JP2014508893A - 固定の長さのケーブルによって地表につながれた動力翼型の飛行を通じて、受動段階なく、風の状態への自動適応によって、風力エネルギーを電気エネルギーに変換するためにシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は同様に、エネルギーの生産を最大にしながら、同時にシステムの完全性にとって潜在的に有害または危険な動作状態を防止するために風の状態を考慮することができる、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する前記システム向けの動力翼型の飛行を自動で制御する方策に関する。
なり、また前記交換動作中に発電機が無活動状態になるという大きな問題が生じる可能性がある。
ルギーに変換するシステムを提供することによって、現在の構成に存在する上記で引用したすべての問題を解決することである。このシステムでは、所与の経路に沿った地表ユニットの交互運動によってエネルギーが生成される。前記システムは、固定の長さのケーブルで動作することによってエネルギーを生成し、したがってケーブルの摩耗の問題を防止する。さらに、保守の理由または無風のために翼型を離陸および着陸させる過渡現象は別にして、地表ユニットの経路を適当に選択できるため、このシステムは受動段階を伴わず、したがって、動力翼型の特性が同じである場合、現在の解決策に比べてより高いエネルギー生産を可能にする。従来技術では、ジョー ハドジッキ(Joe Hadzicki)による雑誌Drachen Foundation Journal, No. 16, Autumn 2004に見られる「バギー(Buggy)」という名のシステムが知られている。「バギー」システムは、一定の長さのケーブルで動作を可能にし、受動段階を伴わないが、風の方向の十分な所定の値でしか最適の状態で動作できず、前記状態が変動すると、生産されるエネルギーがより低くなる限り、このシステムは制限されている。本発明では、風の方向の変動に適応することができる限り、これらの制限を克服することができる。最後に、本発明では、沖合の状況への適用の可能性が想定されており、現在の沖合の技術と比較した本発明の大きな利点は、高い高度の風力を捕獲できることに加えて、海底への基礎または投錨を必要としないことである。これらはすべて、従来の風力塔に基づく現在の解決策に比べて、沖合での風力エネルギーの生成にかかるコストの大幅な削減、および設置箇所数の大幅な増大を可能にする。
nalysis of performance of the Kitegen system: high−altitude−wind power”), Turin Polytechnic, 2008という卒業論文、およびエル ファジャーノ(L.Fagiano), “Control of Tethered Airfoils for High−Altitude Wind Energy Generation”, Turin Polytechnic, 2009という博士論文などの様々な刊行物に示されている分析から明らかなように、翼型の特性および風の強度が固定される場合、バギー・システムによって生成される平均電力は、風Wの方向7と、地表ユニットの経路の方向8との間の角度Θとともに変動する。図1では例として、方向7を2つの可能な状態、すなわちΘ=0°およびΘ=90°で示す。図1のグラフでは、前記変動の図は、翼型および風の状態の指定の特性に対して実現可能な最大値に対する百分率値で表される。最大のエネルギー生産は、風の方向が地表ユニットの方向に対して垂直であるときに得られることに留意されたい。本発明で紹介されるシステムは、風の方向に対して最適の傾斜を常に維持するように、地表ユニットの経路を修正することができる。
に制御されて連係する。風Wの方向18は、レベル0(地表)から、翼型のすべての運動状態を含むのに十分な高度、たとえば地表から1000mの範囲内の様々な高度において、リアルタイムで測定される。前記測定は、たとえば、風の方向および強度の測定を可能にするライダまたはソーダ型のシステムで行われる。この風の方向および強度の測定は、たとえばエム カナレ(M.Canale), エル ファジャーノ(L.Fagiano), エム ミラニーズ(M.Milanese), “High Altitude
Wind Energy Generation Using Controlled
Power Kites”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, No. 18, pp. 279 − 293, 2010の記事による学術文献ですでに開示されている内容によれば、翼型10の制御にとっても必要な情報である。レール・システム12の回転は、レールの方向に対して垂直なシステム12の対称面と、レールの方向に対して平行なシステム12の対称面との交点によって特定される垂直軸19の周りで行われ、このようにして、生成システムによって占有される可能性のある区間の領域を画定する。この領域は、Lに等しい直径を有する完全に円形の形状として有し、ここでLはレール・システム12の長さである。前記長さは、占有される可能性のある単位表面ごとに生成される電力を最大にするように、また場合によってはいわゆる「ウィンド・ファーム」を構成する他の類似の隣接する生成システムの有無を考慮しながら、生成システムを設置するための事前に選択された箇所の風の特性および地形の形態に基づいて寸法設定される。