JP2014510225A - 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装置 - 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装置にとって、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、少なくとも一つのローターブレードをおのおの有している少なくとも三つの支持フレームが、前記ローターシャフト上に配されており、前記ローターブレードは、前記ローターの回転方向に同じ角度だけ互いからオフセットされており、前記ローターブレードは、前記ローターシャフトからある径方向距離に配されている。少なくとも一つの風通路は、前記ローターシャフトと前記ローターブレードのおのおのの間に形成されている。したがって、高性能を有している装置が作り出される。

Description

本発明は、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装置に関しており、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、少なくとも一つのローターブレードをおのおの有している少なくとも三つの支持フレームが配されており、ローターブレードは、ローターシャフトの回転の方向に同じ角度だけ互いからオフセットされている。

他の実施形態に比べて高い効率の結果、風向に横たわっている回転軸のローターいわゆる水平軸ローターを有している風力システムは、鉛直回転軸のローターを有しているものを大きく超えた利得受理を有している。しかしながら、水平軸ローターの使用のますますの広まりに伴い、それの不利益は、動いているローターブレードによる陰の周期的な落下などの影響と、特に外側ブレードチップの速い周速度によって引き起こされるノイズの発生を有している。これらの風力システムの影の落下と、またノイズの発生の両方はしばしば、特に居住エリアの近傍の居住者によってやっかいなものと知覚され、その結果、新システムのための認可手続きがしばしば困難になる。

水平軸ローターを有しているオフショアシステムの架設と共に、問題を回避する一つのアプローチは、抵抗ローターとして設計された鉛直の回転軸を有しているローターの使用にある。

推進ローターとして設計されたほとんどの鉛直軸ローターは、広く使用される水平軸ローターと同様にノイズと影の周期的な落下を引き起こすが、これらの欠点は、抵抗ローターでは、通常重要ではない。しかしながら、鉛直回転軸を有している既知の抵抗駆動装置は、非常にはなはだしく経済効果と競合する非常に低い抵抗を有している。低い効率は、ローターブレードの流入表面に加えて、ローターブレードに当たる風が常に、風に逆らって回転しているローターブレードの後ろ側を押し、これらの横に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。

前述の損失が回避され、鉛直の回転軸を有している以前の抵抗ローターに比べて高い効率を有している、鉛直の回転軸を有している風力を使用するための装置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に記載の装置で実施される。装置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１１において与えられる。

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装置であり、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、少なくとも一つのローターブレードをおのおの有している少なくとも三つの支持フレームが、前記ローターシャフト上に配されており、前記ローターブレードは、前記ローターシャフトの回転の方向に同じ角度だけ互いからオフセットされている、装置において、本発明によれば、前記ローターブレードは、前記ローターシャフトからある径方向距離に配されており、少なくとも一つの風通路が、前記ローターシャフトと前記ローターブレードの間に形成されている、ことが提供される。前記風通路は、前記装置の動作のあいだ、後ろ側上に流れる風を受けているローターブレードからの風に対する抵抗が、ローターシャフトに置か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有している。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、結果として好適である。

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する。

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、前記支持フレームの支持アームによって有利に境界が定められている。この目的のため、ローターブレードのための各支持フレームは、それらの間に前記ローターブレードが保持されている二つの支持アームを有利に有している。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。

前記ローターブレードが前記ローターの前記回転軸に垂直な平面内に配されているならば、装置は特にコンパクトな寸法を有していることができる。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。したがって、理想的には少なくとも三つのローターブレードが一平面内に配される。前記ローターブレードの間の距離または角度は、可能な限り同じであるべきであり、三つのローターブレードでは好ましくは１２０°である。前記ローターブレードの互いの最小距離はおそらく、風の乱流に依存して決定されるべきである。

