(57)【要約】  風力タービンは、回転軸線を有する回転シャフトと、回転運動のためにシャフトにより支持される複数のタービンブレードと、回転シャフトにより支持され、かつ回転シャフトから外側に間隔をあけて配置された複数の磁石とを含む。ブレードは、磁石の半径方向内側にあるマウントによりシャフトに取付けられ、磁石は少なくともブレードの環状速度の環状速度を有する。タービンは、また、磁石およびブレードから外側に配置される導電性コイルを含み、コイルは磁石およびブレードを囲み、磁石の回転運動がコイル内に電流の流れを誘起するように磁石の十分に近くにある。風力タービンから抽出された電気パワーは、連続的な状態、パルス状態または混成状態で回収してもよい。
2012527577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービンであって、
回転軸線を中心として回転する回転部材に取付けられる複数の風力タービンブレードであって、前記複数のブレードのそれぞれおよび前記回転部材は角速度を有する、複数の風力タービンブレードと、
支持され、かつ前記回転軸線から外側に間隔をあけて配置され、少なくとも前記ブレードの前記角速度を有するとともに前記回転部材の前記角速度を超える角速度を有する複数の磁石であって、それぞれ２つの対向する主要面を有し、前記主要面は回転軸線に略平行する方向に延在する、複数の磁石と、
導電性コイルであって、前記少なくとも１つの磁石の回転運動が前記コイル内に電流の流れを誘起するように、前記複数の磁石の少なくとも１つの磁石の前記主要面の少なくとも１つに十分に近い、導電性コイルと
を含む風力タービン。
【請求項２】
前記コイルは
前記磁石をまたぎ、
前記少なくとも１つの磁石の前記主要面のそれぞれに十分に近く、
前記コイル内の前記磁石の前記両主要面により誘起される電流の流れが付加されるように構成されている、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
複数のスポークと前記スポークにより支持される環状のリムとを備えたホイールをさらに含み、
前記磁石は前記リムに取付けられる、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記タービンブレードは、前記スポークに取付けられる、請求項３に記載の風力タービン。
【請求項５】
風力タービンであって、
回転軸線を中心として回転するの回転部材に取付けられる複数の風力タービンブレードであって、前記複数のブレードのそれぞれは、前記回転部材に隣接する近位端と、遠位端とを有する、複数の風力タービンブレードと、
前記タービンブレードの前記遠位端の周りに延在する環状のリムであって、前記ブレードの前記遠位端のそれぞれは前記リムから離される、環状のリムと、
前記リムにより支持される複数の磁石であって、前記磁石は前記ブレードの少なくとも最大角速度の角速度を有する、複数の磁石と、
導電性コイルであって、前記コイルは、前記少なくとも１つの磁石の回転運動が前記コイル内に電流の流れを誘起するように、前記複数の磁石の前記少なくとも１つの磁石に十分に近い、導電性コイルと、を含む風力タービン。
【請求項６】
複数のスポークを備えたホイールをさらに含み、
前記ホイールは前記リムを含み、
前記リムは前記スポークにより支持される、請求項５に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記タービンブレードは、前記スポークに取付けられる、請求項６に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記コイルは、前記少なくとも１つの磁石の２つの対向する側をまたぎ、前記コイル内の前記磁石の両側により誘起される電流の流れが付加されるように構成される、請求項５に記載の風力タービン。
【請求項９】
風力タービンであって、
ホイールを回転軸線を中心として取付けるためのハブと、リムと、前記リムを前記ハブで支持する複数のスポークとを含むホイールであって、前記スポークの第１のグループは、前記ハブの離間した連結部の第１のセットから、前記リム上の環状軌道に沿って配置された、離間した連結部の第２のセットまで延在し、スポークの第２のグループは、前記ハブの離間した連結部の第３のセットから、前記リム上の前記環状軌道に沿って、離間した連結部の第４のセットまで延在し、前記離間した連結部の第１のセットは、前記離間した連結部の第３のセットから前記回転軸線に沿って離間し、前記スポークの第１のグループは、前記ハブの前記スポークの第２のグループからずれる、ホイールと、
前記スポークに取付けられる複数の風力タービンブレードと、を含む風力タービン。
【請求項１０】
前記ホイールは固定子アセンブリ内に電流の流れを誘起するための複数の磁石を支持する、請求項９に記載の風力タービン。
【請求項１１】
前記リムは前記磁石を支持する、請求項１０に記載の風力タービン。
【請求項１２】
前記複数のタービンブレードのそれぞれは可撓性膜を含む、請求項９に記載の風力タービン。
【請求項１３】
前記複数のタービンブレードのそれぞれはフレームを含み、
前記可撓性膜は前記フレームに取付けられる、請求項１２に記載のタービン。
【請求項１４】
前記可撓性膜は、繊維シートまたは高分子シートを含む、請求項１３に記載のタービン。
【請求項１５】
前記タービンブレードの少なくとも１つがそのソリディティを調節するよう構成される、請求項１２に記載のタービン。
【請求項１６】
風力タービンであって、
回転軸線を中心として回転運動するために取付けられる回転部材と、
前記回転部材により支持される複数の風力タービンブレードであって、前記複数のブレードのそれぞれはブレードの根部およびブレード先端ならびに前記ブレード先端に最大角速度を有し、前記ブレードの根部は前記回転部材に隣接して位置し、前記複数のブレードのそれぞれは変化する迎角を有し、前記迎角は前記ブレードの根部から前記ブレード先端まで減少する、複数の風力タービンブレードと、
複数の磁石であって、前記回転部材により支持され、かつ前記回転部材から外側に間隔をあけて配置され、前記磁石は前記ブレードの少なくとも前記最大角速度の角速度を有するように配置される、複数の磁石と、
導電性コイルであって、前記コイルは、前記磁石の回転運動が前記コイル内に電流の流れを誘起するように、前記複数の磁石の少なくとも１つに十分に近い、導電性コイルと、を含む風力タービン。
【請求項１７】
前記複数のブレードのそれぞれは非対称な断面を有する、請求項１６に記載のタービン。
【請求項１８】
基礎をさらに含み、前記回転部材は別の回転軸線を中心とした前記基礎を中心とする回転運動のために取付けられる、請求項１６に記載のタービン。
【請求項１９】
風力タービンであって、
回転軸線を有する回転部材と、
前記回転軸線を中心として回転運動するために前記部材により支持される複数の風力タービンブレードであって、前記複数のブレードのそれぞれは、高分子のシートまたは繊維のシートから形成される風に面する面を有する、複数の風力タービンブレードと、
前記回転部材および前記回転軸線により支持され、前記回転部材および前記回転軸線から外側に間隔をあけて配置される複数の磁石と、
導電性コイルであって、前記コイルは、前記磁石の回転運動が前記コイル内に電流の流れを誘起するように、前記複数の磁石の少なくとも１つに十分に近い、導電性コイルと、を含む風力タービン。
【請求項２０】
複数のスポークと、前記スポークにより支持される環状のリムとを備えたホイールをさらに含み、
前記タービンブレードは、前記スポークに取付けられる、請求項１９に記載の風力タービン。
【請求項２１】
前記磁石は前記リムに取付けられる、請求項２０に記載の風力タービン。
【請求項２２】
風力タービンであって、
回転軸線を有する回転部材であって、前記回転部材は、複数の半径方向に延在するアームを有する、回転部材と、
前記アームにより支持される複数の風力タービンブレードであって、前記複数のブレードのそれぞれは、可撓性のある連結具によって前記アームにより支持され、前記複数のブレードは、選定された最大風速を超える風速を有する風に応じて前記回転軸線に略平行する方向に動く、複数の風力タービンブレードと、を含む風力タービン。
【請求項２３】
複数の磁石であって、前記磁石が少なくとも前記ブレードの前記角速度の角速度を有するように、支持され、かつ回転軸線から外側に間隔をあけて配置される、複数の磁石をさらに含む、請求項２２に記載の風力タービン。
【請求項２４】
導電性コイルをさらに含み、
前記コイルは、前記ブレードの先端に、または前記ブレードの前記先端から外側に、位置し、
前記コイルは、前記磁石の回転運動が前記コイル内に電流の流れを誘起するように前記複数の磁石の少なくとも１つに十分に近い、請求項２３に記載の風力タービン。
【請求項２５】
風力タービンであって、
回転軸線を中心として回転運動するために取付けられる複数の風力タービンブレードであって、前記ブレードは外周縁部を有する、複数の風力タービンブレードと、
基礎であって、前記タービンブレードが、前記基礎に対して別の回転軸線を中心として回転運動するために取付けられる基礎と、を含み、
前記風力タービンは、前記タービンブレードの前記外周縁部を越える位置からの風を前記タービンブレード内において利用および導くようになっている、風力タービン。
【請求項２６】
前記ブレード先端の周りに延在する空気コレクタであって、前記コレクタは前記ブレード先端から半径方向外側に、前記風上方向に延在して、前記タービンブレード内に空気を導く錐面を有する、空気コレクタをさらに含む、請求項２５に記載の風力タービン。
【請求項２７】
前記錐面は、前記回転軸線に対して約６０度の外向きの角度で延在する、請求項２６に記載の風力タービン。
【請求項２８】
前記コレクタは前記錐面から外側に向かってかつ前記風下方向に延在する延長した部分をさらに含み、前記延長した部分は前記錐面と共に頂点を形成する、請求項２６に記載の風力タービン。
【請求項２９】
風力タービンブレードであって、
フレームと、
前記フレーム間に延在するウェブであって、前記ウェブは可撓性膜から形成される、ウェブと、を含む風力タービンブレード。
【請求項３０】
前記ウェブが予め選定された風速に応じて前記ブレードの前記ソリディティを減少させるようになっている、請求項２９に記載の風力タービンブレード。
【請求項３１】
前記ウェブは、前記フレームの１つの部分間に延在する第１のウェブと、前記フレームの別の部分間に延在する第２のウェブとを含み、前記第１のウェブは前記第２のウェブと実質的に連続してそれと共に前記ブレードの実質的に連続的な風に面する面を形成し、前記第２のウェブは、可撓性膜から形成され、前記第２のウェブが前記第１のウェブと前記第２のウェブ間に開口部を形成することを可能にする状態で前記フレームに取付けられる、請求項３０に記載の風力タービンブレード。
【請求項３２】
風から発電するためのシステムであって、
軸を中心として回転するようになっている複数のブレードを有し、それによって出力電圧を発生させる風力タービンであって、前記風力タービンは電気インピーダンスを有する、風力タービンと、
前記風力タービンのための制御サブシステムであって、制御部により制御される可変インピーダンスを有する制御サブシステムと、を含み、
前記制御部は、前記風力タービンの前記電気インピーダンスを下回るレベルと上回るレベル間で前記制御サブシステムの前記可変インピーダンスを変更することにより前記風力タービンからパルス状で電力を抽出するようになっている、風から発電するためのシステム。
【請求項３３】
前記制御部は、風速が閾値風速未満の間、電力が非パルス状態で抽出されるように、前記制御サブシステムの前記インピーダンスを前記風力タービンの前記電気インピーダンスに一致させるようになっている、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記制御部は、上閾値電圧および下閾値電圧を記憶し、前記制御部は、前記上閾値および下閾値電圧に達する前記風力タービンの前記出力電圧に基づいて前記制御サブシステムの前記可変インピーダンスを変更し、前記下閾値電圧は、前記風力タービンが自由回転するよう設計される風速未満の風速に相当する、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３５】
風向を判断するための第１のセンサと、
風速を判断するための第２のセンサと、
前記軸の向きを変えるようになっているモータと、をさらに含み、
前記制御部は、前記第１および第２のセンサと通信状態にあり、
前記風速が設定風速未満の場合は前記軸が前記風向と整列するように前記モータを作動させるようになっており、
前記風速が前記設定風速を超えた場合に前記軸が前記風向と整列しないように前記モータをさらに作動させるようになっている、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３６】
前記電圧出力を測定するための電圧センサと、
前記風力タービン電圧出力と電気通信状態にあるバックコンバータであって、前記風力タービン電圧出力の電圧レベルを低下させるようになっているバックコンバータと、
直流を交流に変換するようになっているインバータと、
前記インバータからの出力または電力会社から供給される電気エネルギ源を分電盤に選択的に結合するようになっている切換スイッチと、
バッテリと、をさらに含み、
前記制御部は、前記バッテリの充電レベルを監視して、前記バッテリの前記充電レベルが充電閾値を下回り、かつ前記出力電圧が電圧閾値を下回る場合に、前記切換スイッチを切換え、前記電力会社から供給される電気エネルギ源を前記分電盤に結合するようになっている、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３７】
風から発電するためのシステムであって、
軸を中心として回転するようになっており、それによって出力電圧を発生させる複数のブレードを有する風力タービンと、
前記風力タービンのための制御サブシステムであって、風速が風速閾値未満の場合、前記風力タービンから電気パワーを実質的に連続的な状態で抽出するようになっており、前記風速が前記風速閾値を超えた場合、前記風力タービンから電気パワーをパルス状で抽出するようになっている、制御サブシステムと、を含む、風から発電するためのシステム。
【請求項３８】
前記制御サブシステムは、前記制御サブシステムへの入力インピーダンスをパルス状で変化させることにより前記風力タービンからパルス状で電気パワーを抽出するようになっている制御部を含む、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記制御部は、前記制御サブシステムへの入力インピーダンスを、少なくとも１つのバックコンバータを制御するパルス幅変調制御信号のデューティサイクルを変化させることにより変更する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記制御部は、前記制御サブシステムへの前記入力インピーダンスを前記風力タービンのインピーダンスに一致させることにより、前記実質的に連続的な状態で前記風力タービンから電気パワーを抽出するようになっている、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４１】
前記制御部は、上閾値電圧および下閾値電圧を記憶し、前記制御部は、前記上閾値および下閾値電圧に達する前記風力タービンの前記出力電圧に基づいて、前記制御サブシステムの前記入力インピーダンスを変更し、前記下閾値電圧は前記風力タービンが自由回転するよう設計されている風速未満の風速に相当する、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４２】
軸を中心として回転するようになっている複数のブレードを有する風力タービンの制御システムであって、
風向を判断するための第１のセンサと、
風速を判断するための第２のセンサと、
前記軸の向きを変えるようになっているモータと、
前記第１および第２のセンサと通信状態にある制御部であって、前記風速が閾値未満の場合に前記軸が前記風向と整列するように前記モータを作動させるようになっており、前記風速が前記閾値を超える場合に前記軸が前記風向と整列しないように前記モータを作動させるようになっている、制御部と、を含むシステム。
【請求項４３】
前記制御部は、風速が前記閾値を超えて増加すると前記軸と前記風向のミスアライメントの量が増加するように前記モータをさらに作動させるようになっている、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記制御システムは、家庭または建物内の少なくとも１つの回路に電気パワーを供給するようになっている分電盤に電気的に結合される、請求項４２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的に、風力タービンおよび風力タービンのための制御システムに関し、特に、発電を行っている間にも比較的低風速で動作できる風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の風力タービンは、通常、風速が８ｍｐｈまたはそれを上回る場合に運転を開始する。これはタービンブレードの重量、また、タービンブレードシャフトと発電機間のギアの摩擦が、それぞれ一因となっている。したがって、現在の風力タービンは、通常、８ｍｐｈ未満の風速からエネルギを利用できない。米国および他の場所において、８ｍｐｈ未満の風速が風速スペクトル全体のかなりの部分に相当することを考えると、現在の風力タービンはかなりの潜在的なエネルギ源を見過ごしている。
【０００３】
従来の風力タービンは、また、比較的高額になりがちであり、据付け、維持および操作が困難であり、住宅または小規模事業設備の電気システムには容易に組み込めない。また、従来の風力タービンは、風速が過大な場合には破損する可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、低風速によるエネルギを利用して電気を発生させることができる風力タービンを提供する。さらに、風力タービンは、比較的単純かつ安価な部品を使用して組み立てることができ、さらにまた、持ち運び可能かつ既存の構造の上に取付けられるように構成することができる。加えて、風力タービンは、風力タービンが動作する際、高風速下でさえも、発生する騒音を大幅に削減するよう構成されうる。任意選択的に、風力タービンは、風力タービンの効率をさらに高めるため風力タービンブレードの外周縁部を越えた位置からエネルギウインドを利用するようになっていてもよい。
【０００５】
