作為另一示例，電力總線234可由一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)或引擎提供電能，用于或許基于備份提供電力給飛行器230。在一些實(shí)施中，一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)或發(fā)動(dòng)機(jī)可通過燃料提供動(dòng)力，諸如可燃燃料。燃料可以存儲(chǔ)在飛行器230上，并經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)流體導(dǎo)管傳遞到一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)或引擎，然后在需要時(shí)經(jīng)歷燃燒以將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或電能。在一些實(shí)施中，電力總線234可以全部或部分地由在地面站210中的部件實(shí)施。例如，位于地面站210上的電源可以通過在系繩220上傳送電力給飛行器230上的電池充電。這樣的充電系統(tǒng)還可以包括飛行器230和/或地面站210上的感應(yīng)充電系統(tǒng)和/或一個(gè)/多個(gè)太陽能電池板。
[0063]飛行器230上的電力生成/轉(zhuǎn)換組件236還可以包括耦合在DC電力總線234和馬達(dá)-發(fā)電機(jī)之間的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可以被配置為從DC總線為馬達(dá)-發(fā)電機(jī)汲取能量以用于移動(dòng)螺旋槳從而生成飛行器230上的推力。另外，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可以被配置為向DC電力總線234提供從螺旋槳的運(yùn)動(dòng)經(jīng)由馬達(dá)-發(fā)電機(jī)生成的電能。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可以，例如，包括電壓整流器(或多個(gè))和/或逆變器(或多個(gè))，用于AC和DC電壓之間的轉(zhuǎn)換。此外，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可以被配置為根據(jù)諸如由控制系統(tǒng)248和/或通信系統(tǒng)238提供的命令/控制信號(hào)進(jìn)行操作，以達(dá)到飛行器230的期望的飛行路徑和/或風(fēng)力電力生成操作模式。
[0064]傳感器232可以包括一系列不同的航空電子器件、導(dǎo)航和/或電力系統(tǒng)傳感器。例如，傳感器232可以包括全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器，其可提供飛行器230的地理位置坐標(biāo)。傳感器可以另外地或替代地包括諸如加速度計(jì)和/或陀螺儀的慣性測(cè)量單元(IMU)，其可以用于確定飛行器230方向。特別是，加速度計(jì)可以測(cè)量飛行器230相對(duì)于地球的方向，而陀螺儀測(cè)量圍繞軸旋轉(zhuǎn)的速度，諸如飛行器230的中心線。此外，磁力計(jì)可以提供指示飛行器230相對(duì)于地球磁場的方向和/或位置的數(shù)據(jù)。作為另一示例，傳感器232可以包括被配置為檢測(cè)飛行器230處相對(duì)風(fēng)力的一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力傳感器(例如，皮托管或類似物)，和/或可用于確定飛行器230海拔的壓力傳感器或氣壓計(jì)。還可以包括其他傳感器的例子，包括與電力總線234和/或電力生成/轉(zhuǎn)換組件236的操作模式和/或條件相關(guān)的傳感器。
[0065]控制系統(tǒng)248可以依照來自地面站210或中央命令站的指令和/或基于來自傳感器232的輸出以起到調(diào)節(jié)和/或控制飛行器230的作用?？刂葡到y(tǒng)248因此可以被配置為操作調(diào)節(jié)飛行器飛行的、飛行器上的各種翼型片和其他特征(例如，結(jié)合圖1所描述的飛行器130的操縱平面)。在一些情況下，控制器248可被配置為半自主地操作以使得飛行器230沿預(yù)定飛行路徑飛行(例如，結(jié)合圖1所描述的路徑150)?？刂葡到y(tǒng)248可以由全部或部分的在飛行器230的組件和/或通過與飛行器230通信的位于遠(yuǎn)處的組件來實(shí)現(xiàn)，諸如位于地面站210的經(jīng)由通信鏈路224進(jìn)行通信的組件。控制系統(tǒng)248可以由機(jī)械系統(tǒng)和/或硬件、固件和/或軟件來實(shí)現(xiàn)。作為一個(gè)例子，控制系統(tǒng)248可以采取存儲(chǔ)在非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)(例如，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)244)中的程序指令246和執(zhí)行指令的處理器(或多個(gè)處理器)242的形式。
[0066]此外，正如所指出的，飛行器230可以包括通信系統(tǒng)238。通信系統(tǒng)238在功能上可以與地面站210中的通信系統(tǒng)218類似。依照各種無線和/或有線通信協(xié)議和/或接口，飛行器230可以經(jīng)由通信系統(tǒng)238與地面站210、其他飛行器和/或其他的實(shí)體(例如，指揮中心)進(jìn)行通信。
[0067]II1.系繩上的AC電力輸送
[0068]如上結(jié)合圖1和圖2描述的示例AWT系統(tǒng)由用于在AWT和地面站之間傳送電能的系繩連接到地面站。在實(shí)踐中，當(dāng)AWT用來生成電能時(shí)，系繩可用于從AWT向地面站傳送電力。而當(dāng)AWT用于生成推力時(shí)，諸如起飛和/或著陸期間，系繩可用于從地面站向AWT傳送電力。圖3-圖4提供了其中高壓、高頻AC電信號(hào)被用于通過系繩在飛行器和地面站之間傳送電力的例子。如下面進(jìn)一步描述的，飛行器和地面站的每個(gè)包括變壓器以縮放系繩上的電壓到高的值，并從而減輕在系繩上的傳輸損耗。飛行器包括將系繩上的AC電壓轉(zhuǎn)換到飛行器上的DC電力總線上的DC電壓/從飛行器上的DC電力總線上的DC電壓轉(zhuǎn)換到系繩上的AC電壓的AC至DC轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器處理去往/來自變壓器的AC信號(hào)，以允許轉(zhuǎn)換器在由變壓器匝數(shù)比確定的電壓電平下操作。
