(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ及び風によって回転するブレードを有するローターと、
前記ローターに連結された主軸を介して前記ローターを回転自在に支持するナセルアセンブリーと、
前記ナセルアセンブリーを回転自在に支持するタワーと、
前記タワーが設置される場所に近接して位置するダイナモと、
前記タワー内部において前記主軸に対して直角に配置され前記主軸の回転力を前記ダイナモへ伝達する回転垂直軸と、
前記ダイナモの負荷による反発トルクから誘導される前記ナセルアセンブリーの回転力を前記ダイナモの負荷による反発トルクを相殺する方向に前記垂直軸に伝達する反発トルク相殺メカニズムと、
を有し、
前記反発トルク相殺メカニズムが、
前記タワー内において前記ナセルアセンブリーの底壁に取り付けられた上部中空部と、
前記上部中空部に結合され、また、前記垂直軸の下方に配置され、水平軸を回転自在に支持するケーシングであって、前記水平軸は前記垂直軸と係合しかつ前記垂直軸に対して直角であるケーシングと、
前記垂直軸に直角に配置され、前記ケーシングを回転自在に支持し、前記ダイナモの回転軸を回転自在に支持する下部支持部と、
前記ナセルアセンブリーの回転力を前記ケーシングに伝達する伝達ユニットと、
よりなる
水平軸型の風力発電機。
【請求項２】
前記ナセルアセンブリーの回転力を前記ケーシングに伝達する前記伝達ユニットが、前記上部中空部と前記上部中空部に結合される前記ケーシングとの間に配置されかつ取り付けられた中間シェルである、
請求項１に記載の水平軸型の風力発電機。
【請求項３】
前記ナセルアセンブリーの回転力を前記ケーシングに伝達する前記伝達ユニットが、前記上部中空部と前記上部中空部に結合される前記ケーシングとの間に回転可能に配置された回転軸である、
請求項１に記載の水平軸型の風力発電機。
【請求項４】
前記垂直軸に対して回転可能な前記水平軸の回転力を前記ダイナモの前記回転軸に伝達する運動変換メカニズムをさらに有し、
前記運動変換メカニズムが、
前記水平回転軸の回転力を前記垂直軸の方向と直角に交差する直線往復運動に変換する第１変換部と、
前記直線往復運動を回転力に変換し、前記回転力を前記ダイナモの前記回転軸に伝達する第２変換部と、
前記第１変換部と前記第２変換部の間に連結され、前記垂直軸に対して回転するスラスト軸受アセンブリーと、
よりなる
請求項１〜３のいずれか１項に記載の水平軸型の風力発電機。
【請求項５】
前記第１及び第２変換部の各々が、スコッチヨーク、 クランクとコンロッドの一対、円板カムとスライダーの一対、円形溝を有するカムとスライダーの一対、斜板カムとスライダーの一対のうちから選択されたいずれか一つを有する請求項４に記載の水平軸型の風力発電機。
【請求項６】
前記運動変換メカニズムが、複数の前記第１変換部及び複数の前記第２変換部を有する請求項５に記載の水平軸型の風力発電機。
【請求項７】
順風型風力発電機である請求項１〜３のいずれか１項に記載の水平軸型の風力発電機。
【請求項８】
前記タワーの上部を取り囲んで前記ナセルアセンブリーの下部に取り付けられ、前記タワーに対して前記ローターと逆方向に偏心されるように位置づけられるタワーフードをさらに有する請求項７に記載の水平軸型の風力発電機。
【請求項９】
逆風型風力発電機である請求項１〜３のいずれか１項に記載の水平軸型の風力発電機。
【請求項１０】
前記風力発電機が、海上にある海上風力発電機であり、前記タワーが設置される場所は、前記海上風力発電機を支持するフローティングプラットホームの上部表面を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の水平軸型の風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電機に関し、より詳しくは高出力を実現することができ、建設費及び維持補修費を節減した水平軸型の風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
技術的によく知られているように、風力発電機は、風のエネルギーを有用な電気エネルギーに変換させる装置である。風力発電機は、ブレードの回転力を用いて電気を発生させるものであって、その作用は風がブレードを回転させるときに生成される。風力発電機は、無公害発電を行うための電力源として無制限の清浄エネルギーである風を用いるので、化石燃料の代替効果が極めて大きい。そのうえ、低開発地域及び海岸地域や山間地域に風力発電機を設置することで国の土地を合理的に用いることができ、競争力のある電力普及が可能である。また、島のような特定地域に大規模の風力発電団地を建設する場合、風力発電機を観光資源としても活用できる。したがって、風力発電機への関心がより集まっている。
【０００３】
