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JP2024119009A - Vertical Axis Wind Turbine - Google Patents

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JP2024119009A
JP2024119009A JP2023118928A JP2023118928A JP2024119009A JP 2024119009 A JP2024119009 A JP 2024119009A JP 2023118928 A JP2023118928 A JP 2023118928A JP 2023118928 A JP2023118928 A JP 2023118928A JP 2024119009 A JP2024119009 A JP 2024119009A
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JP
Japan
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blade
drive
shaft
generator
jacket
Prior art date
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Pending
Application number
JP2023118928A
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Japanese (ja)
Inventor
繁夫 織田
Shigeo Oda
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

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Abstract

To provide a vertical shaft wind power generator configured to comprise functions required as a practical power generator so as to make good use of the advantage that yaw control is not necessary as well as making the vertical shaft wind power generator large in size.SOLUTION: Blades 11 which extend upward and downward in a horizontally rotatable state is fitted at a constant interval horizontally to a round frame 7 which rotates on a strut 4 installed at a tip part of a tower 3, and horizontal angles of the blades 11 are properly held by a blade angle holding device 13, or made free. For electric power generation, the turning force of the round frame 7 generated as wind blows against the blades 11 is transmitted to a drive jacket 5, and a lower end of a main shaft 17 fitted to the drive jacket is coupled to the drive shaft of a power generator 18 so as to rotate the power generator 18.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電力を発電するために適した垂直軸風力発電機に関するものである。
The present invention relates to a vertical axis wind generator suitable for generating electrical power.

近年の再生可能エネルギー利用増加の機運に伴い、今後陸上や洋上での風力発電機の建設が増えることが予想される。
現在の風力発電機本体は、地上設置、洋上設置を含めてプロペラ式水平軸風車が広く普及している。これは航空機の分野で発展したプロペラや翼の翼形を応用し、風によって翼に作用する揚力を有効に使う風車のブレードが実用化されたことや、風速に応じてブレードの角度を変化させるピッチ制御、風車体の受風面を風に向かわせるヨー制御技術等、現在までの技術開発の成果が背景となっている。しかしながらそれらを実現し製品に適用するためにはブレード製作には特殊技術が必要であり、同時にヨー制御、ピッチ制御に必要となる強力な駆動装置や信頼性の高いギア、ベアリング等、付加価値の高い部品も必要となる。これらの部品は今後の洋上風力発電における大型化に対してはコスト低減を阻害する要因となると思われる。
With the recent momentum for increasing use of renewable energy, it is expected that the construction of wind turbines on land and offshore will increase in the future.
Currently, propeller-type horizontal axis wind turbines are widely used for wind turbine generators, both on land and offshore. This is due to the practical application of wind turbine blades that utilize the lift force acting on the blades by the wind, applying the propellers and blade airfoil shapes developed in the aircraft field, as well as the results of technological developments up to now, such as pitch control, which changes the angle of the blades according to the wind speed, and yaw control technology, which faces the wind-receiving surface of the wind turbine body into the wind. However, in order to realize these and apply them to products, special technology is required for blade manufacturing, and at the same time, high-value-added parts such as powerful drive units, reliable gears, bearings, etc., which are necessary for yaw control and pitch control, are also required. It is believed that these parts will be a factor in hindering cost reduction for the future increase in size of offshore wind power generation.

上記に対し上下方向の支柱を中心として水平面の円周上に設置された、上下に延びる複数のブレードが、風を受けて生じる回転力によって発電を行う垂直軸風車は、運転中において風向きの制約を受けないメリットがある。従って、今後の技術開発により垂直軸風車の大型化が実現すれば、風力発電機の低コスト化につながることが期待できる。(非特許文献1参照)
しかしながら垂直軸風車は、水平の円周上に設置された複数のブレードの中央を、支柱によって支持しながら水平方向に回転させる為、スラスト荷重とラジアル荷重を同時に保持する必要があり、発電効率を上げるためには、荷重を効率良く受けてスラスト軸受とラジアル軸受けの摩擦抵抗を出来る限り減らすことが要求される。大型化に際してはこの技術的課題を解決する必要があった。
更に風力発電機実用化のためには、台風等の強風時には風力エネルギーの発電機への伝達を遮断し、発電機を無負荷状態で維持しながらブレードや発電機の破損を防止する、無負荷遊転運転を実現する必要がある。基本的にブレードが固定ピッチである垂直軸型風車においても、この技術的課題を解決する必要があった。
In contrast to the above, vertical axis wind turbines, which generate electricity by generating rotational force from the wind generated by multiple blades extending up and down and installed on a horizontal circle centered on a vertical support pole, have the advantage that they are not restricted by wind direction during operation. Therefore, if future technological developments lead to larger vertical axis wind turbines, it is expected that this will lead to lower costs for wind power generators. (See Non-Patent Document 1)
However, in a vertical axis wind turbine, the blades are arranged on a horizontal circumference and the center of each blade is supported by a support column, so it is necessary to simultaneously support thrust and radial loads, and in order to increase the power generation efficiency, it is necessary to efficiently support the load and reduce the friction resistance of the thrust bearing and radial bearing as much as possible.
Furthermore, in order to put wind power generators to practical use, it is necessary to realize unloaded free-spinning operation during strong winds such as typhoons, by cutting off the transmission of wind energy to the generator and maintaining the generator in an unloaded state while preventing damage to the blades and the generator. This technical problem also needed to be solved for vertical axis wind turbines, which basically have blades with a fixed pitch.

以上の背景に対し特許文献1では、ブレードを取り付けた風車体を、水平方向に回転可能な中心軸により支持し、中心軸の下方に風車体の自重を浮力によって支える浮体と、浮体を浮かせる為の浮力室を備える構成が提案されている。特許文献1の構成により、風車体が回転する際のスラスト方向(上下方向)摩擦力低減が図れると考えられるが、スラスト軸受けの他に浮力室と浮体が必要があり、構造が複雑化すると思われる。

Against this background, Patent Document 1 proposes a configuration in which a wind turbine body with attached blades is supported by a central shaft that can rotate horizontally, and a float that supports the weight of the wind turbine body by buoyancy below the central shaft, and a buoyancy chamber for floating the float. It is believed that the configuration in Patent Document 1 can reduce friction in the thrust direction (up and down direction) when the wind turbine body rotates, but it requires a buoyancy chamber and a float in addition to a thrust bearing, which is thought to complicate the structure.

また特許文献2では、変化する自然の風速に対して一定の電気出力を得ることを目的として、風車体の回転数増加とともにブレードの開き角度が自動的に変化し、台風等の強風時には上下方向のブレードが水平になることによって回転数の増加を押え、ブレードや発電機の損傷を防止する構成が提案されている。しかしながら特許文献2の構成では、同心円上に設置されたブレードが水平方向に回転する際、ブレードが風上側の位置の時とブレードが風下側の位置の時では、ブレードが開く角度が異なると考えられるので、安定した回転を得るのが難しくなると思われる。
Also, in Patent Document 2, a configuration is proposed in which the blade opening angle automatically changes as the rotation speed of the wind turbine body increases, with the aim of obtaining a constant electrical output in response to changing natural wind speeds, and in the event of strong winds such as a typhoon, the vertical blades become horizontal, thereby suppressing an increase in rotation speed and preventing damage to the blades and generator. However, in the configuration of Patent Document 2, when the blades arranged concentrically rotate horizontally, the blade opening angle is thought to be different when the blades are in an upwind position and when they are in a downwind position, making it difficult to obtain stable rotation.

特開2022-167479「垂直軸風力発電装置」JP 2022-167479 "Vertical axis wind power generation device" 特開2014-219012「浮力構造システムと浮体式洋上風力発電システム」JP 2014-219012 "Floating structure system and floating offshore wind power generation system"

「トコトンやさしい風力発電の本」B&Tブックス 日刊工業新聞社"The Easy Book on Wind Power Generation" B&T Books, Nikkan Kogyo Shimbun

本発明が解決しようとする1つ目の課題は、垂直軸風力発電機において、台風等の暴風時時にブレードの向かい角を固定せずフリーにして風になびかせる(以降パッシブフェザリングと記す)機構により、風車体の過回転を防いでブレードや発電機の損傷リスクを減らすことが可能な、垂直軸風力発電機の構成を提供することである。 The first problem that this invention aims to solve is to provide a vertical axis wind turbine configuration that prevents the wind turbine body from over-rotating and reduces the risk of damage to the blades and generator by using a mechanism that does not fix the blade angle but allows the blades to flutter freely in the wind during strong winds such as typhoons (hereinafter referred to as passive feathering).

本発明が解決しようとする2つ目の課題は、強風時に複数のブレードのうち幾つかを(0008)項で述べたパッシブフェザリングにより風になびかせることにより、強風下の条件においても発電機出力を制限値以下に維持するための機構を備えた垂直軸風力発電機の構成を提供することである。 The second problem that the present invention aims to solve is to provide a vertical axis wind turbine configuration equipped with a mechanism for maintaining the generator output below a limit value even in strong wind conditions by making some of the blades flutter in the wind through passive feathering as described in paragraph (0008).

本発明が解決しようとする3つ目の課題は、垂直軸風力発電機において、風車体の自重による下向きの荷重や、風車体に作用する風圧による水平方向の荷重を効率良く保持することにより、軸受けの摩擦抵抗が少い構成とし、風力のエネルギーを効率良く回転エネルギーに変換可能な、垂直軸風力発電機の構成を提供することである。 The third problem that this invention aims to solve is to provide a vertical axis wind turbine configuration that efficiently supports the downward load caused by the weight of the wind turbine body and the horizontal load caused by wind pressure acting on the wind turbine body, thereby reducing the frictional resistance of the bearings and enabling efficient conversion of wind energy into rotational energy.

本発明が解決しようとする4つ目の課題は、点検・補修時等発電機停止時に、ブレードに風が当たっても風車体が回転せず、作業者が安全に作業を行うことが出来る、垂直軸風力発電機の構成を提供することである。 The fourth problem that this invention aims to solve is to provide a vertical axis wind turbine configuration that prevents the wind turbine body from rotating even when the blades are exposed to wind when the generator is stopped for inspection, repair, etc., allowing workers to work safely.

本発明が解決しようとする5つ目の課題は、点検・補修時等に風力発電機の主要部品であるブレードや軸受け、発電機、増速機等に作業員が安全にアクセス可能な垂直軸風力発電機の構成を提供することである。 The fifth problem that this invention aims to solve is to provide a vertical axis wind turbine configuration that allows workers to safely access the main components of the wind turbine, such as the blades, bearings, generator, and gearbox, during inspection and repair.

本発明が解決しようとする6つ目の課題は、(0008)項(0009)項で述べた本発明による構成の風力発電機を運転するための、装置の組合せと制御ロジックの実施例を提案することである。 The sixth problem that the present invention aims to solve is to propose an embodiment of a combination of devices and control logic for operating a wind turbine generator having the configuration according to the present invention described in paragraphs (0008) and (0009).

本発明が解決しようとする7つ目の課題は、今後増加が予想される風力発電機の洋上設置に対応し、洋上に設置して運用が可能な、垂直軸風力発電機の構成を提供することである。

The seventh problem that the present invention aims to solve is to provide a vertical axis wind turbine configuration that can be installed and operated offshore, in response to the expected increase in the number of offshore wind turbines being installed in the future.

