JP6235488B2 - ベンチュリ効果を有する風力タービン発電機システム - Google Patents

ベンチュリ効果を有する風力タービン発電機システム Download PDF

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Description

本発明は、大気の運動からエネルギ(特に、電気エネルギ)を生成するための風力設備に関する。
電気エネルギを生成するための風力設備が、欧州特許第1916415号明細書から知られている。この先行技術の風力設備は、流路を備えており、この流路において、大気が流路を通って流れる流れへと形成され、この風力設備の入り口部位に位置する空気加速装置が、吸い込まれた大気を加速させ、次いでこの大気が、後続の先細り部位へと流れ、さらに加速される。次の部位において、通過して流れる大気がロータを回転させ、その後に空気の流れは、出口部位に相当する膨張部へと導かれ、その後ろの部位にさらなる空気加速装置が設けられ、流れる空気を再び環境へと戻す。
欧州特許第1916415号明細書の風力設備によるエネルギの生成は、基本的に、出口において入り口における温度よりもはるかに低い温度を有する流入する大気の冷却という原理にもとづいている。欧州特許第1916415号明細書による風力設備の設計のやり方にもとづき、発明者は、システムについて、すなわち設備の根底にある原理について、効率をさらにもっと改善することによってきわめて高効率の風力設備を提供することを目標として、自身の研究を続けた。
欧州特許第1916415号明細書
したがって、本発明は、関連の先行技術から出発して、先行技術よりも高効率であり、すなわち大気の運動からさらにより多くのエネルギを生成する風力設備を提案するという目的にもとづく。
この目的が、請求項1の特徴によって達成される。
本発明によれば、風力設備が、
先細りのファンネル(漏斗)状の断面を有しており、大気の第1の部分が進入して加速させられる第1の部位(A)と、
基本的に一定の断面であり、通過して流れる大気によって回転させることができるロータを存在させており、管状の延長部を備えている第2の部位(B)と、
前記第2の部位(B)の前記管状の延長部が通過して延びており、先細りの管状の入り口ファンネルを備えており、該先細りの管状の入り口ファンネルが、前記管状の延長部を囲み、大気の第2の部分の前記流路への進入を可能にするように機能する第3の部位(C)と、
前記第2の部位(B)の管状の延長部の末端が位置しており、大気の前記第1および第2の部分が通過して流れる前記流路の最小断面の平面(「0」平面)を含んでいる第4の部位(D)と、
第5の広がっている部位(E)と、
前記第5の部位(E)に後続しており、少なくとも1つの空気加速装置が配置されている第6の部位(F)と
を備えている。
大気の第2の部分を進入させることを可能にし、入り口領域において流入する大気の第1および第2の部分に作用する空気加速装置などの手段を省くことによって、効率に有利な影響がもたらされるという驚くべき発見がなされた。このようにして、風力設備が、大幅に多くのエネルギを入手可能にすることができる。
少なくとも1つの空気加速装置は、空気加速装置としての回転ファンによって引き起こされる悪影響などの流れる大気への悪影響を回避できるように、出口部位に配置される。
風力設備を、少なくとも第1〜第6の部位に関して、各々の部位を1つ以上の隣の部位へと容易に接続することができるモジュール式のやり方で構成することが、好都合である。これは、製造、輸送、組み立て、保守、および修理に関して、顕著な利点を提供する。個々のモジュールを、別々に製造および輸送することができ、素早く組み立てることができ、必要であれば個々のモジュールを容易に交換することができる。
これらの利点を強化するために、各々の部位を、それ自身が可動であるベースに搭載することで、モジュールの取り扱いの容易さをさらにもっと高めることができる。
この可動性を、例えば支持輪または支持ローラをベースに取り付けて使用することによって達成でき、例えば支持輪は、自由に可動であり、すなわち任意の方向に可動であり、あるいはレール上を走行してもよい。
