JP7221284B2 - 流動エネルギーシステム、特にジャケット付き風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、流動エネルギーシステム、特に請求項１の特徴を備えたジャケット付き風力タービンに関するものである。

ジャケット付き風力タービンは、例えば特許文献１（米国特許出願公開第２０１０／００６８０５２号明細書）により知られている。このジャケット付き風力タービンは、タービンケーシングに囲まれたインペラーとエジェクターケーシングとを有し、タービンケーシング及び／又はエジェクターケーシングは膨脹可能なセクション及び／又は可撓性の膨脹可能な領域を有する。タービンケーシング及び／又はエジェクターケーシングは内部リブを有することができ、それらの形状及び長さはジャケット付き風力タービンの特性を変化させるために変更可能である。

特許文献２（国際公開第２０１４／１３６０３２号）は、ジャケット付き風力タービンを開示しており、プロペラはジャケットによって形成された流路の最小内のり幅にある。ガイドエレメントのガイドエレメント前縁は、ジャケットの前縁に対して流体の流動方向で上流側に配置されており、ガイドエレメント後縁は、流体の流動方向で正確にジャケットの前縁にある。

別のジャケット付き風力タービンが、特許文献３（米国特許出願公開第２００９／００８７３０８号明細書）により知られている。このジャケット付き風力タービンは、空気力学的に成形されたタービンケーシングとその流入口、ステーターブレードのリング、ステーターブレードと一列に並んだ回転羽のリングからなるインペラー、及びミキサーポンプ／エジェクターポンプを備えており、高エネルギーのバイパス風流動によりタービンから出る流動を急速に混合することによりタービンの空気通過量を増加させる。

さらに、特許文献４（独国特許出願公開第３０４９７９１号明細書）でもジャケット付き風力タービンが開示されている。

米国特許出願公開第２０１０／００６８０５２号明細書 国際公開第２０１４／１３６０３２号 米国特許出願公開第２００９／００８７３０８号明細書 独国特許出願公開第３０４９７９１号明細書

本発明の課題は、単純な構造で効率の良い流動エネルギーシステム、特にジャケット付き風力タービンを提供することである。

この課題は、請求項１に記載の流動エネルギーシステム若しくはジャケット付き風力タービンによって解決される。

特にジャケット付き風力タービンとして機能する流動エネルギーシステムは、長手方向軸線に対して少なくともほぼ回転対称で、環状の、好ましくは完全に閉じた、翼型の断面を有するジャケットを備えている。ジャケットは剛性であり、したがって変更できないことが好ましい。

流動エネルギーシステム、特にジャケット付きタービンのケーシングを形成するジャケットは、長手方向軸線に対して半径方向内側にある上面で、流動エネルギーシステムを駆動する流体のための流路を限定する。流動エネルギーシステムをジャケット付き風力タービンとして使用する場合、風で移動する空気が流体をなす。

さらに、流動エネルギーシステム、特にジャケット付き風力タービンは、長手方向軸線に対して少なくともほぼ回転対称で、環状の、好ましくは完全に閉じたガイドエレメントを有しており、その最大外径は流路の最小内のり幅より小さい。ガイドエレメントの上流側に位置する端部、即ちガイドエレメント前縁は、ジャケットの前縁に対して流体の流動方向で上流側に配置されており、ガイドエレメントの下流側に位置する端部、即ちガイドエレメント後縁は、ジャケットの前縁に対して下流側に配置され、且つ、流路の最小内のり幅に対しては上流側に配置されている。したがってガイドエレメントは、一部は流路内にあり、一部は流路外の上流側にある。

さらに、流動エネルギーシステム、特にジャケット付き風力タービンは、流体若しくは風の流れを受けて長手方向軸線を中心に回転可能な、電気エネルギーを生成するための発電機を駆動するプロペラを備えている。

プロペラは流動方向で見て少なくともほぼガイドエレメント後縁に、好ましくはガイドエレメントの下流側に位置する終端セクションにあって、ガイドエレメント後縁から測定してガイドエレメントの長さの４分の１、好ましくは５分の１にわたって長手方向軸線の方向に延びている。

