JP2007517155A - 風力タービンエンジン - Google Patents

Abstract

風力タービンエンジンは、外側ケーシング内に配置された複数のロータ翼と、各ロータ翼の前方に配置された半球状ヘッドとを備えている。半球状ヘッドは、各ロータ翼の半径の５０％内側を排除する。ケーシングとヘッドにより、流入する風を増速させてヘッド周りに偏向させる加速チャンバを構成している。増速された風は、電力を発生させるために、風力タービンの各ロータ翼を回転させる。

Description

発明者は、プロペラ形式の風力タービンの現状技術について研究してきた。所定の改良を施すことにより、複数のプロペラ翼によって得られる風の所定断面積から、さらに高い割合のエネルギーを用いることができるのは明らかである。発明者が知得している物理学および空気力学の原則に基づき、いくつかの重要な可能性および選択枝が明らかとなった。現在のところ、環境的にクリーンなエネルギー生産に対する需要が増大している。郊外または地方の電気分配システムに対して天候による損害が生じた際の修復費用といったメンテナンスコストは、もはやこれら電気分配システムの採算がとれないところまで達している。このような状況は、現在、さらに効率が良く局地化された５０キロワットから１メガワットまでの範囲の風力発電の発明および開発に対する十分なインセンティブを与える。

発明者は、非常に高いレベルの効率を有する新型の風力ユニットの開発によって、以下の各目的を達成できることを確信した。

第1に、現状の風力タービンのプロペラ翼システムの半径長さの内側約５０％で風力エネルギーを受け取ることなく、風力エネルギーを回復しかつ利用することを目的とする。

第2に、より広い範囲の風速からより効率的にエネルギーを利用する風力ユニットを提供する。

第3に、風から最大割合のエネルギーを回復することができる風力ユニットを提供することを目的とする。換言すると、蒸気タービンやガスタービンと同等の効率を有する風力ユニットを提供することを目的とする。

第4に、設置される環境内でより小さな断面積またはずっと小さな断面積を占有する風力ユニットおよびこれら風力ユニットの組合せを提供することを目的とする。

現状の技術における現存するプロペラタービン風力発電ユニットは、当該ユニットの向きによって規定される風の断面積から高い効率でエネルギーを利用していない。３枚翼のプロペラは、そのエネルギーをあまり使っていない。より多くの翼を有する現状技術の構成によれば、より小さい大きさのシステムに対してはいくらかの改良が期待できるだろう。プロペラ駆動による風力発電システムにおける半径の５０％内側では、向けられたエネルギーの断面積の多くをあまり利用していない。軸線中心からプロペラ翼の半径の５０％内側において用いられる最も現実的な解決方法は、この領域を効率的に遮蔽するとともに、遮蔽領域を超えて半径方向に延在する複数のタービン翼を用いて偏向されたエネルギーにアクセスすることである。

本発明は、好ましい実施形態によれば、後に“スピードボール”と称される球状ヘッドを、軸線中心からタービン翼の外周先端までの半径の５０％以上を覆うように、前方に配置する。スピードボールは、多数のより短いタービン翼にさらに完全に向かわせるために、偏向された風力エネルギーの流速を増大させる。

接近する風が半球状スピードボールの周囲でカーブする際に生じる風速増加量は、理論的には、中心に対する半径に対して、球状ヘッドの周囲の１／４相当で、その数値は１．５７対１となる。この重要性は、所定の風速の移動する空気質量について利用できる運動エネルギーは、三次元関数となるということである。これは、本発明者の計算によれば、各抵抗因子（drag factors）を差し引いた後に、正味風速は４６％増加するということを意味している。結果として、運動エネルギーを利用できるワット量の増加は、１．４６の３乗すなわち３１１％になる。本発明者は、利用できるエネルギーの増加を“運動エネルギーの増大”と称している。移動する空気の１ｍ^２あたりのワット量の計算に用いる現在の数式は、所定の高度および温度における空気の１ｍ^３あたりの標準質量または重量を用いている。移動する空気に対して利用できる１ｍ^２あたりのワット量を決定するための全体の数式は、米国風力エネルギー協会（American Wind Energy Association）によってさらに詳しく説明されており、圧縮性については扱っていない。しかし、本発明者は、接近する空気の圧縮性が１ｍ^３あたりの空気重量を増加させ、利用できる１ｍ^２あたりのワット量をさらに得ることができ、３次元関数で得ることができるということに明確に気づいた。圧縮性を追加することによる有利点の一例として、圧縮性因子が２５％とした場合、利用できる１ｍ^２あたりのワット量は１．２５の３乗すなわち１．９５３まで増加する。結果として、利用できる１ｍ^２あたりのワット量に関してさらに９５％得ることができる。本発明者は、また、利用できる１ｍ^２あたりの運動エネルギーを増加させるこの方法を、“運動エネルギーの増大”と称している。

