JPH05503135A - 横風型のウインド・タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野ゴ 本発明は、一般的にいってウィンド・タービンの分野の技術に関するもので、特 に横風型あるいは垂直軸型として分類されるウィンド・タービンの分野の技術に 関するものである。 【従来の技術】 横風型あるいは垂直軸型ウィンド・タービンは、一般的には製造が簡単なことが 知られ知られている。 垂直軸をウィンド・タービンの第一の主な利点は、吹いている風の方向に関係な く、どんなタイプの方位設定装置の助けもなしに、風のカを直接的に利用するこ とが出来ることである。このことは、方位決定機構をなくせるために簡単な構造 とすることが出来て、製造コストを下げ、高い効率が得られる結果となる。 垂直軸型ウィンド・タービンのもう一つの利点は、複雑な、且つ効率を落とすよ うな機構を採用しないで、地上で機械的な動力を提供出来る能力があることであ る。水平軸型のウィンド・タービンは、斜めギヤ、長く伸びたシャフト、ベアリ ングあるいはそのほかのトランスミッション機構を必要とするか、あるいは、逆 にそれらはウィンド・ミル塔の上に発電機を設置し、したがって地上から高い位 置に、設置したり保守するのが困難な余分の機械あるいはワイヤリングを必要と する。垂直軸型ウィンド・タービンではそのような部槽を必要としないので、簡 単で安価な構造を可能にし、〜定の高さに重量のある機械あるいは１ａｌｌＩを 支持するための強化用構造物を必要とせず、このようにこのシステムの高効率に 寄与している。 垂直軸型ウィンド・タービンの、水平軸型ウィンド・タービンに比べたもう一つ の利点は、その風に吹かれる領域がより広いので、ｉ力のより多くの利用が可能 なことである。 水平軸型ウィンド・タービンに比べて、垂直軸型ウィンド・タービンは一般的な 利点を持っているけれども、従来の技術によるものは、また、比較的低い効率の サボニウス・ロータや、自分自身ではスタートしないダシウェス・ロータなどに みられる欠点がある。サボニウス・ロータがそのような砥い効率しか実現出来な い理由は、風がロータのブレードの両僅〈吹き付ける：すなわち、一方の債は風 の方向に、もう一方の側は風と逆方向になり、したがって利用出来る風力の一部 介を中和してしまうためである。

【発明が解決しようとする課題】

したがって、本発明の主な目的は、垂直軸型ウィンド・タービンの上記の欠点を 克服し、ロータ・プレイドのある部分にかかる風力による逆転衝撃をなくするこ とが出来て、一方、回転するロータ上にあるなしにかかわらず、どんなタイプの 方向設定機構も必要なしに、吹いている風の方向に関係なく風の力を最大限に利 用出来て、さらに自動スタート機能を持っている垂直軸型ウィンド・タービンを 提供することにある。

【！１題を解決するための手ｇｌｊ】 本発明の上記の主な目的は、中央に位置するロータのｊｉ！囲に配置されたガイ ド・ベーンの配置から構成され、これらのガイド・ベーンは、風の吹く方向に関 係なく、風がロータ・ブレードにあたるようにし、サポニウス・ロータの場合に 見られるような風の方向に逆に回転するロータ・グレードの部分による引っ張り 効果を及ぼすことなしに、ロータの回転方向にプラスの方向に協力的に働くよう にした、横風型のウィンド・タービンを提供することによって達成される。 本発明は、本発明の望ましい実施例を図示する添付された図面を参照することに よって、この技術に精通した人々により明らかになろう。

【図面の説明】

第１図は、提案された横風型ウィンド・タービンの第一の実施例で、その中央回 転軸にそった長手方向の断面図を示す。 第２１１！ｌｌは、第１図のウィンド・タービンの水平方向の断面図を示す。 第３図は、提案された横風型ウィンド・タービンのもう〜っの実施例の様々な構 成部分の前面図を示し、この場合、ガイド・ベーンが長手方向にコーン状に伸び ている様子を示す。 第４図は、提案された横風型ウィンド・タービンのもう一つの実施例の水平方向 断面図を示し、この場合、ガイド・ベーンがカーブした断面で示され、また、高 速の空気速度およびロータ速度に遺したロータ・グレードの空気力学的形状が示 されている。 