JP5591802B2 - 複数のモータ／発電機を備える発電システム - Google Patents

Description

本発明は、複数のモータ／発電機を備える発電システムに関する。

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、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で、化石燃料への依存を最小限にすることが望まれる。

ある実施形態は、エネルギー源によって回転子軸を回転させることによりエネルギー源を電気へと変換する電力生成システムを提供する。本電力生成システムは、回転子軸に連結される取付板と、回転子軸に連結するとともに回転子軸が移動するときに移動する駆動ギアと、取付板に取り付けられる複数のモータ／発電機装置とを備える。各モータ／発電機装置は、回転可能な状態で駆動ギアと連結する出力軸を備える。各モータ／発電機装置は、独立して駆動ギアに連結されることにより、複数の冗長電力生成モータ／発電機装置を提供する。

ある実施形態による電動モータ／発電機モジュールの斜視図 図１Ａのモジュールのモータ／発電機装置の側面図 筐体であるシェルを示す、図１Ａの電動モータ／発電機モジュールの斜視図 筐体であるシェルから延びる胴体の一部を示す、電動モータ／発電機モジュールの別の斜視図 電動モータ／発電機モジュールの図２の線４−４沿いの断面図 筐体であるシェルとモータ／発電機モジュールから延びる胴体のブームを上方から見た斜視図 別の実施形態による電動モータ／発電機モジュールを下方から見た斜視図 図６の電動モータ／発電機モジュールの駆動ギアを示しており、駆動ギアが、モータ／発電機モジュールにおける一体的な冷却機構を提供する翼／スポークを備える場合の斜視図 さらに別の実施形態による複数の電動モータ／発電機モジュールを用いた飛行型モータ発電機システムの斜視図 さらに別の実施形態による電力生成システムの上面図 さらに別の実施形態による電力生成システムの断面図 さらに別の実施形態による電力生成システムの上面図 さらに別の実施形態による電力生成システムの断面図 さらに別の実施形態によるモータ／発電機モジュールの所望の総電圧出力を提供する、並列にグループ化された一連のモータを示す概略図

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。

電動モータ／発電機システムの１つの実施形態は、高出力でｒｐｍの低い（例えばトルクが大きい）装置と、高出力でｒｐｍの高い（例えばトルクが小さい）装置とを可逆的に変換する。電動モータ／発電機システムは、風や水流の運動エネルギーを利用するとともに、飛行システムが用いられる場合には比較的低い水頭でも良いので水車のようなものを利用することにより、電力を発生させ、あるいは、ハイブリッド車や他の電動システムに電力を供給してそれらを起動するように構成されている。

電動モータ／発電機システムの１つの実施形態は、寒帯前線若しくは亜熱帯のジェット気流の中を飛行するとともに、風の運動エネルギーを利用して電力を発生させるように構成されている。別の態様では、風、水流、若しくは地熱温度勾配による運動エネルギーを利用して電力を発生させるように構成された地上の電動モータ／発電機システムを提供する。

電力生成システムの１つの実施形態は、エネルギー源で回転子軸を回すことによりエネルギー源を電気へと変換するように構成されている。本システムは、回転子軸に連結された取付板と、回転子軸に連結されるとともに回転子軸の移動とともに移動する駆動ギアと、取付板に取り付けられた複数のモータ／発電機装置とを備える。各モータ／発電機装置は、回転可能な状態で駆動ギアと連結するように構成された出力軸を備えるとともに、独立して駆動ギアに連結され、他のモータ／発電機装置には連結されない。このように、複数のモータ発電機は、複数の冗長電力生成モータ／発電機装置を提供する。

ある実施形態では、システム中に複数の冗長電動モータ／発電機を組み込んでおり、その電動モータ／発電機は、以下で説明するような自動冗長バックアップ機能を有するように構成されている。

化石燃料への依存を解決する実現可能な方法の１つとして、米国特許第６７８１２５４号明細書に記載の風車凧がある。本風車凧は、電力生成システムや１つ以上のモータ／発電機装置を取り入れている。以下で説明する風力を利用した電力生成システムは風力タービンを提供し、風力タービンは、高地で風力を利用するためのテザーと連結するのに適する。駆動ギアが風によって回転し、その回転によって各モータ／発電機の軸が回転することにより、電気に変換可能なエネルギーが発生する。

ある実施形態のシステムは可逆的であり、そのシステムではモータ／発電機が駆動ギアへ電力を提供するモータとして機能する。複数のモータに対して電力が付与され、電力が付与されたモータは、逆に、風力タービンの回転翼に取り付けられたより大きなギアを駆動させる。この逆転モードのときに、電力が消費される。

図１Ａは、１つの実施形態による電力生成システム１０の斜視図である。電力生成システム１０（電動モータ／発電機モジュール１０とも言う）は、回転子軸１６に連結される取付板１２と、取付板１２近傍で同軸となるように回転子軸１６に連結される駆動ギア１４と、取付板１２に取り付けられる複数のモータ／発電機装置２０とを備え、各モータ／発電機装置２０は、回転可能な状態で駆動ギア１４と連結するように構成された出力軸２４を備える。

ある実施形態では、駆動ギア１４は、回転可能であるとともに回転子軸１６と共に動くように構成され、取付板１２は、静止状態であるとともに軸受によって回転子軸１６に固定される。ある実施形態では、駆動ギア１４は、鎖やその他の駆動機構によって回転子軸１６に連結されて、回転子軸１６が動いたときに同じく動くように構成される。駆動ギア１４を回転子軸１６や複数のモータ／発電機装置２０へ連結する方法は、他の方法であっても良い。

