(57)【要約】垂直軸風力タービン（１）の組が互いに近接して配置され、これによりそれらのお互いに対する渦の相互作用が空力性能を向上することができる。風力タービン（１）はできるだけ近接して配置される一方、機械および人の安全に備える。隣接する風力タービン（１）は反対方向に回転し、結合渦効果を向上する。垂直軸風力タービン（１）は１列の水平軸タービンの下方に「低木」形態で配置して、一筆の用地からより高いエネルギーを抽出してもよい。垂直軸タービン（１）は、故障状態が無くなった後に自己リセットする単純で余剰なフェールセーフのブレーキシステム（１４，１５）を含む。ブレーキシステムは機械的ブレーキ（１４，１５）および空力的ブレーキ（２３）を含み、さらに主ブレーキが故障した場合でも風力タービンを呈しする調速機を含む。
2005516159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１組の風力タービンにおいて、
各風力タービンが、
垂直軸の回りに回転するシャフトと、
前記シャフトとともに回転するように該シャフトに取り付けられたブレードであって、前記シャフトから半径方向外方に所定半径で取り付けられたブレードと、
作動すると前記ブレードを傾斜するブレーキシステムとからなり、
前記風力タービンのシャフトが前記半径の３倍より小さい距離だけお互いから離れている風力タービン。
【請求項２】
前記風力タービンの第１の風力タービンのシャフトは第１の所定方向に回転し、第２の風力タービンのシャフトは前記第１の風力タービンのシャフトと反対方向に回転する請求項１の風力タービン。
【請求項３】
前記風力タービンの前記シャフトは、前記半径の２倍より大きいが前記半径プラス１０フィートの２倍よりも小さい距離だけ互いに離れている請求項１に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記風力タービンの前記シャフトは、前記半径の２倍より大きいが前記半径プラス５フィートの２倍よりも小さい距離だけ互いに離れている請求項３に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記風力タービンの前記シャフトは、前記半径プラス３フィートの２倍に実質的に等しい距離だけ互いに離れている請求項３に記載の風力タービン。
【請求項６】
前記風力タービンは３０％より大きく４０％より小さいロータ剛率を有する請求項１に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記風力タービンは実質的に３３％であるロータ剛率を有する請求項６に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記ブレーキシステムはフェールセーフのブレーキシステムである請求項１に記載の風力タービン。
【請求項９】
前記ブレーキシステムは自己リセットする請求項８に記載の風力タービン。
【請求項１０】
前記ブレーキシステムは気圧アクチュエータを含む請求項８に記載の風力タービン。
【請求項１１】
単一の空気圧縮機が前記風力タービンの両風力タービンの気圧アクチュエータに圧縮空気を供給する請求項１０に記載の風力タービン。
【請求項１２】
第３の風力タービンをさらに有し、
前記第３の風力タービンは、
タワーと、
実質的に水平軸の回りに回転するシャフトと、
前記シャフトとともに回転するように該シャフトに取り付けられたブレードであって、該ブレードの掃気経路は上端および下端の高さを有するロータを規定するブレードとからなり、
前記水平軸風力タービンは、該水平軸風力タービンの下端の高さが前記垂直軸風力タービンの上端より高くなるように、前記垂直軸風力タービンの近傍に配置されている請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１３】
前記風力タービンは卓越風方向を有する用地に設置され、前記風力タービンのシャフト間の線が前記卓越風方向に実質的に垂直である請求項１に記載の風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力タービン発電機の分野に関し、特に垂直軸の回りに回転する風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直軸風力タービンは長年知られている。垂直軸タービンの最もありふれた設計はトロポスキエン（troposkien）形に湾曲したブレードを使用するダリウス（Darrius)形タービンである。他の垂直軸タービンは１または複数のブレード支持アームを有する垂直軸に取り付けられた真直ブレードを使用する。
【０００３】
現代的な垂直軸タービンは、ロータに推進力を与える空力抵抗（aerodynamic drag）を使用するよりも、揚力を与える翼（airfoil）を使用している。揚力生成翼の使用は、抵抗型（drag-type）装置に比べてロータの空力効率を大いに増加する。しかしながら、揚力生成翼でも、従来の垂直軸タービンは水平軸タービンに比べていくつかの問題がある。大抵の垂直軸風力タービンが達成するピーク空力効率は約２５−３０％である。また、垂直軸風力タービンは本質的に自動スタートするのではなく、始動モータを使用して回転を開始する必要がある。基本的な垂直軸風力タービンの設計のいくつかの改良は、この固有の問題を解決することを試みてきた。
