(57)【要約】本発明の風発生装置は、それぞれ２つのタービンを有するモジュールを採用する。各タービンは、同軸上に配列された２つのロータを採用し、１つのロータは他のロータよりも下流側に配置されている。該配置には、コレクタとして作用する第１ロータに向って減少する半径を有する主要部、及び、第１及び第２のロータと、近方チャネルとは別であって、追従部に開口することにより空気流を増大させる遠方チャネルとを流動接続する追従部を有する近方チャネルが含まれる。第２ロータに対して下流側には、該ロータから離れるに従って半径が増加する拡散器がある。本発明には、垂直に積層されたモジュールであって、風に対応する偏揺れを生じさせるものを搭載する手段が含まれる。
2008528846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気流を利用するエネルギー発生装置であって、
ａ）風力増幅モジュール１４、
ｂ）塔状構造１２、
ｃ）該風力増幅モジュール１４に含まれ、少なくとも１つのタービン１６が配置されているハウジング２０、及び
ｄ）該少なくとも１つのタービン１６に含まれる、第１半径２５を有する近方ロータ２４、第２半径３０ａを有する遠方ロータ３０、近方チャネル２６及び遠方チャネル３２であって、該遠方ロータ３０への空気流に、該近方チャネル２６及び該近方ロータ２４を通過した空気流、及び、該遠方チャネル３２が提供する空気流が含まれるように配列されているもの
を含み、
ｅ）各タービン１６に、略同軸円上に間隔を設けて該近方ロータ２４及び該遠方ロータ３０が含まれることを特徴とするエネルギー発生装置。
【請求項２】
更に、前記遠方ロータ３０と流動連通するように配置され、内部に空気が通過するスペースを有する拡散器３５を含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー発生装置。
【請求項３】
前記近方チャネル２６に、前記近方ロータ２４が実質的に中央に配置された近方開口部２２、並びに、コレクタとして作用する前記近方ロータ２４の前記第１半径２５よりも大きい半径を有する主要部２７ａ、及び、前記遠方ロータ３０と流動連通する追従部２７ｂを有する内面２７が含まれることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー発生装置。
【請求項４】
空気流を前記遠方ロータ３０に導くために、前記遠方チャネル３２に、前記近方チャネル２６が配置された遠方チャネル開口部２８、及び、該近方チャネル２６とは間隔を設けて外側に面３３が含まれることを特徴とする請求項３に記載のエネルギー発生装置。
【請求項５】
前記遠方ロータ３０が、前記近方ロータ２４及び前記近方チャネル２６と軸方向に整列し、前記遠方チャネル３２から空気流を受けるように相対的に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のエネルギー発生装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つのタービン１６に、更に、前記遠方ロータ３０と流動連通し、内部に空気が通過するスペースを有する拡散器３５が含まれることを特徴とする請求項３に記載のエネルギー発生装置。
【請求項７】
前記拡散器３５に、前記遠方ロータ３０からの距離に伴って増加する半径３７を有する内面３６が含まれることを特徴とする請求項６に記載のエネルギー発生装置。
【請求項８】
更に、
ａ）塔状構造１２、
ｂ）前記少なくとも１つのモジュール１４を該塔１２に搭載する手段５８、
ｃ）前記エネルギー発生装置を支持及び強化する複数の構造要素８０、及び
ｄ）各前記少なくとも１つのタービン１６からエネルギーを移送するための伝動装置８４
を含むことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー発生装置。
【請求項９】
前記近方チャネル２６に、前記近方ロータ２４が実質的に中央に配置された近方開口部２２、及び、コレクタとして作用する前記近方ロータ２４の前記第１半径よりも大きい半径を有する主要部２７ａを有する内面２７が含まれることを特徴とする請求項８に記載のエネルギー発生装置。
【請求項１０】
空気流を前記遠方ロータ３０に導くように、前記遠方チャネル３２に、前記近方チャネル２６が配置された遠方チャネル開口部２８、及び、該近方チャネル３３とは間隔を設けて外側に面が含まれ、前記遠方ロータ３０が、遠方チャネル３２から空気を受けるように相対的に配置されていることを特徴とする請求項８に記載のエネルギー発生装置。
【請求項１１】
