JP2011021609A - ウインドタービン - Google Patents

Abstract

【課題】風の条件に応じて最適な方向に配向させることができるウインドタービン用のロータ、およびウインドタービンを提供する。
【解決手段】複数の半径方向のブレード３０とこれらのブレードの外先端部を連結するリング状翼形ディフューザー２１を持つロータ２０と、回転軸線２６と直交する方向軸線４２のまわりにナセル４１とロータの回転を許容するようになっている取付け手段４０とを備えており、さらにタービンを風の条件に応じて最適な方向に配向させることができるファーリング手段５０を備えている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ウインドタービンに係り、より詳細には、屋根に取付けるためのものであって、（家庭用または商業用）加熱装置、エネルギ保存装置、電気保存装置または地方または全国電気送電網とともに使用するためのウインドタービンに関する。

英国政府は、京都合意下において、ＣＯ_２放出量を２０１０年までに１０％だけ減少させると公約し、スコットランド行政官は更に厳しい環境目標を設定した。従って、最近、再生可能なエネルギ源についての強調があった。エネルギ需要の分析の結果、英国の年間エネルギ需要の４７％が建物からであり、これは英国のＣＯ_２放出量の４０％を与えている。

本発明の技術は、建物の３３％以上にかなりの経済的利点をもたらし、英国のＣＯ_２放出量を１３％位だけ減少させることができる。

電力を供給するために屋根に取付けるのに適した大きさの既存のタービンは、円滑な空気流のみ用に設計されており、建物の上方およびまわりに見られる圧縮された乱流の空気流では激しく揺れてノイズおよび不十分な発電を生じてしまう。

本発明の目的は前述の問題のうちの１つまたはそれ以上を解消することである。

本発明の第１の特徴によれば、複数の半径方向のブレードと、これらのブレードの外先端部を連結するリング状翼形ディフューザーとを備えているウインドタービン用のロータが提供される。

好ましくは、翼形ディフューザーはブレードの外先端部から下流に延びている。ブレードの外先端部はディフューザーの前縁部のところ或いはその近くでディフューザーに連結されてもよい。

好ましくは、翼形ディフューザーは、実質的に切頭円錐形のディフューザーを形成するようにブレードの外先端部から外方にテーパ状になっており、切頭円錐形のディフューザーの回転軸線はブレードの回転軸線に実質的に整合されている。

変更例として、翼形ディフューザーの少なくとも一部はブレードの外先端部から上流に延びており、翼形ディフューザーは、上流端部から下流端部まで延びるにつれて半径方向外方にテーパ状になっている。

好ましくは、翼形ディフューザーは、ブレードからの部分的に軸方向および部分的に半径方向の空気流を抑制するように成形されており、前記空気流は、これが翼形ディフューザーに接触すると、周方向になる。更に好ましくは、翼形ディフューザーの形状は、回転中のとき、ブレード／デュフューザー組立体の空力学的および音響的特性の改良が生じるような形状である。

好ましくは、翼形ディフューザーは、ブレードの外先端部からの部分的に軸方向および部分的に半径方向の空気流を抑制し、且つ正常な作動中、前記空気流を実質的に周方向の空気流に転じるようになっている。

好ましくは、ブレードはロータの回転軸線と直交する横方向のロータ平面に対して角度をなして傾斜されている。傾斜角度はブレードの長さに沿って変化してもよい。

好ましくは、各ブレードの傾斜角度はブレードの中間部分のところでブレードの外先端部のところより大きい。好ましくは、ブレードはその外先端部のところで横方向のロータ平面と実質的に平行である。

本発明の第２の特徴によれば、第１の特徴によるロータを備えているウインドタービンが提供される。好ましくは、このウインドタービンは、更に、ナセルと、回転軸線と直交する方向軸線のまわりのタービンおよびロータの回転を許容するようになっている取付け手段とを備えている。これにより、タービンを風の状態に依存する最適な方向に配向し得る。

好ましくは、ウインドタービンは、更に、空気流の速度が所定の空気流速度より大きいときに、回転軸線が空気流の方向と平行でないようにロータを方向軸線のまわりに回転させるようになっているファーリング手段を更に備えている。

好ましくは、ファーリング手段は、空気流の速度の第１の低い範囲にわたってファーリングを行なわず、空気流の速度の第２の高い範囲にわたって変化度合いのファーリングを行なうようになっている非線形のファーリング手段よりなる。好ましくは、ファーリング手段はディフューザーの下流に延びている少なくとも２つのテールフィンを備えている。好ましくは、ファーリング手段は互いに直径方向に反対側に設けられている２つのテールフィンを備えているが、必要なら、位置が釣り合されると言う条件で、もっと多いテールフィンが設けられてもよい。

好ましくは、テールフィンのうちの一方は接線方向のヒンジ線のまわりに回転可能にヒンジで取付けされた可動のテールフィンである。可動のテールフィンは取付けブームに設けられてもよく、ヒンジ線は、取付けブームも回転するように取付けブームとナセルとの連結箇所で、可動のテールフィンのみが回転するように取付けブームと可動のテールフィンとの連結部で、或いは取付けブームの長さに沿った任意の箇所で設けられてもよい。

更に或いは変更例として、テールフィンは水平軸線のまわりに折れ曲がるフィンを生じる、高い風を受けて水平軸線のまわりに回転してもよい。

好ましくは、可動のテールフィンは、それがロータの回転軸線に対して静止攻撃角度で傾斜されるように、その前縁部がその後縁部よりもロータの回転軸線に近い静止位置へ付勢手段により付勢されている。この付勢手段は非線形でもよい。好ましくは、付勢手段は、空気流の速度が所定の速度に達するまで可動のテールフィンを静止位置に保持するようになっている。好ましくは、空気流の速度が所定の速度を超えて増大すると、可動のフィンが回転し、且つ攻撃角度が減少する。その結果、不釣合いの空力学的負荷がウインドタービンに生じ、ウインドタービンがファーリング位置までその取付け軸線のまわりに回転するようになっている。

