(57)【要約】【課題】大規模化させ，投資費用を低下させ，発電収益を増加させることができる風車を提供する。【解決手段】風車はファンの翼アセンブリを多数含み、ファンの翼アセンブリはそれぞれ上述のファンの翼の中心軸２を備える。ファンの翼の中心軸２の２つの端部にはそれぞれコネクター２１が設けられている。多数の羽根１のアセンブリはファンの翼の中心軸２から両方向に伸び、羽根１のアセンブリは多数の羽根１から構成される。ファンの翼アセンブリの上下にはそれぞれ回転シャフト１３，１４が配置される。回転シャフト１３，１４には駆動モータ３１，３２がそれぞれ設けられており、これによって回転シャフト１３，１４が多数の羽根１の回転を制御する。回転シャフト１３，１４はその外側において水平方向に伸びる保護用ロッド１５，１６をそれぞれ備えている。羽根１はファンの翼の中心軸２から遠い端部において曲面状の延長面１１を備える。【選択図】図１
2010538209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれの頂部に積み重ねられるファンの翼アセンブリを複数備える、大規模で、安全で、高効率な風車であって、
前記ファンの翼アセンブリそれぞれはファンの翼の中心軸を有し、
前記ファンの翼の中心軸は、その２つの端部において、動力を伝達するために上下のファンの翼アセンブリを連結するコネクターを有し、
前記ファンの翼の中心軸にはその両側から伸びる羽根のアセンブリが複数設けられ、
前記ファンの翼アセンブリの上下には回転シャフトが１つずつ設けられ、
前記回転シャフトには、該回転シャフトが複数の羽根の回転を制御できるようにする駆動モータが備えられるとともに、外側に前記羽根のアセンブリからの風力エネルギーを前記ファンの翼の中心軸に集めるための水平な保護用ロッドが設けられ、
前記風車の頂部には風向羽根が設けられ、
該風向羽根はファンの翼の回転をコントロールすることができ、
前記羽根は前記ファンの翼の中心軸から遠い端部において曲面状の延長面を備え、
該延長面は前記羽根に対して１８〜２０度の角度を有する
ことを特徴とする大規模で、安全で、高効率な風車。
【請求項２】
請求項１記載の風車において、
前記風車はさらに、前記コネクターから垂直なＨ形支柱又はＨ形横梁のように伸びるフレームを有し、
該フレームの基部は、前記ファンの翼アセンブリが無い部分に補強の垂直支柱と水平梁を有し、
前記フレームの頂部には羽根に雪が堆積するのを防ぐ屋根が設けられている
ことを特徴とする大規模で、安全で、高効率な風車。
【請求項３】
請求項１記載の風車において、
前記風車はさらに、最下層の前記ファンの翼の中心軸に枢動可能に取り付けられたギアボックスにより駆動される複数の発電機を有する発電装置を備え、
前記ギアボックスは、電力を生み出す発電機のどれか１つにもしくは同時に複数に、風の強さに応じて動力を伝える
ことを特徴とする大規模で、安全で、高効率な風車。
【請求項４】
請求項１記載の風車において、
前記複数の上下の羽根の間に垂直連結ロッドが備えられており、
該垂直連結ロッドは、風力を前記ファンの翼の中心軸に集中させるため、羽根からの動力を上下の前記保護用ロッドに集める
ことを特徴とする大規模で、安全で、高効率な風車。
【請求項５】
請求項４記載の風車において、
前記垂直連結ロッドは複数の突起部を備え、
羽根が垂直又は水平な状態で回転する場合に、前記羽根のすべての端部が前記突起部上に置かれて固定可能なように、前記羽根は前記突起の端部において軸方向に取り付けられる
ことを特徴とする大規模で、安全で、高効率な風車。
【請求項６】
請求項４記載の風車において、
前記垂直連結ロッドは内側に複数のディスクを備え、
該ディスクはプッシュロッドによって直接又は間接的に前記上下の回転シャフトに連結され、各ディスクが他のプッシュロッドによって対応する前記羽根のアセンブリへ伸びており、
前記回転シャフトが同時に複数の羽根の回転を駆動させることが可能となる
ことを特徴とする大規模で、安全で、高効率な風車。
【請求項７】
請求項１記載の風車において、
前記風向羽根は扇形の制御装置に繋がっており、
