JP2019506566A - 風力タービン、および電気エネルギーを発生させるための方法 - Google Patents

Abstract

上流にハブ（３０７）が取り付けられた円筒状本体（３０１）、および円筒状本体（３０１）に配置された発生装置（３０３）を有する内側部材（３）と、ハウジングジャケット（５０１）、ハウジングジャケット（５０１）に配置され、断面が流れ方向に小さくなる、少なくとも１つの漏斗状部品（５０３）、および、ハウジングジャケット（５０１）における下流に配置されるキャップ部品（５０５）を有する外側部材（５）と、内側部材（３）を外側部材（５）に連結する少なくとも１つの軸受リブ（７）と、内側部材（３）の下流端に配置され、発生装置（３０３）に連結され、ロータ（９０１）を有する作動タービン（９）と、を備える風力タービン（１）であって；外側部材（５）は、内側部材（３）と共に、内側部材（３）の長さにわたって延在する少なくとも１つの先細部（５０７）を形成し、外側部材（５）は次いで、内側部材（３）の下流端に末広部（５０９）を形成する。また、風力タービン（１）を使用して空気流から電気エネルギーを発生させる方法に関する。【選択図】図４

Description

本発明は、風力タービン、および、上記風力タービンによって空気流から電気エネルギーを発生させるための方法に関する。

風力エネルギー技術は、地球上の多量の風力資源により、高い比率で発展している。これらの資源は、電気を実質的に無制限にかつ実質上環境学的に発生させるのに十分なほどあり、この電気は、大部分は、在来の化石燃料および核エネルギーに取って代わることが可能である。その結果として、利用可能な風力の潜在性を活用して、低い初期投資費用で大量の電気を発生させ、かつ最終消費者にとって魅力的な価格を提示することができる、高効率の風力設備を開発することが必要である。

一般的な風力設備および方法は、先行技術自体から既知である。風力設備は、今のところ、例えば、Ｖｅｓｔａｓ Ｖ１６４〜８．０タイプの場合、１６４メートルまでの大きな直径を有するロータで設計され、この高エネルギー密度を有する設備は、今のところ、１０ＭＷまでもたらすものである。２０２０年度までの開発の傾向は、洋上風力設備を作り出すことに向けられており、該設備は、およそ２０ＭＷの最大電力を有することを目的とし、３００メートルまでのロータ直径を有するものとする。

大量の電気エネルギーを発生させるために、従来の風力設備は、大きな直径を有するロータからの非常に広範囲の空気流に依存している。しかしながら、これらの大きなロータは、重くかさばり、設置、維持、および修繕が困難である。ロータブレードの端部における周速度は、７ｒｐｍ〜１３ｒｐｍの設備の低動作周波数の場合でも非常に高いレベルに達する。

高摩擦による抵抗モーメント、またこの摩擦に関わる部分の摩耗は非常に大きい。構造は、これに応じて、非常に大きなサイズになり、重く高費用のものになる。風力設備を通過する大きな気団を伴う渦形成の結果、個々の風力設備は、とりわけ、いわゆる風力発電所において接近して立っている場合、短距離にあるため互いに影響し合う。その結果として、風力発電所内での風力設備のかなりの間隔が必要である。さらに、風力設備は、超臨界風速の存在下での非常に高い危険にさらされるため、高風速の存在下では動作しないようにされる。従って、上記風力設備は、住民および動物、とりわけ、鳥に大きな危害をおよぼす。この事実は、一般的に、環境問題専門家、および被害を受ける人々の直情的反応に対する共通の理由になっている。

現在の開発は、比較的小さい気団を集中させることによって比較的大量のエネルギーを発生させることによって、局所的な空気流を適当に変換することによる高有効性を実現することを対象としている。ここで、２つの原理、具体的には、高動圧を発生させるために局所的な空気流を集中させかつ加速させること、および、静圧の差異を発生させるために、乱気流を発生させることを使用しかつ組み合わせることが可能である。

特許文献１には、大きい入口を有する漏斗形ハウジングを有し、かつ出口に向かってテーパ状になっている凹状内面を有する簡易な風力エネルギー発生装置であって、プロペラによって動作させる発電機が配置されている、風力エネルギー発生装置が記載されている。風力エネルギー発生装置は、漏斗形ハウジングに進入する風を加速させ、かつ、高速でプロペラの方へ誘導するベルヌーイの原理に基づいている。

先行技術によると、創エネルギーが８０％を下回るため、８ｍ／ｓを下回る風速の存在下で風力設備を動作することは、経済的に適切ではない。他方では、従来の風力設備は、２５ｍ／ｓの風速までで安全に動作させることができるに過ぎない。

先行技術による従来の風力設備を使用して、例えば１７５ＭＷの電力を発生させるために、およそ８７０，０００平方メートルの面積にわたって、およそ８７の個々の設備、すなわち、８７のマストを使用しなければならない。風力設備だけに必要とされる投資は、用地価格およびインフラストラクチャを考慮に入れずにおよそ１７０百万ユーロになる。