一般的に、電力生成システム１０は、回転翼１７や、風などのエネルギー源を利用するときはエネルギー源と相互作用するように構成されたその他の装置を備える。ある実施形態では、電力生成システム１０は、回転翼１７があることにより空中で使用される。エネルギー源を利用するためのその他適切な装置には、水車、翼、ミル（ｍｉｌｌ）、およびこれらと同様のものが含まれる。ある実施形態では、選択的に備えられた筐体１９（図１Ａに一部図示）は、取付板１２と、駆動ギア１４と、取付板１２に取り付けられたモータ／発電機装置２０とを収容して保護する。電力生成システム１０が、高い高度における風を利用するように構成される場合、図１Ａに一部図示されるように、胴体２１が備えられる。

一般的に、電動モータ／発電機モジュール１０は、取付板１２（プラッター１２）などのフレームと、駆動ギア１４とを備え、両者は回転子軸１６（主軸１６若しくは軸１６）に結合する。ある実施形態では、軸１６は、非導電性物質で形成されるとともに、モータ／発電機装置２０をプラッター１２から電気的に絶縁させるように構成される。ある実施形態では、プラッター１２は、円形若しくはディスクのような形状を有するとともに、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、複合材料、又は航空若しくは地上での使用に適したその他材料などの金属で作られる。当業者であれば、プラッター１２が、モジュール１０の所望の目的に基づくあらゆる適切な材料でも良いということは明らかである。ある実施形態では、高い高度にてエネルギーを利用するために、プラッター１２の直径を約３０フィートとしている。

ある実施形態では、駆動ギア１４は出力軸２４と摩擦によって連結し、駆動ギア１４も出力軸２４も歯部を有しない。

ある実施形態では、駆動ギア１４は、出力軸２４上に設けられた歯部２２と噛み合うように構成された歯部１８を備える。歯部１８、２２には、平歯、はすば、杉綾模様、遊星、すぐばかさ、渦巻き、ハイポイド、およびネジのような形状のものが含まれる。ある実施形態では、歯部１８および出力軸２４の歯部２２には、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、複合材料、若しくはその他適切な材料が含まれる。

ある実施形態では、駆動ギア１４の直径はプラッター１２の直径よりもわずかに小さく、他の実施形態では、駆動ギア１４の直径はプラッター１２の直径よりも大きい。

電動モータ／発電機モジュール１０は、通常、駆動ギア１４の周囲付近に配置された複数のモータ／発電機装置２０を備える。適切なモータ／発電機装置２０には、電気エネルギーから回転動作若しくは移動動作への変換を行う第１のモードを有するか、あるいはそのような動作から電気エネルギーへの変換を行う第２のモードを有するか、あるいは両モードで機能するか、あるいは両モード間を可逆的であるような、あらゆる形態の電動モータ若しくは発電機が含まれる。モータ／発電機装置には、スタンドアロン型のモータ装置、スタンドアロン型の発電機装置、又はモータおよび発電機の両方を備えた装置が含まれる。

ある実施形態では、複数のモータ／発電機装置２０は、単一の大きな発電機よりもモジュール１０の熱を効率的に消散させるように構成される。例えば、各モータ／発電機装置２０は、発電に関連する熱を容易に消散させる比較的小さく低質量のモータ／発電機２０を提供する。ある実施形態では、電動モータ／発電機モジュール１０は、高度１００００フィート以上にて作動する。高度１００００フィート以上では、空気の温度はおおよそ華氏２５度以下であり、このような比較的温度の低い環境では、比較的小さく低質量のモータ／発電機２０から早く熱を消散させることができる。

ある実施形態では、各モータ／発電機装置２０は、隣接するモータ／発電機装置２０と、取付板１２の第１の面に沿って間隔を空けている。ある実施形態では、モータ／発電機装置２０は、取付板１２の外周に沿って１リニアフィート当たり３個ずつ存在するように間隔を空けているが、それ以外の間隔を採用しても良い。ある実施形態では、取付板１２は、駆動ギア１４に近接する面と、駆動ギア１４から遠い面とを持ち、また、モータ／発電機装置２０は駆動ギア１４から遠い方の取付板１２の面から突出し、さらに、出力軸２４は駆動ギア１４に近接する方の取付板１２の面から突出する。このような構成によれば、各モータ／発電機装置２０は、独立して機能するとともに独立して駆動ギア１４に連結し、別のモータ／発電機装置２０とは連結しない。このように、モータ／発電機装置２０は、複数の冗長電力生成モータ発電機装置を提供する。モータ／発電機装置２０を取付板１２へ連結する方法は、他の方法であっても良く、その一例として、モータ／発電機装置２０および駆動ギア１４を取付板１２と同一の面に取り付ける方法がある。

