(57)【要約】【課題】本発明は、風力エネルギーシステムの分野におけるさらなる研究開発の結果であり、例えば、合計エネルギー効率が単一のタービンについてのベッツの限界よりも大きくなり得る複合システムを提供することを目的とする。【解決手段】  風力エネルギーシステム１０は、開口部１４ａおよび１４ｂを両端に有する風トンネルモジュール１２を含む。風トンネルモジュール１２の断面積は開口部１４ａおよび１４ｂからトンネルモジュールの中間部１６に向かって減少するが、開口部は実質的に同じ断面積を有する。中間部１６の断面積は実質的に一定である。ブレードの数が等しいかもしくは異なる１つまたは複数の風力タービンが、風トンネル内で中間部１６の中または近傍に取り付けられ得る。中間部１６は、モジュール１２がいかなる勾配の屋根２０にも沿うことができるように屈曲可能となっている。【選択図】図２
2010065676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端の第１および第２の開口部と、前記第１および第２の開口部の間に位置する中間部とを有する風トンネルモジュールであって、各開口部が実質的に同じ断面積を有し、該風トンネルモジュールの断面積が各開口部から前記中間部に向かって低減し、前記中間部の断面積が実質的に一定である風トンネルモジュールと、
前記中間部の中または近傍に支持された１つまたは複数の風力タービンと、
前記風力タービンの少なくとも１つによって駆動される少なくとも１つの発電機とを含む風力エネルギーシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記中間部が、可撓性または屈曲可能な管状である風力エネルギーシステム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記第１の開口部と定義する口を有する第１のトンネル部と、前記第２の開口部と定義する口を有する第２のトンネル部とを前記中間部の両端にそれぞれ備える風力エネルギーシステム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記中間部の一端に隣接して位置する第１のタービンハウジングと、前記中間部の反対端に隣接して位置する第２のタービンハウジングとを備える風力エネルギーシステム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の風力エネルギーシステムにおいて、２つの風力タービンを備える風力エネルギーシステム。
【請求項６】
請求項５に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記２つの風力タービンの風の流動特性が互いに同じである風力エネルギーシステム。
【請求項７】
請求項５に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記２つの風力タービンの風の流動特性が互いに異なる風力エネルギーシステム。
【請求項８】
請求項７に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記２つの風力タービンが、複数の放射状に延びるブレードを有し、前記ブレードの数が前記２つの風力タービンにおいて互いに異なる風力エネルギーシステム。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記風力タービンの１つまたは複数が、複数の放射状に延びるブレードと、前記ブレードの半径方向外側縁部を囲む外周面とを備える風力エネルギーシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記風力タービンの１つまたは複数が、前記タービンの回転軸と前記外周面との中間の半径方向の位置に、前記タービンブレードと交差する中間周面を備える風力エネルギーシステム。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記風トンネルモジュールの上に重なる覆いを備える風力エネルギーシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記覆いが、第１および第２の部分からなり、該第１および第２の部分は、前記中間部の伸長方向に垂直な線に沿って該第１および第２の部分間の角度を調節できるように調節可能に連結されている風力エネルギーシステム。
【請求項１３】
並んで配置された請求項１から１０のいずれか１項に記載の複数の風力エネルギーシステムと、前記複数の風力エネルギーシステムの上に重なる防水性の覆いとからなり、前記覆いが少なくとも各風力エネルギーシステムの前記中間部を覆うように延出した縦方向両側縁部を有する風力エネルギー変換システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の風力エネルギー変換システムにおいて、前記覆いが、第１および第２の部分からなり、該第１および第２の部分は、前記中間部の伸長方向に垂直な線に沿って当該部分間の角度を調節できるように調節可能に連結されている風力エネルギー変換システム。
