JP5526150B2 - 対流圏風力発電装置用テザー - Google Patents

Description

本発明は、対流圏風力発電装置用ロープに関する。

対流圏風力発電装置は、高い機械的抵抗を有する長いロープにより地面に束縛された凧、翼、飛行機、軽航空機、飛行船を介して、高高度における膨大な風力エネルギーを活用するという共通の目的を共有している。そのような対流圏風力発電装置の新しいカテゴリーがその技術分野において知られており、現在、複数の異なる調査グループによって開発が進められている。
対流圏風力発電装置の共通の動作原理は、高高度における風力エネルギーを力学的エネルギーに変換可能な空気力学的機体を飛行させ続けることに基づいている。力学的エネルギーによって仕事をすることができ、更に、力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換すれば、電気的エネルギーを民間および産業目的に広く利用することができる。

空気力学的機体の最も単純で最も効果的かつ安全な構成としては、単に、高い空気力学的効率を有する翼とすることができる。翼は、現在の風力発電装置では到達不可能な高度で飛行を継続させられながら、高抵抗ロープにより地面に束縛される。
あるいは、空気力学的機体をより複雑なものとすることもできる。例えば、飛行船または尾翼および安定部材を有する飛行機によって飛行を継続させられる風力タービン回転子とすることもできる。
とりわけ、このカテゴリーにおける全ての発電装置は少なくとも１本の束縛用ロープを有しており、そのロープが定期的にウインチまたはウインチシステムによって巻き上げられたり、繰り出されたりする。

ウインチの回転を利用して力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電装置だけでなく、飛行高度や軌道を検査するためだけに、あるいはもっと単純に、離陸および着陸段階のためだけに、ロープの巻き上げと繰り出しを用いる発電装置においても、本発明の利点を見出すことができる。
また、海軍で使用される牽引システムや凧に基づく船上発電システムにおいても、本発明の利点を見出すことができる。
このような風力発電装置の例は、対流圏風力発電装置の一般概念を記載したイッポリート＝マッシーモのイタリア国特許第０００１３４４４０１号および第０００１３４４９２６号や、回転コンベヤ方式の構成を記載したイッポリート＝マッシーモのヨーロッパ特許第ＥＰ１６７２２１４号や、制御システムを記載したカイト・ジェン・リサーチＳ．ｒ．ｌ．のＰＣＴ特許出願ＰＣＴ＿ＷＯ２００７／１２９３４１や、「ヨーヨー」と称する構成における発電機の基盤構造を記載したイタリア国特許出願ＴＯ２００８Ａ０００４２３に記載されている。

とりわけ、上述した既知の発電装置により取り出すことのできるエネルギーは第一に、風速や風向きといった大気現象に依存する。そのような大気現象は設計時点において評価することは可能であっても、設計者から影響を及ぼされることはあり得ない。しかしながら、抽出可能なエネルギーは、帆の表面や空気力学的特性といった、制御可能な、精密な設計上の選択にも依存する。
上述の既知の発電装置により抽出可能なエネルギーに関して本出願人が行った全ての評価により、次のことが確認された。すなわち、依然として設計者に決定権があるパラメータのうち、翼とロープとからなる全システムの空気力学的効率が、最も重要な要素だということである。事実、回収可能なエネルギーを描写し予測する数式において、帆の表面は線型的に表される一方、空気力学的効率は２のべき乗で増加するように表される。揚力係数と抵抗係数の間の比によって表される帆の効率は概して高いが、それは帆の空気力学的断面が、低い値の空気力学的抵抗係数を生じるためである。

他の人々は、例えばオッケルスらの米国特許出願２００８／０２１０８２６に開示されているように、１本のみのロープを使用することを好むが、これに代えて、本出願人が開示した発電装置の安全性と信頼性を向上させるために、一対のロープを採用することを選択した。実際、まず第一に、一対のロープによって、電気機械的装置を船上に設置することを要せずに風の軌道を制御することができる。そして、制御不能落下や、単一のロープが破損した場合の翼の紛失に加えて、機能不全、故障、凧に設置され得る機器の通信困難から操作可能性が保護される。
一対のロープは更に、例えば製造欠陥によるロープの切断のような稀な事態を、潜在的に危険な事態から、単純な復帰と保守の手順へと変容させる。すなわち、２本のロープのうちの１本の破損は、実際、翼の持ち上げの一時的な低下を意味し、その後、残っているロープに働く緊張の低下を伴う。このように、残るロープを素早く巻き戻すことで、パラシュートに似た翼の動きにより、いつでも翼を地面に戻すことができる。

同じ原理はまた、巻き取りとエネルギー発生のステップに続くロープの巻き戻しのステップにおける運転条件下においても適用され活用される。実際、一方のロープをコントロールした状態で解放し、もう一方のロープの引張りを保持することにより、翼は空気力学的力の合力がほぼ抵抗力のみからなるような位置へと自然に持っていかれ、持ち上げは無視できるようになる。このような特定の向きに翼を保持することは、緊急時や飛行中に飛行機パイロットが行う操作に例えて「サイドスリップ」操作と定義することができるだろう。これにより、最小限のエネルギーコストで制御ロープを高速度で巻き戻すことができる。
そのため、１本のロープを使用する解決策に対して、２本のロープを使用することは全体の抵抗の増加を暗示するが、安全性および信頼性の観点では間違いなく利点を与えるものである。
しかしながら、市販のロープは対流圏風力発電装置に使用するものとして考えられ最適化されている訳ではなく、全空気力学的性能を大幅に制限する要因である。