前記近方チャネル２６に、更に、前記遠方ロータ３０及び前記遠方チャネル３２と流動連通している追従部２７ｂが含まれることを特徴とする請求項１０に記載のエネルギー発生装置。
【請求項１２】
複数の前記モジュール１４を含むことを特徴とする請求項３に記載のエネルギー発生装置。
【請求項１３】
前記モジュールに、更に、バランスと風の操作のために、２つの前記タービン１６の間に位置し、ハウジング２０と結合している方向舵１０４が含まれることを特徴とする請求項４に記載のエネルギー発生装置。
【請求項１４】
更に、前記近方ロータ２４及び前記遠方ロータ３０を結合する手段１５２を含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー発生装置。
【請求項１５】
前記ロータ同士を結合する手段に、ドライブシャフト１５２が含まれることを特徴とする請求項１４に記載のエネルギー発生装置。
【請求項１６】
前記モジュールを前記塔１２に搭載する前記手段１５８によって、前記モジュール１４の水平な偏揺れが可能であることを特徴とする請求項８に記載のエネルギー発生装置。
【請求項１７】
更に、少なくとも１つの発電機８６及び各少なくとも１つのタービン１６から該発電機８６にエネルギーを移送する伝動装置８４を含むことを特徴とする請求項７に記載のエネルギー発生装置。
【請求項１８】
前記近方ロータ２４に、更に、複数のブレード１０２及び該複数のブレード１０２のピッチ１００を制御する手段が含まれることを特徴とする請求項３に記載のエネルギー発生装置。
【請求項１９】
更に、前記近方ロータ２４及び前記遠方ロータ３０の軸に対して、軸方向及び同心円状に配向され、一定間隔に設けられた複数のリブ８０を含むことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー発生装置。
【請求項２０】
前記搭載する手段１５８に、
ａ）前記塔状構造１２と結合した固定支持体１１０、
ｂ）前記ハウジングの第１面２１と結合した支持水平部６２、
ｃ）前記ハウジング２０の反対面２１ａと結合した偏揺れ水平部９１、及び
ｄ）該支持水平部６２の上に位置する複数の垂直支持ローラ６８及び水平支持ローラ６４、及び、該偏揺れ水平部９１の上に位置する複数の第２の垂直支持ローラ６８及び水平支持ローラ６４が含まれ、
垂直に積層されたモジュール１４同士の間に回転作動面が提供されることを特徴とする請求項１６に記載のエネルギー発生装置。
【請求項２１】
前記支持水平部６２に略環形状が含まれ、前記モジュール１４の隙間９１ａが、前記塔状構造１２が該モジュールの支持水平部６２を通って突出するように規定されていることを特徴とする請求項２０に記載のエネルギー発生装置。
【請求項２２】
空気流を利用するエネルギー発生装置であって、
ａ）少なくとも１つのタービン１６、
ｂ）各該少なくとも１つのタービン１６に含まれる近方ロータ２４、遠方ロータ３０、及び、略同軸円上に間隔を設けて該近方ロータ２４と該遠方ロータ３０を結合する手段１５２、
ｃ）空気流をまず該近方ロータ２４に導き、次に該遠方ロータ３０に導く内面２７を含む近方チャネル２６、及び
ｄ）空気流を該遠方ロータ３０へ導く遠方チャネル３２
を含むことを特徴とするエネルギー発生装置。
【請求項２３】
更に、前記遠方ロータ３０と流動連通するように配置され、内部に空気が通過するスペースを有する拡散器３５を含むことを特徴とする請求項２２に記載のエネルギー発生装置。
【請求項２４】
前記近方チャネル２６に、通常前記近方ロータ２４によって隔てられている主要部２７ａ及び追従部２７ｂが含まれ、前記遠方チャネル３２が該追従部２７ｂに開放されていることを特徴とする請求項２２に記載のエネルギー発生装置。
【請求項２５】
コレクタとして作用する前記主要部２７ａに、前記近方ロータ２４の第１半径２５よりも大きい半径が含まれ、前記追従部２７ｂに、前記遠方ロータ３０に向って徐々に減少する半径が含まれることを特徴とする請求項２４に記載のエネルギー発生装置。
【請求項２６】
各前記少なくとも１つのタービン１６に、更に、前記遠方ロータ３０からの距離に伴って増加する半径３７を有する内面３６を有する前記遠方ロータ３０と流動連通した拡散器３５が含まれることを特徴とする請求項２５に記載のエネルギー発生装置。
【請求項２７】
略同軸円上に整列した遠方ロータ３０よりも上流側に位置する近方モータ２４を有する少なくとも１つのタービン１６を含み、更に、該近方ロータ２４よりも上流側に主要部２７ａを有し、該近方ロータ３４よりも下流側、及び該遠方ロータ３０よりも上流側に追従部を有する、空気流を導くための近方チャネル２６を含むことを特徴とするエネルギー発生装置。
