JP2008540935A

JP2008540935A - 風力発電機用回転翼

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Publication number: JP2008540935A
Application number: JP2008518051A
Authority: JP
Inventors: ミンソンリ
Original assignee: ミンソンリ
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP4527168B2; KR100707132B1; ZA200709179B; WO2007139278A1; EP2021623A1; CA2612540A1; AU2007226804A8; RU2354843C1; AU2007226804B8; AU2007226804A1; BRPI0702881A2; NO20075605L; CN101321947A; CN101321947B; AU2007226804B2; MX2007014023A; US20080050237A1

Abstract

本発明の風力発電機用回転翼は、風力発電機用回転翼において、一端に第１フランジが設けられ、支持フレームに設置された少なくとも一つのベアリングによって回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に設置された１枚のディスクと、前記ディスクの表面を貫通する形状をし、前記ディスクの上面および下面側に吹いてくる風を案内する複数個の空気案内部と、前記ディスクの上面および下面における前記空気案内部の領域に設けられ、前記ディスクの上面および下面側に吹いてくる風を集めて前記回転軸を回転させる複数個の第１集風部と、前記回転軸と前記ディスクに固着され、吹いてくる風を集めて前記回転軸を回転させる複数個の第１集風部と、一端に第２フランジが設けられて前記第１フランジとつなぎ合わせられ、他端に一つ以上の垂直突起が設けられた第１ユニバーサルカップリグと、一端には前記第１ユニバーサルカップリングの垂直突起に嵌合される一つ以上の垂直溝が設けられ、他端には第３フランジおよび第２ユニバーサルカップリングが設けられるプロペラ軸とを含んでなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電機用回転翼に係り、さらに詳しくは、非常に不規則な風向、風速および風量に最も効率的で卓越した適応力を発揮しながら回転軸の回転翼を回転させることができ、強風にも羽根の破損および故障が発生することなく騒音を著しく減らすこともできるようにした風力発電機用回転翼に関する。

一般に、風力発電機は、回転翼を用いて自然の風エネルギーを機械エネルギーに変換させて発電を行う方式の発電機を意味する。

前記風力発電機は、無制限でコストがかからない清浄エネルギー源である風を用いて発電を行うことが可能な装置であって、原価的側面では、発電源別電力生産コストの価格競争力の向上および発電システムの所要設置面積の最小化などの効果、社会環境的側面では化石エネルギーの枯渇に対する代替エネルギー源および地球環境保護などの効果、経済的側面では供給の安定性およびエネルギー輸入依存度の減少などの効果をそれぞれ得ることができる。特に、近年では、政府が民間業者生産の電力を買い入れることができるため、風力発電の普及が加速化しつつある。

外形上、風力発電機は、風を回転エネルギーに変える回転翼と、回転翼によって回転する回転軸と、これらを地上から一定の高さに位置させるためのタワーと、タワーの上部または下部に付設され、回転翼の回転力によって発電を行う発電装置とを含んでいる。

前述した従来の風力発電機に主に用いられる一般な回転翼は、２〜６枚からなるブレードである。このブレードを様々に変形させる、または風力によって回転軸を回転させることが可能な回転翼が各種提案されている。

ところが、従来の風力発電機に用いられた２〜６枚のブレードは、比較的多く使用していることからみて、使用の普遍的な利便性は認めることができるが、発電のためにはブレードの全長を長くして回転直径を広くしなければならず、よって広い設置場所を必要とするため、場所選択による諸般問題点がある。

一方、ブレードを多様に変形させた回転翼は、その構造の特性上、多くの風が受けられるように回転翼を大型化し且つ回転翼の数を増加させているため、非常に不規則な風向、風速および風量により構造的磨耗問題が発生するという欠点と、荷重のため風速および風量の小さい低地帯における微風には効果的な発電を行うことができないため、必ず高地帯を選定して設置しなければならないという欠点がある。

特に、これらの回転翼を、交流風力発電機を直接電力系統に利用する直接式風力発電機に設置する場合は、風力の変化に直接影響されて不便なので、風速を問わずに回転翼を一定の速度で回転させるように、風速に応じて回転翼の傾きを変化させる別途の制御装置を付設するため、施設費が増加する弊害および騒音が非常に激しい欠点がある。

