(57)【要約】  風力タービンが、タービンシュラウドおよび／またはイジェクタシュラウドによって囲まれたインペラを有しており、タービンシュラウドおよび／またはイジェクタシュラウドが、膨張可能な部位および／または可撓かつ膨張可能な部位を含んでいる。いくつかの実施形態においては、タービンシュラウドおよび／またはイジェクタシュラウドが、風力タービンの特性を変えるために形状または長さを変化させることができる内部リブ部材を含んでいる。【選択図】  図１
2012502224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラと、
前記インペラの周囲に配置されたタービンシュラウドと
を備えており、
前記タービンシュラウドが、膨張可能部材を含んでいる風力タービン。
【請求項２】
前記タービンシュラウドが、前記膨張可能部材に接続された第１の剛構造部材をさらに含んでいる請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
前記シュラウドの第１の剛構造部材が、前記シュラウドの膨張可能部材を挿入することができる中空な内部を備えている請求項２に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記シュラウドの第１の剛構造部材が、前記タービンシュラウドの前縁を定めている請求項２に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記タービンシュラウドが、前記シュラウドの第１の剛構造部材とは反対側で前記膨張可能部材に接続された第２の剛構造部材をさらに含んでおり、該第２の剛構造部材が、前記タービンシュラウドの後縁を定めている請求項２に記載の風力タービン。
【請求項６】
前記シュラウドの第２の剛構造部材が、前記タービンシュラウドに複数の混合ローブをもたらすように形成されている請求項５に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記シュラウドの膨張可能部材が、該シュラウドの膨張可能部材の後縁を巡って複数の混合ローブをもたらすように形成されている請求項１に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記タービンシュラウドの周囲に同心に配置されたイジェクタシュラウドをさらに備えており、該イジェクタシュラウドが、膨張可能部材を含んでいる請求項１に記載の風力タービン。
【請求項９】
前記イジェクタシュラウドが、前記イジェクタの膨張可能部材に接続された第１の剛構造部材をさらに含んでいる請求項８に記載の風力タービン。
【請求項１０】
前記イジェクタの第１の剛構造部材が、前記イジェクタの膨張可能部材を挿入することができる中空な内部を備えている請求項９に記載の風力タービン。
【請求項１１】
前記イジェクタの第１の剛構造部材が、前記イジェクタシュラウドの前縁を定めている請求項９に記載の風力タービン。
【請求項１２】
前記イジェクタシュラウドが、前記イジェクタの第１の剛構造部材とは反対側で前記イジェクタの膨張可能部材に接続された第２の剛構造部材をさらに含んでおり、該第２の剛構造部材が、前記イジェクタシュラウドの後縁を定めている請求項９に記載の風力タービン。
【請求項１３】
前記イジェクタの第２の剛構造部材が、前記イジェクタシュラウドに複数の混合ローブをもたらすように形成されている請求項１２に記載の風力タービン。
【請求項１４】
前記イジェクタの膨張可能部材が、該イジェクタの膨張可能部材が不完全に膨張させられたときに、該イジェクタの膨張可能部材の後縁によって囲まれる面積が、該イジェクタの膨張可能部材の前縁によって囲まれる面積よりも小さくなるように構成されている請求項８に記載の風力タービン。
【請求項１５】
前記イジェクタの膨張可能部材が、該シュラウドの膨張可能部材の後縁を巡って複数の混合ローブをもたらすように形成されている請求項８に記載の風力タービン。
【請求項１６】
前記膨張可能部材が、環状の翼の形状である請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１７】
タービンシュラウドと、
前記タービンシュラウドの周囲に同軸に配置されたイジェクタシュラウドと
を備えており、
前記タービンシュラウドが、シュラウド円形部材と、該シュラウド円形部材に係合する複数のシュラウド第１リブ部材と、シュラウド外側フィルムとを備えており、前記シュラウド円形部材および前記複数のシュラウド第１リブ部材が、前記シュラウドの入り口端および排気端を定めており、
前記イジェクタシュラウドが、イジェクタ円形部材と、該イジェクタ円形部材に係合する複数のイジェクタ第１リブ部材と、イジェクタ外側フィルムとを備えており、前記イジェクタ円形部材および前記複数のイジェクタ第１リブ部材が、前記イジェクタシュラウドの入り口端および排気端を定めている風力タービン。
【請求項１８】
前記タービンシュラウドが、複数のシュラウド第２リブ部材をさらに備えており、各々のシュラウド第２リブ部材が、前記シュラウド円形部材と前記イジェクタ円形部材との間に延びており、