【請求項２８】
更に、前記遠方ロータ３０よりも下流側に拡散器３５を含み、該遠方ロータから距離にしたがって大きくなる半径３７を有することを特徴とする請求項２７に記載のエネルギー発生装置。
【請求項２９】
前記近方ロータ２４の下流側、及び前記遠方ロータ３０の上流側に、前記追従部２７ｂに開放された前記遠方チャネル３２を含むことを特徴とする請求項２８に記載のエネルギー発生装置。
【請求項３０】
空気流を利用するエネルギー発生装置であって、
ａ）少なくとも１つのタービン１６、
ｂ）各該少なくとも１つのタービン１６に含まれる近方ロータ２４、遠方ロータ３０、及び、略同軸円上に間隔を設けて該近方ロータ２４と該遠方ロータ３０を結合する手段１５２、
ｃ）空気流をまず該近方ロータ２４に導き、次に該遠方ロータ３０に導く内面２７、通常前記近方ロータ２４で隔てられている主要部２７ａ及び追従部２７ｂを含む近方チャネル２６、
ｄ）空気流を該遠方ロータ３０へ導く遠方チャネル２８であって、該遠方チャネル２８が該追従部２７ｂに開放されているもの、及び
ｅ）該遠方ロータ３０と流動連通し、内部に空気が通過するスペースを有する拡散器３５
を含むことを特徴とするエネルギー発生装置。
【請求項３１】
空気流を利用するエネルギー発生装置であって、
ａ）少なくとも１つのタービン１６及びそのためのハウジング２０、
ｂ）各該少なくとも１つのタービン１６に含まれる近方ロータ２４であって、同軸円上に間隔を設けて遠方ロータ３０の上流側に位置するもの、
ｃ）該遠方ロータ３０に空気流を導く遠方チャネル２８、及び
ｄ）該遠方ロータ３０と流動連通する拡散器３５
を含むことを特徴とするエネルギー発生装置。
【請求項３２】
更に、前記近方ロータ２４よりも上流側に主要部２７ａを有し、前記該近方ロータ２４よりも下流側、及び該遠方ロータ３０よりも上流側に追従部を有する近方チャネル２６を含むことを特徴とする請求項３１に記載のエネルギー発生装置。
【請求項３３】
前記遠方チャネル３２が前記追従部２７ｂに開放されていることを特徴とする請求項３２に記載のエネルギー発生装置。
【請求項３４】
空気流を前記遠方ロータ３０に導くために、前記遠方チャネル３２に、前記近方チャネル２６が配置された遠方チャネル開口部２８、及び、該近方チャネル２６とは間隔を設けて外側に面３３が含まれることを特徴とする請求項３３に記載のエネルギー発生装置。
【請求項３５】
前記近方ロータ２４に、更に、複数のブレード１０２及び該複数のブレード１０２のピッチ１００を制御する手段が含まれることを特徴とする請求項３１に記載のエネルギー発生装置。
【請求項３６】
前記ピッチ１００を制御する手段に、各ブレード１０２と結合したモータ１０１、及び、前記ハウジングと結合した少なくとも１つのセンサ１０１ａが含まれることを特徴とする請求項３５に記載のエネルギー発生装置。
【請求項３７】
前記近方チャネル２８に、更に、該チャネル２８に対して凸状である面２７が含まれることを特徴とする請求項３２に記載のエネルギー発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して風力発電に関し、特に、発電を目的とした空気流チャネルの獲得及び空気流の増大に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術において、空気流に対応して回転の慣性の発電を提供するための種々のデザインや形状のタービンロータが知られている。しかしながら、従来のタービン、特に風力転換用は、通常利用されている低速度の風力転換によって効果に限度があった。
【０００３】
多くの風力タービンは、複数の羽根のロータが搭載され、通常地面と水平な軸の周りを回転する風車の種類であった。羽根は直接風に露出され、いかなる手段にも収納されていない。風が各羽根の上下を通過すると、圧力差によって羽根が軸の周りを回転する。この回転が歯車を回転し、発電する。これらの水平ロータで発生する力又はエネルギーの量は、多くの要因に左右されるが、それらの中でも最も重要な要因の１つは、ロータが押し流した面積、換言すれば、羽根の長さである。したがって、最も一般的な形状において、塔には１つのロータと発電機しか収容できない。これらの中で最も効率的なものでさえ、約５０％強しか風を通過させることができない。尚、発電のためにはある程度の流れはロータ中で維持されるべきであるが、現在のタービンには望ましい状態と比べて効率が悪い。風から得られる電力の式には、速度の二乗が含まれる。一般的な風車は風を加速させてこの二乗の効果を活かすということをしていない。
【０００４】
