JP2008106732A - 二軸式垂直軸風力タービン - Google Patents

Abstract

【課題】本願発明は、回転のために、強度の高い支持軸及び軽量のいずれも達成し、機械的構造を強化するとともに、発電効率を高めることができる垂直軸風力タービンを提供すること。
【解決手段】内軸及び外軸を有する垂直軸風力タービンであって、前記内軸は、タービンを支持するように固定され、前記外軸は、前記内軸に同軸に設けられ、ブレードが固定されるとともに、該ブレードとともに回転可能にされ、前記内軸と前記外軸との間に発電機を設ける構成であって、前記発電機は、前記内軸に設けるステータと前記外軸に設ける磁石とからなる構成。
【選択図】図３

Description

本願発明は、二軸式垂直軸風力タービンに関する。

風力タービンの最新技術は、水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ）が主流である。水平軸風力タービンは、風力タービンの軸が風向に対して水平なものである。優れたエネルギー変換効率を達成するために、水平軸風力タービンブレードは、風向に対して良好な角度を維持すべきである。風向が変われば水平軸風力タービンは風向に対して失速するように設計される。水平軸風力タービンは、風向が安定している領域に設置するのに適している。しかしながら、風向が定まらず水平軸風力タービンが適正に機能することができない市街域及び郊外域にも風力タービンは必要とされている。

このような要望に答えるものとして垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）が提案されている。垂直軸風力タービンは、回転軸が風向に対して垂直なものである。ブレードと風向との間の接触角度は各瞬間に変わるため、垂直軸風力タービンは、風向に影響を及ぼされにくいものとして知られている。垂直軸風力タービンは、市街域及び郊外域にて設置するのに適している。このことは、従来の水平軸風力タービンと比べて飛躍的発展である。

従来の垂直軸風力タービンを図１に示す（例えば、特許文献１参照）。この垂直軸風力タービンは単軸である。軸２の長さはかなり長いが、支持ベアリング５、６はケース７に固定される。軸２上に固定されているダリウスブレード３及びサボニウスブレード４が風力によって押されると、軸が回転する。軸の下部がベアリングによって支持される。

しかしながら、従来のものは、軸の非支持部分がかなり長いため、引張作用が生じ、軸が揺動するか、曲がるか、又は容易に破損する。軸が曲がったり破損したりすることを防止するために、強度の高い材料を選択することが考えられるが、強度の高い材料の軸は重く、回転の際にタービンの負荷となる重軸問題を生じる。このように、軸を軽くしようとすると、軸が曲がったり破損したりする問題が生じ、軸の強度を高めようとすると、軸が重くなり回転開始が困難になるという二律背反の問題が生じていた。
特開昭５６−１４３３６７号公報

本願発明は、回転のために、強度の高い支持軸及び軽量のいずれも達成し、機械的構造を強化するとともに、発電効率を高めることができる垂直軸風力タービンを提供することを目的としている。

請求項１に係る発明では、内軸及び外軸を有する垂直軸風力タービンであって、前記内軸は、タービンを支持するように固定され、前記外軸は、前記内軸に同軸に設けられ、ブレードが固定されるとともに、該ブレードとともに回転可能にされ、前記内軸と前記外軸との間に発電機を設けることを特徴とし、請求項２に係る発明では、前記発電機は、前記内軸に設けるステータと前記外軸に設ける永久磁石とからなることを特徴とし、請求項３に係る発明では、前記外軸には、ダリウスブレードとサボニウスブレードとが設けられ、前記発電機は、ダリウスブレードとサボニウスブレードとの間に配置されることを特徴とし、請求項４に係る発明では、前記外軸は、複数個に分割可能であることを特徴とする。

本願発明は、二軸式垂直軸風力タービンに関するものである。内軸は回転せず、ブレードの重量及び強風下でのブレードの引張に耐えるように強度の高い材料で設計される。外軸は軽量であり、ブレードに接続されるように、且つ、風力エネルギー変換下でブレードによって生じる回転トルクを伝達するように設計される。

