JP2014501357A - 垂直軸を有する風力タービン - Google Patents

Abstract

タービン、例えば風力タービンは、垂直軸を有する回転子（１）と、回転子へ風及び流体を導くためのスクリーンシステム（３１、３２）と、を具備している。タービンは、方向信号を発生させる方向装置（５７）と、スクリーンシステム（３１、３２）を方向信号に依存して方向決めするための方途（５５、５６）と、を具備している。回転子ブレードは、軸に向かって曲がっている側に開放カール形状３４が設えられている。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、流体によって駆動されるタービンにおいて、垂直軸を有する回転子を具備しており、回転子の周りを動くスクリーンのシステムを含む流体案内が設けられており、更に、方向信号を取得するための信号手段と、スクリーンのシステムを、方向信号に依存して、当該スクリーンのシステムを回転子の周りに回動させることによって、方向決めするための方向決め手段と、が設けられており、回転子は、上プラットフォームと下プラットフォームの間に、垂直軸の周りの中央部分を空けて、内向きに湾曲している複数のブレードを備えている、タービンに関する。

軸が垂直方向に定められている垂直タービン型式と、軸が水平方向に定められている、よくある水平型式と、が存在している。
本記述では、気体及び液体を指し示すものとして流体が使用されている。風力タービンは、その様なタービンの一例である。タービンは、液体で駆動されていることもある。次に続く記述は、一例として、風力タービンに言及している。風力タービンのよくある型式は、水平軸を有する風力タービンである。風力タービンのブレード（羽根）は、垂直面内で回り、ブレードは回転中に変化の激しい力に曝される。ブレードは、一定した重力場内で回っているわけではなく、回転中にブレードへ作用する重力及び遠心力は変化している。

垂直軸を有する垂直風力タービンは、使用の度合いは低いが、知られてはいる。
垂直軸を有する風力タービンには、様々な型式があり、それらの型式の１つは、中心回転軸に取り付けられている３枚又はそれ以上のブレードを有している。ブレードは内向きに湾曲しているものもある。その様なタービンの一例がイギリス特許出願ＧＢ２，４３４，７０３から知られている。

この型式の風力タービンのもう１つの例が、米国特許出願ＵＳ２００４２６５１１６から知られている。後者は、風を風力タービンの中へ方向決めするために、風案内の取り付けられている垂直風力タービンを記載している。

この型式の風力タービンのもう１つの例が、カナダ特許ＣＡ１２２９７９６の第１段落に記載されている。風案内は、回転子の周りを動くスクリーン２つのシステムと、スクリーンのシステムを風に向けて方向決めするための方向決め手段と、を含んでいる。回転子ブレードは、上プラットフォームと下プラットフォームの間に定着されていて、回転子ブレードは垂直軸の周りの中央部分を空けている。風向計が方向決め手段としての役目を果たしている。風向計へ作用する力が、この場合は、方向信号である。国際特許ＷＯ２００８１０８６３７もこの型式の風力タービンを記載している。

所謂ダリウス型式の垂直軸を有する風力タービンもある。これらのダリウス型風力タービンは、様々なバージョンが存在しており、中でも重要なことは、
―ブレードが風力タービンを練り粉撹拌機に似せる形状を有している設計と、
―ブレードが軸から幾らか離して垂直方向に配置されている設計、である。

これらの風力タービンは知られているが、垂直軸を有する風力タービンの使用はあまり人気を博していない。
風力タービンの出力は、数多くの要因によって影響される。それらの１つに、風力タービンが出力を発生させられる最小風速がある。世界の中で一部の特定の場所、特に沿岸部では、風は頻繁にそしてかなりの速度で吹く。また一方、内陸に進んでゆくほど、平均風速は急激に減少する。多くの風力タービンは、或る特定の風速より下ではもはや有効ではない。これは、即ち、低風速では、タービンはパワーを全く或いは殆ど発生させないということを意味する。その様な地域には風力タービンを設置する意味が無い。ときに、当該問題は、風力タービンをより高く設置してより多くの風を捕えられるようにすることによって解決が図られている。これにはマイナスの帰結が伴い、というのは、小規模プロジェクトは実施不能となるし、住民の視界がひどく損なわれ、そのことが往々にして住民を強硬な抗議行動に駆り立てるからである。

