JP2011528637A - 飛行型発電機用テザー処理システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

電力を生成するシステムは、飛行型発電機と、発電機から地上へ電気を伝達するとともに発電機に取り付けられる第１の端部を有するテザー組立品と、テザー組立品をドラムへ巻き取るウィンチ組立品とを備える。ウィンチ組立品は、ドラムに巻き取られたテザー組立品に対し、テザー組立品の第１の端部にかかる張力よりも低い張力を付与する。

Description

本発明は、飛行型発電機用テザー処理システムおよび方法に関する。

化石燃料は、地球上の主要なエネルギー源である。地球の人口が増加し続け、経済的に遅れている国々が工業化するにつれて、化石燃料の消費割合がその生産割合を超える可能性は高くなる。もし、このままのペースで消費され続けると、新たなエネルギー源がない限り、このように予期される化石燃料の需要の増加によって数十年以内に化石燃料の全体供給量が使い果たされるかもしれない。

よって、太陽光発電、風力発電、水力発電、地熱発電のように、再生可能な源からのエネルギーを利用することにより化石燃料への依存を最小限にすることが望まれる。

原文に記載なし

ある実施形態による、飛行型発電機とウィンチ組立品との間に取り付けられるテザー組立品を備える電力生成システムの斜視図 図１の飛行型発電機の１つの実施形態を示す複数の斜視図 ボーイング７４７−４００と対比した、ある実施形態による飛行型発電機の上面図 ある実施形態によるウィンチ組立品の斜視図 図３Ａのウィンチ組立品のテーブルの上面図 図１のように、テザー組立品用ケーブルの１つの実施形態の斜視図 図１のように、テザー組立品を巻き取るときに図４のケーブルをそれぞれ独立して巻き取る複数のウィンチ組立品の実施形態の斜視図 ある実施形態による高さの上げられたウィンチ組立品から展開された電力生成システムの斜視図 電気を生成する配置に展開された飛行型発電機を備える図１の電力生成システムの１つの実施形態の斜視図 ある実施形態による自動回転で着陸場所に戻ってくる図７の飛行型発電機の斜視図 ある実施形態による飛行型発電機の各種の高度や距離におけるケーブル展開角度およびケーブルに関するデータを示すチャート 別の実施形態による巻き取り回転板（Carousel）を備えるウィンチ組立品の斜視図 ある実施形態による飛行型発電機に連結されるテザーの取扱い方法のフロー図 ある実施形態による飛行型発電機に連結されるテザーの磨耗を最小限にする方法のフロー図 飛行型発電機に連結されるテザー組立品を取り扱うためのウィンチ組立品のテーブルの１つの実施形態を示す上面図 ある実施形態による、飛行型発電機とウィンチ組立品との間に取り付けられたテザー組立品を備える電力生成システムを一般的に示す概略図

添付の図面は、実施形態のさらなる理解を目的とし、本明細書に組み込まれるとともに本明細書の一部を構成する。図面は実施形態を表し、詳細な説明もあわせて参照することにより実施形態の原理を説明する。他の実施形態や、実施形態における意図された多くの利点は、以降の詳細な説明を参照することでより理解することができ、容易に認識される。図面に記載の各構成要素については、必ずしもスケール通りではない。同様の参照番号は、対応する同様のパーツを示す。

以降の詳細な説明では、添付の図面を参照しながら説明する。また、添付の図面は本明細書の一部を構成するものとし、図面には、本発明によって実施可能な特定の実施形態を示す。例えば「頂」、「底」、「前」、「後」、「先」など、方向に関する用語は、図面での方向を表す。実施形態の構成要素は、多数の異なる方向に向けることができるため、方向に関する用語は、説明のために用いられるだけであり、本発明の範囲を制限しない。なお、他の実施形態も実施可能であり、本発明から離れない範囲で構造的若しくは論理的な変更を加えても良い。以降の詳細な説明は代表的な実施形態を例示しており、これによって本発明の範囲は制限されない。

本明細書に記載の代表的実施形態の各種特徴は、特段の事情が記載されていない限り適宜組み合わせることができる。

実施形態は、飛行型発電機と、発電機に取り付けられるとともに発電機から地上へ電気を伝達するテザー組立品と、テザー組立品および飛行型発電機を展開・回収するウィンチ組立品とを備える電力生成システムを提供する。ウィンチ組立品の１つの実施形態は、テザー組立品の中で、巻き取られた部分に掛かる張力が、飛行型発電機の近傍に取り付けられる部分に掛かる張力よりも小さくなるような方法でテザー組立品を巻き取るように構成される。低い張力にて巻き取ることで、実質的にテザー組立品の寿命を延ばすことができる。

実施形態は、テザー組立品に対する摩耗を最小限としながらテザー組立品を固定する固定機構を提供する。固定機構と組み合わされたウィンチ組立品の実施形態は、テザー組立品の長さ方向の張力を調節するとともに、テザー組立品に対する摩耗をモニタおよび最小化する。

テザー組立品の機械的負荷サイクルにより、テザー組立品は潜在的に温度が上昇し、膨張する。いくつかの実施形態では、テザー組立品は、潜在的に異なる量、加熱／膨張している複数のケーブルを備え、さらに、機械的負荷サイクル中（巻き取り中、送り出し中など）に掛かるテザー組立品への摩耗が最小となるように、電気を伝達するテザー組立品を低い張力にて操作する方法もここで述べられる。

図１は、ある実施形態による電力生成システム２０（システム２０）の斜視図である。システム２０は、飛行型発電機３０（発電機３０）と、発電機３０およびウィンチ組立品５０の間に取り付けられるテザー組立品４０とを備える。テザー組立品４０は、発電機３０に連結される第１の端部４２を有し、発電機３０から地上の電力網６０へ電気を伝達する。ウィンチ組立品５０は、テザー組立品４０をドラム５２へ巻き取り、ドラム５２へ巻き取られたテザー組立品４０に係る張力は、テザー組立品４０の第１の端部４２にかかる張力よりも小さくなる。ある実施形態では、システム２０における高電圧の構成部材は、ウィンチ組立品５０の周囲に配置されるケージ５４の内部に収容されて保護される。

