(57)【要約】回転フレームと、該回転フレームに取り付けられた複数のエアフォイルであって、該エアフォイルは、該回転フレームの回転の軸に平行に伸びる、エアフォイルと、該回転フレームの少なくとも一部を流れる気流を制限するように位置する風ブロックと、該回転フレームに接触する少なくとも１つの駆動ホイールとを伴う風力タービン。円形回転フレームと、該円形回転フレーム内に配列されたプロペラと、該円形回転フレームと接触している駆動ホイールであって、該駆動ホイールは、該回転フレームの回転の軸よりも下部に位置する、駆動ホイールと、該円形回転フレームを該駆動ホイールに接触させるように促すように位置付けられるアライメントホイールとを備える、風力タービン。
2008522082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転フレームと、
該回転フレームに取り付けられた複数のエアフォイルであって、該エアフォイルは、該回転フレームの回転の軸に平行に伸びる、エアフォイルと、
該回転フレームの少なくとも一部を流れる気流を制限するように位置する風ブロックと、
該回転フレームに接触する少なくとも１つの駆動ホイールと
を備える、風力タービン。
【請求項２】
前記回転フレームは、
第１の円形回転部材と、
第２の円形回転部材と
を含み、前記エアフォイルは、該第１および第２の回転部材の間に架かる、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
前記第１および第２の回転部材はお互いに平行である、請求項２に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記回転フレームは水平軸のまわりを回転する、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記エアフォイルのそれぞれは水平である、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項６】
前記第１および第２の回転部材は、ともに共通の水平軸のまわりを回転する、請求項２に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記回転フレームの回転の軸に垂直な気流は、該回転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】
前記回転フレームの前面から該回転フレームの背面に気流を向ける少なくとも１つの通気ダクトをさらに備える、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項９】
前記少なくとも１つのダクトは、前記回転フレームの反対側に一対の通気ダクトを備える、請求項８に記載の風力タービン。
【請求項１０】
前記風ブロックは、前記少なくとも１つの通気ダクトに気流を向かわせる、請求項８に記載の風力タービン。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの通気ダクトは、前記回転フレームの中空の内部に、少なくとも部分的に受け入れられる、請求項８に記載の風力タービン。
【請求項１２】
前記風ブロックは、前記回転フレームの少なくとも２分の１を流れる気流を制限する、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１３】
前記駆動ホイールは、前記第１または第２の円形回転フレームの少なくとも１つと接触している、請求項２に記載の風力タービン。
【請求項１４】
前記回転フレームを前記駆動ホイールに接触させるように促すように位置付けられた、少なくとも１つのアライメントホイールをさらに含む、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１５】
前記円形の回転部材のうちの少なくとも１つを前記駆動ホイールに接続させるように促すように位置付けられた、少なくとも１つのアライメントホイールをさらに含む、請求項２に記載の風力タービン。
【請求項１６】
円形回転フレームと、
該円形回転フレーム内に配列されたプロペラと、
該円形回転フレームと接触している駆動ホイールであって、該駆動ホイールは、該回転フレームの回転の軸よりも下部に位置する、駆動ホイールと、
該円形回転フレームを該駆動ホイールに接触させるように促すように位置付けられるアライメントホイールと
を備える、風力タービン。
【請求項１７】
前記円形回転フレームは水平軸のまわりを回転する、請求項１６に記載の風力タービン。
【請求項１８】