プロペラは半径方向に見ると、ガイドエレメントまで隙間を残して延びている。そのためプロペラの直径は、好ましくはガイドエレメントの内のり幅と少なくともほぼ同じ大きさである。

さらに、プロペラはガイドエレメント後縁に対して下流側に、しかし流路の最小内のり幅の上流側にあることが可能である。

これに関連して言及すると、プロペラの軸方向位置を調整する調節機構が存在することが好ましい。この実施形態は、種々の風の状態への最適な適応を可能にする。

プロペラがガイドエレメントの下流側に配置されていると、その直径は好ましくはガイドエレメントの内のり幅と少なくともほぼ同じ大きさである。しかしながらこの配置構成においてジャケット流も当たるように、プロペラをより大きく選択することができる。

本発明による流動エネルギーシステム、特にジャケット付き風力タービンでは、ジャケットとガイドエレメントとの間でジャケット流が生成され、このジャケット流はジャケットが翼型をしているために流路の最小内のり幅で負圧を生成し、それによってガイドエレメントによって形成された主流路を貫流してプロペラに作用する主流を加速する。その結果、効率が向上する。

好ましくはジャケットから少なくともほぼ半径方向に内側に向かって、発電機ハウジングを支持する支持体が突出している。発電機ハウジングは好ましくは、長手方向軸線に対して少なくともほぼ回転対称で少なくともほぼ滴型の縦断面を有する。発電機ハウジング内では、好ましくは支持体にしっかり接続された固定部に発電機が配置されている。好ましくは発電機に接続されたプロペラを支持するシャフトが、流動方向と反対方向で発電機ハウジングの固定部を超えて突出し、シャフト上に着座するフロントキャップは、シャフトと、したがってプロペラと共に回転する発電機ハウジングの一部を形成する。

この実施形態はさらに、最適な流動条件を生み出すために抵抗を最小化するのを助ける。

支持体は、ジャケットに続く外側セクションが長手方向に対してほぼ直角に直線状に延びていることが好ましい。支持体は、好ましくは外側セクションと発電機ハウジングとの間で少なくともほぼＳ字形に湾曲した内側セクションを有していることが好ましい。支持体は外側セクションに続いて流動方向と反対方向に第１の湾曲部を有し、発電機ハウジングに隣接して反対方向に向けられた第２の湾曲部を有することが好ましく、それにより支持体の半径方向内側に位置する端部は再び長手方向軸線に対して少なくともほぼ直角に延びている。支持体は、好ましくは両湾曲部の間で直線状に、例えば長手方向軸線に対して少なくとも約４５°の角度で延びている。

さらに、支持体は再び流動抵抗を小さく保つために、対称的な輪郭形状、特に対称的な翼型を有することが好ましい。

ガイドエレメントは、支持体から流動方向と反対方向に突出するエレメント支持体によって支持されていることが好ましい。これらのエレメント支持体は、好ましくは直線状に形成されており、長手方向軸線に対して少なくともほぼ平行に位置合わせされている。それによりエレメント支持体は流動方向に延び、それが抵抗を最小限に抑える。

ガイドエレメントの長さは長手方向軸線の方向で測定して、長手方向軸線の方向で測定したジャケットの長さの１５％～３０％であることが好ましい。特に好ましくはガイドエレメントの長さは、ジャケットの長さの少なくとも約２２～２４％である。

ガイドエレメントは、長手方向軸線の方向で測定してその長さの３０％～５０％が流動方向と反対方向でジャケットから、即ちジャケットの前縁に対して突出している。特に好ましくはこの突出量は少なくとも約４０％である。その結果、ガイドエレメントの長さの好ましくは５０％～７０％、特に好ましくは少なくとも約６０％がジャケットによって形成される流路内に存在する。

