JP2011501048A - 垂直軸を有する風力タービン、及び風力発電所 - Google Patents

Abstract

この発明は、垂直軸（３）とともにローター（Ｆ）及び上記軸（３）に接続される発電機（７）を有する風力タービンと、ベアリングによって上記ローター（Ｆ）の軸（３）を保持する支持構造とに関し、上記ローター（Ｆ）は、上部コンソール（１０）の上部に装着された上部ベアリング、及び地上（８）に形成された建物（２０）に装着された下部ベアリングに取り付けられる軸（３）と、上記軸（３）に沿って間隔を介して軸（３）に垂直に取り付けられ支持リング（１１）と、上記リング（１１）に取り付けられタービンブレード（１２）を支持する複数のアーチ形の梁（２）とからなる。

Description

発明は、垂直軸を有する風力タービン、及び風力発電所に関する。

技術的に具体的な実施態様及び性能を開示している解決策が増加しており、それは気流のエネルギーを利用し他のタイプのエネルギーへ変換するものである。実際、それは、電気的あるいは他のタイプのエネルギーへ変換するように意図され、最も広く知られているシステムは、例えば水をポンプでくみ上げる、あるいは加熱するものである。

代替エネルギープログラムの枠組みにおいて、風力エネルギーのより有効な利用は、ますますかなり世界的になってきている。水平軸を有する風力タービンは、大きな性能要求の場合、主として最も広く広がった構造であり、３つのブレードがある構造は、最も頻繁に用いられ、その操作は技術的に良く知られている。

後者の欠点は、その効果的な運用が、最も速い風速のため、非常に高い所でのみ達成可能であるということである。

更なる欠点は、最適で効率的なエネルギー生産レベルを得るために、ブレードの面を常に風の速度ベクトルに直角に配向し、ブレードの角度を変更することを常に必要とする特性によるものである。

そのような多方向の動作は、システムに大きな要求をなし、非常に高価な解決策によってのみ適切な技術的要求に対応可能である。

そのような風力タービンシステムの更なる欠点は、その構造が非常に高い所に位置決めされる多くの量の材料が必要であるということである。

水平軸を有する風力タービンは、そのブレードの面のみによって規定される面において変換されるエネルギーを利用することができる。

更に、これらのシステムは、狭い範囲の風速のみにおいて、風力エネルギーを有効に利用することができる。

水平軸を有するシステムのそのような欠点を克服するために、垂直軸を有する風力タービンを用いて、多くの解決策が技術的に提案されている。

そのようなタイプの解決策は、例えば特許文献、米国４３６５９２９、米国６７４９３９３、米国２００５０７９０５４、ドイツ国４１２２９１９、日本国２００６０３７８９８、及びドイツ国１０２００５０４１６００に開示される。

米国特許４３６５９２９号

これらの解決策に共通する欠点は、それらの構造が非常に複雑で高価であるということである。

本発明の主な態様は、流体力学のエネルギーシステムに関する新しい数学的な概念の理論的な解決策に基づいて垂直軸を有する風力タービンを提供することである。

従って、本発明の目的は、従来技術のプラントとは対照的に、実際の風の方向のフィードバック調節なしで実際の風の方向に独立して常に同じ方法で作動し、プラントの入口側と出口側との間での作用するトルクのバランスのため及び新しい幾何学的形状のため最小の流れ抵抗つまり高効率を有し、簡易な構造及び低価格のメンテナンスを有し、弱い風力環境及び場所でさえ効率的に作動する能力を有し、高さの関数のように、風荷重の突然の変化及び分配の両方に影響を受けにくい風力発電所を提供することである。

本発明の目的は、垂直軸とともにローター及び上記軸に接続される発電機を有する風力タービンと、ベアリングによって上記ローターの軸を保持する支持構造とを提供することにより達成され、上記ローターは、上部コンソールの上部に装着された上部ベアリング、及び地上に形成された建物に装着された下部ベアリングに取り付けられる軸と、上記軸に沿って間隔を介して軸に垂直に取り付けられ支持リングと、上記リングに取り付けられタービンブレードを支持する複数のアーチ形の梁とからなり、ここで、隣接するブレードの内径に設けられた端間に形成される風通路が存在し、該通路は、タービンブレードの幾何学的形状及び上記ローターを囲むバッフル手段の幾何学的形状によるサイズを有する。

