(57)【要約】  風力および／または水力発電のためのタービンシステムであって、ラジアルタービンは、シャフトの周りに回転し得るとともに１つ以上のタービンブレードを有するロータを備え、タービンブレードはロータに平行に方向付けられ、タービンブレードは円筒状シェル内に配置され、そのシェルは、シャフトの周りに同心円状に配置され、外半径Ｒ１と内半径Ｒ２を有する。タービンブレードは特定の形状を有する。２つのラジアルタービン（１、２）は、並んで平行に方向付けられている。ラジアルタービン（１、２）は、相互に接続され、タービンシャフト（１８）に対して平行な旋回シャフト（１５）の周りに旋回可能である。旋回シャフト（１５）とＶ字状の風スプリッタ（３）は、タービンシャフトの間の連結ライン上に位置するのでなく、両方とも連結ラインの同じ側にある。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのラジアルタービンを備えた風力および／または水力発電のためのタービンシステムであって、
上記ラジアルタービンは、シャフトの周りに回転し得るとともに１つ以上のタービンブレードを有するロータを備え、上記タービンブレードは上記ロータに平行に方向付けられ、上記タービンブレードは円筒状シェル内に配置され、そのシェルは、上記シャフトの周りに同心円状に配置され、外半径Ｒ１と内半径Ｒ２を有し、
上記内半径は、
Ｒ２  ＝  ｆ１  ×  Ｒ１
（ここで、ｆ１は０．１９から０．３２までである。）
であり、
各タービンブレードは、
上記内半径Ｒ２から上記外半径Ｒ１へ延び、上記シャフトへ向かって湾曲し、かつ曲率半径
Ｒ３  ＝  ｆ２  ×  Ｒ１
（ここで、ｆ２は１．２から２．４までである。）
をもつ第１領域と、
上記第１領域に対して外側に隣接し、円筒状シェルの外側に位置し、かつ上記シャフトに向かった曲率をもつ第２領域とを有し、
その曲率は上記第１領域の上記曲率が指すのと同じ側を指し、上記第２領域の曲率半径Ｒ４は、
Ｒ４  ＝  ｆ３  ×  Ｒ１
（ここで、ｆ３  ＞  ０．７である。）
であり、
上記第２領域は幅が
Ｂ２  ＝  ｆ８  ×  Ｒ１
（ここで、ｆ８は０．１１から０．１９までである。）
であり、
２つのラジアルタービン（１、２）は、並んで平行に方向付けられ、鉛直回転シャフトに配置され、相互に接続され、かつ上記タービンシャフト（１８）に対して平行な旋回シャフト（１５）の周りに旋回可能であり、
上記旋回シャフトとＶ字状の風スプリッタ（３）は、上記タービンシャフトを連結しているラインの外側に配置され、両方とも上記連結ラインの同じ側にある、
ことを特徴とするタービンシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記ロータに対して平行な偏向面が、上記円筒状シェルの外側に配置され、幅
Ｂ３  ＝  ｆ９  ×  Ｒ１
（ここで、ｆ９は０．７から２．５までである。）
を持ち、
上記タービンシャフトに面する上記偏向面の縁（Ｐ３）は、
上記タービンシャフトを通る第１縦断面から距離Ａ２
Ａ２  ＝  ｆ６  ×  Ｒ１
（ここで、ｆ６は０．２５から０．５５までである。）
にあり、かつ
上記タービンシャフトを通る第２縦断面から距離Ａ１
Ａ１  ＝  ｆ５  ×  Ｒ１
（ここで、ｆ５は１．００から１．１０までである。）
にあり、上記第２縦断面は上記第１縦断面に対して垂直であり、
上記偏向面は、上記第１縦断面に関して入射角αが４０°から６０°までである、
ことを特徴とするタービンシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記タービンブレードの全幅Ｂ１は、
Ｂ１  ＝  ｆ７  ×  Ｒ１
（ここで、ｆ７は０．９から１．１までである。）
であることを特徴とするタービンシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記第１領域と上記第２領域との間のキンクした縁は、曲率半径
Ｒ５  ＝  ｆ４  ×  Ｒ１
（ここで、ｆ４は０．０１から０．０８までである。）
をもつことを特徴とするタービンシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記タービンシャフトは、直径
Ｄ１  ＝  ｆ１０  ×  Ｒ１
（ここで、ｆ１０は０．０３から０．１３までである。）
をもつことを特徴とするタービンシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
３つのロータブレードが設けられ、上記シャフトの周りに均等に分布され、均衡がとられていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記２つのタービンは反対方向に回転することを特徴とするタービンシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
リングジェネレータが電流を生成するために設けられていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項９】
請求項１に記載の風力および／または水力発電機において、
上記発電機は、上記タービンの最適な先端速度率を設定するように制御され得ることを特徴とする風力および／または水力発電機。
