(57)【要約】【課題】簡単な構造でありながら効率的である垂直軸風力タービンを提供する。【解決手段】回転部材（１２）と、表面を有する複数の薄板状のブレード（１８，２０，２２，２４）とを備えるタービンヘッドにおいて、各ブレードが回転部材に対して第１の位置から第２の位置まで回転できるように、ブレードが回転部材に回転可能に取り付けられており、前記第１および第２の位置の間の角度は１８０度未満であり、各ブレードが、ブレードの中心に近い軸を中心にして回転部材へと回転可能に取り付けられており、力がブレードの前記表面に垂直な方向に加えられる場合に、前記表面のうちの前記軸の一方の側に位置する部分に加わる力と前記表面のうちの前記軸心に対して他方の側に延びる部分に加わる力との間の差が、前記第１の位置から前記第２の位置に向かうブレードの回転を生じさせる。【選択図】図２
2012519802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転部材と、
各々が表面を有する複数の薄板状のブレードと
を備えるタービンヘッドであって、
前記各ブレードが、前記回転部材に、第１の位置から第２の位置まで相対回転可能に取り付けられており、前記第１および第２の位置の間の角度は１８０度未満であり、
各ブレードが、ブレードの中心の近傍に位置する軸心周りに回転可能に前記回転部材に取り付けられており、力が前記ブレードの前記表面に垂直な方向に加えられる場合に、前記表面の前記軸心に対して一方の側に位置する部分に加わる力と前記表面の前記軸心に対して他方の側へ延びる部分に加わる力との差によって、前記ブレードが前記第１の位置から前記第２の位置へ回転可能に設定されているタービンヘッド。
【請求項２】
請求項１において、前記ブレードの表面の前記軸心に対して一方の側に位置する部分の表面積が、前記軸心に対して他方の側の表面の表面積よりも大きいタービンヘッド。
【請求項３】
請求項１または２において、前記各ブレードが、ブレードの中心とブレードの端部からブレードの全長の４分の１の位置との間の部分において、回転可能に取り付けられているタービンヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、前記各ブレードが、ブレードの中心からブレードの全長の６分の１の位置において、回転可能に取り付けられているタービンヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において、前記各ブレードの前記表面が、凹状の外形を有しているタービンヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、前記各ブレードが、ブレードフレームおよびブレードカバーを備えており、前記ブレードフレームがブレードの外縁を形成し、前記カバーが前記各ブレードの前記表面を形成しているタービンヘッド。
【請求項７】
請求項６において、前記ブレードカバーが、可撓な材料を有しているタービンヘッド。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項において、前記第１および第２の位置の間の角度が、７５度〜１０５度の範囲にあるタービンヘッド。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項において、前記各ブレードのための第１のストッパ手段をさらに備えており、この第１のストッパ手段が、前記ブレードの回転角度を規制するタービンヘッド。
【請求項１０】
請求項９において、前記各ブレードのための第２のストッパ手段をさらに備えており、この第２のストッパ手段が、前記ブレードの回転角度をさらに規制するタービンヘッド。
【請求項１１】
請求項９または１０において、前記ストッパ手段が、前記回転部材から延びる突起、固定点と前記ブレード上の部分との間をつなぐ係留部材、または前記回転部材の一部分であるタービンヘッド。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか一項において、前記各ブレードのための衝撃吸収部材をさらに備えており、この衝撃吸収部材が、前記ブレードが前記ストッパ手段に接触するときに前記ブレードから前記ストッパ手段に伝えられる衝撃を最小化するタービンヘッド。
【請求項１３】
請求項１２において、前記第１または第２のストッパ手段が、前記回転部材から延びる突起または前記回転部材の一部分を備えており、前記衝撃吸収部材の表面が、前記突起、前記回転部材の一部分、または前記突起もしくは回転部材の前記一部分に接触する前記ブレードの一部分に取り付けられた弾性材料から形成されているタービンヘッド。
【請求項１４】
請求項１２において、第１または第２のストッパ手段が、固定点と前記回転部材上の部分とをつなぐ係留部材を備えており、前記衝撃吸収部材が、弾性材料からなる前記係留部材を含むタービンヘッド。
【請求項１５】
請求項１３または１４において、前記弾性材料が、ゴムまたはゴムと同等の合成物質であるタービンヘッド。
【請求項１６】
請求項１２〜１５のいずれか一項において、前記衝撃吸収部材が、前記ブレードまたは前記回転部材上に設けられた弾性ばね機構を備えているタービンヘッド。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか一項において、各ブレードを当該ブレードの回転中心に固定する手段を備えているタービンヘッド。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項において、前記回転部材が、複数のタービン翼を備えており、前記複数のブレードの少なくとも１つが、前記タービン翼のうちの対応する１つに取り付けられているタービンヘッド。
【請求項１９】
請求項１８において、前記タービン翼が、細長形状部と、細長形状部の一端に位置するフレーム部とを有しており、前記ブレードが前記フレーム部内に取り付けられているタービンヘッド。