発明による風力タービンは、好ましくは少なくとも２つのアーチ形の梁を有し、上記タービンブレードは、２次曲線、及び／又は三角曲線、及び／又は双曲線の数学的曲線の少なくとも一つによって決定された形状として形成される。

更に、アーチ形の梁の面は、上記タービンブレードの母線に都合良く垂直であり、また、任意の数の分割ベーンが上記タービンブレードの母線に垂直な面に配置されている。

上記風力タービンは、好ましくはバッフル手段を備え、該バッフル手段は、それの内径と外径との間に配置され効率エンハンサーとしての偏向支持エレメントを有し、その数は、上記バッフル手段の数に等しく、上記効率エンハンサーは、閉じた多角形を形成し、支持構造は、既知の円環状又はロール状部品により形成され、それは軸に垂直な複数の面に配置される。

上記風力タービンは、より好ましくは、上記軸に沿って、かつローター（Ｆ）の外径とバッフル手段の内径との間に配置された支持ローラ走路を含んでおり、上記走路（Ｇ）は、バッフル手段に形成され、ローターの外径に配置された案内溝リングに接触した支持リングから成る。

より短い円弧長さを有する対のベーンは、ローターの外径での上記タービンブレード間で対称的に配置され、その数はタービンブレードの数と等しい。また、４つの表面によって区切られた回転トリガーは、上記効率エンハンサーと同じ面に配置される。

本発明の目的は、また、垂直軸とともにローター及び上記軸に接続される発電機を有する風力タービンを提供することにより達成され、それは任意の高さで建造可能であり、上記高さに沿って等しい距離で間隔を開けて床が形成され、ローターは、間隔をあけて固定されアーチ形の梁を有する支持リングから成り、タービンブレードの支持体は、上記床の間に配置され、ローターの軸は上記床の穴に軸受けで取り付けられている。

上記床は、好ましくは円筒状の円板形状、あるいは楕円形状を有する。

上記床及び上記バッフル手段は、軽量構造鉄筋コンクリートで造られる。

風力タービンは、その軸の部品の異なる動きを補償する弾性部材を有利に備え、その結果、均一な回転になる。

図１は、発明による垂直軸を有する風力タービンの縦断面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ面に沿って得られた断面図である。 図３は、発明による垂直軸を有する風力タービンの第２実施形態の側面透視図である。 図４は、図３のＡ−Ａ面に沿って得られた断面図である。 図５は、図４のＢ−Ｂ面に沿って得られた断面図である。 図６は、発明による垂直軸を有する風力タービンの回転トリガーの上面図である。 図７は、図６に示す回転トリガーの斜視図である。 図８は、発明による垂直軸を有する風力タービンの第３実施形態の側面透視図である。 図９は、Ｃ−Ｃ面に沿って得られた図８における風力タービンの断面図である。 図１０は、Ｄ−Ｄ面に沿って得られた図９における風力タービンの断面図である。 図１１は、発明による風力タービンの模式的な動作図である。

図１は、発明による、垂直軸を有する風力タービンの垂直断面図であり、ここで、風力タービンは、地表面８に支持される。風力タービンを操作する中央制御ステーション及びデバイスは、地表面８に沿って配置された建造物２０内に位置する。

風力タービンの上部機構部分を支持する基礎部材９は、地表面８に配置され、上記上部機構部分は、上部コンソール１０によって覆われる。

風力タービンの軸３は、上部コンソール１０のベアリング４、及び建造物２０に固定されたベアリング５によって保持され、それ自体既知の方法で建造物７内に配置された発電機７に接続される。よって発電機７は軸３によって駆動される。

また、鉛直荷重を支えるために適用されるバッフル手段１は、地表面８に配置された基礎部材９に設けられる。バッフル手段１は、基礎部材９に固定して取り付けられる。バッフル手段１の上端は、上部コンソール１０によって斜めに硬く補強されている。

