JP6431524B2 - フローダイバータを伴う垂直型タービンシステム - Google Patents

Description

本発明は、垂直型電気エネルギー発生装置、主としてフローダイバータを伴う垂直型発電機に関する。前記発電機は、空気中または水中など、さまざまな環境内で機能することができる。

本技術レベルでは、垂直型風力発電機を提供するものである。垂直型風力発電機とは、垂直ラックまたは軸を含み、それに組付けによって回転子が取付けられ、それに今度はブレードが位置づけされている最も典型的な変形形態を表わす。

垂直型風力発電機に見られる最も重大な問題の一つは、回転子ブレードの半分しか有用な仕事を果たさないという事実にある。他の部分は風の方向とは反対に旋回し、回転子の能力を減じる。こうして、風力発電機の効率は低下する。

この問題を解決するため、風の方向とは逆向きの動作を行なう部分は、風力ダイバータで被覆された状態にされる。したがって、風の流れは、風力発電機の、有用な仕事を果たすブレードのみにあたる。

この種の解決法は、米国特許第４０１７２０４号明細書に記載されており、ここでは、風の方向に対向して回転する回転子の部分は、被覆された状態になっている。風の流れは、タービンから離れる方向か、またはブレードが風の方向に回転しているタービン部分に向かって方向転換される。

二つのタービンを含み、逆回転する部分を被覆する前述のアプローチが活用されている垂直型風力発電機の一つのモデルが存在する。したがって両方のタービンの前に、これらのタービン間に設置された状態で風力ダイバータが位置づけされる。このような解決法は、米国特許第４１５６５８０号明細書および特開平１−１９３０８４号公報中に記載されている。

さらに、側面図に描かれた流入流路を伴う垂直型風力発電機が、米国特許第７４８８１５０号明細書中に記載されている。風力タービンの上方に帆のような空気流ダイバータが設置され、これが、タービンの上方を通過する風の流れをタービンの上部部分へと方向転換させる。前記風の流れはブレードの運動に直交して流入し、こうして方向転換された流れの効率は著しく低下し、さらにはこの流れが完全に中断されさえする。

垂直型風力発電機は、オーストラリア特許第２００５２０３５７３号明細書にも記載されており、これには、完全に封止された単一の垂直型タービンが含まれている。タービンは風の流入部分および風の流出部分において開放されている。さらに、風力ダイバータが、垂直型タービンの上部部分内に設置され、これが、タービン内で上方を流れる空気をブレードの運動方向に直交するように方向転換させる。前記風力ダイバータは、ブレードに直交して入る流れがタービンの機能を減速させることから、回転速度の制限用に企図されている。

本発明の目的は、有用な仕事のために垂直型タービン全体を使用してより有効な発電機、すなわちより高い効率指数を有する発電機を構築すると考えられる垂直型発電機または垂直型タービンシステムを提供することにある。

前記目的は、垂直型タービン、流れの方向転換のための前方流体流ダイバータ、およびタービンの後方部分内の流体流を方向転換し二次的流体流をつくり出すために企図されている後方流体流ダイバータなどといったタイプの主要要素を含む垂直型タービンシステムを構築することによって達成される。二次的流体流は、主要流体流とは逆方向で発電機内部を流れ、タービンブレードのための追加の有用な仕事をつくり出す。

風の流れまたは水の流れは、本発明中では、流体流として表わされる。したがって前記システムは、空気中で垂直型風力タービンシステムとして、または水中で水流タービンシステムとして機能できることが具体的に挙げられる。したがって前記システムは、河川、海、および水の流れが見られる他の水域内で使用可能である。

垂直型タービンは垂直軸を含み、それに回転子が設置され、それにブレードが位置づけされる。ブレードは、ブレードに向けられる流体流を受け入れることができるものとみなされる。

垂直型タービンシステムには、タービンの上部に設置されこのタービンを少なくとも部分的に上方から被覆するカバーが含まれている。さらに垂直型タービンシステムは、主要流体流の方向転換のため、内部に組込まれた前方流体流ダイバータを有する。この前方流体流ダイバータはタービンの内側に置かれ、それを部分的に被覆する。さらに前方流体流ダイバータは、主要流体流を側面へ、タービンの被覆されていないブレードに向かって、そしてカバーの上方に、ならびにタービンの下に方向転換させるような形で構成されている。垂直型タービンシステムはさらに、タービンの後ろに設置されかつカバー上方を流動する流体流をタービンの後方部分へと方向転換させてタービンブレード内に二次的流れをつくり出すような形で構成されている後方流体流ダイバータを含んでいる。

