JP2017516953A - サイクロン風力エネルギー変換装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、低気圧性又は高気圧性の変換発電機に関し、それはベンチュリー効果をもたらす偏向ディフューザー（２）を上端に配置した中空で剛性の構造物（１）と、外部の風の動的なエネルギーを電気エネルギーに変換するための手段とを含み、中空で剛性の構造物は、コンベクタ（５）（６）を用いて一次流れを発生させる手段（３）及び二次流れ（４）又は渦糸コアを発生させる手段と、外周部の流れを増大させる斜面（１２）又は中央の突起若しくは凸面（１１）を用いて一次流れ及び二次流れの垂直方向の動きを促進する手段とを含む。この発電機は、低気圧及び高気圧を生成するために使用されることができ、風又は水などのいかなる流体にも使用することができる。この発電機は、流体の速度を増加させ、その流体を外周部に集中させて、向上した性能及び効率をもたらすことができる。

Description

本発明の目的は、発明の名称が定めるように、低気圧性又は高気圧性の変換発電機を提供することである。

その発電機は、ベンチュリー効果をもたらす偏向ディフューザーを上端に配置した中空で剛性の構造物と、動的な風力エネルギーを電気エネルギーに変換するための手段とを含む。中空で剛性の構造物は、一次流れを発生させる手段と、二次流れ又は渦糸コア、渦効果若しくは小型のサイクロンを発生させる手段とを含む。

その発電機は、ダクト内の出力流れでの速度を増加させる効果を達成するような要素及び設計を示し、一次流れの回転をもたらす斜面のおかげで、一次流れの外周部でより強い流れが得られ、それにより発電機のプロペラブレードでより大きなトルクがもたらされる。

したがって、本発明は、サイクロン発電機の範囲に入り、特にその構造的特徴に関係する範囲に入る。

低気圧性又は高気圧性の変換タワーは当分野で知られており、風の層流から、渦と呼ばれる閉じ込められた乱流、又は閉じられた流路で上昇若しくは下降する螺旋回転の乱流を人工的に再現するシステムであり、タワーの内部で動的な風力エネルギー、大気の異なる高さでの大気圧の相違に起因する圧力エネルギー、対流熱エネルギー及び更に凝縮からの熱エネルギーといった様々な環境エネルギーを統合する。

従来の低気圧性又は高気圧性の変換タワーは、渦ダクトと呼ばれる中空の中央の導管から実質的になり、そこからほぼ接線方向に、２つ以上の膜、間仕切り又は垂直構造物が現れ、それらの母線は、空気力学的な断面の湾曲した形状を有する。中央の渦ダクトの対応する部分と結合したこれらの膜又は間仕切りの２つは、コンベクタを構成する。一般的に、通常は各段階に５つのコンベクタがあり、その場合それらは全ての方向に向けられることができる。各コンベクタのこれらの膜又は間仕切りの２つは、空気力学的な断面を有する水平板である補剛材によって支持される。渦ダクトのコンベクタの起点に遮断装置が配置され、それは外部の層流を風上で流入させるが、渦ダクトから外部へ風下への流出をさせない。サイクロン変換装置の上部にはディフューザーがあり、それはタワー外側の空気の層流によって引き起こされる流出渦に対するせん断作用を防ぐ。変換装置の下部には偏向装置があり、それは渦流の吸い込みによって生じる沈下を防ぐ。

通常は、タワーの底部及び上部に反対回転又は同一方向回転の空気タービンが、電気発電機、水ポンプ、圧縮機又はエネルギーを発生させることが可能ないずれかの要素と共に配置される。任意で、温室又は空気を加熱する装置及び水を蒸発させる装置が、熱状態の制御を伴って追加されることができ、それはその温室自体又は１つ若しくは複数の水性温室のいずれかからの空気を加熱すると共にそれを水蒸気で飽和させるようにするために、水の浅いプールの形態である基部を含む。これらの特徴を備えた低気圧性又は高気圧性の変換タワーは、特許文献１に開示される。

しかし、これらの低気圧性又は高気圧性の変換タワーは、大部分が従来の遮断装置の構造から生じる多くの機械的な及び費用上の欠点を有している。特許文献１において分かり得るように、遮断装置は、制動アームに支えられた空気力学的な外形である可動の間仕切りであり、外部の流体又は流れを渦ダクトに通過させなければならないコンベクタにおいて遮断装置が開き、流体又は流れが中央の渦ダクトから外へ出るようにする時に遮断装置が閉じるようにして、制動アームはコンベクタの膜又は間仕切りの１つに接したその支持部の向きを変える。

