JPH06507693A - 並流から有用なエネルギーを発生させるための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 並流から有用なエネルギーを発生させるための方法及び装置本発明は、並流から 、特に任意の方向から任意の速度で吹く風、及び変化する方向から変化する速度 で吹く風から、主請求項の前提部分によって有用なエネルギーを発生させる方法 に関する。本発明は、更に、前記方法を実施するための装置に関する。

本発明に係る方法及び装置は、約１．５〜２　ｍ／ｓの非常に低速度の流れを利 用するのに適しており、あらゆる風速においてエネルギーを利用することができ る。本発明に係る方法を適用するために選択した場所における主な風の状態は、 あまり重要ではないが、確実に、本発明に係る装置に向かって、風が自由に吹く ことができるようにすることが重要である。本発明は、個人の家又はそれよりも 高い建築物に、既存の構造物を利用して、それらに配置された本発明に係る装置 を供給するのに特に好都合である。

電気エネルギーを発生させるため、大きな直径のローターを備えた風力発電機を 構築し、作動させることが知られている。かかるシステムの不都合な点は、一方 では構築費に関するものであり、もう一方ではエネルギー的な限界に関するもの である。風が、最大出力値をもたらす条件下では、かかるシステムの作動を停止 しなければならず、さもなければ、それらのシステムは容易に破壊される。設備 電気出力を増加させると、ローターの直径を太き（しなければならず、このこと は、振動に関する技術的問題及び音の発生を招き、回転翼が破損する危険性を排 除することができない。低出力値用には、垂直な回転翼を有する先行技術の風力 発電機があり、この風力発電機は高い風速に対応できる。濃縮器（ＣＯｎｃｅｎ ｔｒａｔｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ）により回転翼の直径を小さくすることが試みら れ、かかる装置はローターの領域で高い流速を達成する。この状況において、電 気工学と流れテクノロジーとの間の類似性が利用されている。前記の類似性は、 任意に曲げられた導線における電磁場と、任意の形状の渦電の周りの流れの堝（ ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ）とが同じ関係、即ちビオ−サバールの法則により記述さ れることにある。

ドイツ特許公告第３３３０８９９号明細書（ＤＥ−ＰＳ　３３３０８９９　）は 、エアーフォイルが風力タービンの前に円状に配置され、その結果、渦電が、エ ア・フォイルによって自由に流れる風から引き裂かれ、軸方向の流れの速度を増 大させる流れの場を誘発させるため、渦巻が発生するアセンブリを記載している 。小さなローター直径で高い出力値が達成され、増幅率は６と８の間の範囲であ る。このシステムの不都合な点は費用が高いことであり、そのため小さな試験シ ステムが知られているだけである。風速が増大すると、渦発生要素、即ちエア・ フォイルは不安定になり、追加の構造的手段を必要とする。本分野の技術水準に よる前記アセンブリは、営業的に用いられたことがない。

米国特許第４４５２５６２号から、風を接線方向に入れるための長手方向孔部を 有する垂直に配置されたウィンドタワーを備えたトルネート型風力タービンが知 られている。タワーの上端は開いており、下端は風に晒されているウィンドチャ ンバーが続く流通口を備えている。タービンは、流通口に配置されている。ウィ ンドタワーは二重壁を備えており、壁の間のスペースはウィンドチャンバーに連 結され、それにより流れ状態を前記スペースに発展させる。ウィンドタワーの内 壁の下部領域は多孔性であり、半径方向に流れる空気をウィンドタワーに接線方 向に流れ込む空気と協働させる。このことにより、上端に発現する渦が減圧中心 （ｖａｃｕｕｍ　ｃｏｒｅ）を形成し、タービンを介し、空気を流通口を通して ウィンドチャンバーに吸い込む。このアセンブリは、所望の効果を得るためには 、非常に大きな構造部材を要するという不都合がある。

本発明の目的は、並流から有用なエネルギーを発生させる方法及び装置を提供す ることであり、この方法及び装置は、例えば風等によってもたらされる並流に含 まれるエネルギーを、たとえシステムを恒常的に作動させても、あらゆる種類の 自然環境に対するダメージを回避して、全ての速度の範囲において経済的に変換 させる。