【請求項２０】
請求項１８または１９において、前記タービン翼が１対のアームを備えており、前記ブレードが、１ヵ所において前記１対のアームのうちの一方のアームに取り付けられ、他の１ヵ所において１対のアームのうちの他方のアームに取り付けられているタービンヘッド。
【請求項２１】
請求項１８〜２０のいずれか一項において、各ブレードを固定する手段が、前記翼に垂直な方向にブレードを固定する手段を備えているタービンヘッド。
【請求項２２】
請求項１８〜２０のいずれか一項において、各ブレードを固定する手段が、前記翼と同一面である方向にブレードを保持するための手段を備えているタービンヘッド。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれか一項において、前記各ブレードが、ブレードの幅方向における非対称な部分において取り付けられているタービンヘッド。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれか一項において、前記ブレードが、硬質プラスチック材料、帆布、炭素繊維、または金属のうちのいずれか１つから製作されているタービンヘッド。
【請求項２５】
支持部上に回転可能に取り付けられた、請求項１〜２４のいずれか一項に記載のタービンヘッドを備えている垂直軸風力タービン。
【請求項２６】
請求項２５において、前記支持部回りのタービンヘッドの回転速度を制限する制動手段をさらに備えている垂直軸風力タービン。
【請求項２７】
実質的に添付の図面を参照して本明細書において説明され、添付の図面の任意の組み合わせによって示されるとおりのタービンヘッド。
【請求項２８】
実質的に添付の図面を参照して本明細書において説明され、添付の図面の任意の組み合わせによって示されるとおりの垂直軸風力タービン。
【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に関する。本発明は、発電における使用に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、風のエネルギーを電気エネルギーへと変換するためにますます使用されるようになってきている。タービンは、タービンの回転を最もよく達成するために風の方向に直接面する必要がある水平軸タービン、または風の方向にかかわらずに回転するという利点を有する垂直軸タービンのいずれかであってよい。本発明は、発電に使用することができる垂直軸風力タービンに関する。
【０００３】
垂直軸風力タービンのこれまでの開示として、仏国特許発明第２４９４７８１号が挙げられる。この文献は、３つの水平な放射状のアームを有している垂直軸風力タービンを記載している。各々のアームの端部に、垂直ブレードが取り付けられている。これらの垂直ブレードは、回動可能であり、回転運動について制限を有している。垂直ブレード上の回動支点は、ブレードの一端の付近にある。ブレードの回動が、風の流れの方向にもとづいてブレードが自身の向きを変化させることができるようにするために使用される。この自動的な向きの変化は、回転運動の限界によって制限される。この回転の限界ゆえに、タービンの歳差運動の一部において、ブレードが風を捕えるための表面を形成する。歳差運動の他の部分においては、ブレードの向きが自動的に変化し、ブレードの一端の付近への回動支点の配置が、この点においてブレードに最大の回転力が生じることを意味する。本発明の発明者は、そのような大きな回転力の発生が、この種の風力タービンにおいて不利となりうることを確認した。そのような大きな力が、ブレードが回転の限界に達するときに放射状のアームに顕著な衝撃を生じさせる可能性があり、結果としてアームおよびブレードの補強が必要になり、重量が増加し、効率が低下する可能性がある。
【０００４】
垂直軸風力エンジンの別の開示が、米国特許出願公開第２００３／０２３５４９８号に示されている。この文献は、抗力に基づく垂直軸風力エンジンと揚力に基づく垂直軸風力エンジンとの間の相違を検討している。抗力に基づくエンジンは、風を捕える翼として、仏国特許発明第２４９４７８１号に記載のパネルなど、平坦なパネルを使用する。揚力に基づくエンジンは、エアフォイルを翼として使用する。米国特許出願公開第２００３／０２３５４９８号は、抗力に基づく平たいパネルの風力エンジンから、揚力に基づくシステムにおける翼の使用への発展が存在していることを教示している。この文献は、そのような揚力に基づくシステムにおける翼の構成を記載している。回動支点が圧力／揚力の平均中心に位置するように、翼をバランスよく配置する必要がある旨が述べられている。さらに、揚力に基づくタービンは、比較的複雑なブレードを必要とし、結果としてコストおよび重量が増す可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０２３５４９８号明細書
【特許文献２】仏国特許発明第２４９４７８１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本明細書で述べた課題のうちの１つ以上に対処する簡単な構造でありながら効率的である垂直軸風力タービンを提供することが、望ましいと考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、回転部材と、各々が表面を備えている複数の薄板状のブレードとを備えているタービンヘッドであって、前記各ブレードが、前記回転部材に、第１の位置から第２の位置まで相対回転可能に取り付けられており、前記第１および第２の位置の間の角度は１８０度未満であり、
各ブレードが、ブレードの中心の近傍に位置する軸心周りに回転可能に前記回転部材に取り付けられており、力が前記ブレードの前記表面に垂直な方向に加えられる場合に、前記表面の前記軸心に対して一方の側に位置する部分に加わる力と前記表面の前記軸心に対して他方の側へ延びる部分に加わる力との間の差によって、前記ブレードを前記第１の位置から前記第２の位置へ回転可能に設定されているタービンヘッドが提供される。
