(57)【要約】  本発明のある実施形態では、非回転型風力エネルギー発生機は、ビームの振動線形運動を発生させるために、渦放出の流体流動原理および自励振動を使用し、ビームの両端の近くに随意で位置する線形磁気インダクタは、ビームの運動時に電力を発生させる。【選択図】図３
2014510877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非回転型風力エネルギー発生装置であって、
渦放出を使用して、風力エネルギーに応答して振動運動を開始および持続するように動作可能な懸架された鈍頭物体と、
前記懸架された鈍頭物体の前記運動を介してエネルギーを発生させるように動作可能なインダクタシステムと、
を備える、非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項２】
前記懸架された鈍頭物体は、
少なくとも１つのビームを移動可能に支持するフレームと、
１つ以上の第１のばねと、
１つ以上の第２のばねであって、
前記１つ以上の第１のばねが、前記フレームの第１の部分を前記ビームの第１の部分に取り付け、前記１つ以上の第２のばねが、前記フレームの第２の部分を前記ビームの第２の部分に取り付け、前記ビームが、前記フレームの前記第１の部分と第２の部分との間で懸架されるようにし、
前記インダクタシステムが、前記ビームまたは前記フレームの第３の部分のうちの１つに取り付けられた少なくとも１つのインダクタを備える、
前記１つ以上の第２のばねと、
前記フレームの前記第３の部分または前記ビームのうちの１つに取り付けられた少なくとも１つの磁石であって、
風への露出時の前記ビームの運動が、前記第１のインダクタに、前記少なくとも１つの磁石を通過させる、
少なくとも１つの磁石と、
を備える、請求項１に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項３】
前記ビームは、Ｄ字形を有する、請求項２に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項４】
前記ビームは、中空である、請求項２または３に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項５】
１つ以上のガイドレールをさらに備える、請求項２、３、または４の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項６】
１つ以上の追加のビームと、
１つ以上の追加の上方ばねと、
１つ以上の追加の下方ばねと、
をさらに備え、
前記１つ以上の追加の上方ばねは、前記追加のビームの第１の部分を前記ビームの第３の部分に取り付け、前記１つ以上の追加の下方ばねは、前記追加のビームの第２の部分を前記ビームの第４の部分に取り付け、前記１つ以上の追加のビームが、前記フレームの前記第１の部分と第２の部分との間に懸架されるようにする、
請求項２に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項７】
前記フレームの前記第１の部分は、上方部分であり、前記ビームの前記第１の部分は、上方部分であり、前記フレームの前記第２の部分は、下方部分であり、前記ビームの前記第２の部分は、下方部分である、請求項２〜５の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項８】
前記フレームの前記第３の部分は、側方部分である、請求項２〜７の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項９】
前記ビームは、実質的に水平に懸架される、請求項２〜８の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項１０】
前記ビームの前記運動は、実質的に垂直である、請求項９に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項１１】
前記ビームの表面は、均一に滑らかである、請求項２〜１０の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項１２】
前記ビームの表面は、部分的に滑らかである、請求項２〜１０の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項１３】
前記ビームの表面は、均一に粗い、請求項２〜１０の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項１４】
