JP2015072004A - 増大した発電効率を有する可変ブレード型潮力及び風力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】増大した発電効率を有する可変ブレード型の潮力及び風力発電機を提供する。
【解決手段】潮力及び風力発電機は、据付フレーム１０、垂直回転シャフト２０、ブレード装着バー３０、３０’、支持リング４０、４０’、垂直支持ロッド５０、ローターブレード６０、６０’、垂直支持フレーム７０、水平フレーム８０、装着部材２０’、支持ワイヤー５０’、ブレード開放角制御手段、発電効率増大手段及び垂直回転シャフトの下端に連結されて発電する発電手段を備える。潮力及び風力発電機は、風又は潮の流れの方向に拘らず、穏やかな風や低潮流の状態であっても作動することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、潮力発電機としてだけではなく、風力発電機としても使用できる潮力及び風力発電機に広く関連し、特に、増大した発電効率を有する可変ブレード型潮力及び風力発電機に関連する。この可変ブレード型潮力及び風力発電機は複数のローターブレードを有し、各ローターブレードは、風を受ける第１の側で広がり、第１の側から１８０°の角度で離間した第２の側で折り畳まれるように構成され、可変ブレード型潮力及び風力発電機は、ローターブレードが回転する際に、空気抵抗が最小化されてローターブレードによって風が収集され、電力を発生させるために作動される発電ユニットの数が風の強さによって変更され、これにより発電効率を更に増大させることができるように構成され、設置場所に拘らず簡単に設置可能であり、複数の風力発電機が簡単な方法によって比較的小さな空間であっても安定して確実に設置されるように構成され、これにより単位面積あたりの電力生産を最大化することができ、発電機を容易に産業化できる。

一般に、現在使用されている発電方法は、大量の化石燃料を使用する火力発電、ウランを使用する原子力発電、大規模な淡水設備を必要とする水力発電などを含む。そのような発電方法は大気汚染や地球温暖化の主要な要因であり、処理困難な放射性廃棄物を創出し、或いは環境に対する深刻な破壊をもたらす。従って、より環境に優しい発電方法が性急に求められている。そのような環境に優しい代替発電方法の代表例として、太陽光発電及び風力発電が広く研究されている。特に最近では、風の力を利用した風力発電が最も好ましい。三方を海に囲まれている韓国では、風力発電の関心が大いに高まっている。

韓国登録特許第０９６６５２３号公報

風の力を利用した風力発電は流動空気の運動エネルギーの空気力学特性を利用する技術であり、ローターを回転させてエネルギーを機械エネルギーに変換し、これにより電力を発生させる。風力発電機は、地面に対する回転シャフトの方向により、水平型と垂直型とに分類される。そのような風力発電機は、ハブ及びブレードを有するローターと、ローターを加速させて発電ユニットを作動させる加速ユニットと、発電ユニット及び異なる種類の安全装置を制御する制御ユニットと、液圧制動ユニットと、電力制御ユニットと、鉄塔とを含む。

また更に風力発電は、無公害で、至るところに偏在し、無限である風をエネルギー源として利用するため、環境に対して最小の影響を有する新しいエネルギー発生技術であり、大型の発電複合施設が建設される場合には、その区域を効率的に利用することができ、発電コストにおいて既存の発電方法と競合可能である。

このような風力発電機は、回転するローターの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。ここで、理論上は、風の運動エネルギーの約６０％が機械エネルギーに変換され、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するプロセスの間にも多大なエネルギー損失がもたらされる。従って、ローターの形状によって僅かに変化するが、風のエネルギーの電気エネルギーへの変換効率は２０％から４０％に過ぎない。

従来の風力発電機は、風の速度が所定値よりも大きく大気の密度が比較的高い場合にだけ、ローターブレードに伝達される風の運動エネルギーによってローターが回転可能であってそれによりローターが回転して風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するという点で問題である。

即ち、従来の風力発電機において、風が穏やかに吹く場合には、ローターの回転力は著しく低下し、電気を発生させることが不可能になる場合がある。

特に、従来の風力発電機の場合には、各ローターブレードが風を受けるサイドから１８０°回転する際に、ローターブレードが風の抵抗のためローターの回転を妨げる役割を果たす。それにより、発電効率は更に低下する。

上記の問題を解消するため、特許文献１では風力発電機用の可変ブレードを有するローターが提案されている。

図１及び図２に示されるように、特許文献１の風力発電機用の可変ブレードを有するローターは、発電機の回転シャフトに連結され当該回転シャフトと共に回転するケーシング１１０と、ケーシング１１０の周囲において円周方向及び長手方向に関して一定間隔で互いに離間した位置に設けられる複数のブレード１２０であって、風の力を利用してケーシング１１０を回転させて風の力により広がったり折り畳まれたりする複数のブレード１２０と、ブレード１２０がヒンジによって回転可能に取り付けられ、ケーシング１１０に取り付けられる複数のブラケット１３１と、ケーシング１１０に取り付けられ、ブレード１２０が回転可能に装着される複数の駆動ユニット１３０とを含む。駆動ユニット１３０は、ブレード１２０が風を受ける方向に応じて広がったり折り畳まれたりするように、対応するブレード１２０を動作させる。各駆動ユニット１３０は、ケーシング１１０に設置されるブラケット１３１であって、対応のブレード１２０がヒンジＨによって回転可能に連結されるブラケット１３１と、ブラケット１３１上に設置され、内部に動作スペース１３３ａを形成するシリンダー１３３と、動作スペース１３３ａに配設され、直線的に往復運動するピストン１３５と、動作スペース１３３ａに配置され、ピストン１３５をブレード１２０に向かって弾性的に付勢する圧縮ばね１３７と、複数の継手１３９であって、各々が、その第１の端部で対応するブレード１２０に連結され、その第２の端部でピストン１３５に連結される複数の継手１３９と、を含む。ローター１００が回転する間、ブレード１２０の前面１２１が風に直面すると、ブレード１２０は広がる。ブレード１２０の背面１２３が風に直面すると、ブレード１２０は、ブラケット１３１上で素早く回転して風力と圧縮ばね１３７の弾性力によって折り畳まれてブレード１２０にかかる風力が低減される。このようにして、ローター１００の回転力を増加させることができる。

