(57)【要約】【課題】【解決手段】  可変電圧と周波数出力風力タービンである。風力タービンの変形例には、交流発電機騒音を低減するためにスロット無し交流発電機を用いる、延長した距離のわたり出力の伝達を容易にする高電力ＡＣ出力、ＡＣ−ＤＣコンバータおよびＤＣ−ＡＣコンバータ、風力タービン出力を受け取り、出力と受け取る装置やシステムとのマッチングを可能にするシステムや装置のセンサなどがある。その他の形状構成には、タービン内に含まれる、あるいはハッチカバーに取付けた部品からの熱を消散させる取り外し可能なハッチカバー、タービン翼が発生する騒音を減少させる後退タービン翼、風力タービン発電の結果として貯蔵されるエネルギーを貯蔵し断続的に使用するための電力貯蔵部品などがある。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気出力装置と、
前記電気出力装置に動作可能に連結された少なくとも１つの風力駆動タービン翼であって、前記少なくとも１つの風力駆動タービン翼の運動により連結された前記電気出力装置から出力を生成する少なくとも１つの風力駆動タービン翼と、
前記電気出力装置に連結された双方向インバータであって、ＤＣ負荷に連結された双方向インバータと、を備える風力タービン。
【請求項２】
前記電気出力装置は交流発電機である請求項１に記載の風力タービン。
【請求項３】
前記ＤＣ負荷は、電池、ポンプ、コンプレッサ、ヒータ、陰極防食装置、ＤＣ−ＤＣコンバータ、および電解槽より成るグループから選択される請求項１に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記双方向インバータに連結されるコントローラをさらに備える請求項１に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記ＤＣ負荷に連結されたセンサをさらに備え、前記コントローラは、前記センサが受け取る入力の関数として、前記風力タービンの動作を制御する請求項４に記載の風力タービン。
【請求項６】
前記電力出力装置は、前記ＤＣ負荷の所要電力の全範囲で利用可能である請求項１に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記電気出力装置は、約０ボルトから約４２０ボルトの範囲で出力を有する請求項１に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記コントローラは、無線により前記双方向インバータに連結される請求項４に記載の風力タービン。
【請求項９】
前記コントローラは、無線により前記センサに連結される請求項５に記載の風力タービン。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記電気出力装置の出力を制御する請求項４に記載の風力タービン。
【請求項１１】
前記コントローラは、失速調整により前記電気出力装置の出力を制御する請求項１０に記載の風力タービン。
【請求項１２】
前記電気出力装置は複数の巻線部分を備え、少なくとも１つの前記複数の巻線部分の短絡により、前記失速調整を制御する請求項１１に記載の風力タービン。
【請求項１３】
前記電気出力装置に連結され、かつ前記双方向インバータに連結されたインバータをさらに備える請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１４】
前記ＤＣ負荷に連結されたセンサをさらに備え、前記コントローラは、前記センサが受け取る入力の関数として、前記風力タービンの動作を制御する請求項１３に記載の風力タービン。
【請求項１５】
前記コントローラは前記インバータに連結される請求項１３に記載の風力タービン。
【請求項１６】
前記コントローラは、無線により前記インバータに連結される請求項１３に記載の風力タービン。
【請求項１７】
ハウジングをさらに備え、前記インバータは前記ハウジング内に収容される請求項１３に記載の風力タービン。
【請求項１８】
前記電気出力装置を収容するハウジングをさらに備える請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１９】
前記双方向インバータは、さらにＡＣ負荷に連結される請求項１に記載の風力タービン。
【請求項２０】
前記ＡＣ負荷は、ポンプ、コンプレッサ、ヒータ、および変圧器より成るグループから選択される請求項１９に記載の風力タービン。
【請求項２１】
前記電気出力装置と前記コントローラを収容するハウジングをさらに備える請求項４に記載の風力タービン。
【請求項２２】
前記電気出力装置、前記コントローラ、および前記センサを収容するハウジングをさらに備える請求項５に記載の風力タービン。
【請求項２３】
前記ＤＣ負荷を検知する第１のセンサと、
前記ＡＣ負荷を検知する第２のセンサと、をさらに備え、
前記コントローラは、前記第１および前記第２のセンサが受け取る入力の関数として、前記風力タービンの動作を制御する請求項１９に記載の風力タービン。
【請求項２４】
前記双方向インバータは、さらにＡＣ負荷に連結され、前記ＤＣ負荷と前記ＡＣ負荷はそれぞれ可変であり、前記コントローラは、可変の前記ＤＣ負荷と可変の前記ＡＣ負荷の関数として、前記電気出力装置の出力を制御する請求項４に記載の風力タービン。
【請求項２５】
前記コントローラは第２の風力タービンに連結される請求項４に記載の風力タービン。
【請求項２６】
前記ＤＣ負荷は可変であり、
前記第２の風力タービンは、可変の第２の風力タービンＡＣ負荷と可変の第２の風力タービンＤＣ負荷の少なくとも１つから選択される、可変の第２の風力タービン負荷を有し、
前記コントローラは、可変の前記ＤＣ負荷の関数および前記可変の第２の風力タービン負荷の関数として、前記風力タービンと前記第２の風力タービンの出力を制御する請求項２５に記載の風力タービン。
【請求項２７】
前記風力タービンは失速調整される請求項１に記載の風力タービン。
【請求項２８】
前記風力タービンは、所定の条件下で失速調整される請求項２７に記載の風力タービン。
【請求項２９】
前記所定の条件は、所定のタービン翼運動スピード、電力出力限界、および起動条件より成るグループから選択される請求項２８に記載の風力タービン。
【請求項３０】
前記コントローラに連結された風力タービンセンサをさらに備え、前記コントローラは、前記センサが受け取る入力の関数として、前記風力タービンの動作を制御する請求項４に記載の風力タービン。
【請求項３１】
前記電気出力装置は速度を有し、
前記風力タービンセンサは、少なくとも１つの風力駆動タービン翼の速度、電気出力装置の速度、風度、および前記電気出力装置の出力より成るグループから選択される少なくとも１つを検知する請求項３０に記載の風力タービン。
【請求項３２】
可変周波数負荷に出力を供給するアクティブ可変周波数風力タービンであって、
装置スピードに応じて可変周波数ＡＣ出力を生成する電気出力装置と、
前記電気出力装置に動作可能に連結される少なくとも１つの風力駆動タービン翼であって、
前記少なくとも１つの風力駆動タービン翼の可変運動が、連結される前記電気出力装置からＡＣ出力を生成する少なくとも１つの風力駆動タービン翼と、
前記電気出力装置に連結されるＡＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ−ＡＣコンバータに連結されるＤＣ−ＡＣコンバータであって、負荷に連結されるＡＣ−ＤＣコンバータと、
ＤＣ−ＡＣコンバータに連結されるコントローラであって、ＤＣ−ＡＣコンバータに連結される負荷用の出力選択に応じて前記ＤＣ−ＡＣコンバータからの出力を変化させることにより、前記ＤＣ−ＡＣコンバータを制御可能なコントローラと、
を備える風力タービン。
【請求項３３】
前記負荷は可変であり、
前記風力タービンは、前記負荷を検知するセンサをさらに備え、変化する前記負荷により前記ＤＣ−ＡＣコンバータからの出力が変化する請求項３２に記載の風力タービン。
【請求項３４】
前記負荷は変圧器からなる請求項３３に記載の風力タービン。
【請求項３５】
前記ＡＣ−ＤＣコンバータは整流器である請求項３４に記載の風力タービン。
【請求項３６】
前記負荷は電池である請求項３５に記載の風力タービン。
【請求項３７】
前記電気出力装置は交流発電機である請求項３２に記載の風力タービン。
【請求項３８】
前記電気出力装置は単相である請求項３２に記載の風力タービン。
【請求項３９】
前記電気出力装置は多相である請求項３２に記載の風力タービン。
【請求項４０】
前記風力タービンは失速調整される請求項３９に記載の風力タービン。
【請求項４１】
前記風力タービンは、所定の条件下で失速調整される請求項４０に記載の風力タービン。
【請求項４２】
前記所定の条件は、所定のタービン翼運動スピード、電力出力限界、および起動条件より成るグループから選択される請求項４１に記載の風力タービン。
【請求項４３】
磁束誘導材料から構成させるコアを取り囲む巻線を有するスロット無し巻線部分と、
磁束誘導材料から構成されるリムおよび前記リムに取付けられる複数の磁性素子を有するロータ部分と、を備える電力出力装置であって、
前記スロット無し巻線部分と前記ロータ部分は、互いに回転運動可能である電力出力装置。
【請求項４４】
前記コアは低損失である請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項４５】
前記コアは積層されている請求項４４に記載の電力出力装置。
【請求項４６】
前記コアは渦電流低減材料からなる請求項４４に記載の電力出力装置。
【請求項４７】
前記渦電流低減材料は合金鉄材料からなる請求項４６に記載の電力出力装置。
【請求項４８】
前記複数の磁性素子は複数の永久磁石を含む請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項４９】
前記電気出力装置に連結されたＡＣ−ＤＣコンバータをさらに備える請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項５０】
前記ＡＣ−ＤＣコンバータは整流器である請求項４９に記載の電力出力装置。
【請求項５１】
前記ＡＣ−ＤＣコンバータはＤＣ−ＡＣコンバータに連結された請求項４９に記載の電力出力装置。
【請求項５２】
前記ＤＣ−ＡＣコンバータは、出力電力受取装置に連結され、
タービンは、前記出力電力受取装置の電気特性に対して適切に前記電気出力装置からの出力を制御する前記ＤＣ−ＡＣコンバータに連結された制御装置をさらに備える請求項５１に記載の電力出力装置。
【請求項５３】
前記出力電力受取装置の電気特性を監視する監視装置をさらに備える請求項５２に記載の電力出力装置。
【請求項５４】
前記電気出力装置に連結された無線周波フィルタをさらに備える請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項５５】
