JP2013527381A - 非自然の風力源から風力エネルギーを再回収するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、他のシステムにより排出された空気から風力エネルギーを採取するためのシステム及び方法に関する。換気と熱交換システムはファンを用いて空気を移動させる。また、排気流は燃焼システムの生成物とすることができる。排気は大気中に分散されることにより大半が費やされる。かなり多くのエネルギーが、空気流中に挿入された相対的に小さいタービンを用いて排気から回収することができる。タービンの慎重な位置決めが回収効果を最大にする。

Description

本発明は、空気流エネルギーを採取する技術の性能を向上させるためのシステムと方法に関する。詳しくは、空気流が、強制空気の応用の結果である場合、たとえば換気や熱交換システム又はその他のファンにより駆動される空気の動きである場合、据え付け費用を抑えることができる。本システムおよび方法は、特に、養鶏や養豚を行うための小屋のような畜舎に使用される通気システムに利用できる。

畜産業において、畜舎には相当の換気を必要とする。現代の養豚畜舎（また養鶏畜舎）は、多大な環境制御を必要とする複雑な建造物となっている。このような建造物の多くで、トンネル換気が行われている。この換気システムは設備の中心部であり、許容できる居住環境を達成し、またバイオセキュリティと病気予防を支援するために、建物に組み込まれなければならない。窓を開放するタイプの畜舎では不十分であり、他の動物や鳥、コウモリなどによって運ばれる多くの伝染性の病気に家畜をさらすことになる。制御不足は環境悪化の原因となり、そのため尾噛みなどの異常行動を起こしたり、病気の問題も生じるおそれがある。

換気システムは、冷たい外気が建物の中に入ると暖められて湿気を取り込み、循環をひき起こし、閉鎖された建物の中に酸素を送り、またガスや埃などの汚染物質を取りのぞく、という原理に基づいている。加温時には、システムは建物から熱をとりのぞく。冬季においては換気システムは主として空気中の湿度を制御するのに用いられる。制御された環境の温度を保ち、湿度も確実に制御するために、追加の熱源が必要な場合もある。排気される空気は、システムに入る冷たい空気と比較すると、かなり多くのエネルギーを有している。

畜舎の換気はほぼ常時運転されており、年間を通すと多大なエネルギーを消費する。これは飼育場の操業コストの大きな部分を占める。効率を改善する、及び／又はエネルギーの採取または再回収を通して、換気のエネルギーのコストを削減することで、飼育場の操業コストを大幅に削減することができる。これにより飼育場は競合者と比べて商業上有利になり、またエネルギー消費を低減するので環境保護にもなる。

現在、畜舎のエネルギー効率を高めるための数多くの方法が採用されている。これには、建物の断熱性の向上や、効率を高めるため最適化したファンシステム、風洞タイプの換気設計、対流やパッシブ換気の原理を利用した方法などがある。しかし、畜産においてこのようにエネルギー効率を向上しても、大型のファンを常時使用することで、多大なエネルギーが消費されている。

強制的空気の移動はまた、工業や商業施設で一般的に使用されている。換気システムは環境制御システムの中で日常的に使用され、都市部でもよく見られるが、一般的に排気のエネルギーは単純に大気中に拡散されている。場合によってはこの過程は、システムの騒音範囲を軽減するため、ある程度制御されている。典型的には、ディフューザ・システムとプレナム・アセンブリが排気口に加えられ、周囲の条件により円滑に移行できるようにしている。気流を制御することで乱流が抑えられ、騒音を大幅に抑制することができる。

大型で単純なファンから動力を得ているために、出力される空気流はしばしばらせん状に回転し、かなりの乱流を作りだす。このことは騒音の元となるので、通常これを減らそうとする。この回転を減らしたり完全になくすために、出口にダクトを付加したり、また整流器を付加することもある。これらは簡単な設計で、時として粗雑な場合もあるが、コストを抑えながら満足のいく結果を出すために一般的に運転されている。遠心ファン、いわゆるリスカゴ送風機が使用される場合、回転エネルギーは普通大きくないが、通常この基本使用は大きな圧力ゲインが要求されるシステムのためである。これらは典型的には陽圧換気用のダクトシステムに加圧するために使用される。

排気空気流に相当のエネルギーが含まれていることから、空気流中の小型の風力発電機の使用により、このエネルギーの一部を抽出しようとする試みが注目されてきた。原動機への負荷を増やすことの懸念はよく理解されているが、風力タービンのための適切な場所を探すことは困難な課題であった。
経験的な指針として、風力タービンを主要排気ファンから１メートルほど離すことは、バックプレッシャーがあまり上昇しないようにする一助となる。空気流を自然風と似せるようにする試みにおいて、設備によってはタービンを自由空気流の直線流の特徴に近いものに見なすことを確実にするための整流技術を用い、特に、駆動ファンを出口の近傍に位置させた場合、アセンブリを複雑にするという代償をともなう。

エネルギー回収あるいは採取が空間的制約を受ける場合には、整流器は実用的でないことがあり、機械的に発生させた空気流におけるタービンの効率を得るために、他の方法が採用されなければならない。一般的にはオリジナルの換気あるいは排気システムに変更や付属物を加えるのは好ましくない。これはオリジナルの装置から保証や責任の懸念が生じないようにするためである。

