JP2000352373A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 風力エネルギーを効率よく捕捉するととも
に，強風で破壊されない風力発電装置。 【解決手段】 風向に従うようにほぼ水平に揺動する回
転軸１２を有し，回転軸１２の外周に螺旋状の動翼１３
を装着し，動翼１３の外周に回転軸１２と同軸で両端の
開口した円筒状の外筒１４を装着し，外筒１４の風上側
には開閉可能なコレクタ１５を，風下側には回転軸１２
に機械的に結合される発電機１１を備えている風力発電
装置で，コレクタ１５は風上側に設けられたフレームに
支持されて風速に応じてフレア状に開口して気流を集束
し，錐状に閉鎖して気流を遮断することができるように
電動機２９及び開閉機構２４により開閉操作できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は，横軸型風力発電
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】風力発電装置には縦軸型と横軸型があ
り，横軸型が圧倒的に多く実用されている。さらに，横
軸型については図１０に示す可変ピッチ式のプロペラ型
のものが極めて一般的である。この種の風力電装置は，
タワー１０１上にあって，主として回転軸と増速機構と
発電機とを含むナセル１０２がほぼ水平に回転可能であ
って，ナセル１０２の一端はハブ１０３としてプロペラ
（又は動翼）１０４の基部を取り付けている。この装置
は気流Ｗによってプロペラ（動翼）１０４に揚力が発生
し，Ｒ方向に回転する。プロペラ（動翼）１０４の枚数
は通常は３であるが，１又は２の場合もある。ハブ１０
３内にはプロペラ（動翼）１０４のピッチ角を調整する
可変ピッチ機構が内蔵されている。

【０００３】この風力発電装置は常に回転軸の方向が風
向に従うようにナセルが水平に方位変更し，風速の高低
に応じてプロペラ（動翼）１０４のピッチ角が変化し，
強風に際しても過速度にならないようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】課題１．風力発電装置
では，風力エネルギーは動翼で捕捉され，回転エネルギ
ーに変換される。図１０に示す従来の風力発電装置で
は，回転力は主としてプロペラ（動翼）に働く揚力によ
って与えられるが，動翼は比較的細長いナイフ状である
ために，風力エネルギーは動翼回転面の一部分で捕捉さ
れるにすぎない。すなわち気流のかなりの部分が動翼間
をすり抜ける。それ故に風力エネルギーの捕捉効率が低
い。動翼を幅広くし，枚数を極端に多くする多翼型など
の実施例では捕捉効率がよくなるが，可変ピッチ式にす
ることは困難で，固定ピッチ式であり，強風によって破
壊される恐れがあるので最近は殆ど実施されていない。
風力発電装置は風力エネルギーをもっと有効かつ安全に
捕捉する必要がある。

【０００５】風車の理論によると，受風面積（すなわ
ち，動翼の回転面積）Ａを通過する風速Ｖの風力のエネ
ルギー工率Ｐ_Wは Ｐ_W＝ρＡＶ³／２ ただし，ρは空気密度で，気温１０℃において，１．２
４７ｋｇ／ｍ³で与えられる。この式より例えば風速１
０ｍ／ｓでは風車を通過する風力のエネルギー工率は受
風面積１ｍ²あたり６２３．５ワットになる。

【０００６】この風力のエネルギー工率Ｐ_Wに対して，
装置として取り出すことのできる出力Ｐ_Dの割合Ｃ_P（＝
Ｐ_D／Ｐ_W）は出力係数と呼ばれ，ベッツの理論ではその
最大値は０．５９３であるとされている。然るに，プロ
ペラ型風力発電装置の実機データでは出力係数は０．２
５程度である。これはベッツの理論の４２％に相当し，
風力エネルギーの捕捉効率はかなり低いということであ
る。

【０００７】実用されているプロペラ型風力発電装置で
は，図１１に示すように，定格出力は動翼の直径によっ
てほぼ定まる。したがって，装置の容量に応じてタワー
を高くしなければならない。すなわち，大容量の設備で
は非常に大型になる。