前記電気出力装置を収容するハウジングをさらに備える請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項５６】
前記スロット無し巻線部分は前記ハウジングに対して固定される請求項５５に記載の電力出力装置。
【請求項５７】
前記ハウジングはハッチカバーを含む請求項５５に記載の電力出力装置。
【請求項５８】
前記制御装置は前記ハッチカバーに取り付けられる請求項５７に記載の電力出力装置。
【請求項５９】
前記ハッチカバーは、空気流により冷却されるように設置する請求項５８に記載の電力出力装置。
【請求項６０】
塔をさらに備え、前記ハウジングを前記塔に取付ける請求項５５に記載の電力出力装置。
【請求項６１】
前記電力出力装置は発電機である請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項６２】
前記電力出力装置は交流発電機である請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項６３】
前記スロット無し巻線部分は一般に円形の断面形状を有し、
前記スロット無し巻線部分は、前記円形の断面形状に関して径方向に複数の区域に区分され、
前記スロット無し巻線部分の前記各区域は、複数の据付けられた巻線セットを備え、かつ前記スロット無し巻線部分の前記区域間の接続を可能にするコネクタを有する請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項６４】
前記コアは複数の区域に区分されており、区分された巻線部分の各区域は、複数のコア区域の１つを備える請求項６３に記載の電力出力装置。
【請求項６５】
前記複数のコア区域のそれぞれは、成形区域に含まれる請求項６４に記載の電力出力装置。
【請求項６６】
前記成形区域はプラスチックから構成される請求項６５に記載の電力出力装置。
【請求項６７】
前記区分された巻線部分の区域は、少なくとも１つの連結部品を介して接続される請求項６３に記載の電力出力装置。
【請求項６８】
前記少なくとも１つの連結部品は回路基板である請求項６７に記載の電力出力装置。
【請求項６９】
前記少なくとも１つの連結部品の１つは、前記巻線部分から電力を出力する少なくとも１つのリード線を備える請求項６７に記載の電力出力装置。
【請求項７０】
前記電力出力装置は多数の相を有し、前記複数の据付けられた巻線セットのそれぞれは、前記複数の相の１つに対応する請求項６３に記載の電力出力装置。
【請求項７１】
前記複数の据付けられた巻線セットのそれぞれは、前記複数の相の同じ１つに対応する少なくとも２つの据付けられた巻線セットを備える請求項７０に記載の電力出力装置。
【請求項７２】
前記複数の相の同じ１つに対応する前記少なくとも２つの据付けられた巻線セットのそれぞれの連続対は、直列に接続される請求項７１に記載の電力出力装置。
【請求項７３】
直列に接続される前記少なくとも２つの巻線セットのそれぞれの連続対の第１の据付けられた巻線セットは、直列に接続される前記少なくとも２つの巻線セットのそれぞれの連続対の第２の据付けられた巻線セットと反対の極性を有する請求項７２に記載の電力出力装置。
【請求項７４】
直列に接続される前記少なくとも２つの巻線セットのそれぞれの連続対の第１の据付けられた巻線セットは、直列に接続される前記少なくとも２つの巻線セットのそれぞれの連続対の第２の据付けられた巻線セットと同じ極性を有する請求項７２に記載の電力出力装置。
【請求項７５】
前記複数の巻線セットのそれぞれは実質的に同じである請求項６３に記載の電力出力装置。
【請求項７６】
前記巻線は平らなワイヤーから構成される請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項７７】
前記巻線は、複数の巻線部分と、巻線部分の対を接続する複数の巻線部分接続点と、を備える請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項７８】
前記電力出力装置は風力タービンに組み込まれる請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項７９】
前記電力出力装置は車両に組み込まれる請求項４３に記載の電力出力装置。
【請求項８０】
風力タービンは、
ハブに連結される少なくとも１つのタービン翼であって、少なくとも１つのタービン翼のそれぞれが少なくとも１つのタービン翼のそれぞれにぶつかる空気流に対応するハブにより回転する少なくとも１つのタービン翼を備え、
前記電気出力装置は前記ハブに動作可能に連結されて、前記ハブの回転とともに電気出力を発生可能である請求項７９に記載の電力出力装置。
【請求項８１】
前記少なくとも１つのタービン翼のそれぞれは、後退設計を有する請求項８０に記載の電力出力装置。
【請求項８２】
前記ハブは軸に連結される請求項８０に記載の電力出力装置。
【請求項８３】
電気出力装置と、
前記電気出力装置に動作可能に連結された少なくとも１つの風力駆動タービン翼であって、前記少なくとも１つの風力駆動タービン翼の運動により連結された前記電気出力装置から出力を生成する少なくとも１つの風力駆動タービン翼と、
前記電気出力装置に連結されたインバータと、を備える風力タービンであって、
前記風力タービンはＡＣ出力を供給し、
前記少なくとも１つの風力駆動タービン翼は、前記少なくとも１つの風力駆動タービン翼の運動に比例する運動エネルギーを有し、
前記風力タービンは、前記少なくとも１つの風力駆動タービン翼の前記運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、
前記インバータは、変換された前記電気エネルギーを前記ＡＣ出力に取り込む。
【請求項８４】
前記インバータは双方向インバータである請求項８３に記載の風力タービン。
【請求項８５】
変換された前記電気エネルギーを用いて力率を修正する請求項８４に記載の風力タービン。
【請求項８６】
前記風力タービンは、前記少なくとも１つの風力駆動タービン翼の運動を低下されることにより、前記少なくとも１つの風力駆動タービン翼の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する請求項８３に記載の風力タービン。
【請求項８７】
前記風力タービンは失速調整される請求項８３に記載の風力タービン。
【請求項８８】
前記風力タービンは、所定の条件下で失速調整される請求項８７に記載の風力タービン。
【請求項８９】
前記所定の条件は、所定のタービン翼運動スピード、電力出力限界、および起動条件より成るグループから選択される請求項８８に記載の風力タービン。
【請求項９０】
前記インバータは前記電気出力装置の近傍に位置する請求項８３に記載の風力タービン。
【請求項９１】
前記風力タービンはハウジングをさらに備え、前記電気出力装置と前記インバータ は前記ハウジング内に位置する請求項９０に記載の風力タービン。
【請求項９２】
風騒音を低減する風力発電機タービン翼であって、干渉の断面領域を生成する干渉物体から風下方向のハブ点を経由する回転に使用可能な風力発電機タービン翼において、
前記ハブ点に近接する根元部分と、
先端に延びる後退物体部分と、を備え、
前記タービン翼の回転の際に、前記後退物体部分と前記先端が前記干渉の断面領域の外側にある状態で前記根元部分が前記干渉の断面領域に入り、前記先端部分が前記干渉の断面領域に完全に入る前に前記根元部分が前記干渉の断面領域から出る。
【請求項９３】
前記タービン翼は可撓性材料からなる請求項９２に記載のタービン翼。
【請求項９４】
前記タービン翼はガラス強化ポリエステルから構成される請求項９２に記載のタービン翼。
【請求項９５】
前記タービン翼は、少なくとも２つのタービン翼部材から構成される請求項９２に記載のタービン翼。
【請求項９６】
前記少なくとも２つのタービン翼部材は、延長物体部分の方向で接続される 請求項９５に記載のタービン翼。
【請求項９７】
前記タービン翼部材のそれぞれは強化リブを備える請求項９２に記載のタービン翼。
【請求項９８】
前記タービン翼は、多部品射出成形を用いて形成される請求項９２に記載のタービン翼。
【請求項９９】
一般に凹状の第１のタービン翼領域を取り囲む第１のタービン翼壁部分を有する第１のタービン翼部分と、
一般に凹状の第２のタービン翼領域を取り囲む第２のタービン翼壁部分を有する第２のタービン翼部分であって、少なくとも１つのチャンバーが前記第１のタービン翼部分と前記第２のタービン翼部分の間に形成されるように、当接可能に前記第１のタービン翼部分に当接可能な状態で組立て可能な第２のタービン翼部分と、
を備える風力発電機タービン翼。
【請求項１００】
前記第１のタービン翼部分と前記第２のタービン翼部分のそれぞれは、射出成形を用いて形成される請求項９９に記載の風力発電機タービン翼。
【請求項１０１】
前記第１のタービン翼部分と前記第２のタービン翼部分のそれぞれは、圧縮成形を用いて形成される請求項９９に記載の風力発電機タービン翼。
【請求項１０２】
前記第１のタービン翼部分と前記第２のタービン翼部分のそれぞれは、強化リブを備え、強化リブは、一般に凹状の第１のタービン翼領域と一般に凹状の第２のタービン翼領域の少なくとも１つの中に位置する請求項９９に記載の風力発電機タービン翼。
【請求項１０３】
電気装置ハウジングを有する電気装置と電気装置ハウジングに対して可動な付属装置との間の電気的な電気的結合を維持するヨーアセンブリにおいて、
ヨーと、
前記ヨーに係合する摺動可能な係合形状構成であって、摺動可能な係合形状構成の摺動可能な係合が前記付属装置に対する電気装置ハウジングの摺動運動を可能にする摺動可能な係合形状構成と、
前記電気装置に連結されたスリップ接続形状構成と、
前記電気装置が前記スリップ接続形状構成を介して可変的に係合可能な機構に係合可能なように、前記付属装置に接続されて、前記スリップ接続形状構成と係合可能な、可変的に連結可能な機構と、
前記ヨーに係合して前記ヨーによる振動の伝達を抑える弾力的に動作する形状構成と、を備える。
【請求項１０４】
前記ヨーは前記付属装置に取付けられる請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１０５】
前記付属装置は塔である請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１０６】
前記電気装置は交流発電機である請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１０７】
前記電気装置は風力タービンである請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１０８】
前記電気装置は、付属装置に対して回転運動する請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１０９】
