JP2019094903A - 直径と角度が可変性の垂直軸タービン - Google Patents

Abstract

【課題】タービンがどのようにして低風速を利用し、高風速で耐え抜くことができるシステム、方法を提供する。【解決手段】アームの長さから、または、羽根の角度から、または、その両方から、その直径を拡張可能かつ収縮可能な風力タービン、とりわけ、垂直軸タービンは、低風速状態で動作するとともに高風速状態で耐えるという利点を有している。本出願は、そのようなタービン、とりわけ、羽根の制御機構と最適な空気力学的構造をどのように構築するかについて記載している。【選択図】図１

Description

本発明は、直径がアーム長さおよび／または角度によって制御される、可変性の直径の羽根を備えた、風力タービンのためのシステム、デバイス、および方法に関する。

これは、タービンがどのようにして低風速を利用し、高風速で耐え抜くことができるか、あるいは、高風速のみにどのようにして耐え抜くのか、という問題にさえ取り組む。それは、周速比（ＴＳＲ）と呼ばれるパラメータと組み合わせた羽根の構造に基づいて様々な効率を達成する方法を示している。これは、特定の速度のための適切な形状と制御構造を達成するために、タービンの複数のパラメータの調整を必要とする。用途の一例は、風速が一年の大半は低く、モンスーン季節には高いインドの地方での環境、あるいは、世界の他のハリケーン地域である。

ここで、いくつかの潜在的な先行技術の調査結果がある。

Ｄａｗｓｏｎ（特許文献１）は、ロータ羽根に適用され、羽根の長さを変更することを含んでいるので、適切ではない。Ｄａｗｓｏｎは、羽根形状を変更することについては議論しておらず、タービンの直径を変更することについて議論している本出願とは異なる。それはさらに、水平軸タービンに特異的である。

Ｐｏｔｔｅｒ（特許文献２）は、風力機械の幅を減少させる概念を有しているが、多くの翼を縮小するというまったく無関係な概念を提案している。我々の出願は、縮小を使用せず、実施形態によっては、非翼形羽根を使用するという点で異なる。Ｐｏｔｔｅｒは羽根と巻き上げに依存しているが、我々は固体の羽根を使用する。Ｐｏｔｔｅｒの塔は傾けることができるが、我々の塔は理想的に曲げることができない。Ｐｏｔｔｅｒの羽根は下がって保管モードになるが、本出願は格納を含んでいる。

Ｈｕｌｌｓ（特許文献３）は、ダリウス型の羽根を引っ張ることに適用されるが、関連していない。

Ｑｕｒａｅｓｈｉ（特許文献４）は、リフト垂直軸羽根上でピッチ制御を使用する。それは、シャフトからの羽根の中心の距離を変えない。

Ｊａｍｉｅｓｏｎ（特許文献５）は、様々な手段によって外径を伸張するが、本出願は内径または角度のいずれかを調節することによって作用する。

要約すると、本発明の力学および空気力学に取り組んだ本出願の著者に知られていた先行技術は存在しない。

米国２０１０／０１５８６８７ 米国４３４２５３９ 米国５５３１５６７ 米国６３９４７４５ 米国６９７２４９８

本発明は、風力タービンに可変性のパラメータを供給することによって、現在の既知の構造の欠点に取り組むことに成功する。

垂直軸タービンシステムがここで初めて開示され、該システムは、
ａ．回転可能な剛体の中心シャフトに直接、または、少なくとも１つのアームによって、固定された 少なくとも２つの固体の羽根であって、前記シャフトは、安定した中心軸上での羽根の操作および取り付けに必要な任意の取り付けられた部品を含むと定義される、羽根、
ｂ．前記システムによって、アームの取り付け点から羽根の最も外側の部分とシャフトの中心まで測定されたタービンの直径、および／または、中心シャフトに関する羽根の角度を変更する手段を備える。

１つの実施形態では、該システムは、３つの羽根をさらに含む。

１つの実施形態では、該システムは、伸長可能または収縮可能なアームをさらに含む。

別の実施形態によれば、手段は、
ｃ．シャフトに接続されたモーターディスク、
ｄ．羽根にモーターディスクを接続する回転アーム、
ｅ．羽根にモーターディスクを接続するスライドアームを含む。

別の実施形態によれば、手段は、
ｃ．シャフトに接続された駆動ディスク、
ｄ．羽根に取り付けられる従動ディスク、
ｅ．従動ディスクに駆動ディスクを接続する接続アームを含む。

