JP2022502600A - ギアボックスも多極発生機もない効率的な風力エネルギー変換器 - Google Patents

ギアボックスも多極発生機もない効率的な風力エネルギー変換器 Download PDF

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Abstract

第１のロータおよび少なくとも１つの第２のロータを有する垂直軸タービンであって、第１のロータが、使用中、垂直、または水平よりも垂直である第１の回転軸の周りを回転するように構成される、垂直軸タービン。第１のロータは、流体運動によって、例えば、風または水の流れによって駆動および／または回転されるように構成されてもよい。少なくとも１つの第２のロータは、第１のロータが流体を通して第２のロータを動かし、それによって第１のロータの回転時に第２のロータを駆動するように動作可能であるように、第１のロータに設けられるか、または第１のロータに結合される。第２のロータは、パワーテイクオフシステムを駆動するように動作可能である。任意選択で、第１の回転軸の周りでの第１のロータの回転は、第２のロータを、第１の回転軸の周りで動かす。各第２のロータは、第１のロータの第１の回転軸に対して角度付けされているか、または垂直であり得、任意選択で使用中に水平軸または少なくとも垂直よりも水平な軸である、それぞれの第２の回転軸の周りを回転する。第１のロータおよび第２のロータは、ギアボックスも多極発生機も必要とせずにパワーテイクオフが直接駆動によって行われるように構成される。第１のロータおよび第２のロータは、第１のロータでの機械力が第２のロータでの機械力に変換されるという電力変換の効率が高くなるように構成される。【選択図】図１

Description

本明細書では、必須ではなく任意選択として電気を生成するための風力タービンとして使用され得る、風力エネルギー変換器（ＷＥＣ：ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）について説明する。本発明はまた、垂直軸タービンから電力を生成する関連する方法、および垂直軸タービンを制御する方法に関する。
タービンは回転するように駆動され、それによって機能することができる。例えば、風力タービンは、風によって駆動され、発生機は、タービンが回転するときに電気を作り出すことができる。ほとんどの風力タービンは、水平軸の周りの風によって駆動されるブレードを有する。水平軸風力タービンのブレードは、回転するときに風に直接的に接することができるので、ブレードの効率が向上する。
従来の垂直軸風力タービンは、使用中の垂直軸を中心としたロータの回転から電気を作り出す。従来の垂直軸風力タービンの設計は、水平軸風力タービンと比較して比較的低速で回転する場合にのみ空気力学的に効率的に動作できるようなものであり、その結果、このようなタービンのロータは、主伝達シャフト上に高トルクを作り出すことになる。これらの高トルクはまた、ロータの高トルク、低速回転を電気に変換するために、大型で、重く、高価なパワートレインを必要とする。
Ｖ型垂直軸風力タービンは、中心点または中心部からＶ字形に上方に突出するブレードを有する垂直軸風力タービンを備える。これにより、パワートレインは、高い場所ではなく、地面の近くに位置することになる。しかしながら、大型で高価なドライブトレインが依然として必要である。
本発明の一実施形態の少なくとも１つの目的は、効率が高く、多数の極を備えたギアボックスまたは発生機を有することを回避する発電用の改良された垂直軸タービンを提供することである。
第１の態様によれば、第１の回転軸の周りを回転するように構成された第１のロータと、少なくとも１つの第２のロータとを備えるタービンが提供される。第１のロータの第１の回転軸は、使用中、垂直、または少なくとも水平よりも垂直であってもよい。少なくとも１つの第２のロータは、第１のロータに設けられるか、含まれるか、または結合されてもよい。第１のロータは、流体運動によって、例えば、風もしくは水の流れによって、駆動および／または回転するように構成されてもよい。第１のロータは、例えば、第１のロータの回転時に流体を通して第２のロータを動かすことによって、第２のロータを駆動するように動作可能であってもよい。第１の回転軸の周りでの第１のロータの回転が、第２のロータを、例えば、第１の回転軸の周りで動かせるように、第２のロータは、第１のロータに設けられるか、含まれるか、または結合されてもよい。第２のロータは、パワーテイクオフシステムを駆動するように動作可能でもよく、または各第２のロータは、それぞれのパワーテイクオフシステムを駆動するように動作可能であってもよい。パワーテイクオフシステムは、少なくとも発電機、および任意選択でギアボックスを備えてもよい。好ましくは、発生機は、それぞれの第２のロータによって直接駆動されてもよく、または任意選択で、発生機は、それぞれのギアボックスを介してそれぞれの第２のロータによって間接的に駆動されてもよい。
各第２のロータは、それぞれの第２の回転軸の周りを回転するように構成されてもよい。少なくとも１つの第２のロータの第２の回転軸は、第１のロータの第１の回転軸に対して、例えば、概ね垂直に角度付けされてもよい。第２のロータが中心として回転するそれぞれの第２の回転軸のうちの少なくとも１つまたはそれぞれは、使用中、それぞれの水平軸、もしくは少なくとも垂直よりも水平な軸であるか、またはそれらを備えてもよい。言い換えれば、第２のロータのうちの少なくとも１つまたはそれぞれは、水平軸ロータであってもよい。第１のロータおよび第２のロータは、少なくとも１つまたはそれぞれの第２のロータの第２の回転軸が、第２のロータが第１のロータによって動かされる円形軌道に対して接線方向になるように配置されてもよい。
例示的な構成では、上記のタービンは、風または他の流体の流れによって駆動される主（第１の）ロータを備えてもよく、主（第１の）ロータには、パワーテイクオフシステムを駆動する１つまたは複数の２次または第２のロータが、（好ましくは、ギアボックスを使用することなく直接）設けられる。第２のロータは、第１の（主）ロータの回転によって動かされ、その結果、第１のロータによる流体を通した第２のロータの動きが、第２のロータのそれぞれのパワーテイクオフシステムを、回転させ、それによって駆動してもよい。効率的かつ効果的なタービンをもたらさないような構成が多く存在する。タービンは、使用可能であるために適切に構成されなければならず、第１のロータ、第２のロータ、およびパワーテイクオフは、組み合わされた結果、特に効率的かつ効果的なタービンとなるように選択されなければならない。多数の極対を有するギアボックスまたは発生機を必要とするパワーテイクオフなしで、ロータ、第２のロータ、およびパワーテイクオフの組合せを効率的かつ効果的にするための、第１および／または第２のロータのトルク、先端速度または回転速度、出力係数などのタービンの多くのパラメータの選択範囲は狭い。
（例えば、使用中に１次ロータが水平軸の周りを回転する場合の）水平軸タービンの最大空気力学的効率は、７に近い先端速度比（すなわち、ブレードの先端の速度と風速に垂直な風の速度との比）で達成される。先端速度比７で動作し、同様に先端速度比７で動作する水平軸の第１のロータに装着された水平軸の第２のロータの組合せは、４９に近い合成先端速度比を有することになる。風速１０ｍ／ｓでは、ブレードの先端の速度は４９０ｍ／ｓであり、音速を大幅に上回る。４９０ｍ／ｓの先端速度では、第２のロータは、２次ロータの使用可能な動作範囲をはるかに超えて動作している。
第１のロータの回転は、第２のロータを、地面に対する前進速度で円形経路に沿って動かし、その結果、第２のロータに推力が生じる。推力に打ち勝ち、第１のロータの回転および第２のロータの前進速度を維持するための機械力は、推力とロータの前進速度との積である。次に、第２のロータは、機械力をパワーテイクオフに供給する。第１のロータから第２のロータまで、したがってパワーテイクオフまでの機械力の伝達効率は、第２のロータによって供給される機械力と、第１のロータの回転を維持する機械力との比である。第２のロータが従来のＨＡＷＴロータと同様の空気力学的特性を有するように設計され、最大空気力学的効率で動作している場合、第１のロータから第２のロータまでの機械力の伝達効率は、理論上の限界である２／３に近い。このような低効率を補うには、より大型で、より重く、よりコストがかかる第１のロータが必要になる。
しかしながら、風または水の流れによって駆動される垂直軸の第１のロータを備えるが、１次／第１のロータによってパワーテイクオフが駆動されるのではなく、第１のロータが、１つまたは複数の第２のロータを空気または他の流体を通して動かし、空気または他の流体を通したそれらの運動による結果として生じる第２のロータの回転がパワーテイクオフを駆動するというシステムにおいて、上記の欠点の多くを低減、排除、または有利に使用することができる。
