(57)【要約】【課題】本発明の目的は、高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機を提供することである。【解決手段】本発明の提供する高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機はブースターブレードがあり、当該ブースターブレードは防風物として防風部があり、それが垂直軸風力発電機ローターの回転を妨げずにブラケットに設けられ、それに当該ブースターブレードにある防風部は前記垂直軸風力発電機ローターの側面に対応し、当該側面は風当たりの一部であり、風当たりに対応するローターブレードは、吹いてきた気流を受けて回転が止められて、前記ブースターブレードにより、当該側面を遮ることができる。そのローターの風当たりの前にブースターブレードを設け、ローターへの抵抗モーメントとなる気流を遮ることによりローターの回転モーメントを大きくし、風力発電機の効率を向上させることができる。ブースターブレードの設置により風力発電機の効率が25%以上増となることを実現させる。【選択図】図５
2013519022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローターとブースターブレードを具備する高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機において、
前記ローターは、垂直軸中心柱体に回転可能に固定され、ローターの上には、複数のブレードが設けられ、前記ローターと柱体との間には、発電モジュールを設け、上記発電モジュールの固定子部分は、柱体に環状に設置され、回転子は、ローターのハブと連動するように前記固定子の外周に設けられ、
上記ブースターブレードは、前記ブレードの回転を妨げず、且つローターの風当たり面の前に位置するようにブラケットに設けられている風遮断体であり、上記ブースターブレードにある風遮断面は前記垂直軸風力発電機ローターの側面に対応し、上記側面は風当たりの一部であり、風当たりに対応するローターブレードは、吹いてきた気流を受けて回転が止められ、前記ブースターブレードにより、上記側面を遮ることができる。上記ブラケットが固定用支持装置に設けられることを特徴とする高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項２】
前記ブースターブレードは、板部品を含む平板式ブースターブレードであり、それが前記ブラケットに固定され、上記板部品の側面は前記風力発電機のローターの風当たりに対応し前記風遮断面が形成された；或いは、
前記ブースターブレードはローターを含むローター式ブースターブレードであり、それがローター軸に回転で設けられるが、上記ローター軸が前記ブラケットに固定され、上記ブースターブレードローターのブレードの最外側の回転により形成される円柱体軌跡は前記風遮断面を構成したことを特徴とする請求項１に記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項３】
垂直軸風力発電機のローターは垂直なブレードローターであり、ブレードがストラットによってハブの回転軸に接続され、前記ハブのひとつまたはそれ以上が前記風力発電機の回転子に接続し、ほかの前記ハブと前記中心柱体とを回転で接続させる；上記ブレードの形状は垂直的な柱状体であり、その水平断面は飛行機のブレードの断面形状を呈し、即ちローターの回転軸に相対し、ブレードが外へ向う表面は流線形アーク面であり、その外側表面と相対的な内側表面とは円唇化にして風当たり端が、即ちブレードの頭部と小さい尾部が形成された；と／或いは、垂直な方向では、上記柱状体は各水平截面の大小・形状が同じであることを特徴とする請求項１に記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項４】
前記ブースターブレードの前記ローターは本風力発電機のローターと、即ち垂直なブレードローターと同じでもよく、ブレードをストラットでローターのハブに接続し、上記ハブが前記柱体に平行して設置される前記ローターの回転軸に回転で固定され、上記ブレードの形状は垂直的な柱状体であり、その水平断面は飛行機のブレードの断面形状を呈し、即ちローターの回転軸に相対し、ブレードが外へ向う表面は流線形アーク面であり、その外側表面と相対的な内側表面とは円唇化にして風当たり端が、即ちブレードの頭部と小さい尾部が形成された；と／或いは、垂直な方向では、上記柱状体は各水平截面の大小・形状が同じであり、
前記ブースターブレードのローターはプロペラ式ローターであることを特徴とする請求項１に記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項５】
前記ブースターブレードの前記ローターは１つでもよく；或いは複数でもよく、全ては前記ローターの回転軸に設けられ；或いは、
前記ブースターブレードの前記ローターと前記ローター軸の間に発電モジュールを設ける場合には、前記ローターを前記発電モジュールの回転子に接続し、それによって垂直軸風力発電機より小さい風力発電機が形成されたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項６】
請求項５記載の前記ブースターブレードの前記ローターが１つの場合、前記ローターのブレードの高さは前記風力発電機の前記ローターの前記ブレード高さと同じである；或いは、前記ローターが複数の場合、各前記ローターのブレード高さと隣り合ったローターブレードとの垂直方向において、隙間の和と風力発電機の前記ローターの前記ブレード高さとは同じであることを特徴とする高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項７】
前記ブースターブレードの前記風遮断面においての、前記垂直軸風力発電機から遠くなる前記ローターの中心柱体設置部最外側の縁は、前記垂直軸風力発電機の前記ローターにおける、前記風当たりの前記側面の最外側に対応する必要があることを特徴とする請求項１、２、４のいずれかに記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項８】
前記ブースターブレードの前記風遮断面は平面、或いはアーク面、或いは平面とアーク面からなる形状；と／或いは、
