(57)【要約】  本発明は、実質的に垂直の回転軸ｚを有するロータ（１１０）を含み、ブレード（１１１）を包む気流に対抗する空気抵抗に起因してその回転軸ｚを中心に回転するように配置された複数のブレード（１１１）を含む垂直軸風力タービン（１００）である。上記風力タービン（１００）はまた、内部にロータ（１１０）を格納するケーシング構造（１２０）を含む。上記ケーシング構造（１２０）は、実質的に回転軸ｚに直交する下板（１２１）を含み、前記下板（１２１）は、第１の複数の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎによって規定され、実質的に回転軸ｚに直交する上板（１２２）を含み、前記上板（１２２）は、第２の複数の頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´によって規定され、第２の複数の各頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´は、第１の複数の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎに対応する。上記ケーシング構造（１２０）はまた、下板（１２１）と上板（１２２）とを連結するように配置される複数の壁（１２５ａ−１２５ｄ）を含み、前記壁（１２５ａ−１２５ｄ）および前記板（１２１、１２２）は、前記ケーシング構造（１２０）への／からの前記気流の入口／出口として作用するように配置された複数の開口（１２６ａ−１２６ｄ）を規定する。各壁（１２５ａ−１２５ｄ）は、第１の複数の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎと、対応する第２の複数の頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´とを連結する１つのエッジ（１２７ａ−１２７ｄ）によって規定される。上記エッジ（１２７ａ−１２７ｄ）は、第１の複数の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎと対応する第２の複数の頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´とを結ぶ複数の垂直な理想線Ｖ１−Ｖ１´、・・・、Ｖｎ−Ｖｎ´に対して、ケーシング構造（１２０）から外側へ突出している。（図１および２）【選択図】図２
2016524094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に垂直の回転軸ｚを有するロータ（１１０）であって、ブレード（１１１）を包む気流に対抗する空気抵抗に起因して前記回転軸ｚを中心に回転するように配置される複数のブレード（１１１）を含む前記ロータ（１１０）と、
内部に前記ロータ（１１０）を格納するケーシング構造（１２０）とを含み、前記ケーシング構造（１２０）は、
前記回転軸ｚに実質的に直交する下板（１２１）であって、第１の複数の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎによって規定される前記下板（１２１）と、
前記回転軸ｚに実質的に直交する上板（１２２）であって、第２の複数の頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´によって規定され、前記第２の複数の各頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´は前記第１の複数の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎに対応する前記上板（１２２）と、
前記下板（１２１）および前記上板（１２２）を連結するように配置される複数の壁（１２５ａ−１２５ｄ）とを含み、前記壁（１２５ａ−１２５ｄ）および前記板（１２１、１２２）は、前記気流が、前記ケーシング構造（１２０）に入る／出るようになされた複数の開口（１２６ａ−１２６ｄ）を規定する垂直軸風力タービン（１００）において、
該風力タービン（１００）は、前記複数の壁の各壁（１２５ａ−１２５ｄ）が、前記第１の複数の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎと対応する前記第２の複数の頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´とを連結するように配置されるそれぞれのエッジ（１２７ａ−１２７ｄ）によって規定されること、
