JP4472710B2 - クロスフロー風力タービン - Google Patents

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Description

関連出願
本出願は、米国特許出願第10/831,515号（発明の名称：Wind Turbine Having Airfoils for Blocking and Directing Wind and Rotors With or Without a Central Gap；発明者：Ronald TaylorおよびScott Taylor；出願日：2004年４月23日）の一部継続出願である。（なお、米国特許出願第10/831,515号は、米国仮特許出願第60/467,773号（発明の名称：Wind Turbine；発明者：Ronald TaylorおよびScott Taylor；出願日：2003年４月30日）の利益および優先権を主張している。）本件特許出願はさらに、米国仮特許出願第60/639,448号（発明の名称：Cross-Flow Wind Turbine；出願日：2004年12月23日）の利益を主張する。本明細書中、上記出願の全ての内容を、上記出願が開示および教示する全ての事項について、参考として具体的に援用する。
本発明は、概して、風力タービンに関し、より詳細には、クロスフロー風力タービンに関する。
風力タービンは、貴重な代替エネルギ源を提供している。過去数年に亘って、風力タービンシステムの改良が弛み無く行われている。現在使用されている風力タービンシステムのほとんどが、軸流システム（プロペラシステムとも呼ばれている）である。軸流風力タービンシステムにおいて、空気は、風力タービンの回転軸に略平行な方向に移動する。大型のプロペラブレードが、風によって、ブレードの先端速度が風の速度の約６〜９倍になり得るような回転速度で駆動される。「やや強」から「強」の風によって、時速数百マイルを超える先端速度になり得、これにより、軸流風力タービンが破壊され得る。したがって、風が「やや強」から「強」の場合には、高価な制動システムおよびブレードの角度をフェザリングするシステムを用いて、軸流風力タービンの速度を制御する必要がある。その結果、軸流風力タービンは、「やや強」から「強」の風で効率が低く、そのため、エネルギ生成レベルが最大である場合、風力エネルギから電力を抽出することができない。実際、軸流風力タービンは、弱から中レベルの風で使用するよう設計されている。
さらに、軸流風力タービンは、鳥類にとって非常に危険である。鳥類は、軸流風力タービンの高速で動くブレードの存在を感知することができないので、ブレードによって殺されるということがしばしば起こる。
クロスフロー風力タービンは、異なるクラスの風力タービンを構成する。米国特許出願第10/831,515号（発明の名称：Wind Turbine Having Airfoils for Blocking and Directing Wind and Rotors With or Without a Central Gap；出願日：2004年４月23日）および米国特許第6,015,258号（発明の名称：Wind Turbine；2000年１月18日発行）を参照されたい。なお、本明細書中、これら特許文献の全ての内容を、これら特許文献が開示および教示する全ての事項について、参考として援用する。クロスフロー風力タービンにおいて、風は、ロータ上を、回転シャフトの軸に対して略法線方向に流れる。クロスフロー風力タービンは、軸流風力タービンに対して所与の利点を有するが、軸流風力タービンと比較して効率が低いという理由から、従来、代替エネルギ源として真剣に検討されてこなかった。クロスフロー風力タービンの１つの利点は、クロスフロー風力タービンのロータの先端速度が、風速よりも少しだけ速い最大速度で動く点にある。したがって、クロスフロー風力タービンは、弱風および強風の両条件下において同じように動作し得る。さらに、クロスフロー風力タービンは、鳥類によって容易に視認され、その結果、死ぬことが無くなる。クロスフロー風力タービンはまた、軸流風力タービンと比べてかなり静かである。その主な理由として、クロスフロー風力タービンは、高速で動作せず、乱流がほとんど起こらないことが挙げられる。
＜発明の要旨＞
本発明は、効率が大幅に向上したクロスフロー風力タービンを提供することにより、従来技術の短所および限界を克服する。
したがって、本発明は、広範な風速範囲に亘って高効率で風エネルギを捕捉できるクロスフロー風力タービンシステムであって、２つの半円形のロータブレードを有するロータと、エアフォイルステータのエアフォイル表面上を流れる風を捕捉して加速し、且つ、前記ロータブレードが仕事行程の間に前記エアフォイル表面とすれ違うと前記ロータブレードの前面上に負の圧力領域が形成されるような所定のサイズを有するギャップを、前記ロータブレードと前記エアフォイル表面との間に設けるように配置され且つ反り曲がった断面を有するエアフォイルステータと、前記仕事行程の反対行程である戻りサイクルの間に前記ロータブレードの前面上で妨害しないように風を実質的にブロックし、仕事行程の間、ブロッキングステータによってブロックされた風を前記ロータブレードの後面に向けて方向転換することで、前記仕事行程の間、前記ロータブレードの前面と前記ロータブレードの後面との間に圧力差が生じ、この圧力差が前記ロータブレードを効率的な様態で回転させる動力を生成するように配置されたブロッキングステータとを含むことを特徴とするクロスフロー風力タービンシステムを含み得る。