【０００８】このように従来のプロペラ型風力発電装置
は風力エネルギーの捕捉効率が低く，設備容量の割に装
置サイズが大きくなるという問題があり，通常は３００
ないし５００ｋＷ程度が一般的で，千ないし数千ｋＷを
超えるような大容量機の製作が困難である。

【０００９】課題２．図１０の従来のプロペラ型風力発
電装置では，動翼に当たった気流が容易に動翼の外周よ
り逃れしまうために，風力エネルギーの捕捉効率を向上
させることができない。

【００１０】課題３．図１０の従来のプロペラ型風力発
電装置では，動翼端が自由端であり，動翼に当たった気
流は，動翼より外周に逃れる際に動翼端を振動させ，風
切り音が発生し，騒音の原因になっている。

【００１１】課題４．図１０の従来のプロペラ型風力発
電装置では，動翼端が自由端であり，動翼はハブに片持
ち梁の状態で支持されているから，基部に応力が集中す
るので，充分な強度とする必要がある。

【００１２】課題５．可動部分の慣性を大きくし，風速
の瞬時変動による回転速度変動を緩和することが必要で
ある。

【００１３】課題６．この発明の動翼はプロペラ型風力
発電装置のようにナイフ状ではないので，可変ピッチ型
にはできない。したがって，この装置に適した強風対策
が必要である。

【００１４】課題７．経済性を高めるために，風力発電
装置が稼動する最低風速，すなわちカットイン風速を下
げる必要がある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に関わる
手段は，風力発電装置にあって，風向に従うようにほぼ
水平に揺動する回転軸１２を有し，回転軸１２の外周に
螺旋状の動翼１３を装着し，さらに動翼１３の外周に回
転軸１２と同心で両端の開口した円筒状の外筒１４を装
着し，外筒１４の風上側には外筒１４とほぼ同一内径の
環状のフレーム４上に支承され開口状態でフレア状とな
るコレクタ１５を外筒１４と同心に備え，コレクタ１５
は閉鎖可能であって，外筒１４の風下側には回転軸１２
に機械的に結合される発電機１１を備えている。

【００１６】請求項２の発明に関わる手段は，請求項１
の発明において，コレクタ１５は二等辺三角形の板より
なる主コレクタ１６Ａと，主コレクタ１６Ａと別の三角
形の板よりなる一対の補助コレクタ１６Ｂを主コレクタ
１６Ａの両辺に倒立的に配列してヒンジ結合されたコレ
クタユニット１６の複数個をフレーム４上に主コレクタ
１６Ａの底辺１７Ｄが多角形をなすよう配列して支承さ
れ，それぞれ隣接するコレクタユニット１６の外縁を相
互にヒンジ結合して構成されていて，電動機２９及び電
動機２９に連動する開閉機構２４によってコレクタ１５
の開閉操作を行い，コレクタの閉鎖状態で主コレクタ１
６Ａが回転軸１２と同心の多角錐体を構成する。

【００１７】この発明による作用及び効果は次のとおり
である。 （１）動翼が螺旋状で，しかも軸方向の長さを持つの
で，入口付近で作用しなかった気流の部分は出口に達す
るまでには必ず動翼に作用する。そのために風力エネル
ギーの捕捉効率が増し，受風面積に関係する外筒の口径
に対して比較的大容量の装置とすることができる。 （２）したがって，回転軸の位置が比較的低くてもよ
く，必ずしも高いタワーを必要としない。 （３）螺旋状の動翼の外周に装着された外筒によって，
動翼に作用した気流が動翼の外周より逃れることができ
ず，全て軸方向に流れて動翼に作用し続けるので，風力
エネルギーの捕捉効率が増す。この点でも動翼の口径の
割には装置出力を大きくすることができる。 （４）外筒は動翼端を固定しているので動翼端の振動を
抑制し，風切り音の発生が少なく，騒音の少ない装置を
提供することができる。 （５）外筒は可動体の慣性を増すので，風速の瞬時変動
による軸の回転速度変動を緩和できる。 （６）コレクタの開口面積は外筒の口径面積より大きい
ので，広範囲の気流を集束し，動翼付近の風速を高める
ものであって，外筒の口径面積相当以上の風力エネルギ
ーを捕捉することができる。 （７）コレクタ及び外筒の効果でカットイン風速を下げ
ることができる。 （８）外筒の風上側に設置されたコレクタは風速に応じ
て開閉できるので，入力制御できるとともに強風に際し
て装置の破壊を免れることができる。以上は請求項１の
発明に関する作用及び効果である。 （９）コレクタの閉鎖状態では主コレクタ板が多角錐状
となって気流を遮断し，気流は角錐の斜面に沿ってコレ
クタの外周を流れ，装置にかかる風圧を逃がすので，強
風による装置の破壊を免れることができる。 （１０）開閉に際して主コレクタ板及び補助コレクタ板
に歪を与えることなく，ヒンジで連動するので，操作機
構の大きな負担にならない。 （１１）コレクタの閉鎖状態で，隣接する補助コレクタ
板は殆ど密着するので，気流の遮断効果が大きく，かつ
コレクタ装置の破壊を免れることができる。以上は請求
項２の発明に関する作用及び効果である。