垂直軸タービンの空気力学的効率は、一般に、対応する水平軸タービンの空気力学的効率よりも低くなる。また、回転速度は遅くなり、トルクは高くなる傾向がある。実際、従来の垂直軸タービンでは、対応する水平軸タービンに相対する空気力学的効率が低下すると、同等の定格の水平軸タービンと同じ電力を作り出すために、垂直軸タービンがより大型になり、例えば、コスト、重量、複雑性において、関連する欠点を伴うことになるので、これらの特徴は問題になる可能性がある。さらに、ロータをパワーテイクオフに結合するために使用される伝達シャフトのトルクが高くなると、伝達システムがより重く、より高価になる。
知られている垂直軸タービンの上記の欠点の多くもまた、垂直軸の第１のロータおよび１つまたは複数の第２のロータを備えるシステムにおいて低減、排除、または有利に使用することができる。
例示的な構成では、垂直軸の風力タービンの欠点と第２のロータの欠点の両方を低減、排除、または有利に使用するために、垂直軸の第１のロータの特定の設計を、第２のロータの特定の設計と組み合わせる。空気力学的な考慮事項では、第２のロータのブレードの先端速度に最大値を定める。さらに、各２次ロータが、ギアボックスや多極発生機を必要とせずに発生機を直接駆動するとき、発生機の考慮事項では、第２のロータの回転速度に最小値を定める。
第１の例示的な構成では、ロータは、Ｖ字型の２つの上部ブレードを有する上部と、逆Ｖ字型の２つの下部ブレードを有する下部とを備える。１つの２次ロータ、および任意選択で関連する発生機が、各下部ブレードの先端に取り付けられる。各２次ロータは、４極対、および２５Ｈｚの公称周波数を有し得る関連する発生機を、ギアボックスを必要とせずに直接駆動する。第１のロータおよび第２のロータのロータ速度は変化し、風速とともに上昇する。第１のロータによって供給される機械力ＰＦは、周囲の風速に関連し、定格風速ＶＲで最大に達する。第１のロータは、先端速度比４．６５で最大空気力学的効率を有する。第２のロータは、空気力学的出力係数０．２７および空気力学的推力係数０．３３７５によって、先端速度比３．１３で動作する。第１のロータと第２のロータの先端速度比の積である合成先端速度比は、１４．５７である。第１のロータによって風から抽出される機械力は、
Figure 2022502600
によって、周囲の風速ＶＲ、および第２のロータの回転速度
Figure 2022502600
に関連する。第２のロータの回転速度が３９．２１ｒａｄ／ｓであり、定格風速が１２．６６ｍ／ｓである場合、２次ロータの先端速度は１８４．３ｍ／ｓであり、第１のロータによって風から抽出される機械力は５．９９ＭＷである。第２のロータの回転速度を変化させてタービンが動作されると、第２のロータは、第１のロータによって風から抽出された機械力の８４％である５．０２ＭＷの機械力を、１２．６６ｍ／ｓの風速で発生機に供給し、２０ｍ／ｓの風速で、第１のロータによって供給された機械力の９２％である５．５０ＭＷまで増加させる。第１のロータの面積は、１２，３５１平方メートルであり、空気力学的出力係数の最大値は０．３９である。第２のロータの合成面積は、１３８．８である。
第２の例示的な構成では、ロータは、Ｖ字型の２つのブレードを有する上部と、逆Ｖ字型の２つのブレードを有する下部とを備える。２つの２次ロータ、および任意選択で関連する発生機が、各下部ブレードの先端に取り付けられる。各２次ロータは、４極対、および２５Ｈｚの公称周波数を有し得る関連する発生機を、ギアボックスを必要とせずに直接駆動する。第１のロータは、先端速度比４．６５で最大空気力学的効率を有する。第２のロータは、空気力学的出力係数０．２７および空気力学的推力係数０．３３７５によって、先端速度比３．１３で動作する。第１のロータによって風から抽出される機械力は、
Figure 2022502600
である。第２のロータの回転速度が３９．２１ｒａｄ／ｓであり、定格風速が１１．７９ｍ／ｓである場合、２次ロータの先端速度は１７１．６ｍ／ｓであり、第１のロータによって供給される機械力は８．４１ＭＷである。第２のロータは、第１のロータによって供給された機械力の８４％である７．０５ＭＷの機械力を、１１．７９ｍ／ｓの風速で発生機に供給し、２０ｍ／ｓの風速で、第１のロータによって供給された機械力の９４％である７．９１ＭＷまで増加させる。第１のロータの面積は、２１，４７０平方メートルであり、空気力学的出力係数の最大値は０．３９である。第２のロータの合成面積は、２４２．３平方メートルである。
第１および第２の例示的な構成では、定格風速および第２のロータの先端速度の選択が、第１のロータによって供給される機械力、第２のロータによって発生機に供給される機械力、第１のロータの面積、および第２のロータの合成面積を含む、他のすべてのパラメータを決定する。定格風速を変化させずに第２のロータの回転速度を上昇させることによって例示的な構成のいずれかを変更すると、発生機に供給される電力、第１のロータの面積、および第２のロータの合成面積が、同じ係数、すなわち、回転速度の２乗の比だけ、減少する。第２の構成において第２のロータの回転速度を３９．２１ｒａｄ／ｓから４６．４６ｒａｄ／ｓに上昇させると、第１のロータによって供給される機械力は、８．４１ＭＷから５．９９ＭＷに減少する。ブレードの先端に取り付けられた２次ロータの数および発生機に供給される総機械力を同じに保ちながら、第１のロータの下部を構成するブレードの数を２個から３個に増やすことによって、例示的な構成のいずれかを変更すると、２次ロータの回転速度は４８．０２ｒａｄ／ｓに、発生機の公称周波数は３０Ｈｚに上昇する。
機械力を発生機に供給する際の第１のロータおよび第２のロータの合成効率は、８４％から９４％の間である。この高合成効率は、先端速度比４．６５での空気力学的出力係数の最大値が０．３９である高空気力学的効率の第１のロータと、先端速度比３．１３での空気力学的出力係数の値が０．２７であり、空気力学的出力係数と空気力学的推力係数の比の値が０．８である低空気力学的効率の第２のロータとを有することによって得られる。第１のロータが最大空気力学的効率を有する先端速度比は、Ｈロータの垂直軸タービンよりもＶロータの垂直軸タービンの方が高く、Ｖロータの場合、値４．６５が容易に得られる。空気力学的出力係数と空気力学的推力係数の比の値０．８は、ブレードの根元の曲げモーメントを一定に保ちながら、風速から抽出される機械力を最大化するように２次ロータを設計することによって得ることができる。先端速度比３．１３での空気力学的出力係数の値０．２７は、この基準に合わせて設計された低効率ロータの正常範囲内である。
効率的かつ効果的なタービンをもたらす特定の構成は、以下の特徴を有する。
第１の（１次）ロータは、概ね垂直な回転軸の周りを回転してもよく、概ね水平に配向された回転軸を有する１つまたは複数の２次ロータを動かすように構成される。
第１のロータは、少なくとも１つの上部ブレードおよび／または少なくとも１つの下部ブレードを備えてもよい。
少なくとも１つの第２のロータは、パワーテイクオフが、直接駆動、すなわちギアボックスを伴わないように、または半直接駆動、すなわち単段ギアボックスを伴うように構成されてもよい。
パワーテイクオフは、定格風速に達するまで、風速とともに上昇する第１のロータの回転速度によって、第１のロータおよび第２のロータの可変速度動作を提供するように構成されてもよい。
第１のロータは、定格風速未満でその空気力学的出力係数の最大値またはそれに近い最大値で動作するように構成されてもよい。
第１のロータは、垂直軸タービンの正常範囲である４から５の範囲内の先端速度比の値で最大空気力学的効率を有するように構成されてもよい。
組み合わされた第１のロータおよび第２のロータは、少なくとも１つの第２のロータが低効率で動作しているときに、発生機に機械力を供給する際の効率が高くなるように構成されてもよい。
少なくとも１つの第２のロータは、定格風速未満で３から４の範囲内の先端速度比で動作する必要があるように構成されてもよい。
少なくとも１つの第２のロータは、定格風速未満で０．７５より高い値を有する、空気力学的出力係数と空気力学的推力係数との比の高い値で動作するように構成されてもよい。
第１のロータおよび第２のロータは、定格風速未満で第１のロータの先端速度比と第２のロータの先端速度比との積が１４から１６の範囲内であり、第２のロータの先端速度が定格風速で音速の０．４から０．６倍の範囲内であるように構成されてもよい。
第１のロータの特性、具体的には先端速度比および空気力学的出力係数の値、ならびに第２のロータの特性、具体的には先端速度比、空気力学的出力係数、および空気力学的推力係数の値はすべて、厳しい制限の対象となる。第２のロータの定格風速および回転速度の値を選択すると、第１のロータの面積および第２のロータの全面積を含む残りのすべての変数の値が決定される。定格風速の値自体を１１ｍ／ｓから１３．５ｍ／ｓの範囲に制限し、発生機の公称回転速度も２０Ｈｚを超えるように制限すべきであるが、第１および第２の例示的な構成によって示されるような効率的かつ効果的なタービンを得るのに十分な設計上の柔軟性が依然として残っている。
