JP2004308498A

JP2004308498A - 風力発電装置

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Publication number: JP2004308498A
Application number: JP2003100829A
Authority: JP
Inventors: Yukimaru Shimizu; 幸丸清水; Yasunari Kamata; 泰成鎌田
Original assignee: Mie TLO Co Ltd
Current assignee: Mie TLO Co Ltd
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】油圧ポンプや油圧シリンダ機構等の大掛かりな装置を必要とすることなく簡単な機構により、しかも落雷等による発電機の損傷が発生した場合にも有効に、過回転防止効果が安定して発揮され得る、新規な構造の風力発電装置を提供すること。
【解決手段】ブレード１６を回転軸部材１０に対してピッチフラップ支軸１８の中心線２６回りで回動可能に取り付けると共に、該ブレード１６を回動中心線２６回りでピッチ角がプラス側に大きくなる方向に付勢するピッチ方向付勢手段３６を設ける一方、ブレード１６に作用せしめられる風力と遠心力の少なくとも一方を利用して該ブレード１６をピッチ方向付勢手段３６による付勢力に抗して回動中心線２６回りに回動せしめてピッチ角をマイナス方向とすることで過大な回転速度を抑えるピッチ角調節手段を設けた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、風力エネルギーを利用した揚力型の風車を備えた風力発電装置に係り、特に風速が大きくなった場合の過回転を防止する新規な機構を備えた風力発電装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
従来から、風力エネルギーを利用した風車を用いて風力発電を行う装置として、略水平に配した回転軸部材に対して略軸直角方向外方に延び出す複数枚のブレードを取り付けて、それらブレードに作用せしめられる風力により回転軸部材をその中心線回りに回転駆動せしめ、該回転軸部材の回転駆動力で発電装置を稼働せしめるようにした風力発電装置が、知られている。例えば、特許文献１（特開２０００−１９９４７３号公報）や特許文献２（特開２００２−３０３２５５号公報）等に記載のものが、それである。
【０００３】
ところで、風力発電装置は、風車を用いて自然風の運動エネルギーを機械エネルギーに変換して発電機を駆動するようになっているが、自然風の風速や風向は絶えず変化していることから、状況によっては、風速が過大となって風車や発電機が損傷を受けるおそれがある。
【０００４】
そこで、風力発電装置の風車では、従来から、風車の過回転を抑える機構が検討されている。具体的には、上記特許文献１に記載されている如き発電機を利用してその出力を短絡させることで発生する発電機の回転抵抗力を風車に及ぼす短絡型の過回転防止機構や、上記特許文献２に記載されている如き油圧ディスクブレーキを新たに採用して風車対して直接的に制動力を及ぼす機械ブレーキ型の過回転防止機構が、提案されている。
【０００５】
しかしながら、前者の短絡型の過回転防止機構では、その作動時において、発電機の定格回転数以上の回転時に出力端子が短絡されることにより発電機のコイルに瞬間的な過大電流が流れることに起因して、コイルが損傷を受けたり、永久磁石が減磁してしまうおそれがある。加えて、風力発電装置は鉄塔等の高所に設置されるのが一般的であり、そのために落雷に見舞われることの多いことは周知の事実であるが、発電機を利用した短絡型の過回転防止機構の大きな問題は、落雷によって発電機が破損すると過回転防止機構が働かなくなることにあり、強風を伴うことの多い雷雨の際に過回転防止機構が作動せずに、風車を含む風力発電機全体が非常に大きなダメージを被る可能性が大きいという問題を有していたのである。
【０００６】
また、後者の機械ブレーキ型の過回転防止機構は、油圧ポンプや油圧シリンダ機構等を含む油圧機構が必要となることから、装置が非常に大掛かりとなって、風力発電機の大型化とコストの増大が避けられないという問題がある。特に、風車の回転数は、その直径に略逆比例することから、小型の風車を備えた風力発電機において、大きな風力エネルギの作用に起因する過回転の問題が発生し易いが、少なくともそのような小型の風車に対して、大掛かりな油圧機構を採用することは現実的でない。
【０００７】
なお、特許文献３（特開２００３−４２０５３号公報）には、風車回転中心線に直交して延びるブレード軸回りに回動可能にブレードを弾性支持せしめて、かかるブレードが正面（風上側の面）において受ける受風（風圧）により、ブレード軸よりも風車回転方向後方側をブレード軸回りでフラップ状に回動させることにより、強風時にはブレードのピッチを大きくなる方向に変化させて風車回転速度を調節する機構が、提案されている。
【０００８】
ところが、かかる特許文献３に記載の構造は、風圧でピッチを自動的に変化させることによりブレードに作用する風圧を逃がすことを考えているようであるが、その文献内容を読む限り現実的ではなく、流体力学等の理論上からも当該文献に記載されているような作用効果を充分に発揮し得るものとは考え難い。蓋し、単なるフラットな平板形状のブレードに対して、風上から作用する風圧だけを考慮して論じている点において有効な揚力型の風車とは考え難く、風上から作用する風圧だけを考慮してピッチ角の変化と回転速度の調節を論じている点において理論的に正確な作動を認め難いのである。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１９９４７３号公報
【特許文献２】
特開２００２−３０３２５５号公報
【特許文献３】
特開２００３−０４２０５３号公報
【００１０】
【解決課題】
ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、風速が大きくなった場合の過回転を簡単な構造で効果的に抑えることの出来る、新規な構造の風力発電装置を提供することにある。
【００１１】
【解決手段】
以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体および図面に記載され、或いはそれらの記載から当業者が把握することの出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。
【００１２】
（本発明の態様１）
本発明の態様１は、略水平に配した回転軸部材に対して略軸直角方向外方に延び出す複数枚のブレードを取り付けて、それらブレードに作用せしめられる風力により該回転軸部材をその中心線回りに回転駆動せしめ、該回転軸部材の回転駆動力で発電装置を稼働せしめるようにした風力発電装置において、前記各ブレードから前記回転軸部材の略回転中心線に向かって突出するピッチフラップ支軸を設けて、該ブレードを該回転軸部材に対して該ピッチフラップ支軸の中心線回りで回動可能に取り付けると共に、該ブレードを該ピッチフラップ支軸の回動中心線回りでピッチ角がプラス側に大きくなる回動方向に付勢するピッチ方向付勢手段を設けて該ブレードが所定の初期ピッチ角度に設定保持されるようにする一方、かかるブレードに作用せしめられる風力と遠心力の少なくとも一方を利用して該ブレードを該ピッチ方向付勢手段による付勢力に抗して該ピッチフラップ支軸の回動中心線回りに回動せしめてピッチ角をマイナス方向とすることで過大な回転速度を抑えるピッチ角調節手段を設けた風力発電装置を、特徴とする。
【００１３】
本態様に従う構造とされた風力発電装置においては、ブレードに作用する風力が大きくなった場合、或いはブレード（回転軸部材）の回転速度が大きくなった場合に、ブレードのピッチ角がマイナス方向とされる。これにより、ブレードの背面において空気の流れがブレード表面から剥離して揚力が大幅に低下することとなり、ブレードの前面に作用する風圧によるエアブレーキ的な作用と相俟って、ブレード（回転軸部材）が効果的に失速せしめられて過回転が防止される。
【００１４】
それ故、かかる風力発電装置においては、油圧ポンプや油圧シリンダ機構等の大掛かりな装置を必要とすることなく簡単な機構により、しかも落雷等による発電機の損傷に拘わらず、有効な過回転防止効果が安定して発揮され得るのである。
【００１５】
なお、ブレードのピッチ角：θｐは、回転軸部材の回転中心線に対して直交する面（回転面）に対する翼弦線の迎角（回転面に対して回転方向前方側に向かって風上側に傾斜する側をプラスとし、風下側に傾斜する側をマイナスとする角度）であって、一般的な条件下では、０＜θｐ≦１５度の範囲で初期値が設定されることが望ましく、本態様に係るピッチ角調節手段によって、θｐ＜０度となるまでピッチ角が調節可能とされる。また、翼弦線は、ブレードの横断面において回転方向の前縁部と後縁部を繋ぐ直線として把握される。なお、多くのブレードにおいては、回転軸部材への接続部位である翼根部から翼端部に至るまでの間で適当なねじり角でピッチ角を変化させた形状が採用されることとなるが、その場合には、翼端断面における翼弦線の回転面に対する傾斜角度をピッチ角とする。
【００１６】
（本発明の態様２）
本発明の態様２は、前記態様１に係る風力発電装置において、前記ブレードに作用する前記風力の作用中心点を前記ピッチフラップ支軸の回動中心線よりも前記回転軸部材の回転方向前方に離隔位置せしめることによって前記ピッチ角調節手段を構成したことを、特徴とする。
【００１７】
本態様に従う構造とされた風力発電装置においては、回転軸部材の軸方向前方から後方に向かう風速と、回転軸部材の回転中心線回りにおけるブレードの回転速度との、合成に相当する方向と速度をもってブレードに及ぼされる風力（主として揚力）が大きくなった場合に、ブレードに作用する風力そのものによってブレードがピッチフラップ支軸の回動中心線回りに回動せしめられることとなる。そして、風力が過大となった場合には、ブレードのピッチ角がマイナス方向に変化せしめられることによって、過回転が防止され得るのである。
【００１８】
（本発明の態様３）
本発明の態様３は、前記態様２に係る風力発電装置において、前記ブレードの回転方向の前方側端部近くにおいて前記回転軸部材の回転中心線から略軸直角方向に向かって直線的に延びる翼軸線に対して、前記ピッチフラップ支軸の回動中心線を、該ブレードの回転方向の後方に所定角度だけ離隔位置せしめると共に、該ブレードの回転方向において該ブレードの翼軸線と該ピッチフラップ支軸の回動中心線の間に前記風力の作用中心点を設定位置せしめたことを、特徴とする。
【００１９】
本態様に従う構造とされた風力発電装置においては、ブレードに作用せしめられる風力が過大となってブレードがピッチフラップ支軸の回動中心線回りに回動せしめられた際、翼軸も回転軸部材の回転中心線回りに変位せしめられることにより、ピッチ角をより大きく変化させることが可能となる。なお、翼軸線とは、ブレードの各部位に作用せしめられる揚力を全長に亘って同時に変化させることの出来る、ブレード長手方向に延びる中心線であって、一般に、ブレードの前方端縁部より僅かに回転方向後方に位置して、前方端縁部と略平行に延びる直線として把握される。なお、従来構造のブレードでは、一般に、この翼軸線を中心としてブレードのピッチを変更設定するようにされている。
【００２０】
（本発明の態様４）
