(57)【要約】  垂直風力タービンが、実質上垂直な中央マストと、夫々が上方先端と下方先端を有し、さらに接続された２つ以上のブレードセグメントを有し、夫々は長手方向軸線と翼横断面によって特徴付けられる１枚以上のブレードであって、隣接するブレードセグメントの各端部は、隣接ブレードセグメント間に設けられる接続機構によって共に接続されるように、中央マストの周りに延びて形成される、１枚以上のブレードと、中央マストから外側に延びる少なくとも１本の支持アームであって、各支持アームの外周端はその当該ブレードの接続機構を介して前記ブレードの１つに接続されるような、前記少なくとも１本の支持アームと、を有する。 各ブレードは、ブレードの上方先端と下方先端が中央マスト周りで互いに角度的に変位するように延びている。
2013542361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質上垂直な中央マストと、
夫々が上方先端と下方先端を有し、さらに接続された２つ以上のブレードセグメントを有し、夫々は長手方向軸線と翼横断面によって特徴付けられる１枚以上のブレードであって、隣接するブレードセグメントの各端部は、前記隣接ブレードセグメント間に設けられる接続機構によって共に接続され、各ブレードは、ブレードの上方先端と下方先端が前記中央マスト周りで０度より大きい角度αで互いに角度的に変位するように、中央マストの周りに延びて形成される、前記１枚以上のブレードと、
前記中央マストから外側に延びる少なくとも１本の支持アームであって、各支持アームの外周端はその当該ブレードの接続機構を介して前記ブレードの１つに接続されるような、前記少なくとも１本の支持アームと、を有することを特徴とする垂直風力タービン。
【請求項２】
各ブレードセグメントの長手方向軸線は実質上一直線であることを特徴とする請求項１に記載の垂直風力タービン。
【請求項３】
各ブレードセグメントの長手方向軸線は湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の垂直風力タービン。
【請求項４】
前記角度αは６０度と１８０度の間にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【請求項５】
隣接したブレードセグメントの各長手軸線が水平面と鉛直面の双方において、互いに対して４５度未満の角度を成すように、隣接したブレードセグメントが接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【請求項６】
前記ブレードセグメントは、１枚以上のブレードが螺旋状の刃の形に近づくように配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【請求項７】
各ブレードセグメントは、前記中央マスト周りでブレードが回転している間、前記翼横断面における前縁と後縁を繋ぐ線が、ブレードセグメント長さ方向の如何なる地点においても、翼横断面によって描かれる軌道に対して接線方向となるように、一直線の長手方向ねじれ軸周りにねじられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【請求項８】
各ブレードは、第１接続機構と第２の接続機構によって互いに接続された３つの接続ブレードセグメントから形成され、前記タービンは、前記第１接続機構と第２接続機構に夫々接続されかつ前記中央マスト周りに角度的に隔てられる、少なくとも第１支持アーム及び第２支持アームを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【請求項９】
更に、前記中央マストから外側に延びる１本以上の追加支持アームであって、各々が、１ブレードセグメントの各遠位端の間のある位置において前記ブレードの１つに接続されるような前記追加支持アームを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【請求項１０】
各ブレードは、それぞれがその各遠位端の間のある位置において上方ブレードセグメントに接続された上方追加支持アームと、その各遠位端の間のある位置において下方ブレードセグメントに接続された下方追加支持アームとによって支持されていることを特徴とする請求項９に記載の垂直風力タービン。
【請求項１１】
前記中央マストの直径は、その底部から上部にかけて減少していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、隣接したブレードセグメントを接続する新規手段を備えた１枚以上のモジュール化ブレードを有する垂直軸風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービン及び風車は、風からエネルギを利用するために何世紀も亘って使用されてきた。主として、従来の風力タービンはブレードを水平軸の周囲に配した水平軸型の構造物からなるものであった。しかしながら垂直軸風力タービン（ＶＡＷＴ）もまた知られている。垂直軸構造物の風力タービンでは、ブレードは通常、中央の垂直マストの周囲に配置されると共に、１本以上の支持アームによってマストに接続される。
【０００３】
ブレードについては夫々が異なった機構を有する、数多くの異なるタイプのＶＡＷＴが存在する。例えば、Ｈ型のＶＡＷＴでは、ブレードは通常、中央のマストからのほぼ一定の距離をもって実質上垂直方向に配置されており、空気力学的な流れとそれに関連する迎え角は、ブレードの長さに沿ってほとんど一定である。従って、水平軸風力タービン（ＶＡＷＴ）とは異なり、Ｈ型のＶＡＷＴとしてはブレードの長さに沿って実質上一定の断面形状及び寸法を有するブレードを使用することができる。
【０００４】
他のタイプのＶＡＷＴは湾曲したブレードを組み込んでいる。例えば、“エッグビーター”やトロポスキエン型では、各ブレードの端部は中央マストに据え付けられ、端部間ではブレードはマストから外側に湾曲する。そのようなブレードは、一般に押出アルミニウムから形成され、ブレードの形状によってブレード内の遠心荷重が、ブレードの押出アルミニウムコア内での引張応力を介して中央マストに伝達される。しかしながら、垂直軸風力タービンにおいてブレードを“エッグビーター”型に形成すると、同じ受風表面積を持つ他のタイプのＶＡＷＴと比較して空気力学的効率が相対的に低くなる。
【０００５】
近年、小型で都市型タービン用として螺旋形のブレードも又は開発されてきている。そのような螺旋形ブレードは中央マスト周りに延びるが、十分なブレード旋回にわたって著しく小さな変動幅の空力的負荷を受けるため、有効に騒音放射レベルを最小限にする。しかしながら上述した代替物肢と比較して、螺旋形ブレードの形状は比較的複雑である。小規模タービン用としては、アルミニウムやプラスチックのような中空の押出材料から形成可能であるのに対し、使用時、より高い空力的負荷を受けるような大規模ブレード用としては成形された複合材料を使用することが必要になる。
【０００６】
ますます大型化する風力タービンの発展に伴い、風力タービンの部品サイズを大きくする要求がある。特に、電気エネルギへの風力エネルギの転換を最適化できるようにブレードのサイズや長さを増加し続ける必要がある。しかしながら、風力タービンのブレード寸法を増加すると、ブレードを単一ピースの形で製造したり、運搬することが一層困難になり、それに関係するコストも著しく増加する。特に、螺旋形のブレードは空力的ローター負荷を最適化したり、騒音放射を最小限にするには望ましいとされる一方、生産可能な螺旋形ブレードの全体サイズは、ブレードを製造するのに必要な成形型の複雑な形状や大きな寸法のために制限される。
【０００７】
それ故、ブレードの成形や搬送に必要な装置のサイズやコストを著しく増加することなく、より大きなブレードを効果的に生産できる新規のブレードアセンブリを備えた垂直軸風力タービンを提供することが望ましいだろう。また仮に、そのようなブレードアセンブリが、他の湾曲したり一直線のブレードと同様に、実質上螺旋形の形状を有するブレードを生産することに適しているものであるならば更に望ましい。
【発明の概要】
【０００８】
本発明によれば、実質上垂直な中央マスト、夫々が上方先端と下方先端を有すると共に接続された２つ以上のブレードセグメントを有する１枚以上のモジュール化ブレード、及び中央マストから外側に延びる少なくとも１本の支持アームを有する垂直風力タービンが提供される。各ブレードセグメントは長手方向軸線と翼横断面によって特徴付けられ、隣接するブレードセグメントの各端部は、隣接ブレードセグメント間に設けられる接続機構によって共に接続される。各支持アームの外周端は、その当該ブレードの接続機構を介してブレードの１つに接続される。各ブレードは、ブレードの上方先端と下方先端が中央マスト周りで０度より大きい角度αで互いに角度的に変位するように、中央マストの周りに延びて形成される。
