KR101611779B1 - 연 지상 스테이션과 이를 이용하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

공중 발전(airborne power generation)을 위하여 구성된 지상 스테이션을 갖는 연 시스템. 연 시스템은 복수의 터빈 구동 발전기를 그 위에 탑재하는 하나 이상의 에어 포일을 구비하는 연을 포함할 수 있다. 터빈 구동 발전기는 또한 수직 이륙 및 착륙 양태를 포함할 수 있는 이륙을 하는 동안에 사용되는 동력 비행 모드에서 모터 구동 프로펠러로서 기능할 수 있다. 이륙 및 착륙이 용이하도록 구성된 퍼치(perch)는 시스템의 일부로서 사용될 수 있다. 퍼치는 피벗(pivot)이 테더(tether)의 장력 방향을 향하도록 회전할 수 있다.

Description

연 지상 스테이션과 이를 이용하는 시스템{KITE GROUND STATION AND SYSTEM USING SAME}
본 출원은 발명자가 반더 린드(Vander Lind)인 2011년 12월 18일자 미국 가특허 출원 제61/577,039호의 우선권을 주장하는 것으로, 본원에 그 발명 전체가 참조로 인용된다.
본 발명은 줄에 묶인 비행체(flying vehicles)를 비행시키고 자리에 앉히는(perching) 시스템 및 방법에 관한 것이다.
줄에 묶인 날개를 포함하는 크로스윈드 연 시스템(crosswind kite system)은 예를 들면, 발전을 위한 목적, 물체이나 차량 등을 공수하거나 견인하기 위한 목적으로, 바람으로부터 유용한 힘을 추출할 수 있다.
일관된 힘을 발생시키거나 이용하기 위해서는, 연을 반복적인 궤도(즉, 제한된 사이클)로 날려야 한다. 또한, 다양한 기후 변화의 범위, 예를 들면 높은 풍속, 큰 돌풍, 난류, 또는 다양한 바람 환경에서 연이 하늘 높이 일관된 궤적으로 비행하는 상태로 유지되어야 한다. 하지만, 연은 항공기와는 달리 착륙을 하기 위한 구성이 충분하지 않기 때문에 일반적인 연의 이륙 및 착륙에 어려움을 보일 수 있다. 그러므로 연 시스템이 이륙 및 착륙을 할 수 있도록 하며, 높고 변화하는 바람 속에서 안전하게 작동할 수 있도록 하는 작동 모드가 필요하다.
공중 발전(airborne power generation)을 위하여 구성된 연 시스템. 본 발명의 연 시스템은 복수의 터빈 구동 발전기를 그 위에 탑재하는 하나 이상의 에어 포일을 구비하는 연을 포함할 수 있다. 터빈 구동 발전기는 또한 수직 이륙 및 착륙 양태를 포함할 수 있는 이륙을 하는 동안에 사용되는 동력 비행 모드에서 모터 구동 프로펠러로서 기능할 수 있다. 이륙과 착륙이 용이하도록 구성된 퍼치(perch)는 시스템의 일부로서 사용될 수 있다. 퍼치는 피벗(pivot)이 테더(tether)의 장력 방향을 향하도록 회전할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 연 시스템을 그린 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예에 따른 연 시스템에 사용되는 퍼치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따른 연 시스템에 사용되는 지상 스테이션(ground station)의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예에 따른 연 시스템에 사용되는 지상 스테이션의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 연 시스템을 그린 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예에 따른 퍼치 버킷을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예에 따른 모션 스터디(motion study)와 퍼치 백스톱(back stop)의 수직 방향을 도시한 다이어그램이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예에 따른 퍼치 버킷을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예에 따른 퍼치 후크를 예시한 도면이다.
연의 이륙 및 착륙을 위한 지상 스테이션을 포함하는 연 시스템에 대하여 개시한다. 연에 회전자를 결합한 연 시스템은 다수의 목적으로 개발되어 왔는데, 그 목적은 전력 생산, 견인 또는 기동력 있는 디바이스로의 사용, 그리고 원격 감시 또는 관찰에의 사용을 포함한다. 기내의 전기 발전을 사용하여 전력을 생산하기 위하여, 일부 연 시스템은 크로스윈드 비행경로로 비행하고 탑재된 회전자(rotor)를 사용하여 전력을 생산하도록 설계된다. 생산된 전력은 테더로 전송되고 배터리나 그리드(grid)에 공급된다. 이륙 및 착륙을 위하여, 연 시스템은 연을 공중 정지 비행(hovering)시키는 탑재된 회전자에게 정 추력(thrust)을 제공하기 위해서 탑재된 회전자에 인가된 전력을 사용한다.