本発明の第３の特徴によれば、ウインドタービン駆動式ジェネレータと、電力出力を与える手段とを備えているウインドタービン装置が提供される。

好ましくは、この装置は、更に、電子制御装置を更に備えている。好ましくは、この装置は１つまたはそれ以上のエネルギ散逸器を備えているダンプ要素を備えている。エネルギ散逸器は抵抗要素の形態でもよい。

好ましくは、ダンプ要素は中の液体を加熱するようになっている電気加熱要素を有している液体貯蔵容器の形態である。

好ましくは、制御装置は、ウインドタービンからの電力が所定の電力を超えると、電力を前記１つまたはそれ以上の電気加熱要素に供給するようになっていてもよい。１つの実施の形態では、液体貯蔵容器は冷水タンクである。他の実施の形態では、加熱要素はラジエータである。

好ましくは、このダンプ要素は、オフ切換えにより引起される電気負荷の損失または低減、前記電気負荷の低減または分離に因り、風から利用可能な電力が電力取出量を越えると、電子制御装置により作動される。

好ましくは、ダンプ要素は、ロータの速度がウインドタービンロータのトルクとウインドタービンジェネレータのトルクとの不釣合いにより引起される規定された「ダンプオン」ロータ速度より高く上昇すると、作動される。前記ウインドタービンロータのトルクは風速に依存しており、前記ウインドタービンジェネレータのトルクは電気負荷に依存している。

更に、前記ダンプ要素は、ウインドタービンジェネレータのトルクをウインドタービンロータのトルクより高く増大して、ウインドタービンロータの速度を、これが空力学的失速に近づくか或いは達するまで低下させるのに役立つ。その場合、ウインドタービンロータの速度が規定された「ダンプオフ」ロータ速度より低く降下すると、ダンプ負荷が放出される。前記「ダンプオン」および「ダンプオフ」ロータ速度は電力取出量に比例して規定され、かくしてジェネレータのトルクを低下させる。

好ましくは、本発明によるウインドタービン装置は、ウインドタービンから取られる電力のレベルを制御するために制御手段を備えている。効率の理由で、ウインドタービンからの最大の電力取出量はベッツ限度により与えられるように、ほぼ６０％である。制御装置は、ウインドタービンからの電力取出量を少量だけ増減し、電力取出量をこのレベルに一時的に設定するようになっている。或る時間後、制御装置はウインドタービンのロード速度を再び測定し、かくしてロータの加速度を算出する。次いで、更なる時間の後、ロータ速度の測定値を得る。これらの測定値は、電力取出量の前記増減に対する第１、第２および第３命令値、つまり、速度、加速度／減速度および加速度／減速度の変化率を算出するために使用される。前記第１、第２および第３命令値の組合せは、既存の電力取出量の変化を定め、ウインドタービンから取られる電力量が再び調整される。上記の工程は連続的に繰返される。

好ましくは、この装置は本発明の第１または第２の特徴によるウインドタービンを備えている。

電力出力は加熱装置に接続され、この加熱装置は、更なる液体貯蔵容器と、
前記更なる容器内の液体を加熱するようになっている１つまたはそれ以上の電気加熱要素と、
前記１つまたはそれ以上の電気加熱要素への、前記ジェネレータにより発生された電気の供給を制御するようになっている制御手段と、を更に備えている。

好ましくは、更なる液体貯蔵容器は温水タンクであり、液体は水である。

更に或いは変更例として、加熱装置は複数の電気加熱要素を備えており、制御手段は電力を電気加熱要素の一部に供給するようになっており、この一部はジェネレータにより発生される瞬間の電力に依存している。

好ましくは、更なる液体容器内の加熱要素は管によって包囲されている。この管は水を管の下から加熱要素に向けて流すためにその下側が開放している。この管は加熱要素の全長を包囲してこの全長にわたって延びている。加熱要素近くの水が加熱され、自然対流により上方に流れる。管の存在は、加熱された水を容器の頂部のところ或いはその近くの帯域に差し向ける。管の存在は、更なる液体貯蔵容器内における異なる別々の熱的に層状にされた熱帯域の形成を可能にする。

更に或いは変更例として、電力出力は送電網連結式のインバータまたは独立のインバータに接続されてもよい。好ましくは、インバータは電力を地方または電送網電力下部構造に供給するようになっている。

更に或いは変更例として、電力出力はエネルギ保存装置に接続されてもよい。

本発明の第４の特徴によれば、ウインドタービンから取られる電力のレベルを制御する方法が提供され、この方法は、制御手段により取られる下記の工程、
（ａ）ウインドタービンから電力取出量を少量だけ増減する工程と、
（ｂ）電力取出量のレベルを一時的に設定する工程と、
（ｃ）所定の時間後、ロータ速度の多数の測定値を取る工程と、
（ｄ）電力取出量の前記増減に対する第１、第２および第３命令値、つまり、速度、加速度／減速度および加速度／減速度の変化率を算出する工程と、
（ｅ）前記算出に応じてウインドタービンから取られた電力を調整する工程と、を備えている。

