JP6105080B2 - カイトに牽引されるモジュールのレール上での移動によりエネルギーを変換する風力システムおよび同システムにより電気エネルギーを生産する方法 - Google Patents
カイトに牽引されるモジュールのレール上での移動によりエネルギーを変換する風力システムおよび同システムにより電気エネルギーを生産する方法 Download PDFInfo
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Description
特に、米国特許第4,124,182号では、風力エネルギーを捕捉し、その捕捉エネルギーを、発電機を作動させるシャフトの回転運動に変換する「パラカイト」(または、「改良されたパラシュート」)を備える装置が開示されている。この装置はパラカイトが連続的に配置される一対の「パラカイトの列」によって特徴付けられる。各列はパワーロープを装備している。このようなケーブル(ロープ)は充分長いので、パラカイトの列は、地表面レベルで吹く風に比べてより強くより一定の風が吹く高度に達することができる。全ての列は、対応するパワーロープを介してドラムまたはウインチに拘束される。このドラムまたはウインチの回転方向は、気流の牽引によってロープが出ていくように、または再度ロープを巻き取るように切換えることができる。パラカイトの全ての列は、各列カイトに接続された、「キャップタイプ」と呼ばれる第2のロープを装備し、この第2のロープによりパラカイトを選択的に折り畳むことが可能となり、巻き戻しの手順が容易となる。減速機を介して、各ウインチの回転運動が発電機に伝わり、発電機は作動されると電気を発生させる。クラッチとギアを介して片方のパラカイトの列が上昇するとき、他方のパラカイトの列を回収する、単一のプーリシステムがある。したがって、捕らえられた風力エネルギーは力学的エネルギーに変換され、その一部はキャップが閉じられたパラカイトの列の回収に直ちに費やされ、一部は電気エネルギーに変換される。それぞれの列に拘束され、全ての作動サイクルにおいて膨張・収縮される気球用バルーンを介して、パラカイトは所望の高度で保たれ、キャップは固定された配向を有する。
―カイトはパワーロープと駆動ロープとの両方を備えている。これは、電気生産を起こすロープ荷重がカイトの駆動機構に伝達されるのではなく、この機能を実行するのに適切に構成されたロープを介して、風力システムの他の構成要素に伝達されることを意味する。カイトを動かすパワーロープを使用しないと、すべての関連する短所を伴って、前記風力システムの構造が複雑になる。
―カイトまたは連続的に接続された多数のカイトから成る列の制御システムに関する問題は、極少数のプロジェクトおよび研究でしか詳細に扱われていない。これは現在の研究が、新しいエネルギー生産システムの開発にではなく、既存のシステムの生産能力の向上に主に照準が合わせられているためである。
本発明と同じ出願人によるWO2008/120257は、クレーム1のプリアンブルに記載の風力システムを提供することにより、上記の先行技術の問題を解決する。
本発明の風力システムを構成するカイトが、エネルギーを風力システムのモジュールに伝達するロープと同じロープにより駆動される。
この風力システムにおいて、ウインチの回転運動によってではなく、風力システムのモジュールの移動により、エネルギー変換が行われる。
ロープを収納して、カイトの列を駆動するために備えられた構成要素がカイトの回収システムに隣接する各モジュール上に搭載される。
カイトの回収システムが水平面および鉛直面の両方で回転する可能性を有し、指向されるように構成された端部部品を有している。
本発明は、以下に添付される図面および非限定的な例として挙げられたいくつかの好ましい実施態様により詳細に説明される。
図2は、図1の風力システムの構成要素の好ましい実施態様の拡大斜視図を示す。
図3は、図1の風力システムの別の構成要素の好ましい実施態様の拡大斜視図を示す。
図4は、図3の構成要素の別の斜視図を示す。
図5は、図1の風力システムの拡大斜視図を示す。
図6は、図1の風力システムの別の拡大斜視図を示す。
図7は、図1の風力システムの別の構成要素の好ましい実施態様の拡大斜視図を示す。
図8は、図1の風力システムの別の構成要素の好ましい実施態様の拡大斜視図を示す。
図9は、図8の構成要素の拡大斜視図を示す。
図10は、本発明に係る風力システムの好ましい変形の斜視図を示す。
図11は、図10の風力システムの拡大斜視図を示す。
図12は、図10の風力システムの構成要素の好ましい実施態様の拡大斜視図を示す。
図13は、図12の構成要素の別の斜視図を示す。
図14は、図10の風力システムの別の構成要素の好ましい実施態様の拡大斜視図を示す。
図15は、図1および図10の風力システムの別の構成要素の好ましい実施態様の拡大斜視図を示す。
図16は、図1および図10の風力システムの他の構成要素の好ましい実施態様の拡大斜視図を示す。
図17は、図16の構成要素の別の拡大斜視図を示す。
図18は、2つの駆動ステップでの本発明に係る風力システムの別の好ましい変形の概略図を示す。
図19は、図18のシステムの拡大概略図を示す。
図20は、2つの駆動ステップの図18の風力システムの構成要素の好ましい実施態様の概略図、および前方からの断面図を示す。
図21は、いくつかの駆動ステップでの本発明に係る風力システムの概略図を示す。
図22は、気流に入れられ静止した空気力学的表面およびその結果発生する関連する力の概略図を示す。
図23は、風速に対して垂直方向に沿う動きのない空気力学的表面およびその結果発生する関連する力の概略図を示す。
