JP5054761B2 - 駆動翼様部材を備える風力システム及び電気エネルギーを生成する方法 - Google Patents
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Description
−地上から操縦でき,捕捉対象の気流に突入する少なくとも1つの駆動翼様部材30(以下,簡略化のために「凧」ともいう)。このような翼様部材は,特定のスポーツ活動,例えばサーフィン及びカートのための特有の帆を製造するために一般に使用される繊維を織ることによって製造される。この凧を特徴づける主要な仕様は表面積である。最近の空気力学研究により,制御及び操縦性の点から特定のニーズを満足できる翼様部材が市販されている。翼様部材を適切に操縦することによって,風からのエネルギー伝達の調整が可能である。特に,翼様部材30が突入した気流によって加えられる牽引力が最大となる位置から,このような牽引力が最小となるほぼ失速した位置(方位角上又は側方)まで,凧30を飛行軌道に沿って案内することが可能である。牽引力が最大になる段階とほぼ失速してその後の回収が行われる段階とを周期的に交互に切り替えることによって,以下により詳細に説明するように,電気エネルギーを生成する。
−翼様部材30を操縦し,気流のエネルギーを電気又は機械エネルギーに変換するように適応され,地上レベルに配置され,かつ,2本のロープ2によって駆動翼様部材30に連結された基台1。これら2本のロープ2は,翼様部材30からあるいは翼様部材30に向けて力を伝達するように適応されており,翼様部材30の飛行軌道の制御及びエネルギーの伝達の両方に,以下に説明するモードで使用される。これらのロープ2に対する引張力(pull)を合計するために,相互に直列に連結された多数の駆動翼様部材30を設けることが可能である。翼様部材30は,実際には,単一系統のロープ2によって基台1に連結されている。簡略化のために,以下,本発明による風力システムが単一の翼様部材30を具備している場合を述べる。本発明による風力システムの動作原理は,実際に,使用する翼様部材30の数によって変わることはない。多数の駆動翼様部材30を使用することによって得られる利点は,以下に詳細に説明するように,このような翼様部材による受風表面の増加であり,結果としてウインチ3に対する引張力の増加及び動作サイクル毎に生成可能な電気エネルギーの増加である。
−ロープ2の案内モジュール6の摺動ブロック6a上に組み立てられた第1の対の滑車7a。
−ロープ2の案内モジュール6の下流に配置された第2の対の滑車7b。この滑車の対は,これらの滑車7bと案内モジュール6の摺動ブロック6a上に組み立てられた滑車との間に位置するロープ2の全長を水平に保持するように適応されている。
−ロープ2を翼様部材30に向けて送出するように適応されている第3の対の滑車7d。
−急激な負荷変動を減衰するための少なくとも一対の機構。これらの機構は,第2の対の滑車7bと第3の対の滑車7dとの間に設けられている。このような機構はそれぞれ,少なくとも1つの弾性部材17,例えば弾性ケーブル又はスプリングで構成されている。この弾性部材17は,その一端17aを基台1に固定され,他端で案内モジュール6のロープ2の下流でその長さと連繋する。このような弾性部材17は,この部材のこのような2つの端の間で,第5の滑車7eへの送出が可能である。弾性部材17とロープ2との間の連繋は,第4の滑車7cが介在して行われる。風が吹き始めると,弾性部材17が伸張し,急激な負荷変動を減衰させる。逆に,負荷が急に低下すると,弾性部材17は収縮し,張力の低下を調整するために,以下に説明するコンピュータ制御システムの介入遅延を部分的に補償する。図示の伝達システムは,急激な負荷変動を減衰させる機構を,各ウインチ3の隣に1つずつ,計2つ備えることが好ましい。
a)風又は気流Wから取り出される風力エネルギーが最大になるように,翼様部材30の飛行軌道を,好ましくはコンピュータ制御システムによって自動的に管理するステップF1。特に,コンピュータ制御システムは,「揚力」,すなわち風速Wに垂直な力の成分を有効利用するように翼様部材30を操縦する。このようにして,翼様部材30は,風の正面を走査し続けながら上昇する。この結果,風は翼様部材30を上昇させ,基台1に連結されたロープ2を伸張する。この牽引力はウインチ3のレベルで回転に変換され,減速機4によって発電機5に伝達され,そこで相反する一対の力の交換によって電気エネルギーの生成が行われる。
