KR20110079610A - 다중 모터/발전기를 포함하는 발전 시스템 - Google Patents

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KR20110079610A
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알버트 그레니어
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베이스로드 에너지, 인크.
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Abstract

본 발명에 따른 에너지원에 의해 로터 축을 회전시켜 에너지원을 전기로 전환하도록 구성된 전기 발전 시스템은 로터 축에 결합된 장착 플레이트와, 로터 축에 결합되어 로터 축이 움직일 때 움직이도록 구성되는 구동 기어와, 장착 플레이트에 장착되는 복수의 모터/발전기 장치를 포함한다. 각각의 모터/발전기 장치는 구동 기어와 회전식으로 결합되도록 구성되는 출력 축을 포함한다. 각각의 모터/발전기 장치는 구동 기어에 독립적으로 결합되어, 복수의 여분 전력 발전 모터/발전기 장치를 제공한다.

Description

다중 모터/발전기를 포함하는 발전 시스템{POWER GENERATION SYSTEM INCLUDING MULTIPLE MOTORS/GENERATORS}
화석 연료는 지구상의 중요한 에너지원이다. 지구상의 인구가 꾸준히 증가하고 경제 저개발 국가가 산업화되기 때문에, 화석 연료 소모의 속도는 화석 연료 생산 속도를 능가한다. 화석 연료에 대한 이러한 수요의 증가는 소비가 현재의 속도로 계속된다면 수십 년 이내에 화석 연료의 세계적인 재고량이 고갈될 수도 있다.
화석 연료에 대한 의존도를 최소화하기 위해 태양력, 풍력, 수력 및/또는 지열과 같은 재생가능한 공급원으로부터 에너지를 동력화하는 것이 요구된다.
일 실시예는 에너지원에 의해 로터 축을 회전시켜 에너지원을 전기로 전환하도록 구성된 전기 발전 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 로터 축에 결합된 장착 플레이트와, 로터 축에 결합되어 로터 축이 움직일 때 움직이도록 구성되는 구동 기어와, 장착 플레이트에 장착되는 복수의 모터/발전기 장치를 포함한다. 각각의 모터/발전기 장치는 구동 기어와 회전식으로 결합되도록 구성되는 출력 축을 포함한다. 각각의 모터/발전기 장치는 구동 기어에 독립적으로 결합되어, 복수의 여분 전력 발전 모터/발전기 장치를 제공한다.
첨부된 도면은 실시예를 더욱 잘 이해할 수 있도록 포함되었으며, 본원의 상세한 설명에 포함되어 그 일부를 구성한다. 도면은 실시예를 도시하며 상세한 설명과 함께 실시예의 원리를 설명한다. 다른 실시예 및 실시예의 많은 의도된 장점들은 후속하는 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있는 바와 같이 쉽게 이해될 것이다. 도면의 요소들은 서로 비례적일 필요는 없다. 유사한 도면 부호는 대응하는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1a는 일 실시예에 따른 전기 모터/발전기 모듈의 사시도이다.
도 1b는 일 실시예에 따른 도 1a에 도시된 모듈의 모터/발전기 장치의 측면도이다.
도 2는 도 1a에 도시된 전기 모터/발전기 모듈의 사시로서, 모듈용 하우징의 쉘을 도시한다.
도 3은 하우징의 쉘로부터 연장하는 동체(fuselage)의 일부를 도시하는 전기 모터/발전기 모듈의 다른 사시도이다.
도 4는 도 2의 선 4-4를 따라 취해진 전기 모터/발전기 모듈의 단면도이다.
도 5는 모터/발전기 모듈로부터 그리고 하우징의 쉘로부터 연장하는 동체 하부면의 사시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전기 모터/발전기 모듈의 하부면 사시도이다.
도 7은 모터/발전기 모듈용 내부 냉각 특징부를 제공하도록 구성되는 블레이드/스포크를 포함하는, 도 6에 도시된 전기 모터/발전기 모듈의 구동 기어의 사시도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 다중의 전기 모터/발전기 모듈을 채용한 비행 전기 모터 발전기 시스템의 사시도이다.
도 9a 및 도 9b는 일 실시예에 따른 전기 발전 시스템의 평면도 및 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른 전기 발전 시스템의 평면도 및 단면도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 모터/발전기를 위한 소정의 전체 전압 출력을 제공하도록 병렬로 그룹화된 일련의 모터를 도시하는 개략도이다.
후속하는 상세한 설명에서, 본 명세서의 일부로서 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 도시하는 첨부된 도면을 참조한다. 이와 관련하여, "상부", "하부", "전방", "후방", "선단", "후단" 등의 방향 용어는 설명되는 도면의 배향을 참조하여 사용된다. 실시예의 구성 요소는 많은 상이한 방향으로 위치될 수 있기 때문에, 방향 용어는 단지 도시를 목적으로 사용되며 결코 제한적이지 않다. 다른 실시예들도 사용될 수 있으며, 구조 또는 논리적 변경도 본원의 범주 내에서 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 후속하는 상세한 설명은 제한 의미로 취해진 것이 아닌 예시적 실시예를 교시한다.
본원에 개시된 다양한 예시적 실시예의 특징부는 서로 조합될 수 없다고 지시되지 않는 한 서로 조합될 수 있다.
일 실시예에서, 전기 모터/발전기의 시스템은 고출력, 저 RPM(예컨대, 고 토크) 장치 및 고출력, 고 RPM(예컨대, 저 토크) 장치로 그리고 그러한 장치로부터 가역적으로 전환된다. 전기 모터/발전기의 시스템은 바람 및/또는 수류의 동역학적 에너지를 동력화하여 전력을 생성하도록 구성되며, 비행 시스템으로 채용되는 경우 상대적으로 낮은 수두를 갖는 수차의 경우와 그리고/또는 하이브리드 차량 및 다른 동력 시스템에 적용될 수 있다.
전기 모터/발전기의 시스템의 일 실시예는 극전선 제트 기류(polar front jet stream) 및 아열대 제트 기류 내에서 비행하고 바람의 동력학적 에너지를 동력화하여 전력을 생성하도록 구성된다. 다른 양태는 바람, 수류 또는 기하학적 온도 구배의 동역학적 에너지를 동력화하여 전력을 생성하도록 구성되는 전기 모터/발전기의 육상계(terrestrial system)를 제공한다.
전기 발전 시스템의 일 실시예는 에너지원으로 로터 축을 회전시켜 에너지원을 전기로 전환하도록 구성된다. 시스템은 로터 축에 결합되는 장착 플레이트와, 로터 축에 결합되고 로터 축이 움직일 때 움직이도록 구성되는 구동 기어와, 구동 기어와 회전식으로 결합되도록 구성된 출력 축을 각각 포함하고 장착 플레이트에 장착되는 복수의 모터/발전기 장치를 포함한다. 각각의 모터/발전기 장치는 구동 기어에 독립적으로 결합되고 모터/발전기 장치의 다른 모터/발전기 장치에는 결합되지 않아서, 복수의 모터 발전기는 복수의 여분 전력 발전 모터/발전기 장치를 제공한다.
일 실시예에서, 다중의 여분 전기 모터/발전기가 시스템 내에 제공되며, 전기 모터/발전기는 후술되는 바와 같이 자동 여분 백업 특징부를 포함하도록 구성된다.
화석 연료에 대한 의존도를 최소화하기 위한 하나의 가능한 해결책은 전력 발전 시스템 및/또는 후술되는 모터/발전기 장치 중 하나 이상을 채용하는 미국 특허 제6,781,254에 도시된 바와 같은 풍력 발전 연(windmill kite)이다.
