(57)【要約】  塔柱（１）と、少なくとも１つの発電機単位（２）、少なくとも２枚のブレード（３）、励磁制御装置（１６）、回転整流装置（１７）、双方向インバータ（１５）、フランジ（７〜１３）、軸受（４〜６）、冷却システム、クレーン（８０）及び昇降システムを備える垂直風力発電装置である。発電機単位（２）は支柱（２０１）、発電機（２０２）及び励磁器（２０３）を備える。支柱（２０１）は外支柱（２０１１）と内支柱（２０１２）とを備える。発電機（２０２）は固定子（２０２１）と回転子（２０２２）とを備える。励磁器（２０３）は固定子（２０３１）と回転子（２０３２）とを備える。この垂直風力発電装置は、少ないコストで製造でき、速く起動でき、風力の利用率が向上することができ、発電機（２０２）に対する冷却効果が優れ、且つ実用寿命を延長させることができるため、修理コストと修理時間を低減させる。【選択図】図１
2012533276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
塔柱と、１つ以上の発電機単位と、２枚以上のブレードとを含んでいる垂直風力発電装置であって、
前記塔柱の中心軸は水平面と直交し、
前記発電機単位は、支柱、発電機及び励磁器を備え、
前記支柱は外支柱と内支柱を含み、
前記発電機は、塔柱につけて固定設置された固定子と、前記固定子の外に設置され内支柱に固定設置された回転子とを含み、前記固定子には発電機固定子巻線が設置され、前記回転子には発電機回転子巻線が設置され、
前記励磁器は、塔柱につけて固定設置された励磁器固定子と、前記励磁器固定子の外に設置され内支柱に固定設置された励磁器回転子とを含み、前記励磁器固定子には励磁器固定子巻線が設置され、励磁器回転子には励磁器回転子巻線が設置され、
前記支柱の内側には励磁制御装置及び回転整流装置が設置され、前記発電機固定子巻線は励磁制御装置を介して励磁器固定子巻線に連接し、発電機回転子巻線は回転整流装置を介して励磁器回転子巻線に連接し、前記発電機固定子巻線には双方向インバータが連接され、双方向インバータの他端には電綱が連接され、且つ励磁制御装置に連接され、
前記支柱の下端には上下両端の横断面が異なる第１フランジが設置され、第１フランジの小端が第１フランジの下端に設置された第１軸受の外輪に接続され、前記第１軸受の内輪は塔柱につけて固定設置され、第１フランジの大端が支柱の下端に接続され、
前記支柱の上端には上下両端の横断面が異なる第２フランジが設置され、第２フランジの小端が第２フランジの上端に設置された第２軸受の外輪に接続され、第２軸受の内輪は塔柱につけて固定設置され、第２フランジの大端が支柱の上端に接続され、
前記第２軸受の上側には設置された第３軸受は内輪が塔柱につけて固定設置され、
前記ブレードは横断面が大きな中間部と小さな両端部のオリーブ形であるブレード単位を含み、この両端部の一方が弧形で、他方が尖端であり、前記ブレード単位は、骨組と、この骨組に取付けられたブレード本体とを備え、ブレード単位の径方向において、ブレード本体の一端には第１先端部が設置され、他端には第２先端部が設置され、第１先端部の頭部がブレード本体に延び、尾部が前記ブレード単位の弧形であり、第２先端部の頭部がブレード本体に延び、尾部が前記ブレード単位の尖端であり、前記骨組と第１先端部との間には第１先端部をブレード単位の径方向に沿って動作させる第１動作装置が設置され、前記骨組と第２先端部との間には、第２先端部をブレード単位の径方向に沿って動作させる第２動作装置が設置され、前記第１先端部とブレード本体との間には、第１ガイドレールグループが設置され、第２先端部とブレード本体との間には、第２ガイドレールグループが設置され、前記ブレードの上端は第３軸受の外輪に接続され、ブレードの下端は第２軸受の外輪に接続され、
前記発電機単位には、ファン翼と、冷却機と、密封プレートと送風機とを含む冷却システムが設置されて、前記外支柱と内支柱との間には支柱風道が設置され、前記固定子、回転子、励磁器固定子と励磁器回転子には風道が設置され、内支柱の下端部には出風口が設置され、内支柱の上端部には入風口が設置され、支柱風道が出風口及び入風口に繋がり、前記ファン翼は外支柱の外壁に斜めに設置され、前記密封プレートは塔柱に設置され、且つ内支柱の上端部内に位置され、送風機は密封プレートに設置され、冷却機は送風機の上側に設置され、
前記塔柱のトップ端部にはクレーンが設置され、
前記塔柱は中空であり、内部には昇降システムが設置される
ことを特徴とする垂直風力発電装置。
【請求項２】
前記塔柱において第２フランジの上側に第３フランジが設置され、その第３フランジが第２フランジに接続され、前記塔柱において第３フランジの上側に第４フランジが設置され、その第４フランジが第３軸受の外輪に接続され、
前記第３フランジと第４フランジとの間に、回転力を転移するためのコネクタが設置され、そのコネクタは上端が第４フランジに接続され、下端が第３フランジに接続され、
前記ブレードは上端が第４フランジに接続され、下端が第３フランジに接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【請求項３】
前記コネクタは塔柱の外につけて設置された中空管であり、その中空管は上端が第４フランジに接続され、下端が第３フランジに接続される
ことを特徴とする請求項２に記載の垂直風力発電装置。
【請求項４】
前記コネクタは二本以上の接続ロッドを含み、前記接続ロッドは上端が第４フランジに接続され、下端が第３フランジに接続され、前記接続ロッドは塔柱の外に設置され、且つ塔柱横断面と同中心の円周に設置され、前記接続ロッドに塔柱の横断面方向に沿って補強リブが設置される
ことを特徴とする請求項２に記載の垂直風力発電装置。
【請求項５】
前記固定子の下端面には、塔柱につけて固定設置された固定子ブラケットが設置され、前記励磁器固定子下端面には、塔柱につけて固定設置された励磁器固定子ブラケットが設置され、前記第１軸受の内輪の下端面には、塔柱につけて固定設置された第１軸受ブラケットが設置され、前記第２軸受の内輪の下端面には、塔柱につけて固定設置された第２軸受ブラケットが設置され、前記第３軸受の内輪の下端面には、塔柱につけて固定設置された第３軸受ブラケットが設置される
ことを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【請求項６】
前記回転子には、端絡環とその端絡環に取付けた制動条とを備える制動巻線が設置されることを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【請求項７】
前記第１フランジは錐台型、ホーン型、「凸」型、又は階段型として、前記第２フランジは錐台型、ホーン型、「凸」型、又は階段型とすることを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【請求項８】
前記支柱と第１フランジとの間には、第５フランジが設置され、その第５フランジは上端面が支柱に接続され、下端面が第１フランジに接続され、前記支柱と第２フランジとの間には、第６フランジが設置され、その第６フランジは上端面が第２フランジに接続され、下端面が支柱に接続され、第７フランジは前記第２軸受の外輪につけて設置され、その第７フランジは上端面が第３フランジに接続され、下端面が第２フランジの小端に接続される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直風力発電装置。
【請求項９】
前記ブレードの下端と第３フランジとの間には、第８フランジが設置され、ブレードの上端と第４フランジとの間には、第９フランジが設置される
ことを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の垂直風力発電装置。
【請求項１０】
前記第１動作装置は第１油圧システムであり、前記第２動作装置は第２油圧システムであって、前記第１油圧システムは第１油圧ポンプ、第１油圧バルブ、第１油圧管及び第１油圧シリンダを備え、前記第１油圧シリンダは第１油圧シリンダ本体、第１ピストン、第１ピストンロッド及び第１密封装置を備え、前記第１油圧シリンダ本体は第１ピストンから遠ざかる一端が骨組に接続され、第１ピストンロッドは第１油圧シリンダ本体から遠ざかる一端が第１先端部に接続され、前記第２油圧システムは第２油圧ポンプ、第２油圧バルブ、第２油圧管及び第２油圧シリンダを備え、前記第２油圧シリンダは第２油圧シリンダ本体、第２ピストン、第２ピストンロッド及び第２密封装置を備え、前記第２油圧シリンダ本体は第２ピストンから遠ざかる一端が骨組に接続され、第２ピストンロッドは第２油圧シリンダ本体から遠ざかる一端が第２先端部に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【請求項１１】
前記第１動作装置は第１気圧システムであって、前記第１気圧システムは第１空気圧縮機及び第１気圧シリンダを備え、その第１気圧シリンダは第１気圧シリンダ本体、第１気圧ピストン、第１気圧ピストンロッド及び第１気圧密封装置を備え、前記第１気圧シリンダ本体は骨組に取付られ、第１気圧ピストンロッドは第１気圧シリンダ本体から遠ざかる一端が第１先端部に接続されって、前記第２動作装置は第２気圧システムであって、前記第２気圧システムは第２空気圧縮機及び第２気圧シリンダを備え、その第２気圧シリンダは第２気圧シリンダ本体、第２気圧ピストン、第２気圧ピストンロッド及び第２気圧密封装置を備え、前記第２気圧シリンダ本体は骨組に取付られ、第２気圧ピストンロッドは第２気圧シリンダ本体から遠ざかる一端が第２先端部に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【請求項１２】
前記第１動作装置は、第１ネジロッド、第１雌ねじ、第１電機、二つ以上の第１直線軸受及び第１ペデスタル軸受を備え、前記第１ペデスタル軸受はブレード本体に取付けられ、第１直線軸受は第１ペデスタル軸受に取付けられ、前記第１雌ねじは第１先端部に取付けられ、前記第１ネジロッドの一端は第１電機に接続され、前記第１ネジロッドは第１雌ねじに噛み合わされ、前記第１電機と第１ネジロッドとの間には第１軸継手が設置され、前記第２動作装置は第２ネジロッド、第２雌ねじ、第２電機、二つ以上の第２直線軸受及び第２ペデスタル軸受を備え、前記第２ペデスタル軸受はブレード本体に取付けられ、第２直線軸受は第２ペデスタル軸受に取付けられ、前記第２雌ねじは第２先端部にとりつけられ、前記第２ネジロッドの一端は第２電機に接続され、前記第２ネジロッドは第２雌ねじに噛み合わされ、前記第２電機と第２ネジロッドとの間には第２軸継手が設置される
ことを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【請求項１３】
前記ブレード本体の第１先端部に近づける端部には第１シールが設置され、ブレード本体の第２先端部に近づける端部には第２シールが設置され、前記骨組とブレード本体との間にはブレード補強リブが設置される
ことを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【請求項１４】
前記冷却機には、塔柱内に設置された外部冷却機が接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【請求項１５】
前記クレーンは、回転塔体、クレーンブーム、バランスアーム、バランスウエイト、台車、台車走行装置、フック、ドラグライン、巻上装置及び制御システムを備え、
前記回転塔体が塔柱のトップ部に設置され、クレーンブームとバランスアームが回転塔体に取付けられ、バランスウエイトがバランスアームの一端に取り付けられ、台車走行装置がクレーンブームに設置され、台車が台車走行機構に設置され、フックが台車の下側に設置され、フックが前記ドラグラインの一端に接続され、前記ドラグラインの他端が巻上装置に接続され、
前記台車走行機構はクレーンブームに設置されたレールであって、前記台車が前記レールに設置され、
前記回転塔体のトップ端とバランスアームとの間にはバランスアームプルロッドが設置され、そのバランスアームプルロッドは一端が回転塔体のトップ端に固定接続され、他端がバランスアームに固定接続されて、前記回転塔体のトップ端とクレーンブームとの間にはクレーンブームプルロッドが設置され、そのクレーンブームプルロッドは一端が回転塔体のトップ端に固定接続され、他端がクレーンブームに固定接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【請求項１６】
前記昇降システムは、かごとかご昇降装置を備えるエレベーターである
ことを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【請求項１７】
前記第１軸受、第２軸受と第３軸受の外輪にブレーキ装置が設置されることを特徴とする請求項１に記載の垂直風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は垂直風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、再生不能エネルギーの資源はますます少なくなって、あるエネルギーは既に用い尽くされるまでになった。従って、波エネルギー、可燃氷、コールベッドメタン、微生物などのようなエネルギーは広く応用される新規エネルギーになるであろう。風力エネルギーである再生型エネルギーは多くの地域や装置に使用されつつあって、その技術は既にだんだん成熟しつつある。現在の風力発電装置には、主に水平軸風力発電装置と垂直軸風力発電装置がある。垂直軸型は水平軸型と異なって、垂直軸風力発電装置において、回転軸が垂直軸に取付けられ、地面と垂直になる。垂直軸風力発電装置が動作する際に、風向の影響を受けないため、風向が変換しても調整する必要もない。
【０００３】
中でも、ダリウス型（Darrieus）タービンは垂直風力発電装置に属する。そのタービンは垂直回転軸、回転軸上端に設置されるトップ部回転子中心、ブレード、回転軸底部に設置される底部回転子中心、回転軸と接続される変速装置、変速装置と接続される発電機を備えてなる。ブレードは、上端がトップ部回転子中心に接続され、下端が底部中心に接続されて、ブレードが回転することにより垂直回転軸を回転して、底部に設置された変速装置を介して、回転軸が動力を発電機に伝えることによって、発電機が発電する。この風力発電装置は巨大であるため、一般に、回転軸は高い。回転軸の安定性を向上させるために、回転軸のトップ部から地面までドラグラインを引いて、回転軸を固くする。しかし、このようにすると、敷地面積が大きく、土の有効利用に不利である。また、この風力発電過程において、動力伝達チェーンが長すぎ、動力の伝達過程におけるエネルギー損耗が大きくて、エネルギーの有効利用に不利である。さらに、発電装置には変速装置、発電機、伝動軸などの多数部品を備えて発電を行っているが、発電装置の構造が複雑で、故障があれば、検査と修理の方で非常に難しく、通常、大型部品を吊るために、発電装置の近傍にタワー型クレーンを建てる必要がある。しかし、このように修理すると、消費が大きく、時間が長くて、風力発電装置の効率に直接に影響する。
【０００４】
本出願人の出願番号200910038122.9に係る垂直風力発電装置は、塔柱、発電機と二枚以上のブレードを備えて、塔柱には一つ以上の発電装置を設置している。前記発電装置は塔柱に設置された第１下フランジプレート及び第１上フランジプレート、第１ペデスタル軸受、第１軸受、第１発電機、発電機中心柱、第２軸受、第２ペデスタル軸受、第２下フランジプレート及び第２上フランジプレートからなる発電装置において、第１下フランジプレートは塔柱に固定されて、第１上フランジプレートは第１下フランジプレートの上側に位置され第１下フランジプレートに固定接続されて、第１ペデスタル軸受は第１上フランジプレートに固定されて、第１軸受は第１ペデスタル軸受に固定された第１外輪と、第１スチールボールグループと第１内輪とからなり、第１外輪と第１スチールボールが第１内輪に回って回転可能であって、第１発電機は第１内輪に位置された第１内固定子と第１外輪に位置され固定接続された第１外回転子とからなって、発電機中心柱は第１内固定子に接続されて、発電機中心柱の上側に第２軸受、第２ペデスタル軸受、第２下フランジプレート及び第２上フランジプレートを順次で設置させ、第２上フランジプレートは塔柱に固定されて、第２下フランジプレートは第２上フランジプレートの下側に設置され第２上フランジプレートに固定接続されて、第２ペデスタル軸受は第２下フランジプレートの下側に設置され第２下フランジプレートに固定接続されて、第２軸受は第２ペデスタル軸受の下側に位置され第２ペデスタル軸受に固定接続された第１外輪と、第２スチールボールグループと第２内輪とからなり、第２外輪と第２スチールボールが第２内輪に回って回転可能であって、ブレードの上端は第２外輪に固定接続され、ブレードの下端は第１外輪に固定された。この発明は構造が簡単で安定性を有して、敷地面積が小さく、コストが低くて、風力の利用率が非常に高いのであるが、軸受に対する要求は厳しく、軸受の外輪の寸法が発電機の外回転子に相当する必要ため、発電機が大きいほど所要な軸受の直径が大きくなる。さらに、大型軸受は製造コストが高くて、直径５メートルの軸受は３０−４０万元程度がかかって、直径３メートルの軸受は十数万元がかかる。一方、大型軸受の組み立ても容易ではない。
【０００５】
風力発電装置において、風力利用率は主にブレードの構造と構成によって決まる。現在、垂直風力発電装置のブレードは、例えば、扇形構造、帆形構造、Φ形構造などの様々な形状がある。これらの構造において、Φ形構造は風力に対する利用率が最高であるが、風速と風力は絶えず変化することにより、ブレードの風上面の寸法は確定できないので、風速の過大による垂直風力発電装置の失効乃至破損を防止できない。
【０００６】
発電装置、特に大出力発電機は作業時に熱を出して、発電装置を冷却しなければ、発電装置を焼損されて、実用寿命を短縮する。現在、冷却方式としては、水冷、或いは発電装置の一端側にファンを取り付けることが一般的に採用される。水冷を採用すると、多くの水道を配置する必要があるが、構造が複雑で、水道のシールに対する要求を達し難いことによって、モーターの絶縁を破損し、モーターの実用寿命に影響する。中国特許番号200520032333.9には外回転子、固定子、固定軸及び軸受を備える省エネルギーの外回転子式風力発電装置を開示して、その固定子は固定軸に固定され、その外回転子は、風穴を両端に設置した外郭と内壁に取付けられた磁石によって上下端蓋を介して、軸受に固定設置される。このような構造は、発電装置の一部熱は風穴によって逸脱し、構造の全体において熱交換がないため、放熱効果が劣る。
【０００７】
風力発電装置に対して鋭意に研究した結果、風力発電装置が作業している際に、ブレードが強風を受けるため、ブレードが強風に耐えうる能力を要求する。立柱、発電機及び２つ以上のブレードを含んでいる発電機単位を１つ以上含有する垂直風力発電装置において、前記発電機は立柱に設置された固定子と、その外に設置された回転子を備えて、前記回転子の下端に設置された第１フランジは回転子に接続されて、立柱にの第１フランジの下端に設置された第１軸受は外輪が第１フランジに接続されて、前記回転子の上端に設置された第２フランジは回転子に接続されて、前記立柱にの第２フランジの上側に設置された第２軸受は外輪が第２フランジに接続されて、第３軸受は立柱にの第２軸受の上側に設置されて、前記ブレードは上端が第３軸受の外輪に接続され、下端が第２軸受の外輪に接続される。このような構造の垂直風力発電装置は、ブレードの動作は第２軸受と第２フランジを介して回転子を回転させるため、ブレードにより回転子の回転力を提供して、さらに、主にブレードの下端により提供する。ブレードの下端には負荷発電機が接続されるので、垂直風力発電装置が作業する際に、ブレードの変形は下端が小さい一方、上端が大きい。このように、ブレードの上端と下端の受けた力は異なるため、ブレードは破損しやすい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は垂直風力発電装置を提供することを目的とする。本発明の構造によって、垂直風力発電装置の製造コストを低減できて、発電装置の起動が困難である場合に、発電装置を速く起動させて、ブレードの風上面の寸法を調整することによって、風力発電装置の出力を自動的に調整でき、風速の過大による風力発電装置の失効乃至破損を防止でき、且つ風力の利用率を高めることができて、発電装置に優れた冷却効果をもたらし、発電装置の安定性を高めることができ、発電装置の実用寿命を延長することができて、修理に便利で、修理コスト及び修理時間を低下させ、発電装置への検査に便利である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明にかかる垂直風力発電装置は塔柱と、１つ以上の発電機単位と２枚以上のブレードとを含んでいる垂直風力発電装置であって、
前記塔柱の中心軸は水平面と直交して、
前記発電機単位は、外支柱と内支柱とを含む支柱、発電機及び励磁器を備えて、前記発電機は塔柱につけて固定設置された固定子と、前記固定子の外に設置され内支柱に固定設置された回転子とを含み、前記固定子には発電機固定子巻線が設置され、前記回転子には発電機回転子巻線が設置されて、
前記励磁器は、塔柱につけて固定設置された励磁器固定子と、前記励磁器固定子の外に設置され内支柱に固定設置された励磁器回転子とを含み、前記励磁器固定子には励磁器固定子巻線が設置され、励磁器回転子には励磁器回転子巻線が設置されて、
前記支柱の内側には励磁制御装置及び回転整流装置が設置され、前記発電機固定子巻線は励磁制御装置を介して励磁器固定子巻線に連接し、発電機回転子巻線は回転整流装置を介して励磁器回転子巻線に連接して、前記発電機固定子巻線には双方向インバータが連接されて、双方向インバータの他端には電綱が連接され、且つ励磁制御装置に連接されて、
前記支柱の下端には上下両端の横断面が異なる第１フランジが設置され、第１フランジの小端は第１フランジの下端に設置された第１軸受の外輪に接続され、第１フランジの大端は支柱の下端に接続され、前記第１軸受の内輪は塔柱につけて固定設置されて、また、前記支柱の上端には上下両端の横断面が異なる第２フランジが設置され、第２フランジの小端は第２フランジの上端に設置された第２軸受の外輪に接続され、第２フランジの大端は支柱の上端に接続され、前記第２軸受の内輪は塔柱につけて固定設置されて、また、第２軸受の上側には設置された第３軸受の内輪は塔柱につけて固定設置されて、
前記ブレードは横断面が大きな中間部と小さな両端部のオリーブ形であるブレード単位を含み、この両端部の一方が弧形で、他方が尖端であって、前記ブレード単位は、骨組とこの骨組に取付けられたブレード本体とを備えて、ブレード単位の径方向において、ブレード本体の一端には第１先端部が設置され、他端には第２先端部が設置されて、第１先端部の頭部がブレード本体に延び、尾部が前記ブレード単位の弧形であって、また、第２先端部の頭部がブレード本体に延び、尾部が前記ブレード単位の尖端であって、前記骨組と第１先端部との間には、第１先端部をブレード単位の径方向に沿って動作させる第１動作装置が設置され、前記骨組と第２先端部との間には、第２先端部をブレード単位の径方向に沿って動作させる第２動作装置が設置されて、前記第１先端部とブレード本体との間には、第１ガイドレールグループが設置され、第２先端部とブレード本体との間には、第２ガイドレールグループが設置されて、前記ブレードの上端は第３軸受の外輪に接続され、ブレードの下端は第２軸受の外輪に接続されて、
前記発電機単位にはファン翼と、冷却機と、密封プレートと送風機とを含む冷却システムが設置されて、前記外支柱と内支柱との間には支柱風道が設置され、前記固定子、回転子、励磁器固定子と励磁器回転子には風道が設置されて、内支柱の下端部には出風口が設置され、内支柱の上端部には入風口が設置されて、支柱風道が出風口及び入風口に繋がって、前記ファン翼は外支柱の外壁に斜めに設置されて、前記密封プレートは塔柱に設置され、且つ内支柱の上端部内に位置されて、前記送風機は密封プレートに設置されて、前記冷却機は送風機の上側に設置されて、
前記塔柱のトップ端部にはクレーンが設置されて、
前記塔柱は中空であり、内部には昇降システムが設置されることを特徴とする垂直風力発電装置を提供する。
【００１０】
上記のような構造が従来技術に比べると、本発明は塔柱だけにより発電機単位及びブレードを支持するため、全体の垂直風力発電装置の敷地面積は小さくなる。従来の複雑な伝動装置及び巨大な垂直軸を使用することによりエネルギーを伝動することに比べて、本発明に設計されたブレード、軸受の外輪及び発電機の外回転子が互いに一体化的に固定されることによって、発電機回転子がブレードの一部に相当することになって、ブレードの回転速度が発電機回転子の回転速度に相当するので、エネルギーの伝達過程における損耗を極めて低下し、風力の利用率を向上させることができる。従来のタワー式垂直風力発電装置に比べて、本発明は中空な塔柱で発電機単位及びブレードを支持することによって、風力発電装置の安定性を確保しながら、鋼材の使用量を低減できる。並びに、本発明は風力発電装置の伝動装置を効果的に簡単化して、風力発電装置と風電のコストを極めて低下できる。
