JP2021504621A - 低流速流体の利用効率を増加させる動力装置 - Google Patents

Abstract

低流速を増加させる動力装置、特に低い風速及び潮汐流速を増加させる動力装置であって、低風速の風力発電や潮汐流発電に応用でき、動力または発電設備の技術分野に属する。低流速を増加させる動力装置は、少なくとも２つの風力ロータを含み、風力ロータの間には風防装置（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）が設置されており、風防装置（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）の両側の風力ロータは互いに逆向きに回転し、かつブレード（２）の出力方向領域を風防装置（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）の片側に近づけるように転向して設置されており、その効果により、風防装置（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）がブレード（２）の出力方向領域を流れる風速を増加させ、風力ロータの効率を高め、低風速のＣｐを顕著に向上させている。テスト結果によると、低風速（２〜１０ｍ／ｓ）の風力エネルギー利用係数Ｃｐは、平均２２％向上している。低流速を増加させる動力装置を低流速高効率ＦＷブレード（２）と結合させて風力発電に応用すると、その低風速の発電量は、既存技術に較べて３〜４倍高くなる。

Description

本発明は、流体の運動エネルギーを利用して動力を生成する装置、特に低風速及び低潮汐流速を増加させることができる動力装置に係わり、低風速の風力発電や潮流発電に応用でき、動力または発電設備の技術分野に属する。

既存の風力発電技術は低風速では性能が悪く、年間平均風速＞６ｍ／秒の風力資源地域で運行して、ようやく一定の経済性を持つ。潮汐流の流速が低い場合、既存技術ではそれを直接発電に利用することは難しく、一般に潮汐発電と呼ばれているものは、防潮堤を築き、堤内で満ち引きする水位差を利用して水力ロータ発電機を動かして発電するというものであり、そのため、水の勢いは弱く、発電コストは高い。

自然界では、弱い風の吹く時間の長さ及び地域範囲は、強い風の吹く時間及び地域範囲よりはるかに多い。推計によると、中国で年間平均風速＞６ｍ／秒の風力資源地域の面積が国土面積に占める割合は８％を下回っているが、年間平均風速３〜５ｍ／秒での割合は６０％を上回っている。レイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）統計で見積もった風速の年間平均累積時間は、年間平均風速３〜５ｍ／秒の風力資源地域では、風速が３〜８ｍ／秒の間で風が吹く時間は５０００〜６０００時間／年、風速＞１０ｍ／秒の時間は５０〜６００時間／年であり、前者は通年の時間の６０〜７０％を占めるのに対し、後者は０．６〜７％しか占めていないことがわかる。

潮汐流の流速は利用可能な風速よりかなり低いが、水の密度は空気よりかなり大きいので、潮汐流のエネルギー密度と利用可能な風力エネルギーとの差は小さく、一日潮の平均流速が１．０〜１．５ｍ／秒に到達できる場合、潮汐流の発電コストは海上風力発電より低くなると予測される。潮汐エネルギー資源の利用可能量は、風力エネルギーよりはるかに多く、推計によると、中国の潮汐エネルギー資源量は風力エネルギーの７０倍近い。このことから、高効率の低風速風力発電及び潮汐流水力発電技術の研究開発が、大きな経済上及び環境保護上の効果と利益を有していることがわかる。

風力装置のパワーは、Ｐ_Ｍ＝ＣｐＰ＝_１／２ρＡＣｐＷ^３（式中、Ｃｐは風力エネルギー利用係数を表し、風力装置の性能を計るパラメータであり、Ｐ＝_１／２ρＡＷ^３は風のパワー、ρは空気密度を表し、Ａは風力ロータのスイープ面積、Ｗは風速を表す）である。専門的な総括（例えばＲｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｃｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｂｙ Ｇｉｌｂｅｒｔ Ｍ．Ｍａｓｔｅｒｓ ＩＳＢＮ ０−４７１−２８０６０−７ Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ Ｉｎｃ．Ｃｈａｐｔｅｒ ６ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｐ．３０７−３８３）及び研究（例えばＰａｒａｓｃｈｉｖｏｉｕ，Ｉ．Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｗｉｔｈ Ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｎ Ｄａｒｒｉｅｕｓ Ｃｏｎｃｅｐｔ．Ｐｒｅｓｓｅｓ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅｓ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ２００２．Ｐ．１４８）によると、理論上、水平軸風力装置のＣｐの最大値Ｃｐ_ｍａｘ≒０．５９、垂直軸のＣｐ_ｍａｘ≒０．６４であるが、既存技術で実現可能な最大性能は、水平軸のＣｐ_ｍａｘ〜０．４５、垂直軸のＣｐ_ｍａｘ〜０．３５であり、かつＣｐ＝Ｃｐ（λ，Ф，θ）であり、つまり、Ｃｐは周速比λ、ブレード角度Φ、ヨー角Θ（風向）の変化に伴って変化し、λが４〜６の値域でＣｐ〜Ｃｐ_ｍａｘとなる。水平軸技術の大きな欠点は、そのＣｐ_ｍａｘに対応するΦ値が風速風向によって変わることであり、ピッチ制御を実施してΦ値を調節し、ヨー制御によって風向を追跡しなければ、運行中にＣｐ_ｍａｘに近い性能を実現することはできない。大型機に対してピッチ制御を実施するとコストパフォーマンスはやや上がるが、中小型機ではコストパフォーマンスが様々に下がり、機械の容量が小さくなるほどコストパフォーマンスが下がるので、中小型機は通常、固定ピッチ型（失速型とも言う）であり、そのＣｐの定格風速以下での風速平均値は
であり、これこそが、水平軸の中小型風力発電機の発電コストが大型機より高くなる原因である。この数十年来、水平軸技術の発展は、主にピッチ制御の最適化にあり、大型化によってコストパフォーマンスは上がったものの、Ｃｐをさらに高めることはできていない。垂直軸にはヨー制御は必要ないが、ピッチ制御がしにくく、そのＣｐの定格風速以下における風速平均値は
である。垂直軸技術は、発表されてから８、９０年の間に様々な研究作業が行われてきたが、そのＣｐ値はまだ水平軸のＣｐ値より低い。このことから、風力装置のＣｐを上げることは非常に難しいことがわかる。周速比λは、翼端速度と風速の比と定義され、λ＞４は高速機、λ＜２は低速機であり、性能上、既存技術の風力装置は高速機に属し、低風速時のλが小さいので、Ｃｐが低い。既存技術で低風速時の動力を上げたければ、風力ロータ面積Ａを増加させる方法しかないが、その欠点は、風力装置のコストも上がり、風力ロータの重量が増え、風力エネルギーを利用するコストを下げる助けにならないことである。