【請求項１０】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記風力および／または水力発電機が、マスト（５）、ポンツーン、基部、建物の屋根その他の類似物に、回転連結部を介して固定されていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項１１】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
複数のこれらの風力および／または水力発電機が、マスト上で、互いの上方におよび／または並んで配置されていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項１２】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記風力および／または水力発電機は、モータ駆動式の追跡手段なしに、制御システムなしに、かつ追加の偏向板なしに、最適な風または水の流れの方向へ自動的に回転することを特徴とするタービンシステム。
【請求項１３】
請求項１に記載の風力および／または水力発電機において、
上記Ｖ字状の風スプリッタ（３）と上記タービンとの間の距離が調節可能であることを特徴とする風力および／または水力発電機。
【請求項１４】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記マストの下側領域および／または上記偏向面は、広告スペースまたは広告媒体として形成されていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項１５】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記旋回シャフト（１５）は、回転連結部と、格子マストとを備え、その格子マストに対して蓄電システムおよび／またはタービン支持システムが固定可能であり、上記格子マストは上記回転連結部の上方に設けられていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項１６】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
予め定められた風速に達したとき、自動的に上記ラジアルタービンを互いに接近させるための手段が設けられていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項１７】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記ラジアルタービンは、或るシャフトに沿って個々に搭載された複数の個々のタービンに分割されていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項１８】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
保護され接地されている安全スペースが、精密技術部品を収容するために上記回転連結部の下方に設けられ、
上記安全スペースは、換気および／または加熱および／または特に空気湿度に関する適切な空調を好ましく備えていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項１９】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記基部は、更なるエネルギ貯蔵部として、または貯水部若しくは油貯蔵部として使用され得ることを特徴とするタービンシステム。
【請求項２０】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
ヒートポンプが上記基部に組み込まれていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項２１】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記偏向面は、複数の圧延支持アーム上に取り付けられ、同様に、それらの圧延支持アームは、互いにねじ込まれている２つの支持ハートによって、上記シャフト上の回転部に両側で取り付けられていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項２２】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記静止した格子面パネルが上記タービンの上端および下端に設けられ、上記格子面パネルは、前側領域で丸くされていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項２３】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
ＬＥＤ素子が上記タービンブレードに取り付けられ、広告の効果を得るように回転の関数として作動され得ることを特徴とするタービンシステム。
【請求項２４】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記タービン搭載部および上記タービンを含む格子マストが、上記マストの上記回転連結部に固定されていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項２５】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
