JP2005517123A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、微風でも発電が可能な風力発電装置に関する。
風力発電装置はタワーに回転自在に設置される胴体と、胴体の先端に設置される羽根と、羽根の回転力を伝達される変速装置と、変速装置に連結され、電力を発生する発電機とを備えている。羽根は風向き及び風速に従って所定の角度に調節されるように羽根角度調節部に連結されている。変速装置は、羽根の回転軸に結合される遊星ギアと、遊星ギアがかみ合う歯が内周面に形成されているリングギアと、遊星ギアとかみ合って発電機に連結されるサンギアとを備えている。リングギアの外周面にはストップギアとかみ合う歯が形成されている。風力発電装置は、ストップギアの回転を停止させてリングギアを安定化するようにストップギアを制御する電気ブレーキを備えている。

Description

本発明は、プロペラ型の羽根の慣性力を利用する風力発電装置に関し、特に、回転慣性力を増大させるように羽根が日常的な微風でも回転させられる構成とされ、回転力を増大させるように、胴体の自由な回転によって羽根の方向を変わりやすい風向きに常に適合させ、強風が吹いた場合に羽根の角度が調節されて羽根への衝撃及び羽根の回転速度が軽減されるとともに、同時に胴体が所望の方向に位置を変えてその破損を防ぎ、これによって安定した状態で高効率の発電力が得られる風力発電装置に関する。

現在、全世界的に地下資源の枯渇と共に自然生態保護の次元で無限エネルギー源または清浄エネルギー源である原子力、水力、火力、潮力、風力又は太陽熱などを利用した発電装置の開発が活発になされている。従来の地下資源を燃料として使用する発電装置らはその設備が高価であり、燃料の使用による維持費用が継続的に発生されるだけでなく、原子力及び火力などの使用で廃棄物が発生されて環境を汚染する問題がある。

従って、前記従来のプロペラ発電装置の当該問題を解決して、設置面積の観点から経済的であり、設置コストが低廉であり、且つ、公害物質が生じない風力発電装置の利用が必要とされている。典型的な風力発電装置は、一般的に、タワーの上部に回転自在に設置される胴体と、胴体の先端に設置されるプロペラ型羽根と、リングギア、遊星ギア及び太陽ギア(サンギア)で構成され、羽根の回転力を増大させる変速装置と、変速装置からの回転力を利用して電気エネルギーを発生する発電機とを備えている。

前記のような構成のプロペラを利用する風力発電装置は米国特許第４,２９１,２３３号及び大韓民国特許第５７５８５号の特許公報にそれぞれ開示されている。

まず、一般的な風力発電装置の原理を述べる。風力発電装置の羽根の回転速度は、１気圧の空気中では８０〜９０ｍ／ｓである羽根の理想的な最大線速度が得られるように設定される。また、発電機の容量及び回転速度が設定され、変速装置(リングギア、遊星ギア及び太陽ギア)の歯数比を決定する。例えば６００ｋＷ級発電機の回転数が１，２００ｒｐｍ、羽根の外径が４６ｍ、羽根の回転数が３５ｒｐｍと仮定すると、変速装置の歯数比ｉは３４．３（＝１，２００／３５）となる。このような条件で羽根が始動するための最小の風速は３ｍ／ｓであるが、変速装置のギアが相互にかみ合っている状態では、変速装置の抵抗である負荷率より羽根の回転に必要な力が大きい場合に羽根が始動し得る。

しかし、従来の風力発電装置では、風力エネルギーによって回転させられるプロペラ型羽根の回転力が変速装置を介して発電機に伝達されるとき、動力の損失を最小化する風力発電装置を設計して製作するためには莫大な費用が必要となるだけでなく、相当な水準の技術的ノウハウ(know how)が必要とされる。最も重要な因子は変速装置である。変速装置の回転力（効率）が低下した状態、又は弱風のために羽根の回転が停止させられている状態では、羽根の重み及び変速装置において相互にかみ合っているギアによって大きい抵抗が生じているために、羽根の始動に必要な最小風速の微風が吹いても、羽根が始動され得ない。従って、高価な風力発電装置が無用の物となる。

また、従来の風力発電装置は、羽根の位置が風向きに依存して自由に変われるように、羽根を有する胴体がタワーを中心に回転するように構成されているので、風向きの変化によって羽根が停止させられず、発電力が得られる。しかし、突風等により風向きが急激に変わった場合、羽根の回転が停止し、ひどく揺れて、破損するおそれがある。