かかる従来の欠点などを解決するために、大韓民国特許出願公開第１９９８−７４５４２号明細書に開示されている風力発電機は、垂直に配置された少なくとも一つのタービンと、タービンの外周に等間隔で配置されたリムまたはディスクと、リムまたはタービンの外周から外側に向かって螺旋状に延びている多数のウィングとを含んでなる。

前記特許文献に開示されている風力発電機は、多数のウィングが風の流れをタービンに向わせること観点からは好ましいが、非常に不規則な風向の高速の風がタービンの上／下部の方向から斜めに傾いて吹くと、前記等間隔で配置されたリムまたはディスクの表面及び底面に風が直接接触して回転軸に多くの負荷を加えるので、回転軸に設置されたタービンは、瞬間的に止まり、または回転力が低下し、効率のよい発電を阻害するという弊害が予想される。

特に、上述した従来の風力発電機における各対のウィングは、外縁部で風を集めるコレクターとしての役割を果たすことが可能なファネル（ｆｕｎｎｅｌ）に限定し、タービンに向かって風を集中させ、風がタービンに向かって動くときに風に予備圧力を加え得るようにしているが、軸とウィングとの間に設けられたファネルの開口部を介して風が瞬間的に抜け出すため、１回転のための持続的な回転力を与えることができなくて、回転軸を効果的に回転させることは期待することができない。

また、大韓民国実用新案登録第２６３１８５号明細書には、弱い風速および風向を問わずに発電を行うことができるように構成した、円筒状ファンからなる風力発電機が開示されている。この風力発電機は、上部円板と下部円板との間に所定の間隔を置いて多数のインペラーを設置して円筒状のファンに構成することにより、弱い風速においても発電可能であり、風向にも影響されない。

ところが、この風力発電機も、非常に不規則な風向の高速の風が上部円板および下部円板の表面に直接当たると、回転軸に多くの負荷が加えられる一方、インペラーなどが歪む現象、および回転軸の回転筒が瞬間的に止まり、または回転力が低下し、効率のよい発電を阻害する欠点がある。

この他にも、かかる問題点を解決するための手段として、回転翼の破損を防止し、負荷がかかることなく回転軸を加速させることが可能な様々な形態の回転翼および装置が提案されているが、これらの大部分も、回転翼が大きく付属装置が粗悪であって、風量の少ない低地帯および都心の如き、高地帯とは異なり比較的風速の低い狭い場所では発電効率が低下するという欠点とともに、その構造の特性上、集風力が著しく低下して風力損失が発生するので、発電を効率よく行うことができないという問題点がある。

特に、これらの従来の回転翼は、台風期間または台風の多い季節には回転翼および回転軸に持続的な負荷をそのまま伝達して回転軸および回転翼を破損させるなどの非常に大きい被害が発生している。よって、風力発電機の安全のために、台風のように風速が強いときにも破損しないように回転翼を小さくすると、微風のときは効率的な発電が不可能である。また、風速の度合いを感知する高価の感知装置を別途に設置して風力発電機を自動に止めさせると、風力発電の設置コストが上昇する。さらに、複雑で多い付着物による激しい騒音と頻繁な破損により経済的な風力発電を行うことができないなどの問題点がある。

大韓民国特許出願公開第１９９８−７４５４２号明細書大韓民国実用新案登録第２６３１８５号明細書

そこで、本発明は、上述した従来の問題点を解決するためのもので、その目的とするところは、複数個の空気ガイドホールを１枚のディスク面に貫通した形状にし、空気ガイドホール領域に複数個の空気ポケットを設置することにより、ディスク面の上面および下面に斜めに加えられる強くて不規則な風向から回転翼を保護する一方、ディスクの上面および下面から吹いてくる風を案内して回転翼および回転軸の加速を円滑に行うことができるようにした、風力発電機用回転翼を提供することにある。

