(57)【要約】本発明は、垂直シャフトを備えた風力ローターに関し、垂直シャフト（１）、二つの水平の端部支持体（３、３´）、及び上記支持体間に配置された複数のブレード（４、４´）により構成されている。本発明の特徴は、ブレード（４、４´）が二種類あって、交互に配置されており、ブレード（４）は抗力素子用に構成され、ブレード（４´）は揚力要素用に構成されて、後者は以前に定めた風速を超えるときに失速し、ローター内でブレーキ効果を起こす。本構造は垂直シャフトを備えた公知の風力ローターの多くの不具合を取り除き、それにより、重要な始動トルク、強風のブレーキシステム、又は卓越風に関して方向付け及び再方向付けを要しない。風を用いて使用されることに限定されないし、高い位置に設定することを要せず、最適な動作条件において短い支持ポストの上に設置され得る。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直シャフトを備えた風力ローターであって、前記シャフトの両端部でちょうど固定された一対の支持体を含む種類のものであり、前記支持体は前記シャフトに関する円周に沿って整列した複数のブレード用の支持手段を構成しており、
漸進的な回転変位を持って垂直方向に突き出して且つねじられており、さらに、反対方向で短くなった弦を有する、同一又は類似の主要な空気力学的プロファイルを有する二種類のブレード（４、４´）が設けられており、
一つの前記ブレード（４）は、抗力用に構成されており、他方の前記ブレード（４´）は、揚力用に構成されており、
前記ブレードの弦（１１）は、前記ローターの基部にて、角度をもって、放射線状に、均一に、同心円状に、且つ垂直方向に、方向付けられており、当該ローターの下底には、交互に且つ等角に配置され、外側に突き出す先端部（６）を有している、
ことを特徴とする風力ローター。
【請求項２】
請求項１に記載の垂直シャフトを備えた風力ローターにおいて、
前記ブレード（４、４´）用の前記支持体（３、３´）の各々は、曲がった軌道を有する複数の放射線状のアームの形になっており、且つ、等角に分配されており、その末端部に、対応する前記ブレード（４、４´）の湾曲部に一致する湾曲部を有している、
ことを特徴とする風力ローター。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の垂直シャフトを備えた風力ローターにおいて、
前記揚力ブレード（４´）は、最大許容速度を超える場合に、連続するブレーキ効果を用いて、前記ローターが失速するように、構成されている、
ことを特徴とする風力ローター。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の垂直シャフトを備えた風力ローターにおいて、
前記ブレード（４、４´）は傾いており、下部の前記支持体と上部の前記支持体との間の両端部において回転方向に変位しており、且つ、前記ローターの回転方向に垂直に向いている、
ことを特徴とする風力ローター。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の垂直シャフトを備えた風力ローターにおいて、
前記ブレード（４、４´）のプロファイルの弦の値は、垂直方向の突出しが進展するに連れて減少する一方で、同時に、その断面はねじられており、それにより、その断面が進展する角度は、前記ローターの回転方向において、迎え角が進展する角度と異なっており、前記迎え角が進展する角度は反対回転において最小化されている、
ことを特徴とする風力ローター。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の垂直シャフトを備えた風力ローターにおいて、
各ケースにおける前記ブレード（４、４´）は、各極小断面において生成されるねじりモーメントの結果であり、それにより、同じものが一定に続いており、前記ブレード（４、４´）の先端部において、滑らかな曲線が続く前記ローターの中央に向かう前記プロファイルの漸進的な変位を有し、それにより、前記ブレードの上端は、前記ブレードの下端よりも、前記ローターのシャフトの中央からの距離が短くなっている、
ことを特徴とする風力ローター。
【請求項７】
請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の垂直シャフトを備えた風力ローターにおいて、
前記ブレード（４、４´）の前記特別の構成及び配置は、円錐母線を有する一般的な円錐台形状を前記ローター用に決定する、
ことを特徴とする風力ローター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービンの一部を構成するように意図され、風に対して常時方向付けられた垂直シャフトを備える風力ローターに関連する。
【背景技術】
【０００２】
