JP4473731B2 - 風力プラント用の氷結防止システム - Google Patents

Description

本発明は、風力エネルギ変換システム（Wind Energy Converting Systems）（ＷＥＣＳ）に適用される除氷および氷結防止（de-icing, anti-icing）に関する。風力エネルギ変換システムは、風力エネルギ変換システム（ＷＥＣＳ）における風力タービンのロータ・ブレード上の氷付着（accretion）を防止し回避するための除氷および氷結防止装置および方法からなる。特に、そのシステムが所定の気候上のおよび環境上の条件または状態で動作するときにＷＥＣＳのロータ・ブレード上に成長する氷付着物を防止しおよび／または除去するシステムが提案されている。

翼の外形（プロフィール）上の氷付着、より具体的には風力タービン・ロータ・ブレード上の氷付着は、その構成部材の流体動力学的特性に深刻な影響を与える。特に、単一の外形とブレードの双方について全体的に揚力および抗力はその３次元的展開を有し、従って、関連する表面に沿った圧力分布は顕しく変化する。表面上の氷の被着または堆積に応じてそのようなファクタ（要因）がどのように変化するかを予見する（leadingsee）ことは、しばしば非常に困難である。その結果、動作中のブレードは、風車タービンの一般的な空気力学的（aerodynamic）効率を著しく悪化させることに加えて、設計条件について相異なる屈曲（flexion）およびねじり（torsion、捻転）ストレス（応力）を受ける。

要約すると、氷がロータ・ブレード上に存在すときにＷＥＣＳロータによって発生した動力（power、電力、仕事率）は、氷がない場合に発生した動力よりはるかに小さい。これに対して、関連する表面に沿って存在する氷によって生じた質量の増加および質量分布の違いに起因して、ブレードは、設計条件について完全に修正された静的および動的振る舞いをするという顕著な問題を付け加えなければならない。

さらに、そのような動作条件において、上述のシステムの付近の人または物の安全性と、そのシステムそのものが障害を起こし故障し破壊する可能性とに関して、ＷＥＣＳの安全性に関する無視できない問題が存在する。実際のところ、ブレードがその表面に氷がある状態で動作した場合、氷片が、全く予見できない形態でブレードから剥がれ落ちることがある。

その事象は次の事態を生じさせる。
１）そのような氷片が上述のシステムの周囲の物および人に当たる。
２）風力タービン・ロータの動作中に、突然ほとんど予見できない基本的（本質的）に空力弾性的性質の構造的ストレスが発生する。

例えばロータの直径が９０ｍでありタワーの高さが１００ｍにも達するような前の世代のＷＥＣＳに関する重要な寸法のせいで、氷が剥がれ落ちる条件がいったんできると、突然予見できない重要な氷の塊がブレードからの弾丸のように離れて、周囲の環境に甚大な損傷または損害を与えることがある。そのような全く起こらないとはいえない出来事から重大な結果を招き、それが法律的な事項であることもあることは、直観的に容易に分かる。

上述の２）の点について、これは全く小さな問題ではない。ＷＥＣＳの動作中に、空力弾性的性質の構造的振動によって、個々のブレードとシステムの双方全体において顕著な構造的ストレスが生じることがある。構造的共振現象が、ブレードの破損によって生じたり（例えば、ブレード表面における圧力分布が設計とは非常に異なる場合に、容易に予想できないフラッタ（揺れ）現象として生じる場合）、並びにシステム全体の損傷または故障によって生じることがある（文献から、２０世紀初期に突風によって橋が破壊されたことがよく知られている）。

上述の理由によって、ブレードに氷の存在が検出されたときに、ＷＥＣＳを停止させる。そのような停止は、その問題の深刻さに応じて多かれ少なかれ長い時間に及ぶことがある。実際、氷が、利用可能な除氷装置によって充分に除去できない場合は、その結果、氷の形成が特に懸念される（関係する）特に重要な地域にそのシステムが設置されているかどうかにかかわらず、１年間に限られた日数の間だけしかそのシステムが使用できないことがある。現在の推定では、システムが連続的に稼動した通常年間生産の約２０乃至５０％の電力が失われることを示している。

ＷＥＣＳのブレード上の氷の形成という困難な問題を解決しようとする幾つかの解決法が知られている。この分野に適用されるそのシステムは実質的に次の３つの原理に従う。
Ｉ）太陽の熱放射から吸熱性のブレード表面ライニング（表層）を用いること、
II）氷形成が懸念される（関係する）ブレード表面を局部的に加熱すること、
III）内部熱伝導によって氷付着が懸念される（関係する）ブレード外部表面に熱を伝えるために、ブレード本体内で加熱空気を循環させること。

第１のタイプのシステムは、明らかに、太陽が出ているときだけ、従って日中の太陽の放射が良好な気候状態の場合だけ或る程度有効である。しかし、氷付着について最も危険な動作状態に達するのは夜間なので、そのようなシステムは、それが必要となるときにはいつも使えない。

ＩＩ）の点についてそのシステムは、ブレード表面の内側に埋め込んだ電気抵抗または熱伝導性材料のシートを一般的に用いて、ジュール効果で加熱するものである。そのようなシートは、電気的に加熱され、ブレードの組み立てにおいて、ブレードの浅い層、特に氷結の傾向がある領域、に適用される追加的な電気的導電性の大きな部分である。

上述のタイプのシステムは、目的に適合するように思われ、即ち、ＷＥＣＳ動作中に氷の付着を防止しするとともに例えばシステムの停止中にブレードに形成された氷を除去するのに有効である。しかし、現在までのところ、それらのシステムには、このタイプの解決法はほんの僅かな数のシステムでしか用いられておらず、そのほぼ全てが研究目的のためのものであるという欠点がある。

実際、効率的に動作させるために、タイプＩＩ）の除氷および氷結防止装置構成には、第１に、かなり複雑な氷付着制御および管理機構が必要である。これらの機構は、複数の氷位置決めセンサ、および危険性または氷付着がある領域（エリア）への電力供給を制御するための制御および管理処理ソフトウェアを用いる。ＷＥＣＳの複雑さ、コスト、信頼性および保守（メンテナンス）の諸問題は、長期的には顕著である。

さらに、ジュール効果によってシートを加熱するための必要な電力は、ＷＥＣＳの合計の発電電力の完全には無視できない割合を表し得る。或る所定の条件では、発電電力に非常に近い電力量を吸収することもある。従って、その結果として、そのシステムの実際の効率は劇的に低下し、臨界的動作状態においてはかなり不満足な生産率（発電量）しか得られない。

別の欠点は、ＷＥＣＳが休止状態（idle）のとき、即ちロータが発電することなく回転しているとき、氷付着を防止しまたは除去するのに必要な電力を配電網（electric grid）によって取得する必要があり、そのシステムはそのような状態では不採算となることである。

さらに、ブレード表面に接着された上述の熱伝導性シートは非常に容易に磨耗または損耗して、頻繁に保守作業が必要となり、発電用の機械の利用性が低減する。上述のシートは、実質的に金属材料でできており、また大気の稲妻を引き寄せる。そのボルトは、除氷および氷結防止装置だけでなく、利用可能な電気的装置および機械にも深刻な損傷を与えることがあり、或る場合にはボルトから放電を受けたロータに故障または障害を発生させることがある。

いったん上述のシートに重要な電力が供給されると、非常に強い回転静電界が発生し、その結果の汚染的および不所望な電磁気的ノイズ効果がＷＥＣＳの周囲に生じる。

上述の解決法の無視できない欠点は、上述のような除氷および氷結防止の構成が、ブレード構造体における任意の嵌入装置とともに、ブレード構造体に組み込まれたときには、風力タービンの製造業者によって与えられた保証が無効になることである。

さらに、実験的に検証されたこととして、所定の環境および気象条件ではブレード表面のどこにでも氷が成長することがあり、ブレードは熱伝導性シートによってほぼ全体的に被覆されるべきである。

その結果、製造および保守のコストは、実現不可能なほど高いレベルになり、そのシステムの確実に高いとはいえない合計の効率と併せると、明らかに割りの合わないものとなる。

タイプＩＩＩ）のシステムでは、ブレード本体を加熱しブレード本体を構成する材料の内部の熱伝導によってブレード本体内の空気および外部表面をも加熱するのに適した、ブレード本体内の加熱空気を循環させるための装置を開示した特許文献が存在する。例えば、ドイツ特許第ＤＥ１９６２１４８５号のテキストには関連する解決法の説明および詳細が記載されている。
ドイツ特許第ＤＥ１９６２１４８５号

上述の特許文献ではファンによって制御される内部空気の再循環が各ブレードに採用されており、その空気は電気抵抗によって加熱される。全ての構成部材（コンポーネント）はロータのハブに配置されている。特に、加熱空気を所定方向に流す２本のパイプがブレードの先端部分に設けられており、１本のパイプは、空気の内部再循環を可能にするためにブレードの後部分から加熱空気を引き出すように適合化されている。