【００１１】
設置された励磁器は、発電機での電圧を定数値に維持するように発電機の負荷に応じて励磁電流を調整することができ、発電機の並列運転時の定態安定度を高めることができ、発電機の並列運転時の過渡安定度を高めることができ、発電機の内部には故障が発生する時、減磁をして故障による損失を低減することができ、運転要求に応じて、発電機に対して最大励磁制限及び最小励磁制限を実施できる。
【００１２】
第１フランジ及び第２フランジを、上下両端の横断面が異なり、且つ第１フランジの小端が第１軸受の外輪に接続し、第２フランジの小端が第２軸受の外輪に接続するように設置している。このように、軸受の寸法を低減することができ、且つ、標記の軸受が市販により得られるので、風力発電装置のコストを低下し、取付けに便利である。
【００１３】
第１先端部と骨組みとの間に第１動作装置が設置され、第２先端部と骨組みとの間に第２動作装置が設置され、第１先端部とブレード本体との間に第１ガイドレールグループが設置され、第２先端部とブレード本体との間に第２ガイドレールグレープが設置されるため、ブレードは風力に応じて風上面の大きさを調整できる。このように、風力発電装置の出力を自動的に調整し、風速の過大による垂直風力発電装置の失効を防止できる。また、ブレード単位の横断面は大きな中間部と小さな両端部のオリーブ形であり、且つこの両端部の一方が弧形で、他方が尖端であり、前記ブレード単位が接続した時に弧形になるため、このような構造のブレードは風力の利用率が高い。
【００１４】
上記構造の冷却装置を動作する時、送風機で風流を形成するため、冷風は励磁器回転子、励磁器固定子、回転子及び固定子の風道を通じて、励磁器と発電機を冷却する作用を起こす。この時、冷風が熱風になって、出風口を経て支柱の風道に入って、ここで、外支柱の外壁により外部空気との熱交換を行って、熱風が冷風になる。その後、風流が入風口を経て冷却装置に入って、ここで冷却をさらに行ってから、送風機で風力発電装置の内部に流入して、内循環を形成する。外支柱の外にファン翼が設置され、且つそのファン翼が外支柱の外壁に傾斜的に設置されたため、支柱が回転する場合に、ファン翼も同時に回転し、この際に、ファン翼の上下両側に風圧差が発生して、発電機近傍での外部空気は高圧から低圧へ流れる風流を形成して、即ち、外循環を形成する。このように、内循環における風流と外部との熱交換の効率を向上させることができる。したがって、発電機に対する冷却の効果を高めて、また、上記の構造は簡単である。
【００１５】
クレーンが設置されたため、修理人と検査人はそのクレーンで作業でき、現場で大型装置により風力発電装置を修理・検査することを避けるようになって、修理コストを極めて低減し、修理時間を短縮できる。
【００１６】
本発明に係る塔柱は中空であり、且つ塔柱の内部に昇降システムが設置されたため、垂直風力発電装置に対する修理と検査が簡単に、安全に行うようになる。
【００１７】
改善として、前記塔柱において第２フランジの上側に第３フランジが設置されて、その第３フランジが第２フランジに接続される。前記塔柱において第３フランジの上側に第４フランジを設けて、その第４フランジが第３軸受の外輪に接続される。前記第３フランジと第４フランジとの間に、回転力を転移するためのコネクタが設置されて、そのコネクタは上端が第４フランジに接続され、下端が第３フランジに接続される。前記ブレードは上端が第４フランジに接続され、下端が第３フランジに接続される。
【００１８】
上記構造である垂直風力発電装置は、第３フランジと第４フランジが設置され、第３フランジと第４フランジとの間に回転力を転移するためのコネクタが設置され、且つそのコネクタの上端が第４フランジに接続され、下端が第３フランジに接続されることによって、発電機回転子の回転力はブレードの下端からの転移だけでなく、コネクタからの転移もある。また、コネクタの回転力は主にブレードの運動をブレードの上端によりコネクタに転移するため、垂直発電装置が動作する場合、ブレードの上端と下端の受けた力はバランス化して、ブレードは変形による捩れ・破損が容易ではなく、ブレードと垂直風力発電装置の実用寿命を延長できる。
【００１９】
具体的には、前記コネクタは塔柱につけて設置された中空管であって、中空管は上端が第４フランジに接続され、下端が第３フランジに接続される。中空管をコネクタとするため、構造が簡単で、製造が便利であって、且つ、中空管が第３フランジと第４フランジと伴って回転する場合に、中空管に回転抵抗力を形成しなくて風力発電装置の出力率に影響しない。
【００２０】
改善として、前記コネクタは塔柱の外に設置される同時に塔柱横断面と同中心の円周に設置された接続ロッドを二本以上含んでいる。その接続ロッドは上端が第４フランジに接続され、下端が第３フランジに接続される。前記接続ロッドに塔柱の横断面方向に沿って補強リブが設置される。このような構造によって、簡単で、さらに垂直風力発電装置の重量を低減できる。補強リブを設置することによって、接続ロッドからなるコネクタの強度を向上させることできる。
【００２１】
改善として、前記固定子の下端面には、塔柱につけて固定設置された固定子ブラケットが設置されて、前記励磁器固定子下端面には、塔柱につけて固定設置された励磁器固定子ブラケットが設置されて、前記第１軸受の内輪の下端面には、塔柱につけて固定設置された第１軸受ブラケットが設置されて、前記第２軸受の内輪の下端面には、塔柱につけて固定設置された第２軸受ブラケットが設置されて、前記第３軸受の内輪の下端面には、塔柱につけて固定設置された第３軸受ブラケットが設置される。
【００２２】
固定子ブラケットが設置されるため、発電機の固定子が塔柱に取付けられた位置の確定性と安定性を向上させることができる。励磁器固定子ブラケットが設置されるため、励磁器の固定子が塔柱に取付けられた位置の確定性と安定性を向上させることができる。第１軸受ブラケットが設置されるため、第１軸受が塔柱に取付けられた位置の確定性と安定性を向上させることができる。第２軸受ブラケットが設置されるため、第２軸受が塔柱に取付けられた位置の確定性と安定性を向上させることができる。第３軸受ブラケットが設置されるため、第３軸受が塔柱に取付けられた位置の確定性と安定性を向上させることができる。
【００２３】
改善として、前記回転子には、端絡環とその端絡環に取付けた制動条とを備える制動巻線が設置される。前記制動巻線は回転子の巻線に相当して、発電機の起動が困難である場合に、発電機を電動機として使用することによって、電動機の非同期起動を実現でき、垂直風力発電装置の発電効率を高めることができる。
【００２４】
具体的には、前記第１フランジは錐台型、ホーン型、「凸」型、又は階段型として、前記第２フランジは錐台型、ホーン型、「凸」型、又は階段型とする。錐台型又はホーン型とすると、第１フランジの大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第２フランジの大端から小端までの横断面が漸次に小さくなって、第１フランジと第２フランジに顕著な内応力が発生しないため、第１フランジと第２フランジの強度が高くて、大きな力を受けることができる同時に、軸受の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とすると、フランジは通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。
【００２５】
改善として、前記支柱と第１フランジとの間には、第５フランジが設置されて、その第５フランジは上端面が支柱に接続され、下端面が第１フランジに接続される。前記支柱と第２フランジとの間には、第６フランジが設置されて、その第６フランジは上端面が第２フランジに接続され、下端面が支柱に接続される。第７フランジは前記第２軸受の外輪にはつけて設置されて、その第７フランジは上端面が第３フランジに接続され、下端面が第２フランジに接続される。
【００２６】
第５フランジが設置されるため、第１フランジと支柱との接続に有利になる。第６フランジが設置されるため、第２フランジと支柱との接続に有利になる。第７フランジが設置され、その第７フランジの内表面と第２軸受の外表面が締まりばめとするため、第２軸受の外輪には螺旋孔の加工、又は溶接加工を行う必要はない。このため、軸受の加工コストを低減させ、第２軸受の外輪の強度を増大させ、且つ、取付工程を簡単化させる。
【００２７】
改善として、前記ブレードの下端と第３フランジとの間には、第８フランジが設置され、ブレードの上端と第４フランジとの間には、第９フランジが設置される。
【００２８】
第８フランジと第９フランジが設置されるため、ブレードと第３フランジ・第４フランジとの接続に有利になる。
【００２９】
具体的には、前記第１動作装置は第１油圧システムであり、前記第２動作装置は第２油圧システムである。前記第１油圧システムは第１油圧ポンプ、第１油圧バルブ、第１油圧管及び第１油圧シリンダを備え、その第１油圧シリンダは第１油圧シリンダ本体、第１ピストン、第１ピストンロッド及び第１密封装置を備え、前記第１油圧シリンダ本体は第１ピストンから遠ざかる一端が骨組に接続され、第１ピストンロッドは第１油圧シリンダ本体から遠ざかる一端が第１先端部に接続される。前記第２油圧システムは第２油圧ポンプ、第２油圧バルブ、第２油圧管及び第２油圧シリンダを備え、その第２油圧シリンダは第２油圧シリンダ本体、第２ピストン、第２ピストンロッド及び第２密封装置を備え、前記第２油圧シリンダ本体は第２ピストンから遠ざかる一端が骨組に接続され、第２ピストンロッドは第２油圧シリンダ本体から遠ざかる一端が第２先端部に接続される。
【００３０】
油圧システムを動作システムとして用いるため、伝動の安定性が優れて、大きな出力率の動作件として使用されることができ、且つ無段変速を実現することができる。
【００３１】
改善として、前記第１動作装置は第１気圧システムである。前記第１気圧システムは第１空気圧縮機及び第１気圧シリンダを備え、その第１気圧シリンダは第１気圧シリンダ本体、第１気圧ピストン、第１気圧ピストンロッド及び第１気圧密封装置を備え、前記第１気圧シリンダ本体は骨組に取付られ、第１気圧ピストンロッドは第１気圧シリンダ本体から遠ざかる一端が第１先端部に接続される。前記第２動作装置は第２気圧システムである。前記第２気圧システムは第２空気圧縮機及び第２気圧シリンダを備え、その第２気圧シリンダは第２気圧シリンダ本体、第２気圧ピストン、第２気圧ピストンロッド及び第２気圧密封装置を備え、前記第２気圧シリンダ本体は骨組に取付られ、第２気圧ピストンロッドは第２気圧シリンダ本体から遠ざかる一端が第２先端部に接続される。
【００３２】
気圧シリンダを動作装置として用いるため、その動力媒体が気体であるので、質量が小さく、媒体資源が豊かで、無汚染であり、且つ気体の粘度が小さいので、気体と気圧シリンダの抵抗力が小さい。
【００３３】
改善として、前記第１動作装置は第１ネジロッド、第１雌ねじ、第１電機、二つ以上の第１直線軸受及び第１ペデスタル軸受を備え、前記第１ペデスタル軸受はブレード本体に取付けられ、第１直線軸受は第１ペデスタル軸受に取付けられ、前記第１雌ねじは第１先端部に取付けられ、前記第１ネジロッドの一端は第１電機に接続され、前記第１ネジロッドは第１雌ねじに噛み合わされ、前記第１電機と第１ネジロッドとの間には第１軸継手が設置される。前記第２動作装置は第２ネジロッド、第２雌ねじ、第２電機、二つ以上の第２直線軸受及び第２ペデスタル軸受を備え、前記第２ペデスタル軸受はブレード本体に取付けられ、第２直線軸受は第２ペデスタル軸受に取付けられ、前記第２雌ねじは第２先端部にとりつけられ、前記第２ネジロッドの一端は第２電機に接続され、前記第２ネジロッドは第２雌ねじに噛み合わされ、前記第２電機と第２ネジロッドとの間には第２軸継手が設置される。
【００３４】
ネジロッド、雌ねじ、直線軸受を動作装置として用いるため、伝動精度が高い。
【００３５】
改善として、前記ブレード本体の第１先端部に近づける端部には第１シールが設置され、ブレード本体の第２先端部に近づける端部には第２シールが設置される。前記骨組とブレード本体との間にはブレード補強リブが設置される。
【００３６】
シールが設置されるため、雨水や塵がブレード単位に入れることを防止でき、垂直風力発電装置が動作する場合に、ブレード単位の横断面の両端が対流を形成することにより垂直風力発電装置の仕事効率に影響することを防止できる。ブレード補強リブが設置されるため、骨組とブレード本体との接続部の強度を向上させることができる。
【００３７】
改善として、前記冷却機には、塔柱内に設置された外部冷却機が接続される。
【００３８】
上記構造の動作過程は、冷却液が外部冷却機により注入管を経て冷却機に運送され、冷却機で熱交換を行って、熱水になった後、輸出管を経て外部冷却機に運送され、冷却する。このような過程を繰り返し循環する。外部冷却機が追加し設置されるため、内循環における風流が冷却機での冷却効果を向上させることができることによって、発電装置に対する冷却効果を向上させ、発電装置の実用寿命を延長させることができる。
【００３９】
具体的には、前記クレーンは回転塔体、クレーンブーム、バランスアーム、バランスウエイト、台車、台車走行装置、フック、ドラグライン、巻上装置及び制御システムを備えている。前記回転塔体が塔柱のトップ部に設置され、クレーンブームとバランスアームが回転塔体に取付けられ、バランスウエイトがバランスアームの一端に取り付けられ、台車走行装置がクレーンブームに設置され、台車が台車走行機構に設置され、フックが台車の下側に設置され、フックが前記ドラグラインの一端に接続され、前記ドラグラインの他端が巻上装置に接続される。前記台車走行機構はクレーンブームに設置されたレールであって、前記台車が前記レールに設置される。前記回転塔体のトップ端とバランスアームとの間に設置されたバランスアームプルロッドは、一端が回転塔体のトップ端に固定接続され、他端がバランスアームに固定接続される。前記回転塔体のトップ端とクレーンブームとの間に設置されたクレーンブームプルロッドは、一端が回転塔体のトップ端に固定接続され、他端がクレーンブームに固定接続される。
【００４０】
上記構造を有するクレーンは、回転塔体、クレーンブーム、台車、台車走行装置、フック、ドラグライン及び巻上装置が設置されるため、作業者はクレーンブームで垂直風力発電装置に対する取付、修理及び検査を行うことができ、別に塔体や起重機の建設は不要であるので、コストと時間を節約できる。バランスアームとバランスウエイトが設置されるため、クレーンアームの一端側の重量をバランスし、クレーンの安定性を確保でき、クレーンの負荷を向上させる。回転塔体が設置されるため、３６０°で回転できる。台車が設置され、台車が台車走行装置で走行できることによって、フックと発電機との水平方向における距離を調整できる。巻上装置、ドライライン及びフックが設置されるため、フックが巻上装置によりドラグラインを介して垂直方向において運動できることによって、作業者は風力発電装置の任意場所で作業でき、作業時間を効果的に節約できる。上記レールの構造は簡単で、製造が便利である。バランスアームプルロッド及びクレーンブームプルロッドはクレーンの構造の安定性を確保でき、クレーンの負荷を向上させる。
【００４１】
具体的には、前記昇降システムはエレベーターであり、前記エレベーターはかごとかご昇降装置を備える。
【００４２】
垂直風力発電装置を検査・修理する際に、作業者はエレベーターのかごを乗って、垂直風力発電装置に対する検査と修理を行う。これによって、修理がより便利になる同時に、修理コストと修理時間を低減させる。
【００４３】
改善として、前記第１軸受、第２軸受と第３軸受の外輪にブレーキ装置が設置される。
【００４４】
垂直風力発電装置の回転子の回転速度は風速によって変わる。風速が大きくほど、発電装置の回転子の回転速度が大きくなって、出力電量が大きくなるが、発電装置の自身は最大出力があるので、実際出力が最大出力より大きい場合、発電装置は焼損の可能性がある。従って、発電装置の回転子の回転速度の制御を必要とする。ブレーキが設置されるため、発電装置の回転子の回転速度を効果的に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】一つの発電機単位を有する垂直風力発電装置を示す斜視図である。
【図２】一つの発電機単位を有する垂直風力発電装置を示す正面図である。
【図３】一つの発電機単位を有する垂直風力発電装置を示す断面図である。
【図４】図３におけるＦ部分を示す拡大図である。
【図５】ブレードを示す斜視図である。
【図６】ブレードの第１形態を示す断面図である。
【図７】ブレードの第１形態において、第１先端部と第２先端部がブレード本体に伸びていることを示す断面図である。
【図８】図６におけるＡ部分を示す拡大図である。
【図９】第１油圧システムの構造を示す図である。
【図１０】発電機を電動機とする起動の構造を示す図である。
【図１１】コネクタの第１形態の構造を示す図である。
【図１２】コネクタの第２形態の構造を示す図である。
【図１３】制動巻線が発電機回転子に取付けられている構造を示す図である。
【図１４】制動巻線を示す斜視図である。
【図１５】ブレードが外支柱の外壁に取付けられている構造を示す図である。
【図１６】励磁器が発電機の下側に取付けられている構造を示す図である。
【図１７】クレーンを示す斜視図である。
【図１８】第１フランジと第２フランジの第２形態を示す斜視図である。
【図１９】第１フランジと第２フランジの第２形態を示す断面図である。
【図２０】第１フランジと第２フランジの第３形態を示す斜視図である。
【図２１】第１フランジと第２フランジの第４形態を示す斜視図である。
【図２２】ブレードの第２形態を示す断面図である。
【図２３】ブレードの第２形態において、第１先端部と第２先端部がブレード本体に伸びていることを示す断面図である。
【図２４】図２２におけるＢ部分を示す拡大図である。
【図２５】第１気圧システムの構造を示す図である。
【図２６】ブレードの第３形態を示す断面図である。
【図２７】ブレードの第３形態において、第１先端部と第２先端部がブレード本体に伸びていることを示す断面図。
【図２８】図２６におけるＣ部分を示す拡大図である。
【図２９】ネジロッド、雌ねじ伝動システムの構造を示す図である。
【図３０】二つの発電機単位を示す斜視図である。
【図３１】二つの発電機単位を示す正面図である。
【図３２】二つの発電機単位を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、図面と具体的な実施形態を結合して、本発明について詳細に説明する。
【００４７】
第１実施形態
図１〜図３で示すような垂直風力発電装置は、塔柱１と、１つ以上の発電機単位２、２枚以上のブレード３、第１軸受４、第２軸受５、第３軸受６、第１フランジ７、第２フランジ８、第３フランジ９、第４フランジ１０、第５フランジ１１、第６フランジ１２と第７フランジ１３を備える。本実施形態において、発電機単位２は一つであり、ブレード３は２枚である。塔柱１の中心軸は水平面と直交して、前記塔柱１は中空構造である。
【００４８】
図３と図４で示すように、前期発電機単位２は支柱２０１、発電機２０２及び励磁器２０３を備える。
【００４９】
図３と図４で示すように、前記支柱２０１は外支柱２０１１と内支柱２０１２とからなり、外支柱２０１１は内支柱２０１２の外に設置され、外支柱２０１１と内支柱２０１２との間に支柱風道２０１３が形成される。
【００５０】
図３と図４で示すように、前記発電機２０２は、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子２０２１と、前記固定子２０２１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された回転子２０２２とを含み、固定子２０２１には発電機固定子巻線（図示ない）が設置され、回転子２０２２には発電機回転子巻線（図示ない）が設置される。固定子２０２１と回転子２０２２との間にはエアギャップ１４を有して、前記固定子２０２１と回転子２０２２内には風道１５が設置される。回転子２０２２には制動巻線３８が設置されて、図１３と図１４で示すように、制動巻線３８は端絡環３８１とその端絡環３８１に取付けた制動条３８２を備える。
【００５１】
図３と図４で示すように、前記励磁器２０３は、塔柱１の外壁につけて固定設置された励磁器固定子２０３１と、前記励磁器固定子２０３１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された励磁器回転子２０３２とを含み、前記励磁器固定子２０３１には励磁器固定子巻線（図示ない）が設置され、励磁器回転子２０３２には励磁器回転子巻線（図示ない）が設置される。励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２との間にはエアギャップ１４を有して、前記励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２内には風道１５が設置される。図３と図４で示すように、前記励磁器２０３は発電機２０２の上方に取付けられてもいいが、図１６で示すように、励磁器２０３は発電機２０２の下方に取付けられてもいい。
【００５２】
図１０で示すように、発電機固定子巻線は双方向インバータ１５を介して電綱１７に連接されて、前記発電機固定子巻線は双方向インバータ１５と励振制御装置１６を介して励磁器固定子巻線に連接して、発電機回転子巻線は回転整流装置１６１を介して励磁器回転子巻線に連接する。
【００５３】
図３で示すように、前記発電機固定子２０２１の下端面には、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子ブラケット２０２３が設置される。固定子ブラケット２０２３は固定子２０２１を支持することに役立つため、固定子２０２１が塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。前記励磁器固定子２０３１の下端面には、塔柱１につけて固定設置された励磁器固定子ブラケット２０３３が設置される。励磁器固定子ブラケット２０３３は励磁器固定子２０３１を支持することに役立つため、励磁器固定子２０３１の塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。
【００５４】
図３と図４で示すように、前記第５フランジ１１、第１フランジ７、第１軸受４は上から下まで順次に支柱２０１に下方に設置される。第５フランジ１１は上端面が溶接により支柱２０１の下端面に接続される。前記第１フランジ７は上下両端の横断面が異なる。例えば、図４で示すように、第１フランジ７が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第１フランジ７がホーン型で、図２０で示すように、第１フランジ７が「凸」型で、図２１で示すように、第１フランジ７が階段型である。しかし、第１フランジ７は上記４種類の構造に限られない。前記第１フランジ７は大端がねじ又は溶接により第５フランジ１１に接続され、小端がねじ又は溶接又は締まりばめにより第１軸受４の外輪に接続される。前記第１軸受４の内輪が塔柱１の外壁につけて固定設置され、その第１軸受４の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第１軸受ブラケット１８が設置される。
【００５５】
錐台型又はホーン型とする第１フランジ７は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第１フランジ７に顕著な内応力が発生することないため、強度が高くて、大きな力を受けることができるとともに、第１軸受４の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第１フランジ７は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第５フランジ１１が設置されるため、第１フランジと支柱２０１との接続に有利になる。第１軸受ブラケット１８は第１軸受４及び第１軸受４に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第１軸受４が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【００５６】
図３と図４で示すように、前記第６フランジ１２、第２フランジ８、第２軸受５は下から上まで順次に支柱２０１に上方に設置される。第６フランジ１２は溶接により支柱２０１の上端面に接続される。前記第６フランジ１２は上下両端の横断面が異なる。例えば、図３と図４で示すように、第２フランジ８が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第２フランジ８がホーン型で、図２０で示すように、第２フランジ８が「凸」型で、図２１で示すように、第２フランジ８が階段型である。しかし、第２フランジ８は上記４種類の構造に限られない。前記第２フランジ８は大端がねじ又は溶接により第６フランジ１２に接続される。前記第２軸受８の内輪は塔柱１の外壁につけて固定設置される。前記第７フランジ１３は締まるばめにより第２軸受５の外輪の外壁につけて設置され、第７フランジ１３の下端面がねじ又は溶接により第２フランジ８の小端に接続される。その第２軸受５の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第２軸受ブラケット１９が設置される。