１８９１年デンマークの物理学者であるポール・ラ・クール(Poul la Cour)によって「ローターブレード型(rotor blade type)」(いわゆるプロペラ型)で風力発電機が建設されて以降、風力発電機はこのごろ脚光を浴びており、そのサイズが大型化しつつある。また、風力発電において、風力発電機の出力はそれの建設条件によって変わる。例えば、風速がより速く、且つ、風力発電機のサイズがより大きければ、より多くの風力エネルギーを生産できるので、風の強さ及び風力発電機のサイズは非常に重要な要素である。また、風力発電機の設置の高さが増大するほど風の強さが大きくなるため、より高い場所に風力発電機を設置する方が低い場所に設置したものに比べてより良くかつより多くの電力を生産することができる。風を用いて電力を発電するためには風が４ｍ／ｓ以上の平均速度で吹くことが要求される。ここでいう風の速度とは、人が立っている地表面上での速度ではなく、風力発電機のブレードが位置する高さでの風の速度を言う。
【０００４】
かかる風力発電機は、ブレードの回転軸の方向により、回転軸が地表面に対して直角に設置されている垂直軸型の風力発電機と、回転軸が地表面に対して平行に設置されている水平軸型の風力発電機とに分けられる。水平軸型の風力発電機は、簡易な構造なので設置が容易である。しかし、水平軸型の風力発電機は、風向によって大きく影響を受ける。垂直軸型の風力発電機は、風向と関係なく、砂漠や平原に設置することができるが、水平軸型の風力発電機に比べてその発電効率が劣るという短所がある。
【０００５】
図１ａ及び図１ｂは、典型的な水平軸構造を有するローターブレード型風力発電機の一例を示す。図１ａ及び図１ｂに示されているように、ローターブレード型風力発電機は、風力を機械的な回転エネルギーに変換するローター１０と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換するための構成要素を含むナセルアセンブリー(nacelle assembly)２０と、ナセルアセンブリー２０を支持するタワー(tower)３０とを有する。風力発電機は、基礎工事が完了された敷地に、タワー３０の下部にあるべき基礎インサート(foundation insert)４０を埋設した後、基礎インサート４０の上部にタワー３０、ナセルアセンブリー２０、及びローター１０を順次組み立てることで完成される。ローター１０は、等間隔で放射状に配列された、複数のブレード１２、例えば、３つのブレードを含むハブ-ノーズコーンアセンブリー(hub-nose cone assembly)１４を有する。ハブ-ノーズコーンアセンブリー１４は、ナセルアセンブリー２０内のベースフレーム２４上に支持される、主軸(main shaft)２２に連結されている。主軸２２には、増速ギアボックス(speed-up gearbox)２６と、ディスクブレーキ２８(disc brake)と、ダイナモ５０とが順次組み立てられている。ブレード１２は、主軸２２に対して直角方向に配置されており、これによって、風がブレードに吹付けられると、ハブ-ノーズコーンアセンブリー１４が回転する。この回転力が主軸２２に伝達され、その主軸の回転数が増速ギアボックス２６によって増加されて、電力を発電するダイナモ５０を駆動させる。
【０００６】
風力発電において、ローターブレードが回転する面(すなわち、ブレードの回転面)と風向が直角に交差する際に風力エネルギーの利用度が高いので、いわゆるフリーヨーイング(free yaw)の状態を具現することが最も好ましい。しかし、風向は随時に変化するので、ブレードの回転面と風向とが直交しないで直角から外れるヨーイングエラー(yaw error)が生じる。ヨーイングエラーが大きくなるほど風の利用度は劣る。
【０００７】
このような問題点を防止するために、風力発電機は、また、図２に具体的に示されているように、ナセルアセンブリー２０内に具備されたアクティブヨーイングシステム(active yawing system)６０を有する。アクティブヨーイングシステム６０は、タワーの上端に形成されたトップフランジ(top flange)上に装着されたリングギア６２と、該リングギア６２と連動する風向制御モーター６４とを含む。風向が変わると、リングギア６２と連動する風向制御モーター６４が稼動されてナセルアセンブリー２０を回転させることによって、アクティブヨーイング (Active Yaw)制御を実現する。従って、ブレード１２は常に風に対向するように運転される。図面において、符号６６は風向計を示す。
【０００８】
