KR101205483B1 - 풍력 발전 장치의 풍차 및 풍력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

풍력 발전 장치(1)의 풍차(3)로서, 부세 수단(34)과 추 부재(35)와 링크 기구(37)에 의해, 미풍시에 회전하기 쉽도록 블레이드(30)의 각도(θ)를 바람과 평행에 가깝게 하는 제 1 단계와, 풍속이 증가했을 때에 고속 회전으로 되기 쉽도록 블레이드(30)의 각도(θ)를 바람과 직교에 가깝게 하는 제 2 단계와, 강풍시에 과회전이 방지되도록 바람과 직교에 가까운 것으로부터 바람과 평행에 가깝게 블레이드(30)가 되돌려지는 제 3 단계로 하는 3단계로, 블레이드의 각도(θ)를 가변시킨다. 이것에 의해, 전기 제어를 필요로 하지 않고, 풍속에 따라 자율적으로 회전속도가 제어됨과 아울러, 그 자율적인 회전속도 제어에 의해, 시동성이 우수하고, 게다가 과잉 회전을 억제할 수 있는 풍력 발전 장치의 풍차 및 그것을 구비한 풍력 발전 장치를 저비용으로 제공한다.

Description

풍력 발전 장치의 풍차 및 풍력 발전 장치{WINDMILL FOR WIND POWER GENERATOR AND WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력 발전 장치의 풍차 및 그 풍차를 구비한 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

최근, 지구환경의 보전을 위해, 재생가능 에너지를 사용한 발전 방법으로서 이산화탄소 등의 온실효과 가스를 배출하지 않는 풍력 발전이 주목받고 있다(예를 들면, 특허문헌 1등).

일본 특개 2004-239113호 공보

(발명의 개요)

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그런데, 풍력 발전은, 풍속이 늘어났을 때의 과잉한 회전 상승은 풍차의 고장?파괴로 이어질 가능성이 있기 때문에, 이것을 억제하는 수단이 필요하게 된다. 예를 들면, 브레이크 등을 사용하여 감속시키는 기술 등이 이미 존재하고 있다. 그렇지만, 이 경우에는 브레이크 기구뿐만 아니라 그것을 제어하는 제어 장치도 필요하게 되어, 비용면에 과제가 남는다. 또한 정전시에 대비한 구성을 채용할 필요도 있으므로, 더 한층의 고비용화는 피할 수 없다.

한편으로, 과잉한 회전에 도달한 경우와는 반대로, 풍차의 회전의 개시시에도 과제가 있다. 풍차의 회전이 정지 또는 거의 정지한 상태에서는, 풍차를 회전시키기 위한 필요 토크가 크기 때문에, 최근에는, 그 시동성의 개선에 대해서도 요구되고 있다. 예를 들면, 회전 개시시의 기어를 저속 기어로 하고, 회전이 증가함에 따라 고속 기어로 바꾸어 가는 제어에 의해 개선하는 것은 용이하지만, 과잉 회전을 억제하는 경우와 마찬가지로, 기어 기구 및 그 제어 장치, 게다가 정전시에 대비한 구성도 필요하게 되기 때문에, 비용면에 과제가 남는다.

본 발명의 과제는, 전기 제어를 필요로 하지 않고, 풍속에 따라 자율적으로 회전속도가 제어됨과 아울러, 그 자율적인 회전속도 제어에 의해, 시동성이 우수하고, 게다가 과잉 회전을 억제할 수 있는 풍력 발전 장치의 풍차 및 그것을 구비한 풍력 발전 장치를 저비용으로 제공하는 것에 있다.

(과제를 해결하기 위한 수단 및 발명의 효과)

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 풍력 발전 장치의 풍차는,

풍력을 받아 소정의 회전축 둘레를 일정 회전 방향으로 회전하는 풍력 발전 장치의 풍차로서,

회전축의 회전축선 방향으로부터의 풍력을 받아 회전하도록 이 회전축 둘레에 2 이상 설치되고, 이 회전축에 대하여 직경 방향 외측 방향으로 연장되는 날개와,

날개가 풍력을 받은 경우에 그 수풍(受風)면의 폭 방향이 바람과 평행에 가깝게 되도록 압력을 받는 형태로, 게다가 그 수풍면의 폭 방향과 회전축의 회전축선 방향이 이루는 각도가 가변 가능하게 되는 형태로, 회전축에 대하여 고정되는 날개 고정부와,

풍력이 소정의 미풍 레벨을 밑도는 경우에, 그 풍력을 받는 날개를 폭 방향이 바람과 가장 평행에 가깝게 되는 소정의 초기 회전용 각도 위치에 부세(付勢: bias) 유지하는 부세 수단과, 풍력이 미풍 레벨을 상회한 경우에, 원심력이 날개에 가해지는 그 풍력에 의한 압력과 부세 수단의 부세력을 이겨냄으로써 스스로를 외측으로 변위시키면서 날개가 바람과 직교에 가깝게 가변하도록 링크 기구를 통하여 날개에 연결하는 추 부재를 구비하고, 풍력이 소정의 강풍 레벨에 도달한 경우에는, 날개를 폭 방향이 바람과 가장 직교에 가깝게 되는 소정의 고속 회전용 각도 위치에 도달시킴과 아울러, 풍력이 그 강풍 레벨을 더욱 상회한 경우에는, 그 풍력에 의한 압력과 부세 수단의 부세력이 원심력을 이겨내고 추 부재를 내측으로 되돌림으로써, 날개를 폭 방향이 바람과 평행에 가깝게 복귀시키는 날개각도 조정 기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 날개의 수풍면의 폭 방향이 바람과 평행에 가깝다는 것은 날개의 수풍면의 폭 방향과, 수풍 방향(즉 회전축의 축선 방향)이 이루는 각이 작은 쪽으로 근접한다는 의미이며, 날개의 수풍면의 폭 방향이 바람과 직교에 가깝다는 것은 날개의 수풍면의 폭 방향과, 수풍 방향에 직교하는 면(즉 회전축의 축선 방향에 대한 직교면)이 이루는 각이 작은 쪽으로 근접한다는 의미이다.

상기 본 발명의 구성에 의하면, 날개의 수풍면의 폭 방향과 회전축의 회전축선 방향이 이루는 각도 변화를, 모터 등의 전동기의 동력을 이용하지 않고, 날개의 회전속도에 따라 자율적으로 제어할 수 있기 때문에, 예를 들면, 정전시 등에 있어서도 안전하게 발전을 계속할 수 있다.

또한 상기 본 발명의 구성에 의하면, 풍차의 회전속도가 증가할수록 제동이 걸려서 과잉 회전이 방지되는 간이한 자립적 제어가 아니고, 풍력에 따른 최적의 회전상태를 얻을 수 있다. 즉, 풍력이 미풍 레벨인 경우에 풍차가 회전하기 쉽도록 날개의 수풍면의 폭 방향이 바람과 평행에 가깝게 되어 고토크?저속 회전상태가 되는 제 1 단계(로 기어 단계)와, 그것으로부터 풍력이 증가하여 추 부재가 원심력에 의해 외측으로 변위함으로써, 링크 부재를 통하여 부세 수단의 부세력에 저항하여 날개의 수풍면의 폭 방향이 바람과 직교에 가깝게 되어, 저토크?고속 회전상태가 되는 제 2 단계(탑 기어 단계)와, 더욱 풍력이 증가하여 각 날개가 받는 풍압이 추 부재의 원심력을 이겨내어, 그 풍력이 웨이트 부재를 어느 정도 되돌림으로써, 날개의 수풍면의 폭 방향을 바람과 평행에 가깝게 복귀시키는 제 3 단계가 존재한다. 이것에 의해, 제 1 단계의 미풍시에는 가속회전 성능이 높고, 또한 미풍시로부터 강풍시에 이르기까지의 제 2 단계시에는, 보다 회전하기 쉬운 상태, 보다 회전속도를 증대시킬 수 있는 상태로 변화되어 가고, 또한 소정의 강풍 레벨을 초과한 제 3 단계시에는, 날개의 과잉 회전을 풍량에 따라 억제해 갈 수 있다. 또한, 제 3 단계는, 웨이트 부재에 작용하는 원심력에 의해 날개의 수풍면의 폭 방향을 바람과 직교에 가깝게 하는 힘과, 풍력에 의해 날개의 수풍면의 폭 방향을 바람과 평행에 가깝게 하는 힘이 균형이 잡힌 상태이며, 그 균형에 의해, 날개의 수풍면의 폭 방향과 회전축의 회전축선 방향이 이루는 각도가 자동적으로 정해진다.

상기 본 발명에 있어서의 날개 고정부는 날개의 연장 방향으로 뻗는 회전 지지축과, 이 회전 지지축의 축선 둘레에서 상호 이루는 각도를 가변 가능하게 한 2개의 고정부를 갖은 경첩 부재이며, 일방의 고정부가 날개에 고정되고, 타방의 고정부가 회전축측과 일체 회전 가능하게 고정되는 용도로 구성할 수 있다. 이 경우, 회전 지지축은, 날개가 폭 방향에 있어서의 제1측의 단부측을 중심으로 타방의 제2측의 단부측이 회전하도록, 제1측의 단부측에 설치되어 있으면 좋다. 본 발명에서는, 날개의 폭 방향을 바람과 평행에 가깝게 하거나 바람과 직교에 가깝게 변경하기 위하여 고려되는 힘으로서 날개의 수풍면이 받는 풍력이 포함된다. 회전 지지축이 날개의 폭 방향에 있어서의 일방의 단부에 치우쳐서 설치되어 있지 않으면, 회전 지지축에 대하여 일방의 단부측에서 받는 풍력과 타방의 단부측에서 받는 풍력이 서로 상쇄되기 때문에, 많은 낭비가 생겨 버리지만, 단부측에 설치됨으로써 그 낭비를 없앨 수 있다.

상기 본 발명에 있어서의 추 부재는 날개의 폭 방향에 있어서의 외주측의 단부측에 대하여 링크 결합되는 것으로 할 수 있다. 이것에 의해, 추 부재에 의한 날개 고정부의 가동이 용이하게 된다.

상기 본 발명에 있어서의 추 부재는 복수인 날개마다 설치되고, 각각이 회전축과 일체 회전 가능하게 설치되는 한편, 그들 추 부재는 내외로의 변위에 따라 회전축에 대하여 슬라이드 이동하도록 링크 기구를 통하여 공통의 연결 부재에 대하여 연결함으로써, 각 날개의 각도는, 그들 추 부재의 내외로의 이동에 따라 슬라이드 이동하는 연결 부재의 회전축 위의 위치에 따라, 서로 동기하여 동일 각도가 되는 형태로 변화되도록 구성할 수 있다. 이 구성에 의하면, 모든 날개에 있어서의 수풍면의 폭 방향과 회전축의 회전축선 방향이 이루는 각도가 환상 연결 부재의 슬라이드 변위방향 및 슬라이드 변위량에 의해 결정되는 구성이 되므로, 복수인 날개에 의한 회전 밸런스를 잡기 쉬워진다.