イギリス特許出願ＧＢ２，４３４，７０３ 米国特許出願ＵＳ２００４２６５１１６ カナダ特許ＣＡ１２２９７９６ 国際特許ＷＯ２００８１０８６３７

目的は、垂直軸を有する風力タービンにおいて、特に低風速の場合に高い出力を有する風力タービンを創出することである。

このために、本発明による風力タービンは、回転子ブレードが中央部分に面する端に開放カール形状を設けられていることを特徴としている。
回転子ブレードは、それらブレードの中央部分に面する先端に開放カール即ち折り返しを有しており、それにより、折り返しはブレードの前部と後部の間に空洞が形成されるようにしている。先行技術は、半アーチとして設計されている回転子ブレードを開示しているが、それらは先端にカールを形成していない。

先端の開放カールは、特に低風速の場合に遥かに高い出力につながる有意に優れた空気力学的形状を提供している。開放カールは、一方で、風が回転子ブレードを押す位置にブレードが位置しているときには有効な「押進効果」を提供し、また他方で、他の位置では開放カール形状が翼として動作することで吸引効果も提供する。

スクリーンのシステムは、方向装置から送られる方向信号を介して方向決めされてもよい。方向信号を取得する簡単なやり方は、風力計によることである。風力計からの信号は風が吹いている方向を指し示し、スクリーンのシステムは風に向かって方向決めされる。この場合、方向装置は風力計を含んでいる。

方向信号を取得する代わりのやり方は、パワー出力信号からのフィードバックである。システムを少し回転させてみて、パワー出力信号が増加すれば、システムを当該方向に更にもう少し、最適位置を過ぎるまで回転させてゆき、その後、最適位置まで後戻りさせる。この場合、方向装置は、出力をスクリーンの位置の関数として測定する方途を含んでいる。

スクリーンシステムは、風力タービンの外側に設置されている２つのスクリーンから成るのが好ましく、当該２つのスクリーンは、好ましくは、互いに対し横断方向に配置されている平坦なスクリーンとして設置され、双方の面に垂直な線が垂直軸上で互いに交差し、スクリーン同士の間にはギャップがあって、風力タービンには、ウインドスクリーン間のギャップを方向装置によって送られる方向信号に依存して方向決めするための手段が提供されている。

２つのスクリーンを設置することは、３つ又はそれ以上のスクリーンを有するシステムに比べて、効率を有意に増加させる。スクリーン間のギャップが風をブレードに当てて推進するし、加えて風はスクリーンの背後に回り込みもし、このことにもプラス効果がある。平坦な板の使用にも、例えば曲面状の様な他の板形状に比べ、プラス効果がある。

風力タービンは、多数の積み重ねられた複数の回転子を、ブレードの相対位置を回転子間でずらして、収容しているのが好ましい。
回転子が積み重ねられている場合、ブレードを角度に関して配分することが推奨される。回転子へ作用する力は、スクリーンのシステムに対するブレードの位置に依存して変化する。ブレードの位置を変えることによって、力はより巧く分配され、効率の増加につながる。

スクリーンは、回転子の直径の５０％から５５％の間の距離に亘って広がっているのが好ましい。スクリーン間のギャップの長さは、回転子の直径の５５％から７５％の間であるのが好ましい。

記載されている設計は、特に低風速の場合の出力増加を提供する。１−３ビューフォートの低風速の場合でさえ、生み出される出力は商業的に非常に興味深いものである。
本発明による風力タービンは、３枚又はそれ以上のブレードを有しているのが好ましい。