直径ｄ１を有する支持リング１１は、上部コンソール１０のベアリング４、及び建造物２０に固定されたベアリング５によって保持された軸３に設けられ、好ましくは軸３に沿って等距離で間隔をあけて、かつ互いに平行に保持され、かつそれらの装着面は上記軸３に垂直である（図１及び図３を参照）。

タービンブレード１２を支持し固定するアーチ形の梁２は、軸３に据え付けられた支持リング１１へ留められる（図２）。

タービンブレード１２の数、及びそれに付けられたアーチ形の梁２の数は、任意であるが、少なくとも２つは必要である。

タービンブレード１２の表面は、２次曲線、及び／又は三角曲線、及び／又は双曲線の数学的曲線の少なくとも一つによって決定された形状として形成される。

支持リング１１を有し、及びタービンブレード１２に設けられたアーチ形の梁２を保持する軸３は、ローターＦである単一のユニットを形成し、これらの部品は、動作上、同じ回転速度で回転する。

軸３に設けられるアーチ形の梁２及び支持リング１１は、それ自体既知の構造、例えばアルミニウム又はプラスチック材料で作られた格子構造を有する構造物を有する。

その母線がアーチ形の梁２の内側部に隣接しているように、タービンブレード１２はアーチ形の梁２上に配置される。

隣接したブレード１２の内径ｄ１に置かれた端間で形成された風通路Ｓがあり、該通路Ｓは、タービンブレード１２の幾何学的形状、及び上記ローターＦを取り囲むバッフル手段１の幾何学的形状に依存するサイズを有する。

高性能の風力タービンの場合、任意の数の分割ベーンＣがタービンブレード１２の母線に垂直な面に配列されてもよく、上記ベーンＣは、ブレード１２の母線に垂直な面を有することに注目すべきである（図３）。

各構成部分の直径は、非常に重要なファクターである。バッフル手段１の内弧は、タービンブレード１２の直径ｄ２よりも大きい直径ｄ３にて始まる。

バッフル手段１の母線に垂直に見て、凹状及び凸状の円弧が示されている。

バッフル手段１の円弧の最外点は、直径ｄ４を有する円に配列される。

バッフル手段１は、それらの間で等しい角度で垂直に及び対称的に間隔をあけて位置決めされる。

低い性能の風力タービンの場合には、バッフル手段１の構造は、垂直のシートを有する格子構造によって形成され、被覆及びその材料は、任意に選択可能である。

ローターＦの直径ｄ２及び外径ｄ３と、バッフル手段１の内径ｄ４との間に、風速と風力タービンの性能等級とによって決定される厳密な数学的な関数が存在する。風速が比較的低い場合、バッフル手段の数がそのままにもかかわらず、この場合、入って来る空気量は大きくなり、入って来る空気量と同じ量が小径ｄ２を有するタービンブレード１２間に入らなければならないことから、バッフル手段１の直径ｄ４を大きく、かつ直径ｄ２、ｄ３をより小さく選択することが有利である。連続の式のため、それら２つの体積は等しくなければならず、より大きな入射気流速度が直径ｄ３で得ることができ、その結果、運動エネルギーは二次式の割合で上昇する。従来技術の解決策と比較して、本発明の最も有利な効果は、風の少ない環境の下でも、その有効な実現可能性及び適用可能性である。

発明による風力タービンの動作は、図１１を参照して以下で詳しく述べられるだろう。

図２は、図１に関係して示された、発明による、高出力の、垂直軸を有する風力タービンの実施形態を示す。

図４に示された解決策は、８つのバッフル手段１、及び直径ｄ４未満でバッフル手段１の直径ｄ３よりも大きい直径に沿って配列された、バッフルでそれ自身も支持手段である効率エンハンサー１３を含む。

