(57)【要約】【課題】風力電気装置を提供する。【解決手段】環状の吸気シェルと、円形の内表面を有する環状の外殻とを備えた風力電気装置。環状のシェルは、それに同軸に配置されたタービンを収容している。機械的エネルギーを変換するための機構が、タービンに運動学的に接続される。吸気シェルの外表面の正多角形である。吸気口後方において、吸気シェルの外表面の規定する、正多角形の半径は、その最小の外殻の内表面の規定する、外接円の半径の０．５５以上および０．９５以下である。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の吸気シェルと、吸気シェル内に同軸に配置されたタービンと、機械的エネルギーを変換するように構成され、設計され、タービンに運動学的に連結された機構と、円形の内表面を有する環状の外殻とを備えた風力電気装置であって、
前記吸気シェルの外表面の正多角形であり、
吸気口後方において、吸気シェルの外表面の規定する、前記正多角形の半径が、その最小の外殻の内表面の規定する、円周の半径の０．５５以上および０．９５以下であることを特徴とする風力電気装置。
【請求項２】
前記吸気シェルの外表面の規定する正多角形の頂点が、少なくとも二次出力曲線によって規定される丸み付けを有することを特徴とする請求項１に記載の風力電気装置。
【請求項３】
前記外殻の外表面のシリンダーの外側面によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の風力電気装置。
【請求項４】
前記吸気シェル、および／または、外殻の内表面の円錐体の外側面によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の風力電気装置。
【請求項５】
前記吸気シェル、および／または、外殻の内表面のシリンダーの外側面によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の風力電気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電に関し、特に、風力を電気またはその他のエネルギーに変換する風力電気装置に関する。本発明は、産業や農業などに使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
環状の吸気シェルと、吸気シェル内に同軸に配置されたタービンと、機械的エネルギーを変換するタービンに運動学的に連結された機構とを備えた風力電気装置が知られている（１９８０年８月１９日公開の米国特許Ｎｏ．４２１８１７５，ｃｌ．Ｆ０３Ｄ１／０４を参照）。
【０００３】
公知の装置の問題点としては、タービン翼上の空気流の不均一な作動と、機械的エネルギーを変換する機構によって生成された電流のパラメータを不安定にさせる可変Ｇ負荷の原因となる要因と、空気流エネルギーの不完全な利用比較的低い効率が挙げられる。
【０００４】
技術的な本質に関して最も近く、達成可能な技術的結果は、環状の吸気シェルと、吸気シェル内に同軸に配置されたタービンと、機械的エネルギーを変換するタービンに運動学的に連結された機構と、環状の外殻を備えた風力電気装置である（２００５年２月１０日公開の特許参照Ｎｏ２２６１３６２，ｃｌ．Ｆ０３Ｄ１／０４を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４２１８１７５号公報
【特許文献２】米国特許公開第２２６１３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
公知の装置の構造は、タービン上の空気流の速度を上昇させるエジェクターの働きをする、環状の外殻を備えているので、上記の風力電気装置の欠点を部分的に除去し、それにより、風力電気装置の性能が向上する。最も関連する従来技術の問題として選ばれた公知の装置には、その比較的低い作動信頼性という欠点がある。
【０００７】
従来から知られているように、風力電気装置は、一定の範囲の空気流速度で最も好ましく作動する。空気流の速度（瞬間風速）が定格範囲を超えると、吸気シェルに入る空気流のエネルギーと、外殻により生み出される排出の両方が増加する。それによって、計算値を上回るタービンの回転速度の増加が必要となる。
【０００８】