상기 본 발명에 있어서의 각 날개 고정부는, 회전축과 일체 회전 가능하게 고정된 공통의 고정 부재를 통하여 회전축에 대하여 고정되어 있고, 부세 수단은, 고정 부재와 연결 부재 사이에서 회전축선 방향으로 부세력을 생기게 하도록 설치할 수 있다. 이것에 의해, 각 날개 하나하나에 대하여 각각에 부세 수단이 부세력을 부여하는 구성으로 하면, 각 날개에 부여되는 부세력에 치우침이 생길 가능성이 있지만, 각 날개가 공통의 고정 부재에 고정되고, 그 고정 부재에 대하여 부세 수단이 설치되어 있으면, 각 날개에 대하여 공통의 부세력을 부여할 수 있기 때문에, 각 날개의 상기 각도를 통일되게 할 수 있다.

상기 본 발명에 있어서의 날개각도 조정 기구는, 풍력이 미풍 레벨을 밑도는 경우에, 그 풍력을 받는 날개를, 폭 방향이 바람과 평행에 가까운 측이 되도록, 부세 수단에 의해 부세하면서, 날개를 포함하는 이 날개의 각도의 변화에 연동하여 동작하는 가동구조체에 맞닿음 부재를 맞닿게 하여 그 동작을 멈춤으로써, 초기 회전용 각도 위치에 위치 유지하는 것인 한편, 풍력이 강풍 레벨을 더욱 상회한 경우에는, 가동구조체가 맞닿음 부재에 맞닿는 초기 회전용 각도 위치까지 위치 복귀 가능하게 구성할 수 있다. 이 구성에 의하면, 맞닿음 부재에 의해 바람과 평행에 가까운 측에 있어서의 날개의 회전 한도 위치가 물리적으로 정해지기 때문에, 초기 회전용 각도 위치가 흔들릴 염려가 없다. 또한 이 경우, 맞닿음 부재 및 가동구조체의 맞닿음면 중 적어도 일방에 탄성 부재가 설치되어 있으면, 맞닿음시의 충격을 흡수하여, 풍차의 장기 수명화를 도모할 수 있다.

상기 본 발명에 있어서, 상기한 연결 부재와 고정 부재 양쪽을 구비하는 경우에, 각 날개 고정부는 회전축과 일체 회전 가능하게 고정된 공통의 고정 부재를 통하여 회전축에 대하여 고정되어 상기의 맞닿음 부재로서 기능하는 한편, 연결 부재는 날개의 폭 방향이 바람과 평행에 가깝게 됨에 따라 고정 부재에 접근하도록 링크 기구와 접속하여 상기의 구조체로서 기능하고, 고정 부재 및 연결 부재의 어느 한쪽 또는 양쪽에는, 타방의 부재를 향하여 연장되는 연장부가 형성되고, 그 연장부에 있어서의 타방의 부재측의 선단이 그 타방의 부재에 대하여 맞닿음으로써, 날개가 초기 회전용 각도 위치에 위치 유지되도록 구성할 수 있다. 각 날개 하나하나에 대하여 맞닿음 부재를 설치하기보다도, 상기한 연결 부재나 고정 부재에 설치함으로써 모든 날개의 초기 회전용 각도 위치를 공통적으로 정하는 것이 용이하게 된다.

또한 풍력 발전은, 풍속의 변동에 따라 발전 출력이 변동하기 때문에, 안정하지 않는다고 하는 과제가 있어, 풍력 발전에 있어서의 불안정한 발전 출력을 보다 안정화할 수 있는 풍력 발전 장치의 제공이 요구되고 있다.

이에 반해 본 발명의 풍력 발전 장치는, 이미 기술한 구성을 갖는 본 발명의 풍차에 더하여,

회전축과 동축을 이루고, 또한 일정 회전 방향에서, 회전축이 증속하고 있는 경우에는 이 회전축과 일체 회전 상태로 되어 자신도 증속 회전하고, 회전축이 감속하고 있는 경우에는 이 회전축으로부터 분리되어 관성 회전하도록 1방향 클러치를 통하여 배치되는 플라이휠과,

플라이휠과 동축을 이루고 일체 회전하도록 배치된 로터를 갖고, 플라이휠의 회전에 수반되는 이 로터의 회전에 의해 전력을 생성하는 발전 수단

을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명의 풍력 발전 장치의 구성에 의하면, 발전 수단에 의해 발전되는 전력이 플라이휠에 축적된 안정적인 회전 에너지에 기초하여 생성되는 것이므로 출력이 안정되어 있기 때문에, 비교적 안정한 발전 출력을 얻을 수 있다.

또한 풍차의 감속시에는 플라이휠과 풍차의 회전축이 분리되기 때문에, 플라이휠은 관성 회전 상태가 된다. 즉, 플라이휠측의 감속 요소가 대폭 줄기 때문에, 보다 장시간의 회전 계속이 가능하게 되고, 그동안, 발전 수단으로부터는 경시적으로 완만한 감쇠는 생기지만 안정한 발전 출력을 얻을 수 있다.

또한 풍차의 증속시에는, 풍차의 회전축과 플라이휠이 일체 회전 상태가 되어 플라이휠에 회전에너지가 축적되므로, 그 후, 풍차가 감속했다고 해도, 증속시에 축적된 회전에너지에 의해 발전 수단으로부터는 안정한 발전 출력을 축적한 분량만큼 오래 계속적으로 연속해서 얻을 수 있다.

또한 추 부재에도, 플라이휠과 마찬가지로 회전에너지가 축적되게 되기 때문에, 보다 장시간의 회전 계속이 가능하게 된다.

상기 본 발명의 풍력 발전 장치에 있어서, 발전 수단을 제 2 발전 수단으로 하고, 제 1 발전 수단으로서 풍차의 회전축과 동축을 이루고 일체 회전하도록 배치된 로터를 갖고, 회전축의 회전에 수반되는 이 로터의 회전에 의해 전력을 생성하는 제 2 발전 수단과는 상이한 발전 수단과, 제 1 발전 수단과 제 2 발전 수단에 의해 생성된 양쪽 또는 어느 한쪽의 전력을 외부 출력하는 출력 수단을 구비하도록 구성할 수 있다.

상기 본 발명의 풍력 발전 장치의 구성에 의하면, 제 1 발전 수단에 의해 발전되는 전력은 풍차가 받은 풍력에 따라 크게 변동하지만, 제 2 발전 수단에 의해 발전되는 전력은 플라이휠에 축적된 안정적인 회전에너지에 기초하여 생성되는 것이므로 출력이 안정되어 있어, 예를 들면, 이들 제 1 발전 수단과 제 2 발전 수단에 의한 양쪽의 발전 전력이 중첩된 형태로 출력되면, 제 1 발전 수단에 의한 발전 전력의 불안정은 완화되어 전체적으로 비교적 안정한 발전 출력을 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 전기 제어를 필요로 하지 않고, 풍속에 따라 자율적으로 회전속도가 제어됨과 아울러, 그 자율적인 회전속도 제어에 의해, 시동성이 우수하고, 게다가 과잉 회전을 억제할 수 있는 풍력 발전 장치의 풍차 및 그것을 구비한 풍력 발전 장치를 저비용으로 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 1실시형태인 풍력 발전 장치로서, 블레이드 및 허브를 배면측에서 본 도면.
도 2a는 도 1의 부분 확대평면도.
도 2b는 도 2a의 A-A 단면도.
도 2c는 도 2a의 B-B 단면도.
도 2d는 도 2b의 동작도.
도 2e는 도 2c의 동작도.
도 3은 도 1의 풍차를 가진 풍력 발전 장치의 부분 단면도이며, 추 부재가 직경 방향 내측에 위치한 상태를 도시하는 도면.
도 4는 도 3의 부분 확대도.
도 5는 도 1의 풍차를 가진 풍력 발전 장치의 부분 단면도이며, 추 부재가 직경 방향 외측에 위치한 상태를 도시하는 도면.
도 6은 도 5의 부분 확대도.
도 7은 도 4의 상태를 간략적으로 도시한 모식도.
도 8은 도 4를 평면에서 본 상태를 간략적으로 도시한 모식도.
도 9는 도 6의 상태를 간략적으로 도시한 모식도.
도 10은 도 6을 평면으로 본 상태를 간략적으로 도시한 모식도.
도 11은 도 1의 실시형태에 있어서의 블레이드의 회전동작을 간략적으로 설명하는 모식도.
도 12는 도 1의 실시형태를 적용 가능한 본 발명의 풍력 발전 장치의 위치 실시형태를 간략적으로 도시하는 외관도.
도 13은 도 12의 풍력 발전 장치의 전기적 구성을 간략적으로 도시하는 블럭도.
도 14a는 도 12의 풍력 발전 장치의 출력부의 전기적 구성의 일례를 간략적으로 도시하는 블럭도.
도 14b는 도 14a의 변형예를 간략적으로 도시하는 블럭도.
도 15는 도 12의 풍력 발전 장치에 있어서의 풍차 부분을 간략적으로 도시하는 확대 단면도.
도 16은 도 12의 풍력 발전 장치에 있어서의 지주 부분의 확대 단면도.
도 17은 도 12의 풍력 발전 장치에 있어서의 발전 케이스체 내부를 확대한 확대 단면도.
도 18은 본 발명의 풍력 발전 장치의 도 12와는 상이한 실시형태이며, 그 실시형태에 있어서의 발전 케이스체 내부를 확대한 확대 단면도.
도 19는 본 발명의 다른 실시예의 측면도.
도 20은 도 19의 정면도.
도 21은 도 19의 배면도.
도 22는 도 19의 후방측 사시도.
도 23은 도 19의 전방측 사시도.
도 24는 도 19의 측면 단면도(측면 투시도).
도 25는 도 19의 풍도 케이스(200) 부분의 바닥면 투시도.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명의 풍력 발전 장치의 풍차, 및 그 풍차를 사용한 풍력 발전 장치의 1실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서 블레이드 및 허브를 배면측에서 본 도면으로, 도 2a ~ 도 2e는 그 부분 확대도이다. 도 3은 도 1의 풍차(3)를 가진 본 실시형태의 풍력 발전 장치의 부분 단면도이고, 도 4는 그 부분 확대도이며, 양쪽 모두, 후술하는 추 부재(35)가 내측에 위치하고 있다. 도 5는 도 1의 풍차를 가진 본 실시형태의 풍력 발전 장치의 부분 단면도이고, 도 6은 그 부분 확대도이며, 양쪽 모두, 후술하는 추 부재가 외측에 위치해 있다.