前記複数のシュラウド第１リブ部材および前記複数のシュラウド第２リブ部材が協働して、前記タービンシュラウドの排気端に複数のミキサローブを定めている請求項１７に記載の風力タービン。
【請求項１９】
前記イジェクタシュラウドが、前記イジェクタ円形部材に係合する複数のイジェクタ第２リブ部材をさらに備えており、
前記複数のイジェクタ第１リブ部材および前記複数のイジェクタ第２リブ部材が協働して、前記イジェクタシュラウドの排気端に複数のミキサローブを定めている請求項１７に記載の風力タービン。
【請求項２０】
前記イジェクタ第１リブ部材が、静止部材および作動部材を、該静止部材と該作動部材との間の角度を変化させることができるように枢支部において接合して備えている請求項１７に記載の風力タービン。
【請求項２１】
前記イジェクタ第１リブ部材が、静止部材および作動部材を、該イジェクタ第１リブ部材の長さを変えることができるように接合して備えている請求項１７に記載の風力タービン。
【請求項２２】
インペラと、
前記インペラの周囲に配置され、排気端の周囲に配置された複数の混合ローブを有しているタービンシュラウドと、
前記タービンシュラウドの周囲に配置され、膨張可能部材を含んでいるイジェクタシュラウドと
を備える風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００８年９月８日付の米国特許仮出願第６１／１９１，３５８号の優先権を主張する。この仮出願の全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、風力タービンに関し、特には膨張可能な構成部品を使用するシステムに関する。
【０００３】
発電に使用される従来の風力タービンは、一般に、プロペラのように配置された２〜５枚の開いた羽根を有しており、これらの羽根が、発電機を駆動するギアボックスへと取り付けられた水平軸に取り付けられている。そのようなタービンは、一般に、水平軸風力タービン（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ  ａｘｉｓ  ｗｉｎｄ  ｔｕｒｂｉｎｅ）またはＨＡＷＴとして知られている。ＨＡＷＴは、すでに広く使用されているが、効率が最適化されていない。特には、ＨＡＷＴを通過する風の潜在的なエネルギーの捕捉において、５９．３％というベッツ（Ｂｅｔｚ）の効率の限界を超えることがない。
【０００４】
従来の風力タービンは、３枚の羽根を有しており、コンピュータ制御のモータによって風へと向けられ、あるいは指向される。これらのタービンは、典型的には、６０〜９０メートルの範囲の高さの支持塔を必要とする。羽根は、一般的には、約１０〜２２ｒｐｍの回転速度で回転する。速度を発電機を駆動すべく増速させるために、通常はギアボックスが使用されるが、一部の設計においては、環状の発電機を直接的に駆動してもよい。一部のタービンは、一定の速度で動作する。しかしながら、可変速のタービンとタービンを発電機に接続するための半導体電力変換器とを使用することによって、より多くのエネルギーを集めることができる。
【０００５】
いくつかの課題が、構成および動作の両方においてＨＡＷＴにつきまとう。高い塔および長い羽根は、輸送が困難である。重たい羽根、ギアボックス、および発電機を支えるために、重厚な構成の塔が必要である。設置のために、きわめて背が高くて高価なクレーンおよび熟練の作業者が必要である。動作において、ＨＡＷＴは、羽根を風へと向けるために追加のヨー制御機構を必要とする。ＨＡＷＴは、典型的には、風の流れの変化に役立たない翼への大きな迎え角（ａｎｇｌｅ  ｏｆ  ａｔｔａｃｋ）を有している。ＨＡＷＴは、地面の近くの乱れた風においては運転が難しい。ナセルおよび羽根への氷の付着が、出力の減少および安全の問題を引き起こす可能性がある。背の高いＨＡＷＴが、空港のレーダに悪影響を及ぼす可能性がある。さらには、その高さゆえに、ＨＡＷＴが広い範囲にわたって目立って視認されることとなり、景観を乱し、地域の反対を生じさせることもある。最後に、風下の別種が、乱流によって引き起こされる疲労および構造的な不具合に悩まされる。
【０００６】
風力タービンの質量およびサイズを減らすことが、望ましいと考えられる。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書による開示では、質量およびサイズが小さくされた風力タービンが説明される。特に、膨張可能な構成部品を有するシュラウドおよび／またはイジェクタを備えた風力タービンが開示される。そのような風力タービンは、より軽量である。膨張式のシュラウドおよび／またはイジェクタによれば、タービンの空気力学／形状を流体の流れの変化に適応するように変化させることができると考えられる。また、タービン本体の支持部はあまり頑丈でなくてもよく、また不都合な気候条件に起因して必要であれば、膨張部分を収縮させて格納することも可能になると考えられる。タービンの膨張部分は、エネルギーの抽出または出力の生成を助けるために積極的に回転することはない。
【０００８】
開示された実施形態において、本発明の風力タービンは、インペラと、インペラの周囲に配置されたタービンシュラウドとを備え、タービンシュラウドが膨張可能部材を含んでいる。膨張可能部材は、環状の翼の形状を有することができる。
