利用喷射气流的风力发电系统的制作方法

本发明涉及一种风力发电系统，尤其涉及一种利用喷射气流的风力发电系统，该系统并不使用卷扬机，其利用喷射气流(jetstream)进行风力发电，并将电转换成激光而向地面发送，之后在地面将激光转换成电，从而能够生产电力。

背景技术：

通常的风力发电利用地面的风，而地面的风速度不快，且并不总是吹动，因此，对提高输出存在局限性，因而发电效率低，且全年能够发电的时间受限制。尤其存在如为了进行运输和设置而毁坏森林或产生噪声等诸多环境问题。

另一方面，由于地球自转的影响，在对流层上部总有强偏西风朝向一定方向吹动。该强偏西风称为喷射气流。

这样，由于在对流层上部附近总有强风吹动，因此具有丰富的风力资源。例如，空中存在无尽的风能，因而能够得到满足总能量需求绰绰有余的能量，且几乎不会破坏环境，因此在深入研究空中风力发电技术。

对流层风力发电机的共通的工作原理所依据的是，将高空中的风能转换成机械能，其后使可将该机械能转换成电能的空气动力学主体继续飞驶，其中，所述电能能够为通常的民间和工业目的而使用。

在最简单有效且安全的构成中，该空气动力学主体可以是在通过气流发电机就不能达到且通过高强度绳索就不能束缚于地面的高度继续飞驶的、简单地具有高空气动力学效率的机翼。

另一方面，附着于飞艇的方式的风力发电装置中有“飞艇型发电装置”或“利用管上浮体的空中风力发电系统”等，但由于这种技术的问题，开发过程本身需要诸多费用，另外，设置多个搭载于内部的发电装置，导致重量增加，因此，为了提高上浮力须相对加大飞艇的体积，因而存在所需费用随之增加的问题。

对于利用飞艇的风力发电装置，过去提出并公开的技术中有下述专利文献1至专利文献3。

专利文献1：韩国授权专利10-0933514(2009年12月15日授权，利用空中上浮飞艇的风力发电系统)

专利文献2：韩国公开专利10-2011-0026314(2011年03月15日公开，飞艇搭载型风力发电系统)

专利文献3：韩国公开专利10-2014-0111414(2014年09月19日公开，飞艇操作系统及利用其的飞艇的位置保持方法)

技术实现要素：

技术问题

然而，如上所述的现有技术使飞艇飘浮在空中并通过飞艇进行风力发电，由此具有能够生产电的优点，但由于是将在飞艇进行风力发电而获得的电能利用与地面连接的电力线向地面传输或使飞行体降落到地面而将所生产的电力向地面系统传输之后重新向空中移动的方式，因此存在所生产的电力的输送复杂且效率性降低的缺点。

尤其，在飞艇与地面系统之间连接电力线而发送电力的方式还存在电力线的设置导致复杂的缺点。

另外，现有技术由于是利用卷扬机(winch)将安装有发电机的飞艇固定于高空并利用高空的强风进行发电的方式，因此，存在卷扬机的设置导致发生追加费用的缺点，且存在还具有卷扬机与其它上浮体碰撞而发生事故的危险的缺点。

因此，本发明是为了解决如上所述的现有技术中所发生的诸般问题而提出的，本发明的目的在于提供一种利用喷射气流的风力发电系统，该系统利用喷射气流进行风力发电而并不使用卷扬机，并将电转换成激光而向地面发送，之后在地面将激光转换成电，从而能够生产电力。

本发明的另一目的在于提供一种利用喷射气流的风力发电系统，该系统利用中继艇交接在空中生产了电力的飞行体的所生产电力并将该电力通过激光而向地面发射，从而即使在通过风力发电而生产了电力的飞行体难以直接向地面发射激光的状况下也能够稳定地向地面输出所生产的电力。

技术解决方法

为了达到如上所述的目的，根据本发明的利用喷射气流的风力发电系统的特征在于，包括：

飞行体，其无需卷扬机就上浮到空中并一边自主飞行一边进行风力发电，由此生产电力并将所生产的电力向地面发送；以及，

地面接收部，其将从上述飞行体发送的电力信号接收并转换成电，

上述飞行体通过调节浮力而进入发电位置或从上述发电位置脱出，

上述飞行体常驻于产生喷射气流的对流层上部或平流层附近并通过风力发电而生产电力，

上述飞行体包括：螺旋桨，其通过喷射气流而沿着一个方向旋转；发电机，其将由上述螺旋桨的旋转力所产生的机械能转换成电能而生产电力；发电控制部，其控制进入或脱出发电位置；浮力调节部，其按照上述发电控制部的控制而增大或减小浮力；激光转换部，其将通过上述发电机而生产的电力转换成激光；以及激光发射部，其将通过上述激光转换部而转换的激光向地面发送。