したがって、出口の近傍に駆動ファンを有し、排気からエネルギーを採取あるいは捕集するように配置された風力タービンを最適化することが急務であることは明らかである。この改良されたシステムは有効に効率を上げ、ダクトや整流器への依存を減少させ、据え付けを簡単にすることができる。

上記の観点から、本発明は排気流から風力エネルギーを採取するシステムと方法を提供する。より詳しくは、空気を駆動するファンの近傍でしばしば見られる乱流や非線形空気流中にある換気又は熱交換システムにおける排気流中のタービンの位置決めと調節を行うためのシステムと方法である。駆動ファンの直径のおよそ半分程度の直径の小型タービンの場合は、エネルギー採取システムのタービンは、駆動ファンの平面に対し通常の軸があるべき位置から角度的にオフセットさせることができる。

タービンの性能を変えられるよう、多数のパラメータを測定してもよい。性能を測定するために用いてもよいセンサーは、たとえば電気、電子、空気圧、油圧、またそれらの組合せとすることができる。排気流の風速変化に対応するために、いずれかのセンサーからの情報に応じて性能を制御するため、タービンのブレードのピッチを調節してもよい。加えて、エネルギーの出力が電圧の形である場合は、この電圧を直接システム運転の制御に使用してもよい。タービン・アセンブリには集風器（ｃｏｗｌ）や幕（ｓｈｒｏｕｄ）を加えてもよく、アセンブリには発電機のようなエネルギー変換の構成要素を含んでもよく、その位置はセンサーによってもたらされる情報に応じて変化させてよい。

大型のタービンでは、風力タービンと排気源は実質的に同じ回転軸に配置してもよい。さらにこの風力タービンは、風力タービンと排気源との間に実質的に最適な間隔をとって配置するとよい。

この実質的に最適な間隔は、０．５メートルから１．５メートルの範囲である。いくつかの実施例では、この間隔は排気源の直径のおおよそ３倍である。別の実施例では、風力タービンと排気源との間隔は、排気源の直径や風力タービンのサイズ、排気源からの排気の速度に依存する。

いくつかの実施例では、システムに、それを通して排気源からの排気が導入されるバッフルを含むことができる。いくつかの実施例では、このバッフルは実質的に円筒状の形状である。さらに、このバッフルはその直径のほぼ３倍の長さに設計してもよい。

別の実施例では、バッフルは実質的に円錐状の形状である。このバッフルのタイプでは、外側エッジをカールさせて設計し、空気流の移行が急激にならないようにしてもよい。バッフルの形状にかかわらず、バッフルはいくつかの実施例では整流器を含むよう設計してもよい。

このエネルギー採取システムは、直接作用している電圧を含む、センサーからの情報に対応して、アクチュエータによって位置を変化させてもよい。このアクチュエータは電気や機械、水圧、油圧、あるいはこれらを組合せた技術のものでよい。センサーの情報はアクチュエータを制御するのに使われる前に処理してもよい。センサーは直接作用してもよく、たとえば、遠心効果を用いて回転速度を感知し、結果としての動きを回転速度の制御に用いることもでき、これは当技術分野で周知である。

採取されたエネルギーはタービンにより回転エネルギーに変換される。このエネルギーは別の形に変換することもできる。エネルギー変換は、当技術分野で周知の数多くの方法のうちいずれによってなされてもよい。タービンは発電機と連結し、電気エネルギーは直接消費されてもよい。電気エネルギーは後の消費のためにバッテリーその他の逐電装置に貯蔵してもよい。

タービンはポンプと連結されてもよく、このポンプは、圧力容器または上昇させた収納容器のような貯蔵装置に流体を吸い上げるために使用される。この例では、タービンの動的エネルギーは、ポテンシャルエネルギーに変換され、一実施形態では、これを開放するために、流体をモーターの中を通過させ、発電機を駆動するのに使用する。

以上記述した本発明の様々な特徴は単独あるいは組合せて実行できることに留意されたい。本発明の上記およびそれ以外の特徴を、以下の発明の詳細な説明で、図表と共に詳しく説明する。

