JPH11502584A - 垂直軸風力タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 翼形ブレード( １)が支持アーム( ２)により回転タワー（３）から半径方向に隔てて配置され、これらの翼形ブレード（１）はほぼ直線状でかつ垂直に配置される。回転タワー（３）とこれに関連する構造部の重さが、翼形ブレード（１）の高さのほぼ中間点で、固定ポスト（９）上に配置された荷重ベアリング（８）で支えられる。側方のベアリング手段（２５）が回転タワー（３）の下端部に設けられ、回転タワー（３）を固定ポスト（９）に対して側方に位置決めする。

Description

【発明の詳細な説明】 垂直軸風力タービン 本発明は、発電を含む多目的用途の動力を形成可能な大型風力タービンに関す る。技術分野 一般に、風力タービンは２つのカテゴリー、すなわち垂直軸タービンあるいは 水平軸タービンに分類することができる。垂直軸タービンは、水平軸タービンよ りも特に有益である。第１に、垂直軸タービンは、水平軸タービンの場合に必要 な風向きに対する向きかえを必要とすることなく、あらゆる方向からの風を受け ることができる。これは、風に対するタービンの好適な向きを維持するための複 雑な装置を必要としないことを意味する。 垂直軸タービンの他の主要な利点は、タービンのサイズが大きくなるほど、建 造が容易となることであり、これはタービンの軸からブレードまでの半径が大き くなり、どのような風速に対してもタービンの回転が遅くなるからである。した がって、大型の垂直軸風力タービンに対しては、タービンの回転で形成される遠 心力の問題は、重要ではない。これは、遠心力が大きく、ブレードを大きな張力 で保持することによりブレードの変形を相殺させる小型モデルの水平軸タービン と対比されるものである。しかし、大型の水平軸タービンでは、遠心力が小さく なると、例えばブレードの曲げ応力で生じるような重大な機械的束縛を生じさせ 、これは水平軸タービンが大型になる場合と同様に極めて大きくなる。 一般に、大型垂直軸タービンは、支持タワーの回りに均等に隔てて配置した翼 形ブレードを用い、これらのブレードの主軸は垂直に配置される。 翼弦形状がトロポスカインカーブ（Troposkein curve）を有し、これにより ブレードの遠心力が曲げ方向の力ではなく引張り力を形成する垂直軸タービンを 建造することも知られている。しかし、このようなカーブを用いることの不都合 な点は、ブレードの大きな断面が風に対する角度が鈍く（obscure）、したがっ て、風力エネルギの一部しか捉えられないことである。したがって、より効果的 な翼形ブレードは、効率をかなり増大することが明らかである。 大型の垂直軸風力タービンの設計に際し、翼弦に対する翼幅の比であるアスペ クト比を好適な高い値で利用することができる。この好適なアスペクト比は、ブ レードの長さがその直径（swept diameter）との関係でかなり長い場合にのみ得 ることができ、これは支線等を用いて構造体を安定させる必要がある。この風力 タービンの作動中に機械的な力が生じることにより、構造体を安定させる手段の 設計に特に注意することが必要であり、通常、これは回転するブレードの下側と 上側との双方で構造体を安定させる支線等により行われている。 従来の垂直軸風力タービンの不都合な点は、風力タービン構造を好適に支える ことを経験によって知ることが困難なことである。支線等を必要としない静的サ ポートタワーを建造することは可能であるが、しかし、アスペクト比が大きくな るほど困難になり、これはブレードおよびブレードに作用する荷重の物理的な大 きさが増大するためであり、したがって、従来の垂直軸タービンの形状には一般 に高アスペクト比は採用されていない。大型の垂直風力タービンを高アスペクト 比で建造するときに問題が生じ、特に、タービンの回転および風によるバフェッ ティングの回転で生じる大きな力に耐える必要のある好適な支持構造が問題であ る。一般に、このために支線、場合によっては剛性のブレースが種々のポイント で構造体に取付けられ、回転ブレードの上側および下側の双方でタービンを好適 に支えている。