JP5258882B2 - 接線方向ロータブレードを有する境界層風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、風力エネルギーを機械エネルギーに変換するために使用する風力タービンに関し、とくに、風力エネルギーを取り出すために表面における境界層現象を利用する風力タービンに関する。

エネルギー源としての風力は、古代から奨励されてきたコンセプトである。歴史上の文献によると、紀元前２０００年にはバビロンおよび中国において、風車を使用していたことを示す証拠がある。

水平軸風車および垂直軸風車を駆動するエネルギー源として風力を使用する。水平軸風車は発電機を駆動するため広く用いられているが、入来する均一な水平気流を必要とすること、鳥類および航空交通に対する危険性、回転風車の突堤による景観の破壊、および巨大な直径を有する水平軸プロペラの場合のロータ先端における超音速化を含む多数の問題点を抱える。

従来技術では、垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）に、ロータブレードに向かう気流の向きを転向させて圧縮する静止した装置により包囲した中心ロータを設けるものがあった。

風向きに関わらず露出部を一定に保てるＶＡＷＴと比べて、水平軸風車は気流の向きに正対させなければならず、このことは、構造上付加的な可動部分を設けなければならないため欠点と見なされる。

水平軸風力タービンの例として、スタレイ(Staley)氏らによる特許文献１（米国特許第５３９１９２６号）に記載されているものがあり、この場合、２重湾曲ステータブレードを使用して、風の気流をロータ組立体に指向させ、薄いステータブレードの構造安定性を向上する。

タイラー（Taylor）氏による特許文献２（米国特許第６０１５２５８号）は、エアフォイル形状のステータブレードのリングを有し、これにより中心のロータ組立体へ向かう空気抵抗を低減する、他の風力タービンを開示している。

さらに、エルダー（ELDER）社による特許文献３（米国特許出願公開第２００２／００４７２７６号）は、風の流れを中心ロータ組立体に指向させる平坦なステータブレードの外輪を開示している。

シャラク（SHARAK）社による特許文献４（加国特許第１１２６６５６号）は、断続的にロータユニットを包囲し、またロータユニットに気流を指向させて風力により回転させるための、直伸型垂直空気ガイドパネルによって、ロータブレードに空気を再指向させるステータブレードを有する垂直軸タービンを開示している。空気ガイドパネルは、補完し合う方向に傾いた水平に延びるガイドパネルにより、頂部および底部を閉鎖する。上部パネルは内側にいくにつれて下方に傾き、下部パネルは内側にいくにつれて上方に傾き、これにより気流がロータユニットへ向うにつれて流速および圧力を増大する。

テトロールト（TETRAULT）社による他の特許文献５（加国特許第２３４９４４３号）は、新しいコンセプトの垂直軸風力タービンを開示しており、この場合、放物線型排気口を有するリングの列に向けて、気流を垂直に再指向させる空気取入モジュールを有する。この設計の大きな問題点の１つは、空気取入モジュールを気流に対向させる必要があるため、気流中で正確に設置するために偏揺れ機構を必要とすることである。さらに、全体の設計は気流を水平方向から垂直方向に変えて、一種の内部筺体内へ送り込み、そこで再度気流の方向を垂直方向から水平方向に変えることにより空気を排気する。気流の方向が何度も劇的に変化すると、最終の気流の方向変化のみで風力エネルギーがタービンの回転に変換されるため、気流中でパワー損失が生じタービン効率が低下する。

従来技術の全ての水平軸および垂直軸風力タービンの問題点は、それらが、風力タービンブレードに衝突後の気流中に残る残留エネルギーを利用できないことである。理想的には、ブレードを退出する気流を、ある程度繰り返し再利用することである。残念ながら既存技術のほとんどの場合で、風力の一部である初回衝撃しか捉えることができていない。

直線的な流体運動を回転機械運動に効率的に変換するために、流体特性を使用する従来技術としては、１９１３年にニコラ・テスラ氏による特許文献６（米国特許文献第１０６１１４２号）に記載のタービンがある。テスラタービンは、ボリュートケーシング内に包囲された複数の回転ディスク、タービンの回転は、高粘性の高圧流体（テスラの実験ではオイルであった）をディスクの接線方向に流入させて行っていた。残念ながら、この従来技術は、空気の粘性が低すぎること、通常の風速が遅すぎることなどのいくつかの理由で風力エネルギーを捉えることに適しておらず、ケーシング筺体およびただ１つの流出開口部を有する全体の設計が風力タービンに不向きである。

