JP2014533796A - 風の方向に対し横断する回転軸のある可変風車 - Google Patents

Abstract

互いに反対方向に回転している羽根車ユニットを含む少なくとも1つの風車モジュールを有する、風の方向に対して横断する回転軸のある可変風車であって、羽根車は縦列して動作し、風と反対の方向に動いている羽根車の部分をカバーする２部分のガイド板を備え、それぞれのガイド板はマストと1つの羽根車の間に位置づけられ、かつ、左右のガイド板K1、K2が別々の部品で、テンショナーユニットZNを用いて接続されている。【選択図】図２

Description

この発明は、風の方向に対し横断する回転軸のある可変風車に関し、特には風力モーターにて使うことができる可変風車に関する。

風車は原則としてローターの回転軸の方向によって2つの特徴的なグループに区分されている。1つのグループは風の方向に平行な回転軸の方向の風車で、別の一つは風の方向に対して横断するローターの回転軸のある風車である。風の方向に対して横断する回転軸のある風車の中で、使われている力の種類によって様々なタイプに区分できる。よく知られている1つのタイプの運転原理は回転軸の両側の空力抵抗の差に基づいている。こうした風車にはアメリカの特許番号1,697,574 (1929)にて公表されたいわゆるサボニウスタービンがついている。それは風の低い速度で起動させられ、低速度のローターであり、風の方向に対して無反応である。それには少なくとも2つの曲がった羽根があり、それらは回転軸の両側に向かい合って設定されている。1つの羽根はより沢山の空力を発生させており、風と同じ方向に動いており、2つ目の羽根はより少ない空力を発生させており、風に対して反対の方向に動いている。得られた駆動はローターの回転軸の両側の空力の差から成り立っている。尚、ドラム式のローター付きの風車も存在しており、それらにはローターに上と下の制限の面の間に位置づけられた羽根が沢山あり、それらはラジアルで、縦の回転軸の周りに対称的に位置づけられており、回転式のドラムの形を成している。こうして設計されたローターの風力タービンはポーランドの特許PL128970およびアメリカの特許4,007,999にて記載されている。

ポーランドの特許PL 188116には回転軸に対してラジアルに設置してある細長い羽根のついている風力のタービンのローターに関する記載がある。そこには羽根が外側のリングと内側のリングの間に設置してあり、こうして作られた円形のリングの2/3 の面積をカバーしている。

尚、ポーランドの特許PL 200550には縦の回転軸の周りに同じ角度のインターバルで設置された多数のアーム付のローターのある風力タービンおよびブロックを成す多数の羽根に関する記載がある。羽根のブロックの数は２つ、3つという範囲から選定され、各ブロックには原則的に回転軸に平行して設定された4つの羽根がついており、回転軸により近いブロックにおける次の羽根は、ローターの回転方向に各ブロックの対称軸に対してずれている。

上記のローターの能力を上げるための解決法が沢山ある。1つの基本的な方法は外面にローターへの空気の供給量を増やすガイドの羽根を追加することである。アメリカの特許5553996から知られる風力タービンにはドラムの形をしたフレームの軸の周りに斜めに設置された多数の羽根がついている。フレームを成すドラムには回転している羽根が作るスペースにおいて縦の回転軸と同軸に設置された円筒形の部品が装備されている。 その円筒形の部品はドラムの内部にて正しいルートへ風を方向付け、そこで風がローターの羽根にかかる。その解決法は羽根の形およびその互いの位置づけの様々なオプションを確保している。

風と反対方向に動いており、空力抵抗を発生させるローターの一部をカバーすることでローターの効率を向上させることができる。こうしたローターの一部をカバーすることの前提条件は風の方向を監視する必要性である。尚、ローターの片側だけをカバーすることで、非対称が発生する。従って、多数のコンセプトはローターの一部をカバーすることをローターのタンデム方式と結び付けていた。ミラーモードに設定されたカバーつきの2つのローターを特徴とした解決法のため、システムは対称的で、そのローターは互いに反対方向に回転している。こうした解決法の事例はDE 19718048A1の番号にて発表された特許申請にて公開されたものである。2つのローターはボックスのハウジングに入っている。多数のバージョンが提案されており、その本質は最小限の大きさおよび風と反対方向に回転しているローターの一部のカバーである。こうして、そのオプションでローターの羽根が互いにかみ合うほどローターの軸は互いに非常に近い。更にほかのオプションで、風に対して反対方向に動いている時に羽根が折り畳み、風と同じ方向に動いている時に開く。