前記摺動可能な係合形状構成は軸受けを備える請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１１０】
前記スリップ接続形状構成はスリップリングを備える請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１１１】
前記スリップ接続形状構成は、スリップリングに隣接するセパレータを備える請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１１２】
前記電気装置は回路装置を含む請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１１３】
前記回路装置はプリント回路基板を含む請求項１１２に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１１４】
前記スリップ接続形状構成は回路装置に取付けられる請求項１１２に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１１５】
前記可変的に連結可能な機構はブラシを備える請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１１６】
前記可変的に連結可能な機構は保持する形状構成を備える請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１１７】
前記スリップ接続形状構成に接触する前記可変的に連結可能な機構を付勢する付勢機構をさらに備える請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１１８】
前記付勢機構はバネを備える請求項１１７に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１１９】
前記可変的に連結可能な機構は、出力線に連結される請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１２０】
前記可変的に連結可能な機構は、少なくとも１つの固定継手装置を介して、前記出力線に連結される請求項１１９に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１２１】
ヨーアセンブリをシールドする遮蔽体をさらに備える請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１２２】
前記弾力的に動作する形状構成は、少なくとも１つのブッシングを備える請求項１０３に記載のヨーアセンブリ。
【請求項１２３】
前記少なくとも１つのブッシングは、可撓性材料から構成される請求項１２２に記載のヨーアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年７月１５日出願の「ユニバーサル風力タービン」という名称で出願人の同時係属米国仮出願番号第６０／６９９９４０号により優先権を主張し、そのすべてをここに援用する。
【０００２】
本発明は、風力タービン発電の分野に関し、詳細には、電力系統で利用可能であり、広い範囲の周波数と電圧出力を供給可能であり、独立の電力源として使用可能であり、かつ製造と応用範囲を広げる配電費および騒音低減形状構成を含む風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００３】
小規模風力タービンは、広範囲に利用が拡大しつつある。小規模風力タービンは、一般に電池バンクを充電するため、あるいは電力線に電力を供給するために用いる。しかし、現在の風力タービンにはいくつかの欠点がある。汎用性と耐久性に欠け、要求性能より低いレベルで機能し、十分な費用対効果を発揮できず、許容できないレベルの騒音を発生する。これらの利点が実現したら、住宅用及びその他の用途にとって魅力的なタービンとなるであろう。
【０００４】
例えば、従来技術タービンの欠点の１つは、多数の機能を実行するには、あるいは広範な用途に使用するには、タービンの能力が限定されていることである。あるタービン設計は、送電設備網に接続する運転に使用可能である。別の設計は、送電設備網をバックアップするための電池バンクを充電することが可能である。第３の設計は、単独の発電装置として送電設備網なしで用いることができる。しかし、各風力発電機を接続する別の方法が、これらの用途には必要である。また、特定の用途に応じて（例えば、独立用途用の電池バンクを提供すること）、特定の場所用に（例えば、選択された電圧で電力を供給すること）、タービン設計を変更する必要がある。結果として、広範な設定で一般に使用できない、従来技術の風力タービンは、多種多様な風力タービン設計を蓄えて分配する製造業者が必要であり、それにより製造および在庫の配送も複雑になる。
【０００５】
従来技術タービンの別の欠点は、コストと典型的に用いられる交流発電機の能力不足である。従来技術の交流発電機は、風のエネルギーを電気出力に変換する、永久磁石の使用に関連して、多数の銅巻線を保持する鋼のスロットを含む。従来技術の設計において、動作時に、スロットが振動する傾向がしばしばあった。振動は、許容できない騒音と、風力タービンの起動を妨げたり弱い風での起動に干渉したりするコギングトルクと、を発生させる。さらに、従来技術の交流発電機は、一般に失速トルクが低く、製造コストが高い。不必要な振動をなくし、失速トルクを増加させて、さらに製造コストを下げる新しい交流発電機の設計が望まれている。
【０００６】
従来技術の発電機で一般に用いる単相インバータについて、コンデンサが別のコストと信頼性の問題を発生させる。従来技術のタービンに追いける主コンデンサは、一般的に発生する５０または６０Ｈｚの電力レベルで振動するエネルギーを貯蔵する必要がある。しかし、コンデンサは高価な要素をタービンに付加する、すなわち発電機の全寿命において交換または修理が必要である。例えば、回転するタービン翼の運動エネルギーを用いてエネルギーを貯蔵することが可能なシステムが必要である。そのような運動システムは、寿命を延ばし、風力タービンシステムのコストを下げる。
【０００７】
さらに、風下タービン中の従来技術のロータタービン翼は、タービン翼回転時に好ましくない可聴騒音を発生させることが多い。例えば、風のスピードが瞬間的に減少するタービンの塔から風下の平面にタービン翼が入るたびに、ドシンという音が発生する。ロータが急速に回転すると、ドシンという可聴音の回数が増えることにより、好ましくない騒音が発生する。改良されたタービン翼設計では、ドシンという音を減らすことが特に住宅地域では必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記で特定した必要性及び欠点、及びその他のことに対処するものであり、従来技術と比べて、騒音、コスト、および非効率を低減した風力タービンを提供する。また、本発明の風力タービンの実施形態は、可聴騒音を低減するために特殊なハウジングとタービン翼設計を備える。さらに、本発明は、車両（例えば、自転車や自動車）などの風力発電以外のその他の用途で電力を供給するのに利用可能な交流発電機などの、特殊な電力出力装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のタービンは、比較的高い電圧レベル（例えば、従来技術の小型風力タービンの典型的な１２、２４、３６、あるいは４８ＶＤＣ出力に比較して、約１００ Ｖや２００ Ｖあるいはそれ以上）で電力を供給し、それにより風力タービンを、あまり大きな電気的損失なしに、動作している負荷から離れて設置することが可能になる。とりわけ、インバータが電力を吸収できずそのような電力が電池に戻る方向に向かうと、電圧スパイクを発生する誘導性負荷を運転するように設計されたインバータで典型的なように、必要であれば、電力をインバータに流し出しあるいはインバータから流し込に、適宜供給源（例えば、電池）戻すことができる双方向インバータなどの、適切な出力を発生させる装置を介してそのような部品を結合させることにより、バックアップ電池またはＤＣ負荷を、風力タービンからの電力出力に接続可能である。例えば、タービンシステムと分離した風力タービンに電池を接続可能である（例えば、エネルギーの分離貯蔵用の用途）、電池を電力送電網のバックアップとして接続可能である（例えば、万一タービン出力の損失が起きた場合の住宅用途の電池バックアップ）、または電池を使用することなく負荷を接続できる。電池に接続すると、例えば負荷が風力タービン出力より大きくなるまで、余剰電力を貯蔵できる。ポンプ、コンプレッサ、ヒータ、陰極防食装置、ＤＣ−ＤＣコンバータ、電解槽、および／または変圧器を含むその他のＤＣ負荷およびＡＣ負荷も、同様に風力タービンの出力に接続してもよい。
【００１０】
本発明の可能性がある応用の１つにおいて、風力タービンはＤＣ負荷にのみ接続される。従来技術の風力タービンでは、風力タービンからの電力は、比較的低電圧のＤＣ電力の負荷に供給された。本発明の実施形態では、風力タービンから比較的高電圧のＡＣ電力の負荷に電力を伝送する場合もある。本発明のこの変形例では、整流器やその他のＡＣ−ＤＣコンバータを、周波数を変化させて変圧器効率とコストを最適化させるように、ＤＣ負荷に物理的に近い位置に配置する。
【００１１】
この変形例の電力は高電圧ＡＣ電力として伝送されるので、変圧器やその他の電圧変換装置を用いて、電圧をＤＣ負荷に対して適切なレベルに変換できる。このように、風力タービンから負荷までの電力伝送に伴う電気的損失を最小化できる。しかし、変圧器を使用することにより新たな損失が発生する。低電力レベルでは変圧器はコア損失が優勢であるが、高電力レベルでは変圧器の電流に関連する損失が優勢である。電力レベルに依存する可変周波数で風力タービンの出力を生成するように、インバータなどのＤＣ−ＡＣコンバータを利用して、全変圧器損失を最小化できる。低電力レベルで、変圧器によりコア損失が優勢であるときには、これらの損失を弱めるように、出力装置の周波数を低く設定する。低電力レベルでは、出力装置の周波数を増加させて、変圧器の電流に関連する損失を最小化する。
【００１２】
本発明のある実施形態における交流発電機は、一般に放射状であり、巻線部分とロータ部分とを備える。巻線部分は、平らな導電性材料により形成され、磁束誘導材料のコアにすえつけられたコイル巻線を備える。ロータ部分は、リムに取付けられる永久磁石を備える。あるいはロータは別の方法で磁界を発生させる（例えば、ロータの一部または複数の部分で磁界を発生させる）。いくつかの実施形態では、リムは、合金鉄材料などの磁束誘導材料から構成される。この変形例では、従来技術の振動するスロットの可聴騒音が消えるかあるいは大幅に減少し、従来技術の交流発電機よりはるかに大きな失速トルクを発生できる（例えば、従来技術の発電機の失速トルクの約２倍を達成した）。また、新しい交流発電機の設計は、起動時のコギングトルクも低減またはなくした。
