(57)【要約】  本発明は、風力タービンタワーなしに据え付けるのに好適な改善された風力タービンを開示する。風力タービンは、適切に選択されたブレードを備える回転子に基づく。風の流れの中のノズルおよびディフューザは、回転子に適用可能な風エネルギ量を増大させる。回転子は、広範な風速での発電を可能にする１つ以上の発電機と遮断可能に接続される。回転子はまた、風エネルギの可用性によって、必要に応じて回転エネルギを蓄積または使用することを可能にするフライホイールとも遮断可能に接続される。１つ以上の風力タービンが、共通のハウジング内にまとめられることができる。風力タービンタワーがないこと、および全体的にコンパクトな設計によって、風力タービンが建物に近接して、またはその上で用いられることが可能になる。
2018508711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービンであって、
両方の端が開放されている自由回転可能なドラム式回転子であって、前記ドラム式回転子の吸気端は空気流を受け入れ、前記ドラム式回転子のその反対側かつ出口端は、前記空気流を吐き出す、ドラム式回転子と、
前記ドラム式回転子内部に配置され、それと接続され、それと同軸であることによって、前記回転子を通る空気流の通過が、前記回転子がその軸を中心として回転すること誘発する、１つ以上のブレードと、
前記回転子を前記風の方向へと向かわせるための手段と、
１つ以上の発電機を前記回転子に遮断可能に接続して、その回転から発電するための手段と、を備える、風力タービン。
【請求項２】
前記１つ以上のブレードは、スクリュー様のブレードである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記１つ以上のブレードは、ファン様のブレードである、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記装置が
前記回転子の前記出口端の次に続くディフューザをさらに備える、請求項１〜３に記載のデバイスのいずれか。
【請求項５】
前記装置が
前記回転子の前記入口端の前にノズルをさらに備える、請求項１〜３に記載のデバイスのいずれか。
【請求項６】
前記装置が
前記回転子の前記出口端の次に続くディフューザと、
前記回転子の前記入口端の前にノズルをさらに備える、請求項１〜３に記載のデバイスのいずれか。
【請求項７】
前記装置が、
前記回転子に遮断可能に接続され、かつ1つ以上の発電機に遮断可能に接続されているフライホイール格納手段と、
前記回転子への前記フライホイール格納の前記接続を制御し、かつ前記フライホイール格納への１つ以上の発電機の前記接続を制御するための制御手段と、をさらに備える、請求項1〜６に記載のデバイスのいずれか。
【請求項８】
前記装置は、他の類似の装置および前記複数のそのような装置を風に向かわせる手段とともに前記装置を使用することを可能にするようなモジュール様式で組み立てられる、請求項1〜7に記載のデバイスのいずれか。
【請求項９】
風力タービンであって、
１つ以上のスクリュー様のブレードを有する両方の端が開放されている自由回転可能なドラム式回転子であって、前記スクリューブレードの掌性、ピッチ、回転子接続角度、および前記回転子内の位置が実験によって判定され得、回転子のサイズと風速との特定の組み合わせに対して最適化され得る、ドラム式回転子と、
ノズルとして入力空気流を集め、前記入力空気流を前記回転子内へと向かわせるための入力カウリングと、
前記回転子から前記出力空気流を受け入れるディフューザとして機能するための出口カウリングと、
発電を行うために、前記回転子と遮断可能に接続され得る、１つ以上の発電機と、
回転エネルギを蓄積するために、前記回転子または前記１つ以上の発電機のいずれかと遮断可能に接続され得る、前記回転子と同軸のフライホイールと、
前記風力タービンが利用可能な風に向けられることを可能にする回転テーブルと、
利用可能な風の風速および方向を測定し、前記回転テーブル、ならびに前記回転子と前記１つ以上の発電機との間の前記遮断可能な接続、および前記回転子と前記フライホイールとの間の前記遮断可能な接続を制御するコントローラと、を備える、風力タービン。
【請求項１０】
発電するためのタービンであって、
液体または気体の流れを回転エネルギに変換するための回転子手段と、
１つ以上の発電機を前記回転子手段に遮断可能に接続するため、および発電するための発電手段と、
前記回転子手段への前記流れの入力におけるノズル手段と、
前記回転子手段からの前記流れの出力におけるディフューザ手段と、
前記回転子手段からの前記回転エネルギを蓄積するためのフライホイール手段と、
回転エネルギを一方から他方に伝達して、回転エネルギを蓄積するかまたは用いるために、前記回転子手段と前記フライホイール手段とを遮断可能に接続するための手段と、
前記タービンを風に向かわせるか、または風から外れるように向かわせる回転テーブル手段と、
前記回転テーブル手段および前記遮断可能な接続を制御するためのコントローラ手段と、を備える、発電するためのタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許は、ノズルおよびディフューザの使用を通して空気流を増大させ、風力タービンタワーなしの据え付けに好適な風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、風の運動エネルギを、回転子ブレードの回転によって機械的エネルギに変換する手段として周知である。そして、次に機械的エネルギは、発電機によって電気エネルギに変換されることができる。
【０００３】
発電のために用いられる１つのタイプの風力タービンは、好適なサイズにされたタワーの頂上に置かれた共通のスピンドルに接続されたいくつもの長細いブレードを備える回転子で構成される。このタイプの図示は、ＵＳ８，６２２，６９８の図１に見出すことができる。このタイプの風力タービンが実際に直面する課題は、特に低速風では力不足であり、安全および効率のためにタワーおよびブレードの高さが必要とされ、そのような大きな構造が全体的に邪魔な外観であることである。本特許は、実際に用いられる共通の風力タービンタワーを図示し、細く高い単一の要素支持体である。
【０００４】
ある程度は、風力タービンの効率は、ベッツの法則によって予測される。この法則は、風力タービンが風の運動エネルギのわずか１６／２７（５９．３％）未満を取り込むことができることを予測する。この限界は、それらのエネルギを回転子ブレードに伝達する空気の分子の衝突の結果として生じる。
【０００５】
実際に、風力タービンは、ベッツの法則の限界のわずか約７５〜８０％を取り込むことができる。しかしながら、より高い効率を実現する手段は、回転子の前後でのノズルおよびディフューザの使用によって、さらなる風の流れを収集することである。この取り組みは、ＵＳ２０１２０１７５８８２にさらに十分に記載されている。
【０００６】
ノズルおよびディフューザを作り出すための側板またはカウリングを備える多くの風力タービンが、当技術分野において既知である。一例は、ＷＯ２０１２１３７００８に見出される。別のものは、ＷＯ２００６０６５２４８に見出される。タワー構造で用いるように特化されたより早期のタイプの風力タービン側板が、ＵＳ４０７５５００に見出される。しかしながら、実際には、側板の重量および風の負荷によって、風力タービンタワー上に据え付けることが難しいことが判明している。
【０００７】
風力タービンの他の欠点は、ＵＳ２０１２２８２０９２の段落００１４以下に見出される。これらは、地面付近での不十分な動作、タワーによって必要とされる大きな寸法、高価な保守および繰り返すストレスおよび故障を含む。
【０００８】
風力タービンにおける１つのタイプの不十分さは、ブレードの先端で作り出される風の流れによって作り出される。この問題を解決するための１つの手段は、ブレードを構造物で囲むことであり、それによって、そのような流れはなくなる。そのような構成は、ＣＡ２５９０９１８（図３）に見出だされる。当該特許では、ドラムもまた、発電機の一部として機能する。
【０００９】
風力タービンが、より低速風で効率的である設計がなされることができ、共通の風力タービンタワーの使用なしに設置されることができ、風力タービンの一般的に先に知られた欠点を全体として克服することができると、有益である。
【００１０】
発電による課題は、伝達および分配システムにおける電気の損失である。大量の電気が、１つの場所から別の場所への電気の単なる伝達において失われる。この課題のためには、発電システムを電気が用いられる場所に近接して位置させることが望ましい。本発明は、発電容量を建物に近接して、または好適なケースでは、建物上に位置させることを可能にし、伝達ロスをなくす。
【００１１】
電気に関するシステムによる最終的な課題は、過剰な電気を蓄積し、電源における揺らぎを平滑にすることにおける困難である。この課題は、電気発電機に電力供給するために風を用いる場合に、風の自然の揺らぎに起因して顕著である。この問題を解決する１つの手段は、ＵＳ８７４９０８３に見出されるように、フライホイールおよびクラッチの使用によるものである。しかしながら、その中で提案された当該システムは、重いフライホイールを風力タービンタワーの頂上に据え付けなければならない課題に苦しむ。
【００１２】
水等の液体は、空気等の気体と同じような流れを有し得る。ほとんどの風力タービンの設計の欠点は、それらの設計を自然水流の面積に適合させて発電させる能力がないことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、本装置を通して風速を増大させることにおいて、先行技術の制限を克服することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、回転子と１つ以上の発電機との間の接続を設けることによって、発電効率を、回転子を通した速度に適切に改善させることである。
【００１５】
本発明の別の目的は、過剰な電気を機械的に、または他の手段によって蓄積する手段を作り出し、そのような過剰な容量が必要に応じて用いられることを可能にすることである。
【００１６】
本発明の別の目的は、容易に据え付けられ得、建物の屋上を含む任意の場所で用いられ得るコンパクトな装置を作り出すことである。
【００１７】
本発明の別の目的は、本発明による１つ以上の装置を、同じ設置で用いることを可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本特許は、一実施形態において、風力駆動型ブレードが付けられた中央ドラム式回転子を用いる装置を説明する。ドラム式回転子の使用は、ブレードが、それらの動きの外側または周縁に固定されることを可能にし、さらに従来的な風力タービンにおいて起こる渦流を除去する。
【００１９】
さらに、ドラム式回転子の使用は、多くの異なるタイプおよび配置のブレードが用いられることを可能にする。用いられることができる２つの主なタイプのブレードは、スクリューおよびファンブレードである。
【００２０】
スクリューブレードは、フランジ幅が回転子の半径と概ね等しいヘリカルフランジである。フランジは、螺旋の経路に従って、その外側端で回転子に接続される。フランジの中心側は、緩やかであるかまたは任意には回転子と同軸のスピンドルに接続されることができる。２つ以上のスクリューブレードが用いられる場合、スクリューブレードは、回転子内部で調和して、それと同軸に位置する。フランジが偶数である場合、反対側のフランジは、実際には１つのピースである反対フランジで、らせん形状をなぞる。
【００２１】
スクリューブレードのらせんは、右方向または左方向であることができ、らせんが１つの完全な回転をなす地点間の距離として記載されたピッチを有する。加えて、フランジは、さまざまな角度で回転子に接続されることができる。スクリューブレードの掌性、ピッチ、回転子接続角度、および回転子内部での位置は、実験によって判定され得、回転子のサイズと風速との特定の組み合わせに対して最適化され得る。
【００２２】
ファンブレードは、回転子と同軸の中心軸を中心とした複数の同一のブレードである。ブレードは、それらの遠位端で回転子と接続され、それらの中央端で互いに、または任意のスピンドルと接続される。ファンブレードの形状、サイズ、角度、および設計、ならびにそれらの回転子内部での位置は、実験によって判定され得、回転子のサイズと風速との特定の組み合わせに対して最適化され得る。