(0008)~(0014)の課題を解決するために、本発明による垂直軸風力発電機は、以下の通り構成される。
本発明が対象とする風力発電機は、垂直方向の支柱を中心とした水平の円周上に上下に延びる複数のブレードが設置され、当該ブレードが風を受けて水平方向の回転力を得て、その回転力を発電機駆動軸に伝えて発電する、一般に垂直軸風力発電機と呼ばれている。
この型式の風力発電機は、(0003)項で述べた通り運転時風向きの制約を受けないメリットがある反面、実用化を目指すためには(0008)~(0014)の技術的課題を解決する必要があった。
In order to solve the problems (0008) to (0014), the vertical axis wind power generator according to the present invention is configured as follows.
The wind turbine that this invention addresses is generally known as a vertical axis wind turbine, which has multiple blades extending up and down on a horizontal circumference centered on a vertical support pole, and which catch the wind to generate horizontal rotational force that is then transmitted to the generator drive shaft to generate electricity.
As described in (0003), this type of wind turbine has the advantage of not being restricted by wind direction during operation. However, in order to put it into practical use, it was necessary to solve the technical problems described in (0008) to (0014).

先ず(0008)で述べた1つ目の課題を解決するために、本発明による垂直軸風力発電機は、以下の通り構成される。
垂直方向の支柱を中心として、水平面上で円形または多角形に構成されて水平に回転可能なラウンドフレームに対し、水平方向に等ピッチにて複数のブレード軸受けを取り付ける。
当該ブレード軸受けには中心軸が上下方向の回転可能なブレード軸が取り付けられ、各ブレード軸の上端と下端に対し上下方向に延びるブレードを取り付ける。さらに各ブレード軸に対して、ブレード軸の回転を止めたり回転を拘束せず解放にしたりするブレード角度保持装置と、ブレード角度計を取り付けた構成とする。
以上述べた、ラウンドフレームとブレード軸受け、ブレード軸、ブレード、ブレード角度保持装置、ブレード角度計を取り付けて一体化したものを、以降風車体と記す。
First, in order to solve the first problem described in (0008), the vertical axis wind power generator according to the present invention is configured as follows.
A round frame is configured to be circular or polygonal on a horizontal plane and is horizontally rotatable around a vertical support pillar, and a plurality of blade bearings are attached at equal pitches in the horizontal direction to the round frame.
The blade bearing is fitted with a blade shaft whose central axis can rotate in the vertical direction, and a blade extending in the vertical direction is attached to the upper and lower ends of each blade shaft. Further, a blade angle holding device that stops the rotation of the blade shaft or releases it without restricting its rotation, and a blade angle meter are attached to each blade shaft.
The above-mentioned round frame, blade bearings, blade shaft, blades, blade angle holding device, and blade angle meter are attached and integrated together and are hereinafter referred to as the wind turbine body.

一定風速以上の風が風車体に当たる時に、前記ラウンドフレームに対する各ブレードの角度を、ブレード角度計とブレード角度保持装置を用いて、予め設定した発電に有効な角度に保持する。この操作により風を受けたブレードには力が生じ、複数のブレードに作用する力の合力によりラウンドフィレームは水平方向に回転する。また台風等の暴風時や定期点検時等、ラウンドフレームの回転を止めて発電機の運転を停止する必要がある時には、ブレードのブレード角度保持装置を全て解放する。ブレード角度保持装置の解放によりブレードが風になびくパッシブフェザリング状態となり、ブレードには力が生じないのでラウンドフレームの回転は止まる。 When wind above a certain speed strikes the wind turbine body, the angle of each blade relative to the round frame is held at a preset angle effective for power generation using a blade angle meter and blade angle holding device. This operation generates a force on the blades that are hit by the wind, and the round frame rotates horizontally due to the combined force of the forces acting on multiple blades. In addition, when it is necessary to stop the rotation of the round frame and shut down the operation of the generator, such as during a typhoon or other strong winds or during regular inspections, all of the blade angle holding devices are released. Releasing the blade angle holding devices causes the blades to enter a passive feathering state in which they flutter in the wind, and as no force is generated on the blades, the rotation of the round frame stops.

(0009)項で述べた本発明の2つ目の課題である、ブレードを風になびかせるパッシブフェザリングを実現するために、ブレード軸をブレード断面の図芯の位置よりも風上側に取り付ける。この手段によりブレード軸を解放した時には、ブレード軸よりも風下側に当たる風の風圧が大きくなるため、パッシブフェザリングが容易となる効果が期待できる。
さらに風速が速い環境条件下では、複数のブレードの中の一部を発電に有効な角度に保持し、残りのブレードを解放することによりラウンドフレームの回転力を調整できるので、発電量を抑制して電力系統のニーズに合わせた部分負荷運転も可能となる。
In order to realize passive feathering, which is the second object of the present invention described in (0009), in which the blade flutters in the wind, the blade shaft is attached on the upwind side of the position of the graphic center of the blade cross section. When the blade shaft is released by this means, the wind pressure of the wind hitting the leeward side of the blade shaft becomes large, so that the effect of making passive feathering easier can be expected.
Furthermore, under environmental conditions with high wind speeds, the rotational force of the round frame can be adjusted by holding some of the blades at an angle effective for power generation and releasing the remaining blades, thereby enabling partial load operation to reduce power generation and meet the needs of the power grid.

(0010)項で述べた本発明の3つ目の課題である、風車体の下向きの自重や運転中にブレードに作用する水平方向の風圧等、風車体への荷重を効率良く保持し、軸受の摩擦抵抗を減らすことにより発電効率を向上させると同時に、軸受の損傷リスクを低減可能な具体的構成の1実施例を以下に述べる。
風車体の構成部品であるラウンドフレームの回転力を発電機に伝えるために、地上或いは洋上の基礎台上に設置したタワー上端部に台座を取り付け、この台座に対して上方に伸びる支柱を設置する。支柱の先端部に対し、支柱に嵌合し水平方向に回転する駆動ジャケットを取り付け、駆動ジャケットの外周部とラウンドフレームを、複数のラウンドバーで接続する。ラウンドフレーム、ブレード、ラウンドバーを合わせた下向きの荷重(スラスト荷重)と、風によってブレードに作用する水平方向の荷重(ラジアル荷重)を支えるために、前記支柱の上端部にスラスト軸受けとラジアル軸受けを設置する。前記スラスト軸受けとラジアル軸受けは前記駆動ジャケットに内蔵されることにより、摩擦抵抗が少ない状態で回転が可能となる。
The third objective of the present invention, as stated in Section (0010), is to efficiently retain the load on the wind turbine body, such as the downward weight of the wind turbine body and the horizontal wind pressure acting on the blades during operation, and to reduce the frictional resistance of the bearings, thereby improving power generation efficiency while at the same time reducing the risk of damage to the bearings. An example of a specific configuration is described below.
In order to transmit the rotational force of the round frame, which is a component of the wind turbine body, to the generator, a pedestal is attached to the upper end of the tower, which is installed on a foundation on land or offshore, and a support column is installed extending upward from the pedestal. A drive jacket that fits into the support column and rotates horizontally is attached to the tip of the support column, and the outer periphery of the drive jacket and the round frame are connected by multiple round bars. A thrust bearing and a radial bearing are installed at the upper end of the support column to support the combined downward load (thrust load) of the round frame, blades, and round bars, and the horizontal load (radial load) acting on the blades by the wind. The thrust bearing and radial bearing are built into the drive jacket, allowing rotation with little frictional resistance.

さらに前記駆動ジャケットの中央部に対し、前記支柱の内側の空洞部を通して下向きに延びる主軸を取り付け、主軸の下方にラジアル軸受けを設置する。このラジアル軸受けは、前記台座の下側に保持された構成とする。ラウンドフレームのブレードが風に煽られて駆動ジャケットに捩じれによるモーメント荷重が生じた場合でも、主軸の上端部と下部に取り付けられた2つのラジアル軸受けにより無理なくモーメント荷重を受け止めるので、軸受への負担が少ない構成であり、損傷リスクを低減可能である。
ラウンドフレームの回転力を発電機の電気出力として利用するために、前記主軸の下端部にカップリングを取り付け、増速機等を介して発電機駆動軸に連結された構成とする。
Furthermore, a main shaft is attached to the center of the drive jacket, extending downward through a hollow portion inside the support, and a radial bearing is installed below the main shaft. This radial bearing is configured to be held on the underside of the pedestal. Even if the blades of the round frame are blown by the wind and a moment load is generated in the drive jacket due to torsion, the moment load is easily received by the two radial bearings attached to the upper end and lower part of the main shaft, so that the burden on the bearings is small and the risk of damage can be reduced.
In order to utilize the rotational force of the round frame as the electrical output of the generator, a coupling is attached to the lower end of the main shaft, and the main shaft is connected to the generator drive shaft via a gearbox or the like.

本発明の3つ目の課題である、風車体に作用する荷重を効率良く保持するもう一つの手段として、地上或いは洋上に設置したタワー上端部の台座上に上向きの支柱を取り付け、支柱の先端部にピボット軸受け装置を取り付ける。さらに前記支柱の台座に近い位置に、スラスト軸受けとラジアル軸受けを内蔵して支柱と嵌合し水平方向に回転可能な、下部軸受け装置を設置する。
ブレードを取り付けるラウンドフレームは、前記ピボット軸受け装置の外周部に繋がれた複数の吊りワイヤー又は吊りバ―によって吊り下げられ、同時に前記軸受け装置とも複数の吊りワイヤー又は吊りバーによって繋がれた構成とする。
この構成により、ラウンドフレーム、ブレードを含む風車体の自重が保持されるとともに、運転中に風車体が風に煽られた時にも、支柱上端部に取り付けたピボット軸受け装置と、下側に取り付けた軸受け装置によって、風車体は一定の位置に保持され安定した回転が継続される。
As another means for efficiently supporting the load acting on the wind turbine body, which is the third subject of the present invention, an upward-facing support is attached to a base at the top end of a tower installed on the ground or offshore, and a pivot bearing device is attached to the tip of the support. Furthermore, a lower bearing device that incorporates thrust and radial bearings and fits with the support and can rotate horizontally is installed near the base of the support.
The round frame on which the blades are attached is suspended by a plurality of suspending wires or suspending bars connected to the outer periphery of the pivot bearing device, and is also connected to the bearing device by a plurality of suspending wires or suspending bars.
With this configuration, the weight of the wind turbine body, including the round frame and blades, is maintained, and even when the wind blows around the wind turbine body during operation, the pivot bearing device attached to the upper end of the support and the bearing device attached to the bottom hold the wind turbine body in a fixed position, allowing stable rotation to continue.

ラウンドフレームの回転力を発電機駆動軸に伝えるための手段は、前記ラウンドフレームと同等の高さに、支柱と嵌合し水平方向に回転可能な駆動ジャケットを取り付け、この駆動ジャケットの外面に複数のラウンドバーを取り付けて、ラウンドバーの先端部と、前記ラウンドフレームを複数の駆動ワイヤーで結ぶ。駆動ワイヤーとラウンドバーによりラウンドフレームの回転力が駆動ジャケットに伝わる。
駆動ジャケットに生じる回転力は、駆動ジャケット外周部に取り付けたギアとピ二オンギア、さらに増速機等を介して、支柱等に保持された発電機の駆動軸に伝えられて発電が行われる。
The means for transmitting the rotational force of the round frame to the generator drive shaft is to attach a drive jacket that is fitted with a support and can rotate horizontally at the same height as the round frame, attach multiple round bars to the outer surface of the drive jacket, and connect the tips of the round bars to the round frame with multiple drive wires. The rotational force of the round frame is transmitted to the drive jacket by the drive wires and the round bars.
The rotational force generated in the drive jacket is transmitted to the drive shaft of a generator supported on a support or the like via a gear and pinion gear attached to the outer periphery of the drive jacket, and further via a speed increaser or the like, thereby generating electricity.