本発明をより明確にするために、いくつかの実施例をあげて、以下の図面を参照しながら説明する。

図１Ａは、本発明の一つの実施例に基づく、排気空気流の中に小型タービンを配置した例を示す。

図１Ｂは、換気ファン周囲の典型的な空気流のパターンを示す。

図２は、駆動ファンと同程度の大きさの風力タービンの空気流における配置を示す。

図３Ａは、典型的な翼端渦を示す。

図３Ｂは、障害物または近接して取りつけられたシュラウドによる翼端渦への干渉効果を示す。

図４は、ディフューザが駆動ファンの出力に配置された場合の空気流のパターンを示す。

図５Ａは、典型的な筒状ディフューザを示す。

図５Ｂは、円錐状ディフューザを示す。

図５Ｃは、指数曲線を持つディフューザを示す。

図５Ｄは、端部がカールした、指数ホーン・タイプのディフューザを示す。

図６は、駆動ファンの近傍で通常みられる空気流の回転と遠心効果を説明する図である。

図７Ａから７Ｄまでは、典型的な整流構造を示す。

図８は、プレナムチャンバーと整流器を組み込んだディフューザの使用を示す。

図９Ａおよび９Ｂは、本発明のいくつかの実施例による、ダクティング・シュラウドと複数の駆動ファンと組合せたものを示す。

図１０は、大型の駆動ファンからの空気流を複数の風力タービン間に分割するダクティング・シュラウドが使用された例を示す。

図１１は、風力タービンが駆動ファンのためのディフューザ・アセンブリの中に配置された例を示す。

図１２は、風力タービンが燃焼用煙突の出口に位置した例を示す。

図１３は、本発明の一実施例における、駆動ファンの軸の片側に位置した小型タービンの傾きを説明する図である。

図１４は、本発明の一実施例における、駆動ファンの軸の片側に位置し小型タービンのパン方向の説明図である。

図１５は、本発明の一実施例における、直交する調節器の位置を説明する。

図１６Ａ、Ｂ、およびＣは、本発明の一実施例における、連続的に調節可能な傾斜およびパン角度を達成するメカニズムを図示する。

図１７Ａは、本発明の一実施例における、流体継ぎ手機構の使用と、流圧により制御されるタービン位置とを図示する。

図１７Ｂは、本発明の一実施例における、流体継ぎ手機構の使用と、流圧により制御されるポンプ速度を図示する。

図１７Ｃは、本発明の一実施例における水圧エネルギー貯蔵部を図示する。

図１８は、本発明の一実施例に使用される定速駆動機構を図示する。

図１９は、本発明の一実施例における、タービン・アセンブリの保護と確保のためのシュラウドもしくはカウルの使用を図示する。

図２０Ａ、Ｂ、およびＣは、大型風力タービンとタービン翼の例を示す。

図２１は、タービンと換気システムの駆動ファンとの間隔と、このタービンから抽出されるエネルギーとの関係を示すグラフであり、本発明の一実施例における測定結果を図示するものである。

本発明は、いくつかの実施例と図面に基づいて、以下に詳細に説明される。以下の説明には、本発明の実施例を十分に理解するために、多くの具体的な細部の記載がなされている。しかしながら、実施例がこれら具体的な細部の中のいくつか、あるいはすべてがなくても実行できることは、当業者にとっては明らかであろう。他の例では、周知の過程及び／又は構造については細部にわたって説明しないが、これは本発明を不必要に不明瞭にしないためである。実施例の特徴と利点は図面とそれに関する記述によって、よりよく理解されよう。

本発明は、駆動ファンによって作られる排気流から風力エネルギーを採取するために、出口に近接して設置されるシステムと方法に関する。より詳細には、風力エネルギー採取システムは、実施例によっては効率バッフルと、一つ以上の風力タービンをそなえてもよい。このシステムは特に、家畜の畜舎に用いられるような排気の換気システムに利用される。

エネルギー採取あるいは再回収システムのひとつの利点は、排気ファンがほぼ常時運転することを要求されることから、エネルギー採取システムが常にエネルギー源を供給することである。同様に、タービン技術は常に進歩しているため、より効率的な、より小型の安価な風力タービンがエネルギー収穫システムに利用できる。タービンの設計については以下により詳細に述べる。

説明の便宜上、図１Ａは、小型タービン１１０の位置の単純な概略図である。その直径は駆動ファン１２０の半径より大幅に大きくはなく、駆動ファンの後方の排気流の中に置かれている。駆動ファンの軸における流速は一般的に主要流よりも低いため、小型タービンは図示するように片側に置くのが望ましい。

図１Ｂは、ファン１２０に関連した空気流を示す。空気１３０は吸気側からファンの中に吸い込まれ、ファンの排気側から排出される。ファンの排気側の空気流は、一般的に回転軸の片側１４０で最も強くなり、軸１５０の近傍で流れが減少し、ファンの直径の縁で渦１６０を形成する。

大型のタービンが用いられる場合、その直径が駆動ファンの半径より大幅に大きいときは、排気流の中のエネルギーを採取するタービンの面は駆動ファンの面とほぼ平行に設定してもよく、軸は好ましくは駆動ファンの軸に近いほうがよい。図２に典型的な実施形態を示す。駆動ファン１２０は通常、効率を高めるためと、高速で動くブレードに偶発的に接触することを防ぐ安全性の目的で、囲いの中に入れられている。大型タービン２００は空気流の中でおおよそ対称的に置かれているが、これはできるかぎり多くのエネルギーを採取するためである。大型タービン２００と駆動ファン１２０との距離は性能を最適にするために選択される。距離が近すぎれば、背圧のリスクがかなり大きくなり、駆動ファンの効率が著しく低下する。距離が遠すぎれば、エネルギー採取が低下する。だいたい０．１から１．５メートルの運転距離が、ほとんどの応用でよい性能を得られる。エネルギー出力は符号２１０で表され、発電機がタービンと同一場所に配置される場合は電気的なものでよく、またタービンと同一場所にポンプが配置される場合は、流体の流れの形でよい。