風力装置の性能を上げる本質は、Ｃｐを上げることにある。本発明者は、長期にわたって風力装置を試験し、分析し、研究した結果、以下の認識に至った。垂直軸風力装置のＣｐが低い根本原因はブレードの研究方法にあり、乱流性の強い垂直軸流れ場に対する研究とブレードの設計方法を自ら開発したが、これは航空翼型の設計方法とは完全に異なっている。たゆまぬ探索を経て、低流速高効率ＦＷブレードをすでに開発しており、λ＜２の値域でのＣｐ_ｍａｘ〜０．５０（これは垂直軸のＣｐが水平軸のＣｐを下回るという技術的ボトルネックを突破している）、しかも固定ピッチの高効率型ブレードで、風速２〜１０ｍ／秒区間でのＣｐの風速平均値は
である。

Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｃｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｂｙ Ｇｉｌｂｅｒｔ Ｍ．Ｍａｓｔｅｒｓ ＩＳＢＮ ０−４７１−２８０６０−７ Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ Ｉｎｃ．Ｃｈａｐｔｅｒ ６ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｐ．３０７−３８３ Ｐａｒａｓｃｈｉｖｏｉｕ，Ｉ．Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｗｉｔｈ Ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｎ Ｄａｒｒｉｅｕｓ Ｃｏｎｃｅｐｔ．Ｐｒｅｓｓｅｓ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅｓ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ２００２．Ｐ．１４８

本発明の目的は、既存技術に存在する低流速状態下での発電効率の低さという欠点に対して、低流速流体の利用効率を有効に向上させることができる、風力発電及び水力発電に応用でき、またその他の応用において動力を提供することもできる動力装置（以下、低流速を増加させる動力装置と略称する）を提示することにある。

本発明は、風力エネルギーの技術用語を用いて技術的解決手段を記載しているが、実施例では、応用によっては用語が一部変化している。例えば、水中での応用においては、「風力ロータ」を「水力ロータ」に、「風速」を「流速」に変換するなどしているが、「風防」という言葉は引き続き使用している。

本発明は、以下の技術的解決手段を通して技術的課題を解決している。低流速を増加させる動力装置であって、支持体と、支持体に接続されたトラスと、トラスに接続された少なくとも２つの風力ロータを含み、トラスと風力ロータの間には垂直方向に拘束された水平回転対が構成され、風力ロータはトラスの垂線の両側にそれぞれ配置されており、風力ロータの間には風防装置が設置され、かつ風防の両側の風力ロータは互いに逆方向に回転し、または風力ロータ内にも風防装置が設置されており、または上下の隣り合う風力ロータの間にも風防装置が設置されている。風力ロータのスイープ面積を増やさないことを前提に、風防装置の方角または風防面積を調節することにより風力ロータのパワーを制御し、低風速でのＣｐを向上させ、それによって風力エネルギー及び潮汐エネルギーの利用コストの引き下げを実現する。

この目的を実現する具体的な技術的解決手段は以下の通りである。
支持体と、支持体に接続されたトラスと、トラスに接続された少なくとも２つの風力ロータを含み、風力ロータは、ロータ軸と、ロータ軸の周囲に均等に分布している若干のブレードを含み、トラスと風力ロータの間には垂直方向に拘束された水平回転対が構成され、風力ロータがトラスの垂線の両側にそれぞれ配置されている、低流速を増加させる動力装置であって、風力ロータの間には風防装置が設けられ、風防装置の両側に位置する風力ロータは互いに逆方向に回転し、風力ロータは、ブレードの出力域が風防装置に近い側に形成されるよう転向して設置され、トラスと支持体は回転接続され、トラスの回転軸線が各風力ロータの回転軸線と同じ垂直面内に位置していることを特徴としている。

さらに、風力ロータのロータ軸は、主軸を含むロータ軸と無主軸ロータ軸に分けられており、主軸を含むロータ軸である場合、風力ロータのロータ軸は、主軸と、片端が直接または間接的に主軸と接続され、他端が直接または間接的にブレードと接続されたブラケットを含み、無主軸ロータ軸である場合、ロータ軸は、片端が軸受を介してトラスまたは負荷に接続され、他端が直接または間接的にブレードと接続されたブラケットを含む。ブレードが遮蔽板を介してブラケットと接続されている場合、ブレードとブラケットの接続は間接接続であり、ブラケットがフランジを介して主軸と接続されている場合、ブラケットと主軸の接続は間接接続である。但し、２つの間接接続はこれらに限らない。

上記の技術的解決手段では、風力ロータ内に風防装置を設置することができ、風防装置の水平サイズは風力ロータの直径を下回り、垂直サイズは風力ロータの高さを下回る。

トラスは、若干の横梁と、若干の横梁を支持するための若干の立柱を含み、または若干の筋交いをさらに含み、トラスが２本以上の横梁を含む場合は、垂直方向の多層横梁のトラス構造を構成し、隣り合う層の上下の風力ロータの間には、別途風防装置が設けられている。

