KR101206747B1 - 풍력 구동 유닛으로서 자유비행 카이트식 수풍 부재를포함하는 선박 - Google Patents

풍력 구동 유닛으로서 자유비행 카이트식 수풍 부재를포함하는 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명의 풍력 추진 선박(4)이 공개되었는데, 상기 선박(4)에서, 윙(wing) 프로파일을 가지며 전용, 보조적 또는 비상용 추진 시스템으로서 이용되는 자유비행 카이트식 수풍 부재(1)는 1개의 견인 로우프(1.1)를 통해서만 선박(4)에 연결되며, 상기 견인 로우프(1.1)는 선택사항으로서 복수개의 고정 로우프로 분기된다. 상기 선박(4)에 대하여 주어진 위치로 안내되고 동적으로 조종하기 위해, 수풍 부재(1)는, 공기역학적 효과를 수정함으로써, 상기 수풍 부재(1) 위에 배치되어 수풍 부재(1)에 효율적으로 연결되는 적어도 하나의 능동 구동 부재(1, 2)를 통하여, 수정될 수 있다.
추진 시스템, 수풍 부재, 고정 케이블, 밧줄, 선박, 구동 부재, 가속도 센서, 지구 자계 센서, 저장고, 제어 라인, 작동 부재, 액추에이터.

Description

풍력 구동 유닛으로서 자유비행 카이트식 수풍 부재를 포함하는 선박{WATERCRAFT COMPRISING A FREE-FLYING KITE-TYPE WIND-ATTACKED ELEMENT AS A WIND-POWERED DRIVE UNIT}
본 발명은, 풍력이 작용하며, 윙(wing) 프로파일을 가진 자유비행 카이트식 수풍 부재가 밧줄(hawser)에 의해서만 선체에 연결되며, 풍력 추진 선박에 관한 것이다.
그러한 선박은 WO/097448로부터 공지되어 있다. 이러한 선박은, 풍력이 작용하는 부재의 공기역학적 형상이, 선체에 연결되는 추가 제어 라인에 의해서만 변경될 수 있다는 단점을 가진다. 이것은, 풍력이 작용하는 부재가 높은 고도로 비행할 때, 추가 라인은 길이가 길기 때문에 상당한 질량을 가지고, 이러한 질량은 풍력 추진 부재에 의해 추가적으로 지지되어야 하며, 그에 대응하는 힘이 전진 방향 추진력으로 전환될 수 없기 때문에, 추진 성능이 감소된다는 문제점을 발생시킨다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 가지지 않고, 기다란 당김줄(pulling line)에 의해 작동되지 않아도 윙 프로파일의 형상이 변경될 수 있게 하는, 상기 기술분야에서 언급한 종류의 선박을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 달성된다. 이 경우, 본 발명은, 수풍력 부재의 공기역학적 형상을 변화시키면, 이러한 부재가 여러 가지 풍향과 풍력이 강도에 따라 최적으로 놓일 수 있게 되며, 그 경우에, 라인 등과 같은 능동적 연결의 수가 최소로 되도록, 제어 작용이 수풍 부재에 상당히 인접하거나 수풍 부재 내에 위치된 1개의 유닛으로부터 발생되어야 한다는 발견에 기초하다. 이것은 주 밧줄이 복수개의 개별 라인으로 구성되는 것을 배제하지 않는다. 그러나, 적절한 안내 부재를 통한 합동(joint) 안내 및 수풍 부재로의 힘의 도입점에 대한 합동 부착이 중요하며, 그 경우에, 브랜칭 역시 이러한 "힘 노드 점(force node point)"에서 발생될 수 있다.
이 경우, 수풍 부재는, 선택사항으로서, 고정 위치로 안내되거나 "조작(maneuvering)"될 수 있는데, 즉, 수풍 부재는 소정 위치에서 특정한 비행 자세를 가져야 한다.
본 발명의 특히 바람직한 일 특징은, 정밀한 세팅이 가능하도록, 수풍 부재의 변경을 위한 힘이 단거리에서만 전달되게 할 필요가 있는데, 이것은, 긴 권취 라인이 작동을 위해 이용될 때 응력으로 인해 제어 명령이 정밀하게 전달되지 않기 때문이다. 또한, 수풍 부재는 라인이 서로 엉키고 조작 불가능하게 되는 어떠한 위험도 없다. 특히, 수풍 부재의 올바른 세팅 및 가이드는, 예를 들어 이동 방향을 바꾸기 위한 조작이 항상 수풍 부재의 재조정에 의해 이루어져야 하기 때문에, 선박 전체에 있어서 상당히 중요하다. 예를 들어, 라인이 교차되거나 엉키면, 방향을 바꿀 수 없게 되거나 수풍 부재가 끊어져 나갈 수 있다.
작동 부재 및 힘 발생 수단이 수풍 부재의 바로 근처에 제공되는고, 대응되는 제어 장치 또한 수풍 부재의 바로 근처에 적어도 부분적으로 제공되어, 교란을 일으킬 수 있는 복잡한 신호 전달 경로를 널리 분산시킬 수 있도록 하는 것도 바람직하다.
플랩(flap), 제어면, 이들의 정렬 변경, 피치 각도 및/또는 형상과 같은 모든 공기역학적 제어는 수풍 부재의 공기역학적 효과의 변화에 포함된다.
이 경우, 상기 형상은 바람직하게, 윙 프로파일의 대칭 또는 비대칭 변화, 실속(失速; stall) 에지의 정렬에 대한 영향, 윙 프로파일의 트위스팅, 윙 프로파일의 곡률의 대칭 및/또는 비대칭 변화, 및/또는 밧줄의 부착 지점의 변경에 의해 변화된다. 다른 바람직한 특징에서, 공기역학적 특징은 또한, 카이트(kite)의 단면 또는 그 곡률로 표시되는 바와 같이, 윙 프로파일의 기하학적 변화에 의해 변화될 수 있다. 2겹 윙 프로파일의 경우의 형상 변화는 바람직하게, 적절한 부재에 의한 2겹 사이의 거리 변화를 포함한다.
중량의 이유로, 양쪽 및/또는 동일하거나 비대칭의 윙 프로파일의 변화를 위해 반대로 작동되는 단일 구동 부재를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 예를 들어 2개의 보조 윙이 각각 반대쪽에서 작동되며, 중립 포지션은 2개의 제어면의 중간 위치를 형성한다.
수풍 부재가 예를 들어 패러글라이더 형태의 카이트를 나타내는 직물 소재로 구성되는 경우, 공기역학적 효과는 구동 부재에 의한 적어도 하나의 조절 라인을 조절하거나 연장 또는 단축시킴으로써 변화될 수 있다.
공기역학적 조절을 위해 가해질 힘에 맞추기 위해, 적어도 하나의 조절 라인이 적어도 하나의 벤드 또는 풀리 블록 형태의 피드백 영역을 가지며, 풀리 블록은 비율의 증대 또는 감소에 이용되도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
조절 라인이 매트릭스형 배열을 형성하는 경우, 카이트를 패러글라이더의 방식으로 제어하는 것이 용이해진다. 이 경우, 이러한 배열은 카이트 아래의 영역과 관련되며, 이로부터 공기역학적 조작이 연대하여 이루어질 수 있다. 이 경우, 구동 부재의 수가 감소되기 때문에, 상이한 조절 라인이 공동으로 구동되는 작동 부재를 통해 각각 조합된 형태로 구동되도록 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 공동으로 구동되는 작동 부재는, 예를 들어 회전 가능하게 장착되는 부재, 로커(rocker), 레버, 구동 모터를 통해 공동으로 움직이는 타이밍 벨트 풀리 디스크 등을 포함한다. 그리고, 각각의 조절 라인은 공통 작동 부재 상의 상이하게 선택된 부착 지점으로 유도되어, 부착 지점의 기하학적 형상으로부터 각각이 선형 이동되도록 하며, 연관되는 조절 라인은 이 선형 이동에 의해 이동된다. 이 경우, 각각의 조절 라인은 풀리 블록 등에 의해 증대되거나 감소될 수 있다. 이로 인해, 작동 부재의 이동은 풍력이 작용하는 모든 부재 또는 그 일부를 원하는 형상으로 변환시킨다.
다른 바람직한 실시예에서, 구동 부재는 전동 윈치 및/또는 선형 액추에이터를 포함하며, 선형 액추에이터는 증가된 압력이 가해지는 경우에 횡방향으로 확장되는 공압 부재에 의해 형성되어, 그 길이를 단축시키거나 증가시킨다. 이러한 부재는 "인공 근육"으로서 공지되어 있으며 바람직하게 공압식으로 구동된다.