このタービンの回転速度の増加は、機械的エネルギーを変換するために構成され、設計されているので、タービンに運動学的に連結された機構の速度を増加させることになる。
【０００９】
このように、従来の装置の構成要素は、増大した負荷において作動し、それが装置全体の信頼性を低下させる原因となる。また、空気流の速度（瞬間風速）が定格範囲を超えたときに表われる可変Ｇ負荷によって、機械的エネルギー変換機構によって生成されるエネルギーパラメータ（例えば、電流）が、不安定になることが思い出される。
【００１０】
本発明は、風力電気装置の信頼性のある作動と、タービンに供給されるあるエネルギーレベルを自動的に調節することによって、空気流速度の急激な増加から装置を保護することによって生成されるエネルギーのパラメータの安定性とを提供するための、風力電気装置を作製するという課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明を実行する際の達成可能な技術的結果は、空気流の速度が計算値を超えて増加する時に、タービンを通過する排出の程度を減少させることによって、タービンの回転速度を安定化させることにある。
【００１２】
設定された課題は、環状の吸気シェルと、吸気シェル内に同軸に配置されたタービンと、機械的エネルギーを変換するように設計され、タービンに運動学的に連結された機構と、円形の内表面を有する環状の外殻を備えた風力電気装置であって、
吸気シェルの外表面の正多角形であり、さらに、
吸気口後方において、吸気シェルの外表面の規定する、前記正多角形の半径は、その最小の外殻の内表面の規定する、円周の半径の０．５５以上および０．９５以下である風力電気装置によって解決される。
【００１３】
さらに、設定された課題は、吸気シェルの外表面の規定する正多角形の頂点が、少なくとも二次出力曲線によって規定される丸み付けを有することによって解決される。
【００１４】
さらに、設定された課題は、外殻の外表面のシリンダーの外側面によって設けられることによって解決される。
【００１５】
さらに、設定された課題は、吸気シェル、および／または、外殻の内表面の円錐体の外側面によって設けられることによって解決される。
【００１６】
さらに、設定された課題は、吸気シェル、および／または、外殻の内表面のシリンダーの外側面によって設けられることによって解決される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、風力電気装置の信頼性のある作動と、タービンに供給されるあるエネルギーレベルを自動的に調節することによって、空気流速度の急激な増加から装置を保護することによって生成されるエネルギーのパラメータの安定性とを提供するための、風力電気装置を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、風力電気装置を示す図である。
【図２】図２は、図１の矢印Ａの方向から見た図である。
【図３】図３は、風力電気装置の別の実施例を示す図である。
【図４】図４は、図３を矢印Гの方向から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の特定の実施例を示す図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、風力電気装置を示す図である。図２は、図１の矢印Ａの方向から見た図である。図３は、風力電気装置の別の実施例を示す図である。図４は、図３を矢印Гの方向から見た図である。
【００２１】
風力電気装置は、例えば、翼形状の、縦断面において流線形の環状の吸気シェル１を備えている。少なくとも１つのタービン２が、吸気シェルの内側にそれと同軸関係で配置されている。すなわち、タービン２の対称の長手方向の軸は、吸気シェル１の対称の長手方向の軸３上に配置されている。
【００２２】
タービン２の上流側には、取付け金具（図示せず）によって、強固に吸気シェル１に固定された、カウル４が設けられている。タービン２は、機械的エネルギーを変換するための機構５に運動学的に連結され、地面に固定されるように、または車に固定されるベースとして、例えば、支柱として構成され設計された支持部（図示せず）上に設置することができるようになっている。
【００２３】
