JP2013542357A - 風力タービン交流発電機モジュール - Google Patents

Abstract

本発明による風力タービン交流発電機モジュールは、空気の移動によりエネルギーを生出するように、囲い、タービン、並びに周辺に磁石及び多相固定子を有する回転子組立体を備えている。あらゆる風の条件において作動するように、対称で双方向性のタービン翼及び回転子組立体が、外周のベアリングにより囲い内に懸架されている。風及び／又は上昇する加熱された空気により電力が生成されるように、１つ又は複数の風力タービン交流発電機モジュールは、底部に流入口を有し、屋根の通気構造に取付けられた多角形のハウジング内において連結されている。寒冷条件下では、加熱回路が用いられる。１つ又は複数の風力タービン交流発電機モジュールは、携帯式ハウジング内において、蓄電池、充電回路、インバータ回路、電力コネクター、並びに照明、ラジオ、ＴＶ及び緊急用位置検出装置などの利便性のある付属装置と連結されている。

Description

本発明は、発電、特に風力発電に関する。

既存の風力タービン発電システムは、保持用の中心軸を備えたタービン組立体を備えている。このような組立体は、強風下では多大なストレスを受けて故障し易い。従って、風が変化する状況、特に都市及び郊外、並びに交通量の多い地域においては、このようなタービンを構築又は使用することは効果的ではない。そのため、タービン組立体の改良の必要性がある。

本発明は、風が変化する状況、特に都市及び郊外、並びに交通量の多い地域においても構築可能で、効果的に使用できる風力タービン発電機システムを提供することを目的としている。

以下の、課題を解決するための手段及び発明を実施するための形態の記載は、例示及び説明のためであり、当然ながら、発明の範囲を定義するか又は限定するための記載では無い。

本発明による装置は、保持構造又は囲み、保持されていないハブから外方へ外周リムまで伸長する１つ又は複数のタービン翼を備えたタービン組立体、前記囲いに保持されて前記タービン組立体又は回転子組立体の外周と嵌合して回転子磁石と固定子コイルとを隔てる複数のベアリング、前記タービン組立体により保持される１つ又は複数の磁石を備えた回転子組立体、及び前記回転子磁石と前記固定子コイルとの相対的な動きにより前記固定子コイルに電圧が誘発されるように構成された固定子組立体を含む。ある実施態様では、前記外周リムは前記タービン翼の先端を廻る外周円である。ある実施態様では、固定子組立体は、タービン組立体と別個の構造であるが、実施態様によっては、タービン翼又はタービン組立体の外周と取付けられた磁石を組合せて、回転子組立体を構成することもある。前記ベアリングは、外周に回転子組立体を保持して風向きの変化により軸方向への動きを抑えることによって、回転子磁石と固定子コイルとが隔てられている。ベアリングを外周に保持する構成は、中心軸により保持する構成よりも強度と安定性が増大し、故障が減少し且つ安全性が増大する。

風力タービン交流発電機モジュール組立体の第１の実施態様の正面斜視図 図１の風力タービン交流発電機モジュール組立体の２−２に沿った断面図 固定子コイル組立体の正面図 タービン組立体、タービン回転子組立体及びベアリングの正面図 ハウジングを有する多数の風力タービン発電機が屋根に載置された第２の実施態様を示す斜視図 風力タービン交流発電機モジュールの第３の実施態様を示す側面図 図５に示すハウジング及び屋根の側断面図 風力タービン交流発電機モジュールの第４の実施態様を示す斜視図 ベアリング保持部の正面図 図９に示すベアリン保持部の１０−１０に沿った断面図 風力タービン交流発電機モジュール組立体の一実施態様の正面断面図

特に、装置モジュールは大きさに限定されておらず、新たに無限の用途を付与する。自立式モジュールが利用できるので、空気の動きがあれば場所を選ばずに、あらゆる風又は空気の流れの状況に設置できる。

マイクロ発電のように、それぞれが少量のエネルギーを生出する多数の装置モジュールは、その全てが設置場所においてエネルギーの生出に寄与する。ある実施態様では、低風速の地域においては、累積したエネルギー出力が大きくなるように多数の小さなモジュールが稼働する。マイクロ発電の発想は、特に、従来の風力発電では実行できなかった地域である、郊外及び一部の都市の居住地域及び商業地域に適している。

好適な実施態様においては、新たな装置又はモジュールは、外周に永久磁石を備えた回転するタービン組立体、及びエネルギーを生成するように磁石に近接して備えた空芯コイルを含む。等間隔に配置された永久磁石を保持する１つ又は複数の回転子支持リングが、タービン翼の外周リムに、好ましくは垂直に取付けられている。

この分野に通常の知識を有する者には当然であるように、電力生出への要求によっては、多数の永久磁石及びコイルの配置も可能である。実施態様によっては、タービンの重量及び／又は大きさが増すに従い、タービン組立体への負荷を分散させるように、支持リングの周りの多数の位置又は直接にタービンのリムに、より多くのベアリングを設置する必要がある。