줄에 묶인 기구(craft)의 착륙을 지지하기 위하여 테더는 자유 피벗팅 퍼치 베이스(freely pivoting perch base)에 부착된 윈치에 감긴다. 윈치가 돌면, 퍼치 베이스를 연의 방향으로 향하게 하고 테더를 윈치 위의 조직화된 랩에 감는 윈치 드럼 위에 테더를 고르게 감도록 구성된 레벨와인드와 테더가 결합할 때까지, 자유 피벗팅 베이스의 반대 방향 회전이 야기된다. 테더가 완전히 감기고 나면, 회전자의 전원이 꺼진 후에 날개가 휴지 상태로 놓이는 퍼치 버킷의 바닥에서, 매우 제한된 인터페이스로 연의 날개를 지향시키고 가이드하는 퍼치 버킷에 연이 접한다. 반대 작동은 계속되는 작동을 위한 연의 재 이륙 시에 사용된다. 연이 퍼치 버킷으로부터 이륙하고 테더가 풀리게 되면, 윈치는 테더가 레벨와인드와 결합되었던 포인트에서 벗어나 돌고, 테더는 레벨와인드와 분리된다. 이제 테더는 짐벌(gimbal)에 의해 오직 지상 스테이션에만 연결되어, 고도, 방위각, 축 회전에 있어서 자유로운 회전을 할 수 있다. 짐벌은 시스템 비행 동작 중에 테더 표면이 상하는 것을 막아 준다.
도 1은 연(101), 지상 스테이션(102), 그리고 테더(103)를 포함하는 연 시스템의 실시예를 도시한 다이어그램이다. 연(101)은 일부 실시예에서 원형인 의사주기적(pseudoperiodic) 비행경로(104)를 따라 비행한다. 일부 실시예에서, 연 시스템(100)은 연-기반 전력 발전 시스템이다. 다른 실시예에서, 지상 스테이션(102)이 배, 기차, 또는 다른 선박에 탑재되어 있다. 일부 실시예에서, 연 시스템(100)은 원격 감시, 운송, 관찰, 견인, 전력 생산, 또는 다른 용도로 사용되는 연 시스템이다. 전형적인 실시예에서, 연(101)은 에일러론(aileron)과 연(101)을 제어하기 위한 구성을 가진 꼬리를 포함할 수 있는 강성 에어 포일이다. 연(101)은 세 개의 블레이드를 가진 각 터빈에 의해 구동되도록 구성되는 네 개의 발전기(109)를 포함할 수 있다. 네 개의 발전기는, 두 개의 발전기가 연의 중심을 기준으로 양 쪽에 위치하고, 각 측마다 하나의 터빈/발전기 조합이 에어 포일 위에 놓이고, 그리고 하나의 터빈/발전기 조합이 에어 포일 밑에 놓이도록 구성될 수 있다. 공중 발전 모드에서 연(101)은 환경 풍속을 초과한 겉보기 풍속(apparent wind speed)을 터빈에 충분히 제공하는 크로스윈드 비행 패턴으로 날 수 있다. 발전기(109)는 또 다른 비행 모드에서 전기 모터로 구성되고, 그때 세 개의 블레이드를 가진 터빈은 추력을 제공하는 프로펠러 역할을 한다. 공중 정지 비행 모드에서 연(101)은 탑재된 회전자(109)의 추력 하에 지상 스테이션(102)에서 이륙하고, 테더(103)는 도시된 바와 같이 그 테더의 전체 작업 길이까지 풀리게 된다. 연(101)의 지상 스테이션(102)으로부터의 이륙 모드는 테더가 시스템에 맞서는 힘을 제공할 때와 같은 자유 비행 모드와는 다르지만 수직 이륙 모드와 비슷하다. 그 시스템은 연(101)이 지상 스테이션(102)으로부터 이륙하는 동안 다른 제어 힘에 맞서는 균형 힘으로서 장력을 이용하도록 구성될 수 있다. 이륙 이후, 연(101)은 그 기능을 수행하도록 작동한다. 실시예에 도시한 바와 같이, 환경 풍속(127)이 다수 있는 장소에서 실질적으로 지상 스테이션(102)의 바람이 부는 방향으로 연(101)은 비행경로(104)를 따라 비행한다. 공중 발전 모드에서, 연(101)은 탑재된 회전자(109)를 기내의 발전기를 돌리고, 테더(103)에 매립되어 있는 도전체에 전도되는 전력을 생산하는 데에 사용한다. 자동제어 시스템 또는 운용자(human operator)가 연(101)이 착륙해야 하는 경우에, 회전자(109)에 의한 추력이 중력과 반대되는 힘으로 연(101)에 다시 가해져서 연(101)이 하늘 높이 유지되는 공중 정지 비행 모드로 돌아간다. 공중 정지하는 동안, 지상 스테이션(102)은 테더(103)를 감아 당겨 테더(103)가 전부 감기고 나면 연(101)이 지상 스테이션(102)에 착륙할 수 있게 된다.