本発明は、従来の風力発電装置の前記問題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、変速装置のリングギアが制御されて停止又は回転させられ、微風でも羽根が容易に回転させられるとともに、羽根の回転から所望の回転慣性力が得られれば、これが変速装置に伝達されて風力発電装置の発電機が回転させられ、これにより最大稼動率を得ることができる風力発電装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、胴体の後方に垂直尾翼及び補助羽根が設けられ、羽根が風向きに常に適合し、これにより発電効率を向上させることができる風力発電装置を提供することにある。

さらに本発明の目的は、電気ブレーキを有する胴体回転部が設けられ、風力発電装置の胴体を自由に回転させ、又はその減速モータによって停止させ、突風が吹いた場合、胴体が風向きに回転してから停止して羽根の破損を防止し、（突風以外の）通常の動作条件下では胴体が自由に回転して羽根を風向きに適合させ、発電効率を向上させる風力発電装置を提供することにある。

また、本発明の目的は、風向き及び風速の変化に依存して羽根の角度を調節して所定の回転数を維持して発電機を安定に作動させて、特に強風又は突風などから羽根を安全に保護してその寿命が確保される風力発電装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明によれば、タワーの上部に自由に回転されるように設置される胴体と、胴体の先端に設置される羽根と、羽根の回転力を受け取り、回転速度を増加させる変速装置と、変速装置に連結され、変速装置から増速された回転力を受け取り、電気を生成する発電機とを有する風力発電装置が提供される。羽根には風向き及び風速に従って羽根の角度を調節するための羽根角度調節部が結合されている。また、変速装置は羽根の回転軸に結合される遊星ギア(planet gear)と、内周面に歯が形成され、遊星ギアがかみ合うリングギア(ring gear)と、遊星ギアとかみ合うとともに発電機に連結されているサンギア(sun gear)とを有している。さらにリングギアの外周面に形成された歯にかみ合って回転させられるストップギアが設けられている。また、風力発電装置は、ストップギアに結合され、ストップギアの回転運動を断続的に制御することによりリングギアを固定し又は回転させる電気ブレーキを備えている。

また、前記目的を達成するための本発明の風力発電装置において、回転力を増大させる付加的な変速装置が設けられてもよく、タワー回転部の内周面に形成された歯にかみ合って回転させられるストップギアの回転を断続的に制御する胴体回転部が設けられ、且つ、風向きと羽根の位置とが自動的に適合するように案内する垂直尾翼及び補助羽根が胴体の後端に設けられている。

本発明の風力発電装置によれば、羽根に作用する負荷率が最小化され、微風でも羽根が容易に回転させられる。そして、所望の回転慣性力が羽根に作用したとき、羽根の回転力が変速装置を介して発電機を回転させ、最大稼動率を得る。また、付加的な変速装置によって発電効率がさらに向上する。さらに胴体の後方に設けられた垂直尾翼及び補助羽根により、羽根が風向きに常に適合するようにして発電効率を向上させる。突風が吹いた場合、自由に回転する胴体が停止させられ、羽根の角度が調節されて羽根への抵抗力を解消し、羽根の破損が防止される。胴体が所望の方向に調節され得る。

以下、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にするために公知の機能又は構成に対する詳細な説明は省略する。なお、図面中、同一の構成要素及び部分には、可能な限り同一な符号及び番号を共通使用するものとする。

図１及び図２は、本発明による一実施例の風力発電装置を一部切欠して示した斜視図及び変速装置の分解斜視図であり、参照符号１は発電機、２は胴体、３はプロペラ型羽根、４は変速装置、５は羽根角度調節部、６は垂直型尾翼、７はプロペラ型補助羽根、８はタワーを示す。

胴体２は風向きに従って３６０゜回転可能にタワー８の上部に設けられている。胴体２の先端にはプロペラ型羽根３が設けられている。胴体２の内部には、羽根３の回転軸３１に連結されてその回転力を受け取る変速装置４、及び変速装置４に連結されて発電する発電機１が連結されている。

羽根３に作用する抵抗は風向き及び風速の変化に従って変わるので、それに伴って羽根３の回転速度も変わる。また、発電機１は発電するために羽根３から所定の回転数に応じた回転力が供給されなければならない。しかし、風向きが適切で且つ風が高速であれば羽根３が過剰に回転させられて負荷が過大となる。この問題を解決するために羽根３の角度を調節する羽根角度調節部５が胴体２の先端に設けられている。