特許文献７（国際公開第２００６０８９４２５号）として公開された本願人に帰属する国際特許出願第ＰＣＴ／ＣＡ２００６／０００２７８号には、複数のステータブレードを有するステータ組立体設けた風力タービンを開示しており、これらステータブレードは、互いに順次積層させた複数のディスクの周縁に配置した、複数の垂直ロータブレードを有するロータ組立体に向けて、接線方向に気流を転向させる。積層したディスクにより境界層効果を利用して風力エネルギーを抽出することは、ロータディスク間に流入する気流に対して、極めて効率的であること分かっている。しかし、この設計上の問題点の一つとしては、ロータ内へ接線方向に気流を再指向させるステータブレードを備えるよう設計したステータ組立体により、気流が容易に流入および流出することを妨げる自然発生的な滞留部がロータ周辺に形成されてしまうため、タービンの前方に高圧領域が生じ、気流の大部分がタービンにおける流路から逸脱し、最終的に風力タービンの全体効率を下げてしまうことがある。

そのため、気流を滞りなくロータ組立体へ流入させ、またロータ組立体から流出させるよう、ステータ組立体を必要としない境界層積層ディスクの設計が必要である。

米国特許第５３９１９２６号明細書 米国特許第６０１５２５８号明細書 米国特許公開出願第２００２／００４７２７６号明細書 加国特許第１１２６６５６号明細書 加国特許第２３４９４４３号明細書 米国特許文献第１０６１１４２号明細書 国際公開第２００６０８９４２５号明細書

本発明の好適な目的は、ステータ組立体を必要とせず、気流を接線方向にディスクに指向させる、垂直軸風力タービンの境界層積層ディスクの設計を得ることである。

本発明の他の好適な目的は、構造的に補強したタービン組立体を得ることである。

本発明のさらに他の好適な目的は、廉価で軽量な材料による構造簡単なタービン組立体を得ることである。

本発明のさらに別の好適な目的は、効率のよい風力タービン内で生じる流体のコアンダ（Ｃｏａｎｄａ）効果に基づいた垂直軸風力タービンを得ることである。

本発明により、回転軸線の周りに回転する複数の積層したディスクを有するロータ組立体を備えた風力タービンを提供し、このロータ組立体において、少なくとも１組の積層したディスクのセットは、ディスク表面にディスクの回転に寄与する境界層効果を生じさせるよう相互に近距離で離隔したディスクを有し、各ディスクは、外周縁に配置した複数のロータブレードを有し、各ロータブレードは、各ディスクの外周縁から接線方向に延在する少なくとも１つの表面を有し、これによりこれにより気流を各ディスクの外周面に対し接線方向に転向させることができるようにし、各ディスクを通って回転軸線方向に気流を再指向させるように各ディスクがその上に少なくとも１つの開口を画定する。

好適には、本発明による風力タービンは、例えば上限が風速１３０ｍｐｆ（２００Ｋｍ／ｈ）であり頻繁に風向きが変化するような、極めて広範囲な気流の状態で動作できる。本デバイスは、気流をロータ組立体へ向けるための信頼性が高く効率のよい、垂直シャフトに直接取り付ける方法を提供する。

一般的に、本発明は垂直軸風力タービンの様々な実施例を含む。好適には、ロータブレードは翼形状として設計し、ディスクの接線方向に配置する。ロータブレードはディスクの外周縁に沿って配置するため、風向きにかかわらず、タービンシャフトに対してより高い回転速度およびより大きなトルクを与えるために、気流はディスク表面の接線方向に転向される。好適な実施例において、入来する空気に対して滑らかな移動を可能とするように、ロータブレードは垂直方向に対して角度が付け、螺旋形をなすよう形成する。

タービンには任意の枚数のディスクを備えることができる。しかし、好適な実施例は少なくとも５０枚のディスクを有するものとする。

好適な実施例において、ステータブレードがロータ組立体内へ直接気流を流入させる、気流を加速する気流増強ステータ組立体を有するようにタービンを設計する。ステータブレードにより設置する空気チャネルの流入開口および流出開口の寸法に大きな差を付けると、風速が低い時も、自然に圧縮され、より高い効率を達成する十分な空気の加速を生じる。またこのステータブレードの配置により、ロータを、風向きが変化することにより生じうるロータの逆回転方向の気流から防御して、回転の停止を防ぐ。ステータ組立体には、任意の数のステータブレードを設置できるが、好適な実施例は６〜１２枚のステータブレードを有するものとする。

