(57)【要約】  拡散器により増強された風力タービンが以下に記載されている。実施形態においては、風力タービン拡散器は拡張された流出口面積を有し、拡散器流出口面積は自身の断面積よりも大きい。実施例においては、拡散器は１つ以上の拡散器リングから成っていてもよく、１つ以上の拡散器リングはタービンカウリングを形成していてもよい。各拡散器リングは、直前の上流のリングの流出口面積よりも小さい流入口面積を有していてもよい。実施例においては、下流のリングによって塞がれていない上流リングの流出口の部分は拡散器流出口を形成し、拡散器の総流出口面積は断面積よりも大きい。別の実施形態においては、拡散器は少なくとも１つの拡散器リングと、１つ以上の吸気スロットと、を具備し、各吸気スロットは、空気が拡散器システムから排除されることが可能な通気構造に接続されている。
2014513233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散器により増強された水平軸風力タービンであって、
タービンロータカウリングを形成するために配置された第１拡散器リングであって、該第１拡散器リングは流入口と流出口とを備え、前記流出口の面積は前記流入口の面積と等しいか、または前記流入口の面積よりも大きい、第１拡散器リングと、
該第１拡散器リングと同軸の且つ該第１拡散器リングから下流にある１つ以上のさらなる拡散器リングであって、該１つ以上のさらなる拡散器リングの各々は流入口と流出口とを備え、該１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の前記流入口の面積は直前の上流の拡散器リングの前記流出口の面積よりも小さく、前記１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の前記流出口の面積は自身の前記流入口の面積と等しいか、または自身の前記流入口の面積よりも大きい、さらなる拡散器リングと、
を具備し、
前記拡散器の流出口の総面積は自身の最大断面積よりも大きく、前記第１拡散器リングおよびすべての前記１つ以上のさらなる拡散器リングは前記水平軸の周りに回転可能でないように設けられていることを特徴とする風力タービン。
【請求項２】
前記拡散器は１つ以上の通気構造および１つ以上の吸気スロットをさらに具備し、前記１つ以上の通気構造は前記第１拡散器リングの外側面に配置され、前記１つの通気構造または各々の通気構造は前記１つ以上の吸気スロットに接続されており、前記吸気スロットは前記第１拡散器リングの全厚さを通じて略径方向に伸びていることを特徴とする請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
拡散器により増強された水平軸風力タービンであって、
タービンロータカウリングを形成するために配置された第１拡散器リングであって、該第１拡散器リングは流入口と流出口とを備え、前記流出口の面積は前記流入口の面積と等しいか、または前記流入口の面積よりも大きい、第１拡散器リングと、
１つ以上の通気構造および１つ以上の吸気スロットであって、前記１つ以上の通気構造は前記第１拡散器リングの外側面に配置され、前記１つ以上の通気構造の各々は前記１つ以上の吸気スロットに接続されており、前記吸気スロットは前記第１拡散器リングの全厚さを通じて略径方向に伸びた通気構造及び吸気スロットと、
を具備し、
前記拡散器の流出口の総面積は自身の最大断面積よりも大きく、前記第１拡散器リングは前記水平軸の周りに回転可能でないように設けられていることを特徴とする風力タービン。
【請求項４】
拡散器により増強された水平軸風力タービンであって、
タービンロータカウリングを形成するために配置された第１拡散器リングであって、該第１拡散器リングは流入口と流出口とを備え、前記流出口の面積は前記流入口の面積と等しいか、または前記流入口の面積よりも大きく、前記第１拡散器リングは前記水平軸の周りに回転可能とされていないように設けられた、第１拡散器リングと、
該拡散器リングの流出口の後縁に配置された、１つ以上の渦取込みデバイスと、
を具備していることを特徴とする風力タービン。
【請求項５】
前記拡散器はさらに、前記第１拡散器リングと同軸の且つ該第１拡散器リングから下流にある１つ以上のさらなる拡散器リングを具備し、該１つ以上のさらなる拡散器リングは各々が流入口と流出口とを備え、該１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の流入口の面積は直前の上流の拡散器リングの流出口の面積よりも小さく、前記１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の流出口の面積は自身の前記流入口の面積よりも大きいか、または自身の前記流入口の面積と等しく、前記１つ以上のさらなる拡散器リングのすべては前記水平軸の周りに回転可能でないように設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の風力タービン。
【請求項６】
前記拡散器はさらに、１つ以上の通気構造と１つ以上の吸気スロットとを具備し、該１つ以上の通気構造は前記第１拡散器リングの外側面に配置され、前記通気構造の１つまたは各々の通気構造は１つ以上の前記吸気スロットに接続されており、前記吸気スロットは前記第１拡散器リングの全厚さを通じて略径方向に伸びていることを特徴とする請求項４または５に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記第１拡散器リングの流入口の面積に対する前記拡散器の流出口の総面積の比は、前記第１拡散器リングの流入口の面積に対する前記拡散器の最大断面積の比よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記通気構造は断面において翼のプロファイルを備えた形状とされた中空チャネルであることを特徴とする請求項２、３または６に記載の風力タービン。
【請求項９】
中心シャフトをさらに具備していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１０】
径方向に向けられた複数のガイドベーンをさらに具備し、該ガイドベーンは、第１端部が前記拡散器の第１部分に接続され、且つ第２端部が前記拡散器の第２部分または前記中心シャフトに接続されるように配置されており、前記ガイドベーンは前記拡散器に構造的支持を提供するように配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１１】
前記ガイドベーンは前記拡散器を通過する気流内のねじれを減少するために配置され、且つタービン面の上流に配置された少なくとも１つの前方回転ベーンおよび／または前記タービン面の下流に配置された少なくとも１つの後方回転ベーンから成ることを特徴とする請求項８に記載の風力タービン。
【請求項１２】
第１タービンロータを形成するための１つ以上のタービンブレードを具備していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１３】
前記拡散器は少なくとも部分的に空気弾性材料から成り、風の負荷の下で制御された変形を提供するように配置されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１４】
前記第１タービンロータを形成した前記１つ以上のタービンブレードは少なくとも部分的に空気弾性材料から成り、風の負荷の下で制御された変形を提供するように配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の風力タービン。
【請求項１５】
前記拡散器は渦発生器を組み込んでいることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１６】
下流への方向において、前記１つ以上のさらなる拡散器リングの各々は、直前の拡散器リングよりも小さいキャンバー角を有することを特徴とする請求項１、５、および請求項１または５に従属した請求項６〜１５のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１７】
前記拡散器はさらに、前記第１拡散器リングの厚さの少なくとも一部を通じて内側面から伸びた１つ以上のスロットギャップを具備していることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項１８】
前記１つ以上のスロットギャップおよび／または前記１つ以上の吸気スロットは、大きいキャンバー角が付けられた前記第１拡散器リングの内部の領域に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の風力タービン。
【請求項１９】
前記１つ以上のスロットギャップは、前記第１拡散器リングの全厚さを通じて伸びていることを特徴とする請求項１７に記載の風力タービン。
【請求項２０】
前記第１拡散器リングは、前記１つ以上のスロットギャップおよび／または前記１つ以上の吸気スロットに接続された空気圧チャンバを組み込んでいることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項２１】