ガイドエレメントの外径は、流路の内のり幅の８５％～９６％、特に少なくとも約９２％であることが好ましい。それによりジャケット流と主流が最適に分割される。

ガイドエレメントは流路の最小内のり幅に関して、流動方向と反対方向で上流側にずらされている。ガイドエレメント若しくはガイドエレメント後縁と、流路の最小内のり幅との間の距離は、好ましくはジャケットの長さの２０％～３０％である。特に好ましくは、この距離は少なくとも約２３～２５％である。

広範なシミュレーションとテストの結果、上述した状態が最適な効率につながることが示された。

ジャケットの翼型は、好ましくは両凸に形成されており、即ち翼型の半径方向内側に位置する上面も、半径方向外側に位置する下面も凸状に湾曲している。ジャケット流によって最適な負圧を生成するために、キャンバーは翼弦線、即ち翼型前縁と翼型後縁を直線で結んだ線に対して半径方向内側に位置することが好ましい。キャンバーは、翼型内の最大可能円の中心によって形成されている。

翼弦線は長手方向軸線に対して少なくともほぼ平行に延びるか、又は翼弦線は下流側の直線状延長部と長手方向軸線で鋭角を囲むことが好ましい。この鋭角は好ましくは５°未満である。この方策によっても最適な流動状態が促進される。

しかしながら言及しておくと、流出口を拡大するために翼弦線は下流側に向かう方向で長手方向軸線からさらに離れることができる。この場合、翼弦線は上流側の直線状延長部と長手方向軸線で、好ましくは１０°未満、特に好ましくは５°未満の鋭角を囲む。

最大キャンバーは、好ましくは０．０６～０．０８であり、特に少なくとも約０．０７である。最大キャンバーとは、キャンバーの翼弦線からの最大偏差を意味し、この最大偏差を翼弦線の長さで除算することによって計算される。

最大翼厚は、好ましくは０．１９～０．３であり、特に少なくとも約０．２２～０．２４であり、特に０．２３である。最大翼厚とは、翼上面と翼下面の間のキャンバー上で可能な最大の円の直径を意味する。最大翼厚は、翼弦線の長さに対するこの最大可能な円の直径の比で示される。

最大キャンバー位置は、好ましくは０．３～０．４５であり、特に少なくとも約０．３６～０．３８である。最大キャンバー位置は、キャンバーの最大の高さにあるポイントが持つ翼型前縁からの距離を表す。最大キャンバー位置は、翼弦線の長さに対するこの距離の割合で示される。

上記のデータに従う翼型も、広範なシミュレーションに基づいて北半球中緯度における風の条件に最適であると判断された。

ガイドエレメントも好ましくは翼型の断面を有し、この翼型部も同様に両凸に形成されていることが好ましい。ガイドエレメントにおいても翼弦線は好ましくは長手方向軸線に対して少なくともほぼ平行に延びている。

ローターの直径は、２．５ｍ～６ｍであり、特に少なくとも約３ｍであることが好ましい。

以下に本発明を図面に示した実施形態に基づいて詳細に説明する。それぞれの図は全く概略的に示されている。

図１は、ジャケット付き風力タービンとして設計された流動エネルギーシステムの斜視図である。 図２は、図１によるジャケット付き風力タービンの正面図である。 図３は、図１及び図２によるジャケット付き風力タービンの固定部を斜め後方から見た斜視図で示す。 図４は、図１～図３によるジャケット付き風力タービンの正面線図である。 図５は、図１～図４によるジャケット付き風力タービンを図４の断面線Ｖ－Ｖで切断した水平断面図である。 図６は、図５の拡大詳細図である。

図に示されたジャケット付き風力タービンは、ジャケット付き風力タービンのケーシングを形成するジャケット１０を有する。ジャケット１０は、ジャケット付き風力タービンの長手方向軸線１２に対して回転対称に形成されている。ジャケット１０の断面は、特に図５及び図６から分かるように、翼型１４を形成している。

翼型の、したがってジャケット１０の半径方向内側に位置する上面６２は、ジャケット付き風力タービンを駆動する流体、この場合は風に対する流路１６を限定する。

ジャケット付き風力タービンを風向に対して最適に位置合わせするために、ジャケット１０は垂直軸線を中心に回転可能な、例えば管状垂直支持体１８によって支持されている。

ジャケット付き風力タービンはさらに、環状に閉じた、長手方向軸線１２に対して回転対称のガイドエレメント２０を有する。ガイドエレメントの最大外径２２（図６）は、流路１６の最小内のり幅２４よりも小さい。