特許文献１の風力発電機用の可変ブレードを有するローター１００は、ブレード１２０が風によって広がったり折り畳まれたりするように構成されるが、ブレード１２０がケーシング１１０の周りで１８０°回転されると、広がった状態又は折り畳まれた状態であるブレード１２０はもう一方の状態へと変形されるため、ブレード１２０が確実に広がっていない或いは折り畳まれていない状態である可能性がある。更に、ブレード１２０を折り畳む圧縮ばね１３７の弾性力がローター１００の回転を妨げる力として作用するため、発電機の発電効率は期待通りには増大しない。

また更に、特許文献１の風力発電機用の可変ブレードを有するローター１００は、ローター１００を停止させずに修理又は維持管理を可能にするための別の手段を有していない。従って、ローター１００の修理又は維持管理を容易には行うことができない。即ち、ブレード１２０のいずれかが正常に機能しない場合でも、ローター１００は継続的に回転しているため、ローター１００の動作を中断させた後で機能不全のブレード１２０を修理することが容易ではない。

加えて、従来の風力発電機は、風の強さに拘らず、一つのタービンを使用して発電を行う。従って、風の強さが大幅に増加しても、所定レベルを超えて発電量を増加することができない。

したがって本発明は先行技術で生じている上記の問題点に留意してなされており、本発明の目的は、穏やかな風や低潮流の状態であっても風又は潮の流れの方向に拘らず動作させることができ、ローターブレードが風力又は潮力を収集して発電効率を増大させるように構成される可変ブレード型潮力及び風力発電機を提供することである。

本発明の別の目的は、各ローターブレードが風力又は潮力を受ける側で広げられ、ローターブレードが１８０°回転すると、折り畳まれて回転時の空気抵抗又は水抵抗を最小化し、そのため回転シャフトの回転力に影響する抵抗力を最小化し、それによって発電効率を増大させる可変ブレード型潮力及び風力発電機を提供することである。

本発明の更なる目的は、簡素な構造を有しているため容易に製造することができる可変ブレード型潮力及び風力発電機を提供することであり、この可変ブレード型潮力及び風力発電機は、複数の発電機を立地制限無しで様々な場所に設置することができるように設けられ、それによって単位面積あたりの電力生産を最大化することを可能として、そのため風力発電機を容易に産業化することができ、例えば温室効果ガス排出による環境汚染を伴うことなく電力を生産することが可能である。

本発明の更に別の目的は、風力発電機又は潮力発電機が複数階構造で建設されたとしても、安定して確実に設置できるように設けられ、また必要に応じて、ローターブレードの回転を簡易な方法で簡単に停止することができ、これにより作業者が修理を必要とするローターブレードの箇所に到達でき、したがって維持管理を容易にする可変ブレード型潮力及び風力発電機を提供することである。

本発明の更に別の目的は、ローターブレードが回転する時に抵抗力の中心が分散されるように設けられる可変ブレード型潮力及び風力発電機を提供することであり、それによって発電機が軽量の材料で形成され、したがって設備のコストを低減して発電機が経済的に実現可能となる。

上記目的を達成するため、本発明は、‘＋’形状の構造を有し、ベース面に配置される据付フレーム（１０）であって、当該据付フレーム（１０）の中央部分に設けられる垂直回転シャフト支持ブラケットを有する据付フレーム（１０）と、据付フレーム（１０）の中央部分に回転可能に直立して設けられる垂直回転シャフト（２０）と、垂直回転シャフト（２０）と垂直な方向に垂直回転シャフト（２０）の上部及び下部と交差する複数のブレード装着バー（３０）及び複数のブレード装着バー（３０’）であって、一定の角度間隔で相互に離間する複数のブレード装着バー（３０）及び複数のブレード装着バー（３０’）と、 複数の支持リング（４０、４０’）であって、各々が対応のブレード装着バー（３０、３０’）の端部を相互に連結する複数の支持リング（４０、４０’）と、複数の垂直支持ロッド（５０）であって、各々が対応の上部のブレード装着バー（３０）及び下部のブレード装着バー（３０’）の端部を相互に連結する複数の垂直支持ロッド（５０）と、複数のブレード装着バー（３０）と複数のブレード装着バー（３０’）との間にブラケットを介して設けられる複数のローターブレード（６０、６０’）と、据付フレーム（１０）の外端に取り付けられる直立した複数の垂直支持フレーム（７０）と、垂直支持フレーム（７０）の各々の上端に連結される複数の水平フレーム（８０）と、ブレード装着バー（３０）を支持するように、垂直回転シャフト（２０）の上端に設けられる装着部材（２０’）をブレード装着バー（３０）の端部に連結する支持ワイヤー（５０’）と、ブレード装着バー（３０’）の下面下に設けられ、ローターブレード（６０、６０’）が広がる角度を制御するブレード開放角制御手段（９０）と、据付フレーム（１０）の中央部分に設けられ、風の強さに応じて電気を発生させるために作動するタービンの数を変えるの発電効率増大手段（１００）と、垂直回転シャフト（２０）の下端に設けられ、電気を生成するための発電手段（２００）と、を備える、増大した発電効率を有する可変ブレード型潮力及び風力発電機を提供する。