本発明の態様４は、前記態様１に係る風力発電装置において、前記回転軸部材の回転に伴って前記ブレードに作用せしめられる遠心力の該ブレードの重心を通る作用線に対して、該回転軸部材の回転方向後方に所定距離だけ隔たった位置で該回転軸部材の回転中心と略平行に且つ前記ピッチフラップ支軸の回動中心線に対して略直交する方向に延びるリードラグ支軸を設けて、該リードラグ支軸の中心線回りで該ピッチフラップ支軸を揺動可能に支持せしめると共に、該ブレードを該リードラグ支軸の揺動中心線回りで回転方向前方に付勢するリード方向付勢手段を設けて、該ブレードが所定の逃げ角度に設定保持されるようにして、前記回転軸部材の回転速度が大きくなった際に該ブレードに及ぼされる遠心力が該ブレードを該リード方向付勢手段による付勢力に抗して該リードラグ支軸の揺動中心線回りで回転方向後方に向かって変位させるようにする一方、該ピッチフラップ支軸と該回転軸部材の間に歯車機構を設けて、該ブレードにおける該リードラグ支軸の揺動中心線回りでの変位に際して該歯車機構により該ピッチフラップ支軸がその回動中心線回りに回動せしめられて、該ブレードが該リードラグ支軸の揺動中心線回りで回転方向後方に変位せしめられた際に該ブレードのピッチ角がマイナス方向に変化せしめられるようにすることによって、前記ピッチ角調節手段を構成したことを、特徴とする。
【００２１】
本態様に従う構造とされた風力発電装置においては、回転軸部材の回転中心線回りの回転速度が過大となった場合に、ブレードに作用する遠心力が増大してピッチフラップ支軸が回動中心線回りに回動せしめられてブレードの逃げ角：θｒが大きくなる方向（回転方向後方に傾く方向）に変化するのに伴い、歯車機構で連動せしめられて、ブレードのピッチ角：θｐがマイナス側に変化せしめられる。特に、このような風力発電装置においては、例えば、何等かの原因で風車（回転軸部材）がフリーで回転することにより、風力がそれ程大きくない場合でも、風車の回転速度が大きくなった場合には過回転防止機能が有効に発揮されることとなる。
【００２２】
（本発明の態様５）
本発明の態様５は、前記態様４に係る風力発電装置において、前記ブレードの回転方向の前方側端部近くにおいて前記回転軸部材の回転中心線から略軸直角方向に向かって直線的に延び出す翼軸に対して、前記ピッチフラップ支軸の回動中心線を、該ブレードの回転方向の後方に所定角度だけ離隔位置せしめると共に、該ブレードの回転方向において該ブレードの翼軸と該ピッチフラップ支軸の回動中心線の間に該ブレードにおける前記重心を設定位置せしめたことを、特徴とする。
【００２３】
本態様に従う構造とされた風力発電装置においては、ブレードに作用せしめられる遠心力が過大となってブレードがピッチフラップ支軸の回動中心線回りに回動せしめられた際、翼軸も回転軸部材の回転中心線回りに変位せしめられることにより、ピッチ角をより大きく変化させることが可能となる。なお、本態様における翼軸線は、前記態様３における翼軸線と同義である。
【００２４】
（本発明の態様６）
本発明の態様６は、前記態様１に係る風力発電装置において、前記ピッチフラップ支軸による前記ブレードの前記回転軸部材に対する支持中心点を通り該回転軸部材の回転中心線に直交して延びる軸直角方向線に対して、該ピッチフラップ支軸を該回転中心線の風上方向に所定角度だけ傾斜せしめると共に、それら軸直角方向線とピッチフラップ支軸の間に該ブレードの重心を設定位置せしめ、更に、該ブレードの重心を該ピッチフラップ支軸に対して該回転軸部材の回転方向前方に所定距離だけ離隔して設定位置せしめたことを、特徴とする。
【００２５】
本態様に従う構造とされた風力発電装置においては、回転軸部材における回転中心線回りの回転速度が過大となった際に、ブレードに及ぼされる遠心力が、該ブレードを、そのピッチフラップ支軸の回動中心線回りで、該ブレードのピッチ角：θｐがマイナス方向に変化せしめられる方向に駆動するように作用せしめられることとなる。要するに、ブレードの回転軸部材による支持中心点に対して、ピッチフラップ支軸とブレードの重心を、上述の如き特定位置乃至は方向に設定したことにより、ブレードに働く遠心力を、ブレードのピッチ角：θｐが小さくなる方向への回動駆動力として有利に作用せしめることが出来るのであり、ブレードのピッチ角：θｐがマイナス側に変化せしめられることによりブレードの過回転が防止されるのである。
【００２６】
（本発明の態様７）
本発明の態様７は、前記態様１に係る風力発電装置において、上述の態様２，態様４および態様６に係る風力発電装置の構成のうち少なくとも二つを互いに組み合わせて採用したことを、特徴とする。このような本態様に従う構造とされた風力発電装置においては、風速乃至は回転速度の増大に起因する風車（回転軸部材）の過回転を一層効果的に防止することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施形態】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００２８】
先ず、図１は、本発明に従う構造とされた風力発電装置の第一の実施形態における要部の正面説明図である。なお、本発明は、風力発電装置における風車部分に特徴を有するものであって、発電装置やタワー等の設置構造体などについては、従来から公知のものが何れも採用可能であることから、ここでは説明を省略する。即ち、本実施形態の風力発電装置は、図示しない発電装置を駆動するための出力軸を構成する回転軸部材１０を備えており、この回転軸部材１０が、タワー等の天端に取り付けられる風車本体ハウジング（図示せず）によって、その中心線（回転中心線）１２回りで回転可能に支持されている。なお、風車本体ハウジングは、回転軸部材１０を略水平方向に支持すると共に、例えば風向板等で風向きに応じて方向調節されることにより、回転軸部材１０の一方の軸方向端部が、常時風上に向かうように調節されるようになっている。そして、回転軸部材１０の風上に向けられる方の先端部分には、風車支持部１４が設けられており、この風車支持部１４に対して、周方向に略等間隔に配設された３枚のブレード１６，１６，１６が取り付けられている。また、回転軸部材１０の風下に向けられる方の端部には、発電装置の駆動軸が連結されており、ブレード１６，１６，１６に及ぼされる風力で回転軸部材１０が回転中心線１２の回りで回転されることによって発電装置が作動せしめられるようになっている。
【００２９】
