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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5934110
(24)【登録日】2016年5月13日
(45)【発行日】2016年6月15日
(54)【発明の名称】風力エネルギー変換デバイス
(51)【国際特許分類】
F03D 3/06 20060101AFI20160602BHJP
F03D 80/00 20160101ALI20160602BHJP
F03D 9/30 20160101ALI20160602BHJP
【ＦＩ】
F03D3/06 G
F03D11/04 A
F03D9/00 G
【請求項の数】19
【全頁数】36
(21)【出願番号】特願2012-549132(P2012-549132)
(86)(22)【出願日】2011年1月14日
(65)【公表番号】特表2013-517421(P2013-517421A)
(43)【公表日】2013年5月16日
(86)【国際出願番号】US2011021379
(87)【国際公開番号】WO2011088377
(87)【国際公開日】20110721
【審査請求日】2013年12月26日
(31)【優先権主張番号】61/295,053
(32)【優先日】2010年1月14日
(33)【優先権主張国】US
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】512185361
【氏名又は名称】コフィー，ダニエル，ピー．
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】コフィー，ダニエル，ピー．
【審査官】
田谷 宗隆
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００４−２４５１６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−３０２３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００３−３１４４２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表平０６−５０６０３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００８／０２６７７７７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２００５−２９９４７９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０３Ｄ ３／０６
Ｆ０３Ｄ ９／３０
Ｆ０３Ｄ ８０／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
水平の風及び鉛直の風の両方の風の流れからエネルギーを取得するための風力タービンであって、
少なくとも１つのほぼ水平に配置された環状の外側ブレード支持部材を有し、前記支持部材は、その中心を通過するほぼ鉛直に配置された中心鉛直軸の周囲を回転するように装着されている、ほぼ鉛直に配置されたオープンフレーム構造と、
前記オープンフレーム構造の前記環状の外側支持部材に装着され、内面及び外面並びに前縁及び後縁を有し、中央通路を画定し、前記内面が前記中央通路に面するほぼ鉛直に配置された回転可能な少なくとも３枚の風力エネルギー取得ブレードと、
前記中心鉛直軸から放射状に突き出したほぼ水平に配置された少なくとも３枚の風力エネルギー取得ブレードと、
前記中心鉛直軸に位置するマストと、を備え、
前記環状の外側ブレード支持部材は、前記オープンフレーム構造の底部に位置する下フープであり、前記オープンフレーム構造は、前記オープンフレーム構造の頂部に隣接する上フープを含み、前記鉛直ブレードは、前記上下フープの間に配置され、
前記オープンフレーム構造は、前記オープンフレーム構造の外周の内側に位置するロッド及びケーブルサポートを有し前記オープンフレーム構造内に配置された中心支持構造を含み、
前記上フープは、前記マストから前記上フープへ張られた張力をかけたケーブル布線で前記マストに固定され、
前記下フープは、一連の支持ロッドによって前記マストから吊り下げられ、前記支持ロッドの近位端は下フープに、遠位端は前記マストに固定され、
前記上下フープの縦に並んでの回転を確保するために、前記上下のフープが各フープから前記ロッドへの張力をかけたケーブル布線によって相互接続された、風力タービン。
少なくとも１つのほぼ水平に配置された環状の外側ブレード支持部材を有し、前記支持部材は、その中心を通過するほぼ鉛直に配置された中心鉛直軸の周囲を回転するように装着されている、ほぼ鉛直に配置されたオープンフレーム構造と、
前記オープンフレーム構造の前記環状の外側支持部材に装着され、内面及び外面並びに前縁及び後縁を有し、中央通路を画定し、前記内面が前記中央通路に面するほぼ鉛直に配置された回転可能な少なくとも３枚の風力エネルギー取得ブレードと、
前記中心鉛直軸から放射状に突き出したほぼ水平に配置された少なくとも３枚の風力エネルギー取得ブレードと、
前記中心鉛直軸に位置するマストと、を備え、
前記環状の外側ブレード支持部材は、前記オープンフレーム構造の底部に位置する下フープであり、前記オープンフレーム構造は、前記オープンフレーム構造の頂部に隣接する上フープを含み、前記鉛直ブレードは、前記上下フープの間に配置され、
前記オープンフレーム構造は、前記オープンフレーム構造の外周の内側に位置するロッド及びケーブルサポートを有し前記オープンフレーム構造内に配置された中心支持構造を含み、
前記上フープは、前記マストから前記上フープへ張られた張力をかけたケーブル布線で前記マストに固定され、
前記下フープは、一連の支持ロッドによって前記マストから吊り下げられ、前記支持ロッドの近位端は下フープに、遠位端は前記マストに固定され、
前記上下フープの縦に並んでの回転を確保するために、前記上下のフープが各フープから前記ロッドへの張力をかけたケーブル布線によって相互接続された、風力タービン。
【請求項2】
前記タービンは、下部の固定された環状ガイドウェイを備え、前記下フープ及び前記ガイドウェイの一方が環状のくぼみを有し、他方が前記くぼみ内に配置される環状のフランジを有する、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項3】
前記マストは、前記中心鉛直軸に位置する固定鉛直マストであり、前記マストは、その頂部に隣接する回転可能なハブを含み、前記オープンフレーム構造は、回転可能なハブに取り付けられる、請求項２に記載の風力タービン。
【請求項4】
前記マストは、前記中心鉛直軸に位置する回転可能なマストであり、前記オープンフレーム構造は、前記回転可能なマストに取り付けられる、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項5】
前記オープンフレーム構造の回転に応答して発電するために前記環状の外側支持部材によって駆動されるように構成された発電機パッケージを含む、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項6】
前記上フープは、前記ハブから前記上フープへ張られた張力をかけたケーブル布線で前記ハブに固定され、
前記下フープは、一連の支持ロッドによって前記ハブから吊り下げられ、前記支持ロッドの近位端は下フープに、遠位端は前記ハブに固定され、
前記上下フープの縦に並んでの回転を確保するために、前記上下のフープが各フープから前記ロッドへの張力をかけたケーブル布線によって相互接続された、請求項３に記載の風力タービン。
前記下フープは、一連の支持ロッドによって前記ハブから吊り下げられ、前記支持ロッドの近位端は下フープに、遠位端は前記ハブに固定され、
前記上下フープの縦に並んでの回転を確保するために、前記上下のフープが各フープから前記ロッドへの張力をかけたケーブル布線によって相互接続された、請求項３に記載の風力タービン。
【請求項7】
前記風を捕捉しほぼ水平に配置されるブレードは、前記オープンフレーム構造の頂部に隣接して配置される、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項8】
前記風を捕捉しほぼ水平に配置されるブレードは、前記オープンフレーム構造の底部に隣接して配置される、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項9】
風を捕捉しほぼ水平に配置されるブレードは、前記オープンフレーム構造の頂部と底部の両方に配置される、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項10】
風を捕捉しほぼ水平に配置されるブレードは、前記オープンフレーム構造の頂部に隣接して配置され、前記鉛直ブレードの頂部に隣接する平面内に置かれる、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項11】
