JP5705298B2 - 凧によって駆動される垂直軸タービンでエネルギーを変換するための風力システム及び同システムから電気エネルギーを生成する方法 - Google Patents
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Description
−凧は動力ロープ及び操縦ロープの両方を備える。すなわち,電流を生成するためのロープの負荷は凧の案内機構には伝達されないが,当該機能を実行するために使用される適切なロープを介して風力システムの他の構成要素に伝達される。凧を操縦するために動力ロープを使用しない場合,風力システムの構造は以下の全ての欠点を有する複雑な構造となる;
−凧は,凧に直接取り付けられた機構又は少なくとも4本の補助(操縦)ロープによって操縦される。これらのロープの繰り出し及び巻き戻しは,地上レベルに配置された又は地上から吊り上げられた(すなわち,凧自体によって支持された)そのような目的のみに使用されるウインチによって行われる。操縦ロープを使用する場合,地上レベルにウインチを配置することによって,気流から取り出したエネルギーの一部を消費せずに操縦機構自体の重量に置き換えることができる;
−凧は,抗力(すなわち,風速に平行な風の推力の成分)を利用して上昇することによって電気を生成するように操縦される。このような工程の後,制動力を最小化するために,旗のように凧を位置決めして凧を回収する。限られた数の風力システムでは,凧を上昇させるために抗力だけでなく揚力(すなわち,風速に垂直な風の推力の成分)を利用すると考えられている。前者に対して後者の操縦モードを使用することから得られる利点は,電気を生成するために,凧の抵抗力だけでなく凧の揚力も利用することにある。いずれにしても,両モードにおいて,断続的な(intermittence)動作サイクル(上昇工程と回収工程とを切り替える)は,凧の移動経路の半分の間のみ電気を生成する凧の牽引作用が存在することを示唆している(つまり,回収時には存在しない);
−エネルギーの変換は,動力ロープによって発電機に連結されたウインチを回転させ,場合によっては減速機を介在させて行う。モータでこのようなウインチを作動させることによって凧の回収を行うため,動作サイクル中に連続的にエネルギーを生成することができない。このように,電気の生成が中断され,その際,先に生成したエネルギーの一部が消費される。外部のユーザーへの連続的な給電は,蓄電池を使用することによって行うことができる;
−周期的なプロセスによる電気の生成にのみに関心が集中している。エネルギー変換率を最大化するための飛行中の凧の移動経路の選択はほぼ完全に無視されている;
−凧又は多数の直列に連結された凧からなる列の制御システムに関する問題は,極めて限られた数のプロジェクト及び研究において細部にわたって取り組まれている。これは,現在の探求が,新しいエネルギー生成システムの開発ではなく,主に既存のシステムの生産性の向上に焦点が当てられていることも起因している。
要な技術知識は,張力構造を実現するために使用される知識と同じである。
−凧1の回収及び放出システムのスライダー上に取り付けられた第1の滑車25;
−風力タービン2のアーム3上に固定及び直接取り付けられた第2の滑車26;
−ロープ4の伸張システム8の一部を構成する第3の滑車27;
−ロープ4の案内モジュール14のスライダー上に取り付けられた第4の滑車28(各スライダーに1つ)。風力タービン2には,各アーム3に対して1つの伝達システムと,当然のことながらアーム3の長さに依存した伝達システムを構成する多数の滑車を設けることができる。
−ロープ4の巻き取り及び繰り出しシステム10の第1のウインチ11の回転を担う第1のモータ36;
−ロープ4の格納システム12の第2のウインチ13の回転を担う第2のモータ41;
−ロープ4の案内モジュール14のスライダー42又はロープ4の格納システム12の第2のウインチ13がその上に取り付けられたトロリー44の移動を担う第3のモータ43。
−回転子として風力タービン2のアーム3が固定されたその中心軸16を操作しかつ固定子として風力タービン2の中心に固定された部分を操作する単一の生成システムを実現する形態。回転子上に永久磁石を配置し(給電が不要なため),固定子に発生回路の巻線を設けることが望ましい;
