JP2014506975A - 風力を使用するためのシステム - Google Patents

Abstract

少なくとも一つのローターを有している風力を使用するためのシステムに関し、前記ローターは、鉛直配列回転軸を有しているローターシャフトを有しており、前記ローターシャフトの回転方向に同じ角度だけ互いからオフセットされたローターブレードが前記ローターシャフト上に配されており、各ローターは、風力モジュールのフレーム内に収容されており、前記ローターシャフトは、前記ローターシャフトが前記ローターシャフトの両端で回転されることができるような方法で、前記フレームのレセプタクルに支持されており、いくつかの風力モジュールの個々のローターが、前記ローターシャフトのための前記レセプタクルによって力の閉じた方式で互いに結合されることができる。前記システムは、柔軟に使用されることができ、高性能を有している。

Description

本発明は少なくとも一つのローターを備えている風力の使用のためのシステムに関しており、ローターは、鉛直配列回転軸を有しているローターシャフトを有しており、ローターシャフト上には、ローターシャフトの回転方向に同じ角度だけ互いからオフセットされたローターブレードが配されている。

鉛直配列回転軸を有している風力システムは通常、風向に横たわっているローターの水平回転軸を有しているものと比べて、低い効率を有しており、それは、非常にはなはだしく経済効果と競合する。これは、特に、ローターが抵抗ローターとして構成される場合である。低い効率は、風は常に、風向で、また風向に逆らって回転しているローターブレードに当たり、風向に逆らって回転しているローターブレード上を不適当に単に流れる、という事実によってしばしば引き起こされる。したがって、とりわけ、ローターのまわりに部分的に配されたハウジングで気流を方向転換または反らす試みがなされたが、ここにおいて不利益は、風は一方向だけから遮られ得るということである。さらに、水平配列回転軸を有している風力システムと、また鉛直配列回転軸を有している風力システムは、通常、それらが組み立てられた後に拡張され得ない。必須部品の交換なしに、たとえば性能面の変更への適応は可能ではない、それは通常、風力システム全体の分解を必要とする。

柔軟に使用することができ、拡張されることができ、鉛直回転軸を有している以前の抵抗ローターと比べて高い効率を有している風力を使用するためにシステムを提供することが本発明の目的である。

この目的の解決は、請求項１に記載のシステムで実施される。前記システムのさらなる開発および有利な構成は、従属請求項２ないし１０において与えられる。

少なくとも一つのローターを備えている風力を使用するためのシステムにおいて、前記ローターは、鉛直配列回転軸を有しているローターシャフトを有しており、前記ローターシャフトの回転方向に同じ角度だけ互いからオフセットされたローターブレードが前記ローターシャフト上に配されており、本発明によれば、各ローターは、風力モジュールのフレーム内に収容されており、前記ローターシャフトは、その両端が前記フレームのレセプタクルに回転可能に装着されており、いくつかの風力モジュールの個々のローターが、前記ローターシャフトのための前記レセプタクルによって互いに非積極的に結合されることができる、ことが提供される。

前記ローターシャフトが装着され、それによって二つのローターシャフトが互いに非積極的に連結される前記レセプタクルは、二つ以上の風力モジュールが共通のジェネレーターに置かれることを可能にする。風力モジュールの数と作り出される全体のトルクに依存して、ジェネレーターの必要電力が決定されてよい。前記ローターが収容されている前記フレームが、いくつかの風力モジュールから成るシステムに、必要な安定性を与える。この目的のために、前記風力モジュールの前記フレームは、それによって、システムを形成するために複数の前記風力モジュールがモジュール形式で連結および組み合わされることができる装着手段を有利に有している。

システムを形成するために個々の風力モジュールが組み合わされることができるので、風力を使用するためのシステムのサイズは、前記システムの現場において必要とされる電力または最大可能電力に柔軟に適合され得る。追加の風力モジュールと、必要であれば交換されてよいジェネレーターを取り付けることによって、大がかりな経費なしで、後の拡張が可能である。