風を捕捉しほぼ鉛直に配置されるブレードと、風を捕捉しほぼ水平に配置されるブレードと、を同数ずつ含む風力タービンにおいて、前記ほぼ水平に配置されるブレードが前記ほぼ鉛直に配置されるブレードからオフセットされる、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項12】
前記ほぼ水平に配置されるブレードは、前記ほぼ鉛直に配置されるブレード間に等間隔に離隔して置かれる、請求項１１に記載の風力タービン。
【請求項13】
前記ほぼ鉛直に配置されるブレードは、鉛直から約±１２°の角度である、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項14】
前記ほぼ鉛直に配置されるブレードは、前記上下フープの間を通る旋回ロッドと、前記旋回ロッド上の少なくとも１つの中間点と前記オープンフレーム構造の前記支持構造の部材との間を通るケーブル布線と、を含み、前記オープンフレーム構造の回転中に前記ブレードにかかる遠心力に応答して前記鉛直ブレードの反りを最小限に抑える、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項15】
自然の水平風が建物又は塔にぶつかるときに建物又は塔の誘発するほぼ鉛直の上向きの風の流れを生む鉛直のファサードを有する建物又は塔の屋根に装着され、前記ほぼ水平に配置されるブレードを駆動する中央通路に入る前記鉛直の上向きの風の流れの部分を受けるために、前記下フープは少なくとも１つの屋根又は塔の縁部に隣接する、請求項１に記載の風力タービン。
【請求項16】
前記下フープが少なくとも２つの屋根又は塔の縁部に隣接して装着される、請求項１５に記載の風力タービン。
【請求項17】
前記下フープが少なくとも３つの屋根又は塔の縁部に隣接して装着される、請求項１５に記載の風力タービン。
【請求項18】
建物が誘発する風の流れが前記中央通路へ流れ込むよう偏向させるために、屋根の縁部の上方に配置される少なくとも１つの風デフレクタを含む、請求項１５に記載の風力タービン。
【請求項19】
前記タービンのエネルギー生成を最大化するために、前記ほぼ鉛直に配置されるブレードのフェザリングのための手段を含む、請求項１に記載の風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願への相互参照）[0001] 本特許出願は、２０１０年１月１４日出願の米国仮特許出願第６１／２９５，０５３号の利益を主張する。
【0002】
[0002] 本発明は、建物の多い市街地を含む種々の設定において、風の運動エネルギーを効率的かつ経済的に電気に変換する回転デバイスに関する。
【背景技術】
【0003】
[0003] 現代が新規石油資源の発見量が消尽される量より少ない「ピーク油」であることは周知である。また、化石燃料、特に発電用の石炭の燃焼から生じる汚染をめぐる関心も高まっている。同時に、電気の需要は引き続き世界中で拡大する。その結果、再生可能エネルギー源を発電に活用するデバイスの開発に向けた取り組みが拡大している。風力タービンはその１つである。
【0004】
[0004] 風の強い環境中で動作するタービンは、従来、風及び／又は地面と回転軸との関係に基づいて定義される説明的カテゴリに分類されてきた。垂直軸型風力タービン（ＶＡＷＴｓ）は、通常その回転軸に平行で地面に垂直なブレードを備え、一方、水平軸型風力タービン（ＨＡＷＴｓ）は、通常その回転軸に垂直で地面に平行なブレードを備える。ＶＡＷＴ及びＨＡＷＴの一般的な名称は地盤面に関係するが、それに依存しない。
【0005】
[0005] 利用可能なエネルギーの生成に成功するためには、風力タービンの機械的エネルギー損失を最小限に抑制しつつ、風から実際に最大限のトルクを引き出さなければならない。風力タービンは強固であることが必要だが、慣性及び機械的摩擦によるエネルギー損失を最小にするために、可能な限り軽量であるべきである。また、風速と風向は常時変動するため、タービンは、内部の機械的エネルギー損失を最小限に抑えつつ、広範囲の風速としばしば変化する風向を利用できる必要がある。風速は年間を通じて大きく変動するため、風力タービンは低速の風と高速の風の両方を利用できることが重要である。このようなデバイスはしばしば起動が困難なため、風力タービンは、高風速時の運転の際に風力タービンにかかる応力に対処する構造と材料の効率の良い設計が必要であることと同様に、低速の風で自動的に起動することが特に必要である。
【0006】
[0006] 風力タービンデバイスは「グリーンな」エネルギーの製造装置だが、自らの環境課題も克服しなければならない。現在製造され、設置されているＨＡＷＴ型風力タービンは、それが住宅、企業、レクリエーション場などの視界及び音の聞こえる範囲内にある場合には、風力タービンによる影のちらつき及び騒音発生に対し、反対の声が挙がることが増えている。また、ＨＡＷＴ型タービンは、鳥やコウモリが風力タービンのブレードに衝突したり、動くブレードの付近に発生する気圧低下のために内臓損傷を被ったりするおそれがあるという問題も引き起こすことがある。このため、景観上の見栄えも良く、環境により快適に調和し、動くブレードの周辺で気圧低下を引き起こさない新型の風力タービン設備が求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
[0007] 結局、この技術はこれまでのところ、超高層ビルを含む建物の多い市街地などの混雑した人口の多い場所に設置して効果的に使用できる効率的かつ実用的な大規模及び中規模の風力タービンを提供していない。更に、風力タービン産業は、都市部又は超高層ビルを含む高層建物の頂部にうまく建造して運転でき、大量の発電出力を得られる十分に効率的で、かつその他の点で容認できるタービンを開発していない。風力タービン産業はまた、このような環境で利用可能な独特の気流の潜在力、又はそれを最も効率的に利用する方法を認識していない。したがって、高層建物の高所で利用可能な増強された風力及びこれらの建物の頂部一帯で利用可能な有効な風の流れはまだ効率的に取得されていない。
【0008】
[0008] 結局、風力タービン産業は、タービン自体のコストよりも、より高いタービンを組み立て、市販するための電気を得るまでのインフラ基盤関連コストに悩まされることが増えている。これらのインフラ基盤利用コストには、自立する塔の建造コストと、風力タービン及びそこで生み出される電気を使用場所までつなぐ配電網の新設又は拡充のコストが含まれる。距離もまた、２０％にも及ぶかなりの伝送路損失を発生させ得る。この伝送路損失は、容認できる設計の効率的な中規模から大規模のタービンを都市環境の中に、とりわけ高層建物の頂部に設置できれば、伝送距離が減ることで事実上解消され得る。頂部にこれらのタービンを設置した建物では、グリーンで再生可能な方法で発電された電気は建物内のテナント及びビル管理で容易に使用される。高層建物の頂部への設置はまた、風力タービンを支持する塔を建設し、タービンを持ち上げるコストも解消するだろう。
【課題を解決するための手段】
【0009】
[0009] 本発明の様々な実施形態は、（ａ）極く軽量で摩擦及び慣性による損失が非常に少ないデバイスと、（ｂ）広範囲の風速と変動する風向きに対応できるデバイスと、（ｃ）デバイスの風を受けるブレードのフェザリングを可能にして出力を最大化し、かつタービンの回転の逆風を受ける部分における抗力を低減するデバイスと、（ｄ）フェザリングの制御を強化し、好適には最大のトルクを引き出せるよう、ブレードにおける風況を必要時に素早く検知することによって生みだすトルク（力）を最大化するデバイスと、（ｅ）視覚的に適切な外観を備え、動くブレードの周辺に気圧低下を生じさせないデバイスと、（ｆ）通常、動作音が静かなデバイスと、（ｇ）弱風時に外部からの補助を受けずに起動するデバイスと、（ｈ）高速及び低速の両方の風を利用できる（及び時には構造的な故障を起こさずに非常に強い風に対応できる）デバイスと、（ｉ）タービンの構成部品にかかる遠心力に耐えるように設計されたデバイスと、（ｊ）高さ及びその他の具体的な条件による風の利点の捕捉が可能な高層建物の頂部に設置できるデバイスと、（ｋ）超高層ビルで利用可能な、建物が誘発する独特の上昇気流を捕捉するデバイスと、（ｌ）それが設置されている建物へ最小の伝送距離で電力を直接供給し、それによってタービンが発電する電力の伝送損失を最小限に抑えるために使用できるデバイスと、を備えてこれらの難点を克服し、動作要件を満たす。
【0010】
[0010] 本発明の実施形態は、地面に対して通常は垂直なデバイス垂直軸の周りに等間隔に離隔して置かれ、垂直軸に平行に、通常は鉛直に配置されたブレードを備える風力タービンを含む。好ましい実施形態では、これらの風力タービンは、前記垂直軸の周りに通常は放射状に（地面に対して通常は平行に）配置され、同垂直軸に対して通常は垂直な追加ブレードを含む。したがって、タービンブレードの前記軸に対する位置は異なるが、すべてのタービンブレードは同じ軸の周りを運行する。本発明の実施形態は、高層建物の頂部、又は自立する塔、とりわけ好適には塔の全高にわたって側面に堅固なファサードを備える自立する塔の上、又はその他の支持構造物上に設置することができる。生成される力は発電に利用し、立地場所で使用するか、又は売却して電力網へ戻すことができる。