第５図は、提案された横風型ウィンド・タービンのもう一つの実施例の水平方向 断面図を示し、この場合、ガイド・ベーンのピッチが変化しており、また、はっ きりした節のある低い部分あるいは内置部分があって、「釣り針Ｊ形あるいはｒ Ｊ、形のガイド・ベーンを形成し、こうしてガイド・ベーンの直線部に対して小 さな角度を持つようにし、入ってくる空気の流れを必要な形にコントロールする ようになっている。 第６図は、提案された横風型ウィンド・タービンのもう一つの実施例の水平方向 断面図を示し、この場合、ガイド・ベーンが「翼形」の空気翼で、その傾き角度 が変化出来、さらに、空気をガイドするために小さな尻尾形状のガイド・グレー ド１２をもっている。また、ロータ・ブレードは空気力学的に有利な三日月形の 形状をしている。 第７図は、提案された横風型ウィンド・タービンのもう一つの実施例の水平断面 図を示し、この場合、ガイド・ベーンは一様な空気翼形状で、その傾き角度が可 変であり、ロータ・ブレードもまた一様な空気翼形状をしている。 （鯨３Ｌ：・ａ、ａ９　＊ｌ−軟’１ 提案されている横風型のウィンド・タービンは、中心部の円筒形空温３の円周上 に等間隔で配置された複数のブレード２によって形成される、一般的に円筒形を したロータから構成される０図示されたブレード２はカーブした形状を持ち、そ の形状は半円形あるいは楕円形あるいはそのほかの形状とすることが出来て、そ れぞれのブレードの湾曲線、その隣のブレードと同じ方向になるように配置され ている。 提案されている横風型のウィンド・タービンは、さらに、本発明によると、中心 に向かって収束する複数のガイド・ベーン１が円周上く等間隔に配置されており 、これが外側シリンダを形成して、前記のロータ・ブレード２を取り−んでいる 。このように、提案されたウィンド・タービンの受風表面領域は、前記の外側シ リンダの直径と高さの積で定義される。一 本発明の第一の実施例の模式図によると、前記の長手方向に伸びるガイド・ベー ン１は、円形のベース・プレート１に固定されており、一方、その上部は、上部 カバー・プレート４によって蓋をされている。ベース・プレート５および上部カ バー・プレート４の両方の中心９および１１にはベアリングが入っており、その 中でロータ・シャフトが自由に回転する。 図示された本発明の実施例では、ロータには上部カバー・プレート６と下部カバ ー・プレート７があり、それぞれのカバー・プレートから小さな円筒状突起８と ９としてロータ・シャフトが伸び、これによってロータ装置は、上部カバー・プ レート４とベース・プレート５の双方の中央の穴９と１１にある上部および底部 のベアリングの中に回転出来るように装着される。このように、ロータ・シャフ トとロータの中央仮想回転軸は、前記の中央の開口部３の中心に一致する。提案 されている横風型ウィンド・タービンで作り出される動力は、ベース・プレート ５のベアリングのなかで回転するロータ・シャフトの延長部１０から取りだすの が望ましく、こうして必要な動力伝達装置の装着およびその保守を可能にする。 本発明の望ましい実施例の模式図にあるように、上部カバー・プレート４および ベース・プレート５の両者あるいはどちらかが、コンパクトな構造で、ロータ・ シャフトを装着するのに必要な穴がついているかあるいは車にそのための簡潔な 領域が用意されいる。 上部および底部のロータ・カバー・プレート６および７の両者あるいはどちらか が、同様に、コンパクトな構造かあるいはパーフォレート構造とすることが出来 る。 第２図に図示されるように、各ガイド・ベーンの入射面は、ロータの中心回転軸 をとうり、全システムを二つの半円筒部に分割する垂直面に対して傾斜角度（ω ）をもつ。すべてのガイド・ベーン１に対する傾斜は同じ方向に向いており、こ のガイド・ベーンの能力を決めるのはガイド・ベーンの傾斜角度と、幅と間隔の 特定の組み合わせであり、風の方向にかかわりなく、虱の方向とは逆に動くロー タの債では風を逃げやすいようにし、逆に、この瑚からロータの回転方向に風を 方向転換させて風を案内し、風の方向と反対に動くロータのこの部分によって必 然的に作られる引き戻し効果を解消するようにしている。 