JP2019517641A - 風力エネルギーを電気エネルギーに変換する電力システムおよびそのシステムを有する建物 - Google Patents

Abstract

本発明は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する電力システムに関する。電力システムは空気ダクトとタービンとを備えており、空気ダクトはフロアと、第１および第２の壁と、ルーフとを備え、タービンに向かう空気流入方向を定義するように構成されており、タービンは直径を有し、ダクトに隣接して、またはダクト内に少なくとも部分的に、位置しており、ダクトと共に空気流出方向を定義するように構成されており、圧力および／または乱流を増大させる閉塞要素のない領域がタービンの結果としての空気流出方向に亘って、タービンの回転中心から測定されたタービン直径の少なくとも１倍の長さ、好ましくは２倍以上の長さに亘って延びる。本発明はさらにそのようなシステムを備える建物に関する。【選択図】図３

Description

本発明は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する電力システム、およびそのようなシステムを備える建物に関する。

風力エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムそれ自体は知られており、通常は、マスト上に配置された風力タービンを備え、水平の回転軸の周りに回転可能な１以上のウイックを備えている。

不利な点は、比較的大きなスペースを必要とすることであり、例えばそれは都市環境では必ずしも利用できない。加えて、水平軸の周りに回転するウイックを有するタービンは、一方向のみに対して最適化される。最終的にそれらは、多くの場合は美観的理由で歓迎されない。

代わりに、垂直方向のタービンが存在し、都市環境においては、通常、より組み込みやすい。加えて、通常は垂直方向のタービンは、風向きに対して感度が敏感ではなく、美的観点からも不快ではないと考えられるだろう。しかしながら、それらは、水平方向のものよりも効率が悪い。

米国特許公開公報第２０１３／３３４８２５号は、実質的に風を捕え、風を集中させて流すトンネル内に垂直風力タービンが多数配置された構造を記載している。米国特許公開公報第２０１５／１６７６３６号およびカナダ特許公開第２６３３８７６号は、拡張端部を有するより長いトンネルを備える同様な構造を示す。

これらは、全て請求項１のプリアンブルおよび図１の先行技術の構造例である。例においては、風力タービンは、タービンの効率およびエネルギー出力を増加させるために、トンネルまたはダクト内に配置されている。このダクトは、タービンに向かって減少する領域を有する前面部分と、エアフローが全領域内に流れるタービンの背面部分をさらに有してもよい。

しかしながら、それらは、特に風力エネルギーの電気エネルギーへの変換効率において、まだ、なすべき改良点が存在する。従って、本発明の目標は、先行技術の不利益を解消した、または少なくとも有用および／または先行技術よりも魅力的な、風力エネルギーを電力に変換する電力システムを提案することである。

本発明は、それゆえ、風力エネルギーを電気エネルギーへ変換する電力システムを提案する。電力システムは、先行技術で提案されているように、空気ダクトを備えており、空気ダクトは、フロアと、第１および第２の壁と、ルーフとを備え、空気ダクトはタービンに向かう空気流入方向を定義する。タービンは直径を有し、ダクトに隣接してまたはダクト内に少なくとも部分的に位置しており、ダクトと共に空気流出方向を定義する。しかしながら、本発明は圧力および／または乱流を増大させる閉塞要素のない領域がタービンの結果としての空気流出方向に亘って、タービンの回転中心から測定されたタービン直径の少なくとも１倍の長さ、好ましくは２倍以上の長さに亘って延びることを特徴とする。

上述した先行技術特許における構造は、それらの特許明細書によれば精緻に働くようであるが、還流ゼロおよび回転しないタービンという理論的期待に基づいており、純粋に実験室レベルであることを本特許出願人は注記しておく。

例えば、タービンの後方の拡張トンネルが、タービンそれ自身の働きおよびシステムの外部から来てじょうごの後端に入ってくる風の逆流のためにタービンの後方で乱流を有する増大された圧力領域を生成することが、本発明者により見出された。これにより、劇的に全流れの効率を低減する。先行技術の図１は、先行技術により知られている多数の要素によって引き起こされた圧力増大を示す。