タービン２は、風の方向に合わせて装置の向きを変えることができるように、回動動可能に支持部に連結されている。機械的エネルギーを変換するための機構５は、例えば、発電機、油圧ポンプ、または圧縮機として設計される。タービン２と機械的エネルギー変換機構５との運動学的関係は、例えば、ベルト駆動、プロペラシャフト、または歯車伝動装置として構成される。機構５は、中心体６の中に配置される。
【００２４】
吸気シェル１は、例えば、取付け金具７によって環状の外殻に接続され、外殻８は、例えば、縦断面において翼の形状の流線形をしている。
【００２５】
この装置は、外殻８または中心体６上に設けられた風向計表面（図示せず）を備えることができ、それによって、この装置を風下方向に向けることができるようになっている。外殻８は、吸気シェル１と同軸である。すなわち、より正確に言えば、吸気シェル１の対称の軸線３は、外殻８の対称の軸線である。
【００２６】
吸気シェル１の外表面９の、例えば、正三角形（図示せず）、正四角形（図４）、正五角形（図２）、正六角形（図示せず）などの正多角形である。
【００２７】
さらに特別な条件としては、吸気口後方において、吸気シェル１の外表面９の規定する正多角形の半径Ｂは、その最小の外殻８の内表面１０の規定する円の半径Ｐの０．５５以上で、０．９５以下である（すなわち、０．９５Ｐ≧Ｂ≧０．５５Ｐ）。
【００２８】
この装置の幾何学パラメータ間の前述した関係は、空気力学的な見地で実行された試験の際に実験的に得られたものである。この装置の幾何学パラメータ間の関係の前述した範囲の最小限は、吸気口後方において、吸気シェル１の外表面９の規定する正多角形の半径の値Ｂを規定する。ただし、計算値の空気流速度の最大余剰は、約２５％である。
【００２９】
吸気口後方において、吸気シェル１の外表面９の規定する正多角形の半径の値Ｂが、前述した範囲の下限値から逸脱すると、吸気シェル１は、その幾何学的形状のために、外殻８の吸気口において、空気流に対する局部抵抗を生み出す。それは、装置の作動に悪影響を及ぼし、計算値の空気流速度において、風力電気装置の効率を低下させる。
【００３０】
この装置の幾何学パラメータ間の前述した関係の範囲の上限は、吸気口後方において、吸気シェル１の外表面９の規定する、正多角形の半径の値Ｂを規定する。ただし、計算値の空気流速度の最大余剰は約２００％である。
【００３１】
吸気口後方において、吸気シェル１の外表面９の規定する、正多角形の半径の値Ｂが、前述した範囲の上限値から逸脱しても、吸気シェル１は、実質的には吸気シェル１の吸気口において、空気流に対する局部抵抗を生み出さない。
【００３２】
同様に、タービンの下流側で排出量が減少するために、タービンの回転速度は減少しない。吸気口後方において、吸気シェル１の外表面９の規定する正多角形の半径の具体的な値Ｂは、特別な領域と、装置の幾何学的特性と、その他のパラメータにおいて、空気流速度の統計データを考慮して、クレームの値の範囲から選択される。
【００３３】
この装置の別の構造の実施例においては、吸気シェル１の外表面９の規定する正多角形の頂点が、例えば、円、放物線、サイクロイドのような、少なくとも二次曲線によって規定される、丸み付け１１（図４）を有する。
【００３４】
風力電気装置のさらに別の構造の実施例においては、外殻８の外表面１２（図３）のシリンダーの外側面によって規定される。
【００３５】
風力電気装置のさらに別の構造の実施例においては、吸気シェル１の内表面１３のおよび／または、外殻８の内表面１０の円錐体（図３）の外側面によって規定される。
【００３６】
吸気シェル１の内表面１３のおよび／または、外殻８の内表面１０（図示せず）のシリンダーの外側面によって規定される。
【００３７】
風力電気装置は、以下のように作動する。
【００３８】
風向計の表面によって、風下方向に向いている装置の対称の軸線３に沿って動く空気流は、吸気シェル１を介して、タービン２に入り、タービン２を回転させる。
【００３９】
タービン２は、機械的エネルギー変換機構５に、運動学的に接続されているので、必要に応じて、機械的エネルギー変換機構５は、空気流のエネルギーを、ある種のエネルギーに変換する作動を開始する。
【００４０】
同時に、空気流は、外殻８の表面に沿って移動し、タービン２の下流において、装置の後部で、噴出による排出が生じることになる。
【００４１】
