KR20170128277A - 유체 유동으로부터 전력을 추출하기 위한 장치 - Google Patents

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KR20170128277A
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카이트팜즈 엘엘씨
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    • Y02E10/70—Wind energy

Abstract

전력 추출 장치는 트랙 및 트랙에 결합된 에어포일을 포함한다. 트랙은 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간을 포함하고, 제1 세장 구간은 제2 세장 구간 위에 위치된다. 에어포일은 제1 세장 구간과 제2 세장 구간에 번갈아 결합될 때 서로 반대 방향으로 이동 가능하다.

Description

유체 유동으로부터 전력을 추출하기 위한 장치
본 명세서는 주로 재생 에너지에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 명세서는 유체 유동으로부터 전력을 추출하기 위한 장치 및 방법을 개시하고 있다.
유체 유동으로부터 전력을 추출하는 것은 재생 에너지의 중요한 원천이다. 주된 예는 풍력과 수력을 포함한다.
유체 유동으로부터 전력을 추출하기 위한 전통적인 시스템은 주로 터빈에 기초하고 있다. 터빈에서, 하나 이상의 블레이드가 고정 장치(전형적으로 탑)에 견고하게 부착되어 있는 중심점 둘레로 회전 가능하다. 블레이드들은 유동 유체 내에 배치되는데, 유동 유체는 블레이드들의 회전을 유도하고, 회전은 전기로 변환된다.
터빈은 다수의 문제점을 겪는다. 예를 들어, 터빈에 가해지는 힘은 터빈 블레이드의 길이의 세제곱에 비례한다. 터빈 블레이드의 크기가 증가함에 따라 파괴력(destructive force)(예를 들어, 탑을 중심으로 하는 모멘트)은 세제곱된다. 대조적으로 사용 가능한 힘은 단지 제곱된다.
이 "제곱-세제곱" 법칙은 터빈의 규모에 상당한 제약을 가한다. 필연적으로, 더 큰 크기로부터 추출되는 추가 전력의 이득이 파괴력의 증가를 다루는 비용에 의해 상쇄되지 않는다. 적어도 이 이유 때문에, 터빈 규모가 제한된다.
다른 공지된 해결책은 탑 또는 다른 견고한 고정 장치가 없다. 이러한 전력 추출 시스템의 예는 공중 풍력 에너지 시스템("AWE": airborne wind energy system)을 포함한다. 전형적으로 이 시스템은, 풍력 터빈의 높이보다 높은 고도로 나는, 지면에 연결줄(tether)로 연결된 공력체(aerodynamic body)(예를 들어, 연)이다.
AWE의 공기 중에서의 움직임으로부터 전력을 추출하는 두 가지의 주된 메커니즘, 즉 내장형 발전 메커니즘 및 지상형 발전 메커니즘이 있다. 전자의 예는 위에서 설명한 터빈과 동일한 방법으로 전기를 발생시키는 연 위의 터빈을 포함한다. 후자의 예는 드럼에 부착된 긴 연결줄을 포함하는데, 연의 움직임이 드럼에 감겨 있는 연결줄을 풀고, 이에 따라 드럼 및 이에 연결된 발전기가 회전됨으로써 풍력이 전기로 변환된다.
AWE도 또한 다수의 문제점을 겪는다. 예를 들어 시스템이 공중 물체에 대해 경사진 연결줄을 요구하기 때문에, 추출되는 전력은 이용 가능한 전력 및 연결줄 각도의 코사인과 함수 관계에 있을 것이다. 따라서 추출되는 전력은 결코 이용 가능한 전력과 동일할 수 없다. 또한 연결줄은 공기 중을 이동하면서, 연을 느리게 하고 이에 따라 얻어지는 전력을 감소시키는 항력을 생성할 것이다. 마지막으로, 높이 나는 AWE는 (예를 들어, 비행금지구역으로 인한) 지리적 범위를 제한하고 실시를 위한 규제적 장애들을 제시하는 항공 규제를 받는다.
본 명세서의 예들은, 위에서 설명한 문제점들을 극복하는, 유체 유동으로부터 전력을 추출하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 예시적인 장점으로, 장치의 규모가 제곱-세제곱 법칙에 의해 제한되지 않을 수 있다. 다른 예시적인 장점으로, 장치와 방법이 연결줄의 항력 및/또는 코사인 손실을 겪지 않을 수 있다. 다른 예시적인 장점으로, 장치가 규제를 위한 "공중 장치"로 분류되지 않을 수 있다.
어떤 예에서, 전력 추출 장치는 트랙 및 트랙에 결합되는 에어포일을 포함한다. 트랙은 제1 세장 구간과 제2 세장 구간을 포함하며, 제1 세장 구간이 제2 세장 구간 위에 위치된다. 에어포일은 흡입면과 트랙 사이에 위치되는 압력면을 포함하며, 에어포일은 제1 세장 구간과 제2 세장 구간에 번갈아 결합될 때 서로 반대 방향들로 이동 가능하다.
흡입면이 트랙을 향하게 하는 것에 의해, 트랙은 에어포일이 대기풍 풍속에 대해 측풍 이동하도록 방향 설정될 수 있다. 측풍 이동은 에어포일이 대기풍의 풍속보다 큰 속도로 진행할 수 있게 하는 장점이 있다. 또한, 제1 세장 구간을 제2 세장 구간 위에 위치시키는 것에 의해, 두 세장 구간 중 어느 한 세장 구간에서 진행하는 에어포일이 다른 세장 구간에 있는 에어포일에 의해 방해받지 않는다.
어떤 다른 예에서, 계류선(bridle)이 트랙에 결합되고, 지면에 정착(anchor)된다. 계류는 더 작은 구조적 지지를 허용함으로써 전력 추출 장치의 비용을 감소시키는 이점이 있다.
계류는 또한 장치에 가해지는 파괴력이 감소되게 하는 이점이 있다. 예를 들어 세 개 이상의 계류선이 세장 구간을 따라 분포되어 세장 구간의 길이 상의 모멘트를 감소시킬 수 있다.
어떤 다른 예에서, 에어포일이 수평선에 대해 90-γ의 각도로 롤링되어 수평선에 대해 γ의 계류선 각도로부터의 힘을 편위시킨다.
어떤 예에서, 에어포일이 제1 세장 구간에 결합될 때 에어포일은 수평선에 대해 제1 롤링되고, 에어포일이 제2 세장 구간에 결합될 때 에어포일은 수평선에 대해 제2 롤링되며, 제1 롤링은 제2 롤링과 다르다.
어떤 예에서, 트랙은 제1 세장 구간과 제2 세장 구간을 연결하는 터미널(terminal)을 더 포함하며, 에어포일이 제1 세장 구간으로부터 제2 세장 구간으로 이동할 때 에어포일은 감속되고, 에어포일이 제2 세장 구간으로부터 제1 세장 구간으로 이동할 때 에어포일은 가속된다. 이에 따라 방향의 변경에 수반되는 높은 힘을 제거할 수 있다. 에어포일의 감속은 또한 전력으로 획득될 수 있다.
어떤 예에서, 트랙은 제1 세장 구간과 제2 세장 구간을 연결하는 터미널을 더 포함하고, 에어포일은 터미널을 따라 이동할 때 요잉된다.
본 명세서의 어떤 예에서, 전력 추출 방법은 트랙을 제공하는 단계, 트랙을 위치시키는 단계, 기체를 트랙에 결합하는 단계, 및 기체의 움직임을 통해 대기풍으로부터 전력을 획득하는 단계를 포함한다. 여기서 사용되는 바와 같이, 기체는 에어포일을 포함할 수 있고, 또한 예를 들어 동체와 꼬리 날개를 포함할 수 있다. 기체는 또한 단순히 에어포일일 수도 있다. 트랙은 제1 세장 구간 및 제1 세장 구간보다 아래에 있는 제2 세장 구간을 포함할 수 있다. 트랙은 기체가 대기풍에 대해 측풍 진행하도록 위치될 수 있다.
어떤 다른 예는 계류선을 트랙에 부착하고 계류선을 정착시키는 단계를 포함한다. 또 다른 예는 적어도 세 개의 계류선을 제1 세장 구간에 부착하는 단계를 포함한다. 어떤 예에서, 계류선들 중 하나는 수평선에 대해 γ의 각도로 경사지고, 방법은 기체가 제1 세장 구간에 결합될 때 기체를 수평선에 대해 90-γ의 각도로 롤링시키는 단계를 포함한다.
어떤 예에서, 방법은 기체가 제1 세장 구간에 결합될 때 기체를 수평선에 대해 제1 각도로 롤링시키고 기체가 제2 세장 구간에 결합될 때는 기체를 수평선에 대해 제2 각도로 롤링시키는 단계를 더 포함하며, 제1 각도가 제2 각도와 다르다.
