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特表2024-514234風力発電機

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-29

(54)【発明の名称】風力発電機

(51)【国際特許分類】

F03D 3/04 20060101AFI20240322BHJP

【ＦＩ】

F03D3/04 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2023555197

(86)(22)【出願日】2022-03-11

(85)【翻訳文提出日】2023-10-23

(86)【国際出願番号】 AU2022050212

(87)【国際公開番号】W WO2022187911

(87)【国際公開日】2022-09-15

(31)【優先権主張番号】2021900711

(32)【優先日】2021-03-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523341749

【氏名又は名称】マーティン，クリストファーニール

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯＷＯＲＬＤＰＡＴＥＮＴ＆ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】マーティン，クリストファーニール

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA20

3H178AA22

3H178AA43

3H178DD30X

3H178EE16

(57)【要約】

風力発電機であって、マストと前記マストの長さの低圧部に沿って配置された複数のタワー出口と、前記マストの高圧部に配置された１つ以上の入口と、前記入口と前記タワー出口との間の内部流体流路と、前記流体流路内のタービンと、を備え、前記入口および前記タワー出口は、タービンを稼働するために、風が前記流体流路を通る気流を生成するように構成されている、風力発電機。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

マストの長さの低圧部に沿って配置された複数のタワー出口を有するマストと、
前記マストの高圧部に配置された１つ以上の入口と、
前記入口と前記タワー出口との間の内部流体流路と、
前記流体流路内のタービンと、を備え、
前記入口および前記タワー出口は、タービンを稼働するために、風が前記流体流路を通る気流を生成するように構成されている、風力発電機。

【請求項2】

マストの側部に配置された複数のタワー出口を有するマストと、
空気を１つ以上の入口に導くように構成された、風上に面した開口部と、
前記入口と前記タワー出口との間の内部流体流路と、
流体流路内のタービンと、を備え、
前記入口および前記タワー出口は、タービンを稼働するために、風が前記流体流路を通る気流を生成するように構成されている、風力発電機。

【請求項3】

基部に回転可能に接続され、風の方向に応じて風上部が風に面して向けられるように回転するように構成されたマストと、
前記マストの側部に配置された１つ以上のタワー出口と、
前記マストの前記風上部に配置された１つ以上の入口と、
１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間の内部流体流路と、
前記流体流路内のタービンと、を備え、
１つ以上の前記入口が気流を受け取るとき、前記気流は、前記流体流路を通り、前記タービンを動作させるように移動させられる、風力発電機。

【請求項4】

基部に回転可能に接続され、風の方向に応じて風上部が風に面して向けられるように回転するように構成されたマストと、
前記マストの低圧部に配置された１つ以上のタワー出口と、
前記マストの高圧部に配置された１つ以上の入口と、
１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間の内部流体流路と、
前記流体流路内のタービンと、を備え、
１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間の圧力差が、前記タービンを動作させる気流を生成する、風力発電機。

【請求項5】

基部に回転可能に接続され、風の方向に応じて風上部が風に面して向けられるように回転するように構成されたマストと、
前記マストにおける１つ以上の入口の位置に対して、前記マストにおいて異なる高さに配置された１つ以上のタワー出口と、
１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間に内部流体流路を画定する導管と、
前記流体流路内のタービンと、を備え、
１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間の圧力差が、前記タービンを動作させる気流を生成する、風力発電機。

【請求項6】

前記マストにおける１つ以上の前記タワー出口は、１つ以上の前記入口から垂直方向に離間している、請求項１～５のいずれか１項に記載の風力発電機。

【請求項7】

前記マストにおける１つ以上の前記タワー出口は、前記マストにおける１つ以上の前記入口よりも高い、請求項６に記載の風力発電機。

【請求項8】

前記マストにおける１つ以上の前記タワー出口は、前記マストにおける１つ以上の前記入口と同じ高さである、請求項１～４のいずれか１項に記載の風力発電機。

【請求項9】

前記タワー出口は、前記マストの風上部から前記マストの風下部の間の移行部の中央、または、前方に配置される、請求項１～８のいずれか１項に記載の風力発電機。

【請求項10】

１つ以上の前記入口の各々は、１つ以上の前記タワー出口の各々よりも断面積において実質的に大きい、請求項１～９のいずれか１項に記載の風力発電機。

【請求項11】

前記タワー出口の断面積の合計は、前記入口の断面積の合計よりも大きい、請求項１～１０のいずれか１項に記載の風力発電機。

【請求項12】

前記風力発電機は、前記流路内に１つ以上の気流調整手段を備える、請求項１～１１のいずれか１項に記載の風力発電機。

【請求項13】

１つ以上の前記気流調整手段は、ゲートバルブである、請求項１２に記載の風力発電機。

【請求項14】

１つ以上の前記気流調整手段は、逆止弁である、請求項１２に記載の風力発電機。

【請求項15】

前記逆止弁は、リード弁である、請求項１４に記載の風力発電機。

【請求項16】

前記風力発電機は、前記流路内に少なくとも２つの気流調整手段を備え、前記気流調整手段の少なくとも１つはゲートバルブであり、前記気流調整手段の少なくとも１つは逆止弁である、請求項１～１１のいずれか１項に記載の風力発電機。

