JP2010508459A - 風力発電装置、大気から電力を発生させるための発電機、及び、移動する大気から電力を発生させるための方法 - Google Patents
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Abstract
Description
最後に、本発明は大気から電力を発生させるための方法に関する。
本発明は、それゆえ、大気を利用して電力を発生させるための風力発電装置を作成するという目的に基づくものであり、該装置は、実質的に大気の優勢な風速とは独立して、最適な流速で稼働するものである。
本発明は、さらに、発電機を作成する目的に基づくものであって、該発電機は、大気から電力を発生させるために設計が特に簡略かつ効率的なものである。
実質的に一定の断面を有し、内部に大気が導かれることが可能であり、空気加速装置が当該第1の区域内に備えられている第1の区域と、
ベンチュリノズルの形状で設計されている第2の区域と、
前記第2の区域に続く第3の区域であって、当該第3の区域内に回転子が設置され、該回転子は通過して流れる空気流によって回転するように固定され、該回転子の回転が電力を発生させる働きをする第3の区域と、
ラバルノズルの形状で設計される第4の区域と、
前記流路に導かれた空気を排出する働きをする第2の空気加速装置を備える第5の区域とを備える。
流路の第1の区域及び/又は第5の区域にある空気加速装置は、ファンを備えると有利である。ファンを用いることによって、空気流が、容易にまた制御可能に加速されることができるが、低価格の標準的な構成部品をファンとして用いてもよい。
或いは、流れガイド装置は平行管装置として設計されてもよい。好ましくは、この種の平行管装置は大きな径を有する中央管を備える。該中央管の周りには、同心円状に配置された平行管の円が配置されており、その直径は、中央管から比較的小さな管の直径である管の直径から始まって、次第に増加する。
本発明による風力発電装置が、第1の区域における空気加速装置及び/又は第5の区域における空気加速装置、の上流において、層流の空気流を得るための空気ガイド装置を備えるととりわけ有利である。これによって、特に、一方で気流速度の均一性を増加させる目的のために、他方で空気加速装置のエネルギー消費を最適化する目的のために、空気加速装置の最適化がもたらされる。
第1の区域のエリアにおける流路の直径が、第5の区域のエリアにおける直径と等しいと有利である。これは、流路の直径が、空気加速装置のエリアにおいても等しいことを意味する。
流路の鎮静部は、実質的に一定の外径、及び、好ましくはもう1つの流れガイド装置を備え、第4の区域の近傍に設けられると有利である。それゆえ、再び、層流が確実なものとされ、それによって、風力発電装置の効率性がより一層増加される。
もう1つのラバルノズルを空気出口又は空気排出側に備えることもまた有利である。このノズルを用いることで、風力発電装置を通過してきた空気が、さらに一層有利に排出されることができる。両方のノズルが、連続的に変形する断面、或いは、鐘形の断面のような非連続的に変形する断面、のいずれを有していてもよい。
9-5
スタンド全体、ひいては風力発電装置が、とりわけ容易に回転されうるように、本発明による風力発電装置は浮揚ユニットを備えている。浮揚ユニットは、液体で満たされた枡体に浮かんで保持又は支持されている。その結果、装置の回転を阻害するようないかなる摩擦もほとんど生じない。
また、排出側にフロー偏向装置を備えることも有利である。フロー偏向装置は流路を有しており、該流路は、垂直方向から実質的に水平方向に流出される空気流を偏向させる。それゆえ、空気流は、大気流と平行に向けられ、また、それに対応して好適な方法で、対気流に沿って運ばれる。
本発明は、また、大気を利用して電力を発生させるための風力発電装置システムに関する。該風力発電装置システムは、複数の風力発電装置を備えており、該風力発電装置は、上述のように、互いの上及び/又は互いに隣り、に配置されている。
空気が通って流れるための外側スリーブを有し、該外側スリーブは実質的に一定の外周面を有するものである流路(3)と、
回転子であって、軸受装置に回転不可能に接続されている軸上に取り付けられ、発電機の回転子及び/又は電機子を駆動する外側部を有する回転子と
を備える。
大気を流路の第1の区域へ導入すること、
流路の第1の区域に設置された加速装置によって空気流を加速すること、
ベンチュリノズルの形状である流路における圧縮によって、流路の第2の区域で空気流をさらに加速すること、
流路の第3の区域を通って空気流と、この区域にある回転子の駆動とを伝達すること、
ラバルノズルの形状で設計されている、流路の第4の区域へ空気流を排出させること、
流路の第5の区域で空気流を再び加速すること、
外気へと空気流を排出し、流路を通る通路中で空気流から再び運動エネルギー及び熱エネルギーの両方を抽出すること。
図1.aは、本発明による風力発電装置1の第1実施形態の側面図を示す。大気から電力を発生させる働きをする風力発電装置1は、該装置を横方向に貫通する流路3を有する。流路3は、入口側4から出口側5まで延在する。
図1.aに示された風力発電装置1のシンプルな実施形態において、該装置は、土台又はフレ−ム17上に支持されており、土台又はフレ−ム17はさらに脚部19上に支持されている。また、図1.aからわかるように、断面が実質的に円形である風力発電装置1は、スタンド21によってフレーム17上に支持されている。一般的な当業者にとっては、平らなフレーム上に管状体を支持することは明らかに可能であろうから、スタンドの設計についてのさらなる説明は不要である。
