JP2005194918A

JP2005194918A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2005194918A
Application number: JP2004000859A
Authority: JP
Inventors: Minoru Suzuki; 稔鈴木
Original assignee: SAASU ENGINEERING KK
Current assignee: SAASU ENGINEERING KK
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2024-01-06
Also published as: JP4546097B2

Abstract

【課題】増速機を廃止すると共に、風車一台あたりの出力の向上を図った風力発電装置を提供する。
【解決手段】支柱１１の上端部に支持され、鉛直方向を回転軸に回転可能に設けられたナセル１２と、ナセルの風向１６の風上側に設けられ、複数の翼１３Ａと風車ロータ１４Ａとを有する第１風車１５Ａと、ナセルの風下側に設けられ、複数の翼１３Ｂと風車ロータと１４Ｂを有する第２風車１５Ｂと、第１風車および第２風車から伝達される回転動力により回転される発電機とを具備してなり、第１風車と第２風車とを同一軸心に配置し、夫々の回転方向が異なるように回転させてなると共に、第１風車と第２風車とを反転連結する反転連結装置８０を有してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置に関し、特に、風力をより効率よく電力に変換する風力発電装置に関する。

風車は、自然エネルギーから回転動力を生成するために古くから利用され、近年、風力を電力に変換する風力発電装置が広く利用されている。その風力発電装置は、風力を回転に変換する風車と、回転を電力に変換する発電機とを備えている。
従来の風力発電装置の概略を図７に示す。図７に示すように、風力発電装置は、風力を有効に受けるために、地上の基台１０に設置された支柱１１の上部にナセル１２が設けられ、このナセル１２上の風上側に位置して風力を受けて回転する翼１３と該翼の回転により回転される風車ロータ１４とからなる風車１５が取付けられている。

前記ナセル１２は、鉛直方向を回転軸に回転可能に支柱１１に支持されている。風車ロータ１４は、図示しない軸受を介して回転軸を中心にして回転可能にナセル１２に支持されている。ナセル１２は、回転軸が風向１６と平行になるように支柱１１に対して回転する。

そして、風車１５は図示しない翼動力伝達軸を介して発電機に連結され、翼１３が風力を受けて回転すると、その回転動力が発電機を回して発電を行うようになっている。また、従来の大型風車の回転数は毎分１０〜５０回転と低速回転であるため、汎用の交流発電機の所要回転数を確保するために増速機を設けている場合がある（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−３４２９４２号公報

特許文献１のような風車１５の回転動力の向上を図るために設けた、例えば遊星歯車などの増速機は、その回転駆動により周囲に対して騒音が問題となる。特に、例えば居住地域の近傍に設置するような場合には問題となる。

また、風車は良好な風を必要とするが、特にわが国のような複雑な地形の場合には、その設置場所が限定されるので、設置場所における一台あたりの出力の向上及びコンパクト化が望まれている。

また、一般に大型風車の立ち上がり風速がその風車の性能を左右し、限りなく低域風速での回転の始動を可能ならしめることが課題ともされている。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、増速機を廃止すると共に、風車一台あたりの出力の向上を図った風力発電装置を提供することにある。

前記課題を解決する本発明の第１の発明は、基台と、該基台に対し鉛直方向に設けられた支柱と、該支柱の上端部に支持され、鉛直方向を回転軸に回転可能に設けられたナセルと、該ナセルの風上側に設けられ、複数の翼と風車ロータとを有する第１風車と、前記ナセルの風下側に設けられ、複数の翼と風車ロータとを有する第２風車と、第１風車および第２風車から伝達される回転動力により回転される発電機とを具備してなると共に、第１風車と第２風車とを同一軸心に配置し、それぞれの風車の回転方向が異なるように回転させてなることを特徴とする風力発電装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記第１風車と第２風車とを反転連結する反転連結装置を有し、第１風車と第２風車とを同期反転してなることを特徴とする風力発電装置にある。
風車の性能は、立ち上がり風速が低い程、高効率稼動を達成する。そこで本発明のように揚力が対象に作用する反転する第１風車と第２風車の夫々を連結した機構によれば、翼揚力の相乗効果を低域風速で風車の回転を速やかに立ち上げる機能を提供することができる。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記発電機は、前記風車ロータに結合されてなる発電機ロータと、該発電機ロータに周設された回転子と、該回転子が回転する外側に配置されたナセルに設けられた固定子とからなることを特徴とする風力発電装置にある。

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記第１風車と第２風車の翼のピッチを各々可変自在とする翼ピッチ調整装置をナセル内に有することを特徴とする風力発電装置にある。

本発明の構成によれば、風向きに対して２台の風車を設けるようにし、夫々の風車の翼の回転を異なるようにするので、風上側風車の渦流による風下風車の翼揚力向上要素の相対的な風向が翼仰角の増加効果をもたらし、風下側風車の単独出力が風上側風車の出力を上回る二重反転風車の相乗効果により、一台の風車で二台分以上の発電能力の向上を図ることができる。