異なる種類のガスタービンは、その動作が抗力又は揚力の利用に起因している。例えば、そのプロファイル（外形）の先端が風向に対面するとき、飛行機のプロファイルの先端が知られているのと同様に、その動作において空気力学的プロファイルの揚力を主として利用する水平シャフトを備えたダリエウス（Ｄａｒｒｉｅｕｓ）モデルや大風力生成器がある。一方で、風向に対面する凹型表面を備えた抗力を主として利用するサボニアス（Ｓａｖｏｎｉｕｓ）モデルがある。
【０００３】
多くの問題や不具合を呈する水平シャフトを備えた公知の風力ローターがある。例えば、ローターを調節して停止するための機械的ブレーキが必要であったり、風が荒れて、ハリケーンのようなときにローターを停止する必要があったりしている。なぜなら、もしも、ローターが停止しない場合には、ローターの破損が起こり得、それはローターが水平位置に対して大きい抵抗を呈するからである。
【０００４】
さらに、水平シャフトを備えたローターの振動は、動作中において、大変気になると同時に汚染要素である大きな騒音を生成し、他方で、鳥にとっては、水平配置のために水平シャフトを容易に探知できない。
【０００５】
異なるローターシステムは、風力エネルギーを捕獲するための主構成要素としての風力タービンの構成が知られており、特に、垂直シャフトを備えた風力タービンは、その全てが乏しいエネルギー出力である。一部が、その性質から独立して、風に直接に対面しており、その方向付けを必要としないが、他の部分は、風から隠れており、そこではエネルギーを全く生成しない。
【０００６】
上述した風力ローターは、とりわけ、次の特許文献１〜特許文献１３に見られ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】スペイン特許公報第１００２３９６号
【特許文献２】スペイン特許公報第１０４９８８７号
【特許文献３】スペイン特許公報第１０７０５３４号
【特許文献４】スペイン特許公報第２０２８７１８号
【特許文献５】スペイン特許公報第２２３７２６８号
【特許文献６】スペイン特許公報第２２６７８４７号
【特許文献７】イギリス特許公報第１８９９１５５０５号
【特許文献８】米国特許公報第４１１５０３２号
【特許文献９】米国特許公報第４６５０４０３号
【特許文献１０】ロシア特許公報第２０９６２５９号
【特許文献１１】ロシア特許公報第２１３５８２４号
【特許文献１２】欧州特許第０６７９８０５号
【特許文献１３】米国特許公報第４９７０４０４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これらのローターは、次の側面に基本的に集中している問題を呈する。
【０００９】
−ローターは、高い始動トルクを必要とすること
−ローターは、強い風がある中でブレーキシステムを必要とすること
−ローターは、卓越風に関して方向付け又は再方向付けを必要とすること
−ローターは、層風の利用のみを要求すること
−ローターは、大きい高位置に配置される必要があること
−ローターが実際に利益を得るようにするためには、ローターは費用が大きく嵩む機械でなければならないこと
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によって提案される風力ローターは、議論される異なる側面の各々及び全てに対して、前述した問題を満足行くように解決するものである。
【００１１】
本発明の目的は、低始動トルク及び自動調節された回転を与える二つの種類のブレードの組み合わせを用いて、従来のブレーキを必要とせず、突風、渦流、方向性のある風、上昇風などに対して適用され、そして、風向や風の強さに拘わらず、最大限に風を取り込む、垂直シャフトを備える風力ローターを提供することである。
【００１２】
本発明はこのため、再生可能エネルギーの範囲に属し、より具体的には、風力エネルギーを取り込むための機械の範囲に属している。
【００１３】
上記ローターは、垂直回転シャフトに基づいて構成されており、該垂直シャフトには、各々の平行投影面内に含まれる二つの支持体が直角に結合されており、すなわち、二つの支持体は垂直シャフトに対して直角を成しており、且つ、垂直シャフトの端部に位置している。これらの支持体は、各々の空気力学的プロファイルの運搬手段であって、以下ではブレードとして称される。
【００１４】
本発明によると、ローターは、例えば「主プロファイル」である理論的に空気力学的プロファイルで始まっており、該「主プロファイル」は、凹凸構成の非対象プロファイルであって、且つ、風の作用下にあるときに、圧力差異がブレードの表面間で生じ、大きい揚力と大きい揚力能力を生み出すのと同時にかなりの失速を生み出すことができるように最適化された断面を有している。
【００１５】
このような主プロファイルを用いて、且つ、本発明の主要な性質によると、二つの異なる種類の垂直な突起部の組み合わせを用いて、二つの異なるブレードが得られ、以下に、アルファとベータとして称される。
