JP2013519019A - 垂直軸風力発電機の風輪用羽根の構造 - Google Patents

Abstract

本発明は、羽根からなる骨組みと、骨組みの外部に連接固定される被覆を含む垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造では、前記羽根の形状は垂直な柱状体であり、その水平断面が飛行機の翼の断面形状を呈し、即ち羽根が外へ向かっている外側表面は流線型円周面であり、外側表面と相対的内側表面の間には円唇化にして、大きな風当たり側が、即ち羽根の頭部と小さい尾部が形成された。本発明の提供する羽根は重量が軽い、強度・剛度が強い、組立・加工しやすい、成形精度が高い長所があることを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根ことを提供する。

Description

本発明は風力発電機技術分野の一つとして、垂直軸風力発電機の組立部品を、特に垂直軸風力発電機の風輪用羽根の構造を提供する。

既存技術では、風力発電機はほとんとが水平軸型発電機であり、その主軸が水平に設けられ、当該主軸の上には風輪が設けてあり、風輪の羽根はほとんどが異径で三角形状を呈し、小口径が細長いで、このような細長い羽根が強い風力を受けられると変形、共振を発生しやすい、しかも風圧を受けられるとも切りやすくなる。よって、このような風輪は防風力が弱くて、回転時に共振が発生しやすくて、パワーが少し低くて、損傷率が高い等欠点がある。そのうえに風力発電機は大型化、ハイパワーへ向かって進める傾向がある。風輪の直径の増大に従って羽根の損害率がもっと高くなって、耐用年数がもっと短くなって、風力発電の発展に大きな悪い影響をもたらした。

風力発電機の発展に従って、垂直軸風力発電機は効率が高い、パワーが強い、取付けやすい、耐用期間が長い等長所がますます著しくなってきた。しかし、一般の垂直軸風力発電機は、ただ発電機軸を水平位置から垂直位置にしたが、その羽根は相変わらず現在の水平軸発電機の風輪を使用して、羽根が細長いで、発電機の回転部の接続側から風輪の外側まで、全ては羽根部である。よって、前記水平軸風力発電機の風輪に係る問題は徹底的に解決されていないとされる。

本発明は既存技術の不足を改善させ、重量が軽い、回転力が弱い、強度と剛性が強くて、加工しやすい垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造を提供することを目的とする。

本発明の提供する羽根からなる骨組みと、骨組みの外部に連接固定される被覆を含む垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造では、前記羽根の形状は垂直な柱状体であり、その水平断面が飛行機の翼の断面形状を呈し、即ち羽根が外へ向かっている外側表面は流線型円周面であり、外側表面と相対的内側表面の間には円唇化にして、大きな風当たり側が、即ち羽根の頭部と小さい尾部が形成された。

前記羽根柱状体の外側表面と内側表面の間の間隔は前記頭部から尾部まで、だんだんと縮めている；と/或いは、羽根の垂直な方向では、各前記水平断面の大小形状は同じである。

前記骨組みは羽根骨組みと、骨組み筋と羽根形支え棒を含む。

前記羽根骨組み数は若干であり、羽根柱状体である前記水平断面の飛行機の翼のようなフレームは、羽根の垂直方向に設定間隔で真向かって並べる；
前記骨組み筋数は若干の真っすぐな棒であり、各骨組み筋ごとは真向かって並べる若干の前記骨組みの周りに環状で囲まれ、前記各骨組み筋と前記全部羽根骨組みの前記フレームとは、垂直方向に交差して連接固定して、前記被覆の支えと/或いは、連接固定用羽根の側壁骨組みが形成された；
当該フレームを支える形状を保持するために、前記羽根形支え棒の両端が前記羽根骨組みからなる前記フレームの相対的な位置に設けられる棒体に連接固定されるべきである。

前記骨組み筋は骨組み主筋4本と若干の骨組み支筋に分け、そのうち前記骨組み主筋の分布は以下通りである：その中の前記骨組み主筋2本をそれに対応する羽根の前記外側表面の一側に設け、前記羽根の水平断面には前記骨組み主筋4本が四辺形に形成され、前記羽根が垂直に重量中心の周りに設けられて、骨組み主筋4本で前記羽根の重量をバランスにする。