发明效果

根据本发明，具有如下优点：能够使发电用飞行体在高空自主飞行而并不使用卷扬机，本发明利用喷射气流的强风进行风力发电，并将电转换成激光而向地面发送，之后在地面将激光转换成电以生产电力，从而对于在地面回收飞行体的电力提供效率性和便利性。

另外，根据本发明，具有如下优点：利用中继艇交接在空中生产了电力的飞行体的所生产电力并将该电力通过激光而向地面发射，从而即使在通过风力发电而生产了电力的飞行体难以直接向地面发射激光的状况下也能够稳定地向地面输出所生产的电力。

附图说明

图1是根据本发明的利用喷射气流的风力发电系统的概念图。

图2是图1的风力发电用飞行体的主视图。

图3是图1和图2的发电部的实施例构成图。

图4是图1的飞行体的内部构成框图。

图5是图1的地面接收部的实施例构成图。

图6和图7是本发明中飞行体进入并脱出喷射气流区域而执行风力发电的示意图。

图8是喷射气流的示意图。

符号说明

1—飞行体，2—喷射气流，11—主体，20—发电部，21—主体，22—翅片(fin)，23—发电机，24—螺旋桨，40—浮力调节部，41a、41b—第一和第二空气膜，42、43—第一和第二存储箱，44、45—第一和第二压缩机，46—压缩机驱动部，50—激光转换部，60—激光发射部，70—发电控制部，100—地面接收部，101—激光接收部，102—电力转换部，103—电力存储部，104—冷却装置，200—中继艇。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明根据本发明的优选实施例的利用喷射气流的风力发电系统。

<实施例1>

图1是根据本发明的优选实施例的利用喷射气流的风力发电系统的第一实施例构成图。

根据本发明的利用喷射气流的风力发电系统的第一实施例由飞行体1和地面接收部100构成。

上述飞行体1无需卷扬机就上浮到空中并一边自主飞行一边进行风力发电，从而发挥生产电力并将所生产的电力向地面发送的作用。

优选地、这种飞行体1通过调节浮力而进入发电位置或从上述发电位置脱出，更优选地、将所生产的电力转换成激光而向地面发送。这里，发电位置是指在对流层上部或平流层附近产生的喷射气流的区域。

如图1至图4中所图示，上述飞行体1包括：螺旋桨24，其通过喷射气流而旋转；发电机23，其将由上述螺旋桨24的旋转力所产生的机械能转换成电能而生产电力；发电控制部70，其控制进入或脱出发电位置；浮力调节部40，其按照上述发电控制部70的控制而增大或减小浮力；激光转换部50，其将通过上述发电机23而生产的电力转换成激光；以及激光发射部60，其将通过上述激光转换部50而转换的激光向地面发送。

这里，螺旋桨24包括：主体21；以及多个翅片22，其以在前风或后风中沿着相同的方向旋转的方式形成于上述主体21，从而与风向无关地仅沿着特定方向旋转。

另外，上述浮力调节部40包括：第一和第二空气膜41a、41b，其为空气流道；第一存储箱42，其存储空气；第二存储箱43，其存储比上述空气轻的气体；第一压缩机44，其用于向上述第一空气膜41a注入空气或排出第一空气膜41a中的空气；第二压缩机45，其用于将比空气轻的气体注入上述第二空气膜41b或从上述第二空气膜41b排出；以及压缩机驱动部46，其控制上述第一压缩机44和第二压缩机45的驱动。

另外，上述地面接收部100发挥将从上述飞行体1发送的电力信号接收而转换成电的作用。

如图5中所图示，这种地面接收部100包括：激光接收部101，其接收从上述飞行体1发送的电力信号；电力转换部102，其将在上述激光接收部101接收的激光转换成电能；电力存储部103，其存储在上述电力转换部102转换的电力；以及冷却装置104，其检测地面接收部100的内部温度，并在所检测的内部温度为设定温度以上的情况下，执行冷却功能而适当地保持内部温度。

具体说明如此地构成的根据本发明的利用喷射气流的风力发电系统的第一实施例如下。

首先，使搭载了发电设备和激光发射设备的飞行体1无需卷扬机就以自由落体方式进入高空即对流层上部或平流层附近的作为发电位置的喷射气流区域。

那样一来，搭载了风力发电设备的飞行体1随着喷射气流一边巡航一边进行风力发电。通过发电机23而生产的电力通过激光转换部50而转换成激光，通过激光发射部60以激光方式向地面发射电力信号，在地面将激光接收而重新转换成电。