垂直軸の周りのブレードの存在しない区域の円の直径は、回転子直径の４０％から４５％の間であるのが好ましい。
この区域の相対直径が小さすぎる場合には、プラス効果は殆ど或いは全く無い。相対直径が大きすぎる場合には、ブレードが小さくなりすぎ、やはり出力を減少させてしまう。スクリーンの使用有りの場合と使用無しの場合のどちらにも伝達出力の最大値があることが試験によって示されており、ここに、最大値は重なり合わない。

ブレードは、開放カール形状をした先端を有している。
開放カール形状の長さは、ブレードの長さの１０％から２５％の間であるのが好ましい。

カールが大きすぎるか又は小さすぎる場合には、推進器効果は減少する。
本発明の上記及び他の態様が、以下に説明され、図面の助けを借りて例示されている。

垂直軸を有する既知の風力タービンを示している。 垂直軸を有する既知の風力タービンの追加の例を示している。 本発明による風力タービンを示している。 図３Ａと共に、本発明による風力タービンを示している。 既知の風力タービンの外観を示している。 本発明による風力タービンの外観を示している。 本発明による風力タービンの模式図を示している。 本発明による風力タービンについての好適な設計を示している。 伝達出力をブレードの位置の関数として指し示すグラフを示している。 本発明による風力タービンの或る実施形態を示している。 本発明の或る実施形態による風力タービン用の回転子ブレードの更なる詳細を示している。

図は常に縮尺を合わせて描かれているとは限らず、また同様の部分は普通は同様の符号を付して指し示されている。例示中に指し示されている寸法は、一例に過ぎず、別途指示の無い限り、限定的と受け止められてはならない。

図１は、垂直軸を有する既知の風力タービンを示している。この風力タービンは、米国特許出願ＵＳ２００４２６５１１６から知られている。回転子１は、ブレード２と、ＵＳ２００４２６５１６６では「固定案内フィン」と呼ばれている固定された風案内３と、を具備している。回転子は、下側ブレード４と下側ブレード５を有している。風案内は、固定要素６へ取り付けられている。

ＵＳ２００４２６５１１６によれば、この設計は、風が吹いている方向に関わりなく良好な出力を発生させる。
図２は、ＣＡ１２２９７９６に提示されている既知の風力タービンを示している。この既知の風力タービンでは、風案内は２つのスクリーン２３及び２４を含んでいる。スクリーンシステムの方位は風向計を用いて調節することができる。風に基づくスクリーン方位には、出力へのプラス効果がある。

本発明は、更なる改善が実施可能であるものと断定した。
図３Ａは、本発明の模式図を提示している。ブレード２を有する回転子１は、本例ではウインドスクリーン３１と３２から成るウインドスクリーンシステムに取り囲まれており、スクリーン間にはギャップ３３が設けられている。ウインドスクリーンのシステムは、回転子軸周りに回転する。ウインドスクリーンシステムの方位は、方向信号に依存する。方向信号は、例えば風力計から取得される。本例では、直径Ｄ１を有する区域が、垂直軸の周りに空けられているのが好ましい。回転子そのものの直径は、模式図上にＤ２で指し示されている。回転子ブレードは、先端を開放カール３４のところで中央部分に向かって湾曲させて終わっている。本例では、回転子は、更に、垂直軸を含んでいるが、回転子の真中の棒という意味での軸ではない。とはいえ、実施形態は中心軸を含んでいてもよい。具体的に、７つの回転子が積み重ねられている実施形態では、回転子間に機械的接続を確立する中心の棒材を設けるのが好都合である。中央部分に向かって内向きに曲がっている回転子ブレードの先端のカール形状３４は、カール形状の閉じている側にぶつかる風に対する航空機の翼に似た空気力学的外形を回転子ブレードに与えている。