【0011】
[0011] 本発明の実施形態に鉛直及び水平に配置された両方のブレードが存在する場合、デバイスは、従来は捕捉されなかった風の流れを捕捉することができる。これは特に都市での使用に当たっての利点だが、その他の環境においても実施できる。
【0012】
[0012] 自然状態の風は、障害物がなければ地面の上を水平に流れる。地面からの高度が高まるに従い、風速は強まる傾向がある。このことは、風から取得できる動力が、風速が増すにつれて増大し、第３の動力になるために重要である。自然の水平風は、鉛直の障害物表面で上昇気流を生む。建物、地形の起伏及び樹木のある都市の条件は、地上付近の風に乱気流を生む傾向があるが、高度が高まるにつれて乱気流は少なくなる。風速は速く、これに中程度の乱気流のみが会合する少なくとも５０フィート（１，５２４ｃｍ）以上の高度環境、好適には超高層ビルの高所において効率的に使用でき、また好ましい実施形態では建物が誘発する気流も捕捉して利用できる風力タービンの提供が、本発明の重要な目的である。
【0013】
[0013] 本発明の種々の実施形態は、タービンの軸を通常地面に鉛直にして「建物」に装着するか、又は「塔に装着する」ことができる。そのため、これらはＶＡＷＴ型デバイスの特徴を備える。地面より高い場所であっても、多少の乱気流は残る。ＶＡＷＴはＨＡＷＴよりも乱気流の風によって受ける影響が少ないことが知られている。またＶＡＷＴは、ＨＡＷＴが風に直接面するように常時向きを変えなければならないのと対照的に、本来的に全方向性であり、定義からして常に風に対向する。このためＶＡＷＴは、都市の環境中では通常非常に変動しやすい風向の追跡に機械的エネルギーを使用せず、したがって浪費がないため、この点で効率が良く、自然風又は環境中の風用として非常に優れている。
【0014】
[0014] どんな建物（又はファサードで覆われた塔）も自然風にとって障害物であり、高層建物は風の大断面にとって大きな障害である。高層建物（又はファサードで覆われた塔）が引き起こす風にとっての障害は、建物にかかる静的及び動的な大きな力を引き起こす。高層建物は、構造的に、大きな安全係数を見込んだうえで、予想される最大強度の風の障害によって引き起こされる大きな応力に耐えるように設計される。タービンは中程度の風及び強い風の中での動作が予定されるが、時として建物に最大荷重を生じさせる最強度の風の中では「停止」される。停止位置では、ブレードは、タービンにかかる力と支持物である建物又は塔に伝わる力を最小限に抑える方向に向けられる。この状態では、タービンにかかる風力は、建物全体にかかる力に比して小さくなり、建物の設計に用いられる通常の保守主義と安全係数の視点では、既存の最高層の建物でも、追加の構造支持を要せずに本発明の実施形態のタービンを支持することができる。
【0015】
[0015] 妨害された風は、自然の反応として脱出口を求める。妨害された風は、障害物を迂回することによって脱出しようとする。このため、妨害された風は、風の障害になる建物のファサードに沿って建物の角を回って逃避し、そのうちかなりの部分が屋上面を越えた上向きの逃避を求めて上向きの鉛直の流れに移行する。妨害された風が鉛直に移動し、合体すると速度を増し、とりわけ屋上面の脱出地点に到達すると加速する傾向があり、その際、風の向きが水平に変わる。これは、いわゆる「ベンチュリー」効果で、速度を最大約２０％増加させる。図１２Ａ〜図１２Ｃは、超高層ビルの頂部を横切って移動する水平の自然風の流れＷ１と、超高層ビル２４２のファサード２４４にぶつかる水平の自然風Ｗ２を含むこの風の流れの概念説明図である。風の流れＷ２が建物のファサードにぶつかると、加速された上向きの風の流れＷ３を形成する。上向きの風の流れＷ３は、次に図示のとおり建物の屋根の構造に影響を受け、風の流れＷ４及びＷ５に分かれながら更に加速する。
【0016】
[0016] 本発明の実施形態は、こうして方向を変え、加速した風を建物の頂部で捕捉する。例えば鉛直及び水平の両方に配置されたブレードを含むタービンの実施形態では、鉛直の風成分は水平の（垂直軸に対してほぼ垂直の）ブレードを動かし、水平の風成分は鉛直の（垂直軸に対してほぼ平行の）ブレードを動かす。更に、建物に妨害された風、及び妨害されない自然の風の両方の水平成分は、合体し、タービンの鉛直ブレードを通過しながら捕捉される。これは、風上側と風下側の両方の位置で生じ、タービンが本来三次元であるため、水平ブレードと鉛直ブレードの両方が同時に動かされる状態が発生し得る。風の鉛直成分も、水平に置かれたブレードによって同時に取得される。
【0017】
[0017] 自然のより通常通りに流れる水平の風も、鉛直と水平の両方に配置されたブレードを含む実施形態によって捕捉される。自然のほぼ水平な風は、最初に風上の鉛直に配置されたブレードにぶつかると、その一部は減速する（その結果ブレードに力が加わり、動力抽出デバイスにトルクが生じる）。しかし、その大部分は障害となるブレードを回避しようとして、タービンに入り、タービンの周囲を回り、またタービンの上を越える。タービンを貫通し、又は風上のブレードを横切って移動する風は、タービンが回転する間、タービンの内側を通って流れ、風下のブレードを動かす。これがそれらのブレードに追加の動力を伝え、脱出口を求める追加の風を生む。脱出口を求める風の避難路は、風下のブレードの間と鉛直方向への方向転換である。鉛直方向の成分は、水平ブレードによって取得できる。したがって、本発明のこれらの実施形態は、他の方法では鉛直に配置されたブレードで取得されない風の鉛直成分を効率的に捕捉でき、水平に配置されたブレードを経てさらなるトルクを生み、それが前記ほぼ垂直な軸に更に伝達される。
【0018】
[0018] 吊り下げフレームを用いた１つの好ましい実施形態には、自然の（水平の）風及び建物が誘発した上昇気流と、鉛直に配置されたブレード及び水平に配置されたブレードの両方を備えた構成との上述の組合せを利用した、本発明の実施形態の要素及び構造が取り入れられる。吊り下げフレームの設計には、構造体にかかる風の抗力を最小化し、それによってデバイス全体の効率を最大化しつつ、乱気流及び超高速の風況の応力にも耐えるための最小限の構造が要求される。それは、頂部及び底部の堅固なフープと、１系統の支柱及びケーブルとを含み、これらが一体として、フープが縦に並んで最小限の摩擦及び慣性損失で確実に運転されるようにする軽量の構造効率の高いフレームワークを形成する。上下のフープをつなぎ合わせることで、フレーム要素とフープが合体して、環状の形態のため本来的に安定で応力耐性のある効率的なシステムを生成する。
【0019】
[0019] 鉛直と水平の両方に配置されたブレードを採用した好ましい実施形態では、軽量のフレーム設計により、ほぼ水平な自然風と、建物の側面に沿って上昇しまた建物頂部を横切って動く風の流れと、の両方の自由な流れが可能になる。この実施形態はまた、デバイスの回転につれてそれらの風が風下の鉛直ブレードにぶつかるため、デバイスそのものによる水平の自然風から上向きの鉛直気流への転換も促す。タービンが塔の頂部及びデバイスの下の支持材と回転ゾーンから十分に離隔した本発明のさらなる実施形態では、水平に配置されたブレードは、フレームの上下のフープの内側のオープンフレームの頂部及び底部の両方に置くことができる。
【0020】
[0020] ブレードを好適に支持するフレーム構造は、鉛直マストに装着されたハブが重力を支える。マスト上でハブが回転可能に支持するために、磁気浮上ベアリング又はその他の種類のベアリングが使用できる。１つの好ましい支持方法では、鉛直マスト上で完全に組み立てられたフレームの全重量がハブに集中する。そのため、本発明のこの支持方法では、タービンが建物屋上に装着される場合、タービンの重力荷重及び横向き荷重部分を、ハブがマストを通じて効率的に建物へ伝達する。他の支持方法では、頂部に装着されたハブではなく、主要垂直軸（マスト）全体をデバイスの回転要素として用いてもよい。第１の支持方法のハブは、一部の横向き荷重をマストへ伝え、回転する下フープが残りの横向き荷重をベースへ移動させる。回転するマストの支持方法は、マストのベースと下フープの両方を通じて鉛直重力荷重と横向き荷重をベースへ伝達する。第１の固定マストの支持方法は、横向き成分を有するが、重力／鉛直成分を持たない下フープを備え、第２の支持方法は横向き成分と重力／鉛直成分を備える。
【0021】
[0021] また、フレーム設計は、堅固な環状フープが応力の横への伝達を阻害し、通常、特に回転時に均衡のとれた状況を提供する。第１の支持構成では、下フープは好適には、フレームから水平の横力の部分を受けるが重力荷重は受けない固定されたガイドウェイに沿って設けられる。ガイドウェイは、組み立てられた全体を安定させつつ一部の水平の横力を大きな面積で建物へ徐々に分散することができるように、超高層ビル又はその他の建物（又は自立する塔）の屋根に固定してもよい。ガイドウェイは、建物上昇気流の一部を流線型にし、フレーム構造体を通って上側水平ブレードへ向けて方向付け、デバイスによる追加的な風力の取得を有利にするためにその風成分の捕捉を補助する翼形状のデフレクタ面を含んでもよい。
【0022】