図３はダイナモが地上やタワーの下方に設置されている典型的な水平軸構造を有するローターブレード型風力発電機を示している。図３に示されているように、ナセルアセンブリー２０は、軸受アセンブリー８２によってタワー３０の上部に支持される。かかる状態で、主軸２２の回転力が駆動傘歯車(drive bevel gear)７２ａを介して該駆動傘歯車７２ａに歯合された従動傘歯車(following bevel gear)７４ａを有する垂直軸７６に伝達されてから、従動傘歯車７２ｂを介して回転軸７８を経由して増速ギアボックス２６へ伝達される。増速ギアボックス２６はダイナモ５０の駆動に用いられる。かかる構造によって、ダイナモ５０は地上または地上から遠く離れていない所定の高さに設置できる。しかし、この場合、ローター１０のブレード１２の回転力が垂直軸７６の下端部に結合された駆動傘歯車７４ｂ及び回転軸７８の従動傘歯車７２ｂを介して伝達される時、タワー軸７６は従動傘歯車７２ｂから駆動傘歯車７４ｂに加えられる反発トルク(repulsive torque) (点線で図示する)を受けるようになる。かかる反発トルクはナセルアセンブリー２０を回転させようとする。従って、該反発トルクの作用を防止するためには、強力な回転防止機能がアクティブヨーイングシステムの内部に追加されなければならないという短所がある。このため、風力発電機は、地上または地上に近接した位置に設置される代りに、コストが増加されてもナセルアセンブリーの内部に設置されるのが通常である。
【０００９】
一般的に、メガワット級の風力発電機の場合、風向及びその他の要因などに鑑み、そのタワーが略５０〜８０ｍの高さを有するように設計される。また、該タワーは実質的に１００トンのタワーヘッドの総重量(total tower head mass)、つまり、その上部のダイナモを含むナセルアセンブリー及びローターの荷重を支持する必要がある。このため、タワーはかかる条件を満たす構造的強度を有するように設計されなければならず、タワーのトップフランジはその外径が３ｍに近い大型であるので、これは建設費及び維持補修費用の増加を伴う。
【００１０】
また、ブレードが線形であるから、強力な抗力のため、エネルギーの損失が増加し、ブレードの回転によって多量の空気力学的な損失を生じる。順風の場合、タワーの後流部に低圧領域が形成され、ノイズを増加させ、ブレードの疲労現象を起こす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した問題点に鑑み、本発明の目的は、ローターの回転エネルギーが、風力発電機の設置された場所の近くに位置するダイナモへ伝達される風力発電機を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、風力発電機のダイナモの負荷による反発トルクを相殺することで、アクティブヨーイングシステムなくしてフリーヨーイングが実現される風力発電機を提供することにある。
【００１３】
本発明のまた他の目的は、出力を増大させることができ、ブレードがタワーの後流部内に形成された低圧領域を通過する時に発生するノイズを低減できる風力発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の実施の形態によれば、ハブ及び風によって回転するブレードを有するローターと、前記ローターに連結された主軸を介して前記ローターを回転自在に支持するナセルアセンブリーと、前記ナセルアセンブリーを回転自在に支持するタワーと、前記タワーが設置される場所の近くに位置するダイナモと、前記主軸の回転力を前記ダイナモへ伝達するために前記タワーの内部に前記主軸に対して直角に配置されて回転する垂直軸と、前記ダイナモの負荷による反発トルクを、前記ローターの回転力を前記ダイナモに伝達するメカニズムが前記反発トルクと反対方向に発生される回転力により、相殺させる反発トルク相殺メカニズム(repulsive torque-balancing mechanism)と、を有する水平軸型の風力発電機が提供される。 
【００１５】
前記反発トルク相殺メカニズムは、前記垂直軸と係合され、前記垂直軸に対して直角である水平軸を回転自在に支持するために、前記垂直軸の下方に配置されたケーシング(casing)と、前記ケーシングを回転自在に支持し、かつ前記ダイナモの回転軸を回転可能に支持する下部支持部と、前記ナセルアセンブリーを回転させようとする力を前記ケーシングに伝達する伝達ユニットと、を有することが好ましい。
【００１６】
前記水平軸型の風力発電機は、前記垂直軸に対して回転する前記水平軸の回転力を前記ダイナモの回転軸に伝達するための運動変換メカニズム(motion converting mechanism)をさらに含んでなることが好ましい。
【００１７】
前記運動変換メカニズムは、前記水平軸の回転力を前記垂直軸の方向と直角に交差する方向の直線往復運動に変換する第１変換部と、前記直線往復運動を回転力に変換し、該回転力を前記ダイナモの回転軸に伝達する第２変換部と、前記第１及び第２変換部の間に結合され、前記垂直軸に対して回転するスラスト軸受アセンブリー(thrust bearing assembly)と、を有することが好ましい。