도 1에 도시하는 본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)의 풍차(3)는 풍력을 받아 소정의 회전축(2)의 둘레를 일정 회전 방향으로 회전하는 것으로, 이 회전축(2)의 둘레에 2개 이상 설치되는 블레이드(날개)(30)와, 이 블레이드(30)를 그 수풍면(30w)(도 11 참조)의 폭 방향(W)과 회전축(2)의 회전축선(2x)의 방향이 이루는 각도(θ)가 가변 가능하게 되는 형태로 회전축(2)에 대하여 고정되는 날개 고정부(33)와, 이 블레이드(30)의 각도(θ)를 풍력이 소정의 미풍 레벨을 밑도는 경우에 바람과 가장 평행에 가깝게(바람 평행 방향(X) 근처: 수풍 방향(2w) 근처) 되는 소정의 초기 회전용 각도 위치(A)로서 가속회전하기 쉽도록 하는 제 1 단계(회전 개시 단계)와, 풍력이 소정의 미풍 레벨을 초과한 경우에 바람과 직교에 가깝게(바람 직교면(Y) 근처) 가변하여 보다 고속 회전이 되기 쉽도록 하는 제 2 단계(고속 회전단계)와, 풍력이 소정의 강풍 레벨을 초과한 경우에 바람과 직교에 가까운 것으로부터 바람과 평행에 가깝게 되돌려서 과회전이 방지되도록 하는 제 3 단계(과잉 회전 방지 단계)로 하는 풍력에 따른 각 단계를 갖고, 그들 각 단계를 행하는 형태로, 풍력에 따라 자립적으로 가변하도록 조정하는 각도 조정 기구(300)(도 13 및 도 5 참조)를 구비하여 구성된다.

본 실시형태의 풍차(3)는, 도 3 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 수풍 방향(2w)이 회전축(2)의 회전축선(2x)의 방향과 일치하고 있다. 풍차(3)는 이 수풍 방향(2w)으로부터 풍력을 받음으로써 일정 방향으로 회전하도록 배치되는 복수의 블레이드(30)와, 그들 복수의 블레이드(30)를 회전축(2)과 일체 회전 가능하게 연결(접속)하는 허브(22)를 구비하여 구성된다.

블레이드(30)는 수풍면(30w)(도 11 참조)이 수풍 방향(2w)에 대하여 교차하도록 배치되어 있고, 회전축(2)의 회전축선(2x)의 방향으로부터의 풍력을 받아 회전한다. 블레이드(30)는 회전축선(2x)의 둘레에 소정 간격 주기로 2개 이상 설치되고(여기에서는 동일한 간격 주기로 3매), 각각이 회전축(2)에 대하여 직경 방향 외측 방향으로 연장된다.

허브(22)는, 도 4 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 회전축(2)에 대하여 일체 회전하는 형태로 고정되는 축 고정부(고정 부재)(221)와, 각 블레이드(30)를 축 고정부(221)에 고정하는 블레이드 고정부(날개 고정부)(33)를 갖는다. 이것에 의해 각 블레이드(30)는 대응하는 블레이드 고정부(33)에 의해 축 고정부(221)(도 1 및 도 2a ~ 도 2e 참조)에 고정되어, 회전축(2)과 일체로 회전한다.

축 고정부(221)는, 도 4 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 원반 형상을 이루는 환상의 전단부(221A)와, 그 전단부(221A)의 중심부가 회전축(2)의 수풍 방향 하류측으로 연장된 통 형상의 후단부(221B)를 가진 형상을 이룬다. 축 고정부(221)는 수풍 방향 상류측에서 회전축(2)이 삽입통과되어 있고, 그것들이 체결 부재에 의해 상호 일체로 회전하도록 고정되어 있다.

블레이드 고정부(33)는, 도 4 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 복수인 블레이드(30)마다 설치되고, 대응하는 블레이드(30)가 풍력을 받은 경우에 그 수풍면(30w)의 폭 방향(W)이 바람과 평행에 가깝게 되도록 압력(FW)(도 11 참조)을 받는 형태로, 게다가 이 폭 방향(W)과 회전축선(2x)의 방향이 이루는 각도(θ)가 가변 가능한 형태로, 공통의 축 고정부(고정 부재)(221)에 고정된다. 이것에 의해, 각 블레이드 고정부(33)는 회전축(2)과 일체 회전 가능하게 고정된 공통의 축 고정부(고정 부재)(221)를 통하여 회전축(2)에 대하여 일체로 고정된다.

본 실시형태의 블레이드 고정부(33)는 블레이드(30)의 연장 방향으로 연장되는 회전 지지축(33Z)과, 이 회전 지지축(33Z)의 축선(33z)(도 2a ~ 도 2e 참조) 둘레에서 상호가 이루는 각도를 가변 가능하게 한 쌍을 이루는 2개의 고정부(33A, 33B)를 가진 경첩 부재이다. 일방의 고정부(33A)는, 블레이드 부착 부재(330)를 사이에 둔 형태로, 블레이드(30)에 대하여 체결 부재에 의해 일체로 고정된다. 타방의 고정부(33B)는 회전축(2)측의 축 고정부(221)에 대하여 동일하게 체결 부재에 의해 일체로 고정되고, 이것에 의해 블레이드 고정부(33) 전체가 축 고정부(221)와 일체 회전 가능하게 된다.

본 실시형태의 블레이드 부착 부재(330)는, 도 2a ~ 도 2e에 도시하는 바와 같이, 블레이드(30)를 끼워 지지하기 위한 쌍을 이루는 평행판부(330A, 330A)와, 이것들을 직교하는 형태로 결합하는 직교 결합부(330B)를 가지고 구성되고, 평행판부(330A, 330A)에 끼워진 블레이드(30)가 체결 부재에 의해 일체로 고정된다. 도 2a는 도 1에 있어서의 1개의 플레이트 고정부를 확대한 부분 단면도이며, 도 2b 및 도 2d는 도 2a의 A-A 단면, 도 2c 및 도 2e는 도 2a의 B-B 단면을 간략적으로 도시한 모식도이다. 단, 도 2b 및 도 2c와, 도 2d 및 도 2e에서는 블레이드(30)의 폭 방향(W)과 회전축선(2x)의 방향이 이루는 각도(θ)가 상이하고, 도 2b 및 도 2c는 블레이드(30)가 바람과 직교에 가까운 상태, 도 2d 및 도 2e는 블레이드(30)가 바람과 평행에 가까운 상태를 도시하고 있다. 도 2a ~ 도 2e에서는, 블레이드 고정부(33)의 고정부(33A)가 직교 결합부(330B)에 대하여 체결 고정되고, 블레이드(30)가 평행판부(330A, 330A)와 함께 회전 지지축(33Z)의 축선(33z) 둘레로 회전 가능하게 되어 있다. 다른 한편, 블레이드 고정부(33)의 고정부(33B)는 축 고정부(221)에 대하여 체결 부재에 의해 직접 고정되어 있다.

회전 지지축(33Z)은, 도 8 및 도 10에 도시하는 바와 같이, 블레이드(30)가 폭 방향(W)에 있어서의 제1측의 단부(30A)측을 중심으로 하고, 타방의 제2측의 단부(30B)측이 회전하도록, 제1측의 단부(30A)측에 치우친 위치에 설치되어 있다. 본 실시형태에서는, 제1측의 단부(30A)가 축선(33z)에 대하여 내주측이 되고, 제2측의 단부(30B)가 외주측으로 되어 있고, 여기에서의 회전 지지축(33Z)은 제1측의 단부(30A)측의 끝가장자리 위치보다도 외측에 축선(33z)이 위치해 있다.

각도 조정 기구(300)는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 풍력이 소정의 미풍 레벨을 밑도는 경우에, 그 풍력을 받는 블레이드(30)를 폭 방향(W)이 바람과 가장 평행에 가깝게(바람과 평행 방향(X) 근처) 되는 소정의 초기 회전용 각도 위치(A)로 부세 유지하는 부세 수단(34)(도 4 및 도 6 참조)과, 풍력이 그 미풍 레벨을 상회한 경우에, 원심력(FA)이 블레이드(30)에 가해지는 그 풍력에 의한 수풍면(30w)에 대한 압력(FW)과 부세 수단(34)의 부세력(FB)을 이겨냄으로써 스스로를 외측으로 변위시키면서 블레이드(30)가 바람과 직교에 가깝게(바람 직교면(Y) 근처) 가변하도록 링크 기구(37)(도 4 및 도 6 참조)를 통하여 블레이드(30)에 연결하는 추 부재(35)(도 4 및 도 6 참조)를 구비하고, 풍력이 소정의 강풍 레벨에 도달한 경우에는, 블레이드(30)를 폭 방향(W)이 바람과 가장 직교에 가깝게 되는 소정의 고속 회전용 각도 위치(B)에 도달시킴과 아울러, 풍력이 그 강풍 레벨을 더욱 상회한 경우에는, 그 풍력에 의한 압력(FW)과 부세 수단(34)의 부세력(FB)이 원심력(FA)을 이겨내고 추 부재(35)를 내측으로 되돌림으로써, 블레이드(30)를 그 폭 방향(W)이 바람과 평행에 가깝게 되도록 복귀시킨다.

또한, 본 발명에 있어서, 블레이드(30)의 수풍면(30w)의 폭 방향(W)이 바람과 평행에 가깝다는 것은 블레이드(30)의 수풍면(30w)의 폭 방향(W)과 수풍 방향(2w)(즉 회전축(2)의 회전축선(2x)의 방향, 즉 바람 평행 방향(X))이 이루는 각(θ)이 작은 쪽에 근접한다는 의미이며, 블레이드(30)의 수풍면(30w)의 폭 방향(W)이 바람과 직교에 가깝다는 것은 블레이드(30)의 수풍면(30w)의 폭 방향(W)과 수풍 방향(2w)에 직교하는 면(Y)(즉 회전축(2)의 회전축선(2x)의 방향에 대한 직교면(Y))이 이루는 각이 작은 쪽에 근접한다고 하는 의미이다.

이하, 본 실시형태의 각도 조정 기구(300)의 구성을 도 7～도 10을 사용하여 설명한다. 또한, 본 발명의 각도 조정 기구(300)는 이하에 기술하는 본 실시형태의 구성에 한정되는 것은 아니다.