好適には、風力タービンは気流を機械エネルギーに変換し、この機械エネルギーを使用して直接送水ポンプに作用させる、または代替電源として使用する発電機を駆動する。

本発明とその多くの利点は、添付図面につき記載する好適な実施例に関する、以下の限定的ではない説明を読むことにより、よく理解できるであろう。

本発明の好適な実施例による、ロータブレードの翼形状および接線方向配置を視認できるよう、外側から見た垂直軸風力タービンの斜視図である。 図１に示したような、リブに連続する接線方向翼状ブレードを示す、ディスクの頂面図である。 図１に示すディスクを、１０個積層したディスク組立体のより詳細な斜視図である。 本発明の好適な実施例による、気流加速用のステータ組立体を有するタービンの斜視図である。

図１は、本発明の好適な実施例による、ロータブレード２の翼形状および接線方向配置を視認できるよう、外部から見た垂直軸風力タービンの斜視図である。このロータブレード２は、気流をディスク表面１の接線方向に再指向させる。このロータ組立体１１はシャフト１２へ固定的に連結する。

図２は、ディスク周縁に均等配置した翼形状のロータブレード２を設けた１個の内部ディスクの頂面図である。ディスク１の上面および下面には、所定個数のリブ３を設けることができる。好適な実施例において、各ブレード２は上面に対応するリブを有し、２枚のロータブレード２間で下面に対応するリブがある。ディスク１は、任意の個数のロータブレード２を備えうる。しかし、好適な実施例において、ロータブレード２は６〜１２枚とする。テスラディスクと同様に、空気がディスク間で旋回するように、各ディスクは３か所の円弧状の開口４を有する。リブ３は螺旋状に配置し、ディスク１の周における１個の対応するロータブレード２から開口４の外周縁まで延在する。

ロータブレード２の翼形状およびそれらのディスク周縁の接線方向配置により、気流はディスク表面の接線方向に転向される。ブレード先端部５と次のブレードの尾端部６との間における間隔は、いかなる気流もディスク１間で逆回転方向に移行するのを防止する点で、ロータブレード２の長さおよびディスク周縁における個数が密接に関係する。

図３は、風力タービンの１０個のディスクによる組立体を示す。各ロータブレード２には、ロータにおける直ぐ隣接し下面に窪みを設けた上側ディスクにおける対応するロータブレードとの組み立てを簡単にするための頂部突起７を設ける。同様に、ディスクの中心フランジ８には、上側ディスクの中心フランジ内に挿入する環状突起９を設ける。最終的な組み立て状態において、複数のロータブレード２は順次上側に取り付けていき、図１に示すような螺旋状に角度の付いた形状を生ずるようにする。ロータ組立体１１の極めて簡単な組み立て方法を提供することに加えて、各ディスク１が中心フランジにおいて、ならびに周縁に均等に分布させた複数のポイントにおいて、対応する上側ディスクおよび下側ディスクで緊密に結合しているため、全体構造が十分に補強される。

図示のロータブレードの向きは反時計回りである。しかし、当然、必要ならば、タービンを時計回りに駆動するために、ロータブレード２の向きを反転できることは理解できるであろう。

垂直シャフト１２を各ディスク１の中心に貫通させる。ロータ組立体は、好適には、耐腐食性の軽量な材料、例えばガラス繊維補強複合材で製造し、ゆるい風でもきわめて容易に回転できるようにする。

気流はその第１衝撃でロータブレード２に衝突し、次にロータ組立体１１の２個のディスク間の隙間１０内に流入する。気流は、各ディスク１の表面上に０．０３インチ（０．７６２ｍｍ）の厚さまで発達する層流領域を形成する。ディスク２枚分であることと遷移境界層を考慮すると、２枚のディスクの間隔は０．１インチ（２．５４ｍｍ）以下に設定するのが最もよい。しかし、タービンは気流中でより広いディスク間隔でも回転する。コアンダ（Ｃｏａｎｄａ）効果により、気流はディスク表面に付着して、ロータ組立体１１に粘性圧力効果によって回転速度を増加する。次に、空気はディスク１の開口４を通過し、タービンの回転増加に寄与する渦を形成し、結果としてその効率を向上させる。気流および渦は、ディスク１の開口４を経て上述のエンクロージャから流出することができる。

