JP2011522160A - ウインドダイバータ - Google Patents

Abstract

風力タービンの支柱を少なくとも部分的に取り囲み、風力タービンの周りの領域から該風力タービンのロータブレードに風を向けるウインドダイバータの装置と方法を提供する。該ウインドダイバータはまた、乱流を減らし、ロータブレードに送られる気流の層流を増やす。さらに、該ウインドダイバータはロータに到達する空気の量および気流の速度の双方を増やしてロータの速度を上げる。ロータの速度が上がるとウインドタービンの利用できるエネルギーが増える。エネルギーはロータの速度の３乗で増え、増えたエネルギーによって風力タービンによって生成される電力が増える。ウインドダイバータはまた、空気を集中させることにより、風力タービンがより遅い初期風速でエネルギーの生成を開始することができるようにする。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００８年５月２８日出願の「ウインドダイバータ」と題する米国特許仮出願第６１／０５６、４８６号明細書に関するものであり、その優先権を主張し、その内容の全てをここに参照のために取り込む。

本明細書に開示する発明は一般に風力タービンを利用する発電に関し、より詳細には、風力タービンのブレードに供給される風の流れを増やすために風の向きを偏向し、これによって、ブレードの作用によって生成される電力を増やすための装置と方法を提供することに関する。

風力エネルギーの電気エネルギーへの変換はよく知られている。風力エネルギーを有用な電力に変換する最も一般的な装置は風力タービンであり、風力タービンは典型的には直接風にさらされ、ハブの中心に連結されて共通の水平軸の周りを回転する複数のブレードを備える。

より昔の風力タービンの設計では、水平軸は卓越風方向に恒久的に平行である。その結果、風向きが卓越方向から変わると効率が下がる。より新しく、そしてより進歩した風力タービンの設計では、ロータの水平軸は風向きになり、自由に回転して風向きと平行になるか、またはサーボモータによって駆動される。

風力タービンは風力エネルギーを利用する周知の方法であるが、いくつかの固有の不利な点がある。先ず第一に、より速い風速をより高い高度で捕らえるためだけでなく、地表の障害物によって生じる乱流の望ましくない効果を避けるために、ロータを高い塔の上に設置しなければならない。

さらに、風力タービンは気流の円形断面からのエネルギーのみを効率的に抽出することができる。気流のかなりの部分はロータによって掃引される領域の下、上および周りを通り、周囲の風から利用できる風力の全てを抽出する能力が制限される。さらに、大型の風力タービンは約７〜１０マイル毎時（「ＭＰＨ」）（約１１〜１６ｋｍ／ｈ）の適度に高い風速でしか始動することができない。この風速は常に利用できるものではない。つまり、風力タービンは風速が上がって最小閾値始動速度に達するまでアイドル状態で、始動することはできない。

大型の風力タービンを制限するもう一つの要因は、現在の設計が最大限のサイズに近づいていることである。ロータの長さは構成材料、すなわち、アルミニウム、グラスファイバーまたは炭素繊維によって制限される。ロータのブレードが長くなるほど重くなる。一定の長さを超えると、長く、そして重くなりすぎて自身で支えることができなくなる。そして、特定の風力タービン設備では最大限の大きさ／出力になる。

設置された従来の風力発電地帯の中には、タービンを棟に置き、自然の地形を利用してロータに向かう風速を上げ、これによってエネルギー出力を増やすものがある。さらに、２つの丘の間の谷間にタービンを置き、この自然のベンチュリー効果を利用することも可能である。しかしながら、層流を生成して乱流を最小にする一方で、同時に風速を最大にするのに適切な地形を持つ自然に発生する場所はほとんどない。このような場所が存在するのであれば、それらは卓越風を利用するには不適切な方向を向いているか、または風向きが変わると遮断されてしまう。最後に、自然の地形が適切なものであっても、遠隔設置された風力タービンを既存の電力網に経済的につなげるには場所が離れすぎている。

小型の風力タービンのさらなる問題は、ビルの屋根への取り付けのようないくつかの用途に理想的な大きさであっても、大型のタービンほど効率が良くないことである。さらに、ビルの胸壁やビルそれ自身の上面上の猛烈な乱流のため、小型タービンは限られた量の電力しか生成できない。

風力タービンの効率は、タービン自身により多くの風を向けることによって上げることができると長い間認識されてきた。記録されているものの中でこれを行う最古の方法の１つにＰｅｒｓｉａｎ Ｐａｎｅｍｏｎｅがある。これは垂直軸風力タービンの一種であり、その軸は風向きに対して９０度の位置にあり、風に対して平行に動くブレードを有する。Ｐｅｒｓｉａｎ Ｐａｎｅｍｏｎｅは垂直軸上の４つの帆から構成され、風が吹くと回る。風上方に動く羽根または帆は壁で遮断して吹き戻されないようにしなければならなかった。その結果、タービンの半分が壁で遮蔽され、効率が下がった。

風を集中させる最近の試みとして、シュラウド、ディフューザまたはダクトインレットがあり、これらの名前は全て基本的にベンチュリー効果を利用する同じ設計のものである。これらの設計に関する最初の調査がいくつか１９５７年にＮＡＳＡによって行われた。これは、非特許文献１に報告されている。さらなる研究が１９６０年代から１９７０年代にわたって行われた。１９９０年代には、Ｖｏｒｔｅｃというニュージーランドの会社によって大規模な装置が作られた。

つい最近の２００９年２月３日、タービンロータを完全に覆い隠すベンチュリータイプの増大器に関して、特許文献１（Ｒｅｉｄｙ氏等）が発行された。

ロータが風の方向となる風力タービン設備に使用するこれらのタイプの増大装置は、種々の要因によって非常にうまくいくとは証明されていない。主な問題はディフューザの開口が流入する風と完全に一直線になっていなくてはならないことである。不整合の場合には、シュラウドが気流を塞いでしまう。さらに、ディフューザのスロートと風の向きの間にわずかな不整合があっても、気流は層流から乱流となり、効率が大きく下がってしまう。

この不整合を防ぐ設計としては、ロータを風の向きに合わせるヨー機構にディフューザを取り付けるものがある。これにより、ディフューザおよびロータ自身の両方を回転させるために必要な支持塔とヨー機構の設計が大変複雑になる。ディフューザ内蔵のタービンに関しては、正しい整合を維持するのに十分な速さでアッセンブリーを回転させるのは極めて困難であることがわかった。

バウトン氏 (「Ｂｏｕｇｈｔｏｎ」)の特許文献２では、自然または人工の小山の上あるいはそれに隣接して風力発電装置を配置し、風力発電装置の高さを増し、風を装置のタービンロータにいくらか集中させることを開示している。バウトンはまた、埋立て地に塵芥を積み上げて作ったような人工の小山を最大限に利用するような風力発電装置の配置も開示している。さらにバウトンの発明では、風力タービン塔の配置された支持塔を、ジャッキング機構や望遠鏡支持塔のような折り畳み式支持塔と共に設置することができる。バウトンはまた、人工の小山が大きくなるにつれて支持塔が上がるように、支持塔と共に、または別々に構成するインフレータブルの構造も開示している。バウトンのシステムはまた、風力タービンの底部にヒンジを備え、風力タービン自身のメンテナンスに必要なアクセスを容易にすることもできる。

バウトンの明細書に開示された先行技術のシステムには数多くの欠点がある。１つ目の欠点は、人工の小山を補強して、人工の小山上で風力発電装置の重量を支持する必要性である。風力発電システムは、ケンタッキー州のボーリンググリーンに設置された風力発電システムの例に見られるように、極めて大型のものである。ここでは、風力発電設備の高さは２５６フィート（約７８.０ｍ）であり、ブレードの長さは１３４フィート（約４０.８ｍ）である。よって、この大きさの装置の重量を人工的に作られた小山の上で支持するには、完成した小山の構造の材料と安定性に関して慎重なエンジニアリングがいくらか必要である。この複雑なものへのエンジニアリングにより、建設の時間とこのような小山のコストが著しく増加する。