発電機３０は、電力網６０の電力を消費し、地上から離陸し、展開高度まで動力飛行を行い、電力網６０へ供給する電気を効率的に生成できる適切な高度まで移動し、制御飛行により地上へと戻る。ある実施形態では、発電機３０は、高度約３００００フィートまで飛行して電気を生成し、さらにテザー組立品４０を通じて地上の電力網６０へと電気を伝達する。

テザー組立品４０は、発電機３０に連結されるとともに、発電機３０から地上の電力網６０へと電気を伝達する。ある実施形態では、通常、発電機３０は、高度約３００００フィートにて電気を生成するが、張力を調整するために展開高度約４５０００フィートまで飛行でき、テザー組立品４０は、発電機３０をそのような高度まで飛行させる適切な長さを有する。ある実施形態では、テザー組立品４０の長さは、約６００００フィートであり、適切な長さの１つとしては、おおよそ４００００−５００００フィートの間である。

ウィンチ組立品５０は、制御された低い張力による方法でテザー組立品４０をドラム５２へ巻き取る。ウィンチ組立品５０は、発電機３０が地上に係留された状態で所望の高度を飛行するように、選択的にテザー組立品４０を固定（例えばクランプ）してテザー組立品４０を操作する。ウィンチ組立品５０は、テザー組立品４０に対する摩耗が最小限となる方法によりテザー組立品４０を操作する（例えば、巻き張力を制御しつつ固定状況をモニタする）。

ある実施形態では、電力網６０は、発電機３０の離昇および高所への飛行を可能とする電力を提供する。発電機３０は、高所において、電力生成モードに移行するとともに飛行用に消費される電力よりも過剰な電力を生成する。発電機３０によって生成される電力の過剰分は、テザー組立品４０を通じて電力網６０へ伝達されることにより、家庭や職場での使用が可能となる。

図２Ａは、ある実施形態による適切な飛行型発電機３０の１つを示す複数の斜視図である。発電機用のテザーを操作する方法およびシステムの実施形態は、あらゆる適切な飛行型発電機とあわせて利用することができ、そのような発電機としては、軽飛行機型発電機、小型発電飛行船、発電する凧および凧に類似するもの、ヘリコプター型発電機、若しくは回転翼型発電機などがある。本明細書に記載の発電機３０の実施形態は、テザー組立品４０およびウィンチ組立品５０によって操作することができる適切な飛行型発電機のいくつかの例を提供する。以降の発電機３０についての記載は、システム２０内に用いられる発電機の種類のスタイルを制限するものではない。

ある実施形態では、発電機３０は、フレーム１０２に連結される１つ以上のモータ／発電機モジュール１００（モジュール１００）を備える。モジュール１００は、フレーム１０２内に維持される制御システム１０４を通じて互いに電気的に接続している。ある実施形態では、各モジュール１００は、発電機を収容するポッド１１０と、発電機に連結されるハブ１１２と、ハブ１１２から延びる回転子１１４と、例えば方向舵などの操縦翼面１１６と、ポッド１１０に連結されるテザー用拘束部材１１８とを備える。ある実施形態では、各モータ／発電機モジュール１００は、おおよそ２５０００ボルトで１ＭＷの電力を提供する。

フレーム１０２は、過度に重量を負荷することなく発電機３０を支持するように設定された高い重量比強度を提供する。高い重量比強度を有するフレーム１０２について、他の構成を採用することもできる。ある実施形態では、フレーム１０２は、コスト、重量、強度、硬さ、および抵抗についてバランスを図るとともにこれらが最適となるように設計されている。フレーム１０２によって発生する抵抗により、翼に当たる空気の外乱が生じる可能性があり、そのような空気の外乱は、動力による上昇中を除きフレームから見て「風下」となる。また、このような外乱は、ダイナミクスおよび制御を複雑化するとともに、回転部材の疲労を増加させる。ある実施形態では、フレーム１０２には、クロスフローのレイノルズ数が４０００００以上となる飛行を可能にする、十分に大きな直径（０．５ｍ以上）を有する円筒形フレーム要素が採用される。このような構成によれば、フレーム抵抗（追風流外乱）が約１／４となって空気流が変化する。

ある実施形態では、制御システム１０４は、コンピュータメモリ・オペレーティングソフトを備え、さらに、モジュール１００の制御に有用なデータを、例えばフィードバックループを経由してモジュール１００から受信する。コンピュータメモリ・オペレーティングソフトは、モータ、サーボモータ、制御器、アクチュエータ、若しくはモジュール１００を操作するために用いられる同様のものと接続する。

ポッド１１０は、通常、発電機の構成部材を収容するとともに空気力学的形状を有する筐体を提供する。回転子１１４が例えば風によって回転すると、ハブ１１２が回転し、ハブ１１２の回転により発電機の１つ以上のギアが回転し、これによって（ポッド１１０内部の）モータ／発電機が回転して電気を生成する。

ある実施形態では、回転子１１４は、反対方向に回転するオートジャイロ式回転子を備えるが、回転子１１４についてその他適切な構造を採用しても良い。

ある実施形態では、ハブ１１２は、回転子１１４に対し全体的ピッチ制御を提供する。そのピッチ制御によれば、各モジュール１００の各回転子１１４は瞬間的に同じ仰角で回転する。別の実施形態では、ハブ１１２は、回転子１１４に対し異なる全体的ピッチ制御を提供する。そのピッチ制御によれば、１つの回転子１１４の仰角の調整に続いて、他の回転子１１４についても、対応する有効量の減少が同時に行われることにより、１つ以上の離れた回転子１１４が同調して動く。ヘリコプターロータ用の制御方法を含む、回転子１１４のその他適切な操作方法を採用しても良い。

ある実施形態では、各モジュール１００および発電機３０の所望の方向を制御する舵１１６が設けられる。ある実施形態では、テザー用拘束部材１１８は、テザー組立品４０（図１）をモジュール１００へ固定するための接続ポイントを提供する。ある実施形態では、テザー用拘束部材１１８は、発電機３０の空気力学的重量に耐えるとともに、発電機３０から地上にある電力網６０（図１）への電気の伝達経路を提供する。