【０００９】
“垂直軸風力タービン” （ＶＡＷＴ）という用語は、風力タービンブレードが中央の垂直軸の周りで回転するように据え付けられ、風力エネルギを電気エネルギへ転換する風力タービンを指すために使用される。この種の風力タービンは当業者にとっては公知のものであろう。よく知られたＶＡＷＴ構造としては、Ｈ型又は“ダリウス” ＶＡＷＴがあり、中央軸の周りに据え付けられた垂直ブレードを備えている。その他の公知型ＶＡＷＴは、螺旋形のブレード形態、又はトロポスキエン（“エッグビーター”）ブレード形態を組み入れている。
【００１０】
本発明の垂直軸風力タービンは、海上型風力タービンのみならず陸上で使用する陸上型風力タービンとしても適用される。例えば、実施形態によっては、本発明による風力タービンは、海上で使用するための浮遊型風力タービンである場合もある。
【００１１】
本発明はモジュール化したブレード構造を提供するものであり、その構造において垂直軸風力タービンの各ブレードは接続された２つ以上のブレードセグメント又はモジュールから形成されている。隣接したブレードセグメント同士は、ブレードセグメント間で提供されかつ支持アームにブレードを接続する個別の接続機構によって接続される。
【００１２】
モジュール化ブレード夫々を形成する２つ以上のブレードセグメントは、ブレードの上方先端と下方先端が前記中央マスト周りで０度より大きい角度αで互いに角度的に変位した状態でブレードが中央マストの周りに延びるように、共に接続される。その角度αはブレードの上方先端と下方先端の間の方位角に相当する。これは、中央マスト上のある地点と前記先端の各々との間に延びる２つのベクトルをとり、更にこれらベクトルを中央マスト上の前記地点と一致する実質的な水平面に投影し、次いで前記水平面内での投影物間の角度を測定することにより測定でき、以て方位角を提供することができる。
【００１３】
モジュール化ブレードの使用は垂直軸構造の風力タービンの特に適している。何故ならＶＡＷＴにおいては、ブレードの機械的荷重が水平軸型の風力タービン（ＨＡＷＴ）よりもブレードに沿って一層均等に分配されるからである。これは、少なくとも部分的に、異なるタイプの風力タービンにおけるブレードの異なった据え付け機構に起因するものである。
【００１４】
ＨＡＷＴでは、ブレードはブレード付け根だけにおいてメインローターに接続され、ブレードは次ローター軸から離れて延びる。機械的荷重はそのブレード付け根において最も高い。何故なら、付け根には最も高い遠心力と曲げ力がかかり、ブレード全体に亘ってかかる空力的負荷だけでなくブレードの重量自体も支持しなければならないからである。
【００１５】
他方、本発明のそれのようなＶＡＷＴでは、ブレードは１本以上の支持アームによって中央の回転軸かマストに接続される。支持アームはトルクをブレードから中央マストへと運び、ブレードの重量のみならず遠心荷重や発電機を駆動する空力トルクをも支持しなければならない。
【００１６】
しかしながら、支持アームの機構は、機械的荷重がブレードに沿って一層均等に分配され、モジュール化ＨＡＷＴブレードの場合と異なり、ＶＡＷＴブレードの各ブレードセグメントの遠心・空力的負荷は、隣接する如何なるブレードセグメントの負荷を増加することなく支持アームを介して中央マストに直接伝達される。この結果、ＶＡＷＴブレードを、より低い応力レベルに耐えかつブレードの全重量を減じる幾つかのセグメントで製造することができる。
【００１７】
ブレードへの支持アームの取り付けを、接続機構による隣接ブレードセグメントの接続と統合化することにより、ブレードセグメント間の接続部の全体強度が著しく向上し、特に接続機構への負荷が最小になる。更に、ブレードセグメントの機械的完全性に悪影響を及ぼすことなく、またブレードの空気力学的効率に著しい不利益をもたらすことなく支持アームをブレードに接続することができる。
【００１８】
ブレードの各セグメントが長手方向で互いに接続され、ブレードはその長さに沿って分割されることが好ましい。ブレードが実質的に一直線である場合、ブレードセグメントは一直線状に互いに順に重ねた状態で１つに組み立てられることになる。又、ブレードが湾曲したブレードであったり、ブレードの全体形状が湾曲形に近いような場合（湾曲形を倣うように調整された真っ直ぐな各セグメントからブレードが形成される場合）、ブレードセグメントはカーブの長さに沿って一緒に組み立てられる。好ましくは、ともに接続されることになる隣接ブレードセグメントの端部断面は、唯一必要とされる接続が長手方向でのブレードセグメント間の接続であるように、類似するか、好ましくは実質上一致するものとなる。
【００１９】
本発明によるブレードの各ブレードセグメントは夫々別個に製造することができ、それらブレードセグメントは通常、ブレード全体よりも長さがかなり短いため、生産設備や特にブレードセグメントを生産するための型を相対的に短く保持することが可能である。このことは、ワンピース型のブレード生産に比べ、ブレードセグメントの製造をより簡単でかつコスト効率の高いものとする。
【００２０】
加えて、各ブレードセグメントを個々で輸送し、現場において組み立てることができる。有利な点として、このことは、より小さくかつコスト効率の良い輸送手段が使用可能であるならばそれだけ、より小型化で低い処理能力の、例えばクレーンのような据え付け取り扱い機器が適当になるということを意味する。
【００２１】
モジュール化ブレードの使用は又、ブレードのメンテナンスの効率やコストを改善する。何故なら、ブレードに不具合が発生したり損傷した場合には、他のブレードセグメントをそのままに保持しながら不良又は破損したブレードセグメントだけを交換することが可能であるからである。セグメント交換に必要な材料と部品を最小限にすることに加え、スクラップ対象となる材料の量も最小限に抑えられ、それによりスクラップ化に関連した時間と材料のロスだけでなく金銭的な損失も低減する。
【００２２】
加えて、モジュール化ブレード構造はブレードの全長においても大きな柔軟性をもたらし、その結果、ブレードを環境やタービンのエネルギ必要量に応じて適合させることができる。異なる長さのブレードや異なる継手位置を達成するため、異なる長さのブレードセグメントを異なる形態において容易に製造・組付することが可能である。
【００２３】
各ブレードは、少なくとも、その上端部においてブレードの上方先端部を提供する上方ブレードセグメント、及びその底端部においてブレードの下方先端部を提供する下方ブレードセグメントを有する。上方・下方ブレードセグメント間には１つ以上の追加の中間ブレードセグメントが設けられることが好ましい。
【００２４】
１つ以上の中間ブレードセグメントを使用することで、ブレードの形状を空気力学の観点から好適に最適化することが可能になるかもしれない。以下に、より詳細に説明するように、ブレードは、夫々が真っ直ぐな構造物として別個に形成される複数のブレードセグメントから構成されるかもしれないが、ブレードの空力性能を改善する上で湾曲した形状に近似するためにブレードセグメント同士を接続することが可能である。
【００２５】
一直線なるブレードセグメントを使用し、ブレードセグメントに沿って“より角度”が非線形型に変化するようにしてブレードを長手軸線周りにねじることで最適な湾曲形状を達成することが可能である。しかしながら、より角度を非線形に変化させてブレードを製造することは、より角度を線形に変化させてブレードセグメントを製造することより一層複雑である。所定角度αのブレードを形成する一直線なブレードセグメントの数を増加させることで、ブレードセグメントに沿う如何なる位置においても最適な非線形より角度からの偏差を過大にすることなく直線状となり得るより角度の変化を伴ったブレードセグメントを用い、ブレードの湾曲形状に近似させることができる。このようにして、１つ以上の中間ブレードセグメントを使用することで、より単純でより安価な生産技術を駆使して空気力学的に効率のよいブレードを形成することができる。
【００２６】