より詳細には、本実施形態の風力発電装置において、各ブレード１６は、全体として航空機の翼のように略紡錘形断面で延びる長手板形状を有している。また、各ブレード１６には、長手方向一方の端部に固着されて突出するピッチフラップ支軸１８が固設されている。そして、このピッチフラップ支軸１８において回転軸部材１０の風車支持部１４に取り付けられることにより、各ブレード１６は、回転軸部材１０の回転中心線１２から略軸直角方向に延び出すように組み付けられている。
【００３０】
また、そのような組付状態下において、各ブレード１６には、それぞれ、図２に示すように、適当なピッチ角：θｐが設定されており、回転に対して及ぼされる風力によって駆動力が及ぼされて、回転軸部材１０を回転中心線１２回りで一方向（図１中の右回り方向）に回転駆動せしめるようになっている。なお、本実施形態においては、ブレード１６の軸根から軸端に至る略２０度のねじり角が設定されており、ブレード１６におけるピッチ角：θｐは、回転中心線１２に直交する回転面２０に対する翼端翼弦線２２の回転方向前方における傾斜角として与えられる。
【００３１】
また、ブレード１６に及ぼされる風力は、回転軸部材１０の前方から吹き付けられる風の風速と、ブレード１６の回転中心線１２回りの回転による回転速度とに応じて、それらの合力としてブレード１６の回転方向斜め前方から及ぼされる空気流の作用と考えられる。更に、ブレード１６に及ぼされる風力は、主として揚力と考えることが出来るものであり、この揚力を有効に得るために、各ブレード１６には、図示されているように、初期値としてプラス側のピッチ角：０°＜θｐ≦２０°の範囲で適当な値が設定されている。
【００３２】
さらに、ブレード１６のピッチフラップ支軸１８は、風車支持部１４に対して、その中心線（回動中心線）２６の回りで回動可能に取り付けられている。しかも、ピッチフラップ支軸１８は、ブレード１６の翼軸線２８に対して、ブレード１６の回転中心線１２回りでの回転方向後方に所定の偏倚角：θｒだけ離隔位置せしめられている。なお、翼軸線２８は、ブレード１６の各部位に作用せしめられる揚力を全長に亘って同時に変化させることの出来る中心軸であって、ブレード１６の回転方向前方の端縁部と略平行に延びる直線である。
【００３３】
すなわち、図３〜６に示されているように、ブレード１６の翼根部分には、ブラケット３０が固着されており、このブラケット３０に対して、ピッチフラップ支軸１８の一端部分が回転不能に固着されている。このピッチフラップ支軸１８は、ブレード１６の翼根側端部において、翼軸線２８から所定の偏倚角：θｒをもって突出せしめられている。
【００３４】
一方、回転軸部材１０の風車支持部１４は、軸方向で互いに所定距離を隔てて対向位置せしめられた一対の取付円板３８，３９を備えており、これらの取付円板３８，３９の対向面間には、各ブレード１６の取付部位に相当する周上の３箇所（図３〜６では、理解を容易とするために一つのブレード１６の取付部位だけを示す）において、それぞれ、第一及び第二のブレード取付金具４０，４２が組み付けられてボルト等で固着されている。
【００３５】
そして、ブレード１６に固設された上述のピッチフラップ支軸１８が、風車支持部１４における一対の取付円板３８，３９の間に差し入れられて、ブレード取付金具４０で、ピッチフラップ支軸１８の軸方向中間部分を支持されることによって、ブレード１６が回転軸部材１０に取り付けられている。ここにおいて、ブレード取付金具４０は、ピッチフラップ支軸１８を、スラスト軸受け４３を介して支持している。これにより、ブレード１６は、ピッチフラップ支軸１８の回動中心線２６回りで回動可能とされて、回転軸部材１０に取り付けられている。なお、ピッチフラップ支軸１８の突出先端部は、一対の取付円板３８，３９間に配設固定された取付補助金具４２によって、回動を許容された状態で補助的に位置決め保持されている。
【００３６】
また、ピッチフラップ支軸１８の突出側先端部近くには、スリーブ状の作用金具３２が外嵌されており、スプライン嵌合構造等によって周方向に相対回転不能に且つ軸方向にも相対移動不能に取り付けられている。この作用金具３２には、外周面上に突出する作用突片３４が固設されており、かかる作用突片３４が一対の取付円板３８，３９の対向面間に延び出している。そして、作用突片３４と一方の取付円板３８の間には、ピッチ方向付勢手段としての圧縮コイルスプリング３６が介装されており、かかる圧縮コイルスプリング３６によって、ピッチフラップ支軸１８が、回動中心線２６回りで、常時、一方向（回動中心線２６回りで翼軸線２８が風上側に移動する方向であって、ピッチ各：θｐがプラス側に大きくなる方向）に付勢されている。また、作用突片３４と他方の取付円板３９の間には、該取付円板３９から突設されたストッパブロック４４が位置せしめられている。そして、圧縮コイルスプリング３６で付勢された作用突片３４が、このストッパブロック４４に当接せしめられて、当接位置で回動端が規定されることによって、ピッチフラップ支軸１８ひいてはブレード１６の回動位置が、弾性的に位置決め保持されており、以て、かかる位置決め状態下、ブレード１６において前述のピッチ各：θｐの初期値が発現されるようになっている。
【００３７】
このような構造のブレード１６を備えた風力発電装置における風車は、図２に示されているように、回転軸部材１０の前方から風を受けることにより、各ブレード１６の表面４６と裏面４８にそれぞれ沿って流れる空気流の作用に基づいて揚力が生ぜしめられ、この揚力を主とする風力の作用によって風車が回転中心線１２回りで回転駆動せしめられることとなる。そこにおいて、本実施形態では、ブレード１６に及ぼされる風力：Ｆａの作用中心点５０の位置が、図７に示されているように、ピッチフラップ支軸１８の回動中心線２６に対して、回転中心線１２回りでの回転方向前方に所定距離：Ｌだけ離隔位置せしめられている。これにより、風力：Ｆａが及ぼされることにより、ブレード１６には、回動中心線２６回りのモーメント力：Ｍ＝Ｆａ×Ｌが作用せしめられる。このモーメント力：Ｍは、ブレード１６を回動中心線２６回りに、圧縮コイルスプリング３６による付勢力の作用方向と反対に回転させる方向に及ぼされる。なお、本態様において、作用中心点５０は、翼軸線２８より回転方向後方に位置せしめられている。
