JP2007517156A - 水平ロータ構造とされた風力タービンエンジン - Google Patents

Abstract

風力タービンエンジンは、内蔵された閉じ込め制御チャンバと、吸込促進部と、真空誘導排気ポートと、水平配置された回転するロータとを備えている。このタービンの機能は、蒸気タービンエンジンまたはガスタービンエンジンに類似している。制御チャンバの半径は、タービンロータの周囲でスパイラル状に曲がるように徐々に減少する。

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。風力タービンの現状技術において、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捕捉しかつ利用するために、所定の改良を施す必要があるのは明らかである。また、現状のプロペラ式風力タービンは、その大きさの点で上限に近づいていることも明らかになってきた。このような場合の大きさについての経済性は、多数の風力タービンを建設し導入することに関連する。陸上に設置した場合では、動物に関連していえば、低周波で大きな強度の騒音、及び美的外観は、他の重要な検討事項である。

本発明者は、以下の各目的を達成することにより、風力タービンによってさらに高い割合の風力エネルギーを利用できるようになると考えている。
第１の目的は、タービンロータの前方に位置する吸込領域を拡大することである。
第２の目的は、捕捉した風から最大のエネルギー回復を実現する閉じ込め制御チャンバ（containment and control chamber）を提供することである。
第３の目的は、ダービンユニットによって面されるような増大された風速を超えて、風流通速度を増大させる手段を提供することである。
第４の目的は、流通する風を圧縮する手段を提供することである。
第５の目的は、より低い大気圧の排気領域を提供することである。
景観に対するより低い負荷および鳥や動物に対するより低い負荷とされた完成されたユニットパッケージに向けて、配置、構成、囲い、及び外観を改良する必要がある。

本発明は、複数の翼を有する内蔵化されたロータによって、風力エネルギーを利用する。各翼は、中心から比較的遠い半径位置に設けられている。好ましい態様では、各翼は、ロータの半径の４０％外方の範囲に設けられている。この構成により、増大されたトルクが得られる。タービンロータの半径の６０％内側の範囲で遮蔽される吸込風は、エネルギーを無駄にせずに、各翼を駆動するように偏向される。また、本発明は、タービンロータを有する制御チャンバを通して、流入する風を導くとともにその流速を増大させる。蒸気タービンエンジンやガスタービンエンジンと同様に、各タービン翼を駆動するにつれて、風の圧縮が増大される。流入するエネルギーを閉じ込めるとともに方向付けするように制御し、各タービン翼に対して最大のスラスト力を発揮するようにガイドすることによって、捕捉されたエネルギーを有効に増大することができる。ガスタービンエンジン及び蒸気タービンエンジンは、これらの原理を適用する際の好適な事例である。

本発明の新規な構成は、風吸込流通流路（wind
intake and throughput channel）であり、これにより、１８０°だけ流入する風が偏向される。この構成により、特に３つの事項を達成できる。第１に、流通する風速を増大させる。第２に、タービンロータの中心からの半径が徐々に減少し、これにより、流入する風を圧縮し、風の密度を増大させ、各ロータ翼を駆動する能力を向上させる。第３に、流通する風により、ロータ翼の１２枚のうちの８枚、又は、タービンロータ上に設置した翼の枚数の３分の２が常に駆動される。

理論的には、可能な風速増速量は、本発明の風吸込流通流路を通過する風について、Ｄに対して１／２Ｃ（全円を形成する風吸込流通流路の連続する内表面によって定義される全円の円周の半分が当該円の直径で除されたもの）が基本となり、その数値は１．５７対１となる。しかし、通常の各抵抗因子（drag factors）および圧縮に関連するいくつかの可能性のある減速要素によって、増速は大きく減じられ、おそらく２５％以上となる。それにもかかわらず、接近する空気の正味増速量は、利用できる運動エネルギー（Ｗ/m²）を３乗で増大させる。２５％程度の正味風増速量は利用可能な１ｍ^２あたりのワット量を１．２５の３乗すなわち１．９５だけ増加させ、結果として９５％の利用可能なエネルギーを得ることができる。５０％程度の正味風増速量は利用可能な１ｍ^２あたりのワット量を１．５０の３乗すなわち３．３７５だけ増加させ、極めて大きなエネルギーの増大が得られる。

圧縮については、さらに、１ｍ^２あたりの利用可能な運動エネルギーを増大させることができる。接近する空気の質量または重量の増加はまた、３乗の関数となり、利用可能な１ｍ^２あたりのワット量を計算すると、速度が増加するにつれて、２５％の圧縮の増加により、９５％の利用可能な１ｍ^２あたりのワット量を得ることができる。