および、それぞれの前記エッジ（１２７ａ−１２７ｄ）は、前記ケーシング構造（１２０）から外側へ突出する輪郭を有し、前記突出する輪郭は、前記第１の複数の前記頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎと前記対応する前記第２の複数の頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´とを連結する対応する直線Ｖ１−Ｖ１´、・・・、Ｖｎ−Ｖｎ´を越えて突出するように配置されて、第１の開口（１２６ａ）を介して前記ケーシング構造（１２０）に進入する気流が入る際に、前記エッジ（１２７ｂ）の前記突出する輪郭は、前記壁（１２５ｂ）からの流れの一部の分離を生じて、前記第１の開口（１２６ａ）に対向する前記壁（１２５ｂ）に隣接する第２の開口（１２６ｂ）で、前記ケーシング構造（１２０）に入る前記進入する気流の流量を増加させる低圧帯を作り出すようになされていることを特徴とする、垂直軸風力タービン（１００）。
【請求項２】
前記エッジ（１２７ａ、１２７ｂ、１２７ｃ、１２７ｄ）は、それぞれの開口（１２６ｄ、１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ）の方へ向く凹面を備える曲線形状を有する、請求項１に記載の風力タービン（１００）。
【請求項３】
前記複数の壁のうちの少なくとも１つの壁（１２５ａ−１２５ｄ）は、前記下板（１２１）の面におけるその突出が、互いに前記下板（１２１）の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎを結ぶ理想多角形に対して外側にあるように構成される突出する部分（１２５ａ´−１２５ｏｆ）であって、前記エッジ（１２７ａ−１２７ｄ）から生じる前記突出する部分（１２５ａ´−１２５ｏｆ）と、前記下板（１２１）の前記面におけるその突出が該多角形の内側にある凹部（１２５ａ´´−１２５ｄ´´）であって、前記エッジ（１２７ａ−１２７ｄ）に対向する前記壁の端部（１２７ａ´−１２７ｏｆ）を越えて前記壁（１２５ａ−１２５ｄ）に隣接する開口（１２６ａ−１２６ｄ）まで延びる前記凹部（１２５ａ´´−１２５ｄ´´）とを含み、前記凹部（１２５ａ´´−１２５ｏｆ´）は、前記気流の各方向に対して前記壁（１２５ａ−１２５ｄ）からの気流の分離を補助するために構成される、請求項１に記載の風力タービン（１００）。
【請求項４】
前記下板（１２１）および前記上板（１２２）のうちの少なくとも１つは、前記第１の複数の前記頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎおよび／または前記第２の複数の前記頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´を２つずつ連結する輪郭（１２３ａ−１２３ｄ、１２３ａ´−１２３ｄ´）によって規定され、前記輪郭（１２３ａ−１２３ｄ、１２３ａ´−１２３ｏｆ）は、前記複数の壁の前記壁（１２５ａ−１２５ｄ）の前記凹部（１２５ａ´´−１２５ｄ´´）に適合するように、前記多角形に対して前記回転軸ｚの方へくぼんでいる、請求項３に記載の風力タービン（１００）。
【請求項５】
前記輪郭（１２３ａ−１２３ｄ、１２３ａ´−１２３ｏｆ）は、前記壁（１２５ａ−１２５ｄ）の前記端部（１２７ａ´−１２７ｏｆ）近傍の最大量の点Ｍを有し、前記最大量の点Ｍは、前記頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎおよび／または前記頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´を２つずつ連結する対応する線分によりそれ自体から最大の距離となる前記輪郭（１２３ａ−１２３ｄ、１２３ａ´−１２３ｏｆ）の点である、請求項４に記載の風力タービン（１００）。
【請求項６】
前記ケーシング構造（１２０）は、前記軸ｚについて、互いから９０度の角で配置される同一形状の４つの壁（１２５ａ−１２５ｄ）を含み、４つの開口（１２６ａ−１２６ｄ）を規定する前記４つの壁（１２５ａ−１２５ｄ）は、前記ケーシング構造（１２０）内／からの前記気流の入口／出口として作用するように配置される、請求項１から５のいずれかに記載の風力タービン（１００）。
【請求項７】
前記４つの開口（１２６ａ−１２６ｄ）の第１の開口（１２６ａ）は、前記気流の主要な成分が進入できるように構成され、前記第１の開口（１２６ａ）は、前記４つの壁（１２５ａ−１２５ｄ）の第１の壁（１２５ａ）と、前記第１の壁（１２５ａ）に対して実質的に直交する前記４つの壁（１２５ａ−１２５ｄ）の第２の壁（１２５ｂ）とに隣接するものであって、前記第１の開口（１２６ａ）に前記気流の前記主要な成分が進入すると、前記気流の一部が前記第１および第２の壁（１２５ａ、１２５ｂ）によって妨げられて、前記第２の壁（１２５ｂ）に隣接する第２の開口（１２６ｂ）において、および前記第１の壁（１２５ａ）と前記第１の開口（１２６ａ）に対向する第３の開口（１２６ｃ）とに隣接する第４の開口（１２６ｄ）において、低圧帯を作り出すようにする、請求項６に記載の風力タービン（１００）。