本発明の4つ目の課題である、建設時や、点検・補修時等に風車体に風が当たる環境下でも風車体が回転しない手段として、(0019)項~(0022)項で述べた発電機の駆動軸に対し、ブレーキ装置を取り付ける。点検・補修等の風力発電機停止時には、(0016)項~(0017)項で述べたブレード角度保持装置を解放しブレードをパッシブフェザリング状態とした上で、前記ブレーキ装置を用いて発電機駆動軸の回転を止めて固定することで風車体が回転せず、作業員は安全に作業を実施可能となる。 The fourth objective of the present invention is to attach a brake device to the generator drive shaft described in paragraphs (0019) to (0022) as a means to prevent the wind turbine body from rotating even in an environment where the wind hits the wind turbine body during construction, inspection, repair, etc. When the wind turbine is stopped for inspection, repair, etc., the blade angle holding device described in paragraphs (0016) to (0017) is released to put the blades in a passive feathering state, and the brake device is used to stop and fix the rotation of the generator drive shaft, so that the wind turbine body does not rotate, allowing workers to carry out their work safely.

本発明の5つ目の課題である、点検・補修時に作業の対象となるブレードやブレード軸受け、発電機、増速機等への作業員のアクセス性については、それらの部品に対して作業員が歩行可能なタラップ等を取り付けることによりアクセスが可能となる。 The fifth objective of the present invention is to allow workers to access the blades, blade bearings, generators, step-up gears, etc. that are the subject of inspection and repair work. This can be achieved by attaching ladders or other devices that workers can walk on to these parts.

本発明の6つ目の課題である、本発明による垂直軸風力発電機の運転の制御については、風力発電機運転時の環境条件である風向き、風速、および電力系統の運用状況データと、風力発電機の回転数、発電出力、ブレード角度等のデータを制御盤にインプットし、それらのデータを組み合わせて制御盤からブレード角度保持装置、および発電機駆動軸のブレーキ装置を制御する指令信号を発信することにより、実施可能である。 The sixth objective of the present invention, controlling the operation of a vertical axis wind turbine according to the present invention, can be achieved by inputting data on the environmental conditions during operation of the wind turbine, such as wind direction, wind speed, and power system operating status, as well as data on the wind turbine's rotation speed, power output, blade angle, etc., into a control panel, combining this data and transmitting command signals from the control panel to control the blade angle holding device and the brake device of the generator drive shaft.

本発明の6つ目の課題である、本発明による垂直軸風力発電機の洋上風力発電機としての運用については、海底面の基礎に設置し海面上に突き出したタワー先端の台座上に支柱を設置する、あるいは海底に設置したアンカーに繋がれた海面上の浮体に対し、上方に向かって設置したタワー先端の台座上に支柱を取り付ける、この支柱に対して(0016)項~(0025)項で述べた垂直軸風力発電機を設置することにより実現可能である。 The sixth objective of the present invention, that of using the vertical axis wind turbine of the present invention as an offshore wind turbine, can be achieved by installing a support pillar on a base at the tip of the tower that is set on a foundation on the seabed and protruding above the sea surface, or by attaching a support pillar to a base at the tip of a tower that is set upward on a floating body on the sea surface that is connected to an anchor set on the seabed, and then installing the vertical axis wind turbine described in paragraphs (0016) to (0025) on this support pillar.

本発明によれば、ブレードのパッシブフェザリングにより環境条件に対応した出力調整が可能となり、垂直軸風力発電機の稼働率、および発電効率の向上が可能となる。また、パッシブフェザリングにより台風等暴風時ブレードを風になびかせることでブレード等の損傷リスクが低減し、信頼性向上が期待できる。 According to the present invention, passive feathering of the blades enables output adjustment in response to environmental conditions, improving the availability and power generation efficiency of the vertical axis wind turbine. In addition, passive feathering allows the blades to flutter in the wind during typhoons and other strong winds, reducing the risk of damage to the blades, etc., and is expected to improve reliability.

本発明によれば、ブレードを取り付けたラウンドフレームの自重による下向きの荷重や、風による水平方向の荷重を、支柱に取り付けたスラスト軸受けとラジアル軸受けによって効率良く受けることにより、軸受に生じる摩擦抵抗が少なく、高効率な発電が可能な垂直軸風力発電機を実現可能である。 According to the present invention, the downward load due to the weight of the round frame to which the blades are attached and the horizontal load due to the wind are efficiently supported by thrust bearings and radial bearings attached to the supports, which reduces frictional resistance in the bearings and enables a vertical axis wind turbine to generate electricity with high efficiency.

本発明によれば点検・補修等の発電機の運転停止時に、風車体の回転を止めて保持することにより、作業員が安全に作業を行うことが出来る垂直軸風力発電機を実現可能である。 The present invention makes it possible to realize a vertical axis wind generator that allows workers to work safely by stopping and holding the rotation of the wind turbine body when the generator is shut down for inspection, repair, etc.

本発明によれば、構成部品に対して歩行用のタラップを取り付けることにより、作業員が安全に作業を行うことが出来る垂直軸風力発電機を実現可能である。 According to the present invention, by attaching a walking ramp to the components, it is possible to realize a vertical axis wind turbine that allows workers to work safely.

本発明によれば制御盤を設置して、運転に必要なデータ環境条件等のデータを基にブレード角度保持装置や発電機駆動軸のブレーキ装置に指令を発信して制御することにより、本発明による風力発電機を有効に活用した運転が可能であり、発電効率向上が期待できる。 According to the present invention, a control panel is installed and commands are sent to the blade angle holding device and the brake device of the generator drive shaft based on data required for operation, such as environmental conditions, to control the device, making it possible to operate the wind turbine generator according to the present invention in an effective manner, and improving power generation efficiency can be expected.

本発明の垂直軸風力発電機は、今後増加が予想される洋上風力発電に対しても適用可能であり、従来のヨー制御が必要な水平軸風力発電機と比較して、建設時、運用時のコスト低減効果が期待できると考えられる。
The vertical axis wind turbine of the present invention can also be applied to offshore wind power generation, the number of which is expected to increase in the future, and is expected to reduce costs during construction and operation compared to conventional horizontal axis wind turbines, which require yaw control.

図1は本発明の実施例1による垂直軸風力発電機の鳥瞰図および部分拡大図である。FIG. 1 is a bird's-eye view and a partially enlarged view of a vertical axis wind power generator according to a first embodiment of the present invention. 図2は本発明の実施例2による、各風速条件によるブレード角度設定を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing blade angle settings under various wind speed conditions according to the second embodiment of the present invention. 図3は本発明の実施例3による垂直軸風力発電機の鳥瞰図である。FIG. 3 is a bird's-eye view of a vertical axis wind power generator according to a third embodiment of the present invention. 図4は本発明の実施例3による垂直軸風力発電機の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a vertical axis wind power generator according to a third embodiment of the present invention. 図5は本発明の実施例4による垂直軸風力発電機の鳥瞰図および部分拡大図である。Fourth Embodiment FIG. 5 is a bird's-eye view and a partially enlarged view of a vertical axis wind power generator according to a fourth embodiment of the present invention. 図6は本発明の実施例4による垂直軸風力発電機の部分断面図である。Fourth embodiment FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a vertical axis wind power generator according to a fourth embodiment of the present invention. 図7は本発明の実施例4によるピボット軸受け装置の1実施例を表す断面図である。Fourth Embodiment FIG. 7 is a sectional view showing an embodiment of a pivot bearing device according to a fourth embodiment of the present invention. 図8は本発明の実施例4によるピボット軸受け装置の2つ目の実施例を表す断面図である。Fourth Embodiment FIG. 8 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a pivot bearing device according to the fourth embodiment of the present invention. 図9は本発明の実施例3に対して実施例5を適用した鳥瞰図および部分断面図である。FIG. 9 is a perspective view and a partial sectional view of an embodiment 5 applied to the embodiment 3 of the present invention. 図10は本発明の実施例4に対して実施例5を適用した鳥瞰図および部分断面図であるFIG. 10 is a perspective view and a partial cross-sectional view of the fifth embodiment applied to the fourth embodiment of the present invention. 図11は本発明の実施例3および実施例4に対して実施例6を適用した鳥瞰図である。FIG. 11 is a bird's-eye view of the sixth embodiment applied to the third and fourth embodiments of the present invention. 図12は本発明に係る垂直軸風力発電機の制御対象の構成図である。FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of a controlled object of a vertical axis wind power generator according to the present invention. 図13は本発明に係る垂直軸風力発電機の制御を表すブロック図である。FIG. 13 is a block diagram showing the control of the vertical axis wind power generator according to the present invention. 図14は本発明に係る垂直軸風力発電機の制御ロジックのフローを表す図である。FIG. 14 is a diagram showing the flow of control logic for the vertical axis wind power generator according to the present invention. 図15は本発明に係る垂直軸風力発電機を洋上に設置した例を示す鳥瞰図である。FIG. 15 is a bird's-eye view showing an example of a vertical axis wind power generator according to the present invention installed on the ocean. 図16は本発明に係る垂直軸風力発電機の設置手順の出港時を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing the installation procedure of the vertical axis wind power generator according to the present invention at the time of departure from port. 図17は本発明に係る垂直軸風力発電機の設置手順の洋上でのアンカー敷設時を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing the installation procedure of the vertical axis wind power generator according to the present invention at the time of laying anchors on the sea. 図18は本発明本に係る垂直軸風力発電機の設置手順の洋上でのタワー延長時を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing the installation procedure of the vertical axis wind power generator according to the present invention when the tower is extended offshore. 図19は本発明本に係る垂直軸風力発電機の設置手順の洋上での設置完了時を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the installation procedure of the vertical axis wind power generator according to the present invention at the time of completion of installation on the sea.

今まで述べた特徴を有する垂直軸風力発電機の実施例について、図面を参照しその内容を以下に説明する。
An embodiment of a vertical axis wind power generator having the above-mentioned features will be described below with reference to the drawings.