図24は、図1の風力システムの拡大斜視図を示す。
図25は、図1の風力システムの拡大斜視図を示す。
図26は、図5の風力システムの拡大概略図を示す。
図27は、図5の風力システムの拡大概略図を示す。
図28は、本発明に係る風力システムの好ましい実施形態の斜視図を示す。
第1のモードの特徴は、駆動ロープとしてパワーロープを使用することにある。したがって、カイト2のそれぞれの列3は、一対のロープ4を介して対応するモジュール5に接続される。前記ロープ4はまず、気流Wから得られた力学的エネルギーの伝達により、モジュール5を引くことができる(したがって電気エネルギーを発生できる)。前記ロープ4は、カイト2の列3を駆動するために適切なウインチ24および25でさらに繰り出され、巻き取られる。
また、カイト2の運転は、上記モードの両方を採用することによっても行うことができる。
延伸柔構造12が支持しなければならない応力のうち、実際にエネルギーを発生させる接線方向のカイト2の牽引力成分がある。前記のように補助レール7がなく、かつ風力システム1が停止状況下(回収システム8がカイト2の牽引力の垂直成分によって支持されていないか軽量化されていないとき)、延伸柔構造12は、何よりも厳しい要素の一つである回収システム8の重さも支えなければならない。この条件下では、回収システム8の全重量が、幾何学的形状が風力システム1の閉路に追従するリング(図示せず)を含む延伸柔構造12によって静的に支えられる。そのようなリングは様々なモジュール5に対する組み合わされた動きに追従することができる。
ロープ4は、風力システム1のカイト2とモジュール5との間を接続しかつ力を伝達する要素である。カイト2の列3が風Wによって持ち上げられるとき、牽引効果が発生して、モジュール5を平行移動させ、その結果、発電機20および/または21を通して風力エネルギーを電気エネルギーに変換する。それぞれのロープ4の長さと直径は、ロープが作動する風況と安全状況によって決定されることは明らかである。
好ましくは、レール6および7は閉路を描く。単純な経路は円形であるが、風力エネルギーの有効利用を最適化するための経路を選ぶことが適切である。例えば、風Wが主に一方向に吹く領域で風力システム1を実現しようと仮定すると、風力システム1のモジュール5が風Wが吹く方向と直角をなす主軸を有する楕円形の経路を描くようにするのが好都合である。カイト2による風力システム1のモジュール5の牽引力は、気流がカイト2に当たると発生する力の揚力成分を有効利用することによって起こるという事実によって経路の選択が決定される。以下にその詳細を説明する。
前記したように、風力システム1が多くのレール6および7を有するなら、カイト2の列3の方向に、地面に対して回収システム8を傾斜させて維持するため、異なった高さにレール6を配置することが好都合である。よって、風力システム1が作動するとき、回収システム8によるロープ4に対する抵抗が減じられる。
本発明に係る風力システム1のレール6および7は、風力システム1のモジュール5がホイール16、17によってまたは磁気空中浮揚を通して排他的に移動するという事実によって、一般的レールまたは磁気レールでありうる。特に、主レール6は磁気でありうるにも関わらず、補助レール7は一般的なレールであることが好ましい。
また、二重の「C」字状の構成に代わる手段として、一般的な主レール6が、例えば長方形断面を有し、代わりに風力システム1のモジュール5のトロリー11のホイール16のグループを、例えばレール6を取り囲むような方式にアレンジすることが可能である(図示せず)。
−電磁浮上:レール6の側面と下部の上で巻回される、一対のトロリー11の構造の端部に配置された従来の電磁石(場合によりその超伝導点で冷却される)を使用することによって、浮揚が得られる。磁石はレール6に引き寄せられた状態でトロリー11を支持する。
−電気力学的浮上:トロリー11に配置され超伝導点で冷却される電磁石を使用することによって、浮揚が得られる。レール6の側壁に隣接して、トロリー11に配置された半導体巻線によって磁場が発生する「8」の字状の巻線が存在し、前記「8」の字状の巻線のそれぞれの半分に隣接して生じる反対の磁極の効果により電流が誘導される。高レベルの磁極はトロリー11の半導体の磁場を引き付け、低レベルの磁極はそれらと反発する。引力と反発力のそのような組み合わせによりトロリー11は浮揚する。
−永久磁石による浮上:トロリー11上に永久磁石を、レール6上に非給電電磁石を配置することによって、浮揚が得られる。前記トロリーが動くと、前記永久磁石はレール6の電磁石中に電流を誘導し、この電流が永久磁石によって作られた磁場に対して反発する磁場を発生させる。そのような反発力により、トロリー11は浮揚する。
空隙を維持するためにのみ使用されるホイール16は、例えば、前記した、一般的な主レール6の上を移動するトロリー11のホイール16の3つのグループと同様である。したがって、磁気浮揚の使用の場合には、一般的な主レール6は前記の一般的なレール(二重の「C」字形状構成か、または代替構成を有する)と磁気レールとの組み合わせでありうる。
したがって、風力システム1の全てのモジュール5は少なくとも1つのトロリー11を備えており、このトロリーを介してモジュール5は少なくとも1本のレール6の上を移動する。特に、前述したように、モジュール5は、発電機20および/または21とカイト2を運転しロープ4を収納するための構成要素の両方が配置された単一のトロリー11を備えることができる。2番目の実施態様では、それぞれのモジュール5に2つのトロリー11を備える。エネルギー変換を実行する構成要素を備える高い高さにあるトロリーと、ロープ4が巻かれるウインチ24および25が配置される低い高さにあるトロリーである。