前記ビームの表面は、部分的に粗い、請求項２〜１０の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのインダクタまたは前記少なくとも１つの磁石は、前記ビームの第１の端部に取り付けられる、請求項２〜１４の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項１６】
前記ばね質量は、自己振動運動を促進するように選択される、請求項２〜１５の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項１７】
前記ビームは、四角形、円柱形、反転Ｄ型ビーム（風は、平面部分以外の前記ビームの円形部分に主に入射する）、および入射風に対する配向を「上回る」または「下回る」等辺くさび形から成る群から選択される断面幾何学的形状を有する、請求項２〜１５の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項１８】
前記ばねは、静止状態で伸張される、請求項２〜１７の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項１９】
前記ビーム質量は、自己振動運動を促進するように選択される、請求項２〜１５の何れか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置。
【請求項２０】
風力エネルギーを発生させる方法であって、
渦放出を使用して、風力エネルギーに応答して振動運動を発生させるために、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の非回転型風力エネルギー発生装置を風に露出することと、
誘導を使用して、前記非回転型風力エネルギー発生装置の運動を介してエネルギーを発生させることと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「Ｎｏｎ−Ｒｏｔａｔｉｎｇ  Ｗｉｎｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ」と題する２０１１年４月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／４７６１０３号の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づく利益を主張し、本米国仮特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、風から電力を発生させることに関する。
【背景技術】
【０００３】
持続可能で環境に優しい風力発電の増え続ける需要は、現在、風力タービン等のデバイスで対応している。風力タービンは、風から電力を発生させる最も一般的に使用される方法であるが、風力タービンには、いくつかの固有の欠点がある。これらのデバイスは、費用が掛かり、建設、設置、および保持が難しく、非常に目立ち、騒々しく、大型で、損傷を受けやすく、かつ輸送および組み立てが比較的難しい。その高い構造によって、飛行破片、鳥、さらには低空飛行の飛行機からの損傷を受けやすい。また、米軍は、懸念を表明しており、レーダーシステムの視線内に風力タービンを配置することが、脅威を検出する設備の能力に悪影響を及ぼし得ることを主張している。また、風力タービンを回転させることは、遠隔地での静かで目立たない発電を必要とする軍事用途には不適切である。加えて、高風速に直面するときに、機械式ブレーキを適用しなければならず、これによって、損失および非効率性が生じる。ゆえに、静かで目立たないように、有用な電力量を発生させることのできる携帯型の非回転型デバイスの必要性がある。
【０００４】
Ｖｏｒｔｅｘ  Ｈｙｄｒｏ  Ｅｎｅｒｇｙが構築するシステムは、波エネルギーを利用するために水中における渦放出の原理を使用する。当会社は、Ｖｏｒｔｅｘ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ａｑｕａｔｉｃ  Ｃｌｅａｎ  Ｅｎｅｒｇｙ（ＶＩＶＡＣＥ）と呼ばれるデバイスを開発した。本製品は、機械的運動を流体流動から生成させる主な手段として渦放出を使用する。本システムは、海流において水中で動作するように設計される。本システムは、異なる流速における最適化を可能にするように固有周波数を動的に変化させる電気的に可変のばね定数システムを使用する。本システムは、空気の流体流動特性間の大きな差により、風力発電には不十分である。空中の渦放出の周波数は、水中の放出周波数よりもずっと早い。ゆえに、システムの固有周波数を放出周波数と一致させると、極めて大きいばね定数が生じ得る。このサイズのばねは、大量の移動力を必要とする。残念ながら、この用途の揚げ特徴は、このばね定数を上回る十分な揚げを提供せず、振動は発生しない。
【０００５】