一般的に、駆動ギア１４の直径は、モータ／発電機装置２０の出力軸２４の直径よりも大きくなる。駆動ギア１４が回転すると、直径の小さい出力軸２４は駆動ギア１４よりも遥かに早く回転する。ある実施形態では、出力軸２４の回転速度（例えばｒｐｍ）が増加すると、モータ／発電機装置２０からの電圧出力も増加する。ある実施形態では、駆動ギア１４の直径が約３０フィート、出力軸２４の直径が約１インチであり、この場合、駆動ギア１４が約７０ｒｐｍで回転すると、出力軸２４は、約２５２００ｒｐｍで回転する。出力軸２４が高速で回転すれば、結果的に、装置２０内でのコイルに対する磁石の相対速度が高くなり、このことにより、エネルギー生成に利用できる出力電圧が得られる。例えば、ある実施形態では、駆動ギア１４の直径が約３０フィート、出力軸２４の直径が約６インチであり、この場合、駆動ギア１４が軸に沿って１回転するごとに、出力軸２４は、軸に沿って６０回転する（すなわち、ギア比が３０フィート対６インチすなわち６０対１）。また、他のギア比を採用しても良い。ある実施形態では、駆動ギア１４、モータ／発電機装置２０の歯車２２、若しくはその両方のサイズを変更することにより、性能と出力が最適となるようにギア比を選択している。

ある代表的な実施形態では、直径が約３０フィートの駆動ギア１４の周囲に、５馬力（３７２８Ｗ）のモータ／発電機装置２０を２８２個配置する。各モータ／発電機装置２０は直径１インチの出力軸２４を備え、駆動ギア１４はエネルギー源（風など）により約７０ｒｐｍで回転し、各出力軸２４は約２５０００ｒｐｍで回転する。これによって、電気に変換可能な約１ＭＷの電力が生成される。

図１Ｂは、ある実施形態のモータ／発電機装置２０の側面図である。モータ／発電機装置２０は、巻ケース２３を備え、巻ケース２３は、モータや発電機の電気の巻線と適切なモータ部材（図示せず）とを収容し、出力軸２４は、巻ケース２３から延びる。

ある実施形態では、出力軸２４は、回転可能な状態で巻ケース２３に連結した回転軸２５を備える。使用中において、モータ／発電機装置２０の軸受が故障することが予想され、その場合、回転軸２５の回転が阻害される可能性がある。ある実施形態では、回転軸２５は切れ目２７を備え、切れ目２７は、巻ケース２３内の軸受が凍結したり動作不能となったときに、選択的に回転軸２５を破壊する。１つ以上のモータ／発電機装置２０が摩耗するに至ったとき、回転軸２５は切れ目２７に沿って崩壊し、このことにより、モータ／発電機装置２０が動作不能となる。ある実施形態では、各モータ／発電機に関連してクラッチが設けられており、クラッチは、把持されたモータ／発電機を駆動ギア１４との係合から解除するように構成されている。ある実施形態では、各モータ／発電機に関連してソレノイド機構が設けられており、ソレノイド機構は、把持されたモータ／発電機を駆動ギア１４との係合から解除するように構成されている。このような構成によれば、動作不能になったモータ／発電機装置２０は、自動的に電力生成システム１０（図１Ａ）から脱することにより、システム１０の動作の継続を妨害しない自動冗長電力生成バックアップシステムを提供する。

ある実施形態では、システム１０は、所望の出力電力を得るために計算された数を超える過剰な数のモータ／発電機装置２０を備える。各モータ／発電機装置２０は、１００％以下の出力で作動し（例えば９６％）、モータ／発電機装置２０の全体（過剰分含む）で、所望の出力の１００％を得られるようにしている。モータ／発電機装置２０が摩耗すると、上述のように、動作不能となった装置２０は自動的にシステム１０から離脱するが、残りの装置の出力を若干上げる（例えば９６．５％）ことにより、システム１０が所望の出力の１００％を維持できるようにする。

ある実施形態では、複数のモータ／発電機装置２０が、Ｎ個分過剰となるように設けられ、過剰分の装置２０は動作中のモータ／発電機装置２０が摩耗するまで、待機若しくは「オフ」の状態のままである。モータ／発電機装置２０が摩耗したとき、過剰分の装置２０のうちの１つが、例えばシステム１０（図１Ａ）に取り付けられた制御器の操作の下に起動する。ある実施形態では、モジュール１０に電動制御器が取り付けられ、電動制御器は、動作可能なモータ／発電機装置２０をモジュール１０へ選択的に追加するとともに、動作不能なモータ／発電機装置２０をモジュール１０から選択的に取り除く。

ある実施形態では、個々のモータ／発電機装置２０のそれぞれに、付加的な出力軸２４ｎおよび歯車２２ｎが設けられており、この出力軸２４ｎおよび歯車２２ｎによって、各モータ／発電機に単純な歯車列を付加することが可能になる。例えば、各モータ／発電機装置２０に２対１の歯車比があれば、駆動ギア１４の直径を半分にすることができる。

従来、電力線における電気の損失を最小限にするため、高電圧にて電力が伝達されていた。高電圧の電力を保有する電力線を隔離するためには、相当量の電気的絶縁を要する。高レベルな電気的絶縁は、重量の増加を伴うため、そのように絶縁された高電圧の発電機は、飛行型の発電機として不適当である。

ある実施形態では、電動モータ／発電機モジュール１０が備える複数のモータ／発電機装置２０は、それぞれが比較的低い電圧（例えば１００Ｖ−１０００Ｖ）にて作動するとともに、モジュール１０がジェット気流内で飛行できるように適切に絶縁されている。低電圧のモータ／発電機装置２０には低レベルの絶縁で十分であるため、重量の増加も抑えられる。さらに、複数のモータ／発電機装置２０は電気的に直列につながれ、例えば、それぞれが約３００Ｖを生成するモータ／発電機装置２０を１００個直列につないで、約３００００Ｖを生成するモジュール１０を提供する。このような構成によれば、低電圧・低重量のモータ／発電機装置２０を複数つなぐことにより、高電圧を出力するシステム１０を提供する。

