JP2014511964A - サボニウス式風力タービン - Google Patents

Abstract

サボニウス式風力タービン型である風力タービンは、長手方向軸線に沿って延びる回転可能部材と、該回転可能部材から外側へ半径方向に延び、かつ該回転可能部材の外周の周りにおいて互いに離間されている複数のブレードとを備える。回転可能部材は、通常使用時に長手方向軸線が略垂直方向に延び、ブレードが長手方向軸線の周りを移動するように配置されている。風力タービンは、風偏向器であって、ブレードが風に向かって移動するときにブレードにとっての遮蔽領域が形成されるように風の向きをそらせ、これにより、タービンに対して生じる抵抗を大幅に低減するように動作可能な風偏向器をさらに備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エネルギー生成に関し、特に、風力タービンに関する。

現在、風または河川もしくは小川などの他の流体の流れに由来するエネルギーを利用し、取得エネルギーを電気に変換するために、相当量の努力が払われている。

風または水流から大量のエネルギーを取得し、変換することは、現在、遠隔地または例えば洋上の風力発電所群などの場所に通常はあるべきである特定の構造を必要としている。このような遠く離れた場所は、過大なケーブルネットワークを必要とし、保守手続きを実行するのが困難である。したがって、このようなシステムは、比較的費用のかかるものである。

さらに、風力エネルギーを取得するために必要とされる構造は、非常に高い位置に取り付ける必要がある。このことは、多くの場合、問題となる計画の認可手続き必要とする。

また、既知の風力発電所群は、比較的うるさいものとして知られておらず、空港の近くに位置する場合にレーダーシステムに干渉することが知られている。

再生可能エネルギー生産産業は急速に発展したため、配電に使用されるインフラは、最も必要とされる時間に、所要量の電気を生産地から消費地に運ぶことが常にできるわけではない。

大規模な風力発電所群と全国的な送電網との接続、および、我々の信頼（ｏｕｒ ｔｒｕｓｔｙ）を遠い距離にわたって伝えることは、風力発電所群の数が増加するにつれて、より複雑になる。

したがって、農村環境および洋上の風力発電所群の場合と同様に都市環境下での使用に適したより小型でより効率的な風力タービンがあることが、当該産業に求められている。

本発明の第１の実施形態によれば、サボニウス式風力タービン型である風力タービンであって、長手方向軸線に沿って延びる回転可能部材と、該回転可能部材から外側へ半径方向に延び、かつ回転可能部材の外周に沿って互いに離間されている複数のブレードと、風偏向器（ｗｉｎｄ ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下も単に「偏向器」ともいう）とを有し、通常使用時に長手方向軸線が略垂直方向に延びる共に、ブレードが長手方向軸線の周りを移動するように回転可能部材が構成されており、風偏向器が、ブレードが風に向かって移動するときにブレードにとっての遮蔽領域が形成されるように風の向きを偏向し、これにより、タービンに対して生じる抵抗を大幅に低減するように動作可能となっている、風力タービンが提供される。

好適には、偏向器は、ブレードが風を捉えるように配置されている作用領域に風を誘導するように形作られる。

好適には、風力タービンは、使用の際に、偏向器が、任意の風向に関して遮蔽領域を形成し、作用領域に向けて風を偏向すべく適切に配置されるように、偏向器の位置を制御するための手段をさらに備えている。

好適には、風偏向器は、長手方向軸線の周りを回転するように取り付けられる。

偏向器の位置を制御するための手段は、空気力学的な外形の風偏向器を備えてもよい。

代替的に、または、追加的に、偏向器の位置を制御するための手段は、風向センサ、プロセッサ、およびモータを備え、該風向センサは、風の向きを検出し、風偏向器を適切な位置へ回転させるためにモータを制御するプロセッサに、対応する所定の信号を供給するよう動作可能である。

本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態に係る複数の風力タービンを備える風力タービンシステムが提供される。

好適には、タービンのうちの１つの風偏向器が、隣接するタービンの作用領域に向けて風をそらせる。

本発明の第３の実施形態によれば、第１の実施形態に係る風力タービンまたは第２の実施形態に係る風力タービンシステムを備える建築モジュールが提供される。

本発明の第４の実施形態によれば、第１の実施形態に係る風力タービンまたは第２の実施形態に係る風力タービンシステムを備えるフェンスが提供される。

タービンをより環境的に受容可能とするために、本発明は、建造物、周辺の壁フェンス、または看板の構造の一部として１つ以上のタービンを組み込む。

発電機は、タービンブレードを含むハウジング内に組み込まれてもよいし、あるいは、発電機は、ハウジングから一定の距離だけ遠く離して組み込まれてもよい。これにより、エネルギーは、流体伝達システムまたは電気的手段のための機械的手段によって、発電機に伝達される。

