JP2010537113A

JP2010537113A - 風力電気装置

Info

Publication number: JP2010537113A
Application number: JP2010521808A
Authority: JP
Inventors: アレクサンダーイバノビッチオフチニコフ
Original assignee: アルターテクノロジーリミテッド
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2010-12-02
Also published as: CN101772639A; US20100201132A1; CA2697080A1; BRPI0815615A2; RU2345245C1; WO2009031927A1; EP2189653A1

Abstract

【課題】風力電気装置を提供する。
【解決手段】環状吸気シェルと環状の外殻とを備えた風力電気装置であって、環状吸気シェル内には、同軸に配置されたタービンが設けられる。機械的エネルギーを変換するための機構が、タービンに運動学的に連結される。外殻は吸気シェルに対して偏心して設置される。偏心率の値は、その外殻の内表面の最小断面により規定される円の直径の０．０１以上０．２４以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電に関し、特に風力エネルギーを電気またはその他のエネルギーに変換する風力電気装置に関する。本発明は、産業、農業、およびその他の経済活動の分野などに使用することができる。

環状の吸気シェルと、吸気シェル内に同軸に設置されたタービンと、機械的エネルギーを変換するタービンに運動学的に連結された機構とを備えた風力電気装置が知られている（１９８０年８月１９日公開の米国特許Ｎｏ．４２１８１７５，ｃｌ．Ｆ０３Ｄ１／０４を参照）。

公知の装置の問題点としては、タービン翼上で生み出す空気流の不均一な効果、機械的エネルギーを変換する機構によって生成された電流のパラメータを不安定にさせる可変Ｇ負荷の原因となる要因、および空気流エネルギーの不完全な利用比較的低い効率が挙げられる。

技術的な本質に関して最も近いものおよび達成可能な技術的結果は、環状吸気シェルと、吸気シェル内に同軸に設置されたタービンと、機械的エネルギーを変換するタービンに運動学的に接続された機構と、環状の外殻を備えた風力電気装置である（２００５年２月１０日公開の特許参照Ｎｏ．２２６１３６２，ｃｌ．Ｆ０３Ｄ１／０４を参照）。

米国特許第４２１８１７５号公報米国特許公開第２２６１３６２号公報

公知の装置の構造は、タービン上の空気流の速度を上昇させる排出装置の働きをする環状の外殻を備えているので、上記の風力電気装置の欠点を部分的に除去し、それにより風力電気装置の性能が向上する。最も関連のある従来技術として選ばれた公知の装置の欠点は、比較的低いその動作信頼性である。

周知のように、風力電気装置は、特定の範囲の空気流速度で最も好ましく動作する。空気流の速度（瞬間風速）が設計範囲を超えると、吸気シェルに入る空気流のエネルギーと外殻により生み出される排出の両方が増加する。それによってタービンの回転速度が増加し、計算値を上回ることになる。

前記タービンの回転速度の増加は、機械的エネルギーを変換するためタービンに運動学的に連結された機構の速度を増加させる。このように、従来の装置の構成要素は、増大した負荷において動作し、それが装置全体の動作信頼性を低下させる原因となる。

また、増加する空気流の速度（瞬間風速）が設計範囲を超えたときに表われる可変Ｇ負荷は、機械的エネルギー変換機構によって生成されるエネルギーパラメータ（たとえば電流）を不安定にさせることとなる。

本発明は、風力電気装置の信頼性のある動作を確保し、タービンに供給されるある量のエネルギーを自動的に調節することによって、空気流速度の急激な増加から装置を保護することによって生成されるエネルギーパラメータの安定性を維持することができる風力電気装置を作製するという課題に解決することを目的とする。

本発明を実行することで達成可能な技術的結果は、空気流の速度が計算値以上に増加するときに、タービンを通過する排出の程度を減少させることによって、タービンの回転速度を安定化させることにある。