추 부재(35)는, 복수인 블레이드(30)마다 설치되고, 도 7 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 각각이 회전축(2)에 대하여 일체 회전 가능하게 되도록 부착된다. 이들 추 부재(35)는 회전축(2)의 회전에 따라 스스로 회전하고, 스스로가 받는 원심력에 따라 회전축선(2x)에 대한 직경 방향 내외로 변위 가능하게 되도록, 링크 기구(37)(도 4 및 도 6 참조)를 통하여 회전축(2)과 일체로 또는 연동하여 회전 가능하게 설치되어 있다. 여기에서는 축 고정부(221)에 대하여, 그 직경 방향(대응하는 추 부재(35)가 변위하는 직경 방향)과 회전축선(2x)의 양쪽에 대하여 직교하는 회전축선(371y) 둘레로 회전 가능한 형태로 연결 고정된다. 한편으로, 링크 기구(37)를 통하여 공통의 연결 부재(36)에 대하여 연결하고, 이것에 의해, 연결 부재(36)는, 추 부재(35)의 직경 방향에서의 내외로의 변위에 따라, 회전축(2) 위를 슬라이드 이동하도록 설치된다.

링크 기구(37)는 회전축(2)의 회전속도가 클수록 크게 작용하는 원심력(FA)에 의해 가동하는 것으로, 원심력(FA)이 커질수록 추 부재(35)가 외측에 위치하고, 원심력이 작아질수록 추 부재(35)가 내측에 위치하도록, 미리 정해진 직경 방향 범위 속에서 추 부재(35)를 변위시킨다. 본 실시형태에서는, 도 7 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 상호 링크결합 하는 제 1 링크 부재(371)와 제 2 링크 부재(372)를 가지고 구성된다. L자 형상으로 형성된 제 1 링크 부재(371)에는, 일방의 단부(371A)에 추 부재(35)가 체결 부재에 의해 일체로 고정되고, 타방의 단부(371B)에 제 2 링크 부재(372)의 일방의 단부(372A)가 회전축선(2x)과 그 직경 방향(대응하는 추 부재(35)가 변위하는 직경 방향)의 양쪽에 직교하는 회전축선(372y)을 갖는 형태로 서로 회전 가능하게 부착된다. 제 2 링크 부재(372)의 타방의 단부(372B)는 원반 형상을 한 환상의 연결 부재(36)의 외주부에 대하여, 회전축선(372y)과 평행한 회전축선(373y)을 갖는 형태로 서로 회전 가능하게 부착된다. 또한 L자 형상으로 형성된 제 1 링크 부재(371)의 중간에 위치하는 굴곡부(371C)에는, 축 고정부(221)에 대하여 동일하게 회전축선(372y)과 평행한 회전축선(371y)을 갖는 형태로 회전 가능하게 부착된다. 축 고정부(221)는 회전축(2)과 일체로 고정되어 있고, 추 부재(35)의 직경 방향의 이동에 따라 변위를 일으키지는 않고, 이 축 고정부(221)를 고정 링크로 하는 형태로, 제 1 링크 부재(371)와 제 2 링크 부재(372)가 가동한다.

부세 수단(34)은 스프링 부재(인장 스프링)이며, 블레이드(30)마다 설치되고, 그들 부세 수단(34)은, 도 7 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 일방의 단부가 축 고정부(221)에 있어서의 블레이드 고정부(33)와는 반대의 면측에서 고정됨과 아울러, 타방의 단부가 회전축선(2x)의 방향에서 대향하는 연결 부재(36)의 대향면측에서 고정된다. 본 실시형태에서는, 축 고정부(221)의 수풍 방향 상류측의 면에 스프링 부재(34)의 일단을 고정하는 스프링 고정부(221c)(도 2(a) 참조)가 설치되고, 연결 부재(36)의 수풍 방향 하류측의 면에 스프링 부재(34)의 타단을 고정하는 스프링 고정부(36c)(도 4 및 도 6 참조)가 설치되어 있다. 이 스프링 고정부(221c, 36c)의 쌍이 미리 복수 개소(여기에서는 3개소)에 설치되어 있음으로써 스프링 부재(34)의 수를 늘리는 형태로의 부세력의 조정이 가능하게 되어 있다.

연결 부재(36)는, 링크 기구(37) 및 축 고정부(221)를 통하여 회전축(2)에 대하여 일체 회전 가능하게 됨과 아울러, 추 부재(35)의 직경 방향 내측으로의 변위에 의해 회전축선(2x)의 제1측으로 슬라이드 이동하고(도 7 및 도 8 참조), 추 부재(35)의 직경 방향 외측으로의 변위에 의해 회전축선(2x)의 제2측으로 슬라이드 이동(도 9 및 도 10 참조)하도록, 중앙부에서 축받이 장치를 통하여 회전축(2)에 대하여 연결되어 있다. 여기에서는 제1측이 수풍 방향 하류측(축 고정부(221)측), 제2측이 수풍 방향 상류측이다.

연결 부재(36)에는, 대응하는 블레이드(30)를 추 부재(35)의 직경 방향 내측으로의 변위에 의한 회전축선(2x)의 제1측으로의 슬라이드 이동에 의해 각도(θ)가 바람과 평행에 가깝게 되도록 직접적 또는 간접적으로 가압하고, 추 부재(35)의 직경 방향 외측으로의 변위에 의한 회전축선(2x)의 제2측으로의 슬라이드 이동에 의해 각도(θ)가 바람과 직교에 가깝게 되도록 직접적 또는 간접적으로 되돌리는 가압 부재(362)가 블레이드(30)마다 설치되어 있다. 이것에 의해, 각 블레이드(30)의 각도(θ)는 그들 추 부재(35)의 직경 방향에 있어서의 내외측으로의 이동에 따라 슬라이드 이동하는 연결 부재(36)의 회전축 위의 위치에 따라 결정되도록 구성되어 있고, 이것에 의해 각 블레이드(30)의 각도(θ)가 서로 동기하여 동일 각도가 되는 형태로 변화된다.

또한, 도 7～도 10에서의 각 가압 부재(362)는 대응하는 블레이드(30)를 직접적으로 가압하거나, 또는 되돌리는 구성으로 하여 도시되어 있지만, 실제로는 도 2a ~ 도 2e에 도시하는 바와 같이, 축 고정부(221)의 원반 형상의 전단부(221A)에 형성된 관통구멍(221h)을 관통하는 형태로 연장되고, 그 연장 선단부가 대응하는 블레이드(30)에 일체로 고정되는 고정부(33A)(여기에서는 수풍 방향 상류측의 평행판부(330A)에 설치된 회전고정부(330a))에 대하여, 회전 지지축(33Z)의 축선(33z)과 평행한 축선 둘레로 회동 가능한 형태로 고정되어 있다. 또한, 여기에서의 가압 부재(362)는 고정부(33A)의 회전 지지축(33Z)으로부터 먼 쪽의 제2측에 대하여 회동 가능하게 고정되어 있다.

또한 추 부재(35)는 직경 방향에 있어서의 가동 범위가 미리 규정되어 있다. 도 9의 상태는, 추 부재(35)가 직경 방향의 최외 위치에 있는 상태이며, 링크 기구(37)의 구성상, 더 이상 직경 방향 외측으로는 변위할 수 없다. 추 부재(35)가, 이 최외 위치에 도달했을 때에, 블레이드(30)는 그 수풍면(30w)의 폭 방향(W)이 바람과 가장 직교에 가깝게 되는 소정의 고속 회전용 각도 위치(B)에 도달한다(도 11 참조). 한편으로, 도 7의 상태는 추 부재(35)가 직경 방향의 가장 내측 위치에 있는 상태이며, 더 이상 직경 방향 내측으로는 변위할 수 없다. 단, 이것은 링크 기구(37)의 구성에 의해 규정되는 가장 내측 위치는 아니다. 즉, 그 가장 내측 위치는 블레이드(30)를 포함하는 블레이드(30)의 바람과 평행에 가깝게 하는 각도 변경 동작과 연동하여 동작하는 가동구조체에 대하여, 그 동작 방향에 대향하는 위치에 설치된 맞닿음 부재(38)와의 맞닿음 위치로서 규정되어 있다. 도 7 및 도 8, 게다가 도 11(a)의 상태에 있어서, 블레이드(30)는 풍력에 의한 압력(FW)과 부세 수단(34)에 의한 부세력(FB)에 의해 바람과 평행에 가깝게 부세되지만, 그것들의 힘(FW 및 FB)에 의한 블레이드(30)의 바람과 평행에 가깝게 하는 각도 변경 동작은 블레이드(30)를 포함하는 블레이드(30)의 각도 변경 동작에 연동하여 작동하는 가동구조체에 대하여 맞닿음 부재(38)가 맞닿는 형태로 멈춘다. 그리고, 그 정지 위치가 추 부재(35)의 직경 방향에 있어서의 가장 내측 위치이며, 동시의 그때의 블레이드(30)의 위치가 초기 회전용 각도 위치(A)로 되어 있다.

본 실시형태에서는, 각 블레이드 고정부(33)가 회전축(2)과 일체 회전 가능하게 고정된 공통의 고정 부재를 통하여 회전축(2)에 대하여 고정되고, 그 고정 부재가 맞닿음 부재(38)로서 기능한다. 여기에서는, 축 고정부(221)가 맞닿음 부재(38)이다. 한편, 연결 부재(36)는 블레이드(30)의 폭 방향(W)이 바람과 평행에 가깝게 됨에 따라 상기 고정 부재에 접근하도록 링크 기구(37)와 접속되어 있고, 상기의 가동 구조체(39)로서 기능한다. 그리고, 맞닿음 부재(38)인 축 고정부(221) 및 가동 구조체(39)인 연결 부재(36)의 어느 한쪽 또는 양쪽에는 타방의 부재를 향하여 연장되는 연장부(380)가 형성되어 있고, 그 연장부(380)에 있어서의 타방의 부재측의 선단이 그 타방의 부재의 맞닿음부(390)에 대하여 맞닿음으로써, 블레이드(30)가 초기 회전용 각도 위치(A)에 위치 유지된다. 여기에서는, 연결 부재(36)에, 그 중앙부에서 축 고정부(221)측을 향하여 연장 형성된 통형부 또는 돌기부가 연장부(380)로서 형성되어 있고, 그 선단과 축 고정부(221)의 맞닿음부(390)가 맞닿음으로써, 블레이드(30)는 초기 회전용 각도 위치(A)에 위치 유지된다. 또한, 맞닿음 부재(38)의 맞닿음부 및 가동 구조체(39)의 맞닿음부 중 적어도 일방은 고무 등의 탄성 부재로서 설치되어 있다. 여기에서는, 축 고정부(221)의 맞닿음부(390)가 탄성 부재로서 설치되어 있다.

이러한 구성을 가짐으로써, 블레이드는 도 11에 도시하는 바와 같은 형태로 동작하게 된다.