原材料を節約し、エネルギー消費を減らすために、本発明のタービンは、発電機（これは、新しいまたは再利用された自動車用オルタネータであってもよい）を駆動するために使用されてもよい。

次に、添付図面を参照しながら、本発明について説明する。

複数のポンプに取り付けられた、本発明に係る風力タービンの図である。 図１の風力タービンのタービンブレードから駆動シャフトまでを示す分解図である。 タービンブレードの外縁がどのように形成されているのかを示す平面図である。 タービンを支持する軸受ハウジングを示す図である。 複数のポンプとタービン発電機との接続を示す図である。 フレームワーク内で支持されている複数のタービンを示す図である。 タービン駆動シャフトに取り付けられたギヤボックスを示す図である。 回転手段に取り付けられたタービンハウジングを示す図である。 風の流れを誘導するために使用される風偏向器を示す図である。 建造物の壁に組み込まれたタービンハウジングを示す図である。 軸線を中心に偏向器を回転させるために使用される機構の図である。

図を参照すると、本発明に係る風力タービンは、単独で使用されてもよいし、複数の風力タービンから構成される風力タービンシステムにおいて使用されてもよい。このような風力タービンシステムは、支持フレームワーク内に収容される。タービンは、風などの流体または河川もしくは小川の水などの他の流体の流れに由来する力を利用するために使用される。エネルギーは、機械的エネルギーに変換され、次に、機械的エネルギーは、発電機を駆動する力を供給するために使用される。電気制御パネル１は、後述するシステムを制御する。

制御パネル１は、タービンに適切に配置された複数のセンサからの信号を処理する。信号は、コンピュータプログラムを走らせる専用の中央処理装置と組み合わされた微細なソリッドステート回路によって処理される。センサから受信した信号に応じた、制御パネル１からの条件付き出力は、風力タービンシステムの複数のパラメータおよび装置を動作させ、制御するために使用される。

図１を参照すると、流体の流れに由来するエネルギーを利用するタービンが示されている。支持フレームワーク２０は、複数のタービン２を支持しており、タービン２のそれぞれは、複数のタービンブレード３を有する。タービン２のそれぞれは、駆動シャフト７を中心に回転する。駆動シャフト７のそれぞれは継手手段１２によって流体ポンプ１１と連結されている。駆動シャフト７のそれぞれには、複数のタービン２が取り付けられている。図２を参照すると、タービン駆動シャフト７は、タービン２から圧送手段１１へ力を伝達するために設けられている。タービンブレード３は、連結スリーブ８によって駆動シャフト７に取り付けられている。連結スリーブ８には、タービンブレード３を適切な位置に組み付けることを可能とするために、溝１０が形成されている。

あるいは、タービンブレード３およびタービン駆動シャフトスリーブ８は、単一部品として押出成形されてもよい。

遠心力または流体の流れによって加えられる力によってタービン３が歪曲することを防止するために、支持手段９が、タービンブレード３の両端に取り付けられてもよい。

図３を参照すると、後縁４が、それぞれのタービンブレード３の外縁に形成されている。後縁４は、真っ直ぐな縁５を有してもよい。

あるいは、後縁４は、曲線状の縁６を有してもよい。

図４を参照すると、駆動シャフト７のそれぞれは、複数の軸受１８内で回転する。軸受１８は、支持部１９によって適切な位置に保持されている。軸受支持部１９は、取付手段２１によって支持フレームワーク２０に取り付けられている。このようにして、複数の駆動シャフト７は、支持フレームワーク２０に取り付けられてもよい。圧送手段１１は、取付手段１７によって主フレームワーク２０に取り付けられている。

再び図４を参照すると、駆動シャフト７は、継手１２を用いることによって圧送手段に取り付けられている。流体の流れが、タービンブレード３に力を加えると、力は、駆動シャフト７に伝達される。駆動シャフト７の回転力は、圧送手段１１に伝達される。タービン駆動シャフト７のそれぞれは、単一のポンプ１１と連結されている。このようにして、多数の個々のタービンは、共通の配管１３を経て単一のタービン発電機３０に加圧下で圧送され得る。

タービン発電機３０は、タービンハウジング２４から一定の距離だけ遠くに離して配置されてもよく、配管１３に含まれる圧送システムからの流体は、加圧下でタービン発電機３０に送られてもよい。