수풍 부재의 제어 조작을 위한 동력을 얻기 위해, 수풍 부재의 근처에 제공되며 유선형으로 클래딩된 컨테이너에는 발전기로서 작용하여 전기 에너지 저장소를 충전하는 풍력 터빈이 제공되는 것이 바람직하다. 공압 부재가 액추에이터로서 이용되는 경우, 하류의 컴프레서를 구동시키고 공압 부재에 대하여 증가된 압력을 공급하는 터빈을 제공할 수 있다. 이 경우, 에너지 저장소로서 압력 용기가 사용된다.
수풍 부재를 제어하는 수단은 또한 수풍 부재의 근처에 제공되는 컨테이너 내에 수용되며, 이들 수단은 구동 부재(액추에이터)의 작동을 위한 출력 신호를 형성한다. 이 경우, 특히, 상기 수단은 선박의 항로, 풍향, 및/또는 풍속을 위한 신호로부터 구동 부재에 대한 제어 신호를 결정하도록 제공된다.
상기 제어는, 수풍 부재에서의 외견상 바람의 방향 및 속도에 따르도록 하는 것이 바람직하다.
수풍 부재는 자동조종 장치에 의해 제어되는 것이 바람직하며, 상기 자동조종 장치에는, 적어도 하나의 변환 부재가 구비되고 가속도계의 형태이며 적어도 간접적으로 제어 신호를 구동 부재에 방출하는 센서 요소가 구비된다. 추가의 센서 요소는 그 포지션 및 특히 선박의 포지션에 관한 3차원 정렬에 대하여 출력 신호를 방출한다.
선박에 대한 수풍 부재의 실제 위치는, 바람직하게는, 수풍 부재 및 선박에 고도계 및/또는 지구의 자계 센서를 이용하거나, 밧줄의 정렬 및 길이의 도움을 받아 결정될 수 있다. 이것은, 시스템이 고장 난 경우에도 이용될 수 있게 한다.
임박한 실속 또는 이미 일어난 실속을 나타내거나, 풍력이 작용하며 근처에 유동이 통과하는 부재의 표면 영역에 제공되는 형태이며 기류가 부착되는 경우에 출력 신호를 방출하는 상이한 센서 요소가 제공되면, 비행 제어는, 수풍 부재가 속도를 잃게 되는(stalling) 경우에 추락하는 것을 방지하도록 설계될 수 있다.
또한, 수풍 부재의 3차원 정렬 또는 선박에 연결되는 탑재 장치에 의한 외부 조작을 위한 제어 신호를 형성하기 위한 수단이 제공되는 것이 바람직한 것으로 확인되었다. 또한, 탑재 장치로부터 자동조종 장치로 제3 신호를 전달하기 위한 신호 전달 수단이 제공되는 것이 바람직하며, 이 경우, 제어 신호는, 수풍 부재의 선박에 대한 위치 정보를 포함하는, 보정 위성 항법 시스템(differential-GPS) 또는 다른 네비게이션 신호인 것이 바람직하다.
나중에 출현하는 신호와 함께 선행 신호를 저장할 수 있도록 하는 추가의 저장 수단 및 비교기 수단이, 연속적인 조작 상태가 비교될 수 있도록 제공되는 경우, 조작의 초기에 선박 작동을 위한 예측 가능한 결과가 고려되도록, 수풍 부재의 예측 제어가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 일 실시예에서는, 밧줄을 위한 부착 지점을 형성하고 이로부터 고정 라인 및 조절 라인이 시작되며 여기에 수풍 부재가 연결되는 컨테이너에 구동 부재 및/또는 센서 요소가 제공된다. 이 컨테이너는 유선형으로 설계되는 것이 바람직하며 수풍 부재의 공기역학적 제어용 에너지 형성을 위한 풍력 터빈을 가질 수도 있다. 이 경우에, 유선형의 형상은, 밧줄의 방향으로 향하거나 밧줄의 방향에 대해 직각으로 향할 수 있는 물방울 또는 윙 프로파일의 형태일 수 있다.
본 발명은 특히 해상 항해용 선박 또는 대양을 항해하는 선박에 적합하다.
에너지 발생에 대한 바람직한 적용에서, 특히 선박용 프로펠러 또는 터빈을 통해 수류에 의해 구동되며 에너지 저장소, 특히 수소 발생기로 발생되는 전기 에너지를 공급하는 제너레이터가 제공된다. 물의 전기분해에 의해 얻어진 수소는 저장되며 압력 용기에 수용된다.
또 다른 바람직한 실시예는 특허청구범위 종속항에 기재되어 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 카이트 시스템에 의해 견인되는 선박의 사시도이다.
도 1b는 본 발명에서 참고로 이용되는 좌표 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1c는 본 발명에 따른 수풍 부재의 일 실시예로서, 패러글라이더의 형태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 수풍 부재의 제어를 위한 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력 추진 시스템의 제어를 위한 상세한 블록도이다.
도 4a는 수풍 부재를 위한 제어 장치의 사시도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 제어 장치의 제1 실시예의 기계 원리의 개략도이다.
도 4c는 도 4a에 도시된 제어 장치의 제2 실시예의 기계 원리의 개략도이다.
도 4d는 도 4a에 도시된 제어 장치의 리이핑(reefing) 장치의 제1 실시예의 기계 원리의 개략도이다.
도 4e는 도 4a에 도시된 제어 장치의 리이핑 장치의 제2 실시예의 기계 원리의 개략도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 본 발명에 따른 수풍 부재는 간단히 "카이트(kite)"라고 한다. 그러나 이것은 날개 기능을 가지는 비행체이기 때문에 "윙(wing)"이라고도 한다.
도 1a는 본 발명에 따른 카이트 시스템에 의해 견인되는 선박의 사시도이다. 이 경우, 수풍 부재(1)는, 힘이 작용하며 선박(4)의 이물 영역에 제공되는 장치(2)와 함께 밧줄(1.1)을 통해 선박(4)에 연결된다. 밧줄(1.1)은 중앙 곤돌라(1.2)로 향하며, 이로부터 다수의 고정 라인(1.3)이 출발하여 카이트 형상의 패러글라이더 형태로 필요한 형상을 제공하는 수풍 부재(1)로 향한다. 이에 관하여는 후에 상세하게 설명하기로 한다. 수풍 부재(1) 영역의 외견상 풍향은 W로 표시하였다. 해당하는 바람의 벡터를 크기 및 방향으로 나타내었다. 필요한 경우, 변화율은 풍속과 그 평균값 사이의 불일치를 형성하는 강풍(gusting)을 나타내는 변수 B로 나타내었으며 스칼라(scalar)로서 표시될 수 있고, 바람 벡터(W)의 선단 부근의 구의 반경을 효과적으로 형성한다.
도 1b는 이하의 설명에서 참조 시스템으로 이용되는 좌표 시스템을 나타낸다. 이 경우, xs는 선박의 항해 방향을 나타내고, ys는 항해 방향과 직각인 방향이 다. 이 경우, 좌표 시스템은 선박의 지점(Ps)에 확고하게 연결되는 것으로 간주되어야 한다. 이 지점은 이물 영역에 힘이 작용하는 지점(2)인 것이 바람직하다. 이 경우, 높이(hs)는 종래의 좌표 시스템의 축(z) 방향에 해당하며, 상기 기준점(Ps) 위의 높이를 나타낸다. 이 기준점은 바람직하게 탑재된 GPS 장비의 GPS 안테나가 고정되는 위치이어서, 다른 GPS 장비가 위치되는, 기준점(Ps)으로부터 떨어진 지점의 좌표가 2개의 장비의 좌표 차이에 의해 형성될 수 있다(탑재된 GPS 장비의 GPS 안테나가 기준점(Ps)으로부터 떨어진 거리에 위치되면, 이것은 고정 좌표 차이의 추가에 의해 고려될 수 있다).
간단히 하기 위해, 이하의 설명은 극좌표 시스템으로 가정하며, 각도 α는 방위각을 형성하고, 각도 β는 앙각을 형성한다. 따라서, 벡터(V)의 방향은 수풍 부재(1)의 곤돌라(1.2)를 향한다. 곤돌라(1.2) 및 수풍 부재(1)가 본질적으로 구의 표면상에서 이동하기 때문에, 이것은 사실상 "지리적 좌표 시스템"이다. 따라서, 방위각(α) 및 앙각(β)은 벡터(V)로 커버되는 "지구" 상의 곤돌라 위치의 지리적 위도 및 경도를 대략적으로 나타낸다. 벡터(V)의 길이는 대략 밧줄(1.1)의 길이를 나타내며, 이 경우, 밧줄의 늘어짐은 무시된다.