風防装置の構造は、板状体または柱体からなる風防装置と、板状体と柱体の結合体からなる風防装置を含み、風防装置内には密封キャビティが含まれており、風防装置の外形は、平板、曲面板、弧面板、平面三角柱、曲面または弧面三角柱、２曲面１平面の三角柱、２平面１曲面の三角柱、半円柱、台形角柱、円柱、楕円柱及び曲面柱を含む。但し、風防装置の外形は、これらに限らない。

風防装置の方角または風防面積を調節することにより、風力ロータのパワー制御を実現することができる。または、ラダーを追加して風向を追跡することで、風防を調節している時の風向の変化により生じる揺動を回避することができる。

支持体の設置には、地面または水面下に設置する方式、水面に浮かせる方式、水底に立てて水面から伸出させる方式、空中に浮かせる方式が含まれており、
支持体を地面または水面下に設置する場合、支持体は、地面に立てられたタワー、または水面下に位置するベース及びベースに固定接続されたタワーを含み、タワーの頂端にはトラスが接続され、風力ロータがトラスに接続され、風防装置がトラスに接続されており、または、風力ロータ内にさらに風防装置が設けられている。

支持体が水面に浮いている場合、支持体は、若干のフロートと、フロート上に固定接続された水平フレームを含み、水平フレームの下表面にはトラスが接続され、風力ロータがトラスに接続され、風防装置がトラスに接続されて水力装置を構成しており、または、支持体は、若干のフロートと、フロート上に固定接続された水平フレームと、水平フレームの上面に立てられたタワーを含み、タワーの頂端にはトラスが接続され、風力ロータがトラスに接続され、風防装置がトラスに接続されて風力装置を構成しており、または、風力装置の水平フレーム下面にさらに水力装置１基が接続されて、風力、水力両用装置を構成しており、または、水力装置、風力装置または両用装置上の風力ロータ内に、さらに風防装置が設けられている。

支持体が水底に立てられて水面に伸出している場合、支持体は、水中に立てられた若干の支柱と、支柱の水面より上に伸出している部位に固定接続された水平フレームを含み、水平フレームの下表面にはトラスが接続され、風力ロータがトラスに接続され、風防装置がトラスに接続されて水力装置を構成しており、または、支持体は、水中に立てられた若干の支柱と、支柱の水面より上に伸出している部位に固定接続された水平フレームと、水平フレーム上面に立てられたタワーを含み、タワーの頂端にはトラスが接続され、風力ロータがトラスに接続され、風防装置がトラスに接続されて風力装置を構成しており、または、風力装置の水平フレーム下面にさらに水力装置１基が接続されて、風力、水力両用装置を構成しており、または、水力装置、風力装置または両用装置上の風力ロータ内に、さらに風防装置が設けられている。

支持体が空中に浮いている場合、支持体は、空中に浮遊する浮遊物と、浮遊物に結び付けられたロープ状部材を含み、トラスはロープ状部材に接続され、風力ロータがトラスに接続され、風防装置がトラスに接続されて空中に浮遊する風力装置を構成しており、または、風力ロータ内にさらに風防装置が設けられており、風力装置は錨綱を介して地面または地面構築物に固定されている。

ロータ軸の周囲には、それぞれ二枚翼ロータ、三枚翼ロータ、四枚翼ロータ及び五枚翼ロータを構成する２〜５枚のブレードが均等に分布しており、ブレードのタイプは低流速高効率ＦＷブレードであり、トラスの回転軸線両側の風力ロータの数は同じであり、かつ位置は対称である。

ロータ軸は多層構造であり、ロータ軸のブラケットは層ごとに配置されており、各ブレードはいずれも段に分けられ、段の数はブラケットの層の数と対応しており、各段のブレードは、対応する隣接層のブラケット端部に配置されている。

水力装置については、さらに以下の技術的解決手段がある。ロータ軸は浮力を生成する空気室と接続されており、空気室の外形は、円柱形、または円錐形、または球冠形である。支持体が水面に浮いている場合、支持体の間で水平フレームが互いに連結し合ってフロート式水力装置群を構成する。水力装置は、１つの支持体を風力装置と共有する。トラスと支持体の回転接続部位は水面上に位置している。支持体は、既成の水上積載物をさらに含む。既成の水上積載物とは、橋梁、埠頭桟橋、水文調査所桟橋、浮島、灯台、水産養殖筏などである。

既存の技術に較べて、本発明の有益な効果は以下の通りである。
１）風防装置が、その縁外とブレード近傍との間の領域に正面から吹いてくる風を通過させることで、該領域を通過する風の通量密度が急に増加し、必然的に該領域を通過する風の風速が上がり（ベルヌーイの定理）、また、ブレードの出力域を該領域付近に確定するよう転向して設置する。これを結び付けると、その効果として、風防装置によってブレードの出力域を通る風速が上がり（特に低風速の向上が顕著）、それによって風力ロータのパワーは向上するが（風速の三乗に比例）、風力ロータのスイープ面積や重量は増加しないので、既存技術における難題の１つを解決し、かつ低風速のＣｐを顕著に向上させている。

２）トラスの回転軸線と各風力ロータの旋回軸線が共通垂直面設計なので、低風速のＣｐを高めるだけでなく、風向を自動的に追跡してトラスの立柱に風の流通路を回避させることもできる。

３）風防装置の方角や風防面積を調節することによりパワー制御を実現し、従来の垂直軸機型のパワー制御が容易ではないという難題を解決している。既存技術のパワー制御は回転部材を調節して実現しているので、コストが高い。本発明の風防装置は非回転部材なので、制御コストが低く、定格風速の低い機種や小型機に応用すると、経済性が既存技術のものよりもかなり高くなる。