【０００４】
米国特許第４１１５０２７号は、その明細書を参照することでここに組み入れるが、垂直軸の揚力型風車を開示している。空力的揚力を与える垂直翼は、ロータを形成する中央軸の回りに支柱で取り付けられている。
【０００５】
米国特許第５０２７６９６号は、その明細書を参照することでここに組み入れるが、前記米国特許第４１１５０２７号の風車に対する種々の改良を開示している。その改良には、新しいブレーキシステム、厚肉翼の使用、駆動ベルト伝動、２速運転、回転可能なステータを含み、これらは効率を増大し、高風力中の構造負荷を制限する。
【特許文献１】米国特許第４１１５０２７号
【特許文献２】米国特許第５０２７６９６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記全ての特許における風力タービンは、ロータの外側に固定フェアリング（stationary fairing）を使用して、風流れをロータに導き、効率を増大する。この試みは風力タービンの性能を著しく向上した（５２％もの高い空力効率が測定された）が、追加の構造を支持しなければならないし、プラットフォーム領域を追加しなければならず、嵐状態で構造にかかる風力負荷を増加する。固定フェアリングのような構造的要素を必要とすることなく同様の性能の向上を達成することが望ましい。
【０００７】
前記特許の風力タービンは、機械的ブレーキシステムを利用しており、それは非常に信頼性が見られるが、作動後に手動でリセットする必要がある。これは、オペレータがフルタイムで現場にいなければ、タービン停止時間が多く、信頼性が低くなる。タービンシステムに故障が生じると自動的に作動し、故障状態がなくなると自動的にリセットし、サービスに復帰するブレーキシステムを組み込むことが望ましい。
【０００８】
高い空力効率を達成するが、最小の支持構造を必要とする垂直軸風力タービンを提供することが望ましい。また、一筆の土地でエネルギー生成率を最大にするために、水平軸風力タービンの既存の列の下で低木（bush-tree）形状に使用するのに適した垂直軸風力タービンを提供することが望ましい。さらに、故障がなくなった後に自己リセットし、堅牢で信頼性があり、空力的および機械的な自動ブレーキシステムを組み込んだ垂直軸風力タービンを提供することが望ましい。さらに、ギヤボックスや発電機のような最も頻繁に注意を要する部品に容易にアクセスできるようにして、メンテナンス頻度や困難性を最小にすることが望ましい。外部支持フレームよりも、支持線で支持された（guyed）軸構造、または支持線で支持された支持フレームと外部で支持されたフレームの組み合わせを利用して、さらにタービンを構造的に単純化することが望ましい。外部で支持線で支持された構造は、必要な部品の数を最小化する。これらの構造は、より清浄な空力流れ場を提供し、タービンの渦効果向上することができる。タービンの渦効果を向上し、非常に強固なロータを使用することにより自動スタートの可能性を改良することがさらに望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、２つの隣接する風力タービン間の渦の相互作用により、また高剛率ロータの使用により、空力効率が増大した風力タービンを提供している。渦の相互作用は、卓越エネルギー風の方向に対する角度をもった方位と、隣接タービンの近接配置との結果である。隣接したタービンは、結合渦の相互作用を達成するために、反対方向に回転しなければならない。
【００１０】
支持線で支持されたシャフト構造は、ケーブル−ケーブル間およびケーブル−ロータ間の隙間を与える互い違いの配置において３つまたは４つのケーブル支点配置を使用することで、一列に近接して配置することができる。風力タービンは、結合風力タービンの長い列に配置することで、タービン列を通して空力性能が増大する。タービン列は卓越エネルギー風方向に垂直な方位にすべきである。このタービンの方位付けは、卓越風方向が強く、方向の変動が少ない地形的領域に特によく適している。
【００１１】
渦結合タービンの列は一列の水平軸タービンの下方に配置することができる。この「低木」形状は、一筆の土地から引き出すことができるエネルギー捕獲量を最大にする。それらの下方に垂直軸タービンが存在するために、水平軸タービンの空力性能が向上する。垂直軸タービンの列は垂直混合効果を与え、水平軸風力タービンの流れ場に高エネルギー流れをもたらすことができる。
【００１２】
タービンは気圧ブレーキシステムを使用し、それは自動的に解除し、故障状態がなくなった後にタービンの動作を再開させる。気圧ブレーキは重りで付勢され、これにより通常は重りで作動し、気圧シリンダが加圧されてブレーキと重りを持ち上げると解除される。通常は綴じられたソレノイドバルブは気圧シリンダへの圧力を制御する。バルブは電気的に駆動される。電力がオフになると、バルブが開き、シリンダへの圧力を開放する。電力が復旧すると、バルブが閉じ、圧縮機はシリンダを加圧して重りを持ち上げ、ブレーキを解除する。これは、電力が損失した場合にブレーキが作動してタービンを停止させ、電力が復旧するとブレーキを解除することを保証する。電力は損失していなが、なんらかの理由で、発電機が機能しない場合にソレノイドバルブを開くためにトグルスイッチが設けられている。