【０００８】
前記ブレードの表面のうちの前記軸の一方の側に位置する部分の表面積が、前記軸心に対して他方の側の表面の表面積よりも大きくてよい。
【０００９】
各ブレードを、ブレードの中心とブレードの端部からブレードの全長の４分の１の位置との間の部分において、回転可能に取り付けることができる。各ブレードを、ブレードの中心からブレードの全長の６分の１の部分において、回転可能に取り付けることができる。
【００１０】
各ブレードの表面が、凹状の外形を有することができる。各ブレードが、ブレードフレームおよびブレードカバーを備えていてもよく、ブレードフレームがブレードの外縁を形成し、カバーが各ブレードの前記表面を形成することができる。ブレードカバーは、可撓な材料を有することができる。
【００１１】
前記第１および第２の位置の間の角度は、７５度〜１０５度の間であってよい。
【００１２】
タービンヘッドは、ブレードの回転角度を規制する第１のストッパ手段をさらに備えることができ、随意によりブレードの回転角度をさらに規制する第２のストッパ手段をさらに備えることができる。ストッパ手段は、回転部材から延びる突起、固定点とブレード上の点との間の係留部材、または回転部材の一部分、あるいはブレードの回転を制限するための任意の他の適切な手段であってよい。
【００１３】
ストッパ手段は、取り付け部位を中心とするブレードの回転角度を、約７５度〜約１０５度の間の角度に規制することができる。好ましくは、取り付け部位を中心とするブレードの回転角度が、９０度に制限され、前記第１の位置が、本体と同一平面であり、前記第２の位置が、本体に垂直である。
【００１４】
タービンヘッドに、ブレードとストッパ手段とが接触するときにストッパ手段へとブレードによって伝えられる衝撃を最小化するために、衝撃吸収部材を備えることができる。
【００１５】
第１または第２のストッパ手段が、回転部材から延びる突起または回転部材の一部分を備えている場合、衝撃吸収部材は、前記突起に位置し、回転部材の前記一部分に位置し、あるいは前記突起または回転部材の前記一部分に接触するブレードの一部分に位置する弾性材料から作られた表面であってよい。
【００１６】
あるいは、第１または第２のストッパ手段が、固定点とブレード上の点との間の係留部材を備えている場合、衝撃吸収部材が、弾性材料から作られた前記係留部材を備える。
【００１７】
弾性材料は、ゴム、ゴムと同等の合成物質、あるいはゴム状弾性を有する任意の他の材料であってよい。
【００１８】
あるいは、衝撃吸収部材が、ブレードまたは回転部材に位置する弾性ばね機構を備えてもよい。
【００１９】
随意により、タービンヘッドは、ブレードをブレードの回転の一地点に固定する手段を備える。また、回転部材が複数のタービン翼を備えることができ、前記複数の各ブレードのうちの少なくとも１つを、タービン翼のうちの該当の１つに取り付けることができる。ブレードを固定する手段が、前記翼に垂直な方向にブレードを固定する手段を備えることができ、あるいはブレードを固定する手段が、前記翼と同一面である方向にブレードを保持するための手段またはいずれかの方向にブレードを固定する手段を備えることができる。
【００２０】
ブレードを、ブレードの幅における非対称な地点において取り付けることができ、あるいはブレードの表面積のうちの取り付け部位の一方の側に位置する部分の表面積が、取り付け部位の他方の側に延在する表面の表面積よりも大きいような地点において、取り付けることができる。
【００２１】
好都合には、ブレードが、硬質プラスチック材料、帆布、炭素繊維、および金属のうちのいずれか１つから製作される。金属は、例えば鋼またはアルミニウムであってよい。
【００２２】
また、ブレードは、平面的な形状を有することができ、あるいはブレードの一端にくぼみを備える形状を有することができる。
【００２３】
タービン翼が、細長形状部と、細長形状部の一端に位置するフレーム部とを含むことができ、ブレードがフレーム部に取り付けられる。あるいは、タービン翼が１対のアームを備えることができ、ブレードが、１ヵ所において１対のアームのうちの一方のアームへと取り付けられ、他の１ヵ所において１対のアームのうちの他方のアームへと取り付けられる。
【００２４】
本発明の別の態様によれば、上述のような垂直軸風力タービン用のタービンヘッドは提供される。
【００２５】
本発明の別の態様によれば、上述のようなタービンヘッドを支持部上に回転可能に取り付けて備えている垂直軸風力タービンが提供される。
【００２６】
この垂直軸風力タービンに、支持部を中心とするタービンヘッドの回転の速度を制限するための制動手段を備えることができる。これにより、タービンヘッドが垂直軸風力タービンのいずれかの部分に損傷を生じさせるような高速で支持部を中心にして回転することを、防止することができる。
【００２７】
本発明の他の態様および特徴が、本発明の具体的な実施形態についての以下の説明を添付の図面と併せて検討することによって、当業者にとって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】垂直軸風力タービンの側面図である。
【図２】垂直軸風力タービンの鳥瞰図である。
【図３】図２に示した位置から３０度回転した状態の垂直軸風力タービンの鳥瞰図である。
【図４】図２に示した位置から４５度回転した状態の垂直軸風力タービンの鳥瞰図である。
【図５】図２に示した位置から６０度回転した状態の垂直軸風力タービンの鳥瞰図である。
【図６】図２に示した位置から９０度回転した状態の垂直軸風力タービンの鳥瞰図である。
【図７】変形例に係るブレード、アーム、および取り付けの構成を示している。
【図８】変形例に係るブレード、アーム、および取り付けの構成を示している。
【図９】変形例に係るブレード、アーム、および取り付けの構成を示している。