４）風防内の密封キャビティの空気注入設計により生じた浮力によって水力ロータやトラスの回転抵抗力を減少させることができるので、低流速のＣｐをさらに向上させることに役立つ。

５）トラスの上下横梁が固定接続されている風防装置は、トラスの剛性を強化する作用も兼ね備えている。

６）出願人が発明した低流速高効率ＦＷブレードを採用すると、ピッチシステムがなくても高効率で運行でき、Ｃｐが顕著に向上する。

７）フロートを用いて支持することで、水面下の基礎の建築を省略してコストを削減する効果があり、錨綱で固定し、船で曳いて移動させることができるので、水があればどこへでも行け、便利で融通性がある。

８）トラスと支持体の回転接続部が水面上に位置している設計なので、回転部の動的密封抵抗力（水中の動的密封には防水が必要であり、その抵抗力は空気中より大きい）を減少させることができ、Ｃｐの向上に役立つだけでなく、負荷（発電機、変速機、クラッチなどの部材）を水面上に配置することができるので、それらの防水密封問題も回避している。

９）水力装置と風力装置を結合させた設計により、支持体を共有することができるので、コストが下がり、海上の風力及び潮汐流発電に適している。

１０）低風速の利用コストを顕著に引き下げており、先進技術による高性能低コストという特徴を備えている。

図例中のＦ１は左右２つの風力ロータの中間にある風防装置、Ｆ２は風力ロータ内の風防装置、Ｆ３は上下２つの風力ロータの中間にある風防装置を表しており、陰の面が風防面を表している。

本発明の実施例１の構造概略図である。 本発明の実施例２の構造概略図である。 図２の断面の拡大図である。 本発明の実施例３の構造概略図である。 本発明の実施例３のパワー制御説明図である。 本発明の実施例１のトラス構造概略図である。 本発明の実施例２のトラス構造概略図である。 本発明の実施例３のトラス構造概略図である。 本発明の実施例４の構造概略図である。 本発明の４種類の組合せ式風防装置の概略図である。 本発明の実施例５の構造概略図である。 本発明の実施例５の上部を拡大した構造概略図である。 本発明の実施例６の構造概略図である。 本発明の実施例６のもう１つの状態の部分概略図である。 本発明の実施例６の風防装置の断面構造概略図である。 図１５の断面の拡大図である。 本発明の実施例７の構造概略図である。 本発明の実施例７のブラケット構造概略図である。 低流速高効率ＦＷブレードの概略図である。 本発明の実施例７の下部を拡大した構造概略図である。 本発明の風防装置の効果を証明する、風速Ｗの変化に伴うＣｐの測定曲線である。

以下では、図面を参照し、実施例と結び付けて、本発明についてさらに詳しく説明する。実施例中の負荷は、いずれも発電機を例としている。但し、本発明は、挙げている例に限定されることはない。風防装置はＦ１〜Ｆ３を用いて表しており、数字は異なる風防装置を表している。

実施例１
本実施例では、図１に示すように、支持体は、ベースＪと、ベースＪの頂端に固定接続されたタワー３を含み、トラス８（図６に示す）は、２本の横梁４と、横梁４の中心に固定接続された立柱６と、上横梁４と立柱６の間に固定接続された２本の筋交い５を含み、円環柱形の風防装置Ｆ１は立柱６の外囲に被装され、両端は上下の横梁４と固定接続されており、立柱６の下段は２つの軸受ベースＲを介してタワー３の内壁と回転接続されており、トラス８はタワー３の確定する垂直方向回転軸線の周りを回転することができ、風力ロータは、ロータ軸と、ロータ軸の周囲に均等に配置された３枚のブレード２を含み、ロータ軸は主軸Ａ及び６本のブラケットＢを含み、主軸Ａは、円筒と、円筒の両端に固定接続されたフランジと、フランジ内に固定接続された軸端を含み、円筒は風防装置Ｆ２の役割も果たしており、ブラケットＢの片端は主軸Ａのフランジと固定接続され、他端はブレード２と固定接続されており、風力ロータとトラス８は軸方向に拘束された水平回転対を構成しており、２つの風力ロータのブレード２は、互いに上下に倒置され、逆向きに回転する１対の風力ロータを構成しており、それぞれ軸受Ｒを介して変速機Ｋ、発電機Ｇの部材がトラス８の横桁４と回転接続されており、風力ロータは変速機Ｋによって増速され、発電機Ｇを駆動する。本実施例は、風力発電にも水力発電にも用いられる。

実施例２
本実施例の水力装置は図２の通りであり、図３は図２の断面の拡大図である。支持体は、２つのフロートＨと、フロートＨ上面に固定接続された水平フレーム７を含み、トラス８（図７に示す）は、２本の横梁４と、上横梁の中心に固定接続された１本の上立柱６と、上横梁４と上立柱６の間に固定接続された２本の筋交い５と、２本の横梁４の間に固定接続された２本の下立柱６を含み、外形が曲面柱体の風防装置Ｆ１は、その内部の２つの円柱孔を通して２本の下立柱６の外面を貫通し、固定接続されており、トラス８の上立柱６は、軸受（図中未表示）を介して水平フレーム７に回転接続され、水平フレーム７が確定する垂直方向回転軸線の周りを回転することができ、水力ロータは、ロータ軸と、ロータ軸の周囲に均等に配置された３枚のブレード２を含み、ロータ軸は、主軸Ａと、６本のブラケットと、６枚の邪魔板Ｐを含み、ブラケットＢの片端は主軸Ａと固定接続され、他端は邪魔板Ｐを介してブレード２と固定接続されており、円環柱形の風防装置Ｆ２は主軸Ａの外囲に被装され、かつ両端は上下のブラケットＢと固定接続されており、水力ロータとトラス８は軸方向に拘束された水平回転対を構成しており、２つの水力ロータのブレード２は、互いに上下に倒置され、逆向きに回転する１対の水力ロータを構成しており、それぞれ軸受Ｒを介して２本の横梁４の間に回転接続され、２つの水力ロータの主軸Ａの上端は、それぞれ上横梁４の両辺の孔を貫通して両側の変速機Ｋと接続され、発電機Ｇを駆動する。

