JP2010511831A - 風力タービン装置 - Google Patents

Abstract

空気を受ける薄片状の輪郭を有する翼を備えた風力タービン装置が提供される。装置は、たとえ弱い風の状況の場合でも動作が開始されるよう構成されており、より高い回転速度で揚力タイプの装置として機能する。装置は、装置を通るよう風を集中させる風偏向部材を備えていてもよい。さらに、翼は、半径ラインに対して９０°よりも小さい角度となるよう配置され、このことにより性能が向上する。さらに、装置は、太陽エネルギーにより水を加熱するよう構成されていてもよい。

Description

本発明は、風力タービン装置に関する。

風力タービン装置には、都会の環境において、風の力が変動したり風の角度が変わったりするといった、多くの問題が存在する。さらに、ノイズ、振動および信頼性の問題といった、風力タービン装置に関する様々な問題が存在する。さらに、均一な風の状況を得るために高い場所に風力タービン装置を取り付けようとすると、多くのコストがかかってしまう。

本発明は、少なくとも上述のような問題のいくつかが緩和されるような風力タービン装置を提供する。

本発明の一の態様によれば、複数の細長いタービン翼が細長い軸に回転自在に取り付けられ、各タービン翼は、連続的に湾曲する外側薄片表面を有するとともにカップ形状または切断された部分を内側薄片表面に有するような、空気を受ける薄片状の輪郭を有していることを特徴とする風力タービン装置が提供される。

本発明の更なる態様によれば、複数の細長いタービン翼が細長い軸に回転自在に取り付けられ、各タービン翼は、連続的に湾曲する外側薄片表面を有するような、空気を受ける薄片状の輪郭を有しており、タービン翼は、軸から延びる半径ラインに対して９０°より小さい角度で配置されることを特徴とする風力タービン装置が提供される。

本発明の別の更なる態様によれば、複数の細長いタービン翼が細長い軸に回転自在に取り付けられ、各タービン翼は、連続的に湾曲する外側薄片表面を有するような、空気を受ける薄片状の輪郭を有しており、装置に入るよう風の向きを変えるよう、風偏向部材が装置に隣接して配置されていることを特徴とする風力タービン装置が提供される。

本発明の別の更なる態様によれば、複数の細長いタービン翼が細長い軸に回転自在に取り付けられ、各タービン翼は、連続的に湾曲する外側薄片表面を有するような、空気を受ける薄片状の輪郭を有しており、装置は、また、太陽エネルギーにより水を温めるよう構成されていることを特徴とする風力タービン装置が提供される。

本発明は、添付図面を参照して、以下に例示的に記載される。

本発明の一の実施の形態による風力タービン装置の概略端面図である。 図１に示す装置の斜視図である。 風力タービン装置の更なる実施の形態を示すとともに、どのようにして風が装置に影響を与えるかを示す、図１に類似する図である。 風力タービン装置に隣接して偏向部材が設けられていることを示す、図１に類似する図である。 屋根の尾根線に取り付けられた、本発明によるタービン翼装置を示す、図１に類似する図である。 屋根の尾根線に１つ、２つまたは３つのタービンモジュールが取り付けられた、本発明による風力タービン装置の３つの例を示す図である。 従来の垂直軸の風力タービンの概略端面図である。 本発明による風力タービン装置の概略端面図であって、半径ラインに対して９０°より小さい角度に向けられた翼を示す図である。 図８に類似する概略端面図であって、図１のタービン翼に類似するタービン翼を示す図である。 本発明による２つの部分の風力タービンモジュール装置の斜視図である。 本発明による風力タービン装置の概略端面図であって、柔軟なタービン翼を示す図である。 本発明の風力タービン装置を示す概略端面図であって、太陽エネルギーによる水の加熱が同時に行われることを示す図である。 本発明にとって有用な、切断された輪郭を有するタービン翼の例を示す図である。

添付図面に示されるような、以下に示す本実施の形態の記載において、同様の参照符号が付されたものは、同様の構成要素を示す。

添付図面の図１および図２には、一対の端板ディスク１２（図１では１つの端板ディスク１２のみが示される）を有する風力タービン装置１０が示される。端板ディスク１２は中心軸１４に取り付けられており、この端板ディスク１２は中心軸１４を中心として回転するよう設けられている。

風力タービン装置１０は、複数の、この場合では３つの、非対称の空気を受ける薄片の（ａｅｒｏｆｏｉｌ）タービン翼１６を更に有している。タービン翼１６は、ディスク１２の周縁部に設けられており、一対のディスク１２間に配置されている。