【図１０】図７の変形例に係るブレードおよびアームの構成を備える垂直軸風力タービンの側面図である。
【図１１】ブレードフレームおよびカバーを備える垂直軸風力タービンのアームの端部の側面図である。
【図１２】ブレードフレームおよびカバーを備える別の垂直軸風力タービンのアームの端部の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１および図２に、タービンヘッド１１と支持部１６とを備える風力タービン１０を示す。タービンヘッド１１が、支持部１６に回転可能に取り付けられた４つのアーム１４を有する回転部材１２を備えている。アーム１４の各々が、ブレード１８、２０、２２、２４を、アーム１４の、支持部１６から最も遠い端部に備えている。ブレード１８、２０、２２、２４は、取り付け部位２６においてアーム１４へと取り付けられ、取り付け部位２６を中心にして回動可能である。各ブレード１８、２０、２２、２４の回動軸は、実質的に垂直な向きであってよい。
【００３０】
取り付け部位は、ブレード１８、２４の全長において、ブレード１８、２４の一端と取り付け部位との間の距離がブレード１８、２４の他端と取り付け部位との間の距離よりも長くなるように位置している。この実施形態のタービンヘッド１１においては、アーム１４とブレード１８、２４とが同一平面上にあるとき、取り付け部位と支持部１６との間を延びるブレードの長さが、アーム１４の端部を越えて延びるブレード１８、２４の長さよりも長い。取り付け部位と支持部との間を延びるブレードの長さと、アームの端部を越えて延びるブレードの長さとの間の長さの差は、タービンヘッドが効率的に動作するように選択される。そのような長さの差の構成については、以下でさらに説明する。
【００３１】
そのようなやり方でブレードを回転部材に回転可能に取り付けることは、ブレードに対して第１の方向に作用する流体の流れに遭遇したときに、回転部材への取り付け箇所の両側におけるブレードへの力の不釣り合いによって、取り付け箇所を中心とするブレードの回転が生じる可能性があり、結果としてブレードが、取り付け箇所を中心とするブレードの回転が何らかの手段によって制限されない限り、力の方向に平行にる傾向が生じることを意味する。これは、ブレードを、流体の流れによって、ブレードへの流体の流れの作用に起因して、第１の位置と第２の位置との間で動かすことができることを意味する。好都合には、第１の位置において、ブレードが、回転部材の回転軸に対しておおむね径方向に向く。好都合には、第２の位置において、ブレードが、回転部材の回転軸に対しておおむね接線方向に向く。好都合には、回転部材が第１の方向（時計回り方向または反時計回り方向）に回転する場合に、ブレードは、その回転方向において第２の位置からのさらなる移動が制限され、反対の回転方向において第１の位置からのさらなる移動が制限される。この構成において、ブレードは、回転部材の回転軸に垂直な成分を有する方向でブレードに作用する流体の流れによって、以下のように作動するように影響を受ける。
１．  ブレードが回転部材の回転軸の上流に位置するとき、ブレードは第１の位置をとることができ、第２の位置から離れるさらなる運動が抑止されるため、ブレードが、回転軸の下流の位置に達するまで回転部材にトルクを与えることができる。
２．  ブレードが回転部材の回転軸の下流に位置するとき、ブレードを第２の位置に向かって移動させることができ、第１の位置から離れるさらなる運動が抑止されるため、ブレードが、流れにおおむね平行な位置に達するまで回転部材にトルクを与えることができる。
３．  ブレードが回転部材の回転軸の上流の位置に向かってさらに移動するとき、ブレードを、流れにおおむね平行なままで第１の位置に向かって移動させることができ、ブレードは、流れにおおむね平行であるがゆえに、サイクルのこの部分においては回転部材に実質的にトルクを与えない。好ましくは、第１および第２の位置は、ブレードの取り付け箇所を中心とする１１０度〜７０度の間の回転によって隔てられ、最も好ましくはブレードの取り付け箇所を中心とする９０度の回転によって隔てられる。好ましくは、各ブレードが同様の構成で取り付けられる。
【００３２】
次に、風の存在下におけるタービンヘッド１１の動作を、図２〜図６を参照して説明する。風が図２に示されているとおりの方向に吹くとき、風の方向に対して垂直に位置するブレード２０に力が加わる。
【００３３】
ブレード２０の、取り付け部位２６から支持部１６に向かって延びる部分が、ブレード２０の、アーム１４の端部を越えて延びる部分よりも大きいため、ブレード２０に加わる全体としての力は、取り付け部位２６を中心とする反時計回り方向の回転力である。したがって、取り付け部位を中心とするブレードの回転運動は、ブレード２０に部分的に重なるアーム１４によって阻止される。
【００３４】
ブレード２０およびアーム１４への風の作用に起因する支持部１６を中心とする全体としての力は、支持部１６を中心とする時計回り方向の回転力である。
【００３５】
風の方向に対して９０°に位置するブレード２４は、自身に作用する風の力ゆえに、取り付け部位２６を中心にして時計回り方向に回動する。これは、取り付け部位２６と支持部１６との間に延在するブレード２４の長さが、アーム１４の端部を越えて延びるブレード２４の長さよりも大きいからである。したがって、ブレード２４の、アームの端部を越えて延びる部分に作用する風の力に比べ、ブレード２４の、取り付け部位２６と支持部１６との間に延在する部分に作用する風の力の方が大きく、ブレード２４は時計回り方向に回転する。
【００３６】
ブレード２４の９０度を超える回転を防止するために、ストッパ部材２８が設けられる。ブレード２４が風の方向に平行な位置へと回転することは、ブレード２４に作用する風の力の大きさが最小限になることを意味する。したがって、ブレード２４およびブレード２４に係るアームに作用する風によってもたらされる支持部を中心とする反時計回り方向の回転力の大きさは、ブレード２０およびブレード２０に係るアームによってもたらされる時計回り方向の回転力よりも小さい。