【００２３】
他のタイプの回転子を、本発明で用いることができる。例えば、適切なサイズにされたファンまたはブレードが付けられる中央スピンドルを設けることができる。必要に応じて、中央スピンドルに、適切なハブを付けることができる。
【００２４】
風を集めるためのノズルを回転子の前に位置させて、進入してくる空気の流れを増大させることができる。同様に、ディフューザを回転子の後に位置させて、既存の空気の圧力を低下させることができる。両方の技術は、低速風の状況で発電させるための本装置の能力を高めるために有用である。
【００２５】
ノズルおよびディフューザは、適切な形状にされたカウリングの使用を通して適合されることができる。入力カウリングは、風を集めて、吸気流のためのノズルを作り出す。出口カウリングは、低圧ゾーンを作り出して、ディフューザとして機能する。
【００２６】
回転子上の風速を増大させる別の手段は、逆円錐スピンドルを用いることである。そのようなスピンドルは、回転子の内部に存在するベンチュリ効果を増大させる。そのようなスピンドルの実際の位置は、用いられるブレードの配置に加えて、任意のノズルまたはディフューザが用いられていることを考慮に入れる。
【００２７】
回転子は、その軸を中心として自由回転する。そのような自由回転は、従来の軸受リングによって、回転子の周囲の２つ以上の位置で達成されることができる。代替的に、空気軸受または磁気軸受等の摩擦がより起きにくい軸受システムを用いることができ、これらは当技術分野において周知である。
【００２８】
本装置は、当技術分野において周知である、好適なサイズにされたモータ駆動式回転テーブルによって風の中で回されることができる。当技術分野において周知の、風向および風速を測定し、回路機構を制御するための風向風速計を用いて、必要とされる方向を判定する。
【００２９】
本発明のドラム式回転子は、発電機を機械的に接続することができる数多くの異なる手段を提示する。好ましくは、複数の発電機は、回転子に個々に各発電機を機械的に接続するための手段とともに用いられる。発電機の機械的接続が、回転子に対する負荷を作り出すため、低速風の状況では、単に１つまたは少数の発電機を回転子と機械的に接続させて、より低速の風を前提として、発電機の最も高い効率で動作させることが望ましい。風の負荷が高い状態では、さらなる発電機を回転子に機械的に接続させて、システム内に存在するより高いエネルギを利用することができる。発電機と回転子との接続を機械的に遮断し、それを制御するための手段は、当技術分野において周知である。
【００３０】
本装置は、回転子と同軸のフライホイールを有することができる。フライホイールは、クラッチおよび伝動装置を備える回転子および発電機と接続されて、フライホイール内の回転子の動きを蓄積するか、または代替的には、フライホイールに、発電機に電力供給させることができる。また、電気エネルギの余剰がある場合は、発電機を、ひいてはフライホイールにエネルギを伝達するモータとして機能させることによって、システムを逆に動作させることも可能である。
【００３１】
フライホイールの動きを回転子および発電機に接続してそこから伝達し、それを制御するための手段は、当技術分野において周知であり、一方向および二方向クラッチ、ギアボックス、およびトルク変換機を含む。
【００３２】
本装置は、記載されたように、タワーなしで据え付けられることができる。本装置の全体的なサイズは、回転子の直径および付加的なカウリングに比例する。
【００３３】
また、本装置は、多数のユニットが共通の回転テーブル回転システム上の共通の設置で用いられることを可能にするモジュール式で配置されることもできる。多数のユニットを備えるモジュール式の設置では、１つ以上のユニットのいずれかが、修理または保守のために容易に取り除かれ得、一方で、ユニットの平衡は、生成のために適所のままにされる。
【００３４】
万一破壊的であることが予測される非常に早い風速の場合には、本装置は、風から外れた角度に回され、不必要に高い負荷から回転子を保護し得る。そのような状況における従来のタワーに据え付けられた風力タービンとは異なり、本装置の回転子は、風から外れるように回ることによって損害から容易に保護される。
【００３５】
本発明は、自然の水路で用いられるように適合されることもできる。内部の態様のすべてが、水流の方向の中に回されるかまたはその内部に位置する、防水性の回転子を備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
添付の図面を例としかつ参照して、本発明の実施形態が説明される。図面は、本発明の実施形態の一例のみを図示し、したがって、本発明が他と同様の効果的な実施形態を有し得るとして、その範囲を限定することは考えられていない。
【００３７】
【図１】本発明による風力タービンの切欠き斜視図を図示する。
【図２】本発明による風力タービンの正面図を図示する。
【図３】本発明による風力タービンの、図２からのセクションＡ−Ａ間の断面図を図示する。
【図４】本発明による風力タービンの主要な内部構成要素の局部透視図を、図３と同じ向きで図示する。
【図５】代替の外ハウジングを備え、回転テーブル上に置かれた、図４の本発明による風力タービンの局部透視図を示す。
【図６】図５に図示された本発明による風力タービンの斜視図を図示する。
【図７】図５に図示された本発明による風力タービンの正面図を図示する。
【図８】本発明による風力タービンで用いられる発電機アセンブリの詳細概略図を図示する。
【図９】前述の図のいずれかに図示されたような、本発明による風力タービンの背面図を図示し、内部機構の配置を図示するために出口カウリングが取り除かれている。
【図１０】本発明の代替の実施形態の側部局部透視図を図示し、ここでは、多数の風力タービンユニットが、共通のハウジング内にまとめられている。
【図１１】図１０の本発明の代替の実施形態の斜視図を図示する。
【図１２】図１０の本発明の代替の実施形態の正面図を図示する。
【図１３】本発明の別の代替の実施形態の斜視図を図示し、多数の風力タービンの異なる群が、共通のハウジング内にまとめられている。
【図１４】図１３の本発明の代替の実施形態の正面図を図示する。
【図１５】図１３の本発明の代替の実施形態の側部局部透視図を図示し、風力タービンがさらに、風力タービンの１つのセットの出口ポートが、すべて共通のハウジングの内部にある付加的な風力タービンの入力ポートに供給することができる配置でまとめられることができることを示している。
【図１６】建物の屋上の上に置かれた、図１０、１１および１２の風力タービンを図示する。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、本発明による風力タービン１０の切欠き斜視図を示す。本発明は、同軸のスピンドル２５を取り囲むヘリカルブレード２０を有する。ハウジング３０は、ノズルとして吸気流を集める吸気カウリング３５をさらに示す。切欠きセクションは、ヘリカルブレード支持部３８の位置と、同軸のフライホイール４０とを示す。ヘリカルブレード支持部３８内部のすべてが、本発明の回転子を備える。
【００３９】
図２は、本発明による風力タービン１０の正面図を示す。タービンは、同軸のスピンドル２５を取り囲むヘリカルブレード２０の前縁２２を示す。吸気カウリング３５は、ノズルとして吸気流を集め、風力タービンの内部の他の機器を覆い、風力タービンを妨害する埃、動物および他の有機堆積物の進入を防止する。
【００４０】
図３は、風力タービン１０の、図２からのセクションＡ−Ａ間の断面図を示す。風力タービンは、風が左から風力タービンに進入し、右で出ていくように回される。これは、ノズルとして吸気流を集める吸気カウリング３５、ヘリカルブレード２０、および同軸のフライホイール４０の位置を示す。本図は、形状がヘリカルブレードの方向に最大端を備える円錐であることによって、付加的な吸気流の集中を提供するように設計された同軸のスピンドル２５をさらに示す。ヘリカルブレード２０は、ブレードハウジング４１内部で回転し、ブレードハウジングは、ひいては好適に位置付けられたガイドローラ４４または発電機アセンブリ５０によって外ハウジング４２から分離される。ブレードハウジング４１内部のすべてが、本発明の回転子として機能する。
【００４１】
図４は、風力タービン１０の主要な内部構成要素の局部透視図を、図３と同じ向きで示す。外ハウジング４２内部のすべてのパーツは、破線で示される。吸気カウリング３５は、同軸のスピンドル２５とともに、ノズルとして、進入してくる空気流を集める。同軸のスピンドル２５は、本実施形態では、ディフューザとして機能し、ヘリカルブレード２０の前縁２２の一部からそれらの後縁２３までの気圧を低減する出口部２６を有するようにも設計されている。ヘリカルブレード２０は、同軸のスピンドル２５の出口部２６に、そしてそれらの他側では、ブレードハウジング４１に取り付けられる。本発明の回転子として機能するブレードハウジング４１は、好適に位置付けられたガイドローラ４４または発電機アセンブリ５０によって回転する。また、ブレードハウジング４１は、ブレードハウジング４１から、ブレードハウジング４１と同軸でありその外側にあるが外ハウジング４２の内部にあり、摩擦低減手段によって外ハウジング４２から分離されたフライホイール４０に機械的エネルギを与えるギアボックス６０に機械的に係合されてもよい。
【００４２】
図５は、本発明の異なる実施形態の主要な内部構成要素の局部透視図である。代替の外ハウジング４３内部のすべてのパーツは、破線で示される。本発明の代替の実施形態は、延長入力カウリング４６と延長出口カウリング４７とを含む、代替の外ハウジング４３を備える風力タービン１０である。風力タービンは、機械的回転テーブル７０上で、風が左から風力タービンに進入し、右で出ていくように回される。機械的回転テーブル７０は、モータまたは他の手段によって電力供給され、風向風速計からの入力信号によって、および当業者には周知の他の技術によって、マイクロコントローラにより制御されることができる。回転テーブル７０は、中心線７１を中心として回転する。延長入力カウリング４６は、より大きな風エネルギを取り込むためのさらなる断面積を提供し、ノズルとして機能する。延長出口カウリング４７は、出力される空気の圧力を低くし、風力タービンを通る空気の速さを増大させ、ディフューザとして機能する。
【００４３】
図６は、図５の装置を斜視図で示す。装置の入口に位置し、不要な動物および物体の進入を防止して安全機構として機能するようなサイズにされた任意のメッシュ７５がさらに示される。本図は、機械的回転テーブル７０上で回されて、開口を風の中に向けて位置させることができる風力タービン１０を示す。延長入力カウリング４６および延長出口カウリング４７がさらに示される。また、メッシュの内側には、同軸のスピンドル２５、吸気カウリング３５、およびヘリカルブレード２０の前縁２２を見出だすことができる。
【００４４】
図７は、図６の装置を正面図で示す。本図は、延長入力カウリング４６を示す。また、同軸のスピンドル２５、吸気カウリング３５、およびヘリカルブレード２０を見出だすことができる。また、機械的回転テーブル７０が示される。
【００４５】
図８は、発電機アセンブリの図式化された詳細を示す。発電機またはオルタネータ８０は、ヒンジ付きベース８４上に据え付けられ、摩擦車またはギア８２に直接接続される。摩擦車またはギア８２は、摩擦車またはギア８２が回転エネルギ源と係合されることを可能にするアクチュエータ８６を係合することによって、好適な駆動源と係合されることができる。発電機またはオルタネータ８０の出力は、当技術分野において周知の手段によって接続されて、発電機アセンブリを本発明の回転子と係合することによって電気の生成を可能にする。
【００４６】
図９は、出口カウリングが取り除かれた風力タービン１０の全体背面図を示す。本図は、ブレードハウジング４１内部のヘリカルブレード２０の後縁２３を示し、ブレードハウジングは、ひいては、ガイドローラ４４によって支持される。ブレードハウジング４１の内部の詳細のすべては、本発明の回転子として機能する。発電機アセンブリ５０は、当業者には周知であるコントローラシステムに従って個々ベースで回転子として機能するブレードハウジング４１と係合されることができる。前述のコントローラシステムは、利用可能な風に比例して、発電機アセンブリのブレードハウジング４１との係合を可能にする。
【００４７】