図1は実施例1の垂直軸風力発電機全体を表す図であり、(図1-1)は鳥瞰図、(図1-2)はブレードとブレード取付け部の詳細図を示す。
実施例1の垂直軸風力発電機は、基礎台1上に設置したタワー2の上端部に台座3を取り付け、台座3上に垂直方向の支柱4を設置する。支柱4の先端部に対し支柱4と嵌合し水平方向に回転可能な駆動ジャケット5を取り付け、駆動ジャケット5の上方にハンガーヘッド6を設けて、ハンガーヘッド6の外周部と、水平方向に円形または多角形に構成されたラウンドフレーム7を複数の吊りワイヤー又は吊りバ―8でつなぐことにより、ラウンドフレーム7が駆動ジャケット5と同等の高さに吊り下げた状態となる。
このラウンドフレーム7には、水平方向に同じピッチにて複数のブレード軸受け9が取り付けられており、ブレード軸受け9は中心軸が垂直方向のブレード軸10を回転可能な状態で保持する。さらにブレード軸10の上側と下側に対し、上下方向に延びるブレード11を取り付ける。以上の構成により、ブレード11はブレード軸受け10によって、水平方向に回転可能な状態で保持される。(図1-2参照)
FIG. 1 shows the entire vertical axis wind power generator of the first embodiment, (FIG. 1-1) is a bird's-eye view, and (FIG. 1-2) shows a detailed view of the blades and the blade mounting portion.
In the vertical axis wind power generator of the first embodiment, a pedestal 3 is attached to the upper end of a tower 2 installed on a foundation 1, and a vertical support 4 is installed on the pedestal 3. A drive jacket 5 that fits with the support 4 and can rotate in the horizontal direction is attached to the tip of the support 4, a hanger head 6 is provided above the drive jacket 5, and the outer periphery of the hanger head 6 is connected to a round frame 7 that is configured in a horizontal circular or polygonal shape with a plurality of hanging wires or hanging bars 8, so that the round frame 7 is suspended at the same height as the drive jacket 5.
A number of blade bearings 9 are attached to this round frame 7 at the same pitch in the horizontal direction, and the blade bearings 9 rotatably hold the blade shaft 10 whose central axis is vertical. Furthermore, blades 11 extending in the vertical direction are attached to the upper and lower sides of the blade shaft 10. With the above configuration, the blades 11 are held by the blade bearings 10 in a state in which they can rotate horizontally. (See Figure 1-2)

各ブレード軸10に対してブレード軸10と一体化したディスク12を取り付け、各ブレード軸受け9に対してディスク12を挟んでブレード軸の回転を止める作用をする、ブレード角度保持装置13が設置される。このブレード角度保持装置13は、ラウンドフレーム7に対するブレード11の角度を固定したり、ディスクを解放してブレード軸の回転を可能とする機能を有している。
同時に各ブレード軸10と一体化したギア14と、ブレードの角度を検出するためのブレード角度計15を取り付ける。
以上の構成により、風速等の環境条件に応じてブレード角度保持装置を制御しブレードを発電に適した角度に保持したり、あるいは解放してブレードを風になびかせる、パッシブフェザリングを行うことが可能となる。
A disk 12 integrated with the blade shaft 10 is attached to each blade shaft 10, and a blade angle holding device 13 is installed which clamps the disk 12 to each blade bearing 9 to stop the rotation of the blade shaft. This blade angle holding device 13 has the function of fixing the angle of the blade 11 relative to the round frame 7 and releasing the disk to allow the blade shaft to rotate.
At the same time, a gear 14 integrated with each blade shaft 10 and a blade angle meter 15 for detecting the blade angle are attached.
With the above configuration, it is possible to control the blade angle holding device in response to environmental conditions such as wind speed to hold the blades at an angle suitable for power generation, or to release the blades and allow them to flutter in the wind, thereby performing passive feathering.

ブレード角度保持装置13によりブレードの角度を発電に適した角度に保持すると、ブレード11に風が当たることにより、ラウンドフレーム7に回転力が生じる。この回転力から発電出力を得るための構成を、以下に記す。
駆動ジャケット5の外周部に対して放射状に複数のラウンドバー16を取り付け、ラウンドバー16の先端部をラウンドフレーム7に接続する。同時に駆動ジャケット5の中央部下側に対し、支柱4内側の空洞部分を通して下方に延びる主軸17を取り付け、主軸17は台座3の開口部を通り抜けて台座3の下方に設置した発電機18の駆動軸と連結することにより、発電機が回転し発電出力が得られる。
When the blade angle holding device 13 holds the blade angle at an angle suitable for power generation, wind strikes the blades 11, generating a rotational force in the round frame 7. The configuration for obtaining power output from this rotational force will be described below.
A plurality of round bars 16 are attached radially to the outer periphery of the drive jacket 5, and the tips of the round bars 16 are connected to the round frame 7. At the same time, a main shaft 17 extending downward through a hollow portion inside the support 4 is attached to the lower central portion of the drive jacket 5, and the main shaft 17 passes through an opening in the base 3 and is connected to the drive shaft of a generator 18 installed below the base 3, thereby rotating the generator and generating power output.

図2は実施例2を表す説明図であり、実施例1による構成の垂直軸風力発電機において、発電時および発電停止時におけるブレード角度設定の概念を示している。
図2の矢印19は、風車に向かって吹く風の方向を表わす。
また図2に記載されているブレード断面20は、図1で示したブレード11に対してブレード角度保持装置13によって角度を固定した状態のブレード断面形状を黒色で示している。同時にブレード断面21は、ブレード角度保持装置13を解放することにより、ブレード11が風になびく状態のブレード断面形状を白色で示している。
また図2-1~図2-4は、6組のブレードを取り付けた風車体のブレードの断面を上方から見た図であり、風車体に対して風19が当たる際の、各風速条件に対するブレード断面20、21の角度設定の例と、ブレード軸10に作用する力の方向22、風車体の回転方向23を表している。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a second embodiment, and shows a concept of blade angle setting during power generation and when power generation is stopped in a vertical axis wind power generator having a configuration according to the first embodiment.
The arrow 19 in FIG. 2 represents the direction of the wind blowing towards the wind turbine.
2 shows in black the cross-sectional shape of the blade 11 shown in FIG 1 in a state where the angle is fixed by the blade angle holding device 13. At the same time, the cross-sectional shape of the blade 11 in white is shown in a state where the blade angle holding device 13 is released and the blade 11 is fluttering in the wind.
Figures 2-1 to 2-4 are top views of the blade cross sections of a wind turbine body with six sets of blades attached, showing examples of angle settings of blade cross sections 20, 21 for each wind speed condition when wind 19 hits the wind turbine body, the direction 22 of force acting on the blade shaft 10, and the direction of rotation 23 of the wind turbine body.

図2-1は弱風時に発電を行う場合のブレード20の断面を表している。ブレード角度保持装置によって、6組のブレードを全て発電に有効な角度に保持する。ブレードが風を受け風車体に回転力が生じ、矢印23に示す方向に回転する。
図2-2は中風時に発電を行う場合のブレード20とブレード21の断面を表している。ブレード角度保持装置によって、6組のブレードのうち3組のブレード角度を固定し、それ以外の3組のブレードを解放し風になびかせた状態を表す。図2-2に示す手段により、風速が速い場合でも電力系統のニーズに合わせて発電出力を押えることが出来るので、風力発電機としての利用率向上が可能となる。
Figure 2-1 shows the cross section of the blade 20 when generating power in a weak wind. The blade angle holding device holds all six sets of blades at an angle effective for generating power. When the blades catch the wind, a rotational force is generated in the wind turbine body, causing it to rotate in the direction indicated by the arrow 23.
Figure 2-2 shows the cross section of blades 20 and 21 when generating power during moderate winds. The blade angle holding device fixes the blade angle of three of the six blades, while the other three blades are released and fluttering in the wind. By using the means shown in Figure 2-2, the power output can be controlled to meet the needs of the power grid even when the wind speed is high, which improves the utilization rate of the wind power generator.

なおブレード断面20、ブレード断面21に対して、ブレード軸10はブレードの図芯よりも上流側に取り付けるものとする。この構成によりブレード断面21に表す通り、ブレード角度保持装置を解放した際にはブレードは容易に風になびく効果(=パッシブフェザリング)が得られるため、図2-2で表す様なブレード角度の設定により部分負荷運転が可能となる。 Note that the blade shaft 10 is attached upstream of the blade's center of gravity with respect to the blade cross sections 20 and 21. With this configuration, as shown in the blade cross section 21, when the blade angle holding device is released, the blade easily flutters in the wind (passive feathering), making partial load operation possible by setting the blade angle as shown in Figure 2-2.

図2-3は強風時に発電を行う場合のブレード20とブレード21の断面を表している。ブレード角度保持装置によって、6組のブレードのうち2組のブレード角度を固定し、それ以外の4組のブレードを解放しパッシブフェザリングとした状態を表す。風速がより速い条件でも、図2-2に示す中風時と同様の運用が可能となり、利用率の向上が期待できる。 Figure 2-3 shows the cross section of blades 20 and 21 when generating power in strong winds. The blade angle holding device fixes the blade angle of two of the six blade pairs, while the remaining four blade pairs are released for passive feathering. Even in faster wind conditions, operation similar to that in moderate winds shown in Figure 2-2 is possible, and improved utilization rates can be expected.

図2-4は台風等の爆風時のブレード21の断面を表している。暴風時には、発電を停止しブレードの損傷リスクを低減するために、全てのブレードを解放してパッシブフェザリングとする。この手段により風車体の回転が止まり、各ブレードに作用する風力が最小となるので、ブレードや各軸受け、発電機等の構成部品の損傷リスクを低減することが可能となる。
Figure 2-4 shows a cross section of the blade 21 during a storm such as a typhoon. During a storm, all blades are released for passive feathering to stop power generation and reduce the risk of damage to the blades. This stops the rotation of the wind turbine body and minimizes the wind force acting on each blade, reducing the risk of damage to the blades, bearings, generator, and other components.

図3は実施例3を表す鳥瞰図であり、実施例1および実施例2による構成の垂直軸風力発電機について、駆動ジャケット、ラウンドフレーム、ラウンドバー、増速機、発電機等の主要構成部品を示す。図4は図3の(B)-(B)断面図である。
図3および図4のタワー2の上端部に設置された台座3に対し、支柱4を上方に向かって設置し、支柱4の上端部に駆動ジャケット5を、支柱4に嵌合し水平方向に回転可能に取り付ける。補強板24は、駆動ジャケット5に作用する力を、支柱と共に支えるための補強部材である。
(0035)項~(0037)項の実施例1で説明した通り、駆動ジャケット5と一体化した主軸17を駆動ジャケットの中心部に上下方向に向かって取り付け、上方に伸ばした主軸の上部にハンガーヘッド6を設置し、ハンガーヘッドの外周部に取り付けたフック25とラウンドフレーム7を吊りワイヤー又は吊りバ―で8つなぐ。以上の構成により、主にラウンドフレーム7、ブレード11、ラウンドバー16の自重による下向きの荷重は駆動ジャケット5により支えられた構成となる。
同時に駆動ジャケット5の回転力を発電機18に伝えるために、駆動ジャケット5の下方に向かって主軸17を支柱4内の空洞部、および台座3の中央に開口した穴を通して伸ばし、カップリング26を介して増速機27に接続する。増速機27の出力を発電機の駆動軸28につなげることにより、発電機18によって発電が行われる。
Fig. 3 is a bird's-eye view showing the embodiment 3, and shows the main components such as the driving jacket, the round frame, the round bar, the speed increaser, and the generator for the vertical axis wind power generators configured according to the embodiments 1 and 2. Fig. 4 is a cross-sectional view taken along the line (B)-(B) of Fig. 3.
3 and 4, a support column 4 is installed facing upward, and a drive jacket 5 is fitted to the upper end of the support column 4 so as to be rotatable in the horizontal direction. A reinforcing plate 24 is a reinforcing member for supporting the force acting on the drive jacket 5 together with the support column.
As explained in the first embodiment in paragraphs (0035) to (0037), the main shaft 17 integrated with the drive jacket 5 is attached in the vertical direction at the center of the drive jacket, the hanger head 6 is installed on the top of the main shaft extended upward, and the hook 25 attached to the outer periphery of the hanger head is connected to the round frame 7 by a hanging wire or hanging bar 8. With the above configuration, the downward load caused mainly by the weight of the round frame 7, the blade 11, and the round bar 16 is supported by the drive jacket 5.
At the same time, in order to transmit the rotational force of the drive jacket 5 to the generator 18, the main shaft 17 is extended downward from the drive jacket 5 through a hollow portion in the support 4 and a hole opened in the center of the base 3, and is connected to a gearbox 27 via a coupling 26. By connecting the output of the gearbox 27 to a drive shaft 28 of the generator, electricity is generated by the generator 18.