도 2는 연 시스템(예를 들어, 도 1의 연 시스템(100))에 사용되는 퍼치(예를 들어 도 1의 퍼치(102))에 대한 상세 도시이다. 퍼치(202)는 윈치(205)를 포함한다. 일부 실시예에서, 윈치(205)의 접지면이 부착되는 짐벌(206)의 접지면이 그 윈치(205) 안에 매립되어 있다. 윈치(205)는 연 시스템(200)이 연(201)을 이륙시키거나 착륙 시킬 때 테더(203)를 감거나 풀기 위해 사용된다. 짐벌(206)의 접지면은 테더(203) 내의 플렉스 유도 없이, 짐벌(206)의 접지면 안의 베어링 위에서 테더(203)의 베이스를 회전하는 테더(203)와 윈치(205)의 연결 각도를 허용하는 베어링 세트를 포함한다. 일부 실시예에서, 짐벌(206)의 접지면은 또한 테더(203)가 테더 축을 중심으로 회전하게 함으로써, 비행경로(104)가 위상학적으로 원형이 되는 경우에 테더(203)가 반대로 트위스트 되도록 하는 베어링을 포함한다. 일부 실시예에서, 짐벌(206)의 접지면은 짐벌(206)의 접지면이 테더(203)가 테더 축을 중심으로 회전하도록 할 때, 전기신호가 테더(203)부터 윈치(205)까지 지나도록 허용하는 슬립링(slipring)을 추가로 포함한다. 짐벌(206)의 접지면은 윈치(205)의 윈치 드럼 안에 매립되어 있고, 윈치(205)의 윈치 드럼의 형태와 곡률은 테더(203)가 짐벌(206)을 건드리지 않고 짐벌(206)을 감거나 지나도록 구성된다. 일부 실시예에는, 윈치(205)의 윈치 드럼이 실질적으로 원통형이며, 그리고 레벨와인드(207)는 그것이 윈치(205) 위에 감길 때 짐벌(206)의 접지면 위에 놓인 테더(203)를 피하도록 작동된다. 짐벌을 오버레이(그리고 숨기기) 할 수 있는 감겨있는 테더는 윈치 드럼의 홈을 도시한 것의 명확성을 위하여 도 2에는 나타나지 않는다. 감겨있는 테더는 보일 수가 있는데 만약 보인다면, 윈치 드럼의 외부를 감고 있는 것이다. 윈치의 감기는 형상에 대한 추가 실시예는 도 8에서 볼 수 있다. 실시예에 도시된 바와 같이 일부 실시예에서, 윈치(205)가 수직축을 중심으로 회전한다. 다른 일부 실시예에서, 윈치(205)는 수평 축으로 회전한다.
지상 스테이션(202)은 테더(203)를 윈치(205)의 드럼 위로 가이드하는 레벨와인드(207)도 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 레벨와인드(207)는 테더(203)를 그것이 윈치(205)의 드럼에 감길 때에 주어진 시간 안에 수직 위치의 작은 범위로 테더(203)를 제한하는 수평 축과, 윈치(205)의 축에 방사형 방향에서 윈치(205)의 축에 방위각 방향으로 테더를 구부리는 수직축을 가진 두 개의 롤러를 포함한다. 레벨와인드(207)는 윈치(205)의 드럼 위에 나선형으로 테더(203)를 감을 수 있도록, 윈치(205)의 드럼 축의 방향을 따라 천천히 움직이도록 작동된다. 예시적인 실시예에서, 테더(203)의 오직 하나의 레이어만이 윈치(205)의 드럼 위의 주어진 영역에 감싸진다.
예시적인 실시예에서, 테더(203)의 길이는 160m이다. 윈치 드럼의 반경은 0.9m이다. 테더 직경은 9mm이다. 이러한 실시예에서, 윈치 드럼은 회전 당 5.64m의 테더를 받아들일 것이며, 테더가 자리 잡는 모드(pearched mode)를 위하여 완벽히 감아지려면 드럼 주위를 대략 28.25번 감아야 할 것이다. 윈치 드럼의 축은 수직이고, 그리고 윈치 드럼의 높이는 대략 0.5m이다. 레벨와인드는 각각의 연속적인 테더의 랩들로 구성되며, 테더는 윈치 드럼을 감을 때 스스로를 오버레이 하지 않는다.
지상 스테이션(202)은 퍼치 버킷(208)도 추가로 포함한다. 연의 날개(201) 위의 퍼치 위치설정 펙(peg)은 퍼치 버킷(208)에 접하며 그 퍼치 버킷 안에 위치한다. 퍼치 버킷(208)과 퍼치 위치설정 펙은, 연의 날개(201)가 다른 점으로부터 외부적인 도움 없이 퍼치 버킷(208) 안에서 휴지 상태에 놓일 수 있도록, 테더(203)를 연(201)에 연결하는 굴레(bridle)(210)와 같은 형태를 갖춘다. 일부 실시예에서, 제3 퍼치 버킷(208)은 연(201)의 꼬리 또는 연(201)의 다른 포인트 위에 있는 퍼치 위치설정 펙을 잡는다. 퍼치 버킷의 제1 실시예는 도 6에서 보여지며 추가 설명은 아래에 기술한다. 퍼치 버킷의 제2 실시예는 도 9에서 보여지며 추가 설명은 아래에 기술한다.