수풍 부재의 곤돌라(1.2)는 3개의 방향(xk, yk, zk)을 가지는 좌표 시스템에 근거하여 정렬되며, zk는 벡터(V)의 연장 방향을 나타낸다. 수풍 부재(1)의 곤돌라(1.2)의 수직 축(zk)을 중심으로 한 회전을 요 각도(yaw angle)라고 한다. 요 각 도의 변화는 수풍 부재(1)의 비행 방향을 변경시킨다. 요 각도는 특히 수풍 부재(1)를 형성하는 패러글라이더의 제동 플랩(나중에 설명함)을 활성 구동시킴으로써 변화될 수 있다. 이것은 방향을 변경시키며, 이 프로세스는 조향 가능한 카이트의 조향과 유사하다. 길이방향 축(xk)을 중심으로 한 회전은 롤링 운동을 나타내며 능동적으로 제어되지 않는다. 중력에 의한 밧줄(1.1)의 늘어짐은 롤링 운동 및 zk와 V 사이의 방향 불일치로부터 결정될 수 있으며, 횡방향 축(yk)을 중심으로 한 회전은 수풍 부재의 횡방향 축을 중심으로 한 피칭을 형성하며 강풍 및 밧줄(1.1)에 대한 영향에 의해 유발될 수 있다. 이러한 참조 시스템은 후술할 선박/카이트 시스템에 대한 설명의 이해를 위한 것이다.
본 발명에 따른 수풍 부재의 일 실시예를 도 1c에 도시하였다. 도시된 실시예의 수풍 부재는 컨트롤러용 컨테이너(102)를 구비한 패러글라이더(101)를 형성하며, 후에 상세하게 설명하기로 한다. 고정 라인(103)은 밧줄(1.1)에 부착된 컨테이너(102)로부터 시작하여 하부 직물 덮개 층(105)에 연결되는 라인 트리(line tree) 형태의 브랜치(branch)(104)에 병합된다. 상부 직물 덮개 층(106)은 상부에 클로저를 형성한다. 2개의 덮개 층은 내부 연결 라인(도시되지 않음) 또는 직물 리브와 같은 대응 연결 부재에 의해 서로 유지되고, 2개의 덮개 층에 의해 형성되는 윙 프로파일이 내부 공기 압력을 증가시킴으로써 이루어지며, 공기 압력 증가는 카이트의 전방 에지(도면에서 좌측)에 있는 개구부를 통해 이루어진다. 상기 개구부는 도면이 복잡해지는 것을 피하기 위해 도시하지 않았다. 비행 방향은 화살표 107로 표시하였다.
도 2는 본 발명에 따른 풍력 추진 시스템을 개략적인 블록도로 도시한 것이다. 이 도면은 개별 시스템 성분의 다음 설명에 대한 오리엔테이션 개념이다. 개괄적으로 사용된 100단위의 참조부호는 나중에 상세하게 설명하게 될 시스템 부품의 그룹을 나타내는 것이다(이 경우, 점선(99)으로 둘러싸인 어셈블리는, 본 발명에 따른 풍력 추진이 추가로 장비되도록 적어도 종래의 선박에 추가되어야 하는 것이다). 수풍 시스템(100)은 수풍 부재 및 연관되는 제어 시스템(직접 배치되는 경우)을 포함한다. 이 경우, 제어 시스템은 밧줄의 단부에 위치되며 고정 라인이 시작되는 곤돌라에만 배치되는 것이 아니라, 수풍 부재에 직접 통합될 수도 있다. 제어 시스템은 본질적으로, 수풍 부재의 자세 및 비행 항로를 제어하는 오토파일럿(autopilot)을 포함한다.
수풍 시스템(100)은 밧줄과 윈치(210) 및 통신 경로를 통해, 사용자 인터페이스(205)와 연결된 탑재 시스템(200)에 연결된다. 탑재 시스템(200)은 카이트의 포지션의 제어는 물론 필요한 제어 명령을 머신(5) 및 선박의 러더(rudder)(6)에 보낸다. 탑재 시스템은, 카이트의 포지션이 탑재 시스템에 의해 원칙적으로 미리 결정되도록 하는 것은 물론 탑재 시스템에 중요한 정보를 수풍 시스템으로부터 받도록 하는 여러 통신 경로를 통해 수풍 부재에 연결된다.
탑재 시스템(200)은, 비용, 시간, 속도, 바람 이용, 그리고 가능하다면 풍향 및 풍속을 고려하여, 선박에 의해 유지되어야 할 항로를 탑재 시스템에 전달하는 네비게이션 시스템(300)과 연결된다. 바람 정보는 바람의 강도가 얼마나 되는 가 를 특정하는 파라미터를 포함할 수 있다. 또한, 바다의 상태 및 그로 인한 선박의 이동에 관한 정보를 포함할 수도 있다(이 경우, 바람 및 기상 정보는 나중에 설명하게 될 기상 정보 시스템(600)으로부터 얻는다). 네비게이션 시스템은 항해 정보 베이스(무빙 맵; moving map)(310)의 보조를 받는다.
탑재 시스템(200)을 구동하는 신호를 발생시키는 데 항로, 바람, 및 파도 정보가 이용되며 그 결과 카이트 시스템(100)이 적절하게 조절된다. 탑재 시스템(200)은 또한 머신(5) 및 러더(6)를 위한 구동 신호를 형성한다.
네비게이션 시스템(300)은 항로 시스템(400)에 의해 구동되며, 선박의 경제적 작동을 기반으로 하여 선박의 항로를 결정한다. 항로 시스템(400)은 외부 스테이션(500)에 의해 미리 결정되며 기상 정보 시스템(600)으로부터의 데이터와 조화되는 데이터에 근거하여 구동된다. 네비게이션 시스템(300)에 의해 현재 결정된 항로 데이터는 피드백 라인(무선, 위성)을 통해 외부 스테이션(500)에 피드백된다. 데이터는 또한 본 발명에 따른 시스템이 구비된 다른 선박에 의해 수용될 수 있으며 기상 시스템의 로컬 업데이트에 이용될 수 있다. 이로 인해, 나머지 항로를 외부로부터 미리 결정하기 위한 로컬 의존 항로 변경이 즉시 고려될 수 있다.
도시된 바와 같이, 카이트 시스템(100)은, 기상 조건(실제로 일어나는 바람 및 해상 조건), 및 선박이 가급적 비용을 많이 절감하도록 작동될 수 있는 경제적 제약의 고려 모두에 근거하여 최적의 항로가 미리 설정된다.
비상 시스템(700)은, 비상 조작 형태의 즉각적인 동작이 필요한 예측하지 못한 경우에, 필요한 제어 명령을 제공한다.
신호 시스템 및 통신 시스템은 각각 다른 블록(800, 900)으로 조합되어 다른 선박과 항해를 조화시킨다. 신호 시스템은 항해 안전 조명 및 무선에 의한 항해 데이터 전달을 포함하며, 근처에 위치한 다른 선박에 수풍 시스템, 예정 항로, 및 현재 항로에 관한 정보를 제공한다. 이와는 대조적으로, 통신 시스템은 정보 교환 프로세스의 나머지에 관한 모든 시스템을 포함한다.
도 2에서 메인 데이터 유동 경로는 실선으로 나타내었으며, 다른 메시지 경로는 점선으로 나타내었다.
도 3은 블록(100)을 보다 상세하게 나타낸 것으로, 수풍 시스템 및 도 2의 탑재 시스템을 구비한 블록(200)을 포함한다. 카이트(101)의 포지셔닝 및 제어는 여기서 설명된다. 강풍 특징 및 해상 정보를 포함하는 풍향 및 풍속 정보는 버퍼 저장소(211)로 보내지고 이 데이터는 버퍼링을 위해 저장된다. 풍향 및 모든 카이트 세팅이 외견상의 바람과 연관되기 때문에, 항로 정보는 처리 중에는 관련이 없다. 모든 조작은 카이트에 작용하는 외견상의 바람의 영향 및 선박과 관련되기 때문에, 수풍 부재의 선박에 대한 조절 및 조작은 현재 항로에 대한 어떠한 정보도 필요로 하지 않는다. 카이트(101)의 전개 중, 카이트의 포지셔닝과 관련하여 도 2의 기상 정보 시스템(600)으로부터 바람 정보를 먼저 받는다. 출발 후에 바람의 측정이 이루어지지만, 수풍 부재의 위치에서의 외견상 바람은 포지셔닝을 지배하는 요소이기 때문에 그 자체로 결정된다.