知られているように、シミュレーションにおけるロープの挙動は、一次近似として、無限の長さを持つ滑らかな円筒であって、その円筒の軸に直行する流れと交差する円筒の挙動に帰することができる。そして、多数の実際の適用において典型的なレイノルズ数に関連する風通路内の実験データに応じて抵抗係数（典型的にはＣ_Ｄ＝１．２）を推定する。この方法は実際のケーブルの形状、表面粗さ、および、長手方向とねじりの弾性を考慮しておらず、概して、真の全抵抗係数を過小評価していることが示唆される。
例えば、多数のより糸を有するロープは、均一な流体に浸された場合により大きな抵抗係数（Ｃ_Ｄ＝１．５）を持ち得る。長いケーブルの場合、渦に誘発される振動（ＶＩＶ）の現象が引き起こされると、抵抗係数はＣ_Ｄ＝２．５〜３というオーダーの数値にさえ達し得ると同時に、揚力係数Ｃ_Ｌに相当する、流れに垂直な力も発生し得る。この問題は多くの応用分野で顕著であり、とりわけ、特に長いロープやケーブル（例えば、石油プラットフォームのタイロッドや、遠隔操作型潜水艇（ＲＯＶ）を曳航するケーブル）が、変動する強さを持つ流体の作用に晒される海軍および海洋の分野で顕著である。

電気エネルギーを伝送する懸垂線や吊り橋のタイロッドなどが潜在的に危険な振動に影響され得る民間の分野においても明らかに多数の例が存在する。これらの応用において、振動の振幅を小さくし、弾性バランスの不安定化発生の可能性を低下させる解決策がまず何よりも探求され、入射流体の方向にかかわらず、性能が要求された。
その他の応用において、特にケーブルの流体力学的抵抗の低減が求められた。
提案された多くの方法の中で、繰り返されたスキームによる粗さ分布というものを思い出すことができる。粗さ分布とは、表面の隆起または凹み、らせん状の巻線、繊維の帯の付加、および多かれ少なかれ空気力学的な、硬いもしくは柔軟な整形板の分布のことである。
しかしながら、前述のタイプの風力発電装置で生ずるように、ケーブルがウインチドラム上での巻き上げと繰り出しの繰り返しのサイクルに晒されると、技術的問題の複雑さが増し、取り得る解決策は少なくなる。

航空学においても、この問題は特に関係がある。既に複葉機の時代から、イギリスにおいて「ＲＡＦワイヤ」とよばれる輪郭付けされた構造部材が、鋼鉄製ケーブルまたは全赤色酸化鉄で作られたタイロッドの置き換え用に開発されていた。そのような現象の重大さはまず典型的な対流圏発電装置の寸法決めの考察から始めることにより評価することができる。航空機の翼は、１０ｋＮ／ｍ^２のオーダーの揚力を発生させることができる。
例えば、満載状態のボーイング７４７−４００が離陸をする際の重量と翼表面との比Ｗ／Ｓは７５００Ｎ／ｍ^２である。これは旅客運搬用の航空機であるから、加速度が制限されており（荷重係数ｎ＝２．５）、安全条件のもと、翼構造の寸法が、１８７５０Ｎ／ｍ^２に等しい仕様揚力に耐えるように設定されていると推定できる。

例えばグライダー、ハンググライダー、クレイジーフライクラフトや凧のように、エンジンを持たない航空機における重量と翼表面の比の基準値は、Ｗ／Ｓ＝３００Ｎ／ｍ^２のオーダーである。
これらの飛行機の重量は翼の構造にかかわらず約５０Ｎ／ｍ^２である。しかしそれらは大きなgで動作をすることができ（アクロバットの分野で、荷重係数ｎ＝６）、そのため、１８００Ｎ／ｍ^２のオーダーの仕様揚力値を発生させ、かつそれに耐えることができる。
出願人により発明され上記特許に記載された発電装置の凧を前提として、揚力係数Ｃ_Ｌ＝１、密度値ρ＝１．２２５ｋｇ／ｍ^３、翼表面Ｓ＝１００ｍ^２、飛行速度Ｖ＝４０ｍ／ｓとすれば、揚力の古典的な公式は９８０００Ｎという値を返す。よって、１０００Ｎ／ｍ^２に近い値である。

凧によって生み出され、ロープを伝って発電機まで伝達されなければならない力の値を例えばＦ＝１００ｋＮとした場合、後者のものたちの寸法を適切に決定しなければならないことは明らかである。
最も評価の高い合成ロープ製造業者の表を分析したところ、繰り返しの曲げサイクルに対して最適化され、安全係数Ｓ＝３を適用した１本のロープ（解決策Ａ）を使用することを前提とすると、１本のロープは直径Ｄ（ａ）＝１８ｍｍ、最大引張応力３０４ｋＮを備えることが必要である。

