(57)【要約】  シュラウドを含む全方向垂直放出型風力タービン組立体（１）であって、該シュラウドには、ディフューザ（９）、及びあらゆる方向の風を捕捉し、その風を環状形の積重ねた湾曲したブレード（１０ａ〜１０ｅ）を介して垂直に流すよう方向付けする収集室（１２）を包囲し画定する構造体を含む、組立体（１）。ブレード（１０ａ〜１０ｅ）を、垂直壁（６．１〜６．３）により固定する。ディフューザ（９）をロータ（３）の下流に接続し、該ディフューザを空気流方向に断面に関して拡張させる。楔体（４１）及びカラー（４０）を、ディフューザ（９）出口付近で形成する。楔体（４１）及びカラー（４０）により、ロータからの空気流増強を、ディフューザ出口を横断し流れる自然風を転向させて、促進する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンであって、該タービンには：
ａ）それらの内側で中央収集室を画定する複数の湾曲部材；
ｂ）複数の略垂直支持部材；
ｃ）中空部材が空気流方向に拡張する該中空部材；
ｄ）中央収集室の上方に配置する回転部材であって、該回転部材を発電機に接続し、それにより前記回転部材の回転から発電するよう構成する該回転部材、を備え、
前記回転部材を前記中空部材の入口付近に位置させること；
前記複数の湾曲部材の各々を、前記複数の支持部材の少なくとも１つに接続し、それにより前記収集室への複数の空気導入口を形成すること；
前記複数の湾曲部材及び前記複数の支持部材の少なくとも１つを、空気を全方向風力タービンの内面の反対側に方向付けるよう成形及び離隔し、それにより空気漏れを軽減すること；
前記複数の湾曲部材及び複数の支持部材を、空気を前記回転部材の下面全体に方向付けるよう成形及び離隔すること、
を特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２】
前記複数の湾曲部材には、環状形状の半径方向に湾曲したブレードを含むこと、を特徴とする請求項１に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３】
前記複数の略垂直支持部材には垂直壁を含むこと、を特徴とする請求項１又は２に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４】
前記回転部材には、水平軸型風力タービンロータを、垂直に取付けてこれを含むこと、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５】
前記中空部材にはディフューザを含むこと、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項６】
前記複数の湾曲部材は翼形断面を有すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項７】
前記複数の湾曲部材は、様々な周囲径及び環径を有すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項８】
前記複数の湾曲部材を適所に同心に配置して固定すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項９】
前記複数の湾曲部材を軸方向にずらすこと、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１０】
前記複数の湾曲部材を積重ねた配置に配列すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１１】
前記複数の湾曲部材は重なり合う配置を有すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１２】
前記複数の湾曲部材により、断面に関して前記複数の湾曲部材の最低位置から前記複数の湾曲部材の最高位置まで広がる中央収集室を形成すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１３】
前記中央収集室を中央のスロート領域に向かい先細にすること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１４】
前記中央収集室を前記中空部材の内面と連続させること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１５】
前記複数の略垂直支持部材を空気力学的に成形すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１６】
前記回転部材を、その軸を垂直にして、中央のスロート領域で取付けること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１７】
前記回転部材には翼形ブレードを含むこと、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１８】
シュラウドに流入する空気を前記複数の湾曲部材により集中させ、その結果流体力学的エアーゲートを、前記複数の湾曲部材の非アクティブ部材が形成した空気通路に亘り形成して、それにより空気漏れを防ぐこと、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１９】
前記複数の湾曲部材の内最下位のものを、空気を前記非アクティブな湾曲部材に、前記シュラウド外部の空気より低圧で方向付けるよう成形及び構成し、それによりエアーゲートに役立てること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２０】
前記複数の湾曲部材及び前記複数の略垂直支持部材の幾何学的配置を、略如何なる方向から来る風も受容して、使用するよう構成すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２１】
前記複数の湾曲部材及び前記複数の略垂直支持部材の幾何学的配置を、空気を前記回転部材の全掃引領域に亘り方向付けるよう構成すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２２】
前記回転部材を、回転シャフトを介して発電用パワートレイン組立体及び装置に接続すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２３】
前記複数の湾曲部材を、ベルマウス上体とベース支持板との間で、固定するために、３〜６つの略垂直支持部材を含む、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２４】
前記複数の略垂直支持部材には、逆にした翼体部分を含み、該逆にした翼体部分の両垂直壁面について同一の表面曲率を有すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２５】
前記複数の略垂直支持部材には境界層を維持する空気流路を有し、該空気流路を該複数の略垂直支持部材夫々の最先端部から両面の後半部まで形成すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２６】
前記境界層を維持する空気流路は、前記複数の略垂直支持部材夫々の両面を、外面に対する接線と１５度未満の角度で、抜けること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２７】
前記複数の略垂直支持部材を半径方向に等間隔で、前記複数の空気導入口から前記中央収集室まで、配置してこれを有する、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２８】
前記複数の略垂直支持部材には翼形壁ブレードを、該ブレード厚さを翼弦長の３５％〜５０％としてこれを含むこと、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２９】
前記複数の略垂直支持部材夫々の最厚点を、前記最先端部から翼弦長の５１％超にすること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３０】
前記複数の略垂直支持部材夫々の２面間の挟角を、７５〜１５０度の範囲とし、後縁部から翼弦長の１５％以内とする、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３１】
４つ以上の、水平から略垂直になる湾曲した環状ブレードを含み、該環状ブレードを内環径に関してロータ直径の２０％〜１４５％で可変とする、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３２】
前記複数の湾曲部材夫々の凸面及び凹面の曲率半径を、前記回転部材直径の２５％〜５５％と同等にする、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３３】
前記複数の湾曲部材は、水平に対して２０度未満で外径を湾曲し始め、水平方向に対して５０〜７０度の頂点の曲げ角度で終端すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３４】
前記複数の湾曲部材の内最大のものの内周縁とその他の前記複数の湾曲部材の内任意のものの内周縁とを結ぶ最短直線と、垂直軸との間の傾きを５〜３５度とする、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３５】
前記複数の湾曲部材を、各該複数の湾曲部材の最先端部と後縁部が前記回転部材直径の最低２％ずつ重なるように、該複数の湾曲部材間を離隔して積重ねる、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３６】
前記複数の湾曲部材により、前記シュラウドに流入する空気を、前記回転部材の全掃引領域に亘り集中させる、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３７】
前記全方向風力タービンの内側出口通路面積を、前記複数の湾曲部材の任意の各対間の外側周縁部の入口通路面積の最低２５％及び最高７５％とする、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３８】
前記スロート領域が、前記複数の湾曲部材の最上部材の環状中心面積の７０％以上である面積を有する、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３９】
前記複数の湾曲部材の最上部材をベルマウス環状ブレードとすること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４０】
多数の空気通路を含み、該空気通路を少なくとも１つの前記複数の湾曲部材内に、前記少なくとも１つの前記複数の湾曲部材の凹面側から凸面側に形成する、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４１】
多数の空気通路を含み、該空気通路は、少なくとも１つの前記複数の湾曲部材の凸面側で、少なくとも１つの前記複数の湾曲部材の表面に対する接線と１５度未満で、終端し抜ける、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４２】
前記中空部材の同心開口頂部の直径には、前記回転部材直径の１３０％〜１８０％とする放出口を有する、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４３】
前記中空部材の開口頂部放出口を、その周縁部周りに横向き楔体及びカラーを有して、これを設ける、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４４】
前記楔体を前記中空部材の出口下方で、前記中空部材の上径の７％〜１９％の高さに位置させる、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４５】
前記楔体の表面長さを、前記中空部材のカラー高さの１３５％〜１６０％とする、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４６】
更なる小型の楔体を含み、該楔体を前記中空部材の外部体周りに円周方向に配設し、主楔体の下方で、多数の空気通路を前記中空部材の外面から内面まで伴い、均等に離隔する、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４７】
多数の空気通路を含み、該空気通路は前記中空部材の内面を、前記中空部材の外面に対する接線と１５度未満で終端し抜ける、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４８】
発電ユニットを、前記回転部材の直上で、該回転部材の陰となる下流にある独立して支持するナセル内に配設する、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４９】
前記ナセルを、前記中空部材に接続した“傾斜した”半径方向の支持構造体で固定してこれを有する、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５０】
発電ユニットを、前記回転部材の直下で、独立して支持するロータハブのノーズコーン内に配設する、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５１】
前記ノーズコーンを、ベース支持板から該ノーズコーンまで延伸する柱支持構造体により固定してこれを有する、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５２】
前記回転部材を、完全な発電組立体に、支持軸受上の回転シャフトを介して、接続する、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５３】
前記複数の湾曲部材は、湾曲したブレードを閉多角形配置で含むこと、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５４】
前記カラーの傾斜表面は、垂直方向と５〜２０度の角度を成す、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５５】
前記中空部材を略半楕円体とし、該楕円体の開始位置及び終端位置で接線角度を指定すること、を特徴とする上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５６】
前記中空部材が断面に関して空気流方向に拡張すること、を特徴とする発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンで使用する中空部材。
【請求項５７】
前記中空部材にはディフューザを含むこと、を特徴とする請求項５６に記載の中空部材。
【請求項５８】
前記中空部材の同心開口頂部の直径には、前記回転部材直径の１３０％〜１８０％とする放出口を有すること、を特徴とする請求項５６及び５７に記載の中空部材。
【請求項５９】
前記中空部材の開口頂部放出口に、横向き楔体及びカラーをその周縁部周りに設けること、を特徴とする請求項５６乃至５８の何れかに記載の中空部材。
【請求項６０】
前記楔体を前記中空部材の出口下に、前記中空部材上径の７％〜１９％の高さで位置させる、請求項５６乃至５９の何れかに記載の中空部材。
【請求項６１】
前記楔体の面長を前記中空部材の前記カラー高さの１３５％〜１６０％とする、請求項５６乃至６０の何れかに記載の中空部材。
【請求項６２】
更なる小型楔体を：前記中空部材の外部体周りに円周方向に配設し、主楔体の下方で、多数の空気通路を前記中空部材の外面から内面まで伴い、均等に離隔する、請求項５６乃至６１の何れかに記載の中空部材。
【請求項６３】
多数の空気通路は、前記中空部材の内面を、前記中空部材の外面に対する接線と１５度未満で、終端し抜ける、請求項５６乃至６２の何れかに記載の中空部材。
【請求項６４】
発電ユニットを、前記回転部材の直上で、該回転部材の陰となる下流に存在させる独立して支持するナセル内に配設する、請求項５６乃至６３の何れかに記載の中空部材。
【請求項６５】
前記ナセルを、前記中空部材に接続した“傾斜した”半径方向の支持構造体で固定してこれを有する、請求項５６乃至６４の何れかに記載の中空部材。
【請求項６６】
前記中空部材を略半楕円体とし、該楕円体の開始位置及び終端位置で接線角度を指定すること、を特徴とする請求項５６乃至６５の何れかに記載の中空部材。
【請求項６７】
前記カラーの傾斜表面は、垂直方向と５〜２０度の角度を成す、請求項５６乃至６６の何れかに記載の中空部材。
【請求項６８】
発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンを形成する方法であって、該方法には：  
周囲空気流を中央収集室にあらゆる方向から略水平面で収集すること；
前記空気流の方向を略水平運動から略垂直運動に変化させること；