効率エンハンサー１３は、バッフル手段１の数によって閉じた多角形を形成し、構造の強度及び効率を増加する。

効率エンハンサー１３の多角形の角は、バッフル手段１の母線に垂直に、バッフル手段１の側面に隣接する。

効率エンハンサー１３の好ましい実施形態が図５に示される。

効率エンハンサー１３は、それ自身既知で、好ましくは溶接継ぎ手によって隣接する２つのバッフル手段１に取り付けられる円筒又は節の形状を備えた枠組みを有する。

効率エンハンサー１３の枠組みは、ケーシングｂによって囲まれた支持部品ａを含み、支持部品ａの数は、好ましくは８つであるが、この数は任意に選択可能である。

効率エンハンサー１３のケーシングｂの縦構造部品及び母線は、バッフル手段１のシェルに垂直な面に設けられる（図４）。

効率エンハンサー１３の各支持部品ａは、バッフル手段１に垂直であり、支持リング１１及びアーチ形の梁２の面に平行に配置される。したがって、効率エンハンサー１３を支持リング１１及びアーチ形の梁２の面に配置するのに有利である。

任意の数の効率エンハンサー１３がバッフル手段１において互いに平行に装着可能である。

効率エンハンサー１３を構築するのに使用される材料は、風力タービンの性能の関数である。即ち、高い性能が要求される場合には、バッフル手段１のように、鉄骨鉄筋コンクリートで作製される。

この実施態様において、支持ローラカムＧ表面は、ローターＦの外径ｄ２とバッフル手段１の内径ｄ３との間に配置可能である（図３）。支持ローラカムＧ表面は、非常に長い（高い）ローターＦ、及び極端な風荷重の場合でさえ、ローターＦの外径ｄ２とバッフル手段１の内径ｄ３との間に正確な距離制御を提供する。

ローターＦに沿って構築される支持ローラカムＧ表面の数は、予期される風荷重及び風力タービンの計画性能によって決定されるだろう。

図３による実施形態では、３つの支持ローラカムＧ表面が存在する。

支持ローラカムＧ表面の基礎部材は、バッフル手段１により支持され、ローターＦの外側周囲ｄ２に配置される案内溝リングｎを係合する支持リングｔである。

図６に示される高出力風力タービンの実施形態では、より短い円弧長を有する対のベーン１６がタービンブレード１２の間に対称的に配置される。対のベーン１６の円弧長は、タービンブレード１２の円弧長よりも短く、このベーン１６の軸３に平行に走る最も外側の母線は、ローターＦの直径ｄ２に設けられ、ベーン１６の数は、タービンブレード１２の数と等しい。

上述したように、高出力風力タービンの場合には、効率エンハンサー１３と同じ面のように軸３に垂直に配置されるバッフル手段１に回転トリガー１４を適用するのが好ましい。

この実施形態の回転トリガー１４は、図７に図示される。図では、回転トリガー１４は４つの面によって区切られた物体であることを明示している。

第２実施形態の動作は、タービンブレード間を移動する気流が効率エンハンサー１３及び回転トリガー１４によって変更され、それによって性能を向上させることを除いて、図１に示される実施形態の動作と実質的に等しい。

図９は、任意の性能を有する風力タービンの構造を図示する。

風力タービンの高さは、動的安定性によって決定されるのがよい。この実施形態において、動的安定性を達成するために、予め決定された高さのバッフル手段１に沿って少なくとも一つの保持し分割する、既知の構造材好ましくはバッフル手段１の材料と等しい材料で作製された、床１７が形成される。高出力つまり１ＭＷを超える風力発電所に関して、上記材料は、好ましくは鉄骨鉄筋コンクリートである。

保持及び分割床１７は、バッフル手段１及び軸３にも垂直で任意の数で配置可能で、かつ、流体力学及び強度力学の両方に関して構造が単一であり、そのサイズが軸３のサイズ及びバッフル手段１の外径ｄ４によって実質的に決定されて形成可能であってもよい。

床１７は、また床１７間の軸の長さを決定する、同じ距離ｈによって互いに離れて配置される。

図１及び図２に示す風力タービンは、実質的に２つの床１７間に設置されるが（図９を参照）、しかし、２つの床１７間に異なる実施形態の風力タービンを配置することも可能である。この場合、その役割が床１７によって引き受けられるので、実際には、上部コンソール１０は省略可能である。

