JP2012522931A

JP2012522931A - 同軸風力タービン

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Publication number: JP2012522931A
Application number: JP2012503699A
Authority: JP
Inventors: ビタール，ピーター，ヴイ．
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2012-09-27
Also published as: WO2010117872A3; EP2417351A2; CN102414444A; WO2010117872A2; US20120019006A1; AU2010234767A1; US8664794B2

Abstract

駆動ギヤの反対方向の回転が従動ギヤを一体回転させるよう結合するように、従動ギヤに対して１８０度位相シフトする２つの駆動ギヤを具えたギヤボックスが開示されている。このギヤボックスを使用して、反対方向に回転するロータに駆動ギヤを結合し、発電機に従動ギヤを結合することによって、同軸風力タービンのロータを結合でき、風力タービンの反対方向に回転するロータが同じ方向に従動ギヤを回転させる。従動ギヤを発電機に結合して電気を発生させ得る。
【選択図】図６

Description

本開示は、同軸風力タービンに関する。

風力タービンは、機械的エネルギに風の運動エネルギを変換し、その後、発電機によって電気に変換される。同軸風力タービンは、第２の反対方向に回転するロータを利用し、空中の特定のパッチ（ｐａｔｃｈ）から運動エネルギの量を増加させる。

図１は、水平型風力タービンの斜視図である。図２は、図１の風力タービンの正面図である。図３は、図１の風力タービンの平面図である。図４は、ギヤボックスの側面図である。図５は、ライン５−５に沿った図４のギヤボックスの断面図である。図６は、図４のギヤボックスの分解斜視図である。図７は、図４のギヤボックスの切り取り内部図を具えた斜視図である。図８は、図４のギヤボックスの斜視図である。図９は、垂直型風力タービンの斜視図である。図１０は、図９の風力タービンの正面図である。図１１は、図９の風力タービンの平面図である。

特許請求の範囲の理解を促進することを目的として、ここで、特定の実施例を参照することとし、特定の用語を用いてこれを説明する。それにもかかわらず、本開示及び特許請求の範囲は限定することを意図するものではなく、原理のこのような変更、考えられるさらなる修正及びさらなる適用例は、本開示に関連する当業者にとって当然のことであることに留意されたい。同一又は類似する構成要素を有するいくつかの図面では、これらの要素が同一又は類似する符号で表されている。

図１乃至３は、水平型風力タービン５０を示しており、ギヤボックス６０、発電機７０及び７２、反対方向に回転するロータ８０及び８２及び支持構造９０を有する。図示するように、ロータ８０及び８２は、気流（風）中に同軸に取り付けられた場合、反対方向に回転するような間隔である。発電機７０及び７２は、ギヤボックス６０に対して略垂直に配置されている。風力タービン５０は、風に向けられるロータ８０及び８２を具えた水平軸の風力タービンである。ここで特に説明しないが、風に対してロータ８０及び８２の作動を保持するための手段は、サーボモータ（図示せず）又は簡単な風向計（図示せず）に結合された風力センサの使用を含む、当業者に既知の手段である。

他の実施例では、ロータ８０及び８２と発電機７０及び７２との間に適切な変速機を備えた発電機７０及び７２を遠くに配置できる。

ここで、図４乃至７を参照して、ギヤボックス６０を示す。ギヤボックス６０は、取り付けブラケット６１、ハウジング６２，６４，６６及び６８、内部駆動軸１０２、外部駆動軸１０４、駆動ギヤ１１２及び１１４、出力軸１５２及び１５４、従動ギヤ１６２及び１６４を有する。

駆動ギヤ１１２は内部駆動軸１０２に結合されており、駆動ギヤ１１４は外部駆動軸１０４に結合されている。内部駆動軸１０２及び外部駆動軸１０４は、ロータ８０及び８２に結合されている。内部駆動軸１０２及び外部駆動軸１０４は反対方向に回転する。従動ギヤ１６２及び１６４は、内側駆動軸１０２の両側に配置されており、駆動ギヤ１１２及び１１４間で係合する。駆動ギヤ１１２が各従動ギヤに係合する位置が、駆動ギヤ１１４が各従動ギヤに係合する位置から１８０度位相シフトしているため（駆動ギヤは従動ギヤの両側に位置する）、駆動ギヤ１１２及び１１４の反対方向の回転により、駆動ギヤ１１２及び１１４が回転する。このような構成により、駆動ギヤ１１２及び１１４双方が従動ギヤの回転に動力を供給することが可能となる。

