JP2013507573A - エネルギー変換アセンブリ - Google Patents

Abstract

エネルギー変換アセンブリ（１）は、好ましくはＳ字状の断面を有する少なくとも１つの中央ブレード（２）を備え、ブレード（２）は、流体流の作用のために母線に対して平行な中心軸周りで回転することができ、その結果、ブレード（２）に関連付けることができるシャフトへ機械エネルギーが伝達される。アセンブリは、ブレード（２）にともに接続され、両側でブレード（２）に面する少なくとも１対の実質的なくさび状体（３）を備え、実質的なくさび状体（３）それぞれの３つの側面（３ａ、３ｂ、３ｃ）それぞれは、それぞれの有効な回転セクタに対する流体流の作用による影響を受け、実質的にセクタそれぞれにおいて、流体流によってブレード（２）へ伝達されるモータモーメントに能動的に貢献し、伝達される機械エネルギーの値を最適化する。

Description

本発明は、エネルギー変換アセンブリに関し、詳細には、風力に関する。

現在、枯渇することが必至であり、いずれにしても汚染性の高いものである化石燃料（石油、石炭など）の利用に頼ることなくエネルギー需要を確実に満たすために、代替および／または再生可能エネルギーの活用がますます注目されている。

これらの代替エネルギーの中でも、疑いなく重要な役割は風力が担っており、風力は、知られているように、風の運動エネルギーを他の形式（通常、電力）に変換することから得られる。

したがって、風力発電機がますます普及しており、風力発電機は、十分な風がある場所に配置され、頂部でそれぞれの風力タービンを支持する１つまたは複数のマストからなり、風力タービンは、風力を機械エネルギーに変換するという働きを担っており、この機械エネルギーは、所望の発電のためにそれぞれの発電機、たとえばオルタネータを駆動することが可能である。

したがって、最大の変換効率を確保し、タービンに当たる空気流によって供給される等価エネルギーに対する機械エネルギー値を最大にするために、タービンの回転子に属する風力のブレードの形状が特に注目されている。

より正確には、ブレードを良い寸法に設定し、流れを適切に伝えることが可能なプロファイルを選択することで、変換プロセスに必然的に伴う損失を抑え、タービンの高い性能を確保することが可能になる。

本発明の目標は、高いエネルギー変換効率を確保することが可能なアセンブリを提供することである。

この目標の範囲内で、本発明の一目的は、聴覚への影響がゼロである、または極めて低いアセンブリを提供することである。

本発明の別の目的は、高い動作信頼性を確保するアセンブリを提供することである。

本発明の別の目的は、容易に得ることができる一般に市販されている要素および材料から開始して、貴重かつ／またはリサイクル可能でさえあり得る、アセンブリを提供することである。

本発明の別の目的は、コストが低く、運用上安全であるアセンブリを提供することである。

上記の目標および目的、ならびに本明細書で以下より明らかになる他の目的は、好ましくはＳ字状の断面を有する少なくとも１つの中央ブレードを備え、前記ブレードが、流体流の作用により母線に対して平行な中心軸周りで回転することができ、その結果、前記ブレードに関連付けることができるシャフトへ機械エネルギーが伝達される、エネルギー変換アセンブリであって、前記ブレードにともに接続され、両側で前記ブレードに面する少なくとも１対の実質的なくさび状体を備え、前記実質的なくさび状体それぞれの３つの側面それぞれが、回転に有効なそれぞれのセクタに対する流体流の作用による影響を受け、実質的に前記セクタそれぞれにおいて、流体流によって前記ブレードへ伝達されるモータモーメントに能動的に貢献し、伝達される機械エネルギーの値を最適化することを特徴とするアセンブリによって実現される。

本発明のさらなる特徴および利点は、非限定的な例として添付の図面に示す本発明によるアセンブリの３つの好ましいが排他的ではない実施形態の以下の詳細な説明から、より明らかになるであろう。

第１の実施形態における本発明によるアセンブリの図であり、より正確には、第１の角度位置における本発明によるアセンブリの斜視図である。 第１の実施形態における本発明によるアセンブリの図であり、より正確には、流体流の流れの方向を示す、第２の角度位置における本発明によるアセンブリの斜視図である。 第２の実施形態における本発明によるアセンブリの図であり、より正確には、第１の角度位置における本発明によるアセンブリの斜視図である。 第２の実施形態における本発明によるアセンブリの図であり、より正確には、第２の角度位置における本発明によるアセンブリの斜視図である。 第３の実施形態における本発明によるアセンブリの図であり、より正確には、第１の角度位置における本発明によるアセンブリの斜視図である。 第３の実施形態における本発明によるアセンブリの図であり、より正確には、第２の角度位置における本発明によるアセンブリの斜視図である。

