(57)【要約】空中風力エネルギー生産用システムの運転方法であって、システムは、地上局と、翼を有する耐空性グライダーと、グライダーを地上局に接続するためのテザーとを備える。  システムは、風にさらされる翼によって生じた揚力を用いて空中風力エネルギーを生成するように構成され配置されている。グライダーを地上局から飛行させることを含む、テザーの自由長の増加の第１運転段階は、グライダーを地上局に向けて飛行させることを含む、テザーの自由長の減少の第２運転段階と繰り返し交互に行われる。  本発明による運転方法は、風状態が監視され、所定の最小条件を下回る風状態では、グライダーは、第２運転段階の少なくとも一部の間にテザーを介して地上局に向かって引っ張られ、それによって、グライダーの速度を増加する。後続の第２運転段階の間、グライダーの高度を上げるために追加の速度が使用される。
2019532216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空中風力エネルギー生産用システムの運転方法であって、
前記システムは、地上局と、翼を有する空中グライダーと、前記グライダーを前記地上局に接続するテザーとを備え、
前記地上局は、前記テザーの余剰の長さを格納するための回転可能なリールと、前記リールに効果的に接続されている電気回転機械とを備え、
前記システムは、反復運転サイクルを伴う通常運転モードで稼働され、
前記運転サイクルは、前記グライダーを前記地上局から飛行させ、風にさらされた前記グライダーの前記翼によって生じた揚力を用いて、前記テザーを介して前記電気回転機械を駆動することによってエネルギーを生成することを含む、テザーの自由長の増加を伴う生産段階を備え、及び、
前記運転サイクルはさらに、前記グライダーを前記地上局に向けて飛行させることを含む、テザーの自由長の減少を伴うリールイン段階を備える運転方法において、
風状態が監視され、前記システムの運転は、監視された風状態が所定の下限風状態閾値を下回ったとき、低風運転モードに変更され、及び／又は、監視された風状態が所定の上限風状態閾値を超えたとき、強風運転モードに変更されることを特徴とする運転方法。
【請求項２】
前記通常運転モードの前記運転サイクルは、生産段階と引き続くリールイン段階との間の第１移行段階を備え、及び／又は、
前記通常運転モードの前記運転サイクルは、リールイン段階と引き続く生産段階との間の第２移行段階を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
複数の運転モードは、前記第１移行段階の間、及び／又は前記第２移行段階の間で変更され、好ましくは、前記第１移行段階の間で変更されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記生産段階の間、前記グライダーの飛行は最大揚力のために制御され、前記テザーの張力は最大電力出力のために制御され、特に前記電気回転機械によるトルク制御によって制御されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記システムの電力出力は、電力生産のための前記システムの効率を一時的に低下することによって低減されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
システム効率は、前記テザーの張力を所定の張力閾値より上に保持することによって一時的に低下され、
前記張力閾値は、特に、風状態、及び／又はシステム設計パラメータ、及び／又はシステム状態パラメータの関数であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
システム効率は、前記グライダーの揚力を所定の揚力閾値より下に保持することによって一時的に低下され、
前記揚力閾値は、特に、風状態、及び／又はシステム設計パラメータ、及び／又はシステム状態パラメータの関数であることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
システム効率は、前記グライダーの飛行パターンの仰角及び／又はサイズを大きくすることによって一時的に低下されることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記低風運転モードは、反復運転サイクルを含み、
前記運転サイクルは、前記グライダーを前記地上局から飛行させることを含む、テザーの自由長の増加を伴う第１段階を備え、及び、
前記運転サイクルはさらに、前記グライダーを前記地上局に向けて飛行させることを含む、テザーの自由長の減少を伴う第２段階を備え、