別の実施形態によれば、手段は、
ｃ．シャフトに接続された駆動ディスク、
ｄ．羽根に取り付けられた従動ディスク、
ｅ．従動ディスクに駆動ディスクを接続するチェーン、
ｆ．駆動シャフトとチェーンに接続されたテンションギア（ｔｅｎｓｉｏｎ ｇｅａｒ）を含む。

幾つかの実施形態では、該システムは、
ｃ．限定されないが、直径、角度、回転速度を含む、システムのパラメータの電子制御またはマイクロプロセッサー制御の手段をさらに含む。

１つ実施形態では、該システムでは、前記手段は、その後面、または、その前面、あるいはその両方の方向で、シャフトに向かって羽根を調節することができる。

中心の固体シャフト、および、少なくとも１つのアームまたは駆動デバイス、および、少なくとも１つの羽根を備えた垂直軸タービンの直径および／または羽根の角度を、手段を用いて、様々な速度で変更するための方法が、ここで初めて開示され、前記アームまたは駆動デバイスは、アームまたは駆動デバイスの羽根への取り付け点からシャフトまで測定された、羽根の直径および／または角度を変更する。

１つの実施形態では、該システムは、周囲の流体環境の特定の速度に結び付けられたタービンシステムの変化の機械的または電子的制御のいずれかによって、直径および／または角度の少なくとも１つの変化を達成する工程をさらに含む。

別の実施形態によれば、ＴＳＲと羽根の角度構造は、Ｃｐが低流体速度でより高くなるように、Ｃｐを変更するために一致している。

別の実施形態によれば、手段は、その内部の方向に羽根を折り畳む。

別の実施形態によれば、折り畳みは一度に１つの羽根で生じ、羽根の外側は接近する流体に面する。

以下のパラメータの２０％以内でいくつかの比率で、以下のパラメータを含む、３枚羽根の垂直軸タービンが初めて開示される：
ａ．任意の垂直距離のほぼ半円形の羽根であって、指定された比率が羽根上の任意の点、または、平均、最大、最小を指してもよい、半円形の羽根、
ｂ．１３００ミリメートルの羽根直径、
ｃ．６００ミリメートルの羽根の内部縁からシャフトの中心に最も近い点。

別の実施形態によって、羽根の角度は、水平位置から左回り方向に正である、３６０度の円によって定義され、ここで、半円の両端は水平位置にあり、半円は、その水平位置から、シャフトに最も近い点から正の方向にあり、＋４５〜＋９０度、および、＋２７０〜＋３１５度の範囲、または、その間の任意な点である。

別の実施形態によれば、羽根は、二重曲線形状を有し、および／または、少なくとも１つの垂直方向に先細りになっており、および／または、羽根の上部および／または下部の縁、および／または中央に水平なへりを有している。

別の実施形態によれば、ＴＳＲは０と１．４の間である。

１つの実施形態では、該システムは、ｒｐｍがタービンの動力の１００％の変化ごとに５未満増加するときに、発電機上への負荷を増加させる手段をさらに含む。

垂直軸タービンのＣｐの変化をもたらすために、機械的または電子的な制御手段によって、ＴＳＲとタービン羽根の幾何学的形状を同時に調節する方法がここで初めて開示される。

本発明は、ほんの一例として、添付の図面を参照して記載される。

双碗の直径を変更する機構の略図である。 駆動および従動ディスク（ａ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｄｒｉｖｅｎ ｄｉｓｃ）の直径を変更する機構の略図である。 チェーンおよびテンションギアの直径を変更する機構の略図である。 シャフトオフセットの直径を変更する機構の略図である。 ３枚羽根の垂直軸タービンの所望のいくつかの角度および直径の断面図である。 ３枚羽根の垂直軸タービンの様々な角度構造についてのＣｐ対ＴＳＲの略図である。 ３枚羽根の垂直軸タービンの収縮の１つの方法の略図である。 ２枚羽根の垂直軸タービンの収縮の１つの方法の略図である。 異なる風速でのｒｐｍの略図である。

本発明は可変の直径、角度、および関連する可能なシステムを使用する風力タービンからの電力の生成に関する。本発明によれば、風力タービン設計のいくつかのデバイスおよび方法が提供される。

本発明は、任意の流体の流れ−それが風、水、またはそれ以外のものであれ−に適用されるが、最初に想定される使用は風力タービンによるものであり、次に水中タービンであるので、便宜上、他の任意の流体の代わりに、「風力」という用語が用いられてもよい。この概念は、洪水の時期などに流速が著しく増加する場所の流体運動的タービンに等しく適用可能であることに注意する。