従って、よりコンパクトで、伴う費用がより低く、より効率的な風力設備が急務となっている。この目的のために、個々のマストに対して以前よりも大きい設備容量を持たせること、および、風力発電所において現在のケースよりも近くになるようにこれらの個々のマストを位置付けるやり方を求めることが必要になる。このやり方でのみ、用地およびインフラストラクチャの費用を節減することが可能である。軽んじることができない将来的な風力設備に対する側面は、住民および動物、とりわけ鳥に関するこの安全性、および一般的に良好な環境適合性である。

米国特許出願公開第２００４／０１８３３１０号

出発点として先行技術の上記の不利点を取り上げると、本発明の目的は、比較的低い容量の空気流によってかなりの量の電気を発生させることができる風力設備を提供することである。本発明のさらなる目標は、風力設備の効率および有効性を改善することである。

上記目的は、本発明の第１の態様において、
−上流にカウリング（３０７）が取り付けられた円筒状本体（３０１）を有し、かつ円筒状本体（３０１）に配置された発生装置（３０３）を有する内側部材（３）と、
−収納ケーシング（５０１）、収納ケーシング（５０１）に配置される少なくとも１つの漏斗状部品（５０３）であって、この漏斗状部品の断面は流れ方向に小さくなる、漏斗状部品、および、収納ケーシング（５０１）における下流に配置される球形キャップ部品（５０５）を有する外側部材（５）と、
−内側部材（３）を外側部材（５）に連結する少なくとも１つの保持リブ（７）と、
−内側部材（３）の下流端に配置され、発生装置（３０３）に連結され、ロータ（９０１）を有する作動タービン（９）と、を備える風力タービン（１）であって、
外側部材（５）は、内側部材（３）と共に、内側部材（３）の長さにわたって延在する少なくとも１つの先細部（５０７）を形成し、外側部材（５）は、内側部材（３）の下流端に隣接して、末広部（５０９）を形成する、風力タービン（１）によって実現される。

この目的は、本発明の第２の態様において、本発明による風力タービン（１）によって空気流から電気エネルギーを発生させるための方法であって、
ａ）風力タービン（１）の少なくとも１つの先細部（５０７）において周囲から空気流を受けるステップと、
ｂ）断面積を徐々に小さくすることによって少なくとも１つの先細部（５０７）において空気流を加速させかつ圧縮するステップと、
ｃ）ロータ（９０１）を対象とするように加速させ圧縮させた空気流を伝導することによって、作動タービン（９）を駆動するステップと、
ｄ）ロータ（９０１）を通過後、加速させ圧縮させた空気流を末広部（５０９）内に導入し、空気流を減速させかつ拡張するステップと、を含む方法によってさらに実現される。

本発明は、初めに、基本的に、活用可能な風速に関して無制限であるため、個々の風力タービン（１）の効率が従来の風力設備に対して増大しているという利点を有する。さらに、個々の風力タービン（１）の面積の要件は小さくなり、それによって、単位面積当たりの風の利用は大幅に増大する。また、従来のマスト（１３）上に複数の風力タービン（１）を配置可能である。本発明によって、上述した、例えば１７５ＭＷの電力を発生させるために、必要となるのは、いずれの場合にも、本発明による風力タービン（１）７つを有する（８７ではなく）１３のマスト（１３）のみ、および、（８７０，０００平方メートルではなく）およそ２２，５００平方メートルのみの面積である。

本発明について、以下に詳細に説明する。

本発明による風力タービン（１）の説明で方法の特徴を述べているが、これらはとりわけ、本発明による方法に関する。同様に、本発明による方法の説明において述べられる物理的特徴は、本発明による風力タービン（１）に関する。

本発明の第１の態様は、上流にカウリング（３０７）が取り付けられた円筒状本体（３０１）を有し、かつ円筒状本体（３０１）に配置された発生装置（３０３）を有する内側部材（３）を備える風力タービン（１）に関する。風力タービン（１）はさらに、収納ケーシング（５０１）、収納ケーシング（５０１）に配置される少なくとも１つの漏斗状部品（５０３）であって、この漏斗状部品の断面は流れ方向に小さくなる、漏斗状部品、および、収納ケーシング（５０１）における下流に配置される球形キャップ部品（５０５）を有する外側部材（５）を備える。

さらに、風力タービン（１）は、内側部材（３）を外側部材（５）に連結する少なくとも１つの保持リブ（７）と、内側部材（３）の下流端に配置され、発生装置（３０３）に連結され、ロータ（９０１）を有する作動タービン（９）とを備える。

風力タービン（１）は、外側部材（５）が内側部材（３）と共に、内側部材（３）の長さにわたって延在する少なくとも１つの先細部（５０７）を形成し、外側部材（５）は、内側部材（３）の下流端に隣接して、末広部（５０９）を形成することを特徴とする。

本発明において、「先細部」は、流れ方向に見ると先細になる流路、すなわち、流れ断面を均一に小さくする水平流路を意味すると理解されるべきである。先細部（５０７）は、風力タービン（１）において空気流を最適化するのに役立つ。

本発明において、「末広部」は、流れ方向に見ると末広になる流路、すなわち、断面が急激に増大する水平流路を意味すると理解されるべきである。末広部（５０９）は、流路の断面を拡大するのに役立つ。

