JP5542128B2 - 対流圏風力発電装置用の翼の駆動及び補助離昇のための基礎構造 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は，対流圏風力発電装置（tropospheric aeolian generator）用の翼の駆動及び補助離昇に最適な構造に関する。

再生可能エネルギー源は典型的に，時間面及び空間面で希薄な形態でしか利用できないという問題を抱えており，太陽からは１平方メートル当たり平均約２０Wの電力を直接得ることが可能である一方，従来型の風力塔から成る風力発電所の発電能力は１平方メートル当たり約４Wであり，その他の源泉，例えばバイオマス，潮力（sea force），誘導地熱源（stimulated geothermal sources）といった源泉の場合，１平方メートル当たり１Wに満たないレベルである。したがって，有意義な量のエネルギーを生産するには，再生可能な源泉からエネルギーを集めて変換するための機械及びシステムは，大型又は巨大な規模のものでなければならない。光起電エネルギー又は熱力学的太陽エネルギーの場合，広大な領域にパネル又は鏡を設置する必要がある一方，従来型の風力システムの場合は，風力発電所に大型の塔を可能な限り互いに近い距離で設置し，体系化する必要がある。

これらの作業を評価する際に最も重要な要素は，たとえ実現可能性や財務的収益を評価する前であっても，システムを作るために必要なエネルギーである。財務的収益は，たとえエネルギーの収益が不十分な状況であっても，政府の補助と連鎖した市場の歪みを背景にプラスとなり得る。再生可能な源泉からエネルギーを生産する意図が，システムの運用年数が収益を得る上で充分でないというエネルギー面での観点から見て，そうした負担の大きい実施プロセスの契機となる状況があり得る。このような疑問をより掘り下げて明確化するには，ＥｒｏＥＩ，エマジー，エクセルギーに関して典型的に文献で記述されている概念に言及する必要があるが，これらの事実について更に説明することは，本明細書の目的ではない。

本出願では，出願人により既に特許権が取得され，かつイタリア特許第１３４４４０１号として付与された特許であって，設備を実現及び管理するため，また該設備自体を新たな効率性及びエネルギーの収益の基準とするために必要なエネルギー投資の最小化を可能とする最適化要素を提供する，対流圏風力発電発生装置の概念を用いる。生産性を生み出すための重要なパラメータは，機械稼働の等価時間数／年数である。一旦投資が為され，機械が稼働している場合，経済的収益及びエネルギーの収益を期待するには，等価稼働時間を最大化する必要がある。対流圏風力システムは，他の種類の風力機械では到達し得ない高度に存在する，より一定した，より強い風を活用する能力があるという利点を有するが，このような状況の利点を存分に活かすには，翼が，地上において微風又は無風の状況下であっても，稼働高度に達する必要がある。発電装置の最初の試作機を使用して実施した実験では，ウィンチによりケーブルに加えられる張力を活用することにより，ある高さで翼を伸張した。翼を地面と平行な状態で発電装置から遠ざけ，翼が自重とのバランスを取れる程度の揚力強度を発達させると共に，それを離昇させる垂直加速成分を生み出し，稼働高度に達するまでの上昇軌道に沿った駆動の制御を可能にするための充分な牽引速度をケーブルに加えながら，ウィンチを介して引き戻すことが充分に可能な距離に翼を配置しなければならない。この方法は実験活動には最適であるが，生産を目的に定常稼働する，設置された機械においては殆ど実用的ではない。

本発明の目的は，前記先行技術における問題点の解消であり，好適な条件は，時を問わず自動的に，かつ地上の風況と無関係に離昇し，稼働高度に達する能力である。このような必要性に対する技術的解決手段は，翼の離昇及び稼働高度への到達には充分な最低限の速度を，地上の風に接触している流れにもたらすため，その作用を地上の風の作用と統合できる，若しくは一体的に地上の風と代替可能な作用を有するジェット型通気システムを起動するための機械構造を提供することである。