즉, 풍력이 소정의 미풍 레벨을 밑도는 경우에는, 도 11(a)에 도시하는 바와 같이, 그 풍력에 의한 블레이드(30)의 수풍면(30w)에 대한 압력(FW)과 부세 수단(34)의 부세력(FB)이 원심력(FA)을 이겨내고 추 부재(35)를 안쪽으로 가압하여, 블레이드(30)는 초기 회전용 각도 위치(A)에 부세 유지된다. 구체적으로 말하면, 풍력이 소정의 미풍 레벨을 밑도는 경우, 상기의 가동 구조체(39)가 맞닿음 부재(38)에 맞닿도록 상기의 압력(FW)과 부세력(FB)에 의해 가압되고, 그 맞닿음 위치인 초기 회전용 각도 위치(A)에 블레이드(30)가 위치 유지되고, 이때 블레이드(30)는 그 수풍면의 폭 방향이 바람과 가장 평행에 가깝게 된다. 이 상태는, 미미한 풍력이어도 풍차(3)가 높은 토크를 얻기 쉬운 상태이며, 풍차(3)가 회전하기 쉬운 상태이다. 단, 높은 회전수를 얻기 어려운 상태이다.

풍력이 상기의 미풍 레벨을 상회하여 소정의 강풍 레벨에 도달한 경우에는, 원심력(FA)이 증대하기 시작하고, 수풍면(30w)에 대한 압력(FW)과 부세 수단(34)의 부세력(FB)을 이겨내고, FA와, FW 및 FB가 균형을 이루는 위치까지 추 부재(35)가 외측으로 변위함과 아울러, 블레이드(30)의 각도(θ)도 초기 회전용 각도 위치(A)에서 떨어져, 바람과 직교에 가깝게 위치를 바꾼다. 이 상태는, 바람과 직교에 가깝게 될수록 높은 토크는 얻기 어렵게 되지만, 보다 고속 회전에 적합한 상태로 천이하고 있는 도중의 상태이다.

단, 추 부재(35)는 최외 위치가 규정되어 있다. 그 최외 위치에 도달하면 추 부재(35)는 그것보다도 외측으로는 변위하지 않는다. 이 때, 블레이드(30)는 그 폭 방향(W)이 바람과 가장 직교에 가깝게 되는 소정의 고속 회전용 각도 위치(B)에 도달한 상태가 된다. 이 상태는 풍차(3)가 가장 고속으로 회전 가능한 상태이다.

풍력이 그 강풍 레벨을 더욱 상회한 경우에는, 그 풍력에 의한 수풍면(30w)에 대한 압력(FW)과 부세 수단(34)의 부세력(FB)이 원심력(FA)을 이겨내어, 이번은 추 부재(35)를 내측으로 되돌림으로써, 블레이드(30)를 폭 방향(W)이 바람과 평행에 가깝게 되도록 복귀시킨다. 이 상태는 풍차(3)가 서서히 높은 회전수를 얻기 어려운 상태로 천이하고 있는 도중의 상태이다. 여기에서의 블레이드(30)는 상기의 가동 구조체(39)가 맞닿음 부재(38)에 맞닿는 초기 회전용 각도 위치(A)까지 위치 복귀 가능하게 되어 있다.

이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 부세 수단(34)과 추 부재(35)와 링크 기구(37)를 가짐으로써, 미풍시에 회전하기 쉽도록 블레이드(30)의 각도(θ)를 바람과 평행에 가깝게 하는 제 1 단계와, 풍속이 증가했을 때에 고속 회전으로 되기 쉽도록 블레이드(30)의 각도(θ)를 바람과 직교에 가깝게 하는 제 2 단계와, 강풍시에 과회전이 방지되도록 바람과 직교에 가까운 것으로부터 바람과 평행에 가깝게 블레이드(30)가 되돌려지는 제 3 단계라고 하는 3단계로, 블레이드(30)의 각도(θ)를 가변시키는 것이 가능하게 되고, 이 3단계의 블레이드(30)의 각도 변경에 의한 자율적인 회전속도 제어에 의해, 풍차(3)는 시동성이 우수하고, 고속 회전시의 효율도 높고, 게다가 강풍시의 과잉 회전의 억제도 가능하게 되어 있다.

이하, 상기한 풍차(3)를 구비하는 풍력 발전 장치(1)의 구성에 대하여 설명한다. 또한, 본 발명의 풍력 발전 장치(1)는 이하에서 기술하는 본 실시형태의 구성에 한정되는 것은 아니다.

본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)는, 상기와 같은 구성을 가짐으로써 소정의 수풍 방향(2w)으로부터의 풍력을 받아 소정의 회전축선(2x)의 둘레를 일정 회전 방향으로 회전하는 풍차(3)(도 1, 도 12 및 도 13 참조)와, 상기 일정 회전 방향에 있어서, 회전축(2)이 증속하고 있는 경우에는 이 회전축(2)과 일체 회전상태로 되어 자신도 증속 회전하고, 회전축(2)이 감속하고 있는 경우에는 이 회전축(2)으로부터 분리되어 관성 회전하도록 1방향 클러치(6)(원웨이 클러치: 도 17 참조)를 통하여 배치되는 플라이휠(7)(도 17참조)을 구비하여 구성되고, 또한 여기에서는, 플라이휠(7)과 동축을 이루고 일체 회전하도록 배치된 로터(91)(도 17 참조)를 가지고 플라이휠(7)의 회전에 수반되는 이 로터(91)의 회전에 의해 전력을 생성하는 발전기(발전 수단)(9)(도 13 참조)를 구비하고 구성된다.

아울러, 발전기(9)를 제 2 발전기로 하고, 플라이휠(7)과 동축을 이루고 일체 회전하도록 배치된 로터(51)를 가지고 플라이휠(7)의 회전에 수반되는 이 로터(51)의 회전에 의해 전력을 생성하는, 제 2 발전기(9)와는 상이한 제 1 발전기(5)를 구비하고 구성되어 있다. 여기에서는, 도 17에 도시하는 바와 같이, 플라이휠(7)에 대한 수풍 방향 상류측에 제 1 발전기(5)가 설치되고, 수풍 방향 상류측에 제 2 발전기(9)가 설치된다.

그리고, 본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)는, 도 14a 및 도 14b에 도시하는 바와 같이, 제 1 발전기(5)와 제 2 발전기(9)에 의해 생성된 양쪽의 전력 입력을 받고, 그것들을 합쳐서 외부 출력하는 출력부(출력 수단)(10)를 구비하고 구성된다. 즉, 제 1 발전기(5) 및 제 2 발전기(9)의 발전 전력의 출력 라인을, 외부 출력에 도달할 때까지의 사이에 접속하여, 1계통으로 외부 출력하는 형태로 구성된다.

출력부(10)는, 예를 들면, 도 14a에 도시하는 바와 같이, 제 1 발전기(5)와 제 2 발전기(9)에 의해 생성된 양쪽 3상의 교류 전력을, 각각 정류기(12)에 입력한 뒤에, 승압 컨트롤러(11)에 입력하여 소정의 전압으로 출력하고, 또한 그것을 파워 컨디셔너(15)로 입력하고, 입력된 직류의 전력을 계통전력으로 변환하여, 출력하도록 구성할 수 있다. 이것에 의해, 제 1 발전기(5)와 제 2 발전기(9)에 의해 생성된 양쪽의 전력을 합쳐서 외부의 전원계통(19A)에 공급할 수 있어, 예를 들면, 전력 판매 등이 가능하게 된다. 또한 파워 컨디셔너(15)로, 가정 내에서 사용할 수 있는 교류 전력으로 변환하여 출력해도 된다. 또한 출력부(10)는, 도 14b에 도시하는 바와 같이, 제 1 발전기(5)와 제 2 발전기(9)에 의해 생성된 양쪽의 전력을 각각, 정류기(12)에 입력한 뒤에, 승압 컨트롤러(13)에 입력하고, 소정 전압으로 한 직류의 전력을 배터리(축전 수단)(19B)에 공급하여 축전시켜도 된다. 또한 배터리(축전 수단)(19B)에 축전된 전력을 파워 컨디셔너(15)를 통하여 외부의 전원계통(19A)에 공급하도록 해도 된다.

도 15는 본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)를 간략하게 도시한 확대 단면도이다. 풍차(3)는 회전축(2)의 회전축선(2x)의 방향과 동축을 이루는 형태로 통 형상으로 연장되는 통 형상 풍동부(風洞部)(덕트)(31)의 내측에 배치된다. 통 형상 풍동부(31)는 풍차(3)의 수풍 방향(2w)의 상류측에서 하류측을 향하여 개구 면적이 감소해 가는 형태로 형성된다. 구체적으로 말하면, 통 형상 풍동부(31)는 수풍 방향(2w)의 상류측의 환상 단부(31A)로부터 하류측의 환상 단부(31B)까지의 사이의 구간에 있어서, 직경 방향 안쪽으로 팽출한 만곡 형상을 이룬다. 이 통 형상 풍동부(31)에서 받아들인 바람은 압축된 형태로 하류에 공급되고, 하류측의 블레이드가 이것을 받게 되므로, 풍차(3)가 얻는 회전력을 증대시킬 수 있다.

통 형상 풍동부(31)는 그 내주면에, 나셀(nacelle)(21)의 외주면(21A)으로부터 바깥쪽으로 방사상으로 연장되는 복수의 지지 부재(FRP)(32)가 고정되어 있고, 나셀(21)과 함께 회전축(2)에 대하여 비회전으로 설치되어 있다. 나셀(21)은 제 1 발전기(5)와 플라이휠(7)과 제 2 발전기(9), 또한 회전축(2)을 내부에 수용하고, 여기에서는 각도 조정 기구(300)를 더 수용하고 있다. 허브(22) 및 블레이드(30)는 수풍 방향(2w)에 있어서 나셀(21)보다도 하류측에 설치되어 있고, 하류측의 블레이드(30)로 얻은 회전력이 회전축(2)을 통하여 수풍 방향(2w)의 상류측에 위치하는 발전기(5, 9)측에 전달된다.

나셀(21)은, 도 15에 도시하는 바와 같이, 지표의 기초부(190)(도 12 참조)로부터 연장되는 지주(타워)(110)의 상단부(110T)와 함께, 지주 본체(110S)에 대하여 풍향에 맞추어 수평면 내에서 방향을 바꾸는 것이 가능(지주 본체(110S)의 연직방향의 축선(110x)의 둘레로 회전 가능)하게 부착되어 있다. 본 실시형태에서는, 각 블레이드(30)를 외주측에서 덮는 통 형상 풍동부(31)가, 나셀(21)의 수풍 방향(2w)의 하류측에 설치되어 있기 때문에, 그 통 형상 풍동부(31)가 풍차(3)의 수풍 방향(2w)을 가변하는 꼬리날개와 같은 수단으로서 기능한다. 즉, 통 형상 풍동부(31)의 통 형상 외주면(31C)(특히 그 수평방향측의 면: 도 12 참조)이 바람을 받으면, 지주(110)의 상단부(110T)에 대하여 회전하고, 바람이 불어오는 방향으로 회전축(2)의 회전축선(2x)을 수풍 방향 상류측을 향하게 한다.