바람 데이터 및 해상 데이터는 메모리(212)를 어드레스하는 데이터 레코드를 함께 형성한다. 데이터 레코드는 수풍 부재의 요구되는 포지션 및 조작 유형에 대 한 참조표(look-up table)를 형성한다. 이 참조표는 일반적인 어드레스 메모리와 동일한 방식으로 편성되며, 버퍼 저장소(211)로부터의 출력 데이터는 어드레스 신호처럼, 수풍 부재를 위한 어드레스 데이터와 연관되는 상태 데이터가 저장되어 있는 개별 메모리 로케이션을 어드레스한다. 이러한 "참조표"는 입력 데이터와 출력 데이터를 소정의 기능 관계에 따라 ROM 형태로 서로 링크시키고, 따라서 수학적 관계(함수)로서 이해될 수 있다. 그러나, 해당 블록들은 실행의 일 예시만을 형성하며, 임의의 다른 원하는 기능성 부재 또는 어셈블리로 대체될 수도 있다. 예를 들어, 이것은 제어 소프트웨어가 적절한 메모리에 저장되어 있는 마이크로프로세서를 포함할 수 있거나, 기능 관계가, 내장된 전기 부품에 의해 아날로그 컴퓨터의 형태로 정해지는 전기회로일 수 있다. 본 실시예에서는 명료화를 위해, 참조표의 형태로 선택되어 나타내었으며, 그 이유는, 예를 들어 마이크로프로세서에 의한 해결은 연속적으로 수행되어야 하는 여러 프로그램 단계로 인해 마이크로프로세서에 연속적으로 공급되어야 할 프로그램 부분에 관한 복잡한 고려가 요구되므로 덜 명료하게 표시될 수 있기 때문이다.
바람직한 실시예에서, 제어 신호는 병렬로 처리되며, 소정 시간 및 대응되는 제어 공정에서의 예시된 블록을 작동시키는 스위칭 부재는 도시하지 않았다. 간단히 하기 위해, 하류의 블록에서 처리를 개시시키는 앞선 신호 상태와 상이하며 도달된 연관 상태를 유지시키는 후속 제어 신호는, 신호 변화가 일어날 때까지 새로운 처리가 수행되도록 한다.
따라서, 상태 데이터는, 한편으로는, 수풍 부재의 필요한 포지션, 즉 선박 및 전개될 밧줄의 길이에 대한 방향을 포함한다. 또한, 필요한 경우, 기상 정보 및 저장된 프로그램에 의해 카이트(101)가 사실상 조작되어야 하는 경우의 정보를 포함할 수 있다. 카이트가 안정된 상태, 즉 여러 포지션에서 고정된 방식으로 가이드되는 동안, 일부의 환경에서는 카이트가 다이내믹하게 제어되므로, 즉 소정의 비행 형태가 이루어지므로, 선박의 작동이 보다 양호하다. 그 이유는, 카이트가 바람에 대하여 상대 속도를 증가시키고, 그 결과 견인력이 증가되기 때문이다. 카이트의 현재 포지션은 카이트(101)의 네비게이션 시스템에 의해 결정대로 별도의 메모리(213)에 저장된다.
메모리(213)에 저장된 카이트의 실제 포지션은 선박과 관련되며 2개의 GPS 신호의 차이에 의해 바람직하게 결정된다. 이것은 한편으로는 카이트 시스템(100) 내의 카이트(101)를 위해 비행 카이트(101)와 연결되는 GPS 수신기(124)와 관련된다. 카이트(101)의 비행 포지션에서 결정된 포지션 데이터는 전송기(112)에 의해 선박의 갑판에 위치된 수신기(214)로 전송된다. 선박의 갑판에는 추가의 GPS 수신기(215)가 마찬가지로 제공된다. 수신기(214)로부터의 출력 신호와 함께 하는 출력 신호는 공제 장치(subtraction unit)(216)에 공급되고, 이를 통해 차등(differential) GPS 신호가 형성된다. 차등 포지션 데이터는 공제 장치(216)의 하류에 연결된 블록(217)에서 극좌표로 변환되며, 이것은 윈치(2)와 수풍 부재의 포지션 사이의 거리와 관련된다. 이들은 도 1b에 도시된 바와 같이 각도 α와 β, 및 케이블 길이 "L"이다. 이렇게 얻어진 차등 GPS 포지션 데이터는, 동시에 결정되고 선박 GPS 수신기가 선박의 이동에 의해 가급적 영향을 받지 않는 위치에 설치 되거나 이동이 보상되는 경우에, 매우 정밀하다.
또한, 이 경우, 윈치의 포지션과 선박의 GPS 수신기의 포지션 사이의 고정 값의 공제에 의한 좌표 차이를 고려할 필요가 있다. 이렇게 형성된 차등 GPS 수신기에 의해 결정되는 포지션은 시간 간격을 두고 결정된다. 만일 그 정확도가 적절하지 않다면, 가속 센서(117, 119, 120)에 의해 결정되는 값의 보조를 받을 수 있다. 적분 프로세스를 포함하는 대응 연산이 어셈블리(123)에서 수행된다. 다음 GPS 포지션 신호를 통과하기 전만이 적분 프로세스가 수행되어야 하는 시간 간격과 관련되기 때문에, 적분기는 장시간 동안 안정성을 보장하는 임의의 품질 조건을 따를 필요가 없다. (가속 센서는 나중에 설명하게 될 비행 조작, 즉 2중 기능을 가지는 안정화에 본질적으로 사용된다.) 또한, 고도계(129)(바람직하게는 기압계의 형태) 및 지구 자기장 센서(128)가 제공되어, 이들로부터의 데이터 항목이 네비게이션 신호(124)용 메모리에 공급된다.
선박에 대한 수풍 부재의 실제 포지션을 결정하기 위한 또 다른 가능한 방법은 고도계(129) 및 지구 자기장 센서(128)로부터 선박에 전송된 데이터를 이용하는 것이다. 이 데이터는 블록(227)에서 선박으로 전송되어 저장된다. 그리고 블록(227)에서, 고도계(233)로부터 선박으로 전송된 데이터 및 지구 자기장 센서(234)로부터 선박으로 전송된 데이터의 공제 프로세스가 수행된다. 고도계(129)가 기압계인 경우, 블록(600)으로부터의 기상 데이터(등압선) 또한 선박에서 기압을 결정하는데 이용될 수 있다. 이렇게 결정된 포지션 정보는 블록(217)으로 공급되고, 필요한 경우, GPS 데이터와 조화된다. 이로 인해, 2개의 독립 시스템으로부 터의 포지션 정보가 상호 지원에 이용되며, 하나의 시스템에 문제가 발생하여도 필요한 데이터가 여전히 가용하다.
메모리(212)로부터의 요구되는 카이트 포지션 판독은 이제 한편으로는, 수풍 시스템(100)의 실제 포지션이 메모리(212)로부터의 요구되는 포지션 판독과 일치되는 경우에, 비교기(218)로 공급되어 그 포지션이 메모리(213)에 저장된다. 이 경우, 선택된 조작 유형의 특징을 가지는 데이터 레코드는 가능한 회로(219)를 통해 조작 유형 메모리(220)로부터 판독된다. (이 경우, 정상적인 비행 상태는 임의의 조작에 의해서가 아니라 동일한 비행 포지션으로 유지되는 카이트에 의해 구분될 수 있다. 이것은 "제로" 조작 유형이다.)
따라서, 이러한 조작 유형 메모리(220)가 작동되면, 순차 유형의 비행 프로그램이 판독되고, 수풍 시스템(100)용 오토파일럿에 전송된다. 이 경우, 메모리(220)로부터의 출력 신호는, 데이터를 발신하여 수풍 시스템(100)용 수신기(113)에 공급하는 발신기(221)로 보내진다. 신호는 수신기(113)의 출력부로부터 오토파일럿 어셈블리로 보내지고, 이로부터 신호를 수신하는 조작 제어 장치(114)로 보내져서, 소정의 순차적 비행 조작을 확인하고, 관련된 비행 조작을 수행하는 비행 프로세서(116)로 공급되는 변환 값으로 변환시킨다. 이 경우, 설정될 값은 변환 값 비교기(115)에 전송되며, 다른 한편으로는, 비교기(115)에는 요 값 측정기(yaw value meter)(117)의 입력 신호가 공급된다. 이제 비행 프로세서(116)는, 카이트(101)의 비대칭 제동 또는 적절한 공기역학적 변형에 의해, 카이트(101) 상의 적절한 구동 부재를 통해, 소정의 관련 출력(125) 동안에 소정의 시퀀스로 터닝 비행 을 형성하게 된다. 비행 프로세서(116)의 2개의 다른 출력에 의해 구동되는 다른 공기역학적 효과는, 윙의 입사 각도 조절 및 리핑(reefing) 프로세스이며, 이것은 나중에 설명하기로 한다.
윈치(240)는 또한 포지셔닝 메모리(220b)로부터 구동되어 소정의 필요한 케이블 길이로 권출한다.