図1.bは、風力発電装置1の第1実施形態に係る平面図を示しており、その側面図は図1.aに示されている。図1.a及び図1.bを共に参照すれば導かれるように、第1の区域7は、流路3の外側スリーブ6に、実質的に一定の外径部分を有する。第1の区域7に隣接して、第1の区域7から先細になっている第2の区域9がある。第2の区域9はベンチュリノズルとして設計されている。第2の区域9に隣接して、第3の区域11がある。第3の区域11は実質的に一定の断面を有しており、該第3の区域11には、回転子が設置されている。回転子は、導かれた空気流によって回転する。回転子の設計についての詳細は、以下さらに説明される。
ここで図2.1.a−2.1.cを参照する。
図2.2.bからわかるように、ファンの羽根40は、モータ41によって回転されるように固定され、流入される空気流を加速させる働きをする、負圧又は吸引力を生じさせる。
該回転子は羽根69を備える。羽根69は、通過して流れる空気流を偏向させ、それゆえ回転される。その結果、回転軸67が回転される。取出軸71の一方の端は、いわゆる「キングシャフト」によって該回転軸に適切な方法で接続されており、それゆえ該回転軸によって駆動される。該取出軸の他方の端は、発電機23に接続されている(図1.a、図1.b、及び図2.bを参照)。発電機23を駆動させることによって、電流を生成させる効果が得られる。
静かな空気流あるいは層流が存在する場合に、大気からエネルギーを発生可能とする効率が向上されうると判断できる。このため、空気ガイド装置27が空気入口4に備えられ、攪拌或いは乱流状態の可能性がある大気を層流の空気流へと再調整して、この層流の空気流を、入口側4に対して負圧を生じる第1の空気加速装置39へと供給する。
図3は、全体の装置1の最適化された中心部を実質的に示す。ここでは、表示「Figur」或いは省略された形式の「F」は、上述のように、図3に続く関連する図を指定する。
風力発電装置の第1実施形態にある流路3の中央管は、後でより詳細に説明される円錐形の先細或いは拡張によって、部分的に置き換えられている。
ここで、図3.1.a−3.2.bを参照する。図3.1.aは、管状部108の側面図を示し、図3.1.bは、入口側からみた管状部108を示す。図からわかるように、管状部108は、わずかに先細である。
図6は、図4及び5により実施された状態にある、本発明による風力発電装置の平面図を示す。上方から見ると、液体156を含んでいる枡体155の円形状の設計が容易にわかる。円形の底板137は、自由に回転するように、枡体155に支持されている。図6に基づく平面図からわかるように、本発明による風力発電装置1は、屋根部136によって覆われており、それゆえ概略図のみが破線で図示されている。また、入口エリア4にあるベンチュリノズル141と、出口エリア5にあるラバルノズル142とが、概略で示されている。
図11及び12は、本発明による風力発電装置1の第3実施形態を示す。本実施形態は、垂直方向に設置されるという特別な特徴を有する。
出口5には流路偏向装置192が設けられている。流路偏向装置192は流路を備えており、該流路は、垂直方向から実質的に水平方向へ流出される空気流を偏向する。
風力発電装置1は、適切なフレーム構造199内に吊設されている。空気供給装置190内のエリアでは、帆191はフレーム構造199に付着されており、装置全体を風に面するように維持する働きをする。フレーム構造199は、偏向体194によって支持されている。
図13は、回転子装置の第1実施形態を示す。軸受け装置59は、固定軸68の一方の端部に取付けられている。固定軸68はフランジ202を備える。回転子60に接続されている軸受け203は、軸の他方の端部に取付けられている。
図14は、発電機210のもう1つの本発明による実施形態を示す。発電機210は、従来の方法で設計されている。発電機210は、励起巻線214を有する電機子又は回転子212を備える。回転子には、適切な誘導巻線が配置されている。
それゆえ、本風力発電装置を提案することによって、より一層効率的、より一層低価格、及びより一層小型の態様によって、大気からエネルギーを回復させる可能性が創出されて、より大きな出力も構成する。
Claims (49)
- 大気から電力を発生させるための風力発電装置(1)であって、該風力発電装置(1)は流路(3)を備え、該流路(3)通って、大気は空気流の形成によって導かれるものであり、前記流路(3)は、境界を形成する外側スリーブ(6)を有し、さらに、
実質的に一定の断面を有する第1の区域(7)であって、内部に大気が導かれることが可能であり、空気加速装置(39)が当該第1の区域(7)内に備えられている第1の区域(7)と、
ベンチュリノズル(10)の形状で設計されている第2の区域(9)と、
前記第2の区域(9)に続く第3の区域(11)であって、当該第3の区域(11)内に回転子(60)が設置され、該回転子(60)は通過して流れる空気流によって回転するようにされ、該回転子(60)の回転が電力を発生させる働きをする第3の区域(11)と、
ラバルノズル(12)の形状で設計される第4の区域(13)と、
前記流路(3)に導かれた空気を排出する働きをする第2の空気加速装置(85)を備える第5の区域(15)と
を備えることを特徴とする風力発電装置。 - 請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記流路(3)における前記第1の区域(7)及び/又は前記第5の区域(15)の前記空気加速装置(39、85)が、少なくとも1つのファンを備えること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の風力発電装置であって、
前記流路(3)における前記第1の区域(7)及び/又は前記第5の区域(15)の前記空気加速装置(39、85)の、大気の流れ方向からみて下流に、流れガイド装置(49、87)を備え、前記空気加速装置によって生じた乱れた及び/又は回転している空気流を層流へと変換させること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項3に記載の風力発電装置であって、
前記流れガイド装置(49、87)は下流固定子であること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項3に記載の風力発電装置であって、