ある実施形態では、安定化張力ワイヤ１２０が、選択的にフレーム１０２に連結されて飛行中の発電機３０を安定化する。ある実施形態では、着陸装置１２２が、各モジュール１００に近いフレーム１０２に連結される。着陸装置１２２は、衝撃を吸収するように形成されており、発電機３０を水平にすることで多少平らでない面への発電機３０の着陸を可能にする。

図２Ｂは、ボーイング７４７−４００と対比した発電機３０の比較上面図である。ある実施形態では、各回転子１１４は約１４２フィートの直径を有し、発電機３０の構造的翼長は、ボーイング７４７−４００の翼長（約２１１フィート）よりも大きい。

図３Ａは、ある実施形態によるウィンチ組立品５０の斜視図である。ウィンチ組立品５０は、巻き型ドラム５２と、ドラム５２の外部に設けられたテーブル２００と、ドラム５２の反対側にあるテーブル２００の入口部分に配置された運搬組立品２０２とを備える。ある実施形態では、テーブル２００は、テザー組立品４０がドラム５２に巻き取られる時若しくはその前にテザー組立品４０にかかる張力を解放する。運搬組立品２０２は、テザー組立品４０がテーブルに入ってくるときの張力が最小となるように、テーブル２００に対するテザー組立品４０の角度（例えば、図１４に示す角度Ａ）を調整／維持する。

ある実施形態では、ドラム５２は電動モータによって駆動され、電動モータは、ドラム５２に巻き取られるときのテザー組立品４０に掛かる張力を制御する。図中では、ドラム５２はドラム用のくぼみ若しくはピット内に維持されているが、これは実施可能な配置の１つであり、地表よりも上に配置するなど他の配置を採用することもできる。

ある実施形態では、運搬用組立品２０２は、漏斗形状のベル２０４を備えるとともに、テーブル２００に対して、おおよそ０−２７０度の方位角Ａ、おおよそ１０−９０度の天頂角で移動可能である。ある実施形態では、少なくともベル２０４は、移動可能であるとともに発電機３０の飛行方向（図１）に一致するため、テザー組立品４０はテーブル２００およびドラム５２と一直線になる。ある実施形態では、ベル２０４は、テザー組立品４０がドラム５２に回収されるときのおおよそ水平なレベル巻き取り角度（例えば、図１４に示す角度Ｂ）となるように構成されている。

ある実施形態では、運搬用組立品２０２は、テザー組立品４０をカテナリー曲線状に維持する。このような状態では、テザー組立品４０が運搬用組立品２０２に入ってくるときのケーブル出発角度（例えば、図１４に示す角度Ａ）を比較的低くすることにより、テザー組立品４０に掛かる張力が最小になる。ケーブル出発角度とは、運搬用組立品２０２に近いテザー組立品４０の水平線に対する角度のことである。カテナリー曲線状とは、端部を支持されるとともに一様な重力（すなわち、テザーの重量）がかかることにより、垂れて柔軟な状態となった鎖／ロープ／ケーブルの形状のことである。カテナリー曲線のうち傾斜が０若しくは０に近いところは、構造における最も小さな重量を支持する部分に関連する。ベル２０４は、垂れた状態のテザー組立品４０によって形成されるカテナリー曲線の底端部に配置される。この方法によれば、テザー組立品４０にかかる張力は、テザー組立品４０がテーブル２００に入ってくるときの水平線に対する角度（例えば、図１４に示す角度Ｂ）が１０度以内の場合に最小になる。すなわち、実施形態によるテザー組立品４０に掛かる張力は、角度Ｚ（例えば、図１４に示す角度Ｂ）が０ではないが０に近い小さな角度である場合に最小になる。

ある実施形態では、ウィンチ組立品５０には、合法に公道を運搬することができる複数の離散構成部材が設けられる。ある実施形態では、ウィンチ組立品５０には、ドラム５２、テーブル２００、および運搬用組立品２０２を含む、合法に公道を運搬することができる３つの構成部材が設けられる。

ある実施形態では、ウィンチ組立品５０は、回転円卓や回転盆（Lazy-Susan）の上に設けられる。回転円卓や回転盆は、ウィンチ組立品５０を垂直軸の周りに最大３６０度回転させることができるため、テーブル２００およびドラム５２をテザー組立品４０と同調させることができる。

図３Ｂは、テーブル２００の上面図である。テーブル２００は、トラクションドライブ２１０と、固定用組立品２１２と、固定用組立品２１２に接続する制御器２１４とを備える。テーブル２００が提供するトラクションドライブ２１０は、テザー組立品４０に掛かる張力を調整および最小化し、また、制御器２１４および固定用組立品２１２は、テザー組立品４０に掛かる物理的な摩耗をモニタするとともに均等に分散させる。

トラクションドライブ２１０は、モータ２２２によって制御および駆動されるローラ２２０を備える。ローラ２２０は、テザー組立品４０を摩擦により掴むとともに、テザー組立品４０がテーブル２００を通過してドラム５２（図３Ａ）に巻き取られるときにかかる張力を解放する。ある実施形態では、モータ２２２は、ローラ２２０がテザー組立品４０に与える張力を減衰若しくは調整する電動モータである。

ある実施形態では、固定用組立品２１２は、テザー組立品４０の両側部を掴むことにより動かなくする顎部を備える。発電機３０（図１）を所望の電気生成用高度にて保持するために、テザー組立品４０を所定の位置に固定することが望ましい。また、ドラム５２若しくはテザー組立品４０の一部を修理若しくは交換する間も発電機３０が飛行を維持できるように、テザー組立品４０を固定することも望ましい。固定用組立品２１２は、使用中においてテザー組立品を摩耗させる可能性がある。ある実施形態では、制御器２１４は、コンピュータメモリを備えるとともに、テザー組立品４０に対する固定用組立品２１２の固定位置の記録および保存／読み取りを行う。制御器２１４を用いてテザー組立品４０の固定されている部分の位置をモニタする場合、固定により受ける力を、テザー組立品４０のうちまだ固定されたことのない部分へ分散させることにより、テザー組立品４０の摩耗を最小化することができる。すなわち、実施形態によれば、固定用組立品２１２および制御器２１４を組み合わせると、テザー組立品４０のうち同じ部分を重複して固定するのを避けられる。