−入力回転速度(inlet rotation speed)を上昇させるために適切な乗算器と連結させることで中心軸16の回転によって回転子を作動させる単一の発電機を使用する形態;
−多数の生成システムを増加及び牽引する機能を有する,(各発電機に対して1つの)多数のピニオンと噛合する車輪によって特徴付けられるギアシステムで多数の発電機を作動させる形態。
−トロリー20の車輪21の直径及び風力タービン2の中心からの車輪21の距離を適切に決定することによって,車輪の角回転速度は風力タービン2の速度よりも大きくなる。
−発電機15bを緩衝トロリー20上に取り付けた場合,原動力となるトルクがその生成位置に隣接して展開される,つまりアーム3上の曲げトルクがより小さくなるため,風力タービン2のアーム3に求められる剛性はより小さくなる。剛性がより小さくなることで,アーム3の重量がより軽量となり,その結果,慣性(起動時)によるエネルギー散逸が抑制され,特にその構造の製造コストが低下する。
−凧1(すなわち,柔軟な支持体)上のセンサの組立て精度;
−時間による修正の悪化;
−温度変化(センサ補正値を移動する場合がある)。
−空路を見失ったが,遠隔操作で問い合わせ可能な識別機器を有する航空機;
−性質上,通信又は識別不可能な,あるいは飛行障害物が発見され得る場所を知り得ない,凧1のシステムからなる航空機;
−群れの又は一羽の鳥。
a)凧1が風の方向Wに対して横方向に進む工程(図16の四辺形a)。したがって,風は,凧の前進方向に対して横方向に吹く。凧1が風力タービン2のアーム3から遠ざかるため,ロープの巻き取られていない部分の長さは増加する。本工程の開始時に,凧1の牽引作用は,対応するエネルギー蓄積システム9の釣り合い錘を引き上げるために使用される。これは,ロープ4の負荷そのものを利用し,ロープ4の格納システム12の第2のウインチ13の回転を防止することによって行う。このようにして,重力位置エネルギーを蓄積し,このエネルギーは,下記第4の風下工程においてロープの負荷の急激な減少を補償するために方位角転回(azimuth turn)が生じる際に戻される。したがって,本工程では,風の方向Wに対して凧1が横方向に進み,それにより,凧1が風力タービン2のアーム3に連結されたロープ4を伸張させ,その結果,牽引作用によってアーム3それ自体を回転させ,凧1を風力タービン1のアーム3から遠ざけることで各エネルギー蓄積システム9の釣り合い錘35を引き上げるように,好ましくはコンピュータ制御システムによって凧1の飛行軌道の制御をしなければならない;
b)凧1が,風向きと同じ方向Wに沿って進む工程(図16の四角形b)。本工程では,凧1の揚力の利用に凧1の抵抗力の利用が加わる。これにより,牽引作用を利用するために凧1の速度を風速よりも高め,ロープ4の一部を巻き戻す必要がある。そのような回収にも関わらず,本工程中でさえエネルギー収支はプラスである。したがって,本工程では,凧が風向きと同じ方向に沿って進み,それにより,凧1が,風力タービン2のアーム3に連結されたロープ4を伸張させ,その結果,その牽引作用によってアーム3自体を回転させ,各エネルギー蓄積システム9の釣り合い錘35を引き下げることなく,第1の電気モータ36の第1のウインチ11によってロープ4を巻き戻すことによって凧1を風力タービン2のアーム3に接近させるように,凧の飛行軌道を制御しなければならない;
c)横方向の風を利用する前記第1の工程a)中に生じる状況と同様に,本工程では,
凧1は,風の方向Wに対して横方向に進むように導かれ(図16の四角形c),凧1が風力タービン2のアーム3から遠ざかるため,ロープ4の巻き取られていない部分の長さが増加する。本工程中の繰り出しは,ロープ4の格納システムの釣り合い錘35を下降させないようにコンピュータ制御システムによって制御される。これにより,動作サイクルの次の工程のために位置エネルギーを貯蔵することができる。したがって,本工程では,凧1が風の方向Wに対して横方向に進み,それにより,風力タービン2のアーム3に連結されたロープ4を伸張させ,その結果,その牽引作用によってアーム3自体を回転させ,各エネルギー蓄積システム9の釣り合い錘35を引き下げることなく第1の電気モータ36による第1のウインチ11によってロープ4を繰り出すことによって凧1を風力タービン2のアーム3から遠ざけるように凧1の飛行軌道を制御しなければならない;