満足に繋留するためには、非現実的な高位置の中央システムを用 いて翼形ブレードと支線との間に好適な間隙を形成することが必要である。支線 等を使用することから生じる空間的な必要性とは別に、支線が空気流と干渉する 可能性があるという他の不都合な点が生じる。支線を使用する場合の更に他の不 都合な点は中央支持構造体がブレードと共に回転すると、支線により構造体に作 用する張力が軸受に余分の荷重を作用させることである。 本出願人は、最大の効率および出力を得るためには、垂直軸タービンの翼形ブ レードをほぼ直線状とし、長手方向軸線をほぼ垂直とする必要があると考える。 大型の出力発生装置については、最小サイズのタービンは、支持タワーから等距 離に隔てられた垂直な翼形ブレードを、好ましくは３つで、少なくとも２つ有し 、 これらのブレードの長さは、ブレードを支えるタワー構造体からの半径方向距離 の少なくとも１．５倍であることが好ましい。従来技術 米国特許第4204805号は、垂直軸風力タービンを開示し、この風力タービンは 、中央ハブに取付けられた回転可能な組立体を有し、この中央ハブは固設タワー の頂部に配置された軸受で支えられる。ハブの軸にトルクシャフトが取付けられ 、タワーを軸方向に下方に通る。ケーブル等の支線がタワーの頂部の近部で、回 転組立体のレベルの下側に取付けられ、このタワーを安定させる。 英国特許第2008202号は、支持ロープで安定状態に保持されたタワーから上方 に突出するシャフト上で、垂直軸の回りを回転可能なロータを開示する。 米国特許第4082279号は、ダリウス形式（Darrieus variety）の風力タービン を開示しており、このタービンは２つのブレードから形成されたロータを有し、 これらのブレードの端部は、ラチス構造のタワーの両端部の近部に結合され、こ のタワーは両端が軸受で支えられる。上側の軸受は、支線を構造体の頂部に結合 する手段を有し、これらの支線により構造体が所定位置に保持される。下側の軸 受は、支持構造部に装着される。 米国特許第4037989号は、静止フレーム部材を有する垂直軸風力タービンを開 示し、このフレーム部材上に、複数の脚部から形成された静止フレームを有する ウインドロータが装着され、これらの脚部はベース部材から延びてピラミッド構 造を形成する。フレーム部材の頂部は、風力タービンを配置する軸受を有し、回 転可能なシャフトが静止フレーム部材内に回転可能に支えられており、フレーム 部材の下側を、タワーの脚部に結合されたプラットフォーム上の出力変換手段ま で延びる。ウインドロータは、回転シャフトの上端部に取付けられる。 英国特許第GB2286637号は、パイロンを中止に回転可能に装着されたロータア ームを有する支持タワーを開示する。ブレードは、タービンモジュールを形成す る２つの隔てられたロータアームのセット上に支えられる。下側のロータアーム のセットは、パイロンで支えられる。 オーストラリア特許第91/79418号は、垂直配置のブレードのそれぞれが半径方 向支持アームで取付けられ、その内端部が垂直軸に取付けられる風力タービンを 開示する。 米国特許第5419683号は、現存のタワーに装着可能な風力タービンを開示する 。このタービンモジュールは、このモジュールから外方に延び、垂直に整合した ブレードのほぼ中点に取付けられたロータアームを備える。タービンモジュール は、その回りをロータアームが回転可能なフレームを備えることができる。これ らのロータアームは、回転するロータリングにより、タワーの回りを回転する。 英国特許第GB2249143 号は、ロータに結合された複数対のアームを有し、上側 アームがロータとの結合点から下方に傾斜し、下側アームがトラとの結合点から 上方に傾斜する垂直軸風力タービンを開示する。ブレードとロータとの組合わせ で、アームはトラス状構造を形成する。ドライブシャフトはタワーから上方に延 び、タワー頂部の近部の軸受に支えられ、途中までタワーの下方に延びる。した がって、ドライブシャフトの軸受およびロータのサポートは、ロータ機構の下側 に位置する。 