(57)【要約】回転可能フレームと、回転可能フレームに載架された複数の翼であって、回転可能フレームの回転軸と平行に延在し、回転可能フレームに対し個々に枢動可能な翼と、翼が気流の方向に移動するときは、高揚力／高抗力位置に各翼を保持する機構とを有する、風力タービン。風力タービンは、翼が風流の方向に移動しているときに、高抗力位置から低抗力位置への翼の回転を防止するための、回転防止部を随意に含んでもよい。本発明の一実施形態によって提供される風力タービンは、回転可能フレームと、回転可能フレームに載架される複数の湾曲翼であって、回転可能フレームの回転軸と平行に延在し、回転可能フレームに対し個々に枢動可能な湾曲翼と、翼が気流の方向に移動するときは、各湾曲翼を高揚力／高抗力位置に保持する機構と、を備える。
2009542959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能フレームと、
前記回転可能フレームに載架される複数の湾曲翼であって、前記回転可能フレームの回転軸と平行に延在し、前記回転可能フレームに対し個々に枢動可能な湾曲翼と、
前記翼が気流の方向に移動するときは、前記湾曲翼の各々を高揚力／高抗力位置に保持する機構と
を備える、風力タービン。
【請求項２】
前記機構は、
前記湾曲翼の各々に接続され、前記湾曲翼が前記気流の方向に移動しているときは、前記回転可能フレームに対する前記湾曲翼の枢動を制限し、前記湾曲翼の高抗力位置から低抗力位置への回転を防止する回転停止部を備える、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
前記回転停止部は、前記湾曲翼上の気流によって生じる揚力によって、前記回転可能フレームを回転させる位置に前記湾曲翼を配向する、請求項２に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記回転停止部は、前記湾曲翼上の気流によって生じる抗力によって、前記回転可能フレームを回転させる位置に前記湾曲翼を配向する、請求項２に記載の風力タービン。
【請求項５】
回転可能フレームと、
前記回転可能フレームに載架される複数の翼であって、前記回転可能フレームの回転軸と平行に延在し、前記回転可能フレームに対し個々に枢動可能な翼と、
前記翼が気流の方向に移動するときは、前記翼の各々を高揚力／高抗力位置に保持する機構と、
前記回転可能フレームの一部の周囲に延在するチャネルと、
前記複数の翼の各々の上のガイドであって、前記チャネルを通過するように寸法調節され、前記翼が気流の方向と反対方向に移動すると、前記回転可能フレームに対する前記翼の回転を防止するガイドと
を備える、風力タービン。
【請求項６】
前記ガイドは、前記翼が前記気流の方向と反対方向に移動すると、低抗力位置に前記翼を位置付ける、請求項５に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記回転可能フレームの回転軸と垂直な気流によって、前記回転可能フレームを回転させる、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記回転可能フレームは、垂直軸を中心に回転する、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項９】
各湾曲翼は、前記湾曲翼の後縁よりも前記湾曲翼の前縁に近接して位置付けられる軸を中心に枢動する、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１０】
前記回転可能フレームに接触する発電機駆動輪をさらに備える、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１１】
前記回転可能フレームは、発電機の回転子である、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１２】
回転可能フレームと、
前記回転可能フレームに載架される複数の翼であって、前記回転可能フレームの回転軸と平行に延在し、前記回転可能フレームに対し個々に枢動可能であって、気流の方向に移動するときは、前記回転可能フレームに対する回転が可能な翼と、
前記翼が気流の方向に移動するときは、前記翼の各々を高揚力／高抗力位置に保持する機構と
を備える、風力タービン。
【請求項１３】
