(57)【要約】  最適な電力生成のため、水平方向と対照的に、垂直方向に回転するよう設計された、垂直軸風車を提供する、垂直風車システム。風車は持続可能なエネルギーを作り出すために、風力運動エネルギーを最大限利用する。発電機は、風速が低下しても鈍化することなく、したがって採取する風力エネルギーの効率が向上するのを保証する。設計に応じて、風車の効率を改善するための簡略化した手段を提案する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直風車システムであって、
垂直マスターシャフトと、
少なくとも１つのフレームと、
複数の垂直風車フィンアセンブリであって、
垂直シャフト、複数のディスク、及び、少なくとも１つのプレートを各垂直風車フィンアセンブリが含み、
前記垂直シャフトが、
第１の端部、
第２の端部、及び
長手部
を有し、
前記複数のディスクが各々、
外径部、
スロットを伴う半径部、及び
内径部
を有する、
複数の垂直風車フィンアセンブリと、
を備え、
前記垂直マスターシャフト、少なくとも１つの前記フレーム、及び複数の前記垂直風車フィンアセンブリを含み、電力発電をもたらすよう組み合わせて機能する、垂直風車システム。
【請求項２】
各前記垂直シャフトの、前記第１の端部及び前記第２の端部は、コーン状先端部を備える、請求項１に記載の垂直風車システム。
【請求項３】
前記コーン状先端部の各々は強磁性材料を備える、請求項２に記載の垂直風車システム。
【請求項４】
少なくとも１つの前記フレームは空気力学の原理を応用しており、各々は複数の磁石を備える、請求項３に記載の垂直風車システム。
【請求項５】
複数の前記フレームは、前記垂直マスターシャフトの周りを取り囲むように取り付けられる、請求項４に記載の垂直風車システム。
【請求項６】
前記垂直マスターシャフトは、優勢な相対風向に依拠して、右回り方向に回転することができる、請求項５に記載の垂直風車システム。
【請求項７】
前記垂直マスターシャフトは、優勢な相対風向に依拠して、左回り方向に回転することができる、請求項５に記載の垂直風車システム。
【請求項８】
少なくとも１つの前記プレートは、最大９０°までの角度で回転することができる、請求項１に記載の垂直風車システム。
【請求項９】
複数の前記磁石は摩擦を最小に抑える、請求項４に記載の垂直風車システム。
【請求項１０】
前記強磁性材料を備えた前記コーン状先端部の各々は、複数の前記磁石のうちの対応する１つと係合する、請求項９に記載の垂直風車システム。
【請求項１１】
少なくとも１つの前記フレームは弓状である、請求項１に記載の垂直風車システム。
【請求項１２】
前記垂直マスターシャフトは、垂直軸に方向付けられ、前記垂直軸の周りに回転する、請求項５に記載の垂直風車システム。
【請求項１３】
複数の前記ディスクは、前記垂直シャフトに垂直方向に取り付けられる、請求項１２に記載の垂直風車システム。
【請求項１４】
複数の前記ディスクは、正確に４つの前記ディスクから成る、請求項１３に記載の垂直風車システム。
【請求項１５】
少なくとも１つの前記プレートは、前記垂直シャフトの前記長手部の一部に沿って、頂部の２枚の前記ディスクと底部の２枚の前記ディスクとの間に位置され、少なくとも１つの前記プレートは前記ディスクよりも小さい質量を有し、少なくとも１つの前記プレートの質量は、適切に重心を配分するよう呈さないマイナスのスロットボリュームの合計質量と等しい、請求項１４に記載の垂直風車システム。
【請求項１６】
軸受をさらに備える、請求項１に記載の垂直風車システム。
【請求項１７】
垂直風車システムであって、
垂直マスターシャフトと、
少なくとも１つのフレームと、
複数の垂直風車フィンアセンブリであって、
垂直シャフト、複数のディスク、及び、少なくとも１つのプレートを各垂直風車フィンアセンブリが含み、
前記垂直シャフトが、
第１の端部、
第２の端部、及び
長手部
を有し、
前記複数のディスクが各々、
外径部、
スロットを伴う半径部、及び