実施例３
本実施例の風力装置は図４の通りであり、支持体は円錐管と円柱管からなるタワー３を含み、トラス８（図８に示す）は、２本の横梁４と、横梁４に固定接続された２本の側立柱６と、軸受Ｒを介して横梁４と回転接続された２本の内立柱６を含み、トラス８は横梁４の中心の軸受Ｒを介してタワー３の円柱管と回転接続されており、風防装置Ｆ１は、それぞれ２本の内立柱６と固定接続された２枚の平板を含み、風力ロータは、ロータ軸と、ロータ軸の周囲に均等に配置された３枚のブレード２を含み、ロータ軸は６つのブラケットＢを含み、上ブラケットＢの片端はフランジを介して軸受Ｒと接続され、下ブラケットＢの片端は発電機Ｇの外回転子と固定接続され、上、下ブラケットＢの他端は邪魔板Ｐを介してブレード２と固定接続されており、風防装置Ｆ２は、弧形板と、その両端に固定接続された横棒Ｌを含み、横棒Ｌの円環は側立柱６と固定接続されており、風力ロータとトラス８は軸方向に拘束された水平回転対を構成しており、２つの風力ロータのブレード２は互いに上下に倒置され、逆向きに回転する１対の風力ロータを構成しており、それぞれが軸受Ｒ及び発電機Ｇを介してトラス８の２本の側立柱６と回転接続されており、発電機Ｇの内固定子は側立柱６の下端に被装され、かつ下横梁４の上面に固定接続されており、下横梁４内のコントローラによって内立柱６に固定接続された平板の方角を調節することでパワー制御を実現することができる。図５は、本実施例のパワー制御説明図であり、自然風速が、風力ロータのパワーが定格値を超えるほど大きくなった場合、内立柱６の回転を制御して、それに固定接続された平板を点線が示す方向に向かって動かし、２枚の平板が風を受ける方向の辺縁の間に、その幅が風速に比例する通路を形成し、該通路によって、その幅に比例する風量に２本の内立柱６の間の領域を通過させる。これにより、風力ロータと内立柱６の間の領域の風量が減少すると同時に、風速も落ちるので、風力ロータの効率が下がる。平板が実線の方向にある場合、風力ロータと内立柱６の間の領域の風速＞自然風速であり、長い点線の方角にある時の該領域の風速≒自然風速であり、短い点線の方角にある時の該領域の風速＜自然風速なので、これにより風力装置のパワー制御を実現している。トラス８の回転軸線（ｅ点）と２つの風力ロータの回転軸線（側立柱６の円心）の３つが直線Ｑと共面であれば、低風速Ｃｐを向上させるだけでなく、風向を自動的に追跡することもできるが、３つが共面でなければ、上記の両性能を同時に実現することはできない。

実施例４
本実施例の風力装置は図９の通りであり、支持体は円錐管と円柱管からなるタワー３を含み、トラスは、４本の横梁４と、両端が各層の上下に隣り合う横梁４に固定接続された６本の立柱６と、横梁４の両先端に固定接続された２本の筋交い５を含み、三層構造を構築し、かつ横梁４の中間と２本の筋交い５との間の軸受Ｒがタワー３の円柱管のトラスと回転接続されている。風防装置Ｆ１には２種類あり、１つは横梁４に固定接続され、かつタワー３を跨ぐ三角形の邪魔板、もう１つは横梁４に固定接続された平らな邪魔板である。風力ロータは、ロータ軸と、ロータ軸の周囲に均等に配置された２枚のブレード２を含み、ロータ軸は主軸Ａと４つのブラケットＢを含み、ブラケットＢの片端は主軸Ａと固定接続され、他端は邪魔板Ｐを介してブレード２と固定接続されており、風力ロータとトラスは軸方向に拘束された水平回転対を構成しており、１２の風力ロータのブレード２の半分と、もう半分の互いに上下に倒置され、逆向きに回転する６対の風力ロータは、それぞれ軸受Ｒ及び発電機Ｇを介して上下に隣り合う横梁４と回転接続され、各対の風力ロータは風防装置Ｆ１の両側に対称に設けられており、風防装置Ｆ３は、平らな邪魔板と、上下に隣り合う風力ロータの間に固定接続された横梁４を含み、正面から吹いて来る風を、上下の風力ロータ領域に分けて通過させる。

