JP2013527361A - 風力タービンシステム - Google Patents

Abstract

モジュール式風力タービンシステムは、風力タービンを支持する導電構造レールを有するモジュールを備える。風量タービンが、レールに接続された発電機を駆動する。個々のモジュールは、隣接するモジュールと電気的且つ機械的にリンクして、同時に全体構造を補強するとともに、発電機により生成された電気を、電気を消費する必要がある１つ又は複数の場所、貯蔵庫、又はその先の送電に送る手段を有する。
【選択図】 図６

Description

発明の分野及び背景
本発明は、風力発電地帯の構築に適したモジュール式風力タービンシステムに関する。

風力エネルギーを電気エネルギーに変換すること、すなわち、化石燃料を燃やすことなく、ひいては、関連する二酸化炭素を放出せずに電気を生成することの望ましさは周知である。

従来の風力発電地帯は、大規模な水平軸タービンの設置からなり、いくつかの大きな経済的及び環境的な欠点を有する：各タービンが、それ自体の非常に高く重い鋼の塔を必要とし、広範囲の電気ケーブル敷設がタービンハブから各塔の土台に延び、そこからその先への送電のために変電所に延びる。従来の風力発電地帯が設置される場合、非常に重い塔の基礎、重いリフト機器を運ぶことが可能な新しい連絡道路、及び追加の土地排水も必要なことが多い。この追加の基盤の経済的コスト、エネルギーコスト、及び環境コストの他に、タービンそれ自体が、景色の視覚的支配性、視覚的な「フリッカー（ちらつき）」の発生、及び低周波騒音により地域社会から反対されることが多く、これらは、地表からのタービンの高さにより、設置場所からかなり離れた場所であっても不快なものとして受け止められる。タービン機器及びクレーンの環境的な問題及び物理的なアクセスは、大規模な海上風力タービン機器を展開し得る場所の範囲に厳しい制約を課す。沖合風力タービンは視覚的な問題および騒音問題を克服するが、広大な設置およびケーブル敷設／接続コストがかかるという問題がある。

個々の大規模タービンに対する代替として、様々な特許及び特許出願、例えば、（特許文献１）及び（特許文献２）において、より小型のタービンのアレイを回転式土台上の高い塔又は大きな足場的なフレームに取り付けるいくつかのシステムが提案されている。しかし、これらの設計は、上述した欠点のうちの多く又はすべて、特に、ケーブル敷設コスト、騒音、及び視覚的な目障りさを有する。さらに、回転式土台装置は、比較的大きなフットプリントを占有する土地に必要とし得る。

異なる手法は、例えば、（特許文献３）及び（特許文献４）に記載のように、より小型のタービンを建物に単独又はアレイで取り付けるという手法であった。しかし、多くの研究により、大半の建物の近傍では風速があまりに低減するとともに、乱流があまりに増大し、そのようなアレイのエネルギー出力が大半の場合で最小である可能性が高いことが示された。

近傍の建物、高い木、又は他の障害物から離れて配置された個々のポール上のより小型の風力タービンは、建物に取り付けられる同等のタービンよりもはるかに大きな出力を生成する。最適な効率のために回転軸を風向と位置合わせする必要がある水平軸型を含むとともに、タービンの軸に垂直な平面において任意の方向から来る風から中程度の効率でエネルギーを抽出可能であるという点で全方向性と記述されることもある「垂直軸」機械も含め、様々なそのような機械が現在、市販されている。したがって、特定の風向の場合、「垂直軸」機械は、軸が垂直以外の場合であってもエネルギーを抽出する。個々の水平又は垂直軸式機械の従来の設置はなお、個々の支持ポール又は支持塔の両方の相当な追加エネルギー、設置コスト、及び経済的コストを必要とし、支持ポール又は支持塔は、任意の方向からの突風の力に耐えるのに十分に強い建造のものであり、且つ個々の各タービンの出力をハブの高さから地表まで、そこから消費ポイント又はその先の送電ポイントまで送るために、追加の電気ケーブル敷設又は機械的リンクを必要とするものでなければならない。定格１０ｋＷ以下の小型風力タービンで一般に使用される低電圧系統では、発電機から大きな電力出力がある場合、比較的高い電流が必然的に生じる。したがって、設置者又は使用者が直面する選択は、発電機から使用ポイント又はその先の送電ポイントまでの断面が大きく、したがって高価な接続ケーブルに投資するか、或いは直径の小さな接続ケーブルが使用される場合、ケーブルの抵抗加熱による大きなエネルギー損失を受け入れるかのいずれかである。

例えば、（特許文献５）、（特許文献６）、（特許文献７）、及び（特許文献８）に記載のように、地表又はポールで上げられる線形「ウィンドフェンス」型の構造についてのいくつかの提案がなされている。ポール上の個々のタービンと同様に、そのような設計で生じる主な問題はやはり、エネルギーを、タービンによりエネルギーを採取する場所から使用する場所まで送る方法である。提案は、タービンと中央発電所又は発電機との間の機械的又は液圧的リンク、或いはタービンは個々の発電機を有し、電気がケーブルにより使用ポイント又は送電ポイントまで送られることを含んだ。ケーブル、液圧リンク、又は機械的リンクの使用はすべて、これらの設計に相当なコスト及び複雑性を追加する。第２の主な問題である、強風に逆らって構造を支えることの問題は、いくつかの設計では、地面から構造の様々なポイントまで取り付けられた支え線を使用することにより対処される。しかし、これらは、多くの発電地帯設置場所で土地の利用を大きく妨げる。個々の十分に強い垂直ポールを、間隔を置いて使用するという従来の代替は、同等の掃引面積の従来の風力タービンと同様に、比較的大きく重いポールを暗に示し、したがって、ポールを持ち上げ、ポールにタービンを取り付けるための大きなクレーン又は同様の重いリフト機構を暗に示す。