前記扇形の制御装置の回転軌道内において前記羽根のアセンブリが配置される場所にマイクロスイッチが設けられ、
前記風向羽根が風の方向に回転する場合、前記扇形の制御装置は適切な位置にある前記マイクロスイッチと接触し、
前記マイクロスイッチは、羽根の回転を調整するために前記駆動モータを制御するリレーを作動させる
ことを特徴とする大規模で、安全で、高効率な風車。
【請求項８】
請求項１記載の風車において、
前記風向羽根は風速スイッチに連結されており、
該風速スイッチは扇形の制御ディスクに連結され、
前記扇形制御ディスクの回転軌道内に複数のマイクロスイッチが設けられ、
風の強さが変化する場合に、前記扇形の制御装置が適切な位置にある前記マイクロスイッチと接触することが可能であり、
前記マイクロスイッチは、羽根の回転を調整するために前記駆動モータを制御するリレーを作動させる
ことを特徴とする大規模で、安全で、高効率な風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、大規模で、安全で、高効率な風車に関する。詳細に言えば、発電のための大容量の風力を捉えるために風車を大規模化することが可能となる風車の構造に関し、これによって、風力を安全にかつ長期間捉える一方で、投資費用を減少させ、発電収益を増加させることができる。
【背景技術】
【０００２】
参考発明として後述する中国特許ZL96120092.8号において従来技術が記載されている。参考発明の技術は、例えば不安定なエネルギー出力，不十分な安全性，高コストといった従来の風力システムの欠点を解決する点にある。それ故、参考発明は小さな面積の羽根のアセンブリを多数用いて風力エネルギーを集め、それらを中心軸に集中させる。加えて、その重さや振動といった風車システムの有害な要素が多数の羽根に均等に分配され、圧力の一点集中により生じるダメージを避けることができる。さらに、参考発明は、風車の羽根の風上に位置する面が垂直となるよう羽根を調節し、風上に位置する領域を最大化する。参考発明は、風に直面しない風車の羽根を調節して羽根が水平となるようにし、抵抗を最小化する。参考発明に係る改良された風車の構造は、上述の構成をさらに強風や積雪から守るための多数の設計によって補完されて構成される。
【０００３】
しかしながら、参考発明の設計はまだ完璧ではない。参考発明は更なる改良を必要とする欠点をまだ有している。第一に、参考発明のフレームは鋼の梁と柱を備えるが、これは風車の羽根の回転面の影響によって制約されたものであり、構造的にはまだしっかりとしていない。特に、大規模な風車においては、風車の羽根がある一定の高さで設けられた場合、風力の影響に加えて、その自重で構造が不安定となり、損傷を受ける可能性が高まる。さらに、参考発明の羽根の設計は従来のままであり、風力を効果的に集めることができず、むしろ風力をあらゆるところへ分散させてしまうため、エネルギーを浪費してしまう。加えて、参考発明は適切な駆動機構を備えておらず、すべての羽根が中心から外に向かって回転するよう制御される。したがって、大規模な風車が配置された場合、風車の羽根が外側に向かって離れれば離れるほど、風車を駆動させるのが困難になる。さらに、参考発明の風車の羽根は適切に固定されていない。その結果、風が比較的強くなると、羽根がぐらついたり、他の望ましくない現象が起こる可能性がある。これによって、風車のエネルギー効率が低下したり、より大規模な風車を建設する障害となっている。
【０００４】
このように、上記参考発明及び他の従来技術が改善を要する欠点を有することは明らかである。上記欠点を考慮して、本願の発明者は改善に取り掛かり、ついに本願において提案される大規模で、安全で、高効率な風車を開発した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】中国特許ZL96120092.8号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明の主目的は、風車を大規模化させ，投資費用を低下させ，発電収益を増加させることができる、大規模で，安全で，高効率な風車を提供することにある。
【０００７】