第１のロータは、定格風速未満で、その最大空気力学的出力係数（Ｃｐｍａｘ）またはそれに近い係数、例えば５％以内で動作するように構成されてもよい。空気力学的出力係数（Ｃｐｍａｘ）は、第１のロータおよび関連するブレードの設計および構成によって変化するが、任意の所与のロータおよびブレードの構成／設計のために当業者によって容易に決定され得ることが理解されよう。
少なくとも１つの第２のロータは、空気力学的出力係数と空気力学的推力係数との比が、定格風速未満で０．７５よりも高い値を有するように動作するように構成されてもよい。
少なくとも１つの第２のロータは、先端速度比が定格風速未満で３〜４の範囲にあるように動作するように構成されてもよい。
第１のロータおよび少なくとも１つの第２のロータは、定格風速が１１ｍ／ｓから１３．５ｍ／ｓの範囲にあるように構成されてもよい。
第１のロータおよび少なくとも１つの第２のロータは、第２のロータの回転速度が、パワーテイクオフを駆動、例えば、直接駆動するのに十分高速であるように構成されてもよい。しかしながら、第２のロータの回転速度が高すぎる場合、空気力学的出力係数と空気力学的推力係数の比の値は０．７５未満になる。第１のロータおよび／または少なくとも１つの第２のロータは、第１のロータの先端速度比と第２のロータの先端速度比との積が１４から１６の範囲内であり、第２のロータの先端速度が定格風速で音速の０．４から０．６倍の範囲内であるように構成されてもよい。
パワーテイクオフは、発生機の回転速度が定格風速で２０Ｈｚを超えるように構成されてもよい。
第１のロータは、少なくとも１つの上部ブレードおよび／または少なくとも１つの下部ブレードを備えてもよい。
タービンは、風力タービンおよび／または潮流タービンとして動作するように構成可能であってもよい。第１のロータの回転軸は、使用中、垂直であり得るか、または垂直から１０°以内であり得るか、または水平よりも垂直に近い角度であり得ることが理解されよう。第１のロータの角度が調整可能または変更可能である場合、第１のロータの回転軸は、使用中、ロータの調整可能または変更可能な角度のうちの少なくともいくつかまたはすべてにおいて、垂直であり得るか、または垂直から１０°以内であり得るか、または水平よりも垂直に近い角度であり得る。
少なくとも１つの第２のロータは、電力を第１のロータの回転から第２のロータの回転に変換するように構成可能であってもよい。第２のロータは、第１のロータによって風から抽出された機械力の最低８０％が、すべての運転条件で発生機に供給されるように構成されてもよく、すなわち、タービンは、使用中、高効率を有することができる。
第１のロータは、垂直軸タービンの正常範囲である４から５の範囲内の先端速度比の値で最大空気力学的効率を有するように構成されてもよい。
少なくとも１つの第２のロータは、パワーテイクオフシステムを駆動するように構成されてもよい。例えば、少なくとも１つの第２のロータは、発電機を駆動するように構成されてもよい。１つまたは複数の第２のロータのそれぞれは、パワーテイクオフシステムを駆動するように構成されてもよい。パワーテイクオフシステムは、ＡＣ発生機を備えてもよい。ＡＣ発生機は、８極対以下または４極対以下など、いくつかの極対を有する発生機とすることができる。パワーテイクオフシステムは、同期発生機、例えば、２５Ｈｚ、４極対、２．５ＭＷの同期発生機とすることができる。
パワーテイクオフシステムは、少なくとも１つの第２のロータの回転により、使用中に電力を生成してもよい。例えば、少なくとも１つの第２のロータの使用中の回転は、関連するパワーテイクオフシステムを駆動してもよく、関連するパワーテイクオフシステムは、電気などの電力を生成してもよい。パワーテイクオフシステムは、使用中、第２のロータによって、直接駆動されるなどして駆動されてもよい。
直接駆動されることは、パワーテイクオフシステムが少なくとも１つの第２のロータと同じ速度で回転することを意味する可能性がある。例えば、使用中の少なくとも１つの第２のロータの各回転は、パワーテイクオフシステムの１回転をもたらしてもよい。
パワーテイクオフシステムは、第２のロータに、直接結合されるなどして結合されてもよい。例えば、少なくとも１つの第２のロータとパワーテイクオフシステムとの間の結合は、有利には、ギアボックスを備えなくてもよい。言い換えれば、タービンは、ギアボックスレスまたは直接駆動タービンとすることができる。
パワーテイクオフは、定格風速に達するまで、風速とともに上昇する第１のロータの回転速度によって、第１のロータおよび第２のロータの可変速度動作を提供するように構成されてもよい。
少なくとも１つの第２のロータは、ブレードのうちの少なくとも１つに設けられるか、またはブレードのうちの少なくとも１つに含まれてもよい。下部ブレードは、少なくとも１つの第２のロータを備えるか、または少なくとも１つの第２のロータが設けられてもよい。下部ブレードはそれぞれ、第２のロータを備えるか、または第２のロータが設けられてもよい。下部ブレードのうちの少なくともいくつかは、それぞれ２つ以上の第２のロータを備えるか、または２つ以上の第２のロータが設けられてもよい。タービンは、使用中、例えば、タービンの全体の動作中、第２のロータが地面または海面上から２５ｍ以下になるように構成されてもよい。
少なくとも１つの第２のロータは、使用中に実質的に水平な回転軸などの第２の回転軸を備えてもよい。少なくとも１つの第２のロータは、第２のタービンなどの、タービンであるか、タービンを備えるか、またはタービンに含まれてもよい。
タービンは、少なくとも１つの支持構造を備えてもよい。少なくとも１つの第２のロータは、少なくとも１つの支持構造に設けられるか、または含まれてもよい。少なくとも１つの支持構造は、少なくとも１つの第２のロータを備えるか、または少なくとも１つの第２のロータが設けられてもよい。少なくとも１つの支持構造はそれぞれ、第２のロータを備えるか、または第２のロータが設けられてもよい。少なくとも１つの支持構造の少なくともいくつかはそれぞれ、２つ以上の第２のロータを備えるか、または２つ以上の第２のロータが設けられてもよい。
２つ以上の第２のロータが存在してもよい。少なくとも１つの第２のロータは、第１のロータのブレードに装着されるか、またはブレードに含まれてもよい。第１のロータによって、例えば、第１のロータの回転によって、別個の回転構造が回転可能であるように、少なくとも１つの第２のロータは、第１のロータに結合された別個の回転構造に取り付けられるか、または装着されてもよい。第２のロータのうちの少なくともいくつかまたはすべては、第２のロータが支持されている、かつ／もしくは組み込まれている第１のロータのブレードに沿って同じ距離、および／または、そのブレード上の相対位置にあってもよい。第２のロータのうちの少なくともいくつかまたはすべては、その第２のロータが支持されている第１のロータのブレードの先端および／またはその近傍にあってもよい。ブレードの先端は、第１のロータの回転軸から最も遠い端部、例えば、ブレードの遠位端であってもよい。第２のロータのうちの少なくともいくつかまたはすべては、例えば、使用中に実質的に垂直である、第１のロータの第１の回転軸から同じ距離および／または半径であってもよい。
第２のロータのうちの少なくともいくつかまたはすべては、第１のロータの第１の回転軸に対して同じ相対位置にあってもよい。例えば、２つ以上の第２のロータのうちの少なくともいくつかまたはすべては、第１のロータの第１の回転軸の周りで回転対称に配置されてもよい。２つ以上のロータのうちの少なくともいくつかまたはすべては、使用中、同じ経路をたどってもよい。２つ以上のロータのうちの少なくともいくつかは、平面に配置されるか、または第１のロータの第１の回転軸に実質的に垂直である円で回転するように構成されてもよい。
第１のロータは、使用中、上部ブレードおよび／または下部ブレードに作用する空気（例えば、風）または水などの流体によって駆動されてもよい。上部ブレードおよび／または下部ブレードは、第１のロータの回転の効率を最大化するように構成されるか、構成可能であるか、再構成可能であるか、または動的に再構成可能であってもよい。
上部ブレードおよび／または下部ブレードのうちの少なくともいくつかは、空気力学的および／または流体力学的に設計されてもよい。上部ブレードおよび／または下部ブレードのうちの少なくともいくつかは、翼または水中翼の形状など、少なくとも部分的に薄板の形状であってもよい。例えば、上部ブレードおよび／または下部ブレードのうちの少なくともいくつかは、ブレード長さの少なくとも一部に沿った薄板の形状であってもよい。
タービンは、２つ以上の上部ブレードを備えてもよい。タービンは、２つ以上の２つの下部ブレードを備えてもよい。タービンは、下部ブレードと同じ数の上部ブレードを備えてもよい。上部ブレードおよび／または下部ブレードのうちのいくつかまたはすべての先端または遠位端は、例えば、独立しているか、または、例えば他の上部ブレードおよび／または下部ブレードに接続されていなくてもよい。