풍력 동력화 시스템에서, 후술되는 전기 발전 시스템은 풍력 에너지를 동력화하기 위해 높은 곳에서 사용하기 위한 테더(tether)에 결합되기에 적합한 풍력 발전소를 제공한다. 바람으로 인해 구동 기어가 회전하고, 구동 기어는 각 모터/발전기의 축을 구동하여 회전시키고 전기로 전환될 수 있는 에너지를 생성한다.
일 실시예에서, 시스템은 가역적이어서, 모터/발전기는 구동 기어에 동력을 제공하는 모터로서 작동한다. 전력은 복수의 모터에 공급되어 복수의 모터들은 풍력 터빈의 로터에 부착되는 더 큰 기어를 구동한다. 이러한 역전 모드에서, 전력은 생산되는 대신에 소모된다.
도 1a는 일 실시예에 따라 전기 발전 시스템(10)의 사시도이다. 또한, 발전 시스템(10)은 전기 모터/발전기 모듈(10)로도 불리며, 로터 축(16)에 결합되는 장착 플레이트(12)와, 장착 플레이트(12)에 인접하여 로터 축(16)에 동축으로 결합되는 구동 기어(14)와, 장착 플레이트(12)에 장착되는 복수의 모터/발전기 장치(20)를 포함하고, 각각의 모터/발전기 장치(20)는 구동 기어(14)와 회전식으로 결합되도록 구성된 출력 축(24)을 포함한다.
일 실시예에서, 구동 기어(14)는 회전 가능하며 로터 축(16)과 함께 움직이도록 구성되고, 장착 플레이트(12)는 베어링에 의해 로터 축(16) 주위에 정지되어 고정된다. 일 실시예에서, 구동 기어(14)는 체인 또는 다른 구동 기어에 의해 로터 축(16)에 결합되고 로터 축(16)이 움직일 때 움직이도록 구성된다. 구동 기어(14)를 로터 축(16)과 복수의 모터/발전기 장치(20)에 결합하는 다른 형태도 가능하다.
일반적으로, 발전 시스템(10)은 에너지원을 동력화할 때, 풍력과 같은 에너지원과 상호 작용하도록 구성되는 로터 블레이드(17) 또는 다른 장치를 포함한다. 일 실시예에서, 로터 블레이드(17)는 공중 발전 시스템(10)인 발전 시스템(10)을 구성한다. 에너지원을 동력화하기 위한 다른 적절한 장치는 수차, 블레이드, 밀(mill) 등을 포함한다. 일 실시예에서, 하우징(19)(도 1a에 일부가 도시됨)은 장착 플레이트(12), 구동 기어(14) 및 장착 플레이트(12)에 결합되는 모터/발전기 장치(20)를 보호하도록 둘러싸기 위해 선택적으로 제공된다. 발전 시스템(10)이 높은 고도의 바람을 동력화하도록 구성되는 경우, 동체(21)가 제공되며, 동체의 일부는 도 1a에 도시된다.
일반적으로, 전기 모터/발전기 모듈(10)은 장착 플레이트(12)[또는 플래터(12, platter)]와 같은 프레임과 구동 기어(14)를 포함하고, 장착 플레이트와 구동 기어 모두는 로터 축(16)[또는 주 축(16) 또는 축(16)]에 연결된다. 일 실시예에서, 축(16)은 비전도성 물질로 이루어지고 플래터(12)로부터 모터/발전기 장치(20)를 전기적으로 절연하도록 구성된다. 일 실시예에서, 플래터(12)는 원형 또는 디스크 형이며 알루미늄, 스테인리스 강, 티타늄, 복합재 재료 또는 공중 및/또는 육상 용도에 적합한 다른 재료와 같은 금속으로 제조된다. 본 기술 분야의 일반적인 기술자라면 플래터(12)가 모듈(10)의 의도된 목적을 기초로 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 높은 고도에서 에너지를 동력화하기 위해, 일 실시예에서 플래터(12)는 대략 9.14m(30피트)의 직경을 갖는다.
일 실시예에서, 구동 기어(14)는 출력 축(24)과 마찰식으로 결합되고, 구동 기어(14)와 출력 축(24) 모두는 치형부를 포함하지 않는다.
일 실시예에서, 구동 기어(14)는 출력 축(24) 상에 제공되는 치형부(22)와 맞물리도록 구성되는 치형부(18)를 포함한다. 치형부(18) 및 치형부(22)는 직선형, 나선형 또는 하이포이드 치형부를 구비한 스퍼, 헬리컬, 헤링본, 유성, 베벨 치형부 및 워엄 치형부를 포함한다. 일 실시예에서, 출력 축(24)의 치형부(18) 및 치형부(22)는 알루미늄, 스테인리스 강, 티타늄, 복합재 재료 또는 다른 적절한 재료를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 구동 기어(14)의 직경은 플래터(12)의 직경보다 약간 작다. 다른 실시예에서, 구동 기어(14)의 직경은 플래터(12)의 직경보다 크다.
전기 모터/발전기 모듈(10)은 일반적으로 구동 기어(14)의 원주를 중심으로 배치되는 복수의 모터/발전기 장치(20)를 포함한다. 적절한 모터/발전기 장치(20)는 임의 형태의 전기 모터 또는 임의 형태의 전기 발전기를 포함할 수 있으며, 이러한 전기 모터 또는 전기 발전기는 전기 에너지를 회전 운동 또는 병진 운동으로, 또는 회전 운동으로 전환하는 제1 모드를 갖거나, 이러한 운동을 전기 에너지로 전환하는 제2 모드를 갖거나, 또는 두 모드 모두에서 작동하거나 제1 모드 및 제2 모드 사이에서 가역적이다. 모터/발전기 장치는 독립형 모터 장치 또는 독립형 발전기 장치를 포함하거나, 모터 및 발전기를 모두 포함하는 장치를 포함한다.
일 실시예에서, 복수의 모터/발전기 장치(20)는 단일의 대형 전기 발전기가 열을 방산하는 것보다 더욱 효율적으로 모듈(10)로부터 열을 방산하도록 구성된다. 예컨대, 각각의 모터/발전기 장치(20)는 전기 발전과 관련된 열을 쉽게 방산하는 상대적으로 작고 경량인 모터/발전기(20)를 제공한다. 일 실시예에서, 전기 모터/발전기 모듈(10)은 국지적 공기 온도가 약 -3.89℃(25°F)보다 낮은 3,048m(10,000피트)보다 높은 고도에서 작동되고, 상대적으로 차가운 국지적 환경은 상대적으로 작고 경량인 모터/발전기(20)로부터의 빠른 열 방산에 기여한다.
일 실시예에서, 각각의 모터/발전기 장치(20)는 장착 플레이트(12)의 제1 측부를 따라 이웃하는 모터/발전기 장치(20)로부터 이격된다. 일 실시예에서, 모터/발전기 장치(20)의 간격은 장착 플레이트(12)의 주연을 따라 직선의 0.3048m(1피트) 당 3개의 모터/발전기 장치(20)의 밀도를 갖도록 선택된다. 모터/발전기 장치(20)를 위한 다른 간격 밀도도 가능하다. 일 실시예에서, 장착 플레이트(12)는 구동 기어(14)에 인접한 측부와 구동 기어(14)와 반대편인 측부를 형성하고, 모터/발전기 장치(20)는 구동 기어(14) 반대편의 장착 플레이트(12)의 측부로부터 돌출하여, 출력 축(24)은 구동 기어(14)에 인접한 장착 플레이트(12)의 측부로부터 돌출한다. 이러한 방식으로, 각각의 모터/발전기 장치(20)는 독립적으로 작동하고 구동 기어(14)에 독립적으로 결합되고 복수의 모터/발전기 장치(20) 중 다른 모터/발전기 장치에 결합되지 않아서, 모터/발전기 장치(20)는 복수의 여분 전력 발전 모터 발전기를 제공한다. 장착 플레이트(12)의 동일한 측부에 모터/발전기 장치(20)와 구동 기어(14)를 포함하는, 모터/발전기 장치(20)를 장착 플레이트(12)에 결합하는 다른 형태도 가능하다.
