JP2012530210A - 圧力制御風力タービン強化システム - Google Patents

Abstract

本発明は、圧力制御風力タービン強化システムを提供する。このシステムは、タービンのちょうど上流に配置された２つの円錐形シュラウドを備える。これは、増大した出力を上記タービンから作り出す方法で、上記タービンのエアパスト（air past）ブレードの自然流量を増加させるためである。

Description

この発明は、圧力制御風力タービン強化システムに関する。このシステムは、新たな風力タービンと一体にする、あるいは、現存する風力タービンに組み込むことができる。このデザインは、風力タービンのちょうど上流に配置された、修正されたシュラウドを用いる。修正されたシュラウドを使用することは、改良された出力をタービンから供給する方法で、タービンのブレードを通過するよう向けられる空気の流れを増大させる。

地球温暖化や環境意識の今日の情勢においては、再生可能エネルギーがますます重要になっており、風力タービンは、陸上、沖合の両方で、再生エネルギーの最も定着した形態である。タービンは、電力を生成するための実行可能な選択肢であることを証明したが、限界がある。風力タービンが抱える主な問題の１つは、「ベッツ限界（Betz limit）」として知られている現象がある。この現象は、風力タービンの性能の最大限度を決める。これは、タービンのローターの至る所での圧力低下から生じるものである。ローターのブレードの真後の空気は大気圧より低い圧力であり、このローターのブレードの真正面の空気は大気圧より高い圧力である。このタービンの正面の高い圧力は、タービン周りのウインドエア（wind air）またはアップストリームエア（upstream air）の一部をそらす。そのため、タービンにより引き出され得る仕事量を制限する。

しかし、このベッツ限界は、風速が変動するため、ほとんどの風力タービンでめったに到達されない。変動する風速は、風力タービンを用いるときの他の欠点である。風速を保証することはできないため、風力タービンで生成される電力は一貫性がなく、消費のために電力を供給するときに、明らかに問題を作り出す。結果として、通常は、風力タービンを設置する場所を注意深く選択する必要があり、より早い卓越風（prevailing wind velocities）を有するエリアの場所を選択し、また、一般に、適度な高度の場所を選択する。また、地面から一定の高さに位置するタービンのブレードを有するのが好ましい。これは、地表面で体験する抗力と、高所における空気のより低い粘性とを受けて、一般に、高所で風速がより高いからである。一方、高さを問わず、タービンブレード等の固形物上の空気の流れにおいて、乱気流は増大する抵抗および熱伝導の原因である。そのため、このような用途において、この場合は、風力タービン、空気つまりブレード上を流れる「風」の乱気流が大きければ大きいほど、風からタービンブレードにエネルギーを伝える効率が悪い。

本発明によれば、間隙によって相互に分離された少なくとも第１セクションおよび第２セクションを有するシュラウドを備える圧力制御風力タービン強化システムを提供する。

好ましくは、上記間隙は、実質的に、上記シュラウドの周囲全てに広がる。

好ましくは、実質的に、半径方向に広がる。

好ましくは、上記シュラウドは、それぞれの間隙によって、隣接するセクションから各々分離される３以上のセクションを有する。

好ましくは、上記システムは、上記第１セクションおよび上記第２セクションを互いに対して固定するサポートを備える。

好ましくは、上記サポートは、上記シュラウドの上記第１セクションおよび上記第２セクションの間に広がると共に、上記第１セクションおよび上記第２セクションに固定された略円形に配置された複数の支柱を有する。

好ましくは、上記シュラウドの各セクションは、略円錐形状である。

好ましくは、上記第１セクションは、上記第２セクションより急勾配のテーパーを有する。

好ましくは、上記システムは、上記シュラウド内の空気圧を変化させることが可能な圧力解放手段を備える。

好ましくは、上記圧力解放手段は、上記シュラウドに１以上の開口部を有する。

好ましくは、上記圧力解放手段は、上記シュラウドの壁の対応する開口部に設けられた１以上のフラップを有しており、このフラップは、上記開口部を閉塞する閉鎖位置と、上記開口部を露出する開放位置との間で移動可能である。

