(57)【要約】非常に低い風速でも始動することのできる自律始動垂直軸風力ロータ（１１）は、固定されている支持体構造と、円運動を電流へ変換するための機械であって当該構造と関連付けられている機械と、垂直シャフトであって構造により回転可能に支持されていて当該シャフトの回転が当該機械による電流生成を生じさせるように機械へ接続されている垂直シャフトと、中心を合わせて垂直シャフトへそして周辺を複数のロータブレードへ接続されている回転可能な風力構造と、を備えており、当該複数のブレードの各ロータブレードは、翼列状に配列されていて同じ翼形を有している３つの細長体を備えており、当該細長体は垂直に且つ互いに対し及びシャフトに対し実質的に平行に配列されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸風力タービンロータ（１１）であって、垂直円柱の母線に沿って配列されていて半径方向腕部構造（１５）によって前記円柱の軸に沿って通る中心シャフト（１７）へ接続されている複数の平行なロータブレード（１３）を備えており、前記シャフト（１７）は運動を電気エネルギーへ変換するための機械（２１）と関連付けることができる、垂直軸風力タービンにおいて、前記複数のブレードの各ロータブレード（１３）が、翼列状に配置されていて同じ翼形を有している３つの細長体（２５）を備えており、前記細長体は垂直に且つ互いに対し及び前記中心シャフト（１７）に対し平行に配列されている、ことを特徴とする垂直軸風力タービンロータ（１１）。
【請求項２】
全体的なブレード翼弦（ＣＴ）と前記細長体（２５）の前記翼形の横断翼弦（Ｃ）の間の伸長比（ＲＡ）は２０より大きい、請求項１に記載のロータ。
【請求項３】
全体的なブレード翼弦（ＣＴ）と前記細長体（２５）の前記翼形の横断翼弦（Ｃ）の間の伸長比（ＲＡ）は３０より大きい、請求項２に記載のロータ。
【請求項４】
前記細長体（２５）の前記翼形の前記翼弦（Ｃ）と前記翼列のピッチ（Ｈ）の間の比は０．２から１．２の間である、請求項１から３の何れか一項に記載のロータ。
【請求項５】
前記細長体（２５）の前記翼形の前記翼弦（Ｃ）と前記翼列のピッチ（Ｈ）の間の比は０．４に等しい、請求項４に記載のロータ。
【請求項６】
前記翼列の角度αは１５°から６０°の間である、請求項１から５の何れか一項に記載のロータ。
【請求項７】
前記翼列の角度αは３０°に等しい、請求項６に記載のロータ。
【請求項８】
前記ロータの直径（Ｄｒ）と前記翼列の前記全体的なブレード翼弦（ＣＴ）にロータブレード数（ＮＰ）を乗算したものとの間の比は０．５から０．７の間である、請求項１から７の何れか一項に記載のロータ。
【請求項９】
各細長体（２５）の前記翼形は平坦な後縁を備えており、前記細長体（２５）の前記翼形の薄い部分（２５ａ）の長さ（ＣＵ）と前記細長体（２５）の前記翼形の輪郭を描いている部分（２５ｂ）の長さ（ＣＰ）の間の比は０．１から０．５の間である、請求項１から８の何れか一項に記載のロータ。
【請求項１０】
前記細長体（２５）の前記翼形の薄い部分（２５ａ）の長さ（ＣＵ）と前記細長体（２５）の前記翼形の輪郭を描いている部分（２５ｂ）の長さ（ＣＰ）の間の比は０．４に等しい、請求項９に記載のロータ。
【請求項１１】
各ロータブレード（１３）を画定している前記３つの細長体（２５）は、当該細長体（２５）に関して横断方向に配列されている板（２７）の対によって一体に保持されている、請求項１から１０の何れか一項に記載のロータ。
【請求項１２】
前記半径方向腕部構造（１５）は、前記板（２７）を前記ロータ（１１）の前記中心シャフト（１７）へ接続している複数のタイロッド（３３）を備えている、請求項１１に記載のロータ。
【請求項１３】
少なくとも１つのタイロッド（３３）が板（２７）の各対について提供されており、前記タイロッドは前記２つの板（２７）の間に垂直ブラケット（３５）が連結片（３７）へ接合された状態で係合している、請求項１２に記載のロータ。
【請求項１４】
前記垂直ブラケット（３５）は前記板（２７）の間に第２の開口部（３１ａ）を介して係合されており、前記板には前記垂直ブラケット（３５）をボルト（３９）によって固定するための孔（３１ｂ）が設けられている、請求項１３に記載のロータ。
【請求項１５】
−地面へ安定固定させることのできる支持体構造（１５）と、
−運動を電気エネルギーへ変換するための機械（２１）であって前記固定されている構造（１５）内部に収納されている機械（２１）と、