英国特許第2202592 号は、上下のホイールを備え、これらのホイールからブレ ードが延びる垂直軸風力タービンを開示する。これらの上下のホイールは、リン ク部材により結合される。 米国特許第4764090 号は、上下の支持スポークのセット間に結合された４つの 翼形ブレードを用い、これらの支持スポークが回転垂直支柱で支えられる風力タ ービンを開示する。 英国特許第GB2175350 号は、ほぼＶ字状に取付けられたブレース付き翼形ブレ ードを用いる垂直軸風力タービンを開示する。固設サポートタワーには、垂直に 延びる回転可能なシャフトを設けられ、このシャフトから、種々のブレースを有 するブレードが延びる。 米国特許第4383801 号も、タービン装置が中央出力シャフト上で回転可能に支 えられ、このシャフトが固設マウントから上方に延び、タービン機構の軸受も軸 機構の下側に配置される垂直軸風力タービンを開示する。 米国特許第4355956 号も、垂直軸風力タービンに関し、この風力タービンは、 複数の弾性ブレードを支える回転フレームを有し、これらのブレードはその先縁 部で回転フレームに固定されている。フレームは、垂直シャフトの上端部に取付 られ、このシャフトはフレーム内に装着されたスラスト軸受によって支えられる 。 従来の満足できるアスペクト比を有する大型の垂直軸タービンは、一般に、回 転ブレードの上側で構造体に取付けられる支線を必要とする。発明の目的 したがって、本発明の目的は、改善された支持構造を提供し、上述の不都合を 解消し、あるいは、少なくとも従来の垂直軸風力タービンの不都合を低減する大 きな垂直軸タービン構造を提供することにある。発明の開示 したがって、本発明の一つの態様としては、垂直軸風力タービン用の支持構造 を具備し、この支持構造は、ほぼ垂直位置に固定されたポストの回りを回転可能 に支えられた回転タワーを備え、この回転タワーは、タワーからほぼ半径方向に 延びかつ隔てられた垂直配列の翼形ブレードに結合される複数のアームを含み、 この回転タワーは、翼形ブレードの高さのほぼ中間に位置し、固定ポスト上の回 転タワーとアームと翼形ブレードとの重さを支える荷重ベアリングを有し、更に 、この回転タワーの下端部は、前記固定ポストに設けられてこの固定ポストに対 して側方に回転タワーを位置決めする側方ベアリング装置を含む。 タービンで駆動される機構に結合するための駆動シャフトは、荷重ベアリング の位置で回転タワーに取付けられ、また、回転タワーおよび側方ベアリング装置 を介して下方に延びるのが好ましい。 それぞれの翼形ブレードは、回転タワーから等距離に支えられ、翼形ブレード の高さは、回転タワーとブレードとの間の半径方向距離の少なくとも１．５倍で あるのが好ましい。 各翼形ブレードは、ほぼ平坦であるのが好ましい。 各ブレードは、互いに等距離離れた少なくとも２つの支持アームにより、回転 タワーで支えられるのが好ましい。 側方ベアリング装置は、前記固定ポストの回りで互いに空間的に固定された関 係で支えられた一連のベアリングホイールを備え、これらのベアリングホイール のそれぞれの周部が回転タワーに設けられた軌道輪を支えるのが好ましい。図面の簡単な説明 本発明の好ましい形態について添付図面を参照して説明する。ここに、 第１図は、本発明による大型垂直軸風力タービンの概略的な三次元の部分説明 図、 第２図は、詳細図、 第３図は、第１図の垂直軸タービンの概略的な側面図、 第４図は、第３図に示すタービンの部分拡大断面図、 第５図は、第１図のタービンの図であるが、ブレード用ブレースの変形例を示 すものである。発明を実施する最良の形態 図を参照すると、タービンは３つの直線状ブレード１を備え、これらのブレー ド１は支持アーム２により回転タワー３に結合されることにより、垂直な向きに 保持されている。ブレード１の長さは、回転タワー３とブレード１との間の半径 の少なくとも１．５倍であるのが好ましいが、しかし、この大きさは必要に応じ て変更することができる。図示のように、ブレード１は従来技術と同様に翼形断 面に形成されている。回転タワー３は、公知のラチス形式の構造等に形成するこ とができ、当該分野で知られているように好適に建造され、パイロン４に支えら れている。