수직 축 둘레의 진동을 방지하기 위해, 하이패스(high-pass) 필터에 의해 필터링된 신호가, 제어 신호 상에 중첩되지만 오프셋 위상 각도로 비행 프로세서(116)에 추가로 공급되어, 진동의 개시를 방지한다. 요 운동은 출력(125)을 통해 조절될 수 있으며, 윙의 입사 각도는 출력(126)을 통해 설정된다. 공지된 바와 같이, 리프트/드래그 비율은 윙의 입사 각도의 크기에 의해 최적화될 수 있다. 카이트(101)의 리핑은 추가의 출력(127)을 통해 개시될 수 있다. 리핑은 리프트 및 드래그를 변화시키며, 개별 비행 조작에 필요할 수 있다.
카이트는 밧줄에 단단히 가이드되기 때문에, 롤링 및 피칭 운동에 대하여, 리프트의 중앙에서의 케이블의 장력 효과에 의해 자동으로 안정화된다. 그러나, 이 경우에서도 진동을 방지하기 위해, 각각의 경우에, 대응되는 방식으로, 자세 신호가, 롤 센서(119) 및 피치 센서(120)로부터 대응되는 인버팅 하이패스 필터(121, 122)를 통해 비행 프로세서에 전송되어, 수풍 부재(101)의 갑작스런 자세 변화에 대한 방지 및 보정을 하도록 한다.
따라서, 카이트가 소정의 포지션에 있는 경우(이 상태를 확인하는 출력 신호가 비교기(218)의 출력부에 출현되는 경우), 소정의 선택된 조작 유형이 판독되어, 카이트가 소정의 주기적인 비행 프로그램을 수행하도록 한다. 이러한 조작 유형이 전송되면, 제어는 수풍 부재용 오토파일럿에 의해 자동으로 수행되며, 장치(200)는 더 이상, 예측하지 못한 상황에 의해 요구 포지션을 카이트가 벗어나지 않도록 반응할 필요가 없다.
카이트가 전개되는 경우 메모리(212)로부터 판독된 설정 포지션이 변화되거나, 조작 도중에 그 포지션을 벗어남으로써, 수풍 부재(101)의 요구 포지션이 소정의 포지션과 조화되지 않는 경우, 비교기(218)의 출력부에서의 출력 신호는 사라지고, 스위칭 부재(219)를 통해 작동되는 메모리(220)의 조작 유형은 종료된다. 조작 유형(220)(좌측 부분)을 위한 메모리의 출력부에는 "제로" 신호가 나타나고, 이것은 수풍 시스템(100)의 오토파일럿에 의해, 대부분의 최근에 저장된 조작은 더 이상 수행되지 않는다는 의미로 해석된다. 그 대신에, 메모리(213)로부터 판독되고 GPS에 의해 결정된 카이트의 실제 포지션은 포지션 교정 장치(221)에 의해 메모리(212)로부터의 요구 포지션과 비교되며, 가이드를 요구 포지션으로 가이드하는 조작이 결정된다. 교정 장치(221)는 마찬가지로 참조표의 형태이며, 요구 포지션 및 실제 포지션(마찬가지로 선박에 관하여)이 조합되어 공통 어드레스 신호를 형성하며, 수풍 부재에 대한 대응 교정 조작의 정체(identity)는 실제 포지션(A)으로부터 요구 포지션(B)으로 판독된다. 특히 유의할 것은, 카이트를 조작하기 위해, 출발 및 도착 지점( 및 바람 및 파도의 상태)에 따라 상이한 조작이 선택되어야 한다는 것이다. 그러나, 임의의 원하는 카이트 조작은 전술한 방법에 의해 선택되고 수행된다.
바람의 세기 및 해상 상태는 수행될 조작의 역할을 하며, 이 데이터는 참조표 메모리(212, 221)를 통한 메모리(211)로부터의 "루프드-스루(looped-through)"일 수 있어서, 이 데이터는 소정 조작의 선택을 위한 데이터 레코드에서 여전히 가용하며, 적절한 조작이 선택될 수 있다. 그러나, 이것은 개별 상황에 대한 보정과 관련되지 않지만, 예를 들어, 일반적인 설정 가이드라인이 파고가 높은 상태에서 비행하는 카이트를 포함하여 파도의 방향에 따라 선박에 작용하는 힘에 대하여 가급적 보정을 할 수 있도록 한다. 따라서, 예를 들면, 선박이 심각하게 힐링(heeling)된 경우, 카이트를 측방 포지션으로 이용하는 것이 바람직하며, 심각하게 피칭되는 선박에 대하여는 전방 포지션으로 이용하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 해상 상태의 탐지를 위한 블록(231)으로부터의 출력 신호가 블록(211)으로 직접 보내져서, 전술한 상황에서의 적절한 카이트 포지션 및 조작의 선택에 영향을 주는 정보를 제공하도록 한다. 이러한 링크의 추가 기능은, 비행 조작의 부분을, 해상 상태에 따른 가속이 상호작용 하도록 선택하는 것이다. 이것은, 상이한 시간에 밧줄에 상이한 장력이 작용하는 주기적 비행 경로로 조작하는 비행을 포함하여, 이들 힘이 해상 상태에 의해 일어나는 가속에 대한 위상 변화에 의해 일어나도록 한다. 이것은 선박의 전체적인 운동을 감소시킨다. 조작에 의해 발생되는 상이한 장력에 의한 선박 운동의 보정 또는 감소는 해상 상태에 이용되는 다른 방법과 간섭되지 않는다. 그 이유는, 초기부터 감소된 선박 운동은 많은 노력을 필요로 하지 않아서 카이트 비행 경로에 대한 영향을 저감시키기 때문이다. 개별적인 선박 운동에 대한 보정에 대하여, 블록(231)의 설명을 다음과 같이 하기로 한다.
포지션 변경에 있어서, 메모리(220)의 우측 부분은 교정 장치(221)로부터 판독된 데이터 레코드를 가지는 스위칭 부재(222)를 통해 어드레스되며, 스위칭 부재(222)는, 스위칭 부재(219)가 작동되지 않는 경우, 즉 요구 포지션 및 실제 포지션이 동일하지 않은 경우, 인버터(223)에 의해 비교기로부터의 출력 신호에 의해 작동된다.
또한, 수풍 부재의 비행 안정성은 그 포지션에 대한 역할을 할 수도 있다. 카이트에는 다중 방향 램-기압계(ram-air pressure meter)(111)가 제공되어, 한편으로는 풍력계로서 작용하고, 다른 한편으로는, 비행 방향에서 측정된 성분에 대하여, 포지션 변경 조작의 형성과 함께, 적절한 신호에 의해 과도하게 낮아진 카이트 상의 입사 유동 상태를 전송하고, 윈치 컨트롤러(240)를 구동하여, 카이트의 포지션 변경을 가속시켜서 입사 유동 속도가 다시 증가되도록 한다. (윈치는 메모리(220b)의 우측 부분을 통해 바람 데이터 및 파도 데이터에 따른 "신중한(deliberate)" 포지션 변경의 경우에도 구동될 수 있어서, 예를 들어 수풍 부재의 높이가 변경될 수 있도록 한다.)
실제의 풍향 및 풍속을 결정하기 위해, 풍력계는, 상이한 방향을 지지하며 개별적으로 측정되는 압력 캡슐을 가지는 피토관(pitot tube)을 포함한다. 풍향 및 풍속은, 서로 직각으로 향하며 최고 압력 값을 가지는 3개의 압력 캡슐로부터의 압력 값으로부터 풍력계(111)의 정렬에 대하여 결정될 수 있다. 자기적으로 민감한 저항으로 이루어지는 브리지 회로를 포함하여 지구의 자기장의 힘의 라인 방향을 결정할 수 있도록 하는 자기장 센서(128)로부터의 출력 신호를 고려하면, 풍향 은 북향과 관련될 수 있으며 따라서 수풍 부재 상의 외견상 풍향으로서 선박에 전달된다. 필요한 경우, 자북(magnetic north)으로부터 진북(geographic north)으로의 교정이 선박에서 수행될 수도 있다.
블록(211)을 향하는 화살표는 카이트의 정상적인 비행이 이루어지지 않는 경우를 나타낸다. 정상적인 조작 제어의 나머지는 또한 인버터(223)의 상류에 연결되는 OR 게이트(224)를 통해 억제된다. (이것은 대응되는 방식으로 블록(228, 229, 230, 232)에 적용되며, 이것에 관해서는 후술하기로 하며 연관되는 신호 링크는 설명을 간단히 하기 위해 생략한다.)
블록(228)은, 각각의 프로그램이 포함된 조작 유형 메모리(220b)의 우측 부분을 통해 연관된 조작 유형의 선택 및 개시에 의한 "비상 투척(emergency jettison)"을 개시시킨다. 이 조작은, 바람직하지 못한 상황 또는 사고(예를 들어 방해물과의 충돌)로 인해, 수풍 부재가 선박에 중대한 위험을 주는 경우에 필요하다. 이 조작에서, 수풍 부재는 선박으로부터 완전히 분리된다.
