(57)【要約】【解決手段】  水平軸風力発電機ローター組立（２）は縦横比の小さな揚力体の空気力学的特性のある回転羽根（１０）を用いる。縦横比の小さな揚力体の空気力学的特性は典型的な操作時風速で幅広い風速の範囲を通じて高いエネルギー転換効率を可能にする。【選択図】図１
2011503421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平軸風力発電機揚力体ローター組立の構成：
ハブ：ハブは入射風流れ内に位置すると中心点まわりに回転可能なように設置、生産された回転機械エネルギーはエネルギー転換のための機器に伝動可能なように設置；
上記のハブの外周にそって間隔をもって接続された複数の揚力体回転羽根：各揚力体回転羽根の接続点はその揚力体回転羽根の根元接続点となる。各揚力体回転羽根は平面縦横比が２：１以下で、ハブに接続されている揚力体回転羽根の外形は各揚力体回転羽根がハブの風上側表面に対して入射角をもつように位置する。この入射角は調整可能でまた入射角はハブに接続されたいろいろな揚力体回転羽根の中で変化する。各揚力体回転羽根の相反する表面はお互いに異なる輪郭を描き、揚力体回転羽根は大きさと位置の異なる風穴をもつ。
【請求項２】
クレーム１の風力発電機揚力体ローター組立は揚力体回転羽根が他の揚力体回転羽根に対して一様な形と幾何学的様式をもつ。
【請求項３】
クレーム１の風力発電機揚力体ローター組立は揚力体回転羽根が他の揚力体回転羽根に対して非一様な形と幾何学的様式をもつ。
【請求項４】
水平軸風力発電機揚力体ローター組立の構成：
ハブ：ハブは入射風流れ内に位置すると中心点まわりに回転可能なように設置、生産された回転機械エネルギーはエネルギー転換のための機器に伝動可能なように設置；
上記のハブの外周にそって間隔をもって接続された複数の揚力体回転羽根：各揚力体回転羽根の接続点はその揚力体回転羽根の根元接続点となる。各揚力体回転羽根は平面縦横比が２：１以下で、ハブに接続されている揚力体回転羽根の外形は各揚力体回転羽根がハブの風上側表面に対して入射角をもつように位置する。この入射角は調整可能でまた入射角はハブに接続されたいろいろな揚力体回転羽根の中で変化する。各揚力体回転羽根の相反する表面はお互いに異なる輪郭を描き、揚力体回転羽根は風穴のない固体の幾何学的形状をもつ。
【請求項５】
クレーム４の風力発電機揚力体ローター組立は揚力体回転羽根が他の揚力体回転羽根に対して一様な形と幾何学的様式をもつ。
【請求項６】
クレーム４の風力発電機揚力体ローター組立は揚力体回転羽根が他の揚力体回転羽根に対して非一様な形と幾何学的様式をもつ。
【請求項７】
水平軸風力発電機揚力体ローター組立の構成：
ハブ：ハブは入射風流れ内に位置すると中心点まわりに回転可能なように設置、生産された回転機械エネルギーはエネルギー転換のための機器に伝動可能なように設置；
上記のハブの外周にそって間隔をもって接続された複数の揚力体回転羽根：各揚力体回転羽根の接続点はその揚力体回転羽根の根元接続点となる。各揚力体回転羽根は平面縦横比が３：１以下で、ハブに接続されている揚力体回転羽根の外形は各揚力体回転羽根がハブの風上側表面に対して入射角をもつように位置する。この入射角は調整可能でまた入射角はハブに接続されたいろいろな揚力体回転羽根の中で変化する。各揚力体回転羽根の相反する表面はお互いに異なる輪郭を描き、揚力体回転羽根は大きさと位置の異なる風穴をもつ。
【請求項８】
クレーム７の風力発電機揚力体ローター組立は揚力体回転羽根が他の揚力体回転羽根に対して一様な形と幾何学的様式をもつ。
【請求項９】
クレーム７の風力発電機揚力体ローター組立は揚力体回転羽根が他の揚力体回転羽根に対して非一様な形と幾何学的様式をもつ。
【請求項１０】