[0069]本公開內(nèi)容提供了兩種不同的技術(shù)以在減輕在AC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗的同時(shí)在系繩上傳送AC。在一個(gè)示例中，DC電流源，而不是DC電壓源，被耦合至AC/DC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)電流源的極性反轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)由轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)，系繩電容中的電壓緩慢升高以反映反轉(zhuǎn)后的極性。系繩電容使用系繩電容作為緩沖器充電/放電來響應(yīng)于每個(gè)開關(guān)事件起到回轉(zhuǎn)系繩上的電壓的作用直到電流源達(dá)到平衡為止。系繩電容從而有助于避免突然的電壓轉(zhuǎn)換和相關(guān)的開關(guān)損耗。在電壓轉(zhuǎn)換的時(shí)間期間，相比正弦AC波形，在傳導(dǎo)損耗和電壓應(yīng)力方面，系繩沿著系繩傳送DC電流(及電力)可以實(shí)現(xiàn)高的系繩利用率。在另一示例中，系繩電容被用于創(chuàng)建被配置為以驅(qū)動(dòng)頻率振蕩的諧振網(wǎng)絡(luò)。例如，電感器可以耦合到系繩，以使得系繩/電感器組合具有由系繩電容和電感器二者確定的類似諧振振蕩回路的諧振頻率。當(dāng)供以振蕩電壓時(shí)，系繩電壓可以進(jìn)行正弦振蕩。
[0070]A.驅(qū)動(dòng)系繩電容的電流源
[0071]圖3A是根據(jù)示例性實(shí)施例的使用AC信號(hào)連接飛行器330到地面站310的系統(tǒng)300的簡化框圖。系統(tǒng)300包括地面站310、系繩320和飛行器330。系統(tǒng)300、其中的組件和其操作可類似于以上結(jié)合圖1和圖2所描述的任一 AWT系統(tǒng)。
[0072]飛行器330包括AWT 340，其包括耦合到馬達(dá)-發(fā)電機(jī)344的轉(zhuǎn)子342 JWT 340操作以交替地生成電力和生成推力。在生成電力期間，轉(zhuǎn)子342與大氣相互作用，其在耦合到發(fā)電機(jī)的軸上生成扭矩，軸的旋轉(zhuǎn)引起發(fā)電機(jī)中的繞組相對(duì)磁場運(yùn)動(dòng)，這誘發(fā)繞組上的電動(dòng)勢(shì)從而生成電。在生成推力期間，電流被施加到馬達(dá)-發(fā)電機(jī)344中的繞組，其與磁場相互作用以將扭矩施加到軸，這然后旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子342從而在飛行器330上生成推力。
[0073]AffT 340耦合到空中DC總線338，其可包括一個(gè)或多個(gè)可充電電池或其他能量存儲(chǔ)設(shè)備。在發(fā)電期間，空中DC電力總線338從AWT 340接收電力。例如，由AWT 340生成的AC電壓可以被整流/轉(zhuǎn)換為DC電壓，然后施加到DC電力總線338。另外，在生成推力期間，DC電力總線可以輸出電力到AWT 340。例如，馬達(dá)-發(fā)電機(jī)344可以從DC總線338汲取電流，這將引起馬達(dá)-發(fā)電機(jī)344將扭矩施加到轉(zhuǎn)子342，從而生成推力。在一些示例中，來自DC總線338的被施加到馬達(dá)-發(fā)電機(jī)的電流可以被轉(zhuǎn)換為AC。
[0074]在一些示例中，飛行器330上可以有渦輪機(jī)，可能在整個(gè)飛行器330的翼結(jié)構(gòu)上分布有多達(dá)八個(gè)螺旋槳。同樣的，飛行器330也可以具有多個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器用于在空中DC總線338和各個(gè)馬達(dá)-發(fā)電機(jī)的電壓之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。在一些情況下，每個(gè)渦輪機(jī)可以具有單獨(dú)的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其可以聯(lián)合地供給空中DC總線338。在某些情況下，渦輪機(jī)組可以共享共同的AC/DC轉(zhuǎn)換器，并且分組的AC/DC轉(zhuǎn)換器可以然后共同地供給空中DC總線。例如，飛行器330可以包括多個(gè)外掛架，其中每個(gè)包括兩個(gè)(或者更多)螺旋槳和馬達(dá)-發(fā)電機(jī)，并且可以為每個(gè)外掛架提供單獨(dú)的AC/DC轉(zhuǎn)換器。更進(jìn)一步地，一些實(shí)施例可以包括多于一個(gè)的空中DC總線(例如，所有渦輪機(jī)中的一半被連接到一個(gè)DC總線，另一半被連接到另一個(gè)DC總線)。在多個(gè)馬達(dá)-發(fā)電機(jī)之間分配AC/DC轉(zhuǎn)換器的各種技術(shù)還可以允許在整個(gè)飛行器上分配質(zhì)量(例如，通過使每個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器靠近它相應(yīng)的馬達(dá)-發(fā)電機(jī))。此外，該布置通過提供多個(gè)，而不是單一的一個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器，降低了單點(diǎn)故障的可能性，提高了系統(tǒng)300的冗余性和可靠性。
[0075]此外，飛行器330包括也可以從空中DC總線338接收電力的控制和通信電子器件346。電子器件346可包括傳感器、通信系統(tǒng)、控制器、處理器等，被配置為協(xié)調(diào)操作以操作飛行器330起飛、在側(cè)風(fēng)飛行路線上飛行和著陸。電子器件346可包括例如如上結(jié)合圖1和圖2描述的航空電子器件、導(dǎo)航、通信和/或控制模塊中的一個(gè)或多個(gè)?？梢蕴峁╇妷恨D(zhuǎn)換器、整流器和/或調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)來自DC總線338的電壓以使其適合作為電子器件346的電源。此夕卜，在一些示例中，可以提供完全分離的DC電源給飛行器330上的各種耗電電子器件346供電，諸如完全或部分的不由AWT 340生成的電力充電的可充電電池。
[0076]系繩320連接到地面站310和飛行器330。系繩320包括第一導(dǎo)體322和第二導(dǎo)體324。兩個(gè)導(dǎo)體322、324可以被實(shí)施為以一對(duì)導(dǎo)線或同軸電纜，或另一種安排實(shí)施，并且可以由諸如鋁的導(dǎo)電材料形成。系繩320還可以包括絕緣體和/或屏蔽體，以便防止兩個(gè)導(dǎo)體322、324之間沿著系繩320的長度的電連接。