好ましい実施の形態においては、前記ロータが、タービンの一部であり、このタービンが、ロータを支持するために、前記流路内にも設けられるステータを備える。ステータは、ロータの回転軸を支持し、好都合には流入する大気の第1の部分を好ましい入射角度でロータの羽根へと案内する空気案内要素を備える。
発電機によって電気を生成できるよう、前記ロータが歯車へと接続され、この歯車が、発電機を駆動することができる別の歯車に噛合する。このようにして、設計を、適切な歯車対の選択によって容易に実行することができる。
あるいは、前記ロータを、発電機の駆動輪へと接続されたベルトまたはチェーン駆動装置によって発電機へと接続することができる。
本発明の風力設備は、電力の生成に使用できるだけでなく、他の作業機械または作業装置を駆動するための相応の大きさのトルクまたは相応の回転速度をもたらすことができる作業機械として機能するようにも使用することができる。例として、裁断機、プレス、およびポンプが挙げられる。
前記第2の部位の前記管状の延長部の出口と、前記第4の部位の前記最小断面の平面(ここでは、「0平面」と称される)との間の距離が、前記第2の部位の前記管状の延長部の内径に依存するという好都合な発見がなされた。個々の部位のモジュール式の設計ゆえに、例えば第1および第2の部位を第3〜第6の部位に対して単純に移動させることによって、管状の延長部の最適な位置を実験的に決定することが可能である。
別の実施の形態においては、前記ロータを、前記流路の外部において支持することもでき、すなわちロータを支持する構成部品を、流路の外側に取り付けることができ、結果として、空気の流れを妨げうる構成部品が流路からさらに取り除かれる。
好ましい実施の形態においては、前記少なくとも1つの空気加速装置が、ファンとして設計される。ファンは、好ましくは、モータによって回転させることができるインペラを備える。
伝統的なファンの設計は、ファンのインペラまたは羽根が取り付けられた駆動軸を備えるモータを有している。代案としては、ファンのモータが流路の外部に設置され、そのようにすることが好ましい。これは、以下の利点につながる。
第1に、ファンの直径をはるかに小さくすることができる。これは、設備の全長の大幅な短縮をもたらし、摩擦損失も小さくなる。
外部設置のモータは、ファンを駆動するためにベルト駆動装置などの適切な技術的手段を使用すると考えられる。これは、第2の利点、すなわちモータが発生させる熱が出口部位の空気の流れに伝わることがないという利点をもたらす。これは、空気の流れの熱の増加が設備の効率に悪影響を有するがゆえに、重要である。
本発明の風力設備の好ましい実施の形態によれば、広がる出口管または出口ファンネルの形態の第7の部位が、前記第6の部位に後続して設けられる。ファンのロータの羽根を適切に設計することによって、空気を、広がる出口管の傾きの角度にすでに基本的に一致する方向に流すことができる。これは、設備の効率のさらなる向上につながる。
図面に関連してさらに詳しく後述される第1の実施の形態においては、本発明の風力設備が、基本的に水平となるように設置される。しかしながら、代案として、好ましくは入り口を上にし、出口を下にして、基本的に鉛直となるように設置することも可能である。冷たい空気は暖かい空気よりも重たいため、大気よりも低温である下向きに案内される空気は、風力設備の効率に有利な影響をもたらす。
すでに上述したように、通過して流れる空気の流れとの干渉は、風力設備の効率に悪影響を及ぼす。この理由で、前記ロータへと接続された駆動装置を、ハウジングによって囲むことが好都合であり、ハウジングを、流体力学に関して最適化することができる(液滴の形状、など)。
風力設備のエネルギ収量、すなわち効率を高めるために、管状のジャケットによって囲まれた流路は、流れる大気の摩擦抵抗を減らすためにジャケットの内面に適切な低摩擦コーティングを設けることによって最適化される。
また、前記管状の延長部を、基本的に一定の断面とし、あるいは流れの方向において広げることも好都合である。
本発明のさらなる詳細、特徴、および利点を、添付の図面を参照する以下の説明から導き出すことができる。
個々の部位へと分割された本発明の風力設備の概略の側面図。 図1の風力設備の断面図。 0平面までの入り口部位の拡大断面図。 0平面から始まる出口部位の拡大断面図。 図4による出口部位の別の実施の形態の側面図。
添付の図面において、同じ構成要素または構成部品は、同じ参照番号によって指し示されている。