d)凧1が風の方向に対して反対方向に沿って進む工程(図16の四角形d)。コンピュータ制御システムは,「方位角転回」と呼ばれる急激な操縦が実行されるため,いかなる制動作用も生じさせないように凧1を操縦する。方位角転回は2つの横材間の迅速な移行であり,その間に凧1は,風力タービン2がその時間で移動する外周の円孤に沿った少なくとも3倍に等しい距離だけ空中を移動する。凧1は,風力タービン2のアーム3の回転にいかなる場合も対抗せずに下降する。そのような工程中に,ロープ4の巻き取られていない長い部分を比較的短い時間で回収しなければならない。エネルギー蓄積システム9を適切な寸法にすることによって,ロープ4の負荷の減少を補償し,同時に,場合によってはロープ4の巻き取り及び繰り出しシステム10及びロープ4の格納システム12の第1及び第2のウインチ11及び13をそれぞれ作動させることによって回収に寄与するコンピュータ制御システムを介入させることなく,そのようなシステムの釣り合い錘を引き下げてそれらの回収を行うことが想定され得る。方位角転回の終了時に,凧1は,風に捕捉され,風に対して横方向に進むように配置される。したがって,本工程では,凧が風力タービン2のアーム3の回転においていかなる制動作用も生じさせずに風の方向に対して反対方向に沿って進み,凧1が風の方向Wに対して横方向に進むことができる出発位置に戻るように各エネルギー蓄積システム9の釣り合い錘35を引き下げて,凧1を風力タービン2のアーム3に接近させるように凧1の飛行軌道を制御しなければならない;
e)風力タービン2のアーム3を完全に回転させるために前記工程を周期的に繰り返す工程。
固有風力=1/2ρV3w=0.5×1.225×63=132.3W/m2
KitePower=KPF×固有風力×A
Claims (17)
- エネルギーを変換するための風力システムであって,
地上から操縦可能で,少なくとも1つの気流(W)に突入する少なくとも1つの凧(1)と,
地上レベルに配置され,2本のロープ(4)を介して前記凧(1)に連結された少なくとも1つのアーム(3)が設けられた垂直軸の風力タービン(2)と
を備え,
前記凧(1)は,前記アーム(3)を回転させ,発電機として動作しかつ前記風力タービン(2)と協働する少なくとも1つの発電機/モータシステム(15a,15b)によって風力エネルギーの電気エネルギーへの前記変換を実行するために前記風力タービン(2)によって操縦されるように適応され,
前記ロープ(4)は,前記凧(1)から及び前記凧(1)へ機械的エネルギーを伝達しかつ前記凧(1)の飛行軌道を制御するように適応され,
前記凧(1)を前記飛行軌道に沿って自動制御するように適応されたコンピュータ制御システムを備え,
前記コンピュータ制御システムには,前記凧(1)上に配置されたセンサ群,及び,地上のセンサ群が設けられた風力システムにおいて,
前記風力タービン(2)が前記アーム(3)に取り付けられた複数の滑車を備え,
前記風力タービン(2)の前記アーム(3)が,前記滑車間で前記ロープ(4)をV字状に折り曲げて伸張した状態に維持する伸張及び減衰システム(8)を備えると共に,
前記風力タービン(2)の前記アーム(3)が前記ロープ(4)の巻き取り及び繰り出しシステム(10)を備えることを特徴とする風力システム。 - 電気エネルギーの蓄積又は供給を制御するための前記コンピュータ制御システムと協働する給電システムを備える請求項1記載の風力システム。
- 前記凧(1)上に配置された前記センサ群が前記コンピュータ制御システムに無線で情報を送信する請求項1記載の風力システム。