【００１８】すなわち，従来の横軸式の風力発電装置で
は装置出力は動翼の長さによって定まる受風面積に支配
されるのに対して，本発明の風力発電装置では装置出力
は外筒の口径面積に依存する。さらに，より広大なコレ
クタ開口面積や外筒の長さが効果的に作用するので，装
置出力を経済的に大きくすることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１及び図２はこの発明の実施の
形態の風力発電装置の側面図で，それぞれコレクタの開
口状態及び閉鎖状態を示す。図３は図１の正面図，図４
は図３よりコレクタ及びコレクタ操作機構を取り除いた
図である。以下，その構造を主として図１によって説明
する。

【００２０】１Ａは側枠で，図４に示すように左右一対
あり，中間を連結枠１Ｂで連結されて，回転架台１を構
成している。回転架台１はスラスト軸受け２で支柱３の
上に支持され，ウオームギア・ホイールからなる方向転
換装置２Ａによって水平に回転できるようになってい
る。この回転は後述する動翼の回転軸が常時風向に従わ
せる目的をもつ。

【００２１】４及び５はそれぞれ側枠１Ａ上の両端に装
架された風上側及び風下側のフレームで，風上側のフレ
ーム４は環状であって，周辺から中心軸に向かって延び
る複数の補助フレーム４Ａ及び４Ｂによって第１ブラケ
ット６と第２ブラケット７を同心に支持している。

【００２２】風下側のフレーム５には第３ブラケット８
とナセル９が装着され，第１ブラケット６と第３ブラケ
ット８間には回転軸１２が装着され，回転軸１２はナセ
ル９の中に延長されて増速装置１０に結合され，さらに
増速装置１０の出力は発電機１１に機械的に結合されて
いる。

【００２３】回転軸１２の周辺は，図１及び図２，なら
びに図４でよく分かるように，６枚の螺旋状の動翼１３
が回転軸１２と同心に，等しい角度間隔で装着されてい
る。さらに，螺旋状の動翼１３の外縁は全周にわたって
外筒１４が装着されていて，外筒１４も回転軸１２と同
心で動翼１３とともに一体として回転するようになって
いる。

【００２４】風上側のフレーム４には，その環径とほぼ
同径で同心の正１２角形を構成する１２個の軸受け金具
４Ｃが装着されて次に述べるコレクタ１５を軸支する構
成となっている。

【００２５】図５はコレクタ１５の構成要素であるコレ
クタユニット１６の展開正面図，図６は隣接するコレク
タユニット１６の両外縁を相互に連結する連結軸２３の
正面図，図７は連結軸２３の側面図，図８は連結軸２３
を軸方向から見た側面図である。コレクタ１５はこのコ
レクタユニット１６及び連結軸２３のそれぞれ１２組よ
り構成されている。

【００２６】図５において，１７は丸棒を細長の二等辺
三角形状に曲げて形成した主コレクタ枠で，１７Ａ，１
７Ｂ，及び仮想点１７Ｃの３点を頂点とする。長手の三
角形の中間及び先端には補強版１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ
が装着されている。補強板１８Ａには，リンク受け１８
Ｄが設けられ，補強板１８Ａとリンク受け１８ＤとはＴ
字形になっている。この部分の側面形状は図１，図２及
び図３に示されている。主コレクタ枠１７の片面には三
角形の主コレクタ板１９が装着されている。主コレクタ
枠１７，補強板１８Ａ〜Ｃ，リンク受け１８Ｄ及び主コ
レクタ板１９が全体として主コレクタ１６Ａを構成して
いる。

