JP2012505332A - 反対方向に回転する複数の羽根群を有する風力装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】 反対方向に回転する複数枚の羽根を有する風力装置を提供する。
【解決手段】 本発明の風力装置は、（ａ）風上に配置されるノーズピース（３０）と、（ｂ）第１羽根群（１０）と、前記第１羽根群（１０）は、前記ノーズピース（３０）の後方にあり、その水平方向回転軸を中心に第１方向に回転し、ｃ）第２羽根群（２０）と、前記第２羽根群（２０）は、前記第１羽根群（１０）の後方にあり、その水平方向回転軸を中心に第２方向に回転し、前記第２方向は第１方向とは反対向きであり、（ｄ）発電手段（５０）と、前記発電手段は、前記水平方向回転軸に沿って、前記ノーズピース（３０）内に配置され、前記第１羽根群（１０）と第２羽根群（２０）の両方に連結され、（ｅ）垂直回転軸（４）と、前記垂直回転軸（４）は、前記第１羽根群（１０）と前記発電手段の間にある、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反対方向に回転する２つの羽根の組を有する風力装置（例、ウインドタービン）に関し、特に反対方向に回転するロータとステータとを有する発電機を具備した風力装置に関する。このウインドタービンは、羽根と共に動くフロントノーズピースを具備し、装置を風上に向けることにより、羽根の回転速度を制御してその性能を改善する。

風力装置は、風車或いはウインドタービンとして公知であり、ポンプ、脱穀機、発電機等の様々な応用分野を有する。本発明は、これ等の応用分野において、風力装置の性能を改善する。

水平方向軸を有するウインドタービンは、装置を風の方向（風上）に向ける手段を具備する。この手段は、テールをタービンのブレードの後方に取り付けることとで実現しているが、テールはブレードの動きの中で揺れて、風向きの微小な変化に追従するのが遅れる。その為、テールを使用せずに、風力装置を風上に向けるような構成を具備する装置とその運転方法も提供することにより、風力装置の性能を改善する。

風力装置（ウインドタービン）の問題点は、極端な風の状態（強風）の間、羽根の許容値以上の高速回転を阻止することである。これを達成する方法は、装置にブレーキを付加することであるが、新たな機械的な複雑さが増し、風力装置に対する潜在的な故障も引き起こすことがある。その為、本発明は、ブレードの最大回転速度を制限する装置を含む風力装置における動作方法を提供することである。

発電する風力装置における別の問題点は、最低回転速度が高いことである。最低回転速度は、風力装置が失速せずに、発電の開始前に必要とされる速度である。しかし、風力装置が発電するの必要な最低風速を更に低くすることにより、風力装置の性能を更に上げることが出来る。

商用レベルのウインドタービンにおける別の問題は、風向きに合わせる為に、垂直回転軸の周りに３６０°回転できる機能が欠けていることである。３６０度回転を提供することは望ましいことであるが、一般的には電線が捻れてしまう。関連する別の影響は、タービンが極端な高速で回転すると、時に風の方向を向くことが出来ず、羽根の方向が、電力を生成できない位置にロックされてしまうことである。その為、本発明の風力装置は、その垂直回転軸の周りに３６０°回転できる。

これ等の改善点を、低コストで且つ信頼性の高い方法（風力装置）で提供できるのが望ましい。

本発明の目的は、従来の技術の欠点を解決し、更に上記の好ましい性能の向上を達成できる風力装置を提供することである。

本発明によれば、本発明の風上を前面とする風力装置は、
（ａ）前面に配置されるノーズピースと、
（ｂ）第１羽根群と、前記第１羽根群は、前記ノーズピースの後方にあり、水平方向回転軸を中心に第１方向に回転し、
（ｃ）第２羽根群と、前記第２羽根群は、前記第１羽根群の後方にあり、その水平方向回転軸を中心に第２方向に回転し、前記第２方向と第１方向とは反対向きであり、
（ｄ）発電機と、前記発電機は、前記水平方向回転軸に沿って回転軸を有し、前記ノーズピース内に配置され、前記第１羽根群と第２羽根群の両方に連結され、
（ｅ）垂直回転軸と、前記垂直回転軸は、前記ノーズピースを搭載し、前記第１羽根群と前記発電機の間にある
を有する。

本発明の一実施例によれば、ノーズピースは、円錐台の形状をしている。ノーズピースは、円錐本体と円錐頭部とを有する。円錐頭部は、先端が丸くなっている。円錐本体は、前端部と後端部とを有する。前記前端部は、第１直径を有し、前記後端部は、第２直径を有し、前記第２直径は、前記第１直径よりも大きい。
前記第１直径の第２直径に対する比率は、０．０５−０．４５の範囲内、より好ましくは、０．１０−０．３０の範囲内、更に好ましくは、０．１２−０．２５の範囲内にある。
前記円錐本体の長さの前記第２直径に対する比率が、１−３の範囲内に、より好ましくは、１．２５−２．５の範囲内、更に好ましくは、１．５−２．０の範囲内にある。
前記第１羽根群の直径の前記円錐本体の第２直径に対する比率は、２−７の範囲内に、より好ましくは、２．２６−６の範囲内に、更に好ましくは、２．５−５の範囲内に、更にまた好ましくは、２．７５−４の範囲内に、更に好ましくは、３−３．５の範囲内にある。
前記円錐頭部の直径は、前記円錐本体の第１直径に等しく、前記円錐頭部の長さの前記円錐頭部の直径に対する比率は、０．１−１．５の範囲内に、より好ましくは、０．２−１．０の範囲内に、更に好ましくは、０．３−０．７の範囲内に、更にまた好ましくは、０．４−０．６の範囲内に、更に好ましくは、０．５１−０．５９の範囲内にある。

円錐本体３１は若干楕円形状（長円）の断面を有し、長軸が水平方向で、短軸が垂直方向である。楕円の長さは幅よりも、１−１５％長く、好ましくは１−１０％長く、より好ましくは５−１０％長い。風力装置の相対寸法の比率を決定するために、楕円の長さと幅の平均値を用いて第１端又は第２端の直径を決定する。