도 3은 다양한 움직이는 부재들을 명확히 보여주는 방식으로 지상 스테이션(202)을 묘사하는 부분 횡단면이다. 지상 스테이션(202)은 윈치(205) 및 레벨와인드(207) 그리고 퍼치 버킷(208)을 위에 탑재한 퍼치 베이스 조합(212)을 포함한다. 퍼치 베이스 조합(212)은 타워(tower)(211) 및 수직 퍼치 베이스 축(313)을 중심으로 자유롭게 회전한다. 윈치(205)는, 윈치 축(314)을 중심으로 회전하기 위하여, 퍼치 베이스(212)와 윈치(205) 사이의 토크를 제공하는 모터에 의하여 구동된다. 짐벌(206)의 접지면은 윈치(205)에 탑재되며 윈치(205)와 함께 돈다. 일부 실시예에서, 윈치 축(314)은 중심 퍼치 축(313)과 동일한 축이다. 일부 실시예에서, 그 축들이 서로 다르다. 테더(203)가 윈치(205)에 감길 때, 레벨와인드(207)는 윈치 축(313)과 평행한 축으로 작동함으로써 테더(203)가 윈치 드럼(205)에 나선형으로 감기게 된다. 일부 실시예에서, 연(201)이 퍼치 버킷(208)에 착륙 및 결합할 때의 충격력을 감소시키기 위하여, 퍼치 버킷(208)은 가늘고 신축성 있는 빔 위에 탑재되어있다. 일부 실시예에서, 슬립링이 테더(203)로부터 윈치 축(314)을 지나 전기적 신호 및 전원(power)을 연결한다. 다른 실시예에서, 전원 선의 프리 세트(328)가 윈치(205)용 베어링의 중심을 통해서 공급되어서 타워(211)의 내부에서 아래로 늘어지는데, 이 경우 자유 길이로 인해, 퍼치 베이스(212) 및 윈치(205)의 회전수가 누적됨에 따라 전원 선(328)의 회전수도 누적되게 된다. 일부 실시예에서, 전원 선(328)은 작동 중에 순서에 따라 꼬이고 풀릴 수 있도록 한 리트랙팅(retracting) 방식의 전화 코드(phone cord)와 같이 초기 응력이 인가된 방식으로 할 수 있다.
도 2 및 도 3에 보이는 것과 같은 실시예에서 주목할 점은 타워(211) 상부의 부착물들, 즉 퍼치 베이스 조합(212) 및 윈치(205)들이 타워(211)에 대하여 자유 스핀을 하는 것이다. 또한, 하나의 작동기가 퍼치 베이스 조합(212)에 대하여 윈치(205)를 그것의 드럼과 함께 구동하는 데에 사용된다. 타워(211) 상부의 부착물들의 자유 스핀의 양태 때문에, 테더에 작용하는 힘(비행하는 연이 구속됨으로 인해 발생한 테더의 장력에 의한 힘)은 타워(211) 상부의 부착물들을 회전하게 하므로, 테더가 상부 부착물로부터 떠날 때 상부 부착물들은 테더 장력 방향으로 향한다. 짐벌(206)에 의하여 잡힌 완전히 전개된 테더의 경우, 테더의 위치의 변화에 반응하여 상부의 부착물들이 회전함으로써 짐벌이 테더의 장력 방향을 향할 것이다. 크로스 윈드 플라잉 패러다임(cross wind flying paradigm)에서, 연은 주변 바람의 방향에 따라 이동하고, 짐벌 및 타워 상부의 부착물들은 테더가 움직이는 대로 테더를 따라가는 경향이 있을 것이다. 테더가 풀리거나 감기는 경우에 테더는 레벨와인드를 통해서 상부의 부착물들에 연결될 것이다. 이런 경우에, 테더가 움직일 때 테더를 따라가기 위해서 레벨와인드가 수직축을 중심으로 회전할 것이다.
테더를 감기 위해 하나의 작동기/모터를 이용하고 타워 상부 부착물들의 자유 스핀을 이용함으로써, 시스템의 여러 가지 중요한 기능들을 수행하는 단순한 시스템이 구성될 수 있다. 완전히 풀린 상태에서부터 테더를 감는 기능을 예로 사용하면, 모터는 퍼치 베이스 조합(212)을 윈치(205)에 대하여 회전시킬 것이다. 퍼치 베이스 조합(212) 또는 윈치(205)도 타워(211)에 대하여 회전이 제한되지 않는다. 오히려, 퍼치 베이스 조합(212)에 대한 윈치(205)의 회전이 제한된다. 레벨와인드가 연결된 퍼치 베이스에 대한 윈치의 회전은 윈치 드럼 주위로 테더를 감거나 풀도록 허용한다.