空気流を中央収集室の一方側から該中央収集室の第２側に方向付け、それにより、該第２側でエアーゲートを形成し、その結果前記中央収集室の第２側からの漏出を軽減すること；  
前記空気流を回転部材下側の略全体に方向付けること、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項６９】
発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンの中空部材を接続するステップを備える方法であって、前記中空部材は断面に関して空気流方向に拡張すること、を特徴とする方法。
【請求項７０】
実質的に本明細書本文で説明し記述したような方法。
【請求項７１】
実質的に本明細書本文で説明し記述したような装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直方向に放出し、同じ直径の自然風力タービンより高電力量を取出せるシュラウド付全方向風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力に対する世界的需要の急激な増加、石油や石炭等の再生不能燃料を利用した発電による生態系に与える深刻で慢性的な被害や、それと共にそうした資源の急速な減少や、増大する需要に対応する他の天然資源の不足により、近年新たに、再生可能なエネルギー源の更なる開発を期待する動きがでてきている。
【０００３】
人類は、風から入手可能な膨大な動力量を、数世紀に亘り利用しようと試み、帆船に動力を供給したり、水を汲上げたり、穀物を挽いたりすることに成功してきた。回転発電機が発明されてから、風力を利用して発電機を駆動させる試みが行われてきたが、ほんのこの５０年間で、頑丈で軽量な材料が発見され、風力がこの目的に対して採算が合うと考えられ始めた。
【０００４】
風力タービンは、概して２つのグループに分けられる。よく知られたオランダの風車のような、“水平軸”型と、風速測定カップ／パドル又はダリウス翼ユニットのような、“垂直軸”型とがある。“垂直軸”型風力機械は、簡易な設計、丈夫さ、可動部品の少なさで知られているが、これは常に回転させて風向に向ける必要がないためで、水平軸型ユニットと比較して効率が低く、その結果水平軸型が広く受け入れられている。
【０００５】
一般的に認知された風力発電に関する理論的分析により、風から取出可能な力は、受風面積及び風速の３乗に比例することが、示されている。自然風条件で動作中の風力タービンに対しては、ブレード直径を増大させてより広面積を掃引することでのみ、より多くの動力を風から取出せる。これは、現在、１５０メートルを上回るブレード直径を持つ商業電源ユニットで見られる。ベッツの法則によれば、理論的に取出せる動力の最大レベルは、自然風１平方メートル当りで有効なものの僅か５９％に限られる。しかしながら、今日のハイテク機械でさえ、現在このレベルを全く提供していない。
【０００６】
別な方法では、ディフューザ、シュラウド又はその他の装置を利用して、自然風を加速して、平方メートル当りのエネルギー密度を、ロータブレードに風が到達する前に、増大させる。取出可能なエネルギーは風速の３乗と比例するため、僅かな加速でさえエネルギー密度ひいては取出可能な動力を大幅に増加できる。これにより、また動力の取出が極めて低風速で始動可能となり、年間のかなり長期間に亘り利用可能となる。その結果、これらを、風速が自然風力タービンで使用可能な風速よりも低い地域で利用できる。
【０００７】
これらの長所に関係なく、大きなシュラウド型構造体を、風にかなり露出した位置に自在に取付け、回転可能にして風に向ける必要がある点が、かかる装置の主な短所であった。また、自然風の速度が増す程、シュラウドの使用によって増大され、ロータ速度が極めて高レベルまで上昇し、その結果ロータブレードに高度なストレスレベルが掛かってしまう。
【０００８】
風を加速させるシュラウドから垂直放出すること及び縦断面に位置する風力タービンを含めることが、これら両方の長所を結合する目的で試みられた。
【０００９】
これらは主に２つの異なるカテゴリのものである。第１カテゴリは、サイクロンのような作用を自然風を利用して螺旋状の空気移動形態（渦）により引起すユニットから成り、圧力差を生成してスロートを介して空気を吸引する、又は直接ロータに衝突させて回転の推進力を発生する。第２カテゴリは、そこを通過する空気の動きを略非回転とするユニットから成る。これらは、自然風を、同心又は分割した流路を介して円筒形ユニットの周縁部から加速、移動させて、ロータの掃引領域の選択部分に放出することを利用している。これら両カテゴリのユニットで使用するロータは、軸翼型から混合流又は遠心型に亘る。第１カテゴリには１０倍を大幅に上回る増強作用能力があるため、かなり有望だが、これらはまだ商品化には至っていない。第２カテゴリには、自然風の加速を、風の流れを単に直接集中させてそのエネルギー密度を増大させることに依存するために、増強作用は限定される。その集中を風が通過する断面積を減少させて獲得する。こうして直接集中させると、開放的環境で風を単に任意の狭窄装置に通す（‘漏らす’）ために、最大限界能力がある。
【００１０】
これらの装置の主な短所は、建設に相当な費用がかかる点だが、これは複雑な形状要件、多数の可動部品、掃引領域でアクティブ区域から非アクティブ区域に横断する際にロータにかかる高い繰返し荷重、非アクティブ区域を通過する際の漏れ損失、自然風を強制的に増強装置を通して大幅に狭窄させて移動させる際のかなりのエネルギー損失によるためである。高レベルの狭窄によって抵抗やエネルギー損失が発生するが、これらを自然風によって自然風のエネルギーの一部を利用して克服する必要がある。多くの場合これら抵抗は、装置を通過する風量を、増強が実際に相当減となる可能性のある低レベルにまで減少させる傾向がある。それらの多くでも、更なる物理的な空気‘ゲート’を利用して、非アクティブ区域を通過する空気の損失を防止している。このように、他の利点が考え得るとしても、任意の増強装置に掛かる追加費用を正当化できない。結果として、増強垂直軸機械（水平ユニットでさえも）は、商業的に魅力的ではなく、現在の形の水平軸型風力タービンと比較して、受容できるものではない。
【００１１】
しかしながら、環境保護主義者からの渡り鳥の生命を害することに関する反対や、規制当局が、人口密集地域でのこれら大型プロペラ機に関連して、耐え難い低周波数騒音、ストロボ光反射作用及び安全上の問題を指定して禁止しているため、そうした多くの地域は、大型ビルの屋上等、風力エネルギーを生成するのに理想的であるが、単に使用禁止となっている。上記のために、これらの機械は、電力を使用する地域から相当離れて遠隔地に設置される。その結果、発生させたエネルギーを、通常大都市地域に住む消費者に輸送するのに、高価な電力網の建設が必要となる。従って、利用可能な電力が送電網での損失により更に減少してしまい、送電費用も増加する。
【００１２】
その上、これら機械も、高レベルな風力源を得られるが、局所地形により風向きが頻繁に変化する、又はサイクロン又は竜巻等の高速で上昇する風速の期間があり、これら機械が完全に露出したロータブレードを簡単に損傷する可能性があるといった、地域には設置できない。
【００１３】
本発明の目的は、上記不利点のいくつかを少なくとも改善する又は対処することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本明細書では、用語“シュラウド”を、本発明の好適実施例によるタービンの全体的なケーシング構造体を指すのに用いる。つまり、シュラウドは、中央収集室を包囲し画定する構造体、並びに空気が回転部材のブレードを通過した後に中央収集室から離れるよう方向付ける中空部材を画定する構造体を、指す。回転部材自体を、このシュラウド構造体内に収容する。
【００１５】
従って、本発明の１つの広義の形態では、発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンを提供するが、該タービンには：
ａ）中央収集室を画定する多数の湾曲部材；
ｂ）多数の垂直支持部材；
ｃ）空気流方向に拡張する中空部材；
ｄ）中央収集室の上方に位置し、発電機に接続して、回転部材の回転から発電する回転部材、を備え、
回転部材を中空部材入口付近に位置させ；
湾曲部材の各々を、支持部材の少なくとも１つに接続し、それにより収集室への空気導入口を形成し；
湾曲部材及び支持部材の少なくとも１つを、空気を全方向風力タービンの中央収集室内面の対向する側に方向付けるよう成形及び離隔し、それにより空気漏れを軽減し；  
湾曲部材及び支持部材を、空気を回転部材の下面全体に方向付けるよう成形及び離隔する。
【００１６】
好適には、湾曲部材には、環状形状の半径方向に湾曲したブレードを含む。
【００１７】
好適には、略垂直支持部材には垂直壁を含む。
【００１８】
好適には、回転部材には、水平軸型風力タービンロータを、垂直に取付けてこれを含む。
【００１９】
好適には、中空部材にはディフューザを含む。
【００２０】
好適には、湾曲部材は翼形断面を有する。
【００２１】
好適には、湾曲部材は様々な周囲径及び環径を有する。
【００２２】
好適には、湾曲部材を適所に同心に配置して固定する。
【００２３】
好適には、曲線部材を軸方向にずらす。
【００２４】
好適には、湾曲部材を積重ねた配置に位置させる。
【００２５】
好適には、湾曲部材は重なり合う配置を有する。
【００２６】
好適には、湾曲部材により、断面に関して湾曲部材の最低位置から湾曲部材の最高位置まで広がる中央収集室を形成する。
【００２７】
好適には、中央収集室を中央のスロート領域に向かい先細にする。
【００２８】
好適には、中央収集室を中空部材の内面形状と連続させる。
【００２９】
好適には、垂直支持部材を空気力学的に成形する。
【００３０】
好適には、回転部材を、その軸を垂直にして、中央のスロート領域で取付ける。
【００３１】
好適には、回転部材には翼形ブレードを含む。
【００３２】
好適には、シュラウドに流入する空気を湾曲部材により集中させ、その結果流体力学的エアーゲートを、湾曲部材の非アクティブ部材が形成した空気通路に亘り形成して、それにより空気漏れを防ぐ。
【００３３】
好適には、湾曲部材の内最下位のものを、空気を非アクティブな湾曲部材に、シュラウド外部の空気より低圧で方向付けるよう成形及び構成し、それによりエアーゲートに役立てる。
【００３４】
好適には、湾曲部材及び垂直支持部材の幾何学的配置を、如何なる方向から来る風も受容して、使用するよう構成する。
【００３５】
好適には、湾曲部材及び垂直支持部材の幾何学的配置を、空気を回転部材の全掃引領域に亘り方向付けるよう構成する。
【００３６】
好適には、回転部材を、回転シャフトを介して発電用パワートレイン組立体及び装置に接続する。
【００３７】
好適には、３〜６つの略垂直支持部材を利用して、湾曲部材を、ベルマウス上体とベース支持板との間で固定する。
【００３８】
好適には、垂直支持部材には、逆にした翼体部分を含み、該逆にした翼体部分の両垂直壁面について同一の表面曲率を有する。
【００３９】
好適には、垂直支持部材には境界層を維持する空気流路を有し、該空気流路を垂直支持部材夫々の最先端部から両面の後半部まで形成する。
【００４０】
好適には、境界層を維持する空気流路は、垂直支持部材夫々の両面を、外面に対する接線と１５度未満の角度で、抜ける。
【００４１】
好適には、垂直支持部材を半径方向に等間隔で、空気導入口から中央収集室の周縁部まで、配置する。
【００４２】
好適には、垂直支持部材には、全ての翼形壁ブレードを、該ブレード厚さを翼弦長の３５％〜５０％としてこれを含む。
【００４３】
好適には、垂直支持部材夫々の最厚点を、最先端部から翼弦長の５１％超にする。
【００４４】
好適には、垂直支持部材夫々の２面間の挟角を、７５〜１５０度の範囲とし、後縁部から翼弦長の１５％以内とする。
【００４５】
好適には、上記タービンには、４つ以上の、水平から略垂直になる湾曲した環状ブレードを含み、該環状ブレードを内環径に関してロータ直径の２０％〜１４５％で可変とする。
【００４６】
好適には、湾曲部材夫々の凸面及び凹面の曲率半径を、回転部材直径の２５％〜５５％と同等にする。
【００４７】
好適には、湾曲部材は、水平に対して２０度未満で外径を湾曲し始め、水平方向に対して５０〜７０度の頂点の曲げ角度で終端する。
【００４８】
好適には、湾曲部材の内最大のものの内周縁とその他の湾曲部材の内任意のものの内周縁とを結ぶ最短直線と、垂直軸との間の傾きを５〜３５度とする。
【００４９】
好適には、湾曲部材を、各湾曲部材の最先端部と後縁部が回転部材直径の最低２％ずつ重なるように、湾曲部材間を離隔して積重ねる。
【００５０】
好適には、湾曲部材により、シュラウドに流入する空気を、回転部材の全掃引領域に亘り集中させる。
【００５１】
好適には、全方向風力タービンの内側出口通路面積を、湾曲部材の任意の各対間の外側周縁部の入口通路面積の最低２５％及び最高７５％とする。
【００５２】
好適には、スロート領域は、湾曲部材の最上部材の環状中心面積の７０％以上とする面積を有する。
【００５３】
好適には、湾曲部材の最上部材をベルマウス環状ブレードとする。
【００５４】
好適には、多数の空気通路を少なくとも１つの湾曲部材内に、該少なくとも１つの湾曲部材の凹面側から凸面側に形成する。
【００５５】
好適には、多数の空気通路は、少なくとも１つの湾曲部材の凸面側で、少なくとも１つの湾曲部材の表面に対する接線と１５度未満で、終端し抜ける。
【００５６】
好適には、中空部材の同心開口頂部の直径は、回転部材直径の１３０％〜１８０％とする放出口を有する。
【００５７】
好適には、中空部材の開口頂部放出口には、その周縁部周りに横向き楔体及びカラーを設ける。
【００５８】
好適には、楔体を中空部材の出口下方で、中空部材の上径の７％〜１９％の高さに位置させる。
【００５９】
好適には、楔体の表面長さを、中空部材のカラー高さの１３５％〜１６０％とする。
【００６０】
好適には、更なる小型の楔体を中空部材の外部体周りに円周方向に配設し、主楔体の下方で、多数の空気通路を前記中空部材の外面から内面まで伴い、均等に離隔する。
【００６１】
好適には、多数の空気通路は中空部材の内面を、前記中空部材の外面に対する接線と１５度未満で終端し抜ける。
【００６２】
好適には、発電ユニットを、回転部材の直上で、該回転部材の陰となる下流にある独立して支持するナセル内に配設する。
【００６３】
好適には、ナセルを、中空部材に接続した“傾斜した”半径方向の支持構造体で固定する。
【００６４】
好適には、発電ユニットを、回転部材の直下で、独立して支持するロータハブのノーズコーン内に配設する。
【００６５】
好適には、ノーズコーンを、ベース支持板から該ノーズコーンまで延伸する柱支持構造体により固定する。
【００６６】
好適には、回転部材を、完全な発電組立体に、支持軸受上の回転シャフトを介して、接続する。
【００６７】
好適には、湾曲部材は、湾曲したブレードを閉多角形配置で含む。
【００６８】
好適には、カラーの傾斜表面は、垂直方向と５〜２０度の角度を成す。
【００６９】
好適には、中空部材を略半楕円体とし、該楕円体の開始位置及び終端位置で接線角度を指定する。
【００７０】
本発明の更に広義の形態では、発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンで使用するための中空部材を提供するが、該中空部材は断面に関して空気流方向に拡張する。
【００７１】
好適には、中空部材にはディフューザを含む。
【００７２】
好適には、中空部材の同心開口頂部の直径には、回転部材直径の１３０％〜１８０％とする放出口を有する。
【００７３】
好適には、中空部材の開口頂部放出口に、横向き楔体及びカラーをその周縁部周りに設ける。
【００７４】
好適には、楔体を中空部材の出口下に、中空部材上径の７％〜１９％の高さで位置させる。
【００７５】
好適には、楔体の面の長さを中空部材のカラー高さの１３５％〜１６０％とする。
【００７６】
好適には、中空部材には更なる小型楔体を有し、該小型楔体を中空部材の外部体周りに円周方向に配設し、主楔体の下方で、多数の空気通路を前記中空部材の外面から内面まで伴い、均等に離隔する。
【００７７】
好適には、中空部材には多数の空気通路を有し、該空気通路は中空部材の内面を、中空部材の外面に対する接線と１５度未満で、終端し抜ける。
【００７８】
好適には、中空部材には発電ユニットを有し、該発電ユニットを回転部材の直上で、該回転部材の陰となる下流に存在させる独立して支持するナセル内に配設する。
【００７９】
好適には、中空部材にはナセルを有し、該ナセルを、中空部材に接続した“傾斜した”半径方向の支持構造体で固定する。
【００８０】
好適には、中空部材を略半楕円体とし、該楕円体の開始位置及び終端位置で接線角度を指定する。
【００８１】
好適には、カラーの傾斜表面は、垂直方向と５〜２０度の角度を成す。
【００８２】
本発明の更に広義の形態では、発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンを形成する方法を提供するが、該方法には：
周囲空気流を中央収集室にあらゆる方向から略水平面で収集すること；
空気流の方向を略水平運動から略垂直運動に変化させること；