일반적으로, 구동 기어(14)는 모터/발전기 장치(20)의 출력 축(24)의 직경보다 더 큰 직경을 갖도록 구성된다. 구동 기어(14)가 회전하면, 모터/발전기 장치(20)의 직경이 더 작은 출력 축(24)은 구동 기어(14)보다 더 빨리 회전한다. 일 실시예에서, 출력 축(24)의 회전 속도[예컨대, 분당 회전수(RPM)]가 증가하면, 모터/발전기 장치(20)로부터의 전압 출력이 증가한다. 일 실시예에서, 구동 기어(14)는 약 9.14m(30피트)의 직경을 가지며 출력 축(24)은 약 2.54㎝(1인치)의 직경을 가져서, 구동 기어(14)가 약 70의 분당 회전수(RPM)로 회전할 때, 출력 축(24)은 약 25,200RPM으로 회전한다. 출력 축(24)의 고속 회전은 장치(20) 내의 코일과 자석 사이의 높은 상대 속도를 초래하며, 이러한 높은 상대 속도는 에너지를 발생시키는데 사용되는 출력 전압을 제공한다. 예컨대, 일 예에서, 구동 기어(14)의 직경은 대략 9.14m(30피트)인 반면에, 모터/발전기 장치(20)의 출력 축(24)의 직경은 대략 15.24㎝(6인치)여서, 구동 기어의 축을 중심으로 한 구동 기어(14)의 매 회전에 대해, 출력 축(24)은 출력 축의 축을 중심으로 60회 회전한다[따라서, 기어비는 9.14m(30피트) 대 15.24㎝(6인치) 또는 60 대 1이다]. 다른 기어비도 가능하다. 일 실시예에서, 기어비는 구동 기어(14), 모터/발전기 장치(20)의 기어(22) 또는 둘 모두의 크기를 변화시켜 성능 및 출력을 최적화하도록 선택될 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 282개의 5마력(five horsepower)(3728 와트) 모터/발전기 장치(20)는 약 9.14m(30피트)의 직경을 갖는 구동 기어(14) 주위에 분포된다. 각각의 282개의 모터/발전기 장치(20)는 2.54㎝(1인치)의 직경을 갖는 출력 축(24)를 포함하고, 구동 기어(14)는 (바람과 같은) 에너지원에 의해 약 70 RPM으로 회전되어, 각 모터/발전기 장치(20)의 각각의 축(24)은 약 25,000 RPM으로 회전하여 전기로 전환될 수 있는 약 1 MW의 전력을 생산한다.
도 1b는 일 실시예에 따른 모터/발전기 장치(20)의 측면도이다. 모터/발전기 장치(20)는 적절한 모터 구성 요소(도시 생략)와 모터/발전기 장치의 전기 와이어 권선부를 둘러싸는 권선 케이스(23)를 포함하고, 출력 축(24)은 권선 케이스(23)로부터 연장한다.
일 실시예에서, 축(24)은 권선 케이스(23)에 회전식으로 결합되는 엑슬(25, axel)을 포함한다. 사용 도중, 모터/발전기 장치(20)는 엑슬(25)의 회전을 방해할 수 있는 베어링 파손을 경험할 수도 있다는 것이 예측된다. 일 실시예에서, 엑슬(25)은 권선 케이스(23) 내의 베어링이 얼거나 또는 움직일 수 없을 때 액슬(25)을 선택적으로 파쇄하도록 구성되는 스코어(27)를 포함한다. 하나 이상의 모터/발전기 장치(20)가 시간이 지남에 따라 마모되는 경우, 엑슬(25)은 스코어(27)를 따라 파쇄하여 모터/발전기 장치(20)를 작동 불가능하게 하도록 구성된다. 일 실시예에서, 클러치는 각각의 모터/발전기와 소통하도록 구성되고, 클러치는 결합된 모터/발전기를 구동 기어(14)와의 결합부로부터 결합 해제하도록 구성된다. 일 실시예에서, 솔레노이드 기구가 각 모터/발전기와 소통하도록 제공되고, 솔레노이드 기구는 결합된 모터/발전기를 구동 기어(14)와의 결합부로부터 결합 해제하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 작동 불가능하게 된 모터/발전기 장치(20)는 발전 시스템(10)(도 1a)으로부터 그들 자신을 자동으로 제거하여, 하나 이상의 파손된 장치(20)가 시스템(10)의 연속적인 작동을 방해하지 않는 자동 여분 발전 백업 시스템을 제공한다.
일 실시예에서, 시스템(10)은 소정의 전력 출력을 제공하도록 계산된 수를 초과하는 수의 모터/발전기 장치(20)를 포함한다. 각각의 모터/발전기 장치(20)는 100% 출력 미만(예컨대, 96%의 출력)으로 작동되어, (초과된 수의 장치를 포함하는) 모터/발전기 장치의 총 조합된 수가 소정 출력의 100%를 제공하는데 기여한다. 모터/발전기 장치(20)가 마모되면, 작동 불가능한 장치(20)는 상술된 바와 같이 시스템(10)으로부터 자동적으로 제외(drop out)되고 남은 장치들은 시스템(10)이 소정의 출력의 100%를 유지할 수 있게 하기 위해 약간 증가된 출력(예컨대, 96.5%)으로 작동한다.
일 실시예에서, 다중의 모터/발전기 장치(20)는 초과 수(N)를 포함하도록 제공되며, 이때 여분의 장치(20)의 개수(N)는 작동하는 모터/발전기 장치(20)가 마모될 때까지 아이들(idle) 상태를 유지하거나 또는 "오프(off)" 구성을 유지한다. 모터/발전기 장치(20)가 마모되면, 여분(N)의 장치(20) 중 하나가 예컨대, 시스템(10)에 결합된 제어기의 작용 하에서 온라인 상태가 된다(도 1a). 일 실시예에서, 전기 제어기는 모듈(10)에 결합되어 모듈(10)에 작동 가능한 모터/발전기 장치(20)를 선택적으로 추가하고 모듈(10)로부터 작동 불가능한 모터/발전기 장치(20)를 선택적으로 제거한다.
일 실시예에서, 추가적인 출력 축(24n) 또는 추가적인 기어(22n)가 개별적인 모터/발전기 장치(20) 중 각각의 하나에 제공되어, 양자 모두 각 개별적인 모터 발전기 상에 간단한 기어 트레인의 추가를 가능하게 한다. 이러한 예는 구동 기어(14)의 직경을 2등분 할 수 있는 개별적인 모터/발전기 장치(20) 상의 2 대 1 비율을 포함한다.
종래에는, 전력선 내에서의 전기 손실을 최소화하기 위해 전력은 고전압으로 전송되었다. 고전압 전력을 전달하는 절연선은 상당한 양의 전기 절연부를 필요로 한다. 높은 수준의 전기 절연부는 중량을 추가하여, 고절연식 고압 발전기는 비행 전기 발전기에 부적합하다.