−垂直回転シャフト（１９）であって、前記支持体構造（１５）によって回転可能に支持されていて、当該回転シャフトの回転が前記機械（２１）による電流の生成を生じさせるように前記機械（２１）へ接続されている、垂直回転シャフト（１９）と、
−風の推力下に前記回転シャフト（１９）の回転を生じさせることのできる風力ロータ（１１）と、
を備えている風力タービンにおいて、
前記風力ロータ（１１）が請求項１から請求項１４の何れか一項に従って獲得されていることを特徴とする風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は垂直軸風力タービンロータに関する。排他的というわけではないがより厳密には、本発明は１０ｋＷから１００ｋＷの間のパワー出力を有する小寸法又は小型の風力タービンの部類に属する風力タービンロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電のために使用される表面積の最も重要な特性は、風の速さと向き及び一年の諸季節間の大気事象の持続時間と強さである。
【０００３】
一般的に、大寸法の風力タービンを最適条件で即ち経済的観点から見て利点があるように設置することが可能であるとされる記録済みの陸上敷地の数は比較的少ない。一部の風力タービンは、そのうえ、精巧で高価な機械であり、この型式の機械を設置するのに経済的に好都合であるとされる敷地の数は非常に限定される。大寸法の風力タービンは、そのうえ、環境影響の問題を引き起こし、そうすると、どこに設置することもできなくなってしまう。
【０００４】
他方、小寸法風力タービンの設置は、低い生産費用及び低い運転費用のおかげもあって地理的により広い地域において経済的に有利である。具体的には、１０ｋＷから１００ｋＷの間のパワー出力を有する風力タービン、即ち、いわゆる小型風力タービンの部類に属するタービンの設置は、より複雑で大寸法のタービンの使用が不可能とされる区域での経済的に有利な電気エネルギー生産を可能にさせる。
【０００５】
上述の小型風力タービンの類に属する風力タービンの設計に関し解消されなければならない問題の１つは、風速が低いときにタービンに始動するよう仕向けるということである。経験及び製造者らによってこれまでに試験されてきた既知の建築設計は、風速が低い場合及び風向が最適ではない場合に、この部類の風力タービンを始動させることが不可能ではないにしてもどれほど困難を極めるかという事実を示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、数多くの敷地に経済的観点からも満足のいく成果を伴って設置することのできる垂直軸風力タービンロータを提供することにより、先行技術の欠点を克服することを画策している。
【０００７】
本発明の別の目的は、上述の型式の風力ロータであって、１０ｋＷから１００ｋＷの間のパワー出力を有する風力タービンと関連付けることのできる大きさを持たせて設計されている風力ロータを提供することである。
【０００８】
本発明の更なる目的は、工業的に低費用で生産することができ低い管理費用及び低い保守費用を有する風力ロータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これら及び他の目的は、付随の特許請求の範囲に記載されている風力ロータを用いて実現される。
【００１０】
本発明の或る好適な実施形態では、風力ロータは複数の平行なロータブレードを備えている。ブレードは垂直円柱の母線に沿って配列されている。ブレードは更に円柱の軸に沿って通る中心シャフトへ接続されている。ブレードとシャフトの間の接続は半径方向腕部構造によって果たされている。ロータは金属例えば鋼で作られているのが好ましい。ロータのシャフトは、当業者に既知の手段を使用して、運動を電気エネルギーへ変換する機械例えばダイナモ又はオルタネータと関連付けることができる。本発明によれば、当該複数のブレードの各ロータブレードは、翼列状に配列されていて同じ翼形を有している３つの細長体を備えている。当該細長体は、そのうえ、垂直に且つ互いに対し及び中心シャフトに対し平行に配列されている。細長体は、そのうえ、互いと連続に配列されていて喰い違いになっているのが好ましい。
【００１１】
更に本発明によれば、風力ロータは、地面へ安定固定されていて内部には運動を電気エネルギーへ変換するための機械が収納されている支持体構造を備える風力タービンと関連付けられていてもよい。風力ロータは、発電機の垂直回転シャフトへ安定固定されている中心シャフトによって発電機と関連付けられている。風の推力が風力ロータの回転そして風力タービンの回転式シャフトの回転を生じさせ、その結果、運動を電気エネルギーへ変換するための機械によってエネルギーが生産されることになる。