【請求項17】

前記風力発電機は、前記タービンへの気流を絞るように構成された少なくとも１つのゲートバルブを備える、請求項１～１１のいずれか１項に記載の風力発電機。

【請求項18】

前記風力発電機は、１つ以上の前記タワー出口を選択的にまたは自動的に動作させるように構成された少なくとも１つの逆止弁を備える、請求項１～１１のいずれか１項に記載の風力発電機。

【請求項19】

少なくとも１つの前記逆止弁は、１つ以上の前記タワー出口を通る空気の逆流を防止するようにさらに構成される、請求項１８に記載の風力発電機。

【請求項20】

前記マストは、前記タワー出口において気流をより良好に整列させるように構成されたバッフルを備える、請求項１～１９のいずれか１項に記載の風力発電機。

【請求項21】

前記風力発電機は、前記マストの内部管空間を上方に移動し風下部分に向かって出される気流を導くように構成された複数の管旋回羽根を備えることで、気流が、前記マストを出ながら前記風の方向に実質的に整列される、請求項１～２０のいずれか１項に記載の風力発電機。

【請求項22】

前記マストは、出口空間と、風下空間と、前記風下空間における風下から前記出口空間における風上に気流を旋回させるように構成された複数の出口チャネル旋回羽根とを備える、請求項２１に記載の風力発電機。

【請求項23】

前記管旋回羽根は、前記風下空間と前記管空間との間の逆流を制限するように構成された逆止弁を備える、請求項２２に記載の風力発電機。

【請求項24】

前記出口チャネル旋回羽根は、前記出口空間と前記風下空間との間の逆流を制限するように構成された逆止弁を備える、請求項２２に記載の風力発電機。

【請求項25】

前記マストは、前記出口空間における風上から前記タワー出口を出るときの風下に前記気流を旋回させるように構成された、複数の出口旋回羽根を備える、請求項２２に記載の風力発電機。

【請求項26】

前記出口旋回羽根は、前記自由流体気流から前記出口空間への逆流を制限するように構成された逆止弁を備える、請求項２５に記載の風力発電機。

【請求項27】

風の方向に応じて風上部が風に面するようにマストを位置決定する工程と、
マストに１つ以上の入口を設ける工程と、
前記マストの側部に１つ以上のタワー出口を提供する工程と、
該工程は、前記風が１つ以上の前記タワー出口を横切って流れるときに１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間に圧力差が生成されるように、１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間の内部流体流路を通る気流を生成し、
前記流体流路内にタービンを提供する工程と、を備え、
該工程は、前記気流が前記流体流路内に生成されるとき、前記タービンが電力を生成するような動作をするために構成された、発電方法。

【請求項28】

風に面するようにマストを回転させる工程と、
１つ以上の入口を通る気流を受け取る工程と、
前記気流を流体流路に導き、前記マストの１つ以上のタワー出口を通して出す工程と、
前記流体流路内の前記気流によって前記流体流路内のタービンを稼働する工程と、
前記タービンは発電機に動作可能に接続されることで、
電力を発生させ、または回転動力装置を稼働する、発電方法。

【発明の詳細な説明】

【0001】

〔技術分野〕
本発明は、発電用の風力発電装置に関する。

【0002】

〔背景技術〕
背景技術の以下の開示は、本発明の理解を容易にすることのみを意図している。この開示は、言及される要素のいずれも、出願の優先日における共通一般知識の一部であった通知または承認事項ではないことを理解されたい。

【0003】

クリーンなエネルギー源、特に再生可能エネルギー源は、気候の継続的な変化に対応し、化石燃料などの非再生可能エネルギー源への依存を低減／排除するために開発されている。クリーンで再生可能なエネルギー源は、多くの異なるエネルギー源に由来し、水力、太陽光、風力、および原子力を含むが、これらに限定されない。

【0004】

大まかに言えば、電力を生成するための風力タービンは、タワー上に、半径方向に延在する大きなブレードを有するタービンを備える。ブレードは、風の流れに応じてタービンを回転させる。タービンは、発電機を駆動するドライブシャフトに接続される。

【0005】

風力タービンは、環境的にも、心理的にも、風力タービンの使用を妨げる複数の欠点を有する。風力タービンは空気に対して開放的であり、したがって、風力タービンのある地域内の野生生物は、ブレードによって衝撃を受け、殺傷され、または負傷する可能性がある。構成部品が高所にあることで、設置および保守作業者に危険をもたらす。

【0006】

さらに、風力タービンの周囲の地域に居住する住民は、一般に、騒音、ブレードからの危険性、および風力タービンの非常に高い位置に重い荷重を有している事などの有害性または恐怖を主張する。これは「Not In My Backyard」として知られる現象に寄与する。この現象は、住民が、彼らの居住地において、風力タービンのような不快および／または危険であると認識される開発に反対する一方で、他の場所での使用に異議を唱えず、または支持することを特徴付けるものである。

【0007】

この背景に対して、本明細書の実施形態が開発された。

【0008】

本明細書全体を通して、文脈上別段の要求がない限り、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」の文言、または「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」もしくは「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変形は、記載された単語または単語のグループの包含を意味し、任意の他の単語または単語のグループの除外を意味しないと理解される。