前記流れガイド装置(49、87)が、平行管装置であること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項3から請求項5のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記流れガイド装置が、下流固定子及び平行管装置(101、112)の両方を備えること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項1から請求項6のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記第1の区域(7)における前記空気加速装置(39)、及び/又は、前記第5の区域(15)における前記空気加速装置(85)、の上流に、空気流を層流とするため空気ガイド装置(27、79)を備えることを特徴とする、風力発電装置。 - 請求項7に記載の風力発電装置であって、
平行管装置(101、112)が、前記第5の区域(15)の前記空気ガイド装置(87)の上流に備えられていること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項5から請求項8のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記平行管装置(112)が、中央管の周りに同心円状に配置された複数の管(113)から形成されていること
を特徴とする、空気加速装置。 - 請求項1から請求項9のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記流路(3)は、15°あるいは15°より小さい角度αでベンチュリノズル(9)のエリアにおいて幅狭になっていくこと
を特徴とする、空気加速装置。 - 請求項1から請求項10のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記流路(3)は、前記回転子(60)の下流の前記第4の区域(13)において、7°あるいは7°より小さい角度βで拡大すること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項1から請求項11のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記第1の区域(7)のエリアにおける前記流路(3)の直径は、前記第5の区域(15)のエリアにおける直径と同じであること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項1から請求項12のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記流路(3)の出口(5)にかかる該断面は、前記流路(3)の前記入口(4)にかかる断面より大きい、好ましくは実質的には2倍の大きさであること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項3から請求項13のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記第1の区域(7)内の前記空気加速装置(39)に続く前記流れガイド装置(49)の下流に、先細の管状部(108)が設けられ、該先細の管状部(108)にはフローコーン(109)が設けられ、該フローコーン(109)はある点まで先細となり、該フローコーンに沿って該空気流が流れるものであって、前記フローコーン(109)の先細となる前記角度αは実質的には15°あるいは15°より小さいこと
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項14に記載の風力発電装置であって、
一定の断面(107)の部分には、好ましくはもう1つの流れガイド装置(101、112)が設けられ、前記流路の前記先細になるあるいは幅狭になる管状部(108)の後に続き、該一定の断面(107)が設けられていること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項1から請求項15のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記第2の区域(9)内には、先端(120)から前記回転子のハブの断面まで拡大しているコーン(119)が設けられ、該コーンの拡大角度αは、前記ベンチュリノズルの先細の角度αと同じであること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項1から請求項16のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記第4の区域(13)内には、先端(122)まで先細になっているコーン(121)が設けられ、該コーンの出口断面は、実質的には、前記回転子(60)のハブにおける断面と同じであって、前記コーン(121)の先細の角度βは、前記ラバルノズルの拡張角度βと同じであること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項1から請求項17のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記第4の区域(13)に隣接して、前記流路(3)の流れ鎮静部(116)が設けられ、該流れ鎮静部(116)は、実質的には一定の外径を備え、好ましくは、追加の流れガイド装置(124)をも備えること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項1から請求項18のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記第5の区域(15)の上流であって、前記流れガイド装置の前に、先端から角度βで拡大するコーンが備えられ、該コーンの端部断面が実質的には前記流れガイド装置(79)のハブの断面と同じであること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項1から請求項19のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記第3の区域(11)は、前記回転子(60)の回転を少なくとも1つの出力軸(71)の回転動作へ変換する歯車部(63)を備え、該出力軸(71)は、前記流路(3)から実質的には垂直に延出し、発電機(23)を駆動させる働きをするものであること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項20に記載の風力発電装置であって、