風力タービンシステムの現状技術では、有益な風力エネルギー量を利用できる風速の範囲が限界に近づいている傾向にある。球状ヘッドの配置により、中心の５０％内側からタービンロータおよび翼組立体の翼先端半径位置までの偏向された風の速度が増加させられる。しかし、より速い速度で移動する風は、各タービン翼の半径方向内側部分に向く傾向にある。多数の翼を有するタービンロータを含む操作する開口を通過する風の流れを均一化するために、流入する風のより多くの体積をより短くされた多数のタービン翼に向けて内方へと吸い込むように、複合した曲部を有する吸込スクープの配置を用いることができる。この環状のリング形スクープは、さらに、内方に面した翼形状の構成を備える。これにより、捕捉した風の速度を、球状ヘッドによって得られた増大量と同じ程度まで増大させることができる。全体の目的は、流入する風速を増大させ、この増速した風を、多数のより短い各タービン翼を含む開口に対して均一に向けさせることである。吸込スクープのさらに他の有利点は、大きな体積の接近する風を捕捉することができ、これにより、圧縮を生じさせ、各タービン翼に向く風列（wind column）の質量または重量を増大させ、各タービン翼に向く運動エネルギーのワット量を増大させることである。吸込スクープの前方外側縁部から後方に延在する延長長さを有する外側周囲翼形状と、タービンロータおよびタービン翼組立体の後方に続く外方拡大部との組合せにより、より低い圧力または真空の排気状態を達成することができる。

タービンロータおよび複数のタービン翼を備えた円筒状のケース化本体に流入する風を、吸込口において過給し、増速させ圧縮する風力タービンエンジンを提供する。全ての翼は、最大トルクを発生するように配置されている。そして、タービンロータおよび翼組立体の後方には、連続的に低圧とされた排気領域が続いている。タービンエンジンの全ての基本的特性は、本実施形態において明らかとされる。特に本発明の風力タービンエンジンでは、各タービン翼は、翼ピッチ制御を備えている。現状技術における３枚翼の風力タービンは、空力的揚力を利用するために組み立てられた翼を有しており、この風力タービンエンジンの短い各翼は、より多くの直接トルクを利用する形状にしなければならない。翼ピッチ制御は、過度に高速となった風速の場合には全開の中立位置に各タービン翼を設定できるだけでなく、風速の全範囲に対して最も効率的にアクセスするために、本実施形態では本質的事項として考慮される。また、上記中立位置では、各翼は空力的揚力によってより直接的に駆動されて出力し続ける。このように、より高いレベルの効率を有しているので、現状技術における風力タービンに比べて、出力能力に対して、かなり小さい大きさの風力タービンエンジンを提供することができる。

本発明は、当業者において新しい概念を有するものである。本発明の将来のバージョンによって利用できる風力エネルギーの絶対最大量まで、通常の創作能力の発揮により多数の改良を施すことができる。

好適な実施形態では、主として、５０キロワットから１メガワットの範囲の風力エネルギー利用装置を提供することを意味しているが、本発明者は、５メガワット程度まで出力範囲を増大できると考えている。現状技術では、既に、３枚翼のプロペラ式システムについて、２．５メガワットの出力まで拡大されている。本発明の将来の拡大バージョンでは、同等の数値を達成できるとともに、最大で２倍まで達成できるであろう。

本発明者は、水力発電や駆動用途において本発明の特別な使用形態の可能性を予想している。また、おそらく、高効率の空気循環ファンシステムにも利用できるであろう。

図１は、本発明の一実施形態にかかる部分側断面図である。支柱プラットホームの回転可能とされた頂部に設置されており、タービンロータ及び１２枚の翼を有している。ロータ及びタービン翼を示すために、風吸込スクープ（wind intake scoop）が断面で示されている。事実上の機械的な他の詳細な構成は、現状の技術におけるものである。したがって、本発明の本質的な原理、詳細および新規性を示すために図示する必要はない。

図２は、回転可能な支柱の頂部に設置された上記風力タービンエンジンの正面図である。風捕捉領域、風吸込スクープ、複数のタービンブレード、および、風吸込スクープと内蔵された軸体および駆動システムのための補強部材ないし翼で被覆された支持体が示されている。