この解決法には、熱発生器からより遠くの流れの冷たい位置で復水（condensed water、凝縮水）が蓄積するのを回避するために、ブレードの遠端部に小さい排出開孔を有するという特徴が示されている。ブレードの遠端部は、実際に氷付着が生じやすい部分である。その端部にできるだけ多くの熱を供給するために、ブレードの内部において、前端縁部（leading edge）の近くに、例えばアルミニウムのような熱伝導性材料の連続的支持部材をさらに設けることができる。ロータ・ブレードは例えば樹脂ガラスのような一般的に低い熱伝導性の複合材料でできているが、その解決法によって、加熱用の効率的な熱の逃げ道（thermal bridge）が形成される。

このシステムには次の欠点が見られる。第１に、ブレードの実際の寸法では、ブレードの厚さは幾つかの点では６０ｍｍに達することがあり、関連する外部表面を含む全体のブレード本体を効率的に加熱するためにはブレード内の循環空気に多くの熱出力(power)を与える必要がある。そのようなシステムを備えた風力タービンは、氷結防止効果を得るのに必要な全ての電力を供給し送るのに成功することを想定しても、氷結の危険性があるときは非常に低い効率を示す。その理由は、ブレードの表面を加熱するために、全体のブレード質量を加熱しなければならず、熱に変換される電力の量は実際に顕著である。

ファン製造業者は回転要素内部でのファンの使用を非常に嫌うことが知られている。その理由は、ファンの回転部材に対するコリオリ（Coriolis）の力の作用によって故障または障害および破壊が生じる可能性が高いからである。

要約すると、上述の強制的な空気循環という解決法は、システムが停止した場合にだけ実際に実行され得るもので、その結果の全ての実務業務（logistic）の限界があることは容易に想像できる。

文献ドイツ特許公開第ＤＥ８４２３３０号およびドイツ特許第ＤＥ１９８０２５７４号は、風力タービン・システム用の氷結防止装置を例示している。各風力タービン・ブレードには、その翼に開口が形成されている。開口は、ブレード中に流入する空気流に関連して好ましくはブレード・スパンの端部に配置され、電流発電器／電動機部品を包むように流れることによって暖められている。翼ブレード上の開口は、ブレード内の暖められた空気流が遠心力効果でブレード内に連続的に流入してブレード内部部品と熱交換してブレードを加熱するように配置され設計される。
ドイツ特許公開第ＤＥ８４２３３０号 ドイツ特許第ＤＥ１９８０２５７４号

ドイツ実用新案第ＤＥ２００１４２３８号Ｕ１も公知である。この文献では、風力タービンのナセル（nacelle、収納体）に含まれている電気的装置の廃熱によって空気を加熱するという方法で、ブレード本体内で空気を循環させる。強制的空気循環用のファンが装置のナセル内に配置されているので、動作中のロータとともに動作することができる換気または循環システムが用いられる。さらに、各ブレードの内部には連続的な過熱空気の分配（流通）システムが設けられている。
ドイツ実用新案第ＤＥ２００１４２３８号

その実施例には、それがかなり複雑で実現困難であるという欠点がある。その理由は、それが、電気的装置の廃熱とブレード内部の循環空気との間の熱交換を実現するために中間流体を用いるからである。

さらに、前述のドイツ特許第ＤＥ１９６２１４８５号にも同じ欠点があり、即ち、ブレードは低い熱伝導性の材料で形成されていてかなりの厚いので、ブレードの表面を効果的かつ効率的に加熱することが保証されない。

さらに、電気的装置内の流体の流れの強制的循環によって供給される熱は、特に臨界的な環境状態における氷付着の問題を回避するのに確実に充分ではない。そのために、典型的にはジュール効果によって得られる対応する量の熱を常に加えなければならない。

強調すべき点は、ブレードを構成する材料の熱伝導性が低いことによって、流体の流れとブレード本体の間の効果的な熱交換が著しく損なわれる。総合すると、ブレードの遠端部に達する熱伝導性金属部品をブレードに挿入すると、ブレードの構造が複雑になり、装置の効果が低下する。風力タービンのブレード本体を加熱するためには配電網から大量の電力を取り込む場合には効果は高くなるが、臨界的動作状態においてＷＥＣＳの合計の効率は低下するという欠点がある。

上述の特許の解決法が選択した熱供給のタイプ、即ちブレード本体から外部表面への熱の内部の伝達または対流は、実に、除氷および氷結防止の効果に対する主な限界を表している。このタイプの解決法は、実際、所望の目的に対して非常に大量の熱出力を使用し、氷が懸念されるブレードの特定の表面領域だけに熱を送ることはできない。特に、氷付着が最も懸念されるブレードの先端部（tip、尖端部）領域は、ブレードの基端部（root、根本、付け根）に近い領域に熱を先に伝達した上述の内部空気の流れがまさに最低の温度で到達する領域でもある。

本発明の目的は、上述の既知の技術の欠点を解消し、風力エネルギ変換システム（ＷＥＣＳ）において使用可能な顕しく改良された除氷および氷結防止装置を提示することである。

この範囲において、本発明の目的は、必要な保守作業が少なく実現および実装コストが低く簡単で信頼性のある除氷および氷結防止装置を実現することである。

本発明の別の目的は、既知の解決法を用いるシステムにおいて発生する事態に関してＷＥＣＳが連続的に稼動する１年間のうちの日数を、決定的な方法で増大させることである。本発明による除氷および氷結防止装置によって、さらに氷結の危険性またはブレード上の実際の氷付着のみによる停止を完全に回避することができる。

本発明の別の目的は、特に氷付着に対する臨界動作状態においても、ＷＥＣＳを停止させることなくＷＥＣＳの高い効率を保証することである。

本発明による除氷および氷結防止装置のさらに別の目的は、ロータが休止（idle、アイドル）状態で、即ち発電機が電力を発生していないときでも、氷結防止特性を示すようにすることである。そのようなシステムは、実際に、例えば配電網から電力を受け取るといった外部電力源の使用を回避できる。

さらに別の目的は、個々のロータ・ブレードに対する保守作業を、特に表面のクリーニングを容易にすることである。実際、風力タービン動作に関連する問題は、ブレードに当たる流体流における有機または無機残留物の堆積物であり、その残留物はブレード外形の端縁部に対応する領域に特に蓄積し、その流体動力学的特性を変化させる。

さらに別の目的は、風力タービン・ブレードの回転による音の発生のレベルを減少させることである。

さらに別の目的は、ブレードにおける上述の固形堆積物の付着および累積を回避しまたは減少させることである。

上述の目的を達成するために、本発明の対象は、ＷＥＣＳに含まれる除氷および氷結防止装置であり、本明細書の重要部分である請求項の特徴を有するＷＥＣＳにおいて風力タービンのロータ・ブレード上の氷付着を防止しなくす方法である。上述の除氷および氷結防止装置および対応する方法は、ＷＥＣＳの分野における全く新規な解決法の思想を用いるものである。

本発明のさらに別の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになる。但し、そこで挙げた例は、単に説明のためのものであって、発明を限定するものではない。

図１において、Ｖで示された矢印の流体流または風が当たる、全体を１で示した電力を発生（発電）するためのＷＥＣＳが概略的に示されている。全体を２で示したロータ、ナセル３およびタワー（塔）４のような既知の構造的要素を具えている。タワー４は、地面にまたはシステム１の設備が設計された基礎または地下に配置される。ナセル３は、タワー４上に配置され、図面を簡単にするためにするために示されていない既知の装置または構成によって風の特性（方向）に応じて方角を定める。

ロータ２は、特徴として、ＷＥＣＳ１の風力タービンの回転シャフト７に嵌るように適合化されたハブ２Ｆを中心に有する。そのハブ２Ｆは、その構造体にしっかり固定するよう連結された調整器具（アダプタ）または“延長器具（延長部）”２Ｅを支持する。そのような調整器具２Ｅは、ロータ２のブレード５の各々を内部でボルト固定するように設計されており、図７および１２において示されている。図示した例のロータ２は、実質的に互いに同形の３つのブレード５を有する。そのロータ２に対応して、ナセル３の前部分に空力的（aerodynamic）機能および構造的機能を実行するのに適合するフェアリング（fairing、整形板）またはスピナ（spinner）６が設けられている。ナセル３の内部には、より詳しくは後で特徴を詳しく説明するカプセル１１内には、ロータ２の回転を電力に変換し、特にＷＥＣＳ１に接続された送電線または配電網に供給する交流電流に変換するのに適合化された全ての構成部材（コンポーネント）が設けられている。

本発明を説明するためのものであって限定するものでない図１に概略的に示されている実施例において、外部から内部へと、シャフト７に、同期電動機（モータ、発電機）９のロータ２および回転部（回転子）Ｒが、既知の形態で嵌め込まれている。そのシャフト７は、ＷＥＣＳ１の風力タービンのナセル３の固定された支持部８に対して回転することができる。そのような支持部８には、回転部Ｒが回転しているときに電流を発生させるような既知の形態で、回転部Ｒの方向を向く電動機９の固定部（固定子）Ｓが固定され、同期電動機９に電流が流れる（under current）。発生した電流は、中間電気回路またはインバータＩＮに送られて、適正な周波数および設計電圧で送電線または配電網に送られる。