なお本構成の駆動ジャケットには、主にラウンドフレーム7、ブレード11、ラウンドバー16の自重による下向きの荷重と、ブレードが風を受ける際の水平方向の荷重が作用する。
下向きの荷重はスラスト軸受け29出受けて駆動ジャケット5を下から支えることにより保持する。同時に水平方向の荷重は駆動ジャケット内部に設置したラジアル軸受け30と、主軸17の下部に設置した下部ラジアル軸受け31により保持する。
ラジアル軸受けを主軸17の上部と下部2か所に設置することにより、ブレード11が風に煽られて駆動ジャケットにねじりモーメントが作用した場合でも、この力を安定して保持することが可能となり、運転時の信頼性が向上する。以上の構成により、さらに風力発電機が大型化して荷重が大きくなったとしても荷重を支えることが出来るので、風力発電機の大型化、大出力化が可能となる。
The drive jacket of this configuration is subjected to a downward load mainly due to the weight of the round frame 7, the blades 11, and the round bars 16, as well as a horizontal load when the blades receive the wind.
The downward load is received by the thrust bearing 29, which supports the drive jacket 5 from below, and is supported thereby. At the same time, the horizontal load is supported by a radial bearing 30 installed inside the drive jacket and a lower radial bearing 31 installed below the main shaft 17.
By installing radial bearings at two locations, the upper and lower parts of the main shaft 17, even if the blades 11 are blown by the wind and a torsional moment acts on the drive jacket, this force can be stably held, improving reliability during operation. With the above configuration, even if the wind power generator becomes larger and the load increases, it can still support the load, making it possible to make the wind power generator larger and with greater output.

図5は実施例4を表す鳥瞰図であり、実施例1および実施例2による構成の垂直軸風力発電機について、駆動ジャケット、ラウンドフレームの吊り方や、発電機への動力の伝達が実施例3とは異なる構成を表す。
また、図6は図5の(C)-(C)断面図である。
図5および図6のタワー2の上端部に設置された台座3に対し、支柱4を上方に向かって設置し、支柱4の途中に駆動ジャケット5を、支柱4に嵌合し水平方向に回転可能に取り付ける。
実施例4では、支柱4の頂部にピボット軸受け装置32を取り付け、ピボット軸受け装置32に作用する下向きの荷重をスラスト軸受け33で支え、同時にピボット軸受け装置32に作用する水平方向の荷重をラジアル軸受け34で支える。ピボット軸受け装置32の外周部にフック25を設置し、フック25とラウンドフレーム7を吊りワイヤー又は吊りバ―8でつなぐ。この構成により、ラウンドフレーム7は水平方向に回転可能な状態で吊り下げられた状態となる。
FIG. 5 is a bird's-eye view showing Example 4, which shows a configuration of the vertical axis wind power generators having the configurations of Examples 1 and 2, in which the driving jacket, the round frame are suspended, and the power transmission to the generator are different from those of Example 3.
FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line (C)-(C) of FIG.
A support 4 is installed facing upward on a base 3 installed at the upper end of the tower 2 in Figures 5 and 6, and a drive jacket 5 is fitted to the support 4 midway and attached so as to be rotatable horizontally.
In the fourth embodiment, a pivot bearing device 32 is attached to the top of the support column 4, and a downward load acting on the pivot bearing device 32 is supported by a thrust bearing 33, while a horizontal load acting on the pivot bearing device 32 is supported by a radial bearing 34. A hook 25 is installed on the outer periphery of the pivot bearing device 32, and the hook 25 and the round frame 7 are connected by a hanging wire or hanging bar 8. With this configuration, the round frame 7 is suspended in a state in which it can rotate horizontally.

さらに支柱4の駆動ジャケット5よりも下側に、下部軸受け装置35を取り付け、下部軸受け装置35に作用する上下方向の荷重をスラスト軸受け36で支え、同時に下部軸受け装置35に作用する水平方向の荷重をラジアル軸受け37で支える。下部軸受け装置35の外周部に対し、ピボット軸受け装置と同様のフック25を設置し、フック25とラウンドフレーム7を吊りワイヤー又は吊りバ―8でつなぐ。
以上の構成により、ブレード11に作用する風力によってラウンドフレーム7回転力が生じる。その回転力を駆動ロープ38を介して駆動ジャケット5に設置したラウンドバー16に伝達することにより、駆動ジャケット5に回転力が発生する。
この組合せによる風車体は、複数の吊りワイヤー又は吊りバ―8によって支えられるので安定した回転が期待でき、同時に駆動ロープ38を介すことでブレードを含むラウンドフレームの自重による下向き荷重や、風によってブレード作用するモーメントが駆動ジャケット5に伝わりにくいため、駆動ジャケット回転時の摩擦抵抗の低減が可能となるため、高効率の発電出力と軸受けの信頼性向上が期待できる。
Furthermore, a lower bearing device 35 is attached below the drive jacket 5 of the support 4, and the vertical load acting on the lower bearing device 35 is supported by a thrust bearing 36, while the horizontal load acting on the lower bearing device 35 is supported by a radial bearing 37. A hook 25 similar to the pivot bearing device is installed on the outer periphery of the lower bearing device 35, and the hook 25 and the round frame 7 are connected by a hanging wire or hanging bar 8.
With the above-mentioned configuration, a torque is generated in the round frame 7 by the wind force acting on the blades 11. The torque is transmitted to the round bar 16 installed in the drive jacket 5 via the drive rope 38, whereby a torque is generated in the drive jacket 5.
The wind turbine body made with this combination is supported by multiple suspension wires or suspension bars 8, so stable rotation can be expected. At the same time, by using the drive ropes 38, the downward load due to the weight of the round frame including the blades and the moment acting on the blades due to the wind are less likely to be transmitted to the drive jacket 5, so frictional resistance when the drive jacket rotates can be reduced, and highly efficient power generation output and improved bearing reliability can be expected.

実施例4では駆動ジャケット5の外周部にギア39を取り付け、ギア39に対しピ二オンギア40を噛み合わせて回転数を増速させ、さらにピ二オンギア40の回転軸を増速機27に接続して増速し、増速機の出力軸を発電機駆動軸28に接続して発電機18を駆動し発電する。
以上の構成により、駆動ジャケット5は摩擦抵抗が少ない状態で回転し、かつ増速機により高速回転を得られるので、高効率の発電を行うことが可能となる。
In the fourth embodiment, a gear 39 is attached to the outer periphery of the drive jacket 5, and a pinion gear 40 is meshed with the gear 39 to increase the rotation speed. The rotating shaft of the pinion gear 40 is further connected to a speed increaser 27 to increase the speed, and the output shaft of the speed increaser is connected to a generator drive shaft 28 to drive the generator 18 and generate electricity.
With the above-mentioned configuration, the drive jacket 5 rotates with little frictional resistance, and high speed rotation can be obtained by the speed increaser, making it possible to generate electricity with high efficiency.

実施例4のピボット軸受け装置32について、詳細構造の1例を図7に示す。
ピボット軸受け装置32は支柱4の上端部にて支柱4に嵌合して水平方向に回転し、外周部に設置したフック25につないだ吊りワイヤー又は吊りバ―8を介してブレードを含むラウンドフレーム7の自重を保持する機能を有する。同時に回転時の摩擦抵抗を出来るだけ減らすために、自重をスラスト軸受け33で支えるとともに、ブレードに作用する水平方向の力を、ラジアル軸受け34で受けて円柱軸41で保持する構成としている。
An example of the detailed structure of the pivot bearing device 32 of the fourth embodiment is shown in FIG.
The pivot bearing device 32 is fitted to the support column 4 at its upper end to rotate horizontally and has the function of supporting the weight of the round frame 7 including the blades via a hanging wire or hanging bar 8 connected to a hook 25 installed on the outer periphery. At the same time, in order to reduce frictional resistance during rotation as much as possible, the weight is supported by a thrust bearing 33, and the horizontal force acting on the blades is received by a radial bearing 34 and supported by a cylindrical shaft 41.

図8はピボット軸受け装置の異なる詳細構造例を示す。
図8は、固定フランジ42によって支柱4の頂部に取り付けた円錐軸43外周に複数のボールベアリング44を設置し、ボールベアリングをピボット軸受け装置32で保持した構成を示す。図8のピボット軸受け装置外周部にはフック25が取り付けられ、吊りワイヤー又は吊りバ―8を介してラウンドフレームを保持している。
図8に示すピボット軸受け装置は、下向きのスラスト荷重と水平方向のラジアル荷重を、同時に効率良く支えることが可能であることから、装置の軽量化とコスト低減も可能となる。しかしながら、現時点ではこの型式のピボット軸受けは比較的小型のものしか実用化されていない。将来本発明による垂直軸風力発電機の大型化が実現する機会があれば、その際には、図8に示す構成の大型のピボット軸受けが実用化されることを期待したい。
FIG. 8 shows another example of the detailed structure of the pivot bearing device.
8 shows a configuration in which a plurality of ball bearings 44 are installed on the outer periphery of a conical shaft 43 attached to the top of a support 4 by a fixing flange 42, and the ball bearings are held by a pivot bearing device 32. A hook 25 is attached to the outer periphery of the pivot bearing device in Fig. 8, and holds the round frame via a hanging wire or hanging bar 8.
The pivot bearing device shown in Fig. 8 can efficiently support the downward thrust load and the horizontal radial load at the same time, which allows the device to be made lighter and less expensive. However, at present, only relatively small pivot bearings of this type are in practical use. If there is an opportunity in the future to enlarge the vertical axis wind power generator according to the present invention, it is hoped that the large pivot bearing shown in Fig. 8 will be put to practical use.

図9は実施例5を表す鳥瞰図であり、実施例3による構成の垂直軸風力発電機に対して駆動ジャケットの回転を停止するためのブレーキ装置46を設置した構成の鳥瞰図、および(D)-(D)断面図である。
図9の中に記載の発電機駆動軸28に対し、ブレーキディスク45およびブレーキ装置46を取り付けた構成を示している。ブレード11を解放してパッシブフェザリング状態とし、かつブレーキ装置46を使って風車体の回転を停止することで、点検・補修時等の風力発電機停止時に、作業員は安全な環境での作業実施が可能となる。
FIG. 9 is a bird's-eye view showing the fifth embodiment, and is a sectional view taken along (D)-(D) of a vertical axis wind power generator having a configuration according to the third embodiment, in which a brake device 46 for stopping the rotation of the driving jacket is installed.
A brake disk 45 and a brake device 46 are attached to the generator drive shaft 28 shown in Fig. 9. By releasing the blades 11 to put them into a passive feathering state and stopping the rotation of the wind turbine body using the brake device 46, workers can work in a safe environment when the wind turbine is stopped for inspection, repair, etc.

図10は実施例5のブレーキ装置46を実施例4に対して取り付けた構成を表す鳥瞰図、および(E)-(E)断面図である。図10の中に示す発電機駆動軸28に対し、ブレーキディスク45およびブレーキ装置46を取り付けた構成を示している。ブレード11を解放してパッシブフェザリング状態とし、かつブレーキ装置46を使って風車体の回転を停止することで、点検・補修時等の風力発電機停止時に、作業員は安全な環境での作業実施が可能となる。
Fig. 10 is a bird's-eye view and an (E)-(E) sectional view showing a configuration in which the brake device 46 of the fifth embodiment is attached to the fourth embodiment. A configuration in which a brake disk 45 and a brake device 46 are attached to the generator drive shaft 28 shown in Fig. 10 is shown. By releasing the blades 11 to put them into a passive feathering state and stopping the rotation of the wind turbine body using the brake device 46, workers can carry out work in a safe environment when the wind turbine is stopped for inspection, repair, etc.