【0009】

本明細書全体を通して、文脈上別段の要求がない限り、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」の文言、または「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」もしくは「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」などの変形は、記載された単語または単語のグループの包含を意味し、任意の他の単語または単語のグループの除外を意味しないと理解される。

【発明の概要】

【0010】

第１の態様によれば、
その長さに沿った複数のタワー出口を有するマストと、
１つ以上の入口と、
前記入口と前記タワー出口との間の内部流体流路と、
前記流体流路内のタービンと、を備え、
前記入口および前記タワー出口は、タービンを稼働するために、風が前記流体流路を通る気流を生成するように構成されている風力発電機が提供される。

【0011】

一実施形態において、一つ以上の前記タワー出口は、前記マストの低圧部に配置され、前記入口は、前記マストの高圧部に配置されている。

【0012】

一実施形態において、一つ以上の前記タワー出口は、前記マストの側部に配置されている。

【0013】

一実施形態において、前記風力発電機は、空気を１つ以上の入口に導くように構成された、風上に面した開口部を備える。

【0014】

一実施形態において、前記開口は、スクープの開口である。

【0015】

一実施形態において、前記開口は、マストに設けられる。

【0016】

第２の態様によれば、
基部に回転可能に接続され、風の方向に応じて風上部が風に面して向けられるように回転するように構成されたマストと、
１つ以上の入口と、
前記マストの側部に配置された１つ以上のタワー出口と、
前記風が１つ以上の前記タワー出口を横切って流れるときに、１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間に圧力差が生成されるように、１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間の内部流体流路を通る気流を生成し、
前記流体流路内のタービンと、を備え、
前記気流が前記流体流路内に生成されるとき、前記タービンが電力を生成するような動作をするために構成されている風力発電機が提供される。

【0017】

第３の態様によれば、
基部に回転可能に接続され、風の方向に応じて風上部が風に面して向けられるように回転するように構成されたマストと、
前記マストの側部に配置された１つ以上のタワー出口と、前記マストの前記風上部に配置された１つ以上の入口と、
１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間の内部流体流路と、
前記流体流路内のタービンと、を備え、
１つ以上の前記入口が気流を受け取るとき、前記気流は、前記流体流路を通り、前記タービンを動作させるように移動させられる風力発電機が提供される。

【0018】

第４の態様によれば、
基部に回転可能に接続され、風の方向に応じて風上部が風に面して向けられるように回転するように構成されたマストと、
前記マストの低圧部に配置された１つ以上のタワー出口と、前記マストの高圧部に配置された１つ以上の入口と、
１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間の内部流体流路と、
前記流体流路内のタービンと、を備え、
１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間の圧力差が、前記タービンを動作させる気流を生成する風力発電機が提供される。

【0019】

第５の態様によれば、
基部に回転可能に接続され、風の方向に応じて風上部が風に面して向けられるように回転するように構成されたマストと、
前記マストにおける１つ以上の入口の位置に対して、前記マストにおいて異なる高さに配置された１つ以上のタワー出口と、
１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間に内部流体流路を画定する導管と、
前記流体流路内のタービンと、を備え、
１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間の圧力差が、前記タービンを動作させる気流を生成する風力発電機が提供される。

【0020】

一実施形態において、前記マストにおける１つ以上の前記タワー出口は、１つ以上の前記入口から垂直方向に離間している。

【0021】

一実施形態において、前記マストにおける１つ以上の前記タワー出口は、前記マストにおける１つ以上の前記入口よりも高い。

【0022】

一実施形態において、前記タワー出口は、前記マストの側部に位置している。

【0023】

一実施形態において、前記タワー出口は、中央、または、前記マストの風上部から前記マストの風下部の間の移行部から前方に配置される。

【0024】

一実施形態において、前記マストの長手方向長さに沿って均等に離間された複数のタワー出口がある。

【0025】

一実施形態において、前記マストの水平方向長さに沿って均等に離間された複数のタワー出口がある。

【0026】

一実施形態において、１つ以上の前記入口の各々は、１つ以上の前記タワー出口の各々よりも断面積において実質的に大きい。

【0027】

一実施形態において、前記タワー出口の断面積の合計は、前記入口の断面積の合計よりも大きい。

【0028】

一実施形態において、前記１つ以上の入口は、前記風力発電機の基礎的な完成度を改善する。

【0029】

一実施形態において、前記風力発電機は、スクープを備える。

【0030】

一実施形態において、前記スクープは、１つ以上の前記入口に空気を導くように構成されている。

【0031】

一実施形態において、前記スクープは、スクープ開口部における流体流速を８５％～９５％に減少させるように構成される。

【0032】

一実施形態において、前記スクープの重量が装置の質量中心を下げる。一実施形態において、質量中心は地面に近い。

【0033】

一実施形態において、前記風力発電機は流路内に２つ以上のタービンを備える。

【0034】

一実施形態において、１つまたは複数のタービンは基部内にある。

【0035】

一実施形態において、１つまたは複数のタービンはマスト内にある。

【0036】

一実施形態において、少なくとも１つのタービンが基部内にあり、少なくとも１つのタービンがマスト内にある。

【0037】

一実施形態において、前記風力発電機は、前記流路内に１つ以上の気流調整手段を備える。

【0038】

一実施形態において、１つまたは複数の流量調整手段は逆止弁である。

【0039】

一実施形態において、１つまたは複数の流量調整手段はゲートバルブである。

【0040】

一実施形態において、１つ以上の逆止弁はリード弁である。

【0041】

一実施形態において、１つ以上の逆止弁はチャッキバルブである。

【0042】

一実施形態において、前記風力発電機は、前記流路内に少なくとも２つの気流調整手段を備え、前記気流調整手段の少なくとも１つはゲートバルブであり、前記気流調整手段の少なくとも１つは逆止弁である。

