JP2011530031A - 改良型風力設備 - Google Patents

Abstract

本発明は風力サイロ(１)に関するものであり、当該サイロは、底部から上側部分に向かって、あるいはその逆方向に、ベース(２)と、本体(１)と、タービンと、を具備してなり、当該サイロ(１)は、空気の取り込みのためのｎ個の導管(ただし、ｎ≧２)、上記サイロ本体からの空気の取り込み口を側面に備える第１の外側導管(３)と、底部からの空気の取り入れ口を備える、上記第１の導管(３)に対して内側に位置する第２の導管(４)と、を備える。

Description

本発明は、改良型風力(Aeolian)設備に関する。

さらに詳しくは、本発明は、風のある(eolic)環境において利用可能なパワーの最適利用を可能とする風力サイロに関する。

よく知られているように、目下、風が発生する環境において最も普及しているシステムは、適当な直径および高さを有するポールによって支持された水平軸を中心として回転する、風力タービン(すなわちブレードローター)からなるものである。

タービンに作用する空気流は、風力コレクターが設けられる、特定の風のある環境の空気流である。

ローターブレードによって回収されるエネルギーは、ブレードに衝突する空気の流れ内の風速の二乗の、空気密度の、そしてBetz係数の一次関数であるが、これは、理論的には、風のある環境内で自由に回転するローターに関しては、β＝０.５９２である。すなわち、非常に効率のよいブレードに関してさえ、それは、(風の速度の６〜７倍に対応するブレードの端部における周速度で)０.３８〜０.４０の値を決して超えることはない。

要するに、エネルギーの回収のために重要な要件は、遮られる空気の面積および風速である。

したがって、より高いポール(１２０ｍさえも)、より大きな直径(１５０ｍさえも)を有するタービンを備えた、したがって常により大きなコストを伴う、常により大きな風力エネルギーコレクター(Ｗ.Ｅ.Ｃ)を実現しようとする傾向がある。

ローター直径の増大は、風のある環境の流れよりも大きな捕捉面積を実現するために必須である。ポールの高さは、より大きな直径を備えたローターを実現するために必須であるが、同時に、地面からのローターのこのより高い高さはより高い速度を招き、その強さは、地面の上の高さの増大と共に増大する。

すなわち、より大きな面積およびより高い速度は、タービンを通過する空気の、より高い流速あるいは１秒当たりの体積を伴う。

この枠組みにおいて、本発明に基づいて、より大きな空気流速度を実現することを、したがって公知の解決策に対して、より小さな直径および地面上のより小さな高さを有するローターを用いて同じ風のある環境から同じパワーを回収することを、すなわち同じ直径および高さで非常に大きなパワーを回収することを可能とする発明が提供される。

本発明に基づく解決策のその他の利点は、低い環境速度によって同じパワーを回収することを可能とすることである。

だが、たとえばイタリアにおいては、風のある環境を備えた場所が少なくとも１０〜１２ｍ/secの風によって特徴付けられる場合、この種の環境はほとんど存在せず、６〜ｍ/secの風速を持つ多くの場所は依然として利用可能であり、１２ｍ/secの風速を持つ環境のそれよりも少なくとも２倍の安定風条件を備えることを考慮する必要がある。

上記全ての考察は、風力コレクターにとって必要な本質的特徴は設定期間(たとえば１年間)内に回収されるエネルギー(ｋＷｈ)およびシステムのコストであるということを考慮する必要がある。

本発明に基づいて提案される解決策によって、既存の風のある環境から「ｎ」個の空気流を取ることが可能となり、こうした流れは「本来」の風のある環境と同じ物理的特性を有するが、互いに邪魔しないように互いに分離させられており、したがってそれらは空力エネルギーコレクターのローターブレードに同時に作用させられる。

上記およびその他の結果が、せいぜい自然の物理法則を利用して、輸送される空気の体積の、したがって速度の物理的特性の相乗効果を得るのではなく、互いに邪魔しないように互いに分離させられた「ｎ」個の空気流を集める構造体内に配置されたローター、好ましくは垂直軸線ローターを実現する本発明に基づいて得られる。

したがって、本発明の特定の目的は、風力サイロであって、底部から上側部分に向かって、あるいはその逆に、ベース、本体およびタービンを具備してなり、サイロは、空気の取り込みのためのｎ個の導管(ただしｎ≧２)、サイロ本体からの空気の取り入れ口を側面に備えた第１の外部導管と、底部からの空気の取り入れ口を備えた、第１の導管に対して内側に位置する第２の導管と、を備えることを特徴とする風力サイロである。

