JP2002507697A - 風力動力発生ユニット - Google Patents

風力動力発生ユニット

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JP2002507697A
JP2002507697A JP2000538152A JP2000538152A JP2002507697A JP 2002507697 A JP2002507697 A JP 2002507697A JP 2000538152 A JP2000538152 A JP 2000538152A JP 2000538152 A JP2000538152 A JP 2000538152A JP 2002507697 A JP2002507697 A JP 2002507697A
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セルゲービチ オルロフ，イゴール
エマニュイル アブラーモビチ ソボル，
アンドレービチ エゴロフ，ミハイル
Original Assignee
セルゲービチ オルロフ，イゴール
エマニュイル アブラーモビチ ソボル，
アンドレービチ エゴロフ，ミハイル
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Abstract

(57)【要約】 本発明は空気の流れのエネルギを変換するための方法に係わり、その方法は装置の周りの自由な空気の流れ（Ｖ０）のエネルギの使用すること、及び音速に近いものであって、発電機の一定の回転周波数を有する、タービンの作動翼上の空気の流れの速度を、得るために空気の流れを実質的に膨張することを具備する。装置の周りを循環する空気の流れ（Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２）は、外部覆いの内面と中央本体の面の間の環状の隙間の出口部分において膨張を生じる。この装置は、外部の覆いと共に、該装置の対称軸に設置されていて、内部に設置された電気発電機を有する、中央本体を具備する。発電機はタービンを有しており、タービンはそれの前に集合管を有するその軸に設置される。環状の隙間は、中央本体と流線型構造の間、外部覆いの内面と流線型構造の外面の間、及び外部覆いの内面と中央本体の面の間に形成されており、それにより該環状の隙間はその内部エネルギ及び圧力エネルギを使用して流れの運動エネルギを増大する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は動力エンジニアリングに係わり、本発明は風力パワーユニット、即ち
風力を工業、農業等において使用するために、電気又は他のエネルギに変換する
ためのユニットを提示する。
【０００２】 風車（ｗｉｎｄ ｗｈｅｅｌ）又はタービンの翼への直接的な風の作用により
空気の流れの運動エネルギを利用する風力パワーユニットは、技術（〔１〕Wind
power Engineering.Ed.D.de Renzo, Moscow, Energoatomizdat 1982, 81〜96頁
）において長年知られてきた。 既知のユニットの効率を向上するために、風車の前の入口流れの圧力は、空気
の流れを管理するディヒューザや種々の幾何学的形状の別の構造を使用して変え
られる。
【０００３】 風車、Ｄａｒｒｉｅｒロータ及びその他のものへの直接的な作用により空気の
流れの運動エネルギを変換するユニットには、本質的な欠点があり、それは可変
の動的な負荷を生じてそれにより発電された電流パラメーターの不安定さを結果
的に生じる不規則な風の流れに、翼が影響されることである。
【０００４】 顕著なパワーロスは、発電機ロータ（１）の回転速度を増大するための増速機
（ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）の適用に関係する。 加速された流れ及び出口流路（ｃｈａｎｎｅｌ）側からの希薄化現象（ｒａｒ
ｅｆａｃｔｉｏｎ）によるタービンへの二重の作用の使用が、風力動力発生ユニ
ット（２）の効率向上の目的で提案されている。
【０００５】 特許（２）において開示されるステーションは、タービンと、動力発生機と、
コンヒューザ（ｃｏｎｆｕｓｅｒ）の形で作られたタービンへの空気の流れを制
御するユニットと、更に減圧区画に接続するタービンの後ろからの空気の流れを
取り除くためのユニットとを含む。
【０００６】 ステーションの空気取り入れ部は、中央部で狭く、２つの側部から外部の空気
の流れを導入するように製作された流路を形成する。分離器は、空気の流れが流
路を通り２つの入口及び出口流路に流入するように分配する。入口オリフィスを