前述のガイド・ベーンのそれぞれは、あらかじめ決められた幅をもち、内側およ び先導部のエツジをもち、望ましい傾き角度は、入射する風に対して、それぞれ のガイド・ベーンの先導部エツジが、すぐ隣のガイド・ベーンの内側端のエツジ の上部にくるような配置であり、このようにすると、反時計方向に回転しようと するロータのブレードの部分から風を逃がすようにすることが出来る。このよう な必要角度は、ガイド・ベーンの幅や間隔が変わると、それにしたがって変わる ことが明白である。このように、上述の風のマスキングを実現するためには、傾 き角度（ω）が大きくなると、必要なガイド・ベーンの輻が狭くなる（あるいは 逆により広いガイド・ベーンの間の間隔が許される）、もちろんこれは、入射す る風とガイド・ベーンの表面の間の空気力学的反作用によって許されるある許に は、より広い幅のガイド・ベーンが必要である。しかしこのときには、ガイド・ ベーンに対する風の摩擦が大きくなる。一方、そのかわりに、空気力学的反作用 が小さくなり、また、機械の作動表面領域は、実際に動力を作る領域すなわちロ ータの作動表面領域に比例して大きくなる。別の言葉でいえば、ガイド・ベーン が相対的により大きなスペースを占め、一方ロータの直径がそのかわりに小さく なる。 第２図あるいは第４図の断面図に示されるように、入ってくる空気の流れの第一 番目の約半分の部分は、ガイド・ベーンの間を通り、ロータ・ブレード２の第一 のシリーズの窪んだ側面にあたり、ロータを反時計方向に回転させようとし、つ ぎに中心部の空温３にでて、その後に、風は軸対称の反対側位置にあるブレード を打ち、グレードに反時計方向に回転する衝撃力を与える。 入ってくる空気の流れの第二番目の約半分の部分は、逆の動きをするロータ・ブ レードのある側のガイド・ベーンに入ってくる。すなわち、ロータ・ブレードの 第二番目のシリーズは、もしガイド・ベーンがなければ、ロータ・ブレードに当 たる風は、ロータを時計周り方向に回転させるように働く、風がガイド・ベーン に当たる結果、風は、ロータの回転方向に向きを変え、このようにして、ロータ の回転を逆転するように働かずに、逆に、隣のロータ・ブレードの窪んだ面を打 つことによって、順風として働くようになる。その後、。 風は中心部空温３を通り、反対側のブレードから逃げていく。 あり、また、前述の第一および第二のシリーズのブレードの軸対称の反対側位置 にあるブレードの運動量の和である。上記の解析から、本発明で提案されている ウィンド・タービンでは、すべてのロータ・ブレードがロータの一様な回転にプ ラスの方向に寄与していることが明らかである。 ガイド・ベーン１が中心部に向かって収束するように角度をつけて配置されてい るのに加えて、それらは打ちつける風を集中させるふいごの役割を果たし、同時 に、それらは一種の垂直方向のノズルとしても機能する。 ロータの中心部空温３は二重の役割を果たす。すなわち、ロータ・ブレード自身 の間に形成される周囲の部屋の間の空気の流れを作るために、空気の流れを連結 し分散する一つの部屋として機能する。このように、ある瞬間をみると、これら のロータの部屋の半分は、風の入る側にあり、中心部空温に新しい空気を送り込 み、その空気はロータ部屋の風下側へ送られる。したがって、ロータ部屋が回転 すると、マシンの風上例から風下例に移り、この切替えの境界線は、入ってくる 風の相対的な方向、ガイド・ベーンの傾き角度、その間隔、およびロータ・ブレ ードの形状と間隔によって決められ、支配される。 本発明の第一の望ましい実施例によると、第１図および第２図に示されたガイド ・ベーンは平板な形状である。しかし、それらは第４図の模式図に示されるよう なカーブしたものとすることもできる。それらは固定された、あるいは可変の間 隔を持ち、その傾き角度もまた必要な効率と容量を持つように調節あるいは調整 することができる。このようにして、ガイド・ベーンはまたウィンド・マシンの スピード調節機構としても使用することが出来て、最終的には完全に開口を閉じ て、要求された時に、あるいは極端に強い強風から機械を保護するためなどの必 要な時に、機械を停止することも出来る。 採用するロータの長手方向に沿って、風力の一様な分布を得るためには、風速は 一般的には地表の近傍で最低となり、マシンの最上部で最高となるので、ガイド ・ベーンはこれらの自然の不均一性を補償するような形状にすることが出来る。 