【００１６】
両ブレードは、これらがローターにおいて占める位置及び主たる流体の迎え角に拘わらず、揚力及び抗力の下で同時に作動する。
【００１７】
これらのプロファイルは傾いている。すなわち、これらの端部は、下部の支持基盤と上部の支持基盤との間で回転方向に変位しており、且つ、ローターの回転方向に対して垂直に向かっており、それにより、流体とのブレードのより多くの好ましい接触時間を確保し、流体の挙動が１つのブレードからブレード間の空間を通過し、そして、別のブレードへ通過するときのスキッピング（ｓｋｉｐｐｉｎｇ）を排除する。所謂「リーピング（ｌｅａｐｉｎｇ）」は排除され、このため、より多くの通常の継続する動作及びより円滑なスタートを実行し、その挙動の開始に必要なエネルギーを少なくする。
【００１８】
両方の翼状のプロファイルの弦は、垂直な突起部が進展するにつれて、およそであって限定されないものであるが、５％減少する。これにより、凹部において循環する流体に対して、ベンチュリー効果に導くスプーン効果を与え、内部の流体を加速させ、流体はより素早く出ていく傾向を持つ。
【００１９】
垂直な突起部が上昇するにつれて、前述の全てと共に、上記プロファイルの弦が減少するにつれて、そしてさらに、主プロファイルの基本特性を維持しながら断面がねじられるにつれて、それにより、その断面が進展する角度は、ローターの回転方向において、迎え角が進展する角度とは異なっている。しかし、それは、反対方向におけるねじりにおいて弦それ自身によって実行される反対回転において最小化されており、それにより、より良い流体最適化条件にとってより大きな空間及び時間に曝されることになる。
【００２０】
各ブレード又は翼形状のプロファイルの最後の構成及び形状は、各場合において、各極小断面において生成されるねじりモーメントが一定でなければならないという事実に統合された前述の結果であり、それゆえ、内部の緊張は上述した翼形状のプロファイル中に生成されない。このため、全体のプロファイルは同一の条件で作動する。
【００２１】
そのために、その垂直な突起部において、先端部は、滑らかな曲線が続く、ローターから内部に及び外部に、プロファイルの漸進的な変位を有しており、それにより、ブレードの上端部は、モーメントを補償するために、ブレードの下端部よりも、ローターのシャフトの中央からの距離がより短い。
【００２２】
これらは、両方のブレードを特徴づける一般的な条件であって、同じ態様である。
【００２３】
加えて、各種類のブレードは、互いのブレードを異にする別の特徴を有している。
【００２４】
アルファブレードは、抗力から最大性能を得るように調節されている。
【００２５】
もう一方のベータブレードは、流体揚力から最大性能を得るように調節されている。
【００２６】
ローターにおいて、等しい数のアルファブレードとベータブレードがあり、交互に配置されている。
【００２７】
アルファブレードは抗力プロファイルとして作動し、ベータプロファイルは揚力プロファイルとして作動する。それにより、風速が予め定めた値を超えるときに失速し、ローターのためのブレーキとして作動する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
詳細な説明を補足し、且つ、本発明に好ましい実施形態に係る本発明の特徴をより理解する目的で、上記詳細な説明の一体部分として一組の図面が添付されており、図面では、後述する説明が例示的で且つ限定されない性質で記述されている。
【図１】図１は、対応する支持体柱上に、本発明の目的に応じて形成された垂直シャフトを備えた風力ローターの概略斜視図を示している。
【図２】図２は、図１に示したローターの側面図を示している。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ断面におけるローターの詳細についての断面図を示している。
【図４】図４は、アルファブレード概略図を示している。
【図５】図５は、図４のアルファブレードに類似しているが、ベータブレードに対応する図を示している。
【図６】図６は、主プロファイルの断面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図面から看取でき得ることは、提案されるローターは、支持体柱（２）の上端に位置したシャフト（１）から形成されており、支持体柱（２）は、図１から看取できるように、相当な高さを持つことを要求しない。
【００３０】