通る１つの流れは、２７０度回転して貯留室に向かい、貯留室では動力発生機、
増速機及びタービンが設置されている。後者の排気管は空気出口室に設置される
。流路で加速される第２の流れは、流路の狭い部分で希薄化されて、出口室から
数カ所の曲がりを有する空気ダクトシステムを通り出口の開口へ流れる流れの出
力を形成する。
【０００７】 このステーションは、貯留室における流速、圧力及び温度の不規則場を生じる
流れの数カ所の曲がりにより、出口開口を通り貯留室及びタービンへ流入する流
れにおいてパワーをロスする。その上タービンの入口管の嵩張る増速機は、ター
ビンの入口管の周辺に沿って流れの不規則性を増大させる。増速機はまたこれと
は別の機械的な損失も生じる。
【０００８】 出口室における流れエネルギの不規則性及びタービンの出口パイプから出口開
口への２７０度の流れの曲がりにより、高効率な空気の流れのエネルギ伝達は妨
げられる。基盤に設置された静止した実施の形態において装置を実際に使用する
ことは、風向の変化に応じてステーションの向きを設定することは不可能である
ため極度に制限される。
【０００９】 タワー（塔）に設置されていて特許（〔２〕日本国特許62-11190, F03D 1/00,
1987)の明細書で開示されるステーションの実施の形態もまた、風の方向に自ず
から向くことには出来ない。
【００１０】 その様な設計では、そのユニットを能率化する空気の流れのパワーを使用する
可能性を提供することは出来ない。その上、室に流れを供給する入口及び出口の
流路は、全体の流路の周辺よりむしろ、ユニットの中央又は横方向の何れかに設
置される。これは、それの流れの内部エネルギ及び圧力エネルギの使用を妨げる
。
【００１１】 より完全な風力動力発生ユニット（〔３〕ＰＣＴ出願明細書PCT/RU 00131, VO
IS 06.11.97)（既知の技術の原型）は、ユニットの対称軸に設置された外部シェ
ル、中央本体を具備しており、それらの内部に動力発生機が設置される。発電機
の軸は、コンヒューザに先導されるタービンを支承する。中央本体とカウル（ｃ
ｏｗｌ）、外部シェルの内面とカウルの外面、及び外部シェルの内面と中央本体
の外面の間の環状の隙間は、流路の最少断面において空気の流速を増大し、その
内部及び圧力エネルギの減少を介してその運動エネルギの増大を可能にする。ユ
ニットは、流路の最少断面における圧力の低下において流速を増加する２つの段
階を実質的に具備する。最少断面における流れの上昇は、ユニットの底部切り込
みにおける希薄化エネルギの効果の下で、空気流ノズルに流入するエネルギによ
り（第１の段階）、空気タービンの排気管の出口断面における希薄化作用及びタ
ービンの入口ノズルに流入する空気流のエネルギの下で（第２の段階）実現され
る。
【００１２】 但し、このユニットの安定した運転モードは、むしろ大きな空気流速によって
のみ実現できる。
【００１３】 記述された欠点は、一基又は数基の発電機に機械的に接続されたノズル装置を
有する少なくとも１基のタービンと、中央シェルと、中央シェルと共にディヒュ
ーザ出口流路を形成する環状の外部シェル及びタービンの中央シェルと共に出口
流路を形成していてタービンの少なくとも１つの入口流路を有する環状の前部シ
ェルと、前部シェル及び中央シェルの外面と共に、タービンの出口流路とその中
間部で接続する狭くなり且つ伸長する第１の中間流路を形成していて、更に外側
のシェルの内面と共に第１の中間流路に沿ってディヒューザ出口流路に接続する
第２の中間流路を形成する別の環状のシェルを備えた動力発生ユニットと、を具
備していてサポートに設置されたパワーユニットの形の風力動力発生ユニットを
提供する本発明において著しく排除されており、外側のシェルの後偶部がその最
大直径に一致しており、入口流路及びタービンが前部シェルの中央に設置されて
おり、入口流路及びタービンが前部シェルの横の周辺に設置されており、発電機
がカウルを備えていて、タービンの前に設置されていて更に発電機が中央シェル
内のタービンの後に設置されており、タービンが２基又は数基の発電機を備えて
おり、別のシェルの出口部分が隣接する流路の断面を変えるために可動に製作さ
れており、前部シェルの出口部分が隣接する流路の断面を変えるために可動に製
作されており、その子午線平面内の末尾の隅部が、シェルの底部切り込みの平面
に関して９０から１２０度に等しい外側のシェルの外面に対する接線（タンジェ
ント）傾斜角度を有しており、サポートが柱の頂部に設置された接続部として製
作されていて、接続部の回転軸が動力発生ユニットの風圧の中心の前において風
の流れに沿って設置されており、シェルの少なくとも１つが周囲の大気より比重
が低いガスにより充填されており、サポートが前部シェルの前部部分に取り付け