ゆえに、静かで目立たないように、有用な電力量を発生させることのできる携帯型の非回転型デバイスの必要性がある。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の態様は、風力を利用することへの新規の手法に関する。本発明のある実施形態では、デバイスは、ビームの振動線形運動を発生させるために、渦放出の流体流動原理および自励振動を使用する。本発明のある実施形態では、ビームの両端に随意で位置する線形磁気インダクタは、ビームの運動時に電力を発生させる。
【０００７】
本発明のある実施形態では、非回転型風力エネルギー発生装置は、渦放出を使用して、風力エネルギーに応答して振動運動を開始および持続するように動作可能な懸架された鈍頭物体と、懸架された鈍頭物体の運動を介してエネルギーを発生させるように動作可能なインダクタシステムと、を備える。１つ以上の実施形態では、懸架された鈍頭物体は、少なくとも１つのビームを移動可能に支持するフレームと、１つ以上の第１のばねと、１つ以上の第２のばねであって、１つ以上の第１のばねが、フレームの第１の部分をビームの第１の部分に取り付け、１つ以上の第２のばねが、フレームの第２の部分をビームの第２の部分に取り付け、ビームが、フレームの第１の部分と第２の部分との間で懸架されるようにし、インダクタシステムが、ビームまたはフレームの第３の部分のうちの１つに取り付けられた少なくとも１つのインダクタを備える、１つ以上の第２のばねと、フレームの第３の部分またはビームのうちの１つに取り付けられた少なくとも１つの磁石であって、風への露出時のビームの運動が、第１のインダクタに、少なくとも１つの磁石を通過させる、少なくとも１つの磁石と、を備え得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ビームは、Ｄ字形を有し得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ビームは、中空であり得る。先行する実施形態のうちのいずれかは、１つ以上のガイドレールをさらに備え得る。先行する実施形態のうちのいずれかは、１つ以上の追加のビームと、１つ以上の追加の上方ばねと、１つ以上の追加の下方ばねと、をさらに備え得、１つ以上の追加の上方ばねは、追加のビームの第１の部分をビームの第３の部分に取り付け、１つ以上の追加の下方ばねは、追加のビームの第２の部分をビームの第４の部分に取り付け、１つ以上の追加のビームが、フレームの第１の部分と第２の部分との間に懸架されるようにする。先行する実施形態のうちのいずれかでは、フレームの第１の部分は、上方部分であり得、ビームの第１の部分は、上方部分であり得、フレームの第２の部分は、下方部分であり得、ビームの第２の部分は、下方部分であり得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、フレームの第３の部分は、側方部分であり得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ビームは、実質的に水平に懸架され得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ビームの運動は、実質的に垂直であり得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ビームの表面は、均一に滑らかであり得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ビームの表面は、部分的に滑らかであり得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ビームの表面は、均一に粗くなり得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ビームの表面は、部分的に粗くなり得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、少なくとも１つのインダクタまたは少なくとも１つの磁石は、ビームの第１の端部に取り付けられ得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ばね質量は、自己振動運動を促進するように選択され得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ビームは、四角形、円柱形、反転Ｄ型ビーム（風は、平面部分ではなくビームの円形部分に主に入射する）、および入射風に対する配向を「上回る」または「下回る」等辺くさび形から成る群から選択される断面幾何学的形状を有し得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ばねは、静止状態で伸張され得る。先行する実施形態のうちのいずれかでは、ビーム質量は、自己振動運動を促進するように選択され得る。本発明のさらなる態様では、先行する実施形態のうちのいずれの非回転型風力エネルギー発生装置を風に露出することは、渦放出を使用して、風力エネルギーに応答して振動運動を発生させ、誘導を使用して、非回転型風力エネルギー発生装置の運動を介してエネルギーを発生させる。