【００２７】主コレクタ枠１７の左右の辺１７Ｅには，
それぞれ左右一対の第１ヒンジ板２０がヒンジ結合して
いる。また，左右一対の第２ヒンジ板２１がそれぞれ前
述の頂点１７Ａ及び１７Ｂを共通の頂点とするように主
コレクタ１６Ａの二等辺三角形と倒立関係に配置された
三角形を形成している。第１ヒンジ板２０と第２ヒンジ
板２１とは，それぞれ補助コレクタ板２２で接合されて
いる。それぞれ２枚の第１及び第２ヒンジ板２０，２１
及び補助コレクタ板２２が全体として左右２枚の補助コ
レクタ１６Ｂを構成している。また，主コレクタ１６Ａ
と２枚の補助コレクタ１６Ｂとがコレクタユニット１６
を構成している。コレクタユニット１６は展開状態では
平面的であるが，辺１７Ｅをヒンジ軸として限定範囲内
で自在に屈曲できる。

【００２８】補助コレクタ１６Ｂの両外縁２１Ａは，第
２ヒンジ板２１の一辺であるが，前述の頂点１７Ａ，１
７Ｂに向かうパイプを形成するように屈曲し，その辺の
中間に複数の切込み２１Ｂを設けている。

【００２９】コレクタユニット１６は，図１，図２及び
図３に示すように，主コレクタ枠１７の二等辺三角形の
底辺１７Ｄが軸受け金具４Ｃによってフレーム４の片面
に多角形をなすように装着されている。この部分は開口
状態のコレクタ１５の小径部分にあたる。

【００３０】それぞれのコレクタユニット１６の外縁２
１Ａは隣接するコレクタユニット１６の外縁２１Ａと常
時並行を保つことが可能で，図６，図７及び図８に示す
連結軸２３で連結される。

【００３１】連結軸２３は等長の２本のパイプ２３Ａ
と，連結金具２３Ｂ及び２３Ｃよりなる。２本のパイプ
２３Ａは補助コレクタ１６Ｂの外縁２１Ａに挿入され
る。この挿入の過程で連結金具２３Ｂをコレクタユニッ
ト１６の外縁２１Ａの切り込み部２１Ｂに挿入すること
によって，隣接する補助コレクタ１６Ｂが相互に連結さ
れ，コレクタユニット１６も相互に連結される。連結金
具２３Ｂは外縁２１Ａの先端すなわち軸受け金具４Ｃよ
り離れた側にも装着する。

【００３２】また，外縁２１Ａの基部すなわち軸受け金
具４Ｃに近い側には，連結金具２３Ｃを装着する。連結
金具２３Ｃには円弧状に伸びる振れ止め２３Ｄが附属し
ている。このようにして，全てのコレクタユニット１６
が環状に連結され，フレーム４上に設けられた軸受け金
具４Ｃを支点として回動可能に支持される。振れ止め２
３Ｄは全てのコレクタユニット１６の連結部に存在す
る。

【００３３】図１，図２及び図４に示すように，振れ止
めローラ２３Ｅがフレーム４より斜め方向に伸びる軸に
植設されている。図４に示すように，振れ止めローラ２
３Ｅの総数は２４であり，コレクタ１５のフレーム４へ
の装着状態において，振れ止め２３Ｄは振れ止めローラ
２３Ｅに狭持されている。この狭持の関係は，図１及び
図２に示すように，コレクタ１５の開閉いずれの状態で
も常に成立している。

【００３４】次に図１及び図２によって，コレクタ１５
の開閉機構２４を説明する。２５はコレクタ操作シャフ
トで，右端部を第１ブラケット６及び第２ブラケット７
に支承され，左側に延長されている。この延長部の一部
はおねじ部２５Ａが設けられており，さらにその左側先
端には円錐形の尖頭部２６が装着されている。コレクタ
操作シャフト２５の第１及び第２ブラケット６，７の中
間にはウオームホイール２７が装着され，それに対応し
てウオーム２８及びウオーム２８を駆動する電動機２９
が補助フレーム４Ｂ上に装備されている。コレクタ操作
用の電動機２９によりコレクタ操作シャフト２５が回転
する。