前記ブースターブレードの前記風遮断面においての、前記垂直軸風力発電機から遠くなる前記ローターの中心柱体設置部最外側の縁は、前記垂直軸風力発電機の前記ローターにおいての、前記風当たりの前記側面の最外側に対応する必要があること；と／或いは、
前記ブースターブレードの前記風遮断面の幅は前記風力発電機のローターの風当たり全体の１／３〜１／２である；と／或いは、
前記ブースターブレードの前記風遮断面が前記垂直軸風力発電機に近い所に、前記ローターの中心柱体側の縁を前記風当たりの中点を始発点とし、前記中心柱体を中心として右回りの１８０〜３３０度曲がりに対応する風当たりに設けること；と／或いは、
前記ブースターブレードの風遮断面はアーク面であり、上記アーク面の両端は以下の通りであり：
前記ローターの俯角に対応し、前記ブースターブレードのアーク面の両端はローター中心を座標原点とする第２象限に、或いは第２象限から第３象限まで伸ばす範囲内に設けられることを特徴とする請求項１、２、４のいずれかに記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項９】
前記ブラケットはストラット２本があり、ストラット２本の一端を前記ブースターブレードの上下両端とを接続させ、上記ストラットの反対端を固定用ブラケット、即ち前記垂直軸風力発電機に設けられる前記ローターの中心柱体に接続させ、上記ストラット２本はそれぞれ前記風力発電機の前記ローターの上部と下部に設けられ、かつ前記ストラットの長さは前記ブースターブレードを前記ローターブレードの回転円周の周りに位置して、垂直軸発電機のローターの動作を妨げないようにする；或いは
前記ブラケットを前記垂直軸風力発電機のローターのそばの基礎に設け、これで前記ブースターブレードを前記ローターブレードの回転円周の周りに位置させることができることを特徴とする請求項１、２、４のいずれかに記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項１０】
ブラケットで支える前記基礎に対し、上記前記基礎に軌道を設置し、かつ上記軌道に前記ブラケットを移動で設置することができることを特徴とする請求項９に記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項１１】
ブースターブレードの変位構造では駆動装置があり、上記前記駆動装置が前記台座に固定され、かつ前記支持装置と接続し、上記支持装置の変位によって、前記ブースターブレードの風遮断面に前記ローターの別の側面を遮らせることを特徴とする請求項１或いは９に記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項１２】
前記風力発電機のローターブレードはブレード形状からなる骨組み及び上記骨組みの外部に固定される被覆を、そのうち前記骨組みはブレード骨組みと、骨組み筋とブレード形ストラットを含む。
前記ブレード骨組み数は複数であり、ブレード柱状体である前記水平断面の飛行機のブレードのようなフレームは、ブレードの垂直方向に設定間隔で真向かって並べる；
前記骨組み筋数は複数の真っすぐな棒であり、各骨組み筋ごとは真向いに並べる複数の前記骨組みの周りに環状で囲まれ、前記各骨組み筋と前記全部ブレード骨組みの前記フレームとは、垂直方向に交差して連接固定して、前記被覆の支えと／或いは、連接固定用ブレードの側壁骨組みが形成された；
上記フレームを支える形状を保持するために、前記ブレード形ストラットの両端が前記ブレード骨組みからなる前記フレームの相対的な位置に設けられる棒体に連接固定されるべきであることを特徴とする請求項１或いは３に記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項１３】
前記骨組み筋は骨組み主筋４本と複数の骨組み支筋に分け、そのうち前記骨組み主筋の分布は以下の通りである：その中の前記骨組み主筋２本をそれに対応するブレードの前記外側表面の一側に設け、前記ブレードの水平断面には前記骨組み主筋４本が四辺形に形成され、前記ブレードが垂直に重量中心の周りに設けられて、骨組み主筋４本で前記ブレードの重量をバランスにすることを特徴とする請求項１２に記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項１４】
前記骨組み主筋はその強度と／或いは剛度とも前記骨組み支筋より大きい棒である；と／或いは，
前記骨組み主筋と骨組み支筋は前記ブレード骨組みの接続点と、前記ブレード形ストラットと、前記ブレード骨組みの交点とを交わることを特徴とする請求項１３記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【請求項１５】
前記ローター回転軸の垂直軸に対し、各前記ブレードの流線型前記外側表面が半径円の円周方向に設けられる；或いは、前記ローターの垂直軸に対し、各前記ブレードの流線型前記外側表面が半径円の円周切線方向に設定角度形成で設けられることを特徴とする請求項３に記載の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電技術分野における風力発電機に関し、特に、高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力エネルギーは、水力エネルギー以外の最も広く利用される再生可能資源として、世界各地で非常に重視されている。中国は、すでに世界で最も活発的な風力発電市場になった。２００９年、全国での風力発電設備の新増量は８００万キロワット以上になり、総容量は２０００万キロワット以上になった。よって、風力発電設備製造業及び関係市場は非常に広い。
【０００３】
風力発電機は、回転軸によって水平軸と垂直軸に分けられる。
【０００４】
従来技術では、垂直軸風力発電機の効率が高いこと、パワーが大きいこと、取付・使用しやすいこと、耐用期間が長いこと等長所はますます著しくなっている。しかし、ローターが風力を受けて回転する時に、ローターの回転速度が風力の増強に従って正比例をなして速くなることではなく、特に風力があまり強くない場合ではこの現象がさらに著しくなって、ローターが吹いてきた気流（図１の若干の平行矢印に示す）を受けた時に、その風当たり側が受けたのはローターの回転を推進させる推力であり、反対側が受けたのはローターの回転を止める抗力であり、前記２種類の合力はローターの回転を推進させる有効的な動力である。しかし、風当たりの一側には風抵抗があって、垂直軸に対し、吹いてきたことによる駆動力を著しく降下して、発電機の効率が降下した。