第２羽根群の直径と第１羽根群の直径は等しい。別の構成として、第２羽根群は第１羽根群のそれよりも大きな直径を有してもよい。第１羽根群は、少なくとも５枚の羽根、好ましくは５−１５枚の羽根、より好ましくは６−１３枚の羽根、更に好ましくは７−１２枚の羽根を有する。第２羽根群２０は、少なくとも５枚の羽根、好ましくは５−１５枚の羽根、より好ましくは６−１３枚の羽根、更に好ましくは７−１２枚の羽根を有する。第１と第２の羽根群は、５−１５枚の羽根から別々に選択された羽根の枚数を有してもよい。第１と第２の羽根群の羽根の枚数は、等しくてもよく又異なってもよい。

第１と第２の羽根群の羽根の長さは、等しくても異なっていてもよい。第２羽根群の羽根は、第１羽根群の羽根よりも長くてもよい。第１と第２の羽根群の羽根の形状は、互いにミラー形状（反対方向に回転するために）か、反対方向に回転するような別の形状でもよい。第１と第２の羽根群は、一定のピッチを有する。第２羽根群は第１羽根群の真後に配置される。即ち、第１羽根群と第２羽根群の間に、相互干渉構造（但し第２シャフトを除く）が存在しないことを意味する。第１と第２の羽根群は翼型である。本発明の風力装置は、第２羽根群の後方にテールを有さない。

第１と第２の羽根群は発電機に接続される。発電機は、ＡＣ電流又はＤＣ電流を生成する。発電機はアルタネータも含む。発電機は、ノーズピース内で第１と第２の羽根群の前方に配置される。発電機は、風力装置の形状に応じたサイズで、その発電能力は、風力の関数である。例えば発電機は、０．１−２５ｋｗの最大パワー、好ましくは２−２０ｋｗの最大パワー、より好ましくは５−１８ｋｗの最大パワー、更に好ましくは６−１６ｋｗの最大パワー、更に好ましくは６．５−１０ｋｗの最大パワーを出力する。

本発明の風力装置は、中心シャフトを有する。この中心シャフトは、第１シャフトと第２シャフトとからなる一対の水平軸と同軸のシャフトであり、第１羽根群と第２羽根群と発電機とを接続する。第１シャフトは中空の断面形状を有し、第２シャフトは第１シャフト内を貫通する。第１シャフトは第１方向に、第２シャフトは第２方向に回転する。第１羽根群は第１シャフトに連結され、第２羽根群は第２シャフトに連結される。発電機は第１シャフトと第２シャフトの両方に連結される。発電機はステータとロータとを有する。それ等は、相互排他的に互いに第１シャフトと第２シャフトに接続され、互いに反対方向の同軸回転を行う。これにより。ステータとロータとの相対速度が２倍になる効果を達成できる。

発電機は、第１回転パワー・カップリングを有する。この第１回転パワー・カップリングは、発電機の外部にあり、第１シャフト或いはステータとロータと同軸の発電機の外部に接続されたスリップリングと、前記スリップリングと電気的にスライド可能に接触するブラシの組を有する。

本発明の装置は、更に風力装置を垂直支持構造体に搭載する搭載手段を有する。搭載手段は、風力装置が搭載手段の垂直回転軸の周りに３６０°回転できるようにする。搭載手段は、垂直回転軸の周りに無制限に回転運動が出来る。搭載手段により垂直回転軸の周りに完全な回転が可能となる。本発明の装置は、更に垂直回転軸と同軸の第２回転パワー・カップリングを有する。

動作に際し、ノーズピースは、少なくとも第１羽根群と共働して、或いは第１羽根群と第２羽根群の両方と共働して、ノーズピースが無い場合に比較して、性能を改善する。性能の改善は、ノーズピースを風上に向けることにより、行う。特にノーズピースの先端を風向きに向ける。性能の改善は、第１羽根群と第２羽根群の回転速度を制御する。これは、例えば羽根を通過する風を偏向する、風速が所定風速値を超えた時に羽根の回転速度を制限することを含む。この所定風速値は、例えば４０ｍｐｈ、４５ｍｐｈ、４７ｍｐｈ、５０ｍｐｈ、５２ｍｐｈ、５５ｍｐｈ、５７ｍｐｈ、６０ｍｐｈ、６２ｍｐｈ、６５ｍｐｈ、６７ｍｐｈ、７０ｍｐｈ、７２ｍｐｈ、７５ｍｐｈである。この所定風速値は、第１羽根群の羽根の枚数、第２羽根群の羽根の枚数、或いは第１羽根群と第２羽根群の羽根の総枚数の関数である。回転速度の制御は、ノーズピースが無い場合に比較して回転速度を増加させることが含まれる。特に、低風速時、例えば５−２５ｍｐｈ、７−２０ｍｐｈ、１０−１５ｍｐｈでは、回転速度を増加させる。

本発明の他の態様によれば、本発明は、第１羽根群と、第２羽根群と、この第１羽根群と第２羽根群の前方に配置されるノーズピースとを有する風力装置の動作方法である。本発明の方法は、ノーズピースを少なくとも第１羽根群と共働させて、風力装置の性能を改善する。この性能の改善は、ノーズピースを風上に向けるか、或いは第１と第２の羽根群の回転速度を制御することである。