一実施態様では、１つ又は複数の支持リングは強磁性の素材で構成すると、装着した永久磁石による磁場が強められ、どのような風の状況においてもエネルギーの生出が増大する。１つ又は複数の回転子の支持に強磁性の素材を用いると、回転慣性が負荷され、風が弱まった後でもタービン及び回転子組立体が回転し続け、突風と突風との間のエネルギー生出が増大する。強磁性の素材が回転子を支持するにより、囲い内のベアリングにタービン及び回転子組立体が安定に保持される。

強磁性のコアに起因するコギングを除去して始動トルクを減少させるように、固定子に空芯コイルを用いると、弱風でもエネルギーが生出され、単位重量が減少する。

タービン組立体の周りに、多数の案内ベアリングを配置して、タービンの周辺を保持することにより、あらゆる風速に対して安定性及び間隔を一定に保てることが大きな特徴である。ある実施態様では、案内ベアリングには、回転する回転子の支持リングと嵌合する溝が形成されて、回転子を径方向及び軸方向に保持する。ある実施態様では、案内ベアリングにフランジを付けタービンの外周リムと直接に嵌合させてもよい。

ある実施態様では、ベアリングの寿命を延ばし且つ摩擦を減らすように、ベアリングはセラミック製か又は類似の摩擦係数の低い素材製である。セラミックなどの素材を用いると、始動トルクが減じ、より低速の風でも始動が可能で、高速回転時の熱の生成が減少する。回転する鉄製の回転子組立体との相互作用及び回転子リングの腐食を防ぐために、非鉄素材の使用が好ましい。

従来技術では、風による軸方向の圧力を減ずるために、風力タービンは、巻き上げ又は折りたためることが必要で、タービン翼又はブレードはフェザリングが必要であった。従来技術における巻き上げ又はフェザリングとは、強風では風力タービンが僅か又は全くエネルギーを生出しないことを意味する。巻き上げ又はフェザリング機構が作動しなくなると、風力タービンに重大な損傷が生じ、生命及び財産への危険が生ずる可能性がある。

革新的なベアリングによる保持により、強風であっても、従来は必要であった巻き上げ又は折りたたみは必要でなくなり、このような条件下でも連続的にエネルギー生出ができるようになった。

ある実施態様では、タービン組立体は、その周囲を案内ベアリングにより完全に懸架されて保持されるので、従来は必要とされたタービンへの空気の流れ妨げる保持軸が不要となる。このことが、弱風又は二次的な空気の流れにおいても、良好なエネルギー生出並びに強風における妨害的な乱流の低下に寄与する。

タービン組立体のタービン翼が、対称で双方向性であることがモジュールの別の特徴である。双方向からのエネルギー生出できることにより、従来は必要とされた逆風へとタービンを旋回する必要はなくなる。対称で双方向性のタービン翼は、二次的な角度からの風にも適しており、固定又は非旋回の設置においても、エネルギーの生出を援ける。このタービン翼を用いると、従来は３６０°の旋回が必要であったのが、水平面に対して最大１８０°の旋回で済むことが可能となる。

一実施態様では、モジュールは、多相固定子空芯コイルにより交流電流を生出し、整流回路により直流に変換される。

ある実施態様では、運転を監視し易いように、モジュールは、回転又は電力生出へフィードバックする光学的又は電気的な運転監視回路を備えている。

ある実施態様では、タービンへの空気の流れが増大するように、モジュールの囲いの片側又は両側に円錐状のエアコレクターを備えている。

ある実施態様では、タービンモジュールは、低温条件下において、雪及び氷の堆積が減少するように、囲いの表面を加熱する加熱コイルを備えている。これにより、年間を通じてエネルギーが生出できる。

ある実施態様では、過電圧を制限するために、モジュール又はハウジングは、過剰のエネルギーを抵抗負荷へと廃棄する電圧制御回路を備えている。抵抗負荷は、設計の要件に応じて、内部又は外部に備えている。ある設計では、過電圧を制限し且つ／又はタービン組立体の回転を落とすために電圧調整回路を備え、風速が大きい場合に過剰なエネルギーの生出を防いでいる。

先行技術及び公開されたデータは、都市域及び郊外域並びに平均風速が低い地域では、風力からのエネルギー生出が実用的でないことを教示している。また、風力エネルギーを捕捉するのに、地上からかなりの高さで、建物、構造物又は物体からある距離を隔てて風力発電機を設置する必要があることも教示している。そのため塔を設置すると、初期費用が増大する。これらの全てが、人口密度が高い地域での風力エネルギーの利用の可能性が制限される。

以前は風力発電に不適であると考えられた条件に対処するため、上方へ空気を流す底部の切欠き又は通気孔を備えたハウジングの対向する２つ面に、それぞれ風力タービン交流発電機モジュールが設置される。下方の加熱された屋根裏空間からの空気がハウジングに流れ込んで、タービンモジュールを通って排出されるように、ハウジングは、屋根の通気構造に置かれて取付けられる。屋根を吹き上がって横切る風及び／又は下方から上昇する加熱された空気により、エネルギーが累積されるように、多数のハウジングが、屋根の棟を横切って互いに接して配置されている。本発明では、高風速では、下方の屋根裏から空気を吸引し、低風速では加熱された空気がエネルギー生出に寄与することが類のない特徴である。簡単な改造で済むように、ハウジングは、既存の屋根の通気部を覆って設置してもよい。