水平軸風力発電機揚力体ローター組立の構成：
ハブ：ハブは入射風流れ内に位置すると中心点まわりに回転可能なように設置、生産された回転機械エネルギーはエネルギー転換のための機器に伝動可能なように設置；
上記のハブの外周にそって間隔をもって接続された複数の揚力体回転羽根：各揚力体回転羽根の接続点はその揚力体回転羽根の根元接続点となる。各揚力体回転羽根は平面縦横比が３：１以下で、ハブに接続されている揚力体回転羽根の外形は各揚力体回転羽根がハブの風上側表面に対して入射角をもつように位置する。この入射角は調整可能でまた入射角はハブに接続されたいろいろな揚力体回転羽根の中で変化する。各揚力体回転羽根の相反する表面はお互いに異なる輪郭を描き、揚力体回転羽根は風穴のない固体の幾何学的形状をもつ。
【請求項１１】
クレーム１０の風力発電機揚力体ローター組立は揚力体回転羽根が他の揚力体回転羽根に対して一様な形と幾何学的様式をもつ
【請求項１２】
クレーム１０の風力発電機揚力体ローター組立は揚力体回転羽根が他の揚力体回転羽根に対して非一様な形と幾何学的様式をもつ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は比較的小さい縦横比の空気力学的特性を持った回転羽根を有する水平軸風力発電機のローター組立に関するものである。Ｔｈｏｍａｓ  Ｓｔｅｗａｒｔ  Ｂｅｒｎａｔｚによる２００７年１１月５日付の暫定的特許申請書番号６１／００２，０８７に関係する。
【背景技術】
【０００２】  従来の風力発電機は主に翼の空気力学的特性を有する回転羽根をもとに設計されてきた。翼は従来縦横比により分類されてきた。縦横比はＷｅｓｔｏｎへの２００１年７月２４日に発行された米国特許番号６，２６４，１３６に議論されている。過去において、多分少しあいまいさはあるが、縦横比は翼のスパン長さと翼弦長の平均値の比として定義されてきた。翼の縦横比は一般的に３：１より大きい。【０００３】  従来の風力発電機のローターの組立では縦横比が３：１を大きく超えるのが一般的であり、３０：１あるいはそれを超えるものもあった。このような発電機のローター組立の欠点として機能制限のもとになる翼の空気力学的抵抗特性、翼羽根の大変長いレバーに特有の機械的ひずみ、高い騒音レベル、視覚への高い影響が含まれる。【０００４】  また過去には縦横比の小さな揚力体として知られている空気力学的構造物も存在した。縦横比の小さな揚力体と縦横比の大きな翼とは縦横比で区別されてきた。前者の縦横比は２：１以下、後者のそれは３：１以上である。さらに揚力体は翼に比べて特定の場合に次のような明白な空気力学的特長を有する。大きな迎え角に対しても揚力係数が高いこと、一般的に空気抵抗値が比較的低いこと等である。これらの特長は１９４５年９月１８日発行のＣｒｏｏｋに対する米国特許番号２，３８４，８９３に議論されている。【０００５】  過去の技術の中に水平軸発電機は存在している。２０００年５月１６日発行のＧｉｓｌａｓｏｎに対する米国特許番号６，０６４，１２３に水平軸風力発電機の一般的特性と操作について議論されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明により、幾何学的に平面に近い回転羽根、翼ではなく縦横比の小さな揚力体を有する水平軸風力発電機のローター組立が規定されている。風力発電機のローター組立の中央のハブは一般的に水平でかつ入射風向に並行な回転軸上に位置する。中央ハブの中心点は軸と一致している。中央ハブは軸と直角な回転面の軸周りに回転する。中央のハブは明白な風上面を有する。風力発電機のローター組立の風上面は通常入射風に向く位置と定義する。発電機のローター組立に入射風が最初に接触する側が風上面である。【０００７】  揚力体回転羽根は中央のハブの外縁に沿って間隔をもって接続されている。