(57)【要約】【課題】風力電気装置を提供する。【解決手段】円形の吸気シェルと円形の内表面を有する円形外殻とを備えた風力電気装置。円形シェル内には、同軸に配置されたタービンが設けられる。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。吸気シェルの楕円形である。吸気口後方において、吸気シェルの外表面の規定する楕円の長軸は、その最小の外殻の内表面規定する円周の直径の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設置されたタービンと、機械的エネルギーを変換するためにタービンに運動学的に接続された機構と、円形の内表面の断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楕円であり、
吸気口後方において、吸気シェルの外表面の規定する、前記楕円の長軸が、その最小の外殻の内表面の断面規定する、円周の直径の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】
前記外殻の外表面のシリンダーの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。
【請求項３】
前記吸気シェル、および／または、外殻の内表面の円錐体の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。
【請求項４】
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、農業、およびその他の経済活動の部門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接続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設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接続された機構と、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Ｎｏ．２２６１３６２，ｃｌ．ＦＯ３Ｄ１／０４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ュ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）が設計範囲を超えると、吸気シェルに流入す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、それが装置全体の作動信頼性を低下させる原因となる。また、空気流の増加速度（瞬間風速）が設計範囲を超えたときに表われる可変Ｇ負荷は、機械的エネルギー変換機構によって提供されるエネルギーパラメータ（たとえば電流）を不安定にさせる。
【００１０】
本発明は、風力電気装置の信頼性のある作動を確保し、タービンに供給され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り、生成されるエネルギーのパラメータの安定性を維持するための風力電気装置を作成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以上に増加するときに、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設置されたタービンと、機械的エネルギーを変換するためにタービンに運動学的に接続された機構と、円形の内表面の断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楕円であり、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、前記楕円の長軸が、その最小の外殻の内表面の規定する、円周の直径の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、外殻の外表面のシリンダーの側面によって規定されることによって解決される。
【００１４】
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側面によって規定さ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、外殻の内表面のシリンダーの側面によって規定されることによって解決される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、風力電気装置の信頼性のある作動を確保し、タービンに供給され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り、生成されるエネルギーのパラメータの安定性を維持するための風力電気装置を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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設置されている。すなわち、タービン２の対称の軸線は、吸気シェル１の対称の軸線３上に配置される。タービン２の上流側にはカウル４が設けられ、吸気シェル１に取付け金具（図示せず）によってしっかりと固定される。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に運動学的に接続され、たとえば地面にしっかりと固定されるように、または車に固定されるベースとして、支柱の形状の支持部（図示せず）上に設置される。タービン２は、風の方向に合わせて風下に装置の向きを変えるように、枢動可能に支持部に接続される。機械的エネルギー変換機構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。
【００２１】
吸気シェル１は、例えば、取付け金具７によって、その内表面９の断面が円である環状の外殻８に接続される。外殻８は、例えば、断面において翼の形状の流線形をしている。
【００２２】
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、この装置を容易に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と同軸に配置される。すなわち、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。
【００２３】
吸気シェル１の外表面１０の楕円形である（図２）。また、注目すべき条件としては、吸気シェル１の吸気口における吸気シェル１の外表面１０の規定する楕円の長軸Ｂは、その最小の外殻８の内表面９の規定する円周の直径Ｄの０．５５以上および０．９５以下である（すなわち、０．５５Ｄ≦Ｂ≦０．９５Ｄ）。