【０００５】
従来技術では、前記問題を解決する方法は、ローターの風当たりに導流装置を設け、風を導流装置の通道経由でローターへ吹かせてローターの回転を推進し、導流風場を構築する。このような自然風を導流通道へ導いてからローターブレードを推進し風抵抗を取り除く方法は、自然風の風力を降下させるだけでなく、風向を頻繁に変化させる。もし導流装置が風向により導流方向を変更しない場合には、風力エネルギーによる損耗が必ずさらに大きくなる。もし風向変化に従って導流方向が変化できる導流装置を設ける場合には、導流装置の構造がさらに複雑になって、風場の管理、保守に大変な不利をもたらすと認められる。
【０００６】
従来風力発電機のローターブレードはほとんどが異径で三角形状を呈し、小口径が細長く、このような細長いブレードが強い風力を受けられると変形、共振を発生しやすく、しかも風圧を受けると切りやすくなる。よって、このようなローターは防風力が弱くて、回転時に共振が発生しやすく、パワーが少し低く、損傷率が高い等欠点がある。そのうえに風力発電機は大型化、ハイパワーへ向かって進む傾向がある。ローターの直径の増大に従ってブレードの損害率が更に高くなって、耐用年数が更に短くなって、風力発電の発展に大きな悪影響をもたらした。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来技術では発電機のローターが風力を受けた時のローターの回転を妨げる抵抗を大幅に降下し、発電機のパワーと効率が低い欠点を改善させる。それに従来導流風場の原理とは違った、ローターの回転による抵抗を最大限に降下して、ローターの回転効率を高めるブースターブレードを提供することを目的とする。
本発明は、強度・剛性とも強くて、重量が軽く、抵抗が弱い高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の目的の実現は以下の通りである：
高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機は、そのローターが垂直軸中心柱体に回転で固定され、かつ発電機回転子と接続し、そこには複数のブレードが設けてあり、前記ローターと柱体の間に発電モジュールを設け、上記発電モジュールの固定子部分が柱体に環状で設置され、回転子については前記固定子の外周に設けられ、かつローターのハブと連接固定される；
また、ブースターブレードがあり、上記ブースターブレードは防風物として風遮断面があり、それが前記垂直軸風力発電機ローターの回転を妨げなくブラケットに設けられて、それに上記ブースターブレードにある風遮断面は前記垂直軸風力発電機ローターの側面に対応し、上記側面は風当たりの一部であり、風当たりに対応するローターブレードは、吹いてきた気流を受けて回転が止められて、前記ブースターブレードの存在だからこそ、上記側面を遮ることができる。上記ブラケットが固定用支持装置に設けられる。
【０００９】
本発明では、吹いてきた気流を受けた時に、抵抗モーメントの発生により発電機効率が降下したことを解決する方法は、従来技術と違う理念、即ち風場を切る原理を採用した。防風物で抵抗モーメントとなる気流を遮るようにする。防風物の遮りによって発電機の発電パワーを向上させることができるだから、防風物をブースターブレードともいう。
【００１０】
前記ブースターブレードは板部品を含む平板式ブースターブレードであり、それが前記ブラケットに固定され、上記板部品の側面は前記風力発電機のローターの風当たりに対応し前記風遮断面が形成された；或いは、
前記ブースターブレードはローターを含むローター式ブースターブレードであり、それがローター軸に回転で設けられるが、上記ローター軸が前記ブラケットに固定され、上記ブースターブレードローターのブレードの最外側の回転により形成される円柱体軌跡は前記風遮断面を構成した。
【００１１】
垂直軸風力発電機のローターは垂直なブレードローターであり、ブレードがストラットによってハブの回転軸に接続され、前記ハブ１つまたは１つ以上が前記風力発電機の回転子に接続し、ほかの前記ハブと前記中心柱体とを回転で接続させる；上記ブレードの形状は垂直的な柱状体であり、その水平断面は飛行機のブレードの断面形状を呈し、即ちローターの回転軸に相対し、ブレードが外へ向う表面は流線形アーク面であり、その外側表面と相対的な内側表面とは円唇化にして風当たり端が、即ちブレードの頭部と小さい尾部が形成された；と／或いは、垂直な方向では、上記柱状体は各水平截面の大小・形状が同じである。
【００１２】
前記ブースターブレードの前記ローターは本風力発電機のローターと、即ち垂直なブレードローターと同じでもよく、ブレードをストラットでローターのハブに接続し、上記ハブが前記柱体に平行して設置される前記ローターの回転軸に回転で固定され、上記ブレードの形状は垂直的な柱状体であり、その水平断面は飛行機のブレードの断面形状を呈し、即ちローターの回転軸に相対し、ブレードが外へ向う表面は流線形アーク面であり、その外側表面と相対的な内側表面とは円唇化にして風当たり端が、即ちブレードの頭部と小さい尾部が形成された；と／或いは、垂直な方向では、上記柱状体は各水平截面の大小・形状が同じである。
【００１３】
前記ブースターブレードのローターはプロペラ式ローターでもよく、或いはほかの種類のローターでもよい。
ローター式ブースターブレードが吹いてきた気流を受けた時に回転し始め、それは平板式ブースターブレードのように、風力発電機のローターに対し、気流による抵抗モーメントを遮ることができる。
【００１４】
前記ブースターブレードの前記ローターは１つでもよく；或いは複数でもよく、全ては前記ローターの回転軸に設けられる。
【００１５】
前記ブースターブレードの前記ローターは１つの場合、前記ローターのブレードの高さは前記風力発電機の前記ローターの前記ブレード高さと同じである；或いは、前記ローターは複数の場合、各前記ローターのブレード高さと隣り合ったローターブレードとの垂直方向において、隙間の和と風力発電機の前記ローターの前記ブレード高さとは同じである。
【００１６】