られるケーブルとして製作されており、そのケーブルが水平か又は傾斜をもって
設置されていてその端部が人為的又は自然の高さで取り付けられており、その一
方で動力発生ユニットが羽根を備える。
【００１４】 風力パワーユニットは、ノズル装置２を有する少なくとも１基のタービン１を
含むサポートに設置される動力発生ユニットとして製作される。タービン１の軸
は発電機３に機械的に接続する。「発電機」という用語は、電流の発電機として
だけではなく、機械的なエネルギを特定の環境において使用するために便利な任
意の種類のエネルギに変換する任意の装置として理解されるべきである。それは
例えば、油圧駆動システムのポンプ、空圧駆動の圧縮機等であって良い。動力発
生ユニットはまた、中央シェル４と、タービン１の出口流路７を中央シェル４と
共に形成するタービン１の少なくとも１つの入口流路６を有する環状の前部シェ
ル５と、更にディヒューザ出口流路９を中央シェル４と共に形成する環状の外部
シェル８とを具備する。動力発生ユニットの特徴は、それが、中央シェル４及び
前部シェル５の外面と共に、タービン１の出口流路７を有する中央部において接
続する狭くなり且つ伸長する第１の中間流路１１を形成していて、外部シェル８
の内面と共に、中間流路１１に沿ってディヒューザ出口流路９に接続する第２の
中間流路１２を形成する別の環状のシェル１０を備えることである。外部シェル
８の後隅部１３は、それの最大直径と一致する。一つの実施の形態において（図
１参照）、入口流路６及びタービン１は前部シェル５の中央に位置する。別の実
施の形態において（図２参照）、入口流路６及びタービン１は前部シェル５の横
の周辺に位置する。発電機３は、タービン１の後部及び前部に位置しても良い。
後者の場合において、発電機３はカウル１４を備える。全ての実施の形態におい
てタービンは、タービンの後又はそれの前に位置する１基又は数基の発電機に接
続されても良い。
【００１５】 別のシェル１０の出口部分１５は、可動に（即ち回転又は軸方向に移動可能に
）製作されて、隣接する流路１１及び１２の断面積を変化させても良く、その一
方で前部シェル５の出口部分１６は可動に製作されて、隣接する流路７及び１１
の断面積を変化させる。部分１５及び１６は調整可能に、即ち回転する扉及び挿
入部を有して設計されても良い。
【００１６】 後隅部１３の子午線平面において、外側のシェル８の外面に対する接線傾斜角
度αは、シェル底部切り込みに関して９０から１２０度に等しい（図１参照）。
【００１７】 動力発生ユニットにサポートは、柱１７の頂部に設置された接続部１８（例え
ば、円筒状で）として製作されても良い。接続部回転軸は、動力発生ユニットの
風圧Ｐの中心の前及びそれと同じ平面において風の流れにより位置する。Ｐは、
風の流れによるそれの能率化において動力発生ユニットに作用する結果的な空力
的な力の作用点である。その様な設計は、動力発生ユニットを風に対して、後者
の任意の方向で回転させる。
【００１８】 動力発生ユニットの少なくとも１つのシェルは、周囲の大気（気体静力学的な
実施の形態）の比重より低い比重を有するガスにより充填されても良い。この場
合に動力発生ユニットサポートは、一方の端部を地面に固定されていて他方を前
部シェル５のノーズ部に固定される状態のケーブル１９（図５参照）として製作
されても良い。ケーブル１９は水平に又は傾斜して設置されても良く、その端部
は人為的な又は自然の高さに取り付けられる（図７参照）。図６で示されるよう
に、動力発生ユニットは羽根２０を有して、風において追加的な揚力を生じても
良い。
【００１９】 動力発生ユニットのシェルは、図３に示されるように、板２１及び２２に補助
されて一体化された構造で接続する。
【００２０】 風力パワーユニットは以下のように運転する。 ユニットの外部シェル８の表面に沿って動く自由な空気流は、噴出を介して、
ユニットの底部切り込みに希薄化現象を生じる。希薄化現象を生じる流れが効果
的に影響する区域は、ユニット底部切り込みの少なくとも１つの直径に等しい、
即ちプロセスは、その最大の直径がユニット底部切り込みの３つの直径よりも小
さくない環状の空気流を含む。流れのエネルギは、熱力学の第１法則により決定
されるか、あるいはガス弾性エネルギ決定の方程式又は別の既知の方法を使用し
て計算することが出来る。
【００２１】 流路１２の入口部に流入する空気流は、既知の方法により計算される特定の逆
のエネルギを有する。
【００２２】 ２つのエネルギ流、即ち入口流路の側部から及び底部切り込みの側部からのエ
ネルギ流の影響の下で、空気流は別のシェル１０の後隅部１５の区域における流
路１２の最小断面においてその最大速度に達する。即ち流れの運動エネルギが急