図１Ａは、クロスフロー風力タービン１００の一実施形態を示す。このクロスフロー風力タービンは、固定されたエアフォイルステータ１０２と、固定されたステータ１０４と、固定されたステータ１０６とを備えている。ロータ１０８は、風によって生成された動力に応答して回転する。ロータ１０８は、ロータブレード１１０と、ロータブレード１１２と、回転シャフト１１４とを備えている。クロスフロー風力タービン１００（図１Ａに示す）は、ある地理的位置における卓越風と同一方向であり得る主方向１１６に流れる風に対して最大の効率が得られるように設計されている。しかし、クロスフロー風力タービン１００は、他の方向から流れる風に対しても高い効率を達成する。この点については、図３を参照して後で詳細に説明する。
さらに図１Ａには、主な風の流れの方向１１６に対するステータの角度位置を示す。図１Ａに示したクロスフロー風力タービン１００は、概ね、各構成要素を互いに相対的なサイズで図示している。クロスフロー風力タービン１００の縮尺変更によって、さまざまな構成要素の相対的なサイズまたはそれらの互いに対する位置が変更されることはない。クロスフロー風力タービン１００は、レイノルズ数およびフロー特性の差分をより大きな縮尺とすることによってクロスフロー風力タービン１００の風洞テストと比べて高い効率になるようなより大きな縮尺に変更されることが考えられる。ロータブレード１１０およびロータブレード１１２は、ロータブレード１１０，１１２が風によって動くとシャフト１１４が回転するように、シャフト１１４に取り付けられている。ロータブレード１１０，１１２は、図１Ａに示すように、１２０°の円弧形状を有している。風洞テストおよび計算流体力学の両方から収集された経験的データは、１２０°の円弧形状を有するロータブレードによって、最大の効率が達成されることを示している。
図１Ａに示すエアフォイルステータ１０２は、飛行機の翼のように働く反り曲がった断面を有し、それにより、エアフォイルステータ１０２の表面１１８上を流れる空気が加速される。表面１１８上を流れる加速された空気流は、ロータブレード１１０の前面１２０上に低圧領域を生成する。この低圧領域は、ロータブレード１１０をその仕事行程上において引っ張るのを補助する。主な風の流れの方向１１６に流れる風は、ロータブレード１１０の後面１２２を押しているので、ロータブレード１１０の後面１２２と前面１２０との間には大きな圧力差が存在する。この大きな圧力差は、ロータブレード１１０が、シャフト１１４回りを反時計方向に動くのを補助する。このとき生成される圧力勾配を、図４Ａにより詳細に示す。ステータ１０４は、主な風の流れの方向１１６から流れる風が、戻りサイクルの間、ロータブレードの前面に当たらないようにする位置に配置される。このことは、図１Ａにおいて、ロータブレード１１２の位置によって示される。ステータ１０４は、戻りサイクルの間、風がロータブレードに当たらないようにするだけでなく、方向１１６から流れる風がロータブレード１１０の後面１２２に当たるようにその風向を変える働きもする。
図１Ａのステータ１０６は、ロータ１０８の下流側の空気流を、クロスフロー風力タービン１００から離れる方向に案内する働きをする。ステータ１０６は、また、三脚構造の第３の脚を提供して、構造的剛性をシステムに追加する。ステータ１０６は、また、他の貴重な機能も実行し得る。多くの地理的位置についての風の流れの研究により、風の強い季節（例えば、多くの地理的場所においては冬の季節）の間、卓越風は主方向から流れるというデータが提供されている。夏などの反対の季節（オフシーズン）の間、風は、典型的には、略反対の方向から流れて来る。オフシーズンにおける風の流れは主要なシーズンの風の流れの数分の一に過ぎないが、そのオフシーズンの風の流れを一定の効率で捕捉して機械的エネルギに転換することには、依然利点が存在し得る。図１Ａからわかるように、ステータ１０６は、風が主な風の流れの方向１１６とは反対の方向１３０から流れる場合に、風をロータブレード１１２に向かって方向転換するのを補助する。その点に関して、いくつかの実施形態において、エアフローステータ１０２と同様の様態で、ステータ１０６を湾曲させて、その湾曲したステータ１０６がエアフォイルを形成するようにすることが望ましいかもしれない。しかし、ステータ１０６の主な目的は、構造的剛性を提供すること、ならびに、クロスフロー風力タービン１００の動作を妨害するような背圧を生じることなく、風の流れをタービンから外へ逃がすように補助することである。
言うまでもないが、構造的剛性を提供するために、ステータ１０６は、単に、構造部材と置き換え得る。特定の地域の風の研究に基づくと、風向がほとんど方向１１６からである場合、ステータ１０６を構造部材と置き換えることに意味があるかもしれない。方向１３２からの風の流れによって、ステータ１０６は、ステータ１０４と同様の様態で機能することができる、つまり、ステータ１０６は、戻りサイクルの間、方向１３２からの風をブロックして、仕事行程の間、その風をロータブレードの後面に向かって方向転換させる。したがって、図１Ａに示すように、オフシーズンの風が方向１３２から流れる場合、ステータ１０６は、クロスフロー風力タービン１００に対して、有利な特性を提供し得る。