前記歯車部(63)は、筐体(65)を備え、該筐体(65)内に軸(67)が支持され、該軸(67)の一方の端部は前記筐体の外で回転子(6)と接続され、他方の端部は90°をなしている取出軸(71)に接続されており、前記歯車部の前記筐体(65)は、軸受板(62)を有する軸受装置(59)内に支持され、該軸受板は前記流路(3)の前記外側スリーブ(6)に接続されていること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項1から請求項19のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記回転子(60)は軸(68)上に支持され、該軸(68)は、前記軸受装置(59)に回転不可能に接続され、該軸受装置(59)内に前記回転子(60)は前記流路の前記外側スリーブの一部を形成する外側管状部(70)を備え、該外部スリーブ内に前記外側管状部(70)は歯車リブ(80)を備え、該歯車リブ(80)は前記回転子(60)の回転を歯車部によって発電機へ伝達する働きをすること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項22に記載の風力発電装置であって、
前記回転子(60)の回転動作を伝達するために、いくつかの、特に4つの、ピニオンであって、外周に等しく配列されているピニオンが設けられ、それぞれの前記ピニオンは駆動軸に接続され、それぞれの前記駆動軸は発電機に接続されていること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項1から請求項19のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記回転子は軸に取り付けられ、該軸は回転不可能に前記軸受装置に接続され、該軸受装置内に、前記回転子は外側部を備え、該外側部は前記発電機の前記回転子及び/又は前記電機子を駆動させること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項1から請求項24のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記風力発電装置はスタンド(135)内に配置され、該スタンドは回転可能に支持されていること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項25に記載の風力発電装置であって、
前記スタンドが、底部壁(137)と、屋根部(136)と、複数の支柱(138)とを有し、前記流路(3)の前記第1から第5の区域(7、9、11、13、15)が実質的には最外の前記支柱の間に配置されていること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項26に記載の風力発電装置であって、
当該風力発電装置(1)は、前記底板(137)から一定の間隙をあけて配置されていること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項25から請求項27のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
追加のベンチュリノズル(141)が前記空気流入口側(4)に備えられていること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項25から請求項28のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
追加のラバルノズル(142)が前記空気排出側(5)に備えられていること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項25から請求項29のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記回転可能なスタンド(135)は、液体(156)に浮かぶ回転可能な浮揚ユニット(146)を備えること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項30に記載の風力発電装置であって、
前記液体(156)は、円形の枡体(155)内に保持され、該枡体(155)内に前記浮揚ユニット(146)が配置されていること
を特徴とする、風力発電装置。 - 請求項25から請求項31のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
キングピン(157)が、前記浮揚ユニット(146)の底板(147)から下方に突出し、軸受ブロック(160)内に形成されている軸受(159)内に回転可能に支持されていること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項32に記載の風力発電装置であって、