本発明の他の目的は、別個のプロペラ軸を、第２フランジを持つ第１ユニバーサルカップリングを介して、第１フランジを持つ回転軸に連結し、前記回転軸を増速装置または発電装置と第２ユニバーサルカップリングによって間接的に連結し得るようにすることにより、点検修理の便宜性を図り、且つそれぞれ容量の異なる発電装置を必要に応じて便利に連結して作動させることが可能な風力発電機用回転翼を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、風力発電機用回転翼において、一端に第１フランジが設けられ、支持フレームに設置された少なくとも一つのベアリングによって回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に設置された１枚のディスクと、前記ディスクの表面を貫通する形状をし、前記ディスクの上面および下面側に吹いてくる風を案内する複数個の空気案内部と、前記ディスクの上面および下面における前記空気案内部の領域に設けられ、前記ディスクの上面および下面側に吹いてくる風を集めて前記回転軸を回転させる複数個の第１集風部と、前記回転軸と前記ディスクに固着され、吹いてくる風を集めて前記回転軸を回転させる複数個の第１集風部と、一端に第２フランジが設けられて前記第１フランジとつなぎ合わせられ、他端に一つ以上の垂直突起が設けられた第１ユニバーサルカップリグと、一端には前記第１ユニバーサルカップリングの垂直突起に嵌合される一つ以上の垂直溝が設けられ、他端には第３フランジおよび第２ユニバーサルカップリングが設けられるプロペラ軸とを備える風力発電機用回転翼を提供する。

ここで、前記空気案内部は、前記ディスク表面の外周面領域において外周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された上下に貫通した形状の開口部であることが好ましい。

前記第１集風部は、前記空気案内部領域を基準として前記ディスクの上面および下面にそれぞれ向かい合うように設置され、風を集める空気ポケットであることが好ましい。

前記第２集風部は、前記ディスクの上面および下面に設置された回転軸から一面が固着され、他面が前記空気ポケットの一側と近接した前記ディスクの上面および下面に向かい合うように放射状に固着され、内側に向かって所定の深さで湾入した形状を持つ複数個の羽根であることが好ましい。

前記羽根は、両端が前記回転軸と前記ディスクの上面および下面に固定された傾斜フレームに取り付けられることが好ましい。

前記開口部の一端は、前記空気ポケットの開口した一端よりは外側に向かって所定の長さで露出されるように延設されたことが好ましい。

前記空気ポケットは、一端から他端に行くほど幅および高さが段々減少し、半円形の断面形状を持つことが好ましい。

以上説明したように、本発明に係る風力発電機用回転翼は、非常に不規則な風向と風速の風が回転翼の上面および下面などに加えられても、それによる回転翼の抵抗を減らすとともに、残余風である微風に対しても非常に効率的で卓越した適応力を発揮して回転翼を回転させることができるから、地理的特徴、季節的特性、または山および湖水などの存在により一定でない表面形勢を持つ領域から発生する予測し難い風にも回転翼を回転させて電力生産を極大化する効果がある。

また、本発明は、比較的簡単な構成の採用と、回転翼の大きさを地域に応じて限定することができるから、施設導入による経済的負担と騒音を減らすことができるという効果とともに、環境汚染またはその他の施設物に対する危険が少なくて観光資源化することができるため、地域住民との摩擦が比較的少ないという利点もある。その上、回転軸の一端に、第２フランジを持つ第１ユニバーサルカップリングとプロペラ軸を連続して設置し、回転軸を発電機などと連結し得るようにすることにより、点検修理の便宜性および安定性を高め且つ騒音を著しく減らすことができるうえ、それぞれ容量の異なる発電装置を必要に応じて便利に連結して作動させることができる風力発電機用回転翼を提供する。

本発明の前記目的、他の特徴および利点は添付図面を参照する以降の詳細な説明からより明らかに理解可能である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明に係る支持フレームの一部を切り取って風力発電機用回転翼の外観を示す斜視図であり、図２は、本発明に係る支持フレームの一部を切断して風力発電機用回転翼の上面を示す平面図であり、図３は、本発明に係る支持フレームの一部を切断して風力発電機用回転翼の正面を示す正面図である。

これらの図面を参照すると、本発明に係る風力発電気用回転翼１０は、支持フレーム１１のベアリング１２、１３に支持された回転軸２０と、回転軸２０に設置された１枚のディスク３０と、ディスク３０の表面を貫通する形状の複数個の空気案内部４０と、ディスクの上面および下面に空気案内部４０の領域において設けられた複数個の第１集風部５０と、回転軸２０とディスク３０に固着された複数個の第２集風部６０と、第２フランジ７１を持つ第１ユニバーサルカップリング７０と、第３フランジ８１および第２ユニバーサルカップリング８２を有し且つ垂直移動が可能なプロペラ軸８０とを備えている。