도 4는 지상 스테이션(202)과 그 안에 자리 잡은 연(201)의 본 발명의 일부 실시예에 따른 평면도이다. 아래의 논의는 지상 스테이션으로부터 연의 이륙을 설명한다. 연(201)을 이륙시키기 위하여, 모터는 윈치(205)를 반시계방향으로 돌리는 방법으로 윈치(205)와 퍼치 베이스 조합(212) 사이에 토크를 가한다. 윈치(205)가 반시계방향으로 돌면, 레벨와인드(207)를 지나 윈치(205)에서 테더(203)가 풀린다. 연(201)과 퍼치 베이스 축(313)의 사이의 레벨와인드(207)의 방향은 퍼치 베이스(212)로 향하는 테더(203)의 장력으로부터의 토크를 적용한다. 퍼치 베이스(212)가 테더(203)로부터의 장력의 방향에 대하여 반시계방향으로 회전하면, 레벨와인드(207)에 적용되는 테더(203)에 발생한 힘은 퍼치 베이스 축(313)을 중심으로 한 토크, 즉 퍼치 베이스(212)를 시계방향 그리고 반대로도 돌리는 토크를 발생시킨다. 레벨와인드(207) 및 퍼치 버킷(208)은, 착륙을 위하여 퍼치 버킷(208)이 연(201)의 날개와 나란히 될 때 퍼치 베이스 축(313)에 대한 어떠한 토크도 테더(203)에 의하여 발생되지 않도록, 위치한다. 일부 실시예에서, 테더(203)를 연(201)에 연결하는 굴레(210)들이 레벨와인드(207) 근처에 있을 때, 굴레(210)의 일부가 레벨와인드에 들어가거나 결합하게 되므로, 연(201)은 연 본체 요잉 상태로 향하게 된다. 일부 실시예에서, 연은 연 본체 요잉 및 롤링 상태로 구속하거나, 또는 어떤 다른 축을 따르도록 연을 구속하기 위하여, 블록(block)이나 강성 구조물(429)이 굴레(210)를 테더(203)에 연결하여, 레벨와인드(207) 또는 퍼치 플랫폼(212)에 부착된 어떠한 다른 메커니즘과 결합한다.
일부 실시예에서, 레벨와인드(207)에서 분리된 가이드 세트는 착륙하는 동안 굴레(210)와 결합한다. 예를 들면, 골포스트(goalpost)(430)는 착륙하는 동안 굴레(210)에 인접하여 연 본체 요잉 상태에서 연(201)을 구속할 수 있다. 일부 실시예에서, 테더 블록(429) 및 골포스트(430)는 사용되지 않는다. 이것은 거대한 다중의 풍속에서 비행할 때, 굴레(210)가 연(201)의 성능을 증가시키는 공기 역학적 유선형에 적합해지도록 한다.
연(201)은 상부 회전자(433)와 하부 회전자(432)로 나뉠 수 있는 회전자(209)도 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 연(201)이 착륙 버킷(landing bucket)(208)과 인터페이스로 결합할 때, 상부 회전자(433)는 보다 적은 추력을 공급하고, 하부 회전자(432)는 보다 많은 추력을 공급한다. 도 6과 도 7에 더 상세히 도시된 것과 같이, 이것은 착륙 펙과 퍼치 버킷(208) 사이에 더 많은 힘을 적용한다.
도 5는 지상 스테이션(202)에 결합하는 연 시스템의 실시예에 대한 도시이다. 연(201)이 하늘 높이 있도록 유지 시켜주며 주로 아래로 향하는 추력을 제공하기 위하여 회전자(209)가 도는, 공중 정지 비행 모드인 경우의 연(201)이 도시된다. 자동 조절 시스템은 조절 신호를 공중 정지 비행 모드 시에 연(201)을 안정화시키는 회전자(209)에 보낸다. 굴레(210)는 연(201)을 테더(203)에 연결한다. 연(201)은 바람(527)이 약하거나 존재하지 않을 때를 제외하고는 지상 스테이션(202)의 순풍 방향으로 충분히 떠 있다. 연(201)이 연 본체 롤링 축을 따라 돌면, 연(201)부터 굴레(210)까지의 길이는 테더(203) 및 연 롤링 축에 대한 연(201) 위에 장력 의해서 토크를 만든다. 지상 스테이션(202)은 윈치가, 테더(203)와 레벨와인더(207)가 맞물리거나 풀어지는 경계 지점을 넘어 반시계방향으로 270도 도는, 이륙 방향으로 도시된다. 이렇게 도는 것은, 짐벌(206)의 지상면의 퍼치 플랫폼 회전축부터의 오프셋에 의한 토크가 레벨와인더(207)가 테더(203)와 결합하는 지점으로부터 시계방향으로 약 270도로 퍼치 플랫폼(212)을 회전시키는 방향으로 나타나는 것을 의미한다. 일부 실시예에서, 윈치(205)는, 테더(203)가 레벨와인드(207)와 결합하는 지점을 넘어서 단지 30, 90, 180도 또는 어떠한 다른 숫자의 각도만큼 회전한다. 추가적인 예시에 있어서 주목할 점은 윈치(205)가 위에서 봤을 때 시계방향으로 10도 돌면, 자유롭게 돌고 있는 베어링 위에 있는 퍼치 플랫폼(212)이 퍼치 플랫폼의 회전축을 가로지르지 않는 방향으로 적용된 테더(203)의 장력으로부터의 토크에 의해 돌게 된다. 일부 실시예에서, 퍼치 플랫폼(212)은 퍼치 플랫폼의 회전축에 자신의 균형을 맞추기 위한 카운터매스(countermass)에 결합하고, 그럼으로써 퍼치 플랫폼 회전축의 중력 방향으로 오프셋 된 어느 부분도 퍼치 플랫폼 회전축에 의해 적용된 총 토크에 거의 기여하지 않는다. 주목할 점은, 도 5에서 도시된 시스템 안에서 비행 중 정지 모드 시에 윈치(205)가 시계방향으로 270도 회전한 후에 테더(203)는 레벨와인드(207)와 맞물리게 되는 것이다. 이 과정 후에 퍼치 버킷(208)은 테더(203) 및 연(201)과 정렬된다. 윈치(205)가 계속해서 시계방향으로 돈다면 테더(203)는 레벨와인드(207)를 지나 윈치(205) 위를 감게 되고 퍼치 버킷(208) (그리고 퍼치 플랫폼(212))은 테더(203)에 맞추어 정렬되는 것이 유지된다.
