空中風力発電 （AWE ）とは、空気力学的または静力学的揚力装置を用いて風力 エネルギー を直接利用または生成する技術です。AWE技術は、タワーに取り付けられたローターを使用する風力タービン とは異なり、高高度の風 を収集することができます。
高高度風力発電（HAWP）という用語は、AWEシステムを指すために使用されてきました。[ 1 ]
凧 、カイトーン 、エアロスタット 、グライダー 、再生滑空用のタービン付きグライダー [ 2 ] 運動エネルギーを 捕捉するためのさまざまなメカニズムが提案されています。 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
発電目的の高高度風力発電 高高度の風は、より安定し、より持続的で、より高速になります。風で利用可能な電力は 速度の3乗に比例して増加するため（速度の3乗の法則）、[ 6 ] [ 7 ] = 8倍の電力が得られ、速度を3倍にすると3³ = 27倍の電力が得られます。 より安定し、より予測可能な風により、高高度の風は地表付近の風よりも有利です。HAWPを有効な高度に設置し、風力発電に空域の垂直方向の次元を利用できると、エネルギー生成に高高度の風を利用する利点がさらに高まります。
高所に設置する風力発電機は、エネルギー回収を最大化するために高さと位置を調整できるが、固定式のタワー型風力発電機ではこれは現実的ではない。
高度の各範囲において、研究者や開発者は高度特有の懸念事項に取り組んでいます。高度が上がると、テザーの長さが長くなり、気温が変化し、大気中の雷に対する脆弱性も変化します。高度が上がるにつれて、責任リスク、コスト、乱気流への曝露、システムが複数の方向の風層を通過する可能性、運用コストも増加します。飛行するHAWPシステムは、最終的な作業高度まで全ての中間高度を上昇する必要があり、最初は低高度装置として、次に高高度装置として機能します。
地球上のすべての地点について、高高度 風力発電 資源の地図が作成されました。[ 8 ] [ 9 ]
高高度の風の運動エネルギーを捕捉する方法 風からエネルギーを捕捉する方法としては、凧[ 10 ] 、カイトゥーン 、係留グライダー [ 11 ] グライダー 、エアロスタット （球形および形状カイトゥーン）、ブレードタービン、翼型、翼型マトリックス、ドローグ、可変ドローグ、らせん翼型、ダリウスタービン、マグナス効果VAWT飛行船、多重ローター複合体、布製ジャルベールパラフォイル凧、単翼タービン、フリップウィング、テザー、ブライドル、ストリングループ、ワフティングブレード、波状形状、圧電材料[ 12 ] [ 13 ]
計画の目的が船やボートを推進することである場合、[ 14 ] [ 15 ] ベンジャミン フランクリンが HAWP の牽引方法を使用したとされています。ジョージ ポコックは 牽引による車両の牽引の先駆者でした。[ 16 ]
コントロール HAWP航空機は制御される必要がある。構築されたシステムのソリューションには、さまざまな位置に配置された制御機構がある。一部のシステムは受動的、能動的、またはその組み合わせである。カイト操舵ユニット（KSU）が持ち上げられると、KSUはロボットで自己完結型である場合もあれば、地上から無線制御で人間のオペレーターまたはスマートコンピュータプログラムによって操作される場合もある。一部のシステムには、位置、他の部分との相対位置などのパラメータを報告する航空機本体に組み込まれたセンサーがある。カイト制御ユニット（KCU）は操舵以上のことを行っている。テザーの張力と、発電フェーズまたは非発電フェーズの戻りフェーズにおけるシステムのニーズに応じて、テザー巻き取り速度と方向を調整することができる。カイト制御部品は多種多様である。[ 17 ] [ 18 ]
エネルギーを変換する方法 装置の機械エネルギーは、熱、音、電気、光、張力、押す力、引く力、レーザー、マイクロ波、化学変化、またはガスの圧縮に変換できます。牽引 は 、貨物 船や カイトボーダー を牽引 するなど 、機械 エネルギーを直接利用する大きな例です。風の運動エネルギーから機械エネルギーを得る方法はいくつかあります。空気より軽い (LTA) 係留式飛行船は、 タービン の揚力発生装置として使用されます。空気より重い (HTA) 係留式翼型は 、揚力発生装置またはタービン自体として使用されています。LTA と HTA 装置を 1 つのシステムに組み合わせたものが構築され、HAWP を捕捉するために飛行されています。高高度の風の運動エネルギーを捉える自由飛行型の空中装置も文献に登場しており（1967年にリチャード・ミラーが著書『目に見える支持手段なしで』で記述したのが始まりで）、グライダー競技者であり発明家でもある デール・C・クレイマーによる現代の特許出願もその例である。