本明細書で記載される実施例は，通気設備３として１本の管に収容され，電気モータにより作動する１対の軸流ファンを使用するものであるが，これに代え，遠心ファンあるいはプロペラを使用するものとしても良い。ファン本体は，２段階の自由度を有する連動された継手を使用して配向可能である。ファンジェットは，浮揚段階にある翼に追従する形で配向及び結合可能である。システムエネルギーの必要量（debit）は少なく，電力が約２００kWに相当する２kWh未満の消費で充分に，穏やかな風況下であっても翼を２００メートル以上伸張すると算定することができた。

この装置は，離昇方向を選択し，離昇中の吸収電力を調節できるよう，気象サービスから入手可能な情報の利点を活かすことができる。このような情報は，離昇操作を司る電子制御装置により自動的に取得及び処理可能である。機械の最適化を完了し，ファンにより補助及び支持される翼の離昇に適する始動状況を設定するには，始動状況下において，人工通気流を受け止めるのに最適な状態に，空間内の翼の方向を予め調整する翼支持構造が必要であり，自然気流に対し様々な比率のベクトルの和とすることが可能となる。

構造体は，休止条件下においては翼及び構造自体の支持のみを果たすものでなければならない。稼働条件下において，翼に作用する風力全体が制御ロープに伝達される時，構造体は弾性的に変形可能でなければならない，若しくは作用力に頑なに対抗する代わりに機械的な接合を介して適宜配向することができ，それにより，転倒モーメントが加わるレバーアームを減らし，また特に軽量かつ経済的な構造寸法を可能とするものでなければならない。本出願で実施される支持構造は，休止条件下で直線形の状態を保ち，かつ翼を自然又は人工の通気流を適正に受け止められる状態に予め配置するよう考案されている。２本のロープが取り付けられた翼を使用するには，休止条件下で離昇を待つ間，翼が完全に配置され，かつ自然風又は自然風とファンにより発生する人工風を合わせた風に対して適切に配向されることにより，操作を最大限に容易にする必要がある。このような目的に対し，２つの端部アームが更に，塔のほかに設けられ，翼の寸法に応じて適切な寸法で，コンパスとして開くことができる。

翼は，離昇の開始段階で特定の飛行姿勢を保ち，その際に発生する空気力は主に牽引力から成る。上昇軌道に沿って進むことにより，高度とそれに応じた大気風速が上昇する際，飛行速度と風速のベクトルの和が見掛け風速として知られる相対速度を発生させ，これにより，電子制御によって行われる飛行姿勢への段階的移行が可能となり，その際に発生する空気力は主に揚力からなる。翼は，離昇の開始段階で，ロープの２等分線によって示される軸を中心とする回転が直接制御範囲外の１度の自由度である特定の均衡状態にあり，また，風によって供給される周期的回転に合わせて振動し得る。こうした理由から，最小限の空力的揚力が発生する充分な時間が慣性により保たれる方向に翼が配置され，これにより遠ざかる翼の方向と高度到達操作の制御が可能となることが重要である。端部アームを有する塔は，自然気流が存在する場合は順風方向となる。何故ならこれにより，離昇段階において，構造体と遠ざかる翼の間に物理的干渉が発生する可能性が全くないことが保証されるからであり，また気流に沿った正確な配置は更に，浮揚段階にある翼を制御可能な待機時間の向上として作用するはずである。

翼の回収手順は，翼が高さを失って，旗のように揺れる状態となる翼の滑動と比較可能な操作を用いるための長さの差が充分にあるロープの迅速な巻き戻しを基本とする。風の配向システムは，ファンと塔の双方を一体的に担持する回転基部上で直接実施されるよう適応される。この場合，塔は単一の傾斜方向と，１つ又はそれ以上の連続する関節型継手に分解可能な単一の自由度を有する。風向への配向がコンパスレベルで発生する場合，塔は全方向でコンパスの状態に追従するよう，玉継手又は自在継手に制約されなければならない。これらの運動及び自由度は，減速装置との連動により，若しくはより単純に，所定の休止中立位置を発生する弾性要素により調節されなければならず，典型的に，休止状態の塔は直線形で，コンパスは塔の頂点に対し水平な面上で開いている。