好ましくは、使用中に、上記フラップは、上記シュラウド内で閾圧力に達したとき、上記閉鎖位置から移動可能である。

好ましくは、上記フラップは、上記閉鎖位置に向かって付勢されている。

好ましくは、上記フラップは、バネ付勢されている。

好ましくは、上記システムは、上記シュラウドが搭載されるベースを備える。

好ましくは、上記シュラウドは、上記ベース上で、または、上記ベースと共に回転可能である。

好ましくは、上記ベースは、風力タービンが搭載可能であるプラットフォームを有する。

好ましくは、上記システムは、上記システムを風に向けるよう移動させるようになっているガイド手段を備える。

好ましくは、上記システムは、上記シュラウドの回りに搭載され、かつ、上記シュラウド内および／または上記シュラウドの回りの空気の流れに空気を吹き込むよう作動する１以上のノズルを備える。

好ましくは、上記ベースは、上記１以上のノズルに空気を供給するための導管を有する。

好ましくは、上記１以上のノズルは、上記ベースと一体に形成されている。

好ましくは、上記システムは、現存する空気調節システムの排気装置に搭載されるようになっている。

好ましくは、上記システムは、上記シュラウドが一体に形成されている風力タービンを備える。

図１は、風力タービンが無い場合の、本発明による圧力制御風力タービン強化システムの正面斜視図を示す。 図２は、図１の圧力制御風力タービン強化システムの側面図を示す。 図３は、図１および図２の圧力制御風力タービン強化システムの正面図を示す。

添付の図面を参照すると、１０で示される圧力制御風力タービン強化システムが説明されている。このシステムは、タービンの出力を改良するために、他の点においては従来構造の風力タービン（図示せず）を通り過ぎた空気の流れの速度および／またはプロファイルを増大させるようになっている。上記強化システム１０は、現存する風力タービンに追加導入されるか、あるいは、新たな風力タービンと一体に形成されるということが、以下の図面の説明から理解される。

上記強化システム１０は、両端が開口され、図示された好ましい実施形態において、ベース１４に搭載されている略円錐形のシュラウド１２を備える。このベース１４は、下文で詳細に説明されているように、卓越風を追跡するためにシュラウド１２が回転する。

上記シュラウド１２は、第１セクション１６と第２セクション１８とから成り、この第１セクションおよび第２セクションは、円周方向に広がる間隙２０によって相互に分離されている。さらなるセクション（図示せず）が設けられることも考えられ、このとき、各々のセクションは、それぞれの間隙（図示せず）によって隣接するセクションから分離される。図示された実施形態において、間隙２０は、シュラウド１２の長手方向の軸に略平行な方向に広がるが、他の方向も考えられる。

図示された実施形態において、第１セクション１６および第２セクション１８は、サポートによって互いに固定される。このサポートは、第１セクション１６および第２セクション１８の間の間隙２０を横切って広がり、かつ、第１セクション１６および第２セクション１８に固定された円形に配列された複数の支柱の形態である。シュラウド１２は、複数のタイ２４によってベース１４にそれ自体が固定される。このタイ２４は、ベース１４の上端に隣接する位置から伸びており、外に向かってシュラウド１２に固定されている。同時に、同じ配置がシュラウド１２の底部に設けられている。シュラウド１２はまた、複数の補強リング２６の設置により補強されるのが好ましい。これらの補強リング２６は、第１セクション１６および第２セクション１８の両方を取り囲んでいる。これらの補強リング２６は、金属または他の適切な材料で作られている。シュラウド１２自体は、例えば、シートメタル、グラスファイバー、カーボンファイバー等、どんな適切な材料からでも形成することができる。シュラウド１２の構造およびベース１４にシュラウド１２を固定するための方法は、第１セクション１６および第２セクション１８を分離している間隙２０により提供されるような基礎的機能性が維持されれば、変えることができるということが理解される。

上記強化システム１０は、第１セクション１６および第２セクション１８の両方に複数のフラップ２８の形態の圧力解放手段をさらに備える。これらのフラップ２８は、第１セクション１６および第２セクション１８の側壁の対応する開口部３０の上に横たわり、その結果、対応する開口部３０を塞ぐように配置される。これらのフラップ２８は、対応する開口部３０を閉塞する閉鎖位置と、この開口部３０を露出する開放位置との間で移動可能である。その結果、下文で詳細に説明されているように、シュラウド１２の内部から外部への空気の流れを可能にする。