这里，高空中的强风即喷射气流的平均厚度为2～3km。喷射气流的平均速度为160km/hr，且喷射气流的外侧速度大致为30km/hr。利用该喷射气流的内侧与外侧的风速之差就能够使飞行体1一边常驻于喷射气流一边进行风力发电而无需卷扬机。

从物理学角度来看，若喷射气流的风速与飞行体1的速度相同，则由于螺旋桨24并不旋转，因而不能进行发电。与此不同地、若产生喷射气流的风速与飞行体1的速度之差，则螺旋桨24由于其速度之差而旋转，且发电机23能够进行发电。

因此，重要的是使飞行体1的速度与喷射气流的风速之间产生差异。

如图8中所图示，喷射气流存在两种。一种是寒带喷射气流(polarjetstream)，另一种是亚热带喷射气流(subtropicaljetstream)。前者距地面有10～13km之间的距离，后者距地面有13～16km之间的距离。该喷射气流的厚度平均为3km或大体上小于3km。该喷射气流的上方和下方的风速显著不同。即、风的强度越是靠近喷射气流内部就越强(平均为400km/h)，而外围弱(平均为130～160km/h)。而且，非为喷射气流的区域具有大致30km/h的风速。安装有发电机的飞行体1在喷射气流外部等待并几乎以自由落体方式进入喷射气流内部。此时，飞行体1由于喷射气流的风而瞬间获得大的速度。然而，该飞行体1直至其速度变得与喷射气流的风速相同之前为止利用飞行体1与喷射气流的速度之差而执行发电。另外，飞艇在其速度变得与喷射气流的速度相同时脱出喷射气流。飞行体1利用从喷射气流接受的动量在喷射气流外部也进行发电。

例如，飞行体1在喷射气流的上方或下方以小于自由落体的加速度(9.8m/s²)但却大的加速度进入喷射气流内部。飞行体1在进入的瞬间由于喷射气流的风速而获得大的动量(momentum)，从而即使速度增加，飞行体1的速度也比喷射气流的风速小。随着时间的经过，飞行体1的速度最终变得与喷射气流的风速相同，从而进行不了发电，由于直至飞行体1的速度变得与喷射气流的风速相同之前为止飞行体1的速度比喷射气流的风速慢，因此进行发电。

此后，若飞行体1的速度变得与喷射气流的风速相同，则飞行体1脱出喷射气流。此时，脱出了喷射气流的飞行体1其速度由于从喷射气流获得的动量而快于喷射气流外部的风速。由此，飞行体1由于快于外部风，因此能够进行发电。

若飞行体1的速度变得与飞行体1的外部风速相同，则飞行体1重新进入喷射气流内部。重复执行这种过程而进行发电。

图6和图7是飞行体1重复执行进入喷射气流的内部并重新脱出喷射气流的过程而进行发电的示意图。

根据需要，飞行体1还能够从喷射气流的中间即在飞行体1的速度变得与喷射气流的风速相同的时刻脱出喷射气流，而不是从上方朝向下方贯通喷射气流。

图6和图7是飞行体1进入喷射气流的上层部并从下层部脱出的例示。

这里，若飞行体1的速度达到喷射气流的速度，则还能够直接从上层部脱出而不必非要从喷射气流的下层部脱出。就喷射气流而言，从外围越是靠近中心部则风的大小就越强。飞行体1在从外围水平地进入而其速度变得相同时还能够重新向外围脱出。

结果，飞行体1直至其速度变得与喷射气流的风速相同之前为止能够进行发电，就这样的飞行及发电而言，还能够通过自主飞行系统飞行以能够自行最佳发电。这里，就自主飞行系统而言，优选地、综合考虑飞行体1的速度、风速、在喷射气流中的飞行时间、发电量等而沿着最佳飞行线飞行。

例如，假设喷射气流的风速为160km/hr且飞行体1的速度为100km/hr，则由于飞行体1的速度与喷射气流的风速之差为160-100＝60km/hr，因此，飞行体1利用所安装的发电设备即发电机23进行发电。这里，喷射气流的风向与飞行体1的移动方向相同。

并且，假设喷射气流的风速为160km/hr且飞行体1的速度为160km/hr，则由于飞行体1的速度与喷射气流的风速之差为160-160＝0km/hr，因而飞行体1不能进行发电，因此，此时优选脱出喷射气流。