じょうごは逆流と局部的な圧力増大を導くので、本発明によればタービンの後方が空き空間である場合により高い収率及び効率が得られ、更に、流出流が拡がる少なくとも１つの要素が得られる場合に更なる改善が得られることが分かった。

従って、タービンの後方にタービン直径の少なくとも１倍、好ましくは２倍以上のこれらの要素のない領域を得ることが示唆される。すなわち、特に拡張したダクトまたはトンネルもしくはじょうごのない領域である。これらは特に流出方向である。

フロアおよびルーフは、実際の実施形態においては、例えば、壁に本質的に垂直に展開されており、このため、本質的に真四角な断面を有する管が得られる。しかしながら、複数の形状および構造も考えられる。

タービンは、垂直であっても水平であってもその回転軸に平行に広がるウィックを有する、任意のタイプのタービンであってよい。このような場合においては、回転軸はまた、回転の中心でもある。タービンはまた、その回転軸から広がるウィックを有してもよいが、この場合の回転軸は水平方向である。この（プロペラタイプの）場合には、回転軸の原点から、ウィックが回転の中心で広がる。

ダクトは、空気流を収束させてフォーカスさせるために、下流方向流が減少するスループット領域を有してもよい。これはタービンへの動力転送に有益であり、タービンの内側に高速を生じさせる。しかしながら、タービンの後方では、最適な空気流、すなわち、全体として最小の抵抗の空気流出であるためには、これ以上圧力増加が生じないことが重要である。そのために、本発明の少なくとも１つの独創的な観点は、タービンの空気流出方向における少なくとも１つの方向に亘って圧力を増大させる閉塞要素のない領域を、好ましくはタービン直径の２倍以上で少なくとも１倍以上、最も好ましくはタービンの回転中心から測定したタービン直径の約３倍、提供することである。タービン直径の３倍を超えて延びる圧力を増大させる閉塞要素のない領域が、これ以上、性能を増加させないことが、出願人によって見極められている。

圧力を増大させる閉塞要素は、例えば、それらが自由な空気流を妨げる、またはそれらが乱流の進行を形成することにより、少なくとも部分的に圧力を増大させる要素として理解される。図１（先行技術）に示す第１の圧力を増大させる要素の例は、拡張トンネルまたはじょうごとして示される。この図に示されているように、これは、トンネルの壁の少なくとも１つで乱流を生じさせる。実際にどの壁かは、乱流の回転方向に依存する。

拡張じょうごがダクトの排気側に存在する第２の例は、米国特許公開公報第２０１３／３３４８２５号に示されている。

かなり長いじょうごが存在する第３の例は、米国特許公開公報第２０１５／１６７６３
６号に示されている。このじょうごは、一定の直径を有しているが、タービン後方の空気流の方向がダクトの軸に平行ではないという事実のために、そのようなじょうごは、圧力増大要素として働く。

既存の解決策の多く、特に垂直回転軸を有するタービンを有するものは、壁がタービンの周囲に存在する。それらは通常、流入する風の全方向用のダクトとして作られて有益であると考えられているが、本発明により、ただ一方向に最適化させる場合には、それらは、欠点であることが見出される。

さらなる実施形態においては、本発明によるシステムは、圧力を増大させる閉塞要素のない領域内に配置されたディフューザーのような、圧力削減要素を備える。このようなディフューザーは、通常、（例えばアーモンド形状の断面またはカヌー形状の断面のように）鋭い刃のブレードから構成されており、空気流を妨害することなく分岐させている。このようなディフューザーの有益な効果は、それが望まれる（局部的な）圧力減少を引き起こす、望ましい選択的な空気流に貢献することである。

事実、フロアとルーフは、使用の際には、本質的に水平に延びており、壁は、使用の際には、本質的に垂直に延びている。形成されるハウジングは、建物のルーフ上への配置用に構成されている。前記ハウジングは、特に、フロアとルーフが本質的に長方形であってもよく、特定の実施形態においては正方形である。好ましい実施形態においては、フロアは、約６メートル×３メートルの寸法である長方形形状を有しており、タービンの回転軸は、長手方向のうちの１つの中央部に延びている。