本発明によるタービンシステムのおよび／または風トラッカの配置が、街路、自動車道路、鉄道、運河のような交通インフラストラクチャに沿って設けられ、付加的に、通信のため、または低電力取り込み時にグリッドからの電流を緩衝するため、および／または広告媒体としておよび／または街路照明としての使用ため、および／または安全スペースを提供するために、設けられていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項２６】
請求項１に記載の風力および／または水力発電機の上記マストおよび／または風スプリッタ（３）および／または上記タービンの、広告スペースまたは広告媒体として、並びに、ネットワークおよび通信部品のための支持部としての使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、請求項１の前提部分に従うタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
サボニウス（Savonius）タービンは知られている（図６を参照）。これらのロータは、鉛直回転シャフトに取り付けられた２つの水平円板と、それらの水平円板の間に、鉛直な姿勢で取り付けられた２つの半円形に湾曲したブレードとで構成されている。
【０００３】
重量配分が完璧に均衡している場合でも、回転中に流れからの周期的に変化する負荷の強さの結果としての顕著な不均衡は、サボニウスロータの特徴である。
【０００４】
負荷の変化によるこの不均衡は、２つではなく、通常は３つの多数のブレードを配置することによって最小化され得る。しかしながら、このことは、サボニウスロータの効率を、約３０％だけ、大幅に低減する。
【０００５】
水平回転軸と飛行機タイプのブレードを有する既知の３枚羽根風力発電機と比較して、ラジアルタービンは、入射風の向きとは独立に動作するという大きな利点をもつ。したがって、鉛直回転軸をもつラジアルタービンは、風に対して回転させる必要がない。
【０００６】
特に経済的な実施形態では、ラジアルタービンは偏向板を備え、その偏向板は風力エネルギを集めて、それを集中した形でラジアルタービンのブレード上に偏向させる。しかしながら、このことは、上記偏向板のせいで、風向きからの独立がもはや得られないという欠点をもつ。それゆえ、偏向板を備えたラジアルタービンは、風に対して追跡する必要がある。
【０００７】
もしサボニウスタービンが偏向板を備えれば、低風速で得をするが、より高い風速でより多くを失う。
【発明の概要】
【０００８】
発明の目的と解決策
発明の目的：従来のサボニウスタービンより顕著に高い効率で、風エネルギをより多く利用することが達成されるべきである。風が弱すぎて従来のサボニウスタービンを運転できないときでも、風力タービンは使用可能であるべきである。
【０００９】
風力タービンは、それらが都市部における居住用建物にも配置され得るように、無騒音かつ微小振動で動作すべきである。
【００１０】
偏向板を備え、風の入射に関して最適な角度位置へ自動的に回転し、したがって、この目的のために必要とされる追跡構成なしに、自己追跡（self-tracking）する、ラジアルタービンも、また使用されるべきである。したがって、ラジアルタービンにおける偏向板の利点は、入射風の向きからのラジアルタービンの独立性と組み合わされるべきである。
【００１１】
高性能で最小の不均衡は、特別の構成と形状によって確保されるべきである。
【００１２】
この目的は、請求項１の特徴によって本発明に従って達成される。
【００１３】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項で特定される。
【００１４】
サボニウスロータとダリウス（Darrieus）ロータは、偏向板のせいで、性能で得をしないことが知られている。サボニウスロータは、弱風で得をするが、これは風速を条件としており、より高い風速での損失につながる。そのタービンは、風向きに依存しているので、それが全体的な効率を減じる。
【００１５】
この問題は、本発明により解決される。
ａ）  新規な構造のタービンとともに空力ノーズ（風スプリッタ）の結果として、エネルギ収量が全ての風の強さで明らかに増加される。
ｂ）  回転連結部を含む空力部分の最適な配置の結果として、タービンシステムは、モータ駆動なしに、全ての方向に風を追跡する。
【００１６】
請求項１に記載のパラメータ範囲に従う、風スプリッタと関連したタービンブレードの特定の形状と配置の結果として、既知のサボニウスタービンにおけるのよりも３倍までの回転速度が、従来のタービンによって得られる２８％の効率に対照して６６％までの効率とともに、得られる。本発明によるタービンは、従来のサボニウスタービンを駆動するのには最早十分ではない非常に弱い風でも、使用され得る。
【００１７】
上記サボニウスロータと対照してみると、本発明による風力タービンは、３つのタービンブレードが設けられる特に有利な実施形態であっても、上述したタイプの不均衡を有しない。
【００１８】
タービンブレードの本発明による形状を、請求項２による偏向面（風スプリッタとしても知られている）と組み合わせることは、特に都合がよい。
【００１９】
別の重要な考察：システム内に、偏向板によって取り囲まれ、上記タービンの上方および下方に取り付けられている付加的な傾斜した集中板および／または風案内板をもつ２つのタービンがあると仮定する。上記閉じられたシステムおよび上記付加的な集中板および／または風案内板の結果として、マグナス（Magnust）効果として知られているものの最適な使用がなされる。また、マスト上に搭載されている本発明によるシステムの結果として、風に対して自動的に回転し、したがって、常に最適な風の流れを受けることが可能になる。この「風へ向くこと」は、自然の風の中で、幾つかの特定のモデルで実証されている。