上部ブレードおよび下部ブレードは、タービンを少なくとも部分的に平衡化するように構成されるか、または構成可能であってもよい。例えば、各上部ブレードは、下部ブレードと対をなしてもよく、上部ブレードと下部ブレードの各対は、平面内にあってもよい。上部ブレードと下部ブレードの対が存在する平面は、第１のロータの第１の回転軸と平行であってもよい。上部ブレードと下部ブレードの対などの上部ブレードおよび／または下部ブレードは、第１のロータの回転軸の周りに、回転対称などで対称的に配置されてもよい。上部ブレードおよび下部ブレードから主軸受に発生するモーメントは、反対方向に作用し、したがって部分的に相殺する。
タービンは、第１のロータを支持するための支持体またはタワーを備えてもよい。第１のロータは、タワーもしくは支持体の最上部に、取り付けられる、例えば、回転可能に取り付けられる、かつ／または固定されてもよい。第１のロータは、第１の軸受でタワーに固定される、かつ／または取り付けられてもよい。第１のロータの第１の回転軸は、タワーの軸に沿っていてもよい。
第１のロータは、第１の軸受上で回転可能であってもよい。上部ブレードおよび／または下部ブレードなどのブレードは、第１の軸受に取り付けられる、かつ／または固定されてもよい。ブレードは、第１のロータおよび／または第１の軸受に作用する転倒モーメントを低減および／または最小化するように、配置される、かつ／または構成可能であってもよい。例えば、上部ブレードから第１の軸受に作用する転倒モーメントは、下部ブレードから第１の軸受に作用する転倒モーメントによって実質的または完全に打ち消されてもよい。使用中に上部ブレードによって第１の軸受に作用する転倒モーメントは、使用中に下部ブレードによって第１の軸受に作用する転倒モーメントとは反対の方向に作用してもよい。
少なくとも１つの第２のロータは、少なくとも１つの第２のブレード、例えば、５つの第２のブレードを備えてもよい。少なくとも１つの第２のブレードは、例えば、使用中のそれぞれの第２の回転軸の周りで、使用中の少なくとも１つの第２のロータの回転を駆動してもよい。少なくとも１つの第２のブレードおよび／または第２のロータは、第１のロータの回転によって駆動されてもよい。例えば、使用中の第１のロータの回転は、水および／または空気などの流体を通して少なくとも１つの第２のロータを駆動してもよく、流体は、第２のロータおよび／または少なくとも１つの第２のブレードに対して作用して、第２のロータを回転させてもよい。少なくとも１つの第２のブレードは、少なくとも１つの第２のロータを回す、回転させる、かつ／または駆動するように構成可能であってもよい。
少なくとも１つの第２のロータは、０．０７から０．０９未満、例えば、０．０８２のロータ剛性を有してもよい。ロータ剛性は、ロータの掃引面積に対するロータブレードの総面積である。
ブレードのうちの少なくともいくつかは、ブレードに対して作用する流体からエネルギーを抽出するように配置される、かつ／または構成可能であってもよい。上部ブレードおよび／または下部ブレードおよび／または第２のブレードのうちの少なくともいくつかは、ブレードに対して作用する流体からエネルギーを抽出するように配置される、かつ／または構成可能であってもよい。
第１のロータのブレードなどのブレードのうちの少なくともいくつかは、ピッチング可能であってもよい。好ましくは、例えば、第１のロータの上部ブレードおよび／または下部ブレードのうちの少なくともいくつかは、ピッチング可能であってもよい。ブレードのうちの少なくともいくつかは、個別にピッチング可能であってもよい。ブレードのうちの少なくともいくつかは、フルスパンピッチング可能であってもよい。ブレードのうちの少なくともいくつかは、実質的に一直線状および／または線状であってもよい。ブレードのうちの少なくともいくつかは、それらの線形軸または縦軸の周りでピッチング可能、例えば、それらの線形軸または縦軸の周りで回転可能であってもよい。タービンは、ブレードをピッチングするように動作可能であり得るアクチュエータを備えてもよい。アクチュエータは、ブレードのうちの少なくともいくつかの基部にあるか、またはそれらの基部に結合されてもよい。例えば、アクチュエータは、第１の軸受に最も近いブレードのうちの少なくともいくつかの端部にあるか、またはそれらの端部に結合されてもよい。各ブレードは、それぞれのアクチュエータによって動作可能であってもよい。第２のロータのない各上部ブレードおよび／または下部ブレードは、アクチュエータによって動作可能であってもよい。第２のロータのない各上部ブレードおよび／または下部ブレードは、ピッチング可能であってもよい。アクチュエータは、使用中、例えば、タービンの基部から容易にアクセス可能であるなど、使用中に交換可能および／またはアクセス可能であってもよい。
少なくとも１つの第２のブレードは、それらの第２のブレードに対して作用する流体からエネルギーを抽出するように構成可能であってもよい。
第１のロータは、支持部材を備えてもよい。支持部材は、第１の軸受に、取り付けられる、かつ／または固定されてもよい。上部ブレードおよび／または下部ブレードなどのブレードは、支持部材に取り付け可能および／または固定可能であってもよい。
支持部材は、実質的に平面でもよく、かつ／または、縦方向もしくは細長の支持部材であるか、またはそれを備えてもよい。支持部材は、棒、円、三角形、正方形、または他の多角形であるか、またはそれらを備えてもよい。支持部材は、上部ブレードと下部ブレードの対の数と同じ数の角を有する、正多角形などの多角形であってもよい。支持部材は、複数の棒を備えてもよく、各棒は、少なくとも１つの上部ブレードおよび／または少なくとも１つの下部ブレードを支持してもよい。支持部材は、使用中の第１のロータの回転軸に対して実質的に水平および／または垂直であってもよい。
支持部材は、空気力学的および／または流体力学的な形状であってもよい。支持部材は、翼および／または水中翼の形状など、少なくとも部分的に薄板の形状であってもよい。例えば、支持部材は、その棒のうちの１つの長さの少なくとも一部に沿った薄板の形状であってもよい。支持部材は、回転対称であってもよい。
例えば第１のロータの上部ブレードおよび／または下部ブレードは、支持部材の端部、例えば、各端部またはその近傍に取り付けられる、かつ／または固定されてもよい。例えば、それぞれの上部ブレードは、支持部材の各端部から概ね上向きおよび／または外向きに延出していてもよく、それぞれの下部ブレードも、支持部材の各端部から概ね下向きおよび／または外向きに延出していてもよい。上部ブレードは、例えば、支持部材から延出しているので、互いに離れて傾斜していても、角度付けされていてもよい。下部ブレードは、例えば、支持部材から延出しているので、互いに離れて傾斜していても、角度付けされていてもよい。上部ブレードおよび／または下部ブレードは、それらのブレードが第１のロータの回転軸の周りで回転対称になるように、支持部材に装着されてもよい。上部ブレードは、使用中の支持部材の上面に取り付けられてもよい。下部ブレードは、使用中の支持部材の下面に取り付けられてもよい。
タービンおよび／または第１のロータは、例えば、第１のロータの回転軸の周りで回転対称であってもよい。
上部ブレードは、使用中にタワーの上で回転してもよい。下部ブレードは、使用中にタワーの周りを回転してもよい。上部ブレードおよび／または下部ブレードは、タワーから離れるように突出していてもよい。上部ブレードおよび／または下部ブレードの先端は、例えば第１の軸受および／または支持部材に、取り付けられた、取り付け可能な、かつ／または、固定された、もしくは固定可能なブレードの基部よりも、例えば使用中に垂直である回転軸から離れていてもよい。
上部ブレードは、使用中に概ね上方に突出していてもよい。上部ブレードは、使用中、支持部材および／または第１の軸受から概ね上方に突出していてもよい。上部ブレードは、使用中、垂直に対してある角度で突出していてもよい。例えば、上部ブレードは、使用中に垂直に対して９０°未満の角度、好ましくは使用中に垂直に対して０°から４５°の角度、さらに好ましくは使用中に垂直に対して１５°から４０°の角度、より好ましくは使用中に垂直に対して２５°から３５°の角度をなしてもよい。
下部ブレードは、使用中、概ね下方に突出していてもよい。下部ブレードは、使用中、支持部材および／または第１の軸受から概ね下方に突出していてもよい。下部ブレードは、使用中、垂直に対してある角度で突出していてもよい。例えば、下部ブレードは、使用中に垂直に対して９０°未満の角度、好ましくは使用中に垂直に対して０°から５０°の角度、さらに好ましくは使用中に垂直に対して２５°から５０°の角度、より好ましくは使用中に垂直に対して４５°から５０°の角度をなしてもよい。
下部ブレードは、使用中、垂直に対して、上部ブレードが使用中に垂直に対してなす鋭角よりも大きい鋭角をなしてもよい。下部ブレードは、使用中、垂直に対して、上部ブレードが使用中に垂直に対してなす鋭角よりも小さい鋭角をなしてもよい。上部ブレードおよび下部ブレードは、使用中に垂直に対して同じ鋭角をなしてもよい。
