JP2004308427A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風向の変化が大きい場合や逆に風向きが一定方向になりがちな場合などの状況に対応して、所定の発電効率を適正に維持させることができ風力変換効率に優れた風力発電装置を提供する。
【解決手段】その水平回転軸１３が風向に略平行に配置されるプロペラ羽根１２を備えた水平回転ロータ１１と、水平回転軸１３に噛合して垂直回転される垂直駆動軸１７と、垂直駆動軸１７と同軸に配置されるその垂直回転軸２０が風向に略直角に配置される円弧状ブレードや半円筒状の垂直回転翼２１を備えた垂直回転ロータ１９と、垂直回転軸２０及び垂直駆動軸１７とにそれぞれ設けられた動力伝達円盤部２２、２３にその回転駆動部２５が当接又は噛合して水平回転ロータ１１及び垂直回転ロータ１９の動力がそれぞれ伝達される複数の発電機２４と、を備えて風力発電装置１０を構成した。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電装置に関し、詳細には複合型の風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の風力発電装置はそのロータ回転軸が水平となる横軸型と垂直となる縦軸型とに区分される。横軸型にはプロペラ型の高速型のほか、多翼型などの低速型があり、縦軸型にはダリウス型やサボニウス型があり、それぞれ以下のような特徴を有している。
横軸型であるプロペラ型は一般に風向に従って方位制御が必要であり、一方、縦軸型は耐久性に優れ、方位制御が不要であるという特徴がある。プロペラ型及びダリウス型は揚力利用の高速型であって、風力エネルギー捕捉効率が高いとされ、サボニウス型は抗力利用の低速型であって風力エネルギー変換効率が低いとされている。このような風力発電装置として、例えば以下のような技術のものが開示されている。
【０００３】
特許文献１には、回転軸体に放射状に複数枚設けられた各翼体をその放射方向に進退させて、風速に応じて回転翼体の外径を調節するようにした横軸型の風力発電装置が記載されている。
特許文献２には、集風機能のあるガイドベーン及び補助ガイドベーンを装着したサボニウス型の風車を複数個、同軸に積み重ねて一端に発電機を連結して、地表よりの高さの異なる各高度の風力エネルギーを捕捉するようにした縦軸型の風力発電装置が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３２７５９号公報
【特許文献２】
特開２００２−１３０１１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の風力発電装置では以下のように課題があった。
特許文献１に記載の回転翼体の長さを調整できるようにした横軸型の風力発電装置では、回転翼体を進退させる機構が複雑となってメンテナンス性と経済性に欠ける上に、しかも耐久性を維持させることが構造的にも困難で、風向きの変化が大きい場合における追随性に欠けるという課題があった。
特許文献２に記載のサボニウス型風車を多段構成にした縦軸型のものでは、風向の指向性が高い場合には基本的に風力変換効率が低く、効率的な運用が困難であるという課題があった。
本発明は前記従来の課題を解決するためになされたもので、風向の変化が大きい場合や逆に風向きが一定方向になりがちな場合などの状況に対応して、所定の発電効率を適正に維持させることができ風力変換効率に優れた風力発電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）前記課題を解決するための本発明の風力発電装置は、その水平回転軸が風向に略平行に配置されるプロペラ羽根を備えた水平回転ロータと、前記水平回転軸に噛合して垂直回転される垂直駆動軸と、前記垂直駆動軸と同軸に配置されるその垂直回転軸が風向に略直角に配置される垂直回転翼を備えた垂直回転ロータと、前記垂直回転軸及び前記垂直駆動軸とにそれぞれ設けられた動力伝達円盤部にその回転駆動部が当接又は噛合して前記水平回転ロータ及び前記垂直回転ロータの動力がそれぞれ伝達される複数の発電機と、を備えて構成されている。これによって、装置全体をコンパクトに構成できると共に、風向きの状況に対応して所定の発電効率を適正に維持できる。
【０００７】