内径部、
を有する、
複数の垂直風車フィンアセンブリと、
軸受と
を備え、
前記垂直マスターシャフト、少なくとも１つの前記フレーム、及び複数の前記垂直風車フィンアセンブリを含み、電力発電をもたらすよう組み合わせて機能し、
前記垂直シャフト各々の第１の端部及び前記第２の端部の各々は、コーン状先端部を備え、
前記コーン状先端部の各々は強磁性材料を備え、
少なくとも１つの前記フレームは空気力学の原理を応用しており、各々は複数の磁石を備え、
前記強磁性材料を備えた前記コーン状先端部の各々は、複数の前記磁石のうちの対応する１つと係合し、
複数の前記フレームは、前記垂直マスターシャフトの周りを取り囲むように取り付けられ、
少なくとも１つの前記フレームは弓状であり、
前記垂直マスターシャフトは、垂直軸に方向付けられ、前記垂直軸の周りに回転し、
前記垂直マスターシャフトは、優勢な相対風向に依拠して、右回りに、及び交互に左回りに回転することができ、
少なくとも１つの前記プレートは、最大９０°までの角度で回転することができ、
複数の前記磁石は摩擦を最小に抑え、
複数の前記ディスクは、前記垂直シャフトに垂直方向に取り付けられ、
複数の前記ディスクは、前記垂直シャフトの各々に正確に４つの前記ディスクから成り、
複数の前記ディスクの各々は、前記スロットが前記内径部と前記外径部との間にわたるマイナスのボリュームを備えるよう形成され、及び、
少なくとも１つの前記プレートは、前記垂直シャフトの前記長手部の一部に沿って、頂部の２枚の前記ディスクと底部の２枚の前記ディスクとの間に位置され、少なくとも１つの前記プレートは前記ディスクよりも小さい質量を有し、少なくとも１つの前記プレートの質量は、適切に重心を配分するよう呈さないマイナスのスロットボリュームの合計質量と等しい、垂直風車システム。
【請求項１８】
取扱説明書のセットをさらに備え、キットとして配置される、請求項１７に記載の垂直風車システム。
【請求項１９】
垂直風車システムの使用方法であって、
垂直マスターシャフトと、
少なくとも１つのフレームと、
複数の垂直風車フィンアセンブリであって、
垂直シャフト、複数のディスク、及び、少なくとも１つのプレートを各垂直風車フィンアセンブリが含み、
前記垂直シャフトが、
第１の端部、
第２の端部、及び
長手部
を有し、
前記複数のディスクが各々、
外径部、
スロットを伴う半径部、及び
内径部
を有する、
複数の垂直風車フィンアセンブリと、
軸受と
を備えた垂直風車システムを提供するステップ、
前記垂直風車システムを設定するステップ、及び
垂直回転から生じた、採取したエネルギーから電力を生成するステップ
を備える、方法。
【請求項２０】
前記垂直風車システムは、右回り及び左回り方向に回転できる、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１８年１０月１０日出願の、米国仮特許出願第６２／７４４，０７４号明細書に関し、その優先権を主張し、その全体は本明細書に参照として組み込まれている。
【０００２】
以下では、本開示の理解に役立ち得る情報を含む。本明細書で提供されるいかなる情報も、現在説明されるか、または請求される発明に対して先行する技術または材料として認められず、具体的または明示的に参照されたいかなる出版物または書類も、先行する技術として認められない。
【０００３】
本発明は、全体的に現存技術の原動機発電プラントの分野に関し、より詳細には、風力原動機発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００４】
標準的な風車は、一般的なファンの向きと同様、水平軸及び垂直に向けられたブレードを使用して構築される。風車は持続可能なエネルギーを作り出す一方で、風力運動エネルギーは、この従来の設計において十分に活用されない場合がある。風は、風向の突然の変化のため、十分に活用されない場合がある。さらに、角運動量の形態で蓄積された運動エネルギーは、風が吹かない場合に大幅に減少し、風車のブレードは、エネルギーを作り出す代わりに、より大きい空気効力／空気抵抗を作り出す。好適な解決策が望まれる。