【００３８】
それ故、風速が小さくてブレード１６に及ぼされる風力：Ｆａが予め設定された許容値以下の場合には、モーメント力：Ｍが作用しても、ブレード１６は、圧縮コイルスプリング３６によって及ぼされる付勢力でストッパブロック４４への当接で規定される初期位置に保持されて、ピッチ角：θｐも初期設定された値に保持されるようになっている。
【００３９】
一方、風速が大きくなってブレード１６に及ぼされる風力：Ｆａに基づくモーメント力：Ｍが、圧縮コイルスプリング３６で及ぼされる付勢力（モーメント力）を超えると、ブレード１６は、回動中心線２６回りで、圧縮コイルスプリング３６による付勢力に抗して回動せしめられることとなる。その結果、図８に示された初期位置から、図９，１０に示されているように、回動中心線２６回りで、翼軸線２８が風下側に変位する方向にブレード１６が回動せしめられて、ブレード１６のピッチ角：θｐがマイナス方向に変化せしめられる。
【００４０】
そして、風速が一層大きくなってブレード１６に及ぼされる風力：Ｆａがより大きくなると、ピッチ角：θｐが回転面２０を超えてマイナス値となり、特に本実施形態では、回動中心線２６が風力：Ｆａの作用中心点５０よりも回転方向後方に設定されていることにより、ブレード１６に対して風圧（抗力）もピッチ角：θｐを減ずる方向に作用することとなって、ピッチ角：θｐがマイナス側に一層大きく変化せしめられる。その結果、ブレード１６の裏面４８側では空気流の剥離も発生してブレード１６に作用する風力が失効し、場合によっては風力による制動力も作用することとなり、以て、回転軸部材１０の回転中心軸１２回りでの回転速度の増大が抑えられることとなる。
【００４１】
従って、上述の如き構造の風車を備えた本実施形態の風力発電装置においては、油圧機構等の特別な駆動源や複雑な機構を必要とすることなく、風速が過大となった場合の風車の過回転が効果的に防止され得るのであり、特に小型の風力発電装置に好適に採用されて有効な過回転防止機能が発揮されるのである。
【００４２】
しかも、かかる過回転防止機能は、メカニカル的な機構によって実現されることから、発電装置における電気系統が落雷等で損傷した場合でも、有効に作動することとなり、目的とする作動効果が安定して発揮され得るのである。
【００４３】
次に、図１１〜１５には、本発明の第二の実施形態としての風力発電装置が示されていると共に、図１６〜１８には、本発明の第三の実施形態として風力発電装置が示されている。なお、これら第二及び第三の実施形態としての風力発電装置は、何れも、第一の実施形態の風力発電装置に比して、ブレード１６に設けられたピッチフラップ支軸１８の回転軸部材１０に対する取付部位の構造に関する別の構造例を示すものであることから、第一の実施形態と異なる構造とされた要部だけを図示して説明する。また、図１１〜１８において、第一の実施形態と同様な構造とされた部材および部位については、それぞれ、図中に、第一の実施形態と同一の符号を付することにより、それらの詳細な説明を省略する。
【００４４】
すなわち、図１１〜１５に示された第二の実施形態としての風力発電装置においては、特に図１２〜１３に明示されているように、ブレード１６に突設されたピッチフラップ支軸１８を回動中心線２６回りに回動可能に且つ軸方向で移動不能に支持せしめるブレード取付金具４０と取付補助金具４２が、回転軸部材１０の取付円板３８，３９と別体形成された一対の保持板金具５２，５２間に組み付けられており、かかる一対の保持板金具５２，５２を相互に連結するようにして固着されている。そして、これら一対の保持板金具５２，５２とブレード取付金具４０および取付補助金具４２に、更に補助コイルスプリング３６やストッパブロック４４を組み合わせた、ピッチフラップ支軸１８の支持機構の全体が、回転軸部材１０から独立した一つの支持ユニット５３とされている。
【００４５】
そして、かかる支持ユニット５３は、その全体が、取付円板３８，３９の対向面間に配設位置せしめられており、取付円板３８，３９に立設固定されたリードラグ支軸５４，５４が、回転軸部材１０の回転中心線１２と平行に一対の保持板金具５２，５２からブレード取付金具４０に挿し入れられている。なお、図１２中の符号５５はベアリングなどの摺動部材である。これにより、支持ユニット５３は、回転中心線１２と平行に延びるリードラグ支軸５４，５４の中心線（揺動中心線）５６の回りで、全体として揺動可能とされて回転軸部材１０に組み付けられている。而して、この支持ユニット５３でブレード１６のピッチフラップ支軸１８が支持されることにより、ブレード１６は、回動中心線２６回りで回動可能とされると共に、揺動中心線５６回りでも揺動可能とされている。なお、本実施形態では、図１２に示されているように、ブレード１６のピッチフラップ支軸１８が、回転中心線１２に対して直交して延びるように設定されている。そして、ブレード１６は、揺動中心線５６回りで揺動変位せしめられることにより、ピッチフラップ支軸１８の回動中心線２６が、回転軸部材１０の回転方向で周方向に変化するようになっている。
【００４６】
また、回転軸部材１０には、回転中心軸１２回りで支持ユニット５３の回転方向後方側に離隔位置して取付円板３８，３９の対向面間に跨がって延びる支持ロッド５８が固設されており、この支持ロッド５８と取付補助金具４２の端縁部との回転中心軸１２回りの対向部間に跨がって、リード方向付勢手段としての引張コイルスプリング６０が組み付けられている。そして、この引張コイルスプリング６０によって、ピッチフラップ支軸１８を支持する支持ユニット５３が、常時、リードラグ支軸５４の揺動中心線５６回りで一方（図１１に示された正面視においてブレード１６を時計方向に回転させる方向）に向かって付勢されている。また、支持ユニット５３における揺動中心線５６回りの一方の側には、取付円板３９から突設されたストッパブロック６２が位置せしめられている。そして、引張コイルスプリング６０で付勢された支持ユニット５３が、このストッパブロック６２に当接せしめられて、当接位置で揺動端が規定されることによって、ピッチフラップ支軸１８ひいてはブレード１６の揺動位置（逃げ角≒偏倚角）が、弾性的に位置決め保持されており、以て、かかる位置決め状態下、ブレード１６においてピッチフラップ支軸１８（回動中心線）の逃げ角：θｒ′の初期値が発現されるようになっている。なお、逃げ角：θｒ′は、ブレード１６の回転方向後方への傾きを表す。