各揚力体回転羽根には根元接続点がある。根元接続点は揚力体回転羽根とハブとの接続点である。揚力体回転羽根の根元接続点は中央ハブの各接続点に対応しその点で接続されている。揚力体の回転羽根の中央ハブへの接続は揚力体の回転羽根と中央ハブの接続面積が最小になるように考慮されている。揚力体回転羽根の形の変形に対する接続の影響を最小にするためである。【０００８】  説明の都合上、揚力体回転羽根の平面図上の縦横比を正確に定義するために「中立位置」を定義する。揚力体回転羽根の平面と揚力体回転羽根が接続されている中央ハブの回転面が同じ平面内になるように揚力体回転羽根がきた位置を中立位置と定義する。揚力体回転羽根の操作時の位置は実情により中立位置とは異なる。【０００９】  中央のハブの中心点と中立位置にある揚力体回転羽根の根元接続点を結ぶ軸を反対方向に揚力体回転羽根の一番外側の方向に延長した軸を揚力体回転羽根の根軸と言う。揚力体回転羽根の根軸と一致し、揚力体回転羽根の根元接続点と揚力体回転羽根の一番外側の点を結ぶ線分を揚力体回転羽根のスパン線と呼ぶ。スパン線の長さが揚力体回転羽根のスパンである。【００１０】  揚力体回転羽根の翼弦線はスパン線と交差しスパン線に直角で揚力体回転羽根の一番外側の相反する２点と交差する線である。翼弦の長さは翼弦に沿って一番外側の相反する２点間の長さである。揚力体回転羽根の翼弦幅は上記のように定義した翼弦の最大長さとする。【００１１】  過去において縦横比の意味、定義に不確実性が存在したこと、翼と揚力体回転羽根について縦横比の定義が若干異なったこと等のため本発明事柄では揚力体回転羽根の“平面図縦横比”を定義する。この定義には翼と揚力体回転羽根の混成回転羽根も含む。揚力体回転羽根の平面図縦横比は揚力体回転羽根のスパンと揚力体回転羽根の翼弦幅の最大値との比である。したがって揚力体回転羽根の平面図縦横比は翼の縦横比と区別する。翼の縦横比は一般に翼のスパン長さと翼の翼弦幅の平均値との比と理解されている。本発明では、揚力体回転羽根と翼の混成の性質を有する平面図縦横比が３：１と２：１の間にある回転羽根を揚力体回転羽根のサブセット型と考える。【００１２】  本発明では風力発電機のローター組立の中央ハブに接続された揚力体回転羽根は平面図縦横比２：１以下を有する。【００１３】  また本発明では平面図縦横比が２：１より大きく３：１より小さい混成揚力体回転羽根も使用される。【００１４】  中央ハブに接続されている各揚力体回転羽根は操作時には中央ハブの風上側の平面から外れる角度になる向きになっている。すなわち中立位置から外れる向きになっている。揚力体回転羽根の根軸周りの回転時の角度は中央ハブの回転面に対する回転羽根の入射角となる。中央ハブの回転面に対する揚力体回転羽根の入射角を入射風向に対する揚力体回転羽根の迎え角と定義する。【００１５】  各揚力体回転羽根は風上面と風下面の２つの反対方向の面をもち幾何学的には十分に平らな面を持つ。各面はお互いに関係なく平面あるいは全面あるいは局面が近代翼の形に似た特性をもつ一定あるいは変化する局率をもつ曲面をもつ。揚力体回転羽根と混成揚力体回転羽根の最適の設計を決める。最適設計の特性は輪形あるいはもっと一般的には揚力体回転羽根と混成揚力体回転羽根は空気穴を有する。異なる大きさ、形の揚力体回転羽根が同じ水平軸風力発電機に使われる。同じ水平軸風力発電機のローターの組立内に揚力体回転羽根は異なる大きさと異なる形の風穴を使う。【００１６】  揚力体ローター組立の良いと思われる具体的形態を構築した。このプロトタイプは１２枚の一部重なり合う輪形の揚力体回転羽根を使っている。ローター組立の異なる具体的形態は異なる数の揚力体回転羽根と混成揚力体回転羽根を有する。