ある実施形態では、システム１０は複数の低電圧装置を備え、これら複数の低電圧装置が集合することにより、高い高度にて電気を生成する高電圧システムとなる。パッシェンの法則によれば、ギャップ間における空気の破壊電圧は、ガス圧とギャップ長の積による非直線的関数で表される。このように、高度が高い（空気圧が低い）ということは、電気システムにおける破壊電圧が低くなることに関連するため、結果的に、電気システムが高い高度にて作動する場合には、空気の破壊電圧を克服するために付加的な電気絶縁が必要となる。パッシェンの法則（Ｐａｓｃｈｅｎ’ｓ Ｌａｗ）による破壊電圧の現象は、巻線型の発電機に用いられるような直径の小さなワイヤではさらに顕著である。これら全ての理由をもとに、電気的にシステム１０に連結される複数の軽量（絶縁を最小限にする）かつ低電圧のモータ／発電機装置２０を選択し、高い高度における電気の生成を提供する。これらの特徴のおかげで、システム１０が入力／出力する電圧性能の範囲が非常に幅広くなる。

図２は、筐体１９の内部を示す、モジュール１０の１つの実施形態の斜視図である。ある実施形態では、筐体１９は、搭載フロア３０と、回転子軸１６に連結された上方固定具３２と、下方固定具３４と、上方固定具３２および下方固定具３４の間に延びる複数の支持支柱３６と、搭載フロア３０および上方固定具３２の間に連結された支持プレート３８とを備える。一般的に、シェルやその他の外部構造（いずれも図示せず）が筐体１９全体に取り付けられる。シェルや外部構造には、繊維系シェルや、アルミニウム製パネルのように重量比強度の高いケーシングが含まれても良い。

搭載フロア３０は、実施形態によっては取付板１２（図１Ａ）であったり、あるいは、取付板１２に連結される。ある実施形態では、搭載フロア３０には、例えば上方および下方のアルミニウム製プレートの間に配置されるＨｅｘｃｅｌ（商標名）が含まれる。ある実施形態では、上方固定具３２は、上方軸受用の固定具であるとともに、回転子軸１６が上方固定具３２内で回転可能となるように回転子軸１６に連結される。ある実施形態では、下方固定具３４は、高い重量比強度を有する軽量の補強材を提供する。ある実施形態では、支持支柱３６には、上方固定具３２および下方固定具３４の間に連結されるアルミニウム７０７５Ｃチャネル支柱が含まれ、支持プレート３８には、重量比強度の高い材料を有する、アルミニウム製プレート若しくはその他適切なプレートが含まれる。

モジュール１０は、少なくとも１つの構成において、高い高度を飛行するように設計されており、そのような場合、筐体１９の適切な材料には、軽量の複合材料、軽量の金属材料、ポリマー材料の積層体と複合材料との組み合わせ、並びにポリマーおよび金属材料を組み合わせた積層体が含まれる。

図３は、胴体２１の一部を示す、モジュール１０のある実施形態にかかる別の斜視図である。ある実施形態では、胴体２１は筐体１９に連結されたブーム４０を備え、ブーム４０は、透き通っている上方ウェブ４２ａと、同じく透き通っており、かつ上方ウェブ４２ａとは間隔を空けた下方ウェブ４２ｂとを備え、両ウェブ４２ａ、４２ｂは、隔壁４３に連結される。ある実施形態では、ブーム４０は、ブーム４０の長さ方向に沿って設けられた複数の部分支持体４４を備える。

図４は、モジュール１０のある実施形態を図２の線４−４沿いに示す断面図である。本図には、モータ／発電機２０（図２）が図示されていない。ある実施形態では、回転子軸１６は、回転翼１７（図２）に連結される回転ハブ４５と、スリップリング４６との間に延びる。ある実施形態では、スリップリング４６は、ロータピッチに対するサーボモータ的制御を提供するとともに、駆動ギア１４の（図４における）下方の端部に連結される。

図５は、モジュール１０のある実施形態を上方から見た斜視図である。上方ウェブ４２ａは隔壁４３に連結され、ブーム４０は１つ以上の梁４７によって搭載フロア３０（図２）に連結される。ある実施形態では、ブーム４０は、筐体１９から延びるとともに回転翼１７のジャイロ効果を打ち消す。このことにより、動く回転子軸１６（図４）に対して、モジュール１０を傾斜させることが可能になる。

図６は、ある実施形態による電力生成システム５０の斜視図である。システム５０は、回転子軸５６に連結された取付板５２と、取付板５２の近傍において同軸となるように回転子軸５６に連結される駆動ギア５４と、取付板５２に取り付けられる複数のモータ／発電機装置６０とを備え、各モータ／発電機装置６０は、回転可能な状態で駆動ギア５４と連結する出力軸６４を備える。

ある実施形態では、駆動ギア５４は、システム５０を冷却し、かつ回転可能で、さらに回転子軸５６とともに動く。また、取付板５２は、回転子軸５６に固定されて静止している。ある実施形態では、出力軸６４が駆動ギア５４と摩擦によって連結するため、駆動ギア５４の動きによって出力軸６４が回転することになる。上述と同様の方法により、駆動ギア５４の直径を出力軸６４の直径よりも遥かに大きくすることにより、駆動ギア５４が回転すれば、出力軸６４が高いＲＰＭで回転することになる。