羽根角度調節部５は、図８及び図９に示されているように、胴体２の先端に固定されるとともに、お互いに１２０゜だけ離れた３箇所に回転可能に配置されるように羽根３の先端がケーシング５１により支持されている。羽根３の先端には傘歯車５２が固定されている。また、羽根３に固定された傘歯車５２とかみ合う傘歯車５３を有する回転減速機５４がケーシング５１に固定されている。ケーシング５１は回転軸３１に固定されている。ケーシング５１は図に示されているように通常の軸受によって支持される羽根３の先端をメンテナンス及び交換がしやすいように分離可能に形成されてもよい。回転減速機５４は、羽根３が回転又は停止状態に維持されるように、羽根３に固定された傘歯車５２にかみ合っている傘歯車５３を回転又は停止させる。羽根３の角度は傘歯車５２の回転により調節されるとともに、傘歯車５２が停止されるとき調節された状態に維持される。回転減速機５４の電気信号はケーシング５１と胴体２との間を、通常のリング接続端子（図示略）を介して伝えられる。

図３及び図４で示されているように、変速装置４は羽根３の回転軸３１の先端に拡張形成されたフランジ部分に結合される遊星ギア４１、回転させられる遊星ギア４１にかみ合って回転させる歯４２１を内周面に有するリングギア４２、及び遊星ギア４１にかみ合い、発電機１に連結され、且つ、リングギア４２の中心に位置するサンギア４３を備えている。遊星ギア４１はサンギア４３とリングギア４２との間に介在した状態で、羽根３の回転により回転軸３１が回転させられたときに回転させられる。このとき、リングギア４２が停止状態であれば、サンギア４３が回転させられて軸４３１が発電機１を作動させる。その一方、リングギア４２の停止状態が解除されれば遊星ギア４１の回転力によってリングギア４２が回転させられる。

リングギア４２を回転又は停止させるため、その外周面に歯４２２が形成され、この歯４２２にかみ合って回転又は停止させられるストップギア４４が配置されている。

ストップギア４４は、羽根３を回転させることができる適切な風力が羽根に作用している場合のみ、リングギア４２の外周面に形成された歯車４２２にかみ合って停止状態を維持してリングギア４２を停止させる。そして、遊星ギア４１が回転させられているとき、サンギア４３及び発電機１が作動させられる。また、初期作動が行われるとき又は微風が吹いているとき、羽根３に大きい回転力が作用して羽根３が始動させられる。そこで、初期負荷率を低下させるためストップギア４４が回転させられ、羽根３の回転力が遊星ギア４１を介してサンギア４３及び発電機１に伝達されず、リングギア４２のみが回転させられる。従って、羽根３が自由に回転させられる。

リングギア４２を停止又は回転させるストップギア４４は、オン・オフの断続により作動させられる電気ブレーキ４５に連結されている。

変速装置４の電気ブレーキ４５、羽根角度調節部５、及び胴体回転部８２の作動制御は、一般的な電子制御装置（図示略）によって電気信号の入力及び出力によって行われる。

一方、遊星ギア４１、ストップギア４４、及び電気ブレーキ４５は４つの要素が均衡を維持するようにひとまとまりに構成されているが、この態様に限定されるものではない。２つ又は３つの要素が一ひとまとまりになるようにそれらを配置することも可能である。

好ましくは、図１に示されているように、発電機１に一定の回転慣性力を提供して適切なレベルの電力を得るために、変速装置４の回転軸３１から伝達された回転力が発電機１の駆動軸１１に伝達させて発電機１を駆動させるとき、おもりであるフライホイール１２を駆動軸１１の片側又は両側に付け加えられる。風量による羽根３のやや不規則な回転運動が一定の慣性運動に変換される。従って、良質の電力を発生させることが可能である。

本発明の他の実施形態は、図５〜図７に示されているように変速装置４と発電機１との間に第２の変速装置４’を加えて回転力を増大させる。第２の変速装置４’は、変速装置４のサンギア４３の軸４３１の先端に拡張形成されたフランジ部分に結合される遊星ギア４１’、遊星ギア４１’がかみ合って回転されるように内周面に歯４２１'が形成されているリングギア４２’、及び遊星ギア４１’とかみ合って発電機１に連結される軸４３１’を有してリングギア４２’の中心に配置されるサンギア４３’を備えている。