【０００９】
タービンシュラウドは、膨張可能部材に接続された第１の剛構造部材をさらに含むことができる。このシュラウドの第１の剛構造部材は、シュラウドの膨張可能部材を挿入することができる中空な内部を備えることができる。いくつかの実施形態においては、シュラウドの第１の剛構造部材が、タービンシュラウドの前縁を定める。
【００１０】
タービンシュラウドは、シュラウドの第１の剛構造部材とは反対側で膨張可能部材に接続された第２の剛構造部材をさらに含むことができ、この第２の剛構造部材が、タービンシュラウドの後縁を定める。
【００１１】
シュラウドの第２の剛構造部材を、タービンシュラウドに複数のローブをもたらすように形作ることができる。あるいは、シュラウドの膨張可能部材を、それ自体の後縁を巡って複数のローブをもたらすように形作ることができる。
【００１２】
風力タービンは、タービンシュラウドの周囲に同心に配置されたイジェクタシュラウドをさらに備えることができ、このイジェクタシュラウドが、膨張可能部材を含んでいる。イジェクタシュラウドは、イジェクタの膨張可能部材に接続された第１の剛構造部材をさらに含むことができる。やはり、イジェクタの第１の剛構造部材も、イジェクタの膨張可能部材を挿入することができる中空な内部を備えることができる。さらに、イジェクタの第１の剛構造部材は、イジェクタシュラウドの前縁を定めることができる。
【００１３】
イジェクタシュラウドは、イジェクタの第１の剛構造部材とは反対側でイジェクタの膨張可能部材に接続された第２の剛構造部材をさらに含むことができ、この第２の剛構造部材が、イジェクタシュラウドの後縁を定めている。イジェクタの第２の剛構造部材を、イジェクタシュラウドに複数のローブをもたらすように形作ることができる。
【００１４】
イジェクタの膨張可能部材を、このイジェクタの膨張可能部材が不完全に膨張させられたときに、このイジェクタの膨張可能部材の後縁によって囲まれる面積が、このイジェクタの膨張可能部材の前縁によって囲まれる面積よりも小さくなるように構成することができる。また、イジェクタの膨張可能部材を、それ自体の後縁を巡って複数のローブをもたらすように形作ることができる。
【００１５】
他の実施形態においては、タービンシュラウドと、タービンシュラウドの周囲に同軸に配置されたイジェクタシュラウドとを備えており、タービンシュラウドが、シュラウド円形部材と、シュラウド円形部材に係合する複数のシュラウド第１リブ部材と、シュラウド外側フィルムとを備えており、シュラウド円形部材および複数のシュラウド第１リブ部材が、タービンシュラウドの入り口端および排気端を定めており、イジェクタシュラウドが、イジェクタ円形部材と、イジェクタ円形部材に係合する複数のイジェクタ第１リブ部材と、イジェクタ外側フィルムとを備えており、イジェクタ円形部材および複数のイジェクタ第１リブ部材が、イジェクタシュラウドの入り口端および排気端を定めている風力タービンが開示される。
【００１６】
タービンシュラウドが、複数のシュラウド第２リブ部材をさらに備えることができる。各々のシュラウド第２リブ部材が、シュラウド円形部材とイジェクタ円形部材との間を延びる。複数のシュラウド第１リブ部材および複数のシュラウド第２リブ部材が協働して、タービンシュラウドの排気端に複数のミキサローブを定める。
【００１７】
イジェクタシュラウドが、イジェクタ円形部材に係合する複数のイジェクタ第２リブ部材をさらに備えることができる。複数のイジェクタ第１リブ部材および複数のイジェクタ第２リブ部材が協働して、イジェクタシュラウドの排気端に複数のミキサローブを定める。
【００１８】
イジェクタ第１リブ部材は、静止部材および作動部材を、静止部材と作動部材との間の角度を変化させることができるように枢支部において接合して備えることができる。
【００１９】
あるいは、イジェクタ第１リブ部材は、静止部材および作動部材を、イジェクタ第１リブ部材の長さを変えることができるように接合して備えることができる。
【００２０】
さらに、インペラと、インペラの周囲に配置され、排気端の周囲に配置された複数の混合ローブを有しているタービンシュラウドと、タービンシュラウドの周囲に配置され、膨張可能部材を含んでいるイジェクタシュラウドとを備える風力タービンも開示される。
【００２１】
本発明のこれらの特徴または特性ならびに他の特徴または特性（ただし、本発明がこれらの特性または特徴に限定されるわけではない）を、以下でさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
以下で、図面を簡単に説明する。図面は、本明細書において説明される本発明を例示する目的で提示されており、本発明を限定しようとするものではない。
【００２３】
【図１】本発明の第１の典型的な実施形態の斜視図である。
【００２４】
【図２】本発明の第２の典型的な実施形態の斜視図である。
【００２５】
【図３】本発明の第３の典型的な実施形態の斜視図である。
【００２６】
【図４】本発明の第４の典型的な実施形態の斜視図である。
【００２７】