風の流入方向にかかわらずシステムの動作を保証するために、少なくとも三つのローターブレードが必要である。これらは、好ましくは、前記ローターの前記回転軸に垂直な平面内に１２０°の角度で配されるべきであり、その結果、特にコンパクトな寸法の風力モジュールが達成される。したがって、前記ローターシャフトの周囲まわりの利用可能な空間が最良に利用される。より均一でより高いトルクを得るため、三以上の総数のローターブレードが提供され、それらは、それぞれ互いからより小さい角度間隔で配される。有利には、前記ローターの前記回転軸に垂直な少なくとも二つの平面内に六つのローターブレードが配されており、風力モジュール中の二つの総数の平面に関して、一つの平面内において互いからの前記ローターブレードの角度間隔は１２０°であり、第一の平面の前記ローターブレードは、第二の平面に対して６０°だけオフセットされている。

多くのローターブレードのさらなる利点は、装置の動作のあいだに生じ得るアンバランスが低減され、したがって、前記ローターに作用する負荷の方向依存変化は回避されるということである。同時に、前記ローターの回転によって作り出されるトルクは、より少ない変動にさらされることが達成される。

さらなる開発によれば、前記ローターブレードが前記ローターシャフトから径方向に距離を置いて配され、少なくとも一つの風通路が前記ローターブレードと前記ローターシャフトの間に形成される、ことが提供される。前記風通路は、前記システムの動作のあいだ、風を後ろ側に流し、風向に逆らって回転している前記ローターブレードからの風に対する抵抗が、前記ローターシャフト上に支えられているローターブレードと比べて低減される、という結果をもたらす。風の流れを後ろ側に受ける前記ローターブレードに当たる風は、それから、両側、すなわち、前記ローターシャフトに面している側と、前記ローターシャフトから離れて面している側の両方に、より順調に流れることができる。風向に回転している前記ローターブレードに当たる風は、これらのローターブレードによって「遮られて」変化されないので、本発明による前記ローターは、逆圧に対する圧力の特に好適な比をもつ前記ローターブレードにおける全体的に改善された流れプロファイルを有している。システムの効率は特に、結果として好意的である。

前記風通路が十分な大きさに作られることを保証するため、前記ローターブレードと前記ローターシャフトの間の前記風通路の表面積は、いずれの場合も、前記ローターブレードの表面積の少なくとも六分の一、特には、いずれの場合も、前記ローターブレードの表面積の少なくとも四分の一、特には、いずれの場合も、前記ローターブレードの表面積の少なくとも半分である。これらの寸法は、風の流れを後ろ側に受ける前記ローターブレードから反らされた空気が、最適な方法で、前記ローターブレードによる空気の溜まりなく、方向転換されることを保証し、少なくとも必要とされる表面積は前記ローターブレードの構成に依存する。適切に空間的に成形されたローターブレードでは、前記風通路の表面積はまた、前記ローターブレードの表面積の八分の一ないし七分の一であってよい。

鉛直延長においては、前記ローターブレードと前記ローターシャフトの間に形成された前記風通路は、いずれの場合も、支持アームによって有利に境界が定められている。これらの支持アームは、前記ローターシャフトに有利に連結され、前記ローターブレードのための支持フレームを形成しており、前記ローターブレードは、前記支持フレーム中に前記支持アームの間に保持されている。したがって、前記風通路の表面積は、可能な限り大きい。さらに、前記支持フレームの支柱の結果として、空気乱流が回避される。それぞれの前記支持アームに保持された前記ローターブレードは、同時に、最適に固定されており、平易設計かつ軽量支持フレームが提供される。

風力モジュールの回転平面内に配された前記支持アームのすべてが一部品コンポーネントとして構成されていることによって、前記ローターまたは個々の支持アームの負荷を変化させる強い方向依存性が効果的に打ち消され得る。適切な天候における氷結を防止するため、前記ローターブレードおよび／または支持フレームはまた、加熱されるように設計されてもよい。

特に、動作のあいだ風向に逆らって風の流れを後ろ側に受けているローターブレードに作用する逆圧は、前記ローターブレードの流体的に好適な外形によって最小化され得る。したがって、前記ローターブレードが、前記ローターの前記回転軸の回転方向に外向き湾曲ブレード背面をもつくぼみとして構成されている、ことが提供されてよい。一つの実施形態では、たとえば、前記くぼみは、半円筒状に形状であり、前記ローターブレードは、互いに平行な表面セクションで前記支持フレームの前記支持アームに固定されている。前記システムの動作のあいだ、風は、風の方に開口している前記ローターブレードの前記くぼみの中を押し進む。前記くぼみに流れ込む風は「遮られ」、その中に圧力を作り出し、前記ローターの回転運動に変換される。風は、風に逆らった前記ローターブレードの前記湾曲ブレード背面のまわりに簡単な方法で導かれる。この場合、それぞれの前記くぼみの中の圧力は、前記ローターブレードの前記湾曲外側ブレード背面に作用する逆圧を上回る。