第１の問題は、渦ダクトへの遮断装置の部分的な侵入によって、渦の性能を低下させ、そして渦を破壊さえすることにある。

さらに、第２に、コンベクタの膜又は間仕切り及び遮断装置自体における遮断装置を保持するアームの支持点での大きな応力は、構造に関するかなりの困難を伴う。例えば、１００ＭＷ（メガワット）の変換タワーについては、それぞれの遮断装置は長さ７０ｍ×高さ３ｍの間仕切りからなると考えられ、それを保持及び動かすことは保持アームの支持点における非常に大きな応力を伴うことに留意されたい。この問題は、風速又は風向の急な変動は応力を増大させるという事実によって更に悪化される。これらの応力の結果として、保持アームの緩衝装置及び玉継ぎ手並びに遮断装置自体が大きな摩耗を受け、実際には許容されるコストでそれらを作る材料及び技術は不明である。

したがって、これらの変換タワーの建設は、高剛性であるが同時に非常に軽量である特別な合金を必要とし、それは変換タワーのコストを著しく増大させる。

更に、その保守は非常に費用が掛かると共に危険であり、多数の熟練した人材を必要とする。高い建設及び保守費用、並びに中央の渦ダクトにおいて遮断装置が部分的に挿入される結果としての欠陥である、渦によってもたらされる限られた性能は、エネルギー生成用変換タワーの大規模な使用を妨げている。

特許文献２に記載の低気圧性又は高気圧性の変換タワーもまた知られている。それは、中央の渦ダクトと、湾曲部によって作られ、中央の渦ダクトによって側面の１つが制限された、２つの垂直な膜又は間仕切りからなる少なくとも１つのコンベクタと、コンベクタごとに少なくとも２つの補強材と、コンベクタごとに１つ又は２つ以上の遮断装置（６）と、ディフューザーと、偏向器と、動的な風力エネルギー、位置の圧力エネルギー、対流エネルギー及び凝縮からの熱エネルギーを電気又は機械エネルギーに変換する手段とを含み、遮断装置は、中央の渦ダクトの外側のガイドクラウンを回転させることができる。

しかし、このサイクロン変換タワーは、流出渦を壊すことを避けるように改良されて、流出渦の吸い込みのベンチュリー効果をもたらし、ブレードでのトルクをより大きくするために外周部の出力流れを増大させ、それによって電力及びエネルギー効率を向上させることができる態様を示す。

スペイン国特許第４９３．７１３号明細書 スペイン国特許第２１６６６６３号明細書

本発明の目的は、サイクロン変換発電機、すなわち小さな人工的なサイクロン又は渦の形成からの電気エネルギー発生機である。

エネルギーは、サイクロンタワーの外部から内部へのいくらかの層流の風の作用によって生成され、そこでは小さな低気圧又は高気圧が形成される。その低気圧又は高気圧の動き、すなわち上方又は下方への動きにおいて、サイクロン発電機の一端に配置される発電機と結合されるタービンのブレードを動かすことによって電気は生成される。

低気圧又は渦は、上昇する形で回転する第１の乱流を含む。それはハリケーンの眼と呼ばれる第２の流れ又は渦糸コアが流れる中央の内部空間を残し、底部から空気を吸い込む上方へ向かう回転での非常に安定した固体の円筒に相当する。

高気圧の場合、一次流れ及び二次流れの動きが反転され、一次流れは下方に向かって環状に回転し、一方で二次流れ又は渦糸コアは、上部から空気を吸い込む下方へ向かう回転での固体の円筒のようである。

南半球では、一次流れ及び二次流れの回転は、上述において反対方向である。

サイクロン変換発電装置は中空で剛性の構造物を含み、それは上端に、偏向ディフューザーと動的な風力エネルギーを電気エネルギーに変換する手段とを有する。中空で剛性の構造物は、一次流れを発生させる手段と、二次流れ又は渦糸コアを発生させる手段とを含む。