空気は前記空気圧チャンバ内に能動的に圧送されるか、または前記空気圧チャンバから能動的に吸い出されることを特徴とする請求項２０に記載の風力タービン。
【請求項２２】
前記タービンロータブレードは、前記気流の境界層内の乱流を誘起する材料から成ることを特徴とする請求項１２〜２１のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項２３】
前記１つ以上のタービンロータブレードは少なくとも１つの取り付けられた攪拌機および／または少なくとも１つの取り付けられた渦発生器を備えていることを特徴とする請求項１２〜２２のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項２４】
前記１つ以上のタービンロータブレードは部分的に波形の構造を備えていることを特徴とする請求項１２〜２３のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項２５】
前記第１タービンロータは前記タービンの原理的垂直軸の下流に配置されていることを特徴とする請求項１２〜２４のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項２６】
１つ以上の追加のタービンロータをさらに具備し、該タービンロータの各々は、前記第１タービンロータと同軸の且つ前記第１タービンロータの下流の１つ以上のタービンロータブレードを具備していることを特徴とする請求項１２〜２５のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項２７】
前記１つ以上の追加のタービンロータは逆回転タービンロータであることを特徴とする請求項２２に記載の風力タービン。
【請求項２８】
前記１つ以上の追加のタービンロータの１つ以上のタービンブレードは少なくとも部分的に空気弾性材料から成り、風の負荷の下で制御された変形を提供するように配置されていることを特徴とする請求項２２または２３に記載の風力タービン。
【請求項２９】
１つ以上のさらなる動力学的空気弾性的な渦取込みデバイスが、前記拡散器のさらなる後縁に取り付けられていることを特徴とする請求項４〜２７のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項３０】
発電機を含み、該発電機は発電機ステータと発電機ロータとを具備し、前記発電機ステータまたは前記発電機ロータの一方は前記１つ以上の拡散器リング内に固定されているか、または前記１つ以上の拡散器リング内に組み込まれており、前記発電機ステータまたは前記発電機ロータの他方は少なくとも１つのタービンブレードの先端に固定されているか、または少なくとも１つのタービンブレードに組み込まれていることを特徴とする請求項１〜２９のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項３１】
陸上タービン、海上タービン、または空中タービンのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３０のいずれか一項に記載の風力タービン。
【請求項３２】
添付図を参照するとともに本願に記載された、および添付図に示された風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本記載は、ロータ翼への気流を加速する拡散器またはダクト手段を伴って増強された数力タービンに関する。
【０００２】
この明細書内に明確に先行開示された文献のリストまたは議論は、その文献が最先端の一部であるかまたは公知のものであるかの確認として、取り扱われる必要はない。
【背景技術】
【０００３】
風力タービンは、例えばタービンロータブレードを回転させる風を利用して、（風からの）運動エネルギを機械的エネルギに変換するために使用されることが可能である。古典的な風力タービンの一例は、取り付けられたタービンロータブレードを備えた水平中心ハブ内に発電機を具備した水平軸風力タービンである。タービンロータはトルクエネルギを発電機のハブに供給し、そのハブは発電機を介してこれを電気エネルギに変換する。しかしながら、拡散器により増強されていない古典的な風力タービンは、ベッツの法則によって、風から変換可能なエネルギの量が制限されている。その法則では、古典的な風力タービンに関して、気流は軸方向におよび自由に流れ、風からは最大でも５９．３％の運動エネルギが機械的エネルギへと変換可能であるとされている。
【０００４】
風力タービン拡散器はタービンのロータ面に入る空気の速度を増大させるために使用され、したがって与えられたあらゆるタービンの出力および効率を増大させ得る。従来型の拡散器は、比較的穏健な風速の（これにより出力および効率の）増大を誘起するために、風力タービンの出口面積の大きな拡張を必要とする。増大されたこの出口面積はタービン後方の空気の圧力を減少し、空気がタービンロータブレードを越えて加速されることを引き起こす。しかしながら、風力タービンの出口面積の拡張は一般的に巨大な、非経済的な、且つ極度に抵抗力の負荷がかかるカウリングを使用することになる。特許文献１は、拡張された出口面積を有する拡散器により増強された風力タービンを記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第２００５／０００２７８３号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１０／０３６６７８号パンフレット
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Landau & Lifshitz, 1987, Fluid Mechanics, 2nd edn, Chapter 4, A Butterworth-Heinemann Title
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来型の風力タービン拡散器の別の例は、ミキサーイジェクタシステムを使用して、拡散器の後方セクション内に高エネルギの空気を引き込むものである。理論的には、このシステムは風力タービン後方の空気の圧力を減少させ、したがってより多くの空気をタービンロータ面を通じて引き込み、出力および効率を増大させている。しかしながら、インジェションミキサーシステムは実際のところタービンを通過する空気の速度の増大に大幅には寄与し得ず、したがって出力および効率の大幅な増大に寄与し得ない。特許文献２はミキサーイジェクタ風力タービン（ＭＥＷＴ）を記載している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
拡散器により増強された風力タービンは以下に記載されている。実施形態においては、風力タービンはタービンロータを具備し、タービンロータは１つ以上のタービンブレードと、拡散器と、を備えている。拡散器は拡張された流出口面積を有し、拡散器の流出口面積はその断面積よりも大きい。ただし、拡散器のすべての要素は水平軸周りに回転しない。実施例においては、拡散器は１つ以上の拡散器リングから形成されてもよく、少なくともその１つがタービンカウリングを形成していてもよい。各拡散器リングは流入口面積を有し、その面積は直前の上流のリングの流出口面積よりも小さくてもよい。実施例においては、下流のリングによって塞がれていない上流のリングの流出口の部分は拡散器の流出口を形成し、拡散器の総流出口面積は断面積よりも大きくなるようにされてもよい。別の実施例においては、拡散器は少なくとも１つの拡散器リングと１つ以上の吸気スロットとを具備し、各吸気スロットは通気構造に接続されており、通気構造は空気が拡散器システムから除去されることを可能にしている。
【０００９】
本発明の一態様は拡散器に関連しており、この拡散器は水平軸周りに静止しているが、垂直軸周りに回転可能である。拡散器は流出口と流入口とを備えた第１拡散器リングであって、流出口の面積は流入口の面積と等しいか、または前記流入口の面積よりも大きい、第１拡散器リングと、第１拡散器リングと同軸の且つ第１拡散器リングから下流にある１つ以上のさらなる拡散器リングであって、１つ以上のさらなる拡散器リングの各々は流入口と流出口とを備え、１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の流入口の面積は直前の上流の拡散器リングの流出口の面積よりも小さく、前記１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の流出口の面積は自身の前記流入口の面積と等しいか、または自身の前記流入口の面積よりも大きい、さらなる拡散器リングと、を具備し、拡散器の流出口の総面積は自身の最大断面積よりも大きく、第１拡散器リングおよびすべての１つ以上のさらなる拡散器リングは水平軸の周りに回転可能でないように設けられている。
【００１０】
実施形態においては、拡散器は１つ以上の通気構造および１つ以上の吸気スロットをさらに具備し、１つ以上の通気構造は第１拡散器リングの外側面に配置され、１つの通気構造または各々の通気構造は吸気スロットに接続されており、吸気スロットは第１拡散器リングの全厚さを通じて略径方向に伸びている。
【００１１】