図３Ｂは、この効果を模式的に提示している。寸法Ｌの外側要素と寸法Ｌ１の内曲要素を有するカール形状３４は、空気力学的意味では翼として働く。これは、ブレードの外表面に垂直な矢印によって指し示される「吸引力」を生み出す。カール形状３４は、回転子ブレードの全長（上部から下部）に亘って延びている。カール形状３４は、内曲縁を形成しており、ここに、内曲部分は、外側部分の長さＬの好適には１０％から２５％の間の長さＬ１であるのが好ましく、約１５％の長さＬ１が好適である。カールの寸法Ｌ１は、そうすると、ブレードの寸法の１０％から２５％の間、好適には約１５％である。カール３４がそれより長いと、風がカールの内側部分に当たったときに起こる推進効果が減少し（この効果は、模式的に、スクリーン３２脇のブレードに当たる矢印によって示されている）、カール３４がそれより短いと、空気力学的外形の有効性が薄れ、「吸引効果」が減少する。

図４Ａは本発明を示し、図４ＢはＣＡ１２２９７９６による設計を示すものであって、図４Ａと図４Ｂは両者の間の回転子ブレードの形状及びスクリーンの形状の違いを示している。

図４Ａと図４Ｂの比較は、ＣＡ１２２９７９６では、回転子ブレードは、中央部分へ向かって内向きに曲がっている先端に開放カール形状３４が設えられておらず、むしろ単純なアーチの形状を有していることを示している。ＣＡ１２２９７９６に使用されているスクリーンもやはり本発明による形状及び取り付け方ではなく、特に、風に対し垂直ではないスクリーンに関してはそうなっていない。

下表１は試験の結果を提供している。

低定格風荷重（定格風荷重３又は２）の場合に、本発明による回転子ブレードの出力は、ＣＡ１２２９７９６の回転子ブレードの出力より有意に高い。スクリーンの設計は、鮮明なプラス効果を有しており、特に高定格風荷重（定格風荷重１）の場合はそうである。

図５は、更に、本発明を示している。
回転子は、本図では、模式的に円として指し示されている。スクリーンシステムは、図５では模式的に角度αで指し示されている方位に配置されている。例えば、スクリーン３１及び３２は、スイベル板５５上に置かれている。スイベル板５５は、駆動機構５６によって作動する。駆動機構の助けを借りて、スクリーン間のギャップの位置を修正することができる。これは、例えば、基準点に対する角度αで表すことができる。角度αは、方向装置５７である例えば風力計によって供給される方向信号に依存して設定され、図５では方向信号は簡潔さを期して同様にαで指し示されている。

方向信号を取得する簡単なやり方は、風力計によることである。風力計からの信号は、風が吹いている方向を指し示し、スクリーンのシステムは風に向かって方向決めされる。この場合、方向装置は風力計を含んでいる。

方向信号を取得する代わりのやり方は、パワー出力信号からのフィードバックである。システムを少し回転させてみて、パワー出力信号が増加すれば、システムを当該方向に更にもう少し、最適位置を過ぎるまで回転させてゆき、その後、最適位置まで後戻りさせる。この場合、方向装置は、出力をスクリーンの位置の関数として測定するための方途を含んでいる。

スクリーンシステムは、従って、風の方向又は出力が最高となる方向に基づいて方向決めさせることができる。多くの場合、２つの方向は大凡重なり合う。
図５に示されている好適な実施形態では、スクリーンシステムは、２つのスクリーンから成り、それらスクリーンは風力タービンの外側にスクリーン間にギャップを設けて設置されている。

２つのスクリーンを設置することは、３つ又はそれ以上のスクリーンを有するシステムに比べて、効率を有意に増加させる。スクリーン間のギャップが風をブレードに当てて推進するし、加えて風はスクリーンの背後に回り込みもし、このことにもプラス効果がある。

２つのスクリーンは、好ましくは、平坦な板として互いに対し横断方向に配置されていて、双方の面に垂直な線が垂直軸上で互いに大凡交差している。
この設計は非常に高いレベルの効率をもたらすことが示されている。

無論、本発明の枠組み内で多くの変型が実施可能である。
図６は、好適な実施形態を示している。この実施形態は、スクリーンについての幾つかの好適な寸法を指し示している。

ブレードの様々な位置が、位置６１、６２、６３、６４、６５、及び６７によって指し示されている。
位置６１について、円は回転子の直径Ｄ２の６２．５％をカバーし、位置６２については直径Ｄ２の５７．５％、位置６３については５２．５％、位置６４については４７．５％、位置６５については４２．５％、そして最後に位置６６については３７．５％、をカバーしている。