大部分の地理的場所における風の研究から収集された風のデータは、風の大部分（９０％以上まで）が、卓越風方向と同じ四分円領域から流れてくることを示している。これらの研究はまた、上で示したように、オフシーズンの間の風が、通常、反対の四分円領域から流れることを示している。例えば、主な風の流れの方向１１６が、風の強いシーズンの間の主要な風向である場合、風は、通常、ほとんどの地理的場所において、オフシーズンの間、方向１３０から流れる。しかし、オフシーズンの風は、たいていの地理的場所における主要な風向の風から得られるエネルギの数分の一でしかない。したがって、図１Ａのシステムは、クロスフロー風力タービンがある場所に設置される場合、主な流れの方向１１６が卓越風方向と同一になるように、卓越風の四分円領域から流れる風に対して最適化される。図３に関してより詳細に説明するように、図１Ａに示すシステムは、主な風の流れの方向１１６に対して効率が最適化され、且つ、風が主な風の流れの方向１１６とは異なる方向から流れる場合に効率が低減された、全方向システムである。やはり、しかし、システム全体の最大効率および投資に対する最高の利得は、ほとんどの地理的場所について、卓越風方向からの風を捕捉するシステムの最適化によって達成される。
図１Ａの実施形態は、風洞テストについて、本明細書中に開示したさまざまな実施形態のうち、最高の効率を達成した。計算流体力学を用いるコンピュータシミュレーションは、図２の実施形態が最高の効率を達成することを示している。フルスケールのシステムのライブテストから収集された経験的データは、いずれの実施形態が最高の効率を達成するかということについて、最良のデータを提供するだろう。
図１Ｂは、図１Ａの実施形態について、１０キロワットのクロスフロー風力タービン（全高：３３フィート）および１０００キロワットのタービン（全高：２３０フィート）の両方の寸法のリストを提供する。やはり、これら装置の寸法は、サイズに応じて線形的に縮尺変更されるものと考える。
図２は、クロスフロー風力タービンの別の実施形態２００を示す。図２の実施形態は、ステーショナリシャフト２０２を利用する。ロータブレード２０４，２０６がシャフト２０２回りを回転する時、シャフト２０２は静止したままである。図２からわかるように、ステーショナリシャフト２０２は欠部を有し、この欠部により、ロータブレード２０６のシャフトに隣接する端部とシャフトの欠部との間にギャップ２０８が形成される。したがって、サイクルのある一定期間の間、ロータの内側端部と該シャフトとの間にギャップが生じ、このギャップが、仕事行程の間、ロータブレードによって捕捉された風を排気(deventing)させる。ギャップ２０８を通って排出された風は、ロータブレード２０６の方に向けられ、戻りサイクルにおけるロータブレード２０６の動作を補助する。この点について、以下に、より詳細に説明する。つまり、ロータブレード２０４の後面２１２によって捕捉された風は、ギャップ２０８を通ってロータブレード２０６の後面２１０へと流れるように方向付けられて、後面２１０上に正の圧力を生じる。
図３は、図１Ａに示したクロスフロー風力タービン１００の効率と風の流れの方向との関係を示すグラフである。図３からわかるように、約１０°〜３３５°の方向から吹く風から、最も高い効率が得られる。これらの方向において、４０％〜４５％の効率が達成される。風が約２１０°〜２４０°の方向から吹く場合、効率は３５％〜３７％の範囲である。さらに、風が９０°〜１２０°の方向から吹く場合、適当な効率が２７％〜２９％の範囲内で得られ得る。したがって、図３に示したクロスフロー風力タービン１００は、ある程度、全方向型であるといえるが、１０°〜３３５°の範囲で４０％を超える最も高い効率を達成することは明らかである。
図４Ａは、クロスフロー風力タービン１００について、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションによって計算された圧力勾配を示す。スケール１２０は、正の圧力を薄い影で示し、負の圧力を濃い影で示す。図４Ａからわかるように、仕事行程の間、ロータブレード１１０がエアフォイルステータ１０２とすれ違うと、ロータブレード１１０の前面１２０上に大きな負の圧力が生じる。ロータブレード１１０の前面１２０上に生じた大きな負の圧力は、エアフォイルステータ１０２の表面上の空気の流れが加速された結果として生じる。この負の圧力は、ロータブレード１１０を、シャフト回りを反時計方向に引っぱる働きをする。薄い影で示される正の圧力は、ロータブレード１１０の後面１２２上に生成される。ロータブレード１１０の後面１２２と前面１２０との間に大きな圧力差が生じることにより、ロータブレード１１０上に大きな力が生じて、ロータブレード１１０をシャフト１１４回りを反時計方向に回転させる。クロスフロー風力タービン１００の仕事行程の間にこの大きな力が生じる結果、より高い効率が達成される。
図４Ｂは、図１Ａの実施形態について、１枚のロータブレードの瞬間効率および平均効率と時間との関係を示す。図４Ｂからわかるように、プロット４０２によって示した平均効率は、２８％〜３２％の範囲である。プロット４０４は、図１Ａに示した実施形態のロータブレード１１０の前面１２０についての、計算された瞬間の効率である。