この要求を満足するガイド・ベーンの配Ｎ模式図が、第３図に示されるコーン状 の形状である。 提案されている横風型ウィンド　タービンは、第−義的には垂直の配！で使用す るようにデザインされているけれども、もし必要な場合にはどんな傾き角度で使 用することもま記と同様の利点がこの場合にも得られる。 同じ概念は、ある特殊な有利な特徴を出すために、様々のガイド・ベーンとロー タの配置および組み合わせに適用することが可能である０例えば、第４図では、 ロータ・ブレード２は数が少なく、たった三つだけであり、その形状は、強風お よび高速のロータ速度に適した空気力学的な三日月形状で（月の１／４）、また 最大の効率を得るためにその間隔が電気的にあるいは手動で可変となっている。 図では、実線の矢印はマシンの固体部の運度方向を示している。また点線の矢印 は空気の流れを示している。 第５図では、円周上に配置された平板タイプの短いガイド・ベーンが示されてお り、よりスムーズな空気の流れを作るために、その中心部に広い空間をもうけ、 ガイド・ベーンは可変の傾き角度を持ち、空気力学的に示された三日月形状のロ ータ・ブレードとマツチするようになっている。これらのガイド・ベーンは、「 釣り針」タイプ（Ｊ−タイプ）のガイド・ベーンをつくるために、船の舵に似た 節のある底端部を持ち、ガイド・ベーンの直線部に対して小さな傾き角を作り、 これをコントロールして入射する風の流れをｙ４ｆｉする。 第６図では、円周上に放射状に配置された空気翼形のガイド・ベーンが図示され ている。 一方の面が平らで、もう一方の面が湾曲している空気翼形であるので、たとえそ れがどんな角度にも傾斜していなくても、風の流れをロータ・ブレードの運動の 方向に方向転換させることが出来て、この方向転換が最小の擾乱で行なえるよう になっている。ロータ・グレード２は、空気力学的三日月形状の翼形である。主 要なガイド・ベーンの間には補助の小さなガイド・ブレード１２を配置して空気 の流れを導く補助とし、主要ガイド・ベーンの間隔を広くとるようにすることが できる。ウィング・タイプの空気翼形状のガイド・ベーン２は、左側が平板状で 、右側が湾曲しており、もし必要ならば更に空気の流れをガイドするための小さ な船の蛇状のテール・ブレードをつけることが出来る。 第７図は、円周上に放射状に配置された一様な空気翼形のガイド・ベーン１の例 を示す、。 一様な湾曲した空気翼形状は、動力のロスの原因であるｉｆ動を最小限に押えな がら空気の流れを方向転換できて、空気の流れをマシンの両側に一様になるよう にし、両側にマスク効果を生み出して、二つの対面する側部に同心的な空気の流 れを作るようにしている。この種のｓｌ械は、このようにベンチュリ作用あるい は条件をつくるようにしている。 この種の対称的に配置された空気流れにより、高速の回転に適した対称的な空気 翼タイプのロータ・ブレードの使用が可能となり、またそれが望ましいものとな る。 もし必要ならば、空気の流れを調節するために、これらのガイド・ベーンの間隔 を変えることが可能である。必要な時に機械を停止するための目的で、ロータ・ ブレードにその間隔調節機構をっ−けることもまた可能である。 この場合、空気力学的三日月形のロータ・ブレードを使用することもまた可能で ある。 今までの記述は、図示された実施例を参照しながら行なわれてきたことに留意さ れたい。 本発明の製作組み立て過程で使用される特定の選択された形式、形状、寸法、材 料および付属するアクセサリなどの特定のデザインは、上記の変形や修正と同じ く、それが新しい発明段階を構成していないかぎり、本発明の応用の範囲や目的 の一部分であると考えることができる。 ＦＩＣ，，１ ＦＩＣ，，２ ＦＩＧ、３ ＦＩＣ，，４ ＦＩＧ、５ （テ　４．セ　か ＦＩＣ，、６ 補正：！！め冗１−（關訳文）螺出婁 Ｖ但人 横風型のウィンド・タービンが提示されており、それは円周状に配置されたブレ ード（２）の中心にある中心空温（３）を含む中心部に配置されたロータ（２） の周辺にガイド・ベーン（１）から構成され、ガイド・ベーンは、風がどの方向 から吹いてこようと、ローター　フ゛・レードを逆転させをような風を、ロータ が順方向に回転するように導くことができて、従ってどの風タービンの動車を大 幅に改善することができるものである。 