弾性要素の場合，発生する可能性のある振動を減衰及び吸収する衝撃吸収装置を追加する必要がある。関節型塔に代わる実施例は，充分な可撓性を有する材料，若しくは関節型の玉継手又は自在継手について説明される挙動及び目的を模した，プログラムされた可撓性を有する材料からなる支柱に近似した塔である。可撓性を有する支柱を使用する態様は，限られた電力の，単独又は個別の使用者向けの風力機械に特に適すると考えられる。

自然風の流れが減速した場合，翼は空力的運動フィールドが極めて不安定な状態に対して非常に敏感で，また始動時の動的不安定性が強く，飛行速度及び揚力が適度な値に達するまで広い振幅で振動する。電子制御装置は，システムの６度の自由度の範囲における加速度，速度及び位置を含め，発生する可能性のある振動について全ての動的データを実時間で取得する。制御装置は，ジェット型装置のケーブルの長さと該長さの差，通気電力及び方向を作動させることにより，システムを管理できるようになる。その狙いは，充分な飛行速度及び揚力が保証される高度及び風速に達するまで，離昇操作を安定させることである。

もう１つの手法は，瞬間的な翼の位置に関して時間を選択して重要な気流を供給することにより，制御不能な時間を最小限に抑えることである。翼が充分に飛行可能な風に達すると，ジェットファンを止めることができ，また，ある高度までの上昇操作を，自然風の発生源を使用して稼働高度に達するまで継続することができる。一旦稼働高度に達すると，離昇サブプログラムは主たるエネルギー生産の段階へ制御を委ねることができる。生産時，塔とコンパスのアームはいずれも，飛行中の翼の浮揚により発生する牽引力を全て伝達するロープに追従し，その明白な利点は，構造体が，該構造体を巻き込むことになる力の分解に強く対抗しなくてもよいという点にある。構造体の可変的な外形は，ロープの軌跡と一致して，ばねによって予め設定される力のみ伴う外部荷重，若しくは塔を通常の直立状態に，及びコンパスを通常の開放状態に保つ傾向の駆動装置に反応する。塔は通常の直立位置からロープの牽引方向へ傾斜し，転倒モーメントが大幅に低下し，ロープの力分解の強度の支持に適する構造体の必要性も低くなる。実際には，ロープの力が加わるレバーアームが塔の高さに達することはなく，関節の近くまで短くなる。

同様に，コンパスは閉じられ，ロープと同一直線上となるよう配向され，休止位置を決定するばね又は駆動装置に対抗する作用は，仕様により予見可能な限定的な力であり，またこれにより滑車，ケーブル出力及び滑動システムの寸法を決定することができ，最大張力を考慮せずにロープの最大速度を考慮するだけでよいため，機械の構造的需要が更に緩和される。そうすると，前記構造体のシステムの役割をより適切に指摘することが可能となる。つまり，翼が休止状態にあり，ロープに全く力が掛からない時の所定の幾何形状及び位置の設定に効率的に介入する一方，エアロフォイルの飛行中においては，空力的なエアロフォイルの揚力を基準とすることのできる軸方向の牽引力を全て及ぼすことにより，制約及び弾性反応を最小限に抑える荷重方向に沿って配置される。

この風力機械は，ロープからの滑動電力を回復するための駆動ウィンチとロープの巻取及び給送用スプールを含む機械室によって完成する。留意しなければならないのは，ロープの巻取と電動ウィンチの間で作業が分割され，そのため，巻き取られたロープの層の重複部分に過剰な荷重を掛けずに済むということであり，電動ウィンチから繰り出されるロープの残余分の引張力は，ダンディロール上の滑車で安定させることになり，またモータ駆動式巻取ドラム上での秩序正しいロープの配分は，ドラム自体の軸方向の同期滑動により達成される。

ロープとの間を往復する力の駆動手段は，螺旋状のねじ山を帯に施した円筒から構成されるウィンチによってもたらされる。回転滑動へ変換する機械的な力が強いほど，多い巻取回転数を得るのに，より適している。この種のウィンチは，回転数減少装置／増加装置が介在する大型の交流モータで駆動可能である。しかし，エネルギー効率評価には最適化された手法が必要である。より小型化された多数の交流モータを並列で稼働し，効率性及び電力又はコストの評価に利用すれば便利だと考えられる。この場合，交流発電機の位相は，軸がドラムの軸と平行で，ベルト型電力伝達装置を備えた星型配列の配置にすることができる。複数の交流発電機／モータを，例えば外サイクロイド型の機械式減速装置と併用するには，減速装置及び滑車が装着される一連の交流発電機を，屈曲反転を最小限に抑え，かつ分割式の螺旋状経路を有するロープ経路上に配置することにより，ロープの長寿命化を図る必要がある。