異なるローター組立の具体的形態は重複しない回転羽根を有する。【００１７】  この発明に基づく風力発電機は翼型回転羽根を有する現存の風力発電機より高いエネルギー転換率を達成すると信じる。その特定の形および入射風の速度・風向によって揚力体の揚力・抵抗特性がある程度有利であることが考えられる。予想される高エネルギー転換率はある程度先端に発生する渦の減少によると考えられる。【００１８】  中央ハブと揚力体回転羽根の設計特性の特定の組み合わせが特定の有利性を有すると予想される。特定の組み合わせとは揚力体回転羽根のサイズ、揚力体回転羽根の中央ハブとの相対的サイズ、揚力体回転羽根の形に対する風穴の相対的サイズと形、揚力体回転羽根の数、揚力体回転羽根の向き、中央ハブと揚力体回転羽根の幾何学的表面等である。【００１９】  翼型の同程度のローター組立の回転羽根の風にあたる表面積に比較して本発明の良い具体的形態は入射風に対して大きな有効表面積を有する。このことが揚力体ローター組立を有する風力発電機にさらなる有利性を与えると予想される。また本発明は比較的小さな回転羽根と比較的大きなハブを使うので構造物の信頼性を増加させると予想される。【００２０】  大きな縦横比を有する翼に比較して小さい縦横比を有する揚力体は比較的大きな風速と大きな迎え角に対して有利な揚力・抵抗特性をもつ。翼型の回転羽根でなく揚力体回転羽根を有する風力発電機ローターの組立は同程度の風速に対して早い回転が予想される。従って大きな風速幅にわたってより多くの電力生成が可能となる。【００２１】  一般に風速は高度に比例して大きくなる。揚力体回転羽根の改良された性能は本発明による発電機が有効に働く必要高さを引き下げることが可能である。揚力体回転羽根の直径が小さいこと、塔の必要高さの削減可能性等により本発明は発電機による視覚への影響を最小限に限定される地域での発電機の使用も可能にする。同じような理由により本発明により与えられた土地面積により多くの発電機を設���することも可能となる。【００２２】  本発明は風上、風下の両方で使用可能と考えられる。【００２３】  翼型のローター組立に比較して本発明による発電機はより静かに操作することが実証・予想されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】  本発明はある種の部品と部品の組立の物理的形態を伴う。本発明の良いと思われる具体的形態とその変形形態は本発明に含まれる仕様と添付の設計図に詳細に記述されている。
【図１】  図１Ａと１Ｂはローター組立に１２枚の揚力体回転羽根を有する実用スケールの発電機の透視図と正面図である；
【図２】  図２はローター組立とエネルギー転換機の接続方法を示した２枚羽根のローター組立の拡大透視図である；
【図３】  図３は２枚の揚力体回転羽根の根元接続を示した２枚の揚力体回転羽根のついたハブの部分の透視図である；
【図４】  図４Ａ−４Ｆと５Ａ−５Ｆはいろいろな形の揚力体回転羽根の平面図である。風穴のあるものないもの、同心円の風穴のもの、非同心円の風穴のもの、風穴が揚力体回転羽根の外周と異なる幾何学的形状のもの；
【図５】  図４Ａ−４Ｆと５Ａ−５Ｆはいろいろな形の揚力体回転羽根の平面図である。風穴のあるものないもの、同心円の風穴のもの、非同心円の風穴のもの、風穴が揚力体回転羽根の外周と異なる幾何学的形状のもの；
【図６】  図６は風穴のない揚力体回転羽根の断面図である；図６Ｂは風穴のある揚力体回転羽根の断面図である；図６Ｃ−６Ｆは風上面と風下面に異なる局率をもつ可能性のあるいろいろな形の翼の断面図である。これらは風穴のない揚力体回転羽根、風穴のある揚力体回転羽根、風穴のある揚力体回転羽根の一部に適応できる；
【図７】  図７Ａは輪形の揚力体回転羽根の内部を示す透視図である；図７Ｂは輪形の揚力体回転羽根の側面図である；図７Ｃは輪形の揚力体回転羽根の側面断面図である；