【００３７】
ブレード１８および２２ならびにブレード１８および２２に係るアームは、風の方向に平行であるため、支持部を中心とする回転力をもたらさない。したがって、全体として時計回り方向の回転力がタービンヘッド１１に加わり、アームおよびブレードが時計回り方向に回転する。
【００３８】
図３に、タービンヘッド１１が時計回り方向に約３０度回転したときの風力タービン１０のブレード１８、２０、２２、２４の位置を示す。この位置においては、風がブレード１８に力を作用させている。取り付け部位２６を中心とするブレード１８の回転は、図２の説明においてブレード２０に関して示した理由と同じ理由で、ブレード２４の取り付け部位２６と支持部との間に延在する部位に接触するアーム１４によって防止される。したがって、ブレード１８およびブレード１８に係るアーム１４は、支持部１６を中心とする時計回り方向の回転力を受ける。
【００３９】
ブレード２０は、依然として取り付け部位２６を中心とする反時計回り方向の力を受けるが、ブレード２０の回転は、図２に関して説明したとおりにアーム１４によって防止される。したがって、ブレード２０およびブレード２０に係るアーム１４の組み合わせは、ブレード２０および図２に関して示した同じ理由で、支持部１６を中心とする時計回り方向の全体としての回転力を受ける。
【００４０】
タービンヘッド１１が図２の位置から図３の位置へと移動するとき、ブレード２２は、取り付け部位２６を中心にして時計回り方向に回転する。これは、取り付け部位２６から支持部１６に向かって延びるブレード２２の部分の表面積が、アーム１４の端部を越えて延びるブレード２２の部分の表面積よりも大きいからである。したがって、ブレード２２において、取り付け部位２６からより遠くまで延びるブレード２２の部位に、取り付け部位２６からあまり遠くまでは延びていないブレードの部位に比べて、より大きな力が加わる。したがって、ブレード２２に加わる全体としての力は、時計回り方向であり、ブレード２２が取り付け部位２６を中心にして時計回り方向に回転する。
【００４１】
上述のように、ブレード２２については、取り付け部位２６からより短く延びるブレードの部位に比べて、取り付け部位２６からより長く延びるブレード２２の部位の方に、より大きな力が加わる。しかしながら、ブレード２２の各部分に加わる大きい方の力と小さい方の力との間の差は、取り付け部位２６を中心とする回転力を生じさせるために充分であればよい。したがって、取り付け部位２６を、ブレード２２を回転させるために必要な力の差が依然としてもたらされるようにしながら、可能な限りブレード２２の中心点に近付くように位置させることができる。ブレード２２の全長における取り付け部位２６の正確な位置は、例えば回転の取り付けにおいて打ち勝つ必要がある摩擦力に依存する。理想的には、取り付け箇所は、ブレード２２の端部からブレードの全長の４分の１未満の部分には位置しない。
【００４２】
典型的な構成においては、各ブレードが、長さ６００ｍｍ×幅６００ｍｍである。回転の取り付け箇所は、ブレードの中心線から１００ｍｍの部分に位置し、あるいは一端から２００ｍｍに位置する。そのような構成において、回転の取り付け箇所は、ブレードの中心線からブレードの全長の６分の１離れた位置である。このような構成は、運転速度での動作時に大きな衝撃を回避しつつ、ブレードを一方の位置から他方の位置へと移動させるための充分な力をもたらす。ブレードの中心点は、ブレードの質量ではなく、流体の流れに曝されるブレードの面積を基準に決定される。
【００４３】
風の力に起因するブレード２２の時計回り方向の回転は、ストッパ部材２８によって制限される。ストッパ部材２８は、アーム１４からの延長部によって形成される面である。図３に見て取ることができるとおり、ストッパ部材は、ブレード２２が依然として風に起因する時計回り方向の全体としての力を受けているときに、ブレード２２の回転を防止する。好ましくは、ブレード２２およびブレード２２に係るアーム１４の形状が、ブレード２２への時計回り方向の力がアーム１４への反時計回り方向の力よりも大きいような形状である。これにより、ブレード２２およびブレード２２に係るアーム１４に加わる全体としての力が、時計回り方向の力である。図２の位置から図３の位置への移行の際にブレード２２に加わる回転力を最小化し、あるいは実質的に最小化することによって、ブレードがストッパ２８に達するときに受ける衝撃も減らすことができる。このような衝撃の軽減は、タービンヘッド１１のより滑らかな回転をもたらす。また、この軽減は、ブレード２２が過度の速度で振れることに起因する損傷の可能性も少なくする。実際、タービンヘッド１１が動作回転速度に近付くとき、ブレード２２が上述の回転を受けるときにストッパ２８にもはや接触せず、あるいはきわめて軽く接触するだけであることが、観察されている。このことは、図２および図３を参照して、ブレード２２が回転するときにストッパ２８がブレード２２から離れるように移動することによって、説明することができる。したがって、図６に示されているブレード２２の位置に達するまではブレード２２がストッパ２８に接触しないように、ブレード２２に必要な回転の距離が増加する。
【００４４】
このように、図に示されているタービンにおいては、複数のブレードが、共通の第１の軸１６を中心に回転可能であり、各ブレードが、それぞれの第２の軸２６を中心にして回転可能である。第２の軸そのものも、タービンのタービンヘッドが回転するときに軸１６の回りを回転する。各ブレードがそれぞれの軸２６を中心にして回転するときに、この軸を中心とするモーメントをブレードに作用させる力がほぼ釣り合うように軸２６を位置させることによって、力がきわめて不釣り合いである場合に比べて、モーメントが小さくなり、ブレードが軸２６を中心にしてよりゆっくりと、より緩やかに回転する。回転速度が比較的小さいため、ブレードが端部ストッパまたは他の制限手段に衝突する前にヘッドがいくらか回転し、結果として、端部ストッパとブレードの隣接部分とが衝突するときに、端部ストッパがブレードの隣接部分と同じ方向にいくらか移動しており、したがって両者の間の衝撃を軽減することができる。また、回転が比較的緩やかであるため、衝突の際の力を比較的小さくすることができる。