도 16은 도 15의 나셀을 축선(2x, 110x)을 통과하는 평면으로 절단한 단면도이다. 나셀(21)의 내부에는, 플라이휠(7)과 제 1 발전기(5)와 제 2 발전기(9)를 풍차(3)의 수풍 방향(2w)의 상류측으로부터 이 순서로 수용한 발전 케이스체(100)가 배치되고, 나셀(21)에 대하여 체결 부재에 의해 체결 고정된다.

도 17에 도시하는 바와 같이, 발전 케이스체(100)는, 그 내부에, 수풍 방향(2w)의 상류측으로부터 순차적으로, 제 2 발전기(9)를 수용하는 상류측 수용 공간(9S)과, 플라이휠(7)을 수용하는 중간 수용 공간(7S)과, 제 1 발전기(5)를 수용하는 하류측 수용 공간(5S)을 갖고, 이것들을 하나의 연결된 공간으로 하는 형상을 이룬다. 이 하나의 연결된 공간은 플라이휠(7)이 중간 수용 공간(7S) 내에 배치됨으로써 상류측 수용 공간(9S)과 하류측 수용 공간(5S)으로 분단된다. 이들 원통 형상의 상류측 수용 공간(9S) 및 하류측 수용 공간(5S)보다도, 동일하게 원통 형상의 중간 수용 공간(7S)쪽이 대경이며, 또한 수용되는 플라이휠(7) 자체도, 직경 방향에 있어서 중간 수용 공간(7S)의 원통 모양외 주위(둘레)의 벽에 대하여 근접해서 위치하기 위해서, 플라이휠(7)이 배치되었을 때에는, 상류측 수용 공간(9S)과 하류측 수용 공간(5S)은 플라이휠(7)의 외주측에서만 연통하므로, 보다 확실한 분리상태로 되어 있다. 이것에 의해, 상류측 수용 공간(9S) 및 하류측 수용 공간(5S) 중, 일방의 공간 내에서의 회전체(로터(91, 51)의 회전에 수반되는 기류의 혼란의 영향을 타방의 공간이 받지 않는다.

회전축(2)은 발전 케이스체(100)에 대하여 자신의 축선 방향으로 관통하고, 게다가 발전 케이스체(100)에 대하여 원활하게 상대회전하도록 축받이 장치(60)를 통하여 부착된다(도 17 참조). 본 실시형태의 축받이 장치(60)는, 예를 들면, 실링 장치(O링 등)나 그리스 등과 같은 밀폐기능 부착 밀폐형 축받이 장치이며, 그 밀폐기능에 의해 밀폐상태로 하고 있다. 밀폐된 발전 케이스체(100) 내부는, 공기가 대기압으로 충전되어 있는 경우에, 내부의 회전체(51, 91, 7) 등이 받는 충전 기체에 의한 저항(공기 저항)이 경감되도록, 감압상태 등과 같은 내부상태로 되어 있다.

제 1 발전기(5) 및 제 2 발전기(9)는, 회전축(2)의 둘레를 회전 가능한 로터(발전기 회전자)(51, 91)의 둘레 방향을 따라 소정 간격 주기로 복수의 자성 부재(52, 92)가 배치됨과 아울러, 그들 자성 부재(52, 92)에 대하여 에어갭을 형성하는 형태로 대향하고, 또한 이 로터(51, 91)에 대하여 비회전으로 되는 스테이터 코일(54, 94)이 배치된 스테이터(발전기 고정자)(53, 93)를 구비하여 구성되며, 그들 자성 부재(52, 92)와 스테이터 코일(54, 94)의 상대회전에 의해 전력을 생성한다. 생성되는 전력(발전 전력)은 그 상대 회전속도가 클수록 커진다. 또한, 본 실시형태에 있어서의 자성 부재(52, 92)는 영구자석이며, 예를 들면, 네오듐 자석 등을 사용할 수 있다. 또한 본 실시형태에서는, 자성 부재(52, 92)와 스테이터 코일(54, 94)의 수의 비가 3:4이며, 스테이터 코일(54, 94)로부터는 3상의 교류 전력이 출력된다.

지주(110)의 상단부(110T)의 상단 축부(111T)에는, 도 16에 도시하는 바와 같이, 슬립 링(110SA, 110SB)이 설치되어 있고, 각 슬립 링(110SA, 110SB) 위를 슬라이딩 하는 브러시(102CA(도시함), 102CB(도시하지 않음))를 통하여, 스테이터 코일(54, 94)로부터 발전 출력을 취출하도록 구성되어 있다. 취출된 발전 출력은 통 형상의 지주(타워)(110)의 내부공간을 통과하는 배선을 통하여, 출력부(10)에 접속된다.

또한, 지주(110)의 상단부(110T)의 상단면에는, 회전축(2)에 회전 가능하게 고정하기 위하여, 도 16에 도시하는 바와 같이, 축받이 장치를 내포한 고정부(120)가 체결 부재에 의해 체결 고정되어 있다. 발전 케이스체(100)는 그들 고정부(120)보다도 수풍 방향 상류측에 설치되어 있다. 또한, 회전축(2)의 수풍 방향 상류측에서는, 회전축(2)과, 이것을 연장하는 회전축 연장부(2')가 축 연결부(130)에 의해 일체 회전 가능하게 연결되어 있다. 발전 케이스체(100) 내를 삽입통과하는 회전축(2)은 그 회전축 연장부(2')이다.

제 1 발전기(5) 및 제 2 발전기(9)에 있어서의 양쪽 스테이터(53, 93)는 발전 케이스체(100)로부터 케이스 내부를 향하여 회전축(2)의 축선 방향을 따라 돌출 형성된 통 형상 부재로서 설치된다. 그들 통 형상 부재(53, 93)에는, 직경 방향으로 관통하는 개구부가 둘레 방향을 따라 소정 간격 주기로 형성된다. 이들 개구부는 둘레 방향에 설치된 회전축(2)의 축선 방향으로 연장되는 각 기둥부에 의해 구획되어 있고, 각 기둥부에는 스테이터 코일(54, 94)이 둘러 감겨 있다. 본 실시형태에서는, 인접하는 기둥부에서 감는 방향이 역방향으로 되어 있다.

본 실시형태의 제 1 발전기(5) 및 제 2 발전기(9)는 로터(51, 91)로서 회전축(2)과 동축을 이루고 플라이휠(7)과 함께 서로 일체 회전하는 제 1 로터부(51A, 91A)와 제 2 로터부(51B, 91B)를 갖는다. 그들 양쪽 로터부(51A, 91A와 51B, 91B)는 에어갭을 사이에 두고 서로 대향(대면)하는 대향면을 갖고, 그들 양쪽의 대향면 위에는, 둘레 방향에 있어서 복수의 자성 부재(92)가 소정 간격 주기로 동수 배치되고, 체결 부재에 의해 고정되어 있다. 단, 일방의 로터부(51A, 91A)의 자성 부재(52A(52), 92A(92))와 타방의 로터부(51B, 91B)의 자성 부재(52B(52), 92B(92))는 서로 상이한 극성(자극)의 착자면끼리 대면하고 있다. 또한, 그들 제 1 로터부(51A, 91A)와 제 2 로터부(52A, 92A) 사이의 공극에 스테이터(53, 93)의 스테이터 코일(54, 94)이 위치한다. 스테이터 코일(54, 94)은 회전하는 그들 양쪽의 로터부(51A, 51B와 91A, 91B)의 자성 부재(52, 52와 92, 92) 사이에 끼워져 있는 스테이터(53, 93) 위의 환상의 대향 영역에, 그 둘레 방향을 따라 소정 간격 주기로 복수 배치된다.

또한 제 1 발전기(5) 및 제 2 발전기(9)에 있어서, 제 1 로터부(51A, 91A) 및 제 2 로터부(51B, 91B)는 회전축(2)의 회전축선(2x)에 대한 직경 방향에 대향하여 배치된다. 제 1 로터부(51A, 91A)는, 플라이휠(7)의 고정부(70A)의 외주측에 형성되는 고정부(50A, 90A)에 대하여, 플라이휠(7)에 대하여 동축을 이루고 일체 회전하도록 고정되어 있다. 제 2 로터부를 이루는 원통 형상부(51B, 91B)는, 플라이휠(7)의 고정부(70A)의 내주측에 형성되는 고정부(50B, 90B)에 대하여, 플라이휠(7)에 대하여 동축을 이루고 일체 회전하도록 고정되어 있다.

또한, 본 실시형태의 플라이휠(7)은, 회전축(2)에 대하여 1방향 클러치(원웨이 클러치)(6)를 통하여 고정되는 축 고정부(70C)와, 축 고정부(70C)로부터 직경 방향 외측으로 연장되는 원반 형상의 중간부(70B)와, 중간부(70B)의 직경 방향 외측에서 제 1 로터부(51A, 91A) 및 제 2 로터부(51B, 91B)가 일체로 고정되는 고정부(70A)를 갖는다. 또한 본 실시형태에서는, 고정부(70A)로부터 직경 방향 외측으로 연장되는 외측 단부(70D)를 갖는다.

이상, 본 발명의 1실시형태를 설명했지만, 이것은 어디까지나 예시에 지나지 않고, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 특허청구범위의 취지를 일탈하지 않는 한에서, 당업자의 지식에 기초하는 여러 변경이 가능하다.

예를 들면, 상기 실시형태를 이하와 같이 변경할 수 있다.

도 18에 도시하는 본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)는 소정의 수풍 방향(2w)으로부터의 풍력을 받아 소정의 회전축선(2x)의 둘레를 일정 회전 방향으로 회전하는 풍차(3)와, 풍차(3)의 회전축(2)과 동축을 이루고 일체 회전하도록 배치된 로터(51)를 가지고 회전축(2)의 회전에 수반되는 이 로터(51)의 회전에 의해 전력을 생성하는 제 1 발전기(발전 수단)(5)와, 회전축(2)과 동축을 이루고, 또한, 상기 일정 회전 방향에서, 회전축(2)이 증속하고 있는 경우에는 이 회전축(2)과 일체 회전상태로 되어 자신도 증속 회전하고, 회전축(2)이 감속하고 있는 경우에는 이 회전축(2)으로부터 분리되어 관성 회전하도록 1방향 클러치(원웨이 클러치)(6)를 통하여 배치되는 플라이휠(7)과, 플라이휠(7)과 동축을 이루고 일체 회전하도록 배치된 로터(91)를 가지고 플라이휠(7)의 회전에 수반되는 이 로터(91)의 회전에 의해 전력을 생성하는, 제 1 발전기(5)와는 상이한 제 2 발전기(발전 수단)(9)를 구비하여 구성된다.