バウトンの明細書に開示されたもう一つの欠点は、すでに存在する風力発電の定置に小山を加えようとする場合には、最初に既存の設備を取り除き、小山を作り、そして風力発電装置を再度設置する必要があるため、エンジニアリングと建設に関してさらにコストがかかることである。発電の売上増に基づくこのような設備の投資回収は、このような後付けが経済的に実現不可能になるほど長くかかるだろう。

バウトンの明細書に開示された先行技術システムのさらなる欠点は、小山の頂上から風力発電タービンのブレードの底面までの領域が空いていることである。この空き領域によって、小山によって加速された風はロータのブレードを押す作業を何もせずに、空き領域を通って逃げる。

米国特許第７，４８４，３６３号明細書 米国特許第６，７５５，６０８号明細書

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｆｔ， Ｄｒａｇ ａｎｄ Ｐｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｉｖｅ Ａｎｎｕｌａｒ Ａｉｒｆｏｉｌｓ（５つの環状翼のリフト、ドラグおよびピッチングモーメントの実験的調査）

一実施形態では、本発明は風力タービンを囲む領域から風力タービンのロータブレードへと集中気流の流れを供給するウインドダイバータ装置に関するものであり、この装置は、より軽い空気抵抗材料で覆われた高強度支持部材を有する断面を持つフレームを備える。このフレームは角度を成す部分と平らな部分から構成することができ、これらの部分をつなげて角度を成す部分が設備の平面から伸びて角度を成す部分の遠位端で平らな部分につながるようにする。フレームの平らな部分の幅は、風力タービンのロータアークと少なくとも同じ長さとすることができ、フレームの平らな部分を角度を成す部分につなげると、風力タービンのロータアークの底端から所定の隙間量を引いたものと同等の高さを有する。この装置は、風力タービンの支柱を少なくとも部分的に取り囲み、風力タービンのロータブレードの前面の底部に気流が集中するように設置する。

装置のフレーム高強度支持部材は鋼管、アルミニウム管、鋼線、ロープおよび構造的炭素繊維ロッドより成るグループから一般的に選択される高強度材料より成る。フレームの軽量空気抵抗被覆は一般的に、プラスチックシート、帆布、グラスファイバー布およびキャンバスまたはその他の軽量で空気抵抗のある材料より成るグループから選択する。ウインドダイバータのフレームは一般に、高強度支持部材でフレームの形状を形成し、高強度支持部材を軽量空気抵抗被覆で覆うことにより、形成されたフレームの形状を仕上げて構成する。

装置の平らな部分は四角形、長方形またはその他の多角形として構成することができ、その場合、平らな部分の各縁は、丸みを帯びた曲線を介して角度を成す部分の遠位端につなげ、装置の角度を成す部分から平らな部分への推移をなめらかにする。ウインドダイバータ装置は風力タービン支柱から独立させてもよいし、またはウインドダイバータ装置の延在する上面の平らな側面を直接取り付けることによって、風力タービンに連結してもよい。

ウインドダイバータ装置のフレームにはさらに放出羽根(spill vane)を備えることができ、これは角度を成すフレーム部の間の接合部に垂直な向きに設置する。ウインドダイバータのさらなる集中部分は半円形のシュートで構成することができ、これをフレームの平らな部分の上面につなげ、ロータの前に置く。半円形のシュートは斜面の平らな部分に到着した気流をさらに風力タービンのロータのブレードにさらに集中させる。装置の平らな部分はまた、この平らな部分の中心にくぼんだ部分を有することができ、これはロータブレードの底端の真下に位置し、装置のフレームの平らな上面への衝撃を避けるためにロータブレードによって要求される隙間を提供するには十分な深さである。

もう一つの実施形態では、気流を風力タービンのロータに向ける方法を提供する。この方法は、少なくとも一つの角度を成す部分と少なくとも一つの平らな部分を備えるフレームを構成するステップと、該フレームを卓越風の流れの方向と風力タービンロータの前面部との間の介在位置に設置するステップとを含む。フレームの平らな部分は、フレームの角度を成す部分とつながった場合には、平面上の風力タービンのロータアークの底端から所定の隙間量を引いたものと同等の高さを有する。この方法はさらに、風力タービンの支柱を少なくとも部分的に囲んでフレームを設置して、風力タービンのロータブレードの前面の底部に気流を集中させるようにするステップをさらに含む。

よって目的は、風力駆動タービンのロータブレードまで風を偏向し、利用できる風の速度を上げて、ロータブレードに突き当たる風速を上げることによって風力駆動タービンによって生成される電力を増大するための装置と方法を提供することである。

本発明の目的を上に述べ、本発明によってこの目的の全体または一部分に取り組むが、他の目的は下記に記載する添付図面を参照して説明を進めるにつれて明らかになってくるであろう。

六角形の断面を有するウインドダイバータの例示的正面図である。 六角形の断面を有するウインドダイバータの例示的側面図である。 半球状の断面を有するウインドダイバータの例示的側面図である。 風力タービンから分離した六角形の断面を有する半分のウインドダイバータ配置の例示的上面図である。 六角形の断面およびウインドダイバータの中心にくぼみを有するウインドダイバータの例示的側面図である。 風力タービンの支柱に取り付ける二重ウインドダイバータとして構成するウインドダイバータの例示的正面図である ビルの屋根の盛り土に取り付ける屋根取り付けウインドダイバータの例示的側面図である。 風力タービンの近くの平らな上面を有する斜面として構成するウインドダイバータの例示的側面図である。 平らな上面とロータブレードシュートを有する斜面として構成するウインドダイバータの例示的正面図である。 平らな上面とそれに続くロータブレードシュートを有する斜面として構成するウインドダイバータの例示的側面図である。 ウインドダイバータの断面の接合部に取り付ける風配向羽根を有する、六角形の断面を持つウインドダイバータの例示的側面図である。 風力タービンから分離した、円錐形の断面を有するウインドダイバータの例示的上面図である。 円錐形の断面を有するウインドダイバータの例示的側面図である。 翼型設計すなわち「Ｓ」字形状を有する斜面を持つウインドダイバータの例示的側面図である。 複数のウインドダイバータのテストにおける出力対風速の変化を表す表である。 ダイバータの斜面につながる平らな上面のある場合とない場合のウインドダイバータの風速変化の比較を表す表である。 風速タービンロータＲＰＭ対ロータブレードに加えられる風速の変化を表す表である。

現在の風力タービン設計は、ロータをできるだけ高く上げるために、タービンをできるだけ高く作ることを基本としている。風速は高度が高いほど速く、現在の風力タービン設計はこれらのより速い風速をできるだけ多く捕らえることを追求している。

現在の風力タービン設計を制限する要因の１つは、ロータブレードの長さである。ロータブレードの長さは、いくつか挙げると、すなわち、アルミニウム、グラスファイバーまたは炭素繊維などの構成材料によって制限される。風力タービンの設計の制限要因は、ロータのブレードの最大の大きさが構成材料によって決まることであり、現在の設計は、現在入手可能な構成材料にとって最大のブレード長さに到達しようとしている。従って風力タービンの全体的な高さは、ハブの高さとロータブレードの長さによって決まり、ロータブレードの長さは入手可能な構成材料によって制限される。

これらの設計パラメータを考慮すると、ロータブレードの底面と地面の間の距離として定められるロータの先端隙間は地面から相当の高さである。先端隙間は風力タービンのメーカーおよびメーカー特有のタービン設計によって決まるが、大型の風力タービンの典型的な先端隙間は４９〜１３０フィート（約１５〜４０ｍ）以上である。これは、地面とロータブレードの底端との間に非常に大きな距離があることを示しており、この距離では、この空き領域を通る風からエネルギーを捕らえる機会はない。