図11は実施例6として、作業員が歩行可能なタラップ47を実施例3~実施例5に対して取り付けた構成を表す鳥瞰図である。図11の中のラウンドフレーム7および台座3、支柱4等に対してタラップ47を設置することにより、点検、補修の際、作業者が安全に移動し作業を行うことが可能となる。
また、図11の右側に示す鳥瞰図は実施例4の支柱4に対し、支柱4の内部空間を利用し作業者が移動出来るよう、ハッチ48を設けた状態を表している。
Fig. 11 is a bird's-eye view showing a configuration in which a ladder 47 that workers can walk on is attached to the configuration in Examples 3 to 5 as Example 6. By installing the ladder 47 on the round frame 7, the base 3, the support pillars 4, etc. in Fig. 11, workers can move around safely and perform work during inspection and repair.
The bird's-eye view shown on the right side of FIG. 11 illustrates a state in which a hatch 48 is provided on the support column 4 of the fourth embodiment so that an operator can move around by utilizing the internal space of the support column 4.

次に本発明の実施例7として、実施例3~実施例6による垂直軸風力発電機の運転・制御に関する内容を図12~図14に示す。
図12は実施例1~実施例6で述べた垂直軸風力発電機の運転・制御を行うための、計測装置、制御対象と信号の流れの例を示す構成図、図13は制御ブロック図である。
図12は実施例としてブレードが6組の垂直軸風力発電機の例を示しており、図12の中のブレードの断面を上方から見た状態を記号(1)~(6)で表している。
計測用タワー50の上端部に設置した風向計52で風向きを計測し、その情報を風向きの信号53として無線信号で発信し、制御装置51が受信する。
同様に風速については、風速計54で風速を計測し、その情報を風速信号55として無線信号で発信し、制御装置51が受信する。
Next, as a seventh embodiment of the present invention, the details of operation and control of the vertical axis wind power generators according to the third to sixth embodiments are shown in Figs. 12 to 14.
FIG. 12 is a configuration diagram showing an example of a measuring device, a controlled object, and a signal flow for operating and controlling the vertical axis wind power generator described in the first to sixth embodiments, and FIG. 13 is a control block diagram.
FIG. 12 shows an example of a vertical axis wind power generator having six sets of blades as an embodiment, and the cross sections of the blades as viewed from above in FIG. 12 are represented by symbols (1) to (6).
The wind direction is measured by a wind vane 52 installed at the top end of a measurement tower 50 , and the information is transmitted as a wind direction signal 53 by radio signal, which is received by a control device 51 .
Similarly, the wind speed is measured by an anemometer 54 , and the information is transmitted as a wind speed signal 55 by radio signal, which is received by the control device 51 .

(1)~(6)に示す各ブレードの角度については、ブレード軸角度計56により計測し、その情報をブレード角度の信号57として制御盤51が受信する。前記と同様に、風車体の回転数については回転数計58で計測し、その情報を風車体の回転数の信号59として制御盤51が受信する。またその時の発電機出力60を信号61として制御盤51が受信する。
さらに地上の電力系統62で停電等運用上の異常が発生した場合、電力系統の停電信号63として通信ケーブルを経由し制御盤51が受信する構成を示している。
The angles of each blade shown in (1) to (6) are measured by a blade shaft angle meter 56, and the control panel 51 receives this information as a blade angle signal 57. As above, the rotation speed of the wind turbine body is measured by a rotation speed meter 58, and the control panel 51 receives this information as a wind turbine body rotation speed signal 59. The control panel 51 also receives the generator output 60 at that time as a signal 61.
Furthermore, in the event of an operational abnormality such as a power outage occurring in the ground power system 62, the control panel 51 receives the power system power outage signal 63 via the communication cable.

図13は実施例3~実施例6において、風向きの信号53、風速の信号55、ブレード(1)~(6)の角度計で計測した各ブレード角度の信号57、風車体の回転数の信号59、発電機出力61、および電力系統停電の信号63を用いて制御盤51内で処理した上で、ブレード(1)~(6)の角度保持装置64、発電機/電動機66、および発電機駆動軸のブレーキ装置68に対してブレード(1)~(6)の角度保持装置のON/OFF指令信号65、発電機を電動機として起動・回転させる指令信号67、発電機駆動軸のブレーキ装置ON/OFF指令信号69を発信し、運転制御を行う場合のブロック図の例を示している。 Figure 13 shows an example of a block diagram in which, in Examples 3 to 6, wind direction signal 53, wind speed signal 55, blade angle signal 57 measured by the angle gauge for blades (1) to (6), wind turbine body rotation speed signal 59, generator output 61, and power grid power outage signal 63 are processed in the control panel 51, and then an ON/OFF command signal 65 for the angle holding device for blades (1) to (6), a command signal 67 for starting and rotating the generator as a motor, and an ON/OFF command signal 69 for the brake device for the generator drive shaft are sent to the angle holding device 64 for blades (1) to (6), the generator/motor 66, and the brake device for the generator drive shaft 68, to perform operation control.

図14は実施例3~実施例6において、制御盤によって行われる運転・制御ロジックのフロー図の例を示している。本図は、フローの起点または終点を示す図形70、前記各信号情報のインプットを示す矢印71、および各信号情報を用いた判断を示す図形72、各装置の動作を表す図形73を用いて、制御フローの例を示している。
Fig. 14 shows an example of a flow diagram of the operation and control logic performed by the control panel in Examples 3 to 6. This diagram shows an example of a control flow using a figure 70 showing the start or end point of the flow, an arrow 71 showing the input of each piece of signal information, a figure 72 showing a decision using each piece of signal information, and a figure 73 showing the operation of each device.

図15は本発明の実施例8として、本発明の垂直軸風力発電機を洋上設置とした場合の構成例を示す。
実施例8の垂直軸風力発電機は、海面に浮かべた複数の浮体103をトラス104で連結して構成された浮体基礎105と、海底に設置した複数のアンカー101を複数の係留索102でつなぎ、海面上の一定の位置に係留し、浮体基礎105の中央部に上方に向かって設置したタワー106の上端部に台座107を取り付ける。タワー106とトラス104を複数の補強索108等でつなぐことにより、タワー106の強度アップが期待できる。
台座107上に垂直方向の支柱109を設置し、支柱109の先端部に対し支柱109と嵌合し水平方向に回転可能な駆動ジャケット110を取り付け、駆動ジャケット110の上方にハンガーヘッド111を設ける。さらにハンガーヘッド111の外周部と、水平方向に円形または多角形に構成されたラウンドフレーム112を複数の吊りワイヤー又は吊りバ―113でつなぐことにより、ラウンドフレーム112が海面から上方の、駆動ジャケット110と同等の高さに吊り下げた構成を示している。
ラウンドフレーム112には、水平方向に同じピッチにて複数のブレード軸受け114が取り付けられており、ブラード軸受け114は中心軸が垂直方向のブレード軸115を回転可能な状態で保持する。さらにブレード軸115の上側と下側に対し、上側、下側に延びるブレード116を取り付ける。以上の構成により、ブレード116はブレード軸受け114によって、水平方向に回転可能な状態で保持される。
FIG. 15 shows an example of the configuration of a vertical axis wind power generator of the present invention installed offshore as an eighth embodiment of the present invention.
The vertical axis wind power generator of the eighth embodiment is composed of a floating foundation 105 formed by connecting a plurality of floats 103 floating on the sea surface with trusses 104, and a plurality of anchors 101 installed on the seabed, which are connected with a plurality of mooring lines 102, and is moored at a fixed position on the sea surface, and a pedestal 107 is attached to the upper end of a tower 106 installed upward in the center of the floating foundation 105. By connecting the tower 106 and the trusses 104 with a plurality of reinforcing lines 108, etc., it is expected that the strength of the tower 106 will be increased.
A vertical support 109 is installed on the base 107, a drive jacket 110 that fits with the support 109 and can rotate horizontally is attached to the tip of the support 109, and a hanger head 111 is provided above the drive jacket 110. Furthermore, by connecting the outer periphery of the hanger head 111 to a round frame 112 that is configured in a horizontal circular or polygonal shape with a plurality of hanging wires or hanging bars 113, the round frame 112 is suspended above the sea level at the same height as the drive jacket 110.
A plurality of blade bearings 114 are attached to the round frame 112 at the same pitch in the horizontal direction, and the blade bearings 114 rotatably hold the blade shaft 115 whose central axis is vertical. Furthermore, blades 116 extending upward and downward are attached to the upper and lower sides of the blade shaft 115. With the above configuration, the blades 116 are held by the blade bearings 114 in a state in which they can rotate horizontally.

各ブレード軸115に対してブレード軸115と一体化したディスク117を取り付け、各ブレード軸受け114に対してラウンドフレーム112に対するブレード116の角度を固定したり、解放したりする機能を有する、ブレード角度保持装置118を設置する。
同時に各ブレード軸115と一体化したギア119と、ブレードの角度を検出するためのブレード角度計120を取り付ける。
以上の構成により、風速等の環境条件に応じてブレード角度保持装置を制御しブレードを発電に適した角度に保持したり、あるいは解放してブレードを風になびかせる、パッシブフェザリングを行うことが可能となる。
A disk 117 integrated with the blade shaft 115 is attached to each blade shaft 115, and a blade angle holding device 118 having the function of fixing or releasing the angle of the blade 116 relative to the round frame 112 is installed for each blade bearing 114.
At the same time, a gear 119 integrated with each blade shaft 115 and a blade angle meter 120 for detecting the blade angle are attached.
With the above configuration, it is possible to control the blade angle holding device in response to environmental conditions such as wind speed to hold the blades at an angle suitable for power generation, or to release the blades and allow them to flutter in the wind, thereby performing passive feathering.

ブレード116に風が当たることにより、ラウンドフレーム112回転力が生じる。この回転力から発電出力を得るための構成を、以下に記す。
駆動ジャケット110の外周部に対して放射状に複数のラウンドバー121を取り付け、ラウンドバー121の先端部をラウンドフレーム112につなぐ。同時に駆動ジャケット110の中央部下側に対し、支柱109内部の空洞部分を通して下方に延びる主軸122を取り付け、主軸122を台座107の開口部を介して台座の下方に設置した発電機123の駆動軸と連結することにより、発電機が回転し発電出力を得ることが可能となる。
When the blades 116 are exposed to wind, a torque is generated in the round frame 112. The configuration for obtaining a power output from this torque will be described below.
A plurality of round bars 121 are attached radially to the outer periphery of the drive jacket 110, and the tips of the round bars 121 are connected to the round frame 112. At the same time, a main shaft 122 extending downward through a hollow portion inside the support 109 is attached to the lower central portion of the drive jacket 110, and the main shaft 122 is connected to the drive shaft of a generator 123 installed below the base 107 through an opening in the base, thereby rotating the generator and generating power output.

次に図16~図19に、実施例8による垂直軸風力発電機の洋上での設置手順の例を示す。
図16は、浮体基礎105上にタワーおよび風車体の一部を組み立てた状態で、風力発電機製作拠点の港を出港する状況を表している。風力発電機出港と同時に、海底に設置するアンカー101と、係留に必要な係留索102が同時に出港する。
図17にて風力発電機が設定海域に到着後、複数のアンカー101を海底の所定の位置に設置し、浮体基礎105と各アンカーを複数の索体でつないで係留する。
Next, an example of a procedure for installing the vertical axis wind power generator on the sea according to the eighth embodiment is shown in Figs.
16 shows the situation where the wind turbine leaves the port of the manufacturing base with the tower and part of the wind turbine body assembled on the floating foundation 105. At the same time as the wind turbine leaves the port, the anchor 101 to be installed on the seabed and the mooring rope 102 required for mooring are also departed.
In FIG. 17, after the wind turbine generator arrives at the designated sea area, multiple anchors 101 are installed at predetermined positions on the seabed, and the floating base 105 and each anchor are connected with multiple ropes for mooring.

