JP5841124B2 - 風のエネルギを電気的または機械的エネルギに変換するために動力翼型の飛翔を制御するための駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、動力翼型または凧の飛翔の適切な制御システムの命令を実行するための、特に、地上の変換装置に２本のケーブルによって接続された前記動力凧の飛翔を通して風のエネルギを電気的または機械的エネルギに変換するための、自動または手動のいずれかの第１のシステムに関する。命令を実行するための前記第１のシステムは、地上に配置され、考慮される命令は、２本のケーブルの長さの差の値であり得る。

本発明は、さらに、動力翼型または凧の飛翔の適切な制御システムの命令を実行するための、特に、地上の変換装置に１本以上のケーブルによって接続された前記動力凧の飛翔を通して、風のエネルギを電気的または機械的エネルギに変換するための、自動または手動のいずれかの第１のシステムに関する。命令を実行するための前記第２のシステムは、前記凧に取り付けられ、考慮される命令は、凧の仰角の変化、或いは、凧の有効面積の変化、或いは、凧自身の適当な空気力学的力および運動量を生成するような凧の幾何学形状の変化、或いは、同時に前記作用の２以上であり得る。

本発明は、さらに、特に、地上の変換装置に少なくとも１本のケーブルによって接続された前記動力凧の飛翔を通して、風のエネルギを電気的または機械的エネルギに変換するための動力凧の離陸および着陸の管理に関する。

公知のある先行特許は、風力源により生成された機械的エネルギを他のエネルギ形態、典型的には電気エネルギに変換できる装置であって、ケーブルによって該装置に接続された動力凧を使用して風からエネルギを取り去る装置により、風のエネルギを電気的または機械的エネルギに変換するプロセスである。例えば、米国特許ＵＳ４０７６１９０号、ＵＳ４２５１０４０号、ＵＳ６２５４０３４Ｂ１号およびＵＳ６９１４３４５Ｂ２号、米国特許出願ＵＳ２００９００７２０９２号、イタリア国特許出願ＴＯ２００３Ａ０００９４５号、並びに、欧州特許出願ＥＰ０４０２８６４６．０号は、１以上のケーブルを介して地上に接続された動力凧の飛翔を制御することによって、風の流れの運動エネルギを電気エネルギに変換するシステムを記載する。同様に、少なくとも１つの凧がケーブルによって地上に固定された操作およびエネルギ生成のためのユニットに接続された、風の流れの運動エネルギを電気エネルギに変換するシステムが知られており、そのシステムにおいて、凧は、風により押し上げられ、その間のケーブルの巻き解きが電気エネルギを生成するように設計された地上のユニットのジェネレータの回転を引き起こす引っ張りフェーズと、凧が回収されて再度風を捕まえるように操作される回収フェーズとを通じて周期的に運ばれる。

他の公知の解決策において、ケーブルの長さを一定に維持し、ケーブルに作用する力が、ジェネレータに接続された車輪を備える地上ユニットの予め設定された周期的経路に沿って伝達されて、エネルギは変換される。

かつて、特に、英国特許ＧＢ２０９８９５１号、米国特許ＵＳ５０５６４４７号、米国特許ＵＳ５４３５２５９号、国際出願ＷＯ０３０９７４４８号、米国特許出願ＵＳ２００４０３５３４５号、米国特許出願ＵＳ２００４２００３９６号、国際出願ＷＯ２００５１００１４７号、国際出願ＷＯ２００５１００１４８号、国際出願ＷＯ２００５１００１４９号、および、ドイツ国特許出願ＤＥ１０２００４０１８８１４号に記載されているもののような、動力凧を介して風の流れを捉える装置による船の牽引に関する多様な解決策が提案されてきた。