本発明者は、増速および圧縮を得る上述の手段を、運動エネルギーの増大と称しており、さらに、風力発電ユニットに対して回復可能なエネルギーポテンシャルを増大させる手段に対する共通の専門用語になるべきであると提案している。

本発明は、拡大された導入または吸込領域を有する風力タービンエンジンを備えている。吸込領域の下流には、タービンロータを有するチャンバが設けられ、該チャンバ内で増速および圧縮が行われる。流通した風は、さらに低い圧力の低圧領域内へと排出または排気される。排気領域における減圧は、制御された曲率および排気チャンバ形状によって促進される。

排気圧力の減少は、さらに、タービンハウジング構造の外壁上の風バイパス翼形状によって促進される。これにより、風速が増加させられ、排気チャンバの出口ポートの外縁において低圧（誘引）領域が実現される。

また、タービン吸込領域の左前方側面上に、空気スクープ曲線（air scoop curve）を備えている。これにより、流入する風の拡大領域を偏向させるとともに増速させ、各ロータ翼に対してより直接的に向かわせ、回転方向に風圧を上昇させる。

本発明は、３枚翼プロペラ式風力タービンの現状技術が寸法上の上限に達していることに対して、有利点を有する。本発明は、現状技術で最も大きな３枚翼プロペラ式風力タービンよりも多くの電力エネルギーを発生する大きな風力タービンを建設することができる。発生する電気エネルギーの１メガワットあたりの資本コストは、大きく減じられる。

本発明者は、本発明の１バージョンを設計した。タービンロータは直径１００フィート（３０．４８ｍ）であり、各翼は８００平方フィート（７４．３２ｍ^２）である。１２枚の翼のうちの８枚が同時に風によって駆動され、この風は、６４００平方フィート（５９５ｍ^２）の翼面積を駆動する。非常に大きな量のトルクおよび有効な馬力が得られ、発電機の駆動、または出力を利用する他の機械装置を駆動する。本発明は、使用可能なエネルギーを発生する価値に対するコストに見合った大きさの風力タービンを建設することができる。

風速が突然変化することに関しては、現状技術の風力タービンでは悪影響を及ぼすものであるが、本発明の圧縮領域によれば、風流通流路の外側境界壁によって、損傷を与えることなく風速変化を吸収する。（外側境界壁は、このようなサージや圧力を許容するように適切に補強されなければならない。）風流通流路を通過する風速を７０マイル（１１２．６５ｋｍ）とし、ロータの外周速度がこの風速と同じと仮定した場合、直径１００フィート（３０．４８ｍ）のロータは、ほんの毎分約２０回転で回転するにすぎない。

現状技術において最も大きな３枚翼プロペラ式風力タービンは、地上レベルから回転する翼先端の外周縁までの距離で、３００フィート（９１．４４ｍ）もの高さで地上に建てられている。直径１００フィート（３０．４８ｍ）のロータを有する本発明の回転木馬形式の構成によれば、地上レベルから屋根頂上までの距離で約１００フィート（３０．４８ｍ）の高さで建てられる。このとき、床レベルは地上から３０フィート（９．１４４ｍ）とされる。本発明は、現状技術において最も高い３枚翼プロペラ式風力タービンの半分よりもずっと低いものである。

景観的に及び環境的に、本発明は、現状技術の風力タービンよりも望ましい。それは、景観的に目立たない形状を有し、環境により容易になじむものとなっている。地上の基礎となる小山（mound）には芝生を植えることができ、その閉じ込め構造は魅力的に見えるだろう。特に鳥に対するダメージについては、どんな時でも起こりそうにない。鳥は、速度を上げながら、風流通流路を飛びながら通過するに過ぎないからである。大きな３枚翼の風力タービン特有の別の問題は、大きな強度で低周波の騒音である。本発明は、このような騒音の問題を発生しない。騒音対策が必要となった場合、本発明の形状および構造に対して騒音低減対策を施すことは、煩わしいものではなく、また限定されるものでもない。

本発明者は、特定の需要のために風力エネルギーを捕捉するため、本発明のさらに小さなモデルを、建物の屋上や骨組み構造または塔の上に設置できることを容易に予測できる。また、さらに小さいモデルに対しては、水平軸上にタービンロータを取り付けたものを想像できる。

本発明者によれば、スクープ状、曲線状、または分割されたタービンロータ翼、さらには、風の入力、風の通過および開口の改良について種々の変形を施すことができる。このような変形は、当業者であれば明らかなものである。