他の従来技術のタービンにおいては、ロータの後部とほぼ同様に狭まる後部のロータより大きい半径を含むコレクタを採用することによって、増加した速度の要素を利用することが試みられている。コレクタは、単にむき出しのロータを通過する風と比べてより多くの風をタービンに捉え、集中させ、加速させる。タービンとコレクタの組み合わせによって、ロータに必要なサイズを低減させる結果となるかもしれない。コレクタでは、より広い範囲の方向の風を集めることが可能であり、偏揺れへの依存を著しく低減することができる。ロータの中心又は外側の先端における風速に対する、コレクタの半径がモータに向って減少する角度又は表面曲率の効果は、未だ充分に定義又は研究されていない。さらに、通過する風速（及び結果としての電力）の増進にロータにおける静圧の減少が必要であるため、コレクタのみでは発電が増加しない。
【０００５】
従来技術のタービンは、拡散器が延在する場所の後方に覆われて位置する。拡散器の半径は、ロータからの距離に従って増加する。風が該ロータを通過すると、出口に進むにつれて、圧力の回復と共に負の圧力がのどに引き起こされる。負の圧力はタービンを通じてより多く空気を吸い込み、同じサイズのむき出しのタービンよりも多く発電する。
【０００６】
拡散器からタービンが吸い込む風量は、いわゆる境界層剥離の影響を受ける。この現象は、風が分離する場所、又は、内面に密着しない場所で拡散器の内面付近で生じ、そうでなければ予測される理論動力の増加が減少する。従来技術においては、この非効率に対して、拡散器の外側周囲の、拡散器内の注入スロットを通過する自由風（free wind）の接線導入から得られる追加の推進力を採用することで対応している。水平に対して拡散器の壁部のサイズ及び角度によって、１以上のスロットが示されている。境界層剥離に対応するためにスロットを追加することによって、拡散器の内面が延在する角度を増加させることができ、そのため補足的に長さが減少することによって、初期の拡散器設計時に必要な長さを削減することができる。
【０００７】
最近の従来技術では、コレクタ、囲い板及び拡散器を組み合わせる。むき出しのタービンの力を増加させることに加えて、この組み合わせによってタービンの動き出す時間を短縮することができ、エネルギーを低い風速で変換させることができる。
【０００８】
巨大で非常に長いロータを用いるという従来の学派があるが、拡散器及びコレクタは共に高価で重くなる。したがって、測定する拡散器の後縁がそのままである、又は、接地面に近い場合において、任意の拡散器の形状において力の増加が低減するかを試験する研究は終了した。接地面が後縁に近い場合には、力の増加が見られ、力の低下は見られないことが、これらの試験で明らかになった。更なる研究から、拡散器の注入口に角の丸いレンガ、及び、ロータのハブの前に放射線のノーズコーンを用いることによって、羽根面の速度を改善することができることが示された。
【０００９】
いずれの従来技術においても、大きなタービンの弱点である従来の問題を扱っていない。例えば、塔状構造の費用とサイズが挙げられる。塔は、タービンを支持するために高くなければならない。また、タービンの重さにより、その構造は同様に頑丈であり、ウィンドシアに対して機能するように装備されていなければならない。
【００１０】
加えて、従来技術は、ロータが機能しなくなった時には発電しない１つのロータを採用する。最後に、タービンの力を増加する努力がなされていたとしても、ロータの羽根を通過する風量を実際に利用する努力はされなかったようだ。
【００１１】
最近の従来技術において、垂直に積層され、ロータを収容した複数のモジュールを用いることが考えられている。この配置は土地面積をあまり必要とせず、１つのロータの故障によって発電が停止しないように代理機能性を提供する。具体的には、この配置は、風の通り道に障害物を置くことによって空気がその周りで加速するように機能するドーナツ形をした加速器ロータの基盤システムを採用する。そしてロータは最も速い局所速度の領域に設置される。複数のこのようなロータを用いることは、実質的には自由流のロータよりもシステムの出力を増加している。このシステムは、ドーナツ形の内部と、両ロータが風に接触するように１８０℃に区切られた半円形のチャネルに設けられた一対のロータを利用する。そして、ドーナツ形のモジュールは、積層される。ロータは風に接するチャネルの中で偏揺れの影響を受けない。
【００１２】