【0043】

一実施形態において、前記風力発電機は、前記タービンへの気流を絞るように構成された少なくとも１つのゲートバルブを備える。

【0044】

一実施形態において、前記風力発電機は、１つ以上の前記タワー出口を選択的にまたは自動的に動作させるように構成された少なくとも１つの逆止弁を備える。

【0045】

一実施形態において、少なくとも１つの前記逆止弁は、１つ以上の前記タワー出口を通る空気の逆流を防止するようにさらに構成される。

【0046】

一実施形態において、前記風力発電機は、前記マストの内部管空間を上方に移動し風下部分に向かって出される気流を導くように構成された複数の管旋回羽根を備えることで、気流が、前記マストを出ながら前記風の方向に実質的に整列される。

【0047】

一実施形態において、前記マストは、前記タワー出口において気流をより良好に整列させるように構成されたバッフルを備える。

【0048】

一実施形態において、前記マストは、出口空間と、風下空間と、前記風下空間における風下から前記出口空間における風上に気流を旋回させるように構成された複数の出口チャネル旋回羽根とを備える。

【0049】

一実施形態において、前記管旋回羽根は、前記風下空間と前記管空間との間の逆流を制限するように構成された逆止弁を備える。

【0050】

一実施形態において、前記出口チャネル旋回羽根は、前記出口空間と前記風下空間との間の逆流を制限するように構成された逆止弁を備える。

【0051】

一実施形態において、前記マストは、前記出口空間における風上から前記タワー出口を出るときの風下に前記気流を旋回させるように構成された、複数の出口旋回羽根を備える。

【0052】

一実施形態において、前記出口旋回羽根は、前記自由流体気流から前記出口空間への逆流を制限するように構成された逆止弁を備える。

【0053】

一実施形態において、前記基部は、杭および杭上部アセンブリを備える。

【0054】

一実施形態において、前記基部は軸受をさらに備えることで、前記マストが前記杭に対して回転することを可能にする。

【0055】

一実施形態において、前記軸受は、回転軸受である。

【0056】

第６の態様によれば、
風の方向に応じて風上部が風に面するようにマストを位置決定する工程と、
マストに１つ以上の入口を設ける工程と、
前記マストの側部に１つ以上のタワー出口を提供する工程と、
該工程は、前記風が１つ以上の前記タワー出口を横切って流れるときに１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間に圧力差が生成されるように、１つ以上の前記タワー出口と１つ以上の前記入口との間の内部流体流路を通る気流を生成し、
前記流体流路内にタービンを提供する工程と、を備え、
該工程は、前記気流が前記流体流路内に生成されるとき、前記タービンが電力を生成するような動作をするために構成されている発電方法が提供される。

【0057】

第７の態様によれば、
風に面するようにマストを回転させる工程と、
１つ以上の入口を通る気流を受け取る工程と、
前記気流を流体流路に導き、前記マストの１つ以上のタワー出口を通して出す工程と
前記流体流路内の前記気流によって前記流体流路内のタービンを稼働する工程と、
前記タービンは発電機に動作可能に接続されることで、
電力を発生させ、または水ポンプなどの回転動力装置を稼働する発電方法が提供される。

【0058】

一実施形態において、前記マストの形状は、前記風の方向に応じて、前記マストの回転を生じさせる。

【0059】

一実施形態において、構造物の回転は、風の方向に応じてマニュアル操作で行われる。

【0060】

一実施形態において、構造物の回転は、風の方向に応じて、モータによって行われる。

【0061】

一実施形態において、モータは、電気モータである。

【図面の簡単な説明】

【0062】

次に、本発明の好ましい実施形態を、以下の図面を参照して例として説明する。

【図1】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の側面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の等角図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る風力発電装置のスクープ、入口、およびスクープ出口の水平断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係るタービンの垂直断面図である。