これに代えて、上述したような信頼性と安全性の理由から一対のロープの使用を前提とすると（解決策Ｂ）、２本のロープは直径Ｄ（ｂ）＝１４ｍｍ、最大引張応力１６８．６ｋＮ、全体で３３７ｋＮを備えることが必要である。実際、かなり大まかではあるが典型的な挙動の前提として、ロープは地上の発電機に隣接する空気に対してはゼロスピードで動き、凧に隣接する部分は凧と同じ速度で動くものとし、ロープに沿って線形的な速度変化を有するとの前提により、全ロープ抵抗を推定することができる。
空気力学的抵抗係数Ｃ_Ｄ＝１．２、飛行速度Ｖ＝４０ｍ／ｓとするとき、完全に繰り出された直径Ｄ（ａ）＝１８ｍｍ、長さ１０００ｍの１本のロープは７０５４Ｎ近傍の全抵抗を生み出す。同じ条件の下、直径Ｄ（ｂ）＝１４ｍｍのロープは、５４８７Ｎ近傍の全抵抗を生み出す。それ故、直径Ｄ（ｂ）＝１４ｍｍのロープ一対を考慮に入れれば、全抵抗は１０９７４Ｎ近傍となる。

空気力学的抵抗の観点からすると、明らかに、解決策Ａ、Ｂの両方とも問題がある。２本のロープ（解決策Ｂ）は安全性と信頼性を高めるために大いに正当化されるが、不利な立場にある。
上記の観点から、プーリとウインチ周辺の繰り返しの曲げに晒されるロープの周期的疲労抵抗を向上するのに適したいくつかの解決策が提案されている。
例えば、Knudsen R.BとSloan F.E.のＰＣＴ特許出願ＷＯ２００４／０３５８９６は、性質の異なる繊維（この場合、ＨＭＰＥとＬＣＰ）を特定の比率で混合したものを用いて作成したロープを開示している。
FrazerらのＰＣＴ特許出願ＷＯ２００５／０１９５２５は、負荷を支持するのに必要なより糸の間の空洞を埋めるための、構造的機能を有さない芯を持ったロープを開示している。
同様に、BucherらのＰＣＴ特許出願ＷＯ２００６／０８６３３８は低い摩擦係数を持つ繊維、特にフッ化重合体繊維を導入することにより、ロープのより糸の構成に革新を与えている。
NyeのＰＣＴ特許出願ＷＯ２００６／１０１７２３にも同様の解決策が開示されており、フッ化炭素重合体の繊維が用いられている。
Bosman R.のＰＣＴ特許出願ＷＯ２００６／１３３８８１は、代わりに、横方向断面が楕円または長方形形状であり、縦横比が１．２〜４の間であるとともに、プーリはロープ断面に適合した溝を有する。

全てのケースにおいて、ロープの直径と重さとを過度に大きくすることなく、ロープの実用ライフサイクル数を伸ばすと同時に、摩耗状態と、起こり得る局所的な損傷とを指摘するための目視検査の実施可能性を維持すること目的としている。
流体と相対的に動くロープの流体力学的摩耗を減らすためのいくつかの解決策も提案されているが、これらはほとんどが海軍または海洋学の分野での応用のためのものであり、それゆえ、対流圏風力発電装置に適したニーズや適用される解決策とはかなり違っている。

例えば、渦流により引き起こされる振動を抑制し、海洋環境中に浸された円筒体の空気力学的抵抗を低減するのに適したカバー、整流板、輪郭の例として、Pearceらの特許ＣＡ８８７４２８、ToussaintとMeyerの特許ＵＳ３８５９９４９、Normintonの特許ＵＳ４３６５５７４、HendersonとWinghamの特許ＵＳ４８３６１２２、Allenらの特許ＵＳ６１７９５２４、AllenらのＰＣＴ特許出願ＷＯ２００５／１１６４５９、PearceのＰＣＴ特許出願ＷＯ２００６／１３４３８１、McMillanの特許ＵＳ６１７９５２４、およびAllenらの特許ＵＳ６２２３６７２を参照することができる。
次に、興味深い例として、Swensonの特許ＵＳ４０８４０６５があり、更に最近のものとしてScalaの特許ＵＳ５０６７３８４があり、これらは組み紐を有するケーブルの作成方法を開示しており、組み紐内の一組の繊維は流れの中で任意の方向を向くことができ、引き起こされる振動や空気力学的抵抗を低減する。

上記の特許に開示された発電装置による発電テストを通して、本出願人は次のことを見出した。即ち、各作業サイクルの正相の終わりにロープを完全に巻き上げ、毎回、凧を地面近傍まで持ってくる必要はない。そうする代わりに、中程度の高度と到達可能な最高高度の間の高高度で作業を繰り返す方がよほど望ましく、そのため、新しいサイクルを始める前に、部分的にのみロープを巻き上げる。この方策の適用により、機械的発電部材の中で、ロープのうち限られた長さの部分のみが大きな負荷による繰り返しの曲げサイクルにさらされ、他のロープ部分は限定的な離陸及び着陸の段階においてのみ、ウインチに巻き上げられたり、繰り出されたりすることは明らかである。