図８を参照すると、回転部３９によって支柱３８に取り付けられた単一のハウジング２４は、該ハウジングが流体の流れの方を向くことを可能にしており、制御パネル１との間で送受信される信号によって制御される。

図６を参照すると、単一のフレームワーク２０が、多数のタービン２を支持している。したがって、多数のタービン２は、単一のハウジング２４内に収容されてもよい。複数のハウジング２４は、共通の配管１３によって互いに接続されている。このようにして、非常に多数の個々のタービン２が、配管１３を通して単一のタービン発電機３０に流体を圧送するために使用されてもよい。

接続管１３は、取付手段１４を用いることによって圧送手段１１に取り付けられている。あるいは、圧送手段１１は、取付手段１６によってマニホルド１５に取り付けられてもよい。

図５を参照すると、制御弁４２が、タービン発電機３０への流体およびタービン発電機３０からの流体の流れを制御するために取り付けられている。制御パネル１からの電気信号は、制御弁４２を作動させ、制御するために使用される。

複数のセンサは、圧送システム３１内の流体の流量の、制御パネル１による判定を可能にする目的で制御パネル１に信号を供給するために、圧送システム３１内の様々な位置に取り付けられるとよい。

複数のポンプ１１は、圧送システム３１内で互いに接続されている。効率を高め、望ましくないエネルギーの損失を回避するために、逆止め弁４１が、圧送手段１１の出力部２７に取り付けられている。このようにして、ポンプ１１の出力部２７からの流体は、加圧下でタービン発電機３０の方向にのみ移動するようになっている。

図７を参照すると、代替的な実施形態は、ギヤボックス２９を含む。力は、タービン２と発電機４０との間で伝達されてもよい。力が、タービン２に加えられると、駆動シャフト７に加えられる回転力が、ギヤボックス２９を介して発電機駆動シャフト２８に伝達され、発電機駆動シャフト２８が、発電機４０に回転駆動力を加える。

複数の駆動シャフト７は、ギプーリーヤボックス２９によって主駆動シャフト２８と連結されている。ギヤボックス伝達システム２９内には、外側駆動シャフト３３および内側駆動シャフト３４を有する一方向クラッチ３２が取り付けられてもよい。内側駆動シャフト３４が、外側駆動シャフト３３よりも高速で回転している場合にのみ、エネルギーの伝達が可能である。このようにして、低速なタービン駆動シャフト７は、より高速な駆動シャフト７を減速させない。

あるいは、可変比ギヤ手段（ｖａｒｉａｂｌｅ ｒａｔｉｏ ｇｅａｒ ｍｅａｎｓ）が、タービン駆動シャフト７から発電機駆動シャフト２８へエネルギーを伝達するために使用されてもよい。可変比ギヤ手段は、制御パネル１からの電気信号によって制御されてもよい。

あるいは、複数のタービン駆動シャフト７は、１組のプーリーおよび駆動ベルトによって発電機４０および駆動シャフト２８と接続されてもよい。

プーリー３５には、外側駆動シャフト３３および内側駆動シャフト３４を有する一方向クラッチ３２が取り付けられてもよい。内側駆動シャフト３４が、外側駆動シャフト３３よりも高速で回転している場合にのみ、エネルギーの伝達が可能である。このようにして、低速なタービン駆動シャフト７は、より高速な駆動シャフト７を減速させ得ない。

タービン駆動シャフト７上の滑車３５は、駆動ベルト３６によって、発電機駆動シャフト２８上のプーリー４４と連動されてもよい。

タービンブレードの表面領域およびタービンブレードに加えられる力に応じて、プーリー３５およびプーリー４４のサイズが決定される。

直径を変更できるプーリー４５が、タービン駆動シャフト７と発電機駆動シャフト２８との間のエネルギー伝達効率を向上させるための速度制御手段を実現するために使用される。

プーリー４５の可変直径は、主制御パネル１からの電気信号によって制御されてもよい。プーリー４５は、駆動シャフト７と発電機駆動シャフト２８との間の伝達システム内に取り付けられる。

あるいは、電磁クラッチ３７が、タービン駆動シャフト７と発電機駆動シャフト２８との切断手段として使用されてもよい。

センサは、タービン２のそれぞれの回転速度を判定する目的で制御パネル１に信号を供給するために取り付けられている。電磁クラッチ３７は、制御パネル１からの電気信号によって制御される。