スクリーンの長さＡは、好ましくは直径Ｄ２の４５％から５５％の間であり、大凡５０％（±２％）が好適であり、ギャップの幅Ｂは、好ましくは５５％から７０％の間であり、大凡６２．５％（±２％）が好適である。

本発明は、伝達される出力が、スクリーンシステムが使用されている場合も使用されていない場合も共に、直径Ｄ１とＤ２の間の比に依存することを突き止めた。とはいえ、最適レベルは、スクリーンが使用されている場合では異なる。

表２は、スクリーンシステム有りの場合と無しの場合での当該比に依存する伝達出力を指し示している。この表は図５に示されている。ＲＰＭは、毎分当たり回転数を意味する。

スクリーン３１及び３２には非常に強力な効果のあることが明白である。表２に示されている効果はスクリーンの方向に強く依存しており、風の方向からの偏差５−１０度に有意な効果があった。数個のスクリーンの設置、例えば３つ設置又は４つ設置は、それぞれ、効率を目立って減少させる。

図７は、表２に指し示されている通りにＲＰＭ数を位置の関数として示している。線７１は、スクリーン使用有りでの無荷重時、線７２は軽荷重時、そして線７３は重荷重時の、ＲＰＭ数を示している。線７４は、スクリーン使用無しでの無荷重時、そして線７５は軽荷重時、のＲＰＭ数を示している。曲線には最大値がある。

図８は、本発明による風力タービンについての或る実施形態を示している。右側には比較のために標準的なタービンが描かれている。本発明による風力タービンは、都市部環境の様な標準的風力タービンのための余裕の無い場所に設置することができよう。高層ビルの間には強い風が起こり得る。本発明による風力タービンは、本例ではポールへ定着されている。それは、高い建造物の壁又は絶壁にも定着させることができる。

示されている風力タービンは、積み重ねられた回転子１Ａ、１Ｂ、など、を有するものとして示されている。風力タービンは、回転子の積重のための共通の回転式スクリーンシステムを具備している。先の実施形態の場合同様に、方向計が設けられている。方向は、風力測定値から得られる。相当な長さの風力タービンの場合には、２つ又はそれ以上の風力計を設け、例えば２つの測定値の平均を信号として使用していてもよい。ウインドファームの場合には、中央の風力計を幾つかの風力タービンに共通に使用することができよう。

図８は、回転子のブレードはどれもがみな同じ位置を有しているのではなく回転子毎に位置を異ならせていることを示している。例えば、３枚のブレードを有する（ひいては１つの回転子のブレード間角度が１２０度の）回転子２つからなる積重があるとして、隣接する２つの回転子のブレード間角度は６０度飛んでいるのが好ましい。回転子へ作用する力は、スクリーンのシステムに対するブレードの角度に依存して変化する。３枚のブレードの場合、１２０度のモジュールに伴った変化量となる。この変化量を６０度だけずらすやり方で第２の回転子を設置することにより、力全体での変化量は縮小される。例えば、ブレードが４枚の回転子３つの場合には、回転子のブレードの方位に３６０／４＊１／３＝３０度の差が常に認知され得るはずである。

上記の例は風力タービンを示している。これは１つの好適な実施形態である。同様に、実施形態ではタービンを駆動するのに水の様な別の流体を使用することもできよう。
まとめると、本発明は次の様に記述できる。

タービン、例えば風力タービンは、垂直軸を有する回転子（１）と、風及び流体を回転子へ案内するためのスクリーンシステム（３１、３２）と、を具備している。タービンは、方向信号を発生させる方向装置（５７）と、スクリーンシステム（３１、３２）を方向信号に依存して方向決めする手段（５５、５６）と、を具備している。回転子ブレードは、軸に向かって曲がっている側に開放カール形状３４が設えられている。