前記骨組み主筋はその強度と/或いは剛度とも前記骨組み支筋より大きい棒件である；と/或いは、
前記骨組み主筋と骨組み支筋は前記羽根骨組みの接続点と、前記羽根形支え棒と、前記羽根骨組みの交点とを交わる。

前記骨組み主筋は断面であり、前記骨組み支筋より大きくて、縦方向に貫通した中空棒体である；或いは、
前記骨組み主筋と骨組み支筋とも縦方向に貫通した中空棒体であり、前記骨組み主筋の棒の縦向き中空腔室に縦方向間隔壁を設けて、大腔室を二つの小腔室に分けて、前記骨組み支筋は断面が小さい片中空棒体である；と/或いは、
前記羽根骨組みは中空棒体であり、当該棒の縦方向空腔は縦方向間隔壁で二つの縦方向腔室に分けられる。

前記羽根形支え棒は相互平行に前記羽根骨組みからなるフレームに設けられる。

前記羽根形支え棒はまた、斜めドローバーを含み、その一端は羽根の前記外側表面の羽根形支え棒と前記フレームとの交差点に連接固定され、反対端は羽根前記内側表面のもう一つの羽根形支え棒と前記フレームとの交差点に連接固定される；と/或いは、
前記斜めドローバーは前記骨組み主筋が交差している前記羽根形支え棒と、前記羽根形骨組みとの交差点に連接固定される。

前記羽根骨組み、骨組み筋と羽根形支え棒はアルミ型材で造られたものである；と/或いは、前記被覆は布、アルミ革、グラスファイバー製ポールで造られたものである；また、ほかの金属薄板で造られてもいい。各前記羽根骨組み、骨組み筋と羽根形支え棒の間には、溶接或いは接着剤で連接固定される。当該接着剤は両性接着剤でもいい。

若干の前記羽根と車輪ボスがあり、各前記羽根ごとは柱状体の垂直方向に沿って2本または2以上の支え棒の一端に連接固定され、当該支え棒の反対端と前記車輪ボスとを接続させる；或いは、
若干の前記羽根と車輪ボスがあり、各前記羽根ごとは柱状体の垂直方向に沿って2本または2以上の支え棒の一端に連接固定され、当該支え棒の反対端と前記車輪ボスが接続する；前記風輪の垂直軸に対し、各前記羽根の流線型前記外側表面が半径円の円周方向に設けられる；或いは、前記風輪の垂直軸に対し、各前記羽根の流線型前記外側表面が半径円の円周切線方向に設定角度形成で設けられる；或いは、
若干の前記羽根と車輪ボスがあり、各前記羽根ごとは柱状体の垂直方向に沿って2本または2以上の支え棒の一端に連接固定され、当該支え棒の反対端と前記車輪ボスとを接続させる；前記風輪の中の羽根は4-24本があることを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根の構造。

基本形状が飛行機の翼のように、垂直柱状体の骨組みと被覆構造を形成し、特に、骨組みの中の羽根骨組み、羽根支え棒と骨組み主支筋の特殊な構造及び軽材料構成は本発明の提供する羽根及びそれを支持物とした垂直軸風力発電機風輪にとって、重量が軽い、強度・剛度が強い、組立・加工しやすい、成形精度が高い、防風能力が強い、効率が高い長所があることを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根。

垂直軸風力発電機の風輪用羽根の立体構造を示す図である。 図１における羽根の骨組み支筋からなる羽根の幅方向の末端の断面構造を示す図である。 図１における羽根の骨組み主筋の断面構造を示す図である。 図１における骨組み主筋の間に設けられる骨組み支筋の断面構造を示す図である。 図１における羽根骨組みの断面構造を示す図である。 図１における前記羽根の垂直軸風力発電機の風輪構造を示す上面図である。 図６に示す風輪構造を示す正視図である。

図1に示すように、本発明の提供する垂直軸風力発電機の風輪用羽根は、羽根形状となる骨組みと、当該骨組み外部に連接固定される被覆（図には表示されていない）を含み、当該羽根の形状は垂直な柱状体であり、その水平断面は飛行機の翼の断面形状であり、即ち風輪の回転軸03（図6、7ご参照）に対し、羽根01が外へ向かう外側表面は流線型アーク面であり、当該外側表面と相対的内側表面の間には円唇化にして、大きな風当たり側が、即ち羽根の頭部と小さい尾部が形成された。