[0077]兩個(gè)導(dǎo)體被配置為在兩個(gè)導(dǎo)電線322、324上使用AC信號(hào)在地面站310和飛行器330之間傳送電力。例如，在電力傳輸期間，第一導(dǎo)線322可以具有相對(duì)于在第二導(dǎo)線324上的電壓的周期性變化的電壓。兩個(gè)導(dǎo)體322、324可以具有電容326，這可能是由于在系繩320上的兩個(gè)導(dǎo)體的幾何結(jié)構(gòu)造成的。如圖3A所示，兩個(gè)導(dǎo)體322、324之間(并且因此，電容326兩端)的電壓在本文中被稱為Vteth。在特定實(shí)施中，電容326的值可能取決于系繩導(dǎo)體322、324的特定的幾何結(jié)構(gòu)以及系繩320的總長度。
[0078]除了系繩320之外，從地面站310到飛行器330(或從飛行器330到地面站310)的AC電力的傳輸路徑包括地面站310和飛行器330上的組件。
[0079]地面站310包括電流源312、雙向AC/DC轉(zhuǎn)換器314和變壓器316。類似的，飛行器330包括變壓器332、雙向AC/DC轉(zhuǎn)換器334和電流源336。變壓器316、變壓器332分別連接耦合到系繩導(dǎo)體322、系繩導(dǎo)體324的相應(yīng)端部，以根據(jù)變壓器316、變壓器332的匝數(shù)比縮放系繩320上的電壓。因此，變壓器316、變壓器332也可以用于產(chǎn)生在系繩上傳送的相對(duì)高的電壓，并由此減輕傳輸損耗。變壓器316、變壓器332每個(gè)連接到相應(yīng)的雙向AC/DC轉(zhuǎn)換器314、334。轉(zhuǎn)換器314、轉(zhuǎn)換器334將到/從變壓器316、變壓器332的AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓。轉(zhuǎn)換器314、轉(zhuǎn)換器334然后每個(gè)連接到相應(yīng)的電流源312、電流源336。電流源312、電流源336通過拉/灌電流提供DC電力的驅(qū)動(dòng)源/匯電流，方向取決于電力流的方向。
[0080]轉(zhuǎn)換器314、轉(zhuǎn)換器334每個(gè)包括一對(duì)AC端子、一對(duì)DC端子、以及將AC端子選擇性地連接到DC端子中的一個(gè)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)?？梢圆僮鏖_關(guān)以相對(duì)于DC側(cè)端子交替地反轉(zhuǎn)AC側(cè)端子的極性。如圖3A中所示，轉(zhuǎn)換器314經(jīng)由節(jié)點(diǎn)A的端子傳送/接收到/從變壓器316的AC電壓；轉(zhuǎn)換器334經(jīng)由節(jié)點(diǎn)B的端子傳送/接收到/從變壓器322的AC電壓。在一些示例中，在AC/DC轉(zhuǎn)換器314、334中的開關(guān)可以通過具有一個(gè)或多個(gè)晶體管、晶閘管和/或二極管等的電路來實(shí)現(xiàn)。
[0081 ]當(dāng)轉(zhuǎn)換AC電壓為DC電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換器相對(duì)于DC端子反復(fù)地反轉(zhuǎn)AC端子的極性以在DC端子兩端產(chǎn)生DC偏壓。在一個(gè)示例中，進(jìn)入的正弦AC電壓可以在每個(gè)全周期被切換兩次，使得DC端子接收半波整流電壓。如上所述，通過在或接近零電壓處進(jìn)行切換減輕開關(guān)損耗，這降低了在開關(guān)中耗散與開關(guān)兩端的電壓的平方成比例的能量的開關(guān)電壓的影響。因此，輸入AC波形可以在或接近過零電壓處切換，其在本文中被稱為零電壓開關(guān)(ZVS)t3ZVS操作可以使用操作用于開關(guān)(例如，晶體管)的控制線的電壓傳感器來實(shí)施，以引起開關(guān)在電壓通過零點(diǎn)時(shí)觸發(fā)(fire)和/或通過自動(dòng)感測(cè)電路，例如被配置為當(dāng)電壓通過零點(diǎn)時(shí)成為正向偏置的二極管等。在其他示例中，具有各種不同波形的AC電壓可以以與AC波形頻率相關(guān)的頻率被切換，以在DC端子產(chǎn)生DC偏壓。此外，電容器或另一高頻濾波組件可以可選地被連接在DC電壓端子兩端以平滑輸出電壓并降低DC電壓中的高頻噪聲。
[0082]當(dāng)轉(zhuǎn)換DC電壓為AC電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換器反復(fù)反轉(zhuǎn)DC端子的極性，從而在AC端子兩端產(chǎn)生周期性變化的電壓。例如，轉(zhuǎn)換器可以相對(duì)于AC端子反轉(zhuǎn)DC端子的極性，然后反轉(zhuǎn)回去以完成給定周期。然后所得的AC波形的頻率可取決于這樣的切換操作的頻率。
[0083]系繩320的導(dǎo)電路徑322、導(dǎo)電路徑324、變壓器316、變壓器332、轉(zhuǎn)換器314、轉(zhuǎn)換器334和電流源/匯312、336組合以電耦合飛行器330中的電力生成(和消耗)組件和地面站310中的電力分配組件。組合的電連接(例如，地面站310、系繩320和/或飛行器330上的組件)因此可在本文中稱為雙向電力傳輸路徑。
[0084]雖然系繩320(以及地面站310和飛行器330中的相關(guān)聯(lián)的傳輸路徑組件)允許雙向電力流(即，從地面站310到飛行器330或從飛行器330到地面站)，但是下面的部分指的是其中從地面站310向飛行器330傳送電力的例子。
[0085]圖3B是在圖3A中所示的系統(tǒng)的系繩電壓Vteth和電流的圖形表示。波形340描繪了在地面站310節(jié)點(diǎn)A的電流Istat1n。波形344描繪了在該飛行器330節(jié)點(diǎn)B的電流lair。波形342描繪了系繩電壓Vteth，其是系繩電容326兩端的電壓。
[0086]由于電流源312由轉(zhuǎn)換器314反復(fù)開關(guān)以反轉(zhuǎn)極性，所以電流Istat1n在正和負(fù)之間振蕩。一旦經(jīng)由轉(zhuǎn)換器314反轉(zhuǎn)電流源312的極性，則系繩電容326上的電壓(S卩，Vteth)從正回轉(zhuǎn)到負(fù)(或負(fù)到正)。電流方向的變化(例如，由于電流源312的極性的反轉(zhuǎn))逐漸對(duì)系繩電容326充電/放電，同時(shí)與系繩320上的電流相匹配。電壓Vteth然后可從最大電壓Vmax緩慢變化到最小電壓-Vmax。系繩電容326可以由此在反轉(zhuǎn)電流源312、電流源336極性的轉(zhuǎn)變期間平滑電壓。重復(fù)該循環(huán)導(dǎo)致例如如圖3B所示的在系繩電壓Vteth的上的梯形波形。這樣的梯形波形可以顯著減輕高頻諧波。
[0087]在電壓轉(zhuǎn)變期間(例如，時(shí)間間隔350、時(shí)間間隔354)，系繩320可以沿著系繩320傳送DC電流(及電力)，相比正弦AC波形，在傳導(dǎo)損耗和電壓應(yīng)力方面實(shí)現(xiàn)更高的系繩利用率。在其中Vteth波形在電壓(例如，間隔352、間隔356)之間斜坡變化的周期期間，電流源312、電流源336可以彼此相反，而系繩電容326在極值之間回轉(zhuǎn)系繩320上的電壓。