어떤 예는 터미널을 제1 세장 구간과 제2 세장 구간 사이에 결합시키는 단계를 포함하며, 기체가 제1 세장 구간으로부터 터미널로 이동할 때 기체는 감속되고, 기체가 터미널로부터 제2 세장 구간으로 이동할 때 기체는 가속된다.
어떤 예에서, 방법은 터미널을 제1 세장 구간과 제2 세장 구간 사이에 결합시키는 단계와, 기체가 터미널을 따라 진행할 때 기체를 요잉시키는 단계를 더 포함한다.
본 명세서의 어떤 예에서, 전력 추출 시스템은 트랙, 수평선에 대해 γ의 각도로 경사지고 트랙에 결합되는 계류선, 및 트랙에 결합되고 수평선에 대해 대략 90-γ의 각도로 롤링되는 기체를 포함한다.
본 명세서의 어떤 예에서, 전력 추출 방법은 기체를 트랙에 결합하는 단계, 기체가 대기풍에 대해 측풍 진행하도록 트랙을 위치시키는 단계, 계류선을 트랙에 부착하고, 계류선이 수평선에 대해 γ의 각도로 비스듬하도록 계류선을 정착시키는 단계, 기체를 수평선에 대해 대략 90-γ의 각도로 롤링시키는 단계, 및 기체의 움직임을 통해 대기풍으로부터 전력을 획득하는 단계를 포함한다.
도 1a와 도 1b는 본 명세서의 예에 따른 예시적인 전력 추출 장치를 도시한다. 도 1a는 장치를 대기풍의 유동 방향에서 본 도면이다. 도 1b는 장치를 그 일부를 절개하여 도시한 측면도이다.
도 2a는 본 명세서의 예에 따른 예시적인 기체(airframe)를 도시한다.
도 2b는 본 명세서의 예에 따른 예시적인 에어포일(airfoil)을 도시한 단면도이다.
도 2c는 측풍 진행하는 물체의 일 예에 따른 예시적인 상대 풍속을 도시한다.
도 3a와 도 3b는 본 명세서의 예에 따른 예시적인 계류 시스템(bridling system)을 도시한다. 도 3a는 계류 시스템의 측면도이고, 도 3b는 평면도이다.
도 3c는 본 명세서의 예에 따라 기체가 수평선에 대해 90도로 롤링될 때 전력 추출 시스템에 가해지는 힘을 도시한다.
도 3d는 본 명세서의 예에 따라 기체에 가해지는 예시적인 롤링을 도시한 측면도이다.
도 4는 본 명세서의 예에 따른 전력을 추출하는 방법을 도시한다.
이하의 실시예의 설명에서는, 설명의 일부를 구성하며 구현될 수 있는 특정 실시예를 예시하고 있는 첨부 도면을 참조한다. 다른 실시예들이 사용될 수 있고 개시된 실시예의 범위를 벗어나지 않으면서 구조적인 변경이 행해질 수 있음을 이해해야 한다.
본 명세서의 예는 트랙 및 트랙에 결합된 에어포일을 포함하는 장치이다. 트랙은 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간을 포함하는데, 제1 세장 구간은 제2 세장 구간 위에 위치되어 있다. 에어포일은 흡입면과 트랙 사이에 놓이는 압력면을 포함하고, 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간에 교대로 결합될 때 반대 방향들로 이동 가능하다.
어떤 예에서는, 전력을 추출하는 방법이 트랙을 제공하고, 트랙을 위치시키고, 기체를 트랙에 결합시키고, 그리고 기체의 움직임을 통해 대기풍으로부터 전력을 획득하는 것을 포함한다. 트랙은 제1 세장 구간 및 제1 세장 구간보다 낮은 제2 세장 구간을 포함할 수 있다. 트랙은 기체가 대기풍에 대해 측풍 진행하도록 위치될 수 있다.
도 1a와 도 1b는 본 명세서의 예에 따른 예시적인 전력 추출 장치(100)를 도시한다. 도 1a는 장치를 대기풍(124)의 유동 방향에서 본 도면이다. 도 1b는 장치를, 도 1a의 점선으로부터 단부(108)를 향해 바라본, 그 일부를 절개하여 도시한 측면도이다.
장치(100)는 상부 세장 구간(104)과 하부 세장 구간(106)에서 각각 진행하는 기체들(112, 116)을 포함한다. 세장 구간들(104, 106)은 트랙(102)의 구성 요소들이며, 트랙은 또한 터미널들(108, 110)도 포함한다.
기체들(112, 116)은 대차들(114, 118)을 통해 트랙(102)에 결합된다. 트랙은 기체가 대기풍에 대해 측풍 진행하도록 방향 설정된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 물체는, 물체의 진행 방향이 대기풍의 방향과 정렬되지 않을 때 "측풍" 진행하는 것으로 이해될 수 있다. 대기풍은 탁월풍일 수 있지만, 반드시 그렇게 한정될 필요는 없다.
어떤 예에서, 물체의 진행 방향이 대기풍의 방향과 직교할 때 물체는 측풍 진행한다. 어떤 예에서, 물체의 진행 방향이 대기풍의 방향과 직교하는 방향으로부터 +/-45도 미만일 때 물체는 측풍 진행한다. 어떤 예에서, 물체의 진행 방향이 대기풍의 진행 방향과 직교하는 방향으로부터 +/-20도 미만일 때 물체는 측풍 진행한다.
어떤 예에서, (대기풍에 대해) 직교하는 진행 방향으로부터의 최대 각도 편위는 효율 손실 상의 한계(limit on efficiency loss)에 의해 계산될 수 있다. 어떤 다른 예에서, 각도 편위(β)를 효율 손실 상의 한계(EL)와 관련시키는 데에 알고리듬이 사용될 수 있다. 예시적인 알고리듬은 EL=(1-cos β) 및 EL=(1-cos2 β)를 포함할 수 있다. 주어진 효율 손실 상의 한계에 대해, 최대 편위 각도가 결정될 수 있다.
측풍 진행하는 것에 의해, 여기서 설명하는 어떤 예는 대기풍 풍속을 여러 번 진행할 수 있다. 또한, 세장 구간을 따라 진행하는 것에 의해, 어떤 실시예는 기체의 날개 길이의 여러 배인 영역으로부터 풍력을 획득할 수 있다. 어떤 예에서, 전력 추출 영역은 세장 구간의 길이를 기체의 날개 길이로 곱한 면적이다. 대조적으로, 풍력 터빈은 터빈 블레이드의 길이에 상응하는 반경을 갖는 원의 영역으로부터 풍력을 얻는 것에 제한된다.
여기에서 설명하는 어떤 실시예는 또한 AWE 보다 나은 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시예는 연결줄을 사용하지 않기 때문에, 풍력을 얻는 것과 관련된 코사인 손실이 없고 또한 연결줄 항력으로 인한 에너지 손실도 없다. 또한, 어떤 예는 AWE와는 대조적으로 "공중 장치"로 분류되지 않을 수 있고 따라서 항공 규정 및 규제에 따르는 단점을 피할 수 있다.
도 1a와 도 1b로 돌아가서, 기체들(112, 116)은 상부 구간(104)과 하부 구간(106)에서 각각 서로 반대 방향으로 진행한다. 기체들은 터미널(108)을 따라 상부 구간으로부터 하부 구간으로 그리고 터미널(110)에서 하부 구간으로부터 상부 구간으로 갈아탄다. 터미널을 따르는 진행은 또한 기체들의 방향이 바뀌게 한다. 터미널에 상응하는 경로를 따라 진행하는 동안, 기체는 소망하는 측풍 방향을 달성하도록 요잉될 수 있다. 장치(100)에서, 터미널에 상응하는 경로를 따라 진행할 때 기체는 (기체 좌표계에서) 180도로 요잉될 수 있다.
또한, 방향 변화로 인해 기체는 상부 세장 구간(104)을 진행할 때에는 수평선에 대해 제1 롤링을 하면서 진행하고 하부 세장 구간(106)을 진행할 때에는 수평선에 대해 제2 롤링을 하면서 진행하게 된다. 더 구체적으로, 도 1a와 도 1b의 기체가 방향(120)으로 진행할 때, 기체는 (지구 좌표계에서) 우측으로 90도 롤링된다. 기체가 방향(122)으로 진행할 때, 기체는 좌측으로 90도 롤링된다. 서로 다른 방향으로 진행할 때 서로 다른 각도로 롤링하는 것에 의해, 본 명세서의 어떤 예는 기체가 세장 구간들을 따르는 두 방향 모두에서 측풍 진행하게 하고, 상대풍에 대해 공기역학적으로 효율적인 받음각으로 기체의 방향을 설정하게 한다(하기에서 더 설명함).