前記風輪回転軸03の垂直な軸線に対し、当該柱状体の外側表面と内側表面の間の間隔は前記頭部から尾部まで、だんだんと縮めている；羽根の垂直な方向では、各前記水平断面の大小形状は同じである。

本発明は羽根の強風受け力を向上させるとともに、回転抵抗が小さい、即ち重量が軽い、強度と剛性が強くなるよう求められる。よって、本羽根の骨組みは以下通りである：
図1に示すように、前記骨組みは羽根骨組み1、骨組み主筋3、骨組み支筋2、7と羽根形支え棒を含む。

羽根骨組み1は若干件があり、羽根柱状体となる前記水平断面の飛行機の翼のようなフレームは羽根の垂直方向に設定間隔により真向かって並べる；
骨組み主筋3と骨組み支筋2、7は若干の垂直に設けられる棒であり、例えば、まっすぐ棒。前記羽根の各骨組み主筋3と骨組み支筋2、7ごとは前記全部羽根骨組みの前記フレームと垂直方向に交差してしっかりと連接固定して、羽根骨組み1の周りに設けられる骨組み主筋と骨組み支筋が前記被覆を支える羽根01の骨組み側壁になる；
羽根形支え棒が羽根骨組み1かならるフレームに相対する側の間に設けられ、例えば、羽根形支え棒が当該フレーム所在の平面内に設けられ、その両端は羽根骨組み1と連接固定し、即ち羽根形支え棒の両端はそれぞれに羽根骨組みに対応する羽根の前記外側表面と内側表面のフレームに連接固定され、羽根骨組みのフレーム形状不変を維持すること。

羽根形支え棒は2種類があり、一つは相互平行に前記羽根骨組みからなるフレームの間に設けられる若干の羽根形支え棒4である。

前記骨組み主筋3と骨組み支筋2は前記羽根骨組み1に設けられる前記羽根形支え棒4の交差点と連接固定させる。

もう一つの種類は斜めドローバー6であり、その一端は前記外側表面の羽根形支え棒4と、反対端は羽根前記内側表面のもう一つの羽根形支え棒4と連接固定される；斜めドローバーについては、前記骨組み主筋3と羽根形支え棒4の交差点と連接固定される。

前記骨組み主筋はその強度と/或いは剛度とも前記骨組み支筋より大きい棒件である。

骨組み主筋の分布は以下提案を最優先に：前記骨組み主筋4本3の中の2本を羽根外側表面の一側に設け、ほかの2本を羽根内側表面の一側に設け、前記羽根の水平断面から見て前記骨組み主筋4本3が四辺形に形成して、垂直に重量中心の周りに設けられて、骨組み主筋4本で前記羽根の重量をバランスにする。

骨組み主筋1と骨組み支筋はアルミ型材で造られてもいい、或いはほかの材質で造られてもいい。骨組み主筋の断面は前記骨組み支筋より大きい中空棒体（図2、3、4を参照こと）である。

組み主筋の剛度と強度を向上させるために、前記骨組み主筋の棒の縦向き中空腔室に縦方向間隔壁を設けて、大腔室を二つの小腔室（図3に示す）に分ける必要がある；
前記羽根骨組みは中空棒体であり、当該棒の縦方向空腔は縦方向間隔壁で二つの縦方向腔室（図5に示す）に分けられる。