「球形キャップ部品」は、風力タービン（１）の下流端に位置し、少なくとも一部分が部分的に球形である外側部材（５）の一部分に言及する。球形キャップ部品（５０５）は、急激に増大する断面積を有し、それによって、末広部（５０９）のためのハウジングを形成する。

「作動タービン」は、流動流体、この場合、とりわけ空気に固有のエネルギーを機械的エネルギーに変え、かつこれをシャフトを介して出力する回転式ターボ機械を意味すると理解されるべきである。本発明において、「ロータ」は、作動タービン（９）の回転（回動）要素に言及する。本発明の１つの実施形態では、ロータ（９０１）のハブは、ロータブレード（９０１１）を支えるだけでなく、同時にはずみ車の機能を果たすような統合した設計になっている。この統合体は、より大きい直径、ハブを広くすること、または、比較的高密度の材料の使用で構成されてよい。

外側部材（５）は、内側部材（３）の周りに配置され、とりわけ、風力タービン（１）の外側ケーシングを形成する。内側部材（３）は、好ましくは、魚雷形状を有し、かつ、この円筒状本体（３０１）上の上流に、好ましくは、流線型の円錐形カウリング（３０７）を有する。円筒状本体（３０１）に配置される発生装置（３０３）、好ましくは発電機に対して、好ましくは、ギアボックス（３０５）、とりわけ、遊星ギアボックスが連結されている。

上述されるように、少なくとも１つの保持リブ（７）は内側部材（３）を外側部材（５）に連結する。具体的には、少なくとも１つの保持リブ（７）は、円筒状本体（３０１）に対して配置、すなわち、固定されてよく、収納ケーシング（５０１）に配置される漏斗状部品（５０３）を支持することができる。

外側部材（５）は、上流の入口開口部（１０１）、すなわち、先細部（５０７）に対する入口を有し、下流の出口開口部（１０３）、すなわち、末広部（５０９）の出口を有する。

本発明による風力タービン（１）は、５メートル〜１０メートル、とりわけ、７メートル〜８メートルの長さ、および、２メートル〜５メートル、とりわけ、３メートル〜４メートルの直径を有する。本発明による風力タービン（１）の重量は、寸法に応じて、１５トン〜２５トン、とりわけ、およそ２０トンである（匹敵する従来の風力設備は１２０トン〜１５０トンの重量を有する）。

本発明によって、風速に対する高感度をもたらすが、堅牢であり耐候性を有する、本発明による風力タービン（１）を提供することが可能であった。

個々の風力タービン（１）の効率は、従来の風力設備のものよりほぼ３倍高いものである。また、本発明による複数の（１５までの）風力タービン（１）を１つの従来のマスト（１３）上に設置することが可能である。さらに、本発明による風力タービン（１）の動作は、早くも３０メートルの高さで可能であるのに対し、従来の風力設備は、７０メートル〜１５０メートルの高さを必要とする。従って、本発明による個々の風力タービン（１）を、例えば、産業プラントにおける使用のために調整することが可能である。

複数の風力タービン（１）の設備全体を完全に作動停止にする必要なく、本発明による単一の風力タービン（１）に対するメンテナンスを行うことができる。また、輸送および設置に対する支出は、大幅に低くなり、環境にやさしくなるが、これは、風力タービン（１）が、従来の風力設備に対して、比較的コンパクトで小さく、また比較的軽量であるからである。（例えば、Ｖｅｓｔａｓ社による）７ＭＷの電力による従来の風力設備は、およそ２．５百万ユーロの投資を必要とする。本発明による風力タービン（１）の製造費は、少なくとも、従来の風力設備の費用に匹敵するものであり、一般的にかなり低くなる。しかしながら、既存のインフラストラクチャ（例えば、マスト、給電など）は、本発明による風力タービン（１）に適応可能であり、これによって、設置の全費用が低減される。

本発明の１つの改良点において、少なくとも１つの保持リブ（２）は流れ方向における螺旋造形を有する。このように、入口開口部において本発明による風力タービン（１）に進入する空気流は、直線運動から螺旋形運動に変換される。空気流は好ましくは、元の空気流の直線運動から、５０度〜７０度、好ましくは５５度〜６５度に、とりわけ、６０度に方向転換されることで、流入する空気流のエネルギーを最適に活用する。

保持リブ（７）は、好ましくは、航空機の翼の断面に対応する断面を有するため、流線型の空力的形状を有し、これによって動態の改善がもたらされる。

本発明による風力タービン（１）は、有利には、内側部材（３）を外側部材（５）に連結する、すなわち、円筒状本体（３０１）を漏斗状部品（５０３）に連結する２つ以上の保持リブ（７ａ、７ｂ）と、２つ以上の部分的先細部（５０７ａ、５０７ｂ、…）、すなわち、流れ方向に螺旋造形を有し、下流端において、作動タービン（９）のロータ（９０１）の方へ誘導される、２つ以上の流路とを有する。とりわけ、均一の平行な間隔で配置される部分的先細部（５０７ａ、５０７ｂ、…）は、合わせて先細部（５０７）を形成する。２つ以上の保持リブ（７ａ、７ｂ）は、好ましくは、内側部材（３）の円周長さに沿って均一に配置され、長さ全体に沿って均一の螺旋形状態経路を有する。