図４Ｂ等の効率グラフは、コンピュータ上での計算流体力学シミュレーションから計算される。計算流体力学シミュレーションにおいて、ブレードは毎秒１回転を完了する。ブレードにかかる動荷重は、半回転毎に示す。後半のウィンドウは、パターンがブレードにかかる力が逆の状態で次の半回転において繰り返される際の、周期的な力のパターンの全てを示す。ブレードがこの半分のサイクルを回転する際、各時間工程において無次元圧力係数が測定される。ブレードにかかる圧力は、圧力係数および以下の式に示す基準フローヘッド(reference flow head)の関数である。
P=Cp×qref
qrefは基準フローヘッドである。
qref=1/2p(Uref)2
pは空気密度であり、Urefはロータの中間の高さで計測した上流速度である。
各ブレード面上のモーメント（正の場合にエネルギを生成するように働く）は、その後、合計されて、全体の効率として図表化される。グラフは、１枚のブレードについてのみ示す。したがって、平均効率プロット４０２は、両方のブレードについて計算された効率を加算することによって生成される。実際の結果では、図示したプロットから１８０°位相がずれた別の組のプロットが図４Ｂに示したプロットに加算される。本明細書中に示す他の効率グラフも同様である。
風洞におけるフルスケールでのタービンの効率は、以下の式から計算される。
風から得られる電力
Pw=1/2pAS3[Watts]
Pwは風から得られる電力であり、pは空気密度(kg/m3)＝1.225kg/m3（海水面上）であり、Aはロータ掃動面積(m2)＝ロータの高さ×ロータの直径 であり、Sは風速(m/s)である。
タービン電力
Pt＝ロータのトルク(Nm)×回転速度(rad/sec) [Watts]
タービン効率
％効率＝(Pt/Pw)×100
一旦タービンの効率が決まると、タービン電力もまた、以下の式から計算し得る。
Pt＝Pw×効率＝1/2pAS3ｘeff
図５は、風の流れの方向およびその強度を示す風速風向図である。図５に示すように、風は、エアフォイルステータ１０２の表面１１８上で風を加速させるエアフォイルステータ１０２のエアフロー特性の結果、エアフォイルステータ１０２とロータブレード１１０との間で加速する。図５における矢印の長さは、風の速度の大きさを示す。図５に示すように、ロータブレード１２０の前面に沿って、ロータ１１２の後面に向かう速度の大きな風が生成される。ロータブレード１１０の前面の表面に沿って風の速度が大きくなることにより、負の圧力が生成され、その一方で、ロータ１１２の後面に吹き付ける風が正の圧力を生成する。さらに、ステータ１０４は、風がロータブレード１１０の後面に当たるように風の向きを変える。
図６Ａは、図２に示すクロスフロー風力タービン２００について、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションによって計算された圧力勾配を示す。スケール６０２は、正の圧力を薄い影で示し、負の圧力を濃い影で示す。図４Ａと同様の様態で、仕事行程の間、ロータブレード２０４がエアフォイルステータ２１４とすれ違うと、ロータブレード２０４の前面上に大きな負の圧力が生じる。ロータブレード２０４の前面上に生じた大きな負の圧力は、エアフォイルステータ２１４の表面上の空気の流れが加速された結果として生じる。この負の圧力は、ロータブレード２０４を、シャフト２０２回りを反時計方向に引っぱる働きをする。薄い影で示される正の圧力は、ロータブレード２０４の後面１２２上に生成される。ロータブレード２０４の後面１２２と前面１２０との間に大きな圧力差が生じることにより、ロータブレード２０４上に大きな力が生じて、ロータブレード２０４をシャフト２０２回りを反時計方向に回転させる。クロスフロー風力タービン１００の仕事行程の間にこの大きな力が生じる結果、より高い効率が達成される。上述のように、ギャップ２０８は、ロータブレード２０４の後面から排気(devent)するように働く。風はギャップ２０８を通過して、ロータブレード２０６の後面に当たる。このことは、ロータブレード２０６の後面にかかる圧力の増大、ならびに、ロータブレードの戻りサイクルの間にロータブレード２０６の後面にかかる任意の負の圧力の影響の最小化を助ける。
図６Ｂは、図２の実施形態について、１枚のロータブレードの瞬間効率および平均効率と時間との関係を示す。図６Ｂからわかるように、プロット６０２によって示した平均効率は、３３％〜３５％の範囲である。プロット６０４は、図２の実施形態のロータブレードの前面の瞬間効率であり、プロット６０６は、図２の実施形態のロータブレードの後面の瞬間効率を示す。
図７は、図２の実施形態について、風の流れの方向およびその強度を示す風速風向図である。図７に示すように、風は、エアフォイルステータ２１４の表面上で風を加速させるエアフォイルステータ２１４のフロー特性の結果、エアフォイルステータ２１４とロータブレード２０４との間で加速する。図７における矢印の長さは、風の速度の大きさを示す。図７に示すように、ロータブレード２０４の前面に沿って、ロータ２０６の後面に向かう速度の大きな風が生成される。さらに、ギャップ２０８を通過して流れる風がロータブレード２０６の後面に当たる。図７は、図２の実施形態の、風のフロー特性の、優れた視覚的表示を提供する。