この空気流は、吸気シェル１の吸気口の側からと、外殻８の排気口の側からとの二つのエネルギー流束によって作動する時に、最高速度に達する。これによって、空気流から最大エネルギーを容易に取出すことができる。
【００４２】
注目すべき点として、外殻８の吸気口は、幾つかの対称的に配置された部分上で、縮小する幅を有するリングとして構成されている。
【００４３】
外殻８の吸気口の幅の縮小は、断面が正多角形である吸気シェル１の外表面９の少なくとも一部を構成するために関連があるとともに、その頂点の部分で正確に形成された領域の局所的減少部分を構成するために関連があるものである、
吸気口後方において、吸気シェル１の外表面９の規定する、正多角形の半径Ｂの値は、空気流の定格速度によって選択される。外殻８の吸気口の幅の縮小は、排出に関連する空気流の効率には、影響を及ぼさない。すなわち、さらに正確に言えば、風力電気装置は、最大空気流エネルギーを取出せるように作動する。
【００４４】
空気流の速度が、例えば、強い突風などで、計算値以上に上昇した時に、吸気シェルを介してタービン２に入るエネルギー流束が、増加する。そして、外殻８の排気口の側から入る第２のエネルギー流束が、減少する。
【００４５】
前述した排出の際に含まれる空気流の効率の減少は、外殻８に入る空気流の速度が、計算値以上に増加すると、外殻８の吸気口の制約が、外殻８を経由する空気流の通過速度を低下させる、局部抵抗の働きをすることに起因する。外殻８を経由する空気流の通過速度の低下は、排出の生成時に空気流が及ぼす影響の効果を低減させる要因となる。
【００４６】
このように、空気流の速度が計算値を超えると、吸気シェルの側からタービン２に入るエネルギー流束が増加するのと同時に、外殻８の排気口の側からタービン２に入るエネルギー流束が減少する。さらに、空気流の設計速度と空気流速度の著しい増加を考慮すると、タービン２に供給される全エネルギー流量は、実質的には変わらない。
【００４７】
空気流（風）の速度がさらに増加すると、外殻８に入る空気流に対する局部抵抗の領域が増加する。すなわち、外殻８を経由する空気流の通過速度が、さらに低下する。
【００４８】
空気流の速度がさらに計算値まで低下すると、タービンに供給されるエネルギー流束の再分配が起こる。すなわち、外殻８を利用した空気流の放出によって、タービン２に供給されるエネルギーの一部は、増加するものの、吸気シェル１を介して、タービン２に供給されるエネルギーの量は減少する。
【００４９】
このように、空気流の速度が、その計算値まで低下すると、吸気口後方において、吸気シェル１の外表面９の空気流の計算速度を考慮して）、空気流のどのような空気流に対する局部抵抗の領域が減少する。
【００５０】
空気流の速度が変化すると、タービン２に入るエネルギー流束は、環境の変化（突風など）にかかわらず、タービン２の出力軸の安定した回転速度を提供する要素である、その再分配によって、自動的に調節される。作動中のタービンの回転速度の安定性は、装置の部品の最大負荷を低減する。その結果、装置の信頼性と耐用年数が、全体的に向上する。
【００５１】
例えば、与えられた気候地域定格風速が、６〜７ｍ／ｓで、最小断面での外殻８の内表面１０の断面を規定する円の半径Ｐが、１．５ｍである場合、吸気口後方において、吸気シェル１の外表面９の規定する、正多角形の半径Ｂは、０．８２５ｍ以上および１．４２５ｍ以下となる。
【００５２】
吸気口後方において、吸気シェル１の外表面９の規定する、正多角形の半径Ｂの具体的な値は、与えられた気候地域最大風速特性に関連した特定の範囲から選択される。例えば、空気流の最大速度が９．０ｍ／ｓである場合、半径Ｂは、約１．３５ｍとなる。また、空気流の最大速度が、１４．０ｍ／ｓである場合、半径Ｂは０．８５ｍとなる。
【符号の説明】
【００５３】
１     吸気シェル
２     タービン
３     軸線
４     カウル
５     機構
６     中心体
７     取り付け金具
８     外殻
９     外表面
１０   内表面
１２   外表面
１３   内表面
【図１】
2010537112.tif 000002
【図２】
2010537112.tif 000003
【図３】
2010537112.tif 000004
【図４】
2010537112.tif 000005
【国際調査報告】
2010537112.tif 000006
2010537112.tif 000007