好ましくは、上記サイロは上記タービンの下方にディフューザーを備える。

好ましくは、本発明によれば、上記サイロは三つの導管を備える。

本発明に基づくサイロの好ましい実施形態では、それは、サイロ本体からの空気の取り入れ口を側面に備えた第１の外部導管と、底部からの空気の取り入れ口を備えた、第１の導管に対して内側に位置する第２および第３の導管と、を備え、第３の導管の端部は、第２の導管の端部に対して、より高いレベルに存在している。

好ましくは、本発明によれば、ディフューザーが上記タービンの下方に備わる。

特に、本発明によれば、上記ディフューザーは、約７°の開き角を有する、一連の円錐要素から、好ましくは五つの要素の連続体からなることができる。

さらに本発明によれば、上記サイロは三つよりも多い複数の、好ましくは３の倍数の数の導管を備えることができる。

本発明によれば、上記第２および第３の導管は、上記ベース内で具現化された空気取り入れ口を有する。

いずれにしても本発明によれば、上記第１の導管は、空気取り入れ口内に、風のある環境内で支配的な風に対して積極的に配置されたフィンを備える。

本発明によれば、上記導管の排気口は、上記第１の導管内の流れによって引き起こされる「渦状フィラメント」の高さに設けられる。

さらに、本発明によれば、上記第１の導管の取り入れ口におけるフィンは調整可能である。

さらに本発明によれば、各導管の排気口には、流速を増大させる収束要素が設けられる。

いずれにしても本発明によれば、収束要素が、上記導管の排気口において、上記タービンの下方に設けられる。

さらに、本発明によれば、風のある環境からやって来る空気の可動式取り入れ口が設けられるが、これは風向きに基づいて調整可能である。

本発明に基づくサイロは、風の流れの代替手段としてあるいはそれに加えて、付属品供給源から取られた熱エネルギーを利用できる。

以下、図面を参照して、本発明を、限定のためではなく例証のために、その好ましい実施形態に基づいて説明する。

本発明に基づく風力サイロの一実施形態の概略図である。 図１に基づくサイロの第２の概略図である。 本発明に基づく風力サイロの平面図である。 本発明に基づく風力サイロの上面図である。 図３の線ｂ‐ｂ'に沿って取った断面図である。 図３のＡ方向に見た図である。 図３の線ｃ‐ｃ'に沿って取った断面図である。 本発明に基づく風力サイロの内部の斜視図である。 標準的な風のある環境内での風の分布を示す図である。

以下で説明する例証のためのものであって限定のためのものではない実施例は、基本的なアイディアの解釈の数多くの可能性のうちの一つであり、そしてそれは、以下の物理的パラメータと共に、単一の外部の「風のある(Aeolian)」環境からやって来る、三つの異なる空気の流れを利用する。
速度、環境Ｖ∞＝Ｖ∞＝６ｍ/sec
絶対温度、Ｔ＝２９８°Ｋ
圧力、Ｐ∞＝１０３.１００Ｐａ
標準絶対湿度

図示する風力サイロは本体１を具備してなるが、これは、円形断面を有する薄板からなり、直径Ｄおよび高さＨを有し、ベース２を構成する一対のピラー２(これは互いに対向しており、かつ、適切に設計されている)によって支持されている。

サイロ１は適当なベース２の上に載っているが、その機能について以下で説明する。

本発明に基づくサイロ１の半体の垂直断面(中央線から周面まで)が図１に示されて、参照符号Ｔが付されており、そしてそれは、完全な高さのフィン、および対向する壁の鏡像をなすフィンシステムと共に、開放可能な壁３が示された断面を示している。

サイロ１の向きは、開放可能な壁が、風のある環境内での卓越風に対して正面を向くよう配置された状態となるようなものである。

「ウインドローズ」が図９に示されているが、これは、標準的な風のある環境に、それが、通常、どのように存在しているかを示している。

図中、スイングフィンは文字Ａによって示されているが、これは、サイロ１の周壁に対して接線をなす方向からの風を受け入れるために、適当なプログラムによって開放状態となることが可能である。

