Vertical axis wind turbine |
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申请号 | JP2008511482 | 申请日 | 2006-05-15 | 公开(公告)号 | JP2008540922A | 公开(公告)日 | 2008-11-20 |
申请人 | ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニアThe Regents of The University of California; | 发明人 | ジュリー・ヴァシルイェヴィッチ・グラーホフ; ファシリ・マクシモフ; フラディミール・クリフォスピットスキー; フラディミール・クリフコフ; リチャード・ハルステッド; | ||||
摘要 | 本発明は、垂直軸式風 力 タービンに関する。 風力タービンは、上部円環、中央円環、及び下部円環を含み、複数の垂直な翼がこれら円環同士の間に配置されていることを特徴とする。 例えば、3つの垂直な翼が上部円環と中央円環との間に取り付けられている。 さらに、3つ以上の垂直な翼が下部円環と中央円環との間に取り付けられている。 風が垂直に配置された翼に 接触 した場合に、これら円環は回転を開始する。 これら円環を、発電機を回転させる中心ポールに接続することによって、風力発電が達成される。 | ||||||
权利要求 | 上面、下面、及び中心線を有する少なくとも1つの翼を備えている垂直軸式風力タービンであって、 前記上面から前記中心線までの距離が、前記翼の長手方向に亘って前記下面から前記中心線までの距離に等しいことを特徴とする風力タービン。 前記少なくとも1つの翼は、発泡材料が充填された複合材料から作られることを特徴とする特徴とする請求項1に記載の風力タービン。 前記少なくとも1つの翼は、前縁及び後縁を有し、 前記後縁は、丸められていることを特徴とする請求項1に記載の風力タービン。 前記少なくとも1つの翼は、表1に表わす寸法を有していることを特徴とする請求項1に記載の風力タービン。 上部円環、中央円環、及び下部円環と、 前記上部円環と前記中央円環との間に垂直方向に配置された複数の上側翼と、 前記下部円環と前記中央円環との間に垂直方向に配置された複数の下側翼と、 を備えていることを特徴とする垂直軸式風力タービンのロータ。 前記上部円環及び前記下部円環は、空力的な円環面を備えていることを特徴とする請求項5に記載のロータ。 前記複数の上側翼は、3つの翼であることを特徴とする請求項5に記載のロータ。 前記複数の下側翼は、3つの翼であることを特徴とする請求項5に記載のロータ。 前記複数の上側翼は、前記複数の下側翼から60°オフセットされていることを特徴とする請求項5に記載のロータ。 前記ロータは、前記ロータが回転した場合に回転する中心ポールに接続されていることを特徴とする請求項5に記載のロータ。 前記中心ポールは、前記中心ポールが回転した場合に回転する発電機に接続されていることを特徴とする請求項10に記載のロータ。 前記発電機は、バッテリを充電するために制御システムに電気的に接続されていることを特徴とする請求項11に記載のロータ。 前記ロータは、前記ロータが回転した際に機能するように機械的装置に接続されていることを特徴とする請求項5に記載のロータ。 前記ロータは、前記ロータの回転速度を減速させるように構成されている、大きな風速時に制御するための空気調整器をさらに備えていることを特徴とする請求項5に記載のロータ。 前記空気調整器は、可動式翼を備えていることを特徴とする請求項14に記載のロータ。 少なくとも1つの翼を備え、風によって回転するように構成された垂直軸式ロータと、 前記ロータからの遠心力によって制御され、前記少なくとも1つの翼の位置を移動させることによって前記ロータの回転速度を減速させるように構成されている空気調整器と、 を備えていることを特徴とする垂直軸式風力タービン。 前記空気調整器は、少なくとも2つの翼を移動させることを特徴とする請求項16に記載の風力タービン。 前記少なくとも2つの翼は、両方向に移動することを特徴とする請求項17に記載の風力タービン。 前記空気調整器は、スポイラーをさらに備えていることを特徴とする請求項16に記載の風力タービン。 |