壁は真っ直ぐなパネルであってもよく、また、壁の少なくとも１つは曲げられているまたは折り畳まれていると考えてもよい。

ダクトを形成するフロア、ルーフ、および壁の組み合わせ、およびダクトに対するタービンの配置は、タービンに向かう風の集中、およびベンチュリー効果による風速の増大、動力生成の増大を導く。

更なる実施形態においては、壁は、それらの開始点を結ぶ線に対してそれぞれ、第１角度および第２角度で下方に延びる。ここで、第１角度は４５〜９０度の間にあり、第２角度は２５〜６５度の間にある。このような方法で、本発明によるシステムは、現場で実際に取り付けられる前に、異なる支配的な風向きに対して最適化することができる。

ダクトは、従って、タービンの一方側に風を導くように、他方側は、壁の１つによって被われて少なくとも同じ方向から風が来るように、形成することができる。垂直軸を有するタービンにおいては、タービンのブレードが風の最大量を捕捉するように方向付けられる一方で、風に対向して動く別方向の場合はそれらが可能な限り多く覆われているように方向付けられて、一方側に風を集中させることが重要である。

第１角度および第２角度の合計が９０度である場合に最適な結果が得られることが明らかになっている。

更なる実施形態においては、ルーフに面するフロアの側面は、タービンへの端部からの距離よりも小さい距離で、その端部から内側上方に傾いている。

この特徴の利点は、システムへのよりスムーズな入口が形成されて、乱流を減少させてシステムのより安定的な動作を導き、空気流がタービンでより安定し、それがルーフ端部で乱流を減少させることである。特に本発明によるシステムが、（高い）建物のルーフに
適用された場合には、風または空気の一部が建物の正面によって反射されて上向き方向成分を得る。

乱流低減効果は、また、フロアに面しているルーフの側面が傾いており、その端部から内側下方に行く場合、端部からタービンへの距離よりも小さい場合には、更に増加することができる。特に、ルーフがフロアに向かって下方に傾いている角度が１５度〜２０度の間であってもよい。

本発明によるシステムは、さらに第１および第２の壁の間に延びて、タービンに向かって上方に傾いている少なくとも１つのルーバーを備える。ルーバーは、例えば、水平に対して５〜３０度の間で下方にある。

そのようなルーバーは、また、タービンに向かう空気の進入方向をより均一にすることに貢献する。特定の実施形態においては、本発明によるシステムは、２つのルーバーを備えており、フロアの上方に配置されて２０度〜３０度の間に傾いた第１ルーバーと、第１ルーバーとルーフとの間で５〜１５度の間の角度で傾いた第２ルーバーとを備える。

本発明の更なる観点においては、ルーフはフロアの上方でタービンから離れる方向に延びる。

これは、上方成分を有する空気を捕捉する利点を有しているが、また、例えば、ルーフ表面を拡大して、システムのルーフの上部にソーラパネルを設置するという更なる目的に対して有用である。ダクトは、この場合には、ソーラパネルを冷却するために、ソーラパネルの底面側に沿って風をガイドするように構成されてもよい。

フロアの端部からルーフの端部への方向は、ルーフまたはフロアが置かれている平面に対して垂直な方向から、５度〜２０度の間、特に８度〜１２度の間で延びてもよい。このような角度を有すると、正面からの大量な流れを捕捉する最適なポイントが得られる。

本発明の別の観点は、ダクトの断面がタービンに向かう方向において減少していることである。これにより、所定の風力に対してタービンのより高い回転速度を導く局部的により高い空気速度が得られ、従って、より大きな動力発生が得られる。好ましくは、断面は１〜１／３の間で減少している。

本発明の更なる観点においては、第１の壁と第２の壁との間に配置された偏向板を備える。偏向板は可動であってもよい。これにより、異なる角度を有する壁を配置する代わりに、タービンの前で偏向板を配置することにより、同様な効果が得られる。ブレードは、風から保護された建物の端部方向を向く。