ナセル３内において、インバータＩＮおよび／または配電網（送電線）に電気的に接続された別の電気ユニット（装置）１０が設けられており、この電気ユニット１０は、ＷＥＣＳ１の各部品の動作に必要な全ての電気機械装置に供給（給電）するように適合化された補助電力（電源）システムを具えている。そのような部品は、風力および風向を測定する風力計（anemometer）、上述の装置の動作を制御するためのコンピュータ、および簡単化のために示されていないその他の既知の電気的装置以外に、例えば、ナセルの下位（小）配電（サブディストリビューション）システムを制御する小型電動機であり、即ち風の特性に依存するロータ２のブレード５の傾斜（inclination）または“ピッチ”を制御する小型電動機である。

カプセル１１は、ナセル３に固定されており、実質的に閉じており、低い熱伝導特性の材料、例えば樹脂ガラス・タイプの複合材料でできている。このようにして、ＷＥＣＳ１の風力タービン内で空気を循環させるための蓄積体積空間（volume、内部空間、容積）が特定される。空気は、外部環境から熱的に絶縁され、カプセル１１内にある電気的装置９、１０、ＩＮの被加熱部と接触してそれを加熱する。

同カプセル１１は、ナセル３の後部に配置された１つ以上の開口３Ａを通して、カプセル１１Ａ内への空気取り入れ用の、流体が外部へ通じる（connection、接続する、連絡させる）１つ以上の開口１１Ａを後部に示している。前部において、前部壁１１Ｐには１つ以上の流通窓（開口）が設けられており、その窓は、カプセル１１の開口１１Ａを通して吸い込まれた空気を蓄積体積空間からロータ２のハブ２Ｆへと流通させる。

図１において、ブレード５の先端部（チップ部）５Ｅは、その表面５Ｓに、ブレード５の内部に連通する幾つかの開口または開孔１２が設けられているのが示されている。そのようなブレード５の詳細が図２および３に詳しく示されており、これらの図には、風Ｖが当たる先端部５Ｅの斜視図とブレードの標準的（generic）断面５Ｐまたは外形が示されている。

その開孔または開孔１２は、円形、楕円形またはその他の任意の断面または部分であってもよい。その開孔１２は、それらが配置された表面５Ｓの領域または面積に応じて互いに等しいまたは異なる形状を有すればよく、その特徴は具体的研究および数値実験調査に基づいて選択される。

図２は、ブレード５の先端部５Ｅを示しており、その表面５Ｓはその前端縁部付近に第１の一連の開口または開孔１２（１２Ｌ）を有し、後端縁部（trailing edge）付近に第２の一連の開孔１２Ｔを有する。それらの端縁部は、ブレード５の縦進行方向に沿った断面５Ｐに関連する各ブレード５に属する。Ｆの矢印はその表面５Ｓの開口または開孔１２を通る空気流を示している。

その先端部５Ｅは、図３に明示されているように、内部が２つのバルクヘッド（隔壁、仕切）で実質的に識別される３つの体積空間に分けられており、その第１の体積空間１４は第１の一連１２Ｌの開孔１２に対応し、第２の体積空間１５は第２の一連１２Ｔの開孔１２に対応し、最後に第３の体積空間１６はそれら２つの体積空間の間に形成された、即ちその外形の中央部に対応する位置にある。第３の体積空間１６の内部には、既知の技術によるブレード５の表面５Ｓに対応して（対して）支持機能を有する２つのガーダ（girder）１７Ａおよび１７Ｂが配置されている。各ブレード５の表面５Ｓは、２つのシェル（貝殻、外殻）半部（半シェル、セミシェル）５Ｕおよび５Ｌで構成され、一般的にそれぞれ樹脂ガラスのような複合材料でできている上部分と下部分とで構成されている。

図４には、ブレード５の表面５Ｓ上に存在する可能な異なる３つの開孔１２の構造が示されている。即ち、
１）図４ａに示されている第１のタイプでは、開孔１２は、ブレード５の内部表面５Ｓｉから外部表面５Ｓｅに流れる空気のための一定の断面を有し、
２）図４ｂに示されている第２のタイプでは、開孔１２は、広がっており、１）の場合のようにブレード５の外部の流れＶの方向に対して実質的に直交する軸を有する。
３）図４ｃに示されている第３のタイプでは、開孔１２は、実質的に互いに平行な壁と傾斜した軸とを有し、外部表面に直交する軸に対して所定の鋭角をなし、外部へ流出する空気の方向は外部の流れＶ方向に従う方向を有する。

図２および３には、本発明による除氷および氷結防止装置が動作しているときにブレード中に循環する空気流の振る舞いが示されている。次にそのような振る舞いをさらに説明する。図２において、矢印Ｆ１で示された第１の体積空間１４に関係する空気流が存在し、矢印Ｆ２で示された第２の体積空間１５に関係する空気流が存在する。双方の空気流Ｆ１およびＦ２は各ブレードの基部から先端部へ移動する。Ｆで示された流体流が、ＷＥＣＳ１の風力タービン内で循環し、表面５Ｓに到達し、開孔１２から流出して、次にさらに説明するように流体の膜または層（film）を形成する。

図３において、ブレード５内の空気はＦで示すように複数の開孔１２から流出して、外部の流体の流れＶに混入する。

図５および６は、各ブレード５の外側シェル即ち外部表面５Ｓを形成する２つのシェル半部５Ｕおよび５Ｌの具体的な製造法を示している。特に、その２つのシェル半部５Ｕおよび５Ｌは、内部に開孔または開口１２が先に形成された複数の複合繊維シート１８を互いに重ね合わせて形成される。このようにして、開孔１２を形成するために機械的にドリルで穿孔することによって複合繊維が弱くなるという問題が解消される。次いで、そのような複数のシート１８を、接着することによってまたは既知の別の方法で接合して、そのシェル半部５Ｕおよび５Ｌを作成し、それによってそれら（シェル半部５Ｕおよび５Ｌ）は直ぐに互いに組み立てることができる状態となり、それをここでは簡単化のために挙げない既知の技術的方法でベアリング・ブレード５の構造体に組み立てる。

図６の６ａ〜６ｃは、開孔１２の各々の近傍におけるシート１８の配置および構造を示している。複数の境界面１２Ｂを有する複数のシート１８は、各開孔１２を構成する流路を個々別々に形成するよう適合化され、ブレード５の表面５Ｓ上に存在する開孔１２の各々の軸が直線上に位置するように直ぐに組み立てられる状態になっていることに留意されたい。図６ａ、６ｂおよび６ｃは、前述の開孔１２のタイプの図４ａ、４ｂおよび４ｃに対応する。

図７は、ブレード５がハブ２Ｆに挿入される位置におけるロータ２のハブ２Ｆの詳細を、ブレード５の中央平面を通る切り欠き面による部分断面組立図を示している。また、横方向にナセル３のカプセル１１の方向を向いた開口１９を有する、実質的に円筒状の延長器具２Ｅの細部が示されている。ハブ２Ｆは、カプセル１１の窓１１Ｌに対応した円形リングの形状に形成されており、そのリングには、ロータ２のブレード５の各々に対応する開口１９がそれぞれ形成されている。窓１１Ｌを通してカプセル１１に流体流を入れる開口１９と延長器具２Ｅの内側部分との間に、ここでは簡単化のために詳しく説明しない既知の複数の支持要素２０が設けられている。そのような支持要素２０は、ロータ２が動いていても即ちＷＥＣＳ１の風力タービンが稼動しているときでも、いかなる外部リーク（漏出）もなく空気をカプセル１１から開口１９へ、次いで延長器具２Ｅの内部へと流通させるよう適合化されている。ブレード５の基端部５Ｒは、延長器具２Ｅを形成するその円筒の複数の基部の１つと係合または係止する。

図７の断面図において、２１で示された内部バッフル（baffle）の組立体（構体）は、カプセル１１およびハブ１２Ｆから来る内部の空気流を逸らす（偏らせる）よう適合化されている。特に、ブレード５内において、そのブレード５内のその第１の体積空間１４を画定（define）するよう適合化された第１のバッフル２１Ａが存在し、第１のバッフル２１Ａは既知の形態でブレード５の先端部５Ｅの第１のバルクヘッド１３Ａに連結している。同様に、第２のバッフル２１Ｂは、ブレード５内の第２の体積空間１５を画定する第２のバルクヘッド１３Ｂに接合されている。

第３のバッフル２１Ｃは、先のバッフル２１Ａおよび２１Ｂに接合されていて、延長器具２Ｅ内に存在し、ブレード５が延長器具２Ｅにいったん組み込まれると２つの体積空間１４および１５内の空気流の循環をバッフルする（調節する、阻止する、曲げる）唯一の内部バッフル２１が形成されるようになっている。

図８は、ＷＥＣＳ１の風力タービンにおける空気流Ｆの循環を示している。それは、以下で説明する形態（モダリティ）を有する本発明による除氷および氷結防止効果を実現する手段を構成する。