米国特許第６７４９３９９号明細書 国際公開第２００９１３０６９１号パンフレット 米国特許第４２２０８７０号明細書 国際公開第２００５０５２３６２号パンフレット 米国特許第５６４２９８４号明細書 米国特許第４２６５０８６号明細書 米国特許第２２１８８６７号明細書 米国特許第１８７６５９５号明細書 特許文献第５４９４４０７号明細書

したがって、構築に最小の材料を必要とし、追加のアクセス基盤及び電気接続基盤を最小に抑えるか、又はなくし、環境への影響が最小である軽量低コストの風力発電地帯システムが必要とされている。

本発明は、導電レール、梁、又は他の構造形態のシステム上に取り付けられた風力タービンの軽量の相互接続されたモジュールアレイの使用により、上記必要性を満たし、それにより、導電構造部材が、タービンの重量を支える機能と、風力負荷による力を支える機能と、必要なときはいつでもタービンにより生成される電力を運ぶ完全な電気回路を提供する機能とを組み合わせ、それにより、従来のケーブル敷設の必要を低減するか、又はなくす。

本発明の一態様は、複数のモジュールを備えた、風からエネルギーを捕捉するシステムであって、上記モジュールのそれぞれは、１つ又は複数の導電構造レールと、
上記導電構造レールにより支持された少なくとも１つの風力タービンと、
上記少なくとも１つの風力タービンにより駆動される少なくとも１つの発電機であって、上記少なくとも１つの発電機は、上記導電構造レールのうちの少なくとも１つの第１のレールに電気的に接続される少なくとも１つの第１の電気端子と、上記第１の導電構造レールから電気的に絶縁された別個の導電体に電気的に接続された少なくとも１つの第２の電気端子とを備え、
上記モジュールは、上記第１の導電構造レールのそれぞれが、少なくとも１つの隣接するモジュールの電気的に同等の導電構造レールに電気的に接続され、それにより、モジュールのリンクされたアレイは、連結された導電構造レールの少なくとも１つのラインを含むように互いに電気的にリンクされ、上記連結された導電構造レールのラインは、上記導電体と共に、風力タービン発電機からの電気エネルギーを電気エネルギーの１つ又は複数の選ばれた消費、貯蔵、又はその先の送電のための選ばれた１つ又は複数の場所に運ぶことが可能である、システムを提供する。

本発明のいくつかの実施形態では、上記別個の導電体は１つ又は複数の電気的に絶縁されたケーブルを含むが、好ましい実施形態では、上記別個の導電体は、上記導電構造レールのうちの少なくとも１つの第２のレールを含む。

本発明のいくつかの好ましい実施形態では、上記導電構造レールは、使用に際して、モジュールアレイが配置される地面又は他の表面に略水平に又は略平行に配置される。しかし、上記導電構造レールが、使用に際して、直立、又は略垂直、又はモジュールアレイが配置された地面若しくは他の表面に対して略垂直に配置されることも可能であり得る。したがって、アレイが取り付けられた地面又は他の表面に沿うのではなく、上方に延びるアレイを意図し得る。タービンは、非垂直又はさらには略水平の軸を中心として回転するように構成し得るが、風向から略独立するには、略垂直なタービン軸が一般に好ましい。

さらに、モジュールの相対的な位置及び向きは、好ましくは、アレイの機械的強度が、高い風力負荷を受ける方向において最大であるようなものである。本発明の好ましい実施形態は、高さ１５ｍ未満のポールに上げられ、したがって、タービンが１００ｍをはるかに超える高さに達し得る従来の風力発電地帯と比較して、視覚的に目障りではないように構成される。本発明の好ましい実施形態によるモジュールのアレイは一般に、小さなチームの作業者により、好ましくはクレーンを使用せずに地表から立てることができ、小さな連絡道路があり、若しくは連絡道路がまったくない場所に、及びそのような場所内で運ぶことができる。システムのモジュール性により、個々のモジュールの場所変更及びモジュールの追加、除去、又は交換も比較的容易に行うことができる。

本発明により構築された風力タービンモジュールの斜視図である。 発電機を導電レールに電気的に接続し得る手段を示す、本発明によるモジュールの個々の風力タービン、関連する発電機、及び導電レールの一部の概略側面図である。 図２の構成要素と同様の構成要素の概略側面図であるが、発電機を導電レールに電気的に接続し得る代替の手段を示す。 図１に示されるモジュールと同様であるが、延長ポール上に上げられたモジュールのアレイの概略側面図であり、モジュールを電気的に相互接続し得る手段を示す。 図１に示されるものと同様であるが、延長ポールが追加されたいくつかの風力タービンモジュールの斜視図であり、リンクされたアレイを形成するように立てられる前に、モジュールを有利に現場でいかにレイアウトし得るかを示す。 立てられた後の図５に示されるモジュールの斜視図であり、卓越風に平行し、且つモジュールの平面に垂直な方向において補強された電気的且つ機械的に相互接続されたアレイを形成するような間のリンクを示す。 図６に示される構成と同様の構成のモジュールのアレイの平面図である。 モジュールの相対位置決めを使用して、モジュールにおおよそ垂直に来る風からモジュールのアレイ全体を補強し得る他の手段の例を示す平面図である。 モジュールの相対位置決めを使用して、モジュールにおおよそ垂直に来る風からモジュールのアレイ全体を補強し得る他の手段の例を示す平面図である。 個々のモジュールが直線ではない導電レールを含むモジュールのアレイを有利にいかに構築し得るかの例を示す平面図である。 モジュールの補強されたアレイであって、モジュールのうちのいくつかが異なる数及び間隔の個々のタービンを含み得るアレイを示す平面図である。 個々のタービン及び発電機の位置をモジュールの導電レールに沿って調整し得る手段を示す斜視図である。 個々のタービン及び発電機の位置をモジュールの導電レールに沿って調整し得る手段の代替の例を示す斜視図である。 本発明によるモジュールの概略側面図であり、個々のモジュールをモジュールの平面を機械的な剪断力から補強し得る手段を示す。 共通の支持ポール上の２つ以上の段に配置されたモジュールを示す斜視図である。 各対が共有発電機を駆動する、モジュール内のタービンをいかに対に構成し得るかを示す斜視図である。 本発明によるモジュールフレーム構成を示す斜視図であり、それにより、レールが相互に電気的に絶縁された平行フレームに配置される。 本発明による導電レールの可能なさらなる構成のいくつかの例を示す斜視図である。 本発明による導電レールの可能なさらなる構成のいくつかの例を示す斜視図である。 本発明による導電レールの可能なさらなる構成のいくつかの例を示す斜視図である。 異なる向きのタービン及び発電機のセットを含むモジュールの斜視図である。