同じ品目のまた違う解決法はEP0064440A2の特許広報にて記載された風車である。その風車の形は縦方向に設定された対称的なプロファイルで、いつも風の方向と同じ方向に位置づけられるように設置されている。互いに反対方向に動いている2つのローターは、プロファイルが風に対して反対方向に動いているローターの部品をカバーするように作られている。 風と同じ方向に動いているローターの半分はプロファイルの形状からはみ出る。ローターの径を最大限にするために羽根がオーバーラップしているほど、ローターの軸が互いに近い。

その設計のアイディアは第WO2007045851号のにて発表された国際特許申請で続けられた。その解決法には互いに平行的な2つの凸状のプロファイルが収束・発散の溝を成す。各溝にはローターが設定され、そのために風と反対方向に動いているローターの部品はプロファイルに入っており、駆動の部品は溝の中にある。

更にもう1つの解決法は第WO2004051080号の国際特許広報にて紹介された。そこには2つのローターが隣り合って設定されているが、回転軸は風に対して直角の線に位置付けられており、軸の間に設定され風と反対の方向に動いている部品をカバーする風防ガラスを装備している。

もう1つの解決法はポーランドの特許申請P 388704にて紹介された。風車にはガイド板があり、その板は回転を可能にするようにマストに設置されている。ガイド板の末端にはローターが設置されており、板沿いに流れる空気で駆動されている。提案された設計もタンデム方式を成している。その設計にはガイド板がその全長で集められた空気を風と同じ方向に動いているローターの部分へ送り、それでその効率を上げる。

互いに反対方向に回転しているローターユニットを含む少なくとも1つの風車モジュールを有する、風の方向に対して横断する回転軸のある可変風車であって、それらの羽根車は縦列して動いており、2部分のガイド板を備えている。そのガイド板は風と反対の方向に動いているローターの部分をカバーしており、それぞれのガイド板はマストと1つのローターの間に位置づけられており、ガイド板の右の部分および左の部分が別々の部品で、かつ、テンショナーユニットを使って接続されている。

ガイドシステムの各部分は板であり、その水平の縁はマストからローターの外面まで広がり、ローターの径より長い。

ガイド板の右と左の部分は片側にローターの縦の軸と接続されており、反対側には互いに独立してマストに設定されている。

設計のオプションにはガイド板の右と左の部分がそれぞれマストにおける左と右のブッシュに適応させられている。

テンショナーユニットは押し棒および引き棒の何組かから成り、それらは角度可変のジョイントで片側でガイド板の右と左の部分と接続され、反対側では少なくとも1つの張力部品の末端と接続されている。

他のオプションにはガイド板の右と左の部分は片側でローターの縦の軸と接続されており、反対側ではマストの共通のブッシュに設定されている。

その他のオプションにはテンショナーユニットは押し棒の何組かから成り、それらは角度可変のジョイントで片側でガイド板の右と左の部分と接続されており、反対側で少なくとも１つの張力部品の末端と接続されている。その張力部品の反対側の末端はマストの共通のブッシュに固定されている。

また他のオプションにはテンショナーユニットは少なくとも1つの張力部品から成り、その末端はガイド板のそれぞれ右と左の部分に固定されており、風車モジュールの外側のマストを囲んでいる。

ここで提案された風車の長所は、特に風の低速度において、風の非常に有効的活用を可能にすることで、それと同時に空力の影響を受けて風車を折り畳むことで、風車を非常に速い風から保護している。

ガイド板付のローターシステムの略図である。 略図的に風車の働く原理を紹介する図である。 設計の第１オプションを示す図である。 設計の第２のオプションを示す図である。 設計の第3オプションを示す図である。 風車のモジュールの全般的な略図図である。