好ましくは、工程（ｂ）ないし（ｅ）は連続的に繰返される。

好ましくは、制御手段は、調整を定めるために下記の論理、
（ａ）正の第２命令ロータ速度応答(加速度)およびロータ速度の前記加速度の増大率（（正の第３命令応答）がある場合、制御手段は、電力取出量の増大を生じる、或いは
（ｂ）正の第２命令ロータ速度応答(加速度)およびロータ速度の前記加速度の減少率（負の第３命令応答）がある場合、制御手段は、電力取出量の増大を生じるか、或いはその変化を生じない、或いは
（ｃ）負の第２命令ロータ速度応答(減速度)およびロータ速度の前記減速度の増大率（正の第３命令応答）がある場合、制御手段は、電力取出量の減少を生じる、或いは
（ｄ）負の第２命令ロータ速度応答(減速度)およびロータ速度の前記減速度の減少率（負の第３命令応答）がある場合、制御手段は、電力取出量の増大を生じる、或いはその変化を生じない、
と言う論理を使用している。

好ましくは、制御手段は前記工程を繰り返して電力取出量を調整し続けて、ロータ平面における局部的な風速に依存するウインドタービンに利用可能な電力まで電力取出量が常に最大化されるようにする。

本発明の第５の特徴によれば、タービン、塔および取付け構造体内の調和共振により引起される作動振動を減少させるための手段を備えている第２の特徴によるウインドタービンが提供される。

好ましくは、ウインドタービンはナセル減衰装置を備えている。本発明によるこのナセル減衰装置はジェネレータおよびタービンにおける振動を塔から隔離するのを助ける。

好ましくは、ウインドタービンはこれを表面に取付けるための取付けブラケットを備えており、これらのブラケットは粘弾性材料および構造材料のサンドイッチ構成を有している。

取付け手段は任意の横断面形状のものであることができるが、代表的には管状である。好ましくは、塔は、その半径方向内面と接触していない減少直径の諸部分を備えているゴムのような可撓性材料の１つまたはそれ以上のコアを収容している。これらの減径した諸部分は、塔の内面と接触している普通サイズの部分と交互になっている。

これは、塔における振動を、これらが取付けブラケットに達する前に可撓性コアに散逸されたエネルギを介して吸収するのに役立つ。それにより、ゴムコアは或る範囲の振動周波数の吸収により装置の共振周波数をタービン駆動周波数外に制御するように作用する。減径された部分各々の横断面形状および長さを変化させることにより、この装置は、或る範囲の振動周波数を取付け構造体から除去するように調整されることができる。

サンドイッチ取付けブラケットは取付け手段のコアの設計を引き立たせ、且つナセルから生じる振動を抑制する。ナセル自身は残っている周波数を除去するように設計されたブッシュを介してジェネレータを支持している。これらの３つの装置は、減衰されない周波数のみがタービンの作動範囲外のものであるような高／低域フィルタとして作用する。

本発明によるウインドタービンの実施の形態の概略図 本発明によるウインドタービンの実施の形態の概略図 図１Ａによるウインドタービンのロータおよびファーリング装置の実施の形態の頂面図 図１Ｂによるウインドタービンのロータおよびファーリング装置の実施の形態の頂面図 本発明によるファーリング装置の１つのブームの実施の形態を詳細に示す図 ナセルを介した図３によるブームの連結を示している図 テールフィンへのブームの先端部の連結をしている図 テールフィンへのブームの先端部の連結をしている図 本発明によるウインドタービンに連結されるようになっている水を加熱するための加熱装置の概略全体図を示す図 図６による加熱装置の制御装置の作用を概略的に示す図 本発明によるウインドタービンに連結されるようになっている水を加熱するための加熱装置の更なる実施の形態を示す図 本発明によるウインドタービンに連結されるようになっている水を加熱するための加熱装置の更なる実施の形態を示す図 本発明によるウインドタービンに連結されるようになっている水を加熱するための加熱装置の更なる実施の形態を示す図 本発明によるウインドタービンに連結されるようになっている水を加熱するための加熱装置の更なる実施の形態を示す図 内部に振動減衰コアが設けられた本発明によるウインドタービン用取付け手段の横断面図 振動減衰コアのための別の実施の形態としての図１０による取付け手段の横断面図 振動減衰コアのための別の実施の形態としての図１０による取付け手段の横断面図 本発明の第４の面によるウインドタービンの概略ブロック図 本発明の第５の面によるウインドタービンの概略ブロック図

添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１Ａおよび図１Ｂには、本発明によるウインドタービン１０、１１０の可能な実施の形態が示されている。このウインドタービン１０、１１０は、コア２５、１２５と、このコア２５、１２５から外先端部３１に向かって延びている半径方向に伸びるのブレード３０、１３０とを有しているロータ２０、１２０を備えている。このロータはロータブレード３０、１３０に取付けられてこれらを包囲する半径方向外方の翼２１、１２１を備えている。ロータ２０、１２０はコア２５、１２５によってナセル４１、１４１に回転可能に固定されている。ロータ２０、１２０は回転軸線２６のまわりに回転することができる。ナセル４１、１４１は取付け手段４０の頂部に回転可能に取付けられている。取付け手段４０によれば、ウインドタービン１０、１１０を支持体（図示せず）に固定し得る。しかも、ナセル４１、１４１には、ファーリング手段５０、１５０が設けられている。このファーリング手段５０、１５０は第１ブーム５１、１５１および第２ブーム５２、１５２を備えている。これらのブーム５１、１５１；５２、１５２およびそれらの夫々の端部には、テールフィン５３、１５３；５４、１５４が設けられている。