【請求項８】
前記壁（１２５ａ−１２５ｄ）の外側面上に提供されるリブは、前記壁（１２５ａ−１２５ｄ）の構造上の耐性を増加し、前記壁（１２５ａ−１２５ｄ）からの前記気流の境界層の分離を補助するように構成される、請求項１から７のいずれかに記載の風力タービン（１００）。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の少なくとも２つの風力タービン（１００）を含むものであって、前記風力タービン（１００）の前記回転軸ｚが一致するように、前記少なくとも２つの風力タービン（１００）を、互いの上に配置する、風力エネルギー発生システム（２００）。
【請求項１０】
前記風力タービン（１００）は、前記回転軸ｚについて、２０度と４０度との間に設定されたあらかじめ決められた角度で互いから回転的にずらされる、請求項９に記載の風力エネルギー発生システム（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービンの分野に関する。
特に、この発明は、外装ケーシング構造またはケースを備える垂直軸風力タービンの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、そのロータの方向により２つの大きな種類、水平軸タービンおよび垂直軸タービンに細分することができる。
【０００３】
水平軸タービンの例は、風車であり、その場合ロータの回転軸は、卓越気流（ｐｒｅｖａｉｌｉｎｇ  ａｉｒ  ｆｌｏｗ）の方向と実質的に一致するように配置される。通常、回転軸は、ロータの回転軸が卓越気流の方向と一直線となることを達成するおよび／または維持するために、通常垂直軸を中心に、回転することができる。この種類の機械では、すべてのブレードは、気流に同時に包まれて、すべてのブレードは、ロータの回転に積極的に関与する。
【０００４】
水平軸タービンには、設置に多くの空間を必要とすること、および、高度な機械的複雑さを特徴とすることという欠点がある。これらの欠点は、製造および設置のコスト高を招き、加えて、いったん設置すると、景観に大きな視覚的影響を持つ。
【０００５】
垂直軸タービンは、卓越気流の方向に実質的に直交して配置される回転軸を有する。この種類の機械では、気流は、ブレードに当たる際に同じ効果を生み出さない。特に、単一ブレードの経路を考えると、ブレード上で動く気流のロータの回転に対する寄与が積極的である「駆動経路」（ｍｏｔｏｒ  ｐａｔｈ）と、ブレード上で動く気流のロータの回転に対する寄与が消極的である、または、いずれにしても「駆動経路」により与えられる寄与より寄与が少ない「抵抗経路」（ｒｅｓｉｓｔａｎｔ  ｐａｔｈ）とに区別することが可能である。
【０００６】
垂直軸タービンは、（水平軸タービンに対して）機械的複雑さが軽減されることを特徴とする。なぜなら、例えば、それらは必ずしも、ロータ軸と卓越気流の方向との間を一直線になすおよび／または維持するという装置ではないからである。そうした特徴は、この種類の機械が、水平軸の機械よりも製造費および維持費のどちらも安価であるわけを説明している。
【０００７】
しかしながら、垂直軸タービンは、水平軸タービンよりも効率が低いという欠点を有する。この欠点を克服するために、および効率を上げるために、様々な解決法が採用されている。
【０００８】
第１の解決法には、米国特許第５８５２３３１Ａ号明細書、特開２００５２９９６２１Ａ号公報および国際公開第２０１１／０８６４０６Ａ２号のような文書によって提供される、「抵抗経路」を遮蔽し、気流がブレード上を動くことができることを回避するというものがあり、全体的な効率を低下させる。
【０００９】
もうひとつの可能な解決法には、例えば国際公開第８１／０３６８３号、米国特許第５８５２３３１Ａ号明細書、特開２００５２９９６２１Ａおよび国際公開２０１１／０８６４０６Ａ２号に開示される、ブレードに影響する気流を加速するコンバージェントダクトをあらかじめ配置するというものがあり、ロータのスピードが増加する。
【００１０】
さらなる解決法は、例えば仏国特許出願公開第２５４１３８３Ａ１号明細書に記載される、ロータの外径の方へ気流を方向づけることによる、ロータの給電効率の向上より成る。
【００１１】
しかしながら、上記引用文献に記載されているすべての風力タービンは、起動に際して高速の気流を必要とし、風がきわめて強いものではない地域においてや、長くすることが可能な期間に風が所定の速度に達しない場合にはいかなる場合においても、風により供給される勢いを受け取ることができない。
【００１２】
さらに、国際公開第８１／０３６８３号のような上記に記載されているタービンのいくつかは、卓越気流の方向に向けられることを必然的に要求し、ブレード上を動く大部分の風の成分の利用を妨げている。