【０００８】
本発明の目的は、同等の電力を生成し、携帯型で、輸送し易く、かつ損傷を受けにくい風力タービンの非回転型代替を提供することにある。いくつかの実施形態では、デバイスは、住居用または大規模風力タービンよりも大幅に小型である。いくつかの実施形態では、デバイスは、キャンプ場または前進作戦軍事基地等の遠隔地まで、容易に解体、収容、および輸送されることができる。いくつかの実施形態では、デバイスの動作によって、目立たなく、かつ事実上静かな動作が可能になる。
【０００９】
本発明の前述のおよび他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に例示されるように、本発明の好適な実施形態の以下の説明から明白になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】渦の形成および後続の運動を明示する、渦放出の略図である。
【図２】円柱についてのストローハル数とレイノルズ数との間の関係を示すレイノルズ数対ストローハル数のグラフである。
【図３】側面図（３Ａ）および正面図（３Ｂ）に示すように、本発明の一態様に従う非回転型風力エネルギー発生機の略図である。
【図４Ａ】本発明のある実施形態に従う非回転型風力エネルギー発生機の斜視図を提供する。
【図４Ｂ】本発明のある実施形態に従う非回転型風力エネルギー発生機の斜視図を提供する。
【図５】１つ以上の実施形態に従うビームの斜視図である。
【図６】各々が同じ特性長さの４つの異なる断面形状を有する一連のビームについての、揚力係数対時間（秒）のプロットである。
【図７】０．００１ｍ、０．０２５ｍ、０．０５ｍ、０．０７５ｍ、および０．１ｍの特性長さを有する一連のＤ型ビームについての、揚力係数対時間（秒）のプロットである。
【図８】揚力（Ｎ）対時間（秒）のプロットであり、ビーム（本明細書ではＤ型ビーム）のサイズが、渦放出により生成された揚力にいかに影響するかを明示する。
【図９】本発明のある実施形態に従うインダクタアセンブリを示す。
【図１０】１つ以上の実施形態に従う非回転型風力エネルギー発生機のための装着システムの図である。
【図１１】１つ以上の実施形態に従う、ビームをフレーム上に装着するための装着システムを示す。
【図１２】本発明の１つ以上の実施形態に従うビームの斜視図である。
【図１３】１つ以上の実施形態に従う非回転型風力エネルギー発生機の電圧トレースである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の態様は、風力を利用することへの新規の手法に関する。一態様では、風流による非回転運動から電気を発生させるためのデバイスが提供される。風は、典型的には、非定常流として特徴付けられるため、デバイスは、非定常流特徴で動作可能である。システム効率を最大限にするために、摩擦および抗力による損失は最小限に抑えられ、電気エネルギー収穫の方法が最適化される。デバイスは、輸送および配置が簡単である。約６ｍ／ｓの公称風速が、試作品設計およびテストの基礎として使用される。しかしながら、実物大のシステムは、広範囲の風速で動作することができる。
【００１２】
非回転型風力エネルギー発生は、まず、風流から非回転運動を確立し、次に、電気を発生させるようにその運動を使用することによって提供される。一態様では、デバイスは、現在市場にある風力タービンと同様の回転運動を使用しないが、代わりに、デバイスは、渦放出の流体流動原理および自励振動を使用して、ビームの振動線形運動を発生させる。
【００１３】
渦放出（渦離脱、「voltex shedding」）の現象は、鈍頭物体を流体流動に配置するときにその後ろで形成する交互の渦の形成を伴う。振動により生じる揚力は、これらの渦が放出されるときにその物体に作用する。渦放出は、流体流動が鈍頭物体を通過するときに生じる。その物体を通過する流体流動は、物体の下流側に交互の低圧渦を生成し、物体は、低圧帯に向かって移動する傾向にある。最終的に、渦放出の周波数が、構造の共振周波数に一致する場合、その構造は、共振し始め、その構造の移動は、自己持続することができる。
【００１４】
これらの渦および結果として生じる揚力の強度は、鈍頭物体の断面形状およびサイズに直接関連する。渦の形成および後続の運動について図１に示す。ストローハル数（Ｓｔ）（以下の数式１参照）と呼ばれる無次元定数を使用して、これらの渦が発生する周波数を予測することが可能である。
【数１】
2014510877.tif 000003
