横風凧パワー

横風凧発電は、空中風力エネルギー変換システム (AWECS、または AWES) または横風凧発電システム (CWKPS) から得られる電力です。凧システムは、エネルギー収集部品が周囲の風の方向に対して横向きに、つまり横風モードで飛行することを特徴としています。翼セットとテザーセット全体が横風モードで飛行することもあります。おもちゃのサイズから電力網給電サイズまで、これらのシステムは、タワーを使用せずに高高度風力発電(HAWP) デバイスまたは低高度風力発電 (LAWP) デバイスとして使用できます。凧システムでは、柔軟な翼または硬い翼を使用できます。テザー翼は、横風で風速の何倍もの速度で飛行し、翼の総面積を何倍も超える領域から風力を収集します。

横風カイト発電システムは、従来の風力タービンに比べて、より強力で安定した風力資源を利用できること、高い稼働率、同等のコストで陸上および海上への設置が可能であること、タワーが不要であることなど、いくつかの利点があります。さらに、CWKPS の翼は空気力学的効率が異なる場合があります。横風の係留翼の動きは、従来の風力タービンブレードの外側部分と比較されることがあります。ただし、カイト発電システムで空中に運ばれる従来の横風回転ブレード セットは、ブレード セットが横風に切り替わるため、横風カイト発電の一種です。

マイルズ・L・ロイドは、1980年の著書「クロスウィンド・カイト・パワー」で、横風凧動力システムの研究を進めた。^[1]横風凧動力は、P・ペインとC・マカッチェンが1975年に出願した特許番号3,987,987で導入されたと信じる横風支持者もいる。^[2]しかし、横風凧動力は、そのような特許が発表されるずっと前から使用されていた。例えば、戦争の標的訓練用の標的凧では、横巻き動力によって高速飛行が可能になり、砲手は練習できた。^[3]

システムが風からエネルギーを抽出し、そのエネルギーを有用な目的に転送する方法は、横風凧発電システムのタイプを定義するのに役立ちます。 パラメーターの 1 つは、発電機、ポンプ、タスク ラインまたはデバイスの位置に関するものです。 別の種類のパラメーターは、凧システムのテザー セットのテザーがどのように利用されるかに関するものです。凧の翼要素を空中に保持するテザーは、さまざまな方法で使用されてタイプを形成します。テザーは、単に作業翼を空中に保持する場合もあれば、地上の荷物を引っ張る場合もあります。また、空中で得た電気を地上の受信機に送信したり、荷物を引っ張ったり、人や物を引っ張ったり、物を切ったり、研削したりするために使用されるタスク デバイス自体になるなど、マルチタスクを実行する場合もあります。 一部のタイプは、高速モーション転送または低速モーション転送によって区別されます。横風凧発電システムのタイプ分けは、翼セットの性質によっても行われ、翼の数とタイプは設計者とユーザーにとって重要です。翼セットは、列状配置、スタック構成、アーチ複合体、ドームメッシュ、調整可能な翼ファミリー、または単一のテザーを備えた単純な単一翼である可能性があります。横風凧動力装置の種類は、規模、目的、想定寿命、およびコストレベルによっても区別されます。経済的成功による分類が行われます。システムはエネルギー市場またはタスク市場で効果的であるかどうか。一部の CWKPS はリフターと呼ばれるタイプです。これらは、おそらく人間の荷物を持ち上げることを目的としています。このタイプでは、ヘリコプターのように見える自動回転ブレードが頻繁に使用されます。単一の横風凧動力システム (CWKPS) は、空中でのエネルギー生成を実行すると同時に、テザーによる荷物の牽引を通じて地上での作業も実行するハイブリッド複合体である可能性があります。フラッター要素を含む横風凧動力システムは、いくつかの研究センターで研究されています。フラッターは、いくつかの方法でエネルギー変換に利用されています。研究者は、分類または分類が難しい CWKPS のタイプを示しています。