湾曲形状に近いブレードを形成するため多数のブレードセグメントを使用することは、ブレードセグメント形成に必要な成形型の製造を単純化するにあたり更なる利点をもたらすかもしれない。湾曲したブレードを成す各ブレードセグメントは２本の水平軸線周りで傾斜する。このことは、タービン回転軸が垂直の場合、ブレードセグメントの長手方向ねじれ軸に垂直な方向のブレードセグメントの断面（幾何学断面）はブレードセグメントの水平方向断面（空力断面）と異なることを意味している。結果として、１つの断面が対称な場合、他方は非対称となる。
【００２７】
ブレードセグメントの最適の空力断面は実質的に対称形である。しかしながら、ブレードセグメントを形成する成形型を製造する際には、対称な幾何学的断面を持った成形型を使用することが望ましい。何故なら、これにより成形型の上・下部を同じパターンで構成することができるからである。従って、生産されたブレードセグメントは、幾何学的には対称断面を有するものの空気力学的には非対称の断面を有する。
【００２８】
所定の拡張角度αのブレードを形成するブレードセグメントの数を増加させることによって、実際の非対称空力断面と最適な対称空力断面の差を縮めることができる。このようにして、ブレードの空力特性に著しく影響を与えることなく、対称な幾何学断面を持った成形型を使用することができる。
【００２９】
各ブレードを２つ以上のブレードセグメントから形成しても良いし、ブレードセグメントの数を所望のブレードのサイズや形状によって選択することができる。接続機構が隣接したブレードセグメント間の各結合部に設けられるため、“ｎ”のセグメントがあるブレードは“ｎ−１”の接続機構を備えることになる。この“ｎ−１”の接続機構については互いに同一のものであっても、或いは異なるものであっても良い。支持アームは接続機構の各々に接続されることになり、従ってブレードは最小限の“ｎ−１”本の支持アームによってマストに接続されることになる。詳細は以下に説明するが、追加の支持アームを接続機構から離れた１つ以上の位置に設けるようにしても良い。
【００３０】
本発明のタービンにおけるブレードのモジュール構造は、多種多様のブレード構造に容易に適応することができる。
【００３１】
本発明の特定実施形態では、ブレードセグメント夫々の長手軸線は実質的に直線である。これは、複雑な生産手段の必要なしに、特に複雑な成形型材の必要なしに一直線なセグメントをより効率良く製造できるため有利なことである。又、一直線なセグメントは、各セグメントの全体寸法が、その曲率によりブレード幅寸法を増加させる湾曲ブレードの寸法よりも格段に小さいため、一直線なセグメントはより効率良く運搬することができる。
【００３２】
本発明の代替実施形態では、各ブレードセグメントは、ブレードセグメント同士が互いに接続できて連続した曲率を持つブレードを形成できるように、湾曲した長手軸線を持つようにしても良い。この種の湾曲したブレード形状は、例えばエッグビーター型や螺旋状のブレードを有するタービン形成に適しているかもしれない。
【００３３】
角度αが３６０度未満になるように、個々のブレードをマストの周りの途中まで延ばすようにしても良い。例えば、２枚以上のブレードが設けられるような場合には、これは好ましいものとなるかもしれない。或いは、角度αが約３６０度であるように個々のブレードを中央マストの周りの全周に亘って延ばしても良い。又、或いは、角度αが３６０度以上となるように個々のブレードを中央マスト周りで一周より多く延ばしても良い。これは、例えばただ１枚のブレードが設けられるような場合に好ましいものとなるかもしれない。
【００３４】
好ましくは、角度αは６０度と１８０度の間にあり、結果として各ブレードは中央マストの周り全周の１／６と１／２との間で延びる。特に好ましい本発明の一実施例では、角度αは約１２０度である。
【００３５】
２つ以上のブレードセグメントを、角度的に変位した上方先端・下方先端間で１本の直線状に延ばすことで、中央マストに対し実質上平行というよりはむしろ垂直の中央マストに対し角度を成すような一直線なブレードを提供するようにしても良い。より好ましくは、各ブレードの２つ以上のブレードセグメントが接続されることで、ブレードが、角度的に変位した上方先端・下方先端間で中央マストの周りで湾曲したり曲げられる。
【００３６】
実施形態によっては、各支持アームの長さはブレードと中央マストとの間の距離と実質上同じであり、従ってブレードの長さに沿って比較的一定である。その結果、ブレード及びブレードセグメントの各々は、支持アームの長さに実質上等しい半径を持ったシリンダ又は螺旋の表面に出来るだけ近く追随する。しかしながら代替実施形態においては、ブレードと中央マストの間の距離がブレードの長さに沿って変化するように、中央マストにブレードを接続する各支持アームの長さが夫々異なるようにしても良い。この場合、ブレードとブレードセグメントの各々は、ブレードの連続した支持アーム間で決められる円錐台形の表面、或いはブレードの連続する支持アームによって描かれる円を遮る放物曲線によって描かれる如何なる表面に対して出来るだけ近く追随する。
【００３７】
１つの特に好ましい実施形態では、ブレードは、各々一直線な長手軸線を有する２つ以上のブレードセグメントから形成されるが、これらブレードセグメントは、隣接したブレードセグメントの各長手軸線が同じラインに沿って一列に並ぶというよりはむしろ水平面と垂直面の少なくとも一方の面内で互いに対し角度を成すように、共に接続される。好ましくは、隣接したブレードセグメントの長手軸線間角度は水平面と垂直面の両方で４５度未満である。このことは、あるブレードセグメントは、それに隣接したブレードセグメントの長手軸線によって決まる直線から離れるようにして４５度未満の角度で傾斜することを意味している。その角度は、角度αの大きさ、ブレードの全高、及び／又は支持アームの半径に依存して選択することができる。
【００３８】
前記１枚以上のブレードの各々を形成するブレードセグメントは、各々が実質上一直線な長手軸線や湾曲した長手軸線を有するものでも良く、或いは一直線なブレードセグメントと湾曲したブレードセグメントを組み合わせた形で使用しても良い。
【００３９】
この機構を使用することで、ブレードが中央マストの周りに延びてはいるがそのブレード自体は各々が実質的に一直線な長手軸線を有する多数のブレードセグメントから形成されるような螺旋ブレード形状に有利に近づくことができる。従って、上述したように、螺旋形のブレードを使用することによる利点を得ることができるが、一直線なブレードセグメントのモジュール機構は、比較的単純な成形型の使用を可能にする。これは、言い換えれば、螺旋形ブレードの生産にとっては競争力がありかつ大規模なる製造プロセスを開発できるという効果をもたらす。更に、本発明は、製造又は搬送装置のサイズを増加させる必要なしに、以前に可能だったものよりかなり大きな螺旋形（又は、略螺旋形）ブレードの生産を可能にさせる。増加した負荷がより大きな螺旋形ブレードにかかることに関連したこれまでの問題は、ブレードセグメント間の接続機構に対する支持アームの接続により実質的に回避される。
【００４０】
略螺旋構造を有する本発明タービンの受風面積は、真っ直ぐな垂直ブレードを備えた同じ風力タービンによる受風面積とほぼ同等であっても良い。従って、全体の空力性能については両方の構造に関してはほぼ同じである。しかしながら、直線状のブレードと異なり螺旋に近似するブレード構造を用いる場合、動的失速がブレードの限られた部分だけでなくブレードの全長に沿って同時に生じることはない。従って、動的失速は、空力的負荷の大きな突然の変化を生むような急激な現象ではなく、むしろ動的失速の寄生効果が大きな空気力学的迎え角を経験するブレード部分に限られるために、完全なブレード回転にわたって継続した形で生じるものである。
【００４１】
略螺旋形のブレード構造の空力トルクは、同様のローター受風面積の対応する直線状の垂直ブレード構造と同等か、或いは実質的に同一の平均値を示すが、略螺旋形の構造では、この平均値周りのトルクの最大・最小値の間の変動の大きさはかなり最小限に抑えられる。従って、完全なブレード回転にわたる風力タービンの機械的トルクの変化もかなり減少し、それは発電機の運転要件を軽減させる。１枚以上のブレードからなる全体の角度範囲が３６０度未満であるブレード構造の場合、角度αの値が高ければそれだけ、その平均値周りのブレードによって生じる機械的トルクの変動がそれだけ低くなる。全角度範囲、即ち１枚以上のブレードの全ての角度範囲又は伸長の合計が３６０度以上であるブレード構造では、全角度範囲が３６０度の整数倍である場合、即ち１枚以上のブレードが合計で中央マストの周りの‘ｍ’倍（但し、ｍは整数）にわたって延びる場合に、機械的トルク変動が最小となる。
【００４２】