ある実施形態では、テーブル２００は、ダッシュポット２２４を選択的に備え、ダッシュポット２２４は、トラクションドライブ２１０を通ってベル２０４に入ってくるテザー組立品４０を減衰する。適切なダッシュポットには、機械的バネを搭載したダッシュポット、粘性減衰ダッシュポット、若しくはポリマー振動減衰器が含まれる。

図４は、テザー組立品４０用ケーブルの１つの実施形態の斜視図である。ある実施形態では、テザー組立品４０は、耐荷重ケーブル３００と、第１の導体３０２ａと、第２の導体３０２ｂとを備える。ケーブルの数や種類を含めて他の構成を採用しても良い。飛行型発電機３０（図１）をある高度で展開するとともに着陸するように回収するために、少なくとも１つの耐荷重ケーブル３００が用いられる。ある実施形態では、ケーブル３００は、ベクトラン、若しくは単位長当たりの質量が約０．８ポンド／フィートである同様の高強度ケーブルでできているとともに、発電機３０を展開する際の力および荷重の約８０％を支持するように構成されている。ケーブルについては、炭素繊維で補強されたケーブル、引抜成形ケーブル、およびその他適度に引張性の高いケーブルを含め、他の適切なケーブルを採用しても良い。

導体３０２ａ、３０２ｂ（導体３０２）は、発電機３０と電力網６０（図１）との間を流れる電流を伝達する。１つの適切な導体３０２としては、単位長当たりの質量が０．２５ポンド／フィートであり、各導体３０２は、発電機３０による荷重および外力の約１０％を保持する。導体３０２の適切な材料には、アルミニウム、銅、アルミニウム合金、銅合金、その他適切な導電性材料が含まれる。

以下で示す表１は、ケーブル３００および導体３０２の物理的特性を示す。一般的に、ケーブル３００は、重量のうちの大部分を占めるとともに単位長さ当たりの質量も大きい。例えばある実施形態では、導体ケーブル３０２ａ、３０２ｂは、重さは軽く（それぞれケーブル３００の１／３以下）、密度はやや高く、さらに厚さは薄い（それぞれケーブル３００の直径および抵抗の１／２以下）。アルミニウム製の場合、導体ケーブル３０２中のアルミニウムは、ケーブル重量の約半分を占めるものの強度は非常に小さい。グラファイト／エポキシ樹脂製の場合、グラファイト／エポキシ樹脂やその他導体ケーブル３０２に適切な低伸張材料は一般的に、コストが高く、かつ同じ許容荷重に対する重量が大きいため、ケーブルは、その使用中においてケーブル３００に対し約２倍のたるみを有する。導体ケーブル３０２ａ、３０２ｂの１ポンド当たりのコストは、強度の主要部となるケーブル３００に対して約２倍になる可能性があるため、導体ケーブル３０２ａ、３０２ｂは、総重量が軽い代わりにケーブル３００よりもコストが高くなり得る。さらに、許容負荷サイクル寿命についても、ケーブル３０２の方がケーブル３００より短くなる可能性がある。

テザー組立品４０の長さは約４５０００フィートであり、導体３０２はケーブル３００よりもたるむ。これらのことを理由として、以下で示すように、導体３０２の巻き取りとは別にケーブル３００を独立に巻き取るようにして構成された、ウィンチ組立品５０に類似のウィンチ組立品を提供することが望ましい。

既知の電気機械ケーブルでは、使用する高強度の材料の方が、導体に比べて非常に大きくかつ適切な設計上の歪みを有するようにしている。一方、テザー組立品４０は、導体に張力の掛かる状態である負荷サイクルを多数回にわたって使用され、荷重から解放された導体は、たるんだ状態となる（このことは、いったん張設されるとほとんど静的張力しか加わらない実用的送電線にとってはあまり問題にならない）。サイクル的な負荷および結果的に生ずるたるみを原因として、巻取りに関わる取扱性の問題が生じる可能性がある。本明細書に記載の実施形態は、導体ケーブルにかかる機械的負荷を低減するため（各導体における総負荷の１０％以内）、導体ケーブルは、高強度かつ安全なものとなる。負荷を低減することにより、低歪みかつ重量比強度の低いグラファイトを中心としてその周りにグラファイトよりも強固なベクトラン補強部材（設計上の歪みは極めて高い）を用いて荷重の残りの８０％以下を取り扱うことができる。この方法によれば、コストや重量比強度の観点から見てもおそらく最適ではないが、導体は、設計荷重ほど大きく伸張しない。導体は、たるみが最大になったときに張力が最小になる。負荷の大部分は高伸張性のケーブルによってもたらされるものであり、導体とは分離している。

図５は、ケーブル３００および導体３０２ａ、３０２ｂをそれぞれ独立して巻き取る３つのウィンチ組立品２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃの実施形態の斜視図である。ある実施形態では、ウィンチ組立品２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃの各々は、上述のウィンチ組立品５０に類似するとともにテーブルを備え、テーブルは、トラクションドライブ、固定用組立品、運搬用組立品、並びにケーブル若しくは導体のいずれかが巻き取られるドラムを提供する。

ある実施形態では、ウィンチ組立品２５０ａは、導体３０２ａを取り扱うために用いられるとともに、ウィンチ組立品２５０ｂ、２５０ｃとは電気的に絶縁されている。同様に、ある実施形態では、ウィンチ組立品２５０ｂは、導体３０２ｂを取り扱うために用いられるとともに、ウィンチ組立品２５０ａ、２５０ｃとは電気的に絶縁されている。同様に、ある実施形態では、ウィンチ組立品２５０ｃは、ケーブル３００を取り扱うために用いられるとともに、ウィンチ組立品２５０ａ、２５０ｂとは電気的に絶縁されている。ある実施形態では、ウィンチ組立品２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃの各々は、専用の制御器を備えるとともに、他のウィンチ組立品とは独立した速さでテーブル若しくは導体のうちのいずれか１つを回収する。例えば、上述のように、導体３０２は、ケーブル３００に比べて約２．５倍ほどたるみ、また、ウィンチ組立品２５０ａ、２５０ｂは、ウィンチ組立品２５０ｃがケーブル３００を巻き取る速さよりも速く、導体３０２ａ、３０２ｂを巻き取る。ある実施形態では、ケーブル３００は、定められた運転計画（好ましくない力を減衰するためにばらつきがある）に従って巻き取りおよび送り出され、導体ケーブル３０２の巻き取りにおいては、出発仰角が６〜１０度以下（例えば、図１４の角度Ｂ）にて維持されるとともに、導体ケーブルのダイナミクスが減衰される。