【００１８】
前記第１及び第２変換部のそれぞれは、スコッチヨーク、クランクとコンロード(connecting rod)の一対、円形カム(circular cam)とスライダー(slider)の一対、円形溝を有するカムとスライダーの一対、斜板カム(swash plate cam)とスライダーの一対のうちから選択されたいずれか一つを有することが望ましい。
【００１９】
前記運動変換メカニズムは、複数の前記第１変換部と、複数の前記第２変換部とを有することが好ましい。
【００２０】
前記伝達ユニットは、ナセルアセンブリーの下部に取り付けられ、前記垂直軸を収容する上部中空部と、前記垂直軸の下部の一部分及び前記ケーシングの一部分を取り囲んで、その底部が前記ケーシングの下部に取り付けられる中間シェル及び下端支持部を有することが好ましい。 
【００２１】
前記伝達ユニットは、前記ナセルアセンブリーの下部及び前記ケーシングの下部と係合された相殺軸を有することが好ましい。
【００２２】
本発明の水平軸型の風力発電機は、前記ナセルアセンブリーの下部に取り付けられ、前記タワーの上部を取り囲み、その回転中心が前記タワーに対して前記ローターの逆方向に偏心されるように位置するタワーフード(tower hood)をさらに含むことが好ましい。
【００２３】
前記風力発電機の設置場所は、地表面を含むことが好ましい。
【００２４】
本発明の風力発電機は、海に設置される海上風力発電機を含み、その設置場所は前記海上風力発電機を支持するフローティングプラットホームの上部表面を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、ローターの回転エネルギーが垂直軸を介して発電機へ伝達され、前記垂直軸に伝達された反発トルクがアクティブヨーイングシステムなしにも相殺されることにより、ナセルアセンブリーの全体の重量が軽量化され、建設費が軽減される。
【００２６】
また、軽量のナセルアセンブリー及び当該ナセルアセンブリーが、風が吹いてくる方向と対向するように助ける流線形偏心タワーフードを用いることで、ヨーイングエラーが発生する時間を減少させることができる。さらに、ダイナモが地表面に近い場所に位置するため、ダイナモのメンテナンスが容易に行われる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明の前記及びその他の目的及び特徴は添付された図面と関連して説明される好ましい実施の形態の下記説明から明らかになるであろう。
【図１ａ】図１ａは従来のローターブレード型風力発電機を示す概略背面図である。
【図１ｂ】図１ｂは従来のローターブレード型風力発電機を示す側面図である。
【図２】図２は、図１ａ及び１ｂに示されたアクティブヨーイングシステムの詳細図である。
【図３】図３は、主軸の回転力が垂直のタワー軸を介して地上にあるダイナモに伝達される際に発生する反発トルクを説明するための概念図である。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態による風力発電機を示す側断面図である。
【図５】図５は、図４に示されたナセルアセンブリー及びタワーの上部を示す詳細図である。
【図６】図６は、図４に示された垂直軸の下部にある反発トルク相殺メカニズムの構成を示す断面図である。
【図７】図７は、図４に示された垂直軸の下部にあるスコッチヨークメカニズムの構成を示す一部切取斜視図である。
【図８】図８は、図６のVIII-VIII線断面図である。
【図９】図９は、垂直軸の回転運動を直線運動に変換するスコッチヨークの構成を説明するための概略図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施の形態による風力発電機を示す側断面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示された垂直軸の下部の反発トルク相殺メカニズムの構成を示す概略図である。
【図１２ａ】図１２ａは、関連技術の線形ブレードを示す図である。
【図１２ｂ】図１２ｂは、本発明の一実施の形態による後退翼型ブレード(swept-back wing type blade)を示す図である。
【図１３ａ】図１３ａは、図１２ｂに示された後退翼型ブレード及び空気渦流(air vortex)を除去するように設計されたタワーフードがナセルアセンブリー上に装着されている状態を示す背面図である。
【図１３ｂ】図１３ｂは、図１２ｂに示された後退翼型ブレード及び空気渦流(air vortex)を除去するように設計されたタワーフードがナセルアセンブリー上に装着されている状態を示す側断面図である。
【図１４ａ】図１４ａは、タワーフードが装着されなかった場合の空気の流れを示す平面図である。