【図８】  図８Ａ−８Ｆはいろいろな具体的形態のローター組立の平面図である。中央ハブと揚力体回転羽根の大きさの比が異なるもの、揚力体回転羽根の数の異なるもの、羽根が隣接する羽根と重なる程度が異なるものを示している。
【図９】  図９Ａ−９Ｂは揚力体回転羽根を有する風力発電機のよいと思われる具体的形態の風上側、風下側から見た透視図である。部品間の幾何学的、大小関係を示している；
【図１０】  図１０Ａは平面縦横比が１：１の揚力体回転羽根の図形平面図である；図１０Ｂは平面縦横比が２：１の混成揚力体回転羽根の図形平面図である；図１０Ｃは翼の最小縦横比の特性である平面縦横比が３：１の翼の図形平面図である；
【図１１】  図１１は６枚の重複しない揚力体回転羽根を有する風力発電機ローター組立のよいと思われる具体的形態の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】  製図についてもっと具体的に言及する。ここで発明の良いと思われる具体的形態について説明するがその形態に限られたものではない。図１Ａと１Ｂは水平軸発電機１のよいと思われる具体的形態である。水平軸風力発電機ローター組立２は中央ハブ３、中心点４の周りを回転可能、エネルギー転換機５（例えば発電機）に接続している。エネルギー転換機５は塔６により高い位置にとりつけられている。エネルギー転換機５は接近風の流れ方向に旋回しローター組立２の風上側が接近風流れと接触する。その結果入射風に呼応してローター組立２がその回転軸の周りに回転する。現地の卓越風の条件と視覚への影響を考慮して塔６の高さは変えられる。電気小屋７は発明の良いと思われる具体的形態の大きさと比較可能なように示されている。
【００２６】  図２は風力発電機ローター組立２の良いと思われる具体的形態とエネルギー転換機５のよいと思われる接続方法の拡大図である。ここで回転可能な中央ハブ３は回転可能な中央ハブ３の風下側の中心点でエネルギー転換機５の駆動軸９の据付フランジ８に接続している。
【００２７】  図３は揚力体回転羽根１０と回転可能な中央ハブ３の切断部分との良いと思われる具体的接続方法を示す。ここで据付帯環は回転可能な中央ハブ３にとりつけられている。それによって中央ハブ３の外周１２の接続点を定め構成する。回転羽根１０の根元接続点１１が接続点と一致するように接続点は揚力体回転羽根１０に接続している。
【００２８】  風力発電機ローター組立２のひとつの具体的形態に用いられる揚力体回転羽根２は同じ形と大きさであるかも知れない。風力発電機ローター組立２は異なる形と大きさの揚力体回転羽根１０、なおかつ揚力体回転羽根の特性を有する、をもついろいろな具体的形態をとる。揚力体回転羽根１０の可能ないろいろな具体的形態を図４Ａ−４Ｆと５Ａ−５Ｆに示す。揚力体回転羽根１０のいろいろな具体的形態は揚力体回転羽根の外周の形と異なる幾何学的形の風穴も含まれる。回転羽根の中の風穴は回転羽根に対して大きさも位置も変化する場合もある。
【００２９】  平面縦横比が最大２：１の揚力体回転羽根１０を用いた具体的形態は平面縦横比が３：１と２：１の間の混成揚力体回転羽根１０をも用いる。
【００３０】  揚力体回転羽根１０の風上表面１３と風下表面１４の可能ないろいろな曲率を図６Ａ−６Ｆに示す。図６Ａは風穴のない揚力体回転羽根１０の中心断面の翼の形を示す。図６Ｂは風穴のある揚力体回転羽根１０の中心断面の翼の形を示す。図６Ｂは表面１３と１４で定義される揚力体回転羽根の全体の翼の形を表している。表面１３と１４の一番外側の部分と表面１３と１４が風穴で収束する一番内側の部分で定まる回転羽根の相反する断面の独立した翼の形を明らかにしている。図６Ｃ−６Ｆは揚力体回転羽根の全体の可能ないろいろな翼の形を示す。図６Ｃ−６Ｆの翼の形は風穴のある揚力体回転羽根の部分の形を定義しているともいえる。