風力発電機用の可変ブレードを備えた従来のローターの構造を図示する斜視図である。 風力発電機用の従来のローターに装着されたブレード及び駆動ユニットの構造を示す断面図である。 本発明による増大した発電効率を有する可変ブレード型潮力及び風力発電機の斜視図である。 本発明による、同一平面上に設置された潮力及び風力発電機のローターブレードの状態を示す図である。 本発明によるローターブレードの取り付け状態を示す斜視図である。 本発明による潮力及び風力発電機を説明する底面図である。 本発明によるブレード開放角制御手段を示す斜視図である。 本発明による発電効率増大手段のギアの配置を示す平面図である。 本発明による発電効率増大手段のギアの配置を示す平面図である。 本発明による発電効率増大手段のギアの配置を示す平面図である。 本発明による潮力及び風力発電機のエネルギー効率を示すグラフである。 ブレードによるエネルギー効率を示すグラフである。 風速に応じた、従来の風力発電機の発電効率を示すグラフである。 風速に応じた、本発明による潮力及び風力発電機の発電効率を示すグラフである。 風速に応じた、本発明による風力発電機の回転力の強さを測定する工程を説明する図である。 ローターブレードが折り畳まれる側が遮蔽板で遮蔽され、本発明による発電機に風が当てられる実験を示す図である。 本発明による、一定間隔で水平方向に関して互いに離間した位置に設置される複数の潮力及び風力発電機を示す図である。 本発明による、風力発電機がワイヤーで支持されるように上部及び下部の風力発電機間に設けられる支持ユニットを説明する図である。 本発明の風力発電機のローターブレードの装着状態を、従来の風力発電機のそれと比較する図である。

本発明の上記及び他の目的、特徴及び効果は、添付の図面に関連する以下の詳細な説明から、より明確に理解される。

以下、本発明の好ましい実施形態による増大した発電効率を有する可変ブレード型潮力及び風力発電機が、添付の図面を参照しながら詳細に説明される。

図３は、本発明による増大した発電効率を有する可変ブレード型潮力及び風力発電機の斜視図である。図４は、本発明による、同一平面上に設置された潮力及び風力発電機のローターブレードの状態を示す図である。図５は、本発明によるローターブレードの取り付け状態を示す斜視図である。図６は、本発明による潮力及び風力発電機を説明する底面図である。図７は、本発明によるブレード開放角制御手段を示す斜視図である。図８Ａから図８Ｃは、本発明による発電効率増大手段のギアの配置を示す平面図である。図９は、本発明による潮力及び風力発電機のエネルギー効率を示すグラフである。図１０は、ブレードによるエネルギー効率を示すグラフである。図１１Ａは、風速の関数として、従来の風力発電機の発電効率を示すグラフである。図１１Ｂは、風速の関数として、本発明による潮力及び風力発電機の発電効率を示すグラフである。図１２は、風速の関数として、本発明による風力発電機の回転力の強さを測定する工程を説明する図である。図１３は、ローターブレードが折り畳まれる側が遮蔽板で遮蔽され、本発明による発電機に風が当てられる実験を示す図である。図１４は、本発明による、一定間隔で水平方向に関して互いに離間した位置に設置される複数の潮力及び風力発電機を示す図である。図１５は、本発明による、風力発電機がワイヤーで支持されるように上部及び下部の風力発電機間に設けられる支持ユニットを説明する図である。図１６は、本発明の風力発電機のローターブレードの装着状態を、従来の風力発電機のそれと比較する図である。

本発明による可変ブレード型潮力及び風力発電機は、‘＋’形状の構造を有し、地面に配置され、その中央部分に垂直回転シャフト支持ブラケットが設けられる据付フレーム１０と；据付フレーム１０の中央部分に回転可能に直立して設けられる垂直回転シャフト２０と；垂直回転シャフト２０と垂直な方向に垂直回転シャフト２０の上部及び下部と交差し、垂直回転シャフト２０の周囲において一定の角度間隔で相互に離間する位置に配置される複数のブレード装着バー３０及び複数のブレード装着バー３０’と；複数の支持リング４０及び４０’であって、各々が対応のブレード装着バー３０、３０’の端部を相互に連結する複数の支持リング４０及び４０’と；対応の上部のブレード装着バー３０及び下部のブレード装着バー３０’の端部を相互に連結する複数の垂直支持ロッド５０と；ブレード装着バー３０とブレード装着バー３０’との間にブラケットを介して設けられる複数のローターブレード６０及び６０’と；据付フレーム１０の外端に直立して取り付けられる複数の垂直支持フレーム７０と；垂直支持フレーム７０の各々の上端に連結される複数の水平フレーム８０と；ブレード装着バー３０を支持するように、垂直回転シャフト２０の上端に設けられる装着部材２０’をブレード装着バー３０の端部に連結する支持ワイヤー５０’と；ブレード装着バー３０’の下面下に設けられ、ローターブレード６０及び６０’が広がる角度を制御するブレード開放角制御手段９０と；据付フレーム１０の中央部分に設けられ、風の強さに応じて電気を発生させるために作動するタービンの数を変える発電効率増大手段１００と；垂直回転シャフト２０の下端に設けられ、電気を生成する発電手段２００と；を備える。

好ましくは、垂直回転シャフト２０が一定速度で回転できるように、垂直回転シャフト２０の下端に慣性重量体が設けられる。

ローターブレード６０、６０’は、それぞれ左ブレード６０ａ及び右ブレード６０ｂを含む。左ブレード６０ａは、左ブレードシャフト６１、ブレード周囲フレーム６２、支持フレーム６３、布シート６４、及び左ブレードシャフト６１の上端に設けられた左ギア６５を含む。右ブレード６０ｂは、右ブレードシャフト６１’、ブレード周囲フレーム６２’、支持フレーム６３’、布シート６４’、及び右ブレードシャフト６１’の上端に設けられた右ギア６５’を含む。