【００２０】
上記マグナス効果は、それを発見したハインリヒ・グスタフ・マグヌス（１８０２−１８７０）にちなんで名付けられたものであり、流体力学の現象、特に、流れの中にある丸い回転部材（円筒形または球形）によって経験されるせん断力の効果である。
【００２１】
摩擦効果を通して、回転ローラは、それを取り巻く周囲の流体内で回転を誘起する。付加的に上記ローラを越える流れがあれば、流体の異なる速度が重なる。結果として、上記流体は、上記回転ローラの周りを一方の側で他方の側でよりも速く流れる（上記ローラの残りのシステム内で）。上記ローラの摩擦の影響がより大きい側では、上記流体がより速く流れているかのようである。このことは、上記ローラの「偏位」を招き、上記ローラを下方へ押す（図１０参照）。
【００２２】
例：
・サッカー選手は、ボールが弧を描いてゴール内へ飛ぶような仕方で、スピンをかけてボールを蹴る。
・ボールがより速く回転すればするほど、経路の偏差が大きくなる（カールするクロス、ナックルボール）
・卓球選手とテニス選手は、例えばトップスピン、スライスで、この効果を用いる。
・野球におけるカーブボール、ソフトボールにおけるライズボール
・クリケットにおけるスピン−ボウリング
・ゴルフボールは、表面に多数の小さなくぼみ、いわゆるディンプルを持っている。
・タービュレータとして、それらはボールに抗して存在し、ボールの回転によって連行される境界層の粘着性を改善する。
・このことは、乱流の形成と、それに伴うマグナス効果によるボールの偏差を増加する。
・ゴルフクラブの楔状の形状の結果としてゴルフボールは後方に回転するので、ゴルフボールはマグナス効果によって持ち上げられる。それはキャノンボールのように単に飛ぶのではなく、その代わりに持ち上げを経験する。
・付加的な左または右への偏差が可能であり、この技術を習得している選手によって用いられる。
・さらに、超臨界の乱流循環は空気抵抗を低減し、そして、その代わりに大きな飛行距離につながる。
【００２３】
本発明によれば、低設置コストと組み合わせて、高性能が得られる。それは、水平シャフトと飛行機翼タイプのブレードとを持つ既知の風力タービンにおけるのよりも、電力出力に関して費用対効果が非常に大きいという態様でである。
【００２４】
費用対効果を上げるために、リングジェネレータが、電力発生のために設けられる。また、さらに費用対効果を上げるために、マストや風スプリッタが広告スペースとして使用され得る。
【００２５】
個々のタービンや２つのタービンの特定の配置の本発明のブレード形状では、２つのタービンが互いに妨害するのではなく、その代わりに、たとえ低風速でも、Ｖ字状の風スプリッタの背面空洞で起こる低周波圧力振動によって補助されて、互いに促進する、ということが特に有利である。
【００２６】
水平シャフトと３つのブレードとを備えた既知の風力発電機とは対称的に、本発明によるラジアルタービンは、比較的低い風速でも動作され得る。マグナス効果の結果として本発明によるラジアルタービンは、まるで風を「引き込む」かのようであり、低風速を増幅する。例えば、本発明によるラジアルタービンはまた、循環する風の中でも使用され得る。循環する風の中では、風速は高高度（上記３ブレードの風力タービンは、ブレードサイズのせいで、そこで単に動作されねばならない。）でよりも低高度でより大きい。どんな場合でも、既知の３ブレードの風力タービンにとって低すぎる風速は、本発明によるラジアルタービンでのエネルギ生成にとって十分である。
【００２７】
風向きの変動がある場合には、本発明によるラジアルタービンは、部分的にマグナス効果の結果として、自らを調節し、そして、１ｍ／ｓ未満の風速であっても、直ちに最適の方向へ回転する。このタイプの発電機の迅速な適合は、既知の３ブレードの風力タービンでは不可能である。
【００２８】
本発明のラジアルタービンは少しのスペースのみを占めるので、例えば街路灯に対する付属物として、既存の建物の部分や構造要素に対する追加物として使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による特に好ましい実施形態に従う風力タービンの概略断面図である。
【図２】本発明による風力タービン（上側の曲線、×印）と従来のサボニウス風力タービン（下側の曲線、○印）とについて、風速に対してプロットされたフリーランニング回転速度のグラフ表示である。
【図３】本発明による風力タービンと従来のサボニウス風力タービンとについて、時間に対してプロットされた回転速度を、風の入射角および風速と併せて示すグラフ表示である。
【図４】本発明による風力タービンと従来のサボニウス風力タービンとについて、時間に対してプロットされた回転速度を、風の入射角および風速と併せて示すグラフ表示である。
【図５】本発明による風力タービンと従来のサボニウス風力タービンとについて、時間に対してプロットされた回転速度を、風の入射角および風速と併せて示すグラフ表示である。
【図６】従来のサボニウス風力タービンの概略断面図であり、その動作モードを示している。
【図７】２つのラジアルタービンを備えた本発明による風力発電機の斜視図である。
【図８】図９のＡ−Ａに対応する側から見た、管状マスト搭載システムとしての実施形態の構造の詳細を示す図である。
【図９】上記風力発電機の平面図である。
【図１０】回転するローラを周囲の流体とともに示す図である。
【図１１】スレッド（thread；糸）テストを示す図である。