本願発明の別の目的は、風車のシステムの安全性を大幅に向上させ、人員や材料への要求を大幅に引き下げる、大規模で，安全で，高効率な風車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的のうちの１つを成し遂げることができる大規模で，安全で，高効率な風車は、全体として、それぞれの頂部に積み重ねられるファンの翼アセンブリを複数備える。ファンの翼アセンブリそれぞれはファンの翼の中心軸を有する。このファンの翼の中心軸の２つの端部には、動力を伝達するために上下のファンの翼アセンブリを連結するコネクターが設けられ、最終的に、基部に配置され、電力を生ずる発電機に対し動力が伝えられる。これらのコネクターからＨ形支柱又はＨ形横梁が伸びている。加えて、ファンの翼アセンブリが無い場合風車の基部には補強の垂直支柱が設けられ、またフレームの頂部には羽根に雪が堆積するのを防ぐ屋根が設けられている。さらに、複数の羽根のアセンブリがファンの翼の中心軸から両側に向かって伸びる。羽根は、ファンの翼の中心軸から遠い端部において、羽根に対して１８〜２０度の角度となるような曲面状の延長面を備える。ファンの翼アセンブリの上下には回転シャフトが設けられている。回転シャフトには駆動モータが備えられており、これによって回転シャフトは複数の羽根の回転を制御することができる。回転シャフトの外側には水平な保護用ロッドが備えられており、また、複数の上下の羽根の間には垂直連結ロッドが備えられている。ファンの翼アセンブリからの風力エネルギーをファンの翼の中心軸に集めるため、水平連結ロッドは羽根からの動力を上下の水平な保護用ロッドに集める。加えて、風車の頂部には風向羽根が設けられている。この風向羽根には風速スイッチが連結されている。最適な風力エネルギー効率を得るため、風向羽根は種々の風向や風力に応じて羽根の回転を変えることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本願発明は、発電に用いる大量の風力を得るために風車のサイズを大きくする、大規模で，安全で，高効率な風車を提供する。本発明によって、投資費用が低下するとともに、長期間に渡って風力を安全に維持することが可能であるにも関わらず発電収益が増加する。本願発明は風力発電技術に効果的に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は本願発明の立体図である。
【図２】図２は本願発明の側面図である。
【図３】図３は本願発明のファンの翼アセンブリの構造図である。
【図３Ａ】図３Ａは本願発明の風向羽根の構造図である。
【図４】図４は本願発明に係る風車の羽根の回転制御構造の図である。
【図５】図５は本願発明に係る風車の羽根の動力伝達及び安全構造の図である。
【図６】図６は本願発明における羽根の揚力の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１〜３を参照されたい。本願発明は大規模で、安全で、高効率な風車を提供する。本願発明は拡張性のある構造を有しており、拡張する工程において、多数の羽根１からなる１つの層を他の層の頂部に積み重ねていく。羽根１の数を増やすことにより、風上に位置する領域が増える。もしくは、同時に両側に羽根の１セクション分を追加して、構造の中央において垂直に配置されるファンの翼の中心軸２から両側までの羽根１のアセンブリの直径を大きくすることにより、風上に位置する領域が増える。これらの取り組みの積み重ねが結果として（10000平方メートルのような）巨大な領域を生じさせ、これによって羽根１から取り込まれた風力エネルギーを、電力を発生する発電機８２を駆動する地上のギアボックス８１に向かって伸びる同じファンの翼の中心軸２に集中させる。上述の巨大な領域の構造が回転する場合に、破壊的な力となるかもしれない生み出されるぐらつきや振動が構造全体に対して均等に拡散され、一点に集中することが無い。それ故、風車を大規模にしても非常に安全であり、ファンの翼の中心軸２の上部と下部との関係はトルク及び速度を伝達することだけである。上階層の羽根１の重さが下階層の羽根１にかかることがないため、上階層の羽根１の重さが下階層のファンの翼の中心軸２への負荷となることがない。