図示された実施形態において、上記フラップ２８は、上記閉鎖位置に向かってバネ付勢されている。これは、シュラウド１２の外部に位置する片持梁３２に各フラップ２８を固定することによって達成される。この片持梁３２は、シュラウド１２に対して適切にバネ付勢されている。これは、例えば、リーフスプリング、コイルスプリング、空気圧／水圧ポンプ、あるいは他の機能的に等価なものを提供することによって、複数の方法で達成することもできる。このバネ付勢は、シュラウド１２内が既定の圧力に到達するときに打ち勝つことができるように選択される。このようにして、圧力が既定された値を超えた場合、フラップ２８が外方へと押し広げられ、対応する開口部３０を露出させ、これによってシュラウド１２内の圧力を解放する。この圧力解放の目的は、下文で詳細に説明されている。フラップ２８の動作は、他の適切な手段によって制御することもでき、例えば、フラップ２８の動作を制御するための適切なアクチュエータ（図示せず）と連携する電子制御手段を用いる。シュラウド１２内の圧力を監視するために圧力センサ（図示せず）を設けて、フラップ２８の正確な制御を可能とするために、この情報を電子制御手段に伝達してもよい。

最後に、上記システム１０は、一組の案内羽根３４を備える。この案内羽根３４は、補強リング２６から伸びるフレーム３６のシュラウド１２のアウトボードに取り付けられている。この案内羽根３４は、卓越風を追跡することができるように、上記強化システム１０が羽根を外気にさらすことができるように配置されており、その結果、風力タービン（図示せず）上に導かれるエネルギーを最大にする。これは、複数の代わりの方法で達成され得る。例えば、後に続くベアリングまたはヨー機構（図示せず）の上で、ベース１４またはシュラウド１２から伸びる単一の案内羽根の使用、あるいは、卓越風を追跡するため、およびシュラウド１２または上記強化システム１０を回転させるために、電子および／または機械的アクチュエータ（図示せず）を用いることによって達成される。

上記強化システム１０の操作の話しに戻ると、シュラウド１２は、実質的に、円錐形状が切頂された形状であるが、図示された実施形態において、第１セクション１６は、第２セクション１８よりも急勾配のテーパーを有する。シュラウド１２全体のプロファイルは円錐であり、使用するとき、風力タービン（図示せず）は、第２セクション１８により定義されているより小さい直径端のちょうど下流に取り付けられている。このタービン（図示せず）は、例えばタービンのハブ（図示せず）を用いて、ベース１４に設けられたプラットフォーム３８に取り付けられるのが好ましい。一方で、タービンは、他の適切な手段によって上記強化システム１０に対し固定されてもよく、タービン（図示せず）が上記強化システム１０のものではなく別個のサポートを用いることができるということが考えられる。このとき、上記システム１０は、対向風に向けるための羽根を外気にさらすことを可能にする。この対向風は、このとき、シュラウド１２により捉えられ、その結果、電力を生成するために、空気の流れは加速され、タービンのブレード上へと、そして、タービンのブレード全体を通るように方向を変えられる。

使用するときに、初めに乱れている風は、シュラウド１２の第１セクション１６に流れ込む。これは、第１セクション１６のテーパー形状に起因する。この風は、シュラウド１２を通って加速され、方向を変えられ、さらに、風の乱気流を部分的に低減する。その後、この風は第２セクション１８に入り、間隙２０が、第１セクション１６と第２セクション１８との間のトランジションを形成する。上述のように、第２セクション１８は、図２に明確に示すように、第１セクション１６と比べてより浅い角度またはテーパーを有する。第１セクション１６から第２セクション１８に通過するように、シュラウド１２の内部側壁の空気の流れで作り上げられる過剰な圧力を回避するために、間隙２０は、一部の圧力がシュラウド１２の内部から軽減されることを可能にして、空気の流れを加速すると共に空気の流れの連続性を維持し、その結果、第１セクション１６および第２セクション１８の間のトランジションで乱気流の導入を妨げる。その後、空気は第２セクション１８を通して続き、その風速は、第２セクション１８のテーパーにより再び増加する。そして、残っている乱気流は、著しく減少するか、取り除かれる。その後、加速された空気の流れは、第２セクション１８から出て、電力または力学的エネルギーを生成するために風力タービン（図示せず）を流れる。