【請求項１５】
両端の第１および第２の開口部と、前記第１および第２の開口部の間に位置する中間部とからなる風トンネルモジュールであって、各開口部が実質的に同じ断面積を有し、該風トンネルモジュールの断面積が各開口部から前記トンネルの中間部に向かって低減し、前記中間部の断面積が実質的に一定である風トンネルモジュール。
【請求項１６】
請求項１５に記載の風トンネルモジュールにおいて、前記中間部が、可撓性または屈曲可能な管状である風トンネルモジュール。
【請求項１７】
請求項１５又は１６に記載の風トンネルモジュールにおいて、前記第１の開口部と定義する口を有する第１のトンネル部と、前記第２の開口部と定義する口を有する第２のトンネル部とを前記中間部の両端にそれぞれ備えた風トンネルモジュール。
【請求項１８】
請求項１５から１７のいずれか１項に記載の風トンネルモジュールにおいて、前記中間部の一端に隣接して位置する第１のタービンハウジングと、前記中間部の反対端に隣接して位置する第２のタービンハウジングとを備える風トンネルモジュール。
【請求項１９】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記開口部が、そのいずれの方向からも６０度までの角度で当たる風を受け入れるように構成された風力エネルギーシステム。
【請求項２０】
請求項１３又は１４に記載の風力エネルギー変換システムにおいて、前記開口部が、そのいずれの方向からも６０度までの角度で当たる風を受け入れるように構成された風力エネルギー変換システム。
【請求項２１】
請求項１５から１８のいずれか１項に記載の風トンネルモジュールにおいて、前記開口部が、そのいずれの方向からも６０度までの角度で当たる風を受け入れるように構成された風トンネルモジュール。
【請求項２２】
風をいずれの方向にも通り抜けさせるために両端が開放された風トンネルと、前記両端またはその近くに１つずつ位置する２つの風力タービンと、前記風力タービンによって駆動される発電機とを含む風力エネルギーシステム。
【請求項２３】
請求項２２に記載の風力エネルギーシステムにおいて、前記風力タービンが、全体として最大で０．８３のベッツの限界を提供するように構成された風力エネルギーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力エネルギーシステム、特に、限定されるわけではないが、建物用の風力エネルギーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、建物の屋根に取り付けて、発電用の発電機を駆動し、その建物の電力需要を少なくとも部分的に満たすのに現在利用可能である。本出願人は、勾配屋根の棟に沿って配置された１つまたは複数の風力タービンを含む建物用エネルギー変換システムを以前に考案している。該システムは勾配屋根によって支持されたカバーも含み、このカバーは勾配屋根の勾配よりも小さい勾配を有する。このカバーと屋根構造とが一緒になって、風を風力タービンを通って流れるような向きにする風トンネルを形成する。
【０００３】
本出願人の上述のシステムのさらなる詳細は、下記特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】シンガポール特許出願第２００７１６８６８−５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、風力エネルギーシステムの分野におけるさらなる研究開発の結果であり、例えば、合計エネルギー効率が単一のタービンについてのベッツの限界よりも大きくなり得る複合システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によると、両端の第１および第２の開口部と、第１および第２の開口部の間に位置する中間部とを有する風トンネルモジュールであって、各開口部が実質的に同じ断面積を有し、該風トンネルモジュールの断面積が各開口部から中間部に向かって低減し、中間部の断面積が実質的に一定である風トンネルモジュールと、
中間部の中または近傍に支持された１つまたは複数の風力タービンと、
風力タービンの少なくとも１つによって駆動される少なくとも１つの発電機とを含む風力エネルギーシステムが提供される。
【０００７】
各開口部は、いずれの方向からも６０度までの角度で当たる風を受け入れるように構成することができる。
【０００８】
中間部は、可撓性または屈曲可能な管状とすることができる。
【０００９】
風トンネルモジュールとしては、更に中間部の両端にそれぞれ配置された第１及び第２のトンネル部からなる構成のものを挙げることができ、前記第１のトンネル部は、第１の開口部と定義する口を有し、前記第２のトンネル部は、第２の開口部と定義する口を有する。
【００１０】
風トンネルモジュールとしては、中間部の一端に隣接して位置する第１のタービンハウジングと、中間部の反対端に隣接して位置する第２のタービンハウジングとからなる構成のものを挙げることができる。
【００１１】
風力エネルギーシステムは、２つの風力タービンを備えることができる。
【００１２】
各風力タービンには、発電機を設けてもよい。