本発明は、また、特にシステムが建物のルーフの端部に配置されている、前述の任意の請求項によるシステムを備える建物に関する。

本発明を添付図面を参照して更に詳細に説明する。

最新式のシステムの概略上面図である。 最新式のシステムの概略上面図である。 最新式のシステムの概略上面図である。 本発明の第１実施形態を異なる視点から示す説明図である。 本発明の第１実施形態を異なる視点から示す説明図である。 本発明の第１実施形態を異なる視点から示す説明図である。 本発明の第２実施形態の概略上面図である。 本発明の第３実施形態の第１バージョンの概略上面図である。 本発明の第３実施形態の第２バージョンの概略上面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明のシステムの第４実施形態を異なる視点から示す説明図である。 （ａ）（ｂ）は、本発明の第５実施形態を異なる視点から示す説明図である。 本発明による建物の斜視図である。

図１ａは、請求項１のプリアンブル（先行技術）による電力システム１の第１概略上面図を示す。システム１は、空気用ダクト２を備えており、ダクト２は、フロア２、第１および第２の壁、４、５および（この図では図示しない）ルーフを備えており、ダクトに隣接して配置されてダクトと共に空気流出方向を規定するタービン６への空気流入方向を規定する。繰り返し矢印を有する線で描かれた風のために、タービンは、矢印ＡＡの方向に回転を始める。流出方向には、第３および第４の壁７、８が存在する。図で分かるように、第３および第４の壁の周囲に高圧領域９および乱流１０の両方が存在するが、これは好ましくない。

図１ｂは、請求項１のプリアンブル（先行技術）による電力システム１の第２概略上面図を示す。この概略図は、米国特許公開公報第２０１３／３３４８２５号に開示された先行技術に相当する。システム１’は、空気用ダクト２’を備えており、ダクト２’は、フロア２’、第１および第２の壁、４’、５’および（この図では図示しない）ルーフを備えており、ダクトに隣接して配置されてダクトと共に空気流出方向を規定するタービン６’への空気流入方向を規定する。流出方向には、第３および第４の壁７’、８’が存在する。図１ａに示した先行技術との相違は、壁４’と８’、および壁５’と７’とが、それぞれ部分４８’および５７’で接続されていることである。図から分かるように、第３および第４の壁７’、８’の周囲には高圧領域９および乱流１０の両方が存在し、好ましくない。矢印ＡＡ’はタービンの運動方向を示す。

図１ｃは、請求項１のプリアンブル（先行技術）による電力システム１の第２概略上面図を示す。この概略図は、米国特許公開公報第２０１５／１６７６３６号およびカナダ特許公開第２６３３８７６号に開示された先行技術に相当する。システム１”は、空気用ダクト２”を備えており、ダクト２”は、フロア２”、第１および第２の壁、４”、５”および（この図では図示しない）ルーフを備えており、ダクトに隣接して配置されてダクトと共に空気流出方向を規定するタービン６”への空気流入方向を規定する。流出方向には、第３および第４の壁７”、８”が存在する。図１ｂに示した先行技術との相違は、壁７”と８”がそれぞれ壁部分４８”および５７”の方向に延びていることである。ダクトとしてかなり長いじょうごを有しているこの構造は、考えられるかもしれない。図から分かるように、第３および第４の壁７”、８”の周囲には共に高圧領域９”および乱流１０”が存在し、好ましくない。矢印ＡＡ”はタービンの運動方向を示す。上述した先行技術の一般的結論は、壁７、７’、７”および８、８’、８”が圧力増大要素を形成し、本発明にとって望ましくないことであり、本出願の特許請求の範囲外である。

図２ａに本発明の第１実施形態の概略上面図を示す。図は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する電力システム１１を示す。電力システムは、空気用ダクト１２を備え、ダクト１２は、フロア１３、第１および第２の壁１４、１５、（この図では図示しない）ルーフを備えており、ダクト１２内に配置された直径１８を有するタービン１７への空気流入方向１６を規定している。タービンはダクトと共に空気流出方向１９を規定している
。ここで、圧力および／または乱流を増大させる閉塞要素がない領域は、タービン１７の（平均）空気流出方向に延びる。タービン１７は、垂直軸タイプである。この図においては、その領域の限界は見えない。高圧領域２０は存在するが、最新技術と比べて乱流領域は消滅している。

