JP2017517673A - サボニウス風力タービンロータ - Google Patents

Abstract

サボニウスロータは、プロペラの部品を形成する１つ以上であるｎ個のセグメントが取り付けられた管状のシャフトを備える。各セグメントは、軸線方向にらせん形状に延在し、シャフトに対して交互になるように配設されて、シャフトを通り抜ける凹凸の空気通路を形成する２つの半円形のブレードによって形成される。シャフトは、２つの開口によって形成される１組の１つ以上であるｍ個の空気通路を有する。各セグメントは、各ブレードの第２の端部に向かって縮小する幅を有する。ｎ個のうちの最初のセグメントの第２の端部にある第１の地点と、最後のセグメントの第２の端部にある第２の地点は、角度α回転するようにずらされている。セグメントｎおよびｎ+１の回転偏差はα／ｎである。ｍ番目の空気通路は、ｍ個のうちの最初の空気通路に対して角度αだけ回転してずらされている。

Description

本発明は、プロペラの部品である個数ｎ（ｎ≧１）のセグメントが取り付けられた管状シャフトを備えるサボニウス型の風力タービンロータに関するものである。各セグメントは、半円の断面を有する２つブレードから形成されており、この２つのブレードは、軸線方向にらせん形状に延び、シャフトを通り抜ける凹凸の空気通路を形成する凹面ブレードおよび凸面ブレードを形成するようにシャフトに対して交互に配置されている。各々のブレードは第１の端部および第２の端部を有し、２つのブレードは、いずれも第１の端部をシャフトに固定され、シャフトは１組の個数ｍ（ｍ≧１）の空気通路を有し、２つの開口がシャフト上に対角線上に対向して配置されるごとに各々の空気通路が形成される。

風力タービン発電装置は、風の有する運動エネルギーを回転エネルギーに変換する。この風力タービン発電装置に発電機が結合されると、このエネルギーを電気エネルギーに変換させることができる。発電機が、風力タービン発電装置によって提供された機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。

風力タービン発電装置に使用されるロータは、その空気力学的な作動モードにより２つの主なグループに分類される。一つはロータが揚力によって駆動され、他方はロータが空気抵抗力によって駆動される。後者、とりわけサボニウスロータは、本発明によりかなりの改善がなされた。サボニウスロータの簡易さによりは、揚力によって駆動されるロータと比べて相対的に生産性が低いことは相殺される。

サボニウス型の風力タービン発電装置は、極めて弱い風（例えば２ｍｓ^−１以上）および全方向の風を捕らえることが可能であるという利点を有するため、起伏や住居によって風が妨害される地帯に適している。さらに、騒音が小さく、サイズが小さいために、この風力タービン発電装置を、美感を損ねることなく建物に取り込むことが可能である（小型の個人の設備の場合に効果的である）。

風力タービン発電装置は、ロータと呼ばれる可動部分を備える。ロータは、ブレードで構成されるセグメントと、それらを接合するシャフトとによって形成される１組を備える。従来のサボニウスロータは、鉛直方向の軸線を有するロータであり、ロータの中心に、円筒形であり、空気力学的な流れに対して無視できない断面を有する回転シャフトを備える。サボニウスロータの作動は、空気抵抗の差により原理に基づいている。サボニウスロータの作動は、ブレード上の流れの偏向によって誘起される空気力学的なトルクに基づいている。これが、この組の回転を駆動させるトルクをもたらし、この回転が今度は風力タービン発電装置を駆動させる。サボニウスロータのシャフトが中実の部品で構成されると、ロータの効率を下げることによって事実上空気の流れに対する障害となる。

米国特許第７，７６６，６００号は、図２および図３において、らせん形であり、わずかに中心がずらされ、高剛性または曲げ可能な一対の半円筒形のブレードが穿孔されたシャフトにリベットによって取り付けられたサボニウス風力タービンロータを開示している。これはロータのプロペラを形成する。この穿孔されたシャフトによって、ブレードのうちの１つから他のブレードまでの空気通路を可能にする。ブレードのらせん形状、すなわちブレードの本体の形状は、シャフトに取り付けられた半径によって形成される構造体によって与えられる。シャフトの穿孔は、鉛直方向に伸張された形状、または丸みのある形状、すなわち多角形を有する。

米国特許第７，７６６，６００号に開示されたブレードの作製は複雑である。ブレードにらせん形の形状を与えるために比較的剛性のある材料を折り曲げることは、困難である。さらに、作製用の金型の大きさによってブレードの大きさが制限される。半径およびシャフト上のブレードの組立体によって形成される構造体も複雑である。開示されるロータは、シャフト上のブレードの固定位置においてかなりの大きさの力がかかる。さらに、シャフトは、回転する際の付随的に振動も発生し、これがロータの出力を低下させる。ロータによって生成されるエンジントルクも、プロペラの回転にがたつきを生じさせる望ましくない変動を有する。