言及したシステムのいくつかにおいて、凧は、２本のケーブルで地上に拘束され、これより「差分」と称する２本のケーブルの間の長さの差を付けることによって制御される。前記システムは、地上に配置した駆動ユニットを使用し、駆動ユニットの役目は、実質的に２種類、つまり、２本のケーブルをある長さの巻き解きまたは巻き取りと、差分の付与とである。従来技術により既に提案されている差分を付与する手段は、それぞれケーブルを駆動するウィンチにそれぞれ接続された２つの独立した電動機／ジェネレータに所定の値の差分を付与する役目を託すことにある。他の解決策は、国際出願ＷＯ２００８／０７２２６９に提案されており、そこには、差分の制御と、ケーブルのある長さの巻き取り／巻き解きとの機能を分離することを意図した実施形態が提示されている。前記発明は、差分の付与専用の少なくとも１つの第１の駆動モータと、ある長さのケーブルの巻き解き／巻き取り専用の少なくとも１つの第２の駆動モータとによって構成される。

本発明は、公知のものと比べて、改善され、より効率的な解決策を提案し、その基本的共通の特徴は、請求項１に明示される。

第１の実施形態において、１つの低出力モータが使用され、第２の実施形態において、高出力モータ／ジェネレータが設けられ、その横にエネルギの蓄積および伝達のためのシステムが配置される。第１の解決策は、特に一定の長さのケーブルで作動する生成システムのために考え出され、一方、第２の解決策は、特に、周期的なケーブルの巻き取りおよび巻き解きを利用する生成システムのために考え出されている。一定長のケーブルまたは可変長のケーブルを備える生成装置の両方において、本発明は、さらに、結果的ケーブルの摩耗が少なく、巻き取りの管理の問題が少ない、ケーブルを重ねることなく巻き取ることができる、ケーブルを集めるためのシステムを提案することに特徴がある。

さらに、差分を達成するための第１の駆動システムに加えて、凧に搭載され、適切な自動制御装置によって計算され、或いは、適切なマン−マシンインターフェイスを介してオペレータによって設定された命令にしたがって、凧の仰角の変化、或いは、凧の有効面積の変化、或いは、凧自身の適当な空気力学的力および運動量を生成するような凧の幾何学形状の変化、或いは、同時に前記作用の２以上を生じさせられる第２の駆動システムを使用する凧の制御に考慮すべき利点がある。これについて、本発明は、凧に搭載され、凧の移動に上述のように作用できる第２の駆動システムを提案する。

最後に、動力凧の飛翔を介した風のエネルギの機械的および電気的エネルギへの変換の前述のシステムの管理における重要な局面は、動力凧の離陸および着陸の工程の管理に関する。本発明は、この問題の対応する２つの可能なシステムを提案する。

従って、本発明は、差分命令を実行するために、地上に配置され、特に一定長のケーブルで動作する生成システムのために考え出された第１のシステムのための第１の解決策と、差分命令を実行するために、地上に配置され、特に周期的に長さが変化するケーブルで動作する第１のシステムのための第２の解決策と、命令を実行するために、凧に搭載された第２のシステムと、堅固または半堅固な動力凧の離陸および着陸のための第１の可能な解決策および手順と、堅固または半堅固な動力凧の離陸および着陸のための第２の可能な解決策および手順とを提供することにより、従来技術による公知のものと比べて、新規で改善された解決策を提案する。

本発明の好ましい実施形態および独創的な変形は、従属請求項の主題を形成する。

続きの説明において、少なくとも１つの凧が、少なくとも２本のケーブルによって地上に接続され、差分を介した命令を出すことが可能であることを前提とする。

本発明は、添付の図面を参照して、非限定的例示の方法として、ある好ましい実施形態に関してより完全に説明される。
一定長のケーブルで動作する生成システムのために考え出された、差分を介して動力翼型または凧の飛翔の制御を実行するための第１のシステムのための第１の解決策を示す概略図である。 周期的に長さが変化するケーブルで動作する生成システムのために考え出された、差分を介して動力翼型または凧の飛翔の制御を実行するための第１のシステムのための第２の解決策を示す概略図である。 動力翼型または凧の飛翔の制御を実行するための第２のシステムの好ましい実施形態の概略図である。 堅固または半堅固な動力翼型または凧の離陸および着陸のための第１の可能な解決策および手順を示す概略図である。 堅固または半堅固な動力翼型または凧の離陸および着陸のための第２の可能な解決策および手順を示す概略図である。