本発明による垂直型風力タービン及びブレードアセンブリは、単一のブレードを有するかもしれないし、或いは中央マスト周りに隔てられた状態で夫々が中央マスト周りで延びるような２枚以上のブレードを有するかもしれない。２枚以上のブレードが設けられる場合、ブレードはお互い同じ大きさ、同じ形状であると共に、接続されたブレードセグメントの数も同じであることが好ましい。しかしながら、お互いに異なる形状の２枚以上のブレードが設けられるようなタービンを提供することも可能かもしれない。本発明の特に好ましい一実施形態では、３枚のモジュール化ブレードが提供され、好ましくは、これら３枚のモジュール化ブレードの形状は実質上同一となる。好ましくは、２枚以上のブレードが設けられる場合、各ブレードはマスト周りで同じ角度α、同じ方向、即ち時計回り又は反時計回りに延びる。２枚以上のブレードが設けられるような場合、角度αは、各ブレードの組み合わせにおいて、実質上、中央マストの全周に延びるように選択されることが好ましい。
【００４３】
２枚以上のブレードには十分に低い角度αを有し、更に／或いはプレード間に角度重複部分がないようにマスト周りで十分に隔てられるかもかもしれない。或いは、各ブレードは、１つのブレードの上方先端の一部分が別のブレードの下方先端の部分と重複するように配置されるかもしれない。例えば、夫々が１５０度の角度αを有して３枚のブレードが均等に隔てられるようなブレードアセンブリでは、隣接したブレードの間に３０度の重複部分が存在することになる。
【００４４】
ブレードが２つ以上の接続されたブレードセグメントから形成される場合、ブレードはく数の接続機構を備えることになり、その各々は中央マストから延びた支持アームに接続されることになる。中央マストの周囲にブレードが延びることで、各支持アームは、マストの長さに沿って別々に隔てられるばかりかマスト周りで角度的に別々に隔てられることになる。２枚以上の実質上同一のブレードが中央マスト周りに延びる場合、各ブレードからの支持アームは垂直方向、同じ高さ位置で中央マストに接続されることになるが、その高さにおいて他の支持アームからは隔てられることになる。
【００４５】
ブレードが３つ以上の接続されたブレードセグメントから形成される場合、中間のブレードセグメントの各々は、説明されるような接続機構によってその両遠位端で支持される一方、ブレードの上下端にある上方・下方ブレードセグメントは、説明されるような接続機構によって一端で支持される。隣接したブレードセグメント間にある接続機構を介してブレードに取り付けられる支持アーム又は複数アームに加え、ブレードを支持するために１本以上の追加の支持アームが設けられることが好ましい。幾つかの実施形態では、１本以上の追加の支持アームが各ブレードの先端支持のために設けられ、そこでは追加の各支持アームは対応するブレードの先端に接続されるかもしれない。しかしながら、中央マストから外方に延びるように１本以上の追加の支持アームが設けられ、各アームはそのブレードセグメントの遠心端間の位置でブレードセグメントの内の１つに接続されてブレードの追加支持部となることが好ましい。
【００４６】
本発明の特に好ましい実施形態では、上・下ブレードセグメントの少なくとも一方は、ブレードセグメントの遠位端間の位置でそのブレードセグメントに接続された追加の支持アームに支持される。この機構は、追加された支持アームの夫々が、接続機構から遠くかつブレード先端から遠く離れた位置においてブレードセグメントに接続され、結果としてブレードは自由端を持つことを意味している。
【００４７】
好ましくは、追加の支持アームとブレードの最も接近している先端との間の距離は、ブレード全長の１／４と１／２の間にあっても良く、更にブレード全長の約１／３となることが好ましい。
【００４８】
好ましくは、追加の支持アームは、支持アームの後流効果を最小限に抑えて風力タービンの効率を最適化するために、マストから実質上水平に延びる。
【００４９】
好ましくは、上方の追加支持アームは、ブレードの上方先端と、上方ブレードセグメント・隣接ブレードセグメント間の接続機構との間の位置において上方ブレードセグメントに接続され、下方の追加支持アームは、ブレードの下方先端と、下方ブレードセグメント・隣接ブレードセグメント間の接続機構との間の位置において下方ブレードセグメントに接続される。
【００５０】
有利なことに、ブレードの先端、又は隣接したブレードセグメント間の接続地点において、追加の支持アームを接続することに制限するものを除去することは、追加の支持アームの位置決めにおいてより大きな自由度および柔軟性を可能にする。従って、特定の風力タービンに対しては、ブレード内の応力レベルと、使用の際にブレードに作用する曲げモーメントとを最小限に抑えるために追加の支持アームの位置を調節することができる。更に、ブレード先端から離れた状態で追加の支持アームを位置決めすると、確実にブレード先端での空力性能の乱れが少なくなる。
【００５１】
ブレードの上方先端から離れた状態で１本以上の上方の追加支持アームを位置決めすると、マストの全高を縮小させることなる。何故なら、仮にブレードが先端部で支持されたとしたならばそのようになるように、マストは、ブレードの上方先端に対してではなく、最も高い支持アームの高さに対して上方に延びさえすれば十分であるからである。このことは風力タービンの重心位置を低下させることになり、タービンの安定性にとっては有効となる可能性があり、浮遊型風力タービンのような海上型風力タービンの場合においては特に有効となるかもしれない。
【００５２】
更に、ブレードの下方先端から離れた状態で１本以上の下方追加支持アームを位置決めすると、マストを支持するベース部分の全高を増加させることなる。何故なら、仮にブレードが先端部で支持されたとしたならばそのようになるように、マストは、ブレードの下方先端に対してではなく、最も低い支持アームの高さに対して下方に延びさえすれば十分であるからである。このことは、振り返って、旋回軸受（軸を必要としないユニークな台座構造）上での片持ち梁、或いは２台座構造がある主軸上での片持ち梁が検討され、軸受のどんな傾斜モーメントも低減されるように、タービンの主軸をガイドする軸受位置の調整を可能にする。特に、上側の軸受の位置をタービンのベースに対し上方へ移動させることができる。軸受位置におけるこの調整は、振り返って、陸上・海上使用の双方にとって重要なタービンの動的安定性を最適化することにもなる。
【００５３】
追加の支持アームは、その接続地点が隣接するブレードセグメント間の接続部と一致しないため、以下に述べるように通常は別の取付機構を用いて接続されることになる。追加の支持アームに適切な取付機構は当業者には既に知られたものであろうが、対向する取付板の間にブレードセグメントをクランプした好ましい例を以下に説明する。
【００５４】
有利なことに、本発明による垂直軸風力タービンにおいては、タービンの性能や効率を最適化するために支持アームの数や寸法や断面を変えることができる。例えば、使用中において支持アームが回転する際の好ましくない抗力を低減するために、風向での支持アームの投影表面積を最小化することができる。支持アームは夫々、実質上水平方向に設けるようにしても良く、後流効果を有利に最小化する。或いは、必要に応じてブレードに音動特性を与えるために各支持アームを異なる角度で設けるようにしても良い。ブレードを２本以上の支持アームで支持するような場合、各支持アームを、水平面に関する同じ角度か、又は水平面に対して異なる角度でブレードに接続しても良い。
【００５５】
各ブレードセグメントは、従来のような空気力学的“ティアドロップ”や空気力学的“翼”の形態となる横断面を有する。この断面はブレードに丸まった前縁と対向する後縁を与え、前縁と後縁は、前縁より著しく低い曲率と表面積を持った２つの“平坦”面によって繋がれる。長手軸線は、横断面の１点を通過し、その周りでブレード断面が回転してねじれブレード形状をもたらすような軸に相当する。
【００５６】
好ましくは、断面形状は、ブレードセグメントの長さに沿って実質上一定である。本発明のある好適実施形態においては、ブレードセグメントの前縁と後縁が実質上一直線となって長手軸線に対し実質上平行となるように、セグメントに沿うあらゆる地点での断面形状が実質上一列に並ぶかもしれない。
【００５７】