【０００５】
Ｊｏｎａｔｈａｎ  Ｈａａｒへの、米国特許第８，６４８，４８３号明細書は、垂直軸風力タービンシステムに関する。記載された垂直軸風力タービンシステムは、第１の電気モータ／発電機に動作可能に接続された、低い風速の垂直軸風力タービンと、少なくとも１つの第２の電気モータ／発電機に動作可能に接続された、高い風速の垂直軸風力タービンとを含む。第１の電気モータ／発電機からの電力は、少なくとも１つの第２の電気モータ／発電機及びマグレブシステムに向けられ、より高い風速でタービンの回転を開始させる。局地風の加速装置のように作用し、かつ垂直軸風力タービンの開始時を支援するための正トルクを生成する、開始時支援のサブシステムも提供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８，６４８，４８３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
公知の風力原動機発電プラント分野において内在する、前述の不利点を考慮し、本開示は、新しい超効率垂直風車システムを提供する。より詳細に以下で説明する、本発明の全体的な目的は、効率的かつ効果的な垂直風車システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
垂直風車システムが本明細書で開示され、好ましい実施形態においてこのシステムは：垂直マスターシャフトと、少なくとも１つのフレームと、各々が（第１の端部、第２の端部、及び長手部を有する）垂直シャフト、（ディスクの各々が外径部、スロットを伴う半径部、及び内径部を有する）複数のディスク、少なくとも１つのプレート、を含む複数の垂直風車ファンアセンブリと、（円滑な回転を可能にする）軸受と、を備える。設計に応じて、垂直風車システムは、垂直マスターシャフト、少なくとも１つのフレーム、及び複数の垂直風車フィンアセンブリを含み、効率的な電力発電を提供するために組み合わせて機能する。
【０００９】
垂直シャフトの第１の端部及び第２の端部の各々は、コーン状先端部を備え、コーン状先端部の各々は、強磁性材料を備える。少なくとも１つフレームは空気力学の原理を応用しており、各々は複数の磁石を備え、強磁性材料を備えたコーン状先端部の各々は、複数の磁石のうちの対応する１つと係合する。これら複数の磁石は摩擦を最小に抑える。
【００１０】
複数のフレームは、垂直マスターシャフトの周りを取り囲むように取り付けられ、少なくとも１つのフレームは弓型で、垂直マスターシャフトは垂直軸に方向付けられ、優勢な相対風向に依拠して、垂直軸の周りを右回り及び左周りに交互に回転する。少なくとも１つプレートは、最大９０°（これはストッパによって移動を限定さえ得る）までの角度で回転することができる。複数のディスクは、垂直シャフトに対して垂直方向に取り付けられる（好ましい実施形態において、複数のディスクは、各垂直シャフトに正確に４つのディスクから成る）。複数のディスクの各々は、スロットが内径部と外径部との間にわたる（除去された）マイナスのボリュームを備えるよう、形成（製造）される。少なくとも１つのプレートは、垂直シャフトの長手部の一部に沿って、頂部の２枚のディスクと底部の２枚のディスクとの間に位置される。少なくとも１つのプレートは、ディスクよりも小さい質量である。少なくとも１つのプレートの質量は、適切に重心を配分するよう呈さないマイナスのスロットボリュームの合計質量と等しい。方法も、本明細書で開示される。
【００１１】
本発明を要約する目的で、本発明の特定の態様、利点、及び新しい特徴をここで説明した。必ずしも、これら全ての利点が、本発明の任意の１つの、特定の実施形態によって実現され得るわけではないことを、理解されたい。したがって、本発明は、１つの利点または利点のグループを本明細書の教示のように実現または最適化するよう、本明細書で教示され得るか、または提案され得るような他の利点を必ずしも実現することなく、具現化もしくは実行され得る。新しいものと信じられる本発明の特徴が特に指摘され、本明細書の結論部において明瞭に請求される。本発明の、これらならびに他の特徴、態様、及び利点は、以下の図面及び発明を実施するための形態を参照すると、より良好に理解される。