回転軸２０の他端には第１フランジ２１が設置されている。第１フランジ２１は、第２フランジ７１とボルトによってつなぎ合わせられる。第１ユニバーサルカップリング７１の他端には組立孔７２が設けられている。そして、前記組立孔７２の内壁に垂直方向に設けられた垂直突起７３に対して、他端に第３フランジ８１および第２ユニバーサルカップリング８２が設置されたプロペラ軸８０の垂直溝８３が嵌合されるように、プロペラ軸８０を設置する。プロペラ軸８０は、回転軸２０から回転力を、別途に設けられた増速装置９０または発電機１００へ伝達する役割を果たす。

すなわち、回転軸２０の回転力が、第１ユニバーサルカップリング７０を介して、第２ユニバーサルカップリング８２を持つプロペラ軸８０へ伝達されると、その回転力は増速装置９０または発電装置１００へ伝達される。よって、点検修理の便宜性を図り、それぞれ容量の異なる発電装置を必要に応じて便利に連結して作動することができる。

本発明に係るディスク３０は、強風に対する抵抗を減らすことができるように１枚の円形板状からなり、ディスク３０の上面および下面の中心部には前記回転軸２０が堅く固着されて支持フレーム１１のベアリング１２、１３に回転可能に設置されている。

図４を参照すると、空気案内部４０は、前記ディスク３０の表面領域に外周方向に沿って所定の間隔をおいて配置された上下に貫通した形状に設けられた複数個の開口部４１からなる。図２に示すように、開口部４１の一端は、空気ポケット５１の開口した一端から外側に向かって所定の長さで露出されるように延設されている。その理由は、非常に強い風速を持つ風がディスク３０の上面および下面の方向から吹いてきてディスク３０に強く当たると、風が瞬間的に空気案内部４０としての多数の開口部４１を介して上方または下方に分散して直ちに抜け出すことを案内することにより、ディスク３０に強くて不規則的な風によって負荷が発生することを予め防止するためである。

また、第１集風部５０は、空気案内部４０の開口部４１領域でディスク３０の上面および下面に向かい合うように設置された複数個の空気ポケット５１からなる。開口部４１を介して強風が流入して速く抜け出しながら残った残余風の一部のみを集風させて回転軸２０を回転させるので、強い風速にも破損することなく回転翼１０が安全に回転する。

この際、空気ポケット５１の表面形状が一端から他端に行くほど幅および高さが段々小さくなる半円形のテーパー形状を取っているため、強風が開口部４１を介して速く抜け出すとき、空気ポケット５１の表面を擦れる風も空気ポケット５１に抵抗を与えず速く通過することができ、空気ポケット５１の内面形状も幅および高さが段々小さくなる半円形のテーパー形状の空間を持つため、開口部４１を介して速く抜け出して残った残余風である微風の一部が空気ポケット５１の内側にまで深く集風してディスク３０を回転させる。

本発明に係る第２集風部６０は、回転軸２０と空気ポケット５１の一側に近接したディスク３０の表面に放射状に固着された複数個の傾斜フレーム６１に設けられた複数個の羽根６２からなる。羽根６２は、内側に向かって所定の深さで湾入した形状を取っており、その結果集風が可能であって回転軸２０を回転させる役割を助ける。また、４５°の取付角で回転軸２０とディスク３０の表面に固着された傾斜フレーム６１は、ディスク３０を回転軸２０に堅く支持させる役割、および羽根６２を堅く維持させる役割を果たすことにより、非常に強くて不規則な風速および風向に対しても、ディスク３０と羽根６２が破損することを防止するとともに、半円形のテーパー形状を取っている空気ポケット５１と一緒に風の抵抗を最小化して騒音を防止する。

このように構成された本発明に係る風力発電機用回転翼１０は、支持フレーム１１のベアリング１２、１３に支持された回転軸２０に固着され、支持フレーム１１は、ボルト孔１１ａに組み立てられたボルト２００によってタワー３００などに設置され、風向、風速および風量の影響を受けると、回転軸２０を回転させる。よって、回転軸２０の回転力は、第１ユニバーサルカップリング７０、および第２ユニバーサルカップリング８２を持つプロペラ軸８０に伝達され、次いで増速装置９０または発電装置１００に伝達されることにより、電気エネルギーの発生に用いられる。