或いは、各ブレードセグメントは、その長さに沿った如何なる地点でも、翼横断面における前縁と後縁を繋ぐ線が中央マストの周りでブレードが回転する際に翼横断面によって描かれる軌跡に対し接線方向となるように、長手方向ねじれ軸周りでねじられるかもしれない。この機構は、ブレードセグメントに沿ったあらゆる地点においてブレード断面に対し同様の迎え角を提供するものであり、言い換えれば風力タービンにおけるローターの空気力学的効率を最大限にするものである。長手方向のねじれ軸は実質上一直線であっても、或いは湾曲したものでも良い。
【００５８】
ねじれたブレードセグメントでは、ブレードセグメントに沿う如何なる地点での横方向翼形状は、隣接点において対応する横歩行翼形状に対して回転される。従って、ブレードセグメントの前縁と後縁はブレードセグメントの長手軸線の周りで延びる。ブレードの全より角度の角度αに相当する。従って、お互いほぼ同じ長さのブレードセグメントから成るブレードの場合、各ブレードセグメントの“より角度”は通常、角度αをブレードセグメントの数で割った値にほぼ相当する。ブレードセグメントが異なる長さからなる場合、より長いブレードセグメントはより短いブレードセグメントよりも大きな“より角度”が必要となる。
【００５９】
好ましくは、各ブレードセグメントは同じねじれ形状を有し、同一の成形型を全ブレードセグメントの製造に使用することができる。“より角度”はブレードセグメント長さに沿って連続して直線的に変化するものでも良く、また或いはブレードセグメントのある部分が他の部分よりも著しくねじられるように、“より角度”がブレードセグメントの長さに沿って非直線的に変化するものでも良い。上述したように、非直線的に変わる“より角度”は、湾曲形に近似させるために複数の直線状ブレードセグメントを互いに接続するようなブレードにおいては有利であるかもしれない。何故ならこのような形が理想的なブレード曲率への接近を最適化するからである。しかしながら、更に上述したように、出来るだけ直線に近い“より角度”の変化を以てブレードセグメントを使用することは製造上の観点からは望ましいかもしれない。特に、以下に述べるように、“より角度”が直線的に変化するようなブレードセグメントは、引き抜き成形技術を使用することで一層容易に製造することができる。
【００６０】
本発明の前記１枚以上のブレードは、外シェルと、その外シェルの内面に連結された内側の縦ビーム又は円材から成る既知構造物であっても良い。この構造物では、一般に各ブレードセグメントの外シェルは、それぞれ別個に形成されその後連結されて完全な外シェルを形成するといったような２つのシェル部品から形成される。これら外シェル部品は通常、適当な接着剤を用い、ブレードの前縁と後縁に沿って接合される。もう１つの方法としては、ブレードをワンピースで成形された一体構造物から形成しても良い。
【００６１】
外シェルは、ガラス繊維のような補強ファイバにエポキシ樹脂のような樹脂基体をしみ込ませた複合材料から形成されることが好ましい。好ましくは、外シェルは予備含浸した複合材料から形成される。その他の複合材料例としては、カーボンファイバ及び／又はポリエステル樹脂を統合した材料がある。より長いブレードの場合、層数は大きくなるかもしれないが、好ましくは、長さ１０ｍ〜１５ｍのブレードに対しては３〜６層の複合材料から外シェルが形成される。外シェルの層数は、使用中、ブレードやブレードセグメントの長さと翼弦に沿って異なる部分での異なる応力を担うため、恐らくはブレード翼弦と同様にブレードやブレードセグメントの長さに沿って変化するかもしれない。これは、より長いブレードかブレードセグメントの場合に特に有利となるかもしれない。
【００６２】
或いは、本発明の１枚以上のブレードは、外殻を形成する１つ以上の複合材料層で包まれるか被覆された内コアから形成されるかもしれない。
【００６３】
前記１枚以上のブレードが内コアを有するような場合、内コアは適当な密度や圧縮特性を持つ任意材料から形成することができるが、発泡材料から形成されることが好ましい。内コアを形成するのにふさわしい材料としては、ウレタンフォームや同様の密度や圧縮幅と比率を示すその他のポリマー発泡体がある。発泡材料は混合されて発泡する２つのモノマー先駆物質から得られるようにしても良い。この場合、発泡体が生じた際に成形型の形状をなすように、発泡混合物を閉じられた成形型に注ぐことができる。或いは、コアは予め形成された発泡塊同士を組み立てるようにしても良い。
【００６４】
内コアは単片のコア材料を有しても良く、或いはブレード製造工程時、例えば複合材料から成る外層からの樹脂によって共に圧縮・接着された複数のコアから形成しても良い。
【００６５】
内コアを囲む外コアは、内スパーを有するブレードに関して上述したような、同じ材料と構造から形成されるものでも良い。
【００６６】
内コアを有するブレードセグメントの製造時、通常、複合材料からなる１つ以上の層が硬質の内コア材料に巻きつけられ、その複合材は成形型内で加熱される。加熱中、堅いコアは膨張することで、例えば発泡材料が使用される成形型を満たし、それにより複合材料の外層を圧縮してブレードやブレードセグメントの所望のエアフォィル型を形成するかもしれない。加えて、複合材料の外層は硬化し、層内の樹脂は内コアへと入り込み、外層とコアを接合するだけでなく、存在し得るコアの如何なる分離部分をも接合する。
【００６７】
そのほかにも本発明の前記１枚以上のブレードは引き抜き成形法によって形成しても良い。ブレード強度を増やし広範囲又は局部座屈を回避する上で、そのような方法は有利なことに、内リムのブレード構造内への組み入れを可能にする。加えて、引き抜き成形法によりブレードセグメントを非直線的に変わる“より角度”を以て製造可能にするかもしれない。更に、幾何学的断面が非対称であっても引き抜き成形法において非対称行列を用いることで対称的な空力断面を有するブレードセグメントを一層容易に形成するかもしれない。
【００６８】
隣接したブレードセグメント間の接続機構は、お互いのブレードセグメントの接続だけでなく支持アームの外周端との統合をも可能にする如何なる適切な構造であっても良い。その接続機構は、隣接する各ブレードセグメントのお互いの端部とその接続機構が、ブレードセグメントの周囲、及び／又はブレードセグメントの内部に設けられるようになるかもしれない。或いは、ブレードセグメント同士は、隣接したブレードセグメントの端部間、又は端部周囲に設けられた接続機構の少なくとも一部分をもって、相隔てられるかもしれない。
【００６９】
好ましくは、接続機構は、隣接したブレードセグメントの両端部を共にクランプすると共に支持アームの外周端を定位置にクランプするのにふさわしいクランプ機構を有する。クランプ機構は、ブレードセグメントを直接クランプするためにブレードセグメントの端部周りに適合されるかもしれない。
【００７０】
例えば、好ましい一実施形態では、接続機構は１組の対向した取り付け板を有し、隣接したブレードセグメント、夫々の少なくとも一部分は両取り付け板の間でクランプされる。これら対向する取り付け板は、ブレードの両側に設けられた、例えばボルトのような１つ以上の締め具によって互いに接続されるかもしれない。或いは、取り付け板は、固定板間のブレードセグメントの部分を通る１つ以上の締め具によって接続されるかもしれない。上述したように、この機構は、ブレードセグメントが内コアを有するような場合に特に適したものとなる。何故なら、この場合、内コアが内部補強構造となって、構造的な脆弱性を生むことなくブレードセグメントを通る穴あけを可能にするからである。内コアは又、取り付け板のクランプ力によるブレード圧壊を防止する。使用時、内コアは更に、ブレード曲げ時において外シェルの一方の側から反対側へと応力が移動するのを可能にし、かつブレードシェルが内側に崩壊するのを防止することで、ブレードの外シェルの局部座屈を回避するかもしれない。
【００７１】
更に、ブレードが外シェルを有する場合、外シェル中の複合材料の層がブレードに対して追加補強する。以下に詳細に説明するが、内コアと外シェルを形成するのに使用される材料は、接続機構の領域におけるそれらの補強作用を好適に増加することが可能である。更なる利点は、ブレード内に更なる補強構造を必要としないことにある。
【００７２】
向かい合う１組の取り付け板の一方が、溶接や接着剤、或いは機械的な締め具を用いることで支持アームの外周端に取り付けられる。反対側の別の取り付け板は、ブレードセグメントの反対側に設けても良く、或いは内側のブレードインサートとしてブレードセグメントの内部に設けるようにしても良い。例えば、締め具がブレード断面を通って途中まで延びるようにして、対向する取り付け板をブレードの内コア内に設けるようにしても良い。
【００７３】