本発明の第１の態様は、電気的にリンクされたモジュール式ユニット（「モジュール」）のアレイであって、各モジュールは、複数の導電性の細長構造要素（「レール」）を備え、レールは、金属レール、管、梁、バー、桁、又は他の既知の構造形態をとることができる、アレイと、レールのうちの１つ又は複数により支持される少なくとも１つの風力タービンとを提供する。好ましくは、レールは、モジュールのアレイが配置された地面又は他の表面に略平水平又は略平行する。レールの少なくとも１つは、各モジュール内の他のレールの少なくとも１つから電気的に絶縁されるが、各通電レールは、例えば、ジャンパーケーブル又は接続レールにより、近傍の１つ又は複数のモジュール上の電気的に同等の１つ又は複数のレールに電気的に接続される。したがって、導電性構造レールは、個々の風力タービンのアレイを物理的に支持する機能と、発電機により生成される電力を運ぶ機能とを合わせて提供し、これらはそれ自体風力タービン、消費に指定された場所、上記電力の貯蔵庫、又はその先の送電に直接又は間接的に結合される。好ましくは、導電構造レールは、アルミニウム又は高い割合のアルミニウムを含む合金から組み立てられる。アルミニウム及びその合金の多くは、高い強度重量比を有し、他の既知の材料と比較して重量及びコストの両方で導電性の非常に高い比率の両方を有するという望ましい特徴を保有し、アルミニウム及びその合金の多くを、強く、軽量であり、低コストであり、且つ高い導電性を有する必要がある本発明の構造等の構造に理想的なものにする。アルミニウム及びその合金は、箱形断面、梁、及び管等の本発明に記載される用途に適した多くの断面形態を有する押し出し長さとして容易に利用可能である。さらに、アルミニウム及びその合金は一般に、非常に良好な耐腐食性を有するため、本発明で考えられるような屋外用途で塗装又は保守を必要としない。

本発明の別の態様は、好ましくは直立した支持ポールに地表から上に少なくとも数ｍの高さに立てられた近傍モジュールが、好ましくは、接続されたモジュールのアレイの形状が、補強により、支え線又は重い支持ポールの必要をなくす程度まで、モジュールに略垂直の方向から来る風に逆らって構造を効率的に補強するように、互いに対して配置されることである。

さらに、各モジュールは、例えば、モジュールの補強ラインを形成し得、そしてこれらをモジュールの他のラインに接続し得るように、３つ以上の他のモジュールに接続し得る。

任意の数のタービンのアレイを含む任意の数のモジュールを含むライン及びネットワークをこのようにして生成し得、すべてのタービンは、導電レールの共通のセットに電気的にリンクされ、上記レールは、発電機により生成された電気を運び、タービン、ポイントが何であれ、電気の使用、貯蔵、又は、例えば、電気の配電網その先の送電に都合のよい１つ又は複数のポイントに結合することが考えられる。

本発明のさらなる態様は、各モジュールを、モジュールの各端部に１つずつ、一対の支持ポールに固定し得、各支持ポールはそれ自体、他端部が地面取り付けポイントにヒンジで留められることである。各モジュールは、好ましくは、手作業で、又はウィンチ若しくは他の簡易な地面で動作する手段を用いて、しかし好ましくは、クレーン又は他の重いリフト機器の必要なく、小さな作業員群により所定位置に立てられるサイズ及び重量である。