図1が、本発明の風力設備1の第1の好ましい実施の形態の概略の側面図を示している。風力設備1は、モジュール式のやり方で設計され、第1の部位Aと、第2の部位Bと、第3の部位Cと、第4の部位Dと、第5の部位Eと、第6の部位Fと、第7の部位Gと、第6の部位Fと、第7の部位Gと、第8の部位Hと、第9の部位Iとを備えている。図1に見て取ることができるとおり、第4の部位Dは、基本的に対称な設計であり、本発明の風力設備1の入り口または入り口部位と出口または出口部位との間の境界を形成する境界面(ここでは、「0平面」71と称される)を備えている。したがって、部位Dは、2つの部位DおよびDへとさらに分割される。したがって、全体として、本発明の風力設備1の入り口または入り口部位は、部位A、B、C、およびDを含み、出口または出口部位は、部位D、E、F、G、H、およびIを含む。風力設備1は、第1の部位Aから最後の部位Iまで延びる流路3を備える。流路3は、例えば金属薄板で製作することができる管状の外ジャケット5によって囲まれている。流路は、基本的に円形の断面を備える。
第1の部位Aにおいて、流路3は、連続的に先細りとなる入り口ファンネル31を備えている。この入り口ファンネル31へと、大気の第1の部分が進入する。第2の部位Bにおいて、流路は、図3に関してさらに詳しく後述されるように、タービン管54、59および管状の延長部67による基本的に一定の断面を備えている。
風力設備1は、連続的に先細りであり、大気の第2の部分が進入する別の入り口ファンネル44を備える第3の部位Cを備えている。この空気は、さらに管状の延長部67の外面に沿って流れる。
第4の部位Dの中央に、大気の第1の部分と大気の第2の部分とで構成される合成流路の断面が最小となる「0平面」71と称される境界面が位置し、すなわち大気の第1および第2の部分がこの流路を通って流れる。0平面71は、入り口部位7と出口部位9との間の境界を形成している。これら2つの部位は、図3〜5を参照してさらに詳しく後述される。
第5の部位Eにおいて、流路3は再び広がり、次の部位、すなわち第6の部位Fに、2つの空気加速装置が後続している。第6の部位Fは、基本的に一定の断面を備える。
第7の部位Gにおいて、流路3はさらに広がり、第8の部位Hに2つのさらなる空気加速装置が後続している。第8の部位Hは、基本的に一定の断面を備える。風力設備1は、最後に、流路がさらにもっと広がる第9の部位Iにて終わる。
空間を節約するために、発電機36が、第1の部位Aの外側に設置されている。発電機36は、駆動輪49が取り付けられた駆動軸47を備えており、次いで駆動輪49が、タービン15の駆動輪60に接続されている。
図1においても見て取ることができ、さらに詳しくは後述されるように、部位A〜Iの各々は、適切な支持構造物17によって支持される。次いで、各々の部位A〜Iのためのこれらの支持構造物が、いずれも個別のベース39上に支持される。ベース39は、各々の支持輪41を備えており、したがってモジュール式の部位A〜Iの各々を個別に移動させることが可能である。
図2が、図1の本発明の風力設備の概略の断面を示している。特に、図3〜5を参照してさらに詳しく後述されるように、タービン15のステータ19およびロータ20が示されている。さらに、矢印21が、大気の第2の部分の流れを表している。出口部位9において、ファンの形態に設計された空気加速装置11および13を、よりはっきりと見て取ることができる。
次に図3を参照すると、図2による入り口部位7の断面図が、さらに拡大されて示されている。第1の部位Aにおいて流路3を囲み、矢印21によって示されるように大気の第1の部分を受け入れるように機能する入り口ファンネル31が、前端に、丸みを帯びた流入装置30を備えている。入り口ファンネル31は、支持構造物17に取り付けられ、この支持構造物17は、ここに挙げられる例の場合には、以下のように設計されている。
支持構造物17は、鉛直方向の支持梁または支柱33と、水平方向の支持体または補強支柱32および35とを、互いに接続して備えている。水平方向の支持支柱32、35は、どちらも流路3の軸に平行かつ横方向に延びている。入り口ファンネル31は、このフレーム状の支持構造物17に載せられ、このフレーム状の支持構造物17内に位置している。支持構造物17自体は、平板の形態に設計されたベース39に載せられている。第1の部位Aの移動または輸送が可能であるように、支持ローラ41がベース39に取り付けられ、これらのローラが、第1の部位Aの全体を支持し、第1の部位Aを移動可能にしている。