１つの好ましい実施形態では、本発明による風力タービン（１）は、先細部（５０７）を４つの部分的先細部（５０７ａ、５０７ｂ、５０７ｃ、５０７ｄ）に分割する４つの保持リブ（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）を有する。

空気流を、先細部（５０７、５０７ａ、５０７ｂ、…）から、ロータ（９０１）のロータブレード（９０１１）の方をとりわけ対象とするように誘導することで、利用可能なエネルギーを最適に活用するために、作動タービン（９）は流れ方向においてロータ（９０１）の上流にフロントステータ（９０３）を有する。フロントステータ（９０３）は、同様に、航空機の翼のような形状になっていてよい案内要素（９０３１）を有する。案内要素（９０３１）は、空気流を、ロータ（９０１）、すなわち、ロータブレード（９０１１）上を対象とするように伝導するのに役立つ。

案内要素（９０３１）は、好ましくは、風力タービン（１）の縦軸に対して、５０度〜７０度、好ましくは、５５度〜６５度、とりわけ、６０度の角度にあり、航空機の翼と同様の断面を有してよい。ロータブレード（９０１１）は、案内要素（９０３１）に対して、８０度〜１００度、好ましくは、８５度〜９５度、とりわけ、９０度の角度になるようにロータ（９０１）上に配置される。このように、流入する空気流のエネルギーは最適に活用される。

代替的にはまたはさらに、作動タービン（９）は、流れ方向におけるロータ（９０１）の下流に、格子効果により、ロータ（９０１）から出現する空気流における渦形成を引き起こすリアステータ（９０５）を有してよい。リアステータ（９０５）の薄片（９０５１）における渦形成の結果、圧縮損失は小さくなり、結果として生じるエネルギーは増大する。薄片（９０５１）は好ましくは、ロータブレード（９０１１）に対して、８０度〜１００度、好ましくは、８５度〜９５度、とりわけ、９０度の角度にある。

好ましくは、ロータ（９０１）のシャフトは、リアステータ（９０５）のハブに装着される。リアステータ（９０５）は、フロントステータ（９０３）のように、外側部材（５）に連結されてよいため、風力タービンの支持構造の一部分を形成することができる。

好ましい実施形態では、外側部材（５）は、互いに対して同心円状に配置される２つの漏斗状部品（５０３ａ、５０３ｂ）を有し、内側部材（３）と共に、２つの先細部（５０７１、５０７３）を形成する。この実施形態は、本発明による風力タービン（１）の寸法が安定性の問題なく拡大できるように、機械的により安定した構成であるという利点をもたらす。

この好ましい実施形態の１つの改良点において、本発明による風力タービン（１）は、２×４の保持リブ（７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄ）を有する。該保持リブは、先細部（５０７１、５０７３）を、２×４の部分的先細部（５０７１ａ、５０７１ｂ、５０７１ｃ、５０７１ｄ、５０７３ａ、５０７３ｂ、５０７３ｃ、５０７３ｄ）に分割する。

漏斗状部品（５０３ａ、５０３ｂ）は、この場合、有利には、互いに連結され、かつ、１つまたは複数の保持リブ（７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、…、７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、…）によって収納ケーシング（５０１）に連結される。好ましくは、保持リブ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、…、７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、…）は、流れ方向において螺旋造形を有することで、空気流の直線運動を空気流の螺旋形運動に変換する。

強烈な空気流が生じた場合に、すなわち、例えば、嵐の間、および、風速の突然の変化時に、例えば、突風が生じた場合に、本発明による風力タービン（１）に対する過負荷および損傷を防止するために、１つの改良点におけるケースとして、外側部材（５）は、少なくとも１つの先細部（５０７）の下流領域に連結され、かつ、少なくとも１つの先細部（５０７）に対して閉鎖装置（５１３）によって完全にまたは部分的に閉鎖可能である排出路（５１１）を有する。このように、空気流の一部分は、バイパス式に、作動タービン（９）を通って伝導されることで、空気流の一部分のみが作動タービン（９）に作用するようにすることができる。

閉鎖装置（５１３）は好ましくは、例えば、ばね要素に逆らうように機械的に装着され、所定の圧力の存在下で、または、風速の突然の変化時に、排出路（５１１）を開放する。突風の場合、排出路（５１１）はこのように、保護弁の原理（すなわち、絞り弁の開放および閉鎖）に従って発生装置の動作を円滑にする。非常に大きい公称風量の存在下で、これらは、先細部（５０７）をバイパスでき、突風に対する抵抗を低減できる。