【００１３】
この実施形態の交流発電機（「放射状のスロット無し交流発電機」と呼ぶものと置き換え可能である）の別の利点は、低い製造コストである。コンダクタコイルを、製造機械で巻き、最終組立で磁界発生ロータの周囲に配置する。そのため、放射状のスロット無し交流発電機の設計の製造再現性は、安価である。放射状のスロット無し交流発電機は本発明のある実施形態であるが、本発明の残りの部分に関連する、その他の交流発電機設計も良好に動作する。
【００１４】
本発明の実施形態は、ここに援用する、Ｃａｌｌｅｙらによる「風力タービンコントローラ」という名称の米国特許第６７３０７１８号に記載される昇圧交流発電機システムを利用する。昇圧交流発電機を用いて、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのスイッチング素子が、少なくとも１つのダイオードとともに、各交流発電機巻線を瞬間的に短絡させて、交流発電機の内部インダクタンス内でエネルギー貯槽を可能にする。再度開くと、交流発電機のインダクタンスに貯蔵されたエネルギーが解放されて、出力電圧を暫定的に昇圧させる。本発明は、整流器のＡＣ側とＤＣ側のどちらかを短絡させるスイッチを設けて昇圧モード機能を達成させる、米国特許第６７３０７１８号に記載の装置の変形例を組み入れる。この昇圧モード形状構成を、本発明のいくつかの実施形態に援用する。
【００１５】
本発明の実施形態は、１つ以上のセンサと適切な信号処理機能とを備えて、出力を供給すべき、あるいはタービン翼回転数（ＲＰＭ）、風のスピード、および電力出力などその他の検知された入力を供給するシステムまたは装置の電圧と周波数を検出可能である。例えばコントローラにより決定される出力を供給すべきシステムまたは装置の検知された特性に基づき、出力を供給すべきシステムまたは装置の適切な電圧と周波数を一体化して動作可能なように、出力を調整する。この形状構成の汎用機能は、単一システムを製造販売して広範な電力供給網およびその他の用途で動作させるため、風力タービンの製造と流通を簡単にする。単一コントローラは、多数のタービンやそれらの部分を制御してもよい。
【００１６】
ある実施形態は、インバータなどのＤＣ−ＡＣコンバータを設置すること、および鋳造金属（アルミニウムなど）またはその他の好適な材料のナセルなどのハウジング内にコントローラを設置することを含む。この配置により、コストを下げて、分離して高価なインダクタの使用する必要性の代わりに、交流発電機の巻線のインダクタを利用する。ダイキャストアルミニウムや別の高熱伝導性材料を用いて、ハウジングの外側の空気やその他の流体がこれらの装置からの放熱を高めるように、ＤＣ−ＡＣコンバータとコントローラを、ハウジングの一端のすぐ内側に設置する。これらおよびその他の形状構成をハウジング内に設置する別の優位性は、電磁干渉（ＥＭＩ）や物理的およびその他の脆弱性の影響を最小にするあるいは低減させることである。接続線およびその他の物理的または電気的に脆弱であるかＥＭＩ-発生形状構成を含む、スリップリングやその他の電力伝送部品の前およびハウジングの内側などに、制御回路をタービンに近接させて設置することにより、伝送との干渉の可能性が大幅に低減する。
【００１７】
とりわけ、本発明は、一般に使用される５０または６０Ｈｚの振動電力レベルのエネルギーを貯蔵する従来技術の発電機を典型的に用いる単相インバータ用のコンデンサの必要性を減少またはなくす。また、本発明は、 回転するタービン翼の運動エネルギーを用いてエネルギーを貯蔵し、従来技術の発電機で用いるコンデンサにより一般に実行される機能を行うことができる。ある実施形態において、出力を電力系統やその他の負荷に供給する際に、貯蔵されたエネルギーは、力率（例えば、ボルトアンペア無効電力、「ＶＡＲｓ」とも呼ぶ）を修正するために用いることができる。いくつかの実施形態では、この応用の場合、双方向インバータを本発明に用いることもある。
【００１８】
ある実施形態において、ハウジングは、ＤＣ−ＡＣコンバータとコントローラとを取外し可能なハッチカバーに取付ける形状構成を備える。熱伝導性のハウジングの周囲で空気が流れると、装置により発生する熱がインバータの内側から引き出されて、それにより、ファンやその他の冷却設備を追加して用いる必要性がなく、システムが冷却される。熱伝導性の金属やその他の類似特性の材料により構成されるケーシングを使用する別の利点は、ケーシングが、ケーシングによりシールドされた設備に関する電磁干渉を減少させることである。この変形例は、本発明に対して１つの可能性があるハウジング設計を提供するが、一般に本発明は、これらのハウジング設計形状構成なしに動作する。また、本発明は、テールベーンを有するハウジングを含む、種々の形状、寸法、あるいは材料のハウジングを用いて一般に動作する。
【００１９】
本発明においてタービン翼は、従来技術の（風下）風力発電機の動作に伴う、好ましくない騒音を低減するように設計される。従来技術の装置と異なり、本発明におけるタービン翼は、湾曲した先端を有する。結果として、動作時に、タービン翼の残りの部分が塔を徐々に通過する状態で、タービン翼の根元が塔の風下断面に最初に入り、最後にタービン翼の先端が続く。塔の断面にタービン翼が段階的に入ることにより、塔の断面に入るあるいは塔の断面から出る塔の断面の部分は任意の瞬間で最小化されるので、音の騒音が減少する。ある実施形態のタービン翼は、ガラス強化ポリエステルにより構成される。例えば、ガラス強化ポリエステルは、多数部品の圧縮成形および多数部品の射出成形により作製できる。 この材料を用いてタービン翼を形成することにより、一貫した品質と量産が可能になる。しかし、タービン翼は、その他の耐久性のある材料により構成してもよく、多数部品の射出成形により必ずしも作製することもない。また、本発明は、その他のタービン翼の種類を、本発明の他の形状構成とともに使用することもできる。
【００２０】
例えば、２部品の射出成形または圧縮成形したタービン翼を用いてもよい。タービン翼の２部品は、上昇側と圧力側を備える。 この方法によりタービン翼を分離することにより、例えばある従来技術においてタービン翼の全長に沿うよりもむしろ、壁の厚みを一定にしてタービン翼が軽くなるように（例えば、不必要な材料を取り除く）、タービン翼の「芯を取ってもよい」。リブを追加して強度を増加させかつ結合領域を増加させることができる。
【００２１】
本発明の付加的な優位性および新規な特徴は、以下の説明において部分的に行われるであろう、また本発明の以下の試験あるいは実践を学習することにより、一部は当該分野の技術者には明らかになるであろう。
【００２２】
本発明の上記およびその他の特徴及び優位性は、添付図面を参照した詳細な説明により明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明の実施形態による、３つのタービン翼２４と、ハウジング２２と、塔２８の付属品とを有する典型的な風力タービン２０を示す。図１に示す風力タービン２０の実施形態は、モノポールの塔２８に取付けられる。図１には３つのタービン翼を示したが、本発明では異なる数のタービン翼２４を使用することも可能である。また、筒状塔、支線付き塔、格子状塔を含む多くの形状の塔構成、あるいはその他タービン装置および向きも、本発明の多くの態様と連携する。図１に示す風力タービン２０は、電池を充電するため、あるいはグリッド接続された住宅用の電力を供給するために設計されている。本発明は、事実上任意の寸法の風力タービンおよび広範な発電目的に用いることができる。
【００２４】
タービン翼２４をハブ３８に搭載する（図２参照）、ハブ３８は、ノーズコーン２６内に収容されて、それとともに回転する。随意的に、タービン翼２４を個別に形成した後ハブ３８に取付けてもよい、または単一部品としてタービン翼２４をハブ３８と一体に形成してもよい。ある実施形態において、タービン翼２４は２枚板のハブ３８に固定される。ノーズコーン２６は、ハブ３８に取付けられた別の部品を備えてもよい、またはハブと一体的に形成されてもよい。本発明の変形例において、ハブ３８を完全に除いてもよい。
【００２５】
本発明の実施形態では可変ピッチタービン翼として機能することが可能であるが、ハブ３８に対するタービン翼２４のピッチ角を固定してもよい。ハブ３８を、鋳造あるいはその他の方法により形成したハウジング２２に搭載、あるいはその近傍に配置する。ある実施形態では、ハブ３８またはそれに取付けた軸が、軸受け、ブッシング、またはその他の好適な最低限の摩擦係合機構などを介してハウジング２２に係合する場合もある。ある実施形態のハウジング２２は、風力タービン２０が変化する風向に適切に調整可能なように、例えば垂直方向Ａの周りにハウジング２２が回転可能な締付けヨーアセンブリ軸受けにより、塔２８に取付けられる。図２の実施形態において、ハウジング２２は、ロータの風下構成のため、風向に対して自動的に向きを合わせる、それによりタービン翼２４の角度がついた表面を横切る風の流れは、風の流れ方向Ｗに対してタービン２０の向きを合わせ、ハウジング２２の本体は風の流れ方向Ｗに対してタービン翼２４の向きを合わせる。ある実施形態は締付けヨー軸受けの設計に基づいているが、テールベーン（テール  ｖａｎｅ）やアクティブヨードライブ（ａｃｔｉｖｅ  ｙａｗ  ｄｒｉｖｅ）など、その他の特徴を利用してハウジング２２の向きを合わせる風力タービンを本発明に用いてもよい。
【００２６】
図１５Ａ〜１５Ｇをとともに以下にさらに説明するように、本発明の実施形態による、典型的なヨーアセンブリは、振動／衝撃形状構成を有する接続箱ヨーを備える。とりわけ、ヨーアセンブリは、タービン動作の結果として塔内におけるノイズの伝達や発生を防止あるいは低減する。ヨーアセンブリは、１つ以上のウェハスリップリングおよびそれらの間のセパレータなどの、スリップ接続形状構成を有する。スリップ接続形状構成ははんだ付けまたはその他の方法でプリント回路基板（ＰＣＢ）またはその他の回路装置に直接取付けている。組立や据付の際、ブラシが垂直に支持されて作動し、スリップ接続形状構成に接触する。 ブラシが磨耗するにつれて、導電性粒子がブラシから磨耗のため取り除かれる。ブラシを垂直に設置することにより、粒子はブラシより下の絶縁表面上に落下することが可能となり、これにより短絡（アーク）の可能性が減少または消える。ある実施形態において、ヨーアセンブリは、外部ターミナルラグと内部ブラシリードアセンブリーとの間に位置する工業用の固定接続チューブなどの、１つ以上の固定継手装置を備える。従来技術においては、ヨー接続箱に密集して詰め込まれたワイヤーが、ワイヤー絶縁体がヨーハウジングの壁に接触した状態で、装着可能に磨耗する。しかし、本発明の実施形態では、固定継手装置を用いて絶縁体の磨耗ダメージおよび短絡の可能性を減少またはなくしている。
【００２７】