中空棒の縦方向腔室を隔壁で分け、これで剛性と強度を向上させるとともに、羽根の重量を軽くすることができる。

前記羽根骨組み、骨組み筋と羽根形支え棒はアルミ型材で造られたものほうがいい。各棒件の間には、溶接或いは接着剤で連接固定される。当該接着剤は両性接着剤でもいい。

このような骨組み主筋と羽根骨組み構造は羽根の剛度と強度を向上させるだけでなく、羽根の重量を軽くした。これで当該羽根からなる風輪の起動風力が小さくなって、風力発電機が弱風力においても発電できる。試験結果によると、当該羽根からなる風輪が二級風力においても発電できる。それ以外、骨組みの前記構造は羽根の強度、剛性を大きくして、最大50m/sの風力に耐え、35m/sの台風に近い風力においても正常に動作できる。よって、本発明の提供する風輪羽根からなる風力発電機は動作停止となる強風においても安全に発電できる。本発明の提供する風輪羽根は既存技術の欠点を改善した、変形、折れしやすくなく、耐用期間が長くなっただから、気候または故障により生ずる動作停止はよく見らなくて、安定で持続的に風力エネルギーをもらうことを実現した。これは風力発電発展のために信頼できる保障を提供して、国家の経済と人民の生活、環境保全、持続発展可能な経済に対しても非常に重要な意味がある。それに、本羽根は組立・加工しやすい、成形精度が高い長所もある。

図6に示すように、上記羽根からなる垂直軸風力発電機の風輪は、若干の前記羽根01と車輪ボス22があり、各前記羽根01ごとは柱状体の垂直方向に沿って2本または2以上の支え棒02の一端に連接固定され、当該支え棒02の反対端と前記車輪ボス22とを接続させる；風輪を車輪ボス22によって風輪の回転軸03に設ける。風輪車輪ボスと回転軸の間に発電機ユニットを設ける。風輪の回転軸03の垂直軸線に対し、羽根01流線型の前記外側表面は設定半径円の円周方向に設けられ、ここの設定半径円が風輪の半径であり、それは風力発電機の発電パワー、組立部品の強度、剛度等要素により設定されたものである。当該羽根と前記風輪の車輪ボスとを支え棒02で接続させる；
もう一つの前記羽根の設置方式は、前記風輪回転軸の垂直軸に対し、前記羽根流線型の前記外側表面が半径円の円周切線方向に設定角度形成で設けられる。例えば、ヘリックスに沿う設置。当該羽根と前記風輪の車輪ボスの間にも支え棒で接続される。

前記風輪の羽根は4-24本がある。もし羽根数が少しすぎの場合には、風場利用率が低くなって、風力発電機のパワーが弱くなる。もし羽根数が多いすぎの場合には、遠心力がとても強くなって、羽根が落ち、飛び散る事故がある。

このような羽根は風輪の外縁または外縁に近い所に設けられて、羽根と風輪車輪ボス、或いは発電機の回転部品とを支え棒02で接続させる。よって、羽根はもう細長い形状ではない、風輪の車輪ボスから外縁までの距離は羽根を接続する支え棒であり、風力を受けて回転する部はただ外縁の垂直柱状である。このような羽根は飛行機の翼のような外側表面があるので、流れ去った気流をよく利用させることができる。それに、羽根と風輪の車輪ボスとを接続させる支え棒を強度・剛度とも強くてリスクが小さい形状と構造をにすることもできる。例えば、棒断面を楕円形断面にする。これで風輪の羽根の風力抵抗が弱い、パワーが低い欠点を改善させることができる。

本発明の提供する垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造は風力発電に適用し、重量が軽い、強度・剛度とも強い。

Claims (10)