送電と構造的支持機能をこのようにして組み合わせることにより、システムは、電気ケーブル敷設の使用を最小に抑えるか、又はなくす。したがって、送電構成要素の重量、コスト、製造材料、及びエネルギー入力はすべて、最小に抑えられる。同様に、システムの隣接モジュールを、最高の風力負荷を受ける方向、すなわち、モジュールの平面に垂直な方向においてモジュールが集合的に構造を最大程度まで強化する構成で組み合わせることにより、重い支持ポール又は支え線等の外部補強に関連する追加の重量及び設置複雑性をなくし得る。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるそのようなモジュールのアレイに組み立てられる個々のモジュールの斜視図である。この好ましい実施形態でのそのような各モジュールは、第１及び第２の導電性の相互に電気的に絶縁された構造レール１ａ及び１ｂを有し、上記レールのそれぞれは、略水平の向きか、又はアレイが配置された地面若しくは他の表面に略平行のいずれかで設置され、一対の上記レールは、好ましくは、一方のレールが他方の略上にあり、且つ有利なことに、モジュールの近傍で卓越風に略垂直に向けられるように、略垂直な平面にある。各モジュールの上記レールの間には、垂直軸風力タービン２のアレイが配置され、各タービン２は、シャフト３ａ及び３ｂのそれぞれを介してレール１ａ及び１ｂに回転可能に結合される。回転可能な結合は軸受を組み込み、上記軸受は明確にするために図面から省かれている。図１及び続く図では、示される風力タービン２の外形は必ずしも、実際に使用される実際のタービン外形を表しているわけではない。個々のタービンの詳細な設計及び実際のブレードの外形は、例えば、様々な既知の設計から選択し得る。タービンは、２ブレード型又は３ブレード型のものが知られているが、好ましくは、各タービンが、最初に駆動モータを回転又は停止させる必要なく、風流のみから回転の最適な動作速度に達する能力を有するという点で、「自己開始（self starting）」設計である。上記垂直軸タービンのブレードに適した外形は、（特許文献９）に記載されており、上記外形は、軽量のシート材料から構築するのに比較的効率的で強く、簡単であり、本発明のブレードの構築に好ましい材料は、アルミニウム又はアルミニウム合金である。軸受は、任意の既知の種類のものでよいが、適した寸法の標準のシール玉軸受組立体が好ましい。個々の各風力タービン２は、好ましくは、個々の発電機４を直接駆動し、上記発電機は、好ましくは、図１に示されるように、導電構造レールのうちの一方に取り付けられるが、複数のタービンが単一の発電機にリンクされる構成又は複数の発電機が単一のタービンにリンクされる構成を含め、タービンがギア又は他の手段を介して間接的に発電機を駆動する他の構成も、本発明の範囲内で可能である。

発電機は交流又は直流を生成し得るが、好ましい実施形態では、各発電機は、空心半径方向又は軸方向磁束永久磁石交流ユニットを備え、発電機の最終的な出力が直流（ＤＣ）になるように、全波整流回路が上記ユニットに集積される。本発明の本開示の文脈の中では、用語「発電機」は、整流回路又は整流装置に接続された電気交流機からなり、ＤＣ出力を生成するユニットを含むものと理解されたい。次に、そのようなＤＣ発電機の２つの出力端子は、レール１ａ及び１ｂのそれぞれに電気的に接続され、各モジュールの上記ＤＣ発電機のそれぞれは、各モジュールのＤＣ発電機のアレイ全体が平行に接続されるように、同じ電気的な意味でレール１ａ及び１ｂに電気的に接続される。本発明のいくつかの有利な実施形態では、発電機は「低電圧」型のものであり、最大出力電圧は１００Ｖ未満であり、好ましくは、５０Ｖ未満である。設置は、例えば、後者の場合、レールが定格動作電圧である間、人がモジュールと作業する必要があるとき、かなり安全である。しかし、例えば、モジュールの非常に長い敷設にわたって導電レールの抵抗加熱損失を最小に抑える必要があるいくつかの用途では、より高い電圧が好ましいことがある。

２つの導電レール１ａ及び１ｂを剛性フレームから互いに機械的にリンクするために、図１において５ｂの構造連結レールを使用し得る。好ましくは、連結レール自体も導電性であり、導電レール１ａ及び１ｂと同様の断面形状であり得るとともに、好ましくは、アルミニウム又はアルミニウム合金で作り得る。しかし、レール１ａ及び１ｂは相互に電気的に絶縁されなければならないため、連結レールがレール１ａをレール１ｂに電気的に接続しないことが必要とされる。このために、絶縁片６が利用され、好ましい実施形態では、結合レール５ｂと導電レール１ａ又は１ｂのうちの少なくとも一方との間に配置される。

上記の好ましい実施形態では、発電機と導電レール１ａ及び１ｂとの電気接続は、図２に概略的に示されるように好都合に達成される。ＤＣ発電機の一方の端子は、直接又は短い接続ケーブル７ａを介して、発電機が取り付けられた導電レール１ａに電気的にリンクする。他方の端子は、付近の導電結合レール５ｂに電気的に接続された別の短い接続ケーブル７ｂにより導電レール１ｂに電気的にリンクし、結合レール５ｂそれ自体は導電レール１ｂに電気的に接続されるが、導電レール１ａからは電気的に絶縁される。当然ながら、代替の構成も可能であり、例えば、接続ケーブル７ｂを、結合バー５ｂを通して、又は結合バー５ｂに沿って配線し得る。上で参照した接続ケーブルは、運ぶ必要があるのが単一の発電機の電流出力のみであるため、比較的小さな断面であり得、上記電流は通常数アンペアであり、その一方で、潜在的に多数の発電機が接続される導電レール１ａ及び１ｂは、ピーク出力時に数百アンペアを運ぶ必要があり得る。発電機を導電レール１ａおよび１ｂに電気的に接続する可能な構成の別の例は、発電機から延びる外部接続ケーブルがなく、その代わり、図３に示されるように、すべての電気接続が発電機／タービン組立体内で行われるものである。この場合、発電機から導電レール１ａへの電気リンクは、恐らく、レール１ａへの発電機の機械的な取り付けの一環として直接行われ、導電レール１ｂへのリンクは、タービン２ｂ自体を介して行われ、示される例では、タービン及び関連するシャフトは導電材料から作られる。そのような構成では、発電機とタービン２ｂとの間並びにタービン２ｂと導電レール１ｂとの間に適した回転可能な電気結合が必要である。これらは、適宜設計された導電性軸受を使用して、又はタービンシャフトのスリップリング等の他の手段により達成し得る。図１、図２、図３、及び続く図に示される例では、導電レール１ａ及び１ｂへのタービンの回転する機械的な取り付けを提供する手段が、それ自体では、導電レール１ａと１ｂとの間に直接導電路を提供しないことに注意する必要がある。軸受の適した絶縁筐体、絶縁タービンシャフト、又は他の手段がこの目的を達成し得る。