好ましくは、垂直ブレード支持ロッド６７は、左ブレードシャフト６１及び右ブレードシャフト６１’の中間部分に取り付けられるブラケット６６によって、直立して設けられる。ジグザグ形補強ロッド６８は、各ローターブレード６０、６０’の垂直ブレード支持ロッド６７と、追随するローターブレード６０、６０’の垂直ブレード支持ロッド６７との間に設けられる。更に、本発明が潮力発電機として使用されうるという事実を考慮すると、各布シート６４、６４’は海水によって腐食しない炭素材料やＦＲＰ材料から作られることが好ましい。

レバー６１ａはローターブレード６０の左ブレードシャフト６１に連結される。レバー６１ａ’はローターブレード６０’の左ブレードシャフト６１に連結される。ローターブレード６０の左ブレード６０ａ及び右ブレード６０ｂが展開方向に回転する際にローターブレード６０’の左ブレード６０ａ’及び右ブレード６０ｂ’が折り畳み方向に回転するように、互いに１８０°逆向きの位置に配設されるローターブレード６０及び６０’が相互に連結することができるように、レバー６１ａ及びレバー６１ａ’は鋼ロッド６１ｂによって相互に連結される。

ブレード開放角制御手段９０は、左制御片９１及び右制御片９１’であってその端部でシャフトによって各ブレード装着バー３０の下面の中間部分に対して回転可能に連結される左制御片９１及び右制御片９１’と、左制御片９１及び右制御片９１’であってその端部でシャフトによって各ブレード装着バー３０’の上面の中間部分に対して回転可能に連結される左制御片９１及び右制御片９１’とを有する。相互に係合する複数のギアが、各ブレード装着バー３０’の下面下に配設され、左制御片９１及び右制御片９１’のシャフト上にそれぞれ嵌め込まれる。ブレード開放角制御手段９０は更に、左制御片９１のシャフトの端部に取り付けられるスプロケット９２と、駆動力を伝達するように、垂直回転シャフト２０に隣接した位置でブレード装着バー３０’下に設けられる駆動スプロケット９３と、チェーンの装着を容易にするために設けられるスプロケット９４と、スプロケット９２、スプロケット９４及び駆動スプロケット９３の周囲に巻回されたチェーン９５と、駆動スプロケット９３用の回転シャフト９６と、駆動スプロケット９３を駆動するモータＭと、モータＭに電力を供給するためのブラシ手段９７と、を含む。

左制御片９１及び右制御片９１’が広がる角度は、モータＭの操作によって制御され、これによって、ローターブレード６０及び６０’の左ブレード６０ａ及び右ブレード６０ｂと左ブレード６０ａ’及び右ブレード６０ｂ’とが広がったり折り畳まれたりする角度を制御することができる。

発電効率増大手段１００は、垂直回転シャフト２０のＲＰＭを検出するＲＰＭ検出器と；垂直回転シャフト２０の下端の周囲に設けられるハウジング１０１内に配設され、垂直回転シャフト２０の下端に連結される駆動ギア１０２と；駆動ギア１０２に係合する第１の被駆動ギア１０３と；第２の被駆動ギア１０４及び第３の被駆動ギア１０５であって、各々が駆動ギア１０２に隣接して配設され、風の強さによって駆動ギア１０２と係合又は係合解除する第２の被駆動ギア１０４及び第３の被駆動ギア１０５と；第１〜第３の被駆動ギア１０３、１０４及び１０５のうちの少なくとも一つ又は全てが駆動ギア１０２に係合するように、被駆動ギア１０３、１０４及び１０５の各々に関する個別リニアアクチュエータを用いて、第１〜第３の被駆動ギア１０３、１０４及び１０５のうちの少なくとも一つ又は全てを駆動ギア１０２に向かって押圧するエアコンプレッサーと、を含む。

発電手段２００は発電ユニット２０１、２０２、及び２０３を含み、これらの発電ユニット２０１、２０２、及び２０３は、それぞれ駆動ギア１０２に取り外し可能に係合する第１〜第３の被駆動ギア１０３、１０４、及び１０５の下面に連結される。各発電ユニット２０１，２０２、及び２０３は電気を発生する。

好ましくは、ローターブレード６０及び６０’はｎ階層に積層されて複数階層構造を形成するローターブレード６０及び６０’を含む。加えて、ｎ階層に積層されるローターブレード６０及び６０’を各々が含む複数の風力発電機Ｐが、水平方向に関して互いに所定距離をもって離間する位置に設置されることが好ましい。この場合、複数の風力発電機Ｐの発電手段の発電出力が合計されるように、風力発電機Ｐの発電手段は互いに電気的に接続される。総発電出力は、飛躍的に増加することが可能となる。

そのため、ｎ階層に積層されたローターブレード６０及び６０’をそれぞれが含む多数の風力発電機Ｐが、図１４に示すように、水平方向に関して互いに離間した位置に設置される場合、複数の支持塔Ｘが風力発電機Ｐの前側、後側、左側、及び右側に設立される。風力発電機Ｐの支持リング４０及び４０’は、ワイヤーＹによって支持塔Ｘに連結されて留められる。この構造において、風力発電機Ｐや支持塔Ｘ、ワイヤーＹ等の関連設備は、日光を遮らない。従って、風力発電機Ｐは建造物がある土地の一角のみならず、農地、森林、及び野原、又は海洋養殖場の周辺にも設置することが可能である。このように、本発明は設置場所の制限を受けない。