1. 羽根形状となる骨組みと、当該骨組み外部に連接固定される被覆を含む当該羽根の形状は垂直な柱状体であり、その水平断面は飛行機の翼の断面形状であり、羽根が外へ向かう外側表面は流線型アーク面であり、当該外側表面と相対的内側表面の間には円唇化にして、大きな風当たり側が、即ち羽根の頭部と小さい尾部が形成されたことを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造。
2. 請求項１記載の前記羽根柱状体の外側表面と内側表面の間の間隔は前記頭部から尾部まで、だんだんと縮めている。と/或いは、羽根の垂直な方向では、各前記水平断面の大小形状は同じである。
3. 請求項１または２記載の前記骨組みは羽根骨組み、骨組み筋と羽根形支え棒を含む。
   羽根骨組みは若干件があり、羽根柱状体となる前記水平断面の飛行機の翼のようなフレームは羽根の垂直方向に設定間隔により真向かって並べる；
   前記骨組み筋はまっすぐ棒であり、各骨組み筋ごとは真向かって並べる若干の前記骨組みの周りに環状で囲まれ、前記各骨組み筋と前記全部羽根骨組みの前記フレームとは、垂直方向に交差してしっかりと連接固定して、前記被覆の支えと/或いは、交差連接固定用羽根の側壁骨組みが形成された；
   当該フレームを支える形状を保持するために、前記羽根形支え棒の両端が前記羽根骨組みからなる前記フレームの相対位置に設けられる棒体に連接固定されることを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造。
4. 請求項３記載の前記骨組み筋は骨組み主筋4本と若干の骨組み支筋に分け、そのうち前記骨組み主筋の分布は以下通りである：その中の前記骨組み主筋2本をそれに対応する羽根の前記外側表面の一側に設け、前記羽根の水平断面には前記骨組み主筋4本が四辺形に形成し、前記羽根が垂直に重量中心の周りに設けられて、骨組み主筋4本で前記羽根の重量をバランスにすることを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造。
5. 請求項４記載の前記骨組み主筋、骨組み支筋与前記羽根骨組み的接続点は前記羽根形支え棒と前記羽根骨組みの接続点に交差している。前記骨組み主筋はその強度と/或いは剛度とも前記骨組み支筋より大きい棒件である；と/或いは、
   前記骨組み主筋と骨組み支筋は前記羽根骨組みの接続点と、前記羽根形支え棒と、前記羽根骨組みの交点とを交わることを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造。
6. 請求項４または５記載の前記骨組み主筋は断面であり、前記骨組み支筋より大きくて、縦方向に貫通した中空棒体である；或いは、
   前記骨組み主筋と骨組み支筋とも縦方向に貫通した中空棒体であり、前記骨組み主筋の棒の縦向き中空腔室に縦方向間隔壁を設けて、大腔室を二つの小腔室に分けて、前記骨組み支筋は断面が小さい片中空棒体である；と/或いは、
   前記羽根骨組みは中空棒体であり、当該棒の縦方向空腔は縦方向間隔壁で二つの縦方向腔室に分けられることを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造。
7. 請求項３または４記載の前記羽根形支え棒は相互平行に前記羽根骨組みからなるフレームに設けられることを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造。
8. 請求項４記載の前記羽根形支え棒はまた、斜めドローバーを含み、その一端は羽根の前記外側表面の羽根形支え棒と前記フレームとの交差点に連接固定され、反対端は羽根前記内側表面のもう一つの羽根形支え棒と前記フレームとの交差点に連接固定される；と/或いは、
   前記斜めドローバーは前記骨組み主筋が交差している前記羽根形支え棒と、前記羽根形骨組みとの交差点に連接固定されることを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造。
9. 請求項１記載の前記羽根骨組み、骨組み筋と羽根形支え棒はアルミ型材で造られたものである；と/或いは、前記被覆は布、アルミ革、グラスファイバー製ポールで造られたものである；また、ほかの金属薄板で造られてもいい。各前記羽根骨組み、骨組み筋と羽根形支え棒の間には、溶接或いは接着剤で連接固定される。当該接着剤は両性接着剤でもいいことを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根構造。
10. 請求項１-９記載の若干の前記羽根と車輪ボスがあり、各前記羽根ごとは柱状体の垂直方向に沿って2本または2以上の支え棒の一端に連接固定され、当該支え棒の反対端と前記車輪ボスとを接続させる；或いは、
    若干の前記羽根と車輪ボスがあり、各前記羽根ごとは柱状体の垂直方向に沿って2本または2以上の支え棒の一端に連接固定され、当該支え棒の反対端と前記車輪ボスが接続する；前記風輪の垂直軸に対し、各前記羽根の流線型前記外側表面が半径円の円周方向に設けられる；或いは、前記風輪の垂直軸に対し、各前記羽根の流線型前記外側表面が半径円の円周切線方向に設定角度形成で設けられる；或いは、
    若干の前記羽根と車輪ボスがあり、各前記羽根ごとは柱状体の垂直方向に沿って2本または2以上の支え棒の一端に連接固定され、当該支え棒の反対端と前記車輪ボスとを接続させる；前記風輪の中の羽根は4-24本があることを特徴とする垂直軸風力発電機の風輪用羽根の構造。
    

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