前記円形回転フレームの回転の軸に平行な気流は、該円形回転フレームを回転させる、請求項１に記載の風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、電気を生成するために用いられる風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
（本発明の背景）
多くの風力タービンの設計が、電気を生成するために既に存在する。最も一般的には、そのような設計は、垂直なマストの上端に取り付けられた単一の大型プロペラを含む。該プロペラを流れる気流は、プロペラを回し、次いで発電機を回転させて電気を生成する。
【０００３】
そのような従来型の風力タービンは、多数の不利益をこうむる。第１に、それらはグランドから相当離れた距離だけ上に取り付けられなくてはならない大型のプロペラを含む。その結果として、プロペラが取り付けられる高くて頑丈なマストを必要とする。大型の回転プロペラ翼システムの第２の不利益は、それらが、多数の鳥の命を奪う結果につながるということである。そのような設計の第３の不利益は、通常は発電機が回転翼の中心に位置しているということである。従って、発電機は、プロペラとともにマストの上端に取り付けられる。これは、マストがプロペラと発電機との両方を支えるのに充分に頑丈であることを必要とする。その結果として、修理および点検のためにタービンにアクセスすることを困難にしている。従来型のプロペラの第４の不利益は、翼が、風向に対して垂直な方向に回転するということである。その結果として、空気を介するプロペラ翼の速度は、プロペラの回転の中心から離れるに従って増加する。これは、残念ながら、可変かつ複雑な翼部分の幾何学的構造を必要とする。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（発明の概要）
本発明は、従来型の風力タービンシステムを超える多数の利点を有する、新しい風力タービンの設計を提供する。
【０００５】
１つの好ましい実施形態において、本発明は、風力タービンを提供し、該風力タービンは、複数のエアフォイルが取り付けられた回転フレーム、回転フレームの少なくとも一部の気流を制限するために位置する風ブロック、および回転フレームに接触する少なくとも１つの発電機駆動ホイールを有し、該エアフォイルは、回転フレームの回転の軸に平行に伸びる。
【０００６】
回転フレームは、好ましくは、第１の円形回転部材および第２の円形回転部材を含み、エアフォイルが第１および第２の回転部材の間に架かる。第１および第２の回転部材は、好ましくは、お互いに対して平行であり、共通の水平軸のまわりを回転する。従って、各エアフォイルは、好ましくは水平であり、回転フレームの回転の軸に対して平行に配列される。その結果として、回転フレームの回転の軸に垂直な気流は、回転フレームを回転させる。これは、同一のエアフォイルのクロスセクションが、第１および第２の回転部材の間に架かるエアフォイルの全幅に渡って用いられることを可能にする。エアフォイルの全幅に沿って同一のクロスセクションを用いることは、以下のいくつかの利点を提供する。
【０００７】
第１に、本風力タービンの電力出力は、単に回転フレームの幅を増やすことによって増加され得る。対照的に、従来型のプロペラでは、システムの電力出力を増加させるには、プロペラの直径を増やす必要がある。プロペラの直径を大きくすることは、グランドからより高くにそのようなプロペラを取り付ける必要があるという点で不利である。
【０００８】
別の好ましい実施形態において、本発明は、風力タービンを提供し、該風力タービンは、プロペラが内部に配列された円形の回転フレーム、該回転フレームの回転の軸よりも下に位置し、円形の回転フレームに接触している駆動ホイール、および円形の回転フレームを該駆動ホイールと接触するように促すように位置付けられたアライメントホイールを有する。この本発明の第２の実施形態において、回転部材の回転の軸に平行な気流は、回転部材を回転させる。
【０００９】
本発明はまた、その様々な実施形態において、少なくとも１つの円形の回転フレーム部材を駆動ホイールに接触させるように促すように位置付けられたアライメントホイールを含み得る。オプションとして、第１および第２のアライメントホイールは、少なくとも１つの円形の回転フレームの動きを垂直方向に抑制するために用いられる。
【００１０】
本発明の風力タービンの第１の利点は、単純であり、従来型の風力タービン設計と比べて、建造および運転のための費用が非常に安くなることである。後に示されるように、本発明は、大量輸送および遊園地の乗り物、および建設機械のコンポーネントに用いられるコンポーネントを含む、標準的な材料から作られ得る。
【００１１】