ポール上に搭載された本発明の風力装置とそれに取り付けられた支持ワイヤの第一実施例を表す図。 図１Ａの風力装置の頭部の拡大斜視図。 第一風速（低速）の空気流の中の図１Ａの風力装置の側面図。 第二風速（高速）の空気流の中の図１Ａの風力装置の側面図。 図１の風力装置の垂直回転軸とその重心との位置関係を表す側面図。 図１の風力装置のノーズピースの内部の各装置の各部分を表す側面図。 図３Ａに示されたノーズピースの内部内の装置の構成部品の拡大図。 図３Ａ、３Ｂに示されたパワー・カップリングの拡大図。 本発明で使用されるシンクロナイザの横断面図。 垂直切断ラインＡ−Ａを示す図１Ａの装置の正面図。 図４Ａに示される切断ラインＡ−Ａに沿った装置の縦断面図。 図４Ｂに示された装置の部分拡大横断面図。 第１と第２の羽根群がそれぞれ５枚の羽根を有する第二実施例の正面図。 第１と第２の羽根群がそれぞれ７枚の羽根を有する第三実施例の正面図。 第１と第２の羽根群がそれぞれ１２枚の羽根を有する図１の風力装置の第一実施例の正面図。 第１羽根群が９枚の羽根を、第２羽根群が７枚の羽根を有する第四実施例の正面図。 本発明の実施例で使用される発電機の縦方向断面図。 図６Ａの点線で示す切断ラインに沿った断面図。

図１Ａにおいて、本発明の風力装置１は、ポール５の頂部に留められる支持ワイヤ７で支えられている。図１Ｂにおいて、搭載手段４０の一部が風力装置１の下に突出し、フランジ４１を有する。フランジ４１で風力装置１をポール５に取り付ける。搭載手段４０により、風力装置１が搭載手段４０の垂直軸４の周囲に連続的に回転可能となる。垂直軸４はポール５と整合している（ポール５の中心を垂直軸４が通る）が、他の搭載方法の場合には、必ずしも整合性の必要はない。

風力装置１は、第１羽根群１０と第２羽根群２０とを有する。第１羽根群１０は水平軸６の周りを第１回転方向１１に回転する。第２羽根群２０は水平軸６の周りを第２回転方向２１に回転する。第２回転方向２１と第１回転方向１１とは反対方向である。第１と第２の羽根群１０，２０の角度を逆にすることにより、第１回転方向１１と第２回転方向２１も逆となる。反対方向に回転する羽根の組を有することにより、第１羽根群１０を通り抜けた風の渦巻き運動によるエネルギー損失を回収できる。第２羽根群２０が第１羽根群１０の直後に配置される。２組の羽根群１０，２０を反対方向に回転させることにより、発電パワーを増加させ、単一の羽根の場合の羽根外直径を増加させることなく、トルク効果とジャイロ運動効果をバランス・アウトする。

第１羽根群１０は第１ハブ１２に、第２羽根群２０は第２ハブ２２に搭載される。第１と第２の羽根群１０，２０の各羽根は、ハブ１２，２２にそれぞれ、羽根搭載部分８により固定される。羽根搭載部分８により、第１と第２の羽根群１０，２０は、風力装置から直ちに取り外して、必要な保守や置換を行うことができる。これは、第１ハブ１２と第２ハブ２２内に様々な数の搭載ホール９を形成することにより行われ、更に特定の風の状態に応答して、羽根の枚数や半径方向の位置の変更が可能となる。円錐台の形状をしたノーズピース３０が、風力装置の前面（羽根群１０の前）に配置される。ノーズピース３０は、円錐本体３１と切頭した円錐頭部３２とを有する。この円錐頭部３２は、丸い形状一般的には半円球をしている。円錐頭部３２は「ブル・ノーズ（牛の鼻）」とも称する。円錐本体３１は前端部３３と後端部３４とを有する。前端部３３は、円錐頭部３２と同一の第１直径を有する。後端部３４は、第１直径よりも大きな第２直径を有する。ノーズピース３０の形状と機能を以下に説明する。

図２Ａにおいて、ノーズピース３０は、入ってくる風３５を、ノーズピース３０の外側方向に、即ち矢印３６で示すように、第１と第２の羽根群１０，２０の外側（先端）方向に向ける。その為、ノーズピース３０は、第１と第２の羽根群１０，２０と共働して、第１羽根群１０の性能を改善する。特に低風速時に性能を改善する。風から得られるトルクの最大値は、第１と第２の羽根群１０，２０の外側端部を通過する風により与えられるので、外側端部近傍で風速を増加することにより、性能を上げることが出来る。風の向きを変える他の利点は、高風速時において即ち所定風速値以上において、風は、羽根の先端部を通り外側に曲がる傾向がある（図２Ｂ）。これは、第１と第２の羽根群１０，２０の回転速度の増加比率を、風速が最大速度に達するまで増加するにつれて、減少させ、その後所定値以上の風速においては、第１と第２の羽根群１０，２０の回転速度を減少し、最大回転速度を自動的に制限することになる。これは、極端な強風の間、危険な回転速度状態を減らす或いは無くすことになる。これにより、従来の風力発電装置の安全性を与えることが出来る。風力装置１を注意深く設計することにより、強風時に危険な回転状態を回避するようなブレーキ機能の必要を無くすことができる。しかし、ブレーキ機能を、心理的な問題として或いはローカルな規制に応じて、具備してもよい。

低風速時の性能の改善の利点と最大回転速度を自動的に制限する利点の一方又は両方を達成するために、ノーズピース３０は、少なくとも第１羽根群１０と好ましくは第１と第２の羽根群１０、２０と共働するよう、構成される。羽根の枚数と形状（角度も含む）は、第１と第２の羽根群１０，２０において、風力装置１により形成される空気流に対する抵抗値を決定する。全ての他のパラメータを一定にした状態において、羽根の枚数が増えると空気流に対する抵抗が増える。この空気流に対する抵抗により、第１と第２の羽根群１０，２０の前方に圧力傾斜が生じ、これは風速の関数であるが、これによりノーズピース３０と共に、風力装置１の全体性能に影響を及ぼす。第１と第２の羽根群１０，２０を具備することにより、第１羽根群１０だけの場合に比較して、圧力傾斜に対する影響が大きくなる。そのため、ノーズピース３０の形状は、第１と第２の羽根群１０，２０の羽根の枚数と羽根の形状を決定し、これにより、所定の風速以上において、羽根を通過する風の偏向（向きを変えること）を達成することが出来る。

ノーズピース３０の形状パラメータと第１と第２の羽根群１０，２０の形状パラメータの多くの組み合わせにより、本発明の好ましい機能を達成することが出来る。２つの組み合わせを表１に示す。第一実施例は、高風速に対する第１所定値を有し、第二実施例が、高風速に対する第２所定値（より高い）を有する。