図８Ａは、図８Ａに示すクロスフロー風力タービンの実施形態について、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションによって計算された圧力勾配を示す。図８Ａに示すクロスフロー風力タービンの実施形態は、図２に示す実施形態と実質的に同様であるが、ステーショナリシャフト８０２が少し大きく、それにより、回転のサイクルのある期間の間、より大きなギャップが生成されるようになっている点が異なる。さらに、ロータは、わずかに短く形成されている。図８Ａからわかるように、風の流れのパターンは、戻りサイクルの間、ロータブレード８０６の後面上に渦８０４を形成している。この渦は、図６Ａに示すように、図２の実施形態においては生成されない。その結果、図８Ｂにより具体的に示すように、図８Ａの実施形態の効率は、図２の実施形態の効率ほどには高くない。
図８Ｂは、図８Ａに示す実施形態について、１枚のロータブレードの瞬間効率および平均効率と時間との関係を示す。図８Ｂからわかるように、プロット８０８によって示した平均効率は、２７％〜３３％の範囲である。プロット８１０は、図８Ａの実施形態のロータブレードの前面の瞬間効率を示し、プロット８１２は、図８Ａの実施形態のロータブレードの後面の瞬間効率を示す。
図９は、図８Ａの実施形態について、風の流れの方向およびその強度を示す風速風向図である。図９は、エアフォイル上の空気の流れが加速された結果、ロータブレードの前面上に大きな負の圧力が生成される様態を示す。図９は、また、シャフト８０２の欠部によって形成されたギャップとロータブレードとの間を流れる風ならびにエアフォイルからの加速された風によって渦が形成される様態を示す。
図１０Ａは、図１０Ａに示すクロスフロー風力タービンの実施形態について、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションによって計算された圧力勾配を示す。図１０Ａに示す実施形態は、図８Ａのステーショナリシャフト８０２より大きなステーショナリシャフト１００２を備えている点以外は、図８Ａの実施形態と略同様である。その結果、回転のサイクルのある期間の間、ステーショナリシャフト１００２におけるロータブレード間に、大きなギャップ１００４が形成される。また、渦１００６が、図１０Ａの実施形態によって形成される。
図１０Ｂは、図１０Ａの実施形態について、１枚のロータブレードの瞬間効率および平均効率と時間との関係を示す。図１０Ｂからわかるように、プロット１００８によって示した平均効率は、２９％〜３３％の範囲である。プロット１０１０は、図１０Ａの実施形態のロータブレードの前面の瞬間効率を示す。プロット１０１２は、該ロータブレードの後面の瞬間効率を示す。平均効率は、上述した様態で計算される。
図１１は、図１０Ａの実施形態について、風の流れの方向およびその強度を示す風速風向図である。図１１は、図１０Ａの実施形態の動作を開示する優れた視覚的様態を提供する。
図１２Ａは、図１２Ａに示すクロスフロー風力タービンの実施形態について、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションによって計算された圧力勾配を示す。ステーショナリシャフト１２０２は、インゲンマメ形ステーショナリシャフトであり、ステーショナリシャフト１２０２回りにおけるロータブレードの回転サイクルのある期間の間、大きなギャップが形成される。図１２Ａからわかるように、戻りサイクルの間、ロータの後面上に、かなり大きな低圧の渦が形成される。
図１２Ｂは、図１２Ａの実施形態について、１枚のロータブレードの瞬間効率および平均効率と時間との関係を示す。図１２Ｂからわかるように、プロット１２０６によって示した平均効率は、２８％〜３０％の範囲である。ロータブレードの前面の瞬間効率をプロット１２０８によって示す。ロータブレードの後面の瞬間効率をプロット１２１０によって示す。プロット１２０６によって示す平均効率は、上述した様態で計算される。
図１３は、図１２Ａに示す実施形態について、風の流れの方向およびその強度を示す風速風向図である。図１３の図表は、渦１２０２が形成される様態を示す。
図１４Ａは、図１４Ａに示すクロスフロー風力タービンの実施形態について、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションによって計算された圧力勾配を示す。図１４Ａの実施形態は、図１２Ａの実施形態のインゲンマメ形ステーショナリシャフト１２０２と同様のインゲンマメ形ステーショナリシャフト１４０２を用いるが、ステーショナリシャフト１４０２は、回転サイクルの異なる期間にギャップが形成されるように配置されている。やはり、戻りサイクルの間、ロータブレードの後面の近傍に渦１４０４が形成される。
図１４Ｂは、図１４Ａに示す実施形態について、１枚のロータブレードの瞬間効率および平均効率と時間との関係を示す。図１４Ｂからわかるように、プロット１４０６によって示した平均効率は、２７％〜３２％の範囲である。プロット１４０８は、ロータブレードの前面の瞬間効率を示す。プロット１４１０は、ロータブレードの後面の瞬間効率を示す。
図１５は、図１４Ａの実施形態について、風の流れの方向およびその強度を示す風速風向図である。図１５は、流れのパターンおよび強度を示し、これにより、図１４Ａに示すクロスフロー風力タービンの動作の様態を視覚的に理解することができる。