−一般的なレール6を使用する場合には、トロリー11は滑らかなホイール16および17によってレール6の上を移動する。
−磁気レール6を使用する場合には、磁気浮揚原理を有効利用して、トロリー11は永久磁石および/または電磁石によってレール6の上を移動する。
前記のように、モジュール5と共に、トロリー11が備えているホイール16を3つのグループに分割することが可能である。異なるグループに属するホイール16は、「T」字形状の構成をして、互いに垂直に配置される。特に、水水平面上にレール6があると仮定すると、以下のホイールがある。
−トロリー11の大半の重量を支持する、水平面上を転がるホイール16、
−トロリー11が受ける半径方向の力に対抗する、鉛直面上を転がるホイール16、
−トロリー11が転倒するのを阻止する、水平面上を転がるホイール16。
採用した実施態様からは独立して、単一のホイール16は、トロリー11の平台に直接は拘束されないが、前記平台に順番に拘束されるトロリー19に接合される。そのような解決策は、鉄道輸送でも採用されていて、さらなる安定性を前記システムに付与する。
カイト2を保全する機能のためには、可能な保守管理を行うためにオペレータが回収システム8の凹部にアクセスできる必要がある。
それぞれの回収システム8の内部に、ロープ4を付随させながら、カイト2の放出と回収を行うシステムが配置される。
総合的に、これら回収および放出システムの各々は、2本のレールの上で移動するトロリーを具備し、このトロリーはこれらレールによって強制的に、対応する回収システム8の内部で、かつ前記回収システム8の軸と平行して移動させられる。ロープ4の供給プーリ35の一対のシステムは、前記トロリー上に取り付けられる。風力システム1のモジュール5とカイト2の列3との間の相互連結部材として単一のロープ4を使用する場合には、ロープ4の供給プーリ35の単一のシステムが前記トロリー上に取り付けられる。
カイト2の打ち上げおよび回収は、接触を必要とせずにカイト2を放出して取り扱うために適切に吹き出る圧縮空気のジェットを用いることでより簡単に行うことができる。この人工風の推進力を得る装置(図示せず)は、回収システム8の長さに沿って、端部部品10内に配置することができる。この操作は多数の吹き出し点を介して行われ、これらの幾何学的位置は極めて多様な自由度で可能となり、正確で迅速な取り扱い装置を実現するために高性能制御システムによって制御される。
同じ人工風の推進力を得る装置は、カイト2の列3を回収するのを補助することができる。事実上、これらの装置により人工の気流を引き起こすことが可能であり、カイト2が回収システム8付近にあるとき、この気流を用いるとカイト2の操作容易性が保証される。
風力システム1はそれぞれのモジュール5に隣接するカイト2の回収および放出システムを備えている。
前記回転平行移動運動と同様に、収納動作も、例えば、リニア作動装置を介して起こる(図示せず)。このようなリニア作動装置は、前記高性能制御システムによって駆動される液圧システム(または、リニア電気機械モジュール)によって作動される液圧シリンダであっても良い。
−カイト2の列3を風力システム1のトロリー11に接続するロープ4は、トロリー11に隣接するカイト2の列3を得るために巻き取られる。
−前記消失誘導システムは作動され、回転平行移動と収納動作によって、回収システム8は、持ち上げられ、上向きに傾斜し、プラットホームとして開放される。
−風力システム1のモジュール5のストロークは止められ、人工風の推進力装置の助けにより、カイト2の列3は、レール6が描く閉路の内側または外側の対応するプラットホーム上に同時に載せられる。そして、
−回収システム8は地面に隣接して配置されるように、再び閉じられ、回転平行移動を行う。
前記伝達システムはロープ4を巻き取りおよび繰り出すためのシステム22とカイト2との間にある、ロープ4を動かす風力システム1のモジュール5の構成要素である。前記伝達システムは風力システム1のモジュール5上に組み立てられたプーリから成る。
風力システム1のそれぞれのモジュール5は好ましくは、2列のプーリ、カイト2を駆動する2本のロープ4の各々について1列のプーリがある、伝達システムを備える。風力システム1のモジュール5とカイト2の間にある、相互接続部材として単一のロープ4を使用する場合には、それぞれのモジュール5は単列のプーリを備える。
−カイト2の回収および放出システムのトロリー上に組み立てられるプーリ35。
−風力システム1のモジュール5に直接拘束される固定されたプーリ33。
−以下に記載するロープ4の力のピークを吸収するシステムの一部であるプーリ。
−以下に記載するロープ4を摩擦するシステムの一部であるプーリ。
−ロープ4(それぞれのスライダー27について1本)の駆動モジュール26のスライダー上に組み立てられるプーリ34。
前記ロープ4の力のピークを吸収するシステムは、ロープ4が吸収することができない小規模の突然の負荷変動を代償する風力システム1の構成要素である。前記ロープ4の力のピークを吸収するシステムは、ロープ4の巻き取りおよび操り出しシステム22と回収システム8との間に設置される。
本発明に係る風力システム1は、例えば、力のピークを吸収するシステムを備えることができる。