各タービン翼１６は、先頭エッジ１８、後続エッジ２０、外側の低圧力の揚力を生成する湾曲した表面２２、および内側の比較的高い（大気の）圧力の表面２４を有している。表面２４は、後続エッジ２０に対する距離の一部分の距離で、この場合約５０％の距離で、先頭エッジ１８から後方に延びている。このため、各々の表面２４の後端部と対応する後続エッジ２０との間に空間２６が形成される。

さらに、各タービン翼１６は、このタービン翼１６の表面２２の内面と、対応する表面２４の隣り合う面との間に形成される隙間２８により、カップのようにへこんだ形となる。代わりに、タービン翼１６は、後続エッジ２０に隣り合う切断された部分が設けられたものであってもよい。

添付図面の図３に、２つの翼タービン装置３０が示されていること以外は図１に類似する図を示す。図３において、風の流れる方向を示す矢印３１が複数示されている。タービンの回転方向は矢印３２で示される。図示のように、矢印３１により示される大気の風は、カップのようにへこんだ形となっている、下方への風に直面するタービン翼１６の隙間２８の中に押し込まれる。この動作により、タービン装置３０の動作が開始される。

回転動作が一旦開始されると、（添付図面の図３に示される）下側のタービン翼１６の表面２２を越えて流れる風により、持ち上げ（浮揚、ｌｉｆｔ）効果が得られる。この持ち上げ効果により、タービン翼１６の薄片の形状によって持ち上げ（浮揚）が行われる。

添付図面の図１乃至図３に示すような本発明の実施の形態に関して、タービン翼１６は、上述の２つの端板ディスク１２の間に都合良く保持されることに留意されたい。しかしながら、端板が設けられておらず、タービン翼１６が中心軸１４に向かって湾曲するようになっていてもよい。本発明の風力タービン装置１０に用いられるタービン翼の数は２または３であることが好ましいが、必要に応じて、それ以上の数のタービン翼が用いられてもよい。

各タービン翼１６におけるカップのようにへこんだ形の構成により、風力タービン装置１０に抵抗効果および浮揚操作効果の二重の効果が与えられる。このような構成において、湾曲した外側の表面２２の大部分が、端板ディスク１２の外側の湾曲に続くようになっていることが好ましい。

さらに、内側の高圧力の表面２４は、先頭エッジ１８から、先頭エッジ１８と後続エッジ２０との間の距離の１０−９０％の間の距離で、後方に延びるようにすることができる。しかしながら、この距離は、先頭エッジ１８から後続エッジ２０までの間の距離の約５０−６０％の間であることが好ましい。この距離は、より迅速な開始を行う性能と、周速比（風速に対する翼先端の周速度の比、Ｔｉｐ Ｓｐｅｅｄ Ｒａｔｉｏ（ＴＳＲ））の性能とを両方満たすような好ましい値として発見されたものである。

このような構成により、完全な薄片から最小限の性能の変更を行うだけで、各タービン翼１６の内部をスムーズに横切るよう流れるような風の通路のための十分な内部表面が得られる。

しかしながら、後ろから見たときに、薄片のカップのようにへこんだ形状により、たとえ非常に弱い風であっても、風を捕捉することができ、このため、非常に弱い風の状況の場合でも風力タービン装置１０の動作を開始させることができる。風力タービン装置１０が一旦十分な回転速度を得ると、および／または風が十分な強さを得ると、浮揚タイプの装置として動作を開始することができ、風量タービン装置１０は風の速度よりも早く回転することができる。周速比（ＴＳＲ）が１を超え、また、概して１．５乃至３の範囲内で動作を行うことができることが発見された。

添付図面の図４に、図１に示すものと同様のタービン翼装置４０が示されている。この実施の形態は、一対の対向する風偏向部材４２、４４を備えている。偏向部材４２は、第１のプレートＡおよび第２のプレートＢを有している。偏向部材４４は、第１のプレートＤおよび第２のプレートＣを有している。風の向きは矢印４６で示され、タービン装置４０は矢印４８で示される方向に回転する。

添付図面の図５に、屋根５４の尾根線５２に取り付けられたタービン翼装置５０を示す。風の向きは矢印５６で示され、タービン装置５０は矢印５８で示される方向に回転する。タービン翼装置は支持フレーム５９により取り付けられている。