図１０は、本発明の代替の実施形態を示し、ここでは、個々の風力タービンユニットがまとめられて、特定の位置で利用可能な風エネルギを最大にすることができる。個々の風力タービンユニット１１は各々、群の中のすべてのユニットに利用可能な風エネルギを集めるように配置された延長入力カウリング９１を有する外ハウジング９０内に収容されることができる。アセンブリ全体が、適切なサイズにされた機械的回転テーブル７０上に位置する。
【００４８】
図１１は、図１０に図示された個々の風力タービンユニットの群の代替の実施形態の斜視図を示す。
【００４９】
図１２は、図１０に図示された個々の風力タービンユニットの群の代替の実施形態の正面図を示す。
【００５０】
図１３は、本発明の代替の実施形態の斜視図を示し、本発明による多数の風力タービンユニットが、代替の外ハウジング９２内にまとめられている。
【００５１】
図１４は、図１３に示された本発明の代替の実施形態の正面図である。
図１５は、図１３に示された本発明の代替の実施形態の側部局部透視図であり、破線は、外ハウジングの内部の本発明の主要な構成要素を表す。本図は、風力タービンユニット９５の第２のセットが、風力タービンユニット９６の第１のセットの後に位置し、利用可能なすべての風エネルギが本発明の内部で変換されることを確実にすることができることを図示する。風力タービンユニットの２つのセットの間の空間９７は、風力タービンユニット９６の第１のセットに対するディフューザ効果と、風力タービンユニット９５の第２のセットに対するノズル効果とを最大にするような形状にされて設けられる。
【００５２】
図１６は、図１０、１１および１２に図示された本発明の、オフィスビル１００上に位置する実施形態を示す。オフィスビルは、本発明の一部として示されていないが、単に本発明が、どのようにして当業者に周知の好適な機械的接続および制御手段によって、オフィスビルの上に容易に位置することができることを図示する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2018508711.tif 000013
【図１２】
2018508711.tif 000014
【図１３】
2018508711.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2018508711.tif 000017
【図１６】
2018508711.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成29年6月16日(2017.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許は、ノズルおよびディフューザの使用を通して空気流を増大させ、風力タービンタワーなしの据え付けに好適な風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、風の運動エネルギを、回転子ブレードの回転によって機械的エネルギに変換する手段として周知である。そして、次に機械的エネルギは、発電機によって電気エネルギに変換されることができる。
【０００３】
発電のために用いられる１つのタイプの風力タービンは、好適なサイズにされたタワーの頂上に置かれた共通のスピンドルに接続されたいくつもの長細いブレードを備える回転子で構成される。このタイプの図示は、ＵＳ８，６２２，６９８の図１に見出すことができる。このタイプの風力タービンが実際に直面する課題は、低速風では力不足であり、安全および効率のためにタワーおよびブレードの高さが必要とされ、そのような大きな構造が全体的に邪魔な外観であることである。また、ＵＳ８，６２２，６９８は、実際に用いられる共通の風力タービンタワーを図示し、細く高い単一の要素支持体である。
【０００４】
ある程度は、風力タービンの効率は、ベッツの法則によって予測される。この法則は、風力タービンが風の運動エネルギのわずか１６／２７（５９．３％）未満を取り込むことができることを予測する。この限界は、それらのエネルギを回転子ブレードに伝達する空気の分子の衝突の結果として生じる。
【０００５】
実際に、風力タービンは、ベッツの法則の限界のわずか約７５〜８０％を取り込むことができる。しかしながら、より高い効率を実現する手段は、回転子の前後でのノズルおよびディフューザの使用によって、さらなる風の流れを収集することである。この取り組みは、ＵＳ２０１２０１７５８８２にさらに十分に記載されている。
【０００６】
ノズルおよびディフューザを作り出すための側板またはカウリングを備える多くの風力タービンが、当技術分野において既知である。一例は、ＷＯ２０１２１３７００８に見出される。別のものは、ＷＯ２００６０６５２４８に見出される。タワー構造で用いるように特化されたより早期のタイプの風力タービン側板が、ＵＳ４０７５５００に見出される。しかしながら、実際には、側板の重量および風の負荷によって、風力タービンタワー上に据え付けることが難しいことが判明している。
【０００７】
風力タービンの他の欠点は、ＵＳ２０１２２８２０９２の段落００１４以下に見出される。これらは、地面付近での不十分な動作、タワーによって必要とされる大きな寸法、高価な保守および繰り返すストレスおよび故障を含む。
【０００８】
風力タービンにおける１つのタイプの不十分さは、ブレードの先端で作り出される風の流れによって作り出される。この問題を解決するための１つの手段は、ブレードを構造物で囲むことであり、それによって、そのような流れはなくなる。そのような構成は、ＣＡ２５９０９１８（図３）に見出だされる。当該特許では、ドラムもまた、発電機の一部として機能する。
【０００９】
風力タービンが、より低速風で効率的である設計がなされることができ、共通の風力タービンタワーの使用なしに設置されることができ、風力タービンの一般的に先に知られた欠点を全体として克服することができると、有益である。先に言及されたＣＡ２５９０９１８は、カウル付きタービンを風力タービンタワーの頂上に設置することができることを教示している。ＣＡ２５０９０９１８はまた、タービンを受動的に風の中に導くためのフィンの使用を教示している。
【００１０】
ＵＳ４１４０４３３は、風力タービンマストの除去を教示している。しかしながら、ＣＡ２５９０９１８と同様に、ＵＳ４１４０４３３は、タービンが風の中に回転することを確実にするための自由回転可能な回転テーブルの使用と、タービンが風の中で自己調心することを確実にするテールフィンの付加的な使用のみを教示している（第９欄、５行目）。
【００１１】
タービン設計の別の欠点は、タービンの回転子の中心シャフトと同軸で、またはそれによって駆動されて動作する単一の発電機の使用である。そのような位置決めは、タービンが発電機の保守または修理のために停止されることを必要とする。加えて、発電機が回転子の中心シャフトに位置決めすることは、概して狭い区画での困難なアクセスを含む。先に言及されたＣＡ２５９０９１８は、回転子の周縁によって駆動される１つの発電機の任意の使用を教示している（図５）が、機械的中断の使用または２つ以上の発電機の使用を教示していない。
【００１２】
風力タービンにおける１つのみの発電機の使用は、広範な風速にわたって効率的に発電するそれらの能力を制限する。平均的な予想される風速のためのサイズにされた発電機は、概してより低速の空気速さでは不十分であり、そのような状況では、風力タービンが無駄になる。
【００１３】
発電による課題は、伝達および分配システムにおける電気の損失である。大量の電気が、１つの場所から別の場所への電気の単なる伝達において失われる。この課題のためには、発電システムを電気が用いられる場所に近接して位置させることが望ましい。本発明は、発電容量を建物に近接して、または好適なケースでは、建物上に位置させることを可能にし、伝達ロスをなくす。
【００１４】
電気に関するシステムによる最終的な課題は、過剰な電気を蓄積し、電源における揺らぎを平滑にすることにおける困難である。この課題は、電気発電機に電力供給するために風を用いる場合に、風の自然の揺らぎに起因して顕著である。この問題を解決する１つの手段は、ＵＳ８７４９０８３に見出されるように、フライホイールおよびクラッチの使用によるものである。しかしながら、その中で提案された当該システムは、重いフライホイールを風力タービンタワーの頂上に据え付けなければならない課題に苦しむ。
【００１５】
水等の液体は、空気等の気体と同じような流れを有し得る。ほとんどの風力タービンの設計の欠点は、それらの設計を自然水流の面積に適合させて発電させる能力がないことである。
【００１６】
ほとんどの風力タービン設計の別の欠点は、他の形式の原動力との相互運用性を欠くことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、本装置を通して風速を増大させることにおいて、先行技術の制限を克服することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、回転子の周縁での回転子と複数の発電機のうちの１つ以上との間の接続を設けることによって、発電効率を、回転子を通した速度に適切に改善させることである。
【００１９】
本発明の別の目的は、過剰な電気を機械的に、または他の手段によって蓄積する手段を作り出し、そのような過剰な容量が必要に応じて用いられることを可能にすることである。
【００２０】
本発明の別の目的は、容易に水平にまたは垂直に据え付けられ得、建物の屋上を含む任意の場所で用いられ得るコンパクトな装置を作り出すことである。
【００２１】
本発明の別の目的は、同じ設置上で他の形式の原動力とともに相互運用することである。
【００２２】
本発明の別の目的は、本発明による１つ以上の装置を、同じ設置で用いることを可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本特許は、一実施形態において、風力駆動型ブレードが付けられた中央ドラム式回転子を用いる装置を説明する。ドラム式回転子の使用は、ブレードが、それらの動きの外側または周縁に固定されることを可能にし、さらに従来的な風力タービンにおいて起こる渦流を除去する。
【００２４】
さらに、ドラム式回転子の使用は、多くの異なるタイプおよび配置のブレードが用いられることを可能にする。用いられることができる２つの主なタイプのブレードは、スクリューおよびファンブレードである。
【００２５】
スクリューブレードは、フランジ幅が回転子の半径と概ね等しいヘリカルフランジである。フランジは、螺旋の経路に従って、その外側端で回転子に接続される。フランジの中心側は、緩やかであるかまたは任意には回転子と同軸のスピンドルに接続されることができる。２つ以上のスクリューブレードが用いられる場合、スクリューブレードは、回転子内部で調和して、それと同軸に位置する。フランジが偶数である場合、反対側のフランジは、実際には１つのピースである反対フランジで、らせん形状をなぞる。
【００２６】
スクリューブレードのらせんは、右方向または左方向であることができ、らせんが１つの完全な回転をなす地点間の距離として記載されたピッチを有する。加えて、フランジは、さまざまな角度で回転子に接続されることができる。スクリューブレードの掌性、ピッチ、回転子接続角度、および回転子内部での位置は、実験によって判定され得、回転子のサイズと風速との特定の組み合わせに対して最適化され得る。
【００２７】
ファンブレードは、回転子と同軸の中心軸を中心とした複数のブレードである。ブレードは、それらの遠位端で回転子と接続され、それらの中央端で互いに、または任意のスピンドルと接続される。ファンブレードの形状、サイズ、角度、および設計、ならびにそれらの回転子内部での位置は、実験によって判定され得、回転子のサイズと風速との特定の組み合わせに対して最適化され得る。
【００２８】
他のタイプの回転子を、本発明で用いることができる。例えば、適切なサイズにされたファンまたはブレードが付けられる中央スピンドルを設けることができる。必要に応じて、中央スピンドルに、適切なハブを付けることができる。
【００２９】
風を集めるためのノズルを回転子の前に位置させて、進入してくる空気の流れを増大させることができる。同様に、ディフューザを回転子の後に位置させて、既存の空気の圧力を低下させることができる。両方の技術は、低速風の状況で発電させるための本装置の能力を高めるために有用である。
【００３０】