代替実施形態では、前記ローターブレードはまた、凸状湾曲ブレード背面表面をもつピラミッドの形状を有しており、前記ピラミッドの底面は、開口凹部またはくぼみとして構成されている。この形状は、前記凸状湾曲外側ブレード背面表面に当たる風が最適な方法でこれらから流れ去ることができるような、球体における有利な流れの振る舞いに非常に近い。同時に、前記ピラミッドの前記底面は、特に底面が矩形に構成されたならば、前記ローターを推進する圧力を作り出すために可能な限り多くの風を「遮る」ことができる大きい流入表面を作り出す。

そのシステムで作り出され得るトルクは、前記ローターブレード上の最適化された風荷重分布によって増大され得る。この目的のため、前記ローターブレードが、それの中心から外側へオフセットして配された風荷重焦点をもつ非対称湾曲を有している、ことが提供される。風荷重焦点は、前記ローターブレードの形状に依存し、くぼみが形成されたとき、通常、前記くぼみの最深領域にある。トルクは、前記ローターシャフトの距離と共に増大するので、前記ローターブレードの前記くぼみの最深点は、前記ローターシャフトから最大可能距離に配されるべきである。この大きい距離は、前記ローター自体の寸法を増大させることなく、非対称湾曲で達成される。

風力モジュールの前記フレームが、正方形静置表面をもつ矩形形状を有しており、前記静置表面のエッジが、前記静置表面に垂直に配されたエッジよりも長いことによって、複数の風力モジュールから組み立てられたシステムの高い安定性が有利に達成され得る。その矩形形状は、風力モジュールが、互いに上および互いに隣に、特に簡単な方法で配されることを可能にする。幅に対して風力モジュールの全体的に低い高さは、追加の支柱および／または固定手段なしで、いくつかの風力モジュールが互いに上に配されても、必要とされる安定性が保証され得るように、いくつかの風力モジュールが互いに上に配されたときに、特に有利である。この場合、前記ローターブレードをもつ前記ローターは、前記フレームの正方形静置表面のエッジの長さよりも小さいスパンを有している。

風力モジュールの前記ローターシャフトのための前記レセプタクルは有利におのおの、互いに平行に延びている前記風力モジュールの二つの外側表面の中心に配されている。これらの外側表面は、前記風力モジュールの前記静置表面とトップ表面であり、二つの風力モジュールの静置表面とトップ表面は、互いに接して互いに上に配される。それから、二つのローターシャフトの非積極的な連結が、一方の風力モジュールの静置表面と他方の風力モジュールのトップ表面の二つのレセプタクルによって保証される。したがって、一方が他方の上に配され共通のジェネレーターを駆動する風力モジュールの数は、特定のジェネレーターに適合され得る。

互いに連結され得る複数の装着プレートが、風力モジュールの相互固定のために設けられてよく、それらは、風力モジュールの矩形フレームの特に角に配されてよい。前記装着プレートは、静置およびトップ表面の両方の上に、また風力モジュールの側面に有利に配すべきである。

図面の単一の図は、風力モジュール１の斜視図を示している。この風力モジュール１は矩形フレーム２を有している。フレーム２は、フレーム２のエッジに沿って互いに直角に配された複数のフレームロッド３と、互いに平行に配された矩形フレーム２の二つの側面内にある複数の交差対角線筋かい４から成っている。対角線筋かい４をもつ側面は、矩形フレーム２の静置表面とトップ表面して形成されており、おのおの正方形表面積を有している。

それぞれ、一つのレセプタクル５または５’が対角線筋かい４の交点で配されており、鉛直配列回転軸を有しているローターシャフト６が、レセプタクル５，５’の間に装着されている。このローターシャフト６は、レセプタクル５，５’によって、さらなる風力モジュール１のローターシャフト６に非積極的に連結されることができ、それぞれ一つのレセプタクル５と一つのレセプタクル５’が互いに結合されることができる。