同様に、実施態様では、通気部の設置の有無に拘わらず、多数のハウジングを、あらゆる屋根、煙突、胸壁、ポール又は他の建屋構造に載置される。設置場所の要件に応じて、ある実施態様では、ハウジング及び取付け構造は、個別の部品からなり、別の実施態様では、１つの装置へと組込んでもよい。

素材は、設置の要件に応じて用いられる。ある実施態様では、囲い及びタービン組立体は、外部での使用など使用環境に適した性質を有する固い樹脂状の素材であるが、設計上はそのような限定はない。

ある実施態様では、契約者及び設置業者による設置又は改造が可能なように、屋根の通気構造は、標準的な建材である。

一つの実施態様では、多数の風力タービン交流発電機モジュール、蓄電池、充電回路及びインバータ回路を有する携帯可能なハウジングを提供する。この実施態様では、例えば、キャンプ又は舟遊びの際に、キャンピングカー又は緊急用など、場所を選ばずに風力から電力が生できる。ある実施態様では、照明、ラジオ、ＴＶ、緊急用位置検出装置など周辺機器が、携帯可能なハウジングに組込まれる。

ある実施態様では、風力タービン交流発電機モジュール及びハウジングは、建物、車両、船舶、構造又は資産に組込まれて、エネルギーを生出する。

ある実施態様では、ベアリングを有する案内車輪が、タービン組立体の外周のリング又は軌道と嵌合している。

上記のことを含め、更に本発明の目的及び特徴は図面により明らかにする。

以下、風力タービン交流発電機モジュールの種々の実施例について述べる。本明細書では、本発明の特徴を組み込んだ実施態様を開示する。本明細書における「１つの実施態様」、「ある実施態様」、「ある実施例」などの語句は、記載された実施態様が、ある特定の特徴、構造又は特性を含むことが可能であることを意味している。このような語句は必ずしも同じ実施態様に言及するものではない。ある実施態様に関連して、ある特定の特徴、構造又は特性が明確に記載されているか否かに拘わらず、発明の属する分野における通常の知識を有する者が、他の実施態様にそのような特徴、構造又は特性を齎す可能性がある。

いくつかの図においては、類似の符号が、類似の機能を有する類似の部材に用いることもある。記載した実施態様、その詳細な構造及び部材は、単に発明を包括的に理解するために提供するものである。従って、本発明は、種々にやり方で実行でき、本明細書に記載した特定の特徴を必要とするものではない。不必要に詳細を説明すると、発明の内容が不明瞭になるので、周知の機能又は構造は詳細には説明しない。

発明の範囲は請求項に定義されているので、明細書の記載は、限定するためではなく、発明の全般的な本質を説明するためである。

以下、図面により本発明を説明する。

図１は、風力タービン交流発電機モジュール組立体２０の第１の実施態様の正面斜視図である。風力タービン交流発電機モジュールは、風力又は空気の移動エネルギーから発電することを目的としている。

保持構造又は囲い２１は、組立体２０の全ての部品を支え包み込んでいる。タービン翼３１を通過する空気の移動により、タービン組立体３０が回転するように、保持構造又は囲い２１がタービン組立体を支えている。

囲い２１内で回転するタービン組立体３０は、対称で双方向性のタービン翼３１、そのタービン翼を中心に装着するハブ３３及び径方向を外方に伸長するタービン翼が装着される外周のリム３２から成る。空気がタービン組立体３０に直接に流れ込むように、ハブ３３は円錐状又は先細の形状である。双方向性のタービン翼３１は、囲い２１の前方、後方のいずれから空気を受け入れることができ、空気がタービン翼３１を横切って移動することにより、タービン翼３１が回転する。

図面に示すように、ハブ３３に連結される軸、外部支持部材又は止め具が備えられていないことに注目すべきである。このように、タービン翼３１を通過する空気の流れを妨げる支持構造を備えてはいない。囲い２１及びタービン組立体３０は、組立体２０の前方、後方のいずれからも同じ外見である。

囲い２１は、大きさ、形状、材料又は取付け機構に何らの制限もなく設計でき、空気の移動による発電に好ましい如何なる環境において使用できる。これには、独立式発電、又は累積エネルギー生成するためのマイクロ発電のように、個別又はハウジングに組み込んだ別の風力タービン交流発電機モジュールと組合せることも含む。

ある実施態様では、モジュール組立体２０は、後述するように、幾つかの内部の部品がプラスチックで無い材料とする必要があるが、強力なプラスチックのような材料により構築される。