전기는 다수의 메커니즘들 중 임의의 메커니즘(미도시) 또는 이러한 메커니즘들의 조합을 사용하여 기체의 운동으로부터 획득될 수 있다. 어떤 예에서, 기체에 가해지는 항력이 전기로 변환될 수 있다. 이는 예를 들어 기체 위에 있는 프로펠러와 같은 전기 모터 또는 발전기를 이용하여 달성될 수 있다. 프로펠러가 회전함에 따라 전기가 발생된다. 다른 예는 트랙을 따라 주행하는 휠들(예를 들어, 도 1의 요소들(126, 128) 참조)을 구비한 대차(carriage)를 포함할 수 있다. 휠들이 회전함에 따라 대차 내의 전기 모터에서 전기가 발생된다. 어떤 다른 예에서는, 케이블 또는 다른 컨베이어 벨트가 기체에 연결되고, 전력은 기체 내에서가 아닌 컨베이어 허브에서 발생된다. 어떤 예는 랙 및 피니언 장치를 포함할 수 있는데, 피니언은 기체에 부착되고 랙은 세장 구간에 있다. 또 다른 예에서, 서로 다른 기체 속도가 독립적으로 획득될 수 있고 그리고/또는 어떤 컨베이어 벨트는 필요한 경우에 기체를 가속하는 데 사용될 수 있도록 트랙 위에 많은 케이블들, 컨베이어 벨트들, 레일들 등이 있을 수 있다.
어떤 예에서, 전기는 유도를 통해 획득된다. 전기 코일이 세장 구간에 설치되고 자석이 기체에 설치될 수 있다. 기체가 이동함에 따라, 자석이 전력으로 획득될 수 있는 전류를 코일에 유도한다. 이러한 구성은 기어 및/또는 케이블과 같은 기계 부품들을 감소시킬 수 있어 유익하다. 어떤 예에서, 전기 코일은 코어 둘레에 감긴다. 다수의 코일들이 단일의 세장 구간에서 사용될 수 있고, 이에 따라 각기 다른 기체 속도들이 독립적으로 획득될 수 있고 그리고/또는 어떤 코일은 기체를 가속하는 데 사용될 수 있다.
어떤 예에서, 기체들은 서로 독립적으로 움직인다. 시스템은, 임의의 시간에, 서로 다른 세장 구간에 있는 기체들의 속도를 변화시킬 수 있고 그리고/또는 각 세장 구간에 있는 기체의 수를 변화시킬 수 있다. 특정한 풍력 환경에서, 예를 들어 풍력으로부터 추출되는 전력을 증가시키기 위해 실질적으로 각기 다른 속도들을 가지는 것이 유익할 수 있다. 어떤 예에서, 낮은 풍속은 비교적 많은 수의 기체가 비교적 천천히 진행하는 것을 요구하고, 이와 대조적으로 높은 풍속은 더 적은 수의 기체가 비교적 신속하게 진행하는 것을 요구한다. 어떤 예에서, 기체의 진행 방향과 직교하지 않는 풍향이 트랙 위의 기체 프레임들의 각기 다른 속도들 및/또는 각기 다른 수를 요구할 수 있다. 어떤 예에서, 속도 및/또는 수의 변화는 수작업으로 수행되고, 다른 예에서는 변화가 자동으로 수행된다. 어떤 다른 예에서, 수동 제어 및 자동 제어의 조합이 변화를 초래한다.
기체 프레임들의 각기 다른 속도 및/또는 수를 가능하게 하기 위하여, 기체들이 세장 구간들에서 진행하지 않을 때 기체들은 터미널들에 모일 수 있다. 구간 위의 기체의 수는 풍력 터빈의 고형성(solidity)과 유사할 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, 고형성은 기체들 또는 터빈 블레이드들에 의해 각각 점유되는 면적과 비교하여 기체들 또는 터빈 블레이드들이 휩쓸고 지나가는 면적(수풍 면적)의 정도를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 풍력 터빈과 달리, 본 명세서의 예는 풍력 조건에 따라 그리고 세장 구간에 따라 용적을 변경시킬 수 있다.
어떤 예에서, 각기 다른 공기역학적 프로파일들이 각기 다른 풍력 조건들에 대해 사용될 수 있다. 대기풍과 정렬된 방향으로 진행하는 기체에 대해서는, 더 많은 전력이 기체에 의해 획득되도록 표면적을 최대화하는 것이 유리할 수 있다. 다른 한편으로, 측풍 진행하는 기체는 양력을 증가시키도록 (그리고 이에 의해 측풍 풍속을 증가시키도록) 비교적 높은 양력/항력 프로파일의 이점을 취할 수 있다. 기체는 코랄(corral)에 보관될 수 있고 주어진 시간에서의 풍력 조건에 응답하여 변경될 수 있다.
세장 구간들의 단부에 있는 이러한 코랄들은 또한 하나의 방향으로 진행하는 기체의 수의 비를 변경하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 방향으로 진행하는 다른 수의 기체들을 위해 세 개 이상의 세장 구간들을 구비한 장치가 제공될 수 있다. 이러한 구성은 풍력 조건이 기체가 하나의 방향으로 진행하는 것이 다른 방향으로 진행하는 것에 비해 바람직할 때 유리할 수 있다. 예를 들어, 기체들이 대기풍에 정렬된 방향으로 진행할 때, 기체들을 고속으로 복귀(즉, 역풍 방향(upwind)으로) 시키는 것이 유리할 수 있다. 역풍 방향 진행에 대한 저항(및 이에 따라 공급되는 전력)은 저항력 프로파일을 사용하는 것에 의해 감소될 수 있다. 대조적으로, 순풍 방향(downwind) 속도는 비교적 느리다. 이에 따라, 세 개 이상의 세장 구간들에 대해, 순풍 방향 진행에 더 많은 구간들을 할당하는 것이 유익할 수 있다. 역풍 방향 기체들의 속도는 기체들이 순풍 방향 진행을 공급하기에 필요한 속도로 역풍 방향 코랄에서 보충되도록 선택될 수 있다.
코랄들은 터미널들의 하부 구간일 수 있거나, 혹은 터미널들을 대체할 수 있다. 코랄들은 기차용 대피선과 유사한 보조 레일들을 포함할 수 있다. 기체들은 보조 레일에 집결되어 필요에 따라 세장 구간들에 도입될 수 있다. (수동 또는 자동) 스위치가 필요에 따라 기체들을 코랄들로 안내할 수 있다.
트랙은 탑들에 의해 양측 단부에서 지지될 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, 트랙은 폐쇄 루프를 포함하는 세장 구간들 및 터미널들을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 탑들은 트랙을 지지하는 데 충분한 임의의 크기 및 형상을 취할 수 있다. 탑들은 각 터미널의 단부에 위치될 수 있거나 혹은 세장 구간/트랙의 내측 지점들에 위치될 수 있다. 일 예에서, 다수의 트랙들이 나란히 배치될 수 있고, 각각이 (전신주들에 부착된 송전선들과 유사하게) 두 개의 탑에 부착될 수 있다. 이런 방식으로, 다수의 트랙이 지지될 수 있고, 개별 트랙이, 다른 트랙들의 전력 추출을 방해하지 않으면서, 유지보수를 위해 또는 다른 사안들을 위해 사용되지 않을 수 있다. 어떤 예에서, 세장 구간들이 길어지고 다수의 탑을 이용하여 지지될 수 있다. 이 예에서, (다수의 트랙들을 제공하기보다) 구간들을 연장시키는 것이, 터미널의 수가 감소되기(이에 따라 터미널들에서의 전체적인 에너지 손실이 감소되기) 때문에 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다.
어떤 예에서, 다수의 트랙이 서로 적층될 수 있다. 이 예에서, 기체들은 트랙 쌍들 위에서 이중반전 방향들로 진행할 수 있어, 각 트랙 위에서의 기체들의 회전 및/또는 터미널들에 있는 기체들의 가속에 의해 발생되는 비틀림 모멘트들의 균형을 잡을 수 있다.
어떤 예에서, 세장 구간들 및/또는 전체 트랙들이 연이어서 배치된다. 어떤 예에서, 트랙들은 서로 90도로 배치되고, 이에 의해 다양한 진입 대기풍 방향들에 대해 기체들이 측풍 진행하게 할 수 있다. 다른 예에서, 트랙들은 15도, 30도, 45도, 60도 및 75도를 포함하는 0 내지 90도 사이의 다른 상대 각도로 위치될 수 있다.