風力タービン装置の周辺に偏向部材４２、４４を追加することにより、タービンの性能を向上させることができる。

図４に示すような実施の形態に関して、プレートＡおよびＤは明らかにタービン装置４０を通過する風を追加的に集中させるものであることがわかる。このため、これらのプレートにより、性能を向上させることができる。しかしながら、１つのプレートによる最も大きい個々の改善は、タービンへ風を押し込むことのないプレートＢによるものであることがわかる。同様に、プレートＣは、風を押し込むだけではなく、十分な改善を行うこととなる。このため、偏向部材４２、４４が、タービンを通過する風の流れのパターンを、より有利な性能の効果とするよう変えるという結果となる。好ましくは、偏向部材４２、４４の頂部エッジが、風力タービンから、風力タービンの直径の２０％より小さい距離の箇所に設けられることが好ましく、このことにより、性能について十分な改善を行うことができる。

全ての４つのプレートＡ、Ｂ、ＣおよびＤが用いられると、最大の効果が得られる。しかしながら、プレートＡ、Ｂ、ＣおよびＤのうち一部のものを用いるだけでも、改善を行うことができる。

図５の実施の形態に関して、屋根５４は、風偏向部材の一つの構成要素となる。このような屋根５４により、図４に示す実施の形態の効果の一部が得られる。

さらに、偏向部材４２、４４または尾根線５２が、丸みのある頂部ではなく明りょうなＶ字形状の頂部を有するときに、最良の結果が得られる。

さらに、これらの技術は、屋根の頂部の尾根線を有さないような、商業ビルやオフィスのブロックにも適用することができる。この場合、風力タービン装置は、９０°のビルの角のような、ビルの縁部に取り付けることができる。このような角は、本発明の装置の取り付けの機会を提供することがわかる。なぜならば、ビルの角は、風が集中する領域を提供し、自然の偏向プレートタイプの形状となっているからである。

さらに、屋根の頂部の尾根線およびビルの角は、本発明による風力タービン装置を取り付けるのに構造的に最も強い部分となっている。

図６に、屋根の尾根線に取り付けられる風力タービン装置の３つの例が示されている。（ａ）において１つのモジュールが設けられており、（ｂ）において２つのモジュールが設けられており、（ｃ）において３つのモジュールが設けられている。

添付図面の図７に、従来の風力タービン装置７０の概略端面図が示される。

図７において、中心回転軸７２および複数の周辺の中実の薄片のタービン翼７４を有する風力タービン装置７０が示されている。タービン翼７４は、図７に示す端面図で見たときに対称となっている。

タービン翼７４は、先頭端部７６および後続エッジ７８を有している。タービンの回転方向は矢印７７で示される。翼７４は、軸７２から延びる半径ライン７５に対して９０°の角度で配置されている。なお、この半径ライン７５は、後続エッジ７８から、タービン翼７４が最も厚くなるような中間点まで延びるライン７９と交差している。

図面からわかるように、各後続エッジ７８は、ディスク１２の境界を越えて外部に延びている。上記の９０°の角度は、装置７０の性能にとって不利益となることが発見されている。

図８に、本発明による風力タービン装置８０が示されている。この風力タービン装置８０において、中実の薄片のタービン翼７４は、軸７２から延びる半径ライン８１に対して９０°よりも小さい角度で配置されている。ここで、半径ライン８１は、後続エッジ７８から、タービン翼７４が最も厚くなるような中間点まで延びるライン８３と交差している。このような角度により、タービン装置８０の性能について実質的な改善を導くことができることが発見されている。

添付図面の図９に、図８に示すものと類似する、本発明のタービン翼タービン装置９０が示されている。しかしながら、装置９０は、図１に示すものに類似するような、一対のカップのようにへこんだタービン翼１６を有している。この場合、各タービン翼１６の後続エッジ２０から、タービン翼１６が最も厚くなるような中間点まで延びるラインは、約７６°の角度で半径ライン９２と交差する。

上述のように、図８および図９に示すような、９０°よりも小さい角度となるようなタービン翼の向きにより、改善された性能が得られることが理解される。この角度は、回転軸から、タービン翼が最も厚くなるような箇所の中心まで引かれるラインと、タービン翼が最も厚くなるよう箇所の中心から、後続エッジまで引かれるラインとの交差により決められるものである。９０°よりも小さい角度のタービン翼の向きにより、揚抗比（ｌｉｆｔ ｔｏ ｄｒａｇ ｒａｔｉｏ）を向上させることができ、このことにより、従来のような９０°の向きに配置されるタービン翼よりも改善された性能が得られる。