２つ以上の小さなウィンチとともに敷地内に設けられた１つの大きなウィンチや、「合法に公道を走ることができるトレイラー」に積んで運搬することが可能なほどそれぞれ十分に小さい補助組立品を取り替えることは、運搬、据付、およびメンテナンス／修理費用を著しく低減することができる可能性がある。

図６は、電力生成システム２０の１つの実施形態の斜視図である。電力生成システム２０はウィンチ組立品５０を備え、ウィンチ組立品５０は支柱３１０の上に設けられ、支柱３１０は高電圧の導体３０２（図４）を通行人の手の届かない高さまで上昇させる。なお、ウィンチ組立品５０のある実施形態は、上述のような３つの分離したウィンチ（図５）を備える。

飛行型発電機３０（発電機３０）は、第１の展開高度Ｈ１にて飛行するように示される。ある実施形態では、展開高度Ｈ１はおおよそ４００００−５００００フィートの間であり、発電機３０は、電力網６０から電気を引くことにより展開高度Ｈ１まで上昇する。ある運転計画によれば、発電機３０が展開高度Ｈ１にて飛行するときに、固定用組立品２１２（図３Ｂ）はテザー組立品４０を固定する。ここでの意味は、発電機３０は展開高度Ｈ１に「留まる」ということである。その後、発電機３０は高度Ｈ２にて、電気を生成する姿勢に移行する。高度Ｈ２における発電機３０は、図７に示すように、向かい風に対する迎角まで傾く。

図７は、高度Ｈ２において、電気を生成する姿勢へと移行した発電機３０の斜視図である。高度Ｈ２は通常、ある実施形態による展開高度Ｈ１よりも低い。展開方法の１つによれば、電力を供給して発電機３０を電気生成高度のＨ１（図６）まで上昇させる工程と、続いてテザー組立品４０において巻き取られるときにかかる張力が最小となる方法により、発電機３０を高度Ｈ２まで移動させる工程とを提供する。

ある実施形態では、発電機３０は、最高３５０００フィートである高度Ｈ２において、向かい風Ｗに対してある迎角で飛行する。発電機３０の展開方法の１つは、回転子１１４のリフトおよび制御をその場所の風の状況に応じて調整することにより、発電機３０が約９０度の天頂角をもって略直立に上昇するように発電機３０に電力を供給する工程を含む。最初の１ｋｍを越えると、発電機３０は略水平な状態で飛行する。上空には、発電機３０を風下へ流す風が存在することが予想される。テザー組立品４０は、３つのケーブル（ケーブル３００および２つの導体３０２）全てが運搬用組立品２０２（図３Ａ）に対して略水平な状態を維持できるほど、速くドラム５２に巻き取られる。ウィンチに近い、最も小さい安全なケーブル出発角度を維持することにより、張力を最小限にすることができるため、ケーブル角度および張力が高い場合よりも少ない電力で速く上昇させることが可能になる。加えて、たるみを最大にすることにより、ウィンチから回転翼までの所定の距離に対し、ある程度より多くのケーブル展開が可能になる。

ある実施形態では、トラクションドライブ２１０（図３Ｂ）は、テザー組立品４０を、ドラム５２に巻き取られるときのケーブル３００、３０２にかかる張力よりも低い張力に維持するために用いられる。上昇中において、おおよそ４５−７０度の範囲内に天頂仰角を制限するように、発電機３０を傾斜させる。発電機３０が展開高度Ｈ１（図６）まで到達したとき、固定用組立品２１２によってテザー組立品４０が所望の長さにて固定され、発電機３０は、ケーブル３００にかかる荷重が増加するように傾けられる。その後、導体ケーブル３０２の余剰分長さがケーブル３００と平行になる長さまでたるんだときに、導体ケーブル３０２は固定される。徐々に、発電機３０は傾けられ、テザー組立品４０の電力（および張力）の上昇とともにより下流に流れていく。

図６−７に示される展開方法の実施形態は、発電機３０を外部への展開中において終始向かい風に対してそのまま飛行させる場合に比べて、テザー組立品４０にかかる張力を比較的小さくする。展開方法の別の実施形態は、地球表面に近い離着陸場から高度Ｈ２まで、発電機３０を向かい風Ｗに対する迎角にて飛行させる工程を提供する。本展開方法の実施形態によれば、テザー組立品４０が、テザー組立品４０の重量およびドラム５２に巻き取られるときの発電機３０にかかる空気力学的外力の両方を支持するため、図６−７の方法に比べてテザー組立品４０にかかる張力は高くなる。

図８は、着陸場所に戻ってくる発電機３０の斜視図である。ある実施形態では、発電機３０が高度Ｈ２（図７）から地面まで降下するとき、発電機３０の回転子１１４は、自動回転モードで運転される。ある実施形態では、回転子１１４の自動回転は、発電機３０の制御降下を可能にし、さらに、発電機３０が降下するにつれて回転子１１４が略通常の速度できるような回転子１１４に対する上昇流という点に特徴を有する。回転子１１４が自動回転して空気力学的外力のバランスを取ることにより、発電機３０は、地面へ「滑空」することができる。ある実施形態では、発電機３０の所望の飛行エンベロープには、高度Ｈ１までの動力飛行と、高度Ｈ１から高度Ｈ２までの移動と、高度Ｈ２から着陸場までの自動運転とが含まれ、これらは図６−７に最もよく示される。

ある実施形態では、発電機３０が、自動回転による降下の最中に８の字型で飛行するように制御されることにより、上方を余計に滑空しない適切な滑空経路を確保することができる。ケーブルや電気に関する故障に備え、非動力の着陸機能を備えた発電機３０を提供することが望ましい。この目的を達成するために、システム２０の１つの実施形態は、プログラム化された自動飛行機構を備える。この自動飛行機構は、飛行型発電機３０、テザー組立品４０、およびウィンチ組立品５０を制御することにより、発電機３０が着地して固定されるまで、着陸中も滑空降下を維持する自動回転を可能にする。ある実施形態では、自動回転による降下速度を低くするために、着陸における円板荷重を毎平方フィート当たり約０．５ポンドとしている。地面降下は、地上約１００フィートから始まる。低い円板荷重、遅い降下速度、４つの密集した直径の大きな回転子、および限られた複数の回転子の質量である回転翼全体の質量を組み合わせることで、着陸位置をより正確に制御するとともに、従来の一般的な回転翼よりも制御され、かつ緩やかな自動回転着陸が可能となる。