前記ロープ4を摩擦するシステムは、負荷がないときロープ4を固定して、ロープ4が吸収できない小規模の突然の負荷変動を相殺するために貢献する風力システム1の構成要素である。前記摩擦するシステムは、ロープ4の巻き取りおよび繰り出しシステム22と回収システム8との間に設置される。
本発明の風力システム1のそれぞれのモジュール5は、カイト2の運転を行うそれぞれの牽引ロープ4について少なくとも1つの摩擦するシステムを備えなければならない。
ロープ4の巻き取りおよび繰り出しシステム22は、前記摩擦するシステム(または、前記力のピークを吸収するシステム)と、以下に挙げられるロープ4の格納システム23との間に設置される風力システム1のモジュールの構成要素である。
本発明に係る風力システム1は、例えば、同じロープ4の巻き取りおよび繰り出しシステム22を備えることができる。
常に単一のロープ4に着目すると、格納システム23に向かって進むにつれてロープ4とウインチ24との間の摩擦力が次第に増加するように、4つのウインチ24の表面の粗さに差異を設けることができる。
カイト2に接続されるロープ4が大変長いため、駆動システム22とロープ4の格納システム23とを区別する必要があることに留意すべきである。実際、それぞれのロープ4について単一のウインチが使用される(その結果、駆動システムと格納システムの両方として作動する)場合、前記ロープ4はウインチドラムの周りに完全に巻かれ、多層を形成し、同時に大きな負荷を支持する。異なるロープ4の巻線の間の滑りによって引き起こされ得る摩擦が、ロープ4の機械特性を損なう程にロープ4を摩耗させるので、そのような状況は避けなければならない。
ロープ4の格納システム23はカイト2のロープ4の格納を管理する風力システム1のモジュール5の構成要素である。
本発明に係る風力システム1は、例えば、ロープ4の格納システム23を備える。
格納システム23はカイト2の駆動の管理もしない。前記方法では、格納システム23のウインチ25の周りに巻かれたロープ4の張力は、巻き取りおよび繰り出しシステム22のウインチ24上に巻かれたロープ4の部分で検出できる張力よりもはるかに低い。したがって、ロープ4の負荷がより大きい場合には、ウインチ24上の巻線の数はロープ4が2層以上に決して配置されないような数である。反対に、格納システム23のウインチ25上では、ロープ4は多層で巻かれるが、張力は最小である。格納システム23を構成するウインチ25の直径は、巻き取られた層の厚さをとにかく薄くするために、巻き取りおよび繰り出しシステム22のウインチ24の直径よりも大きい。したがって、前記高性能制御システムには、ロープ4の巻き取りおよび繰り出しシステム22のウインチ24とウインチ25の回転と、同じロープ4がその周りに巻かれる格納システム23の回転を同期させる目的もある。これは、とりわけ風力システム1を始動し停止するステップの間、2つのシステム22と23の間に含まれるロープ4の部分の負荷を管理するための基本である。
総合的に、これらの駆動モジュール26はロープ4の対応する格納システム23のウインチ25の回転軸と平行して配置されたレールに拘束されたスライダー27から成る。スライダー27は2方向に平行移動でき、プーリ34はその上に組み立てられる。特に、前記トロリー27はウインチ25のピッチ毎に動く。
ロープ4の駆動モジュール26において、スライダー27の平行移動は、カイト2を動かす前記高性能制御システムによってその動作が規制される電気モーター30によって起こる。
各電気モーター30は、好ましくは直接駆動式のトルクモータである。
ロープ4の駆動モジュール26を使用する代わりに、例えば、対応するウインチ25の回転軸と平行して設置されたガイドの上を移動するトロリー上にロープ4の格納システム23のそれぞれのウインチ25を設置することが可能である。前記トロリーの滑走は、その操作が前記高性能制御システムによって規制される電気モーターによって起こる。この解決策を採用することによって、ロープ4の規則的な巻き上げを保証するために平行移動するのはウインチ25自体であるので、ロープ4の駆動モジュール26はもはや必要ではなくなる。
電気モーターを介して、ウインチ24と25の作動およびロープ4の駆動モジュール26の作動が行われる。
特に、それぞれのロープ4について風力システム1は3つの電気モーターを装備している。
−ロープ4の巻き取りおよび繰り出しシステム22のウインチ24を回転させるのに関与するモーター28。
−ロープ4の格納システム23のウインチ25を回転させるのに関与するモーター29。
−ロープ4の駆動モジュール26のスライダー27(または、ロープ4の格納システム23のウインチ25がその上に組み立てられるトロリー)を平行移動させるのに関与するモーター30。
前記モーター28、29および30の各々は、減速機、例えば、外サイクロイド型の減速機を介して、対応するウインチ24および25またはロープ4の駆動モジュール26と連動することができるであろう。
また、これらのモーター28と29は発電機として作動できるので、ロープ4の巻き取りおよび繰り出しシステム22のウインチ24に接続されたモーター28を介して、カイト2によって前記ウインチ24上に加えられた牽引力を有効利用することによって、電気を生産することができる。前記電気モーターは前記高性能制御システムによって制御され、カイト2の同じロープ4に対応するものは同調して作動しなければならない。
電気の生産は、風力システム1のモジュール5が一般的なレール6の上を移動するようにさせるホイール16の回転によって直接作動する(または、エネルギーの転換に使用されるトロリー11のホイール16の回転によって作動する)発電機/モーター20によって行うことができる。