ノズルおよびディフューザは、適切な形状にされたカウリングの使用を通して適合されることができる。吸気カウリングは、風を集めて、吸気流のためのノズルを作り出す。出口カウリングは、低圧ゾーンを作り出して、空気流の出力のためのディフューザとして機能する。
【００３１】
回転子上の風速を増大させる別の手段は、逆円錐スピンドルを用いることである。そのようなスピンドルは、回転子の内部に存在するベンチュリ効果を増大させる。そのようなスピンドルの実際の位置は、用いられるブレードの配置に加えて、任意のノズルまたはディフューザが用いられていることを考慮に入れる。
【００３２】
回転子は、その軸を中心として自由回転する。そのような自由回転は、従来の軸受リングによって、回転子の周囲の２つ以上の位置で達成されることができる。代替的に、空気軸受または磁気軸受等の摩擦がより起きにくい軸受システムを用いることができ、これらは当技術分野において周知である。
【００３３】
本装置は、当技術分野において周知である、好適なサイズにされたモータ駆動式回転テーブルによって回されることができる。当技術分野において周知の、風向および風速を測定し、回路機構を制御するための風向風速計を用いて、必要とされる方向を判定する。このことは、自由回転しかつフィン等の受動的な方法を用いて風の中に向けられ得る、風力タービンとともに用いられる従来の回転テーブルとは異なり、本装置が、一般的な風の条件によって必要とされるような制御された手段を通して、風の中に、そして風から離れるように回されることを可能にする。
【００３４】
本発明のドラム式回転子は、発電機を機械的に接続することができる数多くの異なる手段を提示する。好ましくは、複数の発電機を機械的手段とともに用いて、回転子の周縁に各発電機を個々に接続する。発電機の機械的接続が、回転子に対する負荷を作り出すため、低速風の状況では、単に１つ以上の発電機を回転子と機械的に接続させて、より低速の風を前提として、発電機の最も高い効率で動作させることが望ましい。風の負荷が高い状態では、さらなる発電機を回転子の周縁に機械的に接続させて、システム内に存在するより高いエネルギを利用することができる。発電機と回転子との接続を機械的に遮断し、それを制御するための手段は、当技術分野において周知である。
【００３５】
１つ以上の発電機に加えて、本発明は、そのような発電機を逆にドライバとして用いることができる。前述のドライバは、電気エネルギを用いて回転子を回転させ、最初に作動させたときの動作速さを引き上げることができる。代替的に、ドライバを用いて、余剰電気エネルギを回転子内に、または同軸のフライホイール内に蓄積することができる。
【００３６】
本発明では、回転子の周縁に接続される発電機は、装置全体を停止させることなく、容易に点検または保守されることができる。点検または保守される発電機は、回転子の周縁から接続解除され、その後必要に応じて天井クレーンによって容易に取り除かれることができる。
【００３７】
本装置は、回転子と同軸のフライホイールを有することができる。フライホイールは、クラッチおよび伝動装置を備える回転子および発電機と接続されて、フライホイール内の回転子の動きを蓄積するか、または代替的には、フライホイールに、発電機に電力供給させることができる。また、電気エネルギの余剰がある場合は、発電機を、ひいてはフライホイールにエネルギを伝達するドライバとして機能させることによって、システムを逆に動作させることも可能である。
【００３８】
フライホイールの動きを回転子および発電機に接続してそこから伝達し、それを制御するための手段は、当技術分野において周知であり、一方向および二方向クラッチ、ギアボックス、およびトルク変換機を含む。
【００３９】
本装置は、記載されたように、タワーなしで据え付けられることができる。本装置の全体的なサイズは、回転子の直径および付加的なカウリングに比例する。
【００４０】
また、本装置は、多数のユニットが共通の回転テーブル回転システム上の共通の設置で用いられることを可能にするモジュール式で配置されることもできる。多数のユニットを備えるモジュール式の設置では、１つ以上のユニットのいずれかが、天井クレーンによって、および任意の天候条件において修理または保守のために容易に取り除かれ得、一方で、ユニットの平衡は、生成のために適所のままにされる。
【００４１】
本装置は本質的に堅固であるが、非常に高速な風速な場合、熱帯性低気圧およびハリケーンの間は、コントローラは、本装置をモータ駆動式回転テーブルによって部分的または完全に風の中に、または風から離れるように角度を付けて、これらの条件下で動作を継続し、本装置の最大電力を取り込むことができる。既存の設計は、これらの条件では停止させなければならない。
【００４２】
本発明の別の目的は、代替のエネルギ源、例えば蒸気、気体または任意の他の動力源からの余剰エネルギを用いて蓄積することである。
【００４３】
本発明は、自然の水路で用いられるように適合されることもできる。内部の態様のすべてが、水流の方向の中に回されるかまたはその内部に位置する、防水性の回転子を備えることができる。
【００４４】
そのようなタービンのシステム全体の一部として、本発明の目的は、広範な位置および設置で用いられ据え付けられることである。例えば、沿岸部では、本装置は、風力タービンとして洋上のタワーまたはバージ上に、および異なる高さのタワーおよび建物を含む陸上の設置で据え付けられることができる。また、本装置は、駆動電流の可能性が存在する水で効果的に用いられることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
添付の図面を例としかつ参照して、本発明の実施形態が説明される。図面は、本発明の実施形態の一例のみを図示し、したがって、本発明が他と同様の効果的な実施形態を有し得るとして、その範囲を限定することは考えられていない。
【００４６】
【図１】本発明による風力タービンの切欠き斜視図を図示する。
【図２】本発明による風力タービンの正面図を図示する。
【図３】本発明による風力タービンの、図２からのセクションＡ−Ａ間の断面図を図示する。
【図４】本発明による風力タービンの主要な内部構成要素の局部透視図を、図３と同じ向きで図示する。
【図５】代替の外ハウジングを備え、回転テーブル上に置かれた、図４の本発明による風力タービンの局部透視図を示す。
【図６】図５に図示された本発明による風力タービンの斜視図を図示する。
【図７】図５に図示された本発明による風力タービンの正面図を図示する。
【図８】本発明による風力タービンで用いられる発電機アセンブリの詳細概略図を図示する。
【図９】前述の図のいずれかに図示されたような、本発明による風力タービンの背面図を図示し、内部機構の配置を図示するために出口カウリングが取り除かれている。
【図１０】本発明の代替の実施形態の側部局部透視図を図示し、ここでは、多数の風力タービンユニットが、保守のための天井クレーンを備える共通のハウジング内にまとめられている。
【図１１】図１０の本発明の代替の実施形態の斜視図を図示する。
【図１２】図１０の本発明の代替の実施形態の正面図を図示する。
【図１３】本発明の別の代替の実施形態の斜視図を図示し、多数の風力タービンの異なる群が、共通のハウジング内にまとめられている。
【図１４】図１３の本発明の代替の実施形態の正面図を図示する。
【図１５】図１３の本発明の代替の実施形態の側部局部透視図を図示し、風力タービンがさらに、風力タービンの１つのセットの出口ポートが、すべて共通のハウジングの内部にある付加的な風力タービンの吸気ポートに供給することができる配置でまとめられることができることを示している。
【図１６】建物の屋上の上に置かれた、図１０、１１および１２の風力タービンを図示する。
【図１７】多くのタイプの地上ベースの接地で置かれた、図１０、１１および１２の本発明を図示する。
【図１８】洋上ベースの設置で置かれた、図１０、１１および１２の本発明を図示する。
【図１９】弱風状態で用いられている本発明の一部の概略である。
【図２０】中風速状態で用いられている本発明の一部の概略である。
【図２１】強風状態で用いられている本発明の一部の概略である。
【図２２】無風状態で用いられている本発明の一部の概略である。
【図２３】余剰電気エネルギが存在する状態で用いられている本発明の一部の概略である。
【図２４】風および他の動力源を組み合わせた状態で用いられている本発明の一部の概略である。
【図２５】本発明および２つ従来の風力タービンを比較した風速に対する利用可能な見込み電力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
図１は、本発明による風力タービン１０の切欠き斜視図を示す。本発明は、同軸のスピンドル２５を取り囲むヘリカルブレード２０を有する。ハウジング３０は、ノズルとして吸気流を集める吸気カウリング３５をさらに示す。切欠きセクションは、ヘリカルブレード支持部３８の位置と、同軸のフライホイール４０とを示す。ヘリカルブレード支持部３８内部のすべてが、本発明の回転子を備える。
【００４８】
図２は、本発明による風力タービン１０の正面図を示す。タービンは、同軸のスピンドル２５を取り囲むヘリカルブレード２０の前縁２２を示す。吸気カウリング３５は、ノズルとして吸気流を集め、風力タービンの内部の他の機器を覆い、風力タービンを妨害する埃、動物および他の有機堆積物の進入を防止する。
【００４９】
図３は、風力タービン１０の、図２からのセクションＡ−Ａ間の断面図を示す。風力タービンは、風が左から風力タービンに進入し、右で出ていくように回される。これは、ノズルとして吸気流を集める吸気カウリング３５、ヘリカルブレード２０、および同軸のフライホイール４０の位置を示す。本図は、形状がヘリカルブレードの方向に最大端を備える円錐であることによって、付加的な吸気流の集中を提供するように設計された同軸のスピンドル２５をさらに示す。ヘリカルブレード２０は、ブレードハウジング４１内部で回転し、ブレードハウジングは、ひいては好適に位置付けられたガイドローラ４４または発電機アセンブリ５０によって外ハウジング４２から分離される。ブレードハウジング４１内部のすべてが、本発明の回転子として機能する。
【００５０】
図４は、風力タービン１０の主要な内部構成要素の局部透視図を、図３と同じ向きで示す。外ハウジング４２内部のすべてのパーツは、破線で示される。吸気カウリング３５は、同軸のスピンドル２５とともに、ノズルとして、進入してくる空気流を集める。同軸のスピンドル２５は、本実施形態では、ディフューザとして機能し、ヘリカルブレード２０の前縁２２の一部からそれらの後縁２３までの気圧を低減する出口部２６を有するようにも設計されている。ヘリカルブレード２０は、同軸のスピンドル２５の出口部２６に、そしてそれらの他側では、ブレードハウジング４１に取り付けられる。本発明の回転子として機能するブレードハウジング４１は、好適に位置付けられたガイドローラ４４または発電機アセンブリ５０によって回転する。また、ブレードハウジング４１は、ブレードハウジング４１から、ブレードハウジング４１と同軸でありその外側にあるが外ハウジング４２の内部にあり、摩擦低減手段によって外ハウジング４２から分離されたフライホイール４０に機械的エネルギを与えるギアボックス６０に機械的に係合されてもよい。
【００５１】
図５は、本発明の異なる実施形態の主要な内部構成要素の局部透視図である。代替の外ハウジング４３内部のすべてのパーツは、破線で示される。本発明の代替の実施形態は、延長吸気カウリング４６と延長出口カウリング４７とを含む、代替の外ハウジング４３を備える風力タービン１０である。風力タービンは、機械的回転テーブル７０上で、風が左から風力タービンに進入し、右で出ていくように回される。機械的回転テーブル７０は、モータまたは他の手段によって電力供給され、風向風速計からの入力信号によって、および当業者には周知の他の技術によって、マイクロコントローラにより制御されることができる。回転テーブル７０は、中心線７１を中心として回転する。延長吸気カウリング４６は、より大きな風エネルギを取り込むためのさらなる断面積を提供し、ノズルとして機能する。延長出口カウリング４７は、出力される空気流の圧力を低くし、風力タービンを通る空気の速さを増大させ、ディフューザとして機能する。
【００５２】