本発明の別の態様においては、（例えば風力タービンに使用されるための）拡散器は、流入口と流出口とを備えた第１拡散器リングであって、流出口の面積は前記流入口の面積と等しいか、または流入口の面積よりも大きい、第１拡散器リングと、１つ以上の通気構造および１つ以上の吸気スロットであって、１つ以上の通気構造は拡散器リングの外側面に配置され、１つ以上の通気構造は吸気スロットに接続されており、吸気スロットは第１拡散器リングの全厚さを通じて略径方向に伸びた通気構造及び吸気スロットと、を具備し、拡散器の流出口の総面積は自身の最大断面積よりも大きく、第１拡散器リングは水平軸の周りに回転可能でないように設けられている。
【００１２】
さらなる実施形態においては、拡散器は第１拡散器リングと同軸の且つ第１拡散器リングの下流にある１つ以上のさらなる拡散器リングを具備していてもよく、１つ以上のさらなる拡散器リングは各々が流入口と流出口とを備え、１つ以上の拡散器リングの各々の流入口の面積は直前の上流の拡散器リングの流出口の面積よりも小さく、１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の流出口の面積は自身の流入口の面積と等しいか、または自身の流入口の面積よりも大きく、１つ以上のさらなる拡散器リングのすべては水平軸の周りに回転可能でないように設けられている。
【００１３】
本発明の態様によれば、風力タービンは拡散器により増強された水平軸風力タービンであり、拡散器は、タービンロータカウリングを形成するために配置された第１拡散器リングであって、第１拡散器リングは流入口と流出口とを備え、流出口の面積は流入口の面積と等しい、第１拡散器リングと、第１拡散器リングと同軸の且つ第１拡散器リングから下流にある１つ以上のさらなる拡散器リングを具備し、１つ以上のさらなる拡散器リングは各々が流入口と流出口とを備え、１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の流入口の面積は直前の上流の拡散器リングの流出口の面積よりも小さく、１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の流出口の面積は自身の流入口の面積と等しいか、または自身の流入口の面積よりも大きい、さらなる拡散器リングと、を具備し、拡散器の流出口の総面積は自身の最大断面積よりも大きく、第１拡散器リングと１つ以上のさらなる拡散器リングのすべてとは、水平軸の周りに回転可能でないように設けられている。
【００１４】
さらなる実施形態においては、風力タービンはさらに１つ以上の通気構造と１つ以上の吸気スロットとを具備し、１つ以上の通気構造は第１拡散器リングの外側面に配置され、１つ以上の通気構造は１つ以上の吸気スロットに接続されており、１つ以上の吸気スロットは第１拡散器リングの全厚さを通じて略径方向に伸びている。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、風力タービンは拡散器により増強された水平軸風力タービンであり、拡散器は、タービンロータカウリングを形成するために配置された第１拡散器リングであって、該第１拡散器リングは流入口と流出口とを備え、前記流出口の面積は前記流入口の面積と等しいか、または前記流入口の面積よりも大きい、第１拡散器リングと、１つ以上の通気構造と１つ以上の吸気スロットとであって、１つ以上の通気構造は第１拡散器リングの外側面に配置され、１つ以上の通気構造は１つ以上の吸気スロットに接続されており、吸気スロットは第１拡散器リングの全厚さを通じて略径方向に伸びている、１つ以上の通気構造と１つ以上の吸気スロットと、を具備し、拡散器の流出口の総面積は自身の最大断面積よりも大きく、第１拡散器リングは水平軸の周りに回転可能でないように設けられている。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、風力タービンは拡散器により増強された水平軸風力タービンであり、タービンロータカウリングを形成するために配置された第１拡散器リングであって、第１拡散器リングは流入口と流出口とを備え、流出口の面積は流入口の面積と等しいか、または流入口の面積よりも大きく、第１拡散器リングは水平軸の周りに回転可能とされていないように設けられた、第１拡散器リングと、拡散器リングの流出口の後縁に配置された１つ以上の渦取込みデバイスと、を具備している。
【００１７】
さらなる実施形態においては、風力タービンは第１拡散器リングと同軸の且つ第１拡散器リングの下流にある１つ以上のさらなる拡散器リングを具備し、１つ以上のさらなる拡散器リングは各々が流入口と流出口とを備え、１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の流入口の面積は直前の上流の拡散器リングの流出口の面積よりも小さく、１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の流出口の面積は自身の流入口の面積と等しいか、または自身の流入口の面積よりも大きく、１つ以上のさらなる拡散器リングのすべては水平軸の周りに回転可能でないように設けられている。
【００１８】
さらなる実施形態においては、拡散器はさらに、１つ以上の通気構造と１つ以上の吸気スロットとを具備していてもよく、１つ以上の通気構造は第１拡散器リングの外側面に配置され、通気構造の１つまたは各々の通気構造は１つ以上の吸気スロットに接続されており、吸気スロットは第１拡散器リングの全厚さを通じて略径方向に伸びている。
【００１９】
第１拡散器リングの流入口の面積に対する拡散器の流出口の総面積の比は、第１拡散器リングの流入口の面積に対する拡散器の最大断面積の比よりも大きくてもよい。
【００２０】
通気構造は断面において翼のプロファイルを備えた形状とされた中空チャネルであってもよい。
【００２１】
風力タービンは中心シャフトと、径方向に向けられたガイドベーンと、を具備し、ガイドベーンは、第１端部が拡散器の第１部分に接続され、且つ第２端部が拡散器の第２部分に接続されるように配置されており、ガイドベーンは拡散器に構造的支持を提供するように配置されていてもよい。ガイドベーンは拡散器を通過する気流内のねじれを減少するために配置され、且つタービン面の上流に配置された少なくとも１つの前方回転ベーンおよび／またはタービン面の下流に配置された少なくとも１つの後方回転ベーンから成っていてもよい。
【００２２】
風力タービンは第１タービンロータを形成するための１つ以上のタービンブレードを具備している。拡散器は少なくとも部分的に空気弾性材料から成り、風の負荷の下で制御された変形を提供するように配置されていてもよい。拡散器はさらに渦発生器を組み込んでいてもよい。第１タービンロータを形成した１つ以上のタービンブレードは少なくとも部分的に空気弾性材料から成り、風の負荷の下で制御された変形を提供するように配置されていてもよい。
【００２３】
下流への方向において、１つ以上のさらなる拡散器リングの各々は、直前の拡散器リングよりも小さいキャンバー角を有していてもよい。
【００２４】
風力タービンはさらに、第１拡散器リングの厚さの少なくとも一部を通じて内側面から伸びた１つ以上のスロットギャップを具備していてもよく、随意的に１つ以上のスロットギャップは第１拡散器リングの全厚さを通じて伸びていてもよい。１つ以上のスロットギャップおよび／または１つ以上の吸気スロットは、大きいキャンバー角が付けられた第１拡散器リングの内部の領域に配置されていてもよい。第１拡散器リングはさらに、１つ以上のスロットギャップおよび／または１つ以上の吸気スロットに接続された空気圧チャンバを組み込んでいてもよく、随意的に空気は空気圧チャンバ内に能動的に圧送されるか、または空気圧チャンバから能動的に吸い出されてもよい。
【００２５】
タービンブレードは気流の境界層内の乱流を誘起する材料から成っていてもよい。タービンブレードは少なくとも１つの取り付けられた攪拌機および／または少なくとも１つの取り付けられた渦発生器を備えていてもよい。タービンブレードは部分的に波形の構造を備えていてもよい。
【００２６】
タービンロータはタービンの原理的垂直軸の下流に配置されていてもよい。風力タービンは１つ以上の追加のタービンロータをさらに具備し、タービンロータの各々は、第１タービンロータと同軸の且つ前記第１タービンロータから下流の１つ以上のタービンロータブレードを具備していてもよい。１つ以上の追加のタービンロータは逆回転タービンロータであってもよい。１つ以上の追加のタービンロータの１つ以上のタービンブレードは、追加的に少なくとも部分的に空気弾性材料から成り、風の負荷の下で制御された変形を提供するように配置されていてもよい。
【００２７】
１つ以上のさらなる動力学的空気弾性的な渦取込みデバイスが、拡散器のさらなる後縁に取り付けられていてもよい。上述の拡散器により増強された風力タービンは１つ以上の発電機を具備し、１つ以上の発電機は、拡散器リング内に固定されているかまたは拡散器リング内に組み込まれた少なくとも１つの発電機ステータおよび少なくとも１つの発電機ロータを具備し、他のステータまたはロータは、１つ以上のタービンロータの少なくとも１つのタービンブレードの先端に固定されているか、または組み込まれている。風力タービンは陸上タービン、海上タービン、または空中タービンであってもよい。
【００２８】
本発明の態様によれば、風力タービンは、添付図を参照して概略ここに記載されたような、および添付図に示されたようなものである。