前記グライダーは、前記第２運転段階の少なくとも一部の間に、前記テザーを介して前記地上局に向かって引っ張られ、それによって前記グライダーの速度を増加し、
後続の第２運転段階の間、前記グライダーの高度を上げるために追加の速度が使用されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記強風運転モードは、反復運転サイクルを含み、
前記運転サイクルは、前記グライダーの高度を上げることを含む、テザーの自由長の増加を伴う生産段階を備え、それによって、風にさらされた前記グライダーの前記翼によって生じた揚力を用いて、前記テザーを介して前記電気回転機械を駆動することによってエネルギーを生成し、及び、
前記運転サイクルはさらに、前記グライダーの高度を下げることを含む、テザーの自由長の減少を伴うリールイン段階を備え、高度変動とは別に、前記グライダーは本質的に動かないままであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記強風運転モードは、特に所定の臨界風状態閾値を超える風状態で、空中に静止するように前記グライダーの飛行を制御することを備え、
特に、前記臨界風状態閾値は、前記上限風状態閾値よりも高いことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
空中風力エネルギー生産用システムであって、
地上局と、翼を有する耐空性グライダーと、前記グライダーを前記地上局に接続するためのテザーとを備え、
前記地上局は、前記テザーの余剰の長さを格納するための回転可能なリールと、前記リールに効果的に接続されている電気回転機械とを備え、前記システムはさらに、前記システムの運転のための制御機構を備えるシステムにおいて、
前記制御機構は、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の前記システムの運転用に構成され設計されていることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中風力エネルギー生産用システムの運転方法であって、前記システムは、地上局と、翼を有する空中グライダーと、前記グライダーを前記地上局に接続するテザーとを備え、前記地上局は、前記テザーの余剰の長さを格納するための回転可能なリールと、前記リールに効果的に接続されている電気回転機械とを備え、前記システムは、反復運転サイクルを伴う通常運転モードで稼働され、前記運転サイクルは、前記グライダーを前記地上局から飛行させ、風にさらされた前記グライダーの前記翼によって生じた揚力を用いて、前記テザーを介して前記電気回転機械を駆動することによってエネルギーを生成することを含む、テザーの自由長の増加を伴う生産段階を備え、及び、前記運転サイクルはさらに、前記グライダーを前記地上局に向けて飛行させることを含む、テザーの自由長の減少を伴うリールイン段階を備える運転方法に関する。
【０００２】
本発明はさらに、空中風力エネルギー生産用のそれぞれのシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
例えば特許文献１から知られているそのようなシステムにおいて、電力は通常、第１運転段階中に高揚力飛行パターンに従うようにグライダーを操縦することによって生成され、その結果、地上局で電気機械を運転するために使用可能なテザーに大きな負荷が掛かる。第２運転段階中、地上局の電気機械がテザーの余剰の長さを巻き取ることで、グライダーは通常、低揚力飛行パターンに従うように操縦される。それにより、第１運転段階中に生成されるよりもはるかに少ない電力を消費する。
【０００４】
伝統的な風力タービンと同様に、空中風力エネルギー生産用システムは、通常自動運転用に意図されており、高いレベルの運用上の安全性が要求される。これらのシステムはまた、最適化された効率と、経済的な理由から僅かな休止時間となるように、広範囲の風状態で運転可能であることが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＥＰ  ２  ６３１  ４６８  