일 실시예에서, 전기 모터/발전기 모듈(10)은 상대적으로 낮은 전압(예컨대, 100 내지 1000볼트)에서 작동하도록 각각 구성되고 제트 기류에서 모듈(10)이 비행할 수 있게 하기 위해 적절하게 절연되는 다중의 모터/발전기 장치(20)를 포함한다. 저전압 모터/발전기 장치(20)는 더 작은 절연부를 필요로 하여, 중량이 가볍다. 또한, 다중의 모터/발전기 장치(20)는 전기적으로 직렬로 결합되도록 구성되어, 예컨대 각각 약 300볼트를 생산하는 약 100개의 모터/발전기 장치(20)가 직렬로 결합되어 약 30,000볼트를 제공하는 모듈(10)을 제공한다. 이러한 방식으로, 다중의 저전압, 저중량 모터/발전기 장치(20)가 고출력 전압 시스템(10)을 제공하도록 조합된다.
일 실시예에서, 시스템(10)은 높은 고도에서 전기를 발생하도록 구성된 고전압 시스템으로 조합되는 다중의 저전압 장치를 포함한다. 파센의 법칙(Paschen's law)에 따르면, 간극 사이의 공기의 항복 전압은 가스 압력과 간극 거리의 곱의 비선형 함수이다. 따라서, (더 낮은 공기 압을 갖는) 더 높은 고도는 전기 시스템 내의 더 낮은 항복 전압과 관련된다. 그 결과, 전기 시스템이 높은 고도에서 작동할 때 공기 내의 항복 전압을 극복하기 위해 추가적인 전기 절연이 요구된다. 파센의 법칙에 의해 설명되는 항복 전압 현상은 와이어 권치 전기 발전기에 채용되는 것과 같은 직경이 더 작은 와이어에 대해 더 두드러질 수 있다. 이러한 모든 이유로 인해, 시스템(10)에 전기적으로 결합되는 다중의 경량(최소로 절연된) 저전압 모터/발전기 장치(20)가 높은 고도에서 전기 발전을 제공하도록 선택된다. 이러한 특징들은 시스템(10)에 의해 광범위한 입력/출력 전압 성능에 기여한다.
도 2는 모듈(10)의 일 실시예의 사시도로서, 하우징(19)의 내부 부분을 도시한다. 일 실시예에서, 하우징(19)은 하중 플로어(30), 로터 축(16)에 결합되는 상위 보유부(32), 하위 보유부(34), 상위 보유부(32)와 하위 보유부(34) 사이에서 연장하는 복수의 지지 지주(36) 및 하중 플로어(30)와 상위 보유부(32) 사이에 결합되는 지지 플레이트(38)를 포함한다. 일반적으로, 쉘 또는 다른 외부 구조체(둘 다 도시 생략)는 하우징(19) 위에 결합된다. 쉘 또는 외부 구조체는 직물 쉘 또는 알루미늄 패널과 같은 높은 강도 대 중량 케이싱을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 하중 플로어(30)는 장착 플레이트(12)(도 1a)이다. 달리, 하중 플로어(30)는 장착 플레이트(12)에 결합된다. 일 실시예에서, 하중 플로어(30)는 예컨대, 상위 알루미늄 플레이트와 하위 알루미늄 플레이트 사이에 배치되는 Hexcel™을 포함한다. 일 실시예에서, 상위 보유부(32)는 로터 축(16)에 결합되는 상위 베어링 보유부로서, 로터 축이 상위 베어링 보유부(32) 내에서 회전할 수 있게 한다. 일 실시예에서, 하위 보유부(34)는 높은 강도 대 중량 비율을 갖는 경량의 보강부를 제공한다. 일 실시예에서, 지지 지주(36)는 상위 보유부(32)와 하위 보유부(34) 사이에 결합되는 알루미늄 7075C 채널 지주를 포함하고, 플레이트(38)는 알루미늄 플레이트 또는 높은 강도 대 중량 비율 재료를 갖는 다른 적절한 플레이트를 포함한다.
적어도 하나의 구성에서, 모듈(10)은 높은 고도에서 비행하도록 구성되어, 하우징(19)에 적합한 재료는 경량의 복합재 재료, 경량의 금속 재료, 복합제 재료 및 폴리머 재료의 적층체, 및 폴리머와 금속 재료의 적층체를 포함한다.
도 3은 모듈(10)의 일 실시예의 다른 사시도로서, 동체(21)의 일부를 도시한다. 일 실시예에서, 동체(21)는 하우징(19)에 결합되는 붐(40)을 포함하고, 붐(40)은 상위 시어 웹(42a, upper sheer web), 상위 웹(42a)으로부터 이격된 하위 시어 웹(42b)을 포함하고, 웹(42a, 42b)은 분벽(43, bulkhead)에 결합된다. 일 실시예에서, 붐(40)은 붐(40)의 길이를 따라 분배되는 다중의 섹션 지지부(44)를 포함한다.
도 4는 도 2의 선 4-4를 따라 취해진 모듈(10)의 일 실시예의 단면도이다. 모터/발전기 장치(20)(도 2)는 도시되지 않는다. 일 실시예에서, 로터(16)는 로터 블레이드(17)(도 2)에 결합되는 로터 허브(45)와 슬립 링(46) 사이에서 연장된다. 일 실시예에서, 슬립 링(46)은 로터 피치 서보 모터 제어부를 제공하고 도 4에서 배향된 바와 같이 구동 기어(14)의 하위 단부에 결합된다.
도 5는 모듈(10)의 일 실시예의 상부 사시도이다. 상위 시어 웹(42a)은 분벽(43)에 결합되고 붐(40)은 하나 이상의 스트링거(47)에 의해 하중 플로어(30)(도 2)에 결합된다. 일 실시예에서, 붐(40)은 하우징(19)으로부터 연장되고 로터 블레이드(17)의 회전 세차운동(counteract gyroscopic precession)을 방해하도록 구성되어, 모듈(10)이 움직이는 로터(16)(도 4)에 대해 경사지게 할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 발전 시스템(50)의 사시도이다. 시스템(50)은 로터 축(56)에 결합되는 장착 플레이트(52)와, 장착 플레이트(52)에 인접하게 로터 축(56)에 동축으로 결합되는 구동 기어(54)와, 장착 플레이트(52)에 장착되는 복수의 모터/발전기 장치(60)를 포함하고, 각각의 모터/발전기 장치(60)는 구동 기어(54)와 회전식으로 결합되도록 구성되는 출력 축(64)을 포함한다.
일 실시예에서, 구동 기어(54)는 시스템(50)에 냉각을 제공하고 회전 가능하여 로터 축(56)과 함께 움직이도록 구성되고, 장착 플레이트(52)는 정지되어 로터 축(56)에 고정된다. 일 실시예에서, 출력 축(64)은 구동 기어(54)와 마찰식으로 결합되어, 구동 기어(54)의 움직임은 출력 축(64)의 회전을 초래한다. 상술한 바와 같은 이러한 방식으로, 구동 기어(54)는 출력 축(64)의 직경보다 매우 큰 직경을 갖도록 선택되어, 구동 기어(54)의 회전은 출력 축(64)의 높은 RPM 회전을 초래한다.