米国特許第７，７６６，６００号明細書

したがって、より単純であり、速く、大量生産が可能であり、低コストで生産できる風力タービンロータの構築および組立を提案することへの要望がある。相対的に一定であり規則的なプロペラの回転を可能にし、ロータの出力を改善するために、各回転のロータによって供給されるエンジントルクが平滑化されるロータに対する要望がある。

この目的のために、本発明はサボニウス型の風力タービンロータを提案する。この風力タービンロータは、プロペラの部品を形成する個数ｎ（ｎ≧１）のセグメントが配置された管状のシャフトを備え、各セグメントは半円の断面を有する２つのブレードによって形成され、２つのブレードは軸線方向にらせん形状に延び、凹面ブレードおよび凸面ブレードを形成するようにシャフトに対して交互になるように配置されて、シャフトを通り抜ける凹凸の空気通路を形成している。各ブレードは、第１の端部および第２の端部を有し、２つのブレードは、その第１の端部によってシャフトに固定されており、シャフトは、１組の個数ｍ（ｍ≧１）の空気通路を有する。

各セグメントは、各ブレードの第１の端部から第２の端部に向かって縮小する幅を有し、プロペラの部品を形成するｎ個のセグメントは、ｎ個のセグメントのうちの最初のセグメントの第２の端部に位置する第１の（Ｐ１）地点と、ｎ個のセグメントのうちの最後のセグメントの、第１の（Ｐ１）地点と同じところにある、第２の端部に位置する第２の（Ｐ２）地点とが、角度αだけ回転してシャフト上に設置され、１≦ｉ＜ｎとしたときにる、プロペラの部品を形成するセグメントｎ_ｉ＋１に対するセグメントｎ_ｉの回転角度がα／ｎであり、上記の組のｍ個の空気通路は、ｍ番目の空気通路がｍ個の空気通路のうちの最初の空気通路に対して角度αだけ回転して変位するように、相互に回転変位していることを特徴とする。

セグメントを積み重ねることによって構成されるプロペラは、作製し易く、このセグメントは別々に作製でき、射出成形により作製できる。

第１の端部と第２の端部との間でブレードの厚さが縮小することによって、空気タービンの作製に使用される材料の抵抗を風力タービンに課される力に適合させることが可能になるとともに、疲労による破損のリスクなども低下する。したがって、セグメントとシャフトとを固定する位置にかかる力は、セグメントの抵抗の最大の領域に集中される。本発明の実施を考えると、ブレードにかかる機械的な力は、その第２の端部よりも第１の端部のほうが大きくなる。実際には、この力は第１の端部から第２の端部に向かって減少する。この力に対する最適な抵抗を保証するために、本発明は、ブレードがその第２の端部においてよりもその第１の端部において大きくなる厚さを有するようになっている。ブレードが一定の厚さであった場合に限って、この厚さの縮小は、ブレードの質量が低下するという追加の利点を有する。

さらに風力タービンのプロペラは、軸線を中心に回転し始めるとすぐに、ブレードを構成する各々の粒子は遠心力の作用を受け、角度速度の平方と回転軸線までの距離との積に比例する回転軸線から外向きの力を受ける。回転軸線に近いブレードの部分は、遠心力が最大となるブレードの先端よりも弱い力を受ける。回転によって誘起される力を低下させるために、本発明は回転軸線から離れるにつれてブレードの厚さを縮小することを提供する。

例えばブレードの厚さを第１の端部と第２の端部とで、約５０％縮小させることができる。

さらに、セグメントは、シャフトによってロータに伝達されるエンジントルクの実質的な平滑化処理に好ましく、ステータの巻線のエネルギーの損失を抑える、より流れるような空気力学的な形状を有する。

シャフトは、ほとんどふさがっていない、すなわち極めて軽量の領域であるｍ個の空気通路を有し、これはシャフト内を実質的に自由に通れる空気通路に大きな自由面積を有することを示している。そのように構成されたシャフトは、中実のシャフトと比較したときに、それほど重量が大きくなく、曲げ抵抗が大きい。

ブレードまたはセグメントの鉛直方向の断面を考えると、この断面はブレードまたはセグメントの高さである高さと、ブレードまたはセグメントの幅である幅とを有する。ブレードまたはセグメントの幅は、ブレードまたはセグメントに関する厚さと呼ばれる場合もある。当然のことながら、本明細書において、用語「ブレードの幅」と「ブレードの厚さ」は等しく、用語「セグメントの幅」と「セグメントの厚さ」とも等しい。

本明細書において、第１の要素が、複数の要素で形成されるべきであることが記載される場合、これは第１の要素が複数の要素を含むことを意味する。

セグメントが２つのブレードのみを備える本発明の一具体例では、各空気通路は２つの開口からそれぞれ形成されることが好ましい。この２つの開口は、対角線上に対向してシャフトに配置させることができる。