実施形態には風車のタンデム式設計を適用している。マストMにはガイド板Kが固定されている。そのガイド板は2つの別々のアームから成り、それらの末端にはローターWがある。ガイド板Kはバーの間に設定されており、そのバーにはローターWも固定されている。ガイドKの各部分は板であり、その板は風の大きな部分を集め、ローターWに送っている。そのために各ガイド板Kの長さLはローターWの径Dより大きく、すなわち図１で紹介したようにL>Dである。

板が効果的なガイドとして機能するために、ローターWの軸はガイド板Kの延長線上にあるべきである。その芯合わせの公差はDの±10%である。ガイド板Kは端の1つが回転できるようにマストMに設置されている長方形である。その高さは、軸がマストMに直角のガイド板Kの延長であるバーの間に設定されているローターWの長さに相当する。

ガイド板の右の部分K1およびその左の部分K2はテンショナーユニットZNを通じて接続されており、そのテンショナーユニットのおかげでガイド板Kのアームの間の角度は、風がガイド板Kに沿って流れており、軸がガイド板の延長線上にあるローターWを駆動させている時の空力の影響で変わる可能性がある。風車のつり下げる装置によってテンショナーユニットZNのそれぞれの設計は違う可能性がある。

図３にある設計の第１オプションには左および右のガイド板K1およびK2は別々にマストMに固定されており、完全に単独に回転している。右のガイド板K1はマストMにて設置された右のブッシュT1と接続されており、左のガイド板K2はマストMにて設置された左のブッシュT2と接続されている。そのオプションではテンショナーユニットZNに4つの押し棒P、4つの引き棒C並びにテンショナー部品Sがある。押し棒Pの1つの組の末端は片側で右のガイド板K1の上と下のフレームに回転できるように固定されており、2つ目の押し棒Pの組は左のガイド板K2の上と下のフレームに固定されており、すべての押し棒Pの反対側の末端はガイド板Kの高さの真ん中にあるテンショナー部品Sの1つの末端に回転できるように設置されている。テンショナー部品Sの反対側の末端には引き棒Cの2つの組の末端が合わせて回転できるように設置されており、それらの反対側の末端が、押し棒Pの固定部とマストの間に、左および右のガイド板K1およびK2の上と下のフレームと回転できるように、それぞれ接続されている。実施形態には引き棒Cはロープで、テンショナー部品Sはばねであってもかまわない。

図４で紹介された設計の第２のオプションには下と上のベアリングの間に右および左のガイド板K1、K2の共通のフランジTがある。フランジには、両方のガイド板が設置されたヒンジZがある。ヒンジZは共通のブッシュTに違うやり方でも固定されてもかまわない。風が風車全体を回転させているので、ブッシュ全体が回転している。こうした風車のつり下げではマストにあるブッシュは2つのガイド板と共に回転している。だからテンショナーユニットZNは非常にシンプルで、押し棒Pの2つの組およびテンショナー部品Sの1つから成ってもかまわない。テンショナー部品Sの1つの末端はガイド板の高さの真ん中にあるマストMのにてブッシュTと接続されている。Sのテンショナー部品の反対側の末端はそれぞれ右および左のガイド板K1、K2に反対側の末端が設置されている押し棒Pと接続されている。押し棒Pの両末端は回転できるように設置されていいる。テンショナー部品Sは押し棒Pを通じて風車のアームを開く。風が強く、ガイド板が大きな空力の影響を受けている時に、テンショナー部品は伸びて、風車の折り畳みを可能にする。

図５はテンショナーユニットZNの設計の３つ目の一番シンプルなオプションを紹介し、それはマストの周りにあり、右および左のガイド板K1、K2に固定されているばねの形をしたテンショナー部品Sから成る。ガイド板の両アームが折り畳んだらばねが伸びて、マストの周りに曲げられる。発生した力は軽い風の時に風車を開き、強い風の時にその折り畳みを可能にする。 設計の他のオプションには、テンショナーユニットZNは特にガイド板Kの高さによって違う数のテンショナー部品S、押し棒Pおよび引き棒Cから成ってもかまわない。