本発明の１つの形態において、風力タービンは、回転軸線を有する回転シャフトと、軸を中心とする回転運動のために支持される複数のタービンブレードと、回転シャフトにより支持され、回転軸線から外側に、かつ回転シャフトから外側に間隔をあけて配置された複数の磁石と、コイルとを含む。ブレードは、磁石の半径方向内側にあるマウントによりシャフトに取付けられ、磁石は、少なくともブレードの角速度の角速度を有する。さらに、コイルは、磁石から外側に配置され、任意選択的に、コイルが磁石を囲むようになっている。
【０００６】
本発明の別の形態において、風力タービンは、支持部と、支持部に対して回転運動するために取付けられる複数のタービンブレードとを含む。複数のブレードのそれぞれは、その遠位端の内側に近位端を有し、各ブレードの遠位端は、その内側の近位端よりも広い幅を有する。さらに、各ブレードは、その長手方向に変化する非対称な断面を有する。
【０００７】
本発明のさらに別の形態において、風力タービンは、支持部と、支持部に対して回転運動するために取付けられる複数のタービンブレードとを含む。複数のブレードのそれぞれはその遠位端の内側に近位端を有し、各ブレードの遠位端は、その内側の近位端よりも広い幅を有する。さらに、各ブレードは、その長手方向に変化する迎角を有し、その遠位端に最大迎角およびその近位端に最小迎角を有する。
【０００８】
本発明のさらに別の形態によれば、風力タービンは、支持部と、支持部に対して回転自在に取付けられる複数のタービンブレードとを含む。複数のブレードのそれぞれは、可撓性膜から形成される。任意選択的に、支持部の対向する両側のブレードは、対向するブレードに作用する半径方向力が平衡するように互いに連結される。加えて、ブレードは、強風状況下においてブレードが支持部から取り外せるよう弾性部材またはばねにより互いに連結されてもよい。さらに、ブレードは、例えば折りまたは圧縮等のより小型の構造をとるよう構成し、ブレードの表面積を低減、したがって風力タービンのソリディティを低減してもよい。
【０００９】
本発明の別の形態において、風力タービンは、一平面内において回転するために取付けられる、複数の風力タービンブレードを備えたタービンホイールと、風力タービンホイールの回転面に対して角をなす方向にタービンホイールから外側に延在する少なくとも１つの磁石とを含む。
【００１０】
本発明のさらに別の形態によれば、風力タービンは、外側リムと複数の固定子とを備えた風力タービンホイールを含む。固定子は、ホイールの外側リムの少なくとも一部とほぼ整列し、固定子の少なくとも一部は、外側リムの外周の半径方向内側にある。
【００１１】
上記タービンのいずれにおいても、タービンブレードは可撓性膜から形成されてもよい。例えば、各ブレードは、フレームに可撓性膜が適用されたフレームを含んでもよい。適切なフレームには、アルミニウムフレーム、ステンレス鋼フレーム等などの金属フレームを含む。代わりに、フレームは膜と一体形成されてもよい。膜は、ナイロンまたはＫＥＶＬＡＲ（登録商標）を含む繊維などの可撓性のある材料のシートまたはプラスチックなどの高分子から形成することができる。膜は、次いで、例えば、溶接部、ステッチ、締結具等によりフレームに取付けられる。
【００１２】
代わりに、ブレードは、グラスファイバー入りナイロン、ポリエチレン、炭素繊維強化ナイロンまたはＫＥＶＬＡＲ（登録商標）を含むプラスチックなどの成形可能な材料から成形してもよい。例えば、成形される際、ブレードは一体型のフレームを備えて形成されてもよい。例えば、ブレードは、外周リムと、外側リム間に延在する薄いウェブとを備えて成形されてもよく、リムは薄いウェブを補強する。さらに、ウェブは、ブレード全体にわたって延在し、任意選択的に、リムの２つの対向する側間に延在するリブにより補強されてもよい。このようにすると、別個のフレームを要しない場合がある。
【００１３】
加えて、ブレードは、タービンのソリディティを低減するようになっていてもよい。例えば、タービンブレードは、風速が既定の風速を上回って増加した場合に、より小型の形態をとるよう構成されてもよい。例えば、ブレードは、ブレード内に、風速があらかじめ設定した風速を上回って増加すると拡がる開口部を形成するよう構成されてもよい。１つの形態において、タービンブレードは、膜の一部分が固定され、他は、あらかじめ設定した風速を超える風速に応じて固定された膜から分離する、二股状の膜により二股に分かれる。
【００１４】
さらなる態様において、風力タービンは、中心ハブと、ハブから外側に向かって延在し、その外側遠位端で環状のリングまたはリムを支持する複数のスポークとを備えたスポークホイールを含んでもよい。タービンブレードはスポークに取付けられる。この用途において、磁石はホイールの環状のリムに取付けられてもよい。
【００１５】
なおさらなる態様によれば、磁石は、リムに取付けられ、それらがホイールと同じ面に位置するようスポークホイールフレームの半径に沿ってリムから延在してもよい。別の形態において、磁石は、ホイールの回転面から角をなす方向に延在するよう取付けることができる。例えば、磁石は、それらがホイールの回転軸線を中心として水平方向に延在しうるようホイールに対して略垂直な向きでリムに取付けられてもよい。
【００１６】
他の態様において、１つの固定子コイルまたは複数の固定子コイルは溝を有する略Ｕ形の断面で構成される。さらに、磁石は、コイルが少なくとも両側で磁石をまたぐまたは囲むように溝内に延在する。加えて、コイルは、コイルのＵ形の断面の１つの脚が、コイルのＵ形の断面の第２の脚で発生した電流に付加される電流を発生させるように構成されてもよい。このようにすると、磁石がコイルを通過した場合、磁石は、コイルが磁石の一方の側のみに配置された場合に比べ、コイル内に２倍の電気を発生させる。
【００１７】
さらなる態様において、１つの固定子コイルまたは複数の固定子コイルは、少なくとも部分的に磁石の円周軌道の周りに延在するよう構成される。任意選択的に、１つのコイルまたは複数のコイルは磁石の円周軌道全体の周りに延在してもよい。
【００１８】
したがって、本発明は、低風速、例えば、８ｍｐｈ未満、６ｍｐｈ未満、４ｍｐｈ未満、さらには２ｍｐｈ未満、例えば、約０．３ｍｐｈの風速で動作することができる風力タービンを提供する。
【００１９】
他の態様によれば、本発明は、風力タービンと、制御システムとを提供する。制御システムは、風力タービンの破損を防止し、かつ風力タービンシステムの効率を向上させるような方法で、風力タービンの向きおよび風力タービンからの電気パワーの生成を自動的に制御する。風力タービンシステムは、住宅および類似の種類の設備への据え付けが容易であり、システム全体の費用を削減するため、乗用車のバッテリなどの１つまたは複数の従来部品を組み込んでもよい。
【００２０】
別の態様によれば、風から電気を発生させるためのシステムが提供される。システムは、風力タービンと、風力タービンのための制御サブシステムとを含む。風力タービンは、軸を中心として回転するようになっており、それによって出力電圧を発生させる複数のブレードを含む。風力タービンは、電気インピーダンスを有し、制御サブシステムは、制御部により制御される可変インピーダンスを有する。制御部は、制御サブシステムの可変インピーダンスを、風力タービンの電気インピーダンスを下回るレベルと上回るレベル間で変更することにより風力タービンからパルス状で電力を抽出する。
【００２１】
別の態様によれば、風から電気を生成するためのシステムが提供される。システムは、風力タービンと制御サブシステムとを含む。風力タービンは軸を中心として回転するようになっており、それによって出力電圧を発生させる複数のブレードを含む。制御サブシステムは風速が風速閾値未満の場合には実質的に連続的な状態で風力タービンから電気パワーを抽出し、制御サブシステムは風速が風速閾値を超える場合には風力タービンからパルス状で電気パワーを抽出する。
【００２２】
別の態様によれば、軸を中心として回転するようになっている複数のブレードを有する風力タービンのための制御システムが提供される。制御システムは、第１のセンサと、第２のセンサと、モータと、制御部とを含む。第１のセンサは、風向を測定し、第２のセンサは風速を測定し、モータは風力タービンの回転軸の向きを変化させる。制御部は、第１のセンサおよび第２のセンサと通信状態にあり、風速が閾値未満の場合に軸が風向と整列するようにモータを作動させる。制御部は、さらに、風速が閾値を超える場合に軸が風向と整列しないようにモータを作動させる。
【００２３】
別の態様によれば、風力から電気を発生させるためのシステムが提供される。システムは、風力タービンと、電圧センサと、バックコンバータ、インバータ、切換スイッチ、バッテリおよび制御部等であるが、これらに限定されないスイッチングコンバータとを含む。風力タービンは、軸を中心として回転するようになっており、電圧出力を発生させる複数のブレードを含む。電圧センサは、風力タービンからの出力電圧を測定する。スイッチングコンバータは、風力タービンの電圧出力と電気的通信状態にあり、風力タービンの電圧出力の電圧レベルを低下させる。インバータは直流を交流に変換する。切換スイッチは、インバータの出力か、または電力会社から供給される電気エネルギ源のいずれかを、風力タービンが電気エネルギを供給する住居または事業所設備の分電盤に選択的に接続する。制御部は、電圧センサ、バックコンバータ、バッテリおよび切換スイッチと通信状態にある。制御部はバッテリの充電レベルを監視し、バッテリの充電レベルが充電閾値を下回り、かつ出力電圧が電圧閾値を下回る場合に、切換スイッチを切換えて、電力会社から供給される電気エネルギ源を分電盤に接続させる。
【００２４】
他の態様によれば、第２のセンサは、風力タービンブレードから物理的に間隔をあけて配置された風速計であるか、または複数のブレードの速度を測定するようになっている１つまたは複数のセンサであってもよい。制御部は、さらに、風速が閾値を超えて増加するにつれて軸と風向間のミスアライメントの量が増加するようにモータを作動させてもよい。電圧調整器は、調整した電圧を、インバータと、１つまたは複数のバッテリとに供給してもよい。風力タービンのブレードは、５０％またはそれ以上等の、ブレードの回転により画定される円形の領域の比較的大部分を占める形状を有してもよいが、他のソリディティのレベルを使用してもよい。風力タービンそれ自体が複数のブレードの外側端部に隣接して取付けられる複数の磁石を含んでもよい。制御部は、電力会社から供給される電力の停止を検知すると、バッテリを分電盤に自動的に接続するようになっていてもよい。制御部は、また、バッテリの充電レベルを監視し、制御部が電力会社から供給される電力の停止を検知したとき以外は、バッテリがディープサイクル放電を行うことを防止するよう構成されてもよい。制御部は、充電の閾値に達するまでバッテリに実質的な定電流を印加することによりバッテリを再充電し、その後、充電の閾値到達後に実質的な定電圧をバッテリに供給してもよい。バッテリは、１つの従来の乗用車バッテリか、またはいずれかの適切な方法で互いに電気的に接続される複数の従来の自動車のバッテリであってもよい。制御サブシステムはその電気インピーダンスをパルス状で変化させてもよい。それは風力タービンを低速閾値まで減速させることと、風力タービンが高速閾値まで速度を回復できるようにすることとの間で交番し、それが同様の状態で繰り返す。
【００２５】
さらに別の態様によれば、風力タービンにより発生した電圧のレベルが電圧閾値を超える場合、制御部は、風力タービンにより発生した電気をインバータに直接送ってもよい。インバータは、電圧が北米の家庭または小規模事業者の住居および事業所に直接供給されてもよいように、直流を、ほぼ１２０ボルトの電圧を有する交流に変換してもよい。他の実施形態において、インバータは、直流を、特定の国または地理的地域の住居に供給される慣習的な家庭用電圧に等しい電圧（例えば、欧州の住居では２３０Ｖ）を有する交流に変換するよう構成されてもよい。制御部は、風速、風向、バッテリ充電、現在までに発生した累積エネルギ、風力タービンにより発生した電圧のうちの１つまたは複数を表示する表示盤を含んでもよい。
【００２６】
本発明のこれらおよび他の目的、利点、趣旨および特徴は、図面と併せて理解される以下の説明の研究からさらに明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の風力タービンの立面図である。
【図２】図１のタービンの側部端面図である。
【図３】本発明の風力タービンの別の実施形態の立面図である。
【図４】図３のタービンの側部端面図である。
【図５】固定子コイルにより形成される溝内の磁石を示す、図４の固定子コイルの拡大部分図である。
【図６】本発明の風力タービンのスポークホイールを備えた別の実施形態の立面図である。
【図７】ホイールおよび磁石を取付けた配置の拡大図である。
【図８】風力タービンブレードを取付けた細部の拡大図である。
【図９】見やすいようにするためにタービンブレードを取り外したスポークホイールの立面図である。
【図１０】磁石をスポークホイールのリムに取付ける１つの配置例の拡大図である。
【図１１】見やすいようにするためにコイルカバーおよびブレードを取り外した図６に類似する図である。
【図１２】固定子コイルを取付けた配置の拡大図である。
【図１２Ａ】固定子コイルおよびそれらを相互に接続する回路の概略図である。
【図１３】固定子コイルを取付けた配置および磁石を取付けた配置の別の拡大図である。
【図１４】タービンブレードの拡大図である。
【図１４Ａ】タービンブレードフレームの拡大図である。
【図１５】タービンブレードの別の実施形態の立面図である。
【図１５Ａ】図１５のタービンブレードの側面図である。
【図１５Ｂ】タービンホイールに取付けられる図１５のタービンブレードを示す拡大図である。
【図１６】タービンブレードフレームに取付けられる部分膜を組み込むタービンブレードの別の実施形態の拡大図である。
【図１７】第２の部分膜をフレームに可動的に取付けるためにフレームに取付けられる第２の部分膜支持部を備えた図１６のタービンブレードを示す。
【図１７Ａ】図１７の膜支持部の平面図である。
【図１８】第２の部分膜をフレームに取付けた図１６のタービンブレードを示す。
【図１９】タービンブレードに最大のソリディティを付与する位置に第２の部分膜を偏らせるためのバイアス部材を備えた図１８のタービンブレードを示す。
【図２０】本発明の風力タービンの別の実施形態の側部端面図である。
【図２１】タービンホイールおよび磁石を取付けた配置の拡大図である。
【図２２】磁石を取付けた配置の拡大図である。
【図２３】図２１のタービンブレードホイールの拡大部分図であり、磁石および固定子を取付けた配置を示す。
【図２４】ホイールおよび固定子を取付けた配置の別の実施形態の拡大図である。
【図２５】固定子コイルおよび磁石を取付けた細部の拡大図である。
【図２６】本発明の風力タービンの別の実施形態の立面図である。
【図２７】図２６の風力タービンの側面図である。
【図２８】風力タービンの風上に面する側に取付けられる集風装置を組み込んだ本発明の風力タービンの別の実施形態の立面図である。
【図２８Ａ】固定子コイルアセンブリおよびタービンホイールに磁石を取付けた細部の拡大部分図である。
【図２８Ｂ】固定子コイルアセンブリおよび取付け細部の別の拡大部分図である。
【図２８Ｃ】風力タービンフレームおよび集風装置の取付け細部の拡大部分図である。
【図２８Ｄ】結束支持材により共に連結されるタービンブレードおよび風力タービンフレームの取付け細部を示す拡大部分図である。
【図２９】タービンホイールのための横方向支持部または案内部を示す拡大部分図である。
【図２９Ａ】横方向支持部または案内部の別の実施形態を示す拡大正面立面図である。
【図２９Ｂ】タービンホイールに磁石を取付けた細部も示す図２９Ａの横方向支持部または案内部の背面立面図である。
【図３０】図２８の風力タービンのカバーの立面図である。
【図３０Ａ】図３０のカバーの部分の斜視図である。
【図３０Ｂ】図３０のカバーの部分の斜視図である。
【図３０Ｃ】図３０のカバーの断面図である。
【図３１】任意の安定器を備えて風力タービンの風上に面する側に取付けられる集風装置の別の実施形態の立面図である。
【図３２】住居の上に取付けられる本発明の風力タービンの概略図である。
【図３３】クラス４の風分布を示すチャートである。
【図３４】風力タービンおよび制御システムを含む発電システムの正面図である。
【図３５】図３４の風力タービンの側部立面図である。
【図３６】発電システムが使用されうる実例となる環境を示す住居および風力タービンの正面立面図である。
【図３７】風力タービンのための制御システムの種々の構成要素の相互接続を示す図である。
【図３８】図３７の制御システムのより詳細な図である。
【図３９】充電制御部のいくつかの内部構成要素の詳細図である。
【図４０】図３４の図よりも多くの構成要素を示す発電システムの一実施形態の図である。
【図４１】図４０のシステムの発電機および発電機制御構造の図である。
【図４２】図４０のシステムの制御システムの図である。
【図４３】本明細書中に記載される発電システムのいずれかによりとられうる種々の状態を示すチャートである。
【図４４Ａ】一定時間の任意の風速を示すチャートである。
【図４４Ｂ】図４４Ａに示される風速が発生している場合に、本明細書中に開示される風力タービンシステムの実施形態により発生しうる電力を示すチャートである。
【図４４Ｃ】図４４Ａに示される風速が発生している場合に、本明細書中に開示される風力タービンシステムの別の実施形態により発生しうるパルス電力を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１を参照すると、数字１０は、本発明の一実施形態の風力タービンを全体として示す。以下により詳細に記載されるように、風力タービン１０ならびに本明細書中に記載される他の風力タービンは、低風速で動作するよう構成されてもよい。例えば、風力タービンは、例えば、８ｍｐｈ未満、６ｍｐｈ未満、４ｍｐｈ未満、２ｍｐｈ未満、さらには約０．３ｍｐｈまで低い風速で動作するよう構成することができる。理解されるように、これは低重量であり、したがって低慣性を有する風力タービンブレードから風力タービンを形成することにより、また、ギアレスタービンを設けることにより部分的に達成される。ギアレスタービンがまず記載されているが、ギアありタービンも使用してもよいと理解すべきである。加えて、特定の風速において、従来の風力タービンよりも角速度が高い位置に磁石を取付けることにより、同じ風速で従来の風力タービンよりも多い電気生成を実現させることができる。さらに、磁石の両側からの磁束を利用することによりこれを実現させることができる。
【００２９】