凧型空中風力タービンの原理。画像出典：Kitesforfuture 凧型風力タービンの想定飛行経路。画像出典：Kitesforfuture 空中風力タービン技術革新に関する研究によると、最も一般的な「カイト型AWT」技術は将来的に大きな成長の可能性を秘めており、2008年から2012年の間に空中風力エネルギー全体の約44%を占めています。カイト型AWTは、マルチテザーカイト、カイトとデュアルパーパス円形ファン、回転翼カイトなどのカイトを使用して高高度に吊り下げられた風力タービンによってエネルギーを抽出します。[ 19 ]
HAWPシステムにおける発電機の位置 発電は機械エネルギーを回収する手段の一つに過ぎませんが、商業や公益事業に大量のエネルギーを供給しようとする専門家にとって、この手段は最も注目されています。その他にも、水力タービンの 牽引、揚水、空気や水素の圧縮など、さまざまな選択肢があります。発電機の設置場所は、システムによって大きく異なります。発電機を空中に浮かせる方法は様々です。発電機を係留場所にとどめておくことも、設計上の大きな選択肢の一つです。あるシステムでは、発電機を空中と地上の両方に設置し、小型発電機で空中の電子機器を稼働させ、地上の発電機で大きな負荷に電力を供給するという方法が採用されています。
カルーセルジェネレーター 「カルーセル」構成では、複数の凧が一定の高さとより高い高度で飛行し、広い円形レール上を移動する発電機を回転させて引っ張ります。大規模なカルーセルシステムの場合、得られる電力はGWオーダーと計算でき、達成可能な電力は直径の5乗の関数として表され、発電機のコストの増加は線形であることがわかります。[ 20 ]
エアロスタット式水平軸風力発電機 HAWPシステムを稼働状態に保つ方法の一つは、発電機が吊り上げられているか地上に置かれているかに関わらず、浮力のある気球を使用することです。気球は通常、凧揚げのような揚力効果が得られるように形状が作られていますが、必ずしもそうとは限りません。漏れた揚力ガスの 再充填には様々な解決策があります。風が強い場合、気球は通常、広くて避けられないレイノルズ面に作用する空気抵抗によって吹き飛ばされ、事実上HAWPの範疇から外れてしまいます。
WR Benoitによる米国特許第4350897号「空気より軽い風力エネルギー変換システム」、出願日：1980年10月24日、発行日：1982年9月21日。 TWINDシステム（国際特許出願PCT/W02010/015720）は、エネルギー伝送にも使用されるケーブルで地上に接続された気球の上昇力によって持ち上げられた帆面の使用に基づいています。高高度に存在する風は帆に水平方向の押し付け力を生み出し、帆の動きによってこのエネルギーが接続ケーブルを介して地上に伝達されます。前進運動の終わりに帆面が縮小し、エネルギーの無駄を減らして風上に向かって移動できるようになります。[ 21 ] マゲン飛行船は、垂直軸風力タービンであり、軸の横方向を風に沿わせることで軸を水平に保ち、自動回転中にマグナス効果による揚力を得る。電力はエンドハブ発電機で生成される。[ 22 ] LTAウィンドパワーパワーシップは、飛行船と翼の両方から揚力を得ます。中性浮力に近い状態で動作し、ウインチは必要ありません。動力は、翼の後縁にあるプロペラを備えたタービンによって生成されます。このシステムは、無人で離着陸できるように設計されています。[ 23 ] Airbine社は、気球を使って風力タービンを空中に持ち上げ、導電性のテザーを介して電力を地上の負荷に戻すことを提案している。[ 24 ] ウィリアム・J・ムートン・ジュニアとデイビッド・F・トンプソンによる飛行船用動力タービン：彼らのシステムは、ドーナツ型の飛行船の穴にタービンを入れるように、ほぼ環状の飛行船の中央部分にタービンを組み込んだ。[ 25 ] HAWEシステム[ 26 ] マグナス効果 により、牽引力が5～10倍に増加する。凧のように、空中プラットフォームによって発生する牽引力によってケーブルが巻き戻され、地上で発電が行われる。回収フェーズでは、空中プラットフォームにマグナス効果は発生せず、ケーブルが巻き戻される。 Wind Fisher社は、横風にも耐えられるマグナス効果気球[ 27 ] 2023年に公開されたオープンソースのコンセプトでは、帆を取り付けたヘリウム入りの気球が提案されており、帆が圧力を生み出し、システムを水平軸を中心に回転させます。運動エネルギーは、円運動するロープを介して地上の発電機に伝達されます。[ 28 ]