【００３５】コレクタ操作シャフト２５のおねじ部２５
Ａには，内径にめねじをもつ滑動子３０が嵌着されてい
る。滑動子３０の右側３０Ａはパイプ状の延長部で，コ
レクタ操作シャフト２５を覆っている。また，フレーム
４に固定されている第２ブラケット７の左側部７Ａもパ
イプ状の延長部で，滑動子延長部３０Ａを覆っている。
すなわち，この近傍は，コレクタ操作シャフト２５を中
心に，滑動子延長部３０Ａ，第２ブラケット延長部７Ａ
の同心３重構造になっている。滑動子延長部３０Ａと第
２ブラケット延長部７Ａは相互に軸方向には移動する
が，回転を阻止するように噛み合わせている。したがっ
て，コレクタ操作シャフト２５の回転によって，滑動子
３０は軸方向に直進運動する。

【００３６】第２ブラケット７には，第１トッグルリン
ク３１が回動自在に結合され，コレクタ１５側のリンク
受け１８Ｄには第２トッグルリンク３２が回動自在に結
合され，両トッグルリンクは節３３で結合されている。
さらに滑動子３０と節３３の間は操作リンク３４で結合
されトッグルリンク式の開閉機構２４を構成している。

【００３７】開閉機構２４は，図３に示すように，コレ
クタユニット１６Ａに対応して一組づつ，コレクタ操作
シャフト２５に対して放射状に設けられている。本実施
形態では所要組数は１２である。

【００３８】図３に示すように，操作リンク３４は開閉
機構２４の各組に１枚，第２トッグルリンク３２はリン
ク受け１８Ｄ及び操作リンク３４を両側より挟むように
各組に２枚一対，第１のトッグルリンク３１は図１に示
すように，節３３側の近傍で二股に分かれ，一対の第２
トッグルリンク３２の外側から挟む構成になっている。

【００３９】図９は図２のコレクタの閉鎖状態における
Ｘ−Ｘ’位置の断面の部分拡大図であって，主コレクタ
枠１７の左右の辺１７Ｅは隣接するコレクタユニット１
６のものと平行状態にある。したがって，隣接するコレ
クタユニット１６の補助コレクタ板２２及び第１，第２
ヒンジ板２０，２１はとともに平行状態にあり，特に補
助コレクタ板２２は殆ど密着状態にある。

【００４０】次に，この風力発電装置の動作を説明す
る。図１のコレクタ１５の開口状態は通常の運転状態
で，フレア状に開いたコレクタ１５の開口面積は外筒１
４の口径面積の約３．６倍であり，この状態で図の左側
の矢印で示された気流Ｗが外筒１４に集束するので広範
囲の風力を捕捉する。

【００４１】外筒１４に集束され，風速を増した気流Ｗ
は，６枚の動翼１３に作用しながら風下側に貫流する。
その際に気流Ｗは動翼１３，外筒１４及び回転軸１２を
一体で回転させる。この回転はナセル９内で増速装置１
０に伝達され，回転速度を増して次の発電機１１に伝達
され，電力を発生する。

【００４２】動翼１３の外周は外筒１４で囲われてい
て，気流Ｗが外筒１４内を通過するときは，強制的に外
筒１４の内部を通過するので，開口状態のコレクタ１５
で広範囲に捕捉され，風速を増した全ての気流Ｗのエネ
ルギーが動翼１３の回転に費やされる。

【００４３】強風に際しては，電動機２９が動作してコ
レクタ操作シャフト２５を回転させ，滑動子３０を左に
移動させる。その結果，操作リンク３４によって節３３
が左に駆動され，両トッグルリンク３１，３２が屈曲し
てコレクタ１５が閉鎖され，主コレクタ１６Ａの先端の
補強板１８Ｃが尖頭部２６に接触するとそれぞれの主コ
レクタ１６Ａが十二角錐状に集合し，図２及び図９のコ
レクタ１５の閉鎖状態に至る。その結果，気流Ｗはコレ
クタ１５の外側を流通する。