【図１４ｂ】図１４ｂは、図１３ａ及び１３ｂに示されたタワーフードが装着された場合の空気の流れを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の好ましい実施の形態を添付された図面に基づいてこの分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるようにより詳細に説明する。図面の全般にわたって、同一又は類似の構成要素には同じ符号が付けてある。
【００２９】
図４は、本発明の一実施の形態よる風力発電機を示す側断面図であり、図５は図４に示されたナセルアセンブリー及びタワーの上部を示す詳細図であり、図６は図４に示された垂直軸の下部にある反発トルク相殺メカニズムの構成を示す断面図であり、図７は図４に示された垂直軸の下部にあるスコッチヨークメカニズムの構成を示す一部切取斜視図であり、図８は図６のVIII-VIII線断面図であり、図９は、垂直軸の回転運動を直線運動に変換させるスコッチヨークの構成を説明するための概略図である。
【００３０】
図４に示されているように、かかる本発明の実施の形態による風力発電機は、タワー１００と、ナセルアセンブリー２００と、ローター３００及びダイナモ６００を有する。本実施の形態によると、ダイナモ６００はナセルアセンブリー２００内に装着される代わりに、風力発電機が建設される場所に近接して位置づけられる。ここで、風力発電機が建設される場所というのは、風力発電機が地上に設置される場合の地表面６５０、もしくは海にある海上風力発電機を支えるフローティングプラット-ホームの上部表面にあたる。また、風力発電機は、ダイナモ６００の負荷による反発トルクを相殺させるためにタワー１００の内部に設けられる反発トルク相殺メカニズム５００を含む。
【００３１】
加えて、前記風力発電機において、ナセルアセンブリー２００は、アクティブヨーイングシステムが設けられていないが、ナセルアセンブリー２００とタワー１００との間に挿入された軸受を介してナセルアセンブリー２００がタワー１００に対して自由に動くことのできるフリーヨーイングシステムを具現する。図５に詳細に示されているように、ナセルアセンブリー２００はその下部に内部フランジ２５０と外部フランジ２６０とを含む。内部軸受４２０はタワー１００の上端内面と内部フランジ２５０との間に結合され、外部軸受４１０はタワー１００の上端外面と外部フランジ２６０との間に結合される。従って、本実施の形態の風力発電機は、アクティブヨーイングシステムなしに、後述するブレード３１０及びタワーフード３７０(図１３ｂ及び図１４ｂ参照)に加えられる風に対する抗力のみを用いてナセルアセンブリー２００をタワー１００に対して自由に回転させることによりフリーヨーイングシステムを具現する。
【００３２】
主軸２２０が、ナセルアセンブリー２００の内側に回転自在に設置され、一対の支持フレーム２１０によって水平に支持される。前記主軸２２０の一端はブレードが取り付けられたローター３００に連結され、前記主軸２２０の他端は主軸傘歯車２３０に連結される。風がブレード３１０を回転させるとき、前記主軸２２０が回転する。
【００３３】
回転する垂直軸１２０が、タワー１００の内部に垂直に設置され、その上端部及び下端部に取り付けられた上端傘歯車１１０及び下端傘歯車１１２を有する。前記上端傘歯車１１０は前記主軸２２０の主軸傘歯車２３０と歯合される。これによって、前記主軸２２０の回転力が前記垂直軸１２０に伝達される。
【００３４】
前記垂直軸１２０に伝達された回転力は、反発トルク相殺メカニズム５００を通過し、回転軸６１０を介して増速ギアボックス６２０で加速された後、ダイナモ６００へ伝達される。
【００３５】
図４、図５及び図７に示されているように、内部ハウジング４００がさらにタワー１００の内部に具備され、この内部ハウジング４００は、その上部がナセルアセンブリー２００の低壁に取り付けられた上部中空部４０２と、その上部が上部中空部４０２の下部に固定された中間シェル４０４と、図６及び図７に示すように、ケーシング４０８の下方に保持された下端支持部４０６とを有する。前記垂直軸１２０は、上部中空部４０２の内部を通り、その垂直軸１２０の下端傘歯車１１２は、中間シェル４０４の内部に位置づけられる。また、第１スコッチヨークユニット５２０は、中間シェル４０４の内部に位置づけられ、第２スコッチヨークユニット５６０及び前記第２スコッチヨークユニット５６０の上部のスラスト軸受アセンブリー５４０は下端支持部４０６の内部に位置づけられる。前記第１及び第２スコッチヨークユニット５２０及び５６０は、それぞれ回転運動を直線往復運動に変換するか、又はその反対に変換する運動変換メカニズムであるが、これに限定されず、たとえばスコッチヨークを含むこともできる。かかる運動変換メカニズムの他の例としては、クランクとコンロードの一対、円形カムとスライダーの一対、円形溝を有するカムとスライダーの一対、カムとスライダーの一対などが挙げられる。