前記ローターの前記回転軸に垂直な平面内に配された前記支持フレームの支持アームのすべてが一部品コンポーネントとして形成されていることによって、ローターブレードの前記支持フレームまたは個々の支持部分の安定性が増大され得る。風によって作り出され前記装置に作用する力が、コンポーネント全体に分配されるので、前記ローターまたは個々の支持アームまたは支持フレームの負荷を変化させる強い方向依存性が有効に打ち消され得る。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、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。この目的のため、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の反対側に少なくとも一つのカップ開口をおのおの有している水平カップとして形成されている、ことが提供される。前記装置の動作のあいだ、風は、風の方に開口が位置している前記カップ開口を有している前記カップの中を押し進み、他のカップでは反らされる。前記カップに流れ込む空気は遮られ、前記ローターの回転運動に変換される圧力を一つまたは複数のカップの中に作り出す。この場合、それぞれの前記カップの中の圧力は、前記カップの前記外側表面に作用する逆圧を上回る。

前記カップの最適化は、これらが凸状湾曲横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カップ開口として形成されることから成る。この形状は、前記凸状湾曲外側横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、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。それぞれの前記支持アームに平行な前記底面またはカップ開口の縁がこれらの上に横たわっているので、前記ピラミッド形状ローターブレードはさらに、それぞれの前記支持フレームに簡単な方法で固定されることができる。好ましくは、カップ開口として構成された前記ピラミッドの前記底面は、矩形形状を有している。矩形形状は、たとえば正方形または円形底面と比べて、同じ高さに対して可能な限り大きい流入表面を有している。

その装置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風荷重分布によって増大され得る。この目的のため、ローターブレードは、それの中心から外側に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、カップまたはピラミッドが形成されたとき、通常、前記カップまたは前記ピラミッドの最深領域にある。トルクは、前記ローターシャフトから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カップの最深点は、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。

さらなる開発によれば、前記ローターは、その回転軸に垂直に構成された少なくとも二つの平面内に、ローターブレードをもつ支持フレームを有しており、複数のローターブレードは、前記回転軸に異なる角度に傾けられて前記ローターシャフト上に一方が他方の上方に配されている。その結果、生じ得る風乱流によって前記ローターブレードが悪影響を受けることなく、一つの平面だけよりも全体で多くのローターブレードが提供され得る。さらに、前記ローターシャフトに連結されたジェネレーターに伝達され得るトルクが、より多数のローターブレードによって増大される。したがって、その装置で生成され得るローターの電流または電力の量は、ローターブレードの数に依存して増大され得る。

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を変化させる方向依存が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。

装置の高い安定性を保証するため、別のさらなる開発によれば、前記ローターの前記ローターシャフトが、支持体マストの中に配されている、ことが提供される。支持体マストで、たとえば、より強い風を利用するため、装置は、より大きい高さに配されてよい。さらに、風力を利用するために複数のローターが支持体マストに配されてよい。

本発明の代表的実施形態が図面に示されている。
図１は、風力を使用するための装置を斜視図で示している。 図２は、風力を使用するための装置を平面図で示している。 図３は、風力を使用するための装置を側面図で示している。

図１に示された装置は、ローター２を備えた支持体マスト１を有しており、ローター２は、鉛直の回転軸を有している。ローターブレード３が、支持体マスト１に垂直な三つの平面内において、支持体マスト１上に配されている。全体で九つのローターブレード３が支持体マスト１上に配されるように、三つのローターブレード３が、三つの平面のおのおのに分配されている。これらのローターブレード３は、おのおの支持フレーム４に保持されており、各支持フレーム４は、第一の上側支持アーム５と第二の下側支持アーム６で構成されている。支持アーム５または６は、支持体マスト１に垂直な一つの平面にそれぞれある一部品コンポーネントから成っている。したがって、装置は全体として、上側支持アーム５のための三つの一部品コンポーネントと、下側支持アーム６のための三つの一部品コンポーネントを有している。