本発明によれば、この目的は、主請求項の特徴部分及び装置に関する二次的請求 項の特徴部分によって達成される。

本発明によれば、並流が、本発明者等に「原動力ステージ（Ａｇｅｎｓｅｔａｇ ｅ）　Ｊともよばれるフローユニットに向かって流れる。フローユニットは、フ ラップ又は同様の可動要素からなっていて衝突カラムによって包囲された外部中 空部材を備えている。衝突カラムは、自由に吹き当てられ、圧力領域では、並流 の蓄積圧（ｂｕｉｌｔ−ｕｐ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が、外部中空部材のフラップ を動かしてそれらを内側に開くのに対し、他のフラップは外側に押され、即ち、 中空部材内に形成された全体の圧力により閉じた状態になる。流れの方向が変化 すると、蓄積圧は中空部材の周にわたって（ａｃｒ。

ＳＳ）変位する。この領域に位置するフラップは開き、他の全てのフラップは閉 じる。このことは、フラップが確実に風の自動供給を行なうことを意味する。蓄 積した圧力を利用することにより、如何なる流れの方向からの気流も、たとえそ の方向が変化しても、外部中空部材に接線方向に導入され、外部中空部材におい ては、角運動量保存則に従って高められた速度で、「シリンダエージェント（ｃ ｙｌｉｎｄｅｒ　ａｇｅｎｔ）　Ｊとも呼ばれる内部中空部材に対して接線方向 に流れる螺旋状の流れが形成される。

螺旋状の流れは、隔離板により等しくない流量容積に分けられ、より大きい方の 流量容積が内部中空シリンダを収容し、内部中空シリンダは、一つ又は幾つかの 流入口を通して接線方向に衝突され、内部中空シリンダにおいては、通り過ぎる 並流により動的減圧が発生する内部中空シリンダの流出口に向けて送られる渦流 が形成される。渦流は、吹き出して通過する並流に流れ込み、その結果生じた剪 断力がトルネート（竜巻）に似たポテンシャル渦を発生させ、ポテンシャル渦は 並流内で回転し、その渦電に関して、内部中空部材において効果的になり、その 結果、軸方向の流れが、第二の流量容積から又は外部から、隔離要素の流通口を 通って内部中空部材に吸い込まれ、この軸方向の流れは、ポテンシャル渦が賦勢 流Ｃｅｎｅｒｇｒｚｒｎｇ　ｆＩｏｗ）を構成するのに対して、作用流と言うこ とができる。更に、本発明によれば、複数の渦発生要素が、隔離要素によって隔 てられた第二の流量容積から渦流を発生させ、この渦流も内部中空部材に吸い込 まれ、ポテンシャル渦に含み込まれる。この様にして生じたポテンシャル渦巻は 、フローユニット内に強い流れの場を発生させる。

この様にして、本発明に係る装置は強力であること、及びこの装置は、あらゆる 環境条件下で非常に効果的に作動できることが保証される。並流における如何な る脈動も、又は流れの方向における如何なる変化も本装置の効率を低下させるこ とはない。

従属請求項に記載した手段は、好都合な実施態様及び改良をもたらすものである 。第二部分流の領域における渦発生要素は、回転可能なユニットの形態で設けら れ、回転運動が軸方向の流れ又は外部駆動ユニットによってなされ、渦発生要素 は軸方向の流れに抗して回転するため、全体の流れの速度は更に高められる。渦 発生要素は、所定の角度でポテンシャル渦に含まれるエツジ渦を発生させるエア ・フォイルの形態で設けられていてもよい。更に、回転渦発生要素と、静止渦発 生要素とを組み合わせることにより効力を増強することができ、静止渦発生要素 は、ポテンシャル渦の渦電に存在する減圧を利用することにより、ホース渦（ｈ ｏｓｅｖｏｒｔｉｃｅｓ　）を発生させ、ポテンシャル渦の軸と平行に延びるよ うに、ホース渦を直接同心的にポテンシャル渦の軸に導入する。