実施態様によっては、囲い２１は、例えば回路板、又は車の通気のような小さな装置又は構造物に空気を入れるために、僅か数インチの大きさである。また別の実施態様では、囲い２１は、天然の風からのエネルギー生成を最大とするため、径が何フィートの大きなものもある。

空気の流れが中断されないように、囲い２１の厚さは、タービン組立体３０からの張出しを最小にするように限定されるが、タービン組立体３０及び整流回路６３、温度測定６８、加熱素子６６、運転状況監視回路６５及び電圧調整回路６４の様な全ての回路を収容できるのに十分な大きさである。実施態様に応じて選択される回路及び必要となる部品は、囲い２１の空洞に配置される。

図に示すように、正方形又は長方形の囲い２１は、簡単な設置、集合組立体及び簡単な取付けを可能とする。モジュールは、左右及び上下に隙間なく互いに接して設置できるので、ある空間に最大数のモジュールの据え付けができ、開口部を通過する風力エネルギーの損失を最小にできる。構造に対応して、モジュールにより生成された電力を連結するのに適したコネクターが使われる。

実施態様によっては、タービン組立体３０への圧縮空気を流れ易くするため、囲い２１の片側又は両側に、選択的に円錐状のエアコレクター２２（図６）が取付けられるか、又は組込まれることもある。ある実施態様では、必要に応じてモジュール２０が回転できるように、モジュール２０が中心の旋回支軸を支えている。軸の周りを回転させることにより、囲い２１及びそれに囲まれたタービン組立体３０は、空気の流れを捕捉し易い方向に向けられる。

ある実施態様では、囲い２１が、内部に種々の回路及び連結部材を収容する空洞（不図示）を有している。別の実施態様では、固定子が、多相交流電流エネルギーを生出するように配線されているので、囲い２１はその空洞に、交流を直流に変換するか、又は他のエネルギー源と集約できるように、多相整流回路６３を保持している。実施態様によっては、整流回路が囲い２１の外表面に設置されることもある。要求に応じては、整流回路を備えていない実施態様もある。

実施態様によっては、低温条件に対応するため、温度測定回路６８及び抵抗、セラミック又はカーボンタイプの加熱素子６６が囲い２１の空洞、又は囲い２１に埋込まれていることもある。この回路は、低温の場合に、モジュールの外部が凍結しないように温める。

ある実施例では、タービン組立体３０の運転又は性能に関するフィードバックが必要となる。例えば組込まれたＬＥＤにより回転速度を表示するか、又は外部の装置と連結して処理するように、内部にホール効果センサなどを備えた、運転状況監視回路６５を、回転するタービン組立体３０の近傍に設置してもよい。

エネルギーの生成量が使用量よりも遥かに大きな条件では、エネルギーの生成量を少なくするか、又はタービン組立体３０の回転を遅くするように、図３に示す固定子空芯コイル６１を制御する生成量抵抗又は余剰負荷６６、外部余剰負荷連結６７、又は回路と共に電圧調整回路６４が囲い２１の空洞に設置される（図１１参照）。実施態様によっては、余剰負荷は、エネルギーを熱に変換する抵抗コイルである。

図２は、図１に示す風力タービン交流発電機モジュール組立体２０の２−２に沿った断面図であり、タービン組立体３０、タービン回転子組立体４０、固定子空芯コイル６１及びベアリング５１を備えている。図に示すように、ハブ３３、双方向に対称なタービン翼３１及び外部リム又は外周リム３２から成るタービン組立体３０は、囲み２１内において、複数の永久磁石４３を保持する強磁性の支持リング４２から成るタービン回転子組立体４０を保持し、その回転子組立体と共に回転する。タービン組立体３０とタービン回転子組立体４０は、囲み２１内に設置されたベアリング溝又は案内部５２を有する複数のベアリング５１により回転可能に保持されている。回転子組立体４０に近接して、空隙４４により回転子組立体と隔てられている複数の固定子空芯コイル６１から成る固定子組立体６０が備えられている。

空気がタービン翼３１を横切るとタービン組立体３０が回転して、それに取付けられた回転子組立体４０が回転して、隣接した固定子空芯コイル６１に電流を誘発してエネルギーが生出される。均等に隔てられた永久磁石４３を保持するように、一つ又は複数（１つしか図示していない）の支持リング４２が、周辺に且つ好ましくはリム３２に垂直に取付けられている。

ハブ３３は、タービン翼３１にのみ連結されていることに注目すべきである。このハブ３３は、タービン翼３０を保持する従来の軸式ハブと異なっている。

回転子組立体４０は、今までにないベアリングの設計を用い、特別な溝又は案内部５２を有する非鉄のベアリング５１からなる。ベアリング案内部５２は、回転する支持リング４２に跨り且つ直接に接触するように特別に設計されている。ベアリングは非鉄の素材から成るので、回転する磁石４３はベアリング５１を磁化しない。ある実施態様では、ベアリング５１は、回転子の支持リング４２の素材と接触しても腐食しない素材である。回転子組立体４０が最善の状態で跨り支持されて回転させる抵抗が最小となるように、ベアリングの溝又は案内部５２の形状が形成される。図に示すように、ベアリングは、タービン組立体に平行なそれぞれの軸上を回転し、タービン組立体に平行な径方向の支持及びタービン組立体に垂直な支持が得られる。回転軸に平行でない角度で支持すると、回転支持輪及びベアリングに斜めのベクトルが生じて、回転摩擦、摩耗が増大し、始動速度が低下する。