本発明は、従来の装置が典型的に１塔につき１タービンを採用し、非常に大きなロータの通過領域に依存する点で、上述した発明及び類似のものと異なる。コレクタ及び拡散器を用いて風力を増加する進歩はあったが、小さなロータを採用するモジュール式においては、半分以上の風（及び風力）を妨げることなく、未利用でロータにて通過させてしまっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の第１の目的は、各タービンの力を増加し、ロータを通過する風をより多く利用して、１つの塔で発生した力を著しく増進することにある。
本発明の第２の目的は、ロータと該ロータに結合したコレクタ及び拡散器を通過する空気流を増幅するために風洞（air channel）を用いる装置を提供することである。
本発明の第３の目的は、効率を高めるために、複数のロータが互いに結合している装置を提供することである。
本発明の第４の目的は、塔状構造の必要性を低減することである。
本発明の第５の目的は、選択的なロータのピッチ制御を提供することである。
本発明の第６の目的は、いかなる方向の風力を効率的に捕らえ、用いることである。
本発明の第７の目的は、建設した各塔の発電を増加することによって、風力発電製品のコストを削減することである。これにより、使用する土地を削減し、建設した塔のコストに対する発電量の比率を著しく増加させる。
本発明の第８の目的は、鳥やコウモリが認識しやすい物理的な外形であって、鳥類に優しい風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、エネルギー発生装置であって、塔状構造、及び少なくとも１つであるが、好ましくは複数の風力増幅マルチタービンモジュールを含むものである。好ましい実施形態において、各風力増幅モジュールに２つのタービンが採用され、これらの２つの風力増幅モジュールは並んで設けることができるが、好ましい実施形態においては略垂直な関係性を採用する。好ましい実施形態の各風力増幅モジュールは、１つのハウジング及び２つタービンを有する。各タービンには、近方ロータ及び近方空気チャネルと流動連通している小さい外側開口部、及び、遠方空気チャネル及び遠方ロータと流動連通している大きい外側開口部が含まれる。遠方ロータへの空気流が、遠方空気チャネルで回収された空気流に加えて近方ロータを通過した空気流を含むように、近方ロータ及び遠方ロータは、近方空気チャネルで流動連通している。小さい開口部付近の近方空気チャネルの設計には、近方ロータを風が出入りする凹又は凸側面を有するコレクタ部分が含まれる。遠方チャネルは、近方ロータの後方の近方チャネルに開放されている。このような配置によって、遠方ロータを通過する風量と風速を補足すると同時に、境界層剥離を最小限に抑える。
【００１５】
各モジュールには、略水平の偏揺れを可能とする各モジュールを塔状構造に搭載する手段、支持及び強化する複数の構造要素、各タービンの伝動装置、及び、複数のタービンの力をまとめる第２伝動装置も含まれる。好ましい実施形態における搭載する手段には、塔状構造と結合した固定支持体、各モジュールと結合した支持水平部、及び、該支持水平部と結合した垂直及び水平支持ローラが含まれる。該ローラと該水平支持部は、モジュールのハウジングの底面に設けられる。偏揺れ水平部及び追加の垂直及び水平支持ローラは、モジュールのハウジングの上部に設けられている。このような配置によって、垂直に積層されたモジュール同士の間に回転作動面が提供され、これにより、垂直の配置を維持しながら、モジュールが塔の垂直軸の周りを偏揺れすることが可能になる。一変形例においては、略環形状の支持水平部が用いられ、ハウジングの底面のハッチには、該環形状の支持水平部を通って接触することができる。該支持水平部は、ハウジングと一体に形成されてもよい。塔は、ハウジングの開口部を通り、固定支持体の開口部を通って突出する。
【００１６】
エネルギー発生装置の好ましい実施形態には、組立及び整備のために、各モジュールを垂直に塔状構造の高さに沿って巻き上げる手段が含まれる。好ましい実施形態における巻き上げ手段には、塔状構造の上部のウインチとクレーンアームが含まれる。エネルギー発生装置には、更に、少なくとも１つ、好ましくは１つの発電機が含まれる。１つのモジュールに追加のロータ−風チャネル−伝動装置の群が採用されてもよく、多くのモジュールが本発明の１つのエネルギー発生装置に備えられていてもよい。
【００１７】