ポテンシャル渦の速度の増大は、外部中空部材における回転流の加速、及びその 開いたフラップにおける速度の増大に直接つながるため、より大きな流量容積が 蓄積圧によって導入される。蓄積圧が、必要な流量容積を搬送するのにもはや十 分でない場合には、並流の静圧が用いられ、これが流れの現存速度に対する差を 補償する。

本発明によれば、フローユニットの流出口には、内部中空部材に存在する静的過 剰圧を、並流に入り込む前に流れエネルギーに変換する円錐台形状の案内装置が 備わっていることで、発生したポテンシャル渦の安定性が更に高められている。

案内装置は、流れの方向に平行に延びる複数のエツジ渦を発生させるスロットを 備えていることが好ましく、かかるエツジ渦は、案内装置から生じるとポテンシ ャル渦を包囲する。

本発明に係るフローユニットは、個々に既存の高い建築物に配置してもよく、そ れらを次々と上に積み重ねてタワー状構造物を形成してもよい。複数のユニット を備えたかかる風力エネルギーシステムは、現存する要望に適応することができ 、その結果、それらは、はるかに経済的になる。本発明の幾つかの実施態様を、 図面に示し、以下に、より詳細に説明する。

図１は、本発明に係る装置の縦断面図であり、模式図を示すものである。

図２は、二つのフローユニットを有する本発明の別の実施態様の縦断面図である 。

図３は、本発明の更に別の実施態様の縦断面図である。

図４は、図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。

図５は、図２の実施態様の二つのフローユニットの間の断面図である。

゛　図６は、順次重ねて配置した複数のフローユニットを有するタワー状アセン ブリを示している。

図７は、図６のタワー配置の可能性を示している。

図１及び図４は、本発明に係る装置の第一の実施態様を示しており、この場合、 フローユニット１一本発明者等により「アーゲンスエタージェ（Ａｇｅｎｓｅｔ ａｇｅ）　Ｊとも呼ばれる−が、タワーシャフト２４上に配置されている。フロ ーユニット１は、円状に配置された衝突（ｉｍｐｉｎｇｅｄ）カラム３０を備え ており、これらの衝突カラムは、ベースプレート３と衝突カラムが固定された天 井Ｉ２との間に位置している。衝突カラムの断面は、円弧が付属された三角形の 形状を有している。一点に収束する真っ直ぐなカラムの面は、衝突面２を形成し ている。衝突カラム３ｏの断面の長手方向軸は、図４から分るように、カラムの 前記点に外接する円の直径と一定の角度をなしている。カラムの内側には、中空 シリンダ３として設計され、回転軸又はピボット軸において回転可能に支持され た複数の要素、即ちフラップ４からなる外部中空部材が備わっている。閉じた状 態では、これらのフラップ４は、中空シリンダ３の周面を形成し、この中空シリ ンダは、やはり、ベースプレートと天井Ｉ２との間に位置し、天井に固定されて いる。螺旋状の断面を有する内部中空部材９が、中空シリンダ３に対して同心的 に延びるように配置され、内部が、その長さに沿ってわずかに円錐状になってい る。内部中空部材９の全長には、接線方向の流入状態を可能にするため、流入口 ２８が備わっている。

内部中空部材９の一端は、天井１２に挿入されている。即ち、図１による実施態 様では、内部中空部材は、上方に開口しており、この開口端には、上方に収束し 、内部中空部材９のため、同時にフローユニットｌ全体のための流出口１０を形 成する円錐状案内装置１８が備わっている。案内装置１８の上端は、スロットが 入っていることが好ましい。

外部中空部材は、シリンダの形状に、内部中空部材は、螺旋状の円錐の形状に図 示されているが、言うまでもなく、何れの中空部材も、別の形状を有していても よい。内部中空部材９の流入口２８は、全長に沿って連続的に延びている必要は なく、複数の流入口を、内部中空部材９の周及び長さにわたって螺旋状に分布さ せてもよい。