一連の交流発電機の利点は，モジュール方式の解決手段と，滑車を特殊化する機会と，及び引張力が増大する際にロープと交換される電力とにある。実際には，翼側においては，ロープの牽引力が最大に達する一方，巻取装置側の張力は最小となる。したがって，生じた摩擦に適応できるよう滑車は様々な直径を有することができ，減速装置及び交流発電機が累進的な比率又は電力を有することができる。この種のウィンチの構成は，交流発電機‐減速装置‐滑車から成る２＋２，又は３＋３，更には４＋４の対置システムとすることができる。これらのシステムは平行面に鏡のように配置され，各面のシステムが滑車の放射状の同一平面性又は軸方向の常態を失う結果，滑動面の変化に合わせてロープを接合することが可能となる。

本発明における前記並びに他の目的及び利点は，下記の説明から分かる通り，請求項１記載の対流風力発電装置の基礎構造により達成される。本発明の好適な実施形態及び重要な変更例は，従属請求項の対象である。

本発明における前記及び他の特徴は，添付の図面を参照して非限定的な例として提示される好適な実施形態に関する下記の説明から明らかとなる。

稼働周期の一段階における，本発明による風力発電装置の斜視図。 稼働周期の一段階における，本発明による風力発電装置の斜視図。 本発明の一変更例による，風力発電装置の一部の斜視図。 図１の一部の斜視図。 本発明による風力発電装置の一部の斜視図。 本発明の一変更例による，風力発電装置の一部の斜視図。

図１に関して，本発明による風力発電装置の基礎構造は５つの主要構成要素，個別には回転基部１，配向可能型アーム２，ジェット型の通気設備３，翼７を支持するための外形可変型システム４，及び，制御ケーブル６の駆動システム５を有する。

この場合，ケーブル駆動システム５は一組の滑車，ローラ及び索導器から構成され，アーム２の外部に配置される。滑車は適宜，関節型アーム２の接合部付近，若しくは単一区間の対向した端部の間に装着される。図示しないが，発電装置は，電子飛行制御装置用，機械エネルギーから電気エネルギーへの変換用，生産されたエネルギーの電源装置への分配用の他のサブシステム及び設備も備え，これらは回転基部の内部又は外部に収容可能である。

通気設備３は１対のジェット型ファンから構成され，２度の自由度で回転する継手を使用して，配向可能型アーム２に固定される。

アーム２は，休止位置，つまり翼７が離昇する前の準備段階にあり，通常は直立状態である。

この場合，翼の飛行段階を示す図２に関して，配向可能型アーム２は可撓性と耐久性を有する材料で作製され，プログラムされた変形を達成できる基準に従って設計されるもので，転倒モーメントの強度を低減するよう，翼７に対する空力的作用に応じて制御ケーブル６に作用する張力により決定される屈曲位置を想定する。

一変更例により，図３に示すように，配向可能型アーム２は自在継手９で相互に連結した多数の区間８から構成される。このアーム２は，格子型構造又は管状構造とすることができる。

特に，自在継手９は，アーム２の区間８の中空区間の内部及びアーム２の基部においてケーブル駆動システム５への挿入を可能とするため，フォークの外側にスパイダを有する。

回転基部１と個々の区間８の間の相互の位置は，図では分かりやすく示されているが，制御ケーブル６に作用する牽引力を要因とした，構造のプログラムされた変形を可能とする，ばね１０を介した複雑な弾性システムにより調整される。

図示しない一変更例によると，アーム２の変形はサーボ機構により制御される。

図示しない一変更例によると，ファンは回転基部に据置又は固定され，或いは地面に据置又は固定される。

図４に関して，コンパス型開口を有する翼７を支持するための外形可変型システム４が，閉じた位置で小型アーム１０と共に示されており，これは翼７の飛行段階に相当し，その際，制御ケーブル６に作用する牽引力は捻りばね１１の作用に充分に対抗し，該捻りばね１１は逆に，そのケーブルに作用する牽引力が翼７の重量のみにより制限される際に小型アーム１０を開いたままにする。