블록(229 및 230)은 각각의 프로그램이 포함된 조작 유형 메모리(220b)의 우측 부분을 통해 연관된 조작 유형의 선택 및 개시에 의한 "전개" 및 "회수"의 적절한 조작을 개시시킨다.
"선박 이동"에 관한 블록(231)은, 적절하게 정렬된 가속도계에 의해 밧줄의 방향으로 가속 성분을 결정하고, 적분 후에, 밧줄의 방향으로 선박이 이동하는 것을 묘사하는 신호를 발생한다. 이 신호는, 수신기 및/또는 안테나가 올바른 포지션으로 장착되지 않은 경우, 포지션 신호를 형성하는(윈치 컨트롤러(240)의 포지션 을 교정하기 위해) 탑재 GPS 수신기에 공급된다. 이러한 GPS 포지션 신호가, 카이트 시스템(100)으로부터 수신기(214)를 통해 수신되는 GPS 포지션 신호와 함께 직접 평가되고 카이트(101)를 제어하는데 사용된 경우, 카이트(101)는 그 제어 프로세스에서 윈치의 해상 상태 운동을 따르게 된다. 그러나, 카이트(101)는 가상적으로 안정화된 선박 포지션에 대하여 비행하도록 되어 있기 때문에, 가속도계로부터의 통합된 신호는 블록(231)에서 GPS 수신기(215)에 공급되어, 처리를 위해 블록(216)에 공급된 신호로부터 공제됨으로써(방해되어), "안정된 플랫폼(stabilized platform)"의 포지션 신호가 처리된다. 이로 인해, 카이트(101) 비행 조작은 해상 방해를 받지 않는다. 특히, 밧줄 방향으로 작용하는 해상 성분이 비행체에 주로 영향을 미치는 반면, 이에 대한 횡방향 성분은 밧줄이 길 때 제로의 성향을 가지는 비행 벡터의 각도(α 및 β)의 변화에만 영향을 미치므로 무시될 수 있다.
해상의 파고가 높은 경우, 비교 블록(218)에서의 차이 검출에 의해, 비행 조작의 수행이 중단되는 상황의 발생을 피하고 교정 포지션으로 제어된 "비행"을 수행하도록 하기 위해(이 경우, 우측 조작 블록(220b)을 통한 윈치(240)의 작동에 의함), 블록(231)으로부터 윈치 컨트롤러(240)에 직접 링크가 이루어진다. 윈치 컨트롤러(240)는, 블록(231)에 의해 확인되는 밧줄 방향에서의 해상 운동에 따라 권출 및 권취하도록 하는 명령을 직접 수신하여, 카이트에 대하여 선박 이동이 직접 보정되도록 한다. 적절한 조작에 의한 포지션 교정은 어떠한 이유에 의해 이러한 보정이 더 이상 충분하지 않은 경우에만 개시된다.
조작이 수동으로 개시되도록 하기 위해, 도 2의 사용자 인터페이스(205)의 일부분인 사용자 입력부(232)에 의해 적절한 입력 명령이 입력될 수 있다. 수동 명령을 위해, 오토파일럿 장치, 및 조작 메모리의 좌측 부분(220a)의 윈치 컨트롤러(240)에 제어 명령을 직접 전송하기 위해 적절한 명령이 이용될 수 있으며, 상기 메모리로부터의 신호 출력의 나머지는 억압된다. 이들 명령은, "좌측", "우측", "스트레이트", "리프(reef)", "언리프(unreef)", "입사(+)", "입사(-)", "윈치(+)", "윈치(-)"의 기능을 포함한다. 모든 명령의 강도는 변화될 수 있다.
전술한 실시예에 포함되는 일 변형의 경우에, 수풍 부재의 현재 포지션을 계산하기 위해 시스템에 마찰 바람 및 경로 데이터를 입력함으로써, "예측 조작(predictive maneuvering)"이 수행되고, 정보를 위해 구성이 선택되어 디스플레이된다. 그리고, 선박 제어 시스템은 이로부터 시스템의 예측 가능한 거동을 추정할 수 있으며, 항해를 적절하게 조절할 수 있다. 이러한 예측 가능한 형태의 데이터의 다중 프로세싱은 여러 메모리 부재의 코너에서 다중 각도도 도 3에 표시되며, 이들 메모리의 내용을 나타내는 목적은 현재의 프로세스 제어와 관계없이 두 번 이상 평가되도록 하는 것이다. 따라서, 이 경우, 추가의 메모리 수단 및 비교 수단이 제공되어, 마찰 데이터를 포함하는 상이한 입력 데이터에 근거하여 연속적인 조작 상태가 비교될 수 있도록, 앞선 시각과 연관되는 신호를 나중에 발생하는 신호와 함께 저장할 수 있게 한다.
수풍 부재를 형성하는 패러글라이더가 제어되는 방식이 도 4a 내지 도 4c에 더욱 상세히 도시되었다. 도 4a에 도시된 수풍 부재(101)는, 유선형으로 디자인되고 밧줄(1.1)에 부착되는 컨테이너(102)에, 제어 목적으로 연결된다. 컨테이 너(102)로부터 나오는 제어 라인(103)은 포인트 매트릭스의 형태로 배열되고, 매트릭스의 칼럼(column)은 로마자 I 내지 V가 부여되고, 비행 방향으로 연장된다. 로우(row)는 대문자로 표시되고, 그 순서는 비행 방향에 대해 반대 방향이다. 이 경우에 한 가지 중요한 인자는, 라인 트리의 형태로 브랜치에 합병되어 하부 직물 덮개 층(105)에 연결되는 개별 라인은 패러글라이더의 공기역학적 조화를 얻도록 개별적으로 또는 그룹으로 길이를 단축 또는 연장할 수 있다는 것이다. 비행 방향은 화살표(107)로 표시되었다.
매트릭스의 형태로 배열되는 제어 라인(103)은, 유선형으로 디자인되고 전방으로 둥글게 되는 컨테이너(102)에서 종료된다. 풍력 터어빈(108)은 공기 흐름에 의해 구동되고 발전기에 연결되는데, 발전기는, 제어 라인(103)의 조절을 위해, 풍력 에너지를 아래에서 더 설명될 구동 부재를 작동시키는 데에 필요한 에너지로 변환시킨다. 이러한 목적을 위해서는 다른 형태의 에너지가 이용될 수 있지만, 전기 에너지와 공기 에너지가 바람직하다. 공기 에너지가 이용되면, 발전기는 컴프레서의 형태이고, 다음의 도면을 참조하여 설명되듯이, 보조 에너지를 직접 공급한다.
도 4b는 제어 기구의 제1 실시예의 개략도이다. 여기에서 알 수 있듯이, 이 경우에 제어 라인(103) 역시 매트릭스과 유사한 배열을 형성하는데, 그것은 패러글라이더 형태의 카이트를 제어하기 용이하게 한다. 모든 제어 라인(103, 103a)은 제1 록커(rocker)(140) 및 공통 작동 요소 상에서 조합된 형태로 각각 구동된다. 록커는 액슬 스터브(axle stub)(141, 142)에 피봇 가능하게 장착되는데, 회전 베어링은 도면의 간결성을 위해 생략되었다. 라인의 배열은 역시 로우(A 내지 C, 및 Z)와 칼럼(I 내지 V)을 형성한다. 제1 전기 구동 모터(143)는 치차 벨트(144)를 통해 록커(140)를 구동하여, 라인 로우(A 내지 C, 및 Z)의 라인은 각각 동일한 양만큼 이동된다. 라인 로우(A 및 Z)는 록커 상에서 바깥쪽에 위치되기 때문에, 함께(그러나, 반대 방향으로) 가장 큰 선형 이동을 되며, 라인 로우(B 및 C)(마찬가지로, 반대 방향으로)는 각각 선형 거리의 반만큼만 이동된다. 여기에 설명된 작동은 카이트의 입사각을 필요한 공기역학적 환경에 적합하게 세팅하는 것에 해당된다. 록커(140)를 작동시키면, 수풍 부재(101)에 의해 형성되는 윙의 고도가 조절된다.
추가적 록커(145)가 록커(140) 상에 횡방향으로 장착되고, 샤프트(146) 주위로 회전될 수 있도록 장착된다. 추가적 록커(145)는 제2 전기적 구동 모터(147)에 의해 치차 벨트(148)를 통해 구동된다. 이 경우에, 록커(145) 상의 라인(103a)은 록커(140)에 의해 발생되는 구동 이동에 더하여 마찬가지로 함께 구동된다. 이때의 상황은, 바깥쪽에 위치되고 로우(I 및 V)에 속하는 라인들은 가장 큰 거리(반대 방향으로)로 이동되며, 안쪽에 위치되는 라인(II 및 IV)의 이동은 그에 대응하여 작다. 이와 관련하여, 라인(III)은 완전히 정지된 상태로 유지된다. 록커(145)에 의해 구동되는 칼럼(Z) 내의 라인은 카이트의 트레일링 에지에 작용하며, 항공기의 보조 날개의 이동에 대응하는 방식으로 비행 방향(요잉)을 제어한다. 따라서, 이것은 카이트의 트레일링 에지의 영역에서의 비틀림을 발생시킨다.