【００５７】
錐台型又はホーン型とする第２フランジ８は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第２フランジ８に顕著な内応力が発生することないため、第２フランジ８の強度が高くて、大きな力を受けることができるとともに、第２軸受５の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第２フランジ８は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第６フランジ１２が設置されるため、第２フランジ８と支柱２０１との接続に有利になる。第２軸受ブラケット１９は第２軸受５及びこの第２軸受５に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第２軸受５が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【００５８】
図３で示すように、前記第３軸受６の内輪は第２軸受５の上側に位置し、塔柱１につけて固定設置される。前記第３軸受６の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第３軸受ブラケット２０が設置される。第３軸受ブラケット２０は第３軸受６及び第３軸受８に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第３軸受６が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【００５９】
第３フランジ９はねじ又は溶接により前記第７フランジ１３の上端面に接続され、第４フランジ１０はねじ又は溶接により第３軸受６の外輪に接続され、第３フランジ９と第４フランジ１０との間には、回転力を転移するためのコネクタ２３が設置される。図１２で示すように、示されたコネクタ２３は中空管である。図１１で示すように、前記コネクタ２３は二本以上の接続ロッド２３１を含み、前記接続ロッド２３１は上端が第４フランジ１０に接続され、下端が第３フランジ９に接続される。前記接続ロッド２３１は塔柱１の外において、塔柱横断面と同中心の円周に設置される。コネクタの強度を高めるために、接続ロッド２３１には補強リブ２３２が溶接される。中空管をコネクタ２３とするため、構造が簡単で、製造が便利で、製造コストが低く、且つ、中空管が第３フランジ９と第４フランジ１０と伴って回転する場合に、中空管に回転抵抗力を形成することにより風力発電装置の出力率に影響することない。従って、風力発電装置の発電出力を極めて高める。数多くの接続ロッド２３１をコネクタとするため、構造が簡単で、且つ垂直風力発電装置の重量を低減することができる。図３で示すように、第３フランジ９の外円周には二つの第８フランジ２１が接続され、第４フランジ１０の外円周には二つの第９フランジ２２が接続される。前記ブレード３は下端が第８フランジ２１を介して第３フランジ９に接続し、上端が第９フランジ２２を介して第４フランジ１０に接続する。第８フランジと第９フランジが設置されるため、ブレード３の取付、取除き及び修理に便利である。
【００６０】
図５と図６で示すような垂直風力発電装置のブレード３は、三つのブレード単位３１からなる。図６で示すように、前記ブレード単位３１の横断面は大きな中間部と小さな両端部のオリーブ形であり、両小端部の一方が弧形で、他方が尖端である。ブレード単位３１がこのような横断面構造を有するため、風力に対する利用率が高い。前記ブレード単位３１は、骨組１０１、ブレード本体１０２、第１先端部１０３及び第２先端部１０４を備えて、ブレード本体１０２は骨組１０１に取付けられ、骨組１０１はブレード本体１０２内に位置する。前記第１先端部１０３は、ブレード単位３１の径方向に沿うブレード本体１０２の一端にはが設置され、第１先端部１０３の尾部１０３１は前記弧形であって、第１先端部１０３の頭部１０３２はブレード本体１０２内に延びる。前記第２先端部１０４は、ブレード単位３１の径方向に沿ってブレード本体１０２の第１先端部１０３と対向する他端には設置され、第２先端部１０４の尾部１０４１は前記尖端であって、第２先端部１０４の頭部１０４２はブレード本体１０２内に延びる。図６と図８で示すように、ブレード本体１０２と第１先端部１０３との間には、第１ガイドレールグループ（図示ない）が設置され、ブレード本体１０２と第２先端部１０４との間には、第２ガイドレールグループ３２が設置される。骨組１０１と第１先端部１０３との間には、第１油圧システム３０が設置され、骨組１０１と第２先端部１０４との間には、第２油圧システム４０が設置される。前記第１油圧システム３０は、第１油圧ポンプ（図示ない）、第１油圧バルブ（図示ない）、第１油圧管（図示ない）及び第１油圧シリンダ３０１を備える。図９で示すように、その第１油圧シリンダ３０１は第１油圧シリンダ本体３０２、第１ピストン３０３、第１ピストンロッド３０４及び第１密封装置３０５を備えて、第１ピストン３０３は第１油圧シリンダ本体３０２内に取付けられて、第１ピストンロッド３０４は一端が第１ピストン３０３に接続され、他端が第１先端部１０３に接続されて、第１油圧シリンダ本体３０２は骨組１０１に固定されて、第１密封装置３０５は第１油圧シリンダ本体３０２の両端に取付けられる。前記第２油圧システム４０は、第２油圧ポンプ（図示ない）、第２油圧バルブ（図示ない）、第２油圧管（図示ない）及び第２油圧シリンダ４０１を備える。前記第２油圧シリンダ４０１は第２油圧シリンダ本体４０２、第２ピストン（図示ない）、第２ピストンロッド４０３及び第１密封装置（図示ない）を備えて、第２ピストンは第２油圧シリンダ本体４０２内に取付けられて、第２ピストンロッド４０３は一端が第２ピストンに接続され、他端が第２先端部１０４に接続されて、第２油圧シリンダ本体４０２は骨組１０１に固定されて、第２密封装置は第２油圧シリンダ本体４０２の両端に取付けられる。油圧システムを動作システムとして用いるため、大きな出力率の動作件として用いられることができ、伝動の安定性が優れて、作動の際に、無段変速を行うことができる。また、油圧作動油を油圧シリンダ本体内の媒体として使用するため、自発潤滑を行うことができる。このように、油圧システムの実用寿命が長くなるため、ブレードの実用寿命も長くなる。骨組１０１とブレード本体１０２との間にはブレード補強リブ５０が取付けられる。このように、骨組１０１とブレード本体１０２との接続部の強度を向上させることできる。ブレード本体１０２の第１先端部１０３に近づける端部には第１シール６０が設置され、ブレード本体１０２の第２先端部１０４に近づける端部には第２シール７０が設置される。このように、雨水や塵がブレード単位３１に入れることを防止することができ、垂直風力発電装置が動作する場合に、ブレード単位の横断面の両端が対流を形成することにより垂直風力発電装置の仕事効率に影響することを防止することもできる。
【００６１】
図４で示すように、発電機単位２には冷却システムが設置され、この冷却システムはファン翼２４と、冷却機２５と、密封プレート２６、送風機２７及び発電機固定子２０２１、回転子２０２２、励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２に設置された風道１５を備える。図１５で示すように、前記ファン翼２４は外支柱２０１１の外壁に斜めに設置され、いずれかのファン翼２４も弧形になる。密封プレート２６は塔柱１について固定設置され、且つ内支柱２０１２の上端部内の励磁器２０３の上側に位置される。送風機２７は密封プレート２６に設置される。前記冷却機２５は密封プレート２６に取付けられ、且つ送風機２７の上側に設置される。内支柱２０１２の下端部には出風口２９が設置され、内支柱２０１２の上端部には入風口３３が設置されて、この入風口３３は密封プレート２６の上側に設置される。前記出風口２９と入風口３３は支柱風道２０１３に繋がる。塔柱１内には外部冷却機３４が設置され、冷却機２５は注入管３５と輸出管３６を介して外部冷却機３４に接続される。
【００６２】
図１７で示すように、前記塔柱１のトップ端部にはクレーン８０が設置される。前記クレーン８０は回転塔体８０１、クレーンブーム８０２、バランスアーム８０３、バランスウエイト８０４、台車８０５、レール８０６、フック８０７、ドラグライン８０８、巻上装置８０９及び制御システム（図示ない）を備えている。前記回転塔体８０１が塔柱１のトップ部に接続され、クレーンブーム８０２とバランスアーム８０３が回転塔体８０１に取付けられ、回転塔体８０１は３６０度回転できる。バランスウエイト８０４がバランスアーム８０３の一端に取付けられ、レール８０６がクレーンブーム８０２に設置され、台車８０５がレール８０６に設置され、この台車８０５がレール８０６で前後方法に沿って走行できる。フック８０７が台車８０５の下側に設置され、フック８０７がドラグライン８０８の一端に接続され、巻上装置８０９がドラグライン８０８の他端に接続されて、この巻上装置８０９によりフック８０７の昇降を制御する。また、前記回転塔体８０１のトップ端とバランスアーム８０３との間にはバランスアームプルロッド８１０が設置されて、このバランスアームプルロッド８１０は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がバランスアーム８０３に固定接続される。前記回転塔体８０１のトップ端とクレーンブーム８０２との間にクレーンブームプルロッド８１１が設置されて、このクレーンブームプルロッド８１１は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がクレーンブーム８０２に固定接続される。バランスアームプルロッド８１０及びクレーンブームプルロッド８１１はクレーン８０の構造の安定性を確保でき、クレーンの負荷を向上させることができる。
【００６３】
図３で示すように、前記塔柱１内には昇降システムが設置される。前記昇降システムはエレベーター３７であり、前記エレベーター３７はかご３７１とかご昇降装置３７２を備える。かご３７１はかご昇降装置３７２によって昇降を実施する。
【００６４】
前記第１軸受４、第２軸受５と第３軸受６の外輪にはブレーキ装置（図示ない）が設置される。
【００６５】
上記のような垂直風力発電装置の作動過程は、風力発電機の発電、発電機に対する冷却、発電機を電動機とする起動、及び垂直風力発電装置に対する修理・検査などを含んでいる。以下、それぞれの動作原理を説明する。
【００６６】
垂直風力発電装置の発電の動作原理は以下の通りである。ブレード３は風力により回転しきて、ブレード３が回転した後に回転力を出す。ブレード３が発生された回転力はブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移され、且つ、ブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されている。この時、第３フランジ９と第４フランジ１０は、ブレード３に伴って回転する。第４フランジ１０に転移された回転力はコネクタ２３により第３フランジ９に転移されている。第３フランジ９は第７フランジ１３、第２フランジ８と第６フランジ１２を順次に通じて、回転力を支柱２０１に転移している。支柱２０１は回転子２０２２及び励磁器回転子２０３２を回転させて、回転子２０２２を固定子２０２１に回って、励磁器回転子２０３２を励磁器固定子２０３１に回って回転させる。励磁器回転子２０３２は回転の過程中で、励磁器回転子２０３２における励磁器回転子巻線には交流電流が発生し、そして、回転整流装置１６１により、交流電流を直流電流になった後、発電機回転子２０２２の回転子巻線に輸送している。発電機回転子巻線には直流電流を印加した後に磁場が発生している。発電機回転子２０２２の回転によって、発電機回転子巻線には正弦波分布に近い磁場が発生し、発電機固定子２０２１における発電機固定子巻線は発電機回転子巻線に対して磁界を切るという運動をして、発電機固定子巻線内に３相交流電位を誘導し出すことによって、発電の目的を達成する。この構造は、第３フランジ９、第４フランジ１０及びコネクタ２３が設置されるため、ブレード３に発生された回転力がブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されているだけでなく、ブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移されて、第４フランジ１０は、コネクタ２３を通じて、回転力を第３フランジ９に転移されている。このように、ブレード３の上端と下端の受けた力はバランス化して、ブレード３は変形し難いため、ブレード３は捩れ・破損が容易ではなく、垂直風力発電装置の実用寿命を延長できる。図６で示すように、ブレード３が回転していると、風力が小さい場合、第１先端部１０３と第２先端部１０４はオープンの状態になって、ブレード３の風上面の面積は大きくなり、垂直風力発電装置の出力は大きくなる。図７で示すように、風力が大きくなる場合、第１先端部１０３は第１油圧システム３０によって、第１ガイドレールグループに沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第１先端部１０３が収縮する同時に、第２先端部１０４は第２油圧システム４０によって、第２ガイドレールグループ２に沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第２先端部１０４が収縮する。この時、ブレード３の風上面の面積は小さくなって、垂直風力発電装置の出力を自発的に調整できる。このような構造を使用することによって、風速の過大により垂直風力発電装置の過大による失効を防止できる。
【００６７】
冷却システムの動作原理は以下の通りである。送風機２７で風流を形成して、冷風は励磁器回転子２０３２、励磁器固定子２０３１、回転子２０２２及び固定子２０２１の風道１５を通じて、発電機の下端に到着し、励磁器と発電機を冷却することに役立つ。この時、冷風が熱風になって、出風口２９を経て支柱の風道２０１３内に入って、ここで、外支柱２０１１により外部空気との熱交換を行って、風流における熱風が冷風になる。その後、風流が入風口３３を経て冷却装置２５に入って、ここで風流がさらに冷却された後、送風機２７で風力発電装置の内部に流入して、内循環を形成する。回転子の外支柱２０１１の外には、ファン翼２４が設置され、且つこのファン翼２４が外支柱２０１１の外壁に傾斜的に設置されているため、支柱２０１１が回転する場合に、ファン翼２４も同時に回転し、この際に、ファン翼２４の上下両側に風圧差が発生して、発電機近傍での外部空気は高圧から低圧へ流れる風流を形成して、即ち、外循環を形成する。このように、内循環における風流と外部との熱交換の効率を高めることができる。したがって、発電機に対する冷却の効果を向上させ、発電機の実用寿命を延長させることができる。
【００６８】
外部冷却機３４と冷却機２５の動作原理は、以下の通りである。外部冷却機３４は冷却液を注入管３５により冷却機２５に運送し、冷却機２５で内循環における風との熱交換を行って、熱水になった後、輸出管３６を経て外部冷却機３４に運送されて冷却する。そして、上記のような過程を繰り返し循環する。このように、内循環における風流が冷却機２５での冷却効果を向上させて、発電装置に対する冷却効果を向上させ、発電装置の実用寿命を延長させることができる。
【００６９】
発電機を電動機とする起動の動作過程は、以下の通りである。（１）電動機の運行：図１０で示すように、発電機は低い風速で又は起動の困難である場合に、励磁制御装置１６が電網１７から切断され、励磁器固定子巻線における電流がゼロになって、発電機は電動モデルで運行して、発電機固定子巻線は電網１７に連接され、電網１７は双方向インバータ１５により発電機固定子巻線に交流電を提供する。この時、固定子２０２１と回転子２０２２とのエアギャップ１４内に回転磁場が発生して、回転磁場は発電機回転子巻線及び制動巻線３８に相対する運動が発生するため、発電機回転子巻線が磁界を切って、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導起電力が発生して、発電機回転子巻線と制動巻線とを閉合した後、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導電流が発生して、回転磁場と誘導電流が互いに作用することによって、電磁回転力を生ずるため、発電機の回転子２０２２を回転させてきて、非同期運行を実現する。これによって、発電機は低い風速で又は起動の困難である問題を解決できる。発電機を電動機とする運行の場合に、双方向インバータ１５の出力周波数を調整することによって、発電機を電動機とする回転速度を調整する。（２）発電機の運行：風速が大きくなると、発電機の回転速度がカットイン風速を満たす場合に、まず、発電機を上記電動機の状態で運行させ、且つ、励磁器回転子２０３２を回転させて、励磁器回転子巻線には交流電を誘導し、回転整流装置１６１によって整流した後、直流電流を発電機回転子巻線に入力して、発電機固定子巻線には３相交流電を誘導して切った。この時、双方向インバータ１５を制御し、しばらく停止させて、発電機を電動機の動作状態から抜けて、ブレード３に発生された回転力により支柱２０１を回転させて、支柱２０１により発電機回転子２０２２と励磁器回転子２０３２を回転させていて、且つ、励磁制御装置１６を動作させて、発電機が同期発電で運行し始める。電動機から発電機に変換した後、双方向インバータ１５を新たに動作させて、発電機固定子巻線における３相交流電は双方向インバータ１５により整流、濾波した後、電網１７に連接して、発電機の運行を行っている。風速が変わる場合、発電機の回転速度も同時に変わって、それに従って、発電機固定子巻線における誘導電流の周波数も変わっている。この時に、双方向インバータ１５のパラメーターを調整することによって、出力周波数が変わらないことを保障できて、可変速定周波の運行を行っている。発電機が発電状態で運行する場合、励磁制御装置１６の電流出力を調整することによって、発電機回転子巻線に受けられた励磁器電流を調整して、発電機の出力の制御を実現できる。（３）風速が特定範囲を超えると、励磁制御装置１６は電網１７から切断され、双方向インバータ１５も発電機から切断されて、発電システムは電機エネルギーの消耗も出力もないとともに、ブレーキ装置も発電機の回転速度を制御できて、風力発電装置の破損を避ける。
【００７０】
垂直風力発電装置に対する修理、検査は、昇降システム及びクレーン８０によって実現される。その過程は以下の通りである。作業員は昇降システムにより塔柱１中のいずれかの発電機単位２に到着できて、クレーン８０にも到着できる。作業員はクレーン８０におけるフック８０７に作業できる。前記フック８０７はドラグライン８０８を介して巻上装置８０９に接続されている。このように、フック８０７の垂直方向における位置を調整できる。レール８０６に台車８０５が設置され、この台車８０５がレール８０６に沿って滑る。このように、フック８０７の水平方向における位置を調整できる。回転塔体８０１は３６０度回転できるため、作業員は垂直風力発電装の任意場所で修理と検査を行ってもよく、修理塔体と他の大型装置を別に建てる必要はない。このため、修理コストと修理・検査時間を極めて低減させる。
【００７１】
第２実施形態
図１〜図３で示すような垂直風力発電装置は、塔柱１と、１つ以上の発電機単位２、２枚以上のブレード３、第１軸受４、第２軸受５、第３軸受６、第１フランジ７、第２フランジ８、第３フランジ９、第４フランジ１０、第５フランジ１１、第６フランジ１２と第７フランジ１３を備える。本実施形態において、発電機単位２は一つであり、ブレード３は２枚である。塔柱１の中心軸は水平面と直交して、前記塔柱１は中空構造である。
【００７２】
図３と図４で示すように、前期発電機単位２は支柱２０１、発電機２０２及び励磁器２０３を備える。
【００７３】
図３と図４で示すように、前記支柱２０１は外支柱２０１１と内支柱２０１２とからなり、外支柱２０１１は内支柱２０１２の外に設置され、外支柱２０１１と内支柱２０１２との間に支柱風道２０１３が形成される。
【００７４】
図３と図４で示すように、前記発電機２０２は、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子２０２１と、前記固定子２０２１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された回転子２０２２とを含み、固定子２０２１には発電機固定子巻線（図示ない）が設置され、回転子２０２２には発電機回転子巻線（図示ない）が設置される。固定子２０２１と回転子２０２２との間にはエアギャップ１４を有して、前記固定子２０２１と回転子２０２２内には風道１５が設置される。回転子２０２２には制動巻線３８が取付けられて、図１３と図１４で示すように、制動巻線３８は端絡環３８１とその端絡環３８１に取付けた制動条３８２を備える。
【００７５】
図３と図４で示すように、前記励磁器２０３は、塔柱１の外壁につけて固定設置された励磁器固定子２０３１と、前記励磁器固定子２０３１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された励磁器回転子２０３２とを含み、前記励磁器固定子２０３１には励磁器固定子巻線（図示ない）が設置され、励磁器回転子２０３２には励磁器回転子巻線（図示ない）が設置される。励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２との間にはエアギャップ１４を有して、前記励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２内には風道１５が設置される。図３と図４で示すように、前記励磁器２０３は発電機２０２の上方に取付けられてもいいが、図１６で示すように、励磁器２０３は発電機２０２の下方に取付けられてもいい。
【００７６】
図１０で示すように、発電機固定子巻線は双方向インバータ１５を介して電綱１７に連接されて、前記発電機固定子巻線は双方向インバータ１５と励振制御装置１６を介して励磁器固定子巻線に連接して、発電機回転子巻線は回転整流装置１６１を介して励磁器回転子巻線に連接する。
【００７７】
図３で示すように、前記発電機固定子２０２１の下端面には、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子ブラケット２０２３が設置される。固定子ブラケット２０２３は固定子２０２１を支持することに役立つため、固定子２０２１が塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。前記励磁器固定子２０３１の下端面には、塔柱１につけて固定設置された励磁器固定子ブラケット２０３３が設置される。励磁器固定子ブラケット２０３３は励磁器固定子２０３１を支持することに役立つため、励磁器固定子２０３１が塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。
【００７８】
図３と図４で示すように、前記第５フランジ１１、第１フランジ７、第１軸受４は上から下まで順次に支柱２０１に下方に設置される。第５フランジ１１は上端面が溶接により支柱２０１の下端面に接続される。前記第１フランジ７は上下両端の横断面が異なる。例えば、図４で示すように、第１フランジ７が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第１フランジ７がホーン型で、図２０で示すように、第１フランジ７が「凸」型で、図２１で示すように、第１フランジ７が階段型である。しかしながら、第１フランジ７は上記４種類の構造に限られない。前記第１フランジ７は大端がねじ又は溶接により第５フランジ１１に接続され、小端がねじ又は溶接又は締まりばめにより第１軸受４の外輪に接続される。前記第１軸受４の内輪が塔柱１の外壁につけて固定設置され、その第１軸受４の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第１軸受ブラケット１８が設置される。
【００７９】