【００１３】
別の実施形態においては、風力タービンの両方によって駆動される単一の発電機を設けてもよい。本実施形態は、非常に強風および強風の環境において特に有用であるが、このような環境に限定されるわけではない。発電機の少なくとも１つをタービンのハブに取り付けてもよい。風力エネルギーシステムが２つのタービンを含む実施形態においては、風力タービンの風の流動特性を同じかまたは異ならせることが考えられる。特に、いくつかの実施形態においては、各タービンに備えられるブレードの数を互いに異ならせても良い。
【００１４】
一実施形態においては、風力タービンの１つまたは複数が、複数の放射状に延びるブレードと、ブレードの半径方向外側縁部を囲む外周面とを備える。風力タービンの１つまたは複数は、タービンの回転軸と外周面との中間の半径方向の位置に、タービンブレードと交差する中間周面をさらに備えても良い。
【００１５】
風力エネルギーシステムにおいては、風トンネルモジュールの上に重なる覆いをさらに備えることができる。覆いは、第１および第２の部分とすることができ、該第１および第２の部分は、中間部の伸長方向に垂直な線に沿って当該部分間の角度を調節できるように調節可能に連結されている。
【００１６】
本発明のさらなる態様は、並んで配置された本発明の第１の態様による複数の風力エネルギーシステムと、複数の風力エネルギーシステムの上に重なる防水性の覆いとを含み、該覆いが少なくとも各風力エネルギーシステムの中間部を覆うように延出した縦方向両側縁部を有する建物用風力エネルギー変換システムを提供する。覆いは、第１および第２の部分とすることができ、該第１および第２の部分は、中間部の伸長方向に垂直な線に沿って当該部分間の角度を調節できるように調節可能に連結されている。
【００１７】
本発明のさらなる態様は、両端の第１および第２の開口部と、第１および第２の開口部の間に位置する中間部とを含む風トンネルモジュールであって、各開口部が実質的に同じ断面積を有し、該風トンネルモジュールの断面積が各開口部からトンネルの中間部に向かって低減し、中間部の断面積が実質的に一定である風トンネルモジュールを提供する。
【００１８】
本発明のさらなる一実施形態は、風をいずれの方向にも通り抜けさせるために両端が開放された風トンネルと、該両端またはその近くに１つずつ位置する２つの風力タービンと、風力タービンによって駆動される発電機とを含む風力エネルギーシステムを提供する。
【００１９】
本実施形態において、風力タービンは、全体として最大で０．８３のベッツの限界を提供するように構成することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の風力エネルギーシステムによれば、例えば、単一のモジュール内に複数のタービンを用いることにより、合計エネルギー効率を、単一のタービンについてのベッツの限界よりも大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、建物の屋根に対して用いられた風力エネルギーシステムの一実施形態の概略斜視図である。
【図２】図２は、図１に示すシステムのＡＡ断面図である。
【図３】図３は、風力エネルギーシステムに組み込まれ得る風力タービンの一実施形態の正面図である。
【図４】図４は、風力エネルギーシステムに組み込まれ得るさらなる風力タービンを示す図である。
【図５】図５は、風力エネルギーシステムに組み込まれ得る別の風力タービンを示す図である。
【図６】図６は、風力エネルギーシステムに組み込まれた風トンネルの幅広の端部における風の受入可能範囲の概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を単なる例示として説明する。
【００２３】
添付の図面、特に図１および図２を参照すると、本発明による風力エネルギーシステム１０の一実施形態は、開口部１４ａおよび１４ｂ（以下、概して「開口部１４」という）を両端に有する風トンネルモジュール１２からなる。風トンネルモジュール１２の断面積は開口部１４からトンネルモジュール１２の中間部１６に向かって減少しているが、両開口部１４は実質的に同じ断面積を有する。中間部１６の断面積は実質的に一定である。システム１０は、図３〜図５にそれぞれ例示するような１つまたは複数の風力タービン１８ａ、１８ｂまたは１８ｃ（以下、概して「タービン１８」という）を備えることができる。タービン１８は、システム１０内で中間部１６の中かまたは中間部１６に隣接して取り付けられる。風力タービン１８の少なくとも１つによって駆動される少なくとも１つの発電機（図示せず）も設けられる。
【００２４】
図示された実施形態において、システム１０は、勾配屋根２０上に屋根２０の棟２２に中間部１６が跨った状態で並んで取り付けられた複数の同一の隣接するシステム１０のうちの１つである。
【００２５】
中間部１６の両端のそれぞれにタービンハウジング２４ａおよび２４ｂ（以下、概して「ハウジング２４」という）が位置する。ハウジング２４は中間部１６と同様の内径を有する。ハウジング２４は、風トンネルモジュール１２の中間部１６とトンネル部２６ａおよび２６ｂのそれぞれとの間の連結部としても働く。
【００２６】