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、運転上の安全性と経済的実行可能性の両方を保証する空中風力エネルギー生産用システムの運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、空中風力エネルギー生産用システムの運転方法であって、前記システムは、地上局と、翼を有する空中グライダーと、前記グライダーを前記地上局に接続するテザーとを備え、前記地上局は、前記テザーの余剰の長さを格納するための回転可能なリールと、前記リールに効果的に接続されている電気回転機械とを備え、前記システムは、反復運転サイクルを伴う通常運転モードで稼働され、前記運転サイクルは、前記グライダーを前記地上局から飛行させ、風にさらされた前記グライダーの前記翼によって生じた揚力を用いて、前記テザーを介して前記電気回転機械を駆動することによってエネルギーを生成することを含む、テザーの自由長の増加を伴う生産段階を備え、及び、前記運転サイクルはさらに、前記グライダーを前記地上局に向けて飛行させることを含む、テザーの自由長の減少を伴うリールイン段階を備える運転方法において、本発明による方法は、風状態が監視され、前記システムの運転は、監視された風状態が所定の下限風状態閾値を下回ったとき、低風運転モードに変更され、及び／又は、監視された風状態が所定の上限風状態閾値を超えたとき、強風運転モードに変更されることを特徴としていることによって達成される。
【０００８】
ここで、風状態という用語は、風の状態を特徴付けるのに適切な１つ又は複数のパラメータを特に指している。これらのパラメータは、風速、風向、又は突風の頻度、持続時間、及び突風のピーク風速を含み得るが、これらに限定されない。
【０００９】
本発明に関するグライダー又はセイルプレーンは、特に、固定翼の重航空機であり、機内操縦手段は、グライダーの全飛行操縦性を、その縦軸、その横軸及びその垂直軸の周りで可能にする。本発明に関して、これらの３つの主軸はデカルト座標系を形成し、この座標系の原点はグライダーの重心にあるように定義される。
【００１０】
本発明の一態様は、優先度が最大のエネルギー生産にある通常運転と、優先度が安全を保証するためのリスク軽減にある低風及び／又は強風運転のための異なる運転モードを提供することである。したがって、本発明は、これらの運転モード中にそれぞれを最適化する運転を可能にする。これは特に自動運転ルーチンを実施する際に有益である。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態では、通常運転モードの運転サイクルが、生産段階と引き続くリールイン段階との間の第１移行段階を備え、及び／又は、通常運転モードの運転サイクルが、リールイン段階と引き続く生産段階との間の第２移行段階を備える。
【００１２】
第１移行段階を有することは、例えば、リールイン段階を開始するための境界条件に制約されることなくいつでも生産段階の終了が可能になるので、運転上の安全性を高める。第２移行段階は、リール及び／又は電気回転機の運転に制約されることなく、グライダーの飛行運転を次の生産段階を開始するための最適な状態に、円滑に移行させることを可能にする。
【００１３】
運転モードが第１移行段階の間、及び／又は第２移行段階の間で変更されるとき、それはさらに有益である。運転モードが第１移行段階の間で変更されるとき、最も安定したシステム運転が期待される。
【００１４】
生産段階中に、グライダーの飛行が最大揚力に制御され、特に電気回転機械によるトルク制御を介して、テザーの張力が最大出力に制御されるとき、最大エネルギー収率が期待される。特に、電力出力という用語は、電気回転機械によってそれぞれ電気又は電気エネルギーに伝達される瞬時電力を指す。
【００１５】
システムの過負荷を回避するため、又はシステム構造及び／又は運転に対する他の危険性を軽減するために、電力生産のためのシステム効率を一時的に低下することによって、システムの電力出力が低減されることがさらに好ましい。
【００１６】
ここで効率とは、システムによって実際に収穫され、電気に変換される風に含まれるエネルギーの割合を指す。
【００１７】
本発明によるシステム効率を一時的に低下する１つの方法は、テザーの張力を所定の張力閾値より上に保持することである。張力閾値は、特に風状態、及び／又はシステム設計パラメータ、及び／又はシステム状態パラメータの関数である。これは例えば、電気回転機械の逆トルク（特にトルク制御されているか又はトルク制御され得る）を調整することによって可能である。風が弱いときにテザーの張力を大きくすると、電力出力を犠牲にしてグライダーの対気速度を上げることができる。これは、グライダーの超臨界対気速度を確保するのに特に有益である。
【００１８】
本発明によるシステム効率を一時的に低下させる別の方法は、グライダーの揚力を所定の揚力閾値より下に保持することである。揚力閾値は、特に風状態、及び／又はシステム設計パラメータ、及び／又はシステム状態パラメータの関数である。これは例えば、飛行中のグライダーの迎角を減少することによって可能である。グライダーのデザインによって予想される場合、翼の有効な空気力学的プロファイルを変更することにより、例えば、可能であれば、複数のフラップにより、揚力を低減させることもできる。揚力を閾値未満に維持することで、グライダー構造への重大な負荷を避けることができる。また、生成されたのを押さえ込むことも、効果的に避けられる。