各タービンにおいて、小さい外側開口部には、近方空気チャネルよりも大きく、それに沿って近方ロータとおよそ等しくなるまで減少する半径が含まれ、それにより、該ロータを通過する空気流の量及び速度が増幅される。大きい開口部は、遠方空気チャネルを通じて遠方ロータと流動連通し、前記小さい開口部とは分離している。第２ロータからの距離にしたがって徐々に半径が大きくなる拡散器によって、ロータで負の圧力が発生し、近方ロータ及び遠方ロータを通じて風速及び風量が増幅される。各タービンからの風のエネルギーは、タービンと結合した伝動装置を通じて力学的エネルギーに変換される。好ましい実施形態において、両方のタービンからの力学的エネルギーは、第２伝動装置に移送され、その後１つの発電機に移送される。電力は、発電機から、モジュールが塔の垂直軸の周囲を揺れ動いても連続した接触を有する電気的接触が設けられた連続する偏揺れカラーを通って、塔状構造の外及び下方へ移動する。この配置によって、より軽く小さく安価なエネルギー発生装置を提供することができる。実際、１つの発電機は２以上のタービン又は複数のモジュールから力学的エネルギーを受領する。
【００１８】
各ロータには、効率を最大化するために、独立したピッチ制御手段が設けられている。従来から知られているモータを含む機構は、各ブレードの迎え角又はピッチを変えるために、ブレードに連結されている。この変化によって、ロータに影響される風量が変わる。機能的に、これによってタービンの発電を最大限にすることができる。この変化の制御は手動でも自動でもよい。手動のシステムは、回転の慣性が停止した時のみ調整することができる。自動システムは、風流の物理的な特徴及びロータアセンブリの機械的な特徴を監視する様々なセンサーから信号を受信するアルゴリズムで制御することができる。自動システムにおいては、ピッチの調整及び電力の最大化に、アルゴリズムに基づく反復過程を用いることができる。自動システムにおいては、回転の慣性が存在する時にピッチを変更することができる。
【００１９】
モジュールに採用される構造要素には、モジュールが結合されるエネルギー発生装置の条件及び容量に左右される種々の形状、サイズ及び配置が含まれる。該条件には、モジュールの合計数、予測される風速、モジュール内のタービンの数量、地面に対する特定のモジュールの高さ、及び、他のモジュールとの相対的な配置が含まれる。好ましい実施形態における複数の構造要素は一定間隔に配置されたリブであって、両方とも、空気チャネルに対して及びロータの軸に対して軸方向に同心円状に配向している。しかしながら、前記要素には、くもの巣状の構造、風チャネル又はハウジングの内側又は外側に設けられた様々な長さ及び深さのリブ、又は他の同様の装置が含まれてもよいことを意味する。
【００２０】
本発明は、実際はエネルギー発生装置のモジュールを提供する。モジュールは、構造的に安全と思われる方法であればいかなる方法によっても取り付けることができる。モジュールは、モジュールが建てられる場所で利用できる風資源に最良化されたサイズを有する発電ハードウェアを装備する。モジュール群は、それに限定されないが、５０キロワット〜１５メガワットを発電するように設けられた１〜６０個のモジュールを含む形状であってもよい。適切な特徴を有する地面の任意の位置に配置できるエネルギー発生装置の数量は、適切であるかによって増減する。他の風力を利用するエネルギー発生装置と比較して、本発明は、現在の産業において平均と思われる量よりも、より安価により多い発電量を提供する。
【００２１】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下の説明からすぐに理解できるであろう。説明においては図面を参照しているが、図面は好ましい実施形態を説明するためのものである。しかしながら、そのような実施形態は発明の範囲全体を示すものではない。発明者が本発明としている対象は特に指摘してあり、はっきりと明細書の最後の特許請求の範囲において示されている。
【本発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明のエネルギー発生装置１０の概観を図１に示す。エネルギー発生装置１０には、塔状構造１２及び少なくとも１つ、好ましくは複数の風力増幅マルチタービンモジュール１４が含まれる。好ましい実施形態を図２及び図３に示す。各風力増幅モジュールには、第１タービン１６及び第２タービン１８が採用されている。好ましい実施形態における各風力増幅モジュールには、更に、ハウジング２０が含まれ、該第１タービン１６には、近方チャネル開口部２２、第１半径２５を有する第１近方ロータ２４、内面２７、主要部２７ａ及び追従部２７ｂを有する第１近方空気チャネル２６、遠方チャネル開口部２８、第２湾曲を有する第１遠方ロータ３０、並びに、面３３を有する第１遠方空気チャネル３２が含まれる。内面３６及び増加する半径３７を有する拡散器３５は、前記第１遠方ロータのすぐ後方に配置されている。第２タービン１８には、第２近方チャネル開口部４０、第２近方ロータ４２、第２近方空気チャネル４４、第２遠方チャネル開口部４６、第２遠方ロータ４８、及び第２遠方空気チャネル５０が含まれる。