図９は、発電機３０の各種飛行形態の元に、テザー組立品の１つの実施形態に関する例示的データを示すチャートである。展開高度が１００００−３００００フィートのときのデータセット４００（動力上昇を示す）には、ウィンチおよびテザー組立品４０の第１の端部４２（図１）にかかる測定張力が最も低くなるという結果が示される。例えば、３００００フィートまで動力上昇した場合、結果的に発電機３０において、天頂角が７１．９度で展開距離が８．１７ｋｍ、ウィンチの設計荷重が５％以下、テザー組立品４０の頂部端部４２にかかるケーブル荷重が約２７％、となる。

高度３００００フィートからの自動回転による降下を示すデータセット４１０には、発電機３０において、天頂角が４２．２度で展開距離が１１．５６ｋｍ、ウィンチの設計荷重が１０％−２２％、テザー組立品４０の頂部端部４２にかかるケーブル荷重が約４４％、という結果が示される。

高度３００００フィートまでの全出力運転による上昇を示すデータセット４２０には、発電機３０において、天頂角が３４．９度で展開距離が１３．５８ｋｍ、ウィンチの設計荷重が７８％−８６％、テザー組立品４０の頂部端部４２にかかるケーブル荷重がおおよそ９１−１００％、という結果が示される。

実施形態は、ケーブルの巻き取りおよび送り出しの時にウィンチにかかる張力を設計荷重の何分の一かまで低減するように構成される。動力上昇により、所定のケーブル長さに対するウィンチにかかる張力を非常に小さくすることができる。回転翼のピッチを下げながら（風に対して傾けながら）自動回転降下することにより、停滞中若しくは上昇中の自動回転ステーションとは類似しないが、動力上昇中のときと類似するケーブルの配置および張力を実現することができる。動力上昇中のときは、回転翼のピッチが上がるとともに、張力および回転翼航空機の射程範囲距離がともに非常に大きくなる。

データセット４３０、４４０、４５０は、ウィンチ角度が１６−２６度の範囲内において、ケーブル３００および導体３０２の展開角度および張力を示す。

図９は、動力上昇飛行方法の実施形態により、発電機３０がリール５２から離れるようにテザー組立品４０を引くときにウィンチ組立品５０およびテザー組立品４０にかかる張力が低くなるということを示す。発電機３０がウィンチ組立品５０から見たときに大きな仰角をもって動力上昇すれば、展開中のウィンチにかかる張力は最小になる。

ある実施形態では、発電機３０が高度Ｈ１への展開後、高度Ｈ２までの移動の間に動力飛行から自動回転飛行へと移行するのは、テザー組立品４０のほとんどが展開した後である。なお、動力飛行から自動回転飛行への移行は、発電機３０の有する風速が適当な風速（発電機３０を操作することにより達成できる）であるときに、よりスムーズに行うことができる。発電機３０の飛行する場所が風下であるほど、ウィンチにかかるケーブルの張力は大きくなるため、動力飛行から自動回転飛行への移行を、ほとんどのケーブルが展開されるまで、若しくはケーブル３００、３０２についての所望の長さが全て展開されるまで、遅らせる方が望ましい。

図１０は、別の実施形態によるウィンチ組立品５００の斜視図である。ウィンチ組立品５００は、図３Ａのテーブル２００および運搬用組立品２０２に類似する、テーブルおよび運搬用組立品を備え、これらテーブルおよび運搬用組立品は、カルーセル式リール機構５０２とともに用いられる。リール機構５０２は、張力を小さく制御されたテザー組立品４０の巻き線を提供するが、いくつかの実施形態では、大きすぎるために、他の車などが行き来する州間幹線道路を運搬することができない可能性がある。

図１１は、飛行型発電機に連結されるテザーの取扱い方法の１つの実施形態のフロー図６００である。本方法は、飛行型発電機を地面に係留する工程（６０２）を備える。飛行型発電機は、第１の高度まで上げられる（６０４）。飛行型発電機の飛行中に、テザーにかかる張力が低減される（６０６）。テザーがドラムに巻き取られ（６０８）、飛行型発電機は地面に着陸する（６１０）。

図１２は、１つの実施形態による飛行型発電機に連結されるテザーの磨耗を最小限にする方法のフロー図７００である。本方法は、テザーに連結した飛行型発電機を飛行させる工程（７０２）を備える。テザーを巻き取ることにより飛行型発電機を巻き取る（７０４）。テザーは、固定用組立品によって固定される（７０６）。テザーにおける固定位置（固定力の付与される場所）に関して、統計的なトラッキングを行う（７０８）。テザーは、摩耗を最小限にする方法によって、今までに固定されたことのない位置に固定される（７１０）。

ある実施形態では、ケーブルは、いくつか別々の長さでできているとともに、固定ポイントとして提供される現場継ぎ手を備える。現場継ぎ手の部分において優先的に固定され、ある実施形態の現場継ぎ手は、取替え可能である。ある実施形態では、現場継ぎ手は、繰り返しの固定にも耐えうる硬化材料で形成される。いかなる場合でも、最適な飛行高度およびケーブル長さがあるが、これらの両方若しくは片方が変数として多少変化しても、一般的に性能低下は小さい。このことにより、例えば、固定ポイント間の間隔がおおよそ１ｋｍぐらいというように多少異なっても良い。

図１３は、上述の飛行型発電機に連結されるテザー組立品４０を取り扱うためのウィンチ組立品８００の１つの実施形態を示す上面図である。ウィンチ組立品８００は、テザー組立品４０を巻き取るためのトラクションドライブ８１０を保持するテーブル８０２と、テザー組立品４０を固定するための固定用組立品８１２と、固定用組立品８１２と接続する制御器８１４と、テザー組立品４０をウィンチ組立品８００へ導くスイベルプーリー８１６とを備える。トラクションドライブ８１０は、テザー組立品４０内の張力を調整および最小化するように構成され、制御器８１４および固定用組立品８１２は、テザー組立品４０の物理的摩耗をモニタおよび均等に分散させるために用いられる。