これらの図を参照すると、全体として参照番号１で指定されている本発明によるアセンブリは、エネルギー変換に適しており、好ましくはＳ字状の断面を有する少なくとも１つの中央ブレード２を備える。ブレード２は、流体流により、母線に対して平行な中心軸周りで回転することができ、その結果、ブレード２に関連付けることができるシャフトへ機械エネルギーが伝達される。

本発明の好ましい適用分野によれば、アセンブリ１は風力発電機の一部であり、したがって、風の運動エネルギー（したがって、流体流を構成する）を機械エネルギーに変換して、ダイナモまたはオルタネータなど発電機で（シャフトを回転させることにより）利用可能にすることが可能であることは直ちに明らかになるはずである。

本説明の残り部分では、この好ましい適用分野を参照するが、特定の要件が許容し、かつ／または特定の要件で好ましい場合、本発明によるアセンブリ１の異なる使用（いずれにしても、本明細書に特許請求する保護範囲内である）は排除されない。

以下では、風に関して図２に示す方向および向きについて考慮するが、もちろん、この選択は完全に任意であり、例としてのみ使用しており、いかなる他の方向も、本発明によるアセンブリ１の動作を損なうものではない。

アセンブリ１の能動要素のプロファイルに選択された構成および湾曲は、アセンブリ１の時計回りの回転を引き起こすようなものであることを示すことがさらに適切である（この点でも、本説明の中でいくつか参照されたい）。しかし、反時計回りの回転を与えるように、または単に添付の図面に示すのと同じ要素の異なるアセンブリによりこの結果を実現するようにプロファイルが適合されたアセンブリ１を提供する可能性は除外されない。さらに、２つ以上のアセンブリ１を使用し、たとえば伝達される力を増大させるために水平に対合された２つのタービン（各タービンがそれぞれのアセンブリ１を有する）を備える解決策を採用する可能性がもたらされる。

本発明によれば、アセンブリ１は、ブレード２にともに接続され、両側でブレード２に面する少なくとも１対の実質的なくさび状体３を備える。

実質的なくさび状体３それぞれの３つの側面３ａ、３ｂ、３ｃそれぞれが、それぞれの有効な回転セクタ（少なくとも部分的に重なることができる）に対する流体流の作用による影響を受け、そのようなセクタの実質的にそれぞれにおいて、流体流によってブレード２へ伝達されるモータモーメントに能動的に貢献し、伝達される機械エネルギーの値を最適化する。

より具体的には、ブレード２は、垂直軸を有するタイプのものであり、したがって中心軸は、地面に対して実質的に垂直である。

アセンブリ１は、中央ブレード２および実質的なくさび状体３に対する支持および結合を確保する下側プレート４を備えると好都合である。さらに、アセンブリ１は、下側プレート４に対して実質的に平行の構成で配置され、中央ブレード２およびくさび状体３に対して安定した状態で上側領域内に位置する上側プレートを備える。

発電機へ伝達されるモータモーメントを受け取るように設計されたシャフトは、下側プレート４（および／または任意選択で、上側プレート）に関連付けることができ、さらに、下側プレート４（および／または上側プレート）には、たとえば様々な種類の制御および調整デバイスなど、アセンブリ１の他の追加の要素を固定することができる。

さらに、下側プレート４および上側プレートは、流体流の一部でもブレード２およびくさび状体３に対して上方または下方へ逃げないようにするのに役立ち、したがって効率を最大にし、有効な効果の一部を失う可能性がない。

本発明の適用分野の非限定的な例として添付の図に引用および提示する実質的に実際上重要な一実施形態によれば、実質的なくさび状体３それぞれが第１の側面３ａを備え、第１の側面３ａは、実質的に凸状であり、中央ブレード２の、それぞれの湾曲部２ａに面する。第１の側面３ａそれぞれは、それぞれの湾曲部２ａ（凹状）、ならびに下側プレート４および上側プレートの対応する部分とともに、流体流のための第１のチャネル５を形成するように協働する。