【００２３】
各タービン１６及び１８においては、前記近方ロータ２４、４２、及び前記遠方ロータ３０、４８がそれぞれ、遠方ロータ３０への空気流が、遠方空気チャネル３２を通過した空気流に加えて、近方ロータ２４を通過した空気流を含むように、流動連通している。好ましい実施形態においては、ロータ１５２を連続的に結合する手段が設けられており、該手段には外部ドライブシャフトが含まれる。また、モジュールには、略水平な偏揺れが可能であるように各モジュール５８を搭載する手段、複数の支持及び強化のための構造要素８０、伝動装置８２及び内部伝動装置８４が含まれる。前記エネルギー発生装置には、更に、少なくとも１つ、好ましくは１つの発電機８６が含まれる。１つのモジュールに追加のタービン−風チャネル−伝動装置群を採用することができ、本発明の１つのエネルギー発生装置において複数のモジュールを組み合わせてもよい。
【００２４】
各タービン１６及び１８において、近方チャネル２６には、近方ロータよりも半径が大きく、近方ロータに向ってテーパを有する主要部２７ａが含まれる。追従部２７ｂには、前記ロータ２４を通過した空気流が前記遠方ロータ３０の方向を向くように、近方ロータ２４とほぼ同じ半径が含まれる。面２７は、凹状又は凸状であってもよい。内部に向って凹状又は凸状である場合には、面２７は風の道における障害物として作用し、近方ロータにおいてより速い局所速度、及び、風量を生みだす。タービンのサイズによっては、近方チャネル２６の内面２７に僅かな凸状又は凹状を設けることが有利である。そのような内面２７が空気チャネルに向って凸状である場合には、空気流はロータの中央のより近くに移動することができ、さもないと予測される流出に対抗する。
【００２５】
遠方チャネル開口部２８、４６はそれぞれ遠方空気チャネル３２を通って遠方ロータ３０と流動連通し、したがって近方チャネル開口部２２から隔てられている。近方ロータ２４と遠方ロータ３０の両方に続いて流動連通しているのは、拡散器３５である。該拡散器の内面３６は、拡張する半径３７を有するように、外側へ角度を有する。拡散器は、遠方ロータ３０の後方に負の圧力を発生させ、より大きい量及び速度において両方のロータを通じて空気を引く。
【００２６】
最後に、遠方空気チャネル３２は、近方チャネル２６の追従部２７ｂに開放され、それによって、発電量を増加すると共に、さもないと予測される拡散器３５の内面３６における境界層分離に対処及び処理しながら、遠方ロータ３０への空気流に接線速度を付加している。
【００２７】
好ましい実施形態において、近方ロータ及び遠方ロータを連続して結合する前記手段には、更に、追従部２７ｂから遠方ロータ３０へ空気流が通過し、遠方チャネルを通じて空気流と合わさる、近方空気チャネル２６及び４４の追従部２７ｂが含まれてもよい。好ましい実施形態において、追従部は遠方ロータに向ってテーパを有し、該追従部には遠方ロータの半径より小さい半径が含まれてもよく、それによって、流出を避けるため、空気流を遠方ロータの中央に向って集中させている。
【００２８】
各タービン１６、１８からの風力エネルギーは、タービンと結合した伝動装置８２を通じて力学的エネルギーに変換される。好ましい実施形態においては、両タービンからの力学的エネルギーは、内部伝動装置８４、そして１つの発電機８６へ移送される。この配置によって、より軽く、小さく、安価なエネルギー発生装置を提供することができる。尚、１つの発電装置は、実際、２以上のタービンから力学的エネルギーを受領する。
【００２９】
効率を最大化するために、各ロータ２４、３０、４２及び４８には、独立したピッチ制御手段１００が設けられる。各ロータ２４、３０、４２及び４８には、複数のブレード１０２が含まれる。手段１００には、各ロータ２４、３０、４２及び４８の各ブレード１０２と結合したモータ１０１が含まれる。独立したピッチ制御手段１００は、風速及び風向の変化に対応して、スイッチ開閉装置を用いた手動で制御されるか、自動で制御される。風向に対する各モジュール１４のバランスは、各タービンの外側開口部２２、２８、４０及び４６並びに反対の方向舵１０４の配置によって保たれている。他の実施形態において、手動又はその他の手段によってバランスが保たれている。コンピュータ及びセンサー１０１ａを採用することによって、ブレード１０２のピッチ制御は自動化される。コンピュータは、風流又はロータの力学的特徴の変化を示すセンサーからの信号に対応するアルゴリズムを採用する。対話型処理を用いて、コンピュータは、各ロータ２４、３０、４２及び４８と結合したモータ１０１に命令を送り、各ブレード１０２のピッチを生じさせ、出力を最大化させる。