도 7은 구동 기어(54)의 일 실시예의 사시도이다. 일 실시예에서, 구동 기어(54)는 일체식 냉각 팬 구동 기어(54)이며, 내부 주연 링(70), 외부 주연 링(72) 및 내부 링(70)과 외부 링(72) 사이에서 연장하는 블레이드(74)를 포함한다. 일 실시예에서, 내부 링(70)은 로터 축(56)(도 6) 주위에 결합되도록 구성되는 내부 베어링 링을 제공한다. 일 실시예에서, 외부 주연 링(72)은 아크형 부재의 다중 섹션(76)을 포함하고, 이러한 다중 섹션은 브래킷(78)에 의해 인접한 섹션(76)에 결합된다. 대략 8개의 섹션(76)이 원형의 외부 링(72)을 형성하도록 구성된다. 블레이드(74)의 예시적 실시예는 팬 블레이드(도시됨), 스포크, 공기역학적 형상의 블레이드, 내부 링(70)과 외부 링(72)을 지지하도록 구성되는 (공기역학적 형상일 필요가 없는) 둥근 스포크, 또는 솔리드 디스크일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 블레이드(74)를 위한 다른 적합한 형상도 가능하다.
일 실시예에서, 내부 링(70)은 캐스트 알루미늄 링이고, 각각의 섹션(76)은 알루미늄 플레이트 사이에 배치되는 50% 유리 충전 나일론 충전재를 포함하고, 블레이드(74)는 Hexcel™ 코어 위에 형성되는 0.3175㎝(0.125인치) 유리 에폭시 스킨으로 형성된다. 일 실시예에서, 외부 링(72)의 외부 주연 표면(80)은 출력 축(64)과 마찰식으로 결합하도록 구성된다. 일 실시예에서, 외부 주연 표면(80)은 치형부를 포함하지 않는 마찰 표면이다. 다른 실시예에서 외부 주연 표면(80)은 출력 축(64)(도 6) 상에 제공되는 치형부와 맞물리도록 구성되는 복수의 치형부(도시 생략)를 제공한다. 적절한 치형부는 스퍼, 헬리컬, 헤링본, 유성, 베벨, 나선형, 하이포이드 및 워엄 치형부를 포함한다.
일반적으로, 모터/발전기 장치(20)는 구동 기어(14)와 함께 상호 작용하기 위한 수단을 구비한 임의 형태의 전기 모터 또는 임의 형태의 전기 발전기를 지칭한다. 또한, 모터/발전기 장치(20)는 회전 운동 또는 병진 회전 운동을 전기 에너지로 전환할 수 있는 임의의 장치를 포함한다. 회전식 운동 또는 회전 운동의 전환 또는 전환은 추가적인 컨버터 또는 발전기를 포함할 수 있다. 전기 모터/발전기 모듈(10)에 의해 발생된 전기 또는 전기 에너지는 적절한 전선(26) 또는 테더(26)를 통해 지상으로 송전될 수 있으며, 발전된 전기는 전기 장치에 전력을 공급하는데 사용되거나 전기 화학적으로(예컨대, 전기 분해에 의해 수소를 생성하는 전기화학적 반응으로) 또는 이후의 사용을 위해 다른 유형의 저장 장치에 저장될 수 있다.
도 8은 상술된 바와 같이 전기 모터/발전기 장치(10)를 채용하는 비행 전기 발전기 시스템(100)의 일 실시예의 사시도이다. 시스템(100)은 프레임(102)에 의해 상호 연결되는 4개의 전기 모터/발전기 모듈(10)과, 모듈(10)에 의해 발생된 전기를 지국(106) 또는 버스(106)에 전달하도록 구성되는 프레임(102)에 부착된 테더(104)를 포함한다. 다른 실시예에서, 적절한(4개를 초과하거나 4개보다 작은) 수의 전기 모터/발전기 모듈(10)이 프레임(102)에 결합된다.
일 실시예에서, 테더(104)는 윈치(108)로부터 공급되고 모듈(10) 및 프레임(102)이 예컨대, 지구 표면 위로 약 3,048m(10,000피트)와 약 9,753.6m(약 32,000피트)(거의 10㎞) 사이에서 제트 기류 내로 연과 같은 방식으로 비행할 수 있게 한다. 일 실시예에서, 테더(104)는 7.62㎝(3인치) 두께의 전기 전도성 케블라 선(Kevlar line)이다. 다른 실시예에서, 테더(104)는 전기를 전도하고 모듈(10) 및 프레임(102)을 안정하도록 구성된 꼬여진(braided) 강 케이블이다. 다른 적절한 형태의 테더(104)도 가능하다. 케이블형 테더가 도시되었지만, 전기 발전기 시스템(100)은 지상계 풍력 에너지 시스템을 생성하도록 구성되는 타워 또는 다른 지상 지지체를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 전기 발전기 시스템(100)은 지면의 사용자에게 실시간, 3차원 위치 정보를 전달할 수 있는 위성 위치확인 시스템(GPS)(미도시)을 포함한다.
실시예들은 복수의 독립적인 여분 전력 발전 모터/발전기 장치를 포함하는 전기 전력 발전 시스템을 제공한다. 모터/발전기의 개수는 개별적인 비교적 저전압 모터/발전기로 시스템에 대하여 소정 출력 전압을 제공하도록 선택된다. 일 실시예에서, 다중 모터/발전기는 많은 가능한 직병렬 조합 중 하나로 배선되어 시스템에 대한 다양한 출력 전압을 생성한다. 예를 들어, 모터/발전기의 개수=N 이고, 각각의 모터/발전기가 전압=V 를 생성하는 경우, 시스템에 대한 출력 전압은 (모든 모터/발전기가 병렬로 배선된 경우) V 로부터 (모든 모터/발전기가 직렬로 배선된 경우) N*V 까지 선택적으로 가변한다. 예시적인 일실시에에서, 각각 약 380 볼트를 제공하는 적절한 개수의 개별적인 여분 동력-발전 모터/발전기 장치가 함께 결합되어 모듈에 대하여 약 25,000 볼트 출력을 제공한다. 또 다른 예에서, 각각의 모듈에 대한 출력 전압은 약 2000 볼트 미만의 전압을 갖는 적절한 개수의 개별적인 여분 동력-발전 모터/발전기의 사용을 통해 대략적으로 25,000 볼트와 50,000 볼트 사이의 범위에서 선택적으로 가변될 수 있다.
시스템의 구동 기어에 대하여 모터/발전기 장치를 장착하기 위한 많은 가능한 구성이 있으며, 그중 몇몇은 이하에서 설명된다.
도 9a는 일 실시예에 따른 전기 발전 시스템(200)의 평면도이며, 도 9b는 단면도이다. 시스템(200)은 프레임(203)에 결합되는 장착 플레이트(202), 프레임(203)을 통해 소통하는 로터축(206)에 결합되는 구동 기어(204), 및 장착 플레이트(202)에 장착되는 다중의 독립적으로 작동하는 여분의 모터/발전기 장치(210)를 포함한다. 로터축(206)의 회전은 구동 기어(204)를 회전시키고, 구동 기어(204)의 회전은 각각의 모터/발전기 장치(210)의 출력부(222)를 회전시켜 출력 전압을 생성하고 전기를 공급한다. 일 실시예에서, 로터 축(206)은 바람에 의해 회전되는데, 로터축은 가정과 업무에서의 후속적인 사용을 위하여 모터/발전기 장치(210) 내에서 출력 축(222)을 회전시켜 바람을 전기로 전환한다.