入り口ファンネル31の流入装置30とは反対側の端部に、ファンネルをタービン管54に取り付けられたフランジリング40に接続するように機能するフランジリング34が取り付けられている。ボルトおよびナットの螺合などの着脱可能な接続によって、連続的な流路3を形成すべく2つのフランジリング34および40を接続することができ、互いに再び分離させることも可能である。
図3の断面図において、断面の平面の向こう側に位置する構成要素は、破線で描かれている。
第2の部位Bが、タービン15の形態のエネルギ生成または変換装置を収容している。タービン15は、ロータシャフト57と、ロータ羽根58とを有するロータ20を備えている。ロータシャフト57が挿入されるハブ56を有するステータ19が、ロータシャフトを支持するように設けられている。ステータは、到来する大気を所望の角度でロータ20の羽根58に到達するようなやり方でそらす役割を有する羽根55を備えている。ステータ19は、タービン管54によって囲まれており、ロータ20は、タービン管59によって囲まれている。
第2の部位Bは、フレーム状の支持構造物を形成する複数の鉛直方向および水平方向の支持体または支柱63を備える支持構造物27を備えており、支持構造物27は、板状の要素の形態のベース51に取り付けられている。板状の要素51自体は、支持輪53に載せられており、結果として第2の部位Bも可動である。
支柱63は、力を吸収するように機能する屋根状の構造物61によって覆われている。
図3において、発電機36は、流路3の背後に位置するがゆえに、破線でのみ図示されている。発電機36は、鉛直方向および水平方向の支柱を有する支持構造物37に載せられている。支持構造物37は、ベース39および51と同様の板として設計されたベース38に載せられている。発電機を移動させることができるように、ベース38も、やはり支持ローラ43に載せられている。
タービン管59に、管状の延長部67が後続しており、すなわちタービン16の流出管が後続している。ここで検討されている例の場合には、延長部67が、タービン管54、59と同じ直径を有している。例えば関連の支持構造物の支柱63を接続することができるリングフランジ64が設けられている。
ロータ20は、周囲の外側リム60を備えている。このリムが、適切な歯車ベルト65によって、発電機の軸47に取り付けられた、発電機36の駆動輪49へと駆動力を伝えることができる。
管状の延長部67は、本発明の風力設備1の第3の部位Cの全体を貫き、第4の部位Dの第1の部分部位Dまで延びている。第3の部位Cは、矢印21によって示されるとおりの大気の第2の部分のための流入装置45を有する入り口ファンネル44を備えている。
図3に見て取ることができるとおり、大気の第2の部分は、延長部67の端部に位置する平面68に達するまで、管状の延長部67の外側に沿って流れ、ここで、この平面の0平面71からの距離は、管状の延長部67の内径に依存する。第1の部位Aおよび第2の部位Bを、第3の部位および残りのすべての部位C〜Iに対して一単位として移動させることができるため、平面68の最適な位置、すなわち管状の延長部67の出口と0平面71との間の最適な距離を、実験的に見つけ出し、平面をその位置に恒久的に設定することが可能である。
第3の部位Cの入り口ファンネル44は、第1の部位Aの入り口ファンネル31と同様に、鉛直方向の支持体33と水平方向の補強支柱32、35とを有する類似のフレーム状の支持構造物17に載せられ、この支持構造物17自体が、板状のベース39に載せられる。次いで、この板状のベース39が、可動性をもたらす支持輪41に載せられる。
第3の部位を第4の部位Dへと接続できるように、入り口ファンネル44の出口側および第4の部位の入り口側の両者が、互いに容易に接続および分離可能であるリングフランジ69を有している。