図18では、タワー106の先端にタワーの延長ポール124を継ぎ足しながら風車体を徐々に上方に上げてゆく状況を示している。風車体を上げる過程で、下側のブレード116をブレード軸に取り付ける。
図19にて風車体が所定の高さまで上がった後、タワー106と浮体基礎のトラス104とを複数の補強索108でつないで、設置完了となる。
18 shows a state in which the wind turbine body is gradually raised upward while a tower extension pole 124 is being added to the tip of the tower 106. In the process of raising the wind turbine body, the lower blade 116 is attached to the blade shaft.
After the wind turbine body has been raised to a predetermined height in FIG. 19, the tower 106 and the truss 104 of the floating foundation are connected with a plurality of reinforcing ropes 108, completing the installation.

本願は現在まで発電用として主流であり実用化が進められた水平軸プロペラ式風力発電機に対し、水平軸プロペラ式風力発電機が必要であった受風面を風に向かわせる、ヨー制御が不要となる垂直軸風力発電機について、大型機の実用化を念頭に必要な機能を具備した構成を提案するものである。
水平軸プロペラ式風力発電機は、現在海外大手メーカ製品の買取や、国内での部品単位の受託生産の体制となりつつあるが、垂直軸風力発電機の分野で日本独自の技術を確立出来れば、国内の数多くの機械メーカや部品メーカによる生産が可能となる。
また洋上風力発電に活用出来れば、国内の船舶関係メーカの技術も適用可能となる、と考えられる。
In contrast to horizontal axis propeller wind turbines, which have been the mainstream for power generation to date and have been put to practical use to date, this application proposes a vertical axis wind turbine configuration that does not require yaw control, which faces the wind-receiving surface into the wind, as required by horizontal axis propeller wind turbines, and is equipped with the necessary functions with the practical use of large machines in mind.
Currently, horizontal axis propeller wind turbines are produced by purchasing products from major overseas manufacturers and contracting out production of individual parts domestically, but if Japan can establish its own unique technology in the field of vertical axis wind turbines, it will be possible for them to be produced by many domestic machinery and parts manufacturers.
Furthermore, if it can be used for offshore wind power generation, it is thought that technology from domestic ship-related manufacturers may also be applicable.

1 基礎台
2 タワー
3 台座
4 支柱
5 駆動ジャケット
6 ハンガーヘッド
7 ラウンドフレーム
8 吊りワイヤー又は吊りバ―
9 ブレード軸受け
10 ブレード軸
11 ブレード
12 ディスク
13 ブレード角度保持装置
14(ブレード角度計の)ギア
15 ブレード角度計
16 ラウンドバー
17 主軸
18 発電機
19 風向きを表す矢印
20 ブレード断面図(ブレード角度保持状態)
21 ブレード断面図(ブレード角度解放状態=パッシブフェザリング状態)
22 ブレード軸に作用する力の方向を表す矢印
23 風車体の回転方向を表す矢印
24 支柱の補強板
25 フック
26 カップリング
27 増速機
28 発電機の駆動軸
29(駆動ジャケットの)スラスト軸受け
30(駆動ジャケットの)ラジアル軸受け
31(主軸下部の)ラジアル軸受け
32 ピボット軸受け装置
33(ピボット軸受け装置の)スラスト軸受け
34(ピボット軸受け装置の)ラジアル軸受け
35 下部軸受け装置
36(下部軸受け装置の)スラスト軸受け
37(下部軸受け装置の)ラジアル軸受け
38 駆動ロープ
39(駆動ジャケットの)ギア
40 ピ二オンギア
41 円柱軸
42 固定フランジ
43 円錐軸
44(ピボット軸受けの)ボールベアリング
45(発電機駆動軸の)ブレーキディスク
46(発電機駆動軸の)ブレーキ装置
47 タラップ
48 ハッチ
49(欠番)

50 計測用タワー
51 制御盤
52 風向計
53 風向きの信号
54 風速計
55 風速の信号
56 ブレード(1)~(6)の角度計
57 ブレード(1)~(6)の角度信号
58 風車体の回転数計
59 風車体の回転数の信号
60 発電機出力計
61 発電機出力の信号
62 電力系統
63 電力系統信号(停電の信号、電力需要率の信号、等)
64 ブレード(1)~(6)角度保持装置
65 ブレード(1)~(6)角度保持装置NO/OFF指令信号
66 発電機または電動機
67 発電機を電動機として回転させる指令信号
68 発電機駆動軸のブレーキ装置
69 発電機駆動軸のブレーキ装置ON/OFF指令信号
70 フローチャート上の起点又は終点を表す図形
71 フローチャート上の信号情報のインプットを表す矢印
72 フローチャート上の信号情報を用いた判断を表す図形
73 フローチャート上の各装置の動作を表す図形

74~100(欠番)

101 アンカー
102 係留索
103 浮体
104 トラス
105 浮体基礎
106 タワー
107 台座
108 補強索
109 支柱
110 駆動ジャケット
111 ハンガーヘッド
112 ラウンドフレーム
113 吊りワイヤー又は吊りバ―
114 ブレード軸受け
115 ブレード軸
116 ブレード
117 ディスク
118 ブレード角度保持装置
119(ブレード角度計の)ギア
120 ブレード角度計
121 ラウンドバー
122 主軸
123 発電機
124 タワーの延長ポール

1 Foundation 2 Tower 3 Pedestal 4 Support 5 Drive jacket 6 Hanger head 7 Round frame 8 Suspension wire or suspension bar
9: Blade bearing 10: Blade shaft 11: Blade 12: Disk 13: Blade angle holding device 14: (Blade angle meter) gear 15: Blade angle meter 16: Round bar 17: Main shaft 18: Generator 19: Arrow indicating wind direction 20: Blade cross section (Blade angle held)
21 Blade cross section (blade angle release state = passive feathering state)
22 Arrow showing the direction of force acting on the blade shaft 23 Arrow showing the direction of rotation of the wind turbine body 24 Reinforcement plate of the support 25 Hook 26 Coupling 27 Speed increaser 28 Drive shaft of the generator 29 Thrust bearing (of the drive jacket) 30 Radial bearing (of the drive jacket) 31 Radial bearing (of the lower part of the main shaft) 32 Pivot bearing device 33 Thrust bearing (of the pivot bearing device) 34 Radial bearing (of the pivot bearing device) 35 Lower bearing device 36 Thrust bearing (of the lower bearing device) 37 Radial bearing (of the lower bearing device) 38 Drive rope 39 Gear (of the drive jacket) 40 Pinion gear 41 Cylindrical shaft 42 Fixed flange 43 Conical shaft 44 Ball bearing (of the pivot bearing) 45 Brake disk (of the generator drive shaft) 46 Brake device (of the generator drive shaft) 47 Ladder 48 Hatch 49 (missing number)

50 Measurement tower 51 Control panel 52 Wind vane 53 Wind direction signal 54 Anemometer 55 Wind speed signal 56 Angle meter for blades (1) to (6) 57 Angle signal for blades (1) to (6) 58 Rotational speed meter for wind turbine body 59 Rotational speed signal for wind turbine body 60 Generator output meter 61 Generator output signal 62 Power system 63 Power system signal (power outage signal, power demand rate signal, etc.)
64 Blade (1) to (6) angle maintaining device 65 Blade (1) to (6) angle maintaining device NO/OFF command signal 66 Generator or electric motor 67 Command signal to rotate generator as electric motor 68 Brake device of generator drive shaft 69 Brake device ON/OFF command signal of generator drive shaft 70 Graphic representing start or end point on flowchart 71 Arrow representing input of signal information on flowchart 72 Graphic representing decision using signal information on flowchart 73 Graphic representing operation of each device on flowchart

74 to 100 (missing numbers)

101 Anchor 102 Mooring line 103 Float 104 Truss 105 Float foundation 106 Tower 107 Base 108 Reinforcement line 109 Support 110 Driving jacket 111 Hanger head 112 Round frame 113 Suspension wire or suspension bar
114 Blade bearing 115 Blade shaft 116 Blade 117 Disk 118 Blade angle holding device 119 (for blade angle meter) gear 120 Blade angle meter 121 Round bar 122 Main shaft 123 Generator 124 Tower extension pole

Claims (8)