錐台型又はホーン型とする第１フランジ７は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第１フランジ７に顕著な内応力が発生することないため、強度が高くて、大きな力を受けることができるとともに、第１軸受４の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第１フランジ７は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第５フランジ１１が設置されるため、第１フランジと支柱２０１との接続に有利になる。第１軸受ブラケット１８は第１軸受４及び第１軸受４に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第１軸受４が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させて、且つ発電機の構造の安定性が向上させることができる。
【００８０】
図３と図４で示すように、前記第６フランジ１２、第２フランジ８、第２軸受５は下から上まで順次に支柱２０１に上方に設置される。第６フランジ１２は溶接により支柱２０１の上端面に接続される。前記第６フランジ１２は上下両端の横断面が異なる。例えば、図３と図４で示すように、第２フランジ８が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第２フランジ８がホーン型で、図２０で示すように、第２フランジ８が「凸」型で、図２１で示すように、第２フランジ８が階段型である。しかしながら、第２フランジ８は上記４種類の構造に限られない。前記第２フランジ８は大端がねじ又は溶接により第６フランジ１２に接続される。前記第２軸受８の内輪は塔柱１の外壁につけて固定設置される。前記第７フランジ１３は締まるばめにより第２軸受５の外輪の外壁につけて設置され、第７フランジ１３の下端面がねじ又は溶接により第２フランジ８の小端に接続される。その第２軸受５の内輪の下端面には、塔柱１の外壁につけて固定設置された第２軸受ブラケット１９が設置される。
【００８１】
錐台型又はホーン型とする第２フランジ８は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第２フランジ８に顕著な内応力が発生することないため、第２フランジ８の強度を高めて、大きな力を受けることができるとともに、第２軸受５の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第２フランジ８は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第６フランジ１２が設置されるため、第２フランジ８と支柱２０１との接続に有利になる。第２軸受ブラケット１９は第２軸受５及び第２軸受５に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第２軸受５が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【００８２】
図３で示すように、前記第３軸受６の内輪は塔柱１につけて固定設置され、且つ第２軸受５の上側に位置される。前記第３軸受６の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第３軸受ブラケット２０が設置される。第３軸受ブラケット２０は第３軸受６及びこの第３軸受８に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第３軸受６が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【００８３】
第３フランジ９はねじ又は溶接により前記第７フランジ１３の上端面に接続され、第４フランジ１０はねじ又は溶接により第３軸受６の外輪に接続され、第３フランジ９と第４フランジ１０との間には、回転力を転移するためのコネクタ２３が設置される。図１２で示すように、示されたコネクタ２３は中空管である。図１１で示すように、前記コネクタ２３は二本以上の接続ロッド２３１を含み、前記接続ロッド２３１は上端が第４フランジ１０に接続され、下端が第３フランジ９に接続される。前記接続ロッド２３１は塔柱１の外において、塔柱横断面と同中心の円周に設置される。コネクタの強度を高めるために、接続ロッド２３１には補強リブ２３２が溶接される。中空管をコネクタ２３とするため、構造が簡単で、製造が便利で、製造コストが低く、且つ、中空管が第３フランジ９と第４フランジ１０と伴って回転する場合に、中空管に回転抵抗力を形成することにより風力発電装置の出力率に影響することない。従って、風力発電装置の発電出力を極めて高める。数多くの接続ロッド２３１をコネクタとするため、構造が簡単で、且つ垂直風力発電装置の重量を低減することができる。図３で示すように、第３フランジ９の外円周には二つの第８フランジ２１が接続され、第４フランジ１０の外円周には二つの第９フランジ２２が接続される。前記ブレード３は下端が第８フランジ２１を介して第３フランジ９に接続し、上端が第９フランジ２２を介して第４フランジ１０に接続する。第８フランジと第９フランジが設置されるため、ブレード３の取付、取除き及び修理に便利である。
【００８４】
図５、図２２から図２５で示すような垂直風力発電装置のブレード３は、三つのブレード単位３１からなる。図２２で示すように、ブレード単位３１の横断面は大きな中間部と小さな両端部のオリーブ形であり、両小端部の一方が弧形で、他方が尖端である。ブレード単位３１がこのような横断面構造を有するため、風力に対する利用率が高い。前記ブレード単位３１は、骨組１０１、ブレード本体１０２、第１先端部１０３及び第２先端部１０４を備えて、ブレード本体１０２は骨組１０１に取付けられ、骨組１０１はブレード本体１０２内に位置する。前記第１先端部１０３は、ブレード単位３１の径方向に沿うブレード本体１０２の一端にはが設置され、第１先端部１０３の尾部１０３１は前記弧形であって、第１先端部１０３の頭部１０３２はブレード本体１０２内に延びる。前記第２先端部１０４は、ブレード単位３１の径方向に沿ってブレード本体１０２の第１先端部１０３と対向する他端にはが設置され、第２先端部１０４の尾部１０４１は前記尖端であって、第２先端部１０４の頭部１０４２はブレード本体１０２内に延びる。図２２と図２５で示すように、ブレード本体１０２と第１先端部１０３との間には、第１ガイドレールグループ（図示ない）が設置され、ブレード本体１０２と第２先端部１０４との間には、第２ガイドレールグループ３２が設置される。骨組１０１と第１先端部１０３との間には、第１気圧システム９５が設置され、骨組１０１と第２先端部１０４との間には、第２気圧システム９６が設置される。前記第１気圧システム９５は、第１空気圧縮機（図示ない）及び第１気圧シリンダ１１１を備える。図２５で示すように、前記第１気圧シリンダ１１１は第１気圧シリンダ本体１１２、第１気圧ピストン１１３、第１気圧ピストンロッド１１３及び第１気圧密封装置１１５を備える。第１気圧ピストン１１３は第１気圧シリンダ本体１１２内に取付けられて、第１気圧ピストンロッド１１４は一端が第１気圧ピストン１１３に接続され、他端が第１先端部１０３に接続されて、第１気圧シリンダ本体１１２は骨組１０１に固定されて、第１気圧密封装置１１５は第１気圧シリンダ本体１１２の両端に取付けられている。前記第２気圧システム９６は第２空気圧縮機（図示ない）及び第２気圧シリンダ１２１を備える。前記第２気圧シリンダ１２１は第２気圧シリンダ本体１２２、第２気圧ピストン（図示ない）、第２気圧ピストンロッド１２３及び第２気圧密封装置（図示ない）を備える。第２気圧ピストンは第２気圧シリンダ本体１２２内に取付けられて、第２気圧ピストンロッド１２３は一端が第２気圧ピストンに接続され、他端が第２先端部１０４に接続されて、第２気圧シリンダ本体１２２は骨組１０１に固定されて、第２気圧密封装置は第２気圧シリンダ本体１２２の両端に取付けられている。気圧シリンダシステムを動作装置として用いることは、その動力媒体が気体であるので、質量が小さく、媒体資源が豊かで、無汚染であり、且つ気体の粘度が小さいので、気体と気圧シリンダの抵抗力が小さい。骨組１０１とブレード本体１０２との間にはブレード補強リブ５０が取付けられる。このように、骨組１０１とブレード本体１０２との接続部の強度を向上させることができる。ブレード本体１０２の第１先端部１０３に近づける端部には第１シール６０が設置され、ブレード本体１０２の第２先端部１０４に近づける端部には第２シール７０が設置される。このように、雨水や塵がブレード単位に入れることを防止することができ、垂直風力発電装置が動作する場合に、ブレード単位の横断面の両端が対流を形成することにより垂直風力発電装置の仕事効率に影響することを防止することもできる。
【００８５】
図４で示すように、発電機単位２には冷却システムが設置され、この冷却システムはファン翼２４と、冷却機２５と、密封プレート２６、送風機２７及び発電機固定子２０２１、回転子２０２２、励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２に設置された風道１５を備える。図１５で示すように、前記ファン翼２４は外支柱２０１１の外壁に斜めに設置され、いずれかのファン翼２４も弧形になる。密封プレート２６は塔柱１について固定設置され、且つ内支柱２０１２の上端部内の励磁器２０３の上側に位置される。送風機２７は密封プレート２６に設置される。前記冷却機２５は密封プレート２６に取付けられ、且つ送風機２７の上側に設置される。内支柱２０１２の下端部には出風口２９が設置され、内支柱２０１２の上端部には入風口３３が設置されて、この入風口３３は密封プレート２６の上側に設置される。前記出風口２９と入風口３３は支柱風道２０１３に繋がる。塔柱１内には外部冷却機３４が設置され、冷却機２５は注入管３５と輸出管３６を介して外部冷却機３４に接続される。
【００８６】
図１７で示すように、前記塔柱１のトップ端部にはクレーン８０が設置される。前記クレーン８０は回転塔体８０１、クレーンブーム８０２、バランスアーム８０３、バランスウエイト８０４、台車８０５、レール８０６、フック８０７、ドラグライン８０８、巻上装置８０９及び制御システム（図示ない）を備える。前記回転塔体８０１が塔柱１のトップ部に接続され、クレーンブーム８０２とバランスアーム８０３が回転塔体８０１に取付けられ、回転塔体８０１は３６０度回転できる。バランスウエイト８０４がバランスアーム８０３の一端に取付けられ、レール８０６がクレーンブーム８０２に設置され、台車８０５がレール８０６に設置され、この台車８０５がレール８０６で前後方法に沿って走行できる。フック８０７が台車８０５の下側に設置され、フック８０７がドラグライン８０８の一端に接続され、巻上装置８０９がドラグライン８０８の他端に接続されて、この巻上装置８０９によりフック８０７の昇降を制御する。また、前記回転塔体８０１のトップ端とバランスアーム８０３との間にはバランスアームプルロッド８１０が設置されて、このバランスアームプルロッド８１０は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がバランスアーム８０３に固定接続される。前記回転塔体８０１のトップ端とクレーンブーム８０２との間にクレーンブームプルロッド８１１が設置されて、このクレーンブームプルロッド８１１は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がクレーンブーム８０２に固定接続される。バランスアームプルロッド８１０及びクレーンブームプルロッド８１１はクレーン８０の構造の安定性を確保でき、クレーンの負荷を向上させることができる。
【００８７】
図３で示すように、前記塔柱１内には昇降システムが設置される。前記昇降システムはエレベーター３７であり、前記エレベーター３７はかご３７１とかご昇降装置３７２を備える。かご３７１はかご昇降装置３７２によって昇降を実施する。
【００８８】
前記第１軸受４、第２軸受５と第３軸受６の外輪にはブレーキ装置（図示ない）が設置される。
【００８９】
上記のような垂直風力発電装置の作動過程は、風力発電機の発電、発電機に対する冷却、発電機を電動機とする起動、及び垂直風力発電装置に対する修理・検査などを含んでいる。以下、それぞれの動作原理を説明する。
【００９０】
垂直風力発電装置の発電の動作原理は以下の通りである。ブレード３は風力により回転し始めて、ブレード３が回転した後に回転力が発生する。ブレード３が発生された回転力はブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移され、且つ、ブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されている。この時、第３フランジ９と第４フランジ１０は、ブレード３に伴って回転する。第４フランジ１０に転移された回転力はコネクタ２３により第３フランジ９に転移されている。第３フランジ９は第７フランジ１３、第２フランジ８と第６フランジ１２を順次に通じて、回転力を支柱２０１に転移している。支柱２０１は回転子２０２２及び励磁器回転子２０３２を回転させて、回転子２０２２を固定子２０２１に回って、励磁器回転子２０３２を励磁器固定子２０３１に回って回転させる。励磁器回転子２０３２は回転の過程中で、励磁器回転子２０３２における励磁器回転子巻線には交流電流が発生し、そして、回転整流装置１６１により、交流電流を直流電流になった後、発電機回転子２０２２の回転子巻線に輸送している。発電機回転子巻線には直流電流を印加した後に磁場が発生している。発電機回転子２０２２の回転によって、発電機回転子巻線には正弦波分布に近い磁場が発生し、発電機固定子２０２１における発電機固定子巻線は発電機回転子巻線に対して磁界を切るという運動をして、発電機固定子巻線内に３相交流電位を誘導し出すことによって、発電の目的を達成する。この構造は、第３フランジ９、第４フランジ１０及びコネクタ２３が設置されるため、ブレード３に発生された回転力がブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されているだけでなく、ブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移されて、第４フランジ１０は、コネクタ２３を通じて、回転力を第３フランジ９に転移されている。このように、ブレード３の上端と下端の受けた力はバランス化して、ブレード３は変形し難いため、ブレード３は捩れ・破損が容易ではなく、垂直風力発電装置の実用寿命を延長できる。図６で示すように、ブレード３が回転していると、風力が小さい場合、第１先端部１０３と第２先端部１０４はオープンの状態になって、ブレード３の風上面の面積は大きくなり、垂直風力発電装置の出力は大きくなる。図７で示すように、風力が大きくなる場合、第１先端部１０３は第１気圧システム９５によって、第１ガイドレールグループに沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第１先端部１０３が収縮する同時に、第２先端部１０４は第２気圧システム９６によって、第２ガイドレールグループ２に沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第２先端部１０４が収縮する。この時、ブレード３の風上面の面積は小さくなって、垂直風力発電装置の出力を自発的に調整できる。このような構造を使用することによって、風速の過大により垂直風力発電装置の過大による失効を防止できる。
【００９１】
冷却システムの動作原理は以下の通りである。送風機２７で風流を形成して、冷風は励磁器回転子２０３２、励磁器固定子２０３１、回転子２０２２及び固定子２０２１の風道１５を通じて、発電機の下端に到着し、励磁器と発電機を冷却することに役立つ。この時、冷風が熱風になって、出風口２９を経て支柱の風道２０１３内に入って、ここで、外支柱２０１１により外部空気との熱交換を行って、風流における熱風が冷風になる。その後、風流が入風口３３を経て冷却装置２５に入って、ここで風流がさらに冷却された後、送風機２７で風力発電装置の内部に流入して、内循環を形成する。回転子の外支柱２０１１の外には、ファン翼２４が設置され、且つこのファン翼２４が外支柱２０１１の外壁に傾斜的に設置されているため、支柱２０１１が回転する場合に、ファン翼２４も同時に回転し、この際に、ファン翼２４の上下両側に風圧差が発生して、発電機近傍での外部空気は高圧から低圧へ流れる風流を形成して、即ち、外循環を形成する。このように、内循環における風流と外部との熱交換の効率を高めることができる。したがって、発電機に対する冷却の効果を向上させ、発電機の実用寿命を延長させることができる。
【００９２】
外部冷却機３４と冷却機２５の動作原理は、以下の通りである。外部冷却機３４は冷却液を注入管３５により冷却機２５に運送し、冷却機２５で内循環における風との熱交換を行って、熱水になった後、輸出管３６を経て外部冷却機３４に運送されて冷却する。そして、上記のような過程を繰り返し循環する。このように、内循環における風流が冷却機２５での冷却効果を向上させて、発電装置に対する冷却効果を向上させ、発電装置の実用寿命を延長させることができる。
【００９３】
発電機を電動機とする起動の動作過程は、以下の通りである。（１）電動機の運行：図１０で示すように、発電機は低い風速で又は起動の困難である場合に、励磁制御装置１６が電網１７から切断され、励磁器固定子巻線における電流がゼロになって、発電機は電動モデルで運行して、発電機固定子巻線は電網１７に連接され、電網１７は双方向インバータ１５により発電機固定子巻線に交流電を提供する。この時、固定子２０２１と回転子２０２２とのエアギャップ１４内に回転磁場が発生して、回転磁場は発電機回転子巻線及び制動巻線３８に相対する運動が発生するため、発電機回転子巻線が磁界を切って、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導起電力が発生して、発電機回転子巻線と制動巻線とを閉合した後、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導電流が発生して、回転磁場と誘導電流が互いに作用することによって、電磁回転力を生ずるため、発電機の回転子２０２２を回転させてきて、非同期運行を実現する。これによって、発電機は低い風速で又は起動の困難である問題を解決できる。発電機を電動機とする運行の場合に、双方向インバータ１５の出力周波数を調整することによって、発電機を電動機とする回転速度を調整する。（２）発電機の運行：風速が大きくなると、発電機の回転速度がカットイン風速を満たす場合に、まず、発電機を上記電動機の状態で運行させ、且つ、励磁器回転子２０３２を回転させて、励磁器回転子巻線には交流電を誘導し、回転整流装置１６１によって整流した後、直流電流を発電機回転子巻線に入力して、発電機固定子巻線には３相交流電を誘導して切った。この時、双方向インバータ１５を制御し、しばらく停止させて、発電機を電動機の動作状態から抜けて、ブレード３に発生された回転力により支柱２０１を回転させて、支柱２０１により発電機回転子２０２２と励磁器回転子２０３２を回転させていて、且つ、励磁制御装置１６を動作させて、発電機が同期発電で運行し始める。電動機から発電機に変換した後、双方向インバータ１５を新たに動作させて、発電機固定子巻線における３相交流電は双方向インバータ１５により整流、濾波した後、電網１７に連接して、発電機の運行を行っている。風速が変わる場合、発電機の回転速度も同時に変わって、それに従って、発電機固定子巻線における誘導電流の周波数も変わっている。この時に、双方向インバータ１５のパラメーターを調整することによって、出力周波数が変わらないことを保障できて、可変速定周波の運行を行っている。発電機が発電状態で運行する場合、励磁制御装置１６の電流出力を調整することによって、発電機回転子巻線に受けられた励磁器電流を調整して、発電機の出力の制御を実現できる。（３）風速が特定範囲を超えると、励磁制御装置１６は電網１７から切断され、双方向インバータ１５も発電機から切断されて、発電システムは電機エネルギーの消耗も出力もないとともに、ブレーキ装置も発電機の回転速度を制御できて、風力発電装置の破損を避ける。
【００９４】
垂直風力発電装置に対する修理、検査は、昇降システム及びクレーン８０によって実現される。その過程は以下の通りである。作業員は昇降システムにより塔柱１中のいずれかの発電機単位２に到着できて、クレーン８０にも到着できる。作業員はクレーン８０におけるフック８０７に作業できる。前記フック８０７はドラグライン８０８を介して巻上装置８０９に接続されている。このように、フック８０７の垂直方向における位置を調整できる。レール８０６に台車８０５が設置され、この台車８０５がレール８０６に沿って滑る。このように、フック８０７の水平方向における位置を調整できる。回転塔体８０１は３６０度回転できるため、作業員は垂直風力発電装の任意場所で修理と検査を行ってもよく、修理塔体と他の大型装置を別に建てる必要はない。このため、修理コストと修理・検査時間を極めて低減させることができる。
【００９５】
第３実施形態
図１〜図３で示すような垂直風力発電装置は、塔柱１と、１つ以上の発電機単位２、２枚以上のブレード３、第１軸受４、第２軸受５、第３軸受６、第１フランジ７、第２フランジ８、第３フランジ９、第４フランジ１０、第５フランジ１１、第６フランジ１２と第７フランジ１３を備える。本実施形態において、発電機単位２は一つであり、ブレード３は２枚である。塔柱１の中心軸は水平面と直交して、前記塔柱１は中空構造である。
【００９６】
図３と図４で示すように、前期発電機単位２は支柱２０１、発電機２０２及び励磁器２０３を備える。
【００９７】
図３と図４で示すように、前記支柱２０１は外支柱２０１１と内支柱２０１２とからなり、外支柱２０１１は内支柱２０１２の外に設置され、外支柱２０１１と内支柱２０１２との間に支柱風道２０１３が形成される。
【００９８】
図３と図４で示すように、前記発電機２０２は、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子２０２１と、前記固定子２０２１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された回転子２０２２とを含み、固定子２０２１には発電機固定子巻線（図示ない）が設置され、回転子２０２２には発電機回転子巻線（図示ない）が設置される。固定子２０２１と回転子２０２２との間にはエアギャップ１４を有して、前記固定子２０２１と回転子２０２２内には風道１５が設置される。回転子２０２２には制動巻線３８が取付けられて、図１３と図１４で示すように、制動巻線３８は端絡環３８１とその端絡環３８１に取付けた制動条３８２を備える。
【００９９】
図３と図４で示すように、前記励磁器２０３は、塔柱１の外壁につけて固定設置された励磁器固定子２０３１と、前記励磁器固定子２０３１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された励磁器回転子２０３２とを含み、前記励磁器固定子２０３１には励磁器固定子巻線（図示ない）が設置され、励磁器回転子２０３２には励磁器回転子巻線（図示ない）が設置される。励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２との間にはエアギャップ１４を有して、前記励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２内には風道１５が設置される。図３と図４で示すように、前記励磁器２０３は発電機２０２の上方に取付けられてもいいが、図１６で示すように、励磁器２０３は発電機２０２の下方に取付けられてもいい。
【０１００】
図１０で示すように、発電機固定子巻線は双方向インバータ１５を介して電綱１７に連接されて、前記発電機固定子巻線は双方向インバータ１５と励振制御装置１６を介して励磁器固定子巻線に連接して、発電機回転子巻線は回転整流装置１６１を介して励磁器回転子巻線に連接する。
【０１０１】
図３で示すように、前記発電機固定子２０２１の下端面には、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子ブラケット２０２３が設置される。固定子ブラケット２０２３は固定子２０２１を支持することに役立つため、固定子２０２１が塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。前記励磁器固定子２０３１の下端面には、塔柱１につけて固定設置された励磁器固定子ブラケット２０３３が設置される。励磁器固定子ブラケット２０３３は励磁器固定子２０３１を支持することに役立つため、励磁器固定子２０３１が塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。
【０１０２】
図３と図４で示すように、前記第５フランジ１１、第１フランジ７、第１軸受４は上から下まで順次に支柱２０１に下方に設置される。第５フランジ１１は上端面が溶接により支柱２０１の下端面に接続される。前記第１フランジ７は上下両端の横断面が異なる。例えば、図４で示すように、第１フランジ７が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第１フランジ７がホーン型で、図２０で示すように、第１フランジ７が「凸」型で、図２１で示すように、第１フランジ７が階段型である。しかしながら、第１フランジ７は上記４種類の構造に限られない。前記第１フランジ７は大端がねじ又は溶接により第５フランジ１１に接続され、小端がねじ又は溶接又は締まりばめにより第１軸受４の外輪に接続される。前記第１軸受４の内輪が塔柱１の外壁につけて固定設置され、その第１軸受４の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第１軸受ブラケット１８が設置される。