【００４５】
ブレード２４は、全体として取り付け部位２６を中心とする時計回り方向の回転力を受ける。これは、ブレード２４に関して図２の説明において示した理由と同じ理由である。時計回り方向の回転力により、ブレード２４が、ブレード２４に作用する力の大きさが最小になるまで、すなわち図３に示されているように風の方向に平行になるまで、取り付け部位２６を中心にして回動する。
【００４６】
タービンヘッド１１が受ける、支持部回りの時計回り方向の回転力の合計が、反時計回り方向の回転力よりも大きいため、タービンヘッド１１は、支持部１６を中心にして時計回り方向に回転し続ける。
【００４７】
タービンヘッド１１が図４に示されるように４５度回転したとき、風は、図３に関して示した同じ理由で、ブレード１８および２０ならびにブレード１８および２０に係るアーム１４に、時計回り方向の回転力を加え続ける。
【００４８】
ブレード２２は、時計回り方向の全体としての力を受け続ける。図２に関して説明したとおり、ブレード２２の時計回り方向の回転は、ストッパ部材２８によって妨げられ、全体としての時計回り方向の回転力が、支持部を中心にしてブレード２２およびブレード２２に係るアーム１４に加わる。ブレード２４は、風の方向に平行なままであるように、反時計回り方向に回転し続ける。これは、図２に関して述べたとおりのブレード２４への風の力の作用に起因する。
【００４９】
このように、タービンヘッド１１が受ける支持部回りの時計回り方向の回転力の合計が、反時計回り方向の回転力よりも大きいため、タービンヘッド１１は、支持部を中心にして時計回り方向に回転し続ける。
【００５０】
タービンヘッド１１が図５に示されるように６０度回転したとき、風は、図３に関して説明したとおり、ブレード１８および２０ならびにブレード１８および２０に係るアームに、時計回り方向の回転力を加え続ける。
【００５１】
ブレード２２は、時計回り方向の力を受け続ける。ブレード２２の時計回り方向の回転は、ストッパ部材２８によって妨げられ、図３の説明においてブレード２２に関して示した同じ理由で、全体としての時計回り方向の回転力が、支持部を中心にしてブレード２２およびブレード２２に係るアーム１４に加わる。ブレード２４に作用する風の力が、図３の説明においてブレード２４に関して述べたとおり、ブレード２４を、風の方向に平行に向いたままであるように、反時計回り方向に回転させ続ける。
【００５２】
このように、支持部を中心にしてタービンヘッド１１に加わる時計回り方向の回転力の合計が、反時計回り方向の回転力よりも大きいため、タービンヘッド１１は、支持部１６を中心にして時計回り方向に回転し続ける。
【００５３】
タービンヘッド１１が図６に示されている位置へと９０度回転したとき、ブレード１８が、図２のブレード２０の位置に位置し、ブレード２０が、図２のブレード２２の位置に位置し、ブレード２２が、図２のブレード２４の位置に位置し、ブレード２４が、図２のブレード１８の位置に位置する。したがって、図６のブレード１８、２０、２２、および２４に加わる力が、それぞれ図２のブレード２０、２２、２４、および１８に加わる力と同じであることを、理解できるであろう。このように、タービンヘッド１１は、支持部を中心とする全体として時計回り方向の回転力を受け続ける。
【００５４】
タービンヘッド１１を、発電のための装置へと任意の適切なやり方で接続することができる。回転運動から発電することができる任意の装置を使用することが可能である。例えば、タービンのタービンヘッドを、回転する駆動軸へと接続し、発電を促進することができる。
【００５５】
当業者であれば理解できるとおり、風力タービンは、任意の数のブレードを備えることができる。好都合には、風力タービンが、少なくとも３枚のブレードを備える。そのような構成は、風力タービンの自動的な始動を可能にする。さらには、一部のアームだけが、回動可能な２０枚のブレードを備えてもよい。最も好ましくは、タービンが備えるブレードが３枚のみであり、それらが等間隔で放射状に位置する。
【００５６】
最も効率的であるためには、風力タービンの回転質量、とくにはアームおよびブレードが、可能なかぎり軽量でなければならない。これは、弱い風におけるタービンの回転開始をより容易にし、ブレードがストッパに衝突するときの構造体への衝撃を少なくし、大きな風速に対処するための構造体の補強を必要としかねない構造体への遠心力の作用を最小化し、風速が一定でなく、したがって風のエネルギーをタービンヘッドへのトルクへと最もうまく変換するためにタービンヘッドが風の変化に応答して敏感に加速および減速することが望まれる状況において、タービンがより効率的にエネルギーを回収することを可能にする。そのような構成において、風力タービンは、５ｍｓ−１超または１０ｍｓ−１超の風速、好ましくは５ｍｓ−１に近い風速において、発電システムを駆動するために必要なトルクを生み出すために適している。そのような構成において、風力タービンは、例えば５ｍｓ−１の風速において３〜４Ｎｍのトルクを生じさせることができる。本明細書に記載の種類のタービンについての試験が、そのようなタービンが、そのような控えめな風速における発電にきわめて好都合でありうることを示唆している。
【００５７】
支持部は、任意の従来からの形式の支持部であってよい。例えば、支持部は、回転部材が取り付けられる支柱であってよい。
【００５８】