前記ブースターブレードの前記ローターと前記ローター軸の間に発電モジュールを設ける場合には、前記ローターを前記発電モジュールの回転子に接続し、それによって垂直軸風力発電機より小さい風力発電機が形成された。
前記ブースターブレードに設けられるローターとローター軸からなる小型ローター装置において、前記ローターと前記ローター軸の間には、小型発電モジュールを設けることができる。上記ブースターブレードに設けられる小型発電機装置について、その構造は大型垂直軸風力発電機の構造と略同じでもよく、同じではなくてもよい、風力発電機の発電モジュール部品である。
【００１７】
前記ブースターブレードの前記風遮断面は平面、或いはアーク面、或いは平面とアーク面からなる形状；と／或いは、
前記ブースターブレードの前記風遮断面においての、前記垂直軸風力発電機から遠くなる前記ローターの中心柱体設置部最外側の縁は、前記垂直軸風力発電機の前記ローターにおいての、前記風当たりの前記側面の最外側に対応する必要があること；と／或いは、
前記ブースターブレードの前記風遮断面の幅は前記風力発電機のローターの風当たり全体の１／３〜１／２である；と／或いは、
前記ブースターブレードの前記風遮断面が前記垂直軸風力発電機に近い所に、前記ローターの中心柱体側の縁を前記風当たりの中点を始発点とし、前記中心柱体を中心として右回りの１８０〜３３０度曲がりに対応する風当たりに設けること；と／或いは、
前記ブースターブレードの風遮断面はアーク面であり、上記アーク面の両端は以下の通りである：
前記ローターの俯角に対応し、前記ブースターブレードのアーク面の両端はローター中心を座標原点とする第２象限に、或いは第２象限から第３象限まで伸ばす範囲内に設けられる。
【００１８】
このようなブースターブレードはローターが回転発電を妨げる抵抗モーメントを発生させないことができる。
【００１９】
前記ブースターブレードを固定用ブラケットに設け、上記固定用ブラケットは前記中心柱体でもよく、或いは、ほかの支持装置でもよい。詳細に言えば、前記ブラケットはストラット２本があり、ストラット２本の一端を前記ブースターブレードの上下両端とを接続させ、上記ストラットの反対端を固定用ブラケット、即ち前記垂直軸風力発電機に設けられる前記ローターの中心柱体に接続させ、上記ストラット２本はそれぞれ前記風力発電機の前記ローターの上部と下部に設けられ、かつ前記ストラットの長さは前記ブースターブレードを前記ローターブレードの回転円周の周りに位置して、垂直軸発電機のローターの動作を妨げないようにする。
【００２０】
前記ブースターブレードはほかの支持装置に設けることもできる。例えば、前記ブラケットを前記垂直軸風力発電機のローターのそばの基礎に設け、これで前記ブースターブレードを前記ローターブレードの回転円周の周りに位置させることができる。
板体とした前記ブースターブレードについて、上記板体の上下両端はそれぞれ前記ストラット２本に固定に設けられる。
【００２１】
前記ブースターブレードはローターの場合、上記ローター軸の上下端はそれぞれ前記ストラット２本に固定に設けられる。
【００２２】
前記ブラケットを前記垂直軸風力発電機のローターのそばの基礎に設ける。
本発電機ローターへ向かって吹く風向は常に変化するため、ブースターブレードの位置もローターの風当たりの変更に従って変更することを要求される。なお、ブースターブレードでの防風が必要はない場合、ブースターブレードをローターの風当たり側から風の当たらない側、或いは追い風側に移してもよい、よって、前記ブラケットは最適として移動できる構造であるほうがよい。詳細に言えば、前記ストラットは前記中心柱体に回転かつ位置決め可能で固定されてもよい。
【００２３】
ブラケットで支える前記基礎に対し、上記前記基礎に軌道を設置し、かつ上記軌道に前記ブラケットを移動で設置することができる。
ブースターブレードの変位構造では駆動装置があり、上記前記駆動装置が前記台座に固定され、かつ前記支持装置と接続し、上記支持装置の変位によって、前記ブースターブレードの風遮断面が前記ローターの別の側面を遮る。
【００２４】
前記風力発電機のローターブレードはブレード形状からなる骨組み及び上記骨組みの外部に固定される被覆を、そのうち前記骨組みはブレード骨組みと、骨組み筋とブレード形ストラットを含む。前記ブレード骨組み数は複数であり、ブレード柱状体である前記水平断面の飛行機のブレードのようなフレームは、ブレードの垂直方向に設定間隔で真向かいに並べる；
前記骨組みの筋数は複数の真っすぐな棒であり、各骨組み筋ごとは真向かって並べる複数の前記骨組みの周りに環状で囲まれ、前記各骨組み筋と前記全部ブレード骨組みの前記フレームとは、垂直方向に交差して連接固定して、前記被覆の支えと／或いは、連接固定用ブレードの側壁骨組みが形成された；
上記フレームを支える形状を保持するために、前記ブレード形ストラットの両端が前記ブレード骨組みからなる前記フレームの相対的な位置に設けられる棒体に連接固定されるべきである。
【００２５】
前記骨組み筋は骨組み主筋４本と複数の骨組み支筋に分け、そのうち前記骨組み主筋の分布は以下の通りである：その中の前記骨組み主筋２本をそれに対応するブレードの前記外側表面の一側に設け、前記ブレードの水平断面には前記骨組み主筋４本が四辺形に形成され、前記ブレードが垂直に重量中心の周りに設けられて、骨組み主筋４本で前記ブレードの重量をバランスにする。
【００２６】
前記骨組み主筋はその強度と／或いは剛度とも前記骨組み支筋より大きい棒であること；と／或いは、
前記骨組み主筋と骨組み支筋は前記ブレード骨組みの接続点と、前記ブレード形ストラットと、前記ブレード骨組みとが交わる。
【００２７】
前記ローター回転軸の垂直軸に対し、各前記ブレードの流線型前記外側表面が半径円の円周方向に設けられること；或いは、前記ローターの垂直軸に対し、各前記ブレードの流線型前記外側表面が半径円の円周切線方向に設定角度形成で設けられる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の提供するブースターブレード付き垂直軸風力発電機は、そのローターの風当たりの前にブースターブレードを設け、ローターへの抵抗モーメントとなる気流を遮ることによりローターの回転モーメントを大きくし、風力発電機の効率を向上させることができる。ブースターブレードの設置により風力発電機の効率が２５％以上増となることを実現させる。本風力発電機のブレードはその基本形状が飛行機のブレードのように、  垂直柱状体の骨組みと被覆構造を形成し、特に、骨組みの中のブレード骨組み、ブレードストラットと骨組み主支筋の特殊な構造及び軽材料構成は本発明の提供するブレード及びそれを支持物とした垂直軸風力発電機ローターにとって、重量が軽い、強度・剛度が強い、組立・加工しやすい、成形精度が高い、防風能力が強い、効率が高い長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来技術では風力発電機のローターの風当たりを示す図である。