図２ｂに、図２ａに示す方向Ｂから図２ａを見たシステム１１を示す。Ａは、図２ａを図示する視野方向を示し、ここでは類似の参照番号は類似の部分を示す。加えて、この図においては、ルーフ２１がここに示されている。更に２つのルーバー２２、２３が示されている。ここで第１ルーバー２３がフロアの上方に配置されており、２０〜３０度の角度で上向きに傾いており、第２ルーバー２２が、第１ルーバー２３とルーフ２１との間に配置されており、５〜１５度の角度で傾いている。

図２ｃは、図２ａおよび図２ｂにおける方向Ｃから見た側面図を示す。この図においては、ルーフに面するフロアの側面２４は、その端部から内側上方に、その端部からタービンまでの距離よりも小さい距離に亘って傾いていることが分かる。加えて、フロアに面するルーフの側面２５は、その端部から内側下方に、その端部からタービンまでの距離よりも小さい距離に亘って傾いていることが分かる。ルーフがフロアに向かって下方に傾いている角度は１５〜２０度である。また、ルーフの上面にソーラパネル２６があることが見える。ここで、ダクトは、ソーラパネルを冷却する場合には、ソーラパネルの底面部２７に沿って空気をガイドするように構成されている。

最終的に、図２ｃにおいては、タービンから離れる方向にフロアの上方にルーフが延在することが分かる。フロアの端部からルーフの端部への方向は、ルーフまたはフロアが置かれている平面に対して直交する方向から、５〜２０度の、特に８〜１２度の角度３７で延びている。

図３は、本発明の第２実施形態の概略上面図を示す。これは図２のものと同様であるが、圧力を増大させる閉塞要素がない領域内にディフューザー２８から形成された減圧要素が追加されている。図示するように、ディフューザー２８は、低圧領域２９の効果を有しており、有益である。

図３は、本発明の第２実施形態の概略上面図を示す。これは図２のものと同様であるが、圧力を増大させる閉塞要素がない領域内にディフューザー２８から形成された減圧要素が追加されている。図示するように、ディフューザー２８は、低圧領域２９の効果を有しており、有益である。

図４ａは、本発明の第３実施形態３０の第１バージョンの概略上面図を示しており、ここでは、壁は、それらの開始点３５、３６を結ぶ線３４に対してそれぞれ、第１角度３１および第２角度３２で下方に延びている。ここで、第１角度は、４５〜９０度の間にあり、第２角度は、２５〜６５度の間にある。他の実施形態に示されるものと同様に、本発明においては、第１角度および第２角度の合計が９０度の場合が優先される。

図４ｂは、本発明の第３実施形態３０’の第２バージョンの概略上面図を示しており、ここでは、壁は、それらの開始点３５’、３６’を結ぶ線３４’に対してそれぞれ、第１角度３１’および第２角度３２’で下方に延びている。ここで、第１角度は、４５〜９０度の間にあり、第２角度は、２５〜６５度の間にある。他の実施形態に示されるものと同様に、本発明においては、第１角度および第２角度の合計が９０度の場合が優先される。

図４ａおよび４ｂの双方において、ダクトから流出する空気は、空気がタービンに向かう方向に一致しているので、ダクトの壁それ自体からは妨げられない。

図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明のシステムの第４実施形態４０の異なる視点からの図を示し、タービン４１が風車型であり、回転軸方向に並行に延びるウイッグを有している。

