(57)【要約】  地面あるいは基部への固定、タワー、タワーの表面に静的層流空気流が衝突した後に形成される空気の渦あるいは旋風の発生周波数に対して意図的に調整されるタワーの固有振動周波数を備える風力タービンである。このように吸収される空力弾性エネルギーは高電気機械結合性材料を用いて電気エネルギーに変換される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地面に固定した基部に取り付けられる風力エネルギー捕捉素子であって、前記捕捉素子に入射する静的層流空気流が乱流に変換され、渦または旋風を形成するように、電気機械結合により結合された複数の素子によって形成される捕捉素子を備え、且つ異なる動作パラメータを制御および調整するための電子ユニットを備える渦共振風力タービンであって、
前記捕捉素子に入射する前記層流空気流の変換により発生する前記渦または旋風は、前記捕捉素子の長さ方向全体にわたり同期的に発生し、前記風力タービンに含まれる制御および調整するための前記電子ユニットが前記捕捉素子の固有振動数の能動的な変調を行い、渦が発生する周波数に同調または同期させることを特徴とする渦共振風力タービン。
【請求項２】
前記風力エネルギー抽出素子はタワーを含み、前記タワーの構成要素は静的層流空気流を渦あるいは旋風からなる乱流に意図的に変換することを可能にする断面および幾何学的形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の渦共振風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気エネルギーを生成する新たな機器に関する。
【０００２】
本発明の目的は、再生可能エネルギー産業分野に属する装置であって風力エネルギーを使用可能な電位に変換する生成装置を提供することにある。この生成装置は、以下の３つの周知の物理的原理を統合した設計を有する：固有振動周波数に対する構造結合、流体における渦の形成、および強誘電効果あるいは圧電効果などにより生じる所定の物質の電気機械的結合。
【０００３】
本システムの新規性は、自機の固有振動周波数を、同期的に形成される複数の渦の発生周波数に構造体全体に渡り同調させる電気エネルギー生成装置において、これら３つの原理を調和的に統合したことにある。
【背景技術】
【０００４】
最も普及している再生可能エネルギーの形態の１つとして、風を主なエネルギー源とする風力発電がある。
【０００５】
風力エネルギーを電気に変えるために最も一般的に用いる装置として、複数のブレードを備えた風力タービンがある。明らかな技術的進歩が継続的に実現されてきたにも関わらず、このシステムには以下の４つの基本的欠点がある：
ａ）風力発電システムはギアや巻き線などの機械的構成要素を含むため、潤滑油の消耗、部品の摩耗、および絶縁樹脂の熱変性、ならびにその他の摩擦や摩擦熱により生じる効果などによる保守コストを要する。
ｂ）１９２７年にベッツが発表した理論的著作によれば、従来の複数ブレード式風力タービンの効率は、ローターの回転速度が高いほど上昇する。このことは、円形表面上において得られるエネルギー量がブレード長の二乗に比例して増加する事実と併せると、ブレード先端は非常に高い速度で移動することを意味する。このことは鳥類相に対して非常に危険であり、実際に夥しい件数の事故が観測されている。
ｃ）寸法の拡張を試みた場合、組立てがいっそう複雑になり、初期設置費用が増加する。
ｄ）風力タービンの主観的な視覚的効果は様々に描写し得る。しかしながら、いずれにせよタービンの可動域が広ければその圧迫感も大きくなってしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これら状況を改善するため、本発明は、以下の３つの物理的原理あるいは根拠に基づく装置を提供する。これらの原理は、再生可能エネルギー業界において個別に広く用いられている。
【０００７】
１つ目の原理は、電気機械結合である。電気機械結合の効果は、所定の物質の２つの面間に力を加えると電位差を生じるということにより示される。どのような電気機械もその動作は可逆的であり、機械の２つの面間に電位差が発生している場合、変形を生じる。このような材料としては、強誘電材料（例えばジルコン酸チタン酸鉛およびその誘導体など）および圧電材料（例えば水晶などの所定の結晶）が挙げられる。
【０００８】
所定の種類の電気機械結合を示す材料は、アクチュエータ（ポジショナ、モーターなど）、スピーカ（電気エネルギーを取り入れて機械的エネルギーを得ている）、および圧力、位置、接触、変形などを検知するセンサ、ならびに各種変換器（機械的エネルギーを取り入れて電気エネルギーを得ている）として、広範囲において適用されている。
【０００９】