このタイプの CWKPS システムでは、引っ張るテザー セットが、抵抗する人や物体を水域や陸地の表面のさまざまな地点、または大気圏内の地点まで駆動します。このタイプの横風凧動力操作では、抵抗物体 (人、ボード、船体、ボート、船、水力タービン、空気タービン、その他の翼) の設計によって、さらにタイプが決まります。上部の飛行翼を横に巻くことで、特定の最終目的を達成するための動力が得られます。その目的は、カイトボーディング、カイト ウィンドサーフィン、スノー カイト、ヨット カイト、貨物船の航行、カイト ボート、自由飛行のソアリングやジャンプなどにあります。研究者の集団が、システムの翼を横風で飛行させることで大気圏内の自由飛行が可能になる、歴史的な自由飛行パラカイトの領域を探求してきました。基本的に、これは上部に翼があり、翼が抵抗アンカー セットとして使用されている凧糸セットです。別々の翼セットの制御、特にクロスワインディングの取り組みでは、大気の異なる層の風の力を利用します。^{[4] [5] [6]}

このタイプのシステムでは、地上に発電機、ポンプ、またはタスク ラインが設置されます。2 つのサブタイプがあり、補助車両の有無が異なります。補助車両なしのサブタイプである「ヨーヨー」方式では、凧システムの翼の風上方向の引力により、テザーは地上のドラムからゆっくりとほどけ、翼は横風、つまり風の周囲方向の左右に、さまざまな経路 (たとえば、8 の字飛行経路、最適化されたレムニスケート経路、または円形経路 (小さい半径または大きい半径)) に沿って移動します。回転ドラムは、おそらく高比ギアボックスを介して、発電機またはポンプのローターを回転させます。定期的に、翼に電力が供給され、テザーが巻き取られるか、または横風を一定の引力として使用して、翼が「下風」サイクルで移動している間に、テザーがドラムの別のセクションに再接続されます。一部のシステムでは、1 つではなく 2 つのテザーが使用されます。^[1]

別のサブタイプでは、二次車両が使用されます。このような車両には、メリーゴーランド、車、レール付きカート、車輪付き陸上車両、さらには水上の船などがあります。車両には発電機が搭載されています。発電機のローターは、メリーゴーランド、車の車軸、または船のスクリューによって動かされます。^[7]

このタイプのシステムでは、1つまたは複数のフライングブレードと発電機が翼に取り付けられています。相対的な気流が自動回転（風との相互作用）によってブレードを回転させ、発電機に電力を伝達します。生成された電気エネルギーは、テザー^[1]に沿って敷設された、またはテザーと一体化された電気ケーブルを介して地面に伝送されます。同じブレードが、発射や特別な着陸、または静穏飛行維持の目的で、コストのかかる電気によって積極的に駆動されるプロペラとして二重の目的で使用されることがあります。

このタイプでは、地上に発電機が設置され、翼の後ろから引きずり出される別のケーブルまたはベルトが地上のスプロケットに電力を伝達し、発電機のローターを回転させます。別のベルトは翼の速度とほぼ同じ速度で伸びます。このベルトは高速であるため、ギアボックスは必要ありません。^[8]

このタイプでは、発電機、ポンプ、タスクラインセット、またはレバーが翼の風上の地面に設置され、高速で移動する交差巻き上げ飛行翼セットから配置された2つまたは3つ以上のテザーの操作によって駆動されます。いくつかの大学の研究センターや凧エネルギー研究センターで例が見られます。^{[9] [10] [11]}

いくつかの研究センターでは、風上の地上荷重をテザーで引っ張る双翼機を研究しているが、クロスウィング翼機では空気より軽い装置を使用して、周囲の風が弱まった場合でも飛行を確保している。^[12]

パブリックドメインの特許公開された多くの教示といくつかの現在の研究センターは、LTA凧を使用してブレードタービンを保持し、自動回転を利用して飛行発電機を駆動することに焦点を当てています。^[13]

カイト システムの翼要素がフラッターを発生するように設計されている場合、そのフラッターはさまざまな負荷を動かすためのエネルギーとして収集される可能性があります。フラッターでは、翼要素は横風に向かって移動し、次に反転して一般的に反対方向に横風に向かって移動します。反転方向のサイクル頻度は高くなります。従来の航空におけるフラッターは通常、航空機から設計上排除すべき悪い破壊的なダイナミクスと見なされていますが、CWKPS では、風の運動エネルギーを有用な目的に変換するという特定の目的で、カイト システムにフラッターが設計されることがあります。一部のカイト エネルギー システム開発センターでは、フラッターの高速動作が評価されています。