도 6은 연(201)이 착륙하는 동안 퍼치 버킷(208)과 결합할 때의 퍼치 버킷(208)의 실시예를 측면에서 도시한 것이다. 이미지의 정확성을 강조하기 위하여 연(201)의 날개의 횡단면에서, 날개(201)와 퍼치(208)를 인터페이스로 결합시키는 착륙 펙(617)이 연(201)의 날개에 부착되어 있는 것으로 실시예가 도시된다. 레벨와인드(207)의 도르래(sheave) 출구 지점에서 굴레(210)는 연(201)을 테더(203)에 부착한다. 일부 실시예에서, 날개(201)가 땅에 맴돌 때 고도의 컨트롤은 제한되거나 어려운 일이다. 착륙 펙(617)은 도시된 펙의 접촉 지점(619)과 퍼치 백스톱(620)의 상부의 사이 지점에서 퍼치 백스톱(620)에 접촉한다. 퍼치 백스톱(620)이 굴레 반지름(618)을 따라서 구부러짐으로써, 펙의 접촉 지점(619)이 퍼치 백스톱(620)을 따라 움직일 때 연 본체 정점 축에 대한 연(201)의 정점은 똑같거나 천천히 변화한다. 퍼치 백스톱(620)은 추가적으로 위치함으로써 연(201)이 유지 될 때의 정점 각도가 다시 떨어진다. 퍼치 버킷(208)은 퍼치 아래 지점(622) 및 퍼치 결합면(621)도 추가로 포함한다. 착륙하는 동안, 퍼치 백스톱(620)이 퍼치 접촉 지점(619)에서 결합된 후, 연(201)은 추력을 감소시키고, 착륙 펙(617)이 퍼치 아래 지점(622)에 결합할 때까지 퍼치 접촉 지점(619)은 퍼치 백스톱(620) 아래로 슬라이드 한다. 이 지점에서, 회전자(209)와 같이, 연(201) 위에 있는 회전자는 전원이 꺼지고 연(201)은 퍼치 아래 지점(622)에서 휴지 상태에 놓인다. 퍼치 아래 지점(602)은 실질적으로 연 중심 매스(mass)(631)로부터 수평 축에서 오프셋 되며. 그럼으로써 연(601)에 작용하는 중력은 착륙 펙(617)을 퍼치 결합 면(621)에 기대게 한다. 그러므로 연(201)은 안전하게 퍼치 베이스에 자리잡을 수 있다.
일부 실시예에서, 착륙의 초기 단계에서 착륙 펙(617)은 퍼치 백스톱(620)과 결합하지 않을 수 있으며, 대신에 연(601)이 착륙할 때, 퍼치 백스톱(620)과 퍼치 접촉면(621)은 단순히 착륙 펙(617)을 퍼치 아래 지점(622)으로 가이드하기 위해 형태를 갖춘다. 일부 실시예에서, 제3 퍼치 버킷(608)은 연(601)의 꼬리에 위치한 퍼치 착륙 펙과 결합한다. 일부 실시예에서, 착륙 펙(617)은 연(601)의 꼬리 또는 연의 회전자 지원 송전탑(rotor support pylons) 또는 연의 꼬리 또는 연의 동체 또는 연(601)의 어느 지점에서건 부착된다. 실질적으로 도 6에서 도시된 것과 유사한 다른 실시예에서, 퍼치 아래 지점(622)에서 연(601)이 완전히 퍼치 버킷(608)과 결합할 때, 퍼치 결합 면(621)은 굴레(610)가 느슨해지거나 장력을 받지 않도록 향하게 된다. 다른 실시예에서, 다른 시스템에서는 연(601)이 착륙한 이후에 굴레(610)에 장력이 남는 반면에, 연(601)이 퍼치 버킷(608)과 버치 아래 지점(622)에서 완전히 결합할 때는 연 구조의 하중을 덜기 위하여 윈치(505)가 자동 제어 시스템으로부터 짧은 길이의 테더를 풀라고 명령을 받는다.
도 7은 평면도에서 보이는 퍼치 백스톱(620)의 모션 스터디와 수직 방향을 도시한 다이어그램이다. 접촉 지점(723a) 및 접촉 지점(723b)은 실질적으로 착륙 펙 접촉 지점(619)과 유사한 접촉 지점이다. 아크(arc)(725)는 접촉 지점(723a) 및 접촉 지점(723b)이 레벨와인드 출구 지점(207)에서 테더와 부착되는 굴레의 주어진 제약 하에 존재해야 하는 아크를 도시한 것이다. 퍼치 접촉 지점(619)이 실질적으로 굴레(610)와 날개(601)의 연결 부분 아래에 놓일 때 그리고 굴레(610)가 고정 길이에 있을 때, 아크(725)의 반지름 방향으로 들어오거나 나가는 방향으로 동작하기 위해서 연(201)은 접촉 지점(619)(여기서는 접촉 지점(723a)과 접촉 지점(723b)으로 도시됨)을 향하여 피치(pitch)되어야 한다. 접촉 지점(723a)과 접촉 지점(723b)이 아크(726)를 따라 도시되어 있다.