開放カール形状の別の書き表し方は、部分的に折り返された縁、である。
無論、本発明の枠組み内で多くの変型が実施可能である。よって、積重式回転子の場合には、ブレードの飛ばしは一定であってもよいし不同であってもよい。示されているブレードはブレードを横断する視点から見て直線状即ち垂直であり、曲がったブレードではない。しかしながら、ブレードは垂直方向に螺旋の一部を形成する軽い曲がりを呈していてもよい。特に、積重式回転子の場合には、曲がりは、回転子のブレードの上面が次の回転子のブレードの下面に殆ど触れるくらいであってもよい。例えば、ブレードが５枚の回転子６つなら、飛ばしは３６０／（５＊６）＝１２度である。実施形態が下から上まで１２度の僅かな曲がりを呈するブレードを使用しているなら、次に続く回転子のブレードは下方の回転子のブレードと一直線を成す。結果として、回転子の積重の垂直軸を覆う様に螺旋様の形状を有するブレードのセットがもたらされる。

図９は、本発明による風力タービンの或る実施形態のための回転子ブレードを更に詳細に示している。
内曲縁の長さは、本例では、本図で１００％と設定されている回転子の長さＬの大凡１５％とされ、本例では１４％である。回転子ブレードの厚さＤは、本例では、長さＬの２０％である。厚さＤは、１５％から３０％の間であるが好ましい。

１、１Ａ、１Ｂ 回転子
２ ブレード
３１、３２ （ウインド）スクリーン
３３ スクリーン間のギャップ
３４ カール形状
５５ スイベル板
５６ 駆動機構
５７ 方向装置
６１、６２、６３、６４、６５、６７ ブレードの位置
Ｄ 直径
Ｄ 厚さ
Ｌ 長さ
α 角度

Claims (9)

1. 流体によって駆動されるタービンであって、垂直軸を有する回転子（１）を有しており、前記回転子の周りを回転するスクリーン（２１、２２）のシステムを含む流体案内と、更に、方向信号を取得するための信号手段（２７）と、前記スクリーンのシステムを、前記方向信号に依存して、当該スクリーンシステム（２１、２２）を前記回転子（１）の周りに回動させることによって、方向決めするための方向決め手段（２６、２５）と、が設けられており、前記回転子は、上プラットフォームと下プラットフォームの間に、前記垂直軸の周りの中央に位置する部分を空けて、複数の内向きに曲がっているブレード（２）を含んでいる、タービンにおいて、前記回転子ブレード（２）には、前記中央部分に面する端に開放カール形状（３４）が設けられている、ことを特徴とするタービン。
2. 前記開放カール形状（３４）の長さ（Ｌ１）は、回転子ブレードの長さ（Ｌ）の１０％から２５％の間である、ことを特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記タービンは風力タービンである、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタービン。
4. 前記方向装置は風力計を含んでいる、ことを特徴とする請求項３に記載のタービン。
5. 前記スクリーンのシステムは２つのスクリーン（２１、２２）から成り、前記スクリーンは前記風力タービンの外側に当該スクリーン間にギャップ（２３）を設けて設置されており、前記タービンには、前記ウインドスクリーン間の前記ギャップを前記方向装置からの前記方向信号に依存して方向決めするための手段が提供されている、ことを特徴とする、上記請求項のうちの１項に記載のタービン。
6. 前記２つのウインドスクリーンは、互いに対して大凡垂直に設置されており、双方の面に垂直な線は前記垂直軸上で互いに交差している、ことを特徴とする請求項５に記載のタービン。
7. 前記スクリーンは、前記回転子の直径の５０％から５５％の距離に亘って延びている、ことを特徴とする請求項６に記載のタービン。
8. 前記スクリーン間の前記ギャップの長さは、前記回転子の直径の５５％から７０％の間である、ことを特徴とする請求項６に記載のタービン。
9. 前記垂直軸の周りの前記ブレードが存在しない区域の円の直径（Ｄ１）は、前記回転子の直径（Ｄ２）の４０％から４５％の間にある、ことを特徴とする請求項５から請求項８のうちの１項に記載のタービン。

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