図３は、後方から直接見た、支柱の頂部に設置された上記風力タービンエンジンの背面図である。

図４は、側方から直接見た、支柱の頂部に設置された上記風力タービンエンジンの側面図である。（ジェットタービンエンジンと同様に）風吸込スクープの延長された翼形状によってほぼ覆われ又はカプセル化されており、ケース化した組立体を通って風が流れる。

図５は、それぞれが流通用兼タービン駆動チャンバ内に設けられた、タービンロータに適用することができる３列翼システムを示した概略図である。１２枚のスタビライザ翼のための１つのリングを有して居る。このリングは、流通用兼タービン駆動チャンバの内表面に固定されており、単一のタービンロータに設置固定された２列の風力駆動ダービン翼の間に近接して設置されている。適切な形状で設計することにより、各スタビライザ翼は、乱流を弱めるとともに除去するために供することができ、効率を上げることができる。

上述の各図面および他の目的またはさらなる目的により、有利な又は新規な構成は、本明細書の開示を考慮すれば明らかである。本発明は、添付した各図面を参照することにより、様々な実施例を構成し実現し包含する発明概念を含むものである。

図１は、本発明の一実施形態にかかる部分側断面図である。支柱プラットホームの回転可能とされた頂部に設置されている。風吸込スクープおよび流通用ケース化組立体１が設けられている。該組立体１は、収束する空気流れによって排気誘導（exhaust induction）を増大させるために、Ｓ字状に流速を増大させる表面１ａと、流通用兼タービン駆動チャンバ領域表面１ｂと、後方に延長形成された排気流路表面１ｃと、外側翼形状表面１ｄとを備えている。さらに、半球形状風排除速度ヘッド２と、風吸込スクープおよび流通用ケース化組立体１に対して、かつ、ケース化された軸体／ドライブシャフト（図示せず）の前端を支持する、半径方向に取り付けられた複数の翼形前端構造支持部材３とを備えている。また、タービンロータ５に取り付けられた複数のタービン翼４を備えている。また、軸体／ドライブシャフト、機械構成および発電機構成要素を収納するケース化本体６を備えている。ケース化本体６の後方には、複数の後方構造支持補強部材７が設けられている。複数のケース化構造支持体を有し、これらケース化構造支持体とともに風力タービンエンジン全体を回転可能に支持する回転可能支持テーブル８を備えている。この回転可能支持テーブル８は、支持タワー９の頂部に取り付けられるとともに、該頂部内にカラーが取り付けられて設けられている。

風力タービンエンジンの性能を最も良く発揮するように、以下のように動作する。風吸込スクープおよび流通用ケース化組立体１では、Ｓ字状に正面に向かう内表面１ａで流速が増大する。風吸込スクープおよび流通用ケース化組立体１は、流入する風に対する増速量が風排除速度ヘッド２によって提供される増速量と実質的に同一とされるように設計されている。流入する風の質量流量が大きく減少することなく、流入する風の質量のかなりの圧縮量が達成できる理想レベルまで、風吸込スクープおよび流通用ケース化組立体１の内表面と風排除速度ヘッド２の直径は、離間または分離することができる。この点は重要である。つまり、最も大きな圧縮が得られる一方で、全体の風速の減少を限定する又は最終的に流入する風の質量流量の一部分を無駄にする間にある、これらの離間距離である半径方向長さのバランス点が存在する。各タービン翼４は、実質的に最も高いエネルギー取得レベルで流れの円滑性を維持するために、過剰に圧縮された空気の質量流量を十分に速くすることはできない。増速および圧縮によって得られる最も大きく利用できるエネルギー取得率は、上述したバランスさせる手続を行わなければ得ることができない。このバランスさせる手続は、幅広い風速範囲にわたって最も高いエネルギー取得レベルを実現する最も良い比率をもって注意深く適用される。

さらに好適には、風力タービンエンジンのタービン翼は、軸線中心から各翼の先端までの半径の５０％外側の範囲内に配置される。この数値は、上述したバランスさせる手続に応じて、所定量の変動が許容される。吸込体積、増速および圧縮について適切にバランスされたシステムは、最も重要であり、１ｍ^２あたり最も高いエネルギーを利用することができる。

図２は、上記風力タービンエンジンの正面図である。遮られずに直接正面から見た、風吸込スクープおよび流通用ケース化組立体１の構成が示されている。風吸込スクープおよび流通用ケース化組立体１は、一又は複数のＳ字状とされた吸込スクープ表面１ａと、外側翼形状表面１ｄとを備えている。また、スピードボール（speedball）風排除速度ヘッド２と、補強部材とされた複数の翼形前端構造支持部材３と、複数のタービン翼４と、ケース化本体６と、回転可能支持テーブル８と、支持タワー９の固定された頂部とを備えている。