（２）本発明の風力発電装置は、前記（１）において、前記水平回転ロータ、前記垂直回転ロータ及び前記発電機を支持する支持部に、太陽光発電部と、前記発電機及び前記太陽光発電部から供給される電力を貯める蓄電部と、前記蓄電部から供給される電力で発光する照明部と、が設けられていることにも特徴を有している。これによって、風力に左右されない太陽光発電と風力発電とを複合させてさらに適正に電力を蓄えることができ、汎用性とメンテナンス性に優れた風力発電装置を提供することができる。
【０００８】
（３）本発明の風力発電装置は、前記（１）又は（２）において、前記複数の発電機の発電量をそれぞれ検出し、前記発電機の抵抗器を調整して負荷の大きさを制御する制御部を備えていることにも特徴を有している。これによって、プロペラ羽根や垂直回転翼及びそれらの駆動系にかかる負荷が偏って振動を誘発して装置を損傷させるなどのトラブルの発生を防止して、動作安定性と耐久性に優れた風力発電装置を提供することができる。
【０００９】
（４）本発明の風力発電装置は、前記（１）〜（３）のいずれかにおいて、前記垂直回転ロータが複数同軸に多段配置されていることにも特徴を有している。これによって、風に対する有効受風面積を増やすことができ、立地条件が狭く制約されるような場合であってもその発電効率を向上させることができる。
【００１０】
（５）本発明の風力発電装置は、前記（１）〜（４）のいずれかにおいて、前記垂直回転ロータの垂直回転翼及び／又は前記水平回転ロータのプロペラ羽根にＬＥＤや電球などの発光部が配置される。この発光部を回転するロータなどに配設して、回転していることが外部から認識でき、見た目のおもしろさを演出したり、照明看板として用いたりすることができ、風力発電装置に新たなデザイン性を付加することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る風力発電装置について説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る風力発電装置の模式断面図である。
図１において、実施の形態１の風力発電装置１０は、
風に対向する指向性を備えた水平回転ロータ１１を有し、水平回転ロータ１１の前面には三枚組みからなるプロペラ羽根１２が配置され、
プロペラ羽根１２には、連結して支持する水平回転軸１３と、
水平回転軸１３の基端側に設けられた傘歯車１４と、
水平回転軸１３を内部に軸支して収納する水平回転ロータ本体１５と、
水平回転ロータ１１を風向に向けて姿勢を維持させるための尾翼部１６とが備えられ、
水平回転軸１３の傘歯車１４に直角に噛合する傘歯車１８をその上端部に有して垂直回転される垂直駆動軸１７と、
垂直駆動軸１７に同軸に嵌合する垂直回転軸となる回転筒２０とを備え、
その回転筒２０上端部の円周縁から垂下されて支持される複数の垂直回転翼２１を備えた垂直回転ロータ１９と、
回転筒２０の下端にフランジ状に形成された垂直回転ロータ１９の動力伝達円盤部２２と、
垂直駆動軸１７の下端にフランジ状に形成された水平回転ロータ１１の動力伝達円盤部２３と、
動力伝達円盤部２２、２３に当接する回転駆動部２５を介してプロペラ羽根１２や垂直回転翼２１の動力が伝達される発電機２４と、
各発電機２４を介して全体を支持しその基端側が地盤などに立設固定される支持部２６ととを有する。
【００１２】
水平回転ロータ１１は、プロペラ羽根１２、水平回転軸１３、水平回転ロータ本体１５、尾翼部１６などを備え、その全重量が垂直駆動軸１７によって水平回転自在に支持されるようにバランスを保たれている。
プロペラ羽根１２は、水平回転軸１３により軸支持され、風に対して対峙するように尾翼部１６によりその方向が保持されている。プロペラ羽根１２の動力は、水平回転軸１３の傘歯車１４を介して、垂直駆動軸１７の傘歯車１８に伝達される。
垂直回転ロータ１９は、垂直駆動軸１７に同軸に嵌合される回転筒２０と、その回転筒２０上端部の円周縁から垂下されて支持される複数の垂直回転翼２１とを有して構成されており、横方向からの風を受けて回転筒２０が所定方向に垂直軸回りに回転（垂直軸回転）して、その動力により回転筒２０下端の動力伝達円盤部２２が駆動するように配設されている。ここで、垂直回転翼２１は、例えば円弧状プレートや半円筒状の形状のものが好ましく挙げられる。
【００１３】