【００３１】  図７Ａは平坦な風上側表面１３とカーブのある風下表面１４を有する輪形の揚力体回転羽根１０を示す。図７Ｂは図７Ａの揚力体回転羽根１０の正面図である。図７Ｃは図７Ａの揚力体回転羽根１０の断面図で揚力体回転羽根１０の反対側の断面の翼の形を示している。
【００３２】  回転可能な中央ハブ３の外周に接続される揚力体回転羽根の数は図８Ａ−８Ｆに示されるように異なる。回転羽根１０の最適形状、回転可能な中央ハブ３に対する回転羽根１０の最適サイズ、回転可能な中央ハブ３の外周に沿って接続される揚力体回転羽根１０の最適数と中央ハブ３の外周に沿った接続点間の最適間隔は実験が明らかにすると予想される。
【００３３】  図９Ａと９Ｂは揚力体回転羽根１０のあるいいと思われるローター組立２の風下側と風上側からの透視図である。回転羽根は同じ入射角を有する操作時の位置にある。また揚力体回転羽根１０は形と大きさが一様で風穴を有する。図９Ａはローター組立２の風下側から見た図を示す。中央ハブ３の中心点４、揚力体回転羽根１０のカーブのついた風下側の表面、ひとつの揚力体回転羽根１０の平面１７とローター組立２の回転可能な平面１８を示す。図９Ｂはローター組立２の風上側から見た図を示す。回転可能な中央ハブ３の中心点４、揚力体回転羽根１０の平坦な風上側表面１３、ひとつの揚力体回転羽根１０の平面１７とローター組立２の回転可能な平面１８を示す。図９Ｂは個々の揚力体回転羽根１０を示す。根元接続点１１で回転可能な中央ハブ３に接続している。各揚力体回転羽根１０の根軸１５の線分は中央ハブ３の外周上の接続点から回転羽根１０の一番外側の縁をさらに越えて延びる。各揚力体回転羽根１０は中央ハブ３の回転可能な平面１８と根軸１８にそって交差する。ここに示す良いと思われる具体的形態では各揚力体回転羽根の平面１７の入射角１６、ローター組立２の回転可能な平面１８に対する、は回転羽根１０を根軸１５の周りに回転させて作る。この入射角１６は変更可能で調整も可能である。最適入射角１６とその幅は実験が明らかにすると予想される。
【００３４】  図１０Ａは平面縦横比１：１の円形揚力体回転羽根１０の平面図である。図１０Ｂに示されるのは平面縦横比が約２：１の縦長の形を有する揚力体回転羽根１０である。図１０Ｃに示されるのは平面縦横比が約３：１のさらに縦長の形の回転羽根１０である。したがってこれは翼の最小縦横比あるいは混成揚力体の最大縦横比に相当する。ただし特定の形で作られる物理的形態の実際のサイズにも関係する。
【００３５】  図１１は水平軸風力発電機ローター組立２の良いと思われる形態を示す。重なり合わない揚力体回転羽根１０は回転可能な中央ハブ３に根元接続点１１で接続されている。図１１はひとつの揚力体回転羽根１０の根軸１５を示す。回転可能な中央ハブ３の中心点４から揚力体回転羽根１０の根元接続点１１を通って揚力体回転羽根１０の一番外側の縁まで延びている。根軸１５の線分、揚力体回転羽根の根元接続点１１から揚力体回転羽根の一番外側の縁までが揚力体回転羽根のスパン線を定義する。
【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】
2011503421.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2011503421.tif 000012
【図１１】
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【国際調査報告】
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