以下で説明するように、空気流Ｆは、ロータ２が動作中であるＷＥＣＳ１の風力タービン内を循環する流路を有する。

空気流Ｆは、ナセル３の開口３Ａから流入してカプセル１１の開口１１Ａを通ってカプセル１１の内部空間によって構成される蓄積体積空間に到達する。そこで、それ（空気流Ｆ）は、電気ユニット１０およびインバータＩＮを包むようにその周りを流れ固定（静止）部分Ｓの開孔を通って電動機（発電機）９の回転部Ｒに達する。そこから、空気流Ｆは、窓１１Ｌを通ってロータ２のハブ２Ｆに達し、次いでブレード５の内部、即ち第１と第２の体積空間１４および１５に達する。ハブ２Ｆ内において、実際、空気流Ｆは、バッフル２１の存在によって偏向され（図７参照）、図２および３に明示されているバルクヘッド１３Ａおよび１３Ｂを有する各ブレード５の先端部５Ｅの内部に進む。このようにして、ブレード５の各々の内部において分離された２つの空気流Ｆ１およびＦ２が形成され、それぞれ基端部からブレード５の先端部へと進み、一方の空気流は第１の体積空間１４へ、他方の空気流は第２の体積空間１５へと流れ、ブレード５の各々の表面５Ｓ上に存在する第１の一連１２Ｌの開口１２および第２の一連１２Ｔの開口１２を通って流出する。

そのような空気流Ｆの振る舞いは、既知の形態に従ってロータ２の回転および関連する動力学的効果を考慮すると、内部流と外部流の間で生じる大局的な圧力差によって実質的に生じる。

図２、３および４を参照すると、開孔または開口１２から流出する空気流Ｆは、ブレード５に当たる風Ｖと相互作用して、開孔１２に関係するブレード５の外部表面５Ｅ上に空気の層または膜（フィルム）を形成し、即ちそのダウンストリーム（下流部）を形成する。そのような空気膜は、既知の熱効果および動力学的効果によって、風Ｖの流体流を偏向して、ブレード５の表面５Ｓの外部に対する直接的衝撃を逸らし、その流体流を加熱し、その風Ｖの湿った粒子が凝縮して氷を生成するのを防止する。

開孔１２からのその流出流は、湿潤粒子だけでなく、空気流出流の量（質量）に対して相対的に小さい質量の任意の物体の風Ｖの表面５Ｓに対する直接的衝撃を防止する。例えば、風力タービンのロータ・ブレードに小さい昆虫が多数蓄積するのが阻止される（baffle）。小さい昆虫が蓄積した場合、それを除去するためにシステムを定期的に停止せざるをえなくなる。

開孔または開口１２は、各ブレード５の外形５Ｐの前端縁部および後端縁部の近傍に形成される。その理由は、それらの位置ではブレード温度が最低であり、表面５Ｓに作用する風Ｖの流体流圧力が最高であり、従って氷粒子付着の危険性が最も高いからである。そのような特定の開孔１２の配置構成がこの例で実現されているが、外形全体について例えば第３の体積空間１６（図３参照）内の空気を導く（に出口を与える）ような異なる配置構成を実現することもできるであろう。

氷結の危険性をより良好に防止するために、外形５Ｐ全体に沿ってだけでなく開孔１２に関係する各ブレード５の全ての外部表面５Ｓに沿って、開孔１２から均一に流出する流体空気膜Ｆを形成すると便利である。そのために、空気は適当なエンタルピ量（enthalpy content）を有し、その開孔および導管（conduit）は、開孔１２から流出する速さに関して、質量、圧力、方向、正矢（verse）および強度の適当な値を空気流出流Ｆに与えるよう寸法（サイズ）が調整されている。そのために、開孔１２は適当な寸法に調整することができ、幾つかの例が図４に示されている。

周知のように、図４ａの開孔１２は風Ｖに対して直交関係で流体Ｆを流出させ、図４ｂの開孔は圧力を回復させて、従って流出速度を低下させ、一方、図４ｃの開孔は各外形５Ｐに当たる風Ｖの流体流を促進（energize）するのに寄与する。航空学の文献で知られているように、そのような促進プロセスによって、ブレード５の大局的空気力学的性能が、従って空気力学的効率が改善され得るものであり、それによって、ＷＥＣＳ１の大局的性能が向上し、即ち風力タービンの主要ベアリングにさらに大きい動力（電力、仕事率）が得られる。実際に、ＷＥＣＳ１の内部を循環する空気に関係する適正なエンタルピ量によって、空気流出流Ｆは、ブレード５の各々の表面５Ｓに当たる風Ｖの流体流の方向に対して所定の角度を有するそのような目標に達する（目標を達成する）ことができる。

要約すると、本発明は、風力タービンを動かす風より確実に大きいエンタルピ量を有する風力タービン・ロータ・ブレードの少なくとも一部に与える流体空気流出流の流体熱力学的効果を利用するＷＥＣＳにおいて実装される除氷および氷結防止装置に関する。さらに、そのようなシステムは、流体空気流出流のエンタルピ量を増大させるために、発電機中に存在する電気的装置から生じその動作中に必然的に放散する同じ熱を利用する。

実際、前述のＷＥＣＳ１における流体Ｆの振る舞いは、明らかに異なる次の２つの動作状態を示す。即ち、
１）ロータＲが連結されている状態、従って電力が発生し、ＷＥＣＳ１のカプセル１１中に存在する全ての電気的装置から熱放散が生じる状態。
２）電動機９のロータＲが休止している状態、従って電力発生がなく熱放散がない状態。

状態１）において、ＷＥＣＳの周囲の環境から取り込まれる空気は、周囲の圧力に実質的に等しい圧力を有し、カプセル１１中に存在する電気的装置９、１０、ＩＮと接触する蓄積体積空間において加熱され、その後、そのような体積空間から流出し、即ちカプセル１１から流出する。さらに、その空気は、湿気を失い、凝縮し（condense）、ＷＥＣＳ１の全ての要素の壁に接触する。従って、開孔１２から流出する空気流Ｆは、ブレード表面５Ｓに当たる風Ｖの流体流に対してより高い温度とより高い圧力とを有し、著しくより低い湿度を有する。

状態２）は、空気流Ｆと電気的装置９、１０、ＩＮとの間で有意な（大きな）熱交換がないという点で状態１）と異なっており、その他の前述の現象および氷結防止効果については変化がない。

ここで強調したい点は、開孔１２から流出する空気流出流Ｆは、開孔１２に関係する外部表面５Ｓに当たる風Ｖの流体流とだけでなく、水または氷のような、ブレード５の外部表面５Ｓに存在する可能性のあるその他の任意の流体または固形物（固体）と熱力学的に相互作用することである。ＷＥＣＳ１の風力タービンは、実際に、強雨でも、または以前に形成された幾分かの氷があっても動作できるであろう。

他に強調すべき点は、少なくとも、蓄積体積空間すなわちカプセル１１とハブ２Ｆとの間と、そこからブレード５の基端部５Ｒ内部まで経路における、除氷および氷結防止装置における空気流Ｆの振動（pulsating、脈動）特性である。

空気流Ｆは、実際、カプセル１１の窓（ウィンドウ）１１Ｌからハブ２Ｆの開口１９へと連続的に通過（流通）するものでない。その理由は、各開口１９がブレード５の各々に対応した位置にだけ配置されているからである。従って、流体Ｆは、関連する開口１９が窓１１Ｌに連通状態になるたびに各ブレード５内に吸気される。各ブレードは、ロータ２が間欠的に（断続的に）所定の角度に来るたびにその期間に、そのように供給を受ける。そのような間欠的動作は、ハブ２Ｆの開口１９の高さに対応する高さにある周面上の幾つかの窓１１Ｌを有するカプセルの前部壁１１Ｐに従って変化する。せいぜい、その窓１１は実質的に連続する円形リングを形成し得るであろう。

その間欠的動作は、蓄積体積空間に空気流Ｆがより長い時間残留することを保証し、従って、各ブレード５の基端部５Ｒの入口においてより多いエンタルピ量が得られる可能性がある。

本発明の上述の説明および本発明を限定するものでない例を表す動作によって、除氷および氷結防止装置の次のような利点が得られることは明らかである。

除氷および氷結防止装置は、単純で信頼性のある実現形態であり、種々の部材がいったん適正に寸法形状が調整されれば、制御システムを必要としない。従って、効率がより低い既知のシステムに対して、実現および実装コストが減少する。

さらに、その単純さおよび管理および制御システムが不要なので、本来的に安全に動作し、従って障害または故障または危険性が非常に小さくなる。

別の利点は、ＷＥＣＳの高い効率を保証し、氷付着に対して特に臨界的な動作状態であっても停止することが回避されることである。要約すると、既知の解決法を用いるシステムで生じる事態に関しても、ＷＥＣＳが連続的に動作できる１年の日数が著しく増大する。

除氷および氷結防止装置のそのような効果は、開孔から流出する流体によって生じる熱および流体動力学的効果による。その熱的効果は、基本的に、増大されたエンタルピを有する境界熱層の形成によるものであり、そこで滴（drop）が熱を吸収して部分的にまたは完全に蒸発し、ブレードの表面における氷付着を回避する。その流体力学的効果は、水滴および様々な自然界の衝突粒子（例えば、昆虫、砂）対して空気膜によって生じる偏差（deviation）によるものである。この効果は或る速度および粒径において最大になる。