【００２４】
この装置の幾何学パラメータ間の前記比率は、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前記比率の範囲の上限は、吸気口後方において、吸気シェル１の外表面１０の規定する楕円の長軸の長さＢと、吸気口後方において、外殻８の内表面９の規定する円周の直径Ｄとの間の関係を規定する。ただし、計算値の空気流速度の最大余剰は約２５％である。
【００２５】
幾何学パラメータの比率（Ｂ／Ｄ）が、前記範囲の上限から逸脱すると、吸気シェル１は、吸気口における外表面１０の楕円形状のために、外殻８の吸気口における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。
【００２６】
また、この装置の幾何学パラメータ間の前記比率の範囲の下限は、吸気口後方において、吸気シェル１の外表面１０の規定する楕円の長軸の長さＢと、吸気口後方における外殻８の内表面９の規定する円周の直径Ｄとの間の関係を規定する。ただし、計算値の空気流速度の最大余剰は約２００％である。
【００２７】
幾何学パラメータの比率（Ｂ／Ｄ）が、前記範囲の下限から逸脱しても、外表面１０の楕円形状のために、吸気シェル１は実質的には外殻８の吸気口における空気流に対する局部抵抗を生み出さない。したがって、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。この装置の幾何学パラメータの比率（Ｂ／Ｄ）の具体的な値は、与えられた領域と、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。
【００２８】
風力電気装置の別の構造の実施例においては、外殻８の外表面１１（図２）のシリンダーの側面によって形成される。
【００２９】
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１２のおよび／または、外殻８の内表面９の少なくとも一部円錐体の側面によって形成される。
【００３０】
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１５のおよび／または、外殻８の内表面９の吸気シェル１の内表面１２の外殻８の内表面９の。
【００３１】
風力電気装置は以下のように作動する。
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に流入し、タービン２を回転させる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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ときに、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。
【００３５】
注目すべき点として、外殻８の吸気口は、いく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。
【００３６】
外殻８の吸気口の幅の縮小は、吸気シェル１の吸気口の楕円形状と、吸気口後方において、吸気シェル１の外表面１０の規定する楕円の長軸の長さＢにとって必要である。
【００３７】
したがって、外殻８の吸気口の幅の縮小の程度は、空気流の設計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、風力電気装置は、最大空気流エネルギーを取出すための作動条件で機能する。
【００３８】
空気流の速度が、例えば、強い突風などで、計算値以上に上昇すると、吸気シェル１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の排気口側から流入する第２のエネルギー流束が、減少する。
【００３９】
排出に関連する空気流の効率の減少は、外殻８に流入する空気流の速度が計算値以上に増加すると、外殻８の吸気口の領域の減少が、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生じさせる効果を低減させる要因となる。
【００４０】
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に流入す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。
【００４１】
空気流（風）の速度がさらに増加すると、外殻８に流入す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。
【００４２】
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。
【００４３】
このように、空気流の速度がその計算値まで低下すると、吸気シェル１の外表面１０の楕円形状が空気流に全く影響を及ぼさなくなるまで空気流の設計速度の場合）、空気流に対する局部抵抗の領域が減少する。
【００４４】
空気流の速度が変化すると、タービン２に流入するエネルギー流束は、環境条件の変化（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、装置の信頼性と作動耐久力が全体的に向上する。
【００４５】
例えば、与えられた気候条件における設計風速が６〜７ｍ／ｓで、最小断面での外殻８の内表面９を規定する円の直径Ｄが３．０ｍである場合、吸気口後方において、吸気シェル１の外表面１０の規定する楕円の長軸の長さＢは、１．６５ｍ以上および２．８５ｍ以下となる。
【００４６】
後者の吸気口後方において、吸気シェル１の外表面１０の規定する楕円の長軸の長さ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、吸気口後方において、吸気シェル１の外表面１０の規定する楕円の長軸の長さＢは約１．９０ｍとなる。また、空気流の最大速度が１４．０ｍ／ｓである場合、吸気口後方において、吸気シェル１の外表面１０の規定する楕円の長軸の長さＢは約２．６０ｍとなる。
【符号の説明】
【００４７】
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    取付け金具
８    外殻
９    内表面
１０  外表面
１１  外表面
１２  内表面
【図１】
2010537114.tif 000002
【図２】
2010537114.tif 000003
【図３】
2010537114.tif 000004
【国際調査報告】
2010537114.tif 000005
2010537114.tif 000006