図９は、図１に示す風力タービン交流発電機モジュール組立体２０のベアリング支持部の正面図である。図１０は、図９に示すベアリン支持部の１０−１０に沿った断面図である。ベアリング５１は、ベアリング支持ブラケット５５及びボルト５３により、タービン発電機モジュール組立体２０に取付けられている。図２に示すように、車輪状のベアリングは、タービン組立体にきちんと嵌合するように、その外側の縁にベアリング案内部５２を有している。ベアリング５１及びベアリング案内部５２と作用し合う湾曲した環状軌道５４内に、タービン組立体３０の強磁性の回転子支持リング４２の終端が入り込んでいる。図示した実施態様では、湾曲した環状軌道５４はプラスチックであり、ベアリング案内部５２ときちんと嵌合するように、該案内部の形状に対応して湾曲している。図では、ベアリング案内部５２は、湾曲した環状軌道５４に嵌合するように、断面がＵ字状であり、ベアリング案内部５２は、ベアリングの内輪とは異なった素材である。この実施態様では、ベアリング案内部５２は、ポリウレタンであり、アルミニウム製の内輪に巻かれて、２つのセラミックのベアリングを回転させている。別の実施態様では、別の素材を用いてもよい。例えば、組立体が大きな場合には、強度が増大するように、スチール製の湾曲した環状軌道５４が望ましい。

ベアリング案内部５２及び湾曲した環状軌道５４に、タービン組立体及びベアリングとは異なった素材を用いることが可能となる。例えば、ベアリング案内部及び湾曲した環状軌道は、騒音を抑制するように最適化された非鉄の素材を用いてもよい。これにより、スチールの回転子が高速回転する際にセラミックのベアリングを擦る極めて大きな騒音とは逆に、静かな運転が可能となる。特に、居住地区での運転では、騒音レベルが低いことが好ましい。この実施態様では、タービン組立体に対してベアリングが大きくなり、ベアリングの回転速度が低下し、接触面積が大きくて支持及び安定度が増大し、騒音及びベアリングの摩耗が低下する。この実施態様では、ベアリングは角に設置されるので、矩形のハウジングでは、ベアリングによって、システムの大きさを増大させる必要はない。

図１１は、図９、１０に示すベアリング支持部を備えた風力タービン交流発電機モジュール組立体の一実施態様の正面断面図である。図には、整流回路６３、電圧調整回路６４、運転状況監視装置６５、加熱素子／抵抗負荷６６、外部余剰負荷連結６７及び温度測定回路６８が模式的に示されている。

図３は、固定子コイル組立体６０の正面図である。複数の空芯コイル６１が、固定子支持部６２に設置されている。この固定子支持部は、図４に示す回転子組立体４０の永久磁石４３に近接しているが接触しないように配置されている。

固定子の空芯コイル６１は、交流が生成されるように多相に配線されている。空芯コイル６１の形状、間隔及び大きさは、エネルギー生成の要求に対応して図４に示す永久磁石４３の形状、間隔及び大きさに左右される。ある実施態様では、磁石の配置間隔及び多相の構成に応じて、コイルは間隔をおいてか又は重なりあって配置される。

実施態様によっては。弱い風力の条件においては最小の回転始動トルクで済むように、空芯コイル６１が永久磁石を備えずに、コギングトルクが生成しないように設計する。しかしながら、特に大量のエネルギー生出が要求される別の実施態様では、高い始動トルクが得られるように、強磁性の素材又は電磁コイルを利用する。

図４は、タービン組立体３０、タービン回転子組立体４０及びベアリング５１の正面図である。空気の動きをタービン組立体３０の回転に変換するためのタービン翼３１は、対称に形成され中心のハブ３３から放射状に広がっている。中心のハブ３３の大きさに制限はないが、構造的にこのハブ３３は回転を支えていないので、実施態様によっては、空気の流れが最小限に制限されるような大きさ及び形状である。

中心ハブ３３は、双方向性タービン翼３１の原点としてのみ機能し、回転を支えていないことに注目すべきである。タービン翼３１は、中心ハブ３３に取付けられ、そこから放射状に広がって、平らな外周リム３２に取付けられている。外周リム３２は、双方向タービン翼３１の外縁の取付け点及び回転子組立体４０の構成部材の取付け及び支えの足場として機能する。外周リム３２は、タービン組立体３０、特にタービン翼３１の外縁に、かなりの強度及び安定性を付与し、実施態様によっては、中心ハブ３３を無くすことができる。