設定された課題は、環状吸気シェルと、吸気シェル内に同軸に設置されたタービンと、機械的エネルギーを変換するためにタービンに運動学的に連結された機構と、吸気シェルに対して偏心して設置された環状の外殻とを備えた風力電気装置であって、偏心率は、その外殻の内表面の最小断面により規定される円の直径の０．０１以上０．２４以下である風力電気装置によって解決される。

さらに、設定された課題は、外殻が、吸気シェルの対称の軸線に垂直な平面吸気シェルに対して中間の位置で運動と固定が限定されるように、外殻が設置されることよって解決される。

さらに、設定された課題は、吸気シェルに対する外殻の偏心率を変化させる機構を備えることよって解決される。

さらに、設定された課題は、吸気シェル、および／または、外殻の外表面のシリンダーの側面によって形成されることによって解決される。

さらに、設定された課題は、吸気シェル、および／または、外殻の内表面の円錐体の側面によって形成されることによって解決される。

さらに、設定された課題は、吸気シェル、および／または、外殻の内表面のシリンダーの側面によって形成されることによって解決される。

本発明によれば、風力電気装置の信頼性のある動作を確保し、タービンに供給されるある量のエネルギーを自動的に調節することによって、空気流速度の急激な増加から装置を保護することによって生成されるエネルギーパラメータの安定性を維持することができる風力電気装置を作製することができる。

図１は、風力電気装置を示す図である。図２は、図１を矢印Ａの方向から見た図である。図３は、風力電気装置の別の構造実施例を示す図である。図４は、吸気シェルに対する外殻の偏心率を変化させる機構を示す図である。

以下に、本発明の特定の実施例を示す図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

風力電気装置は、例えば、翼形状の、縦断面において流線形の環状吸気シェル１を備えている。少なくとも１つのタービン２が、吸気シェルの内側にそれと同軸関係で設置されている。すなわち、タービン２の対称の軸線は、吸気シェル１の対称の軸線３上に配置される。

タービン２の上流側にはカウル４が設けられ、吸気シェル１にカンチレバー（図示せず）によってしっかりと固定される。タービン２は、機械的エネルギーを変換するための機構５に運動学的に連結され、例えば、地面に固定されるように、または車に固定されるベースとして、支柱の形状の支持部（図示せず）上に設置される。

タービン２は、風の方向に合わせて風下に装置の向きを変えるように、枢動可能に支持部に接続される。機械的エネルギー変換機構５は、例えば、発電機、油圧ポンプ、または圧縮機として設計される。タービン２と機械的エネルギー変換機構５との運動学的関係は、例えば、ベルト駆動、プロペラシャフト、または歯車伝動装置として構成される。機構５は中心体６の中に配置される。

吸気シェル１は、例えば、カンチレバー７によって環状の外殻８に接続され、外殻８は、例えば、縦断面において翼の形状の流線形をしている。

この装置は、外殻８または中心体６上に設けられた風向計表面（図示せず）を備えており、それによってプラントを容易に風下方向に向けることができる。外殻８は吸気シェル１に対して偏心して（Ｅ）設置される。すなわち、外殻８の対称の軸線９は、吸気シェル１の対称の軸線３に対して平行に広がり、後者に対して偏っている（距離Ｅ）。また注目すべき条件としては、偏心率の値（Ｅ）は、その外殻８の内表面１０の最小断面により規定される円の直径（Ｄ）の０．０１以上０．２４以下である（すなわち、０．０１Ｄ≦Ｅ≦０．２４Ｄ）。

この装置の幾何学パラメータ間の前述した関係は、空気力学的な見地で実行された研究の際に実験的に得られたものである。この装置の幾何学パラメータ間の前述した関係の範囲の下限は、偏心率の値を規定する。ただし、計算値の空気流速度の最大余剰は約２５％である。

偏心率の値が前述した範囲の下限値から逸脱すると、吸気シェル１に対する外殻８の変位は、外殻８の吸気口における空気流に対する局部抵抗を生み出す。それは、装置の動作に悪影響を及ぼし、空気流の定格速度において、風力電気装置の効率を低下させる。