[0022] 好適には、下フープはガイドウェイの上方に設け、ガイドウェイに影響しないようにし、下フープを支持するすべての部材が張力を受けるようにし、部材が重力ベアリング及び集中型の場合よりも一般に小さく、したがって軽量になるようにする。また、ガイドウェイは、種々の鉛直方向の位置ずれを起こし得る温度その他の応力変形に対し、下フープの位置での追加の摩擦又は鉛直重力ベアリングを引き起こさずに収容するために、可変次元による鉛直方向にフープがないことが好ましい。言い換えると、下フープは実際には環状のガイドウェイ上に置かれていないため、回転するにつれて、組立ての完成したフレーム構造を構成する要素内で、温度及び応力に関係する素材の伸縮に応じて上下に自由に動く。このようにして、下フープは、したがってタービンの鉛直ブレードは、最小限の摩擦損失で定位置にしっかり固定される。構造体は、その頂部の中心点で支持される「ランプシェード」のように動く。上下のフープは、張り骨の中のフープのように動き、環状を保つ。下側ガイドウェイは張り骨の「振れ」は阻止するが、自由な回転は許す。「Ｘ」型に固定されたケーブル組立体はフープを縦に並んで回転させるが、タービンに出入りする風の流れにとってはほぼ透明である（障害にならない）。
【0023】
[0023] 鉛直ブレードを備えるフレーム構造は、先端を適度に切った円錐形が好ましいが、円筒形でもよい。また、先端を切った円錐形を反転させたものでもよい。先端の切断角度は、両方向へ、１２°から垂直までの範囲でよい。オープンフレーム型設計は、極く軽量のフレーム構造にかかるすべての力を鉛直マストへ効率的に伝達することを可能にする。下フープの回転運動は、環状ガイドウェイによって、又は他の実施形態では発電ユニットを動かすことのできるタイヤ状の支持材内で制約される。上フープの回転は、オープンフレームの三角形の構造管によって下フープに連結され、各フープが他方と縦に並んで動くようになっている。タービンのフレームは、このようにして鉛直マスト頂部のハブによって拘束され、下フープとガイドウェイによって更に拘束されるが、デバイスのフレームを構成するロッド及びケーブルの開放系によって一体としてつなぎ合わされる。
【0024】
[0024] また、本発明の実施形態で拘束され、問題が起こりにくくされている重要な力は、タービンの回転から生じる遠心力である。最大の応力を受ける主要な構成部品は鉛直ブレードである。これらのブレードは風力によって応力を受け、回転の遠心力によって更に応力を受ける。本発明のある実施形態は、それらの力によってブレードにかかる外向きの偏りを防止するために、回転可能な鉛直ブレードを中央の支持構造体につなぎ、支えることによってこれらの力の効果を低減する。ブレーシングは、例えばブレードの旋回ロッドを約３分の１及び３分の２の高さの地点でつなぎ、ブレードの支えられていない長さを低減するが、回転は止めない。これにより、デバイス全体の重量を更に低減し、ブレードが妨げのない効率的な形で成果を上げられるようにする。
【0025】
[0025] デバイスは風の中で動作するので、回転する下フープの端面又は表面が１つ又は複数の従来型発電機パッケージを直接動かし、その場で電力を生むことができる。現在のところ、発電機パッケージを駆動させるにはオープンフレームの下フープの端面又は表面を用いて発電するのが好ましいが、タービンは、他の回転する面又は鉛直マスト頂部の回転するハブと連動するように設定してもよい。
【0026】
[0026] 回転可能な鉛直ブレードは、上下のフープの間に装着される。本発明の実施形態のオープンフレームの上フープ、及び一部の実施形態の下フープもまた、下の建物の側面に沿って吹き上がる一部分の風、及びタービンを動かす水平の自然風の方向が変わった部分を受ける、水平に配置されたブレードを備える。最小限、３枚の水平に配置されたブレードと３枚の鉛直に配置されたブレードを使用する。現在のところ、約５枚の水平に配置されたブレードと、約５枚の鉛直に配置されたブレードを使用することが検討されている。すべてのブレードは、その長軸の周りで回転可能なものとする。鉛直のブレード、及び水平のブレードも、モーター又はアクチュエータ又は該デバイスの回転によって動力を得るその他の機械的デバイスによって制御し得る。主タービンによって動く小型発電機も、タービン用のＴＳＲアルゴリズムデータベースの指示に従ってブレードを回転させるアクチュエータ／モーター用のバッテリーに動力を供給することができる。
【0027】
[0027] 水平の風の捕捉は、デバイスが発生するトルクを最大化するために垂直軸を中心に回転するにつれて、風と速度の指示に対して位置を瞬時に調整するように構成された鉛直ブレードを備える本発明の実施形態で最大になる。
【0028】
[0028] 捕捉される鉛直の風は、デバイスが発生するトルクを最大化するために垂直軸を中心に回転するにつれて、風速と方向に対して位置を瞬時に調整するように構成された水平ブレードを備える本発明の実施形態で最大になる。上述のとおり、好ましい実施形態では、水平及び鉛直の両方の風の捕捉は、それぞれ鉛直ブレードと水平ブレードによって達成される。
【0029】
[0029] 各個別ブレードの回転角度は、特定の時点及びタービンの旋回半径における位置によってそれぞれ異なる。それぞれの瞬間的位置は、ブレードが風の中で回転するときに生まれるトルクを最大化するブレードの回転とフェザリングを実現するための経験的及び数学的なアルゴリズムによって決定し得る。制御のアルゴリズムは、瞬時に測定される風速、タービン位置、風向及びその他の適切な局所変数のそれぞれについて、各ブレードのトルクを最適化するだろう。
【0030】
[0030] 各タービン位置について作成されるアルゴリズムとデータベースの主要要素は、トルクの発生を最適化するための動作するタービンのブレードの周速比の慎重なモニタリングである。制御アルゴリズムも、弱風時のタービンの起動及び強風時のタービンの停止を行う他のブレード角が、デバイスの構造能力及び政府の安全規制を上回る過大な回転速度を抑えることを可能にする。タービンの修理及び保守の予定にあわせて回転を止めるために、手動のブレーキとロックがあってもよい。
【0031】
[0031] デバイスは、鉛直ブレードのフェザリング角度を、デバイスのトルクを最適化するアルゴリズムを通じ、所与の風速及びタービンの１分間当たり回転数ｒｐｍに合わせ、あらゆる回転角度に制御する。ｒｐｍは、最適な周速比（ＴＳＲ）を達成し維持するために、独立して最適化される。風速が非常に速い場合、ＴＳＲはタービンのＲＰＭを制限するために引き下げ得る。ブレードのフェザリング角度は、タービンのＴＳＲで画定されるタービンの各動作基点について、オープンフレームにぶつかり、これを抜けていく風から最大のトルクを引き出すために最適化される。この制御は、動力の産生を瞬時に最適化し、また回転速度の制御並びにタービンの自動起動を達成するためにも使用できる。ブレードのフェザリング角度の制御も、デバイスが遭遇する大気条件に特有の変動する風速に、タービンが瞬時に適合させることを可能にする。制御システムは、建物の重大な自然振動モードを刺激し共振を起こす動的な力を引き起こすおそれのある回転速度でのデバイスの動作（一過性のものを除く）も防ぐように設計される。
【0032】
ブレード角度制御Ｉ[0032] ブレード角度制御Ｉは、鉛直のタービンブレードについて瞬時のブレード角度制御を達成するための好適なアルゴリズムである。ブレードは向かってくる風に対して円運動をするため、ブレードの翼弦線「Ｃ」（図１０Ｂに表示）が受ける空気の迎角は周期的に変動する。ブレードアームの逆向きの位置に対して反時計回りに方位位置角θを測定すると、時計回りに動くときにブレードが受ける空気の流れの風下の角度β（θと同じ方法で測定）は、
【数1】
で得られる。上式でＴＳＲは、デバイスより十分上流の風の風速に対するブレードの先端の速度の比である大局的周速比を示す。
【数2】
【0033】
[0033] 上式で、ωは風力タービンの角速度、Ｒはその旋回半径、及びＵ∞は、流速がタービンの存在により著しい影響を受けない、タービンから離れた場所の風速である。例えば風速は、タービンの直径の約１〜２個分離れた場所で測定し得る。以下では、【数3】
で定義する局所周速比Ｔ＊の概念も使用し、上式で、Ｕは、ブレードがその瞬間の位置で経験する局所自由流れ速度である。動作中のタービンは周辺の風速を低下させるという事実により、この局所速度はＵ∞とは異なる。このアルゴリズムを用いた計算では、この風速の低下が、通常、それぞれのブレードの位置の角度によって異なるという事実を考慮する。特に、タービンのブレードは、タービンの風下に向いた半分にあるブレード位置に対応する角度−π／２＜θ＜π／２のときに、サイクルのうち風上側の半分にあるときの速度に比べ、速度が遅くなる。
【0034】
[0034] 図１３Ａは、放射状のタービンアームに直角に装着されたブレードが経験する迎角の変動α０（θ）を、風向きに対する回転角θの関数、【数4】
として示す。α０は、ブレードの受ける気流の相対速度がタービンの回転軸から離れる半径方向外向きを指す成分を有する場合に、正と定義される。
【0035】