ある実施態様では、外周リム３２に垂直に１つ又は複数の回転子支持リング４２を備えている。回転子支持リング４２は、回転子の複数の永久磁石４３を保持している。図３に示すように、複数の回転子支持リング４２及びそれに関連する固定子空芯コイル６１を備える設計も可能である。回転当たりのエネルギー生出を増大させるため、回転子の永久磁石４３を保持する回転子支持リング４２が追加される。大きさ、磁束密度、コイルの巻数及びエネルギーへの要求に基づいて設計が可能なので、回転子組立体４０及び固定子組立体６０の構成に関しては特に制限はない。別の実施態様では、外周３２へ直に永久磁石４３を取付けること又は要求に応じて素材を変更した複数の回転子支持リング４２を備えることもある。

図２の囲い２１内にタービン組立体３０を回転可能に径方向に保持するために、回転子支持リング４２の周りにベアリング５１が図示されている。タービン組立体３０が径方向に確実に支持されるように、ベアリング５１は、回転する支持リングに跨るベアリング案内部５２（図２参照）を備えるか、又は実施態様によっては回転する支持リング表面の溝又はスロット（不図示）に嵌めこむフランジを備えている。ベアリング５１をタービン回転子組立体４０の周りに配置することにより、タービン組立体３０が、全ての風速に対して正確に回転することを可能とする。ベアリング５１は、図２に示す囲い２１に保持されている。

ベアリング５１の配置及び数は、タービン回転子組立体４０の大きさ及び重量により決められる。タービン回転子組立体が小さな場合には、少なくとも３つ（図では４つ）のベアリング５１が用いられ、タービン組立体３０の径が増大するに伴いベアリングの数を増やす。ある実施態様では、回転子組立体の周りに等距離に配置される。ある実施態様では、タービン回転子組立体４０は、外周リム３２により直に支えるなど、別の点で支えて異なったベアリング方式及び素材を用いる設計も可能である。ある実施態様では、ベアリング５１は、セラミック方式のベアリングのように、低摩擦で耐久性を備えている。セラミックなどの素材を用いると、タービン組立体３０の回転始動トルクが低下する。セラミック又はポリテトラフルオロエチレンのように低摩擦係数のベアリングを用いると、高速回転でも熱の生出が少なくベアリングの寿命が長くなる。

図５は、屋根８５に載置され、通気組立体８０を備えた複数のハウジング７０に、風力タービン交流発電機モジュール２０が取付けられた第２の実施態様を示す斜視図である。ハウジング７０は、正面側にタービン組立体３０を備え、図では見えないが反対側にもタービン組立体３０を備えている。ハウジング７０は、通気組立体８０に取付けられている。

それぞれのハウジング７０は、屋根を吹き上がって横切る風を捕捉して、囲い込んだタービン組立体３０を回すように、屋根の棟８６を横切って列状に配置されている。図７に示すように、通気組立体８０は屋根裏からの加熱空気を捕捉する。ある実施態様では、それぞれのハウジングにおいてマイクロ発電によりエネルギーを生出するように、多数のハウジング７０を備えている。

ある実施態様においては、ハウジングは、旋回支軸に支えられないで、風を捕捉するように、据付け時に所望の方位に向けて据付ける。実施態様によっては、図６に示すように、旋回支軸７２周りを、ハウジング７０は１８０°まで旋回できる。また実施態様によっては、多角形のハウジング７０と通気組立体８０は、下部の加熱された空間との空気の交換が無い状態で、位置又は角度を選ばずに屋根８５に据付けられる。

ある実施態様では、タービン組立体３０の直径は、１〜２フィートの範囲であるが、別の実施態様では、必要とするエネルギーに応じて、どのような大きさでもよい。ハウジング７０と通気組立体８０は、屋根への設置及び据付けに適し且つ地域の建築規制に応じた素材を選択する。

従来の風力タービンを住居、又は商業施設の屋根又はその近傍への据付けは、障害物、渦及び空気の流れが悪いため、性能が劣っていることが判明してきた。しかしながら、棟８６へハウジング７０を設置すると、建物又は屋根８５に沿って上方に流れる空気が圧縮されるので、タービン組立体３０が加速された風を捕捉することを可能とする。

別の実施態様では、種々の据付け方法及び取付け方法が可能である。要求される取付け構造の形状及び様式を変えることにより、建物の構造が大きく変化する。ある実施態様では、多角形のハウジング７０は、場所に特性に応じて、煙突、支持柱、装飾部材、立木、塀又はその他の構造物に取付けることができる。通気組立体８０のような取付け構造は、１つ又は複数のハウジング７０を支える機能を果たし、ハウジング７０を固定する手段を提供する。

図６は、風力タービン交流発電機モジュール２０の第３の実施態様を示す側面図であり、ハウジング７０、選択的な円錐状の側面図エアコレクター２２、選択的な旋回支軸７２及び胸壁７４に載置するための取付け枠７３を図示している。ここでは、構成部材がよく見えるように、ハウジング７０の側板を除いて図示している。図示のように、ハウジング７０は、２つの対向するモジュール２０を備えている。ハウジング７０は、建屋の胸壁７４の壁に支えられるようにブラケット（取付け枠）７３に取付けられている。