各ローターWはMWのローターモジュールの1つ以上から成り、それらは1つ以上のモジュールから成り得るガイド板Kのベアリングに設定さている。ガイド板は接続されており、マストMにて上と下のベアリングに設定されている。一番シンプルな設計のオプションには、風車はマストMに直接に固定されたガイド板Kの1つのモジュールにて設置されたローターMWの1つのモジュールから作られても良い。そのモジュール式の設計のため風車の出力を実際のニーズに簡単に合わせることが可能である。風車の全体的な構造はモジュール式であることが可能で、即ち風車の多数のモジュールMTは1つのマストに設置されても良い。風車の各モジュールMTのガイド板KはマストMにおけるベアリングにて別々に設定されても良いが、沢山のガイド板を合わせて固定し、マストMに合わせて設置しても良い。

軽い風の時にガイド板の部分は最大限互いに約140°まで開かれる。軽い風の時にローターがとっている面積に比べて活用される風の面積が非常に大きい。ガイド板は空気の流れを加速し、従い、ローターの周りのその速度は風の速度を上回る。だから風車はサボニウスタービンもドラム式ローターも回転できないような低速度で動いている。しかし、こうした大きな面積は強い風の時に危険である。だから空力的圧力の影響でテンショナーユニットは閉鎖位置になるように風車の折り畳みを可能にする。風車の閉鎖位置は活用される風の面積を小さくし、従って、風車を広大な負荷から守る。それと同時に風車が発生させる出力は大分小さくなる。

Claims (8)

1. 風の方向に対し横断する回転軸と、縦列して動作する互いに反対方向に回転する羽根車ユニットを備えた少なくとも1つの風車モジュールと、および風に対して動く羽根車部分をカバーする２つの部品のガイド板と、を備えた可変風車であって、
   前記ガイド板が、それぞれマストと前記羽根車の１つとの間に位置付けられ、
   左右の前記ガイド板（K1、K2）が、テンショナーユニット（ZN）によって互いに接続される別々の部品とされる
   ことを特徴とする可変風車。
2. 前記ガイド板（K）がそれぞれ、水平の縁が前記マスト（M）からローター（W）の外周まで広がり、その長さ（L）が前記ローター（W）の直径（D）より大きいとされることを特徴とする請求項１に記載の可変風車。
3. 前記左右のガイド板（K1、K2）が、片側で縦の羽根車（W）軸と接続され、反対側で前記マスト（M）にそれぞれ独立に設置されていることを特徴とする請求項２に記載の可変風車。
4. 前記左右のガイド板（K1、K2）がそれぞれ、前記マスト（M）の右側ブッシュ（T1）および左側ブッシュ（T2）に固定されていることを特徴とする請求項３に記載の可変風車。
5. 前記テンショナーユニット（ZN）が、押し棒（P）および引き棒（C）の組から成り、該組が片側で角度可変のジョイントによって前記左右のガイド板（K1、K2）に接続され、反対側で少なくとも1つのテンショナー部品（S）の末端と接続されていることを特徴とする請求項３または４に記載の可変風車。
6. 前記左右のガイド板（K1、K2）が、片側で前記縦の羽根車（W）軸と接続され、反対側で前記マスト（M）の共通ブッシュ（T）に固定されていることを特徴とする請求項２に記載の可変風車。
7. 前記テンショナーユニット（ZN）が押し棒（P）の組から成り、該組が片側で角度可変のジョイントによっての前記左右のガイド板（K1、K2）と接続され、反対側で少なくとも1つのテンショナー部品（S）の末端と接続され、反対側の末端が前記マスト（M）における前記共通ブッシュ（T）に固定されていることを特徴とする請求項６に記載の可変風車。
8. 前記テンショナーユニット（ZN）が、少なくとも1つのテンショナー部品（S）から成り、その末端がそれぞれ前記左右のガイド板（K1、K2）に固定され、前記風車モジュール（MT）の外側の前記マスト（M）を囲んでいることを特徴とする請求項６に記載の可変風車。

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