JP2008520894A - 縦軸型タービン装置 - Google Patents

Abstract

縦軸型タービン装置においては、固定された基部に取り付けられた回転可能なブレードタービン部材は、１個ないし５０個、好ましくは２個又は３個の上下方向に傾斜した翼桁（Ｆ）備えている。各翼桁には、少なくとも１つの空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレード（Ｓ）が設けられている。複数の翼桁を備えている場合、これらの翼桁は、複数の支え線（Ｔ）を介して互いに好ましく支持しあっている。

Description

本発明は、縦軸型タービン装置に関するものであって、とくには、限定されるわけではないが発電用の縦軸型タービン装置に関するものである。

風からエネルギを生成することができるということは、何世紀も前から知られている。風車は、多くの国において中世風の景色に特徴なものとしてなじみ深いものであり、現在においても世界中で種々の大きさの風車が用いられている。風により駆動されるタービンの１つの特別な利用方法は、電気を生成することである。

化石燃料の枯渇と、化石燃料の使用によって生じる可能性がある環境の悪化とについての懸念が高まるのにつれて、風力タービンによる発電、とくに大規模な発電について関心が再び高まりつつある。

多くの国では、いわゆる「ウィンドファーム（wind farm）」が、このような風からエネルギを得ることを目的として建設されている。一般に、このようなウィンドファームには、複数の塔が配列されている。各塔は、その頂部で、風の方向に向かうことができるように旋回可能な頭部を担持している。この頭部には、複数のタービンブレードが取り付けられている。これらのタービンブレードはすべて、プロペラ型のブレードと同様に、単一の回転ハブに結合されているが、モータによってではなく風によって駆動され、プロペラと同様に前向きの推進力（forward thrust）を生成する。このような水平軸型の風力タービン装置に関するかなりの数の刊行物が存在する。

このような装置を用いた市販の発電装置は販売が始まったばかりであるが、これらが田舎の景色に置かれた場合、これらを見る者にとって目障りとなることが懸念される。風力タービンを沖合（海上）に建設すれば、目障りとなることが少なくなり、装置の数及び全体の大きさに対する異議をなくすことができる。沖合の風力タービンの寸法を大きくすれば、所望の量の電力を供給するのに必要な風力タービンの数を低減することができ、海岸への電気接続のためのコストを低減することができる。

水平軸型の風力タービン装置の寸法に対する１つの制約要素は、ブレードが回転する際にそれらの重量によって惹起されるブレードの繰り返される反転曲がり（repeated reversal of bending）により生じる疲労損傷（「金属疲労」）である。ブレードの重量によって惹起される疲労損傷は、その他の設計変更が行われないものとすれば、ブレードの寸法に比例して増加する。ブレードの寸法が大きくなるのに伴って、設計者は、疲労に対して優れた抵抗性を有する異なる材料を用いることが強制される。しかし、このような材料は、通常、より高価であり、装置のコストパーフォーマンス（性能価格比）を低下させる。

ブレードが縦軸（垂直軸、鉛直軸）のまわりに回転する風力タービン装置は、重量によって惹起される反転曲がりは生じないが、風圧の負荷によって惹起される疲労損傷が生じる。しかしながら、風圧による疲労は、いわゆる縦軸型風力タービン装置の寸法によって増加することはなく、したがってその寸法を制限することはない。

縦軸型風力タービンを用いる電力の生成について、過去に多数の提案がなされている。いわゆるサボニアス型（Savonius）及びダリウス型（Darrieus）のものに関してかなりの数の文献が存在し、実用的な発電ユニットが建設されている。しかしながら、それらに良好な進歩はほとんど認められず、商業的なウィンドファームのオペレータにとって好ましいものは見当たらない。縦軸型風力タービンが進歩しないのは、水平軸型タービンと比べて、運転効率が低いものと認められるからである。

特許文献１は、選択可能な角度で水平面に対して上向きに傾斜した１対のブレードが設けられ、ブレードの下端部が鉛直軸のまわりの回転が可能なシャフトに取り付けられている縦軸型風力タービンを開示している。しかし、この仕様の風力タービンは、商業的に普及するとは考えられない。また、この仕様の風力タービンは、装置全体に対する非常に大きい転倒モーメント又は転覆モーメントを惹起する風圧力を生成するといった欠点がある。転倒モーメントに耐える構造とするためのコストは、風力タービンの経済性を損ねる。