図７は、駆動ギア５４のある実施形態の斜視図である。ある実施形態では、駆動ギア５４は、全体として冷却ファンであるとともに、内周リング７０と、外周リング７２と、内周リング７０および外周リング７２の間に延びる翼７４とを備える。ある実施形態では、内周リング７０は、回転子軸５６（図６）と連結する内側軌道輪を提供する。ある実施形態では、外周リング７２は、弧状の部材である複数のセクション７６を有し、セクション７６は、ブラケット７８によって近接するセクション７６と連結する。おおよそ８個のセクション７６が設けられて、外周リング７２を形成する。翼７４の実施形態の例には、ファンの羽根（図示の通り）、スポーク、空気力学的な形状の翼、内周リング７０と外周リング７２を支持する丸スポーク、若しくは固形ディスクが含まれるが、これらに制限されるわけではない。翼７４は、他の適切な形状であっても良い。

ある実施形態では、内周リング７０は、鋳造アルミニウム製のリングであり、各セクション７６は、アルミニウムプレート間に配置された、ガラスを５０％含有するナイロン充填剤を備え、翼７４は、中心のＨｅｘｃｅｌ（商標名）を覆うように形成された０．１２５インチのガラスエポキシの表皮でできている。ある実施形態では、外周リング７２の外周表面８０は、摩擦によって出力軸６４と係合する。ある実施形態では、外周表面８０は、歯部を有さない摩擦面である。別の実施形態では、外周表面８０は、出力軸６４（図６）に設けられた歯部とかみ合う複数の歯部（図示せず）を提供する。適切な歯部には、平歯、はすば、杉綾模様、遊星、すぐばかさ、渦巻き、ハイポイド、ウォームが含まれる。

一般的に、モータ／発電機装置２０は、駆動ギア１４と接触する手段を備えた、あらゆる種類の電動モータ若しくは発電機のことをいう。加えて、モータ／発電機装置２０は、回転運動若しくは変換された回転運動を電気エネルギーに変換することができるあらゆる装置を備えても良い。回転運動を変換するために、付加的な変換機や発電機を備えても良い。電動モータ／発電機モジュール１０によって生成された電気エネルギーや電気は、適切な電線２６若しくはテザー２６を経由して地表に送ることができる。また、生成された電気は、電動装置を起動するために用いたり、又は後で使用するために、電気化学的（例えば、電気分解で水素を発生させる電気化学反応によるもの）若しくは他の種類の貯蔵装置に貯蔵することもできる。

図８は、上述の電動モータ／発電機モジュール１０を複数用いた飛行型発電機システム１００の１つの実施形態の斜視図である。システム１００は、フレーム１０２によって相互連結する４つの電動モータ／発電機モジュール１０と、フレーム１０２に取り付けられるとともにモジュール１０によって生成された電気を変電所１０６若しくはバス１０６へ運ぶテザー１０４とを備える。他の実施形態では、適切な数（４個より多い場合も少ない場合もある）の電動モータ／発電機モジュール１０が、フレーム１０２に連結している。

ある実施形態では、テザー１０４は、ウィンチ１０８から延びるとともに、凧揚げと同様の手法により、モジュール１０およびフレーム１０２を、例えば地表から約１００００フィート〜約３２０００フィート（ほぼ１０キロメートル）の高度のジェット気流の中で飛行させることができる。ある実施形態では、テザー１０４は、厚さが３インチで電気的導電性を有するケプラーラインである。ある実施形態では、テザー１０４は、電気を通すとともにモジュール１０およびフレーム１０２を固定する編み込み鋼線である。テザー１０４に関して、他の適切な形状を採用しても良い。なお、図面にはケーブル状のテザーが図示されているが、発電システム１００は、地上における風力エネルギーシステムを生成するタワー若しくは他の地上支持物を備えても良い。

ある実施形態では、発電機システム１００は、地上にいる使用者に対してリアルタイムで３次元の位置情報を知らせる全地球測位システム（ＧＰＳ、図示せず）を備える。

実施形態は、複数の独立した冗長電力生成モータ／発電機装置を備える電力生成システムを提供する。モータ／発電機装置の数は、比較的電圧の低い個々のモータ／発電機を有するシステムが所望の出力電圧を得られるようにして選択される。ある実施形態では、複数のモータ／発電機は、直列および並列の様々な組み合わせのうちの１つにつながれて、システムの様々な出力電圧を生成する。例えば、モータ／発電機の数をＮ、各モータ／発電機の生成する電圧をＶとすると、システムの出力電圧は、Ｖ（全て並列の場合）からＮ×Ｖ（全て直列の場合）の間で選択的に変わる。ある代表的実施形態では、それぞれが約３８０Ｖを提供する個々の冗長電力生成モータ／発電機装置を適切な数つなぐことにより、モジュールとして約２５０００Ｖを提供する。別の例では、それぞれが２０００Ｖ以下の電圧を有する個々の冗長電力生成モータ／発電機を適切な数用いることにより、各モジュールの出力電圧をおおよそ２５０００Ｖ−５００００Ｖの範囲内で選択的に変えることができる。