【図２】従来風力発電機のパワーと風速との関係を示す図である。
【図３】本発明の提供する板式ブースターブレード付き垂直軸風力発電機のローターの構造を示す図である。
【図３ａ】板式ブースターブレードの平板と発電機ローターの位置との関係を示す図である。
【図４】ブースターブレード付きローターのパワーと風速との関係を示す図である。
【図５】本発明の提供するローター式ブースターブレード付き垂直軸風力発電機のローターの正面構造を示す図である。
【図６】図５の俯瞰構造を示す図である。
【図７】複数ローターからなるブースターブレードの垂直軸風力発電機の正面構造を示す図である。
【図８】垂直軸風力発電機のローター用ブレードの立体構造を示す図である。
【図９】図１におけるブレードの骨組み支筋からなるブレードの幅方向の末端の断面構造を示す図である。
【図１０】図９に示すローター構造を示す正視図である。
【図１１】本発明の提供する垂直軸風力発電機のブースターブレードの変位構造及びそこのローター式ブースターブレードとの接続を示す正面図である。
【図１２】図１の俯瞰構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の提供する高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機は、そのローターが垂直軸中心柱体に回転可能に固定され、かつ発電機回転子と接続し、そこには複数のブレードが設けられ、前記ローターと柱体との間に発電ユニットが設けられ、上記発電ユニットの固定子部分は、柱体に環状に設置され、回転子は、ローターのハブと連動するように、前記固定子の外周に設けられている。
【００３１】
また、ブースターブレードがあり、前記ブースターブレードは防風物として風遮断面があり、それが前記垂直軸風力発電機ローターの回転を妨げなくブラケットに設けられて、それに前記ブースターブレードにある風遮断面は前記垂直軸風力発電機ローターの側面に対応し、上記側面は風当たりの一部であり、風当たりに対応するローターブレードは、吹いてきた気流を受けて回転が止められて、前記ブースターブレードの存在だからこそ、上記側面を遮ることができる。上記ブラケットが固定用支持装置に設けられる。
本発明では、吹いて来る気流を受けた時に、抵抗モーメントの発生により発電機効率が降下したことを解決する方法は、従来技術と違う理念、即ち風場を切る原理を採用した。防風物で抵抗モーメントとなる気流を遮るようにする。防風物の遮りによって発電機の発電パワーを向上させることができるだから、防風物をブースターブレードともいう。
【００３２】
前記ブラケットは、２つのストラットを有し、２つのストラットの一端と前記ブースターブレードの上下両端とを接続させ、上記ストラットの反対端を前記中心柱体に接続し、上記２つのストラットはそれぞれ前記風力発電機の前記ローターの上下部に設けられる。
【００３３】
前記ブースターブレードは板部品を含む平板式ブースターブレードでもよく、それが前記ブラケットに固定され、例えば、上記平板の上下両端は、前記２つのストラットに固定され、上記板部品の側面は、前記風力発電機のローターの風当たりに対応し前記風遮断面が形成された。
【００３４】
前記ブースターブレードは、ローターを含むローター式ブースターブレードでもよく、それがローター軸に回転で設けられるが、上記ローター軸が前記ブラケットに固定され、例えば、上記ローター軸の上下端を前記２つのストラットに固定させる。上記ブースターブレードローターのブレードの最外側の回転により形成される円柱体軌跡は前記風遮断面を構成した。
【００３５】
図３ａに示すように、板式ブースターブレード付き垂直軸風力発電機は、垂直なブレードローター０１を有している。前記垂直なブレードローター０１のブレード０２は、少なくとも２つのストラット０５によってローターのハブに連結され、少なくとも１つのストラットと接続するハブは発電機部品の回転子と接続して、発電機部品と接続しないローターハブは回転で柱体０３に固定に設けられる。発電機回転子に対応する固定子も柱体０３に固定に設けられる。上記ブレードの形状は垂直的な柱状体であり、その水平断面は飛行機のブレードの断面形状を呈し、即ちローターの回転軸に相対し、その外側表面と風当たりの端面は円唇化した流線型アーク面であり、外側表面と内側表面との間隔については、ブレードの風当たりの間隔が大きくて、追い風方向に沿ってだんだんと縮めていて、垂直方向においては、上記柱状体の水平断面の大小形状が同じである。
【００３６】
前記垂直ブレードローター０１におけるブレード０２は、少なくとも２つのストラット０５でローターのハブに接続され、少なくとも１つのストラットと接続するハブは、発電機部品の回転子と接続して、発電機部品と接続しないローターハブは、回転可能に柱体９に固定されている。発電機回転子に対応する固定子も柱体９に固定されている。
【００３７】
また、ブースターブレードも含めて、それが平板１であり、その上下両端はそれぞれ上下ストラット（図に表示されていない）の一端に連接固定され、上記ストラット２本の反対端は前記中心柱体０３に固定され、上記ストラット２本はそれぞれ前記垂直ローターブレードの上部と下部に設けられ；上記ブースターブレードの平板１が前記ローターブレードの回転円周軌跡ａの外部に設けられる。これで、垂直軸風力発電機ローター０１の回転を妨げなくローターの風当たりの前に設けられることができる。平板板面と前記ローター０１とは吹いてきた気流を受けて回転が止められた風当たりのブレードに対応し、前記ローターの風当たりを遮って、これで発電機の垂直なローターが吹いてきた気流Ａを受けて回転が止められる可能性がある。
【００３８】