周形の軸受部(161)が、前記浮揚ユニット(146)の側壁(148)と枡体(155)との間で、前記液体(158)の水面より上方に配置されていること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項1から請求項33のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
当該風力発電装置が垂直方向に配置されていること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項35に記載の風力発電装置であって、
好ましくは半円形状の設計である空気供給装置(190)が、当該風力発電装置(1)の上方入口に備えられていること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項34又は請求項35に記載の風力発電装置であって、
フロー偏向装置(192)は、前記出口側(5)に備えられ、垂直方向から実質的には水平方向へ流出される空気流を偏向させる流路(193)を備えること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項36に記載の風力発電装置であって、
前記流路(193)は偏向体(194)内に配置され、該偏向体(194)の周りで大気が流れること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項36又は請求項37に記載の風力発電装置であって、
前記流路(193)が流れ方向に拡張し、好ましくは、追加の空気加速装置(195)を備えること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項36から請求項38のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
前記流路(193)の、流れの方向に対して下流において、いくつかのバッフルプレート(196)が配置され、該バッフルプレート(196)は、好ましくは、前記流路(193)の断面部を越えて突出していること
を特徴とする風力発電装置。 - 請求項34から請求項39のいずれか1つに記載の風力発電装置であって、
当該装置を大気の最適な流れ方向に配向し保持する働きをする帆(191)が、当該風力発電装置(1)に取付けられていること
を特徴とする風力発電装置。 - 大気を利用して電力を発生させるための風力発電装置システム(170)であって、
請求項1から40のいずれか1つに記載の、複数の風力発電装置(1)を備え、該複数の風力発電装置が互いに上にあるいは隣に配置されていること
を特徴とする風力発電装置システム。 - 請求項41に記載の風力発電装置システムであって、
スタンドを備え、該スタンド内に、互いに上にあるいは隣に配置されている前記風力発電装置(1)が回転可能に支持されていること
を特徴とする、風力発電装置システム。 - 通過して流れる大気から電力を発生させるため、特に請求項1から請求項40のいずれか1つに記載の風力発電装置(1)に使用されるため、及び、請求項41又は請求項42に記載の風力発電装置システム(170)のための、発電機であって、
空気が通って流れるための外側スリーブを有し、該外側スリーブは実質的に一定の外周面を有するものである流路(3)と、
回転子であって、軸受装置に回転不可能に接続されている軸上に取り付けられ、発電機の回転子及び/又は電機子を駆動する外側部を有する回転子と
を備えることを特徴とする発電機。 - 大気から、好ましくは、移動する大気から電力を発生させるための方法であって、
大気を流路(3)の第1の区域(7)へ導くステップと、
前記流路(3)の前記第1の区域(7)に設置された加速装置(39)によって空気流を加速するステップと、
ベンチュリノズルの形状である前記流路における圧縮によって、前記流路(3)の前記第2の区域(9)で前記空気流をさらに加速するステップと、
前記流路(3)の第3の区域(11)を通って該空気流と、該区域にある回転子(60)の駆動を伝達するステップと、
ラバルノズルの形状で設計されている、前記流路(3)の第4の区域(13)へ該空気流を排出するステップと、
前記流路(3)の第5の区域(15)で該空気流を再び加速するステップと、
外気へと該空気流を排出し、前記流路を通る通路中で該空気流から再び運動エネルギー及び熱エネルギーの両方を抽出するステップと
を含むことを特徴とする、移動する大気から電力を発生させるための方法。 - 請求項44に記載の方法であって、
前記流路における前記第1の区域(7)及び/又は前記第5の区域(15)の前記加速装置(39、87)の上流において、流入された空気が層流として整流されること
を特徴とする、移動する大気から電力を発生させるための方法。 - 請求項44又は請求項45に記載の方法であって、
前記流路における前記第1の区域(7)及び/又は前記第5の区域(15)の前記加速装置(39、87)の下流において、通過して流れる空気が再び層流として整流されること
を特徴とする、移動する大気から電力を発生させるための方法。 - 請求項44から請求項46のいずれか1つに記載の方法であって、
空気流が前記流路の前記第3の区域(11)へ流入する時までに該空気流が所定の速度に達するように、前記流路の前記第1の区域及び前記第2の区域において、該空気流が加速されること
を特徴とする、移動する大気から電力を発生させるための方法。 - 請求項44から請求項47のいずれか1つに記載の方法であって、
前記第5の区域によって、前記第4の区域内に負圧を発生させること
を特徴とする、移動する大気から電力を発生させるための方法。 - 請求項44から請求項48のいずれか1つに記載の方法であって、
電力を発生させるプロセスの開始時に、外部からの力によって加速装置が駆動され、安定した電力の発生状態に到達した後、該加速装置には発生させた電力が供給されること
を特徴とする。移動する大気から電力を発生させるための方法。
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