【００２９】
多くの付随した特徴が、添付図に関連して考慮された以下の詳細な記載を参照することによって、より良好に理解されることをより容易にするだろう。
【００３０】
本記載は添付図を考慮して読まれる以下の詳細な記載からより良好に理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】複数の拡散器リングを備えた拡散器の実施形態の側面図である。
【図２】破線で示された内部構造を備えた、拡散器により増強された風力タービンの側面図である。
【図３】図２の拡散器のスロットギャップを例示した拡大図である。
【図４】渦発生器が取り付けられた拡散器の図である。
【図５】例えば図２の拡散器のような拡散器の後方等角図である。
【図６】渦取込みシステムを例示した図である。
【図７】複数の通気構造を備えた拡散器の実施形態の正面の等角図である。
【図８】図７に示されたような複数の通気構造を備えた拡散器の実施形態の後方の等角図である。
【図９】通気構造の例を示した図である。
【図１０】同軸のロータを備えた、拡散器により増強された風力タービンの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
類似した参照符号は、添付図内の類似した部品を指定するために使用されている。
【００３３】
従来型の水平軸風力タービンが、商用電力の生成のためにウィンドファーム内において使用されている。それらは一般的にタービンシャフト内に配置された発電機に接続された３つのブレードのタービンロータを具備している。
【００３４】
風が風力タービンロータのブレード上を流れた場合、揚力がブレードによって生じ、タービンロータを回転させ、取り付けられた（例えば低速駆動シャフト、ギアボックス、および発電機シャフトを具備した）発電機からの電力の発生を導く。したがって、タービンロータが回転した場合、ロータはギアボックスに取り付けられた低速駆動シャフトを回転させ、次いで要求された速度において発電機シャフトを回転させて、発電する。
【００３５】
タービンロータブレードによって生じる揚力は、ブレードの迎え角および形状の関数になり得る。
【００３６】
ベッツの法則により、最も高効率な可能性を達成するために、首振り（yaw）システムが使用されて、タービンロータを移動させ、タービンロータを風に向けることを確実にしている。指向は（例えば風翼を使用して）受動的に、または（例えばコンピュータ制御された首振り（yaw）制御システムを使用して）能動的に実行され得る。
【００３７】
水平軸風力タービン内およびその周囲の気流を増強させるために、拡散器が風力タービンに取り付けられてもよい。システムの効率は、タービンロータ面を通る空気の最高加速によって、理論的ベッツの限界を超え得る。このことは、大きい流出面積を使用することによって小型化された拡散性システムを通じた空気の流出によって達成され得る。拡散器の流出面積を増大することによって、拡散器は流出口における気圧を減少させ、これによってタービンを通じて空気を加速させる。したがって、流出口における気圧の減少は流入口における空気の速度の増大に対応する結果となり、これは出力および効率の増大をもたらす。
【００３８】
従来型の拡散器により増強された風力タービンの実用上の大きい問題は、効率を大幅に増大させる速度へと空気を加速するために必要とされる流出面積の大幅な拡張が、大幅な空力的負荷を生じる大きな且つ扱いにくいカウリングをこれまで必要としていたことであった。そのようなカウリングの使用は発生する抵抗の大きさを増大させ、風力タービン支持タワーへの負荷を増大させ得る。タービンのために必要とされる製造コストおよびスペースも顕著に増大する。拡散器の視認できるプロファイルも増大され、風力タービンが多くの人によって目障りであると考えられることは望まない。
【００３９】
ここで使用された場合、「拡散器リング」との用語は、断面が楕円形、特に円形のような、任意の適切な形状に関係している。２つ以上の拡散器リングが組み合わせて記載されており、それらのリングは互いに流体接続されており、同軸にまたは軸を外していてもよい。
【００４０】
「クリアランス領域」との用語は、ここで使用された場合、拡散器リングとタービンロータブレードとの間の拡散器内の領域に関係しており、タービンロータブレードによって通過されない領域である。
【００４１】
ここで使用された場合、空気力学的力は、空気がタービンロータブレード上を流れた場合に生じる力に関係している。ここで使用された「揚力」との用語は、気流の方向に直交した空気力学的力の成分を参照している。ここで使用された「抵抗」との用語は、気流に平行な空気力学的力の成分を参照している。
【００４２】
ここで使用された「首振り（yaw）」との用語は、タービンの垂直軸周りの風力タービンロータの動作を参照している。
【００４３】
ここで使用された「ナセル」との用語はタービンの中央シャフトのカバーを参照しており、水平軸周りに回転可能であり、発電機および／またはギアボックスを収容している。
【００４４】
ここで使用された「上流」および「下流」との用語は、気流に対する方向を示している。
【００４５】
ここで使用された「キャンバー」との用語は空気力学的キャンバー、例えば翼の湾曲の尺度を参照している。キャンバーは例えばキャンバーラインを使用して測定されることが可能であり、キャンバーラインは翼の上面と下面との間の中間の曲線である。
【００４６】
ここで使用された「空気弾性材料」との用語は、風の負荷の下で制御され且つ予測可能な変形を生じる材料を参照している。使用され得る空気弾性材料の例の非包括的なリストは、カーボンファイバ、ファイバ強化複合材料、金属マトリクス複合材料、エポキシベース複合材料、熱可塑性複合材料、アルミニウム、ファブリック、圧電性材料、または他の適切な空気弾性材料およびそれらの任意の組み合わせである。
【００４７】
ここで使用された「ストール」との用語は、迎え角が増大した場合のタービンロータブレードによって生じる揚力の減少を参照している（迎え角はタービンロータブレードの参照ライン（例えば翼弦線）と、タービンロータブレードとタービンロータ面を通って移動する空気との間の相対移動を現したベクトルと、の間の角度である）。臨界迎え角を超えると、抵抗よりも低い揚力が生じる。
【００４８】
ここで使用された「ピッチ」との用語は、風の中に入るまたは風から出るタービンロータブレードの迎え角を回転させて、力の生成または吸収を制御することを参照している。
【００４９】
ここで使用された「略径方向に」との用語は、拡散器の中心点から外向きに広がった拡散器または風力タービンの構成部品を参照している。しかしながら、拡散器の構成部品は直線プロファイルであることは要求されていない。
【００５０】
本実施例は、拡散器により増強された風力タービンの実施としてここに記載されおよび図示されているが、記載されたシステムは例示として提供されており、限定されるものではない。当業者が理解するように、本実施例はダクト付きロータの様々な異なったタイプの応用に関して好適である。
【００５１】
本発明の実施形態においては、拡散器は水平軸に関して静止（例えば水平軸に関して非回転）しており、且つタービンロータを取り囲んだカウリングを形成するように配置された第１（一次）拡散器リングを具備しており、タービンロータは１つ以上のタービンブレードを具備している。タービンカウリングとタービンロータとは組み合わせて配置され、１つ以上のタービンロータブレードとタービンカウリングとの間にはクリアランス領域が存在している。実施形態においては、タービンカウリングの内径は、タービンブレードの通過する径よりも例えば２．５〜１０％大きく、例えば５％大きい。実施形態においては、拡散器は首振りベアリングを介して風力タービンの上部構造に取り付けられてもよく、拡散器構造は風の方向に従って３６０°首を振ることが可能であってもよい。
【００５２】
複数の拡散器リングを備えた拡散器においては、第１拡散器リングは流入口と流出口とを備えており、流出口面積は流入口面積と等しいか、それよりも大きい（例えば流出口面積は好適に流入口面積よりも大きい）。拡散器は、第１拡散器リングと同軸の且つ第１拡散器リングから下流の、１つ以上のさらなる拡散器リングを備えていてもよい。１つ以上のさらなる拡散器リングも流入口と流出口とを備えており、下流の各拡散器リングの流入口面積は直前の上流の拡散器リングの流出口面積よりも小さく、各個々の拡散器リングの流出口面積は拡散器リングの流入口面積よりも大きいか、またはそれと等しい。例えば、各拡散器リングの流出口面積はその流入口面積よりも大きくてもよい。拡散器の少なくとも一部はタービンロータカウリングを形成するために配置されていてもよい（例えば、第１拡散器リングはタービンロータカウリングを形成するために配置されてもよい。）。ここに記載された各拡散器リングの断面プロファイルは、他のプロファイルと共通した円錐または円筒（例えば円錐）であってもよい。
【００５３】
空気は、任意の直後の下流の拡散器リングによって閉塞されていない各拡散器リングの部分を通じて拡散器から抜けることが可能である。したがって、拡散器の流出口は任意の直後の下流の拡散器リングの流入口によって閉塞されていない各拡散器リングの部分（すなわち、空気が拡散器システムから抜けることが可能な領域）によって形成されている。実施形態においては、拡散器の総流出口面積はその最大断面積よりも大きい。