【図１２】変更された風スプリッタ２９と追加の集中板３０とを有する変形例を示す図である。
【図１３】変更された風スプリッタ２９と追加の集中板３０とを有する変形例を示す図である。
【図１４】変更された風スプリッタ２９と追加の集中板３０とを有する変形例を示す図である。
【図１５】トルク対回転速度の特性を示す図である。
【図１６】さらに特性を示す図である。
【図１７】さらに改良された本発明による風力発電機の様々な斜視図である。
【図１８】さらに改良された本発明による風力発電機の様々な斜視図である。
【図１９】さらに改良された本発明による風力発電機の様々な斜視図である。
【図２０】さらに改良された本発明による風力発電機の様々な斜視図である。
【図２１】さらに改良された本発明による風力発電機の様々な斜視図である。
【図２２】さらに改良された本発明による風力発電機の様々な斜視図である。
【図２３】さらに改良された本発明による風力発電機の様々な斜視図である。
【図２４】さらに改良された本発明による風力発電機の様々な斜視図である。
【図２５】さらに改良された本発明による風力発電機の様々な斜視図である。
【図２６】さらに改良された本発明による風力発電機の様々な斜視図である。
【図２７ａ】格子マスト構造を示す図である。それは、特別の蓄電池とタービン搭載システムのために、使用等することができる。
【図２７ｂ】Ａ−Ａ断面図である。
【図２８】「支持ハート」を示す図である。それはシャフト上の回転部分に固定されている。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の幾つかの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。全ての図面において、同様の参照符号は同じ意味を持っているため、一度だけ説明している。
【００３１】
図１の本発明による風力タービン上に、主風向１０１、副風向１０２、１０３に風が流れる。図１における他の符号の意義は、下記の表１及び表２から分かる。それらの表は、本発明による値の範囲、および、２つ実施形態においてパラメータの特に好ましい値を特定する。
【００３２】
格子マスト構造は、回転連結部の上方に設けられ、特定の蓄電池搭載システムとタービンシステムのためのフレームとして使用され、かつ使用され得る。
【００３３】
上記マストの外側シェル（好ましくは厚肉鋼管）によって保護され接地され、様々な敏感な技術要素を含むことができる安全スペースは、追加の費用なしで回転連結部の下方に配置されている。本発明によるタービンシステムに従う使用は、そうでなければ構築が不可能である領域において、安全スペースを創生すること、および、既存のインフラストラクチャ（道路、鉄道など）において風力発電機を使用することを可能にする。
【００３４】
図２は、本発明による風力タービンと従来のサボニウス風力タービンの、フリーランニング回転速度の測定結果を示している。メートル／秒（ｍ／ｓ）での風速に対して、毎分回転数（ｒｐｍ）での回転速度がプロットされている。上側の曲線は、本発明による風力タービンの回転速度値（×印を用いてプロットされている）についての最適近似の線である。従来のサボニウス風力タービンの測定値は、○印で示されている。下側の曲線は最適近似の線である。
【００３５】
約０．７から１．８ｍ／ｓまでの風速範囲内では、従来のサボニウスタービンは静止しているが、本発明による風力タービンは、毎分５０から１５０回転の回転速度で回転することが、明らかに分かる。約１．７から２．７ｍ／ｓまでの風速範囲内では、本発明による風力タービンは、従来のサボニウスタービンの回転速度の約２から１５倍で回転する。
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【００３６】
図３から図５には、本発明による風力タービンおよび従来のサボニウスタービンについての一連の測定結果（両方とも同じ風の条件に晒された）がグラフ表示されている。上側の曲線１１０は、−８０°から８０°までの範囲内の風の入射角のそれぞれの角度を表している。曲線１１１は、この図では０から６．５ｍ／ｓまでの範囲で、風速を示している。曲線１１２は、０から５００ｒｐｍの範囲内で、本発明による風力タービンの回転数を示している。曲線１１３は、従来のサボニウスタービンの対応する回転速度を示している。サボニウスタービンは、これらの風速では、多くの場合、静止するので、曲線１１３は、常にゼローラインに接近しており、またはゼローライン上にさえある。
【００３７】
図６は、先行技術によって示されるサボニウスタービンの概略図である。空気の流れ方向と回転方向が示されている。
【００３８】
先行技術に関して、さらに、２つの基本的なタイプの風力発電機が成功を得たことが確立されている。
ａ）  軸方向に風が入射する水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ）
ｂ）  軸方向に対して横切って風が入射する鉛直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）
【００３９】
本明細書で開示される発明の解決策は、主にＶＡＷＴに関する。ただし、特殊な場合には、水平取付で、軸方向に対して横切って入射風が流れることも可能である。
【００４０】
商業的に利用可能なＶＡＷＴシステムの中には、次の２つの基本的なタイプから始まる多くの変形例／修正例がある（例えばドイツのウィキペディア（Wikipedia（登録商標））参照。）：
−  サボニウスロータ