【０１０３】
錐台型又はホーン型とする第１フランジ７は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第１フランジ７に顕著な内応力が発生することないため、強度が高くて、大きな力を受けることができるとともに、第１軸受４の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第１フランジ７は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第５フランジ１１が設置されるため、第１フランジと支柱２０１との接続に有利になる。第１軸受ブラケット１８は第１軸受４及び第１軸受４に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第１軸受４が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させて、且つ発電機の構造の安定性が向上させることができる。
【０１０４】
図３と図４で示すように、前記第６フランジ１２、第２フランジ８、第２軸受５は下から上まで順次に支柱２０１に上方に設置される。第６フランジ１２は溶接により支柱２０１の上端面に接続される。前記第６フランジ１２は上下両端の横断面が異なる。例えば、図３と図４で示すように、第２フランジ８が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第２フランジ８がホーン型で、図２０で示すように、第２フランジ８が「凸」型で、図２１で示すように、第２フランジ８が階段型である。しかしながら、第２フランジ８は上記４種類の構造に限られない。前記第２フランジ８は大端がねじ又は溶接により第６フランジ１２に接続される。前記第２軸受８の内輪は塔柱１の外壁につけて固定設置される。前記第７フランジ１３は締まるばめにより第２軸受５の外輪の外壁につけて設置され、第７フランジ１３の下端面がねじ又は溶接により第２フランジ８の小端に接続される。その第２軸受５の内輪の下端面には、塔柱１の外壁につけて固定設置された第２軸受ブラケット１９が設置される。
【０１０５】
錐台型又はホーン型とする第２フランジ８は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第２フランジ８に顕著な内応力が発生しないため、第２フランジ８の強度を高めて、大きな力を受けることができるとともに、第２軸受５の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第２フランジ８は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第６フランジ１２が設置されるため、第２フランジ８と支柱２０１との接続に有利になる。第２軸受ブラケット１９は第２軸受５及び第２軸受５に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第２軸受５が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【０１０６】
図３で示すように、前記第３軸受６の内輪は塔柱１につけて固定設置され、且つ第２軸受５の上側に位置される。前記第３軸受６の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第３軸受ブラケット２０が設置される。第３軸受ブラケット２０は第３軸受６及びこの第３軸受８に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第３軸受６が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【０１０７】
第３フランジ９はねじ又は溶接により前記第７フランジ１３の上端面に接続され、第４フランジ１０はねじ又は溶接により第３軸受６の外輪に接続され、第３フランジ９と第４フランジ１０との間には、回転力を転移するためのコネクタ２３が設置される。図１２で示すように、示されたコネクタ２３は中空管である。図１１で示すように、前記コネクタ２３は二本以上の接続ロッド２３１を含み、前記接続ロッド２３１は上端が第４フランジ１０に接続され、下端が第３フランジ９に接続される。前記接続ロッド２３１は塔柱１の外において、塔柱横断面と同中心の円周に設置される。コネクタの強度を高めるために、接続ロッド２３１には補強リブ２３２が溶接される。中空管をコネクタ２３とするため、構造が簡単で、製造が便利で、製造コストが低く、且つ、中空管が第３フランジ９と第４フランジ１０と伴って回転する場合に、中空管に回転抵抗力を形成することにより風力発電装置の出力率に影響することない。従って、風力発電装置の発電出力を極めて高める。数多くの接続ロッド２３１をコネクタとするため、構造が簡単で、且つ垂直風力発電装置の重量を低減することができる。図３で示すように、第３フランジ９の外円周には二つの第８フランジ２１が接続され、第４フランジ１０の外円周には二つの第９フランジ２２が接続される。前記ブレード３は下端が第８フランジ２１を介して第３フランジ９に接続し、上端が第９フランジ２２を介して第４フランジ１０に接続する。第８フランジと第９フランジが設置されるため、ブレード３の取付、取除き及び修理に便利である。
【０１０８】
図５、図２６から図２９で示すような垂直風力発電装置のブレード３は、三つのブレード単位３１からなる。図２６で示すように、ブレード単位３１の横断面は大きな中間部と小さな両端部のオリーブ形であり、両小端部の一方が弧形で、他方が尖端である。ブレード単位３１がこのような横断面構造を有するため、風力に対する利用率が高い。前記ブレード単位３１は、骨組１０１、ブレード本体１０２、第１先端部１０３及び第２先端部１０４を備えて、ブレード本体１０２は骨組１０１に取付けられ、骨組１０１はブレード本体１０２内に位置する。前記第１先端部１０３は、ブレード単位３１の径方向に沿うブレード本体１０２の一端にはが設置され、第１先端部１０３の尾部１０３１は前記弧形であって、第１先端部１０３の頭部１０３２はブレード本体１０２内に延びる。前記第２先端部１０４は、ブレード単位３１の径方向に沿ってブレード本体１０２の第１先端部１０３と対向する他端にはが設置され、第２先端部１０４の尾部１０４１は前記尖端であって、第２先端部１０４の頭部１０４２はブレード本体１０２内に延びる。図２６と図２９で示すように、ブレード本体１０２と第１先端部１０３との間には、第１ガイドレールグループ（図示ない）が設置され、ブレード本体１０２と第２先端部１０４との間には、第２ガイドレールグループ３２が設置される。図２６で示すように、骨組１０１と第１先端部１０３との間には、第１ネジロッド２１００、第１雌ねじ２２００、第１電機２３００、二つ以上の第１直線軸受２４００及びこの第１直線軸受の数と同じの第１ペデスタル軸受２５００を備える第１動作装置が設置されている。前記第１直線軸受２４００は二つであって、これに相応して第１ペデスタル軸受２５００も二つである。前記第１ペデスタル軸受２４００はブレード本体１０２に取付けられ、第１直線軸受２４００は第１ペデスタル軸受２５００内に取付けられ、前記第１雌ねじ２２００は第１先端部１０３に取付けられ、前記第１ネジロッド２１００の一端は第１電機２３００に接続され、前記第１ネジロッド２１００は第１直線軸受２４００を貫して第１雌ねじ２２００に噛み合わされ、前記第１電機２３００と第１ネジロッド２１００との間には第１軸継手２６００が設置される。図２６と図２９で示すように、骨組１０１と第２先端部１０４との間には、第２ネジロッド３１００、第２雌ねじ３２００、第２電機３３００、二つ以上の第２直線軸受３４００及びこの第２直線軸受の数と同じの第２ペデスタル軸受３５００を備える第２動作装置が設置されている。前記第２直線軸受３４００は二つであって、これに相応して第２ペデスタル軸受３５００も二つである。前記第２ペデスタル軸受３４００はブレード本体１０２に取付けられ、第２直線軸受３４００は第２ペデスタル軸受３５００内に取付けられ、前記第２雌ねじ３２００は第２先端部１０４に取付けられ、前記第２ネジロッド３１００の一端は第２電機３３００に接続され、前記第２ネジロッド３１００は第２直線軸受３４００を貫して第２雌ねじ３２００に噛み合わされ、前記第２電機３３００と第２ネジロッド３１００との間には第２軸継手３６００が設置される。ネジロッド、雌ねじ、直線軸受を動作装置として用いるため、伝動精度が高い。図２６で示すように、骨組１０１とブレード本体１０２との間にはブレード補強リブ５０が取付けられる。このように、骨組１０１とブレード本体１０２との接続部の強度を向上させることができる。ブレード本体１０２の第１先端部１０３に近づける端部には第１シール６０が設置され、ブレード本体１０２の第２先端部１０４に近づける端部には第２シール７０が設置される。このように、雨水や塵がブレード単位に入れることを防止することができ、垂直風力発電装置が動作する場合に、ブレード単位の横断面の両端が対流を形成することにより垂直風力発電装置の仕事効率に影響することを防止することもできる。
【０１０９】
図４で示すように、発電機単位２には冷却システムが設置され、この冷却システムはファン翼２４と、冷却機２５と、密封プレート２６、送風機２７及び発電機固定子２０２１、回転子２０２２、励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２に設置された風道１５を備える。図１５で示すように、前記ファン翼２４は外支柱２０１１の外壁に斜めに設置され、いずれかのファン翼２４も弧形になる。密封プレート２６は塔柱１について固定設置され、且つ内支柱２０１２の上端部内の励磁器２０３の上側に位置される。送風機２７は密封プレート２６に設置される。前記冷却機２５は密封プレート２６に取付けられ、且つ送風機２７の上側に設置される。内支柱２０１２の下端部には出風口２９が設置され、内支柱２０１２の上端部には入風口３３が設置されて、この入風口３３は密封プレート２６の上側に設置される。前記出風口２９と入風口３３は支柱風道２０１３に繋がる。塔柱１内には外部冷却機３４が設置され、冷却機２５は注入管３５と輸出管３６を介して外部冷却機３４に接続される。
【０１１０】
図１７で示すように、前記塔柱１のトップ端部にはクレーン８０が設置される。前記クレーン８０は回転塔体８０１、クレーンブーム８０２、バランスアーム８０３、バランスウエイト８０４、台車８０５、レール８０６、フック８０７、ドラグライン８０８、巻上装置８０９及び制御システム（図示ない）を備える。前記回転塔体８０１が塔柱１のトップ部に接続され、クレーンブーム８０２とバランスアーム８０３が回転塔体８０１に取付けられ、回転塔体８０１は３６０度回転できる。バランスウエイト８０４がバランスアーム８０３の一端に取付けられ、レール８０６がクレーンブーム８０２に設置され、台車８０５がレール８０６に設置され、この台車８０５がレール８０６で前後方法に沿って走行できる。フック８０７が台車８０５の下側に設置され、フック８０７がドラグライン８０８の一端に接続され、巻上装置８０９がドラグライン８０８の他端に接続されて、この巻上装置８０９によりフック８０７の昇降を制御する。また、前記回転塔体８０１のトップ端とバランスアーム８０３との間にはバランスアームプルロッド８１０が設置されて、このバランスアームプルロッド８１０は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がバランスアーム８０３に固定接続される。前記回転塔体８０１のトップ端とクレーンブーム８０２との間にクレーンブームプルロッド８１１が設置されて、このクレーンブームプルロッド８１１は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がクレーンブーム８０２に固定接続される。バランスアームプルロッド８１０及びクレーンブームプルロッド８１１はクレーン８０の構造の安定性を確保でき、クレーンの負荷を向上させることができる。
【０１１１】
図３で示すように、前記塔柱１内には昇降システムが設置される。前記昇降システムはエレベーター３７であり、前記エレベーター３７はかご３７１とかご昇降装置３７２を備える。かご３７１はかご昇降装置３７２によって昇降を実施する。
【０１１２】
前記第１軸受４、第２軸受５と第３軸受６の外輪にはブレーキ装置（図示ない）が設置される。
【０１１３】
上記のような垂直風力発電装置の作動過程は、風力発電機の発電、発電機に対する冷却、発電機を電動機とする起動、及び垂直風力発電装置に対する修理・検査などを含んでいる。以下、それぞれの動作原理を説明する。
【０１１４】
垂直風力発電装置の発電の動作原理は以下の通りである。ブレード３は風力により回転し始めて、ブレード３が回転した後に回転力が発生する。ブレード３が発生された回転力はブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移され、且つ、ブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されている。この時、第３フランジ９と第４フランジ１０は、ブレード３に伴って回転する。第４フランジ１０に転移された回転力はコネクタ２３により第３フランジ９に転移されている。第３フランジ９は第７フランジ１３、第２フランジ８と第６フランジ１２を順次に通じて、回転力を支柱２０１に転移している。支柱２０１は回転子２０２２及び励磁器回転子２０３２を回転させて、回転子２０２２を固定子２０２１に回って、励磁器回転子２０３２を励磁器固定子２０３１に回って回転させる。励磁器回転子２０３２は回転の過程中で、励磁器回転子２０３２における励磁器回転子巻線には交流電流が発生し、そして、回転整流装置１６１により、交流電流を直流電流になった後、発電機回転子２０２２の回転子巻線に輸送している。発電機回転子巻線には直流電流を印加した後に磁場が発生している。発電機回転子２０２２の回転によって、発電機回転子巻線には正弦波分布に近い磁場が発生し、発電機固定子２０２１における発電機固定子巻線は発電機回転子巻線に対して磁界を切るという運動をして、発電機固定子巻線内に３相交流電位を誘導し出すことによって、発電の目的を達成する。この構造は、第３フランジ９、第４フランジ１０及びコネクタ２３が設置されるため、ブレード３に発生された回転力がブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されているだけでなく、ブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移されて、第４フランジ１０は、コネクタ２３を通じて、回転力を第３フランジ９に転移されている。このように、ブレード３の上端と下端の受けた力はバランス化して、ブレード３は変形し難いため、ブレード３は捩れ・破損が容易ではなく、垂直風力発電装置の実用寿命を延長できる。図６で示すように、ブレード３が回転していると、風力が小さい場合、第１先端部１０３と第２先端部１０４はオープンの状態になって、ブレード３の風上面の面積は大きくなり、垂直風力発電装置の出力は大きくなる。図７で示すように、風力が大きくなる場合、第１先端部１０３は第１動作装置によって、第１ガイドレールグループに沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第１先端部１０３が収縮する同時に、第２先端部１０４は第２動作装置によって、第２ガイドレールグループ２に沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第２先端部１０４が収縮する。この時、ブレード３の風上面の面積は小さくなって、垂直風力発電装置の出力を自発的に調整できる。このような構造を使用することによって、風速の過大により垂直風力発電装置の過大による失効を防止できる。
【０１１５】
冷却システムの動作原理は以下の通りである。送風機２７で風流を形成して、冷風は励磁器回転子２０３２、励磁器固定子２０３１、回転子２０２２及び固定子２０２１の風道１５を通じて、発電機の下端に到着し、励磁器と発電機を冷却することに役立つ。この時、冷風が熱風になって、出風口２９を経て支柱の風道２０１３内に入って、ここで、外支柱２０１１により外部空気との熱交換を行って、風流における熱風が冷風になる。その後、風流が入風口３３を経て冷却装置２５に入って、ここで風流がさらに冷却された後、送風機２７で風力発電装置の内部に流入して、内循環を形成する。回転子の外支柱２０１１の外には、ファン翼２４が設置され、且つこのファン翼２４が外支柱２０１１の外壁に傾斜的に設置されているため、支柱２０１１が回転する場合に、ファン翼２４も同時に回転し、この際に、ファン翼２４の上下両側に風圧差が発生して、発電機近傍での外部空気は高圧から低圧へ流れる風流を形成して、即ち、外循環を形成する。このように、内循環における風流と外部との熱交換の効率を高めることができる。したがって、発電機に対する冷却の効果を向上させ、発電機の実用寿命を延長させることができる。
【０１１６】
外部冷却機３４と冷却機２５の動作原理は、以下の通りである。外部冷却機３４は冷却液を注入管３５により冷却機２５に運送し、冷却機２５で内循環における風との熱交換を行って、熱水になった後、輸出管３６を経て外部冷却機３４に運送されて冷却する。そして、上記のような過程を繰り返し循環する。このように、内循環における風流が冷却機２５での冷却効果を向上させて、発電装置に対する冷却効果を向上させ、発電装置の実用寿命を延長させることができる。
【０１１７】
発電機を電動機とする起動の動作過程は、以下の通りである。（１）電動機の運行：図１０で示すように、発電機は低い風速で又は起動の困難である場合に、励磁制御装置１６が電網１７から切断され、励磁器固定子巻線における電流がゼロになって、発電機は電動モデルで運行して、発電機固定子巻線は電網１７に連接され、電網１７は双方向インバータ１５により発電機固定子巻線に交流電を提供する。この時、固定子２０２１と回転子２０２２とのエアギャップ１４内に回転磁場が発生して、回転磁場は発電機回転子巻線及び制動巻線３８に相対する運動が発生するため、発電機回転子巻線が磁界を切って、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導起電力が発生して、発電機回転子巻線と制動巻線とを閉合した後、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導電流が発生して、回転磁場と誘導電流が互いに作用することによって、電磁回転力を生ずるため、発電機の回転子２０２２を回転させてきて、非同期運行を実現する。これによって、発電機は低い風速で又は起動の困難である問題を解決できる。発電機を電動機とする運行の場合に、双方向インバータ１５の出力周波数を調整することによって、発電機を電動機とする回転速度を調整する。（２）発電機の運行：風速が大きくなると、発電機の回転速度がカットイン風速を満たす場合に、まず、発電機を上記電動機の状態で運行させ、且つ、励磁器回転子２０３２を回転させて、励磁器回転子巻線には交流電を誘導し、回転整流装置１６１によって整流した後、直流電流を発電機回転子巻線に入力して、発電機固定子巻線には３相交流電を誘導して切った。この時、双方向インバータ１５を制御し、しばらく停止させて、発電機を電動機の動作状態から抜けて、ブレード３に発生された回転力により支柱２０１を回転させて、支柱２０１により発電機回転子２０２２と励磁器回転子２０３２を回転させていて、且つ、励磁制御装置１６を動作させて、発電機が同期発電で運行し始める。電動機から発電機に変換した後、双方向インバータ１５を新たに動作させて、発電機固定子巻線における３相交流電は双方向インバータ１５により整流、濾波した後、電網１７に連接して、発電機の運行を行っている。風速が変わる場合、発電機の回転速度も同時に変わって、それに従って、発電機固定子巻線における誘導電流の周波数も変わっている。この時に、双方向インバータ１５のパラメーターを調整することによって、出力周波数が変わらないことを保障できて、可変速定周波の運行を行っている。発電機が発電状態で運行する場合、励磁制御装置１６の電流出力を調整することによって、発電機回転子巻線に受けられた励磁器電流を調整して、発電機の出力の制御を実現できる。（３）風速が特定範囲を超えると、励磁制御装置１６は電網１７から切断され、双方向インバータ１５も発電機から切断されて、発電システムは電機エネルギーの消耗も出力もないとともに、ブレーキ装置も発電機の回転速度を制御できて、風力発電装置の破損を避ける。
【０１１８】
垂直風力発電装置に対する修理、検査は、昇降システム及びクレーン８０によって実現される。その過程は以下の通りである。作業員は昇降システムにより塔柱１中のいずれかの発電機単位２に到着できて、クレーン８０にも到着できる。作業員はクレーン８０におけるフック８０７に作業できる。前記フック８０７はドラグライン８０８を介して巻上装置８０９に接続されている。このように、フック８０７の垂直方向における位置を調整できる。レール８０６に台車８０５が設置され、この台車８０５がレール８０６に沿って滑る。このように、フック８０７の水平方向における位置を調整できる。回転塔体８０１は３６０度回転できるため、作業員は垂直風力発電装の任意場所で修理と検査を行ってもよく、修理塔体と他の大型装置を別に建てる必要はない。このため、修理コストと修理・検査時間を極めて低減させることができる。
【０１１９】
第４実施形態
図３０から図３２で示すような垂直風力発電装置は、塔柱１と、１つ以上の発電機単位２、２枚以上のブレード３、第１軸受４、第２軸受５、第３軸受６、第１フランジ７、第２フランジ８、第３フランジ９、第４フランジ１０、第５フランジ１１、第６フランジ１２と第７フランジ１３を備える。本実施形態において、発電機単位２は二つであり、ブレード３は２枚である。塔柱１の中心軸は水平面と直交して、前記塔柱１は中空構造である。二つの発電機単位２をしようするため、発電量を高めて、且つ二つの発電機単位のいずれも塔柱１に取付けられるため、敷地面積を減少させ、土地資源を節約することができる。
【０１２０】
図３と図４で示すように、前期発電機単位２は支柱２０１、発電機２０２及び励磁器２０３を備える。
【０１２１】
図３２と図４で示すように、前記支柱２０１は外支柱２０１１と内支柱２０１２とからなり、外支柱２０１１は内支柱２０１２の外に設置され、外支柱２０１１と内支柱２０１２との間に支柱風道２０１３が形成される。
【０１２２】
図３２と図４で示すように、前記発電機２０２は、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子２０２１と、前記固定子２０２１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された回転子２０２２とを含み、固定子２０２１には発電機固定子巻線（図示ない）が設置され、回転子２０２２には発電機回転子巻線（図示ない）が設置される。固定子２０２１と回転子２０２２との間にはエアギャップ１４を有して、前記固定子２０２１と回転子２０２２内には風道１５が設置される。回転子２０２２には制動巻線３８が設置されて、図１３と図１４で示すように、制動巻線３８は端絡環３８１とその端絡環３８１に取付けた制動条３８２を備える。
【０１２３】
図３２と図４で示すように、前記励磁器２０３は、塔柱１の外壁につけて固定設置された励磁器固定子２０３１と、前記励磁器固定子２０３１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された励磁器回転子２０３２とを含み、前記励磁器固定子２０３１には励磁器固定子巻線（図示ない）が設置され、励磁器回転子２０３２には励磁器回転子巻線（図示ない）が設置される。励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２との間にはエアギャップ１４を有して、前記励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２内には風道１５が設置される。図３２で示すように、前記励磁器２０３は発電機２０２の上方に取付けられてもいいが、図１６で示すように、励磁器２０３は発電機２０２の下方に取付けられてもいい。
【０１２４】
図１０で示すように、発電機固定子巻線は双方向インバータ１５を介して電綱１７に連接されて、前記発電機固定子巻線は双方向インバータ１５と励振制御装置１６を介して励磁器固定子巻線に連接して、発電機回転子巻線は回転整流装置１６１を介して励磁器回転子巻線に連接する。
【０１２５】