それ故、本発明の目的は、対流圏風力発電装置用のロープであって、異なる長さと構成を有する少なくとも２つの部分からなり、一または複数の特定の機能のために最適化され、異なる部分間に柔軟な移行部分を有するロープを提供することにより、上記先行技術の課題を解決することにある。
本発明の別の目的は、対流圏風力発電装置用のロープであって、少なくとも２つの部分からなり、発電機に最も近く、機械的力を伝達し電力に変換するシステム内において繰り返しの曲げサイクルに晒されるロープ部分が、長期の周期的疲れ寿命を保証するロープを提供することにある。

本発明の別の目的は、対流圏風力発電装置用のロープであって、少なくとも２つの部分からなり、ロープの空中部分として定義できる翼または凧に最も近いロープ部分が低い空気力学的抵抗と最小の重さを持つような構造と輪郭をもつロープを提供することにある。
以下の明細書により表される本発明の上記その他の目的と利点は、クレーム１に記載の対流圏風力発電装置用ロープによって達せられる。好ましい実施形態と本発明の非自明なバリエーションは従属クレームの主題である。

本発明は、同封の図面を参照し、非限定的な例として提示される複数の好ましい実施形態によってより的確に描写される。同封の図面において、
図１は本発明によるロープの好ましい実施形態を備える対流圏風力発電装置の斜視図を表し、 図２は本発明によるロープの別の好ましい実施形態を備える対流圏風力発電装置の斜視図を表し、 図３は従来のロープに対する、本発明によるロープの性能を示す図であり、 図４ａは、本発明によるロープの別の好ましい実施形態の側面図であり、 図４ｂは、図４ａのロープの断面図であり、 図５は、本発明によるロープの別の好ましい実施形態の側面図であり、 図６は、図５のロープの詳細図であり、 図７は、図５のロープの別の詳細図である。

図１を参照して、本発明による２本のロープからなる構成３における対流圏風力発電装置の概略を述べることができる。当該ロープは、数万メートルのオーダーの長さに到達可能であり、凧２から発電機１への機械的エネルギーを制御し伝達する。特に、対流圏風力発電装置１用の本発明のロープ３は、その長さにおいて、少なくとも一つの第１部分４と、少なくとも一つの第２部分５とを備える。
第１部分４は、繰り返しの曲げサイクルに耐えるよう最適化されており、好ましくは高い弾性係数を有する合成繊維を混合したものからなり、３から１５の間に含まれる安全係数Ｓ１（すなわち、運転中のロープの静的最大引張強度と最大負荷との比）を適用した寸法とされており、典型的には６ｍｍから７２ｍｍの間、好ましくは８ｍｍから４８ｍｍの間に含まれる直径Ｄ（ｂ１）を有し、空気力学的抵抗係数Ｃ_Ｄ１を有する。

第２部分５は、大荷重による繰り返しの引張りサイクルに耐えるよう最適化されており、好ましくは高い弾性係数を有する合成繊維を混合したものからなり、安全係数Ｓ２＜Ｓ１を適用した寸法とされており、第２部分５の直径Ｄ（ｂ２）は、第１部分４の直径Ｄ（ｂ１）よりも小さい。特に、第２部分５は円形断面を有し、空気力学的抵抗を低減するように最適化されており、かつ／または、低摩擦係数を有するコーティングにより被膜されており、ロープ同士がもつれた場合に互いに滑ることができるようになっている。
特に、第１と第２の部分３、４は各々の端部において終結しており、金属または複合材料からなる一つまたは複数の連結部材あるいは管によって互いに連結されている。あるいは、好ましくは、同一の作成過程において異なる部分３、４の間に緩やかな遷移を生じさせることにより、または、連続的または漸進的変形を生じさせることにより、部分３、４を連結させる。

好ましくは、そのような合成繊維はＨＭＰＥ繊維である。実際、例えば、Ｄｙｎｅｅｍａ（登録商標）やＳｐｅｃｔｒａ（登録商標）といった商標が付された繊維を用いたＨＭＰＥ繊維によって製造されたロープの主な特徴は、最大引張強度に対する高い割合の引張強度で行われる単純な引張りサイクルに抵抗する性能が非常に高いことである。
好ましくは、本発明の各ロープ３は、前方添え索および後方添え索の少なくとも一対の添え索７により凧２に接続される。各添え索７はそれぞれ異なる弾性係数を有する材料から作られるため、各添え索７は同じ負荷による伸長が異なる。これにより、凧２のバランスの角度を凧２自身に働く負荷に応じて変えることができる。
実験において、本出願人は実際に、２つの前方添え索と２つの後方添え索からなる４つの添え索７の長さを固定的に規制すると、空気に対する凧２のバランスの角度が調整不能な態様で決定されることを見出した。これは凧の容易な離陸または運転中に生み出され得る電力が制限されることを意味している。