일부 실시예에서, 도 7에서 도시된 것과 같은 방향성을 갖는 퍼치 백스톱(620)이 되도록 퍼치 접촉 지점(723)이 퍼치 백스톱(720)을 따른 수평적인 축으로 슬라이드 될 때, 접촉 지점(723a)은 오리지널 방사상의 아크(725)에서 더 큰 방사상의 아크(726)로 동작해야한다. 퍼치 접촉 지점(723a)이 퍼치 접촉 지점(724a)으로 이동할 때, 퍼치 접촉 지점(724b)은 제2 퍼치 접촉 지점(723b)이 이동하는 장소를 도시한다. 주목할 점은 퍼치 접촉 지점(724b)이 퍼치 백스톱(720)의 표면상에 없는 경우에 퍼치 백스톱이 타깃(target) 퍼치 접촉 지점(723a)과 퍼치 접촉 지점(723b)의 사이에 존재할 필요가 없는 것이다. 이러한 구성은 퍼치 백스톱(620)이, 자리 잡는 동안에 그것들이 제한되거나 날개를 가이드할 필요가 있는 다른 경우일 때에 비하여, 보다 작아지도록 해준다.
퍼치 접촉 지점(723a/724a)이 퍼치 백스톱(620)을 따라서 슬라이드 할 때, 퍼치 백스톱(620)은 수직력(734)을 퍼치 접촉 지점(723a/724a)에 가한다. 수직력(734)은 아크(726)에 대한 방사상의 방향을 따르지 않으며, 수직력(724)은 아크(726)를 따라서, 연 접촉 지점(723a/724a) 및 연을 퍼치 접촉 지점(723b)이 카운터 포스(contering force)를 가하는 지점까지 방위각적으로 촉진시키는, 방위각의 구성 요소를 갖는다는 것에 주목해야 한다. 그러므로 위에서 보았을 때 아크(725) 또는 아크(726)와 접하지 않는 방향 안에서, 퍼치 백스톱(620)의 방향은 연이 퍼치 버킷에 착륙할 때에 연 롤링 축에 대하여 안정성과 방향을 연에게 제공한다.
도 8은 공중 풍력 에너지 시스템을 위한 지상 스테이션의 또 다른 실시예를 도시한 다이어그램이다. 이 실시예는 피벗에 탑재된 단일 도르래를 구비한 레벨와인드(807)를 포함함으로써 레벨와인드는 테더의 수직 움직임을 따를 수 있다. 레벨와인드(807)는 철 레일(rail)(827)에 의해 지지되고 윈치를 구동시키는 같은 동력전달장치(drivetrain)에 부착된 리드 나사(leadscrew)에 의해 구동된다. 윈치 드럼(805)은 테더가 휴지 상태에 놓이며 레벨와인드에 의해 가이드되어 들어가는 홈(groove)을 포함한다. 짐벌에 인접한 윈치 드럼 부분은 윈치의 내부 부분의 도면의 명확성을 위해서 생략되었다. 레벨와인드(807)는 테더를 레벨와인드 도르래로 가이드하는 레벨와인드 가이드(levelwind guide)(828)도 추가로 포함한다. 리드 나사와 동력전달장치는 테더가 풀어질 때에 레벨와인드가 위로 움직이게끔 방향이 설정된다. 레벨와인드가 그것의 동작범위의 최대치에서 그것의 최대한도까지 도달할 때, 그것은 탑 스탑(top stop)(829)과 부딪히며, 이는 레벨와인드가 피벗에서 회전하는 것을 막아주고 레벨와인드 레벨을 유지하게끔 해준다. 테더를 감는 동안 레벨와인드가 테더와 맞물리기 시작하는 상황에서는 탑 스탑(829)이 레벨와인드 레벨을 정지시키고 그럼으로써 테더가 레벨와인드 가이드(828)에 의해 레벨와인드 도르래(830)로 가이드된다. 이 실시예는 윈치 드럼(805)의 철 구조물의 내부에 탑재된 짐벌(806)의 접지면도 추가로 포함한다. 윈치 드럼(805)은 알루미늄 표면 안에 나사로 조인 플라스틱 홈을 갖는 알루미늄 표면을 포함한다.
본 실시예는 수직축에 대하여 만곡되는 퍼치 버킷(808)도 추가로 포함한다. 테더가 완전히 감겼을 때, 연의 측면 인터페이스가 퍼치 패널 위의 오직 하나의 방위각 위치에 반드시 휴지 상태에 놓일 수 있도록, 퍼치 패널이 각을 이루는 동안 퍼치 버킷은 연 굴레의 길이와 유사한 곡률의 반경만큼 구부러진다. 본 실시예는 드럼 직경 1.8m, 각각이 총 면적 0.7평방미터인 퍼치 패널, 0.7m의 직경을 갖는 도르래의 레벨와인드, 0.9m 높이의 드럼을 갖는다. 퍼치 패널은 레벨와인드의 입구(mouth)부터 1.5m에 탑재된다.