【００１３】
気流方向にタービンを向けることについての問題点に対する可能な解決法は、例えば、独国実用新案第２９９８００７４Ｕ１号明細書および米国特許出願公開第２０１１／２９１４２１Ａ１号明細書に開示され、ロータおよびブレードを囲う外装ケースが提供されている。外装ケースは、さらに、風向に従って流れの入口および出口の両方として作動し、気流をブレードへ運ぶ複数の開口を備える。
【００１４】
しかしながら、開口のサイドエッジがまっすぐで、かつ、入口としての良好な流量も高い流速もいずれも可能としないため、そうした解決法もまた、十分に空気力学的に有効ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従って、本発明の特徴は、先行技術の垂直軸風力タービンと比較して、より高い効率を有する垂直軸風力タービンを提供することである。
【００１６】
また、本発明の特徴は、先行技術の風力タービンよりも低スピードの気流の中で、ブレードの回転を開始することができる垂直軸風力タービンを提供することである。
【００１７】
また、本発明の特徴は、風向への応答が実質的に一定である効率を有する垂直軸風力タービンを提供することである。
【００１８】
本発明のさらなる特徴は、先行技術の風力タービンに対して静力学および疲労に対しての両方に、より高い構造上の耐性を有する垂直軸風力タービンを提供することである。
【００１９】
さらに、本発明の特徴は、先行技術の風力タービンに対して削減された製造費および設置費である垂直軸風力タービンを提供することである。
【００２０】
また、本発明の特徴は、先行技術の風力エネルギー発生システムに対して、同じ電力下の設置で、占有する空間を削減するように複数の風力タービンを配置する、風力エネルギー発生システムを提供することである。
【００２１】
さらにまた、本発明の特徴は、ロータの構成要素が壊れた際に、潜在的に危険な断片を環境中に排出することを引き起こさない垂直軸風力タービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
これらおよび他の目的は、
実質的に垂直の回転軸ｚを有するロータであって、ブレードを包む気流に対抗する空気抵抗に起因して前記回転軸ｚを中心に回転するように配置される複数のブレードを含む前記ロータと、
内部に上記ロータを格納するケーシング構造と
を含む垂直軸風力タービンによって達成される。
【００２３】
有利には、上記ケーシング構造は、
上記回転軸ｚに実質的に直交し、第１の複数の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎによって規定される下板と、
上記回転軸ｚに実質的に直交し、第２の複数の頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´によって規定され、上記第２の複数の各頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´は上記第１の複数の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎに対応する上板と、
上記下板および上記上板を連結するように配置される複数の壁と
を含み、前記壁および前記板は、気流が上記ケーシング構造に入る／出るようになされた複数の開口を規定する。
【００２４】
特に、各壁は、第１の複数の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎと対応する第２の複数の頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´とを連結するように配置されるそれぞれのエッジによって規定される。
【００２５】
有利には、それぞれのエッジは、上記ケーシング構造から外側へ突出する輪郭を有し、前記突出する輪郭は、上記第１の複数の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎと対応する上記第２の複数の頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´とを連結する対応する直線Ｖ１−Ｖ１´、・・・、Ｖｎ−Ｖｎ´を越えて突出するように配置される。
【００２６】
このように、第１の開口を介してケーシング構造に入る進入する気流が、コンバージェントダクトとして作用する隣接する壁の上を滑ることができる。そうした壁から外側へ突出するエッジは、気流に対抗する抵抗を増加させ、ケーシング構造に入らないような気流を偏向する。そのため、ほとんどの風向に関して、この気流は上述した壁から離れ、第１の開口に対向する壁に隣接して流出する気流の出口として作用する第２の開口で、ケーシング構造に入る進入する気流の流量を増加させる低圧帯を作り出し、それからタービンが利用する風力が増加することとなる。さらにまた、第２の開口における低圧は、始動の際に、進入する気流が先行技術のタービンの場合よりも低スピードでタービンが作動することを可能とする。