プロペラの部品を形成する最初のセグメントと最後のセグメントとの間で、回転差α／ｎによって得られるｎ個のセグメントのらせん形状により、風の方向と関係なく優れた風の表面積が可能になる。シャフト上のｍ個の空気通路も、ｎ個のセグメントと同じ割合で回転変位する。これは、ｎ個のセグメントとｍ個の空気通路が一致し、プロペラのより一定の回転速度を実現するために空気の最大の循環を確実に実現すること、ならびに得られたエンジントルクが実質的に平滑化されることを保証するためである。

ｎ個のセグメントと同じ割合でずらされたシャフトのｍ個の空気通路によって、堅固であり、かつ空間をほとんど必要としないロータを得ることが可能になり、この場合プロペラは常に風に対して特定の力を有する。シャフト内の空気通路の偏差によって、凹面ブレードから凸面ブレードへの空気の移動が可能になり、これは特に空気の流れがこのときとりわけ良好に誘導され、したがってより優れたエンジントルクを生じさせるためにとりわけ興味が集まっている。シャフト内の中空の各空気通路は、鉛直方向に直交する面でのシャフトの曲げ抵抗を弱めるが、それを全方向に分散し、結果として全体の脆弱化を均一にするために、このような空気通路を回転変位させることにも興味が集まっており、そのように構成された中空のおよび穿孔されたシャフトは、印加される力の方向と事実上無関係である曲げ抵抗を有する。

本発明による風力タービンロータにおいてｎ＝ｍであることが有利である。これはシャフトに接続されたセグメントの数がシャフト内に存在する空気通路の数に等しいことを意味する。ｎ＝ｍであるとき、ｍ個の空気通路の回転偏差は、プロペラの部品を形成するｎ個のセグメントの回転偏差と一致する。したがって、各セグメントは、各空気通路に面しており、これはロータを通り抜ける空気の流れに好ましく、ロータの回転は事実上一定となり、エンジントルクはさらに平滑化される。

本発明によるロータは、プロペラの部品を形成するｎ個のセグメントの各々が多数の線形のサブセグメントから構成されることを示すことは有利である。プロペラはサブセグメントの積層体として組み立てられる。サブセグメントは、セグメントに対して求められる大きさ又はサイズを与えるように積み重ねられる。サブセグメントは、同一サイズの金型を使用することによって射出成形技術によって得ることができる。

本発明によるロータにおいて、管状のシャフトは、ロータの回転軸線と一致することが有利である。これは損失を減らすことによってロータの回転に好ましい。

本発明によるロータにおいて、プロペラの部品を形成する隣接するセグメントが接着剤によって接着されることが有利である。こうすると、プロペラは、一体品で作製されたプロペラと同一の作用を有する。

本発明によるロータにおいて、プロペラの部品を形成するｎ個のセグメントは、リベット、ねじまたは接着によってシャフトに取り付けられていることが有利である。

本発明によるロータにおいて、シャフトは金属管で構成され、とりわけ一体品で構成されることが有利である。この金属管は、いかなる溶接部もないことが好ましい。これは、シャフトの断面の均一性およびその均衡性を保証するのに役立つ。

本発明によるロータにおいて、シャフトの一端の周りに機械的動力の受け取り部材が固定されること、とりわけ交流発電機のロータが固定されることが有利である。この部材は、直接結合によって固定されるため出力の損失がない。風力タービン発電装置の出力はこのように最大限に活用される。

本発明によるロータにおいて、プロペラの部品を形成するセグメントは、プラスチック材料、とりわけバイオプラスチックの射出成形によって、または軽金属、とりわけアルミニウムまたはマグネシウムにより、または回転成形によって作製されることが有利である。

本発明によるロータの第２の具体例によれば、２つのブレードは、シャフトの中心にある円形部分に組み込まれた少なくとも２つの歯止めによってそれぞれの第１の端部において合わせて固定される。この具体例は、作製のための代替形態を提供しており、各々のセグメントは、互いに入れ子になる２つの部品で作製されるとまではいかないまでも、セグメントはもはや単一の部品として別々に作製されない。これはより大きな寸法の風力タービン発電装置に適用される。

本発明による風力タービンロータにおいて、角度αは、９０°または１８０°であることが有利である。９０°または１８０°に等しいｎ個のセグメントの回転偏差、およびセグメントの一部を形成するブレードの交互配置が、１／４回転または１／２回転だけずらされたらせん形のプロペラを実現することを可能にする。この偏差によってｎ個のセグメントが常に風に対して特定の力を有するようにし、したがって結果として生じる力のベクトルの水平方向の成分が好ましいものであり、全体の振動を相当低下させる。