어떤 예에서, 세장 구간들이 격자 형태로 배치된다. 예를 들어 세장 구간들의 행들이 동서로 이어지고, 열들은 남북으로 이어질 수 있다. 위에서 볼 때, 세장 구간들은 지면이 서양 장기판의 "칸(square)"를 나타내는 서양 장기판 패턴을 나타낼 수 있다. 이러한 배열은 대기풍의 방향과 관계없이 전력 추출을 가능하게 한다. 어떤 예에서, 세장 구간들이 다수의 중첩된 정삼각형들로 방향 설정될 수 있다. 이는 다양한 대기풍 방향들에서 증가된 전력 추출을 가능하게 하고, 또한 세장 구간들이 타이로드(tie-rod)들로 작용하게 한다. 세장 구간들이 탑들을 공유할 수 있다. 유사하게, 세장 구간들은 대기풍의 방향에 따라 세장 구간들 사이에서 이송될 수 있는 기체들을 공유할 수 있다. 각기 다른 방향으로 된 세장 구간들은 높이가 다를 수 있다. 예를 들어 남북 방향 배열 및 동서 방향 배열 각각이 네 개의 세장 구간들을 구비하면, 남북 방향 배열은 3피트, 5피트, 15피트 및 21피트에 위치될 수 있고, 남북 방향 배열은 6피트, 12피트, 18피트 및 24피트에 위치될 수 있다. 이 간격은 6피트 미만의 날개 길이를 갖는 기체들이 세장 구간들 중 임의의 세장 구간 위에서 다른 세장 구간에 부딪히지 않으면서 진행할 수 있게 할 것이다.
어떤 예에서, 하나 이상의 트랙이 지면 또는 기준점에 대해 상대 이동 가능하다. 예를 들어, 트랙들과 관련된 하나의 탑이 이동 가능하고 다른 탑은 고정되어 트랙이 고정된 탑을 중심으로 선회할 수 있다. 이동 가능한 탑은 휠 위에 있고 운반용 모터에 연결될 수 있다. 이런 방식으로, 어떤 예는 진입하는 대기풍 방향에 대한 기체들의 진행의 각도 편위를 변화시킬 수 있다. 또한 이동 가능한 트랙들을 구비하는 어떤 예는 다양한 대기풍 방향들에 대해 소망하는 각도 편위로 방향 전환하는 것이 가능할 수 있다.
도 2a는 본 명세서의 예에 따른 예시적인 기체(200)를 도시한다. 기체(200)는 날개들(202), 동체(204) 및 꼬리날개(210)를 포함한다. 꼬리날개(210)는 수직 안정판(212)과 수평 안정판들(214)을 포함한다.
용이하게 알 수 있듯이, 기체(200)는 예로 제공되고, 본 명세서의 범위를 벗어나지 않으면서 많은 변형예들이 채택될 수 있다. 예를 들어, 어떤 기체는 수평 안정판만 또는 수직 안정판만 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 기체가 꼬리 날개를 포함하지 않을 수 있다.
도 2b는 본 명세서의 예에 따른 예시적인 에어포일(230)을 도시한다. 에어포일(230)은 트랙에 직접 결합될 수 있거나 혹은 더 큰 기체의 일부일 수 있다. 어떤 예에서, 에어포일(230)은 도 2a에 대해 위에서 설명한 날개들(202)의 단면일 수 있다.
에어포일(230)은 유용한 양력/항력 계수를 제공하는 공기역학적으로 효율적인 형상을 나타낸다. 에어포일(230)은 앞전(232), 뒷전(234) 흡입면(236) 및 압력면(238)을 포함한다. 상대풍(240)이 에어포일(230)을 지나서 이동함에 따라, 에어포일의 형상은 에어포일에 (도 2b에 도시된 바와 같은) 상향 힘을 유도한다. 이 힘은 에어포일에 압력측에서 흡입측을 향하는 방향으로 작용한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 에어포일은 유체 유동에 동적 힘을 제공하는 임의의 물체 또는 물체의 단면인 것으로 이해될 수 있다. 이는 비한정적으로 날개, 돛 및 터빈 블레이드를 포함할 수 있다. 에어포일은 추가 구성 요소들을 구비하는 더 큰 몸체의 일부일 수 있다. 예를 들어, 도 2a에 대해 위에서 설명한 바와 같이, 기체가 에어포일 뿐만 아니라 동체와 꼬리날개도 포함할 수 있다. 어떤 예에서, 기체는 단순히 에어포일일 수 있다.
에어포일이 압력면과 흡입면을 구비하도록 구성되는 경우, 에어포일은 트랙의 구간 위에서 압력면이 트랙과 흡입면 사이에 위치되도록 방향 설정될 수 있다. 이러한 배치는 에어포일이 더 큰 속도로 측풍 이동할 수 있게 한다.
익현(242)은 앞전(232) 및 뒷전(234)을 잇는 가상의 직선이다. 에어포일은 받음각(α)(244)으로 방향 설정되는데, 받음각은 익현(238)과 상대풍(238)의 방향 간의 각도로 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "상대풍(relative wind)"은 진행풍 풍속과 대기풍 풍속의 벡터합으로 이해될 수 있다. 도 2c는 측풍 이동하는 물체(미도시)의 일 예에 따른 예시적인 상대풍 풍속(254)을 도시한다. 벡터(250)는 물체의 지상 속도를 나타내고, 벡터(252)는 대기풍 풍속을 나타낸다.
상대풍 풍속(254)을 설명하기 위해서는 "진행풍(created wind)"을 먼저 이해해야 한다. 진행풍 속도는 간단하게 지상 속도(250)의 규모를 가지면서 방향만 반대이다. 상대풍 풍속을 계산하기 위해, 진행풍 풍속과 대기풍 풍속(252)이 벡터합됨으로써 상대풍 풍속(254)이 된다.
도 2b로 돌아가서, 다양한 받음각이 채택될 수 있다. 어떤 예에서, 받음각은 소망하는 양력/항력 비의 함수로 계산된다. 예를 들어, 사전 결정된 양력/항력이 6도의 받음각을 요구하면, 항공기의 피치(pitch)는 대기풍 및 지상 속도에 기초하여 변경될 것이다. 대기풍 풍속이 8m/s이고 지상 속도가 50m/s이면, 상대풍 풍속은 트랙에 대해 9.09도(tan-1(8/50))에 있을 것이다. 6도의 상대풍 받음각을 달성하기 위해, 에어포일은 트랙에 대해 ??3도로 경사질 것이다.
일반적으로, 트랙에 대한 피치각은 대기풍 풍속, 지상 속도 및 소망하는 받음각을 이용하여 결정될 수 있다. 먼저, 트랙에 대한 상대풍의 각도가 대기풍 풍속과 지상 속도로부터 결정된다. 그런 다음 상대풍의 각도를 소망하는 받음각으로부터 차감함으로써 기체의 트랙에 대한 소망하는 피치각이 얻어진다.
각기 다른 바람 조건들에 대해 받음각이 변화될 수 있다. 즉, 효율적인 전력 추출 및 제한된 구조적 일체성과 같은 고려 사항들이 소망하는 받음각을 결정할 수 있다. 받음각은 꼬리날개(즉, 수평 안정판의 승강타)를 통해, 혹은 트랙과 기체 간의 커플링을 이동/방향 전환시키는 것에 의해 기계적으로 제어될 수 있다.
어떤 예에서, 세장 구간들에서 서로 다른 방향으로 진행할 때 받음각이 동일할 필요는 없다. 이는 세장 구간들과 직교하지 않는 대기풍에 해당될 수 있다.
꼬리날개는 수동으로 그리고/또는 자동으로 돌풍 안전 계수(gust safety factor)를 만족시키는 데 사용될 수 있다. 돌풍은 받음각을 증가시킨다. 꼬리는 돌풍이 꼬리의 양력을 증가시키도록 구성될 수 있다. 꼬리가 (바람에 대해) 상승하면, 기체의 받음각은 감소되고, 기체의 자세는 사전 결정된 범위 내로 복귀된다.
어떤 예에서, 기체는 힘을 발생시키지 않거나 혹은 거의 발생시키지 않도록 선택적으로 방향 설정될 수 있다. 이는 과도한 바람 또는 방향이 잘못된 바람을 처리하기에 그리고 유지 보수 작업과 같은 정지 시간(down time)을 위해 유익할 수 있다. 롤링각을 (수평선에 대해) 영으로 그리고 피치각을 영(또는 양력이 영인 받음각)으로 설정하고 기체가 요잉은 자유롭게 될 수 있게 하는 것에 의해, 기체는 트랙에 힘을 거의 가하지 않을 것이다.
어떤 예에서, 전기 추출 장치는 하나 이상의 계류선(bridle)을 이용하여 정착된다. 도 3a와 도 3b는 본 명세서의 예에 따른 예시적인 계류 시스템을 도시한다. 도 3a는 계류 시스템의 측면도이고, 도 3b는 평면도이다.
계류 시스템(300)은 상부 세장 구간(302)과 하부 세장 구간(304)에 각각 결합되는 계류선들(308, 310)을 포함한다. 어떤 예에서 세장 구간들(302, 304)은 도 1a 및 도 1b에 대해 위에서 설명한 상부 및 하부 세장 구간들일 수 있다.
계류선들(308, 310)은 정착점(306)에 함께 정착된다. 어떤 예에서, 두 개의 계류선이 서로 다른 정착점들에 정착될 수 있다. 계류선들(308, 310)은 정착점(306)을 포함하는 기준선에 대해 각도들(γ1, γ2)을 한정한다. 어떤 예에서, 기준선은 지면, 수평선 또는 다른 물리적인 기준의 레벨일 수 있다.