駆動ギヤ１１２及び１１４及び従動ギヤ１６２及び１６４は、摩擦を利用するベベルギヤ（かさ歯車）である。一実施例では、摩擦を利用するこれらのベベルギヤは硬化鋼材料から成る。さらに別の実施例では、それらはセラミック材料から成る。他の実施例では、摩擦ギヤに適した他の材料を利用できる。さらに他の実施例では、駆動ギヤ１１２及び１１４及び従動ギヤ１６２及び１６４が、互いに噛み合った歯を具えたベベルギヤである。

出力軸１５２及び１５４は、直接的又は間接的に発電機７０及び７２に結合されている。例えば、一実施例では、出力軸１５２及び１５４が発電機７０及び７２に直接的に結合されている。このような実施例では、従動ギヤ１６２及び／又は１６４を従動ギヤ１６２及び１６４に対して係脱するよう移動させることによって、発電機７０及び７２をギヤボックス６０に制御可能に係脱できる。図７に示すように、摩擦クラッチ１７２及び１７４は、出力軸１５２と発電機７０との間及び出力軸１５４と発電機７２との間に任意に配置されている。このような実施例により、摩擦クラッチ１７２及び／又は１７４を介した出力軸１５４及び／又は１５２に対する発電機７０及び／又は７２の係脱の制御が可能となる。さらに、ギヤボックス６０と発電機７０及び７２との間にさらなる歯車装置を含めて、発電機の動作上のＲＰＭをロータ８０及び８２の回転スピードに適合させることができる。

このような構成により、風力タービン５０の構成上のバリエーションを可能にする。例えば、ロータ８０及び８２からの出力を多数の出力軸に分けることができるため、発電機７０及び７２は風力タービン５０が可能な出力総量よりも小さな大きさとすることができ、１つの発電機の使用と比較して比較的小さな発電機の使用が可能となる。別の実施例では、発電機７０及び／又は７２は、様々な風の条件に関する風力タービン５０の出力の最適化が可能となるよう任意に係合し得る。例えば、比較的低いスピードの風の動作条件では、１つの発電機をギヤボックス７０から解放でき、他の発電機に最大出力を与えることが可能となる。比較的高いスピードの風の動作条件では、発電機７０及び７２双方がギヤボックス６０に係合し、風力タービン５０の出力を最大にする。

他の実施例では、さらなる出力軸を加え、２つの発電機を超えてこのような可変性能を高めることができる。例えば、さらなる出力軸及び従動ギヤを、十字形構成で出力軸１５２及び１５４に対して略垂直の角度で配置できる。他の実施例では、ハウジング６２を、（駆動軸１０２及び１０４の軸からみて）六角形、五角形、八角形、十角形といった他の形状に構成でき、さらなる出力軸の使用及びさらなる発電機の制御可能な係脱が可能となる。駆動ギヤ１１２及び１１４間に嵌る多くの出力軸を使用できる。さらに、駆動ギヤ１１２及び１１４の大きさを変えて、さらなる出力軸のための空間を作ることができる。

様々な実施例では、出力軸の数は個別に変えることができ、１つの出力軸及び駆動ギヤ１１２及び１１４に結合された従動ギヤを有する。

駆動ギヤ１１２及び１１４及び従動ギヤ１６２及び１６４間の摩擦結合により、内部の駆動軸１０２及び外部の従動軸１０４が、概して、ほぼ同じ回転スピードで回転するよう拘束され、概して、同じスピードで回転するようロータ８０及び８２を拘束する。

図示する実施例では、ロータ８０及び８２が２つの羽根を具えて構成される。他の実施例では、他のロータ構成が３又は４つの羽根を有し得る。他の実施例が、ロータ８０及び８２に要する任意の数の羽根を使用し得る。一実施例では、ロータ８２が、ロータ８０よりもわずかに大きい表面積を有しており、ロータ８０によって分離する気流をより効果的に捕らえる。さらに他の実施例では、ロータ８０及びロータ８２間の相対的なピッチを変えることができる。これらの実施例は、同じスピードで回転するようロータ８０及び８２を概して拘束するギヤボックス６０を具えた性能を最適化できる。