第4の部位Dは、その部分部位Dに、0平面71まで延びる別の入り口ファンネルの形態の管状ジャケット66を備えている。入り口または入り口部位7の0平面71において、入り口部位の最後となる別のリングフランジ70が、管状ジャケット66上に位置しており、このフランジが、流路3の管状の出口ファンネル73のリングフランジ72と協働する。第4の部位Dの2つの半分DおよびDも、ベース39上に支持された支持構造物32、33、35を備え、ベース39自体は、支持輪41上に載せられている。
図4に見て取ることができるとおり、第4の部位Dは、別のリングフランジ接続部34によって別の出口ファンネル78へと接続され、出口ファンネル78は、ここでの例に示されているとおり、出口ファンネル73の角度とは異なる角度で広がっている。
図4に詳しく示されている出口または出口部位9は、接続された一連の部位を備えており、すなわち第4の部位Dの部分部位D、第5の部位E、第6の部位F、第7の部位G、第8の部位H、および第9の部位Iを備えている。図4に見て取ることができるとおり、支持体および支柱32、33、35を備える同様の支持構造物17が、やはり流路3を支持するために設けられており、やはり支持ローラ41が、支持構造物17を支持し、個々の部位に可動性を与えるために、ベース39に設けられている。
個々の部位を互いに容易に接続できるようにするだけでなく、保守などのための分離も可能にするリングフランジ34、75、77が設けられている。第5の部位Eが、出口ファンネル78によって第6の部位Fへと広がり、第6の部位Fには、フランジ77によって切り離すことができる2つのファン11が設置されている。ファンは、モータの軸74に回転可能に取り付けられてモータ79によって駆動されるインペラまたは羽根80を備える。インペラ80は、駆動輪76に取り付けられている。
ジャケットまたは管81が、流路3を第6の部位Fにおいて囲み、第8の部位Hにおいても囲む。この第8の部位Hにも、ファン11と同じ設計を有するが、ファン11よりもいくらか大きい2つのファン13が設置されている。参照番号82が、ファンジャケット81のための補強構造を指し示している。
第7の部位Gが、第6の部位Fと第8の部位Hとの間を延びており、この第7の部位は、膨張するファンネル87の形態に設計されている。2つのファン13を備える第8の部位Hに、さらなる部位が続いており、すなわち膨張する出口ファンネル89を有している第9の部位Iが続いている。
図4は、本発明の出口部位9の第1の実施の形態を示している。原理的に、風力設備1は、2つのファン11のうちの一方だけを備えることもでき、部位G〜Hは随意である。もたらすべきエネルギの量が多いほど、より多数のファンが必要になる。
すでに上述したように、流路3における空気の流れに対する障害物は、全体としての風力設備の効率にとって不利である。図5が、モータ79が流路3の外へと横方向に移されており、羽根80をモータの軸74上の駆動輪76によって駆動することができるファン11および13の別の実施の形態を示している。これを、例えばベルトによって行うことができ、流路における妨害の大きさをさらに軽減するために、流体力学の観点から適切に設計されたベルト駆動部用のハウジング(図示されていない)を、流路内に設けることができる。
モータ79を、鉛直な支持体84上に載せられたベース83に取り付けることができる。他の構成部品または部位の場合のように、支持体は、板85上に取り付けられ、板85自体が、支持輪86上で移動可能であり、結果としてモータ79を、モータの軸74および駆動輪76と一緒に移動させることができる。
本発明は、大気の運動からエネルギ(特に、電気エネルギ)を回収することができ、タービンを通って流れる空気の流れの顕著な冷却のおかげで、ファンによって消費される力がタービンによってもたらされるエネルギよりも大幅に少ない風力設備を生み出す。
本発明の他の利点は、流路3から現れる空気の流れが、到来する空気の流れよりもはるかに低温であり、環境制御(冷房)システムにおける使用に適するという事実からもたらされる。

Claims (15)

  1. 移動する大気によってエネルギ生成するための風力設備(1)であって、前記風力設備は、流路(3)であって、前記大気が前記流路を通って流れる流れへと形成され、前記流路の境界を形成する外ジャケット(5)を含む前記流路(3)を備えており、前記風力設備は、
    第1の部位(A)と、
    第2の部位(B)と、
    第3の部位(C)と、
    第4の部位(D)と、
    第5の部位(E)と、