図１および図２を参照すると、風力タービン１０は、フレーム１２および基礎１４を含む。フレーム１２および基礎１４は、その用途により、アルミニウムまたはステンレス鋼部品を含む適切な金属部品から形成されてもよい。いくつかの用途においては、複合材料もまた適しうる。フレーム１２は、外周または環状部材１８と、外周部材１８により支持され、かつ風力タービンブレードアセンブリ２２のための取付け面を提供するブレース部材２０とを含む。タービンブレードアセンブリ２２は、中心ディスクまたはプレート等のハブ２４と、複数のタービンブレード２６とを含む。複数のタービンブレード２６は、ハブ２４に取付けられ、フレーム１２、すなわちブレース部材２０にシャフト２２ａにより取付けられるハブ２４から半径方向外側に向かって延在する。シャフト２２ａは、例えば、軸受２２ｂならびに外周部材１８の内側に回転自在に取付けられるハブ２４およびブレード２６によりブレース部材２０内に軸支されるかまたは回転自在に支持される。したがって、上述したように、ブレードアセンブリとブレードアセンブリの支持構造間の連結はギアレスであるが、ギアを含んでもよい。
【００３０】
また、磁石３０を支持する複数のアーム２８がシャフト２２ａに取付けられる。好適な磁石には、ニッケルめっきを施したネオジム鉄ホウ素磁石を含む。磁石のサイズは、変えてもよいが、好適なサイズには、２インチ×２インチ×１／２インチ厚の磁石、または約０．７インチ、０．８インチまたは１．０インチ厚の磁石等のより厚い磁石を含んでもよい。以下により詳細に記載されるように、磁石３０は、タービンブレードアセンブリ２２がシャフト２２ａと共に回転する際、アーム２８および磁石３０は同様に回転し、それによって固定子コイルアセンブリのコイル内の電流の流れを誘起するように、外周または環状部材１８内に支持される固定子コイルアセンブリ３２に比較的近接した状態で配置される。
【００３１】
示される実施形態において、タービンブレードアセンブリ２２は、シャフト２２ａの周りに等間隔に間隔をあけて配置される６つのブレード２６を含む。タービンブレードアセンブリの直径は、用途により変えてもよいが、屋根への取付けを含む家庭での使用、またはさらには商用においては、美観および取付けの手法と、電気生成との釣り合いがとれるのは約６フィートの直径であることが判明しているが、より大きなまたは小さなサイズを使用することもできる。例えば、ボートのバッテリを再充電するためにタービンが使用される、船舶用途を含む他の用途においては、例えば、サイズはより小さくてもよい。加えて、ブレードおよび磁石の数は変えてもよい。以下の説明からより詳細に認識されるように、風力タービンを小型のサイズで作製することができることに加えて、風力タービンの重量は従来の風力タービンよりもかなり軽くてもよい。例えば、重量はサイズにより１５０ポンド未満、１２５ポンド未満、または１００ポンド未満であってもよい。
【００３２】
さらに、ブレードは、回転するタービンブレードシステムへの風からのエネルギ伝達を最適化するよう空気力学的形状を用いて設計されてもよい。例えば、そのような最適化された空気力学的ブレードの形状では、ブレード先端のテーパリングを用いて高速度におけるウインドシアおよびブレードのたわみを削減してもよい。好適なブレードには従来のタービンに一般に使用されている市販のブレードを含んでもよいが、一方、ブレードは、低風速でより効率的な運転を提供し、さらには従来のブレードよりも安い費用で作製することができる、５°から１０°の間の風迎角を有する矩形のバーであってもよい。さらに、以下により詳細に記載されるように、ブレードは、その風に面するエッジに沿って変化する風迎角を有してもよい。ブレードデザインの選択および迎角は、特定のタービンサイズおよび風速運転形態にあわせて変更することができると理解すべきである。加えて、シャフトは、風に対して最小の抗力を付与するよう構成されてもよく、風の形態および重量の要件により、丸断面を含む空気力学的な断面形状で作製することができる。
【００３３】
図２に示すように、磁石３０は外周フレーム部材１８および固定子コイルアセンブリ内に延在するように配置される。このようにして、シャフト２２ａがその回転軸を中心として回転すると、磁石は固定子コイルアセンブリに対して移動し、それによって固定子コイルアセンブリのコイル内に電流の流れを誘起する。固定子コイルアセンブリ内のコイルのさらなる詳細については、共にＴＵＲＢＩＮＥ  ＥＮＥＲＧＹ  ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭと題される、それぞれ２００８年６月１３日と２０１０年２月２日にｌｍａｄ  Ｍａｈａｗｉｌｉ、Ｐｈ．Ｄにより申請され、その両開示全体を参照により本明細書中に組み込む米国特許出願第１２／１３８，８１８号明細書および米国特許出願第１２／６９８，６４０号明細書を参照されたい。
【００３４】
アーム２８は、示されるように、タービンブレードアセンブリ２２のシャフト２２ａにより支持される、アルミニウムロッドを含む金属ロッドなどの横断ロッド３５から形成されてもよい。このようにして、ロッド３５はタービンブレード２６から独立するが、シャフト２２ａでの回転によって各々のブレードと一緒に回転する。２つのアームすなわち１つのロッドのみが示される一方、ロッドおよび一組の磁石を、タービン内の磁石の数を２倍、３倍または４倍にするために２つ以上使用してもよいと理解すべきである。しかしながら、磁石の数が増えると、回転するシステムの重量が増加することに留意されたい。その結果、磁石の数が増えると、タービンが電力を発生し始められる風速が大きくなる可能性がある。
【００３５】
磁石をロッドの端部に配置することにより、タービンブレードは、高風速下において、固定子ハウジング内における磁石の精度および配置に影響することなく方向を変えることが可能となり、これが操作を簡略化し、発電性能を伸ばすことができる。以下により詳細に記載されるように、しかしながら、磁石は、タービンブレードに取付けられるリムまたはリングにより各々のタービンブレードの遠位端または先端で支持されてもよく、それがブレードたわみを低減する可能性がある。これは以下により詳細に記載される。
【００３６】
図３および図４を参照すると、数１１０は、本発明の風力タービンの別の実施形態を全体として示す。タービン１０と類似するタービン１１０は、フレーム１１２および基礎１１４を含む。フレーム１１２および基礎１１４は、また、アルミニウムまたはステンレス鋼部品を含む好適な金属部品から形成されてもよく、あるいはいくつかの用途においては、複合材料もまた好適となりうる。示される実施形態において、基礎１１４は、固定された基部１１４ａと、フレーム１１２が取付けられる回転可能な基部１１４ｂとを含む。このようにして、例えば、タービンブレードを風に対して再位置決めするようフレームを再位置決めしてもよい。タービンブレードアセンブリおよびフレームの位置を制御するため、ならびに発生した電気エネルギを管理するのに好適な制御システムが以下により詳細に記載される。
【００３７】
フレーム１１２は、環状部材１１８と、基礎１１４上、特に回転可能な基部１１４ｂ上で環状部材１１８を支持する２つの環状フレーム部材１２０ａおよび１２０ｂと、を含む。フレーム部材１２０ａおよび１２０ｂは、また、タービンブレードアセンブリ１２２を支持し、部材２０と同様、タービンブレードアセンブリ１２２のシャフト１２２ａを支持するための軸受１２２ｂを含む。環状部材１１８は、また、前の実施形態と同様、タービンブレードアセンブリ１２２の半径方向外側、特に、タービンブレード１２６の半径方向外側に支持される固定子コイルアセンブリ１３２を支持する。
【００３８】
示される実施形態において、フレーム部材１２０ａおよび１２０ｂは、アルミニウムワイヤまたはロッドのような極厚（heavy gauge）金属ワイヤまたは小径のロッドから形成されるワイヤフレーム部材を備える。ワイヤフレーム部材は、複数の放射状のアーム１３６を支持する２つの同軸の環状部材１３４ａおよび１３４ｂを形成する。放射状のアーム１３６は、さらにはタービンブレードアセンブリ１２２のシャフト１２２ａを回転自在に支持するブシュ１２２ｂを支持する。次いで、図４から最も良くわかるように、外側環状部材１３４ａは基礎１１４の移動可能な基部１１４ｂ、例えば一対の柱１１４ｃ上に取付けられる。例えば、環状部材１３４ａは溶接されるかまたはそうでなければ柱１１４ｃに固定されてもよい。
【００３９】
環状部材１１８は、外側環状フレーム部材１３４ａの内側、フレーム部材１２０ａとフレーム部材１２０ｂとの間に取付けられる。前の実施形態と同様、磁石１３０が固定子コイルアセンブリ１３２内に延在するように、磁石１３０が、シャフト１２２ａに取付けられるアーム１２８に取付けられる。加えて、この構成により、磁石１３０は、タービンブレードをシャフト１２２ａに取付けるハブの角速度を超え、かつタービンブレードの角速度に等しいかまたはそれを超える角速度を有する。第１の実施形態を参照して示したように、アームは、シャフト１２２ａと共に回転し、したがって、タービンブレードが回転すると回転する。
【００４０】
図５を参照すると、環状部材１１８は締結具によりフレーム部材１２０ａおよび１２０ｂに取付けられ、固定子コイルアセンブリ１３２のための固定子コイルアセンブリハウジング１４０を形成する。ハウジング１４０は、示されるように、タービンホイールの全周に延在してもよい略環状の溝形状の部材を含むため、タービンブレードの軌道を完全に取り囲むか、または軌道の一部の周りのみを囲む。例えば、以下により詳細に記載されるように、固定子コイルアセンブリは、タービンホイールの軌道の一部のみ上に延在してもよく、ブレードの最上位置（１２時の位置）もしくは最下位置（６時）またはその中間に配置してもよい。
【００４１】
示したような固定子コイルアセンブリハウジング１４０は、略溝形状の断面を有し、その中に磁石１３０が延在する開側１４０ｂを有する溝１４０ａを形成する。ハウジング１４０は、非磁性体、例えば、プラスチックから形成される。対向する固定子ハウジングの側壁間の内部空間は、エアギャップ、例えば、固定子ハウジングの各々の側壁と各々の磁石との間の間隙１４０ｃを最小化する寸法に作られ、回転する磁石により誘起される磁束の減衰を低減する。
【００４２】
固定子コイルアセンブリ１３２は、銅またはアルミニウムワイヤなどの導電性のワイヤから形成される複数のコイルを含む。例えば、コイルは、ハウジング１４０内部に支持される約１０から２６の範囲のゲージのダブルループの銅線から作製してもよい。銅線のゲージはタービンのサイズおよび電力出力の設計条件によって変更することができる。
【００４３】
参照される出願に記載されるように、コイルは、発電効率を向上させるような状態で巻かれる導電性のワイヤから形成される。これはコイルが磁石の２つの主要面上をまたぎかつその上に延在するよう構成することにより少なくとも部分的に達成される。このようにして、磁石の両側（主要面）からの磁束が利用される。上記で参照した出願に記載されるように、電流が付加されるために、コイルは、ターンまたはクロスオーバー部１５０ｃにより相互接続された、磁石をまたぐ２つの脚部１５０ａおよび１５０ｂを含み、クロスオーバー部は、両脚１５０ａおよび１５０ｂにおいて誘起される電流の流れが付加されることを可能にする。さらに図５から最も良くわかるように、付加電流の流れを最適化するため、磁石は、それらがコイルループ間に整列し、さらにループターンまたはツイスト領域（上部および下部コイルターン領域両方から）から間隔をあけて配置されるように、コイルループにより形成される溝内に十分深く延在するように配置される。また、固定子ハウジングの溝内における磁石の位置決めを容易にするため、ハウジング１４０内に形成される案内溝１４４内に延在するピン１４２を磁石の端部またはアームの端部に取付けてもよい。
【００４４】
このようにして、この磁石または複数の磁石が各々の固定子コイルアセンブリまたは複数の固定子コイルアセンブリを通過すると、動く磁石に引き起こされる磁束が、電流が各々のコイルを通過して流れるのを誘起する。さらに、固定子ハウジングのいずれかの側部にコイルを配置することにより、かつその上、コイルを、電気流れを付加させる状態で接続することにより、本発明のタービンは、従来のタービンのシャフトの特定の回転における電気出力を増加させることができる。さらに、本発明のタービンは、タービンブレードシャフトの回転運動を、電流の流れを誘起する回転運動に変換するギアボックスの使用を必要としないため、本発明の種々のタービンは、ギアまたはギアボックスを組み込んだ従来のタービンよりも小さな風速で電気を発生させることができる。しかし、ギアまたはギアボックスを例えばシャフトに連結して発電機を駆動し、追加の発電源を設けてもよいと理解すべきである。
【００４５】
図６を参照すると、数字２１０は、本発明の風力タービンの別の実施形態を全体として示す。タービン２１０は、タービン１０および１１０と同様、フレーム２１２と、基礎２１４上にフレーム２１２により支持されるタービンブレードアセンブリ２２２とを含む。フレーム２１２および基礎２１４は、また、アルミニウムまたはステンレス鋼部品を含む適切な金属部品またはいくつかの用途においては複合材料から形成されてもよい。示される実施形態において、基礎２１４は、移動可能な基部２１４ａと、移動可能な基部２１４ａに取付けられ、かつフレーム２１２が取付けられるフレーム取付部２１４ｂとを含む。
【００４６】
フレーム２１２は、環状のカバー２１８と、柱２１９と、ブレースフレーム部材２２０と、タービンブレードアセンブリ２２２とを含む。ブレースフレーム部材２２０は、カバー２１８およびタービンブレードアセンブリ２２２を柱２１９に取付け、それがさらにはカバー２１８と、フレーム部材２２０と、タービンブレードアセンブリ２２２とを基礎２１４に取付ける。カバー２１８は、アルミニウムまたはステンレス鋼板などの金属板またはプラスチックなどの高分子から作製してもよく、また用途によっては、複合材料からも作製してよい。
【００４７】
示される実施形態において、タービンブレードアセンブリ２２２は、複数のタービンブレード２２６が取付けられるホイール２５０（図９）を含む。図９から最も良くわかるように、ホイール２５０は、中心ハブ２５０ａと、それらの近位端においてハブ２５０ａから延在し、かつそれらの遠位端においてリングまたはリム２５４を支持する、複数の半径方向に延在するスポーク２５２とを含む。理解されうるように、ハブと、スポークと、リムとは、また、アルミニウムまたはステンレス鋼などの金属材料から形成されてもよい。図７から最も良くわかるように、スポークは、二輪車の車輪と同様、１つのセットまたはグループのスポークが１つの錐面上に配置され、もう１つがもう一方の錐面上に配置されるように、ハブへの連結部においては、ずれているが、リムでは共通の環状軌道に沿って離間した連結部に取付けられる（図８および図１０を参照）。言い換えると、スポークの第１のグループは、ハブの離間した連結部の第１のセットから、リム上の環状軌道に沿って配置された離間した連結部の第２のセットまで延在する。スポークの第２のグループは、ハブの離間した連結部の第３のセットから、リム上の連結部の第２のセットと同じ環状軌道に沿う離間した連結部の第４のセットまで延在する。離間した連結部の第１のセットは、離間した連結部の第３のセットから、ハブの回転軸線に沿って離間し、スポークの第１のグループはハブにおいてはスポークの第２のグループとずれるがリムで集束する。以下により詳細に記載されるように、スポーク２５２は、示される実施形態において、タービンの風上側の高い割合、例えばタービンの風上側の約５０％から７０％に及ぶタービンブレード２２６の取付け面を付与し、これはタービンが約５０％から７０％のおよそのソリディティを有することを意味する。記載されるように、以下ではタービンのソリディティを変えてもよい。
【００４８】
再度、図７を参照すると、ホイール２５０は、シャフト２５０ｂにより支持され、かつブレースフレーム部材２２０内に軸支される。シャフト２５０ｂは部材２２０を通って延在し、それにナット２５０ｃおよび任意のワッシャ２５０ｄにより固定される。部材２２０は、次いで、ブラケット２６０と、柱２１９に近接する各々の部材２２０を通って柱２１９内に延在するボルトなどの締結具２６４を受容する柱２６２とにより柱２１９に取付けられる。したがって、上記されたように、ホイールとホイールの支持構造との間の連結はギアレスである。しかし記載されたように、ギアが含まれてもよい。
【００４９】
示される実施形態において、および図１０および図１１から最も良くわかるように、磁石２３０はホイール２５０に、特に、１つまたは複数の締結具２６８によりリム２５４に固定されるブラケット２６６により、リム２５４に取付けられる。ブラケット２６６は、フレーム２７２を支持する取付部２７０を含み、フレーム２７２は、取付部２７０から半径方向外側に延在し、その中に磁石２３０を支持する。磁石２３０は、それらが外側に向かって延在し、かつホイールと同じ面に、さらにはブレードの風上側（入力風に面する側）により画定される面と、ブレードの風下側（風が吹いている方向に面する側）により画定される面との間に配置される（その主要面が配置される）ように取付けられる。示される実施形態において、ホイール２５０は、１０個の磁石２３０を含み、それらはホイールの周りに均等に間隔をあけて配置される。しかしながら、より多くまたは少ない磁石を使用してもよいと理解すべきである。
【００５０】
図１１および図１３を参照すると、示される実施形態において、固定子コイルアセンブリ２３２は、フレーム部材２２０に取付けられ、ホイール２５０の外周周りに配置される。さらに、示される実施形態において、固定子コイルアセンブリ２３２は、ホイールの周囲の一部のみの周りに延在し、さらに、ブレードの最上位置に配置される（１２時）。例えば、固定子コイルアセンブリ２３２は、約３０°から約４５°の範囲の円弧状の範囲にわたって延在してもよいが、風力タービンの周囲全３６０°を含むより広い範囲にわたって延在するよう構成することも可能と理解すべきである。固定子コイルアセンブリ２３２は、フレームブレース部材２２０に取付けられ、リング２５４に近接して配置される支持アセンブリ２３６を含む。さらに、図１２から最も良くわかるように、支持アセンブリ２３６は、間隔をあけて配置され、それぞれフレーム部材２２０に取付けられる一対のブラケット２３６ａおよび２３６ｂを含む。各ブラケットは、略Ｌ字型のブラケットからなってもよく、さらに例えば円筒状の柱２７６ａの形態の一対の支持部を含み、一対の支持部は内側の方へ延在し、離間した関係にある固定子コイル２７８ａおよび２７８ｂを支持し、それによって各々の固定子コイル間の間隙２８０が画定される。固定子コイルアセンブリ２３２は、カバー２１８内に収容され、それによって、磁石がその円周軌道を通過して動く際、固定子コイルアセンブリおよび各々の磁石を保護する。