このような材料は電気エネルギー生成のためにさほど広く適用されているものではないものの、歩行者による歩行のエネルギーを電気エネルギーに変換する歩道や床は既に存在する。また、衣服、履物やシリコン・インプラントに関してさえ、身につけている人の身体の動きから得たエネルギーを携帯用電子機器の充電に使用することが提案されている。これら材料は久しく電子式ライターにおいて着火用に用いられており、また、キーボードにおいて、ユーザーのキーストロークに応じ、自身が構成要素である装置の充電を行うものにも用いられている。同様に、波や風の波動エネルギーや乱流エネルギーを集めて発電する発電装置も設計されている。
【００１０】
２つ目の原理は、非乱流である層流から有意に乱流渦を発生させることである。ハンガリーの科学者セオドア・フォン・カルマンが１９１１年に論じた「カルマン渦列」理論は、渦流量計として知られる流量計の一種において最もよく技術的に適用されている。この渦流量計は、所定の形状や位置の要素の存在下における流体中の渦の数を調べることにより、管を流れる流体の量を測定する。この原理の知見と応用は地上や海上の天候を調べる上で用いられている。
【００１１】
３番目の原理は、物体の固有振動周波数に関するものである。この原理は特に、楽器、拡声器、電子デバイス（共振器）、鏡検法における適用（タッピングモードによる測定が可能なＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）顕微鏡やＭＲＦＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）顕微鏡などであり、これらの顕微鏡には、調和振動による測定を行って測定精度を向上させるカンチレバーが設けられている。）として用いられている。一方、自動車技術や機械力学（構造音響結合制御）といった技術分野においては、例えばエンジン・ノイズの低減やブレーキ・パッドの振動低減のために、固有振動の効果は可能な限り回避されている。また、建築分野や、煙突や橋などの大型構造体分野においても、固有振動は避けられている。上述のカルマン渦発生の有名な例としては、タコマナローズ橋や、フェリーブリッジ原子力発電所の冷却塔などが挙げられる。
【００１２】
従来の風力発電機は、構造全体において発生する乱流渦を同期的に発生させるための形状を有していない。
【００１３】
また、従来の発電機は、物体の固有振動を動作原理としていない。また従来、物体の固有振動周波数と乱流渦発生周波数とを制御することにより同調や共振を生じさせる方法は提案されていない。
【００１４】
従来、電気機械結合性材料により構成され静的層流空気流の持つエネルギーを主なエネルギー源とする発電機はなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の渦共振風力タービンは、上述の従来の複数ブレード式風力タービンにおいて生じる課題を解決するものである。
【００１６】
本発明の渦共振風力タービンは、地面に固定され垂直設置型の半硬質の装置から構成される。本発明の渦共振風力タービンは、外部から見える部分として、垂直ブロックあるいはタワーを含む。このタワーは、減速機、ギア、アクスル、ローターなどの可動部分を含まない。そのため、タワーの潤滑や、摩耗あるいは疲労による部品の交換を要しない。タワーの製造には、その一部あるいは全部に高電気機械結合性材料を用いる。
【００１７】
特定の風の状況（風速、レイノルズ数など）下においてタワーの表面が風を受けると、一連の乱流渦または旋風が生じる。これらの渦や旋風は、タワーの構造に対し２種類の力を伝達する。一つは、空気抵抗として知られている力である。空気抵抗とは風向と同一方向に働く力であり、静的層流空気流が一定の捩り応力を発生させる際に生じる。空気抵抗は、発電に用いることはできない。２つ目は、揚力として知られる力である。揚力とは風向に直交する方向に働く力であり、揚力の符号の方向は交互に変化する。これにより揚力は一定方向に作用する。揚力は発電に用いることが可能である。静的層流空気流が生じている場合に新たに発生した渦により揚力の方向の変化を生じる周波数は、次のカルマンの公式により求められる：
【数１】
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ここで、ＦＶは渦発生周波数を、Ｖは風速を、ｈは障害物の形状の特性長（例えば円形断面の直径）を、Ｓは無次元量である流体のストローハル数を表す。
【００１８】
本発明の目的である装置は固体素子あるいは堅牢構造体であり、いずれの場合も複数の空間振動モードを備える。一端において地面に固定されるタワーのための第１の振動モードは、一端が固定されており、高い位置に位置する他端において最大振幅を有する。この場合の渦発生周波数は次の式により求められる：
【数２】