空気流を中央収集室の一方側から該中央収集室の第２側に方向付け、それにより、第２側でエアーゲートを形成し、その結果中央収集室の第２側からの漏出を軽減すること；
空気流を回転部材下側の略全体に方向付けること、を備える。
【００８３】
本発明の更に広義の形態では、発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンの中空部材を接続するステップを備える方法であって、該中空部材が断面に関して空気流方向に拡張する方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８４】
最良に意図する構造的配置について、添付図で説明する。
【００８５】
（概要）
図１では、本発明の１実施例を示す。全方向増強風力タービン組立体１を、そのベース２を堅固に支持柱１７に接続して取付ける。翼形ロータブレードを有する直径‘Ｄ’のタービンロータ３を、中心回転シャフト１６を介して、完全な組立体のベース２から延在する柱体５で支持する非回転ハブ４内にある装備に取着する。ロータ３を、垂直に取付ける水平軸型とする。
【００８６】
ハブ４を、シュラウドディフューザ及び支持壁１９に取着する更なるステーケーブル１８で保持する。
【００８７】
ハブには、ロータのトルクを電力に変換するための発電機１５ａ及び全ての関連する歯車ボックス及び制御機構を含む。最後の環状体１０ｅ下の空隙領域２０を利用して、エンドユーザに供給する電力を最適化するために必要な他の電気ギア１５ｃを収容できる。ハブへ出入りするための梯子をベースから柱体５内を通して提供する。流線形のナセル１４をロータ３の下流に設け、ロータに取着可能にする。この配置により、容易に接近して、シュラウド組立体の上部２１から大型ロータを取外可能になる。小型の機種では、垂直支持柱体５を除去でき、全ての発電機器１５ｂを完備するナセルを、ロータの下流でシュラウドディフューザ９壁に取着する傾斜ビーム２２で支持できる。
【００８８】
（壁）
図１Ａに示すように、３つの翼形状の垂直壁６．１、６．２及び６．３を、等角度間隔で半径方向に配置し、垂直角度でシュラウドのベース２からシュラウドのベルマウス入口にまで延伸させる。半径方向にこれら垂直壁は、中心にある空気室の周縁部１２付近から、環状体の外周縁部を越えて広がる。それらの延伸部‘Ｍ’は、どの環状ブレードを越える部分でも、最高０．３Ｄに制限する。ベース２から‘ベルマウス’から張出す円盤４７までのそれらの垂直高さ‘Ｐ’を、最低０．７Ｄとできる。
【００８９】
図４で詳述するように、支持壁翼には反返りがなく、標準的方法とは逆にした形状で配設して、該翼に衝突する空気を、空気力学的に、中央空気収集室１２の方へ集中させる。各壁ブレードの厚み‘Ｔ’をブレード長さ‘Ｌ’の３５％〜５０％とし、ブレードの最厚点‘Ｎ’を最先端部２４から５１％以上離隔して到達するようにする。壁ブレードの２表面２３ａ及び２３ｂは、楕円状に最厚点から共通の後縁部２６へと湾曲する。後縁部で、ブレードの両表面は、ブレードの中心線に対して６０度の傾き‘ＡＡ’で終端する。挟角は、‘ＡＡ’の２倍となるが、２壁表面間で７５〜１５０度の範囲とし、壁ブレードの後縁部から翼弦長の１５％以内とする。
【００９０】
壁の最先端部２４を、空気流路開口部２７を厳密にベルマウスからシュラウドのベースまでの垂直縁部に沿って配設して作製する。これら開口部からの空気流路２８により、高い運動エネルギーを持った空気を最先端部からブレード両表面の後半分まで導入可能になり、空気流の境界層を補強して、空気流の剥離を軽減する。導入路はブレード表面を、該表面の接線に対して１５度未満の角度‘ＡＢ’で、出る。これにより、加速過程でのエネルギー損失を軽減する。
【００９１】
（環状体）
図１で最良に理解できるように、複数の環状ブレード１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ及び１Ｏｅをベース２とシュラウドのベルマウスとの間に配設しており、これらブレードを図１に示すように垂直壁６．１、６．２及び６．３の間で固定している。図２で示すように、これらのブレードは、逆にした翼形で高い反りを有する断面のものである。このブレードにより、空気力学的に加速し、該ブレード間の通路に入る空気流の方向を、略水平から略垂直に変化させる。
【００９２】
‘ベルマウス’環状体７及び‘端閉’環状体１０ｅを除く、最低４つの環状ブレード１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにより、最適にエネルギーを捕獲し、利用できる。最大環状ブレードの内側（環周）直径を、スロートに繋がる先細部１１のより大きな開口部直径と同一にする。これら２縁部を連続的に互いに周縁部４８で取着して、ロータを設置するスロート８への“ベルマウス”入口の典型である単体を形成する。シュラウド組立体の環状ブレードを、それらの内環径に関して、ロータ直径の２０％〜１４５％で、可変とする。最良の結果を得るには、最小環状体の内側環周４９の直径を、ロータ直径の２０％〜３５％の間で可変にし、最大環状体の内側環周４８直径を、シュラウドのロータ直径の１００％〜１４５％の間で可変とする。
【００９３】
図２で示すように、これらブレードの各対間の通路の総出口面積‘Ｅｘ’を、同じブレード間の通路の入口面積‘Ｅｎ’の最低２５％及び最高７５％とする。ブレードの翼中心線は、反りの曲率半径‘Ｒ’を０．２５Ｄ〜０．５５Ｄとする。最先端部２９でのブレードの中心線角度‘ＡＣ’を、水平‘ＡＣ’に対して０〜１５度の間とし、後縁部３０での該角度を水平に対して５０〜７０度の間の‘ＡＤ’とする。ブレードを、シュラウドのベルマウス前方で次なる最大環状体１０ａから次々にずらして配置する。確実に風上側から風下側への視野の水平線を全シュラウドを通して無くすために、連続する各環状体の後縁部が、その前の環状体の最先端部に、最小限‘Ｆ’の０．０２Ｄだけ重なるようにする。最大環状体の後縁部と任意のそれに続く環状体の後縁部を結ぶ垂線と最短直線との間の角度‘ＡＥ’は、５〜３５度の間で可変とする。‘端閉’環状体である最終環状体１０ｅを、ベース２に直接取付ける。円錐部分３７を最終環状体の後縁部４９から延在させて、支持柱体５と接触させ、該後縁部４９で最終環状体の環周を完全に囲む。‘ベルマウス’環状体の最先端部を、円周方向に平坦に張出した円盤４７で延在させて、垂直壁６．１、６．２及び６．３の最先端部２４で終端させる。
【００９４】
図５では、最先端部３１の周縁部に沿って及びベルマウスを含む各環状体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び１０ｄの凹面３２に沿って厳密に配設した空気流路開口部３５を示す。これらの開口部と関連する空気流路３４により、高い運動エネルギーを持った空気を最先端部からブレードの凸面３３に導入可能にして、凸面に沿う空気流の境界層を補強し、ブレードの凸面から空気流が剥離するのを軽減する。導入路出口３６を、接線に対して１５度未満の角度‘ＡＦ’で凸面に設ける。この処置により、加速過程におけるエネルギー損失を更に軽減できる。最終環状体１０ｅでは、空気がその凸面に沿って進まないので、これを必要としない。
【００９５】
図１を参照すると、風が任意の方向から流れて、環状ブレード１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ及び１０ｅで形成したシュラウドの水平通路１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ及び１３ｅに流入しており、該風は加速し、より高速でブレードを出て中央空気収集室１２に入る。収集室の中心軸の最も近くに位置する最下の通路１３ｅを、最高流出速度を生じるように設計し、風に直面しない非アクティブ通路３８面に亘り導く。こうした空気の動きは、流体力学的‘エアーゲート’として機能するが、これはその圧力が非アクティブ通路の入口側３９の圧力より低いために生じるもので、該動きにより収集室１２に非アクティブ通路を介して空気流を誘導し、その結果アクティブ通路を介して収集室に流入した空気が逃げるのを大幅に減少する。
【００９６】
（スロート）
中央空気収集室１２の設計を、該収集室の低部から上部への平均気流速度を略均一或は増速するよう行う。図１で示すように、シュラウドのベルマウス入口部にある環状体７を、スロート８に向かい同心で狭くする。タービンロータ３を、スロートの下流付近に位置させる。ベルマウス環状体の環周とディフューザ９を接続する短い先細部１１でのスロート８の断面積を、ベルマウス環状体の環周４８での断面積の７０％以上とする。ハブ４もスロート面積を減少させるため、その直径を最高０．３Ｄに限定する。断面積を小さくする程、背圧が中央収集室１２で大きくなり、非アクティブ区域からの空気損失が大きくなる。
【００９７】
ロータハブ４とノーズコーンの空気流形状を、半楕円に設計して、確実にスロートにアクティブ通路から接近する空気を、最小限の干渉でスロートの向こう側に通過させる。この結果、ロータブレードの全掃引領域で該領域に亘り略均一速度で空気を受け、ロータブレードに掛かる繰返し応力を軽減できる。
【００９８】
（ディフューザ、カラー及び楔体）
シュラウドをその後開口頂部２１と同心のディフューザ９として拡張する。図３に詳細に示すように、ディフューザを一般的な形状の半楕円形とするが、スロート８の下流での該楕円形内面との接線の角度‘ＡＧ’を、垂直線に対して最大３０度及び最低１２度とする。ディフューザ内面３８の傾斜を、次第に最高５度まで減少させる。ディフューザ部分の始まりからこの点３９までの垂直距離‘Ｈ’を、最低０．５Ｄとする。このディフューザによって、大気圧より低いタービンブレードから出る空気圧を徐々に略周囲圧力レベルまで上昇可能になる。ディフューザが拡張するにつれて、空気速度は減少する。この位置３９でのディフューザ直径を、スロート直径の１３０％〜１８０％とする。
【００９９】
ディフューザを、位置３９でのディフューザ直径の７％〜１９％を最短長‘Ｊ’として更に延伸し拡張させて、カラー４０とし、最終的に大気２１へと開放する。このカラー部の内面で成す角度‘ＡＨ’を、垂直線に対して５〜２０度とする。楔体４１を、ディフューザの外面周縁部に沿って形成して、カラーと組合せて、風上側からディフューザに接近する自然に流れる空気を、略垂直に転向させる。この転向により吸引効果をディフューザの風上側内壁に沿って形成し、ディフューザを出る空気流を増大させ、その結果更なる空気流をスロート８を通して吸込む。楔体の高い側を、カラー４０の下端部３９で終端させるよう位置付ける。楔体の上面で形成する角度‘ＡＣＴ’を、水平位置に対して１０〜６０度とする。楔体４１の表面長さ‘Ｋ’を、カラーの鉛直高さ‘Ｊ’の１３５％〜１６０％とする。楔体の支持下面４２を、ディフューザに向かい下方に傾斜させて、密閉できる。これと同じ吸引効果を達成するのに必要なディフューザの長さは、こうした所定の楔体及びカラーを使用しなければ、この仕組みの２倍以上長くなる。
【０１００】
同様な形状だが、その寸法の１０％未満である更に２つの小型楔体４３を、ディフューザの外周に沿って形成可能である。空気流路開口部４４即ちディフューザの外面から内面までの通路を、図３で示すようにこれら小型楔体の上面が終端する部分の即上部でシュラウド本体に円周方向に形成する。これらの開口部により、風上側からディフューザの内面に高い運動エネルギーを持った空気を導入して、空気流の境界線層を補強して、空気流の剥離を軽減可能にする。導入路４５は、ディフューザ表面を、該表面の接線に対して１５度未満の角度‘ＡＫ’で、出る。これにより、ディフューザの内面に沿って流れる空気の減速過程での、エネルギー損失を軽減できる。
【０１０１】
図１で見られるように、完全なディフューザ組立体９及びスロート８を、ベルマウス環状体に取着した延在壁１９を介して、垂直壁６．１、６．２及び６．３で支持する。更なる構造上の支持支柱４６を、ディフューザから垂直壁６．１、６．２及び６．３まで延在させる。
【０１０２】
説明
上記の詳細な説明を参照して、上記の説明した実施例の顕著な特徴を以下に纏める。
【０１０３】
全方向シュラウド付垂直放出型風力タービンを提供するが、該タービンは、シュラウド内に配設する軸流翼型ロータから成る。シュラウドを他の垂直放出型シュラウドの仕組みと比較して最小限に狭窄した開放的な設計、空気力学的に集中させて加速する仕組み、漏れを防止する流体力学的“エアーゲート”の仕組み、及びシュラウドを介した吸引効果を増大させるためのディフューザ放出部の楔体／カラーの仕組みによって、遥かに多量の空気がロータを貫流するのを促進する。ロータが取出した動力を、回転シャフト機構を介して発電機に伝達する。
【０１０４】
本発明の本実施例におけるシュラウドを、スロートに繋がる入口部で環状ブレードを有する先細の‘ベルマウス’で作製する。あらゆる方向に動く自然風を、これらのブレードで受風して、先細部に方向付ける。ブレードを半径方向に、翼断面を外周部で略水平に始め、内周部で略垂直に終端するようにして湾曲させる。各環状ブレードは異なる直径を有する。‘ベルマウス’は、最大内径（環周）を有する環状体から成るが、該環状体を周縁部で水平方向に延在させ、環周で円錐形に延在させて錐台形状にする。より多く受風するために、連続する環状ブレードをずらして、この“ベルマウス”より前に同心で配置し、次に最大の環状ブレードで始めて最小の環状ブレードで終端するよう配置する。
【０１０５】
こうして組合せた環状ブレードの環周で中央収集室を画定するが、該収集室は、空気をロータが位置する先細スロートの全断面に向けて移動させるための‘閉鎖’導管として機能する。空気が、水平方向に、直接横断して空気収集室の反対側に移動するのを、隣接するブレードの外周部と内周部とを重ねることで、防止する。
【０１０６】
最小環状ブレードの環周を完全に円錐状拡開部で囲むが、該拡開部は、最も中心軸付近に位置するこの通路を介して収集室に流入させた空気を、収集室の非アクティブな環状ブレード面に向けて方向付けるのに役立つ。
【０１０７】
環状ブレードを、空気力学的に形成した垂直壁板をそれら全てと垂直に接続して適切な位置に固定する。該垂直壁は、ベルマウスから最終環状ブレード端部まで及ぶ。これらの壁は各環状ブレードに亘り広がるが、環状ブレードの外周より先から開始し環周で終端する。これらの壁は、自然風の受風を、該壁に衝突する自然風を空気力学的に加速させ、中央空気収集室に向けて、その過程でのエネルギー損失を最小限に抑えつつ、集中させることで、増大するのに役立つ。これを、該壁を逆形状の翼体として、該翼体には壁の両垂直面について同一曲率を有してこれを作製し、該翼体の最先端部から両面に抜ける空気流路で境界層を増強して、達成する。
【０１０８】
こうして空気力学的に自然風を受風することで、シュラウド及び風の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する部分に向かう自然風の進入速度を減速させる。部分的にこの圧力エネルギーを利用して、環状ブレードに関する損失を克服する；残余エネルギーを再び、空気を狭縮した環状ブレード流路を通して加速させて高速にする際に、運動エネルギーに変換する。
【０１０９】
次に風がスロートに向けて略垂直方向に中央空気収集室内を流れると、環状ブレードの非アクティブ部分が、収集室の対向側で、平面として“出現”して、空気流を収集室に流入させ、シュラウドの先細部及びスロートに進むのを促進する。これら非アクティブ部分表面を横切り空気が高速に移動することで、吸引効果を持つ相対負圧が発生して収集室に空気を引込み、流体力学的“エアーゲート”のように機能し、非アクティブ部分からの空気漏れに抵抗する。空気がスロートのロータに接近すると、その速度は減速し、その結果最も近い非アクティブ環状通路を介して若干の空気漏れを伴い圧力が増大する。
【０１１０】
環状ブレードを、風が直接衝突する凹面側から凸面側に、空気通路を厳密に配設して作製する。これらの通路により、少量の空気が高圧の凹面から凸面まで移動可能になる。これら通路を、移動する空気が接線方向に凸面側へ、凸面上の主な気流と同じ方向に抜けられるよう位置決めする。これにより、凸面側からの主な気流の分離を（流体境界層を増強することで）軽減し、それにより収集室に流入する際の、圧力エネルギー損失を軽減する。
【０１１１】
シュラウドのスロートへの入口を先細部で、標準的な錐台形で、作製するが、それによりスロートに向かい移動する空気を、圧力損失を軽減しつつ、徐々に加速可能にする。
【０１１２】
ロータでエネルギーを取出すと、空気流の圧力エネルギーが急速に減少し、その結果空気流は準大気圧レベルに到達する。本発明の本実施例におけるシュラウドを、スロートの下流から、逆楕円体／錐台体の形状で、開口頂部から空気を放出するディフューザ組立体で作製する。これにより、空気流の圧力が大気圧レベルに、空気流速が一部の残余運動エネルギーを圧力エネルギーに変換しながら減速することで、回復可能である。
【０１１３】
放出開口部を横切り通過する自然風によって、該開口部が自然風の方へ偏る圧力差を受け、シュラウドからの空気は自然風流に取込まれる。これにより、ロータ下流の圧力がより高い準大気圧レベルに到達可能になり、その結果ロータを通して空気流から更に多くのエネルギーを取出せる。圧力回収をせず、頂部開口部を横切り通過する自然風流が、出口での圧力より高圧となると、それによりディフューザからの空気流出が妨げられ、背圧が発生してロータを通る空気流が減少してしまう。