パイロン４は、図面に示すように、三角形状に作り、更にラチス構造 とすることが好ましいが、風圧抵抗を最小とするために可能な限り小さな断面形 状を形成しつつ必要な構造上の剛性を与える種々の形状とすることができる。 回転タワー３は、多数のビーム６を三角状のブレース７で結合した剛性構造体 に形成され、回転タワー３の高さのほぼ中ほどに位置する主荷重ベアリング８で ほぼ垂直に支えられる。ベアリング８は固定ポスト９の頂部で軸支され、この固 定ポスト９はパイロン４の上方に垂直に延びるように、このパイロン４で支えら れている。固定ポストは、中実あるいは中空構造とすることができ、あるいは、 必要に応じてラチス構造あるいは半開放構造とすることができる。第４図に詳細 に示すように、荷重ベアリング８はボス１２を備え、このボス１２に支持アーム ２及び回転タワー３が次のようにして取付けられている。すなわち、支持アーム ２、回転タワー３及びブレード１の重量がボス１２に作用してスラストベアリン グ１３に伝達され、このスラストベアリング１３は、ボス１が回転することがで き且つ固定ポスト９の上部分に取付けられたベアリング支持部材１５によって位 置決めされるように取付けられている。 ドライブシャフト２０は、ベアリング１３で保持された延長部２０ａ等により 、ボス１２に好適に取付けられる。ドライブシャフト２０は適宜の手段によりボ ス１２に結合することができ、このような手段の１つが例えばナット２１であり 、延長部２０ａのねじ付きスタブにねじ係合する。ドライブシャフト２０は、固 定ポスト９のベースを貫通して延び、駆動すべき機構に結合される。ドライブシ ャフト２０は、好適なベアリングを固定ポスト９（図示しない）内に有し、ドラ イブシャフト２０の適切なアライメントを維持してもよい。 主荷重ベアリング８は、回転タワー３と支持アーム２と翼形ブレード１との重 さを支え、動的空気力をほぼバランスさせる位置に配置される。 回転タワー３の下部は所定の空間位置に配置されるが、しかし、自由に回転で きる。このための好ましい手段の１つは、複数のベアリングホイール２５（特に 図２を参照）を用いることであり、特に好ましい形態では、ベアリングホイール はアーム２６により、回転タワー３のフレームに軸支される。ベアリングホイー ル２５は、ベアリングホイールの周部が、固定ポスト９のベース上の環状ランド 部の形態の周面２８で支えられるように、配向されかつ配置される。したがって 、回転タワー３が回転すると、タワー３の底部は、ベアリングホイール２５が固 定ポストの環状ランド部２８の周部に沿って回転し、これにより回転タワーに生 ずる何らかのバランスのずれを生じさせる動きを低減するので、固定ポスト９に 対して特別の空間関係に保持される。ベアリングホイール２５は、互いにほぼ１ ２０°隔てられて配置され、回転タワーのベース部における最大のてこ作用の利 点を得ることができ、これは３つのホイール上の荷重を最小とする。 回転タワーの下端部を支える方法の変形例では、ベアリングホイールが固定ポ スト９を囲むフレーム構造で軸支し、ホイールの周部を回転タワー上に配置され かつ支えられた円形レールの内側で支えることができる。更に他の変形例では、 ベアリングホイールを用いることに代え、大径のボールベアリングあるいはロー ラベアリングを用い、内輪の孔に回転タワーを係合させ、外輪の周部をパイロン ４に固定されたケージ内に配置する。ベアリングシステム２５は、タワー３が回 転するときに発生する側方のスラストを吸収する機能を有することが明らかであ る。 図示の構造では、回転タワーは多数のラチス構造部から形成されるように示し てある。なお、ブレードが長くなると、更に支持アーム２を追加することが必要 となることもあり、この場合、ラチス構造部を追加して所要の高さおよび剛性の 回転タワーの構造を変更することができる。 本発明により、支線あるいは他の形態のサポートを必要としない垂直軸タービ ン用の支持構造体を形成することができる。したがって、垂直軸タービン用の構 造体を支えるために従来必要とされていた支線等の支持部材によるシュラウド効 果（shroudig effect）を受けない。 