【図5】本発明の一実施形態に係るマストおよび出口の水平断面図である。

【図6】本発明の一実施形態の基部の垂直断面図である。

【図7】本発明の一実施形態の風力発電装置の垂直断面図である。

【図8】出口列を示す、本発明の別の実施形態の側面図である。

【図9】本発明の別の実施形態の風力発電装置の垂直断面図である。

【図10】本発明の一実施形態に係る、図５、７、および９に示された管旋回羽根の垂直断面図である。

【図11】本発明の一実施形態に係るチャネル旋回羽根を描いている、図５に示されたマストの水平断面図である。

【図12】本発明の一実施形態に係る出口旋回羽根を描いている、図５に示されたマストの水平断面図である。

【図13】本発明の実施形態に係る出口旋回羽根を描いている、図３に示されたスクープの水平断面図である。

【図14】水平方向に離間した出口を示す本発明の別の実施形態の水平断面図である。

【図15】本発明の一実施形態のマストの周囲の空気の流路を示す断面図である。

【0063】

〔実施形態の説明〕
図１および図２を参照すると、マスト１０を備える風力発電機（以下、風力タワー５と呼称する）が提供され、マスト１０は、基部１２に好ましくは回転可能に接続され、マスト１０の長さに沿って長手方向に配置された１つ以上の（この場合においては約６０もの）タワー出口１６を有する。マスト１０は、その長手方向軸を中心に回転することができるように、回転軸受３８によって取り付けられる。この実施形態において、マスト１０の形状は、対称的な翼（図５に示す）である。風がマスト１０の周囲を流れるとき、マスト１０は、両側部４３に低圧領域を生成し、ベルヌーイ効果により、風上部３４が風に面し、風下部３６が風から離れる方向を向くように、回転させられる（この原理は以下でさらに詳細に論じられる）。一実施形態において、対称的な翼形状は水平断面において涙滴形状である。しかしながら、風の方向に応じて回転するのに適しているマスト１０が提供されるように、正確な寸法が変化し得ることを、当業者は容易に理解するのであろう。

【0064】

マスト１０の周囲の風の輪郭がタワー出口１６を横切って移動すると、風はタワー出口１６の各々の外側に低圧領域を作り出し、ベンチュリ効果により流路内の圧力差を生じさせる。一つまたは複数の入口１４は、スクープ３２内の基部１２の近くに配置され、スクープ３２は、追加の流入風を、入口１４に入れるように、集中させ、方向付けるのを助勢する。

【0065】

図３および図４に示されるように、風は、図示される入口１４に入り、内部に配置されたタービン１８を有している流体流路に収束する、１つ以上のチャネルを通って方向付けられる。入口１４における高圧、およびタワー出口１６における低圧は、タービン１８を動作させる気流２０を生成する。タービン１８は、ドライブシャフト３０などによって、電力を生成することができる発電機２２に動作可能に接続してもよい。また、タービン１８は仕事をし、または発電する別の手段に動作可能に接続されてもよい。

【0066】

スクープ３２は、スクープ３２の開口部における流体流速を少なくとも８０％減少させるように構成されてよく、これにより圧力を増加させ、入口１４とタービン１８との間でより大きな圧力差を生成する。

【0067】

スクープ３２は、スクープ３２の開口部における流体流速を約９０％減少させるように最適に構成されてもよい。

【0068】

１つ以上のタービン１８とタワー出口１６との間の内部流体流路に沿った気流２０は、タワー出口１６を通る気流の速度を減少させ、例えば自由流体速度の５０％でよく、これにより圧力を増加させ、タワー出口１６と、側部４３における自由流体圧力と、の間でより大きな圧力差を生成する。

【0069】

同様に、１つ以上のタービン１８と、スクープ出口５０と、の間の内部流体流路に沿った気流２０は、スクープ出口５０を通る気流の速度を減少させ、例えば、自由流体速度の５０％でよく、これにより圧力を増加させ、スクープ出口５０と側部４３における自由流体圧力と、の間でより大きな圧力を生成する。

【0070】

スクープ３２と、入口１４と、タービン１８との間の滑らかな表面形状および領域の緩やかな減少は、損失を最小限に抑え、効率を高めることができる。

【0071】

タービン１８と、管空間４２との間の滑らかな表面形状、および面積の緩やかな増加は、損失を最小限に抑え、効率を高めることができる。

【0072】

提供された実施形態において、入口１４とタワー出口１６との間の圧力差を増加させるため、より高い標高の風がタワー出口１６を横切って方向付けられ得るように、タワー出口１６は入口１４より高い位置に配置される。マスト１０が高ければ高いほど、風の流れを遮断し、かつ／または乱流を生成する障害物を有する可能性が低くなる。理想的には、入口１４は、タワー出口１６が配置された側部４３の自然な低圧領域に対して、より高圧を有する自然な領域である、風上部３４に位置し、低圧領域は一般的に、風上部３４の概ね風下である。大きな圧力差は、流体流路を通る気流２０がより速くなり、タービン１８が動作し、より多くの電力を発生させる。タービン１８は、予想される条件と、その動作限界に基づいて、サイズを変えることができる。この実施形態において、タービン１８はマスト１０および基部１２の一部に収容される。したがって、本発明を使用して、空気に対して開放的なタービンを有する他の風力発電機に通常存在する保守、野生生物、および騒音に関連する危険因子を、低減および／または排除することができる。有利なことに、タービン１８を地面の高さにより近づけることにより、高所で保守作業を行うときのリスクが低減される。