本発明の実施形態のヨーアセンブリは、振動／衝撃減衰形状構成を備える。タービンにより発生する振動の要因には、回転部品の不均衡、不均一なエアギャップおよび電気的な不安定性、温度変化、材料の共振や欠陥などがある。振動／衝撃減衰形状構成は、塔などのその他の風力タービン形状構成で、そのような振動及びその伝達を吸収低減する。
【００２８】
図２に示すように、ある実施形態のハウジング２２は、ハウジング２２の風上端のテールにある可動ハッチカバー３０を有する。ある実施形態のカバー３０は、ハウジング２２内に収容された電子および機械部品のメンテナンス用などで、ハウジング２２から取り外し可能である。図２の実施形態はこの取り外し可能なハッチカバー設計３０を用いているが、風力タービン２０の他の実施形態では、取り外し可能なハッチカバー３０なしに、あるいはハウジング２２上の別の場所に取り外し可能なハッチカバーを設置した状態で動作する。ハッチカバー３０は任意の好適な寸法または形状でもよい。
【００２９】
図２に示すように、風力タービン２０は、交流発電機または発電機などの電気出力装置３２を介して、発電する。ある実施形態では、電気出力装置３２が、ロータ３４およびスロット無しステータ３６を備えることもある。例えば、ステータ３６は、鋼または別の好適なコア材料と、銅（またはその他の導電性材料）製の巻線と、から構成される。図２の実施形態のステータ３６は、ハウジング２２の付属品を介するなどして、ロータ３４に対して固定された位置に保持される。ロータ３４は、タービン翼２４の回転とともに回転する。ロータ３４は、ロータ３４に組み込まれた、あるいは取り付けられた永久磁石またはその他の磁性素子の回転により、変化する磁界を発生する。これらの実施形態にいて永久磁石を使用することは、電池充電用や住宅電力用などの、小さな規模の風力タービンで特に有用である。図２に示すタービン２０のステータ３６は、スロット無しであり、１つ以上の積層（例えば、鋼の板またはその他の好適な材料、「スタック」と呼びかえることが可能である）を有するコアなどの低損失コア、または銅またはその他の好適な導電性巻線を有する合金鉄材料などのその他の渦電流低減材料を備える。ロータ３４の磁界をステータ３６の巻線に対して回転させると、巻線に電流が誘導されて、それにより、ロータに関する磁界がステータ巻線のループを通過する際に、磁気フラックスが変化する。本発明のステータのこの変形例はスロット無し設計であるが、その他のステータ設計およびその他の電気出力装置に用いることもできる。多数の巻線を含み、一般に３相出力に対する３つのインダクタ部分を作製する。本発明のいくつかの態様では、永久磁石ロータ磁界源として永久磁石を用いるものに代えて、巻線磁界や誘導発電機などの別のタイプの電力出力装置を用いて、等しく良好に機能できる。
【００３０】
図２に示す本発明の変形例において、ＡＣ−ＤＣコンバータおよび／またはＤＣ−ＡＣコンバータおよび／またはその他の部品４０を、ハウジング２２の一端に設置し、取外し可能なハッチカバー３０に取付けて、主意を流れる空気やその他の流体（例えば、冷却水）の冷却効果を最大限にする、あるいはハウジング２２と熱交換可能に相互作用する。ハウジング２２を風が通過すると、例えば、風力タービン２０のハッチカバー部品４０から発生する熱が取り去られる。いくつかの実施形態において、アルミニウムなどの高い熱伝導性の材料でハッチカバー３０を形成し、ハッチカバー部品４０をハッチカバー３０に直接接触させて熱伝達を容易にする。図２の典型的な実施形態のハッチカバー部品４０を最大冷却効果の風向Ｗに対してハウジング２２の先端に設置するが、ハッチカバー部品４０をハウジング２２内の別の場所に設置して十分な冷却効果を受けてもよい。
【００３１】
ハブ３８をタービン翼２４に取付ける。本発明では、いかにさらに詳細に説明するように、タービン翼２４は傾斜、ひねり、湾曲形状の設計で、エネルギーを最大限に捕獲し、騒音を最小化する。 ある実施形態においてはこの設計を用いるが、本発明はその他のタービン翼設計でも効果がある。
【００３２】
図３は、本発明のいくつかの実施形態による風力タービンを用いる典型的な出力変換形状構成の代表的な回路図を示す。図３において、風力タービンの交流発電機４２は、変化する周波数と電圧で、ＡＣ出力を発生する。交流発電機４２からのＡＣ出力は、１つ以上のダイオード４６を備える整流器などのＡＣ−ＤＣコンバータ４３を通過する。 ダイオードに基づく受動整流器が典型的なＡＣ−ＤＣコンバータ４３ｂとして示されているが、その他の整流器またはブリッジなどのその他の回路を本発明に用いて同様な機能を実行できることに留意すべきである。昇圧モードコントローラ４４は、風に少ない状態での風力タービンの性能を向上させ、ＡＣ−ＤＣコンバータにより実行されるべき昇圧機能の必要性をなくし、風力タービンを選択的に減速または停止させることが可能である。
【００３３】
図３の昇圧モードコントローラは、米国特許第６７０３７１８号に記載の昇圧モードコントローラと同様なものである。図３の風力タービンからの出力は、Ｎ−型絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）などの１つ以上のトランジスタを含むインバータなどのＤＣ−ＡＣコンバータ４８を通過し、選択された電圧と周波数で出力をＡＣに変換する。インバータは任意の適切な設計が可能である。図３に示す１つの例では、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ゲートターンオフシリコン制御整流器（ＧＴＯＳ）、その他のトランジスタ回路やその他の装置、あるいはそれらの組合せなどの、４つの高速スイッチ５０を備えている。スイッチ５０を適切に制御して、適切な電圧と周波数で近似サイン波形出力を生成する。図３に示す典型的な実施形態において、ＤＣ−ＡＣコンバータ４８は、単相電気システムに用いる単相インバータである。しかし、多相ＤＣ−ＡＣコンバータ４８は、３相システムやその他の多相システムなどの他の電気システムに用いることができる。ＤＣ−ＡＣコンバータ４８は、インダクタ５２またはその他のフィルタ装置を備えてコンバータ４８からの出力を平滑化してもよい、あるいはインダクタ５２またはその他のフィルタ装置と結合してコンバータ４８からの出力を平滑化してもよい。スイッチ５０が十分高速に作動すれば（例えば、出力の周波数に対して）、結果として得られる出力の高調波成分は、フィルタの必要性を十分に減少させる。
【００３４】
ＤＣ−ＡＣコンバータ４８中のスイッチ５０は、コントローラ５４により制御する。コントローラ５４は、スイッチ５０の動作を調整して、ＡＣ線５８や風力タービンが接続されるその他の出力電力受取装置またはシステムに対して適切な電圧と周波数で、ＡＣ出力を生成する。随意的に、妥当な場合には、電圧と周波数モニタ５６が、ＡＣ線５８や風力タービンが接続されるその他の出力電力受取装置またはシステムの、電圧と周波数を測定する。また、随意的に、電圧と周波数モニタは、電力線５８やその他の出力電力受取装置またはシステムのＡＣ信号の位相角を測定する。例えば、電圧と周波数モニタ５６を、適切なフィルタとデジタル信号処理を含むプリント回路基板を経由して具体化してもよい。電圧と周波数モニタ５６の他の具体化も本発明で用いることができる。
【００３５】
タービンを電力送電網接続モード（例えば、商用電力送電網に接続）に設定した場合、本発明による風力タービンはまずＡＣ電力線５８またはその他の出力電力受取装置やシステムに接続されると、例えば、コントローラ５４は出力電力受取装置やシステムの電圧、周波数、および位相角を最初に測定する。風力タービンの出力が、線５８またはその他の出力電力受取装置やシステム上のＡＣ電力に適合するように、コントローラ５４は、測定値を用いてＤＣ−ＡＣコンバータ４８中のスイッチ５０の操作を制御する。図３の風力タービンは最初に動作させるときに、あるいはコントローラ５４が、電力を導電すべきＡＣ線５８または出力電力受取装置やシステムの電圧、周波数、および位相角の信頼できる測定を行ったとき、最大で数分までの遅延が、認証やある管轄権の法的必要条件を満たすために必要である。
【００３６】
次に、コントローラ５４は、風力タービンの出力を、ＡＣ線５８または出力電力受取装置やシステム上の電力と同期させる。一般に、電力送電網ＡＣ線５８または出力電力受取装置やシステムにおいて、電圧と周波数に対する規格化された値を用いる。例えば、米国での商用電力送電網の周波数はほぼ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのいずれかであり、住宅や会社での電圧は、ほぼ１２０ＶＡＣまたは２４０ＶＡＣなどの離れた値であることが多い。別の国では、その他の規格化された電圧を用いている（例えば、日本では、住宅や会社での電圧レベルでは１００と２００ＶＡＣを規格化された電圧として用いている）が、電力送電用途に対する一般的な接続電圧の範囲を規格化しているところはほとんどない。
【００３７】
特定の認証必要条件に適合するように設計されるある実施形態において、風力タービンコントローラ５４は、監視している電圧と周波数を公知の規格電圧と周波数のテーブルと比較することにより適切な出力かどうかを判断し、電圧と周波数の値が規格値の１つの許容公差内にない場合には、風力タービン出力を接続しない。電圧と周波数を測定し、かつＤＣ−ＡＣコンバータ４８の動作を適切に制御して線５８または出力電力受取装置やシステムの電力を適合させることにより、事実上すべての住宅用ＡＣ送電網やタービンの出力を受取るべきその他の装置やシステムに適合可能な風力タービンの単一モデルを製造することができる。とりわけ、これらの形状構成は、製造、配送、保管、マーケティング物流を非常に簡単にする。
【００３８】
図４は、図３と同様な昇圧モードコントローラの別の実施形態を示す。しかし、図３の昇圧モードコントローラと比較すると、ＡＣ−ＤＣコンバータ４３とＤＣ−ＡＣコンバータ７０を接続するＤＣ線に接続する単一のスイッチ６０により、昇圧モードスイッチが置き換えられ、さらに１つ以上のインダクタ６１が、スイッチ６０とダイオード ダイオード４６および／またはダイオード４７などのＡＣ−ＤＣコンバータ４３の少なくとも１つのダイオードとの間に設置されている。また、コンデンサまたはその他の電荷貯蔵装置６５と１つ以上のダイオード６６、６７が、スイッチ６０とＡＣ−ＤＣコンバータ４３との間に設置されている。さらに、コンデンサまたはその他の電荷貯蔵装置６５は、スイッチ６０とＤＣ−ＡＣコンバータ７０との間に設置されている。図４のＤＣ−ＡＣコンバータ７０は、バイポーラジャンクショントランジスタ（例えば、ＮＰＮトランジスタ）などの、図３のＤＣ−ＡＣコンバータ４８のトランジスタとは異なるトランジスタを備える。また、ＤＣ−ＡＣコンバータ７０と、単相ＡＣ電気線などの出力電力受取装置との間に、高周波周波数干渉（ＲＦＩ）フィルタ７５を設ける。
【００３９】