前記ブースターブレードの平板１においての、前記中心柱体の一端から遠くなる前記垂直なブレードが遮られる最外端の外側は、上記最外端に対応する必要がある。平板の幅はローター０１の風当たり全体Ｓの１／３〜１／２であるほうがよく、図３ａに示すように、平板１’は風当たりの幅Ｓの１／２である。
【００３９】
前記ブースターブレードはアーク形板でもよく、或いは平面とアーク面からなる形状でもよい；前記平板が前記中心柱体０３に近い所には、風当たりの１８０〜３３０度の間に設けられ、或いは、前記ローター０１の俯瞰角度に対応し、前記ブースターブレードのアーク面の両端がローター中心を座標原点とする第２象限、或いは第２象限から第３象限まで伸ばす範囲内に設けられる。
【００４０】
例えば、図３、３ａに示すように、平板１或いは２’の中心柱体に近い一端が風当たり側中点（０°）を始発点とする３３０°の所に、或いは平板１の幅がローターの風当たりの１／３、或いは風当たりに対応する中心角６０°を遮るところに、或いは、平板１の中心柱体に近い一端が風当たり側の中点（０°）を始発点とする３２０°の所に設けられる。このような構造はローターが回転発電を妨げる抵抗モーメントを発生させないことができる。
【００４１】
なお、アーク形板、或いは平面とアーク面からなる板式ブースターブレードの両側の縁とローターの柱体中心に付けられる座標との関係は以下の通りである：前記ローターの俯角に対応し、前記ブースターブレードの風遮断面の両端はローター中心を座標原点とする第２象限に、或いは第２象限から第３象限まで伸ばす範囲内に設けられる。即ちブースターブレードが第２象限にあるアーク形板であり、上記アーク形板がまだ第３象限に伸ばされることができる。第２象限に対応するローター風当たりの最外端から内側への一部をローターブレードへの抵抗モーメントとなる前記側面とする。前記ブースターブレードの一端が第２象限の外端に到着した上、また、第３象限へ伸ばすことができる。この時のブースターブレードはアーチ形風遮断面でもよく、或いは平面とアーク面からなる風遮断面でもよい。
【００４２】
ブースターブレード平板はもっと広くてもよく、図３の平板１’に示すように、ローターの風当たりの１／２を遮って、或いは平板１’の中心柱体に近い一端は風当たり中点（０°）に位置してもよい。
【００４３】
図５、６に示すように、別の実例では、ブースターブレードがローター２であり、ローター式ブースターブレード付き垂直軸風力発電機ローターに含まれる垂直なブレードローター０１は、中心柱体０３に回転で固定され、そこにはストラット０２１によって複数のブレード０２が設けてあり、ローター式のブースターブレード２が吹いてきた気流Ａを受けて回転し始めて、平板式ブースターブレードのように、風力発電機のローターに対し、気流による抵抗モーメントを遮ることができる。ブースターブレード２の構造は前記ローター０１構造と同じでもよく、即ちブレード２３をストラット２１’でローターのハブに接続し、上記ハブが前記ローター軸２０に回転で固定され、ローター軸２０の上下両端がそれぞれストラット２１で中心柱体０３に接続され、このような構造は回転かつ位置決め可能な連接構造で、風向及び発電の都合により発電機のローター間の相対的位置関係を調節することができる。また、ブースターブレードと柱体との安定性を強化するために。中心柱体の頂部とブースターブレードローター２のローター軸の上端の間に斜めドローバー２２を設けることができる。上記ブレードの形状は垂直的な柱状体であり、その水平断面は飛行機のブレードの断面形状を呈し、即ちローターの回転軸に相対し、その外側表面と風当たりの端面は円唇化した流線型アーク面であり、外側表面と内側表面との間隔については、ブレードの風当たりの間隔が大きくて、追い風方向に沿ってだんだんと縮めていて、垂直方向においては、上記柱状体の水平断面の大小形状が同じである。前記ブースターブレードのローターブレードの高さは前記風力発電機垂直ブレードローターのブレードと同じである。前記ブースターブレードのローター２とローター軸２０の間には小型発電モジュールを設けることができる；上記小型発電機装置の構造と大型垂直軸風力発電機の構造とはたいてい同じであり、固定子がローター軸に設けられ、回転子が固定子の周りに設けられ、ブレードがストラット２１’によって回転子の円周面に固定される。このようなブースターブレードはローターへの抵抗モーメントとなる気流を遮り、発電機のパワーと効率を向上させることができるだけでなく、また、余計な電気エネルギーを発生して風力発電機による電力と一緒に電力網に送れ、風力発電機の発電パワーをいっそう向上させることもできる。それ以外、また、蓄電装置で電気エネルギーをほかの用途として蓄えることもできる。
【００４４】
前記ブースターブレードの前記ローターは複数数でもよく、図７に示すように、各垂直なローター２３’が前記ローター軸２０に接続された。前記ローター軸に縦方向に固定され、各前記ローターのブレード高さと隣り合ったローターブレードとの垂直方向において、隙間の和と風力発電機の前記ローターの前記ブレード高さとは同じである。この場合、複数のローターは上記図５、６に示すブースターブレードローターの構造と同じでもよく、或いはほかの種類のローターでもよく、例えば、プロペラ式ローターがある。
【００４５】
この場合、ローターに対応するブレードは５本があり、全てはローターの回転軸の円周に設けられる。また、ブレード数は８、１２本でもよい。しかし、本垂直軸風力発電機のローター０１のブレード数は４〜２４本でもよい。もしブレード数が少なすぎる場合には、風場利用率が低くなって、風力発電機のパワーが弱くなる。もしブレード数が多すぎる場合には、遠心力がとても強くなって、ブレードが落ち、飛び散る事故がある。
【００４６】
風力発電機のローターの前におけるブースターブレードの設置により発電機の発電パワーと効率を向上させるのは、効果が著しいからである。図２と図４に示すように、横座標がブレード所在位置を表し、単位は「度」であり、縦座標が吹いてきた気流を受けたことによる有効な駆動モーメントを表す。図２に示すように、ブースターブレードのない発電機ローターについて、単一ブレードのトルクが１周回転した上、有効な駆動モーメントが０以下になった場合はおよそ２５％を占める。図４はブースターブレード付き風力発電機のトルクを示す図であり、その図によると、トルクが常に０以上になることを知る。上記をまとめると、ブースターブレード付き風力発電機は発電パワーが２０％〜２５％上がり、それにローター起動に必要な最低風速を著しく降下させて、低風速においても発電できる。