【００１３】
リンケージが機械的ブレーキを、ブレード傾斜を調製するシステムと連結している。ブレーキが作動すると、ブレードは４５度傾斜（pitch）して抵抗ブレーキ（drag brake）として動作する。このようにして、タービンは信頼性を高くするために余剰な機械的および空力的ブレーキを有している。
【００１４】
高摩耗を経験しメンテナンスを必要とするタービン部品が地表レベルに位置している。支持線で支持されたタービンのシャフトはシャフトの底に配置された一対のベアリングによって支持される。２つのベアリングは約３フィートだけ垂直に離隔されている。３つのベアリングの最上部のものは、固定状態に保持され、主シャフトのみの静重量を支持している。最下部のベアリングは水平方向に自由にスライドし、これにより支持線で支持されたシャフトは揺動する。下部ベアリングはブレードの重量と、ロータにかかる空力抵抗から生じる垂直力とを支持している。上部ベアリングにかかる荷重は十分に小さく、これによりベアリングはタービンの寿命を持続させる。下部タービンはカートリッジの交換のために容易に取り除くことができる場所に配置される。下部ベアリングサポートは、ボールベアリングの単純なフレームを使用することで水平方向に自由に移動する。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態では、タービンは３つの積層モジュールに３セットのブレードを含む。最下モジュールのブレードのみがブレーキ作動中に傾斜する。ブレードの底のセットはメンテナンスのアクセスのために地表レベルから用意に届くことができる。ブレードの傾斜可能なセットは、ブレーキング中の傾斜移動のため、他の２つの固定傾斜セットのブレードより高いメンテナンスを必要とする。ブレーキングは比較的まれに生じるべきであるため、ブレードの摩耗レベルは高くは予想されない。２つの上部モジュールは、ブレードを傾斜運動から拘束して摩耗を最小化する耐久性のあるピン接続で、ヨーク型の付属物とともに取り付けられるブレードを使用する。
【００１６】
支持線で支持されたシャフトの頂部にあるベアリングは、ケーブル取り付けハウジング内に収容され、周囲露出から隔離される。これはグリースの必要性を減少し、摩耗を最小化することが予想される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の他の特徴および利点は添付図面に従って説明する以下の詳細な説明から明らかである。
【００１８】
図１に示すように、本発明は風力タービン１からなり、該風力タービン１は垂直軸の回りに回転するメインシャフト２を有する。メインシャフト２は、タービンが動作している間、および該タービンが停止するであろう高い風力の間に、圧縮、トルク、曲げ荷重に耐えるように、好ましくは十分な径と肉厚の鋼管から製作される。メインシャフト２には４つのブレード３が取り付けられている。ブレードの数は設計選択により変更することができるが、翼弦（chord）の長さやロータの径は所望の剛率（solidity）を維持するために変更する必要がある。４つのブレードが好ましい実施形態である。各ブレード３は１対のブレードアーム４でメインシャフト２に取り付けられている。好ましい実施形態は各ブレード３に対して２つのブレードアーム４を使用することになっているが、各ブレードに対して１つのブレードアーム４を使用することが考えられる。ブレードアーム４は、ブレードの空力先端効果（tip effect）を減少し、ブレードアーム４の取付点におけるブレード３の曲げ応力を回避するために、各ブレード３の両端に自由に取り付けられることが好ましい。ブレード３はピン継手のようなモーメント無し継手によりアーム４に取り付けることが好ましい。
【００１９】
ロータの高さＨはブレード３の長さにより規定される。ロータの径Ｄはシャフト２の中心線からブレード３の翼弦ラインまでの距離の２倍により規定される。ロータの全掃気（swept）領域はロータ高さＨ掛けるロータ径Ｄによって規定される。各ブレード３は、ブレード翼弦幅Ｃ掛けるブレードＨの長さによって規定されるプラットフォーム領域（platform area）を有している。全ブレードのプラットフォーム領域は、ロータに４つのブレードがあるため、個々のブレードのプラットフォーム領域の４倍である。全ブレードのプラットフォーム領域をロータ領域で割ったものはロータ剛率として知られている。本発明の場合、ロータ剛率は３３％が好ましい。抵抗型風車ロータでは、剛率は３３％よりはるかに高く、まれに１００％である。実験が示すところによると、３０％から４０％の範囲のロータ剛率は最適性能を与え、３３％の剛率が好ましい。
【００２０】