일 실시예에서, 장착 플레이트(202)는 구동 기어(204)의 주 표면(216)에 인접한 제2 측부(214) 반대편의 제1 측부(212)을 포함한다. 출력 축(222)은 각각의 모터/발전기 장치(210)로부터 연장하여 구동 기어(204)의 주연부 모서리(224)와 결합한다.
일 실시예에서, 주연부 모서리(224)는 윤활 폴리머를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서 주연부 모서리(224)는 구동 기어(204) 주위에서 환형 링으로 형성되고, 출력 축(222)과 맞물리는 치형부를 제공하며, 윤활 폴리머로 형성된다. 적절한 윤활 폴리머는 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 또는 상표명 VESPEL®로 입수가능한 폴리이미드를 포함하지만, 다른 윤활 폴리머도 가능하다. 본원에서 설명되는 시스템은 고고도 비행[7,620m(25,000피트) 초과]을 위하여 구성되며, 이 고도에서 기온은 일반적으로 -17.78℃(0°F) 미만이다. 오일이나 그라파이트와 같은 다른 형태의 윤활제는 -40℃(-40°F) 주위의 온도에서 적절하게 윤활시키지 못할 수 있다. 일 실시예에서, 출력 축(222)과 구동 기어(204) 사이의 맞물림 계면에서 윤활을 보장하기 위하여 적어도 주연부 모서리(224)는 PEEK 또는 폴리이미드와 같은 윤활 폴리머로 형성된다.
선밀도, 예컨대 장착 플레이트(202)를 따르는 모터/발전기 장치(210)의 배치는 소정 출력 전압에 따라 선택적으로 가변한다. 일 실시예에서, 구동 기어(204)는 약 9.14m(약 30피트)의 직경을 가지며, 각각의 출력 축(222)은 약 0.0253m(약 0.083피트)의 직경을 가지며, 모터/발전기 장치(210)는 0.3048m(1피트)당 약 3개의 모터/발전기 장치(210)의 선밀도로 장착 플레이트(202)의 주연부 주위에 장착된다. 약 380 볼트의 출력을 위한 각각의 모터/발전기 장치(210)의 크기조정은 시스템(200)이 약 102,000 볼트의 총 출력 전압을 제공하도록 구성한다. 다른 출력 전압의 모터/발전기 장치(210)을 위한 다른 배치 밀도 역시 가능하다.
적절한 모터/발전기 장치는 2상 교류 장치, 3상 AC 장치, 또는 DC 장치를 포함한다. 일 실시예에서, 모터/발전기 장치(210)는 대략적으로 15.24cm(0.5 인치)와 25.4cm(10인치) 사이 범위의 모터 직경과, 대략적으로 0.5 W와 150 kW 사이 범위의 전력 레벨과, 대략적으로 20,000 RPM과 30,000 RPM 사이 범위의 출력 축(222)에 대한 회전 속도를 갖는 브러시리스 영구자석 모터를 포함한다. 적절한 이러한 모터/발전기 장치는 캘리포니아주 시미 밸리(Simi Valley)의 AVEOX에서 입수가능한 AVX50BL10 브러시리스 모터가 확인된다. 이러한 캐니스터형 모터/발전기는 캐니스터의 직경보다 큰 높이를 갖는다. 캐니스터의 직경은 일반적으로 25.4cm(10인치) 미만[12.7cm(5인치) 미만의 반경으로]이서서, 코일을 지나가는 자석의 선속도가 RPM당 12.7cm(5인치)/초 미만이다.
다른 적절한 모터/발전기는 팬케익 모터를 포함한다. 적절한 팬케익 모터는 인디아나주 인디아나폴리스(Indianapolis)의 Light Engineering Inc.에서 입수가능한 모델번호 M32N1-XXX 직권 30 모터이다. 적절한 팬케익 발전기는 2,500 RPM의 정격 속도, 12 kW의 전력 출력을 갖는 직권 30 모델 G32N1-XXX 발전기를 포함한다. 팬케익형 모터 발전기는 일반적으로 캐니스터형보다 큰 직경을 가져서, 코일에 대한 자석의 선속도는 RPM당 12.7cm(5인치)/초를 초과한다.
도 10a는 일 실시예에 따른 전기 동력-발전 시스템(300)의 평면도이며, 도 10b는 단면도이다. 시스템(300)은 프레임(303)에 결합되는 장착 플레이트(302), 프레임(303)을 통해 소통하는 로터 축(306)에 결합되는 구동 기어(304), 및 장착 플레이트(302)에 결합되어 구동 기어(304)로 연장하는 다수의 독립적으로 작동하는 여분의 모터/발전기 장치(310)를 포함한다.
일 실시예에서, 장착 플레이트(302)와 구동 기어(304)는 평면(A)에 배치되어 장착 플레이트(302)가 구동 기어(304)와 실질적으로 공면(co-planar)이 된다. 모터/발전기 장치(310)는 장착 플레이트(302) 주위에 이격되어 시스템(300)에 대한 선택된 전압 출력을 제공하기 위하여 합쳐지는 장치(310)들의 소정 선밀도를 제공한다. 일 실시예에서, 모터/발전기 장치(310)의 쌍들은 실질적으로 평면(A)에 평행하게 장착된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 구동 기어(304)는 제2 주 표면(314)에 반대편의 제1 주 표면(312)을 포함하며, 한 쌍의 모터/발전기 장치(310)가 장착 플레이트(302)에 장착되어 장치(310)들 중 제1 장치가 제1 주 표면(312)과 소통하고 장치(310)들 중 제2 장치가 제2 주 표면(314)과 소통한다. 일 실시예에서, 모터/발전기 장치(310)의 쌍들은 평면(A)에 실질적으로 평행하게 장착되며 쌍을 이루는 각각의 모터/발전기 장치(310)는 그 상대에 대하여 파상으로 배치되어 있다(즉, 측방향 오프셋을 갖는다).
일 실시예에서, 구동 기어(304)는 수 피트의 직경을 가져서, 구동 기어(304)가 회전할 때는 구동 기어(304)의 외주부 모서리가 흔들리거나(wobble) 정렬을 약간 벗어날 가능성이 있다. 일 실시예에서, 장착 플레이트(302)와 모터/발전기 장치(310) 사이에 장착되는 충격 흡수 또는 감쇠 시스템(330)이 제공되어 장치(310)를 평면(A) 밖으로 이동시키고 구동 기어(304)에 존재하는 흔들림을 감쇠/조정할 수 있다. 일 실시예에서, 충격 흡수 시스템(330)은 장착 플레이트(302)와 장치(310) 사이에 부착되는 스프링(332)을 포함하지만, 다른 충격 흡수장치도 가능하다.
일 실시예에서, 각각의 모터/발전기 장치(310)는 구동 기어(304)의 주 표면들(312, 314) 중 하나와 결합하기 위하여 연장하는 출력 축(322)을 포함한다. 일 실시예에서, 주 표면들(312, 314)은 출력 축(322)에 제공되는 구동치와 맞물리도록 구성되는 구동치를 외주에 포함하며, 구동 기어(304)와 출력 축(322) 사이의 계면은 전술한 바와 같이 PEEK 또는 폴리이미드와 같은 윤활 폴리머(324)를 포함한다.