図４の風力タービン中のスイッチ６０は、ＤＣ−ＡＣコンバータ７０を介する昇圧機能を達成するために、米国特許番号第６７０３７１８号に記載されたスイッチと同様に動作する。スイッチ６０を動作させて、微風での風力タービン性能を向上させ、ＤＣ−ＡＣコンバータ７０中の昇圧機能の必要性をなくすためにＤＣリンク上の電圧を増加させ、さらに風力タービンロータを減速または停止させることができる。ここに援用される、２００６年１月２０日出願の「風力タービン用の失速コントローラおよびバックアップ」という名称で、出願人の同時係属米国仮出願番号第６０／７６０４０７号、あるいはその同時係属米国特許出願であり「風力タービン用の失速コントローラおよびバックアップ」という名称の出願にさらに記載されている、例えば、空気力学的失速により、風力タービンロータを減速させることにより、電力出力を制限したり、風力タービンを停止させたりするように、スイッチ６０を用いることができる。
【００４０】
本発明の風力タービン用の典型的な接続構成を、図５に示す。風力タービン２０は、ハウジング上にハッチカバー３０を備える。ハウジングには、適切に規格化された出力（例えば、適切な周波数と電圧でのＤＣ出力またはＡＣ出力）を生成するための、例えば、ＡＣ−ＤＣインバータ、および／またはＤＣ−ＡＣコンバータ、および／またはその他の装置、および形状構成を備える出力装置４０を、含む。出力装置４０から、ケーブルセット６２またはその他のコネクタが、風力タービン塔から接続点および負荷に電力を伝導する。ケーブル６２は、風力タービン２０と接続点の間で一部が地中に設置されているように示されているが、ケーブル６２を地上にのみ配線することもできる。
【００４１】
接続ケーブル６２に伝送される出力が比較的高電圧（他の電圧も可能であるが例として１２０または２４０ＶＡＣ）のＡＣ電力である、本発明の典型的な実施形態の１つの形状構成を図５に示す。従来技術の住宅用風力タービンは、通常比較的低電圧（通常１２、２４、３６、または４８ＶＤＣ）のＤＣ電力を発生し、インバータは負荷または接続点やその近傍に設置されている。そのため、従来技術の風力タービンでは、線損失および低電圧ＤＣケーブルのコストを最小にするために、タービンを負荷や接続点に比較的近接して設置する必要があった。本発明では、高電圧出力を伝送するケーブル６２の比電気損失が低電圧出力を伝送するケーブルよりもはるかに小さいため、高出力電圧（例えば、１００ＶＡＣ〜４２０ＶＡＣ以上）を発生する風力タービンを、例えば風がよく当たる位置になどに、負荷や接続点から離して設置可能である。
【００４２】
接続点では（例えば、住宅では）、サーキットブレーカやその他の保護装置を備えてもよい電力パネル６４が通常設けられる。需要計器６６を電力パネル６４やその近傍に設置してもよい。電気的負荷６８は、電力パネル６４で電力ケーブル６２に随意的に接続されてもよい。図５に、住宅負荷としての電気的負荷６８を示す。しかし、接続ケーブル６２を介して、任意の電気的負荷を接続可能である。例えば、負荷６８は、抵抗性、誘導性、容量性、あるいはこれらの組合せである。また、電力パネルでは、電力ケーブル６２を公共電線７０に配線してもよい。この構成は、例えば、公益事業の顧客が電力供給を公益事業会社頼るが、風力タービンを利用して顧客が使用するエネルギーの一部または全部を補う、「正味電力計量」方式に使用可能である。ある条件では、顧客が余剰電力を地方の公益事業会社に販売してもよい。
【００４３】
本発明による風力タービンを接続する第２の見込みのある構成を図６に示す。公共電力網が故障のとき、電池やその他の電力貯蔵装置７２をバックアップ電力用として電池やその他の電力貯蔵装置７２をシステムに接続してあることを除いて、この構成は図５に示すものと同じである。公益電力価格が高いが、発電の十分なもとになる風がやんだとき、貯蔵装置７２に貯蔵されるエネルギーを、電力送電網に供給するために用いることや、局所負荷６８に供給することができる。このような環境を見込んで、風が強い期間、あるいは例えば公益電力料金が安い間に、貯蔵装置７２を充電できるようにする。貯蔵装置７２をシステムに接続してバックアップ電力を提供するために、貯蔵装置７２のＤＣ出力をＡＣ出力に変換することが通常必要である。例えば、双方向インバータ７４は、公益電力が利用可能な期間に貯蔵装置７２を充電するために用いることができ、かつ公益電力がなくなったときに貯蔵装置７２からの出力をＡＣ出力に変換するために用いることができる。
【００４４】
貯蔵装置７２の充電状態を計測する目的で、充電監視装置１０６を貯蔵装置７２に接続してもよい。例えば、貯蔵装置７２が完全に充電された際に、ロータを減速および／または失速させることにより、あるいは回路を開放することなどにより、風力タービン２０の出力を減少できるように、充電監視装置１０６は、信号や他の情報を風力タービン２０のコントローラに送信する。銅線または光ファイバーケーブルを通して、または無線リンクを介して、充電監視装置１０６は風力タービン２０のコントローラと通信可能である。ある実施形態は、充電監視装置１０６と風力タービン２０のコントローラ間の無線リンクを提供する。貯蔵装置７２が完全に充電された際に、風力タービン２０の出力を制限して負荷６８にふさわしくなるように、充電監視装置１０６は負荷６８のレベルを監視してもよい。公益電力線７０および／または負荷６８とは異なる電圧で貯蔵装置７２を使用できるように、変圧器やその他の電圧変換装置を設ける必要があるようにしてもよい。
【００４５】
無線装置をその他の目的に同様に用いることができる。例えば、ある実施形態において、ユーザは動作の「静粛」モードを選択できる。「静粛」モードでは、発生する音を減少させるように、ＲＰＭまたは電力が制限され、または低先端スピード比（ＴＳＲ）になる。
【００４６】
本発明による風力タービンを接続する第３の見込みのある構成を図７に示す。この構成は、電力を負荷に供給する公共電線が示されていないことを除いて、図５と６に示すものと同じである。これは、例えば、遠隔地で公益電力が利用できないとき、使用可能な独立型の構成である。この構成において、風力タービン２０から電力ケーブル６２を介して電力を伝送する。電力は、電力パネル６４に入る。電力パネル６４は、ブレーカ、電力状態調節装置、計量器、安全装置、あるいは所望のまたは地域の条例により必要なその他の装置を備える。住人が利用可能なように、電力パネル６４から負荷６８にまで、電力を供給可能である。図７において、負荷６８を住宅の負荷として示すが、風力タービンから広範な負荷に対して電力供給可能である。広範な負荷には、レーダーステーション、マイクロ波送信機、科学監視ステーション、あるいはその他の考えられる負荷がある。電池やその他の電力貯蔵装置７２を、双方向インバータやその他の出力規格化装置７４を介して、負荷６８に接続する。風力タービン２０が通常は従来の電力バックアップシステムの役目をする公益電気線の機能を果たす点を除いて、貯蔵装置７２と規格化装置７４は、図６で説明した構成と同様に機能する。
【００４７】
風力タービン２０が、負荷６８が消費するよりも大きな電力を発生すると、余剰電力を貯蔵装置７２に回す。風が弱く、風力タービン２０が負荷６８により消費されるよりも少ない電力を発生するときには、必要な追加の電力を貯蔵装置７２から引き出す。規格化装置７４は、電力が貯蔵装置７２に流れ込んだり流れ出たりできるようにする。また、誘導性の負荷が役目を果たすことができるように、出力を調整可能である。
【００４８】
ＡＣ負荷である負荷６８に加えて、例えば、図７に示す構成は、別個のＤＣ負荷７６を備える。ＤＣ負荷７６には、ヒータ、ＤＣ電球、水素電解槽、陰極防食システム、ポンプ、ヒータまたはその他のＤＣ電気器具または負荷がある。貯蔵装置７２の充電状態を計測する目的で、充電監視装置１０６を貯蔵装置７２に接続してもよい。貯蔵装置７２が完全に充電された際に、ロータを減速および／または停止させることにより、あるいは回路を開放することなどにより、風力タービン２０の出力を減少できるように、充電監視装置１０６は信号を送信したり、その他の方法で風力タービン２０のコントローラと通信したりする。銅線または光ファイバーケーブルを通して、または無線リンクを介して、充電監視装置１０６は風力タービン２０のコントローラと通信可能である。
【００４９】
ある典型的な実施形態は、充電監視装置１０６と風力タービン２０のコントローラ間の無線リンクを提供する。貯蔵装置７２が完全に充電された際に、風力タービン２０の出力を制限してＤＣ負荷７６にふさわしくなるように、充電監視装置１０６はＤＣ負荷７６のレベルを監視してもよい。変圧器やその他の電圧変換装置は、風力タービン２０および負荷６８とは異なる電圧の貯蔵装置７２および／またはＤＣ負荷７６に風力タービン２０を使用できる必要があるようにしてもよい。
【００５０】
本発明による風力タービンを接続する第４の見込みのある構成を図８に示す。とりわけ、本発明のこの実施形態は、周波数が効率とコストに対して最適になるように、周波数を制御できる。例えば、図８の構成は、高周波数（例えば、約４００Ｈｚ）の変圧器への入力を含む。さらに、図８に示す実施形態を用いて、電力源を制御可能であるため（例えば、風力タービン２０の動作を制御することにより）、ＤＣ側（例えば、ＤＣ負荷 ７６で）で追加のレギュレータが必要ない、またはその代わりに、ＡＣ側（例えば、風力タービン２０内、あるいは電力が整流器１０４に到達するまでのシステム内）からの出力を制御してＤＣ出力を制御してもよい。さらに、この実施形態の風力タービン２０は単相を用いて実施してもよいので、システムに用いる変圧器（例えば、変圧器１０２）をより簡単容易に得ることができ、それによりコストを下げることができる（例えば、３相交流発電機が必要な場合、つまり、この実施形態のタービンの典型的な用途において好適な３相変圧器が入手および使用が困難な典型的な場合以上に）。さらに、従来技術のタービンは、可変３相ＡＣ出力（例えば、タービンスピードとともに変化する）を比較的高電圧（例えば、約２４０ＶＡＣ）まで供給することが公知である。そのような従来技術のタービンの出力は、通常３相変圧器に入力され、３相変圧器の出力は整流器に入力される。整流器の出力は、レギュレータに入力されて、次に、負荷に接続される。
【００５１】
図８の実施形態において、風力タービン２０はＤＣ負荷７６にのみ接続される。従来技術の風力タービンでは、風力タービン２０から負荷までの電力は、比較的低電圧ＤＣ電力として伝送されている。本願本発明では、電力は、風力タービン２０から負荷まで、比較的高電圧ＡＣ電力としてケーブル６２で伝送される。ＡＣ電圧は、設計上の選択事項として選択可能であるが、好適にはケーブル６２の寸法を減らし線路損失を最小にするため実用的にできるだけ高くすべきである。１２０ＶＡＣまたは２４０ＶＡＣの電圧が、多くの用途においてうまく働くことが期待できる。
【００５２】