脱出了喷射气流的飞行体1由于从喷射气流获得的动量而具有160km/hr的速度，且喷射气流外侧风速为30km/hr，因此，飞行体1的速度与喷射气流的外侧风速之差为160-30＝130km/hr，因而飞行体1利用所安装的发电设备即发电机23进行发电。这里，喷射气流的外侧风向与飞行体1的移动方向相同。

重复执行这种操作而进行发电。

这里，重要的事项是同时利用飞行体1的前风和后风以及快速地改变飞行体1的浮力。

因此，为了前者，本发明如图3中所图示那样以使螺旋桨24与前风和后风无关地沿着一个方向旋转的方式具体实现。即、以发电机23为中心在两侧安装以相同的形状形成的螺旋桨24，并在螺旋桨24的主体21部分形成多个翅片22，从而与前风和后风无关地仅沿着一个方向旋转。

接着，为了后者而快速地增大或减小浮力，从而诱导飞行体1在进入喷射气流内部之后在最短距离更多地进行发电。

例如，图6和图7是飞行体1重复进行向喷射气流内侧进入并向喷射气流的外侧脱出的过程而进行发电的例示。

图6是一边长距离移动一边进行发电的形态，图7是一边短距离移动一边进行发电的形态。在图6和图7中，飞行体1均以正弦波(sinewave)形态一边移动一边进行发电。

图6是长波长的形态，图7是波长相对比图6短的形态。在假设为移动了相同的距离的情况下，与长波长的情况相比，在波长短的情况下能够执行相对更多的发电。

因此，为了具体实现如上所述的波长短的形态，需要快速地增大或减小浮力。为了调节浮力，在本发明中在飞行体1的规定位置设置了浮力调节部40。为了快速地提高或降低浮力而使用通常使用的气囊(ballonet)或利用存储空气和比空气轻的气体(例如，氦气或氢气)的存储箱。

图2是飞行体1的主视图，在飞行体1的主体31的内部形成空气流道即第一和第二空气膜41a、41b，并以上述主体31为中心在下端左右分别安装存储空气的第一存储箱42和存储比上述空气轻的气体的第二存储箱43。而且，在规定位置设置用于向上述第一空气膜41a注入空气或排出第一空气膜41a中的空气的第一阀44，并在规定位置设置用于向上述第二空气膜41b注入比空气轻的气体或排出第二空气膜41b中的比空气轻的气体的第二阀45。而且，在主体31的规定位置设置控制上述第一阀44和第二阀45的打开和关闭的阀驱动部46。

这里，附图标记20示出了发电部。

另外，虽然附图中并未图示，但假设附加地具备用于加热气体(空气、氦气、氢气)的加热器。所具备的加热器优选利用通过上述发电机23而发电的电。

若要快速地获得浮力，则使上述加热器最大限度地工作，此时，比膨胀的空气轻的气体注入到第二空气膜41b中，在使浮力快速地减小时向飞行体1的内部即第一空气膜41a注入第一存储箱42的空气而使浮力减小。

这里，在飞行体1的内部设置有用于形成空气和比空气轻的气体所流动的流道的两个空气膜即第一和第二空气膜41a、41b，各自的空气膜通过隔壁等而彼此分离，从而空气和比空气轻的气体彼此不会混合。

在飞行体1重新获得浮力时(增大浮力时)，将注入于飞行体1内部的第一空气膜41a中的空气利用第一压缩机44吸入到第一存储箱42中，并将存储于第二存储箱43中的比空气轻的气体利用第二压缩机45注入到第二空气膜41b中，从而增大浮力。这里，飞行体1位于距地面有10km的高度，因此，温度大致为零下50摄氏度。若该冷空气进入到飞行体1的内部，则飞行体1内部的比空气轻的气体的温度进一步下降。此时，比空气轻的气体大量流入第二空气膜41b中，从而飞行体1的浮力将更快速地增大。

即、为了增大飞行体1的浮力，压缩机驱动部46能够控制第一压缩机44的驱动使得空气从第一空气膜41a排出而存储于第一存储箱42，并能够控制第二压缩机45的驱动使得比空气轻的气体从第二存储箱43注入到第二空气膜41b中。

另外，为了减小飞行体1的浮力，压缩机驱动部46能够控制第二压缩机45的驱动使得比空气轻的气体从第二空气膜41b排出而存储于第二存储箱43，并能够控制第一压缩机44的驱动使得空气从第一存储箱42注入到第一空气膜41a中。