【図５】本発明の第５の典型的な実施形態の一部分の斜視図である。
【００２８】
【図６Ａ】本発明の第６の典型的な実施形態の側面図である。
【００２９】
【図６Ｂ】本発明の第６の典型的な実施形態の斜視図である。
【００３０】
【図７Ａ】本発明のさらなる典型的な実施形態のための組み立てプロセスの種々の段階を示す斜視図である。
【図７Ｂ】本発明のさらなる典型的な実施形態のための組み立てプロセスの種々の段階を示す斜視図である。
【図７Ｃ】本発明のさらなる典型的な実施形態のための組み立てプロセスの種々の段階を示す斜視図である。
【図７Ｄ】本発明のさらなる典型的な実施形態のための組み立てプロセスの種々の段階を示す斜視図である。
【００３１】
【図８Ａ】本発明の典型的な実施形態において使用することができる種々の内部リブ部材の側面図である。
【図８Ｂ】本発明の典型的な実施形態において使用することができる種々の内部リブ部材の側面図である。
【図８Ｃ】本発明の典型的な実施形態において使用することができる種々の内部リブ部材の側面図である。
【００３２】
【図８Ｄ】図８Ａ〜８Ｃに示した内部リブ部材などの種々の内部リブ部材の使用前および使用後の風力タービンを示している。
【図８Ｅ】図８Ａ〜８Ｃに示した内部リブ部材などの種々の内部リブ部材の使用前および使用後の風力タービンを示している。
【００３３】
【図９】本発明の第８の典型的な実施形態の斜視図である。
【００３４】
【図１０】本発明の第９の典型的な実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本明細書に開示されるプロセスおよび装置のさらに完全な理解を、添付の図面を参照することによって得ることができる。これらの図は、あくまでも既存の技術および／または今回の発展の説明を便利かつ容易にすることに基づいた概略図であり、アセンブリまたはアセンブリの構成部品の相対のサイズおよび寸法を示そうとするものではない。
【００３６】
以下の説明においては、分かり易さのために、具体的な用語が使用されるが、それらの用語は、図面における例示用として選択された実施形態の特定の構造を指すにとどまり、本発明の技術的範囲を定義または限定しようとするものではない。図面および以下の説明において、類似の参照番号が、類似の機能の構成部品を指し示していることを理解すべきである。
【００３７】
広くには、本発明は、膨張可能な構成部品を備える風力タービンを含む。これは、ＨＡＷＴに比べて質量が小さい風力タービンを提供する。
【００３８】
図１は、ミキサ−イジェクタ風力タービン（ＭＥＷＴ）としても知られる形態の本発明の風力タービンの第１の実施形態の斜視図である。ＭＥＷＴは、他の現行の種類の風力タービンと同じ面積を有するタービンにおいてより多くの出力を抽出することができるよう、風力タービンの効率を改善するためにシュラウド付きのインペラ、プロペラ、またはロータ／ステータを使用した、新しい種類の風力タービンである。これにより、ＭＥＷＴは、最も一般的な種類の風力タービン、すなわち水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ）よりも大きな面積から空気を引き込む。
【００３９】
風力タービンは、理論的には、風力タービンを通過する風の潜在的なエネルギーの最大で５９．３％（ベッツの限界として知られる最大値）を捕捉することができる。風力タービンによって捕捉されるエネルギーの量を、タービンの効率と称することもできる。ＭＥＷＴは、ベッツの限界を超えることができる。
【００４０】
図１を参照すると、タービン１０が、タービンシュラウド３０の入り口端３２に配置されたインペラ２０を備えている。インペラは、通常は、羽根が軸へと取り付けられて回転可能であり、羽根を回転させる風から出力またはエネルギーを生成することができる、任意のアセンブリとすることができる。ここに示されているように、インペラ２０は、ロータ−ステータアセンブリである。ステータ２２が、タービンシュラウド３０に係合し、ロータ（図示されていない）が、モータ／発電機（図示されていない）に係合する。ステータ２２は、ロータへと達する前に空気の向きを変える非回転の羽根２４を有している。その結果、ロータの羽根が回転し、発電機において電力が生成される。シュラウド３０は、環状の翼３４を備えており、すなわち換言すると、ほぼ円筒形であって、翼の形状を有しており、翼が、タービンシュラウドの内側（すなわち、シュラウドの内部）に比較的低い圧力を生成し、タービンシュラウドの外側（すなわち、シュラウドの外部）に比較的高い圧力を生成するように構成されている。換言すると、環状の翼が、米国特許出願公開第２００９／００８７３０８号（その開示の全体が、参照により本明細書にそのまま組み込まれる）の図４、７、１２、１４、１７、および１９に見て取ることができるように、航空機の翼のように形作られた断面を有している。インペラおよびモータ／発電機は、タービンシュラウド内に収容されている。タービンシュラウド３０は、シュラウドの出口端または排気端の周囲にミキサローブ４０をさらに有することができる。ミキサローブは、排気端の外周を巡っておおむね一様に分布している。ミキサローブは、一般に、空気が出て行くタービンシュラウドの排気端３６に、外周を巡っておおむね頂点および谷の形状を持たせる。換言すると、ローブ４０は、シュラウドの後縁３８に沿って配置されている。