【００５４】
一態様においては、拡散器は第１拡散器リングを具備し、任意の適切な数のさらなる拡散器リング（例えば１つ〜４つの拡散器リング）、例えば２つまたは３つのさらなる拡散器リング（例えば１つまたは２つのさらなる拡散器リング）が使用されてもよい。
【００５５】
別態様においては、拡散器は第１拡散器リングと、１つ以上の通気構造と、１つ以上の吸気スロットを具備していてもよい。１つ以上の通気構造は第１拡散器リングの外側面に配置されてもよく、各通気構造は吸気スロットに接続されてもよい。拡散器は、複数のさらなる拡散器リング（例えば１つ〜４つのさらなる拡散器リング）、例えば２つまたは３つのさらなる拡散器リング（例えば１つまたは２つのさらなる拡散器リング）を随意的に具備していてもよい。
【００５６】
本願のいくつかの実施形態において記載されたような拡散器の形態は、断面積の顕著な増大無しに流出口面積の多大な拡張を有する。このことは、空気がタービンを通じて加速され、効率の増大に寄与する一方で、タービンのサイズの多大な増大に関する問題を克服することを可能にしている。流出口面積の拡張は流入口面積の領域の１．２〜１０倍であり、流入口面積の２：１〜５：１（例えば２．５：１〜４．５：１）倍である。
【００５７】
第１拡散器リングの流入口面積に対する拡散器の総流出口面積の比は、第１拡散器リングの流入口面積に対する拡散器の最大断面積の比よりも大きい。第１拡散器リングの流入口面積に対する拡散器の総流出口面積の適切な比の例は、２：１、２．５：１、３．２：１、４：１、４．５：１、３．２：１（例えば２．１：１、３．２：１、例えば３．２：１）であってもよい。
【００５８】
別態様においては、拡散器は、拡散器リングの流出口の後縁に配置された１つ以上の渦取込みデバイスを備えた第１拡散器リングを具備していてもよい。渦取込みデバイスは、随意的に第１拡散器リングと一体として形成されてもよい。
【００５９】
拡散器は、例えば限定されるものではないが、円筒、卵形、または円錐の形態（例えば円錐形態）の構造体に関連した抵抗を減少する任意の形態を有してもよい。
【００６０】
拡散器リングは、下流方向にある各拡散器リングが直前のリングよりも低い空気力学的キャンバーを備えるように構成されてもよい。実施形態においては、各拡散器リングは、下流方向の、それよりも前の拡散器リングよりも低いキャンバーを備えている。理論によって拘束されることを望むことなく、拡散器ダクトの幾何形状的増大を形成することにおけるこの結果は、漸次的に低い出口圧力を導くことが確信される。拡散器は径方向に向けられた複数のガイドベーンをさらに具備していてもよく、これらのガイドベーンは、第１端部が拡散器の第１部分に接続され、且つ第２端部が拡散器の第２部分に接続されている。実施例においては、ガイドベーンは翼形状であってもよいが、これは本質的なことではなく、任意の適切な形状が使用され得る。ガイドベーンは拡散器に追加の構造的なサポートを提供するために設けられてもよい。追加の構造的なサポートは、例えば異なった風の負荷による拡散器の空気弾性変形を容易にし得る。
【００６１】
拡散器は少なくとも部分的に空気弾性材料によって形成されてもよい。実施例においては、拡散器は１つ以上の空気弾性フラップから成っていてもよい。拡散器の変形は、一般的な風速に従って、気流ストール（airflow stall）を（低い風速に関して）防止されるか、または（高い風速に関して）可能となることを可能にしていてもよい。低い風速状態（例えば２０ｍ／ｓよりも低い）においては、気流ストールの防止は迎え角を減少するための拡散器の同調を含んでいてもよい。例えば、拡散器は同調されて、気流が風力タービンのロータブレードの先端に向けられるようにしてもよい。風速に依存した、拡散器の異なった空力形状への受動的な空気弾性的同調は、風力タービンが低い風速においてさえ電気を生成し続けることを可能にし得る。気流ストールを含んだ高い風速状態（例えば２０ｍ／ｓよりも大きい）においては、例えば迎え角が増大するように拡散器の同調を含んでいてもよい。気流ストールの誘起は、拡散器を通じて気流を減少するために、および／または高い風速において構造を保護するように抵抗を減少させるために、使用されてもよい。空気弾性的同調はタービン拡散器によって生じる抵抗の大きさを減少するためにも使用されてもよい。
【００６２】
拡散器またはタービンロータブレードを構成するために空気弾性材料を使用するこことは、拡散器および／またはタービンロータブレードを機械的に調節するシステムを使用する（例えばヒンジシステムの使用）よりも、風力タービンの複雑さを減少し、信頼性および構成の容易さの増大に寄与している。例えば、風力タービンロータブレードの、ピッチを変更するための調節は、一般的に機械的ベアリングおよび／または回転動力を使用して実行されている。回転動力は油圧システムまたは電気システムであってもよい。ブレーキシステムは、タービンロータの速度を調節するために、または危険な風の状態においてもしくは保守のためにロータを停止するために、使用されてもよい。これらのシステムは風力タービンの複雑さを増大し、突風が吹く状況においては十分に素早くブレードのピッチを変更し得ない。複雑な回転およびブレーキシステムは、タービンが高い風速の状態においてその技術的限界を超えた場合に破損しやすく、発電機が過熱し、且つ／または風力タービンに復旧困難な損傷を与える原因を生じるかもしれない。
【００６３】
さらなる実施形態においては、タービンロータブレードは随意的に少なくとも部分的に空気弾性材料から形成され、風の負荷の下で制御された変形を提供するように配置されてもよい。空気弾性材料からタービンロータブレードを形成することは、ブレードが瞬間的な風の状況に従って受動的に同調されることを可能にしており、ブレードピッチおよびロータ速度の調節に関する複雑な機械システムの必要性を減少または排除し得る。
【００６４】
ここに記載されたような、拡散器を伴った風力タービンの増強は、等しいロータ直径の古典的な風力タービンと比較した場合、風力エネルギから電気エネルギへのより効率的な変換に加えて、多くの利点を備え得る。上述のように、ピーク出力は径方向速度分布の制御を介して風速およびロータトルクとともに操作され得る。追加の特徴は、乱気流の発生を減少するために拡散器内に統合され、タービンが他のタービンにより接近して組み付けられることを可能にしてもよい。このことは、陸上のおよび特に沖合の設備に関して経済的な利得を提供し得る。乱気流の発生を減少させることを促進するために使用され得る多くの特徴が、ここに記載されている。さらに、ブレード先端の渦を制御または排除することによって、囲まれたロータブレードは騒音公害の発生量を減少し得る。いくつかの実施形態においては、ここに記載された拡散器システムは現行の適切なタービン設備に組み込まれてもよい。
【００６５】
ここに記載された拡散器により増強された風力タービンは、地上のタービンに限定されるものではないことが理解されるだろう。拡散器により増強されたタービンは、例えば沖合の風力タービン（例えば浮揚タービン）において水上または水中に配置されてもよい。拡散器により増強された風力タービンは例えば繋留タービンのような空気中のタービンであってもよい。例えば、拡散器は浮袋のような持ち上げ部品を追加的に統合していてもよく、浮袋はタービンを上昇させるために（ヘリウムのような）空気よりも軽い物質によって充満されていてもよい。
【００６６】
図１は、上述の複数の拡散器リングを備えた拡散器の側面図である。この実施形態においては、風力タービンは拡散器１００を備えて増強され得る。拡散器１００は、流入口１０４と流出口１０６とを備えた第１（一次）拡散器リング１０２を具備し、この図内において流出口面積は流入口面積よりも大きくなっている。図１の拡散器は２つのさらなる拡散器リング１０８、１１０も備えており、それらのさらなる拡散器リングは第１拡散器リング１０２と同軸に且つ第１拡散器リング１０２から下流にある。各拡散器リング１０８および１１０も流入口（図１においては隠れている）および流出口を備えており、それらは個々に１１２および１１４として示されている。図において暗示されたように、下流の拡散器リング１０８および１１０の流入口面積は直前の上流の拡散器リングの流出口面積よりも小さく（例えば拡散器リング１０８の流入口は拡散器リング１０２の流出口１０６よりも小さい）、拡散器リング１０８および１１０の流出口面積（個々に１１２および１１４）はそれらの拡散リングの流入口面積よりも大きい。
【００６７】
図１に示されたように、拡散器は随意的にさらに中心シャフト１１６を具備していてもよい。中心シャフト１１６は拡散器の外観に統合されていてもよく、または風力タービンの上部構造の一部であって、構造支持機能を備えていてもよい。拡散器により増強された風力タービンにおいては、中心シャフト１１６は発電機とギアとを収容したナセルを形成していてもよく、それらはタービンの機械エネルギを電気エネルギに変換するために使用されることが可能である。図１に示されたように、中心シャフト１１６は空力的デザインを有し得る。随意的に、中心シャフト１１６は回転可能であり、回転ベアリングを介して風力タービンタワーに対して接続され得る。
【００６８】