床１７は、図１０に示され、中央に直通穴１８を有し、穴１８に軸受け装着されて軸３を受け入れるのが好ましい。

床１７は、好ましくは円板状であり、また、回転の楕円体あるいは流体力学により適切な他の物体として有利に形成される。この実施形態において、高さ制限は、軸３の長さによって決定される。そのため、床１７の距離ｈにより分割される軸３を適用するのが好ましいが、この場合、以下のように、ベアリングの配置は、特別な構造の建造物を必要とする。

この実施形態で使用される床１７のため、ローターＦの複数のセクションＦ１、Ｆ２、Ｆ３、…Ｆｎは、高さ全体に沿って配置可能である。２つの平行な床１７間に配置されるタービンブレード１２に影響する風力は異なる場合があることから、異なる気流環境を異なる床１７間に考慮しなければならない。計画の中でこの事実に注意を払うと、軸３は、距離ｈによるセクションＦ１、Ｆ２、Ｆ３、…Ｆｎにより形成可能である。その結果、与えられたセクションＦ１は、それぞれの上部床１７に形成された中心穴１８にはめられた装置であるべきであり、セクションＦ１の下端は、好ましくは軸方向にセクションＦ１を支持し、ほんの僅かな側方への動きを許容する弾性継手によって下部セクションＦ２の上端に接続されるべきである。この実施形態において、ベアリングは、弾力のある構造用部材によって穴１８に固定される。このように、セクションＦ１、Ｆ２、Ｆ３、…Ｆｎからなる軸３の曲げ座屈は、風力タービンの高さに沿って異なって作用する大きな風荷重の場合でさえ、排除されるかもしれない。

発明による、垂直軸３を有する風力タービンの動作は、図１１を参照して記述される。

発明による、垂直軸３を有する風力タービンの主な利点は、あらゆる風速で使用可能であること、発電機（つまり給湯）の性能は風速の増加に伴い増加すること、また、耐震性の構造であることである。

直径ｄ４によって決定された表面及びそれぞれの高さに到達する気団は、バッフル手段１によって決定される開口ｆ１を通り風力プラントへ入る。空気の進入は、バッフル手段１の曲率、及び開口面ｆ１から面ｆ１よりも小さい開口ｆ２へ狭くなる横断面積の両方によって促進されるだろう。増加した速度、それによって増加された推力を有する加速された気団は、開口ｆ２を通りタービンブレード１２に入り、流れ方向の変化を受けながらローターＦへトルクを働かせ、軸３及び支持リング１１によって区切られる通路Ｓを通り反対のタービンブレード１２へ流れる。ここで、その推力は変化し、流れ方向の更なる変化を受けることは、タービンブレード１２に更なるトルクを働かせる。

システムの配置により、ローターＦの直径ｄ２及びタービンブレード１２の曲面とともにバッフル手段１の曲面及び開口ｆ１、ｆ２は、すべての速度で層流を提供し、得られるトルクは、入口と出口の両方においてタービンブレード１２に等しくなり、それによって、軸３に対称的に働くであろう。

バッフル手段１の開口は、流入状況と比較したとき、実際には、流出側で逆の挙動を有する。

流出側の開口ｆ２を出る使用済みの空気は、より大きな表面を有する開口ｆ１まで拡張され、その後、風力発電所を外れて自由に流れる気流によって運び去られるだろう。この現象は、流れ抵抗を減少させて、風力タービンの有効性を増加させる。

本発明による風力発電所の主たる利点は、従来の発電所とは対照的に、実際の風の方向のフィードバック調節なしで実際の風の方向に独立して常に同じ方法で作動し、プラントの入口側及び出口側で影響するトルク間のバランス並びに新規な幾何学的形状のために、最小の流れ抵抗つまり高有効性を有し、簡易な構造を有しメンテナンスが安価であり、風が弱い環境でさえ効率的に作動する能力を有し、高さの関数として風荷重の突然の変化及び分配の両方に影響を受けにくい風力発電所を提供することである。

Claims (15)