알 수 있듯이, 라인은 또한 바람직한 프로파일에 따라 카이트를 변형시키도록 다른 방식으로 그룹으로 구동될 수 있다. 예로서, 록커 추가적으로 구동되고 추가 구동 부재가 제공될 수 있어, 구동 이동의 다중 분할이 가능하다. 예를 들면, Z 라인(브레이크들)들의 한쪽 방향의 작동 또는 수풍 부재의 추가적 비대칭 변형은, 예를 들면, 그룹(II 및 IV)의 라인들이 가이드 롤로 및 이중 라인 배열에 의해 (풀리 블록은 도시되지 않음) 스텝 다운됨으로써 적게 이동되는 동안에, 그룹(I 및 V)의 라인을 직접 구동함으로써 가능하다. 풀리 블록은, 라인 거리를 연장하는 것이 목표일 때, 스텝-업 수단으로서도 사용될 수 있다.
모터(143, 147)를 위한 에너지는, 에너지 저장고(150)(재충전 가능 전지 또는 고용량 캐피시터, 특히 "Goldcap")를 충전시키는 DC 전압 발전기(149)를 구동하는 풍력 터바인(108)에 의해 발생된다. 에너지는, 필요한 구동 전압(펄스)을 전기 모터(143, 147)에 공급하는 제어 유닛(151)에 공급된다. 제어 유닛(151)은 상술한 오토파일럿 유닛(114)으로부터 제어 명령을 수신한다.
알 수 있듯이, 설명된 형태의 결합 구동은 구동 부재의 수를 감소시킨다. 이 경우에 결합되어 구동되는 작동 요소는 또한, 회전될 수 있도록 장착되는 다른 형태의 요소, 1개의 구동 모터를 통해 결합되어 이동되는 록커, 레버 등을 포함할 수 있다. 개별 제어 라인은, 브랜치를 통해서, 패러글라이더의 하부 웨브 상의 다른 방식으로 선택된 부착 지점에 부착된다. 이렇게 함으로써, 작동 요소의 이동은, 바람직한 추진 또는 조종 운동에 필요한 공기역학적 형상의 변화를 발생시키도록, 수풍 부재 전체 또는 일부의 바람직한 기하학적 변화로 변환된다. 이 경우에, 예로서, 제어 라인을 적절하게 배열하면, 이중 외피의 패러글라이더의 카이트 프로파일의 두께를 변화시킬 수 있게 한다. 이 경우에, 당김줄은, 하나 걸러 하나씩, 상부 덮개면에 부착되도록, 하부 덮개면에 연결되지 않고 하부 덮개면을 통과할 것이다. 이들 줄들은 단축될 수 있는 반면에, 다른 라인들은 길이가 변경됨이 없이 하부 덮개면에 견고히 연결된다.
본 발명에 따른 수풍 부재를 제어하는 수단의 다른 실시예에서, 도 4c에 도시되었듯이, 구동 부재는, 압력이 증가될 때 길이가 단축되도록 횡방향으로 확장되는 공압 부재(152)에 의해 각각 형성되는 선형 액추에이터를 포함한다. 이들과 같은 부재는 "인공 근육"으로서 공지되어 있으며, 공압식으로 구동된다. 각각의 공압 부재(152)는 1개의 라인(103)에 연결된다(도 4c에서 예로서 도시되었다). 이 도면에 도시되는 실시예에서, 베이스 표면(153)은 고정되고, 개별 액추에이터(152)는, 도 4b에 도시된 실시예에 대응하는 라인의 처짐을 발생시키도록, 미터링 유닛(154)을 통해 필요한 양의 압축 공기로 각각 구동된다.
"인공 근육"으로서의 액추에이터는 공기로 채워지고, 작동 중에 그들의 성질에 의해 수축된다. 이것은, 한 방향으로 응력을 받을 때, 서로 직각인 축방향으로 수축되는 와이어-메시 직물의 형태를 가진 가요성 시드(sheath)를 둘러쌈으로써 달성될 수 있다. 미터링 장치(154)는 후에 설명될 오토파일럿으로부터 오는 출력 신호에 의해 마찬가지로 구동된다. 필요한 압축 공기 에너지는, 도시된 실시예에서, 공기 압축기(155)가 뒤따르는 풍력으로부터 얻이진다. 이러한 공기 압축기(155)는 예를 들면 축방향 압촉기(항공기 터어빈) 또는 방사상 압축기(터보차저)로서의 형태를 가질 수 있다.
리이핑 장치의 2개의 실시예가 도 4d 및 도 4e에 도시되었는데, 도 4d는 전 기 윈치를 가진 리이핑 장치의 실시예의 기계 원리를 설명하는 개략도이고, 도 4e는 공압 액추에이터를 가진 리이핑 장치의 실시예의 기계 원리를 설명하는 개략도이다. 도 4에 도시된 실시예에서, 수풍 부재(101)를 위한 것으로서, 프로파일을 형성하는 구조물을 형성하는 직물 웨브(160 내지 165)가 도시되었다. 이 개략도에서는 덮개면은 생략되었다. 전기 서보 모터(166)는 스텝핑 모터의 형태를 가지며, 그 구동 디스크의 양쪽 단부에 2개의 권선 디스크(167, 168)가 장착된다. 이들 디스크들은 2개의 당김줄(169, 170)을 반대 방향으로 권선하고, 이들 당김줄(169, 170)은 부착점(171, 172)들에서 각각의 웨브(160, 165)에 연결된다. 모터(166)가 작동될 때, 당김줄을 단축시키고 웨브(160, 165)를 당긴다. 다른 웨브(161 내지 164)를 위한 당김줄(169, 170)은 컷아웃(173, 173', 174, 174')을 통과하여, 이것들이 리이핑될 때 윙의 접혀지는 덮개층 위로만 통과된다. 부분 리이핑은 당김줄(169, 170)을 부분적으로 당김으로써 가능하다. 돛의 확장은 서보 모터(166)를 반대 방향으로 작동시킴으로써 수행되는데, 그 경우에, 패러글라이더(도 2 참조)의 형태를 가진 수풍 부재(101)는, 추가적 작동력 없이, 만곡된 형상 및 라인 상의 당기는 힘에 의해 다시 확장된 상태로 된다. 도 4d에 개략 도시되었듯이, 2개의 권선 디스크(167, 168)를 가진 구동 샤프트는 직물 웨브(162, 163) 사이에, 즉 윙 프로파일 내에 배치될 필요는 없다. 그것은 바람직하게는 컨테이너(102) 내에 배치될 수 있고, 그 경우에는 당김줄(169, 170)은 컨테이너(102)로 보내어진다. 그러나, 이들 당김줄은 컨테이너(102)를 통과할 수도 있다.
도 4e에 개략적으로 도시된 다른 실시예에서, 날개(spar)와 유사하며, 공압 액추에이터(179 내지 181)를 가진(도 4c에 도시된 실시예에서와 동일한 방식으로) 웨브(175 내지 178)는, 당김으로써 웨브 사이의 거리를 감소시켜 리이핑 작동을 수행하도록 설치된다. 액추에이터의 양쪽 단부들은 2개의 인접 웨브들에 각각 견고하게 연결된다. 이 경우에도, 돛의 확장은 액추에이터(179 내지 181)를 반대 방향으로 작동시킴으로써 능동적으로 수행될 수 있다.
도시되지 않은 추가적 실시예는 에너지를 얻기 위해 이용하는 것에 관한 것인데, 물의 흐름에 의해 특히 선박의 프로펠러 또는 터바인을 통해 구동되는 발전기가 설치되고, 발생된 전력을 전기 저장고, 특히 수소 발생기에 공급한다. 따라서, 이것들은, 에너지를 얻고, 발생된 전기 에너지로부터 물을 전기 분해함으로써 수소를 발생시키며, 발생된 수소는 대응 탱크로 운반되어, 선박이 항해하는 포트에 배출되거나 해상에서 적절한 운반 선박으로 이송되도록, 전 세계에서 풍속이 높은 지역에서 유일하게 항해하는 유닛일 수 있다.
실시예의 개별적 요소의 상세사항에 대해, 본 출원인이 동시에 출원한 특허출원을 참조하였다.