【００４１】
さらにタービン１０は、イジェクタシュラウド５０をタービンシュラウドに係合させて備えている。イジェクタシュラウドは、環状の翼５４を備えており、換言すると、ほぼ円筒形であって、翼の形状を有しており、翼が、イジェクタの内側（すなわち、タービンシュラウド３０とイジェクタシュラウド５０との間）に比較的高い圧力を生成し、イジェクタシュラウド５０の外側に比較的低い圧力を生成するように構成されている。イジェクタシュラウドも、ミキサローブ６０を有することができ、その場合、風力タービンは、ミキサ−イジェクタ風力タービンとなる。ミキサローブは、一般に、空気が出て行くイジェクタの排気端５６に、外周を巡っておおむね頂点および谷の形状を持たせている。換言すると、ミキサローブが、イジェクタシュラウド５０の後縁５８に沿って配置されている。
【００４２】
イジェクタシュラウド５０は、タービンシュラウド３０よりも大きい直径を有している。タービンシュラウド３０が、イジェクタシュラウド５０に係合している。換言すると、タービンシュラウドの排気端３６が、イジェクタシュラウドの入り口端５２にはまり込んでおり、あるいはイジェクタシュラウドの入り口端５２が、タービンシュラウドの排気端３６を囲んでいる。タービンシュラウド３０およびイジェクタシュラウド５０は、両者の間に空気を流すことができるように寸法付けられている。換言すると、イジェクタシュラウド５０が、タービンシュラウド３０の周囲に同心に配置され、タービンシュラウド３０の下流に配置されている。インペラ２０、タービンシュラウド３０、およびイジェクタシュラウド５０はすべて、共通の軸を共有しており、すなわち互いに同軸である。
【００４３】
ミキサローブ４０、６０が、先進する流れの混合および制御を可能にする。タービンシュラウドおよびイジェクタシュラウドは、航空機産業において使用される類似の形状から相違している。これは、ＭＥＷＴにおいては流路が高エネルギーの空気をイジェクタシュラウドへもたらすためである。タービンシュラウドが、低エネルギーの空気をイジェクタシュラウドへともたらし、高エネルギーの空気が、低エネルギーの空気の周囲を囲み、低エネルギーの空気を吸い出し、低エネルギーの空気と混ざり合う。
【００４４】
風がロータを駆動するときに電気を生成させるために、モータ／発電機を使用することができる。風がロータを駆動するのに不充分な場合には、タービンの発電機を、インペラ２０を駆動して空気をタービン１０へと引き込んで通過させるためのモータとして使用することも可能である。
【００４５】
再び図１を参照すると、タービンシュラウド３０は、膨張可能部材７０と、第１の剛構造部材７２と、第２の剛構造部材７４とを備えている。第１の剛体部材は、シュラウド３０の前縁７６を定めており、第２の剛体部材７４は、複数のローブ４０が外周を巡って設けられている後縁３８を定めている。剛体部材７２、７４は、互いに向かい合わせに膨張可能部材７０へと接続されており、すなわち膨張可能部材の両側に接続されている。第１の剛構造部材７２は、環状である。第１の剛構造部材７２は、インペラ２０を支持するための構造を与えるとともに、空気をインペラを通って導くためのファンネルとしても機能する。膨張可能部材７０は、後述されるように、薄いフィルム材料で製作される。剛体部材７２、７４は、可撓であってもよく、膨張可能部材７０と比較して剛であればよいと考えられる。
【００４６】
イジェクタシュラウド５０も、膨張可能部材８０、第１の剛構造部材８２、および第２の剛構造部材８４を備えている。第１の剛体部材が、イジェクタ５０の前縁８６を定めており、第２の剛体部材８４が、複数のローブ６０が外周を巡って設けられている後縁５８を定めている。剛体部材８２、８４は、互いに向かい合わせに膨張可能部材８０へと接続されており、すなわち膨張可能部材の両側に接続されている。やはり、剛体部材８２、８４は、可撓であってもよく、膨張可能部材８０との比較において剛であると考えられる。膨張可能部材７０、８０は、膨張させられる１つの大きなポケットを含むことができ、あるいは個別に膨張／収縮させることができる複数のポケットを含むことができる。
【００４７】
図２は、タービンの別の典型的な実施形態を示している。タービン１１０が、インペラ１２０、タービンシュラウド１３０、およびイジェクタシュラウド１５０を有している。この実施形態において、タービンシュラウド１３０は、膨張可能部材１３４へと接続された第１の剛構造部材１３２を備えている。第１の剛構造部材１３２が、シュラウド１３０の前縁１３６を定めている。シュラウドの膨張可能部材１３４は、タービンシュラウドの後縁１３８を巡って複数のローブ１４０をもたらすように形成されている。図１の実施形態と対照的に、剛体部材が１つだけ存在しており、この剛体部材に膨張可能部材が接続されている。同様に、イジェクタ１５０は、膨張可能部材１５４へと接続された第１の剛構造部材１５２を備えている。第１の剛体部材１５２が、イジェクタシュラウド１５０の後縁１５６を定めている。イジェクタの膨張可能部材１５４は、イジェクタシュラウドの後縁１５８を巡って複数のローブ１６０をもたらすように形成されている。換言すると、この実施形態においては、膨張式のタービンシュラウド１３０および／または膨張式のイジェクタシュラウド１５０に、ローブを定める剛性部材が存在していない。