図１を参照すると、第１の解決策において、本発明に係る、差分を介して、少なくとも１つの翼型または凧の飛翔の制御を実行するための第１のシステム１は、
− 例えば、大地に対して固定され、或いは、緩衝システム１４に接続され得、且つ、いずれにしてもスライダ２ａおよび２ｂに対して固定されないブロック５ａおよび５ｂから送り返された後のケーブル８が通過する、２つの折り返しブロック４ａおよび４ｂがそれぞれ固定された２つのスライダ２ａおよび２ｂを、歯車（不図示）およびそれぞれのラックを介して駆動する単一の駆動モータ３と、
− ケーブル８に張力を与え、ケーブル８の力の振動を減衰させ、場合により折り返しブロック４ａおよび４ｂと凧７との間においてケーブル８に作用する力を測定するシステム６と、
− シャフト１１によって支持され、ケーブル８の径および長さに応じた適当な径および幅の複数のプーリ９の列と、
− シャフト１２によって支持され、ケーブル８の径および長さに応じた適当な径および幅の複数の折り返しプーリ１０の列であって、プーリ１０およびシャフト１２は、プーリ９およびシャフト１１の下に配置され、前記構成要素９および１１に接近または離間するように垂直に移動できるものと、
− シャフト１２に設けられ、垂直に移動でき、ブレーキ１３ａを介してシャフト１２のシャフト１１に対する移動を制動できる、ブレーキ１３ａおよびカウンターウェイト１３ｂのシステム１３であって、カウンターウェイト１３ｂの重さは、例えば、従来技術において公知であり、船の重さを分散させるために使用されるもののような水タンクシステムを介して、可変、つまり、ケーブルに与えるべき力の関数として選択的に調節できるものを含むと言える。

如何にしてモータ３の動作が、スライダ２ａおよび２ｂの並進運動を通して、凧７の側において、２本のケーブル８の長さの間の差を生じさせるかが説明されるであろう。例えば、図１に例示の方法として図示した実施形態の図におけるモータ３の時計回りの回転は、凧７の側において、フロック４ｂを通るケーブルの短縮をもたらし、同時に、凧７の側において、フロック４ａを通るケーブルの伸長をもたらす。モータ３の適当な命令により、結果として所望の差分命令を発することができる。プーリ９、プーリ１０、シャフト１１およびシャフト１２は、それを介して、凧７の側におけるケーブル８の長さの変化が、プーリ９および１９の径および数によって調節できる比で、シャフト１１とシャフト１２との間の距離の小さな値の変化をもたらす増幅システムを構成する。生成システムが固定長のケーブルの通常の動作条件であれば、シャフト１２は、ブレーキ１３によって制止されて、シャフト１１からの距離が固定されたままとなり、ケーブル８も、凧によって印加される張力の作用下においても固定長に維持される。例えば、風がない場合またはメンテナンスの目的で、ケーブルを巻き戻す必要があるとき、凧は、ケーブルの張力を最小とし、カウンターウェイト１３ａおよびブレーキ１３ｂのシステムが解放され、シャフト１２のシャフト１１からの離間を生じ、結果としてケーブルを巻き戻すことになる。動作状態に復帰させるための次のケーブルの巻き解きは、風の存在下における凧によって印加され、プーリの摩擦および可変ブレーキ１３ａおよびカウンターウェイトのシステムの重さに打ち勝つような引っ張りによって実行される。