본 발명은 상술한 실시예에만 국한되지 않는다. 독립항의 조합들은 본 발명의 범위에 있다는 것은, 상술한 설명에 기초하여 당업자에게 명백하게 될 것이다.

Claims (24)

  1. 전용, 보조적 또는 비상용 추진 시스템으로서 윙(wing) 프로파일을 가진 자유비행 카이트식 수풍 부재(1)가 복수개의 고정 케이블로 분산될 수 있는 밧줄(hawser)(1.1)에 의해서만 선박(4)에 연결되어 있는, 풍력 추진 선박에 있어서,
    상기 수풍 부재에 인접하여 또는 상기 수풍 부재 내에 설치되어 있고 상기 수풍 부재에 작동 가능하게 연결되어 있는 적어도 하나의 능동 구동 부재(140, 145, 152)를 통해, a) 상기 선박(4)에 대해 소정의 위치로의 안내와 유지, 및 b) 동적 조종, 중 하나 이상을 위해, 공기역학적 효과의 변화에 의해서, 상기 수풍 부재(1)가 변화될 수 있고,
    복수개의 제어 라인(103)은 매트릭스식 배열을 형성하고, 상이한 제어 라인(103)들이 공동으로 구동되는 상기 능동 구동 부재(140, 145)를 통해 조합된 형태로 구동되며, 개별의 상기 제어 라인(103)들은, a) 상이하게 선택된 부착점들, 및 b) 상이하게 선택된 스텝-업 또는 스텝-다운 비율, 중 하나 이상에 의해 상이한 선형 이동을 가지도록 구동되고,
    상기 구동 부재는, 윈치 및 선형 액추에이터(152) 중 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 능동 구동 부재(140, 145, 152)에 상기 구동 부재의 위치에 배치되어 있는 저장고로부터 보조 에너지가 공급되는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수풍 부재(1)의 정렬, 고도, 및 형상 중 하나 이상을 변화시킴으로써 상기 수풍 부재(1)의 공기역학적 효과를 변화시키기 위한 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수풍 부재(1)의 공기역학적 효과를 변화시키기 위한 수단은,
    a) 상기 수풍 부재(1)의 실속(失速; stall) 에지의 정렬에 영향을 주는 것에 의해
    b) 상기 윙 프로파일을 뒤트는 것에 의해,
    c) 상기 윙 프로파일의 형상에 대해 밧줄의 부착점을 변화시키거나 리이핑(reefing)하는 것에 의해 상기 윙 프로파일의 곡률의 대칭 또는 비대칭 변화에 의해,
    d) 상기 윙 프로파일의 고도각의 변화에 의해, 또는
    e) 상기 a) 내지 d) 중 둘 이상의 조합에 의해
    상기 형상을 변화시키기 위한 수단을 포함하고,
    상기 윙 프로파일이 2개의 층을 포함하는 경우, 상기 형상을 변화시키기 위한 수단이 상기 2개의 층(105, 106)들 사이의 거리를 변화시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  5. 제3항에 있어서,
    양쪽에서 작동하고, 반대 방향으로 작동하며, 동일 방향으로 또는 비대칭적으로 상기 윙 프로파일을 변화시키기 위한 수단은 공통 구동 부재(140, 145)를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  6. 제5항에 있어서,
    수풍 부재(1)가 적어도 부분적으로 직물 또는 다른 가요성 재료로 구성되는 경우에, 상기 공기역학적 효과를 변화시키기 위한 수단은, 상기 구동 부재에 의해 적어도 하나의 제어 라인(103)의 조절을 위한 장치를 구비하며, 상기 제어 라인(103)은 스텝-업 또는 스텝-다운 효과를 가진 풀리 블록의 형태의 적어도 하나의 굽힘 또는 피드백 영역을 가진 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터(152)는 압력 매체 의해 구동될 수 있고, 압력이 증가될 때 길이가 감소되는 공압 부재의 형태인 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  8. 제5항에 있어서,
    풍향 및 풍속 중 하나 이상을 특징짓는 신호로부터 적어도 간접적으로 상기 구동 부재(140, 145, 152)용 제어 신호를 결정하고, 해상 상태를 특징짓는 신호를 결정하기 위한 수단이 구비되며, 상기 풍향 및 풍속 중 하나 이상을 특징짓는 신호와 상기 해상 상태를 특징짓는 신호는 센서에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  9. 제8항에 있어서,
    각각의 상기 센서는 프로세서 또는 로직 유닛을 수반하며, 상기 프로세서 또는 로직 유닛은, 상기 신호는 상기 수풍 부재(1)용 위치 신호, 정렬 신호, 및 조종 신호 중 하나 이상을 생성하기 위해, 고정식 또는 가변식으로 결합된 각각의 센서로부터의 신호를 이용하며, 상기 구동 부재(140, 145, 152)용 제어 신호를 적어도 간접적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  10. 제8항에 있어서,
    적어도 하나의 위치 센서 요소가 상기 수풍 부재(1)에 직접 구비되고, 3차원 상에서의 위치 및 정렬 중 하나 이상에 대한 출력 신호를 출력하며, 상기 출력 신호는 감산 장치의 제1 입력부에 공급되고, 상기 감산 장치의 다른 입력부에는 상기 위치 신호, 정렬 신호, 및 조종 신호 중 하나 이상이 공급되며, 상기 구동 부재(140, 145, 152)용 제어 신호를 적어도 간접적으로 형성하는 방향 신호 및 교정 신호 중 하나 이상은 상기 감산 장치의 출력부에 이용될 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 위치 센서는 차동 GPS 또는 다른 항해 장치이며, 상기 차동 GPS 또는 다른 항해 장치는, 추가적 가속도 센서 신호 및 지구 자계 센서 신호 중 하나 이상과 합산되어, 상기 수풍 부재(1)의 위치 및 정렬 중 하나 이상에 관한 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 수풍 부재의 위치를 결정하기 위해, 고도계가 상기 선박(4) 및 상기 수풍 부재(1)에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 밧줄(1.1)의 길이 및 정렬이 상기 수풍 부재(1)의 위치를 결정하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  14. 제8항에 있어서,
    GPS 신호가 "안정된 플랫폼"과 관련되도록 차동 GPS에 의한 위치의 결정이 상기 밧줄의 방향으로의 상기 선박의 이동에 대해 보상되도록, 또는 윈치(2)가 위상 시프트로 구동되도록, 또는 GPS 신호가 "안정된 플랫폼"과 관련되도록 차동 GPS에 의한 위치의 결정이 상기 밧줄의 방향으로의 상기 선박의 이동에 대해 보상되고 윈치(2)가 위상 시프트로 구동되도록, 상기 수풍 부재(1)의 이동을 감소시키기 위해, 상기 선박(4)의 파의 이동의 성분을 이용하는 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 방향 신호 및 교정 신호 중 하나 이상은 오토파일럿 장치에 대한 입력 신호를 형성하고, 상기 오토파일럿 장치의 입력부에는 상기 구동 부재(140, 145, 152)의 상기 입력부가 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 오토파일럿 장치에는 가속도 센서 및 지구 자계 센서 중 하나 이상으로부터의 출력 신호가 추가적 교정 신호로서 공급되는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 센서와 신호 처리 수단의 일부는 상기 선박(4)의 갑판에 일부는 상기 수풍 부재(1)에 각각 설치되어 있고, 상기 센서와 상기 신호 처리 수단의 2개의 그룹 사이에서 신호를 교환하기 위해 신호 전달 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 위치 및 정렬 신호는 상기 선박(4) 또는 지구 표면에 대한 상기 수풍 부재(1)의 위치에 관련되는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  19. 제1항에 있어서,
    임박한 실속 또는 이미 발생된 실속을 위한 실속 센서가 구비되고, 상기 실속 센서는 주위에 흐름이 통과하는 상기 수풍 부재(1)의 표면의 영역에 설치되어 있는 부재를 포함하고, 상기 부재는 기류가 존재할 때 출력 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  20. 제8항에 있어서,
    상기 구동 부재(140, 145, 152) 및 상기 센서는 컨테이너(102) 내에 설치되며, 상기 컨테이너(102)는 유선형으로 디자인되고, 상기 밧줄(1.1)에 대한 힘이 작용하는 점을 형성하며, 상기 컨테이너(102)로부터 고정 및 제어 라인(103)이 시작되고, 상기 컨테이너(102)에 상기 수풍 부재(1)가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 컨테이너(102)는 물방울(droplet) 모양인 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 컨테이너(102)는 윙 프로파일의 형태인 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  23. 제1항에 있어서,
    에너지를 얻기 위한 발전기가 설치되어 있으며, 상기 발전기는 상기 선박(4) 외부의 수류에 의해 구동되며, 발생된 에너지를 에너지 저장고에 공급하는 것을 특징으로 하는 풍력 추진 선박.
  24. 삭제
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