除氷および氷結防止装置の別の利点は、ロータが休止状態であっても、または発電機が電力を発生していないときでも、除氷および氷結防止装置が有効であることである。そのシステムは、実際、適正に動作するのに電力を必要とせず、従って、既知の幾つかの解決法とは違って、送電線または配電網から電流を引き出す必要がない。

別の利点は、ロータ・ブレードから固形残留物を除去する必要がないので、そのシステムの停止の回数および期間を減少させることができることである。

さらに、そのシステムは、ブレードの構造的強度を変えることなく、製造業者によるロータ・ブレードの保証を有効に保つ。

別の利点は、ロータ・ブレードの開孔から流出する流体流とそのブレードに当たる主要な流れとの間の好ましい相互作用によって、回転するブレードによって生じるノイズが低減することである。

別の利点は、除氷および氷結防止効果を生じさせる循環流体のエンタルピ量を増大させるためのＷＥＣＳ中に存在する電力装置によって放散される実質的に全ての熱を利用することである。換言すれば、ロータが休止状態にあるとき、ＷＥＣＳの風力タービンの主要ベアリングから収集されず配電網から収集されないほぼ全ての動力（仕事率、電力）が、除氷および氷結防止の目的のために回収される。

この分野の専門家であれば、本発明の思想の新規な原理から逸脱することなく、本発明によるＷＥＣＳ用の除氷および氷結防止装置の幾つかの変形を行うことが可能であることは明らかである。また、実際の実装では、前述の詳細の形状は異なるものであってもよく、詳細は技術的に均等な構成要素で置き換えることができるであろう。

図９は、全体を１’で示した可能な実施形態のＷＥＣＳの変形の概略図を示している。その変形は、図８のシステムに関して、その部材の僅かに異なる構成を有し、同じ図に示された僅かに変更した進路を有する内部空気流Ｆ’を形成するのに適している。

特に、そのＷＥＣＳ１’は、支持タワー４’内に、即ちその他の大きな懸架質量（重量）を持たないように地面に対応して、電気変圧器（変換器）ＴＲを収容するタイプのものである。変圧器ＴＲの近傍において、タワー４’の基部（base）には、空気ＷＥＣＳ１’内の循環空気流Ｆ’取り込むための空気取入口があり、取り入れた空気流がその変圧器ＴＲを包むように流れる。この変形実施形態におけるカプセル１１’は後部が閉じているので、そのような空気取入口はシステム１’全体の中でそこにだけ存在するものである。その代わりに、そのカプセル１１’は、空気流Ｆ’用の蓄積体積空間を構成し、タワー４’からカプセル１１’内部への流体Ｆの流路のための、タワー４’へと流体を流通（接続）させる開口を持っていてもよい。

従って、空気流Ｆ’は、タワー４’の基部内に吸い込まれ、変圧器ＴＲを包むように流れ、タワー４’を上昇するように導いて、蓄積体積空間中に、即ちカプセル１１’中に流れ込む。残りの経路は、図１のシステムの場合と完全に類似している。

図９の変形において、空気流Ｆ’は、ＷＥＣＳ内部を循環し、ロータ・ブレード開孔から流出し、変圧器ＴＲとの接触によってさらに熱を獲得する。

利点として、その変圧器に、システムのナセルに存在する全ての電力装置についても同様に、適当なフィン（羽）を設けて、熱を空気流へ移動させることができる。

現在では１００ｍを越える高さのタワーを用いたシステムが設計されていることを指摘しておく。その結果、空気流Ｆ’がカバーする追加的経路は、タワーの内壁との接触によってまたはその内部に設け得るヘビ状の曲がりくねった経路または案内経路との接触によって、湿気の凝縮を促進する。

上述の変形によって、利点として、ＷＥＣＳの風力タービンのブレードに対する流体熱力学的効果を実現するために方向付けられた空気流Ｆのエンタルピ量を増大させることができ、同時にその湿度を低下させることができる。このようにして、ロータ・ブレードへの氷付着の可能性に関して、より臨界的な（重大な）周囲の条件に耐えることができるので、本発明による除氷および氷結防止装置の効果が改善される。

図１０には、全体を１”で示したシステムを含むＷＥＣＳの除氷および氷結防止装置の別の可能な変形の概略図を示しており、そのシステムを実現する主要手段を構成する空気流Ｆ”が示されている。

その変形は、カプセル１１の前の、カプセルとシステム１”のロータ・ハブ２Ｆとの間の領域が、図１のシステムとは異なる。その領域では、シャフト７に、カプセル１１の前部分１１Ｐを向いた（に面した）可動分配（distributing）ディスク２２が配置されている。図１１には、ロータ２のブレード５の各々の基端部５Ｒ内のＷＥＣＳ１の流体Ｆ”の分配、従って異なる間欠的動作、を得るために、その分配ディスク２２をどのように適合させるかが示されている。

その分配ディスク２２は、分配ディスク２２上の係合（key）開孔２２Ｃ（図１１参照）と、その開孔に係合される（差し込まれる）システム１”のシャフト７との間に、角速度を変更する手段が挿入されることを示すことができる。その手段は、特に、減少（減速）／増大（増速）機構および／または小型電動機として知られており、簡単化のために示されておらず、固着されるシャフト７に対してそのディスクの角速度を変化させるためのものである。

図１１の図１１ａには、開孔２２Ｄと対面するロータ２のハブ２Ｆの開口１９の寸法に実質的に対応する寸法を有する唯一の開孔２２Ｄを有する型の分配ディスク２２が示されている。図１１ｂには、各開孔２２Ｄがディスク２２の単一の開孔２２Ｄの特性と同じ特性を有する３つの開孔を有する別の分配ディスク２２’が示されている。図１１ｃには、ディスクの中心に関して非対称に分配配置された円形扇の形状を有する同じ形状の開孔２２Ｓを有する分配ディスク２２”が示されている。

分配ディスク２２と前部壁１１Ｐの間に、および分配ディスク２２と開口１９の間に、簡単化のために詳細が示されていない既知の保持（holding）手段が挿入されている。

分配ディスク２２、２２’、２２”の様々な構造によって、利点として、角速度を変更する前述の手段とともに、空気流Ｆ”がＷＥＣＳのブレード５に入る様々な間欠的動作の可能性が得られる。

このようにして、利点として、流れのそのような間欠的値によって所定の動作状態および周囲状態におけるＷＥＣＳの除氷および氷結防止装置の効果を改善されることがいったん検証されれば、実験的試験によって必要となり得る特定の間欠的動作を得ることができる。

図１１の分配ディスク２２、２２’および２２”を、さらに本発明によるＷＥＣＳの別の変形に用いることができる。それらを、角速度を変更する上述の手段とともに、図１０の構成に存在する固定隔壁（パーティション）を置換するように、ＷＥＣＳ１”のカプセル１１の前部壁１１Ｐ内に実際に直接挿入することができる。この場合、循環空気流Ｆ”の蓄積体積空間の所要の遮断性（insulation、断熱性）を保つために、ディスク２２、２２’、２２”の外側とカプセル１１の前部壁１１Ｐの内側との間に既知の半径方向の保持手段が存在する。

利点として、そのような変形は、図１０の変形に関して小さい構造的複雑さを示し、同時に循環空気流Ｆ”の間欠的動作を大きく変えることができることを示している。

図１２は、本発明による除氷および氷結防止装置またはＷＥＣＳの別の変形を示している。特に、図１２は、ブレード５と延長器具２Ｅ’の組立体の概略的斜視図を示しており、空気流Ｆの経路が、簡単化のために示されていないロータのハブ中に存在する。ハブ２Ｆとブレード５の各々との間の連結（連通）機能を有する１片の単純な円筒で構成された図１の延長器具２Ｅとは違って、延長器具２Ｅ’は、実際、実質的に円筒形状を有するが、特殊な構成を有する。実際、延長器具２Ｅ’内には、延長器具２Ｅ’内に組み立てられたブレード５の基端部５Ｒに対して配置された第２の分配ディスク２３が存在する。その第２の分配ディスク２３は、延長器具２Ｅ’内に存在する簡単化のために図示されていない既知の装置の助けによって角度方向に移動可能な延長器具２Ｅ’に結合されている。それによって、第２の分配ディスク２３は、横の面または側面（lateral surface）を形成する円筒の準線（directrixes）と実質的に一致するシャフト上でのみ回転するよう実質的に適合化されている。

ブレード５の基端部５Ｒ内において、第１のバルクヘッド１３Ａおよび第２のバルクヘッド１３Ｂの部分図は、ブレード５Ｅの端部、従って流出開孔または開口１２の端部の方向の関連する空気流Ｆ１およびＦ２の流路のための第１の内部体積空間１４および第２の内部体積空間１５をそれぞれ区切る。