本発明によれば、第１ユニバーサルカップリング７０とプロペラ軸８０に設置された第２ユニバーサルカップリング８２とは、回転軸２０およびプロペラ軸８０から発生する微細な振動などを吸収するため、騒音を防止し且つ振動による故障などを予め防止して、回転翼１０を含んだ風力発電機全体を保護することができるとともに、第１ユニバーサルカップリング７０からプロペラ軸８０を容易に分離することができるため、分離収去を簡便に行うことができる。

また、本発明は、比較的簡単な構成の採用と、回転翼の大きさを地域に応じて限定することができるから、施設導入による経済的負担と騒音を減らすことができるという効果とともに、環境汚染またはその他の施設物に対する危険が少なくて観光資源化することができるから、地域住民との摩擦が比較的少ないという利点もある。その上、回転軸の一端に、第２フランジを持つ第１ユニバーサルカップリングとプロペラ軸を連続して設置し、回転軸を発電機などと連結し得るようにすることにより、点検修理の便宜性および安定性を高め且つ騒音を著しく減らすことができるうえ、それぞれ容量の異なる発電装置を必要に応じて便利に連結して作動させることができる風力発電機用回転翼を提供する。

図面および明細書には本発明の典型的な好ましい実施形態が開示されており、特定の用語が採用されても、それらは、特許請求の範囲に記載された本発明の範疇内において、限定の目的で用いられず、一般的および技術的な意味で用いられる。

本発明に係る支持フレームの一部を切り取って風力発電機用回転翼の外観を示す斜視図である。本発明に係る支持フレームの一部を切断して風力発電機用回転翼の上面を示す平面図である。本発明に係る支持フレームの一部を切断して風力発電機用回転翼の正面を示す正面図である。本発明に係る空気案内部および第１〜２集風部の部分を抜粋して作用説明を行うための拡大断面図である。

Claims

風力発電機用回転翼において、
一端に第１フランジが設けられ、支持フレームに設置された少なくとも一つのベアリングによって回転自在に支持された回転軸と、
前記回転軸に設置された１枚のディスクと、
前記ディスクを貫通する形状であり、前記ディスクの上面および下面側に吹いてくる風を案内する複数個の空気案内部と、
前記ディスクの上面および下面における前記空気案内部の領域に設けられ、前記ディスクの上面および下面側に吹いてくる風を集めて前記回転軸を回転させる複数個の第１集風部と、
前記回転軸と前記ディスクに固着され、吹いてくる風を集めて前記回転軸を回転させる複数個の第２集風部と、
一端には前記第１フランジとつなぎ合わせられる第２フランジが設けられ、他端には一つ以上の垂直突起が設けられた第１ユニバーサルカップリグと、
一端には前記第１ユニバーサルカップリングの前記垂直突起に嵌合される一つ以上の垂直溝が設けられ、他端には第３フランジおよび第２ユニバーサルカップリングが設けられるプロペラ軸と、
を備えることを特徴とする、風力発電機用回転翼。
前記空気案内部は、前記ディスク表面の外周面領域において外周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された上下に貫通した形状の開口部であることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電機用回転翼。
前記第１集風部は、前記空気案内部領域を基準として前記ディスクの上面および下面にそれぞれ向かい合うように設置され、風を集める空気ポケットであることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電機用回転翼。
前記第２集風部は、前記ディスクの上面および下面に設置された回転軸から一方の面が固着され、他方の面が前記空気ポケットの一側と近接した前記ディスクの上面および下面に向かい合うように放射状に固着され、内側に向かって所定の深さで湾入した形状を持つ複数個の羽根であることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電機用回転翼。
前記羽根は、両端が前記回転軸と前記ディスクの上面および下面に固定された傾斜フレームに取り付けられることを特徴とする、請求項４に記載の風力発電機用回転翼。
前記開口部の一端は、前記空気ポケットの開口した一端から外側に向かって所定の長さで露出されるように設けられることを特徴とする、請求項２に記載の風力発電機用回転翼。
前記空気ポケットは、一端から他端に行くほど幅および高さが段々減少し、半円形の断面形状を持つことを特徴とする、請求項３に記載の風力発電機用回転翼。