表１：実験で得られた形状の関係
パラメータ 第１実施例 第２実施例
第１と第２の羽根群の各羽根の枚数 １２ １２
第１直径の第２直径に対する比率 ０．１６ ０．１４
円錐本体の長さの第２直径に対する比率 １．５３ １．４１
第１羽根群の直径の第２直径に対する比率 ３．２８ ２．７５
円錐頭部の長さの円錐頭部の直径に対する比率 ０．５７ ０．５０

羽根の長さを長くすることにより、所定の風速でより多くのパワーを生成できる。ノーズピース３０の形状を試行錯誤することにより、上記の性能の所定の改善を達成することが出来る。例えば第１と第２の羽根群１０，２０の直径と第２直径の間の比率を増加させると、以下の措置を施して性能を維持する必要がある。前端部３３の直径を後端部３４のそれに比較して小さくすると、即ち後端部３４の直径を前端部３３のそれに比較して大きくすると、第１直径と第２直径の間の比率が減少する。円錐本体３１の長さが第２直径に比較し短くなると、円錐本体３１の長さの第２直径に対する比率が減少することになる。円錐頭部３２の直径が円錐頭部３２の長さに対し大きくなると、円錐頭部３２の長さ対直径の比率が減少する。上記のパラメータの組み合わせを採用することにより、風力装置の性能向上を達成できる。性能の目的が変化する（即ち、高風速に対する所定の値が変化する、或いは低速の値が変化する）と、上記のオプションは必ずしも必要ではない。

円錐頭部３２は、風の向きを変えるのに重要な役割を果たす。一般的に、円錐頭部３２は、ノーズピース３０の本体から外側に風を偏向させる効果を有する。一方、円錐頭部３２の先端がより流線型になると、同一レベルの風の偏向を達成できない。丸い円錐頭部３２が好ましいが、平坦な或いは円錐頭部３２の残りの部分よりもより角度のある傾斜したコーンを有する円錐頭部３２も、同様に使用できる。

ノーズピース３０は、複数の部品から構成される。図２Ｃにおいて、円錐本体３１は、上部部分３５と、下部部分３６と、アクセス扉３７とを有する。上部部分３５と下部部分３６とアクセス扉３７は、フレーム３８に搭載される。アクセス扉３７と下部部分３６は、取り外し可能にフレーム３８にラッチ３９で搭載され、ノーズピース３０内部へアクセスが出来る。円錐頭部３２もフレーム３８に搭載される。フレーム３８はノーズピース３０の中に在るか、外部にあり外から見える。上部部分３５、下部部分３６、円錐頭部３２は、互いに結合されシームレスな外観を呈する。別の構成として、ノーズピース３０は、複数の部分から当接して形成される。この個々の部品は、側面から見た時に、水平軸６に対し、一定の角度或いは複数の角度を有する。

図５Ａ−５Ｄを参照する。第１と第２の羽根群１０，２０は、それぞれ少なくとも５枚の羽根を有する。具体的には、図５Ａにおいては、第１と第２の羽根群１０，２０は等しい長さの５枚の羽根を有する。図５Ｂにおいては、第１と第２の羽根群１０，２０は、等しい長さの７枚の羽根を有する。図５Ｃにおいては、第１と第２の羽根群１０，２０は、等しい長さの１２枚の羽根を有する。図５Ｄにおいては、第１羽根群１０は９枚の羽根を、第２羽根群２０は７枚の羽根を有し、第２羽根群２０の羽根は第１羽根群１０の羽根よりも長い。図５Ａ−５Ｄの構成の組み合わせも本発明に含まれる。例えば第１羽根群１０と第２羽根群２０の羽根の枚数と長さは、等しくても異なってもよい。

一般的に羽根は２種類ある。即ち翼型羽根と板型羽根である。本発明に使用される羽根は翼型の羽根である。これは、平坦な板状の羽根よりも遙かに効率がよい。図に示す翼型の羽根は、本発明の一実施例である。ノーズピース３０の形状と羽根の形状に対する関係（考察）は、翼型の羽根の使用を例にしたものである。

ノーズピース３０を、第１と第２の羽根群１０，２０の前に配置することにより、風力装置のノーズピース３０が風の方向を向くことになり、テール（自動的に風の方向を向きかえる機能を有する）が必要なくなる。
当業者は、ノーズピース３０がテールとして機能してしまい、風力装置が反転し、その結果、第２羽根群２０が第１羽根群１０の前方（風上）に来る、即ち垂直回転軸４を中心に制御不能に回転すると考えるかも知れない。しかしこのようなことはない。
図２Ｃにおいて、このような本発明装置の動きは、搭載手段４０の垂直回転軸４の配置位置により起こるのである。この搭載手段４０の配置位置は、第１と第２の羽根群１０，２０の前方で、且つ円錐本体３１の前端部３３と後端部３４の間にあり、且つ後端部３４に近い方にある。垂直回転軸４の位置は、風力装置の重心８の前方（風上）に来るようにしている。垂直回転軸４と重心８との間の距離は、前端部３３と後端部３４の間の距離の０．０５−０．２５倍である。垂直回転軸４の後方（風下）により多くの質量を配置することにより、風力装置は、風向きが変わっても、安定した方向性を維持し、でたらめに回転することはない。ノーズピース３０と第１と第２の羽根群１０，２０の相対的な寸法関係は、重要である。一般的に、円錐頭部３２は、風を円錐本体３１の方向から離す方向にそして第１と第２の羽根群１０，２０の先端方向に偏向させる。羽根の組み合わせた表面積を方向の主要な決定要素とし、羽根を、来入する風の方向と直交するようにする。