도 3b는 계류 시스템을 위에서 본 모습을 도시하는데, 각 세장 구간에 다수의 계류선이 부착되어 있다. 이 예에서 세장 구간들이 수직으로 정렬되는 것으로 인해 세장 구간(302)이 도 3b에서 보이는 유일한 세장 구간이다. 각 계류선은 세장 구간(302)에 정착점들(306, 312, 316)에 각각 부착되어 있다. 다수의 계류선들은 세장 구간의 길이(324)를 서브-길이들(320, 322)로 분할한다.
위에서 언급한 바와 같이, 도 3b의 시점 때문에 세장 구간(302)이 세장 구간(304)을 가리고 있다. 동일한 이유로, 상부 계류선들(308, 314, 318)만 도 3b에서 볼 수 있다. 시스템(300)은 또한 적어도, 상부 계류선(308)에 의해 가려진 하부 계류선(310)을 포함하고, 상부 계류선들(314, 318)에 의해 가려진 추가 계류선들을 포함할 수 있다.
본 명세서의 계류 시스템은 순풍 방향 힘을 분산시켜서 전력 추출 장치에 가해지는 파괴적인 효과를 감소시킬 수 있어 유익할 수 있다. 풍력 터빈에서, 모든 힘은 허브(중앙점)에 집중되고, 이는 탑에 큰 모멘트를 발생시킨다. 적어도 이 이유 때문에, 풍력 터빈의 탑은 매우 클 수 있다. 여기서 설명하는 장치에서는, 순풍 방향 힘이 다수의 기체들에 분산된다. 또한 어떠한 하나의 서브 길이도 실질적으로 감소된 모멘트를 받도록 계류선이 순풍 방향 힘을 서브-길이들에 분산시킨다.
도 3b에서는 서브-길이들(320, 322)이 거의 동일하지만, 다른 예는 각기 다른 서브-길이들을 포함할 수 있다. 또한, 도 3b에는 세 개의 계류선이 도시되어 있지만, 다른 예는 임의의 수의 계류선을 포함할 수 있다.
각 서브-길이는 다양한 고려 사항들을 책임지도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 기체의 날개 면적, 기체의 속도, 레일의 강도 등이다. 어떤 예에서, 서브-길이들은 유체 밀도, 기체의 면적, 트랙 위에 있는 대차의 속도, 기체 양력 계수 및 트랙의 탄성률 중 하나 이상의 함수로 결정된다. 어떤 예에서, 서브 길이들은 각각 대략 2.5미터일 수 있다. 계류선의 수는 한 번에 세장 구간 위에서 진행하는 기체의 수에 의해 결정되고, 한 번에 진행하는 기체들보다 많은 서브-길이들이 있도록 선택될 수 있다.
어떤 예에서, 계류 시스템은 주변 경관 및 특정한 실행 요인(implementation factor)에 어울리도록 선택된다. 어떤 예에서, 각 계류선은 독립적으로 정착되고 지면으로부터 트랙까지 직선으로 이어진다. 다른 예에서, 계류선은 사장교와 유사하게, 즉 계류선들이 하나(이상)의 정착점에 부착된 다음 레일 부착점들까지 전개되도록 구성된다. 다른 예에서, 계류선들은 현수교와 유사하게, 즉 두 개의 부착점들 사이에서 현수 케이블이 호를 형성하고 개별 계류선들이 이 호에 부착되도록 구성된다. 또 다른 예에서, 계류 시스템은 공중 정착점을 포함할 수 있다. 이 예에서, 계선(guy wire)/연결줄이 지면으로부터 중앙의 "공중 정착기(flying anchor)"까지 올라간다. 계류선들은 이 "공중 정착기"에 부착되어 트랙까지 전개된다. 다른 예에서, 조력 파일런이 주 정착점과 트랙 사이에 설치된다. 그런 다음, 계선이 지면으로부터 조력 파일런까지 큰 각도로 이어진 다음, (개별 계류선들 또는 그룹화된 정착기들을 거쳐) 방향을 바꾸어 트랙까지 이어진다. 계류선의 방향을 바꾸는 것에 의해, 조력 파일런이 순풍 방향 힘의 일부를 흡수하여 총 계류선 길이가 더 짧아지게 (또는 유효각이 더 낮아지게) 하고, 이에 의해 고도(elevation)로 인한 코사인 손실을 감소시킬 수 있다.
어떤 예에서, 계류선들은 상부 구간과 하부 구간에 대해 서로 다른 길이를 가질 수 있다. 이는 트랙이 소망하는 롤링각으로 롤링되게 할 수 있고, 이에 따라 기체가 소망하는 롤링각으로 롤링된다(하기의 롤링각에 대한 설명 참조).
어떤 예에서, 상부 세장 구간은 계류선 부착점들에서 하부 세장 구간에 견고하게 부착된다. 다시, 각기 다른 계류선 길이들이 사용될 수 있다. 이 구성은 또한 세장 구간들이 적절한 각도를 취하게 할 수 있다. 앞 문단의 예와 비교하면, 이 구성은 (간격을 증가시키는 것에 의해) 선 길이들을 살짝 강조함으로써, 더 실제적인 제어를 허용한다.
어떤 예는 다양한 대기풍 방향들이 포착되어야 할 때 양 방향 공중 버트레스(flying buttress)를 포함할 수 있다. 이 예에서, 거꾸로 된 V자가 "역풍 방향" 구간 및 "순풍 방향" 구간 사이에 배치될 수 있다. 구간들은 이 버트레스에 견고하게 부착되고, 대차들/기체들이 구간들에 이들이 활주만 할 수 있도록 부착된다. 두 개의 역풍 방향 계류선과 두 개의 순풍 방향 계류선이 기체의 모든 잠재적인 방향 설정들을 방지할 수 있는 방식으로 버트레스에 부착된다. 이런 방법으로, 레일들도 적절한 롤링각으로 유지하는 양 방향 장치를 구성하는 것이 가능하다.
계류선은 트랙에 추가적인 힘을 도입할 수 있다. 예를 들어 도 3c는 본 명세서의 예에 따라 기체(360)가 수평선에 대해 90도로 롤링될 때 전력 추출 시스템(350)에 가해지는 힘을 도시한다. 기체(360)는 전력으로 획득되는 측풍 방향(미도시)의 힘을 발생시킨다. 기체(360)는 세장 구간(352)에 대차(358)를 통해 결합되어 세장 구간(352)에 순풍 방향 힘(FD)을 발생시킨다.
순풍 방향 힘(FD)은 계류선(354)에 의해 균형이 유지된다. 그러나, 계류선(354)은 γ의 각도로 방향 설정되고, 따라서 계류선 힘(FB)은 수평선으로부터 90-γ의 각도로 작용한다. 그 결과, 계류선 힘(FB)은 (기체의 순풍 방향 힘의 균형을 맞추기 위한) 수평 성분과 수직 성분 둘 다 가진다. 도 3c의 예에서 평형력(counter balance)을 가지고 있지 않는 이 수직 성분은 트랙을 하방으로 당기는 경향이 있는데, 이에 따라 트랙에 응력이 가해질 수 있다.
어떤 실시예에서, 수평선으로부터 90도 미만인 롤링이 기체에 도입된다. 롤링은 기체에 작용하는 힘이 거의 계류선 방향이도록 기체를 레일 및 계류선에 대해 방향 설정시킬 수 있다.
도 3d는 본 명세서의 예에 따라 기체(360)에 도입되는 예시적인 롤링을 도시한 측면도이다. 위에서와 같이, 계류선(354)은 정착점(356)에서 지표면에 결합되고, 계류선(354)은 수평선에 대해 γ의 각도로 경사져 있다. 계류선 힘의 균형을 맞추기 위해, 기체(360)가 수평선(여기서는 수평선이 기준이 되지만 임의의 기준선이 사용될 수 있음)에 대해 φ의 각도로 롤링된다.
도 3d의 예에서, 기체(360)는 φ=90-γ의 각도로 롤링된다. 어떤 실시예에서, γ는 90-γ와 동일하지 않을 수 있고, 90-γ가 아닌 다수의 각도들로 롤링될 수 있다. 어떤 예에서, 90-γ로부터의 최대 편위는 효율 손실 상의 한계에 의해 계산될 수 있다. 어떤 다른 예에서, γ의 각도 편위를 효율 손실 상의 한계(EL)와 관련시키는 데에 알고리듬이 사용될 수 있다. 예시적인 알고리듬은 EL=(1-cos γ)를 포함할 수 있다. 주어진 효율 손실 상의 한계(EL)에 대해, 최대 편위 각도가 결정될 수 있다. 최대 편위 각도는 또한 트랙의 구조에 의해 제한될 수 있다. 기체 롤링과 계류선 고도 간의 각도가 증가함에 따라, 트랙에 가해지는 응력이 증가한다. 주어진 재료에 대해, 최대 편위는 트랙에 가해지는 응력이 사전 결정된 한계 내에 있도록 계산될 수 있다.