【００１９】
揚力を減少するための代替手段は、グライダーの抗力を増大することであり、例えば、利用可能であればエアブレーキにより増大する。
【００２０】
本発明によるシステム効率を一時的に低下させるさらに別の方法は、グライダーの飛行パターンの仰角及び／又はサイズを増大させることである。これはグライダーの飛行経路の少なくとも一部に関して風の角度を変え、採取のために利用可能な風にあるエネルギーの理論的な最大エネルギー量を潜在的に減少する。多くの場合、仰角を上げるとシステム運転、特に飛行制御が、突風に対してよりロバストになる。パターンサイズを大きくすることのもう１つの側面は、減少された旋回半径であり、これにより、安全な飛行運転の負担が緩和される。
【００２１】
低風運転モードは、反復運転サイクルを含み、その運転サイクルが、グライダーを地上局から飛行させることを含む、テザーの自由長の増加を伴う第１段階を備え、及び、運転サイクルがさらに、グライダーを地上局に向けて飛行させることを含む、テザーの自由長の減少を伴う第２段階を備え、グライダーは、第２運転段階の少なくとも一部の間に、テザーを介して地上局に向かって引っ張られ、それによってグライダーの速度を増加し、次の第２運転段階の間、グライダーの高度を上げるために、追加の速度が使用されることが、さらに好ましい。
【００２２】
したがって本発明は、風状態が、少なくともグライダーの自重を支えるのに必要な揚力を発生させるのに不十分であるときに、グライダーが空中に留まることを可能にする。これは、複雑な技術的手段及び／又は人間のオペレータによる手動での介入を必要とする危険な運転であるグライダーの着陸を回避する。グライダーを飛行させることのもう一つの側面は、風状態が十分になるとすぐに通常運転を再開できることであり、グライダーを事前に飛ばす必要性を回避する。
【００２３】
本発明の別の好ましい実施形態は、強風運転モードが反復運転サイクルを含み、その運転サイクルは、グライダーの高度を上げることを含む、テザーの自由長の増加を伴う生産段階を備え、それによって、風にさらされたグライダーの翼によって生じた揚力を用いて、テザーを介して電気回転機械を駆動することによりエネルギーを生成し、及び、運転サイクルはさらに、グライダーの高度を下げることを含む、テザーの自由長の減少を伴うリールイン段階を備え、高度変動とは別に、グライダーは本質的に静止したままであることを特徴とする。
【００２４】
このようにして、本発明は、システムの通常運転モードにおいて、横風飛行中に発生する高負荷のために禁止される風状態であっても、エネルギー生産を可能にする。
【００２５】
さらなるリスクを軽減するために、強風運転モードは、特に所定の臨界風状態閾値を超える風状態において、グライダーの飛行を静止するように制御することを備えることが好ましく、特に臨界風状態閾値は上限風状態閾値よりも高い。
【００２６】
グライダーを空中に維持することの利点はすでに提示されている。しかし、最も強風の状態で空中にいることは依然として潜在的に危険である。したがって、風状態は、好ましくは連続的に監視されることが好ましく、潜在的に危険な状況の検出又は予測時に、グライダーは着陸される。
【００２７】
冒頭で論じた本発明の目的は、空中風力エネルギー生産用システムであって、地上局と、翼を有する耐空性グライダーと、前記グライダーを前記地上局に接続するためのテザーとを備え、前記地上局は、前記テザーの余剰の長さを格納するための回転可能なリールと、前記リールに効果的に接続されている電気回転機械とを備え、前記システムはさらに、前記システムの運転のための制御機構を備えるシステムにおいて、前記制御機構が、本発明による方法の一実施形態による前記システムの運転用に構成され設計されていることを特徴とするシステムによっても達成される。
【００２８】
図面を参照した例示的な実施形態に基づいて、本発明の一般的な意図を制限することなく、本発明を以下に説明する。図面は次のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による空中風力エネルギー生産用システムの概略図である。
【図２ａ】本発明によるシステムの通常運転における生産段階の概略図である。
【図２ｂ】本発明によるシステムの通常運転におけるリールイン段階の概略図である。
【図３】生産段階中の本発明による運転の概略図である。
【図４】例示的な風状態での本発明による生産段階中の電力出力の概略図である。
【図５】本発明によるシステム運転のための風状態の関数としての平均電力出力の概略図である。