【0073】

図３を参照すると、タービン１８の周りに配置された入口１４の断面平面図が提供されている。この実施形態において、基部１２はマニホールドを備え、マニホールドは、入口１４を通して空気を受け取り、それぞれの流路がタービン１８を内部に配置された流体流路内に収束するまで導かれる。この実施形態において、図４に示されるように、スクープ３２は風を入口１４に凝縮しかつ導き、入口１４は、タービン１８を通る空気を導くチャネルを有する。入口１４のサイズ（例えば直径６メートルとする）は、タービン１８の最大速度に基づいて、および／または装置が設置される領域に基づく過去の気象記録によって選択することができる。

【0074】

タービン１８の速度、ひいては発電可能な電気量は、風力タワー５が入口１４からタワー出口１６への流れを許容し得る、空気の体積流量によって制限される。したがって、入口１４のサイズは、強い突風が頻発する地域、および／または比較的大きなタービン１８を有する風力タワー５が設置された地域において、より大きくてもよい。したがって、設置場所および過去の気象条件は、タービン１８の所望のサイズを提供することができる。所望の電力出力を生成するためにタービン１８が必要な速度で動作し得ることが必要であり、空気を収容する必要があるため、その情報は、入口１４および／またはタワー出口１６のサイズを決定するために使用することができる。環境条件は季節にもよるため、１つ以上のタワー出口１６を動作から効果的に切り離す能力が望まれてもよい。

【0075】

別の実施形態は、小型発電機６０に動作可能に接続された、少なくとも１つの追加の小型タービン５２を流路内に備えてよい。小型タービン５２は、段状に互いに隣接するか、または小型ドライブシャフト５６に沿って離間して配置することができる。

【0076】

タービン１８は、発電機２２に印加される回転速度およびトルクを制御するための可変ピッチタービンブレードを含むことができる。

【0077】

図４および図５を参照すると、マスト１０上の１つ以上のタワー出口１６は、好ましくはマスト１０の長手方向長さに沿って均等に離間され、マスト１０内の流体流路の一部を形成する管空間４２から流体的に開口している。タワー出口１６は、側部４３の一方または両方に配置され、好ましくは、風上部３４から風下部３６への移行部、またはその直前に配置される。

【0078】

ゲートバルブ２４はまた、１つ以上の入口１４とタービン１８との間に配置されてもよい（図４に示す）。ゲートバルブ２４は、個々または組み合わせることで、作動中および／または保守中に気流２０を調整し、タービン１８の作動を低減または防止するのを助勢するために使用することができる。動作の低減は例えば、騒音、電気出力、または他の気象条件に関する問題に対処するためでよい。

【0079】

１つ以上の入口１４は、タワー出口１６よりも実質的に大きな断面積を有し、タワー出口１６よりも重く形成されている。スクープ３２および／または１つ以上の入口１４が、それらの近傍にある接続部において、タワー出口１６に相関するマストよりも低いことによって提供される追加の重量は、風力タワー５の基礎的な完成度を改善する。入口１４をマスト１０の下方に、および／または基部１２内に配置することは、質量中心および重心を下げて、風力タワー５の転倒または倒壊の可能性を低減または低下させる。

【0080】

スクープ３２は、１つ以上の入口１４を通って導かれる空気を集中する。気流２０を集中するスクープ３２の形状によって生じる断面の減少は、１つ以上の入口１４に入る空気の速度を増加させ、それによってタービン１８の速度を増加させる。スクープ３２は、風力タワー５と、マスト１０および／または基部１２と接続されてよい。また、スクープは、マスト１０または基部１２の一部として形成されてもよい。

【0081】

図５を参照すると、タワー出口１６のうちの１つにおけるマスト１０の断面が提供され、対称的な翼形状の１つの態様を示す。ベルヌーイの定理によって説明されるように、風がマスト１０の周りを移動するときの風の速度の増加は、マスト１０の側部４３上に低圧領域を生成する。マスト１０が対称的なとき、低圧領域がマストの風下部３６の両側部４３に形成され、それによって風下部３６の両側部４３に力を及ぼす。しかしながら、風下部３６の両側部の力が不釣り合いである場合、マスト１０はその力が釣り合うまで回転し、しかし、反対側を向くまでは回転せず、結果、風上部３４が風に面し、風下部３６が風から離れる方向を向くことになる。

【0082】

風がマスト１０に吹くと、風は風上部３４の周りを移動し、コアンダ効果によって説明されるように、表面に付着したままである傾向を有し、風はマスト１０の周りを移動し、タワー出口１６を横切る。タワー出口１６を横切って移動する風は、タワー出口１６の各々のすぐ外側に低圧領域を作り出すことで、結果、圧力差をもたらし、流体流路を介して、入口１４とタワー出口１６との間の圧力差に比例する気流２０を生成する。したがって、入口１４とタワー出口１６との間に存在する圧力差は、本明細書で論じられる特徴のうちの１つ、または、１つ以上の組み合わせで引き起こされる。

【0083】

図６および図７を参照すると、杭上部アセンブリ２８に接続された基部１２の杭２６を示す断面図が提供されている。杭２６は、杭上部アセンブリ２８に補完的特徴を接続する単一の杭または複数の比較的小さい杭であってもよい。基部１２は、マスト１０が基部１２に関連して回転を可能にする回転軸受３８を備えてもよい。回転軸受３８は、杭上部アセンブリ２８の全体が杭２６に関連して回転するように構成されてもよい。回転軸受３８は、ターンテーブル軸受、ターンテーブル環または回転環であってもよい。