[0088]例如，在時(shí)間!^，電流源312、電流源336兩者可以(經(jīng)由轉(zhuǎn)換器314、轉(zhuǎn)換器334中的各自的開關(guān)操作)連接到共同的正極。系繩電壓Vteth可以在最大電壓+Vmax，并且電流源312可以以完全的系繩利用率沿著系繩320往上傳送電力到電流源336(經(jīng)由變壓器332和轉(zhuǎn)換器334)。在以時(shí)間T1開始的時(shí)間間隔350期間，飛行器330中的電流源336由接收到的電流充電，其可能接近最大容量。
[0089]在時(shí)間T2，轉(zhuǎn)換器314可以反轉(zhuǎn)電流源312的極性，這會(huì)引起Istat1n從正切換到負(fù)。然后系繩電壓Vteth可以開始通過充電/放電系繩電容326從+Vmax斜坡變化至-Vmax。在時(shí)間T3，系繩電壓Vteth到達(dá)-Vmax，并且機(jī)載的電流源336可以(通過轉(zhuǎn)換器334的操作)反轉(zhuǎn)極性。在從時(shí)間T2到時(shí)間T3的間隔352期間，電流源312、電流源336的極性可以彼此相反，并引起系繩電壓Vteth從+Vmax回轉(zhuǎn)到-Vmax。
[0090]在時(shí)間T3，轉(zhuǎn)換器334可以反轉(zhuǎn)電流源336的極性，這會(huì)引起Iair從正切換到負(fù)，并且兩個(gè)電流源312、336再次連接到共同的極性。在從時(shí)間T3到時(shí)間T4的時(shí)間間隔354期間，系繩電壓Vteth可以在最小電壓-Vmax，并且電流源312可以以完全的系繩利用率沿系繩320向上(經(jīng)由變壓器332和轉(zhuǎn)換器334)傳送電力到電流源336。
[0091 ]在時(shí)間T4，轉(zhuǎn)換器314可以再次反轉(zhuǎn)電流源312的極性，這會(huì)引起I s tat i on從負(fù)切換為正。系繩電壓Vteth然后可以通過對(duì)系繩電容326充電/放電在時(shí)間T2到時(shí)間T3的時(shí)間間隔356期間開始從-Vmax斜坡變化至+Vmax。在時(shí)間T5，系繩電壓Vteth達(dá)到+Vmax，并且機(jī)載的電流源336可以(通過轉(zhuǎn)換器334的操作)反轉(zhuǎn)極性，這完成周期為To(頻率為To—1)結(jié)果為梯形波狀的AC周期。
[0092]為了從系繩320向下將電力發(fā)送回，電流源逆變器中的電流切換的順序(S卩，轉(zhuǎn)換器314、轉(zhuǎn)換器334)被驅(qū)動(dòng)以從空中DC總線338汲取電力以向地面站310供電。特別是，可以操作轉(zhuǎn)換器334依照所期望的頻率周期性地反轉(zhuǎn)電流源336的極性。然后可以操作轉(zhuǎn)換器314以響應(yīng)于達(dá)到相應(yīng)的最大和最小電壓的系繩電壓Vteth切換提供到站電流源312的電流的極性(例如，類似于上述的轉(zhuǎn)換器334的操作)。結(jié)果是在系繩320上的梯形電壓波形，當(dāng)電壓是在相應(yīng)的最大值和最小值時(shí)以系繩的充分利用率由系繩320向下傳送電力，并且地面站電流波形(在節(jié)點(diǎn)Α)滯后于飛行器電流波形(在節(jié)點(diǎn)B)。
[0093]B.包括系繩電容的諧振網(wǎng)絡(luò)
[0094]圖4Α是根據(jù)示例性實(shí)施例的經(jīng)由諧振網(wǎng)絡(luò)440使用AC信號(hào)將飛行器430連接到地面站410的系統(tǒng)400的簡化框圖。系統(tǒng)400包括地面站410、系繩420和飛行器430。
[0095]系統(tǒng)400，其中的組件和它的操作，可以類似于如上結(jié)合圖1-圖3描述的系統(tǒng)或它們的組合。例如，飛行器430包括變壓器434、轉(zhuǎn)換器436和空中DC總線438，其中每一個(gè)可以分別與如上結(jié)合圖3A和圖3B描述的變壓器332、轉(zhuǎn)換器334和空中DC總線336相同(或相似)。此外，雖然在圖4A中未示出，但是空中DC總線438可以用于為飛行器430中的AWT和其他系統(tǒng)電子器件兩者提供電力，并且還可以由AWT(或多個(gè))中生成的電力充電。系繩420可以包括彼此絕緣的兩個(gè)導(dǎo)電路徑，并且在兩個(gè)導(dǎo)電路徑之間具有類似于如上結(jié)合圖3A和圖3B描述的系繩320的系繩電容422，其中系繩電容326在兩個(gè)導(dǎo)電路徑322、324之間呈現(xiàn)。同樣，地面站410包括DC電壓源412、轉(zhuǎn)換器414和變壓器416，其可以分別與如上結(jié)合圖3A和圖3B描述的轉(zhuǎn)換器314和變壓器316相同(或相似)。
[0096]然而，與圖3A和圖3B中的系統(tǒng)300不同，圖4A中的系統(tǒng)400包括使得通過系繩420傳送的AC電信號(hào)經(jīng)歷諧振振蕩的諧振網(wǎng)絡(luò)440。特別地，一個(gè)或多個(gè)電感器被連接到系繩，使得諧振網(wǎng)絡(luò)440具有由系繩電容422和電感器(或多個(gè))所定義的諧振頻率。如圖4A所示，一個(gè)電感器418可以連接到系繩420的在系繩420和地面站410中的變壓器416之間的導(dǎo)電路徑。此外，另一電感器432可以連接到系繩432的在系繩420和在飛行器430的變壓器434之間的導(dǎo)電路徑。
[0097]電感器(或多個(gè))418、432和系繩電容422使得通過系繩傳送的電信號(hào)振蕩，由于存儲(chǔ)在電感器418、電感器432中的能量的振蕩傳送到電容器422。例如，諧振網(wǎng)絡(luò)440可以具有類似于LC諧振回路的諧振頻率fres，例如fres?(LC)—1/2，盡管其他實(shí)施例也是可能的，其中諧振頻率至少部分地基于系繩電容422和電感器(或多個(gè))418、432的電感的組合定義。此夕卜，諧振網(wǎng)絡(luò)440的諧振頻率可以通過選擇電感器(或多個(gè))418、432的值進(jìn)行調(diào)諧。
[0098]圖4B是根據(jù)示例性實(shí)施例的使用AC信號(hào)經(jīng)由另一諧振網(wǎng)絡(luò)441連接飛行器430到地面站410的系統(tǒng)401的簡化框圖。在諧振網(wǎng)絡(luò)441中，系繩電容422由與系繩電容422并行連接的附加電容器419、電容器431補(bǔ)充。例如，如圖4B所示，在地面站410中，電容器419可以連接在系繩420的兩個(gè)導(dǎo)電路徑之間。并且在飛行器430中，電容器431可以連接在系繩420的導(dǎo)電路徑之間。附加的電容器419、431還可以用于調(diào)諧諧振網(wǎng)絡(luò)441的諧振頻率。此外，附加的電容器419、431可以降低在系繩電容中的變化和/或不確定性的影響(例如，諸如如果附加的電容器419、431具有比系繩電容422更大的組合電容)。