1. 垂直軸（３）とともにローター（Ｆ）及び上記軸（３）に接続される発電機（７）を有し、支持構造はベアリングによって上記ローター（Ｆ）の軸（３）を保持する、風力タービンであって、
   上記ローター（Ｆ）は、上部コンソール（１０）の上部に取り付けられた上部ベアリングと地表面（８）に沿って形成された建造物（２０）内に取り付けられた下部ベアリングとに取り付けられる軸（３）と、軸（３）に沿って間隔を介して軸（３）に垂直に取り付けられる支持リング（１１）と、上記リング（１１）に取り付けられタービンブレード（１２）を支持する複数のアーチ形の梁（２）とからなり、
   隣接するブレード（１２）の内径（ｄ１）に配置される端間で形成される風通路（Ｓ）が存在し、該通路（Ｓ）は、タービンブレード（１２）の幾何学的形状及び上記ローター（Ｆ）を囲むバッフル手段（１）の幾何学的形状に依存するサイズを有する、
   ことを特徴とする風力タービン。
2. 少なくとも２つのアーチ形の梁（２）を有することを特徴とする、請求項１記載の風力タービン。
3. 上記タービンブレード（１２）は、２次曲線、及び／又は三角曲線、及び／又は双曲線の数学的曲線の少なくとも一つによって決定された形状として形成されることを特徴とする、請求項１又は２記載の風力タービン。
4. アーチ形の梁（２）の面は、上記タービンブレード（１２）の母線に垂直であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の風力タービン。
5. 任意の数の分割ベーン（Ｃ）は、上記タービンブレード（１２）の母線に垂直な面に配置されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の風力タービン。
6. その内径（ｄ３）と外径（ｄ４）との間に配置される効率エンハンサーとしての偏向支持エレメントを有するバッフル手段（１）を備え、偏向支持エレメントの数は、上記バッフル手段（１）の数に等しく、上記効率エンハンサー（１３）は閉じた多角形を形成することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の風力タービン。
7. 支持構造（ａ）は、それ自体既知の円筒形状又はロール形状の部品により形成され、上記軸（３）に垂直な複数の面に配置されることを特徴とする、請求項６記載の風力タービン。
8. 上記軸（３）に沿って、及びローター（Ｆ）の内径（ｄ３）とバッフル手段（１）の外径（ｄ２）との間に配置される支持ローラ走路（Ｇ）を含み、該走路（Ｇ）は、バッフル手段（１）に形成されローター（Ｆ）の外径（ｄ２）に配置された案内溝リングに接触する支持リング（ｔ）から成ることを特徴とする、請求項６又は７記載の風力タービン。
9. より短い円弧長を有する対のベーン（１６）は、ローター（Ｆ）の外径（ｄ２）で上記タービンブレード（１２）間に対称的に配置され、その数は、タービンブレード（１２）の数に等しいことを特徴とする、請求項６から８のいずれかに記載の風力タービン。
10. ４つの面によって区切られた回転トリガー（１４）は、上記効率エンハンサー（１３）と同じ面に配置されることを特徴とする、請求項６から９のいずれかに記載の風力タービン。
11. 垂直軸（３）とともにローター（Ｆ）及び上記軸（３）に接続される発電機（７）を有する風力タービンであって、
    それは任意の高さで建造可能であり、床（１７）が上記高さに沿って等しい距離を介して形成され、間隔を介して固定されタービンブレード（１２）を支持するアーチ形の梁（２）を有する支持リング（１１）で構成される上記ローター（Ｆ）は、上記床（１７）間に配置され、ローター（Ｆ）の軸（３）は、上記床（１７）の穴（１８）に軸受け取り付けされていることを特徴とする風力タービン。
12. 上記床（１７）は、円筒状の円板形状を有することを特徴とする、請求項１１記載の風力タービン。
13. 上記床（１７）は、楕円形状を有することを特徴とする、請求項１１記載の風力タービン。
14. 上記床（１７）及び上記バッフル手段（１）は、軽量構造鉄筋コンクリートで造られることを特徴とする、請求項１１から１３のいずれかに記載の風力タービン。
15. 軸（３）の部品の異なる動きを補償し、均一な回転にする弾性部材を備えたことを特徴とする、請求項１１から１４のいずれかに記載の風力タービン。

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