図１に示されたように、拡散器により増強された風力タービンは、前方回転ベーン１１８のようなガイドベーンをさらに随意的に具備していてもよい。前方回転ベーン１１８はタービン面の上流に配置されており、拡散器を通過する気流のねじれを減少するために配置されている。気流が拡散器に到達する前の気流のねじれを減少することによって、風の動エネルギをロータの機械エネルギに変換する効率の上昇が達成されることが可能である。
【００６９】
図２は、破線で示された内部構造を伴った、拡散器により増強された風力タービンの側面図である。図２の実施形態においては（ここに記載された全図にあるように）、拡散器１００はタービンロータカウリングを形成しており、水平軸に関して回転可能な拡散器要素は無い。
【００７０】
タービンロータ２００は、（１つ〜４つのタービンロータブレード（例えば３つのタービンロータブレード）のような）１つ以上のタービンロータブレード２０２を具備している。風力タービンロータブレード２０２は、迎え角を増大または減少するために、風の状態にしたがって調節されてもよい。一次拡散器リングの流出口２０４は図２において破線で示されている。一次拡散器リング２０４の流入口はタービンロータの面の前（上流）に配置されており、流出口２０４はタービンロータの後ろ（下流）に配置されている。図２に示されたように、各さらなる拡散器リング２０６、２０８の流入口はタービン面の後ろに配置されているが、このことは本質的なことではなく、流入口はタービン面の前でもよい。各さらなる拡散器リングの流入口２０６、２０８は図２において同一平面上として示されているが、このことは本質的なことではない。他の例においては、さらなる拡散器リングの流入口２０６、２０８は同一平面上に無くてもよい。拡散器は随意的に１つ以上のスロットギャップ２１０を組み込んでいてもよく、スロットギャップは図３を参照して以下においてより詳細に論じられている。
【００７１】
気流がタービンロータブレードを越える場合、空気の境界層が存在する。境界層はタービンロータブレードの表面に密接した静止空気の近傍と、自由流れ速度において移動する、いくらか離れた空気と、の間の遷移領域である。境界層の最大厚さは通常はタービンロータブレードからの距離によって定義されており、そこでは気流の速度は自由流れ速度の９９％である。タービンロータブレードのプロファイルに依存して、空気はしばしば薄い境界層内で表面の大半を横断してスムーズに流れる。
【００７２】
境界層の確実な性質は、タービンロータブレード構造および気流ならびに空気の速度を含んだ多くの因子に依存している。しかしながら、境界層は（層状の）層流または（乱雑な）乱流のいずれでもあり得る。翼の失速の増大と同様に、境界層内の流れの詳細は、物体の表面摩擦抵抗および熱伝達を含んだ空力における多くの問題に関して非常に重要である。当業者は境界層の物理学の概念に精通しているが、より詳細な事項は例えば非特許文献１に見受けられる。
【００７３】
境界層は、流れの分離の過程においてタービンロータブレードの表面から分離する傾向にある。タービンロータブレードに対する境界層の速度がほぼ０まで落ち込んだ場合に、流れの分離は発生する。空気の流体流れはブレードの表面から分離するようになり、代わって渦および渦巻きの形成が生じる。そのような流れの分離は淀んだ空気の泡を分離した層の下に発生させ、追加の抵抗を生じさせる。抵抗の巨大な増加は効率を低減し、ロータを失速させるかもしれない。淀んだ空気の泡は、１つ以上のタービンロータブレードを、分離点を下流に移動させるように形成することによって減少され、または排除さえもされ得る。例えば、タービンロータブレードは以下の1つ以上の特徴を組み合わせてもよい。
（ａ）空気の流れの境界層内の乱流を誘起する材料によって形成される、
（ｂ）部分的に波形の構造を備える、
（ｃ）攪拌機を取り付ける、および／または
（ｄ）渦発生器を取り付ける。
【００７４】
これらの特徴は境界層を乱流内に移動させ、淀みを防止し得る。乱流境界層はより多くのエネルギを含んでおり、負圧の勾配がより大きい規模に到達するまで分離を遅らせ、効果的に分離点をさらに下流に移動させ、場合によっては完全に分離を排除する。
【００７５】
攪拌機は（例えばタービンロータブレードに取り付けられたジグザグのストリップ等の）機械的攪拌機、または（例えばタービンロータブレード内の小孔が境界層内の空気を吹き飛ばすような）空気圧的攪拌機であってもよい、
【００７６】
渦発生器は、タービンロータブレードに取り付けられた小さいベーンまたは瘤であってもよい。渦発生器は空気を活動的に引き込み、空気を外側から急速に移動させ、境界層をゆっくりと移動させてタービンロータブレードと接触させ、境界層を再度活性化する。
【００７７】
実施例においては、渦発生器は断面が長方形または三角形である。渦発生器は境界層の部分的な厚さに等しい厚さを備えていてもよい。例えば、渦発生器は境界層の厚さの５０％〜９０％であってもよい。渦発生器は、渦発生器が局所的な気流に対して迎え角を備えるように配置されてもよい。
【００７８】
拡散器は（図３に示されたスロットギャップ３００のような）1つ以上のスロットギャップを備えていてもよい。スロットギャップを通過した空気は、例えば攪乱されていない気流の圧力のような自由流れ値に近い全圧力を有し得る。１つ以上のスロットギャップは、高エネルギの気流が拡散器の外側から拡散器壁を通じて拡散器に入ることを可能とすることによって、高エネルギの気流が拡散器内の低エネルギの気流を再活性化することを可能にしている。このことは流れの分離を防止し、強化された拡散器を有効にしている。1つ以上のスロットギャップは、任意の非常に大きいキャンバー角が付けられたた拡散器リングの内部の領域に配置されてもよい。非常に大きいキャンバー角が付けられたた拡散器の内部の領域にスロットギャップを配置することは、スロットギャップを通じて入る高エネルギの空気を拡散器を、拡散器を通過する低エネルギの空気と混合することを容易にしている。
【００７９】
スロットギャップは空気圧チャンバに接続されていてもよい。空気圧チャンバは正圧において空気を収容する加圧されたハウジングである。実施形態においては、吸気スロットは、空気を空気圧チャンバへと圧送するために、空気圧チャンバに接続されていてもよい。空気は空気圧チャンバから圧送され、リングの内面のスロットギャップを通過し、拡散器を通過する気流内に流れる。速い動きの圧送された空気はその後方の遅い動きの境界層を吸い込み、遅い空気を加速させ得る。このことは拡散器を通る気流を増大させ得る。空気は（例えば外部パワー供給を備えたコンプレッサのような）動的圧送システム、油圧システム、または代替機械システムによって圧送され得る。本発明の態様においては、拡散器リング内には１つ以上の空気圧チャンバが存在し、各々がリングの周の部分を含んでいる。本発明の別の態様においては、１つの空気圧チャンバが存在し、それはリングの周の大部分を通って伸びていてもよい。本発明の態様においては、１つの空気圧チャンバはリングの周の大部分を含み、空気圧チャンバは追加的にリングの構造的支持を提供するために配置された１つ以上の仕切り板または隔壁を具備していてもよい。１つ以上の空気圧チャンバが統合された場合、圧送システムは随意的に要求に応じてオンおよびオフを切り替えられてもよい。他の実施形態においては、システムは能動的圧送を行うことの無い受動システムであってもよい。
【００８０】
図３は図２の拡散器内のスロットギャップの例を示した拡大図である。実施形態においては、１つ以上のスロットギャップ３００は第１拡散器リングの全厚さを通じて伸びている。別の実施形態においては１つ以上のスロットギャップ３０２は追加的にまたは代替的に１つ以上のさらなる拡散器リングに配置されている。
【００８１】
図４は渦発生器４００が取り付けられた拡散器を図示している。渦発生器４００は拡散器の内面に取り付けられていてもよい。上述したように、渦発生器４００もタービンロータブレードに取り付けられてもよい。図４に示されたように、渦発生器４００は一次拡散器リング１１６の流出口近傍に位置していてもよいが、渦発生器４００はここに記載された拡散器の任意のセクションに配置され得る。拡散器に取り付けられた渦発生器はタービンロータブレードに取り付けられた渦発生器と同一の機能を示し、拡散器内の低エネルギの気流を再活性化している。
【００８２】
図５は、例えば図２の拡散器のような拡散器の後方の等角図を示している。拡散器は、拡散器に構造的支持を提供するために配置され得る、１つ以上のさらなる後方回転ガイドベーン５００を具備し得る。上述したように、前方回転ベーンに関して、後方回転ベーンは追加的な構造的支持を提供し、例えば異なった風の負荷の下において拡散器の空気弾性変形を容易にする。図５においては、後方回転ベーン５００はタービンロータ面の下流に配置されており、拡散器を通過したロータ後方の気流のねじれを減少するように配置されている。
【００８３】
後方回転ベーンは、第１端部が拡散器の第１部分に接続され且つ第２端部が拡散器の第２部分または中心シャフトに接続されるように配置されてもよく、ガイドベーンは例えば図５に示したように、構造的支持を拡散器に与えるように配置されてもよい。
【００８４】
本発明に別の態様によれば、水平軸風力タービン拡散器はタービンカウリングを形成するように配置された第１拡散器リングと、流入口および流出口を備えた拡散器リングと、を具備し、流出口面積は流入口面積と等しいかまたはそれよりも大きくなっており、拡散器は拡散器リングの流出口の後縁に配置された１つ以上の渦取込みデバイスを具備していてもよい。１つ以上の渦取込みデバイスは渦取込みシステムを形成していてもよい。