【図６】別の例示的な風状態での本発明による生産段階中の電力出力の概略図である。
【図７】別の例示的な風状態での本発明による生産段階中の電力出力の概略図である。
【図８】低風運転モードにおける本発明によるシステムの運転の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図面において、複数の要素が再紹介される必要がないように、同じ若しくは類似のタイプの要素、又はそれぞれ対応する部分には、同じ参照番号が与えられている。
【００３１】
図１は、本発明による、風から電力を生産するためのシステムの例示的な実施形態を示す。
【００３２】
システムの耐空性部分又は飛行部分はグライダー１０で構成され、図１に示す実施形態においてそれは、固定翼の重航空機として設計されている。グライダー１０は、胴体１２、主翼１４、尾翼１６及び操作翼面２０、２２、２４を備える。グライダーの重心３０で交わり、グライダーの固有座標系を構成する縦軸３２、横軸３４及び垂直軸３６も示されている。
【００３３】
主翼１４は例えば、図１に示す実施形態のように、単翼で構成することができる。しかし、例えば胴体１２の両側に別個の主翼１４を有する代替的設計も、本発明の範囲内である。
【００３４】
飛行中、グライダー１０は操作翼面によって操縦され、例示的な実施形態では、それら操作翼面は、主翼１４の両側に補助翼２０を備えると共に、尾翼１６に昇降舵２２及び方向舵２４を備える。操作翼面２０、２２、２４は、例えば、空力的手段によってグライダー１０の主軸３２、３４、３６の周りにトルクを生じさせるために使用されるヒンジ接続された面である。
【００３５】
縦軸３２の周りのトルクは複数の補助翼２０によって生じ、それら補助翼２０は同時にかつ反対方向に操作可能であるか、又は操作される。ここで、反対方向とは、左補助翼が主翼１４に対して上方に動く時に、右補助翼が下方に動くことを意味する。これにより、主翼１４の右側で揚力が増加し、主翼１４の左側で揚力が減少するため、縦軸３２の周りにトルクが生じる。その結果生じるグライダー１０の動き、すなわち、その縦軸３２周りの回転は、ローリングと呼ばれる。
【００３６】
グライダー１０の横軸３４周りのピッチングと呼ばれる回転は、尾翼面での揚力を増減するために使用される複数の昇降舵２２により達成され、それによって横軸３４周りにトルクを生じる。
【００３７】
グライダー１０の垂直軸３６周りのヨーイングと呼ばれる回転は、方向舵２４によって生じる。
【００３８】
グライダー１０はテザー４４を介して地上局４０に接続されている。このテザー４４は、好ましくはグライダー１０の重心３０の近くに配置される接続手段において、グライダー１０に取り付けられるか、又は接続される。このようにして、テザー４４にかかる荷重が変動しても、飛行中のグライダー１０のバランスを著しく損なうことはない。
【００３９】
地上局４０では、余剰の長さのテザー４４がリール４２に格納されており、リール４２は電気回転機械４６に接続されている。その電気回転機械４６は、例えば電力網、変電所、又は大規模エネルギー貯蔵所などの蓄電及び／又は配電システム（不図示）に接続される。蓄電及び／又は配電システムは、回転電気機械４６から電気を受け取り、かつ回転電気機械４６に電気を供給できる任意のデバイス又はシステムであり得ることを、当業者ならば理解するであろう。
【００４０】
図１に示すシステムの通常運転は、２つの主な段階（図２ａに示される生産段階と、図２ｂに示されるリールイン段階）を有する運転サイクルから構成される。
【００４１】
生産段階では、グライダー１０は、地上局４０の風下のライン５２で示される高揚力飛行パターンに従うように操縦される。風向きを矢印５０で示す。横風での飛行時、特に高速の横風での飛行時には、グライダー１０の翼又は主翼１４は、グライダー１０を所定の高度に保つために必要とされるよりもはるかに大きい揚力を発生させる。その結果、グライダーはテザー４４を牽引し、それが電気を発生させる発電機である電気回転機械４６を駆動するために使用される。
【００４２】
テザー４４が繰り出される限り、グライダー１０は地上局４０から離れて飛ぶ。したがって、テザー４４の全長によって生産段階は制限される。
【００４３】
リールイン段階の間、すなわち、テザー４４をリール４２に巻き取る間、電気回転機械４６はモータとして運転される一方、同時にグライダー１０は、テザー４４のたぐり寄せを最小限にするために、低揚力飛行パターン５４に沿って操縦される。
【００４４】
生産段階の間の例示的なシステム運転の別の図が、図３に示されている。また、風向きを矢印５０で示す。
【００４５】