サイロ内の接線流の取り込み領域(図１においてＶ１で示す)は、回転循環を、したがって、Ｆｃ＝ａ_ｃ×ｍ＝vol×ρ×Ｖｃ_２/Ｒに等しい渦状空気の分子への遠心力を発生させる渦運動を引き起こすが、ここで、Ｖｃ＝Ｖ∞＝風のある環境の速度、Ｆｃ０ｍａ、ここで、ａ＝ｖ_ｃ ^２/Ｒ、単位体積への対応する特定の圧力はＰａ＝ρ×Ｖ∞^２/Ｒであり、ここで、Ｒは考慮される軌道の半径であり、ρは空気の密度、すなわち単位体積あたりの質量であり、Ｖ∞はサイロの取り入れ口における空気流速であり、これはまたＶ∞＝２πｎＲによって定義でき、ここでＲは考慮される基本体積の回転半径であり、ｎは空気の基礎体積(たとえば分子の群)がその渦運動中になす回転の数である。単位表面への特定の圧力は、回転中心からの、考慮される表面の(メートルで測定した)距離の二次逆関数である。

以上のことから、本発明に基づく風力サイロ１内には、渦中心からの距離の二乗の関数として変化し得る低圧部を伴って、半径Ｒを有する「渦状フィラメント」が実現される。

外部の風のある環境と連通する渦中心内にダクト４を設けることによって、サイロ１の内部に向かう空気流の吸い込みが生じ、したがって外部環境からやって来る空気流に対して流速が付加される。場の速度および流量は、渦吸引によって増大させられる。

図１には、ベース２上の連通ダクト４が示されているが、これは、独立ポートを介して、外部の風のある環境と適切に接続されている。

ダクト４内において、図示する実施形態は第３の空気ダクト５を有するが、これは、「外部」の風のある環境からサイロの内部まで空気を輸送する。ダクト５の終端には排出ポートが設けられているが、これはダクト４の排出ポートよりも高く、しかもそれはローターの中心部分に存在する。

風のある環境のダクト５空気ポートは、他のポート４と同じように、サイロ１ベース２内に存在するが、それは、独立した流速源となるように、ダクト４から分離させられている。

したがって、一般化された指標「ｎ」に関して、独立した流速を有し、かつ、互いに不利な影響を伴わない三つの異なる源が実現される。対照的に、渦流は、「渦状フィラメント」の境界層から事実上分離させられたままでさえ、流入４(および５)によってその減圧度合いが増大する。

外部から(特に風のある環境から)やって来る全ての動的流れに関して、「源流」が誘起され、上記作用がもたらされる。

ベルヌーイの法則(ｐ+^１/_２ρＶ^２＝一定、ここで、ｐは圧力であり、Ｖはダクトに対して交差する断面における流速)の各ダクト３,４および５に対する別個の適用は、流れに対して適用される連続条件と共に、適切な寸法となったダクトを得ることを可能とするが、三つの流れを、したがってその結果生じる等温流れを考慮した、「風のある環境」速度とタービン領域内の流出速度との間の望まれる増大は、低速度および低圧力変化に鑑みて可能である。

ダクト５に関して、他の流れに対する流れの分離はチューブによって実現された上記ダクトであることは明らかである。ダクト４に関して、風のある環境ポートからスロートまで同じことが当てはまるが、ここで、その流れは、渦によって実現される低圧ゾーン内に閉じ込められたまま、流れ３に引き起こされる「渦状フィラメント」内に存在する。実際、流れ４と流れ３との間の境界層を形成するために渦によって成長させられるのは、同じ「渦状フィラメント」である。

流れ３は、(サイロのベースからローター面に至る、参照符号Ｓによって指し示す)サイロ容積内で螺旋状の動きを有する。

一般的に垂直方向を備えた流線を得るために、それは、垂直な延在部を有する、フィンアセンブリを、積極的に、この領域に備えることができる。上記体積を垂直チャネル内へと押しやるネットフィンは細い流れを直線的なものとすることを可能とするが、これは、ダクト４,５からやって来る同じ垂直方向の流れと共に、ローターブレードの羽根輪郭の前縁に作用する。

サイロ１の横断面は、(本実施形態では３４ｍの)外径から、ローターの外径に対応する２６ｍの下部直径Ｄ_２へと変化する。これは、それに対してベルヌーイの法則が再度適用されるカバリングテーパーによって実現され、したがってローターによって回収された風力パワーの計算のために有効な物理パラメータが得られる。ローターがダクト内に設けられているので、Betz流ロスは存在しない(それは風のある環境内での自由ローターに生じるものであるから)ことに留意されたい。

したがって、回収可能なパワーの式は、ｐ＝Ｖ^３ _ｔ×Ａ_ｔ×ρ×^１/_２となる。ここで、Ｖ_ｔはローターにおける流速、Ａ_ｔはローターによってカバーされる面積、そしてρは空気の密度である。