また、互いに隣接して位置づけられた二つのタービンを含むシステムの変形形態も可能である。単一のタービンを伴うシステムとの唯一の差異は、二つのタービンが存在することにある。二つのタービンシステムは、或る意味で、単一のタービンシステムの鏡像を提示する。

単一のタービンシステムの場合と類似の、二つのしっかりと対を成す垂直型タービンを追加で含む垂直型タービンシステムは、タービンの上方に設置されこれらのタービンを上方から少なくとも部分的に被覆するカバーを含んでいる。主要流体流の方向転換用の前方流体流ダイバータが、両方のタービンの前方部分に設置され、前記タービンの各々を部分的に被覆する。さらに、前方流体流ダイバータは、前記主要流体流を両方の側面へ、被覆されていないタービンブレードに向かって、そしてカバーの上方に、ならびにタービンの下に方向転換させるように構成されている。それはまた、タービンの対の後ろに設置され、かつカバーの上方を流動する流体流をタービンの後方部分へと方向転換させてタービンブレード内に二次的流体流をつくり出すように構成された後方流体流ダイバータをも含んでいる。

さらに、水平面に対してタービンの垂直軸を、０度から１０度まで、好ましくは０度から５度まで傾斜させることができる。傾斜の値は、後方流体流ダイバータから流動する二次的流体流によって決定される。二次的流体流は、タービンブレードの回転方向に対し平行であることが望ましい。

タービンの垂直軸ではなくむしろタービンブレードを傾斜させる一変形形態が可能である。この場合、タービンの軸は水平面に直交しているが、ブレードは０度から１０度まで、好ましくは０度から５度まで傾斜している。この場合、傾斜の値は、後方流体流ダイバータから流動する二次的流体流によって同様に決定される。

主要流体流の方向転換用の前方流体流ダイバータが、タービンの一つまたは両方の前方部分内に設置され、前記風力タービンの各々を部分的に被覆する。部分的被覆には、その軸の一方の側でのタービンの被覆が含まれる。それに加えて、前方部分として示された部分は、最初にそれにあたる流体流、具体的には主要流体流と接触する部分である。その上、前方ダイバータは、前記主要流体流を、側面へ、タービンブレードに向かって、そしてカバーの上方に、ならびにタービンの下に方向転換するように構成されている。各側面に設置されるタービンは、側面に沿って流動する流体すなわち各側面に位置するブレードに分布させられる流体流が等しくなるような形で位置づけされる。

タービンシステムの特徴は、それが、一方または両方のタービンの後ろに設置される後方ダイバータをさらに含んでいるという点にある。後方ダイバータは、一方または両方のタービンの上方を流動する主要流体流をタービンの後方部分へと方向転換させて、タービンブレード内に二次的流体流をつくり出すように構成されている。全てのタービンブレードが活用されることから風力タービンの完全な機能を保証するのは、まさに後方ダイバータの存在と構成である。

その上、二つのタービンが共存する場合、後方ダイバータは、主要流体流が両方のタービンの垂直軸の間でタービンの後方部分へと方向転換され、垂直型タービンシステムの内側のブレード上に二次的流体流をつくり出すように構成されている。二次的流体流は、本質的にブレードの回転方向に対し平行に、かつ主要流体流と逆向きに流動する。

後方流体流ダイバータが流れ駆動用ブレードを含み、これが後方流体流ダイバータ内に入る流体流をタービンの後方へと流動的に方向転換させて二次的流体流をつくり出すのを補助している一つの解決法が可能である。

さらに、後方流体流ダイバータは、その下部部分に突出部分を含み、これはタービンの下に延在し、このタービンを少なくとも一部被覆している。前記突出部分がタービンまたは複数のタービンの軸の下、あるいはタービンの上方に延在するか、またはこれらのタービンに到達する前に終了する変形形態が可能である。

一つまたは複数のタービンの上方に、これらのタービンを上方から少なくとも部分的に被覆するカバーが設置される。さらに、上部カバーは前記前方流体流ダイバータに連結され、後方流体流ダイバータに至るまで延在する。こうして、前方流体流ダイバータから上向きに方向転換した流れは、カバー上方を後方流体流ダイバータまで流動する。カバーの上方を流動する流体流は、後方流体流ダイバータに入り、ここでそれは二次的流体流内へと移行する。