図３２で示すように、前記発電機固定子２０２１の下端面には、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子ブラケット２０２３が設置される。固定子ブラケット２０２３は固定子２０２１を支持することに役立つため、固定子２０２１が塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。前記励磁器固定子２０３１の下端面には、塔柱１につけて固定設置された励磁器固定子ブラケット２０３３が設置される。励磁器固定子ブラケット２０３３は励磁器固定子２０３１を支持することに役立つため、励磁器固定子２０３１の塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。
【０１２６】
図３２と図４で示すように、前記第５フランジ１１、第１フランジ７、第１軸受４は上から下まで順次に支柱２０１に下方に設置される。第５フランジ１１は上端面が溶接により支柱２０１の下端面に接続される。前記第１フランジ７は上下両端の横断面が異なる。例えば、図４で示すように、第１フランジ７が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第１フランジ７がホーン型で、図２０で示すように、第１フランジ７が「凸」型で、図２１で示すように、第１フランジ７が階段型である。しかし、第１フランジ７は上記４種類の構造に限られない。前記第１フランジ７は大端がねじ又は溶接により第５フランジ１１に接続され、小端がねじ又は溶接又は締まりばめにより第１軸受４の外輪に接続される。前記第１軸受４の内輪が塔柱１の外壁につけて固定設置され、その第１軸受４の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第１軸受ブラケット１８が設置される。
【０１２７】
錐台型又はホーン型とする第１フランジ７は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第１フランジ７に顕著な内応力が発生することないため、強度が高くて、大きな力を受けることができるとともに、第１軸受４の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第１フランジ７は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第５フランジ１１が設置されるため、第１フランジと支柱２０１との接続に有利になる。第１軸受ブラケット１８は第１軸受４及び第１軸受４に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第１軸受４が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【０１２８】
図３２と図４で示すように、前記第６フランジ１２、第２フランジ８、第２軸受５は下から上まで順次に支柱２０１に上方に設置される。第６フランジ１２は溶接により支柱２０１の上端面に接続される。前記第６フランジ１２は上下両端の横断面が異なる。例えば、図３と図４で示すように、第２フランジ８が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第２フランジ８がホーン型で、図２０で示すように、第２フランジ８が「凸」型で、図２１で示すように、第２フランジ８が階段型である。しかし、第２フランジ８は上記４種類の構造に限られない。前記第２フランジ８は大端がねじ又は溶接により第６フランジ１２に接続される。前記第２軸受８の内輪は塔柱１の外壁につけて固定設置される。前記第７フランジ１３は締まるばめにより第２軸受５の外輪の外壁につけて設置され、第７フランジ１３の下端面がねじ又は溶接により第２フランジ８の小端に接続される。その第２軸受５の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第２軸受ブラケット１９が設置される。
【０１２９】
錐台型又はホーン型とする第２フランジ８は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第２フランジ８に顕著な内応力が発生することないため、第２フランジ８の強度が高くて、大きな力を受けることができるとともに、第２軸受５の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第２フランジ８は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第６フランジ１２が設置されるため、第２フランジ８と支柱２０１との接続に有利になる。第２軸受ブラケット１９は第２軸受５及びこの第２軸受５に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第２軸受５が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【０１３０】
図３２で示すように、前記第３軸受６の内輪は第２軸受５の上側に位置し、塔柱１につけて固定設置される。前記第３軸受６の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第３軸受ブラケット２０が設置される。第３軸受ブラケット２０は第３軸受６及び第３軸受８に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第３軸受６が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【０１３１】
第３フランジ９はねじ又は溶接により前記第７フランジ１３の上端面に接続され、第４フランジ１０はねじ又は溶接により第３軸受６の外輪に接続され、第３フランジ９と第４フランジ１０との間には、回転力を転移するためのコネクタ２３が設置される。図１２で示すように、示されたコネクタ２３は中空管である。図１１で示すように、前記コネクタ２３は二本以上の接続ロッド２３１を含み、前記接続ロッド２３１は上端が第４フランジ１０に接続され、下端が第３フランジ９に接続される。前記接続ロッド２３１は塔柱１の外において、塔柱横断面と同中心の円周に設置される。コネクタ２３の強度を高めるために、接続ロッド２３１には補強リブ２３２が溶接される。中空管をコネクタ２３とするため、構造が簡単で、製造が便利で、製造コストが低く、且つ、中空管が第３フランジ９と第４フランジ１０と伴って回転する場合に、中空管に回転抵抗力を形成することにより風力発電装置の出力率に影響することない。従って、風力発電装置の発電出力を極めて高める。数多くの接続ロッド２３１をコネクタとするため、構造が簡単で、且つ垂直風力発電装置の重量を低減することができる。図３２で示すように、第３フランジ９の外円周には二つの第８フランジ２１が接続され、第４フランジ１０の外円周には二つの第９フランジ２２が接続される。前記ブレード３は下端が第８フランジ２１を介して第３フランジ９に接続し、上端が第９フランジ２２を介して第４フランジ１０に接続する。第８フランジと第９フランジが設置されるため、ブレード３の取付、取除き及び修理に便利である。
【０１３２】
図５と図６で示すような垂直風力発電装置のブレード３は、三つのブレード単位３１からなる。図６で示すように、前記ブレード単位３１の横断面は大きな中間部と小さな両端部のオリーブ形であり、両小端部の一方が弧形で、他方が尖端である。ブレード単位３１がこのような横断面構造を有するため、風力に対する利用率が高い。前記ブレード単位３１は、骨組１０１、ブレード本体１０２、第１先端部１０３及び第２先端部１０４を備えて、ブレード本体１０２は骨組１０１に取付けられ、骨組１０１はブレード本体１０２内に位置する。前記第１先端部１０３は、ブレード単位３１の径方向に沿うブレード本体１０２の一端にはが設置され、第１先端部１０３の尾部１０３１は前記弧形であって、第１先端部１０３の頭部１０３２はブレード本体１０２内に延びる。前記第２先端部１０４は、ブレード単位３１の径方向に沿ってブレード本体１０２の第１先端部１０３と対向する他端にはが設置され、第２先端部１０４の尾部１０４１は前記尖端であって、第２先端部１０４の頭部１０４２はブレード本体１０２内に延びる。図６と図８で示すように、ブレード本体１０２と第１先端部１０３との間には、第１ガイドレールグループ（図示ない）が設置され、ブレード本体１０２と第２先端部１０４との間には、第２ガイドレールグループ３２が設置される。骨組１０１と第１先端部１０３との間には、第１油圧システム３０が設置され、骨組１０１と第２先端部１０４との間には、第２油圧システム４０が設置される。前記第１油圧システム３０は、第１油圧ポンプ（図示ない）、第１油圧バルブ（図示ない）、第１油圧管（図示ない）及び第１油圧シリンダ３０１を備える。図９で示すように、その第１油圧シリンダ３０１は第１油圧シリンダ本体３０２、第１ピストン３０３、第１ピストンロッド３０４及び第１密封装置３０５を備えて、第１ピストン３０３は第１油圧シリンダ本体３０２内に取付けられて、第１ピストンロッド３０４は一端が第１ピストン３０３に接続され、他端が第１先端部１０３に接続されて、第１油圧シリンダ本体３０２は骨組１０１に固定されて、第１密封装置３０５は第１油圧シリンダ本体３０２の両端に取付けられる。前記第２油圧システム４０は、第２油圧ポンプ（図示ない）、第２油圧バルブ（図示ない）、第２油圧管（図示ない）及び第２油圧シリンダ４０１を備える。前記第２油圧シリンダ４０１は第２油圧シリンダ本体４０２、第２ピストン（図示ない）、第２ピストンロッド４０３及び第１密封装置（図示ない）を備えて、第２ピストンは第２油圧シリンダ本体４０２内に取付けられて、第２ピストンロッド４０３は一端が第２ピストンに接続され、他端が第２先端部１０４に接続されて、第２油圧シリンダ本体４０２は骨組１０１に固定されて、第２密封装置は第２油圧シリンダ本体４０２の両端に取付けられる。油圧システムを動作システムとして用いるため、大きな出力率の動作件として用いられることができ、伝動の安定性が優れて、作動の際に、無段変速を行うことができる。また、油圧作動油を油圧シリンダ本体内の媒体として使用するため、自発潤滑を行うことができる。このように、油圧システムの実用寿命が長くなるため、ブレードの実用寿命も長くなる。骨組１０１とブレード本体１０２との間にはブレード補強リブ５０が取付けられる。このように、骨組１０１とブレード本体１０２との接続部の強度を向上させることできる。ブレード本体１０２の第１先端部１０３に近づける端部には第１シール６０が設置され、ブレード本体１０２の第２先端部１０４に近づける端部には第２シール７０が設置される。このように、雨水や塵がブレード単位３１に入れることを防止することができ、垂直風力発電装置が動作する場合に、ブレード単位の横断面の両端が対流を形成することにより垂直風力発電装置の仕事効率に影響することを防止することもできる。
【０１３３】
図４で示すように、発電機単位２には冷却システムが設置され、この冷却システムはファン翼２４と、冷却機２５と、密封プレート２６、送風機２７及び発電機固定子２０２１、回転子２０２２、励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２に設置された風道１５を備える。図１５で示すように、前記ファン翼２４は外支柱２０１１の外壁に斜めに設置され、いずれかのファン翼２４も弧形になる。密封プレート２６は塔柱１について固定設置され、且つ内支柱２０１２の上端部内の励磁器２０３の上側に位置される。送風機２７は密封プレート２６に設置される。前記冷却機２５は密封プレート２６に取付けられ、且つ送風機２７の上側に設置される。内支柱２０１２の下端部には出風口２９が設置され、内支柱２０１２の上端部には入風口３３が設置されて、この入風口３３は密封プレート２６の上側に設置される。前記出風口２９と入風口３３は支柱風道２０１３に繋がる。塔柱１内には外部冷却機３４が設置され、冷却機２５は注入管３５と輸出管３６を介して外部冷却機３４に接続される。
【０１３４】
図１７で示すように、前記塔柱１のトップ端部にはクレーン８０が設置される。前記クレーン８０は回転塔体８０１、クレーンブーム８０２、バランスアーム８０３、バランスウエイト８０４、台車８０５、レール８０６、フック８０７、ドラグライン８０８、巻上装置８０９及び制御システム（図示ない）を備えている。前記回転塔体８０１が塔柱１のトップ部に接続され、クレーンブーム８０２とバランスアーム８０３が回転塔体８０１に取付けられ、回転塔体８０１は３６０度回転できる。バランスウエイト８０４がバランスアーム８０３の一端に取付けられ、レール８０６がクレーンブーム８０２に設置され、台車８０５がレール８０６に設置され、この台車８０５がレール８０６で前後方法に沿って走行できる。フック８０７が台車８０５の下側に設置され、フック８０７がドラグライン８０８の一端に接続され、巻上装置８０９がドラグライン８０８の他端に接続されて、この巻上装置８０９によりフック８０７の昇降を制御する。また、前記回転塔体８０１のトップ端とバランスアーム８０３との間にはバランスアームプルロッド８１０が設置されて、このバランスアームプルロッド８１０は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がバランスアーム８０３に固定接続される。前記回転塔体８０１のトップ端とクレーンブーム８０２との間にクレーンブームプルロッド８１１が設置されて、このクレーンブームプルロッド８１１は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がクレーンブーム８０２に固定接続される。バランスアームプルロッド８１０及びクレーンブームプルロッド８１１はクレーン８０の構造の安定性を確保でき、クレーンの負荷を向上させることができる。
【０１３５】
図３２で示すように、前記塔柱１内には昇降システムが設置される。前記昇降システムはエレベーター３７であり、前記エレベーター３７はかご３７１とかご昇降装置３７２を備える。かご３７１はかご昇降装置３７２によって昇降を実施する。
【０１３６】
前記第１軸受４、第２軸受５と第３軸受６の外輪にはブレーキ装置（図示ない）が設置される。
【０１３７】
上記のような垂直風力発電装置の作動過程は、風力発電機の発電、発電機に対する冷却、発電機を電動機とする起動、及び垂直風力発電装置に対する修理・検査などを含んでいる。以下、それぞれの動作原理を説明する。
【０１３８】
垂直風力発電装置の発電の動作原理は以下の通りである。ブレード３は風力により回転し始めて、ブレード３が回転した後に回転力を出す。ブレード３が発生された回転力はブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移され、且つ、ブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されている。この時、第３フランジ９と第４フランジ１０は、ブレード３に伴って回転する。第４フランジ１０に転移された回転力はコネクタ２３により第３フランジ９に転移されている。第３フランジ９は第７フランジ１３、第２フランジ８と第６フランジ１２を順次に通じて、回転力を支柱２０１に転移している。支柱２０１は回転子２０２２及び励磁器回転子２０３２を回転させて、回転子２０２２を固定子２０２１に回って、励磁器回転子２０３２を励磁器固定子２０３１に回って回転させる。励磁器回転子２０３２は回転の過程中で、励磁器回転子２０３２における励磁器回転子巻線には交流電流が発生し、そして、回転整流装置１６１により、交流電流を直流電流になった後、発電機回転子２０２２の回転子巻線に輸送している。発電機回転子巻線には直流電流を印加した後に磁場が発生している。発電機回転子２０２２の回転によって、発電機回転子巻線には正弦波分布に近い磁場が発生し、発電機固定子２０２１における発電機固定子巻線は発電機回転子巻線に対して磁界を切るという運動をして、発電機固定子巻線内に３相交流電位を誘導し出すことによって、発電の目的を達成する。この構造は、第３フランジ９、第４フランジ１０及びコネクタ２３が設置されるため、ブレード３に発生された回転力がブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されているだけでなく、ブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移されて、第４フランジ１０は、コネクタ２３を通じて、回転力を第３フランジ９に転移されている。このように、ブレード３の上端と下端の受けた力はバランス化して、ブレード３は変形し難いため、ブレード３は捩れ・破損が容易ではなく、垂直風力発電装置の実用寿命を延長できる。図６で示すように、ブレード３が回転していると、風力が小さい場合、第１先端部１０３と第２先端部１０４はオープンの状態になって、ブレード３の風上面の面積は大きくなり、垂直風力発電装置の出力は大きくなる。図７で示すように、風力が大きくなる場合、第１先端部１０３は第１油圧システム３０によって、第１ガイドレールグループに沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第１先端部１０３が収縮する同時に、第２先端部１０４は第２油圧システム４０によって、第２ガイドレールグループ２に沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第２先端部１０４が収縮する。この時、ブレード３の風上面の面積は小さくなって、垂直風力発電装置の出力を自発的に調整できる。このような構造を使用することによって、風速の過大により垂直風力発電装置の過大による失効を防止できる。
【０１３９】
冷却システムの動作原理は以下の通りである。送風機２７で風流を形成して、冷風は励磁器回転子２０３２、励磁器固定子２０３１、回転子２０２２及び固定子２０２１の風道１５を通じて、発電機の下端に到着し、励磁器と発電機を冷却することに役立つ。この時、冷風が熱風になって、出風口２９を経て支柱の風道２０１３内に入って、ここで、外支柱２０１１により外部空気との熱交換を行って、風流における熱風が冷風になる。その後、風流が入風口３３を経て冷却装置２５に入って、ここで風流がさらに冷却された後、送風機２７で風力発電装置の内部に流入して、内循環を形成する。回転子の外支柱２０１１の外には、ファン翼２４が設置され、且つこのファン翼２４が外支柱２０１１の外壁に傾斜的に設置されているため、支柱２０１１が回転する場合に、ファン翼２４も同時に回転し、この際に、ファン翼２４の上下両側に風圧差が発生して、発電機近傍での外部空気は高圧から低圧へ流れる風流を形成して、即ち、外循環を形成する。このように、内循環における風流と外部との熱交換の効率を高めることができる。したがって、発電機に対する冷却の効果を向上させ、発電機の実用寿命を延長させることができる。
【０１４０】
外部冷却機３４と冷却機２５の動作原理は、以下の通りである。外部冷却機３４は冷却液を注入管３５により冷却機２５に運送し、冷却機２５で内循環における風との熱交換を行って、熱水になった後、輸出管３６を経て外部冷却機３４に運送されて冷却する。そして、上記のような過程を繰り返し循環する。このように、内循環における風流が冷却機２５での冷却効果を向上させて、発電装置に対する冷却効果を向上させ、発電装置の実用寿命を延長させることができる。
【０１４１】
発電機を電動機とする起動の動作過程は、以下の通りである。（１）電動機の運行：図１０で示すように、発電機は低い風速で又は起動の困難である場合に、励磁制御装置１６が電網１７から切断され、励磁器固定子巻線における電流がゼロになって、発電機は電動モデルで運行して、発電機固定子巻線は電網１７に連接され、電網１７は双方向インバータ１５により発電機固定子巻線に交流電を提供する。この時、固定子２０２１と回転子２０２２とのエアギャップ１４内に回転磁場が発生して、回転磁場は発電機回転子巻線及び制動巻線３８に相対する運動が発生するため、発電機回転子巻線が磁界を切って、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導起電力が発生して、発電機回転子巻線と制動巻線とを閉合した後、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導電流が発生して、回転磁場と誘導電流が互いに作用することによって、電磁回転力を生ずるため、発電機の回転子２０２２を回転させてきて、非同期運行を実現する。これによって、発電機は低い風速で又は起動の困難である問題を解決できる。発電機を電動機とする運行の場合に、双方向インバータ１５の出力周波数を調整することによって、発電機を電動機とする回転速度を調整する。（２）発電機の運行：風速が大きくなると、発電機の回転速度がカットイン風速を満たす場合に、まず、発電機を上記電動機の状態で運行させ、且つ、励磁器回転子２０３２を回転させて、励磁器回転子巻線には交流電を誘導し、回転整流装置１６１によって整流した後、直流電流を発電機回転子巻線に入力して、発電機固定子巻線には３相交流電を誘導して切った。この時、双方向インバータ１５を制御し、しばらく停止させて、発電機を電動機の動作状態から抜けて、ブレード３に発生された回転力により支柱２０１を回転させて、支柱２０１により発電機回転子２０２２と励磁器回転子２０３２を回転させていて、且つ、励磁制御装置１６を動作させて、発電機が同期発電で運行し始める。電動機から発電機に変換した後、双方向インバータ１５を新たに動作させて、発電機固定子巻線における３相交流電は双方向インバータ１５により整流、濾波した後、電網１７に連接して、発電機の運行を行っている。風速が変わる場合、発電機の回転速度も同時に変わって、それに従って、発電機固定子巻線における誘導電流の周波数も変わっている。この時に、双方向インバータ１５のパラメーターを調整することによって、出力周波数が変わらないことを保障できて、可変速定周波の運行を行っている。発電機が発電状態で運行する場合、励磁制御装置１６の電流出力を調整することによって、発電機回転子巻線に受けられた励磁器電流を調整して、発電機の出力の制御を実現できる。（３）風速が特定範囲を超えると、励磁制御装置１６は電網１７から切断され、双方向インバータ１５も発電機から切断されて、発電システムは電機エネルギーの消耗も出力もないとともに、ブレーキ装置も発電機の回転速度を制御できて、風力発電装置の破損を避ける。
【０１４２】
垂直風力発電装置に対する修理、検査は、昇降システム及びクレーン８０によって実現される。その過程は以下の通りである。作業員は昇降システムにより塔柱１中のいずれかの発電機単位２に到着できて、クレーン８０にも到着できる。作業員はクレーン８０におけるフック８０７に作業できる。前記フック８０７はドラグライン８０８を介して巻上装置８０９に接続されている。このように、フック８０７の垂直方向における位置を調整できる。レール８０６に台車８０５が設置され、この台車８０５がレール８０６に沿って滑る。このように、フック８０７の水平方向における位置を調整できる。回転塔体８０１は３６０度回転できるため、作業員は垂直風力発電装の任意場所で修理と検査を行ってもよく、修理塔体と他の大型装置を別に建てる必要はない。このため、修理コストと修理・検査時間を極めて低減させる。
【０１４３】
第５実施形態
図３０から図３２で示すような垂直風力発電装置は、塔柱１と、１つ以上の発電機単位２、２枚以上のブレード３、第１軸受４、第２軸受５、第３軸受６、第１フランジ７、第２フランジ８、第３フランジ９、第４フランジ１０、第５フランジ１１、第６フランジ１２と第７フランジ１３を備える。本実施形態において、発電機単位２は二つであり、ブレード３は２枚である。塔柱１の中心軸は水平面と直交して、前記塔柱１は中空構造である。二つの発電機単位２をしようするため、発電量を高めて、且つ二つの発電機単位のいずれも塔柱１に取付けられるため、敷地面積を減少させ、土地資源を節約することができる。
【０１４４】
図３２と図４で示すように、前期発電機単位２は支柱２０１、発電機２０２及び励磁器２０３を備える。
【０１４５】
図３２と図４で示すように、前記支柱２０１は外支柱２０１１と内支柱２０１２とからなり、外支柱２０１１は内支柱２０１２の外に設置され、外支柱２０１１と内支柱２０１２との間に支柱風道２０１３が形成される。
【０１４６】
図３２と図４で示すように、前記発電機２０２は、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子２０２１と、前記固定子２０２１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された回転子２０２２とを含み、固定子２０２１には発電機固定子巻線（図示ない）が設置され、回転子２０２２には発電機回転子巻線（図示ない）が設置される。固定子２０２１と回転子２０２２との間にはエアギャップ１４を有して、前記固定子２０２１と回転子２０２２内には風道１５が設置される。回転子２０２２には制動巻線３８が取付けられて、図１３と図１４で示すように、制動巻線３８は端絡環３８１とその端絡環３８１に取付けた制動条３８２を備える。