本発明の一具体例によれば、各セグメントは３つのブレードから形成される。

シャフトの各空気通路は、シャフトの周囲に均一に配置された開口により形成されることが有利である。

本発明は、上記の風力タービンロータの一部を形成するプロペラおよび管状シャフトにも関する。

本発明は、上記の風力タービンロータを備えるサボニウス型の風力タービン発電装置、そのプロペラおよび管状シャフトにも関する。このような風力タービン発電装置は、騒音はあまりなく、広い空間を必要としないため都市建築に対応する。それは極めて小さい風でも優れた出力を提供し、風の方向の変化による制約を受けない。

次に本発明による風力タービンロータの好ましい一具体例を示す図面を使用して本発明をより詳細に記載する。

本発明によるプロペラと、管状シャフトとを備える風力タービンロータを備える風力タービン発電装置の分解組立図。 ２つのブレードが円形部分によってそれぞれの第１の端部で固定されたセグメントを上方から見た図。 矢印が凹面ブレードと凸面ブレードとの間の空気の流れを表す、セグメントの高さ中央における断面図。 ２つのブレードが２つの円形部分によってそれぞれの第１の端部で固定されたセグメントと、凹凸の空気通路とを見ることができる図。 ２つのブレードが一体式の歯止めを有する２つの円形部分によってそれぞれの第１の端部で固定された本発明の第２の具体例によるセグメントと、凹凸の空気通路とを見ることができる図。 プロペラのセグメント間の回転偏差と、プロペラの偏差αとを示す図。 シャフトと、１／４回転だけ回転させたｍ個の空気通路とを示す図。 本発明による風力タービンロータの一部である管状シャフト上での１つのセグメントの組み立てを示す図。 プロペラの各々のセグメントが３つのブレードを備える本発明の一具体例におけるシャフトと、プロペラの分解組立図。 プロペラの各々のセグメントが３つのブレードを備える本発明の一具体例におけるブレードを上方から見た図。 ３つのブレードを備えるセグメントを示す図。

図面においては同一の符号は同一の要素または同様の要素を示している。

本発明は、鉛直方向の軸線を有し、らせん形状のブレードを備えるサボニウス型の風力タービンロータ１００に関する。このロータは、図１に示されるように、風力タービン発電装置に設けられることが意図されている。図１に示された例によると、らせん形のプロペラ２０は、１０個の実質的に同一のセグメント１１から構成されており、各セグメントは同一の金型を使用して別々に作製される。セグメント１１の数は１０個に限定されるのではなく、プロペラ２０は、製造者によって自由に選択された１以上の個数（ｎ≧１）のセグメント１１によって形成できる。

プロペラ２０の部品を形成するセグメント１１は、プラスチック材料、とりわけバイオプラスチックの射出成形により、または軽金属、とりわけアルミニウムまたはマグネシウムにより、または回転成形によって作製される。

２つのブレードを有する本発明の具体例を図１〜図７に示す。

図１に示された風力タービン発電装置は、プロペラ２０の部品を形成するｎ個のセグメント１１を備え、これらのセグメント１１は、例えばねじ、リベットまたは接着などの固定部材により管状シャフト１０に固定される。プロペラ２０およびシャフト１０は、風力タービン発電装置の可動部品である風力タービンロータ１００を形成する。ロータ１００の回転軸線は、シャフト１０の軸線と一致する。シャフト１０は、好ましくは玉軸受け３により基軸２の周りを自由に回転する。基軸２はねじ付き端部を有することが好ましく、基板４に基軸２を固定することを可能にする。この基板４は、機械的動力の受け取り部材である交流発電機のステータ５も支持する。ステータ５は、上部がキャップ６によって閉鎖されており、このキャップは、シャフト１０のねじ付き端部に収容された対向キャップ７と共に、埃または水が入り込むことを防止し内部の熱および水分を放出するためのデバイスを形成する。

図２Ａは、プロペラ２０の部品を形成するセグメント１１を上部から見た図を示す。各セグメント１１は、半円形状の断面の２つのブレード１１Ａ、１１Ｂによって形成される。２つのブレード１１Ａ、１１Ｂは、軸線方向にらせん形状の延伸し、風に面する凹面ブレード１１Ｂおよび凸面ブレード１１Ａを形成するようにしてシャフト１０に対して交互に配置される。

らせん形状の軸線方向の延伸は、軸線ａの円筒形の一部分を形成しながら、ブレードの半円形の部分を伸張する構造体である。らせん形状の軸線方向の延伸はシャフト１０を収容するように構成される。ブレード１１Ａ、１１Ｂはシャフト１０に対して交互に配置され、セグメントの異なるブレードが一定の角度だけ離れるようにシャフト１０の周りに配置される。