ここで、図２を参照すると、特に、周期的にケーブルの長さが変化する生成システムのために考え出された第２の解決策において、本発明に係る、差分を介して少なくとも１つの翼型または凧の飛翔の制御を実行するための第１のシステム２１は、図１に関連して先に説明したものと同じ構成要素２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ，６，７，８，９，１０，１１，１２，１４を含むが、構成要素３および１３ｂがなく、構成要素１５，１６，１７，１８，１９，２０が追加されている。特に、この第１の解決策は、選択的におよび独立してシャフト１１および１８を単一のモータ／ジェネレータ１５に接続および分離できるクラッチのシステム１６を提示する。モータ／ジェネレータ１５は、シャフト１１が接続されたなら、ケーブルを巻き解く間に動力を生成でき、巻き取り工程において動力を供給できる。もしもシャフト１８が接続されたなら、モータ／ジェネレータ１５は、例えばハイドロニューマチック方式の、エネルギを蓄積するためのシステム１７をさらに駆動できる。システム１７は、例えばコンプレッサとタンクとからなり得る。一度、所定の圧力に達すると、クラッチ１６のシステムは、システム１７内の圧力の蓄積が再度必要となるまで、モータ１５とシャフト１８との間の接続を切り離す。システム１７は、また、例えば、さらにスライダ２ａおよび２ｂのラックに係合した歯車２０に係合した、ラック１９の移動を生じさせられるニューマチックバルブを備える駆動システムを含む。図２におけるラック１９の左への移動は、歯車２０の時計回りの回転を生じさせ、結果的に、凧７の側において、左側のケーブルの長さの増大と、右側のケーブルの長さの減少とを生じさせ所望の差分を与える。図２において、システム１６，１７および１８は、公知技術から得られる限りにおいて、詳細には示されていない。

ここで、図３を参照すると、図３の２つの異なる斜視図に示した、本発明による、動力翼型または凧の飛翔の制御を実行するための第２のシステム２２は、
− それぞれ固定部材３０によって２本のケーブル８に拘束され、ブロック２４を通過できるように意図的に形成された少なくとも２つの手綱２３と、
− それぞれ、一端が凧７の構造部材２７の端部に接続され、他端が少なくとも２つのモータ２８の１つに接続された、少なくとも２連の少なくとも２本のコード２６と、を含む。手綱２３は、モータ２５によって動かされる。２つのモータ２５の協調した動作は、手綱２３の調節の変化をもたらし、モータの回転の方向の関数として、凧７の仰角を増大または減少させる。このようにして、凧７の仰角の変化が得られる。さらに、２つのモータ２５の反対方向の回転は、凧７の手綱２３の異なる調節をもたらし、それにより、凧７を回転させられる空気力学的モーメントを生成し、それによって、それらの軌道を変更する。モータ２８の動作は、コード２６の巻き取りまたは巻き戻しを生じ、結果的に、凧７の形状および有効面積の変化をもたらす構造部材２７の接近または離間を生じさせる。コード２６の巻き解きにより、凧７に作用する空気力学的力の結果として構造部材２７が離間することが注記される。

モータ２５，２８およびブロック２４は、例えば、「前縁」とも呼ばれる構造部材２９に固定されて、凧７に適当に拘束されている。前縁２９および構造部材２７は、先に説明したように、モータ２８の動作にしたがって、凧の形状および有効面積の変化を可能にするように適当に設けられている。モータ２８の動作に必要なエネルギは、場合により凧７に搭載されたエネルギ生成システムが付設された適当な蓄積システム、例えば、以降に説明するような、風力マイクロタービンおよび太陽光マイクロパネルによって供給される。

ここで、図４を参照すると、動力翼型または凧の離陸および着陸の第１のシステムは、
− ケーブル８に接続され、適当な支持システム３１、例えば、凧７が地上を高速且つ低摩擦で移動できるようにする、既に従来技術の一部を形成している車輪を備える台車を備える少なくとも１つの堅固または半堅固な凧７からなる。凧７は、先に説明したもののような命令を実行するためのシステムを備えることができ、および／または、従来技術に存在する解決策による無人航空機（ＵＡＶ）であることができる。

