JP2018505348A - 風力タービン - Google Patents

Abstract

【課題】風力タービンに加わる機械的応力を減少させ、修理及び保守に必要な労力を減少させることにある。【解決手段】発明は、支持構造体（１７）、１つ又は複数のローターブレード（２１）を含み、回転軸線を中心に自由に回転できるように支持構造体（１７）に設置されたローター（（１３）、及びローター（１３）に連結され、ローター（１３）が回転しているとき、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機、を含む風力タービン（１１）に関する。支持構造体（１７）は、定置リング（１５）を含み、ローター（１３）が定置リングで回転可能に案内され、発電機のステーターが定置リング（１５）に設置される。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１に記載の種類の明確な限定による風力タービンに関する。

関連技術による風力タービンは、タワーを含み、その自由端に、発電機を収容するナセルが位置する。殆どの場合、３つのローターブレードを含み、かつ水平中心軸線を中心に回転できるスター形ローターがナセルに装着される。ローターのトルクは、ローター軸を採用して、ギアによって発電機に直接又は間接的に伝達される。ローターブレードは、８５メートルまでの長さを有しているから、軸受け及びローター軸をそれらの機械的限度まで押す巨大な力が作用する。効率をよくするために、直接駆動される発電機の直径は、ローター直径に順応されなければならない。この中央軸受け概念を有する風力タービンは、それらの物理的限度に達している。

［発明の目的］
上記の関連技術の不利益に基づいて、本発明の目的は、出力を改善した一般的な風力タービンを提供することにある。特に、目標は、今日一般的である寸法に付いて、風力タービンに加わる機械的応力を減少させ、補修及び保守の骨折りを減少させることになる。

上記の目的は、支持構造体が、ローターを回転可能に案内し、かつ発電機のステーターを設置する定置リングを含む、風力タービンで達成される。定置リングを設ける結果、ローターにかかる機械的負荷は、中心回転軸線に集中されず、むしろ、定置リングの円周にわたって分配される。かくして、本発明による風力タービンにかかる機械的負荷は、減ぜられ、補修及び保守の節約をもたらす。加えて、より長いローターブレードを有する風力タービンは、提供された設計で、実行される。これは、関連技術による設計では可能ではない、何故ならば、この設計が、機械的負荷容量の限度に押されるからである。定置リングを発電機のステーターとして利用することにより、発電機を、既存のローター−定置リングシステムに直接組み込める。したがって、更に、ローター運動の発電機への複雑な機械的伝達装置は必要ない。この理由のために、発電機は、好ましくは、定置リングとローターとの間に設けられる。

ローターが軸又はアクスル（軸）の機械要素の１つとの連結がないとき有利であることが照明された。かくして、ローターには、また、これらの機械要素がない。本特許出願の範囲内ないで、用語「軸」は、ローターの回転運動及びトルクを伝達するために、及びローターの軸受けのために使用されるロッド形機械要素を意味すると理解される。アクスルは、トルクを伝達しないロッド形機械要素を意味すると理解される。ローターは、定置リングで案内されるから、ロッドの形態のローター軸又はローターアクスルを不要にする。したがって、ローターにかかる機械的負荷は、軸又はアクスルに伝達されず、そのかわり、大きな直径を有する定置リングにわたって分配される。

本発明の１つの特に好ましい実施形態では、ローターは、複数のローラー軸受け又は転がり要素を介して定置リングで支持されたローターリングを含む。転がり要素は、ホィール又はローラーとして設計される。風力タービンで必然的に起こる高い機械的負荷は、本発明による風力タービンでは定置リングの円周にわたって分配される。したがって、負荷は、たった数個のローラー軸受けによって吸収させる必要はなく、その代わり、多くの小さいローラー軸受けにわたって分配される。ローラー軸受けの転がり要素は、円筒体，ローラー，ドラム，球体，円錐体などである。

本発明の１つの実施形態では、ローターは、磁力によって浮動方法で定置リングで支持されたローターリングを含む。浮動磁気軸受けは、特に高い機械的負荷に有利である、何故ならば、この軸受け概念は、機械的磨耗を受けないからである。かくして、高い資本的費用は急速に償却される。

本発明は、好ましくは、発電機がローラー軸受けに組み込まれ又はローラー軸受けは、発電機に機械的に連結される点で特徴づけられる。かくして、電気エネルギーへの変換のために、たった１個の発電機をしようしないことが可能であり、しかし、むしろ、多くの小さい発電機をローラー軸受けに連結することが可能である。これは、ローラー軸受けが、とにかく存在するから、ローターリングへの結合が大変容易に確立される利点を有する。他の利点は、風力状態に応じて、発電機を容易に接続したり外したりすることである。

