JP2003530502A - 流体媒体駆動型タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電気を生成するために流体媒体で駆動されるタービンであって、適切な長さ、幅、厚みを持ち、流体力学的形状の多数のフォイル（５）を有しており、各フォイル（５）はその軸（６）の上部において回転的で平円形の支持構造体（３）に取り付けられており、支持構造体（３）はタービンの主軸と接続しており、また、フォイル（５）の縦軸（６）は主軸（２）とほぼ平行しており、各フォイル（５）はモータ（８）を有し、モータ（８）は、各フォイル（５）の主表面を、流体媒体（１１）の方向に対して相対および絶対的な所望のアタック角度にするために、フォイル（５）をその縦軸（６）周囲で個々に、他のフォイル（５）の各々に関係なく旋回するために使用される。このタービンは、比較的低速度の流水からの電気エネルギーの生成に適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術背景） 本発明は、調整可能なフォイルを備え、流体媒体によって駆動されるタービン
と、これを使用して電気エネルギーを生成する方法とに関するものである。

【０００２】 （発明の背景） 長きにわたり、流体媒体内の力を利用するために異なるタイプの装置が使用さ
れてきた。近年では、電気エネルギーを生成するために、水平回転軸を備えたウ
ィンドタービンが開発され、非常に広く展開されてきた。しかし、ウィンドター
ビンには、騒音、光学的な環境汚染、また製造および設置時のコスト高というよ
うな欠点が多い。多くのウィンドタービンは、総使用可能風力エネルギーのわず
かしか利用することができない。

【０００３】 また、垂直軸を備えたウィンドタービンも開発された。これらのタービンは上
述したタービンと比較して、より低い周辺速度のために騒音が少なく、取り付け
構造体が少ないために、設置および運転コストを削減できるといった数々の利点
を備えている。このタービンは風の方向に依存することはない。媒体の強度と速
度に従って、風と当たる羽根の角度を調整することが重要であることがわかった
。アタック角度の調整方法は数多く知られているが、個々、または決定的な調整
を追及したものはない。

【０００４】 米国特許第4,052,134号は、フォイルをタービン回転トラックと整列した元の
固定位置に戻す調整を追求する器具を持った羽根を装備した、垂直回転軸を備え
たウィンドタービンを開示している。 ノルウェー特許第302,590号は、フォイルを風の明確な方向に整列させるため
に、フォイルの傾向の阻止を追求する器具を装備した垂直軸を備えたウィンドタ
ービンを開示している。 米国特許第4,168,439号は、主にその仕掛けを始動および停止することを追及
した、非常に大きな羽根を制御するための電気モータ、ギア、器具による複雑な
システムを備えた非常に大型のウィンドタービンを開示している。 デンマーク特許第164,294号は、可撓性の魚雷型本体を羽根の自由端部に取り
付けることによりウィンドタービンの羽根を改良する方法を開示している。 米国特許第2,950,765号、第2,250,772号は、垂直軸と制御されたフォイルを備
えたタービンを開示している。全てのフォイルは、フォイルをある設定位置に押
し引きするロッドによって同時に案内され、偏心的に取り付けられた回転ホイー
ルの転位によって案内される。これらのタービンの目的は、船の推進を達成する
ことである。

【０００５】 流れる水からの力を転換するためのタービンは従来技術に属するものである。
ほとんどのタービンに共通することは、水の流れを、制限された速度、方向、量
においてタービンの電力生成範囲へ向けなければならないことである。生成され
た電気エネルギーが流体媒体の速度に直接比例する、すなわち、タービンの電気
生成範囲における水の速度の増加が、生成される電力量の増加につながることは
自明である。

【０００６】 電気エネルギーの生成において、遅い速度で移動する流体内の力を利用するこ
とは今もなお大きな課題である。本発明は、これを単純で安価な方法で可能にす
る。

【０００７】 （発明の開示） 従って本発明は、電気を生成するための、流体媒体で駆動される、適切な長さ
、幅、厚みを持ち、ＮＡＣＡ規格の指定による流体力学的形状の多数のフォイル
を備えたタービンを提供する。各フォイルはその軸の上部において回転可能な平
円形の支持構造体に取り付けられており、支持構造体はタービンの主軸と接続し
ており、また、フォイルの縦軸は主軸とほぼ平行しており、各フォイルはモータ
を有し、モータは、各フォイルの主表面を、流体媒体の方向に対して相対および
絶対的な所望のアタック角度にするため、フォイルをその縦軸周囲で個々に、他
のフォイルの各々に関係なく旋回するために使用される。

