JP2005061320A

JP2005061320A - 風力発電装置における風車構造

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Publication number: JP2005061320A
Application number: JP2003292404A
Authority: JP
Inventors: Kunio Miyazaki; 国男宮崎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2005-03-10
Also published as: US20050036888A1; EP1507084A1

Abstract

【課題】強風による破損を防止することができる風車構造を提供する。
【解決手段】主軸先端の羽根支持部から該主軸に対して放射状に延びる１又は複数の羽根を具備する風車の回転を該主軸に伝達することにより発電機を駆動する風力発電装置の風車構造において、羽根が、羽根支持部に固定されかつ放射方向に延びる固定部と、固定部上端から放射方向に突出後退自在に連結された可動部とを具備し、かつ、可動部の突出長さを風速に応じて変更する制御手段を有する。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、風力発電装置における複数の羽根を具備する風車の構造に関する。

プロペラ状の複数の羽根（ブレード）を具備する風車の回転により、発電を行う風力発電装置が知られている。風力発電装置は、支柱の上端に風車及び発電部が設置される。風車は、例えば主軸から放射状に延びる等角度間隔で配置された３枚の羽根を具備する。

通常、風向計及び風速計等のセンサも取り付けられており、風向計の情報に基づいて風の吹いてくる方向に風車を向ける。風車は、前方から吹いてくる風によって回転する。このような風車を有する風力発電装置については、特許文献１及び２等、多数の公知技術がある。
特開平８−１２８３８５号公報特開２０００−８７８４１号公報

上記のように、放射状の羽根からなる風車においては、風車の耐久力を超える強風によって破損するおそれがある。風力発電効率の観点からすれば、羽根の受風面積を大きくとることが好ましいが、強風に対する耐久力が低下する。従って、強風に耐え得るように羽根を細くし、また、受風面積を少しでも大きくとるために羽根の長さを長くした形状が、多く採用されている。

特許文献１及び２では、強風に対する対策として１枚の羽根の風に対する角度を変化させることにより、風を受ける実効面積を制御して破損を防ぐ構造が開示されている。羽根の面を風の向きと平行にすることにより、風に対する抵抗をゼロにしようとするものである。

しかしながら、風車の羽根は平面ではなく、プロペラのように基端部から先端へと螺旋を描くように捻れている。これは、回転力を得るために、すなわちより高い発電効率を得るために好適な形状だからである。ところが、このように螺旋状に捻れた羽根の取付角度をどのように変化させても、羽根の面全体を風と平行にすることはできない。このような螺旋状に捻れた面をもつ羽根では、いずれかの部分が必ず風の抵抗を受けることとなり、耐久力以上の風圧により破損することがある。

上記の問題点に鑑み、本発明は、風力発電装置の風車の構造において、高い発電効率を得るために好適な螺旋状の面をもつ羽根を具備し、かつ強風による破損を防止することができる構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく本発明は、以下の風車構造を提供する。
（１）請求項１に係る風力発電装置の風車構造は、主軸先端の羽根支持部から該主軸に対して放射状に延びる１又は複数の羽根を具備する風車の回転を該主軸に伝達することにより発電機を駆動する風力発電装置の風車構造において、前記羽根が、前記羽根支持部に固定されかつ放射方向に延びる固定部と、該固定部上端から放射方向に突出後退自在に連結された可動部とを具備し、かつ、前記可動部の突出長さを風速に応じて変更する制御手段を有する。

（２）請求項２に係る風力発電装置の風車構造は、請求項１において、前記固定部が表プレートと裏プレートを具備しかつこれらのプレート間に空洞部を形成しており、前記可動部が後退する際に該固定部の該空洞部内に収納される。

（３）請求項３に係る風力発電装置の風車構造は、請求項１又は２において、前記制御手段が、前記羽根支持部に回動可能に固定されかつ前記固定部の前記空洞部内を放射方向に延びる雄ねじロッドと、風速を検知するセンサと、該センサの出力に応じて該雄ねじロッドを回動する駆動手段と、前記可動部に固定されかつ該雄ねじロッドと螺合する雌ねじプレートとを有し、前記雄ねじロッドの回動と共に前記雌ねじプレートが該雄ねじロッドに沿って移動することにより該可動部の突出長さが風速に応じて変更される。