【００３６】
ケーシング４０８は、中間シェル４０４の底部に取り付けられた下端部を備える。前記ケーシング４０８の下端部は、軸受４０９によって下端支持部４０６に回転自在に係合される。前記水平回転軸４４０はケーシング４０８に回転自在に支持される。垂直軸１２０の下端傘歯車１１２と歯合されたケーシング傘歯車４４２が前記水平回転軸４４０の一端に取り付けられ、回転ギア４４４が水平回転軸４４０の他端に取り付けられる。また、第１スコッチヨークユニット５２０の第１カム回転軸４５０は、水平回転軸４４０に平行となるようケーシング４０８に回転自在に支持される。前記回転ギア４４４と歯合されたカム回転ギア４４６は、第１カム回転軸４５０の一端に取り付けられる。ガイド板４７０が前記第１スコッチヨークユニット５２０とスラスト軸受アセンブリー５４０との間に備えられる。
【００３７】
前記下端支持部４０６において、ガイド板４６０がスラスト軸受アセンブリー５４０と第２スコッチヨークユニット５６０との間に備えられる。前記第２スコッチヨークユニット５６０の第２カム回転軸４８０は回転軸６１０に連結される。
【００３８】
図６〜図８に示されているように、前記第１スコッチヨークユニット５２０は少なくとも一つの円形偏心カム５２２と、少なくとも一つの矩形フレーム５２４と、少なくとも一つのヨーク５２６とを有する。前記円形偏心カム５２２は、第１カム回転軸４５０に固定されており、好ましくは、３対の偏心カムを含む。前記矩形フレーム５２４は、その内部を貫通して延びている第１カム回転軸４５０と直角をなす。ヨーク５２６は、当該ヨークに嵌めこまれたそれぞれの偏心カム５２２と共に、各々の矩形フレーム５２４内で往復運動する。円形偏心カムと同様に、矩形フレーム５２４及びヨーク５２６はそれぞれ３対からなる。図面を単純化するために、図７はただ一対の円形偏心カム５２２、矩形フレーム５２４及びヨーク５２６を図示する。コンロッド(connecting rod)５２８は、各々の矩形フレーム５２４の下部に取り付けられ、ガイド板４７０の孔４７２を通じて延びている。このため、第１カム回転軸４５０が回転する時、コンロッド５２８がガイド板４７０の各孔４７２を通して垂直方向に往復運動するように、ヨーク５２６が矩形フレーム５２４の内部で横方向に往復運動するが、これについては後述する。この場合、第１スコッチヨークユニット５２０が複数の矩形フレーム５２４及び複数の偏心カム５２２を備えると、変換された力をもっと安定的に伝達することができる。これは第２スコッチヨークユニット５６０においても同様である。また、ナセルアセンブリー２００が自由に回転する場合、コンロッド５２８は垂直軸の回転中心から遠ざかるほど、もっと大きな剪断力を受けることになる。
【００３９】
前述のように、前記ナセルアセンブリー２００は、上部中空部４０２及び中間シェル４０４を介して、中間シェル４０４に取り付けられたケーシング４０８と結合される。従って、ローター３００が風によって回転すれば、ナセルアセンブリー２００はダイナモ６００の負荷によって発生する反発トルクを受けることになり、前記ローター３００の回転による回転力が前記ケーシング４０８へ伝達される。前記ケーシング４０８がその回転力を受けることの結果、反発トルクの方向と逆方向の、その回転力のトルクが、垂直軸１２０の下端傘歯車１１２とケーシング４０８内で回転自在に支持されるケーシング傘歯車４４２とを介して、前記ケーシング４０８へ伝達されて、反発トルクを相殺することになる。
【００４０】
次に、前記ナセルアセンブリー２００がダイナモ６００の負荷による反発トルクに応じて回転しようとする上述した現象の除去について詳しく説明する。
【００４１】
前記主軸傘歯車２３０が前記上端傘歯車１１０を駆動する時、前記主軸傘歯車２３０は、前記上端傘歯車１１０から反発トルクを受けることになり、この反発トルクは主軸２２０を支持する一対の支持フレーム２１０へ伝達され、前記ナセルアセンブリー２００を回転させる力として作用する。この場合、前記ナセルアセンブリー２００に対する前記反発トルクの方向は、前記ローター３００の回転から誘導される前記回転力により前記上端傘歯車１１０が回転する方向と逆方向である。
【００４２】
次には、反発トルクの方向と逆方向の、前記ローター３００の回転から誘導される前記回転力のトルクが垂直軸１２０の下端傘歯車１１２に加えられる後の動作について説明する。
【００４３】
ケーシング４０８内に回転自在に支持された水平回転軸４４０が下端傘歯車１１２と水平回転軸４４０に取り付けられたケーシング傘歯車４４２とを介して前記回転力のトルクを受けるようになり、前記ケーシング４０８が反発トルクの方向と逆方向に、前記ローター３００の回転から誘導される前記回転力を受けることになる。前記下端傘歯車１１２を介して前記ケーシングに加えられる前記トルクの方向は、反発トルクの方向と逆方向である、 すなわち、反発トルクを相殺する方向への前記トルクが下端傘歯車１１２を介して前記ケーシング４０８へ伝達され、前記反発トルクを無力化する。