図２Ａは、ブレード１１Ａ、１１Ｂの凸面である前方面４０と、ブレード１１Ａ、１１Ｂの凹面である後方面４１とを示す。ブレード１１Ａ、１１Ｂの幅５２は厚さとも呼ばれ、ブレードの前方面と後方面との間の最小距離である。

各セグメント１１は、各ブレード１１Ａ、１１Ｂの第１の端部１２Ａ、１２Ｂから始まって第２の端部１３Ａ、１３Ｂに向かってそれぞれ縮小する幅５２を有する。このように縮小するブレード１１Ａ、１１Ｂの幅により空気力学的にプロペラ２０のらせん形状における決定的役割を果たす。そして、その独自の物理的な特徴によって回転が減速することを防止することによって好ましい一定の回転が得られる。望ましくない減速は、加速度の損失を生じさせる。また、回転が一定かつ規則的であり、一定のエンジントルクが得られるようにするためにも、減速は回避する必要がある。さらに、第１の端部１２Ａ、１２Ｂの高さでのブレード１１Ａ、１１Ｂとシャフト１０との固定部に存在する力は、この幅の縮小のおかげで得られるブレード１１Ａ、１１Ｂの重量の減少によって、小さくなる。これは全て、ロータのより優れた出力、および実質的に平滑化されたエンジントルクを意味する。

図３から、２つのブレード１１Ａ、１１Ｂがそのそれぞれの第１の端部１２Ａ、１２Ｂの間で固定され、２つの円形部分Ｃ_１、Ｃ_２が２つのブレード１１Ａ、１１Ｂを固定することがわかる。２つの円形部分Ｃ_１、Ｃ_２は、例えばリベットまたは固定ねじなどの固定手段を収容するために設けられた開口部９を有することができる。２つの円形部分の一方Ｃ_２はセグメント１１の下部に配置され、他方の円形部分Ｃ_１は、セグメント１１の上部に配置される。

２つの円形部分Ｃ_１、Ｃ_２は、より好ましくは限定された高さを有し、例えばセグメント１１の全体の高さ５１の５％〜１５％である。セグメント１１がシャフト１０に設置されると、凹面ブレード１１Ｂと凸面ブレード１１Ａとの間に十分な空気通路が形成されることがわかる。したがって凹面ブレード１１Ｂと凸面ブレード１１Ａは、それらの間に凹凸の空気通路３１を形成する。この空気通路３１は、図３に略図化されて示されており、矢印は、空気の流れまたは凹凸の空気通路３１を通過する空気の流れを示している。

図３は、鉛直方向の面５０も示している。この面５０に沿ったブレードの鉛直方向断面は、ブレード１１Ａの高さである高さ５１と、ブレード１１Ａの幅である幅５２とを有する。この幅は、時にはこのブレード１１Ａの厚さとも呼ばれる場合もある。このことはセグメント１１にも適用できる。

図４は、より大きなサイズのセグメント１１の作製を可能にする本発明の第２の具体例を示している。この具体例によると、２つのブレード１１Ａ、１１Ｂで構成されるセグメント１１は、例えば各円形部分Ｃ_１、Ｃ_２に組み込まれた歯止め８などの固定手段を利用して、セグメントの上部Ｃ_１および下部Ｃ_２にて第１の端部１２Ａ、１２Ｂで固定される。このような製造技術は、セグメント１１の大きさの制限を除き、経済的に射出可能な状態に維持する目的のためである。例えば半径２００ｍｍが、セグメント１１を単一の金型を使用した射出成形により作製するのに適した大きさであり、これより大きな大きさは、単一の金型を利用して作製することを極めて難しい。したがって、２つの部品でセグメント１１を作製することによって、作業を容易にし、かつ作製方法を実用的および／または妥当なコストに維持する。

図５は、シャフト１０上に取り付けられたプロペラ２０の部品を構成するｎ個のセグメント１１を示している。ｎ個のセグメント１１のうちの最初のセグメントｎ_１の第２の端部に位置する第１のＰ_１地点と、ｎ個のセグメント１１のうちの最後のセグメントｎ_ｎの第２の端部の、第１のＰ_１地点と同じところに位置する第２のＰ_２地点が、角度αで回転してずれるように配置される。より好ましくは角度αは９０°または１８０°に等しい。プロペラ２０の部品を構成するセグメントｎ_ｉ＋１（１≦ｉ＜ｎ）に対するセグメントｎ_ｉの回転偏差はα／ｎである。１０個のセグメントを有し、回転偏差は９０°である一例によると、セグメント１１の数は１０であり、回転偏差とセグメント１１の数との関係は９°に等しい。すなわち隣接するセグメント１１どうしの回転偏差α／ｎは９°である。この偏差は当然のことながら、セグメント１１の数、および角度αに依存する。角度αが９０°という事実は、ブレード１１Ａ、１１Ｂの十分な凹面部分が常に風に向かっていることを可能にする。角度αが大きくなるほど、風にあたるプロペラの面積が回転中に変化しにくくなり、エンジントルクおよび結果として生じる水平方向の力の変動が小さくなり、構造体ならびに発電機中に生じる振動も減少する。