地面とロータブレードの底端との間のこの空き領域を通る風は通常使われるものではない。しかしながら、本明細書で考えるように、ロータブレードの先端の下の空き領域にウインドダイバータを配置することにより、この風とそれに関連する力を、風がロータブレードに突き当たるようにロータの高さまで風を上昇させることによって捕らえることができる。

さらなる問題として、風力発電地帯設備では、タービンを棟に設置し、自然の地形を利用してロータに向かう風速を上げ、これによってエネルギー出力を上げる。さらに、２つの丘の間の谷間にタービンを置き、この自然のベンチュリー効果を利用することも可能である。しかしながら、層流を作りだし、そして乱流を最小にする一方で風速を最大にするのに適切な地形を持つ自然発生の場所はほとんどない。もしもこのような場所が存在するのであれば、それらは卓越風を利用するには不適切な方向を向いているか、または風向きが変わると遮断されてしまうようなものである。最後に、自然の地形が適切なものであっても、遠隔設置された風力タービンを既存の電力網に経済的につなげるには場所が離れすぎている。

小規模の風力タービンのさらなる問題は、ビルの屋根取付けのようないくつかの用途には理想的な大きさであっても、大型のタービンほど効率的ではないということである。さらに、ビルの胸壁やビルそれ自身の上面の大きな乱流により、小型のタービンでは限られた量の電力しか生成できない。

地面からロータブレードまでの風の偏向に関連する恩恵が多数ある。一番の恩恵は、記載する空き空間に通常流れる空気の量が偏向されると、これによって、風がロータまで偏向されるにつれて、ロータブレードに突き当たる風速が上がる。最も重要なことは、現在の風力タービン動作では、ロータブレードのアークの上面の風速は典型的にはロータブレードのアークの底面の風速よりも速いということである。風の状態に応じて、ウインドダイバータによって生じる風速の増加により、ロータブレードのアーク底面の風速とロータブレードのアーク上面の風速のバランスをとることができる。

速度が上がることによって、風力タービンによって生成される電力の増加が生じる。電力は風速の増加の３乗で増える。風洞テストでは、本明細書で考えるウインドダイバータによって生じる効率の増加は出力の１５〜３０％である可能性が最も高く、５０％を超すこともあることがわかった。

２つめの恩恵は、電力を生成するためのロータブレードの回転を開始するために必要な立ち上げ風速に関するものである。風を偏向することによって、通常の動作の実際の立ち上げ風速を下げることができる。多くのメーカーでは、自分たちの風力タービンを約７〜１０ＭＰＨ（約１１〜１６ｋｍ／ｈ）の風速で立ち上げるように設計している。通常の立ち上げ風速は、ロータブレードのアーク上面の風速が速く、ロータブレードのアーク底面の風速が通常の立ち上げ風速よりも遅い状態で、タービンのハブで測定される。一般に、ロータの上半分の風は必要とされる立ち上げ風速に使用される。ロータの底面で風速を上げることができれば、立ち上げに必要とされる速度の大部分に貢献することができる。その結果、風力タービンはより軽い風の条件で動作することができ、そして運転時間数を増やすことができる。運転時間数の増加は、特定の風力タービンの全体的な効率を増やす。というのも、ロータブレードの底面に向かって偏向されるさらなる風により、通常立ち上げるには風速があまりにも遅すぎる場合でも動作することができるからである。風力タービン設備の現在の全体的な運転効率は、風の偏向のない場合では４０％以下である。

本明細書で考えるウインドダイバータによってもたらされる可能性のあるその他の恩恵には、メンテナンスの低減と、既存の風力タービンにウインドダイバータを後付けできることによる効率と出力の増加の達成がある。現在の風力タービンの設計では、ロータブレードの上端とロータブレードの底端との間の風速の違いにより、ロータの軸受に大きなストレスが加わってしまう。風速の違いによって軸受にトルクが加わり、これによって寿命が短くなる。ロータブレードの上端と底端との間の風速のバランスを良くすることによって、軸受にかかるトルクを減らし、軸受にかかるストレスを比例的に減らす。この低減されたストレスにより、軸受の寿命がより長くなり、メンテナンスの頻度が減る。

ウインドダイバータの設計は既存の風力タービンに設置することのできるようなものである。下記に述べるように、ウインドダイバータは板状の比較的軽量の材料で構成される。これはプラスチックシート、帆布、グラスファイバー布、キャンバスまたは強度重量比の高いその他の材料などで覆われたパイプまたはワイヤーフレームであってもよい。本発明は風力タービン支柱から独立したものであってもよい。または、既存の風力タービンにウインドダイバータを取り付けることができるように製造してもよい。こうすることで、上述の既存の発電出力よりも効率や発電を増やすことができる。

斜面すなわち傾斜の水平面によって一般的にウインドダイバータの効率が増える。コアンダ効果を利用すると、水平面は風の上向きの角度を水平に変え、流れを層流に保つのを助長するだろう。ウインドダイバータの最適性能にとって平らな上面は重要である。計算機による研究と風洞テストの双方は、角を成す斜面それ自身はロータ面の風速増加に関して大変非効率であることを示している（図１６参照）。

さらなる例示的構成要件は、斜面が平らな水平面につながる該斜面の上面の丸みを帯びた曲面である。この曲面によって、角を成す斜面から水平面の上面への推移がなめらかになる。

既存の地形によって制限されないウインドダイバータ装置であって、風力タービンロータの下を流れるが、現在はロータを迂回する風をさらに利用して、乱流を低減またはなくし、風力タービンをより低い風速で立ち上げることができ、風力タービンの出力を増やすように設計されているものは、先端技術を大きく向上させるであろう。

ウインドダイバータ装置は汎用的な用途を意図したものであり、どの風力タービンメーカーのどの風力タービンにも取り付けることができる。さらに、どの風力タービンメーカーに対しても、この装置は彼らの種々の大きさまたは型式のタービンに取り付けることができる。このウインドダイバータは特注設計とすることができ、様々なメーカー、型式および大きさの風力タービンの全てに使用することができる。

ウインドダイバータは新しい風力タービン設備にも利用することができる。場合によっては、風力タービンの設計者は支持塔の高さおよび／またはロータの直径を小さくして、ダイバータによって作り出される効率を利用することができるだろう。このことによってタービンの初期投資や立ち上げコストを減らすことができ、同時により小型の装置でも同じ出力を引き続き達成することができる。

ウインドダイバータはまた、風力タービンの周囲の利用できる空間に応じて、既存の風力タービン設備にも後付けすることができる。このことによって既存の風力タービン設備は元来意図されていたものよりもより多くの電力を生成することができる。

ウインドダイバータは特注設計とすることができ、自然に発生する地形的な特徴を利用して装置上に流れる風を増大させることができる。例えば、風力タービンが傾斜または丘に設置されている場合には、ダイバータの斜面をアプローチ傾斜の同じ角度を維持するように設計することができる。このことによって乱流を低減し、ウインドダイバータのみで生成することのできる風速をさらに上げることができる。

乱流を大きくするような溝やくぼみなどの地形が風力タービンの周囲の地域にある場合には、ウインドダイバータは不利な地形をなめらかにしたり、除去することを助長することができる。さらには場所の状況に応じて、同じ大きさの風力タービンであっても、ウインドダイバータの最終的なサイズをより小さくしたりより大きくしたりする必要があるだろう。常に最大の理想的な効率を達成できるわけではないが、実際の場所の状況に合わせて最大限に可能な効率を実現するウインドダイバータの構成上の性質により、このウインドダイバータはより容易に特注設計することができる。

本発明の設備に加え、初期設備および将来のメンテナンスや修理の際に下げることが必要な場合のために、構造物の下降や上昇を行うためのホイスト（引き上げ機）を備えることは有益であることが証明されるだろう。もう一つの恩恵は、ホイストを風力タービンの主要制御部につなげて、風の強い状況で構造物全体を下げ、風力タービンそれ自身ならびにウインドダイバータを保護することである。卓越風の方向に応じて個々の板を自動的に上げ下げするために、個々のホイストを有する上昇システムを設計することも可能であろう。そうすることによって、特定の風向きに対して風力タービンの効率を最大限にすることが可能となるだろう。