すべてのシステムおよびシャフトは、機械的エネルギーを受け取り、それを有用なエネルギーに変換する機構または物体、例えば、機械エネルギーを電気に変換する発電機、または、それを熱に変換するシステム、あるいは、ポンプなどの機械に接続された機械システムに取り付けられるものと考えられる。

本発明の主な用途は、抗力型の羽根（ｄｒａｇ−ｔｙｐｅ ｂｌａｄｅ）、あるいは、リフト機構を備える抗力型の羽根と一緒であることを想定している。抵抗羽根はまず、カップのように流体の「押し」を捕らえることによって動作し、リフト羽根は最初に、高圧領域から低圧領域への移動を誘発する羽根のように動作する。しかしながら、それはリフト型の羽根にも適用可能であってもよい。

ＶＡＷＴと増／減可能な羽根直径を関連付けることは、それらが径方向の径間を変えることを意味していているが、記載される条件では革新的である。１つの実施形態では、これは抗力羽根のためである。１つの実施形態では、この変化は、異なる重複部分などの羽根の配向の変化にも適用されてもよい。１つの実施形態では、この変化は、シャフトからの距離におけるオフセットによって達成され得る。別の実施形態では、羽根自体は、伸長および収縮することができる。羽根が図４において低風速（１４）で伸長する場合、羽根を一緒に近づけることで、高風速（１３）での生存を高める。これは、他の羽根枚数の中でも特に、２枚および３枚の羽根の組み合わせ、抗力およびリフトにとって新規である。

１つの実施形態では、それらは電気制御下にある。その１つの実施形態では、エネルギーの指定された出力が達成されるように、電気制御はそれらの直径を維持する。

要約すると、上で、および、本出願の残りの部分で議論される点の２つ以上を含む、多くの新しい組み合わせが開示されている。

図１は双碗の直径を変更する機構の略図である。この機構は、２つの駆動移動、回転またはスライドという選択肢を有している。モーターディスク（１）は中心にある。それぞれの羽根の回転中心は、地面と平行なアーク上にある。回転アーム（２、４、６）は右回りに回転することができ、その一方で、スライドアーム（３、５、７）は、羽根を左回りに回転させるために、シャフトの方に内部に移動するか、または、シャフトから離れて移動する。図は回転アームのみを駆動させるためのモーターを示す。

システムは任意の数の羽根によって動作することができる。

図２は、駆動および従動ディスクの直径を変更する機構の略図である。この機構は、駆動ディスク（８）を回転させるシャフトの内部の駆動モーターを使用する。それぞれの接続アーム（９）は、ピンなどの接続手段を含む駆動および従動ディスクの外周に取り付けられる。接続アームは、ディスク（８）が左回りに回転するときに、羽根を押す。タービンの半径を減らすために、引っ張り動作が要求されるとき、駆動ディスクの回転は右回りである。羽根の回転軸は、従動ディスク（１０）のまわりにあり、シャフトの中心に対して固定された位置にある。

図３は、チェーンおよびテンションギアの直径を変更する機構の略図である。この機構は、ピニオンギアを使用して、中央のモーター（１４）によって駆動されたチェーン（１２）とギア（１３）上で動作する。それぞれの羽根は、その角度を移動させるために所定の伝達率を備えたそれ自体のギアを備えている。右回りのチェーン回転によって、羽根は広く開く。羽根の回転軸は駆動されたディスク（１３）のまわりにあり、シャフトの中心に対して固定された位置にある。２つの小型のギアがチェーンに張力をかける。

追加の２つの小型のギア（１１）がチェーンに対して連続的に張力をかける。

図４はシャフトオフセットの直径を変更する機構の略図である。構造（１３）は高風速のために収縮され、（１４）は低速速のための拡大した直径を有している。点（１５）および（１７）はシャフトであり、点（１６）と（１８）は羽根であり、シャフトからのその距離は、理想的にはそれを調節するための少なくとも１つのスライドアーム（図示せず）を用いて、簡単に増減する。

図５は、３枚羽根の垂直軸タービンの所望のいくつかの角度および直径の断面図である。示された羽根はすべて、模型製作の目的のため正確な半円であるが、他の実施形態では、半円の変形型であってもよく、先細り形状になっていたり、少なくとも二重曲線を有していたり、上方、下方、および、中心にへりを有するなどしてもよい。これらの図は、以下の表でシミュレートされたモデルを説明している。