中空で剛性の構造物は、可能な実施形態では円筒形状を取り、好ましくは双曲線又は直線の形状で僅かに曲がった壁で底部から上端へ増大する断面形状を備える。

偏向ディフューザーは、空気の出力を増大させることによって、出力される小型のサイクロンに対するベンチュリー効果を得るためのものである。流入空気の偏向及び拡散を生じさせると、小型のサイクロンの空気に対する吸引効果が生じ、出力速度が増加する。偏向ディフューザーは、出力流体に対してベンチュリー効果をもたらすいくつかの同心円状の流れを形成するために、その底部から上端に向かって段階的に大きくなる方法で配置される。

一次流れを生成する手段は、外部からの空気を中空構造物内で回転させて、二次流れ又は渦糸コアの生成において協働するようにして、中空構造物の外部から内部に空気を導く一連の収束コンベクタを含む。

二次流れを生成する手段は、空気を渦糸コアに向ける第２のコンベクタを含む。この流れを通して、圧力及び気温での相違によって位置及び熱対流エネルギーが用いられる。

収束コンベクタは、一次渦流れの生成専用の中空で剛性の構造物の部分に沿った湾曲形状として構成される。その目的は、空気を捕え、統合し、集中させ、そして中空構造物内に空気を向かわせて、その中で空気を回転させることである。

コンベクタの数は、少なくとも２つであるが、５つまで又はそれ以上もあり得る。

コンベクタの数は、剛性の中空構造物が回転することができるか否かに依存する。もし回転できれば、少なくとも２つのコンベクタで十分であり、その中空構造物はコンベクタを介して空気を捕えて内部に導くような方向に向けられて、低出力発電機を用いる。

中空構造物が回転できない場合には、中空構造物の外周全体を覆うために多くのコンベクタが存在することになる。また、コンベクタの少なくとも２つの入り口が常に開いているようにして、コンベクタの入り口を開閉する手段を有する。

コンベクタの存在及び低気圧又は高気圧が生成される方法のおかげで、内部で形成されるサイクロンはサイクロンの慣性モーメントにより外部の風の変動に対して緩衝作用をもたらすので、外部の風の変動が発電に影響しないことが実現される。

上昇又は下降する方法のいずれかで一次流れの回転を促進するために、コンベクタによって定められる流入表面に沿って、その表面は、流入した風の回転とは別に上方向又は下方向での回転が与えられるようにして傾けられた斜面の形態の仕切壁によって分割される。

更に、剛性の構造物は、サイクロンを形成する場合、その底部に中央の隆起の形態での突起又は連続的な凸形状を有し、それにより二次流れのコンベクタが空気を内部に入れてその回転を生じさせ、同時にその突起が二次流れの上方への動きを引き起こす。

低気圧性変換発電機の場合、様々な要素の相対配置は、中空構造物がその底部に二次流れ又は渦糸コアのコンベクタを有し、その構造物の残りに一次流れのコンベクタを有し、その上端にベンチュリー効果をもたらす偏向ディフューザーを有し、同時にその上端の内部に垂直軸発電機の支持構造及びダクト内にある短いブレードが固定された中央のタービンを有するようにされる。

高気圧性変換発電機の場合、様々な要素の相対配置は、中空構造物がその上端に下流のベンチュリー効果をもたらす偏向ディフューザーを有し、二次流れ又は渦糸コアのコンベクタが続き、その構造物の残りに一次流れのコンベクタを有し、最後に水平軸発電手段に向かって空気を導くための手段を有する。

本明細書の記載では発電流体として外部の風に言及したが、水などの他の流体にも適用可能であり、そのため本発明の変換発電機は、海流を用いた水などの媒体においても適用可能である。

偏向ディフューザーがあるおかげで出力流れでの速度増加の効果がもたらされ、同時に一次流れの回転作用のおかげで、発電機のプロペラブレードでのより大きなトルクをもたらす一次流れの外周部での増大した流動が得られる。

記載された特徴のおかげで、エネルギー生成のための手段が達成され、それは大きな出力の垂直軸発電機及びダクト内にある短いブレードを備えたタービンを有し、それは、
−地面又は「陸上」に設置されることができ、それは海又は「沖合」での設置、保守及び発電システムに対する接続の多大な複雑さを避けることができる。
−設置でのＭＷ当たりのコストは、地上の３枚羽根の発電システムの半分であり、海での３枚羽根の４から６分の１である。
−そのエネルギー生成コストは、３枚羽根の発電システムの半分未満である。
−３枚羽根の発電システムよりも、ユニット当たり１０〜３０倍ほどの多いエネルギーを生成する。
−発電機及びタービンが内部にあるため、保守費用が非常に低い。
−等しいエネルギーの生成で、３枚羽根の発電システムに比べて２０から３０分の１の地面が占有される。
−生成されるエネルギーの質及び制御が、より良好である。
−風下で乱流が起こらず、影の影響だけである。