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说明书全文 | 本出願は、”IMPROVED VERTICAL AXIS WIND TURBINES”というタイトルで2005年5月13日出願の米国特許仮出願第60/681,210号明細書に基づく優先権を主張するものである。 当該出願の内容は、参照によって完全に本明細書に組み込まれている。 [連邦政府によって支援された研究開発] 本発明は、風力タービンに関し、より詳しくは垂直軸式風力タービンに関するものである。 大部分の風力タービンに関する文献は、高い効率を有するブレードによって風力エネルギを発生させることに特化した、水平軸を有する風力タービンに関するものである。 高いブレードの効率は、先端の大きな速度によって得られる。 しかしながら、このような高い速度は、騒音を増大させ、動作中にブレードが衝突した場合における損傷を大きくすることになる。 多くの垂直軸式風力タービンの設計は、ブレードの速度が低いものについては従来から提案されてきたが、ブレードの速度が低いことによる利点があるにも関わらず、広範囲に亘る適合させることはできなかった。 主たる問題は、構造的共振に起因する故障、高い製造コスト、及び風速が低い地表近傍に設置することが必要とされることに関するものであった。 電力の出力は、地表近傍の低速に起因して減少する。 多くの垂直軸が有する構造的問題及びコスト的問題は、ブレードの迎え角を調整することによって風力エネルギをさらに回生しようとする試みに関連する。 他の試みは、大きな風速や突風に適応可能な構造的形状を変化させる。 このような設計は、必然的に付属物が故障率及び製造コストの点で増加すると共に、ハードウエアの複雑さを高めることになる。 本明細書に開示される実施例は、従来技術が有する幾つかの欠点を解決し、様々な種類の風に対しても完全にシステムが動作するように分析するために、近代的な技術を用いたシステム構築ツールを活用している。 本発明の一の実施例は、垂直軸式風力タービンである。 当該実施例は、上面、下面、及び中心線を有する少なくとも1つの翼を含み、上面から中心線までの距離が、翼の長手方向に亘って下面から中心線までの距離に等しいことを特徴とする。 さらに他の実施例は、上部円環、中央円環、及び下部円環と、上部円環と中央円環との間に垂直方向に配置された複数の上側翼と、下部円環と中央円環との間に垂直方向に配置された複数の下側翼とを備えている。 さらなる他の実施例は、少なくとも1つの翼を備え、風によって回転するように構成された垂直軸式ロータと、ロータによって生じる遠心力によって制御され、少なくとも1つの翼の位置を移動させることによってロータの回転速度を減速させるように構成されている空気調整器とを備えている。 要約書及び発明の詳細な説明は、共に本発明を規定することを目的とするものではない。 本発明は、特許請求の範囲によって規定されている。 本発明の一の実施例における垂直軸式風力タービンは、風速の約2.5倍で最大トルクを発生するように設計及び検証されたブレードを備えたロータを有している。 一の実施例では、ブレードは、風速2m/s〜4m/sで風力タービンを自己作動可能とする固定された迎角を有している。 この実施例の風力タービンは、風力タービンの基本形状を変更することなく、突風状態であっても全風向でエネルギを発生させることができる。 風力タービンは、風力タービンを貫く中心軸を全く必要としないように構成されている。 当該構成は、適切な形状及び回転軸を中心とした連続回転を維持するために空力を利用する。 本明細書には、空力スポイラーや空力ブレーキとしても知られている空力調整装置(aerodynamic regulator)が開示されている。 一の実施例では、空力調整装置は、風力タービンのロータの上部横梁に設けられている。 空力調整装置は、ロータの最大回転速度を制御するために遠心力及びバネエネルギによって動作し、これにより過度の回転速度に起因するタービンの故障を防止することができる。 さらなる他の実施例では、風力タービンは、必要なときにロータを減速又は停止させるように動作可能な機械的ブレーキを含んでいる。 一の実施例では、風力タービンは回転式パイプに接続されたロータを含んでいる。 回転式パイプは、扁平形発電機と角速度を制御するための付加的な機械的ブレーキとのための空間を有する、風力タービンのベースでハブに接続している。 このような機械的ブレーキシステムによって、高速回転する風力タービンを停止させ、その停止状態を維持させることができる。 扁平形発電機と共に動作する場合には、風力発電機は単一の可動部(moving part)を備えている。 出力電圧は、発電機を適切な大きさとすることによって、利用時に常規電圧(normal line voltage)近傍の大きさとなる。 [垂直軸式風力タービン:4つのブレードを有する実施例] 図2Aは、4つのブレードを備えた垂直軸式ロータ100を表わす。 図2Bは、4つのブレードを備えた垂直軸式ロータ100の概略的な側面図を表わす。 図2Cは、異なる角度から見た、4つのブレードを備えた垂直軸式ロータ100の概略的な側面図を表わす。 図2Dは、4つのブレードを備えた垂直軸式ロータ100の上面図を表わす。 図2A〜図2Dに表わすように、垂直軸式ロータ100は、4つの傾斜したブレードユニット10,20,30,40から成る。 4つのブレードユニットは図2A〜図2Dに表わす4つのブレードを有する実施例の主要な機能的要素であるが、物理的スペース及び空力的捕捉をある程度考慮すると、設けられるブレードユニットが2つよりも多ければ実施可能である。 さらに、本明細書で説明される実施例では特定の角度が利用される。 しかしながら、本発明の実施例は、特定の角度ではなく、互いに関連するブレード同士の構成に限定される。 各ブレードユニット10は、下部ブレード組立体12及び上部ブレード組立体15から成る。 両ブレード組立体は、構造的負荷を伝達し且つブレードに剛性及び最適な迎角を付与する2つの内部チューブ(図示しない)に取り付けられた、同一又は略同一の翼18から成る。 上部ブレード組立体15は、頂部取付点、すなわち上部結合部50に直接取り付け可能な延長チューブ25,27を有している。 水平戻り部材17は、下部ブレード組立体12と、回転力を発電機200又は他のエネルギ変換機構(図示しない)に伝達する下部結合ハブ35とを接続するように構成されている。 延長チューブ25,27の長さは、下部ブレード組立体12と上部ブレード組立体15との間におけるブレードユニット10の傾斜角が約145°となるように構成されている。 図示する風力タービンの全体形状においては、下部ブレード組立体と上部ブレード組立体との傾斜角は145°とされる。 しかしながら、この傾斜角は、他の角度であっても適切ならば良い。 水平戻り部材17、下部ブレード組立体12、上部ブレード組立体15、延長チューブ25,27、及び下部結合ハブ35のすべては、ブレードユニット10が図2A〜図2Dに表わすような形状になるように高剛性なコネクタと適切に相互接続されている。 図2A〜図2Dに表わす実施例では、4つのブレードユニット10,20,30,40は上部結合部50及び下部結合ハブ35で取り付けられていると共に、各ブレードユニットが回転面の周囲に互いに対して約90°の角度で離隔して回転可能に配置され、且つ、一対のブレードユニットそれぞれが垂直方向で互いに対して180°の角度で回転された状態となっている。 この構成におけるブレードユニット10及びブレードユニット20は、図2Bに表わすように互いに対して180°の角度を形成して向かい合っている。 倒置されたブレードユニット30,40も、図2Cに表わすように互いに対して180°の角度を形成して向かい合っている。 風力タービンの垂直方向の形状は、各ブレードユニットの構成部材と相互接続する高剛性な結合部によって形成される。 図2Bに表わすように、翼18は、下方水平戻り部材17を備えている。 これらの翼18は、空力抵抗を低減するための整流部として機能する。 これらの翼18は、ベアリングに作用する垂直力の負荷の統制を補助するために0ではない小さな迎角で取り付けられているが、実質的に回転抵抗を発生させることはない。 例えば、0ではない小さな迎角は±5°とされる。 ブレードユニット10は、下方水平戻り部材17によって下部結合ハブ35に接続されている。 類似する下方水平戻り部材23は、ブレードユニット20と共に同一の機能を発揮する。 図2Cに表わすように、4つの可動式翼22a〜22dは、上方水平戻り部材19に位置している。 上方水平戻り部材19は、ブレードユニット30,40のそれぞれに設けられ、これによりブレードユニットは上部結合部50に接続されている。 可動式翼22a〜22dは、ロータ100の回転によって動作する。 従って、ロータが高速回転するに従って、可動式翼同士は大きな角度を成して連結される。 一の実施例では、可動式翼22a〜22dの連結は、ロータ100に作用する回転力に応答して径方向に移動するウエイト5によって制御される。 ロータ100が回転するに従って、ウエイト5は外方に移動し、機械的結合を通じて可動式翼19の位置を変更する。 従って、ロータ100がより高速回転する場合にはウエイト5は遠心力によって外方に移動するので、可動式翼19は、その位置を変化させ、抵抗発生装置となる。 