前述したように、変速装置４と第２の変速装置４’とを発電機１に連結させる方法として、羽根３と変速装置４の遊星ギア４１とが回転軸３１により連結され、変速装置４又は第２の変速装置４’のサンギア４３又は４３’と発電機１とが軸４３１又は４３１’により直接連結されている。これに代えて、組み立て又はメンテナンスの便利のため、図１に示されているように回転軸３１又は軸４３１若しくは４３１’がその中間でカプラ(coupler)１０又は１０’により連結されてもよい。

また、図１に示されているように本発明では、胴体２がタワー８に連結されている状態で３６０゜自由に回転するようにタワー回転部の内周面に歯８１が形成され、且つ、歯８１にかみ合って回転され、ストップギア８２を断続的に回転させる胴体回転部８３が胴体２に固定されているように胴体２とタワー８とが連結されている。胴体回転部８３の内部にある減速ギアによって胴体２が回転させられるので、突風などの発生により羽根３が破損しそうなときに胴体２の位置が変更され得る。

また、本発明の風力発電装置の胴体２の後端中央部には風向きと羽根３の位置とが自動的に適合するように案内する垂直尾翼６が設置されている。尾翼６の後端垂直部の中間部分、すなわち、羽根３を通過する風が接触しやすい中間位置にプロペラ型の補助羽根７が設置されている。このため、胴体２が揺れずに安定な位置に維持される。補助羽根７は風力を受ける羽根３の回転方向と反対方向に回転させられるように構成され、胴体２の揺れを防止するとともに風向きによって胴体２の位置が円滑に変更される。

次に本発明の風力発電装置の作動について説明する。

図１及び図３からわかるように、風が吹いたとき、風は羽根３を回転させて胴体２の後端に向かって通過する。その後、風は垂直尾翼６を通過して補助羽根７を回転させる。

この過程において、羽根３の回転力が回転軸３１を介して変速装置４の遊星ギア４１を回転させ、遊星ギア４１はリングギア４２の内周面に形成された歯４２１とかみ合いながら回転させられてサンギア４３を回転させる。サンギア４３の回転は羽根３の回転速度よりも増速された回転速度を実現し、サンギア４３の軸４３１を介して発電機１を作動させる。そして、電力が発生させられる。

一方、回転している羽根３に作用する風力が徐々に弱まって羽根の回転が停止させられ、羽根３の重み、回転軸３１及び変速装置４のそれぞれのギアの負荷、及び発電機１の負荷を合わせた総負荷より強い風力が生じたときのみ羽根３が再始動させられる。従って、微風で羽根３を回転させることは難しい。また、微風で羽根３を回転させるためには総負荷による負荷率を低下させなければならない。このため、リングギア４２が回転させられなければならない。リングギア４２が回転可能である場合、羽根３から回転力を受け取った遊星ギア４１が回転させられるとき、リングギア４２もともに回転させられる。このとき、サンギア４３及び発電機１の回転力の伝達が遮断されるので、負荷率が最小化されて羽根３の始動が可能となる。微風でも回転され始めた羽根３は回転運動による慣性力が徐々に増大されて所定の回転力を得る。このとき、リングギア４２の回転が停止させられ、遊星ギア４１がサンギア４３を介して発電機１が稼動される。

特に、図５及び図６に示されているように、第２の変速装置４’が追加された場合、回転速度が加速される。また、発電機１の発電効率を向上させるという優れた効果を得ることができる。しかし、第２の変速装置４’のそれぞれのギアとかみ合う羽根３の始動の際の負荷率が高くなり、微風で羽根３を始動させることが難しくなる。このため、発電機１に最小の負荷率が作用するように、リングギア４２が回転させられて適切な回転力となったときに安定化される。

リングギア４２を停止又は回転させる方法としては、図３及び図４に示されているようにリングギア４２の外周面に形成された歯４２２にかみ合って回転させられるストップギア４４に電気ブレーキ４５が連結され、電気ブレーキの断続的な電気のオン・オフによってストップギア４４が回転又は停止させられる。従って、リングギア４２が停止又は回転させられるように操作される。