【００４７】
前記ブースターブレードのブラケットは中心柱体の周りを回転するストラット構造でもよい。前記柱体に駆動構造を設け、前記ストラットを接続し、上記駆動構造によってブースターブレードを柱体の周りを回転させる。それによって風向によりブースターブレードとローターの相対的な位置を調節し、或いは風速が強くてブースターブレードが必要はない場合、それをローターの風当たりから追い風側にする。
【００４８】
ブースターブレード平板或いはローターを支えるブラケットは風力発電機のそばの基礎にあるブラケットに設けられてもよい。ブースターブレードの位置調整のために、基礎に軌道（例えば、環状軌道）を設け、ブラケットが上記軌道に移動できる。
【００４９】
図１１、１２に示ように、また、ブースターブレードの変位構造があり、上記構造の前記駆動装置は前記台座に固定され、かつ前記ブラケットと接続し、上記支持装置の変位によって、前記ブースターブレードの風遮断面に前記ローターの別の側面を遮らせる。
【００５０】
図１１、１２に示すように、ブースターブレードのローター４０１にあるローター軸４０５の上下両端はそれぞれ上下２本のストラット２１の一端に連接固定され、上記ストラット２本の反対端は中心柱体４０９に回転で設けられ、上記ストラット２本はそれぞれ前記垂直ローターブレードの上部と下部に設けられ、上記ブースターブレードは防風物として、前記ローターブレードの回転円周軌跡ａの外部に設けられて、これで、垂直軸風力発電機ローターの回転を妨げなくローターの風当たりの前に設けられることができる。前記ローターの一側の風当たりを遮られるだから、風当たりに対応するローターブレードは、吹いてきた気流Ａを受けて回転が止められる可能である。ストラット２本のいずれかが中心柱体０９と、即ち上記の固定台座の連接構造に駆動構造を接続し、それによって前記ストラットが中心柱体の周りを回転するよう駆動し、かつ前記ブースターブレードの回転を駆動させて前記ブースターブレードとローターとの位置を変更し、それによって風向の変化に適応させる。
【００５１】
図１１、１２に示すように、前記ストラットは２段あり、前記ブースターブレードに近い１段を単一棒段とし、上記主連結器でその一端を前記ブースターブレードと接続させ、もう一つの１段は二重棒段であり、そのうち支棒２本もあり、例えば、ブースターブレードの上端に固定されるストラットの支棒４１３、４１４と、ブースターブレードの下端に固定されるストラットの支棒（上端の支棒と同じである）、上記支棒２本の一端は、前記構造で軸受け４１１の外圈と連接固定することもでき、支棒４１３、４１４はストラット連結器４１５で軸受け４１１の外圈と連接固定し、即ちストラット連結器の側壁に二つの穴をあけ、そしてストラットの支棒両端に挿入し固定させて、これで前記中心柱体との回転的接続を実現させることができる；前記単一棒段と支棒２本の間にＴ字継ぎ目連結器４１２を設け、上記Ｔ字継ぎ目連結器にＹ形分布となる連結部を設け、そのうち１側の連結部１台は前記単一棒段の反対端に接続し、上記Ｔ字継ぎ目連結器の反対側に設けられる連結部２台はそれぞれ前記支棒の反対端に接続される。
【００５２】
前記支棒２本を含むストラットは、自分自身が支える重力及び受けた抗力を分解することができるから、上記構造の強度と剛度は単棒のストラットよりさらに強くなる。ローターの抗力をいっそう降下するために、上記ストラットがさらに細かくなってもよい。
【００５３】
図１１に示すように、上部ストラットに接続する軸受けの外圈には、前記軸受けの外圈の回転を駆動するための駆動器４１０を接続することができる。上記駆動器を中空の中心柱体内に設け、上記駆動器は電動機でもよく、上記電動機の出力軸が軸受けの外圈を接続する。上記電動機の電気エネルギー入力部は電力網を接続することができる。また、風力発電機に設けられる蓄電構造を接続することもできる。上記蓄電構造は風力発電機から電量を得てもよく、ローター式ブースターブレードのローターとローター軸の間に発電モジュールを設けてもよく、また、ブースターブレードとしてブレードを遮るとともに、発電機として発生した電気エネルギーを蓄電構造で貯蓄し、それによってブースターブレードの回転を駆動させる構造でもよい。
【００５４】
前記支持装置は斜めドローバー４０７本があり、その一端に連接構造と前記ブースターブレードの上端とを連接固定させて、反対端は回転可能な前記連接構造と前記中心柱体とを回転で接続させ、前記斜めドローバーと前記中心柱体とを接続させる前記連接構について、その位置は前記ブースターブレードの上端に設けられる前記ブースターブレードの上端にある前記ストラットと前記中心柱体の間の前記連接構造の位置より高い。
【００５５】
本風力発電機のローターブレードは図１、８、９、１０に示すように、ブレード形状となる骨組みと、上記骨組み外部に連接固定される被覆（図には表示されていない）を含む上記ブレードの形状は垂直な柱状体であり、その水平断面は飛行機のブレードの断面形状であり、即ちローターの回転軸３１３（図９、１０を見ること）に対し、ブレードが外へ向かう外側表面は流線型アーク面であり、上記外側表面と相対的内側表面の間には円唇化して、大きな風当たり側が、即ちブレードの頭部と小さい尾部が形成された。
【００５６】
ローターの回転軸３１３の垂直軸に対し、その柱状体の外側表面と内側表面の間の間隔は前記頭部から尾部まで、だんだんと縮めている；ブレードの垂直な方向では、各前記水平断面の大小形状は同じである。
【００５７】
図６に示すように、ローター回転軸３１３の垂直軸に対し、ブレード３１１の流線型前記外側表面が半径円の円周方向に設けられ、ここの設定半径円がローターの半径であり、それは風力発電機の発電パワー、組立部品の強度、剛度等要素により設定されたものである。上記ブレードと前記ローターのハブとをストラット３１２で接続させ；
もう一つの前記ブレードの設置方式は、前記ローター回転軸の垂直軸に対し、前記ブレード流線型の前記外側表面が半径円の円周切線方向に設定角度形成で設けられる。例えば、ヘリックスに沿う設置。上記ブレードと前記ローターのハブの間にもストラットで接続される。
【００５８】