取り付け板の単一ペアを隣接したブレードセグメントをクランプする使用しても良い。或いは、１組の対向する取り付け板をブレードセグメントの各々に設け、そのブレードセグメントの片側にある両取り付け板を支持アームに固定するようにしても良い。
【００７４】
１枚又は両方の取り付け板がブレードの外面に接している場合、ブレードに接する取り付け板の表面は、ブレードの表面に実質的に整合するように形成されることが好ましい。これにより、ブレードの外シェルにある応力レベルを最小限にし、応力集中を低減させる。
【００７５】
この種の接続機構は又、ブレードに１本以上の追加の支持アームを接続する取り付け機構として使用するのに適しており、この場合、追加の支持アームは、隣接したブレードセグメント間の接続部から遠い位置においてブレードに接続されることになる。
【００７６】
その代わりとなる実施形態では、ブレードセグメントは端部に追加のインサートを有するかもしれず、この場合、インサートは隣接したブレードセグメントの一部に固定されるかもしれないし、或いは一緒にクランプされるかもしれない。例えば、１つの好ましい実施形態では、各ブレードの隣接したブレードセグメント間の接続配機構は、ブレードセグメントの各々の内部の中に支持され、夫々がブレードセグメントの端部から隣接したブレードセグメントの端部へと外側に延びる部分を有する、１つ又はそれ以上の硬質インサート、及び、隣接したブレードセグメント間にあって、前記１つ又はそれ以上の硬質インサートの外側に延びた前記部分と前記支持アームの外周端に接続される少なくとも１つの接続部材、を有する。
【００７７】
隣接したブレードセグメント間にあるこの種の接続機構は、使用中においてブレードが受ける負荷に耐え得る、強固で安定した接続部を提供する。前記１つ又はそれ以上の硬質インサートは、前記硬質インサートとブレードセグメントの一部分との間に固定された強固な接続部があるように、ブレードセグメント内に支持される。この接続部の形態は、ブレードセグメントの構造に依存することになる。
【００７８】
好ましい一実施形態では、ブレードセグメントは、複合材料の１つ以上の層から形成される外シェルを有し、ブレードセグメント内にある前記１つ又はそれ以上の硬質インサートは、１つ又はそれ以上の硬質インサートと前記外シェルの内面との間に延びて複合材料からなる１つ以上の強化リム又はウェブによって、前記外シェルに接続される。それにより、１つ以上の硬質インサートは、前記１つ以上の強化リムによって提供される内部補強構造によって支持される。
【００７９】
好ましくは、１つ以上の硬質インサートの各々は複合材料からなる外層を有する。例えば、複合材料層を各硬質インサートに巻きつけるようにしても良い。硬質インサートが金属のような非複合材料から形成される場合、インサートへの外部複合層の巻きつけを容易にし、かつそこにある強化リムへの硬質インサートの結合を容易にするために、硬質インサートの表面に歯や溝を設けることが好ましい。更に、硬質インサートの外面に歯や溝があることは、硬質インサートによってブレードセグメント構造に伝達される応力レベルを徐々に減らすことにもなる。
【００８０】
外シェルと内部の円材からなる構造を持つブレードでは、上述したように、ブレードセグメント中にある１つ以上の硬質インサートは、その硬質インサートと外シェルの内面との間に延びる構造複合型の上記強化リムによって、各ブレードの外シェルに接続されることが好ましい。
【００８１】
上述したように、内コアがあるブレードでは、１つ以上の硬質インサートは、組み立てられた状態のブレードにあっては隣接したブレードセグメントに接続されることになるブレードセグメントの各端部において、内コアの中に埋設されることが好ましい。硬質インサートは、内コアに埋設されることによりブレードセグメント内に支持される。更に、硬質インサートは、内コアに組み込まれかつ１つ以上の硬質インサートと外シェル内面との間を内コアを通って延びる１つ以上の複合材料強化リブによって、外シェルに接続されるかもしれない。
【００８２】
ブレードセグメントの端部を過ぎて外側に延びることが求められるインサートの延び範囲は、インサートが接続される少なくとも１つの接部材の構造に依存することになる。堅固な接続が少なくとも１つの接続部材になされるように、ブレードセグメントの端部を超えて十分な長さが設けられなければならない。
【００８３】
硬質インサートは、使用時、インサートが受ける負荷に耐えることができ、かつ前記少なくとも１つの接続部材に対して堅固な接続を提供し得る、どんな適当な硬質材料から形成しても良い。硬質インサートは金属材料から形成されることが好ましい。
【００８４】
硬質インサートは例えばロッドやビームのような形態の細長いものでも、又板状のものでも良い。インサートの断面形状や大きさは、前記少なくとも１つの接続部材の構造と、インサートと少なくとも１つの接続部材との間の接続部の性質とに依存することになる。硬質インサートに適当な断面形状にはＩ型ビームやＨ型ビームがある。
【００８５】
２つ以上の硬質インサートが接続機構に組み入れられる場合、硬質インサートは互いに同じ形態であっても良く、又異なる形態のインサート同士の組み合わせを使用しても良い。
【００８６】
好ましくは、インサートの各々の厚さは、その外端縁部の少なくとも一方に向かって減少する。これは、少なくとも１つの接続部材に接しているインサート部分の外端縁部のみならず、ブレードセグメント内に支持されたり一体化されるインサート部分の外端縁部においても特に好ましい。
【００８７】
ブレードセグメント内に支持されるインサート部分の外端縁部においてインサートの厚さが減少することに加え、或いはその代わりとして、インサートのこの部分が、少なくともその一端縁部から延びる複数の歯や突起を有しても良い。
【００８８】
本発明によるブレードの前記少なくとも１つの接続部材は、隣接したブレードセグメント間に設けられ、隣接セグメントの端部から延びる硬質インサートに対して接続されるか、或いはそのインサート周囲に接続される。その少なくとも１つの接続部材にふさわしい構造は当業者にとっては既知のものであろう。好ましい実施形態では、少なくとも１つの接続部材は少なくとも１枚の接続板を有し、それは、共に接続されることになるブレードセグメントの端部から延びる硬質インサートだけでなく、支持アームの外周端にも固定されたり、取り付けられる。特に好ましい実施形態では、少なくとも１つの接続部材は少なくとも１枚の金属製継ぎ目板を有する。
【００８９】
前記少なくとも１つの接続部材と硬質インサートの接続は、如何なる従来の手段によって達成しても良い。例えば、硬質インサートは少なくとも１つの接続部材に溶接されるかもしれないし、より好ましくは、接続機構、支持部材に硬質インサートを接続するかクランプするために、例えばナットとボルト留め具のような１つ以上の機械的な締め具を有する。これにより、装着や修理やメンテナンス作業のためにブレードセグメントを容易に組立・分解することができる。
【００９０】
前記少なくとも１つの接続部材と支持アームの外周端との接続も又、如何なる従来の手段によって達成しても良い。好ましい一例としては、支持アームと少なくとも１つの接続部材がワンピース構造を成すように、支持アームの外周端が少なくとも１つの接続部材に溶接される。しかしながら、これに代わるものとして１つ以上の機械的な締め具を上記接続を成すために使用しても良い。
【００９１】
ある好ましい実施形態では、接続機構は、硬質インサートの対向側部に接続された１組の対向接続部材を有する。この機構をもって、硬質インサートは、対向する接続部材間で堅固に固定される。場合によっては、例えばそれらの間で硬質インサートをクランプするような３つ又は４つの接続部材のように、多数の接続部材を使用することが適当となるかもしれない。
【００９２】
時として、接続機構の性質と位置によっては隣接したブレードセグメントの外面層の端部間に間隙が生じ、それによりブレードの翼面に不連続部分が生じることになるかもしれない。ある場合には、ＶＡＷＴでのブレードの使用中に、この不連続部が結果として誘起された抗力負荷と伴流のような空力的摂動をもたらし、ともするとタービンの空力性能を低めることにもなるかもしれない。このため、本発明による垂直軸風車は、ブレードセグメントの外面との組み合わせにおいて実質上連続した翼面を維持するために、更に接続機構の上とその周囲に、１枚以上の空力カバーを任意に有するかもしれない。
【００９３】
空力カバーの備えることはタービン性能にとっては有効かもしれない。何故ならカバーは接続機構の上に置かれ、出来るだけブレードの連続的な翼面を維持するのに形成されることで接続機構の空気力学的影響を回避又は減じるからである。空力カバーは又、外的環境から接続機構を保護するという追加の機能も提供するかもしれない。