本発明の主題に関する本発明者のさらなる一般的なコメントは、率直なコンセプトにしたがって風力タービンエンジンを単純に発明したということである。床の回転、ロータベアリング、機械部品、動力伝達駆動装置およびシステムに関して、本明細書において説明したそれ以上の詳細は、明確に定義されたコンセプトや市場にて入手可能な製品としてすべて公知であり、容易に利用できるものである。本発明に不可欠であると考えられるこれらの事項には、機械工学または現状技術で適切に設計された方法論が考慮される。

図１は、本発明の好適な一実施形態を示した平面図である。床配置およびロータの反転（floor plan and rotor reversal）が、場合によっては整列することが分かる。

図２は、図１に示した実施形態の正面図である。より具体的には、風捕捉開口および相対的なロータの配置が示されている。現地で完全に組み立てられた状態で、操作モード時に、包囲建築物（building enclosure）内に風捕捉開口およびロータが現れる。図１に示したように、風捕捉開口は全開とされている。

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、本発明の好適な一実施形態にかかる平面図である。タービンロータ組立体１は、底部に位置する平坦な円形のベースプレート２と、頂部に位置する同様の形状のプレート（図示せず）と、部分的なスクープ効果、翼強度および安定性を得るための僅かに徐々に曲がる曲部（progressive slight bends）を有するタービン翼３とを備えている。この形式の配置構成において好ましいように、各ロータ翼に対して表面張力を付加する構成としても良い。また、複数の翼先端補強用ストリップ又は部材４と、複数の補強用チューブ又は配管５と、円筒状タービンロータ軸チューブ６と、風吸込開口領域７と、風流れ圧縮流路８と、外側境界閉じ込め壁９とを備えている。外側境界閉じ込め壁９は、圧力閉じ込めのために排出端にて高い強度を有し、排出速度を増大させるとともに存在する風圧を減少させるように曲成されている。外側境界閉じ込め壁９は、３つの短い区画９ａ，９ｂ，９ｃを有しており、これら区画は、部分的に開口し、または全開できるようになっている。これは、非常に高い風速の場合に、タービンハウジング構造に損傷を与えることなく、風力エネルギーを利用し続けるといったような状況を許容するために、外側境界閉じ込め壁９に対して過大な負荷を及ぼす風の圧縮を減少させるためのものである。また、風遮蔽兼流れガイド組立体（wind barrier and flow guide assembly）１１の後方の曲成面によって増大された機能を有する低圧風排出領域１０を備えている。流れガイド組立体１１は、風吸込開口領域７にて、各タービン翼３に向かう流入する風を直接的かつ部分的に増速させる曲成された前面を有している。また、流れガイド組立体１１は、左側部複合翼形状曲面を有している。これにより、その左側外方を流れるバイパスする風速を増加させ、圧力降下を促進させて低圧風排出領域１０内で誘引を生成する特別な形態にて風を引き込む。

また、水平に配置された円形で平坦とされた床部分１２を備えている。この床部分１２は、風流れ方向に向かわせ、または、風吸込開口領域７および風排出領域１０に極端に大きな風が流入しないように、好ましくは回転され得るようになっている。

また、水平に固定された円形で平坦とされた外側周縁床リング１３を備えている。この床リング１３は、その周縁部上に傾斜した頂部外側縁部を有している。また、水平に固定された円形で平坦とされた床部分１４を備えている。この床部分１４は、中心位置まで内方に延在しており、タービンロータの僅かに外側の半径位置からタービンロータ１の下方を通って、階段／エレベータチューブ１６の外周縁まで延在している。このチューブ１６は、構造物の中心に配置されている。また、垂直方向に設けられた円筒状の構造支持壁１５を備えている。この支持壁１５は、タービンロータの内側軸チューブの近傍から上方へと延在している。また、垂直方向に設けられた円形の円筒状階段及び／又はエレベータチューブ１６を有して居る。このチューブ１６は、床部分１４の下方から、構造支持壁１５と同心とされた状態で、直接上方へと延在している。

構造支持壁１５は、その上方および下方の内周面で、タービンロータ１の軸チューブ６を同心状態で吊下げかつ支持する。また、図２に示されているように、構造支持壁１５は、オフィス兼制御室１７および固定された構造屋根区画１８を支持する。この構造屋根区画１８は、支持壁１５からタービンロータ１の頂部外周縁を超えた位置まで半径方向外方に延在している。

支持壁１５は、タービンハウジング構造の全体の安定性および強度のため、また、好ましくは追加された床レベルを許容するため、床レベルにおいて１０フィート間隔といった所定間隔で、階段／エレベータチューブ１６の外面に対して半径方向に横切るように接続されている。