また、上述のように、電気の生産は風力システム1のモジュール5がその上を移動する一般的なレール6上に設置された、少なくとも1つのラック15の上を転がる歯車18の回転で作動する発電機21によっても行うことができる。
磁気浮揚による鉄道輸送では、磁力の反発力と吸引力が、輸送車列を空中に浮揚させるだけではなく移動の手段としても使用される。特に、輸送車列の移動と制動のために、前記磁気浮揚輸送において同期リニアモーターが使用され、前記モーターはその中に固定子が開放されレールに沿って配置されている電気回転モーターとして作動する。回転子と固定子はねじりモーメントではなく、直線力を発生させる。そのような直線力は、スライドする磁場を発生させる一連の磁石またはソレノイドにより発生し、前記磁場はレール上に設置された電磁石と相互作用する。輸送車列からくる磁場は、レールの電磁石において、誘導磁場に反発することで作動する電流を誘導する。このことによって磁場のスライドする方向に対して逆方向に輸送車列を押す力を発生させる。
つまり、永久磁石による磁気浮揚を使用することにより、単一のサブシステムにおける以下の3つの機能性を結びつけることが可能となる。低摩擦のモジュール5の浮上(したがって、モジュール5の滑走は非常に効率的であり、部材を摩耗することなく浮上できる)、発電(レール6において直接起こる)、およびモジュール5の(したがって、延伸柔構造12の)推進力下での永久磁石を備えるスライダーの可能な振動および変動のエネルギー吸収である。
永久磁石を備えるスライダーが牽引される危険を防ぐために、サポート接続のタイプは、ボールタイプの関節のような2度の自由度を有し、スライダーの重心領域を押す。このように、前記滑走方向に沿った応力のみが伝達され、これら応力は空隙面に対して横切るか、水平または垂直に伝達される。
−風力システム1のモジュール5は、その回転により、電流を発生させるための発電機20を直接作動させるホイール16および17によって、一般的な主レール6の上を移動する。発電機20に接続されたホイール16上に、モジュール5の重量がかかる。前記ホイール16の回転摩擦が発電機20を作動させるのに十分である場合のみ、前記構成を採用できる。
−風力システム1のモジュール5は、ホイール16および17によって一般的な主レール6の上を移動するが、電流の生産は、少なくとも1つのラック15の上を転がる歯車18に接続された発電機21を作動させることによって、主に起こる。そのような構成では、平滑なホイール16がサポート機能のほとんどを実行するとしても、モジュール5を立ち上げるために風力システム1を始動するときに作動する、以下で説明するような、モーター11に接続される。風力システム1が作動するとき、平滑なホイール16と一般的なレール6との間の回転摩擦を有効利用して、発電機として前記モーター11を使用できる。
−風力システム1のモジュール5は、サポート機能のみを実行するホイール16と17によって、一般的なレールと磁気レールとの組み合わせであるレール6の上を移動する。電流の生産は、可逆的な磁気リニアモーターが発電機として作動するため、これらのモーターを使用することによって行われる。
−風力システム1のモジュール5は、磁気浮揚によって、一般的なレールと磁気レールとの組み合わせであるレール6の上を移動する。また、モジュール5は空隙の保持を確実にするホイール16を備える。可逆的な磁気リニアモーターが発電機として作動するため、これらモーターを使用することによって電流の生産を行う。
回転式の発電機/モーター20または可逆的なリニアモーターである発電装置は、風力システム1の始動時、モジュール5を進めカイト2を上昇させるのに有利なように回収システム8の端部で軽風を発生させるための、モーターとして使用される。もし風力システム1のモジュール5が延伸柔構造12を介して互いに接続されてない場合、発電機20がモーターとして使用される別の状況は、風力システム1の操作の間カイト2の牽引効果がなくなっている時である。そのような場合には、風力システム1のモジュール5は、初めは、慣性で進み続ける。前記高性能制御システムが瞬時に牽引効果を回収しないと、発電機20はモーターとして機能するために作動され、モジュール5は、追従するモジュール5のそれ自身の移動速度が遅くなるように強制することなく、進み続ける。
総合的に、前記高性能制御システムによって実行される主な機能を以下に示す。
−カイト2の飛行の自動制御。
−カイト2の装備品としてのセンサの自己較正。
−カイト2と他の飛行物体との衝突の防止。
−格納システム23のウインチ25を平行移動するためのモーターのロープ4の駆動モジュール26の作動。
−モーターの作動。
−ロープ4の負荷変動の相殺。
給電システムは、電気エネルギーを蓄積して送るためのすべての必要な構成要素を含む。特に、風力システム1は、電源、変圧器、および生産された電気を蓄える蓄電池を備えており、風力システム1のモジュール5の始動フェーズの間とカイト2を回収するために電流がモーターに送られ、すべての電子的構成要素に供給され、かつ電力は外部利用者に提供される。風力システム1のすべての電子的構成要素の操作が前記高性能制御システムによって制御されていても供給される。
a)このステップの間、カイト2は風の方向Wに対して横切る方向に進む(図21の四角形a)。次いで、風はカイト2の前進方向に対して横切るように吹く。巻かれていないロープ4の部分の長さは、カイト2が風力システム1のモジュール5から離れるので、増加する。