【００８５】
図６は渦取込みシステムの例を図示している。実施形態においては、渦取込みシステム６００は１つ以上の動力学的空気弾性的な渦取込みデバイスを具備し得る。実施形態においては、渦取込みシステムは複数の微細構造の渦を生じさせ、それらの渦は自身の周囲を取り巻き、これによって単純な形状において見られるよりもタービンロータ面から下流のより低い圧力を誘起する。タービンロータ面の後方の圧力の減少はタービンブレードを通じた吸入を増大し、それ故に効率を増大している。渦取込みデバイスは図６に示されたように第１拡散器リングの後縁に取り付けられてもよいが、拡散器の任意のまたはすべての後縁に取り付けられてもよいことは重宝する。実施例においては、渦取込みデバイスは第１拡散器リングの流出口の後縁および１つ以上のさらなる拡散器リングの流出口の後縁に取り付けられていてもよい。１つ以上の渦取込みデバイスは拡散器リングと一体に形成されていてもよい。それとは異なり、１つ以上の渦取込みデバイスは、溶接、接着、または他の機械的取り付け手段を使用して拡散器リングに取り付けられていてもよい。
【００８６】
実施形態においては、渦取込みデバイスは、拡散器を通過する高エネルギの気流を拡散器に存在する低エネルギの気流と混合することによって、追加的に上述の再活性化機能を実行してもよい。このことは抵抗の誘起を減少する結果となる。
【００８７】
例えば、渦取込みデバイスの先端は拡散器の他の部分よりもより高い湾曲度を有していてもよく、そこのとは拡散器によって悩まされる、誘起される抵抗を減少する。追加的にまたは代替的に、渦取込みデバイスは、微細構造渦を発生させるために、先端近傍の局所的な上反角を増加させるように上向きに傾斜されていてもよく、このことはタービン面後方の圧力をさらに減少させ、誘起される持ち上げ抵抗を減少させる。
【００８８】
渦取込みデバイスは空気弾性的であり、それらは、多様な風の負荷において誘起された抵抗および渦の取込みの減少を最適化するために、異なった風の負荷の下で変形する。
【００８９】
拡散器の誘起された抵抗を減少し且つ風力タービンシステムの効率を改善するために、１つ以上のガイドベーン１１８、５００、改良されたタービンロータ２０２、スロットギャップ２１２、渦発生器４００、または渦取込みシステム６００は単独で使用されてもよく、またはここに開示された発明のいずれかの拡散器と結合して使用されてもよい。それに加えて、拡散器により増強された風力タービンにおいて１つ以上のこれらの特徴を使用することは、下流の後方乱気流を減少させる補助となる。後方乱気流はタービンロータ面の後方の伴流渦の形成によって引き起こされる。後方乱気流の減少は、増強されていないタービンまたはこれらのいずれかの特徴を備えることなく拡散器によって増強されたタービンよりも、タービンがより密接に配置されることを可能にしている。より密接したタービンの配置の能力は、効率を改善し、環境の衝撃および標準的なウィンドファームのコストを低減している。例えば、増大した効率は、同量の電力が従来の風力タービンファームに必要とされていたよりもより狭い敷地面積で生成されることを可能にしている（用地費の減少および風景の視覚影響の減少）か、またはより多くの電力が同量の敷地面積で生成されることを可能にしている。
【００９０】
拡散器は拡散器の外側に配置された１つ以上の通気構造を具備していてもよい。各通気構造は１つ以上の吸気スロットに接続されており、空気は拡散器リングの流出口を通じて、および通気構造も通じて拡散器から流出する。例えば、吸気スロットは１つの通気構造または複数の通気構造に接続されていてもよい。それとは逆に、１つの通気構造が複数の吸気スロットに接続されていてもよい。吸気スロットは、拡散器リングに構造的支持を提供する、部分的に厚くなった１つ以上の仕切り板またはセパレータを備えていてもよい。吸気スロットは、拡散器リングに構造的支持を提供する、部分的に厚くなった１つ以上の仕切り板またはセパレータを備えていてもよい。
【００９１】
通気構造は吸気スロットに直接接続されていてもよく、随意的に、スロットギャップに関連して記載された上述の空気圧チャンバのような１つ以上の空気圧チャンバを介して吸気スロットに接続されていてもよい。本発明の別の実施形態においては、タービン面の後方の圧力の減少を補助するために、空気は能動的にまたは受動的に空気圧チャンバから吸引され、リングの外側面の１つ以上の吸気スロットを通過する。吸気構造は拡散器を通過する高エネルギの空気の拡散器の出口となり得る。高エネルギの気流との相互作用は、拡散器を出る空気の淀みを防止している。通気構造は、その断面積を増加することなく装置の流出口面積も増大する。さらに、通気構造は、拡散器リングをフラップ構造に接続することによって、構造的一体性を増大するために使用されてもよい。
【００９２】
本発明の態様においては、拡散器は一次拡散器リングと、１つ以上の通気構造と、１つ以上の吸気スロットと、を具備している。１つ以上の通気構造は第１拡散器リングの外側面に配置され、各通気構造は吸気スロットに接続されていてもよい。拡散器は、複数のさらなる拡散器リング（例えば１つ〜４つの拡散器リング）、例えば２つまたは３つのさらなる拡散器リング（例えば１つまたは２つのさらなる拡散器リング）を随意的に具備し、使用されてもよい。
【００９３】
拡散器に取り付けられた通気構造は、拡散器外側においてわずかに向きを変えた風の状態を補足する補助となり、このことは拡散器の外側により高い圧力を生じさせ、より効率的な吸気を導き得る。実施例においては、通気構造は、誘起された抵抗の原因となる、拡散器外側の高圧の空気が真下の低圧の空気へと拡散器を回転させることを防止している。通気構造はタービンのヨーアライメント（yaw alignment）にも役立ち、代替的なパッシブウィンドヨートラッキングシステム（passive wind yaw tracking systems）の必要性を打ち消し得る。多くの近代的な風力タービンはアクティブヨートラッキングシステム（active yaw tracking systems）を備え、通気構造の使用はアクティブウィンドトラッキングの補助となり得る。
【００９４】
拡散器は１つ以上の通気構造を具備し、第１拡散器リングと同軸の且つそこから下流の１つ以上のさらなる拡散器リングも具備していてもよく、１つ以上のさらなる拡散器リングも流入口と流出口とを備えている。拡散器リングの流入口面積は直前の上流の拡散器リングの流出口面積よりも小さく、流出口面積はその拡散器リングの流入口面積と等しいかまたはそれよりも大きい（例えば各拡散器リングの流出口面積はその流入口面積よりも大きい）。
【００９５】
通気構造は、拡散器からの空気の排出を増大するために、アクティブポンピングシステム（active pumping system）と結合して使用されてもよい。別の実施形態においては、通気構造は、上述の受動的にまたは能動的に圧送されるスロットギャップとは対照的に、高エネルギ吹き出しスロットギャップに空気を提供するために使用されてもよい。
【００９６】
図７は複数の通気構造７０８を備えた拡散器の実施形態の前方の等角図を示している。図７に示されたように、風力タービンは拡散器７００によって増強されており、水平軸の周りに回転可能な拡散器エレメントは備えておらず、流入口７０２と流出口７０４とを備えた第１（一次）拡散器リング７０２を具備しており、流出口面積は流入口面積と等しいか、またはそれよりも大きい（例えば流出口面積は流入口面積よりも好適に大きい）。
【００９７】
図７の拡散器は、追加的に１つ以上の通気構造７０８および１つ以上の吸気スロット７１０を特徴としている。１つ以上の通気構造は１つ以上の拡散器リング、例えば第１拡散器リングの外側面に配置されていてもよく、通気構造７０８は１つ以上の吸気スロット７１０に接続されていてもよい。吸気スロットは、第１拡散器リングの全厚さを通じて略径方向に延びている。
【００９８】
実施形態においては、通気構造は拡散器リング７０２のキャビティまたは空気圧チャンバ内の圧力を減少させる。したがって、空気はロータ面の後方に位置した吸気スロット７１０から流出する。したがって、拡散器の流出口は拡散器リングの流出口と、各通気構造の流出口と、から形成されている。実施形態においては、拡散器の流出口の総面積はその最大の断面積よりも大きい。いくつかの実施形態においては、いくつかの通気構造の流出口およびいくつかの拡散器の流出口は、図７の通気構造７０８の配置によって示されたように、ロータ面の前に配置されている。通気構造と吸気スロットとは第１拡散器リングの一次フラップに配置されてもよい（図７では図示略）。
【００９９】
本発明の別の実施形態においては、通気構造７０８は、例えば（上述の空気圧チャンバのような）空気圧チャンバを介してスロットギャップ（図示略）に接続されていてもよく、空気は拡散器内の低エネルギの気流の再活性化を促進するために、通気構造内に引き込まれ、再活性化は、上述の通り、拡散器の外側からの高エネルギの気流が拡散器壁を通じて拡散器に入ることを可能にすることによって行われる。
【０１００】