複数のローターブレード７が、ローターシャフト６上に、ローターシャフト６の回転軸に垂直な二つの平面内に配されており、平面のおのおのは、いずれの場合も、１２０°ずらして配された三つのローターブレード７を有している。ローターブレード７はおのおの、上側支持アーム８と下側支持アーム９を備えている支持フレームによってローターシャフト６上に保持されており、それぞれ、６つの支持アーム８と６つの支持アーム９が、ローターシャフト６に垂直に配されている。

ローターブレード７は、ローターシャフト６の回転方向に外向き湾曲ブレード背面をもつ非対称くぼみとして形成されている。ローターブレード７のおのおのは、２０°の角度で互いに傾向させて配された二つの相互反対側表面セクションを付加的に有しており、それらは、湾曲セクションにおけるブレード背面を定めており、それらに、いずれの場合も、支持アーム８，９が固定されている。したがって、ブレード背面と一緒に、ローターブレードの風流入表面が、これと二つの表面セグメントの間に形成され、その表面セグメントは、ブレード背面の方へ互いの方へ先細りして配されている。それぞれ、一つの風通路１０が、ローターシャフト６とローターブレード７の間に形成されており、それは、それぞれの支持アーム８，９によって付加的に境界が定められている。

いくつかの風力モジュール１をモジュール式方法で互いにつなぐため、風力モジュール１のレセプタクル５をもつ静置表面とレセプタクル５’をもつトップ表面の角に装着プレート１１が配されており、それらは、別の風力モジュール１の装着プレート１１につながれることができる。二つの風力モジュール１を連結する場合、レセプタクル５，５’に保持されたローターシャフト６が互いに非積極的に結合されるように、隣接するトップおよび静置表面のレセプタクル５’および５が互いに噛み合う。発電のために、風力モジュール１の一つのローターシャフト６が、レセプタクル５または５’を介してジェネレーターに結合されることができる。

システムの動作のあいだ、風の方に開いているローターブレード７のキャビティの凹部の中を風が押し進み、ローターシャフト６が回転される。風向に逆らって回転しているローターブレード７の湾曲に衝突している風は、ローターシャフト６に、曲がりに外向きに反らされ、ローターシャフト６の横をそれぞれの風通路１０を通って簡単な方法で流れ去る。

システムの動作のあいだ、風の方に開いているローターブレード７のキャビティの凹部の中を風が押し進み、ローターシャフト６が回転される。風向に逆らって回転しているローターブレード７の湾曲に衝突している風は、ローターシャフト６に、曲がりに外向きに反らされ、ローターシャフト６の横をそれぞれの風通路１０を通って簡単な方法で流れ去る。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］少なくとも一つのローターを備えている風力を使用するためのシステムであり、前記ローターは、鉛直配列回転軸を有しているローターシャフトを有しており、前記ローターシャフトの回転方向に同じ角度だけ互いからオフセットされたローターブレードが前記ローターシャフト上に配されている、システムにおいて、各ローターは、風力モジュール（１）のフレーム（２）内に収容されており、前記ローターシャフト（６）は、その両端がレセプタクル（５）に回転可能に装着されており、いくつかの風力モジュール（１）の個々のローターが、前記ローターシャフト（６）のための前記レセプタクル（５，５’）によって互いに非積極的に結合されることができる、ことを特徴とするシステム。
［２］前記風力モジュール（１）の前記ローターブレード（７）が、前記ローターの前記回転軸に垂直な少なくとも一つの回転平面内に、特に少なくとも二つの回転平面内に配されている、ことを特徴とする［１］に記載のシステム。
［３］前記ローターブレード（７）が、前記ローターシャフト（６）から径方向に距離を置いて配されており、前記ローターブレード（７）と前記ローターシャフト（６）の間に少なくとも一つの風通路（１０）が形成されている、ことを特徴とする［１］または［２］のいずれか一つに記載のシステム。
［４］前記ローターブレード（７）とローターシャフト（６）の間の風通路（１０）の表面積が、前記ローターブレード（７）の表面積の少なくとも六分の一である、こと特徴とする［４］に記載のシステム。
［５］ローターブレード（７）のおのおのが、前記ローターシャフト（６）に連結された二つの支持アーム（８，９）を備えている支持フレームに保持されている、ことを特徴とする［１］ないし［４］のいずれか一つに記載のシステム。
［６］風力モジュール（１）の回転平面内に配された前記支持アーム（８，９）がすべて、一部品コンポーネントとして構成されている、ことを特徴とする［５］に記載のシステム。
［７］前記ローターブレード（７）が、前記ローターの前記回転軸の回転方向に外向き湾曲ブレード背面をもつくぼみとして構成されている、ことを特徴とする［１］ないし［６］のいずれか一つに記載のシステム。
［８］前記ローターブレード（７）が、凸状湾曲ブレード背面表面をもつピラミッドの形状を有しており、前記ピラミッドの底面が、開口凹部（８）として構成されている、ことを特徴とする［１］ないし［７］のいずれか一つに記載のシステム。
［９］前記ローターブレード（７）が、それの中心から外側方へオフセットして配された風荷重焦点をもつ非対称湾曲を有している、ことを特徴とする［１］ないし［８］のいずれか一つに記載のシステム。
［１０］前記風力モジュール（１）の前記フレーム（２）が、正方形静置表面をもつ矩形形状を有しており、前記静置表面のエッジが、前記静置表面に垂直に配されたエッジよりも長い、ことを特徴とする［１］ないし［９］のいずれか一つに記載のシステム。
［１１］前記ローターブレード（７）をもつ前記ローターが、前記フレーム（２）の前記正方形静置表面のエッジの長さよりも小さいスパンを有している、ことを特徴とする［１０］に記載のシステム。
［１２］風力モジュール（１）の前記ローターシャフト（６）のための前記レセプタクル（５，５’）がおのおの、互いに平行に延びている前記風力モジュール（１）の二つの外側表面の中心に配されている、ことを特徴とする［１］ないし［１１］のいずれか一つに記載のシステム。