ローターブレード３はおのおの、その頂点がローターの回転方向にある四つの矩形横表面７，７'，７''，７'''を有しており、横表面７，７'，７''，７'''は、ローターブレード３が、平面図と側面図の両方で丸められた輪郭を有しているように、凸状に湾曲している。したがって、ピラミッド形状ローターブレード３のおのおのは、横表面７，７'，７''，７'''’によって形成されたカップに対応しており、ピラミッドの底面は、カップ開口８として形成され、横表面７，７'，７''，７'''の内側壁に形成された流入表面の境界を定めている。カップ開口８は、鉛直方向に、またローター２の回転軸に垂直に延びている。したがって、カップ開口８に流れ込む空気は、ローターブレード３の内側に圧力を働かせる。

それぞれ、一つの風通路９が、支持体マスト１と、ローターブレード３の横表面７，７'，７''，７'''の間に形成されており、それぞれの支持アーム５によって上辺の境界が、またそれぞれの支持アーム６によって底辺の境界が定められている。これらの風通路９は、横表面７，７'，７''，７'''から流れ去る空気が、溜まらずに最適な方法で導かれ去ることを確実にする。

ローターブレード３の丸められた輪郭は、図２に特に明らかである。さらに、ローターブレード３の最上面の上側支持アーム５のコンポーネントは一部品で形成されており、また、いずれの場合も、一平面のローターブレード３の配列は互いに１２０°角度にあることが見てとれる。いずれの場合も、少なくとも４０°の角度が、さまざまな平面内のローターブレード３の間に提供されている。したがって、各ローターブレード３は、ローター２の回転軸に対して異なる角度で配される。

図３は、上側および下側支持アーム５，６が、ローターブレード３の二つの平面の間に、可能な限り短い距離で支持体マスト１上に配されていることを示している。ローターブレード３のカップ開口はおのおの、矩形形状であり、ローターブレード３の横表面７または７''は、支持アーム５または６に接しており、同時にカップ開口８の上辺と底辺の境界を定めている。さらに、支持体マスト１とローターブレード３の間の風通路９の表面積は一致していてよい。

いま風がローターブレード３に流れると、風は、ローターブレード３の少なくとも四つのカップの中を押し進む。この場合、横表面７，７'，７''，７'''に流れを受けているローターブレード３上に作り出される圧力は、ローターがその回転方向に回転し始めるようなローターブレード３上の圧力よりも低い。作り出された回転運動は、支持体マスト１の内側に、それからジェネレーターに連結されていてよいローターシャフトに伝達される。