モータ／発電機装置をシステムの駆動ギアに取り付ける構成としては、様々なものが実施可能であり、そのうちのいくつかを以下に開示する。

図９Ａ、９Ｂは、それぞれ、ある実施形態による電力生成システム２００の上面図、断面図である。システム２００は、フレーム２０３に連結する取付板２０２と、フレーム２０３に通じる回転子軸２０６に連結される駆動ギア２０４と、独立して操作可能かつ取付板２０２に取り付けられる複数の冗長モータ／発電機装置２１０を備える。回転子軸２０６が回転すると駆動ギア２０４が回転し、さらに、この駆動ギア２０４の回転によってモータ／発電機装置２１０の出力軸２２２が回転することにより、出力電圧を生成するとともに電気を提供する。

ある実施形態では、回転子軸２０６が風によって回転し、この回転によって出力軸２２２が回転することにより、モータ／発電機装置２１０の内部で風が電気に変換されて、家庭や職場での使用に備えられる。

ある実施形態では、取付板２０２は、第１の面２１２と、それと対向する、駆動ギア２０４の主要面２１６の近傍にある第２の面２１４とを備える。出力軸２２２は、各モータ／発電機装置２１０から延びるとともに駆動ギア２０４の周縁部２２４と係合する。

ある実施形態では、周縁部２２４には、潤滑ポリマーが含まれる。例えば、ある実施形態では、潤滑ポリマーで構成される周縁部２２４は、駆動ギア２０４周囲に環状リングとして形成され、出力軸２２２と噛み合う歯部を提供する。適切な潤滑ポリマーには、ＶＥＳＰＥＬ（登録商標）の元で利用可能なポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）若しくはポリイミドが含まれるが、他のものを採用しても良い。本明細書のシステムは高度の高いところ（２５０００フィート以上）を飛行するように設計されており、このような高度における気温は、通常華氏０度以下である。油や黒鉛のような他の潤滑形態では、華氏−４０度付近の気温において適切に潤滑材として機能しない可能性がある。ある実施形態では、少なくとも周縁部２２４がＰＥＥＫやポリイミドのような潤滑ポリマーで構成されているため、出力軸２２２と駆動ギア２０４との係合面での潤滑が確保される。

線密度（例えば、取付板２０２沿いにおけるモータ／発電機装置２１０の配置）は、所望の出力電圧に応じて選択的に変えることができる。ある実施形態では、駆動ギア２０４の直径が約３０フィート、各出力軸２２２の直径が約０．０８３フィートで、モータ／発電機装置２１０は、取付板２０２の周囲部に１フィートあたり約３個の線密度で設けられる。各々が約３８０Ｖの出力を有するモータ／発電機装置２１０のサイズを定めて、システム２００の総出力が約１０２０００Ｖとなるようにする。これと異なる出力電圧を有するモータ／発電機装置２１０に、これと異なる位置密度を採用しても良い。

適切なモータ／発電機装置には、２相交流電流装置、３相交流電流装置、直流電流装置が含まれる。ある実施形態では、モータ／発電機装置２１０は、モータの直径がおおよそ０．５インチから１０インチの範囲内、電力レベルがおおよそ０．５Ｗから１５０ｋＷの範囲内、出力軸２２２の回転速度がおおよそ２００００ＲＰＭから３００００ＲＰＭの範囲内であるブラシレス永久磁石モータを備える。そのようなモータ／発電機装置のうち適切なものの１つとして、カリフォルニア州シミバレーにあるＡＶＥＯＸ社のＡＶＸ５０ＢＬ１０ブラシレスモータが特定される。これら筒型のモータ／発電機は、直径よりも高さの方が大きい。筒の直径は、通常１０インチ以下（半径は５インチ以下）であり、コイルを通過する磁石の線速度は、１ＲＰＭあたり５インチ／秒以下である。

他の適切なモータ／発電機には、パンケーキモータが含まれる。適切なパンケーキモータの１つには、インディアナ州インディアナポリスにあるＬｉｇｈｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社の型番Ｍ３２Ｎ１−ＸＸＸ・シリーズ３０のモータがある。適切なパンケーキ発電機の１つには、２５００ＲＰＭの速度、および１２ｋＷの電力出力を有する型番Ｇ３２Ｎ１−ＸＸＸ・シリーズ３０の発電機が含まれる。パンケーキ型モータ発電機は、通常、筒型よりも大きな直径を有し、コイルに対する磁石の線速度は１ＲＰＭあたり５インチ／秒を超える。

図１０Ａ、１０Ｂは、それぞれ、ある実施形態による電力生成システム３００の上面図、断面図である。システム３００は、フレーム３０３に連結する取付板３０２と、フレーム３０３を通じてつながる回転子軸３０６に連結する駆動ギア３０４と、取付板３０２に連結するとともに駆動ギア３０４まで延びる、独立して操作可能な複数の冗長モータ／発電機装置３１０とを備える。

ある実施形態では、取付板３０２と駆動ギア３０４は、略同一平面内に存在するよう面Ａに配置される。モータ／発電機装置３１０は、取付板３０２の周囲に間隔を空けて配置されることにより、これらを組み合わせることでシステム３００の所望の電圧出力を得られるような、装置３１０の所望の線密度を提供する。ある実施形態では、対となるモータ／発電機装置３１０が、面Ａと略平行になるように設けられる。

例えば、ある実施形態では、駆動ギア３０４は、第１の主要面３１２と、それに対向する第２の主要面３１４とを有し、対となるモータ／発電機装置３１０が取付板３０２に設けられ、対となる装置３１０のうちの一方が第１の主要面３１２と接触し、もう一方が第２の主要面３１４と接触する。ある実施形態では、対となるモータ／発電機装置３１０が面Ａと略平行になるように設けられ、対となるモータ／発電機装置３１０のうち片方は、もう片方とずれて配置される（すなわち横方向オフセット）。