図６は、図５の装置を斜視図で示す。装置の入口に位置し、不要な動物および物体の進入を防止して安全機構として機能するようなサイズにされた任意のメッシュ７５がさらに示される。本図は、機械的回転テーブル７０上で回されて、開口を風の中に向けて位置させることができる風力タービン１０を示す。延長吸気カウリング４６および延長出口カウリング４７がさらに示される。また、メッシュの内側には、同軸のスピンドル２５、吸気カウリング３５、およびヘリカルブレード２０の前縁２２を見出だすことができる。
【００５３】
図７は、図６の装置を正面図で示す。本図は、延長吸気カウリング４６を示す。また、同軸のスピンドル２５、吸気カウリング３５、およびヘリカルブレード２０を見出だすことができる。また、機械的回転テーブル７０が示される。
【００５４】
図８は、発電機アセンブリの図式化された詳細を示す。発電機またはオルタネータ８０は、ヒンジ付きベース８４上に据え付けられ、摩擦車またはギア８２に直接接続される。摩擦車またはギア８２は、摩擦車またはギア８２が回転エネルギ源と係合されることを可能にするアクチュエータ８６を係合することによって、好適な駆動源と係合されることができる。発電機またはオルタネータ８０の出力は、当技術分野において周知の手段によって接続されて、発電機アセンブリを本発明の回転子と係合することによって電気の生成を可能にする。
【００５５】
図９は、出口カウリングが取り除かれた風力タービン１０の全体背面図を示す。本図は、ブレードハウジング４１内部のヘリカルブレード２０の後縁２３を示し、ブレードハウジングは、ひいては、ガイドローラ４４によって支持される。ブレードハウジング４１の内部の詳細のすべては、本発明の回転子として機能する。発電機アセンブリ５０は、当業者には周知であるコントローラシステムに従って個々ベースで回転子として機能するブレードハウジング４１と係合されることができる。前述のコントローラシステムは、利用可能な風に比例して、発電機アセンブリのブレードハウジング４１との係合を可能にする。
【００５６】
図１０は、本発明の代替の実施形態を示し、ここでは、個々の風力タービンユニットがまとめられて、特定の位置で利用可能な風エネルギを最大にすることができる。個々の風力タービンユニット１１は各々、群の中のすべてのユニットに利用可能な風エネルギを集めるように配置された延長吸気カウリング９１を有する外ハウジング９０内に収容されることができる。天井クレーン９３を、個々のユニットの保守および撤去のために用いることができる。アセンブリ全体が、適切なサイズにされた機械的回転テーブル７０上に位置する。
【００５７】
図１１は、図１０に図示された個々の風力タービンユニットの群の代替の実施形態の斜視図を示す。
【００５８】
図１２は、図１０に図示された個々の風力タービンユニットの群の代替の実施形態の正面図を示す。
【００５９】
図１３は、本発明の代替の実施形態の斜視図を示し、本発明による多数の風力タービンユニットが、代替の外ハウジング９２内にまとめられている。
【００６０】
図１４は、図１３に示された本発明の代替の実施形態の正面図である。
【００６１】
図１５は、図１３に示された本発明の代替の実施形態の側部局部透視図であり、破線は、外ハウジングの内部の本発明の主要な構成要素を表す。本図は、風力タービンユニット９５の第２のセットが、風力タービンユニット９６の第１のセットの後に位置し、利用可能なすべての風エネルギが本発明の内部で変換されることを確実にすることができることを図示する。風力タービンユニットの２つのセットの間の空間９７は、風力タービンユニット９６の第１のセットに対するディフューザ効果と、風力タービンユニット９５の第２のセットに対するノズル効果とを最大にするような形状にされて設けられる。
【００６２】
図１６は、図１０、１１および１２に図示された本発明の、建物１００上に位置する実施形態を示す。建物は、本発明の一部として示されていないが、単に本発明が、当業者に周知の好適な機械的接続および制御手段によって、建物の上に容易に位置することができることを図示する。
【００６３】
図１７は、図１０、１１および１２に図示された本発明の、地上ベースの用途における異なる構造物上に位置する実施形態を示す。示された設置は、具体的には垂直な設置であり、流れ込み式設置である。構造物は、本発明の一部として示されていないが、単にいかにして本がさまざまな構造物上に容易に位置することができるかを図示する。風力タービン１０は、タワーまたは建物上に位置することができる。図１０〜１５のいずれかにおけるようなタービン群１５もまた、異なる高さの建物上に据え付けられることができる。また、水流から電力供給されるタービン１６を設置することもできる。
【００６４】
図１８は、図１０、１１および１２に図示された本発明の、洋上ベースの設置での異なる構造物上に位置する実施形態を示す。構造物は、本発明の一部として示されていないが、単にいかにして本がさまざまな構造物上に容易に位置することができるかを図示する。風力タービン１０、または図１０〜１５のいずれかにおけるようなタービン群１５は、洋上のタワーまたはバージ上に位置することができる。また、水流から電力供給されるタービン１６を設置することもできる。
【００６５】
図１９は、弱風状態で用いられている本発明の一部の概略を示す。発電機５０のうちの１つ以上が、回転子２０と機械的に接続されて置かれ、発電を行う。クロスハッチングされた領域は、本発明の電力供給されている部分を示す。
【００６６】
図２０は、中風速状態で用いられている本発明の一部の概略を示す。１つ以上の発電機５０が、回転子２０と機械的に接続されて置かれ、発電を行う。加えて、同軸のフライホイール４０もまた、回転子２０と接続されて、フライホイールの回転を立ち上げる。クロスハッチングされた領域は、本発明の電力供給されている部分を示す。
【００６７】
図２１は、強風状態で用いられている本発明の一部の概略を示す。１つ以上の発電機５０が、回転子２０と機械的に接続されて置かれ、発電を行う。加えて、同軸のフライホイール４０もまた、回転子２０と接続されて、回転子からの、発電機によって必要とされない余剰エネルギを蓄積する。クロスハッチングされた領域は、本発明の電力供給されている部分を示す。
【００６８】
図２２は、無風状態で用いられている本発明の一部の概略を示す。フライホイール４０および回転子２０内の回転エネルギを用いて、１つ以上の発電機５０と接続させ、電気エネルギを発生させる。クロスハッチングされた領域は、本発明の電力供給されている部分を示す。
【００６９】
図２３は、次の状態で用いられるシステムの一部の概略を示す。風で駆動される回転子ドラム（２０）が回転子ドラム（２０）に接続された発電機（５０）を駆動し、同軸のフライホイール（４０）が任意のドライバ（７５）によって駆動され、この任意のドライバ（７５）は蒸気、気体、または任意の他の動力源等の代替の動力源によって駆動され得、したがって発電機（５０）がフライホイールと係合されている場合、エネルギを蓄積するか、または発電する。クロスハッチングされた領域は、本発明の電力供給されている部分を示す。
【００７０】
図２４は、次の状態で用いられるシステムの一部の概略を示す。図２３に示される任意のドライバ（７５）が、同軸フライホイール（４０）および同軸フライホイール（４０）と係合しているすべての発電機（５０）を駆動し、利用可能な風に応じて、回転子（２０）および回転子（２０）に取り付けられているすべての発電機（５０）を完全にまたは部分的に駆動する。任意のドライバ（７５）からの駆動力は、駆動トレインクラッチ／継手（７６）を通してであり、これは、係合されたとき、フライホイール（４０）を回転子（２０）に結合する。クロスハッチングされた領域は、本発明の電力供給されている部分を示す。
【００７１】
図２５は、メートル／秒での風速１０２に対する見込み電力１０１を示すグラフである。７．５ｍ／秒のカナダの平均風速１０３が、ハリケーンの力の風１０４として、が示される。本発明によって成し遂げられ得る潜在的電力は、低速１１または破壊を避けるために停止される必要がある強風において効果的に動作することができない３つのブレードタービンユニットの同じ制限を有しない。クロスハッチングされた領域は、本発明によって利用され得る風力ポテンシャルである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービンであって、
両方の端が開放されている自由回転可能なドラム式回転子であって、前記回転子内に空気を注ぎ込むために一方の端に入口、および回転子から離れて空気を向かわせるために他方の端に出口を有する、ドラム式回転子と、
前記ドラム式回転子内部に配置され、それと接続され、それと同軸であることによって、前記回転子を通る空気の通過が、回転子がその軸を中心として回転すること誘発する、１つ以上のブレードと、
前記回転子を風の方向へと向かわせるための機械的手段と、
発電するために、複数の発電機のうちの１つ以上を前記回転子の周縁で前記回転子に遮断可能に接続するための手段と、を備える、風力タービン。
【請求項２】
前記１つ以上のブレードは、スクリュー様のブレードである、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
前記１つ以上のブレードは、ファン様のブレードである、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記風力タービンが、
前記回転子の前記出口端の次に続くディフューザをさらに備える、請求項１〜３に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記風力タービンが、
前記回転子の一方の端の前記入口の前にノズルをさらに備える、請求項１〜３に記載の風力タービン。
【請求項６】
前記風力タービンが、
前記回転子の前記出口端の次に続くディフューザと、
前記回転子の一方の端の前記入口の前にノズルをさらに備える、請求項１〜３に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記風力タービンが、
前記回転子に遮断可能に接続され、かつ前記複数の発電機のうちの１つ以上に遮断可能に接続されているフライホイール格納手段と、
前記回転子への前記フライホイール格納手段の前記接続を制御し、かつ前記フライホイール格納への前記複数の発電機のうちの１つ以上の前記接続を制御するための制御手段と、をさらに備える、請求項１〜６に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記タービンは、他の類似の風力タービンおよび前記複数のそのような風力タービンを風に向かわせる手段とともに前記風力タービンを使用することを可能にするようにモジュール様式で組み立てられる、請求項１〜７に記載の風力タービン。
【請求項９】
前記複数の発電機のうちの１つ以上は、ドライバとして動作されるとき、電気または他の原動力を回転エネルギに変換する、請求項１〜８に記載の風力タービン。
【請求項１０】
モジュール式風力タービンであって、
平坦なベース、開放されたハウジング入口端、および開放された反対側のハウジング出口端を備える多角形ハウジングであって、前記ハウジングが、複数の前記ハウジングがスタッキングされたモジュール式様式で用いられることを可能にするように形成されている、多角形ハウジングと、
前記ハウジング内部に水平に据え付けられた自由回転可能なドラム式回転子であって、前記回転子が、前記回転子に空気を注ぎ込むための回転子入口端、および空気を前記回転子から離れるように向かわせるための前記回転子入口端の反対側にある回転子出口端を有する両端で開放され、前記回転子入口端および前記回転子出口端が、前記ハウジング入口端および、および前記ハウジング出口端それぞれと平行に並べられている、回転子と、
前記ドラム式回転子内部に配置され、それと接続され、それと同軸であることによって、前記回転子を通る空気の通過がその軸を中心とした前記回転子の回転を誘発する、１つ以上のブレードと、
ノズルとして空気を濃縮し、前記濃縮された空気を前記回転子の中に向かわせるための、前記ハウジングの内部にあり、前記ハウジング入口端に位置する、入口カウリングと、
前記回転子から出る空気を受け入れるディフューザとして機能するための、前記ハウジングの内部にあり、前記ハウジング出口端に位置する、出口カウリングと、
発電を行うために、前記回転子と遮断可能に接続され、前記ハウジングの内部の前記回転子の周囲に位置する、複数の発電機と、
回転エネルギを蓄積するかまたは用いるために、前記回転子と同軸であり、前記ハウジング内部に位置し、二方向クラッチ手段を通して、前記回転子もしくは前記複数の発電機のうちの１つ以上、または他の原動力に遮断可能に接続されている、フライホイールと、