さらに、前方ダイバータは、両方のタービンの垂直軸の間のゾーンを被覆して、主要流体流が、タービンの上方および両方の風力タービンの外側部分に設置されたブレードへのみ方向転換されるように構成されている。一つの変形形態では、前方風力ダイバータが一つまたは複数のタービンから下向きに突出して、追加の下部側壁および下部カバーを含むシステムの下部部分を被覆することが可能である。

前方ダイバータは、タービンを通って流動する二次的流体流を、タービンから下向きに、すなわちシステムの外側に方向転換するものとみなされている。

流体流ダイバータは両方共、その形状および構造により、一方の側面（単一のタービンの場合）または両方の側面（二つのタービンの場合）に沿って外側境界を流動する単数または複数の横方向流体流のポテンシャルが二次的流体流と等しくなるような形で構成されている。したがって、外側ブレードに向かって流動する流体流のポテンシャルは、内側ブレードに向かって流動する流体流のポテンシャルと等しい。

添付図面は、技術的解決法の例を示しており、各々の図は以下のものを示す。

軸測投影図として、垂直型タービンシステムを前方から示す。 軸測投影図として、垂直型タービンシステムを後方から示す。 下から見た垂直型タービンシステムを示し、ここでは、突出部分１２および下部カバー５’とその下部側壁５’’が特に明確に見える。 前方から見た垂直型タービンシステムを示す。 側面から見た垂直型タービンシステムを示し、ここでは例証を目的として、側面カバーは取外されてタービン１をブレード４と共に明らかにしている。 上から見た垂直型タービンシステムを示す。 対を成す二つのタービンを特徴とする垂直型タービンシステムを示す。 下から見た垂直型タービンのシステムを示す。 下から見た垂直型タービンのシステムを示し、ここでは、突出部分１２および下部カバー５’とその下部側壁５’’が特に良く見える。 垂直型タービンのシステムを前方から示す。 垂直型タービンシステムの主要な機構を側方から示す。 垂直型タービンのシステムをその上方から示す。 垂直型タービンシステムの一実施形態を示し、ここでは、前方流体流ダイバータ５は、タービン１の前方部分をその軸間で、かつその上面から底までのみ被覆している。前方空気流ダイバータ５は、風力タービンの下部部分の平面の下に突出していない。

図１Ａから図５を見ればわかるように、垂直型風力タービンシステムは、垂直型風力タービン１を含む。タービン１は垂直軸を含み、この軸にブレード４を伴う回転子３が設置され、これらのブレードは流体流を捕捉するものとして好適である。タービンシステムは、主要流体流Ｘの方向転換用の前方流体流ダイバータ５と、タービン１の上部部分の被覆用のカバー６とを含む。タービンシステムの特徴は、それが、カバー６の上方を流動する流体流Ｘ’’を捕捉してそれを風力タービン１へと方向転換させて二次的流体流Ｙをつくり出すための、後方流体流ダイバータ１０をさらに含むことにある。こうして二次的流体流Ｙがつくり出され、これは、主要流体流Ｘとは逆向きに、かつ側方流体流Ｘ’とは逆向きに移動する。前記変形形態では、流体として空気が使用される。

図６、図１０および図１１では、単一のタービン１がさらに第二の平行なタービン１を含むことを特徴とする垂直型タービンシステムが示されている。提示された垂直型タービンのシステムは、対を成す二つの垂直型タービン１を含む。各タービン１は垂直軸２を含み、それに流体流の捕捉に好適なブレード４を伴う回転子３が設置される。タービンシステムは、主要流体流Ｘの方向転換用の前方流体流ダイバータ５と、タービン１の上部部分の被覆用のカバー６とを含む。さらに、タービンシステムは、カバー６の上方を流動する流体流Ｘ’’を捕捉し、それをタービン１へと方向転換し、二次的流体流Ｙをつくり出すための後方流体流ダイバータ１０を含む。こうして二次的流体流Ｙがつくり出され、これは主要流体流Ｘに対して平行に、かつ側方流体流Ｘ’に対して平行に移動する。

前方流体流ダイバータ５は、両方のタービン１の前方部分に位置し、各々のタービン１を部分的に被覆する。こうして、両方のタービン１の軸２の間の領域が被覆される。被覆されていない状態にとどまるのは、側方流体流Ｘ’による影響を受ける両方のタービンの外側縁部に位置する両方のタービン１のブレード４である。前方流体流ダイバータ５は、前記主要流体流Ｘを複数の流体流、すなわち、二つのつりあう側方流体流Ｘ’、カバー６の上方を流動する流体流Ｘ’’および下方を流動する流体流Ｘ’’’に分割するように構成されている。