【００１２】
以下詳細に説明する。風車はファンの翼アセンブリを多数含む。ファンの翼アセンブリはそれぞれ上述のファンの翼の中心軸２を備える。ファンの翼の中心軸２の２つの端部にはそれぞれコネクター２１が設けられており、このコネクター２１によって上下のファンの翼アセンブリが繋がり、動力を伝達することが可能となる。加えて、多数の羽根１のアセンブリはファンの翼の中心軸２から両方向に伸びている。羽根１のアセンブリは多数の羽根１から構成される。ファンの翼アセンブリの上下にはそれぞれ回転シャフト１３，１４が配置されている。回転シャフト１３，１４には駆動モータ３１，３２がそれぞれ設けられており、これによって回転シャフト１３，１４が多数の羽根１の回転を制御することが可能となっている。回転シャフト１３，１４はその外側に水平方向に伸びる保護用ロッド１５，１６をそれぞれ備えており、この保護用ロッド１５，１６によって羽根１のアセンブリからのエネルギーがファンの翼の中心軸２に集まるようになっている。加えて、風車の頂部には風向羽根４が設けられている。この風向羽根４によって羽根１の回転が制御される。
【００１３】
羽根１は拡張性のある安全構造により支持されており、この安全構造は図１に示すようにさらにフレームを含む。このフレームは、Ｈ形支柱５１又はＨ形横梁５２のようにコネクター２１から伸びている。その基本構造は、地表から最上部まで一度に一区画ずつ高くなる４つのＨ形支柱５１と，コネクター２１から伸び、Ｈ形支柱５１に連結するＨ形横梁５２とから構成される。
【００１４】
構造を強化するために、ファンの翼アセンブリが無い部分には、垂直支柱５３と，垂直支柱５３と相互に水平に連結される水平梁５４とを用いてフレームの基部の構造的根幹としての役割を果たすＨ形支柱５１が強化される。加えて、フレームの頂部には、羽根に雪が堆積するのを防ぐため、支持支柱５６と屋根５５が設けられている。
【００１５】
前述の発電機８２は、最下層のファンの翼の中心軸２に対して軸方向に設けられるギアボックス８１により駆動される複数の発電機からなる発電装置とすることができる。このギアボックス８１は、風力の強さに応じて、発電機８２のどれか１つもしくは同時に複数に動力を伝える。
【００１６】
加えて、図３に示すように、Ｈ形支柱５１とＨ形横梁５２とから成る構造の中で回転する垂直方向に伸びるファンの翼の中心軸２の各区画には、その左右両側において、左右対称の羽根１のアセンブリユニットが固定されている。図６に示すように、左右の羽根１は互いに直角をなす。上下に配置され、水平方向に伸びる保護用ロッド１５，１６は、ファンの翼アセンブリそれぞれを支持し、羽根１のアセンブリを安定させる。
【００１７】
羽根１の直径は羽根１を追加することによって１増分ずつに大きくなる。その安全構造は次の通りである。
（１）羽根１が受けた風力エネルギーを伝達するため、上下に配置され、水平方向に伸びる保護用ロッド１５，１６の間に垂直連結ロッド１７が設けられる。
（２）図５に示すように、垂直連結ロッド１７は、羽根と同じ数（例えば５つ）の突起部１８を備える。羽根１は突起部１８の端部に軸方向に装着されている。
（３）突起部１８は先端において羽根１の回転軸１２に連結されている。羽根１が水平な場合には、羽根１を水平位置に安定させるため、突起部１８の水平な部分が羽根１の背面を支持することができる。羽根１が垂直な場合には、同じように突起部１８の垂直な部分が羽根１の垂直な部分を支持することができ、振動を防ぐことができる。
【００１８】
前述の分析を通じて示されるように、小さな羽根１それぞれが風力エネルギーを取り込んだ後、生み出された力が、羽根１の２つの端部から、そしてその後連結された垂直連結ロッド１７から上下の保護用ロッド１５，１６に伝達される。これら上下の保護用ロッド１５，１６は、羽根１のアセンブリによって生み出された力を集め、ファンの翼の中心軸２に集中させる。左右の小さな羽根１は風力エネルギーを集めることだけに関与するため、羽根１は相互に影響し合わない。すなわち、ファンの翼の中心軸２近傍の羽根１は、外側の羽根１によって集められた風力エネルギーの伝達には関与しない。それ故、羽根１のアセンブリは大規模化することができ、全体構造がより安全となる。加えて、一番上の羽根１のアセンブリ上にはカバー２５が取り付けられる。羽根１が動作し続けられるように、カバー２５によって雪の堆積から守られる。