この装置の幾何学パラメータ間の前述した関係の範囲の上限は、計算値の空気流速度の最大余剰が約２００％であるという条件で、偏心率の値を規定する。偏心率の値が前述した範囲の上限値を超えても、吸気シェル１に対する外殻８の変位は、実質的には外殻の吸気口における空気流に対する局部抵抗を生み出さない。したがって、タービンの下流側で排出量が減少するために、タービンの回転速度は減少しない。偏心率の具体的な値は、与えられた領域、装置の幾何学的特性、およびその他のパラメータにおける空気流速度の統計データを考慮して、クレームの値の範囲から選択される。

この装置の別の構造の実施例の一つにおいて、吸気シェルの対称の軸線３に垂直な平面吸気シェル１に対して中間の位置で運動と固定が限定されるように、外殻８が設置される。この運動は、例えば、縦方向に移動自在な２つの部品からなる、伸縮自在のカンチレバー７（図４）によって行われる。カンチレバー７の２つの部品を中間位置で互いに固定すると、開口部１１が設けられ、止め具（図示せず）を配置する。

吸気シェル１に対する外殻８の間隔の変化を補正するために、カンチレバー７を吸気シェル１の対称の軸線３に垂直な平面カンチレバー７の部品の端部は、吸気シェルと外殻のそれぞれに枢動可能に連結される（図示せず）。

風力電気装置のさらに別の構造の実施例においては、吸気シェル１に対する外殻８の偏心率（Ｅ）を変化させる機構を設ける（図示せず）。この機構は、互いに移動自在な２つの部材を設ける従来の機構でもよい。例えば、吸気シェル１に対する外殻８の偏心率（Ｅ）変化機構は、少なくとも１つのカンチレバー７内に収容される水圧シリンダーまたは空気圧シリンダーとして設計される。カンチレバー７の本体は、吸気シェル１または外殻８、および吸気シェル１または外殻８上の棒にそれぞれしっかりと取り付けられる。

風力電気装置のさらに別の構造の実施例においては、吸気シェル１の外表面１２のおよび／または外殻８の外表面１３のシリンダーの側面によって形成される。

風力電気装置のさらに別の構造の実施例においては、吸気シェル１の内表面１４のおよび／または外殻８の内表面１０円錐体の側面によって形成される。

吸気シェル１の内表面１４のおよび／または外殻８の内表面１０のシリンダーの側面によって形成される（図示せず）。

風力電気装置は以下のように動作する。

風向計の表面によって、風下方向に向いている装置の対称の軸線３に沿って動く空気流は、吸気シェル１を介して、タービン２に入り、タービン２を回転させる。

タービン２は、機械的エネルギー変換機構５に運動学的に連結されているので、必要に応じて、機械的エネルギー変換機構５は空気流のエネルギーをある種のエネルギーに変換する動作を開始する。

同時に、空気流は、外殻８の内表面１０と外表面１３に沿って移動し、タービン２の下流における装置の後方で、噴出による排出を生み出す。空気流は、吸気シェル１の吸気口の側からと、外殻８の排気口の側からとの二つのエネルギー流束によって動作するときに、最高速度に達する。それによって、空気流から最大エネルギーを容易に取出すことができる。

注目すべき点として、外殻８の吸気口は、いくつかの部分のうちの一つで縮小する幅を有する円として形成されている。外殻８の吸気口の幅の減少は、吸気シェル１に対して偏心して（Ｅ）設置される外殻８の配置にとって必要である。

（Ｅ）の値は、空気流の定格速度によって選択される。外殻８の吸気口の幅の減少は、排出の生成に関連する空気流の効率には影響を及ぼさない。すなわち、風力電気装置は最大空気流エネルギーを取り出すための動作条件で機能する。

空気流の速度が、（強い突風などで）計算値以上に上昇すると、吸気シェル１を介してタービン２に入るエネルギー流束の量が増加する。そして、外殻８の排気口の側から入る第２のエネルギー流束の量は減少する。