図１３には、考え得る実施形態における第２の分配ディスク２３の上面図が示されている。図１３は、体積空間１４および１５の流路断面に実質的に対応するまたはそれより僅かに小さい寸法の円形扇形状を有する窓２４を示している。

そのような各流路断面が、半径および周面について所定の延長を表す（識別する）、ブレード５の関連する第１のバルクヘッド１３Ａおよび第２のバルクヘッド１３Ｂの形状および配置によって画定されることは、明らかである。従って、第１のタイプ２４Ａの窓２４は、第１のバルクヘッド１３Ａによって画定される第１の体積空間１４に向かう流路を開くように設けられ、関連する外形５Ｐの前端縁部に対応するブレード５の表面５Ｓに向かう空気流Ｆの流路が形成される。それに類似して、第２の一連２４Ｂの窓２４は第２の体積空間１５中への空気流Ｆの流路のための形状を有し、その体積空間１５から、関連する外形５Ｐの後端縁部の近傍にブレード５の表面５Ｓへの経路が形成される。

一例としての代表的実施形態において、第２の分配ディスク２３は同じ形状の６つの角度扇部に仮想的に分割され、その３つの扇部は、第１の体積空間１４を向くようにされ、第１の一連のもののうちの２つの窓２４Ａからなり、その他の３つの扇部は、第２の体積空間１５を向くようにされ、第２の一連のもののうちの１つの窓２４Ｂからなる。その結果、その第２の分配ディスク２３に対して実質的に次の３つの動作の可能性がある。

１）窓２４は、図１２に示されているように、空気流Ｆ１、Ｆ２を関連する体積空間１４、１５中へ流通させるブレード５内の体積空間１４、１５に対応して配置される。
２）第１のタイプの１つの窓２４Ａは、空気流Ｆ１を流通させる第１の体積空間１４に対応して配置され、第２の体積空間１５への流通は止められる。
３）体積空間１４、１５に対応する窓は存在せず、従ってそれらの体積空間へ空気は供給されない。

図１２および１３の解決法によって、利点として、特にロータ・ブレードの開孔または開口から流出するよう設けられた空気流分配を制御して、ＷＥＣＳの除氷および氷結防止装置をさらに調整することができる。例えば、流出流のエンタルピ量を増大させるために、所定の時間期間だけ開孔から空気が流出するのを中断するよう決断することができるであろう。

本発明による除氷および氷結防止装置からなるＷＥＣＳの別の変形は、ロータ・ブレード５の開孔または開口１２を通って流出するよう設計された空気流Ｆの強制的対流を行わせるためにナセル３のカプセル１１内にファンおよび／または圧縮（compressing）手段を設けるものである。

利点として、その解決法によって、除氷および氷結防止装置の効果を増大させるその他の２つのパラメータ、即ち出力としての空気流Ｆの量（質量）および圧力を制御することができる。

図１４は、本発明によるＷＥＣＳ１'''におけるファンおよび／または圧縮要素２５の可能な実装を示している。具体的には、そのような要素は、電動機９の回転部分Ｒと固定部分Ｓの間において回転シャフト７に固着されている。要素２５は、カプセル１１内の空気流Ｆ'''のより良好な制御のために可変ピッチ・ブレードを有するタイプのものであってもよく、その空気流Ｆ'''パラメータを変化させることができるようにする。

その空気流Ｆ'''の流路は、図８に示されたものと全体的に類似していが、周知の関連する熱動力学的現象により、圧力の加速または増大を導入することができるという相違がある。

その変形の別の可能性を強調しなければならない。カプセル内に設けられるというオプション（任意選択）を考慮すると、圧縮機の利用は、流出開孔または開口に、特に図４ｃのような形状を有する第２の一連の開孔（図２、１２Ｔ）に方向付けられた空気流の圧力を決定的に増大させるのに適合している。航空学の文献で知られているように、外形の後端縁部の近傍において或る形状の開孔を通して所定の速度の或る量の空気が流出することによって、ブレード特性の空気力学的効率を改善することができ、それによって、ブレードはより大きい入射角を有する流体流に対して動作することができる。

結論として、そのような解決法によって、設置作業（installed power）は同じでありながら、本発明によるＷＥＣＳによって１年間に収集される電気的仕事（電力）はより大きくなる。

さらに、構造的および動力学的質量を減少させることができ、１年間に生成される電気的仕事（電力）は同じでありながら、設置、管理および保守のコストを節約でき、システムが配置される地域に与える環境的影響を減らすことができる。

本発明による除氷および氷結防止装置の別の変形は、ブレード内に、流出用の開孔１２が選択的に設けられるブレード領域に空気流を導く低熱伝導特性の材料の流路を設けるものである。

利点として、そのような変形によって、開孔または開口を通って空気が流出するまで、流体はそのエンタルピ量を実際に変わらないように維持することができ、その結果、より良好な除氷および氷結防止効果が得られる。

ブレードの除氷の問題に対して、即ち偶発的（状況に応じた）理由によって既に形成された氷を除去する可能性に対して、除氷および氷結防止装置は等しく効果的であり得る。実際、本発明によるＷＥＣＳおよびそれに含まれるシステムに対する別の変形を行うことができる。ゴンドラのカプセル内の空気に、例えば電気配電網から充分な時間、充分な電力を取り込む熱抵抗器によって熱を供給し、ブレードの外部表面から氷の質量が滑り落ちて落下するまで開口または開孔に対応して形成された第１（最初）の氷層を加熱することができる。

別の興味ある変形は、ＷＥＣＳ内に、小さい圧縮装置を設けるものである。ロータ・ブレードの各々の内部の第１と第２の体積空間内に、その圧縮装置のノズルを適正に配置し、そのノズルを氷によって部分的にまたは全体的に覆われた開孔または開口に向けて、圧縮空気の脈動を形成することができる。そのような動作は、氷塊（質量）を脆く破壊し、そのようにして、地面に落下して、ブレードが完全に氷のない状態（自由）になる。ここで挙げたその２つの変形を、同じＷＥＣＳに施してもよい。

本発明による除氷および氷結防止装置によって、利点として、ロータが停止した場合であってもいわゆる除氷効果を得るのに適したシステムおよび／または装置を設置することができる。その除氷および氷結防止装置によって、特に臨界的な環境条件でもＷＥＣＳの連続的動作が可能となり、それを停止させる理由として例えばＷＥＣＳの一時的保守作業が必要となってもよい。

ＷＥＣＳの別の変形実施形態は、アルコールまたは界面活性（剤）手段のようなブレードを周期的にクリーニングするための流体を外部的に導入するための専用の開孔をブレード表面に設けるものである。このようにして、利点として、保守がより容易になり、ブレードをクリーニングしそれらを元の状態に復元するのに適したものとなる。

より大きい流体空気量をナセルの内部カプセルに流入させるために、別の変形は、ナセルに関連する動的な空気取入れ口を設けるものである。そのような空気吸気口は、風の方向に対してできるだけ直交するような吸気口断面と、カプセル内に、従って蓄積体積空間に風を送るためのカプセル中を通る流路と、を有する形態で都合よく形状が形成される。ナセルにおいてその構成のために、ナセルの後部にそれを設けるのがよいであろう。これは次の２つの理由による。その第１の理由は、それが特に渦状の吸引流体流を持たないからであり、従って周囲の大気の圧力より低い圧力を有するからである。第２の理由は、そのような流体流が、蓄積体積空間に存在する全ての電力装置またはシステムを包み、従って除氷および氷結防止装置によって空気流循環のエンタルピ量を最大化し得るからである。

さらに、熱交換を最大化するために、金属または熱伝導性の材料で内部が覆われた風力タービン・カプセルをＷＥＣＳに設けてもよく、そのような被覆を電力装置のフィンに接続形成してもよい。そのような解決法を用いて、熱の逃げ道を有利な形態で形成することができ、さらに、熱交換を増大させ、従ってシステムの蓄積体積空間内の対流を増大させることができる。

図１は、本発明によるＷＥＣＳにおける風力タービンの概略的な横方向の部分断面図である。 図２は、図１のシステムの一部の、特に風力タービンのブレードの一部の斜視図である。 図３は、図２の細部の２次元の断面図を示している。 図４は、図２の細部の一部分の可能な実施形態の断面図を示している。 図５は、図２の細部を実現する方法を概略的に示している。 図６は、図４の詳細を示している。 図７は、図１の風力タービンの別の細部の横方向の部分断面図を示している。 図８は、図１を説明するための、ＷＥＣＳの空気流の振る舞いの動作上の詳細を含む図である。 図９は、本発明によるＷＥＣＳ全体の変形の関連する空気流の振る舞いの概略図を示している。 図１０は、本発明によるＷＥＣＳの可能な構成の第２の変形を示す概略的部分断面図である。 図１１は、図１０のＷＥＣＳの細部の可能な数個の実施形態の正面図を示している。 図１２は、図１の風力タービンの別の細部の変形の概略図を示している。 図１３は、図１２のＷＥＣＳの細部の一部の上面図を示している。 図１４は、本発明によるＷＥＣＳの可能な構成の第３の変形を示す概略的部分断面図である。

Claims (39)