또한, 도 18의 풍력 발전 장치(1)의 경우에는, 제 1 발전기(5)와 제 2 발전기(9)에 의해 생성된 양쪽의 전력입력을 받고, 그것들을 합쳐서 외부 출력하는 출력부(출력 수단)(10)를 구비하여 구성된다. 즉, 제 1 발전기(5) 및 제 2 발전기(9)에서 발전된 서로 위상이 다른 발전 전력을, 1계통으로 외부 출력하는 형태로 구성된다. 또한, 이 경우의 출력부(10)의 구성은 도 14a 및 도 14b와 동일하게 할 수 있다.

도 18의 제 1 발전기(5)는 로터(51)로서 회전축(2)과 동축을 이루고 서로 일체 회전하는 제 1 로터부(51A)와 제 2 로터부(51B)를 갖는다. 그들 양쪽의 로터부(51A, 51B)는 에어갭을 통하여 서로 대향(대면)하는 대향면을 갖고, 그들 양쪽의 대향면의 위에는, 둘레 방향에서 복수의 자성 부재(52)가 소정 간격 주기로 동수 배치되고, 체결 부재에 의해 고정되어 있다. 단, 그들 양쪽의 로터부(51A, 51B) 중, 일방의 로터부(51A)의 자성 부재(52A(52))와 타방의 로터부(51B)의 자성 부재(52B(52))는 서로 상이한 극성(자극)의 착자면끼리 대면하고 있다. 또한, 그들 제 1 로터부(51A)와 제 2 로터부(51B) 사이의 공극에 스테이터(53)의 스테이터 코일(54)이 위치하고, 스테이터 코일(54)은, 회전하는 그들 양쪽의 로터부(51A, 51B)의 자성 부재(52, 52) 사이에 끼워져 있는 스테이터(53) 위의 환상의 대향 영역에, 그 둘레 방향을 따라 소정 간격 주기로 복수 배치된다.

또한, 제 1 발전기(5)에 있어서, 제 1 로터부(51A) 및 제 2 로터부(51B)는 회전축(2)의 축선(2x)에 대한 직경 방향(레이디얼 방향)에 대향하여 배치된다. 본 실시형태에서는, 로터(51)의 본체부로서 회전축(2)과 일체 회전하도록 고정되는 축 고정부(50C)와, 축 고정부(50C)로부터 직경 방향 외측으로 연장되는 원반 형상의 중간부(50B)와, 중간부(50B)의 직경 방향 외측의 외측 단부(50A)를 가진 로터 본체부(50)를 구비한다. 단, 로터 본체부(50)는 외주측에 대중량을 갖는 플라이휠(7)보다도 가볍고, 작은 직경이다. 제 1 로터부를 이루는 원통 형상부(51A)와, 제 2 로터부를 이루는, 원통 형상부(51A)보다도 대직경의 원통 형상부(51B)는 로터 본체부(50)에 대하여 동축을 이루는 형태로 일체 회전하도록 양쪽 모두, 로터 본체부(50)의 외측 단부(50A)에 고정되어 있다.

도 18의 제 2 발전기(9)는 로터(91)로서 회전축(2)과 동축을 이루고 플라이휠(7)과 함께 서로 일체 회전하는 제 1 로터부(91A)와 제 2 로터부(91B)를 갖는다. 그들 양쪽의 로터부(91A, 91B)는, 에어갭을 통하여 서로 대향(대면)하는 대향면을 갖고, 그들 양쪽의 대향면 위에는, 둘레 방향에서 복수의 자성 부재(92)가 소정 간격 주기로 동수 배치되고, 체결 부재에 의해 고정되어 있다. 단, 그들 양쪽의 로터(91A, 91B) 중, 일방의 로터부(91A)의 자성 부재(92A(92))와 타방의 로터부(91B)의 자성 부재(92B(92))는 서로 상이한 극성(자극)의 착자면끼리 대면하고 있다. 또한, 그들 제 1 로터부(91A)와 제 2 로터부(91B) 사이의 공극에 스테이터(93)의 스테이터 코일(94)이 위치한다. 스테이터 코일(94)은, 회전하는 그들 양쪽의 로터(91A, 91B)의 자성 부재(92, 92) 사이에 끼워져 있는 스테이터(93) 위의 환상의 대향 영역에, 그 둘레 방향을 따라 소정 간격 주기로 복수 배치된다.

또한 제 2 발전기(9)에 있어서, 제 1 로터부(91A) 및 제 2 로터부(91B)는 회전축(2)의 축선(2x)에 대한 직경 방향에 대향하여 배치된다. 제 1 로터부(91A)는, 플라이휠(7)에 대하여, 제 1 로터부를 이루는 원통 형상부(91A)와, 제 2 로터부를 이루고, 원통 형상부(91A)보다도 대경의 원통 형상부(91B)가 플라이휠(7)에 대하여 동축을 이루고 모두 일체 회전하도록 고정되어 있다.

또한, 본 실시형태의 플라이휠(7)은 회전축(2)에 대하여 1방향 클러치(원웨이 클러치)(6)를 통하여 고정되는 축 고정부(70C)와, 축 고정부(70C)로부터 직경 방향 외측으로 연장되는 원반 형상의 중간부(70B)와, 중간부(70B)의 직경 방향 외측에서 제 1 로터부를 이루는 원통 형상부(91A)와 제 2 로터부를 이루는 원통 형상부(91B)를 고정하는 고정부(70A)를 갖고, 본 실시형태에서는 또한, 고정부(70A)로부터 직경 방향 외측으로 연장되는 외측 단부(70D)를 갖는다.

도 19～도 23에 도시하는 바와 같이, 풍차(3)(블레이드(30))의 바람이 불어오는 쪽에, 발전부 케이스(하우징)를 겸하는 풍도 케이스(나셀)(200)를 설치하고, 이 케이스(200)의 내부에 발전부를 격납함과 아울러, 그 풍도 케이스(200)(케이스 본체(201)이기도 함)의 외부에 풍향핀(풍향판부)(202)을 일체로 형성할 수 있다. 이 예에서는, 풍차(3)의 외측에 도 12, 도 15에 도시하는 바와 같은 통 형상 풍동부(덕트)(31)는 존재하지 않고, 풍차(3)가 드러낸 상태(노출상태)로 바람을 받는다. 풍도 케이스(200)의 케이스 본체(201)는 풍차(3)의 축방향에 직각인 단면이, 세로로 긴 타원 형상 또는 원 형상 등을 이루는 매끄러운 외주면을 갖고, 그 케이스 본체(201)의 바람이 불어오는 쪽의 단부는 선단측으로 갈수록 매끄럽고 가늘어 지고, 선단이 곡률이 작은 원호 형상의 종단면을 가지고 있다.

케이스 본체(201)의 외주면에는, 상기의 풍향핀(202)이, 풍차(3)의 축방향을 따른 방향에서, 그 케이스 본체(201)(풍도 케이스(200))의 외주면으로부터 외측으로(예를 들면, 위를 상향으로) 돌출하도록 형성되고, 풍향핀(202)은 풍차(3)의 회전면과 직각인 위치관계를 갖는다. 풍향핀(202)은 케이스 본체(201)의 축방향 길이와 동등하거나 조금 짧은 길이를 갖고, 또한 케이스 본체(201)의 바람이 불어오는 쪽 선단근방부터 점차 높이가 원호 형상(또는 직선 형상)으로 증가하는 사변(203)을 갖고, 케이스 본체(201)의 바람이 불어가는 쪽의 단부 근방에서 최대 높이가 되고, 그 최상부로부터 바람이 불어오는 쪽으로 원호 형상(만곡 형상)으로 파 들어(도려냄)가는 것과 같이 강하하는 후단부(204)를 갖고(바람이 불어가는 쪽에 원호 형상으로 팽출하는 후단부, 혹은 직선 형상으로 수직 하강하는 후단부이어도 됨), 그 하단이 케이스 본체(201)의 상부면에 연속된다. 또 풍향핀(202)은 그 사변(203)이 칼날 형상으로 첨예하게 형성되고, 또 중간부에서 후단부(204)를 향해서도 후단으로 갈수록 첨예하게 되는 곡면을 갖고, 풍향핀(202)의 풍향 방향의 중간부가 가장 두껍게 형성되고, 바람이 불어오는 쪽에서 보아, 도 20에 도시하는 바와 같이, 첨예한 삼각 형상을 이루고 있다.

이러한 풍향핀(202)은 케이스 본체(201)의 축선을 사이에 끼고 반대측(하측)에는, 풍차(3)를 소정의 높이로 유지하는 지주(폴)(206)와 접속하는 지주 접속부(208)가 형성되고, 여기에 지주(206)가 접속된다. 이 지주 접속부(208)는 케이스 본체(201)의 하면으로부터 하방으로 돌출함과 아울러, 매끄럽게 테이퍼 형상으로 되고, 하단부가 원통 형상으로 되도록 형성되고, 그 원통 형상부에 지주(206)의 원형 단면의 상단부가 끼워맞추어지고, 또한, 도 19에 도시하는 바와 같이, 축받이(베어링)(210)를 통하여, 풍도 케이스(200) 및 풍차(3)가 지주(206)의 축선(수직축)의 둘레로 회전 자유롭게 지지되어 있다. 그 결과, 풍도 케이스(200)에 형성된 풍향핀(202)이 풍향에 따르도록, 바꿔 말하면 풍차(3)의 회전면이 항상 풍향과 정면으로 마주대하도록, 풍차(3) 및 풍도 케이스(200)가 프리 상태로 유지되게 된다.

도 24는 풍차(3)와 풍도 케이스(200)를 포함하는 부분의 측면 단면도(투시도)이며, 풍도 케이스(200)의 내부에, 풍차(3)의 회전축(2)이 풍도 케이스(200)의 중심선과 동심으로 배치되고, 또 도 17 또는 도 18에 도시한 발전 케이스체(100)가 그 회전축(2)에 동심으로 조립된다. 또한, 도 2～도 11에서 설명한 풍차(3)의 각도 조정 기구(300)도 이 풍도 케이스(200) 내에 수용된다.

또한, 도 19, 도 22 및 도 24에 도시하는 바와 같이, 풍차(3)의 중심부(블레이드(30)의 기단부)는 원형 단면의 통 형상부(212)가 차지하게 되고, 이 통 형상부(212)의 중심부로부터 상기 풍도 케이스(200)는 반대측(바람이 불어가는 쪽)에 콘 형상으로 돌출하는 콘 형상 중심부(214)가 형성되고, 이 콘 형상 중심부(214)와 통 형상부(212)(바람이 불어가는 쪽에 약간 테이퍼 형상으로 직경축소된 대략 원통부) 사이에는, 둥근 고리 형상이고 또한 바닥측으로 갈수록 폭이 좁아지는 콘 부착 환상 오목부(216)가 형성되고, 그것들의 내부에 허브(22)나 블레이드 고정부(33)가 배치되어 있다. 가령, 풍향이 크게 바뀌어, 풍도 케이스(200)의 후방으로부터 바람이 불게 되어도, 그 콘 부착 환상 오목부(216)가 후방으로부터의 바람을 받아 회전 모멘트를 발생하고, 그 결과, 프리 상태의 풍도 케이스(200) 및 풍차(3)가 자세(방향)를, 예를 들면, 180도 가까이 바꾸어, 풍도 케이스(200)의 선단이 바람이 불어오는 쪽을 향하도록(바람에 정면으로 마주 대하도록) 자세 변경할 수 있다.