本発明の装置は発電に用いられる。発電機が具備され、直流発電機或いは交流発電機の何れかである。交流発電機が好ましい。図３Ａでは、ノーズピース３０を透明にし、その内部が見えるように示している。ノーズピース３０の内部で、第１と第２の羽根群１０，２０の前方（風上）に、交流発電機５０を有する発電手段が配置される。交流発電機５０は垂直回転軸４の前方（風上）に配置され、風力装置のバランスを、羽根の重さとハブをずらすことにより、改善する。交流発電機５０が垂直回転軸４の前方（風上）に配置される距離は、軸の反対側（風下）にある構成要素の重量に依存し、重心と垂直回転軸４の間が所望の距離となるよう、選択される。

ノーズピース３０の内部には、選択的事項として、３個の構成要素、ブレーキ７０とフライホイール７１とシンクロナイザ７４が、配置される。これ等は、通常必要なものではないが、風の状態、装置の設計、建築基準がある場合に、具備される。装置のバランスは、これ等の構成要素を垂直回転軸４の前方に配置することにより、羽根の重量とハブをずらすことにより、或いは重心を前方に動かすことにより、更に改善される。本発明の装置は、変圧器とインバータを具備して、本発明の装置と所定の電気機器、例えばモータ、バッテリー、電気グリッド（ビル内或いは設備会社により具備される）との接続に適した所望の電圧又は周波数を生成する。本発明の装置は、発電機と電気機器（例えばブレーカ、安全断路器）等の安全な接続を行うのに必要な補助器具を具備してもよい。例えば、避雷器（図示せず）を具備して、落雷時の装置への損傷を避けたり或いは装置との接続を切ることも出来る。

図３Ｂにおいて、交流発電機５０は第１シャフト１３に搭載される。この第１シャフト１３内を第２シャフト２３が貫通する。両方のシャフト１３，２３とも、水平軸６と同軸に配置される。第１シャフト１３は第１部分１５と第２部分１６とを有する。第２部分１６は第１部分１５よりも大きな直径を有する。この大きな直径により、第１シャフト１３は、第１羽根群１０により第１ハブ１２を介して伝達されるトルクに対し、より大きな抵抗力を与える。第２部分１６は、第１部分１５に一対のフランジ１７を介して取り付けられる。この一対のフランジ１７は、互いに接続／連結され、第１シャフト１３を分解可能とし、製造と保守作業を容易にする。第１部分１５は、前部ベアリング・ブロック５６と後部ベアリング・ブロック５７に軸支される。シャフト・カプラー５８は、ベアリング・ブロック５６，５７の間に配置され、第１部分１５の分解可能にし、製造と保守を容易にする。ベアリング・ブロック５６，５７は、搭載プレート４７に搭載される。この搭載プレート４７は搭載手段４０の一部である。搭載プレート４７は、回転可能に搭載シャフト４２に搭載ベアリング４３を介して取り付けられる。風力装置１全体がこれにより垂直回転軸４の周囲で回転できる。

第１回転パワー・カップリング６０は、交流発電機５０の近傍で、ノーズピース３０内に配置され、第２回転パワー・カップリング６５は、搭載手段４０の根本に配置される。図３Ｃにおいて、第１回転パワー・カップリング６０は、第１リング群６１ａ−ｄと第１ブラシ群６２ａ−ｄとを有する。第１リング群６１ａ−ｄは、水平軸６と同軸である。第２回転パワー・カップリング６５は、第２リング群６６ａ−ｄと第２ブラシ群６７ａ−ｄとを有する。第２リング群６６ａ−ｄは、垂直回転軸４と同軸である。各ブラシ群６２ａ−ｄ、６７ａ−ｄは、各リング群６１ａ−ｄ、６６ａ−ｄのチャネル内にスライド可能に配置される。各ブラシ群６２ａ−ｄ、６７ａ−ｄは、互いに接続された２つの部分を有し、Ｖ字形状を形成し、水平軸６と垂直回転軸４の対向側にあるそれぞれのチャネルに係合する。ブラシ群６２ａ−ｄ、６７ａ−ｄは、それぞれリング群６１ａ−ｄ、６６ａ−ｄの方向に向けて、内部スプリング６３ａ−ｄにより弾性的に付勢される。ブラシ群６２ａ−ｄ、６７ａ−ｄは、パッド６４ａ−ｄを具備する。このパッド６４ａ−ｄが、チャネルであるリング群６１ａ−ｄ、６６ａ−ｄと電気的に接触する。ブラシ群６２ａ−ｄ、６７ａ−ｄは、搭載プレート４７に隔離碍子４４で固定される。リング群６１ａ−ｄ、６６ａ−ｄは、第１シャフト１３の前部部分１８と搭載シャフト４２に、それぞれ固定される。第１回転パワー・カップリング６０は、交流発電機５０にケーブル７２で接続される。ケーブル７２は、４本のワイヤ７３を有し、それ等は独立してチャネルである第１リング群６１ａ−ｄに接続される。チャネルである第１リング群６１ａ−ｄは、互いに絶縁されている。第１ブラシ群６２の各ブラシ群６２ａ−ｄは、第２ブラシ群６７の各ブラシ６７ａ−ｄに、連結ワイヤ６８ａ−ｄにより、電気的に接続される。第２リング群６６ａ−ｄは互いに絶縁され、搭載シャフト４２の内部で搭載ケーブル６９の個別のワイヤに接続される。このワイヤが、ポール５内を通る外部ケーブル或いはバスに接続され、最終的に交流発電機５０と外部の電気機器とを接続する。カップリング６０，６５により、交流発電機５０は、第１シャフト１３に取り付けられて、水平軸６の周りを回転し、風力装置は、垂直回転軸４の周囲（搭載手段４０により）を回転する。これは ワイヤ６８，７３又はケーブル７２，６９を捻ることなく行われる。これにより、交流発電機５０から外部の電気機器への送電が行われるが、これは垂直回転軸４の周りを風力装置１が無制限に回転することが出来るからである。