第１のチャネル５は、流体流の入ってくる方向に対して反対側で累進的に細くなり、第１の側面３ａの有効なセクタでは、アセンブリ１の角度配向は、流体流が第１のチャネル５に入り、実質的にベンチュリ効果によって、ブレード２へ伝達されるモータモーメントに能動的に貢献し、第１のチャネル５の壁（したがって、第１の側面３ａ、特に湾曲部２ａ）に力を印加するような向きである。

好ましい実施形態を参照すると、実質的なくさび状体３それぞれが、第２の実質的に凹状の側面３ｂをさらに備え、実際には、第２の側面３ｂに有効なセクタの一部にて、前記第２の側面の勾配は、第１のチャネル５に向かって運ばれる流体流の作用による影響を受けると共に、上述した効果を奏するような勾配である。

さらに、アセンブリ１の部分的な回転の結果として、流体流が印加する力は、時計回りの向きを有するくさび状体３に回転を与える成分を有するため、第２の側面３ｂは、流体流がブレード２へ伝達されるモータモーメントに直接能動的に貢献する追加の有効なセクタに配置される。

添付の図に示す好ましい実施形態をさらに参照すると、最後に実質的なくさび状体３それぞれが、実質的に凸状の第３の側面３ｃを備え、第３の側面３ｃに有効なセクタでは、第３の側面３ｃに流体流が当たり、この場合も、ブレード２へ伝達されるモータモーメントに能動的に貢献する。

有利には、アセンブリ１は、少なくとも１対の接線ベーン６を備え、接線ベーン６は、翼形のタイプの断面を有する形状であり、ブレード２およびくさび状体３のように、下側プレート４と上側プレートとの間に介在することが好ましい（接線ベーン６は下側プレート４および上側プレートにさらに結合される）。接線ベーン６は、くさび状体３に対して交互に配置され、中央ブレード２の端部２ｂに面し、アセンブリ１の、それぞれの能動回転セクタでは、ベーン６は、流体流に対するブレード２のための保護スクリーンを構成し、普通なら風の運動エネルギーの変換効率を低減させうる抗力の発生を防止する。

具体的には、風の方向がブレード２のＳ字状のプロファイルと長手方向に実質的に整合される図２の角度構成で、ベーン６は、上記で引用した流体流に対する保護の役割を果たす。

さらに、ベーン６の外面６ａの湾曲のため、流体流の推力の合成力は、ブレード２の回転に対して等しい向きになり、したがって伝達される機械エネルギーの最大化にも貢献する。

ブレード２に向けられるベーン６の内面６ｂは、追加の能動回転セクタにて、ブレード２の回転に対して等しい向きの揚力効果を生じさせ（すなわち、時計回りの回転を与えるなど）、伝達される機械エネルギーを最大にするように適合された形状を有すると好都合である。

ベーン６の内面６ｂと、ブレード２の、それぞれの端部２ｂと、下側プレート４および上側プレートの対応する領域とが、流体流に対する第２のチャネル７を形成することにも留意されたい。

特定の角度位置で第２のチャネル７を通過し、ベンチュリ効果によりブレード２の回転と対照をなす抗力を生じさせることができる大量の空気を排気できるように、下側プレート４および上側プレートは、第２のチャネル７の境界を定める上記で引用した領域に、流体流に適した通気孔８（特定の要件に応じて様々な構成を有することができる）を備える。

本発明によるアセンブリの動作は、次の通りである。

風がブレード２、くさび状体３、およびベーン６に当たる風の効果を受けて、本発明によるアセンブリ１は、自らの中心軸周りで回転し、シャフトへ機械エネルギー（トルクモータモーメント）を伝達する。シャフトは、上述のようにたとえば制御デバイスなどの任意の他の構成要素とともに、下側プレート４（ブレード２とは反対側）に固定することができる。

アセンブリ１の各構成要素（ブレード２、くさび状体３、具体的には側面３ａ、３ｂ、３ｃそれぞれ、ならびにベーン６）は、それぞれの有効なセクタ内で、流体流の作用による影響を受け、これらの有効なセクタの一部は重なっており、したがって、風によって与えられる力は、伝達される機械エネルギーを増大させ、したがって変換効率の所望の最大化を提供するように適合される。

第３の側面３ｃの場合、有効な回転セクタは主に、それぞれのくさび状体３が回転軸の右側に位置するセクタであり、実際には流体流は、第３の側面３ｃに当たることができ、合成力は、湾曲のため、アセンブリ１に時計回りの運動を与えるように誘導される。