図１６Ａは、図１６Ａに示すクロスフロー風力タービンの実施形態について、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションによって計算された圧力勾配を示す。図１６Ａは、図１６Ａが図１２Ａのステーショナリシャフト１２０２よりも大きなインゲンマメ形ステーショナリシャフト１６０２を用いる点を以外は、図１２Ａの実施形態と同様である。この大きい方のシャフトは、ロータブレードのサイズを縮小し、シャフトとロータブレードとの間により大きなギャップを提供する。その結果、大きな渦１６０４が形成され、この渦１６０４により、回転サイクルの戻り期間の間、ロータブレードの後面上に大きな負の圧力領域が形成される。
図１６Ｂは、図１６Ａに示す実施形態について、１枚のロータブレードの瞬間効率および平均効率と時間との関係を示す。図１６Ｂからわかるように、プロット１６０６によって示す平均効率は、２４％〜２６％の範囲である。プロット１６０８は、図１６Ａに示す実施形態のロータブレードの前面の瞬間効率を示す。プロット１６１０は、ロータブレードの後面の瞬間効率を示す。
図１７は、図１６Ａに示す実施形態について、風の流れの方向およびその強度を示す風速風向図である。図１７は、図１６Ａの実施形態の動作の優れた視覚的理解を提供する。
図１８Ａは、図１８Ａに示すクロスフロー風力タービンの実施形態について、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションによって計算された圧力勾配を示す。図１８Ａに示すロータブレードは、本明細書中に開示する他の実施形態において用いる半円形の１２０°の円弧パターンではなく、Ｊ字形のパターンを有する。シャフト１８０２は、図１８Ａに示す実施形態のロータブレードに接続された回転シャフトである。
図１８Ｂは、図１８Ａに示す実施形態について、１枚のロータブレードの瞬間効率および平均効率と時間との関係を示す。図１８Ｂからわかるように、プロット１８０４によって示す平均効率は、２７％〜３４％の範囲である。プロット１８０６は、図１８Ａの実施形態のロータブレードの前面の瞬間効率を示す。プロット１８０８は、ロータブレードの後面について上述の方法を用いて計算された瞬間効率を示す。
図１９は、図１８Ａに示す実施形態について、風の流れの方向およびその強度を示す風速風向図である。図１９は、図１８Ａに示すクロスフロー風力タービンの実施形態の動作の優れた視覚的理解を提供する。
図２０Ａは、図２０Ａに示すクロスフロー風力タービンの実施形態について、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションによって計算された圧力勾配を示す。図２０Ａに示すように、ロータブレードは、逆オフセット配列に配置され、ロータブレード間にギャップが形成される。このシミュレーションは、戻りサイクルの間、ロータブレードの後面上のより中央の位置に渦２００２が形成されるのを示す。仕事行程の間にロータブレードとエアフォイルとの間に形成される負の圧力領域２００４は、本明細書中に開示する他の実施形態において形成される負の圧力領域と比べてかなり小さい。
図２０Ｂは、図２０Ａに示す実施形態について、１枚のロータブレードの瞬間効率および平均効率と時間との関係を示す。図２０Ｂからわかるように、プロット２００６によって示す平均効率は、２５％〜２６％の範囲である。プロット２００８は、図２０Ａの実施形態のロータブレードの前面の瞬間効率を示す。プロット２０１０は、ロータブレードの後面の瞬間効率を示す。図２０Ｂから明らかなように、図２０Ａの実施形態において、仕事行程の間に発生する負の圧力領域がより小さくなった結果、効率が大幅に低くなった。
図２１は、図２０Ａに示す実施形態について、風の流れの方向およびその強度を示す風速風向図である。図２１は、図２０Ａの実施形態の動作の優れた視覚的表示を提供する。
図２２Ａは、図２２Ａに示すクロスフロー風力タービンの実施形態について、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションによって計算された圧力勾配を示す。図２２Ａの実施形態は、スプリットロータブレードおよび小型回転シャフトを用いる。
図２２Ｂは、図２２Ａの実施形態について、１枚のロータブレードの瞬間効率および平均効率と時間との関係を示す。図２２Ｂからわかるように、プロット２２０２によって示す平均効率は、２３％〜２４％の範囲である。プロット２２０４は、図２２Ａの実施形態のロータブレードの前面の計算された瞬間効率を示す。プロット２２０６は、ロータブレードの後面について計算された瞬間効率を示す。効率は、上述の様態で計算される。
図２３は、図２２Ａの実施形態について、風の流れの方向およびその強度を示す風速風向図である。図２３は、図２２Ａに示す実施形態の動作の様態の優れた視覚的理解を提供する。
図２４は、図１Ａの実施形態を構成する様態を模式的に示す。エアフォイルステータ１０２は、パイプ１４０，１４２，１４４を用いて構造的支持を提供することにより形成され得る。パイプ１４２とパイプ１４４との間にブレーストフレームワーク(braced framework)１４６を設けて、構造的剛性をさらに追加し得る。エアフォイルステータ１０２の外皮１４８は、シートメタルまたは他の任意の所望の材料から形成され得、且つ、図２４に示す所望の形状へとレーザカットされ得る。自動車のフェンダー等に用いる１４ゲージまたは１６ゲージの厚さを有するシートメタルを用いて、所望の形状を提供することができる。軽量ラミネート等の他の材料も用い得る。同様に、ステータ１０４は、シートメタル製の外皮で被覆された標準ブレーストフレームワークを備えたパイプ１５０，１５２によって形成され得る。ステータ１０６は、パイプ１５４，１５６を含んで、上述したのと同様の様態で構造部材を形成し得る。ステータ１０２，１０４，１０６は、プレキャストコンクリートの形態、場所打ちコンクリート(cast in place concrete) の形態、あるいは、当業者に公知の他の任意の建設技術から形成してもよい。