【００４８】
図３は、タービンの別の典型的な実施形態を示している。タービン１１０が、インペラ１２０、タービンシュラウド１３０、およびイジェクタシュラウド１５０を有している。この実施形態においては、タービンシュラウド１３０が、膨張可能部材からなり、イジェクタシュラウド１５０が、膨張可能部材からなっている。換言すると、タービンシュラウドまたはイジェクタシュラウドの前縁または後縁に剛構造部材が存在しない。
【００４９】
図４は、別の典型的な実施形態を示している。ここでは、タービンシュラウド１３０およびイジェクタシュラウド１５０が、膨張可能な材料で形成され、既存のタービンまたは推進装置へと後付けされるように構成された部分アセンブリを形成している。
【００５０】
図５は、本発明の別の典型的な実施形態を示している。ここでは、タービン２００が、インペラ２１０、タービンシュラウド２２０、およびイジェクタシュラウド２３０を備えている。インペラ２１０は、ロータ−ステータアセンブリである。ステータ２１２が、複数の羽根２１４を有している。タービンシュラウド２２０は、ステータ２１２を囲み、実質的に円形の形状を有しており、タービンシュラウドの前縁を定めている剛構造部材２２２を備えている。同様に、イジェクタシュラウド２３０も、やはり実質的に円形の形状を有しており、イジェクタシュラウドの前縁を定めている剛構造部材２３２を備えている。支柱２２４が、シュラウドの剛体部材２２２およびイジェクタの剛体部材２３２をつなぎ合わせている。タービンシュラウド２２０は、膨張可能部材（図示されていない）をさらに備えており、イジェクタシュラウド２３０も、膨張可能部材２３４を備えている。この実施形態において、膨張可能部材は、強風の状況または着氷性の嵐における保護のために、タービンの形状を変え、収縮して小さくなるように設計されている。シュラウドの剛構造部材２２２が、膨張可能部材を引き込むことができる中空な内部を備えている。この図において、中空な内部は、シュラウドの剛体部材２２２の後縁２２６に位置しており、見て取ることができないことを、理解すべきである。ここでは、タービンシュラウド２２０は、膨張可能部材を完全に圧縮してシュラウドの剛体部材２２２に収納した状態で示されている。同様に、イジェクタの膨張可能部材２３４も、収縮させ、イジェクタの剛構造部材２３２の中空な内部に収納可能になっている。
【００５１】
図６Ａおよび６Ｂは、本発明の別の典型的な実施形態の２つの図を示している。タービン３００が、同様にタービンシュラウド３１０およびイジェクタシュラウド３２０を備えている。タービンシュラウドは、剛構造部材３１２および膨張可能部材３１４（ここでは、完全に膨張した状態で図示されている）を備えている。イジェクタシュラウドも、剛構造部材３２２および膨張可能部材３２４を備えている。しかしながら、ここでは、イジェクタの膨張可能部材３２４が、膨張の程度に応じてさまざまな形態または形状をとることが可能な充分な柔軟性を有している。ここでは、膨張可能部材３２４が、排気端３２６の面積が小さくされるように、完全には膨張していない状態で図示されている。ここに示されているように、この面積の縮小により、タービンを通過する空気の流れが抑えられ、空気の流れが少なくなって、強風の状況において生じうるインペラまたはロータ−ステータアセンブリへの応力が小さくなる。換言すると、イジェクタの膨張可能部材３２４が、完全には膨張していない状態において、イジェクタの膨張可能部材の後縁３３２によって囲まれる面積３３０がイジェクタシュラウドの後縁３３４によって囲まれる面積よりも小さくなるように構成されている。前縁によって囲まれる面積は、タービンシュラウド３１０とイジェクタシュラウド３２０との間の環状の面積だけでなく、前縁によって定められる全面積を指していることに、注意すべきである。
【００５２】
図７Ａ〜７Ｃが、本発明の風力タービンに有用なシュラウドおよび／またはイジェクタの他の典型的な実施形態の構成の種々の段階を示している。これらの図に、インペラは示されていない。ここで、シュラウド／イジェクタの組み合わせ３９０が、タービンシュラウドの入り口端４０２および排気端４０４を協働して定める円形部材４００および複数のシュラウド第１リブ部材４１０を備えている。次いで、円形部材４００および複数のシュラウド第１リブ部材４１０が、外側フィルム材料４０６によって覆われ、タービンシュラウドが完成される。タービンシュラウドの排気端４０４は、入り口端４０２よりも小さい面積を有することができる。イジェクタシュラウドも同様に、イジェクタシュラウドの入り口端４２２および排気端４２４を協働して定める円形部材４２０および複数のイジェクタ第１リブ部材４３０を備えている。次いで、円形部材４２０および複数のイジェクタ第１リブ部材４３０が、外側フィルム材料４２６によって覆われ、イジェクタシュラウドが完成される。いくつかの実施形態においては、シュラウドの円形部材４００およびイジェクタの円形部材４２０も、シュラウド第１リブ部材４１０によって互いに接続される。