【０１１４】
放出開口部を大きくする程、多量の空気がシュラウドからの自然風に混入する；この混入が多い程、スロートでの速度は高速になる。しかしながら、この拡散過程は徐々に実施する必要があり、拡散コーンを極めて長くしてこれ（１５度未満の挟角）を達成する必要がある。広い拡散角度を有する短いコーンは機能しないが、これは壁で流れが剥離されるため、及びロータからの後流が自然風によって放出口で妨害されるためである。
【０１１５】
本発明の本実施例では、ディフューザ長を、ディフューザの放出口付近に取着した楔体及びカラーを使用することで減少させた。これにより、風下側からの自然風の妨害を軽減し、ディフューザ出口面を横切る吸引効果を強化する。これにより、スロートでの背圧を減少させて、ロータを通る空気流を増大させる。
【０１１６】
追加の楔形カラーを、ディフューザ本体の外部に円周方向に取着する。これらにより自然風を空気流路に集中させ、方向付けて、空気流方向にディフューザ内面と接線方向に抜けさせる。これにより、ディフューザ内面に沿って主な空気流が剥離するのを（流体境界層を増強することで）軽減し、それによりディフューザ内で圧力回収を、圧力エネルギー損失を減少させつつ、可能にする。
【０１１７】
スロート付近に配設するロータで、加速した風を受け、該風から動力を取出す。風速が増し、ロータの回転速度が増すと、背圧が高くなり、中央空気収集室から非アクティブ環状ブレードを介して漏出が増加し、湾曲した環状ブレードを通しての圧力損失も大幅に増加する。その結果高風速になる程増強効果が減少及び後退して制限条件となる。これにより、ロータを極めて高風速に曝さないよう保護するという有益な特徴を提供する。
【０１１８】
ロータを水平軸型風車ロータとし、垂直に取付けし、動力を風から取出可能なものとする。ロータは捩れた翼部分を持つブレードから成り、該ブレードはこのシュラウドの仕組みで風力を発生させるために最適化してある。小型ユニットに関しては、発電装置を歯車ボックスと連結する、でなければロータブレード上方で、空気流排出側にあるナセル内に配設する。該ナセルを、半径方向に傾斜するビーム構造体をシュラウド本体に固定することで支持する。この支持構造体を十分に傾斜させて、確実に、ロータブレードが僅かに上方へ歪曲しても個々の支持部材と衝突しないようにする。
【０１１９】
大型ユニットに関しては、全ての発電機器を上流にあるロータのノーズコーンハブに設置する。ロータのノーズコーンハブからシュラウド組立体のベースまで延在させる中空柱体で、ノーズコーンを支持する。ノーズコーン内側に配設する単一又は複数の発電機は、中空柱体内の梯子によってベースから簡単に接近可能にしなければならない。
【０１２０】
円形をした多数の環状ブレードを、三日月状断面のブレードを有する任意の他の直線又は曲線による多角形配置に置換えて、同目的を達成してもよい。
【０１２１】
材料
全方向、シュラウド付垂直風力タービンの垂直壁、ディフューザ及び環状ブレード用材料の選択は、頑丈な、軽量金属、複合材料、サンドイッチ構造等の中から行う。環状ブレード及び垂直壁はダブルスキン構造のものとする。ロータブレード材料には業界における現在の最先端技術である、軽量で頑丈な材料を組合せたものを含んで、ロータの始動慣性を最小限にして、弱風への反応を強化する。
【０１２２】
（使用に関して）
使用に関して、本発明の実施例を様々な地形で使用できるよう構成する。実施例によっては、僻地で、及び都市地域で使用可能にする。実施例のシュラウド付特徴により、タービンの部品が使用中に外れた場合に、人又は物が損傷する危険を減らせる。
【０１２３】
その上、シュラウドの形状が障壁として機能して、風力タービンの可動構成要素により発生する騒音を緩衝することで、低周波騒音を最小限に抑えられる。更に、シュラウドを付けることで、タービンの回転部品からのストロボ光反射に関連した視覚的問題も軽減する。
【０１２４】
更に、ロータを回動させて卓越風方向に向けるためのヨーイング機構を不要とすることで、ロータ、ベアリング及び関連機構に対する全てのジャイロ力を排除しており、風力タービンの一般的な故障の主原因を無くせる。
【０１２５】
略垂直部材（壁６）と湾曲部材（環状ブレード１０）とを相対的に成形し分離することで、確実に比較的低圧で空気を、外気と比較して、非アクティブな環状ブレード１０に方向付け、それによりエアーゲートを形成でき、その結果非アクティブな環状ブレード１０を横切る空気漏れを最小限にするが、さもなければ結果的に大幅なエネルギー損失となり得る。エアーゲートを発生させる過程を、最下段の環状ブレード１０（最小環状体）により促進するが、該ブレードを、壁６及び環状ブレード１０とで画定する中央収集室１２の半楕円形の輪郭を利用するよう成形し、それにより非アクティブの環状ブレード１０に対する空気流を強化する。
【０１２６】
更に、こうした壁６及び環状ブレード１０の成形及び離隔によって、ロータ３下側の略全体に対する空気流を促進し、その結果確実にロータ３に亘り均等に応力を分配でき、それによりロータ３に与える不均一な繰返し応力を最小限にでき、さもなければロータ３の破壊に繋がり得る。
【０１２７】
ディフューザにはカラー４０及び少なくとも１つの楔体４１を含めるが、該ディフューザをタービンから出る空気を円滑に遷移させて外気と混合可能にし、それにより本実施例を通して、排出する空気流からの負のフィードバックにより空気流が分裂する可能性を最小限にするよう、構成する。好適な実施例は、略非回転型のものであり、これにより従来の既知のシュラウド付風力タービンに関する多くの短所を、低抵抗で、低漏出の、シュラウド付垂直放出風力タービンにロータを唯一の可動構成要素として有してこれを提供し、広範囲な風速に亘り安全且つ効率的に運転可能にすることで、無くしたものである。
【０１２８】
シュラウドの入口部分に流入する自然風を方向付けし、より高速に高エネルギーレベルにまで、自然風をシュラウド内部に位置するロータに向けて集中させるにつれて、加速する。該入口部分の要素を、風上側から空気の流入を促進しながら一方で、該要素によって完全装置の風下側からの空気漏れを防止するようなものにする。その結果、低風速でさえも、取出可能な風力エネルギーレベルを増大させ、タービンの運転に関する自然風速の閾値を低くする一方で、高風速ではシュラウドの導入口部分を横断する流れを失速させ、高レベルの乱流及び背圧をシュラウドの中央収集室内で形成して、自然に制御する。こうしたロータブレードにより、増強した風力エネルギーを変換して、これ以外の同じ直径をした標準的な従来技術のタービンを使用して得られるより、同じ自然風速で相当高いエネルギー出力を提供する。
【０１２９】
利益
本発明の実施例は、１つ又は複数の、標準的技術のシュラウド付及びシュラウド無し型垂直軸タービン及び水平軸タービンに勝る以下の利点を有せる。
ａ．完全な組立体を建物、給水塔又は他の同様な構造物の頂部に、大型の可動構成要素が厳しい気象状況下で破損し、周囲の構造物又は人に衝突して悲惨な結果を招く恐れなく、可動ロータブレードをシュラウド内に収容しているために、配設できる。完全な発明品を、高さに関する安全性の問題が生じないため、低所に配設できる。
ｂ．本発明品には、大型構造体を回転させて卓越風に向ける必要がある機構を排除することで、大幅に少ない可動構成要素を備える。
ｃ．本発明品には、作業性を獲得し、効率及び安全を維持するために運転する必要がある、物理的な空気‘ゲート’、可動羽根又は他のそのような多数の構成要素及びそれらの複雑な制御機構を備えない。
ｄ．ロータブレード先端での渦流の発生は、自然風力タービンからの主な騒音源となるが、ブレード先端をシュラウド内に収容しているため、これを大幅に軽減する。
ｅ．本発明品では、回転構成要素をシュラウドで遮蔽しているために、ストロボ光反射作用を持たず、渡鳥の生命に全く危険を及ぼさない。
ｆ．ジャイロ力問題及び関連する構成要素の故障といった、大型回転要素を回動させて風に向けることから生じる問題は、起きない。
ｇ．本発明品には、従来のロータと比較して、小型のロータを有して同じ動力を取出せる。これにより、更に高回転速度が可能になり、歯車ボックスの使用を排除する、又は‘送電系統’品質に容易に変換できる高周波電源を生成するための小型の比歯車ボックスが必要なだけとなる。
ｈ．強風の間、シュラウド及び環状ブレードにより、ロータブレードの高速風に対する露出を、ロータへの空気流を中断することで軽減する。
ｉ．本発明品を、シュラウドによって動力取出能力が増大するため、低風速地域でも利用可能である。これにより、一層長期間に亘り有用な動力の生成が可能となる。瞬時動力レベルが増大し、利用期間が増大した結果、標準的な現行技術の風力タービンに勝る高い年間総合エネルギーが取出せる。
ｊ．急速に風向きが変化する低速の風を、完全な組立体を絶えず風に向けるよう調整する必要無く、利用できることで、本発明品を、電力の最終消費者により近い郊外中心又は他の人口中心に一層近接して配設できる。
ｋ．全方向という特徴によっても、本ユニットを、風向が連続して変化するために標準的な水平軸型風力タービンユニットを満足に利用できない地形に、設置できる。
【０１３０】
本発明の実施例についての説明を、特に好適な特徴に言及して行った。しかしながら、様々な最適化による改良を、特に上記で指摘した及び請求項に記載する開示される本発明の対象物に関する原理から逸脱することなく、実施できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】シュラウド付風力タービンの１実施例を示す図１ＡのＡＡ線に沿った垂直断面図である。
【図１Ａ】壁及び環状体を示す図１のＢＢ線に沿った水平断面図である。
【図１Ｂ】ディフューザ及びロータブレードを示す図１のＣＣ線に沿った水平断面図である。
【図２】環状ブレードの形状及び積重ね配置の詳細の断面図である。
【図３】楔体、カラー及び抽気流路を有する楕円形をしたディフューザ壁の仕組みの断面図である。
【図４】抽気流路を有する翼形をした垂直支持壁の断面図である。
【図５】抽気流路を有する環状体導入口ブレードの断面図である。
【図６】全方向風力タービン-塔構造に取付けた本発明の１実施例に関する等角図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１            風力タービン組立体  
２            ベース  
３            ロータ  
４            ハブ  
５            柱体
６．１、６．２、６．３    垂直壁
７            ‘ベルマウス’環状体
９            ディフューザ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ            ブレード
１１            先細部
１２            中央空気収集室
１６            中心回転シャフト
１７            支持柱
１８            ステーケーブル
１９            支持壁
２１            大気
２４、２９、３１      最先端部
２６、３０、４９      後縁部
２７、３５        空気流路開口部
２８            空気流路
３２            凹面
４０            カラー
４１            楔体
４７            円盤
４８            周縁部
【図１】
2008525682.tif 000003
【図１Ａ】
2008525682.tif 000004
【図１Ｂ】
2008525682.tif 000005
【図２】
2008525682.tif 000006
【図３】
2008525682.tif 000007
【図４】
2008525682.tif 000008
【図５】
2008525682.tif 000009
【図６】
2008525682.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月11日(2007.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンであって、該全方向シュラウド付垂直風力タービンには：
ａ）それらの内側で空気流の方向に十分に広がる中央収集室を画定する複数の湾曲部材；
ｂ）複数の略垂直支持部材；
ｃ）中空部材が断面に関して該空気流方向に拡張する該中空部材；
ｄ）前記中央収集室上方に配置する回転部材であって、該回転部材を発電機に接続して、前記回転部材の回転から発電する該回転部材、
を備え、
前記回転部材を前記全方向シュラウド付垂直風力タービンに接続し、前記中空部材の入口付近に位置させること；
前記複数の湾曲部材の各々を、前記複数の略垂直支持部材の少なくとも１つに接続し、それにより前記中央収集室への複数の空気導入口を形成すること；
前記複数の湾曲部材及び前記複数の略垂直支持部材の少なくとも１つを、空気を全方向シュラウド付垂直風力タービンの内面の径方向に対向する側に方向付けるよう成形及び離隔し、それによりエアーゲートを形成して、全方向シュラウド付垂直風力タービンの内面の径方向に対向する側及び隣接する側面での空気漏れを軽減すること；
前記複数の湾曲部材及び複数の略垂直支持部材を、空気を直接前記回転部材の下面全体に集中させるよう成形及び離隔すること、
を特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２】
前記複数の湾曲部材には、環状形状の半径方向に湾曲したブレードを含むこと、を特徴とする請求項１に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３】
前記複数の略垂直支持部材には垂直壁を含むこと、を特徴とする請求項１又は２に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４】
前記回転部材には、水平軸型風力タービンロータを、垂直に取付けてこれを含むこと、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５】
前記中空部材にはディフューザを含むこと、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項６】
前記複数の湾曲部材は翼形断面を有すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項７】
前記複数の湾曲部材は、様々な周囲径及び環径を有すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項８】
前記複数の湾曲部材を適所に同心に配置して固定すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項９】
前記複数の湾曲部材を軸方向にずらすこと、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１０】
前記複数の湾曲部材を積重ねた配置に配列すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１１】
前記複数の湾曲部材は重なり合う配置を有すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１２】
前記複数の湾曲部材により、断面に関して前記回転部材から最遠の位置から前記回転部材に最近の位置まで広がる中央収集室を形成すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１３】
前記中央収集室を中央のスロート領域に向かい先細にすること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１４】
前記中央収集室を前記中空部材の内面と連続させること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１５】
前記複数の略垂直支持部材を空気力学的に成形すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１６】
前記回転部材を、その軸を垂直にして、中央のスロート領域付近で取付けること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１７】
前記回転部材には翼形ブレードを含むこと、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１８】
前記シュラウドに流入する空気を前記複数の湾曲部材により集中させ、その結果前記エアーゲートを、前記複数の湾曲部材の非アクティブ部材が形成した空気通路に亘り形成して、それにより空気漏れを軽減すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項１９】