当技術分野で周知のように、ブレードの先端部分領域では、排気側もしくはファンの出口側に向かうべき加圧下の空気が、背後のより低い圧力の空気をめざし、ブレード先端へもどろうとする。この流れが乱流となり、曲線をえがく空気流はファンブレード３００の先端で渦３１０を形成する。この渦はファンからの主要な騒音源であり、騒音を低減することはファンの効率にも周囲の環境にとっても有益である。渦が騒音と障害の大きな原因であることから、図３Ｂに示すように、近傍に設置されたシュラウド３２０は、これらの先端の渦３３０に干渉してこれを大幅に低減させることで、ファンの効率を大幅に向上させる。この効果はジェットエンジンの高性能コンプレッサを最適化するために最も重要な要素であり、またブレード先端の渦を抑制することはどんなプロペラ・システムにおいても重要なファクターであると考えられている。

駆動ファンからの空気流は、図１Ｂに示すように、排気ファン１２０から出たところで断面に急激な変化が見られることがある。そのような断面での大幅な変化は、著しい乱流が渦１６０を起こしやすい別の一例である。渦を防ぐあるいは低減すれば騒音を低減することになり、また排気領域に図４のようにダクトをつけて周囲の空気に徐々に移行するようにすれば、環境的性能は大幅に改善されうる。このダクトはディフューザの役割をはたし、空気流１４０が大気中に開放される前に、ディフューザ４１０の中で比較的均一な圧力と速度分布に達する時間を与える。これは騒音のほとんどの原因となっている渦３１０がほぼ抑制されることを意味し、排気１４０が拡散し膨張するとしても、はるかに均一な過程である。ディフューザには、図５Ａ―５Ｄに示すように、いくつかの形状がある。単純な形状としては円形のダクトが駆動ファンを越えて、ある距離だけ続くものである。図５Ａに示すように一般に長さと直径の比率が約３：１の場合でよく乱流を抑制する。より複雑な形状としては図５Ｂに示すような円錐形でもよく、これは駆動ファンからの距離に応じて面積がなめらかに増加するため、排気流の圧力を徐々に減少させ大気圧に近づけることができる。より特殊な形状としては図５Ｃに示すような指数関数的外形を持つものがある。縁をカールさせてディフューザがトランペットのような鐘状に終るようにする図５Ｄのような形状は、より実用的で良好な性能を示すが、非常に高価であり、産業上に使用するには一般的に不必要である。

駆動ファンが排気または出口に隣接する場合、一般的に排気空気流には図６に示すように回転の要素が加わる。ファンは６２０として示され、ファンのシュラウドまたはカウルは図中符号６３０で表わされている。バッフルや干渉がない場合は、この空気流の回転は駆動ファンの回転と同じ方向になる。空気流は回転するため遠心効果を起こし、排気のカラムは６１０のように外側に拡散し、圧力差だけの結果よりも速度が速くなる。非常に低速のファンの場合を除いて、さらにファンの軸に近い空気流の領域では、回転速度が十分なら、周囲よりもわずかに低圧力となる。この比較的大きな規模の回転渦が騒音に関与することがある。

ディフューザを加えることが周囲の空気への移行を制御し騒音を低減する助けになるのと同じように、空気流を直線に整流する要素をさらに加えることで、回転を低減あるいは止めることができ、騒音範囲を大きく減衰させることができる。整流器にはさまざまな形状があり、複雑なものから非常に単純なものまである。回転する流れを解決する手段として一般に用いられるのは、単純に方形あるいは長方形の断面をもつ長いダクトを使用することである。これは特にきわだって効果的な形状ではないが、回転を防げることができ、長さが十分ならば、わずかな比率まで抑えることができる。流れの主要方向に空気流を分割するものならほぼどんな構造でも、空気流を直線状に矯正し、相当な乱流をとりのぞくために用いることができる。望ましい構造としては、図７Ａ−７Ｄに示すように、チューブ状の要素を近接して重ね合わせて作られる。このような構造はあまり長くなくても有意義に空気流の直線性を改善し、元々の回転から渦を減少させることができる。図７Ａ−７Ｄの例は円形または六角形チューブであるが、方形または長方形の断面のチューブも使用できる。図８は、駆動ファン１２０がダクトシステムまたはディフューザ８１０を介し、さらに整流器８２０を介して風力タービン２００に連結されている一例を示す。ディフューザはこの例では複合的な形状で、空気流をファンから狭いダクトを通し、より大きなプレナム部へと流す。これは騒音を減らすために一般的に効果的な方法であり、８２０以後の出口地点からの空気流を満足のいく程度に直線化する。

典型的なエネルギー収穫タービンは、ほぼ直線状あるいは層流の空気流に適用されるという前提で設計されている。したがって、駆動ファンと回収タービンの間に整流器を置くことは、一定の費用がかかりタービン・アセンブリを複雑化するが、有効となりうる。タービンは通常、一様な空気で運転されうるため、多少エネルギーを失っても乱流を低減することは、排気からの騒音を下げるために期待されることである。