【００５３】
さらなる実施形態においては、タービンシュラウドが、複数のシュラウド第２リブ部材４４０を含むことができる。シュラウド第２リブ部材４４０は、シュラウドの円形部材４００とイジェクタの円形部材４２０とをつなぎ合わせる。シュラウド第１リブ部材４１０およびシュラウド第２リブ部材４４０が協働し、シュラウドの排気端４０４に複数のミキサローブ４４２を定める。一般に、シュラウド第１リブ部材４１０およびシュラウド第２リブ部材４４０は、異なる形状を有している。さらなる実施形態においては、イジェクタシュラウドも同様に、複数のイジェクタ第２リブ部材４５０を備えることができる。イジェクタ第１リブ部材４３０およびイジェクタ第２リブ部材４５０が協働し、イジェクタの排気端４２４に複数のミキサローブ４５２を定める。一般に、イジェクタ第１リブ部材４３０およびイジェクタ第２リブ部材４５０は、異なる形状を有している。
【００５４】
図７Ａに見られるように、シュラウド第１リブ部材４１０およびイジェクタ第１リブ部材４３０は、同じ位置でイジェクタの円形部材４２０へとつながっている。同様に、シュラウド第２リブ部材４４０およびイジェクタ第２リブ部材４５０が、同じ位置でイジェクタの円形部材４２０へとつながっている。種々のリブ部材について、この同じ位置における接続は必須ではない。
【００５５】
あるいは、図７Ｄに示される通り、シュラウド／イジェクタの組み合わせ３９０を、第１の円形部材４００、第２の円形部材４２０、複数の第１の内部リブ４６０、および複数の第２の内部リブ４７０からなると考えることができる。２つの円形部材、第１の内部リブ、および第２の内部リブの組み合わせが、タービンシュラウド、タービンシュラウドのローブ、イジェクタシュラウド、およびイジェクタシュラウドのローブの形状を定める。タービンシュラウドが、２つの円形部材４００および４２０の間の領域によって定められる一方で、イジェクタシュラウドは、第２の円形部材４２０の下流に配置されている。図７Ａと比較して、第１の内部リブ４６０を、シュラウド第１リブ部材４１０とイジェクタ第１リブ部材４３０とを一部品に組み合わせたものと考えることができる一方で、第２の内部リブ４７０を、シュラウド第２リブ部材４４０とイジェクタ第２リブ部材４５０とを一部品に組み合わせたものと考えることができる。
【００５６】
図８Ａ〜８Ｃは、図７Ａ〜７Ｃに示したような種々の実施形態において使用するために適した内部リブの種々の実施形態の側面図である。図８Ａにおいては、おおむね剛性のリブ５００を協働して形成するように、一体的に形成された弓形部材５１０および横部材５２０を備えている。部材は、一般的に軽量であり、支柱５０４によってつなぎ合わせられた梁５０２と考えることができる。弓形部材５１０が、タービンシュラウドの形状を定める一方で、横部材５２０が、イジェクタシュラウドの形状を定める。
【００５７】
図８Ｂを参照すると、リブ５００が、静止部材５３０および作動部材５４０を備えている。静止部材５３０が、タービンシュラウドの形状を定める一方で、作動部材５４０が、イジェクタシュラウドの形状を定める。静止部材５３０および作動部材５４０は、両者の間の角度を定める枢支部５５０によって、下縁５０８に沿って接続されている。静止部材５３０および作動部材５４０は、スリーブまたは直線運動部材５６０によって上縁５０６に沿って接続されている。アクチュエータ５７０が、静止部材５３０および作動部材５４０の間の角度を変化させるように、静止部材５３０および作動部材５４０の両者に係合し、それによりシュラウドおよび／またはイジェクタの形状を変化させる。実線の輪郭が、短縮位置または直線位置を示している一方で、破線の輪郭は、延長位置または斜め位置を示している。この形状変化の能力が、タービンシュラウドまたはイジェクタシュラウドの全体の骨格の移動／形状変化を可能にする。
【００５８】
図８Ｃを参照すると、静止部材５３０および作動部材５４０が、上縁５０６および下縁５０８の両方において、アクチュエータ５７０との協働によってリブ５００の長さを変化させるスリーブまたは直線運動部材５６０によってつなぎ合わせられている。
【００５９】
図８Ｄは、タービンシュラウド５８２およびイジェクタシュラウド５８４を備えるタービン５８０を示している。ここで、イジェクタのリブ部材（図示されていない）は、それぞれ短縮位置にある。図８Ｅにおいては、イジェクタシュラウドのリブ部材が、それぞれ延長位置にあり、より長さの長いイジェクタおよび異なる空気の流れの特性をもたらしている。このようにして、風力タービンのリブ部材の柔軟な性状が、さまざまな風の状況に対応するための構成の変化を可能にする。
【００６０】
図９においては、風力タービン６００が、発電機６０４に取り付けられたプロペラ６０２として示されており、柱６０６に支持されているインペラを有している。膨張可能なシュラウド６０８が、プロペラ６０２の周囲に配置されている。このようにして、膨張可能なシュラウドを、既存の種類の風力タービンにおいて使用することができる。
【００６１】