この記載を補完するため及び本発明の特徴のより良好な理解のために、その好ましい実施形態に従って、その記載の一体部分として１組の図面が添付されるが、例示であって実施例に限定されない。次のものが示される。

低気圧性変換発電機を示す正面図である。 同じ発電機を示す図であり、いくつかの構造の詳細が示される。 コンベクタを示す断面図である。 発電機内に取り付けられた遮断装置を示す図である。 部分又は区分に分割された遮断装置を示す図である。 発電機と風力タービンのアセンブリ及び他の構造物へのその取り付けを示す図である。 風力タービンの内部の詳細を示す図である。

図を考慮して、提案される発明の好ましい実施形態が以下に記載される。

以下に記載される好ましい実施形態は低気圧性変換発電機に関し、高気圧性変換発電機について同じ原理を適用可能であり、要素の配置を変更するが同じ必要な要素を用いる。

図１に、上端に偏向ディフューザー（２）を配置した、中空で剛性の構造物（１）を含む低気圧性変換発電機を見ることができる。

中空で剛性の構造物は、好ましくは直線又は双曲線の形状の湾曲した壁で、底部から上端に増大する断面形状を備えた円筒形である。

偏向ディフューザー（２）は、中空構造物（１）の上端で外周から突出し、出力流体に対してベンチュリー効果をもたらすいくつかの同心円状の流れを形成するために上端に向かって段階的に大きくなる方法で配置される。

中空構造物（１）は、二次流れ（４）又は渦糸コアを形成する手段を備えた領域を有する。低気圧性変換の場合、その手段は、中空構造物（１）の底部にある。

中空構造物（１）の残りの部分には、一次流れ（３）の発生手段が配置される。

一次流れ（３）を形成する手段は、上記のとおり少なくとも２つであるが、中空構造物（１）の外周全体を覆うような数であり得るコンベクタ（対流器）（５）を含む。それぞれのコンベクタによって定められる流入表面は、一次流れの上方へ向かう回転を促進するために傾けられた斜面（１２）の形態の一連の仕切り又は隔離板によって分けられてもよい。

斜面（１２）は、上方への傾きを有し、そして中空構造物の内部に入り込むにつれて小さくなる断面を有する。

二次流れ（４）又は渦糸コアの形成手段は、一連のコンベクタ（６）を含み、更に図７に見られるように、二次流れ又は渦糸コアの上方への動きを促進する均一な外形の突起又は中央の凸状部（１１）を有することができる。

図２、３に、二次流れを生成するためのいくつかのコンベクタ（５）が示される。この場合、コンベクタ（５）は中空構造物（１）の外周全体を覆い、それは固定された構造であるのでコンベクタは遮断装置（７）もまた有し、遮断装置は２つの遮断装置によって定められる入り口の少なくとも２つが常に開いているように動くことができる。

中空構造物（１）は、数十メートルであり得る。遮断装置は、中空構造物（１）の高さと同じ長さを有することになる。そのため、そのような大きな遮断装置を製造して移動させるために、遮断装置（７）は、図５に示されるように部分又は区分（７．１）に分割されることができる。

図６は、どのように発電機が中空構造物（１）に設置されるのかを示す。タービン（８）は、空気力学的な断面の梁又は支持部（１０）によって支持されて中心部に与えられる。その支持部（１０）は、タービン（８）へのアクセス路を含む。

タービン（８）から発電用ブレード（９）が出ており、それは中空構造物（１）を通って流れる最大の流量を得るために、中空構造物（１）の内壁にほぼ達することを可能にする。

タービンは、３、５、７又は９枚のダクト内にあるブレード（９）を含むことができ、それは最大性能を得るために出力渦糸ダクトに対してできるだけ多くに調整され、出力渦糸導管の管形状内部に組み込まれる。効率は出力渦流量での９５％を超えることがある。