- 前記風力タービン(2)の前記アーム(3)のそれぞれが少なくとも1つの第1支持システム(5a)と少なくとも1つの第2支持システム(5b)によって支持され,前記第1支持システム(5a)が,一端が前記風力タービン(2)の前記アーム(3)に拘束され,他端が前記タービン(2)の中心に配置されかつ前記アーム(3)と共に回転する1つの垂直構造体(18)に拘束された第1タイロッド(17)を備え,前記第1支持システム(5a)が,前記風力タービン(2)の回転面内に配置され,一端が前記タービン(2)の前記アーム(3)に,他端が前記タービン(2)の中心回転軸(16)に拘束された第2タイロッド(19)を備え,前記第2支持システム(5b)が,前記タービン(2)の前記アーム(3)を地面に弾性的に載置させることができる少なくとも1つの緩衝トロリー(20)を備え,前記第2支持システム(5b)には,少なくとも1つの緩衝装置(22)に平行に連結された弾性手段が設けられ,前記緩衝トロリー(20)には,前記タービン(2)の回転の中心を通過する回転軸に整列した少なくとも一対の車輪(21)が設けられる請求項1記載の風力システム。
- 前記風力タービン(2)の前記アーム(3)が,静止した前記凧(1)を回収するように適応された少なくとも1つの回収装置(6)を備え,前記回収装置(6)が少なくとも1つの円筒パイプ(6a)を備え,前記円筒パイプ(6a)には,円形の出口縁部が設けられ,前記回収装置(6)が前記アーム(3)に対して傾斜している請求項1記載の風力システム。
- 前記風力タービン(2)の前記アーム(3)が前記凧(1)の少なくとも1つの回収及び放出システム(7)を備え,前記回収及び放出システム(7)が前記回収装置(6)内に配置され,前記回収及び放出システム(7)が前記回収装置(6)の前記円筒パイプ(6a)内を少なくとも2つのレール(24)に沿って摺動する少なくとも1つのトロリー(23)を備え,前記トロリー(23)がモータ減速機によって操作される少なくとも1つのベルトによって作動され,前記回収及び放出システム(7)には,前記回収装置(6)からの前記凧(1)の放出時に人工の気流を創出するように適応された人工の風推力装置が設けられる請求項5記載の風力システム。
- 前記伸張及び減衰システム(8)が,地上から吊り上げられ,垂直に移動することができる少なくとも1つの減衰釣り合い錘(29)を備え,前記釣り合い錘(29)が前記ロープ(4)の張力によって地上から吊り上げられており,
又は,
前記伸張及び減衰システム(8)が,一端が前記風力タービン(2)の前記アーム(3)に蝶着され,弾性手段を介在させることによって前記アーム(3)と協働するロッド(32)を備えた少なくとも1つの装置(30)を備え,前記弾性手段が少なくとも1つの減衰バネ(33)である,
請求項1記載の風力システム。 - 前記ロープ(4)の前記伸張及び減衰システム(8)が蓄圧器である請求項1記載の風力システム。
- 前記風力タービン(2)の前記アーム(3)が重力位置エネルギー蓄積システム(9)を備え,前記重力位置エネルギー蓄積システム(9)が少なくとも2つの減速滑車(34a,34b)と,地上から吊り上げられ,垂直に移動することができる少なくとも1つの釣り合い錘(35)とを備え,前記ロープ(4)が前記減速滑車(34a,34b)に巻き取られ,前記釣り合い錘(35)が前記ロープ(4)の張力によって地上から吊り上げられ,前記減速滑車(34a,34b)が下位及び上位にそれぞれ配置され,前記上位に位置する前記減速滑車(34a,34b)が前記風力タービン(2)の前記アーム(3)に取り付けられ,前記下位に位置する前記減速滑車(34a,34b)が前記釣り合い錘(35)に取り付けられる請求項1記載の風力システム。
- 前記ロープ(4)のそれぞれが前記上位に位置する前記減速滑車(34a)及び前記下位に位置する前記減速滑車(34b)のどちらか一方に巻き取られる請求項9記載の風力システム。
- 前記巻き取り及び繰り出しシステム(10)が,前記ロープ(4)のそれぞれが巻き取られた及び巻き取られていない少なくとも2つの第1のウインチ(11)を備え,前記第1のウインチ(11)のそれぞれが前記コンピュータ制御システムによって制御される第1の電気モータ(36)に連結され,前記第1の電気モータ(36)が電気発電機でもあり,限られた数の回転が行われることによって各前記第1のウインチ(11)のそれぞれにロープ(4)がそれぞれ巻き取られ,それにより単層巻が生じる請求項1記載の風力システム。
- 前記ロープ(4)の前記巻き取り及び繰り出しシステム(10)が,前記ロープ(4)がそれぞれの内部に挿入され,ピストン(39)によって押圧される少なくとも2対の対向するトラック(38)を備える請求項11記載の風力システム。