前記複数の湾曲部材の内最下位のものを、空気を前記非アクティブな湾曲部材に、前記シュラウド外部の空気より低圧で方向付けるよう成形及び構成して、それによりエアーゲートに役立てること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２０】
前記複数の湾曲部材及び前記複数の略垂直支持部材が、略如何なる方向から来る風も受容し、使用すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２１】
前記複数の湾曲部材及び前記複数の略垂直支持部材が、空気を前記回転部材の全掃引領域に亘り方向付けること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２２】
前記回転部材を、回転シャフトを介して発電用パワートレイン組立体及び装置に接続すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２３】
前記複数の湾曲部材を、ベルマウス上体とベース支持板との間で、固定するために、３〜６つの略垂直支持部材を含む、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２４】
前記複数の略垂直支持部材には、逆にした翼体部分を含み、該逆にした翼体部分の両垂直壁面について同一の表面曲率を有すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２５】
前記複数の略垂直支持部材には境界層を維持する空気流路を有し、該空気流路を該複数の略垂直支持部材夫々の最先端部から両面の後半部まで形成すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２６】
前記境界層を維持する空気流路は、前記複数の略垂直支持部材夫々の両面を、外面に対する接線と１５度未満の角度で、抜けること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２７】
前記複数の略垂直支持部材を半径方向に等間隔で、前記複数の空気導入口から前記中央収集室まで、配置してこれを有する、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２８】
前記複数の略垂直支持部材には翼形壁ブレードを、該ブレード厚さを翼弦長の３５％〜５０％としてこれを含むこと、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項２９】
前記複数の略垂直支持部材夫々の最厚点を、前記最先端部から翼弦長の５１％超にすること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３０】
前記複数の略垂直支持部材夫々の２面間の挟角を、７５〜１５０度の範囲とし、後縁部から翼弦長の１５％以内とする、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３１】
４つ以上の、水平から略垂直になる湾曲した環状ブレードを含み、該環状ブレードを内環径に関してロータ直径の２０％〜１４５％で可変とする、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３２】
前記複数の湾曲部材夫々の凸面及び凹面の曲半径を、前記回転部材直径の２５％〜５５％と同等にする、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３３】
前記複数の湾曲部材は、水平に対して２０度未満の角度で外径を湾曲し始め、水平方向に対して５０〜７０度の頂点の曲げ角度で終端すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３４】
前記複数の湾曲部材の内最大のものの内周縁とその他の前記複数の湾曲部材の内任意のものの内周縁とを結ぶ最短直線と、垂直軸との間の傾きを５〜３５度とする、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３５】
前記複数の湾曲部材を、各該複数の湾曲部材の最先端部と後縁部が前記回転部材直径の最低２％ずつ重なるように、該複数の湾曲部材間を離隔して積重ねる、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３６】
前記複数の湾曲部材により、前記シュラウドに流入する空気を、前記回転部材の全掃引領域に亘り集中させる、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３７】
前記全方向風力タービンの内側出口通路面積を、前記複数の湾曲部材の任意の各対間の外側周縁部の入口通路面積の最低２５％及び最高７５％とする、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３８】
前記スロート領域が、前記複数の湾曲部材の最上部材の環状中心面積の７０％以上である面積を有する、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項３９】
前記複数の湾曲部材の最上部材をベルマウス環状ブレードとすること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４０】
多数の空気通路を含み、該空気通路を少なくとも１つの前記複数の湾曲部材内に形成して、前記少なくとも１つの前記複数の湾曲部材の凹面側から凸面側に空気を移動させる、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４１】
多数の空気通路を含み、該空気通路は、少なくとも１つの前記複数の湾曲部材の凸面側で、少なくとも１つの前記複数の湾曲部材の表面に対する接線と１５度未満で、終端し抜ける、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４２】
前記中空部材の同心開口頂部放出口は、前記回転部材直径の１３０％〜１８０％の直径を有する、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４３】
前記中空部材の開口頂部放出口を、その周縁部周りに横向き楔体及びカラーを有して、これを設ける、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４４】
前記楔体を前記中空部材の出口下方で、前記中空部材の上径の７％〜１９％の高さに位置させる、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４５】
前記楔体の表面長さを、前記中空部材のカラー高さの１３５％〜１６０％とする、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４６】
更なる小型の楔体を含み、該楔体を前記中空部材の外部体周りに円周方向に配設し、主楔体の下方で、多数の空気通路を前記中空部材の外面から内面まで伴い、均等に離隔する、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４７】
多数の空気通路を含み、該空気通路は前記中空部材の内面を、前記中空部材の内側面に正接して、前記中空部材の拡張方向に、終端し抜ける、上記請求項の何れかに記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４８】
発電ユニットを、前記回転部材の直上で、該回転部材の陰となる下流にある独立して支持するナセル内に配設する、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項４９】
前記ナセルを、前記中空部材に接続した“傾斜した”半径方向の支持構造体で固定してこれを有する、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５０】
発電ユニットを、前記回転部材の直下で、独立して支持するロータハブのノーズコーン内に配設する、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５１】
前記ノーズコーンを、ベース支持板から該ノーズコーンまで延伸する柱支持構造体により固定してこれを有する、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５２】
前記回転部材を、完全な発電組立体に、支持軸受上の回転シャフトを介して、接続する、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５３】
前記複数の湾曲部材には、非環状の縦に湾曲したブレードを閉多角形配置に互いに接続させて、これらを含むこと、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５４】
前記カラーの傾斜表面は、垂直方向と５〜２０度の角度を成す、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５５】
前記中空部材を略半楕円体とし、該楕円体の開始位置及び終端位置で接線角度を指定すること、を特徴とする上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５６】
前記楔体の上面が水平に対して成す角度を１０〜６０度とする、上記請求項の何れか１項に記載の全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【請求項５７】
前記中空部材は断面に関して空気流方向に拡張し；前記中空部材には、楔体を前記中空部材の外部体周りに円周方向に配設して、多数の空気通路を伴い、これを含み、該空気通路は前記中空部材の内面を、前記中空部材の内側面に正接して、前記中空部材の拡張方向に、終端し抜けること、  
を特徴とする発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンで使用する中空部材。
【請求項５８】
前記中空部材にはディフューザを含むこと、を特徴とする請求項５７に記載の中空部材。
【請求項５９】
前記中空部材の同心開口頂部の放出口は、前記回転部材直径の１３０％〜１８０％とする直径を有すること、を特徴とする請求項５７又は５８に記載の中空部材。
【請求項６０】
前記中空部材の開口頂部放出口に、横向き楔体及びカラーをその周縁部周りに設けること、を特徴とする請求項５７乃至５９の何れか１項に記載の中空部材。
【請求項６１】
前記楔体を前記中空部材の出口下に、前記中空部材上径の７％〜１９％の高さで位置させること、を特徴とする請求項５７乃至６０の何れか１項に記載の中空部材。
【請求項６２】
前記楔体の面長を前記中空部材の前記カラー高さの１３５％〜１６０％とする、請求項５７乃至６１の何れか１項に記載の中空部材。
【請求項６３】
更なる小型楔体を前記中空部材の外部体周りに円周方向に配設し、主楔体の下方で、多数の空気通路を前記中空部材の外面から内面まで伴い、均等に離隔すること、を特徴とする請求項５７乃至６２の何れか１項に記載の中空部材。
【請求項６４】
多数の空気通路を含み、前記空気通路は前記中空部材の内面を、前記中空部材の内側面に正接して、前記中空部材の拡張方向に、終端し抜ける、請求項５７乃至６３の何れか１項に記載の中空部材。
【請求項６５】
発電ユニットを、前記回転部材の直上で、該回転部材の陰となる下流に存在させる独立して支持するナセル内に配設する、請求項５７乃至６４の何れか１項に記載の中空部材。
【請求項６６】
前記ナセルを、前記中空部材に接続した“傾斜した”半径方向の支持構造体で固定してこれを有する、請求項５７乃至６５の何れか１項に記載の中空部材。
【請求項６７】
前記中空部材を略半楕円体とし、該楕円体の開始位置及び終端位置で接線角度を指定すること、を特徴とする請求項５７乃至６６の何れか１項に記載の中空部材。
【請求項６８】
前記カラーの傾斜表面は、垂直方向と５〜２０度の角度を成す、請求項５７乃至６７の何れか１項に記載の中空部材。
【請求項６９】
発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンを使用する方法であって、該方法には：  
複数の湾曲部材及び複数の略垂直支持部材を使用して、周囲空気流を中央収集室にあらゆる方向から略水平面で収集すること；
前記湾曲部材及び前記垂直支持部材を使用して、前記空気流の方向を略水平運動から略垂直運動に変化させること；
前記湾曲部材及び前記垂直支持部材を使用して、空気流を中央収集室の風上側から略直接該収集室の全幅を横断して中央収集室の径方向に対向する側に集中させ、それにより、実質的にエアーゲートを前記収集室の対向する及び隣接する側で形成して、前記中央収集室の前記対向する及び隣接する側からの空気漏れを軽減すること；  
前記湾曲部材及び前記垂直支持部材を使用して、前記空気流を回転部材下側の略全体に方向付けること；
中空部材を使用して、前記空気流を前記回転部材から排出させ、徐々に大気圧レベルに戻すこと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項７０】
発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンで中空部材を使用する方法であって、該方法には：
前記中空部材に取着する楔体及びカラーの仕組みを使用して、それにより前記中空部材の風上側からの自然風の妨害を軽減すること；
前記中空部材の外側面に円周方向に取着する楔形カラーを使用して、それにより前記自然風の一部を、前記中空部材を貫通して形成し、前記中空部材の内側面に正接して抜ける空気流路に集中させ、方向付けること；  
前記流路を使用して、空気を前記流路から、前記中空部材内の主な気流の方向と平行に、放出すること、を備え、
前記中空部材のスロートでの背圧を減少させ、前記中空部材のスロート付近に配設する回転部材を通る空気流を増大させること；
前記中空部材の内側面に沿って主な空気流が剥離するのを軽減させ、それにより前記中空部材内で圧力回収を、圧力エネルギー損失を減少させつつ、可能にすること；
前記中空部材の出口に亘り吸引効果を増大させること、  
を特徴とする方法。
【請求項７１】
実質的に本明細書本文で説明し記述したような、発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンに関する方法。
【請求項７２】
実質的に本明細書本文で説明し記述したような、発電用全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直方向に放出し、同じ直径の自然風力タービンより高電力量を取出せるシュラウド付全方向風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力に対する世界的需要の急激な増加、石油や石炭等の再生不能燃料を利用した発電による生態系に与える深刻で慢性的な被害や、それと共にそうした資源の急速な減少や、増大する需要に対応する他の天然資源の不足により、近年新たに、再生可能なエネルギー源の更なる開発を期待する動きがでてきている。
【０００３】
人類は、風から入手可能な膨大な動力量を、数世紀に亘り利用しようと試み、帆船に動力を供給したり、水を汲上げたり、穀物を挽いたりすることに成功してきた。回転発電機が発明されてから、風力を利用して発電機を駆動させる試みが行われてきたが、ほんのこの５０年間で、頑丈で軽量な材料が発見され、風力がこの目的に対して採算が合うと考えられ始めた。
【０００４】
風力タービンは、概して２つのグループに分けられる。よく知られたオランダの風車のような、“水平軸”型と、風速測定カップ／パドル又はダリウス翼ユニットのような、“垂直軸”型とがある。“垂直軸”型風力機械は、簡易な設計、丈夫さ、可動部品の少なさで知られているが、これは常に回転させて風向に向ける必要がないためで、水平軸型ユニットと比較して効率が低く、その結果水平軸型が広く受け入れられている。
【０００５】
一般的に認知された風力発電に関する理論的分析により、風から取出可能な力は、受風面積及び風速の３乗に比例することが、示されている。自然風条件で動作中の風力タービンに対しては、ブレード直径を増大させてより広面積を掃引することでのみ、より多くの動力を風から取出せる。これは、現在、１５０メートルを上回るブレード直径を持つ商業電源ユニットで見られる。ベッツの法則によれば、理論的に取出せる動力の最大レベルは、自然風１平方メートル当りで有効なものの僅か５９％に限られる。しかしながら、今日のハイテク機械でさえ、現在このレベルを全く提供していない。
【０００６】
別な方法では、ディフューザ、シュラウド又はその他の装置を利用して、自然風を加速して、平方メートル当りのエネルギー密度を、ロータブレードに風が到達する前に、増大させる。取出可能なエネルギーは風速の３乗と比例するため、僅かな加速でさえエネルギー密度ひいては取出可能な動力を大幅に増加できる。これにより、また動力の取出が極めて低風速で始動可能となり、年間のかなり長期間に亘り利用可能となる。その結果、これらを、風速が自然風力タービンで使用可能な風速よりも低い地域で利用できる。
【０００７】