各支持体（３、３´）は、上記シャフトの端部に不可欠であり、支持体の各々は、共通のプレーナーである共通のコアから出ていると共に末端部においてアーチ形状の軌道を有する複数のアームによって形成されており、さらに、各アームは互いに平行であると共にシャフト（１）に対して垂直である。各アーム（３）は、各支持体上に等角の間隔が開けられている。上部の支持体（３´）のアームはより短くなっている。さらに、上記アーム（３）は、下部支持体（３）と上部支持体（３´）との間に配置されなければならないブレードの湾曲に適した湾曲を有している。このブレードは、前述したように、図６に示すように、主な空気力学的プロファイル（５）からなり、図における参照符号（６）は先端部に相当し、参照符号（７）は後縁に相当し、参照符号（８）は上記空気力学的プロファイルの中央線に相当し、参照符号（９、１０）は内輪と外輪に相当し、参照符号（１１）は弦に相当し、参照符号（１２）は垂れに相当し、参照符号（１３）は最大厚さに相当する。
【００３１】
より具体的には、そして上述したように、上記ローターに含まれるブレード（４）の数は偶数でなければならない。そして、アルファとベータと称する、主な空気力学的プロファイルに基づいた二種類のブレードが存在しており、これらは、特に図４及び図５において示されており、参照符号（４）がアルファプロファイルに用いられている一方で、ベータプロファイルは参照符号（４´）を用いている。両方の種類のブレード（４、４´）は、図１〜図３に示すように、シャフト（１）に関して交互に配置されている。
【００３２】
主なプロファイル（５）は、上記弦（１１）の値の１１％程度の厚み（１３）を有しており、湾曲の半径は、弦の長さに関して１３％程度である。先端部（６）の角度は８°程度であり、その下部の平坦度は２５％である。先端部の半径は４．５％程度である。最大揚力係数は２．５程度であり、最大揚力係数における最大角度は１２．５°程度である。最大抗力係数は１１．２程度であり、最大抗力係数における最大角度は１０４°程度である。
【００３３】
上述したように、アルファブレード（４）及びベータブレード（４´）は傾いている、つまり、それらの端部において回転方向に変位しており、それらの弦はまた、いずれの場合においても、上方向において減少しており、その断面は漸進的にねじられている。さらに、先端部において、滑らかな曲線が続いて、ローターから内側及び外側に向かう漸進的な変位を有している。
【００３４】
アルファプロファイル（４）は、ローターの回転を容易にしながら、その挙動を維持する目的で、最大許容抗力下で作動するように構成されている。それにより、アルファプロファイルは、風に対面する表面を完全に最大化すると共に、抗力位置における「スプーン」効果の結果として生じるエアポケットの形成に貢献する。
【００３５】
アルファプロファイル（４）は流体動作下にあるので、揚力要素として、しかし主には、ローター又はブレードのアセンブリを容易に回転させる傾向を有する推進力要素又は抗力要素として、独自の構成に基づいて挙動する。
【００３６】
そのためには、アルファプロファイル（４）の弦がその垂直投影において減少するにつれて、その断面は回転のために漸進的に変位しており、そこでは、ブレードの基部と上端との間、支持体間には、回転に好ましい２８°の回転変位に到達するまで緩やかな開口が存在している。このことが、ブレードが傾いているということである。同時に、アルファプロファイル（４）の弦は、反対方向に、このプロファイルを９°にねじっており、最終的に、回転に好ましい１９°の弦の変位が生じている、つまり、ローターが回転する２８°において、９°ゲインする。
【００３７】
このことは、そのプロファイルが回転するのに応じて、流体の方向に対してブレードを部分的に再び方向付けすることを含み、それにより、ブレードは、より長い空間時間の間、抗力下にあり、それにより、始動を容易にし、その結果、動作に要する最小の風力条件を低減する。
【００３８】
次に、ベータプロファイル（４´）は、ローターの回転数を増加させると共に回転慣性を維持する目的で、最大許容揚力の下で作動するように調整されている。
【００３９】
ベータプロファイル（４´）は、流体動作下にあるので、その構成に起因して、推進力要素として、しかし主には、揚力素子として挙動し、速度を本システムに伝達すると共に、もし最大許容速度を超える場合には揚力係数を考慮に入れて失速させ、その場合には、上記揚力を減少させて本システムにブレーキをかける。
【００４０】
そのためには、ベータプロファイル（４）の弦がその垂直投影において減少するにつれて、その断面は回転のために漸進的に変位しており、そこでは、ブレードの基部と上端との間、支持体間には、回転に好ましい３７°の回転変位に到達するまで緩やかな開口が存在している。このことが、ブレードが傾いているということである。同時に、ベータプロファイル（４）の弦は、反対方向に、このプロファイルを３°にねじっており、最終的に、回転に好ましい３４°の弦の変位が生じている、つまり、ローターが回転する３７°において、３°ゲインする。
【００４１】
このことは、そのプロファイルが回転するのに応じて、流体の方向に対してブレードを部分的に再び方向付けすることを含み、それにより、本システムの完成を維持しながら速度が上昇するが、最大速度を超える場合に本システムにブレーキをかけ、失速して且つその結果、動作に要する最小の風力条件に自動的に限定する。