図４Ａ−４Ｃにおいて、第２シャフト２３は第１シャフト１３に軸支されている。第１シャフト１３と第２シャフト２３は、水平軸６と同軸である。第１シャフト１３の第１部分１５は、前部部分１８と後部部分１９を有する。前部部分１８と後部部分１９は、シャフト・カプラー５８を介して互いに連結される。シャフト・カプラー５８は、前部部分１８と後部部分１９の両方にキーで留められるが、他の適宜の接続構造例えば右ねじと左ねじの接続によっても行うことが出来る。前部部分１８は、前部ベアリング・ブロック５６内に軸支される。第１回転パワー・カップリング６０のスリップ・リング６１は、前部ベアリング・ブロック５６の前方にある前部部分１８に固定される。前部部分１８は、交流発電機５０の後部エンドプレート５２に固定される。これにより、交流発電機５０は第１シャフト１３と同時に回転をする。第１シャフト１３の後部部分１９は、後部ベアリング・ブロック５７内に軸支され、前部フランジ１７ａに固定される。この前部フランジ１７ａが後部フランジ１７ｂにボルト締めされる。これにより、第１部分１５を第１シャフト１３の第２部分１６に接続する。第２部分１６は、中空であり、第１部分１５よりも大きな外形を有し、更なる剛性をシャフトに与える。第２部分１６は第１ハブ１２に第１ハブ・フランジ１４により固定される。風が吹くと、第１ハブ１２は、第１羽根群１０により第１方向１１ａに回転する。この回転は、第１シャフト１３の第２部分１６に伝達され（回転１１ｂ）、その後第１部分１５の後部部分１９に伝達される（回転１１ｃ）。この回転は、シャフト・カプラー５８を介して前部部分１８に、そして交流発電機５０に伝えられる。交流発電機５０は、第１羽根群１０と同一方向１１ｄに回転する。

第２シャフト２３は、第２ハブ２２に第２ハブベアリング２６により取り付けられる。この第２ハブベアリング２６は、第２ハブ２２に第２ハブフランジ２４を介して搭載される。第２シャフト２３は、第１ハブ１２上に配置された第１ハブベアリング２５内に軸支される。これにより、第２シャフト２３は、ハブ１２内を貫通して、第１シャフト１３とは独立して回転する。第２ハブベアリング２６は、第２シャフト２３にキーで留められる。このため第２シャフト２３は、第２ハブ２２で第２回転方向２１ａ、ｂ方向に回転する。この構成により、第２シャフト２３は、第２ハブベアリング２６内で回転しない。この第２ハブベアリング２６は、第２シャフト２３を、第１ハブベアリング２５と同様にその中心に配置し、これにより第２シャフト２３を第２ハブ２２から容易に分解し取り外すことが出来るようにしている。他の構成も用いることが出来る。第２シャフト２３は、第１シャフト１３の第２部分１６の中空中心を貫通して、第３シャフト・ベアリング２９内に軸支される。この第３シャフト・ベアリング２９は後部フランジ１７ｂに搭載される。第２シャフト２３は、前部フランジ１７ａと後部フランジ１７ｂを貫通して、第１シャフト１３の第１部分１５内に入る。同様に、第２シャフト２３は、後部エンドプレート５２に搭載された第２シャフト・ベアリング２８と、前部エンドプレート５１に搭載された第１シャフト・ベアリング２７内に軸支される。この第２シャフト２３は、交流発電機５０を貫通して、第２回転方向２１ｃに回転する。かくして第２シャフト２３は、交流発電機５０の反対方向に回転する。

図６Ａ，６Ｂにおいて、交流発電機５０は、ステータ５３とロータ５４を有し、発電する。ステータ５３は、交流発電機５０内で、後部エンドプレート５２と前部エンドプレート５１の間に搭載され、第１方向１１ｄに、第１シャフト１３の前部部分１８で回転させられる。第２シャフト２３は、前部エンドプレート５１内に具備された第１シャフト・ベアリング２７内に軸支される。図４Ｃに示す第２シャフトベアリング２８は、図６には図示されていないが、後部エンドプレート５２内に通常具備される。ロータ５４は、第２シャフト２３に搭載され、第２回転方向２１ｃ方向に回転する。これにより、ステータ５３とロータ５４は、互いに反対方向に回転する。ステータ５３とロータ５４との間の相対回転により発電される。この相対回転速度が、交流発電機５０で生成される電力を決定する。ステータ５３とロータ５４を互いに反対方向に回転させることにより、相対的回転が、２倍となり、第１と第２の羽根群１０，２０により提供されるトルクに対し発電量が２倍になる。これにより装置の設計と保守が容易になる。

図３Ｄにおいて、シンクロナイザ７４が具備されると、第１シャフト１３と第２シャフト２３の回転速度は、１対１にロックされる。これにより、第１と第２の羽根群１０，２０の回転速度が（特に風速が変動する間）互いに異なるのを阻止する。その結果発電の質の改善が図られる。その理由は、高い相対的回転速度が維持され、２組の羽根群１０，２０とノーズコーン３０の空力学特性が一定に維持されるからである。しかしシンクロナイザ７４が具備される場合であっても、第１と第２の羽根群１０，２０は、同一の回転速度で回転するのが好ましい。その理由は、シンクロナイザ７４の負荷を減らし、それにより風力装置に寿命を延ばすことが出来るからである。シンクロナイザ７４は、固定ハウジング７９を有する。ハウジング７９は、一対の傘歯車７５，７６を収納する。この一対の傘歯車７５，７６は、第１シャフト１３と第２シャフト２３の一方に同軸で連結される。
即ち、傘歯車７５は第１シャフト１３に、傘歯車７６は第２シャフト２３に連結される。傘歯車７５，７６は、一対のスパイダ・ギア７７を介して噛み合う。スパイダ・ギア７７は、ハウジング７９に取り付けられたスタブ・シャフト７８に回転可能に搭載される。スタブ・シャフト７８は、第１シャフト１３と第２シャフト２３に直交する。第１シャフト１３と傘歯車７５の回転が、ハウジング７９に対しスパイダ・ギア７７を介して反作用し、これにより、傘歯車７６と第２シャフト２３の反対方向の回転が起きる。第１シャフト１３と第２シャフト２３を１対１の比率で機械的にロックする他の構成例えば遊星歯車機構も当業者は容易に使用できる。