前記ハウジングの前記平坦なベースが載せられるかまたは取り付けられ、風力タービンが風の中に向けられることを可能にするモータ駆動式回転テーブルと、
異なる動作条件下で前記風力タービンの電気出力を最大にするために、コントローラと前記風の速度および向きを測定し、前記モータ駆動式回転テーブル、前記回転子と前記複数の発電機または他の原動力との間の前記遮断可能な接続、および前記回転子と前記フライホイールとの間の前記遮断可能な接続を制御するコントローラと、を備える、モジュール式風力タービン。
【請求項１１】
発電するためのタービンであって、
平坦なベースと、２つの開放端および反対側の端とを備えるハウジングと、
前記回転子手段を通る液体または気体の流れを、前記回転子手段の回転に変換するように配置された前記ドラム式回転子手段内部に位置し、それと接続され、前記回転子手段が前記ハウジングの前記２つの開放端および反対側の端と平行に並ぶように配向された１つ以上のブレードをさらに備える前記ハウジング内部に配置された、ドラム式回転子手段と、
前記ハウジングの内部に配置され、前記回転子手段または他の原動力と遮断可能に接続するように配置された前記回転子手段の周囲に位置して、発電を行う、１つ以上の発電機手段と、
前記回転子手段または前記発電機手段からの回転エネルギを蓄積するための、前記ハウジングの内部に配置され、前記回転子手段と同軸である、フライホイール手段と、
回転エネルギを一方から他方に伝達して、回転エネルギを蓄積するかあるいは用いるために、前記回転子手段と前記フライホイール手段とを遮断可能に接続するように前記ハウジングの内部に配置されている、二方向クラッチ手段と、
前記タービンを、液体または気体の前記流れの中に、またはその外に向けさせるための電動式回転テーブル手段と、
異なる動作条件下で前記タービンの電気出力を最大にするために、前記回転テーブル手段および前記二方向クラッチ手段を制御するための、コントローラ手段と、を備える、タービン。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2018508711.tif 000019
【図２】
2018508711.tif 000020
【図３】
2018508711.tif 000021
【図４】
2018508711.tif 000022
【図５】
2018508711.tif 000023
【図６】
2018508711.tif 000024
【図７】
2018508711.tif 000025
【図８】
2018508711.tif 000026
【図９】
2018508711.tif 000027
【図１０】
2018508711.tif 000028
【図１１】
2018508711.tif 000029
【図１２】
2018508711.tif 000030
【図１３】
2018508711.tif 000031
【図１４】
2018508711.tif 000032
【図１５】
2018508711.tif 000033
【図１６】
2018508711.tif 000034
【図１７】
2018508711.tif 000035
【図１８】
2018508711.tif 000036
【図１９】
2018508711.tif 000037
【図２０】
2018508711.tif 000038
【図２１】
2018508711.tif 000039
【図２２】
2018508711.tif 000040
【図２３】
2018508711.tif 000041
【図２４】
2018508711.tif 000042
【図２５】
2018508711.tif 000043
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月17日(2017.11.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許は、ノズルおよびディフューザの使用を通して空気流を増大させ、風力タービンタワーなしの据え付けに好適な風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、風の運動エネルギを、回転子ブレードの回転によって機械的エネルギに変換する手段として周知である。そして、次に機械的エネルギは、発電機によって電気エネルギに変換されることができる。
【０００３】
発電のために用いられる１つのタイプの風力タービンは、好適なサイズにされたタワーの頂上に置かれた共通のスピンドルに接続されたいくつもの長細いブレードを備える回転子で構成される。このタイプの図示は、ＵＳ８，６２２，６９８の図１に見出すことができる。このタイプの風力タービンが実際に直面する課題は、低速風では力不足であり、安全および効率のためにタワーおよびブレードの高さが必要とされ、そのような大きな構造が全体的に邪魔な外観であることである。また、ＵＳ８，６２２，６９８は、実際に用いられる共通の風力タービンタワーを図示し、細く高い単一の要素支持体である。
【０００４】
ある程度は、風力タービンの効率は、ベッツの法則によって予測される。この法則は、風力タービンが風の運動エネルギのわずか１６／２７（５９．３％）未満を取り込むことができることを予測する。この限界は、それらのエネルギを回転子ブレードに伝達する空気の分子の衝突の結果として生じる。
【０００５】
実際に、風力タービンは、ベッツの法則の限界のわずか約７５〜８０％を取り込むことができる。しかしながら、より高い効率を実現する手段は、回転子の前後でのノズルおよびディフューザの使用によって、さらなる風の流れを収集することである。この取り組みは、ＵＳ２０１２０１７５８８２にさらに十分に記載されている。
【０００６】
ノズルおよびディフューザを作り出すための側板またはカウリングを備える多くの風力タービンが、当技術分野において既知である。一例は、ＷＯ２０１２１３７００８に見出される。別のものは、ＷＯ２００６０６５２４８に見出される。タワー構造で用いるように特化されたより早期のタイプの風力タービン側板が、ＵＳ４０７５５００に見出される。しかしながら、実際には、側板の重量および風の負荷によって、風力タービンタワー上に据え付けることが難しいことが判明している。
【０００７】
風力タービンの他の欠点は、ＵＳ２０１２２８２０９２の段落００１４以下に見出される。これらは、地面付近での不十分な動作、タワーによって必要とされる大きな寸法、高価な保守および繰り返すストレスおよび故障を含む。
【０００８】
風力タービンにおける１つのタイプの不十分さは、ブレードの先端で作り出される風の流れによって作り出される。この問題を解決するための１つの手段は、ブレードを構造物で囲むことであり、それによって、そのような流れはなくなる。そのような構成は、ＣＡ２５９０９１８（図３）に見出だされる。当該特許では、ドラムもまた、発電機の一部として機能する。
【０００９】
風力タービンが、より低速風で効率的である設計がなされることができ、共通の風力タービンタワーの使用なしに設置されることができ、風力タービンの一般的に先に知られた欠点を全体として克服することができると、有益である。先に言及されたＣＡ２５９０９１８は、カウル付きタービンを風力タービンタワーの頂上に設置することができることを教示している。ＣＡ２５０９０９１８はまた、タービンを受動的に風の中に導くためのフィンの使用を教示している。
【００１０】
ＵＳ４１４０４３３は、風力タービンマストの除去を教示している。しかしながら、ＣＡ２５９０９１８と同様に、ＵＳ４１４０４３３は、タービンが風の中に回転することを確実にするための自由回転可能な回転テーブルの使用と、タービンが風の中で自己調心することを確実にするテールフィンの付加的な使用のみを教示している（第９欄、５行目）。
【００１１】
タービン設計の別の欠点は、タービンの回転子の中心シャフトと同軸で、またはそれによって駆動されて動作する単一の発電機の使用である。そのような位置決めは、タービンが発電機の保守または修理のために停止されることを必要とする。加えて、発電機が回転子の中心シャフトに位置決めすることは、概して狭い区画での困難なアクセスを含む。先に言及されたＣＡ２５９０９１８は、回転子の周縁によって駆動される１つの発電機の任意の使用を教示している（図５）が、機械的中断の使用または２つ以上の発電機の使用を教示していない。
【００１２】
風力タービンにおける１つのみの発電機の使用は、広範な風速にわたって効率的に発電するそれらの能力を制限する。平均的な予想される風速のためのサイズにされた発電機は、概してより低速の空気速さでは不十分であり、そのような状況では、風力タービンが無駄になる。
【００１３】
発電による課題は、伝達および分配システムにおける電気の損失である。大量の電気が、１つの場所から別の場所への電気の単なる伝達において失われる。この課題のためには、発電システムを電気が用いられる場所に近接して位置させることが望ましい。本発明は、発電容量を建物に近接して、または好適なケースでは、建物上に位置させることを可能にし、伝達ロスをなくす。
【００１４】
電気に関するシステムによる最終的な課題は、過剰な電気を蓄積し、電源における揺らぎを平滑にすることにおける困難である。この課題は、電気発電機に電力供給するために風を用いる場合に、風の自然の揺らぎに起因して顕著である。この問題を解決する１つの手段は、ＵＳ８７４９０８３に見出されるように、フライホイールおよびクラッチの使用によるものである。しかしながら、その中で提案された当該システムは、重いフライホイールを風力タービンタワーの頂上に据え付けなければならない課題に苦しむ。
【００１５】
水等の液体は、空気等の気体と同じような流れを有し得る。ほとんどの風力タービンの設計の欠点は、それらの設計を自然水流の面積に適合させて発電させる能力がないことである。
【００１６】
ほとんどの風力タービン設計の別の欠点は、他の形式の原動力との相互運用性を欠くことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、本装置を通して風速を増大させることにおいて、先行技術の制限を克服することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、回転子の周縁での回転子と複数の発電機のうちの１つ以上との間の接続を設けることによって、発電効率を、回転子を通した速度に適切に改善させることである。
【００１９】
本発明の別の目的は、過剰な電気を機械的に、または他の手段によって蓄積する手段を作り出し、そのような過剰な容量が必要に応じて用いられることを可能にすることである。
【００２０】
本発明の別の目的は、容易に水平にまたは垂直に据え付けられ得、建物の屋上を含む任意の場所で用いられ得るコンパクトな装置を作り出すことである。
【００２１】
本発明の別の目的は、同じ設置上で他の形式の原動力とともに相互運用することである。
【００２２】
本発明の別の目的は、本発明による１つ以上の装置を、同じ設置で用いることを可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本特許は、一実施形態において、風力駆動型ブレードが付けられた中央ドラム式回転子を用いる装置を説明する。ドラム式回転子の使用は、ブレードが、それらの動きの外側または周縁に固定されることを可能にし、さらに従来的な風力タービンにおいて起こる渦流を除去する。
【００２４】
さらに、ドラム式回転子の使用は、多くの異なるタイプおよび配置のブレードが用いられることを可能にする。用いられることができる２つの主なタイプのブレードは、スクリューおよびファンブレードである。
【００２５】
スクリューブレードは、フランジ幅が回転子の半径と概ね等しいヘリカルフランジである。フランジは、螺旋の経路に従って、その外側端で回転子に接続される。フランジの中心側は、緩やかであるかまたは任意には回転子と同軸のスピンドルに接続されることができる。２つ以上のスクリューブレードが用いられる場合、スクリューブレードは、回転子内部で調和して、それと同軸に位置する。フランジが偶数である場合、反対側のフランジは、実際には１つのピースである反対フランジで、らせん形状をなぞる。
【００２６】