ファーリング手段５０、１５０は２つの機能を有している。第１の機能はロータ２０、１２０の回転軸線２６を翼形の瞬時相方向と本質的に平行に保つことである。図１では、翼形は矢印１５により概略的に示されている。ファーリング手段５０、１５０の第２の機能は、ウインドタービン１０、１１０を容認できない高い荷重から保護するために、風速がウインドタービンの出力電力要件を超えるか、或いは装置の統合性を危うくするときにロータ２０、１２０を風外に回すことである。ファーリング手段の構成および作用を、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４、図５Ａおよび図５Ｂを参照して以下に明らかにする。

残りの説明は図１Ａの実施の形態に関するが、この説明は図１Ｂの実施の形態に均等に当てはまることが理解されるべきである。

図１に示すように、半径方向外方の翼２１はタービンブレード３０に取付けられ、これを包囲している。半径方向外方の翼２１は、ブレード先端部の近くで僅かなベンチュリ効果を生じ、その結果生じた空気の速度の増大により、タービンの電力出力に最も大きい効果を及ぼす。これによりタービン１０の全効率を高めて翼２１の付加により引起こされる重量および空力学的抗力の僅かな増大を補償する。また、翼はロータブレードに沿ってより大きい層流を生じる。これは、代表的には屋根の上の空気流が乱流であるので重要である。更なる利点は、半径方向外方の翼２１の存在によりロータ２０の機械的強度を増大して各ブレード３０に対するより効率的な翼形部分を許容すると言う点である。更なる利点は、半径方向外方の翼２１の存在の結果、空力学的渦の流れを含むノイズが除去されるか或いは低減されることに起因して、回転タービンロータブレードからのアコースティックエミッション（ノイズ）が低減すると言う点である。また、半径方向外方の翼２１の存在は、ロータ平面を通る乱流の空気流の作用を減じる助けとなり、このようにしてアコースティックエミッションを減じることを助成する。

図１では、ブレード３０の設計は、ブレード３０の外先端部３１が回転軸線２６と本質的に直交しているような設計であることがわかる。

ブレード３０の外先端部３１は翼２１の前縁部２２の近くで連結されている。ブレード３０の数は変えられてもよい。翼２１はブレード３０に対して上流または下流の配向で延びるように位置決めされてもよい。

図２には、図１によるウインドタービン１０のロータ２０およびファーリング装置５０の頂面図が示されている。ファーリング装置５０は、各々の端部にテールフィン５３、５４が設けられているブーム５１、５２を備えている。空気流１５は或る程度の圧力をテールフィン５３、５４に及ぼす。これらのテールフィンは空気流１５の方向に対してロータ２０の位置を釣合わせ且つ安定化させる。空気流１５の方向が変化すると、テールフィン５３、５４にその結果生じた圧力も変化する。この結果的な力は、空気流１５の方向をロータ２０の回転軸線２６と本質的に一致して保つためにロータ２０を回転させる。翼２１の存在は、正常なファーリング中、不均衡化されたブレード先端の渦流により引起こされる振動を減少させる。これは、ファーリング中、翼が空気流をブレード先端部からそらすように作用することで達成される。

本発明によるファーリング装置５０は、ロータ２０と空気流１５との間の最適な角度を維持するだけではなく、過剰に高い風の負荷中にタービン２０を保護するように作用する。ファーリング装置５０は、風速がタービンの出力電力要件を超えるとき、或いは風の負荷がロータ２０または他のタービン部品の統合性を危うくするとき、空気流外にタービン（ロータ）２０を軸線４２のまわりに回すように設計されている。図２に示されるように、テールフィン５３、５４は風と実質的に平行外の方向に向いている楔を形成している。過剰な風の負荷により、テールフィン５３、５４をナセル４１に対して移動させ、および／または回転させる。好ましくは、フィンのうちの一方は、第２のフィンが高い空気流の速度下で回転し続けるにしたがって、移動を受けないか、或いは制限された移動を受けてロータを軸線４２のまわりにファーリングる（或いは回す）。これは、本発明のファーリング機構５０が適度の風速下でロータを安定な状態および空気流１５に対する好適な角度に保つことを意味している。所定の風速を超えた後のみ、このファーリング装置５０は、ロータ２０の統合性を保護するために風外にロータ２０を回す。

本発明によるファーリング装置５０の構成によれば、ファーリング装置は、風速に関して非線形に作用する。ファーリング装置５０は突風および乱流に対するタービンの感受性を制限する。軽い突風は、風外にロータを移動させることができない。ファーリング装置５０の安全機能はタービンおよび夫々の発電機を保護するために高い風の状況において作動するだけである。

図２に示されるように、ブーム５１、５２は、ロータ２０の風下方向にナセルからテールフィンまで延びている。夫々のテールフィン５３、５４はロータ２０の外側寸法と本質的に一致して位置決めされている。本発明によるファーリング装置５０の構成によれば、コンパクトな構成を可能にしており、そしてナセル４１の背後の自由空間を必要としない。これは、このファーリング装置の設計により、タービンの全長を既存のウインドタービンと比較して著しく減少させていることを意味している。

図３および図４には、ブーム５１および夫々のテールフィン５３の第１の実施の形態が示されている。矢印はナセルに対するブーム５１の移動を示している。ロータ（図示せず）およびテールフィン５３の回転軸線間の角度はブーム５１の基部に位置決めされたヒンジ６０の使用により変化される。図４に示されるように、ブーム５１はコイルばね６１により軸線２６に対する固定角度に保持される。フィン５３に作用する風の負荷が十分に大きい場合、ブーム５１およびフィン５３はコイルばね６１の保持力に抗して回転してバランスを失った空力学的負荷をロータ２０に引起こす。このバランスを失った力により、ナセルをその取付け軸線４２（図１参照）のまわりに回転させる。なお、図４に示されるコイルばね６１は単に説明のためのものであり、任意の種類のばねをヒンジ６０に使用することができる。