これらの長所に関係なく、大きなシュラウド型構造体を、風にかなり露出した位置に自在に取付け、回転可能にして風に向ける必要がある点が、かかる装置の主な短所であった。また、自然風の速度が増す程、シュラウドの使用によって増大され、ロータ速度が極めて高レベルまで上昇し、その結果ロータブレードに高度なストレスレベルが掛かってしまう。
【０００８】
風を加速させるシュラウドから垂直放出すること及び縦断面に位置する風力タービンを含めることが、これら両方の長所を結合する目的で試みられた。
【０００９】
これらは主に２つの異なるカテゴリのものである。第１カテゴリは、サイクロンのような作用を自然風を利用して螺旋状の空気移動形態（渦）により引起すユニットから成り、圧力差を生成してスロートを介して空気を吸引する、又は直接ロータに衝突させて回転の推進力を発生する。第２カテゴリは、そこを通過する空気の動きを略非回転とするユニットから成る。これらは、自然風を、同心又は分割した流路を介して円筒形ユニットの周縁部から加速、移動させて、ロータの掃引領域の選択部分に放出することを利用している。これら両カテゴリのユニットで使用するロータは、軸翼型から混合流又は遠心型に亘る。第１カテゴリには１０倍を大幅に上回る増強作用能力があるため、かなり有望だが、これらはまだ商品化には至っていない。第２カテゴリには、自然風の加速を、風の流れを単に直接集中させてそのエネルギー密度を増大させることに依存するために、増強作用は限定される。その集中を風が通過する断面積を減少させて獲得する。こうして直接集中させると、開放的環境で風を単に任意の狭窄装置に通す（‘漏らす’）ために、最大限界能力がある。
【００１０】
これらの装置の主な短所は、建設に相当な費用がかかる点だが、これは複雑な形状要件、多数の可動部品、掃引領域でアクティブ区域から非アクティブ区域に横断する際にロータにかかる高い繰返し荷重、非アクティブ区域を通過する際の漏れ損失、自然風を強制的に増強装置を通して大幅に狭窄させて移動させる際のかなりのエネルギー損失によるためである。高レベルの狭窄によって抵抗やエネルギー損失が発生するが、これらを自然風によって自然風のエネルギーの一部を利用して克服する必要がある。多くの場合これら抵抗は、装置を通過する風量を、増強が実際に相当減となる可能性のある低レベルにまで減少させる傾向がある。それらの多くでも、更なる物理的な空気‘ゲート’を利用して、非アクティブ区域を通過する空気の損失を防止している。このように、他の利点が考え得るとしても、任意の増強装置に掛かる追加費用を正当化できない。結果として、増強垂直軸機械（水平ユニットでさえも）は、商業的に魅力的ではなく、現在の形の水平軸型風力タービンと比較して、受容できるものではない。
【００１１】
しかしながら、環境保護主義者からの渡り鳥の生命を害することに関する反対や、規制当局が、人口密集地域でのこれら大型プロペラ機に関連して、耐え難い低周波数騒音、ストロボ光反射作用及び安全上の問題を指定して禁止しているため、そうした多くの地域は、大型ビルの屋上等、風力エネルギーを生成するのに理想的であるが、単に使用禁止となっている。上記のために、これらの機械は、電力を使用する地域から相当離れて遠隔地に設置される。その結果、発生させたエネルギーを、通常大都市地域に住む消費者に輸送するのに、高価な電力網の建設が必要となる。従って、利用可能な電力が送電網での損失により更に減少してしまい、送電費用も増加する。
【００１２】
その上、これら機械も、高レベルな風力源を得られるが、局所地形により風向きが頻繁に変化する、又はサイクロン又は竜巻等の高速で上昇する風速の期間があり、これら機械が完全に露出したロータブレードを簡単に損傷する可能性があるといった、地域には設置できない。
【００１３】
本発明の目的は、上記不利点のいくつかを少なくとも改善する又は対処することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本明細書では、用語“シュラウド”を、本発明の好適実施例によるタービンの全体的なケーシング構造体を指すのに用いる。つまり、シュラウドは、中央収集室を包囲し画定する構造体、並びに空気が回転部材のブレードを通過した後に中央収集室から離れるよう方向付ける中空部材を画定する構造体を、指す。回転部材自体を、このシュラウド構造体内に収容する。
【００１５】
本発明の１つの広義の形態では、発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンを提供するが、該全方向シュラウド付垂直風力タービンには：
ａ）実質的にその中の空気流の方向に拡張する中央収集室を画定する湾曲部材；
ｂ）複数の垂直支持部材；
ｃ）空気流方向の横断面に拡張することを特徴とする中空部材；
ｄ）回転部材が発電機に接続して、回転部材の回転から発電することを特徴とする中央収集室の上方に配置される回転部材、を備え、
回転部材を、全方向シュラウド付垂直風力タービンに接続させ、中空部材の入り口付近に位置させ；
湾曲部材の各々を、複数の略支持部材の少なくとも１つに接続し、それにより中央収集室への複数の空気導入口を形成し；
湾曲部材及び略支持部材の少なくとも１つを、空気を全方向風力タービンの中央収集室内面形状の対向する側に方向付けるよう成形及び離隔し、それにより全方向シュラウド付垂直風力タービンの内面形状の直径対向側面及び隣接側にに空気漏れを軽減するためのエアーゲートを形成し；  
複数の湾曲部材及び複数の略垂直支持部材を、空気を回転部材の下面全体に集中させるよう成形及び離隔する。
【００１６】
好適には、複数の湾曲部材には、環状形状の半径方向に湾曲したブレードを含むことを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００１７】
好適には、複数の略垂直支持部材には垂直壁を含むことを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００１８】
好適には、回転部材には、水平軸型風力タービンロータを、垂直に取付けてこれを含むことを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００１９】
好適には、中空部材にはディフューザを含むことを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００２０】
好適には、複数の湾曲部材は翼形断面を有することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００２１】
好適には、複数の湾曲部材は全て様々な周囲径及び環径を有することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００２２】
好適には、複数の湾曲部材を適所に同心に配置して固定することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００２３】
好適には、複数の曲線部材を軸方向にずらすことを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００２４】
好適には、複数の湾曲部材を積重ねた配置に配置させることを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００２５】
好適には、複数の湾曲部材は重なり合う配置を有することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００２６】
好適には、複数の湾曲部材により、断面に関して前記回転部材から最遠の位置から前記回転部材に最近の位置まで広がる中央収集室を形成することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００２７】
好適には、中央収集室を中央のスロート領域に向かい先細にすることを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００２８】
好適には、中央収集室を中空部材の内面形状と連続させることを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００２９】
好適には、複数の垂直支持部材を空気力学的に成形することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００３０】
好適には、回転部材を、その軸を垂直にして、中央のスロート領域で取付けることを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００３１】
好適には、回転部材には翼形ブレードを含むことを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００３２】
好適には、シュラウドに流入する空気を前記複数の湾曲部材により集中させ、その結果前記エアーゲートを、前記複数の湾曲部材の非アクティブ部材が形成した空気通路に亘り形成して、それにより空気漏れを軽減することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００３３】
好適には、複数の湾曲部材の内最下位のものを、空気を前記非アクティブな湾曲部材に、前記シュラウド外部の空気より低圧で方向付けるよう成形及び構成して、それによりエアーゲートに役立てることを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００３４】
好適には、複数の湾曲部材及び前記複数の略垂直支持部材が、略如何なる方向から来る風も受容し、使用することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００３５】
好適には、複数の湾曲部材及び前記複数の略垂直支持部材が、空気を前記回転部材の全掃引領域に亘り方向付けることを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００３６】
好適には、回転部材を、回転シャフトを介して発電用パワートレイン組立体及び装置に接続することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００３７】
好適には、複数の湾曲部材を、ベルマウス上体とベース支持板との間で、固定するために、３〜６つの略垂直支持部材を含むことを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００３８】
好適には、複数の略垂直支持部材には、逆にした翼体部分を含み、該逆にした翼体部分の両垂直壁面について同一の表面曲率を有することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００３９】
好適には、複数の略垂直支持部材には境界層を維持する空気流路を有し、該空気流路を該複数の略垂直支持部材夫々の最先端部から両面の後半部まで形成することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００４０】
好適には、境界層を維持する空気流路は、前記複数の略垂直支持部材夫々の両面を、外面に対する接線と１５度未満の角度で、抜けることを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００４１】
好適には、複数の略垂直支持部材を半径方向に等間隔で、前記複数の空気導入口から前記中央収集室まで、配置してこれを有する全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００４２】
好適には、複数の略垂直支持部材には翼形壁ブレードを、該ブレード厚さを翼弦長の３５％〜５０％としてこれを含むことを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００４３】
好適には、複数の略垂直支持部材夫々の最厚点を、前記最先端部から翼弦長の５１％超にすることを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００４４】
好適には、複数の略垂直支持部材夫々の２面間の挟角を、７５〜１５０度の範囲とし、後縁部から翼弦長の１５％以内とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００４５】
好適には、４つ以上の、水平から略垂直になる湾曲した環状ブレードを含み、該環状ブレードを内環径に関してロータ直径の２０％〜１４５％で可変とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００４６】
好適には、複数の湾曲部材夫々の凸面及び凹面の曲半径を、前記回転部材直径の２５％〜５５％と同等にする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００４７】
好適には、複数の湾曲部材は、水平に対して２０度未満の角度で外径を湾曲し始め、水平方向に対して５０〜７０度の頂点の曲げ角度で終端することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００４８】
好適には、複数の湾曲部材の内最大のものの内周縁とその他の前記複数の湾曲部材の内任意のものの内周縁とを結ぶ最短直線と、垂直軸との間の傾きを５〜３５度とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００４９】
好適には、複数の湾曲部材を、各該複数の湾曲部材の最先端部と後縁部が前記回転部材直径の最低２％ずつ重なるように、該複数の湾曲部材間を離隔して積重ねる全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００５０】
好適には、複数の湾曲部材により、前記シュラウドに流入する空気を、前記回転部材の全掃引領域に亘り集中させる全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００５１】
好適には、全方向風力タービンの内側出口通路面積を、前記複数の湾曲部材の任意の各対間の外側周縁部の入口通路面積の最低２５％及び最高７５％とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００５２】
好適には、スロート領域が、前記複数の湾曲部材の最上部材の環状中心面積の７０％以上である面積を有する全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００５３】
好適には、複数の湾曲部材の最上部材をベルマウス環状ブレードとすることを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００５４】
好適には、多数の空気通路を含み、該空気通路を少なくとも１つの前記複数の湾曲部材内に形成して、前記少なくとも１つの前記複数の湾曲部材の凹面側から凸面側に空気を移動させる全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００５５】
好適には、多数の空気通路を含み、該空気通路は、少なくとも１つの前記複数の湾曲部材の凸面側で、少なくとも１つの前記複数の湾曲部材の表面に対する接線と１５度未満で、終端し抜ける全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００５６】
好適には、中空部材の同心開口頂部放出口は、前記回転部材直径の１３０％〜１８０％の直径を有する全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００５７】
好適には、中空部材の開口頂部放出口を、その周縁部周りに横向き楔体及びカラーを有して、これを設ける全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００５８】
好適には、楔体を前記中空部材の出口下方で、前記中空部材の上径の７％〜１９％の高さに位置させる全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００５９】
好適には、楔体の表面長さを、前記中空部材のカラー高さの１３５％〜１６０％とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００６０】
好適には、更なる小型の楔体を含み、該楔体を前記中空部材の外部体周りに円周方向に配設し、主楔体の下方で、多数の空気通路を前記中空部材の外面から内面まで伴い、均等に離隔する全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００６１】
好適には、多数の空気通路を含み、該空気通路は前記中空部材の内面を、前記中空部材の内側面に１５度未満で正接して、前記中空部材の拡張方向に、終端し抜ける全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００６２】
好適には、発電ユニットを、前記回転部材の直上で、該回転部材の陰となる下流にある独立して支持するナセル内に配設する全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００６３】
