JP4080745B2 - 流れ加速式の風力利用タワー - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は風のエネルギーを捕捉し、これを電気的、機械的またはその他のタイプのエネルギーに変換する風力発電機に係わる。
【０００２】
発明の背景
本発明が係わる風力発電機においては、これまで種々の技術的提案の対象となってきた３つの課題がある。
【０００３】
第１に、風力の利用度を最適化するため、特に乱流に起因する制約要因を回避しながら、ロータ・ブレードがベッツの理論に基づく風エネルギー利用の理論上最大レベルに迫るような形状を有する風力発電機が提案され、さらには、風向きに応じてロータの向きを調節できる風力発電機が提案されている。
【０００４】
第２に、特にロータ・ブレードのサイズが大きい風力発電機において発生する機械的な問題に対応すべく、種々の解決策が提案されており、現に、ロータの直径が６０〜８０ｍにも及ぶ風力発電機が問題なく稼動している。
【０００５】
第３に、風エネルギーを、特に、電気エネルギーに変換する課題が種々の技術的提案の対象となっている。
【０００６】
公知の技術は、当初の予想に反して、然るべき発電収益レベルを達成できる風力発電機を実現してはいるものの、これらの公知の風力発電機、特に、大型のものは設置条件が極めて複雑であり、莫大な投資を必要とするため、その実用化には限界がある。
【０００７】
本発明の目的はこれらの難点を解消することにある。上記種々の提案は、基本的には、エネルギー生成の決定的な要因の１つ、即ち、ロータ・ブレードの回転面積に着目し、大径ロータの採用から起こる問題を解決することによって大きい電力を得ようとしているが、本発明は他の要因：風速に着目し、その流動を加速することによって大きい電力を得ることを提案する。
これはフランス特許第１０３５４２６号およびフランス特許第２４５０２５２号に開示されている装置の目的でもある。特にフランス特許第２４５０２５２号は１つの導風管の内側に回転する螺旋またはタービンを有する風力利用装置を開示している。
【０００８】
発明の概要
本発明の第１の主題として、風力を他のタイプのエネルギーに変換する装置と連動する水平軸を中心に回転するロータ・ブレードを備え、中央部に縮径部を有する導風管を組込み、前記縮径部の中心部の円形範囲内を回転する公知のタイプのロータを前記縮径部に配置したことを特徴とする風力利用タワーを提供する。この構造は、風の流れの加速を可能にし、直径の小さいロータで、従来使用されている、これよりもはるかに直径の大きいロータで得られるのと同様の成果を達成する。機械的にも、電気的またはその他のタイプのエネルギーに変換する装置との関連においても、導風管を組込むことで、大径ロータ使用に伴う問題を著しく簡易化する。
【０００９】
風力を他のエネルギーに変換する装置に対する風力発電機などの名称の代わりに、“風力利用タワー(eolian tower)”という語を使用するのは、目的は同じでも、上記導風管を組込むことで外観が著しく異なるからである。ただし、“風力利用タワー(eolian tower)”の意味が誤解されるのを避けるため、請求項では風力発電機(aerogenerator)という語を使用する。
【００１０】
本発明の第２の主題として、環状を呈する縮径部を有する導風管を組込み、縮径部にロータを配置し、ロータのブレードを、環状を画定する回転範囲に作用するような形状に構成したことを特徴とする風力利用タワーを提供する。
【００１１】
本発明の第１および第２の主題に、導風管の取入れ口を閉鎖する手段と、ロータを、最適速度の風で変換エネルギーを発生させる対応の手段と連携させるため、風の流入速度を調整する手段とを付加したのが本発明の第３の主題である。
【００１２】
本発明のその他の特徴および利点を、添付の図面に示す実施例に基づいて以下に詳細に説明する。
【００１３】
発明の詳細な説明
図１および２から明らかなように、電気エネルギーを発生させるための公知の風力発電機（１）は支持タワー（２）、３枚のブレード（５，６，７）を有するロータ（３）および電気エネルギーを発生させるのに必要な要素を内蔵するハウジング（４）から成り、これらの要素として、ロータ（３）のハブ（１１）に、回転軸（１２）を介して発電機（１０）が連結され、回転軸（１２）には、ロータ（３）の方向および移動を制御するためのマルチプライヤ（１３）も取り付けてあり、このほか、減速モータ・ユニット（１５）、ブレーキをかけるための油圧ユニット（１６）、ブレードの回転範囲を調整する機構などが含まれる。
【００１４】
図３を参照しながら、本発明の第１の主題による風力利用タワー（２０）を説明する。図３から明らかなように、このタワー（２０）は支持構造（２１）、取入れ口（２３）、中央縮径部（２４）および吐出し口（２５）を有する導風管（２２）、ブレード（３１，３２，３３）を含むロータ（３０）から成り、本発明の第３の主題では、このほかに、ブレード（３６，３７，３８）を有する増風装置（３５）をも含む。
【００１５】
公知の風力発電機（１）と本発明の風力利用タワー（２０）との基本的な相違点はロータ（３０）が配置されている領域において風の流れを加速するための、中央縮径部（２４）を有する導風管（２２）を組み込むことにある。同じ目標電力レベルを達成するのに、加速処理を施せば、風力利用タワー（２０）のロータ（３０）の直径を公知の風力発電機（１）のロータ（３）の直径よりもはるかに小さく設定することができ、風力利用タワー（２０）の構造を単純化するのに有益である。