[0035] 一般に、風圧板は、「失速角」αＳとして知られる、特定の最大迎角に対してのみ大きな揚力を生むことができる。この角度を越えると流れの分離が起こり、これに揚力の衰退が加わって、抗力が非常に著しく増大する。揚力の生成に使用される風圧板の標準的な失速角は、αＳ＜１５°で、図１３Ａを参照すると、目指す周速比（ＴＳＲ＜２．５）では、固定の正接ブレードは、風圧板が効率的に作動できる最大迎角を大きく上回る迎角を経験し、こうした風力タービンの風圧板は回転サイクルのうちかなりの部分において失速状態で作動することになる。
【0036】
[0036] 正常の（失速していない）流れ条件では、揚力と抗力は、風圧板に対する空気の迎角の関数である。揚力と抗力の迎角に関する正確な従属性は、実験的に、又は数値シミュレーションによって決定しなければならず、また風圧板の形状及びレイノルズ数の両方に依存する。これらの関係は、従来、【数5】
で定義される揚力係数ＣＬ及び抗力係数ＣＤに関して表わされており、上式のＬ及びＤはそれぞれ揚力と抗力であり、ρは空気の密度、Ｓはブレードの平面面積、及びＶは動くブレードに対する空気の速度である。タービンアームの放射ベクトルの力のベクトルＦのベクトル積を使い、各タービンブレードが生むトルクＴを計算することができる。したがってこのトルクは、風速Ｕ∞、局所周速比ＴＳＲ＊、ブレードの迎角α、及び回転角度θの関数になり、Ｔ＝Ｔ（Ｕ∞、ＴＳＲ＊、α、θ）を得る。迎角αを慎重に選定しないとこのトルクが負（タービンの回転方向と反対）になること、及び上述の各パラメータセットについて、ブレードの回転中の各ブレード位置において正の（駆動）トルクが最大化される最適な迎角があること、に留意することが重要である。
【0037】
[0037] 所与のタービン動作条件（風速及び周速比）における揚力と抗力の係数であるＣＬ（α）とＣＤ（α）が分かっている場合、最適迎角ａは、数値最適化によって決定できる。所与の局所周速比ＴＳＲ＊についての最適迎角は、タービンの各半サイクル中のブレード位置に関して弱い従属しか示さず、このことは、最適な出力を得るにはタービンブレードを、それに向かってくる流れの速度に対してほぼ絶対定数の迎角になるように制御すべきであることを意味する。この迎角は、±９０°のタービンアーム位置において、生じるタービンブレードの揚力ベクトルが後ろの向きであるタービンの風下側を指す成分を有するように符号を変える必要がある。生じるブレード迎角の例を図１３Ｂに示す。図１３Ｂに示す迎角を得るために、タービンブレードはタービンの回転に従って変動する角度でフェザリングする必要がある。図１３Ｂに示す迎角を得るために必要なフェザリング角度を図１３Ｃに示す。図１３Ｃにおいて、フェザリング角度γは、風圧板の先頭の先端がタービンの軸から離れる外向きを指すように、風圧板の回転について正と定義される。
【0038】
[0038] 低い周速比（例、ＴＳＲ＜１．５）で駆動トルクを最大化するには、迎角の変動を大きくする必要がある。最適な迎角の達成には、±９０°のタービンアーム位置において、タービンブレードが突然動くことが要求されることは明らかだが、それには大きな力が必要であり、動きの強制に大きな動力が消費されるため、現実的ではない。本発明者の設計では、この突然の迎角の変化が円滑に行われる。だが、この位置に近いタービンのブレードによって供給されるトルクが常に小さく（図１３Ｄ参照）、必要な最適迎角からの偏差はタービンの出力には小さな影響しかないことに留意されたい。
【0039】
[0039] したがって、タービンブレードのフェザリング角度の調整は次のように実施することができる。−選択されたブレード断面についてのＣＬ（α，Ｒｅ）とＣＤ（α，Ｒｅ）の関係は、風洞実験による１枚ブレードテストを通じて、又は風圧板を取り巻く気流を管理するナビエ・ストークス方程式の数値解によって決定される。
−各ブレードの各位置（風の入射方向に対して）の理論上の最適フェザリング角度は、デバイスが動作する周速比の範囲について決定される。最適な実用フェザリング角度は理論値に基づくが、全体の出力を最適化し（例えば流管近似法を用いたエネルギー抽出により、局所の風の減速、及びブレードのフェザリングで消費しなければならないエネルギーを考慮する）、また角のフェザリング力が構造設計及び機構設計に及ぼす影響を最小化するように調整する。このために、タービンが丸１回転したときの出力を、一組の実用フェザリング角度の関数として決定する。この角度のセットは、正味の出力を最大化するように最適化される。
−タービンの一実施形態では、各ブレードの少し前方に、瞬間の大気速度と各ブレードの速度を決定できる速度センサを装備する。これは、例えば図１Ａと図１０に示すように、例えばブレードから突き出した杭１６２に装着した熱線又はピトープローブ１６４を用いて行うことができる。
−本発明者のタービンの別の実施形態は、例えば図１１に示すように、タービンブレードそのものの前後に装着した少なくとも２つの圧力センサ１６６の組を使用することができる。風圧板の両側に装着した数個の圧力センサからの情報を組み合わせることで、タービンブレードが受ける気流の迎角と速度の両方を決定することができる。先行するブレードのセンサからの情報を用いることで、後続のブレードが対面する風況が予想でき、設計を簡略化し、適切な制御アルゴリズムの成績を向上させることができる。
−制御アルゴリズムが導入され、それが上記センサの瞬時読み取りに基づいて、図３に示すものに類似の円滑な関係をつくるために最適なフェザリング角度を決定する。
−制御装置は、各タービンブレード上のアクチュエータに適切な信号を送り、ブレードはそれに従ってフェザリング角度を調整する。
【0040】
ブレード角度制御ＩＩ[0040] 別の実施形態では、図１３Ｃの特定の例が表わす最適なフェザリング角度を、シヌソイド関数によって近似することができる。これは、フェザリング角度が
【数6】
の形の関係に従うことを意味し、上式でγ０はフェザリングの振動振幅であり、φ０は位相シフトである。この実施形態において、パラメータγ０及びφ０は、方程式（６）で与えられるフェザリング角度を用いてタービンの出力を直接最適化することによって決定される。このために、タービンが丸１回転したときの出力を、例えば流管近似法を用いてγ０及びφ０の関数として決定する。次に、この出力が最大になるようにγ０及びφ０の値を決定する。一般に、これらの最適値は風速と周速比に依存する。このアプローチの利点は、周速比の決定のためのタービン速度のほかに、そのタービンについて１つの代表的な風速と風向の決定のみが必要な点であり、この風速と風向は１つのセンサによって測定できる。その後、ブレードのフェザリング角度の制御は、機械的な手段又は電動式アクチュエータによって実施できる。
【0041】
[0041] この実施形態では、タービンのブレードのフェザリング角度は次のようにして調整する。−選択されたブレード断面についてのＣＬ（α，Ｒｅ）とＣＤ（α，Ｒｅ）の関係は、風洞実験による１枚ブレードテストを通じて、又は風圧板を取り巻く気流を管理するナビエ・ストークス方程式の数値解によって決定される。
−実験又はシミュレーションのいずれかのデータに基づき、方程式（６）で与えられるフェザリング角度を用いてタービンの出力を決定する。
−値最適化によりγ０の値を決定し、φ０はこの出力が最大になるように決定する。最適パラメータは風速と周速比に依存する。
−一実施形態では、瞬時に風の向きと速度を決定する速度センサをタービンに装備する。これにはピトープローブが適するが、風の向きと風速の大きさを決定できる他のセンサを使用してもよい。
−制御アルゴリズムが実施され、それが上記センサの瞬時読み取りに基づいて、偏心制御デバイスの振動振幅と位相のための最適なパラメータを決定する。
−制御装置は、パラメータγ０及びφ０ブレードの角度を制御するアクチュエータに適切な信号を送る。
【0042】
[0042] 本発明の実施には、上述のものに類似のフェザリング技術、又はこの技術分野ですでに利用可能なその他のフェザリング技術のいずれかが使用できる。
【0043】
測定[0043] 瞬時の気流測定は、図１Ａに示すように、杭１６２上の熱線又はピトープローブ１６４を、チューブの先端が各ブレードの前方約１ブレードコードの位置になるように設置することによって取得できる。測定された流速と流れの向きからの瞬時流速ベクトルは、既知の従来技術を用いて、各ブレード上の熱線又はピトープローブによって作成されたデータから決定できる。このデータを使い、後述するように、各ブレードについてそのブレードがチューブの先端の位置に達した瞬間のブレード角を、瞬時流速ベクトルに基づいて制御し、ブレードの最適なフェザリング角度を決定し、実施することができる。
【0044】
[0044] あるいは、圧電性圧力センサ、ピトー静圧センサ、ＬＩＤＡＲセンサ又はＳＯＤＡＲセンサ１６６などの圧力センサ１６６を、各ブレードの前面及び背面に装着することができる。これを図１１に示す。各ブレードの各側面に少なくとも１つのセンサがなければならないが、各側面に２個以上のセンサがあることが好ましい。これらの圧力から、従来技術を用いて瞬時流速ベクトルを決定できる。この流速ベクトルは、後続の次のブレードに必要なフェザリングの予想に使用することができる。
【0045】
[0045] 上述の瞬時流速決定技術を下記の流れ図に示す。【表1】
【0046】
[0046] 上述のブレード角度制御Ｉ技術を下記の流れ図に示す。【表2】