図６（ａ）（ｂ）は本発明の第５実施形態５０の異なる視点からの図を示し、直径５３と回転中心５２とを有するプロペラ型タービン５１が用いられている。

図７は、本発明によるシステムのルーフが、システムが設置されている建物の実際のルーフよりより大きな領域に延びていることを示す、本発明による建物の斜視図を示す。本発明による複数のシステムが同じ建物中に配置されている。このようにして、建物は、エネルギー発生の観点からオプション的に使用される。既存のパイプやベントの空き高さは残る（図示しない）。加えて、建物のルーフおよびシステムをメンテナンスするための歩行領域が保たれてもよい。システムの壁の中に電力部品が一体化されてもよく、システムが壁洗浄システム用に空間を与えるように上方に上げることが可能であってもよい。この説明で述べたこれらおよび別の特徴は、単に例示的であって、後述する請求項に規定された本発明の範囲を限定するものではない。特に、全ての特徴は相互にまたは単独に組み合わせることができる。

Claims (21)

1. 風力エネルギーを電気エネルギーに変換する電力システムであって、
   空気ダクトと少なくとも１つのタービンとを備えており、
   前記ダクトは、
   ・フロアと、
   ・第１および第２の壁と、
   ・ルーフとを備え、
   ・前記少なくとも１つのタービンに向かう空気流入方向を定義するように構成されており、
   前記タービンは、
   ・直径を有し、
   ・前記ダクトに隣接してまたは少なくとも部分的に前記ダクト内に位置しており、
   ・前記ダクトと共に空気流出方向を定義するように構成されており、
   圧力および／または乱流を増大させる閉塞要素のない領域が前記タービンの結果としての空気流出方向に亘って、前記タービンの回転中心から測定された前記タービン直径の少なくとも１倍、好ましくは２倍以上の長さに亘って延びることを特徴とする、電力システム。
2. 前記圧力を増大させる閉塞要素のない領域内に配置された、ディフューザーのような圧力削減要素を備える、請求項１に記載の電力システム。
3. 前記第１および第２の壁は、それらの開始点を結ぶ線に対してそれぞれ、第１角度および第２角度で下方に延びており、前記第１角度は４５〜９０度の間にあり、前記第２角度は２５〜６５度の間にある、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記第１角度および前記第２角度の合計が９０度である、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ルーフに面する前記フロアの側面は、その端部から前記タービンへの距離よりも小さい距離で、その端部から内側上方に傾いている、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記フロアに面している前記ルーフの側面は、その端部から前記タービンへの距離よりも小さい距離で、その端部から内側下方に傾いている、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記ルーフが前記フロアに向かって下方に傾く角度が１５度〜２０度の間である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記第１および第２の壁の間に延びて、前記タービンに向かって上方に傾いている少なくとも１つのルーバーを備える、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
9. ２つのルーバーを備えており、前記フロアの上方に配置されて２０度〜３０度の角度で上方に傾いた第１ルーバーと、前記第１ルーバーと前記ルーフとの間で５〜１５度の角度で傾いた第２ルーバーとを備える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記ルーフは前記フロアの上方で前記タービンから離れる方向に延びる、請求項１〜９のいずれかに記載のシステム。
11. 前記フロアの端部から前記ルーフの端部への方向は、前記ルーフまたは前記フロアが置
    かれている平面に対して垂直な方向から、５度〜２０度の間、特に８度〜１２度の間で延びる、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記ダクトの断面が前記タービンに向かう方向において減少している、請求項１〜１１のいずれかに記載のシステム。
13. 前記断面は１〜１／３の間で減少している、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記ルーフの上部にソーラパネルを備える、請求項１〜１３のいずれかに記載のシステム。
15. 前記ダクトは、前記ソーラパネルを冷却するために前記ソーラパネルの底面側に沿って風をガイドするように構成されている、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記壁の少なくとも１つは、曲げられているまたは折り畳まれている、請求項１〜１５のいずれかに記載のシステム。
17. 前記ダクトの内側または前記ダクトに隣接して前記タービンの前で偏向板を備える、請求項１〜１６のいずれかに記載のシステム。
18. 前記偏向板が可動である、請求項１７に記載のシステム。
19. 請求項１〜１８のいずれかに記載の少なくとも１つのシステムを備える建物。
20. 前記システムが前記建物のルーフの端部に配置されている、請求項１９に記載の建物。
21. 前記システムの前記ルーフが前記建物のルーフよりも大きく、前記システムの前記ルーフの全領域がソーラパネルで覆われている、請求項２０に記載の建物。

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