図６を参照すると、各開口部１４は、当該開口部１４のいずれの方向からも６０度までの角度α（開口部１４およびトンネル２６の縦方向軸Ｙとなす角度αに相当する）で当たる風を風トンネルモジュール１２が受け入れることができるように構成される。図６は、風トンネルモジュール１２の断面積を開口部１４からトンネルモジュール１２の中間部１６に向かって減少させるトンネル部２６の側壁２５の、１つの考えられる形状および構成を示している。
【００２７】
システム１０が２つの風力タービン１８を含む場合、各タービンは、それぞれのハウジング２４内に取り付けられる。開口部１４の一方に入った風Ｗは、隣接するトンネル部２６、中間部１６およびもう一方のトンネル部２６を通って流れ、反対側の開口部１４から出て行く。風トンネルモジュール１２（具体的にはトンネル部２６）の断面積が開口部１４から中間部１６に向かって減少するため、付随的に風の速度が増加する。風力タービンからの電力出力は風の速度の３乗に比例することが知られている。したがって、風の速度が増加すると電力出力が向上することになる。
【００２８】
風の運動エネルギーを１００％の効率で利用することはできないことも知られている。具体的には、ベッツの法則により、風力タービンを用いた運動エネルギーの機械的エネルギーへの最大変換効率は約５９％であることが証明されている。風力タービンによって風から取り出される運動エネルギーが大きいほど、風が風力タービンを通過するときの風の減速が大きい。風力タービンの効率を１００％にするには、タービンから離れる際に風速がゼロに低下しなければならないことになる。しかしながら、風速がゼロに低下したとすると、空気がタービンから離れて行かないことになり、したがって、風がタービンに入ることができないことになるので、エネルギーは取り出されないということになる。
【００２９】
システム１０のいくつかの実施形態は、合計エネルギー効率が単一のタービンについてのベッツの限界よりも大きくなり得る複合システムを提供しようとするものである。例えば風が主に開口部１４ａから風トンネルモジュール１２に入る非常に強風または強風の環境に特によく適し得るシステム１０の一実施形態においては、図３に示すような１０枚ブレードのタービン１８ａがハウジング２４ａ内に設置され、図４に示すような６枚ブレードのタービン１８ｂがハウジング２４ｂ内に設置される。この構成では、風力エネルギーは、まず１０枚ブレードのタービン１８ａによって利用され、続いて６枚ブレードのタービン１８ｂによって利用される。タービン１８のそれぞれは、風力エネルギーを電気エネルギーに変換するために、ギヤボックス（図示せず）を介して発電機またはそれに代わるものに接続される。
【００３０】
風Ｗが開口部１４ａからトンネルモジュール１２に入った当初は、処理前の風力が獲得対象となる力の１００％である。
【００３１】
第１のタービンで獲得される風力の率は、下記数式（１）のようになる。
【００３２】
【数１】
2010065676.tif 000003
【００３３】
ここで、ηｔｕｒｂｉｎｅは、タービンの効率である。
【００３４】
風管内の摩擦による力の損失を無視すると、第１のタービンを通り抜けて第２のタービンに達する風力は、下記数式（２）のようになる。
【００３５】
【数２】
2010065676.tif 000004
【００３６】
第２のタービンもηｔｕｒｂｉｎｅの効率を有する。二重タービンモジュールの合成効率は、下記数式（３）のようになる。
【００３７】
【数３】
2010065676.tif 000005
【００３８】
二重タービンシステムの理想効率は、ベッツの限界において（すなわち、５９％の効率の理想的なタービンを有すると）得られる（下記数式（４））。
【００３９】
【数４】
2010065676.tif 000006
【００４０】
上記のように、風の強い計画地用に単一のモジュール内に２つのタービンを用いることにより、ベッツの限界を全体として０．５９から０．８３に高めることができる。
【００４１】
風が中程度の環境において、風Ｗが主に開口部１４ａからトンネルモジュール１２に入る場合は、ハウジング２４ａ内には図３に示すような１０枚ブレードのタービン１８ａが設置されるが、一方でハウジン部２４ｂ内には図５に示すような３枚ブレードのタービン１８ｃが設置される。本実施形態においては、タービン１８ｃは発電機には接続されないで、ハウジング２４ａ内のタービン１８ａのみに発電機またはそれに代わるものが連結される。３枚ブレードのタービン１８ｃは、タービン１８ａのためにトンネルモジュール１２内の背圧を安定させる風圧補償タービンとして働き、空気の流れを平滑化する。さらに、タービン１８ｃは、開口部１４ａを通じてより多くの空気を引き込むための吸引ポンプとして働く。タービン１８ｃのこの作用は、風の強い状況と風の弱い状況とを考えるとよりよく理解することができる。強風下では、タービン１８ｃは、上流のタービン１８ａを通り抜ける空気により、高速で回転する。風の強さが弱まると、この速度は運動量保存の法則によりゆっくりと減衰し、これにより、当該タービンは、タービン１８ａが収容された端部からトンネル内へとより多くの空気を引き込むように働く。
【００４２】