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ここで、ｆｎはｎ番目の高調波を、Ｉは断面慣性モーメントを、Ｅは材料のヤング率を、ｄｌは棒状体の単位長さあたりの密度を、Ｋｎは棒状体のｎ番目の振動モードを、ａは減衰定数を表す。
【００１９】
タワーの固有振動周波数ｆｎが渦を形成する空気自体の周波数ＦＶと等しい場合、構造体と乱流域とは同調しアセンブリに共振が生ずる。これにより、装置のエネルギー吸収能力を最大化する。このような固有振動周波数と渦発生周波数との同調化は橋や煙突など特定の構造体においては危険なものとなりえるが、本発明はこの同調化を目的としている。
【００２０】
エネルギー変換過程において、電気機械結合性材料の効率は、材料の品質に応じ大きく変わる。現在のところ７５％を超える効率を有する材料を探すのは困難であるが、これは弾性位置エネルギーに転換されるエネルギー量が常に多いためである。共振が生じると（材料がその固有振動周波数で振動すると）、この弾性位置エネルギーの多くの部分が回収され、効率は１００％に近くなる。このようにして、本発明においてタワーあるいはタワーに取り付けた物体が強誘電効果と圧電効果のいずれにより生じるものかに関わらず上述の電気機械結合性を有する場合、機械的エネルギーの電気エネルギーへの転換は最適化される。
【００２１】
上記のように、物体の振動周波数は、その密度、断面慣性モーメント、弾性剛性定数、あるいはヤング率に依存する。渦発生周波数は風速（制御されておらず経時変化する）に依存するので、固有振動周波数と渦発生周波数との２つの周波数を同調化あるいは互いに適合させるためには、固有振動周波数あるいは渦発生周波数が依存する制御パラメータを調整することが考えられる。ここで、各制御パラメータの中でもヤング率を調整することが好ましい。この調整は、電気機械結合性材料に印加される電圧を外部から適切に変調することにより達成可能である。この目的のために、本発明の渦共振風力タービンは電子ユニットを備える。この電子ユニットは入力および出力がそれぞれ風速と電気機械結合性材料に印加する電圧の値であり、制御ループを管理する。風速の値は標準風速計を用いて得ることができる。あるいは、流体抵抗により生じる、風力タービンのタワーの静的ねじれを用いて得るとなお良い。本発明の別の目的は、本装置により生成されるエネルギーを、配電網にエネルギーを送るための後続の逆変換やフィルタリングの段階に供給する前にフィルタ処理および調整を行うことにある。
【００２２】
電子制御／調節ユニットの設置場所としては、自然な気流を妨げない場所が最適である。
【００２３】
装置の地面への固定は、コンクリート、セメント、石膏またはモルタルなどの標準的結合材により構成される頑丈な基礎または基部を用いて行う。この基礎または基部には、重く頑丈でしっかりと装置を固定可能なものを用いる必要がある。
【００２４】
上述のように、渦共振風力タービンの最適な動作のためには、静的層流空気流がタービンに吹き付けることを要する。地面に近い低い位置では乱流域が生じることが知られている。そのため、高いタワーを用いると良い。また、風の持つエネルギーは風速の３倍に比例するため、高いタワーを用いる必要がある。
【００２５】
装置を正しく動作させるためには、タワーは、どの部分においても（どの高さにおいても）揚力を同時に受け、これにより振動するものであることを要するのは明らかである。地面からの距離につれて増加する風速の関係は、次のヘルマンの指数則により表される：
【数３】
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ここで、ｚは気流速度を測定しなければならない気流の高さを、ｈは気流速度が既知の高さを、ＶｚおよびＶｈはそれぞれ未知の気流速度と既知の気流速度を表す。
【００２６】
渦発生周波数は気流速度に依存するので、タワーの形状寸法について直径の大きな構成とする（すなわち、タワーの直径と高さを調整する）場合、ヘルマンの指数則とカルマンの公式を予想気流速度の関数として導入する必要がある。
【００２７】
本発明の新規な風力タービンシステムは、従来のシステムが利用されている地域において用いることが可能なものであり、また、従来のシステムの利用がおよそ不可能な地域（市街地や工業地域）においても用いることが可能である。
【００２８】
また、本発明の風力タービンシステムは簡易な構造を有するため、特に従来の風力タービンの設置要件と比べた場合、容易な運搬、収納、および設置が可能となる。事実、現在の風力発電業界において大型のタービンを設置することは可能であるならば、従来と同等の寸法のまたはより大きな寸法の渦共振風力タービンを、従来と同様の手段あるいはより簡易な手段により設置することができないとする理由はない。
【００２９】