風のある環境から回収可能なパワーの著しい増大を実現するために重要な、本発明に基づく解決策のその他のコンポーネントはディフューザー６である。

サイロ１内部からやって来る空気流は、ローターによってカバーされる面積と交差し、羽根の輪郭の空力的原理に基づいて、エネルギーの大部分を運動エネルギー(^１/_２ｍＶ^２)および圧力エネルギーとしてブレードに与え、その後、ローターを抜けて、大気中へと戻る。

ここで、残留流速は、その圧力と同様、風のある環境値を下回るが、それは、異なる要因に依存してパスカルで示される大きさの大気圧を下回る。より高い速度および大気圧を伴う、そこからエネルギーが抽出された、風のある環境の周囲の大気圧部分を取り囲んでいるので、直ちに、流れは、それが外部大気と混じり合うや否や、風のある環境の値を、ローターを抜けた後に、再びとる。

ローターから空気流を流出させる代わりに、それが風のある環境と連通状態に置かれた場合には、流れは、適切なおよび直径を備えた開拡排出チューブ内で膨張させられ、排出の適当な寸法によって強い減圧を生じる膨張が実現され、これによって、ローターおよび三つのダクト３,４,５を経て、ベースから、したがって風のある環境から外気が吸引され、実質的に、ローターを通過する空気流が増大する。

(ローター領域に対応する)排出口および取り入れ口領域間の放出配分量は、強い吸引効果を生じるために極めて高いものである必要があり、かつ、放出に係る円錐壁の最小傾斜は７°以下である必要があるので、チューブ長１３０〜１５０ｍ(これは明らかに不可能である)による通常の流れの「わずか」１.９倍の吸引効果が実現される。

この問題を解決するために、いずれも水平回転軸線ローターを備える二つの解決策が提案されたが、それは、公知のポール風力コレクター(ＷＥＣ)のために使用できない。なぜなら、それらは非常に大きく、しかも実現が簡便でないからである。

提案された解決策の一つは、特に革新的な特徴を利用して、垂直軸線ローターを備える本発明に基づく解決策に適用できる。

７°の傾斜を備えた短い円錐放出は、放出領域から始まる。好ましい比率は、直径と長さとの間に存在する。円錐チューブの端部において、より大きな直径を備えた第２の円錐チューブが並置されるが、これは、並置が生じる場合、直径から始まる７°の傾斜を有する。実質的に、スロットを経て、ローター付近の流れから取られた空気の噴射は風力エネルギー「クッション」であり、第２のチューブ部分の壁上に、そして、内部では、出口に向かって流れる空気コーン上に存在する。これは、外部の大気の流入を阻止し、そしてローターの排出口流れは、大気に対する圧力のさらなる低下を伴って、さらに膨張する。新しいチューブ部分は第１のものに対して７°だけ開くので、コーンは二つのチューブ部によって１４°だけ開く。したがって、チューブの五つの部分を採用することで、３５°の開き角が実現される。２６ｍの直径に対応する領域を有するローターを備えた、図示する例では、それは、五つのチューブ部分、および４３ｍの直径を有する領域、および約５ｍの全長を伴って実現されるであろう。

境界層理論(境界層コントロール)によれば、そうしたディフューザーは、流量を３０％ないし５０％増大させる。

本発明に基づく解決策は、個数「ｎ」に関して、Ｓ部分まで個数「ｎ」＝３を利用する複数の構造体を相乗的に連結してさえ、注目すべき寸法を伴って実現可能であり、したがって以下のように新規な構造体が実現される。

先に説明したように三つのサイロは三角形の頂点に配置され、図面に示したセクションＳ上でそれを実現する。それらを連結すると共に空気流を集める外皮からなる構造体が、三つのサイロの上に配置されるが、これは、好適な向きのフィンによって、外皮内に形成された共通ローターハウジング内で案内される。したがって、単一のローターが外部の風のある環境からやって来る九つのダクトによって供給を受けることは明らかである。

７０ｍの直径を有するローターならびに１.５のディフューザーに対する効果と共に、(たとえば４０ｍの外径を伴って)各サイロを適切な寸法とすることによって、１２ＭＷの単一の風力システムが実現される。高さは著しく低減される：Ｈ＝６０ｍ。

地面占有率：１５０ｍ×１５０ｍ、わずか５０％増加。風のある環境は６〜７ｍ/secに限定される。

そうしたシステムのコストは、サイロＶの現実のコストの一部であり、コストは目下のところ従来型のポールＷＥＣよりも低い。１年当たりの発生エネルギーのｋＷｈ当たりのコストを検討すると、風力サイロのコストは公知のＷＥＣの約５０％である。