【００４７】
更にまた、本実施形態では、ブレード１６の重心６４の位置が、図１１に示されているように、ピッチフラップ支軸１８の回動中心線２６に対して、回転中心線１２回りでの回転方向前方に所定角度：θδだけ離隔位置せしめられ、且つ翼軸線２８より回転方向後方に位置せしめられている。これにより、風力が及ぼされてブレード１６が回転中心線１２回りに回転せしめられると、遠心力：Ｆｂと向心力：Ｆｃの合力としての外力：Ｆｄがブレード１６に及ぼされることとなる。そして、この外力：Ｆｄに基づいてブレード１６に作用せしめられるリードラグ支軸５４回りのモーメント力の作用により、ブレード１６は、リードラグ支軸５４回りで、引張コイルスプリング６０の付勢方向と反対の方向、即ちブレード１６の回転中心線１２回りで回転方向後方（図１１中の左回り方向）に向けて変位せしめられるようになっている。
【００４８】
それ故、回転軸部材１０の回転速度が小さくてブレード１６に及ぼされる遠心力：Ｆｂが予め設定された許容値以下の場合には、外力：Ｆｄが小さく、ブレード１６は、引張コイルスプリング６０によって及ぼされる付勢力でストッパブロック６２への当接で規定される初期位置に保持されて、逃げ角：θｒ′も初期設定された値に保持されるようになっている。
【００４９】
一方、回転軸部材１０の回転速度が大きくなってブレード１６に及ぼされる遠心力：Ｆｂに基づくモーメント力が、引張コイルスプリング６０で及ぼされる付勢力（モーメント力）を超えると、ブレード１６は、揺動中心線５６回りで、引張コイルスプリング６０による付勢力に抗して回動せしめられることとなる。その結果、図１１に示された初期位置から、重心６４の離隔量：θδを０に近づけるようにブレードが回転面２０上で変位せしめられるようになっている。
【００５０】
さらに、支持ユニット５３で支持されたブレード１６のピッチフラップ支軸１８は、その突出先端部分が取付補助金具４２を貫通して内方に突出せしめられていると共に、かかる突出先端部分に対してかさ歯車６５が取り付けられている。そして、このかさ歯車６５が、回転軸部材１０の取付円板３８に固着されたラック状の受け歯車６６に噛合されており、ピッチフラップ支軸１８が揺動中心線５６回りに揺動せしめられた場合でも、かかる噛合状態が維持され得るようになっている。
【００５１】
これにより、上述の如く、過回転に伴って大きな遠心力：Ｆｂがブレード１６に及ぼされて、ピッチフラップ支軸１８が揺動中心線５６回りに揺動せしめられると、受け歯車６６に対してかさ歯車６５が相対変位せしめられて、かかる歯車機構により、ピッチフラップ支軸１８がそれ自身の中心線（回動中心線２６）回りに回動駆動せしめられる。その結果、ブレード１６は、図１４に示された初期状態から、図１５に示されているように、回動中心線２６回りで、翼軸線２８が風下側（図１５中の下方）に変位する方向にブレード１６が回動せしめられて、前記実施形態において図１０に示されたものと同様に、ブレード１６のピッチ角：θｐがマイナス方向に変化せしめられる。
【００５２】
従って、このような構造のブレード１６を備えた風力発電装置における風車は、回転軸部材１０の前方から風を受けて回転中心線１２回りに回転せしめられる際、風力が過大となったり発電機負荷が小さくなったりして回転速度が過大となった場合に、ブレード１６のピッチ角：θｐがマイナスとなるまで変化せしめられ得て、風力自体による有効な回転制動作用が発揮されることにより、過回転が効果的に防止され得るのである。
【００５３】
さらに、図１６〜１８に示された第三の実施形態としての風力発電装置においては、基本的な構造を、第一の実施形態と同様としているが、以下の二つの構成点おいて、格別の構造を有している。
【００５４】
第一の点は、ブレード１６を風車支持部１４に対して支持せしめるためのピッチフラップ支軸１８が、回転軸部材１０の回転中心線１２に対して、軸方向で風上方向に所定角度だけ傾斜せしめられて、ブレード１６の回転面２０とピッチフラップ支軸１８の間に傾斜角：θδ′が設定されている構成である。なお、ピッチフラップ支軸１８のブレード１６および回転軸部材１０への取付角度が変更されており、ブレード１６本体の回転軸部材１０に対する取付角度、具体的には翼軸線２８の回転軸部材１０に対する取付方向などは、第一の実施形態と略同じとされている。
【００５５】
第二の点は、ブレード１６の重心６４の位置が、図１６に示されているように、ピッチフラップ支軸１８の回動中心線２６に対して、回転中心線１２回りで回転方向前方に所定角度：θδ′だけ離隔位置し、且つ図１７に示されているように、ピッチフラップ支軸１８の回動中心線２６に対して、回転中心線１２の方向で風下側（図１７中の下側）に所定距離：Ｔａだけ離隔位置せしめられている構成である。なお、本実施形態では、特に、かかる重心６４の位置が、ブレード１６の回転軸部材１０による支持点を通る回転面２０に対して、回転中心線１２の方向で風上側（図１７中の上側）に所定距離：Ｔｂだけ離隔位置せしめられている。
【００５６】
これにより、本実施形態の風力発電装置においては、風力が及ぼされてブレード１６が回転中心線１２回りに回転せしめられると、ブレード１６には、遠心力と向心力の合力としての外力が及ぼされることとなる。そして、この外力に基づいて、ブレード１６がピッチフラップ支軸１８の中心線（回動中心線２６）回りに回動駆動せしめられる。その結果、ブレード１６は、図１７に示された初期状態から、図１８に示されているように回動変位せしめられて、前記第一の実施形態において図１０に示されたものと同様に、ブレード１６のピッチ角：θｐがマイナス方向に変化せしめられる。
【００５７】