これらのそれぞれの場合の外径は次のとおりである：

この図の羽根は、アームまたはシャフトとの接続の軸点の方向に近づく、および、該方向から離れることができる。

すべての羽根はシミュレーションで同一である。半径は、角度βによって定義されたそれぞれの羽根の回転によって変わる。回転の枢軸は半径６００ｍｍであり、半円羽根の直径は１３００ｍｍである。配置（１９）は０度であり、（２０）は−９０または−２７０度であり、（２１）は＋９０度であり、（２２）は＋４５度である。１つの基準点を使用したことに注意する。それぞれのパラメータが記載された値の２０％を有しており、その結果、ばらつきは十分に近接していると言うことを申し添えておく。

図５の図は、概念の実施の必要不可欠な要素であり、それに一体的に関連付けられる。一般的に、この構造の３枚羽根の垂直軸タービンは、最も効率的なもののように思われ、したがって、本明細書に延べられるすべての構造を備えた３つの羽根の組み合わせは、効率的であると同時に独特でもある。

図６は、３枚羽根の垂直軸タービンの様々な角度構造についての出力係数（Ｃｐ――基本的に、パーセンテージに変換する場合の係数。高ければ高いほど良い）対ＴＳＲの略図である。これは性能のコンピューターモデルに基づく。重要な点は、角度＋ＴＳＲの組み合わせの、Ｃｐに対する影響、タービンの流体力学の効率である。様々な位置が本発明の重要な一部である。なぜなら、それによって、特定の構造における垂直軸タービンの角度および直径の変化が、低速度状態でよく機能するとともに超高風速でその効率を（したがって、タービンの力学または電気系統にかかわらず、その生存率を）低下させることができるタービンを作る際に非常に重要であるということが実証されるためである。したがって、両方を達成する１つのタービンを作ることができるため、もっとも高いＣｐ値ともっとも低いＣｐ値がもっとも興味を集めている。

これは、改善された２Ｄのシミュレーションであるので、３Ｄについて結果はさらに好意的なものである。というのも、縁効果（ｅｄｇｅ ｅｆｆｅｃｔ）が効率を減少させるからである。様々な実施形態において、半円の断面形状は、正確に半円である必要はなく、羽根全体でも同じ形状である必要もない。様々な実施形態では、それは、先細りになっている、および／または、二重曲線の形状である。１つの実施形態では、それは、縁の２０％以内の外側の上部および／または下部の縁から内部に下がり、その後、わずかに異なる角度で外部に広がる。
ＴＳＲ＝羽根の先端速度／風速
先端速度＝２×Ｐｉ×ｒ／時間（ｒは半径）

線（２３）および（２４）は最も大きな効率を示す。この配列の線（２５）は最小効率を示している。このことは、タービンが、高風速で、＋４５〜＋９０度の位置から、−９０度の位置の範囲まで切り替えることで、強風で生成される動力の量を減らすことができるということを意味している。当業者は、この方法を、異なる風速で異なる出力を生成するために羽根構造に加えＴＳＲを調節することと要約することができる。

図７は、３枚羽根の垂直軸タービンの収縮の１つのタイプの略図である。この場合、開いた（２６）３枚羽根システムは羽根の内部の方向に収縮して位置（２７）になり、この位置では、風はタービンを回転させるためにほとんどなにもしない。

図８は、２枚羽根の垂直軸タービンの収縮の１つのタイプの略図である。この場合、開いた（２８）２枚羽根システムは羽根の内部の方向に収縮して位置（２９）になり、この位置では、風はタービンを回転させるためにほとんどなにもしない。

図９は様々な風速でのｒｐｍの略図である。それは特定の抵抗タイプの垂直軸タービンのシミュレーションである。最適なｒｐｍは、１０ｍ／ｓまではかなり直線的で、その後、風速が増すとともに、非常に狭い範囲で安定する。そのことは、ほとんどの発電機システムがｒｐｍの増加に関して電圧の線形応答に依存しているため、典型的な発電機システムはここでは十分に動作しないことを意味している。その解決策は、様々な実施形態において、シールドを取り除くことによって余分な巻線を動作させるか、あるいは、電磁石の電荷または数を増やすようにして、電子的に制御された付加を追加することである。電子的な制御なくこれを行うためには、発電機の部品をｒｐｍカウンターに接続し、様々な手段を駆使して発電機への負荷を増加させ、その結果として、トルクを捕らえる能力を増加させる、自動機械システムが展開され得る。１つの実施形態では、これらの変更は、１０ｍ／ｓ以上の風でのみ始まる。これを表現する別の方法は、上記のような発電機のパラメータを変えることによってトルクの変化に応答するタービンの発電機になるだろう。