プロペラ２０の部品を形成する各々のｎ個のセグメント１１は、多数の線形のサブセグメントから構成できる。これはプロペラ２０の部品を形成するセグメント１１の数が制限されないことを意味する。多数の線形のサブセグメントによって、より大きなセグメントを組み立てることが可能になり、組立方法の柔軟性が大きくなる。したがって、空気タービンロータ１００の作製の選択肢において多くの選択が提案される。

図６は、ｍ≧１個の空気通路３０を有するシャフト１０を示す。各空気通路３０は、シャフト１０上に対角線上に対向して配置された２つの開口１４、１５によって、それぞれ形成される。十分な円形断面を有するシャフト１０は、管で構成され、好ましくは金属製である。この管が、セグメント１１の円形部分Ｃ_１、Ｃ_２の直径と適合可能な直径を有することで、シャフト１０を、プロペラ２０を形成する積み重ねられたセグメント１１の中心に対して滑らせることができる。シャフト１０は単一の部品で構成されることが好ましく、シャフト１０の均質性を保証し、その均衡をとるのに好都合であるために溶接処理は行わないことが好ましい。

シャフト１０上のｍ個の空気通路３０は、管によって生じる風に対する抵抗を大幅に減少させ、管を通過する空気流れを形成するのに好都合である。さらに、ｍ個の空気通路３０により、シャフト１０が軽量化された構造体となる一方で、シャフト２０上に設置されたセグメント１１によって形成されたプロペラ２０を支持するのに必要な剛性を維持する。

このシャフト１０の他のとりわけ興味深い特徴は、中実のシャフトに比べて、曲げ抵抗が大きいことである。特定の一具体例では、シャフト１０を作製するのに使用される金属管は、７３ｍｍの外径および７ｍｍの壁厚を有し、この金属管は、直径６４ｍｍで同一材料からできており、質量が半分に削減された中実のシャフトと全く同じ曲げ抵抗を有する。

シャフト１０上に存在するｍ個の空気通路３０は、それぞれ互いにずらされている。空気通路ｍ_ｉ＋１（１≦ｉ＜ｍ）に対する空気通路ｍ_ｉの回転偏差はα／ｍになる。ｎ＝ｍの場合、空気通路３０はブレード間の凹凸の空気通路３１と完全に一致する。この場合、空気通路の表面積は最大となり、風力タービンロータ１００は、最適化された物理パラメータを示す最適な条件で作動する。

図７には、明確化のためにシャフト１０上に設置された単一のセグメント１１を示しており、これはシャフト１０上に設置される各々のｎ個のセグメント１１に適用される。図面は、その中心部に配置された凹凸の空気通路３１を有するセグメントｎ_ｉを示す。このセグメント１１は、リベット、ねじ、または接着剤によりシャフト１０上の空気通路３０に対して組み立てられる。凹凸の空気通路３１は、シャフト１０の空気通路３０と一致していることがはっきりと分かる。図面中の矢印によってセグメント１１を時計方向に回転させる空気の流れが示される。空気は通路３１、３０を通過する。すなわち、空気は、凹面ブレード１１Ｂから凸面ブレード１１Ａに向かってセグメント１１およびシャフト１０によって形成された開口を通過する。このような障害がない区域によって、空気タービンロータ１００の回転に好ましい最大の空気通路が可能になる。シャフト１０を通り抜けるブレード１１Ａ、１１Ｂの間の空気の流れに対する自由な通過は、プロペラ２０が規則的に回転させることが可能であり、したがってエンジントルクによって生成されるエンジントルクが実質的に平滑化されるのに好都合である。

このロータ１００およびそれを含む風力タービン発電装置の作動は、空気抵抗の差の原理に基づいている。プロペラ２０の部品を形成する各セグメント１１は、それが横方向位置にあるとき、風に向かう凹面（凹面ブレード１１Ｂ）と凸面（凸面ブレード１１Ａ）とを有する。風はこれらの面に非常に異なる力を及ぼすので、その結果として全体の回転を生じさせるトルクが生じる。風の速度が十分であると、プロペラ２０の部品を形成するセグメント１１の慣性によって、１／２回転を超えるまで回転し、そうするとその軸対称性のために風に対して同じ面を有することになり、それまでの１／２回転と同一の回転トルクを受けさせることが可能になる。このような２つの位置において、結果として生じるトルクは実質的に低下する。プロペラ２０のセグメント１１のエンジントルクは、本来のサボニウスロータと極めて似ており、よってロータ１００の回転の周波数の２倍の周波数で変化する。その平均値は正のままである。各セグメント１１はわずかにらせん形状を有する。すなわちプロペラ２０を備えるセグメント１１の積層体が、プロペラ２０の底部（第１のセグメント）と頂部（最後のセグメント）との間に１／４回転のねじれ（α＝９０°）を有するように、セグメントｎ_ｉがセグメントｎ_ｉ＋１に対して数度だけずらされるのはこのような理由のためである。各セグメント１１の個々のトルクを同時に加算することから生じるエンジントルクはしたがって実質的に平滑化される。その後続いて交流発電機の巻き線内に生じる機械的振動はより小さく、高調波もより小さい。したがって、ここに記載されたロータ１００および風力タービンは、より再生可能なエネルギーを必要とする世界中の風力タービンの作製に対する改善をもたらす。