（４）請求項４に係る風力発電装置の風車構造は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記固定部に設けたベアリングと、該ベアリングに対し嵌合可能であって前記可動部に設けたレールとを有し、前記可動部が突出後退する際に該レールが該ベアリングと嵌合しつつ移動する。

本発明による風力発電装置の風車構造は、羽根が、羽根支持部に固定されかつ放射方向に延びる固定部と、該固定部上端から放射方向に突出後退自在に連結された可動部とを具備し、かつ、前記可動部の突出長さを風速に応じて変更する制御手段を有するよう構成したので、風速に応じて可動部を固定部から突出させたり、後退させたりして、羽根全体の長さを調整し、受風面積を調整することができる。

また、固定部が表プレートと裏プレートを具備しかつこれらのプレート間に空洞部を形成しており、前記可動部が後退する際に該固定部の該空洞部内に収納される。固定部と可動部は、捻れ度の同じ螺旋面をもつプロペラ状であるので円滑に収納することができる。

さらに制御手段が、羽根支持部に固定されかつ固定部の空洞部内で放射方向に延びる雄ねじロッドと、風速を検知するセンサと、このセンサの出力に応じて雄ねじロッドを回動する駆動手段と、可動部に固定されかつ雄ねじロッドと螺合する雌ねじプレートとを有し、雄ねじロッドの回動と共に雌ねじプレートが雄ねじロッドに沿って移動することにより可動部の突出長さが風速に応じて変更される。固定された雄ねじロッドを回動することにより、これと螺合する雌ねじプレートが雄ねじロッドに沿って移動する。雄ねじロッドの回動方向によっていずれの方向へも移動可能である。雌ねじプレートは可動部と固定されているので、可動部は雌ねじプレートと一体的に動く。これにより可動部は、突出する方向へも後退する方向へも動くことができる。

またさらに、固定部に設けたベアリングと、このベアリングに対し嵌合可能であって可動部に設けたレールとを有し、可動部が突出後退する際にレールがベアリングと嵌合しつつ移動する。このレールとベアリングは可動部の突出後退移動におけるガイドとして働き、これにより、可動部が円滑に突出後退することができる。

図１は、本発明による風力発電装置の風車構造を示す概略的な外観斜視図である。風車１０は、支柱１５の上端に発電機１４と共に設置される。支柱の軸を符号Ｃ１で示す。発電機１４を駆動するための主軸１１の先端部（図１では左側方向）に主軸受１２を介して羽根支持部１３が取り付けられている。図示の羽根支持部１３には、主軸１１に対して放射状に延びる３枚の羽根２０ａ、２０ｂ及び２０ｃが等角度間隔で取付けられている。主軸１１の軸を符号Ｃ２で示す。主軸１１の軸Ｃ２は、吹いてくる風に対して正対するように回転制御される（矢印Ｒ１）。この回転制御は、センサ１６に含まれる風向計の出力信号により行われる。

尚、本発明による風車構造は、１枚の羽根の構造に特徴がある。よって、各羽根はいずれも同じ構造であり、羽根の数は１枚であっても複数であってもよい。風により羽根２０ａ等が羽根支持部１３と共に回転すると、主軸１１に回転が伝達され（矢印Ｒ２）、主軸１１の回転により発電機が駆動され、発電が行われる。

１枚の羽根２０ａは、主軸の軸Ｃ２に対して垂直な羽根軸Ｃ３に沿って放射方向に延びるが、プロペラ式であるので螺旋状に捻れた面をもつ。本発明における１枚の羽根２０ａは、ほぼ同じ長さの２つの部材を連結して形成されている。１つは羽根支持部１３に固定され放射方向に延びる固定部２２であり、もう１つは固定部２２の上端２２ａからさらに放射方向に延びる可動部２３である。固定部２２の長さは一定であるが、可動部２３は固定部状態２２ａから突出及び後退することが可能であり、その突出長さを変更できる。図１の風車の状態は、可動部２３が最も突出した状態、すなわち羽根２０ａ等が最長の状態である。