上流入口、すなわち、少なくとも１つの先細部（５０７）の入口開口部（１０１）において、少なくとも１つの補償リング（１１）は、入ってくる空気流を誘導するように、内側部材（３）および外側部材（５）と同心円状に配置されてよい。内側部材（３）のカウリング（３０７）は、本発明による風力タービン（１）の入口開口部の中央に配置されるため、円錐形状にもかかわらず、空気流に対する障害物を構成し、少なくとも１つの補償リング（１１）は、少なくとも１つの先細部（５０７）内への空気流の渦のない導入の一因となっている。この目的のため、少なくとも１つの補償リング（１１）は、航空機の翼の断面を有することもできる。

少なくとも１つの補償リング（１１）は、さらに、動物（とりわけ、鳥）または物体が進入できないように、かつ少なくとも１つの先細部（５０７）を遮ることができないように、入口開口部（１０１）のサイズを幾何学的に小さくするという効果を有する。補償リング（１１）は、少なくとも１つの保持リブ（７）の初めの箇所と共に、入口開口部（１０１）においてある種の保護格子を形成する。

本発明による風力タービン（１）に関する上記の記述および選好は、対応して後述される本発明による方法に当てはまる。同様に、本発明による方法に関する以下の記述および選好は、対応して、本発明による風力タービン（１）に当てはまる。

上記の目的は、本発明の第２の態様において、本発明による風力タービン（１）によって空気流から電気エネルギーを発生させるための方法であって、初めに、風力タービン（１）の少なくとも１つの先細部（５０７）において周囲から空気流を受けるステップａ）と、その後、空気流が、少なくとも１つの先細部（５０７）において断面積を徐々に小さくすることによって加速および圧縮させるステップｂ）と、を含む方法によって、実現される。

ステップｃ）において、加速させ圧縮させた空気流は、ロータ（９０１）を対象とするように伝導させることによって、作動タービン（９）を駆動し、その結果、ステップｄ）において、加速させ圧縮させた空気流は、ロータ（９０１）を通過後、末広部（５０９）内に導入され、該空気流は減速されかつ拡張される。このように、ロータ（９０１）の下流側に陰圧を発生させることが、さらに、エネルギー増加の一因となっている。

本発明による方法は、基本的に、本発明による風力タービン（１）と同じ利点を有する。とりわけ、本発明による方法は、個々の風力タービン（１）について、従来の風力設備に対して高められた効率を示すが、これは、活用可能な風速に関して実質上無制限であるからである。

方法の１つの改良点において、
−ステップｂ）において、空気流の直進流動運動は、少なくとも１つの保持リブ（７）によって、螺旋形流動運動に変えられることで、
−ステップｃ）において、加速され圧縮された空気流は、鈍角でロータ（９０１）に対して伝導され、
−ステップｄ）において、乱流が末広部（５０９）において発生する。

螺旋形流動運動は、直進流動運動に対して、５０度〜７０度、好ましくは５５度〜６５度、とりわけ、６０度で方向転換させられることで、流入する空気流のエネルギーを最適に活用する。螺旋形流動運動とロータ（９０１）またはロータブレード（９０１１）との間の鈍角は、８０度〜１００度、好ましくは、８５度〜９５度、とりわけ、９０度になる。

有利には、周囲からの空気流の臨界流速を超える場合、または、流速の突然の変化時に、ステップａ）において、閉鎖装置（５１３）は少なくとも部分的に開放され、空気流の少なくとも一部分は、排出路（５１１）からロータ（９０１）を通って伝導されるようにすることが可能である。よって、風力タービン（１）の損傷は防止可能である。

本発明は、第３の態様において、空気流から電気エネルギーを発生させるための上述した風力タービン（１）の使用に関し、この場合、とりわけ、上述した方法が使用される。

さらなる目標、特徴、利点、および可能な使用は、図に基づいて、本発明を限定しない例示の実施形態の以下の説明から明らかになる。ここで、図において説明されるおよび／または例証される特徴の全ては、個々にまたは任意の所望の組み合わせで本発明の主題を形成するが、特許請求の範囲またはこの後方参照においてこれらの組み合わせとは無関係である。

本発明の一実施形態に従って、本発明による風力タービン１の概略的な部分断面図 本発明の一実施形態による、内側部材３の概略的な部分断面図 先細部５０７および末広部５０９を有する、本発明の一実施形態による外側部材５の概略的な断面図 動圧および静圧を示す説明図 本発明の一実施形態に従って、本発明による風力タービン１の概略的な断面図 本発明の一実施形態に従って、本発明による風力タービン１の概略図 本発明の一実施形態に従って、本発明による風力タービン１の概略的な部分断面詳細図 本発明の一実施形態による作動タービン９の概略図 本発明の一実施形態に従って、本発明による風力タービン１の正面図 １つのマスト１３上の、本発明による複数の風力タービン１の概略図

本発明の一実施形態に従った本発明による風力タービン１は、切り取られた外側部材５と共に図１に概略的に示されている。これによって、先細部５０７および末広部５０９と共に、その間に配置された、フロントステータ９０３、ロータ９０１、およびリアステータ９０５が、少なくともと部分的に可視である。保持リブ７の配置構成も示されている。