排出の生成に関連する空気流の効率の減少は、外殻８に入る空気流の速度が計算値以上に増加すると、外殻８の吸気口の領域の減少が、外殻８を経由する空気流の通過速度を低下させる局部抵抗の働きをすることに起因する。

外殻８を経由する空気流の通過速度の低下は、排出の生成時に空気流が生じさせる効果を低減させる。このように、空気流の速度が計算値を超えると、吸気シェルの側からタービン２に入るエネルギー流束が増加するのと同時に、外殻８の排気口の側からタービン２に入るエネルギー流束が減少する。

空気流の定格速度および空気流速度の著しい増加のために、タービン２に供給される全エネルギー流量は実質的には変わらない。空気流（風）の速度がさらに増加すると、外殻８に入る空気流に対する局部抵抗の領域が増加する。すなわち、外殻８を経由する空気流の通過速度がさらに低下する。

空気流の速度がさらに計算値まで低下すると、タービンに供給されるエネルギー流束の再分配が起こる。すなわち、吸気シェル１を介してタービン２に供給されるエネルギーの量は減少し、外殻８を活用した空気流の放出によってタービン２に供給されるエネルギーの一部は増加する。

このように、空気流の速度がその計算値まで低下すると、吸気シェル１に対する外殻８の変位（Ｅ）が空気流の定格速度で）空気流に全く影響を及ぼさなくなるまで、空気流に対する局部抵抗の領域が減少する。

空気流の速度が変化すると、タービン２に入るエネルギー流束は、再分配によって自動的に調節される。再分配は、環境条件の変化（突風など）にかかわらず、タービン２の出力軸の安定した速度での回転を可能にする。作動中のタービンの回転速度の安定性は、装置の部品の最大負荷の値を低減する。したがって、装置の信頼性と耐用年数が全体的に向上する。

例えば、特定の気候条件における定格風速が６〜７ｍ／ｓで、最小断面における外殻８の内表面１０を規定する円の直径（Ｄ）が３．０ｍである場合、吸気シェル１に対する外殻８の偏心率の値（Ｅ）は、０．０３ｍ以上および０．７２ｍ以下となる。一定の範囲からの具体的な値（Ｅ）は、特定の気候地域最大風速特性の値に関連して選択される。たとえば、前記のパラメータを使うと、空気流の最大速度が９．０ｍ／ｓである場合、（Ｅ）の値は約０．０５ｍとなる。また、空気流の最大速度が１４．０ｍ／ｓである場合、（Ｅ）の値は０．６５ｍとなる。

１環状吸気シェル
２タービン
３軸線
４カウル
５機械的エネルギー変換機構
６中心体
７カンチレバー
８外殻
９軸線
１０内表面
１１開口部
１２外表面
１３外表面
１４内表面

Claims

環状の吸気シェルと、吸気シェル内に同軸に設置されたタービンと、機械的エネルギーを変換するためにタービンに運動学的に連結された機構と、吸気シェルに対して偏心して設置された環状の外殻とを備えた風力電気装置であって、
偏心率は、その外殻の内表面の最小断面により規定される円の直径の０．０１以上０．２４以下であることを特徴とする風力電気装置。
前記吸気シェルの対称の軸線に垂直な平面内において、吸気シェルに対して中間の位置で運動と固定が限定されるように、前記外殻が設置されることを特徴とする請求項１に記載の風力電気装置。
前記吸気シェルに対する前記外殻の偏心率を変化させる機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の風力電気装置。
前記吸気シェル、および／または、外殻の外表面の少なくとも一部が、回転シリンダーの側面によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の風力電気装置。
前記吸気シェル、および／または、前記外殻の内表面の少なくとも一部が、回転円錐体の側面によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の風力電気装置。
前記吸気シェル、および／または、前記外殻の内表面の少なくとも一部が、回転シリンダーの側面によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の風力電気装置。