図２Ａは、羽根２０ａ等が最長の状態にある風車を主軸の軸方向から見た図である。一方、図２Ｂは、可動部２３が最も後退した状態、すなわち羽根２０ａ等が最短の状態にある風車を主軸の軸方向から見た図である。矢印で示すように、可動部２３が後退して短くなっている。これにより、羽根の受風面積が小さくなるため、図２Ａの状態に比べ強風に対して破損し難くなる。

図３Ａ〜図３Ｃは、羽根２０ａの最長状態から最短状態への長さの変化を示した図である。いずれも左図は、羽根２０ａの外観斜視図であり、右図は、左図の円部分の概略的な拡大図である。

図３Ａは、羽根２０ａの最長状態であり、可動部２３は最も突出している。ここで、羽根２０ａの基端部近傍の面は、主軸の軸Ｃ３のほぼ直角な直線Ａに沿っているが、羽根２０ａの先端近傍の面は、直線Ａとは捻れた関係にある直線Ｂに沿っている。直線Ａと直線Ｂを羽根軸Ｃ３の方向から見ると、４０〜５０度の角度をなすように見える。このように羽根２０ａは、基端部から先端までほぼ同じ幅であるが螺旋状に捻れている。

後述するように固定部２２には空洞部が形成されており、可動部２３はこの固定部２２の空洞部に収納可能である。固定部２２と可動部２３は共通する一定の捻れ度の螺旋面をもつので、可動部２３は螺旋に沿って回りつつ固定部２２の中に収納されることになる。

図３Ａの右図に示すように、可動部２３が最も突出した状態では、可動部２３の下端２３ａ（破線）は、固定部２２の上端２２ａの近傍にある。

可動部２３を突出後退させる機構は、図５で詳細に述べるが、概略すると、羽根軸Ｃ３に沿って固定部２２の空洞部内に放射状に延びている雄ねじロッド２５が、羽根支持部１３に対して回動可能に固定されている。雄ねじロッド２５の外周にはねじ溝が設けられている。雄ねじロッド２５は、図示しないモータ等の駆動手段によりいずれの方向にも回動するように駆動される。モータ等の駆動手段は、例えば羽根支持部１３に取り付けられる。一方、雄ねじロッド２５に螺合する雌ねじプレート２６が可動部２３に固定されている。雌ねじプレート２６の内周にもねじ溝が設けられている。従って、雄ねじロッドを回動させると（矢印Ｒ３）、雌ねじプレート２６が雄ねじロッド２５に沿って移動する。これにより雌ねじプレート２６と一体的に可動部２３が移動する。

図３Ｂは、羽根２０ａが最長と最短の中間の長さの状態であり、可動部２３はその長さの半分程度突出している。右図に示すように、可動部２３の下半分は固定部２２の空洞部内に収納されており、可動部２３の下端２３ａの位置は図３Ａの位置より下がっている。

図３Ｃは、羽根２０ｃが最短の状態であり、可動部２３は最も後退している。すなわち、可動部２３は固定部２２の空洞部内にほぼ収納されている。固定部２２の上端２２ａからは可動部２３の先端部のみが出ている。

図４Ａは、１枚の羽根の固定部２２と可動部２３の連結部分の近傍を示す一部切り欠き展開図である。また、図４Ｂは、図４ＡのＸ−Ｘ断面図である。尚、図４Ｂは、羽根の厚さを誇張して描いている。固定部２２は、表プレート２２ｄと裏プレート２２ｅを具備し、これらのプレート２２ｄ、２２ｅ間に空洞部２７を形成している。可動部２３が後退する際には、この空洞部２７内に収納される。空洞部２７内には、雄ねじロッド２５が羽根軸Ｃ３に沿って延びている。

雄ねじロッド２５の基端は、羽根支持部（図３Ａ等参照）に回動可能に固定され、図示しないモータ等の駆動手段によりいずれの方向にも回動可能である。モータ等の駆動手段は、風速計等の風速を検知するセンサの出力信号により制御されることにより、雄ねじロッド２５を適宜の方向へ回動する。従って、風速が羽根の長さの許容範囲を超えた場合には、可動部２３を後退させて羽根を短くすることにより、風圧による羽根の破損すなわち風車の破損を防止する。また、許容範囲内である限り、可動部２３を突出させて羽根を長くすることにより受風面積を大きくし、風のエネルギーの変換効率を上げる。