いま風がローターブレード３に流れると、風は、ローターブレード３の少なくとも四つのカップの中を押し進む。この場合、横表面７，７'，７''，７'''に流れを受けているローターブレード３上に作り出される圧力は、ローターがその回転方向に回転し始めるようなローターブレード３上の圧力よりも低い。作り出された回転運動は、支持体マスト１の内側に、それからジェネレーターに連結されていてよいローターシャフトに伝達される。
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有している風力を使用するための装置であり、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、少なくとも一つのローターブレードをおのおの有している少なくとも三つの支持フレームが、前記ローターシャフト上に配されており、前記ローターブレードは、前記ローターシャフトの回転の方向に同じ角度だけ互いからオフセットされている、装置において、前記ローターブレード（３）は、前記ローターシャフトからある径方向距離に配されており、少なくとも一つの風通路（９）が、前記ローターシャフトと前記ローターブレード（３）の間に形成されている、ことを特徴とする装置。
［２］前記ローターブレード（３）と前記ローターシャフトの間の前記風通路（９）の表面積はおのおの、前記ローターブレード（３）の表面積の少なくとも一つの四分の一になる、ことを特徴とする［１］に記載の装置。
［３］ローターブレード（３）のための各支持フレーム（４）が、それらの間に前記ローターブレード（３）が保持されている二つの支持アーム（５，６）を有しており、前記風通路（９）のそれぞれの表面積は、前記支持アーム（５，６）によって境界が定められている、ことを特徴とする［１］または［２］のいずれか一つに記載の装置。
［４］前記ローターブレード（３）は、前記ローター（２）の前記回転軸に垂直な平面内に配されている、ことを特徴とする［１］ないし［３］のいずれか一つに記載の装置。
［５］前記ローター（２）の前記回転軸に垂直な平面内に配された前記支持アーム（５，６）はすべて、一部品コンポーネントとして形成されている、ことを特徴とする［３］または［４］のいずれか一つに記載の装置。
［６］前記ローターブレード（３）は、前記ローター（２）の前記回転軸の回転方向の反対側に少なくとも一つのカップ開口（８）をおのおの有している水平カップとして形成されている、ことを特徴とする［１］ないし［４］のいずれか一つに記載の装置。
［７］前記カップは、凸状湾曲外側表面（７，７'，７''，７'''）を備えたピラミッドの形状を有しており、前記ピラミッドのベース表面は、カップ開口（８）として形成されている、ことを特徴とする［６］に記載の装置。
［８］前記カップ開口（８）はおのおの、矩形形状を有している、ことを特徴とする［６］または［７］のいずれか一つに記載の装置。
［９］前記ローターブレード（３）は、それの中心から外側に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装置。
［１０］前記ローター（２）は、その回転軸に垂直に構成された少なくとも二つの平面内にローターブレード（３）を備えた支持フレーム（４）を有している、ことを特徴とする［１］ないし［９］のいずれか一つに記載の装置。
［１１］前記ローター（２）の前記ローターシャフトは、支持マスト（１）の中に配されている、ことを特徴とする［１］ないし［１０］のいずれか一つに記載の装置。
［１２］いくつかのローター（２）は、支持マスト（１）に配されている、ことを特徴とする［１１］に記載の装置。

Claims (12)

1. 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装置であり、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、少なくとも一つのローターブレードをおのおの有している少なくとも三つの支持フレームが、前記ローターシャフト上に配されており、前記ローターブレードは、前記ローターシャフトの回転の方向に同じ角度だけ互いからオフセットされている、装置において、前記ローターブレード（３）は、前記ローターシャフトからある径方向距離に配されており、少なくとも一つの風通路（９）が、前記ローターシャフトと前記ローターブレード（３）の間に形成されている、ことを特徴とする装置。
2. 前記ローターブレード（３）と前記ローターシャフトの間の前記風通路（９）の表面積はおのおの、前記ローターブレード（３）の表面積の少なくとも一つの四分の一になる、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ローターブレード（３）のための各支持フレーム（４）が、それらの間に前記ローターブレード（３）が保持されている二つの支持アーム（５，６）を有しており、前記風通路（９）のそれぞれの表面積は、前記支持アーム（５，６）によって境界が定められている、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装置。
4. 前記ローターブレード（３）は、前記ローター（２）の前記回転軸に垂直な平面内に配されている、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の装置。
5. 前記ローター（２）の前記回転軸に垂直な平面内に配された前記支持アーム（５，６）はすべて、一部品コンポーネントとして形成されている、ことを特徴とする請求項３または４のいずれか一つに記載の装置。
6. 前記ローターブレード（３）は、前記ローター（２）の前記回転軸の回転方向の反対側に少なくとも一つのカップ開口（８）をおのおの有している水平カップとして形成されている、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装置。
7. 前記カップは、凸状湾曲外側表面（７，７'，７''，７'''）を備えたピラミッドの形状を有しており、前記ピラミッドのベース表面は、カップ開口（８）として形成されている、ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記カップ開口（８）はおのおの、矩形形状を有している、ことを特徴とする請求項６または７のいずれか一つに記載の装置。
9. 前記ローターブレード（３）は、それの中心から外側に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装置。
10. 前記ローター（２）は、その回転軸に垂直に構成された少なくとも二つの平面内にローターブレード（３）を備えた支持フレーム（４）を有している、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装置。
11. 前記ローター（２）の前記ローターシャフトは、支持マスト（１）の中に配されている、ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の装置。
12. いくつかのローター（２）は、支持マスト（１）に配されている、ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。