添付図面の図１０に、本発明による１つのモジュールの風力タービン装置１００が示される。このような実施の形態において、２つの風力タービン部分１０が一緒に配置されて１つの完全なモジュールを形成する。図示のように、これらのタービン部分１０は、プレートディスク１２と、軸１４とともに設けられたタービン翼１６とを有している。しかしながら、図示のように、一つの部分の２つのタービン翼１６は、他の部分の２つのタービン翼１６に対して９０°回転したものとなっている。このような構成により、よりスムーズなトルク曲線が得られ、２つのタービン翼のみが設けられた１つの部分よりも、よりスムーズで良好なバランス性能が概して得られる。

本発明の図１１に、図１に示すものと同様の装置１１０が示される。しかしながら、この場合、装置１１０は、柔軟な後続エッジ１１４を有する薄片のタービン翼１１２を有している。

この実施の形態において、後続エッジ１１４は、回転速度が増加したときに後方に曲がる傾向があるということがわかる。このため、図示のように、各後続エッジ１１４は、その緩んだ静止位置から、回転速度が増加するにつれて外方に動くよう設けられている。このようにして、もし回転速度が過度に大きくなると、後続エッジ１１４は外方に曲がり、揚力が低くなるとともに抵抗効果が高くなり、装置１１０の回転速度の増加が抑制される。タービン翼１１２は、後続エッジに設けられるもの以外でも柔軟なものとすることができ、この場合でも、柔軟な後続エッジ１１４を使用することにより得られる結果と同様の結果が得られる。

このことは、ブレード角度を効果的に増加させ、それにより性能を減少させ、このことによって風速の増加に関する周速比を減少させる。このことは、高い風速回転率を減少させ、風が逃げる機会を減少させるとともに、ノイズ、振動およびタービンの損傷を減少させるようなシンプルな方法である。

本発明の風力タービン装置をモジュールスタイルのものとし、ビルのモジュール配置において複数のユニットが互いに接続されるようなものも考えられる。さらに、射出成形や押出のような低コストの量産技術により、個々のタービンを比較的容易に安価で製造するということも考えられる。さらに、ユニットがプラスチック材料から製造できるということも考えられる。さらに、上記の実施の形態では、水平な回転軸を有するユニットを使用しているが、鉛直な回転軸または水平方向と鉛直方向との間の方向に延びる回転軸を用いたユニットも考えられる。

さらに、本発明の風力タービン装置は、とりわけ、発電に用いられることについても考えられる。このような場合、本発明のユニットは、通常時に使用できる電子コネクターを使用することができることや、モジュールシステムの複数のユニットが、太陽光パネルに用いられるのと同様の公知の方法で互いに接続できるということも考えられる。

本発明の装置は、風が集中するような外部の場所でビルに取り付けられるよう設計されているが、たいていの場合、これらの場所はたいてい日当たりが良いようになっている。このことにより、装置が水を熱するような性能も有している場合、この装置はコストを十分に節約することができる。

現状では、風力タービンおよび太陽光給湯システムは、完全に別のものとなっている。両方のものは個々に設けられ、それぞれの別個の取付フレームが必要となる。これらの取付フレームは、従来の太陽光給湯システムの導入コストと組み合わせて、一般的に全体のシステムのコストの３分の１を占めるようになる。従来の公知の技術の形態において、風力タービンと太陽光による給湯との間で、相乗効果は現在のところ存在しない。

本発明の装置では、タービンの発電性能に影響を与えることなく、太陽光を利用することにより、水を加熱する（給湯）性能を組み込むことができる。このことは、タービン自体の基本のコストに対して、わずかなコストの追加で、給湯を行うことができるという利点がある。消費者が従来の太陽光給湯システムにおいて従来のような大きなコストを支払わなければならない代わりに、本発明の装置の購入にそれを組み込むことによって、小さなコストで給湯を行うことができる。この方法により、消費者は、発電を行うことができることに加えて、太陽光給湯システムのコストを節減することができる。

本発明の装置に太陽光給湯システムを組み込む方法として、様々な方法がある。

図１２（ａ）に示すような一の例において、チューブの形態の軸１４を通るよう水を流し、タービン翼の内部に、放物線状（パラボラアンテナ状）のマイクロストリップの反射部を組み込んでいる。太陽光線１３０は、ブレード翼の内部で反射し、軸のチューブ上に集中する。このことにより水を加熱する。太陽光の一部分は回転するタービン翼によりブロックされるが、この方法は、幅広い太陽の角度に適合するという利点がある。