上部ブレードは、下部ブレードより長くてもよい。下部ブレードは、上部ブレードより長くてもよい。下部ブレードの長さは、上部ブレードの長さの３分の２以下程度であってもよい。
上部ブレードの長さは、最大２００ｍ、好ましくは５０ｍから１５０ｍの範囲内、より好ましくは８０ｍから１２０ｍの範囲内、例えば、１００ｍであってもよい。下部ブレードの長さは、最大１４０ｍ、好ましくは３５ｍから１０５ｍの範囲内、より好ましくは５５ｍから７５ｍの範囲内、例えば、６５ｍであってもよい。
上部ブレードおよび／または下部ブレードの先端は、例えば、使用中に実質的に垂直である回転軸から同じ半径を有してもよい。代替として、上部ブレードおよび／または下部ブレードの先端は、例えば、使用中に実質的に垂直である回転軸とは異なる半径を有してもよい。
少なくとも１つの第２のロータは、少なくとも１つの上部ブレード上および／または好ましくは少なくとも１つの下部ブレード上にあってもよく、したがって、少なくとも１つの第２のロータは、第１のロータの回転軸の周りを、最大で上部ブレードの先端の半径および／または下部ブレードの先端の半径までの半径で回転してもよい。
上部ブレードは、すべて同じ、例えば、同じ長さおよび／または外形であってもよい。下部ブレードは、すべて同じ、例えば、同じ長さおよび／または外形であってもよい。少なくとも１つの第２のブレードは、すべて同じ、例えば、同じ長さおよび／または外形であってもよい。
上部ブレードのうちの少なくともいくつかまたはそれぞれは、他の上部ブレードのうちの少なくともいくつかまたはそれぞれと異なっていてもよい。例えば、互いに同じである２つの第１の上部ブレード、および互いに同じであるが第１の上部ブレードとは異なる２つの第２の上部ブレードが存在してもよい。いくつかの上部ブレードは、それらの形状、サイズ、長さ、垂直に対する角度、第２のロータの数、および／またはピッチング可能であるかどうかのうちの少なくとも１つもしくは複数またはすべてにおいて、他のいくつかの上部ブレードと異なっていてもよい。
下部ブレードのうちの少なくともいくつかまたはそれぞれは、他の下部ブレードのうちの少なくともいくつかまたはそれぞれと異なっていてもよい。例えば、互いに同じである２つの第１の下部ブレード、および互いに同じであるが第１の下部ブレードとは異なる２つの第２の下部ブレードが存在してもよい。いくつかの下部ブレードは、それらの形状、サイズ、長さ、垂直に対する角度、および第２のロータの数のうちの少なくとも１つもしくは複数またはすべてにおいて、他のいくつかの下部ブレードと異なっていてもよい。
第１のロータは、パワーテイクオフシステムを備えてもよい。第１のロータは、２つ以上の発電機などの２つ以上のパワーテイクオフシステムを備えてもよい。
第１の軸受は、有利には、パワーテイクオフシステムを備えなくてもよい。第１の軸受は、有利には、従来のタービンドライブトレインなどのドライブトレインを備えなくてもよい。
少なくとも１つの第２のロータは、例えば、メンテナンスおよび修理に費やされる時間および労力を最小限に抑えるために、使用中、取り外し可能および／または交換可能であってもよい。少なくとも１つの２次ロータは、タービンが直立しているとき、および／または使用中のとき、容易にアクセス可能であるなど、アクセス可能であってもよい。例えば、少なくとも１つの第２のロータは、タービンが直立しているとき、および／または使用中のとき、例えば、地面、海面、またはタワーの基部の高度からアクセス可能であってもよく、例えば、少なくとも１つの第２のロータは、使用中、地面もしくは海面から、２５ｍ以下であってもよい、または常に２５ｍ以下であってもよい。第１のロータの回転軸が実質的に垂直であるとき、タービンは直立していると見なされてもよい。少なくとも１つの第２のロータは、低い高さ、例えば、第１の軸受および／または支持部材よりも実質的に低い位置など、低い位置にあってもよい。
タービンは、電力系統に接続可能であってもよい。電力系統は、セルおよび／またはバッテリなどの再充電可能な電源を備えてもよい。電力系統には、国の電力網などの電力網が含まれ得る。
タービンは、風速計、ＬＩＤＡＲ、風向計、および／または同様のものなど、１つまたは複数の風速および／または風向測定機器を備えてもよい。
タービンは、少なくとも１つの第２のロータおよび関連するパワーテイクオフシステムを使用して、卓越風の方向を決定するように構成されてもよい。少なくとも１つの第２のロータが風に向かって回転しているとき、生成される電力は増加した状態および／または最大であり、風から離れて回転しているとき、生成される電力は減少した状態および／または最小である。したがって、タービンは、卓越風の方向を決定するために、少なくとも１つの第２のロータおよび関連するパワーテイクオフシステムによって生成された電力の変動を分析するように動作可能であってもよい。
タービンは、電力コネクタを備えてもよい。電力コネクタは、スリップリングなどを介して接続され得る、回転変圧器または非回転もしくは従来の変圧器などの変圧器を備えてもよい。電力コネクタは、有利には、可変周波数変圧器または電気接続を備えてもよい。電力コネクタは、タワーの中および／または近傍、例えば、タワーの基部の中および／もしくは近傍、またはタービンのハブの中に収容されてもよい。電力コネクタは、タービンを、グリッドなどの外部電力系統、例えば国の電力網に接続してもよい。電力コネクタは、使用中のタワーの基部から、容易にアクセス可能であるなど、アクセス可能であってもよい。
タービンは、電力変換器および／または電力エレクトロニクスを備えてもよい。電力変換器および／または電力エレクトロニクスは、パワーテイクオフシステムを電力コネクタに接続してもよい。電力変換器および／または電力エレクトロニクスは、パワーテイクオフシステム、電力コネクタ、および／またはパワーテイクオフシステムと電力コネクタとの間を通過する電力を調節してもよい。
電力変換器および／または電力エレクトロニクスは、電力コネクタを制御してもよい。例えば、回転変圧器へのＡＣ電力供給の周波数は、外部電力系統への、９８％よりも高い高効率接続を実現するように制御されてもよい。
電力変換器および／または電力エレクトロニクスは、タービンを制御してもよい。例えば、電力エレクトロニクスは、発生機へのＡＣ電力供給の周波数を使用することによって、またはその周波数を適切に制御および／もしくは変更することによって、パワーテイクオフ、および発生機の回転速度を制御してもよい。例えば、定格風速未満では、第２のロータ速度は、最大発電を達成するように制御されもよく、定格風速を超えると、第２のロータ速度は、定格発電を達成するように制御されてもよい。
タービンは、ピッチアクチュエータを備えてもよい。ピッチアクチュエータは、ブレードのうちの少なくともいくつかをピッチングしてもよい。ピッチアクチュエータは、ブレードのうちの少なくともいくつか、例えば、少なくとも第１のロータの上部ブレードを、卓越風の方向に対するブレードの回転位置に応じて循環的にピッチングするように制御してもよい。例えば、ピッチアクチュエータは、ブレードのうちの少なくともいくつかのピッチを、定格風速未満の際にエネルギーを最大化するように制御し、定格風速を超える際に回転速度を調節し、かつ／または過速度保護を提供するように構成されてもよい。ピッチアクチュエータは、上部ロータのブレードの根元の中および／または近傍に収容されてもよい。ピッチアクチュエータは、使用中のタワーの基部から、容易にアクセス可能であるなど、アクセス可能であってもよい。
タービンの質量中心は、使用中、低い位置にあってもよい。例えば、電力コネクタおよび電力エレクトロニクスは、タワーの基部および／またはその近傍に収容されてもよく、これにより、タービンの質量中心を下げて、使用中のタワーの基部に近づけてもよい。
タワーは、プラットフォームによって支持されてもよい。プラットフォームは、浮遊可能および／またはテザー可能であってもよい。タービンは、従来の浮体式タービンのプラットフォームと比較して、プラットフォームの重量および／またはサイズを低減するように構成されてもよい。
第２の態様によれば、第１の態様のタービンを使用して電力を生成する方法がある。
生成される電力は、少なくとも１つの第２のロータの回転によって生成され、かつ／または少なくとも１つの第２のロータの回転から抽出されてもよい。
方法は、タービンを流体にさらすことを含んでもよく、流体は、上部ブレードおよび／または下部ブレードに対して作用して、第１のロータを駆動してもよい。流体は、空気および／または水であってもよい。例えば、風および／または波のエネルギーは、上部ブレードおよび／または下部ブレードを押して第１のロータを駆動してもよい。上部ブレードおよび／または下部ブレードは、上部ブレードおよび／または下部ブレードに対して作用する流体からエネルギーを抽出するように構成可能であってもよい。