凧のシステムで羽ばたきのエネルギーを収穫する方法はいくつかある。1つの方法は、羽ばたきのエネルギーを音、さらには心地よい音や音楽に変換することである。目的は、1人または大勢の人を楽しませることから、鳥を追い払うことまでさまざまである。凧で飛ばされた羽ばたき要素でテザーラインを揺らして負荷を駆動し、電気を作るという試みは行われており、現在も研究が進められている。羽ばたきから得られるエネルギーを使用して流体をポンプで送ることは、凧エネルギーコミュニティで提案されている。また、羽ばたき翼を適切な材料と配置で直接発電機の部品として作れば、すぐに電気を生成することができる。磁石になるように形成された羽ばたき翼の一部は、導電性コイルによって羽ばたき、発電機の部品を形成する。^{[14] [15] [16] [17] [18] [19]}

CWKPS は、氷、雪、陸、池、湖、または海上で物体をすぐに移動させるために使用されます。物体の移動は、レクリエーション、スポーツ、商業、産業、科学、旅行、地雷除去、防衛、攻撃、耕作、造園など、さまざまな理由で行われます。カイト ボーダー、陸上セーラー、カイト サーファー、カイト ボート乗り、ヨット、船舶、双胴船、カヤック、パワー カイター、カイト バギー、カイト スキーヤー、カイト ウォーター スキーヤーなどを移動させるために横風に飛ばされる多数のカイト システムは、カイト ウィング製造業者を忙しくさせています。Sky Sails は、 CWKPS を使用して船舶業界の燃料節約に取り組んでいるリーダーです。

このタイプの CWKPS では、飛行ブレードまたは翼の高速運動により風のエネルギーを収穫し、システムの揚力に動力を与えます。質量負荷は、翼セットと密接に結合している場合もあれば、持ち上げられた質量がテザー セットに沿って分散されている場合もあります。このタイプの軍事的使用では、凧糸でつながれたローター カイトが使用され、人間の観測者が観測目的で高い地点に持ち上げられました。これらのいくつかは、潜水艦の曳航運動によって CWKPS の見かけの風を提供する潜水艦作戦と組み合わせて使用​​されました。1 つの例は、フォッケ アハゲリス Fa 330です。このタイプでは、リフト アンド プレイスまたはリフト アンド ドロップが使用されます。つまり、質量負荷を持ち上げてから配置または落下させます。これは、障害物を克服するため、または地上輸送の燃料コストを節約するために行われることがあります。持ち上げられる質量がクロスワインディング ブレードと結合された発電機である場合、AWES タイプが変更されます。この変更は、現在の一部の風力発電会社の焦点の基礎となっています。^[20]

このタイプでは、一組の凧がローターを形成するようにグループ化され、回転する横風凧が共通の軸の周りでテザーセットを駆動します。回転テザーの内側にはリングがセットされており、テザーを離して保持するのに役立ちます。次に、張力線が回転する凧から地上の発電機にトルクを伝達します。^{[21] [22]} 2015年12月15日、この方法はsomeawe.org 100*3チャレンジを初めて成功させました^[23] プロトタイプのデモンストレーションについては、^{[24]を参照してください。}

すべてのタイプの横風凧動力システムにおいて、有効電力はロイドの公式で近似的に表すことができます。

${\displaystyle P={2 \over 27}\rho _{a}AC_{L}({C_{L} \over C_{D}})^{2}V^{3}}$

ここで、Pは出力、CL_とCD_はそれぞれ揚力と抗力の係数、ρa_は翼の高度における空気密度、Aは翼面積、Vは風速です。^[1]この式は、テザー抗力、翼とテザーの重量、高度による空気密度の変化、風に垂直な平面に対する翼運動ベクトルの角度を無視しています。より正確な式は次のとおりです。

${\displaystyle P={2 \over 27}\rho _{a}AC_{L}G^{2}V^{3}}$

ここでGはテザー抵抗を考慮した有効滑空比である。^[25]