기체(360)는 대차(358)를 통해 세장 구간(352)에 결합된다. 기체(360)가 세장 구간(352)에 대한 각도를 변경할 수 있도록 대차(358)는 세장 구간(352)에 대해 회전 가능할 수 있다. 어떤 대차는 기체를 소망하는 롤링각으로 방향 설정하기 위해 아래에서 더 상세하게 설명하는 것과 같은 서보 기구를 포함할 수 있다.
어떤 예에서, 상부 세장 구간과 하부 세장 구간은 서로 다른 계류선 각도를 가질 수 있고(도 3a 참조), 이에 따라 기체들의 롤링 각도도 서로 다를 수 있다. 기체가 터미널을 따라 진행함에 따라, 기체가 세장 구간에 대해 올바른 롤링각을 취할 수 있도록 롤링의 변화가 도입되어야만 한다. 이는 기체를 180도로 요잉시키는 한편 기체가 터미널에 상응하는 경로를 따라 진행함에 따라 기체를 소망하는 양만큼 롤링시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 어떤 변형예에서, 이 롤링의 규모는 계류선 각도들의 합일 것이다.
어떤 실시예에서, 기체의 롤링은 이에 따라 측정되고 조정될 수 있다. 어떤 예에서, 롤링은 기체에 부착된 센서들을 이용하여 혹은 칼만 필터(kalman filter)와 같은 센서 융합 알고리즘을 통해 통합되어 있는 (자이로스코프, 가속도계 및 GPS와 같은) 내부의 항법 시스템을 통해 측정될 수 있다. 기체의 위치는 또한 RFID 또는 다른 근거리장 통신을 통해 감지될 수 있고, 그 출력은 센서 융합 알고리듬에서 사용된다. 어떤 실시예들에서, 기체의 롤링은 대차에 부착된 기계식 센서들을 이용하여 측정된다.
기체의 롤링을 제어할 수 있는 다수의 메커니즘이 있다. 어떤 예에서, 기체는 날개 위에 보조 날개를 구비한다. 보조 날개를 조작하는 것에 의해, 기체의 롤링이 제어될 수 있다. 어떤 예에서, 세장 구간은 기체에 자연적인 롤링을 도입시킬 수 있다. 예를 들어, 세장 구간은 자연적으로 휘어서 기체 프레임을 롤링시키고 계류선의 힘에 대한 균형을 맞추는 가요성 소재로 이루어질 수 있다. 어떤 실시예에서, 트랙이 지지탑에 회전 가능하게 부착된다. 이런 방법으로, 트랙은 수평선에 대해 기체의 적절한 롤링에 상응하는 각도로 자연스럽게 방향 전환될 수 있다. 어떤 예에서, 대차에 대한 기체 부착은 롤링을 유도하도록 압력 중심으로부터 측방향으로 편위될 수 있다. 소망하는 롤링이 달성되면, 부착은 압력 중심으로 다시 설정된다. 어떤 실시예는 날개 팁들을 대차에 서로 다르게 연결줄로 연결하는 것에 의해 롤링을 제어한다. 예를 들어, 우측 연결줄은 연장되고 좌측 연결줄은 단축될 수 있어, 좌측으로 롤링시킬 수 있다.
상술한 설명이 주로 롤링각을 결정할 때 계류선 힘과 기체에 가해지는 공기역학적 힘의 균형을 맞추는 데 초점이 맞추어져 있지만, 다른 힘 또한 고려될 수 있다. 이 힘은 기체와 대차의 중력, 세장 구간의 중력, 지지탑 및 버트레스의 중력, 세장 구간의 항력 및 (수상 실시예에서 또는 공중 실시예에서와 같은) 연결된 물체들의 임의의 부력을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 세장 구간은 항력을 감소시키도록 공기역학적인 형상으로 형성된다.
어떤 공중 장치의 예에서는 장치의 중량에 의해 유도되는 중력은 기체에 의해 유도되는 양력에 의해 균형이 맞추어질 수 있다. 이러한 장치는 우선 예를 들어 크레인, 항공기, 또는 부력 장치를 이용하여 소망하는 고도까지 상승될 수 있다. 적절한 고도에 있게 되면, 바람을 사용하여 고도를 변경하거나 유지하게 된다. 이는 공중 장치 실시예가 높은 고도에서 높은 풍속 벡터를 포착할 수 있어 유익하다.
어떤 예에서, 다수의 계류선이 트랙 위에 있는 단일의 점에 부착되고, 각 계류선이 (위에서 볼 때) 트랙에 대해 각기 다른 각도를 형성하도록 "전개"될 수 있다. 이러한 구성은 다양한 상대풍 방향들에 대해 공기역학적 힘을 편위시킬 수 있어 유익하다.
어떤 예에서, 트랙과 최외측 계류선 간의 각도 및 계류선 쌍들 간의 각도는 동일할 수 있다. 다른 예에서, 동일한 각도들은 각각 180도를 계류선의 수에 1을 더한 값으로 나눈 각도(예컨대, 180/(n+1), 여기서 n은 계류선의 수)일 수 있다. 예를 들어, 동일한 점에 부착된 두 개의 계류선에 대해, 계류선 간의 각도는 60도일 수 있고, 각 계류선과 트랙 간의 각도는 60도일 수 있다. 다른 예에서, 트랙과 최외측 계류선 간의 각도 및 계류선 쌍들 간의 각도는 동일하지 않을 수 있다.
다수의 계류선을 트랙 위에 있는 동일한 점에 부착하고, 계류선들을 트랙에 대해 각기 다른 각도로 배치하는 것에 의해, 어떤 예는 다양한 대기풍 풍속들 및 기체 풍속들에 대한 공기역학적 힘 편위를 개선할 수 있다. 예를 들어, 기체가 트랙 위에서 비교적 신속하게 진행하고 있으면, 상대풍은 세장 구간의 방향과 거의 평행하다(결과적으로 힘은 세장 구간과 직교함). 이러한 시나리오에서, 세장 구간 위에 있는, 단일 점에 연결되고 각도가 각기 다른 다수의 계류선에 의해 힘이 계류선들 사이에 분산될 것이다.
대조적으로, 기체속도가 더 느리면, 상대풍은 세장 구간과 평행하지 않을 수 있다(그리고 힘은 세장 구간과 직교하지 않을 수 있음). 이러한 시나리오에서, 공기역학적 힘은 계류선들 중 하나의 계류선과 더 많이 정렬될 수 있고, 그 계류선이 공기역학적 힘을 편위시킬 수 있다. 이를 단일 계류선 실시예와 비교하면, (세장 구간에 대해) 직교하지 않는 힘은 해당 계류선에 의해 단지 부분적으로만 균형이 맞춰진다.
각도가 각기 다른 다수의 계류선들로 인해 다양한 바람 조건들에서 최적화가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 비교적 느린 대기풍은 "역풍" 방향에서 높은 기체 속도 및 낮은 받음각을 요구할 수 있지만, "순풍" 방향에서는 낮은 기체 속도 및 높은 받음각을 요구할 수 있다.
계류선 및 이로부터 유도되는 롤링에 대한 상술한 설명이 주로 두 개의 세장 구간을 구비하는 시스템에 초점을 맞추고 있지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이 기술 사상이 단일 세장 구간을 구비한 시스템 또는 다수의 세장 구간을 구비한 시스템에 적용될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 위에서 설명한 계류선 및 이로부터 유도되는 롤링의 기술 사상이 세장 구간이 없는 시스템에도 적용될 수 있음을 또한 쉽게 알 수 있을 것이다. 상술한 설명은 계류선 및 계류선의 힘을 편위시키도록 롤링될 수 있는 기체를 포함하는 시스템의 임의의 구성에 적용된다.
이제 세장 구간들을 연결하는 터미널에 대해 말하면, 기체가 방향을 변경하는 동안 트랙에 원심력을 가하는 것을 알 수 있을 것이다. 이 원심력은 터미널들에서 트랙의 보강을 요구할 수 있다.
터미널들에서의 원심력에 더하여, 공기 역학적 힘이 또한 유도될 수 있다. 구체적으로, 기체가 터미널에서 요잉될 수 있다. 이로 인해 외측 날개 팁이 내측 날개 팁보다 높은 지상 속도를 가지게 될 것이다. 이에 따라 외측 날개 팁은 다른 받음각을 가진다. 따라서, 겉보기 받음각과 겉보기 풍속이 내측과 외측에서 다르다. 이에 따라 내측 날개보다 외측 날개에서 더 많은 양력이 발생될 수 있다.