【００９４】
空力カバーは、接続機構か又は接続されたブレードセグメントの端部の外面層、或いはその両方に固定しても良い。空力カバーは、ブレードセグメントの外面層と同様の表面仕上げを与える複合材料から形成しても良い。或いはその代わりとして、空力カバーを、接続機構の周りに適合するように形成された金属板から形成しても良い。
【００９５】
本発明の特に好ましい実施形態では、上述したような硬質インサートと前記少なくとも１つの接続部材を有した接続機構は、隣接したブレードセグメントを接続するために使われ、他方、上述したような対向した取り付け板を有する接続機構は、ブレードに１本以上の追加の支持アームを接続するために使われる。
【００９６】
本発明による垂直軸風力タービンの使用時、流入する風はブレードを中央マストの周りに回転させ、結果として生じる空力トルクは支持アームによって中央マストに伝達される。一般に、中央マストは各支持アームの端部に固定され、従って１枚以上のブレードの回転によって回転される。中央マストの回転は一連の軸受けを介して発電機のローター軸に伝達される。発電機と軸受機構は風力タービンのベース内に設けられ、適切な機構が当業者に知られるだろう。
【００９７】
中央マストの直径は底部からその上部にかけて減少することが好ましい。従って、マストの直径は高さに増加に伴って減少し、これは、マストの伴流効果によって生じる空気力学的損失を最小に抑える。マストによって渡されるべき機械的なトルクとマストによって経験された曲げモーメントの双方が高さの増加に伴って減少するので、マスト直径の減少が可能になる。
【００９８】
ほんの一例として、以下の図面を参照して本発明を更に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明による垂直軸風力タービンを概略的に示した図である。
【図２】図１の垂直軸風力タービンの上面図である。
【図３ａ】図１及び図２に示す垂直軸風力タービンの隣接するブレードセグメントと支持アームとの間のブレード接続機構の概略的部分縦断面図である。
【図３ｂ】図１及び図２に示す垂直軸風力タービンにおいて、追加の支持アームをブレードに接続するための取り付け機構の概略的部分横断面図である。
【図４ａ】本発明による垂直軸風力タービンのための４つの選択的ブレード形状の中の一つを、仮想のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を基準にして概略的に示した図である。
【図４ｂ】本発明による垂直軸風力タービンのための４つの選択的ブレード形状の中の一つを、仮想のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を基準にして概略的に示した図である。
【図４ｃ】本発明による垂直軸風力タービンのための４つの選択的ブレード形状の中の一つを、仮想のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を基準にして概略的に示した図である。
【図４ｄ】本発明による垂直軸風力タービンのための４つの選択的ブレード形状の中の一つを、仮想のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を基準にして概略的に示した図である。
【図５ａ】図４ａに示した各ブレード形状の各上面図である。
【図５ｂ】図４ｂに示した各ブレード形状の各上面図である。
【図５ｃ】図４ｃに示した各ブレード形状の各上面図である。
【図５ｄ】図４ｄに示した各ブレード形状の各上面図である。
【図６】図１に示された風力タービンの１ブレードを形成するのに使用されるねじれブレードセグメントの概略的に示した図である。
【図７】図１の風力タービンのベースを通る概略的拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０１００】
図１に概略的に示される風力タービン１０は、中央の回転マスト１２と３枚の同一ブレードを有する垂直軸風力タービンであって、ブレードについては各ブレード１５の先端が角度的に１２０度（α）毎に隔置されるように中央マストの回りに各ブレードが１２０度毎に延びている。これは、螺旋形に近いブレード形状を提供する。ブレード１４は、組み合わせた状態においてブレード１４が中央マスト１２の周囲３６０度に亘って延びるように等間隔で隔置される。各ブレード１４の上方先端は、隣接したブレードの下方先端にほぼ一致する角度位置を有することで、それらの先端を除いてブレード１４間に重複する部分はない。
【０１０１】
図１に示したように、中央マストは接続されたマスト部分から成る。各マスト部分は実質上一定の直径を有するが、あるマスト部分はそれより下側のマスト部分より小径となるように、マスト部分の直径は高さ増加に伴って減少する。隣接したマスト部分は、マスト上で連続的な外形を維持するために隣接したマスト部分の直径間で変化する直径を有した円錐台形のリング部材によって互いに接続される。これは応力集中を最小限にすると共に、マストの長さ方向に沿った、例えば慣性や断面のようなマストの機械的特性の急変を回避する。
【０１０２】
各ブレード１４は隔てられた４本の支持アームによって中央の回転マスト１２に接続される。支持アーム１６は、中央の回転マストから実質上水平方向に延び、ブレードは支持アームの外周端に据え付けられる。中央マスト１２周りのブレード１４の配置により、各ブレード１４の支持アーム１６は、垂直方向だけでなく中央マスト周囲の角度方向約４０度毎に隔置される。中央マストの夫々の垂直レベルにおいて、各ブレードから１本ずつ、３本の支持アームが存在し、それらは１２０度ずつ均等に隔置される。図２は、支持アームの配置を見えるようにしたタービン１０の上面図である。
【０１０３】
ブレード１４の各々は、接続された３つのブレードセグメント、即ち上方ブレードセグメント１４ａ、中央ブレードセグメント１４ｂ及び下方ブレードセグメント１４ｃから構成される。ブレードセグメント１４ａ、１４ｂ、１４ｃはお互い同様の長さと断面を有し、夫々は、ウレタンフォームから成る内側フォーム・コア２４と、全重量を最小限に抑えつつブレードセグメントに高い機械的特性を与えるために、炭素繊維を含むこともあり得るガラス繊維強化エポキシ樹脂複合材料から成る多重上層２６とから構成される。
【０１０４】
各ブレードセグメント１４ａ、１４ｂ、１４ｃは実質上一定の断面形状を有し、それは従来のような空気力学的“ティアドロップ”や空気力学的“翼”の形態となる。図６に概略的に示されるように、各ブレードセグメントは全長に亘って実質上ストレートであるが、中央マスト１２周りでブレード１４が回転している間、翼横断面での前縁と後縁を繋ぐ線が、ブレードセグメント長さ方向の如何なる地点においても、翼横断面によって描かれる軌道に対して接線方向になるように、一直線な長手方向ねじれ軸周りで約４０度ねじれた状態にある。
【０１０５】
ブレードセグメントは互いに対してある角度を成して夫々の長手軸と接続することで、ブレード１４は図１に示されるに中央マスト１２の周りで１２０度毎に延びる。
【０１０６】
隣接したブレードセグメント同士は、接続機構２２ａ、２２ｂによって一括して接続される。第１の接続機構２２ａは、上方ブレードセグメント１４ａの端部と中央ブレードセグメント１４ｂの端部との間に設けられ、他方第２の接続機構１４ｂは、中央ブレードセグメント１４ｂの端部と下方ブレードセグメント１４ｃの端部との間に設けられる。第１の接続機構２２ａと第２の接続機構２２ｂはお互い同じ構造からなり、以下の接続機構２２ａの説明は接続配置２２ｂにも等しく当てはまる。
【０１０７】
図３ａは、上方ブレードセグメント１４ａと中央ブレードセグメント１４ｂの間の接続機構２２ａの概略的縦断面を示している。接続機構２２ａは、上方ブレードセグメント２０ａの下端から延びる第１の金属インサート２８ａ、中央ブレードセグメント２０ｂの上端から延びる第２の金属インサート２８ｂ、及び細長い金属ビーム２８ａ、２８ｂの端部同士を接続する金属継ぎ目板３０を有する。金属インサート２８ａ、２８ｂの各々は、対応するブレードセグメント１４ａ又は１４ｂの端部にあるフォーム・コアに埋め込まれた金属ロッド又は金属板の形態を成し、各ブレードセグメントの端部を超えて少しの距離だけ延びた状態にある。金属インサート２８ａ、２８ｂの延伸端は継ぎ目板３０にボルト付けされる。
【０１０８】