引用文献２は、風圧の作用の下で揺動することができ、釣り合い質量の抵抗に対抗する鉛直軸のまわりに回転する釣り合った単一の傾斜ブレードを備えた類似の縦軸型風力タービンを開示している。この仕様の風力タービンは、転倒モーメントは低減するが、重量が大きく不経済な釣り合い質量とブレードとを必要とする。
英国特許出願公開第２１０２０７９号明細書 英国特許出願公開第２３０３４０９号明細書

流水から動力（電力）を取り出すためのタービン装置も知られている。具体的には、中世風の水車から、水中に配設され水流から動力（電力）を取り出すようになっているより現代的な仕様のタービン、いわゆる水力発電装置に至るまでの、種々のものが知られている。

かくして、本願発明者は、経済的に設置することができる従来の水平軸型タービンよりも進歩した、所望のある寸法まで大型化することができる縦軸型タービンのための新規な仕様ないしは態様を発見した。この新規な仕様ないしは態様の縦軸型タービンは、陸上又は沖合で、風又は水の流れから動力（電力）を取り出すための風力タービンとして用いることができる。

本発明は、その最も広い態様において、固定された基部（base）と、この固定された基部に取り付けられ鉛直回転軸（vertical axis）のまわりに回転することができる回転式のブレード付きタービン部材とを備えている縦軸型タービン（vertical axis turbine）を提供する。この縦軸型タービンにおいては、ブレード付きタービン部材は、鉛直回転軸から上下方向に傾斜している少なくとも１つの傾斜した長い翼桁（spar）を備えている。各翼桁は、その上に、少なくとも１つの短い空中翼断面ブレード（aerofoil section blade）又は水中翼断面ブレード（hydrofoil section blade）を支持している。好ましくは、翼桁に対する相対的な短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードの角度は、該縦軸型タービンに風又は水の流れの負荷がかかったときに全体的な転倒モーメント（overturning moment）が最小となり、かつ、鉛直回転軸まわりの全体的な回転結合が最適となるように調整されている。複数のブレードが設けられている場合、上記角度は全てのブレードについて同一であることは必要ではない。空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードのための支持構造として機能する長い翼桁は、それ自体必然的に負荷となるので、好ましくは抵抗（drag）を最小にする空中翼断面又は水中翼断面を有することが必要である。

好ましくは、翼桁の数は２個又は３個である。ただし、要望があれば、５０個までは設けることができる。複数の翼桁が存在する場合、これらの翼桁は、各翼桁と該翼桁に対向し又は隣り合う翼桁とを連結する複数の支え線又はその他の同様の手段によって互いに支持しあっているのが好ましい。鉛直軸（垂直軸、縦軸）に対する各翼桁の傾斜の角度は、例えば各翼桁をその根元部で蝶番結合するとともに支え線を短くし又は長くすることにより、調整することができる。短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードの数は、好ましくは１ないし２０であり、より好ましくは２ないし５であり、最も好ましくは４である。

ブレード及び翼桁の空気力学的プロフィル（aerofoil profile）又は水力学的プロフィル（hydrofoil profile）、すなわちそれらの前方側縁部（leading edge）から後方側縁部（trailing edge）までのそれらの断面（section）は、それらの種類に応じて、厚さ・翼弦比（thickness-to-chord ratio）及びキャンバ（camber）を変更してもよい。風力タービンについては、ブレードの空気力学的プロフィルは、１０％ないし５０％の範囲内の最大厚さ・翼弦比を有しているのが好ましい。

短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードの各々のアスペクト比（aspect ratio）は、好ましくは２ないし５の範囲内であり、最も好ましくは３ないし４の範囲内である。

短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードを各翼桁に取り付ける角度は、翼桁の中心線を含み径方向及び鉛直方向（垂直方向）に広がる平面において径方向にみて外側の水平方向に伸びる線から測定して、好ましくは９０°ないし１６０°の範囲内であり、最も好ましくは１４５°付近である。