従って、このような構造のブレード１６を備えた風力発電装置における風車は、回転軸部材１０の前方から風を受けて回転中心線１２回りに回転せしめられる際、風力が過大となったり発電機負荷が小さくなったりして回転速度が過大となった場合に、ブレード１６のピッチ角：θｐがマイナスとなるまで変化せしめられ得て、風力自体による有効な回転制動作用が発揮されることにより、過回転が効果的に防止され得るのである。
【００５８】
以上、本発明の幾つかの実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であり、本発明はこれら実施形態における具体的な記載および後述する実施例の具体的データによって、何等、限定的に解釈されるものでなく、当業者に知識に基づいて種々なる変更，修正，改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも本発明の範囲内に含まれることは、言うまでもない。
【００５９】
例えば、前記第一の実施形態における構成と、第二の実施形態における構成および第三の実施形態における構成を、各個別に採用するだけでなく、それら三つの実施形態の中から二つ或いは三つ全部を相互に組み合わせることにより、併せて複数の構成を採用して風力発電装置を構成することも可能である。具体的には、ブレード１６に及ぼされる外力（風力）の作用点の位置と、ブレード１６の重心の位置を、それぞれ、第一の実施形態における構成と第二の実施形態における構成を考慮して設定することにより、第一の実施形態と第二の実施形態の両方の特性を備えた風車が実現可能である。そして、かかる構成の風車においては、風力が大きくなった場合に第一の実施形態に従う構成に基づいて過回転が有効に防止され得ると共に、回転速度が大きくなった場合に第二の実施形態に従う構成に基づいて過回転が有効に防止され得る。
【００６０】
また、ブレードの具体的な形状や回転軸部材への装着数などは、何等、限定されるものでない。更にまた、本発明は、特に小型の風車に対して有利に適用され得るが、中型や大型の風車に採用することも、勿論、可能である。
【００６１】
更にまた、前記第二及び第三の実施形態においては、重心６４の位置調節が、ブレード１６自体の重量配分（例えば肉厚調節等による）や、ブレード１６内部構造の調節（例えばマス部分を内部に設けること等による）によって実現されており、外的なマスが付加されていないことから、例えばマスの離脱による危険が防止され得るようになっていたが、そのような別体マスをブレード１６に取り付けるようにしても良い。
【００６２】
また、前記第二の実施形態および第三の実施形態においては、回転軸部材１０の回転作動時にブレード１６に及ぼされる遠心力によってブレード１６が目的とする方向に変位せしめられるように重心が設定されていれば良く、具体的な重心の位置は、前記実施形態の記載によって限定的に解釈されるものでない。
【００６３】
【実施例】
前記第一の実施形態に従う構造と、前記第二の実施形態に従う構成との、両者を共に満足するように構成した、図１に示されているように３枚のブレードを備えた風車を備えた風力発電装置を試作し、かかる風力発電装置について風洞実験を行った結果を、図１９，２０において、それぞれ実施例として示す。
【００６４】
なお、風車の具体的構造は、図１１〜１５に示された第二実施形態に従う構造の風車において、各ブレードに作用する風力作用点を、第一実施形態に従う風車の条件を満足するように設定したものとした。なお、このような構造とされた本実施形態の風車では、ブレードに過大な風力が作用せしめられると、第一の実施形態に説明の通りにブレードがピッチフラップ支軸１８の回動中心線回りに回動せしめられて、ピッチ角がマイナス側に大きくなるようにされるが、それと同時に、歯車機構の作用に基づいて、ブレード自体が回転中心線１２回りで回転方向後方に変位せしめられることとなる。要するに、第一の実施形態におけるピッチ角の変更作動と第二の実施形態におけるピッチ角の変動作動が一体的に生ぜしめられることとなるのである。
【００６５】
また、実験に用いた風力発電装置において、全てのブレードのピッチフラップ支軸を回動中心線回りに回動不能に固着せしめることによって比較例構造とし、かかる風力発電装置について同様な実験を行った結果を、図１９，２０に比較例として併せ示す。
【００６６】
図１９，２０に示された実験結果からも、本発明に従う構造とされた風力発電装置においては、風速が過大となった場合にも、風車（回転軸部材）の回転数の上限が抑えられて、過回転による風車や発電機の損傷が防止されるという、本発明の効果が明らかである。
【００６７】
【発明の効果】
上述の説明から明らかなように、本発明に従う構造とされた風力発電装置においては、油圧ポンプや油圧シリンダ機構等の大掛かりな装置を必要とすることなく簡単な機構により、しかも落雷等による発電機の損傷が発生した場合にも有効に、過回転防止効果が安定して発揮され得るのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態としての風力発電装置における風車を示す正面図である。
【図２】図１に示された風車のブレードの構造とブレードに対する風力の作用を説明するための説明図である。
【図３】図１に示された第一の実施形態としての風力発電装置におけるブレードの回転軸部材に対する取付部位を拡大して示す説明図である。
【図４】図３におけるＩＶ−ＩＶ断面に相当する縦断面説明図である。
【図５】図３に示されたブレードの回転軸部材に対する取付部位の側面図である。
【図６】図５におけるＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】図１に示された第一の実施形態としての風力発電装置におけるブレードの作動を説明するための正面説明図である。
【図８】図７に示されたブレードの側面説明図である。
【図９】図８に示されたブレードにおける回動中心線回りの回動作動を説明するための側面説明図である。