図５Ａには、別の実施の形態が示されており、この場合、ファーリングフィンの回転はブームの外先端部に位置決めされたヒンジのまわりに生じる。さらに好適な実施の形態では、ヒンジは図５Ｂに示されるようなばね付きヒンジである。図５に示されるように、ヒンジ７０のところのフィン５３の反時計方向の回転は端ストッパ７１により制限される。フィン５３の反時計方向の回転はコイルばね（図示せず）またはばね付きヒンジ１７０の反作用により制限される。空気流１５の速度が、ファーリングが必要とされるレベルまで上昇すると、ヒンジ７０またはばね付きヒンジ１７０におけるばねの保持力が負け、フィン５３（または別の好適な実施の形態では、フィン１５４）が回転する。これによりバランスを失った空力学的負荷をロータに引起こす。このバランスを失った力により、タービンに作用する空力学的力が平行になるまで、ナセルをその取付け軸線４２のまわりに回転させる。本発明による非線形のファーリング機構５０は、風速が装置の安全性を危うくし、タービンが風から漸次左右に揺らされるまで、タービンを風上に安定に保つ。従って、ファーリング装置５０は、望ましくない揺動およびタービンブレードのノイズを生じる突風中、タービンの一定の左右揺れを低減する。

ブーム５１、５２の末端にヒンジ留め特徴が位置決めされている実施の形態を述べているが、ヒンジをブーム５１、５２に沿った任意の箇所に設けることができることは理解されるであろう。

更に或いは変更例として、フィン５３または５４が、それらの水平軸線に沿って折り曲がるように配置され、そのようにして不均衡を生じることができる。

ウインドタービンを保護するのに必要な実際のファーリング角度は、翼２１の存在のため、制限されてしまう。ロータ２０の或る程度のファーリングの結果、翼２１および／またはブレード３０に沿って空力学的失速が生じる。失速が開始するやいなや、ロータ２０における風の流れ１５のパワーが降下する。

図６には、ウインドタービン加熱装置の概略全体図が示されている。このウインドタービン加熱装置は第１水溜め部１１８を備えている。この水溜め部には、１つまたはそれ以上の電気加熱要素１１４が設けられている。電気加熱要素１１４は制御ユニット１１６を介してウインドタービン１０と接続されている。ウインドタービン１０により発生された電流は溜め部１１８に収容された水を加熱するために電気加熱要素１１４に差し向けられる。電気加熱要素のための熱伝達効率は１００％近いと考えられるが、設計時のものより低い電力入力で要素を作動させると、要素温度が低くなる。風電力の性質は、電力出力が、通常、加熱装置の全定格電力より著しく低いようなものである。このような加熱要素として、適切な電力定格を有する加熱要素１１４をすることが必要である。

水溜め部１１８は使用に先立って温水を蓄えるように設計されている。溜め部１１８は銅合金から製造された円筒体でもよいが、円筒体の任意の形状またはエナメル加工された鋼またはプラスチックのような任意の材料を使用してもよい。鋼円筒体はより高い圧力の用途に良く適しており、その一方、銅はその固有の耐腐食性および関連された長い有効寿命により魅力的である。ベント付き装置およびそれらの関連されたより低い円筒体の圧力については、銅円筒体が良く適している。

図６による装置を使用して、溜め部１１８内の水が最大の許容可能な温度まで加熱されると、制御ユニット１１６により、加熱要素１１４が電力を水溜め部１１８に放出するのをもはや許容しない。これは、ウインドタービンにより発生された電力を他の場所(ダンプ要素)にダンプ（dump）しなければならないことを意味している。ウインドタービン１０が電気を発生しているかぎり、電気エネルギを常に放出する手段が存在することが肝要である。

このダンプ要素は、風から利用可能な電力がオフ切換えにより引起される電気負荷の損失または減少、前記電気負荷の減少または分離により電力取出量を越えるときに、前記ダンプ要素を「オン」にする電子制御装置により作動される。前記要素は、ウインドタービンロータトルクとウインドタービンジェネレータトルクとの不釣合いにより引起される規定された「ダンプオン」ロータ速度より高い増大ロータ速度によりトリガーされる。前記ウインドタービンロータトルクは風速に依存しており、前記ウインドタービンジェネレータトルクは電気負荷に依存している。前記ダンプ要素は、ウインドタービンジェネレータトルクをウインドタービンロータトルクより高く増大してウインドタービンロータ速度を失速に達するまで低下させるのに役立つ。それで、ジェネレータトルクは、ウインドタービンロータ速度が規定された「ダンプオフ」ロータ速度未満に降下するときにダンプ荷重を放出することにより低下される。前記「ダンプオン」および「ダンプオフ」ロータ速度は電力取出量および電気負荷に比例して規定される。

水溜め部１１８において要素１１４で加熱された水は層化層を形成する傾向がある。各層内の温度は、熱が伝導および対流により広がるほどには変化しない。この現象は、頂層が加熱されることができ、下層が引き続き加熱されるときに、頂層がその下の対流により乱されないままであるように、幾つかの加熱要素が使用される状況において有用である。

なお、ここに記載の加熱要素の設計は、幹線接続部を縦に並べて、或いはそれ無しで使用されることができる。幹線接続部によれば、浸漬加熱要素（または専用の幹線要素）が、ウインドタービンから何も利用可能でないときに、エネルギを与える。

ウインドタービンの効率に関して、ロータにより風から取り出された電力はほぼ６０％（５９.６％）に制限されるはずである。本発明によるウインドタービンを乱流の空気流において作動することができるので、新規な制御装置を付設することによって本発明によるウインドタービンの効率を改良することができる。