短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードの各々を１つの翼桁に取り付ける角度、すなわちピッチ角は、短いブレードの鉛直断面平面ないしは垂直断面平面（normal cross-sectional plane）において翼桁の中心線を含み径方向及び鉛直方向（垂直方向）に広がる平面に対して垂直な水平方向の線から測定して、好ましくは５°と−５°との間の範囲内である。この取り付け角度は、各ブレードについて同一であっても、また異なっていてもよい。この角度は、風又は水の流れからエネルギを得るタービンの効率を最大にするように調整すべきである。しかし、このような角度の調整を他の目的のために用いることもまた可能である。例えば、１つ又は複数の短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードのピッチ角を、漸進的な態様（progressive manner）で９０°まで変化させることにより、空気力学的又は水力学的な制動効果を実現することができる。これは、例えば流量が非常に広い範囲にわたる状況、又は流量が大きい状況において出力を制限する制御などといった、各種制御を行うことを可能にするといった効果を生じさせる。また、１つ又は複数の短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードは、タービンの出力を最大にするために、補助翼（aileron）のような翼幅方向の（span-wise）蝶番のまわりにブレードの最後部を、＋９０°と−９０°との間の角度範囲内で循環的に回転させる手段を備えていてもよい。

本発明に係るタービンの寸法は、より多くの電力を生成することができるより大きい寸法に実質的に変更することができるのはもちろんである。１メガワットの設計容量の風力タービンについての典型的な寸法は次のとおりである。すなわち、翼桁の外側先端部によって水平方向に通過する（swept out）円の直径は１００メートルであり、ブレードの翼幅方向の（spanwise）長さは１６メートルであり、翼弦（chord）の長さは５．５メートルである。

上下方向に傾斜した翼桁の構造は、幅広い範囲で変更することができる。すなわち、上向きかつ外向きに伸びている中央の１つの単体の翼桁のような単純なものであってもよい。また、例えば個々の短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードを取り付ける機能を有する骨組み（framework）を構成する複数（多数）の部分翼桁（sub spar）を備えた複雑な構造のものであってもよい。好ましくは、翼桁の断面（横断面）、あるいは支柱（support struts）又はこれらと係合する連結部材（ties）などのその他の部材の断面（横断面）は、抵抗を最小にするための空中翼断面又は水中翼断面である。これらの制約の範囲内で、幅広く種々の仕様を採用することができる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の単なる例示として、実施の形態をより詳しく説明する。

まず、図１及び図２に示すように、風力タービン装置は、複数の支え線Ｔによって連結された２つのアームＦを備えている。各アームは、複数の短い空中翼ブレード部Ｓを支持している単一（single）の翼桁（スパー）を有している。

２つの翼桁Ｆは、それらの根元部で、基部Ｂに回転可能に設けられたハブＨと一体となっている。風が吹いたときには、アームＦとブレードＳと支え線Ｔとを含む組立体は、基部Ｂの鉛直軸（垂直軸、縦軸）のまわりに回転し、適当なシャフトにより、歯車を介して、あるいは好ましく直接的に、適当な形式の発電装置を駆動することができる。図１及び図２に示すタービン装置の全体としての寸法は、広い範囲にわたって変えることができる。寸法が大きければ大きいほど、技術的な経費は増大するが、その回転によって生成することができる電力の量も多くなる。

図３及び図４は、複数の短い空中翼ブレード部Ｓを支持する結合部と複雑な支柱（筋かい）からなる骨組みとを有する２つのアームを備えた風力タービン装置を示している。

アーム又は翼桁を形成している結合部及び支柱は、それぞれ、風の抵抗を最小にする空中翼断面（aerofoil section）を有するものである。これらの図から明らかなとおり、各空中翼断面の前方側の縁部は、該装置の中心を通る鉛直軸のまわりにみれば、同一の周縁方向を向いている。そして、風が該装置を水平方向に吹き抜けるときに、各空中翼部は図３中においてＲで示す回転方向に回転させられる。

図３から容易に分かるように、２つのアームは全体としては円柱形の基部Ｂの上に載っている。この図から分かるように、２つのアームは、その各根元部で、１対の取り付け突起部に対してピボット回転可能に取り付けられている。これにより、各アームは、Ｆ’で示す３つの支柱を取り外せば、Ａで示す全体としては水平な軸のまわりに回転することができる。これは、例えば鳥の衝突によって生じる空中翼の損傷を修理することを可能にするといった効果を奏する。