【表3】
【0047】
[0047] 上述のブレード角度制御ＩＩの技術を下記のフローチャートに示す。この技術の実施には、複数個の風向風速検知器をタービンから離間して設置することが必要である。【表4】
【表5】
【0048】
[0048] 図１４は、ＴＳＲが１．５のときの鉛直ブレード１４０Ａ〜１４０Ｅのフェザリング角度の一組を図示する。このように、この図ではＤ１の方向の水平風が吹いている。ブレード１４０Ａは風向に対して２１６度フェザリングされ、ブレード１４０Ｂは２８８度フェザリングされ、ブレード１４０Ｃは０度フェザリングされ、ブレード１４０Ｄは７２度フェザリングされ、ブレード１４０Ｅは１４４度フェザリングされる。
【0049】
[0049] 図１５Ａは、ＴＳＲを変更したときのフェザリング角度の変化を図示する。したがって、図１５Ａは、ＴＳＲ＝１．５のときのブレード１４０Ａの位置を示す。図１５Ｂは、ＴＳＲ＝２．０のときのブレードの位置を示す。図１５Ｃは、ＴＳＲ＝２．５のときのブレードの位置を示す。最後に、図１５Ｄは、ＴＳＲ＝３．０のときのブレードの位置を示す。
【図面の簡単な説明】
【0050】
[0050] 本発明の理解を助けるために、本発明をその例示的な実施形態に関係付けて、添付の図面を参照しながら説明し、添付の図面を参照する際には、同様の機能には同様の数字が付けられている。【図1】[0051]本発明の実施形態の軸測投影図である。
【図1A】[0052]本発明の別の実施形態の軸測投影図である。
【図10A】[0074]本発明の両実施形態で使用される鉛直ブレードにかかる遠心力に対抗するためのシステムの種々の機能を図示する。
【図13A】[0078]放射状のタービンアームに対して直角に装着されたブレードが受ける迎角の変動のグラフである。
【図13B】[0079]所与の周速比についての最適迎角のグラフである。
【図13D】[0081]タービンアームのプラス又はマイナス９０度の位置におけるブレードの迎角の変化の近傍でタービンブレードによって供給されるトルクのグラフである。
【図14】[0082]タービンのフレームが固定ＴＳＲで回転するときの鉛直ブレードの角度を示す。
【発明を実施するための形態】
【0051】
[0084] 最初に図１及び図２では、下記に詳述する鉛直マスト２０に吊り下げられたオープンフレーム構造１０を示す。フレーム構造は、環状の下フープ８０と、環状の上フープ１１０と、を含む。下フープ８０は、ガイドウェイの周線付近に配置される一連のピア６２によって支持されるガイドウェイ６０（図５）の上方に位置する。
【0052】
[0085] 現在のところ好適なものとして、５枚の鉛直ブレード１４０Ａ〜１４０Ｅが、下フープ上に支持されるフレーム構造の周線付近に等間隔に離間して置かれて示されているが、このブレードは、最低限３枚の使用でもよい。また、現在のところ好適なものとして、任意の５枚の水平ブレード１７０Ａ〜１７０Ｅが上フープ１１０の内部に放射状に配置されているが、このブレードは、最低限３枚の使用でもよい。また、フレーム構造は「Ｄ」の方向へ反時計回りに回転するように表示されているが、時計回りの方向へ回転させることもできる。鉛直ブレードで囲まれたフレームの内側の領域は、フレームの中央通路１２である。
【0053】
[0086] 図３では、鉛直マスト２０は固定とされ、マストのベース２２に装着される。マストには、保守及び修繕のためのマスト頂部へのアクセス手段として、梯子段３１を含んでもよい。マストは、マストの頂部付近から発する適切なマスト支持ケーブル布線で支えられることが好ましい。図３Ａに示す通り、このマスト支持ケーブル布線２１は、その遠位端が位置２３及び位置２５でマストに取り付けられ、その近位端は、各ピア上のケーブル取付アイレット２４まで延在する。当然ながら、所望ならば、ケーブルの近位端を、他の適切な回転しない構造物に取り付けることができる。このマスト支持ケーブル布線は、マストを鉛直に支え、支持のない長さを減らし、構造要求を軽減する役割を果たす。その結果、構造体全体の重量は低減される。
【0054】
[0087] マストのベースは適切な設計であればよいが、表示の実施形態では、マストを固定し、装着するための中心部材２８を支える平坦な底板２６を含む。底板２６は、ルーフデッキ、塔又はその他の支持面もしくは支持構造物にベース２２を取り付けるための固定具（図示せず）を受ける穴３０も含む。
【0055】
[0088] マスト２０は、本発明の図示された実施形態のタービンとフレーム１０の重力荷重を担い、フレームにかかる横力の部分を受けてこれに耐える。マストは適切な長さであればよい。また、マストのベースから上にいくにつれて次第に細くなってもよい。例えば一実施形態では、高さ約６０フィート（１，８２８．８ｃｍ）のフレームに対応し、フレームの底部の下に約２０フィート（６０９．６ｃｍ）の隙間を残すために、マストは約８０フィート（２，４３８．４ｃｍ）の高さにしてよい。隙間は、空気の流れが壁から屋根への遷移点（すなわち屋根の「縁部」）を横切ってタービンのオープンフレームの中央へ移動できる間隙を作るために、十分な鉛直高さを備えるべきである。
【0056】
[0089] 図３〜図３Ｂに示す通り、回転するハブ組立体３２を鉛直マスト２０の頂部に装着する。図３Ｂの断面図及び図３Ｃの平面図で最もよくわかるように、ハブ組立体は、マスト２０の頂部３４の外側にはめ込める寸法の円筒形のハブ筐体３３を含む。１つ又は複数のレアアース磁石３５を、筐体３３の頂部３６に装着する。１つ又は複数の類似の磁石３７を、マスト頂部のくぼみ３８に載置する。磁石３５及び３７は、同じ極が相互に反対になり、反発して摩擦の少ない磁気浮上ベアリングの効果を生むように配置する。当然ながら、他の種類のベアリングも使用できる。更に、筐体３３は、ハブ筐体３３の内壁４０に取り付けられ、マストの頂部３４の外面に沿って動くベアリング束３９によって、横力をマスト頂部の中心に保持される上フープからマストに伝える。
【0057】
[0090] 図３Ｂは、また、ハブ筐体頂部３６の外側に等間隔で配置されるそれぞれ別の鉛直ブレード専用の５個のアクチュエータ筐体４２のうちの１つを図示する。この筐体はそれぞれ、ベアリング１７６によって嵌め合わされた孔１７４内に水平ブレード１７０Ａ〜１７０Ｅの１つの近位側旋回ロッド１７２を支持する。ロッドの外面の直径上反対の位置でロッドに連動する、向き合ったアクチュエータドライバーアーム１７８及び１８０は、タービンの出力が最大になるようにブレード角のフェザリングを行うために、アクチュエータ（図示せず）のアルゴリズム制御動作に対応して上下に移動して、ロッドを回転させる。代替的に、ロッド周辺及びドライバーアーム沿いに噛み合い歯車又は直接駆動方法を提供してもよいことに留意されたい。実際、電動油圧アクチュエータを含む、種々の異なる周知の種類のアクチュエータが使用できる。
【0058】
[0091] 更に、小型発電機４３をアクチュエータ筐体内に配置してもよい。発電機４３は、マスト頂部３４の外面４１の回転に連動し、発電機を駆動する回転部材４４を含む。この発電機は、アクチュエータに動力を供給するバッテリー４５の充電を行う。
【0059】
[0092] 一連の上側取付ブラケット４６がハブ筐体の頂部３６から放射状に突き出し、同様の数の下側取付ブラケット４７がハブ組立体底部に隣接する領域から放射状に突き出す。取付ブラケット４６及び４７は、上フープケーブル布線５０を受けるためのアイレット４８を含む。
【0060】
[0093] 図４では、上フープ１１０はハブ組立体３２に固定されている。上フープは、上フープケーブル布線５０を受けるためのアイレット５６を備える、内側を向いた上下のリップ５２と５４を含む。したがって、上フープケーブル布線５０は、上下のリップ５２及び５４のアイレットと、ハブ３２の上下の取付ブラケット４６及び４７のアイレット４８との間をつなぎ、上フープを「二輪のホイールとハブ」の配置でハブに固定する。
【0061】
[0094] 図５に示すように、ガイドウェイ６０が外接する領域内の中心に位置する鉛直マスト２０は、タービンの図の円の中心、及び下フープ６０がその上に位置するガイドウェイの中心点となる。ガイドウェイを支持するピア６２は、ベース６８と、ガイドウェイに取り付けられた鉛直上向きのロッド６９と、を含む。ピア６２は、高層建物のルーフデッキ又はその他の支持面又は構造物（図示せず）上に置かれ、これに固定される。
【0062】
[0095] 図５Ａは、６４と表示された逆「Ｔ」型のベースを備え、その「Ｔ」の長い方の足が鉛直上向きを指し、デバイスの下フープ８０の対応する環状くぼみ８２で受けられる環状フランジを形成する、通常逆「Ｔ」型のガイドウェイを最もよく示す断面図である。この関係は、反対にガイドウェイ内のくぼみがフープ上の環状フランジを受けるようにしてもよい。
【0063】
[0096] ポスト６６はまた、従来の構造を有し、下記に更に詳細に説明するように使用される１つ又は複数の発電機パッケージ７０を支持する。例えば発電機は、約１５〜２００ｒｐｍの適切なカットイン速度を備える永久磁石型であってもよい。発電機が作る交流を、従来の整流器、直流ステージ調整及びインバータを使用して適切な電圧と周波数に変換するには、従来のパワーエレクトロニクスを使用してもよい。
【0064】