このように、風力発電機Ｐは支持塔Ｘ及びワイヤーＹによって支持される。好ましくは、各風力発電機Ｐは４つの支持塔Ｘによってワイヤーを用いて支持される。従って、風力発電機Ｐの幾つかが例えばハリケーンのような不測の事故によって破損したとしても、破損した風力発電機Ｐ以外の他の風力発電機Ｐは影響を受けない。

以下、本発明に係る増大した発電効率を有する可変ブレード型潮力及び風力発電機の作用について説明する。

本発明は、風力発電機として又は代替的に潮力発電機として使用することができる。本発明の発電機が潮力発電機として使用される場合、発電機は、風力発電機として使用される場合の姿勢とは異なり、上下逆に転回されて海水に漬けられる。発電機全体が容易に海に漬けたり海から取り出せたりできるように、別体の揚力装置のみが更に設けられる。このように、風力発電機として使用される実施形態と、潮力発電機として使用される実施形態とは、同じ構造を有する。従って説明上の理由から、風力発電機として使用される実施形態を代表的に説明する。

本発明の風力発電機Ｐにおいて、発電機Ｐを動かす風に対向するローターブレード６０の左ブレード６０ａ及び右ブレード６０ｂが、風によって押されてそれにより広げられる。風が左ブレード６０ａ及び右ブレード６０ｂを押す力は、対応のブレード装着バー３０及び３０’を介して垂直回転シャフト２０に伝達され、これにより垂直回転シャフト２０が回転され、その結果、電気を発生する。

この時、広がったローターブレード６０とは１８０°反対の位置に配設されるローターブレード６０’は、左ブレード６０ａ’と右ブレード６０ｂ’とが互いに向かう方向へ回転するようにそれと連結される。したがって、ローターブレード６０’は、ローターブレード６０が広がる度合いに比例した角度で折り畳まれる。

また更に、風の強さに応じて、左制御片９１及び右制御片９１’が広がる度合いはモータＭを操作することによって調節される。これにより、左ブレード６０ａと右ブレード６０ｂとが広がることができる範囲、換言すると、それら部材の動作の範囲が調節され、これによってローターブレード６０の回転速度が制御される。その結果、発生電圧を一定に保つことができる。

上述のように、本発明では、従来の平面型ブレードとは異なり、左ブレード６０ａ及び右ブレード６０ｂが広がる度合いを調節することによって、ローターブレード６０は風を効果的に受けることができる。風を受けるローターブレード６０は風から発生した力をブレード装着バー３０及び３０’を介して垂直回転シャフト２０に伝達し、これによって垂直回転シャフト２０を回転させて発電する。この構造のおかげで、生成コスト及び設備の重量が低減され、（従来の平面型回転ブレードのそれと比較して３５％から４０％）生成効率を増大することができる。

更に、多重積層構造の場合、複数の階層を形成するローターブレード６０及び６０’は、回転方向に関して一定の角度間隔で連続して互いにずれた状態で配置される。従って、風の方向に対して垂直に位置決めされているいずれか一つのグループのローターブレード６０及び６０’が所定角度回転すると、別グループのローターブレード６０及び６０’が風の方向に対して垂直に位置決めされる。このようにして、グループのローターブレード６０及び６０’は風の方向に対して垂直に位置決めされた状態へと順番に連続的に入る。その結果、生成効率を増大することができる。

ローターブレード６０及び６０’のこのような運転は、風を受けるローターブレード６０が広がり且つローターブレード６０から１８０°だけ離間した位置に配設されるローターブレード６０’がローターブレード６０の広がり度合いに比例して折り畳まれるという構造によって具体化されうる。

風の強さが増すと、発電するために作動される発電ユニットの数も増加する。例えば、風の強さが標準的な場合は、図８Ａに示されるように、第１の被駆動ギア１０３だけが、垂直回転シャフト２０に連結される駆動ギア１０２と係合する。この場合、第１の被駆動ギア１０３に連結される発電ユニット２０１が垂直回転シャフト２０の回転に応じて発電する。

発電するために発電ユニット２０１のみが作動されている間に、風速が所定速度を超えると、第２の被駆動ギア１０４に付随するリニアアクチュエータがエアコンプレッサーによって作動されるように、エアコンプレッサーがＲＰＭ検出器によって検知されるＲＰＭ検出信号によって作動される。それにより、第２の被駆動ギア１０４が駆動ギア１０２に向かって押される。そして、第２の被駆動ギア１０４は駆動ギア１０２とも係合する。その結果、図８Ｂに示されるように、第１の被駆動ギア１０３及び第２の被駆動ギア１０４の両者が駆動ギア１０２と係合し、これにより２つの発電ユニット２０１及び２０２が同時に作動されて発電する。

風の強さが更に増せば、エアコンプレッサーがＲＰＭ検出器によって検知されるＲＰＭ検出信号によって作動され、第２の被駆動ギア１０４及び第３の被駆動ギア１０５に付随する両リニアアクチュエータはエアコンプレッサーによって作動される。これにより、第２の被駆動ギア１０４及び第３の被駆動ギア１０５が駆動ギア１０２に向かって押される。そして、図８Ｃに示されるように、第１〜第３の被駆動ギア１０３、１０４、及び１０５の全てが駆動ギア１０２と係合する。その結果、３つの発電ユニット２０１、２０２、及び２０３が同時に作動されて発電する。

この実施形態では、３つの被駆動ギア、即ち、第１〜第３の被駆動ギア１０３、１０４、及び１０５が説明のために図示されているが、３つ又はそれ以上の被駆動ギアが設けられてもよい。