中空シリンダ３の内側には、その長手方向軸を横切る方向に、第一の隔離板５が 備わっており、この隔離板は、その中央部に、内部中空部材の内部に通じている 流通口を備え、中空部材９の下端に固定されている。流通口８内には、風力ター ビン１４が配置され、この風力タービンは、シャフト２６を介して、変流器を構 成する発電機１３に連結されている。第一の隔離板５の下には、より小さくなっ た流れ容量（ｆｌｏｗ　ｖｏｌｕｍｅ）をもう一度分割する更に別の板３７が備 わっている。この領域には、内部中空部材９の内部に開口している渦発生要素１ ６を構成する円錐又は螺旋形のノズル用の流入０２８が備わっている。渦発生要 素１６は、全体として、シャフト２６の周りに回転可能に配置され、渦発生要素 １６を回転させるそれらの部分は、詳細に図示されてはいない。

図示の装置は、以下のように機能する。衝突面２を有する衝突カラム３０の上流 に存在する、例えば、大気の風の並流の蓄積圧が、中空シリンダ３内にいきわた る全体の圧力のため、幾つかのフラップ４を開き、残りの全てのフラップ４を閉 じる。このシステムの内側には、例えば図４に示すように、静的過剰圧力が存在 する。蓄積圧が円状の外周を越えて移動すると、開いたフラップ４と閉じたフラ ップ４は自動的に交替してゆく。その結果、風の供給を確保する疑似回転流れス クリーンが形成される。このシステムは、蓄積圧の関数として制御されるので、 過負荷による如何なる風害も、間違なく回避される。過剰な圧力によって負荷を 受けた全てのフラップが閉じると、蓄積圧は、接線方向の流れをフローユニット １の中空シリンダ９内に導入する。すると、高められた速度で内部中空部材９の 流入０２８に向かって流れる回転流が生じる。中空部材９の内側には、流出口１ ０の動的減圧により案内される渦流が形成される。前記減圧は、フローユニット １の上を流れる並流によって生じる。

渦流が内部中空部材９の流出口ｌｏを出て通過する並流に入った後、その結果生 じた剪断力が、ポテンシャル渦を発生させる。

案内装置１８のスロット（図示せず）は、ポテンシャル渦の外側を取り囲むよう に回転することにより、ポテンシャル渦を安定化するエツジ渦を発生させる。隔 離板５の下では、角運動量保存則に従い、回転流は中央に向がって更に加速され 続け、中空シリンダ９の内部のポテンシャル渦の渦電とともに作用するポテンシ ャル渦により、回転流は「作用流」の形態で流通口を通って中空部材９の内部に 吸い込まれる。

更に別の隔離板３７の下では、ホース渦を発生さオる渦発生要素１６の流入口２ ８は、高められた速度で衝突され、ポテンシャル渦の渦電と渦発生要素１６の流 入口２８における全体の圧力との間の差が、生じたホース渦を加速させ、内部中 空部材９の内部に移送する。ポテンシャル渦は、ホース渦が含まれる疑似並流を 構成する。全ての前記種類の渦及び流れは、ポテンシャル渦巻（ｐｏｔｅｎｔｉ ａｌ　ｖｏｒｔｅｘ　ｃｏｉｌ）を発生させて安定に維持し、流れの場を誘導す ることにより、タービンを駆動する。

衝突カラム３０の衝突面２は、それらの傾斜した配置の結果として、蓄積圧力フ イールドにより生じた流れを開けるフラップ４に向けて送る。流れの状態は一定 のままで、流れの方向を３６０゜にわたって変えることができる。衝突面３０は 、同時に、構造システムの支持要素を構成し、それらの支持要素に、流れ工学的 見地から、耐久性の平滑な仕上を施すため、耐腐蝕性表面を形成することができ る。衝突カラム３０と外部中空部材３との間には、所謂フローオフスペース２７ が形成され、このスペースは、一方では、境界層流を蓄積圧フィールドから流出 させ、一方では、外部中空部材に流入する流量（ｆｌｏｗ　ｖｏｌｕ＋ｎｅ）の 相対的加速を行なう。雨、又は雪、又は多量のたちこめた埃等の天候に関連する 症候は衝突カラム３０で遮られ、蓄積圧フィールド内に偏向される。