【００１６】
これに反して、公知の風力発電機（１）の支持タワー（２）は、比較的高い位置で強い風を捕らえ、しかもブレード（５，６，７）の先端が地表から充分な距離を保つように背を高くしなければならず、また、端部の著しい後退でブレードがタワーと衝突するのを防ぐため、タワーは細長くなければならない。即ち、空気力学的理由から、この種のブレードは構造的に、エッジが小さく、その長さが上述したように３０−４０ｍにも及ぶセミガーダー（semigirder）として作用するからである。このように高く細長くなければならないという条件は必然的に深刻な構造上の問題を伴う。その点、ロータ（３０）のサイズが小さければ小さいほど、回転速度を大きくすることができ、従って、公知の風力発電機に使用されるマルチプライヤー（１３）を不要にすることができる。
【００１７】
図４に詳細に示すように、導風管（２２）は、矢印で示すようにロータ（３０）の回転平面に対してほぼ垂直な方向に風の流れを発生させ、導風管への取入れ口での速度以上に加速するように形成されている。即ち、風を取込むための、一定の円形断面を有する第１領域（４３）と、次第に縮径する円形断面を呈する第１部分（４５）および断面積が一定の第２部分から成り、その端部にロータ（３０）が配置されている第２領域と、前記第２および第１領域（４４，４３）とそれぞれほぼ対称の形状を有する第３および第４領域（４７，４８）から形成されている。
【００１８】
図３および４には、全領域が円形断面を有する導風管（２２）を示したが、中央の縮径部（３０）において風の方向がロータ（３０）の回転平面に対してほぼ垂直となるように風の流れを誘導するのに好適であるなら、本発明の導風管はいかなる横断面形状を呈するものであってもよい。
【００１９】
ハウジング（２６）は公知の風力発電機（１）のハウジング（４）に収納されるのと同様の、導風管（２２）とロータ（３０）との集合体の向きと移動を制御する手段を収納するのがその目的である。
【００２０】
風力利用タワー（２０）の支持構造（２１）を矩形で示してあるが、公知の風力発電機の支持タワー（２）のような高さと細長さを必要としないことを強調するためであって、好適であるなら、いかなる構造であってもよい。
【００２１】
出力が２５０ＫＷなら、本発明の風力利用タワー(２０)では、直径が８ｍの取入れ口（２３）を有する導風管（２２）と回転面積が直径６ｍのロータ（３０）で充分であるのに対して、出力が２５０ＫＷの公知の風力発電機（１）では、回転面積３０ｍのロータが必要である。
【００２２】
本発明の第２の主題として、図５に示すように、導風管（２２）が環状を呈する縮径部（５１）と同じ形状の回転範囲を有するロータ（５２）を有する風力利用タワーを提案する。
前記縮径部（５１）は導風管（２２）の内側に存在する偏流体（５５）によって形成され、偏流体（５５）は円筒形中央部分（５６）と円錐形外側部分（５７，５８）とから成り、この偏流体が導風管内に、一定の円形断面を呈して風を取入れる第１領域（６０）と、次第に縮径する環状を呈する第１部分（６２）および断面積一定の環状を呈する第２部分（６３）とから成り、その端部にロータ（５２）が配置されている第２領域（６１）と；前記第２および第１領域（６１，６０）とそれぞれほぼ対称の形状を有して風を吐出す第３および第４領域（６４，６５）とを画定する。
【００２３】
図６はロータ（５２）の詳細図であり、図示のように、軸心(７２)を中心に、図示しないが偏流体（５５）の中央部（５９）に配置された手段を介して回転することができる複数のブレード（７０）を備えた支持体（７０）で構成されている。ロータ（５２）は公知のロータ（３）と同様に動作して、環状を呈する範囲内を回転する。
【００２４】
偏流体（５５）は導風管（２２）を縮径する機能を果たすだけでなく、公知の風力発電機（１）のハウジング（４）に収納されるのと同様の手段を収納すると共に、導風管（２２）とロータ（５２）との集合体の向きと移動を制御するのに必要なスペースを提供する。
【００２５】
図７は本発明の第２の主題の変更実施態様を示し、図示のように、上記偏流体（５５）と同様の形状を呈する偏流体（８５）が存在することは同じであるが、導風管（２２）がその中央部に、比較的断面積が小さい領域を有し、これが環状を呈する縮径部（５１）を画定する。この部分に関して、図８は図６と同様にロータの正面図である。
【００２６】
本発明の第３の主題は第１および第２の主題による風力利用タワーに、図３、４，５および７に示す増風装置（３５）を組込んだ態様であり、この増風装置（３５）は公知のロータと同様に、回転軸に結合されたブレード（３６，３７，３８）と、これを支持し、まず第１に、対応のエネルギー発生手段と連動するロータ（３０，５２）に作用する空気流の速度を調整する手段とから成る。公知のロータに使用されているのと同様の手段によって、ブレードの回転速度および/または角度を変えることにより、風力利用タワーへの風取入れ速度の変動が軽減され、天候の激変が起こらない限り、ロータ（３０または５２）に達する風の流れはエネルギー生成に最適の速度に近づく。
【００２７】