ガイドエレメント２０の上流側端部、即ちガイドエレメント前縁２６は、流動方向Ｓでジャケット１０の翼型前縁２８の上流側に配置されている。ガイドエレメント２０の下流側に位置する端部、即ちガイドエレメント後縁３０は、翼型前縁２８に対して下流側にあるが、最小の内のり幅２４に対しては上流側にある。

これによりジャケット１０とガイドエレメント２０は、風に対する環状ジャケット流路３１を限定する。

ジャケット付き風力タービンはさらに、図示された例示的な実施形態で長手方向軸線１２を中心に回転可能に取り付けられた３枚羽根のプロペラ３２を有する。プロペラ３２は流動方向Ｓに見て、ガイドエレメント２０の上流側に位置する端部領域にあって、ガイドエレメント後縁３０から測定してガイドエレメント２０の長さの２０％にわたって延びている。したがって図示の実施形態においてプロペラ３２は、ガイドエレメント３４によって形成された主流路３４を貫流する主流体流を迎える。

プロペラ３２は半径方向で構造上可能な限り小さい隙間を残してガイドエレメント２０まで延びている。

プロペラ３２は、電気エネルギーを生成するために発電機３６を駆動する。

完全を期すために言及すると、プロペラ３２は長手方向軸線１２の方向で見てガイドエレメント後縁３０にあるか、又は図６に破線で示すプロペラで略示されているようにガイドエレメント後縁３０に対して下流側にあることができる。しかしながらこの実施形態においてもプロペラ３２はガイドエレメント後縁３０に隣接し、流路１６の最小内のり幅２４の上流側にある。

図示の実施形態では、４つの支持体３８がジャケット１０から半径方向に内側に向かって突出している。これらの支持体３８は対称的な翼型の断面を有し、それらの半径方向内側に位置する端部で発電機ハウジング４０を支持する。この発電機ハウジング４０は滴形であり、長手方向軸線１２に対して回転対称に形成されている。

支持体３８は、ジャケット１０からジャケット１２と発電機ハウジング４０との間のほぼ中央まで、長手方向軸線１２に対して直角に延びる直線状の外側セクション４２を有する。外側セクション４２に続く内側セクション４４は、Ｓ字形に湾曲している。内側セクション４４は外側セクション４２に続いて流動方向Ｓと反対方向に第１の湾曲部と、発電機ハウジングに隣接して反対方向に向けられた第２の湾曲部を有する。これらの湾曲部の間で内側セクションは、長手方向軸線１２に対して例えば約４５°の角度で直線状に延びている。

水平若しくは垂直に対して４５°の角度で配置され、互いに向かって延びる４つの支持体３８は、発電機ハウジング４０の固定部４６を支持しており、発電機ハウジング４０内には発電機３６と場合により変速機が配置されている。この固定部３６に関して、長手方向軸線１２に対して同心的なシャフト４８が流動方向Ｓと反対方向に突出し、その上にプロペラ３２が着座している。発電機ハウジング４０の上流側部分はシャフトキャップ５０によって形成されており、シャフトキャップ５０はシャフト４８と、したがってプロペラ３２と共に回転し、最適な流動条件に寄与する。

完全を期すために言及すると、発電機３６からの電線は、支持体３８の少なくとも１つを通り、そこからジャケットを通って垂直支持体１８へと延びる。これは、一方では生成された電気エネルギーを伝導し、他方では制御信号若しくはセンサー信号を発電機との間でやり取りするためである。

各支持体３８の外側セクション４２からエレメント支持体５２が流動方向Ｓと反対方向に突出しており、固定したガイドエレメント２０を支持するために、他端でガイドエレメント後縁３０に接続されている。