約４０００時間/年にわたって約６ｍ/secの風速を伴う風のある場所は、全体コスト(構造体を構築するための特定のコストは考慮しない)が、風速が約１２〜１３ｍ/secである場所よりも非常に低いことが分かっているので(１２ｍ/secの風速のある場所は、非常に困難かつ費用のかかる状況を伴う、山岳など、あるいは沖合いであることを考慮して、位置、輸送、場所の準備、ネットワークに対する接続に関するコスト、労働者および移動、道路のコストなどに言及している)、本発明に基づいて提案される解決策は非常に興味深いものであることは全く明らかである。

ここまで、サイロの主面で開く複数の可動式フィンによって、外部の風のある環境からやって来る空気流の取り込み領域の解決策について説明してきた。局所的な風の分布(たとえば図９参照)を参照し、かつ、支配的かつ永続的な風が約７０°〜７５°の方向の範囲から来ることを考慮すると、フィンは、同じ取り入れ方向を維持して、サイロ周面における流れに対して接線方向に設けられる必要がある。

すなわち、二つの主方向からやって来る支配的な風を考慮すれば、フィンによって占有される外周の円弧は上記角度に対して２倍である。したがって、各範囲は１５０°の弧を占める。各垂直フィンは、ピン、二つ以上のサポートおよび作動システムを有することになる。

図面から、好ましくはサイロ内の空気に取り入れ口はダイレクトではないが、固定フィンを備える、周面の外側の構造体内では、二つの対向する範囲の風に向けられて適切に配置されていることが分かる。したがって、二つの(対向する)接線方向壁がタワー周囲に実現され、弧を備えたそれぞれのものは、先に説明したものの半分である。したがって、また、可動式フィンの数も半分であり、その結果、建設が省力化される。

本発明について、その好ましい実施形態に基づいて、限定ではなく例証のために説明してきたが、当業者であれば、特許請求の範囲から逸脱することなく、改良および/または変更を施すことができる。

１ 本体
２ ベース
３ ダクト
４ ダクト
５ ダクト
６ ディフューザー

Claims (17)

1. 風力サイロであって、底部から上側部分に向かって、あるいはその逆に、ベース、本体およびタービンを具備してなり、前記サイロは、空気の取り込みのためのｎ個の導管(ただしｎ≧２)、前記サイロ本体からの空気の取り入れ口を側面に備えた第１の外部導管と、底部からの空気の取り入れ口を備えた、前記第１の導管に対して内側に位置する第２の導管と、を備えることを特徴とする風力サイロ。
2. 前記タービンの下方にディフューザーを備えることを特徴とする請求項１に記載の風力サイロ。
3. 三つの導管を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力サイロ。
4. 前記サイロ本体からの空気の取り入れ口を側面に備えた第１の外部導管と、底部からの空気の取り入れ口を備えた、前記第１の導管に対して内側に位置する第２の導管および第３の導管と、を備え、前記第３の導管の端部は、前記第２の導管の端部に対して、より高いレベルに存在していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の風力サイロ。
5. 前記ディフューザーは、一連の少なくとも二つの円錐要素からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の風力サイロ。
6. 前記円錐要素は、約７°の開き角を有することを特徴とする請求項５に記載の風力サイロ。
7. 一連の五つの円錐要素を備えることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の風力サイロ。
8. 三つよりも多い複数の導管を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の風力サイロ。
9. ３の倍数の数の複数の導管を備えることを特徴とする請求項８に記載の風力サイロ。
10. 前記第２および第３の導管は、前記ベースにおいて具現化された前記空気取り入れ口を有することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の風力サイロ。
11. 前記第１の導管は、前記空気取り込み口内に、風のある環境内で支配的な風に対して積極的に配置されたフィンを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の風力サイロ。
12. 前記第１の導管の前記取り込み口の前記フィンは調整可能となっていることを特徴とする請求項１１に記載の風力サイロ。
13. 前記導管の排気口は、前記第１の導管内の流れによって引き起こされる「渦状フィラメント」の高さに設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の風力サイロ。
14. 流速を増大させる収束要素が各導管の排出口に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の風力サイロ。
15. 収束要素が、前記導管の排気口において、前記タービンの下方に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の風力サイロ。
16. 風のある環境からやって来る空気の可動式取り入れ口が設けられており、それは、風向に基づいて調整可能となっていることを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の風力サイロ。
17. 風の流れの代替手段としてあるいはそれに加えて、付属品供給原から取られた熱エネルギーを利用することを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に記載の風力サイロ。

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