図９Ａ、９Ｂ、および１０は、タービンと駆動ファンのサイズが大きく違う場合の、空気流を合体あるいは分離するための簡単な方法を示す。要素９１０と１０１０はそれぞれ合成器とスプリッタで、設計上整流器を備えてもよい。設置によっては平行する要素からバランスのとれた気流を実現するのは難しいことがあることは留意すべきである。これには設置の間に詳しい調査と調整が必要となるかもしれない。図１１はディフューザ４１０が完全にタービン２００をとり囲んでいる実施形態を示す。これは騒音を低減するのに効果的であるが、駆動ファン・アセンブリ１２０には大きな背圧の負荷をあたえ、効率は妨げられることもある。図１２は、燃焼排気流の中にタービンを設置した概略図である。ここで燃焼生成物がこのような設置に影響を与えることは理解されるべきであり、タービンにとって腐食性の環境となりうるものの影響を緩和する方策をとってもよい。

タービンが小型で、その直径が駆動ファンの半径に相当するような場合は、図１に示すように、回収タービンを排気空気流の一方の側に置いてもよい。大型タービンの状況とは違って、小型タービンは排気空気流の片側で運転されるので、排気空気流の回転ベクトルを空気流の整流器の代りとして利用するべくタービンを配置してもよい。

一実施形態として図１３では、タービン２００の平面は駆動ファン１２０の平面に平行になる角度からθの方向に傾斜させてもよく、この軸１３１０は空気流のベクトルとよりよく揃うようになる。θ方向は駆動ファン１２０の半径１３２０上の回転と定義されてもよく、もしくはタービンの軸１３１０が、駆動ファンの軸１３４０とタービンの位置する半径１３２０とで定義される平面となす角度、として定義されてもよい。

第二の実施形態として図１４では、小型タービンの軸はタービンの位置する駆動ファン１２０の半径１３２０にそって内側にφ方向に変化あるいはパンして駆動ファンの中心に向かい、排気空気流のベクトル、この場合では排気空気流の遠心拡散、とより合致するようにしている。φ方向は、小型タービンが位置する半径の平面、通常は駆動ファンの平面における回転、として定義してもよい。これは駆動ファンの軸１３４０とその半径１３２０により定義される平面である。線１３３０は小型タービン２００の軸と平行な線を平面上に投影したものである。小型タービンの角度位置をθ、φ両方向に変えることで、平均空気流ベクトルに最適に適合させることができることは明らかである。

空気流のベクトルは半径方向に変化するため、タービンの半径位置１３５０（ｒ）を変化させることをエネルギー収穫の最適化の一部とすることは利益があると考えられる。ｒ方向の調節は、当技術分野で周知の様々な方法で達成できる。

単純なシステムにおいては、小型タービンは図１５に示すように取り付けることができ、角度位置を調節するにはたとえばねじ調節器を用いてなされる。一実施形態では、３つの接続点がそれぞれ３つの調節器に用いられる。１つの接続点は固定寸法でよく、たとえば調節器１５１０はあらかじめ決められた長さとし、調節器１５２０と１５３０は長さを可変とすることができる。調節には、１５３０は主としてφ角度を変えるが、θにもわずかに影響をあたえる。しかし１５２０を調節して変えられるのはθ角度のみである。半径方向の位置への影響はごくわずかである。これは取り付けが何度も反復されるシステムにおいては経済的な方法となりうる。この後者のケースでは、取り付け作業者には単純なテンプレートか、あらかじめ決められた取り付け寸法が与えられてもよく、調節を行ったら調節器をロックし、システムの改ざんやその他予期せぬ変化を防ぐようにするとよい。空気流の中に置かれたタービン・アセンブリの半径方向の位置を変えるための数多くの機械技術があることは、当業者ならば認識するだろう。

空気流に対して小型タービン・アセンブリの位置を能動的に変えるために、アクチュエータを使用してもよい。これは、駆動ファンの速度が環境的要求に応じて変化するようなシステムの場合に有益となりうる。
たとえば、ファンの速度が増加すれば、空気流への遠心効果は大きくなるので、新たな空気流のベクトルに合わせるために角度位置を変えるとよい。
アクチュエータは図１５に示すように、２つのほぼ直交する平面上で調節できるように設置すれば、一方の平面での変化がもう一方の平面にほとんど相互作用をおよぼさないようにできる。上述したことは、カメラの三脚の動きを表すのに一般的に用いられる「パン」と「ティルト（傾き）」という用語にたとえることができる。アクチュエータは電気的に操作してもよいし、空気圧で操作しても、油圧で操作してもよい。電気的システムを用いて、センサーで最適位置を決め、アクチュエータを制御してもよい。タービンの位置はいかなるタービン速度、タービン・トルク、タービン出力でも、タービンに連結されたエネルギー変換構成要素の産物である速度やトルク、出力パフォーマンスをもとに、最適化することができる。