図８は、図７に示された複数の通気構造７０８を備えた拡散器の実施形態の後方の等角図を示している。通気構造７０８は、例えば図８に示されたような後方回転ガイドベーン８００のようなガイドベーンに接続されるように伸ばされてもよい。通気構造の後方回転ガイドベーン８００への接続は負荷の制御を補助し、拡散器の構造的統合性を維持することを補助し得る。
【０１０１】
図９は通気構造の例を図示したものである。通気構造７０８は翼形状の断面を形成した中空チャネル構造であり、理論的に、接着されることを所望していない。この裏付けは通気構造の下流において気流のエネルギ損失を減少させ得ると考えられる。例えば、通気構造７０８は受動または能動システム内の空気圧チャンバ（図示略）に接続されてもよい。能動システムは、上述の吸気スロットおよびスロットギャップに関連して記載されたように、空気を拡散器内に圧送するか、または拡散器の外の空気を吸引する。
【０１０２】
ここに記載された任意の拡散器により補強された風力タービンのタービンロータは、中心シャフトナセルの後方且つタービンの原理的垂直軸の下流に配置され、原理的垂直軸はタービンの首振りに関する軸である。実施例においては、タービンが使用される場合に、ロータは支持タワーの下流（風下）に配置され得る。実施例においては、タービンの垂直首振り軸の下流のタービンロータは、タービンロータが上述のパッシブヨーシステムの一部として作用することを可能にしている。実施例においては、タービンは機械的指示システムの補助なしに自由に風の方向を向き得る。
【０１０３】
拡散器により増強された風力タービンは、最大で１０までのロータ（例えば５つのロータ、３つのロータ、または特に２つのロータ）の第１ロータと同軸の且つ第１ロータより下流の１つ以上の追加のロータを含んでいてもよい。１つ以上のタービンは、同一の発電機または別々の発電機（例えば同一の発電機）を随意的に回転させる、それらの結合された同一回転を伴った同一回転ブレードとされてもよい。エネルギは次のロータの打撃（例えば、ロータブレードの先端において次のロータの底部を打撃する）を起こすことから回収されてもよい。一方向において質量を放出または加速するシステムはそのシステムに釣り合うが反対向きの力を生じる。単一ロータの風力タービンは顕著な量の接線方向または回転方向の空気の流れを生じ得る。この接線方向の空気の流れのエネルギは、１つのタービンのみが存在する場合には浪費され得る。第１タービンの下流に配置された第２タービンは、この気流をうまく利用する。
【０１０４】
さらなる実施形態においては、タービンロータは、同一の発電機または異なった発電機（例えば同一の発電機）に動力供給し得る逆回転ロータとされてもよい。２つ以上の逆回転タービンは複雑なギア機構および首振り機構の必要性を排除し得る。逆回転タービンは発電機の回転速度を増大するために使用されてもよい。実施例においては、各タービンロータの１つ以上のタービンロータはわずかに前方に傾斜され、後方のタービンロータに接触することを回避している。別の実施例においては、１つ以上のタービンまたはより多くのタービンは異なった径とされてもよい。
【０１０５】
拡散器の流出口または出口の総面積は、一次ロータ面の下流の流出口の数から成る。下流の流出面積は、上述の１つ以上の通気構造および１つ以上の吸気スロットを随意的に含んでいてもよい。拡散器は随意的に１つ以上のさらなる拡散器リングも含み、さらなる拡散器リングは第１拡散器リングと同軸に且つ第１拡散器リングから下流に位置し、１つ以上の拡散器リングも流入口と流出口とを備えている。下流の拡散器リングは第２タービンロータの面の下流とされてもよい。１つ以上のさらなる拡散器リングの各々の流入口面積は、直前の上流の拡散器リングの流出口面積よりも小さく、各拡散器リングの流出口面積はその流入口面積よりも大きいか、または流入口面積と等しく、これは上述の通りである。
【０１０６】
ここに記載されたように、空気は各拡散器リングの部分を通じて拡散器から逃げることが可能であり、各拡散器リングは直後の下流の拡散器リングによって塞がれていない。したがって、拡散器の流出口は、下流の拡散器リングの流入口領域によって塞がれていない各拡散器リングの部分を含み得る。したがって、第１ロータ面の下流の拡散器の流出口面積はその最大の垂直断面積よりも大きい。
【０１０７】
図１０は、同軸ロータを備えた、拡散器により増強された風力タービンの側面を示した図であり、第１タービンロータ１０００は１つ以上のタービンブレードを具備し、第２タービンロータ１００２は１つ以上のタービンブレードを具備し、これらのロータは同一の駆動シャフト（図示略）に接続され得る。図１０に示されたように、多数の吸気スロット１００４と１つ以上のさらなる拡散器リング１００６、１００８とが、第１ロータ面の下流に配置され得る。
【０１０８】
上述の拡散器により増強された風力タービンは１つ以上の発電機を具備していてもよく、１つ以上の発電機は少なくとも１つの発電機ステータと少なくとも１つの発電機ロータとを具備し、１つのステータまたはロータは第１拡散器リング内に固定されるか、または組み込まれており、他の発電機ステータまたは発電機ロータは少なくとも１つのタービンロータブレードの先端に固定されるか、または組み込まれている。拡散器内に組み込まれた発電機およびタービンロータブレードは中心支持シャフト内の発電機を増強し得るかまたは置き換え得る。
【０１０９】
好都合なことに、ここに記載された拡散器の形態は、図１〜１０を参照するとともにこれまでに記載されたいずれかのまたはすべての他の特徴を、単独でまたは結合して統合してもよい。
【０１１０】
ここに与えられた任意の範囲または装置の価値が追及される効果を喪失することなく拡張されまたは変更され得ることは、当業者には明確である。
【０１１１】
上述の利得および利点は一実施形態に関連しているか、または複数の実施形態に関連し得ることが理解される。実施形態は、任意のもしくはすべての提示された問題を解決する実施形態か、または任意のもしくはすべての利得および利点を備えた実施形態に限定されるものではない。
【０１１２】
「１つ」の要素の任意の参照は、１つ以上のそれらの要素を参照している。「具備する」との用語は、ここでは方法のブロックまたは特定された要素を含んでいることを意味しているが、そのようなブロックもしくは要素は専用のリストを含んでおらず、方法もしくは装置は追加のブロックまたは要素を含み得る。
【０１１３】
ここに記載された方法のステップは、任意の適切な順番、または必要に応じて同時に実行されてもよい。また、個別のブロックは、ここに記載された主題の思想および範囲から逸脱することなく任意の方法から削除されてもよい。上述の任意の実施例の態様は、記載された他の任意の実施例の態様と結合されて、追及される効果を喪失することなくさらなる実施例を形成してもよい。特定された方法のブロックまたは要素は専用のリストを含んでおらず、方法もしくは装置は追加のブロックまたは要素を含み得る。
【０１１４】
好適な実施形態の上述の記載は実施例のみとして与えられており、多様な改良が当業者によってなし得ることが理解される。多様な実施形態がある程度の特殊性とともに、もしくは１つ以上の個別の実施形態を参照するとともにこれまでに記載されているが、当業者は、この発明の思想および範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に多くの変化を与え得る。上述の利得および利点は一実施形態に関連して、または複数の実施形態に関連している。実施形態は提示された任意のもしくはすべての問題を解決する実施形態、または提示された任意のもしくはすべての利得および利点を備えた実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【０１１５】
１００  ・・・拡散器
１０２  ・・・第１拡散器リング
１０４，７０２  ・・・流入口
１０６，２０４，７０４  ・・・流出口
１０８，１１０，２０６，２０８，１００６，１００８  ・・・さらなる拡散器リング
１１２，１１４  ・・・流出口面積
１１６  ・・・中心シャフト
１１８  ・・・前方回転ベーン
２００  ・・・タービンロータ
２０２  ・・・タービンロータブレード
２０４，７０２  ・・・一次拡散器リング
３００，３０２  ・・・スロットギャップ
４００  ・・・渦発生器
５００，８００  ・・・後方回転ベーン
６００  ・・・渦取込みシステム
７０８  ・・・通気構造
７１０，１００４  ・・・吸気スロット
１０００  ・・・第１タービンロータ
１００２  ・・・第２タービンロータ
【図１】
2014513233.tif 000003
【図２】
2014513233.tif 000004
【図３】
2014513233.tif 000005
【図４】
2014513233.tif 000006
【図５】
2014513233.tif 000007
【図６】
2014513233.tif 000008
【図７】
2014513233.tif 000009
【図８】
2014513233.tif 000010
【図９】
2014513233.tif 000011
【図１０】
2014513233.tif 000012
【国際調査報告】
2014513233.tif 000013
2014513233.tif 000014
2014513233.tif 000015
2014513233.tif 000016
2014513233.tif 000017