这样，利用两个存储箱快速地增大或减小飞行体1的浮力使得飞行体1以短波长形态移动，从而在短距离移动时也能够增加发电量。

另一方面，以如上所述的方式进行风力发电而生产的电力通过激光转换部50而转换成激光。这里，利用如通过受激发射的微波的放大那样的原理对光进行放大而形成激光。如此地转换的激光通过激光发射部60而向地面发送。如此地发送的激光以电力信号向地面发送。

这里，飞行体1在进行发电、激光转换、激光发射时引发温度上升。因此，为了防止由于这种温度上升而导致飞行体1爆炸或飞行体1的内部装置并不正常地操作而优选具备冷却装置，并通过冷却功能将飞行体1的内部温度调节成总是保持适当的温度。即、冷却装置利用温度检测传感器而检测飞行体1的内部温度，并将所检测的内部温度与预先设定的基准温度进行比较，若内部温度高于基准温度，则通过冷却功能以将内部温度降低成接近基准温度的方式总是适当地保持飞行体1的内部温度。

位于地面的地面接收部100在激光接收部101接收从上述飞行体1发送的激光，并在电力转换部102将所接收的激光转换成电能。这里，激光接收部101能够以太阳能电池来具体实现。

在上述电力转换部102转换的电力在存储于电力存储部103之后，分配至所需之处。根据需要，还能够向进行供电的供电机构出售电力而创收。

优选地、地面接收部100也具备冷却装置104而适当地保持地面接收部100的内部温度。

从飞行体1发送的激光由于有可能对人体带来危害，因此，优选设置在人迹罕至的地方。

<实施例2>

如上所述的第一实施例在假设为位于平流层的飞行体1总是能够向地面最佳地发送激光的条件下能够谋求风力发电的效率性。由于喷射气流是非常强的风，因此，有可能难以从与喷射气流一起巡航的飞行体1向地面接收部准确地发射激光。

因此，针对这种情况，本发明除了飞行体1之外，还在喷射气流区域外部另行设置中继艇200而将在飞行体1生产的电力向地面中继。

参照图6和图7，根据本发明的利用喷射气流的风力发电系统的第二实施例照原样利用第一实施例的飞行体1，不过，飞行体1将所生产的电力转换成激光而向位于喷射气流区域外部的中继艇200发射，而不是向地面发送。

这里，中继艇200介于上述飞行体1与地面接收部100之间，中继艇200发挥将从上述飞行体1发送的电力信号接收并转换成电并将其重新转换成电力信号而向地面接收部100发送的作用。

上述飞行体1以与第一实施例的飞行体1相同的构成形成而执行相同的操作，并通过风力发电生产电力，因此，将以上述第一实施例来代替飞行体1的电力生产操作。

上述中继艇200能够包括：太阳能电池，其接收从上述飞行体1发送的电力信号；电力转换部，其将通过上述太阳能电池而接收的电力信号转换成电；激光转换部，其将在上述电力转换部转换的电转换成激光；以及激光发射部，其将通过上述激光转换部而转换的激光向地面发送。这里，优选地、中继艇200外表面由上述太阳能电池所包裹。

中继艇200如上述飞行体1那样位于平流层且固定于喷射气流的区域外部的特定位置。在中继艇200接收从飞行体1发送的激光以应对从飞行体1难以直接向地面接收部100发送激光的情况。

中继艇200利用太阳能电池而接收从上述飞行体1发送的激光，并在电力转换部将所接收的激光转换成电能。接着，在激光转换部将所生成的电能转换成激光(laser)。这里，利用如通过受激发射的微波的放大那样的原理对光进行放大而形成激光。如此地转换的激光通过激光发射部而向地面发送。

这里，中继艇200也在进行激光接收、激光转换、激光发射时引发温度上升。因此，为了防止由于这种温度上升而导致中继艇200爆炸或中继艇200的内部装置并不正常地操作而优选具备冷却装置，并通过冷却功能将中继艇200的内部温度调节成总是保持适当的温度。

位于地面的地面接收部100在激光接收部101接收从上述中继艇200发送的激光并在电力转换部102将所接收的激光转换成电能。这里，激光接收部101能够以太阳能电池来具体实现。

在上述电力转换部102转换的电力在存储于电力存储部103之后，分配至所需之处。根据需要，还能够向进行供电的供电机构出售电力而创收。

优选地、地面接收部100也具备冷却装置104而适当地保持地面接收部100的内部温度。

从中继艇200发送的激光由于有可能对人体带来危害，因此，优选设置在人迹罕至的地方。

以上虽然根据上述实施例具体说明了由本发明人所完成的发明，但本发明并不限定于上述实施例，本领域普通技术人员清楚，在不逸出本发明的要旨的范围内能够进行各种变更。