方法は、上部ブレードおよび／または下部ブレードを、先端速度比および第１のロータの回転速度が使用中に高くなるように、例えば、先端速度比が４から５の範囲内であるように構成することを含んでもよい。
方法は、第１のロータおよび／または少なくとも１つの第２のロータを、先端速度比および回転速度が使用中に低くなるように、例えば、先端速度比が３〜５の範囲内であるように構成することを含んでもよい。使用中の少なくとも１つの第２のブレードの最大先端速度は、定格風速で１６０ｍ／ｓから２００ｍ／ｓ、例えば、１８０ｍ／ｓなどのように高くてもよい。
方法は、流体を通した第１のロータの回転が、流体を通して、例えば、空気または水を通して少なくとも１つの第２のロータを駆動するように、タービンを配置することを含んでもよい。流体は、少なくとも１つの第２のロータに対して作用して、少なくとも１つの第２のロータを駆動してもよい。例えば、流体は、少なくとも１つの第２のロータの第２のブレードに対して作用して、少なくとも１つの第２のロータを回転させてもよい。
少なくとも１つの第２のロータの回転は、少なくとも１つのパワーテイクオフシステムを駆動してもよく、パワーテイクオフシステムは、電力、例えば、電気を生成してもよい。少なくとも１つの第２のロータは、ギアボックスも多極発生機もなしでパワーテイクオフシステムを駆動してもよい。例えば、少なくとも１つの第２のロータの回転は、少なくとも１つのパワーテイクオフシステムを直接駆動してもよい。使用中の少なくとも１つの第２のブレードの回転は、パワーテイクオフシステムを直接駆動してもよい。
少なくとも１つの第２のロータによって生成される電力は、循環的、正弦波的、および／または周期的であってもよい。例えば、少なくとも１つの第２のロータは、第１のロータが回転するとき、流体の流れに逆らって、また流体の流れに合わせて、二者択一的に駆動されてもよい。少なくとも１つの第２のロータによって生成される電力は、少なくとも１つの第２のロータが流体の流れに合わせて駆動されるときよりも、少なくとも１つの第２のロータが流体の流れに逆らって駆動されるときの方が大きくなる可能性がある。少なくとも１つの第２のロータによって生成される循環的、正弦波的、および／または周期的電力は、第２のロータによって生成される電力の効率を高めることができる。例えば、少なくとも１つの第２のロータによって生成される循環的、正弦波的、および／または周期的電力は、少なくとも１つの第２のロータに対して作用する流体から抽出されるエネルギーを増加させることができる。振幅Ａおよび平均流速
Figure 2022502600
の第２のロータ上の流体の流速における正弦波的変動の場合、抽出されるエネルギーは係数
Figure 2022502600
だけ増加する。少なくとも１つの第２のロータによって生成される循環的、正弦波的、および／または周期的電力の決定は、卓越風の方向を決定するために使用されてもよい。
少なくとも１つの第２のロータによって生成される循環的、正弦波的、および／または周期的電力は、第１のロータの回転の速度および／または周波数を算出および／または決定するために使用されてもよい。
第１のロータによって生成される電力は、循環的、正弦波的、および／または周期的であってもよい。第１のロータによる最大発電点は、少なくとも１つの第２のロータによる最小発電点と一致する可能性がある。少なくとも１つの第２のロータによって生成される電力の循環的、正弦波的、および／または周期的性質は、第１のロータによって生成される位相のずれた循環的、正弦波的、および／または周期的電力によって低減される可能性がある。
第３の態様によれば、第１の態様または第２の態様のタービンを制御する方法がある。
タービンは、特定の条件下で最大効率を有するように構成可能であってもよい。例えば、特定の所望の速度または特定の所望の速度範囲内の流体がタービンに対して吹いているとき、タービンは、タービンに対して作用する流体からエネルギーを抽出するのに最も効率的である可能性がある。タービンは、これらの条件下で最大電力を生成するように定格されてもよい。タービンは、これらの条件下でタービンに対して作用する流体から最大エネルギーを抽出するように定格されるか、または構成可能であってもよい。
例えば、タービンが風力タービンとして動作しているとき、タービンは、１１ｍ／ｓから１３．５ｍ／ｓの範囲内の定格風速未満の風速で最も効率的に動作するように構成可能であってもよい。タービンは、メガワットの電力、例えば、最大１０ＭＷ、例えば５．９ＭＷなどの数メガワットの電力を生成するように構成可能であってもよい。
タービンが風力タービンとして動作しているとき、方法は、少なくとも１つの第２のロータを、最大６５ｍ／ｓ、例えば５９ｍ／ｓの有効風速で最も効率的に動作するように構成することを含んでもよい。少なくとも１つの第２のロータの有効風速は、第１のロータが回転するときの、風速と少なくとも１つの第２のロータの相対速度との加算である。方法は、少なくとも１つの第２のロータを、最大５ＭＷ、例えば２．５ＭＷなどの数メガワットの電力を生成するように構成することを含んでもよい。
方法は、ブレードのうちの少なくともいくつか、例えば、第２のロータのない上部ブレードおよび／または下部ブレードをピッチングすることを含んでもよい。方法は、上部ブレードをピッチングすることを含んでもよい。方法は、第１のロータが回転するとき、各上部ブレードの向きを流体の流れに固定するように上部ブレードをピッチングすることを含んでもよい。例えば、上部ブレードは、循環的にピッチングされてもよい。ブレードのうちの少なくともいくつかは、第１のロータの回転と同じ周波数でピッチングされてもよい。ブレードのうちの少なくともいくつかは、タービンがその最大エネルギー定格未満で動作しているとき、例えば、風が特定の所望の速度または特定の所望の速度範囲未満でタービンに対して吹いているときにピッチングされてもよい。上部ブレードなどのブレードのうちの少なくともいくつかピッチングすると、タービンによって生成されるエネルギーが増加する可能性がある。例えば、上部ブレードなどのブレードのうちの少なくともいくつかをピッチングすると、タービンに対して吹く風から抽出されるエネルギーが増加する可能性がある。
ブレードのうちの少なくともいくつかは、垂直軸タービンに対して作用する流体からタービンまでエネルギーが移送されるときの効率を、ブレードがピッチングされない場合および／またはブレードがタービンの回転に対して固定されたピッチを有する場合の流体から垂直軸タービンまでのエネルギー移送と比較して上昇または最適化するようにピッチングされてもよい。例えば、ブレードのうちの少なくともいくつかは、第１のロータの回転速度を上昇または最適化するようにピッチングされてもよい。タービンが風力タービンとして動作しているとき、ブレードのうちの少なくともいくつかは、それらのブレードの向きを風に固定するようにピッチングされてもよい。例えば、ブレードのうちの少なくともいくつかは、風からそれらのブレードまでのエネルギー移送を最大化するように循環的にピッチングされてもよい。
方法は、タービンに対して作用する流体の流れの方向を決定することを含んでもよい。流体の流れの方向は、少なくとも１つの第２のロータによって生成される循環的、正弦波的、および／または周期的電力が最大であるときの第１のロータの位置から決定されてもよい。例えば、少なくとも１つの第２のロータによって生成される電力が最大であるとき、少なくとも１つの第２のロータは、第１のロータによって流体の流れに直接駆動されている。
上部ブレードおよび／または下部ブレードのうちの少なくともいくつかのピッチングの速度および／または周波数は、少なくとも１つの第２のロータで生成される循環的電力に基づくことができる。例えば、上部ブレードなど、上部ブレードおよび／または下部ブレードのうちの少なくともいくつかは、少なくとも１つの第２のロータで生成される電力と同じ周波数でピッチングされてもよい。
ブレードのうちの少なくともいくつかは、タービンに対して作用する流体からタービンまでエネルギーが移送されるときの効率を、ブレードがピッチングされない場合および／またはブレードがタービンの回転に対して固定されたピッチを有する場合の流体からタービンまでのエネルギー移送と比較して低下させるようにピッチングされてもよい。例えば、ブレードのうちの少なくともいくつかは、第１のロータの回転速度を低下させるように、かつ／または第１のロータの回転を停止するようにピッチングされてもよい。ブレードのうちの少なくともいくつかは、過速度保護を提供するようにピッチングされてもよい。例えば、ブレードのうちの少なくともいくつかは、第１のロータの回転が速すぎるのを防止するように、例えば、第１のロータおよび／または第１の軸受への損傷を防ぐようにピッチングされてもよい。