図２及び図３に示される例では、発電機の正端子が上部レール１ａに接続され、負端子が下部レール１ｂに接続される。逆の接続極性も許容可能であり、重要な考慮事項は、アレイ内の各発電機を、その他のすべての発電機と同じ極性で導電レール１ａ及び１ｂに接続すべきであることできある。２つのレール１ａ又は１ｂのうちの一方は、接地にも電気的に接続して、常に接地電位に維持される。例えば、導電レールの残りの一方を接地電位に維持して、落雷の場合にアレイの保護を支援することが有益であり得る。対又は群になった発電機を直列接続する等の他の電気接続構成を考えることもでき、この接続の結果として、各群の出力電圧は高くなり、各群は、導電レールを介して並列接続される。

図４は、リンクされてフェンスを形成するモジュールのアレイの部分を示す概略側面図である。アレイ内の隣接モジュールのレール間の電気リンク８ａ及び８ｂが示され、この例では、モジュールは直立支持ポール９に上げられてもいる。各導電レール１ａは、導電リンクにより隣接する導電レール１ａにリンクされ、導電リンクは、示されるような短い可撓性ジャンパーケーブル８ａ又は、好ましい実施形態では、短い構造接続レールを含む様々な形態を取り得る。導電レール１ａと同様に、導電レール１ｂも、様々な手段により、例えば、短い可撓性ジャンパーケーブル８ｂにより、又は好ましい実施形態では、短い構造導電レールにより隣接する導電レール１ｂに電気的にリンクし得る。電気リンクと同様に、好ましくは、隣接するモジュール間にはいくつかの追加の機械的リンクがあり、これらの機械的リンクについては、続く図を参照して以下により詳細に考察する。

図５は、支持ポール９で動作高さまで立てられて、続けて一緒にリンクする準備として、ポールが取り付けられた状態の、本発明の上述した好ましい実施形態のいくつかのモジュールが有利に、地面又は他の表面１０にいかにレイアウトし得るかを示す。理想的には、モジュールは、立てられたとき、モジュールの大部分の平面が、アレイ接地場所での卓越風の方向１１に略垂直であるが、各モジュールがモジュールの平面におおよそ平行する方向を除き、広範囲の風向にわたって有用な量の風力エネルギーを捕捉することが予期されるように向けられる。好ましい実施形態では、各モジュールは、モジュールの各端部に１つずつ、１対の延長ポール９に固定され、上記ポールは、好ましくは、ヒンジ機構により土台１２に取り付けられ、上記土台は金属板、短管、又はそれ自体が地中に取り付けられ、駆動され、又は動かないように重りを付けて沈められる他の構造である。各モジュールは、土台に配置されたヒンジポイントを中心として、組立体が方向矢印１３ａ及び１３ｂで示されるように直立位置になるまで、２つのポールに取り付けられたモジュールを備えた組立体を回転させることにより、地面よりも上の動作位置まで上げられる。直立すると、各モジュールは、好ましくは、機械的且つ電気的に隣接するモジュールに接続される。

こうして作られたモジュールアレイ構造の好ましい実施形態の斜視図を図６に示し、図６では、隣接するモジュールは短い構造レール１４で接続され、短い構造レール１４には、主に機械的に構造を接続および補強するものもあれば、機械的に構造を補強し、同時に、構造レール１４に最初に取り付けられていた対応する導電レール１ａ又は１ｂのそれぞれを、隣接するモジュールの電気的に同等の導電レールに電気的に接続するものもある。図６において、中央モジュールの右端部にあるタービンは、構造レール及び導電レールをより明確に見られるように、明確にするために図から削除されていることに留意されたい。図６に示される構造は、互いにオフセットされ、接続レール１４によりリンクされて、卓越風向１１に略平行する平面に集合的に二次元補強フレーム又は格子構造を形成する任意の２つの隣接するモジュールの直立支持ポール９により、卓越風向１１に平行する方向で高い強度を達成する。

図７は、図６の斜視図に示されるものと同様のオフセットモジュールのアレイの平面図である。図６及び図７に示される例に加えて、上述したようにモジュールを必ずしもオフセットする必要なくモジュールのアレイを強化し得る他の手段もある。

図８は、モジュールのジグザク又は波形構成の平面図であり、このモジュールは、任意の３つの隣接直立支持ポールが、同一平面ではなく三脚を形成するという特徴により、モジュールのラインにおおよそ垂直な方向で高い強度を達成する。同様に、図９の平面図に示されるように、湾曲を辿るモジュールのアレイは、各モジュールが一対のポールに独立して上げられるのではなく、隣接するモジュールがポールを共有する場合であっても、図８に示される構成に関して上述した理由と同様の理由により、オフセットなしのモジュール及びポールの平坦な二次元アレイと比較して増大した強度を有する。図８及び図９の構成では、結果として、あらゆるモジュールが卓越風に対して精密に垂直になるわけではないのにも関わらず、強度増大の利点は、このわずかな効率の低減を正当化するのに十分であり得る。さらに、美観の理由により、且つ支持ポールと共におおよそ水平のより長いアレイを維持するために、丘の中腹周囲の輪郭線の湾曲に従うことが望ましいことがある。平坦構造からのモジュールアレイの巨視的形態の展開は、任意選択的に図７に示され上述した隣接アレイのオフセット技術と組み合わせて、モジュールのアレイの全体強度に対するかなりの恩恵である。