図１から図７までに示された本発明の具体例は、各セグメント１１が２つのブレード１１Ａ、１１Ｂのみを備えるものである。３つのブレードを備える本発明の一具体例が、図８から図１０までに示されている。本発明のこの具体例では、各セグメント１１は、３つのブレード１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを備える。

図８は、シャフト１０およびプロペラ２０の分解組立図を示している。セグメント１１は、３つのブレード１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを備える。シャフト１０は、１つのセグメントにつき３つの開口１４、１５、１６を備える。３つの開口１４、１５、１６は、シャフト１０の特定の部分を均一に囲むように優先的に配置される。３つの開口１４、１５、１６が空気通路３０を形成する。

図９は、前方面４０および後方面４１を備えたブレード１１Ａの上方からみた図を示す。

図１０は、３つのブレード１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを備える１つのセグメント１１を示す。ブレード１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは、ともに空気通路３１を形成する。

各セグメント１１が少なくとも２つのブレードを備える本発明の他の具体例も可能であり、これはなおも本発明の範囲内にある。

要約すれば、本発明は、以下のように記載できる。サボニウスタイプの風力タービンロータ１００は、プロペラ２０の部品を形成する個数ｎ≧１個のセグメント１１が取り付けられた管状シャフト１０を備える。各セグメント１１は、半円の断面を有する２つのブレード１１Ａ、１１Ｂから形成されており、２つのブレード１１Ａ、１１Ｂは、軸線方向にらせん形状に延在し、凹面ブレード１１Ｂおよび凸面ブレード１１Ａを形成するようにシャフト１０に対して交互に配置されて、シャフト１０を通り抜ける凹凸の空気通路３１を形成する。各ブレードは、第１の端部１２Ａ、１２Ｂ、および第２の端部１３Ａ、１３Ｂを有し、２つのブレード１１Ａ、１１Ｂは、その第１の端部１２Ａ、１２Ｂでシャフト１０に固定されており、シャフト１０は、個数ｍ≧１個の１組の空気通路３０を有する。
ロータ１００は、各セグメント１１が、各ブレード１１Ａ、１１Ｂの第１の端部１２Ａ、１２Ｂから第２の端部１３Ａ、１３Ｂに向かって縮小する厚さを有する。プロペラ２０の部品を形成するｎ個のセグメント１１が、ｎ個のうちの最初のセグメント１１の第２の端部に位置する第１の地点（Ｐ_１）と、ｎ個のうちの最後のセグメント１１の第２の端部の、第１の地点（Ｐ_１）と同じところに位置する第２の地点（Ｐ_２）とが、角度αだけ回転してシャフト１０上に設置されており、１≦ｉ＜ｎとしたときにプロペラ２０の部品を形成するセグメントｎ_ｉのセグメントｎ_ｉ＋１に対する回転偏差はα／ｎになる。ｍ番目の空気通路３０がｍ個のうちの最初の空気通路３０に対して角度αだけ回転してずらされるようにして、１組のｍ個の空気通路３０が相互に回転変位していることを特徴とする。

その他の点において、本発明は、プロペラの部品を形成する数ｎ≧１個のセグメントが設けられた管状シャフトを備えるサボニウスタイプのロータにも関する。軸線方向にらせん形状に延びる２つの半円形のブレードによって形成される各セグメントは、シャフトに対して交互に配置され、シャフトを通り抜ける凹凸の空気通路を形成する。シャフトは、２つの開口によって形成される１組のｍ≧１個の空気通路を有する。各セグメントは、各ブレードの第２の端部に向かって縮小する幅を有する。ｎ個のうちの最初のセグメントの第２の端部にある第１の地点と、ｎ個のうちの最後のセグメントの第２の端部にある第２の地点は、角度αだけ回転するようにずらされている。セグメントｎ_ｉおよびｎ_ｉ＋１の回転偏差は、関係α／ｎである。ｍ番目の空気通路は、ｍ個のうちの最初の空気通路に対して角度αだけ回転してずらされている。