図４に概略的に示された、本発明による離陸の工程は、地上にある凧７と、地上を這うケーブル８とで開始される（図４ａ）。例えば、先に示した命令を実行するための第１のシステムの２つの解決策において想定されるもののようなシステムを使用して、ケーブル８を適当な速度で巻き解くことにより、凧７は、ケーブルの巻き取り速度において発生する上昇力の結果として上昇する。飛翔中（図４ｂ）、凧は、例えば、固定長または可変長のケーブルで、先に言及したもののような発明および従来技術の一部を形成する他の解決策に応じて、使用されるジェネレータによって想定される手順にしたがって、エネルギの生成を提供するように操作される。着陸工程（図４ｃ）において、凧７は、ケーブルが巻き戻される間に、凧に高い張力を作用させることなく、着陸を危うくすることがなく、結果的にエネルギの消費が少ないように着陸する。上述の動力凧の着陸および離陸のための第１のシステムは、２本のケーブル８の存在が、従来技術において既に存在する１本だけのケーブルを用いる解決策とは異なる。第２のケーブルは、例えば、図１および図２に関して２つの可能な実施形態について先に説明した第１の駆動システムを介して、動力凧に作用する力を分散させ、差分を介して動力凧の命令を実行する役目を果たす。最後に前記第２のケーブルは、２本のケーブルの１本の故障時に動力凧の回収を可能にするという高度な安全性を提供する。

ここで、図５を参照すると、動力凧の離陸および着陸の第２のシステムは、動力凧の離陸および着陸の第１のシステムにおいて先に説明したものと同じ構成要素７，８，３１を備えると言える。さらに、動力凧の離陸および着陸の第２のシステムは、離陸中に部分的または全ての推力を使用するための（図５ａ）、必要であれば飛行中の凧に搭載されたエネルギの生成（図５ｂ）のための、そして最後に、必要であれば着陸の間の推力のための（図５ｃ）、電気モータ／ジェネレータに接続された少なくとも１つの平行システム３２を備える。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、当然に、それらは、さらなる改良および変形を受けてもよく、それらの全ては、本発明の概念自体の範囲に入る。

Claims (16)