本数式中、ｆは、渦放出周波数であり、Ｌは、特性長さであり（以下の数式２参照）、ｖは、物体に接触する前の流体流動の速度である。
【数２】
2014510877.tif 000004
数式２は、水力直径の定義を提供し、数式中、Ａは、水面下の物体の面積であり、Ｐは、物体の浸水外周である。特性長さＬは、ストローハル数とレイノルズ数との両方で表される。
【００１５】
物体が、ある範囲のレイノルズ数内の流体流動に配置されるとき、ストローハル数により予測可能な周波数で一連の渦が発生する。数式３は、物体に接触する前の流体の速度（接近速度）、Ｖ、特性長さ、Ｌ、流体の密度ρ、および流体の粘度、μの関数としてレイノルズ数を定義する。
【数３】
2014510877.tif 000005
【００１６】
予測可能な渦放出のためのレイノルズ数の許容範囲を図２に示す。図２における曲線は、円柱のためのものである。Ｄ型ビームのためのストローハル数の報告値は、０．２１であり（例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｂｙ  Ｒｏｂｅｒｔ  Ｄ．  Ｂｌｅｖｉｎｓ，  Ｖａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ  Ｒｅｉｎｈｏｌｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ，  １９８４参照）、レイノルズ数とは無関係である。図２は、Ｄ型ビームのためのストローハル数を表す直線水平線を示す。上記数式（１）から、ｆ＝ＳｔＶ／Ｌであり、したがって、Ｄ型ビームの一定のＳｔにより、振動の周波数は、風速とともに増加し、Ｌが増加するにつれて減少する。所定の平均風速では、所望の周波数のビームのサイズを決めることができる。他の形状では、ストローハル値は、異なり得るが、同様の工程を使用して、所望の周波数の鈍頭物体のサイズを決めることができる。ある組の流動状態は、放出周波数が発生するために存在しなければならない。Ｖｏｎ  Ｋａｒｍａｎ  Ｖｏｒｔｅｘ  Ｓｔｒｅｅｔと呼ばれるこの一連の渦で生成される各渦には、交互の高圧範囲および低圧範囲がある。鈍頭物体は、低圧範囲に引き付けられ、振動合力を生成する。本発明の実施形態では、この力を使用して、発電機システムの運動を開始する。
【００１７】
１つ以上の実施形態では、ビーム設計は、風への露出時に自励振動を提供するように選択される。自励振動は、システムの運動が、継続的に増加する振幅によりその固有周波数でシステムを振動させる現象である。本発明の１つ以上の実施形態では、渦放出は、ビームの自励振動を開始する。１つ以上の実施形態では、ビームは、風流への露出時に、システムの固有周波数で振動し続ける。１つ以上の実施形態では、システムは、ばねを使用して、振動の振幅を制御する。さらに追加の実施形態では、システムは、振動の振幅を制限するために止め具を利用する。
【００１８】
図３は、本発明の一態様に従う、非回転型風力エネルギー発生機３００の略図である。一態様では、ビーム３０３は、風向３０２に実質的に垂直である渦放出によるビームの振動運動を提供するように、フレーム３０５に摺動可能に装着され、または、実質的に垂直である構成要素を有する。ビームには、少なくとも一対のばね３０４が装備され、ばね３０４は、渦放出を受けるビームに復元力を提供するようにビームの上方および下方に位置付けられる。これにより、風との接触中にビームの振動運動が提供される。ばねは、ラッチ、フック、溶接、接着、およびその同等物等の従来の方法を使用して、フレームに固定されることができる。ばねまたは他の接合デバイスが受ける高応力により、固定方法は、高い材料強度および低い疲労寿命を提供することが望ましい。一定のばね定数を維持するために、コイル径および／またはコイルの数は、ワイヤの直径が増加するにつれて増加しなければならない。線形磁気インダクタ３０１は、ビームの両端近くに位置するように示される。しかしながら、線形磁気インダクタ３０１は、任意の数でどこに位置してもよい。線形磁気インダクタ３０１は、ビームの運動時に電力を発生させる。減衰システム３０７は、振動の振幅をさらに制御するように提供されることができる。
【００１９】
非回転型風力エネルギー発生デバイスは、ビームの風との相互作用を使用して、渦放出および線形運動を誘起し、次に、渦放出および線形運動は、電磁インダクタにより電力に変換される。１つ以上の実施形態では、インダクタは、ワイヤコイルと同心である磁石を組み込む。他の実施形態は、動作中に磁石の間で通過するビームに固定される平行固定磁石および方形コイルの多数の対を使用してもよい。平行磁石／コイル構成の使用は、少なくとも１つの実施形態において、同心磁石／コイル構成よりも優れていることが、実験的に証明されている。この構成により、磁石とコイルとの間のより大きな隙間が可能になる。これは、ビーム運動中の摩擦による減衰を防止することに役立つ。平行固定磁石の使用により、線形インダクタにおける磁場の強度が増加する。磁場強度は、磁気インダクタにおける電力発生の要因である。