スクリューブレードのらせんは、右方向または左方向であることができ、らせんが１つの完全な回転をなす地点間の距離として記載されたピッチを有する。加えて、フランジは、さまざまな角度で回転子に接続されることができる。スクリューブレードの掌性、ピッチ、回転子接続角度、および回転子内部での位置は、実験によって判定され得、回転子のサイズと風速との特定の組み合わせに対して最適化され得る。
【００２７】
ファンブレードは、回転子と同軸の中心軸を中心とした複数のブレードである。ブレードは、それらの遠位端で回転子と接続され、それらの中央端で互いに、または任意のスピンドルと接続される。ファンブレードの形状、サイズ、角度、および設計、ならびにそれらの回転子内部での位置は、実験によって判定され得、回転子のサイズと風速との特定の組み合わせに対して最適化され得る。
【００２８】
他のタイプの回転子を、本発明で用いることができる。例えば、適切なサイズにされたファンまたはブレードが付けられる中央スピンドルを設けることができる。必要に応じて、中央スピンドルに、適切なハブを付けることができる。
【００２９】
風を集めるためのノズルを回転子の前に位置させて、進入してくる空気の流れを増大させることができる。同様に、ディフューザを回転子の後に位置させて、既存の空気の圧力を低下させることができる。両方の技術は、低速風の状況で発電させるための本装置の能力を高めるために有用である。
【００３０】
ノズルおよびディフューザは、適切な形状にされたカウリングの使用を通して適合されることができる。吸気カウリングは、風を集めて、吸気流のためのノズルを作り出す。出口カウリングは、低圧ゾーンを作り出して、空気流の出力のためのディフューザとして機能する。
【００３１】
回転子上の風速を増大させる別の手段は、逆円錐スピンドルを用いることである。そのようなスピンドルは、回転子の内部に存在するベンチュリ効果を増大させる。そのようなスピンドルの実際の位置は、用いられるブレードの配置に加えて、任意のノズルまたはディフューザが用いられていることを考慮に入れる。
【００３２】
回転子は、その軸を中心として自由回転する。そのような自由回転は、従来の軸受リングによって、回転子の周囲の２つ以上の位置で達成されることができる。代替的に、空気軸受または磁気軸受等の摩擦がより起きにくい軸受システムを用いることができ、これらは当技術分野において周知である。
【００３３】
本装置は、当技術分野において周知である、好適なサイズにされたモータ駆動式回転テーブルによって回されることができる。当技術分野において周知の、風向および風速を測定し、回路機構を制御するための風向風速計を用いて、必要とされる方向を判定する。このことは、自由回転しかつフィン等の受動的な方法を用いて風の中に向けられ得る、風力タービンとともに用いられる従来の回転テーブルとは異なり、本装置が、一般的な風の条件によって必要とされるような制御された手段を通して、風の中に、そして風から離れるように回されることを可能にする。
【００３４】
本発明のドラム式回転子は、発電機を機械的に接続することができる数多くの異なる手段を提示する。好ましくは、複数の発電機を機械的手段とともに用いて、回転子の周縁に各発電機を個々に接続する。発電機の機械的接続が、回転子に対する負荷を作り出すため、低速風の状況では、単に１つ以上の発電機を回転子と機械的に接続させて、より低速の風を前提として、発電機の最も高い効率で動作させることが望ましい。風の負荷が高い状態では、さらなる発電機を回転子の周縁に機械的に接続させて、システム内に存在するより高いエネルギを利用することができる。発電機と回転子との接続を機械的に遮断し、それを制御するための手段は、当技術分野において周知である。
【００３５】
１つ以上の発電機に加えて、本発明は、そのような発電機を逆にドライバとして用いることができる。前述のドライバは、電気エネルギを用いて回転子を回転させ、最初に作動させたときの動作速さを引き上げることができる。代替的に、ドライバを用いて、余剰電気エネルギを回転子内に、または同軸のフライホイール内に蓄積することができる。
【００３６】
本発明では、回転子の周縁に接続される発電機は、装置全体を停止させることなく、容易に点検または保守されることができる。点検または保守される発電機は、回転子の周縁から接続解除され、その後必要に応じて天井クレーンによって容易に取り除かれることができる。
【００３７】
本装置は、回転子と同軸のフライホイールを有することができる。フライホイールは、クラッチおよび伝動装置を備える回転子および発電機と接続されて、フライホイール内の回転子の動きを蓄積するか、または代替的には、フライホイールに、発電機に電力供給させることができる。また、電気エネルギの余剰がある場合は、発電機を、ひいてはフライホイールにエネルギを伝達するドライバとして機能させることによって、システムを逆に動作させることも可能である。
【００３８】
フライホイールの動きを回転子および発電機に接続してそこから伝達し、それを制御するための手段は、当技術分野において周知であり、一方向および二方向クラッチ、ギアボックス、およびトルク変換機を含む。
【００３９】
本装置は、記載されたように、タワーなしで据え付けられることができる。本装置の全体的なサイズは、回転子の直径および付加的なカウリングに比例する。
【００４０】
また、本装置は、多数のユニットが共通の回転テーブル回転システム上の共通の設置で用いられることを可能にするモジュール式で配置されることもできる。多数のユニットを備えるモジュール式の設置では、１つ以上のユニットのいずれかが、天井クレーンによって、および任意の天候条件において修理または保守のために容易に取り除かれ得、一方で、ユニットの平衡は、生成のために適所のままにされる。
【００４１】
本装置は本質的に堅固であるが、非常に高速な風速な場合、熱帯性低気圧およびハリケーンの間は、コントローラは、本装置をモータ駆動式回転テーブルによって部分的または完全に風の中に、または風から離れるように角度を付けて、これらの条件下で動作を継続し、本装置の最大電力を取り込むことができる。既存の設計は、これらの条件では停止させなければならない。
【００４２】
本発明の別の目的は、代替のエネルギ源、例えば蒸気、気体または任意の他の動力源からの余剰エネルギを用いて蓄積することである。
【００４３】
本発明は、自然の水路で用いられるように適合されることもできる。内部の態様のすべてが、水流の方向の中に回されるかまたはその内部に位置する、防水性の回転子を備えることができる。
【００４４】
そのようなタービンのシステム全体の一部として、本発明の目的は、広範な位置および設置で用いられ据え付けられることである。例えば、沿岸部では、本装置は、風力タービンとして洋上のタワーまたはバージ上に、および異なる高さのタワーおよび建物を含む陸上の設置で据え付けられることができる。また、本装置は、駆動電流の可能性が存在する水で効果的に用いられることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
添付の図面を例としかつ参照して、本発明の実施形態が説明される。図面は、本発明の実施形態の一例のみを図示し、したがって、本発明が他と同様の効果的な実施形態を有し得るとして、その範囲を限定することは考えられていない。
【００４６】
【図１】本発明による風力タービンの切欠き斜視図を図示する。
【図２】本発明による風力タービンの正面図を図示する。
【図３】本発明による風力タービンの、図２からのセクションＡ−Ａ間の断面図を図示する。
【図４】本発明による風力タービンの主要な内部構成要素の局部透視図を、図３と同じ向きで図示する。
【図５】代替の外ハウジングを備え、回転テーブル上に置かれた、図４の本発明による風力タービンの局部透視図を示す。
【図６】図５に図示された本発明による風力タービンの斜視図を図示する。
【図７】図５に図示された本発明による風力タービンの正面図を図示する。
【図８】本発明による風力タービンで用いられる発電機アセンブリの詳細概略図を図示する。
【図９】前述の図のいずれかに図示されたような、本発明による風力タービンの背面図を図示し、内部機構の配置を図示するために出口カウリングが取り除かれている。
【図１０】本発明の代替の実施形態の側部局部透視図を図示し、ここでは、多数の風力タービンユニットが、保守のための天井クレーンを備える共通のハウジング内にまとめられている。
【図１１】図１０の本発明の代替の実施形態の斜視図を図示する。
【図１２】図１０の本発明の代替の実施形態の正面図を図示する。
【図１３】本発明の別の代替の実施形態の斜視図を図示し、多数の風力タービンの異なる群が、共通のハウジング内にまとめられている。
【図１４】図１３の本発明の代替の実施形態の正面図を図示する。
【図１５】図１３の本発明の代替の実施形態の側部局部透視図を図示し、風力タービンがさらに、風力タービンの１つのセットの出口ポートが、すべて共通のハウジングの内部にある付加的な風力タービンの吸気ポートに供給することができる配置でまとめられることができることを示している。
【図１６】建物の屋上の上に置かれた、図１０、１１および１２の風力タービンを図示する。
【図１７】多くのタイプの地上ベースの接地で置かれた、図１０、１１および１２の本発明を図示する。
【図１８】洋上ベースの設置で置かれた、図１０、１１および１２の本発明を図示する。
【図１９】弱風状態で用いられている本発明の一部の概略である。
【図２０】中風速状態で用いられている本発明の一部の概略である。
【図２１】強風状態で用いられている本発明の一部の概略である。
【図２２】無風状態で用いられている本発明の一部の概略である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
図１は、本発明による風力タービン１０の切欠き斜視図を示す。本発明は、同軸のスピンドル２５を取り囲むヘリカルブレード２０を有する。ハウジング３０は、ノズルとして吸気流を集める吸気カウリング３５をさらに示す。切欠きセクションは、ヘリカルブレード支持部３８の位置と、同軸のフライホイール４０とを示す。ヘリカルブレード支持部３８内部のすべてが、本発明の回転子を備える。
【００４８】
図２は、本発明による風力タービン１０の正面図を示す。タービンは、同軸のスピンドル２５を取り囲むヘリカルブレード２０の前縁２２を示す。吸気カウリング３５は、ノズルとして吸気流を集め、風力タービンの内部の他の機器を覆い、風力タービンを妨害する埃、動物および他の有機堆積物の進入を防止する。
【００４９】
図３は、風力タービン１０の、図２からのセクションＡ−Ａ間の断面図を示す。風力タービンは、風が左から風力タービンに進入し、右で出ていくように回される。これは、ノズルとして吸気流を集める吸気カウリング３５、ヘリカルブレード２０、および同軸のフライホイール４０の位置を示す。本図は、形状がヘリカルブレードの方向に最大端を備える円錐であることによって、付加的な吸気流の集中を提供するように設計された同軸のスピンドル２５をさらに示す。ヘリカルブレード２０は、ブレードハウジング４１内部で回転し、ブレードハウジングは、ひいては好適に位置付けられたガイドローラ４４または発電機アセンブリ５０によって外ハウジング４２から分離される。ブレードハウジング４１内部のすべてが、本発明の回転子として機能する。
【００５０】
図４は、風力タービン１０の主要な内部構成要素の局部透視図を、図３と同じ向きで示す。外ハウジング４２内部のすべてのパーツは、破線で示される。吸気カウリング３５は、同軸のスピンドル２５とともに、ノズルとして、進入してくる空気流を集める。同軸のスピンドル２５は、本実施形態では、ディフューザとして機能し、ヘリカルブレード２０の前縁２２の一部からそれらの後縁２３までの気圧を低減する出口部２６を有するようにも設計されている。ヘリカルブレード２０は、同軸のスピンドル２５の出口部２６に、そしてそれらの他側では、ブレードハウジング４１に取り付けられる。本発明の回転子として機能するブレードハウジング４１は、好適に位置付けられたガイドローラ４４または発電機アセンブリ５０によって回転する。また、ブレードハウジング４１は、ブレードハウジング４１から、ブレードハウジング４１と同軸でありその外側にあるが外ハウジング４２の内部にあり、摩擦低減手段によって外ハウジング４２から分離されたフライホイール４０に機械的エネルギを与えるギアボックス６０に機械的に係合されてもよい。
【００５１】