使用される発電機の種類に関しては、始動トルクが従来の電磁発電機より非常に低いので、多極式永久磁石発電機（ＰＭＧ）が好ましい。

本発明の特性及び実施を十分に説明したが、それは本質であり、例示の方法によって本明細書に示されたものと詳細において異なり得る別の実施形態で実現されることができ、それらが基本原理を変える、変更する、改良しないならば、それらも保護の範囲に含まれることに留意されるべきである。

１ 構造物
２ 偏向ディフューザー
３ 一次流れ
４ 二次流れ
５ コンベクタ
６ コンベクタ
７ 遮断装置
８ タービン
９ 発電用ブレード
１０ 支持部
１１ 凸状部
１２ 斜面

一次流れ（３）を形成する手段は、上記のとおり少なくとも２つであるが、中空構造物（１）の外周全体を覆うような数であり得るコンベクタ（５）を含む。それぞれのコンベクタによって定められる流入表面は、一次流れの上方へ向かう回転を促進するために傾けられた斜面（１２）の形態の一連の仕切り又は隔離板によって分けられてもよい。

Claims (10)

1. 偏向ディフューザー（２）を上端に有する中空で剛性の構造物（１）と、
   外部の風の動的なエネルギーを電気エネルギーに変換するための手段と、
   を含み、前記中空で剛性の構造物は、
   一次流れを発生させる手段（３）と、
   二次流れ（４）又は渦糸コアを発生させる手段と、
   を含み、前記一次流れを発生させる手段（３）は、中空の前記構造物の外部から内部に空気を導く一連の収束コンベクタ（５）を含む低気圧性又は高気圧性の変換発電機であって、
   前記偏向ディフューザー（２）は、出力渦流体に対してベンチュリー効果をもたらすいくつかの同心円状の流れを形成するために、その底部から上端に向かって段階的に大きくなる方法で配置され、それぞれの前記コンベクタ（５）によって定められる流入表面は、前記一次流れの回転の増加を促進するために傾けられた斜面（１２）の形態の一連の仕切り又は隔離板によって分けられて、前記斜面によって生成される上方又は下方への垂直成分を与え、前記二次流れ又は渦糸コア、従って渦流れの生成の増大において協働することを特徴とする、低気圧性又は高気圧性の変換発電機。
2. 前記コンベクタ（５）の数は少なくとも２つであり、前記中空で剛性の構造物（１）に取り付けられて、回転されて風に対して向けられることができることを特徴とする、請求項１に記載の低気圧性又は高気圧性の変換発電機。
3. 前記コンベクタ（５）は、中空の前記構造物（１）の外周全体を覆うような数にされ、少なくとも２つを除いたすべての前記コンベクタの入り口を閉じることができる可動の遮断装置（７）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の低気圧性又は高気圧性の変換発電機。
4. 前記遮断装置（７）は、部分又は区分（７．１）に分割されることを特徴とする、請求項３に記載の低気圧性又は高気圧性の変換発電機。
5. 前記二次流れ（４）を発生させる手段は、空気を渦糸コアに導く第２のコンベクタ（６）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の低気圧性又は高気圧性の変換発電機。
6. 前記二次流れ（４）を発生させる手段は、前記二次流れ又は渦糸コアの上方への動きを促進する均一な外形の突起又は中央の凸状部（１１）を含み、前記渦糸コアの出力直径に適合する円錐台を有することを特徴とする、請求項５に記載の低気圧性又は高気圧性の変換発電機。
7. 発電手段がタービン（８）を含み、該タービン（８）から複数のダクト内にある発電用ブレード（９）が出ており、前記タービン（８）は、中空の前記構造物（１）の壁に結合した、空気力学的な断面を有する梁又は支持部（１０）によって支持され、該支持部（１０）は、タービン発電機（８）へのアクセス路を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の低気圧性又は高気圧性の変換発電機。
8. 前記中空で剛性の構造物（１）は、底部から上端へかけて増大する断面形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の低気圧性又は高気圧性の変換発電機。
9. 前記タービンは、出力渦糸ダクトに対して調整される３、５、７又は９枚のダクト内にあるブレード（９）を含み、該ブレードは出力渦糸導管の管形状内部に組み込まれることを特徴とする、請求項７に記載の低気圧性又は高気圧性の変換発電機。
10. 前記発電機は、多極式永久磁石発電機（ＰＭＧ）であることを特徴とする、請求項７に記載の低気圧性又は高気圧性の変換発電機。

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