ここで、グライダー１０は、地上局４０の風下の生産飛行経路５１に沿って飛行する。生産飛行経路５１は、繰り返しの、実質的に８の字型のループに似ている。地上局４０までの距離に対する飛行経路５１の高度の比として表すことができる仰角（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）は比較的小さく、平均テザー方向と風５０との間の小さな角度を可能にする。
【００４６】
図４は、例示的な条件について得られた電力出力１１１を示す。ここで、横軸１０１は時間を任意の単位で示し、縦軸１０２は電力を任意の単位で示す。図から分かるように、電力出力１１１は変動成分を有し、これは主に飛行経路５１に沿った高度上昇時に運動エネルギーの位置エネルギーへの変換（及び、その逆もまた同様）から生じたものである。
【００４７】
破線１２０は、地上局４０における発電機の定格電力を示す。
【００４８】
電力出力１１１の達成可能なレベルは、風状態に依存し、特に風速に依存する。図５は平均電力出力１１０を示し、横軸２０１は風速を任意の単位で示し、縦軸２０２は平均出力を任意の単位で示す。
【００４９】
矢印で示されているのは、風速の特徴的な閾値である。
【００５０】
下限閾値１３１未満では、たとえ発電が行われなくても、風状態はグライダー１０の通常の飛行には不十分である。言い換えれば、風５０から抽出可能なエネルギーは、グライダー１０を空中に保つのに十分でさえない。
【００５１】
このような低風状態において、本発明は、図８に示されている低風運転モードを提供する。この低風運転モードでは、グライダー１０は保持飛行経路５１’に沿って飛行する。保持飛行経路５１’が地上局に接近しているとき（すなわち、仰角が高い場合）、図８に例示的に示されるように、テザー４４の自由長は短い。このことは、自重に加えて、グライダー１０によって運ばれなければならない余分な重量を最小にする。しかし、本発明による方法は、より低い仰角で飛行経路を保持することにも適用可能である。
【００５２】
保持飛行パターン５１’は、８の字型の閉ループに似ている。飛行経路に沿って割り振られているのは、テザー４４の余剰長さが増加するリールアウト（巻き出し）段階と、テザー４４の余剰長さが減少するリールイン（巻き取り）段階である。
【００５３】
本発明によれば、少なくとも１つのリールイン段階の少なくとも一部５２の間に、引っ張り力がテザー４４に加えられ、それによってグライダー１０を地上局４０に向かって引っ張る。これはグライダー１０の速度を増加させ、次のリールアウト段階の間に高度上昇のために使用できる。言い換えると、テザー４４は、グライダー１０の運動エネルギーを増加するために使用され、それは次いで位置エネルギーに変換され、グライダー１０を空中に維持するのに役立つ。
【００５４】
本発明は、風５０がない状態でグライダー１０を飛行させることさえ可能にする。
【００５５】
代替方法として、風状態が下限閾値１３１を下回ったときに、グライダー１０を着陸させることができる。最終的な選択は、風の弱い時間の予想期間を推定するべきであり、経済的考察とリスク評価の両方に基づくべきである。一般に、グライダー１０を空中に維持することの電力消費及び維持費と、着陸のより高い危険性との間にはトレードオフがある。
【００５６】
さらに図５に、上限閾値１３２が示されており、それを超えると、風状態が厳しすぎるため、グライダー１０の安全な横風飛行を保証できない。それゆえ、上記のようなエネルギー生成のための通常運転は、下限閾値１３１と上限閾値１３２の間の風状態に制限される。
【００５７】
通常運転は、風状態の様々な範囲によって少し異なり、図５において、これらの範囲はそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤで示される。
【００５８】
範囲Ａの風状態では、グライダー１０は一般に最大揚力で飛行するように制御され、地上局４０における発電機４６のトルクは、最大エネルギー収量のために最適化される。範囲Ａ内の風状態では、テザー４４の張力と巻き出し速度の両方が風速の増加と共に増加し、結果として風速の増加と共に平均出力１１０の三次的増加をもたらす。
【００５９】
範囲Ａと範囲Ｂの間の遷移部では、テザー４４の張力がその設計最大値に達するので、システムの運転上の安全性を危うくすることなく、発電機トルクをこれ以上増大させることはできない。
【００６０】
したがって、範囲Ｂ内の風状態では、発電機トルクは最大テザー張力に制御され、グライダー１０の飛行は依然として最大揚力に制御される。範囲Ｂ内では、巻き出し速度は風速の増加と共に直線的に増加し、結果として電力出力の直線的増加をもたらす。
【００６１】
図４に示される電力出力１１１は、範囲Ａ又は範囲Ｂ内における風状態の一例であり、任意の時間において、電力出力１１１は定格発電機電力１２０を下回る。