可動部２３もまた、表プレート２３ｄと裏プレート２３ｅを具備し、これらのプレート２３ｄ、２３ｅ間に空洞部２８を形成している。可動部２３の空洞部２８内には雌ねじプレート２６が固定されている。すなわち、可動部２３は雌ねじプレート２６と一体的に動く。さらに、この雌ねじプレート２６は、上記の雄ねじロッド２５と螺合しているので、雄ねじロッド２５を回動させると、雌ねじプレート２６すなわち可動部２３は雄ねじロッド２５に沿って移動する。雄ねじロッド２５の回動方向を変えると雌ねじプレート２６すなわち可動部２３の移動方向も変わる。このようにして、可動部２３の固定部２２からの突出長さが風速に応じて変更されることとなる。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、可動部２３の表プレート２３ｄ及び裏プレート２３ｅの外面上には、適宜の本数のレール２３ｂが設けられている。このレール２３ｂは、可動部２３の移動方向に沿って設けられている。レール２３ｂは、可動部２３の表裏のプレート２３ｄ、２３ｅの外面上に溝を穿設してもよいし、外面上に別部材のレールを取り付けてもよい。一方、固定部２２には、このレールと嵌合可能なベアリング２２ｂが適宜の個数設けられている。ベアリング２２ｂは、固定部２２の表裏のプレート２２ｄ、２２ｅの内面上に取り付けられる。

従って、固定部２２に設けたベアリング２２ｂと、これらのベアリング２２ｂに対し嵌合可能な可動部２３に設けたレール２３ｂとは、可動部２３が固定部２２に対して突出後退する際に互いに嵌合しつつ移動することとなる。これにより、可動部２３の円滑な移動が確保される。

本発明による風力発電装置の風車構造を示す概略的な外観斜視図である。羽根が最長の状態にある風車を主軸の軸方向から見た図である。羽根が最短の状態にある風車を主軸の軸方向から見た図である。最長の状態にある風車の羽根の斜視図と、固定部上端近傍の拡大図である。長さが中間の状態にある風車の羽根の斜視図と、可動部下端が位置する近傍の拡大図である。最短の状態にある風車の羽根の斜視図と、固定部近傍の拡大図である。１枚の羽根の固定部と可動部の連結部分の近傍を示す一部切り欠き展開図である。図４ＡのＸ−Ｘ断面図である。

符号の説明

１０風車
１１主軸
１２主軸受
１３羽根支持部
１４発電機
１５支柱
１６センサ
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ羽根
２２固定部
２２ａ固定部上端
２２ｂベアリング
２３可動部
２３ａ可動部下端
２３ｂレール部
２５雄ねじロッド
２６雌ねじプレート

Claims

主軸先端の羽根支持部から該主軸に対して放射状に延びる１又は複数の羽根を具備する風車の回転を該主軸に伝達することにより発電機を駆動する風力発電装置の風車構造において、
前記羽根が、前記羽根支持部に固定されかつ放射方向に延びる固定部と、該固定部上端から放射方向に突出後退自在に連結された可動部とを具備し、かつ、
前記可動部の突出長さを風速に応じて変更する制御手段を有することを特徴とする
風力発電装置の風車構造。
前記固定部が表プレートと裏プレートを具備しかつこれらのプレート間に空洞部を形成しており、前記可動部が後退する際に該固定部の該空洞部内に収納されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置の風車構造。
前記制御手段が、前記羽根支持部に回動可能に固定されかつ前記固定部の前記空洞部内を放射方向に延びる雄ねじロッドと、風速を検知するセンサと、該センサの出力に応じて該雄ねじロッドを回動する駆動手段と、前記可動部に固定されかつ該雄ねじロッドと螺合する雌ねじプレートとを有し、
前記雄ねじロッドの回動と共に前記雌ねじプレートが該雄ねじロッドに沿って移動することにより該可動部の突出長さが風速に応じて変更され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の風車構造。
前記固定部に設けたベアリングと、該ベアリングに対し嵌合可能であって前記可動部に設けたレールとを有し、前記可動部が突出後退する際に該レールが該ベアリングと嵌合しつつ移動す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の風車構造。