【００２０】
図４Ａおよび４Ｂは、本発明のある実施形態に従う非回転型風力エネルギー発生機を示す。本実施形態では、磁石４０１、インダクタアセンブリ４０２、ビーム４０３、ばね４０４、フレーム４０５、ガイドレール４０６、および調整可能なＬ型ブラケット４０８が存在する。本実施形態では、ビーム４０３およびフレーム４０５の各々は、Ｊ型フック４０７から成る４つの連結点を有する。フレームの高さは、上部部材を事前に掘られた穴の位置に上下に移動させることによって調整される。フレームは、木材、金属、プラスチック、または振動中に十分な支持をビームに提供する任意の他の材料から作製される。例えば、フレームは、動作力のもとで湾曲または屈曲するべきではない。本実施形態では、４つのばね４０４が、Ｊ型フック４０７を介してビーム４０３をフレーム４０５に取り付ける。本実施形態では、ビーム４０３と調整可能なＬ型ブラケット４０８との間、およびビーム４０３と風よけ４０６との間に隙間空間がある。風よけは、ガイドレールにおけるビームに対する風の側圧を減少させ、かつ摩擦の量が減少している間にビームが正しい方向に振動することを維持する。
【００２１】
本発明のある実施形態では、風力エネルギーは、懸垂されたビーム４０３の自励振動および渦放出を誘起するために使用される。渦放出の流体流動現象は、１つ以上のビーム４０３の振動運動を開始および持続するために使用される。この往復運動は、磁石４０１およびインダクタアセンブリ４０２を使用する磁気誘導を介して電気を発生させるために使用される。インダクタアセンブリのある実施形態については、図９においてより詳細に説明する。本発明のいくつかの実施形態では、磁石は固定であり、ワイヤコイルは、磁石に対して移動する。本発明のさらなる実施形態では、ワイヤコイルは固定であり、磁石は、ワイヤコイルに対して移動する。本発明のまたさらなる実施形態では、磁石とコイルとの両方が移動してもよい。
【００２２】
渦放出周波数がシステムの固有周波数と一致するとき、極めて大きい運動振幅が達成される。本発明の実施形態では、ばねシステムは、振動挙動を制御および維持する。ばねは、ビームが懸垂されることを維持するために、同じばね張力を有し得る。本発明の実施形態では、ばねの数、サイズ、および剛性は、変動してもよい。振動移動は、放出だけによって引き起こされるわけではない。自励振動と呼ばれる現象も、本発明の実施形態における継続的運動を担い得る。本発明の実施形態では、渦放出が小さい変位入力を誘起した後、システム自体の運動が、風流にある間にその固有周波数でシステムを振動させる。本発明のいくつかの実施形態では、ばね４０４の定数は、０．１ｌｂｓ／ｉｎから最大３ｌｂｓ／ｉｎまでの範囲である。
【００２３】
本発明の実施形態では、第２のビーム（またはそれ以上）が、２自由度系（それ以上）のために、第１のビームに平行に装着されてもよい。
【００２４】
図５は、本発明のある実施形態に従うビーム５０１を示す。本実施形態では、ビームは、内部が中空であり、かつＤ字形であり、インダクタアセンブリ５０２は、ビーム５０１の各端部に取り付けられる。本発明のある実施形態では、Ｄ字形ビームは、長さが２４インチ（インダクタアセンブリを除く）、直径が２インチ、壁厚が１／８インチ、および重さが０．５ポンドである。本発明のある実施形態では、０．５ｌｂｓ／ｉｎの同等のばね剛性を、０．５ｌｂビームとともに使用してもよい。
【００２５】
他の実施形態では、他のビーム形状を使用してもよい。例えば、ビームは、四角形、円柱形、反転Ｄ型ビーム（風は、円形部分ではなく、ビームの平面部分に主に入射する）、および入射風に対する配向を「上回る」または「下回る」等辺のくさび形であってもよい。加えて、本発明の実施形態では、ビームの表面は、滑らかであってもよく、本発明のさらなる実施形態では、表面は、粗く、均一であり、または選択された位置にあってもよい。本発明の実施形態では、ビームには、周波数および振幅を調整するために、最適質量の重りが装備されてもよい。
【００２６】
１つ以上のビームを、非回転型風力エネルギーデバイスに使用することができる。いくつかの実施形態では、複数のビームは、ビーム間に硬質スペーサを含むことができ、多重ビームシステムは、上方ビームおよび下方ビームに取り付けられたばねによって、フレームに固定されることができる。他の実施形態では、複数のビームは、ばねによって、相互に、およびフレームに接合されることができる。
【００２７】