例: 寸法が 50 m x 2 m、風速 12 m で G=15 の剛翼を備えたシステムは、40 MW の電力を供給します。

横風凧動力源の最終的な用途に応じて、異なる凧の制御方法が使用されます。横風スタント凧揚げやカイトボーディングでは、飛行中ずっと人間が制御を行います。フランスの Pierre Benhaiem 氏など、電力を生成する横風凧動力源でも同じことが実施されています。横風凧動力源が扱いきれないほど大きくなると、人間が補助する装置や完全に自律的なロボット制御システムを実装できます。完全に受動的な横風凧動力源が実証されており、システムの固有周波数を使用して人間やロボットの制御が不要になります。凧の翼が常に前後に揺れ動くのは、受動的に制御される原始的な横風凧動力源です。コンピュータ、センサー、凧の操縦ユニット、サーボ機構の進歩は、実用規模のエネルギー生産市場を狙った横風凧動力源の発射、飛行、着陸の完全な自律性を実現するために適用されています。

横風凧発電のいくつかの分野はすでに商業的に堅調であり、スポーツ用低高度牽引産業もその一つである。低高度に維持される玩具スポーツ用横風凧発電システムは安全でなければならない。しかし、他のエネルギー生産形態と競合する実用規模の電力生産を目指す高高度の大型 CWKPS の分野では、主流に受け入れられるためにさまざまな課題を克服する必要がある。課題には、空域と土地の使用を含む規制許可、安全性の考慮、さまざまな条件 (昼、夜、夏、冬、霧、強風、弱風など) での信頼性の高い動作、第三者による評価と認証、ライフサイクル コストのモデリングなどがある。^[26]

1800 年代初頭、ジョージ・ポコックはカイトシステムの翼を横風に効果的に制御しました。1900 年代初頭、ポール・ガーバーは航空機の銃手に標的を提供するために、2 ライン制御による高速翼を製作しました。1980 年にマイルズ・L・ロイドが横風カイトパワーの数学的および可能性を注意深く説明したことで、横風カイトパワーが再び注目を集めるようになりました。1980 年には、横風カイトシステムの受動制御は古くから行われていましたが、カイトシステムの翼を制御する経済的な自動制御システムを作成することは不可能でした。計算リソースとセンサリソースの進歩により、カイトシステムの翼の微調整は、手頃なだけでなく安価になりました。同時に、材料と翼の構築技術が大幅に進歩し、L/D 比の優れた新しいタイプの柔軟なカイトが発明されました。翼とテザーに適した合成材料が手頃な価格になりました。それらの材料には、 UHMWPE、カーボンファイバー、PETE、リップストップナイロンがあります。多くの人々がカイトサーフィン、カイトボーディング、カイトバギー、スノーカイト、パワーカイトなどのスポーツに熱中するようになりました。複数の企業や学術チームが横風カイトパワーの研究に取り組んでいます。この分野における進歩のほとんどは、過去 10 年間に達成されました。^[要出典]

玩具サイズから公共電力網までを含む横風凧発電の分野では、1,000 人を超える作業員の間で熱意が高まっているようです。CWKPS を使用して世界中を燃料なしで移動し、商品を移動するという憶測は、地面に接続されたシステムと完全に地面から切り離されたシステムの両方によって想定されています。文献で議論されている将来の目標は、玩具、スポーツ、産業、科学、商業、電力網のエネルギー、セーリング、およびその他の多くのタスク アプリケーションに直面する CWKPS に関するものです。CWKPS が太陽エネルギー、原子力エネルギー、化石燃料、従来の風力発電、DWKPS、またはその他の再生可能エネルギー源と競合するためには、 CWKPS からの均等化エネルギー費用が競争力を持ち、実証され、認知され、採用される必要があります。CWKPS が未来に向かって進む間に、他の競合セクターも進歩します。強化された電力のために横風に翼を飛ばす凧システムの構成の多様性が拡大すると予想されます。しかし、特定の目的や用途においては、最終的にいくつかの優れた形式が輝くことが期待されています。横風に向かって飛ぶ翼の要素を、巨大なロープベースのアーチやネットドームに配置することが研究されています。^{[27] [28]}