また、図１に示されているように胴体２が自由に回転する陽に連結されている状態において、タワー８の回転部の内周面に形成されている歯８１にかみ合って回転させられるストップギア８２も、適切な風力がそこに作用する場合には風向きによって胴体２が自由に回動(free yaw)されるようにストップギア８２が歯車８１にかみ合って回転させられる。突風が吹くことで胴体２及び羽根３に衝撃が加えられて揺れる場合、胴体回転部８３がストップギア８２の回転を停止させて胴体２の動きを停止して破損が防止される。

また、胴体２の後端に設けられた垂直尾翼６によって、羽根３の位置が風向きに適合するように胴体２が誘導される。すなわち、羽根３の翼面に風が直接ぶつかり、円滑な回転力が得られる。また、補助羽根７が羽根３と反対方向に回転させられ、胴体２の揺れを防止し、胴体２のバランスを維持し、胴体２が風向きに回動させられるように誘導する役割を果たす。こうして、補助羽根７は発電効率を向上させる。

また、図８及び図９からわかるように羽根３に作用する風力が弱い又は強い場合、羽根角度調節部５の回転減速機５４が作動し、傘歯車５３が傘歯車５２を回転させて羽根３の角度を調節する。傘歯車５２の回転によって羽根３の角度が調節されるので、羽根３が適切な角度に維持される。特に強風が吹いたとき、羽根３の翼面に風の接触面を最小にするために羽根３の傾斜角を調節して風による衝撃を緩和させると同時に、過剰な回転を防止し、これによってその安全な使用を確保する。最適な運転条件を提供するため、羽根３の角度が調節された後で羽根３を固定することも可能である。

本発明による風力発電装置を一部切欠して示した分解斜視図 本発明による風力発電装置の変速装置を示した分解斜視図 図２の結合縦断面図 図３のＡ−Ａ線の断面図であり、ギアらの結合状態を示した断面図 本発明による風力発電装置の第２の変速装置を示した分解斜視図 図５の結合縦断面図 図６のＢ−Ｂ線の断面図であり、ギアらの結合状態を示した断面図 本発明による羽根角度の調節部を示した断面図 図８のＣ−Ｃ線の一部切欠断面図

符号の説明

１・・発電機、２・・胴体、３・・羽根、４・・変速装置、５・・羽根角度調節部、５１・・ケーシング、６・・尾翼、７・・補助翼、８・・タワー、１０、１０'・・カプラ、１１・・駆動軸、１２・・フライホイール、３１・・回転軸、４１、４１'・・遊星ギア、４２、４２'・・リングギア、４３、４３'・・サンギア、４４・・ストップギア、４５・・電気ブレーキ、４２１、４２２・・歯車、４３１、４３１' ・・軸

Claims (6)

1. タワーの上部に自由に回転されるように設置される胴体と、前記胴体の先端に設置される羽根と、前記羽根の回転力を受け取り、回転速度を増加させる変速装置と、前記変速装置に連結され、該変速装置から増速された回転力を受け取り電気を生成する発電機とを有する風力発電装置において、
   前記羽根には風向き及び風速に従って羽根の角度を調節するための羽根角度調節部が結合されて、
   前記変速装置は前記羽根の回転軸に結合される遊星ギアと、内周面に歯が形成され、前記遊星ギアがかみ合うリングギアと、前記遊星ギアとかみ合うとともに発電機に連結されているサンギアとを有し、
   前記リングギアの外周面に形成された歯にかみ合って回転させられるストップギアが設けられ、
   前記ストップギアに結合され、該ストップギアの回転運動を断続的に制御することにより、前記リングギアを固定し又は回転させる電気ブレーキを備えていることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記羽根角度調節部は、
   胴体の先端に固定されるとともに、各羽根が回転させられ得るように先端が支持されるケーシングと、前記羽根の先端に固定される傘歯車と、前記ケーシングに固定されるとともに、前記羽根の傘歯車とかみ合う傘歯車を有する回転減速機とを有することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 遊星ギア、リングギア、及びサンギアを有する第２の変速装置が、回転力を増大させるように前記変速装置と発電機との間にさらに設けられていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
4. 前記胴体が回転自在に連結されるタワー回転部の内周面に歯が形成され、
   前記歯にかみ合って回転させられるストップギアの回転を断続的に制御するための胴体回転部をさらに有することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
5. 前記胴体の後端には、風向きと羽根の位置とが自動的に適合するように羽根を案内する垂直尾翼及び補助羽根が設けられていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
6. 前記発電機に一定の回転慣性力を提供するため、前記発電機の駆動軸の片側又は両側におもりであるフライホイールが設けられていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。

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