図７は本発明による制御装置の作用を概略的に示している。第１に、ウインドタービンに作用する荷重は所定の始動レベル（Ｌ０）近くである。規定時間の後、ロータ速度の多数の測定値が得られる。これらの測定値は電力取出量の前記増大または減少に対する第１、第２および第３命令値を算出するのに使用される。前記第１、第２および第３命令値は既存の電力取出量の変化を定め、ウインドタービンから取られる電力の量が再び調整される。

ウインドタービンから取られる電力のレベルを制御する方法は、制御手段により取られる下記の工程、すなわち、
（a）ウインドタービンから取られる電力取出量を少量だけ増大させる或いは減少させる工程と、
（ｂ）電力取出量のレベルを一時的に設定する工程と、
（ｃ）所定の時間後、ロータ速度の多数の測定値を取る工程と、
（ｄ）電力取出量の増大または減少に対する第１、第２および第３命令値、つまり、速度、加速度／減速度および加速度／減速度の変化率をそれぞれ算出する工程と、
（e）この算出に応じてウインドタービンから取られる電力を調整する工程と、を備えている。

次いで、工程（ｂ）ないし（e）を連続的に繰り返す。

制御手段は調整を定めるために下記の論理を使用している。

（a）正の第２命令ロータ速度応答(加速度)およびロータ速度の前記加速度の増大率（（正の第３命令応答）がある場合、制御手段は、電力取出量の増大を生じる、或いは
（ｂ）正の第２命令ロータ速度応答(加速度)およびロータ速度の前記加速度の減少率（負の第３命令応答）がある場合、制御手段は、電力取出量の増大を生じるか、或いはその変化を生じない、或いは
（ｃ）負の第２命令ロータ速度応答(減速度)およびロータ速度の前記減速度の増大率（正の第３命令応答）がある場合、制御手段は、電力取出量の減少を生じる、或いは
（ｄ）負の第２命令ロータ速度応答(減速度)およびロータ速度の前記減速度の減少率（負の第３命令応答）がある場合、制御手段は、電力取出量の増大を生じる、或いはその変化を生じない。

制御手段は前記工程を繰り返して電力取出量を調整し続けて、ウインドタービンに利用可能な電力、またはロータ平面における局部的な風速に依存する収量まで電力取出量が常に最大化されるようにする。

ロータ上の風速が連続的に変化するので、ウインドタービンに対する負荷量を増減する時間間隔は、代表的には、ミリ秒ないし数十秒の範囲である。

ウインドタービン加熱装置の効率は、図８に示されるような別の水溜め部１２８を使用する場合に更に高められることができる。水溜め部１２８には、電気加熱要素１２４が設けられている。この加熱要素１２４はその実質的な長さにわたって包囲管１２５によって覆われている。この管１２５の底端部１２６は開放している。これにより水は加熱装置１２４の外部と管１２５の内部との間で流れることができる。電流が要素１２４を通るやいなや、電気エネルギが熱エネルギに変換され、次いで、この熱エネルギは水に伝達される。加熱要素１２４を直接包囲する水膜が加熱され、そして自然対流により、溜め部１２８の頂部に向かって流れ、溜め部の中へ半径方向に拡散されるのが防がれる。管１２５の存在のため、加熱された水は溜め部１２８の頂部分における温水帯域に指し向けられる。従って、加熱要素１２４により発生された熱は溜め部１２８の頂帯域に集中され、溜め部１２８の中へ半径方向に拡散されるのが防がれる。これにより、水を好適な温度まで加熱するのに必要な時間を制限し、かくしてそのエネルギ消費を低減する。

ウインドタービンにより発生された電力が増大されるやいなや、溜め部１２８内の水に伝達された熱の量もまた増大される。これは、溜め部１２８の頂部分に向かう加熱された水の流れが増大され、その結果、熱的に層状になった層の混合が生じ、そして拡大された温水領域１３０が生じる。この効果は図９に示されている。溜め部１２８の構成のため、電力はもはや「ダンプする」必要がない。風電力の性質が、電力出力が通常変動し、しかも加熱装置の全定格電力低いようなものであるので、溜め部１２８の使用はウインドタービンに特に適している。

本発明によるウインドタービンの正常な作動中、タービン、塔および取付け構造体内の調和共振により変化が引起される。これらの変化は、作動中の変形、ロータ、ジェネレータまたは他のタービン部品における空力学的に誘発された振動または機械的に誘発された振動に起因してブレードの不釣合いから生じる。ミクロウインドタービンにおける共振の除去は、これらのタービンがタービン先端の速度の幅広い範囲にわたって作動するので、特に困難である。以下に記載の設計は、タービン先端の速度が自然共振周波数外に留まるようにタービン先端の速度を制御することにより、且つ新規な振動吸収手段を介して作動振動を低減する。

水平軸線型ウインドタービンを建物構造体に設けるには、臨界周波数の減衰および装置作動周波数を超える倍音振動の移動を必要とする。屋上ウインドタービンにおける減衰装置は、タービンの取付け手段およびナセルの設計に一体化される。これらの振動吸収装置は共に作用して静寂運転の屋上タービンを構成する。

新規なウインドタービン取り付けブラケットは粘弾性材料および構造材料のサンドイッチ構成を使用している。

取付け手段の塔は代表的にはゴムの革新的コアを収容しており、このコアは、減少された横断面領域を有して、取付け手段の内面と接触していない幾つかの部分と、取付け手段の内面と接触している幾つかの部分とを有している。これは、取付け手段における振動が取付けブラケットに達する前にゴムコアに散逸されたエネルギを介して取付け手段における振動を吸収するのに役立つ。ゴムコアはまた、タービン駆動周波数より高い装置の共振周波数を強制するように作用する。