匁）力ｔレンλ゛うｔフに（畜／？ＩＬ２）Ｌフ困ん１，４ｉぺ仄トー珀−与立 あ一云υ１ＬＬ・１１啄″す、７Ｉり冬−にら°【口、こ社Ｉｓよンロ−９・７ ”ムード−１１１刀・こｎｎ、（特許法第１８４条の７第１項） 平成４年１月３１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、横風型ウィンド・タービンで、長手方向に伸び等間隔に置かれて中心に向か って収束する複数のガイド・べーンと、中央空房の周りの円周上に等間隔で配置 された複数のプレードから構成される中心部に配置された円筒形ロータとから構 成され、前記ガイド・ベーンは、ベース・プレートと上部カバー・プレートとの 間でロータの全高さにわたって伸びるように固定した形で装着され、前記ベース ・プレートと前記上記カバー・プレートの中心部にはベアリングがあり、そのベ アリングで上部および底部のローダ・カバー・プレートにあるシャフトの突起が 回転出来るように装着され、前記ガイド・ベーンのそれぞれが、あらかじめ決ま った帽、内側および先導部のエッジをもち、前記ガイド・ベーンのそれぞれは、 前記ロータの回転中心軸をとおる垂直平面に対してある角度を持つようにして、 入射する風に対して、それぞれのガイド・ベーンの先導端が前記ガイド・ベーン の隣のベーンの内側端の上にくるようにし、このようにして、入射する風の第一 の半分が前記ロータ・プレードの第一のシリーズの窪みを持つ部分に直接当たる ようにし、そうすると風がどの方向からくるかに関わらず、ロータ・プレードは 反時計周りに回転させられ、同時に風は送り出されるようになっており、前記ロ ータには風の方向とは逆に動く前記ロータ・プレードの第二のシリーズがあり、 風の第二の部分を前記ロータ・プレードの第二の部分に方向転換させて導き、反 時計方向に衝撃を与え、したがって、風の前記第一と第二の部分は、前記ロータ ・プレードの第一と第二の部分に順風として働き、風は前記中央部空房を通って 、ロータ・プレードの前記周辺部から放出される前に、直径の反対側のロータ・ プレードに回転運動を与えるように設計されていることを特徴とする横風型ウイ ンド・タービン。 ２．前記ガイド・ベーンの傾き角度が、入射する風の角度に対して、それぞれの ガイド・ベーンの先導端部が前記ガイド・ベーンの隣のベーンの内側端の上に配 置されるような角度で、前記あらかじめ決まったガイド・ベーンの幅や間隔が変 わるのに伴って角度も変えられるようになっていることを特徴とする、請求項１ 記載の横風型ウインド・タービン。 ３、前記ガイド・ベーンが平板形状を持つことを特徴とする、請求項１記載の横 風型ウインド・タービン。 ４、前記ガイド・ベーンがカーブした形状をもつことを特徴とする、請求項１記 載の横風型ウインド・タービン。 ５．前記ガイド・ベーンおよび前記ロータ・プレードの双方あるいはどちらかが 空気翼形状をしており、通常の一様なタイプか、あるいはその翼の一方の表面が 平らであるかあるいはわずかに窪んでいる翼タイプであるかを特徴とする、請求 項１記載の横風型ウインドタービン。 ６、前記ロータ・プレードが三日月形状であることを特徴とする、請求項１記載 の横風型ウインド・タービン。 ７．前記ガイド・ベーンがコーン状で、下方に行くにしたがって拡がった形状で 、風力の長手方向に沿った変動により良く対応出来るようにしたことを特徴とす る、請求項１記載の横風型ウインド・タービン。 ８、前記ガイド・ベーンの間隔と傾き角度が調節可能で、したがって、それらは 、マシンのスピード調節機構として効果的に使用出来ることを特徴とする、請求 項１記載の横風型ウインド・タービン。 ９、前記ロータ・プレードの間隔が調節可能で、風に対する最適の入射角度が得 られるように調節出来ることを特徴とする、請求項１記載の横風型ウインド・タ ービン。 １０．前記ガイド・ベーンが固定される前記ベース・プレートおよび上部カバー ・プレート、あるいは前記上部および底部のロータ・カバー・プレートがコンパ クトなものあるいはパーフォレート構造であることを特徴とする、請求項１記載 の横風型ウインド・タービン。 １１．必要な角度に傾けて、液体を動作媒体として使用することが出来ることを 特徴とする、請求項１記載の横風型ウインド・タービン。