基部Ｂは、適当な支持システムの上に取り付けられ、風が吹いて図３及び図４に示す組立体が回転したときに電力を生成するために、発電機を直接又は間接的に駆動する手段が設けられている。

水中のタービン装置も、生じうる特有の条件を考慮すれば、前記と同様の仕様でつくることができる。注意深く設計を行うことにより、技術的なコストの節約を実質的に図ることができ、例えば水中翼の部材を中空にすることにより、回転可能なタービンの部材の有効重量を大幅に低減することができる

本発明に係る縦軸型風力タービン装置の斜視図である。 図１に示す装置の縦断面図である。 代替的な実施の形態の斜視図である。 図３に示す実施の形態の縦断面図である。

符号の説明

Ｂ 基部、Ｆ アーム、Ｈ ハブ、Ｓ ブレード、Ｔ 支え線。

Claims (15)

1. 固定された基部と、上記の固定された基部に取り付けられ鉛直回転軸のまわりに回転することができる回転式のブレード付きタービン部材とを備えている縦軸型タービンであって、
   上記ブレード付きタービン部材は、上記鉛直回転軸に対して上下方向に傾斜している少なくとも１つの傾斜した長い翼桁を備えていて、
   各翼桁は、少なくとも１つの短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードを担持していることを特徴とする縦軸型タービン。
2. 上記翼桁に対する上記の短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードの角度は、該縦軸型タービンに風又は水の流れの負荷がかかったときに全体的な転倒モーメントが最小となり、かつ上記鉛直回転軸まわりの全体的な回転結合が最適となるように調整されていることを特徴とする、請求項１に記載の縦軸型タービン。
3. 上記翼桁が、抵抗を最小にする空中翼断面又は水中翼断面を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の縦軸型タービン。
4. 上記翼桁の設置個数が２又は３であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の縦軸型タービン。
5. 上記翼桁は、各翼桁と該翼桁に対向し又は隣り合う翼桁とを連結する複数の支え線又はその他の同様の手段により、互いに支持しあっていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の縦軸型タービン。
6. 上記翼桁の傾斜の角度を変更することができることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の縦軸型タービン。
7. 各翼桁は、水平な蝶番線のまわりに回転できるように基部の部材に蝶番連結され、その傾斜の角度を変更することができるようになっていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の縦軸型タービン。
8. 上下方向に傾斜した翼桁は、個々の短い空中翼断面ブレードを取り付けるための骨組みを構成する複数の部分翼桁によって構成されていることを特徴とする、請求項７に記載の縦軸型タービン。
9. 短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードの数が２ないし５であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の縦軸型タービン。
10. 風力タービンとして構成されていて、
    上記ブレードの空気力学的プロフィルは、１０％ないし５０％の範囲内の翼弦比に対して最大の厚さを有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１つに記載の縦軸型タービン。
11. 上記の短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードの各々のアスペクト比が２ないし５の範囲内であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の縦軸型タービン。
12. 上記の短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードを各翼桁に取り付ける角度は、上記翼桁の中心線を含み径方向及び鉛直方向に広がる平面において径方向にみて外側の水平方向に伸びる線から測定して、９０°ないし１６０°の範囲内であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の縦軸型タービン。
13. 上記の短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードの各々を１つの翼桁に取り付ける角度は、上記の短いブレードの鉛直断面平面において上記翼桁の中心線を含み径方向及び鉛直方向に広がる平面に対して垂直な水平方向の線から測定して、＋５°と−５°との間の範囲内であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の縦軸型タービン。
14. 上記の短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードのうちの１つのもの又は複数のものを取り付ける角度を９０°まで漸進的な態様で変化させて、空気力学的又は水力学的な制動効果を生じさせる手段を備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の縦軸型タービン。
15. 該縦軸型タービンの出力を最大にするために、上記の短い空中翼断面ブレード又は水中翼断面ブレードのうちの１つのもの又は複数のものを、上記ブレードの長手方向と平行な軸のまわりに上記ブレードの最後部を、−９０°と＋９０°との間の角度範囲内で循環的に回転させる手段を備えていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１つに記載の縦軸型タービン。

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