- 前記風力タービン(2)の前記アーム(3)が前記ロープ(4)の少なくとも1つの格納システム(12)を備え,前記ロープ(4)の前記格納システム(12)が,前記ロープ(4)がそれぞれ巻き取られている又は巻き取られていない少なくとも2つの第2のウインチ(13)を備え,前記第2のウインチ(13)のそれぞれが前記コンピュータ制御システムによって制御される第2の電気モータ(41)に連結され,前記第2のウインチ(13)が少なくとも1つの遊星歯車式減速機を介在させて前記第2の電気モータ(41)に連結され,
前記ロープ(4)を前記第2のウインチ(13)上に整然と巻き取るために,
前記第2のウインチ(13)に案内モジュール(14)を設け,
又は,
前記第2のウインチ(13)を,前記第2のウインチ(13)の回転軸に平行なレール(45)に沿って摺動するトロリー(44)上に取り付け,前記レール(45)に沿った前記トロリー(44)の摺動を前記第2のウインチ(13)の回転と共に摺動機構によって制御し,前記摺動機構を前記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し,前記摺動機構を少なくとも1つの遊星歯車式減速機を介在させて前記電気モータに連結した,
請求項1記載の風力システム。 - 前記アーム(3)が,前記ロープ(4)の少なくとも1つの格納システム(12)と,前記凧(1)に向かって前記ロープ(4)を案内するように適応された伝達システムを備え,
前記伝達システムが,
前記凧(1)の回収及び放出システム(7)のトロリー(23)上に取り付けられた少なくとも一対の第1の滑車(25)と,
前記風力タービン(2)の前記アーム(3)上に取り付けられた第2の固定滑車(26)と,
前記ロープ(4)の各前記伸張及び減衰システム(8)のための少なくとも一対の第3の滑車(27)と,
前記ロープ(4)の前記案内モジュール(14)のスライダー(42)上に取り付けられた少なくとも一対の第4の滑車(28)と
を備え,
前記スライダー(42)が,前記格納システム(12)の前記第2のウインチ(13)の回転軸に平行したレールに沿って摺動するよう適応され,
前記レールに沿った前記スライダー(42)の摺動が,前記第2のウインチ(13)の回転と共に摺動機構によって制御され,
前記摺動機構が前記コンピュータ制御システムによって制御される第3の電気モータ(43)によって作動し,前記摺動機構がネジ駆動式又はベルト駆動式である請求項13記載の風力システム。 - 前記発電機/モータシステム(15a,15b)が,発電機として動作する場合は前記風力タービン(2)の前記アーム(3)の回転によって作動し,モータとして動作する場合は前記コンピュータ制御システムによって制御され,前記発電機/モータシステム(15a)が,複数の発電機を組合せた状態で作動するように適応されるピニオンによって特徴付けられるギアシステムを備える請求項1記載の風力システム。
- 前記発電機/モータシステム(15b)が,前記緩衝トロリー(20)上に配置され,前記車輪(21)を回転させることによって作動し,前記発電機/モータシステム(15b)が,少なくとも1つの遊星歯車式減速機を介在させて前記車輪(21)に連結され,前記発電機/モータシステム(15b)から前記風力タービン(2)の前記固定部分への前記電気エネルギーの伝達が,前記レールの中心に位置する又は前記レールに隣接するマニホールドによって行われる請求項4記載の風力システム。
- 前記コンピュータ制御システムが,以降の少なくとも1つの瞬間において前記凧(1)が取るべき最適位置を飛行及び制御パラメータに依存して瞬間毎に決定する少なくとも1つの予測アルゴリズムを実行する処理手段によって,前記凧(1)を前記飛行軌道に沿って案内するために前記ロープ(4)の前記巻き取り及び繰り出しシステム(10)及び前記ロープ(4)の前記格納システム(12)の前記第1及び第2のウインチ(11,13)上で動作し,前記気流によって生成された揚力Lを優先するシステムであって,前記凧(1)を操縦するための情報が,前記凧(1)上に配置された前記センサ群及び前記地上のセンサ群から送信される請求項13記載の風力システム。
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