ウインドダイバータは風力タービン自身の設計や動作を干渉しない。ウインドダイバータはタービンから分離された独立構造である。このように、ウインドダイバータは既存のタービンの設計および／または設備のリエンジニアリングまたは再組み立てを必要としない。フルスケールのウインドダイバータは全方向型である。すなわち、ウインドダイバータは風力タービンロータに向かう風速を上げ、これによって出力を増やすことができるように、卓越するまたは優勢な風向きに依存しない。

図１は六角形の断面を有するウインドダイバータ１００の例示的正面図を示す。六角形のウインドダイバータ１００は、ロータ１０８の底端の下の隙間１３６に延在する平らな６面形状のプラットホームを指す。この例示図では、風力タービン装置１０４は支柱１１２を備え、その上にはタービン１０４とロータ１０８が取り付けられる。ロータ１０８はこの図で、例えば、３つのロータブレードを有し、それには風が衝突してロータ１０８を回転させる。その他の風力タービン１０４装置は風が衝突するための３つ前後のブレードを有することができるが、ウインドダイバータ１００は現在製造されているあらゆる風力タービン装置に使用することができる。

ウインドダイバータ１００は多数の側板から成り、その一端は地面１１６の上に、そしてもう一つの端はロータ１０８の下の平らな六角形のプラットホームに所定の斜面角度（１２０、１２４）で取り付ける。六角形のウインドダイバータ１００には、その構成において長方形の側板４１２と三角形の側板４１６の双方が必要である(図４参照)。しかしながら、これらの側板はいくつかの方法で構成することができる。ウインドダイバータ１００の設計と構成の主な基準は、それが最大風負荷ならびにあらゆる雨または雪の負荷に耐えることができることである。

大型の風力タービン設備にとって、ウインドダイバータ１００を作る一つの方法として、引張り繊維タイプの構造がある。このタイプの構造は、支持塔によって適所に保持されるワイヤに延伸するキャンバス、グラスファイバーまたは軽量プラスチックシートなどの繊維で構成される。支持塔は単極タイプまたは格子タイプである。タービン１０４の支柱１１２の周りは、タービン１０４の大きさに応じて、リングを用いて支持ワイヤを支柱１１２から独立させて保持することができる。いくつかの設備では、内部塔を使ってワイヤをつるす必要があるだろう。

風力タービンの供給者が認めるのであれば、風力タービン支柱１１２に直接ワイヤを接続することも可能であろう。しかしながら、さらなる負荷が支柱１１２およびその基盤に与える影響を最初に慎重に確認し、それらがさらなる負荷に耐えることができることを確かめる必要がある。このタイプの構成の利点は簡単に分解できることである。ロータ１０８の軸受の将来のメンテナンスのために分解が必要となるウインドダイバータの半分は特にそうである。

ウインドダイバータ１００の上面の幅はロータの直径１４０によって決まる。理想的には、上面の幅はロータの直径と同等でなくてはならないが、ロータの直径１４０の１．１〜１．３倍であってもよい。これは卓越風の向きに関して、多角形の縁の周りの気流の横ずれを防ぐ。この多角形は、本例示図では六角形の断面である。全体的な斜面の長さすなわち幅１５０は、ウインドダイバータ１００の上面の幅に斜面板の幅寄与の２倍を加えたものである。斜面板の幅寄与は斜面の長さ、斜面が地面１１６と形成する角度およびウインドダイバータ１００を収容するために行わなければならない敷地特有の調整の関数である。小型の風力タービンにとって、ロータ直径１４０の２倍までの表面幅は実現可能であり、費用効率が高い。大型の風力タービンにとって、ウインドダイバータ１００の大きさがロータ直径１４０の幅を超えると経済的ではないだろう。さらに、図１の六角形のような多角形のウインドダイバータ１００は、斜面の長方形板４１２のうちの１つが卓越風の方向を向くように置かなければならない。

ウインドダイバータの斜面高さ１３２は、ロータ１０８の動作を収容するために必要な高さの関数である。図１に示す例示的な構成では、ウインドダイバータ１００の高さは地面１１６からロータの底面までの距離１４４から隙間距離１３６を引いた高さである。隙間１３６は、ロータブレードの底面がウインドダイバータ１００と接触せず、ロータブレードをそれらの初期設置高さよりも下げるようなたわみまたは機械的歪みを与える安全マージンを提供するように計算される。ウインドダイバータ１００の斜面高さ１３２は個々の風力タービン設備に特有のものである。

ウインドダイバータ１００は、風を地面からロータ１０８アークの底面の下の地点まで上昇させるための斜面すなわち傾斜面を必要とする。計算機による研究および風洞テストの双方により、アプローチ角度が小さくなるにつれて、ロータブレードの風速および対応するエネルギー出力が増加することがわかった。斜面すなわち傾斜面は斜面角１２０を有する。この角度は１０〜７５度であってもよい。平らな上面を有する斜面にとって、理想的なアプローチ角度は１５度である。効率、空間利用およびウインドダイバータ１００の大きさとコストの面で最も適切な斜面角度（１２０、１２４）は３０度である。使用される実際の角度は、ウインドダイバータ１００を設置するための風力タービンの周囲の空間および風力タービンの周囲の自然の地形を含む多数の要因によって決まる。代替の斜面設計は翼型設計すなわち「Ｓ」字形状１４００（図１４参照）を有する。

大型風力タービン設備に関しては、装置全体を２つの半分の部分に分けることができる。最初の半分の部分は恒久的なものであり、除去や解体の必要はない。２つめの半分の部分は半恒久的であり、全体または一部を解体する必要があるかもしれない。この半恒久的な半分の部分は、それがアクセス可能な風力タービンの底面に位置しなければならない。この理由として、将来の軸受またはロータの交換の際に、タービンの底面の周りの領域にクレーンによってアクセスするからである。一般的に、こういった修理は、装置の半分だけを取り外せばすむように、風力タービンの片側からのみ行えればよい。大型風力タービン設備の場合には、装置は標準の堅固なビル／屋根建築技術を使って構成することができる。これは装置の恒久的な半分の部分には特に有利であり、電気スイッチギアまたは電力貯蔵装置などのためのビルの下部を利用することが可能であるかもしれない。小型の風力タービン設備に関しては、装置全体を２つの半分の部分に作り、風力タービン支柱の周囲への組み付けを簡単にすることができる。しかしながら、これらの半分の部分はどちらも一体に組み付けて、組み付けおよび将来必要とされる場合の解体を容易に行うことができるようにすることができる。

もう一つの実施形態では、適切な充填材の入手可能性に応じて、装置の恒久的な半分の部分を陶器で形成することができるだろう。装置の半恒久的な半分の部分に関しては、そのほとんどを陶器で形成することができるだろう。この半恒久的な半分の残りの部分は、上述の材料や方法で構成することができる。クレーンでアクセスするための空間を設ける必要があるだろう。アクセス領域の大きさは、ロータの直径、そこからロータを上げ下げする必要のある位置、持ち上げクレーンそれ自体の大きさによって決まる。変速装置、軸受などのような小さな部品の修理およびメンテナンスのために、ナセルの後ろから部品を上げ下げするためにアクセスするための空間をいくらか設ける必要があるだろう。

本明細書で考える一つのさらなる特徴は、ハッチ付属品である。メンテナンスを容易にするために、ハッチを上面の水平の平らな面に設け、その面を通って、ナセルの後ろからスペアパーツを上げ下げすることができる。ハッチは手動または自動的に開くことができるように設計することができる。ハッチの大きさは最大のスペアパーツが通ることのできるくらいに十分な大きさでなければならない。またメンテナンスを容易にするために、ハッチは傾斜面に設置することができる。斜面の開口はトラックが通って装置の半恒久的な半分の部分まで行くことのできるくらいに十分な大きさでなければならない。さらに開口の大きさは、トラックに積み込む際に最大のスペアパーツを収容できるくらいの大きさでなくてはならない。装置の半恒久的な半分の部分の内部に段領域を設けることもできる。この領域はスペアパーツをナセルまで上げ下げするための準備に使用することができる。これには内部支持部材はない。さらに傾斜面のハッチと段領域の間の範囲にも内部支持部材はない。