【００１９】
加えて、図３，４に示すように、風向羽根４は扇形の制御装置４１に連結されている。マイクロスイッチ４２が羽根１のアセンブリには設けられており、扇形の制御装置４１の回転軌道内に配置される。これらマイクロスイッチ４２は接触センサ又は光センサによって駆動させることができる。本実施形態においては、羽根１の回転を正確に制御するため、十字の羽根１に対応するよう位置決めされた４つのマイクロスイッチ４２が設けられている。風向羽根４が風で回転するとき、扇形の制御装置４１は対応する位置にあるマイクロスイッチ４２を作動させる。これらのマイクロスイッチ４２はリレー３３，３４を作動させて駆動モータ３１，３２を制御し、この駆動モータ３１，３２が羽根１のアセンブリの風上側面が垂直に、他方の面が水平になるよう羽根１の回転を調整する。
【００２０】
風向羽根４は風速スイッチ６にも接続されている。風速スイッチ６は扇形の制御ホイール６１に接続されている。扇形の制御ホイール６１の回転軌道に沿って多数のマイクロスイッチ６２が設けられている。風力が増大すると、扇形の制御ホイール６１が、適切な位置に位置決めされたマイクロスイッチ６２を作動させる。マイクロスイッチ６２はリレー３３を作動させて駆動モータ３１の逆回転制御を引き起こし、これによって羽根１の回転を調節する。駆動モータ３２は変化の無いままであり、その結果、風上に位置する羽根１のアセンブリの羽根１うちのいくつかが水平となる。これにより、羽根１の風上側に位置する面の領域が減り、ファンの翼の中心軸２の回転速度は安全な範囲内に保たれる。
【００２１】
図３，５にさらに示されるように、上述の各駆動モータ３１，３２がそれぞれ異なる数の羽根１を制御するように、羽根１のアセンブリの最上部及び最下部はそれぞれ駆動モータ３１，３２により制御される。例えば本実施形態においては、上部の駆動モータ３１が２組の羽根，下部の駆動モータ３２が３組の羽根の回転を制御する。加えて、上下の駆動モータ３１，３２は別々に制御することができる。上記駆動モータ３１を例に取れば、駆動モータ３１はプッシュロッド７１によって（ファンの翼の中心軸２内に設けられる）水平方向の回転シャフト２２を９０度押す。この水平方向の回転シャフト２２によって、回転盤２３が駆動されるとともに、プッシュロッド７２を介して回転盤２３が前述の保護用シャフト１５内で回転シャフト１３を９０度押す。
【００２２】
図５にさらに示されるように、プッシュロッド７３，７４によって、回転シャフト１３，１４は、２本の垂直連結ロッド１７に固定された複数の回転盤２４を９０度押す。回転盤２４はまた、プッシュロッド７５によって羽根１を９０度回転させる。それ故、上下２本の回転シャフト１３，１４はそれぞれ異なる数の羽根１の回転を別々に制御する。その結果、羽根１のアセンブリのうち風上側は垂直であり、他方は水平となっている。
【００２３】
図６を参照されたい。本願発明に係る風車の羽根１は高効率な構造を備えている。前述の羽根１が風によって動くときには、羽根１は垂直の状態にあり、風力エネルギーを取り入れる、そして風上に位置する面がないときには、羽根１は水平の状態にあり、風による抵抗を減らするということに加えて、羽根１はファンの翼の中心軸２から遠い端部において曲面状の延長面１１を備える。この延長面１１は羽根１に対し１８〜２０度の角度を有する。これによって、延長面１１はさらなる力を生み出し、羽根の風力エネルギーの取り込み効率を大幅に高めることができる。図１も参照されたい。本願発明に係る羽根１のアセンブリの（上面における）交差の形は、ちょうど４つの単位に分割される。図６に示されるように、ある単位の羽根１が風向Ａと直角（９０度）をなし、風力エネルギーを受け、後方回転する場合、羽根１の遠い端部において１８〜２０度の角度が付けられた延長面１１を、逃げていく風力エネルギーＦが流れる。このとき逃げていく風力エネルギーＦは延長面１１対して効果的にぶつかり、後方回転する力を生み出すことができる。空気力学においてはこの力を「揚力」と呼び、羽根の動く方向Ｒは風向Ａに対して９０度の角度をなす。