【０１４７】
図３２と図４で示すように、前記励磁器２０３は、塔柱１の外壁につけて固定設置された励磁器固定子２０３１と、前記励磁器固定子２０３１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された励磁器回転子２０３２とを含み、前記励磁器固定子２０３１には励磁器固定子巻線（図示ない）が設置され、励磁器回転子２０３２には励磁器回転子巻線（図示ない）が設置される。励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２との間にはエアギャップ１４を有して、前記励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２内には風道１５が設置される。図３２で示すように、前記励磁器２０３は発電機２０２の上方に取付けられてもいいが、図１６で示すように、励磁器２０３は発電機２０２の下方に取付けられてもいい。
【０１４８】
図１０で示すように、発電機固定子巻線は双方向インバータ１５を介して電綱１７に連接されて、前記発電機固定子巻線は双方向インバータ１５と励振制御装置１６を介して励磁器固定子巻線に連接して、発電機回転子巻線は回転整流装置１６１を介して励磁器回転子巻線に連接する。
【０１４９】
図３２で示すように、前記発電機固定子２０２１の下端面には、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子ブラケット２０２３が設置される。固定子ブラケット２０２３は固定子２０２１を支持することに役立つため、固定子２０２１が塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。前記励磁器固定子２０３１の下端面には、塔柱１につけて固定設置された励磁器固定子ブラケット２０３３が設置される。励磁器固定子ブラケット２０３３は励磁器固定子２０３１を支持することに役立つため、励磁器固定子２０３１が塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。
【０１５０】
図３２と図４で示すように、前記第５フランジ１１、第１フランジ７、第１軸受４は上から下まで順次に支柱２０１に下方に設置される。第５フランジ１１は上端面が溶接により支柱２０１の下端面に接続される。前記第１フランジ７は上下両端の横断面が異なる。例えば、図４で示すように、第１フランジ７が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第１フランジ７がホーン型で、図２０で示すように、第１フランジ７が「凸」型で、図２１で示すように、第１フランジ７が階段型である。しかしながら、第１フランジ７は上記４種類の構造に限られない。前記第１フランジ７は大端がねじ又は溶接により第５フランジ１１に接続され、小端がねじ又は溶接又は締まりばめにより第１軸受４の外輪に接続される。前記第１軸受４の内輪が塔柱１の外壁につけて固定設置され、その第１軸受４の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第１軸受ブラケット１８が設置される。
【０１５１】
錐台型又はホーン型とする第１フランジ７は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第１フランジ７に顕著な内応力が発生することないため、強度が高くて、大きな力を受けることができるとともに、第１軸受４の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第１フランジ７は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第５フランジ１１が設置されるため、第１フランジと支柱２０１との接続に有利になる。第１軸受ブラケット１８は第１軸受４及び第１軸受４に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第１軸受４が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させて、且つ発電機の構造の安定性が向上させることができる。
【０１５２】
図３２と図４で示すように、前記第６フランジ１２、第２フランジ８、第２軸受５は下から上まで順次に支柱２０１に上方に設置される。第６フランジ１２は溶接により支柱２０１の上端面に接続される。前記第６フランジ１２は上下両端の横断面が異なる。例えば、図３と図４で示すように、第２フランジ８が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第２フランジ８がホーン型で、図２０で示すように、第２フランジ８が「凸」型で、図２１で示すように、第２フランジ８が階段型である。しかしながら、第２フランジ８は上記４種類の構造に限られない。前記第２フランジ８は大端がねじ又は溶接により第６フランジ１２に接続される。前記第２軸受８の内輪は塔柱１の外壁につけて固定設置される。前記第７フランジ１３は締まるばめにより第２軸受５の外輪の外壁につけて設置され、第７フランジ１３の下端面がねじ又は溶接により第２フランジ８の小端に接続される。その第２軸受５の内輪の下端面には、塔柱１の外壁につけて固定設置された第２軸受ブラケット１９が設置される。
【０１５３】
錐台型又はホーン型とする第２フランジ８は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第２フランジ８に顕著な内応力が発生することないため、第２フランジ８の強度を高めて、大きな力を受けることができるとともに、第２軸受５の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第２フランジ８は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第６フランジ１２が設置されるため、第２フランジ８と支柱２０１との接続に有利になる。第２軸受ブラケット１９は第２軸受５及び第２軸受５に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第２軸受５が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【０１５４】
図３２で示すように、前記第３軸受６の内輪は塔柱１につけて固定設置され、且つ第２軸受５の上側に位置される。前記第３軸受６の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第３軸受ブラケット２０が設置される。第３軸受ブラケット２０は第３軸受６及びこの第３軸受８に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第３軸受６が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【０１５５】
第３フランジ９はねじ又は溶接により前記第７フランジ１３の上端面に接続され、第４フランジ１０はねじ又は溶接により第３軸受６の外輪に接続され、第３フランジ９と第４フランジ１０との間には、回転力を転移するためのコネクタ２３が設置される。図１２で示すように、示されたコネクタ２３は中空管である。図１１で示すように、前記コネクタ２３は二本以上の接続ロッド２３１を含み、前記接続ロッド２３１は上端が第４フランジ１０に接続され、下端が第３フランジ９に接続される。前記接続ロッド２３１は塔柱１の外において、塔柱横断面と同中心の円周に設置される。コネクタの強度を高めるために、接続ロッド２３１には補強リブ２３２が溶接される。中空管をコネクタ２３とするため、構造が簡単で、製造が便利で、製造コストが低く、且つ、中空管が第３フランジ９と第４フランジ１０と伴って回転する場合に、中空管に回転抵抗力を形成することにより風力発電装置の出力率に影響することない。従って、風力発電装置の発電出力を極めて高める。数多くの接続ロッド２３１をコネクタとするため、構造が簡単で、且つ垂直風力発電装置の重量を低減することができる。図３で示すように、第３フランジ９の外円周には二つの第８フランジ２１が接続され、第４フランジ１０の外円周には二つの第９フランジ２２が接続される。前記ブレード３は下端が第８フランジ２１を介して第３フランジ９に接続し、上端が第９フランジ２２を介して第４フランジ１０に接続する。第８フランジと第９フランジが設置されるため、ブレード３の取付、取除き及び修理に便利する。
【０１５６】
図５、図２２から図２５で示すような垂直風力発電装置のブレード３は、三つのブレード単位３１からなる。図２２で示すように、ブレード単位３１の横断面は大きな中間部と小さな両端部のオリーブ形であり、両小端部の一方が弧形で、他方が尖端である。ブレード単位３１がこのような横断面構造を有するため、風力に対する利用率が高い。前記ブレード単位３１は、骨組１０１、ブレード本体１０２、第１先端部１０３及び第２先端部１０４を備えて、ブレード本体１０２は骨組１０１に取付けられ、骨組１０１はブレード本体１０２内に位置する。前記第１先端部１０３は、ブレード単位３１の径方向に沿うブレード本体１０２の一端にはが設置され、第１先端部１０３の尾部１０３１は前記弧形であって、第１先端部１０３の頭部１０３２はブレード本体１０２内に延びる。前記第２先端部１０４は、ブレード単位３１の径方向に沿ってブレード本体１０２の第１先端部１０３と対向する他端にはが設置され、第２先端部１０４の尾部１０４１は前記尖端であって、第２先端部１０４の頭部１０４２はブレード本体１０２内に延びる。図２２と図２５で示すように、ブレード本体１０２と第１先端部１０３との間には、第１ガイドレールグループ（図示ない）が設置され、ブレード本体１０２と第２先端部１０４との間には、第２ガイドレールグループ３２が設置される。骨組１０１と第１先端部１０３との間には、第１気圧システム９５が設置され、骨組１０１と第２先端部１０４との間には、第２気圧システム９６が設置される。前記第１気圧システム９５は、第１空気圧縮機（図示ない）及び第１気圧シリンダ１１１を備える。図２５で示すように、前記第１気圧シリンダ１１１は第１気圧シリンダ本体１１２、第１気圧ピストン１１３、第１気圧ピストンロッド１１３及び第１気圧密封装置１１５を備える。第１気圧ピストン１１３は第１気圧シリンダ本体１１２内に取付けられて、第１気圧ピストンロッド１１４は一端が第１気圧ピストン１１３に接続され、他端が第１先端部１０３に接続されて、第１気圧シリンダ本体１１２は骨組１０１に固定されて、第１気圧密封装置１１５は第１気圧シリンダ本体１１２の両端に取付けられている。前記第２気圧システム９６は第２空気圧縮機（図示ない）及び第２気圧シリンダ１２１を備える。前記第２気圧シリンダ１２１は第２気圧シリンダ本体１２２、第２気圧ピストン（図示ない）、第２気圧ピストンロッド１２３及び第２気圧密封装置（図示ない）を備える。第２気圧ピストンは第２気圧シリンダ本体１２２内に取付けられて、第２気圧ピストンロッド１２３は一端が第２気圧ピストンに接続され、他端が第２先端部１０４に接続されて、第２気圧シリンダ本体１２２は骨組１０１に固定されて、第２気圧密封装置は第２気圧シリンダ本体１２２の両端に取付けられている。気圧シリンダシステムを動作装置として用いることは、その動力媒体が気体であるので、質量が小さく、媒体資源が豊かで、無汚染であり、且つ気体の粘度が小さいので、気体と気圧シリンダの抵抗力が小さい。骨組１０１とブレード本体１０２との間にはブレード補強リブ５０が取付けられる。このように、骨組１０１とブレード本体１０２との接続部の強度を向上させることができる。ブレード本体１０２の第１先端部１０３に近づける端部には第１シール６０が設置され、ブレード本体１０２の第２先端部１０４に近づける端部には第２シール７０が設置される。このように、雨水や塵がブレード単位に入れることを防止することができ、垂直風力発電装置が動作する場合に、ブレード単位の横断面の両端が対流を形成することにより垂直風力発電装置の仕事効率に影響することを防止することもできる。
【０１５７】
図４で示すように、発電機単位２には冷却システムが設置され、この冷却システムはファン翼２４と、冷却機２５と、密封プレート２６、送風機２７及び発電機固定子２０２１、回転子２０２２、励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２に設置された風道１５を備える。図１５で示すように、前記ファン翼２４は外支柱２０１１の外壁に斜めに設置され、いずれかのファン翼２４も弧形になる。密封プレート２６は塔柱１について固定設置され、且つ内支柱２０１２の上端部内の励磁器２０３の上側に位置される。送風機２７は密封プレート２６に設置される。前記冷却機２５は密封プレート２６に取付けられ、且つ送風機２７の上側に設置される。内支柱２０１２の下端部には出風口２９が設置され、内支柱２０１２の上端部には入風口３３が設置されて、この入風口３３は密封プレート２６の上側に設置される。前記出風口２９と入風口３３は支柱風道２０１３に繋がる。塔柱１内には外部冷却機３４が設置され、冷却機２５は注入管３５と輸出管３６を介して外部冷却機３４に接続される。
【０１５８】
図１７で示すように、前記塔柱１のトップ端部にはクレーン８０が設置される。前記クレーン８０は回転塔体８０１、クレーンブーム８０２、バランスアーム８０３、バランスウエイト８０４、台車８０５、レール８０６、フック８０７、ドラグライン８０８、巻上装置８０９及び制御システム（図示ない）を備える。前記回転塔体８０１が塔柱１のトップ部に接続され、クレーンブーム８０２とバランスアーム８０３が回転塔体８０１に取付けられ、回転塔体８０１は３６０度回転できる。バランスウエイト８０４がバランスアーム８０３の一端に取付けられ、レール８０６がクレーンブーム８０２に設置され、台車８０５がレール８０６に設置され、この台車８０５がレール８０６で前後方法に沿って走行できる。フック８０７が台車８０５の下側に設置され、フック８０７がドラグライン８０８の一端に接続され、巻上装置８０９がドラグライン８０８の他端に接続されて、この巻上装置８０９によりフック８０７の昇降を制御する。また、前記回転塔体８０１のトップ端とバランスアーム８０３との間にはバランスアームプルロッド８１０が設置されて、このバランスアームプルロッド８１０は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がバランスアーム８０３に固定接続される。前記回転塔体８０１のトップ端とクレーンブーム８０２との間にクレーンブームプルロッド８１１が設置されて、このクレーンブームプルロッド８１１は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がクレーンブーム８０２に固定接続される。バランスアームプルロッド８１０及びクレーンブームプルロッド８１１はクレーン８０の構造の安定性を確保でき、クレーンの負荷を向上させることができる。
【０１５９】
図３２で示すように、前記塔柱１内には昇降システムが設置される。前記昇降システムはエレベーター３７であり、前記エレベーター３７はかご３７１とかご昇降装置３７２を備える。かご３７１はかご昇降装置３７２によって昇降を実施する。
【０１６０】
前記第１軸受４、第２軸受５と第３軸受６の外輪にはブレーキ装置（図示ない）が設置される。
【０１６１】
上記のような垂直風力発電装置の作動過程は、風力発電機の発電、発電機に対する冷却、発電機を電動機とする起動、及び垂直風力発電装置に対する修理・検査などを含んでいる。以下、それぞれの動作原理を説明する。
【０１６２】
垂直風力発電装置の発電の動作原理は以下の通りである。ブレード３は風力により回転し始めて、ブレード３が回転した後に回転力が発生する。ブレード３が発生された回転力はブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移され、且つ、ブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されている。この時、第３フランジ９と第４フランジ１０は、ブレード３に伴って回転する。第４フランジ１０に転移された回転力はコネクタ２３により第３フランジ９に転移されている。第３フランジ９は第７フランジ１３、第２フランジ８と第６フランジ１２を順次に通じて、回転力を支柱２０１に転移している。支柱２０１は回転子２０２２及び励磁器回転子２０３２を回転させて、回転子２０２２を固定子２０２１に回って、励磁器回転子２０３２を励磁器固定子２０３１に回って回転させる。励磁器回転子２０３２は回転の過程中で、励磁器回転子２０３２における励磁器回転子巻線には交流電流が発生し、そして、回転整流装置１６１により、交流電流を直流電流になった後、発電機回転子２０２２の回転子巻線に輸送している。発電機回転子巻線には直流電流を印加した後に磁場が発生している。発電機回転子２０２２の回転によって、発電機回転子巻線には正弦波分布に近い磁場が発生し、発電機固定子２０２１における発電機固定子巻線は発電機回転子巻線に対して磁界を切るという運動をして、発電機固定子巻線内に３相交流電位を誘導し出すことによって、発電の目的を達成する。この構造は、第３フランジ９、第４フランジ１０及びコネクタ２３が設置されるため、ブレード３に発生された回転力がブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されているだけでなく、ブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移されて、第４フランジ１０は、コネクタ２３を通じて、回転力を第３フランジ９に転移されている。このように、ブレード３の上端と下端の受けた力はバランス化して、ブレード３は変形し難いため、ブレード３は捩れ・破損が容易ではなく、垂直風力発電装置の実用寿命を延長できる。図６で示すように、ブレード３が回転していると、風力が小さい場合、第１先端部１０３と第２先端部１０４はオープンの状態になって、ブレード３の風上面の面積は大きくなり、垂直風力発電装置の出力は大きくなる。図７で示すように、風力が大きくなる場合、第１先端部１０３は第１気圧システム９５によって、第１ガイドレールグループに沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第１先端部１０３が収縮する同時に、第２先端部１０４は第２気圧システム９６によって、第２ガイドレールグループ２に沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第２先端部１０４が収縮する。この時、ブレード３の風上面の面積は小さくなって、垂直風力発電装置の出力を自発的に調整できる。このような構造を使用することによって、風速の過大により垂直風力発電装置の過大による失効を防止できる。
【０１６３】
冷却システムの動作原理は以下の通りである。送風機２７で風流を形成して、冷風は励磁器回転子２０３２、励磁器固定子２０３１、回転子２０２２及び固定子２０２１の風道１５を通じて、発電機の下端に到着し、励磁器と発電機を冷却することに役立つ。この時、冷風が熱風になって、出風口２９を経て支柱の風道２０１３内に入って、ここで、外支柱２０１１により外部空気との熱交換を行って、風流における熱風が冷風になる。その後、風流が入風口３３を経て冷却装置２５に入って、ここで風流がさらに冷却された後、送風機２７で風力発電装置の内部に流入して、内循環を形成する。回転子の外支柱２０１１の外には、ファン翼２４が設置され、且つこのファン翼２４が外支柱２０１１の外壁に傾斜的に設置されているため、支柱２０１１が回転する場合に、ファン翼２４も同時に回転し、この際に、ファン翼２４の上下両側に風圧差が発生して、発電機近傍での外部空気は高圧から低圧へ流れる風流を形成して、即ち、外循環を形成する。このように、内循環における風流と外部との熱交換の効率を高めることができる。したがって、発電機に対する冷却の効果を向上させ、発電機の実用寿命を延長させることができる。
【０１６４】
外部冷却機３４と冷却機２５の動作原理は、以下の通りである。外部冷却機３４は冷却液を注入管３５により冷却機２５に運送し、冷却機２５で内循環における風との熱交換を行って、熱水になった後、輸出管３６を経て外部冷却機３４に運送されて冷却する。そして、上記のような過程を繰り返し循環する。このように、内循環における風流が冷却機２５での冷却効果を向上させて、発電装置に対する冷却効果を向上させ、発電装置の実用寿命を延長させることができる。
【０１６５】
発電機を電動機とする起動の動作過程は、以下の通りである。（１）電動機の運行：図１０で示すように、発電機は低い風速で又は起動の困難である場合に、励磁制御装置１６が電網１７から切断され、励磁器固定子巻線における電流がゼロになって、発電機は電動モデルで運行して、発電機固定子巻線は電網１７に連接され、電網１７は双方向インバータ１５により発電機固定子巻線に交流電を提供する。この時、固定子２０２１と回転子２０２２とのエアギャップ１４内に回転磁場が発生して、回転磁場は発電機回転子巻線及び制動巻線３８に相対する運動が発生するため、発電機回転子巻線が磁界を切って、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導起電力が発生して、発電機回転子巻線と制動巻線とを閉合した後、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導電流が発生して、回転磁場と誘導電流が互いに作用することによって、電磁回転力を生ずるため、発電機の回転子２０２２を回転させてきて、非同期運行を実現する。これによって、発電機は低い風速で又は起動の困難である問題を解決できる。発電機を電動機とする運行の場合に、双方向インバータ１５の出力周波数を調整することによって、発電機を電動機とする回転速度を調整する。（２）発電機の運行：風速が大きくなると、発電機の回転速度がカットイン風速を満たす場合に、まず、発電機を上記電動機の状態で運行させ、且つ、励磁器回転子２０３２を回転させて、励磁器回転子巻線には交流電を誘導し、回転整流装置１６１によって整流した後、直流電流を発電機回転子巻線に入力して、発電機固定子巻線には３相交流電を誘導して切った。この時、双方向インバータ１５を制御し、しばらく停止させて、発電機を電動機の動作状態から抜けて、ブレード３に発生された回転力により支柱２０１を回転させて、支柱２０１により発電機回転子２０２２と励磁器回転子２０３２を回転させていて、且つ、励磁制御装置１６を動作させて、発電機が同期発電で運行し始める。電動機から発電機に変換した後、双方向インバータ１５を新たに動作させて、発電機固定子巻線における３相交流電は双方向インバータ１５により整流、濾波した後、電網１７に連接して、発電機の運行を行っている。風速が変わる場合、発電機の回転速度も同時に変わって、それに従って、発電機固定子巻線における誘導電流の周波数も変わっている。この時に、双方向インバータ１５のパラメーターを調整することによって、出力周波数が変わらないことを保障できて、可変速定周波の運行を行っている。発電機が発電状態で運行する場合、励磁制御装置１６の電流出力を調整することによって、発電機回転子巻線に受けられた励磁器電流を調整して、発電機の出力の制御を実現できる。（３）風速が特定範囲を超えると、励磁制御装置１６は電網１７から切断され、双方向インバータ１５も発電機から切断されて、発電システムは電機エネルギーの消耗も出力もないとともに、ブレーキ装置も発電機の回転速度を制御できて、風力発電装置の破損を避ける。
【０１６６】
垂直風力発電装置に対する修理、検査は、昇降システム及びクレーン８０によって実現される。その過程は以下の通りである。作業員は昇降システムにより塔柱１中のいずれかの発電機単位２に到着できて、クレーン８０にも到着できる。作業員はクレーン８０におけるフック８０７に作業できる。前記フック８０７はドラグライン８０８を介して巻上装置８０９に接続されている。このように、フック８０７の垂直方向における位置を調整できる。レール８０６に台車８０５が設置され、この台車８０５がレール８０６に沿って滑る。このように、フック８０７の水平方向における位置を調整できる。回転塔体８０１は３６０度回転できるため、作業員は垂直風力発電装の任意場所で修理と検査を行ってもよく、修理塔体と他の大型装置を別に建てる必要はない。このため、修理コストと修理・検査時間を極めて低減させることができる。
【０１６７】
第６実施形態
図３０から図３２で示すような垂直風力発電装置は、塔柱１と、１つ以上の発電機単位２、２枚以上のブレード３、第１軸受４、第２軸受５、第３軸受６、第１フランジ７、第２フランジ８、第３フランジ９、第４フランジ１０、第５フランジ１１、第６フランジ１２と第７フランジ１３を備える。本実施形態において、発電機単位２は二つであり、ブレード３は２枚である。塔柱１の中心軸は水平面と直交して、前記塔柱１は中空構造である。二つの発電機単位２をしようするため、発電量を高めて、且つ二つの発電機単位のいずれも塔柱１に取付けられるため、敷地面積を減少させ、土地資源を節約することができる。
【０１６８】