図３Ｃで説明したように、交流発電機５０による発電された電力は、ケーブル７２を介して伝送される。このケーブル７２は、第２シャフト２３に隣接する第１シャフト１３の前部部分１８の中空内部を通る。その後ケーブル７２は、４本のワイヤ７３に分離される。各ワイヤ７３は、絶縁された第１リング群６１ａ−ｄのチャネルの１つに接続される。更なるスリップリングが、避雷器（図示せず）に接続される。第１リング群６１ａ−ｄは、第１シャフト１３の前部部分１８の外部に固定される。交流発電機５０のステータ５３は、前部部分１８と一体構成であるために、ケーブル７２の捻れは生じない。第１回転パワー・カップリング６０の残りの部分は、図３Ｃで説明したように機能してケーブル７２のワイヤ７３により伝搬される電力を、第１ブラシ群６２ａ−ｄの第１リング群６１ａ−ｄを通して伝搬する。その後電力は、結合ワイヤ６８ａ−ｄを介して、第２パワーカップリング（図示せず）に送電される。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

１ 風力装置
４ 垂直回転軸
５ ポール
６ 水平軸
７ 支持ワイヤ
８ 羽根搭載部分
１０，２０ 第１と第２の羽根群
１０ 第１羽根群
１１ 第１回転方向
１２ 第１ハブ
１３ 第１シャフト
１４ 第１ハブ・フランジ
１５ 第１部分
１６ 第２部分
１７ａ 前部フランジ
１７ｂ 後部フランジ
１８ 前部部分
１９ 後部部分
２０ 第２羽根群
２１ 第２回転方向
２２ 第２ハブ
２３ 第２シャフト
２７ 第１シャフト・ベアリング
２９
３０ ノーズピース
３１ 円錐本体
３２ 円錐頭部
３３ 前端部
３４ 後端部
３５ 上部部分
３６ 下部部分
３７ アクセス扉
３８ フレーム
４０ 搭載手段
４１ フランジ
４２ 搭載シャフト
４３ 搭載ベアリング
４７ 搭載プレート
５０ 交流発電機
５１ 前部エンドプレート
５２ 後部エンドプレート
５３ ステータ
５４ ロータ
５６，５７ ベアリング・ブロック
５６ 前部ベアリング・ブロック
５７ 後部ベアリング・ブロック
５８ シャフト・カプラー
６０，６５ カップリング
６０ 第１回転パワー・カップリング
６５ 第２回転パワー・カップリング
６１ａ−ｄ、６６ａ−ｄ リング群
６２ａ−ｄ，６７ａ−ｄ ブラシ群
６１ａ−ｄ 第１リング群
６６ａ−ｄ 第２リング群
６２ａ−ｄ 第１ブラシ群
６７ａ−ｄ 第２ブラシ群
６８，７３ ワイヤ
７２，８９ ケーブル
７０ ブレーキ
７１ フライホイール
７２ ケーブル
７３ ワイヤ
７４ シンクロナイザ
７５，７６ 傘歯車
７７ スパイダ・ギア
７９ ハウジング

Claims (34)