図2を参照して説明した本発明によって提案されるシステムによって生成される電力は、方向18が変動するとレール・システム12の向きを自動で適応させるため、風Wの方向18には左右されないが、ケーブル11の長さに関連する風の強度の特性が変動すると変動する。具体的には、ケーブルの直径ならびに翼型の慣性、幾何学的特性、および空気力学的特性に関するシステムの所与の構成に対して、また地表からの高度に伴う風速の増大の所与の特性に対して、生成される最大の電力は、ケーブルの長さに応じて、凹状の図に従って変動し、最大値は、ケーブルの最適の長さに対応する。前記現象は、より長いケーブルによってより強い風が遮られるためにより大きい力がケーブルにかかり、結果的に発電がより大きくなるという影響と、ケーブルの長さが増大するにつれてケーブルの空気力学的抵抗がより大きくなり、結果的に効率の損失を招き、したがって発電がより小さくなるという逆の影響との間を均衡にすることによって生じる。風の方向に対する自動適応だけでなく、風の強度の特性および地表からの高度の変動に伴う強度変動の特性に対する自動適応の目的で、本発明によって提案されるシステムは、2つの可能な方策によって動作するケーブルの長さの自動調整システムを備える。この自動調整システムは、特許出願第TO2010A000258号に記載されている内容などの従来技術に示されている解決策によって得られる。第1の方策では、たとえばライダまたはソーダ型のシステムを介して前述のように得られる様々な高度における風の速度のリアルタイム測定が、地表からの高度の変動に伴う風の増大モデルを計算するように適当に調整および使用される。次いで前記モデルは、たとえばエル ファジャーノ(L.Fagiano), “Control of Tethered Airfoils for High−Altitude Wind Energy
Generation”, Turin Polytechnic, 2009という博士論文に記載されているような簡略化された等式によって、ケーブルの長さの変動に伴う対応する電力曲線を計算するために使用され、ケーブルの最適の長さは、前記曲線の最大値を得るように設定および調整される。第2の方策によれば、ケーブルの長さは、ケーブルの長さに応じた電力特性のくぼみを利用して、すなわち測定された平均電力が最大値に到達するまでケーブルの長さを変動させて、たとえば1時間という規則的な時間間隔で適応するように調整される。
成されたシステム21を備えている。システム21は、ケーブルによって地表ユニットに加えられる横方向の力と垂直方向の力を均衡にすることができ、方向22を風Wの方向23に対して垂直に維持するように、車輪の自動操向システムを介して、地表ユニットの運動を誘導することができ、したがって生成される電力を最大にすることができる。地表ユニットがたどる経路24の長さLは、システムによる地表上の最大の領域占有を画定し、またこの場合、この領域は直径Lの円周に等しく、円周の中心は経路24の中心点に対応する。システムは、前述した方策のように、ケーブルの長さを最適に調整する方策を備える。前述の解決策と同様に、生成されるエネルギーは、ケーブル25を介して固定の構造へ伝達され、この構造は、エネルギーを送電網内へ導入し、または蓄積するように設計される。この第2の解決策の利点は、構造をより簡単に構築できることであるが、動力翼型27と地表ユニット20を接続するケーブル26によって加えられる横方向の力に逆らうことができなければならないため、地表ユニットがより複雑になるという犠牲を伴う。
44を介して固定の構造へ伝達される。この構造は、電気エネルギーを送電網内へ導入し、場合によっては慣性または水素システムなどの当技術分野では知られている意図的に設けられたデバイスで電気エネルギーを蓄積するように設計される。経路41の長さLは、占有される海の単位表面ごとの平均電力を最大にするように選択される。空間の占有は、経路41の中心点を中心とする半径Lの円周によって与えられる。また、沖合の状況におけるこの適用分野は、前述のケーブルの長さの自動調整システムを備える。
Using Controlled Power Kites”, IEEE Transactions on Control Systems Technology,
No. 18, pp. 279 − 293, 2010という論文において、本発明によって提案される内容とは異なる変換システムに関して記載されている内容に全体的
に類似の方法で、たとえば非線形の予測型の制御アルゴリズムを介して、制約および費用関数を適当に選択することで得ることができる。
Claims (30)
- 発電機手段を駆動するように交互変位経路に沿って動力翼型によって動かされる地表ユニットに少なくとも1つのケーブルを介してつながれた少なくとも1つの前記動力翼型の飛行を通じて風力エネルギーを電気または機械エネルギーに変換するための方法において、前記交互変位経路が、風の方向に実質的に直交する方向に前記交互変位経路自体を設定するように配向可能であることを特徴とする方法。
- 前記動力翼型の飛行段階中に、エネルギーの生成状態で、前記少なくとも1つのケーブルの長さが一定に保たれることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのケーブルの前記一定の長さの値が、前記風の強度、および地表に対する前記動力翼型の高さに関連する勾配の測定に基づいて決定されることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのケーブルの前記一定の長さの値が、前記発電機手段によって送達される電力に応じて適応するように決定されることを特徴とする、請求項2または請求項3に記載の方法。