代わって本願発明に従って作られた添え索７は、離陸段階において凧２に掛かる負荷が小さいときは、凧が離陸に適した姿勢（例えば、バランスの角度の値α＝α１）となることを保証する長さを有する。
代わって、飛行段階において凧２に働く負荷が非常に大きいときには、一対の添え索７、例えば、２つの前方添え索つまり前方右側添え索と前方左側添え索を、負荷の下、複数の後方添え索つまり後方右側添え索と後方左側添え索の伸長よりそれぞれ長く伸長させることができ、これにより凧を、バランス角α＝α２＞α１によって、離陸姿勢と比べてより持ち上げた姿勢とすることができる。
飛行段階において凧２の姿勢を離陸姿勢に比べてより押し下げた姿勢としたい場合、同様の推論を行うことができ、負荷の下、後方添え索を前方添え索よりも長くする。
凧の負荷、および、負荷と飛行速度の間に関係があることから、飛行速度とに応じて添え索に関わる伸長を設計の際に計算して、所望の飛行姿勢を課すことができる。

「空中」と定義することができるロープの部分５は引張りサイクルのみに晒され、プーリおよびウインチ上での繰り返しの曲げサイクルには晒されないものとみなすと、ＨＭＰＥのような繊維の最適の引張抵抗特性を活用し、安全係数を単一のものに近い値に近づけるように工夫することができる。
２本のロープが使用される場合に注意を集中すると、空中部分５のみに対しては、低減された安全係数Ｓ２＝１．５を適用することができると考えられ、結果として、縮小された直径Ｄ（ｂ２）＝９ｍｍとなる。これは最大引張強さ７７．８ｋＮ、全体として１５５．６ｋＮに相当する。
低減された安全係数を適用することにより、ロープ全体としての長さおよび強さを損なうことなく、本発明のロープ３の空中部分である第２部分５の直径を小さくすることができる。

ロープ３の第２空中部分５の安全係数と、繰り返しの曲げサイクルに晒されるロープ３の第１部分４の安全係数の比を設計段階で定義および最適化することで、異なる応力に晒される両部分の疲労寿命を同じにできることは明らかである。
先の例の数値を再び参照して、本発明のロープ３の適用に関する第一の大きな利点は、一定の直径Ｄ（ａ）＝１８ｍｍを有する従来の単一のロープの代わりに、直径Ｄ（ｂ２）＝９ｍｍを有する第２部分５を有する２本のロープ３を、流体力学的な不利益無く、信頼性と安全性の点で大きな利点を得ながら、用い得ることである。
事実、直径Ｄ（ｂ１）＝１４ｍｍと長さ５００ｍを有し、繰り返しの曲げサイクルに晒される第１部分４と、直径Ｄ（ｂ２）＝９ｍｍと長さ５００ｍを有する第２部分５とを備えたロープ３を前提として、凧２の速度Ｖ＝４０ｍ／ｓとして、一次の速度変化を０から４０ｍ／ｓの間として計算すると、全ロープ抵抗はたったの３７７２Ｎに低減され、ロープが２本の時の全抵抗は７５４４Ｎとなる。

例として提案された解決策の利点は、従来技術に属するロープを用いた上記解決策Ａに対して、全抵抗が３１％低減されることにある。
この利点がもたらされるのは、全空気力学的抵抗に対する最も大きな貢献が、空気に対してより速く動くロープ３の第２部分５、つまり、翼２に最も近い部分からもたらされるためである。
その代わり、よりゆっくりと動き、発電機１に隣接するロープ３の第１部分４の長い疲労寿命を保証するために大きな直径を採用することは十分に許容できることである。

第２の大きな利点は、高高度での作業サイクルの繰り返しを提供する方策に関連しており、ロープの空中部分の空気力学的特徴を、ロープを完全にかつ繰り返して巻き上げる場合には排除される方策により、改善し得るという点である。実際、凧の離陸と着陸の段階では、ウインチ速度とロープ引張力を低減し、ロープをガイドする自動システムと、空気力学体を接続したり接続を切ったりするためのシステムを提供するというやり方でよい。
その代わり、発電の段階では、制御システムは最大ロープ引張力と回転速度に関して発電機の全機械的能力を利用可能としなくてはならない。そのため、機械的部材の繰り返しの曲げに晒されるロープ部分の操作能力は欠かせないものとなる。

第１の改善は、対流圏風力発電装置１の性能に大きな影響を与えるものであるが、別の分野で成功裏に、ただし空気力学的抵抗係数を低減するために発電機の運転要件に対して適用されている解決策と同様の適切な解決策を、縮小された直径を有するロープ３の空中部分の第２部分５のみに対して適用することで得られるものである。
例えば、表面粗さを低減し、Ｃ_Ｄを滑らかな円筒の値（Ｃ_Ｄ＝１．２）に近づけるために、ロープ３の第２部分５のみを極めて滑らかな鞘またはプラスチック材料でできたコーティングで覆うことができる。

また例えば、境界層の乱流遷移を予防し、空気力学的抵抗係数を低減するために、ロープ３の第２部分５のみを、分散配置された凹凸を有する鞘またはプラスチック材料でできたコーティングで覆うこともできる。
更なる解決策は、スリップストリーム渦の剥離の効果を低減し、渦による振動の発生を防ぎ、空気力学的抵抗係数を低減するために、適切なピッチでの少なくとも一つのらせん状輪郭を表面に有する鞘で、ロープ３の第２部分５のみを覆うことである。