ブレードが、アームへの取り付け部位を中心とするブレードの回転を、ブレードに作用する風の力によって生じさせることができるような任意の適切な形状であってよいことを、当業者であれば理解できるであろう。さらには、取り付けの位置についての上述の説明を参照し、アームへのブレードの取り付け部位は、ブレードが風の方向に対して垂直であるときに、取り付け部位の一方の側に延びるブレードへの力が、取り付け部位の他方の側への力よりも大きいような任意の適切な位置であってよい。
【００５９】
ブレードおよびアームの形状および取り付けの構成について考えられるいくつかの例が、図７〜図９および図１１〜図１２に示されている。図７においては、アーム１４が、支持部（図示されていない）から延びる細長形状部３０と、フレーム部３２とを備えている。ブレード３４が、２つの取り付け部位３６においてフレーム部３２に取り付けられた平板状シートを備えており、取り付け部位３６を中心にして回動することができる。取り付け部位３６は、フレーム部３２の一端との距離が他端との距離よりも近くなるよう位置しており、これにより、風が紙面に出入りする方向に吹くときに、ブレード３４が取り付け部位３６の片側において取り付け部位３６の他方の側よりも大きな力を受け、結果としてブレード３４がストッパ部材３８、４０に触れるまで回転する。
【００６０】
図７において、ブレード３４は、ブレードの運動を制限するために、フレーム部３２のうちの細長形状部３０に最も近い端部に重なっている。さらに、取り付け部位が、ブレードがフレーム部３２の平面から９０度を超えて回転することを妨げる延長部４０を有している。随意により、延長部４０を、取り付け部位３６の間を延びるただ１つのストッパ部材を形成するようにつなげることができる。
【００６１】
図７では、取り付け部位３６を、細長形状部３０からフレーム部３２の全長の半分を超える距離分離して図示しているが、当業者であれば、取り付け部位３６を、風に応答したブレード３４の回転運動が達成されるように、細長形状部から任意の適切な距離に配置できることを、理解できるであろう。さらに、ストッパ部材３８および４０を、ブレード３４が任意の適切な位置においてフレーム部３２に重なり、フレーム部３２からの延長部が任意の適切な位置から延びるよう、任意の適切な位置に位置させることができる。
【００６２】
図８においては、アームが２つのアーム４２を備えており、ブレード４４が、それぞれのアーム４６に位置する別々の取り付け部位４６を有している。取り付け部位４６を、ブレード４４の一端との距離が他端との距離よりも近くなるよう位置させ、これにより、風が紙面に出入りする方向に吹くときに、ブレード４４が取り付け部位４６の片側において取り付け部位４６の他方の側よりも大きな力を受け、結果としてブレード４４がストッパ部材に触れるまで回転することができる。この場合に、アームが第１のストッパ部材を形成することができ、図７に関して述べた延長部などの延長部が、第２のストッパ部材を形成することができる。
【００６３】
図９が、図８に関して説明した２本アームの構成１５の間に取り付けられる変形例のブレード形状を示している。
【００６４】
図１０は、垂直軸風力タービンに取り付けられた図７の変形例のブレード形状およびアーム構成を示している。
【００６５】
図１１は、アーム７０に取り付けられたブレード５６を示している。アームは、ブレードの上方および下方の点まで延びる支柱５２、５４を有する二股構造を終端としている。ブレードが、軸受４６によって支柱に取り付けられている。ブレードは、フレーム５７と、外周においてフレーム５７へと取り付けられた可撓な非透過性材料の膜５８とを備えている。フレーム５７の上辺は直線であり、互いに平行である。フレーム５７の横辺は、湾曲している。
【００６６】
別の構成においては、各々のアームが、アームの上方および下方に取り付けられたブレードを有している。そのような構成は、必要なアームの数を増やすことなく、タービンの表面積を２倍にする。さらに、この構成は、ブレードがお互いをさらに遮ってしまうという結果（より多くのブレードがアームの片側に配置される場合に当てはまる）を生じることなく、ブレードの数を２倍にすることを可能にする。図１１のブレードおよびアームとおおむね同様の設計のブレードおよびアームを備えるそのような構造が、図１２に示されている。構造６０が、ブレード６２、６４が上方および下方に取り付けられてなるアーム７１を備えている。
【００６７】
すでに述べたように、取り付けの位置についての上述の説明を参照すると、ブレードの取り付け部位は、ブレードが風の方向に対して垂直であるときに、取り付け部位の一方の側を延びるブレードへの力が、取り付け部位の他方の側への力よりも大きいような任意の適切な位置であってよい。
【００６８】
随意により、ブレードを、実質的に水平な軸を中心にして回動するように取り付けることができる。このやり方で取り付けられたブレードは、ブレードの面が風がブレードの面へと向かうように位置する位置と、風がブレードの面を横切るように案内される位置との間を回転する。
【００６９】
ブレードを、風の方向がブレードの面へと向かうようにブレードの面を位置させる姿勢へと戻るように付勢するために、ブレードに付勢手段を設けることも可能である。
【００７０】
各ブレードは、薄板の形態である。したがって、各ブレードが、随意により他の機能（補強フレームまたはリブなど）を備える薄板の形態をとることができる。最も好都合には、ブレードがフレームを備え、薄板状の材料がフレームを横切って取り付けられる。ブレードは、平面状または実質的に平面状であってよい。好ましくは、ブレードが、翼状ではないように構成される。ブレードは、実質的に平坦または平面状であってよい。この構成においては、回転軸と同じ平面に位置するブレードの両面が、互いに平行または実質的に平行である。さらには、ブレードは、上述した機能を果たすことを可能にする任意の適切な形状であってよく、適切な形状の他の例（図には示されていない）として、取り付け部位の片側に作用する力を増やすべく、取り付け部位の片側にくぼみを有しているブレードが挙げられる。さらに、ブレードは、剛または可撓な形状であってよく、任意の適切な材料から製作することが可能である。材料の例として、プラスチック、帆布などの材料、炭素繊維、または金属が挙げられる。金属は、例えばアルミニウムまたは鋼であってよい。