b)風の推力が不足する寸前のほぼ失速する位置に到達させるために,翼様部材30を,好ましくはコンピュータ制御システムによって自動的に操縦するステップF2。
c)発電機としても動作するモータ5によってロープ2をウインチ3に巻き戻すステップF3。ロープ2は,最小のエネルギー消費で巻き戻され,ロープ2の回収が終了した後は,最大牽引状態に戻すように翼様部材30が配置される。
d)その時点で,このプロセスは繰り返される。
固有風力=1/2ρVw 3=0.5×1.225×63=132.3W/m2
Kite Power=KPF×Specific Wind Power×A
式中,Aは,凧の受風領である。例えば,6m/sで吹く風から速度60m/sで押される面積A=18m2の翼様部材を使用すると,ロープレベルで生成可能な電力は47628Wになる。したがって,このような電力は,この凧が生成できる最大電力に対応することになる。
−本風力システムは,容易に取り扱えるように適応されているため,給電が困難な場合や設置場所にアクセスできないときなど,緊急状況下で電気エネルギーを供給するために有効である。
−極めて低コストであり,かつ,その動作特性により,装置を従来の用途(イベント,作業場,その他)に使用できる。
−本風力システムは,その拡張可能性により,大型の静止型発電機の実現を可能にする技術である。
−本風力システムは,風の利用可能率及び速度が大きいため,地上レベルの気流に比べ大きなエネルギー密度が保証される上層の気流も有効利用することができる。
−本発明の方法による動作サイクルは高速であるため,比較的小さな翼様部材によって大きな風量の風力エネルギーを有効利用できる。
−本風力システムの最も高価な構成要素は,地上レベルに配置され,保護される。
−動力は,揚力の軸成分の有効利用によって生成されるので,抗力の有効利用に比べ,より大きなエネルギーの供給が保証される。
Claims (18)
- エネルギーを変換するための風力システムであって,
地上から操縦されるように適応され,少なくとも1つの気流(W)に突入する少なくとも1つの駆動翼様部材(30)と,
地上レベルに配置され,2本のロープ(2)によって前記駆動翼様部材(30)に連結されている基台(1)であって,前記基台(1)は前記翼様部材(30)を操縦すると共に,前記気流の風力エネルギーを電気又は機械エネルギーに変換するように適応されており,前記2本のロープ(2)は,前記翼様部材(30)に対して及び前記翼様部材(30)からの力を伝達すると共に,前記翼様部材(30)の飛行軌道の観察とエネルギーの伝達の両方に使用されるように適応されている基台(1)と
前記ロープ(2)のそれぞれを前記翼様部材(30)に向けて案内するように適応されている伝達システムを備え,
前記伝達システムは,
前記ロープ(2)の案内モジュール(6)の摺動ブロック(6a)上に組み立てられた第1の対の滑車(7a)と,
前記ロープ(2)の前記案内モジュール(6)の下流の第2の対の滑車(7b)であって,前記第2の対の滑車(7b)と前記第1の対の滑車(7a)との間に含まれる前記ロープ(2)の全長を水平に保持するように適応されている第2の対の滑車(7b)と,
前記ロープ(2)を前記翼様部材(30)に向けて送出するように適応されている第3の対の滑車(7d)と
を備え,
前記伝達システムがさらに,減衰機構と前記第3の対の滑車(7d)との間に配置された少なくとも一対の張力調整装置(18)を含み,
前記第3の滑車(7d)は,少なくとも1つのスプリング(25)を介して前記基台(1)への回転自在な連結が実現されることを特徴とする風力システム。 - 前記翼様部材(30)は,前記気流によって加えられる牽引力が最大である位置から,その方位角上又は側方への,ほぼ失速して前記牽引力が最小となり,ウインチ(3)によって復帰される位置に周期的に移動されるように,前記基台(1)において飛行軌道に沿って操縦されるように適応されていることを特徴とする請求項1記載の風力システム。
- 前記翼様部材(30)を前記飛行軌道に沿って自動的に制御するように適応されている,前記基台(1)上で動作するコンピュータ制御システムを含むことを特徴とする請求項1記載の風力システム。
- エネルギーの蓄積と供給とを管理するために前記コンピュータ制御システムと連繋する給電システム(12)を備えることを特徴とする請求項3記載の風力システム。
- 前記コンピュータ制御システムは,前記翼様部材(30)上に配置された一組のセンサを備え,前記翼様部材(30)上に配置された前記一組のセンサは,情報を無線モードで前記コンピュータ制御システムに送出することを特徴とする請求項3記載の風力システム。