【００４４】また，振れ止め２３Ｄが振れ止めローラ２
３Ｅによってコレクタ１５の開閉状態の如何に係わらず
常に狭持の状態にあるが，この機構は特に強風時でコレ
クタ１５が閉鎖状態のときに補助コレクタ１６Ｂの振動
を防止する機能を備えている。

【００４５】以上に説明する実施の形態及び動作によっ
て，この風力発電装置は前述の作用及び効果を奏するも
のである。

【００４６】なお，本実施形態の風力発電装置の風車
は，プロペラ型のように動翼に発生するに揚力で回転力
を得るものではなく，多翼型などと同様に動翼に加えら
れる風圧で回転力を得るものであるから，プロペラ型に
比較して回転速度が小さく，そのために高倍率の増速装
置を必要とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態の風力発電装置のコレクタ
１５の開口状態の側面図

【図２】コレクタ１５の閉鎖状態の側面図

【図３】図１の正面図

【図４】図３よりコレクタ１５及びコレクタの開閉機構
２４を取り除いた図

【図５】コレクタユニット１６の展開正面図

【図６】連結軸２３の正面図

【図７】連結軸２３の側面図

【図８】連結軸２３を軸方向から見た側面図

【図９】コレクタ１５の閉鎖状態の部分拡大図

【図１０】従来のプロペラ型風力発電装置

【図１１】従来のプロペラ型風力発電装置の定格出力と
動翼直径の関係図

【符号の説明】

１ 回転架台，２ スラスト軸受け，３ 支柱，４及び
５ 風上側及び風下側のフレーム，６，７及び８ 第
１，第２及び第３ブラケット，９ ナセル，１０増速装
置，１１ 発電機，１２ 回転軸，１３ 動翼，１４
外筒，１５ コレクタ，１６ コレクタユニット，１６
Ａ 主コレクタ，１６Ｂ 補助コレクタ，１７ 主コレ
クタ枠，１８ 補強板，１９ 主コレクタ板，２０及び
２１ 第１及び第２ヒンジ板，２２ 補助コレクタ板，
２３ 連結軸，２４ 開閉機構，２５コレクタ操作シャ
フト，２６ 尖頭部，２７ ウオームホイール，２８
ウオーム，２９ コレクタ操作用の電動機，３０ 滑動
子，３１及び３２ 第１及び第２トッグルリンク，３３
節，３４ 操作リンク，Ｗ 気流

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】風向に従うようにほぼ水平に揺動する回転
   軸１２を有し，前記回転軸１２の外周に螺旋状の動翼１
   ３を装着し，さらに前記動翼１３の外周に前記回転軸１
   ２と同心で両端の開口した円筒状の外筒１４を装着し，
   前記外筒１４の風上側には前記外筒１４とほぼ同一内径
   の環状のフレーム４上に支承され，開口状態でフレア状
   となるコレクタ１５を前記外筒１４と同心に備え，前記
   コレクタ１５は閉鎖可能であって，前記外筒１４の風下
   側には前記回転軸１２に機械的に結合される発電機１１
   を備えていることを特徴とする風力発電装置。
2. 【請求項２】前記コレクタ１５は二等辺三角形の板より
   なる主コレクタ１６Ａと，前記主コレクタ１６Ａと別の
   三角形の板よりなる一対の補助コレクタ１６Ｂを前記主
   コレクタ１６Ａの両辺に倒立的に配列してヒンジ結合さ
   れたコレクタユニット１６の複数個を前記フレーム４上
   に前記主コレクタ１６Ａの底辺１７Ｄが多角形をなすよ
   う配列して支承され，それぞれ隣接する前記コレクタユ
   ニット１６の外縁を相互にヒンジ結合して構成され，電
   動機２９及び前記電動機２９に連動する開閉機構２４に
   よって前記コレクタ１５の開閉操作を行い，前記コレク
   タ１５の閉鎖状態で前記主コレクタ１６Ａが前記回転軸
   １２と同心の多角錐体を構成することを特徴とする請求
   項１記載の風力発電装置。