【００２７】
従って、本質的に、突出するエッジの存在により生じる第２の開口の低圧は、気流が過渡状態にあるときにタービンをより容易に始動することと、気流が定常状態にあるときにその力を増させることとの両方を可能にする。
【００２８】
特に、外側へ突出するエッジは、ケーシング構造に進入する気流に指向するように配置されるダクトの開口として作用するために、それぞれの開口の方へ向く凹面を備える曲線形状を有する。
【００２９】
より詳細には、上記突出するエッジは、所定の半径である円弧の形状を有する。
【００３０】
有利には、複数の壁のうち少なくとも１つの壁が、前記エッジから生じる突出する部分を有し、下板の面におけるその突出が、互いに下板の頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎを結ぶ理想多角形に対して外側にあるように構成される。上記壁はまた、下板の面におけるその突出が上記多角形の内側にあるという凹部もまた含み、前記凹部は、エッジに対向する壁の端部を越えて壁に隣接する開口まで延びる。このように、実質的に、あらゆる気流の方向に対して、特に壁に対して平行な方向に対しても、壁によって気流の分離が行われる。
【００３１】
特に、壁に対して平行な流れの方向についてもまた、気流の分離をさらに補助するために、壁のエッジは、壁の残りの部分よりもより大きい厚みをもつ。
【００３２】
有利に、下板は、頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎを２つずつ連結する輪郭によって規定され、壁の凹部に適合するために、前記多角形に対して回転軸ｚの方へくぼんでいる。
【００３３】
有利に、上板は、頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´を２つずつ連結する輪郭によって規定され、壁の凹部に適合するために、前記多角形に対して回転軸ｚの方へくぼんでいる。このように、壁の外側を滑る気流は、気流の動きを妨げ、かつ、摩擦抗力もまた増加させてエネルギーを喪失させるであろう板の表面に衝突しない。
【００３４】
特に、上記２つの板を規定する輪郭は、最大量の点Ｍ、すなわち、輪郭と頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎまたは頂点Ｖ１´、・・・、Ｖｎ´を連結する多角形の対応する辺との間の最大の距離となる点をもつ。この最大量の点Ｍは、上述の壁の端部近傍に位置する。そして各壁は、エッジから、それを越えると上記壁が破断する上記端部までの傾斜が実質的に一定であるように維持し、隣接する開口に対して空間を残す。このように、各壁は、出口における低圧を作り出すために妨げとして作用することに加えて、ケーシング構造に入る気流についてコンバージェントダクトとしても作用する。
【００３５】
有利に、２つの板をつなぐ各輪郭は、頂点Ｖ１、・・・、Ｖｎを連結する理想多角形の対応する辺に対して、壁の凹部から最も離れた頂点で、０度と３０度との間の接線をもつ。このように、輪郭は、壁の傾斜に接して、３０度の傾斜をもつコンバージェントダクトとして作用する。
【００３６】
有利に、上記板をつなぐ各輪郭は、対応する開口において、構造を強化するものである直線部分を含み、空気力学上の重荷重を受けやすい場合に、湾曲を防ぐ硬直効果を壁に与える。
【００３７】
有利に、壁の外側面上に、実質的に網状形状を備えたリブが提供され、それは、壁の構造上の耐性を補助することに加え、さらに、壁からの気流の、特に境界層の分離を補助する。
【００３８】
特に、ケーシング構造は４つの壁を含むものであって、それは、同一の形状で、軸ｚについて、互いから９０度の角度にあり、ケーシング構造内／からの気流に対して入口／出口として作用するように構成される４つの開口を規定する。そうした構成は、空気力学的に最適で、風向の変化への応答の変動が大幅に少ないという効率を可能にする。さらに、同一の構成要素を有することにより、製造費を削減し、タービンの組み立てを助ける。
【００３９】
有利に、４つの開口のうちの第１の開口は、主要な気流成分が進入できるように構成され、前記第１の開口は、４つの壁の第１の壁と、第１の壁に対して実質的に直交する４つの壁の第２の壁とに隣接する。このように、主要な気流成分が、第１の開口より進入すると、気流の一部が第１および第２の壁によって妨げられて、第２の壁に隣接する第２の開口において、および第１の壁と第１の開口に対向する第３の開口とに隣接する第４の開口において、低圧帯を作り出す。
【００４０】