【００２４】
従来の風力発電器Ｐにおける風向Ａと比較して、延長面１１によって生み出され得た揚力は、最適な曲面Ｐ１と完全に同じである。上記の分析は以下の通りである。羽根１のアセンブリそれぞれが風向Ａに対して９０度の角度にあって、後方に移動する場合、延長面１１に沿って逃げていく風力エネルギーＦが増大する一方で、垂直な状態にある風上側の面が徐々に減っていく。風向Ａに対する角度が１３５度の場合に基づいて分析し、計算することが可能である。これにより以下の方程式が与えられる。
ａ．Ｗ＝風車の風力エネルギーの合計（風車の高さ×風車の幅）
ｂ．１／４Ｗ＝風車の羽根１のアセンブリ１つの風力エネルギー
４つの単位のアセンブリのため、Ｗの１／４となる
ｃ．１／４Ｗ×cos45°＝０．１７６７７６７Ｗ（逃げていく風力エネルギーＦ）
ｄ．上述の逃げていく風力エネルギーＦ＝０．１７６７７６７Ｗと、そして全数量が揚力を生み出す延長面１１を通過すると仮定すると、以下の力が生じ得る。
（１）風向Ａに対して１８〜２０度の角度を有する延長面１１によって生じ得る最大揚力；揚力係数は１．８
（２）揚力は羽根１の遠い端部に位置する延長面１１により生じる。羽根１単位で全体（回転シャフトの中心に最も近い羽根１から最も遠い羽根１まで）に均等に分配されたこの力と比較すると、揚力を倍（×２）にすることが可能である。
（３）上述の逃げていく風力エネルギーＦが延長面１１を通り過ぎる場合、逃げていく風力エネルギーＦが生み出す揚力は０．１７６７７６７Ｗ×１．８×２＝０．６３６３９６１２Ｗという最大値をとることができる。
【００２５】
上述の第二象限にある羽根１のアセンブリが風向Aに対して１３５度の角度にある場合、羽根１のアセンブリは第一象限において風向Aに対して４５度の角度になるであろう。その風力エネルギーは１／４×sin45°＝０．１７６７７６７Wである。第一及び第二象限の羽根のアセンブリ単位による風力エネルギーの合計は０．８１３１７２８２Wであり、これは従来の風力発電機Pによって取り込まれる風力エネルギーの最大値である０．５９３Wを超える。
【００２６】
本願発明に係る実施可能な実施形態の詳細な説明は上記の通りである。本願発明の範囲を制限することは本実施形態の目的ではない。本願発明の技術から外れない関連するすべての実施の形態及び修正は、本願発明の範囲に含まれるべきである。
【符号の説明】
【００２７】
１  羽根
２  ファンの翼の中心軸
４  風向羽根
６  風速スイッチ
１２  回転軸
１３，１４  回転シャフト
１５，１６  保護用ロッド
１７  垂直連結ロッド
１８  突起部
２１  コネクター
２２  回転シャフト
２３，２４  回転盤
２５  カバー
３１，３２  駆動モータ
３３，３４  リレー
４１  扇形の制御装置
４２  マイクロスイッチ
５１  Ｈ形支柱
５２  Ｈ形横梁
５３  垂直支柱
５４  水平梁
５５  屋根
５６  支持支柱
６１  扇形の制御ホイール
６２  マイクロスイッチ
７１，７２，７３，７４，７５  プッシュロッド
８１  ギアボックス
８２  発電機
Ａ  風向
Ｆ  逃げていく風力エネルギー
Ｐ  従来の風力発電機
Ｐ１  最適な曲面
Ｒ  羽根の動く方向
【図１】
2010538209.tif 000003
【図２】
2010538209.tif 000004
【図３】
2010538209.tif 000005
【図３Ａ】
2010538209.tif 000006
【図４】
2010538209.tif 000007
【図５】
2010538209.tif 000008
【図６】
2010538209.tif 000009
【国際調査報告】
2010538209.tif 000010
2010538209.tif 000011
2010538209.tif 000012
2010538209.tif 000013
2010538209.tif 000014
2010538209.tif 000015
2010538209.tif 000016