たとえば図２（したがって、同じく図４および６）の構成など、構成によっては、回転軸の右側に配置されるくさび状体３の第３の側面３ｃが作用するとき、回転軸の左側に配置されるくさび状体３の第２の側面３ｂおよび流体流（図では下向き）にさらされる接線ベーン６もまた、伝達されるモータモーメントに積極的に貢献する。

さらに時計回りに回転すると、流体流は、他方の接線ベーン６に影響を及ぼし、より詳細には、このステップでベーン６は、先行する段落で説明した揚力効果により伝達されるトルクを増大させるように貢献する。

時計回りの回転では、回転軸の右側に配置されたくさび状体３は、回転軸の左側に移動し、まずこれにより、第３の側面３ｃでくさび状体３を流れにさらす（これが積極的に貢献する）。次いで、アセンブリ１がさらに回転すると、第３の側面３ｃを累進的に隠しつつ、第２の側面３ｂが流体流の作用にさらされ、まず第３の側面３ｃおよび第２の側面がどちらも、風の作用による影響を受けることにより、上述したように第１のチャネル５に向かって流体流を運ぶ。

その後、アセンブリ１の回転により、第２の側面３ｂが風にますますさらされ、一方、第３の側面３ｃは、流体流による影響を次第に受けなくなる。

このステップ中、第２の側面３ｂの湾曲は、伝達されるモータモーメントに積極的に貢献する流体流の作用に対する合成力を生じさせるような湾曲である。

本発明によるアセンブリ１は、特定の適用要件または審美的な好みによって好ましい場合、たとえば貴重かつ／またはリサイクル可能な材料を含む様々な種類の材料から効果的に作製できることにも留意されたい。

さらに、本発明によるアセンブリ１は、ブレード２とオルタネータ（またはダイナモ）との間に速度低減ユニットが提供される適用分野、ならびに速度低減ユニットのない（その結果、構造上の簡単さならびにフリクションおよび散逸効果の低減の点で利点がある）適用分野で使用できることが明らかである。

最後に、本発明によるアセンブリ１は、上述した高い変換効率を可能にすると共に、聴覚への影響が極めて低く、またはさらにゼロであり（最高２５０ｒｐｍの回転速度で行われる試験でも検証され、これは、そのような条件において、生成されるノイズがゼロであることを示す）、知られている解決策より聴覚への影響がかなり低い解決策であることに留意すると好都合である。

実際には、本発明によるアセンブリは、ブレードに面しており、３つの側面それぞれで伝達されるモータモーメントに能動的に貢献することが可能な少なくとも１対のくさび状体により、高いエネルギー変換効率を確保するため、所期の目的を完全に実現することが判明している。

このように考えられる本発明には、多数の修正形態および変更形態の余地があり、これらの形態はすべて、添付の特許請求の範囲内であり、すべての詳細は、他の技術的に均等な要素とさらに置き換えることができる。

たとえば、下側プレート４（したがって、中央ブレード２）に対して配向することができるくさび状体３および／またはベーン６を採用し、風の強度および／または特定の構造上の要件に応じて風の運動エネルギーの変換効率を最適化する可能性が提供される。

さらに、前掲した向きを自動化する可能性は除外されない。

本明細書に特許請求する保護範囲は、図１および２に示す好ましい実施形態に関連して、様々な要素に対して異なるプロファイルおよび／または形状（しかし、前述した実質的に同じ動作原理）を有するアセンブリ１を含むことにさらに留意されたい。

具体的には、図３および４は、実質的に円形の形状および細長いくさび状体３を有する下側プレート４を使用して、ブレード２の湾曲部２ａをより均一にたどる一実施形態を示す。このように得られるアセンブリ１は、より大きなモータモーメントを伝達することが可能であり、したがって流体流によって運ばれる最小のエネルギーをも利用することができる構成であるため、風速が低い条件に特に適している。

図５および６は代わりに、実質的に鉤型のくちばしのような形状を有するくさび状体３を採用する一実施形態を示し、このようにして、第２の側面３ｂと第３の側面３ｃとの間に備わる縁部が鉤の形状を帯びることにより、特定の有効な回転セクタ内で、第１のチャネル５に向かって流体流をより良好に運ぶ。

図示の例示的な実施形態では、特定の例に関連して与えられる個々の特徴は、実際には、他の例示的な実施形態に存在する他の異なる特徴と交換することができる。

さらに、特許手続き中にすでに知られていると判明したものがあればそれは、特許請求されるものではなく、権利放棄の対象と理解されることに留意されたい。

実際には、使用される材料、ならびに寸法は、要件および現況技術によるいずれかとすることができる。

あらゆる特許請求の範囲に記載の技術上の特徴は、符号を伴うが、それらの符号は、特許請求の範囲の理解し易さを増大させることのみを目的として含まれるものであり、したがってそのような符号は、そのような符号によって例として識別される各要素の解釈上、いかなる限定的な作用ももたない。