- 前記交互変位経路が直線であり、前記交互変位経路の中心を通過する垂直軸の周りで配向されることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記交互変位経路が湾曲していることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記湾曲した変位経路が、前記湾曲した変位経路の回転中心を通過する垂直軸の周りで角度的に可変の円周の弧であることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
- 前記交互変位経路が前記地表上に位置し、前記地表に対する前記交互変位経路の向きが、転がり接触を用いて得られることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記地表ユニットが、非摺動接触で前記交互変位経路に沿って案内されることを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記接触が、前記地表ユニットに適用されて前記発電機手段に動作可能に接続された転がり部材を介して設けられることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
- 前記転がり部材の制御された操向が想定されることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 前記転がり部材が、前記交互変位経路に対する前記地表ユニットの運動の反転に対する制動を受け、運動の反転に続いて前記地表ユニットを加速するために制動エネルギーが回復されることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
- 前記直線の交互変位経路が、液体の浮動表面上に位置することを特徴とする、請求項5に記載の方法。
- 前記交互変位経路が、前記地表ユニットとともに直線のモータ/発電機を構成することを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。
- 発電機手段を駆動するように交互変位経路に沿って動力翼型によって動かされる地表ユニットに少なくとも1つのケーブルを介してつながれた少なくとも1つの前記動力翼型の飛行を通じて風力エネルギーを電気または機械エネルギーに変換するシステムであって、風の方向に実質的に直交する方向に前記交互変位経路を配向する手段を含むことを特徴とするシステム。
- 風の強度、および地表に対する前記動力翼型の高さに関連する勾配を測定する手段と、前記動力翼型の飛行段階中に、エネルギーの生成状態で、測定された前記強度および前記勾配に応じて選択された一定の長さで前記少なくとも1つのケーブルを維持する手段とをさらに含むことを特徴とする、請求項15に記載のシステム。
- 前記発電機手段によって送達される電力を測定する手段と、前記動力翼型の動作飛行段階中に、測定された前記電力に応じて選択された一定の長さで前記少なくとも1つのケーブルを維持する手段とを含むことを特徴とする、請求項15または請求項16に記載のシステム。
- 前記交互変位経路が案内レールによって画定され、前記地表ユニットが、前記案内レールに係合する転がり部材を備えることを特徴とする、請求項15または請求項16に記載のシステム。
- 前記地表ユニットの前記転がり部材が、前記発電機手段に動作可能に接続されることを特徴とする、請求項18に記載のシステム。
- 前記案内レールが直線であることを特徴とする、請求項18または請求項19に記載のシステム。
- 前記直線の案内レールが、前記直線の案内レールの中心を通過する垂直軸の周りで配向させることができることを特徴とする、請求項20に記載のシステム。
- 前記案内レールが、前記地表上を転がる部材を備えることを特徴とする、請求項21に記載のシステム。
- 前記地表ユニットが、前記交互変位経路を画定するように操向できる前記地表上を転がる部材を備えることを特徴とする、請求項15または請求項16に記載のシステム。
- 前記地表ユニットの前記転がり部材が、前記発電機手段に動作可能に接続されることを特徴とする、請求項23に記載のシステム。
- 前記案内レールが円形であり、前記交互変位経路が、前記円形の案内レールの角度的に可変の扇形によって構成されることを特徴とする、請求項18または請求項19に記載のシステム。
- 前記交互変位経路に対する前記地表ユニットの運動の反転に対する制動手段と、運動の反転に続いて前記地表ユニットを加速するために制動エネルギーを回復する手段とが、前記転がり部材に動作可能に連動することを特徴とする、請求項16または請求項21に記載のシステム。
- 前記交互変位経路が案内レールによって画定され、前記レールおよび前記地表ユニットが、エネルギーを生成することが可能なリニア発電機/モータを構成することを特徴とする
、請求項15または請求項16に記載のシステム。 - 前記リニア発電機/モータが、前記地表ユニットの運動を電力に変換することができ、ならびに前記地表ユニットを制動し、運動の反転に続いて前記地表ユニットを加速するために前記制動エネルギーを回復させることができることを特徴とする、請求項27に記載のシステム。
- 前記ユニットが、液体表面上に浮動する物体からなることを特徴とする、請求項15または請求項16に記載のシステム。
- 前記浮動する物体の前記発電機手段が、前記交互変位方向を決定するように駆動できる浸漬されたタービンを含むことを特徴とする、請求項29に記載のシステム。
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