【０００８】 このタービンは、比較的低速度で流れる水からの電気エネルギーの生成に適し
ている。

【０００９】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明は、異なる複数の方向から低速度で移動する媒体内の最適な動力の利用
を促進するタービンの達成を提案するものである。

【００１０】 「流れる媒体」という用語は、自然に移動する水や気体のような全ての流体の
流れを示す。移動する水には、水路や川を流れる水、パイプ、ダクト、類似のベ
ッセルを介してタービンへと運搬された水、また、湖や海で見られる様々な波が
含まれる。

【００１１】 「フォイル」という用語は、接続軸に沿って接続した、一致する、湾曲した縦
長の外面範囲を持ち、速度の方向（direction of speed）において弧を描き、船
尾において鋭角を描いて先細りしているあらゆる羽根型の形状を示す。これによ
り、フォイルは流体力学的形状になる。米国航空評議委員会（ＮＡＣＡ）の有名
な規格には、多数の様々な形状のフォイルが詳細に記載されている。

【００１２】 多数のフォイル形状を使用することが可能であり、好ましい形状の一つとして
ＮＡＣＡ63.015が挙げられる。

【００１３】 全てのフォイルは、縦方向において垂直な偏心軸を備えている。タービンが水
平タイプのものである場合は、軸もこれに従って水平方向にのびている。本発明
のタービンは、フォイルがほぼ垂直位置にくる形で回転平円形構造の下側部に接
続された二〜十枚、好ましくは四〜八枚、最も好ましくは五枚のフォイルを備え
ている。全てのフォイルは、互いにほぼ等間隔で、また回転構造の中心からほぼ
等間隔で離間した支持構造体に、回転軸とほぼ平行して固定されている。

【００１４】 フォイルのサイズは、目的を満たすものでありさえすれば特に規制されない。
サイズは、流れる媒体の密度と速度に依存する。そのため、水中で使用するフォ
イルの垂直長さは1m〜100m、好ましくは5m〜20m、最も好ましくは約10mとなる。
フォイルの幅または水平カットは一般には0.5〜5m、好ましくは0.5〜2m、最も好
ましくは約1mである。フォイルの厚みは一般に0.05〜1mであるが、これは選択し
たフォイルのタイプによって異なる。

【００１５】 フォイルの製造材料は、鋼鉄、アルミニウム、または、炭素強化不飽和ポリエ
ステル樹脂（ＧＵＰ）のような重合体複合材料を含むグループより選択したあら
ゆる適当な材料であってよい。寸法基準は材料の選択によって与えられる。

【００１６】 次に図１を参照すると、平円形支持構造体３に直結している回転軸２に接続し
た垂直軸１を備えたタービンを示している。支持構造体上には多数のフォイル５
が取り付けられている。全てのフォイルは、フォイルの旋回を許容する縦軸６を
備えている。軸の上端部は支持構造体３と接続している。フォイル５の各々は回
転モータ８、より好ましくはステップモータと接続している。フォイルはモータ
８と共にその縦軸６周囲で旋回可能である。縦軸６は、フォイルを流体媒体に関
連したあらゆる位置に回転できる形でタービン軸２と整列している。フォイル５
のイールド（yield）はフォイル５の自由端部９周囲で生成される渦流に大きく
依存している。本発明は、フォイル５の面積範囲の1〜50倍の大きさを持つ平形
部材１５または魚雷型部材１０のいずれかを採用することにより、または、フォ
イル５の自由端９に取り付けた、フォイルのプロファイルの1/2に画定された形
状であり、大きさがフォイル５の幅の1〜50倍の範囲内、より好ましくはフォイ
ル５と同サイズの大きさの慎重に形成した楕円形体１４を採用することによって
この知識を利用している。支持構造体は平円形部材３を備えており、その外周付
近の位置にフォイル５が配置されている。従って、動作中にフォイル５はタービ
ン軸２の周囲に中心円トラック１２を備える。この円トラック１２はタービンの
外径を画定している。タービンの主構造４は、軸の回転動作をダイナモ７へ変化
して送り（transform）、電気エネルギーの生成を可能にする装置である。

【００１７】 図２は、タービン軸２と、支持構造体３に取り付けられた平円形板から成る四
枚のフォイル５とを備えたタービンを示す図であり、フォイル５は支持構造体３
の板周囲付近において旋回可能に取り付けられているため、フォイル５がタービ
ン軸２周囲で中心円トラック１２を形成する。同図には、モータ８がフォイル５
の上に配置されている様子も示されている。多数の矢印は、流れ１１とタービン
１３の回転の方向を示す。

【００１８】 図３は、フォイル幅の中心線においてフォイル５全体を示す図である。同図で
は、フォイル５内に縦軸６が組込まれている様子と、フォイル５の形状がフォイ
ル５の自由端部９を備えている様子がわかる。