【００６２】
範囲Ｃ内の例示的な風状態の電力出力１１１Ｃが、図６に示されている。明らかになるように、点線セグメントで示すように、最大電力出力が定格発電機電力１２０を超える過電力領域１２１がある。発電機の過負荷を回避するため、空中風力エネルギー生産用システムの効率を下げることにより、電力出力１１１Ｃを制限しなければならない。例えば、これは、グライダー１０の揚力を一時的に減少するか、又は抗力を増加することによって達成できる。
【００６３】
範囲Ｄにおける例示的な風状態の状況が、図７に示されている。ここで、一点鎖線で示される最大電力出力１１５は、生産段階中の任意の時間にわたって定格発電機電力１２０を上回る。前述のように、実際の電力出力１１１Ｄを定格発電機電力１２０にいつでも制限するために、システム効率を低下させる必要がある。
【００６４】
１つのアプローチは、前述したようにグライダー１０の揚力を減少し、及び／又は抗力を増加することである。しかし、これは一般に、グライダー１０の構造、特に翼及び操舵面と共にそれぞれのヒンジ及びアクチュエータに不必要な高い負荷をもたらす。
【００６５】
本発明の好ましい実施形態では、飛行経路５１の仰角が増加され、これは最大電力出力１１５を点線で示される最適電力出力１１６に向けて低くする。そこから始めて、システム効率は、前述のように、グライダー１０の揚力を減少するか、又は抗力を増加することによってさらに低下する。その結果、実際の電力出力１１１Ｄは定格発電機電力１２０のレベルで時間に対し一定である。
【００６６】
特に風の強い状態では、運転上又は構造上の安全性を損なうことなく、予想外の突風に適切に対処するシステムの安全マージンを増大するために、目標発電出力１１１Ｄを定格発電機電力１２０未満に低減することは選択肢である。
【００６７】
図５を参照して、グライダー１０の横風飛行による電力生産は、上限閾値１３２を超える風状態において、もはや選択肢ではないことが既に議論されている。しかし、本発明によれば、ポンプモードでグライダー１０を地上局４０の上方へ垂直に飛行させることによって発電することは依然として可能である。ここで、揚力は、例えば迎角を適切に制御することによって周期的に増減される。その結果、グライダー１０は高度を獲得し、それによってテザー４４を引き、そして連続的に高度を緩めて、テザー４４を巻き取ることを可能にする。
【００６８】
臨界閾値１３３を超えるさらに速い風速では、発電は完全に停止され、システムはリスクを最小限に抑えるために目標のみで制御される。最も安全な選択肢は常に、グライダー１０を着陸させて地面に固定することである。適切なリスク評価が可能である場合、グライダー１０、テザー４４及び地上局設備への最小構造負荷に制御される飛行で、静止した状態にグライダー１０を制御することも本発明の範囲内で可能である。
【００６９】
当業者であれば、生産飛行経路５１及び保持飛行経路５１’は両方とも例示的な実施形態であることを理解するであろう。円形又は楕円形などの他の主な形状もまた、本発明によって包含されることを意味する。
【符号の説明】
【００７０】
１０  グライダー
１２  胴体
１４  主翼
１６  尾翼
２０  補助翼（操作翼面）
２２  昇降舵（操作翼面）
２４  方向舵（操作翼面）
３０  重心
３２  縦軸
３４  横軸
３６  垂直軸
４０  地上局
４２  リール
４４  テザー
４６  電気回転機械
５０  風向き
５１  生産飛行経路
５１’  保持飛行経路
５２  ライン
５４  低揚力飛行パターン
１０１、２０１  横軸
１０２、２０２  縦軸
１１０  平均電力出力
１１１  電力出力
１１１Ｃ  電力出力
１１１Ｄ  電力出力
１１５  最大電力出力
１１６  最適電力出力
１２０  定格発電機電力
１２１  過電力領域
１３１  下限閾値
１３２  上限閾値
１３３  臨界閾値
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ  範囲
【図１】
2019532216.tif 000003
【図２ａ】
2019532216.tif 000004
【図２ｂ】
2019532216.tif 000005
【図３】
2019532216.tif 000006
【図４】
2019532216.tif 000007
【図５】
2019532216.tif 000008
【図６】
2019532216.tif 000009
【図７】
2019532216.tif 000010
【図８】
2019532216.tif 000011
【国際調査報告】
2019532216.tif 000012
2019532216.tif 000013