図２は、収納ケーシング３０１が部分的に切除された形で示されている、本発明の一実施形態による内側部材３を概略的に示す。収納ケーシング３０１において、ギアボックス３０５が連結されている発生装置３０３が配置されており、ここで、作動タービン９のシャフトは、ギアボックス３０５に、ひいては発生装置３０３に連結される。ロータ９０１（ここでは図示せず）が流路（同様にここでは図示せず）に自在に置かれるように、図２の例証の、左手側のカウリング３０７、および右手側の縮径３０９と共に、内側部材３の魚雷形状を明確に見ることが可能である。

本発明の一実施形態による、漏斗状部品５０３および球形キャップ部品５０５を有する外側部材５の概略断面図が図３ａに示されており、この図３ａにおいて、基本形状の、先細部５０７および末広部５０９が示される。

図３ｂは、図３ａに示される、原則として、先細部５０７および末広部５０９に広く行き渡る、動圧および静圧を例証するための図表を示す。図３ｂは、さらに以下で再び論述される。

図４は、本発明の一実施形態に従って、本発明による風力タービン１の概略的な断面図である。図４において、２つの同心の先細部５０７１、５０７３が示されており、これらは、フロントステータ９０３の上流の集中ゾーン５０７５において再び結合される。図４は、さらに、先細部５０７１、５０７３、または集中ゾーン５０７５と、末広部５０９との間の、フロントステータ９０３、ロータ９０１、およびリアステータ９０５を有する作動タービン９の配置構成を示す。

図５は、本発明の一実施形態に従って、本発明による風力タービン１の概略図である。図５は、図１と同様であるが、図４にあるように、２つの同心の先細部５０７１、５０７３を有する。入口開口部１０１および出口開口部１０３も指示される。図５に示される実施形態はさらに、入口開口部１０１において３つの補償リング１１を有し、この補償リングは、カウリング３０７の外部からの空気流を２つの先細部５０７１、５０７３内に伝導する。

図６は、本発明のさらなる実施形態に従って、本発明による風力タービン１の細部を概略的に示す。この実施形態は２つの先細部５０７１、５０７３を形成する２つの漏斗状部品５０３ａ、５０３ｂを有する。ここで、閉鎖装置５１３と共に排出路５１１も示される。

作動タービン９の本発明による一実施形態は、図７に概略的に示される。上記の図は、案内要素９０３１を有するフロントステータ９０３、ロータブレード９０１１を有するロータ９０１、および薄片９０５１を有するリアステータ９０５を部分的断面で示す。案内要素９０３１は、この場合、風力タービン１の縦軸に対しておよそ６０度の角度、および、ロータブレード９０１１に対しておよそ９０度の角度にある。薄片９０５１は、風力タービン１の縦軸に対しておよそ３０度〜およそ７０度の角度にある。ロータブレード９０１１、案内要素９０３１、および薄片９０５１はそれぞれ、航空機の翼と同様の断面を有する。

本発明の一実施形態に従った本発明による風力タービン１の正面図は、図８に示される。内側部材３および外側部材５は、保持リブ７１、７３によって同心円状に連結される。漏斗状部品５０１ａ、５０３ｂ、および補償リング１１は、内側部材３および外側部材５に対して同心円状に配置される。このように、ある種の保護格子が入口開口部１０１にどのように形成されるかを、明確に見ることができる。

図９ａおよび図９ｂは、１つのマスト１３上の、本発明による複数の風力タービン１を概略的に示す。マスト１３は、本発明による風力タービン１が取り付けられる、従来の風力設備と同様のナセル１５を有する。横向きの風力タービン１に対して、さらに、作業台１７が設けられている。この作業台１７は、従来の風力設備の場合実装するのは技術的に困難であるが、本発明によると、風力タービン１の簡易で安全な修理およびメンテナンスを可能にする。

ベルヌーイの原理によると、流動流体（例えば、ガス）の圧力は、その速度が減少する時増大し、すなわち、逆に言うと、圧力が減少する場合速度は増大する。この原理は、例えば、航空機の翼の外形の場合、比較的高速で、それによって比較的低圧がこの上側に広く行き渡り、その結果、浮力が発生する。

その結果として、空気流が先細部５０７に進入する場合、上記空気流を集中させ、かつ、先細部５０７の断面積を小さくすることにより加速させる。

これは、単位時間における風力タービン１の入口開口部１０１から先細部５０７に進入する気団が、同じ単位時間における先細部５０７の端部に存在する気団と等しいことが理由である。最小の摩擦損失、空気抵抗、および内部ガス摩擦による、比較的短い長さの先細部５０７の場合に空気流の大幅な加速を実現するために、均一かつ制御された加速が必要とされる。空気流の速度または方向のいずれの突然の変化もエネルギー損失につながることは、既知の事実である。このような損失を低減または防止するために、先細部５０７は、線形依存性による気流の加速を可能にする、精確に画定された最適な形状および大きさを有さなければならない。先細部５０７は、とりわけ、この断面積が１０度の空力係数による所定の依存状態によって小さくなるように設計される。これによって、空気流の均一かつ秩序だった加速が可能になる。