上下方向の支柱を中心として、上下方向に形成された複数のブレードが取り付けられたフレームが水平方向に回転可能な状態で前記支柱に保持され、前記ブレードに風が当たることによって生じる前記フレームの回転力を発電機に伝えて発電する垂直軸風力発電機において、上方から見て円形または多角形のラウンドフレームは、上下方向の支柱を中心として水平方向に回転可能な状態で保持されており、当該ラウンドフレームには水平方向に同じ角度間隔にて複数のブレード軸受けが設置され、前記ブレード軸受けには中心軸が上下方向の回転可能なブレード軸が取り付けられて、前記ブレード軸の上側と下側に上下方向に延びるブレードを取付けることにより、当該ブレードは前記ブレード軸と一体となり回転可能な状態で前記ブレード軸受けに保持された構成となり、かつ前記ブレード軸には当該ブレード軸の水平方向の回転を停止、あるいは解放する機能を有するブレード角度保持装置と、前記ブレードの角度を検出するブレード角度計が取り付けられているものとし、さらに前記支柱に嵌合し水平方向に回転可能な駆動ジャケットを取り付け、当該駆動ジャケットの外周部から水平方向に張り出した複数のラウンドバーによって、前記駆動ジャケットと前記ラウンドフレームが連結されてラウンドフレームの回転力が前記駆動ジャケットに伝えられ、更に当該駆動ジャケットの回転力が発電機の駆動軸に伝えられて前記発電機が回転し発電することを特徴とする、垂直軸風力発電機。
In a vertical axis wind generator, a frame to which a plurality of blades formed in the vertical direction are attached is held on a vertical support in a state in which the frame can rotate horizontally around the support, and the rotational force of the frame generated by wind hitting the blades is transmitted to a generator to generate electricity. A round frame that is circular or polygonal when viewed from above is held on the vertical support in a state in which the frame can rotate horizontally around the support, and a plurality of blade bearings are installed on the round frame at equal angular intervals in the horizontal direction, and a blade shaft with a central axis that is rotatable in the vertical direction is attached to the blade bearing, and by attaching blades that extend in the vertical direction to the upper and lower sides of the blade shaft, the blades are rotated in the horizontal direction around the blade shaft. a blade angle holding device having a function of stopping or releasing the horizontal rotation of the blade shaft, and a blade angle meter for detecting the angle of the blade, a drive jacket which fits onto the support and can rotate horizontally is attached, the drive jacket and the round frame are connected by a plurality of round bars which protrude horizontally from the outer periphery of the drive jacket, and the rotational force of the round frame is transmitted to the drive jacket, and the rotational force of the drive jacket is transmitted to the drive shaft of a generator, causing the generator to rotate and generate electricity.
請求項1に記載のブレード軸を、請求項1に記載のブレードの水平断面における図芯位置よりも当該ブレードの先端側に取り付けることにより、請求項1に記載のブレード角度保持装置を開放した時には、前記ブレードの先端が風上側に向かうことを特徴とする、請求項1に記載の垂直軸風力発電機。
2. The vertical axis wind generator according to claim 1, wherein the blade shaft according to claim 1 is attached to the tip side of the blade relative to the center of gravity in a horizontal cross section of the blade according to claim 1, so that the tip of the blade faces upwind when the blade angle holding device according to claim 1 is opened.
請求項1に記載の支柱は地上或いは洋上の基礎に設置したタワー上端部の台座上に固定されており、請求項1に記載の駆動ジャケットは前記支柱の上部に設置されたスラスト軸受けと、前記支柱の上部に設置されたラジアル軸受けによって保持されて前記支柱と嵌合し水平方向に回転可能な構成であり、さらに請求項1に記載のラウンドフレームは前記駆動ジャケットの上方に設置したハンガーヘッドと複数の吊りワイヤーまたは吊りバ―につながれた形態で水平方向に回転可能な状態で前記駆動ジャケットと同等の高さに吊り下げられており、同時に駆動ジャケットの外周部と前記ラウンドフレームを、請求項1に記載のラウンドバーでつなぐことにより前記ラウンドフレームの回転力が駆動ジャケットに伝わって回転力が生じ、当該駆動ジャケットの中心に対して駆動ジャケットと一体化された主軸を取り付け、当該主軸は前記支柱の内側の空間を通して下方に伸びる構成であり、かつ前記主軸は前記台座の開口部を通り抜けて当該台座の下方に突き出た形態とし、さらに前記主軸の下部は前記台座に保持されたラジアル軸受けで支持された構成とし、当該主軸に対して直接請求項1に記載の発電機の駆動軸を接続した構成、若しくは前記主軸に対して回転数を増加させる増速機を接続し当該増速機の出力軸に対して請求項1に記載の発電機の駆動軸を接続した構成とすることを特徴とする、請求項1に記載の垂直軸風力発電機。
The support column described in claim 1 is fixed on a base at the top end of a tower installed on a foundation on the ground or offshore, the drive jacket described in claim 1 is held by a thrust bearing installed on the top of the support column and a radial bearing installed on the top of the support column, and is configured to be engaged with the support column and rotate horizontally, and the round frame described in claim 1 is hung at the same height as the drive jacket in a state of being horizontally rotatable in a form connected to a hanger head installed above the drive jacket and a plurality of hanging wires or hanging bars, and at the same time, the outer periphery of the drive jacket and the round frame are connected with the round bar described in claim 1 to form the round frame. 2. The vertical axis wind generator according to claim 1, characterized in that the rotational force of the frame is transmitted to the drive jacket to generate a rotational force, a main shaft integrated with the drive jacket is attached to the center of the drive jacket, the main shaft extends downward through the space inside the support, the main shaft passes through an opening of the base and protrudes below the base, and a lower part of the main shaft is supported by a radial bearing held by the base, and the drive shaft of the generator according to claim 1 is directly connected to the main shaft, or a speed increaser that increases the rotation speed is connected to the main shaft, and the drive shaft of the generator according to claim 1 is connected to the output shaft of the speed increaser.
請求項1に記載の支柱は地上或いは洋上の基礎に設置したタワー上端部の台座上に固定されており、当該支柱の上端部に対して下向きの荷重と水平方向の荷重を保持し得るピボット軸受け装置を設置し、当該ピボット軸受け装置の外周部に取り付けられた複数の吊りワイヤーまたは吊りバ―によって、請求項1に記載のラウンドフレームが水平方向に回転可能な状態で吊り下げられた構成とし、前記支柱に嵌合し水平方向に回転可能な状態で、請求項1に記載の駆動ジャケットを前記ラウンドフレームと同等の高さに取り付けて、当該駆動ジャケットの外面に取り付けた請求項1に記載のラウンドバーの先端部と、前記ラウンドフレームを複数の駆動ロープによってつなぐことにより、前記ラウンドフレームの回転力が前記駆動ジャケットに伝わって当該駆動ジャケットに回転力が生じ、さらに前記駆動ジャケットの外周部にギアを取り付け、かつ前記ギアと噛み合うピニオンギア、および当該ピニオンギアの回転軸に対して直接請求項1に記載の発電機の駆動軸を接続した構成、あるいは前記ピニオンギアの回転軸に対して回転数を増加させる増速機を接続し、当該増速機の出力軸に対して請求項1に記載の発電機の駆動軸を接続した構成とすることを特徴とする、請求項1に記載の垂直軸風力発電機。
The support column according to claim 1 is fixed on a base at the upper end of a tower installed on a foundation on the ground or offshore, a pivot bearing device capable of supporting a downward load and a horizontal load is installed on the upper end of the support column, and the round frame according to claim 1 is suspended in a horizontally rotatable state by a plurality of suspension wires or suspension bars attached to the outer periphery of the pivot bearing device, and the drive jacket according to claim 1 is attached at the same height as the round frame in a state of being fitted to the support column and being horizontally rotatable, and the round bar according to claim 1 is attached to the outer surface of the drive jacket. 2. The vertical axis wind generator according to claim 1, characterized in that by connecting the tip and the round frame with a plurality of drive ropes, the rotational force of the round frame is transmitted to the drive jacket, generating a rotational force in the drive jacket, and further comprising a gear attached to the outer periphery of the drive jacket, a pinion gear meshing with the gear, and a drive shaft of the generator according to claim 1 directly connected to the rotating shaft of the pinion gear, or a speed increaser that increases the rotation speed is connected to the rotating shaft of the pinion gear, and the drive shaft of the generator according to claim 1 is connected to the output shaft of the speed increaser.
請求項4に記載のピ二オンギアの回転軸、あるいは請求項3または請求項4のいずれかに記載の発電機の駆動軸に対してブレーキ装置を取り付けて、前記発電機が無負荷状態の時に前記ピニオンギアおよび前記発電機の駆動軸の回転を停止させることにより、請求項3に記載の主軸の回転が停止し、さらに請求項3または請求項4のいずれかに記載の駆動ジャケットの回転が停止して、当該駆動ジャケットにつなげられた請求項3または請求項4のいずれかに記載のラウンドフレームの回転が停止することを特徴とする、請求項3または請求項4のいずれかに記載の垂直軸風力発電機。
A vertical axis wind generator according to claim 3 or claim 4, characterized in that a brake device is attached to the rotating shaft of the pinion gear according to claim 4 or the drive shaft of the generator according to claim 3 or claim 4, and when the generator is in an unloaded state, the rotation of the pinion gear and the drive shaft of the generator is stopped, whereby the rotation of the main shaft according to claim 3 is stopped, and further the rotation of the drive jacket according to claim 3 or claim 4 is stopped, and the rotation of the round frame according to claim 3 or claim 4 connected to the drive jacket is stopped.
請求項1~請求項5のいずれかに記載の支柱、および請求項1~請求項5のいずれかに記載の駆動ジャケット、請求項1~請求項5のいずれかに記載のラウンドバー、請求項4に記載の駆動ロープ、および請求項1~請求項5のいずれかに記載のラウンドフレームに対して作業員が歩行可能なタラップを取り付けたことを特徴とする、請求項1~請求項5のいずれかに記載の垂直軸風力発電機。
A vertical axis wind generator according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a ladder on which workers can walk is attached to the support according to any one of claims 1 to 5, the drive jacket according to any one of claims 1 to 5, the round bar according to any one of claims 1 to 5, the drive rope according to claim 4, and the round frame according to any one of claims 1 to 5.
請求項1~請求項6のいずれかに記載の垂直軸風力発電機は、請求項1~請求項6のいずれかに記載のブレード角度保持装置、および請求項5に記載のブレーキ装置を制御する制御盤を備え、当該制御盤は前記垂直軸風力発電機の近傍に設置した風速計によって測定した風速の信号と、請求項1~請求項6のいずれかに記載のブレード角度計のブレード角度の信号と、請求項1~請求項6のいずれかに記載の駆動ジャケットに対して取り付けた回転数計の信号と、請求項1~請求項6のいずれかに記載の発電機の発電出力の信号と、電力系統の運用状態の信号等の運転に必要な信号を受信し、それらの信号を用いて前記ブレード角度保持装置および、前記ブレーキ装置を制御することを特徴とする、請求項1~請求項6のいずれかに記載の垂直軸風力発電機。
A vertical axis wind generator according to any one of claims 1 to 6, comprising a control panel for controlling the blade angle holding device according to any one of claims 1 to 6 and the brake device according to claim 5, wherein the control panel receives signals necessary for operation such as a wind speed signal measured by an anemometer installed in the vicinity of the vertical axis wind generator, a blade angle signal from a blade angle meter according to any one of claims 1 to 6, a signal from a tachometer attached to the drive jacket according to any one of claims 1 to 6, a power generation output signal of the generator according to any one of claims 1 to 6, and a signal of an operation state of a power system, and controls the blade angle holding device and the brake device using those signals.
上下方向の支柱を中心として、上下方向に形成された複数のブレードが取り付けられたフレームが水平方向に回転可能な状態で前記支柱に保持され、前記ブレードに風が当たることによって生じる前記フレームの回転力を発電機に伝えて発電する垂直軸風力発電機において、上方から見て円形または多角形のラウンドフレームは、上下方向の支柱を中心として水平方向に回転可能な状態で保持されており、当該ラウンドフレームには水平方向に同じ角度間隔にて複数のブレード軸受けが設置され、前記ブレード軸受けには中心軸が上下方向の回転可能なブレード軸が取り付けられて、前記ブレード軸の上側と下側に上下方向に延びるブレードを取付けることにより、当該ブレードは前記ブレード軸と一体となり回転可能な状態で前記ブレード軸受けに保持された構成となり、かつ前記ブレード軸には当該ブレード軸の水平方向の回転を停止、あるいは解放する機能を有するブレード角度保持装置と、前記ブレードの角度を検出するブレード角度計が取り付けられているものとし、さらに前記支柱に嵌合し水平方向に回転可能な駆動ジャケットを取り付け、当該駆動ジャケットの外周部から水平方向に張り出した複数のラウンドバーによって、前記駆動ジャケットと前記ラウンドフレームが連結されてラウンドフレームの回転力が前記駆動ジャケットに伝えられ、更に当該駆動ジャケットの回転力が発電機の駆動軸に伝えられて前記発電機が回転し発電する垂直軸風力発電機であって、当該垂直軸風力発電機の前記支柱は海底面に設置され海面上に突き出たタワー上に設置されるか、或いは海底面に敷設されたアンカーと係留索により繋がれて海面上の一定の位置に浮かんで係留された浮体基礎上に設置されたタワー上に設置されることを特徴とする、垂直軸風力発電機。
In a vertical axis wind generator, a frame to which a plurality of blades formed in the vertical direction are attached is held on a vertical support in a state in which the frame can rotate horizontally around the support, and the rotational force of the frame generated by wind hitting the blades is transmitted to a generator to generate electricity. A round frame, which is circular or polygonal when viewed from above, is held on the vertical support in a state in which the frame can rotate horizontally. A plurality of blade bearings are installed on the round frame at equal angular intervals in the horizontal direction, and a blade shaft whose central axis is rotatable in the vertical direction is attached to the blade bearing. By attaching blades extending in the vertical direction to the upper and lower sides of the blade shaft, the blades are held in the blade bearing in a rotatable state integral with the blade shaft, and the blade shaft is rotated horizontally. a blade angle holding device having a function of stopping or releasing the blade, and a blade angle meter for detecting the angle of the blade, a drive jacket which is fitted to the support and can rotate horizontally is attached, and a plurality of round bars extending horizontally from the outer periphery of the drive jacket connect the drive jacket and the round frame, so that the rotational force of the round frame is transmitted to the drive jacket, and the rotational force of the drive jacket is transmitted to the drive shaft of a generator, which rotates the generator and generates electricity. The vertical axis wind generator is characterized in that the support of the vertical axis wind generator is installed on a tower that is installed on the seabed and protrudes above the sea surface, or is installed on a tower that is installed on a floating foundation that is connected to an anchor laid on the seabed by a mooring rope and floats and moored at a certain position on the sea surface.
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