図２５は、図２４に示す実施形態の等角図であり、頂部の蓋が無い状態を示す。地面上を流れる風を装置内に導く下側ベース部材２５０２が設けられ得る。この下側ベース部材は、図２５に示す実施形態の必須構成要件ではなく、単にフラットなベースプレートと置換可能である。
図２６は、異なる方向から見た図２５の実施形態の等角図である。図２６の実施形態も、頂部プレートが無い状態を示す。
図２７は、ロータブレードが形成され得る様態の等角図である。図２７に示すように、リブ２７０２，２７０４，２７０６，２７０８は、ロータブレードの各々の、構造的剛性および所望の形状を提供する。リブ２７０２〜２７０８の各々の間に、ブレーストフレームワーク（図示せず）が設けられ得る。そして、ブレーストフレームワークの表面に外皮２７１０が与えられて、ロータブレードの前面および後面が形成される。回転シャフト２７１２は、リブ２７０２〜２７０８の各々と外皮２７１０とに接続される。外皮２７１０は、金属、アルミニウム、組成物、または当業者に公知の他の任意の材料から形成され得る。
図２８は、本明細書に開示した実施形態のいずれかと共に用い得る発電プラントの一実施形態を模式的に示す。図２８に示すように、回転シャフト２７１２が、直角ギアボックス２７０２に接続される。回転エネルギは、可変速度ギアボックス２８０４へと水平方向に伝達される。そして、発電機２８０６が、可変速度ギアボックス２８０４の機械エネルギから電気エネルギを生成する。
図２９は、発電機２８０６が回転シャフト２７１２に直接接続され得る様態を示す。
このように、垂直に直接接続することにより、直角ギアボックス２７０２および可変速度ギアボックス２８０４が原因で生じる機械的損失が無くなる。回転シャフト２７１２は、直結駆動発電機に直接接続されてもよい。この構成により、ギアボックスを全て無くしてしまうことにより、ギアボックスが原因で生じるいかなる機械的損失も無くなる。当業者に公知のさまざまな電気技術を用いて、電気グリッドに印加可能な６０サイクルの信号を生成することができる。
したがって、本発明は、高い効率を達成でき、低レベル、中レベル、高レベルの風の状況で動作可能であるクロスフロー風力タービンを提供する。広範な風速範囲に亘って高効率を達成できるので、本明細書に開示した実施形態の全体の効率は、軸流風力タービンの全体の効率よりも実質的に高くなる。
本発明の上記説明は、解説および説明を目的として提示されている。本発明を網羅的に説明する意図も、本発明を開示した形態そのものに限定する意図も無い。上記の教示を鑑みて、他の改変や変形が可能であり得る。上記実施形態は、本発明の原理およびその実際のアプリケーションを最も良く説明することによって、他の当業者が、さまざまな実施形態および想定される特定の用途に適合されたさまざまな改変例において、本発明を最良の形で利用できるようにするために選択され説明されたものである。添付した特許請求の範囲は、従来技術によって限定される範囲を除いて、本発明の別の実施形態を含むと解釈されるものである。
図１Ａは、本発明の一実施形態を模式的に示す上面図である。 図１Ｂは、図１Ａの実施形態の典型的な寸法を示す表である。 図２は、本発明の別の実施形態の模式図である。 図３は、風向に基づく、図１Ａの実施形態の効率を示す効率グラフである。 図４Ａは、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションから計算された、図１Ａの実施形態によって生成される圧力勾配を示す図である。 図４Ｂは、図４Ａの実施形態の効率グラフである。 図５は、図４Ａの実施形態の風速風向図である。 図６Ａは、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションから計算された、図６Ａの実施形態によって生成される圧力勾配を示す図である。 図６Ｂは、図６Ａの実施形態の効率グラフである。 図７は、図６Ａの実施形態の風速風向図である。 図８Ａは、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションから計算された、図８Ａの実施形態によって生成される圧力勾配を示す図である。 図８Ｂは、図８Ａの実施形態の効率グラフである。 図９は、図８Ａの実施形態の風速風向図である。 図１０Ａは、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションから計算された、図１０Ａの実施形態によって生成される圧力勾配を示す図である。 図１０Ｂは、図１０Ａの実施形態の効率グラフである。 図１１は、図１０Ａの実施形態の風速風向図である。 図１２Ａは、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションから計算された、図１２Ａの実施形態によって生成される圧力勾配を示す図である。 図１２Ｂは、図１２Ａの実施形態の効率グラフである。 図１３は、図１２Ａの実施形態の風速風向図である。 図１４Ａは、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションから計算された、図１４Ａの実施形態によって生成される圧力勾配を示す図である。 