垂直型タービンのシステムは、図７Ｂを見ればわかるように、追加のカバー５’および突出部分１２で補足され得る。図７Ａでは、下部部分においてカバーが欠如している垂直型タービンのシステムが示されている。前述の解決法が突出部分１２で補足されている一つの実施形態が可能である（図７Ｂ）。前記突出部分は、タービン１の軸２まで延在して、システムの下部部分の一部を被覆する。システムにはさらに、システムの下部部分も同様に部分的に被覆する流体流ダイバータ５の下部カバー５’’が具備されている。その上、下部カバー５’’の側面には、下部側壁５’が設置されている。

図８および図９では、前方流体流ダイバータ５がさらに下向きに突出して、システムの下部部分に異なる流体流循環をつくり出している垂直型タービンのシステムが示されている。

本発明は、本明細書中に記載された例に限定されない。当業者であれば、クレームの意味および大半から逸脱することなく、細部の具体的設計を変更し修正することができる。

１ タービン
２ 垂直軸
３ 回転子
４ ブレード
５ 前方流体流ダイバータ
６ カバー
１０ 後方流体流ダイバータ

米国特許第４０１７２０４号明細書 米国特許第４１５６５８０号明細書 特開平１−１９３０８４号公報 米国特許第７４８８１５０号明細書 オーストラリア特許第２００５２０３５７３号明細書

Claims (4)

1. −流体流の捕捉のためのブレード（４）を含んだ回転子（３）を含む垂直型タービン（１）と、
   −タービン（１）の上方に設置されタービンを少なくとも部分的に上方から被覆するカバー（６）と、
   −タービン（１）の前方に設置され主要流体流（Ｘ）の方向転換のためタービン（１）を部分的に被覆している前方流体流ダイバータ（５）であって、主要流体流（Ｘ）を、側面へ、タービン（１）の被覆されていないブレード（４）へ、そしてカバー（６）の上方ならびにタービン（１）の下方に、方向転換させるように構成されている前方流体流ダイバータ（５）と、
   を含む垂直型タービンシステムにおいて、タービン（１）の後ろに設置され、カバー（６）の上方を流動する流体流（Ｘ’’）をタービン（１）の後方部分へと方向転換させて、タービン（１）のブレード（４）に二次的流体流（Ｙ）をつくり出すように構成されている後方流体流ダイバータ（１０）をさらに含み、二次的流体流は概してブレード（４）の回転方向に対し平行にかつ主要流体流（Ｘ）に対して逆向きに流れ、
   前方流体流ダイバータ（５）がさらに、一つまたは複数のタービン（１）から下方に延在させられて、追加の下部側壁（５’’）および下部カバー（５’）をつくり出し、その結果、タービン（１）から外に流動する二次的流体流（Ｙ）が下向きに方向転換される垂直型タービンシステム。
2. 対を成す二つの垂直型タービン（１）をさらに含み、これらのタービンが、
   −タービン（１）の上方に設置されタービンを少なくとも部分的に上方から被覆するカバー（６）と、
   −両方のタービン（１）の前方部分に設置され主要流体流（Ｘ）の方向転換のために前記タービン（１）の各々を部分的に被覆している前方流体流ダイバータ（５）であって、前記主要流体流（Ｘ）を、両方の側面へ、タービン（１）の被覆されていないブレード（４）へ、そしてカバー（６）の上方ならびにタービン（１）の下方に、方向転換させるように構成されている前方流体流ダイバータ（５）と、
   を含み、垂直型タービンが、両方のタービン（１）の後ろに設置され、カバー（６）の上方を流動する流体流（Ｘ’’）をタービン（１）の後方部分へと方向転換させて、タービン（１）のブレード（４）に二次的流体流（Ｙ）をつくり出すように構成されている後方流体流ダイバータ（１０）をさらに含み、二次的流体流は概してブレード（４）の回転方向に対し平行にかつ主要流体流（Ｘ）に対して逆向きに流れることを特徴とする、請求項１に記載の垂直型タービンシステム。
3. 前方流体流ダイバータ（５）が、両方のタービン（１）の垂直軸（２）の間のゾーンを覆い、こうして主要流体流（Ｘ）が両方のタービン（１）の側面のブレード（４）へと方向転換されて、各側面に側方流体流（Ｘ’）をつくり出すように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の垂直型タービンシステム。
4. 後方流体流ダイバータ（１０）が、その下部部分内に突出部分（１２）を含み、この突出部分が一つまたは複数のタービン（１）の下に延在して、タービンを少なくとも部分的に被覆していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の垂直型タービンシステム。
   

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