回転可能フレームと、
前記回転可能フレームに載架される複数の翼であって、前記回転可能フレームの回転軸と平行に延在し、前記回転可能フレームに対し個々に枢動可能であって、気流の方向に反して移動するときは、前記回転可能フレームに対する回転が不可能な翼と、
前記翼が気流の方向に移動するときは、前記翼の各々を高揚力／高抗力位置に保持する機構と
を備える、風力タービン。
【請求項１４】
回転可能フレームと、
前記回転可能フレームに載架される複数の翼であって、前記回転可能フレームの回転軸と平行に延在し、前記回転可能フレームに対し個々に枢動可能な翼と、
前記翼が気流の方向に移動するときは、前記翼の各々を高揚力／高抗力位置に保持する機構であって、前記翼が前記気流の方向と反対方向に移動するときは、前記翼は、一連の翼の前縁および後縁が互いに接触するように寸法調節される、機構と
を備える、風力タービン。
【請求項１５】
前記機構は、
前記翼の各々に接続され、前記翼が前記気流の方向に移動しているときは、前記回転可能フレームに対する前記翼の枢動を制限し、前記翼の高抗力位置から低抗力位置への回転を防止する回転停止部を備える、請求項１４に記載の風力タービン。
【請求項１６】
前記回転停止部は、前記翼上の気流によって生じる揚力によって、前記回転可能フレームを回転させる位置に前記翼を配向する、請求項１５に記載の風力タービン。
【請求項１７】
前記回転停止部は、前記翼上の気流によって生じる抗力によって、前記回転可能フレームを回転させる位置に前記翼を配向する、請求項１５に記載の風力タービン。
【請求項１８】
前記回転可能フレームの一部の周囲に延在するチャネルと、
前記複数の翼の各々の上のガイドであって、前記チャネルを通過するように寸法調節され、前記翼が気流の方向と反対方向に移動すると、前記回転可能フレームに対する前記翼の回転を防止するガイドと
をさらに備える、請求項１４に記載の風力タービン。
【請求項１９】
前記ガイドは、前記翼が前記気流の方向と反対方向に移動すると、低抗力位置に前記翼を位置付ける、請求項１８に記載の風力タービン。
【請求項２０】
前記回転可能フレームの回転軸と垂直な気流が、前記回転可能フレームを回転させる、請求項１４に記載の風力タービン。
【請求項２１】
前記回転可能フレームは、垂直軸を中心に回転する、請求項１４に記載の風力タービン。
【請求項２２】
各翼は、前記翼の後縁よりも前記翼の前縁に近接して位置付けられる軸を中心に枢動する、請求項１４に記載の風力タービン。
【請求項２３】
前記回転可能フレームに接触する発電機駆動輪をさらに備える、請求項１４に記載の風力タービン。
【請求項２４】
前記回転可能フレームは、発電機の回転子である、請求項１４に記載の風力タービン。
【請求項２５】
前記翼は、前記気流の方向に移動するときは、前記回転可能フレームに対し回転可能である、請求項１４に記載の風力タービン。
【請求項２６】
前記翼は、前記気流の方向に反して移動するときは、前記回転可能フレームに対し回転不可能である、請求項１４に記載の風力タービン。
【請求項２７】
前記翼は、湾曲している、請求項１４に記載の風力タービン。
【請求項２８】
前記翼は、前記翼上の気流の方向に垂直な方向に揚力を提供するような形状である、請求項２７に記載の風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、発電風力タービンに関し、より具体的には、翼を有する風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気を生成するための従来型風力タービンの設計は、既に数多く存在する。最も一般的には、そのような設計は、垂直マストの上端に載架された単一の大型プロペラを伴う。プロペラ全体を流れる気流がプロペラを転向させることによって、発電機を回転させ、電気を生成する。
【０００３】