ある実施態様では、屋根を横切って流れる風を捕捉してそれぞれのタービン組立体３０へ流れ込むように、建屋の屋根の周りに複数のハウジング７０を備えている。

実施態様によっては、ハウジング７０は、旋回支軸７２の周りを回転又は旋回する。風力タービン交流発電機モジュール２０は、ハウジングの両側からの空気の流れを受けて、エネルギーを双方向に生成するので、選択的に１８０°以内の旋回しか必要でない。

図示した、ハウジングの両側の選択的なエアコレクター２２は、タービン組立体３０を通る空気の流れ及び速度の増大を助長する。

別の実施態様では、ハウジングを積み上げるか、千鳥足状又は任意の配置し、設置に便利な方法を用いて取付けることができる。図示の実施態様は、取付けを変えることにより、モジュール２０が、エネルギー生成にどのように用いられるかの例を示した。

図７は、図５に示すハウジング７０及び屋根の通気組立体８０の側断面図である。ハウジング７０は、両側に２つのタービン組立体２０を備えている。ハウジング７０は、通気組立体８０に取付けられている。屋根裏空間８７とハウジング７０の間に、換気空間８８が形成されるように、棟８６は、（図示した第１及び第２の）２つの垂木８３の間で切り取られる。加熱された空気Ｈが換気空間８８へ入るように、通気組立体８０は、棟８６の切取り部を囲んでいる。

ある実施態様では、通気組立体８０は、加熱された空気Ｈが、換気空間へ入るように、既に上市されている棟に取付ける通気部材（不図示）を囲んでいる。この場合、既存の屋根を改造し、取付け費用を最小にできることが特徴である。

屋根への取付け構造７１は、換気空間８８を覆って、棟の両側において釘フランジ８２により屋根８５に取付けられている。風の流れＷは、その向きに応じてある側からハウジング７０に流入して、反対側から流出する。他の実施態様では、ハウジング７０が、旋回支軸の周りを１８０°まで回転させるか、又は予め流れる方向に設定することができる。図４に示す、タービン組立体３０の双方向のタービン翼３１は、直接に流入する空気の流れによって回転し、流れる方向が逆になると、自動的に逆回転する。

ハウジングを通過する空気の流れは、加熱された空気Ｈを屋根裏空間８７から引き上げて温度を下げ、屋根裏空間８７の湿分を除去する。ある実施態様では、弱風又は無風の条件では、屋根裏空間８７の加熱された空気は、ハウジング７０と通気組立体８０の間の通気孔８１を通って上昇し、１つ又は複数のタービン組立体３０を通って流出し、エネルギーを生成する。

ハウジング７０内のタービン組立体２０の数及びハウジング７０のどの側面を使用するかについては特定されていない。タービン組立体２０の数及び取付け位置は、現地の条件により決まる。

図８は、風力タービン交流発電機モジュール２０の第４の実施態様を示す斜視図であり、携帯式ハウジング７０が図示されている。この図では、内部の構成部材が見えるように、ハウジング７０の側面を取除いてある。ハウジング７０は、対向する側面に２つのモジュール２０を備えている。手動によって運搬し易いように、ハウジング７０の頂部にハンドル９１を備えている。

設計上、折りたたみ式、開閉式又は積み上げ式を含むハウジング７０の構成において、モジュール２０の数は特定されていない。

ハウジング７０の内部には、生成されたエネルギーを捕捉して貯蔵する１つ又は複数の蓄電池９２を備えている。充電回路９３は、蓄電池９２の充電を促す。直流電力端子９７、ＵＳＢ電力コネクター９８などの種々の外部電力インターフェースが選択的に、蓄電池９２及び充電回路９３に連結されている。計画する電圧及び電流特性に応じて、種々のコネクター（不図示）を用いてもよい。

ある実施態様では、貯蔵された直流を交流に変換するインバータ回路９４が蓄電池９２に連結されている。インバータ回路９４に選択的に連結された出力部は、インバータ９４の出力特性に適合する外部交流ソケット９６である。

ある実施態様では、携帯式ハウジングに、利便性のある装置（不図示）を組込むこともある。実施態様によっては、携帯式ハウジングは、外部へのインターフェースを備えていない専用発電装置である。

風力タービン交流発電機モジュールから派生した、種々の実施態様が無制限にある。１つ又は複数のモジュールに、電池及び／又は充電回路、インバータ回路及び種々の電力を組合せて、多くの創造的な電力問題を解決できる。風力エネルギーモジュールの応用例には、非常用照明、自転車／モータバイクの照明、船舶用の充電及び電力問題の解決策、車両の補助電源、グライダーの電力、キャンピングカーの補助電源、軍用個人携帯電源、携帯電話の充電、隔絶した用地の電力系などがある。