ローターの回転運動をローラー軸受けに伝達する少なくとも１つの円周トラックが円周方向にローターに固定される時有利であることが証明された。この理由のために、ローターリングは、転がり要素が転がる正確に機械加工された走行面を要求しない。円形であるレールは、容易にかつ費用効果的に製造でき、ローターリングに迅速に組み込まれる。

他の好ましい実施形態では、ローターの直径対ローターブレードの長さの比は、１：２，好ましくは、１：１．５， 特に好ましくは、１：１である。これらの比から生じるローターリングの比較的大きい直径にも関わらず、風力を利用するための面は、同じローター直径を有する在来の風力タービンの場合よりも１０％小さいだけである。大きなローターリングは、高い機械的負荷を特によく吸収することができる。ローターリングの好ましい寸法は、例えば、５０ｍのローターブレードの長さに対して５０ｍである。

大きなローターリングのために、３つのローターブレードを有する本発明による風力タービンは、その機械的限度に押されないから、３つ以上のローターブレードを使用してもよく、及び又は、ローターブレードの長さを増大させてもよい。かくして、本発明による風力タービンは、電力の２０メガワットまで出すことができることが考えられる。

ローラー軸受けの少なくとも２つの円形レールが、大きなローターによって引き起こされる機械的負荷をより良く分配することができるために定置リングに有利に設置される。

本発明の他の好ましい実施形態では、発電機のコイルは、定置リングに設置される。かくして、発電された電流の取り出しは、特に容易であり、滑りコネクターを不要にする。

逆に、発電機の磁石がローターに設置されるときに有利である。特に、磁石が永久磁石であるとき、ローターは、風力タービンの静的部分との線接続を必要とせず、それによって、設計を簡単にする。

発電機によって発生された電気エネルギーが定置リングで取り出されるとき有利である。不動部品での電流の取り出しは特にローターリングのような移動部品が非常に大きいとき、移動部品での取り出しよりも容易である。

タワー及びクロス部材を有するＴ形直立材を有利に含む支持構造体の結果として、定置リングは、クロス部材の端部に固定され、定置リングは、支持構造体に信頼性を持って保持され、それにもかかわらず、支持構造体の風圧抵抗は低い。

クロス部材は、有利には、タワーの長手方向軸線を中心に回転でき、そのため、風にしたがって、風力タービンを回す。

ローターリングが定置リングにその外側に設置される時有利であることが証明された。ローターリングは、定置リングに取り付けられ、そして、例えば、軸受けの保守作業中、定置リングから取り外される。

更なる利点及び特徴は、概略図を参照して、本発明の１つの例示態様の以下の説明から生じる。

風力タービンの全体の等角投影図である。 定置リングと一緒に支持構造体の等角投影図である。 定置リング上で回転する複数のローターブレードと一緒にローターの等角投影図である。 ローター軸受けを説明するために部分的に切除した図で風力タービンを示す。

図１及び４は、本発明による風力タービンの１つの実施形態を示し、風力タービンは、参照番号１１で全体が示されている。風力タービン１１は、ローター１３を含み、ローターは、定置リング１５の周りに回転できるように支持されている。定置リング１５は、Ｔ形直立体１７によって支持又は保持される。

ローター１３は、ローターリング１９及び複数のローターブレード２１を含む。ローターリング１９は、 好ましくは、ローターブレードの長さに本質的に相当する直径を有する。例えば、ローターリング１９の直径及びローターブレード２１の長さは、各々の場合、５０メートルである。ローターブレード２１の長さに対してローターリングの相当な直径にも関わらず、ローターリング１９の表面積は、ローターブレード２１の自由端によって定められた円形面積のたった１０％である。かくして、利用できる風力面は、ローターリング１９により僅かにだけ減少される。したがって、ローターブレード２１の長さは、利用できる風力面を著しく減少させることなく、関連技術の風力タービンのローターブレードの長さに比較して、ほぼ１／３減少されるにすぎない。かくして、本発明による風力タービンの材料費は、ローターブレードの材料費が低下するから著しく減少される。

ローターリング１９は、定置リング１５の外側で回転可能に案内される。軸受けは、図４に示すように、複数の転がり要素２３によって想定される。転がり要素２３は、定置リング１５の外側に設けられた凹みに回転可能に収容され、かつ定置リング１５に設けられた２つ又はそれ以上の同心のレールに位置される。転がり要素２３は、ローターリング１９の内側に設けた走行面上で直接滑り、又はガイドレール２５上で間接的に滑る。転がり要素２３は、ホイール，ローラー，ドラム、ピン及び他の回転的に対照なボディであるのがよい。ガイドレール２５は、ローターリングに固定的に連結され、そして、ローターリング１９の回転運動を転がり要素２３に移す。ローターブレードの重量から生じる高い機械的負荷は、在来の風力タービンの場合のように、中心軸受けによって受ける必要がなく、その代わり、複数の転がり要素２３に分配される。かくして、風力タービンの補修費を減少させる。風力タービン１１のローターブレードの長さを増大させることも考えられる、何故ならば、上記の寸法のため、転がり要素の負荷容量が、最大に達しないからである。