ある実施形態では、トラクションドライブ８１０は、２つで１組である複数組の回転ドラム８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、・・・８２０ｎ（ドラム８２０）を備える。ドラム８２０は、テザー組立品４０を曲げることなく収集スプールに巻き取る。ある実施形態では、ドラム８２０は、選択的だが可変的である外力の元、個々に横方向に移動可能でテザー組立品４０をドラム８２０の各組の間に締め付けることができる空気充填タイヤを備える。回転タイヤ／ドラム８２０がテザー組立品４０を巻き取りおよび送り出すときのテザー組立品４０の経路は、略直線である（すなわち、屈曲や反転がない）。ある実施形態では、タイヤ／ドラム８２０は、溝型トレッドを備え、溝型トレッドは、空気充填タイヤ同士が互いにぴったりくっつくときに、テザー組立品４０と係合若しくは被覆する。

ある実施形態では、テザー組立品４０が大きな張力かつ大きなパワーによって固定されるときに、固定用組立品８１２は接点として機能する。巻き取り中の接点は、小さな張力のかかった金属製プーリーによってもたらされ、ある実施形態では、その接点はドラム５２（図３）の近傍に位置する。

プーリー８１６は、テーブル８０２の外側に配置され、また、テーブル８０２に対するテザー組立品４０の角度を調整するように構成された運搬用組立品を提供する。ある実施形態では、プーリー８１６は、旋回することによりテザー組立品４０の方向を追跡する。プーリー８１６は、テザー組立品４０との接触領域を制限することによって、テザー組立品４０にかかる摩擦力を最小限にするように構成されている。ある実施形態では、プーリー８１６は、おおよそ６−１２フィートの直径を有する単一のプーリーを備える。摩耗抑制コーティングおよび導電コーティングを有するものを含め、プーリー８１６について他の形態を採用しても良い。

図１４は、ある実施形態における、飛行型発電機３０とウィンチ組立品５０との間に取り付けられたテザー組立品４０を備える一般的な電力生成システム２０を示す概略図である。発電機３０は、運転中において、展開高度（例えば、図６の展開高度Ｈ１）まで上昇したり、自動回転モードにより電気を生成する高度（例えば、図７の電気生成高度Ｈ２）まで降下したり、電気生成高度にて全出力で運転したり、又は出力モード若しくは自動回転モードで回収されるが、そのときの角度を図１４に示すように定める。頂部角度Ｃは、テザー組立品４０の第１の端部４２と水平線との角度で、ウィンチ組立品角度Ａは、運搬用組立品２０２（例えばプーリー）におけるテザー組立品４０と水平線との角度で、巻き取り角度Ｂは、テザー組立品４０とテーブル２００との角度である。上述のように、ウィンチ組立品角度Ａ、巻き取り角度Ｂ、および頂部角度Ｃには、本明細書において、異なる用語が用いられる場合がある。特に図９を参照すると、ウィンチ組立品角度Ａおよび頂部角度Ｃが、図９の表において「ケーブル角度」の見出しの元に「ウィンチ」、「頂部」として記載されている。ウィンチ組立品角度Ａは「ケーブル出発角度」とも呼ばれ、また、巻き取り角度Ｂは「レベル巻き取り角度」とも呼ばれる。

図１４では運搬用組立品２０２の「内側」に配置されているが、他の実施形態における固定用組立品２１２は、図中にて長方形の破線で示されるように運搬用組立品２０２の「外側」に配置されても良い。なお、運搬用組立品２０２の外側に位置するときの固定用組立品２１２は、図中にて両矢印で示されるように天頂角を調整するために垂直方向に回転するように構成されている。

ある実施形態によれば、ドラム５２がテザー組立品４０を巻き取りおよび送り出す速度は、ウィンチ組立品角度Ａが所望の値を維持するようにして決められる。例えば、発電機３０の巻き取り中において、ウィンチ組立品角度Ａの値が所望の値よりも大きい場合には、ドラム５２によるテザー組立品４０の巻き取り速度を遅くする。同様に、発電機３０の巻き取り中において、ウィンチ組立品角度Ａの値が所望の値よりも小さい場合には、ドラム５２によるテザー組立品４０の巻き取り速度を速くする。ウィンチ組立品角度Ａを所望の値に維持することにより、テザー組立品４０を巻き取るとき、および送り出すときの両方の場合において、テザー組立品にかかる負担を最小限に抑えることができる。

要約すると、テザー、ケーブル、若しくは導体を大きな張力がかかった状態で巻き上げると、ケーブルの状態が潜在的に悪化するおそれがある。長さが長い、重量が重い若しくはその両方である電気ケーブルを巻き上げるためには、複雑かつ強力なトラクションドライブ機構が必要である。上述の実施形態は、巻き上げ中のケーブル（電気テザー式ケーブルを含む）の張力を制限することにより、ケーブルにかかる摩耗および故障のリスクを大幅に低減するシステムおよび方法を提供する。いくつかの実施形態は、テザー組立品が大きな張力のかかる電力生成モードにあるときは、常にテザー組立品をウィンチの外側にて固定する固定用組立品を提供する。回収方法にかかる実施形態は、ケーブルにかかる張力を最小限にすることができる、テザー組立品回収時の飛行型発電機の自動回転を提供する。

ここでは特定の実施形態について詳述したが、本発明から離れない範囲で特定の実施形態を別の若しくは等価な実施形式に置き換えられるということは、当業者にとって当然である。本出願は、ここで述べた特定の実施形態についてのあらゆる適応および変更を対象とする。

Claims (26)