そのような従来型風力タービンは、多数の不利点を被る。第１に、地上から相当離れて載架しなければならない大型プロペラを伴う。したがって、プロペラが載架される高く、頑強なマストを必要とすることである。大型回転プロペラ羽根システムの第２の不利点は、多数の鳥類を殺害してしまう傾向にあることである。そのような設計の第３の不利点は、発電機が、典型的には、回転羽根の中心に設置されることである。したがって、発電機は、プロペラと共にマスト上部に載架される。これによって、プロペラおよび発電機の両方を支持するために、マストが十分強固であることが必要となる。その結果、修理および付帯サービスのためのタービンへのアクセスを困難とする。従来のプロペラの第４の不利点は、羽根が風向と垂直方向に回転することである。その結果、空中のプロペラ羽根速度は、プロペラの回転中心からの距離に伴って増加する。このようなことから、残念ながら、可変かつ複雑な羽根部形状が必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、回転可能フレームと、回転可能フレームに載架された複数の翼であって、回転可能フレームの回転軸と平行に延在し、回転可能フレームに対し個々に枢動可能な翼と、翼が気流の方向に移動するときに、高揚力／高抗力位置に各翼を保持する機構とを有する、風力タービンを提供する。
【０００５】
本発明によると、翼間の空間は、翼が気流の方向に移動しているときは開放するが、翼が気流の方向と反対方向に移動していときは閉鎖する。一実施形態では、翼が気流の方向と反対方向に移動するときは、一連の翼の前縁および後縁は、互いに接触する。
【０００６】
随意に、風力タービンはまた、各翼に接続された回転停止部を備え、翼が気流の方向に移動しているときは、回転可能フレームに対する翼の枢動を制限し、高抗力位置から低抗力位置への翼の回転を防止してもよい。具体的には、回転停止部は、翼が気流の方向に移動しているときは、回転可能フレームに対する翼の枢動を制限し、高揚力／高抗力位置から低抗力位置への翼の回転を防止する。
【０００７】
同様に、随意に、風力タービンはまた、回転可能フレームの一部の周囲に延在するチャネルと、各複数の翼上のガイドであって、チャネルを通過するように寸法調節され、翼が気流の方向と反対方向に移動すると、回転可能フレームに対する翼の回転を防止するガイドとを備えてもよい。具体的には、チャネル内を移動するガイドは、翼が気流の方向と反対方向に移動すると、翼を低抗力位置に位置付ける。
【０００８】
回転可能フレームの回転軸と垂直な気流によって、回転可能フレームを回転させる。風力タービンは、好ましくは、垂直方向の軸を中心に回転するように、水平に位置付けられる。しかしながら、別様に、風力タービンは、水平方向の軸を中心に回転するように、垂直に位置付けられてもよい。
【０００９】
本発明の第１の利点は、翼を使用することによって、「揚力」および「抗力」の両方を使用して、回転可能フレームを転向することができることである。具体的には、風向に向かって最遠位に位置付けられるときは、その前縁および後縁が風向と整合されるように、翼が配向される場合に、翼上の気流によって生じる揚力によって、回転可能フレームを回転させる。加えて、翼が風向に移動しているときは、翼の前縁および後縁が、風向に垂直な場合に、翼上の気流によって生じる抗力によって、回転可能フレームを回転させる。
【００１０】
本発明の一実施形態では、翼間の空間は、翼が気流の方向と反対方向に移動しているときは閉鎖する。これは、一連の翼の間の気流を排除し、それによって、回転タービン上の抗力を低減させる点において特に有利である。これは、翼が気流の方向と反対方向に移動するときは、一連の翼の前縁および後縁を互いに接触させることによって達成可能である。
【００１１】
翼を使用する第２の利点は、同一翼断面を翼の全幅にわたって使用可能であることである。したがって、風力タービンの出力は、翼の幅を増やすことによって、単純に増加することが可能である。対照的に、従来のプロペラシステムでは、プロペラの直径を大きくし、システムの出力を増加させることが必要である。
【００１２】
本発明の第３の利点は、発電機駆動輪を装置の回転可能フレーム外周に接触するように位置付けることができることである。対照的に、既存の風力タービンは、回転プロペラの中心に配置される回転機構と接触するその発電機駆動部で作動する。その結果、本システムは、比較的小型サイズの駆動輪と接触する比較的大型サイズの円形フレームにより、ギアリングの利点を提供する。その結果、発電機回転への最小限の摩擦損失変換力により、電力は、風力タービンによって効率的に生成される。
【００１３】
第４の利点は、本発明は、重心が低いことである。したがって、本風力タービンは、非常に安定性がある。さらに、本システムは、地上から一定の距離でプロペラおよびタービンを支持するために、強固かつ重厚なマストを必要としない。これによって、本システムの重量およびサイズ制限を大幅に低減し、従来の設計と比較してコスト削減が可能となる。さらに、発電機駆動輪（およびタービン本体）を地上近傍に設置することによって、タービン／駆動システムの修理および付帯サービスのためのアクセスが容易となる。