【００４２】
ベータプロファイルはこのため、ローターの速度安定装置を構成する。なぜなら、本システムは、最終的に停止するまで、回転数が増加するにつれて失速するからである。
【００４３】
上述の揚力ブレード（４´）は、最大許容速度を超える場合に、揚力係数を考慮に入れて、ローター自身のためのブレーキ手段と速度安定手段を確立する、失速要素として挙動する。
【００４４】
ブレード（４、４´）は、その領域における低卓越風に起因して、必要に応じてベータブレードの角度及びねじりを低減することによって該ブレードの回転を犠牲にしながら、始動を改善するためにアルファブレードの角度又はねじりを増加させる必要がある場合に、変位を可能にする。
【００４５】
上述したブレードは、外向きの迎え角をもって、ローター（２）の下底に均一に配置されており、主プロファイルの揚力係数の最大角度に等しい部分において、先端部に対する中央の半径に関連して、回転において遅れる弦は、それにより、総揚程で、つまり、ローターの中央に関して、上述した半径と同じ方向に存在する迎え角に、位置している。
【００４６】
１つのアルファブレードと１つのベータブレードは、下底において、交互に、放射線状に、等角に設けられている。
【００４７】
これらのブレードはまた、一旦流体がローターの中央に到達してそこから退避又は逃げようとすると、これらのブレードの表面において、他のブレードの先端において形成された荒れた風を利用し、そしてブレードは同じようにしてアセンブリの空気力学的揚力を維持する。
【００４８】
多くのブレードは、所望のパワーを得るために必要な例えばトルク、ｒ．ｐ．ｍ．及び関連するスケーリングのような、風に対面する表面の特定値によって決定される直径と高さを有しており、ローター内に組み込まれるであろう。
【００４９】
卓越風の速度に基づいて、失速モーメントは決定されており、ローター自身の回転速度の自動調節をもたらし、極値風の条件においてローターにブレーキをかける必要がない。なぜなら、ローターはチョークして失速するからである。
【００５０】
構造的には、それは、好ましいが限定しない態様で、円錐母線を持つ円錐台を構成する一連のらせん形のブレードによって形作られる本体に一体化されており、それにより、本体を規定して特徴付けている。
【００５１】
これらのらせん形の特徴部分のブレードにより、その先端部は、本システムの回転に応じて、ブレードに連続的に作用する風に対面することができる。
【００５２】
ブレードのプロファイルの尾部（７）は、流体の方向に関連する位置に応じて、その回転に反してローターの空き空間中に流体を流れこませる。それにより、流体は、反対にあるブレードのプロファイルの尾部によって収集され、このことにより、その回転に好ましい挙動を再び生成する。
【００５３】
この円錐形は、流体圧縮能力を制限し、その（空気）出口に対する障害を生成すると共に、風力エネルギーの捕獲における損失を生成して本システムにブレーキをかける。この形状は、ブレードの揚力に代償不全を引き起こす。
【００５４】
過剰や危険とみなされる風に伴って、本システムは、「リーピング（ｌｅａｐｉｎｇ）」又はチョークと呼ばれる、すなわち、空気が自由に逃げられないときに生じる真空のことを意味する、失速に対するゲイン状態に入る。この状態は、揚力を超えるときの所定の速度において生じ、そして、従来の機械的ブレーキを用いるというよりもむしろ、自らブレーキをかける。
【００５５】
底部における両ブレードの先端部の位置は固定されており、尾部において調節可能である。ブレードの上端では、両方の部分は、異なる風の強さに応じてその調節を行うために移動可能であって、このために、本システムの速度及び性能を調節することができる。
【００５６】
その結果、このローターは、常に風に対面しており、過酷な環境においてさえも、ローターにブレーキをかける必要がない。
【００５７】
本システムは、現行のシステムよりも、穏やかな風、突風及び荒れた風においてと同様に嵐やハリケーンにおける風（理解されるように、これらの環境において、これらの環境下で見出される要素は本ローターにダメージを引き起こさない）においても、より優れた風力性能効果を提供する。
【００５８】
上記の全ては、単純に、簡潔に、経済的に、メインテナンスフリーの態様で、極限の単純さにおいて実行される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2013521431.tif 000009
2013521431.tif 000010
2013521431.tif 000011
2013521431.tif 000012
2013521431.tif 000013
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