メインシャフト２はその下端で動力伝達ハウジング５に、上端でベアリング６に支持されている。上方のベアリングは１セットの支持線ケーブル（guy cable）７で支持されている。メインシャフト２は、ブレードアーム４の上部セットの上方に、ブレードアーム４の長さより長い距離だけ延びて、支持線ケーブル7を４５度の角度で、地面に埋設された基礎８に延ばすことができる。図１は３つの支持線ケーブルを備えた形状を示すが、現地土壌状態、地形、および他のファクターに依存して、４つまたはそれ以上の支持線ケーブルを使用することができる。
【００２１】
図２は、本発明の第２実施形態を示し、ロータは互いに積み重ねられた３つのモジュール９を含む。各モジュールはブレードアーム４を介してメインシャフト２に取り付けられた４つのブレード３を含む。第２の好ましい実施形態の各モジュール９は、第１実施形態のロータに類似している。各ロータモジュール９の剛率は３０％から４０％の間であり、３３％が好ましい。図２に示す３つのモジュール９は一緒に回転するように全て共通のメインシャフトに接続されている。３つのモジュール９のブレード３はモジュール間に３０度だけ互い違いに配置されている。ブレードを互い違いにすることで、風力タービンの出力はスムーズになる。３つのモジュールが図２に示されているが、２つのモジュールを含めることができるし、４つまたはそれ以上のモジュールを含めることも考えられる。
【００２２】
２つの風力タービン１が図３に示すように互いに近接して配置されれば、２つのロータからの線形流（linear flow）と渦流の組み合わせは、両ロータの効率が増大するように組み合わせる。図４は２つの風力タービンを平面で示し、ロータ径Ｄのタービンが距離Ｌだけ離れた中心線を有するように見ることができる。ＬがＤより僅かに大きいと、ロータはＬマイナスＤに等しい距離Ｓだけ互いに離れる。２つのロータの間の距離Ｓはできるだけ小さく維持すべきであるが、機械や人の安全を考慮すべきである。約３フィートの離隔が好ましい。隣接するロータのこの近接した配置を、結合渦配置（coupled vortex arrangement）という。この結合渦配置では、空力効率の所望の増加を達成するために、２つのロータは反対方向に回転するべきである。２つのロータの回転方向は図４に矢印で示されている。
【００２３】
結合渦配置における風力タービンは、２つの風力タービンの中心線を結ぶ線が卓越（prevailing）エネルギー風の方向に垂直になるように向けるべきである。理想的には風方向は図４に示す方向に対して２０度以上変更すべきでない。山の峠のように強い卓越風方向を有する用地では、これを達成することができる。しかしながら、優勢的な卓越風方向がない用地では、ロータの結合渦配置はうまく作用しないかもしれない。
【００２４】
図５に示すように、長い列の風力タービンを結合渦配置で配置することができる。長い列の風力タービンが配置されるとき、各組のロータの間に小距離Ｓがあるように、各ロータの中心線は隣接するロータの中心線から、ロータ径Ｄより僅かに大きい距離Ｌだけ離隔される。図６に示すように、各ロータは隣接するタービンに対して反対方向に回るべきである。このようにして、全ての第２のタービンは上方から見たときに時計回りに回転するが、その間のタービンは上方から見たときに反時計回りに回転する。
【００２５】
図７に示すように、風力タービンの列は一列の水平軸風力タービンの下方に位置して、「低木（bush-tree）」形状を形成することができる。これは一筆の土地（a parcel of land）からより大きなエネルギーを抽出することができる。また、低いレベルの低エネルギー空気を上からの高いエネルギー空気と混合しまたは置換することで、水平軸風力タービンの性能を増大することができる。低木配置の他の可能なシナジー（synergy）は、水平軸タービン用のアンカー点が結合渦列における垂直軸風力タービンを支持する支持線ワイヤのアンカー点として役立つように修正することができることである。この形態は、一方向の卓越風を有する用地に特に適している。
【００２６】
本発明の風力タービン用の動力伝達部（drive train）は、米国特許第５０２７６９６号または第５３３２９２５号に記載されたものと類似しており、それらは参照することでここに組み入れる。図８に概略的に示すように、動力伝達部は軸連結ギヤボックス１０からなり、該軸連結ギヤボックス１０はメインシャフト２の回転速度を発電機を駆動するのに必要な速度まで増加する。ベルト伝動部１１はギヤボックス１０からの動力を発電機１２に伝達する。ベルト伝動部１１は速度を追加して増加し、動力伝達部に柔軟性を与え、出力トルクのスパイク（spike）を平滑にする。ギヤボック１０は、拘束されない限りトルクの方向に回転する軸連結タイプである。好ましい実施形態では、ギヤボックス１０は、ベルト張力が弛緩から（脱落することなく）緊張に変化するように、小角度だけ回転を増加させる。この角度の増加は調整可能である。緩衝器１３はギヤボックス１０の角回転速度を正のトルク方向に強要し、始動中の動力伝達部を安定させ、トルクスパイクを減衰させる。標準的な軽トラックの緩衝器が好ましい実施形態で使用されている。
【００２７】