激に増大し、プロセスは流れのエンタルピの減少に関係する。速度の増加により
この断面における圧力は減少し、圧力の値をＰ＜１として指定する。この圧力は
自由な流れ内の圧力Ｐ０に比べ著しくより低いものである。流路１１の出口部分
の圧力はまたＰ１に等しい。従って空気の流路１１はまた、２つのエネルギ、即
ち１つは流路１１の出口部分の側部からのもので、他方はそれの入り口断面の側
部からのものにより影響される。流れにおけるこれらのエネルギの影響のベクト
ルは一致する。これらのエネルギの相互作用により流路１１の最小断面において
（前部シェル５の後隅部区域において）速度は根本的に増大し、更にその区域に
おいて圧力を適切に減少させる。従ってもし、流路１２の出口部の圧力が、Ｐ１
＝０．８５．．．０．９ Ｐ０，と仮定するならば、流路１１の最小断面区域の
圧力のＰ２＝０．７．．．０．７５ Ｐ０となる。
【００２３】 空気流路６の出口の断面の圧力はまたＰ２に等しい。流路６の最小断面におい
て空気タービン１はノズル装置２の方向に向く状態で設置されており、この断面
（タービン内）において、流路６に流入する空気流のエネルギの相互作用を介し
ての空気流速及び流路６の出口断面内の希薄化現象は、その最大の値、即ち局部
的な音速に達するか又は、それに近づく。タービン１内の運動エネルギは、ター
ビン１及びそれに接続する電気発電機３の回転に変換される適用可能な仕事を示
す。
【００２４】 ユニットの流路のエネルギ変換のプロセスは、ラバル管（Ｌａｖａｌ ｎｏｚ
ｚｌｅ）内で発生するものと同一であり、タービンの作動区域の最小の流れの圧
力は、Ｐ３＝０．５２８Ｐ０に等しいか又は、自由流れ速度に依存して少しだけ
より高いかである。空気タービンは、小さな差圧でさえも十分であり、ユニット
は自由空気流速度Ｖ０＝５．．．７ｍ／ｓで運転できるが、発電される電力の量
はより少ない。
【００２５】 従って提案される風力パワーユニットは、上記で検討された従来技術とは異な
り（２及び３を参照）、ユニットを能率化する風の流れのエネルギを使用可能に
する。従来技術（４）とは異なり、それは、流路に流入する流れのエネルギ及び
それの出口断面における希薄化のエネルギの両者の流路における空気流への同時
の相互作用の結果として生じる風の流れのエネルギのより効率的な段階的な変換
を提供する。
【００２６】 提案された風力パワーユニットは、増大した風速を有する地域、例えば島、海
岸、山等において、最も効率的に使用できる。
【００２７】 ユニットは種々の実施の形態（図７）、即ち柱（タワー）、ケーブルのガーラ
ンド（ｇａｒｌａｎｄｓ）としての支持、任意の支持（峡谷において）への固定
等、において設置されても良い。平均の速度が顕著ではない地域において、ユニ
ットの飛行船のような実施の形態は、そのシールされたシェルを、例えばヘリウ
ムで充填したり、又はシェル内部に加熱した空気を適用したり、あるいは別の既
知の方法を適用して使用しても良い。
【００２８】 電気エンジニアリングの分野における既存の開発は、外見を変えずに、工業製
品の高速電気発電機、例えば航空機及び別の飛行機の動力発生装置の空気タービ
ン、ターボデタンダー（ｔｕｒｂｏｄｅｔａｎｄｅｒ）ユニット等の、ノズルの
方向付け（ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ）装置を完備する工業製品の空気タービンをユニ
ットにおいて使用することが可能である。ユニット組立の時間及び費用を低減す
るために、完全に組み立てられたタービン発電ユニット、即ち完全に工場で準備
された状態、を製造することが提案できる。高速の１０００ｋｗパワーの発電機
の質量が７００ｋｇを超えないがその一方で、同じパワーのタービン発電ユニッ
トの総計の質量は１トン程度である。ユニットのシェルは、十分に開発されたプ
ロセスに従う種々の材料、ユニットのパワーとタイプにより、合成材料、アルミ
合金のロール製品、プラスティック等、から製作されても良い。シェルはモジュ
ール式、膨張式等であって良い。 本発明を以下の図面により説明する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、風力パワーユニットの動力発生ユニットを示す。
【図２】 図２は、数基のタービンを有する動力発生ユニットの実施の形態を示す。
【図３】 図３は、図２の動力発生ユニットの不等角投影図を示す。
【図４】 図４は、柱上の動力発生ユニットの接続部取付を示す。
【図５】 図５は、飛行船バージョンの動力発生ユニットのケーブルへの取付を示す。
【図６】 図６は、羽根を有する動力発生ユニットを示す。