即ち、本願発明は、垂直軸風力タービンに用いられ、主軸は内軸及び外軸から構成される。内軸は固定され、回転はしないが、外軸はブレード及び発電機とともに回転する。内軸と外軸との間に２つ以上のベアリングが設けられる。これらのベアリングは外軸の上部及び下部に設けられる。外軸は、ブレードと直接接続するだけでなく、発電機が中間部品によって生じるいかなる機械的損失もなくすよう直接駆動されることができるように発電機の主要部品の１つとして作用する。内軸の主要な機能は、タービンの全重量及び風の引張に耐えることである。

本願発明のように、内部固定軸と外部回転軸の垂直２軸から構成し、内部固定軸と外部回転軸との間に発電機を配置することにより、機械的構造を強化することができるとともに、発電効率を高めることができる。また、発電機をコンパクトに構成することができるため、全体を小型化することができ、製造コストを低減することができる。

本願発明の一例を図２に示す。ハイブリッドブレード垂直軸風力タービン１０は、ダリウスブレード１２、サボニウスブレード１４、回転用の外軸１６、支持用の内軸１８、及びアウトロータ発電機２０を含む。

３つのダリウスブレード１２（１２ａ〜１２ｃ）の上端及び下端はいずれも、ねじ３９によって上部固定板３８及び下部固定板３８に固定される。上部固定板３８及び下部固定板３８は円周上に３つの延長ブランチを有し、固定リング３４により上部固定板３８が上部外軸１６のフランジ上に固定される。任意の従来の方法によって、下部固定板３８は、外軸１６の下部のアウトロータ発電機２０のフランジに固定される。サボニウスブレード１４は、上部及び下部の固定リング３６により外軸１６のフランジに固定される。ダリウスブレード１２及びサボニウスブレード１４は外軸１６に別個に固定される。

図３〜図５を参照すると、内軸１８は一般に知られている方法により下部板３０（図２）に固定されることができる。内軸１８は回転することができない。外軸１６は同軸スリーブ形式で内軸１８に配置され、自由に回転することができる。外軸１６を自由に回転させるために、３つのベアリング４０ａ、４０ｂ、４０ｃが外軸１６及び内軸１８間に配置される。ベアリング４０ａは外軸１６の上部付近に配置される。他の２つのベアリング４０ｂ、４０ｃは外軸１６の下部分付近に配置される。

このような二軸形式にすることによって、本発明者らは、内軸１８に強度の高い材料を用いて、支持強度を保証することができ、その一方、外軸１６に軽量の材料を用いて、優れた回転性能及び優れた電力変換効率を達成することができる。

発電機２０を図５に示す。発電機２０は頂部カバー２２、底板２４、エッジシェル２６、ステータ２８（コイルを含むが図面には示さず）、及び永久磁石２３を含む。発電機の頂部カバー２２は、一般に知られている任意の方法によって外軸１６に固定することができる。例えば、外軸１６の底板２４は、固定ボルトを用いることによって発電機２２の頂部カバー２２に固定するボルト穴を有する。２つの部品を一体化する方法を図５に示す。発電機のステータ２８は、一般に知れられている任意の方法によって内軸１８に固定される。ステータ２８が外軸１６と接続せず、外軸によって回転させられないことが必要である。頂部カバー２２及び底板２４は、上述のベアリング４０ｂ、４０ｃをそれぞれ受け入れる凹部２２ａ、２４ａを有する。

図３及び図５を参照すると、発電機２０の頂部カバー２２、底板２４及びエッジシェル２６は、固定ボルトによって一体として結合され、発電機２０の回転部品として作用する。ブレード１２、１４が風力によって駆動されると、外軸１６が回転し、それにより、同時に発電機２０のロータ部品が駆動される。ロータ部品内に形成された永久磁石２３は回転するが、ステータ２８は回転しないままである。ロータ部品内の永久磁石２３の回転運動により、磁束の切断がもたらされ、発電が生じる（外側でロータが回転し、内側にステータが固定されるこのようなタイプの発電機はアウトロータ発電機と呼ばれる）。