同図に見られる構成は、多くの乗員を乗せるジェット航空機において見られるのと同様に、ジェットタービンエンジンの正面視によく似ている。

図３は、上記風力タービンエンジンの背面図である。遮られずに直接背面から見た、風吸込スクープおよび流通用ケース化組立体１の構成が示されている。この組立体１は、内蔵化された（internalized）後方に延長形成された排気流路表面１ｃと、外側翼形状表面１ｄとを備えている。また、複数の前端構造支持部材３と、複数のタービン翼４と、ケース化本体６と、複数の後方構造支持補強部材７と、支持タワー９の頂部に取り付けられた回転可能支持テーブル８とを備えている。

図４は、遮られずに側方から見た上記風力タービンエンジンの側面図である。風吸込スクープおよび流通用ケース化組立体１の外側翼形状表面１ｄと、ケース化本体６と、後方構造支持補強部材７と、支持タワー９の頂部に取り付けられた回転可能支持テーブル８とを備えている。

図５は、本発明の第２実施形態を示した部分断面側面図である。後方延長駆動ロータ５上には、１２枚のタービンロータ翼４，１１が２列設けられている。１２枚の流れ安定化翼を有する静止状態で固定された非回転リング状組立体１０を適切に位置させるため、この流れ安定化翼を有する前記組立体１０と、タービン翼４，１１の各列との間に十分なクリアランスを有するように、上記２列のタービン翼は、後方延長駆動ロータ５上に所定距離だけ離間した状態で設けられている。１２枚の流れ安定化翼を有する非回転リング状組立体は、延長された流通用兼タービン駆動領域表面１ｂの内周面に対して、固定または強固に取り付けられている。後縁延長駆動ロータ５上に設けられた２列のタービン翼４，１１、及びこれら２列のタービン翼間に設けられた流れ安定化翼１０に対する本質的構成とされない他の全ての構成要素は、符号が付されており、図１，２及び３においてそれぞれ説明されている。

関連するコメントおよび説明とともに、上述の詳細な説明に基づき、上述の本発明の各目的は、十分に示され、かつ、容易に達成された。また、本発明の好ましい実施形態が示されるとともに説明されたが、本発明はこれに限定して理解されるものではない。本発明の特許請求の範囲内で、その他の変形を施すことができる。

本発明の一実施形態にかかる部分側断面図である。 回転可能な支柱の頂部に設置された上記風力タービンエンジンの正面図である。 支柱の頂部に設置された上記風力タービンエンジンの背面図である。 支柱の頂部に設置された上記風力タービンエンジンの側面図である。 タービンロータに適用することができる３列翼システムを示した概略図である。

Claims (8)

1. 風力タービンエンジン。
2. 内蔵化された流れ閉じ込め制御チャンバ内に配置された駆動ロータを備え、風力流れの最大量によって複数のタービンロータ翼を駆動する風力タービンエンジン。
3. 複数のロータ翼を備え、各ロータ翼は、軸線中心からその先端までの半径の外側半分の範囲に配置され、
   ロータの排除残余部分によって、流入する全ての風流れを、駆動する各前記ロータ翼に向けて偏向する風力タービンエンジン。
4. 前方吸込領域内で、駆動軸線中心から各タービン翼の外周先端までの半径の５０％又はそれ以上の内側が、前方に延長または突出する半球状ヘッドによって遮蔽され、該半球状ヘッドは、流入する風を該半球状ヘッド周りで増速するとともに偏向させ、有効な出力を得るべく各タービン翼に向かわせ通過させる風力タービンエンジン。
5. 外方に到達する前方開口を有し、該開口は、流入する風を吸込、増速し、圧縮し、かつ、タービンロータおよび翼組立体の前方吸込開口に向けて偏向させる風力タービンエンジン。
6. 蒸気タービンエンジン又はガスタービンエンジンと同様に、内蔵化された風流れ閉じ込め制御チャンバを備え、該制御チャンバの内周面近傍には、複数のロータ翼の外周先端が位置している風力タービンエンジン。
7. 蒸気タービンエンジン又はガスタービンエンジンと同様に、拡大された又は過給された吸込口と、風速を増大させて圧縮する機能部と、制御されて強固に取り囲むチャンバ内に収納された複数のタービン翼と、低圧力排気領域とが、順に構成されている風力タービンエンジン。
8. 蒸気タービンエンジンまたはガスタービンエンジンの熱以外の基本機能の全てを有する風力タービンエンジン。
   

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