図２は多角形の平らな断面を有するウインドダイバータ１００の例示的側面図を表す。この図では、多角形は六角形（図示せず）であり、設置された風力タービンの支柱１１２の周りに設置される。ウインドダイバータ１００は、支柱１１２に対して対称であり、支柱１１２の前に設備の半分を、そして支柱１１２の後ろに設備の半分を有する。この設計により、ウインドダイバータ１００は、ロータ１０８が固定され、ロータ１０８が可動取り付け具に配置された設備のロータ１０８のブレードに加速した風１を効率的に送ることができる。ロータが動くにつれ、ウインドダイバータ１００はロータブレードまで風１を加速し続け、ロータ１０８に対する風１の作用から最大限の効率を引き出す。

図３はウインドダイバータ１００の加速斜面が球体の半分すなわち半球体１５６として構成されるウインドダイバータ１００の例示的側面図を表す。計算機による研究で、真の半球体は気流を上方に向けるには効率の低い形状であることがわかった。半球形の設計の主な利点は、風力タービン支柱１１２の周囲の最小限の空間しか占領しないことである。

本例示的実施形態では、半球体のウインドダイバータ１５６は、半球体の底面が地面１１６にあり、半球体の上面がロータブレードのアークの底面から隙間距離１３６へと上に向かって延在するように構成される。隙間１３６は、ロータブレードの底面がウインドダイバータ１００と接触せず、ロータブレードをそれらの初期設置高さよりも下げるようなたわみまたは機械的歪みを与える安全マージンを提供するように計算する。ウインドダイバータ１００の斜面高さ１３２は個々の風力タービン設備に特有のものである。しかしながら、半球体のウインドダイバータ１５６は平らな上面を有して構成され、加速した風がロータブレードに送られるにつれて層流が増え、これによって半球体のウインドダイバータ１５６の効率が向上する。

大型の風力タービン設備に関しては、半球体のウインドダイバータ１５６を作る一つの可能な方法として、引張り繊維タイプの構造がある。このタイプの構造は、アークによって形成され、どちらかの端で風力タービン設備の周りの地面１１６に固定されるワイヤ上に延伸するキャンバス、帆布、グラスファイバーまたは軽量プラスチックシートなどの繊維より成る。この半球体はまた、設備の敷地の地形を考慮するための計算を考え、プレファブ方式で構築される。タービン１０４の支柱１１２の周りは、タービン１０４の大きさに応じて、リングを用いて支持ワイヤを特注設備またはプレファブ設備の支柱１１２から独立して保持することができる。

風力タービンの供給者が認めるのであれば、半球体のウインドダイバータ１５６の特注設備の一部として、主要風力タービン支柱１１２に直接ワイヤを接続することも可能である。しかしながら、さらなる負荷が支柱１１２とその基盤に与える影響を最初に慎重に確認し、それがさらなる負荷に耐えることができることを確かめる必要がある。このタイプの構成の利点は簡単に分解できることであり、ロータ１０８の軸受の将来のメンテナンスのために分解が必要となるウインドダイバータの半分は特にそうである。

図４は、六角形の平らな板４０４を有するウインドダイバータ１００の前半分の上面図を表す。この六角形の平らな板４０４はウインドダイバータ１００の一部分であり、これは、ロータブレードのアークの下に位置し、ロータブレードがウインドダイバータ１００の六角形の平らな板４０４に衝突しないようにし、時間とともにロータ１０８のたわみを構成するのに十分な隙間１３６がある。この六角形の平らな板４０４は長方形の板４１２によって支持され、これらの長方形の板は地面１１６から六角形の平らな板４０４の縁まで延在する。完全な六角形の平らな板４０４を有するウインドダイバータは、六角形の平らな板４０４の各縁につながる長方形の板４１２を有するが、固定されたロータ１０８を有する風力タービンは、風力タービンの前の方向のみから風を偏向するウインドダイバータを使用してもよく、このように、六角形の平らな板４０４の半分の部分のみで構成することができる。この構成では、六角形の平らな板４０４のいずれかの側面に半分の板４３２を用いて半ウインドダイバータ１００の構成を完成させることができる。

全長方板４１２と半長方板４３２との間のギャップを埋めるのは三角板４１６である。全長方板４１２、三角板４１６および半長方板４３２を有するウインドダイバータ１００の構成により、地面１１６からロータブレードまでの風１のシームレスな偏向が提供され、ウインドダイバータ１００の中のギャップや板の欠如によって風を損失することなく、速度を増してロータブレードへ風１を直接送ることができる。さらに、六角形の平らな板４０４は平らな板の中央に、ウインドダイバータ１００を設置する際の風力タービン支柱１１２用の切り欠きとして、切り欠き４０６を有することができる。

半ウインドダイバータ１００は風力タービンの風上側に置かれ、風上から風下までの長さ１５８は幅１５０のおよそ半分である。ロータ自身が風の方向に向きを変えることができなくても、非卓越方向から追加の風のうちのいくらかを捕らえることは可能であろう。また、風力タービン設備の中には、少なくとも初期において、予算制限によって全ウインドダイバータ１００の設備が制限される場合があるだろう。ウインドダイバータ１００の第２の半分は必要な資金ができた時に設置することもできる。このような場面に使用される半ウインドダイバータ１００に関しては、ロータ１０８は、非卓越方向からの風を利用するために風の方向に回転することができるだろう。

図５はウインドダイバータ１００の平らな多角形面の板の中心に中心くぼみ５００としてのくぼんだ部分を有するウインドダイバータ１００の側面図を表す。ロータアークの底面により近く気流を上昇することができるほど、気流はより速くロータ１０８に到着する。ロータ１０８の下には撓みや曲がりの際の隙間がいくらか必要である。しかしながら、この隙間はロータ１０８の下のみに必要である。ウインドダイバータ１００の上面の外縁はロータ１０８の底面と同じ高さまで上昇させることができ、ロータ１０８に衝突する風の量を増やすことができる。ウインドダイバータ１００の上面の平らな板の中心部はロータブレードの下まで押し下げることができ、くぼみ５００を生成してロータ１０８の下に十分な隙間を設けることができる。この中心くぼみ５００は必要な隙間１３６をウインドダイバータ１００の上面内に埋め込み、加速された気流をロータブレードへより効率的に送ることができる。

図６は、小型風力タービン１０４の用途に使用するように構成されたウインドダイバータ１００の例示図を表す。より小型の風力タービン１０４に関しては、二つの装置を標準設計においてロータ１０８の下に位置する一つの低部ウインドダイバータ６２４とロータ１０８の上に位置する上部ウインドダイバータ６１６で使用することができる。ウインドダイバータ１００の上部６１６および下部６２４はどちらも、ウインドダイバータ１００が大型風力タービン１０４設備用に構成できるようなあらゆる形状に構成することができる。下部と上部はウインドダイバータ１００の外縁に位置するパイプ支持部材６２０すなわち空気力学的に設計されたコーナー羽根支持部材によって分離することができる。さらに、ウインドダイバータの下部６２４は、風力タービン１０４の支柱１１２から下部６２４の底面へと連結する支持筋かい６２８によって支持される。大変小さなタービンに関しては、最低で３つのこのようなパイプ支持部材６２０または支持筋かい６２８で十分であることが証明されるだろう。より大型の風力タービンに関しては、複数の支持部材が必要となるだろう。より小型の風力タービンに関しては、金属やＰＶＣのような硬い材料でウインドダイバータ１００を作って安定性を増やすことができるだろう。