本発明のこの変形例において、整流器などのＡＣ−ＤＣコンバータ１０４は、ＤＣ負荷７６、例えば、および／または電池などのエネルギー貯蔵装置７２の近傍に設けられる。また、電力を高電圧ＡＣ電力として伝送するので、変圧器やその他の電圧変換装置１０２を、貯蔵装置７２および／またはＤＣ負荷７６に適切なレベルにまで電圧を変換するために用いることができる。典型的に、ＤＣ負荷７６は、１２、２４、３６、または４８ボルトの電圧で動作するが、設計上の選択事項としてその他の電圧も可能である。貯蔵装置７２の充電状態を計測する目的で、充電監視装置１０６を貯蔵装置７２に接続してもよい。貯蔵装置７２が完全に充電された際に風力タービン２０の出力を減少または停止できるように、充電監視装置１０６は風力タービン２０のコントローラと通信すべきである。
【００５３】
銅線または光ファイバーケーブルを通して、または無線リンクを介して、充電監視装置１０６は風力タービン２０と通信可能である。ある実施形態は、充電監視装置１０６と風力タービン２０間の無線リンクを提供する。
【００５４】
図８に示す実施形態では、風力タービン２０からＤＣ負荷７６までの導線６２に関する電気損失を最小にする。しかし、電圧変換装置１０２が変圧器である場合には、別の損失が加わる。低電力レベルでは、コア損失が変圧器に対して支配的であるが、高電力レベルでは、電流に関連する損失が変圧器に対して支配的になる。図９に示すように、電力レベルに依存する可変周波数で風力タービンの出力を生成するように、インバータなどのＤＣ−ＡＣコンバータを利用して、全変圧器損失を最小化できる。図９は、インバータ周波数と風力タービン電力出力のグラフを示す。図９において、低電力レベルで変圧器のコア損失が支配的であるとき、これらの損失を弱めるように、出力装置の周波数を低く設定する。高電力レベルでは、出力装置の周波数を増加させ、これにより変圧器の電流に関連する損失を最小化する。
【００５５】
風力タービンの寸法、変圧器の設計、風力タービンと変圧器間のケーブルの長さと寸法、およびその他の要因に依存して、周波数と電力の関係は、図９に示すものと異なることがある。最大インバータ周波数に対する最小インバータ周波数の比により、変圧器の寸法とコストを下げることができる。そのため、例えば、最小周波数が５０Ｈｚで最大周波数が５００Ｈｚの場合、インバータが一定周波数で動作すれば、変圧器を必要な寸法のわずか１０％の寸法にできる。
【００５６】
図１０Ａ〜１０Ｃは、本発明の実施形態による典型的なスロット無し交流発電機設計３２の部分図を示す。図１０Ａと１０Ｂに示す交流発電機の破断図は、低損失コア７８を設ける、粉末鉄などの積層またはその他の渦電流低減材料の周囲に据付けられた平らな導電材料（例えば、銅）から構成される導電性コイル８０を備える。コアは、鋼またはその他の合金鉄材料などの磁束誘導材料から構成される。平らな導電材料を用いることにより、例えば、渦電流や典型的な円形銅線などの円形断面の導電材料を使用することに関する悪影響を最小化するとともに、コイル８０の空間内において稠密度を最大にする。
【００５７】
積層またはその他の方法による低損失コア７８および据付けられた導電コイル８０は、プラスチックケーシングなどの成形区域５３により取り囲まれる。積層またはその他の方法による低損失コア７８、the コイル８０、および成形区域５３を含む交流発電機３２の巻線部分は、一般にタービンのハウジング内に固定して設置される。図１０Ａ〜１０Ｃに示す実施形態において、交流発電機３２の巻線部分は、３つの区域５２ａ、５２ｂ、５２ｃに分割される。分割区域の数（１つも含む）は任意である。そのような区域５２ａ、５２ｂ、５２ｃを用いる利点は、交流発電機３２の巻線部分の一部のみを分解交換できることにより補修は容易になることである。さらに、巻線部分区域５２ａ、５２ｂ、５２ｃに対応するコア部分からは独立してコイル８０を巻きつけ、その後巻線部分区域５２ａ、５２ｂ、５２ｃの端部を介して巻線部分区域５２ａ、５２ｂ、５２ｃの周囲に摺動可能にまたはその他の方法で据付けられるので、コイル８０を積層またはその他の方法による低損失コア７８の周囲に据付けることは簡単である。さらに、区域５２ａ、５２ｂ、５２ｃを、交流発電機３２の全巻線部分をより小さい角度で構成することによりさらに容易に製造してもよい。例えば、ある実施形態において、積層および／またはその他のコア材料を平らな原料から打抜いて、多数の積層品を、交流発電機３２の巻線部分の第３の（あるいはより小さい）区域を用いて、平らな原料から効率的に製造してもよい。同様に、そのような製造されたコア区域と製造された巻線部分は、配送および貯蔵がより簡単である。
【００５８】
図１０Ａの典型的な交流発電機３２に示すように、交流発電機３２の回転部分は、ロータ部分８４と磁石部分８２とを備える。ロータ部分８４は、リム部分８４ａと、ハブ部分８４ｂと、リム部分８４ａをハブ部分８４ｂに連結する１つ以上のスポークあるいはその他のコネクタ８４ｃと、を備える。磁石部分８２は、リム部分８４ａの周囲に配置され取付けられる複数の磁性素子（例えば、個々の磁石または磁性材料の磁化された部分）を備える。例えば、磁性素子は、リム部分８４ａに当接可能に取付けた（例えば、接着剤により）複数の個々の磁石を備えてもよい。個々の磁石のそれぞれは、交互に隣接するＮとＳの磁石磁極の対が形成されるように、隣接する個々の磁石の各対に対して磁極の方向が１８０°を向いており、そのような磁石により各磁界が形成されており、各磁界は隣接する磁石により発生する１８０°反対方向の磁界の向きを有する。空気などに対して磁性素子を通過する磁束を増加させるため、コア７８は、鉄、鋼、あるいはその他の合金鉄材料などの磁束誘導材料により一般に構成され、ロータ部分８４のリム部分８４ａも鉄、鋼、あるいはその他の合金鉄材料などの磁束誘導材料により構成される。
【００５９】
図１０Ａに最も良く示すように、図１０Ａと１０Ｂの典型的な交流発電機３２用のロータ部分８４のハブ８４ｂを軸９５に取付ける。軸９５は、交流発電機ハウジングの開口部などの取付部と最小限の摩擦により係合する、軸受けまたはブッシングなどの１つ以上の形状構成９６を備えてもよい。動作の際に、ロータ部分８４と被駆動軸９５を介して、固定的に維持される巻線部分に対して、磁石部分８２を回転可能に動かすことができる（例えば、風力発電機タービン翼などの風力動作装置を介して駆動される）。
【００６０】
図１０Ａと１０Ｂに示す典型的な実施形態のコイル８０は、互いに当接して積層またはその他の方法による低損失コア７８の円周上で順に繰り返す、６つの巻線セット８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ、８１ｅ、８１ｆを形成するように接続される。図１０Ｂに最も明白に示すように、巻線セット８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ、８１ｅ、８１ｆのそれぞれは、一端で、交流発電機３２の巻線部分に沿って対応する次の巻線セットに接続される。ある実施形態において、各連続するコイル部分がコイル先に接続した部分と反対の極性を有するように、巻線セットの連続する対を、反対の端で接続する。いくつかの優位性の中で特に、このやり方は、複数の接続と冗長性を増加させることが可能であり、それにより冗長失速制御に必要な冗長性を提供する。組立てが簡単であり、巻線セット８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ、８１ｅ、８１ｆのそれぞれが非常に類似しているかまたは実質的に同じであることを確保することにより性能が向上する。
【００６１】
図１０Ｃは、巻線部分５３と、磁石区域８２と、ハブのリム８４ａとを備える交流発電機３２の部分図を示す。組立では、交流発電機３２の３つの巻線部分区域５２ａ、５２ｂ、５２ｃのそれぞれを、両端で、隣接する２つの区域に接続する。６つの巻線セット８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ、８０ｅ、８０ｆのそれぞれに対する６つのワイヤー端（たとえば、図１０Ｂに示すように、ワイヤー端群１０５、１０６参照）は、図１０Ａと１０Ｂに示すように、各３つの巻線部分区域５３ａ、５３ｂ、５３ｃのそれぞれの端から延びている。巻線部分区域５３ａ、５３ｂ、５３ｃの各当接対から延びる６つのワイヤー端のそれぞれは、隣接する巻線部分区域から延びる６つのワイヤー端に連結される。例えば、プリント回路基板やその他の連結部品９７、９８、９９を介して、この連結を行ってもよい。巻線部分区域５２ａ、５２ｂ、５２ｃの積層またはその他の方法による低損失コア７８のそれぞれは、同様に互いに当接する。
【００６２】
これにより、６つの連続する巻線は、図１０Ａ〜１０Ｃに示す巻線部分区域５３ａ、５３ｂ、５３ｃのそれぞれにおいて連結された対応する巻線により形成される。連結部品９７の１つで終了する６つの連続する巻線のそれぞれの第１の端は、６つの連続する巻線の各第１の端に対応するリード線を備える。６つの連続する巻線のそれぞれの第２の端は、連結部品９７を介して互いに連結され、第７のリード線１００が連結部品９７から延びるように第７のリード線に連結される。第７のリード線は、６つの連続する巻線の中央の点に対応する。巻線については種々の回路図が、本願出願人による２００６年１月２０日出願の「風力タービン用の失速コントローラおよびバックアップ」という名称で同時係属米国仮出願番号第６０／７６０４０７号、あるいはその対応米国特許出願であり「風力タービン用の失速コントローラおよびバックアップ」という名称の出願にさらに記載されている。
【００６３】
図１１と１２は、本発明のタービン翼２４の種々の形状構成を示す。図１１と１２に示す本発明の変形例におけるタービン翼２４は、例えば、多部品射出成形または多部品圧縮成形で、ガラス強化ポリエステルにより形成されてもよい。本発明は、タービン翼が軽量で経済的でありかつ耐久性がある限り、各タービン翼２４を他の材料により製造可能である。タービン翼２４を形成するために多部品射出成形を用いる１つの優位性は、タービン翼２４を単純かつ低コストに量産できることである。別の優位性は、タービン翼２４を、動作時にタービン翼２４の低圧力側と対向する区域と、動作時にタービン翼２４の高圧力側と対向する区域とに分離することにより、図１４Ａと１４Ｂを参照していかに詳細に説明するように、タービン翼２４をより軽くかつリブなどの追加で内部強度を増加させる形状構成にすることができる。この製造のやり方は、コストを下げ、軽量にし、得るべきタービン翼を形成する区域間の接着面積を増加させることができる。
【００６４】
図１３Ａ〜１３Ｃに示すように、風力により各タービン翼２４が回転すると、タービン翼２４は塔９２の風下領域Ｃに入る。塔により発生する後流のため、塔の風下の断面空間Ｃでは風のスピードが減少する。タービン翼２４の根元部分が塔の風下の断面空間Ｃに最初に入り（図１３Ａ参照）、その後タービン翼２４の残りの部分が根元端に徐々に続く（図１３Ａ参照）ように、本発明の実施形態のタービン翼２４が、後退構成により構築される。タービン翼２４の残りの部分が塔９２の断面区域Ｃに入った後に、タービン翼２４の先端９０が塔９２の断面区域Ｃに入る（図１５Ｃ参照）。各タービン翼２４の回転とともに、タービン翼２４の先端９０が領域Ｃに入る前に、タービン翼２４の根元端が塔の陰影部から出る。