【００１２】
本明細書の記載部分を伴う図面は、本開示の教示によって構築され動作可能な垂直風車システムの、実施形態及び使用方法を例示する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示の実施形態による、垂直風車システムの斜視図である。
【図２】本開示の実施形態による、図１の垂直風車システムの斜視図である。
【図３】本開示の実施形態による、図１の垂直風車システムの斜視図である。
【図４】本開示の実施形態による、図１の垂直風車システムの斜視図である。
【図５】本開示の実施形態による、図１の垂直風車システムの別の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の様々な実施形態を、添付の図面と共に以降で説明する。同様の名称は同様の要素を表わす。
【００１５】
上述の説明のように、本開示の実施形態は原動機発電プラントに関し、より詳細には、風力発電の効率を向上させるために使用される、垂直風車システムに関する。
【００１６】
一般的に、ビラノバ（ＶＩＬＡＮＯＶＡ）超効率垂直風車は、風速が落ちる場合に発電機を鈍化させることなく、エネルギー生成を最大化するために使用される風車である。垂直シャフトは、最も一般的なタイプである水平式の３ブレード水平軸風車とは対照的に、（垂直軸上で）垂直に回転する。それは複数（例えば６〜１２前後が計画される）の「ブレード」を備え得る。各「ブレード」は湾曲したフレーム構造で、頂部及び底部の湾曲した平坦／空気力学的表面を有する。このようなブレードの各々は、複数の「フィン」を含む。このような「フィン」の各々は同じ構造であり、機械の根本的な効率に寄与する。この設計の成功は、「フィン」の良好な製作に大きく依拠する。
【００１７】
フィン設計の詳細：「フィン」は、半径ｒの薄い垂直シャフト（ｒ≧ｔ／２）から構成され、コーン形状のテーパーが付いたポイント／枢軸で終端する。コーン状のテーパーが付いたポイント／枢軸は、「ブレード」すなわちフレームの頂面及び底面における「ソケット」の中で、容易に滑動／回転できる。これらのコーン形状の端部は、好ましくは「ブレード」底部ソケットにおける摩擦を低下させるための磁性材料である（「ブレード」の頂面に永久磁石を使用して、「フィン」の有効重量を低減させる）。偶数の「Ｎ」（Ｎ＝２、４、６など。示されるのはＮ＝４）個の場合、均一の密度ｒａｗ２で各々の厚さがｔ及び外径がＲの小さくて（比較的重い）ディスクも備える。均一の密度ｒａｗ１で寸法がｔ×Ｈ×（Ｒーｒ）の、より軽い矩形「プレート」も装着される。これらのディスクは、距離（２×Ｂ）だけ離される。ここでＢは約（３×ｔ）である。Ｎ／２個の「ディスク」は一方の側の「プレート」に付き、他のＮ／２個のディスクは「プレート」の他方に付く。一方の側（「上部」構成と称する）において、「プレート側部」に最も近い「ディスク中心」は、２×Ｂユニット離れる。他方の側（「下部」構成と称する）において、「プレート側部」に最も近い「ディスク中心」は、Ｂユニットのみ離れる。「プレート」高Ｈの、その幅ｗ＝（Ｒ−ｒ）に対する比率は、好ましくは約１０：１（すなわちＨ／（Ｒ−ｒ）≒１０）である。しかし、これは必要に応じて調整することができる。厚さｔは、可能な限り小さくするのが望ましい。さらに、「ディスク」は連続しないが、「スロット」の厚さｔは「プレート」と「正確に整合される」。この意図は、「プレート」の重量が、全ての（Ｎ個の）ディスクの複合体におけるＮ個の「スロット」の欠損した部分の合計重量と等しくするべきことである。このように、重心はフィンの垂直軸にあり、これは本発明の適切な動作のために非常に重要である。重心は、「フィン」の垂直軸になければならない。「プレート」材料の密度と「ディスク」材料の密度との間の関係は、ｒａｗ２＝（ｒａｗ１×Ｈ）／（Ｎ×ｔ）によって与えられる。例えばＨ＝５０ｃｍ、ｔ＝１ｃｍ、Ｎ＝４であるとき、ｒａｗ２／ｒａｗ１＝５０／（４×１）＝１２．５である。垂直シャフトの全高（コーン形状の端部を除く）は、Ｈ+（Ｎ+１）×（２×Ｂ）で与えられ得る。