図１０は、タービン６００が柱によって支持されるのではない別の実施形態である。代わりに、膨張可能なシュラウド６０８が、水素、ヘリウム、アンモニア、またはメタン、などといった空気よりも軽い気体で膨張させられている。これにより、タービン６００を自由に上昇させるための充分な浮力がもたらされる。タービン６００は、繋留索またはケーブル６１０によってつながれており、索６１０が、索６１０の長さを延長または短縮することができるコントローラへと接続されている。したがって、索６１０以外の支持構造が不要である。ベース６１２が、索６１０の長さを制御するためのリールまたはスプールを含むことができる。この特徴は、過度に強い風の場合にタービン６００を下降させる簡潔かつ素早い応答の手段を提供する。
【００６２】
本明細書に記載の膨張可能部材は、揚力の大きさまたは膨張の程度を制御するために、いくつかの内部チャンバを備えることができる。これらの内部チャンバを、適宜、膨張可能部材の円周を巡って配置することができ、あるいは膨張可能部材の一端から他端へと配置することができる。
【００６３】
シュラウド用および／またはイジェクタ用の膨張可能部材ならびに外側フィルムを形成するために使用される薄いフィルム材料を、一般的には、任意のポリマー材料または布地材料で形成することができる。典型的な材料として、ポリウレタン、ポリフルオロポリマー、および同様の組成の多層フィルムが挙げられる。スパンデックスタイプの布地など、伸縮自在の布地も、使用することが可能である。
【００６４】
ポリウレタンフィルムは、丈夫で、良好な耐候性を有している。ポリエステルタイプのポリウレタンフィルムは、ポリエーテルタイプのポリウレタンフィルムよりも親水的な分解の影響を受けやすい傾向にある。また、これらのポリウレタンフィルムの脂肪族バージョンは、一般的に、紫外線によく耐える。
【００６５】
典型的なポリフルオロポリマーとして、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）およびポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）が挙げられる。市販のバージョンが、ＫＹＮＡＲおよびＴＥＤＬＡＲとして入手可能である。ポリフルオロポリマーは、一般的に、きわめて表面エネルギーが低いため、表面への塵埃の付着をある程度は防止でき、より高い表面エネルギーを有する材料と比べて氷をより容易に落とすことができる。
【００６６】
フィルム／布地の複合材料も、膨張可能部材または外側フィルムの形成用として、発泡体などの裏打ちとともに想定することができる。
【００６７】
膨張可能部材を、ウレタンフィルムの嚢（Ｂｌａｄｄｅｒ）および嚢を覆って嚢に強度および耐久性を付与する織物カバーまたは編み物カバーで構成することもできる。織物材料または編み物材料は、ポリエステル、プレストレスポリエステル、芳香族ポリエステル（日本国のＫｕｒａｒａｙ社が製造している商品名ＶＥＣＴＲＡＮ（登録商標））、ｐ−フェニレンテレフタルアミド（ＰｐＰＴＡ）（Ａｋｚｏ社の商品名ＴＷＡＲＯＮ）、ＰＰＴＡ（ポリ−パラフェニレンテレフタルアミド（ＤｕＰｏｎｔ社の商品名ＫＥＶＬＡＲ）、およびポリトリメチレンテレフタレート（Ｓｈｅｌｌ社の商品名ＣＯＲＴＥＲＲＡ）であってもよい。織物カバーまたは編み物カバーの外側を、シス−ポリイソプレン、ポリウレタン、エポキシ、またはポリ塩化ビニルなどの種々のポリマーでコートすることができる。これは、織物または編み物を、ＵＶなどの環境の攻撃から保護し、あるいは繊維を傷めかねない砂または他の物質による摩耗から保護する。製造者として、マサチューセッツ州ＬｏｗｅｌｌのＦｅｄｅｒａｌ  Ｆａｂｒｉｃｓ−Ｆｉｂｅｒｓ、ニューハンプシャー州Ｎｅｗ  ＩｐｓｗｉｃｈのＷａｒｗｉｃｋ  Ｍｉｌｌｓ、カリフォルニア州Ｌａｋｅ  ＥｌｓｉｎｏｒｅのＶｅｒｔｉｇｏ  ｌｎｃ、およびデラウェア州ＦｒｅｄｅｒｉｃａのＩＬＣ  Ｄｏｖｅｒが挙げられる。また、膨張可能部材の一部分または全体を、真空樹脂含浸法（ＶＡＲＴＭ）による反応性ポリマーの導入または予め含浸させたポリマー（放射線、遊離基開始、またはイソシアネートによる架橋によって硬化する不飽和ポリエステル、エポキシ、アクリレート、またはウレタンなど）の硬化を使用して補強することができる。
【００６８】
本発明の風力タービンにおけるシュラウドおよび／またはイジェクタの膨張可能な構成は、タービンを従来のタービンよりも大幅に軽量にすることを可能にする。したがって、あまり頑丈でない支持塔を使用することができる。
【００６９】
本発明のシステムおよび方法を、典型的な実施形態を参照して説明した。当然ながら、以上の詳細な説明を検討および理解した者であれば、いくつかの変更および改変に想到できるであろう。上述の典型的な実施形態を、そのような変更および改変のすべてを、それらが添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲にある限りにおいて包含するものと解釈すべきである。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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