【００６５】
従来技術のタービン翼は、塔の風下で各タービン翼の部分が順番に入ったり出たりせずに、１つの平面で塔の陰影部に入ったり出たりして、風のスピードが突然変化することによりタービン翼の迎え角が衝撃的に変化する。これにより周期的な騒音が塔の陰影部を通過するタービン翼により発生する。後退タービン翼形状を設けることにより、とりわけ、従来技術の風力タービンタービン翼により発生する周期的な騒音の問題を、本発明は解消または和らげる。
【００６６】
図１４Ａと１４Ｂは、本発明の実施形態のよる典型的なタービン翼１２４の製造に関する形状構成を示す。図１４Ａは、典型的なタービン翼１２４の幅方向の断面図を示す。 図１４Ａに示すように、タービン翼１２４は、図１４Ａにおいて組立てられた位置において示す、２つの区域１２４ａ、１２４ｂに分割される（同様にタービン翼は２つを超える区域から構成されてもよい）。第１のタービン翼部材１２４ａは、動作時に一般にタービン翼１２４の高圧力側を向いている。また 第２のタービン翼部材１２４ｂは、動作時に一般にタービン翼１２４の低圧力側を向いている。さらに図１４Ａに示すように、タービン翼１２４のチャンバー部分１２５は、組立てられた第１のタービン翼部材１２４ａと第２のタービン翼部材１２４ｂに間に形成される。
【００６７】
図１４Ｂは、タービン翼１２４を分解した状態で示す斜視図である。図１４Ｂに示すように、この実施形態のタービン翼１２４は、一般にタービン翼１２４の縦方向Ｌにおいて、第１のタービン翼部材１２４ａと第２のタービン翼部材１２４ｂとに分割される。図１４Ａと１４Ｂに示すようにタービン翼１２４を縦方向Ｌで分割することは、例えば、図１４Ａと１４Ｂに示すように、従来技術のやり方は、分割点においてタービン翼が弱くなり、別の性能課題が発生する傾向があるという点において、縦方向Ｌと垂直にタービン翼を分割することを含むタービン翼を形成する従来技術の方法に比べて優れている。
【００６８】
とりわけ、タービン翼１２４を図１４Ａと１４Ｂに示す方法で組立てることにより、形成された中空（チャンバー）部分１２５のおかげで、形成されたタービン翼１２４は、例えば同じ材料の中実に形成された単一部品タービン翼よりも軽い。形成されたタービン翼１２４の重量と剛性を、第１および第２のタービン翼部材１２４ａ、１２４ｂそれぞれの壁の厚さを制御することにより制御してもよい。さらに、例えば、射出成形により中身の詰まったタービン翼を形成する製造方法よりも、材料の均一性がより容易に得られ、また部品も簡単に製造される（例えば、射出成形により）ので、図１４Ａと１４Ｂに線に沿った多数のタービン翼部材と中空部分による方法を用いることにより、タービン翼１２４の製造が容易になる。
【００６９】
いくつかの実施形態において、形成したタービン翼１２４の剛性と強度を高め、かつタービン翼部材１２４ａ、１２４ｂの互いに接着する可能性のある面積を増加させるために、中空（凹状の）部分１２５内にリブを追加してもよい。図１４Ｂの第２のタービン翼部材１２４ｂの一端に、そのような典型的なリブ１２４ｃを示す。ある実施形態において、タービン翼１２４の長さ方向Ｌと平行な方向のリブにおいてそのようなそれぞれのリブの一般に長さ方向の向きで、第２のタービン翼部材１２４ｂの内部領域Ｎ（第１のタービン翼部材１２４ａの該当部分）にリブをさらに追加する。リブのこの向きにより、一般に動作中にタービン翼１２４の最大応力方向となる、縦方向Ｌのタービン翼１２４に固定的に追加する。
【００７０】
図１５Ａ〜１５Ｆは、本発明の実施形態による典型的なヨーアセンブリ１５０を示す。図１５Ａは、典型的なヨーアセンブリ１５０の部品の分解図である。これらの部品には、線路フィルタや避雷器などの、その他の電気部品および回路部品を含んでもよいＰＣＢやその他の回路装置に、取り付けまたは組み込まれるスリップリング形状構成１５１と、その間にスペーサおよびスリップリング形状構成１５１を出力線１７０に連結するための保持形状構成１５２、１５４を有する、１つ以上のブラシやその他の可変的に連結可能な機構と、可変的に連結可能な機構１５２を付勢してスリップリング形状構成１５１に接触させる、バネなどの１つ以上の付勢機構１５３と、ボルト、ナット、ワッシャ、およびゴムのブッシングなどの柔軟なブッシングなどの１つ以上の柔軟に動作する取付形状構成１５７ａ、１５７ｂ、１５８、１６０、１６７を介して、塔２８に取付けられるヨー１６２に対してタービンハウジング２２が摺動可能に回転することを可能にする、スナップリングと軸受けなどの１つ以上の摺動可能な係合形状構成１５５、１５６、１５９と、物理的またはその他の方法で、紫外線照射などからヨーアセンブリ１５０の種々の形状構成を保護するヨーシールド１６１と、随意の絶縁スリーブ１６４を有する、真鍮製の継手管などの１つ以上の固定継手装置１６３であって、出力線１７０を固定継手装置や装置１６３と連結する突起などの継手装置係合形状構成１６５と係合可能な１つ以上の固定継手装置１６３と、ヨーアセンブリ１５０の形状構成の近づくことを可能にする絶縁体１６６及びカバー１６８と、出力線をヨーアセンブリ１７０に歪を緩和した状態で取付け可能な歪緩和装置１６９と、がある。
【００７１】
図１５Ｂは、図１５Ａの典型的なヨーアセンブリ１５０のある形状構成の部分破断図を示す。図１５Ｂに示すように、タービンハウジング２２はヨーアセンブリ１５０を介して塔２８に取付けられる。ヨーアセンブリ１５０は、例えば、振動／衝撃を減少させるために、形状構成６７などの、軸受けやその他の柔軟に動作する取付形状構成を備える。
【００７２】
図１５Ｃは、図１５Ａのヨーアセンブリ１５０の種々の部品およびそれらと相互作用可能なその他の形状構成の部分図を示す。図１５Ｃに示すように、ＡＣ線路フィルタ、避雷器、および／またはその他の部品を含むＰＣＢなどの、コントローラおよび／またはその他の回路装置１８０は、図１５Ｃに示すようにその下側に取付けられたスリップリング形状構成を有する。スリップリング形状構成は、保持形状構成１５４内に含まれる１つ以上のブラシやその他の可変的に連結可能な機構と係合する。保持形状構成１５４（例えば、ブラシホルダ）を、ヨー１６２に取付ける。また、図１５Ｃは、出力線やその他の可変的に連結可能な機構を出力線１７０の個々の線１７０ａと連結するための、突起などの継手取付形状構成１８１、カバー１６８、および歪緩和装置１６９を示す。
【００７３】
図１５Ｄは、保持形状構成１５４の斜視図を示す。
【００７４】
図１５Ｅは、図１５Ａのヨーアセンブリ１５０の種々の部品および相互作用可能な形状構成の別の部分図である。図１５Ｅのヨーアセンブリ１５０の図に示す形状構成は、回路装置（例えば、ＰＣＢ）１８０と、スリップリング１５１ａ間の絶縁体などの１つ以上のウェハスリップリング１５１および１つ以上のスペーサ１５１ｂを含む、種々の典型的なスリップリング形状構成１５１と リード線などの継手１９０を有する、ブラシなどの１つ以上の可変的に連結可能な機構１５２と、バネなどの１つ以上の付勢機構１５３と、保持形状構成１５４と、固定継手装置および据付けられた絶縁スリーブ１６３、１６４と、図１４Ｃに示す取付形状構成１８１などの取付形状構成を保持しかつ分離させる取付形状構成ホルダ１９２と、を備える。
【００７５】
図１５Ｆは、図１５Ａのヨーアセンブリ１５０の種々の部品および組立位置で相互作用可能な形状構成の別の断面図を示す。
【００７６】
本発明の実施形態をその効果に関して説明した。これらの例は本発明の単なる例示であることが理解されるであろう。当該分野の技術者には種々の変更や変形が明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施形態による典型的な風力タービンである。
【図２】本発明の実施形態による典型的な風力タービンの断面図である。
【図３】本発明の実施形態に使用可能である典型的なインバータの代表的な図である。
【図４】本発明の実施形態に使用可能である典型的なインバータのブロック図である。
【図５】本発明の典型的な風力タービンを負荷に接続する第１の構成を示す。
【図６】本発明の典型的な風力タービンを負荷に接続する第２の構成を示す。
【図７】本発明の典型的な風力タービンを負荷に接続する第３の構成を示す。
【図８】本発明の典型的な風力タービンを負荷に接続する第４の構成を示す。
【図９】本発明の実施形態による、典型的なインバータからのＡＣ出力周波数が変圧器またはその他の装置を駆動するための出力電力レベルによりどのように変化するかを示すグラフを示す。
【図１０Ａ】本発明の実施形態による、典型的なスロット無し交流発電機設計の部分図を示す。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態による、典型的なスロット無し交流発電機設計の部分図を示す。
【図１０Ｃ】本発明の実施形態による、典型的なスロット無し交流発電機設計の部分図を示す。
【図１１】本発明の実施形態に使用可能である典型的なタービン翼設計の斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態による、塔の断面領域内のタービン翼および断面領域を移動するタービン翼の図を示す。
【図１３Ａ】本発明の実施形態による、塔の断面領域内のタービン翼および断面領域を移動するタービン翼の図を示す。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態による、塔の断面領域内のタービン翼および断面領域を移動するタービン翼の図を示す。
【図１３Ｃ】本発明の実施形態による、塔の断面領域内のタービン翼および断面領域を移動するタービン翼の図を示す。
【図１４Ａ】本発明の実施形態による、典型的なタービン翼の製造に関する形状構成を示す。
【図１４Ｂ】本発明の実施形態による、典型的なタービン翼の製造に関する形状構成を示す。
【図１５Ａ】本発明の実施形態による、風力タービンに用いる典型的なヨーアセンブリの代表的な図を示す。
【図１５Ｂ】本発明の実施形態による、風力タービンに用いる典型的なヨーアセンブリの代表的な図を示す。
【図１５Ｃ】本発明の実施形態による、風力タービンに用いる典型的なヨーアセンブリの代表的な図を示す。
【図１５Ｄ】本発明の実施形態による、風力タービンに用いる典型的なヨーアセンブリの代表的な図を示す。
【図１５Ｅ】本発明の実施形態による、風力タービンに用いる典型的なヨーアセンブリの代表的な図を示す。
【図１５Ｆ】本発明の実施形態による、風力タービンに用いる典型的なヨーアセンブリの代表的な図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【国際調査報告】
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