【００５１】
図１２Ａを参照すると、各一対の固定子コイル２７８ａおよび２７８ｂは回路２７９により相互連結される。回路２７９は、各個々のコイルから直流（ＤＣ）を局所的に発生させるための整流器２７９ａを含んでもよい。整流器が使用されない場合には、交流（ＡＣ）が生成される。これは必要ならば後の段階で整流することができる。電気出力は、次いで、標準１２ボルト直流に変換され、直接使用のため小型の１２ボルト直流自動車バッテリまたは１２０ボルト交流標準出力電圧を充電することができる。
【００５２】
図１４および図１４Ａを参照すると、各ブレード２２６は、ワイヤフレームなどのフレーム２８２と、可撓性膜２８４とから形成されてもよい。可撓性膜２８４は、ナイロン、ポリエステルまたはＫＥＶＬＡＲなどの繊維またはブレードのウェブを形成するプラスチックなどの高分子材料の薄いシートから形成されてもよい。加えて、膜２８４は、片面状、または一方の面がフレームの一方の側に取付けられ、他方の面がフレームの他方の側に取付けられる両面状であってもよい。フレーム２８２（図１４Ａ）は、ホイールの放射状の軸に沿って整列し、横断フレーム部材２８２ｃ、２８２ｄおよび２８２ｅにより相互連結される２つの長手側２８２ａ、２８２ｂを有する略等脚台形形状を有する。例えば、フレーム２８２は、アルミニウムまたはステンレス鋼などの金属ロッド、または他の、剛性があるが軽量の材料から形成されてもよい。膜２８４は、例えば、接着剤、溶接部、縫目または締結具等によりフレーム２８２に固定される。
【００５３】
ブレード２２６は、ばね材料または弾性材料から形成され、例えば、高風速時に、ブレードが風に平行にたわむことを可能にするクリップを含む、スナップ、留め具等などの締結具により、その長さに沿って各々のスポーク２５２に取付けられる。さらに、図８から最も良くわかるように、各ブレードの近位端（ハブ２５０ａに最も近い端部）は、クリップにより１つのスポークに固定されてもよい。一方で、他方の、ブレードのより広い遠位端は、２つ以上のクリップにより２つのスポークに連結され、ブレードの遠位端を支持してもよいが、ブレードの遠位縁端をホイールのリムに固定する必要はなく、そのためブレードの遠位縁端とホイールのリムとの間に１つまたは複数の間隙を残し、ブレードが曲がることを可能にする。任意選択的に、ブレード２２６は修理および交換のため取り外し可能である。
【００５４】
ブレード２２６はスポーク２５２に取付けられると、ホイールの中心面に対して角をなす。例えば、ブレード２２６は、約５度の角度を含む、例えば、２度から１０度の範囲の角をなしてもよい。この角度において、タービンは、０．３マイル毎時を含む、１マイル毎時またはそれを下回るほどの低さを含む低速度で電気を発生させることが判明している。タービンの速度を制限することが望ましいだろうが、使用される特定の材料によっては、タービンは４０マイル毎時まで、またはさらに６０マイル毎時まで動作することも判明している。より高い速度において、以下により詳細に記載されるように、風速が所望の最大風速を超えた場合にタービンの方向を変え、それによりブレードへの圧力を低減するため、マイクロプロセッサをベースとした制御システムが設けられてもよい。例えば、制御システムは、タービンを風の方向に向けてブレードおよびホイール取付部品にかかる応力を低減させてもよい。加えて、以下に記載されるように、ブレードは、より高い速度においてその表面積を縮小し、タービンのソリディティを低下させ、したがってタービンホイールの速度を低下させるように設計されてもよい。
【００５５】
図１５、図１５Ａおよび図１５Ｂを参照すると、数字１２２６は、タービンブレードの別実施形態を示す。示される実施形態において、ブレード１２２６は、成形されたブレードであり、前の実施形態と同様、一方の側においてスポーク２５２に、その遠位端において別のスポークに取付けられる。図１５Ｂから最も良くわかるように、各ブレード１２２６は、ブレードがホイールスポークにより１つのエッジ沿いにその長さに沿って（間隔をあけるかまたは連続的のいずれか）完全に支持され、そのため風力タービンの風操作の全領域においてたわみを制限するように、１つのエッジ沿いにその全長に沿って、スナップ、留め具等などの締結具により各々のスポーク２５２に取付けられる。しかしながら、ブレードは、例えば高速度において、風と略平行するブレードのたわみを可能にするよう弾性またはばね材料で作製されたクリップを使用して取付けられてもよい。これによりタービンホイールの回転に自動安全制限を設けてもよい。
【００５６】
例えば、ブレード１２２６は、プラスチックを含む高分子等の成形可能な材料またはナイロンまたはＫＥＶＬＡＲ等の繊維から成形されてもよい。好適な高分子には、グラスファイバー入りナイロン、ポリエチレン、または炭素繊維強化ナイロン等を含む。ブレード１２２６を補強するため、ブレード１２２６には、外周リム１２２８と、外側リム間に延在するウェブ１２３０とが形成されるか、または設けられてもよい。リム１２２８は、ウェブと同じ材料から形成され、単にウェブを超える厚みを有し、それによって事実上、補強材フレームを形成するか、またはリム１２２８は、例えば、より高い剛性を付与するためにブレードと共に成形されるアルミニウムフレームなどの金属フレームのインサート材から形成される。一方で、ブレードの重量を低減し、またそれによってウェブ用のフレームを形成してもよい。
【００５７】
例えば、リム１２２８は、１つの材料から成形により形成されてもよい。この材料は、金型に挿入され、そこにはウェブを形成する材料が例えば射出成形により適用される。リムは、また、ウェブをフレーム上に成形した、前の実施形態と類似するワイヤフレームを含んでもよい。代わりに、ブレードは、２ショット成形を使用し、２つの異なる材料を使用して成形してもよい。さらに、ウェブ１２３０は、ブレードの面全体（風上または風下側のいずれか）、および任意選択的に、リム１２２８の２つの対向する側間に延在するリブ１２３２により補強されてもよい。リブ１２３２は、ウェブ１２３０を超える厚みを有してもよく、リム１２２８と同じ、それを下回る、または上回る厚みを有してもよい。また、リブは、例えば、２ショット成形の使用を含む成形時に、予備成形され、次いで、金型に挿入されるか、またはウェブと共に形成されてもよい。
【００５８】
一定の風速およびホイール回転速度において、ホイールハブに最も近いブレードの根部は最も遅い半径方向速度になる。一方でホイールリムに最も近いブレード先端は最高半径方向速度になりうる。図１５Ａおよび図１５Ｂから最も良くわかるように、ブレード迎角は、したがって、効率的な空気力学的エネルギ変換をホイールの機械的な回転に適応させるためその長さに沿って変化させてもよい。例えば、示される実施形態において、ブレード１２２６の迎角は、その長手方向に、そのブレードの根部（近位端）１２２６ａからそのブレード先端（遠位端）１２２６ｂまで減少してもよい。したがって、ブレードは非対称である。例えば、ブレードの根部１２２６ａは、例えば、４０度から５０度の範囲、または４２度から４８度の範囲、または約４５度の非常に急な迎角を有してもよい。先端の迎角は、０度から１０度の範囲、または２度から５度の範囲、または約３度であってもよい。これは、その風上側においては凹状およびその風下側においては凸状であるブレードの非対称形状により達成される。ブレードが薄いウェブから形成されることを考慮すると（その外周リムおよび補強中間リブ以外）、ブレードの非対称性はブレードを、その形成時に、その根部端部（ハブに最も近い端部）からその遠位端（先端）までねじることにより形成することができる。したがって、理解されうるように、各ブレードの風に面する面（wind facing surface）は入力風に垂直ではない。この設計法は揚力係数を増加させ、種々の風速においてブレード長さに沿う抵抗力を最小化する。
【００５９】
図１６〜図１８を参照すると、数字２２６’は、ブレードがタービンホイールのソリディティを低減するよう構成されているブレードの別実施形態を示す。上記されたように、ソリディティは、ブレードによりカバーされるブレード先端の周囲により画定される表面積の量を意味する。例えば、１００％のソリディティはブレードがその全体面積を覆うことを意味する。３０％のソリディティでは、ブレードが面積の３０％を覆う。以下により詳細に記載されるように、各ブレード２２６’は、風速の増加に応じてソリディティを自己調節するようになっていてもよい。
【００６０】
再度、図１６〜図１９を参照すると、ブレード２２６’は、ブレード２２６に類似するフレーム２８２と、同様に、繊維または可撓性のある材料の薄いシート等などの可撓性のある材料から形成される膜２８４’とを含む。示される実施形態において、膜２８４’は、主要な、固定された部分膜を含み、フレーム２８２の内側横断部材２８２ｃから中間の横断部材２８２ｄまで延在し、したがって、フレーム２８２の一部のみを覆う。ソリディティを変えるために、タービンブレード２２６’は、風速が増加するにつれてタービンブレードアセンブリのソリディティが減少するよう、タービンブレードに作用する遠心力を利用するように構成されている。
【００６１】
再度、図１７〜図１９を参照すると、タービンブレード２２６’は、第２の膜２８４ａ’を含む。膜２８４ａ’は、フレーム２８２の周りに取付けられ、中間横断フレーム部材２８２ｄと最も外側の横断フレーム部材２８２ｅとの間に延在する。さらに、膜２８４ａ’はその内側に面した端部２８６ａ’が、プレート２９０’の形態の移動可能な部材２８８’に固定されるように取付けられる。プレート２９０’は、プレート２９０’がフレーム２８２の側部フレーム部材２８２ａおよび２８２ｂに取付けられ、フレームに沿って滑動することを可能にする一対の細長い案内開口部２９２’を含む。このようにして、膜２８４ａ’の内側に面した端部２８６ａ’をフレーム２８２に対して移動し、さらにその外側端部２８６ｂ’に向かって圧縮し、膜２８４ａ’と２８４’との間に間隙を形成させ、それによって各々のタービンブレードのソリディティを低下させてもよい。
【００６２】
膜２８４ａ’の曲げまたは折りを制御するため、一対のばねが設けられる２９４’。ばね２９４’は一端において最も外側の横断フレーム部材２８２ｅに連結され、さらに各々の側部フレーム部材２８２ａおよび２８２ｂに沿って延在し、それらの遠位端において横断部材２８８’に連結される。さらに、取付けられたばね２９４’が圧縮されると、各々のばねが偏って横断部材２８８’をフレーム２８２の横断部材２８２ｄに向かって押しやり、それによって膜２８４ａ’を、下端部２８６ａ’が膜２８４’の外側端部２８６’に当接するその伸長した状態に維持する。風速が増加し、各々の膜にかかる遠心力が増加するにつれて、横断膜２８８’は、ばね２９４’を圧縮し、それによって例えば折ることにより膜２８４ａ’を圧縮させる。例えば、部材２８４ａ’には、制御された方式で膜が圧縮するようひだが付けられてもよい。
【００６３】
膜２８４’の大きさに対する二次膜２８４’の大きさの割合を変えて、ブレードのソリディティの変化を変えてもよいと理解すべきである。さらに、各々のばねの剛性を、タービンブレードの応答性を調節するために変えてもよい。したがって、上述のように、タービンのブレードは、風速に基づきそのソリディティを低下させるようになっていてもよい。結果として、ブレードが回転するにつれて、ブレードは毎分の回転数に基づき自動で開いてもよい。
【００６４】
もう一つの選択肢には、空気圧と共に多孔率が増加する材料から形成される膜を設け、それによってそのソリディティを低下させることがある。
【００６５】
図２０を参照すると、数字３１０は、本発明の風力タービンの別の実施形態を示す。前の実施形態と同様、風力タービン３１０は、フレーム３１２と、フレーム３１２により基礎３１４上にフレームを支持する柱３１９上に支持されるタービンブレードアセンブリ３２２とを含む。第２の実施形態と同様、基礎３１４は、固定された基部３１４ａを含むが、固定された基部３１４ａを中心とする回転運動のため柱３１９を支持する。図２０から最も良くわかるように、柱３１９は、基礎３１４内に軸受３１４ｂにより取付けられ、さらに、基礎３１４内に収容されるモータ３１４ｃにより駆動されてもよい。モータ３１４ｃは制御システムにより制御され、制御システムは、以下に記載されるどの制御システム、または別のタイプの制御システムもよい。さらに、示される実施形態において、固定された基部３１４ａは、底板３１４ｅと、必要に応じて基礎３１４ａの高さおよび設置面積を調節できるようにする底板３１４ｅに旋回自在に取付けられる複数の支持脚３１４ｄとを含んでもよい。脚３１４ｄは、ブレース部材３１４ｆにより相互連結されて補強されてもよい。前の実施形態と同様、タービンブレードアセンブリとホイールの支持構造との間の連結はギアレスである。
【００６６】
タービンブレードアセンブリ３２２は、タービンブレード２２２と類似の構造のものであってもよく、したがって、ホイール２５０およびホイール２５０に取付けられるブレード２２６の細部については前の実施形態を参照されたい。しかしながら、示される実施形態において、磁石３３０は、それらの主要面が略水平方向に延在するようにホイール２５０の回転面に対して垂直な向きでホイール２５０に取付けられる。磁石３３０は、前の実施形態に示される固定子コイルアセンブリ２３２の向きに対して９０度回転したその向き以外は固定子アセンブリ２３２に類似する構造を有する固定子コイルアセンブリ３３２内に延在する。このようにして、ホイール３５０が多少の揺動を認識すると、磁石は固定子アセンブリ内のコイルに略平行して動き、それらの各々のコイルとの間隙を全般的に維持する。
【００６７】
図２０を参照すると、固定子コイルアセンブリ３３２は、同様に１２時の位置に取付けられ、さらにホイール２５０の周囲の円弧状の部分上に約３０度から４５度の範囲で（またはホイール全周の周りに延在してもよい）延在し、固定子コイル３７８ａと固定子コイル３７８ｂ各々の間の間隙３８０を略水平配列に向けるために取付けられ、図２０および図２１に示すように、それによってそれら各々の水平方向に磁石３３０を受容してもよい。磁石３３０は、また、上記されたように磁石３３０を支持するブラケット３６６およびピン３６６ａによりホイール２５０のリム２５４に取付けられるが、ホイール２５０の回転面に対して垂直な配置である（図２２）。前の実施形態と同様、ホイール２５０のシャフト２５０ｂは、ブラケット２６０’により、およびさらに図２１から最も良くわかるように、ブラケット３１９ｂにより柱３１９に取付けられる追加の支持アーム３１９ａにより柱３１９に回転可能に取付けられる。このようにして、回転シャフト２５０ｂの両端が支持される。示される実施形態において、ブラケット２６０’は、そのフランジを通って延在する締結具により柱３１９に取付けるフランジ状の溝形状の部材を含む。
【００６８】
図２６および図２７を参照すると、数字４１０は、本発明の風力タービンアセンブリの別の実施形態を全体として示す。前の実施形態と同様に、風力タービン４１０は、基礎４１４上に風力タービンブレードアセンブリ４２２を支持するフレーム４１２を含む。風力タービンブレードアセンブリ４２２は、タービンブレード４２６が取付けられる、ホイール２５０に類似するホイール４５０を含む。ホイール４５０およびタービンブレード４２６のさらなる詳細については、前の実施形態を参照されたい。フレーム４１２は、ホイール４５０の周囲周りに配置された複数の固定子コイル４３２を支持する環状部材４１８を含む。環状部材４１８は、前の実施形態を参照して記載されるように、ホイール４５０のリム４５４に取付けられる磁石を受容するため溝形状の配置を有する。このようにして、その軸４５０ａを中心としてホイール４５０が回転すると、リム４５４に取付けられた磁石４３０は、タービン２１０と同様、固定子コイル内に電流の流れを誘起する。
【００６９】
フレーム４１２は、柱４１９と、フレーム４１２を柱４１９に取付ける半円状のフレーム部材４１４ａとにより基礎４１４上で支持される。フレーム部材４１４ａは、例えば、締結具４１４ｂによりフレーム４１２の中間の横断フレーム部材４２０ａおよび４２０ｂに固定される。横断フレーム部材４２０ａおよび４２０ｂは、それらの対向する端部において、半円状のフレーム部材４１４ａのための取付け面を設ける横断フレーム部材４２１ａおよび４２１ｂにより接合される。ホイール４５０のシャフト４５０ｂは、次いで、横断フレーム部材４２０ａおよび４２０ｂ内、例えばブシュ内に支持される。また上記されたように、フレームおよび基礎を形成する部品は、金属、高分子または複合部材であってもよい。
【００７０】
任意選択的に、タービン４１０は、タービンブレード５２６の補助のセットを含み、それはホイール４５０のシャフト４５０ｂに回転自在に連結されるブレードアーム５２８上に取付けられる。この方式で、ホイール４５０がその回転軸４５０ａを中心として回転すると、ブレード５２６はホイール４５０と同時に回転する。ブレード５２６は、したがって、さらなる表面積を提供してホイール４５０の回転速度を増加させる。
【００７１】
任意選択的に、柱４１９は、基礎４１５に回転自在に取付けられ、さらに、基礎４１４を中心として風により回転してもよい。例えば、風がタービン４１０の位置を調節するよう風向計４８０がフレーム４１２に取付けられてもよい。
【００７２】
図２８を参照すると、数字６１０は、本発明の風力タービンの別の実施形態を全体として示す。タービン６１０は、ホイール２５０に取付けられる複数のブレード６２６を備えた風力タービンホイール２５０と、固定子コイルアセンブリ３２２と、基礎６１４と、カバー６５０とを含む。前の実施形態を参照して記載されるように、基礎６１４は、タービン２１０の基礎２１４に類似し、風力タービンホイール２５０がそのブレードと共に風速および方向に応じて方向を変えることを可能にする。
【００７３】
示される実施形態において、ブレード６２６は、ブレード１２２６を参照して記載したようなプラスチックから成形され、同様にクリップなどの締結具によりホイールのスポークに取付けられる。また、ブレード１２２６同様、および図２８Ｄから最も良くわかるように、ブレード６２６は、クリップを使用してスポークに取付けられてもよい。クリップは、あらかじめ選択した閾値を超える風速に応じたブレードのたわみを可能にする。各ブレードの長手方向のエッジは、複数のクリップにより１つのスポークに固定されてもよく、一方で、他方の長手方向のエッジは、拘束されていなくてもよいが、ブレードの遠位端において（拘束されていない長手方向のエッジの端部において）ブレードの非対称形状に適応するクリップにより隣接するスポークに取付けられてもよい。したがって、複数のブレードのそれぞれの遠位縁端（例えば図２８Ｄを参照）は、したがって、少なくとも２つのクリップによりホイールに連結される（一方は拘束される長手方向のエッジの端部において、他方は拘束されない長手方向のエッジにおいて）が、リムとは連結されない。この状態では、各ブレードの遠位縁端と、ホイールのリムとの間に間隙があり、それらの遠位端において（ならびにそれらの拘束されない長手方向のエッジに沿って）高風速下においてブレードを曲げる、または湾曲させることができるようにブレードにいくらかの自由度が残る。ホイールおよびブレードのさらなる詳細については、前の実施形態を参照されたい。