横風凧動力に関するさまざまな特許が発行されています。これには次のものが含まれます。

• US 3987987自立型風車、 Charles McCutchen と Peter R. Payne による。1975 年 1 月 28 日に出願。現在、彼らの作品はパブリック ドメインです。
• US8066225ベンジャミン・ティグナーによるマルチテザー横風凧発電は、 2009 年 1 月 19 日に出願されましたが、優先日は 2008 年 1 月 31 日です。彼は横風凧揚げで電気を作る方法を教えています。
• US6781254風車凧、ブライアン・ウィリアム・ロバーツ、優先日2001年11月7日。この例では、横風凧は、自動回転する横風タービンブレードによって駆動される飛行発電機を使用して電力を得ており、このブレードは、航空機を高度まで飛ばすか、安全な港まで運ぶための電力によって駆動されるという2番目の役割を果たしています。横風ブレードの高速運動は、回転ブレードのハブにある空中風力発電機を駆動するために利用されます。このタイプの機械は、Popular Science誌で取り上げられました。^[29]

• US4708078膨張式アーマチュアを備えた推進翼、 Bruno T. Legaignoux、Dominique M. Legaignoux 著、優先日 1984 年 11 月 16 日。この特許活動は、現在も続いている横風凧のパワー サージの高まりの一環です。膨張した前縁と膨張した支柱により、横風の動きと水面到達性による積極的な風のマイニングが可能になりました。同様の構造技術が、世界中のいくつかの AWES 横風凧パワー研究センターで使用されています。

横風凧動力システムには、おもちゃの凧、スポーツ用の凧、実験用で扱いやすいサイズの凧があります。研究センターが提案しているのは、巨大なユーティリティ グリッド電源供給サイズです。おもちゃのサイズで得られる電力は、製品ユーザーを興奮させるために使用されます。2 列および 4 列の横風おもちゃ凧動力システムは、凧祭りの空を埋め尽くします。本格的なスポーツ横風凧動力システムは、地方および全国大会のレース コースでアスリートの動きを駆動します。実験用で扱いやすいサイズの横風凧動力システムは、ユーティリティ スケール システムに向けた研究を進めながら研究されています。

横風凧動力は、歴史を通じてさまざまな用途に使用されてきました。横風凧動力を生成するさまざまなデバイスには、歴史的進歩があります。横風凧動力を生成せずに受動的に置かれている単純な凧システムと、横風で飛行して風の運動エネルギーからより多くのエネルギーを収穫する凧システムとは対照的です。視点として、横風凧動力の使用とデバイスの進歩のタイムラインは、横風凧動力を理解するのに役立つかもしれません。