方法は、少なくとも１つの第２のロータのロータ速度を制御することを含んでもよい。方法は、各第２のロータのロータ速度を個別に制御することを含んでもよい。少なくとも１つの第２のロータのロータ速度は、少なくとも１つの第２のロータの両端、例えば、少なくとも１つの第２のロータのパワーテイクオフシステムの両端の電圧の周波数を制御することによって制御されてもよい。少なくとも１つの第２のロータの抗力を使用して、第１のロータの回転速度を制御する、かつ／または影響を与えてもよい。
第１のロータのロータ速度は、タービンがその最大エネルギー定格を超えて動作しているとき、例えば、風が特定の所望の速度または特定の所望の速度範囲を超えてタービンに対して吹いているときに上部ブレードを集合的にピッチングすることによって、可変であるとともに制御されてもよい。上部ブレードは、風速における比較的低い周波数変化に応答して、第１のロータのロータ速度を制御するようにピッチングされてもよい。少なくとも１つの第２のロータのロータ速度は、例えば、風速における比較的高い周波数変化に応答して、少なくとも１つの第２のロータの両端の電圧の周波数を制御することによって制御されてもよい。
風が特定の所望の速度または特定の所望の速度範囲を超えてタービンに対して吹いているとき、回転している第１のロータの電力の一部を、例えば、フライホイール、圧縮空気貯蔵、電気化学セル、および／または同様のものに予備として貯蔵することが可能であってもよい。風速が低下したとき、後で予備から電力を抽出してもよい。
方法は、タービンによって生成された電力を監視することを含んでもよい。方法は、タービンによって生成された電力に対応してタービンを制御することを含んでもよい。タービンによって生成された電力は、電力エレクトロニクスによって監視されてもよく、かつ／または、タービンの制御は、電力エレクトロニクスによって実行されてもよい。電力エレクトロニクスは、プログラム可能なコンピュータによって制御されてもよい。
本発明の任意の態様に従って上記で定義された、または本発明の任意の特定の実施形態に関して以下で定義される個々の特徴および／または特徴の組合せは、本発明の他の態様または実施形態において、別々におよび個別に単独で、または他の定義された特徴と組み合わせて利用され得ることを理解されたい。
さらに、本発明は、本明細書に記載の任意の特徴を、本明細書に記載の任意の装置の特徴を使用もしくは生産する方法および／または使用もしくは製造する方法に関連して、実行するように構成された装置を対象とすることを意図している。
次に、本発明の少なくとも１つの実施形態について、添付の図面を参照して、単に例として説明する。
垂直軸タービンの斜視図である。 垂直軸タービンの平面図である。 垂直軸タービンの風力発電所を示す図である。 上部ブレード、下部ブレード、および第２のブレードの平面形状を示す図である。
以下の説明全体を通して、同一の部品を識別するために同一の参照番号を使用する。
図１は、タワー１０と第１のロータ１２とを備えた垂直軸タービン５を示す。第１のロータ１２は、第１の軸受１３においてタワー１０に取り付けられる。第１のロータ１２は、第１の軸受１３上で回転する。第１の軸受１３は、タワー１０の最上部にある。第１のロータ１２は、支持部材１５を有する。第１のロータ１２は、支持部材１５の中央で第１の軸受１３に取り付けられる。
支持部材１５に、２枚の上部ブレード２０が取り付けられ、上部ブレード２０は、斜め上方にタワー１０から離れるように突出している。支持部材１５に、２枚の下部ブレード２５が取り付けられ、下部ブレードは、斜め下方にタワー１０から離れるように突出している。上部ブレード２０および下部ブレード２５は、取付点３０によって支持部材１５に取り付けられる。上部ブレード２０の取付点３０は、上部ブレード２０をピッチングすることができるアクチュエータを含む。第１のロータ１２は使用中、比較的遅く回転するので、上部ブレード２０のピッチングも比較的遅く、したがって、アクチュエータのデューティサイクルは低い。したがって、アクチュエータのメンテナンスコストは低い。
下部ブレード２５はそれぞれ、下部ブレード２５の端部に、第２のロータ３５および関連する発電機３７を含む。第２のロータ３５は、第２のブレード４０を含む。第２のロータ３５はそれぞれ、関連する発電機３７を駆動するように構成される。第２のロータ３５は反対方向を向いており、その結果、第１のロータ１２が回転すると、両方の第２のロータ３５が、使用中の同じ向きで同じ経路に沿って駆動される。
上部ブレード２０、下部ブレード２５、および支持部材１５は、垂直軸タービン５に向かって風が吹くと、第１のロータ１２が第１の軸受１３の周りを時計回りに回転するように構成される（しかしながら、回転方向が逆になる構成が実現され得ることは理解されよう）。この回転は、空気を介して第２のロータ３５を駆動する。空気は、第２のロータ３５の第２のブレード４０に対して作用し、この作用により第２のロータ３５が回転する。次に、この回転は、第２のロータ３５によって駆動される発電機３７に電力を供給する。したがって、第１のロータ１２は、第２のロータ３５を回転させるように作用し、第２のロータ３５の回転は、発生機３７を駆動する。したがって、主として発生機３７を駆動するのは、第１のロータ１２の回転ではなく、第２のロータ３５の回転である。
水平軸の第２のロータ３５は通常とは異なり、従来の水平軸風力タービンとは対照的に、低いＣＰ値および高いＣＰ対ＣＴ比、ならびに低いブレード先端速度比で動作するように設計される。第２のロータ３５はまた、１６０ｍ／ｓ程度の速いブレード先端速度で動作するように設計される。第２のロータ２５のブレード先端速度が非常に速い場合、第２のロータ３５は、必要とされる高揚力および低抗力の空気力学特性に不適合となる。
第２のロータが、比較的短い第２のブレード４０によって、比較的速いブレード先端速度で動作するので、第２のロータ３５は、高速で、例えば、最大５０ｒａｄ／ｓで回転する。この結果、各第２のロータ３５は、ギアボックスも多極発生機も必要とせずに、それぞれの関連する発電機３７を直接駆動することが可能になる。これにより、第２のロータ３５が簡素化され、結果として第２のロータ３５のコストが削減される。
第１の軸受１３にはパワーテイクオフシステムがないので、第１の軸受１３に、大型で、重く、高価なドライブトレインは必要ない。これにより、垂直軸タービン５が大幅に簡素化され、垂直軸タービン５のコストが大幅に削減される。
電力エレクトロニクス４１が、タワー１０の基部に含まれており、容易にアクセス可能である。電力エレクトロニクス４１は容易にアクセス可能であるので、メンテナンスコストは比較的低い。電力エレクトロニクス４１は、垂直軸タービン５および垂直軸タービン５が生成する電力を監視および制御するために使用される。
電力エレクトロニクス４１は、電力コネクタ４２に接続される。電力コネクタ４２は、垂直軸タービン５を、国の電力網などの電力系統４３に接続する。
電力エレクトロニクス４１は、低い高さに配置されるので、タワー１０の基部の高度から容易にアクセスされ得る。これにより、メンテナンスが容易になり、メンテナンスコストが低下する。
図２は、図１の垂直軸タービン５の平面図である。第１のロータの回転軸４５は、破線で示されている。
上部ブレード２０の先端および下部ブレード２５の先端は、第１のロータの回転軸４５から同じ距離にあり、第１のロータの回転軸４５から同じ半径で回転する。第２のロータ３５は、下部ブレード２５の先端にある。第２のロータ３５は、タワー１０の基部から同じ高さにある。第２のロータ２５は、第１のロータの回転軸４５から同じ距離にあり、第１のロータの回転軸４５から同じ半径で回転する。
第２のロータ３５は、低い高さ（例えば、地面または海面から２５ｍまたは２０ｍ以下）に配置されるので、タワー１０の基部の高度から容易にアクセスされ得る。第２のロータ３５はまた、軽量で交換可能であるので、第２のロータ３５を容易に交換され得る。これにより、メンテナンスが容易になり、メンテナンスコストが低下する。
上部ブレード２０は、垂直に対して、下部ブレード２５よりも小さい鋭角をなす。上部ブレード２０、下部ブレード２５、および支持部材１５は、平面内にある。
図３は、垂直軸タービン５の洋上風力発電所１０５を示す。タワー１０は、海１１０の上の第１のロータ１２を支持する。タワー１０は、浮体式プラットフォームによって支持されるか、または海底に固定されてもよい。
下部ブレード２５は、海１１０に向かって下方に突出し、第２のロータ３５は、下部ブレード２５の先端にある。したがって、第２のロータ３５は、比較的低い高さにあり、海１１０の表面に比較的近い。したがって、第２のロータ３５は、著しく高い場所にないため、ボートからの第２のロータ３５のメンテナンスおよび／または交換は、比較的簡単である。
図４ａは、上部ブレード２０および下部ブレード２５の平面形状を示す。上部ブレード２０と下部ブレード２５はともに、先端よりも基部が厚い。下部ブレード２５の基部は、上部ブレード２０の基部よりも厚い。上部ブレード２０は、下部ブレード２５よりも長い。
図４ｂは、第２のブレード４０の平面形状を示す。第２のブレード４０の平面形状は、下部ブレード２５と同様であるが、第２のブレード４０は、下部ブレード２５よりもはるかに小さい。