非常に小さなタービンに関しては、筐体の上面からウインドダイバータ６１６の上部を支持することが可能であろう。ウインドダイバータ６１６の上部は筐体の上面に恒久的に固定することができ、ロータ１０８が回転すると回る。恒久的に取り付けた場合には、ロータ１０８の前に風向きに、ウインドダイバータ１００の半分のみを置く必要があるだろう。もう一つの可能な設計では、筐体の上面に軸受を一つ取り付け、筐体の底面にもう一つの軸受を取り付ける。この筐体は支柱１１２の両方の軸受を回転させる。ウインドダイバータ６１６の上部は支柱１１２の上面に恒久的に取り付ける。この設計では、完全に実現させるために、タービンメーカーのタービン筐体の標準構造を変えざるをえない。より大型の風力タービン１０４の設計に合わせて、ウインドダイバータ１００の各部分をロータブレードの上端と下端の双方から計算した隙間距離６０８、１３６内に配置して、ロータブレードに送られる気流の量を最大にする。

ポールの取り付けられた構成では、ウインドダイバータ１００の上部６１６および下部６２４は、ポールすなわち支柱１１２に取り付けられる。下部６２４はポールすなわち支柱１１２から支持筋かい６２８で支持され、これは下部６２４の底面に取り付けられる。上部６１６はウインドダイバータ１００の２つの半分部分の間でパイプ支持部材６２０によって支持される。この設計の一つの利点は、斜面高さ６１２と１３２を下部６２４および上部６１６の双方に対して増やすことができることである。

図７はウインドダイバータ１００の例示的実施形態における屋根取り付けウインドダイバータを表す。この構造では、ウインドダイバータ１００の下部７０４はビルの屋根７００上に位置する。上部６１６は下部７０４または屋根７００の何れかで支持される。地面をベースとした設備の様に、図１を参照すると、屋根の上面に取り付けられるウインドダイバータ１００は、屋根設備に適合するどんな形状設計でも構成することができる。

標準のウインドダイバータ１００設計の様に、下部７０４は屋根の上面から隙間１３６を引いたロータ１０８の底面まで延在する。ロータの高さは屋根の上面を囲む胸壁すなわち盛り土７２０よりも高い必要があるだろう。下部７０４はまた、胸壁７２０の高さを越える必要がある。上部６１６の高さはまた、ロータ１０８に向け直す風の量を最大化するように調整することができる。一般的に、上部６１６は下部７０４よりも短い。

ウインドダイバータ１００の前縁を屋根の胸壁７２０に連結することが可能であろう。これによって気流がビル面まで上昇して胸壁を越えた後の乱流をいくらか低減するだろう。胸壁の盛り土の高さ７１２は下部７０４の斜面部の設計に組み込むことができ、これによって斜面高さ７１６に寄与し、屋根の胸壁をウインドダイバータ１００により完全に一体化してウインドダイバータの下部７０４の完全性と安定性をより増やす。ウインドダイバータ１００は、コアンダ効果を利用してビルの屋根上の乱流の流れを層流の流れに転換するように設計することができる。また、隅位置において、ウインドダイバータ１００の前縁を、屋根上面の構造に応じて、２つの側面または可能であれば３つまたは４つの側面上で屋根胸壁７２０に連結することができる。

図８は、固定タービン構造で使うことができるような、風力タービン（半分の構成）に近い平らな上面を有する斜面として構成されたウインドダイバータの例示的側面図を表す。六角形の平らな上面を有するウインドダイバータ１００に見られるように、長方形の平らな上面８０４は、上記に定める様に、地面からロータアークの底面までの距離から隙間距離１３６を引いた高さである。斜面８００は、長方形の平らな上面８０４の前縁から地面１１６まで角度１２０で延在する。これは設備敷地の関数である。ロータブレードに風１の流れを集中させたり加速させたりするための最も効率的な斜面角度１２０の典型的な角度は１５〜７５度とすることができる。設備敷地でこの斜面角度１２０が可能である場合には、約３０度の共通の斜面角度１２０を有する。もう一つの実施形態では、平らな上面８０４は支柱１１２を通って下流方向へと延在することができる。さらに、斜面は、図１４に示すように、翼型設計すなわち「Ｓ」字形状１４００でもよい。さらに、風向きを決めるのを助け、固定すなわち静止タービンの状態で横流を防ぐために、角を成す斜面の両側面に壁を設置することもできるだろう。

図９は、上述(図８参照)の長方形の断面を有し、タービンの静止配置で使用することができるように、ウインドダイバータ１００によって送られる気流をより集中させ、そして層流を増やすためにさらに風シュート９００を有する例示的ウインドダイバータ１００の正面図である。ロータ１０８へ向かう風をさらに集中させるために、斜面設計の上面にシュートを追加することができる。低、中および高のシュート高さのシュートならびにロータアークの上面に上昇するシュートを含む、種々の設計のシュート９００を組み込むことができる。

高さの低いシュートを有する例示的設計では、シュート高さ９１２はロータアークの底面の高さと同じである。中位の高さのシュートを組み込んだ設計では、シュートはロータアークの外径と同じ高さまで上昇する。高いシュートを組み込んだ設計では、シュートはハブの高さ１５２すなわちロータのセンターラインの高さまで上昇する。最大の効率を実現するシュートの高さ９１２はロータアークシュートの上面であり、この場合、シュートはロータアークの上面まで上昇し、そしてロータ１０８をほぼ包囲する。そこを通ってシュート９００が斜面によって送られた気流を流し込む開口を示すシュートスロートをロータの直径よりも大きくして、流入する風をより多く捕らえ、それをロータブレードに集中させることができる。

さらに、まっすぐなシュート９００を作らずに、シュート９００の壁にカーブを持たせて部分的なベンチュリー効果を生成するようにすることができる。この有益な効果は、センターラインすなわちロータ１０８の上面に届くシュート高さ９１２にとってより明らかである。典型的な設備では、より高いシュート９００をより大型の風力タービンに配置して、シュート９００の安定性を増し、風力タービン１０４の気流の効率を増やす。

図１０は、静止タービン構成で使用することのできるような、中位の高さのシュート１００８を有する風力タービン１０４の例示的側面図を表す。図に示すように、シュート１００８はウインドダイバータ１００の斜面９０８部のシームレスな連続として一体化される。この一体化は、斜面９０８によって偏向された気流をロータブレードの底面に直接流し込み、この気流をシュート１００８によって包囲されるロータブレードアークの領域に集中させる。本例示図のウインドダイバータ１００は平らな部分１００４ならびに斜面９０８を有し、これはシュート１００８の床として機能し、層流が増え、気流からロータブレードへの効率的なエネルギーの伝達が増える。その他のシュート９００の高さは、設計上の指示がある場合には、風力タービンロータ１０８へ気流を最大の効率で送るために、その他の風力タービン設備で使用してもよい。

図１１は放出羽根（１１０４、１１０８）を組み込んだウインドダイバータ１００の例示図を表す。多角形の上面および構造を有するウインドダイバータ１００は、風がウインドダイバータ１００の長方形板の１つにインラインまたは垂直な角度以外で近づいてくる場合に、ウインドダイバータ１００の周りで気流の横ずれの可能性がある。これは、放出羽根１１０４、１１０８をウインドダイバータ１００の斜面部に追加することによって部分的に防ぐことができる。

放出羽根１１０４、１１０８は恒久的に固定されるかあるいは可動に設計することができる。放出羽根１１０４、１１０８は、卓越風の向きに応じて上げ下げできるように設計することができるだろう。放出羽根１１０４、１１０８の上げ下げは、ケーブルおよびプーリーシステムあるいは空気圧システムによって実現することができるだろう。風向きの変化に合わせてタービン面の向きを変えることに関与する風力タービン１０４のヨー機構のコンピュータ制御もまた、ロータブレードに気流を送るためのできるだけ高い効率を維持する必要に応じて、放出羽根１１０４、１１０８の上げ下げに同時に使用することができるだろう。