【００１２】
なおも本発明によれば、ロータは７個から１５個の固定ピッチロータブレードを備えているのが好ましい。当該ブレードの各々はというと、翼列状に配列されていて同じ翼形を有している３つの細長体を備えている。本発明によれば、風力ロータでの角度的なブレード間距離はそれらの全体的な横断幅に実質的に等しいのが好ましい。有利なことに、本発明の好適な実施形態によれば、どんな向きでもまたどんな風の強さでも高いエネルギー変換効率を確約する流体力学的条件に対応した翼列効果が生成される。
【００１３】
本発明による風力ロータは、使用される空気力学的外形の非常に高い伸長比を構想しているのが有利である。具体的には、本発明によれば、当該伸長比は、細長体の外形の全体的な長さと細長体の翼形の横断翼弦の間の比によって定義されるものであって、それが３０より大きいか又は３０に等しくなっている。
【００１４】
３つの同一の翼形を翼弦の長さの０．４倍から０．８倍の間の平均距離で喰い違いにして連続的に配列することが、そのうえ有利にも、翼列効果として知られる所望の流体力学的効果を生む。
【００１５】
風流れの偏角が渦状循環を生成し、それが有利なことに相当な運動量のロータブレードへの伝達を可能にさせる。各ロータブレードを形成している３つの翼形の間で循環する空気の渦的性質は風力ロータの軸に接線方向の合力を生成し、その力は低風速値の場合でさえも適度なトルクでロータの回転を生じさせる。
【００１６】
広い範囲の速さと異なる流れ向きについて系統的に実施された数々の試験の結果であるブレードの幾何学構成及び特性的な設計パラメータの成果として、風力ロータについての高い効率値を実現することが可能になった。
【００１７】
方向決め可能なピッチ角度を有する従来のロータのブレードの場合には逆に必要とされていた可動部品及び方向決め機構が存在しないということが、結果的に、本発明によるロータを極めて信頼性の高いものにしている。そのうえ、本発明によるロータは、風の流れの偏角が静的に実現されるので本質的に保守を必要としない。
【００１８】
ブレードが静的であるという条件から派生する利点は、風力機械の大幅な運転簡略化に在るのみならず、工業的な製造費用の著しい縮減及びより進んだ標準化にも在り、而してこの型式の風力機械を他の型式の発電機よりも競争力のあるものにしている。
【００１９】
本発明による風力ロータは、例えば１ｍ／秒程度の非常に低い風速でも始動させることができ、従って実質的に自律始動であるということが有利である。
【００２０】
本発明の多数の好適な実施形態を以下に添付図を参照しながら説明してゆく。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】風力タービンと関連付けられている本発明によるロータの斜視図である。
【図２】ロータから切り離された図１によるロータのブレードの斜視図である。
【図３】図２に示されているブレードの一部分のより大きな縮尺の図である。
【図４】図３に示されているロータブレードのロータへ固定されている部分のより大きな縮尺の図である。
【図５Ａ】本発明によるロータのブレードの略断面図である。
【図５Ｂ】本発明によるロータの細長体の略断面図である。
【図６】本発明によるロータの細長体の外形の平均曲率の模式グラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１を参照して、これは本発明の或る好適な実施形態による垂直軸風力タービンのロータ１１を示している。ロータ１１は複数のロータブレード１３を備えている。ブレード１３は、ロータ１１によって画定されている垂直円柱の母線に沿って平行に配列されている。ブレード１３は、半径方向腕部構造１５によって、円柱の軸に沿って通る中心シャフト１７へ接続されている。中心シャフト１７は、運動を電気エネルギーへ変換するための機械２１の回転シャフト１９と関連付けられている。機械２１は、地面へ安定固定させることのできる支持体構造２３内部に収納されている。本発明によれば、当該複数のブレードの各ロータブレード１３は、翼列状に、垂直に、且つ互いに対し及び中心シャフトに対し平行に配列されている３つの細長体２５を備えている。
【００２３】