これも言及しておくと、プロペラ３２の軸方向位置は調整可能に設計することが可能である。したがって、好ましくは支持体３８に対して発電機ハウジング４０を動かすことによって、プロペラ３２をその軸方向位置で動かすために、好ましくは発電機ハウジング４０内に配置された調節機構３８を設けることが可能である。この場合、支持体３８は図面に示されている位置で下流側にずらして配置されることが好ましい。

図示の実施形態では、長手方向軸線１２の方向で測定されたガイドエレメントの長さ５４は、ジャケット１０の長さ５６の２３％である。

図示の実施形態では、ガイドエレメント２２の外径は、流路１６の最小内のり幅２４の９２％である。

ガイドエレメント前縁２６は、長手方向軸線１２の方向で測定してジャケット１０の翼型前縁２８に対して、ジャケット１０の長さ５６を基準にして４０％上流側にある。この突出量は、図６において５８で示されている。

図示の実施形態では、ガイドエレメント２０、したがってそのガイドエレメント後縁３０と流路１６の最小内のり幅２４との間の距離６０は、ジャケット１０の長さ５６の２４％である。

完全を期すために言及すると、ガイドエレメント２０の断面も両凸であるが、細長く形成されている。言い換えると、ガイドエレメント２０の半径方向の厚さは、その長さ５４に比して小さい。

ジャケット１０の断面は両凸に形成されており、したがって流路１６を限定する翼上面６２も、半径方向外側の翼下面６４も凸状に湾曲している。

ジャケット１０の翼型１４のキャンバー６６は、翼弦線６８に対して長手方向軸線１２に面する半径方向内側で延びている。したがって翼型１４は、半径方向外側よりも強く半径方向内側に湾曲している。

翼弦線６８は、下流側の直線状延長部と長手方向軸線との間に約２°の小さい角度αを囲んでいる。

最大キャンバー７０は０．０７であり、最大翼厚７２は０．２３であり、最大キャンバー位置７４は０．３７である。

図示の実施形態で、ジャケット付き風力タービンの長さ７６は、ジャケット１０の長さ５６より約１０％長い。

ジャケット付き風力タービンの長さ７６は、例えば２．４ｍであり、ジャケットの長さ５６は例えば２．２ｍであってよい。したがって、ジャケットの外径７８は４．４ｍであり、ガイドエレメントの外径は３．１ｍであり、ローターの直径は３．０ｍであることができる。しかしながらジャケット付き風力タービンは、この寸法に関してより大きく又はより小さく形成することができる。

Claims (17)