【００４４】
前記スラスト軸受アセンブリー５４０は、コンロッド５２８の下部に結合された上下一対の上部及び下部円筒形プッシャー５４２と、該上部及び下部円筒形プッシャー５４２の間に介在されたスラスト軸受５４４とを有する。そのコンロード５４８は、ガイド板４６０の孔４６２を貫通して延びるように下部円筒形プッシャー５４２の下部に連結される。前記上部円筒形プッシャー５４２がコンロッド５４８の垂直往復運動によって加圧されると、下部円筒形プッシャー５４２がスラスト軸受５４４を介して加圧されて、コンロッド５４８がガイド板４６０の孔４６２を通して垂直に往復運動するようになる。
【００４５】
前記ナセルアセンブリー２００が風向に従って回転すると、コンロッド５２８も回転する。したがって、スラスト軸受５４４は、コンロッド５２８が下部支持部４０６に対して自由に回転しながらも直線方向に往復運動することを可能にする。
【００４６】
前記第２スコッチヨークユニット５６０は、上述した第１スコッチヨークユニット５２０と同一の構成要素を有する。しかし、第２スコッチヨークユニット５６０は、第１スコッチヨークユニット５２０とは反対に作動する。より具体的には、コンロッド５４８がガイド板４６０の孔４６２を通して垂直往復運動する際に、ヨーク５２６が矩形フレーム５２４内で往復運動する。これは、偏心カム５２２を回転させた後、第２カム回転軸４８０を回転させ、それにより、回転軸６１０を回転させる。
【００４７】
以下に、このように構成された本発明の風力発電機の作動について説明する。
【００４８】
風が、例えば、４ｍ／ｓ以上の速度でローター３００のブレード３１０を回転させるとき、ナセルアセンブリー２００の主軸２２０が回転する。前記主軸２２０の回転力は、当該主軸２２０に取り付けられた主軸傘歯車２３０と歯合された垂直軸１２０の上端傘歯車１１０を介して垂直軸１２０へ伝達される。次いで、水平回転軸４４０と第１カム回転軸４５０が、垂直軸１２０の下端傘歯車１１２と歯合されたケーシング傘歯車４４２によって回転されて、偏心カム５２２を回転させる。前記偏心カム５２２の回転は、第１スコッチヨークユニット５２０のコンロッド５２８が垂直に往復運動するように、ヨーク５２６を矩形フレーム５２４内で往復運動させる。その結果、上部円筒形プッシャー５４２が垂直往復運動を行い、この垂直往復運動は引き続きスラスト軸受５４４を介して下部円筒形プッシャー５４２へ伝達され、当該下部円筒形プッシャー５４２が垂直に往復運動する。その後、前記第２スコッチヨークユニット５６０のコンロッド５４８がガイド板４６０の孔４６２を通して垂直往復運動する。これによって、前記ヨーク５２６が矩形フレーム５２４内で往復運動し、このため、偏心カム５２２が回転する。この回転は、第２カム回転軸４８０を回転させ、これによって回転軸６１０を回転させる。
【００４９】
前述したように、回転軸６１０に連結されたダイナモ６００の負荷による反発トルクは、その反発トルクの方向と逆方向の駆動トルクが、伝達ユニットを介してナセルアセンブリー２００に係合されたケーシング４０８内で回転自在に支持されたケーシング傘歯車４４２を介して垂直軸１２０へ伝達される時、相殺される。
【００５０】
風の方向が変わる場合でも、前記ナセルアセンブリー２００とタワー１１０との間に介在された外部及び内部軸受４１０及び４２０と、中間シェル４０４と下部支持部４０６との間に介在された軸受と、スラスト軸受５４４とのおかげで、ナセルアセンブリー２００はタワー１００に対して風が吹いて来る方向に自由に向くことができる。従って、前記ナセルアゼンブリー２００が風に向き合うように回転するので、回転軸６１０は、増速ギアボックス６２０を用いて回転数を増加させることによってダイナモ６００を駆動させる。
【００５１】
図１０は本発明の第２の実施の形態による風力発電機を示すものであり、図１１は図１０に示された垂直軸１２０の下部と組み合わせた反発トルク相殺メカニズム５００の詳細な構成を示した図である。
【００５２】
本発明の第２の実施の形態の反発トルク相殺メカニズムは、上部中空部４０２のサイズが上部のみに変更され、当該上部中空部４０２の下部及び中間シェル４０４が除外され、その代わりに、相殺軸４１２の上端部及び下端部が前記ナセルアセンブリー２００の下方の上部中空部４０２及びケーシング４０８とそれぞれギアによって係合されることを除き、第１の実施の形態と実質的に同一である。よって、第２の実施の形態に対する詳細な説明は省略する。
【００５３】
当該技術分野における通常の知識を持つ者であれば、相殺軸４１２がギアのみならず、ベルト及びチェーンによって、ナセルアセンブリー２００の下方の上部中空部４０２及びケーシング４０８と結合できるということが分かるであろう。