動力伝達円盤部２２、２３は、その円盤状の周縁又は下面に各発電機２４のゴムタイヤや円盤状の周縁に形成された歯車部に噛合する歯車などの回転駆動部２５が当接されるようにしている。これによって、回転駆動部２５を介して発電機２４の発電ロータが駆動される。なお、動力伝達円盤部２２、２３には、それぞれ垂直回転ロータ１９及び水平回転ロータ１１の全重量が負荷されるが、この重量を支持部２６に設けた図示しない軸受で受けることもでき、あるいは、動力伝達円盤部２２、２３の下面に配置される発電機２４の回転駆動部２５を介して受けるようにしてもよい。
なお、回転駆動部を動力伝達円盤部２２、２３の下面に当接して回転するゴムタイヤ状などの摩擦接触型で構成した場合には、強風や突風などでプロペラ羽根１２や垂直回転翼２１が高速回転しても、円盤下面とゴムタイヤとが滑って過剰な負荷を逃がせるので、これによって発電機２４などの駆動系を保護することも可能になる。
【００１４】
発電機２４は、図２に示すように、水平回転ロータ１１の垂直駆動軸１７及び垂直回転ロータ１９の回転筒２０の軸芯に対してそれぞれ同心円状に複数、例えば３組み若しくは４組みが等間隔で配置される。これによって、風向きの全方位に対応して効率的に発電できると共に、水平回転ロータ１１と垂直回転ロータ１９に係る負荷をバランスよく支持できるようにしている。
支持部２６は、全体が電柱状やパイプ状に形成されて地盤などに立設されると共に、その上部に垂直駆動軸１７や回転筒２０の図示しない軸受、各発電機２４などを支持するフランジ状の支持基盤２６ａ、２６ｂを備えている。
【００１５】
発電機２４には、交流発電式や直流発電式のいずれであっても適用できる。また、発電機に磁場を発生させる方式には永久磁石式と電磁石式とがあり、電磁石式の場合、この電磁石を励磁する電力に発電機出力の一部を使う自励式と、他の電源を使う他励式とがあるが、本実施の形態ではいずれの形式のものでも適用できる。このような励磁電力を各発電機毎にそれぞれ調整することによって、各発電機の出力制御を行うことも可能であり、これによって風力発電装置１０の稼働状態を安定化させたり、適正化させたりすることができる。
また、発電機２４の回転軸に必要に応じて調速機やフライホイールなどを設けることもできる。これによって、発電機運転中に風速が弱まって各ロータの回転速度に差が生じるときなどでも、特定の発電機がブレーキとなって他の発電機の回転エネルギーが奪われるようなことが防止できる。さらに、発電機２４にフライホイールを連結することで、風速が弱まったときでも動力がフライホイールから供給されて発電機の運転を安定的に継続できる利点がある。
【００１６】
実施の形態１の風力発電装置１０は以上のように構成されているので、それぞれ異なる風力変換特性を有する水平回転ロータ１１と垂直回転ロータ１９とを互いに連係させて稼働させることにより、風力エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換して、風向きの状況に対応して所定の発電効率を適正に維持させることができる。さらに、垂直駆動軸１７と回転筒２０を同軸に配設するので、装置全体をコンパクトに構成でき、汎用性に優れた風力発電システムを構築することができる。
【００１７】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る風力発電装置の正面図であり、図４はその側面図である。
図３及び図４において、実施の形態２の風力発電装置３０は、風力発電装置３０の水平回転ロータ３１と、水平回転ロータ３１の前面に配置される三枚組みからなるプロペラ羽根３２と、水平回転軸を内部に軸支して収納する水平回転ロータ本体３３と、水平回転ロータ３１に内蔵される水平回転駆動軸に噛合して回転すると共にその重量を支持する垂直駆動軸３４と、水平回転ロータ３１の尾翼部３５と、垂直回転翼３７を備えた垂直回転ロータ３６と、水平回転ロータ３１及び垂直回転ロータ３６を支持し内部に図示しない発電機を備えてその基端側が地盤などに立設固定される支持部３８と、
支持部３８の上部に取り付けられたソーラパネルなどの太陽光発電部３９と、
発電機及び太陽光発電部３９から供給される電力を貯めるためのバッテリーからなる蓄電部４０と、
蓄電部４０から供給される電力で発光する蛍光灯やＬＥＤなどからなる照明部４１とを有する。
なお、実施の形態２における水平回転ロータ３１、垂直回転ロータ３６、発電機などの内部構造は、実施の形態１のものと略同様であるので、以下の説明においてはこれらについての説明を省略する。
【００１８】