【００３０】
支持及び強化のための複数の構造要素８０には、モジュールが搭載されるエネルギー発生装置の条件及び容量に左右される種々の形状、サイズ及び配置が含まれる。該条件には、モジュールの合計数、予測される風速、モジュール内のタービンの数量、地面に対する特定のモジュールの高さ、及び、他のモジュールとの相対的な配置が含まれる。好ましい実施形態における複数の構造要素は一定間隔に配置されたリブ８０であって、両方とも、空気チャネルに対して及びロータの軸に対して軸方向に同心円状に配向している。しかしながら、前記要素には、くもの巣状の構造、風チャネル又はハウジングの内側又は外側に設けられた様々な長さ及び深さのリブ、又は他の同様の装置が含まれてもよいことを意味する。
【００３１】
好ましい実施形態において、略水平の偏揺れが可能なように塔状構造１２にモジュールを搭載する手段５８には、塔状構造１２と結合した固定支持体１１０が含まれる。固定支持体１１０は、更に、支えられているガイワイヤ１２２で固定されている。支持水平部６２は各モジュール１４と結合している。複数の垂直支持ローラ６８及び複数の水平支持ローラ６４は、該支持水平部６２と結合している。ローラ６８及び６４、及び、支持水平部６２は、モジュールハウジング２０の面２１に配置されている。偏揺れ水平部９１及び追加の複数の水平支持ローラ６８及び追加の複数の水平ローラ６４は、ハウジング２０の反対面２１ａに設けられている。このような配置によって、垂直に積層されたモジュール１４同士の間に回転作動面が提供され、これにより、垂直の配置を維持しながら、モジュールが塔の垂直軸の周りを偏揺れすることが可能になる。一変形例においては、略環形状の支持水平部６２が用いられ、塔状構造１２は、モジュールの開口部９１ａを通って突出し、該モジュールのいくつかの要素は、ハウジング２０の底面２１のサービスハッチ９０を通って接触することができる。支持水平部６２は、ハウジングと一体に形成されていてもよい。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態には、塔状構造１２に沿って前記モジュール１４を巻き上げる手段７０が含まれる。前記手段７０には、塔状構造の上部のウインチ機構１４２、クレーンアーム、少なくとも１つのサポートガイドの１４０、及び複数のケーブル１４４が含まれる。ウインチ機構は、前記塔状構造１２の上部１４６に設けられ、前記ケーブル１４４はウインチ１４２に捲回される。組立中又は点検のために前記ケーブルが更にケーブルガイドに取り外し可能に取り付けられ、ウインチが作動するように、少なくとも１つのサポートガイド１４０はモジュールに結合され、該モジュールを塔状構造に沿ってつり上げている。望みどおり垂直に配置したら、モジュールの偏揺れ水平部は、垂直に近接して、モジュールの支持水平部と電気的に結合される。この結合によって、偏揺れ水平部から塔の下方へ通じて、必要な電力の移送が提供され、独立した水平の偏揺れが可能となる。
【００３３】
以上、本発明を実施例を以て説明した。使用した用語は、説明する言葉の範囲であって限定するものではない。
上述した教示を踏まえて、本発明は多くの変更及びバリエーションが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明のエネルギー発生装置を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明における好ましい実施形態の風力増幅モジュールの斜視図である。
【図３】図３は、図２における３−３線に沿った断面の透視図である。
【図４】図４は、図２における風力増幅装置の正面端面図である。
【図５】図５は、ドライブシャフト、支持体、伝動装置及び発電機を示す、図２における５−５線に沿った断面の平面図である。
【図６】図６は、好ましい実施形態のモジュールを搭載する詳細な手段を示す、本発明の１つのモジュールの底面図である。
【図７】図７は、好ましい実施形態のモジュールを搭載する詳細な手段を示す、図６の底面図のクローズアップである。
【図８】図８は、詳細を示す、本発明の１つのモジュールの平面図である。
【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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【図７】
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【図８】
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