ここで、図９乃至１１を参照すると、垂直型風力タービン２００を示す。垂直型風力タービン２００は、ギヤボックス６０、発電機７０及び７２、反対方向に回転する支持具２２０及び２２２、取り付けロータ２３０，２３２，２３４及び２３６を有する。ロータ２３０及び２３２は支持具２２０に取り付けられており、ロータ２３４及び２３６は支持具２２２に取り付けられている。ロータ２３０，２３２，２３４及び２３６は、風の中で支持具２２０及び２２２が逆方向に回転するよう構成且つ配置されている。

支持具２２０は、内部の駆動軸２１０を介してギヤボックス６０に回転するよう結合されており、支持具２２０は、外部の駆動軸２１２を介してギヤボックス６０に回転するよう結合されている。内部の駆動軸２１０及び外部の駆動軸２１２は、上記のような内部の駆動軸１０２及び外部の駆動軸１０４と同じ方法で、ギヤボックス６０の中で結合される。ギヤボックス６０及び発電機７０及び７２は、向きが異なる（水平の代わりに垂直）が、図１乃至８を参照して記載されたものと機能的に同じである。

図示する実施例では、ロータ２３０，２３２，２３４及び２３６は、らせん状部材である。代替的な実施例が、他のロータ構成を使用し得る。一実施例では、ロータ２３０，２３２，２３４及び２３６を、電気に光を変換して垂直型風力タービン２００の発電を増強し得る太陽電池膜で構成し得る。

代替的な実施例では、ロータ２３０及び２３２をロータ２３４及び２３６とは異なるよう構成して、ロータ２３０及び２３２に当たる前にロータ２３４及び２３６による気流の分離を担うことができ、また、支持具２１０及び２１２に関して略同一な角速度を実現するようロータが取り付けられる中心からの距離の差を担うことができる。

示さない限り、垂直型風力タービン２００は構造的支持を有し得る。例えば、さらなる水平型支持をロータ２３０，２３２，２３４及び２３６の上に配置して、強風条件で個々のロータ２３０，２３２，２３４及び２３６の撓みを減らすことができる。

図１乃至３は、反対方向に回転する水平型風力タービンの一実施例を開示するが、図９乃至１１は、反対方向に回転する垂直型風力タービンの一実施例を開示することに留意されたい。他の実施例をギヤボックス６０とともに使用できる。例えば、ここで開示されたロータ構成の代わりに用いることができる、反対方向に回転する風力タービンの多くの様々なロータ構成が開発されている。

本開示を図面及び上記の説明で詳細に図示且つ説明したが、これらは具体例として見なし限定的なものとして見なすべきではなく、好適な実施例のみを図示且つ説明し本開示の精神の範囲内にある総ての変更及び修正を保護のために要することに留意されたい。