b)このステップの間、カイト2は風が吹くのと同じ方向Wに沿って進む(図21の四角形b)。そのようなステップでは、カイト2の浮揚力の有効利用は、抵抗へまとめられる。これにより、カイト2の速度は風速Wより早くなる、そして、牽引効果を利用するために、ロープ4を一部巻き取ることが必要である。そのような回収にもかかわらず、このステップの間さえ、エネルギー収支はプラスである。
c)横切る風の上述の第一のステップa)の間に起こるのと同様に、このステップにおいて、風の向きWに対して横切る方向に進むようにカイト2を運び(図21の四角形c)、カイト2が風力システム1のモジュール5から離れるので、巻かれていない部分のロープ4の長さは増加する。
d)このステップの間、カイト2は風方向に対して逆方向に沿って進む(図21の四角形d)。前記高性能制御システムは2つの横軸間を素早く移行することから成る「方位ジャイブ」と定義される突然の操作を行うので、制動効果を生じないようにカイト2を駆動し、この間、風力システム1のモジュール5が円周の弧に沿って移動する時間に影響を受けるこの弧の3倍以上の距離を空気中でカイト2が移動する。モジュール5の移動にどのようにも対向することなく、カイト2は下降する。そのステップの間、比較的短い時間に、繰り出されたロープ4の長い部分を回収することが必要となる。前記方位ジャイブの終わりに、カイト2は、風Wによって捕らえられるために配置され、風に対して横切る方向に進む。
e)レール6に沿ったモジュール5の完全な回転毎に前記ステップを周期的に繰り返す。
しかしながら、理解されうるように、アームと回転軸を有する風力システムに関する先行文献に開示されている内容は、エネルギーを蓄積するシステムが含まれ、このシステムを用いてロープ4の格納システム23のならびに巻き取りおよび繰り出しシステム22のウインチ24と25を回転させずにロープ4の繰り出し部分の長さを増加させるか減少させる内容であり、これとは逆に、本発明に係る風力システム1では、ロープ4の繰り出された部分の調整は、前記のウインチ24と25によって行われる。全体の稼働サイクルの間、カイト2は交互に上昇し下降するように駆動される。風力システム1のモジュール5はカイト2に比べてゆっくり移動するので、この選択は第一に、技術的必要性によって決定される。第二に、高さの増加と減少の間の連続的な代替の状況も、風から得られるエネルギーの最適化に関して非常に有利である。事実、風の前面を勢いよく移動することによって、カイト2が生み出しうるパワーはより大きくなる。
−前記アームと回転軸を有する風力システムは中央のガイドによって特徴付けられ、電気エネルギーの生産はカイトによってタービンのアーム上に発生するねじりモーメントを有効利用することによって行われる。一方、本発明の風力システムは、少なくとも1本のレール上を移動する少なくとも1つのモジュールを伴う、リング型ガイドによって特徴付けられ、エネルギー変換はカイトによるモジュールの牽引を有効利用することによって行われる。
−前記アームと回転軸を伴う風力システムでは、カイトの駆動がロープによってのみで行われている。一方、本発明の風力システムでは、カイトの駆動はスポイラー、または、同カイト上に搭載されたスポイラーを介しても行うことができる。特に、駆動は、スポイラーによって、圧力勾配をもたらす乱流を引き起こすことによって行われる。そのような駆動モードは、前記アームと回転軸を有する風力システムによって提供されたものと統合されるか置換される。
−前記アームと回転軸を伴う風力システムでは、ロープを収納しカイトを駆動するために配置される構成要素は、タービンセンターに配置されている(したがって、ロープがカイトに向かって地面から離れていく位置から遠い)。一方、本発明の風力システムでは、ロープのための格納システムはそれぞれのモジュール上に搭載され、カイトの回収システムに隣接して配置される。本発明の風力システムにはアームがないので、前記アームと回転軸を伴う風力システムで得ることができるパワーに比して、はるかに高いオーダーの規模(例えば、1GW)で電力を発生させられる構造となる。実際、アームを除くことによって、風力システムの慣性が小さくなり、モジュールが描く経路の長さを伸ばすことが可能となり、その結果、モジュールとそれに続くモジュールとの間隔を同じにして、前記風力システムに備えられるモジュールの数を増やすことが可能となる。
−前記アームと回転軸を伴う風力システムでは、カイトを回収するためのパイプが固定されている。一方、本発明の風力システムではカイトの回収システムは、水平面と鉛直面の両面で回転する可能性を有する、配向可能な端部部品を有する。これは、カイトの回収と打ち上げ操作を容易にする。
そのような目的のために、特に図22に関連して、システムの空気力学を明確に示すことが望ましい。気流が静止した空気力学的表面AS(いわゆる、「エアフォイル」)に接触すると、そのような気流は2つの力、風の吹く方向Wに平行な牽引力Dおよび前記方向Wに垂直な揚力Lを発生させる。風が層流の場合、空気力学的表面ASの上を通る気流AF1は、より長い距離を移動しなければならないので、その下を通る力AF2より早い。これによりカイトの上部で圧力低下が生じ、その結果、揚力Lを引き起こす圧力勾配が生じる。
運動方向に平行な力をS1とし、前記方向に垂直な力をS2とすると、牽引力Dに平行な成分には反対の方向性があるが、運動方向に平行な揚力Lの成分はエアフォイル・セクションAMの移動と同じ方向性がある。
したがって、気流に垂直な方向に動きを保つことに関しては、牽引力成分Dに対するカイトAMの運動方向DTに沿った揚力成分Lの両成分間での比率を高めるために、カイトAMを傾斜させることが望ましい。
これらの考察は風力システム1の全ての単一カイト2についても有効である。