1. 電力を生成するシステムであって、
   飛行型発電機と、
   発電機から地上へ電気を伝達するとともに発電機に取り付けられる第１の端部を有するテザー組立品と、
   テザー組立品をドラムへ巻き取るウィンチ組立品とを備え、
   ウィンチ組立品は、ドラムに巻き取られたテザー組立品に対しテザー組立品の第１の端部にかかる張力よりも低い張力を付与するように構成される、電力生成システム。
2. ウィンチ組立品は、ドラムの外側に設けられたテーブルと、テーブルに接続する運搬用組立品とを備え、
   テーブルは、テザー組立品がドラムへ巻き取られる前にテザー組立品にかかる張力を解放し、運搬用組立品は、テザー組立品のウィンチ組立品角度を調整する、請求項１に記載の電力生成システム。
3. テーブルは、テザー組立品の長さ方向の張力を調整するとともにテザー組立品をドラムに対して固定する固定用組立品を備える、請求項２に記載の電力生成システム。
4. ウィンチ組立品は、メモリーを有する制御器を備え、
   制御器は、記録し、メモリーは、テザー組立品に対する固定用組立品の固定位置の保存／読み取りを行う、請求項３に記載の電力生成システム。
5. 固定用組立品は、テザー組立品を固定して飛行型発電機をある飛行高度に維持することにより、ドラムの取り替え若しくはテザー組立品の一部の取り替えを可能にする、請求項３に記載の電力生成システム。
6. 運搬用組立品は、テザー組立品の第１の端部の方向を天頂角がおおよそ１０−９０度となるようにして定める、請求項２に記載の電力生成システム。
7. 運搬用組立品は、テザー組立品の方向を方位角がおおよそ０−２７０度となるようにして定める、請求項２に記載の電力生成システム。
8. ウィンチ組立品は、おおよそ所定の巻き取り角度でテザー組立品をドラムへ巻き取る、請求項２に記載の電力生成システム。
9. 巻き取り角度が、最大で約１０度である、請求項８に記載の電力生成システム。
10. 巻き取り角度が、実質的に０度である、請求項８に記載の電力生成システム。
11. ウィンチ組立品は、テザー組立品のダイナミクスを減衰するダッシュポットを備える、請求項２に記載の電力生成システム。
12. テザー組立品は、発電機から地上へ電気を伝達する第１のケーブルと、発電機から地上へ電気を伝達する第２のケーブルと、第３のケーブルとを備え、
    第１および第２のケーブルは、互いにおよび第３のケーブルと電気的に絶縁されている、請求項１に記載の電力生成システム。
13. ウィンチ組立品は、第１のケーブルを第１のドラムへ巻き取る第１のウィンチ組立品と、第２のケーブルを第２のドラムへ巻き取る第２のウィンチ組立品と、第３のケーブルを第３のドラムへ巻き取る第３のウィンチ組立品とを備え、
    第１および第２のウィンチ組立品は、互いにおよび第３のウィンチ組立品とは独立して巻き取りを行う、請求項１２に記載の電力生成システム。
14. 電力を生成するシステムであって、
    飛行型発電機と、
    飛行型発電機を地面に係留するウィンチ組立品と、
    飛行型発電機とウィンチ組立品との間に連結されるとともに、飛行型発電機から地上へ電気を伝達するテザー組立品とを備え、
    飛行型発電機は、動力上昇することによりテザー組立品を展開高度まで延ばすとともに、自動回転で降下することによりウィンチ組立品がテザー組立品を回収することを可能にする、電力生成システム。
15. 飛行型発電機は、自動回転で降下することにより、ウィンチ組立品がテザー組立品を回収するときのテザー組立品にかかる張力を最小にする、請求項１４に記載の電力生成システム。
16. 飛行型発電機は、自動回転で降下することにより、ウィンチ組立品がテザー組立品をウィンチ組立品のドラムへおおよそ所定の巻き取り角度にて巻き取ることを可能にする、請求項１４に記載の電力生成システム。
17. 飛行型発電機は、ほぼ垂直に動力上昇するように制御されることにより、テザー組立品の長さをウィンチ組立品の高さに対する所望の電力生成高度のおおよそ１．２−１．６倍の長さにする、請求項１４に記載の電力生成システム。
18. 飛行型発電機は、電力生成高度においておおよそ２０−７０度の仰角を有する、請求項１７に記載の電力生成システム。
19. 飛行型発電機に連結されるテザーを取り扱う方法であって、
    飛行型発電機を第１の高度にて飛行させる工程と、
    飛行型発電機を飛行させながらテザーにかかる張力を低減する工程と、
    テザーをドラムへ巻き取る工程とを備える方法。
20. テザーにかかる張力を低減する工程は、飛行型発電機を第１の高度から降下させるときに自動回転させる工程を備え、テザーをドラムへ巻き取る工程は、飛行型発電機の自動回転中にテザーをドラムへ巻き取る工程を備える、請求項１９に記載の方法。
21. 飛行型発電機を第１の高度にて飛行させる工程は、飛行型発電機を第１の高度よりも高い展開高度まで動力上昇させる工程を含む、請求項１９に記載の方法。
22. 展開高度まで達した後にテザーを所望の展開長さに固定する工程と、
    飛行型発電機を展開高度から第１の高度まで飛行させる工程と、
    第１の高度にて飛行型発電機を用いて電気を生成する工程とを備え、
    生成された電気はテザーを下って地上のステーションへ伝達される、請求項２１に記載の方法。
23. テザーをドラムへ巻き取る工程は、最大約１０度の所定の巻き取り角度にてテザーをドラムへと導く、請求項１９に記載の方法。
24. テザーは、飛行型発電機に連結される耐荷重ケーブルと、飛行型発電機に連結される導体ケーブルとを備え、
    テザーをドラムへ巻き取る工程は、耐荷重ケーブルを第１のドラムへ巻き取る工程と、独立して導体ケーブルを第２のケーブルへ巻き取る工程とを備える、請求項１９に記載の方法。
25. 耐荷重ケーブルが第１のケーブルへ巻き取られる前に、導体ケーブルが第２のケーブルへ巻き取られる、請求項２４に記載の方法。
26. 飛行型発電機に連結されるテザーを取り扱う方法であって、
    飛行型発電機を地上よりも上方の第１の高度に展開する工程と、
    テザーを巻き取ることにより飛行型発電機を巻き取る工程と、
    固定用組立品を用いてテザーを固定する工程と、
    テザーの中で固定用組立品による固定力の付与された第１の位置をトラッキングする工程と、
    テザーの中で固定用組立品によってまだ固定されていない第２の位置にてテザーを固定する工程とを備える方法。

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