本発明を特有の具体例に関連して記載したが、これは純粋に情報を提供するための値を有しており、限定とみなすべきではない。本発明は、上記に示されおよび／または記載された例に限定されるものではない。動詞「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「収容する（ｃｏｎｔａｉｎ）」、または任意の他の代替形態ならびに活用形の使用は、言及されるもの以外の要素の存在を全く除外しない。１つの要素を持ち出すための不定冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」または不定冠詞「その（ｔｈｅ）」は、複数のこのような要素の存在を除外しない。クレームにおける参照番号はその範囲を限定するものではない。

Claims (15)

1. プロペラ（２０）の部品である１つ以上であるｎ個のセグメント（１１）が取り付けられた管状のシャフト（１０）を備えるサボニウス型の風力タービンロータ（１００）であって、
   各セグメント（１１）は、半円の断面を有する２つのブレード（１１Ａ、１１Ｂ）から形成されており、該２つのブレード（１１Ａ、１１Ｂ）は、軸線方向にらせん形状に延在し、凹面ブレード（１１Ｂ）および凸面ブレード（１１Ａ）を形成するように前記シャフト（１０）に対して交互に配置されて、前記シャフト（１０）を通り抜ける凹凸の空気通路（３１）を形成しており、
   各ブレードは、第１の端部（１２Ａ、１２Ｂ）および第２の端部（１３Ａ、１３Ｂ）を有し、前記２つのブレード（１１Ａ、１１Ｂ）は、第１の端部（１２Ａ、１２Ｂ）で前記シャフト（１０）に固定されており、
   前記シャフト（１０）は、１組の２以上であるｍ個の空気通路（３０）を有する、前記風力タービンロータ（１００）において、
   各セグメント（１１）は、各ブレード（１１Ａ、１１Ｂ）の前記第１の端部（１２Ａ、１２Ｂ）から前記第２の端部（１３Ａ、１３Ｂ）に向かって縮小する幅（５２）を有し、
   前記プロペラ（２０）の部品を形成する前記ｎ個のセグメント（１１）は、前記ｎ個のうちの最初のセグメント（１１）の前記第２の端部上に位置する第１の（Ｐ_１）地点と、前記ｎ個のうちの最後のセグメント（１１）の前記第２の端部上に、前記第１の（Ｐ_１）地点と同じところに位置する第２の（Ｐ_２）地点とが、角度αだけ回転して前記シャフト（１０）上に設置され、１≦ｉ＜ｎとしたときに前記プロペラ（２０）の部品を形成するセグメントｎ_ｉ＋１に対するセグメントｎ_ｉの回転角度はα／ｎになり、
   前記組の前記ｍ個の空気通路（３０）は、ｍ番目の空気通路（３０）が、前記ｍ個のうちの最初の空気通路（３０）に対して角度αだけ回転して変位するように、相互に回転変位していることを特徴とする、風力タービンロータ。
2. ｎ＝ｍである、請求項１に記載された風力タービンロータ。
3. 前記管状のシャフト（１０）が、前記ロータ（１００）の回転軸線と一致する、請求項１または請求項２に記載された風力タービンロータ。
4. 前記プロペラ（２０）を形成する隣接するセグメント（１１）が接着剤によって接着されている、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された風力タービンロータ。
5. 前記プロペラ（２０）を形成するｎ個のセグメント（１１）が、リベット又はねじによって前記シャフト（１０）に取り付けられている、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された風力タービンロータ。
6. 前記シャフト（１０）が金属管で構成され、とりわけ一体品である、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された風力タービンロータ。
7. 前記シャフト（１０）の一端の周りに機械的動力の受け取り部材、とりわけ交流発電機のロータ、が固定される、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された風力タービンロータ。
8. 前記プロペラ（２０）の部品を形成する前記セグメント（１１）が、プラスチック材料、とりわけバイオプラスチックの射出成形によって、または軽金属、とりわけアルミニウムまたはマグネシウムにより、または回転成形によって作製される、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された風力タービンロータ。
9. 前記２つのブレード（１１Ａ、１１Ｂ）が、前記シャフト（１０）の中心にある円形部分に組み込まれた少なくとも２つの歯止めによってそれぞれの第１の端部（１２Ａ、１２Ｂ）において合わせて固定される、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された風力タービンロータ。
10. 前記角度αが９０°または１８０°である、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された風力タービンロータ。
11. 各セグメント（１１）が３つのブレード（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）から形成される、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載された風力タービンロータ。
12. 前記シャフトの各空気通路（３０）が、前記シャフトの周囲に均一に配置された開口（１４、１５、１６）により形成される、請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された風力タービンロータ。
13. 請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載された風力タービンロータの一部であるプロペラ（２０）。
14. 請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載された風力タービンロータの一部である管状シャフト（１０）。
15. 請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載された風力タービンロータを備えるサボニウス型の風力タービン発電装置。

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