本発明は、制限された数の実施形態に関して記載されているが、本発明の多くの変更、修飾、および他の適用がなされてもよいことが認識されよう。

Claims (19)

1. 以下を含む垂直軸タービンシステム：
   ａ．回転可能な剛体の中心シャフトに直接、または、少なくとも１つのアームによって、固定された 少なくとも２つの固体の羽根であって、前記シャフトは、安定した中心軸上での羽根の操作および取り付けに必要な任意の取り付けられた部品を含むと定義される、羽根、
   ｂ．前記システムによって、アームの取り付け点から羽根の最も外側の部分とシャフトの中心まで測定されたタービンの直径、および／または、中心シャフトに関する羽根の角度を変更する手段。
2. 前記システムは、３つの羽根を有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記手段は、伸長可能または収縮可能なアームを備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記手段は、
   ｃ．シャフトに接続されたモーターディスク、
   ｄ．羽根にモーターディスクを接続する回転アーム、
   ｅ．羽根にモーターディスクを接続するスライドアームを含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記手段は、
   ｃ．シャフトに接続された駆動ディスク、
   ｄ．羽根に取り付けられる従動ディスク、
   ｅ．従動ディスクに駆動ディスクを接続する接続アームを含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記手段は、
   ｃ．シャフトに接続された駆動ディスク、
   ｄ．羽根に取り付けられた従動ディスク、
   ｅ．従動ディスクに駆動ディスクを接続するチェーン、
   ｆ．駆動シャフトとチェーンに接続されたテンションギアを含む、請求項１に記載のシステム。
7. ｃ．限定されないが、直径、角度、回転速度を含む、システムのパラメータの電子制御またはマイクロプロセッサー制御の手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記手段は、その後面、または、その前面、あるいはその両方の方向で、シャフトに向かって羽根を折り畳む、請求項１に記載のシステム。
9. 中心の固体シャフト、および、少なくとも１つのアームまたは駆動デバイス、および、少なくとも１つの羽根を備えた垂直軸タービンの直径および／または羽根の角度を、手段を用いて、様々な速度で変更するための方法であって、
   アームまたは駆動デバイスは、アームまたは駆動デバイスの羽根への取り付け点からシャフトまで測定された、羽根の直径および／または角度を変更する、方法。
10. 直径および／または角度の少なくとも１つの変化は、周囲の流体環境の特定の速度に結び付けられたタービンシステムの変化の機械的または電子的制御のいずれかによって達成される、請求項９に記載の方法。
11. ＴＳＲと羽根の角度構造は、Ｃｐが低流体速度でより高くなるように、Ｃｐを変更するために一致している、請求項１０に記載の方法。
12. 手段は、その内部の方向に羽根を折り畳む、請求項９に記載の方法。
13. 折り畳みは一度に１つの羽根で生じ、羽根の外側は接近する流体に面する、請求項１２に記載の方法。
14. 以下のパラメータの２０％以内でいくつかの比率で、以下のパラメータを含む、３枚羽根の垂直軸タービン：
    ａ．任意の垂直距離のほぼ半円形の羽根であって、指定された割合が羽根上の任意の点、または、平均、最大、最小を指してもよい、実質的に半円形の羽根、
    ｂ．１３００ミリメートルの羽根直径、
    ｃ．６００ミリメートルの羽根の内部縁からシャフトの中心に最も近い点。
15. 羽根の角度は、水平位置から左回り方向に正である、３６０度の円によって定義され、ここで、半円の両端は水平位置にあり、半円は、その水平位置から、シャフトに最も近い点から正の方向にあり、＋４５〜＋９０度、および、＋２７０〜＋３１５度の範囲、または、その間の任意な点である、請求項１４に記載のタービン。
16. 羽根は、二重曲線形状を有し、および／または、少なくとも１つの垂直方向に先細りになっており、および／または、羽根の上部および／または下部の縁、および／または中央に水平なへりを有している、請求項１４に記載のタービン。
17. ＴＳＲは、０と１．４の間である、請求項１４に記載のタービン。
18. ｒｐｍがタービンの動力の１００％の変化ごとに５未満増加するときに、発電機上への負荷を増加させる手段をさらに含む、請求項１４に記載のタービン。
19. 垂直軸タービンのＣｐの変化をもたらすために、機械的または電子的な制御手段によって、ＴＳＲとタービン羽根の幾何学的形状を同時に調節する、方法。