1. 地面または地下に風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）を支持し固定するよう適合化されたタワー（４；４’）と、
   前記タワー上に配置されたナセル（３）であって、前記ナセルに対応して、電力を発生して送電線に供給するためにロータ（２）の回転を変換し前記風力エネルギ変換システム（１）の存在し得る電気的装置を管理し動作させる第１の手段（９，ＩＮ、１０；ＴＲ）が設けられるナセル（３）と、
   前記ナセルに対して回転できる形態で前記ナセルに対応して設けられたロータ（２）であって、複数のブレード（５）を具え、前記ブレードに当たる風（Ｖ）によって回転することが可能なロータ（２）と、
   前記風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）内に、前記ロータの前記ブレード内に画定された体積空間（１４、１５）内に流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）を流通させる第２の手段（２Ｅ、１９、２１）と、
   を具え、除氷および氷結防止手段を有する電力を発生するための風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）であって、
   前記ロータの前記ブレード（５）は、前記ブレードの外面（５Ｓ）の少なくとも一部に複数の開孔（１２）を具え、
   前記複数の開孔（１２）は前記ブレード内の前記体積空間（１４、１５）と連通し、
   前記複数の開孔は、前記複数の開孔を通して、前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）の少なくとも一部が前記ブレードの外部へ排出されて、前記複数の開孔に関係する前記外面（５Ｓ）の少なくともブレード面（５Ｅ）に当たる前記風（Ｖ）と、および／または前記ブレードの前記外面（５Ｓ）に存在し得る水および氷と流体熱力学的に相互作用して、前記複数の開孔（１２）に関係する前記ブレード上の前記ブレード面（５Ｅ）の外側に空気層または膜が形成されるよう構成されていることを特徴とする、
   風力エネルギ変換システム。
2. 前記複数の開孔（１２）は、前記ロータ（２）の前記ブレード（５）の各々を構成する外形（５Ｐ）の前端縁部の実質的近傍に配置され前記ブレード（５）内の前記体積空間（１４、１５）のうちの第１の体積空間（１４）の流体が流通する第１の一連（１２Ｌ）の開孔を具えるものであることを特徴とする、請求項１に記載の風力エネルギ変換システム。
3. 前記複数の開孔（１２）は、前記ロータ（２）の前記ブレード（５）の各々を構成する外形（５Ｐ）の後端縁部の実質的近傍に配置され前記ブレード（５）内の前記体積空間（１４、１５）のうちの第２の体積空間（１５）の流体が流通する第２の一連（１２Ｔ）の開孔（１２）を具えるものであることを特徴とする、請求項２に記載の風力エネルギ変換システム。
4. 前記ブレード（５）内の前記体積空間（１４、１５）の流体が流通する前記複数の開孔（１２）は、前記ロータ（２）の前記ブレード（５）の各々の先端部に配置されているものであることを特徴とする、請求項２または３に記載の風力エネルギ変換システム。
5. 前記ナセル（３）は、内部に、前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）と前記風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）の前記第１の手段（９，ＩＮ、１０；ＴＲ）の加熱された表面との間での熱交換を容易にする前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）用の蓄積体積空間を形成するよう適合化された第３の手段（１１；１１’）を具えるものであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の風力エネルギ変換システム。
6. 前記第３の手段（１１；１１’）内で前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）を循環させるための第４の手段（１１Ａ、１１Ｌ、３Ａ；２５）を具えることを特徴とする、請求項５に記載の風力エネルギ変換システム。
7. 前記風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）の前記第２の手段（２Ｅ、１９、２１）に対応して設けられ、前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）用の前記蓄積体積空間を形成するよう適合化された前記第３の手段（１１；１１’）への前記ブレード（５）内に画定された前記体積空間（１４、１５）内への前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）の流路を形成する第１の分配手段（２２、２２’、２２”）を具え、
   前記第１の分配手段（２２、２２’、２２”）は、前記の対応関係によって、前記第２の手段（２Ｅ、１９、２１）内の前記第３の手段（１１；１１’）から前記風力エネルギ変換システム（１）の前記第４の手段（１１Ａ、１１Ｌ、３Ａ；２５）を通る前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）の間欠的な流れを発生させるよう適合化されていることを特徴とする、請求項６に記載の風力エネルギ変換システム。
8. 前記第１の分配手段（２２、２２’、２２”）は、前記第３の手段（１１；１１’）と前記風力エネルギ変換システム（１）の前記第２の手段（２Ｅ、１９、２１）との間に配置されているものであることを特徴とする、請求項７に記載の風力エネルギ変換システム。
9. 前記第１の分配手段（２２、２２’、２２”）は、前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）の間欠的な流れの間欠的な値を変化させるよう適合化されていることを特徴とする、請求項７または８に記載の風力エネルギ変換システム。
10. 前記ブレード（５）内に画定された前記体積空間（１４、１５）への前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）の流入を選択的に制御するよう適合化された第２の分配手段（２Ｅ’、２３）が、前記ロータ（２）に設けられていることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の風力エネルギ変換システム。
11. 前記体積空間（１４、１５）は第１の体積空間（１４）と第２の体積空間（１５）を含み、
    前記第２の分配手段（２Ｅ’、２３）は、前記第１の体積空間（１４）および／または前記第２の体積空間（１５）へ前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）を流入させるかまたは前記風力エネルギ変換システム（１）の前記体積空間（１４、１５）のいずれにも流入させないかを選択的に行うよう適合化されていることを特徴とする、請求項１０に記載の風力エネルギ変換システム。
12. 前記第３の手段（１１；１１’）は、前記ナセル（３）に対応して可動状態で設けられたカプセル（１１；１１’）からなるものであることを特徴とする、請求項５に記載の風力エネルギ変換システム。
13. 前記カプセル（１１；１１’）は、その外皮が、実質的に低熱伝導性材料でできていることを特徴とする、請求項１２に記載の風力エネルギ変換システム。
14. 前記カプセル（１１；１１’）は、前記カプセル（１１；１１’）内を循環する前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）を加熱するための熱の逃げ道を形成するために、送電線に送るためにロータの回転を電力に変換し前記風力エネルギ変換システム（１）の存在し得る電気的装置を管理し動作させる前記第１の手段（９，ＩＮ、１０；ＴＲ）に関連して熱伝導性材料で内部が少なくとも部分的に被覆されたものであることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の風力エネルギ変換システム。
15. 前記第３の手段（１１；１１’）内で前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）を循環させるための前記第４の手段は、前記第３の手段（１１；１１’）の前壁（１１Ｐ）に少なくとも１つの窓（１１Ｌ）と、前記第３の手段（１１；１１’）の後部に形成された少なくとも１つの開口（１１Ａ）と、前記ナセル（３）の後部に配置された１つ以上の開口（３Ａ）と、を具えることを特徴とする、請求項６に記載の風力エネルギ変換システム。
16. 前記ロータは、前記風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）の回転シャフト（７）に対して固定できるハブ（２Ｆ）を具え、
    前記回転シャフト（７）は、前記第１の手段（９，ＩＮ、１０；ＴＲ）に固定され、送電線に送るためにロータの回転を電力に変換するものであり、
    前記ロータ（２）の前記ブレード（５）の各々に対する延長部材（２Ｅ；２Ｆ）は、一端が前記ハブ（２Ｆ）に固定され他端が前記ブレード（５）の基端部（５ＥＩＩ）に固定されているものであることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれかに記載の風力エネルギ変換システム。
17. 前記第２の手段は、前記第３の手段（１１）の少なくとも１つの窓（１１Ｌ）を向いた少なくとも１つの開口（１９）を有する延長部材（２Ｅ）と、前記延長部材（２Ｅ）および前記ブレード（５）の基端部（５ＥＩＩ）に存在する流れを逸らすバッフル（２１）と、を具えるものであることを特徴とする、請求項５乃至９、１２および１５のいずれかに記載の風力エネルギ変換システム。
18. 前記第１の分配手段は、前記回転シャフト（７）に対応して、前記第３の手段（１１；１１’）の前壁（１１Ｐ）と前記ロータ（２）の間に配置された分配ディスク（２２、２２’、２２”）を具えるものであり、
    特に、前記分配ディスク（２２、２２’、２２”）は、前記分配ディスク（２２、２２’、２２”）の少なくとも１つの角度位置において前記分配ディスク（２２、２２’、２２”）を通して前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）を流通させる延長部材（２Ｅ）の開口（１９）に対応する移行手段（２２Ｄ；２２Ｓ）を有するものであることを特徴とする、請求項７、８または９に記載の風力エネルギ変換システム。