第１セクション１６と比較して第２セクションのテーパーを少なくすることによって、シュラウド１２の圧力の増加が制御されて、発達した過度の圧力を防ぎ、シュラウド１２を通過できる空気の量を制限する。しかし、それでもなお、局部的な風況次第で、シュラウド１２内の圧力スパイクが経験されることがあり、シュラウド１２を通る一貫性のない風をもたらす。その結果、風力タービン（図示せず）を用いて一貫性のない電力が生成される。この問題を克服するために、上記タービンシステム１０は、複数のフラップ２８およびシュラウド１２に対応する開口部３０の形態である圧力解放手段を備えている。図示された実施形態において、この圧力解放手段は、第１セクション１６および第２セクション１８の両方に設けられているが、どちらかのセクションに限定されるか、あるいは完全に除外されることもあり得るということが理解される。従って、上述の圧力スパイクがシュラウド１２内に作り上げられたとき、複数のフラップ２８は、これらのフラップ２８のバネ付勢に逆らってこじ開けられ、その結果、シュラウド１２内の圧力の減少を可能にする。これは、その後、シュラウド１２を通る一貫性のある空気の流れを確実にし、風力タービン（図示せず）に伝達されるエネルギーを最大化する。上記システム１０、具体的にはシュラウド１２の直径に応じて、このフラップのバネ付勢を変更することにより、フラップ２８が開く閾圧力を変えてもよい。また、圧力解放手段は、基本的な圧力低減機能性が維持されれば、複数のフラップ２８以外の形態を採る事も出来るということが考えられる。

上記システム１０の基本形状および／または構成は、上述の機能性を維持している間、変えられ得るということが理解される。例として、シュラウド１２の内部表面または外部表面、あるいは案内羽根３４には、その表面に取り付けられる太陽エネルギーを取り入れるための手段（図示せず）を設けて、タービンにより生成される電力を自身で補ってもよい。あるいは、上記太陽エネルギー収穫手段により生成された電力は、風力タービン（図示せず）の始動モータを駆動するのに用いて、風速が低下している期間中に、このタービンが作動できるようにしてもよい。

さらに、上記システム１０は、１以上のノズル（図示せず）を備えている。このノズルは、シュラウド１２の回りに設けられ、かつ、シュラウド１２に向かって、あるいは、シュラウド１２の中に、ある速度で、かつ、ある方向に、空気の高速噴流を放出するようになっている。このノズルは、乱気流を低減して、圧力を制御するだけでなく、シュラウド１２を通って流れる空気の速度を増加させることによっても空気の流れを調整する速度および方向で、空気の高速噴流を放出する。このノズルの数およびデザインは、シュラウド１２の回りのノズルの位置決めに加えて、必要に応じて変更してもよい。例えば、ベース１４は、それ自身ノズルを形成して、ベース１４の内部を通って空気を供給すると共に、シュラウド１２の内部に面した位置において、１以上の開口部またはノズル（図示せず）をベースの側壁に形成することもできる。このようにして、空気の噴流は直接ベース１４から放出されるため、複数のノズルを別途設けるための要求を防ぐ。

上記強化システム１０は、例えば、地下駐車場や巨大オフィスビル等で使用されるような比較的大きい規模の換気システム（図示せず）の排気場所にシュラウド１２を取り付けることもできる。そのため、排気される空気でエネルギーを消費するというよりはむしろ、この強化システム１０を用いて、電力を生成するため、タービンに電力を供給するのに用いることもできる。

本発明の圧力制御装置シュラウド１２を用いることによって、風力タービンは増大したエネルギー出力を持つことができる。

タービンがスイープエリアのｍ^２当たりのより大きなエネルギーを作り出しているので、ブレードは、サイズを小さくすることができ、ブレードが設置される高さも同様に低くすることができる。その結果、タービンの初期コストを少なくすると共に、風力タービンを配備することができる場所数を増やす。