[0099]由于諧振網(wǎng)絡(luò)440(或諧振網(wǎng)絡(luò)441)，一旦從轉(zhuǎn)換器414、轉(zhuǎn)換器436中的一個(gè)以諧振頻率附近的頻率提供AC波形，則系繩電壓Vteth以正弦方式振蕩。作為系繩電壓Vteth的正弦波形的結(jié)果，系統(tǒng)400、系統(tǒng)401可以每個(gè)由電壓源412，而不是系統(tǒng)300中的電流源驅(qū)動(dòng)。在實(shí)踐中，諧振網(wǎng)絡(luò)440(或諧振網(wǎng)絡(luò)441)上的諧振正弦振蕩使得系繩電壓Vteth循環(huán)地通過零伏(例如，當(dāng)諧振網(wǎng)絡(luò)440、諧振網(wǎng)絡(luò)441中的能量轉(zhuǎn)移到電感器418、電感器432時(shí))。相應(yīng)的變換器414、變換器436然后可以當(dāng)電壓過零時(shí)被驅(qū)動(dòng)以操作各自的開關(guān)并從而顯著減輕開關(guān)損耗。
[0100]在一些情況下，諧振網(wǎng)絡(luò)440、諧振網(wǎng)絡(luò)441的電抗可能引起地面站410的電壓的波形(例如，在轉(zhuǎn)換器414和變壓器416之間)超前系繩電壓Vteth。同樣地，飛行器430上(例如，在變壓器434和轉(zhuǎn)換器436之間)的電壓波形可能會(huì)滯后系繩電壓Vteth。在地面站410和飛行器430的波形之間的相應(yīng)滯后/超前偏移可能由各自的轉(zhuǎn)換器414、轉(zhuǎn)換器436所導(dǎo)致，以減輕開關(guān)損耗。
[0101]為了從空中DC總線438沿系繩420向下發(fā)回電力以向地面站410提供電力，可以調(diào)節(jié)地面站和飛行器的正弦波的相位和振幅。在實(shí)踐中，可以依照對(duì)應(yīng)于傳輸網(wǎng)絡(luò)440(或傳輸網(wǎng)絡(luò)441)的諧振頻率的頻率操作飛行器430中的轉(zhuǎn)換器436以周期性地反轉(zhuǎn)空中DC總線438的極性。然后可以響應(yīng)于系繩電壓Vteth通過零點(diǎn)來操作轉(zhuǎn)換器414以切換供給到站電壓源412的電壓的極性(例如，類似于上述的轉(zhuǎn)換器436的操作)。在實(shí)踐中，在電力傳輸方向上的開關(guān)可以作為轉(zhuǎn)換器414、轉(zhuǎn)換器436中的一個(gè)或兩者中的相移和/或幅移來實(shí)施。
[0102]IV.示例操作
[0103]圖5A是用于向系留飛行器供電的示例過程500的流程圖。在一些實(shí)施例中，系留飛行器可以包括安裝在其上交替地從風(fēng)力生成電力以及生成推力的AWT。飛行器還可以經(jīng)由系繩耦合到地面站。例如，飛行器可以類似于如上結(jié)合圖1-圖4描述的任何飛行器。在生成推力期間，AWT可以汲取電力以引起螺旋槳旋轉(zhuǎn)，這然后對(duì)飛行器提供推力。為了向螺旋槳以及或許飛行器上的其他電力消耗系統(tǒng)(例如，傳感器、控制器、通信、導(dǎo)航、航空電子器件等)供電，地面站可以通過系繩向飛行器傳送電力，這可以由過程500來執(zhí)行。
[0104]在框502，地面站的電力可以被轉(zhuǎn)換為高頻AC電信號(hào)。例如，地面站可以通過與電力分配和傳輸網(wǎng)絡(luò)(例如，電網(wǎng))的連接接收電力。地面站可以經(jīng)由例如攜帶多相AC電信號(hào)的線從電網(wǎng)接收電力。例如，可以由在約50赫茲或約60赫茲振蕩以及在在電網(wǎng)中利用的用于傳輸和/或分配的電壓電平(例如，240伏的AC，5千伏的AC等)的AC電信號(hào)接收電力。轉(zhuǎn)換器可以通過整流/轉(zhuǎn)換輸入電信號(hào)到DC電壓操作，然后使用AC/DC轉(zhuǎn)換器(例如，逆變器)以產(chǎn)生所期望的頻率(例如，約5千赫茲)的AC電壓。轉(zhuǎn)換器可以相對(duì)于AC輸出端子反復(fù)反轉(zhuǎn)DC電壓的極性，以便在AC輸出端子上提供以所希望的頻率振蕩的AC波形。
[0105]在框504中，來自轉(zhuǎn)換器的AC電壓可以轉(zhuǎn)換為高壓傳輸電平。例如，與在上述在圖3和圖4中描述的包括在地面站中的變壓器類似的變壓器可以接收來自轉(zhuǎn)換器的高頻AC，并且基于變壓器的匝數(shù)比縮放AC到更高電壓電平。來自變壓器的輸出是適于通過系繩傳送的高壓、高頻的AC電信號(hào)。在一些示例中，變壓器的輸出可以是具有大約5千赫茲的頻率和大約4千伏的AC電壓的AC波形。在另一示例中，頻率可超過約2千赫茲并且AC電壓可能超過約2千伏。
[0106]在框506中，高壓、高頻的AC可以通過系繩傳送到飛行器。系繩可以與上述結(jié)合圖1-圖4描述的耦合地面站和飛行器的任何系繩類似。系繩可包括第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑(例如，通過圍繞應(yīng)變軸承芯的多個(gè)絕緣導(dǎo)線)。從變壓器輸出的AC波形可以被施加到跨越將AC電信號(hào)傳送到飛行器的多個(gè)導(dǎo)電路徑。系繩和導(dǎo)電路徑的電阻可以被配置為攜帶高壓、高頻的AC電信號(hào)。
[0107]此外，可以布置兩個(gè)導(dǎo)電路徑為使得，在高頻處，在兩個(gè)導(dǎo)電路徑之間系繩呈現(xiàn)內(nèi)部電容。在某些情況下，沿著系繩的兩個(gè)電線的橫截面和/或兩個(gè)導(dǎo)電路徑的幾何形狀可以被布置為實(shí)現(xiàn)特定的電承載需求或其他性能標(biāo)準(zhǔn)。在一些示例中，可以基于最小化系繩電阻(例如，通過增加導(dǎo)電路徑的橫截面積)和最小化系繩重量(例如，通過減小橫截面積)之間的折衷來選擇系繩參數(shù)。在一些示例中，可以基于最小化系繩電流(例如，通過增加傳輸電平電壓)和最小化系繩絕緣重量的要求(例如通過降低傳輸電平電壓)之間的折衷選擇高電壓(傳輸電平電壓)。
[0108]在框508，高壓、高頻的AC電壓可以由飛行器上的變壓器變換為更低的電壓。飛行器上的變壓器可以被配置為縮放傳輸電平電壓為以適合于由也在飛行器上的轉(zhuǎn)換器處理的電壓電平。例如，在飛行器上的變壓器可具有被配置為在約4千伏(例如傳輸電平電壓)至約I千伏(例如變換器電平電壓)之間變換的E數(shù)比。而且，因?yàn)锳C電壓是高頻(例如，大約5千赫茲)，所以包括在飛行器中的變壓器的磁性組件可以比相同的電力的更低頻率(例如，60赫茲)的小得多。
[0109]在框510，從變壓器輸出的縮放后的高頻AC可以被轉(zhuǎn)換為DC，并用于為空中DC總線供電。例如，轉(zhuǎn)換器可以包括被配置為相對(duì)于DC端子周期性地反轉(zhuǎn)輸入AC端子的極性的多個(gè)開關(guān)，使得輸出DC端子具有DC偏置。在一些示例中，轉(zhuǎn)換器可以利用零電壓開關(guān)，通過在電壓通過零點(diǎn)時(shí)或其附近在AC波形中進(jìn)行切換。零電壓開關(guān)可以幫助減輕與當(dāng)在非零電壓切換時(shí)在開關(guān)兩端耗散的能量相關(guān)的損失。