ベルト伝動部１１は動力伝達部から除去することが可能であるが、好ましい実施形態はベルト伝動部を含む。発電機１２は好ましい実施形態では標準の非同期式誘導発電機である。一定または可変速度で動作する他の型の発電機または交流発電機（alternator）を使用することができる。
【００２８】
風力タービン用のブレーキシステムは、図９と１０に概略示されているが、重大な構成部品である。ブレーキシステムは図９にタービンが動作することができる解除位置で示されている。図１０はタービンを停止する係合位置にあるブレーキシステムを示す。風力タービンのブレーキシステムは、電気グリッド（grid）が紛失し、または発電機若しくはその制御が作動せず、発電機が風力タービンロータの速度を制限することができない場合、風力タービンが損傷速度（damaging speed）まで低下（run away）しないことを保証しなければならない。またブレーキシステムは、故障や風力タービンについての他の問題が生じた場合、短時間で風力タービンを停止させることができなければならない。
【００２９】
図９と図１０に示すように、ブレーキシステムは、メインシャフト２の底フランジ１５の上方に位置するブレーキディスク１４からなる。ブレーキディスク１４の内径はメインシャフト２の外径より僅かに大きく、ディスク１２を回転させること上下動させるができる。ディスク１４は、底フランジ１５、ブレーキディスク１４及び底フランジ１５と同一のフランジ１７を垂直に貫通するいくつかのピン１６により、メインシャフト２に対する回転運動が拘束される。フランジ１５と１７はメインシャフト２に溶接され、それらの外径（サイズが等しい）はブレーキディスク１４の外径よりはるかに小さい。ブレーキディスク１４は、フランジ１５と１７の間で垂直に自由に移動する。上部固定セットのシュー１８と下部可動セットのシュー１９の２セットのブレーキシューがある。可動シュー１９は垂直に自由に移動し、垂直面内で回動する。可動シュー１９は、支点ピンシャフト２１上で垂直面内で回動するブレーキアーム２０の短端に取り付けられている。重り２２がブレーキアーム２０の端部に設けられ、ブレーキ力を与えている。支点ピン２１は、該支点ピンから重り２２を支持するブレーキアーム２０の端部までの距離がピン２１から可動ブレーキシュー１９の中心までの距離の１０倍になるように配置されている。２つの平行なブレーキアーム２０があり、それぞれメインシャフト２の側方に取り付けられている。ブレーキアーム２０の長端が支点２１の回りに降下すると、短端が上昇し、可動シュー１９を上方に変位させる。可動シュー１９はブレーキディスク１４の下方に位置し、シュー１９が上昇するとディスク１４と接触する。ブレーキアーム２０の長端をさらに降下させると、ブレーキディスク１４は上部固定ブレーキシュー１８と接触するまで上昇する。そしてディスク１４は上部ブレーキシュー１８と下部ブレーキシュー１９の間に挟持される。この位置は図１０に示されている。ブレーキ力は重り２２掛けるてこの機械的アドバンテージ（mechanical advantage）、または１０掛ける重り２２である。
【００３０】
ブレーキディスク１４上のブレーキシュー１８と１９の機械的ブレーキ力に加えて、風力タービンはさらにブレード３を傾斜（pitching）して空力ブレーキを与えるシステムを含む。空力ブレーキシステムは、底セットのブレードアーム４の近傍に、ある高さでメインシャフト２に配置されたブレード作動ディスク２３を含む。ブレード作動ディスク２３の内径は、ディスク２３がメインシャフト２の回りに回転し、メインシャフト２に沿って上下に移動することができるように、メインシャフト２の外径より僅かに大きい。ブレード作動ディスクには１セットのブレード傾斜ケーブル２４と２５が取り付けられている。第１セットのケーブル２４はブレード３の前縁に取り付けられている。第２セットのケーブル２５はブレード３の後縁に取り付けられている。４つの各タイプのケーブル２４と２５があり、これによりブレード作動ディスク２３がメインシャフト２に対して回転すると、ブレードの前縁がメインシャフト２から離れて移動し、後縁はメインシャフト２に向かって移動し、ブレード３を傾斜する。ブレード３はブレードの後縁とブレードの重心との間の位置で、ブレードアーム４に回動可能に取り付けられている。重心が回動位置の前方にあるので、ブレードはケーブル２４によって拘束されない限り、傾斜しようとする。
【００３１】
ブレード作動ディスク２３は、機械的ブレーキが作動すると同時に回転する。１組のプッシュロッド２６がブレーキディスク１４の上部に配置され、ブレード作動ディスク２３の底側まで上方に延びている。プッシュロッド２６は、フランジ１７とブレード作動ディスク２３の直下に位置する他のフランジ２７の穴内でガイドされ、拘束されている。フランジ１７と２７の穴は、プッシュロッドが穴を通して垂直に移動することができるように、大きくなっている。機械的ブレーキが作動すると、ブレーキディスク１４が上方に移動する。ブレーキディスク１４の上方運動がプッシュロッド２６を介してブレード作動ディスク２３に伝達され、これによりブレード作動ディスク２３も上方に移動する。第１セットのストッパ２８は、ブレード作動ディスク２３に取り付けられた回り止め２９を、メインシャフト２に対する回転運動を拘束する。