以下の本発明の説明を完全なものとするため、また本発明の特徴のより良い理解を促すために、本発明の好ましい実施形態において、添付の一式の図面は本発明の記載に不可分の部分を構成するが、以下に示すこれら図面は例示のためのものであり、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】渦共振風力タービンを模式的に示す正面断面図である。
【図２】ヘルマンの指数則とカルマンの公式とに基づくタワーの厚みと高さの変化の例を示すグラフである。図２に示す例では断面は円形状を呈し、半径Ｒ（メートル）と高さＨ(メートル)との関係を示す。
【図３】「カルマン渦列」とその効果により渦発生表面にかかる力を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図面を参照して、本発明の目的である風力タービンの好ましい実施形態を以下に説明する。
【００３２】
本発明の渦共振風力タービンはギアやベアリングなどを含まないので、その組立ては、以下に説明する位置において構成要素を物理的に接合し物理的あるいは電気的接続を行うことからなる。
【００３３】
建物あるいは構造体の通常の基礎と同様に、コンクリートまたはセメントにより構成される基部（１）を内設するための穴を地面（１２）に形成する。タワー（４）をその底部の固定領域（５）において基部（１）に取り付け、タワー（４）の固定領域（５）より高い部分が材料の弾性以外の要素により制約を受けず自由に振動することができるようにする。電気的構成としては、タワー（４）は高電気機械結合性素子（１３）を備え、その自由な振動を可能とする目的のために基部（１）に設けた封止隔室（２）の内部に配置した電子制御調整部（３）に接続されている。基部（１）にはさらに流路あるいは導管（６）を設け、タワー（４）は導管（６）を介して電子制御調整部（３）に接続される。タワー（４）は接続ケーブル（９）を介して設置物の配電網（８）に接続される。接続ケーブル（９）は地面（１２）に形成した溝に配設され、シールプラグ（１０）を通じて基部（１）から延設されている。封止隔室（２）へのアクセスはカバー（１１）の開放により行う。カバー（１１）の開放により封止隔室（２）内部へのアクセスが可能となり、組立てやメンテナンス作業を行うことができる。
【００３４】
図２のグラフは、風向に対する依存を回避するために円形断面（１５）を備えたタワー（４）の寸法を定義しており、半径を表す変数Ｒは高さＨの関数である。すなわち、タワーの高さが４ｍの場合、８Ｈｚの固有振動周波数とすることが好ましい。この固有振動周波数は制御パラメータの中でも特に材料のヤング率を調整することにより設定し得る。円形部（１５）の半径は、地面（１２）からの高さ１ｍに対し８２．９ｍｍから、地面（１２）からの高さ４ｍに対し１０５．３ｍｍまで変化させ得る。このような形状により、ヘルマンの指数係数ｐＨ＝０．１６により決定される、１０ｍの高さにおける平均気流速度６．５ｍ／ｓの風の場合、タワー（４）の長さ方向全体に渡って渦が同期的に発生する。
【００３５】
続いて流体に関して説明する。静的層流風（１４）がタワー（４）に吹き付けると、エネルギー生成には利用できない空気抵抗（１８）と、方向および強さが時間とともに変わる揚力（１９）とが発生する。タワー（４）の円形断面（１５）が主軸に直交する面を有する場合、複数の交互渦（１６）が発生する。静的層流風（１４）の場合、交互渦（１６）は、相互間に一定距離（１７）を置いて移動する。この交互渦（１６）により揚力（１９）が発生する。風向が変わると、電子制御調整部（３）は自動的にタワー（４）のヤング率を調整して高電気機械結合性素子（１３）に印加する電気電圧を適切に変更する。これにより、電子制御調整部（３）はタワー（４）の固有振動周波数を調整して交互渦（１６）の発生を制御する。
【００３６】
設置物配電網（８）は、一塔あるいは複数の渦共振風力タービンから供給されたエネルギーを受け取る等電位（直流電流）の配電網である。配電網（８）は受け取ったエネルギーをすべて変電所に送る機能を有する。送られたエネルギーは、利用する企業やエネルギーを受け取った変電所の要求に応じて、変電所において変換および調整される。
【００３７】
各風力タービンの地面への配置要件として、以下のような限られた数の要件がある。すなわち、地面に正しく固定することに加え、発電効率向上のため、各タービンを互いに距離を置いて配置し、タービン間の空力的干渉を最小化することである。
【００３８】
外観の圧迫感を低減するため、風力タービンシステムは周辺環境に溶け込むような色により塗装しても良い。本実施形態の風力タービンシステムは、日光による塗装の劣化を低減するため、白色や銀色などの難溶性塗装剤を用いて塗装している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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