実施の形態２の風力発電装置３０は、水平回転ロータ３１及び垂直回転ロータ３６による風力発電システムに加えて、これを補助する太陽光発電部３９を備えているので、風力エネルギーが取り入れ難い場合でも安定的に電力を蓄電部４０に貯留することができ、信頼性を要求される監視システムや標識システムとしてさらに好適に運用することができる。
【００１９】
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に係る風力発電装置における電力制御構成を示す説明図である。
図５において、実施の形態３の風力発電装置における発電機４１〜４６は、発電機４１〜４６の発電量をそれぞれ検出し、各発電機に接続される回路切換器や可変抵抗器などを備え、これらを調整してそれぞれの負荷の大きさを制御する制御部４７と、制御部４７を介して各発電機４１〜４６の電力が供給される蓄電部４８とを有する。
発電機４１〜４３は、実施の形態１における水平回転ロータ１１に対応した動力伝達円盤部に噛合または当接するようにその回転駆動部４９が配置され、発電機４４〜４６は垂直回転ロータ１９に対応した動力伝達円盤部に噛合または当接するようにその回転駆動部４９が配置されている。
制御部４７には、図示しない抵抗器や電力検出器が接続され、これらを介して、各発電機４１〜４６の出力電圧や電流値を取得して、例えば、発電機４１〜４３と発電機４４〜４６のそれぞれの出力値を所定の範囲に設定したり平均化したりするように各可変抵抗器を設定できるようにプログラムされる。
【００２０】
こうして、水平回転ロータ１１と垂直回転ロータ１９の稼働中における負荷を一様にして、風力発電装置に異常振動などが生じないように抑制して、その耐久性を維持すると共に、その発生電力を安定的に蓄電部４８に供給することができる。すなわち、従来の風力発電装置の発電機は，変動の激しい風力エネルギーの利用範囲の最大値に見合う比較的大きい容量のものを備えるが、本実施の形態のものでは、風力エネルギーの平均値に対応した比較的小容量のものとすることができ、発電機の機械損や電気損を少なくして装置の使用率とエネルギー効率を高めることができる。
【００２１】
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４に係る風力発電装置の正面図である。
図６において、実施の形態４の風力発電装置５０は、それぞれが垂直回転翼５４を備え同軸に多段配置された垂直回転ロータ５１〜５３と、垂直回転翼５４に設けられたＬＥＤからなる発光部５５とを有する。
なお、実施の形態４の風力発電装置５０は、上中下３段構成の垂直回転ロータ５１〜５３を備えている点で実施の形態２の風力発電装置３０と異なっており、他の構成は同様であるので、同様の構成を有するものについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
ここで、垂直回転ロータ５１〜５３は、支持部３８に対して同軸にそれぞれが独立して回転できるようになっており、各設置位置毎の風を受けて互いに干渉することなく効率的に稼働させることができ、その高さ毎の風量変動が大きい場合でも全体の発電効率を良好に維持させることができる。なお、水平回転ロータ３１を備えこれを支持する支持部３８の軸に対して同軸に多段配置される垂直回転ロータは、２段構成としたり、４段以上の構成としたりすることも可能である。
また、それぞれの垂直回転ロータは、風に対するその回転方向が上下方向に、時計回りと反時計回りとに順次異なるように配置して、回転するロータの見た目の良さを強調できるようにしてもよい。
発光部５５は、蓄電部４０を電源として点灯される電球やＬＥＤなどであって、そのそれぞれが赤、青、緑などの発光色の異なるものを所定のパターンで組み合わせて垂直回転翼５４上に配置することができる。これによって、その回転時における照明看板としての演出効果や、識別効果、宣伝効果をさらに発揮させることができる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、装置全体をコンパクトに構成できると共に、風向きの状況に対応して所定の発電効率を適正に維持させることができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、風力に左右されない太陽光発電と風力発電とを複合させてさらに適正に電力を蓄えることができ、汎用性とメンテナンス性に優れた風力発電装置を提供することができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば、プロペラ羽根や垂直回転翼及びそれらの駆動系にかかる負荷が偏って振動などを誘発して装置を損傷させるなどのトラブルの発生を防止して、動作安定性と耐久性に優れた風力発電装置を提供できる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、垂直回転ロータが多段に配置されるので、風に対する有効受風面積を増やすことができ、立地条件が狭く制約されるような場合であってもその発電効率をさらに向上させることができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、プロペラ羽根や垂直回転翼に発光部が配置されるので、回転していることが外部から認識でき、見た目のおもしろさを演出したり、照明看板として用いたりして、風力発電装置に新たなデザイン性を付加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る風力発電装置の模式断面図である。
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１に係る風力発電装置の要部拡大断面図である。
（ｂ）本発明の実施の形態１に係る風力発電装置の拡大平面断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る風力発電装置の正面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る風力発電装置の側面図である。
【図５】実施の形態３の風力発電装置における電力制御構成を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る風力発電装置の正面図である。
【符号の説明】
１０ 実施の形態１の風力発電装置
１１ 水平回転ロータ
１２ プロペラ羽根
１３ 水平回転軸
１４ 傘歯車
１５ 水平回転ロータ本体
１６ 尾翼部
１７ 垂直駆動軸
１８ 傘歯車
１９ 垂直回転ロータ
２０ 回転筒（垂直回転軸）
２１ 垂直回転翼
２２ 動力伝達円盤部
２３ 動力伝達円盤部
２４ 発電機
２５ 回転駆動部
２６ 支持部
２６ａ 支持基盤
２６ｂ 支持基盤
３０ 実施の形態２の風力発電装置
３１ 水平回転ロータ
３２ プロペラ羽根
３３ 水平回転ロータ本体
３４ 垂直駆動軸
３５ 尾翼部
３６ 垂直回転ロータ
３７ 垂直回転翼
３８ 支持部
３９ 太陽光発電部
４０ 蓄電部
４１ 照明部
４１〜４６ 発電機
４７ 制御部
４９ 回転駆動部
５０ 実施の形態４の風力発電装置
５１〜５３ 垂直回転ロータ
５４ 垂直回転翼
５５ 発光部

Claims (5)

1. その水平回転軸が風向に略平行に配置されるプロペラ羽根を備えた水平回転ロータと、前記水平回転軸に噛合して垂直回転される垂直駆動軸と、前記垂直駆動軸と同軸に配置されるその垂直回転軸が風向に略直角に配置される垂直回転翼を備えた垂直回転ロータと、前記垂直回転軸及び前記垂直駆動軸とにそれぞれ設けられた動力伝達円盤部にその回転駆動部が当接又は噛合して前記水平回転ロータ及び前記垂直回転ロータの動力がそれぞれ伝達される複数の発電機と、を備えたことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記水平回転ロータ、前記垂直回転ロータ及び前記発電機を支持する支持部に、太陽光発電部と、前記発電機及び前記太陽光発電部から供給される電力を貯める蓄電部と、前記蓄電部から供給される電力で発光する照明部と、が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記複数の発電機の発電量をそれぞれ検出し、前記発電機の抵抗器を調整して負荷の大きさを制御する制御部を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
4. 前記垂直回転ロータが複数同軸に多段配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。
5. 前記垂直回転ロータの垂直回転翼及び／又は前記水平回転ロータのプロペラ羽根にＬＥＤや電球などの発光部が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電装置。

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