【００１４】
本翼設計の第５の利点は、各翼が、その前縁の全長に沿って同一風速を受けることである。翼の前縁に沿って全地点において等しい風速を受けることによって、翼全長に沿って単一の単純翼断面が可能になる。したがって、垂直径ではなく、風力タービンの水平幅によって、発電が左右される。さらに、翼を装置の外周に配置することによって、最長可能トルク梃子アームがもたらされる。これによって、単位発生翼力当たりの最大トルクが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、風力タービンの上部平面図である。
【図２】図２は、風力タービンの上部斜視図である。
【図３】図３は、図１の線３−３に沿った、回転可能フレーム１２上に載架された翼２０のうちの１つの断面側部斜視図である。
【図４】図４は、図１の線４−４に沿った、回転可能フレーム１２上に載架された翼２０のうちの別の断面側部斜視図である。
【図５】図５は、風力タービンの第２の実施形態の上部平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１および２は、本発明の上部平面図および斜視図であって、その動作は、以下のように理解され得る。
【００１７】
風力タービン１０は、そこに取設された複数の翼２０を有する回転可能フレーム１２を含む。翼２０は、以下に完全に説明されるように、回転可能フレーム１２に対し枢動するように載架される。回転可能フレーム１２は、図示されるように、円形リングであってもよい。回転可能フレーム１２は、図示されるように、複数の輪１４および１６によって支持されてもよい。図２に示される一実施形態では、回転可能フレーム１２は、輪１４が受容される陥凹溝１３を有してもよい。同様に図示されるように、輪１６は、真下の回転可能フレーム１２を支持する。
【００１８】
説明されるように、方向Ｗに移動する風は、種々の枢動可能翼２０に作用し、回転可能フレーム１２を反時計方向に移動させ、したがって、垂直回転軸Ａの周囲の方向Ｒに回転させる。したがって、以下に完全に説明されるように、回転可能フレーム１２は、軸Ａの周囲を旋回する一方、個々の翼２０は、回転可能フレーム１２に対し異なる方向に向くように枢動する。可動回転可能フレーム１２と接触する随意の発電機駆動輪１５（あるいは、輪１４または１６）が、発電のために使用されてもよい。代替として、回転可能フレーム１２自体が、発電機の回転子を備えてもよい。
【００１９】
図から分かるように、翼２０は、回転可能フレームの回転軸Ａに平行に延在するように、回転可能フレーム１２に載架される。随意の回転停止部２４は、翼２０が気流の方向（すなわち、方向Ｗ）に移動するときは、高抗力位置に各翼２０を保持するように設けられる。図示されるように、回転停止部２４は、翼２０が軸Ａの周囲を回転するときは、種々の位置において、回転可能フレーム１２に対する翼２０の回転を選択的に防止する。いくつかの位置では、回転停止部２４は、翼２０上の気流によって生じる揚力によって、回転可能フレーム１２が回転する位置に翼２０を配向する。他の位置では、回転停止部２４は、翼２０上の気流によって生じる抗力によって回転可能フレーム１２を回転させる位置に、翼２０を配向する。説明されるように、回転停止部２４は、回転可能フレーム１２に対する翼２０の枢動を制限し、翼が気流の方向Ｗに移動しているときは、高抗力位置から低抗力位置への個々の翼２０の回転を防止する。
【００２０】
また、風力タービン１０は、随意に、回転可能フレーム１２の一部の周囲に延在するチャネル３０を備える。チャネル３０は、回転可能フレーム１２と部材３１との間の空隙として見ることができる。また、ガイド２６は、各個々の翼２０上に設けられてもよい。図１から分かるように、ガイド２６は、回転可能フレーム１２が方向Ｒに回転するときに、チャネル３０を通過するように寸法調節される。ガイド２６は、翼２０がチャネル３０（すなわち、気流の方向と反対方向Ｗ）に沿って移動すると、回転可能フレーム１２に対する翼２０の回転を防止する。したがって、翼２０が気流の方向と反対方向Ｗに移動すると、ガイド２６は、翼２０を低抗力位置に位置付ける。
【００２１】