図３２と図４で示すように、前期発電機単位２は支柱２０１、発電機２０２及び励磁器２０３を備える。
【０１６９】
図３２と図４で示すように、前記支柱２０１は外支柱２０１１と内支柱２０１２とからなり、外支柱２０１１は内支柱２０１２の外に設置され、外支柱２０１１と内支柱２０１２との間に支柱風道２０１３が形成される。
【０１７０】
図３２と図４で示すように、前記発電機２０２は、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子２０２１と、前記固定子２０２１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された回転子２０２２とを含み、固定子２０２１には発電機固定子巻線（図示ない）が設置され、回転子２０２２には発電機回転子巻線（図示ない）が設置される。固定子２０２１と回転子２０２２との間にはエアギャップ１４を有して、前記固定子２０２１と回転子２０２２内には風道１５が設置される。回転子２０２２には制動巻線３８が取付けられて、図１３と図１４で示すように、制動巻線３８は端絡環３８１とその端絡環３８１に取付けた制動条３８２を備える。
【０１７１】
図３２と図４で示すように、前記励磁器２０３は、塔柱１の外壁につけて固定設置された励磁器固定子２０３１と、前記励磁器固定子２０３１の外に設置され、内支柱２０１２の内壁に固定設置された励磁器回転子２０３２とを含み、前記励磁器固定子２０３１には励磁器固定子巻線（図示ない）が設置され、励磁器回転子２０３２には励磁器回転子巻線（図示ない）が設置される。励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２との間にはエアギャップ１４を有して、前記励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２内には風道１５が設置される。図３２で示すように、前記励磁器２０３は発電機２０２の上方に取付けられてもいいが、図１６で示すように、励磁器２０３は発電機２０２の下方に取付けられてもいい。
【０１７２】
図１０で示すように、発電機固定子巻線は双方向インバータ１５を介して電綱１７に連接されて、前記発電機固定子巻線は双方向インバータ１５と励振制御装置１６を介して励磁器固定子巻線に連接して、発電機回転子巻線は回転整流装置１６１を介して励磁器回転子巻線に連接する。
【０１７３】
図３２で示すように、前記発電機固定子２０２１の下端面には、塔柱１の外壁につけて固定設置された固定子ブラケット２０２３が設置される。固定子ブラケット２０２３は固定子２０２１を支持することに役立つため、固定子２０２１が塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。前記励磁器固定子２０３１の下端面には、塔柱１につけて固定設置された励磁器固定子ブラケット２０３３が設置される。励磁器固定子ブラケット２０３３は励磁器固定子２０３１を支持することに役立つため、励磁器固定子２０３１が塔柱１に取付けられる安定性及び位置の確定性を向上させることができる。
【０１７４】
図３２と図４で示すように、前記第５フランジ１１、第１フランジ７、第１軸受４は上から下まで順次に支柱２０１に下方に設置される。第５フランジ１１は上端面が溶接により支柱２０１の下端面に接続される。前記第１フランジ７は上下両端の横断面が異なる。例えば、図４で示すように、第１フランジ７が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第１フランジ７がホーン型で、図２０で示すように、第１フランジ７が「凸」型で、図２１で示すように、第１フランジ７が階段型である。しかしながら、第１フランジ７は上記４種類の構造に限られない。前記第１フランジ７は大端がねじ又は溶接により第５フランジ１１に接続され、小端がねじ又は溶接又は締まりばめにより第１軸受４の外輪に接続される。前記第１軸受４の内輪が塔柱１の外壁につけて固定設置され、その第１軸受４の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第１軸受ブラケット１８が設置される。
【０１７５】
錐台型又はホーン型とする第１フランジ７は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第１フランジ７に顕著な内応力が発生することないため、強度が高くて、大きな力を受けることができるとともに、第１軸受４の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第１フランジ７は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第５フランジ１１が設置されるため、第１フランジと支柱２０１との接続に有利になる。第１軸受ブラケット１８は第１軸受４及び第１軸受４に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第１軸受４が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させて、且つ発電機の構造の安定性が向上させることができる。
【０１７６】
図３２と図４で示すように、前記第６フランジ１２、第２フランジ８、第２軸受５は下から上まで順次に支柱２０１に上方に設置される。第６フランジ１２は溶接により支柱２０１の上端面に接続される。前記第６フランジ１２は上下両端の横断面が異なる。例えば、図３と図４で示すように、第２フランジ８が錐台型で、図１８と図１９で示すように、第２フランジ８がホーン型で、図２０で示すように、第２フランジ８が「凸」型で、図２１で示すように、第２フランジ８が階段型である。しかしながら、第２フランジ８は上記４種類の構造に限られない。前記第２フランジ８は大端がねじ又は溶接により第６フランジ１２に接続される。前記第２軸受８の内輪は塔柱１の外壁につけて固定設置される。前記第７フランジ１３は締まるばめにより第２軸受５の外輪の外壁につけて設置され、第７フランジ１３の下端面がねじ又は溶接により第２フランジ８の小端に接続される。その第２軸受５の内輪の下端面には、塔柱１の外壁につけて固定設置された第２軸受ブラケット１９が設置される。
【０１７７】
錐台型又はホーン型とする第２フランジ８は、大端から小端までの横断面が漸次に小さくなり、第２フランジ８に顕著な内応力が発生しないため、第２フランジ８の強度を高めて、大きな力を受けることができるとともに、第２軸受５の外輪の寸法を低減させ、垂直風力発電装置のコストを低下させる。「凸」型又は階段型とする第２フランジ８は、通常な装置を使用して加工でき、加工工程が簡単であるため、フランジの加工コスト及び加工時間を低下させる。第６フランジ１２が設置されるため、第２フランジ８と支柱２０１との接続に有利になる。第２軸受ブラケット１９は第２軸受５及び第２軸受５に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第２軸受５が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【０１７８】
図３２で示すように、前記第３軸受６の内輪は塔柱１につけて固定設置され、且つ第２軸受５の上側に位置される。前記第３軸受６の内輪の下端面には、塔柱１につけて固定設置された第３軸受ブラケット２０が設置される。第３軸受ブラケット２０は第３軸受６及びこの第３軸受８に作用される全ての部品を支持することに用いられるため、第３軸受６が取付けられた安定性と位置の確定性を向上させ、且つ発電機の構造の安定性を向上させることができる。
【０１７９】
第３フランジ９はねじ又は溶接により前記第７フランジ１３の上端面に接続され、第４フランジ１０はねじ又は溶接により第３軸受６の外輪に接続され、第３フランジ９と第４フランジ１０との間には、回転力を転移するためのコネクタ２３が設置される。図１２で示すように、示されたコネクタ２３は中空管である。図１１で示すように、前記コネクタ２３は二本以上の接続ロッド２３１を含み、前記接続ロッド２３１は上端が第４フランジ１０に接続され、下端が第３フランジ９に接続される。前記接続ロッド２３１は塔柱１の外において、塔柱横断面と同中心の円周に設置される。コネクタの強度を高めるために、接続ロッド２３１には補強リブ２３２が溶接される。中空管をコネクタ２３とするため、構造が簡単で、製造が便利で、製造コストが低く、且つ、中空管が第３フランジ９と第４フランジ１０と伴って回転する場合に、中空管に回転抵抗力を形成することにより風力発電装置の出力率に影響することない。従って、風力発電装置の発電出力を極めて高める。数多くの接続ロッド２３１をコネクタとするため、構造が簡単で、且つ垂直風力発電装置の重量を低減することができる。図３で示すように、第３フランジ９の外円周には二つの第８フランジ２１が接続され、第４フランジ１０の外円周には二つの第９フランジ２２が接続される。前記ブレード３は下端が第８フランジ２１を介して第３フランジ９に接続し、上端が第９フランジ２２を介して第４フランジ１０に接続する。第８フランジと第９フランジが設置されるため、ブレード３の取付、取除き及び修理に便利する。
【０１８０】
図５、図２６から図２９で示すような垂直風力発電装置のブレード３は、三つのブレード単位３１からなる。図２６で示すように、ブレード単位３１の横断面は大きな中間部と小さな両端部のオリーブ形であり、両小端部の一方が弧形で、他方が尖端である。ブレード単位３１がこのような横断面構造を有するため、風力に対する利用率が高い。前記ブレード単位３１は、骨組１０１、ブレード本体１０２、第１先端部１０３及び第２先端部１０４を備えて、ブレード本体１０２は骨組１０１に取付けられ、骨組１０１はブレード本体１０２内に位置する。前記第１先端部１０３は、ブレード単位３１の径方向に沿うブレード本体１０２の一端にはが設置され、第１先端部１０３の尾部１０３１は前記弧形であって、第１先端部１０３の頭部１０３２はブレード本体１０２内に延びる。前記第２先端部１０４は、ブレード単位３１の径方向に沿ってブレード本体１０２の第１先端部１０３と対向する他端にはが設置され、第２先端部１０４の尾部１０４１は前記尖端であって、第２先端部１０４の頭部１０４２はブレード本体１０２内に延びる。図２６と図２９で示すように、ブレード本体１０２と第１先端部１０３との間には、第１ガイドレールグループ（図示ない）が設置され、ブレード本体１０２と第２先端部１０４との間には、第２ガイドレールグループ３２が設置される。図２６で示すように、骨組１０１と第１先端部１０３との間には、第１ネジロッド２１００、第１雌ねじ２２００、第１電機２３００、二つ以上の第１直線軸受２４００及びこの第１直線軸受の数と同じの第１ペデスタル軸受２５００を備える第１動作装置が設置されている。前記第１直線軸受２４００は二つであって、これに相応して第１ペデスタル軸受２５００も二つである。前記第１ペデスタル軸受２４００はブレード本体１０２に取付けられ、第１直線軸受２４００は第１ペデスタル軸受２５００内に取付けられ、前記第１雌ねじ２２００は第１先端部１０３に取付けられ、前記第１ネジロッド２１００の一端は第１電機２３００に接続され、前記第１ネジロッド２１００は第１直線軸受２４００を貫して第１雌ねじ２２００に噛み合わされ、前記第１電機２３００と第１ネジロッド２１００との間には第１軸継手２６００が設置される。図２６と図２９で示すように、骨組１０１と第２先端部１０４との間には、第２ネジロッド３１００、第２雌ねじ３２００、第２電機３３００、二つ以上の第２直線軸受３４００及びこの第２直線軸受の数と同じの第２ペデスタル軸受３５００を備える第２動作装置が設置されている。前記第２直線軸受３４００は二つであって、これに相応して第２ペデスタル軸受３５００も二つである。前記第２ペデスタル軸受３４００はブレード本体１０２に取付けられ、第２直線軸受３４００は第２ペデスタル軸受３５００内に取付けられ、前記第２雌ねじ３２００は第２先端部１０４に取付けられ、前記第２ネジロッド３１００の一端は第２電機３３００に接続され、前記第２ネジロッド３１００は第２直線軸受３４００を貫して第２雌ねじ３２００に噛み合わされ、前記第２電機３３００と第２ネジロッド３１００との間には第２軸継手３６００が設置される。ネジロッド、雌ねじ、直線軸受を動作装置として用いるため、伝動精度が高い。図２６で示すように、骨組１０１とブレード本体１０２との間にはブレード補強リブ５０が取付けられる。このように、骨組１０１とブレード本体１０２との接続部の強度を向上させることができる。ブレード本体１０２の第１先端部１０３に近づける端部には第１シール６０が設置され、ブレード本体１０２の第２先端部１０４に近づける端部には第２シール７０が設置される。このように、雨水や塵がブレード単位に入れることを防止することができ、垂直風力発電装置が動作する場合に、ブレード単位の横断面の両端が対流を形成することにより垂直風力発電装置の仕事効率に影響することを防止することもできる。
【０１８１】
図４で示すように、発電機単位２には冷却システムが設置され、この冷却システムはファン翼２４と、冷却機２５と、密封プレート２６、送風機２７及び発電機固定子２０２１、回転子２０２２、励磁器固定子２０３１と励磁器回転子２０３２に設置された風道１５を備える。図１５で示すように、前記ファン翼２４は外支柱２０１１の外壁に斜めに設置され、いずれかのファン翼２４も弧形になる。密封プレート２６は塔柱１について固定設置され、且つ内支柱２０１２の上端部内の励磁器２０３の上側に位置される。送風機２７は密封プレート２６に設置される。前記冷却機２５は密封プレート２６に取付けられ、且つ送風機２７の上側に設置される。内支柱２０１２の下端部には出風口２９が設置され、内支柱２０１２の上端部には入風口３３が設置されて、この入風口３３は密封プレート２６の上側に設置される。前記出風口２９と入風口３３は支柱風道２０１３に繋がる。塔柱１内には外部冷却機３４が設置され、冷却機２５は注入管３５と輸出管３６を介して外部冷却機３４に接続される。
【０１８２】
図１７で示すように、前記塔柱１のトップ端部にはクレーン８０が設置される。前記クレーン８０は回転塔体８０１、クレーンブーム８０２、バランスアーム８０３、バランスウエイト８０４、台車８０５、レール８０６、フック８０７、ドラグライン８０８、巻上装置８０９及び制御システム（図示ない）を備える。前記回転塔体８０１が塔柱１のトップ部に接続され、クレーンブーム８０２とバランスアーム８０３が回転塔体８０１に取付けられ、回転塔体８０１は３６０度回転できる。バランスウエイト８０４がバランスアーム８０３の一端に取付けられ、レール８０６がクレーンブーム８０２に設置され、台車８０５がレール８０６に設置され、この台車８０５がレール８０６で前後方法に沿って走行できる。フック８０７が台車８０５の下側に設置され、フック８０７がドラグライン８０８の一端に接続され、巻上装置８０９がドラグライン８０８の他端に接続されて、この巻上装置８０９によりフック８０７の昇降を制御する。また、前記回転塔体８０１のトップ端とバランスアーム８０３との間にはバランスアームプルロッド８１０が設置されて、このバランスアームプルロッド８１０は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がバランスアーム８０３に固定接続される。前記回転塔体８０１のトップ端とクレーンブーム８０２との間にクレーンブームプルロッド８１１が設置されて、このクレーンブームプルロッド８１１は一端が回転塔体８０１のトップ端に固定接続され、他端がクレーンブーム８０２に固定接続される。バランスアームプルロッド８１０及びクレーンブームプルロッド８１１はクレーン８０の構造の安定性を確保でき、クレーンの負荷を向上させることができる。
【０１８３】
図３２で示すように、前記塔柱１内には昇降システムが設置される。前記昇降システムはエレベーター３７であり、前記エレベーター３７はかご３７１とかご昇降装置３７２を備える。かご３７１はかご昇降装置３７２によって昇降を実施する。
【０１８４】
前記第１軸受４、第２軸受５と第３軸受６の外輪にはブレーキ装置（図示ない）が設置される。
【０１８５】
上記のような垂直風力発電装置の作動過程は、風力発電機の発電、発電機に対する冷却、発電機を電動機とする起動、及び垂直風力発電装置に対する修理・検査などを含んでいる。以下、それぞれの動作原理を説明する。
【０１８６】
垂直風力発電装置の発電の動作原理は以下の通りである。ブレード３は風力により回転し始めて、ブレード３が回転した後に回転力が発生する。ブレード３が発生された回転力はブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移され、且つ、ブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されている。この時、第３フランジ９と第４フランジ１０は、ブレード３に伴って回転する。第４フランジ１０に転移された回転力はコネクタ２３により第３フランジ９に転移されている。第３フランジ９は第７フランジ１３、第２フランジ８と第６フランジ１２を順次に通じて、回転力を支柱２０１に転移している。支柱２０１は回転子２０２２及び励磁器回転子２０３２を回転させて、回転子２０２２を固定子２０２１に回って、励磁器回転子２０３２を励磁器固定子２０３１に回って回転させる。励磁器回転子２０３２は回転の過程中で、励磁器回転子２０３２における励磁器回転子巻線には交流電流が発生し、そして、回転整流装置１６１により、交流電流を直流電流になった後、発電機回転子２０２２の回転子巻線に輸送している。発電機回転子巻線には直流電流を印加した後に磁場が発生している。発電機回転子２０２２の回転によって、発電機回転子巻線には正弦波分布に近い磁場が発生し、発電機固定子２０２１における発電機固定子巻線は発電機回転子巻線に対して磁界を切るという運動をして、発電機固定子巻線内に３相交流電位を誘導し出すことによって、発電の目的を達成する。この構造は、第３フランジ９、第４フランジ１０及びコネクタ２３が設置されるため、ブレード３に発生された回転力がブレード３の下端を通じて第３フランジ９に転移されているだけでなく、ブレード３の上端を通じて第４フランジ１０に転移されて、第４フランジ１０は、コネクタ２３を通じて、回転力を第３フランジ９に転移されている。このように、ブレード３の上端と下端の受けた力はバランス化して、ブレード３は変形し難いため、ブレード３は捩れ・破損が容易ではなく、垂直風力発電装置の実用寿命を延長できる。図６で示すように、ブレード３が回転していると、風力が小さい場合、第１先端部１０３と第２先端部１０４はオープンの状態になって、ブレード３の風上面の面積は大きくなり、垂直風力発電装置の出力は大きくなる。図７で示すように、風力が大きくなる場合、第１先端部１０３は第１動作装置によって、第１ガイドレールグループに沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第１先端部１０３が収縮する同時に、第２先端部１０４は第２動作装置によって、第２ガイドレールグループ２に沿って骨組１０１の方向に向かって動作し、第２先端部１０４が収縮する。この時、ブレード３の風上面の面積は小さくなって、垂直風力発電装置の出力を自発的に調整できる。このような構造を使用することによって、風速の過大により垂直風力発電装置の過大による失効を防止できる。
【０１８７】
冷却システムの動作原理は以下の通りである。送風機２７で風流を形成して、冷風は励磁器回転子２０３２、励磁器固定子２０３１、回転子２０２２及び固定子２０２１の風道１５を通じて、発電機の下端に到着し、励磁器と発電機を冷却することに役立つ。この時、冷風が熱風になって、出風口２９を経て支柱の風道２０１３内に入って、ここで、外支柱２０１１により外部空気との熱交換を行って、風流における熱風が冷風になる。その後、風流が入風口３３を経て冷却装置２５に入って、ここで風流がさらに冷却された後、送風機２７で風力発電装置の内部に流入して、内循環を形成する。回転子の外支柱２０１１の外には、ファン翼２４が設置され、且つこのファン翼２４が外支柱２０１１の外壁に傾斜的に設置されているため、支柱２０１１が回転する場合に、ファン翼２４も同時に回転し、この際に、ファン翼２４の上下両側に風圧差が発生して、発電機近傍での外部空気は高圧から低圧へ流れる風流を形成して、即ち、外循環を形成する。このように、内循環における風流と外部との熱交換の効率を高めることができる。したがって、発電機に対する冷却の効果を向上させ、発電機の実用寿命を延長させることができる。
【０１８８】
外部冷却機３４と冷却機２５の動作原理は、以下の通りである。外部冷却機３４は冷却液を注入管３５により冷却機２５に運送し、冷却機２５で内循環における風との熱交換を行って、熱水になった後、輸出管３６を経て外部冷却機３４に運送されて冷却する。そして、上記のような過程を繰り返し循環する。このように、内循環における風流が冷却機２５での冷却効果を向上させて、発電装置に対する冷却効果を向上させ、発電装置の実用寿命を延長させることができる。
【０１８９】
発電機を電動機とする起動の動作過程は、以下の通りである。（１）電動機の運行：図１０で示すように、発電機は低い風速で又は起動の困難である場合に、励磁制御装置１６が電網１７から切断され、励磁器固定子巻線における電流がゼロになって、発電機は電動モデルで運行して、発電機固定子巻線は電網１７に連接され、電網１７は双方向インバータ１５により発電機固定子巻線に交流電を提供する。この時、固定子２０２１と回転子２０２２とのエアギャップ１４内に回転磁場が発生して、回転磁場は発電機回転子巻線及び制動巻線３８に相対する運動が発生するため、発電機回転子巻線が磁界を切って、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導起電力が発生して、発電機回転子巻線と制動巻線とを閉合した後、発電機回転子巻線及び制動巻線３８内に誘導電流が発生して、回転磁場と誘導電流が互いに作用することによって、電磁回転力を生ずるため、発電機の回転子２０２２を回転させてきて、非同期運行を実現する。これによって、発電機は低い風速で又は起動の困難である問題を解決できる。発電機を電動機とする運行の場合に、双方向インバータ１５の出力周波数を調整することによって、発電機を電動機とする回転速度を調整する。（２）発電機の運行：風速が大きくなると、発電機の回転速度がカットイン風速を満たす場合に、まず、発電機を上記電動機の状態で運行させ、且つ、励磁器回転子２０３２を回転させて、励磁器回転子巻線には交流電を誘導し、回転整流装置１６１によって整流した後、直流電流を発電機回転子巻線に入力して、発電機固定子巻線には３相交流電を誘導して切った。この時、双方向インバータ１５を制御し、しばらく停止させて、発電機を電動機の動作状態から抜けて、ブレード３に発生された回転力により支柱２０１を回転させて、支柱２０１により発電機回転子２０２２と励磁器回転子２０３２を回転させていて、且つ、励磁制御装置１６を動作させて、発電機が同期発電で運行し始める。電動機から発電機に変換した後、双方向インバータ１５を新たに動作させて、発電機固定子巻線における３相交流電は双方向インバータ１５により整流、濾波した後、電網１７に連接して、発電機の運行を行っている。風速が変わる場合、発電機の回転速度も同時に変わって、それに従って、発電機固定子巻線における誘導電流の周波数も変わっている。この時に、双方向インバータ１５のパラメーターを調整することによって、出力周波数が変わらないことを保障できて、可変速定周波の運行を行っている。発電機が発電状態で運行する場合、励磁制御装置１６の電流出力を調整することによって、発電機回転子巻線に受けられた励磁器電流を調整して、発電機の出力の制御を実現できる。（３）風速が特定範囲を超えると、励磁制御装置１６は電網１７から切断され、双方向インバータ１５も発電機から切断されて、発電システムは電機エネルギーの消耗も出力もないとともに、ブレーキ装置も発電機の回転速度を制御できて、風力発電装置の破損を避ける。
【０１９０】
垂直風力発電装置に対する修理、検査は、昇降システム及びクレーン８０によって実現される。その過程は以下の通りである。作業員は昇降システムにより塔柱１中のいずれかの発電機単位２に到着できて、クレーン８０にも到着できる。作業員はクレーン８０におけるフック８０７に作業できる。前記フック８０７はドラグライン８０８を介して巻上装置８０９に接続されている。このように、フック８０７の垂直方向における位置を調整できる。レール８０６に台車８０５が設置され、この台車８０５がレール８０６に沿って滑る。このように、フック８０７の水平方向における位置を調整できる。回転塔体８０１は３６０度回転できるため、作業員は垂直風力発電装の任意場所で修理と検査を行ってもよく、修理塔体と他の大型装置を別に建てる必要はない。このため、修理コストと修理・検査時間を極めて低減させることができる。
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【国際調査報告】
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