定置リング１５上のローターリング１９の軸受けは、ローターリングを定置リング１５上に浮遊させる磁気力により起こることも考えられる。

風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力タービン１１の発電機は、好ましくは、ローターリング１９と定置リング１５との間に設置される。誘導コイルに対する磁界の運動だけが発電機にとって重要であるから、発電機のステーターが、とにかく静止である定置リング１５に設置されるとき好まれる。発電機のローターは、有利には、ローターリング１９に設置される。滑り要素を使用する取り出しがローターリング１９でも起こるとしても、発生した電流の取り出しを簡単にするために、電流の取り出しが、定置リング１５で行なわれるとき好まれる。かくして、簡単な電流取り出しのために、発電機の磁石は、ローターリング１９に設置され、誘導コイルは、定置リング１５に設置される。

個々の発電機が転がり要素２３に組み込まれ、又は個々の発電機が転がり要素２３に機械的に連結されることも考えられる。風力に応じて、個々の発電機は、連結されてもよいし又は転がり要素２３による回転の伝達よって連結が外されてもよい。

関連技術の風力タービンは、通常、３つのローターブレードを有する。風力タービンのリング構造により、ローターブレードがより大きい機械的負荷に耐えることができるから、この数は、本発明による風力タービンでは増加させてもよい。

Ｔ形直立体は、タワー２７及びクロス部材２９を含む。定置リング１５は、クロス部材２９の端に設置される。十分に安定な取り付け及び、同時に、好ましくは、低風圧抵抗はこの方法で達成される。

定置リング１５及びローターリング１９を設けることにより、機械的な力は、分散化され、関連技術の風力タービンの場合のように、回転軸線の中心箇所に作用しない。機械的な力は複数の転がり要素にわたって分配される。

１１ 風力タービン
１３ ローター
１５ 定置リング
１７ 直立支持構造体
１９ ローターリング
２１ ローターブレード
２３ 転がり要素，ローラー軸受け
２５ ガイドレール
２７ タワー
２９ クロス部材

Claims (15)

1. 支持構造体（１７）、
   １つ又は複数のローターブレード（２１）を含み、回転軸線を中心に自由に回転できるように支持構造体（１７）に設置されたローター（（１３）、及び
   ローター（１３）に連結され、ローター（１３）が回転しているとき、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機、を含む風力タービン（１１）において、
   支持構造体（１７）は、定置リング（１５）を含み、ローター（１３）が定置リングで回転可能に案内され、発電機のステーターが定置リング（１５）に設置される、風力タービン。
2. ローター（１３）は、軸の機械要素の１つとの連結がない、請求項１に記載の風力タービン。
3. 発電機は、定置リング（１５）とローター（１３）との間に設けられる、請求項１又は２に記載の風力タービン。
4. ローター（１３）は、複数のローラー軸受け又は転がり要素（２３）を介して定置リング（１５）で支持されたローターリング（１９）を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力タービン。
5. ローター（１５）は、磁力によって定置リング（１５）で浮動方法で支持サレタナー風力タービンリング（１９）を含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力タービン。
6. 発電機は、ローラー軸受け（２３）に組み込まれ、又はローラー軸受け（２３）が発電機に機械的に連結される、請求項４に記載の風力タービン。
7. ローター（１３）の回転運動をローラー軸受け（２３）に伝達する少なくとも１つの円周リング（２５）がローター（１３）に円周方向に固定される、請求項４又は６に記載の風力タービン。
8. ローターの直径対ローターブレードの長さの比は、１：２，好ましくは、１：１．５， 特に好ましくは、１：１である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の風力タービン。
9. ローターブレード（２１）の数は、少なくとも３である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の風力タービン。
10. ローラー軸受け（２３）の２つの円形トラックは、定置リング（１５）に設置される、請求項４又は６に記載の風力タービン。
11. 発電機のコイルは定置リング（１５）に設置される、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の風力タービン。
12. 発電機の磁石は、ローター（１３）に設置される、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の風力タービン。
13. 発電機で発生された電気エネルギーは、定置リング（１５）で取り出される、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の風力タービン。
14. 支持構造体は、タワー（２７）及びクロス部材（２９）を有するＴ形直立体（１７）を含み、定置リング（１５）は、クロス部材（２９）の端に設置される、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の風力タービン。
15. ローターリング（１９）は、定置リング（１５）にその外側に設置される、請求項４乃至１４のいずれか１項に記載の風力タービン。

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