図１４Ｂは、図１４Ａの装置の効率グラフである。 図１５は、図１４Ａの実施形態の風速風向図である。 図１６Ａは、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションから計算された、図１６Ａの実施形態によって生成される圧力勾配を示す図である。 図１６Ｂは、図１６Ａの実施形態の効率グラフである。 図１７は、図１６Ａの実施形態の風速風向図である。 図１８Ａは、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションから計算された、図１８Ａの実施形態によって生成される圧力勾配を示す図である。 図１８Ｂは、図１８Ａの実施形態の効率グラフである。 図１９は、図１８Ａの実施形態の風速風向図である。 図２０Ａは、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションから計算された、図２０Ａの実施形態によって生成される圧力勾配を示す図である。 図２０Ｂは、図２０Ａの実施形態の効率グラフである。 図２１は、図２０Ａの実施形態の風速風向図である。 図２２Ａは、計算流体力学を用いたコンピュータシミュレーションから計算された、図２２Ａの実施形態によって生成される圧力勾配を示す図である。 図２２Ｂは、図２２Ａの実施形態の効率グラフである。 図２３は、図２２Ａの実施形態の風速風向図である。 図２４は、図１Ａの実施形態が構成され得る様態を示す模式図である。 図２５は、図１Ａの実施形態の等角図である。 図２６は、異なる向きから見た図１Ａの実施形態の等角図である。 図２７は、図１Ａの実施形態のロータの等角図である。 図２８は、ロータのシャフトを発電機に結合する一様態を示す模式図である。 図２９は、ロータのシャフトを発電機に結合する別の様態を示す模式図である。

Claims (6)

  1. 広範な風速範囲に亘って高効率で風エネルギを捕捉できるクロスフロー風力タービンシステムであって、
    ２つの半円形のロータブレードを有するロータと、
    エアフォイルステータのエアフォイル表面上を流れる風を捕捉して加速し、且つ、前記ロータブレードが仕事行程の間に前記エアフォイル表面とすれ違うと前記ロータブレードの前面上に負の圧力領域が形成されるような所定のサイズを有するギャップを、前記ロータブレードと前記エアフォイル表面との間に設けるように配置され且つ反り曲がった断面を有するエアフォイルステータと、
    前記仕事行程の反対行程である戻りサイクルの間に前記ロータブレードの前面上で妨害しないように風を実質的にブロックし、仕事行程の間、ブロッキングステータによってブロックされた風を前記ロータブレードの後面に向けて方向転換することで、前記仕事行程の間、前記ロータブレードの前面と前記ロータブレードの後面との間に圧力差が生じ、この圧力差が前記ロータブレードを効率的な様態で回転させる動力を生成するように配置されたブロッキングステータとを含むことを特徴とするクロスフロー風力タービンシステム。
  2. 風から機械エネルギを生成するクロスフロー風力タービンであって、
    ロータブレードのロータ軸回りの回転のうちの少なくともある期間の間、前記ロータブレードの前面と前記ロータ軸との間にギャップが形成されるように、前記ロータ回りに対称に配置された複数のロータブレードを有するロータと、
    前記ロータブレードが前記風によって駆動される駆動空間と、前記ロータブレードが前記駆動空間に戻る戻り空間とを有する、前記ロータブレードが通過する容積空間内に形成されるロータ空間と、
    実質的に二方向式のクロスフロー風力タービンを提供するように前記ロータ回りに非対称に配置され、風を前記駆動空間へと向け且つ風を前記戻り空間から離れるように向けて、前記ロータを回転させて前記機械的エネルギを生成させ且つ反り曲がった断面を有する複数のエアフォイルとを含むことを特徴とするクロスフロー風力タービン。
  3. 請求項２に記載のクロスフロー風力タービンにおいて、
    前記ロータ軸が非円形の断面を有することを特徴とするクロスフロー風力タービン。
  4. 請求項２に記載のクロスフロー風力タービンにおいて、
    前記ロータブレードは、前記風が、前記駆動空間において前記ロータブレード上を流れ、前記ギャップを通過し、そして前記ロータ空間の前記戻り空間内へと至るように、前記ロータに配置されていることを特徴とするクロスフロー風力タービン。
  5. 請求項３に記載のクロスフロー風力タービンにおいて、
    前記ロータブレードは、前記風が、前記駆動空間において前記ロータブレード上を流れ、前記ギャップを通過し、そして前記ロータ空間の前記戻り空間内へと至るように、前記ロータに配置されていることを特徴とするクロスフロー風力タービン。
  6. 請求項２に記載のクロスフロー風力タービンにおいて、
    前記ロータ軸は鉛直方向に延び、前記エアフォイルは少なくとも部分的にベース上に延在し、前記ベースおよび前記エアフォイルが前記クロスフロー風力タービンの下側部分に沿って流れる風を捕捉し、前記クロスフロー風力タービンの前記下側部分からの風を方向転換することを特徴とするクロスフロー風力タービン。
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