非空中システム 概念的には、隣接する 2 つの山 (自然または地形を利用したもの) または人工の建物や塔 (都市または人工) の間にケーブルを使用して風力タービンを吊り下げることができます。 HAWP が谷を挟んで 2 つの山頂間にケーブルで張られている場合、[ 3 ] [ 29 ]
安全性 落雷 、航空機交通 、緊急手順、システム点検、システム部品とそのテザーの視認性マーキング、電気安全 、暴走翼手順、過負荷制御、適切な係留など、HAWPシステムの安全環境を構成する要素は多岐にわたります。
新興産業としての課題 現代の活動以前にも、HAWPへの関心が高まった時期が何度かありました。最初の時期は、地上を馬車で牽引し、大気中の電気や雷を人間の利用のために捕捉することに重点が置かれていました。[ 30 ] 投資収益率 （ROI）が重要なパラメータであり、現在の開発活動においてもROIが引き続き重視されていますが、背景にはあらゆる種類の風力発電を支援する再生可能エネルギーと持続可能なエネルギー運動があります。しかし、HAWPはROIで従来のタワー型ソリューションと競争しなければなりません。ノルウェーのLista にあるテストセンターは、研究の独立した検証を提供しています。[ 31 ]
HAWPに関する初期の言及 凧揚げの初期の数世紀は、凧が係留点を中心にテザー部分を回転させるロータリーエンジンであり、高所からの風のエネルギーを機械装置に取り込むことで手や腕を動かすことを実証しました。吊り上げられた装置の張力は、身体の一部や物を持ち上げたり引っ張ったりする作業を行います。空中風力エネルギー（AWE）を用いたHAWPは数千年前に誕生しました。何が起こったのかを名付け、テザー付き航空機が特別な作業を行うための潜在的な可能性を開発することが、AWE HAWPで行われていることです。一部の労働者にとって「低い」ものは、他の労働者にとっては「高い」ものです。
1796年、 ジョージ・ポコックは 牽引方式を用いて陸上道路を車両で移動した。1827年、 ジョージ・ポコックの著書『The Aeropleustic Art』または『Navigation in the Air by the Use of Kites or Buoyant Sails』が出版された。ポコックは陸上および海上旅行における凧の使用について記述した。この本は何度か再版された。[ 32 ] 1833年、 ジョン・アドルフス・エッツラーは、少なくとも牽引力に関してはHAWPが開花しつつあるのを見た。[ 33 ] 1864年？ 本の「凧船」 の章では、凧で船を曳くために使用されるHAWPの主要な力学がよく説明されています。ジョン・ゲイの「少年のための仕事」。夏の巻の第18章。[ 15 ] 1935年 アロイス・ヴァン・グリースは、高高度風力発電の初期の強力な特許権者としての地位を確立。彼はDE 656194 C 特許で発電に使用するさまざまな凧システムを教えました: Durch Drachen getragene Windkraftmaschine zur Nutzbarmachung von Hoehenwinden1943年、 スタンレー・ビザックは、自由飛行における位置エネルギーを利用して、タービンに当たる周囲の風を発電機に伝達し、バッテリーを充電する方法を指導した。[ 34 ] 1967年、 ソアリング 誌の元編集者であるリチャード・ミラーは、 『目に見える支持手段なしで』 という本を出版し、大陸横断のために風層の違いを捉える、地上に係留されていない自由飛行カイトの実現可能性について述べた。このようなHAWPは、デール・C・クレイマーによる現代の特許出願の対象となっている。1973年？ ヘルマン・オーベルト。彼の著書 『統治を望む者のための入門書』 の付録には、オーベルト博物館所蔵のカイト発電所 の模型のスケッチと写真が掲載されている。 [ 35 ] 1977 年4月3日、発明が宣言された。1979年9月21日、ダグラス・セルサムは、凧で持ち上げる無限の翼列HAWPシステム（後にオランダの宇宙飛行士ウッボ・オッケルス[ 36 ] 自動方向風力利用浮力空中トラムウェイ を考案した。セルサムの公証された発明の開示には9月20日の日付が記載され、公証人は1979年9月21日に最終署名を行った。