【0084】

この実施形態において、杭２６の長さは、約３８メートルである。しかしながら、杭２６の長さは、マスト１０の高さによって決定されるべきである。例えば、高さ１８０メートルのマスト１０は、長さ５０メートルの杭２６を必要とする場合がある。逆に、１５メートルの高さのマスト１０は、２メートルの長さの杭２６のみを必要とする場合がある。杭２６に必要とされる長さの計算において、風力タワー５の倒壊の可能性を適切に可能な限り低くするために、安全係数を含めることは明らかであろう。必要とされる安全係数は条例によって変わることがあり、したがって、当業者は、杭２６の長さの変化も変わり得ることを容易に理解するのであろう。

【0085】

本発明の別の実施形態において、マスト１０は、１０、２０、３０、４０、５０、７０、８０、９０、１００、または任意の数のタワー出口１６を有することができる。マスト１０は、マスト１０の高さおよび形状に基づいて、複数のタワー出口１６を有してよい。概して言えば、タワー出口１６の総断面積は、入口１４の総断面積よりも大きい。したがって、入口１４は、円形であってよく、直径が６メートルであってよく、タワー出口１６は、半径方向の深さが境界層の厚さに等しい長方形であってよい。入口１４の形状およびタワー出口１６の形状は、円形、正方形、長方形、三角形、または楕円形などの任意の形状でよい。入口１４およびタワー出口１６の形状は、構造的強度、空間的制約、および／または製造の容易さによって決定されてよい。

【0086】

本実施形態において、マスト１０は、地面から約１３５メートルの高さである。他の実施形態において、マスト１０は、さらに高くてもよく、例えば１５０メートルでよく、または、さらに低くてもよく、例えば１２０メートル、１００メートル、７５メートル、５０メートル、４０メートル、３０メートル、２０メートル、または１０メートルなどでよく、設置場所および／または地域の気象条件に基づいてよい。例えば、住宅地域に設置される場合、マスト１０の高さは、規制を満たすために、５メートルのマスト１０のみに制限されてよい。一方、峡谷または平野に設置されたマスト１０は、１５０メートルのマスト１０を収容し、より高い高度の風の流れを利用してもよい。

【0087】

本実施形態において、タワー出口１６は、マスト１０の長さに沿って均等に離間される。しかしながら、別の実施形態においては、タワー出口１６は、マスト１０に沿って不規則に離間されてもよい（すなわち、均等に離間されなくともよい）。タワー出口１６は、また、マスト１０の一部に沿って離間されてもよい。

【0088】

一実施形態において、図８に示すように、タワー出口１６は、マスト１０の長さに沿って異なる高さにある２つ以上のタワー出口１６のタワー出口列４０に集中してよい。タワー出口１６の位置は、風力タワー５が設置される地域条件によって決定されてよい。

【0089】

タワー出口列４０はまた、タワー出口１６の数を減らすためにマスト１０の長さに沿って動作可能であり、流路内で動作可能である、１つ以上のゲートバルブ（図示せず）を備えてよい。ゲートバルブ２４と共に、タワー出口列４０におけるゲートバルブは、１つ以上の入口１４と１つ以上のタワー出口１６との間の気体流量を絞ることによって、タービン１８の速度の調整を可能にする。これは、風力発電機の性能を最適化することができる。

【0090】

図９を参照すると、流体流路２０は、１つ以上のタービン１８およびタービン５２を通過した後、異なるチャネル７８に分離されてよく、タワー出口１６は、異なるタワーバッフル空間６８および出口列４０に分離される。そうすることで、１つ以上のタワー出口列４０を選択的または自動的に動作させてタービン１８からの発電を最適化するために、ゲートバルブまたは逆止弁などの１つ以上の気流調整手段をマスト１０内に配置することができる。

【0091】

例えば、風が入口１４に直接吹き込まれることによって気流２０が生成されるとき、入口１４と運転中のタワー出口１６との間の気流の速度が低減されないことを保証するために、運転中にタワー出口列４０を効果的に増加させることは、タービン１８の最適な性能を保証することができる。あるいは気流２０が、タワー出口１６またはタワー出口列４０を通過して吹き出される風の変動量による圧力差によって生成されている場合、効率的に運転可能なタワー出口１６またはタワー出口列４０を減少させることは、流体流路を通る気流２０の速度の増加をもたらしてよく、それによって、タービン１８に多くの電力を生成させる。マスト１０は、１つ以上のタワー出口１６またはタワー出口列４０を動作から取り除いて補償する異なる特性を有する複数の風の層が存在するほどの高さを備えた十分な大きさであってよい。

【0092】

さらに、タワー出口１６は、マスト１０の異なる側部４３の異なる高さに配置されてもよい。したがって、一方の側部４３では、タワー出口は１０メートル毎に配置することができ、他方の側部４３では、１５メートル毎に配置することができる。例えば、一方の側部４３のタワー出口１６は、マスト１０の底部から５メートルの位置から始まり、１０メートルごとに配置され、タワー出口が両側部４３の間で５メートルごとに交互に配置するようにしてよい。