当業者には理解できるように、ディスクの大部分を狭い間隔で離しておくとともに、ディスクの若干はより大きな間隔で離しておくことができる。しかし、ロータ組立体の効率はこのような構成では低くなるであろう。

図４は、気流増強ステータ組立体１３を有するタービンの斜視図である。気流増強ステータ組立体１３のステータブレード１４は、ロータの回転方向の半径方向位置から、比較的小さな角度をなすよう指向させ、これにより気流がロータ組立体１１に対して容易に流入および流出できるようにする。好適な実施例において、気流増強ステータ組立体１３には、上部および下部に截頭円錐状のコーン１５を設け、これらコーンはステータブレード１４とともに流入開口と流出開口との間に十分な寸法差を与え、この寸法差により風の自然な圧縮と大きな空気速度の上昇を生じ、ゆるい風でもタービンの安定回転に変換する。ステータ組立体１３には頂部カバー１６を設け、上部コーン内に落下物（降雨）が侵入するのを防止する。さらに、頂部カバー１６は、通常ステータ組立体の頂部に吹き込む気流をタービンの背後に向けて再指向させ、風力タービンの背後に形成されるより低圧な領域のために、ステータ組立体がロータ組立体１１に向かって引き寄せられることになるのを回避する。

代案として、ステータ組立体の上面および下面は、半球型の表面、もしくは楕円型の表面とすることができる。

好適には、ロータディスクは軽量な耐腐食性の材料、好適には軽量ポリマーで形成する。好適には、ステータ構造体はより耐腐食性の高い材料、例えば強化タイプのポリマーで形成する。垂直軸タービン全体は、廉価なプラスチック材料から形成し、費用対効果の高い代替電源にすることができる。

上述の説明は、現在当発明者が企図する特定の好適な実施例に関連しているが、本発明は広範な態様で、本明細書で記載した要素と機械的および機能的に等価なものを含むものと理解されたい。

実験的テスト
特別なＣＦＤツールにより、風力タービンのモデルをシミュレートし、次にコンセプトを証明するためプロトタイプを作った。プロトタイプはステータ組立体を有するものとした。プロトタイプは、高さ１ｍ、直径０．７０ｍで、１４ｍ／ｓの風で６００ワットを発電する。

代案となる実施例の可能性を制限することなく、以下に境界層垂直軸タービンと機能的に等価なものをいくつか説明する。

タービンの代替実施例において、
・タービンは水平軸線の位置に設置することができる。このような実施例は、風向きがただ一方向であると分かっている場所で使用可能である、または必要な電力を発電するよう移動する移動体（例えば車、船など）にタービンを設置する構成で使用可能であるものとする。
・境界層効果を生ずるロータの表面は、ディスクの代わりに異なる形状として設計できる。
・ディスク開口は、円弧状扇形の代わりに任意の形状とすることができる。
・ロータは、円弧状扇形の開口の代わりに、中央に完全な円形の孔を有するシャフトを持たない構成とすることができる。この構成において、各ディスクが、対応する頂部ディスクおよび底部ディスクの周縁に均等配置した複数のポイントで強固に結合されているため、ロータ構造体は十分に補強されている。ロータは、対応する頂部ディスクおよび底部ディスクに取り付けた、頂部シャフト部分および底部シャフト部分を有し、このことによって垂直軸を画定する。
・ディスクは中心開口なしに、中心フランジから周縁に向かって半径方向の切れ目を有する設計とすることができる。好適な実施例で説明したように、ディスク表面は、その半径方向の切れ目に沿って垂直に、同じディスク間隔で離隔する。そのような半径方向に切れ目を有する複数のディスクからなるロータ組立体は、ディスクの中心開口を必要とせずに、気流を上方向もしくは下方向に導く螺旋面を形成する。この特徴の例としては、特許文献７（ＮＩＣＡ）の図１１に示されている。

本発明の好適な実施例を詳細に説明し、添付の図面で示したが、本発明はこれらの正確な実施例に限定されず、本発明の範囲もしくは精神から逸脱することなく様々な変更および改変を加えることができることを理解されたい。