−  ジャイロミル（Giromill）／ダリウスロータ
本発明によるタービンとは異なり、サボニウスロータは、偏向板や偏向面の結果として速くはならない。しかしながら、これは、本発明では実証することができた。
【００４１】
上記変形例は、ロータブレードの数と特殊な形状、風案内要素の取り付け、そして或る場合には、回転中のより一定な速度を得るための螺旋状の構造に関する。そこで、本発明の解決策は、特別な、相対的に正確に決定された形状及び配置に関する。それらは、開発プロセスにおいて、特に効率的であることが証明された。
【００４２】
それゆえ、この発明の説明は、形状を記述するための、表１に類似した、さらに狭く定義されたパラメータ空間に関連して、次のように、さらに別の実施形態によって補足される。
【００４３】
本発明による風力タービンのさらなる実施形態は、また、図１に対応し、風力タービン上に、主風向１０１、副風向１０２、１０３に風が流れる。図１中の残りの符号の意義は、表２上から分かる。また、表２は、パラメータについておよび第２実施形態におけるパラメータの特に好ましい値について、本発明による補足的な又は拡張された値の範囲を特定する。
【００４４】
完全性を期するため、タービンの高さ（または長さ）は半径に対する広い範囲の比であり得ることが注記される。すなわち、使用場所に応じて、タービンの高さまたは長さはタービン半径の約０．３から１００倍になる。構造や安定性の理由から、長いまたは高いタービンは、タービンに連動連結する複数のポジティブでフレキシブルなカップリングシャフトを介して接続されてもよいものと理解することができる。
【００４５】
タービンシステムの目的は、電気エネルギの生産を優先して、最適な態様で、風からエネルギを得ることである。この目的のために、使用場所に依存して、発電機は、タービンシステムに適合される態様で、ポジティブまたは非ポジティブに、直接的またはトランスミッションを介して間接的に、タービンシャフトに連結されている。タービンから発電機への力伝達を確実にするために、上記タービンシャフトは、ポジティブまたは非ポジティブに、タービンに連結されている。これに関連して、１つの発電機が両方のタービンのために使用されても良いし、または、各タービンは個別にそれぞれの発電機に接続されても良い。
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【００４６】
発電機は、エネルギ変換のための最適な先端速度率（ＴＳＲ）（それは非制動タービンの先端速度率の４５％と６５％との間である。）を設定するように、発電電力を規制することによって電磁ブレーキトルクがタービンへ伝達されるというような仕方で、風速に適合した態様で制御される。これは、常に最大エネルギが「収穫」され得ることを保証する。
【００４７】
上記実施形態では、高さ：半径比は約２０に設定される。シャフト上のタービンは個々に約５メートル毎に搭載され、フレキシブルでポジティブなカップリングで互いに連結され、電流発生器を含むトランスミッションを介して、或るシャフトの端部に直接または間接的に連結される。
【００４８】
増加された効率のために、２つのタービン偏向板システムが、風スプリッタシステムとして鏡映対称に寄せ集められることが有利である。主風向に見られるように、例えば鉛直回転軸に関して、左の偏向板は左のタービンへ風を偏向させ、右の偏向板は左のタービンへ風を偏向させるというような仕方でである。この関連で、それらの偏向板は、閉じた風案内システムを形成するように、それら２つの偏向板の間の連結部として丸くされた「ブリッジ」を有する「ノーズ（鼻）」の形にあるのが有利であるかも知れない。
【００４９】
図７は、２つのラジアルタービン１、２およびＶ字状の風スプリッタ３を備えた本発明による風力発電機の斜視図である。ラジアルタービンと風スプリッタは、全体として鉛直軸の周りに回転可能（旋回可能）であるように鋼マスト５または他の基部６に取り付けられている。
【００５０】
Ｖ字状の風スプリッタとタービンとの間の距離は、全ての風の条件について最適な動作条件を達成するように、可変で調節可能であるのが望ましい。
【００５１】
風速の関数として、Ｖ字状の風スプリッタは、タービンブレードとタービンシャフトに関する距離と傾斜に基づいて、最適な位置に運ばれる。
【００５２】
全高２０メートルについて、タービンの高さは１０メートルである。タービンは、１メートルの直径を有する。沿岸のサイト（そこでは風力発電機は循環する海岸風を捕捉する。）について期待される容量は、３８％の年間平均効率で、約２１７００ｋＷｈである。
【００５３】
図８は、図９中のＡ−Ａに対応する側から見たときの、一実施形態の管状マスト搭載システムの構造の詳細を示している。３つの支持板７、８、９が、２０メートル高の鋼マスト５に対して、鋼マスト５の縦軸１５の周りに回転可能であるようにベアリング１０、１１、１２、１３、１４によって取り付けられている。下側の支持板７は、鋼マスト５上の３つの回転ベアリング１０と、タービンシャフト１８上の２つのタービンベアリング１６、１７とを有している。中央の支持板８は、３つの回転ベアリング１２と、２つのタービンベアリング１９、２０とを有している。また、上側の支持板９は、３つの回転ベアリング１４と、２つのタービンベアリング２１、２２とを有している。タービンベアリング１７、２０および２２は、図８には示されておらず、他方のタービンに属している。
【００５４】
一方では回転ベアリング１０、１１、他方では１３、１４は、距離にスペーサカラー２３、２４によって或る距離に保たれている。スペーサカラーは、中空管の形態にある。