1. 風のエネルギを電気的または機械的エネルギに変換するために、少なくとも２本のケーブル（８）を介して制御される動力翼型または凧（７）の飛翔を制御するための駆動システムであって、
   前記２本のケーブルの均等な巻き解きおよび巻き取りの動作を作用させる第１のユニット（１１，１２）と、
   前記２本のケーブル（８）の差分制御の動作を提供するために前記動力凧（７）と前記第１のユニット（１１，１２）との間に配設された第２のユニット（２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂ）とを含み、
   単一のモータ（３；１５）を含み、前記単一のモータ（３）は、前記ケーブル（８）の差分制御のための前記第２のユニット（２ａ，２ｂ）のみを駆動し、
   前記第２のユニットは、それぞれの前記ケーブル（８）のために、前記ケーブルを重ねることなく巻き取るための、それぞれ互いに上下に配置したシャフト（１１，１２）に設置された２組のプーリ（９，１０）を含み、前記巻き取りプーリの下側の組（１０）の前記シャフト（１２）は、前記巻き取りプーリの上側の組（９）の前記シャフト（１１）に対して、垂直に移動可能であり、ブレーキおよびカウンターウェイトのシステム（１３）に動作可能に係合する
   ことを特徴とするシステム。
2. 風のエネルギを電気的または機械的エネルギに変換するために、少なくとも２本のケーブル（８）を介して制御される動力翼型または凧（７）の飛翔を制御するための駆動システムであって、
   前記２本のケーブルの均等な巻き解きおよび巻き取りの動作を作用させる第１のユニット（１１，１２）と、
   前記２本のケーブル（８）の差分制御の動作を提供するために前記動力凧（７）と前記第１のユニット（１１，１２）との間に配設された第２のユニット（２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂ）とを含み、
   単一のモータ（３；１５）を含み、前記単一のモータは、選択的に係合および切り離しできる接続手段（１６）を介して前記第１のユニット（１１，１２）を駆動するとともに、エネルギ蓄積システム（１７）を介して前記第２のユニット（４ａ，４ｂ）を駆動するモータ／ジェネレータ（１５）であり、
   前記第１のユニットは、それぞれの前記ケーブル（８）に対して、前記ケーブルを重ねることなく巻き取るための、それぞれ互いに上下に配置したシャフトに設置された２組のプーリ（９，１０）を含み、前記２組のプーリ（９，１０）の前記シャフト（１１，１２）の間隔は、選択的に調節できるカウンターウェイト手段（１３ｂ）を介した下側の前記シャフト（１２）の上側の前記シャフト（１１）に対する離間の結果として可変であり、
   前記単一のモータ（１５）は、第１のスライダ（２ａ）および第２のスライダ（２ｂ）によってそれぞれ保持された、前記ケーブル（８）のための第１の折り返しブロック手段（４ａ）および第２の折り返しブロック手段（４ｂ）を駆動し、前記第１のスライダ（２ａ）および第２のスライダ（２ｂ）は、互いに反対方向に変位でき、且つ、歯車（２０）に咬合して互いに反対方向に平行移動できるそれぞれのラックを支持し、前記歯車（２０）は、前記エネルギ蓄積流体システム（１７）を介して前記単一のモータによって間接的に回転を調節される
   ことを特徴とするシステム。
3. 前記下側のシャフト（１２）の変位は、ブレーキ手段（１３ａ）を介して選択的に制止され得ることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記単一のモータ（３）は、第１のスライダ（２ａ）および第２のスライダ（２ｂ）によってそれぞれ保持された、前記ケーブル（８）のための第１および第２の折り返しブロック手段（４ａ，４ｂ）を操作し、前記第１のスライダ（２ａ）および第２のスライダ（２ｂ）は、互いに反対方向に変位でき、且つ、歯車に咬合して互いに反対方向に平行移動できるそれぞれのラックを支持し、前記歯車は、前記単一のモータ（３）によって回転が直接制御されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１のスライダ（２ａ）および前記第２のスライダ（２ｂ）から分離され、前記第１の折り返しブロック手段（４ａ）および前記第２の折り返しブロック手段（４ｂ）と前記ケーブル（８）を重ねることなく巻き取るための前記プーリ（９，１０）との間に設置された、前記ケーブル（８）のための第３の折り返しブロック手段（５ａ）および第４の折り返しブロック手段（５ｂ）をさらに含むことを特徴とする請求項２または４に記載のシステム。
6. 前記動力凧（７）と前記ケーブル（８）を制御するための前記第２のユニット（２ａ，２ｂ，４ａ，４ｂ）との間に、前記ケーブル（８）に張力を付与するためおよび振動を減衰するための装置（６）が配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
7. 前記張力を付与するためおよび振動を減衰するための装置（６）は、前記ケーブル（８）に作用する力を検出する手段を含むことを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 前記第３および第４の折り返しブロック手段（５ａ，５ｂ）に、減衰手段（１４）が動作可能に接続されていることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
9. それぞれの前記ケーブル（８）は、それぞれのブロック（２４）に巻き付けた少なくとも１対の手綱（２３）を介して前記動力凧（７）の端部に接続され、当該システムは、前記手綱の長さを選択的に変化させるために前記動力凧に保持されたモータ駆動アクチュエータ手段（２５）を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記モータ駆動アクチュエータ手段（２５）は、前記動力凧（７）の仰角を変更するように前記手綱の長さを変化させるように設計されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 前記動力凧（７）は、互いに関節接続された部分（２７）により形成され、前記部分（２７）の互いに対する位置を選択的に変化させ、それによって前記動力凧（７）の幾何学形状を変形させるために、前記動力凧（７）に保持されたモータ駆動アクチュエータ手段（２８）が設けられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記部分（２７）は、前記モータ駆動アクチュエータ手段（２８）によって長さを変化させられるケーブル（２６）によって一体化されていることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記モータ駆動アクチュエータ手段（２５；２８）は、前記動力凧（７）の上で生成された光起電性または風のエネルギで駆動されることを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載のシステム。
14. 前記動力凧（７）は、堅固または半堅固な構造を有することを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のシステム。
15. 前記動力凧（７）は、離陸／着陸台車（３１）を備え、前記動力凧（７）の離陸および着陸は、当該駆動システムを介して実行されることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載のシステム。
16. 前記動力凧（７）は、少なくとも１つの補助離陸モータ（３２）を備えることを特徴とする請求項１４または１５に記載のシステム。

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