【００１８】
ブレード設計詳細：「ブレード」は複数の「フィン」で構成される。隣接する各「フィン」は、好ましくはそれらの垂直軸間で、距離（Ｒ+ｒ+ｔ）だけ離される。いかなる制限もなく、フィンはそれらの垂直軸の周りを全３６０°回転することができる。しかし、フィンが２つの両端位置「開」及び「閉」のみに導かれる、９０°までのみ回転できるよう、フィンの動きを制限するいくつかの方法が存在するのが望ましい。９０°までの回転に制限する方法は、任意の好適な制止機構によって実現することができる。全ての奇数番号の「フィン」は、「上」位置である（例えばフィン１，フィン３，フィン５など）。全ての偶数番号の「フィン」は、「下」位置であるべきである。「ブレード」の上部フレーム／表面は、好ましくは磁石を有し、「フィン」の（磁石のコーン部分）を頂部から引張り、それによって底部軸受／枢軸／ソケットにおける摩擦を軽減させる。「フィン」が「閉」位置にあるとき、フィンは風の運動エネルギーを吸収して風車の運動を生成する。「フィン」が「開」位置にあるとき、フィンは、風に対して最小の抵抗を提供することによって、風がブレードを通過するのを可能にする。
【００１９】
次に、より詳細な参照番号によって図面をさらに具体的に参照すると、図１〜図５に垂直風車システム１００の様々な図が示される。
【００２０】
図１〜図５は、本開示の実施形態による垂直風車システム１００の、様々な図を示す。ここで、垂直風車システム１００は、使用者が、効率的な風エネルギーを作り出し、使用電力を採取及び生成することによって、使用のための利益となり得る。より具体的には、図１は、１２個のフィン及びその構成要素を伴う、単一のブレード部分の３Ｄ画像を示し、図２は単一の「フィン」の直角投影図を示し、図３は単一の「フィン」の等角（３Ｄ）投影を示す。図４は、複数のフィンが装着された単一の全体ブレードの、３Ｄ画像を示す。図５は、垂直シャフトに装着された８個のブレードを伴う、風車の最終構造の３Ｄ画像を示す。
【００２１】
例示のように、垂直風車システム１００は、垂直マスターシャフト１１０と、少なくとも１つのフレーム１２０と、各々が第１の端部１３４、第２の端部１３６、及び長手部１３８を有する垂直シャフト１３２、各々が外径部１４２，スロット１４６を伴う半径部１４４、内径部１４８を有する複数のディスク１４０、少なくとも１つのプレート１５０、を含む垂直風車フィンアセンブリ１３０と、を含み得る。したがって、垂直風車システム１００は、垂直マスターシャフト１１０、少なくとも１つのフレーム１２０、複数の垂直風車フィンアセンブリ１３０、を含み、電力発電を提供するために組み合わせて機能する。
【００２２】
次に、垂直シャフト１３２の第１の端部１３４及び第２の端部１３６を参照すると、垂直風車システム１００の垂直シャフト１３２における、第１の端部１３４及び第２の端部１３６の各々はコーン状先端部１３５を備え、コーン状先端部１３５の各々は、好ましくは強磁性材料を備える。複数の磁石１２２は摩擦を最小に抑え、強磁性材料を備えるコーン状先端部１３５の各々は、複数の磁石１２２のうちの対応する１つと係合する。少なくとも１つのフレーム１２０は空気力学の原理を応用しており、各々は複数の磁石１２２を備え、複数のフレーム１２０は、各々垂直マスターシャフト１１０の周りを取り囲むように取り付けられる。少なくとも１つのフレーム１２０は、示されるように弓状である。設計に応じて、垂直マスターシャフト１１０は、優勢な相対風向に依拠して、右回り方向に回転することができ、垂直マスターシャフト１１０は、優勢な相対風向にも依拠して、左回り方向に回転することができる（それによって使用の効率を向上させる）。垂直マスターシャフト１１０は、垂直軸に方向付けられ、垂直軸の周りに回転する。