도 9는 사용을 위한 연의 날개 측 인터페이스와 도 8에서 보이는 퍼치 버킷의 실시예를 함께 도시하는 다이어그램이다. 날개 측 인터페이스는 퍼치 버킷에 접하는 펙(930)과 퍼치 버킷의 꼭대기에 거는 후크(hook)(931)를 포함한다. 펙(930)과 후크(931)는 연(901)의 구조에 결합되어있다. 일부 실시예에서, 펙(930)이 연의 동체에 통합되어 있거나 또는 후크가 연 위에 모터를 잡고 있는 송전탑(pylon)에 통합되어있다. 일부 실시예에서, 퍼치 버킷은 도 7에 도시된 접촉부분의 평균 반지름에 각도를 갖는 두 개의 버킷을 포함한다. 다른 실시예에서, 두 개의 퍼치 패널이 퍼치 패널의 왼쪽 절반과 오른쪽 절반을 나누는 하나의 각을 이루며 단일 퍼치 패널로 합해져있다. 일부 실시예에서, 단일 착륙 펙은 퍼치 패널의 두 반쪽에 결합하고, 후크(930)는 상위 표면에 걸린다. 상위 표면은 퍼치 패널의 꼭대기이거나, 파이프나 튜브 또는 다른 구조물의 분리된 표면일 것이다. 도 6에서 도시된 실시예와 반대로, 도 9의 실시예에서, 자리잡을 때에 날개는 펙의 꼭대기에 걸린 후크로부터 지지 받는다.
상술한 실시예는 이해의 명확성을 위해 일부 상세히 설명되었지만 본 발명은 제공된 세부 사항에 한정되지 않는다. 본 발명을 구현하는 많은 다른 방법이 있다. 개시된 실시예들은 제한적인 것이 아니라 예시이다. 상기 설명으로부터 명백한 바와 같이, 많은 다양한 실시예들이 이 문서에서 기술된 내용으로부터 구성될 것이며, 추가적인 장점 및 변형이 당업자에게 쉽게 발견될 것이다. 그러므로 넓은 관점에서 본 발명이 도시되고 설명된 특정 세부 사항과 예시적인 실시예에 한정되는 것은 아니다. 따라서 이러한 세부 사항으로부터 시작은 출원인의 일반적인 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

Claims (23)

  1. 연 시스템으로,
    테더를 이용하여 비행하도록 구성되며, 날개에 펙(peg)을 포함하는 연;
    제1 단부는 상기 연과 연결되고 제2 단부는 지상 스테이션과 연결되는 테더; 및
    연의 이륙, 착륙, 보관을 위한 지상 스테이션을 포함하고,
    상기 지상 스테이션은 윈치; 및 상기 연을 지향시키고 가이드하여 상기 연을 이륙 및 착륙시키거나 보관하는 퍼치 버킷들;을 포함하는 퍼치 플랫폼을 포함하며,
    상기 연의 날개에 있는 펙은, 상기 연이 수직 방향으로 착륙 또는 보관될 때 상기 퍼치 버킷에 접하며 상기 퍼치 버킷 안에 위치하는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 펙은, 상기 연이 상기 퍼치 플랫폼에 자리잡을 때 상기 퍼치 버킷과 인터페이스 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 플랫폼은 퍼치 안에서 수직축을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 지상 스테이션이 상기 퍼치 플랫폼과 상기 윈치를 탑재한 타워(tower)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 테더와 결합된 상기 윈치가 지상 면 짐벌을 포함하는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 윈치와 상기 퍼치 플랫폼이 상기 타워의 수직축에 대하여 자유롭게 회전하는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 테더가 상기 퍼치 플랫폼의 수직축에 대한 상기 윈치의 동작에 의해서 상기 지상 스테이션으로부터 안 또는 밖으로 스풀(spool)되는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 테더가 제1 단부에서 상기 연과 결합하고 제2 단부에서 상기 지상 스테이션과 결합하는 도전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 도전체가 상기 타워를 통해서 추가적으로 아래로 전달되는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 테더와 상기 연 사이의 굴레를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 테더와 상기 연 사이의 굴레를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 윈치가 상기 윈치의 외주부에 윈치 드럼을 추가로 구비하고, 상기 테더가 배치된(deployed) 연의 위치에서 자리 잡은(perched) 연의 위치로 안으로 스풀 될 때 상기 테더가 상기 윈치 드럼에 감기는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 연은, 상기 연이 비행할 때에, 전기 에너지를 발생시키도록 구성된 터빈 구동 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    이륙 또는 착륙 모드에서 상기 터빈 구동 발전기가 모터 구동 회전자로서 작동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 퍼치 버킷들은 하나 이상의 수직방향 백스톱을 포함하는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 수직방향 백스톱이 구부러져 있으므로, 상기 연이 지상 스테이션 위에 자리잡을 때, 펙의 접촉 높이에 따른 연의 정점 각도가 유지되는 것을 특징으로 하는 연 시스템.
  23. 청구항 1에 있어서,
    상기 퍼치 버킷들은, 상기 연이 상기 퍼치 버킷에 접할 때 발생하는 충격을 흡수하도록 구성된 신축성 있는 암부 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 연 시스템.

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