図１０は、図８のモジュールのアレイと同様であるが、個々の各モジュールの導電レールが湾曲し、湾曲の方向が隣接モジュールと交互になるモジュールのアレイの平面図である。図１０に示される構成は、完全に直線のレールを有するモジュールと比較して強風に耐えるという点でいくらかの恩恵を付与し得る。直線のレールは、比較的剛性が低いものである場合、主にレールに取り付けられたタービンへの風の負荷により、非常に強い風で顕著に湾曲する傾向を有し、したがって、各レールの各端部にある直立支持ポール９を一緒に引いて、おそらくはアレイ全体を歪ませる傾向を有し得る。図１０の構成では、接近する風が来る方向から見た場合に凹形の導電レール１ａ、１ｂの対は、直立支持ポールを一緒にわずかに引っ込める傾向を有するが、凹形のレール対は、直立支持ポールをわずかに離れるように押す傾向を有するため、直立ポールがアレイのラインにおおよそ平行する方向にわずかに湾曲させるのに十分な可撓性又はヒンジ構成を有する限り、結果として生じる歪みは大方、任意の２つの隣接モジュール間で局所的に相殺することができ、アレイの長さに沿って伝播しない。例えば、傾斜に設置される個々の風力タービンをモジュール内で垂直に維持したい場合、例えば、レールの曲げ又は段差が垂直面にある直線ではなに導電レールの他の構成も考えられ得る。

図１１は、いくつかの個々のモジュールを３つ以上の他のモジュールに接続することにより形成し得るモジュールの分岐アレイの平面図である。全体アレイさらなる強化と同様に、この構造は、好都合に電気エネルギーをいくつかのモジュールラインから単一の収集点まで伝える利点を有する。モジュールラインは、例えば、丘陵の一連の台地または離間した平坦地に配置し、これらのモジュールラインから単一の消費者、貯蔵施設、又はその先の送電のための変電所に電気を送ることが望ましい。ケーブルを各モジュールラインの端部から敷設する代わりに、追加の各モジュールラインを電気的に接続するほうがよりコスト効率的であり便利であり、プロセスのモジュールの全体アレイの生成能力も増大する。図１１では、卓越風向１１に対して比較的好ましくない向き又は位置にあるモジュールが、少数の個々のタービン及び発電機２、４を含むことに留意する。これは、そのような好ましくない向きでモジュール上にタービンを高密度で設置するよりも経済的な解決策であり得、そのような場合では、タービンがより高密度で設置された場合、許容不可能な程度まで他のタービンを卓越風から保護してしまう恐れがある。時折の極端な場合では、導電レールにタービンのない導電レールを含む少数の接続部分を使用することが有利であり得る。

上述した理由、又は他の理由で、例えば、建物へのアレイの部分の保護のためにモジュールを都合よく調整し得るために、モジュール内の個々のタービンの間隔を都合よく調整し得る手段を図１２及び図１３の斜視図に示される。図１２は、導電レール１ａ及び１ｂ内に穴１５ａ、１５ｂの比較的密に離間された穴のラインがいかに存在し得、タービン及び発電機をある範囲の離散位置に配置できるかを示す。図１３は、タービン、発電機、及び軸受が摺動するブロック又はクランプ１６ａ、１６ｂに取り付けられ、導電レール１ａ及び１ｂに沿って任意の所望の場所に固定し得る構成を示す。

強風からモジュールアレイを補強する上述機構に加えて、個々のモジュールが、例えばアレイの組み立て中に発生し得、又は強風が時折、モジュールの平面に平行して吹くことによりある程度、モジュールの平面に平行する剪断力から補強することが望ましいことがある。そのような補強を達成し得るいくつかの方法があるが、追加の構造片を追加せずにそれを達成する都合のよい手段を図１４の概略側面図として示す。この例では、結合レール５ｃ及び５ｄは、主レール１ａ及び１ｂに垂直ではなく、結合レール５ｃが結合レール５ｄに平行しないように意図的に向けられる。垂直位置の両側のこれらの結合レールの比較的わずかなずれが、モジュールに作用する剪断力１７ａ、１７ｂがレールを大幅に変形させないことを保証するのに十分であるべきである。

本発明の上述したすべての例は、１行のタービン及び１対の導電レールが使用される実施形を示した。しかし、場所及び状況によっては、例えば、限られた地面面積の特定の場所で風力からより大きなエネルギーを抽出するために、同じ支持ポールを共有する複数行のタービンを展開することが望ましいことがある。図１５は、上下になった２つのモジュールを特徴とするそのような構成の一実施形態を示す斜視図である。この特定の例は、２対のレール１ａ及び１ｂを含み、レールは、例えば、電気的に並列又は直列に接続し得る
スペーサ１８のセットがモジュールと支持ポールとの間に配置し得、上記スペーサは、２つのモジュールのレール１ｂを互いに電気的に接続しないことが望ましい場合に説明される例で電気的に絶縁し、スペーサ１８は、任意選択的に、２つのモジュールの並列接続が必要な場合には導電性である。中間レールが２行のタービンで共有され、１行のタービンが別の行に真上にあるが、オフセットされる構成を含め、複数行のタービンを含む他の構成も、本発明の範囲内で可能である。

図１６は、２行のタービンの使用が特に有利であり得る例を示す斜視図である。この有利な実施形態では、２行は、上部行の各タービンが下部行のタービンの回転方向１９ｂとは逆方向１９ａに回転するように配置され、それにより、逆回転するタービン対を形成する。そのような各タービン対は、好ましくは、１つの永久磁石発電機４ｃを共有する。対内の一方のタービンは磁石アレイを直接駆動し、他方半分は導電コイルのアレイを逆の回転方向に駆動する。コイルは、好ましくは、これもまたタービンにより回転される全波整流器回路に接続され、整流器のＤＣ出力端子は、回転する電気結合を介して導電レール１ａ及び１ｂに電気的に接続される。図１６の例では、発電機の真上及び真下のレールは種類１ａのものであり得、言い換えれば、同じ極性のものであり得る。次に、レールは、非常に短い連結レール２０を用いて互いに機械的及び電気的に接続することができ、発電機位置合わせを支援し得る、発電機及び軸受の剛性サブフレームを形成する。この場合、一番上及び一番下のレール１ｂは、図１６に示されるように、互いに同じ極性であり得る。