このように、第２の開口における低圧帯は、気流が過渡状態にあるときにタービンをより容易に始動することと、気流が定常状態にあるときにその力を増させることとの両方を可能にする。同時に、第４の開口における低圧帯は、第４の開口を介して気流がケーシング構造から出るようにすることに寄与し、ロータの「抵抗経路」を空にすることを可能にすることで、その回転の際にロータによって衝突する抵抗を軽減する。そのようなより低い抵抗は、風力タービンの全体的な効率の向上を招き、タービンの始動に係る風速値をより低いものとすることを可能にする。
【００４１】
この発明の他の態様によれば、風力エネルギー発生システムは、少なくとも２つの風力タービンを含み、本発明によれば、それらは、風力タービンの回転軸ｚが一致するように、互いの上部に配置される。このように、単一のタービンが必要とする面と実質的に同じ設置面積を要する風力発電システムを作り出すことが可能である。これにより、ふつう三角形内にまたは四角形内にいくつかの風力タービンの配置をもたらし、単一のタービンについて必要以上により大きな設置面積を必要とする先行技術の風力発電システムに対して、空間の最適化を強力に行うことができる。さらに、この発明による風力タービンの性質に恩恵を受け、こうした円柱状での配置は、互いに関して個別のタービン性能に影響を及ぼさない。
【００４２】
有利に、風力タービンは、互いからあらかじめ決められた角度で、回転軸ｚについて回転的にずらされる。
【００４３】
特に、あらかじめ決められたずれの角度は、２０度と４０度との間に設定され、有利には、それは３０度に等しい。
【００４４】
このように、単一風力タービンに関しては、風向による風力システムの性能の不変性をさらに増す。さらに、ずれの角度をもつこの配置は、空気力学上の荷重、特にシステムに影響を及ぼすであろう疲労荷重について、より均衡のとれた方式で分布し、共振現象を軽減し、構成要素のより長い寿命を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
本発明のさらなる特徴および／または利点は、添付の図面を参照しながら、限定されないいくつかの例示する実施形態、例示についての以下の記載でより明確になる。
【図１】図１は、本発明による、第１の例示的な実施形態における、垂直軸風力タービンのロータを示している。
【図２】図２は、本発明による、第１の例示的な実施形態における、垂直軸風力タービンのケーシング構造を示している。
【図３】図３は、図１および２のロータおよびケーシング構造を含む垂直軸風力タービンを示している。
【図４】図４は、水平面において、気流が横切る、本発明による垂直軸風力タービンを示している。
【図５】図５は、図４の垂直軸風力タービンの水平面における詳細を示している。
【図６】図６は、本発明による、第１の例示的な実施形態における、風力エネルギー発生システムを示している。
【図７】図７は、本発明による第２の例示的な実施形態における風力エネルギー発生システムを示している。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
図１、２および３を参照すると、本発明による垂直軸風力タービン１００の例示的な実施形態は、ロータ１１０（図１）およびロータ１１０を格納するケーシング構造１２０（図２）を含む。
【００４７】
図１を参照すると、ロータ１１０は、特に３つとする複数のブレード１１１を含み、それらは、ブレード１１１を包む気流に対抗する空気抵抗によって、ブレード１１１が回転する中心となる垂直な回転軸ｚに関して軸対称であるように配置される。
【００４８】
図２を参照すると、ケーシング構造１２０は、実質的に軸ｚに直交する下板１２１と上板１２２とを含み、特に４つの頂点とする第１の複数の頂点Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４および特に４つの頂点とする第２の複数の頂点Ｖ１´、Ｖ２´、Ｖ３´、Ｖ４´によってそれぞれ規定される。２つの板１２１および１２２は、特に４つの壁とする複数の壁１２５ａ−１２５ｄを介して互いに連結しており、それは、２つの板１２１、１２２とともに、ケーシング構造１２０を横切る気流の方向に従って、気流の入口および／または出口として作用する４つの開口１２６ａ−１２６ｄを作り出す。壁１２５ａ−１２５ｄは、ケーシング構造１２０のすべての他の側方要素と同様に、互いに等しく、４辺Ｖ１−Ｖ２、Ｖ２−Ｖ３、Ｖ３−Ｖ４、Ｖ４−Ｖ１のうちのひとつひとつにおいて繰り返し生じる。
【００４９】
そうした例示的な実施形態は、壁１２５ａ−１２５ｄのそれぞれは、そのそれぞれが頂点Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４のうちのひとつと対応する頂点Ｖ１´、Ｖ２´、Ｖ３´、Ｖ４´のうちのひとつとを連結するエッジ１２７ａ−１２７ｄによって規定されることを提供する。特に、各エッジ１２７ａ−１２７ｄは、頂点Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４のうちのひとつと対応する頂点Ｖ１´、Ｖ２´、Ｖ３´、Ｖ４´のうちのひとつとを連結する対応する垂線に対して、ケーシング構造１２０から外側へ突出している。