【００５５】
最後に、図９は風力タービンの平面図である。タービンブレード２５が見られる。また、Ｖ字状の風スプリッタ３の先端が風に対向して指すというような仕方で、本発明による風力発電機が風に向いたときの、風向きが矢印で示されている。
【００５６】
本発明のシステムで、スレッドテスト（thread test）として知られているものが実行された（図１１）。６メートル／秒までの風２８が、本システム内に吹き込んでいた。風に対するタービンの周速の比は３：１までであった。スレッド方向が壊れる点が図１１中に明確に見られる（図の下部で）。本発明によるシステムは、移動する空気の運動エネルギからだけではなく、風の圧力差またはポテンシャルエネルギからエネルギを抽出することができる。
【００５７】
図１１中の参照符号の意義は、参照符号のリスト（符号の説明）に見られる。
【００５８】
副作用は、斜めの気流中に「吊された」ピンポン球である。コアンダ（Coanda）効果の結果として、気流の流れが上記球から剥がされるのではなく、剥がされることなしに（殆ど）完全に上記球の周りを取り囲む。上記球が気流の中心よりも少し下に吊されていることから、空気は上記球の周りを対称的には流れない。流速と流れの断面積が上記球の上側よりも下側で低いことから、より多くの空気が下方へ偏向される。結果として、上記球は上向きの力を受ける。これはマグナス効果（ボールが回転する）に重畳される。両方の効果は各々、上記球が下方へ落ちるのを妨げ、上記球が上記気流の下側に沿って「スリップ」するのを許すのみである。流れに対する上記球の抵抗は、ノズルから或る距離に上記球を保持する。また、重力は上記球が単に吹き飛ばされるのを妨げる。したがって、上記球は、多かれ少なかれ安定した位置に浮かぶことができる。
【００５９】
図１２から図１４は、修正された変形例の風スプリッタ２９と、追加の集中板３０を示している。
【００６０】
メールス（Moers）における１メートルの長さと１メートルの直径を有する本発明による風力タービン上の、静的および動的トルク測定の評価  
【００６１】
評価では、次のデータが直接または間接的に考慮されている：
・  ２０１０年９月２４日から２６日までの静的トルク測定（静止トルク）
・  ２０１０年１１月４日から８日までの期間の動的トルク測定
【００６２】
また、各々の場合に、動的トルク測定中に渦電流ブレーキ（それを用いて、コイル電流を変化させることによって、様々な制動力が設定され得る。）が使用された。
【００６３】
それらの測定値は、様々な平均化とフィルタリングの方法を用いて、妥当性がチェックされ、評価された。
【００６４】
次の表中に、２ｍ／ｓ−８ｍ／ｓの間の風速についての結果データがまとめられている。
表：  
メールスで直径１メートル、長さ１メートルの本発明による風力タービン上の、静的および動的トルク測定の評価（２０１０年９月／１１月）の結果データ
2013540934.tif 000005
2013540934.tif 000006
【００６５】
図１５と図１６は、補間されたラインを持つ、対応するグラフ表示である。
【００６６】
図１５：トルク対回転速度特性、平均電力係数（ＰＣ）３５％で補間
トルク［Ｎｍ］対回転速度［ｒｐｍ］；パラメータ風速［ｍ／ｓ］
【表Ａ】
2013540934.tif 000007
【００６７】
図１６：特性
機械的動力
最大電力範囲で平均ＰＣ＝３５％で補間
機械的動力［Ｗ］対トルク［ｒｐｍ］；パラメータ風速［ｍ／ｓ］
【表Ｂ】
2013540934.tif 000008
【００６８】
動的測定がこれまで比較的弱い制動力のみで行われてきたことから、これまで確立されてきた測定範囲外での補間は破線で示されている。この関連で、最大電力点で３５％の電力係数（電力係数）が得られていることが仮定されてきた。結果データの分散から、用いられた測定技術についての十分正確な校正検証は、約３０−４０％に入ると仮定される。それ以外の場合は、測定技術におけるシステマチックな誤差が追加して考慮に入れられなければならない。もし、より高い制動力での測定が考慮されれば、電力係数はより正確に決定され得る。
【００６９】
本発明によるタービンシステムは、水の流れからエネルギを得るために、すなわち「海洋タービンシステム」として、水中で有利に使用され得る。
【００７０】
図１７から図２６は、さらに改良された本発明による風力発電機の様々な斜視図である。実際の動作は、本発明による風力発電機が事実上無ノイズかつ非常に小さな振動で動作することを実証している。如何なる圧縮振動も２０Ｈｚ以下の非可聴範囲にある。回転部分の軽量でバランスのとれた構造が、観測された振動の欠如を確実にする。結果として、この風力発電機は、都市および／または建物での使用に優れている。
【００７１】
さらなる実施形態では、格子マスト構造（それは特定の蓄電池とタービン搭載システムのためのフレームとして使用され及び／又は使用され得る。）が、静止マストに固定されている回転連結部の上方に設けられている（図２７ａおよびＡ−Ａ断面の形態にある図２７ｂ参照。）。格子マスト内部の空洞は、蓄電池を安全に設置し固定するため及び荷重制御のためのの十分なスペースを提供している。それと同時に、発電機からのケーブル長は、オーミック損失を低く保つように、短く保たれ得る。
【００７２】
回転連結部よりも下方のタワーの下側領域は鋼管で作られていることから、それは、高度な精密技術を安全に設置するために使用され得る空洞を形成する。換気および／または加熱および／または特に空気湿度に関する適切な空調が提供されるからである。