【００１９】 図４は、フォイル５と、フォイル５の自由端部９の応用形状とを示す図である
。

【００２０】 図４ａはフォイル５と、慎重に形成した楕円形体１４を示す図であり、この楕
円形体の形状はフォイルの外形の１/２に画定されている。

【００２１】 図４ｂはフォイル５と、平坦な形状の部材１５を示す図である。この部材は、
フォイル５の中心としての対角線を備えた平行四辺形１５である。平行四辺形は
、フォイル５の寸法を、フォイル５の両側において均等に越えている。平行四辺
形１５の厚みは重要ではないため、これについての既述を省く。

【００２２】 図４ｃはフォイル５と、フォイル５の寸法を全ての側において超えた魚雷型部
材１０を示す図である。魚雷型部材１０は、垂直に直立したフォイル５に予め取
り付けられてはいない。

【００２３】 本発明は、各フォイル５に同タイプのモータ８を使用している。モータはステ
ップモータ、好ましくはハイブリッドステップタイプのステップモータ、プレー
トステップ、通常のステップモータであってよい。

【００２４】 各フォイル５は、それぞれのフォイル５の旋回可能位置を完全に制御すること
が可能な同一の制御システムを備えている。そのため、モータ８は、流体媒体に
対して相対および絶対角度でフォイル５を制御することができる。フォイル５が
円形トラック内で移動するため、フォイルの相対および絶対的位置を動的な方法
で調整しなければならない。

【００２５】 次に、図２を参照しながらタービンの回転サイクルについて説明する。フォイ
ル５が流れる流体内において基本の垂直位置に配置されると、フォイルはその旋
回可能な取り付けのために、抵抗を最小限にする方法で、流体媒体と一列に整列
する。タービンを回転して電気を生成するには、平円形の支持構造体３上のモー
タ８に個々に取り付けられた各フォイル５を、流れに対し適切な相対および絶対
角度において回転させる。モータ８がフォイルを5〜50°の間で回転させる。こ
れにより、フォイル５の表面上に力が発生し、タービンを始動させる。この回転
動作により、フォイル５の流れに当たる角度が変わり、モータ８がフォイル５を
上述の角度に回転するべく統制される。フォイル５の流れに対する角度の正確性
は、モータ８の位置を探索、保持する能力によって異なる。フォイル５の環状ト
ラック中に適度な調整がなされる。これによってフォイル５は、ほぼ全体の環状
トラック中に力を発するため、最適な生産力が得られる。

【００２６】 フォイル５の丸い端部は流れにおいて先端を向いている。図２を参照すると、
タービン１６と流体１１の動作を矢印で示すように、フォイル５の丸い端部が先
端部になっている。フォイルの位置は、流体媒体の性質に関係なく同一である。

【００２７】 フォイル５の旋回可能位置はモータ８によってそれぞれ調整可能であるため、
仕掛けに故障をきたすことなく、流れる媒体の速度に無関係にタービンを始動お
よび停止することができる。

【００２８】 統制システムによるフォイル５の旋回可能動作により、タービンを固定状態に
維持するフォイル５の配置と、修理およびメンテナンス作業とが可能になる。

【００２９】 フォイル５は平円形の支持構造体１３を制限された速度、好ましくは5〜60rpm
、さらに好ましくは5〜20rpmの速度で回転させる。流れの中に配置したフォイル
５の位置により、回転速度を制御することができる。

【００３０】 タービンが発生する力の量は、フォイル５の高さ、幅、長さ、流体速度によっ
て異なる。低速度フォイル５は高速度フォイルよりも凸部がより高く、表面積も
大きい。表面は媒体の層流を促進するべく準備されなければならない。

【００３１】 速度と力の最適な組合わせを利用し、フォイルを最も好ましい位置に旋回させ
るために、統制プログラム、好ましくは電子による制御プログラムを使用するこ
とでタービンによるイールドが最大になる。

【００３２】 フォイル５の自由端部９から生じる渦流により、タービンの理論上のイールド
が減少する。

【００３３】 タービン２によるイールドは、タービン２の主軸上の垂直から過度に逸脱しな
い限り、流れの方向によって変化しない。

【００３４】 本発明は、フォイルが水流内で垂直位置にある場合について説明しているが、
水平位置にある場合や、または風などの他の流体内にある場合にも同様に機能す
る。

【００３５】 ダイナモ７は常に定置にある。タービンは垂直位置にある軸を備えることがで
きるが、水平位置にある軸であってもよい。タービンを水中で使用する場合には
、タービンを投錨または浮遊しているユニット、あるいは海底に固定されたユニ
ットに取り付ける。タービンの軸はユニットの全側部に取り付けることができる
。タービンを空中で使用する場合は、基盤やペデスタルまたは同等物に取り付け
る。