静圧および動圧の合計は一定のままである。動圧は、移動する気団から風圧を差し引いたものの衝突時の慣性とみなされ得る。先細部５０７における気流の加速により、動圧は増大し、静圧は減少し（図３ｂを参照）、この合計は一定のままである。先細部５０７における静圧の低下によって気流の運動が判断され、放物曲線によってこの加速が判断される。静圧の低下は空気密度の低下につながる。よって、加速した空気は拡張される。

先細部５０７における空気流の相当な加速の結果、高速で非常に高い動圧を有する「極小旋風」が発生する。高速および高動圧の組み合わせによって、公称空気流よりも数倍大きいエネルギーが発生する。具体的には、空気流の利用可能な運動エネルギーは、上記空気流の速度の３乗に比例する。その結果として、空気流の速度が２倍になると、利用可能な運動エネルギーが８倍に増える。

加速した空気流が先細部５０７の端部を通過後、末広部５０９に短い拡張する流路の形で乱気流の渦が発生する。この効果は、同様に、「極小旋風」と比較できる。乱気流の渦は、いわば、空気が細くなることであり、リアステータ９０５の下流の末広部５０９における静圧の低下につながる。これは、高流速および低線形入口速度による螺旋形空気渦である。細くなった空気はここで、収縮しようとする、圧力を加えられたばねのように作用する。末広部５０９における乱流の静圧の低下は、先細部５０７の端部の上流および下流の静圧の差異を生じさせ、これによって、追加の出口エネルギーが発生する。

加速したが大幅に細くなった空気流は、末広部５０９から伝導される。周囲空気、大気圧、ならびに公称密度および速度との衝突時に、上記空気流は、公称密度まで収縮し、かつ、その速度を、出口開口部１０３の下流の数メートル内の公称風速まで落とし、この場合、上記空気流は、周囲空気のパラメータを採用する。この気団収縮によって、空気流は、制動効果を生じさせることなく、出口開口部１０３から比較的高圧の環境内に通過できる。

動圧は、先細部５０７の端部の範囲まで増大し、その後、末広部５０９における、速度の段階的な低下により、および空気密度の段階的な低下により、急速に減少する。ロータ９０１を有する作動タービン９は従って、（螺旋形態の）空気流を機械トルクに変換するために先細部５０７の端部に配置される。

一層より良い結果を実現するために、空気流の直線運動は、均一の制御されるやり方で、先細部５０７において固定される細長い螺旋形保持リブ７によって螺旋形回転運動に変換される。とりわけ、空気流の直線運動を、均一の制御されるやり方で、螺旋形運動へと、加速させかつ変換させることで、慣性の損失を防止または最小限に抑えることは有利である。その結果として、改善された空力係数が実現される。加速した空気流は、好ましくは、直角に、ロータ９０１またはロータブレード９０１１に対して誘導される。これはさらには、発生するエネルギーを増大させる。高い接線方向にあるが低減した軸速度による螺旋形の乱気流の渦は、末広部５０９を通して伝導される。この効果はまた、周辺部ではなく、末広部５０９において発生する「極小旋風」と比較されてよい。

先細部５０７における空気流の加速で構成される局所的な気流の変換は、この直進運動を螺旋形運動へ、および強力な乱気流の渦またはロータ９０１の下流の静圧の低下の発生を機械トルクへ変換することと共に、低公称風速の場合でも、風力タービン１の、大幅によりコンパクトにした構造によって、ロータ９０１の高出力の集中を可能にする。その結果として、作動タービン９の高周波数によって高機械トルクを発生させることによって、発電機３０３に送り込まれるかなり大きいレベルの出力が発生する。よって、本発明による風力タービン１を、低い公称風速でも動作させることが可能である。

先細部５０７の空力は、些細なものではない。この空力は、平行な案内路の空力に基づいている。先細部５０７、または、先細部５０７１、５０７３によって、入ってくる空気流は、同一の平行な空気流に分割され、これはさらにまた、フロントステータ９０３の上流に、集中ゾーン５０７５において集中するように再び結合され、かつロータ９０１に伝導されるような精確なやり方で、誘導されかつ加速させる。

風力タービン１は、従来の風力設備よりも、コンパクトで、軽量であり、低費用である。該風力タービン１は、上方の臨界速度が同時に存在することなく、風速に対して高感度を示す。１年にわたって平均される容量は、従来の風力設備に対するおよそ３４％の平均容量と比較して、最大電力の７０％〜８０％である。後者の従来の風力設備に比べると、本発明による風力タービン１は、互いに接近して位置する場合、影響し合うことはない。よって、複数の風力タービン１を１つのマスト１３上に位置付けることが可能であり、すなわち、より低い費用でより多くの電力を発生させることができる。個々のマスト１３は、風力発電所において接近して位置付け可能である。本発明は、大量の電気エネルギーを発生させるための本発明による風力タービン１が、かなり低くなった初期投資で生産させることができることを示す。