本発明の第２の利点は、発電機駆動ホイールが、デバイスの回転フレームの外周に接触するように位置するということである。対照的に、現存の風力タービンは、回転プロペラの中心に配列される回転機構に接触する発電機駆動を用いて動作する。その結果として、本発明のシステムは、比較的小さなサイズの駆動ホイールに接触する比較的大きなサイズの円形フレームに起因する歯車装置の利点を提供する。その結果として、円形フレームの低速回転であっても、発電機駆動ホイールの高速回転を生む。
【００１２】
第３の利点は、本発明が低い重心を有するということである。従って、本発明の風力タービンは、大変安定している。さらに、本発明のシステムは、グランドからある程度上にあるプロペラおよびタービンを支えるための頑丈で重いマストを必要としない。これは、本発明のシステムの重量およびサイズの制限を相当に緩和し、従来型の設計と比べて、費用の節約に繋がる。さらに、グランドに近い位置に発電機駆動ホイール（およびタービン自体）を有することは、タービン／駆動システムの修理および点検のための容易なアクセスを可能にする。
【００１３】
本発明のエアフォイル設計の第４の利点は、各エアフォイルが、翼前縁の全幅に渡って、同一の風速を経験するということである。エアフォイルの翼前縁に沿った全ての位置における均等な風速は、エアフォイル全幅に沿った、単一で単純なエアフォイルのクロスセクションを可能にする。その結果として、風力タービンの垂直の直径ではなく、横幅が電力生成を決定する。さらに、デバイスの周囲に配列されたエアフォイルを有することによって、可能な限り長いトルクレバーアームをもたらす。これは、エアフォイルの単位量の力の生成当たりで最も高いトルクをもたらす。
【００１４】
本発明の第５で固有の利点は、風力タービンの内部は、稼動する構造部材が本質的にはないということである。好ましい実施形態において、気流の一部は、従って回転フレームの前面から回転フレームの背面に、通気ダクトを介して迂回され得る。その結果として、気流は、回転フレームの前面および背面の両方に配列されたエアフォイルに作用する。「バイパスの空気」をダクトで送ることを用いることによって、本発明が、電力生成の能力を増加させることを可能にする。さらに、そのようなバイパスの空気量の調節が、回転フレームおよび接続された発電機の回転速度の制御を提供するために用いられ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（図面の詳細な説明）
本発明は、新しいタービンの設計を提供する。図１〜図４は、デバイスの回転の軸に対して垂直な気流がデバイスを回転させる、本発明の第１の実施形態を示す。図５および図６は、デバイスの回転の軸に対して平行な気流がデバイスを回転させる、第２の実施形態を示す。
【００１６】
最初に図１〜図４を参照して、風力タービンが提供される。風力タービン１０は、回転フレーム１２、および該回転フレームに取り付けられた複数のエアフォイル１４を含む。フレーム１２は、好ましくは、２つの平行および円形の回転部材１２Ａおよび１２Ｂを含む。フレーム１２は、中央水平軸１５のまわりを回転する。図２に見られるように、エアフォイル１４は、回転１５の軸に平行に配列される。エアフォイル１４は、第１および第２の回転部材１２Ａおよび１２Ｂの間に（水平に）架かる。第１および第２の回転部材１２Ａおよび１２Ｂは、好ましくはお互いに平行に配列される。その結果として、第１および第２の回転部材１２Ａおよび１２Ｂは、共通の水平軸１５のまわりを、ともに回転する。
【００１７】
風ブロック１６は、回転フレームの少なくとも一部を流れる気流を制限するために位置する。最も好ましくは、風ブロック１６が、風Ｗに面する風力タービン１０の前面Ｆにある、エアフォイル１４の下半分を覆い隠す。図４に見受けられるように、風ブロック１６は、Ｖの字をとり得、その結果として、風Ｗを分離して、通気ダクト１８Ａおよび１８Ｂそれぞれに向けるようになる。見受けられるように、通気ダクト１８Ａおよび１８Ｂは、風力タービン１０の背面Ｂにあるエアフォイル１４に向かってバイパスの空気を導く。
【００１８】
その結果として、風力タービン１０の前面全体を横切って導かれる気流は、回転フレーム１２を回転させるために用いられる。特に、風力タービン１０の上半分に向けられる風Ｗは、デバイスの前面Ｆにおいてエアフォイル１４に向けられ、風力タービン１０の下半分に向けられる風Ｗは、デバイスの背面Ｂにおいてエアフォイル１４にバイパスダクトされる。風Ｗは、前面Ｆにおいてエアフォイル１４を上方に動かし、背面Ｂにおいてエアフォイル１４を下方に動かす。その結果として、回転１５の軸に垂直な風Ｗは、フレーム１２を時計回りの方向Ｒに回転させる。本発明のオプションとしての代替実施形態において、エアフォイル１４は、曲率が逆になって回転フレーム部材１２Ａおよび１２Ｂに装着され、その結果として回転フレーム１２を反対の（反時計回りの）方向に回転させる。
【００１９】