【００７１】
好都合には、ブレードを、ブレードフレームおよびカバーで構成することも可能である。カバーとして、帆布などの材料、裂け止めナイロンのような凧用材料、または他の可撓な材料が挙げられる。その結果、ブレードの面が、力が加わったときに形状を変化させることができ、したがって凹状の形状を有することができる。ブレードのそのような凹状の形状は、風を捕らえる能力の向上をもたらすことができる。さらに、カバーを、比較的安価な材料で製作することができる。これは、カバーを、例えば強風時など、風の状況が不都合である場合に自動的に外れるようにできるという利点をもたらす。結果として、風力タービンの全体が不都合な状況によって損傷を被ることがなく、カバーを交換することが可能である。
【００７２】
このように、一実施形態においては、ブレードのうちの１つ以上が、内側に開口を有するフレームを定める外周の構造体と、開口を覆うように配置されてフレームに取り付けられる可撓な材料の織布とを備える。可撓な材料は、風がこの材料に作用できるよう、好ましくは非透過性である。このようにして、可撓な材料が、風が可撓な材料に作用するときに、例えば開口の中へとたわむことによって、非平面の形状をとることができる。この非平面の形状は、風を捕え、さらには／あるいは帆として機能することによって、効率を高めることができる。このような構造を実現するための１つの好都合なやり方は、フレームを開口を囲む１本以上の細い支柱で形成し、そのようなフレームに可撓な材料を接着剤、ステープラ、または他の固定手段によって取り付けることである。
【００７３】
ストッパ部材２８、３６、４６は、図２〜図６に示されるとおり、アーム１４からの延長部に形成された面であってよい。あるいは、図７および図８に示され、図７および図８に関して説明されたいずれかのストッパ部材を、使用することができる。また、当業者であれば、ブレードの運動を抑止する任意の他の適切な手段を使用できることを、理解できるであろう。例えば、変形例のストッパ部材として、ブレードを固定点につなぐ係留部材が挙げられる。
【００７４】
さらに、ストッパ部材は、ブレードの回転を９０度に制限しなくてもよいが、対向する回転力が最小化された状態で最大にすることができる。この角度は、１８０度未満であろう。
【００７５】
随意により、各ブレードの取り付け部位は、ブレードおよびアームの回転運動に影響を及ぼすブレードの急な運動を防止するために、ばねで付勢された機構であってよい。あるいは、ストッパ部材２８を、ブレードおよびアームの回転運動に影響を及ぼすブレードの急な運動を防止するように構成することができる。例えば、ストッパ部材２８を、ゴムなどの弾性材料から製作することができる。
【００７６】
随意により、垂直軸風力タービンに、遠心力によって作動する切り離し装置を備えることができる。この装置は、支持部を中心とするタービンヘッドの回転を遅くするように機能する位置にブレードを固定する手段を備えることができる。ブレードの位置を固定するための任意の適切な手段を使用することができる。あるいは、装置が、タービンヘッドを減速させるべく制動力を加えるための制動手段を備えることができる。支持部を中心とするタービンヘッドの回転を減速させるための任意の適切な手段を、使用することができる。
【００７７】
装置を、翼上の点に作用する遠心力がしきい値量よりも大きいときに作動させることができる。あるいは、装置を、タービンヘッドの回転速度がしきい値よりも大きいときに作動させることができる。装置がブレードを固定する手段であり、回転速度または遠心力がしきい値量よりも大きい場合、装置は、１枚のブレードの固定を生じさせることができ、その後に遠心力の速度が再び装置のしきい値量よりも大きくなる場合に、第２のブレードの固定を生じさせることができる。
【００７８】
好ましくは、遠心力または回転速度が第２のしきい値量を下回って低下するときに、ブレードが固定された位置から解放され、あるいは制動力が減らされる。
【００７９】
タービンを、発電機または水ポンプなどといったトルクの消費者を駆動するように接続することができ、あるいはタービンの回転運動を往復運動などの他の形態の運動へと変換する機構へと接続することができる。
【００８０】
そのような装置の存在は、タービンヘッドの回転速度がブレード、タービンヘッド、支持部、またはタービンヘッドの回転運動から電気エネルギーを生成するために使用される手段のうちの１つ以上に損傷が生じうる点まで上昇することを防止するため、有用である。
【符号の説明】
【００８１】
１０  風力タービン
１１  タービンヘッド
１２  回転部材
１４  アーム
１６  支持部
１８，２０，２２，２４  ブレード
２６  取り付け部位
３８，４０  ストッパ部材
【図１】
2012519802.tif 000003
【図２】
2012519802.tif 000004
【図３】
2012519802.tif 000005
【図４】
2012519802.tif 000006
【図５】
2012519802.tif 000007
【図６】
2012519802.tif 000008
【図７】
2012519802.tif 000009
【図８】
2012519802.tif 000010
【図９】
2012519802.tif 000011
【図１０】
2012519802.tif 000012
【図１１】
2012519802.tif 000013
【図１２】
2012519802.tif 000014
【国際調査報告】
2012519802.tif 000015
2012519802.tif 000016
2012519802.tif 000017