好適には、ナセルを、前記中空部材に接続した“傾斜した”半径方向の支持構造体で固定してこれを有する全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００６４】
好適には、発電ユニットを、前記回転部材の直下で、独立して支持するロータハブのノーズコーン内に配設する全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００６５】
好適には、ノーズコーンを、ベース支持板から該ノーズコーンまで延伸する柱支持構造体により固定してこれを有する全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００６６】
好適には、回転部材を、完全な発電組立体に、支持軸受上の回転シャフトを介して、接続する全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００６７】
好適には、複数の湾曲部材には、非環状の縦に湾曲したブレードを閉多角形配置に互いに接続させて、これらを含むことを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００６８】
好適には、カラーの傾斜表面は、垂直方向と５〜２０度の角度を成す全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００６９】
好適には、中空部材を略半楕円体とし、該楕円体の開始位置及び終端位置で接線角度を指定することを特徴とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００７０】
好適には、楔体の上面が水平に対して成す角度を１０〜６０度とする全方向シュラウド付垂直風力タービン。
【００７１】
本発明の更に広義の形態では、発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンで使用するための中空部材を提供するが、中空部材は断面に関して空気流方向に拡張し、中空部材が断面に拡張する速度が漸進的に減少する中空部材を提供する。
【００７２】
好適には、中空部材にはディフューザを含むことを特徴とする中空部材。
【００７３】
好適には、中空部材の同心開口頂部の放出口は、前記回転部材直径の１３０％〜１８０％とする直径を有することを特徴とする中空部材。
【００７４】
好適には、中空部材の開口頂部放出口に、横向き楔体及びカラーをその周縁部周りに設けることを特徴とする中空部材。
【００７５】
好適には、楔体を前記中空部材の出口下に、前記中空部材上径の７％〜１９％の高さで位置させることを特徴とする中空部材。
【００７６】
好適には、楔体の面長を前記中空部材の前記カラー高さの１３５％〜１６０％とする中空部材。
【００７７】
好適には、更なる小型楔体を前記中空部材の外部体周りに円周方向に配設し、主楔体の下方で、多数の空気通路を前記中空部材の外面から内面まで伴い、均等に離隔すること、を特徴とする中空部材。
【００７８】
好適には、多数の空気通路を含み、前記空気通路は前記中空部材の内面を、前記中空部材の内側面に１５度未満で正接して、終端し抜ける中空部材。
【００７９】
好適には、発電ユニットを、前記回転部材の直上で、該回転部材の陰となる下流に存在させる独立して支持するナセル内に配設する中空部材。
【００８０】
好適には、ナセルを、前記中空部材に接続した“傾斜した”半径方向の支持構造体で固定してこれを有する中空部材。
【００８１】
好適には、中空部材を略半楕円体とし、該楕円体の開始位置及び終端位置で接線角度を指定することを特徴とする中空部材。
【００８２】
好適には、カラーの傾斜表面は、垂直方向と５〜２０度の角度を成す中空部材。
【００８３】
本発明の更に広義の形態では、発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンを使用する方法であって、該方法には：
複数の湾曲部材及び複数の略垂直支持部材を使用して、周囲空気流を中央収集室にあらゆる方向から略水平面で収集すること；
前記湾曲部材及び前記垂直支持部材を使用して、前記空気流の方向を略水平運動から略垂直運動に変化させること；
前記湾曲部材及び前記垂直支持部材を使用して、空気流を中央収集室の風上側から略直接該収集室の全幅を横断して中央収集室の径方向に対向する側に集中させ、それにより、実質的にエアーゲートを前記収集室の対向する及び隣接する側で形成して、前記中央収集室の前記対向する及び隣接する側からの空気漏れを軽減すること；  
前記湾曲部材及び前記垂直支持部材を使用して、前記空気流を回転部材下側の略全体に方向付けること；
中空部材を使用して、前記空気流を前記回転部材から排出させ、徐々に大気圧レベルに戻すこと、
を特徴とする方法を提供する。
【００８４】
本発明の更に広義の形態では、発電用全方向シュラウド付垂直風力タービンで中空部材を使用する方法であって、該方法には：
前記中空部材に取着する楔体及びカラーの仕組みを使用して、それにより前記中空部材の風上側からの自然風の妨害を軽減すること；
前記中空部材の外側面に円周方向に取着する楔形カラーを使用して、それにより前記自然風の一部を、前記中空部材を貫通して形成し、前記中空部材の内側面に正接して抜ける空気流路に集中させ、方向付けること；
前記流路を使用して、空気を前記流路から、前記中空部材内の主な気流の方向と平行に、放出すること、を備え、
前記中空部材のスロートでの背圧を減少させ、前記中空部材のスロート付近に配設する回転部材を通る空気流を増大させること；
前記中空部材の内側面に沿って主な空気流が剥離するのを軽減させ、それにより前記中空部材内で圧力回収を、圧力エネルギー損失を減少させつつ、可能にすること；
前記中空部材の出口に亘り吸引効果を増大させること、
を特徴とする方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８５】
（概要）
図１では、本発明の１実施例を示す。全方向増強風力タービン組立体１を、そのベース２を堅固に支持柱１７に接続して取付ける。翼形ロータブレードを有する直径‘Ｄ’のタービンロータ３を、中心回転シャフト１６を介して、完全な組立体のベース２から延在する柱体５で支持する非回転ハブ４内にある装備に取着する。ロータ３を、垂直に取付ける水平軸型とする。
【００８６】
ハブ４を、シュラウドディフューザ及び支持壁１９に取着する更なるステーケーブル１８で保持する。
【００８７】
ハブには、ロータのトルクを電力に変換するための発電機１５ａ及び全ての関連する歯車ボックス及び制御機構を含む。最後の環状体１０ｅ下の空隙領域２０を利用して、エンドユーザに供給する電力を最適化するために必要な他の電気ギア１５ｃを収容できる。ハブへ出入りするための梯子をベースから柱体５内を通して提供する。流線形のナセル１４をロータ３の下流に設け、ロータに取着可能にする。この配置により、容易に接近して、シュラウド組立体の上部２１から大型ロータを取外可能になる。小型の機種では、垂直支持柱体５を除去でき、全ての発電機器１５ｂを完備するナセルを、ロータの下流でシュラウドディフューザ９壁に取着する傾斜ビーム２２で支持できる。
【００８８】
（壁）
図１Ａに示すように、３つの翼形状の垂直壁６．１、６．２及び６．３を、等角度間隔で半径方向に配置し、垂直角度でシュラウドのベース２からシュラウドのベルマウス入口にまで延伸させる。半径方向にこれら垂直壁は、中心にある空気室の周縁部１２付近から、環状体の外周縁部を越えて広がる。それらの延伸部‘Ｍ’は、どの環状ブレードを越える部分でも、最高０．３Ｄに制限する。ベース２から‘ベルマウス’から張出す円盤４７までのそれらの垂直高さ‘Ｐ’を、最低０．７Ｄとできる。
【００８９】
図４で詳述するように、支持壁翼には反返りがなく、標準的方法とは逆にした形状で配設して、該翼に衝突する空気を、空気力学的に、中央空気収集室１２の方へ集中させる。各壁ブレードの厚み‘Ｔ’をブレード長さ‘Ｌ’の３５％〜５０％とし、ブレードの最厚点‘Ｎ’を最先端部２４から５１％以上離隔して到達するようにする。壁ブレードの２表面２３ａ及び２３ｂは、楕円状に最厚点から共通の後縁部２６へと湾曲する。後縁部で、ブレードの両表面は、ブレードの中心線に対して６０度の傾き‘ＡＡ’で終端する。挟角は、‘ＡＡ’の２倍となるが、２壁表面間で７５〜１５０度の範囲とし、壁ブレードの後縁部から翼弦長の１５％以内とする。
【００９０】
壁の最先端部２４を、空気流路開口部２７を厳密にベルマウスからシュラウドのベースまでの垂直縁部に沿って配設して作製する。これら開口部からの空気流路２８により、高い運動エネルギーを持った空気を最先端部からブレード両表面の後半分まで導入可能になり、空気流の境界層を補強して、空気流の剥離を軽減する。導入路はブレード表面を、該表面の接線に対して１５度未満の角度‘ＡＢ’で、出る。これにより、加速過程でのエネルギー損失を軽減する。
【００９１】
（環状体）
図１で最良に理解できるように、複数の環状ブレード１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ及び１Ｏｅをベース２とシュラウドのベルマウスとの間に配設しており、これらブレードを図１に示すように垂直壁６．１、６．２及び６．３の間で固定している。図２で示すように、これらのブレードは、逆にした翼形で高い反りを有する断面のものである。このブレードにより、空気力学的に加速し、該ブレード間の通路に入る空気流の方向を、略水平から略垂直に変化させる。
【００９２】
‘ベルマウス’環状体７及び‘端閉’環状体１０ｅを除く、最低４つの環状ブレード１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにより、最適にエネルギーを捕獲し、利用できる。最大環状ブレードの内側（環周）直径を、スロートに繋がる先細部１１のより大きな開口部直径と同一にする。これら２縁部を連続的に互いに周縁部４８で取着して、ロータを設置するスロート８への“ベルマウス”入口の典型である単体を形成する。シュラウド組立体の環状ブレードを、それらの内環径に関して、ロータ直径の２０％〜１４５％で、可変とする。最良の結果を得るには、最小環状体の内側環周４９の直径を、ロータ直径の２０％〜３５％の間で可変にし、最大環状体の内側環周４８直径を、シュラウドのロータ直径の１００％〜１４５％の間で可変とする。
【００９３】
図２で示すように、これらブレードの各対間の通路の総出口面積‘Ｅｘ’を、同じブレード間の通路の入口面積‘Ｅｎ’の最低２５％及び最高７５％とする。ブレードの翼中心線は、反りの曲率半径‘Ｒ’を０．２５Ｄ〜０．５５Ｄとする。最先端部２９でのブレードの中心線角度‘ＡＣ’を、水平‘ＡＣ’に対して０〜１５度の間とし、後縁部３０での該角度を水平に対して５０〜７０度の間の‘ＡＤ’とする。ブレードを、シュラウドのベルマウス前方で次なる最大環状体１０ａから次々にずらして配置する。確実に風上側から風下側への視野の水平線を全シュラウドを通して無くすために、連続する各環状体の後縁部が、その前の環状体の最先端部に、最小限‘Ｆ’の０．０２Ｄだけ重なるようにする。最大環状体の後縁部と任意のそれに続く環状体の後縁部を結ぶ垂線と最短直線との間の角度‘ＡＥ’は、５〜３５度の間で可変とする。‘端閉’環状体である最終環状体１０ｅを、ベース２に直接取付ける。円錐部分３７を最終環状体の後縁部４９から延在させて、支持柱体５と接触させ、該後縁部４９で最終環状体の環周を完全に囲む。‘ベルマウス’環状体の最先端部を、円周方向に平坦に張出した円盤４７で延在させて、垂直壁６．１、６．２及び６．３の最先端部２４で終端させる。
【００９４】
図５では、最先端部３１の周縁部に沿って及びベルマウスを含む各環状体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び１０ｄの凹面３２に沿って厳密に配設した空気流路開口部３５を示す。これらの開口部と関連する空気流路３４により、高い運動エネルギーを持った空気を最先端部からブレードの凸面３３に導入可能にして、凸面に沿う空気流の境界層を補強し、ブレードの凸面から空気流が剥離するのを軽減する。導入路出口３６を、接線に対して１５度未満の角度‘ＡＦ’で凸面に設ける。この処置により、加速過程におけるエネルギー損失を更に軽減できる。最終環状体１０ｅでは、空気がその凸面に沿って進まないので、これを必要としない。
【００９５】
図１を参照すると、風が任意の方向から流れて、環状ブレード１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ及び１０ｅで形成したシュラウドの水平通路１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ及び１３ｅに流入しており、該風は加速し、より高速でブレードを出て中央空気収集室１２に入る。収集室の中心軸の最も近くに位置する最下の通路１３ｅを、最高流出速度を生じるように設計し、風に直面しない非アクティブ通路３８面に亘り導く。こうした空気の動きは、流体力学的‘エアーゲート’として機能するが、これはその圧力が非アクティブ通路の入口側３９の圧力より低いために生じるもので、該動きにより収集室１２に非アクティブ通路を介して空気流を誘導し、その結果アクティブ通路を介して収集室に流入した空気が逃げるのを大幅に減少する。
【００９６】
（スロート）
中央空気収集室１２の設計を、該収集室の低部から上部への平均気流速度を略均一或は増速するよう行う。図１で示すように、シュラウドのベルマウス入口部にある環状体７を、スロート８に向かい同心で狭くする。タービンロータ３を、スロートの下流付近に位置させる。ベルマウス環状体の環周とディフューザ９を接続する短い先細部１１でのスロート８の断面積を、ベルマウス環状体の環周４８での断面積の７０％以上とする。ハブ４もスロート面積を減少させるため、その直径を最高０．３Ｄに限定する。断面積を小さくする程、背圧が中央収集室１２で大きくなり、非アクティブ区域からの空気損失が大きくなる。
【００９７】
ロータハブ４とノーズコーンの空気流形状を、半楕円に設計して、確実にスロートにアクティブ通路から接近する空気を、最小限の干渉でスロートの向こう側に通過させる。この結果、ロータブレードの全掃引領域で該領域に亘り略均一速度で空気を受け、ロータブレードに掛かる繰返し応力を軽減できる。
【００９８】
（ディフューザ、カラー及び楔体）
シュラウドをその後開口頂部２１と同心のディフューザ９として拡張する。図３に詳細に示すように、ディフューザを一般的な形状の半楕円形とするが、スロート８の下流での該楕円形内面との接線の角度‘ＡＧ’を、垂直線に対して最大３０度及び最低１２度とする。ディフューザ内面３８の傾斜を、次第に最高５度まで減少させる。ディフューザ部分の始まりからこの点３９までの垂直距離‘Ｈ’を、最低０．５Ｄとする。このディフューザによって、大気圧より低いタービンブレードから出る空気圧を徐々に略周囲圧力レベルまで上昇可能になる。ディフューザが拡張するにつれて、空気速度は減少する。この位置３９でのディフューザ直径を、スロート直径の１３０％〜１８０％とする。
【００９９】
ディフューザを、位置３９でのディフューザ直径の７％〜１９％を最短長‘Ｊ’として更に延伸し拡張させて、カラー４０とし、最終的に大気２１へと開放する。このカラー部の内面で成す角度‘ＡＨ’を、垂直線に対して５〜２０度とする。楔体４１を、ディフューザの外面周縁部に沿って形成して、カラーと組合せて、風上側からディフューザに接近する自然に流れる空気を、略垂直に転向させる。この転向により吸引効果をディフューザの風上側内壁に沿って形成し、ディフューザを出る空気流を増大させ、その結果更なる空気流をスロート８を通して吸込む。楔体の高い側を、カラー４０の下端部３９で終端させるよう位置付ける。楔体の上面で形成する角度‘ＡＣＴ’を、水平位置に対して１０〜６０度とする。楔体４１の表面長さ‘Ｋ’を、カラーの鉛直高さ‘Ｊ’の１３５％〜１６０％とする。楔体の支持下面４２を、ディフューザに向かい下方に傾斜させて、密閉できる。これと同じ吸引効果を達成するのに必要なディフューザの長さは、こうした所定の楔体及びカラーを使用しなければ、この仕組みの２倍以上長くなる。
【０１００】
同様な形状だが、その寸法の１０％未満である更に２つの小型楔体４３を、ディフューザの外周に沿って形成可能である。空気流路開口部４４即ちディフューザの外面から内面までの通路を、図３で示すようにこれら小型楔体の上面が終端する部分の即上部でシュラウド本体に円周方向に形成する。これらの開口部により、風上側からディフューザの内面に高い運動エネルギーを持った空気を導入して、空気流の境界線層を補強して、空気流の剥離を軽減可能にする。導入路４５は、ディフューザ表面を、該表面の接線に対して１５度未満の角度‘ＡＫ’で、出る。これにより、ディフューザの内面に沿って流れる空気の減速過程での、エネルギー損失を軽減できる。
【０１０１】
図１で見られるように、完全なディフューザ組立体９及びスロート８を、ベルマウス環状体に取着した延在壁１９を介して、垂直壁６．１、６．２及び６．３で支持する。更なる構造上の支持支柱４６を、ディフューザから垂直壁６．１、６．２及び６．３まで延在させる。