風力タービン１０の動作は、後述のように、回転可能フレーム１２の周囲の位置における種々の翼２０の配向を見ることによって、最も良く理解される。
【００２２】
翼２０Ａは、風向に向かって最遠位に位置付けられる。翼２０Ａは、その枢動軸を中心に自由に回転する。風Ｗが翼２０Ａ上を通過すると、翼２０Ａは、その前縁２１および後縁２２が風向Ｗと一直線上になるように回転する。翼２０Ａ上を通過する風Ｗの結果、矢印Ｌによって示されるように、揚力が生成される。したがって、揚力Ｌは、回転可能フレーム１２を方向Ｒに回転させるように付勢する。
【００２３】
個々の翼２０は、好ましくは、その後縁２３よりも前縁２１に近接して位置付けられる軸２５を中心に回転するように設定される。故に、翼が２０Ｂに示される位置に達すると、風Ｗは、翼２０Ｂをその回転軸２５を中心に反時計方向に回転させる傾向にある。しかしながら、回転停止部２４は、そのような回転を防止し、翼２０Ｂの風に対する仰角を増加させる。
【００２４】
翼２０が、翼２０Ｃによって示される位置に達するまでに、翼は、風流Ｗに垂直に位置付けられる。したがって、翼２０Ｃは、相当量の抗力を提供し、さらに、回転可能フレーム１２を方向Ｒに回転するように付勢する。
【００２５】
フレーム１２が回転すると、翼は、最終的に、翼２０Ｄによって示される位置に達する。そのとき、翼の後縁２２を押す風Ｗによって、翼は、翼２０Ｅによって示される位置に「裏返」される。
【００２６】
次に、翼が、翼２０Ｆによって示される位置に達すると、図示されるように、部材３１は、ガイド２６の端部と接触する。部材３１は、図示されるように、回転可能フレーム１２の一部に隣接するチャネル３０を画定する。部材３１は、翼が、翼２０Ｆによって示される位置から２０Ｇへ、そこから２０Ｈへ移動する場合に、翼２０が、回転可能フレーム１２に対し回転できないようにガイド２６を保持する。したがって、部材３１およびガイド２６は、翼２０が風向Ｗと反対に移動したときに、それを「低抗力」位置に保持するように恊働する。
【００２７】
最後に、翼が、翼２０Ｈによって示される位置を離れた直後には、ガイド２６は、部材３１ともはや接触しておらず、翼は、回転可能フレーム１２に対し再び自由に枢動する。したがって、翼２０が位置２０Ｈを離れると、風Ｗは、翼の後縁２３を翼２０Ａによって示される位置に押すように作用する（すなわち、前縁２１および後縁２３は、風向Ｗと一直線上になる）。
【００２８】
本風力タービンは、水平の向きで示されるが（すなわち垂直回転軸Ａを中心に回転）、本発明はまた、垂直の向きに構成することも可能である（すなわち、水平回転軸を中心に回転）。
【００２９】
図３および４は、本発明の断面図を示す。図３は、翼２０Ｃを示し、図４は、翼２０Ｇを示す。添付の図面において、同一参照番号は、同一要素を表す。
【００３０】
図５は、本発明の第２の実施形態の図である。図５は、翼が風向Ｗに移動しているときは、翼（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、および２０Ｅ）間の空間が開放するという点において、図１に類似する。しかしながら、図５の実施形態から分かるように、一連の翼（２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、および２０Ｈ）間のこれらの空間は、翼が風Ｗと反対方向に移動しているときは閉鎖する。その結果、これらの翼が風に向かって回転しているときは（すなわち位置２０Ｅから位置２０Ｈへ移動する）、一連の翼２０間の気流は存在しない。これは、タービン上の抗力を低減し、それによって、その効率性を向上させる有利な効果がある。
【００３１】
一実施形態では、図５から分かるように、翼が気流の方向と反対方向に移動するときは、一連の翼２０の前縁および後縁は、互いに接触するように寸法調節される。一連の翼２０間の空間を閉鎖する（翼が位置２０Ｅから２０Ｈへ移動すると）この同一効果は、長さを変更し、また、個々の翼２０間の空間を変化または離間させることによって達成可能であることを理解されたい。
【図１】
2009542959.tif 000003
【図２】
2009542959.tif 000004
【図３】
2009542959.tif 000005
【図４】
2009542959.tif 000006
【図５】
2009542959.tif 000007
【国際調査報告】
2009542959.tif 000008