도 11은 일 실시예에 따른 전기 모터/발전기 모듈(10)에 대한 소정 전압 출력을 제공하기 위하여 병렬로 그룹화된 일련의 모터/발전기(400)의 블록 구성도이다. 예시적 일 실시예에서, 다수의 모터/발전기들(모터/발전기 a 부터 모터/발전기 n 까지)은 각각의 모듈(10)(도 1)에 대하여 전압 출력을 제공하기 위하여 직렬로 함께 결합되며, 다수의 이러한 모듈들은 직렬로 결합되어 모듈의 각각의 전기-발전 시스템(100)(도 8)은 약 1 MW의 전력을 생산한다. 일 실시예에서, 시스템에 대한 소정 출력 전압의 유연성은 다중 모터/발전기들(a…n) 또는 다양한 조합으로 주어진 출력 전압의 모터/발전기의 쌍들을 선택적으로 배선하는 것을 통해 제공된다. 따라서, 시스템의 출력 전압은 각각의 모터/발전기의 출력 전압을 변경하지 않고 선택된 배선 조합을 통해 선택적으로 가변한다. 후술하는 예들에 상세하게 설명되는 바와 같이, 예시적 일 실시예에서, 다수의 저전압 모터/발전기들(예컨대 약 500 볼트 미만)이 병렬로 그룹화되고 하나의 모듈(10)에서 약 5,000 볼트를 제공하기 위하여 직렬로 연결되거나, 또는 더 적은 개수의 고전압 모터/발전기들(예컨대, 500 볼트 초과)이 직렬로 연결되어 각각의 모듈(10)에서 약 5,000 볼트를 제공한다.
예 1
예시적 일 실시예에서, 각각 약 0.1 MW를 생산하는 10개의 모터/발전기(20)에 의해 1 MW 모듈(10)(도1)이 제공된다. 예시적인 실시예에서, 지상에 약 20,000 볼트를 공급하는 테더 조립체(40)를 제공하는 것이 바람직하며, 시스템(100)(도 8)은 도시된 바와 같이 4개의 모듈(10)을 포함하여 각각의 모듈(10)이 약 5,000 볼트를 생산하도록 구성된다. 지상에 약 20,000 볼트를 공급하는 테더 조립체(40)는 각각 약 500 볼트에서 직렬 연결된 10개의 모터를 제공함으로써 달성된다.
예 2
예시적 일 실시예에서, 모터/발전기(20)는 500 볼트 대신 약 1,000 볼트를 생산하도록 선택된다. 이러한 1000 볼트 모터/발전기의 쌍들은 병렬로 연결되며 이러한 5 쌍은 직렬로 연결되어 모듈(10)에서 소정의 약 5,000 볼트를 생산한다. 모듈(10)로부터 약 10 MW의 동일한 전력을 생산하도록 1000 볼트 모터/발전기가 채용되기 때문에, 이러합 접근은 전류를 낮춘다. 전류를 낮추는 것은 더 작은 와이어와 더 작은 권선의 사용을 가능하게 하여, 더 가벼운 장치를 야기한다. 따라서, 각각의 모듈(10)은 여전히 동일한 약 1 MW의 총 출력을 생산하면서 절반의 암페어를 필요로 한다. 전류를 반감하는 것은 더 가벼운 중량을 갖는 모듈을 초래하는 더 가는 와이어의 더 작은 권선의 사용을 가능하게 한다.
예 3
예시적 일 실시예에서, 300개의 "소형" 모터/발전기가 채용되어 4개의 모듈(10)로부터 지상에 약 30,000 볼트를 공급하는 테더 조립체(40)를 제공한다. 4개의 모듈(10)로부터 지상에 30,000 볼트를 공급한다는 것은 각각의 모듈(10)이 약 7,500 볼트의 출력을 갖는다는 것으로 해석할 수 있다. 각 모듈로부터의 7,500 볼트는 300 개의 모터/발전기에 걸쳐 균일하게 나뉘어 각각의 모터/발전기가 약 25 볼트를 생산하게 된다. 이러한 300개의 25 볼트 모터/발전기를 직렬로 연결하는 것은 각각의 모듈에서 약 7,500 볼트를 생산할 것이며 지상에 약 30,000 볼트를 공급하는 테더를 생산할 것이다. 일 실시예에서, 모터/발전기 중 몇몇은 여분의 모터/발전기가 되어 몇몇 모터/발전기가 비행 중 고장나는 경우라도 충분한 개수의 모터/발전기가 작동을 유지하여 시스템에 대하여 희망하는 연산된 출력 전압을 생산할 것이다.
본 명세서에서 구체적인 실시예들이 도시되고 설명되었더라도, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 도시되고 설명된 구체적인 실시예에 대하여 다양한 대체적인 그리고/또는 등가적인 실시가 대체될 수 있다는 것은 본 기술 분야의 일반적인 기술자에게 자명할 것이다. 본원은 본 명세서에서 논의된 구체적인 실시예들의 임의의 개조 또는 변경을 포함한다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 등가물에 의해서만 제한되지 않는다.

Claims (36)

  1. 에너지원으로 로터 축을 회전시켜 에너지원을 전기로 전환하도록 구성되는 전기 발전 시스템이며,
    프레임에 결합되는 장착 플레이트와,
    로터 축에 결합되어 로터 축이 움직일 때 움직이도록 구성되는 구동 기어와,
    장착 플레이트에 장착되는 복수의 모터/발전기 장치로서, 각각의 모터/발전기 장치는 구동 기어와 회전가능하게 결합되도록 구성되는 출력 축을 포함하며, 각각의 모터/발전기 장치는 구동 기어에 독립적으로 결합되어 복수의 여분 전력 발전 모터/발전기 장치를 제공하며, 모터/발전기 장치의 적어도 일부가 구동 기어로부터 상기 모터/발전기를 결합해제하도록 구성되는 결합해제 기구를 포함하는 복수의 모터/발전기 장치를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    결합해제 기구는 클러치를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    결합해제 기구는 솔레노이드를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    장착 플레이트는 제1 측부 및 구동 기어의 주 표면에 인접한 반대편의 제2 측부를 포함하며,
    각각의 출력 축은 장착 플레이트의 제2 측부으로부터 연장하여 구동 기어의 주연부 모서리와 회전가능하게 결합되는
    전기 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    장착 플레이트는 구동 기어와 실질적으로 공면이 되며, 복수의 모터/발전기 장치는
    구동 기어에 의해 형성되는 평면에 실질적으로 평행하게 장착되고 구동 기어의 제1 주 표면에 결합되는 제1 출력 축을 갖는 제1 모터/발전기 장치 및 구동 기어에 의해 형성되는 평면에 실질적으로 평행하게 장착되고 구동 기어의 제2 주 표면에 결합되는 제2 출력 축을 갖는 제2 모터/발전기 장치를 포함하도록 이격배치된 쌍을 이룬 모터/발전기 장치들을 포함하는
    전기 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    쌍을 이룬 모터/발전기 장치는 구동 기어에 대하여 반경방향으로 결합되며 구동 기어에 의해 형성되는 평면에 대하여 수직으로(normal) 이동하도록 구성되어 구동 기어가 흔들릴 때 출력 축이 구동 기어와 결합을 유지하는
    전기 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    각각의 출력 축은 계면에서 구동 기어와 결합하며,
    계면은 폴리머를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    구동 기어의 주연부는 폴리에테르에테르케톤 및 폴리이미드 중 하나의 윤활 폴리머를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    구동 기어는 복수의 치형부를 포함하며 각각의 모터/발전기 장치의 각각의 출력 축은 구동 기어의 치형부와 맞물리도록 구성되는 축 치형부를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    각각의 모터/발전기 장치는 구동 기어의 회전을 위한 동력을 공급하도록 구성되는 가역적 모터/발전기 장치인
    전기 발전 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 시스템에 대한 출력 전압은, 장착 플레이트에 장착되는 모터/발전기의 개수가 N이고 V가 모터/발전기 장치들 중 각각의 하나의 전압일 때, V로부터 N 곱하기 V까지의 범위를 갖는