【００７４】
しかしながら、タービン３１０のように、タービン６１０には、その磁石がホイール２５０の回転面に対して角を有する方向に（図２８Ａ、図２９、図２９Ａおよび図２９Ｂを参照）ホイール２５０から外側に向かって、かつ固定子アセンブリ６２２内に（図２８Ａおよび図２８Ｂ）延在するように取付けられる。固定子アセンブリ６２２は、固定子アセンブリ３２２に類似する構造のものであり、その溝が水平面にあり、略水平に配列された磁石を受容するように向く。
【００７５】
前の実施形態と同様、ホイール２５０はシャフト２５０ｂ上の柱６１９（図２８Ｄ）に（ブラケット２６０’に類似した）ブラケット６６０により取付けられる。柱６１９に取付けられるのは、複数の横断フレーム部材またはロッド６２０ａ、６２０ｂ、６２０ｃであり、それらは共に固定子アセンブリ６２２を柱６１９に取付ける。任意選択的に、横断支持部材６６０ａは、対角線支持部材６２０ｄおよび６２０ｅにより固定されてもよい。柱６１９ならびに部材６２０ａ、６２０ｂ、６２０ｃ、６２０ｄおよび６２０ｅは、すべてアルミニウムまたはステンレス鋼管状部材を含む、アルミニウムまたはステンレス鋼部材を含む金属部品から形成してもよい。
【００７６】
図２８Ｂから最も良くわかるように、固定子アセンブリ６２２は、固定子アセンブリ６２２を横断支持部材６２０ａ、６２０ｂおよび６２０ｃに締結具を用いて取付ける非導電プレート６２２ｂ上に取付けられる複数の固定子サブアセンブリ６２２ａを含む（例えば図２８Ｂを参照）。
【００７７】
同様に、カバー６５０の風下側（風が吹いている方向に面する側）は、横断支持部材６６０ａ、６６０ｂおよび６６０ｃに締結具またはブラケットにより（図示せず）取付けられてもよい。カバー６５０の風上側は、フレーム６２０に取付けられ、フレーム６２０はシャフト２５０ｂの反対側の端部を中心フレーム部材６２０ｆ内に支持する。示される実施形態ではブロックの形態となっている中心フレーム部材６２０ｆから外側に向かって延在するのは半径方向に延在するフレーム部材６２０ｇであり、それはさらにカバー６５０に連結される。このようにして、柱６１９は、ホイール２５０と、固定子アセンブリ３２２と、カバー６５０とを支持する。
【００７８】
再度、図２８Ｄを参照すると、柱６１９が基礎６１４の上向きに延在する柱６１４ａに取付けられ、ホイール２５０に回転可能なマウントを提供する。柱６１９は、ブラケット６１９ａおよびブシュにより（図示せず）柱６１４ａに回転自在に取付けられ、さらに任意選択的に、柱６１４ａを中心としてドライバ６１４ｃにより駆動される。以下の制御用システムの詳細な説明に記載されるように、ドライバ６１４ｃは制御部により駆動されて風力タービンホイールの向きを変化させる。
【００７９】
図２８Ｄを参照すると、各ブレードの内側端部は、例えば、金属ロッドなどのロッドまたはワイヤ部材６００によりその対向するブレードの内側端部に連結されてもよい。部材６００は、各それぞれのブレード内に形成される開口部を通じて延在し、それによって各それぞれのブレードを係合するためのループ端部６００ａを含む。適切であれば他の取付け方法を使用してもよいと理解すべきである。部材６００は、したがって、対向するブレードを互いに結束させ、ブレードで発生した遠心力を平衡させてシャフトにかかる応力を低減する。上記したいずれの風力タービンにおいても、ハブと対向する側のブレードは、例えば、ロッドまたはワイヤ部材６００などの結束支持材により（例えば図６を参照）互いに結束されてもよいと理解すべきである。結束支持材は連結される一端において一方のブレードに、次に、その反対端において他方の、対向するブレードに連結される。
【００８０】
さらに、ブレード２２６、１２２６、２２６’、４２６はそれぞれその内側端部よりもその外側端部により大きな拡張部を有するように構成されているため、回転シャフトにかかる応力はさらに低下しうる。これが部材６００による遠心力の平衡と組み合わされた場合、風力タービンブレードに通常発生する遠心力のために各々のタービンのシャフトにかかる応力が、完全に排除されないとしても、大幅に削減することはできる。
【００８１】
任意選択的に、結束支持材は、遠心力と平衡させながら、二股に分かれたウェブを備えたブレードを参照して上に記載したように、伸長または伸縮できる材料から形成して、ブレードを圧縮させてもよい。例えば、結束支持材は、エラストマ材料から作製するか、または、例えば、ロッドまたはワイヤに一体化された、またはそれらの中に形成されるばね等のばねを組み込んでもよい。
【００８２】
ブレードにかかる遠心力と平衡するのに加えて、風力タービン６１０は、また、磁石にかかる遠心力と平衡させてもよい。例えば、磁石がホイールの回転面に対して直角に向いた実施形態では、その遠位端、例えば、ねじ状の遠位端を、対向する磁石の磁石取付け用のブラケット内に（図２４を参照）例えばナットにより固定した、追加のロッド６０２（図２２および図２４）がホイールを通過して延在してもよい。一方、ロッドの端部は、各々のブラケットに溶接されるか、または各々のブラケットと共に形成されてもよい。
【００８３】
図２９から最も良くわかるように、各それぞれの風力タービンはホイールまたはフレームに横方向支持を設ける案内部を組み込んで、振動または揺動を低減し、それによって部品の損耗を減らしてもよい。示される実施形態において、各ホイールには高分子ローラなどのローラ６３２の形態の２つ以上の軸受６３０を含んでもよい。２つ以上の軸受６３０は固定子ハウジングを支持するためにホイールまたはフレームに取付けられる。示される実施形態において（磁石がホイールの回転面に垂直に取付けられる）、ローラ６３２がブラケット６３４によりホイールのリムに取付けられ、固定子ハウジングの外側環状面を支持するため内側に延在するように取付けられる。このようにして、ホイールがそのシャフトのその回転軸を中心として回転する際、ホイールにはその外周において少なくともいくらかの横方向支持が与えられる。これは風速が増加する場合に特に有利となりうる。
【００８４】
図２９Ａおよび図２９Ｂを参照すると、案内部６３０’の別の実施形態が示される。案内部６３０’は金属またはプラスチックプレートなどのプレート６３２から形成される。プレート６３２は、また、ホイールのリムに、例えば、締結具または溶接部により取付けられ、磁石取付け用のブラケットのそれぞれに隣接して、さらに対向する磁石取付け用のブラケットの組を互いに連結するタイロッド６０２上に延在するように配置されてもよい。このようにして、プレート６３２は円弧状またはアーチ状の断面をとり、ホイール内のあらゆる揺動の相殺を助け、その回転面内にタービンホイールを案内および維持するのを助けるカム案内面を提供する。また、追加のプレートを磁石の位置間に配置してもよい。
【００８５】
加えて、本明細書中に記載される風力タービンのそれぞれで示されるように、固定子アセンブリはカバー内に封入されてもよい。図３０を参照すると、上記された風力タービンのフレームのどれに取付けられてもよいカバー６５０は、空気の流れをタービンブレード内に集束し、それによって種々の風力タービンを動作させるのに必要な風速をさらに低下し、また、風力タービンの効率も向上させるようになっている。
【００８６】
図３０、図３０Ａおよび図３０Ｂから最も良くわかるように、カバー６５０は、共に連結され環状のカバーを形成するいくつかの円弧状の部材６５２、６５４、６５６および６５８から形成されてもよい。カバー６５０は、アルミニウムまたはステンレス鋼またはプラスチックなどの金属または高分子部品、また、任意選択的に、複合材料から形成されてもよい。いくつかの部材から形成されると記載されたが、カバーは、また、単一部材で形成されてもよい。部材６５２、６５４、６５６および６５８は、それらの重なった各々の端部において、例えば、締結具により共に固定される。図３０Ａおよび図３０Ｂを参照すると、各部材の一端は、取付けフランジ６５２ａ、６５４ａを含んでもよい。取付けフランジ６５２ａ、６５４ａは、隣接する部材の別の端部に重なり、締結具または溶接部等によりそれに固定される。
【００８７】
図３０Ｃを参照すると、各部材６５２、６５４、６５６および６５８は、薄い壁状部材を含み、薄い壁状部材は風に面するための環状の分岐面６５０ａ（図３０Ｃの矢印により全体として示される）を形成する断面形状を有する。加えて、各部材６５２、６５４、６５６および６５８は、外側に向かって方向を変えた空気流をカバーの全体に導く外側環状円弧面６５０ｂを含む。分岐面６５０ａの内側には、角をなした環状面６５０ｃがあり、それは内側に誘導される空気流をブレード内に導き、それによって空気の流れをタービンブレード内に集束する。
【００８８】
再度、図２８を参照すると、任意選択的に、本発明のいずれの風力タービンも、延長部または集風装置を、例えば、カバーに組み込んでもよい。これは風力タービンの風上に面する側を大きくし、風力タービン内に流入する風を増加するようになっている。タービン６１０を参照する一方で、延長部は前の実施形態のどれに形成されてもよい、または取付けられてもよいと理解すべきである。
【００８９】
図２８および図２８Ｃから最も良くわかるように、延長部６７０は、略切頭円錐形状を有し、タービンブレードの先端から半径方向外側に延在する錐面に設けられる複数の締結具６７０ａによりカバー６５０にカバーの外周において取付けられる。延長部６７０は、延長部が軽量で、その上、取付けおよびさらには簡単な持ち運びのための取り外しが比較的簡単なように、プラスチックなどの可撓性のあるシート材料、繊維（図３１に示すような）等から形成されてもよい。可撓性のあるシートから形成される場合、シートはその略切頭円錐形状を支持アーム６７０ｂにより維持されてもよい。支持アーム６７０ｂはカバー６５０に、カバー６５０の周囲周りの離間した複数の位置に締結具６７０ａにより取付けられる。
【００９０】
図２８Ｃから最も良くわかるように、アーム６７０ｂは、任意選択的に、ポケット６７０ｃ内に延在する。ポケット６７０ｃは、アーム６７０ｂが、任意選択的に、シートに脱着可能に取付けられるように、シート内に形成されるまたは設けられるおよび／または例えばスナップ等などの締結具によりシートに固定されてもよい。このような方式で、延長部は取り外されて分解されると完全に折りたたみ可能であってもよい。
【００９１】
延長部６７０は、延長部６７０が風力タービンの受風面を広げるように、さらに、そうでなければ風力タービンを通り過ぎているであろう風をタービンホイール内に導くように角をなしている。さらに、それはまた、ブレードにより高いソリディティが提供されるにもかかわらず、ブレードの圧力を低下させる。例えば、延長部６７０は、タービンホイールの回転軸から測定して２０°〜７５°の範囲、より一般には約３０°〜６０°の範囲、および任意選択的に、約６０°の角度でカバーから外側に向かって角をなす。タービンが３０％またはそれより高いソリディティを有する場合、ブレードの動圧は増加する傾向にある。したがって、風速は減少する傾向にある。上記のカバーおよび延長部の設計により、風速は風力タービンホイールに近づくにつれて増加し、より高いソリディティにおいてさえも圧力を低減する。さらに、低風速では、流れは両方向において加速する（風力タービンホイール内およびカバーの外側の周り）。風が風力タービンホイール内に加速すると、風力タービンホイール内の圧力は低下し、より多くの空気がホイール内に引き込まれることを可能にする。
【００９２】
上記されたように、延長部は、図３１に示すような、ナイロンコーティングされたポリエステルなどの繊維から形成されてもよい。延長部分６７０’は繊維から形成され、さらに延長した部分６７５および６７７をさらに含む。さらに延長した部分６７５および６７７は、延長部６７０’に取付けられるか、または単に延長部を形成するシートの延長した部分である、別個のパネル６７５ａおよび６７７ａから形成されてもよい。パネル６７５ａおよび６７７ａは、延長部分６７０’と同じ可撓性のあるシート材料から形成され、各々が外周フレーム６７５ｂおよび６７７ｂを有し、可撓性のあるシート材料をその略矩形または台形形状に支持し、各々のパネルをアーム６７０ｂ’の端部に取付けるための取付け面をさらに設けてもよい。パネル６７５ａおよび６７５ｂは、延長部６７０’の外周６７０ｃ’の後方、風下方向（風が流れる方向に）に角をなして、左右の風力の安定を設ける。例えば、パネル６７５ａおよび６７７ａは、共に、各パネルが、延長部分の別個の扇形（angular segment）上に延長部と共に頂点を形成し、それがさらに風の分離を促進するように、タービンホイールの回転軸から測定して２０°〜７５°の範囲、一般に３０°〜６０°の範囲、およびより一般には約６０°の角度で後方に延在してもよい。パネルは平坦であってもよい、または例えばその取付け位置において延長部と同様の曲率半径を有する円弧状であってもよい。
【００９３】
図３２を参照すると、本発明１０、１１０、２１０、３１０、４１０または６１０の風力タービンのいずれもが家もしくは車庫または事務所建物などの構造に取付けられてもよい。例えば、風力タービンは、参照される同時係属出願により詳細に記載されるように、例えば、家の屋根に取付けられてもよく、電力を家の電気システムに供給してもよい。
【００９４】
図３３を参照すると、クラス４の風のレイリー分布のグラフが提供される。これは通常、約８マイル毎時の、最も一般的なタービンのカットイン風速を示す。さらに、グラフは、プレート電力（plate power）、言い換えると、最も一般的なタービンの風力タービンの最大出力は、通常約２８マイル毎時で起こることを示す。さらに、最も一般的な風力タービンは、タービンのリフトオフ(lift-offing)エアボーン(airborn)になる可能性を低下させるため約３４〜３５マイル毎時のカットオフ風速を有する。対照的に、本発明は、より低い速度で動作でき、さらに、８マイル毎時未満、６マイル毎時未満、４ｍｐｈ未満、および任意選択的に、１ｍｐｈ未満、およびさらに０．３マイル毎時ほどまで低いカットイン速度を有しうる風力タービンを提供する。より高い風速に対応するため、上述のように、本発明のタービンは、その各々のタービンブレードを自己調節または自己設定するよう構成させ、より高い風速においてタービンのソリディティを低減し、それによって高風速にさらされた際にタービンが持ち上がる可能性を除去する。タービンブレードのソリディティが一定の場合、制御システムは減速および／または風力タービンの向きを調節してもよい。例えば、４０ｍｐｈの風速で、制御システムは任意選択的に高出力抵抗でタービンをそらしてタービンが速く回転しすぎることを阻止し、風力タービンを、それが例えば風に平行するようにさらに回転させる。同時係属出願に記載されるように、マイクロプロセッサをベースとした制御システムが設けられ、タービンの方向を制御し、風力タービンにかかる応力を低減するか、または受風角度をタービンの正面に対して例えば１２０度に維持することができるようにタービンの方向を最適化してもよい。さらに、本構造により、タービンは、双方向となるように、その前面方向ならびにその後方方向から風を受容するよう向けてもよい。
【００９５】
本発明のいくつかの形態が示され、かつ記載されたが、、他の形態もここで当業者に明らかになる。例えば、任意選択的に、電力出力を増加するため、コイルを磁石の両側に設け、その誘導性の電流の流れを付加させることに加えて、磁石サイズを大きくしてもよい。例えば、磁石の厚さを、１／２インチから、示されたように、０．７インチ、０．８インチまたは１インチ厚に増やしてもよい。さらに、効率を増すため、磁石間の間隙を減らすことができる。例えば、間隙の合計（例えば、水平磁石の場合、磁石の上の間隙と下の間隙）は、５０／１０００インチ〜４００／１０００インチの範囲であってもよい。磁石が水平配列で配置され、そのためホイール揺動の方向に延在する場合、いかなる揺動運動も磁石と固定子アセンブリとの間の間隙に大きく影響しない。さらに、上記されたように、この揺動運動は、上記されたローラまたはカバープレートを加えると減少する可能性がある。また、１つのタービンの任意の１つの機能または複数の機能を本明細書中に記載される他のタービンに組み込んでもよく、さらに他の従来のタービンに組み込んでもよいと理解すべきである。
【００９６】
本発明の一実施形態による発電システム７２０が図３４に示される。発電システム７２０は、示されるように、風力タービン７２２および制御システム７２４を含む。風力タービン７２２は、以下により詳細に説明されるように、風に応じて電気的な電圧を発生させて、タービン７２２上の複数のファンブレード７２６を回転させるようになっている。言い換えると、風力タービン７２２は風から電気エネルギを発生させる。風力タービン７２２は、上述のどの風力タービンの実施形態に従って設計されてもよい（例えば、風力タービン１０、１１０、２１０、３１０、４１０または５１０のうちのどれと同じでもよい）、または従来の風力タービンであってもよく、または他の様式で設計されてもよい。制御システム７２４は、以下においてもまたより詳細に論じられるように、発生した電気エネルギを最大限に活用するため風の方向に適切な角度で面する一方で、過風速から風力タービン７２２を保護するよう風力タービン７２２の向きを制御するようにもなっている。制御システム７２４は、また、十分な電気が発生している場合は１つまたは複数のバッテリを充電することにより、または負荷需要が現在タービン７２２により生成されている電気エネルギと同等かまたはそれを超える場合は電気エネルギを住宅または商用負荷に直接伝送する等により、発生した電気を有用な状態に処理するようになっている。
【００９７】
図３４〜３６に示される実施形態において、風力タービン７２２は、ファンブレード７２６が比較的高いソリディティを有するように組み立てられる。つまり、ブレード７２６のサイズおよび／または数は、ブレードの回転により画定される円形の領域がブレードにより占有されない比較的小さい量の面積を有する程度である。さらに別の表現では、ブレード７２６間には比較的小さな量のスペースがある。いくつかの実施形態において、ブレード間のスペースの量は、ブレード７２６の回転により画定される円の総面積の５０％未満であってもよい。他の実施形態において、スペースはより小さくてもよい。さらに別の実施形態において、ブレード７２６の総面積には、ブレード７２６の回転により画定される円の総面積の７０％またはそれより多くを含んでもよい。