比較的大きな粒子は、フラップ４を通り過ぎてフローオフスペース２７に流れ込 む。

図３は、本発明の別の実施態様を示している。この場合、内部中空部材９は、接 線方向に配置された流入０２８を備えた中空シリンダの形態で設けられている。

流通口を備えた隔離板５の下には、側部流人口２３を有する複数の円錐状渦発生 要素１６が備わっており、前記要素は、一つが他の一つの上になるように配置さ れている。ベースプレートには、タービン１４のシャフトを通すための口６が備 わっており、タワーシャフト２４には、通気口２５が備わっている。このシステ ムは、図１を参照して説明したシステムと同様の仕方で機能するが、この場合に は、内部中空部材の内部に流入する追加の流れは、図１による隔離板の下の領域 ７内の流れから回収されず、ポテンシャル渦によって通気口２５及び口６を通っ て吸い込まれる。

図２においては、二つのフローユニットが、一方がもう一方の上方にあるように 配置されており、上部フローユニットは、流通を可能にするために二つのユニッ ト１間の距離を決定するカラム２２によって担持されている。この実施態様では 、渦発生要素１６はラック（図示せず）に固定されたエア・フォイル状要素の形 態で設けられており、それらは、流通口８を取り囲む円に配置され、全体として 回転できるように支持されている。渦発生要素１６は、隔離板５の下の領域７内 に形成された回転流に抗して回転し、エア拳フォイル状要素は、流通口８を通っ て吸い込まれる回転流とともにポテンシャル渦に含まれるエツジ渦を発生させる 。

図５においては、ポテンシャル渦が通り過ぎる並流に流入した後、乱流を捕捉す るため、乱流スクリーン３１が、流出口１０上で、回転サークルに載って回転可 能に支持されている。乱流スクリーン３１は、風によって調節され、確実に、流 出口ＩＯから出現するポテンシャル渦巻が制御された仕方で流出する。図２によ ル二つのフローユニットを出るポテンシャル渦は、フローユニット１の外側に存 在し続け、相互誘導（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ　１ｎｄｕｃｔｉｏｎ）を通じて、 並流の流速を部分的に増大させる二次的な流れの場を誘発する二次渦巻を形成す る。

図６は、風力エネルギーシステム３２を構成するタワーを形成するための幾つか の図２によるアセンブリを示している。衝突カラム３０及びカラム２２は、ベー スプレート１１及びプレート１２により安定化された支持構造体を形成している 。図７によれば、かかる風力エネルギーシステム３２は、ベースの同心円上に配 置してもよく、風力エネルギーシステム３２の間の環状領域は鎮静帯域（ｃａｌ ｍｉｎｇ　ｚｏｎｅ）を構成している。風力エネルギーシステム３２の間の間隔 は、各風力エネルギーシステム３２が、主な風９方向において等しい蓄積圧力値 を生じさせることができるように選択される。