事実上、前記高性能制御システムは、翼状カイト2による高い牽引効果によって特徴付けられるステップの間、揚力と牽引力間の比率を高く保つためにそれぞれのカイト2を駆動する。そのような方法で、カイト2は風正面を勢いよく移動して振動し、ロープ4を牽引するのでパワーを発生する。
単一カイト2により生じるパワーは、特定風力と表される特定の風力に、カイトによって遮断される前面の風の面積(すなわち、カイト面積)Aと、カイトの力率KPF(カイトの速度Vkと風速Vwの間の比率Vk/Vwと、2つの係数KdとKlとに依存する性能係数)とを掛けることによって計算される。
係数Kdは牽引力、すなわち、カイトが地面を引っ張るときの風に沿った力と速度による拘束力を指し、係数Klは揚力、すなわち、カイトが地面を引っ張るときの風の前面を勢いよく移動するための振動による拘束力を指す。揚力によって、カイトの速度は風速よりもはるかに速くなる。牽引力に対する揚力が大きくなるほど、カイトのパワーが大きくなる。
例えば、Vk/Vw=10、Kl=1.2およびKd=0.1と仮定できる。そのような場合、KPF=20が得られる。
空気密度ρが一定値であり、1.225kg/m3と仮定すると、風によって発生する特定のパワー(特定風力)は以下の式でもとめられる。
KPFによって想定される値は、いずれにせよ、カイト2の効率に依存する。KPF想定値を20より大きくすることは可能である。例えば、KPF想定値が40と等しい場合、18m2の面積を有するカイト2から得ることができる最大電力は95256Wとなる。
各モジュール11は、例えば、ロープ4が通るアーム8を有する。
風力システム1は、沖合での適用の場合には、海40に浮かぶ基礎41の上に載置される。レールおよびトロリー11を懸架するために柱43を用いてもよい。
滑走するトロリー11は、低柔軟性および一体型の回転体42によって互いに接続される。回転体42は、慣性を増加させるため、好ましくはコンクリート塊で満たされている。回転体42はこの場合、大きな運動エネルギーを有する大きなフライホイールとなる。
低柔軟性で、一体型の回転体が使用される場合、回転体42は、少なくとも1つのヒンジにより適応サスペンション47に接続される。動的サスペンションは、少なくとも1つのコネクター49により磁気スライダー46に接続される。回転体42、適応サスペンション47および磁気スライダー46は、磁気レール54上を平行移動する。エネルギーを回転体42へ送ったり回転体42から受け取ったりするために、巻回されたリニアステータ45を可逆的に使用してもよい。
図27の中の磁気レールは傾斜している。
スライダー46上の磁石51およびレール6上の磁石52により空隙33が維持される。そのような磁石51および52は永久磁石または電磁石である。
図1および28を参照し、少なくとも2つの風力システム1が風からエネルギーを抽出するように協働する、多重回転台方式48を構成することが可能である。そのような多重回転台48は、カイト2間またはカイト2の列3間の最小距離の制限に配慮しながら、単一の風力システム1より大きなパワーを抽出できるという利点を有する。このことはまた、占有する土地に対する電力密度が大きいという結果を生ずる。
要約すると、本発明の風力システム1はトロリー11を備え、トロリー11は、それらが接続される一体型の回転体42により、レール6、7上を移動するように構成され、そのような一体型の回転体42は複数の磁気摺動要素46と動作可能に連結され、磁気摺動要素46は磁気レール54に沿って、それと直接の接触を生じることなく滑走することができる。
さらに、磁気摺動要素46上に配列された磁石51と、磁気レール54上に対応して配列された磁石52により維持される空隙44によって、磁気摺動要素46は、磁気レール54から離間して、磁気レール54に直接に接触しないように維持される。これらの磁石51、52は電磁石であり、カイト2由来の電力が供給される。
あるいは、これらの磁石51、52は永久磁石であってもよい。
一体型の回転体42は、より規則的な並進運動を可能とするため、好ましくはコンクリートが充填され、それにより低い柔軟性を提供し、回転体42の慣性を増加させる。
あるいは、受動的な磁気浮上およびエネルギー発生のためのそのような磁石帯はトロリー11の運動の方向に垂直に配向することもできる。
本発明の風力システム1はさらに、モジュール5ごとに、ロープ4の力のピークを吸収するためのシステム(図示せず)を有するものとしてもよい。力のピークを吸収するシステムは、ロープ4上に少なくとも1つの力を生じるための少なくとも1つのアクチュエーターから構成される。
さらに、風力システム1の慣性振動を減衰させ、または、モジュール5とレール6の間の空隙44を確保するために、モジュール5の各々によって生みだされる力を連続的に変えることも可能である。
同様に、磁石51、52が存在する場合、モジュール5の磁石51、52はレール6を取り囲み向かい合う2つのC字形状のものとして配置される。
レール6は好ましくは水平、平行、もしくは、同心状、あるいはそれらの適用に応じた任意の適切な形状および配置とされる。さらに、モジュール5の移動およびカイト2の牽引力による径方向の遠心力を打ち消すために、レール6は傾斜していることが好ましい。好ましくは、レール6は柱43によって地面から持ち上げられている。
モジュール5からカイト2に達するケーブル4には、ケーブル4を切断する安全装置(図示せず)を備えるものとしてよく、安全装置は、好ましくは無線で作動する。