システム１０のさらにもう１つの風の少ない環境用の変形例において、風Ｗの主方向を、風が主に開口部１４ａからトンネルモジュール１２に入るような方向であると仮定すると、システム１０は、ハウジング２４ａ内に設置された図３および図４に示すような１０枚または６枚ブレードのタービン１８ａまたは１８ｂのいずれかである１つのタービンだけを備える。ハウジング２４ｂ内にはタービンが設置されず、これによりトンネルモジュール１２中の空気の流動抵抗が取り除かれる。
【００４３】
１つまたは複数のシステム１０を屋根２０上により容易に設置できるようにするために、中間部１６は可撓性材料または屈曲可能な構造で構成される。このことにより、システム１０は、該可撓部１６の長さのほぼ真ん中の位置で棟２２を中心として曲った状態で急勾配の屋根２０にぴったりと沿うことが可能になる。トンネル部２６は典型的にはプラスチックまたは金属のような剛性材料で構成される。
【００４４】
モジュール１０の上に覆い３０を置いてもよい。覆い３０は、実際に、防水バリヤとなる追加の屋根覆いとして働く。覆い３０は、図示された実施形態においてトンネル部２６の各開口部１４の上端よりもわずかに延出した縦方向両側縁部３２を有する。しかしながら、他の実施形態においては、覆い３０を、その縁部３２が最低限少なくとも中間部１６を覆うように延出するような構成とすることが考えられる。
【００４５】
覆い３０は、２つの部分、つまりパネル３４を含み、該２つの部分は、これらの部分３４の間の角度の調節ができるように、例えばヒンジ３６を介して調節可能に連結されている。
【００４６】
覆い３０をヒンジ３６によって接続された２つの部分、つまりパネル３４から形成すること、および可撓性の中間部１６を採用することにより、全体として、極度の暴風下における安全機能がもたらされる。このような極端な気象条件においては、風トンネルモジュール１２の中間部１６とそれぞれのトンネル部２６ａおよび２６ｂとの間の連結を解除することができ、強風がそれぞれの部分つまりパネルを押し上げることによって垂直に逃げることができるようになる。
【００４７】
多数のシステム１０が屋根２０上に設けられ、図１に示すように並んで配置される場合は、覆い３０をそれら多数のモジュール１０を覆うように同様に拡張することができる。
【００４８】
図３〜図５を参照すると、タービン１８は、中央ハブ４０と、複数の放射状に延びるブレード４２と、外周壁つまりリング４４と、中間周壁つまりリング４６とを含むものとして図示されている。外側リング４４は、各ブレード４２の半径方向外側縁部に接続され、これを囲む、言い換えれば覆う。中間リング４６は、ハブ４０（ひいてはタービンの回転軸）と外側リング４４との間に間隔をおいて配置される。中間壁４６は、ブレード４２のそれぞれに接続する。
【００４９】
容易に理解されるように、タービン１８ａ、１８ｂおよび１８ｃの実質的な違いは、ブレード４２の数にある。ブレードの数の違いによって、タービン１８のそれぞれの空気流動特性が異なり、それに応じて風から機械的エネルギーへの変換効率が異なる。しかしながら、各ブレード４２のねじれ、すなわち迎角を変えることによって異なる空気流動特性と効率とを達成してもよい。
【００５０】
本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の基本的な概念から逸脱することなく多くの変更および変形を加えることができることは当業者には明らかである。例えば、説明した実施形態は１つまたは２つのタービン１８を含んでいるが、種々の状況において３つ以上のタービンが設けられることも考えられる。例えば、中間部１６の実質的に真ん中の位置に第３のタービンを設けることができる。さらに、システム１０は、勾配屋根に取り付けられたものとして図示されているが、陸屋根に取り付けてもよい。実際に、システムを垂直壁に取り付けて、上昇気流（この場合には風トンネルモジュール１２は概ね垂直に並べられる）か、または建物によって風が当該建物の垂直壁を横切って流れるように導かれる「トンネル効果」（この場合には風トンネルモジュール１２は概ね水平に並べられる）かのいずれかを利用できることも考えられる。
【００５１】
このような変更および変形の全ては、当業者にとって自明なその他の変更および変形とともに、上記の説明および添付の特許請求の範囲から性質が定められるべき本発明の範囲内にあるとみなされる。
【符号の説明】
【００５２】
１０  風力エネルギーシステム
１２  風トンネルモジュール
１４  開口部
１６  中間部
１８  風力タービン
２０  勾配屋根
２２  棟
２４  タービンハウジング
２５  側壁
２６  トンネル部
３０  覆い
３２  縦方向両側縁部
３４  パネル
３６  ヒンジ
４０  中央ハブ
４２  ブレード
４４  外側リング
４６  中間リング
【図１】
2010065676.tif 000007
【図２】
2010065676.tif 000008
【図３】
2010065676.tif 000009
【図４】
2010065676.tif 000010
【図５】
2010065676.tif 000011
【図６】
2010065676.tif 000012