【００９８】
風力タービン７２２のブレード７２６の比較的高いソリディティの目的は、風力タービン７２２が１または２マイル毎時の速度などの比較的小さい風速で回転を開始できるようにすること（すなわち小さなカットイン風速を有すること）であるが、これをさらに下回る速度もまたタービン７２２の特定の構造に組み込まれてもよい。しかしながら、タービン７２２は、本明細書中に示されるものから大幅に変更できることが当業者には理解される。例えば、発電システム７２０の実施形態は、比較的高いソリディティを有しない風力タービン７２２と共に利用してもよい。さらに、発電システム７２０は、物理的構造が図３４〜図３６に示された風力タービン７２２とは実質的に異なる風力タービン７２２を含んでもよい。
【００９９】
図３５は、風力タービン７２２が組み立てられうる１つの形式の側部立面図を示す。他の構造も当然可能である。図３５に示すように、風力タービン７２２は、風力タービン７２２を支持するスタンドまたはマウント７２８（図３４）を含む。スタンド７２８は、図３５に示されるスタンド７２８’の構成、ならびに他の変形物などの種々の異なる構成をとってもよい。マウント７２８または７２８’上に支持されるのは垂直シャフト７３０である。軸受ブラケット７３２がいずれかの好適な手段によりシャフト７３０に固定される。軸受ブラケット７３２は、それを中心としてファンブレード７２６が回転する、水平に向いた車軸７３４を完全にまたは部分的に支持する。図３５に図示されないファンブレード７２６は、車軸７３４に回転自在に取付けられるフレーム７３６に固定される。一実施形態において、フレーム７３６および車軸７３４には、ファンブレード７２６を取付けるのに好適な従来の自転車の車輪を含んでもよい。従来の自転車の車輪を使用すると、既存の、大量生産部品を組み込むことにより製造コストが削減される。他の実施形態において、フレーム７３６および車軸７３４は、受注生産されるかまたは他の材料および／または従来の自転車の車輪以外の部品を使用して組み立てられてもよい。
【０１００】
図３５に示される実施形態において、複数の磁石７３８は全体としてフレーム７３６の周縁部周りに取付けられる。磁石７３８は、磁石の磁束が、同様にフレーム７３６の周縁部周りに配置される複数の固定子コイル７４０と交差するように配置される。ファラデーの誘導法則から公知のように、定常な固定子コイル７４０に対する、磁石７３８からの磁束の動きが固定子コイル７４０の内部に電圧を誘起する。固定子コイル７４０は、それらの各内部で生成された電圧が合計されるような状態で物理的に配置され、かつ互いに電気的に接続され、それによって制御システム７２４内に供給される電流をワイヤまたはケーブル７４２内に流れさせる。
【０１０１】
他の実施形態において、磁石７３８および固定子コイル７４０は、それを中心としてブレード７２６が回転する車軸７３４のほぼ近くに位置する変速機の内部に配置されてもよい。そのような変速機は、磁石の回転速度をブレード７２６の回転速度に対して公知の方式で増幅し、それによって固定子コイル７４０に交差する磁束の変化率を増加させ、それがさらには、風力タービン７２２により発生する電圧を増加させてもよい。上述のものはもとより、他の配置など、磁石７３８および固定子のさらに他の物理的配置が可能である。制御システム７２４が本明細書中に記載される風力タービンと共に使用されてもよく、またはいくつかの実施形態においては、どのようなタイプの風力タービンと共に使用してもよい。
【０１０２】
風力タービン７２２は、垂直シャフト７３０の底端部に隣接して配置されるモータ７４４をさらに含む（図３５）。モータ７４４は、モータ７４４を天候の影響から遮蔽するようになっているハウジング７４６内に封入されてもよい。モータ７４４は、モータ７４４の動作によってシャフト７３０がその垂直軸を中心として回転するように、垂直シャフト７３０と相互に作用するよう構成される。垂直シャフト７３０の回転が風力タービン７２２の向きを変化させる。つまり、風力タービン７２２が面する方向を、モータ７４４を作動させることにより変化させてもよい。以下により詳細に説明されるように、モータ７４４を、したがって、風に正対するか、または風の方向に対して特定の角度で配置されるよう風力タービン７２２の向きを変えるために使用してもよい。
【０１０３】
モータ７４４の動作は、制御システム７２４により制御される。制御システム７２４は、有線接続（図示せず）または無線接続によって、モータ制御命令をモータ７４４に送信してもよい。無線接続を使用する場合、モータ７４４は、制御システム７２４からコマンドを受け取り、それに応じてそれを実行するアンテナ７４８（図３５）を含んでもよい。コマンドのモータ７４４へのそのような無線送信ならびにモータ７４４から制御システム７２４へのステータス情報の送信は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）（ＩＥＥＥ８０２．１５．１規格）、ＷｉＦｉ（ＩＥＥＥ８０２．１１規格）および他の無線技術等であるが、それらに限定されない、適切であればいかなる送信プロトコルまたは標準規格を使用して実施してもよい。制御システム７２４からコマンドを受け取ることに加えて、モータ７４４は、また、風力タービン７２２の角方向（例えば、北、南、東、西等に面しているかどうか）ならびに他の情報などのステータス情報を制御システム７２４に送信してもよい。
【０１０４】
少なくとも一実施形態において、タービン７２２は、電圧を制御システム７２４に送信する前に、タービン７２２で発生した交流電圧を直流電圧に変換するのに好適な整流器を含む。他の実施形態において、交流電圧は、制御システム７２４により整流されるか、または整流なしで使用される場合もある。
【０１０５】
風速および／または風向を測定するために、風力タービン７２２（図３５）の近傍に風速計７５０を配置してもよい。利用する場合、風速計７５０は、風速および／または風向の電子的な読取り値を生成し、これら読取り値を制御システム７２４にいずれかの好適な方法で転送するよう構成される。制御システム７２４へのこれらの読取り値の送信は、風速計７５０に取付けられるか、または電気的に接続される別個の送信機を介して無線で行われてもよい。一方、風速計７５０が、モータ７４４により利用されるその読取り値を送信機に送ってもよい。他の実施形態において、有線接続を使用して風速計７５０の読取り値を制御システム７２４に送ってもよい。そのような有線接続は、風速計７５０と制御システム７２４間に別個のワイヤを利用してもよい。またはそれらは、制御システム７２４にワイヤ７４２で伝送される、風力タービン７２２により発生した電気パワーから風速計の読取り値を制御システム７２４が分離することを可能にするいずれかの好適なコーディング技術により電力線７４２を介して伝送されてもよい。
【０１０６】
さらに別の実施形態において、風速は、別個の風速計の使用を介してではなく、風力タービン７２２に直接取付けられる適切なセンサにより測定されてもよい。または、さらに別の実施形態において、線７４２を通過して伝達される電流の量を、様々な速度でタービン７２２により発生する電力の量を特定する、風力タービン７２２の公知の風速プロファイルと組み合わせて測定することにより風速を求めてもよい。そのようなプロファイルは制御システム７２４の記憶装置内に記憶されてもよい。
【０１０７】
発電システム７２０は、住居７５２などの（図３６）住居が必要とする電気すべてを供給するために使用するか、または公共電力会社から住居７５２に供給される電気パワーを補完するために使用するかのいずれかであってもよい。以下にさらに詳細に記載されるように、生成システム７２０を、システム７２０を既存の遮断器ボックスまたは住居内の分電盤内に組み込むことにより、電気エネルギを住居内の１つまたは複数の回路に供給するよう簡単に構成してもよい。一方、発電システム７２０を、電気パワーを事業所または他のいずれの電気パワーの消費者に供給するために使用してもよい。また、複数の発電システム７２０を共に組み合わせて電気エネルギの供給を増加させてもよい。風力タービン生成システム７２０は、いくつかの実施形態において、住居７５２（図３６）上に取付けることを可能にする物理的な設置面積を有するか、または過度の量のスペースを占めることなく住宅の庭内に都合よく配置される。
【０１０８】
制御システム７２４の一実施形態の全体的な概略図が図３７に示される。図３７に示される実施形態のより詳細な図が図３８に示される。図３９は、制御システム７２４で使用してもよい充電制御部７５４の一実施形態のより詳細な図を示す。制御システム７２４の細部を本明細書中に示される実施形態と大幅に変更してもよいことが当業者には理解される。
【０１０９】
図３７および３８に示される実施形態の制御システム７２４は、充電制御部７５４と、インバータ７５６と、１つまたは複数のバッテリ７５８と、制御システム７２４と風力タービン７２２とを接続するのに好適なワイヤ／ケーブルと、１つまたは複数の分電盤７６０とを含む。１つまたは複数の分電盤７６０は、家庭または住居内にあり、電力会社から供給される電気パワーを、住居または事業所全体に電気を供給する種々の回路間に分配するために使用される従来の分電盤７６０であってもよい。そのような分電盤は、通常、住居または事業所内の各電気回路のためのヒューズまたは遮断器を含み、各電気回路は、住居または事業所の様々な領域に配置される電気取出口７９０に電気を供給する。制御システム７２４は、そのような分電盤に容易に接続することができ、分電盤の１つまたは複数の回路が発電システム７２０からその電気を受容することを可能にする。したがって、例えば、家庭または事業所が、風呂または温水器または家庭もしくは事業所の特定の部屋または領域のための独立した回路を含む場合、発電システム７２０を、温水器または部屋または領域のための電気が、公共電力会社ではなくシステム７２０により供給されうるように分電盤７６０に接続することができる。当然、以下により詳細に説明されるように、電気システム７２０は、少なくとも一実施形態において、十分な風力および／またはバッテリ７５８の放出がない場合、システム７２０が自動的に切り換わり公共電力会社から所望の電気パワーを供給するように構築される。このようにして、無風状態およびバッテリ７５８が空の場合でさえも電気が接続回路に供給される。
【０１１０】
発電システム７２０は、また、家庭または事業所に電力会社から供給される電気エネルギの停電の際、システム７２０がバックアップモードに自動的に切り換わり、１つまたは複数のバッテリ７５８を介して（無風または不十分な風の状況において）、または風力タービン７２２を介して家庭または事業所に電気エネルギを供給するように構成されている。このようにして、システム７２０は、電力会社から供給される電力の停電を検知すると自動的に作動する非常用発電機のように機能し、それによって連続的な電気サービスを家庭または住居に提供する。それによって、そうでなければ手動で始動させる、ガソリンまたは他の燃料を動力とした非常用発電機を、人が手動で始動させる必要性を排除する。電力会社から供給される電気パワーのそのような停電後、システム７２０は電力会社から供給される電気が復帰するまでの間可能な限り家庭または事業所に電気を供給し続ける。電力会社が生成した電力が復帰すると、システム７２０は、タービン７２２から生成した電力を介して、もしくは電力会社から供給される電力を介してのいずれかまたは両方を組み合わせてこのバッテリまたは複数のバッテリ７５８を再充電する。
【０１１１】
図３７および３８に示されるように、タービン充電制御部７５４およびインバータ７５６は、タービン７２２から電気パワーを受容する家庭または他の施設内の壁または他の適切な機構に取付けられてもよい筐体７６２内に収容されてもよい。筐体７６２は、充電制御部７５４およびインバータ７５６が配置される筐体７６２の内部へのアクセスを可能にするよう開閉する扉７６４を含んでもよい。扉７６４は、筐体７６２への無許可のアクセスを防止するためロック７６６を含んでもよい。
【０１１２】
図３８に示すように、ケーブル７４２は、正極性または「熱」線７４２ａ、接地線７４２ｂ、アース線７４２ｃなどの複数の個々のワイヤを含んでもよい。熱線７４２ａは、風力タービン７２２により発生した直流を制御システム７２４に伝達する。熱線７４２ａは、充電制御部７５４に供給される前に筐体７６２内に給電し、ヒューズ７６８を通過する。接地およびアース線７４２ｂおよび７４２ｃは筐体７６２の内部または近傍で適切なコネクタ７７０に取付けられる。以下により詳細に説明されるように、充電制御部７５４は、熱線７４２ａの電圧および電流を監視し、これらの電圧および電流レベルに基づいて、ならびにバッテリ７５８の充電および／または制御システム７２４に電気的に接続される負荷の状態などの他の状況に基づいて種々の調節および制御判断を行う。
【０１１３】
充電制御部７５４もまた、モータ７４４および風速計７５０と通信状態にある。そのような通信は前に記載されたいずれの方法により行われてもよい。図３８に示すように、充電制御部７５４は、モータ７４４および／または風速計７５０により（アンテナ７４８を介して）伝送される無線信号を検知するアンテナ７７２と通信状態にある。モータ７４４および／または風速計７５０は同じアンテナ７４８またはいくつかの他のアンテナを介して無線信号を送信してもよい。一方、充電制御部７５４は、風速計７５０から風速および風向情報を、ならびにモータ７４４から方位情報を他の通信チャネルを介して受信してもよい。充電制御部７５４は、風速および風向信号を、熱線７４２ａ内の電圧および電流の測定値と組み合わせて使用し、バッテリ７５８の充電、モータ７４４の動き、切換スイッチ７７４の状態、制御部７５４の内部の１つまたは複数の直流−直流コンバータ（以下にさらに論じられるようなバックコンバータまたは他の好適なコンバータなど）の動作、およびインバータ７５６の動作を制御する。
【０１１４】
一般に、充電制御部７５４は、風力タービン７２２から（熱線７４２ａを介して受容した）入力される直流電流の電圧を、インバータ７５６および／またはバッテリ７５８のいずれかまたは両方に適用されうるより適切な電圧レベルに変換する。インバータ７５６は、さらには、バッテリ７５８および／またはインバータ７５６のいずれかまたは両方から受容する直流電流を、システム７２０が電力を供給する家庭または事業所で使用するのに適切な電圧レベルおよび周波数を有する交流電流に変換する。したがって、北米の家庭または事業所用では、インバータ７５６は１２０ボルト、６０ヘルツ（Ｈｚ）の交流信号を出力する。欧州の家庭または事業所用では、インバータ７５６は２３０ボルトの交流を約５０Ｈｚの周波数で出力するよう構成されてもよい。公共電力会社に電気を再販するため直接そこに等、インバータ７５６が電気を他の負荷に供給する限り、電圧レベルおよび周波数は、目的とする負荷にとって適切であればどう調節されてもよい。
【０１１５】
充電制御部７５４の一実施形態のより詳細な概略図が図３９に示される。充電制御部７５４の構造および設計は、図３９に示されるものから大幅に変えてもよいことが当業者には理解される。図３９の実施形態において、充電制御部７５４は、入力センサ７７６と、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）７７８と、記憶装置７８０と、複数のバックコンバータ７８２と、出力センサ７８４とを含む。入力センサ７７６は、熱線７４２ａに結合され、熱線７４２ａの電圧レベルおよび電流レベルを検知する。入力センサ７７６の特定の構造は、適切であればいかなる形態をとってもよく、熱線７４２ａの電圧および電流レベルを示すデジタル信号をＤＳＰ７７８に出力するアナログ／デジタル変換器（図示せず）含んでもよい。入力センサ７７６を通過した後、熱線７４２ａは、熱線７４２ａの直流電圧をより適切なレベルに低下させる複数の並列配置されたバックコンバータ７８２に供給される。バックコンバータ７８２の出力は、共に組み合わされ、出力センサ７８４に供給される。出力センサ７８４はバックコンバータ７８２の組み合わされた出力の電流および電圧を検知する。検知された電流および電圧レベルは、ＤＳＰ７７８に帰還する。バックコンバータ７８２からの出力は、現在風力タービン７２２により発生している電気の量ならびにインバータ７５６およびバッテリ７５８が必要とする電気によって、バッテリ７５８またはインバータ７５６のいずれか、または両方に結合される。
【０１１６】
他の設計を利用してもよい一方で、図３９に示される実施形態のバックコンバータ７８２は３０ＫＨｚの切換周波数で動作する。切換えられた出力は、切換えられた直流を制御された直流出力に平滑化するトロイダルインダクタ（図示せず）に供給される。制御された直流出力は、次いで、出力センサ７８４に供給される。バックコンバータ７８２の出力電圧レベルは、ＤＳＰ７７８によりＰＷＭ線＃１、＃２および＃３に沿って送信されるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によりそれぞれ制御される。適切なパルス幅をこれらの線に沿って送信することにより、ＤＳＰ７７８は、熱線７４２ａの電圧レベルを、バッテリ７５８および／またはインバータ７５６に供給してもよい、適切に調整された電圧レベルに変えることができる。
【０１１７】
ＤＳＰ７７８は適切であればいかなる形態をとってもよい。一実施形態において、ＤＳＰ７７８は、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社により部品番号ＴＭＳ３２０Ｆ２８０２で製造されるデジタル信号プロセッサでもよい。当然、他の種類のＤＳＰを使用してもよい。ＤＳＰ７７８は、すべての電流および電圧の監視を行い、バックコンバータ７８２のための直流切換え制御を行う。ＤＳＰ７７８は、また、風速計７５０およびモータ７４４から、風速、風向および風力タービン７２２が現在面している方向を含む、入力を受容する。
【０１１８】
風力タービン７２２により発生し、熱線７４２ａに供給される電圧は、いくつかの実施形態において、３５０ボルトに及ぶ範囲であってもよい。他の実施形態においては、より高い電圧を発生し、制御システム７２４により処理してもよい。ＤＳＰ７７８は、入力センサ７７６から検知された電圧および電流を使用して、特定の時間の風力タービン７２２からの電力およびインピーダンスを計算する。試験された風力タービン７２２のパワーカーブから計算された、既知の、あらかじめ計算された最大電力のインピーダンスを使用し、ＤＳＰ７７８はインピーダンスを即時に一致させて、特定の時間にタービン７２２から利用可能な最大電力を負荷に提供する。ＤＳＰ７７８は、したがって、いずれの風速においても、電源インピーダンスを負荷インピーダンスに一致させることにより最大電力点を達するよう構成される。