実施例５
本実施例の風力装置は図１１の通りであり、図１２は図１１の上部の拡大図である。支持体は、４つのフロートＨと、フロートＨ上に固定接続された水平フレーム７と、水平フレーム７上に固定接続されたタワー３（実施例３のタワー構造と同じ）を含み、トラス８は図８に示すものと基本的に同じであるが、異なる部分が２箇所ある。その１つは、２本の内立柱６が横梁４（軸受Ｒを除く）に直接固定されている点で、もう１つは下横梁４がフレーム構造であるという点であり、トラス８は横梁４の中心の軸受Ｒを介してタワー３の円柱管と回転接続されており、風防装置Ｆ１は２枚の平板と４本の軌道Ｅを含み、平板の両端はそれぞれ２本の軌道Ｅと摺動接続され、軌道Ｅはそれぞれ２本の内立柱６の両端に近い部分に固定接続されており、風力ロータは、二層構造のロータ軸と、ロータ軸の周囲に均等に配置され、かつ２段に分けられた２枚のブレード２を含み、ロータ軸は３層に配置された６つのブラケットＢを含み、上、中ブラケットＢの片端はフランジを介して軸受Ｒと接続され、下ブラケットＢの片端は変速機Ｋの入力軸と固定接続され、上、下ブラケットＢの他端は邪魔板Ｐを介してブレード２の上、下段とそれぞれ固定接続されており、中ブラケットＢの他端はブレード２の上、下段と固定接続されており、風力ロータとトラス８は軸方向に拘束された水平回転対を構成しており、２つの風力ロータのブレード２は互いに上下に倒置され、逆向きに回転する１対の風力ロータを構成しており、それぞれが軸受Ｒ及び変速機Ｋを介してトラス８の２本の側立柱６と回転接続されており、変速機Ｋの貫通式チューブ型入力軸は側立柱６の下端に被装され、変速機Ｋは下横梁４の上面に固定接続されて発電機Ｇを駆動し、コントローラＭは軌道Ｅにおいて風防が点線の示す位置まで移動するよう制御して、風力装置のパワー制御を実現することができる。

実施例６
本実施例の水力装置は図１３の通りであり、図１６は図１３の断面の拡大図である。支持体は、水底に伸入している４本の支柱Ｚと、支柱Ｚの頂端に固定接続された水平フレーム７を含み、トラス８の構造及びその水平フレーム７との接続方式は実施例２と同じである。風防装置Ｆ１は、矩形柱体と、４本の三角柱を介して矩形柱体に固定接続されている２枚の弧形板（図１５にその横断面を示す）を含み、２枚の弧形板はそれぞれ２本の内立柱６と固定接続されており、水力ロータは、ロータ軸と、ロータ軸の周囲に均等に配置された３枚のブレード２を含み、ロータ軸は、主軸Ａと、６本のブラケットと、６枚の邪魔板Ｐを含み、ブラケットＢの片端は主軸Ａと固定接続され、他端は邪魔板Ｐを介してブレード２と固定接続されており、主軸Ａの上部外周は、外面が円錐形、内面が円柱形の空気室１と固定接続されており、水力ロータとトラス８は軸方向に拘束された水平回転対を構成しており、２つの水力ロータのブレード２は、互いに上下に倒置され、逆向きに回転する１対の水力ロータを構成しており、それぞれ軸受Ｒと機関部Ｃを介して２本の横梁４の間に回転接続され、２つの水力ロータの主軸Ａの上端は、それぞれ上横梁４の両辺の孔を貫通して両側の機関部Ｃ内の変速機と接続され、発電機を駆動する。空気室１内に空気を充填することで発生する浮力は、水力ロータの回転抵抗力を軽減させることができる。水平フレーム７とトラス８との間には、さらに昇降機能を追加してパワー制御を実現することもでき、水力ロータのパワーが定格値を超えるほど水流の速度が大きくなると、コントローラＭが上立柱６を上昇させ、水力ロータの一部を水面に伸出させるが（図１４の通り）、これにより水力ロータの動作面積が減少する。本実施例は、比較的浅い水域、例えば河流水面下の水流を利用する発電などに適している。

実施例７
本実施例の風力装置は図１７の通りであり、図２０は図１７の下部の拡大図である。支持体は、空中に浮かぶ浮遊物１と、浮遊物１に結び付けられたロープ９を含み、トラスは、２本の横梁４と、横梁４の間に固定接続された２本の立柱６を含み、上横梁４にはロープ９が固定接続されており、風防装置Ｆ１は、外面が楕円柱体で、内面が縦方向に円柱体を貫通する２つのエアバッグと、エアバッグの両端に固定接続された、２つの内円孔を有する楕円外形の硬質端板を含み、エアバッグと端板の２つの内円面にはそれぞれ２本の立柱６が接続され、かつエアバッグは２枚の端板を介してそれぞれ上、下の横梁４と固定接続されており、風力ロータは、ロータ軸と、ロータ軸の周囲に均等に配置された３枚のブレード２を含み、ロータ軸は主軸Ａと、図１８に示す６つの補強型ブラケットＢと、６本のクロスバーＤを含み、ブラケットＢの２つの先端は主軸Ａと固定接続され、１つの先端は邪魔板Ｐを介してブレード２と固定接続され、クロスバーＤの両端は隣り合うブラケットＢと固定接続されており、風力ロータとトラスは軸方向に拘束された水平回転対を構成しており、２つの風力ロータのブレード２は、互いに上下に倒置され、逆向きに回転する１対の風力ロータを構成しており、それぞれが軸受Ｒを介してトラスと回転接続されており、２つの風力ロータの主軸Ａの下端は、下横梁４の両辺の孔を貫通して両側の発電機Ｇを駆動し、その重心垂線の周りを回転可能な空中浮遊式風力発電機を構成し、かつ錨綱Ｓと接続して地面または地面構築物に固定されている。錨綱Ｓ内には、電力を地面に電送する導線が含まれている。軽量材料を用いてトラス及び風力ロータを作成することで浮遊物１の負担を軽減することができる。補強型ブラケットＢとクロスバーＤからなる補強型ロータ軸は、軽量材料により設計されている。

上記の実施例では、一部の風防の形状を示しているにすぎず、他の形状もある（図１０で示しているのはその中の４種類であり、矢印Ｎが指しているのが風を受ける方向である）。本発明の風防の形状は、具体的なトラス構造、応用の種類、パワー容量、制御方式などの要素により総合的に確定される。

本発明の技術的解決手段では、さらに、
風防装置Ｆ１の両側の風力ロータは、ブレードの出力域が風防に近い側になるよう転向して設置されており（出力域とは、ブレードが動力を生み出す方位領域を指し、回転中はブレードの迎え角が３６０度変化するが、その中の数十度の方角でのみ出力が可能で、他の角度の方位では失速により出力できない）、トラスの回転軸線と各風力ロータの旋回軸線は共通垂直面であり、トラスの回転軸線の両側の風力ロータの数は同じであり、かつ位置は対称である。これらは上記のすべての実施例の中に体現されている。