回転する機械の性能をモニターするセンサーのタイプと使用法は、当業者には周知のことである。一実施形態では、図１６Ａ−１６Ｃに示すように、アクチュエータは２つの連結した調節リングを駆動し、連続的角度調節ができるようにする。リング１６１０は縁が並列したリングで、ベアリング面となり、固定した取り付けポイントが付属している。たとえばこれを取り付け支柱としてタービンと調節アセンブリ全部を保持するものとすることができる。操作の原理を表す妨げとならないよう、ここではベアリングの細部は示していない。２つ目の並列ベアリング・リング１６４０を明確にするため、図１６Ｃにのみ図示している。これは、タービン・アセンブリ自体を取り付けることもできる該調節可能な部分１６２０と１６３０の上面で使用できる。４つの部分１６１０、１６２０、１６３０、１６４０はすべて互いに独立して、互いの間のベアリング面を動くことができる。図１６Ａは、リング位置を上面と下面が平行するように設定した例である。もし上部のリング１６２０が１８０度回転すれば、結果は図１６Ｂに示すようになる。このとき上面は底面に対して２ａの角度をとる。逆に下のリング１６３０を回転させれば、上面は別方向に２ａの角度に動くことになる。これは、連続的角度調節をあらゆる方向に達成できる、簡単で費用効率が高い配置である。これは丸のこで切断されたいわゆる台胴カットを調節するのに用いられる方法と非常によく似ている。調節の範囲は鋭角ａによって決められ、実用的な目的から、リング１６２０と１６３０はそれぞれに取り付けられたレバーで操作してもよい。上部リング１６４０に取り付けられたタービンの角度移動が四分円に制限される場合、これは本発明において通常の場合であるが、アクチュエータはそのようなレバーに直接取り付けてもよい。連続した３６０度の調節が要求される場合は、レバーでなくギア歯を斜角のリングと一体化させてもよく、モーターを用いてリングを所望の場所に動かしてもよい。

自動あるいは半自動のシステムは、据え付け後の作業が最低限に抑えられ、また出力性能が遠隔で最適化できるため、特に利点がある。これを実現するには、タービン据え付けの運転パラメータのうちいくつかを計測するとよい。一実施形態では、センサーが、タービンの回転速度と、最高速度に達するまでに変化させたタービンの角度位置を測るために用いられる。第二の実施形態では、出力電流が測定され、最高電流を達成するためにタービンの角度位置が変えられた。留意すべきは、発電機からの電圧も測定し、タービンの角度位置を最大にするために用いてもよいことである。ただし電圧が特定の値に調節されていないというのが条件である。その一例がタコジェネレータである。連結された交流発電機からの出力が、バッテリーをチャージするための安全な値に電圧制限され、広範囲にわたりタービンの速度とは独立させることができる。

第三の実施形態では、液体を動かすためにポンプが使用される。図１７Ａにおいて、タービン２００は連結シャフト１７１０を介して液体ポンプ１７５０に連結している。液体ポンプは貯水容器１７３０から作動流体１７４０を取り込み、適切な導管１７７０を通してモーター、たとえば油圧モーター１７６０へと送りこむ。モーターから排出された液体は１７７５を通って貯水容器に戻される。貯水容器は他の構成要素から分離されていてもよく、また当技術で周知のように、ポンプもしくはモーターと一体になった要素として組み込まれていてもよい。一体になった部分は外部配管を必要としないことは明らかであり、したがって例えばサプライ・パイプやリターン・パイプなどは必要とされない。油圧モーター１７６０は別のエネルギー変換要素１７９０、たとえば発電機などに、連結器１７２０を介して連結してもよい。連結器１７１０と１７２０は簡単なものか、速度もしくはトルク変更システムを含むもので、全体のシステム設計の必要に合わせるようにすることは明白である。１７８０のように流圧を測定してもよく、タービン２００の角度位置は作動圧力に応じて変えられる。これは単純に圧力で制御する機械的結合１７８５でもよく、またより高度に、電子制御装置に位置調節サーボ機構を加えたものにしてもよい。また別の実施形態では、図１７Ｂに示すように圧力は一定に保たれ、タービンとポンプの間の連結機構１７１０が連結１７８７によって変化し、圧力を固定しながら、関連した流体の配送が変えられるようにした。タービン速度も、当該技術分野で周知のように、速度計を用いて最適化することができ、最適な性能の地点を決めることができる。

場合によっては発生したエネルギーを後の使用のために貯蔵することが求められる。小型のシステムでは、電気エネルギーをバッテリーに貯蔵するので十分である。しかし、図１７Ｃでは、エネルギーが作動流体のポテンシャルエネルギーとして上方に引き上げられた貯蔵容器１７３５に蓄えられる、水圧貯蔵システムを示している。液体ポンプ１７５０はタービン２００によって駆動され、作動流体を下方の貯蔵容器からくみ出して上方の容器に入れる。流体は、発電のために必要とされるまで、上方の容器に保存される。要求があった場合に、流体は上方の貯蔵容器から放出され、油圧モーター１７６０の中を通り、下方の貯蔵容器１７３０に排出される。モーターからの出力はエネルギー変換構成要素１７９０、すなわち一実施形態では発電機、に接続される。もし上方の貯蔵容器が加圧されていないと、ポテンシャルエネルギーは単純に重力により、貯蔵容器の高さに比例する。加圧システムの使用は当該技術に周知のことであり、より小型化した設備を可能にする。