【００５０】
図４を参照すると、このように、例えば第１の開口１２６ａを介してケーシング構造１２０に入る気流は、コンバージェントダクトとして作用する隣接する壁１２５ｂ上を滑る。壁１２５ｂから外側へ突出するエッジ１２７ｂは、気流に対抗する抵抗を増加し、ケーシング構造１２０に入らないような気流を偏向する。それにより、主要な風向に関して、壁１２５ｂによって分離されたこの気流は、壁１２５ｂに隣接し、かつ、気流の出口として作用する第２の開口１２６ｂにおいて、ケーシング構造１２０に入る空気流量を増加させる低圧帯を作り出し、そしてタービン１００によって利用される風力が増す。さらに、第２の開口１２６ｂにおける低圧により、タービンは、先行技術のタービンよりも低い進入スピードの気流で、始動の動作が可能となる。
【００５１】
従って、基本的には、突出するエッジ１２７ｂの存在により生じる開口１２６ｂにおける低圧は、気流が過渡状態にあるときにタービン１００の始動を補助することと、気流が定常状態にあるときにその力を増させることとの両方を可能にする。
【００５２】
さらに、壁１２５ａは、同様に突出するエッジ１２７ａのおかげで、気流に対する抵抗に対抗して、そのような気流の即座の分離を可能にし、上記と同様に、第４の開口１２６ｄにおける低圧帯を発生し、そしてそれはケーシング構造１２０からの気流の出口として有効でもある。
【００５３】
そのような第４の開口１２６ｄにおける低圧帯は、開口１２６ｄを介してケーシング構造１２０から気流が出るようにし、ロータ１１０の「抵抗経路」を空にすることを可能にし、その後その回転の際にロータ１１０によって衝突する抵抗を軽減する。より低い抵抗は、風力タービン１００の全体的な効率の向上を招き、さらに始動時のタービン１００の風速値をより低いものとすることを可能にする。
【００５４】
特に、突出するエッジ１２７ｂは、開口１２６ａの方へ向く凹面を備える円弧のような、曲線形状を有し、そしてそれは開口１２６ａにケーシング構造１２０に進入する気流をよりよく運ぶことを可能にし、吸気ダクトのそれに類似した形状であると仮定できる。
【００５５】
さらに、図５を参照すると、上板１２２の頂点Ｖ１´、Ｖ２´、Ｖ３´、Ｖ４´または同様に下板１２１の頂点Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を連結する理想四角形（図には破線で示す）について考慮すると、壁１２５ａ−１２５ｄは、下板１２１の面におけるそれの突出が、上記四角形に対して外側であるように構成された突出する部分１２５ａ´−１２５ｄ´と、その代わりにこの面におけるその突出が四角形それ自体の内側に残る凹部１２５ａ´´−１２５ｄ´´とを含む。
【００５６】
例えば、開口１２６ａを介して通過する流れについて再び参照すると、突出する部分１２５ｂ´は、エッジ１２７ｂを含み、述べたように、壁１２５ｂからの分離を可能にするために、気流に対抗する抵抗の増加に用いられる。凹部１２５ｂ´´は、その代わりに、出口１２６ｂで正確に起こる前記流れの分離により生じる低圧を引き起こす。特に、この実施形態は、上記した現象が、実質的に、いずれの風向に対しても、気流の分離がはるかに難しいものである、より厳しい方向である壁１２５ａ−１２５ｄに対して平行であるそれらに対してさえも、生じることを可能にする。さらに、図２および３に示すように、この方向における分離をさらに補助するために、加えて、エッジ１２７ａ−１２７ｄもまた、壁１２５ａ−１２５ｄの残りの部分よりも大きい厚みを有してよい。
【００５７】
さらに図２および３を参照すると、板１２１および１２２は、頂点Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４および頂点Ｖ１´、Ｖ２´、Ｖ３´、Ｖ４´をそれぞれ２つずつ連結する輪郭１２３ａ−１２３ｄおよび１２３ａ´−１２３ｄ´でつながる。そのような輪郭１２３ａ−１２３ｄおよび１２３ａ´−１２３ｏｆは、曲線であり、壁１２５ａ−１２５ｄの形状に適合するために、回転軸ｚに向かってくぼんでおり、特に凹部１２５ａ´´−１２５ｄ´´がくぼんでいる。このように、壁１２５ａ−１２５ｄ上の外側を滑る気流は、流れの動きを妨げる、また摩擦抗力を増加させてエネルギーを喪失させるであろう板の表面に衝突しない。
【００５８】
さらに、幾何的に、輪郭１２３ａ−１２３ｄおよび１２３ａ´−１２３ｄ´は実質的に壁１２５ａ−１２５ｄの傾きに追随する。
【００５９】