図１および図３に見られるように、回転フレーム１２の内部領域は、稼動する構造部材がない。従って、図４の切欠図に示されるように、通気ダクト１８Ａおよび１８Ｂの後端は、回転フレーム１２の内側に位置し得る。各通気ダクト１８の後端は、オプションとして調整式バフル１９を含み得る。本発明の発明者は、回転フレーム１２の回転速度が、バフル１９の開閉によって調整され得るということを、実験的に決定した。オプションの実施形態において、調整式バフルは、通気ダクト１８の前端（すなわち吸気口）に代わりに位置し得る。
【００２０】
本発明のさらなる利益は、風Ｗがデバイスを完全に通過するということである。特に、通気ダクト１８を介して、デバイスの背面Ｂにおいてエアフォイル１４に直接向けられる「バイパスの空気」に加えて、デバイスの前面Ｆにおいてエアフォイル１４に当たるあらゆる風Ｗもまた、回転フレーム１２を通過して、これによって、デバイスの前面Ｆおよび背面Ｂの両方においてエアフォイル１４に当たる。その結果として、電力が、デバイスの前面Ｆおよび背面Ｂの両方で作用する風から生成され得る。
【００２１】
本発明のさらなる特徴は、風を捕らえるためのエアフォイル１４および回転フレーム１２の使用にある。本明細書において理解されるように、「エアフォイル」は、その上を通過する風によって揚力を起こす、任意の構造である。エアフォイル１４の設計を用いることの利点は、エアフォイルの上面および下面の間に圧力差が存在するような、エアフォイルを介する通気道の存在を可能にすることである。特に、空気は、エアフォイルの下面よりも上面を、より長い距離通過する。その結果として、空気は、エアフォイルの上面をより速い速度で移動して低圧を生じさせ、これによりエアフォイルに「揚力」を与える。航空機の羽根は、そのような「エアフォイル」の例である。
【００２２】
エアフォイルを用いるさらなる利点（「バケツ型」の気流捕獲システムとは対照的に）は、空気が、前面Ｆから背面Ｂに風力タービン１０を通過するときに、隣接したエアフォイル１４の間を素早く通過するということである。デバイスを通過するそのような気流は、デバイスの前面Ｆおよび背面Ｂの両方で、エアフォイル１４に作用し得る。従って、エアフォイルの使用は、気流をトラップすることに頼る「バケツ型」気流捕獲システムを超える利点を表す。
【００２３】
図３および図４に見られるように、発電機駆動ホイール２０は、回転フレーム１２に接触して位置する。図示されるように、発電機駆動ホイール２０は、フレーム部材１２Ｂに接触して位置する。オプションの好ましい実施形態において、発電機駆動ホイール２０は、フレーム部材１２Ｂの狭い溝１３内で受け止められる。個々の発電機駆動ホイール２０は、フレーム部材１２Ａまたは１２Ｂに接触して配置され得るということが理解され得る。さらに、１つ以上の発電機駆動ホイール２０が、フレーム１２Ａおよび／または１２Ｂのそれぞれと接触して配置され得る。駆動ホイール２０は、電気発電機に接続されている。本発明の様々な実施形態において、回転フレーム１２を支持するが発電機には接続されていない、様々なホイールが用いられ得る。オプションの実施形態において、同一のホイールは、回転フレームを支持して、かつ発電機を駆動するために用いられ得る。
【００２４】
本発明の第２の実施形態は、図５および図６に示される。円形の回転フレーム４０が提供される。プロペラ４２は、フレーム４０の内部に配列される。フレーム４０およびプロペラ４２は、水平軸４５のまわりをともに回転する。本発明のこの実施形態に従って、デバイスの前面Ｆの方向に向かう風Ｗの流れは、プロペラ４２を回転させる。その結果として、回転の軸４５に平行な気流は、デバイスを動作させる。
【００２５】
見受けられるように、１つ以上の発電機駆動ホイール２０が、フレーム４０の回転を電力に変えるために提供される。また、見受けられるように、アライメントホイール２２もまた、駆動ホイール２０と向かい合って、回転フレーム４０を支えるために用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、風力タービンの第１実施形態の前面斜視図である。
【図２】図２は、図１に対応する、正面図である。
【図３】図３は、図１に対応する、側面図である。
【図４】図４は、図１に対応する、（バイパス空気のダクト送風を示す切欠部分を用いた）上面図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態の正面図である。
【図６】図６は、図５に対応する、（プロペラを示す切欠部分を用いた）側面図である。
【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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