    第6の部位(F)と、
    を更に備えており、
    前記第1の部位(A)は、先細りのファンネル状断面を有しており、前記第1の部位には、大気の第1の部分が進入して加速させられ、
    前記第2の部位(B)は、基本的に一定の断面であり、前記第1の部位に後続しており、前記第2の部位には、前記大気が通過して流れることによって回転することができるロータ(20)が存在しており、前記第2の部位は、管状の延長部(67)を備えており、前記管状の延長部(67)は、基本的に一定の断面であり、
    前記第2の部位(B)の前記管状の延長部(67)が前記第3の部位(C)を通過して延びており、前記第3の部位(C)は、先細りの管状の入り口ファンネル(44)を備えており、前記先細りの管状の入り口ファンネル(44)は、前記管状の延長部(67)を囲むとともに、大気の第2の部分が前記流路(3)へ進入させるように機能し、
    前記第2の部位(B)の前記管状の延長部が前記第4の部位(D)で終結しており、前記第4の部位(D)は、「0」平面である前記流路の最小断面の平面を備えており、前記大気の前記第1および第2の部分は前記平面を通過して流れ、
    前記第5の部位(E)は広がっている部位であり、
    前記第6の部位(F)は、前記第5の部位(E)に後続しており、前記第6の部位では、少なくとも1つの空気加速装置(11)が配置されている、
    ことを特徴とする風力設備。
  2. 少なくとも前記第1〜第6の部位(A〜F)に関してはモジュール式の設計であり、各々の部位(A〜F)は隣の部位へと容易に接続することができることを特徴とする請求項1に記載の風力設備。
  3. 各々の部位(A〜F)がベース(39、51)に取り付けられており、前記ベース自体が可動であることを特徴とする請求項1または2に記載の風力設備。
  4. 前記ロータ(20)がタービン(15)の一部であり、前記タービン(15)は、自身の支持のために、前記流路(3)内に配置されたステータ(19)を備えていることを特徴とする請求項1〜3の一項に記載の風力設備。
  5. 前記ロータ(20)が歯車へと接続され、前記歯車が、発電機(36)を駆動することができる別の歯車と噛合することを特徴とする請求項1〜4の一項に記載の風力設備。
  6. 前記ロータ(20)がベルトまたはチェーン駆動装置(60、65)へ接続され、前記ベルトまたはチェーン駆動装置が発電機の駆動輪(49)へ接続されることを特徴とする請求項1〜4の一項に記載の風力設備。
  7. 前記第2の部位(B)の前記管状の延長部(67)の出口と前記第4の部位(D)の前記最小断面の平面(71)との間の距離(68)が、前記第2の部位(B)の前記管状の延長部(67)の内径に依存し、前記管状の延長部(67)の外側に沿う前記大気の前記第2の部分の流れが最大化されるように実験的に見つけ出された最適な距離であることを特徴とする請求項1〜6の一項に記載の風力設備。
  8. 前記ロータの支持体が前記流路(3)の外部に取り付けられていることを特徴とする請求項1〜3の一項に記載の風力設備。
  9. 前記少なくとも1つの空気加速装置がファン(11)であることを特徴とする請求項1〜8の一項に記載の風力設備。
  10. 前記ファン(11)が、モータ(79)によって回転することができるインペラまたは羽根(80)を備えていることを特徴とする請求項9に記載の風力設備。
  11. 前記ファン(11、13)の前記モータ(79)が、前記流路(3)の外部に設置されることを特徴とする請求項10に記載の風力設備。
  12. 広がる出口管(87)の形態の第7の部位(G)が、前記第6の部位(F)に後続して設けられることを特徴とする請求項1〜11の一項に記載の風力設備。
  13. 基本的に鉛直な向きにて、り口を上にし、出口を下にして設置されることを特徴とする請求項1、2、または4〜12の一項に記載の風力設備。
  14. 前記ロータ(20)へ接続された、発電機(36)を駆動する駆動装置が、ハウジングによって囲まれていることを特徴とする請求項5〜13の一項に記載の風力設備。
  15. 前記エネルギは、電力であることを特徴とする請求項1〜14の一項に記載の風力設備。
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