図５は、本発明の異なる実施形態の主要な内部構成要素の局部透視図である。代替の外ハウジング４３内部のすべてのパーツは、破線で示される。本発明の代替の実施形態は、延長吸気カウリング４６と延長出口カウリング４７とを含む、代替の外ハウジング４３を備える風力タービン１０である。風力タービンは、機械的回転テーブル７０上で、風が左から風力タービンに進入し、右で出ていくように回される。機械的回転テーブル７０は、モータまたは他の手段によって電力供給され、風向風速計からの入力信号によって、および当業者には周知の他の技術によって、マイクロコントローラにより制御されることができる。回転テーブル７０は、中心線７１を中心として回転する。延長吸気カウリング４６は、より大きな風エネルギを取り込むためのさらなる断面積を提供し、ノズルとして機能する。延長出口カウリング４７は、出力される空気流の圧力を低くし、風力タービンを通る空気の速さを増大させ、ディフューザとして機能する。
【００５２】
図６は、図５の装置を斜視図で示す。装置の入口に位置し、不要な動物および物体の進入を防止して安全機構として機能するようなサイズにされた任意のメッシュ７５がさらに示される。本図は、機械的回転テーブル７０上で回されて、開口を風の中に向けて位置させることができる風力タービン１０を示す。延長吸気カウリング４６および延長出口カウリング４７がさらに示される。また、メッシュの内側には、同軸のスピンドル２５、吸気カウリング３５、およびヘリカルブレード２０の前縁２２を見出だすことができる。
【００５３】
図７は、図６の装置を正面図で示す。本図は、延長吸気カウリング４６を示す。また、同軸のスピンドル２５、吸気カウリング３５、およびヘリカルブレード２０を見出だすことができる。また、機械的回転テーブル７０が示される。
【００５４】
図８は、発電機アセンブリの図式化された詳細を示す。発電機またはオルタネータ８０は、ヒンジ付きベース８４上に据え付けられ、摩擦車またはギア８２に直接接続される。摩擦車またはギア８２は、摩擦車またはギア８２が回転エネルギ源と係合されることを可能にするアクチュエータ８６を係合することによって、好適な駆動源と係合されることができる。発電機またはオルタネータ８０の出力は、当技術分野において周知の手段によって接続されて、発電機アセンブリを本発明の回転子と係合することによって電気の生成を可能にする。
【００５５】
図９は、出口カウリングが取り除かれた風力タービン１０の全体背面図を示す。本図は、ブレードハウジング４１内部のヘリカルブレード２０の後縁２３を示し、ブレードハウジングは、ひいては、ガイドローラ４４によって支持される。ブレードハウジング４１の内部の詳細のすべては、本発明の回転子として機能する。発電機アセンブリ５０は、当業者には周知であるコントローラシステムに従って個々ベースで回転子として機能するブレードハウジング４１と係合されることができる。前述のコントローラシステムは、利用可能な風に比例して、発電機アセンブリのブレードハウジング４１との係合を可能にする。
【００５６】
図１０は、本発明の代替の実施形態を示し、ここでは、個々の風力タービンユニットがまとめられて、特定の位置で利用可能な風エネルギを最大にすることができる。個々の風力タービンユニット１１は各々、群の中のすべてのユニットに利用可能な風エネルギを集めるように配置された延長吸気カウリング９１を有する外ハウジング９０内に収容されることができる。天井クレーン９３を、個々のユニットの保守および撤去のために用いることができる。アセンブリ全体が、適切なサイズにされた機械的回転テーブル７０上に位置する。
【００５７】
図１１は、図１０に図示された個々の風力タービンユニットの群の代替の実施形態の斜視図を示す。
【００５８】
図１２は、図１０に図示された個々の風力タービンユニットの群の代替の実施形態の正面図を示す。
【００５９】
図１３は、本発明の代替の実施形態の斜視図を示し、本発明による多数の風力タービンユニットが、代替の外ハウジング９２内にまとめられている。
【００６０】
図１４は、図１３に示された本発明の代替の実施形態の正面図である。
【００６１】
図１５は、図１３に示された本発明の代替の実施形態の側部局部透視図であり、破線は、外ハウジングの内部の本発明の主要な構成要素を表す。本図は、風力タービンユニット９５の第２のセットが、風力タービンユニット９６の第１のセットの後に位置し、利用可能なすべての風エネルギが本発明の内部で変換されることを確実にすることができることを図示する。風力タービンユニットの２つのセットの間の空間９７は、風力タービンユニット９６の第１のセットに対するディフューザ効果と、風力タービンユニット９５の第２のセットに対するノズル効果とを最大にするような形状にされて設けられる。
【００６２】
図１６は、図１０、１１および１２に図示された本発明の、建物１００上に位置する実施形態を示す。建物は、本発明の一部として示されていないが、単に本発明が、当業者に周知の好適な機械的接続および制御手段によって、建物の上に容易に位置することができることを図示する。
【００６３】
図１７は、図１０、１１および１２に図示された本発明の、地上ベースの用途における異なる構造物上に位置する実施形態を示す。示された設置は、具体的には垂直な設置であり、流れ込み式設置である。構造物は、本発明の一部として示されていないが、単にいかにして本発明がさまざまな構造物上に容易に位置することができるかを図示する。風力タービン１０は、タワーまたは建物上に位置することができる。図１０〜１５のいずれかにおけるようなタービン群１５もまた、異なる高さの建物上に据え付けられることができる。また、水流から電力供給されるタービン１６を設置することもできる。
【００６４】
図１８は、図１０、１１および１２に図示された本発明の、洋上ベースの設置での異なる構造物上に位置する実施形態を示す。構造物は、本発明の一部として示されていないが、単にいかにして本発明がさまざまな構造物上に容易に位置することができるかを図示する。風力タービン１０、または図１０〜１５のいずれかにおけるようなタービン群１５は、洋上のタワーまたはバージ上に位置することができる。また、水流から電力供給されるタービン１６を設置することもできる。
【００６５】
図１９は、弱風状態で用いられている本発明の一部の概略を示す。発電機５０のうちの１つ以上が、ブレードハウジング４１と機械的に接続されて置かれ、発電を行う。クロスハッチングされた領域は、本発明の電力供給されている部分を示す。
【００６６】
図２０は、中風速状態で用いられている本発明の一部の概略を示す。発電機５０のうちの１つ以上が、ブレードハウジング４１と機械的に接続されて置かれ、発電を行う。加えて、同軸のフライホイール４０もまた、ブレードハウジング４１と接続されて、フライホイールの回転を立ち上げる。クロスハッチングされた領域は、本発明の電力供給されている部分を示す。
【００６７】
図２１は、強風状態で用いられている本発明の一部の概略を示す。発電機５０のうちの１つ以上が、ブレードハウジング４１と機械的に接続されて置かれ、発電を行う。加えて、同軸のフライホイール４０もまた、ブレードハウジング４１と接続されて、回転子からの、発電機によって必要とされない余剰エネルギを蓄積する。クロスハッチングされた領域は、本発明の電力供給されている部分を示す。
【００６８】
図２２は、無風状態で用いられている本発明の一部の概略を示す。フライホイール４０およびブレードハウジング４１内の回転エネルギを用いて、１つ以上の発電機５０と接続させ、電気エネルギを発生させる。クロスハッチングされた領域は、本発明の電力供給されている部分を示す。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モジュール式風力タービンであって、
平坦なベース、開放されたハウジング入口端、および開放された反対側のハウジング出口端を備える多角形ハウジングであって、前記ハウジングが、複数の前記ハウジングがスタッキングされたモジュール式様式で用いられることを可能にするように形成されている、多角形ハウジングと、
前記ハウジング内部に水平に据え付けられた自由回転可能なドラム式回転子であって、前記回転子が、前記回転子に空気を注ぎ込むための回転子入口端、および空気を前記回転子から離れるように向かわせるための前記回転子入口端の反対側にある回転子出口端を有する両端で開放され、前記回転子入口端および前記回転子出口端が、前記ハウジング入口端および、および前記ハウジング出口端それぞれと平行に並べられている、回転子と、
前記ドラム式回転子内部に配置され、それと接続され、それと同軸であることによって、前記回転子を通る空気の通過がその軸を中心とした前記回転子の回転を誘発する、１つ以上のブレードと、
ノズルとして空気を濃縮し、前記濃縮された空気を前記回転子の中に向かわせるための、前記ハウジングの内部にあり、前記ハウジング入口端に位置する、入口カウリングと、
前記回転子から出る空気を受け入れるディフューザとして機能するための、前記ハウジングの内部にあり、前記ハウジング出口端に位置する、出口カウリングと、
発電を行うために、前記回転子と遮断可能に接続され、前記ハウジングの内部の前記回転子の周囲に位置する、複数の発電機と、
回転エネルギを蓄積するかまたは用いるために、前記回転子と同軸であり、前記ハウジング内部に位置し、二方向クラッチ手段を通して、前記回転子もしくは前記複数の発電機のうちの１つ以上、または他の原動力に遮断可能に接続されている、フライホイールと、
前記ハウジングの前記平坦なベースが載せられるかまたは取り付けられ、風力タービンが風の中に向けられることを可能にするモータ駆動式回転テーブルと、
異なる動作条件下で前記風力タービンの電気出力を最大にするために、コントローラと前記風の速度および向きを測定し、前記モータ駆動式回転テーブル、前記回転子と前記複数の発電機または他の原動力との間の前記遮断可能な接続、および前記回転子と前記フライホイールとの間の前記遮断可能な接続を制御するコントローラと、を備える、モジュール式風力タービン。
【請求項２】
発電するためのタービンであって、
平坦なベースと、２つの開放端および反対側の端とを備えるハウジングと、
前記回転子手段を通る液体または気体の流れを、前記回転子手段の回転に変換するように配置された前記ドラム式回転子手段内部に位置し、それと接続され、前記回転子手段が前記ハウジングの前記２つの開放端および反対側の端と平行に並ぶように配向された１つ以上のブレードをさらに備える前記ハウジング内部に配置された、ドラム式回転子手段と、
前記ハウジングの内部に配置され、前記回転子手段または他の原動力と遮断可能に接続するように配置された前記回転子手段の周囲に位置して、発電を行う、１つ以上の発電機手段と、
前記回転子手段または前記発電機手段からの回転エネルギを蓄積するための、前記ハウジングの内部に配置され、前記回転子手段と同軸である、フライホイール手段と、
回転エネルギを一方から他方に伝達して、回転エネルギを蓄積するかあるいは用いるために、前記回転子手段と前記フライホイール手段とを遮断可能に接続するように前記ハウジングの内部に配置されている、二方向クラッチ手段と、
前記タービンを、液体または気体の前記流れの中に、またはその外に向けさせるための電動式回転テーブル手段と、
異なる動作条件下で前記タービンの電気出力を最大にするために、前記回転テーブル手段および前記二方向クラッチ手段を制御するための、コントローラ手段と、を備える、タービン。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2018508711.tif 000055
【図１３】
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【図１４】
2018508711.tif 000057
【図１５】
2018508711.tif 000058
【図１６】
2018508711.tif 000059
【図１７】
2018508711.tif 000060
【図１８】
2018508711.tif 000061
【図１９】
2018508711.tif 000062
【図２０】
2018508711.tif 000063
【図２１】
2018508711.tif 000064
【図２２】
2018508711.tif 000065
【国際調査報告】
2018508711.tif 000066
2018508711.tif 000067
2018508711.tif 000068
2018508711.tif 000069
2018508711.tif 000070
2018508711.tif 000071