【００５４】
図１２ａ及び１２ｂは、 従来技術の線形ブレードと本発明の一実施の形態による後退翼型ブレードとを比較して示した図面であり、図１３ａ及び１３ｂは、図１２ｂに示された後退翼型ブレード及び空気渦流現象を除去するように設計されたタワーフードがナセルアセンブリーに装着された状態をそれぞれ示す背面図及び側断面図である。
【００５５】
本発明の実施の形態による風力発電機は、図１２ｂに示された後退翼型ブレード３１０を有するローター３００を用いることが好ましい。このような後退翼型ブレード３１０は、ハブ取付部３１２及び折曲部３１４を含む。ハブ取付部３１２は、等間隔でハブコーンアセンブリーに取り付けられ、ハブ取付部３１２の各々の自由端部は、ハブ取付部３１２のそれぞれの外側端部から所定の角度で後方に折り曲げられている。後退翼型ブレード３１０付きのローター３００は、抗力抵抗(reaction resistance）を従来技術の直線翼型（linear wing type）ローターのそれより小さくなるように減少させるので、効率を増大させ、抗力ノイズ(reaction noise)を減少させる。前記ローターは、さらに、後退翼型ブレード３１０がタワーの後流部に形成される低圧領域を徐々に通過するので、低周波ノイズを大幅に減少させる。
【００５６】
図１４ｂに示されたように、本発明の風力発電機は、さらに、ナセルアセンブリー２００の下部に取り付けられ、タワー１００の上部を取り囲んでいるタワーフード７００を有する。上方からみると、タワーフード７００は、細長い形状を有し、タワー１００の方に偏心されるように位置づけられる。より具体的に、タワーフード７００は、タワー１００との関係で逆風が吹いて来る方向、すなわちローター３１０の方向に向けて偏心されて位置づけられる。タワーフード７００は、ナセルアセンブリー２００と一緒に回転することによって、タワー１００の周辺の空気の流れを誘導するよう機能する。
【００５７】
本発明によれば、ナセルアセンブリー２００は、ダイナモもアクティブヨーイングシステムも装着されないため、軽量である。従って、ナセルアセンブリー２００が風向の変化に対して低い慣性モーメントで回転することにより、ヨーイングエラーが継続する時間を短縮することができる。さらに、偏心タワーフード７００を備えたナセルアセンブリー２００は迅速に順風方向に向くことができるので、ヨーイングエラーが発生する時間をより少なくすることができる。
【００５８】
図１４ａは図１３ｂに示されたタワーフードが装着されなかった場合の空気の流れを示す平面図であり、図１４ｂは図１３ｂに示されたタワーフードが装着された場合の空気の流れを示す平面図である。図１４ａに示されたように、空気渦流(air vortex) がタワーの後流部に低圧領域を形成する。しかし、図１４ｂに示すように、空気渦流によって形成されるタワーの後流部の低圧領域が除去されることが示されている。これは順風の場合、ブレードがタワーの後流部を通過する際に発生するノイズを減少させ、低圧領域により生じるブレードの振動応力を減らしてブレードの疲労を減少させ、ブレードの損傷を防止する。
【００５９】
前述した本発明の実施の形態によれば、ローターの回転エネルギーが、タワー内部に垂直に設置された回転可能な垂直軸を介して、地上に設置されたダイナモへ伝達される。ここで、垂直軸が受ける反発トルクは、反発トルク相殺メカニズムの使用によって相殺され、フリーヨーイングが具現される。従って、従来技術に比べて簡単な設備を用いて、一層高い出力を得ることができる。
【００６０】
また、本発明は順風型風力発電機について説明されたが、その反発トルク相殺メカニズムは逆風型風力発電機にも用いることができる。逆風型風力発電機の場合、アクティブヨーイングシステムがそれに追加され得る。
【００６１】
以上本発明を好ましい実施の形態について図示及び説明したが、本発明の属する分野で通常の知識を持つ者であれば、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の要旨及び範疇を外れない範囲内で多様な変更及び変形ができることが理解されるであろう。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
0005934108.tif 000003
【図２】
0005934108.tif 000004
【図４】
0005934108.tif 000005
【図５】
0005934108.tif 000006
【図６】
0005934108.tif 000007
【図７】
0005934108.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
0005934108.tif 000018
【図３】
0005934108.tif 000019