階段／エレベータチューブ１６は、床部分１４の基部よりもかなり下方から上方に延在している。タービンエンジンユニットが設置される土台となる小山または丘の頂上を側方に通過するように延在する曲がった頂部を有する地下通路（図示せず）が設けられている。地下通路は、地上レベルの外側まで設けられており、操作およびメンテナンスを行う作業者および必要な各備品がアクセスできるようになっている。階段／エレベータチューブ１６は、図２に示されたオフィス兼制御室１７の屋根の直下まで上方に延在している。これにより、適切なエレベータおよび関連する駆動システムを十分に配置できる。さらに、チューブ１６の外周には、スパイラル状の階段が設けられている。床部分１４の表面から上述した地下通路まで、さらに階段が下方へと設けられている。この階段は、エレベータが故障した際に作業者が使用する非常の出入り口となる。

図２には、頂部にオフィス兼制御室１７を備えた風力タービンエンジンユニットが完全に設置された状態が示されている。固定された円形で傾斜する屋根区画１８は、図１に示した構造支持壁１５に対して半径方向に取り付けられている。また、図２に示すように、外側屋根部分１９が、注意深く離間されて互いに接続された複数の垂直柱状チューブ（図示せず）によって、図１に示した回転可能とされた床部分１２に対して基部が取り付けられている。これにより、図２に示した固定された屋根区画１８と、図１に示した外側で風路を制限する外側境界閉じ込め壁９との間の領域を取り囲むようになっている。

また、図２に示すように、たいていの州や国においてオープンエリアでは高い構造物に対して通常必要とされる航空用クリアランスライト（navigational clearance light）２１のための支持ポール又はチューブ２０が立設されている。

電力を取り出すシステム、発電機、及び基本的な電気スイッチ、ギア等の関連する機械部品および装置は、固定された内側の床部分１４上の地上階レベルに設置することができる。この床部分１４は、円筒状の支持壁１５と中央のエレベータチューブ１６との間に、床レベルの下方に形成された凹所を備え、この凹所に必要部品等を収納できるようになっている。また、円筒状の支持壁１５には、アーチ状でかつ円形とされた複数の開口が連続して設けられており、必要な潤滑やメンテナンスを容易に行うために、ベアリング、駆動部品、同心センタリングローラ等にアクセスできるようになっている。

発電した電力を外部系統へと供給する電力用ケーブルが、固定された内側の床部分１４上または下方の発電領域から下方の出口まで、タービンエンジンの設置基礎である丘または小山の外側から導かれているアクセストンネルを介して配設されている。

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。

本発明の好適な一実施形態を示した平面図である。 図１に示した実施形態の正面図である。

Claims (9)

1. 風力タービンエンジン。
2. 内蔵化された流通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、最大の風流通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. より大きな機械的有利点を得るために、ロータの半径の半分よりも外側に配置された複数のロータ翼を有し、風によって駆動されるロータの半径の５０％またはそれ以上の内側を遮蔽することにより移動された流入する風の全てを偏向させる風力タービンエンジン。
4. 内蔵化された風流通制御チャンバを備え、当該風力タービンエンジンの駆動ロータの半径中心から、前記チャンバの外側閉じ込め壁までの半径方向距離は、前記タービンロータの周囲を曲がりながら進むにつれて徐々に減少し、流通する風に対して、風速を増加させ、かつ、圧縮因子を増加させる風力タービンエンジン。
5. 内蔵されたタービンロータの周囲の大部分を取り囲む内蔵化された風流通制御チャンバを備え、風の流通が向かって集中する前記チャンバの形状および性質により、前記内蔵されたタービンロータ状の各翼の３分の２またはそれ以上の数の翼が常に駆動される風力タービンエンジン。
6. 流通する風の圧縮とともに流通する風の増加が行われ、かつ過給効果を有する拡大された吸込領域と、該吸込領域の下流に設けられ、低圧または真空とされた排気領域またはポートとを備えた風力タービンエンジン。
7. 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を有する風力タービンエンジン。
8. 自己閉じ込め筐体内に配置または収納され、収納、外観、形態または筐体は、環境または設置領域内に容易にとけ込む形状とされ、より目立たず、取り囲む環境または設置領域内でより魅力的とされた風力タービンエンジン。
9. 毎時１０ｋｍから１００ｋｍ（毎時６．２１から６２．１マイル）の範囲の風速で、使用可能な出力を提供する風力タービンエンジン。

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