１ 風力タービン
１０１ 入口開口部
１０３ 出口開口部
３ 内側部材
３０１ 円筒状本体
３０３ 発生装置
３０５ ギアボックス
３０７ カウリング
３０９ 円筒状本体３０１の縮径
５ 外側部材
５０１ 収納ケーシング
５０３ 漏斗状部品
５０３ａ、５０３ｂ 漏斗状部品
５０５ 球形キャップ部品
５０７ 先細部
５０７ａ、５０７ｂ 部分的先細部
５０７１ 先細部
５０７３ 先細部
５０７５ 集中ゾーン
５０９ 末広部
５１１ 排出路
５１３ 閉鎖装置
７ 保持リブ
７ａ、７ｂ 保持リブ
７１ 保持リブ
７１ａ、７１ｂ 保持リブ
７３ 保持リブ
７３ａ、７３ｂ 保持リブ
９ 作動タービン
９０１ ロータ
９０１１ ロータブレード
９０３ フロントステータ
９０３１ 案内要素
９０５ リアステータ
９０５１ 薄片
１１ 補償リング
１３ マスト
１５ ナセル
１７ 作業台

Claims (10)

1. 上流にカウリング（３０７）が取り付けられた円筒状本体（３０１）を有し、かつ前記円筒状本体（３０１）に配置された発生装置（３０３）を有する内側部材（３）と、
   収納ケーシング（５０１）、前記収納ケーシング（５０１）に配置される少なくとも１つの漏斗状部品（５０３）であって、前記漏斗状部品の断面は流れ方向に小さくなる、漏斗状部品、および、前記収納ケーシング（５０１）における下流に配置される球形キャップ部品（５０５）を有する外側部材（５）と、
   前記内側部材（３）を前記外側部材（５）に連結する少なくとも１つの保持リブ（７）と、
   前記内側部材（３）の下流端に配置され、前記発生装置（３０３）に連結され、ロータ（９０１）を有する作動タービン（９）と、を備える風力タービン（１）であって、
   前記外側部材（５）は、前記内側部材（３）と共に、前記内側部材（３）の長さにわたって延在する少なくとも１つの先細部（５０７）を形成し、前記外側部材（５）は、前記内側部材（３）の下流端に隣接して、末広部（５０９）を形成する
   ことを特徴とする風力タービン。
2. 前記少なくとも１つの保持リブ（７）は流れ方向における螺旋造形を有する
   請求項１に記載の風力タービン。
3. ２つ以上の保持リブ（７ａ、７ｂ）は、前記内側部材（３）を前記外側部材（５）に連結し、２つ以上の、好ましくは、螺旋形部分的先細部（５０７ａ、５０７ｂ）を、これらの下流端において、前記作動タービン（９）の前記ロータ（９０１）の方へ誘導されるように形成する
   請求項２に記載の風力タービン。
4. 前記作動タービン（９）は、前記流れ方向において前記ロータ（９０１）の上流にフロントステータ（９０３）を有する、および／または、前記流れ方向における前記ロータ（９０１）の下流にリアステータ（９０５）を有する
   請求項１ないし３のいずれかに記載の風力タービン。
5. 前記外側部材（５）は、互いに対して同心円状に配置される２つの漏斗状部品（５０３ａ、５０３ｂ）を有し、前記内側部材（３）と共に、２つの先細部（５０７１、５０７３）を形成する
   請求項１ないし４のいずれかに記載の風力タービン。
6. 前記外側部材（５）は、前記少なくとも１つの先細部（５０７）の下流領域に連結され、かつ、前記少なくとも１つの先細部（５０７）に対して閉鎖装置（５１３）によって完全にまたは部分的に閉鎖可能である排出路（５１１）を有する
   請求項１ないし５のいずれかに記載の風力タービン。
7. 前記少なくとも１つの先細部（５０７）の上流入口（１０１）において、少なくとも１つの補償リング（１１）は、前記内側部材（３）および前記外側部材（５）と同心円状に配置される
   請求項１ないし６のいずれかに記載の風力タービン。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の風力タービン（１）によって空気流から電気エネルギーを発生させるための方法であって、
   ａ）前記風力タービン（１）の前記少なくとも１つの先細部（５０７）において周囲から空気流を受けるステップと、
   ｂ）断面積を徐々に小さくすることによって前記少なくとも１つの先細部（５０７）において前記空気流を加速させかつ圧縮するステップと、
   ｃ）前記ロータ（９０１）を対象とするように加速させ圧縮させた前記空気流を伝導することによって、前記作動タービン（９）を駆動するステップと、
   ｄ）前記ロータ（９０１）を通過後、前記加速させ圧縮させた空気流を前記末広部（５０９）内に導入し、前記空気流を減速させかつ拡張するステップと、を含む
   ことを特徴とする方法。
9. ステップｂ）において、前記空気流の直進流動運動は、前記少なくとも１つの保持リブ（７）によって、螺旋形流動運動に変えられることで、ステップｃ）において、前記加速させ圧縮させた空気流は、鈍角で前記ロータ（９０１）に対して伝導され、ステップｄ）において、乱流が前記末広部（５０９）において発生する
   請求項８に記載の方法。
10. 周囲からの前記空気流の臨界流速を超える場合、ステップａ）において、前記閉鎖装置（５１３）は少なくとも部分的に開放され、前記空気流の少なくとも一部分は、前記排出路（５１１）から前記ロータ（９０１）を通って伝導される
    請求項８また９に記載の方法。

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