Claims (9)

1. 好ましくはＳ字状の断面を有する少なくとも１つの中央ブレード（２）を備え、前記ブレード（２）が、流体流の作用により母線に対して平行な中心軸周りで回転することができ、その結果、前記ブレード（２）に関連付けることができるシャフトへ機械エネルギーが伝達される、エネルギー変換アセンブリ（１）であって、前記ブレード（２）にともに接続され、両側で前記ブレード（２）に面する少なくとも１対の実質的なくさび状体（３）を備え、前記実質的なくさび状体（３）それぞれの３つの側面（３ａ、３ｂ、３ｃ）それぞれが、それぞれの有効な回転セクタに対する前記流体流の作用による影響を受け、実質的に前記セクタそれぞれにおいて、前記流体流によって前記ブレード（２）へ伝達されるモータモーメントに能動的に貢献し、前記伝達される機械エネルギーの値を最適化することを特徴とするアセンブリ（１）。
2. 前記ブレード（２）が、垂直軸を有するタイプのものであり、前記中心軸が、地面に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記ブレード（２）および前記実質的なくさび状体（３）を支持して結合させる下側プレート（４）と、前記下側プレート（４）に対して実質的に平行であり、前記ブレード（２）および前記くさび状体（３）の上に位置決めされ、前記ブレード（２）および前記くさび状体（３）によって安定した状態で支持される上側プレートとを備えることを特徴とする請求項１および２に記載のアセンブリ。
4. 前記実質的なくさび状体（３）それぞれが第１の側面（３ａ）を備え、前記第１の側面（３ａ）が実質的に凸状であり、前記中央ブレード（２）の、それぞれの湾曲部（２ａ）に面し、前記第１の側面（３ａ）のそれぞれと、前記それぞれの湾曲部（２ａ）と、前記下側プレート（４）および前記上側プレートの対応する部分とが、前記流体流のための第１のチャネル（５）を形成し、前記チャネルが、前記流体流の入ってくる方向とは反対側で細くなり、前記第１の側面（３ａ）に有効な前記セクタにて、前記流体流が前記第１のチャネル（５）に入り、前記ブレード（２）へ伝達されるモータモーメントに能動的に貢献す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アセンブリ。
5. 前記実質的なくさび状体（３）それぞれが、第２の実質的に凹状の側面（３ｂ）を備え、前記第２の側面（３ｂ）に有効な前記セクタの一部にて、前記流体流が、前記第１のチャネル（５）に向かって運ばれ、前記有効なセクタの他部にて、前記流体流が、前記ブレード（２）へ伝達されるモータモーメントに能動的に貢献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アセンブリ。
6. 前記実質的なくさび状体（３）それぞれが、実質的に凸状の第３の側面（３ｃ）を備え、前記第３の側面（３ｃ）に有効な前記セクタにて、前記流体流が、前記ブレード（２）へ伝達されるモータモーメントに能動的に貢献することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のアセンブリ。
7. 少なくとも１対の接線ベーン（６）を備え、前記ベーン（６）が、前記くさび状体（３）に対して交互に配置され、前記中央ブレード（２）の端部（２ｂ）に面し、それぞれの能動回転セクタにて、前記ベーン（６）が、前記流体流に対する前記ブレード（２）のための保護スクリーンを構成し、前記ブレード（２）の回転に対して等しい向きの前記流体流の推力の合成力を画定して、前記伝達される機械エネルギーを最大にすることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアセンブリ。
8. 前記ブレード（２）に向けられる前記ベーン（６）の内面（６ｂ）は、追加の能動回転セクタにて、前記ブレード（２）の回転に対して等しい向きの揚力効果を生成して前記伝達される機械エネルギーを最大にするように適合された形状を有することを特徴とする請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記ベーン（６）の前記内面（６ｂ）それぞれと、前記ブレード（２）の、それぞれの端部（２ｂ）と、前記下側プレート（４）および前記上側プレートの対応する領域とが、前記流体流に対する第２のチャネル（７）を形成し、前記下側プレート（４）および前記上側プレートが、前記第２のチャネル（７）の境界を定める前記領域に、前記流体流のための通気孔（８）を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のアセンブリ。

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