しかしながら、プッシュロッド２６がブレード作動ディスク２３を上方に移動させると、ブレード作動ディスク２３の回り止め２９はストッパ２８のないところに移動する。そしてブレードからの遠心力はケーブル２４と２５、したがってブレード作動ディスクディスク２３を、回り止め２９が第２セットのストッパ３０と係合する新たな位置まで引っ張る。第１セットのストッパ２８は、タービン動作のためのブレード傾斜位置に対応し、第２セットのストッパ３０は空力ブレーキのためのブレード傾斜位置に対応する。理想的には、ブレードはストッパ２８とストッパ３０の間で約４５度で傾斜（pitch）するべきである。１セットのスプリング３１がブレード作動ディスク２３を、回り止め２９がストッパ２８と係合する動作位置まで引き戻す。ロータ速度が低下すると、ブレードからの遠心力はスプリング３１の力に打ち勝つのに十分なほど高くはないので、ブレードはそれらの動作位置に復帰する。機械的ブレーキが解除されると、プッシュロッド２６は下方に移動し、回り止め２９がストッパ２８によって保持されている位置に落ち込む。このようにして、ブレードはブレーキ作動中に傾斜して空力ブレーキを与えるが、それらはブレーキが解除されるとそれらの作動位置に自動的に復帰する。空力ブレーキは、ブレードが傾斜することで、図９に作動位置、図１０に停止位置が示されている
【００３２】
風力タービンが３つの積層モジュールを含む図２に示す実施形態において、空力ブレーキは底モジュールにのみ含めることが好ましい。他の２つのモジュールにあるブレードは、上部モジュールの摩耗とメンテナンスを最小にするために、傾斜して（in pitch）固定されている。
【００３３】
図９と図１０に示すように、ブレーキシステムは、気圧シリンダ３２で駆動され、該気圧シリンダは重り２２とブレーキアーム２０の端部を上昇し下降する。シリンダ３２の下端が押圧されると、内部ピストンが上方に押し上げられ、重り２２とブレーキアーム２０を持ち上げる。シリンダ３０は加圧してブレーキを解除しなければならないし、シリンダ内の圧力が解放されるとブレーキが作動する。シリンダ３２への圧縮空気源３３はブレーキシステムを制御するために制御される。空気コンプレッサ３４は圧縮空気をシリンダ３２に供給する。好ましい実施形態では、１つのコンプレッサ３４がいくつかの隣接する風力タービンの上の気圧シリンダ３２に圧縮空気を供給する。気圧シリンダへの空気の流れまたは気圧シリンダからの空気の流れはソレノイドバルブ３５により制御される。バルブ３５は回路３６によって給電され、当該回路は発電機１２にも電力を供給し、これにより発電機への電力が中断されればブレーキが作動する。圧縮空気ライン３３はシリンダ３２と圧縮機３４の間で開口している。バルブ３３への電気エネルギーが中断されると、バルブ３３は圧縮機３４とシリンダ３２の間で閉じ、シリンダ３２からの圧縮空気を排気し、重り２２とブレーキアーム２０を停止し、ブレーキシステムに係合する。これはフェールセーフデザインである。電力の損失はソレノイドバルブ３５を非給電とし、気圧シリンダ３２を供給する空気ライン３３内の圧力を解放し、これによりブレーキを作動させるからである。バルブ３３への電気エネルギーはタービン回路またはユーティリティ源での故障により中断されることがある。ブレーキスイッチ３８を用いてソレノイド３６と圧縮機回路３７を手動でオフすることによって中断することも可能である。手動スイッチに加えて、ソレノイド回路３６のトグルスイッチ３９はトリップアーム４０によりオフすることができ、該トリップアームはトグルスイッチ３９の経路に移動してオフする。トリップアーム４０とトグルスイッチ３９は図１１に示されている。手動スイッチ３８とトグルスイッチ３９は、手動でリセットされ、または制御ソフトウェアでリセットされなければならない。ユーティリティ回路に故障があれば、ブレーキは係合するが、電気が復帰すると自動的に非係合となる。
【００３４】
図１１に示すように、トグルスイッチ３９はトリップアーム４０により作動する。トリップアーム４０はメインシャフトフランジ１５に取り付けられている。トリップアーム４０はメインシャフト２から離れて自由に回動する。スプリング４１の引張力は、ロータ回転速度が発電機速度より僅かに高い許容速度以上になったときにトリップアーム４０がトグルスイッチ３９をトリップ（trip）する位置に移動する。トリップアーム４０は十分な質量と十分な遠心力を与えるために鋼が好ましい。代案の実施形態では、スイッチ３９はソリッドステート速度センサまたはＰＬＣコントローラにより作動させることができる。
【００３５】
ブレーキシステムは余剰（redundant）の機械的および空力的ブレーキを含むが、作動システムはフェースセーフであり、風力タービンについての経験が示すところによると、風力タービンの暴走（runaway）を防止するために、他の余剰ブレーキトリップシステムを含めることが望ましい。余剰ロータ調速システムが図９と図１０に示されている。１組の重り付きアーム４２が底ロータモジュールの上部ブレードアーム４にベアリングで取り付けられている。２つのアーム４２が好ましい実施形態で使用されている。アーム４２はロータが休止しているときにぶら下がる。ロータ回転速度が増加すると、アーム４２は振り上げられる。ケーブル４３が回動点から適切な距離のところで各アーム４２に取り付けられ、ブレード作動ディスク２３の上部に接続している。ロータの回転速度がトグルスイッチ３９のトリップ速度以上の速度を超えると、ケーブル４３の十分な張力が発達し、ディスク２３をその第１セットのストッパ２８から離して上昇させる。ブレード３は４５度傾斜角度まで自由に傾斜する。空力ブレーキ効果により構造的に安全な範囲内でロータの回転速度を維持する。