【図１０】図２に示されたブレードに対して過大な風力が作用した場合の作動状態を説明するための説明図である。
【図１１】本発明の第二の実施形態としての風力発電装置における風車を示す、図７に対応する正面説明図である。
【図１２】図１１に示された第二の実施形態としての風力発電装置におけるブレードの回転軸部材に対する取付部位を拡大して示す説明図である。
【図１３】図１２におけるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図である。
【図１４】図１１に示されたブレードの側面説明図である。
【図１５】図１４に示されたブレードの揺動中心線回りの揺動に伴う回動中心線回りの回動作動を説明するための側面説明図である。
【図１６】本発明の第三の実施形態としての風力発電装置における風車を示す、図７に対応する正面説明図である。
【図１７】図１６に示されたブレードの側面説明図である。
【図１８】図１７に示されたブレードの揺動中心線回りの揺動に伴う回動中心線回りの回動作動を説明するための側面説明図である。
【図１９】本発明の第一の実施形態と第二の実施形態の条件を満足する風車において風速と発電量との関係を示したグラフである。
【図２０】本発明の第一の実施形態と第二の実施形態の条件を満足する風車において風速と回転数との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１０回転軸部材
１２回転中心線
１６ブレード
１８ピッチフラップ支軸
２０回転面
２６回動中心線
２８翼軸線
３６圧縮コイルスプリング
５０風力作用点
５４リードラグ支軸
５６揺動中心線
６０引張コイルスプリング
６４重心
６５かさ歯車
６６受け歯車

Claims

略水平に配した回転軸部材に対して略軸直角方向外方に延び出す複数枚のブレードを取り付けて、それらブレードに作用せしめられる風力により該回転軸部材をその中心線回りに回転駆動せしめ、該回転軸部材の回転駆動力で発電装置を稼働せしめるようにした風力発電装置において、
前記各ブレードから前記回転軸部材の略回転中心線に向かって突出するピッチフラップ支軸を設けて、該ブレードを該回転軸部材に対して該ピッチフラップ支軸の中心線回りで回動可能に取り付けると共に、該ブレードを該ピッチフラップ支軸の回動中心線回りでピッチ角がプラス側に大きくなる回動方向に付勢するピッチ方向付勢手段を設けて該ブレードが所定の初期ピッチ角度に設定保持されるようにする一方、かかるブレードに作用せしめられる風力と遠心力の少なくとも一方を利用して該ブレードを該ピッチ方向付勢手段による付勢力に抗して該ピッチフラップ支軸の回動中心線回りに回動せしめてピッチ角をマイナス方向とすることで過大な回転速度を抑えるピッチ角調節手段を設けたことを特徴とする風力発電装置。
前記ブレードに作用する前記風力の作用中心点を前記ピッチフラップ支軸の回動中心線よりも前記回転軸部材の回転方向前方に離隔位置せしめることによって前記ピッチ角調節手段を構成した請求項１に記載の風力発電装置。
前記ブレードの回転方向の前方側端部近くにおいて前記回転軸部材の回転中心線から略軸直角方向に向かって直線的に延びる翼軸線に対して、前記ピッチフラップ支軸の回動中心線を、該ブレードの回転方向の後方に所定角度だけ離隔位置せしめると共に、該ブレードの回転方向において該ブレードの翼軸線と該ピッチフラップ支軸の回動中心線の間に前記風力の作用中心点を設定位置せしめた請求項２に記載の風力発電装置。
前記回転軸部材の回転に伴って前記ブレードに作用せしめられる遠心力の該ブレードの重心を通る作用線に対して、該回転軸部材の回転方向後方に所定距離だけ隔たった位置で該回転軸部材の回転中心と略平行に且つ前記ピッチフラップ支軸の回動中心線に対して略直交する方向に延びるリードラグ支軸を設けて、該リードラグ支軸の中心線回りで該ピッチフラップ支軸を揺動可能に支持せしめると共に、該ブレードを該リードラグ支軸の揺動中心線回りで回転方向前方に付勢するリード方向付勢手段を設けて、該ブレードが所定の逃げ角度に設定保持されるようにして、前記回転軸部材の回転速度が大きくなった際に該ブレードに及ぼされる遠心力が該ブレードを該リード方向付勢手段による付勢力に抗して該リードラグ支軸の揺動中心線回りで回転方向後方に向かって変位させるようにする一方、該ピッチフラップ支軸と該回転軸部材の間に歯車機構を設けて、該ブレードにおける該リードラグ支軸の揺動中心線回りでの変位に際して該歯車機構により該ピッチフラップ支軸がその回動中心線回りに回動せしめられて、該ブレードが該リードラグ支軸の揺動中心線回りで回転方向後方に変位せしめられた際に該ブレードのピッチ角がマイナス方向に変化せしめられるようにすることによって、前記ピッチ角調節手段を構成した請求項１に記載の風力発電装置。
前記ブレードの回転方向の前方側端部近くにおいて前記回転軸部材の回転中心線から略軸直角方向に向かって直線的に延び出す翼軸に対して、前記ピッチフラップ支軸の回動中心線を、該ブレードの回転方向の後方に所定角度だけ離隔位置せしめると共に、該ブレードの回転方向において該ブレードの翼軸と該ピッチフラップ支軸の回動中心線の間に該ブレードにおける前記重心を設定位置せしめた請求項４に記載の風力発電装置。
前記ピッチフラップ支軸による前記ブレードの前記回転軸部材に対する支持中心点を通り該回転軸部材の回転中心線に直交して延びる軸直角方向線に対して、該ピッチフラップ支軸を該回転中心線の風上方向に所定角度だけ傾斜せしめると共に、それら軸直角方向線とピッチフラップ支軸の間に該ブレードの重心を設定位置せしめ、更に、該ブレードの重心を該ピッチフラップ支軸に対して該回転軸部材の回転方向前方に所定距離だけ離隔して設定位置せしめたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
請求項２，請求項４および請求項６に記載された風力発電装置の構成のうち少なくとも二つを互いに組み合わせて採用したことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。