어떤 실시예에서, 터미널들에서의 힘과 위치 설정은 터미널들에서의 기체의 절대 속도를 감소시키는 것에 의해 처리된다. 이 감속은 전력으로 추출된다.
어떤 실시예에서, 기체는 요잉에 의해 생성되는 힘에 대응하도록 터미널들에서 롤링된다. 예를 들어, 외측 보조 날개들이 상승되고 내측 보조 날개들이 하강되면, 외측 양력은 감소되고 내측 양력은 증가된다. 이는 양력 분포를 안정되게 하고 구조물에 의해 흡수되어야만 하는 롤링 모멘트를 감소시키는 역할을 한다.
상술한 실시예들에 대한 설명이 주로 지면에 정착되는 트랙들에 대해 주로 행해졌지만, 본 명세서는 이에 한정되지 않는다. 어떤 예에서, 트랙은 공중에 있거나 바다에 있을 수 있다.
또한 단일 날개 기체를 기본으로 설명했지만, 어떤 실시예들은 다중 날개 항공기, 예컨대 복엽기 또는 다엽기 기체를 포함할 수 있다. 날개들은 적층되거나 혹은 앞뒤로 배치되거나, 혹은 이 둘의 조합일 수 있다.
도 4는 본 명세서의 예에 따른 전력 추출 방법(400)을 도시한다. 방법(400)은 트랙(402)을 제공하는 단계를 포함한다. 트랙은 제1 세장 구간 및 제1 세장 구간보다 아래에 있는 제2 세장 구간을 포함할 수 있다. 방법은 기체를 기체가 대기풍에 대해 측풍 진행하도록 트랙(404)에 결합하는 단계를 포함한다.
어떤 예에서, 전력 추출 방법은 또한 계류선을 제1 세장 구간에 부착하는 단계를 포함한다. 계류선은 수평선에 대해 γ의 각도로 비스듬하게 정착된다. 방법은 또한 기체가 제1 세장 구간에 결합될 때 기체를 수평선에 대해 대략 90-γ의 각도로 기체를 롤링시키는 단계를 포함한다. 어떤 예는 하나 이상의 계류선을 포함할 수 있다.
어떤 예에서, 방법은 또한 기체가 제1 세장 구간에 결합될 때 기체를 수평선에 대해 제1 각도로 롤링시키고 기체가 제2 세장 구간에 결합될 때는 기체를 수평선에 대해 제2 각도로 롤링시키는 단계를 포함할 수 있으며, 제1 각도는 제2 각도와 다르다.
어떤 방법은 터미널을 제1 세장 구간과 제2 세장 구간 사이에 결합시키는 단계를 포함할 수 있고, 기체가 제1 세장 구간으로부터 터미널로 이동할 때 기체는 감속되고, 기체가 터미널로부터 제2 세장 구간으로 이동할 때 기체는 가속된다. 어떤 예에서, 방법은 터미널을 제1 세장 구간과 제2 세장 구간 사이에 결합하고, 기체가 터미널을 따라 진행할 때 기체를 요잉시키는 단계를 포함할 수 있다.
어떤 예에서, 전력 추출 장치는, 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간을 포함하는 트랙; 흡입면과 압력면을 포함하는 에어포일; 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간 중 적어도 하나를 정착점에 결합시키는 계류선; 및 에어포일의 움직임을 통해 대기풍으로부터 전력을 획득하는 발전기를 포함하고, 제1 세장 구간은 제2 세장 구간 위에 배치되고, 에어포일은 흡입면이 압력면과 트랙 사이에 배치되도록 트랙에 결합되고, 에어포일은 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간에 번갈아 결합될 때 반대 방향들로 이동 가능하다.
어떤 다른 예들에서, 계류 시스템은 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간 중 적어도 하나에 직접 결합되는 세 개의 계류선을 포함한다. 어떤 다른 예들에서, 에어포일이 제1 세장 구간에 결합될 때 에어포일은 수평선에 대해 제1 롤링되고, 에어포일이 제2 세장 구간에 결합될 때 에어포일은 수평선에 대해 제2 롤링되며, 제1 롤링은 제2 롤링과 다르다. 어떤 다른 예들에서, 트랙은 제1 세장 구간과 제2 세장 구간을 연결하는 터미널을 더 포함하며, 에어포일이 제1 세장 구간으로부터 터미널로 이동할 때 에어포일이 감속되고, 에어포일이 터미널로부터 제2 세장 구간으로 이동할 때 에어포일은 가속된다. 어떤 다른 예들에서, 트랙은 제1 세장 구간과 제2 세장 구간을 연결하는 터미널을 더 포함하며, 에어포일이 터미널을 따라 진행함에 따라 에어포일은 요잉된다. 어떤 다른 예들에서, 트랙은 터미널을 더 포함하며, 장치는 제1 에어포일의 터미널 상에서의 절대 속도보다 더 큰 절대 속도로 제1 세장 구간 상을 이동할 수 있는 제2 에어포일을 더 포함한다.
어떤 다른 예들에서, 계류 시스템은 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간 중 적어도 하나 상의 에어포일에 의해 초래되는 순풍 방향 힘을 분산시킨다. 어떤 다른 예들에서, 계류 시스템은 사장식 계류 시스템, 현수식 계류 시스템, 공중 정착식 계류 시스템 및 조력 파일런으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함한다. 어떤 다른 예들에서, 제1 세장 구간은 계류선 부착점들에서 제2 세장 구간에 부착된다. 어떤 다른 예들에서, 제1 세장 구간은 제2 세장 구간에 견고하게 부착된다.
어떤 다른 예들에서, 장치는 에어포일이 트랙에 결합되지 않을 때 에어포일을 보관하는 코랄을 포함한다. 어떤 다른 예들에서, 장치는 에어포일을 트랙으로부터 벗어나게 안내하는 스위치를 포함한다. 어떤 다른 에들에서, 장치는 제3 세장 구간을 포함하며, 에어포일은 제3 세장 구간에 결합된다.
어떤 예들에서, 전력 추출 방법은 제1 세장 구간 및 제1 세장 구간보다 하부에 있는 제2 세장 구간을 포함하는 트랙을 제공하는 단계; 흡입면과 압력면을 포함하는 에어포일을 트랙에 결합하되, 흡입면이 압력면과 트랙 사이에 놓이도록 에어포일을 트랙에 결합하는 단계; 에어포일이 대기풍에 대해 측풍 진행하도록 트랙을 배치하는 단계; 계류 시스템을 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간 중 적어도 하나에 부착하는 단계; 및 계류 시스템을 정착시키는 단계를 포함한다.
어떤 다른 예들에서, 계류 시스템은 세 개의 계류선을 포함하고, 방법은 세 개의 계류선을 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간 중 적어도 하나에 직접 부착하는 단계를 더 포함한다. 어떤 다른 예들에서, 방법은 기체가 제1 세장 구간에 결합될 때 기체를 수평선에 대해 제1 각도로 롤링시키는 단계, 및 기체가 제2 세장 구간에 결합될 때 기체를 수평선에 대해 제2 각도로 롤링시키는 단계를 더 포함하며, 제1 각도는 제2 각도와 다르다. 어떤 다른 예들에서, 방법은 터미널을 제1 세장 구간과 제2 세장 구간 사이에 결합하는 단계를 더 포함하며, 기체는 기체가 제1 세장 구간으로부터 터미널로 이동할 때 기체가 감속되고, 기체가 터미널로부터 제2 세장 구간으로 이동할 때 기체는 가속된다. 어떤 다른 예들에서, 방법은 터미널을 제1 세장 구간과 제2 세장 구간 사이에 결합하는 단계 및 기체가 터미널을 따라 진행함에 따라 기체를 요잉시키는 단계를 더 포함한다.
어떤 다른 예들에서, 방법은 터미널을 제1 세장 구간과 제2 세장 구간 사이에 결합하는 단계; 및 제2 기체를 트랙에 결합하는 단계를 포함하며, 제2 기체는 제1 기체의 터미널 상에서의 절대 속도보다 큰 절대 속도로 제1 세장 구간을 이동할 수 있다. 어떤 다른 예들에서, 흡입면이 대기풍을 향하도록 기체가 트랙에 결합된다.
어떤 다른 예들에서, 계류 시스템은 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간 중 적어도 하나 상의 기체에 의해 초래되는 순풍 방향 힘을 분산시킨다. 어떤 다른 예들에서, 계류 시스템은 사장식 계류 시스템, 현수식 계류 시스템, 공중 정착식 계류 시스템 및 조력 파일런으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함한다.
어떤 다른 예들에서, 방법은 계류선 부착점들에서 제1 세장 구간을 제2 세장 구간에 부착하는 단계를 더 포함한다. 어떤 다른 예들에서 제1 세장 구간은 제2 세장 구간에 견고하게 부착된다.