【０１１９】
上記されたように、熱線７４２ａは３並列のバックコンバータ７８２に供給される。バックコンバータは、ＭＯＳＦＥＴと、ＭＯＳＦＥＴドライバと、インダクタとを含んでもよい。既知の有能電力と比較されるものと共に計算された入力インピーダンスから求められる有能電力に基づき、ＤＳＰ７７８は、ＭＯＳＦＥＴのオンおよびオフ時間を、ＰＷＭ線＃１、＃２および＃３に沿って送信されるＰＷＭ信号を介して調節する。オン時間（すなわちＰＷＭ信号のデューティサイクル）を増やすことにより、より多くの電力が負荷に送られる。逆に、オン時間を減らすことにより、より少ない電力が負荷に送られる。さらに、ＰＷＭ信号は、制御システムのインピーダンスを決定し、その結果、ＰＷＭ信号は、最大電力の伝送のためタービンインピーダンスが制御システムのインピーダンスに一致するように調節されうる。
【０１２０】
図３９に示される３つ以外の、４つのバックコンバータ７８２、５つ、または他の数等であるがそれに限定されない、種々の数のバックコンバータを使用してもよい。さらに、いくつかの実施形態において、２つ以上のバックコンバータ７８２が同時にオンにされてもよい。例えば、４つのバックコンバータ７８２が利用される場合、それらは１８０度の位相ずれ状態で使用され、それにより２つのバックコンバータ７８２がオンになり、他の２つのバックコンバータ７８２がオフになってもよい。これがバックコンバータ内に発生した熱を複数のコンバータ全体に分配し、それによってより低いコストのバックコンバータを使用できるようになる。
【０１２１】
バックコンバータ７８２は、並列で配置され、３０ＫＨｚ等であるがそれに限定されない適切な周波数で個々に利用してもよく、それらの個々の使用は互いに同期され、位相は１２０度ずれている。この位相ずれは、どの１回においても複数のバックコンバータの１つのみがオンになることを可能にする。これは、３つのバックコンバータ７８２が使用された場合、風力タービンが個々のバックコンバータ７８２の周波数の３倍（９０ＫＨｚなど）の切換え周波数を生じさせ、各バックコンバータ７８２により発生した熱を複数のバックコンバータ間に拡散することを可能にし、それによってより低コストのＭＯＳＦＥＴを使用することを可能にする。ＭＯＳＦＥＴからの電圧出力はバックコンバータ内部のインダクタと、直流切換のリプルを平滑化するコンデンサ（図示せず）とに供給される。結果として、バックコンバータ７８２からの直流出力が、ＭＯＳＦＥＴ切換のオン時間に比例する電圧を有するよう制御される。
【０１２２】
出力センサ７８４は、バックコンバータ７８２の組み合わされた出力の電圧および電流を検知し、この情報をＤＳＰ７７８に送る。ＤＳＰ７７８はこの情報を使用して、出力電圧と、充電のためにバッテリ７５８に提供される、またはインバータ７５６または両方に供給される電流とを計算する。バッテリ７５８に充電が必要な場合（バッテリ７５８とＤＳＰ７７８間のいずれかの適切な接続部および／または監視回路により決定されるように）、ＤＳＰ７７８は、少なくとも一実施形態において、マルチステージ充電アルゴリズムを使用して１つのバッテリ７５８または複数のバッテリ７５８を充電する。第１の段階において、ＤＳＰ７７８は、バッテリの充電状態の約７０〜８０％を高速で入れ替える高速充電を提供する。この高速充電ステージでは定電流をバッテリに供給する定電流アルゴリズムを使用する。
【０１２３】
定電流再充電ステージに続いて、ＤＳＰ７７８は吸収ステージを実施してもよい。吸収ステージでは、バッテリを相対的に低速で満充電にすることにより充電の残りの２０〜３０％が補充される。吸収充電ステージはバッテリに定電圧を維持する定電圧アルゴリズムを供給する。吸収ステージ後、ＤＳＰ７７８によりフロートステージが設けられてもよい。フロートステージでは、バッテリの損傷を防ぎ、バッテリを満充電に維持するため、電圧を低下し、それを一定に維持する。
【０１２４】
他の種類のバッテリを使用してもよい一方で、バッテリ７５８は、一実施形態において、従来の乗用車バッテリであってもよい。さらに、記載されたように、風力タービン７２２に分電盤７６０の現在の電気需要のすべてを供給させるには風況が十分でない場合は、複数のバッテリ７５８を連結させて、分電盤７６０に供給するための電気エネルギの予備を増やしてもよい。瞬時電力は小さいが、より長期的な電力を供給するものなどの、他の種類のバッテリも使用してよい。実際、いくつかの実施形態においては、自動車のバッテリの使用を避けることが望ましい場合もある。その理由は、そのようなバッテリが、バッテリがディープサイクルしない大きな電流の短期的な供給のために設計されているためである。発電システム７２０または８２０での使用においては（以下にさらに論じられるように）、たびたびディープサイクルされるように特に設計されたバッテリを使用すると有利となりうる。このバッテリは、その充電の少なくとも８０％まで繰り返し放電することが可能なバッテリ等であるがそれに限定されない。そのようなバッテリは、通常、海綿状鉛プレートではなく中実の鉛プレートを有する。そのようなバッテリは、生成システム７２０と８２０の電気使用の時間をずらすことをより簡単にし、電気の生成（すなわち風が吹いているとき）と、電気使用時の間の時間を長くできる。さらに、そのようなバッテリは、風がなくてもより多くの電力を家庭または事業所に供給することが可能である。ディープサイクルバッテリには他の利点もある。
【０１２５】
いくつかの実施形態において、ＤＳＰ７７８は、ＤＳＰが７７８が電力会社から供給される電力の遮断を検知したとき以外は、バッテリ７５８がディープサイクル放電を行うことを防止するようプログラムされる。この機能は、使用されている特定のタイプのバッテリがディープサイクルすることによりその寿命が短くなる場合に実施される。ＤＳＰ７７８が電力会社から供給される電力の遮断を検知した場合（これは分電盤７６０（図示せず）へのいずれかの適切な接続または他の公知の手段によりなされてもよい）、ＤＳＰ７７８は、バッテリ７５８を分電盤７６０に自動的に結合するようプログラムされ、外部電力が遮断したままである限りはバッテリ７５８を放電させる。この機能は、とぎれのない電力が、発電システム７２０に組み込まれた分電盤７６０の特定の回路または複数の回路からその電気パワーを受容する電気製品に伝送されるようにする。
【０１２６】
さらに、ＤＳＰ７７８は、電力会社から供給される電力の停止時にバッテリ７５８から分電盤７６０の特定の回路に電力を選択的に印加するようプログラムされてもよい。例えば、ＤＳＰ７７８は停電時にバッテリ７５８を維持することが最も重要と思われる回路に結合するようプログラムされてもよい。そのような回路は、例えば、電気を家庭または事業所の排水ポンプ、炉等に供給する回路を含んでもよい。ＤＳＰ７７８が電力会社から供給される電力が戻ったことを検知すると、それは１つまたは複数のバッテリ７５８の再充電を開始する。一実施形態において、その特定の時間に風が全く利用できない場合、ＤＳＰ７７８は、コマンドを切換スイッチ７７４（図３８）に送信し、適切な電力会社から供給される電気パワーをバッテリ７５８に結合してそれを再充電する状態に切換えるよう命令する。別の実施形態において、その特定の時間に風が全く利用できない場合、ＤＳＰ７７８は十分な風が戻るまで１つまたは複数のバッテリ７５８の再充電を待機する。いずれかの実施形態において、現在利用可能な風が不十分であり、バッテリ５８は分電盤７６０に適切に供給するには充電が不十分である場合、ＤＳＰ７７８は、家庭または事業所内の電気製品への電力がとぎれないように、電力会社から供給される電力を分電盤７６０の回路のすべてに再度結合する。この電力会社から供給される電力は、十分な風力が戻り、電力会社から供給される電力のスイッチを再び切るまで供給され続ける。
【０１２７】
ＤＳＰ７７８は、その電力を１つまたは複数のバッテリ７５８から受容してもよい。またはその電力を電力会社からの供給源から受容してもよい。またはその電力を風力タービン７２２から、またはこれら３つの源のいかなる組み合わせから受容してもよい。源は何であれ、ＤＳＰ７７８は、なお十分な電気パワーを受容して電力会社から供給される電気パワーの停電時でさえもその制御操作を実施するように構成される。実際、いくつかの実施形態において、ＤＳＰ７７８は、充電制御部７５４および／または筐体７６２内に収容される他の電気部品のみに電力を供給するバッテリ７５８から独立した１つまたは複数のバッテリにより供給されてもよい。
【０１２８】
風力タービン７２２の破損を防ぐために、ＤＳＰ７７８はモータ７４４と通信し、風速計７５０により検知された風速および方向に基づいてモータにコマンドを送る。ＤＳＰ７７８は、測定された風速を、制御部７５４の記憶装置７８０内に記憶された閾値と比較することにより、風が風力タービン７２２にとって過剰かどうかを繰り返し判断する。閾値は、使用されている特定の風力タービン７２２に基づき、風力タービン７２２の種々のモデル間で変えてもよい。記憶装置７８０内に記憶された閾値風速は、それを超えると風力タービン７２２に破損が生じる可能性のある速度を示す。ＤＳＰは、風速計７５０から測定された風速と閾値風速とを比較し、測定された風速が閾値速度を超える場合、ＤＳＰ７７８は、モータ７４４にコマンドを送り、風の方向にそれ以上正対しないように風力タービン７２２を回転させる。強風状態時に風と真直に整列しなくなるよう風力タービン７２２の向きを変えることにより、風力タービン７２２の破損の可能性が低下する。
【０１２９】
ＤＳＰ７７８は、現在測定される風速が記憶装置７８０内に記憶された閾値風速を超える量次第で、風力タービン７２２をモータ７４４を介してさらに回転させる。現在測定される風速が閾値風速を超える量が大きいほど、ＤＳＰ７７８が命令する風向に対する風力タービン７２２のミスアライメントの量も大きくなる。つまり、風速が閾値を超えて高くなるほど、風向と真直に整列しない風力タービン７２２の回転は高くなる。増加し続ける風速の間、風力タービン７２２を、風と真直に整列しなくなるようますます回転させることにより、ブレード７２６に印加される風圧が減少し、風力タービン７２２の破損の可能性も低減される。
【０１３０】
ＤＳＰ７７８は、現在の風速が低下したことを検知すると、モータ７４４に適切なコマンドを送り、風力タービン７２２を現在の風向の方に戻すよう回転させる。現在の風速が閾値風速またはそれ未満まで低下した場合、ＤＳＰ７７８はコマンドをモータ７４４に送り、現在の風向と真直に整列するように風力タービン７２２を回転させる。ＤＳＰ７７８とモータ７４４は、したがって、連係して働き、風速が閾値風速未満のときはいつでも風力タービン７２２が常に風の方向に正対し、閾値速度を超えた量に関連する量だけ風と真直に整列しないように面することを確実とする。
【０１３１】
十分な電力が風力タービン７２２により発生し、発電システム７２０に電気的に結合されている分電盤７６０の１つまたは複数の回路に供給している場合は、熱線７４２ａ内の電圧次第では、プロセッサ７７８は熱線７４２ａをバッテリ７５８ではなく直接インバータ７５６に結合してもよい。そのような直接結合はシステム７２０の効率を向上させる。
【０１３２】
充電制御部７５４は表示盤７８６に結合されてもよい。表示盤７８６は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）または他の種類の表示盤であってもよい（図３８〜図３９）。ＤＳＰ７７８は、種々の異なるタイプの情報を表示盤７８６上に選択的に表示できるよう構成される。人がどの情報を表示盤７８６上に表示するかを制御できるようにするため、１つまたは複数のボタン７８８または他の種類のユーザインターフェースデバイスがまたＤＳＰ７７８に結合されてもよい。ＤＳＰ７７８は、一実施形態において、以下の情報を表示盤７８６上に表示できるよう構成される。現在生成されている電力、現在の風速、現在の風向、現在の開路電圧、現在の負荷電圧、現在のバッテリ電圧、現在までに発生した累積エネルギ、時間、日付、年、充電状態および何らかの故障。
【０１３３】
発電システム７２０は、それが発生させるあらゆる過剰な電気をダミー抵抗負荷（図示せず）に流すよう構成されてもよい。またはそのような過剰な電力を温水器に供給してもよい。または電力会社に戻して供給してもよい。つまりバッテリ７５８のすべてが完全に充電され、風力タービン７２２が分電盤７６０の関連する負荷により現在必要とされているよりも多くの電気を供給している場合、システム７２０は発生した過剰な電気をこれらのいずれかまたは他の出力先に伝送してもよい。ＤＳＰ７７８はさらに、どのくらいの頻度でそのような過剰な電気生成の周期が起こるのか、および／または発生する過剰な電力の量の記録をとるよう構成されてもよい。この情報はパネル７８６上に表示され、システム７２０が、どれくらい頻繁で消費されるよりも多くの電気を発生させているかについて、システム７２０の使用者に対して表示をしてもよい。これが頻繁に起こると、使用者は、さらなるバッテリ７５８を追加する、および／またはシステム７２０をパネル７６０内のより多数の回路に接続する、またはシステム７２０を分電盤７６０内のより大きなまたはより頻繁な負荷を有する異なる回路に結合することを望む可能性もある。
【０１３４】
図４０〜図４２は、発電システム８２０の実施形態をより詳細に示す。図４０〜図４２に示される実施形態は、特に断りのない限り、発電システム７２０と共通の複数の構成要素を含み、それら共通の構成要素にはシステム７２０で付されていたものと同じ表示が付され、システム７２０の動作と同じように動作する。そのような共通の構成要素については、したがって、さらに詳細に記載する必要はない。
【０１３５】
図４０に示すように、発電システム８２０は、風力タービン７２２および制御システム８２４を含む。ケーブル７４２が風力タービン７２２を制御システム８２４に接続する。制御ケーブル７９６およびモータ回転ケーブル７９８が、また、風力タービン７２２と制御システム８２４との間に渡される。ケーブル７９６および７９８は、ケーブル７４２と組み合わされるか、または別々に束ねられてもよい。ケーブル７４２、７９６および７９８は、制御システム８２４を、風力タービン７２２から物理的に遠くに、制御システム８２４を保管するのにより便利な位置に配置できるように十分な長さのものである。しかし１つの例として、ケーブル７４２、７９６および７９８は、制御システム８２４を、家庭、建物、車庫または電熱線（elements）から保護される他の筐体の内部に配置することを可能とするため十分に長くてもよい。
【０１３６】
発電システム８２０は、風力タービン７２２により発生した消費されていない電気を貯蔵するための１つまたは複数のバッテリ７５８をさらに含む。システム７２０のように、システム８２０の制御部８２４は、システム８２０に要求されている電気需要を超える電気が現在タービン７２２により発生している場合、バッテリ７５８を充電する。同様に、システム８２０の制御部８２４は、タービン７２２の同時発電容量を超える電気需要を満たすためにバッテリ７５８を利用する。制御部８２４は、したがって、過剰な電気を後の供給のために貯蔵するため、必要ならば、１つまたは複数のバッテリ７５８を利用する。
【０１３７】
図４０にさらに示されるように、発電システム８２０は、システムが電力会社により供給される交流電源に選択的に結合され、かつ減結合できるようにする交流切換スイッチ７７４を含む。そのような結合は、電気に変換するために現在利用可能な風が十分でなく、かつバッテリ７５８の充電レベルが同様に現在の電気需要を満たすのに十分でない場合に望ましい。そのような減結合は、バッテリ７５８および／または風力タービン７２２がシステム８２０に求められる現在の電気需要を満たすのに十分な電気を提供することができる場合に望ましい。
【０１３８】
図４１により詳細に示されるように、制御ケーブル７９６は、タービンインターフェースの筐体８０２内に収容されてもよい制御回路８００に作動的に結合される。制御回路８００は、さらには、風速計７５０などの風速センサと風向センサ８０４との両方から入力を受容する。制御回路８００は、さらに第１および第２のリミットスイッチ８０６ａおよび８０６ｂから入力を受容する。リミットスイッチ８０６ａおよび８０６ｂはタービン７２２がシャフト７３０を中心とするその極限まで回転したときを検知する。一実施形態において、タービン７２２は、シャフト７３０により画定される垂直軸を中心として約３４０度回転することができるように構成されてもよい。タービン７２２がシャフト７３０を中心に全３６０度を自由に回転する構造を含む、他の回転範囲も実践してよい。制御回路８００がリミットスイッチ８０６ａまたは８０６ｂのいずれかから信号を受信すると、それは論理制御ケーブル７９６を伝いに制御システム８２４まで信号を送る。制御システム８２４は、次いで、モータ回転ケーブル７９８を介して電流をモータ７４４に供給することをやめることにより回転モータ７４４への電力を終端してもよい。一方、または加えて、制御回路８００は回転モータ７４４に供給されるあらゆる電力を、ケーブル７９８により適切な切換を通じて直接無効化してもよい。しかしながら実施されると、リミットスイッチ８０６は、モータ７４４がタービン７２２をその所定の回転運動の範囲を越えて回転させようと試みることを防止する役割を果たす。そのような回転モータ７４４の電力の無効化はいずれもさらにリミットスイッチが作動される方向にタービン７２２を動かしうる電力の無効化のみに限定される。つまり、回転モータ７４４はその限られた可動域の外側境界を過ぎて動くことは阻止されるが、なおその境界内を自由に回転する。
【０１３９】
タービンインターフェースの筐体８０２は、分岐負荷制御部８０８をさらに含んでもよい。分岐負荷制御部８０８は、風速が、制御システム８２４が安全に処理することができる電気よりも多くの電気を発生させるほど十分に高い場合に風力タービン７２２により発生した過剰な電流を流すよう機能する。少なくとも一実施形態において、制御システム８２４は、風力タービン７２２からの１７０ボルトの直流を処理できるよう構成されてもよい。他の実施形態ではこの数をより高いまたは低いもののいずれかに変更してもよい。少なくとも一実施形態において、分岐負荷制御部８０８は、タービンが現在１７０ボルトまたはそれより多くを発生させている場合、分岐負荷に関与する。そのような関与は制御システム８２４からのいかなる入力または信号もなく起こってもよい。言い換えると、分岐負荷制御部８０８は分岐負荷に自律的に関与するよう機能してもよい。
【０１４０】