本発明は、図示した実施態様及び記載した実施態様に限定されるものではない。例えば、種々の構造物、物体に互いに連結された種々の素材による種々の形状及び大きさモジュールなど、別の配置が考案されることを、この分野において通常の知識を有する者が、認識すると思われる。本発明は、ここに開示したそれぞれの実施態様の種々の特徴の可能な組み合わせも含む。本発明は、図面を参照して、本発明の特定の実施態様を記載したが、以下に述べる請求項の精神及び範囲を逸脱すること無く、発明の変更及変形を構成することが可能である。

２０ 風力タービン交流発電機モジュール
２１ 囲い
２２ エアコレクター
３０ タービン組立体
３１ タービン翼
３２ （外周）リム
３３ ハブ
４０ タービン回転子組立体
４２ （回転子）支持リング
４３ 永久磁石
４４ 空隙
５１ ベアリング
５２ （ベアリングの）案内部
５３ ボルト
５４ 環状軌道
５５ 支持ブラケット
６０ 固定子組立体
６１ 固定子空芯コイル
６２ 固定子支持部
６３ （多相）整流回路
６４ 電圧調整回路
６５ 運転状況監視回路
６６ 加熱素子／抵抗負荷
６７ 外部余剰負荷連結
６８ 温度測定回路
７０ ハウジング
７１ 取付け構造
７２ 旋回支軸
７３ 取付け枠（ブラケット）
７４ 胸壁
８０ 通気組立体
８１ 通気孔
８２ 釘フランジ
８３ 垂木
８５ 屋根
８６ 棟
８７ 屋根裏空間
８８ 換気空間
９１ ハンドル
９２ 蓄電池
９３ 充電回路
９４ インバータ回路
９６ 外部交流ソケット
９７ 直流電力端子
９８ ＵＳＢ電力コネクター
Ｗ 風の流れ
Ｈ 加熱された空気

Claims (20)

1. 空気の移動によりエネルギーを生出する装置であって、
   保持構造、
   不支持のハブから外周リムへと伸長する１つ又は複数のタービン翼を備えるタービン組立体、
   前記タービン組立体又は回転子組立体の周りにおいて嵌合して前記保持構造に保持され、回転子磁石と固定子コイルとを隔てる、前記タービン組立体の軸に平行な軸を有する複数のベアリング、
   前記タービン組立体に保持された１つ又は複数の磁石を備える回転子、及び
   回転子磁石と固定子コイルとの相対的な運動により前記固定子コイルに電圧が誘発されるように構成された１つ又は複数のコイルを備える固定子を備えることを特徴とする装置。
2. 前記タービン翼は双方向性であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記回転子は、前記タービン組立体の前記外周リムに取付けられた１つ又は複数の支持リングを備え、前記回転子磁石は前記支持リングに保持されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記固定子コイルは、強磁性のコアを備えずに巻かれていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記１つ又は複数の支持リングは、強磁性の素材を含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. 前記装置は、生成された交流を直流に変換する整流回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記装置は、温度測定回路及び熱を生出する加熱素子を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記装置は、回転運動を伝達する運転状況監視回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記装置は、過電圧を制限するか又は前記タービン組立体の回転を低下させるように、過剰のエネルギーを抵抗負荷又は外部負荷へと向けるか、又は前記固定子コイルを制御する電圧調整回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記装置は、回転軸の周り回転保持する中心旋回支軸を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記装置は、風をタービン組立体に向ける１つ又は複数の円錐状のエアコレクターを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. ２つの開口部を備えたハウジングであって、１つ又は複数の前記開口部に請求項１に記載の装置が取付けられていることを特徴とするハウジング。
13. 前記ハウジングは、据付け用の取付け構造組立体を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載のハウジング。
14. 前記ハウジングは、外部構造と空気を交換するように構成した１つ又は複数の開口部が更に追加されていることを特徴とする請求項１３に記載のハウジング。
15. 前記ハウジングは、回転軸の周り回転保持する中心旋回支軸を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載のハウジング。
16. 前記保持構造は、複数の第一の開口部及び１つ又は複数の第二の開口部を備えたハウジングを備え、
    前記タービン組立体、固定子及び回転子は２つ又は複数の第一の開口部に据付けられ、
    １つ又は複数の第二の開口部は、構造組立体を覆って固定され、
    前記タービン組立体が回転して電力を生成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
17. 前記１つ又は複数の第二の開口部は、前記構造組立体と換気するように構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記装置は、建造物からの空気が前記１つ又は複数の第二の開口部に流入し、前記１つ又は複数の第一の開口部から流出して前記タービン組立体を通過するように前記建造物の屋根に設置されていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 前記保持構造は、複数の開口部を備えたハウジングを備え、
    前記タービン組立体、固定子及び回転子は１つ又は複数の開口部に据付けられ、
    １つ又は複数のエネルギー貯蔵装置、前記エネルギー貯蔵装置を充電する充電回路及び電力端子を更に備え、
    前記タービン組立体が回転して電力を生成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
20. 前記装置は、直流を前記電力端子用の交流に変換するインバータ回路を更に備えていることを特徴とする請求項１９に記載の装置。

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