図１２および図１３は、気流をロータブレードに送るための平らな上面を有する円錐形の斜面から成るウインドダイバータ１００の例示的上面図および側面図を表す。このウインドダイバータは六角形のウインドダイバータ１００（図２の説明を参照）と多くの同じ構成部品を共有し、それらと同様の材料で製造される。円錐形の傾斜断面１２０４は、設備敷地の地面１１６から地面と円錐形の傾斜断面１２０４の表面との間に形成される角度で延在し、円形の平らな断面１２０６の円周全体に沿って接合部と連結し、地面１１６からロータ１０８の底面までの高さから予め計算した隙間距離１３６を引いた高さとして測定された傾斜高さ１３２を有する切断円錐を形成する。効率を最大化するための平らな断面の幅１２１０は、ロータ１０８のブレードとほぼ同じ直径でなくてはならない。より小型のタービンに関しては、平らな円形断面１２０６の幅は、ロータ１０８のブレードの直径の２倍であってもよく、より大型のタービンに関しては、平らな円形断面１２０６の幅はロータ１０８のブレードの直径の１．１〜１．３倍の大きさであってもよい。斜面幅１５０は、設備敷地の地形や環境に適合するどんな直径であってもよいが、円錐形のウインドダイバータ１００の傾斜断面１２０４の角度と平らな断面１２０６の直径の関数でなくてはらない。全設備において、円錐形のウインドダイバータ１００は、風力タービン１０４設備を取り囲むのに十分な大きさであり、風力タービン支柱１１２を収容するのに十分な直径の円形の平らな断面１２０６の中央に中央穴１２０８を有する。適切な位置に固定される風力タービン設備に関しては、円錐形のウインドダイバータ１００を半分の部分として設置し、気流を風力タービン１０４の固定ロータ１０８の位置まで偏向することができる。半円錐の断面は、設備の敷地の地形および特徴に基づいたより低コストでの製造、設置、維持ができるというさらなる利点がある。

六角形の平らな上面を有するウインドダイバータ１００の様に、円錐のウインドダイバータ１００の円形の平らな上面１２０６は、予め定めた様に、地面からロータアークの底面まで距離から隙間距離１３６を引いた関数として定められる高さである。斜面１２０４は円形の平らな上面１２０６の前縁から地面１１６へ、設備敷地の関数である角度で延在する。ロータブレードに風１の流れを集中させたり加速させたりするのに最も効率的な斜面角度１２０の典型的な角度は１５〜７５度とすることができる。設備敷地でこの斜面角度１２０が可能である場合には、約３０度の共通の斜面角度１２０を有する。

図１４は、上述のような翼型設計すなわち「Ｓ」字形状１４００の斜面を有するウインドダイバータ１００の例示的側面図である。

図１５は、風力タービンの規模に作られ、そして風力タービンに設置される、種々の形状や構成のウインドダイバータ１００を有する風力タービン縮尺模型のテスト結果１５００を表す。これらのテストは、風洞を通る風の速度および流れの双方を制御することのできる能力を有する風洞で行った。風洞はまた、風力タービンの縮尺模型およびウインドダイバータ１００の縮尺模型が設置された部分を含む風洞に沿った全ての地点の速度と構成を捕らえるのに十分な測定および処理力も備える。

テスト結果１５００に関する説明文に示すように、６つのテストが個々に行われた。ウインドダイバータ１００を取り付けていない風力タービンの周囲の風流の基準テストを行い、ウインドダイバータ１００を取り付けた後のテストと比較するための基準を提供した。行われた基準テストでは、風洞によって生成することのできる最も遅い速度である約６ＭＰＨ（約１０ｋｍ／ｈ）では、風速タービン縮尺模型の出力はおよそ１８０ミリワット（ｍＷ）であることが実証された。テストされた風の最大速度はおよそ１９ＭＰＨ（約３１ｋｍ／ｈ）であった。この風速で、風力タービン縮尺模型の出力はおよそ１５００ｍＷだった。種々の風速設定に関するこの曲線を、テスト結果１５００に関する説明文に従って、図中に基本線として表す。

種々のウインドダイバータ１００の構成を構築し、風洞内の風力タービンに取り付けた。これらの構成は、上述のウインドダイバータ１００で可能な形状および構成の一部分を表し、３０度の傾斜を有する半球体のウインドダイバータ（図３参照）、４５度の傾斜を有する半球体のウインドダイバータ（図３参照）、六角形の平らな上面部分（図１および図４参照）および４５度の傾斜角を有するウインドダイバータ、上面のない３０度の傾斜角を有する単純な斜面、および長方形の平らな上面(図８参照)および３０度の傾斜角を有する単純な斜面のグループより構成される。結果の表１５００からわかるように、構成にかかわらず、ウインドダイバータ１００を追加すると、風力タービンに送られる風速と結果として得られる風力タービンからの出力の両方が増える。結果に示されるように、テストされたこれらのウインドダイバータ１００の電力の最も効率的で高い出力は、長方形の平らな上面と３０度の斜面角を有する単純な斜面の場合だった。この構成では、風洞によって生成された１９ＭＰＨ（約３１ｋｍ／ｈ）の最大風速に対する発電の増加は２６％を超えた。

放出羽根１１０４および１１０８、シュート１００８または平らな上面５００の中心くぼみを有して構成されるウインドダイバータではテストを行わなかった。しかしながら、これらの構成は、乱流を低減し、層流を増やし、風力タービン１０４のロータブレードにより集中して気流を送る能力により、発電や風の流れの効率をさらに増やすと考えられる。

図１６は、風力タービンの規模に作られ、そして風力タービンに設置される、斜面に取り付ける平らな上面を有する場合と有さない場合の３０度の斜面傾斜を有するウインドダイバータ１００を有する風力タービンの縮尺模型のテスト結果１６００を示す。テスト結果１６００はウインドダイバータ１００の例示的サブセットを表し、特定の風速に対して空気の流れを集中させて、この集中させた流れが一定の風速に対して電力という形でエネルギー出力の生成を増やすことができるということを表す結果を示している。

テスト結果１６００のグラフは基準テストであり、この場合、一連の制御された風速に対して風力タービン１０４にはウインドダイバータ１００を取り付けていない。テスト結果１６００において、基準テストではおよそ６ＭＰＨ（約１０ｋｍ／ｈ）の最小立ち上げ速度で、増大されない風力タービン１０４はおよそ２００ｍＷ（ミリワット）の出力に等しいエネルギーを送ったことがわかる。１９ＭＰＨ（約３１ｋｍ／ｈ）の全速力テストでは、増大されない風力タービン１０４はおよそ１５００ｍＷの出力に等しいエネルギーを送った。

第２シリーズのテストは風力タービン１０４にウインドダイバータ１００を取り付けて行った。これはウインドダイバータ１００の斜面部のみ（すなわち、上面がない）を有し、斜面角は３０度である。テスト結果１６００からわかるように、斜面のみを有するウインドダイバータ１００は風速６ＭＰＨ（約１０ｋｍ／ｈ）で出力を増し、テストしたあらゆる速度でも風速タービン１０４の出力を増した。

風力タービン１０４の出力の増加は、第３シリーズのテストに示すように、ロータブレードの先端の下に延在する平らな上面にウインドダイバータ１００の斜面がつながる場合にさらに著しい。ほんの６ＭＰＨ（約１０ｋｍ／ｈ）の風速では、３０度の斜面と平らな上面を有するウインドダイバータ１００は、約２００ｍＷから２５０ｍＷ以上へと、風力タービン１０４の出力を約２６％増やした。この構成のウインドダイバータ１００もまた、テストしたあらゆる風速において、基準テストよりも出力が増え、また、３０度の傾斜を有する斜面のみ（すなわち上面がない）として構成するウインドダイバータ１００の出力も増えた。テストした最大風速１９ＭＰＨ（約３１ｋｍ／ｈ）での出力は、基準テストの１５００ｍＷに対して約１９５０ｍＷと測定され、３０度の斜面のみを有するウインドダイバータ１００のテストではおよそ１６００ｍＷだった。従って結果１６００は、風速タービン１０４のロータブレードの底端の下に延在する平らな上面につながる傾斜した斜面より成るウインドダイバータ１００を取り付けることにより、著しいエネルギーの増加が達成できることを示している。