風防装置は他の機能も兼ね備えている。例えば実施例１、実施例２及び実施例６の水力装置では、風防はいずれも密封キャビティ構造であり、キャビティ内に空気を送り込むことで生じる浮力により、水力ロータとトラスの回転抵抗力を減少させることができる。実施例７の風力装置では、風防エアバッグ内に水素ガスまたはヘリウムガスを充填することで生じる浮力により、浮遊物の負担を軽減することができる。実施例１及び実施例４の風防装置Ｆ１は、トラスの剛性を強化する作用を有している。

無主軸風力ロータ内に設置されている風防装置Ｆ２では、風防は回転せず、しかも形状はロータ軸線に対して非対称であり、その方角や形状をコントロールすることで、風力ロータ内の流れ場に干渉する機能を有し、実施例３に体現されている。

出願人が発明した図１９に示す低流速高効率ＦＷブレードは、実施例５及び実施例６に体現されており、その効果によって風力エネルギーの利用係数が著しく向上し、ピッチ制御システムがいらないだけでなく、高効率で稼動させることもでき、既存技術中のピッチ制御設備をなくしているので、設備のコストが下がっている。

トラスと支持体の回転接続部が水面上に設置され、かつ支持フレームが水面近くにあり、水面の下には動的密封部材がないので、実施例２及び実施例６に体現されているように、性能を高めることに役立つだけでなく、メンテナンスがしやすくコストが下がるという効果を有しており、また、水面流速の大きい水流（水面下の深い所の流速と較べて）を十分に利用することで、Ｃｐを高めることに役立つ。

フロートを用いて支持することで、水面下の基礎の建設を省略しており、実施例２及び実施例５に体現されているように、コストが下がり、錨綱で固定でき、船で曳いて移動させることができるという効果があり、水があればどこにでも行け、便利で融通性がある。

上記の実施例のほかに、本発明は他の実施形態を有することもでき、実施例２の水力装置及び実施例５の風力装置では、１つのフロートＨと水平フレーム７を共用して、水力風力両用装置を構成することができる。実施例５にラダーを追加すると（図１２の上横梁中央部上面の点線に示す部分）、パワー制御過程において風向の変化により生じるトラス８の揺動を取り除くことができる。実施例６の支持体を既存の水上積載物（橋梁など）に置き替えた場合、トラス８は橋梁の下面に接続される。いくつかの実施例２の間をフレキシブルに接続すると、隣り合う水平フレーム７がフロートＨを共有し、水力装置群を構成する。同等の置換や同じ効果の変換を用いて形成される技術的解決手段は、いずれも本発明で要求している保護範囲内にある。

図２１は、本発明の風防装置がＣｐの効果を高める際の風洞試験Ｃｐ（Ｗ）曲線であり、風速Ｗが２〜１３ｍ／秒の区間では、風防装置及び風力ロータがＣｐを無風防時に較べて平均２２％向上させるよう転向して設置されており、Ｗ＜７ｍ／秒の区間では、Ｃｐの向上幅はより大きくなり、しかもＣｐの最適値が低風速端となるので（無風防時のＣｐの最適値は曲線のＷが７〜８ｍ／秒の部分）、風防装置の低風速に対する速度向上効果が〜１０％であることが証明されている。風防装置を風力発電に応用した場合、その効果として発電量を２０％以上増加させ、かつ従来の垂直軸風力装置のパワー制御という難題を解決することができ、このことから、風防装置が風力装置のコストパフォーマンスを上げており、本発明者が発明した低流速高効率ＦＷブレードと結び付けると、本発明の装置のＣｐ_ｍａｘは０．６０となり、風速２〜１０ｍ／秒の区間のＣｐの風速平均値は
となり、その発電量が従来の垂直軸技術に較べて３〜４倍になっていることがわかる。

簡単に言うと、本発明は、低風（流）速のＣｐを顕著に向上させ、その利用コストを引き下げており、先進技術による高性能低コストという特徴を備えており、莫大な資源である潮汐流や海流、河流、微風を利用して発電できるだけでなく、低速流体エネルギーのその他の利用を開発することもできるのである。

Claims (13)