1. 流動エネルギーシステム、特にジャケット付き風力タービンであって、前記ジャケット付き風力タービンは、長手方向軸線（１２）を画定して、長手方向軸線（１２）に対して少なくともほぼ回転対称の環状ジャケット（１０）を備え、前記ジャケット（１０）は翼型（１４）の断面を有し、その半径方向内側に配置された翼上面（６２）が流体のための流路（１６）を限定しており、さらに、前記ジャケット付き風力タービンは、長手方向軸線（１２）に対して少なくともほぼ回転対称の環状ガイドエレメント（２０）を備え、その最大外径（２２）は流路（１６）の最小内のり幅（２４）より小さく、そのガイドエレメント前縁（２６）はジャケット（１０）の前縁（２８）に対して流体の流動方向（Ｓ）で上流側に配置され、そのガイドエレメント後縁（３０）は前記環状ジャケット（１０）の前縁（２８）に対して下流側に配置され、且つ、流路（１６）の最小内のり幅（２４）に対して上流側に配置されており、さらに、前記ジャケット付き風力タービンは、流路（１６）内に配置されて流体の流れを受けて長手方向軸線（１２）を中心に回転可能な、発電機（３６）を駆動するためのプロペラ（３２）を備えており、前記プロペラ（３２）は流動方向（Ｓ）に見て少なくともほぼガイドエレメント後縁（３０）にある、流動エネルギーシステム、特にジャケット付き風力タービン。
2. 前記プロペラ（３２）は流動方向（Ｓ）に見て少なくともほぼガイドエレメント後縁（３０）にあり、前記プロペラの直径はガイドエレメント（２０）の内のり幅と少なくともほぼ等しい大きさであることを特徴とする、請求項１に記載の流動エネルギーシステム。
3. 前記プロペラ（３２）は、ガイドエレメント（２０）の下流側に位置する終端セクションにあって、ガイドエレメント後縁（３０）から測定してガイドエレメント（２０）の長さの４分の１、好ましくは５分の１にわたって長手方向軸線（１２）の方向に延びていることを特徴とする、請求項２に記載の流動エネルギーシステム。
4. ジャケット（１０）から少なくともほぼ半径方向内側に向かって支持体（３８）が突出して、長手方向軸線（１２）に対して少なくともほぼ回転対称の長手方向断面を有する少なくともほぼ滴型の発電機ハウジング（４０）を支持しており、前記発電機ハウジング（４０）内には発電機（３６）と、プロペラ（３２）を支持するシャフト（４８）が配置されており、前記支持体（３８）は好ましくは対称的な翼型を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の流動エネルギーシステム。
5. 前記支持体（３８）は、長手方向軸線（１２）に対して少なくともほぼ直角に延びてジャケット（１０）に接続している、少なくともほぼ直線状の外側セクション（４２）を有し、さらに、前記外側セクション（４２）と発電機ハウジング（４０）との間に少なくともほぼＳ字形に湾曲している内側セクション（４４）を有することを特徴とする、請求項４に記載の流動エネルギーシステム。
6. 前記支持体（３８）から流動方向（Ｓ）と反対方向に長手方向軸線（１２）に対してほぼ平行に延びるエレメント支持体（５２）が突出して、ガイドエレメント（２０）を支持していることを特徴とする、請求項４又は５に記載の流動エネルギーシステム。
7. 前記ガイドエレメント（２０）の長さ（５４）は、長手方向軸線（１２）の方向で測定してジャケット（１０）の長さの１５％～３０％、特に少なくとも約２３％であることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の流動エネルギーシステム。
8. 前記ガイドエレメント（２０）は、長手方向軸線（１２）の方向で測定してその長さ（５４）の３０％～５０％、特に少なくとも約４０％が流動方向（Ｓ）と反対方向にジャケット（１０）から突出していることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の流動エネルギーシステム。
9. 前記ガイドエレメント（２０）の外径（７８）は、流路（１６）の最小内のり幅（２４）の８５％～９６％、特に少なくとも約９２％であることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の流動エネルギーシステム。
10. 前記ガイドエレメント（２０）と流路（１６）の最小内のり幅（２４）との間の距離（６０）は、長手方向軸線（１２）の方向で測定してジャケット（１０）の長さ（５６）の２０％～３０％、特に少なくとも約２４％であることを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の流動エネルギーシステム。
11. 前記ジャケット（１０）の翼型（１４）が両凸に形成されており、キャンバー（６６）は翼弦線（６８）に対して長手方向軸線（１２）に面する側で延びていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の流動エネルギーシステム。
12. 前記翼弦線（６８）は長手方向軸線（１２）に対して少なくともほぼ平行に延びるか、又は前記翼弦線（６８）の下流側の直線状延長部と長手方向軸線（１２）が、好ましくは５°より小さい鋭角（α）を囲むことを特徴とする、請求項１１に記載の流動エネルギーシステム。
13. 最大キャンバー（７０）は０．０６～０．０８、特に少なくとも約０．０７であることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の流動エネルギーシステム。
14. 最大翼厚（７２）は０．１９～０．３０、特に少なくとも約０．２３であることを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の流動エネルギーシステム。
15. 最大キャンバー位置（７４）は０．３～０．４５、特に少なくとも約０．３７であることを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の流動エネルギーシステム。
16. 前記ガイドエレメント（２０）は翼型の断面を有することを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の流動エネルギーシステム。
17. 前記ガイドエレメント（２０）の断面は両凸に形成されており、ガイドエレメント（２０）の翼弦線は長手方向軸線（１２）に対して少なくともほぼ平行に延びることを特徴とする、請求項１６に記載の流動エネルギーシステム。

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