ある実施形態では、駆動ギア３０４の直径が数フィートであり、駆動ギア３０４が回転するときに、駆動ギア３０４の外周端部が揺れたり、わずかにアラインメントから外れる可能性がある。ある実施形態では、取付板３０２とモータ／発電機装置３１０の間に、衝撃を吸収若しくは減衰するシステム３３０が設けられる。本衝撃吸収システム３３０により、装置３１０が面Ａから外れること、および駆動ギア３０４の揺れを減衰／調整することが可能となる。ある実施形態では、衝撃吸収システム３３０は取付板３０２と装置３１０の間に取り付けられるバネ３３２を備えるが、他の衝撃吸収器を採用しても良い。

ある実施形態では、各モータ／発電機装置３１０は、駆動ギア３０４の主要面３１２、３１４のうちの１つと係合するように延びる出力軸３２２を備える。ある実施形態では、主要面３１２、３１４の外周部には、出力軸３２２に設けられた駆動ギアと噛み合うように設計された駆動ギアが備えられ、さらに、駆動ギア３０４と出力軸３２２との接触面には、上述のＰＥＥＫやポリイミドのような潤滑ポリマー３２４が含まれる。

図１１は、一連のモータ／発電機４００のブロック図であり、モータ／発電機４００は、並列にグループ化されることにより、ある実施形態による電動モータ／発電機モジュール１０の所望の電圧出力を提供する。ある実施形態では、多くのモータ／発電機（ａからｎまである）が連続して連結されることにより各モジュール１０（図１）の電圧出力を提供し、さらに、これらのモジュールが連続して多数連結されることにより、モジュールにかかる各発電システム１００（図８）は、約１ＭＷの電力を生成する。ある実施形態では、所定の出力電圧を有する複数のモータ／発電機（ａ−ｎ）や対となるモータ／発電機を、様々な組み合わせによって選択的につなぐことにより、システムの所望の出力電圧について柔軟性を得ることができる。このように、各モータ／発電機の出力電圧を変えずに、選択的に組み合わせて接続することで、システムの出力電圧を選択的に変えることができる。ある例示的実施形態（以下の実施例で説明する）では、多数の低電圧モータ／発電機（例えば約５００Ｖ以下）を並列若しくは直列につなぐか、又は少数の高電圧モータ／発電機（例えば約５００Ｖ以上）を直列につなぐことにより、各モジュール１０から約５０００Ｖを提供する。

（実施例１）
ある例示的実施形態では、各々が０．１ＭＷを生成するモータ／発電機２０を１０個備えることにより、１ＭＷのモジュール１０（図１）を１つ提供する。ある例示的実施形態では、テザー組立品４０から地上へ約２００００Ｖを提供することを目的とするため、図８に示すように、システム１００は、各々が約５０００Ｖを生成するモジュール１０を４個備える。約２００００Ｖのテザー組立品４０を得るために、各々が約５００Ｖのモータを直列に１０個つないでいる。

（実施例２）
ある例示的実施形態では、５００Ｖの代わりに、約１０００Ｖを生成するモータ／発電機２０が選択されている。この１０００Ｖのモータ／発電機を２つで１組として１組ずつ並列につなぐとともに、５組を直列につなぐことによりモジュール１０が、所望の５００Ｖを生成するようにする。本方法では、モジュール１０から同じ１０ＭＷを出力させるために１０００Ｖのモータ／発電機を採用しているため、電流は小さくなる。電流を小さくすることで、より小さな電線や巻線を用いることができるため、結果として機械が軽量になる。このように、同じ１ＭＷを出力するにもかかわらず、各モジュール１０が引き出すアンペア数は半分である。電流を半分にすることで、より細かい電線のより小さな巻線を使用することができるため、結果としてモジュールが軽量になる。

（実施例３）
ある例示的実施形態では、３００個の「小さな」モータ／発電機が用いられ、４つのモジュール１０から、約３００００Ｖのテザー組立品４０を提供する。４つのモジュール１０から地上へ送り込まれた３００００Ｖは、各モジュール１０が約７５００Ｖの出力を有するように変換される。各モジュールからの７５００Ｖは３００個のモータ／発電機に均等に分配されるため、結果として各モータ／発電機は約２５Ｖを生成する。約２５Ｖのモータ／発電機を直列に３００個つなぐことにより、各モジュールから約７５００Ｖが生成され、地上へ約３００００Ｖが送り込まれる。ある実施形態では、モータ／発電機の中に冗長モータ／発電機がいくつか存在することにより、飛行中にいくつかのモータ／発電機が故障したときでも、十分な数のモータ／発電機が作動を継続し、システムにおいて、所望の計算された出力電圧を提供するようにしている。

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で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。よって、本発明は、特許請求の範囲に記載された事項およびそれと均等なものによってのみ限定される。

Claims (10)

