JP4308897B2 - 垂直軸風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、風力工学、つまり、風力発電機すなわち風力エネルギーを電気エネルギーに変換する設備のために使用可能な垂直軸風力タービンに関するものである。

風力タービンに関する先行技術のローターは、１９９６年１０月９日出願、１９９９年８月２７日公告のロシア連邦特許出願第２１３５８２４号、ＩＰＣ⁶ Ｆ０３Ｄ７／０６によって、既に知られている。既に知られた風力タービンのローターは、垂直軸に取り付けられた二枚のＳ字型のブレードを含んでいる。Ｓ字型のブレードは、垂直軸にしっかりと接続された、回転可能な平行な横木に固定されている。更に、ブレードの固定箇所は、ブレードの重心の背後で、Ｓ字型のブレードの頂点から遠ざかる方向に向かって、ブレードの対称軸と直線をなすように揃っている。

上記の既に知られた回転風力タービンの欠点は、回転するように設計するのが複雑であること、低い範囲の出力しか出ないこと、そして、効率が比較的低いことである。

例えば１９９３年１１月１５日出願、１９９７年１１月２０日公告（プロトタイプ）のロシア連邦特許出願第２０９６２５９号、ＩＰＣ⁶ Ｂ６３Ｈ１３／００により、軸が垂直に設置された回転風力タービンが、もう一つ知られているのであるが、それは、上下の円盤型の座金と、ブレードを回転させるための機構とを備えているものである。座金の軸は回転の垂直軸と揃っている。ブレードの下端面には位置決め器が固定されているが、それは前記座金に開けられた孔と係合できるようになっている。前記ブレードを回転させるための機構を含んでいる要素は、ローターの軸に固定されていて、下の方の座金の上に位置している。

前記の既に知られた風力タービンの欠点は、信頼性に欠けること、出力範囲が足りないこと、そして効率の高さが不足していることである。

本発明の目的は、ローターの回転速度を高めることにより、効率を高め出力を大きくすることであり、また、ローターの開始加速度を改善することである。

本発明によると、垂直軸の周りに等しい角度で取り付けられた複数のアームと、カスケード状ブレードを有するブロックに接続された複数のブレードとを備えたローターを含む、垂直軸風力タービンが備えられているものであって、ブロックがアーム先端に接続され、ブレードのブロックの数は次の範囲の数から選択され：二つ、三つ；ブレードのブロックは四つのカスケード状ブレードを備えており、ブロック中に半径方向にカスケード状に複数のブレードを配置し、該ブロック内の前記カスケード状ブレードは、各ブロックの対称線に関して、ローターの回転方向に変位されることを特徴としている。

ブレードの二つのブロックおよび、各ブロック四つのカスケード状ブレードを風力タービンに備え、それにより、ブロック内の前記カスケード状ブレードが前記二つのブロックの対称線に関して右回りに変位されるようにすることが得策であり；あるいは、他の実施様態においては、ブレードの三つのブロックおよび、各ブロック四つのカスケード状ブレードを風力タービンに備えて、それにより、ブロック内の前記カスケード状ブレードが各ブロックの対称線に関して右回りに変位されるようにすることが得策である。

添付図面を参照しつつ、以下の実施例の詳細な説明を正しく読むことにより、本発明を更によく理解することが可能であるが、その図面において：
図１は、ブレードのカスケード状の構成の概略図を示すものである；
図２は、風力モーターのローターの平面図である；そして
図３は、ブレードの外形である。

垂直軸風力タービンはローター１を含んでおり、該ローターに備えられた二つの対称的なアームには、空気力学的カスケードのブロック２および３が付いているが、各ブロックは、有利には、四枚のブレード４から成り、タービン型の構成のブレードの形式で実現される。空気力学的カスケードのブロック２と３が付いたアームは、中心垂直軸５の周りに等しい角度で、つまり、一つがもう一つに対して１８０°で、取り付けられる。ブレードの外形は、亜音速空気力学的外形の形状である（図３）。図２に示すように、ブロック２、３内のカスケード状ブレード４は、前記ブロック２および３の対称線Ｏ−Ｏに関して、前記ローター１の回転方向（矢印で示されている）に変位される。風力タービンの、記述された実施様態におけるローター１は、右回りの方向に回転するように示されている。回転カスケード状風力タービンの、提案された設計の効率は、カスケード状ブレードの先のブレードと次のブレードとの間隔を示すブレードのリード（γ）、カスケード状ブレードの先のブレードと次のブレードとの偏り具合を示すカスケード状ブレードの偏向（χ）、微小変化補正係数の値（Ｋ₃）および、ブレードの外形の弦の値（ｂ）の選択によって決定される。前記のパラメーターの値は以下の範囲であり得ることが確定している：
・ブレードのリード（γ）は、０．４ｂ〜０．６ｂ；
・カスケード状ブレードの偏向（χ）は、０．４ｂ〜０．６ｂ；
・微小変化補正係数の値（Ｋ₃）は、０．３〜０．５；
但し、ｂはブレードの外形の弦の値。