図１０には、取付け手段の内部の可能な実施の形態が横断面で示されている。この実施の形態では、取付け手段は横断面が管状である。取付け手段４０は円筒形コア要素９０が存在する中空のコアを備えている。電力線のような要素がコア要素９０の内部を通して案内されるために、コア要素９０には、その中間部に中空部分９１が設けられている。コア要素９０には、取付け手段４０の内径にほぼ対応する外径を有する部分９２が設けられている。これらの部分は、減少された直径を有していて、取付け手段４０の半径方向内面と接触していない部分９３と交互になっている。サンドイッチ取付けブラケットは、取付け手段のコアの設計と共に装置における振動を抑制する。これらの振動の主な源は、ウインドタービンから建物に伝達された振動と、電力出力を減少させるが、より重要なことにウインドタービンの作用寿命を短くする障害物のまわりの空力学的乱流とである。

図１１には、取付け手段の内部の別の実施の形態が横断面で示されている。取付け手段４０の中空のコアには、コア要素９４が設けられている。このコア要素９４には、その中間部に中空部分９１が設けられている。コア要素９４には、取付け手段４０の内径にほぼ対応する外径を有する部分９２が設けられている。これらの部分は、減少された直径を有していて、取付け手段４０の半径方向内面と接触していない部分９３と交互になっている。図１０および図１１を比較すると、夫々のコア要素９０、９４における凹部の形状が異なることは明らかであろう。なお、図１０および図１１は例示の目的のみのものである。コア要素のための別の実施の形態もまた可能である。

図１２は取付け手段４０の内部の更なる実施の形態を示している。図１２に示されるように、取付け手段４０の内部は、取付け手段に挿入された幾つかのコア要素９５を備えており、この場合、第１要素９５が隣接した要素９５に当接している。図１２の例では、夫々の要素９５における凹部の形状は図１０および図１１による実施の形態とは異なっている。

ウインドタービンでは、ノイズが２つの領域、すなわち、空力学的源および機械的源から生じる。空力学的ノイズは、ブレードと、ブレードのまわりの境界層における乱流および自然の大気または粘性の流れとの相互作用により発生してブレードから放射される。機械的ノイズは機械部品の相対動作およびこれらの機械部品間の動的応答に起因している。この作用は、ナセル、ロータおよび塔が機械的ノイズを伝達し、これを放射して拡声器として作用するなら、大きくなることもある。ノイズ問題の２つの種類が存在し、すなわち、部品の表面または内部から空気中に直接伝達されるノイズである空気伝送ノイズと、他の部品により放射される前に構造体を通して伝達される構造伝送ノイズとが存在する。

タービン取付け手段は、全構造の共振周波数を、ブレードの不釣合い、空力学的誘発振動、機械的誘発振動および変形により発生される作動振動周波数の範囲外にするように設計されている。この取付け手段は振動を除去する減衰装置を有している。

図１３に示されるように、ウインドタービン１０は、地方の電力下部構造または地方のまたは埋設された送電網接続部２０２に連結するために独立の或いは送電網連結式のインバータ２０１に連結されることができるウインドタービン装置２００の一部を構成することができる。装置２００には、ウインドタービン１０からの電力出力を整流し、そして整流された電力を（先の実施の形態に説明したような）電子制御装置２０４に送る整流器２０３が設けられることができ、電子制御装置２０４は、過剰の負荷２０５を「ダンプする」ことができ（これは外部抵抗負荷により他の実施の形態について上述したようになされてもよい）、或いは電力をインバータ２０１に供給することができる。このように、ウインドタービン装置２００は、電力を地方送電網ネットワークまたは全国送電網のような電力下部構造に供給するのに利用されることができる。

図１４に示されるように、ウインドタービン１０は、エネルギ保存装置３０１に連結されることができるウインドタービン装置３００の一部を構成することができる。この保存装置はバッテリパックの形態でもよいし、或いはエネルギ保存装置の任意の他の適当な形態でもよい。また、装置３００には、ウインドタービン１０からの電力出力を整流し、そして整流された電力を電子制御装置３０４に供給する整流器３０３が設けられることができ（これは外部抵抗負荷により他の実施の形態について上述したようになされてもよい）、この電子制御装置３０４は、過剰の負荷３０５を「ダンプする」ことができ（これは他の実施の形態について上述したようになされてもよい）、或いは電力を保存装置３０１に供給することができる。このように、ウインドタービン装置２００は、電力を後の使用のために保存装置に供給するのに利用されることができる。

本発明の範囲を逸脱することなしに前述の事項に対して変更例および改良例を行なうことができる。

Claims (32)