更に図２及び図３を参照して、細長体２５は中空金属外形として形成されているのが好ましい。そのうえ、本発明によれば、細長体２５は同じ翼形を有している。各ロータブレード１３を画定する３つの細長体２５は板２７の対によって一体に保持されている。板２７は平坦で細長体２５に対し横断方向に配列されているのが好ましい。板２７は細長体２５を受け入れるための開口部２９を備えている。３対の平行で等距離にある板２７が各ブレードについて提供されているのが好ましい。板２７のおかげで、細長体２５は互いからの所望距離にて平行に保たれる。また、板２７はブレード１３をロータ１１の構造１５へ接続させられるようにする。板２７には、板２７を半径方向腕部構造１５へ固定するための開口部３１ａ及び孔３１ｂが設けられている。
【００２４】
図４からより明瞭に分かるように、半径方向腕部構造１５は、板２７をロータ１１の中心シャフト１７へ接続している複数のタイロッド３３を備えている。これらのタイロッドの少なくとも１つが板２７の各対について提供されており、当該タイロッドは２つの板２７の間に垂直ブラケット３５が連結片３７に接合された状態で係合している。示されている例では、タイロッド３３は上側の板２７の対につき２本、そして板２７の他の２対につき１本である。垂直ブラケット３５は板２７の間に開口部３１ａを介して係合されている。板２７の孔３１ｂは、ボルト３９を当該孔３１ｂに通すことによって垂直ブラケット３５の固定を可能にさせる。補強用タイロッド４１が１つのブレード１３の連結片３７を両角度方向の隣接するブレード１３のそれへ接続している。
【００２５】
図５Ａ及び図５Ｂは、単一のロータブレード１３を形成している細長体２５の翼形の翼列の断面を示している。本発明によれば、細長体２５の翼形の横断翼弦Ｃと、翼列のピッチＨは、比Ｈ／Ｃが０．２から１．２の間になるように、好ましくは０．４に等しくなるように選定されている。
【００２６】
また、なおも本発明によれば、翼列角度αは、好ましくは１５°から６０°の間にあり、より好ましくは３０°に近く選定されている。
【００２７】
なおも本発明によれば、シャフト１７の回転中心Ｏと構造１５へのブレード１３の接続点Ｍの間の距離に等しい全体的なブレード翼弦ＣＴ、ブレード数ＮＰ、及びロータの直径ＤＲは、比ＤＲ／（ＮＰｘＣＴ）が０．５から１．０の間になるように選定されている。この構成を用いれば、有利にも、ロータ１１が設けられている風力タービンの優れた効率を得ることが可能になる。但し、当該比の値が約０．７に等しい場合に最良の結果が得られる。
【００２８】
本発明によれば、細長体２４の後縁外形は、翼列効果を強めブレード１３の全体的な伴流抵抗を最小限にするために平坦である。この構成は更に本発明による風力ロータ１１の流体力学的効率を有意に改善する。
【００２９】
なおも図５Ａ及び図５Ｂを参照して、各細長体２５の翼形は、細長体２５の翼形の薄い部分２５ａの長さＣＵと輪郭を描いている部分２５ｂの長さＣＰの間の比ＣＵ／ＣＰが０．１から０．５の間、好ましくは約０．４に等しくなるように選定されている。
【００３０】
ブレードの周速度ＶＰ（ＶＰ＝ＣＴｘΩ、ここにΩはロータの角速度である）と矢印Ｆの向きの風のそれＶの間の比λ＝ＶＰ／Ｖで、最適性能及び最大回転シャフトパワーを確約する比は、λが０．７から１．１の間の範囲である場合に得られる。この値は、風の瞬間乱流指数の関数でもある。
【００３１】
図６を参照して、なおも本発明によれば、細長体の翼形の平均曲率は考慮に入れられるべきであり、それが流れの流入角度α１と流出角度α２の間の高い方向偏差を有する幾何学的に薄いブレード条件を決定付ける。
【００３２】
説明され図示されている風力ロータには同じ発明原理の内に入る数々の変型及び修正型の可能性がある。
【符号の説明】
【００３３】
１１  ロータ
１３  ロータブレード
１５  放射状腕部構造
１７  中心シャフト
１９  回転シャフト
２１  機械
２３  支持構造
２５  細長体
２５ａ  細長体の翼形の薄い部分
２５ｂ  細長体の翼形の輪郭を描いている部分
２７  板
２９  開口部
３１ａ  開口部
３１ｂ  孔
３３  タイロッド
３５  垂直ブラケット
３７  連結片
３９  ボルト
４１  補強用タイロッド
α  翼列角度
α１  風の流入角度
α２  風の流出角度
Ｃ  翼形の横断翼弦
ＣＵ  翼形の薄い部分の長さ
ＣＰ  翼形の輪郭を描いている部分の長さ
ＣＴ  全体的なブレード翼弦
Ｆ  風の向き
Ｈ  翼列のピッチ
Ｍ  構造へのブレード接続点
Ｏ  シャフトの回転中心
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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