[0110]在框512，供給到空中DC總線的電力可以由在飛行器上的系統(tǒng)使用。例如，可以從空中DC總線汲取電力(例如，通過施加電流到耦合到螺旋槳的一個(gè)或多個(gè)馬達(dá)-發(fā)電機(jī))來操作螺旋槳。在另一示例中，可以從空中DC總線汲取電力以為其他耗電系統(tǒng)電子元件供電，諸如控制器、導(dǎo)航、通信、傳感器、航空電子器件儀器等。在一些示例中，在系留飛行器中的其他電子器件由比在系繩上傳送的電壓或期望驅(qū)動(dòng)螺旋槳的電壓更低的電壓供電。這樣，空中DC總線上的電壓可以被轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷阂则?qū)動(dòng)電子系統(tǒng)。在一些示例中，另外，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電子器件的電力可以通過系繩經(jīng)由單獨(dú)的導(dǎo)電路徑傳送并已經(jīng)是適當(dāng)?shù)腄C電壓以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路。更進(jìn)一步地，在一些示例中，驅(qū)動(dòng)其他系統(tǒng)電子器件的電力可以在與驅(qū)動(dòng)螺旋槳的電力分開的導(dǎo)體上傳送，并且處于更高的DC電壓(例如，最小化在單獨(dú)的導(dǎo)體上傳送的電流)。
[0111]圖5B是用于分配由機(jī)載風(fēng)力渦輪機(jī)上的系留飛行器生成的電力的示例過程520的流程圖。在一些實(shí)施例中，系留飛行器可包括安裝在其上交替地從風(fēng)力生成電力和生成推力的AWT。飛行器還可以經(jīng)由系繩耦合到地面站，類似于上述結(jié)合圖1-圖4描述的任何系統(tǒng)。在生成電力期間，AWT可以從螺旋槳的風(fēng)致運(yùn)動(dòng)生成電力，其動(dòng)能然后可由馬達(dá)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，并且所生成的電能然后可以通過系繩被傳送并經(jīng)由地面站分配到配電網(wǎng)。
[0112]在框522中，可以使用飛行器上的風(fēng)力渦輪機(jī)(或多個(gè))生成電力。例如，飛行器可以側(cè)風(fēng)飛行操作并且飛行器和周圍大氣(例如，部分由于風(fēng))的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)引起在轉(zhuǎn)子/螺旋槳上的翼型件向耦合到軸的馬達(dá)-發(fā)電機(jī)施加扭矩。在馬達(dá)-發(fā)電機(jī)中，軸然后可以相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵和/或繞組以誘發(fā)在馬達(dá)-發(fā)電機(jī)的輸出端的交流電壓。
[0113]在框524，使用風(fēng)力渦輪機(jī)(或多個(gè))生成的電力可以用于供給空中DC總線。例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出可以是可以施加到空中DC總線的DC電壓(或者可以被整流/變換為DC)。然后空中DC總線可以用于為飛行器上的各種系統(tǒng)電子器件提供電力。來自空中DC總線的電力也可以以高壓、高頻的AC電壓通過系繩傳送電力發(fā)回給地面站。
[0114]在框526，來自空中DC總線的電力可以被轉(zhuǎn)換為高頻AC電信號(hào)。轉(zhuǎn)換器可以包括相對(duì)于AC輸出端子反復(fù)反轉(zhuǎn)DC電壓(來自空中DC總線)的極性的多個(gè)開關(guān)，以便在AC輸出端子上提供以所希望的頻率振蕩的AC波形。例如，所得的AC的電信號(hào)可具有約5千赫茲的頻率。
[0115]在框528，從轉(zhuǎn)換器輸出的高頻AC可以被轉(zhuǎn)換為傳輸電平的電壓。例如，變壓器可以以約4千伏的電壓輸出AC電信號(hào)。類似于如上結(jié)合處理500中的塊504和塊506所討論的折衷，可基于各種折衷來選擇傳輸電平電壓(以及相應(yīng)的變壓器的匝數(shù)比)，以對(duì)于其他因素降低通過系繩傳送的電流。
[0116]在塊530，高壓、高頻的AC電壓可通過系繩傳送到地面站。系繩可以類似于上述結(jié)合圖1-圖4描述的耦合地面站和飛行器的任何系繩。系繩可包括第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑(例如，由圍繞應(yīng)變軸承芯的多個(gè)絕緣導(dǎo)線)。從變壓器輸出的AC波形可以跨越多個(gè)導(dǎo)電路徑施加，其將AC電信號(hào)傳送給地面站。
[0117]在塊532，通過系繩傳送的高壓、高頻AC電壓可以被轉(zhuǎn)換以連接到配電網(wǎng)絡(luò)(例如，電網(wǎng))。塊532可以包括將AC電壓變換到更低的電壓電平，然后轉(zhuǎn)換為DC，再轉(zhuǎn)換為適合于在電網(wǎng)上(例如，與電網(wǎng)同步的60赫茲多相波形)分配的另一 AC形式。在塊532的轉(zhuǎn)換可以使用逆變器、變壓器等必要的組合來實(shí)施。
[0118]在框534，可以將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)提供給電網(wǎng)，由此分配由飛行器上的AWT生成的電力給接入電網(wǎng)中的電力消費(fèi)者。
[0119]圖6描繪了根據(jù)示例性實(shí)施例配置的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。在示例性實(shí)施例中，示例性系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器、一種或多種形式的存儲(chǔ)器，一個(gè)或多個(gè)輸入設(shè)備/接口、一個(gè)或多個(gè)輸出設(shè)備/接口、以及當(dāng)由一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)引起系統(tǒng)執(zhí)行如上所述的各種功能、任務(wù)、功能等的機(jī)器可讀指令。
[0120]如上所述，在一些實(shí)施例中，所公開的技術(shù)，可以通過以機(jī)器可讀的格式在非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上，或在其他非臨時(shí)性介質(zhì)或制造的物品上編碼的計(jì)算機(jī)程序指令來實(shí)施。圖6是示出了示例計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品600的概念性局部視圖的示意圖，其包括用于執(zhí)行計(jì)算設(shè)備上的計(jì)算機(jī)過程的計(jì)算機(jī)程序，其根據(jù)本文中所呈現(xiàn)的至少一些實(shí)施例布置，包括結(jié)合圖5A和圖5B示出和描述的過程。