【００３６】
メインシャフト２の下端は図８に示すような２つの底ベアリング４４と４５により支持されている。主ベアリングまたは上部ベアリング４４は、ギヤボックス１０と基礎の上方の主支持クロスビーム４６に取り付けられている。軸システムはメインシャフト２と駆動軸４７を含む。この軸システムは主ベアリング４４の回りに回動することができる。両ベアリングは自動調芯形である。支持線ケーブル７が荷重下で引き延ばすことができるので、メインシャフト２と駆動軸４７を含む軸システムは揺動する。底ベアリング４５は、水平面内で移動して、駆動軸の曲げ応力を軽減することができなければならない。ベアリング４５は主ベアリング４４より小さい。駆動軸は底にベアリング４５を収容する段が設けられ、これによりベアレイン具４５は主ベアリング４４とともにスラスト荷重を分担することができる。下部ベアリングはプレート４８上に載置され、該プレートは図１２に示すローラベアリング面４９の上に載置されている。ローラベアリング面４９は、ベアリング支持面４８が自由に水平面内で移動して駆動軸４７の曲げを軽減するのを許容する。これらの全てのプレートは、基礎５０から突出するアンカーボルトにより水平に保持されているいくつかのプレートを介して、基礎５０に支持されている。したがって、下部ベアリング４５は基礎５０により支持されている。下部ベアリング４３は、主ベアリング４４と下部ベアリング４５の間で共有する特定の荷重に設定することができる調製可能なベアリングボルト５１により、プレート４８の上に設置されている。
【００３７】
図１０は、ローラベアリング面４９がフレーム５３により保持されたボールベアリングアレイ５２により形成された面であることを示している。全てのボールベアリング５２は径が等しい。ボールベアリング５２の径は、ローラベアリング５２の上方の鋼板が球形ベアリングの上に載置されるように、フレーム５３の肉厚より大きくなっている。上部ベアリングプレート４８はこれらのベアリング５２の回りを転動することができる。上部プレート４８および底部プレート５１は球形ベアリング５２に隣接する面上で、グリースが塗布されている。
【００３８】
本発明の好ましい実施形態を示して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に種々の変形を行ってもよいことは当業者に明らかである。したがって、本発明は開示した特定の実施形態に限定されるものではないが、本発明の範囲は特許請求の範囲により規定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による支持線で支持された（guyed）垂直軸風力タービンの斜視図である。
【図２】本発明の第２実施例の斜視図である。
【図３】結合渦形状に配置された本発明による２つの風力タービンの斜視図である。
【図４】結合渦形状に配置された本発明による一対の垂直軸風力タービンの概略平面図である。
【図５】結合渦形状に一列に配置された本発明による複数の垂直軸風力タービンの斜視図である。
【図６】結合渦形状に一列に配置された本発明による複数の垂直軸風力タービンの概略平面図である。
【図７】低木形状に、一列の垂直軸風力タービンとともに、結合渦形状に配置された一列の垂直軸風力タービンの斜視図である。
【図８】本発明による動力伝達および発電機の概略立面図である。
【図９】本発明によるブレーキおよびブレードの駆動配置の概略立面図である。
【図１０】ブレーキが作動した本発明によるブレーキおよびブレードの駆動配置の概略立面図である。
【図１１】本発明によるブレーキトリップスイッチの平面図である。
【図１２】ローラベアリング面の斜視図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  風力タービン
２  シャフト
３  ブレード
１４  ブレーキディスク
２３  ブレーキ作動ディスク
【図１】
2005516159.tif 000003
【図２】
2005516159.tif 000004
【図３】
2005516159.tif 000005
【図４】
2005516159.tif 000006
【図５】
2005516159.tif 000007
【図６】
2005516159.tif 000008
【図７】
2005516159.tif 000009
【図８】
2005516159.tif 000010
【図９】
2005516159.tif 000011
【図１０】
2005516159.tif 000012
【図１１】
2005516159.tif 000013
【図１２】