各ビームは、多種多様の従来の手段を使用して、フレームの側面に固定されることができる。例えば、ビームは、中心導管１１０１を有するリング１１００において各側面で終端となることができ、ロッド１１０２は、ビームをフレーム１１０３に固定するために中心導管を通して装着されることができる。中心導管には、抵抗を減少させるために、線形または球形軸受が装備されることができる。例示的装着システムは図１１に示される。本実施形態では、４つの事前に伸張されたばね１１０６が、アセンブリの上部および底部に取り付けられる。この事前伸張は、フレームの上部ビームを引き上げることによって調整されることができる。
【００２８】
他の実施形態では、バンパー式システムが使用され、この場合、システムは、自由に振動するべきである。強い突風が吹く場合、風よけが、ビームの正確な方向への振動を維持するとともに、摩擦の量を減少させる。図４Ａおよび４Ｂは、垂直に配向され、かつ装置の前部および後部のフレームの側面の近くに配置される風よけを示すが、風よけは、任意の数でどこに位置してもよい。
【００２９】
ビームのさらなる実施形態を図１２に示す。ビーム１２００自体は、質量を最低限に抑えるために中空であることができる。各端部に、２つの円柱容器１２１０が存在する。ある用途について、ビームの質量を調整するために容器に重りを加えることができ、または誘導システムを収容するために容器に入れるようにコイル１２３０を作製することができる。また、円柱容器を覆うスナップ式キャップ１２２０も、バンパーとしての役割を果たす機能を果たす。キャップのあるガイドレールよりも大きい直径の穴１２４０を、各キャップの上部に開けることができる。
【００３０】
図６は、異なる形状を有するビームの揚力係数対時間のプロットである。比較する能力を提供するために、各ビームの特性長さは、０．１ｍで一定に維持された。円柱形、Ｄ型ビーム、「上回る」くさび形、および「下回る」くさび形の断面形状を有するビームを比較した。Ｄ型ビームは、他のモデルのビームシステムに比べて、一定であり、かつ大きい振幅を維持する揚力を示した。
【００３１】
ビームの長さは、任意の所望の用途について、振動振幅および振動周波数を提供するように変動されることができる。所定のビーム形状および材料のビームの各特性長さは、典型的には、同じ大きさの揚力係数を提供する。しかしながら、特性長さが減少するにつれて（全ての条件は同じとする）、渦の周波数は増加する。これは、図７に明示されており、図７において、異なる特性長さを有するＤ型ビームの特性がモデル化された。図７において、０．００１ｍ、０．０２５ｍ、０．０５ｍ、０．０７５ｍ、および０．１ｍの特性長さを有する一連のＤ型ビームについて、揚力係数が、時間（秒）に対してプロットされる。振幅は類似していたが、周波数は、ビームの長さの変化に応じて変動した。周波数とビームの長さとの間のこのような関係が観測されたが、ばね力も振動周波数に重要な役割を果たす。１つ以上の実施形態では、振幅は、作動ばねの長さ、初期伸張、ばね定数、および風速に依存する。変動するばね定数およびばねの長さを有する様々なばねを使用して、所望のばね定数を提供することができる。
【００３２】
図８は、揚力（Ｎ）対時間（秒）のプロットであり、ビーム（本明細書ではＤ型ビーム）のサイズが、渦放出により生成された揚力にいかに影響するかを明示する。サイズが増加するにつれて、周波数は減少し、揚力は増加する。長さ、形状、および直径を有するビームの選択は、選択された（高）周波数および振幅を有する非回転型風力エネルギー発生機を提供する。本発明の好適な実施形態では、ビームは、Ｄ字形を有する。例示的Ｄ型ビームについての、ビーム周波数および揚力は、表１に提供される。
【表１】
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【００３３】
１つ以上の実施形態では、ビーム設計は、風への露出時に自励振動を提供するように選択される。自励振動は、システムの運動が、継続的に増加する振幅によりその固有周波数でシステムを振動させる現象である。この設計の場合、Ｄ型ビームは、風流への露出時に、システムの固有周波数で振動し続ける。その固有周波数で振動する自励システムを提供するために、ビームを移動させるのに必要な力を、より低い質量およびばね定数を使用して減少させることができる。
【００３４】
線形磁気誘導は、使用可能な電力量を発生させるために提供される。ファラデーの法則は、電圧が、磁束の変化率に等しいことを述べる。ファラデーの法則および磁束は、数式６および７にそれぞれ示される。永久磁石は、磁場を形成し、エネルギーは、その磁場を通って移動するワイヤのループを介して捕捉される。
【数４】
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εは、誘導電圧であり、φBは、磁束であり、Ｂは、磁場強度であり、Ａは、ループの断面積であり、θは、磁場がループの面積に垂直であるベクトルと作る角度である。
【００３５】