更なる解決策は、境界層の乱流遷移を予防し、空気力学的抵抗係数を低減するために、ロープ３の第２部分５のみを、流れ線に沿って自由に方向を合わせることができる繊維を備えた保護紐により覆うことである。
また別の解決策は、境界層の乱流遷移を予防し、空気力学的抵抗係数を低減するために、流れ線に沿って自由に方向を合わせることができる繊維の帯またはプラスチック材料でロープ３の第２部分５の近辺のみを巻くことである。
最後に、更に別の解決策は、ロープの空中部分のみに、空気力学的に輪郭形成されたプラスチック材料でできた鞘を備えることである。

代わって、全く新規な解決策は、通常は円形のロープ３の第２部分５を、それのみ長軸と短軸の比が１．５〜５の間となるような細長い断面を有するように作成することである。結果としてできる断面は所望の空気力学的特徴をいまだ有してはいないが、技術的には可能である。空気力学的特徴の改良は、長細い断面を有するよう作成したロープ３に紐を巻きつけ、低密度物質で凹部を埋めて楕円状断面を作ることによって達成することができる。あるいは、長細い断面を有するように作られたロープ３に沿って、プラスチック材料によって作られた柔軟な鞘を押し出すことによって楕円状断面を形成することも可能である。この解決策に対するまた別の素晴らしい改良はしかしながら、一本のロープ３に代えて、互いに異なる直径を有し互いに平行に配置される２本以上のロープを用い、各ロープ３の抵抗断面の合計が、設計時に与えられる機械的応力を支持するように構成される抵抗断面に等しくなるようにすることにある。異なる直径を有するロープ３の間の凹部に低密度物質を適切に充填することで、断面に翼の形の輪郭を与えることができ、その中で大きな直径を持つロープ３は最大厚さを有する空間を占めることになる（図４ｂ）。このように輪郭形成された複数のロープ８は、例えば図４ａ、４ｂ、５に示すように、全体の機械的抵抗に貢献するのに適した、織った保護紐で覆うことができる。

あるいは、このように輪郭形成された複数のロープ８を、プラスチック材料で作った柔軟な鞘で覆って、その表面粗さを最小限にまで低減することもできる。
あるいは、ロープそのものを織って作り、空気力学的断面とすることができる。
あるいは、伝統的方法によりロープを織り、プラスチックまたはエラストマー材料中に入れて固め、圧力下で変形させることによって空気力学的断面を得ることもできる。
織物で形成した保護紐もしくはプラスチック材料で形成した鞘を規則的な間隔で（例えば、図５に示すように）中断して、一本のロープもしくはロープ全体を構成する複数のロープの組を屈曲自在のままとすることで、ロープの空中部分の柔軟性を増し、ウインチドラム上での巻き戻しを容易にすることができる。

更に、輪郭形成されたロープの空中部分の別々の領域が、空気に対して異なる飛行速度で移動することを考慮に入れると、選択される翼の輪郭は異なる形状を有する可能性があり、そのためロープの空中部分の異なる領域は異なる空気力学的特徴を持つ可能性がある。
しかしながら、円形断面とは異なる形状に応じてロープを輪郭形成することは、飛行機の翼に生じるような現象と類似の不安定現象の発生を暗示する。事実、楕円状の輪郭と対照的な翼の輪郭は不安定であることが分かっている。即ち、入射角の正変動は、輪郭が流れに対して垂直に向くまで、入射角をより増加させる傾向を有する空気力学的モーメントを生じさせる。この挙動が、ロープ全体におけるスリップストリームの剥離、抵抗の増加、および空気弾性的不安定性を誘発し得ることは自明である。

この理由により、特に図２、４ａ、４ｂ、５、６、７を参照し、本発明のロープ３の別の好ましい実施形態は、飛行機において用いられるものに似た本物の尾翼を有する第２部分５を備えることができる。尾翼は、ロープ上の入射変動により生じる空気力学的モーメントのバランスを取ることができ、安定した挙動を保証することができる。そこで、特に図２を参照して、対流圏発電装置１用の本発明によるロープ３の別の好ましい実施形態は、長さにおいて、少なくとも一つの第３部分６を更に備えるものとすることができ、当該第３部分６は輪郭形成部分９を備え、当該輪郭形成部分９の横方向断面の空気力学的抵抗係数Ｃ_Ｄ３は、好ましくは１．２と０．０５の間に含まれ、更に好ましくは、０．６と０．０５の間に含まれ、Ｃ_Ｄ３＜Ｃ_Ｄ１である。更に、そのような第３部分６は、全体的なロープの安定性を保証するための数および相互距離における安定化尾翼１０を備えることができる。

図５、６を参照し、尾翼１０は好ましくは少なくとも一つのヒンジ１２と一つのピン１３によってロープ３の第３部分６に対して束縛されるが、尾翼１０はロープ３の軸と垂直な軸の周りを回転可能となっている。これにより、着陸手順中に、ロープ３の回収ドラム上で、尾翼１０を含むロープ３の第３部分６を秩序よく巻き戻すことが保証される。好ましくは、ヒンジ１２は少なくとも一つのストラップ１１によって輪郭形成部分９に対して束縛される。図７に示すように、尾翼１０はヒンジ１２の軸周りに回転し、ロープ３に曲げ戻されることができる。
尾翼１０の数と互いの位置関係が、ロープ３の空気力学的特徴と空気に対するロープ３の最大速度に依存することは自明であり、全ての運転状況の下でロープ３の安定性を保証し、かつ、尾翼による追加的空気力学的抵抗が最小であることを保証する解決策が選択される。