[0097] ガイドウェイ６０の上方に並列する下フープ８０を図５に示す。一方、図５Ａは、ガイドウェイが下フープ内部の最終位置にある状態の部分図を示す。このように、下フープ８０は、ガイドウェイの中央脚部６１の両側に向かい合って装着されたベアリング組立体８４を受ける下向きの環状くぼみ８２を含む。ベアリング組立体８４は、くぼみ８２の内壁８８と連動するような配置と寸法にする。これにより、下フープの横の動きは摩擦が少なく円滑になるが、横力及びヨーに対抗するために下フープを支えるガイドウェイによって制約され、一方、オープンフレーム構造１０の円運動は正常に保たれる。
【0065】
[0098] また、本実施形態では下フープがガイドウェイ上ではなく、ガイドウェイの上方にあるため、ガイドウェイによって誘導はされるが重力は支持されない。鉛直ブレード及びフレーム構造の多数の構成部品は、屋外の温度変化に伴い、またシステムにかかる他の応力に対応して伸縮するため、この下フープ／ガイドウェイの配置は、フレーム構造の適切な回転を確保しつつ、このような伸縮「Ｅ／Ｃ」（図５Ａ）を収容する。しかし、本発明のそれほど好適ではない実施形態では、下フープをガイドウェイ上又は代替のフープ制約構造物上に置いてもよい。
【0066】
[0099] 図６では、下記に説明するように、支持ロッド９５の取り付け用に、フープの内壁９１に沿った一連の等間隔に離間されたアンカーポイント９０を含む下フープ８０が示される。下フープ８０は、また、下記に説明するように、ブレードの旋回ロッドによって伝達される鉛直ブレード１４０Ａ〜１４０Ｅの重力荷重を受ける一連の直立ピン９３（又は代替のくぼみ）も含む。
【0067】
[00100] 下フープ８０は、反時計回りの方向「Ｄ」へ動くようにガイドウェイ上方に置かれる。下フープ８０は、図５Ａに示すように近位端を底のフープに固定され、図３Ｂに示すように遠位端をハブに固定された一連の支持ロッド９５によって、ハブ組立体３２から「メイポール状」の構成に吊り下げられる。図６に見られるように、ブレードの旋回の際に干渉する可能性を最小限に抑えるために、支持ロッドは各鉛直ブレードの支持点の反対側に取り付けることが好ましい。
【0068】
[00101] 支持ロッド９５は、支持ロッドを取り囲み、好適には支持ロッドの中点９８付近に取り付けられた中心支持ケーブル９６によって相互接続される。中心支持ケーブルは、タービンのフレーム構造の回転中に受ける遠心力又は外向きの力に耐えるように、相互接続された支持ロッド９５の系全体及び上下のフープに関連付けられたケーブル布線を支持する。中心支持ケーブル（及び本明細書中で説明するその他の種々のケーブル）は、フレーム構造が組み立てられたときに張力を受けられるように、また将来、デバイスの設計基準を満たすための必要に応じた調整が可能なように、ターンバックル（図示せず）に嵌め合わせることが好ましい。中心支持ケーブルは、ブレード１４０Ａ〜１４０Ｅの動き及びフレーム構造を横切る風の流れ、又はフレーム構造内部の風の流れへの干渉を最小限に抑えるために、図の構成の中央の五角形のフープを形成する、ほぼ水平な面に置くことが好ましい。
【0069】
[00102] 図７の下側の「Ｘ」型の支え１００は、中心支持ケーブル９６を２本の支持ロッド９５に取り付けた点から下フープのアンカーポイント９０までに張ったケーブル布線によって形成される。「Ｘ」型の支えは、その交点１０１で固定してもよい。下側の「Ｘ」型の支えは、支持ロッド及び下フープにかかる力を効率的に三方向に分散させ、上フープに取り付けられた上側の「Ｘ」型の支えと共に補助することに役立ち、下フープの上フープ及び中央ハブとの同期の強化、したがって並列を可能にする。
【0070】
[00103] 図８は、上フープ１１０の底部からロッドの中点９８までに張ったケーブル布線を含む上側の「Ｘ」型の支え１０４を図示する。上側の「Ｘ」型の支えは、下側の「Ｘ」型の支えの下側からつながった「チューブ」を完成させる。
【0071】
[00104] 図９は、タービンブレードを取り外したフレームの組立て完成状態を示す。これは、フレーム１０の中心支持構造１０６である。図６〜図８に関して説明し、また同じく図９に示したケーブル布線とロッド支持は、上下のフープを同期して、すなわち並列して動かすのみならず、オープンフレーム構造も極く軽量にする。これが摩擦による抗力を最小限に抑え、自然に発生しほぼ水平の風のフレームを横切る動きに対する障害を大きく低減し、一方で、建物が誘発する鉛直の風が水平に配置されたブレードを通って鉛直に移動できるようにもする。力を効率的に三方向に分散させ、構造体全体の質量を低減する５か所の下側の「Ｘ」型の支えは、５か所の上側の「Ｘ」型の支えと共にチューブ（構造上）を形成する。それぞれがフープに接続され、チューブをつなぎ合わせて同調的に動かす系として機能する。チューブは中央フープを通してベルト様に機能する中心支持ケーブル９６の平面で連結され、遠心力の作用による膨張を低減する。
【0072】
[00105] 図１Ａ〜図１Ｆは、向かい合った磁石３５Ａと３７Ａを含む磁気ベアリングを伴う回転する鉛直マスト２０Ａをオープンフレーム１０Ａの支持に使用した本発明の代替的実施形態を示す。この実施形態では、上フープ１１０Ａは、通常、上述の図に関連して説明したように、また図１Ａに示すように、二輪のハブとスポークの配置１３０でマストの頂部に装着される。下フープ８０Ａは、同様に二輪のハブとスポークの配置１３２で鉛直マスト２０Ａに取り付けられる。ただし、今度は下フープがフレーム支持部材（ガイドウェイ６０に相当する構造物がない）であるため、一連のローラー８３は、フープ８０Ａの環状の面８１の底部の周囲に等間隔に離間して置かれる。図示された実施形態では、底部の環状の面８１は、鉛直に対して約４５度の角度がつけられ、ローラー８３は対応する角度でピア８５上に支持される（図１Ｂ）。これは、フレーム１０Ａが回転する際の配列維持に役立つ。最後に、１つ又は複数の発電機パッケージ７０Ａは、ローラー８３によって駆動されてもよい。
【0074】
[00107] 図１０は、下フープの直立ピン９３上の鉛直風力エネルギー取得ブレード１４０Ａ〜１４０Ｅの位置を図示する。ただし、上述のとおり、ピンの代わりにブレードの旋回ロッドを受けるくぼみを使用してもよい。この図では、見やすくするために上フープ１１０を除いてある。
【0075】
[00108] 鉛直ブレード１４０Ａ〜１４０Ｅ（及び水平ブレード１７０Ａ〜１７０Ｅ）は、ブレードを二等分する翼弦Ｃについて対称形だが、中核が曲線になった不規則な形態のブレードを使用してもよい。また、ブレード１４０Ａ〜１４０Ｅは「鉛直」又は「ほぼ鉛直」と称されるが、この用語はこれらのブレードが鉛直から±１２°（すなわち鉛直から内側及び外側の両方に）傾いてもよいことを意味し、上下のフープの直径を必要に応じて調整し、先端を切った円錐形、円筒（０°のとき）及び逆円錐形を形成する。現在のところ、表示のように、鉛直ブレードに＋６°の角度をつけ、上フープが小さめのものが好ましい。
【0076】
[00109] 各ブレード１４０Ａ〜１４０Ｅは、外面１４２と内面１４４、並びに前縁１４６と後縁１４８及び天縁１５４と底縁１５６を有する。ブレードは中空でも充填されていてもよく、またアルミニウム製、炭素繊維製、又はその他の適切な素材製であってもよい。ブレードは、ブレードの内面と外面の間の中心にあり、縦の回転軸１５０となる旋回ロッド１５１に固定される。また、本明細書中で周速比（又はＴＳＲ）というとき、「先端」は回転軸１５０上の架空の点１０２（図１０）である（又は回転軸に沿って上フープから下フープまでの平均旋回半径をＲとする）。
【0077】
[00110] 鉛直ブレードは、ブレードを歪めたりたわませたりする変動する遠心力にさらされ、それが反り及びその他の変形をおこし、それがタービンフレームの回転の際にブレードの効率を損なうことがある。ブレードの歪み又はたわみの量は、働いた遠心力及びブレードの長さに依存する。一般的には、鉛直ブレードの構造をより堅固に、したがってより重くすることによって、又はブレードを短くし、したがってタービンの出力を限定することによって、所与の力に対する歪みの度合いを低減することができる。
【0078】
[00111] しかし、本発明は、鉛直ブレードの歪みを制御する独自の代替アプローチを提供する。これは図１０Ａに示され、そこでは、一連のボールベアリング１９０がその直径の内側に回転可能に固定された固い外側リング１８８を含むベアリングリング１８２が示される。ベアリングリングはベアリングケーブル１９２に取り付けられる。図示した実施形態では、ベアリングリング１８２は旋回ロッド１５１上の約３分の１及び３分の２の位置に置かれ、好適にはロッド内のスロット１９４に収まったベアリング１９０を備える。当然ながら、リング（及びベアリングケーブル）は、旋回ロッド沿いの他の中間の位置に取り付けてもよい。開口部１９６をベアリングリングの向かい側に形成し、ケーブル１９２がロッドから支持ロッド９５上の取付位置９４まで延在できるようにする。開口部１９６は、ブレードが旋回ロッドの周囲を回転する際にケーブル１９２とブレードの内面１４４の間の干渉を防ぐだけの十分な幅がなければならない。これらのケーブルとその旋回ロッドへの取付ブラケットは、ブレードの歪み又はたわみを大幅に制約する一方、少ない摩擦でブレードの回転を可能にする。