【０１０２】
説明
上記の詳細な説明を参照して、上記の説明した実施例の顕著な特徴を以下に纏める。
【０１０３】
全方向シュラウド付垂直放出型風力タービンを提供するが、該タービンは、シュラウド内に配設する軸流翼型ロータから成る。シュラウドを他の垂直放出型シュラウドの仕組みと比較して最小限に狭窄した開放的な設計、空気力学的に集中させて加速する仕組み、漏れを防止する流体力学的“エアーゲート”の仕組み、及びシュラウドを介した吸引効果を増大させるためのディフューザ放出部の楔体／カラーの仕組みによって、遥かに多量の空気がロータを貫流するのを促進する。ロータが取出した動力を、回転シャフト機構を介して発電機に伝達する。
【０１０４】
本発明の本実施例におけるシュラウドを、スロートに繋がる入口部で環状ブレードを有する先細の‘ベルマウス’で作製する。あらゆる方向に動く自然風を、これらのブレードで受風して、先細部に方向付ける。ブレードを半径方向に、翼断面を外周部で略水平に始め、内周部で略垂直に終端するようにして湾曲させる。各環状ブレードは異なる直径を有する。‘ベルマウス’は、最大内径（環周）を有する環状体から成るが、該環状体を周縁部で水平方向に延在させ、環周で円錐形に延在させて錐台形状にする。より多く受風するために、連続する環状ブレードをずらして、この“ベルマウス”より前に同心で配置し、次に最大の環状ブレードで始めて最小の環状ブレードで終端するよう配置する。
【０１０５】
こうして組合せた環状ブレードの環周で中央収集室を画定するが、該収集室は、空気をロータが位置する先細スロートの全断面に向けて移動させるための‘閉鎖’導管として機能する。空気が、水平方向に、直接横断して空気収集室の反対側に移動するのを、隣接するブレードの外周部と内周部とを重ねることで、防止する。
【０１０６】
最小環状ブレードの環周を完全に円錐状拡開部で囲むが、該拡開部は、最も中心軸付近に位置するこの通路を介して収集室に流入させた空気を、収集室の非アクティブな環状ブレード面に向けて方向付けるのに役立つ。
【０１０７】
環状ブレードを、空気力学的に形成した垂直壁板をそれら全てと垂直に接続して適切な位置に固定する。該垂直壁は、ベルマウスから最終環状ブレード端部まで及ぶ。これらの壁は各環状ブレードに亘り広がるが、環状ブレードの外周より先から開始し環周で終端する。これらの壁は、自然風の受風を、該壁に衝突する自然風を空気力学的に加速させ、中央空気収集室に向けて、その過程でのエネルギー損失を最小限に抑えつつ、集中させることで、増大するのに役立つ。これを、該壁を逆形状の翼体として、該翼体には壁の両垂直面について同一曲率を有してこれを作製し、該翼体の最先端部から両面に抜ける空気流路で境界層を増強して、達成する。
【０１０８】
こうして空気力学的に自然風を受風することで、シュラウド及び風の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する部分に向かう自然風の進入速度を減速させる。部分的にこの圧力エネルギーを利用して、環状ブレードに関する損失を克服する；残余エネルギーを再び、空気を狭縮した環状ブレード流路を通して加速させて高速にする際に、運動エネルギーに変換する。
【０１０９】
次に風がスロートに向けて略垂直方向に中央空気収集室内を流れると、環状ブレードの非アクティブ部分が、収集室の対向側で、平面として“出現”して、空気流を収集室に流入させ、シュラウドの先細部及びスロートに進むのを促進する。これら非アクティブ部分表面を横切り空気が高速に移動することで、吸引効果を持つ相対負圧が発生して収集室に空気を引込み、流体力学的“エアーゲート”のように機能し、非アクティブ部分からの空気漏れに抵抗する。空気がスロートのロータに接近すると、その速度は減速し、その結果最も近い非アクティブ環状通路を介して若干の空気漏れを伴い圧力が増大する。
【０１１０】
環状ブレードを、風が直接衝突する凹面側から凸面側に、空気通路を厳密に配設して作製する。これらの通路により、少量の空気が高圧の凹面から凸面まで移動可能になる。これら通路を、移動する空気が接線方向に凸面側へ、凸面上の主な気流と同じ方向に抜けられるよう位置決めする。これにより、凸面側からの主な気流の分離を（流体境界層を増強することで）軽減し、それにより収集室に流入する際の、圧力エネルギー損失を軽減する。
【０１１１】
シュラウドのスロートへの入口を先細部で、標準的な錐台形で、作製するが、それによりスロートに向かい移動する空気を、圧力損失を軽減しつつ、徐々に加速可能にする。
【０１１２】
ロータでエネルギーを取出すと、空気流の圧力エネルギーが急速に減少し、その結果空気流は準大気圧レベルに到達する。本発明の本実施例におけるシュラウドを、スロートの下流から、逆楕円体／錐台体の形状で、開口頂部から空気を放出するディフューザ組立体で作製する。これにより、空気流の圧力が大気圧レベルに、空気流速が一部の残余運動エネルギーを圧力エネルギーに変換しながら減速することで、回復可能である。
【０１１３】
放出開口部を横切り通過する自然風によって、該開口部が自然風の方へ偏る圧力差を受け、シュラウドからの空気は自然風流に取込まれる。これにより、ロータ下流の圧力がより高い準大気圧レベルに到達可能になり、その結果ロータを通して空気流から更に多くのエネルギーを取出せる。圧力回収をせず、頂部開口部を横切り通過する自然風流が、出口での圧力より高圧となると、それによりディフューザからの空気流出が妨げられ、背圧が発生してロータを通る空気流が減少してしまう。
【０１１４】
放出開口部を大きくする程、多量の空気がシュラウドからの自然風に混入する；この混入が多い程、スロートでの速度は高速になる。しかしながら、この拡散過程は徐々に実施する必要があり、拡散コーンを極めて長くしてこれ（１５度未満の挟角）を達成する必要がある。広い拡散角度を有する短いコーンは機能しないが、これは壁で流れが剥離されるため、及びロータからの後流が自然風によって放出口で妨害されるためである。
【０１１５】
本発明の本実施例では、ディフューザ長を、ディフューザの放出口付近に取着した楔体及びカラーを使用することで減少させた。これにより、風下側からの自然風の妨害を軽減し、ディフューザ出口面を横切る吸引効果を強化する。これにより、スロートでの背圧を減少させて、ロータを通る空気流を増大させる。
【０１１６】
追加の楔形カラーを、ディフューザ本体の外部に円周方向に取着する。これらにより自然風を空気流路に集中させ、方向付けて、空気流方向にディフューザ内面と接線方向に抜けさせる。これにより、ディフューザ内面に沿って主な空気流が剥離するのを（流体境界層を増強することで）軽減し、それによりディフューザ内で圧力回収を、圧力エネルギー損失を減少させつつ、可能にする。
【０１１７】
スロート付近に配設するロータで、加速した風を受け、該風から動力を取出す。風速が増し、ロータの回転速度が増すと、背圧が高くなり、中央空気収集室から非アクティブ環状ブレードを介して漏出が増加し、湾曲した環状ブレードを通しての圧力損失も大幅に増加する。その結果高風速になる程増強効果が減少及び後退して制限条件となる。これにより、ロータを極めて高風速に曝さないよう保護するという有益な特徴を提供する。
【０１１８】
ロータを水平軸型風車ロータとし、垂直に取付けし、動力を風から取出可能なものとする。ロータは捩れた翼部分を持つブレードから成り、該ブレードはこのシュラウドの仕組みで風力を発生させるために最適化してある。小型ユニットに関しては、発電装置を歯車ボックスと連結する、でなければロータブレード上方で、空気流排出側にあるナセル内に配設する。該ナセルを、半径方向に傾斜するビーム構造体をシュラウド本体に固定することで支持する。この支持構造体を十分に傾斜させて、確実に、ロータブレードが僅かに上方へ歪曲しても個々の支持部材と衝突しないようにする。
【０１１９】
大型ユニットに関しては、全ての発電機器を上流にあるロータのノーズコーンハブに設置する。ロータのノーズコーンハブからシュラウド組立体のベースまで延在させる中空柱体で、ノーズコーンを支持する。ノーズコーン内側に配設する単一又は複数の発電機は、中空柱体内の梯子によってベースから簡単に接近可能にしなければならない。
【０１２０】
円形をした多数の環状ブレードを、三日月状断面のブレードを有する任意の他の直線又は曲線による多角形配置に置換えて、同目的を達成してもよい。
【０１２１】
材料
全方向、シュラウド付垂直風力タービンの垂直壁、ディフューザ及び環状ブレード用材料の選択は、頑丈な、軽量金属、複合材料、サンドイッチ構造等の中から行う。環状ブレード及び垂直壁はダブルスキン構造のものとする。ロータブレード材料には業界における現在の最先端技術である、軽量で頑丈な材料を組合せたものを含んで、ロータの始動慣性を最小限にして、弱風への反応を強化する。
【０１２２】
（使用に関して）
使用に関して、本発明の実施例を様々な地形で使用できるよう構成する。実施例によっては、僻地で、及び都市地域で使用可能にする。実施例のシュラウド付特徴により、タービンの部品が使用中に外れた場合に、人又は物が損傷する危険を減らせる。
【０１２３】
その上、シュラウドの形状が障壁として機能して、風力タービンの可動構成要素により発生する騒音を緩衝することで、低周波騒音を最小限に抑えられる。更に、シュラウドを付けることで、タービンの回転部品からのストロボ光反射に関連した視覚的問題も軽減する。
【０１２４】
更に、ロータを回動させて卓越風方向に向けるためのヨーイング機構を不要とすることで、ロータ、ベアリング及び関連機構に対する全てのジャイロ力を排除しており、風力タービンの一般的な故障の主原因を無くせる。
【０１２５】
略垂直部材（壁６）と湾曲部材（環状ブレード１０）とを相対的に成形し分離することで、確実に比較的低圧で空気を、外気と比較して、非アクティブな環状ブレード１０に方向付け、それによりエアーゲートを形成でき、その結果非アクティブな環状ブレード１０を横切る空気漏れを最小限にするが、さもなければ結果的に大幅なエネルギー損失となり得る。エアーゲートを発生させる過程を、最下段の環状ブレード１０（最小環状体）により促進するが、該ブレードを、壁６及び環状ブレード１０とで画定する中央収集室１２の半楕円形の輪郭を利用するよう成形し、それにより非アクティブの環状ブレード１０に対する空気流を強化する。
【０１２６】
更に、こうした壁６及び環状ブレード１０の成形及び離隔によって、ロータ３下側の略全体に対する空気流を促進し、その結果確実にロータ３に亘り均等に応力を分配でき、それによりロータ３に与える不均一な繰返し応力を最小限にでき、さもなければロータ３の破壊に繋がり得る。
【０１２７】
ディフューザにはカラー４０及び少なくとも１つの楔体４１を含めるが、該ディフューザをタービンから出る空気を円滑に遷移させて外気と混合可能にし、それにより本実施例を通して、排出する空気流からの負のフィードバックにより空気流が分裂する可能性を最小限にするよう、構成する。好適な実施例は、略非回転型のものであり、これにより従来の既知のシュラウド付風力タービンに関する多くの短所を、低抵抗で、低漏出の、シュラウド付垂直放出風力タービンにロータを唯一の可動構成要素として有してこれを提供し、広範囲な風速に亘り安全且つ効率的に運転可能にすることで、無くしたものである。
【０１２８】
シュラウドの入口部分に流入する自然風を方向付けし、より高速に高エネルギーレベルにまで、自然風をシュラウド内部に位置するロータに向けて集中させるにつれて、加速する。該入口部分の要素を、風上側から空気の流入を促進しながら一方で、該要素によって完全装置の風下側からの空気漏れを防止するようなものにする。その結果、低風速でさえも、取出可能な風力エネルギーレベルを増大させ、タービンの運転に関する自然風速の閾値を低くする一方で、高風速ではシュラウドの導入口部分を横断する流れを失速させ、高レベルの乱流及び背圧をシュラウドの中央収集室内で形成して、自然に制御する。こうしたロータブレードにより、増強した風力エネルギーを変換して、これ以外の同じ直径をした標準的な従来技術のタービンを使用して得られるより、同じ自然風速で相当高いエネルギー出力を提供する。
【０１２９】
利益
本発明の実施例は、１つ又は複数の、標準的技術のシュラウド付及びシュラウド無し型垂直軸タービン及び水平軸タービンに勝る以下の利点を有せる。
ａ．完全な組立体を建物、給水塔又は他の同様な構造物の頂部に、大型の可動構成要素が厳しい気象状況下で破損し、周囲の構造物又は人に衝突して悲惨な結果を招く恐れなく、可動ロータブレードをシュラウド内に収容しているために、配設できる。完全な発明品を、高さに関する安全性の問題が生じないため、低所に配設できる。
ｂ．本発明品には、大型構造体を回転させて卓越風に向ける必要がある機構を排除することで、大幅に少ない可動構成要素を備える。
ｃ．本発明品には、作業性を獲得し、効率及び安全を維持するために運転する必要がある、物理的な空気‘ゲート’、可動羽根又は他のそのような多数の構成要素及びそれらの複雑な制御機構を備えない。
ｄ．ロータブレード先端での渦流の発生は、自然風力タービンからの主な騒音源となるが、ブレード先端をシュラウド内に収容しているため、これを大幅に軽減する。
ｅ．本発明品では、回転構成要素をシュラウドで遮蔽しているために、ストロボ光反射作用を持たず、渡鳥の生命に全く危険を及ぼさない。
ｆ．ジャイロ力問題及び関連する構成要素の故障といった、大型回転要素を回動させて風に向けることから生じる問題は、起きない。
ｇ．本発明品には、従来のロータと比較して、小型のロータを有して同じ動力を取出せる。これにより、更に高回転速度が可能になり、歯車ボックスの使用を排除する、又は‘送電系統’品質に容易に変換できる高周波電源を生成するための小型の比歯車ボックスが必要なだけとなる。
ｈ．強風の間、シュラウド及び環状ブレードにより、ロータブレードの高速風に対する露出を、ロータへの空気流を中断することで軽減する。
ｉ．本発明品を、シュラウドによって動力取出能力が増大するため、低風速地域でも利用可能である。これにより、一層長期間に亘り有用な動力の生成が可能となる。瞬時動力レベルが増大し、利用期間が増大した結果、標準的な現行技術の風力タービンに勝る高い年間総合エネルギーが取出せる。
ｊ．急速に風向きが変化する低速の風を、完全な組立体を絶えず風に向けるよう調整する必要無く、利用できることで、本発明品を、電力の最終消費者により近い郊外中心又は他の人口中心に一層近接して配設できる。
ｋ．全方向という特徴によっても、本ユニットを、風向が連続して変化するために標準的な水平軸型風力タービンユニットを満足に利用できない地形に、設置できる。
【０１３０】
本発明の実施例についての説明を、特に好適な特徴に言及して行った。しかしながら、様々な最適化による改良を、特に上記で指摘した及び請求項に記載する開示される本発明の対象物に関する原理から逸脱することなく、実施できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
最良に意図する構造的配置について、添付図で説明する。
【図１】シュラウド付風力タービンの１実施例を示す図１ＡのＡＡ線に沿った垂直断面図である。
【図１Ａ】壁及び環状体を示す図１のＢＢ線に沿った水平断面図である。
【図１Ｂ】ディフューザ及びロータブレードを示す図１のＣＣ線に沿った水平断面図である。
【図２】環状ブレードの形状及び積重ね配置の詳細の断面図である。
【図３】楔体、カラー及び抽気流路を有する楕円形をしたディフューザ壁の仕組みの断面図である。
【図４】抽気流路を有する翼形をした垂直支持壁の断面図である。
【図５】抽気流路を有する環状体導入口ブレードの断面図である。
【図６】全方向風力タービン-塔構造に取付けた本発明の１実施例に関する等角図である。
【符号の説明】
【０１３２】
１            風力タービン組立体  
２            ベース  
３            ロータ  
４            ハブ  
５            柱体
６．１、６．２、６．３    垂直壁
７            ‘ベルマウス’環状体
９            ディフューザ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ            ブレード
１１            先細部
１２            中央空気収集室
１６            中心回転シャフト
１７            支持柱
１８            ステーケーブル
１９            支持壁
２１            大気
２４、２９、３１      最先端部
２６、３０、４９      後縁部
２７、３５        空気流路開口部
２８            空気流路
３２            凹面
４０            カラー
４１            楔体
４７            円盤
４８            周縁部
【国際調査報告】
2008525682.tif 000011
2008525682.tif 000012
2008525682.tif 000013
2008525682.tif 000014
2008525682.tif 000015