【００３６】 本発明によるタービンは、川床、海底、岸に投錨した浮遊または浸水したユニ
ットへの設置に適している。適当な浮遊要素には、ポンツーン、フロート、浮き
台、平底荷船、 艤装、「半潜水艦（semi-submersibles）」、「引張脚プラット
フォーム」または特定の目的に応ずるように作られた構造物がある。タービンは
さらに、コンクリート、ＧＵＰ、鋼鉄または他の金属で建築されたジャケット、
ＧＢＳ、海中の構造物のような固定構造物に取り付けることが可能である。これ
らの固定構造物も特定の目的に応ずるように作られてもよい。

【００３７】 タービンの構造により小型または大型の使用が可能である。タービンは、使
用可能な流体の最適な利用の促進の繰り返しにおいて、単一のスタンディングユ
ニットとして、または複合構造内に設置することができる。設置物は、環境に大
きな衝撃を与えることなく建築および設置することが可能である。タービンは、
海中や海面下に設置することができるため、海の景色を損ねたり、海上交通を妨
害することはない。この設置方法は川や海にも同様に適用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による四枚のフォイルを備えた垂直軸タービンを示す略透視図。

【図２】 四枚のフォイルが取り付けられた平円形の支持構造体を示す水平断面図。

【図３】 フォイル全体を示す垂直断面図。

【図４】 フォイルの自由端部に取り付けられた流体力学的本体を示す図。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年１月３０日（２００１．１．３０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 3H072 AA12 BB31 CC42 CC52 3H078 AA05 AA11 AA26 AA27 AA34 BB02 BB03 BB08 BB17 BB20 CC04 CC05 CC22 CC66

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気を生成するために流体媒体で駆動されるタービンであっ
   て、適切な長さ、幅、厚みを持ち、流体力学的形状の多数のフォイル（５）を有
   しており、前記各フォイル（５）はその軸（６）の上部において回転可能で平円
   形の支持構造体（３）に取り付けられており、前記支持構造体（３）は前記ター
   ビンの主軸と接続しており、また、前記フォイル（５）の前記縦軸（６）は前記
   主軸（２）とほぼ平行しており、 前記各フォイル（５）はモータ（８）を有し、前記モータ（８）は、各フォイ
   ル（５）の主表面を、流体媒体（１１）の方向に対して相対および絶対的な所望
   のアタック角度にするため、前記フォイル（５）をその縦軸（６）周囲で個々に
   、他のフォイル（５）の各々に関係なく旋回させるために使用されることを特徴
   とするタービン。
2. 【請求項２】 モータ（８）が水力、空気、電力によって駆動されることを
   特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 【請求項３】 モータ（８）が、ハイブリッドステップ、プレートステップ
   または通常のステップモータタイプのステップモータであることを特徴とする請
   求項１に記載のタービン。
4. 【請求項４】 各フォイルの前記自由端部（９）に、前記フォイル（５）の
   縦軸に対して垂直位置にある平坦な平行四辺形の部材（１５）が設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービン。
5. 【請求項５】 各フォイルの前記自由端部（９）に、前記フォイル（５）の
   縦軸に対して垂直位置にある魚雷型部材（１０）が設けられていることを特徴と
   する請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービン。
6. 【請求項６】 各フォイルの前記自由端部に、前記フォイル（５）の縦軸に
   対して垂直位置にある楕円形体（１４）が設けられていることを特徴とする請求
   項１〜３のいずれか一項に記載のタービン。
7. 【請求項７】 モータ（８）が、個々の力によって前記各フォイル（５）と
   それぞれ係合され、中央ユニットによって制御されることを特徴とする請求項１
   〜６のいずれか一項に記載のタービン。
8. 【請求項８】 フォイル（５）とモータ（８）が平円形の支持構造体体上に
   取り付けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のター
   ビン。
9. 【請求項９】 回転軸が主に垂直位置にあることを特徴とする請求項１〜８
   のいずれか一項に記載のタービン。
10. 【請求項１０】 前記回転軸が主に水平位置にあることを特徴とする請求項
    １〜８のいずれか一項に記載のタービン。
11. 【請求項１１】 流体媒体が比較的低速度の水であることを特徴とする請求
    項１〜１０のいずれか一項に記載のタービン。
12. 【請求項１２】 タービンが比較的低い速度で流れる水中に配置されている
    、請求項１〜１１の内のいずれか一項に記載のタービンを使用することで電気エ
    ネルギーを生成する方法。