【0093】

マスト１０は、タワー出口１６において気流２０をより良好に整列させるように構成されたバッフル８０をさらに備えることができ、バッフル８０の間の空間は、バッフル空間６８として画定することができる。バッフル８０は、風下空間６４内の空気の垂直方向の流れを制限する（空気が出口チャネル旋回羽根７２を通過する場合、ベルヌーイ効果による圧力降下を制限する）ように構成されてもよい。

【0094】

全てのバッフル８０は、タワー出口列４０と整列させてもよく、両方の特徴は、独立していると考えることができ、必ずしも一緒に使用する必要はなく、バッフル８０は、出口列４０が組み込まれていない利点を提供することができ、逆もまた同様であることを認識されたい。

【0095】

本実施形態において、基部１２は、回転軸受３８を備える。しかしながら、回転軸受３８は、連結手段の一部としてマスト１０および基部１２の中間にあってもよい。回転軸受３８はまた、底部に向かってマスト１０に一体化されてもよい。また、マスト１０が回転する手段は、自在軸受または自在軸受と回転軸受３８の組合せであってもよい。

【0096】

本実施形態において、入口１４が基部１２上に配置される。１つ以上の入口１４は、スクープ３２の有無にかかわらずマスト１０に配置されてもよい。スクープ３２はまた、入口１４として作用してもよい。

【0097】

気流２０は、動圧を最適化するためにマスト１０内で案内されることが有利である。

【0098】

図１０を参照すると、管空間４２または流路７８を上方に移動し、風下部３６に向かって出される気流２０を導くように構成された複数の管旋回羽根７０が設けられる。それにより、気流２０は、マスト１０を出ながら自由流と実質的に整列され、動圧を最適化し、出口ポート１６の内側部分で圧力が低下することによるベルヌーイ効果を緩和する。

【0099】

管旋回羽根７０は、風下空間６４と管空間４２との間の逆流を制限するように構成された逆止弁８４を備えることができる。

【0100】

図１１および図５を参照すると、風下空間６４における風下から出口空間６６における風上に気流２０を旋回させるように構成された複数の出口チャネル旋回羽根７２が提供され、それによってタワー出口１６における動圧を増加させている。

【0101】

出口チャネル旋回羽根７２は、出口空間６６と風下空間６４との間の逆流を制限するように構成された逆止弁８４を備えてもよい。

【0102】

図１２および図５を参照すると、出口空間６６における風上からタワー出口１６を出る風下に気流を旋回させるように構成された複数の出口旋回羽根７４が提供され、それによりタワー出口１６における動圧を増大させている。

【0103】

出口旋回羽根７４は、自由流気流から出口空間６６への逆流を制限するように構成された逆止弁８４を備えてもよい。

【0104】

図１３を参照すると、スクープ空間６２風上からスクープ出口５０を出る風下に気流２０を回転させるように構成された複数のスクープ出口旋回羽根７６が提供され、それによりスクープ出口５０における動圧を増大させている。

【0105】

スクープ出口旋回羽根７６は、自由流体気流からスクープ空間６２への逆流を制限するように構成された逆止弁８４を備えてもよい。

【0106】

図１４を参照すると、マスト１０の長手方向長さに沿った位置に、水平面において均等に離間された複数のタワー出口１６が設けられる。複数のタワー出口１６は、半径方向位置θ_１とθ_２との間に延在して示されている。複数のタワー出口１６を示す構成は、複数のスクープ出口５０にも適用可能である。

【0107】

θ_１は最適には８０°であってもよいが、そのようなものに限定されない。

【0108】

θ_２は最適には１１５°であってもよいが、そのようなものに限定されない。

【0109】

水平面における複数のタワー出口１６は、マスト１０の長さに沿った複数の位置で繰り返されてもよい。したがって、複数のタワー出口１６は例えば、マスト１０の長手方向長さに沿って５メートル毎に配置してよい。それらは、１、２、３、４、５、１０メートルごとなど、マスト１０の長さに沿って任意の増加量で配置されてもよい。

【0110】

タワー出口１６は、翼側部４３における圧力降下が、風上部３４のよどみ圧力と翼側部４３との間で達成される最小圧力との間の差の８０％よりも大きい位置に配置されてもよい。

【0111】

同様に、スクープ出口５０は、翼側部４３における圧力降下が、風上部３４のよどみ圧力と翼側部４３との間で達成される最小圧力との間の差の８０％よりも大きい位置に配置されてもよい。

【0112】

図１５を参照すると、マスト１０の周りの自由流空気速度

【数1】

および流体流路が示されている。

【0113】

理想的には、入口１４に対するタワー出口１６の累積面積の割合が、以下の式によって決定される。しかしながら、本発明は複数の定理に作用し、わずか複数がそのような厳格なこだわりを必要とし得る。下記のその式は単なる指標であり、入口１４に対するタワー出口１６のサイズを設計するときの出発点である。限定されるものではないが、環境要因を含む多くの要因が、この関係を多かれ少なかれ重要なものにし得る。例えば、風力発電機の位置において、風力発電機の初期駆動は、自然に製造され、サイジングはそれほど重要ではない場合がある。

【数2】