1. 支持体と、前記支持体に接続されたトラスと、前記トラスに接続された少なくとも２つの風力ロータを含み、前記風力ロータは、ロータ軸と、ロータ軸の周囲に均等に分布している若干のブレードを含み、前記トラスと前記風力ロータの間には垂直方向に拘束された水平回転対が構成され、前記風力ロータが前記トラスの垂線の両側にそれぞれ配置されている、低流速を増加させる動力装置において、前記風力ロータの間には風防装置が設けられ、前記風防装置の両側に位置する前記風力ロータは互いに逆方向に回転し、前記風力ロータの転向設置により、前記ブレードの出力域が前記風防装置に近い側に形成されており、前記トラスと前記支持体は回転接続され、前記トラスの回転軸線が前記各風力ロータの回転軸線と同じ垂直面内に位置していることを特徴とする、低流速を増加させる動力装置。
2. 前記風力ロータのロータ軸は、主軸を含むロータ軸と無主軸ロータ軸に分けられており、主軸を含むロータ軸である場合、前記風力ロータのロータ軸は、主軸と、片端が直接または間接的に主軸と接続され、他端が直接または間接的にブレードと接続されたブラケットを含み、無主軸ロータ軸である場合は、前記ロータ軸が、片端が軸受を介して前記トラスまたは負荷に接続され、他端が直接または間接的にブレードと接続されたブラケットを含むことを特徴とする、請求項１に記載の低流速を増加させる動力装置。
3. 前記風力ロータ内には風防装置が設置されており、前記風防装置の水平サイズは前記風力ロータの直径を下回り、垂直サイズは前記風力ロータの高さを下回ることを特徴とする、請求項２に記載の低流速を増加させる動力装置。
4. 前記トラスは、若干の横梁と、若干の横梁を支持するための若干の立柱を含み、または若干の筋交いをさらに含み、前記トラスが２本以上の横梁を含む場合は、垂直方向の多層横梁のトラス構造を構成し、隣り合う層の前記上下の風力ロータの間に、別途風防装置が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の低流速を増加させる動力装置。
5. 前記風防装置の構造は、板状体または柱体からなる風防装置と、板状体と柱体の結合体からなる風防装置を含み、前記風防装置内には密封キャビティが含まれており、前記風防装置の外形が、平板、曲面板、弧面板、平面三角柱、曲面または弧面三角柱、２曲面１平面の三角柱、２平面１曲面の三角柱、半円柱、台形角柱、円柱、楕円柱及び曲面柱を含むことを特徴とする、請求項３または４に記載の低流速を増加させる動力装置。
6. 前記動力装置は、風防装置の方角または風防面積を調節することにより風力ロータのパワーを制御しており、前記動力装置にはさらに、風向を追跡するラダーが設けられていることを特徴とする、請求項５に記載の低流速を増加させる動力装置。
7. 前記支持体の設置には、地面または水面下に設置する方式、水面に浮かせる方式、水底に立てて水面から伸出させる方式、空中に浮かせる方式が含まれており、
   前記支持体を地面または水面下に設置する場合、前記支持体は、地面に立てられたタワー、または水面下に位置するベース及びベースに固定接続されたタワーを含み、前記タワーの頂端には前記トラスが接続され、前記風力ロータが前記トラスに接続され、前記風防装置が前記トラスに接続されており、または、前記風力ロータ内にさらに風防装置が設けられており、
   前記支持体が水面に浮いている場合、前記支持体は、若干のフロートと、前記フロート上に固定接続された水平フレームを含み、前記水平フレームの下表面には前記トラスが接続され、前記風力ロータが前記トラスに接続され、前記風防装置が前記トラスに接続されて、水力装置を構成しており、または、前記支持体は、若干のフロートと、前記フロート上に固定接続された水平フレームと、前記水平フレームの上面に立てられたタワーを含み、前記タワーの頂端には前記トラスが接続され、前記風力ロータが前記トラスに接続され、前記風防装置が前記トラスに接続されて、風力装置を構成しており、または、前記風力装置の水平フレーム下面にさらに前記水力装置１基が接続されて、風力、水力両用装置を構成しており、または、前記水力装置、前記風力装置または両用装置上の風力ロータ内に、さらに前記風防装置が設けられており、
   前記支持体が水底に立てられて水面に伸出している場合、前記支持体は、水中に立てられた若干の支柱と、前記支柱の水面より上に伸出している部位に固定接続された水平フレームを含み、前記水平フレームの下表面には前記トラスが接続され、前記ロータ軸が前記トラスに接続され、前記風防装置が前記トラスに接続されて、水力装置を構成しており、または、前記支持体は、水中に立てられた若干の支柱と、前記支柱の水面より上に伸出している部位に固定接続された水平フレームと、前記水平フレーム上面に立てられたタワーを含み、前記タワーの頂端には前記トラスが接続され、前記風力ロータが前記トラスに接続され、前記風防装置が前記トラスに接続されて風力装置を構成しており、または、前記風力装置の水平フレーム下面にさらに前記水力装置１基が接続されて風力、水力両用装置を構成しており、または、前記水力装置、前記風力装置または両用装置上の風力ロータ内に、さらに前記風防装置が設けられており、
   前記支持体が空中に浮いている場合、前記支持体は、空中に浮遊する浮遊物と、前記浮遊物に結び付けられたロープ状部材を含み、前記トラスが前記ロープ状部材に接続され、前記風力ロータが前記トラスに接続され、前記風防装置が前記トラスに接続されて、空中に浮遊する風力装置を構成しており、または、前記風力ロータ内にさらに風防装置が設けられており、前記風力装置が錨綱を介して地面または地面構築物に固定されていることを特徴とする、
   請求項１に記載の低流速を増加させる動力装置。
8. 前記ロータ軸の周囲には２〜５枚のブレードが均等に分布しており、それぞれ二枚翼ロータ、三枚翼ロータ、四枚翼ロータ及び五枚翼ロータを構成しており、前記ブレードのタイプは低流速高効率ＦＷブレードであり、前記トラスの回転軸線両側の風力ロータの数は同じであり、かつ位置が対称であることを特徴とする、請求項７に記載の低流速を増加させる動力装置。
9. 前記トラスは多層構造であり、前記ロータ軸のブラケットは層ごとに配置されており、各ブレードはいずれも段に分けられており、前記段の数はブラケットの層の数と対応しており、各段のブレードが対応する隣接層の前記ブラケットの端部に配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の低流速を増加させる動力装置。
10. 水面に浮いている前記支持体が、フロート式水力装置を構成し、またはフロート式水力装置群を形成していることを特徴とする、請求項７に記載の低流速を増加させる動力装置。
11. 前記トラスと前記支持体の回転接続部位が水面上に位置していることを特徴とする、請求項７に記載の低流速を増加させる動力装置。
12. 前記水力装置の前記ロータ軸は浮力を生成する空気室と接続されており、前記空気室の外形が円柱形、または円錐形、または球冠形であることを特徴とする、請求項７に記載の低流速を増加させる動力装置。
13. 前記支持体が、橋梁または既成の水上積載物を含むことを特徴とする、請求項７に記載の低流速を増加させる動力装置。