これにより、ロータ100の回転速度が低減される。 当該実施例では、可動式翼22a,22bは対向する方向で連結しており、投影面積が大きくなるので、抵抗も大きくなる。 同様に、可動式翼22c,22dは対向する方向に連結している。 このように、ロータがさらに高速回転するに従って、可動式翼は空力調整装置又は空気ブレーキとして機能する。 可動式翼22a〜22dは、ウエイト5の移動によって制御される内蔵バネ及び遠心アクチュエータを用いて最も簡便に動作させることができ、これにより最大許容速度又はこれを下回る速度でロータ100の回転速度を維持することができる。 図2Aを参照すると、風力タービンが非常に高速で回転しており、減速する必要があるように、可動式翼22a〜22dが配置されている。 可動式翼22a〜22dは、正反対の角度で配置されており、ロータ100に作用する垂直力を実質的に0とする一方で、風力タービンを減速させるために抵抗力を発生させる。 可動式翼22a〜22dは、必要な場合に垂直力を等しく抵抗低減するために、同様の向きに配置されている。 複数の可動式翼は、回転速度を制御するために水平に配置されている。 このように、本発明の実施例は、当該構成や可動式翼の数に限定される訳ではない。 支え線13はブレードユニット10とブレードユニット20との間に位置している。 同様に、支え線14はブレードユニット30とブレードユニット40との間に位置している。 支え線13,14は、回転時に一組のブレード組立体から遠心的に発生する回転負荷によって張設状態になる引張部材として機能する。 当該実施例では、下部結合ハブ35は、機械的ブレーキ及び扁平形発電機(axial gap alternator)を収容するハブと、僅かに縮径された入れ子式部分(nesting segment)(図示しない)から成るタワーへの取付部とに接続されている。 さらには、各入れ子式部分は、他の入れ子式部分の行程を制限し、且つタワー全体の強度のために必要とされる入れ子式部分同士の重なりを設定する縮径端部の近傍でチューブに沿った所定位置に少なくとも2つのタブを有している。 このように、タワーは据付位置に適するように高さを変更可能とされるので、タワーは小さな車両で容易に輸送可能である。 図3は、本明細書に開示される垂直軸式風力タービンの実施例で利用するためのブレードユニット10の概略図である。 当該実施例では、ブレードユニット10は折り畳み式とされる。 図3に表わすブレードユニット10の例示的な実施例には、下部ブレード組立体は下方水平戻り部材17に接触するように矢印Aの向きに折り畳み可能であることが示されている。 その後に、上部ブレード組立体15は矢印Bの向きに折り畳まれる。 図示の如く、下方戻り部材17と下部ブレード組立体12とが成す角度は、90°±5°である。 上部ブレード組立体15と下方水平戻り部材17とが成す角度は、141.30°±5°である。 本発明の実施例は、上記角度に限定される訳ではなく、他の構成を有するロータとすることもできることは言うまでもない。 [翼] 図示の如く、翼18は、翼18に亘って水平に沿って引かれた中心線x軸及び該翼に沿って垂直に引かれたy軸に関連して設計される。 図4Bに表わすように、上面350及び下面355は、翼18の長さ方向に沿ってx軸から同一の距離を維持している。 このように、上面350から中心線xまでの距離は、上面350に沿った任意の位置で下面355から中心線xまでの距離と同一とされる。 図4Bは、風力タービンシステムで利用するための翼の一の実施例における概略的な平面図である。 翼18の形状についての一の実施例は、図4Bを参照して、以下に示す表1の座標を表わす表を利用して設計される。 ここで、'b'は翼弦の長さであり、'c'は翼断面の最大厚さであって、b/cは定数である。 図4B及び表1は本明細書に開示する風力タービンで利用するための翼18の一の例示的な実施例を示すが、揚力を発生させることができれば他の形状であっても良い。 翼18の例示的な形状は、低い風速であっても高い効率を有しているので、本明細書に開示する当該実施例で利用するために選定される。 例えば、低い風速とは3m/s〜4m/sである。 当該実施例における翼18の空力係数は、翼18が迎え角0°〜5°で固定されている場合に、垂直軸式ロータ100が自動作動するような値になっている。 しかしながら、一の実施例では、迎え角は2°とされる。 翼の前縁16は、翼18が回転中に風によって後方に変位した場合に乱気流の発生を防止するために丸められている。 