【0079】
[00112] 図１０Ｂは、遠心力を示す。したがって、この図の鉛直ブレード１４０Ａは、実線で１つのフェザリング位置を、また破線で別のフェザリング位置を示す。フレームが回転すると、ブレードはＣＦの方向への遠心力を受ける。この力に対し、好適には９０°の角度でリング１８２に取り付けられたケーブル１９８によって、ＯＦの向きへの対抗する力がかかる。
【0080】
[00113] 図１１は、上フープ１１０と下フープ８０の両方を設け、鉛直ブレードをその間に取り付けた風力タービンを示す。この図は、本発明のフレーム構造が、風の捕捉を妨げる外側部材の無いフレーム構造の外周上の鉛直ブレードと、細いケーブル及び支持ロッドの支持に依存する鉛直ブレードによる物理的干渉を避けるために外周からオフセットされた内部構造とをどのようにして提示できるかを浮き彫りにし、またしたがってケーブルとロッドの有効直径が小さいために、構造を横切り、又は構造内部を動く風の流れによる最小の干渉を提示することも浮き彫りにする。
【0081】
[00114] 図２に戻ると、上フープ１１０の内面２００とハブ組立体３２の外面の間に広がった水平ブレード１７０Ａ〜１７０Ｅが示される。水平ブレードは、ブレードの回転軸を画定する近位側旋回ロッド２０２及び遠位側旋回ロッド２０４を含む。近位側旋回ロッド２０２は、図３Ｂに示し、上述した通り、アクチュエータ筐体４２の外壁に回転可能に装着される。遠位側旋回ロッド２０４は、上フープの内面２００上に形成された筐体２０５から内向きに突き出す。筐体２０５は、孔を取り巻くベアリング２０６及びベアリングリング２０８を備えた遠位側旋回ロッドがそれを通して延在する孔２０３を含み、それらが総合して、タービンの動作を最大化するために回転する際の水平ブレードの実質的かつ相対的に摩擦の無い回転を確保する。また、図３Ｃでわかるように、筐体２０２は旋回ロッド２０４の遠位端の外側に隙間２１０を備え、水平ブレード構成部品の伸縮に対応してロッドが放射状に前後に動けるようになっている。
【0082】
[00115] 本発明の一実施形態では、水平ブレードと鉛直ブレードは、ブレードの所在地で測定される、誘発された鉛直風及び自然の鉛直風の風速の変化に基づき、風の捕捉を最大化するために調整された制御されたブレード運動を備えることができる。水平及び鉛直のブレードは、独立して動いてもよい。また、水平ブレードと鉛直ブレードの軸は、一直線から、ブレード間の中間点から均等にオフセットされたものまでのいずれの関係でもよいが、現在のところ、図に示すように均等にオフセットされたブレードが好ましいことにも留意されたい。これがタービンの出力を大幅に改善することが分かっている。
【0083】
[00116] 現在のところ、図５Ａのように、回転する風力タービンが１つ又は複数の発電機２２０を駆動するものが好ましい。この図に示すように、発電機２２０には、発電機シャフト２２４上に装着されたほぼ水平に配置されるタイヤ２２２に嵌め合わされる。このタイヤは、下フープ８０の内壁９１に向かい合って配置される。発電機は、タイヤの外面とフープの内面との間に摩擦接触を維持するように、バネ荷重式そり２２８内に装着される。こうして、下フープが回転すると、それがタイヤ２２２の回転を引き起こし、発電機を駆動し電流を発生させる。下フープの直径とタイヤの直径の自然のギア比は、発電機ローターの回転速度に有益である。バネも、タイヤ交換及びその他の修繕のために「着脱可能」にする。
【0084】
[00117] 図５Ｂは、ガイドウェイ６０上に装着されたブレーキ機構２３０を示す。ブレーキ機構には、側面に沿って配置され、ブレーキパッド２３４を伸縮させるブレーキピストン２３２を含む。したがって、デバイスを停止し下フープをロックしたい場合（例えば、修繕及び保守のために）、ピストンを起動し、下フープの環状下向きくぼみ８２の内壁８８とかみ合って摩擦が起きるまでブレーキパッドを延在させる。ガイドウェイの周線に沿って複数のブレーキを等間隔に配置することが好ましい。これらのブレーキは、適切なＴＳＲを達成するために必要な場合、回転速度を落とすことでブレードのフェザリング制御アルゴリズムのジョブを終了するためにも使用することができる。
【0085】
[00118] 図１２Ａは、ほぼ鉛直に配置されるブレード及びほぼ水平に配置されるブレードの両方を含む本発明の実施形態に重要と考えられる、高層建物（又は塔）に誘発された気流の成分の概念図である。したがって、水平の矢印Ｗ１は建物の屋根を横切って動く自然の水平風を表し、矢印Ｗ２は建物のファサード２４４にぶつかる自然の水平風を表す。矢印Ｗ１とＷ２は、地面からの距離が増えるにつれて風速が増大することを反映し、地上レベル２３６から高層建物２４２の屋根２３８の手すり壁２４０のレベルまで長さを増す。
【0086】
[00119] 一次デフレクタ２５２は、ピア６２の支持ロッド６９に取り付けられることが好ましい。
【0087】
[00120] 図１２Ｂでは、建物２４２のエレベータキャップ筐体２４６の頂部に固定されたマストのベース２４を示す。フレーム１０は、少なくとも屋根の１つの縁部２５０Ａまで延在するような寸法で配置されることが好ましく、好ましくは少なくとも２つの縁部まで延在し（すなわち屋根の角又は矩形の屋根の短辺を横切る）、より好ましくは少なくとも３つの縁部まで延在し、最も好ましくは４つの縁部まで延在する（すなわち屋根が四角形の場合）。これにより、建物によって誘発される風流の捕捉が最大になる。一次デフレクタの角度及び高さは、下記に説明するように、建物が誘発する風Ｗ３の部分をオープンフレームの中央通路１２の中へ入るように最もよく偏向させるために、具体的な建物の特徴に合わせて選択され、調整される、すなわち「調和される」ことが好ましい。図示した実施形態では、一次デフレクタは屋根面に対して約８５度の角度である。好適な実施形態では、二次デフレクタ２５４も支持ロッド６９上に装着される。ブレードによる風の取得を最適化するために風の流れの一部の方向をタービンの中へ向けて変更する際のデフレクタの「スポイラー様」の作用のため、上下のデフレクタの組合せは、建物の形状、型及び表面の基本構造に依存することから、二次デフレクタは、それぞれの設備にあわせて形と角度を微調整する。
【0088】
[00121] 図５Ｃは、一次デフレクタ２５２と二次デフレクタ２５４を示す。図示した実施形態では、一次デフレクタは平面で二次デフレクタは曲面の外面２５５を有するが、上述のように、デフレクタの形状、型及び配置は設置場所のパラメータに依存する。しかし、建物が誘発する風の流れを偏向させて、デフレクタ間の間隙Ｇへ、また中央通路１２へ入るようにすることが目的である。
【0089】
[00122] 図１２Ｂでは、図１２Ｃで示したように、オープンフレーム構造の底を通り、中央通路１２へ、また水平ブレードへ入る鉛直の風の流れの部分の動きを最適化するように取り付けたときの、オープンフレーム構造１０の底２５６と、屋根２３８及び一次デフレクタ２５２との相対的な高さを示す。
【0090】
[00123] したがって、風の流れＷ２が図１２Ｃの建物外面にぶつかるとき、加速された上向きの風の流れＷ３（及び建物の各縁部に向かう水平風の分岐）を形成する。次に、上向きの風の流れＷ３は、建物の屋根の構造に影響を受け、建物が誘発する第１の風流Ｗ４と建物が誘発する第２の風流Ｗ５に分かれるときにさらなる加速をする。
【0091】
[00124] この図に示すように、風流Ｗ４は中央通路１２を通って吹き上がり、水平ブレードに当たってその駆動を助け、風流Ｗ５は鉛直ブレードに当たってその駆動を助ける。最後に、中央通路１２に面するオープンフレーム構造の回転する鉛直ブレードの背面は、ほぼ水平な風の流れを、鉛直ブレードを通過し、主として上向きに動く流れＷ６に入るように動かして、水平ブレードの駆動を更に助ける。
【0092】
[00125] こうして、鉛直ブレード１４０Ａ〜１４０Ｅにぶつかる水平の風の流れＷ１（図１２Ａ）は、オープンフレーム構造の回転を引き起こす。しかし、風の流れＷ１の一部分は、ブレードの外面を通過してオープンフレーム構造の中央を横切り、対面するブレードの後ろにぶつかって偏向されて中央通路に戻り、また一部分はタービンの風下側に脱出する。この偏向された風のほとんどはフレームの底を通って脱出できないため、通常は上向きに変更され、水平ブレードの駆動を助ける。
【0093】
[00126] 本発明の説明の中での「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」という用語及び類似の用語の使用は、本明細書中に別途指定がある場合及び明らかに文脈と矛盾する場合を除き、単数及び複数の両方を含むと解釈するものとする。本明細書中でのあらゆる例示又は例示を示す用語（例えば「など」）の使用は、単に本発明への注意をより強く喚起するためのものであり、別段の表示がある場合を除き、本発明の範囲を制限するものではない。
【0094】
[00127] 最後に、本発明の好適な実施形態は、現在発明者らが把握している本発明の実施のための最善の態様を含めて本明細書中に説明されている。表示の実施形態はもっぱら例示としてのものであり、本発明の範囲を制限するものと解釈すべきではないことを理解されたい。