Claims (12)

1. 少なくとも一つのローターを備えている風力を使用するためのシステムであり、前記ローターは、鉛直配列回転軸を有しているローターシャフトを有しており、前記ローターシャフトの回転方向に同じ角度だけ互いからオフセットされたローターブレードが前記ローターシャフト上に配されている、システムにおいて、各ローターは、風力モジュール（１）のフレーム（２）内に収容されており、前記ローターシャフト（６）は、その両端がレセプタクル（５）に回転可能に装着されており、いくつかの風力モジュール（１）の個々のローターが、前記ローターシャフト（６）のための前記レセプタクル（５，５’）によって互いに非積極的に結合されることができる、ことを特徴とするシステム。
2. 前記風力モジュール（１）の前記ローターブレード（７）が、前記ローターの前記回転軸に垂直な少なくとも一つの回転平面内に、特に少なくとも二つの回転平面内に配されている、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記ローターブレード（７）が、前記ローターシャフト（６）から径方向に距離を置いて配されており、前記ローターブレード（７）と前記ローターシャフト（６）の間に少なくとも一つの風通路（１０）が形成されている、ことを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載のシステム。
4. 前記ローターブレード（７）とローターシャフト（６）の間の風通路（１０）の表面積が、前記ローターブレード（７）の表面積の少なくとも六分の一である、こと特徴とする請求項４に記載のシステム。
5. ローターブレード（７）のおのおのが、前記ローターシャフト（６）に連結された二つの支持アーム（８，９）を備えている支持フレームに保持されている、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載のシステム。
6. 風力モジュール（１）の回転平面内に配された前記支持アーム（８，９）がすべて、一部品コンポーネントとして構成されている、ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記ローターブレード（７）が、前記ローターの前記回転軸の回転方向に外向き湾曲ブレード背面をもつくぼみとして構成されている、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載のシステム。
8. 前記ローターブレード（７）が、凸状湾曲ブレード背面表面をもつピラミッドの形状を有しており、前記ピラミッドの底面が、開口凹部（８）として構成されている、ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載のシステム。
9. 前記ローターブレード（７）が、それの中心から外側方へオフセットして配された風荷重焦点をもつ非対称湾曲を有している、ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一つに記載のシステム。
10. 前記風力モジュール（１）の前記フレーム（２）が、正方形静置表面をもつ矩形形状を有しており、前記静置表面のエッジが、前記静置表面に垂直に配されたエッジよりも長い、ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一つに記載のシステム。
11. 前記ローターブレード（７）をもつ前記ローターが、前記フレーム（２）の前記正方形静置表面のエッジの長さよりも小さいスパンを有している、ことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 風力モジュール（１）の前記ローターシャフト（６）のための前記レセプタクル（５，５’）がおのおの、互いに平行に延びている前記風力モジュール（１）の二つの外側表面の中心に配されている、ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一つに記載のシステム。