従って、本発明の上記圧力制御風タービン強化システム１０は、シンプルでありながら極めて効率の高い手段および風力タービンの性能を改良する方法を提供する。この強化システム１０は可動部分を殆んどもたず、コストを最小化すると同時に、信頼性にとって有益である。このタービンシステム１０の様々な構成要素は、任意の適切な材料から製造され得るが、プラスチック、複合材料、あるいは他の材料等の軽量材料から製造されるのが好ましい。

Claims (23)

1. 圧力制御風力タービン強化システムであって、
   間隙によって相互に分離された少なくとも第１セクションおよび第２セクションを有するシュラウドを備えることを特徴とするシステム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   上記間隙は、上記シュラウドの略周囲全てに広がることを特徴とするシステム。
3. 請求項１または２に記載のシステムにおいて、
   上記間隙は、略半径方向に広がることを特徴とするシステム。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
   上記シュラウドは、それぞれの間隙によって、隣接するセクションから各々分離される３以上のセクションを有することを特徴とするシステム。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
   上記第１セクションおよび上記第２セクションを互いに対して固定するサポートを備えることを特徴とするシステム。
6. 請求項５に記載のシステムにおいて、
   上記サポートは、上記シュラウドの上記第１セクションおよび上記第２セクションの間に広がると共に、上記第１セクションおよび上記第２セクションに固定された略円形に配列された複数の支柱を有することを特徴とするシステム。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
   上記シュラウドの各セクションは、略円錐形状であることを特徴とするシステム。
8. 請求項１から７のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
   上記第１セクションは、上記第２セクションより急勾配のテーパーを有することを特徴とするシステム。
9. 請求項１から８のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
   上記シュラウド内の空気圧を変化させることが可能な圧力解放手段を備えることを特徴とするシステム。
10. 請求項９に記載のシステムにおいて、
    上記圧力解放手段は、上記シュラウドに１以上の開口部を有することを特徴とするシステム。
11. 請求項９に記載のシステムにおいて、
    上記圧力解放手段は、上記シュラウドの壁の対応する開口部に設けられた１以上のフラップを有しており、このフラップは、上記開口部を閉塞する閉鎖位置と、上記開口部を露出する開放位置との間で移動可能であることを特徴とするシステム。
12. 請求項１１に記載のシステムにおいて、
    上記フラップは、使用中に、上記シュラウド内で閾圧力に達したとき、上記閉鎖位置から移動可能であることを特徴とするシステム。
13. 請求項１１または１２に記載のシステムにおいて、
    上記フラップは、上記閉鎖位置に向かって付勢されていることを特徴とするシステム。
14. 請求項１３に記載のシステムにおいて、
    上記フラップは、バネ付勢されていることを特徴とするシステム。
15. 請求項１から１４のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
    上記シュラウドが搭載されるベースを備えることを特徴とするシステム。
16. 請求項１５に記載のシステムにおいて、
    上記シュラウドは、上記ベース上で、または、上記ベースと共に回転可能であることを特徴とするシステム。
17. 請求項１５または１６に記載のシステムにおいて、
    上記ベースは、風力タービンが搭載可能であるプラットフォームを有することを特徴とするシステム。
18. 請求項１から１７のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
    上記システムを風に向けるよう移動させるようになっているガイド手段を備えることを特徴とするシステム。
19. 請求項１から１８のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
    上記シュラウドの回りに搭載され、かつ、上記シュラウド内および／または上記シュラウドの回りの空気の流れに空気を吹き込むよう作動する１以上のノズルを備えることを特徴とするシステム。
20. 請求項１９に記載のシステムにおいて、
    上記ベースは、上記１以上のノズルに空気を供給するための導管を有することを特徴とするシステム。
21. 請求項１９または２０に記載のシステムにおいて、
    上記１以上のノズルは、上記ベースと一体に形成されていることを特徴とするシステム。
22. 請求項１から２１のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
    現存する空気調節システムの排気装置に搭載されるようになっていることを特徴とするシステム。
23. 請求項１から２１のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
    上記シュラウドが一体に形成されている風力タービンを備えることを特徴とするシステム。

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