また別の実施形態では、タービンの出力を、タービン速度と、連結シャフトおよびエネルギー変換機構に加えられるトルクの両方を測定することで算出する。算出された出力の値はタービンの位置調節を制御するコントローラで利用できる。出力は所望の速度やトルクの要求に応じて最大化、あるいは調節することができる。出力はさらに、システムの意図した運転がなされていることを保証するために表示、また報告されてもよい。表示は当技術分野で周知の多くの表示装置のうちいずれを用いてもよい。たとえば、適切に機能していることを示すには安定した光を使い、限界を越えた状況を示すために点滅する光を使ってもよい。システムのパラメータを報告するために、無線リンクを使用してもよい。

場合によって、たとえばポンプが小型タービンによって運転されているときは、ポンプを一定の速度で運転するほうが、好適な効率を達成するために好ましいことがある。これは汲み出される流体にもよるが、あらかじめ速度を設定するほうが好ましい。これは様々な方法で達成できる。

一実施形態では、タービンは定速トランスミッションを用いてポンプに連結される。当技術分野にはいくつかの例があるが、ホイールとコーンの相対位置を調節することでこの機能が得られる。この調節は完全に機械的に行ってもよい。たとえば図１８に示す配置では、遠心的に移動した重りがレバーを操作して、コーン上でホイールが適切な位置になるよう動かす。出力速度を一定に保つために、入力回転はコーン１８２０に駆動シャフト１８２５を介して加えられる。コーンが回転するにつれ、コーン１８２０、１８１０両方と密接な接触を保っている連結ホイール１８３０は逆方向に回転する。このため回転が連結されて、出力コーン１８１０を入力駆動と同じ方向に回転させるが、ホイール１８３０と接触している地点でのコーンの直径に応じた速度となる。ホイールを入力コーン１８２０の狭い方の直系に向けて付勢するために、ばね遠心ガバナー１８４０を使用してもよく、それにより最初は出力コーン１８１０はゆっくりと、しかし大き目のトルクで回転する。出力コーンが回転するにつれて、遠心ガバナー１８４０が連結ホイールを入力コーンの直径の大きい方へと上昇させる。これにより出力速度が増加する。遠心ガバナーの設定点に達すると、ホイールはその位置に保たれる。もし速度が落ちれば、ホイールは入力コーンの直径の大きい方へと進む。もし速度が上がると、連結ホイールが入力コーンの直径の狭い方へと動く。

別の例では、１対の対向した円錐ホイールが可変直径のプーリを形成し、固定直径プーリを駆動するベルトと連結している。定速駆動は当技術では周知であり、これらの機能を達成するのにいくつもの選択肢がある。これら連結配置のうちには他より効率の悪いものもあるが、ポンプのパフォーマンス性能を最重要に考慮するとよい。

別の実施形態では、ポンプはタービンに直接連結し、タービンブレードのピッチが、速度を一定に保つために調節される。航空機産業におけるプロペラの運転を一定にする機構が、十分に開発されたシステムの好例である。機械的遠心や油圧、電気などのアクチュエータが効果的に使えることは、当業者にとっては周知である。

電力が必要な場合には、発電機をタービンに直接連結してもよい。これは直流発電機でもよいし、交流発電機でもよい。一般的に交流発電機は単相あるいは多相であり、レクティファイヤー・パックを備え、波形を直流に変換する。

１つの例では交流発電機は高圧交流発電機である。この場合の利点は、ある電力出力に対し、低電圧交流発電機によって生産されるのに要求されるより、低い電流でよいことである。交流発電機と一つまたは複数の蓄電池の間の電気回路をつなぐケーブルの電力損失は、流れる電流の二乗に比例することから、低電流のソリューションがより効率的である。これは当技術に周知の取り組みである。

タービンブレードは露出していてもよいが、安全のために何らかの覆いが必要な場合もある。これは一般家庭のファンを保護するような簡単なワイヤのガードでもよい。しかし、頑丈なシュラウドやカウルで、適切に固く閉じられるものが効果が高い。図１９にシュラウドまたはカウル１９１０の事例を示す。ここでタービン２００は発電機などのエネルギー変換構成要素１７９０に連結されている。これにより、ブレード先端の空気の流れを制御することで効率を高めることができる。カウルもまた、空気流１９５０をタービンのブレードへと誘導し加速するように成形されている。当技術に周知の図１９に示すようなベンチュリ形は、この効果を達成し、かつ乱流とそれにともなう騒音を最低限に抑えるという効果もある。このカウル・アセンブリはタービンと一体化して支持１９２０となるようにしてもよい。これは支持の必要なタービンの軸受アセンブリや連結部分など、またエネルギー変換構成要素１７９０のためである。たとえば簡単なシステムでは、カウル・アセンブリは発電機にマウントを供給し、タービンブレード・アセンブリが発電機のシャフトに接続される。発電機の軸受け部がタービンブレード・アセンブリに必要な支持を提供する。留意すべきは、回転の安全を与えることに加えて、空気流によって加えられる軸端負荷に耐えるために軸受けが必要となることが考えられることである。