第２に、ブレード（３６，３７，３８）に、ブレードが画定する複合平面がその回転によって画定される円形平面と一致するような形状を与えることによって、風速が風力利用タワーの動作には不適切な場合に取入れ口を閉鎖する有効な手段が得られる。これに代わる閉鎖手段として、送水管に使用されるのと同様のハッチを採用することもできるが、この場合、増風装置（３５）の機能は前記風取入れ速度の調整に限定される。
【００２８】
本発明の第１および第２の主題として中央平面を挟んで対称の導風管および縮径部を図示し、説明したが、当業者には明らかなように、本発明はこれらの構成に限定されるものではなく、縮径部が導風管の中央部に位置せず、また、導風管が対称部分から構成されていない風力利用タワーをもその範囲に含む。ロータが縮径部の中央に位置することも、回転軸が水平であることも必須条件ではない。
本発明の第２の主題に関しても、当業者には明らかなように、縮径部は環状を呈してもよいが、導風管および内側偏流体の断面形状が円形以外の形状なら、その他種々の形状であってもよい。最後に、本発明の第３の主題が特徴とする増風装置は、無風状態においても風力利用タワーが動作し続けるように機能できるアクチュエータ手段を含むことができる。
【００２９】
特許請求項によって規定される発明の範囲内で、上記実施態様以外の態様で本発明を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知の風力発電機の左側面図および正面図である。
【図２】 公知の風力発電機を構成する要素の詳細図である。
【図３】 左側は本発明の第１および第３の主題による風力利用タワーの垂直断面図、右側はその正面図である。
【図４】 本発明の第１および第３の主題による風力利用タワーにおける導風管の長手方向断面図である。
【図５】 本発明の第２および第３の主題による風力利用タワーにおける導風管の長手方向断面図である。
【図６】 本発明の第２の主題による風力利用タワーにおいて使用される、環状を呈するロータの正面図である。
【図７】 本発明の第２の主題による風力利用タワーの変更実施態様を示す図５お同様の図である。
【図８】 本発明の第２の主題による風力利用タワーの変更実施態様を示す図６と同様の図である。

Claims (10)

1. 風取入れゾーンと風吐出しゾーン有する導風管（２２）を組込まれ、風力を他のタイプのエネルギーに変換する装置と連動して回転するブレードのロータを有する風力発電機であって、
   a）風取入れゾーンが、断面積一定の、風を取入れるための第１領域（６０）と、断面積が次第に縮小する第２領域第１部分（６２）と断面積一定の第２領域第２部分（６３）とから成り、その端部にロータ（５２）が配置されている、風の流れを加速するための第２領域（６１）から構成され、加速された風の流れがロータ（５２）の回転平面に対して垂直な方向を持つように、前記第１および第２領域を形成し、
   b）風吐出しゾーンが、断面積一定の第３領域第１部分と断面積が次第に増大する第３領域第２部分から成る第３領域（６４）、および断面積一定の第４領域から構成され、前記第３および第４領域がロータの回転平面を挟んで、風取入れゾーンの第２およぶ第１領域とほぼ対称であり、
   第１および第４領域（６０，６５）が円形断面を有し、第２および第３領域（６１，６４）が環状を成し、ロータ（５２）が環状の範囲内を回転し、
   環状部分の径方向の大きさがその部分の全体直径に対して充分に小さく、かつ、第１領域と第２領域の外径が実質的に等しい
   ことを特徴とする風力発電機。
2. ロータ（５２）のブレード（７０）が環状部分の径方向の大きさに対応する大きさで互いに接近して周方向に多数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
3. ロータ（５２）のブレード（７０）が外周側から支持されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
4. 導風管（２２）が円筒形の中央部分（５６）および円錐形の両外側部分（５７）から成る内側偏流体（５５，８５）を含むことを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
5. 導風管（２２）が円筒形であることを特徴とする請求項４に記載の風力発電機。
6. 導風管（２２）が中央に縮径部のある円筒形であることを特徴とする請求項４に記載の風力発電機。
7. 導風管（２２）の風取り入れ口（２３）を閉鎖する手段を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の風力発電機。
8. さらに、導風管（２２）の風取入れ口（２３）に配置され、回転範囲が前記風取入れ口（２３）の面積に対応するサイズの、回転軸に結合された複数のブレード（３６，３７，３８）から成る増風装置(wind stimulator)（３５）を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の風力発電機。
9. 複数のブレード（３６，３７，３８）の表面積の和が前記ロータ（５２）のブレード（７０）の回転によって画定される円の面積に等しいことを特徴とする請求項８に記載の風力発電機。
10. 増風装置が風とは別の発動手段を有することを特徴とする請求項９に記載の風力発電機。

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