図２に示されるように、中央ブレードセグメント１４ｂと下方ブレードセグメント１４ｃの間の支持アームも、追加の取り付けボルト（図示せず）や溶接継手によって継ぎ目板３０に接続される。この支持アーム１６は、接続機構２２ｂの中の継ぎ目板にも同様に接続される。
【０１０９】
上・下方支持アーム１６は、隣接するセグメント間の継手から離れた位置において上方ブレードセグメント１４ａ及び下方ブレードセグメント１４ｃに接続され、これらの支持アームのために、図３ｂに示した取り付け機構１２２が使用される。図１から明らかなように、上・下方支持アームは、ブレード１４の先端部から距離をおいて上・下方ブレードセグメント１４ａ、１４ｃに接続される。しかしながら、上方支持アームは中央マスト１２の上端に設けられるため、各ブレード１４は、マスト１２の上、少しの距離分だけ延びた状態にある。
【０１１０】
上・下方支持アーム１６各々のためのブレード取り付け機構１２２は、支持アーム１６の外周端に取り付けられた第１の取り付け板１２８を有する。その第１取り付け板１２８は金属材料からなり、支持アーム１６の端部に溶接される。第１取り付け板１２８は、中央マスト１２に最も近く位置するブレードのより平らな表面上で、ブレード１４の外面に接触する。
【０１１１】
第２の取り付け板１３０は、中央マスト１２から最も遠いブレード１４の反対側の平面に接する形でブレード断面の反対側に設けられる。その第２取り付け板１３０は、第１取り付け板１２８と同一であると共に、ブレード１４に向けてそれらの内面を内側に向けた状態で、両取り付け板が実質上平行に向かい合うように位置決められる。
【０１１２】
第１取り付け板１２８と第２取り付け板１３０は矩形状であり、各板の外端縁部は、板厚が端縁部において減少するように勾配が付けられている。両取り付け板の内面は湾曲しておりその結果、各板の内面はブレード１４の外面に実質的に追随している。このことは、各プレートとブレード表面の間の接触面積を最大にする。
【０１１３】
隔置された１組のボルト締め具１３２が、第１取り付け板１２８と第２取り付け板１３０の間に延び、ブレード１４に開けられた孔を通過する。そのボルト締め具１３２は、第１取り付け板１２８と第２取り付け板１３０がそれらの間にブレード１４をクランプするように締め付けられる。
【０１１４】
ブレード取り付け機構１２２の領域では、内側のフォーム・コア２４は１組のリム１２４の間で高密度フォーム１３４から形成され、各リムはブレードの外シェル２６の対向する側部間に延び、ブレードに更なる補強を提供している。外シェル２６にも補強目的のために、ブレードの他の部分と比較して、複合材料からなる追加の層が設けられる。
【０１１５】
図３ｂでは部分的断面だけを示しているが、取り付け板はブレードのより平らな表面の一部だけを覆い、前縁と後縁は両方とも十分に露出された状態にあることは明らかである。
【０１１６】
図４ａ〜４ｄは、中央マスト周りのブレードの角度範囲を変えた選択的ブレード形状を示している。これら異なる形状の上面は、図５ａ乃至５ｄに夫々示されている。夫々の場合において、隣接するブレードセグメント同士は上述した接続機構を用いて接続されるかもしれない。
【０１１７】
図４ａ及び図５ａでは角度αは０度であり、その結果、ブレードは中央マスト周りでは全く延びておらず、実質上垂直方向に延びる。この形態においてはブレードセグメントは上述したようにねじられる必要性がない。
【０１１８】
図４ｂ及び図５ｂでは角度αは６０度であり、その結果、各ブレードの先端は、６０度ずつ角度的に隔置される。ブレードは、中央マストや中心軸の周りで等間隔で隔てられ、どのブレード間にも重複部分はない。
【０１１９】
図４ｃ及び図５ｃでは角度αは９０度であり、各ブレードは均等に隔置されており図４ｂにようにどのブレード間にも重複部分はない。
【０１２０】
図４ｄ及び図５ｄでは角度αは１５０度であり、各ブレードは均等に隔置されており、１つのブレードの上方先端と隣接したブレードの下方先端との間には約３０度の重複部分が存在する。
【０１２１】
使用中に、ここに流入する風はブレード１４を中央マスト１２周りに回転させ、空力トルクは支持アーム１６を介して中央マスト１２に伝達される。中央マスト１２は、図７に示すように発電機５０を備えたタービンのベース部１８に据え付けられる。中央マスト１２の回転は、上方の軸受箱５４内にある上部ラジアル軸受及び上部スラスト軸受と、下方の軸受箱５６内にある下部ラジアル軸とを有した図７のベアリング機構を使用した発電機のローター５２に伝達される。各軸受５４、５６は夫々、内・外ケースを備えており、それらはローター・ステータ間の電気的絶縁を確実にする複合又はプラスチック又は絶縁剛体層によって分離されている。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年5月29日(2013.5.29)
【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】
実質上垂直な中央マストと、
夫々が上方先端と下方先端を有し、さらに接続された２つ以上のブレードセグメントを有し、夫々は長手方向軸線と翼横断面によって特徴付けられる１枚以上のブレードであって、隣接するブレードセグメントの各端部は、前記隣接ブレードセグメント間に設けられる接続機構によって共に接続され、各ブレードは、ブレードの上方先端と下方先端が前記中央マスト周りで０度より大きい角度αで互いに角度的に変位するように、中央マストの周りに延びて形成される、前記１枚以上のブレードと、
前記中央マストから外側に延びる少なくとも１本の支持アームであって、各支持アームの外周端はその当該ブレードの接続機構を介して前記ブレードの１つに接続されるような、前記少なくとも１本の支持アームと、
前記中央マストから外側に延びる１本以上の追加支持アームであって、各々が、１ブレードセグメントの各遠位端の間のある位置において前記ブレードの１つに接続されるような前記追加支持アームとを有することを特徴とする垂直風力タービン。
【請求項２】
各ブレードセグメントの長手方向軸線は実質上一直線であることを特徴とする請求項１に記載の垂直風力タービン。
【請求項３】
各ブレードセグメントの長手方向軸線は湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の垂直風力タービン。
【請求項４】
前記角度αは６０度と１８０度の間にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【請求項５】
隣接したブレードセグメントの各長手軸線が水平面と鉛直面の双方において、互いに対して４５度未満の角度を成すように、隣接したブレードセグメントが接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【請求項６】
前記ブレードセグメントは、１枚以上のブレードが螺旋状の刃の形に近づくように配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【請求項７】
各ブレードセグメントは、前記中央マスト周りでブレードが回転している間、前記翼横断面における前縁と後縁を繋ぐ線が、ブレードセグメント長さ方向の如何なる地点においても、翼横断面によって描かれる軌道に対して接線方向となるように、一直線の長手方向ねじれ軸周りにねじられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【請求項８】
各ブレードは、第１接続機構と第２の接続機構によって互いに接続された３つの接続ブレードセグメントから形成され、前記タービンは、前記第１接続機構と第２接続機構に夫々接続されかつ前記中央マスト周りに角度的に隔てられる、少なくとも第１支持アーム及び第２支持アームを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【請求項９】
各ブレードは、それぞれがその各遠位端の間のある位置において上方ブレードセグメントに接続された上方追加支持アームと、その各遠位端の間のある位置において下方ブレードセグメントに接続された下方追加支持アームとによって支持されていることを特徴とする請求項８に記載の垂直風力タービン。
【請求項１０】
前記中央マストの直径は、その底部から上部にかけて減少していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の垂直風力タービン。
【国際調査報告】
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