上記の例では、第１のロータおよび第２のロータは、ギアボックスも多極発生機も必要とせずにパワーテイクオフが直接駆動によって行われるように構成される。第１のロータおよび第２のロータは、第１のロータでの機械力が第２のロータでの機械力に変換されるという電力変換の効率が高くなるように構成される。
上記で様々な例が提供されてきたが、本発明はこれらの特定の例に限定されず、特許請求の範囲によって定義されることが理解されよう。例えば、タービンは異なるサイズにスケールアップまたはスケールダウンされてもよく、ここで与えられたサイズは単なる例示であることが、当業者には理解されよう。同様に、幾何学的用語は合目的的に解釈されるべきであることが理解されよう。例えば、ブレードは３次元の物体であり、ブレードが線状および／または一直線状であり得ることは、例えば、ブレードの長さに沿って先細になることを禁止しない。上部ブレードと下部ブレードの対は平面であり得るが、上部ブレードと下部ブレードの対が２次元平面にのみ存在するのではなく、さらに実際の３次元の物体として平面であり得ることが理解されよう。第１のロータの回転軸は、使用中実質的に垂直であると説明されており、この説明は、使用中に完全な垂直から逸脱する可能性のある、例えば、垂直に対して１５°以下の角度をなす、使用中の回転軸に関するものであることが理解されよう。
上記に開示されたタービンは、陸上および洋上の風力タービンとして等しく適用可能であり、記載されたタービンは、他の場所、例えば、潮流タービンとして使用され得ることが、当業者には理解されよう。さらに、上記に開示されたタービンが波力タービンとして使用される場合、図に示す実施形態のわずかな変更が必要である可能性があり、そのような変更は本開示の範囲内にあることが理解されよう。例えば、図１の第１のロータは、水平方向に反転させる必要がある可能性があり、その結果、第２のロータは、下部ブレード上ではなく上部ブレード上に配置される。これは、第２のロータが水面に有利に近づき、より容易なアクセスおよびメンテナンスコストの低下という利点がもたらされる。

Claims (20)

  1. 第１のロータおよび少なくとも１つの第２のロータを備える垂直軸タービンであって、
    前記第１のロータが、第１の回転軸の周りを回転するように構成され、前記第１の回転軸が、使用中、垂直、または水平よりも垂直であり、
    前記第１のロータが前記第１のロータの回転時に前記第２のロータを動かせるように動作可能であるように、前記少なくとも１つの第２のロータが、前記第１のロータに設けられるか、含まれるか、または結合され、
    前記第２のロータが、パワーテイクオフシステムを駆動するように動作可能である、
    垂直軸タービン。
  2. 前記少なくとも１つの第２のロータが、定格風速未満で、使用中に０．７５を超える空気力学的推力係数（ＣＴ）と空気力学的出力係数（ＣＰ）との比を有し、かつ／または
    前記第１のロータが、定格風速未満で、使用中に４から５の範囲内の先端速度比を有し、かつ／または
    前記少なくとも１つまたはそれぞれの第２のロータの定格風速での使用中の前記先端速度比が、３から４の範囲内であり、かつ／または
    前記第１のロータおよび前記第２のロータが、定格風速未満で、１５などの１４から１６の範囲内の合成先端速度比を有し、かつ／または
    前記第１のロータが、定格風速未満で、使用中にその最大値の５％以内の空気力学的出力係数（Ｃｐｍａｘ）を有し、かつ／または
    定格風速での使用中の前記少なくとも１つの第２のロータのブレードの前記最大先端速度が、音速の０．４から０．６倍の範囲内であり、かつ／または
    前記定格風速が、使用中１１ｍ／ｓから１３．５ｍ／ｓの範囲内である
    請求項１に記載の垂直軸タービン。
  3. 前記パワーテイクオフシステムが発電機を備える、請求項１または２に記載の垂直軸タービン。
  4. 前記少なくとも１つの第２のロータが少なくとも１つの第２のブレードを備え、使用中の前記少なくとも１つの第２のブレードの前記回転が前記パワーテイクオフシステムを直接駆動する、請求項１から３のいずれか一項に記載の垂直軸タービン。
  5. 前記第１のロータが、少なくとも１つの上部ブレードおよび少なくとも１つの下部ブレードを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の垂直軸タービン。
  6. 前記少なくとも１つの第２のロータが、前記１つまたは複数の下部ブレードに設けられるか、または含まれる、請求項５に記載の垂直軸タービン。
  7. 前記垂直軸タービンが、前記第１のロータを支持するタワーを備え、
    前記少なくとも１つの上部ブレードが、概ね上方に前記タワーから離れるように突出しており、
    前記少なくとも１つの下部ブレードが、概ね下方に前記タワーから離れるように突出している、
    請求項５または６に記載の垂直軸タービン。
  8. ２つ以上の上部ブレードおよび２つ以上の下部ブレードを備え、前記上部ブレードおよび／または前記下部ブレードが、前記第１のロータの前記回転軸の周りで回転対称である、請求項５または７に記載の垂直軸タービン。
  9. 使用中の前記第１のロータに作用する前記少なくとも１つの上部ブレードの転倒モーメントが、使用中の前記第１のロータに作用する前記少なくとも１つの下部ブレードの転倒モーメントと反対方向に作用する、請求項５から８のいずれか一項に記載の垂直軸タービン。
  10. 前記少なくとも１つの上部ブレードおよび／または前記少なくとも１つの下部ブレードのうちの少なくともいくつかがピッチング可能である、請求項５から９のいずれか一項に記載の垂直軸タービン。
  11. 前記上部ブレードおよび／または前記下部ブレードが、それらの遠位端または先端において独立しているか、または接続されていない、請求項５から１０のいずれか一項に記載の垂直軸タービン。
  12. 前記１つまたは複数のパワーテイクオフシステムが、ギアボックスを介して駆動されることなく、関連する第２のロータによって直接駆動され、かつ／または第１のロータが第１の軸受上で回転し、前記第１の軸受がドライブトレインを備えていない、請求項１から１１のいずれか一項に記載の垂直軸タービン。
  13. 前記第２のロータが、使用中、前記タービンの全体の動作中、地面または海面上から２５ｍ以下になるように構成される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の垂直軸タービン。
  14. タービンが、可変周波数変圧器または電気接続を備え、前記第２のロータおよび／または前記パワーテイクオフが、前記可変周波数変圧器または前記電気接続を適切に制御することによって制御可能である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の垂直軸タービン。
  15. 前記タービンが、卓越風の方向を決定するために、前記少なくとも１つの第２のロータおよび関連するパワーテイクオフシステムによって生成された電力の変動を分析するように動作可能である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の垂直軸タービン。
  16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の垂直軸タービンを使用して電力を生成する方法であって、
    流体が上部ブレードおよび／または下部ブレードに対して作用して、第１のロータを駆動し、その結果
    前記第１のロータの回転が、前記流体を介して少なくとも１つの第２のロータを駆動し、
    流体が、前記少なくとも１つの第２のロータに対して作用して、前記少なくとも１つの第２のロータを駆動する
    ようなタービンを設けること
    を含む、方法。
  17. 前記流体が空気および／または水である、請求項１６に記載の方法。
  18. 生成される前記電力が、前記少なくとも１つの第２のロータの前記回転によって生成され、かつ／または前記少なくとも１つの第２のロータの前記回転から抽出される、請求項１６または１７に記載の方法。
  19. 生成される前記電力が電気である、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の方法。
  20. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の使用中の垂直軸タービンの第１のロータの回転を制御する方法、または請求項１６から１９のいずれか一項に記載の方法によって生成される電力を制御する方法であって、
    ブレードのうちの少なくともいくつかをピッチングすること、および／または
    パワーテイクオフシステムに結合された電気接続または可変周波数変圧器の周波数を変更すること
    を含む、方法。
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