【００７３】
構造において、基部は、更なるエネルギ貯蔵部として、または貯水部や油貯蔵部として使用されても良く、そのように設計されても良い。上記基部の中に、ヒートポンプ（ヒートパイプとともに）が組み込まれていてもよい。
【００７４】
本発明では、タービンブレード（翼）は、複数の圧延支持アーム上に取り付けられている。同様に、それらの圧延支持アームは、互いにねじ込まれている２つの「支持ハート」によって、シャフト上の回転部に両側で取り付けられている。このことは、重量を低減し、タービンが最大速度により迅速に達することを可能にする（図２８参照）。
【００７５】
また、支持ハートは、ねじを回すことによって個々のタービンブレードを交換することを可能にする。非常に重い固定された円板（それらは回転に同調され、サボニウスタービンにおいて伝統的である。）は、静止した格子面パネルによって置き換えられる。それらの格子面パネルは、より良い風導入のために付加的に丸くされる。結果として、回転部分の重量とトムソン効果による損失が大幅に減少される。したがって、風エネルギが非常に高レベルの効率で得られる。
【００７６】
また、本発明によって使用される支持ハートは、かなり軽い。格子面パネルは、マストによって互いに保持される。それは、サボニウスタービンにおいて伝統的な重いフレーム構造のための機能的な置換である。
【００７７】
分散ネットワーク通信エネルギ供給システムおよび他の応用を形成するために、複数の風トラッカを寄せ集めることは有利である。それゆえ、本発明によるタービンシステムのおよび／または風トラッカの配置を、街路、自動車道路、鉄道、運河のような交通インフラストラクチャに沿って設けることが提案される。その配置は、付加的に、通信のため、または低電力取り込み時にグリッドからの電流を緩衝するため、および／または広告媒体としておよび／または街路照明としての使用ため、および／または安全スペースを提供するために、設けられる。
【符号の説明】
【００７８】
１  ラジアルタービン
２  ラジアルタービン
３  風スプリッタの分布  
５  鋼マスト
６  基板
７  支持板
８  支持板
９  支持板
１０  （回転）ベアリング
１１  （回転）ベアリング
１２  （回転）ベアリング
１３  （回転）ベアリング
１４  （回転）ベアリング
１５  縦軸
１６  タービンベアリング
１７  タービンベアリング
１８  タービンシャフト
１９  タービンベアリング
２０  タービンベアリング
２１  タービンベアリング
２２  タービンベアリング
２３  スペーサカラー
２４  スペーサカラー
２５  タービンブレード  
２６  上側カラーフランジ
２７  案内フランジ  
２８  風
２９  修正された偏向面
３０  集中板または集中面
３１  マグナス効果
３２  コアンダ効果
３３  マグナス／コアンダ重ね合わせ
３４  高揚力
３５  負圧
３６  過圧
３７  スレッド方向が壊れる
１１０  上側の曲線
１１１  曲線
１１２  曲線
１１３  曲線
２０１  圧延支持アーム
２０２  支持ハート
２０３  タービンブレード
３０１  タービンまたはタービンブレードの外半径
３０２  集中板および／または風案内板の丸まり
３０３  集中板および／または風案内板
３０４  格子マスト
３０５  Ｖ字状の風スプリッタ
【図１】
2013540934.tif 000009
【図２】
2013540934.tif 000010
【図３】
2013540934.tif 000011
【図４】
2013540934.tif 000012
【図５】
2013540934.tif 000013
【図６】
2013540934.tif 000014
【図７】
2013540934.tif 000015
【図８】
2013540934.tif 000016
【図９】
2013540934.tif 000017
【図１０】
2013540934.tif 000018
【図１１】
2013540934.tif 000019
【図１２】
2013540934.tif 000020
【図１３】
2013540934.tif 000021
【図１４】
2013540934.tif 000022
【図１５】
2013540934.tif 000023
【図１６】
2013540934.tif 000024
【図１７】
2013540934.tif 000025
【図１８】
2013540934.tif 000026
【図１９】
2013540934.tif 000027
【図２０】
2013540934.tif 000028
【図２１】
2013540934.tif 000029
【図２２】
2013540934.tif 000030
【図２３】
2013540934.tif 000031
【図２４】
2013540934.tif 000032
【図２５】
2013540934.tif 000033
【図２６】
2013540934.tif 000034
【図２７ａ】
2013540934.tif 000035
【図２７ｂ】
2013540934.tif 000036
【図２８】
2013540934.tif 000037
【国際調査報告】
2013540934.tif 000038
2013540934.tif 000039
2013540934.tif 000040
2013540934.tif 000041
2013540934.tif 000042
2013540934.tif 000043