図示しない一変更例によると，小型アームの位置はサーボ機構により制御される。

図５を参照すると，制御ケーブル６の駆動及び収集システムの一部が図示されており，これはモータ１３により作動する一連のモータ駆動滑車１２から構成され，制御ケーブル６への逆屈曲による疲労効果を除去するよう配置されている。この制御ケーブル６の駆動システム５において，前記制御ケーブル６が，同一方向に沿ってケーブルが撓む経路を追従するよう適応されている。

図６に示すように，１つの変更例によると，モータ駆動滑車１２が，組立を容易にし，全体的に小型化することを目的として，相互に類似するモジュール１４を直列的に配置して編成される。

この発明の基礎構造には，制御ケーブル６が相互に絡まないよう適応させた，制御ケーブル６の分離手段（図示せず）も具備される。

更に，制御ケーブル６は，本発明の好適な使用形態において，可変型の断面及び可変型の構成を有して作製することもできる。

Claims (15)

1. 回転基部（１）と，前記回転基部（１）に担持された少なくとも１つの配向可能型アーム（２）と，前記配向可能アーム（２）上に設けられた，少なくとも１つの翼（７）を制御ケーブル（６）を介して支持するための，少なくとも１つのシステム（４）と，前記翼（７）の制御ケーブル（６）の駆動システム（５）とを含む対流圏風力発電装置において，
   少なくとも１つの通気設備（３）を更に含み，前記通気設備（３）は大気風が無い場合に，前記翼（７）を離昇させるために必要な人工風の全量を生成するよう適応される，若しくは大気風がある場合に，前記翼（７）を離昇させるために必要な人工風の一部を生成するよう適応された対流圏風力発電装置の基礎構造。
2. 少なくとも１度の自由度に従って前記配向可能型アーム（２）を使用して，前記制御ケーブル（６）を介して前記翼（７）が離昇操作に適する位置に懸架される請求項１記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
3. 離昇位置にある前記翼（７）を支持するための前記システム（４）が，コンパス型の開口部を有する少なくとも２つの小型アーム（１０）からなる請求項１記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
4. 前記翼（７）の前記制御ケーブル（６）に作用する牽引力によって前記配向可能型アーム（２）に生じる配向及び変形が，飛行段階における転倒モーメントを最小限に抑えるために設計段階で算定される形で適応された請求項１記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
5. 前記通気設備（３）が少なくとも１つの軸流ファン，遠心ファン，又はプロペラからなる請求項１記載の対流圏発電発生装置の基礎構造。
6. 前記通気設備（３）が地面に据置又は固定され，又は前記回転基部（１）に据置又は固定された請求項１記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
7. 前記制御ケーブル（６）が変形し易い断面及び変形し易い構成を有して作製された請求項１記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
8. 前記通気設備（３）が少なくとも１度の回転自由度又は並進自由度を有する請求項１記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
9. 前記通気設備（３）が前記配向可能型アーム（２）に固定された請求項１記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
10. 前記配向可能型アーム（２）が可撓性を有する材料からなる請求項１記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
11. 前記配向可能型アーム（２）が格子型構造又は管状構造からなる請求項１記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
12. 前記制御ケーブル（６）が相互に絡まないよう適応させた，前記制御ケーブル（６）の分離手段を備えた請求項１記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
13. 前記制御ケーブル（６）の前記駆動システム（５）を，モータ駆動滑車（１２）を使用して，前記制御ケーブル（６）上の摩擦及び周期的疲労効果を低減するよう適応させた請求項１記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
14. 前記制御ケーブル（６）の前記駆動システム（５）において，単一のモータ（１３）にかけられるトルクが電子システムにより独立的に調整されるよう適応された請求項１３記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。
15. 前記制御ケーブル（６）の前記駆動システム（５）において，前記制御ケーブル（６）が，同一方向に沿ってケーブルが撓む経路を追従するよう適応された請求項１３記載の対流圏風力発電装置の基礎構造。

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