現在の設計は、固定コイルを通して磁石を移動させることを伴うものもあれば、一方で、固定磁石の上のコイルの移動を伴うものもある。磁束の変化が、発生する電圧の量を規定することに留意することが重要である。全ての回転型電気発生機は、磁気誘導を使用して、磁場を通してワイヤのコイルを回転させることによって電圧を発生させる。持続的に変化するθによる絶えず変化する磁束は、一定の電圧を生成する。
【００３６】
図９は、本発明のある実施形態に従うインダクタアセンブリ９０１を示す。本実施形態では、インダクタアセンブリ９０１は、スプール９０２と、スプール９０２に巻き付くワイヤ９０３と、スプール９０２およびワイヤ９０３が適合するビームのエンドキャップ９０４とを備える。１つ以上の実施形態では、可動ビームは、ワイヤのスプールを含み、ワイヤのコイルは、固定磁石の上を通過する。他の実施形態では、支持フレームは、ワイヤのコイルを保持し、永久磁石または電磁石を有する可動ビームは、固定ワイヤコイルの上を通過する。
【００３７】
本発明の実施形態では、巻数、ワイヤゲージ、およびインダクタアセンブリの他の特性は、変動してもよい。本発明のある実施形態では、３２のゲージワイヤを使用してもよい。
【００３８】
本発明の実施形態では、平行磁石インダクタは、往復ビーム運動から電気を発生させるために使用される。このようなインダクタは、同心磁石およびコイル構成の実施形態で発生し得る運動減衰問題を克服することができる。
【００３９】
図１０は、本発明のある実施形態に従う非回転型風力エネルギー発生機の断面図を示す。図１０で分かるように、本実施形態では、磁石１００１は、調整可能なＬ型ブラケット６０５を介してガイドレール１００４に取り付けられる。本実施形態では、ビーム１００３とガイドレール１００４との間、ならびにビーム１００３と調整可能なＬ型ブラケット１００５との間に隙間が存在する。本発明の実施形態では、磁石１００１およびインダクタ１００２の位置は、逆でもよい。本発明のある実施形態では、８０２０アルミニウム骨組材料を使用して、フレームを形成してもよい。アセンブリの両側に調整可能なスライドを使用して、磁石およびアルミニウムガイド壁を保持してもよい。
【００４０】
本発明のある実施形態では、システムは、約３０ＶＡＣおよび２．７Ｗの電力を発生させることが可能である。
【００４１】
試作品は、図４Ｂに示すように構築された。試作品は、平均風速４ｍ／ｓを生成可能な大型工業用送風機を使用して組み立てられた。Ｄ型ビームは、長さが２４インチ（インダクタアセンブリを除く）、直径が２インチ、壁厚が１／８インチ、および重さが０．５ポンドであった。３組のばねが、システムが自励し得る一般的な範囲のばね定数を得るためにテストされた。ばねの定数は、０．１ｌｂｓ／ｉｎから最大３ｌｂｓ／ｉｎの範囲であった。このおよその範囲のばね剛性を使用して、同等のばね剛性は、ビームの重量に対応し、かつ自己誘導振動を発生させるように特定された（例えば、０．５ｌｂビームは、０．５ｌｂｓ／ｉｎの同等の合成で自励した）。８０２０アルミニウム骨組材料を使用して、フレームを形成した。３．２４ｌｂｓ／ｉｎの同等のばね定数の試作品は、インダクタにおける３２のゲージワイヤでテストされ、結果として２２Ｖの全電圧を生じた。アセンブリの電圧トレースを図１３に示す。３２のゲージワイヤは、融解する前に最大０．０９アンペアの電流についてのみ評価される。ゆえに、最大出力は、ワイヤの電流制限によって、制限された。０．０９アンペアの最大許容電流において、電力出力は、以下を使用して計算された：Ｐ＝ＩＶ＝０．０９Ａ*２２Ｖ＝１．９８Ｗ。
【００４２】
本発明のある実施形態では、デバイスは、現在の風力エネルギー発生機よりも大幅にさらに小型で可搬型であり得る。その小型設計によって、実施形態は、本質的に、風力タービン発生機の回転ブレードを容易に損傷し得る空中の脅威（鳥、飛行破片等）の影響を受けにくくなる。本発明のある実施形態では、発生機の固有の設計によって、多種多様の用途により有用になる。その携帯型でかつ容易に折り畳める設計によって、電子デバイスのモバイル充電に実用的になる（消費者目的および軍事目的のため）。その小型で、目立たない形状因子によって、視覚的に目立つ風力タービンが不適切であるより大規模の用途（例えば、ウィンドファーム、都市／郊外環境）に理想的になる。加えて、本発明のある実施形態では、実施形態の可動部品は、システムの本体内に含まれ、人間および動物に有害であり得る大型の回転ブレードよりも安全上の問題が少ない。本発明の実施形態の潜在的な用途は、本質的に無限である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図４Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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