2005516159.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月19日(2004.4.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１組の揚力型風力タービンにおいて、
各風力タービンが、
垂直軸の回りに回転するシャフトと、
前記シャフトとともに回転するように該シャフトに取り付けられたブレードであって、前記シャフトから半径方向外方に所定半径で取り付けられたブレードと、
作動すると空力ブレーキを与えるブレーキシステムとからなり、
前記風力タービンのシャフトが前記半径の３倍より小さく、かつ、前記半径の２倍より大きい距離だけお互いから離れ、
前記風力タービン間の空力相互作用が効率を増大する風力タービン。
【請求項２】
前記風力タービンの第１の風力タービンのシャフトは第１の所定方向に回転し、第２の風力タービンのシャフトは前記第１の風力タービンのシャフトと反対方向に回転する請求項１の風力タービン。
【請求項３】
前記風力タービンの前記シャフトは、前記半径の２倍より大きいが前記半径プラス１０フィートの２倍よりも小さい距離だけ互いに離れている請求項１に記載の風力タービン。
【請求項４】
前記風力タービンの前記シャフトは、前記半径の２倍より大きいが前記半径プラス５フィートの２倍よりも小さい距離だけ互いに離れている請求項３に記載の風力タービン。
【請求項５】
前記風力タービンの前記シャフトは、前記半径プラス３フィートの２倍に実質的に等しい距離だけ互いに離れている請求項３に記載の風力タービン。
【請求項６】
前記風力タービンは３０％より大きく４０％より小さいロータ剛率を有する請求項１に記載の風力タービン。
【請求項７】
前記風力タービンは実質的に３３％であるロータ剛率を有する請求項６に記載の風力タービン。
【請求項８】
前記ブレーキシステムはフェールセーフのブレーキシステムである請求項１に記載の風力タービン。
【請求項９】
前記ブレーキシステムは自己リセットする請求項８に記載の風力タービン。
【請求項１０】
前記ブレーキシステムは気圧アクチュエータを含む請求項８に記載の風力タービン。
【請求項１１】
単一の空気圧縮機が前記風力タービンの両風力タービンの気圧アクチュエータに圧縮空気を供給する請求項１０に記載の風力タービン。
【請求項１２】
第３の風力タービンをさらに有し、
前記第３の風力タービンは、
タワーと、
実質的に水平軸の回りに回転するシャフトと、
前記シャフトとともに回転するように該シャフトに取り付けられたブレードであって、該ブレードの掃気経路は上端および下端の高さを有するロータを規定するブレードとからなり、
前記水平軸風力タービンは、該水平軸風力タービンの下端の高さが前記垂直軸風力タービンの上端より高くなるように、前記垂直軸風力タービンの近傍に配置されている請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１３】
前記風力タービンは卓越風方向を有する用地に設置され、前記風力タービンのシャフト間の線が前記卓越風方向に実質的に垂直である請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１４】
前記風力タービン間にほぼ妨害されない風の流れを与えるように適合された請求項１に記載の風力タービン。
【請求項１５】
１組の揚力型風力タービンにおいて、
各風力タービンが、
垂直軸の回りに回転するシャフトと、
前記シャフトとともに回転するように該シャフトに取り付けられたブレードであって、前記シャフトから半径方向外方に所定半径で取り付けられたブレードと、
作動すると空力ブレーキを与えるブレーキシステムとからなり、
前記風力タービンのシャフトが前記半径の３倍より小さく、かつ、前記半径の２倍より大きい距離だけお互いから離れ、
揚力型風力タービンは前記風力タービン間にほぼ妨害されない風の流れを与えるように適合された風力タービン。
【請求項１６】
前記風力タービンの第１の風力タービンのシャフトは第１の所定方向に回転し、第２の風力タービンのシャフトは前記第１の風力タービンのシャフトと反対方向に回転する請求項１５に記載の風力タービン。
【請求項１７】
前記風力タービンは卓越風方向を有する用地に設置され、前記風力タービンのシャフト間の線が前記卓越風方向に実質的に垂直である請求項１５に記載の風力タービン。
【請求項１８】
第３の風力タービンをさらに有し、
前記第３の風力タービンは、
タワーと、
実質的に水平軸の回りに回転するシャフトと、
前記シャフトとともに回転するように該シャフトに取り付けられたブレードであって、該ブレードの掃気経路は上端および下端の高さを有するロータを規定するブレードとからなり、
前記水平軸風力タービンは、該水平軸風力タービンの下端の高さが前記垂直軸風力タービンの上端より高くなるように、前記垂直軸風力タービンの近傍に配置されている請求項１５に記載の風力タービン。
【請求項１９】
前記ブレーキシステムはフェールセーフのブレーキシステムである請求項１５に記載の風力タービン。
【請求項２０】
前記ブレーキシステムは自己リセットする請求項１９に記載の風力タービン。
【国際調査報告】
2005516159.tif 000015