- 前記基台(1)は,少なくとも2つのウインチ(3)を備え,前記ウインチ(3)のそれぞれにおいて前記ロープ(2)のうちの対応する1本のロープの繰り出し又は巻き戻しが行われ,前記ウインチ(3)のそれぞれが発電機/電気モータ(5)に連結されていることを特徴とする請求項1記載の風力システム。
- 前記ウインチ(3)は,前記発電機/電気モータ(5)に,少なくとも1つの遊星歯車減速機(4)を介在させて連結されていることを特徴とする請求項6記載の風力システム。
- 前記ウインチ(3)は,前記ウインチ(3)へ前記ロープ(2)が整然と巻き付くように適応されている案内モジュール(6)を備えることを特徴とする請求項6記載の風力システム。
- 前記伝達システムは,前記第2の対の滑車(7b)と前記第3の対の滑車(7d)との間に設けられている急激な負荷変動を減衰させるための少なくとも一対の機構を含むことを特徴とする請求項1記載の風力システム。
- 前記減衰機構は少なくとも1つの弾性部材(17)で構成され,前記弾性部材(17)はその一端(17a)で前記基台(1)に固定され,その他端で,第4の滑車(7c)を介在させることによって,前記案内モジュール(6)の下流の前記ロープ(2)の長さに連結されていることを特徴とする請求項9記載の風力システム。
- 前記張力調整装置(18)は,第1のプーリ(19a)と第2のプーリ(19b)とで構成され,前記プーリ(19a,19b)は互いに対向し,同一平面上に回転軸を有し,前記プーリ(19a,19b)はそれぞれ第1の回転ピン(20a)及び第2の回転ピン(20b)の周りを回転し,2つのグリップ(21)の間に挿入され,前記第1の回転ピン(20a)は前記グリップ(21)に設けられた一対のスロット(22)の内部を摺動し,前記第1のピン(20a)と前記第2のピン(20b)とは弾性部材(23)を介して互いに連結されていることを特徴とする請求項1記載の風力システム。
- 前記摺動ブロック(6a)は,前記ウインチ(3)の回転軸に平行なレール(6b)に沿って摺動するよう適応され,前記レール(6b)に沿った前記摺動ブロック(6a)の摺動は,好ましくはウインチ(3)の回転と共に摺動機構によって制御されることを特徴とする請求項1記載の風力システム。
- 前記摺動機構は,コンピュータ制御システムによって制御される電気モータによって作動されることを特徴とする請求項12記載の風力システム。
- 前記摺動機構はネジ制御式又はベルト制御式であることを特徴とする請求項12記載の風力システム。
- 前記コンピュータ制御システムは,
前記翼様部材(30)を前記飛行軌道に沿って案内するためにウインチ(3)を操作し,
飛行及び制御パラメータに応じて,また前記翼様部材(30)上に配置された一組のセンサから送られてきた情報に応じて,更に一組の地上センサに応じて,以後の少なくとも1つの瞬間において前記翼様部材(30)が取るべき最適位置を瞬間毎に求める予測アルゴリズムを実行し,
前記気流(W)によって生成される揚力(L)の有効利用を優先するように構成されていることを特徴とする請求項3記載の風力システム。 - 請求項1〜15何れか1項記載の風力システムによって電気エネルギーを生成する方法であって,
a) 前記気流(W)から取り出される風力エネルギーを最大化するために前記翼様部材(30)の前記飛行軌道を管理するステップであって,前記翼様部材(30)は,上昇時に,前記基台(1)に連結された前記ロープ(2)を伸長させて前記ウインチ(3)を回転させるステップ(F1)と,
b) 前記翼様部材(30)をほぼ失速する位置に到達させるために,前記翼様部材(30)を操縦するステップ(F2)と,
c) 前記モータ(5)によって前記ロープ(2)を前記ウインチ(3)によって巻き戻して最大の牽引状態に戻すために前記翼様部材(30)を配置するステップ(F3)と,
d) 前記ステップを繰り返すステップと
を含むことを特徴とする方法。 - コンピュータ制御システムによって前記ステップa)及び/又はb)及び/又はc)及び/又はd)が自動的に実行されることを特徴とする請求項16記載の方法。
- 前記風力エネルギーを機械エネルギーに変換することによってボート(100)を牽引するための請求項1記載の前記風力システムの使用であって,前記伝達システムを前記ボート(100)の船首(101)に配置し,前記ボート(100)の前方に常に位置付けるために前記翼様部材(30)をコンピュータ制御システムによって操縦する使用。
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