図面では、外軸１６は、発電機２０のロータと同軸で設けられ、発電機２０のロータを直接駆動することができる。しかしながら、このような直接駆動の同軸設計に限定されない。外軸１６は外軸の下部板と発電機のロータ（図面は示さず）との間にベルトホイール又はギヤボックスを付け加えることによって間接的に発電機のロータを駆動するようにしてもよい。

機械式ブレーキ３２は、発電機２０の底板２４上にボルトを固定することによって固定される。機械式ブレーキ３２の内部部品（図面には示さず）が、内軸１８と接触するように選択されて、必要であれば、回転せずに外軸１６を制動するようにすることができる。

図面では、ハイブリッドブレードのダリウスブレード１２及びサボニウスブレード１４を使用するようになっている。実際用途では、ハイブリッドブレード設計を用いる必要はなく、ダリウス又はサボニウスのいずれかの単式ブレード風力タービン（図面には示さず）でもよい。

図６に他の形態の例を示す。図に示す外軸は、分割し得る。例えば、図６において、垂直軸風力タービン６０の外軸６２は、上部軸６４と下部軸６６（サブ軸と呼ぶことがある）に分割され、結合部材６８で結合されている。結合部材６８は、上部軸６４の下部結合部材６４ａと下部軸６６の上部結合部材６６ａとからなっている（図８参照）。これら二つの部材は、上部軸６４と下部軸６６が逆回転しないように、ネジ、溶接、接着剤、ファスナー、その他の通常の固定部材で結合することができる。ここに挙げた結合部材６８は、一例であって通常知られている手段を代わりに用いればよい。

実用に際して、より大きな出力が望まれるときタービンもより大きくなるので、外軸は、タービンの大きさに応じて２〜３個に分割することができる。タービンがさらに大型になるとき、外軸はさらに分割できる。外軸を分割することのメリットは、外軸の全重量を軽減できること、結合部位の機械的強度を上げることができること、分解や組み立てが容易であることである。

図６について説明すると、下部軸６６は、外側回転発電機７０と結合され（結合とは、ネジまたは他の結合手段で固定されていること）、ベアリングと結合され、鋼のような強度のある材質であることが望ましい。上部軸６４の負荷は、カーボンファイバーやアルミのようなより軽い材質を用いることで軽減できる。軸の重量を減量できるので、生産や分解において好ましく、生産・保守のコストを下げることができる。保守の間、損傷パーツのみを分解して交換することができる。その上、外軸の分割・結合される領域は、肉厚にしえるので、軸全体の強度を高めることができる。

図６の場合、下部軸６６の長さを材料のコスト軽減のために短かくすることができるのに加えて、内軸６７が上部軸６４中まで延びることなく、内軸の長さも短くすることができる。その上、ベアリング７２，７４は外軸６２の下部と内軸６７の上部に離して設置されている。外軸６２は内軸６６の位置に留まり、二つのベアリング間の距離が多く取れるので支持強度を増加することができる。

図７において、風力タービン６０の外軸６２が分割されていることに加えて、発電機７０がダリウスブレード６１ａとサボニウスブレード６１ｂとの間に設置されている。これはスペースを節減できるだけでなく下部軸６６の長さも約２５％低減でき、その結果、軸の負荷をより低減することができる。この外軸の分割と発電機が内側にあるデザインは特に大型風力タービンに適するが、大型に限られるわけではない。