こ Ｆｉｇ、１ Ｆｉｇ、２゜ Ｆｉｇ、３ Ｆｉｇ、６ Ｆｉｇ、７ 国際調査報告 フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＳＥ）、０Ａ（ＢＦ 、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、ＣＩ、ＣＭ、ＧＡ、ＧＮ、ＭＬ、ＭＲ，ＳＮ、ＴＤ、ＴＧ ）、ＡＵ、　ＢＢ、ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　Ｃ３，ＦＩ、　ＨＵ、ＪＰ。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．ポテンシャル渦を発生させるためのフローユニットに向かって流れる並流か ら有用なエネルギーを発生させる方法であって、ユニットが、少なくとも一つの 流入口と少なくとも一つの流出口とを備え、ここで、螺旋状回転流が、ポテンシ ャル渦の流れの方向に配置されたエネルギー変換器を構成するタービンを駆動す るボテンシャル渦を発生させる方法において、フローユニットに向かって流れる 並流により生じる蓄積圧によって、螺旋状回転流が発生され；複数の可動フラッ プにより形成される外部中空部材に作用する蓄積圧が、幾つかのフラップを開き 、全体の圧力が、外部中空部材の内側に蓄積し、蓄積圧によって影響されないフ ラップを閉じ；その結果生じた回転流が、流通口を備えた隔離要素によって第一 及び第二部分流に分流され；第一部分流の回転流が、接線方向に加速された仕方 で衝突される内部中空部材によって渦流に変換され、渦流は、内部中空部材の流 出口であって、同時にフローユニットの流出口でもある流出口に存在する減圧に よって外に向けて送られ；渦流は、流出口を通過した後、渦流を流れ過ぎる並流 の剪断力の結果としてポテンシャル渦を形成し、ポテンシャル渦は、第二部分流 から及び／又は外部から隔離要素の流通口を通して内部中空部材の内部に、流れ 容量を引き込み；やはり内部中空部材内に案内されてポテンシャル渦の流れの場 を強める複数の渦流を、第二部分流から発生させるため、複数の渦発生要素が用 いられることを特徴とする方法。
2. ２．全ての渦発生要素が、回転することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ３．並流から有用なエネルギーを発生させる装置であって、少なくとも一つの流 入口と少なくとも一つの流出口とを備えていてポテンシャル渦を発生させるよう に意図されたフローユニットを有し、ポテンシャル渦の流れの方向に配置された タービンを有する装置において、 フローユニット（１）が、複数のフラップ（４）からなっていて両端においてプ レート（１１、１２）によって覆われた外部中空部材（３）を備え、一方のプレ ート（１１）には、流出口（１０）が備わっており；フラップ（４）は、並流の 蓄積圧の影響下に、自動的にピボット軸を中心に開き及び／又は閉じ；内部中空 部材（９）が、外部中空部材（３）の内側に、外部中空部材に対して同心的に配 置され、接線方向の流入状態を可能にするため、少なくとも一つの流入口（２８ ）を備え、前記内部中空部材（９）の一端は、フローユニット（１）の流出口（ １０）を形成し、そのもう一方の端は、流通口を開放したままで、外部中空部材 （３）内に放射状に配置された隔離要素５によって覆われており；隔離要素（５ ）によって内部中空部材（９）から隔離された領域（７）には、複数の渦発生要 素（１６）が配置され、それらの渦発生要素の渦流が内部中空部材（９）の内部 に送られることを特徴とする装置。
4. ４．渦発生要素が、エア・フォイル状に設計され、隔離要素（５）の流通口（８ ）の領域内において、流通口の周りに配置されていることを特徴とする請求項３ 記載の装置。
5. ５．渦発生要素（１６）が、環状に配置された、好ましくは円錐状の渦ノズルの 形態で設けられ、渦ノズルの流出口が内部中空部材（９）の内部に向けられ、渦 ノズルの流入口が、接線方向の流入状態を可能にするため、内部中空部材（９） から隔離された領域（７）に設けられていることを特徴とする請求項３記載の装 置。
6. ６．渦発生要素（１６）が、一つの回転可能なユニットの形態で設けられている ことを特徴とする請求項３〜５の何れか一つに記載の装置。
7. ７．フローユニット（１）の流出口（１０）が、外側に開いたスロットが備わっ ていることが好ましい円錐台形状の案内装置（１８）によって包囲されているこ とを特徴とする請求項３〜６の何れか一つに記載の装置。
8. ８．更に別の隔離要素（３７）が、内部中空部材（９）から隔離された領域（７ ）に配置され、渦発生要素（１６）の流入口（２３）が、内部中空部材（９）か ら隔離された領域（７）の部分にのみ設けられていることを特徴とする請求項３ 〜７の何れか一つに記載の装置。
9. ９．円弧が付属した正三角形の断面形状を有する衝突カラムによって外部中空部 材（３）が包囲され、衝突カラム（３０）の真っ直ぐな面が、外側に向けられた 衝突面（２）を形成していることを特徴とする請求項３〜８の何れか一つに記載 の装置。
10. １０．流出口（１０）の上に、ポテンシャル渦を制御された仕方で流出させるた め、回転可能な乱流スクリーン（３１）が配置されていることを特徴とする請求 項３〜９の何れか一つに記載の装置。
11. １１．少なくとも二つのフローユニット（１）が、一方がもう一方の上に間隔を あけて配置され、流出口（１０）が互いに向かい合って配置されていることを特 徴とする請求項３〜１０の何れか一つに記載の装置。