1. 風上を前面とする風力装置において、
   （ａ）前面に配置されるノーズピース（３０）と、
   （ｂ）第１羽根群（１０）と、
   前記第１羽根群（１０）は、前記ノーズピース（３０）の後方に配置され、その水平方向回転軸（６）を中心に第１方向（１１）に回転し、
   （ｃ）第２羽根群（２０）と、
   前記第２羽根群（２０）は、前記第１羽根群（１０）の後方に配置され、その水平方向回転軸（６）を中心に第２方向（２１）に回転し、前記第２方向（２１）と第１方向（１１）とは反対向きであり、
   （ｄ）発電手段（５０）と、
   前記発電手段（５０）は、前記水平方向回転軸（６）に沿って回転軸を有し、前記ノーズピース（３０）内に配置され、前記第１羽根群（１０）と第２羽根群（２０）の両方に連結され、
   （ｅ）垂直回転軸（４）と、
   前記垂直回転軸（４）は、前記ノーズピース（３０）を搭載し、前記第１羽根群（１０）と前記発電手段（５０）の間にある
   ことを特徴とする風力装置。
2. 前記ノーズピース（３０）は、円錐台の形状をしている
   ことを特徴とする請求項１記載の風力装置。
3. 前記ノーズピース（３０）は、円錐本体（３１）と切頭した円錐頭部（３２）とを有する
   ことを特徴とする請求項２記載の風力装置。
4. 前記円錐頭部（３２）は、先端が丸くなっている
   ことを特徴とする請求項３記載の風力装置。
5. 前記円錐本体（３１）は、前端部（３３）と後端部（３４）とを有し、
   前記前端部（３３）は、第１直径を有し、
   前記後端部（３４）は、第２直径を有し、
   前記第２直径は、前記第１直径よりも大きい
   ことを特徴とする請求項３記載の風力装置。
6. 前記第１直径の第２直径に対する比率は、０．０５−０．４５の範囲内にある
   ことを特徴とする請求項５記載の風力装置。
7. 前記円錐本体（３１）の長さの前記第２直径に対する比率が、１−３の範囲内にある
   ことを特徴とする請求項５記載の風力装置。
8. 前記第１羽根群（１０）の直径の前記円錐本体（３１）の第２直径に対する比率は、２−７の範囲内にある
   ことを特徴とする請求項５記載の風力装置。
9. 前記円錐頭部（３２）の直径は、前記円錐本体（３１）の第１直径に等しく、
   前記円錐頭部（３２）の長さの前記円錐頭部（３２）の直径に対する比率は、０．１−１．５の範囲内にある
   ことを特徴とする請求項５記載の風力装置。
10. 前記風力装置の重心は、前記垂直回転軸（４）と第１羽根群（１０）との間にある
    ことを特徴とする請求項５記載の風力装置。
11. 前記風力装置の重心と垂直回転軸（４）との間の距離は、前記円錐本体（３１）の前端部（３３）と後端部（３４）との間の距離の０．０５−０．２５倍である
    ことを特徴とする請求項１０記載の風力装置。
12. 前記発電手段（５０）は、前記垂直回転軸（４）から所定距離だけ前方に配置される
    前記所定距離は、前記風力装置の重心と第１羽根群（１０）との間の距離が、前記円錐本体（３１）の前端部（３３）と後端部（３４）との間の距離の０．０５−０．２５倍であるような距離である
    ことを特徴とする請求項１０記載の風力装置。
13. （ｇ）中心シャフトを更に有し、
    前記中心シャフトは、前記水平方向回転軸（６）と同軸で、前記第１羽根群（１０）と第２羽根群（２０）と発電手段（５０）とを連結し、
    前記中心シャフトは、第１シャフト（１３）と第２シャフト（２３）とを有し、
    前記第１シャフト（１３）は、中空であり、
    前記第２シャフト（２３）は、前記第１シャフト（１３）内を貫通し、
    前記第１シャフト（１３）は、第１方向に回転し、
    前記第２シャフト（２３）は、第２方向に回転し、
    前記第１羽根群（１０）は、前記第１シャフト（１３）に連結され、
    前記第２羽根群（２０）は、前記第２シャフト（２３）に連結される
    ことを特徴とする請求項１記載の風力装置。
14. 前記発電手段（５０）は、前記第１シャフト（１３）と第２シャフト（２３）の両方に連結され、
    前記発電手段（５０）は、ステータとロータとを有し、
    前記各ステータとロータとは、前記第１シャフト（１３）と第２シャフト（２３）の何れかに連結され、互いに反対方向に同軸で回転する
    ことを特徴とする請求項１３記載の風力装置。
15. （ｈ）シンクロナイザ（７４）を更に有し、
    前記シンクロナイザ（７４）は、前記第１シャフト（１３）と第２シャフト（２３）との間で、１対１の速度比を維持する
    ことを特徴とする請求項１３記載の風力装置。
16. 前記シンクロナイザ（７４）は、前記ノーズピース（３０）内で、前記垂直回転軸（４）の前方に配置される
    ことを特徴とする請求項１５記載の風力装置。
17. 前記シンクロナイザ（７４）は、前記発電手段（５０）の前方に配置される
    ことを特徴とする請求項１６記載の風力装置。
18. （ｉ）第１回転パワー・カップリング（６０）を更に有する
    ことを特徴とする請求項１記載の風力装置。
19. 前記第１回転パワー・カップリング（６０）は、前記発電手段（５０）の外側にあり、
    前記第１回転パワー・カップリング（６０）は、第１リング群（６１ａ−ｄ）と第１ブラシ群（６２ａ−ｄ）を有し、
    前記第１リング群（６１ａ−ｄ）は、前記水平方向回転軸内と同軸であり、
    前記第１ブラシ群（６２ａ−ｄ）は、前記第１リング群（６１ａ−ｄ）と電気的に接触するようスライド可能に配置されている
    ことを特徴とする請求項１８記載の風力装置。
20. 前記第１と第２の羽根群（１０，２０）は、少なくとも５枚の羽根を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の風力装置。
21. 前記第１羽根群（１０）の羽根の枚数と前記第２羽根群（２０）の羽根の枚数は、等しい
    ことを特徴とする請求項１記載の風力装置。
22. 前記第１と第２の羽根群（１０，２０）は、一定のピッチを有する
    ことを特徴とする請求項１記載の風力装置。
23. 前記第２羽根群（２０）は、前記第１羽根群（１０）の直後に配置される
    ことを特徴とする請求項１記載の風力装置。
24. 前記風力装置は、前記第２羽根群（２０）の後方にテールを有さない
    ことを特徴とする請求項１記載の風力装置。
25. （ｊ）搭載手段（４０）を更に有し、
    前記搭載手段（４０）は、前記風力装置を垂直支持構造体に搭載し、
    前記搭載手段（４０）は、前記垂直回転軸（４）の周りを３６０°回転可能である
    ことを特徴とする請求項１８記載の風力装置。
26. （ｋ）第２回転パワー・カップリング（６５）を更に有し、
    前記第２回転パワー・カップリング（６５）は、前記垂直回転軸（４）と同軸である
    ことを特徴とする請求項２５記載の風力装置。
27. 前記ノーズピース（３０）は、回転中、前記第１と第２の羽根群（１０，２０）と共働し、前記風力装置の効率を改善する
    ことを特徴とする請求項１記載の風力装置。
28. 前記風力装置の効率の改善は、前記ノーズピース（３０）を風上に向けることにより行われる
    ことを特徴とする請求項２７記載の風力装置。
29. 前記風力装置の効率の改善は、前記第１と第２の羽根群（１０，２０）の回転速度を調整することにより、行われる
    ことを特徴とする請求項２７記載の風力装置。
30. 前記回転速度の調整は、風速が所定値を越えた時には、羽根の回転速度を制限することを含む
    ことを特徴とする請求項２９記載の風力装置。
31. 前記回転速度の調整は、前記ノーズピース（３０）が無い場合に比較して、回転速度を増加させる
    ことを特徴とする請求項２９記載の風力装置。
32. 前記第１羽根群（１０）と第２羽根群（２０）と、それらの前方に配置されたノーズピース（３０）とを有する風力装置の動作方法において、
    前記ノーズピース（３０）を、少なくとも第１羽根群（１０）と共働させ、風力装置の効率を上げ、
    前記風力装置の効率の改善は、前記第１と第２の羽根群（１０，２０）の回転速度を調整することにより、行われ、
    前記回転速度の調整は、風速が所定値を越えた時には、前記第１と第２の羽根群（１０，２０）の回転速度を制限することを含む
    ことを特徴とする風力装置の動作方法。
33. 前記風力装置の効率の改善は、前記ノーズピース（３０）を風上に向けることにより行われる
    ことを特徴とする請求項３２記載の動作方法。
34. 前記回転速度の調整は、前記ノーズピース（３０）が無い場合に比較して、回転速度を増加させる
    ことを特徴とする請求項３２記載の動作方法。

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