尾翼１０は最後にロープの空中部分に対して束縛することができる。または、発電機を始動しロープの空中部分をゆっくりと繰り出す時に、クリップ式機構によりケーブルに自動的に固定することができる。同様に、ケーブルの空中部分を巻き戻し、発電機を停止する時に、尾翼１０を取り外すことができる。
尾翼１０が最終的にロープの空中部分に束縛されると、尾翼１０は、限定的な離陸と着陸の段階においては、ロープと一体的に回収ウインチに巻かれ得るようになっていなければならない。
空気力学的輪郭形成部分９の逃げ縁に隣接するヒンジ１２上に尾翼を束縛することで、尾翼１０をウインチドラムに隣接して曲げ、回収ドラム上に秩序よく配列させられることが明らかになった。
回収ドラム上に巻かれたロープの最後の、より外側の層の上に尾翼１０を巻く方が容易であることは自明である。

飛行段階において尾翼１０の正しい向きを保証することについては、ヒンジ１２に隣接し、空気力学的力による作用にもかかわらず尾翼の位置を保持するのに十分な剛性を有するねじりバネ等のバネにより、この技術的課題を効果的に解決できることが分かった。
上述したように、本発明によってもたらされる革新はどのような対流圏または高高度風力発電装置においても有利に用いることができる。
しかしながら、特に２本のロープ３による解決策３を、本出願人の上記特許に記載された発電装置の場合の様に機械的エネルギーを地上に伝達するために用いる場合、飛行および発電段階においてロープがからまってしまう可能性があることを考慮に入れ、それに対する保証をしておく必要がある。そのような発電装置の試作品による実験に際して、ロープが互いにもつれた時の翼とコントロールシステムの挙動を、幅広くテストした
ロープに多数の巻きつき合いがあっても、システムは正常に動作可能なことが示された。翼の制御がロープの異なる長さとロープの異なる引張り値に関連付けられているためである。

しかしならが、円形断面を有するロープは、もつれた場合でも互いに自由に摺動し合うことができ、更に、巻きつき合いの数は、飛行制御システムの効率を低下させない。
ロープの相互摺動の自由度は、輪郭付された断面によって制限され、尾翼の存在によって損なわれ、あるいは不可能とさえなってしまうことも明らかになった。
実験の際、ケーブルの絡まりはロープの飛行部分の中心の距離から始まり、巻き付きが増え始めると、飛行中の翼の方向と地上の発電機の方向とに沿って延びることも立証された。
この理由から、ロープの空中部分は、好ましい実施形態においては、順番に２つの部分に分けられ、全体として３つの部分に分けられることが見出された。
発電機から翼の方向に完全に繰り出されたロープに沿って移動する場合、繰り返しの曲げサイクルに晒される第１部分、円形断面を有しロープ同士の絡まりに耐えられる第２部分、および空気力学的に輪郭形成がされ尾翼を有する第３部分が存在することになる。

特に、円形断面を有するロープの空中部分については、紐、鞘または表面摩擦抵抗の少ない表面コーティングで覆うことにより、ロープ同士の巻き付きが発生し得る領域近辺のロープ同士の摺動を容易にすることができる。
有利には、乱流の遷移を予防し、空気力学的抵抗係数を低減するために、鞘またはコーティングは表面凹部を有するものとすることができる。
先ほどの数値例に戻って、好ましい実施形態によるロープ３は、直径Ｄ（ｂ１）＝１４ｍｍ、長さ５００ｍ、Ｃ_Ｄ＝１．２の第１部分４、直径Ｄ（ｂ２）＝９ｍｍ、長さ３００ｍ、Ｃ_Ｄ＝１．２の第２部分５、および直径Ｄ（ｂ３）＝９ｍｍ、長さ２００ｍ、低減された空気力学的抵抗係数Ｃ_Ｄ＝０．５の第３部分とを持ち、全体的抵抗が２７６８Ｎに等しいものとすることができる。

最後に、本発明の対流圏風力発電装置用のロープは、異なる長さと構成的特徴を有する少なくとも２つの部分からなる。発電機に最も近く、機械的力を伝達し電力に変換するシステムの内部において繰り返しの曲げサイクルに晒されるロープ部分は、長期の周期的疲労寿命を保証できるように構成されている。
ロープの空中部分として定義できる翼もしくは凧に最も近いロープ部分は、低い空気力学的抵抗と最軽量を備えるように構築され輪郭形成がされている。
隣接するロープ間の移行は、柔軟な推移を保証するようになされている。
本発明のロープ３によりもたらされる更なる利点は、１本のロープが破損したとき、ロープの切片が地面に落ちる代わりに柔らかに滑空し、それゆえ、破損したロープが地面に達する前に、自動制御システムがその破損したロープを素早く巻き戻すのに十分な時間があることである。