上記構成により、本発明の風力システム1は、その最も有用な適用方法のうちの1つである沖合における適用のために浮きレール42上に構築される。この場合、浮きレール42は、そのような目的に適した円形、楕円形、線形、その他の適切な形状のいずれかとすることが好ましい。
Claims (15)
- エネルギーを変換する風力システム(1)であって、
地面から駆動され少なくとも1つの気流(W)に入れられる、少なくとも1つのカイト(2)と、
地面に隣接して配置される少なくとも1本のレール(6;7)の上を移動する、少なくとも1つのモジュール(5)と、を含み、前記モジュール(5)は少なくとも1本のロープ(4)を介して前記カイト(2)に接続され、前記カイト(2)は前記レール(6;7)上で前記モジュール(5)を引き、前記モジュール(5)および前記レール(6;7)と協働する少なくとも1つの発電システムを介して風力エネルギーの電気エネルギーへの変換を実行するために前記モジュール(5)により駆動され、前記ロープ(4)は前記カイト(2)からおよび前記カイト(2)へ力学的エネルギーを伝達し、かつ前記カイト(2)の飛行軌道を制御し、前記発電システムは、レール(6;7)に対するモジュール(5)の移動により風エネルギーを電気エネルギーに変換する少なくとも一つの発電機/モータ(20)を備え、前記モジュール(5)は前記レール(6;7)に沿って移動する少なくとも1のトロリー(11)を備え、
前記トロリー(11)は、該トロリー(11)に接続される一体型の回転体(42)によってレール(6;7)上を移動し、前記一体型の回転体(42)は、磁気レール(54)と直接接触することなく磁気レール(54)に沿って滑走可能な複数の磁気摺動要素(46)と動作可能な態様で連結され、
各磁気摺動要素(46)は、コネクター(49)および適応サスペンション(47)により一体型の回転体(42)に接続され、
前記回転体(42)、前記適応サスペンション(47)、および、前記磁気摺動要素(46)は、前記磁気レール(54)上を移動し、
前記回転体(42)にエネルギーを送り、かつ前記回転体(42)からエネルギーを受け取るために、巻回リニアステータ(45)を用いる、風力システム(1)。 - 前記磁気摺動要素(46)は、該磁気摺動要素(46)上に配列された磁石(51)と、前記磁気レール(54)上に配列された磁石(52)によって維持される空隙(44)により、前記磁気レール(54)から離間し、かつ直接接触しないように維持され、
前記磁石(51、52)は電磁石であり、該電磁石には、前記風力システム(1)に由来する電力が供給される、請求項1に記載の風力システム(1)。 - 前記磁気摺動要素(46)は、該磁気摺動要素(46)上に配列された磁石(51)と、前記磁気レール(54)上に配列された磁石(52)によって維持される空隙(44)により、前記磁気レール(54)から離間し、かつ直接接触しないように維持され、
前記磁石(51、52)は永久磁石である、請求項1に記載の風力システム(1)。 - 前記一体型の回転体(42)は、より規則的な並進運動を得るためにコンクリートで充填される、請求項1に記載の風力システム(1)。
- 前記トロリー(11)の運動の方向に沿って配向される、受動的磁気浮上およびエネルギー発生のための少なくとも1つの磁石帯を備える、請求項1に記載の風力システム。
- 前記トロリー(11)の運動の方向に対して垂直に配向される、受動的磁気浮上およびエネルギー発生のための少なくとも1つの磁石帯を備える、請求項1に記載の風力システム。
- 前記モジュール(5)ごとに、前記ロープ(4)の力のピークを吸収するためのシステムを備え、
力のピークを吸収するための前記システムは、前記ロープ(4)の上に少なくとも1つの力を生成するための少なくとも1つのアクチュエーターを含む、請求項1に記載の風力システム(1)。 - 前記各モジュール(5)によって生産される電力は、システム(1)の慣性振動を減衰させるため、あるいは前記モジュール(5)と前記レール(6)の間の前記空隙(44)を確保するために、連続的に変更される、請求項1に記載の風力システム(1)。
- 前記モジュール(5)の前記磁石(51、52)は前記レール(6)を取り囲むように対向し合う2つのC字形状に配置される、請求項2に記載の風力システム(1)。
- 前記レール(6)は水平、平行、または同心状であり、好ましくは、前記モジュール(5)の移動またはカイト(2)の牽引による径方向の遠心力に対抗するために傾斜している、請求項1に記載の風力システム(1)。
- 前記モジュール(5)から前記カイト(2)まで到達する前記ケーブル(4)は、その疲労応力を減らすために少なくとも1つのプーリを通る、請求項1に記載の風力システム(1)。
- 前記モジュール(5)から前記カイト(2)まで到達するケーブル(4)は該ケーブル(4)を切断する安全装置を有し、該安全装置は好ましくは無線により作動する、請求項11に記載の風力システム(1)。
- 前記風力システム(1)は沖合における適用のための浮きレール(42)上に構築され、該浮きレール(42)は好ましくは円形、楕円形または線形である、請求項1に記載の風力システム(1)。
- 請求項1〜13のいずれか一項に記載の複数の前記風力システム(1)からなる包括的風力システムであって、
前記風力システム(1)の各々は、占有する土地の合計を最小化するか、または、出力密度を最大化するように配列される、包括的風力システム。 - 互いに同心状に配置された複数の前記風力システム(1)からなる、請求項14に記載の包括的風力システム。
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