カウルはまた接続点１９７０を備え、換気あるいは排気システムの中に設置することができる。この接続点にはアクチュエータを設置して調節ができるようにしてもよい。

本発明を大規模風力発電に使用されるシステムと対比するために、図２０Ａおよび２０Ｂに大規模自然風力発電ファームにあるようなタービン・アセンブリの代表例を示す。図２０Ｃには変化形のタービンブレード・アセンブリ２００４を示す。風のベクトルは２０１０に示される。ベアリング・アセンブリは通常、発電機のハウジング２００２に組み込まれている。図２０Ａでは、タービンと発電機のすべてのアセンブリが通常はタワー２００８の上に位置している。図２０Ｂに示すような縦型タービンが用いられる場合は、発電機とベアリング・アセンブリはしばしば地上に設置され、駆動シャフト２００６が延長されてタービンブレード・アセンブリの上端を固定するようにする。

図２１は実測の結果を示す。換気システムの空気流から取り出された電力を、タービン・アセンブリの駆動ファンの平面からの距離に対して示したものである。

以上、本発明をいくつかの実施例を元に説明したが、本発明の範囲に含まれる種々の変更や修正、改良、置換、等価物での代用などがある。
本発明を説明するためにサブセクションごとに表題をつけているが、これらの表題は一例にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

また留意すべきは、本発明の方法や装置を実施する多くの代替方法があるということである。したがって、以下に続く特許請求の範囲は、そのような変更や修正、置換、等価物での代用をも、発明の精神と範囲から逸脱することなく含むものと解釈することが意図されている。

Claims (20)

1. 風力タービンを空気流のための排気口から実質的に最適な間隔をとって配置し、その際タービンブレードの回転軸は排気の軸に対して変更可能であり、
   前記排気から風力エネルギーを回収することを特徴とする、排気空気流からエネルギーを採取する方法。
2. 前記タービンと前記排気口との間隔は、前記排気口の直径のほぼ１から３倍であることを特徴とする、請求項１に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
3. 前記排気システムは換気ファンと燃焼発生源のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
4. 前記間隔は前記排気の直径と前記風力タービンの直径および前記排気空気流の速度に依存することを特徴とする、請求項１に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
5. 前記排気はディフューザを介して導かれることを特徴とする、請求項１に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
6. 前記ディフューザは実質的に筒型の形状であることを特徴とする、請求項５に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
7. 前記ディフューザはその直径のおよそ３倍の長さであることを特徴とする、請求項６に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
8. 前記ディフューザは実質的に円錐形状であることを特徴とする、請求項５に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
9. 前記ディフューザの直径が大きいほうの縁がカールしていることを特徴とする、請求項８に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
10. 前記ディフューザが整流器をそなえていることを特徴とする、請求項５に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
11. 前記排気が複数のファンにより作り出されることを特徴とする、請求項１に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
12. 前記排気が複数のダクトに導かれ、それぞれのダクトは前記複数のファンに由来することを特徴とする、請求項１１に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
13. 前記排気空気流は整流器を通ることを特徴とする、請求項１２に記載の排気空気流からエネルギーを採取する方法。
14. 排気空気流の発生源と、
    前記空気流の前記排気口から実質的に最適な間隔をおいて位置した風力タービンと、
    を備え、前記タービンブレードの回転軸は前記排気の軸に対して変更可能であり、
    前記最適な間隔は実質的に０．５から１．５メートルの範囲であることを特徴とする、排気空気流からエネルギーを採取するシステム。
15. 前記タービンと前記排気口との間隔は前記排気口の直径のおよそ１から３倍であることを特徴とする、請求項１４に記載の排気空気流からエネルギーを採取するシステム。
16. 前記排気システムは換気ファンと燃焼発生源のうち少なくとも一つを備えることを特徴とする、請求項１４に記載の排気空気流からエネルギーを採取するシステム。
17. 前記間隔は前記排気の直径と前記風力タービンの直径および前記排気空気流の速度に依存することを特徴とする、請求項１４に記載の排気空気流からエネルギーを採取するシステム。
18. ディフューザをさらに備え、前記排気は前記ディフューザを介して導かれることを特徴とする、請求項１４に記載の排気空気流からエネルギーを採取するシステム。
19. 前記ディフューザは実質的に筒型の形状をなすことを特徴とする、請求項１８に記載の排気空気流からエネルギーを採取するシステム。
20. ファンにより駆動された排気のエネルギーを採取するシステムであって、
    コントローラに連結された風力タービン、タービンブレードの回転軸角度は制御信号に応答して前記コントローラによって変化させることができ、
    システムのパラメータを測定する１つまたは複数のセンサーと、
    前記１つまたは複数のセンサーに応答し、前記タービンのコントローラに制御信号を提供するする制御システムと、
    を備え、
    前記タービンはさらにエネルギー変換要素と連結し、
    前記タービンのパラメータは位置、回転速度、トルク、また迎え角のうちいずれかであり、
    前記エネルギー変換のパラメータは電圧、電流、速度、圧力、体積、流速のうちのいずれかであり、
    前記タービンブレードのピッチは迎え角を変えるために変化し、
    前記タービンの直径は前記排気を駆動する前記ファンの半径より小さいか同じであり、
    前記タービンは実質的に、前記排気を駆動する前記ファンの半径の長さの範囲に位置されることを特徴とするシステム。
    

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