[0121]在一個(gè)實(shí)施例中，使用信號(hào)承載介質(zhì)602提供示例計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品600。信號(hào)承載介質(zhì)602可包括一個(gè)或多個(gè)編程指令604，當(dāng)由一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)可以提供如上對(duì)于圖1-圖5描述的功能或部分的功能。在一些示例中，信號(hào)承載介質(zhì)602可以包括非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)606，諸如，但不限于，硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤(CD)、數(shù)字視頻光盤(DVD)、數(shù)字磁帶、存儲(chǔ)器等。在一些實(shí)施中，信號(hào)承載介質(zhì)602可以是計(jì)算機(jī)可記錄介質(zhì)608，諸如，但不限于，存儲(chǔ)器，讀/寫(R/W)⑶、R/W DVD等。在一些實(shí)施中，信號(hào)承載介質(zhì)602可以是通信介質(zhì)610，諸如，但不限于，數(shù)字和/或模擬通信介質(zhì)(例如，光纖電纜、波導(dǎo)、有線通信鏈路、無線通信鏈路等)。因此，例如，信號(hào)承載介質(zhì)602可以由通信介質(zhì)610的無線形式輸送。
[0122]一個(gè)或多個(gè)編程的指令604可以是，例如，計(jì)算機(jī)可執(zhí)行和/或邏輯實(shí)施的指令。在一些示例中，計(jì)算裝置被配置成響應(yīng)于由一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)606、計(jì)算機(jī)可記錄介質(zhì)608、和/或通信介質(zhì)610輸送到計(jì)算設(shè)備的編程指令604，提供各種操作、功能或動(dòng)作。
[0123]非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)606也可以在彼此間隔較遠(yuǎn)的多個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件之間分布。執(zhí)行部分或全部所存儲(chǔ)的指令的計(jì)算設(shè)備可以是微細(xì)控制器或其他計(jì)算平臺(tái)?？商娲兀瑘?zhí)行部分或全部所存儲(chǔ)的指令的計(jì)算設(shè)備可以是位置較遠(yuǎn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，諸如服務(wù)器。
[0124]雖然本文已經(jīng)公開了多個(gè)方面和實(shí)施例，但是對(duì)于那些熟練的技術(shù)人員，其他方面和實(shí)施例將是顯而易見的。本文所公開的各個(gè)方面和實(shí)施例是為了說明的目的，而不是意在限制，真正的范圍由以下權(quán)利要求指示。
[0125]在圖中所示的特定布置不應(yīng)被看作是限制性的。應(yīng)當(dāng)理解的是，其他實(shí)施例可以包括更多或更少的在給定的圖中所顯示的的每個(gè)元件。此外，一些示出的元件可被組合或省略。更進(jìn)一步，示例性實(shí)施例可以包括未在圖中示出的元件。
[0126]另外，雖然已在此公開多個(gè)方面和實(shí)施例，對(duì)于那些熟練的技術(shù)人員，其他方面和實(shí)施例將是顯而易見的。本文所公開的各個(gè)方面和實(shí)施例是為了說明的目的，而不是意在限制，真正的范圍和精神由以下權(quán)利要求指出?？梢岳闷渌麑?shí)施例，并且可以做出其他變化，而不脫離本文中所呈現(xiàn)的主題的精神或范圍。將容易理解，如本文中一般描述的，并在圖中所示出本公開的方面中可以在各種不同的配置中被安排、取代、組合、分離和設(shè)計(jì)，所有這些涵蓋于本文中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種系統(tǒng)，包括: 飛行器，包括:螺旋槳、機(jī)械耦合到所述螺旋槳的馬達(dá)-發(fā)電機(jī)、電耦合到所述馬達(dá)-發(fā)電機(jī)的DC總線、變壓器、以及電耦合到所述變壓器的轉(zhuǎn)換器，其中，所述馬達(dá)-發(fā)電機(jī)被配置為交替地:(i)使用來自DC總線的能量移動(dòng)螺旋槳，從而生成飛行器上的推力，以及(ii)從所述螺旋槳的運(yùn)動(dòng)生成電能，并且使用所產(chǎn)生的電能供給DC總線； 耦合到所述飛行器的系繩，其中，所述系繩包括第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑，被配置為通過所述第一導(dǎo)電路徑傳導(dǎo)相對(duì)于所述第二導(dǎo)電路徑上的電壓而周期性變化的電壓以傳送AC電壓；以及 經(jīng)由系繩耦合到所述飛行器的地面站，其中，地面站和飛行器的DC總線被配置為經(jīng)由系繩在彼此之間傳送電力， 其中，所述系繩具有第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑之間的內(nèi)部系繩電容， 其中，所述變壓器被配置為在通過所述系繩傳送的AC電壓和降低的AC電壓之間進(jìn)行變化，以及 其中，所述轉(zhuǎn)換器被配置為在降低的AC電壓和供給DC總線的DC電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括耦合到第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑中的至少一個(gè)的至少一個(gè)電感器，并且其中所述至少一個(gè)電感器和系繩電容組合引起通過系繩傳送的AC電壓以諧振頻率諧振電振蕩，其中，諧振頻率至少部分地基于所述系繩電容和所述至少一個(gè)電感器。3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)， 其中，所述通過系繩傳送的AC電壓以基于諧振頻率的頻率周期性地通過零點(diǎn)，以及 其中，所述轉(zhuǎn)換器被配置為使用零電壓開關(guān)以在降低的AC電壓和DC電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括耦合在第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑之間與系繩電容并行的至少一個(gè)電容器，使得諧振頻率基于所述系繩電容、所述至少一個(gè)電感器、以及所述至少一個(gè)電容器。5.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，諧振頻率高于約2千赫茲。