• 2013年：2013年5月、Googleは、飛行ブレードをタービンブレードとコストエネルギープロペラの両方の用途に使用できるハイブリッド航空機を使用して、円軌道で横風に向かって飛行する搭載発電機を備えたシステムを開発しているカリフォルニアの企業を買収しました。^[30]彼らのシステムは、必要に応じて動力航空機として動作するように設計されており、ブレードと発電機はプロペラとモーターとして動作するように変換されます。
• 2012年11月: NTS Gmbh社は、地上発電機を駆動する線を引っ張るレール付き車両を使用したX-wind（横風）凧発電システムの進歩を展示しました。NTS X-Windは、EcoSummit Duesseldorfで開催されました。ケーブルで接続された車両を備えた閉ループレールが協調してループケーブルを引っ張ります。各レール付き車両は、4本のテザー付き凧の翼によって引っ張られ、各翼は自動操縦装置または凧の操縦装置によって制御されます。^[31]
• 2012 年頃: Pacific Sky Power 社による横風凧動力システムが小売市場に登場。横風で飛行する要素は、回転するブレードのハブに発電機を取り付けた HAWT 形式で構成されたタービン ブレードです。このシステムは、動作のどの段階でも動力航空機ではありません。規模は、1 人で移動できる便利なサイズです。パイロット リフター カイトが使用されます。
• 2010 年頃: 横風凧の電力を利用して電気を作る技術が、FlygenKite 社によってフランス特許 FR 2955627 に基づき公開されました。横風凧の要素は自動回転 HAWT ブレードです。
• 2009年：横風凧発電を含むあらゆる方式の凧発電システム業界にサービスを提供するために、空中風力エネルギー産業協会（AWEIA）が設立されました。
• 2006年: KiteGenへの資金提供。
• 1980 年代: カイトボーダーは、横風カイトパワー技術を使用して、効果的な風上移動を実証しました。
• ポール・E・ガーバーによる軍事射撃訓練で使用された横風凧の力。^[32]得られた横風凧の力は、敵機をシミュレートするために標的の翼の速度を生み出すために使用されました。
• 1980 年 5 月～6 月: カリフォルニア州リバモアのローレンス リバモア国立研究所の Miles L. Loyd が、Journal of Energy、第 4 巻第 3 号、記事番号 80-4075、「横風凧動力」を発表しました。彼は凧システムの翼を周囲の風に向かって「横方向に」飛ばすことに焦点を当て、翼の横風速度によって、翼を飛ばし続けるだけでなく、二次的な目的で他の負荷を駆動するために、関連する運動エネルギーを採掘できることに注目しました。
• 1820 年頃: ジョージ・ポコックは、横風を利用して凧動力システムを制御し、車両を急速に牽引するエネルギーを得る方法を実証しました。彼は後に、風力エネルギーを牽引に利用する横風凧動力の父として多くの人に認められることになります。

風下に向かって飛ぶエネルギー収穫要素なしで動作することに特化した凧発電システムは、CWKPS ではありません。例を挙げると、凧発電システムの 2 つの分野が明確になります。単純な対称形の 2 本棒のダイヤモンド凧を風下に向かって飛ばし、システムのテザーを引っ張って地上の発電機シャフトを回転させ、風下に向かって飛ぶことで、風下に向かって飛ぶことで横風に向かって飛ぶことなく使用するためのエネルギーを生成します。これは非 CWKPS です。本格的な研究者によって、いくつかの強力な風下凧発電システム (DWKPS) が提案されています。一部の DWKPS の説明は特許文献に記載されています。1 つの傾向として、パイロット凧で持ち上げた開閉式パラシュートを開閉して発電機を駆動することが挙げられます。^[33]地上に設置された発電機を回転させるために 8 の字パターンで動作する Jalbert パラフォイルなどの一部の CWKPS は、風下に向かって飛ぶことなく完全に動作するように委託することができ、その結果得られる凧発電システムは DWKPS になります。一方、自動回転ブレードのユーザーが提案する CWKPS は、必然的に CWKPS のままです。 Magenn Power のフリップ ウィング カイト バルーンは DWKPS です。^[34]同様のフリップ ウィング回転翼は DWKPS であり、たとえば Edwards と Evan の特許に記載されているものです。ベンジャミン フランクリンの伝説的な凧の力による池の横断は単純な DWKPS でした。彼は単に風下飛行する凧に引きずられて風下に渡っただけです。 歴史的に、非 CWPKS の例としては、サミュエル フランクリン コーディが人を持ち上げるために使用した凧の力発電システムがあり、関連する翼は横風に向かわずに安定した風下飛行に設定されていました。

• 空中風力タービン
• 高高度風力発電
• 従来とは異なる風力タービン

• 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

• 空中風力エネルギー産業協会 (AWEIA)
• 空中風力エネルギー研究所
• クロスウィンドカイトパワーの利害関係者
• 2010 年のプレゼンテーションで Miles L. Loyd が「Crosswind Kite Power の起源」について説明
• Twind ビデオ LTA 支援横風カイト パワー システムの図解。
• クロスフローフラッターを使用した周囲の風力エネルギーの収集
• 空中風力発電の到来 ブライアン・マックリーリー著
• 制御された空気力学的不安定現象
• I. Argatov、P. Rautakorpi、R. Silvennoinen。凧型風力発電機の機械的エネルギー出力の推定。再生可能エネルギー、34:1525–1532、2009年。
• 凧を使った最適な横風牽引と発電 2011-04-06 にWayback Machineでアーカイブ