図２、３および５を参照すると、例示的な実施形態において、輪郭１２３ａ−１２３ｄおよび１２３ａ´−１２３ｄ´は、最大量の点Ｍ、すなわち、輪郭と前記四角形の辺との間の距離が最大となる点を持つ。そうした最大量の点Ｍは、凹部１２５ａ´´−１２５ｄ´´に近接して位置し、特に、エッジ１２７ａ−１２７ｄに対向する、壁１２５ａ−１２５ｄの一端１２７ａ´−１２７ｄ´に位置する。このように、壁１２５ｂおよび同様に他の壁１２５ａ、１２５ｃ、１２５ｄは、エッジ１２７ａから、それを越えると壁１２５ｂが中断される第２のエッジ１２７ａ´までの傾斜が実質的に一定であるように維持し、隣接の開口１２６ｂに空間を残す。
【００６０】
このように、図４を考慮すると、壁１２５ｂは、出口１２６ｂで低圧を作り出すために妨げとして作用することに加えて、ケーシング構造に入る気流に対するコンバージェントダクトとしてもまた作用する。特に、図５を参照すると、壁１２５ｂおよび同様に他の壁は、線分Ｖ１´−Ｖ２´または線分Ｖ１−Ｖ２に関して約３０度の傾斜をもつ。壁１２５ｂに追随するものである輪郭１２３ｂおよび１２３ｂ´は、頂点Ｖ１およびＶ１´で約３０度である接線を持つ。代わりに、頂点Ｖ２およびＶ２´における輪郭１２３ｂおよび１２３ｂ´の接線は、壁１２５ｃが入口１２６ｂについて同様にコンバージェントダクトであることを可能とするために、線分Ｖ２−Ｖ３およびＶ２´−Ｖ３´に関して約３０度である。図２を参照すると、輪郭１２３ｂおよび１２３ｂ´は、頂点Ｖ２およびＶ２´に隣接する部分において、構造を強化するように振舞う直線部分１２４ｂおよび１２４ｂ´を含み、空気力学上の大きな荷重を受けやすい場合に、湾曲を防ぐ硬直効果を壁１２５ｃに与える。同様の理由から、壁１２５ａ−１２５ｄの外側表面上に、実質的に網状の形状を備えたリブが与えられる。そのような硬化リブは、壁１２５ａ−１２５ｄの構造的な強度を寄与することに加えて、さらに、特に境界層の、壁からの気流の分離を促進することもまた寄与する。
【００６１】
図６を参照すると、本発明は、先に記載したように風力タービン１００を１つ以上含む風力エネルギー発生システム２００を提供する。このタービン１００は、垂直軸ｚについて一直線になるように互いの上に配置される。このように、単一タービン１００に必要な面と実質的に同じ設置面積を要する、風力エネルギー発生システム２００を得ることができる。このことは、ふつう三角形内にまたは四角形内に多重の風力タービンの配置をもたらすことで、単一のタービンよりもさらに大きな設置面積を必要とする先行技術の風力エネルギー発生システムに対して、空間の最適化を強力に行うことができる。さらに、風力タービン１００の性質のため、この発明によれば、円柱状のこの配置は、単一タービン１００の性能に影響を及ぼさない。
【００６２】
図７を参照すると、風力エネルギー発生システム２００の例示的実施形態は、単一風力タービン１００について、および図６のシステム１００について、風向に関して風力システム１００の性能の不変性をさらに増すために、互いに関してその軸ｚを中心にあらかじめ決められた角度で回転的にずらされている風力タービン１００を提供する。
【００６３】
そのようなあらかじめ決められた角度は、有利には、２０度と４０度との間で、特に３０度に設定される。いずれにしても、この角の最適な値は、円柱状に配置された風力タービン１００の数に依存して異なるものとなってもよい。
【００６４】
さらに、図７のタービン１００の配置は、空気力学的な荷重、特に、システム１００が耐久しなければならない疲労荷重について、共振現象の可能性を軽減し、構成要素のより長い寿命を可能にするような、より均衡のとれた方式で分布する。
【００６５】
本記載において、４つの壁を含むケーシング構造の例示的な実施形態への言及がなされているが、異なる数の壁を含むケーシング構造である例示的な実施形態もまた含まれる。
【００６６】
上記の具体的な例示的な実施形態は、概念的な観点により、実に十分に発明を明らかにしている。そのため、最新の知識を応用して、他者は、この発明から、さらに調査することなく、かつ、分けることなく、特定の例示的な実施形態の様々な応用において変更および／または適応することができ、従って、そうした適用や変形は、特定の実施形態に相当するものとして考えられなければならないであろうことを意味する。この理由から、本明細書で記載された異なる機能を実現するための手段および物質は、本発明の技術分野から逸脱することのない異なる性質をもつだろう。本明細書で用いられる用語または専門用語は、記載の目的のためであって、限定されないものであることが理解される。
【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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【国際調査報告】
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