図９に示されるように、第１グループのローターブレード６０及び６０’が風を垂直に受ける場合にローターブレード６０及び６０’にかかる風の強さを１００と仮定した場合、第１グループのローターブレード６０及び６０’が１０°回転して位置Ａに配置されると、追随するローターブレード６０及び６０’は位置Ｂに配置される。そして、位置Ａに配置されるローターブレード６０及び６０’は、位置Ｂに配置されるローターブレード６０及び６０’によって遮断される風の大きさの値を、コサインｘ（ｘは角度を表す）から導き出される大きさの値から減算することによって得られる強さの風を受ける。位置Ｂに配置されるローターブレード６０及び６０’は、サインｘ（ｘは角度を表す）から得られる大きさの値を有する風を受ける。

従って、位置Ｂに配置されるローターブレード６０及び６０’に当てられる風の大きさはｓｉｎ １０°、即ち、１７．４である。位置Ａに配置されるローターブレード６０及び６０’に当てられる風の強さはｃｏｓ １０°−１７．４、即ち、９８．５−１７．４＝８１．１である。２つのグループのローターブレードのエネルギー総量は９８．５であり、そのためエネルギー損失は１．５（１００−９８．５）である。このようにして、２つのグループのローターブレード６０及び６０’の回転の機能としての総体的なエネルギー効率及びエネルギー損失率は、図１０に示すようになる。したがって、発電効率が増大されることが理解できる。

図１０は、グループＡ及びグループＢのブレードの効率変化を示す。これは表１として表される。

表１及び図１０から分かるように、エネルギー損失率は比較的低く、エネルギー効率は相対的に高い。

図１１Ａは、風速に応じた、従来の風力発電機の生成効率を示すグラフである。図１１Ｂは、風速に応じた、本発明による潮力及び風力発電機の発電効率を示すグラフである。

図１１Ａに示されるように、従来技術において、風が６ｍ／ｓの速度で１４時間吹くと仮定すると、発電に有効な風は６×１４＝８４であり、発電に有効ではない風は１８＋９８＝１１６である。したがって、その効率は８４／２００＝４２％である。一方、本発明では、図１１Ｂに示されるように、風が４ｍ／ｓの速度で４時間、８ｍ／ｓの速度で４時間、１２ｍ／ｓの速度で４時間、及び１６ｍ／ｓの速度で４時間吹くと仮定すると、１）風が４ｍ／ｓの速度で４時間吹く場合、１台の発電機を作動させるのに有効な風は４×４＝１６であり、２）風が８ｍ／ｓの速度で４時間吹く場合、２台の発電機を作動させるのに有効な風は８×４＝３２であり、３）風が１２ｍ／ｓの速度で４時間吹く場合、３台の発電機を作動させるのに有効な風は１２×４＝４８であり、４）風が１６ｍ／ｓの速度で４時間吹く場合、４台の発電機を作動させるのに有効な風は１６×４＝６４である。従って、全体の有効な風量は１６＋３２＋４８＋６４＝１６０であり、全体で有効ではない風量は８×５＝４０である。結果として、その効率は１６０／２００＝８０％である。

本発明による可変ブレード型潮力及び風力発電機の発電効率の増大について実験が行われた。実験は図１２及び図１３を参照して説明される。

図１２に示されるように、ロープＲの第１の端部が垂直回転シャフト２０の上端に接続され、ウエイトＷがロープＲの第２の端部に接続された。また更に、図１３に示されるように、ブレードが折り畳まれる側は遮蔽パネルＣで覆われた。この状態で、送風機が矢印の方向に空気を送る一方で、風力発電機の垂直回転シャフト２０の回転によって持ち揚げられたウエイトＷの重量が測定された。

また更には、遮蔽パネルＣが除去された後、送風機が矢印の方向に空気を送る一方で、風力発電機の垂直回転シャフト２０の回転によって持ち揚げられたウエイトＷの重量が測定された。

その結果、遮蔽パネルＣが存在する時は、風力発電機の垂直回転シャフト２０の回転によって持ち揚げられたウエイトＷの重量は２．３ｋｇであった。

一方、遮蔽パネルＣ無しで風力発電機の全域に矢印の方向に風が当てられた場合、風力発電機の垂直回転シャフト２０の回転によって持ち揚げられたウエイトＷの重量は５．３ｋｇであった。

この理由は、広がった状態のブレードに加えられた風力が連結手段によって折り畳まれた状態のブレードにも加えられうるという事実と、折り畳まれた状態のブレードに加えられた風力が連結手段によって広がった状態のブレードにも加えられうるという事実とに起因すると考察される。そのため、本発明による風力発電機の発電効率が顕著に増大することが実証される。

ｎ階層に積層されたローターブレード６０及び６０’を各々が含む図１４の複数の風力発電機Ｐが、水平方向に関して相互に離間した場所に設置される場合は、図１５に示されるように、垂直支持フレーム７０及び水平支持フレーム８０（図３参照）が取り除かれ、支持ユニットＳが上部及び下部の風力発電機の間に設けられる。支持ユニットＳの周囲は、対応する支持塔ＸにワイヤーＹを介して接続され、これにより風力発電機は支持塔Ｘによって支持される。

図１６は、本発明の風力発電機のローターブレードの装着状態を、従来の風力発電機のそれと比較する。抵抗を無視すれば、ローターブレードの回転力はそれらが風を受ける面積に比例する。図１６に示される本発明において、広がったローターブレードが、広がっているローターブレードから１８０°の角度間隔で離間した位置に配設されるローターブレードと連結されるように風力発電機は構成されるため、ローターブレードは風に対して調整された状態で風によって回転可能である。本発明による風力発電機の効率は８０％以上である。一方、従来の発電機において、回転力として第１ブレードに加えられる風力は、第１ブレードから１２０°の角度間隔で離間して設けられる第２ブレードに対し抵抗力として加えられ、これにより従来の風力発電機の効率は約５０％に低減される。