1; 풍력 발전 장치 2; 회전축
21; 나셀 221A; 축 고정부의 전단부
221B; 축 고정부의 후단부 221h; 관통구멍
22; 허브 221; 축 고정부
2x, 371y, 372y, 373y; 회전축선 2w; 수풍 방향
3; 풍차 30; 블레이드(날개)
30w; 수풍면 31; 통 형상 풍동부(덕트)
300; 각도 조정 기구(날개 각도 조정 기구)
33; 블레이드 고정부(날개 고정부)
33A, 33B; 고정부 33Z; 회전 지지축
34; 부세 수단 35; 추 부재
36; 연결 부재 362; 가압 부재
37; 링크 기구 371; 제 1 링크 부재
371A; 제 1 링크 부재의 일방의 단부
371B; 제 1 링크 부재의 타방의 단부
371C; 제 1 링크 부재의 굴곡부 372; 제 2 링크 부재
372A; 제 2 링크 부재의 일방의 단부
372B; 제 2 링크 부재의 타방의 단부
38; 맞닿음 부재 39; 가동구조체
51, 91; 로터(발전기 회전자) 52, 92; 자성 부재
53, 93; 스테이터(발전기 고정자) 54, 94; 스테이터 코일
100; 발전 케이스체
W; 블레이드의 폭 방향
θ; 블레이드의 폭 방향과 회전축의 축선 방향이 이루는 각도
X; 바람 평행 방향
Y; 바람 직교면
A; 초기 회전용 각도 위치
B; 고속 회전용 각도 위치
FW; 풍력에 의해 블레이드에 가해지는 압력
FA; 원심력(링크 기구(37)에 의해 원심력을 회전축선 2x 방향으로 변환시킨 힘)
FB; 부세 수단의 부세력

Claims (12)

1. 풍력을 받아 소정의 회전축 둘레를 일정 회전 방향으로 회전하는 풍력 발전 장치의 풍차로서,
   상기 회전축의 회전축선 방향으로부터의 풍력을 받아 회전하도록 이 회전축 둘레에 2 이상 설치되고, 이 회전축에 대하여 직경 방향 외측 방향으로 연장되는 날개와,
   상기 날개가 상기 풍력을 받은 경우에 그 수풍면의 폭 방향이 바람과 평행에 가깝게 되도록 압력을 받는 형태로, 게다가 또한 그 수풍면의 폭 방향과 상기 회전축의 회전축선 방향이 이루는 각도가 가변 가능하게 되는 형태로, 상기 회전축에 대하여 고정되는 날개 고정부와,
   상기 풍력이 소정의 미풍 레벨을 밑도는 경우에, 그 풍력을 받는 상기 날개를 상기 폭 방향이 바람과 가장 평행에 가깝게 되는 소정의 초기 회전용 각도 위치에 부세 유지하는 부세 수단과, 상기 풍력이 상기 미풍 레벨을 상회한 경우에, 원심력이 상기 날개에 가해지는 그 풍력에 의한 상기 압력과 상기 부세 수단의 부세력으로 이겨냄으로써 스스로를 외측으로 변위시키면서 상기 날개가 바람과 직교에 가깝게 가변하도록 링크 기구를 통하여 상기 날개에 연결하는 추 부재를 구비하고, 상기 풍력이 소정의 강풍 레벨에 도달한 경우에는, 상기 날개를 상기 폭 방향이 바람과 가장 직교에 가깝게 되는 소정의 고속 회전용 각도 위치에 도달시킴과 아울러, 상기 풍력이 그 강풍 레벨을 더욱 상회한 경우에는, 그 풍력에 의한 상기 압력과 상기 부세 수단의 부세력이 상기 원심력을 이겨내어 상기 추 부재를 내측으로 되돌림으로써, 상기 날개를 상기 폭 방향이 바람과 평행에 가깝게 되도록 복귀시키는 날개 각도 조정 기구,
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치의 풍차.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 날개 고정부는 상기 날개의 연장 방향으로 연장되는 회전 지지축과, 이 회전 지지축의 축선 둘레에서 상호 이루는 각도를 가변 가능하게 한 2개의 고정판부를 가진 경첩 부재이며, 일방의 고정판부가 상기 날개에 고정되고, 타방의 고정판부가 상기 회전축측과 일체 회전 가능하게 고정되고, 상기 회전 지지축은, 상기 날개가 상기 폭 방향에서의 제1측의 단부측을 중심으로 타방의 제2측의 단부측이 회전하도록, 상기 제1측의 단부측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치의 풍차.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 추 부재는 상기 날개의 상기 폭 방향에 있어서의 외주측의 단부측에 대하여 링크 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치의 풍차.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 추 부재는 복수인 상기 날개마다 설치되고, 각각이 상기 회전축과 일체 회전 가능하게 설치되는 한편, 그들 추 부재는 내외로의 변위에 따라 상기 회전축에 대하여 슬라이드 이동하도록 상기 링크 기구를 통하여 공통의 연결 부재에 대하여 연결함으로써, 각 상기 날개의 상기 각도는, 그들 추 부재의 내외로의 이동에 따라 슬라이드 이동하는 상기 연결 부재의 상기 회전축상의 위치에 따라, 서로 동기하여 동일 각도가 되는 형태로 변화되게 되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치의 풍차.
5. 제 4 항에 있어서,
   각 상기 날개 고정부는, 상기 회전축과 일체 회전 가능하게 고정된 공통의 고정 부재를 통하여 상기 회전축에 대하여 고정되어 있고, 상기 부세 수단은 상기 고정 부재와 상기 연결 부재 사이에서 상기 회전축 방향으로 부세력을 생기게 하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치의 풍차.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 날개 각도 조정 기구는, 상기 풍력이 상기 미풍 레벨을 밑도는 경우에, 그 풍력을 받는 상기 날개를, 상기 폭 방향이 상기 바람과 평행에 가깝게 되도록 상기 부세 수단에 의해 부세하면서, 상기 날개를 포함하는 이 날개의 상기 각도의 변화에 연동하여 동작하는 가동구조체에 맞닿음 부재를 맞닿게 하여 그 동작을 멈춤으로써, 상기 초기 회전용 각도 위치에 위치 유지하는 것인 한편, 상기 풍력이 상기 강풍 레벨을 더욱 상회한 경우에는, 상기 가동구조체가 상기 맞닿음 부재에 맞닿는 상기 초기 회전용 각도 위치까지 위치 복귀 가능하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치의 풍차.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 맞닿음 부재 및 상기 가동구조체의 맞닿음면 중 적어도 일방에는 탄성 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치의 풍차.
8. 제 6 항에 있어서,
   각 상기 날개 고정부는 상기 회전축과 일체 회전 가능하게 고정된 공통의 고정 부재를 통하여 상기 회전축에 대하여 고정되고, 상기 맞닿음 부재로서 기능하는 한편, 상기 연결 부재는 상기 날개의 상기 폭 방향이 바람과 평행에 가깝게 됨에 따라 상기 고정 부재에 접근하도록 상기 링크 기구와 접속하고, 상기 구조체로서 기능하고, 상기 고정 부재 및 상기 연결 부재의 어느 한쪽 또는 양쪽에는 타방의 부재를 향하여 연장되는 연장부가 형성되고, 그 연장부에 있어서의 상기 타방의 부재측의 선단이 그 타방의 부재에 대하여 맞닿음으로써, 상기 날개가 상기 초기 회전용 각도 위치에 위치 유지되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치의 풍차.
9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 풍차와,
   상기 회전축과 동축을 이루고, 또한 상기 일정 회전 방향에 있어서, 상기 회전축이 증속하고 있는 경우에는 이 회전축과 일체 회전 상태로 되어 자신도 증속 회전하고, 상기 회전축이 감속하고 있는 경우에는 이 회전축으로부터 분리되어 관성 회전하도록 1방향 클러치를 통하여 배치되는 플라이휠과,
   상기 플라이휠과 동축을 이루고 일체 회전하도록 배치된 로터를 갖고, 상기 플라이휠의 회전에 수반되는 이 로터의 회전에 의해 전력을 생성하는 발전 수단과, 상기 발전 수단에 의해 생성된 양쪽 또는 어느 한쪽의 전력을 외부 출력하는 출력 수단을
   구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
10. 제 8 항에 기재된 풍차와,
    상기 회전축과 동축을 이루고, 또한 상기 일정 회전 방향에 있어서, 상기 회전축이 증속하고 있는 경우에는 이 회전축과 일체 회전 상태로 되어 자신도 증속 회전하고, 상기 회전축이 감속하고 있는 경우에는 이 회전축으로부터 분리되어 관성 회전하도록 1방향 클러치를 통하여 배치되는 플라이휠과,
    상기 플라이휠과 동축을 이루고 일체 회전하도록 배치된 로터를 갖고, 상기 플라이휠의 회전에 수반되는 이 로터의 회전에 의해 전력을 생성하는 발전 수단과, 상기 발전 수단에 의해 생성된 양쪽 또는 어느 한쪽의 전력을 외부 출력하는 출력 수단을
    구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 발전 수단을 제 2 발전 수단으로 하고,
    상기 풍차의 회전축과 동축을 이루고 일체 회전하도록 배치된 로터를 갖고, 상기 회전축의 회전에 수반되는 이 로터의 회전에 의해 전력을 생성하는 상기 제 2 발전 수단과는 상이한 제 1 발전 수단을 구비하고,
    상기 출력 수단은 상기 제 1 발전 수단과 상기 제 2 발전 수단에 의해 생성된 양쪽 또는 어느 한쪽의 전력을 외부 출력하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 발전 수단을 제 2 발전 수단으로 하고,
    상기 풍차의 회전축과 동축을 이루고 일체 회전하도록 배치된 로터를 갖고, 상기 회전축의 회전에 수반되는 이 로터의 회전에 의해 전력을 생성하는 상기 제 2 발전 수단과는 상이한 제 1 발전 수단을 구비하고,
    상기 출력 수단은 상기 제 1 발전 수단과 상기 제 2 발전 수단에 의해 생성된 양쪽 또는 어느 한쪽의 전력을 외부 출력하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.

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