複数のセンサがタービン内に取り付けられ、これにより、信号が主制御パネルに伝送され、この結果、電磁クラッチを作動させる最良の時点が決定される。

あるいは、クラッチは、適切な時点で主制御パネル１から信号を同様に受信する弁４２によって、空気圧または油圧で作動されてもよい。

あるいは、駆動シャフト７のそれぞれは、個別の発電機４０に取り付けられてもよい。

損傷またはタービン２への構造上の損害を防止するために、ハウジング２４には、回転しているタービン２への接近を制限するメッシュが取り付けられてもよい。メッシュの孔のサイズは、流体の流れがタービン２に力を加えることを可能にするものである。

図９を参照すると、偏向器（ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）４３が、流体の流れを回転ブレード３の回転方向に誘導することによって効率を高めるために取り付けられている。すなわち、風の流れは、風の力がタービンを回転させるために最適化される領域に誘導される。

また、偏向器４３は、タービンブレードが流入してくる流体の流れに向かって移動するときに流体の流れがタービンブレード３に当たらないように制限する手段としても機能する。すなわち、偏向器は、接近してくるブレードに抗して作用する流体の流れ（風）の効果が十分に弱まるように、風下に遮蔽領域を形成する。

したがって、偏向器４３は、空力抵抗を軽減し、タービンの効率を改善する。

図１１を参照すると、どのように動作偏向器が実現され得るのかを見ることができる。制御パネル１内の上部ケースのＣＰＵは、モータなどの駆動手段５７に電気信号を供給する。駆動手段５７は、駆動シャフト４９を回転させる。ウォームギヤ５２は、駆動シャフト４９に取り付けられ、さらにベベルギヤ５１と接続されている。ウォームギヤ５２は、回転すると、ベベルギヤ５１を回転させる。ベベルギヤ５１は、偏向器入力部（ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ ｌｅｄ）４８と連結されており、したがって、偏向器５４に取り付けられた偏向器入力部４８は、主電気制御パネル１内のＣＰＵの制御下で回転する。以上のように、偏向器５４は、より効率化を図るために、風または流体の流れをタービンブレード３に誘導することが可能である。

あるいは、偏向器は、外部表面がモータを必要とせずに接近してくる流体の流れに向かって案内されるように空気力学的に形作られた外部表面を有してもよい。

Claims (10)

1. サボニウス式風力タービン型である風力タービンであって、
   長手方向軸線に沿って延びる回転可能部材と、
   前記回転可能部材から外側へ半径方向に延び、かつ該回転可能部材の外周に沿って互いに離間された複数のブレードと、
   風偏向器と
   を有し、
   前記回転可能部材は、通常使用時に前記長手方向軸線が略垂直方向に延びるように、かつ、前記ブレードが前記長手方向軸線の周りを移動するように、構成されており、
   前記風偏向器は、前記ブレードが風に向かって移動するときに該ブレードにとっての遮蔽領域が形成されるように風の向きを偏向し、もって当該風力タービンに対して生じる抵抗を大幅に低減するように動作可能となっている、風力タービン。
2. 前記風偏向器が、前記ブレードが風を捉えるように配置されている作用領域に前記風を誘導するように形作られている、請求項１に記載の風力タービン。
3. 使用の際に、前記風偏向器が、任意の風向に関して前記遮蔽領域を形成し、前記作用領域に向けて前記風を偏向させるべく適切に配置されるように、前記風偏向器の位置を制御するための手段をさらに備える、請求項１または２に記載の風力タービン。
4. 前記風偏向器が、前記長手方向軸線を中心に回転するように取り付けられている、請求項３に記載の風力タービン。
5. 前記風偏向器の位置を制御するための前記手段が、空気力学的な外形の風偏向器を備える、請求項３または４に記載の風力タービン。
6. 前記風偏向器の位置を制御するための前記手段が、風向センサ、プロセッサ、およびモータを備え、前記風向センサが、前記風の向きを検出し、前記風偏向器を適切な位置へ回転させるために前記モータを制御する前記プロセッサに、対応する所定の信号を供給するよう動作可能である、請求項３または４に記載の風力タービン。
7. 請求項１〜６に記載の風力タービンを複数備える風力タービンシステム。
8. 前記風力タービンのうちの１つの前記風偏向器が、隣接する風力タービンの作用領域に向けて風を偏向する、請求項７に記載の風力タービンシステム。
9. 請求項７または８に記載の風力タービンシステムを備える建築モジュール。
10. 請求項７または８に記載の風力タービンシステムを備えるフェンス。

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