図4Cは、180°回転させた場合に、丸められた(blunted)前縁16が鋭い前縁よりも乱気流を発生させないことを表わす空力試験の結果のグラフである。 グラフは、丸められた後縁を備えた翼の抗力係数(四角)と鋭い後縁を備えた類似する翼の抗力係数(三角)とを比較した空力試験の結果を表わす。 丸められた後縁は、乱気流の発生及び動的な構造的負荷を低減し、これらの低減によって風力タービンの効率が高められる。 [垂直軸式風力タービン:6つのブレードを備えた実施例] 6つのブレードユニットの設計は、空力調整装置を利用する場合と同様に重量と構造的強度とのバランスを付与するが、6以外の数量のブレードユニットを利用した他の設計も、風力タービンにとって最適な条件及び要件に従って、本明細書に開示される当該実施例に基づいて利用可能である。 図6は、6つのブレードを備えたロータ600の概略的な側面図である。 図6と図5に関する上記説明とに示すように、ロータ600は中心軸線Aを中心として回転する。 さらに、ロータ600の上側部分83に位置するブレードユニット81は、風力タービンの自動作動を容易にし、且つブレードユニット81とロータ600との間に生じる動的衝撃を低減するために、下側部分85に位置するブレードユニット81に対して60°オフセットされている。 図示された実施例では、上側部分のブレードユニットが下側部分のブレードユニットに対して60°回転した状態になっているが、風力タービンの自動作動を容易にし、且つ動的衝撃を低減するために任意の他の角度であっても良い。 さらに、上側部分83及び下側部分85では、ブレードユニット81同士が互いに120°離間した状態で配置されている。 図示された実施例では、ブレードユニット同士が互いに120°離間した状態で配置されているが、風力タービンの利用を容易にするために任意の他の角度であっても良い。 一の実施例では、ブレードユニット81の形状は翼18の形状と同一であることに留意すべきである。 このように、表1に表わす翼18の形状の寸法は、ブレードユニット81の形状を設計する際に有用である。 さらに、ブレードユニット81は、翼18に関する上記説明のように丸められた前縁を有している場合がある。 ブレードユニット81の形状は、任意の特定の形状に限定される訳ではなく、他の優位な形状であっても良いことは言うまでもない。 図7は、6つのブレードを備えた垂直軸式ロータ600の上面図である。 中央円環82は、空力調整装置300内でパイプ103を通じてベース104に接続されている。 パイプ103は、空力調整装置300内部で延在し、可動式翼105,106に係合している。 空力調整装置300は、両方向に可動式翼105,106を移動させ、これによりロータの移動を減速させるために、ロータ600の回転から得られる遠心力を利用する。 可動式翼105,106は、自身が両方向に移動されることによって、ロータ600の回転効率を低減させる作動ブレーキとして機能する。 [空力調整装置] 図9は、空力調整装置組立体300の実施例の概略的な断面図である。 図9に表わすアクチュエータにおいては、小さなチューブが回動部(pivot point)を通じてウエイトに取り付けられ、これにより力が滑り継手77を通じてスプリング75に作用する。 空力調整装置300がロータ600の中心軸を中心として回転するに従って、ウエイトは、ウエイトに作用する遠心力によって中心軸から外方に移動される。 可動式翼は、この運動によって、ロータ600の回転を減速させる空気ブレーキとして機能するように動作する。 スプリング75は、可動式翼が正しい回転速度で動作するように選定される。 内部のウエイトによって生じる滑り運動は、翼の迎え角を変化させるチューブ上でカム要素又はネジ要素を動作させる。 アクチュエータの一の実施例では、ウエイトは、遠心力がバネ力を越えるまでスプリングを押す、外部チューブ内部に位置する重いチューブである。 対向配置され、感知することによって翼を動作させるネジ式カムが、ウエイトであるチューブに取り付けられている。 このように、空力調整装置は、付加的な制御装置を必要とせず、ロータの1分当たりの回転数(“RPM”)を比較的安定した回転数に調整する。 上記説明した風力タービンは様々な方法で直接適用可能であるか、又は応用可能である。 上記説明は特定の実施例を説明するものであるが、特許請求の範囲及び特許請求の範囲に記載される要素のみが本発明の技術的範囲を規定するものである。 1 垂直軸式風力タービンシステム1 |