1. 複数の半径方向のブレードと、これらのブレードの外先端部を連結するリング状翼形ディフューザーとを備えていることを特徴とするウインドタービン用のロータ。
2. 翼形ディフューザーはブレードの外先端部から下流に延びていることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. ブレードの外先端部はディフューザーの前縁部のところ或いはその近くでディフューザーに連結されていることを特徴とするいずれか１つの先行請求項に記載のロータ。
4. 翼形ディフューザーは、実質的に切頭円錐形のディフューザーを形成するようにブレードの外先端部から外方にテーパ状になっていることを特徴とするいずれか１つの先行請求項に記載のロータ。
5. 翼形ディフューザーの少なくとも一部はブレードの外先端部から上流に延びていることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
6. 翼形ディフューザーは、上流端部から下流端部まで延びるにつれて半径方向外方にテーパ状になっていることを特徴とするいずれか１つの先行請求項に記載のロータ。
7. 翼形ディフューザーは、ブレードからの部分的に軸方向および部分的に半径方向の空気流を抑制するように成形されていることを特徴とするいずれか１つの先行請求項に記載のロータ。
8. 翼形ディフューザーは、ブレードの外先端部からの部分的に軸方向および部分的に半径方向の空気流を抑制し、且つ正常な作動中、前記空気流を実質的に周方向の空気流に転じるようになっていることを特徴とするいずれか１つの先行請求項に記載のロータ。
9. ブレードはロータの回転軸線と直交する横方向のロータ平面に対して角度をなして傾斜されていることを特徴とするいずれか１つの先行請求項に記載のロータ。
10. 傾斜角度はブレードの長さに沿って変化し得ることを特徴とする請求項９に記載のロータ。
11. 各ブレードの傾斜角度はブレードの中間部分のところでブレードの外先端部のところより大きいことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のロータ。
12. ブレードはそれらの外先端部のところで横方向のロータ平面と実質的に平行であることを特徴とするいずれか１つの先行請求項に記載のロータ。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のロータを備えているウインドタービンであって、ナセルと、回転軸線と直交する方向軸線のまわりのタービンおよびロータの回転を許容し、かくしてタービンを風の条件に応じて最適な方向に配向するようになっている取付け手段とを更に備えていることを特徴とするウインドタービン。
14. 空気流の速度が所定の空気流速度より大きいときに、回転軸線が空気流の方向と平行でないようにロータを回転軸線のまわりに回転させるようになっているファーリング手段を更に備えていることを特徴とする請求項１３に記載のウインドタービン。
15. ファーリング手段は、空気流の速度の第１の低い範囲にわたってファーリングを行なわなく、空気流の速度の第２の高い範囲にわたって変化度合いのファーリングを行なうようになっている非線形のファーリング手段よりなることを特徴とする請求項１４に記載のウインドタービン。
16. ファーリング手段はディフューザーの下流に延びている少なくとも２つのテールフィンを備えていることを特徴とする請求項１４または１５に記載のウインドタービン。
17. ２つのテールフィンは互いにナセルの直径方向に反対側に設けられていることを特徴とする請求項１６に記載のウインドタービン。
18. テールフィンのうちの一方は接線方向のヒンジ線のまわりに回転可能にヒンジで取付けされた可動のテールフィンであることを特徴とする請求項１６または１７に記載のウインドタービン。
19. 可動のテールフィンは基部をナセルに取付られた取付けブームの端部に設けられており、前記ヒンジ線は、取付けブームも回転するように取付けブームとナセルとの連結箇所で、可動のテールフィンのみが回転するように取付けブームと可動のテールフィンとの連結部で、或いは取付けブームの長さに沿った任意の箇所で設けられていることを特徴とする請求項１８に記載のウインドタービン。
20. テールフィンは、水平軸線のまわりに折れ曲がるフィンを生じる高い風を受けて水平軸線のまわりに回転することを特徴とする請求項１８または１９に記載のウインドタービン。
21. 可動のテールフィンは、それがロータの回転軸線に対して迎え角をもって傾斜されるように、その前縁部がその後縁部よりもロータの回転軸線に近い静止位置へ付勢手段により付勢されていることを特徴とする請求項１８ないし２０のいずれか１項に記載のウインドタービン。
22. 付勢手段は非線形であることを特徴とする請求項２１に記載のウインドタービン。
23. 付勢手段は、空気流の速度が所定の速度に達するまで可動のテールフィンを静止位置に保持するようになっており、更に、空気流の速度が所定の速度を超えて増大すると、可動のフィンが回転し、且つ迎え角が減少し、その結果、不釣合いの空力学的負荷がウインドタービンに生じ、ウインドタービンがファーリング位置までその取付け軸線のまわりに回転するようになっていることを特徴とする請求項２１または２２に記載のウインドタービン。
24. タービン、塔および取付け構造体内の調和共振により引起される作動振動を減少させるための手段を備えていることを特徴とする請求項１３ないし２３のいずれか１項に記載のウインドタービン。
25. ジェネレータおよびタービンにおける振動を塔から少なくとも部分的に隔離するようになっているナセル減衰装置を備えていることを特徴とする請求項２４に記載のウインドタービン。
26. 前記ナセルの表面に取付けるための取付けブラケットを備えており、これらのブラケットは粘弾性材料および構造材料のサンドイッチ構成を有していることを特徴とする請求項２４または２５記載のウインドタービン。
27. 取付け手段は管状であることを特徴とする請求項２４ないし２６のいずれか１項に記載のウインドタービン。
28. 塔は、その半径方向内面と接触していない減少直径の諸部分を備えているゴムのような可撓性材料の１つまたはそれ以上のコアを収容しており、前記減径した諸部分が、塔の内面と接触している普通サイズの部分と交互になっており、かくして塔における振動を、これらが取付けブラケットに達する前に可撓性コアに散逸されたエネルギを介して吸収するのに役立つようになっていることを特徴とする請求項２６に記載のウインドタービン。
29. ゴムコアは、或る範囲の振動周波数の吸収により装置の共振周波数をタービン駆動周波数外に制御するようになっていることを特徴とする請求項２８に記載のウインドタービン。
30. 減径された部分各々の横断面形状および長さが変化され、かくして或る範囲の振動周波数を取付け構造体から除去するように装置を調整することを特徴とする請求項２９に記載のウインドタービン。
31. サンドイッチ取付けブラケットはコアによってナセルから生じる振動を抑制することを特徴とする請求項２４ないし３０のいずれか１項に記載のウインドタービン。
32. ナセルは振動周波数を除去するブッシュを介してジェネレータを支持していることを特徴とする請求項３１に記載のウインドタービン。

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