【００２３】
少なくとも１つのプレート１５０は、ストッパによって制限された移動可能な範囲によって、示されるような好ましい実施形態において、最大９０°までの角度で回転することができる。関連して、複数のディスク１４０は、垂直シャフト１３２に垂直方向に取り付けられる。複数のディスク１４０は、好ましくは各垂直シャフト１３２に位置された正確に４つのディスク１４０から成る。ディスク１４０は、垂直シャフト１３２に垂直方向に方向付けられる。少なくとも１つのプレート１５０は、示されるように、垂直シャフト１３２の長手部１３８の一部に沿って、頂部の２つのディスク１４０と底部の２つのディスク１４０との間に位置される。少なくとも１つのプレート１５０は、ディスク１４０よりも小さい質量である。少なくとも１つのプレート１５０の質量は、適切に重心を配分するよう呈さないマイナスのスロットボリュームの合計質量と等しく、それによってデバイスは均衡化された条件で作動する。摩擦を最小に抑えるための、軸受または他の好適な手段が、本発明内で使用され、円滑かつ効率的な回転を可能にする。
【００２４】
１つの実施形態によると、垂直風車システム１００は、キットとして配置され得る。詳細には、垂直風車システム１００は、取扱説明書のセットをさらに含み得る。この取扱説明書は、垂直風車システム１００の構造に関する機能的関係を詳細に説明し、それによって垂直風車システム１００は、好ましい方法で設定、使用、管理などをすることができる。
【００２５】
垂直風車システム１００の使用方法は、上述のように垂直風車システム１００の１つまたは複数の構成要素または特徴を含み得る。例示のように、垂直風車システム１００の使用方法は、本明細書で開示した垂直風車システムを提供するステップ１、垂直風車システムを設定するステップ２、垂直回転によって生じた、採取されたエネルギーから電力を生成するステップ３、のステップを含み得る。垂直風車システムは、右回り及び左回り方向に回転することができる。
【００２６】
使用方法で説明したステップは、使用者の選択によって、多くの異なる順番で実行できることにも、留意するべきである。本明細書の特許請求の範囲において、「のステップ（ｓｔｅｐ  ｏｆ）」の使用は、「のためのステップ（ｓｔｅｐ  ｆｏｒ）」と読み取るべきではなく、米国特許法第１１２条（ｆ）項の規定を発動するよう意図されない。適切な状況下でこのような課題を、設計の選択として、使用者の選択として、市場の選択として、コストとして、構造要件として、利用可能な材料として、技術的優位などとして、設定のための他の方法として、垂直風車システム１００の使用及び補修として、考慮することが本明細書で教示される。
【００２７】
本明細書で説明した本発明の実施形態は例示であり、多くの変更、変形、及び再配置が、実質的に同等の結果を実現するために容易に予測することができ、それらの全ては、本発明の趣旨及び範囲の中に含まれるよう意図される。さらに、前述の要約の目的は、米国特許商標庁及び公共一般、ならびに、特に特許または法律用語もしくは専門用語に詳しくない当技術分野における科学者、技術者、及び実行者が、本出願の技術的開示における特性及び本質の大まかな検討から、迅速に判断するのを可能にすることである。
【００２８】
請求するものは、Ｌｅｔｅｒｓ  Ｐａｔｅｎｔによって保護される、新しく望ましいものであり、添付の特許請求の範囲で説明する。
【図１】
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【図２】
2022502592.tif 000004
【図３】
2022502592.tif 000005
【図４】
2022502592.tif 000006
【図５】
2022502592.tif 000007
【国際調査報告】
2022502592.tif 000008
2022502592.tif 000009