【図７】 図７は、水平又は傾斜したケーブルへの動力発生ユニットの取付を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 オルロフ，イゴール セルゲービチ ロシア国 111141，モスコー，ゼレニイ プロスペクト，デー．４，コルプス １， クバルチーラ 84 (72)発明者 ソボル， エマニュイル アブラーモビチ ロシア国，121165，モスコー，ストュデン チェスカヤ ウリツァ， デー．44／23， クバルチーラ 140 (72)発明者 エゴロフ，ミハイル アンドレービチ ロシア国，115563，モスコー，シピロフス カヤ ウリツァ，デー．23，コルプス ２，クバルチーラ 59 Ｆターム(参考） 3H078 AA01 AA26 BB11 CC12 CC22 CC44 CC46

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 サポートに設置されたパワーユニットの形の風力パワーユニ
    ットにおいて、その風力パワーユニットが、 発電機に機械的に接続するノズル装置を有する少なくとも１基のタービンと、 中央シェルと、 タービンの中央シェルと共に出口流路を形成していてタービンの少なくとも１
    つの入口流路を有する環状の前部シェルと、 中央シェルと共にディヒューザ出口流路を形成する環状の外部シェルと、 を具備しており、 動力発生ユニットが、前部シェル及び中央シェルの外面と共に、タービンの出
    口流路とその中間部で接続する狭くなり且つ伸長する第１の中間流路を形成して
    いて、更に外側のシェルの内面と共に第１の中間流路に沿ってディヒューザ出口
    流路に接続する第２の中間流路を形成する別の環状のシェルを具備する ことを特徴とするパワーユニットの形の風力動力発生ユニット。
  2. 【請求項２】 外部シェルの後ろ隅部がその最大直径に一致することを特徴
    とする請求項１に記載の風力パワーユニット。
  3. 【請求項３】 入口流路及びタービンが前部シェルの中央に設置されること
    を特徴とする請求項１又は２に記載の風力パワーユニット。
  4. 【請求項４】 入口流路及びタービンが前部シェルの横の周辺に設置される
    ことを特徴とする請求項１に記載の風力パワーユニット。
  5. 【請求項５】 発電機がカウル（ｃｏｗｌ）を備えていて、タービンの前又
    は後ろで中央シェル内に設置されることを特徴とする請求項１に記載の風力パワ
    ーユニット。
  6. 【請求項６】 タービンが、タービンの前及び後ろの両方に設置される２基
    以上の発電機を備えることを特徴とする請求項１に記載の風力パワーユニット。
  7. 【請求項７】 別のシェルの出口部分が隣接する流路の断面を変えるために
    可動に製作されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の風力
    パワーユニット。
  8. 【請求項８】 前部シェルの出口部分が隣接する流路の断面を変えるために
    可動に製作されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の風力
    パワーユニット。
  9. 【請求項９】 子午線平面内の後隅部において、外部シェルの外面に対する
    接線（タンジェント）傾斜角度が、シェルの底部切り込みの平面に関して９０か
    ら１２０度に等しいことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の風
    力パワーユニット。
  10. 【請求項１０】 サポートが柱の頂部に設置された接続部として製作されて
    いて、接続部回転軸が動力発生ユニットの風圧の中心の前において風の流れによ
    り設置されることを特徴とする請求項１に記載の風力パワーユニット。
  11. 【請求項１１】 少なくとも１つのシェルが大気より比重が低いガスにより
    充填されることを特徴とする請求項１に記載の風力パワーユニット。
  12. 【請求項１２】 サポートが前部シェルのノーズに固定されるケーブルとし
    て製作されることを特徴とする請求項１に記載の風力パワーユニット。
  13. 【請求項１３】 ケーブルが水平か又は傾斜をもって設置されており、その
    端部が人為的又は自然の高さで固定されることを特徴とする請求項１２に記載の
    風力パワーユニット。
  14. 【請求項１４】 羽根が動力発生ユニットに取り付けられることを特徴とす
    る請求項１から１３のいずれか一項に記載の風力パワーユニット。
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