Claims (20)

1. 風力タービンにおいて、
   回転軸線の周りに回転する複数の積層したディスクを有するロータ組立体を備え、
   少なくとも１組の積層したディスクのセットは、相互に近距離で離隔したディスクを有し、
   前記複数の積層したディスクは、外周縁に配置した複数のロータブレードを有し、
   各ロータブレードは、各ディスクの外周縁からほぼ接線方向に延在する少なくとも１つの表面を有し、これにより風の一部を各ディスクの外周面に対し接線方向に転向させることができるようにして、ディスク表面にディスクの回転に寄与する境界層効果を生じさせることを特徴とする、風力タービン。
2. 請求項１に記載の風力タービンにおいて、前記ロータ組立体は垂直軸線の周りに回転するよう構成したことを特徴とする風力タービン。
3. 請求項１に記載の風力タービンにおいて、前記ロータ組立体は水平軸線の周りに回転するよう構成したことを特徴とする風力タービン。
4. 請求項１に記載の風力タービンにおいて、各ロータブレードは、各ディスクの周縁に接
   線方向に配置した横断面が翼形状を有するブレードとしたことを特徴とする風力タービン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力タービンにおいて、各ディスクは上面および下面を有し、少なくとも一方の面にリブを設け、風の一部を再指向させることを特徴とする風力タービン。
6. 請求項５に記載の風力タービンにおいて、各ディスク内部で渦巻き状の気流を形成するために、各リブを湾曲させ、また１個の対応するロータブレードに連続することを特徴とする風力タービン。
7. 請求項５に記載の風力タービンにおいて、前記ロータブレードが、ロータの周りで長手方向に螺旋形状を形成することを特徴とする風力タービン。
8. 請求項５に記載の風力タービンにおいて、各ディスクの一方の表面における２個の前記リブ間に、各ディスクの他方の表面における対応するリブが存在するよう設けたことを特徴とする風力タービン。
9. 請求項５に記載の風力タービンにおいて、各ディスクにおける各ロータブレードは、ロータ組立体の隣接する上側ディスクおよび下側ディスクにおける対応するロータブレードに組み合わせるよう構成したことを特徴とする風力タービン。
10. 請求項２に記載の風力タービンにおいて、頂部ディスクおよび底部ディスクの直径を、中間ディスクの直径よりも大きいものとしたことを特徴とする風力タービン。
11. 請求項２に記載の風力タービンにおいて、前記ロータ組立体を、シャフトを介して発電機に取り付けたことを特徴とする風力タービン。
12. 請求項２に記載の風力タービンにおいて、各ディスクは、中心近傍に位置する少なくとも１個の開口を画定し、風の少なくとも一部を各前記ディスクの軸線方向に転向させることができるようにしたことを特徴とする風力タービン。
13. 請求項２に記載の風力タービンにおいて、各ディスクは、中心フランジから周縁に延在する半径方向開口を有する螺旋形状を有する構成としたことを特徴とする風力タービン。
14. 請求項２に記載の風力タービンにおいて、さらに、前記ロータ組立体を包囲するステータ組立体を備え、前記ステータ組立体は、気流を前記ロータ組立体当てる複数のステータブレードを有する構成としたことを特徴とする風力タービン。
15. 請求項１４に記載の風力タービンにおいて、前記ステータ組立体は、気流を前記ロータ組立体から流出させるための複数の開口を有する、頂部表面および底部表面を有する構成としたことを特徴とする風力タービン。
16. 請求項１５に記載の風力タービンにおいて、前記頂部表面および前記底部表面を半球型の表面としたことを特徴とする風力タービン。
17. 請求項１５に記載の風力タービンにおいて、前記頂部表面および前記底部表面を截頭円錐状のコーン表面としたことを特徴とする風力タービン。
18. 請求項１５に記載の風力タービンにおいて、前記頂部表面および前記底部表面を楕円形表面としたことを特徴とする風力タービン。
19. 請求項１に記載の風力タービンにおいて、前記ロータ組立体はシャフトを有し、前記積層したディスクを前記シャフトに固定したことを特徴とする風力タービン。
20. 請求項１に記載の風力タービンにおいて、前記ロータ組立体が、相互に結合して垂直軸を画定するよう、積層したディスクの部分を設けたことを特徴とする風力タービン。

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