어떤 다른 예들에서, 방법은 에어포일을 코랄에 보관하는 단계를 더 포함한다. 어떤 다른 예들에서, 방법은 스위치를 이용하여 에어포일을 트랙으로부터 벗어나게 안내하는 단계를 더 포함한다. 어떤 다른 예들에서, 방법은 에어포일을 제3 세장 구간에 결합하는 단계를 더 포함한다.
어떤 실시예들에서, 세장 구간의 길이는 하나의 세장 구간으로부터 다른 세장 구간까지의 경로의 반경의 적어도 25배이다. 이러한 경로의 예는 위에서 설명한 터미널이다. 어떤 실시예들에서, 세장 구간의 길이는 하나의 세장 구간으로부터 다른 세장 구간까지의 경로의 반경의 각기 다른 배수이며, 예를 들어 50배, 75배 및 100배보다 크다.
어떤 실시예들에서, 하나의 세장 구간으로부터 다른 세장 구간까지의 경로의 반경은 에어포일의 날개길이의 이분의 일의 5배이다. 어떤 실시예들에서, 세장 구간의 폭의 에어포일의 날개 길이에 대한 비는 1:100 이상이다. 어떤 실시예들에서, 세장 구간의 길이는 33미터 내지 수천 미터 범위이다. 어떤 실시예에서 에어포일은 그 날개 길이가 6미터이고, 세장 구간은 그 폭이 0.06미터이고, 세장 구간은 그 길이가 800미터이다. 어떤 실시예들에서, 세장 구간은 그 중간이 탑들에 의해 지지된다.
어떤 실시예들에서, 에어포일은 지면 레벨 위의 간극이 10미터를 초과한다. 날개 길이가 3미터인 에어포일의 경우, 관련된 세장 구간은 지면 레벨로부터 13미터를 초과하게 위로 상승되어 있다. 통상의 기술자라면 날개 길이가 각기 다르면 상승 높이도 각기 다를 것이라는 점을 알 것이다. 하나의 세장 구간이 다른 세장 구간의 위에 배치되는 경우, 다른 방향들로 이동하는 중에 에어포일들이 충돌하지 않도록 상부 세장 구간이 더 상승될 필요가 있을 것이다. 어떤 실시예들에서, 보다 높은 고도에서 부는 보다 강한 바람의 장점을 취하기 위해 세장 구간들이 훨씬 더 높이, 예를 들어 150미터로 상승된다.
어떤 실시예들에서, 하나의 세장 구간이 다른 세장 구간의 위에 위치되지 않는다. 어떤 실시예들에서, 트랙이 제2 세장 구간의 순풍 방향에 있는 제1 세장 구간을 포함한다(하나의 비한정적인 예에서, 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간은 수평면 상에 놓임). 에어포일은 트랙에 결합되고 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간에 달리 결합될 때 반대 방향들로 이동될 수 있다. 어떤 다른 실시예들에서, 계류 시스템은 제1 세장 구간 및 제2 세장 구간 중 적어도 하나를 정착점에 결합시킨다. 발전기가 사용되어 대기풍으로부터 전력을 획득한다.
하나의 세장 구간이 다른 세장 구간의 위에 위치되지 않는 어떤 실시예들에서, 역풍 방향 세장 구간을 따라 이동하는 에어포일은 순풍방향 세장 구간 상에서 이동하는 에어포일과 간섭될 수 있는 후류를 발생시킨다. 어떤 이러한 실시예들에서, 제1 세장 구간과 제2 세장 구간 사이의 거리는 역풍방향 세장 구간 상의 에어포일로부터 발생되는 후류가 순풍방향 세장 구간 상의 에어포일 상의 공기역학적 힘을 실질적으로 감소시키지 않도록 선택된다.
하나의 세장 구간이 다른 세장 구간의 위에 위치되지 않는 어떤 실시예들에서, 에어포일들은 연결 구간을 따라 제1 세장 구간으로부터 제2 세장 구간으로 진행할 수 있다. 어떤 이러한 실시예들에서, 위에서 보았을 때 트랙이 선형이도록 연결 구간들은 선형이며, 트랙은 세장 구간들과 연결 구간들을 연결하는 곡선형 경로들을 구비한다.
하나의 세장 구간이 다른 세장 구간의 위에 위치되지 않는 어떤 실시예들에서, 제1 세장 구간과 제2 세장 구간 중 적어도 하나를 정착점에 결합시키는 계류 시스템이 여기 말고 다른 부분에서 설명한 계류 특징을 포함한다. 예를 들어, 0012-14, 19, 23, 24, 72, 89, 91, 93, 94, 96-100 및 109 단락들에서 설명한 계류 특징들이다. 하나의 세장 구간이 다른 세장 구간의 위에 위치되지 않는 어떤 실시예들에서, 트랙(세장 구간들 및 연결 구간 포함)은 지면 레벨 위로 상승되어 있다.
하나의 세장 구간이 다른 세장 구간의 위에 위치되지 않는 어떤 실시예들에서, 에어포일은 (롤링, 피칭 및 요잉의 임의의 조합을 통해) 기본적으로 180도로 피칭된다. 어떤 실시예들에서, 이 180도 피칭은 두 개의 90도 단계들로 달성될 수 있고, 이에 따라 두 개의 측풍 세장 구간이 충분한 후류 간극을 유지한다. 여기서 생각되는 것은 트랙의 하나의 회로가 (예를 들어, 단계적 방식으로) 360도의 총 피칭을 포함하여 순풍방향 난류 효과를 최소화하도록 하는 다양한 기하학적 형상들(삼각형, 육각형 등)이다. 두 세장 구간들 사이의 경로의 반경에 대한 여기서의 설명은 또한 하나의 세장 구간이 다른 세장 구간의 위에 위치되지 않는 실시예들에도 적용된다.
하나의 세장 구간이 다른 세장 구간의 위에 위치되지 않는 어떤 실시예들에서, 전력은 공기역학적 힘을 통해 측풍 세장 구간에서 발생된다. 순풍 방향 연결 구간에서, 전력이 또한 발생된다. 역풍 방향 연결 구간에서, 에어포일은 항력을 감소시키는 방향으로 배치될 수 있고, 전자기계식 동력 시스템은 에어포일을 측풍 세장 구간으로 옮기는 데 전력을 소비한다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 명세서는 풍력에만 한정되지 않는다. 어떤 실시예는 다른 기체 또는 유체를 포함할 수 있다. 예시적인 수력 실시예는 하천 설비(river installation) 또는 조력 설비(tidal power installation)를 포함할 수 있다. 어떤 예에서, 전기 추출 장치는 양력을 발생시킬 수 있는 부력 장치에 부착될 수 있다. (구조적 또는 능동적 제어를 통해) 롤링각을 조작하는 것에 의해, 장치는 예를 들어 획득되는 에너지를 증가시키도록 소망하는 깊이 또는 높이에 유지될 수 있다. 여기서 사용될 때, (측풍 또는 대기풍과 같은) 특정한 응용 분야를 제안하는 용어들은 다른 유체 유동에서는 유사한 용어들로 이해해야 한다.
또한, 여기서 사용되는 바와 같이, "세장 구간(elongated section)"이라는 용어는 기체가 결합되어 기체 크기의 수 배인 거리를 측풍 진행하는 임의의 구조물인 것으로 이해해야 한다. 세장 구간은 반드시 선형일 필요는 없고, 곡선 또는 다른 비선형 형태를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 전력 추출을 위한 장치 또는 방법은 단일 세장 구간 또는 본 명세서에서 설명한 수직 배치가 아닌 수평으로 배치되는 다수의 세장 구간을 포함할 수 있다.
개시된 실시예를 첨부 도면을 참조하여 충분하게 설명했지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 가가 다양한 변경과 개조를 할 수 있음이 명백하다는 점을 알아야 한다. 이러한 변경과 개조는 첨부된 특허청구범위에 한정된 바와 같은 본 명세서의 실시예의 범위 내에 포함되는 것으로 이해해야 한다.

Claims (4)

  1. 제1 세장 구간과 제2 세장 구간을 포함하는 트랙;
    제1 세장 구간 및 제2 세장 구간에 번갈아 결합될 때 서로 반대 방향들로 이동 가능한 에어포일; 및
    에어포일의 움직임을 통해 대기풍으로부터 전력을 획득하는 발전기를 포함하고,
    제1 구간의 길이가 제1 세장 구간으로부터 제2 세장 구간까지의 경로의 반경의 적어도 25배인 것을 특징으로 하는 전력 추출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 구간의 길이가 제1 세장 구간으로부터 제2 세장 구간까지의 경로의 반경의 적어도 50배인 것을 특징으로 하는 전력 추출 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제1 구간의 길이가 제1 세장 구간으로부터 제2 세장 구간까지의 경로의 반경의 적어도 75배인 것을 특징으로 하는 전력 추출 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제1 구간의 길이가 제1 세장 구간으로부터 제2 세장 구간까지의 경로의 반경의 적어도 100배인 것을 특징으로 하는 전력 추출 장치.
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