Claims

第１のロータと；
前記第１のロータに対して同軸に且つ反対方向に回転する第２のロータと；
前記第１のロータに回転するよう結合された第１の駆動ギヤと；
前記第２のロータに回転するよう結合された第２の駆動ギヤと；
前記第１及び第２の駆動ギヤ間に位置する第１の従動ギヤと；
を具えており、
前記第１の駆動ギヤが前記第１の従動ギヤに係合するポイントが、前記第２の駆動ギヤが前記第１の従動ギヤに係合するポイントから、約１８０度位相シフトしていることを特徴とする装置。
さらに、前記第１の従動ギヤに回転するよう結合された第１の発電機を具えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
さらに、前記第１及び第２の駆動ギヤ間に位置する第２の従動ギヤを具えており、
前記第１の駆動ギヤが前記第２の従動ギヤに係合するポイントが、前記第２の駆動ギヤが前記第２の従動ギヤに係合するポイントから、約１８０度位相シフトしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
さらに、前記第２の従動ギヤに回転するよう結合された第２の発電機を具えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
前記第１及び第２の駆動ギヤが、摩擦を利用するベベルギヤであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
前記第１及び第２の駆動ギヤが、硬化鋼を具えることを特徴とする請求項５に記載の装置。
回転軸に対して第１の方向に回転するよう構成且つ配置された第１の駆動ギヤと；
前記回転軸に対して前記第１の方向とは反対の第２の方向に回転するよう構成且つ配置された第２の駆動ギヤと；
前記第１の駆動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤに係合するよう構成且つ配置された第１の従動ギヤと；
を具えており、
前記第１の従動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤ間の係合が、前記第１の従動ギヤが前記第１の駆動ギヤに係合する場所から約１８０度位相シフトしていることを特徴とするギヤボックス。
さらに、前記第１の駆動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤに係合するよう構成且つ配置された第２の従動ギヤを具えており、
前記第２の従動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤ間の係合が、前記第２の従動ギヤが前記第１の駆動ギヤに係合する場所から約１８０度位相シフトしていることを特徴とする請求項７に記載のギヤボックス。
前記第２の従動ギヤが、前記第１及び第２の駆動ギヤに対して制御可能に係脱するよう構成且つ配置されていることを特徴とする請求項８に記載のギヤボックス。
さらに、前記第１の駆動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤに係合するよう構成且つ配置された第３の従動ギヤを具えており、
前記第３の従動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤ間の係合が、前記第３の従動ギヤが前記第１の駆動ギヤに係合する場所から約１８０度位相シフトしていることを特徴とする請求項７又は８に記載のギヤボックス。
さらに、前記第１の駆動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤに係合するよう構成且つ配置された第４の従動ギヤを具えており、
前記第４の従動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤ間の係合が、前記第４の従動ギヤが前記第１の駆動ギヤに係合する場所から約１８０度位相シフトしていることを特徴とする請求項１０に記載のギヤボックス。
前記第１及び第２の駆動ギヤが、摩擦を利用するベベルギヤであることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のギヤボックス。
第１の風力タービンロータと；
第２の風力タービンロータと；
ギヤボックスであって、
前記第１の風力タービンロータに回転するよう結合された第１の駆動ギヤであって、回転軸に対して第１の方向に回転するよう構成且つ配置された第１の駆動ギヤと；
前記第２の風力タービンロータに回転するよう結合された第２の駆動ギヤであって、前記回転軸に対して前記第１の方向とは反対の第２の方向に回転するよう構成且つ配置された第２の駆動ギヤと；
前記第１の駆動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤに係合するよう構成且つ配置された第１の従動ギヤであって、前記第１の従動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤ間の係合が、前記第１の従動ギヤが前記第１の駆動ギヤに係合する場所から約１８０度位相シフトしている第１の従動ギヤと；を具えたギヤボックスと；
前記第１の従動ギヤに回転するよう結合された第１の発電機と；
を具えることを特徴とする発電システム。
前記第２の風力タービンロータが、前記第１の風力タービンロータに対して同軸に且つ反対方向に回転するよう構成且つ配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の発電システム。
前記第２の風力タービンロータが、前記第１の風力タービンロータよりも大きな表面積を有することを特徴とする請求項１４に記載の発電システム。
前記第２の風力タービンロータが、前記第１の風力タービンロータとは異なるピッチを有しており、前記第１及び第２の風力タービンロータが、実質的に同じスピードで回転することを特徴とする請求項１４に記載の発電システム。
前記ギヤボックスが、さらに、前記第１の駆動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤに係合するよう構成且つ配置された第２の従動ギヤを具えており、
前記第２の従動ギヤ及び前記第２の駆動ギヤ間の係合が、前記第２の従動ギヤが前記第１の駆動ギヤに係合する場所から約１８０度位相シフトしていることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載の発電システム。
さらに、前記第２の従動ギヤに回転するよう結合された第２の発電機を具えることを特徴とする請求項１７に記載の発電システム。
前記第２の従動ギヤが、前記第１及び第２の駆動ギヤに対して制御可能に係脱するよう構成且つ配置されていることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の発電システム。
さらに、前記第２の従動ギヤ及び前記第２の発電機間にクラッチを具えており、
前記第２の発電機及び前記第２の従動ギヤ間で回転結合の係脱の制御を可能にすることを特徴とする請求項１８に記載の発電システム。
前記第１及び第２の駆動ギヤが、摩擦を利用するベベルギヤであることを特徴とする請求項１３乃至２０のいずれか１項に記載の発電システム。