19. 前記第１の分配手段は、前記回転シャフト（７）に対応して、前記第３の手段（１１；１１’）の前壁（１１Ｐ）と前記ロータ（２）とに配置された分配ディスク（２２、２２’、２２”）を具えるものであり、
    特に、前記分配ディスク（２２、２２’、２２”）は、前記分配ディスク（２２、２２’、２２”）の少なくとも１つの角度位置において前記分配ディスク（２２、２２’、２２”）を通して前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）を流通させる延長部材（２Ｅ）の開口（１９）に対応する移行手段（２２Ｄ；２２Ｓ）を有するものであることを特徴とする、請求項８に記載の風力エネルギ変換システム。
20. 前記分配ディスク（２２、２２’、２２”）の前記移行手段は、少なくとも１つの開孔（２２Ｄ）または開口（２２Ｓ）を有するものであることを特徴とする、請求項１８または１９に記載の風力エネルギ変換システム。
21. 前記分配ディスク（２２、２２’、２２”）の前記少なくとも１つの開孔（２２Ｄ）は、前記延長部材（２Ｅ）の前記開口（１９）の断面と実質的に同程度の断面を有するものであることを特徴とする、請求項２０に記載の風力エネルギ変換システム。
22. 前記分配ディスクの前記移行手段は、前記分配ディスク（２２、２２’、２２”）の中心に対して非対称に配置された扇形の複数の開口（２２Ｓ）を有するものであることを特徴とする、請求項１８または１９に記載の風力エネルギ変換システム。
23. 前記分配ディスク（２２、２２’、２２”）は、前記分配ディスク（２２、２２’、２２”）と前記回転シャフト（７）の間に相対的回転を生じさせて、前記延長部材（２Ｅ）の前記開口（１９）へ前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）を流通させる間欠的動作を変化させるよう適合化された第６の手段によって、前記回転シャフト（７）に対応して設けられていることを特徴とする、請求項１８または１９に記載の風力エネルギ変換システム。
24. 前記第２の分配手段は、前記ロータ（２）の前記ブレード（５）の基端部（５Ｒ）の近傍に前記ロータ（２）の延長部材（２Ｅ）内に対応して可動状態で設けられた第２の分配ディスク（２３）を具えるものであることを特徴とする、請求項１１に記載の風力エネルギ変換システム。
25. 前記第２の分配ディスク（２３）は、前記延長部材（２Ｅ）内に対応して可動状態で設けられていて、前記ブレード（５）内に画定された前記体積空間（１４、１５）内への前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）の流入を調整するために前記延長部材（２Ｅ’）内で回転するように適合化されていることを特徴とする、請求項２４に記載の風力エネルギ変換システム。
26. 前記第２の分配ディスク（２３）は、前記ブレード（５）の前記基端部（５ＥＩＩ）に存在する流れを逸らすバッフル（２１Ａ、２１Ｂ）によって前記ブレード（５）内に区画された前記体積空間（１４、１５）の流路部分を向いていることを特徴とする、請求項２４または２５に記載の風力エネルギ変換システム。
27. 前記体積空間（１４、１５）は第１の体積空間（１４）と第２の体積空間（１５）を含み、
    前記第２の分配ディスク（２３）は、その角度区間の幾つかにおいて、前記第１の体積空間（１４）の前記流路部分と実質的に同程度の面積を有する第１の一連の窓（２４Ａ）の中の流通窓（２４）が形成され、前記第２の体積空間（１５）の前記流通部分と実質的に同程度の面積を有する第２の一連の窓（２４Ａ）の中の流路窓（２４）が形成されることを特徴とする、請求項２６に記載の風力エネルギ変換システム。
28. 前記第３の手段（１１；１１’）内で（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）を循環させるための前記第４の手段（１１Ａ、１１Ｌ、３Ａ；２５）は、前記第３の手段（１１；１１’）に対応して設けられたファンおよび／または圧縮手段（２５）を具えるものであることを特徴とする、請求項６に記載の風力エネルギ変換システム。
29. 前記ファンおよび／または圧縮手段は、前記回転シャフト（７）に固定されたファンおよび／または圧縮要素（２５）を具えるものであることを特徴とする、請求項２８に記載の風力エネルギ変換システム。
30. 前記風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）の前記第１の手段は、前記風力エネルギ変換システム（１’）の前記タワー（４’）の基部に配置された変圧器（ＴＲ）および／またはその他の電力または補助的電気的装置を具え、
    前記第３の手段は、前記変圧器（ＴＲ）および／またはその他の電力または補助的電気的装置の近傍に前記タワー（４’）の基部に複数の開口を具え、前記タワー（４’）はさらに、その内部と前記風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）の蓄積体積空間（１１’）の間に外部周囲から前記蓄積体積空間（１１’）に取り入れた流体（Ｆ’’’）を流通させる流路を有するものであることを特徴とする、請求項５乃至９、１２乃至１５、１７乃至２３、２８および２９のいずれかに記載の風力エネルギ変換システム。
31. 前記ブレード（５）の前記外面（５Ｓ）は、前記複数の開孔または開口（１２）からなる予め形成された複数のシート（１８）を重ね合わせることによって形成されるものであることを特徴とする、請求項１乃至３０のいずれかに記載の風力エネルギ変換システム。
32. 前記ブレード（５）の前記外面（５Ｓ）は複合材料で形成されるものであることを特徴とする、請求項３１に記載の風力エネルギ変換システム。
33. 前記ブレード（５）の前記外面（５Ｓ）は、上側シェル半部（５Ｕ）と下側シェル半部（５Ｌ）からなるものであることを特徴とする、請求項３１または３２に記載の風力エネルギ変換システム。
34. 前記複数の開孔（１２）は、第１のタイプ（４ａ）および／または第２のタイプ（４ｂ）および／または第３のタイプ（４ｃ）の開孔（図４、１２）からなり、
    前記第１のタイプの開孔は、前記ブレード（５）の内面（５Ｓｉ）から前記外面（５Ｓ）における外側部分（５Ｓｅ）までの空気の一定断面の流路を有し、
    前記第２のタイプの開孔は、広がり、前記ブレード（５）の外側の前記風（Ｖ）の流れの方向に対して実質的に直交する軸を有し、
    前記第３のタイプの開孔は、流出する空気の前記ブレード（５）の外側の前記風（Ｖ）の流れと同じ方向で前記外面に直交する軸に対して所定の鋭角をなす、実質的に平行な複数の壁および傾斜した軸を有するものであることを特徴とする、請求項２乃至４のいずれかに記載の風力エネルギ変換システム。
35. 前記複数の開孔（１２）は、前記第３のタイプの開孔（４ｃ）の開孔（図４、１２）からなるものであることを特徴とする、請求項３４に記載の風力エネルギ変換システム。
36. 前記除氷および氷結防止手段内を循環する前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）のエンタルピ量を増大させるよう適合化された、前記風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）の外部の別の電力源から取り出された電力を消費する少なくとも１つの消費装置を具えることを特徴とする、請求項１乃至３５のいずれかに記載の風力エネルギ変換システム。
37. 前記ナセル（３）は、前記風力エネルギ変換システムが配置された場所に存在する最大の風（Ｖ）の流れの方向に前記ナセル（３）を向ける第７の手段を介在させることによって、前記タワー（４）に対応して可動状態で設けられていることを特徴とする、請求項１乃至３６のいずれかに記載の風力エネルギ変換システム。
38. 風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）を支持し地面または地下に固定するよう適合化されたタワー（４；４’）と、
    前記タワー（４、４’）上に配置されたナセル（３）であって、前記ナセルに対応して、電力を発生して送電線に送るためにロータ（２）の回転を変換し前記風力エネルギ変換システム（１）の存在し得る電気的動作装置を管理し動作させる第１の手段（９，ＩＮ、１０；ＴＲ）が設けられるナセル（３）と、
    前記ナセルに対して回転できる形態で前記ナセルに対応して設けられたロータ（２）であって、所定数のブレード（５）を具え、前記ブレードに当たる風（Ｖ）によって動くことが可能なロータ（２）と、
    を具える風力エネルギ変換システムのロータ・ブレードへの氷付着を防止し無くす方法であって、
    ａ）前記風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）の外部環境から流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）または空気を吸引するステップと、
    ｂ）前記吸引した流体を第２の手段（２Ｅ、１９、２１）に送って、前記ロータの前記ブレード（５）内に画定された体積空間（１４、１５）内へ前記流体を流通させるステップと、
    ｃ）前記ブレードの外面（５Ｓ）の少なくとも一部に存在し前記ブレード内の前記体積空間と連通する複数の開孔（１２）を通して、前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）の少なくとも一部の前記ブレード外への排出を行うステップと、
    を含む方法であって、
    前記複数の開孔（１２）に関係する前記外面（５Ｓ）の少なくともブレード面（５Ｅ）に当たる前記風（Ｖ）と、および／または前記ブレードの前記外面（５Ｓ）に存在し得る水および氷と流体熱動力学的に相互作用して、前記複数の開孔（１２）に関係する前記ブレード上の前記ブレード面（５Ｅ）の外側に空気の層または膜が形成されるように、前記排出が行われるものであることを特徴とする、
    方法。
39. 前記ステップａ）とｂ）の間において、電力を発生させるためにロータ（２）の回転を変換するための前記風力エネルギ変換システム（１；１’；１”；１’’’）の前記第１の手段（９，ＩＮ、１０；ＴＲ）の加熱された表面と前記流体（Ｆ；Ｆ’；Ｆ”；Ｆ’’’）との間で、前記風力エネルギ変換システム内に形成される蓄積体積空間を通して熱交換が生じること特徴とする、請求項３８に記載の方法。

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