1. 流体動力による電力生成システムであって、
   テザーシステムに連結されるフレームと、
   フレームに取り付けられるとともに、流動流体から揚力を発生させることにより電力生成システムを流動流体中に維持する少なくとも１つの電力生成モジュールとを備え、
   少なくとも１つの電力生成モジュールは、
   フレームに取り付けられる保持構造と、
   回転子軸を有し、保持構造内に配置されるとともに保持構造に対して回転する回転構造と、
   複数のブレードを有するロータであって、複数のブレードは、回転子軸に取り付けられるとともに、流動流体によって回転されることにより、回転子軸および回転構造を保持構造に対して回転させるトルクを回転子軸に生じさせる、ロータと、
   保持構造に取り付けられた複数の発電機であって、回転構造に係合されて、電力を生成するためにロータからのトルクを発電機に伝達する駆動軸と、駆動軸を回転構造との係合から解除する係合解除機構とをそれぞれが備える複数の発電機と、を備える、電力生成システム。
2. 複数の発電機は、待機モード、動作モードおよび動作不能分離モードのうちいずれかのモードに選択的にあって、
   動作モードにある発電機、待機モードにある発電機および動作不能分離モードにある発電機のそれぞれに対して、所望の出力電圧が付与される、請求項１に記載のシステム。
3. 回転構造は、回転子軸に連結され回転子軸とともに回転する駆動ギアを備え、
   複数の発電機は、保持構造上において、駆動ギアの周囲に放射状に配置され、それぞれの発電機の駆動軸は、駆動ギアに係合するギアを有する、請求項１に記載のシステム。
4. 駆動ギアは、回転構造の周縁部沿いに円周状に配置され、
   それぞれの駆動軸のギアが駆動ギアと係合した状態において、それぞれの発電機の駆動軸が回転子軸と略平行になるように、発電機は保持構造に取り付けられる、請求項３に記載のシステム。
5. 流体動力による電力生成システムであって、
   テザーシステムに連結されるフレームと、
   フレームに取り付けられるとともに、流動流体から揚力を発生させることにより電力生成システムを流動流体中に維持する少なくとも１つの電力生成モジュールとを備え、
   少なくとも１つの電力生成モジュールは、
   フレームに取り付けられる保持構造と、
   回転子軸を有し、保持構造内に配置されるとともに保持構造に対して回転する回転構造と、
   複数のブレードを有するロータであって、複数のブレードは、回転子軸に取り付けられるとともに、流動流体によって回転されることにより、回転子軸および回転構造を保持構造に対して回転させるトルクを回転子軸に生じさせる、ロータと、
   保持構造に取り付けられた複数の発電機であって、回転構造に係合されて、電力を生成するためにロータからのトルクを発電機に伝達する駆動軸と、駆動軸を回転構造との係合から解除する係合解除機構とをそれぞれが備える複数の発電機と、を備え、
   回転構造は、回転子軸に連結され回転子軸とともに回転する駆動ギアを備え、
   複数の発電機は、保持構造上において、駆動ギアの周囲に放射状に配置され、それぞれの発電機の駆動軸は、駆動ギアに係合するギアを有し、
   駆動ギアは、回転子軸に垂直な平面内に配置されるとともに、回転構造の外周にある第１の面および対向する第２の面を有し、
   複数の発電機は、回転構造の外周に放射状に取り付けられた対となる発電機を備え、
   発電機の各対における第１の発電機は、駆動ギアの第１の面に係合する、回転子軸に垂直な駆動軸を備え、
   発電機の各対における第２の発電機は、第１の発電機の駆動軸のギアが駆動ギアの第１の面と係合する場所と対向する位置にて駆動ギアの第２の面と係合する、回転子軸に垂直な駆動軸を備え、
   駆動ギアが揺れたときにも、発電機の駆動軸がその間に挟まれた駆動ギアとの係合を維持するように、発電機の各対は駆動ギアの面に対して垂直に移動する、電力生成システム。
6. 電力生成システムを操作する方法であって、
   地上のステーションからテザーを介して、保持構造に取り付けられた複数のモータ／発電機へ電力を供給することにより、モータ／発電機の駆動軸を駆動させて回転子軸にトルクを発生させることで回転子軸を保持構造に対して回転させるとともに、回転子軸に連結されたロータを回転させることで、電力生成システムを空気流内の動作位置に飛行させるための揚力を発生させる工程と、
   電力生成システムが動作位置に到達すると、モータ／発電機への電力の供給を停止する工程と、
   空気流を用いてロータを回転させることにより、電力生成システムを空気流中にて維持するための揚力を発生させるとともに、回転子軸にトルクを発生させて回転子軸を回転させることで、ロータからのトルクを駆動軸を介してモータ／発電機へ伝達し、テザーを介して地上へ伝達する電力を発生させる工程と、
   それぞれの発電機に関連する係合解除機構を用いて、複数の発電機のうち選択された発電機について、駆動軸と回転子軸との係合を解除する工程と、を含む方法。
7. モータ／発電機による電力の生成を中止する工程と、
   モータ／発電機へ電力を供給することにより、モータ／発電機の駆動軸を駆動させて回転子軸にトルクを発生させることで、回転子軸を保持構造に対して回転させ、回転子軸に連結されたロータを回転させることで、揚力を発生させて、空気流中にある発電機システムを地上へ飛行させる工程とを含む、請求項６に記載の方法。
8. それぞれのモータ／発電機において、１００−１０００Ｖの範囲の電力を生成する工程を含む、請求項６に記載の方法。
9. 電力を生成しているモータ／発電機を内部接続することにより、モータ／発電機をあわせて少なくとも１５０００Ｖの電力を生成する、請求項８に記載の方法。
10. モータ／発電機が電力を受け取るか、供給するかに基づいて、モータ／発電機と、高電力、低ＲＰＭ、高トルクの装置および高電力、高ＲＰＭ、低トルクの装置とを交換する、請求項６に記載の方法。

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