図１６の実施形態は、コイルアレイに対する磁石アレイの回転速度が、磁石アレイのみが回転し、電圧生成コイル、固定子コイルが固定された同様の設計の１タービンにより、直接駆動される発電機での実効的に２倍であるという利点を有す、したがって、同じタービン回転速度の場合、上述したようにタービン対に接続された各発電機は、１タービンにより直接駆動される同等の発電機の２倍の電圧、ひいては４倍の電力出力を生成することができる。１タービンの場合と同等の回転速度は、仮に、図１６に示される風力タービンが、発電機に対して大型サイズ化された場合のみ実際に達成されるが、これによりそのような発電機の駆動に必要となる追加の負荷により過度に遅くならずに必要な力入力を共有発電機に送ることができる。実際には、上述し、図１６に示された構成の利点は、風力タービンブレードの所与の掃引面積により小型又はより少数の発電機を使用し、発電機の材料及び組み立てコストを節減可能なことである。

上記実施形態において説明されたモジュール及びアレイ設計に加えて、導電レール、タービン、及び発電機の多くの他の構成が、本発明の範囲内で可能である。少数のそのような可能な代替の構成が図１７〜図２１に示される。図１７では、導電レールは、２つの相互に絶縁された枠を形成し、タービンが、導電レールと枠との間に配置される。この構成では、図１の構成よりも多くの導電レールが必要であるが、図１７の各導電レールは、図１７に示されるシステムと一致して、図１の各導電レールよりも小さな断面を有することができ、それにも関わらず、必要とされる強度及び導電性を維持する。図１７に示される構成の利点は、発電機を伝導レール１ａ及び１ｂに容易に直接接続し得ることである。

図１８は、導電レール１ａ及び１ｂが横に並ぶが、この場合、上又は下にレールがない構成も示す。このような場合、ブレードが下にある１つのみの回転可能なシャフトを用いてそれ自体を所定位置に維持することができるのに十分な剛性のタービンブレード設計が必要であり、強風中に回転可能シャフトに与えられる曲げモーメントのため、回転可能シャフトは導電レール１ａ及び１ｂに対して、両端部でレールにより支持されるブレードに必要とされるよりも頑強な取り付け機構を必要とする。そのような制限は、図１９に示される設計により軽減し得、図１９に示される設計では、ブレードは、共通シャフト上で、導電レール１ａ及び１ｂの平面の上下両方で延び、上述した曲げモーメントのバランスをとる。図２０に示される代替の設計も、図１９の設計とのいくつかの類似性を有するが、図２０に示される事例では、レールは上下に配置され、タービンシャフトはレールの間に延び、強風中のシャフトの曲げモーメントの問題をある程度軽減する。

図２１は、「垂直軸」風力タービンのいくつか及び関連する発電機が軸を水平にして構成されることを除き、図１に示される設計と同様の設計を示す斜視図である。実際、アレイ内のすべてのタービンをこの構成で配置することが可能であり、場所によっては美観の理由から好ましく、風向がモジュールの平面にまさに垂直である以外ならば、タービンブレードのいくつかの特定の設計に効率の利点を与え得る。同じモジュール又は同じアレイ内の異なるサイズ、傾向、及び向きのブレード、非平行導電レールを有するモジュール、及び他の変更を組み込んださらなる設計もすべて、特定の場所での要件及び状況により、望ましいことがある。上述した実施形態及び例と同様に、さらなる設計及び変更が可能であり、それにも関わらず、さらなる設計及び変更が本発明の範囲及び趣旨内にあることを理解される。

Claims (27)