しかしながら、亜音速空気力学的外形を備えたモデルを実験していく過程で確定したところによると、前記のパラメーターの最適な値は次のようなものである。
・γ＝０．５ｂ；
・χ＝０．５ｂ；
・Ｋ₃≦０．５；
ブレードの外形の弦の値（ｂ）は、ブレードの外形の数（Ｚ）および、微小変化補正係数（Ｋз）と風力タービンのローターの直径（Ｄ）にどのような値を選ぶかによって、決定される。カスケード状ブレードを有するブロックの最適な数は２に等しく、しかし、各ブロックにおけるブレードの外形の数（Ｚ）の最適範囲は４を超えないということが明らかになっている。しかしながら、風力タービンのカスケード状空気力学的ブロックの数は、微小変化補正係数の値Ｋ₃≦０．５という条件で決定可能である。強度と出力の効率上の要件にしたがうと、最も都合のよいブロック数は２または３に等しい。

回転カスケード状風力タービンは、以下のような寸法を有する大型出力風力タービンとして、最も効率的な方法で使用されることができる：
直径Ｄ≧（６÷１０）ｍ；高さＨ＝（１．０÷１．５）Ｄ。

最適な稼働態様における一列の空気力学的ブレードの外形の、単位一つ当たりの出力（Ｎ~）は、実験により決定されうる：
Ｎ~＝Ｎ／Ｓ＝ａ×ρ×Ｕη³／１０³（ｋｗ／ｍ²）
但し、
Ｎは、一列に並んだ二つのブロックの出力の合計、
Ｓは、一列に並んだ二つのブロックに配置されたブレードの面積の合計、
Ｕηは、一列に並んだ二つのブロックに配置されたブレードの周辺速度（ｍ／秒）、
ρは、空気密度（ｋｇ／ｍ³）、
ａは、カスケード状ブレードの外形の、空気力学的特質の効率係数、
但し、この係数は、特定のブレードの外形を備えた、実物大の風力タービンの実験を通じて、決定される。

風力タービンのローターは、風の力で回転して発電器または（図示されない）他の機器を起動させ、確実に風力エネルギーを電気または機械的エネルギーに変換する。

空気力学的ブレードの外形をタービン型に構成したカスケード状ブレードを有するブロックを備えた風力タービンにより可能となるのは、モデルの実験結果によると、以下のことである：
・タービン型に構成したブレードの外形の空気力学的特質をより効率的に用いることによって、風力タービンの効率を大幅に改善することができる；その効率は実際に０．８を越えるものである（ζ_max≧０．８）；
・微小変化補正係数（Ｋз）の値の可変範囲は、先行技術の回転風力モーターに関連するものではＫ₃≦０．３であったが、それをＫ₃≦０．５にまで広げるため、ローターの特定の速度を高く維持することにより、風力タービンの出力を改善させることができる；
・タービン型に構成したカスケードを用いることにより、風力タービンの開始加速度を改善することができる。

風力タービンの出力パラメーターの更なる改善を達成するには、ブレードのための機械化装置を用いることにより、例えば、前縁フラップ、後縁フラップ、境界層の放出設備等を用いることにより、風力モーターのタービン型カスケードで用いられる亜音速ブレードの外形の空気力学的特性を改善してもよい。

本発明による風力タービンが産業的に利用可能なのは、前記の風力タービンが風力エネルギーを電気または機械エネルギーに変換するための垂直軸風力タービンの製造において制作可能であり、広く用いることが可能だからである。

Claims (3)

1. 垂直軸の周りに等しい角度で取り付けられた複数のアームと、カスケード状ブレードを有するブロックに接続された複数のブレードとを備えたローターを含む垂直軸風力タービンであって、ブロックがアーム先端に接続され、ブレードのブロックの数は次の範囲の数から選択され：二つ、三つ；ブレードのブロックは四つのカスケード状ブレードを備えており、ブロック中に半径方向にカスケード状に複数のブレードを配置し、該ブロック内の前記カスケード状ブレードは、各ブロックの対称線に関して、ローターの回転方向に変位されることを特徴とする、垂直軸風力タービン。
2. 前記タービンはブレードのブロックを二つ含み、各ブロックには四つのカスケード状ブレードが付いているものであって、前記カスケード状ブレードが、前記二つのブロックの対称線に関して右回りの方向に変位されることを特徴とする、請求項１の垂直軸風力タービン。
3. 前記タービンはブレードのブロックを三つ含み、各ブロックには四つのカスケード状のブレードが付いているものであって、前記ブロックのそれぞれにおける前記カスケード状ブレードが、各ブロックの対称線に関して右回りの方向に変位されることを特徴とする、請求項１の垂直軸風力タービン。

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