    전기 발전 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    복수의 모터/발전기 장치는 0.3048m(1피트)당 약 3개의 모터/발전기 장치의 선밀도를 갖도록 장착 플레이트의 주연부를 따라 장착되는
    전기 발전 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    복수의 모터/발전기 장치는 복수의 모터를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    복수의 모터/발전기 장치는 복수의 발전기를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    에너지원은 풍력 에너지이며,
    전기 전력 발전 시스템은
    로터 축에 결합되어 풍력 에너지에 의해 회전될 때 양력(lift)을 제공하여 전기 발전 시스템의 일부를 소정 고도로 상승시키는 로터를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  16. 전기 발전 시스템이며,
    기류에 위치되었을 때 회전하고 회전될 때 양력을 제공하도록 구성되는 로터와,
    로터에 결합되는 로터 축과,
    로터 축에 결합되어 로터 축이 회전할 때 회전하도록 구성되는 구동 기어와,
    각각 구동 기어와 결합하여 회전하도록 구성되는 출력 축을 포함하여 각각의 결합된 출력 축이 회전하여 출력 축의 대응 모터/발전기 장치를 회전시켜 기류를 전기로 전환하는 복수의 모터/발전기 장치로서, 모터/발전기 장치의 적어도 일부는 구동 기어로부터 상기 모터/발전기를 결합해제하도록 구성되는 결합해제 기구를 포함하는 복수의 모터/발전기 장치를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    결합해제 기구는 클러치를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    결합해제 기구는 솔레노이드를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    각각의 모터/발전기 장치는 구동 기어의 회전에 동력을 제공하여 로터 축을 회전시킴으로써 로터를 회전시키도록 구성되는 가역적 모터/발전기 장치인
    전기 발전 시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    각각의 모터/발전기 장치는 구동 기어에 독립적으로 결합되어 복수의 여분 전력 발전 모터/발전기 장치를 제공함으로써 동작불능 모터/발전기 장치가 결합해제 기구를 통해 구동 기어로부터 결합해제되도록 구성되는
    전기 발전 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 시스템은 소정 전력 출력을 생산하도록 구성되고,
    제1 전력 출력 레벨에서 작동하는 각각의 복수의 모터/발전기 장치와,
    제1 전력 출력 레벨보다 큰 제2 전력 출력 레벨에서 작동하도록 구성되는, 각각의 작동불능의 모터/발전기 장치를 제외한 각각의 복수의 모터/발전기 장치를 포함하는 잔여 개수의 복수의 모터/발전기 장치 중 하나를 포함하는
    전기 발전 시스템.
  22. 제20항에 있어서,
    각각의 복수의 모터/발전기 장치는
    아이들 모드와,
    작동 모드와,
    결합해제된 작동불능 모드 중 하나에서 선택적으로 작동하도록 구성되는
    전기 발전 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 시스템은
    작동 모드의 복수의 모터/발전기 장치의 일부,
    아이들 모드의 적어도 하나의 모터/발전기 장치를 포함하는 잔여 모터/발전기 장치, 및
    결합해제된 작동불능 모드의 적어도 하나의 모터/발전기 장치로 소정 전력 출력을 생산하도록 구성되는
    전기 발전 시스템.
  24. 제16항에 있어서,
    대략적으로 1000 볼트보다 적은 저전압 장치를 포함하는 각각의 모터/발전기 장치로 적어도 15,000 볼트를 출력하도록 구성되는 고출력 전압 시스템을 포함하는
    전기 발전 시스템.
  25. 제16항에 있어서,
    각각의 모터/발전기 장치는 대략적으로 3,048m(10,000피트)보다 높은 고도의 공기중에서의 항복 전압을 견디도록 구성되어 전기를 발전하는
    전기 발전 시스템.
  26. 전기 발전 방법이며,
    로터를 회전시키기 위하여 로터를 기류에 대하여 위치시키는 단계와,
    로터의 회전으로 구동 기어를 회전시키는 단계와,
    복수의 여분 전력 발전 모터/발전기 장치를 제공하기 위하여 복수의 모터/발전기 장치를 구동 기어에 독립적으로 결합시키는 단계와,
    전기를 발전하기 위하여 구동 기어로 복수의 여분 전력 발전 모터/발전기 장치 중 각각의 여분 전력 발전 모터/발전기 장치의 출력 축을 회전시키는 단계와,
    연결된 결합해제 기구를 사용하여 구동 기어로부터 모터/발전기 장치를 결합해제하는 단계를 포함하는
    전기 발전 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    로터로 복수의 여분 전력 발전 모터/발전기 장치를 일정 고도까지 상승시키는 단계를 포함하는
    전기 발전 방법.
  28. 제26항에 있어서,
    결합해제 기구는 클러치를 포함하는
    전기 발전 방법.
  29. 제26항에 있어서,
    결합해제 기구는 솔레노이드를 포함하는
    전기 발전 방법.
  30. 전기 발전기 시스템이며,
    프레임과,
    프레임에 결합되는 구동 기어와,
    구동 기어의 직경보다 작은 직경을 가지며 구동 기어와 결합되도록 위치되는 출력 축과 함께 각각 구성되는 복수의 발전기로서, 에너지원에 의해 야기되는 구동 기어의 회전은 발전기의 출력 축을 회전시켜 에너지원을 전기로 전환하며, 복수의 발전기 중 적어도 일부는 구동 기어로부터 발전기를 결합해제하도록 구성되는 결합해제 기구를 포함하는 복수의 발전기를 포함하는
    전기 발전기 시스템.
  31. 제30항에 있어서,
    각각의 복수의 발전기는 또 다른 복수의 발전기에 독립적으로 전기를 발전하도록 구성되는
    전기 발전기 시스템.
  32. 제30항에 있어서,
    구동 기어는 전기 발전기 시스템을 공중(airborne) 전기 발전기 시스템으로 구성하는 로터 블레이드에 결합되는
    전기 발전기 시스템.
  33. 제30항에 있어서,
    구동 기어의 직경은 적어도 3.048m(10피트)이며 복수의 발전기는 구동 기어의 외주부 주위에 반경방향으로 결합되며 상기 구동기의 축선방향 흔들림 운동을 제한하도록 구성되는 발전기의 반대편의 쌍을 포함하는
    전기 발전기 시스템.
  34. 전기 발전기 시스템이며,
    프레임과,
    프레임에 결합되는 구동 기어와,
    구동 기어의 직경보다 작은 직경을 가지며 구동 기어와 결합되도록 위치되는 출력 축과 함께 각각 구성되는 복수의 모터로서, 모터에 의해 발전되는 전기는 출력 축을 회전시키도록 채용되고, 출력 축의 회전은 구동 기어를 회전시키며, 복수의 모터 중 적어도 일부는 구동 기어로부터 모터를 결합해제하도록 구성되는 결합해제 기구를 포함하는 복수의 모터를 포함하는
    전기 발전기 시스템.
  35. 제34항에 있어서,
    각각의 복수의 모터는 또 다른 복수의 모터에 독립적으로 전력을 발전하도록 구성되는
    전기 발전기 시스템.
  36. 제34항에 있어서,
    회전하는 출력 축은 구동 기어를 회전시키며, 회전하는 구동 기어는 구동 기어에 결합되는 로터를 회전시켜 상기 시스템이 공기역학적 상승을 생성할 수 있는
    전기 발전기 시스템.
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