図１７は行われた風洞テストのテスト結果１７００を表す。風速の増加により、ＲＰＭ（１分あたりの回転数）で測定される風力タービンのロータの速度が増加した。結果１７００は複数のウインドダイバータ１００の構成に関するテストを示し、結果１７００はあらゆる可能なウインドダイバータ１００の構成に関する徹底的なテストを表すものではない。テスト結果１７００に示されるウインドダイバータ１００の構成は基準テスト（ウインドダイバータ１００のない場合）、半径３０度の半球体、半径４５度の半球体、斜面の傾斜４５度の六角形の平らな上面構成、斜面の傾斜３０度の長方形の上面および傾斜３０度で平らな上面のない斜面を表している。

ＲＰＭ対適用風速のグラフの結果１７００を見るとわかるように、ウインドダイバータ１００を風力タービン１０４に取り付けると、各測定風速であらゆる構造においてタービンのＲＰＭが増加した。平らな上面につながる３０度の斜面傾斜では、例えば、最大風速１９ＭＰＨ（約３１ｋｍ／ｈ）のタービンのＲＰＭは、同じ速度で、基準構造のおよそ６２０ＲＰＭと比較すると７００ＲＰＭ以上に増加した。ロータブレードに直接集中する気流の増加およびダイバータによって表される気流の層流の流れ特性の増加は、テストされるあらゆる空気の速度に対するタービンＲＰＭおよびその結果として生じる出力の大きな増加の原因となる。

上述の実施形態の詳細な説明は、本発明の具体的な実施形態を説明する添付の図面を参照して行われる。異なる構造および動作を有する他の実施形態は、本発明の範囲を逸脱するものではない。

「本発明」とう言葉は、本明細書に定める出願人の発明の実施形態の多数の代替態様のある特定の例に関して使用される。それを使用してもしなくても、出願人の発明の範囲または請求の範囲の制限を意図するものではない。

本明細書は読者の便宜のためのみにいくつかの項目に分ける。見出しを本発明の範囲を制限するものと解釈してはならない。

本発明の種々の詳細は、本発明の範囲から逸脱することなく変更されることがあると理解されたい。さらに、上述の記述は説明のみの目的のものであって、以下に定める請求項によって定義されるように、限定するものではない。

Claims (21)

1. 風力タービンを取り囲む領域から該風力タービンのロータブレードへ集中気流を送る装置であって、
   該装置は、軽量の空気抵抗材料で覆われた高強度支持部材を有する断面を持つフレームを備え、該フレームは、角を成す部分と平らな部分から成り、これらは該角を成す部分が設置平面から延在し、該角を成す部分の遠位端で該平らな部分につながるように共につながり、該フレームの該平らな部分は、該風力タービンのロータアークと少なくとも同じ寸法の幅を有し、該フレームの該平らな部分は、該角を成す部分とつながると、該風力タービンの該ロータアークの底端から所定の隙間量を引いたものと同等の高さを有し、
   また該装置は、該風力タービンの支柱を少なくとも部分的に取り囲んで設置され、該風力タービンのロータブレードの前面の底部に気流を集中させるようにする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記フレームの高強度支持部材は、単極、鋼管、アルミニウム管、鋼線、ロープおよび構造的炭素繊維ロッドより構成されるグループから選択される高強度材料を含む装置。
3. 請求項１に記載の装置において、前記フレーム軽量空気抵抗被覆は、プラスチックシート、帆布、グラスファイバー布およびキャンバスより構成されるグループから選択される装置。
4. 請求項１に記載の装置において、前記フレームは、前記高強度支持部材から該フレームの形状を形成し、そして該高強度支持部材を前記軽量空気抵抗被覆で覆うことによって、形成された該フレームの形状を覆うことによって構成される装置。
5. 請求項１に記載の装置において、該装置の前記平らな部分は正方形、長方形またはその他の多角形の形状に構成することができる装置。
6. 請求項１に記載の装置において、前記平らな部分の各縁は、丸みを帯びた曲線を通して角を成す部分の遠位端につながり、該装置の該角を成す部分から該平らな部分への推移をなめらかにする装置。
7. 請求項１に記載の装置において、該装置は独立しており、前記風力タービンの前記支柱に連結していない装置。
8. 請求項１に記載の装置において、該装置は前記風力タービンの前記支柱に連結している装置。
9. 請求項１に記載の装置において、前記フレームはさらに、角を成すフレーム部分の間の接合部に垂直に設置される放出羽根をさらに備えることができる装置。
10. 請求項１に記載の装置において、半円形のシュートは前記フレームの前記平らな部分の上面につながり、前記ロータの前面に向けられ、該半円形のシュートが、斜面の該平らな部分に届く気流を前記風力タービンの前記ロータブレードにさらに集中させるようにする装置。
11. 請求項１に記載の装置において、該装置の前記平らな部分は、前記ロータブレードの底端の真下に位置する該平らな部分の中心に十分な深さのくぼみ部を有し、該ロータブレードによって必要とされる隙間を提供して該装置のフレームの平らな上面への衝撃を回避する装置。
12. 風力タービンのロータに気流を向ける方法であって、該方法は、
    少なくとも一つの角を成す部分と少なくとも一つの平らな部分を備えるフレームを構成するステップ；
    該フレームを卓越風の流れの方向と風力タービンのロータの前面部との間の介在位置に設置するステップであって、該フレームの該平らな部分は該フレームの該角を成す部分とつながると、平面上の該風力タービンのロータアークの底端から所定の隙間量を引いたものと同等の高さを有する；および
    該フレームを該風力タービンの支柱を少なくとも部分的に取り囲むように設置し、該風力タービンの該ロータのブレードの前面底部に気流が集中するようにするステップとを含む方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、前記フレームを構成するステップは、鋼管、アルミニウム管、鋼線、ロープおよび構造的炭素繊維ロッドより構成されるグループより選択される高強度材料を含む高強度支持部材のフレーム部を作るステップを含む方法。
14. 請求項１２に記載の方法において、前記フレームを構成するステップは、プラスチックシート、帆布、グラスファイバー布およびキャンバスから構成されるグループより選択される軽量空気抵抗被覆でフレーム支持部材を覆うステップを含む方法。
15. 請求項１２に記載の方法において、前記フレームは、
    高強度支持部材から前記フレームの形状を形成するステップ；および
    前記軽量空気抵抗被覆で該高強度支持部材を覆うことによって、形成された該フレーム形状を覆うステップによって構成される方法。
16. 請求項１２に記載の方法において、前記装置の前記平らな部分は、正方形、長方形または多角形の形状として形成される方法。
17. 請求項１２に記載の方法において、前記平らな部分の各縁を、丸みを帯びた曲線を通して角を成す部分の遠位端につなげ、前記装置の該角を成す部分から該平らな部分への推移をなめらかにする方法。
18. 請求項１２に記載の方法において、完成したフレームは独立したものであり、前記風力タービンの支柱に連結していない方法。
19. 請求項１２に記載の方法において、前記完成したフレームは前記風力タービンの支柱に連結している方法。
20. 請求項１２に記載の方法において、前記フレームは、放出羽根を、該放出羽根が角を成すフレーム部の間の接合部に対して垂直になるように連結することによって、気流をさらに集中させる方法。
21. 請求項１２に記載の方法において、前記フレームは、該フレームの平らな部分の上面につながり、ロータの前面に向けられる半円形のシュートを介して気流をさらに集中し、該半円形のシュートが前記斜面の平らな部分に到達する気流を前記風力タービンのロータブレードにさらに集中させるようにする方法。

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