他の例として、取付フレームのベース５９を通るよう水を流し、図１２（ｂ）の参照符号１２２に示すような従来の太陽光加熱手段を介して加熱を行うものがある。

他の例として、取付フレームの頂部を通るよう水を流し、図１２（ｂ）の参照符号１２４に示すような従来の太陽光加熱手段を介して加熱を行うものがある。

図１３（ａ）（ｂ）に、切断された輪郭を有するタービン翼１３１、１３２の例を示す。これらのタービン翼は、図１および２に示すようなタービン翼１６の代わりに使用することができる。図示のように、これらのタービン翼の実施の形態は、間隙２８を有しておらず、代わりに先頭エッジ１８から後続エッジ２０に向かって部分的に延びる表面２４を有している。

このことにより、各々の場合において、隙間２８と同様の方法で、動作開始時に風を捉えるよう構成された、後方に面する表面１３４が設けられることとなる。

本発明の範囲内において、当業者にとって改良および変更を行うことができることは明らかである。

Claims (14)

1. 複数の細長いタービン翼が細長い軸に回転自在に取り付けられ、各タービン翼は、連続的に湾曲する外側薄片表面を有するとともにカップ形状または切断された部分を内側薄片表面に有するような、空気を受ける薄片状の輪郭を有していることを特徴とする風力タービン装置。
2. 少なくとも２つの互いに離間した端部プレートを有し、これらの端部プレートの間で前記軸が延びており、各タービン翼は前記端部プレートのディスクに取り付けられるとともにこれらの端部プレートの間で延びていることを特徴とする請求項１記載の風力タービン装置。
3. 前記各タービン翼は、前記端部プレートの外周に隣接して互いに離れて設けられており、前記軸の周囲で回転するよう設けられていることを特徴とする請求項２記載の風力タービン装置。
4. 各タービン翼は先頭エッジ、後続エッジ、外側の低圧力の揚力を生成する内側表面、および内側の比較的高圧力の表面を有しており、内側の比較的高圧力の表面は、前記先頭エッジから、前記後続エッジへの距離の一部だけ後方に延びており、前記内側の比較的高圧力の表面の後続端部と、前記後続エッジとの間に空間が形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の風力タービン装置。
5. 前記内側の比較的高圧力の表面は、前記先頭エッジと前記後続エッジとの間の距離の１０−９０％の間の距離で後方に延びていることを特徴とする請求項４記載の風力タービン装置。
6. 前記内側の比較的高圧力の表面は、前記先頭エッジと前記後続エッジとの間の距離の５０−６０％の間の距離で後方に延びていることを特徴とする請求項５記載の風力タービン装置。
7. 装置に入るよう風の向きを変えるよう、風偏向部材が装置に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の風力タービン装置。
8. 風偏向部材は、１または複数のプレートを有することを特徴とする請求項７記載の風力タービン装置。
9. 装置は屋根の尾根線または複数階のビルの屋根の縁部に取り付けられ、尾根線または屋根の縁部が風偏向部材として機能することを特徴とする請求項７記載の風力タービン装置。
10. タービン翼は、軸から延びる半径ラインに対して９０°より小さい角度で配置されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の風力タービン装置。
11. タービン翼は柔軟性を有し、回転速度が増加したときにタービン翼は外側に曲がるようになっていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の風力タービン装置。
12. 複数の細長いタービン翼が細長い軸に回転自在に取り付けられ、各タービン翼は、連続的に湾曲する外側薄片表面を有するような、空気を受ける薄片状の輪郭を有しており、タービン翼は、軸から延びる半径ラインに対して９０°より小さい角度で配置されることを特徴とする風力タービン装置。
13. 複数の細長いタービン翼が細長い軸に回転自在に取り付けられ、各タービン翼は、連続的に湾曲する外側薄片表面を有するような、空気を受ける薄片状の輪郭を有しており、装置を通るよう風の流れるパターンを変えるよう、風偏向部材が装置に隣接して配置されていることを特徴とする風力タービン装置。
14. 複数の細長いタービン翼が細長い軸に回転自在に取り付けられ、各タービン翼は、連続的に湾曲する外側薄片表面を有するような、空気を受ける薄片状の輪郭を有しており、装置は、風エネルギーにより発電を行うとともに太陽エネルギーにより水を温めるよう構成されていることを特徴とする風力タービン装置。

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