Claims (22)

1. 対流圏風力発電装置（１）用のロープ（３）であって、その長さにおいて、
   繰り返しの曲げサイクルに耐えるよう構成され、３から１５の間に含まれる安全係数Ｓ１（すなわち、運転中のロープ（３）の静的最大引張強度と最大負荷との比）、６ｍｍから７２ｍｍの間に含まれる直径Ｄ(ｂ１)及び空気力学的抵抗係数（Ｃ_Ｄ１）を備える少なくとも一つの第１部分（４）であって、前記発電装置（１）に最も近い側の部分である第１部分（４）と、
   負荷による繰り返しの引っ張りサイクルに耐えるよう構成され、安全係数Ｓ２＜Ｓ１と直径Ｄ（ｂ２）＜Ｄ（ｂ１）を備える少なくとも一つの第２部分（５）と
   を備えることを特徴とするロープ（３）。
2. 長さにおいて更に、空気力学的抵抗係数（Ｃ_Ｄ３）がＣ_Ｄ３＜Ｃ_Ｄ１であるような横方向断面を有する輪郭部分（９）を備える少なくとも１つの第３部分（６）を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
3. 前記空気力学的抵抗係数（Ｃ _Ｄ３ ）が１．２と０．０５の間に存在し、好ましくは０．６と０．０５の間に存在することを特徴とする請求項２に記載のロープ（３）。
4. 前記部分（４、５、６）は、連続的かつ漸進的な変化をなすように連結され、前記部分（４、５、６）はそれぞれの端部で終結され、金属または複合材料からなる一または複数の接合部材により相互に連結されている請求項１〜３のいずれか一つに記載のロープ（３）。
5. 異なる弾性係数を有する材料によってそれぞれ作られた少なくとも一対の添え索（７）によって凧（２）に接続されるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
6. 前記第３部分（６）が安定用尾翼（１０）を備え、前記尾翼（１０）が好ましくは前記ロープ（３）の軸に垂直な軸の周りを回転可能となるように構成された少なくとも一つのヒンジ（１２）と一つのピン（１３）によって、前記尾翼（１０）が前記第３部分（６）に束縛されることを特徴とする請求項２に記載のロープ（３）。
7. 前記ヒンジ（１２）は、少なくとも一つのストラップ（１１）によって前記輪郭部分（９）に束縛される、または前記ヒンジ（１２）は、尾翼（１０）を正しい位置に保つように構成された少なくとも一つのバネを備えることを特徴とする請求項６に記載のロープ（３）。
8. 前記第１部分（４）と前記第２部分（５）は合成繊維の混合物、好ましくはＨＭＰＥ繊維によって作られることを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
9. 前記第２部分（５）は円形断面を有し、コーティングにより被覆されていることを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
10. 前記第２部分（５）は、滑らかな鞘またはプラスチック材料でできたコーティングに覆われていることを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
11. 前記第２部分（５）は、境界層の乱流遷移を予防し、空気力学的抵抗係数を低下させるように構成され分散配置された凹凸を有する鞘またはプラスチック材料からなるコーティングにより覆われていることを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
12. 前記第２部分（５）は、少なくとも一つのらせん状輪郭を表面に有する鞘により覆われている、または流れ線に沿って自由に方向を合わせることができる繊維を有する保護紐によって覆われていることを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
13. 前記第２部分（５）は、流れ線に沿って自由に方向を合わせられる繊維帯またはプラスチック材料が巻かれていることを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
14. 前記第２部分（５）は、プラスチック材料によって作られ空気力学的に輪郭形成された鞘によって覆われていることを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
15. 前記第２部分（５）は、長い軸と短い軸の比が１．５と５の間に存在する細長い断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
16. 空気力学的断面を得るように織られている、または織られ、プラスチック若しくはエラストマー材料内に入れられて固められ、変形させられて空気力学的断面を得ることを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
17. 織物で作った前記保護紐またはプラスチック材料で作った鞘が規則的な間隔で中断され、前記ロープ（３）を屈曲自在とすることを特徴とする請求項１に記載のロープ（３）。
18. 互いに平行になるよう配置された請求項１に記載の複数のロープ（３）からなる複数のロープ（８）。
19. 異なる直径の前記ロープ（３）の間の凹部に低密度物質が充填されることにより断面の輪郭が翼状に形成され、その輪郭内において、前記ロープ（３）のうち、より大きな直径を有する一つのロープ（３）が前記翼状輪郭のうち、最大厚さを有する領域を占めることを特徴とする請求項１８に記載の複数のロープ（８）。
20. 保護紐、またはプラスチック材料で作られた柔軟な鞘により覆われていることを特徴とする請求項１８または１９に記載の複数のロープ（８）。
21. 空気力学的断面を得るように織られている、または織られ、プラスチック若しくはエラストマー材料内に入れられて固められ、変形させられて空気力学的断面を得ることを特徴とする請求項１８に記載の複数のロープ（８）。
22. 織物で作った前記保護紐またはプラスチック材料で作った前記鞘が規則的な間隔で中断され、前記複数のロープ（８）を屈曲自在とすることを特徴とする請求項１８に記載の複数のロープ（８）。

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