分岐負荷制御部８０８は、また、風力タービン７２２が最大出力電圧を超えることを阻止する最大過電圧保護回路８１０を含んでもよい。１つの例として、そのような最大過電圧は２５０ボルトに設定されてもよい。当然、他の値も使用できる。分岐負荷制御部８０８の分岐負荷が電圧を制限しそこない、タービン７２２からの電圧出力が２５０ボルトを超えて増加しようとした場合（２５０ボルトは例示的な最大値である）、回路８１０は電圧をクランプし、ヒューズ８１２をとばす。これが、タービンインターフェースの筐体８０２の下りの２５０Ｖの定格最大電圧を有する構成要素に火災の危険を引き起こす可能性のある過電圧状態を阻止する。そのような状況において、タービンは解放され、制御されない速度で回転する。
【０１４１】
前に記載されたように、タービンインターフェースの筐体８０２は、制御システム８２４に、ケーブル７４２、７９６および７９８を介して接続される。ケーブル７４２は、タービン７２２により発生する直流電圧を制御システム８２４に供給する。制御ケーブル７９６は、風の方向、風の速度、および少なくともいくつかの実施形態においては、回転モータ７４４の現在位置を示す信号を制御用システム８２４に供給する。ケーブル７９８は、電力を回転モータ７４４に供給し、制御システム８２４により制御される状態で、かつ上述されたようにそれを回転させる。すなわち制御システム８２４は、風が過剰な状態においては、タービン７２２が風から逃れ、定格の量を超える電圧が発生するのを防止するのに十分な量向きを変え、風が過剰な状態を下回ると、タービン７２２は風の方向に向きを変えるように回転モータ７４４を制御する。
【０１４２】
図４２は、制御システム８２４の実施形態をより詳細に示す。制御システム８２４の、制御システム７２４と共通の構成要素には同じ数が付され、特に示されない限りは、前に記載されたものと同じように動作する。制御システム８２４は、タービンインターフェースの筐体８０２と接続するための種々の電気的な構成要素ならびに充電制御部７５４およびインバータ７５６を含むＩ／Ｏ盤８１４を含む。ケーブル７４２、７９６および７９８はＩ／Ｏ盤８１４に給電する。特に、ケーブル７４２は電流／電圧センサ７７６に送る前に直流漏電遮断器８１６に給電する。ケーブル７４２とＧＦＩ８１６との間に適切なヒューズが配置されてもよい。電流／電圧センサ７７６は前に記載されたものと同じ状態で動作し、現在風力タービン７２２により発生している電流および電圧を検知する。この情報は、そのデジタル信号プロセッサ７７８を含む充電制御部７５４に送られる。デジタル信号プロセッサ７７８はこの情報を使用して、前に記載された状態でタービン７２２により発生する電圧を処理する。
【０１４３】
制御システム８２４は、回転モータ７４４を所望の状態に回転させる制御信号を出力する回転モータ制御回路８１５をさらに含む。回転モータ制御回路８１５は、絶縁される論理制御部８１７から制御入力を受容する。絶縁される論理制御部８１７は、さらには、論理制御ケーブル７９６から信号を受信する。これらの信号は、前に記載されたように、現在の風速および方向、ならびにリミットスイッチ８０６があるとすれば、どのリミットスイッチ８０６が作動されているかを示す。論理制御ケーブル７９６は現在のモータ７４４の回転方向を示す情報を絶縁される論理制御回路８１７にさらに送信してもよい。絶縁される論理制御回路８１７は、制御ケーブル７９６から受信する情報を使用して、変更があるとすれば、風力タービン７２２の向きをどう変更すべきかを決定する。そのような変更があるとすれば、回転モータ制御部８１５に伝達され、それは次いで、適切な信号をケーブル７９８で回転モータ７４４に送り、これが回転モータ７４４を所望の状態に回転させる。
【０１４４】
制御システム８２４は、充電制御部７５４により出力されている電圧および電流を測定する出力センサ７８４をさらに含む。制御システム８２４は、また、制御システム８２４の２つの別の位置を通過する電流および電圧を測定する、一対のさらなる電流／電圧センサ８１８ａおよび８１８ｂを含む。センサ８１８ａは、制御システム８２４により出力される電圧および電流を測定する。つまりセンサ８１８ａは、家、建物または他の施設内での使用のためにどれくらいの電流および電圧が発電システム８２０により供給されているかを測定する。センサ８１８ｂは、インバータ７５６に供給される電圧および電流を測定する。ＤＳＰプロセッサ７７８は、バッテリ７５８のバンクの充電／放電の制御において、ならびにＡ／Ｃ切換スイッチ７７４の制御において、センサ８１８ａおよび８１８ｂからの情報を使用する。記載されたように、Ａ／Ｃ切換スイッチ７７４は、家、建物、施設またはこれらの単位の１つ内の１つまたは複数の特定の回路に対して、電力をタービン７２２から供給させるのと、電力を電気事業会社（交流グリッド）から供給させるのとの間で切換える。
【０１４５】
システム８２４はセンサ８１８ａの出力を監視して交流グリッドに切換えるかどうかを判断する。少なくとも一実施形態において、システム８２４は、発電システム８２０にかけられている総負荷がタービン７２２からの電気生産ならびにバッテリ７５８からの電気生産の両方を考慮に入れたシステム８２０の現在の電気生産能力を超えるたびに、交流グリッドに切換えるよう構成される。したがって、例えば、システム８２０に１０００ワットの負荷がかけられていると仮定する。システム８２０はバッテリ７５８または充電制御部７５４のうちいずれかから２４ボルトをインバータ７５６に供給するように構成されるとさらに仮定する。またさらに、風は現在、１５アンペアの電流を風力タービン７２２から発生させられる速度で吹いていると仮定する。次に、１０００ワットの需要を満たすため、さらに２６．６アンペアの電流をバッテリから取り出す必要がある。バッテリ７５８は、次いで、この２６．６アンペアを継続的に供給しながらゆっくりと放電する。バッテリが放電されると、システム８２４は、スイッチ７７４を介して再び交流グリッドに切換え、インバータ７５６をオフにする。さらに、システム８２４は、風力タービン７２２から利用可能な１５アンペアの電流を使用してバッテリの充電を開始する。バッテリが再充電される間、交流グリッドは、全１０００ワットを負荷に供給する。バッテリ７５８が完全に再充電された後か、または可変閾値であり、かつプログラム可能とされうるその満充電の閾値内まで充電された後のみに、システム８２４は交流グリッドのスイッチをオフにし、再び風力タービン７２２およびバッテリから電力を受け取る。このようにして、システム８２４は、バッテリが完全に充電され、電気需要がないとき以外は、風エネルギを、利用可能なときにはいつでも使用するかまたは貯蔵する。
【０１４６】
図４３は、発電システム７２０または８２０のいずれかによりとられうる種々の状態のチャートを示す。そのような状態は、当然、システム７２０および８２０に適用されうる１つの可能な形態にすぎず、システム７２０および８２０のいずれかまたは両方を、図４３に示されるものと異なる状態で構成することができることが理解されるであろう。システム７２０または８２０の現在の状態は、図４３に示すように、表示パッド７８６のＬＣＤスクリーン上で視認できてもよい。図４３の最も左の列は、システム７２０または８２０の状態を示す。次列には説明を記載する。「充電器」列は、充電制御部７５４がオン、待機、または他の何らかの状態にあるかを示す。「インバータ」列は、インバータ７５６の状態を示す。「ＴＳ」列は、切換スイッチ７７４の状態を示す。「ダンプ」列は、電気が分岐負荷制御部８０８により分岐負荷に送られるかそうでないかを示す。図４３は、したがって、システム７２０または８２０が、制御システム７２４または８２４を介して制御されうる方式の１つの例を提供する。他の方法も当然使用してよい。
【０１４７】
上記されたように、発電システム７２０および８２０のＤＳＰ７７８は、電源インピーダンス（タービン７２２）が負荷（制御システム７２４）インピーダンスと一致するように、バックコンバータ７８２に送られるＰＷＭ信号が調節されるようプログラムしてもよい。そのような実施形態は風速に追従する電力を生成する傾向がある。この例は図４４Ａおよび図４４Ｂに見られる。図４４Ａは、時間に対する任意の風速を示し、風速は曲線７９２により示される。ＤＳＰ７７８が、その負荷インピーダンスをタービンのインピーダンスに一致させるように連続的に調節するようプログラムされる場合、図４４Ｂに、パワーカーブの形状が図４４Ａの風速曲線７９２の形状にほぼ一致するパワーカーブ７９４により示されるように、電力出力は一般に風速に追従する。そのような連続的なインピーダンス整合は、しかしながら、発電システム７２０および８２０のいくつかの実施形態において変更することができる。
【０１４８】
例えば、発電システム７２０および８２０のどちらもほぼ図４４Ｃに示されるパルス７９５のような電力パルスを生成するよう変更してもよい（図４４Ａに示されるような風速にさらされる場合）。図４４Ｃにより示される実施形態において、ＤＳＰ７７８は、バックコンバータ７８２を制御してタービン７２２のインピーダンスよりも高い位置と低い位置の間で交番する入力インピーダンスを発生させる。これが図４４Ｃに示される電力ピークを生成する。そのような電力ピークは、図４４Ｂに示されるシステムにより発生した電力を瞬間的に超える。言い換えると、例えば、両電力は同じ風況下で同じ瞬間に（参照文字「Ａ」で特定される）発生したにもかかわらず、図４４Ｂに参照文字Ｂにより示される電力は、図４４Ｃに参照文字Ｃにより示されるピーク電力より低い。図４４Ｃのシステムのピークが図４４Ｂのシステムと比較して高いため、特に低風速時、バッテリ７５８の充電には、図４４Ｂのシステムよりも図４４Ｃのシステムがより効果的となりうる。どれほどが低風速とみなされるのかは当然タービン毎に異なるが、少なくとも一実施形態において、そのような低風速は７マイル毎時未満のあらゆる風速を意味しうる。他の実施形態において、示されたように、風力タービンが設計されている風速により、より低いまたはより高い速度が「低速度」とみなされる可能性もある。
【０１４９】
ＤＳＰ７７８は、バックコンバータ７８２に送られるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を適切に変更することにより、制御システムの入力インピーダンスを変更して、図４４Ｃのパルスを生成してもよい。そのような変更には、パルス時およびパルス間の合間の時間のＰＷＭ信号のデューティサイクルを変えることを含んでもよい。図４４Ｃに示される電力パルスの形状は、説明の目的のみのためであり、実際の形状は、通常、正確な矩形の形状ではなく、システムの全体構造ならびにパルシングによって異なる上昇および低下する勾配を有する形状であることは当業者には理解される。
【０１５０】
図４４Ｃに示されるパルス電力抽出技術の成果の１つは、タービンの回転するブレードの特定の量の運動エネルギをタービンからパルスで抽出し、パルス状の電気エネルギに変換することである。この回転するブレードからの運動エネルギのパルス状の抽出がエネルギ抽出周期の間にブレードを減速させ、風が吹き続けると想定して、パルス間の合間の時間中に再び速度を上昇させる。
【０１５１】
上記されたように、ＤＳＰ７７８は、低風速状況時に図４４Ｃに示されるパルス電力抽出技術を利用するようプログラムしてもよい。そのような実施形態において、ＤＳＰ７７８は、風速計７５０により検出された風速を確認し、それを低風速状態を画定する閾値と比較し、現在の風速が閾値を超える場合、図４４Ｂに示される連続的な電力抽出技術を使用するようプログラムしてもよい。その一方で、現在の風速が閾値にあるか、またはそれを下回る場合、ＤＳＰは、図４４Ｃに示されるものなどのパルス電力抽出技術に切換える。閾値においてまたは閾値近辺において変わりやすい速度の風における過剰な切換えを回避させるため、種々の形態のヒステリシスを使用してもよい。またさらに、いずれの実施形態においても、ＤＳＰ７７８は、風速が、低風速閾値よりも高く設定された最大風速閾値を超えたかどうかを確認するようプログラムしてもよい。最大風速閾値を上回る風速によって、ＤＳＰ７７８が、風力タービン７２２を風と真直に整列しないよう回転させるか、または完全に発電を停止させてもよい。
【０１５２】
いくつかの実施形態において、ＤＳＰ７７８は、風速の直接測定ではなく、タービン７２２により発生する電圧に基づいて、図４４Ｂおよび図４４Ｃの連続的な電力抽出とパルス電力抽出技術の間で切換えてもよい。これらの電力抽出技術間の切換えのために電圧および風速以外の他の量を利用してもよい。さらに、ＤＳＰ７７８の、パルス状の電力抽出技術と連続的な電力抽出技術間の切換えの決定は、一方、少なくとも部分的に、接続されたバッテリ７５８の１つまたは複数の充電レベル状態に基づいてもよい。例えば、低風速が存在し、バッテリが完全に充電されている場合、
【０１５３】
いくつかの実施形態において、タービン７２２により発生する電圧が閾値未満の場合、タービン７２２からいかなる電気も回収しないことが望ましい。１つの例にすぎないが、タービン７２２が５０ボルト未満しか発生させることができないような風速の場合、いかなる電気も回収しないことが望ましい。正確な閾値が何であっても、制御システム７２４は、風速が電圧が閾値未満となるような場合、タービン７２２が自由回転できるようプログラムされてもよい。そのような閾値は、したがって、本明細書中では自由回転閾値と呼ばれる。またさらに、風力タービン７２２が５０ボルトを超えて発生させることができるような風速に増加したが、風速はなお低速度とみなされる（図４４Ｃに関して上述されているように）場合、次いで、ＤＳＰ７７８は、図４４Ｃのパルス電力抽出技術を利用するようプログラムされてもよい。そのような場合において、各パルスの長さは、抽出された電圧が自由回転閾値に低下するまで続いてもよい。自由回転閾値に達すると、風力タービンが電力抽出の別のパルスのために十分な速度を回復する時機を得るまで電力抽出のパルスは停止される。
【０１５４】
直前の段落に記載されたパルス電力抽出技術の１つの例示が、その概念をより良く理解する目的のため本明細書中に提供される。当然、この記載は単に例示的なものであり、記載された厳密な数値は変更することができることは当業者には理解される。例えば、風力タービン７２２を５０ボルト未満の電圧で自由回転させることが望ましいと仮定する。風がこの自由回転閾値をわずかに上回って増加する場合、ＤＳＰ７７８は、風力タービン７２２からパルス状で電力を抽出するようプログラムされてもよい。各パルスは電圧を自由回転閾値に、またはその近傍まで低下させるのにかかる時間中継続する。例えば、ＤＳＰ７７８は、タービンを６０ボルトまで自由回転させ、次いで、電圧が５０ボルトまで低下するまで継続するパルスで電力を抽出し、次いで、タービン７２２を再度６０ボルトに達するまで再度自由回転させ、次いで、電圧が５０ボルトに低下するまで再度別のパルスで電力を抽出する等としてもよい。上限（この場合６０ボルト）は変えることができるが、図４４Ｃについて上述されたように、低速度の風況を画定する閾値電圧には一致してもよい。パルスの継続時間または周期は、風速の変化または電圧が自由回転閾値まで低下するのにかかる時間の長さに影響する他の要素と共に変更してもよい。
【０１５５】
別の実施形態において、パルス周期は一定であるか、または風速、バッテリの充電レベル、電気負荷または他のさらに別の要素などの他の要素に基づいて変更してもよい。一定のパルス周期では、ＤＳＰ７７８は、それによって電圧の低下を招くことに構わず、ＰＷＭ信号を変えて、それによって入力インピーダンスを一定の時間量の間変更してもよい。
【０１５６】
さらに別の実施形態において、ＤＳＰ７７８は風力タービンに自由回転をさせることなくパルス状で電力を抽出してもよい。そのような場合において、ＤＳＰ７７８は、制御システム７２４の入力インピーダンスを、風力タービン７２２のインピーダンスを交互に上回るレベルと下回るレベル間で変更してもよい。低い方のインピーダンスはゼロまで低下しなくてもよいが、そうでなければ風力タービン７２２を自由回転させる。その代わり、インピーダンスは、風力タービン７２２のインピーダンスを下回り不整合になるがなお電気を発生させる、レベルまで低下してもよい。そのような実施形態では、図４４Ｃのグラフは、ゼロ電力の時間によって間隔のあいた一連のパルスの代わりに、非ゼロであるが（ピークと比較して）電力が減少する時間によって間隔のあいた一連のパルスになる。
【０１５７】
当業者には、上述の実施形態に記載された特定の電子的および電気的な構成要素を類似の機能を実施する他の電気的な構成要素および電子機器に変更してもよいことが理解されるであろう。例えば、本明細書中に記載されるバックコンバータを、他のスイッチングコンバータまたは切換を行わない方式で動作する他のコンバータに差し替えてもよい。同様に、バックコンバータまたは他の種類のコンバータの制御を、パルス幅変調信号を利用するものから他の種類の制御信号に変更してもよい。他の変更もまた可能である。
【０１５８】
図面に示され、かつ上に記載された実施形態は単に説明の目的のためであり、均等論を含む特許法の原則下で解釈される以下の特許請求の範囲により定義される発明の範囲を限定することを目的とするものではないと理解されるべきである。
【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】
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【図１２Ａ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１４Ａ】
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【図１５】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１７Ａ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２８Ｄ】
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【図２９】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４Ａ】
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【図４４Ｂ】
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【図４４Ｃ】
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【国際調査報告】
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