更に、本発明は、直線状あるいはほぼ直線状の垂直な翼形ブレードを有する垂 直軸タービンの建造を可能とする。理想的には、ブレードの長さおよびこれらの ブレードが支えられている回転タワーからの距離は、遠心力を制限し、最適の応 力基準を形成するように配置すべきである。例えば、合理的な範囲内では、ブレ ード２が回転タワーから隔てられる半径方向距離が長くなると、遠心応力が少な くなることが判明している。 本発明の垂直軸タービンの他の利点は、風速の８倍まで上昇可能なブレードの 翼端スピードでの遠心力によるブレード上の曲げ応力を、最小にするために十分 なサポートが形成可能なことである。必要な場合は、第３図に符号３０、３１で 示すステー等の追加ブレーシングを用いて、更にブレードを支えることができる 。 パイロンおよび回転タワーは、図示のように三角形状であることが好ましいが 、しかし、これらの点については種々の形状に形成可能なことを理解されたい。 例えば、パイロンは全体構造が同じかあるいは異なる固定ポストの延長部とする ことも可能である。図示のパイロンの形態は、自立しているが、他の形状のパイ ロ ンは支線あるいは他の形態のサポート、および、安定手段を使用することが必要 なこともある。しかし、全体構造により、これらの全てのサポートは回転ブレー ドよりも下方に維持し、したがって、翼形ブレードに対する風の流れと干渉し、 あるいは、囲い込むことがない。 本発明の好ましい形態について説明してきたが、なお、当該分野の当業者であ れば垂直軸タービンの変更および変形が可能であり、このような変更および修正 の全ては、本発明の範囲に含まれるものであることを理解されたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ほぼ垂直状態の固定ポストを中心にして回転可能に支えられた回転タワーを 備え、この回転タワーは、互いに離間して垂直に配置された翼形ブレードに連結 された半径方向に延びる複数のアームを含み、この回転タワーは荷重ベアリング を有し、この荷重ベアリングは、回転タワー、アーム及び翼形ブレードの重さを 支えるために、翼形ブレードの高さのほぼ中間点に配置され、また、この回転タ ワーの下端部は、前記固定ポストに設けられた側方のベアリング手段を含み、こ の側方のベアリング手段が回転タワーの下部を前記固定ポストに対して側方の位 置決めを行う、ことからなる垂直軸風力タービン用支持構造。 ２．タービンにより駆動される機構に連結するためのドライブシャフトが、荷重 ベアリングの場所で回転タワーに取付けられ且つ回転タワーを介して下方に延び 且つ側方のベアリング手段を通って延びている、請求の範囲第１項に記載の支持 構造。 ３．翼形ブレードは、回転タワーから等距離に支えられ、翼形ブレードの高さは 、回転タワーとブレードとの間の半径方向距離の少なくとも１.５倍である、請 求の範囲第１項に記載の支持構造。 ４．各翼形ブレードがほぼ平らである、請求の範囲第１項に記載の支持構造。 ５．各ブレードは、互いに等距離に離れた少なくとも２つの支持アームによって 、回転タワーに支えられている、請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記 載の支持構造。 ６．側方のベアリング手段は、回転タワーの下端部に取付けられたハウジング内 に互いに所定の位置関係で軸支された一連のベアリングホイールを備え、各ベア リングホイールの周面が、固定ポストに設けられたハブを支えている、請求の範 囲第１項に記載の支持構造。 ７．側方のベアリング手段は、前記固定ポストの回りに、互いに所定の位置関係 で軸支された一連のベアリングホイールを備え、これらのベアリングホイールの 周面が、回転タワーに設けられた内側ガイドレールを支えている、請求の範囲第 １項に記載の支持構造。 ８．側方のベアリング手段は、固定タワーのハブと回転タワーに設けられた環状 ハウジングとの間で作用するボールベアリングあるいはローラベアリングレース を備えている、請求の範囲第１項に記載の支持構造。