また更に、図１６に示されるように、風力発電機のローターブレードの径は約１００ｍであるが、本発明においてローターブレードの水平長は約１０ｍで十分である。加えて、風力発電機は多重階層構造を形成することができる。従って、従来の風力発電機と本発明による風力発電機とは、風力発電機が設置される敷地の面積に関して１００：１の比を有する。

更には、図１６に示される従来の風力発電機の場合、別体の支持設備を設置することは不可能である。しかしながら、本発明では、図１４に示されるように、風力発電機は、風力発電機の周囲に設置された支持塔ＸによってワイヤーＹを用いて支持可能である。更に、本発明では、複数の発電機が多重階層構造を形成することができるため 本発明の風力発電機の、図１６に示される従来風力発電機に対する発電効率比は、８０：４２である。

上述のように、本発明による可変ブレード型潮力及び風力発電機は、穏やかな風の状態や低潮流の状態であっても、風又は潮の流れに関係なく作動可能である。また更に、本発明による発電機は、ローターブレードが風力又は潮力を収集できるように作動される。従って、発電機の発電効率が顕著に増大される。各ローターブレードは、風又は潮の力を受ける側で広がり、ローターブレードが１８０°回転すると、折り畳まれて回転時の空気又は水の抵抗を最小化する。このように、発電機の回転シャフトの回転力に影響する抵抗力を最小化させることができ、これにより発電効率を更に増大させることができる。加えて、本発明による発電機は簡素な構造を有し、そのため容易に製造可能である。本発明による複数の発電機は敷地の制限無く様々な場所に設置することが可能であり、そのため単位面積あたりの電力生産を最大化させることを可能にする。従って、本発明は容易に産業実用化することができる。また更に、本発明は温室効果ガス排出等の環境汚染をもたらすことなく電力を生産することができる。風力発電機又は潮力発電機が多重階層構造を有するように設けられる場合でも、それらを安定して確実に設置することができる。必要に応じて、ローターブレードの回転を簡単な方法で停止してもよく、これにより修理を要するローターブレードの箇所に作業者が到達でき、そのため維持管理がし易くなる。更に、本発明は、ローターブレードの回転時に抵抗力の中心が分散されるように設けられる。そのため、発電機は軽量な部材で形成される。その結果、設備の費用を低減できるので、本発明は経済的に実現可能である。

本発明の好ましい実施形態が説明的な目的で開示されているが、当業者は、添付の特許請求の範囲に開示される発明の範囲及び精神を逸脱することなく、様々な改良、追加、及び代替が可能であることを理解するであろう。

Claims (10)

1. ‘＋’形状の構造を有し、ベース面に配置される据付フレーム（１０）であって、当該据付フレーム（１０）の中央部分に設けられる垂直回転シャフト支持ブラケットを有する据付フレーム（１０）と、
   据付フレーム（１０）の中央部分に回転可能に直立して設けられる垂直回転シャフト（２０）と、
   垂直回転シャフト（２０）と垂直な方向に、垂直回転シャフト（２０）の上部及び下部の各々と交差する複数の第１ブレード装着バー（３０）及び複数の第２ブレード装着バー（３０’）であって、一定の角度間隔で相互に離間する複数の第１ブレード装着バー（３０）及び一定の角度間隔で相互に離間する複数の第２ブレード装着バー（３０’）と、
   複数の第１ブレード装着バー（３０）の端部を相互に連結する第１支持リング（４０）と、複数の第２ブレード装着バー（３０’）の端部を相互に連結する第２支持リング（４０’）と、
   複数の垂直支持ロッド（５０）であって、それぞれが対応の第１ブレード装着バー（３０）の端部と対応の第２ブレード装着バー（３０’）の端部とを相互に連結する複数の垂直支持ロッド（５０）と、
   第１ブレード装着バー（３０）と第２ブレード装着バー（３０’）と間にブラケットを介して設けられる複数のローターブレード（６０、６０’）と、
   据付フレーム（１０）の外端に取り付けられる直立した複数の垂直支持フレーム（７０）と、
   垂直支持フレーム（７０）の各々の上端に連結される複数の水平フレーム（８０）と、
   第１ブレード装着バー（３０）を支持するように、垂直回転シャフト（２０）の上端に設けられる装着部材（２０’）を第１ブレード装着バー（３０）の端部に連結する支持ワイヤー（５０’）と、
   第２ブレード装着バー（３０’）の下面下に設けられ、ローターブレード（６０、６０’）が広がる角度を制御するブレード開放角制御手段（９０）と、
   据付フレーム（１０）の中央部分に設けられ、風の強さに応じて電気を発生させるために作動するタービンの数を変えるための発電効率増大手段（１００）と、
   垂直回転シャフト（２０）の下端に設けられ、電気を生成するための発電手段（２００）と、
   を備える、増大した発電効率を有する可変ブレード型潮力及び風力発電機。
2. 垂直回転シャフト（２０）の下端に慣性重量体が取り付けられる請求項１に記載の可変ブレード型潮力及び風力発電機。
3. ローターブレード（６０、６０’）の各々は、
   左ブレードシャフト（６１）、ブレード周囲フレーム（６２）、支持フレーム（６３）、布シート（６４）、及び左ブレードシャフト（６１）の上端に設けられる左ギア（６５）を有する左ブレード（６０ａ）と、
   右ブレードシャフト（６１’）、ブレード周囲フレーム（６２’）、支持フレーム（６３’）、布シート（６４’）、及び右ブレードシャフト（６１’）の上端に設けられる右ギア（６５’）を有する右ブレード（６０ｂ）と、
   を含む請求項１に記載の可変ブレード型潮力及び風力発電機。
4. ローターブレード（６０、６０’）は、ｎ階層積み重ねられて多層構造を形成するローターブレード（６０、６０’）を含み、複数の風力発電機（Ｐ）であって、各々がｎ階層積み重ねられたローターブレード（６０、６０’）を含む複数の風力発電機（Ｐ）が、水平方向に関して所定距離だけ互いに離間した位置に配置され、
   複数の風力発電機（Ｐ）の発電手段の発電出力が加算されるように、複数の風力発電機（Ｐ）の発電手段は相互に電気的に接続される請求項３に記載の可変ブレード型潮力及び風力発電機。
5. 垂直ブレード支持ロッド（６７）が、左ブレードシャフト（６１）及び右ブレードシャフト（６１’）の中間部に設けられるブラケット（６６）によって直立して設けられ、ローターブレード（６０、６０’）の各々の垂直ブレード支持ロッド（６７）と、追従するローターブレード（６０、６０’）の垂直ブレード支持ロッド（６７）との間に、ジグザグ形補強ロッド（６８）が設けられる請求項３に記載の可変ブレード型潮力及び風力発電機。
6. 布シート（６４、６４’）の各々は、炭素材料又はＦＲＰ（繊維強化プラスチック）材料から作られる請求項３に記載の可変ブレード型潮力及び風力発電機。
7. 第１レバー（６１ａ）が第１のローターブレード（６０）の左ブレードシャフト（６１）に連結され、第２レバー（６１ａ’）が第２のローターブレード（６０’）の左ブレードシャフト（６１’）に連結され、
   第１レバー（６１ａ）及び第２レバー（６１ａ’）は、鋼ロッド（６１ｂ）により互いに連結されることで、互いに１８０°反対の位置に配設された第１のローターブレード（６０）及び第２のローターブレード（６０’）が、第１のローターブレード（６０）の左ブレード（６０ａ）及び右ブレード（６０ｂ）が広がるときに第２のローターブレード（６０’）の左ブレード（６０ａ’）及び右ブレード（６０ｂ’）が折り畳まれるように、相互に連結される請求項３に記載の可変ブレード型潮力及び風力発電機。
8. ブレード開放角制御手段（９０）は、
   左制御片（９１）及び右制御片（９１’）であって、その左制御片（９１）及び右制御片（９１’）の端部で第１ブレード装着バー（３０）の各々の下面の中間部分に対し、シャフトによって回転可能に連結される左制御片（９１）及び右制御片（９１’）と、
   左制御片（９１）及び右制御片（９１’）であって、その左制御片（９１）及び右制御片（９１’）の端部で第２ブレード装着バー（３０’）の各々の上面の中間部分に対し、シャフトによって回転可能に連結される左制御片（９１）及び右制御片（９１’）と、
   互いに係合するギアであって、第２ブレード装着バー（３０’）の各々の下面下に配設され、左制御片（９１）及び右制御片（９１’）のシャフトに各々が設けられるギアと、
   左制御片（９１）のシャフトの端部に取り付けられる第１スプロケット（９２）と、
   第２ブレード装着バー（３０’）の下面下において、垂直回転シャフト（２０）に隣接する位置に設けられ、駆動力を伝達するように設けられる駆動スプロケット（９３）と、
   チェーンの装着を促進するために設けられる第２スプロケット（９４）と、
   第１スプロケット（９２）、第２スプロケット（９４）及び駆動スプロケット（９３）の周囲に巻回されるチェーン（９５）と、
   駆動スプロケット（９３）用の回転シャフト（９６）と、
   駆動スプロケット（９３）を駆動するように設けられるモータ（Ｍ）と、
   モータ（Ｍ）に電力を供給するためのブラシ手段（９７）と、
   を含む請求項１に記載の可変ブレード型潮力及び風力発電機。
9. 発電効率増大手段（１００）は、
   垂直回転シャフト（２０）のＲＰＭを検出するＲＰＭ検出器と、
   垂直回転シャフト（２０）の下端の周囲に設けられるハウジング（１０１）に配設され、垂直回転シャフト（２０）の下端に連結される駆動ギア（１０２）と、
   駆動ギア（１０２）に係合する第１の被駆動ギア（１０３）と、
   第２の被駆動ギア（１０４）及び第３の被駆動ギア（１０５）であって、各々が駆動ギア（１０２）に隣接して配設され、風の強さに応じて駆動ギア（１０２）と係合し又は係合解除する第２の被駆動ギア（１０４）及び第３の被駆動ギア（１０５）と、
   第１の被駆動ギア（１０３）、第２の被駆動ギア（１０４）及び第３の被駆動ギア（１０５）のうちの少なくとも一つが駆動ギア（１０２）と係合するように、第１の被駆動ギア（１０３）、第２の被駆動ギア（１０４）及び第３の被駆動ギア（１０５）のうちの少なくとも一つを、第１の被駆動ギア（１０３）、第２の被駆動ギア（１０４）及び第３の被駆動ギア（１０５）の各々についての個別のリニアアクチュエータを使って、駆動ギア（１０２）に向かって押すエアコンプレッサーと、
   を含む請求項１に記載の可変ブレード型潮力及び風力発電機。
10. 発電手段（２００）は、
    駆動ギア（１０２）と解除可能に係合する第１の被駆動ギア（１０３）、第２の被駆動ギア（１０４）及び第３の被駆動ギア（１０５）の下面にそれぞれが連結される発電ユニット（２０１、２０２、２０３）であって、それぞれが電気を生成する発電ユニット（２０１、２０２、２０３）を有する請求項１に記載の可変ブレード型潮力及び風力発電機。