1. 複数のモジュールを備えた風からエネルギーを捕捉するシステムであって、前記モジュールのそれぞれは、
   １つ又は複数の導電構造レールと、
   前記導電構造レールのうちの少なくとも１つにより支持された少なくとも１つの風力タービンと、
   前記少なくとも１つの風力タービンにより駆動される少なくとも１つの発電機であって、前記少なくとも１つの発電機は、前記導電構造レールのうちの少なくとも１つの第１のレールに電気的に接続される少なくとも１つの第１の電気端子と、前記第１の導電構造レールから電気的に絶縁された別個の導電体に電気的に接続された少なくとも１つの第２の電気端子とを備え、
   前記モジュールは、前記第１の導電構造レールのそれぞれが、少なくとも１つの隣接するモジュールの電気に同等の導電構造レールに電気的に接続され、それにより、モジュールのリンクされたアレイは、連結された導電構造レールの少なくとも１つのラインを含むように互いに電気的にリンクされ、前記連結された導電構造レールのラインは、前記導電体と共に、風力タービン発電機からの電気エネルギーを前記電気エネルギーの消費、貯蔵、又はその先の送電のための選ばれた１つ又は複数の場所に運ぶことが可能である、システム。
2. 前記別個の導電体は１つ又は複数の電気的に絶縁されたケーブルを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記別個の導電体は、前記導電構造レールのうちの少なくとも１つの第２のレールを含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記導電構造レールは、使用に際して、前記モジュールアレイが配置される地面又は他の表面に略水平に又は略平行に配置される、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記導電構造レールは、使用に際して、前記モジュールアレイが配置される地面又は他の表面に略直立して、又は略垂直に配置される、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のシステム。
6. 各モジュールは、稼働中、一対の支持ポールにより地表よりも上に上げられるか、又は前記モジュールアレイが配置された他の任意の表面から離れるように上に上げられ、第１の支持ポールの一端部は、前記モジュールの近位端部に固定して取り付けられ、第２の支持ポールの一端部は、前記モジュールの遠位端部に固定して取り付けられる、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のシステム。
7. 各モジュールは略平坦であり、使用に際して、アレイ内の前記モジュール、モジュールのラインの大半又はすべては、卓越風向に略垂直に向けられる、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のシステム。
8. 垂直軸タービンとして既知であるタービンのクラスからの風力タービンを備え、前記タービンは、前記タービンの回転軸に略垂直な任意の方向から来る風から略等しい効率でエネルギーを捕捉する能力を特徴とする、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載のシステム。
9. 直流出力を生成する発電機を備え、前記直流電流出力は、各モジュールの導電構造レールへの接続により互いに並列に電気的に接続される、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載のシステム。
10. 各モジュールは２つの相互に電気的に絶縁された導電構造レールを備え、前記レールの一方は他方の実質的に上にあり、複数の垂直軸風力タービンが前記レールの間に配置され、前記タービンのそれぞれは、上の前記レール及び下の前記レールの両方に回転可能に接続され、前記タービンのそれぞれは、同軸発電機を直接駆動し、前記発電機は直流出力を生成し、前記アレイ内のその他のすべての発電機と並列に、前記２つの導電構造レールへの接続によりに電気的に接続される、請求項９に記載のシステム。
11. 隣接するモジュール間の前記電気接続は、導電接続レールにより行われる、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記導電構造レールはアルミニウム又はアルミニウム合金から作られる、請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載のシステム。
13. 隣接するモジュールは同一平面になく、前記モジュールアレイの風力負荷に対する抵抗が、任意の個々のモジュールの平面に略垂直な方向で、同一平面のモジュールアレイの場合よりも高くなるように、機械的に相互接続される、請求項１〜１２のうちいずれか一項に記載のシステム。
14. 各モジュールは、前記モジュールの平面に略垂直な方向で真横のモジュールからオフセットされ、隣接モジュールは互いに構造レールにより接続される、請求項１３に記載システム。
15. 隣接モジュールは、上から見た場合、モジュール間の任意の３つの隣接ポイントが同一平面にないように、波形構成を形成する、請求項１３に記載のシステム。
16. モジュール間の接続ポイントは、上から見た場合、モジュール間の任意の３つの隣接ポイントが同一平面にないように曲線上にある、請求項１３に記載のシステム。
17. 前記導電構造レールは直線ではない、請求項１〜１６のうちいずれか一項に記載のシステム。
18. モジュールラインのうちの少なくとも１つが分岐して、複数のモジュールラインを形成するように、少なくとも１つのモジュールが３つ以上の他のモジュールに接続される、請求項１〜１７のうちいずれか一項に記載にシステム。
19. 少なくとも１つのモジュール内の個々のタービンの数又は位置は、前記モジュールアレイ内の少なくとも１つの他のモジュール内のものと異なる、請求項１〜１８のうちいずれか一項に記載のシステム。
20. 個々のタービンのサイズ、形状、回転方向、又は間隔は、モジュール内又はモジュールアレイ内で様々である、請求項１〜１９のうちいずれか一項に記載のシステム。
21. モジュールは上下に重ねられ、したがって、複数行の個々のタービン及び発電機を異なる高さに提供する、請求項１〜２０のうちのいずれか一項に記載のシステム。
22. 各モジュールは、任意の対の各タービンがその対の他方のタービンとは逆に回転するように、上下に対で構成されたタービンを有する２行のタービンを備え、タービンの一方は磁石アレイの回転を駆動し、他方は電気コイルアレイの回転を逆に駆動し、それにより、前記電気コイルアレイで生成される電圧は、対になった両タービンの角速度で回転する１つのタービンにより生成されるよりも高い、請求項１〜２１のいずれが一項に記載のシステム。
23. 請求項６による風力タービンモジュールアレイを立てる方法であって、金属ポール、プレート、又は他の付属品を備えた土台のラインが、各風力タービンモジュールの水平長さに対応する間隔で置かれ、支持ポールが取り付けられた前記モジュールのそれぞれはまず、支持ポールが取り付けられた任意の隣接モジュールとは土台ラインの逆側に配置され、各支持ポールは、前記土台のうちの１つにヒンジ機構により取り付けられ、各モジュールは、前記モジュール及び２つの取り付けられた支持ポールを含む組立体を回転することにより直立位置に上げられ、前記支持ポールの前記土台へのヒンジ取り付けポイントの周囲で、直立した前記モジュール及び支持ポールを、同様に直立位置に上げられた隣接するモジュール及び支持ポールに機械的に取り付ける、方法。
24. 風からエネルギーを捕捉するシステムであって、それぞれが複数の構造レールを備える複数のモジュールと、前記構造レールのうちの少なくとも１つにより支持される少なくとも１つの風力タービンとを備え、前記モジュールは、個々の任意のモジュールの平面に略垂直な方向でのモジュールアレイへの風負荷への抵抗が、そのようなモジュールの同一平面アレイの場合よりも高くなるように、非同一平面に機械的に相互接続される、システム。
25. 各モジュールは、前記モジュールの平面に略垂直な方向で真横のモジュールからオフセットされ、隣接モジュールは互いに構造レールにより接続される、請求項２４に記載システム。
26. 隣接モジュールは、上から見た場合、モジュール間の任意の３つの隣接ポイントが同一平面になりように、波形構成を形成する、請求項２４に記載のシステム。
27. 上から見た場合、モジュール間の任意の３つの隣接ポイントは、モジュール間の隣接する接続ポイントが同一平面にないように曲線上にある、請求項２４に記載のシステム。

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