メモと図面。[ 37 ] 1979年、 ブライアン・ロバーツ教授はジャイロミル型ジャイロコプター式水平軸風力発電機の開発を開始した。[ 38 ] 1980年、 マイルズ・ロイドは横風カイトの動力に関する記事を発表した。[ 39 ] 1986年、 ブライアン・ロバーツのAWE HAWPローターは、電気を生成し、係留飛行で自力で浮上した。[ 40 ] 1992 Free Rotor WO/1992020917 Free Rotor by JACK, Colin, Humphry, Bruce (1 人)。Colin Jack。Colin Bruce。マルチローターが扱われています。フェアリング付きテザーが認識されています。1992。
オートローテーション 自動回転は 、AWE技術の大きな分野の基礎となっています。 高高度風力発電の研究開発センターは、ブレードの自動回転に依存していることが多く、SkyMill Energy、Joby Energy、Sky Windpower、BaseLoad Energy、Magenn Power、Makani Powerは、ブレードの自動回転を利用して発電機のシャフトを駆動し、高高度で発電して導電性テザーを介して地球に送電する空中風力エネルギー変換システム（AWECS）を製造およびテストしています。[ 41 ]
参考文献 ↑ Roberts, Bryan R.; Shepard, David H.; Caldeira, Ken; Cannon, M. Elizabeth; Eccles, Da G.; Grenier, Albert J.; Freidin, Jonathan F. (2007). "高高度風力発電の活用". IEEE Transactions on Energy Conversion . 22 (1): 136– 144. Bibcode : 2007ITEnC..22..136R . doi : 10.1109/TEC.2006.889603 . S2CID 1833299 . ↑ 燃料不要の飛行 - 再生式滑空飛行の実現可能性調査 1 2 架台に取り付けられた風力タービン ↑ SkySails は、Wayback Machine に 2010 年 1 月 5 日に アーカイブされました。 ↑ アンヌ・ケメレ、オーシャンカイト、そして異常気象 ↑ 風力発電曲線（2008年12月9日 アーカイブ、 Wayback Machine） ↑ 風の力：風速の立方体（デンマーク風力産業協会作成、2009年10月31日時点の Wayback Machine アーカイブ） ↑ 高地風力発電のグローバル評価 ↑ 高高度風力資源のモデリングと分析、アーチャン・パドマナバン ↑ Windswept and Interested ltd は、張力回転動力伝達を利用した回転カイトセットを介して。 ↑ Makani Power, Inc. は、2009年12月1日にWayback Machine に アーカイブされた記事の中で、発電時に動力が供給され、供給されない時もある、係留された旋回タービングライダーのような機体の開発が進んでいると報告した。この報告は、2009年11月にCleanteach Innovation Centerで開催されたHAWP 2009カンファレンスで行われた。 ↑ 圧電材料 ↑ Joby Energy は、Wayback Machine に 2017 年 4 月 20 日に アーカイブされました。 ↑ KiteShip - 係留飛行における革新（2010年3月5日にWayback Machine に アーカイブ済み） 1 2 ジョン・ゲイの少年向け作品。全4巻。夏季版の第18章には「凧船」 というタイトルがあり、HAWPの凧引っ張りの力学がよく説明されている。 ↑ 古典的なカイトバギーのメカニズム、またはポコック氏がシャルボランで9m/sの速度を上げた方法2011年8月10日にWayback Machine に アーカイブされました ↑ SwissKitePower; KCUの設計者はCorey Houleです。 ↑ M. Canale、L. Fagiano、M. Milanese、M. Ippolitoによる「 風力発電機の飛躍的進歩のためのキーテクノロジーとしてのKiteGenプロジェクト制御」 。 ↑ 「空中風力タービン – 技術報告書」 。Scope e-Knowledge Center Pvt Ltd. 2013年。 2015年9月24日に オリジナル からアーカイブ済み。 ↑ 「KiteGen：投資ラウンド、主要顧客、パートナー、投資家｜i3 Connect」 。i3connect.com 。 2018年9月10日 取得 。 ↑ TWIND 2009年12月16日にWayback Machine に アーカイブされました ↑ Magenn Power, Inc. 2008年12月11日にWayback Machine に アーカイブされました ↑ LTAウィンドパワー ↑ 漏斗型風力タービン航空機の特許出願 特許出願番号: US 2008/0290665 A1、公開日: 2008 年 11 月 27 日。発明者: Lynn Potter (カリフォルニア州バーストウ在住)。 ↑ 飛行船用動力タービン、米国特許4166596、ウィリアム・J・ムートン・ジュニアおよびデビッド・F・トンプソンによる、1978年4月28日出願。 ↑ 「HAWEシステム Omnidea」 。 2015年2月26日に オリジナルからアーカイブ済み 。 2015年2月26日 に取得。 ↑ 「ギャレット・スミスによるLinkedIn投稿」 。 2022年11月11日 取得 。 ↑ ミハイリディス、ヤニス（2023年1月9日）、 「高高度風力タービンコンセプト」 、 2023年2月22日 取得 ↑ バーレーン世界貿易センターは、地上高くに風力タービンを支える完成した橋の例です。タービンは風に繋がれていないため、これはツインタワーの非係留非空中配置の例です。 ↑ ポコックの「エアロプレウスティック・アート」は、 2011年7月23日にウェイバックマシン に アーカイブされました。 ↑ ロアルド、ラムズダル（2017年9月22日）。 「Vil lokke internasjonale konkurrenter til nytt Norsk testenter for flyvende vindkraft」 。 テクニスク・ウケブラッド 。 2017 年 9 月 23 日 に取得 。 ↑ The Aeropleustic Art ( 2006年12月9日アーカイブ、 Wayback Machine に 保存) ↑ 労働なしに、すべての人が手に入れられる楽園。第 1 巻と第 2 巻 ジョン・アドルフス・エッツラー著。「凧を使えば、風力の応用範囲を雲の高さまで広げることができるだろう。」 ↑ 米国特許第2368630号、1943年6月3日出願。 ↑ 「MEA - 人類の未来 」 ↑ 高高度の風を利用し、エネルギー源として凧の「はしご」に注目（2006年7月15日にWayback Machine に アーカイブ済み） ↑ セルサム・イノベーションズ ↑ BBCニュース、SciTech。 ↑ J. Energy、1980年、第4巻、第3号。 ↑ オーストラリアでの実験のロバートのロータークラフトの写真。PJ シェパードは、記憶が確かならその年を 1986 年としている。ブライアン ロバーツは、その写真は 1986 年 5 月の彼のセッションで撮影されたものだと回想している。写真では、動力付き機はほぼ自動回転状態だった。実際の発電は別のテストで短時間行われた。発電が行われたビデオが入手可能。写っている機体には 2 つの回転ハブがあり、各ハブから、揚力ローターブレードと、先端にカウンターバランス質量が付いた短い流線型のブレードが放射状に伸びていた。教授は飛行発電所を計画している。機体の総重量は 64 ポンド。左から右へ、ハッソ ニッベ、アラン フィエン、グラハム レビット、ブライアン ロバーツ。全員シドニー大学の職員。場所：ニューサウスウェールズ州マルランのマウント プレザント ファーム。風：約 15 ノット。AWECS の発明者デイビッド H. シェパードは、多くの書簡のやり取りの後、2006 年にブライアン ロバーツ教授とついに直接会った。これらは、HAWPA傘下のSky WindPower社の基盤の一部を構成する要素である。 ↑ エナジーカイトシステムズ
参考文献 ヴァンス、E. 風力発電：大きな期待。ネイチャー 460、564–566 (2009)。https ://doi.org/10.1038/460564a
外部リンク 空中風力発電参加企業一覧 デルフト工科大学の凧動力研究グループ（2013年4月3日にWayback Machine に アーカイブ済み） エネルギーカイトシステム用語集とHAWPシステムへのリンク AWESystems.info の組織一覧(2019年4月22日時点の アーカイブ) アイルランドにおける高地風力資源の実現可能性の評価、コルム・オガービース（カーボン・トラッキング誌）