なお、以下に他の発明の態様を列記する。
（１）複合機能ブレードを有する垂直軸風力タービンであって、内軸は、垂直で地面に据え付けられており、外軸は、内軸と同軸のカラムで、内軸の外側に据え付けられ、内軸に対して回転可能で、複合機能ブレードが該外軸に設置され、且つ、発電機は、外軸の回転によって駆動され発電する。
（２）さらに、内軸と外軸との間に複数ベアリングが設けられ、該ベアリングは外軸の下部と内軸の上部に設けられている上記（１）の垂直軸風力タービン。
（３）外軸が発電機のロータを同軸で回転し、且つ外軸は発電機を直接回転する上記（１）または（２）に記載の垂直軸風力タービン。
（４）発電機が外側ロータ発電機で発電機ロータの上部位置で外軸の下部と直接結合している上記（３）に記載の垂直軸風力タービン。
（５）外軸が発電機ロータを間接的に駆動し、同軸でない上記（１）または（２）に記載の垂直軸風力タービン。
（６）機械式ブレーキが外軸に設けられている上記（１）または（２）に記載の垂直軸風力タービン。
（７）複合ブレードがダリウスブレード、サボニウスブレード、あるいはこれら二つの複合ブレードである上記（１）または（２）に記載の垂直軸風力タービン。
（８）発電機がダリウスブレードとサボニウスブレードとの間に設けられている上記（７）に記載の垂直軸風力タービン。
（９）外軸が数個のサブ軸に分割されていて、各サブ軸は結合部材で結合されている上記（１）または（２）に記載の垂直軸風力タービン。
（１０）外軸が数個のサブ軸に分割されていて、各サブ軸は結合部材で結合されている上記（８）に記載の垂直軸風力タービン。
（１１）サブ軸が異なる材質でできている上記（９）に記載の垂直軸風力タービン。
（１２）サブ軸が異なる材質でできている上記（１０）に記載の垂直軸風力タービン。
（１３）サブ軸がカーボンファイバーまたはアルミからなる上記（１１）記載の垂直軸風力タービン。
（１４）サブ軸がカーボンファイバーまたはアルミからなる上記（１２）記載の垂直軸風力タービン。

従来の単軸垂直軸風力タービンの断面図 本願発明の２軸垂直軸風力タービンの斜視図 本願発明の２軸垂直軸風力タービンの断面図 図３のＡ部の拡大分解断面図 図３のＢ部の拡大分解断面図 外軸が分割されている本発明の別の実施態様の断面図 内側に発電機を設置する風力タービンの断面図 図６、７の６８部分の拡大図。

符号の説明

１ 従来の垂直軸風力タービン
２ 主軸
３ ダリウスブレード
４ サボニウスブレード
５、６ ベアリング
７ 発電機のカバー
１０ ハイブリッド式ブレードの垂直軸風力タービン
１２ａ〜１２ｃ ダリウスブレード
１４ａ サボニウスブレード
１６ 外軸
１８ 内軸
２０ 発電機
２２ 発電機の頂部カバー
２２ａ〜２４ａ 発電機の頂部カバーの凹部
２３ 永久磁石
２４ 発電機の底板
２６ 発電機のエッジシェル
２８ 発電機のステータ
３０ 風力タービンの下部板
３２ 機械式ブレーキ
３４ 固定リング
３６ 固定リング
３８ 固定板
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ ボールベアリング
３９ 固定ボルトまたはねじ
６０ 垂直軸複合ブレード風力タービン
６１ａ ダリウスブレード
６１ｂ サボニウスブレード
６２ 外軸
６４ 外軸の上部軸
６４ａ 結合部位
６６ 外軸の下部軸
６６ａ 支持部
６７ 内軸
６８ 結合部材
７０ 発電機

Claims (4)

1. 内軸及び外軸を有する垂直軸風力タービンであって、
   前記内軸は、タービンを支持するように固定され、
   前記外軸は、前記内軸に同軸に設けられ、ブレードが固定されるとともに、該ブレードとともに回転可能にされ、
   前記内軸と前記外軸との間に発電機を設けることを特徴とする垂直軸風力タービン。
2. 前記発電機は、前記内軸に設けるステータと前記外軸に設ける永久磁石とを有することを特徴とする請求項１に記載の垂直軸風力タービン。
3. 前記外軸には、ダリウスブレードとサボニウスブレードとが設けられ、前記発電機は、ダリウスブレードとサボニウスブレードとの間に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の垂直軸風力タービン。
4. 前記外軸は、複数個に分割可能であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の垂直軸風力タービン。

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