6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括連接到所述轉(zhuǎn)換器的電流源，以及 其中，由于第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑的所述系繩電容在反轉(zhuǎn)電流源的極性時(shí)經(jīng)由轉(zhuǎn)換器充電，使得跨第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑的在系繩電容上充電的電壓響應(yīng)于給定的極性反轉(zhuǎn)在正值和負(fù)值之間變化。7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)換器被配置為以超過大約2千赫茲的頻率提供降低的AC電壓，以及 其中，所述變壓器被配置為以超過約2千伏的電壓提供通過系繩傳送的AC電壓。8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述飛行器還包括耦合在所述DC總線與馬達(dá)-發(fā)電機(jī)之間的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其中，所述馬達(dá)驅(qū)動(dòng)被配置為:(i)從所述DC總線汲取馬達(dá)-發(fā)電機(jī)用來移動(dòng)螺旋槳的能量，并從而生成推力，以及(ii)將經(jīng)由馬達(dá)-發(fā)電機(jī)從所述螺旋槳的運(yùn)動(dòng)生成的電能供給DC總線。9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，地面站被配置為，(i)從配電網(wǎng)接收電力；(ii)將接收到的電力轉(zhuǎn)換為高頻AC電壓；(iii)變換高頻AC電壓為高電壓傳輸電平;及(iv)通過系繩傳送變換后的高頻AC電壓到飛行器。10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述地面站被配置為:(i)從飛行器接收通過系繩傳送的高頻AC電壓；(ii)變換高頻AC電壓到更低的電壓電平；(iii)轉(zhuǎn)換變換后的高頻AC電壓為被配置為在配電網(wǎng)分配的電壓；(iv)使用轉(zhuǎn)換后的電壓為配電網(wǎng)提供電力。11.一種方法，包括: 轉(zhuǎn)換電力為高頻AC電壓； 變換高頻AC電壓到高壓傳輸電平； 通過系繩傳送變換后的高頻AC電壓到飛行器； 經(jīng)由布置在飛行器上的變壓器，將高頻AC電壓從高壓傳輸電平變換到更低的電壓電平； 轉(zhuǎn)換由變壓器變換為更低的電壓電平的變換后的高頻AC電壓為DC電壓；以及 從轉(zhuǎn)換后的DC電壓汲取電力以驅(qū)動(dòng)飛行器。12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述系繩包括第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑，被配置為通過第一導(dǎo)電路徑傳導(dǎo)相對(duì)于第二導(dǎo)電路徑的高頻AC電壓來傳送高頻AC電壓，并且，其中，所述系繩具有第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑之間的內(nèi)部系繩電容。13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，通過系繩傳送的高頻AC電壓以諧振頻率振蕩，其中，所述諧振頻率基于系繩電容以及連接在所述變壓器和系繩之間的至少一個(gè)電感器。14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述將變換后的高頻AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓由飛行器上的轉(zhuǎn)換器執(zhí)行，其中所述轉(zhuǎn)換器包括被配置為反轉(zhuǎn)AC引線上的極性的多個(gè)開關(guān)，在AC弓丨線上相對(duì)于DC引線輸入高頻AC電壓，在DC引線上提供DC電壓，所述方法還包括: 當(dāng)AC引線兩端的電壓處于或接近零時(shí)，操作所述多個(gè)開關(guān)以相對(duì)于所述DC引線反轉(zhuǎn)AC引線的極性。15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，從所述轉(zhuǎn)換后的DC電壓汲取電力包括以下至少一項(xiàng):(i)向馬達(dá)-發(fā)電機(jī)提供電力，以引起馬達(dá)-發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛行器上的螺旋槳，并從而生成在飛行器上的推力，或者(i i)為包括在飛行器上的控制系統(tǒng)提供電力。16.一種方法，包括: 由耦合到位于飛行器上的風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)生成電力； 轉(zhuǎn)換所生成的電力為高頻AC電壓； 使用在飛行器上的變壓器，變換高頻AC電壓為高壓傳輸電平；以及 通過系繩將變換后的高頻AC電壓傳送到地面站。17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述系繩包括第一導(dǎo)電路徑和的第二導(dǎo)電路徑，被配置為通過第一導(dǎo)電路徑傳導(dǎo)相對(duì)于第二導(dǎo)電路徑的高頻AC電壓來傳送高頻AC電壓，并且其中，所述系繩具有第一導(dǎo)電路徑和第二導(dǎo)電路徑之間的內(nèi)部系繩電容。18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過系繩傳送的高頻AC電壓以系繩的諧振頻率振蕩，其中，所述諧振頻率基于系繩電容以及連接在所述變壓器和系繩之間的至少一個(gè)電感器。19.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括: 其中，所述將所生成的電力轉(zhuǎn)換為高頻AC電壓由飛行器上的轉(zhuǎn)換器執(zhí)行，并且其中所述轉(zhuǎn)換器包括被配置為反轉(zhuǎn)AC引線上的極性的多個(gè)開關(guān)，在AC引線上相對(duì)于DC引線輸出高頻AC電壓，在DC引線上提供與所生成的電力相關(guān)聯(lián)的DC電壓，所述方法還包括: 當(dāng)AC引線兩端的電壓處于或接近零時(shí)，操作所述多個(gè)開關(guān)以相對(duì)于所述DC引線反轉(zhuǎn)AC引線的極性。20.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括: 經(jīng)由布置在地面站的變壓器，將高頻AC電壓從高壓傳輸電平變換到更低的電壓電平； 轉(zhuǎn)換由變壓器變換的變換后的高頻AC電壓為被配置為在配電網(wǎng)分配的電壓；以及 使用轉(zhuǎn)換后的電壓提供電力到配電網(wǎng)。
【文檔編號(hào)】H02J3/36GK106063069SQ201480076651
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2014年10月6日
【發(fā)明人】A.戈斯林, L.F.凱西
【申請(qǐng)人】谷歌公司