このようなブレードはローターの外縁または外縁に近い所に設けられて、ブレードとローターハブ、或いは発電機の回転部品とをストラット３１２で接続させる。よって、ブレードはもう細長い形状ではない、ローターのハブから外縁までの距離はブレードを接続するストラットであり、風力を受けて回転する部はただ外縁の垂直柱状である。このようなブレードは飛行機のブレードのような外側表面があるので、流れ去った気流をよく利用させることができる。それに、ブレードとローターのハブとを接続させるストラットを強度・剛度とも強くてリスクが小さい形状と構造をにすることもできる。例えば、棒断面を楕円形断面にする。これでローターのブレードの風力抵抗が弱い、パワーが低い欠点を改善させることができる。
【００５９】
本発明の提供するブレードが大きい風力を受ける以外、また、回転抵抗降下を要求され、即ち自身の重量が軽い、強度も剛度も充分に強い必要がある。よって、本ブレードの骨組みは以下の通りである：
図８に示すように、前記骨組みはブレード骨組み３０１、骨組み主筋３０３、骨組み支筋３０２、３０７と、ブレード形ストラットがある。
ブレード骨組み３０１は複数あり、ブレード柱状体となる前記水平断面の飛行機のブレードのようなフレームはブレードの垂直方向に設定間隔により真向かって並べる；
骨組み主筋３０３と骨組み支筋３０２、３０７は複数の垂直に設けられる棒であり、例えば、まっすぐな棒。前記ブレードの各骨組み主筋３０３と骨組み支筋３０２、３０７ごとは前記全部ブレード骨組み３０１の前記フレームと垂直方向に交差してしっかりと連接固定して、ブレード骨組み３０１の周りに設けられる骨組み主筋と骨組み支筋が前記被覆を支えるブレード３１１の骨組み側壁になる；
ブレード形ストラットがブレード骨組み３０１かならるフレームに相対する側の間に設けられ、例えば、ブレード形ストラットが上記フレーム所在の平面内に設けられ、その両端はブレード骨組み３０１と連接固定し、即ちブレード形ストラットの両端はそれぞれにブレード骨組みに対応するブレードの前記外側表面と内側表面のフレームに連接固定され、ブレード骨組みのフレーム形状不変を維持する。
【００６０】
ブレード形ストラットは２種類があり、一つは相互平行に前記ブレード骨組みからなるフレームの間に設けられる複数のブレード形ストラット３０４である。
【００６１】
前記骨組み主筋３０３と骨組み支筋３０２は前記ブレード骨組み３０１に設けられる前記ブレード形ストラット４の交差点と連接固定させる。
【００６２】
もう一つの種類は斜めドローバー３０６であり、その一端は前記外側表面のブレード形ストラット３０４と、反対端はブレード前記内側表面のもう一つのブレード形ストラット３０４と連接固定される；斜めドローバーについては、前記骨組み主筋３０３とブレード形ストラット３０４の交差点と連接固定される。
【００６３】
前記骨組み主筋はその強度と／或いは剛度とも前記骨組み支筋より大きい棒である。
骨組み主筋の分布は以下の提案を最優先に：前記骨組み主筋４本３０３の中の２本をブレード外側表面の一側に設け、ほかの２本をブレード内側表面の一側に設け、前記ブレードの水平断面から見て前記骨組み主筋４本３０３が四辺形に形成して、垂直に重量中心の周りに設けられて、骨組み主筋４本で前記ブレードの重量をバランスにする。
【００６４】
骨組み主筋３０１と骨組み支筋はアルミ型材で造られてもよく、或いはほかの材質で造られてもよい。骨組み主筋の断面は前記骨組み支筋より大きい中空棒体である。
組み主筋の剛度と強度を向上させるために、前記骨組み主筋の棒の縦向き中空腔室に縦方向間隔壁を設けて、大腔室を二つの小腔室に分ける必要がある。
【００６５】
前記ブレード骨組みは中空棒体でもよく、上記棒の縦方向空腔は縦方向間隔壁で二つの縦方向腔室に分けられる。
【００６６】
中空棒の縦方向腔室を隔壁で分け、これで剛性と強度を向上させるとともに、ブレードの重量を軽くすることができる。
【００６７】
前記ブレード骨組み、骨組み筋とブレード形ストラットはアルミ型材で造られたものほうがよい。各棒の間には、溶接或いは接着剤で連接固定される。上記接着剤は両性接着剤でもよい。
【００６８】
このような骨組み主筋とブレード骨組み構造はブレードの剛度と強度を向上させるだけでなく、ブレードの重量を軽くした。これで上記ブレードからなるローターの起動風力が小さくなって、風力発電機が弱風力においても発電できる。試験結果によると、上記ブレードからなるローターが二級風力においても発電できる。それ以外、骨組みの前記構造はブレードの強度、剛性を大きくして、最大５０ｍ／ｓの風力に耐え、３５ｍ／ｓの台風に近い風力においても正常に動作できる。よって、本発明の提供するローターブレードからなる風力発電機は動作停止となる強風においても安全に発電できる。本発明の提供するローターブレードは従来技術の欠点を改善しており、変形、折れやすくなく、耐用期間が長くなったため、気候または故障により生ずる動作停止は見られず、安定で持続的に風力エネルギーを得ることを実現した。これは風力発電発展のために信頼できる保障を提供して、国家の経済と人民の生活、環境保全、持続発展可能な経済に対しても非常に重要な意味がある。それに、本ブレードは組立・加工しやすい、成形精度が高いという長所もある。
【００６９】
上記内容は、本発明の提供する高効率ハイパワー垂直軸風力発電機に対する詳しい説明である。この分野の技術者が実施した本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更は、本発明に含まれることと見なすことができる。
本発明の高効率・ハイパワー垂直軸風力発電機は、工業発電分野に適用することができる。
【図１】
2013519022.tif 000003
【図２】
2013519022.tif 000004
【図３】
2013519022.tif 000005
【図３ａ】
2013519022.tif 000006
【図４】
2013519022.tif 000007
【図５】
2013519022.tif 000008
【図６】
2013519022.tif 000009
【図７】
2013519022.tif 000010
【図８】
2013519022.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2013519022.tif 000017
2013519022.tif 000018
2013519022.tif 000019
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