また、第１風車と第２風車とを反転連結装置により連結し、両風車を同期反転させて発電効率を平準化させることにより、２倍以上の発電効率を達成することができる。
また、反転連結装置によって風車を同期させることにより、回転数は常に同一となるので、送電系統への電力制御装置が単純な構成とすることができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１乃至図３に基づき本実施例にかかる風力発電装置について説明する。図１は風力発電装置の正面図、図２はその側面図、図３は風力発電装置の要部構造断面図である。

図１に示すように、本実施例にかかる風力発電装置１００は、基台１０と、該基台１０に対し鉛直方向に設けられた支柱１１と、該支柱１１の上端部に支持され、鉛直方向を回転軸に回転可能に設けられたナセル１２と、該ナセル１２の風向１６の風上側に設けられ、複数の翼１３Ａと風車ロータ１４Ａとを有する第１風車１５Ａと、前記ナセル１２の風下側に設けられ、複数の翼１３Ｂと風車ロータ１４Ｂを有する第２風車１５Ｂとを、第１風車１５Ａおよび第２風車１５Ｂから伝達される回転動力により回転される図示しない発電機とを具備してなり、第１風車１５Ａと第２風車１５Ｂとを同一軸心に配置し、それぞれの回転方向が異なるように回転させてなると共に、前記第１風車と第２風車とを反転連結する反転連結装置８０を有し、第１風車１５Ａと第２風車１５Ｂとを同期反転してなるものである。

本実施例では第１風車の翼１３Ａの回転を右回転とするとともに、第２風車の翼１３Ｂの回転を左回転とするように、翼角度を後述する角度調整モータにより調整している。

図３は本実施例にかかる風力発電装置１００の風車ロータ１４Ａ，１４Ｂとナセル１２の内部構成を示す概略図である。なお、第１風車１５Ａと第２風車１５Ｂとは翼の回転方向が異なるだけであり、その他の構成は同一であり、左右対称となっており、符合の後にＡを付したのが第１風車１５Ａの構成部材を示し、符合の後にＢを付したのが第２風車１５Ｂの構成部材を示し、第１風車側の説明をすることで第２風車側の重複した説明は省略する。

図３に示すように、ナセル１２の軸方向の両端開口部１２Ａの近傍に設けたフランジ６１Ａには、軸受６２Ａを介して、発電機ロータ６３Ａが回転自在に支持されている。
前記発電機ロータ６３Ａには、回転子６４Ａが設けられており、該回転子６４Ａの外周側のナセル端部の開口部６５Ａの内側に固定子６６Ａが設けられている。

また、前記発電機ロータ６３Ａは、風車ロータ１４Ａと一体に連結されており、該風車ロータ１４Ａには、翼１３Ａのピッチを可変させる軸受６７Ａが設けられている。

前記翼１３Ａのピッチを可変自在とするには、角度調整モータ６８Ａと、水平移動を回転部へ連結する軸受６９Ａと、該軸受６９Ａの回転を翼１３Ａへ伝達する変節機７０Ａとの作動により行うようにしている。この翼１３Ａのピッチを可変させることにより、風の方向に応じて常に一定回転を維持することを可能としている。
なお、本実施例では翼１３Ａの翼角は±の変節機構を備えている。

前記ナセル１２の開口端部１２Ａの近傍に設けたフランジ６１Ａに設けた軸受８１Ａを介して、連結軸８２Ａが回転自在に支持されている。該連結軸８２Ａの一方の端部（第１風車１５Ａ側端部）には、ピニオンギヤー８３Ａが設けられ、発電機ロータ６３Ａの端部に周設されたロータギヤー８４Ａと噛み合うようになっている。一方、連結軸８２Ａの他方の端部（第２風車側端部）には第１かさ歯車８５Ａが設けられている。

また、一方の第２風車１５Ｂも同様に、第２かさ歯車８５Ｂが連結軸８２Ｂの端部（第１風車側端部）に設けられている。そして、鉛直軸方向を軸とする第３かさ歯車８６を用いて第１かさ歯車８５Ａと第２かさ歯車８５Ｂとを噛合わせることで反転連結し、第１風車１５Ａと第２風車１５Ｂとを反転連結している。

すなわち、ロータギヤー８４Ａ、８４Ｂとピニオンギヤー８３Ａ、８３Ｂとからなる歯車機構から連結軸８２Ａ、８２Ｂを介して第１乃至第３のかさ歯車８５Ａ，８５Ｂ，８６で反転連結し、第１風車１５Ａと第２風車１５Ｂとが同期反転するようにしている。

また、前記第１乃至第３のかさ歯車８５Ａ，８５Ｂ，８６は、ギヤーボックス８７内に設けられており、軸受８８Ａ，８８Ｂ，８９を介して軸支されている。

また、連結軸８２Ａには、トルク検出器９０Ａが設けられており、トルクリミッター９１Ａにより連結軸に過剰な負担がかからないようにしている。

また、図４に示すように、かさ歯車８６の軸９２の鉛直軸方向端部（本実施例では頂部側）には、ブレーキディスク９３が設けられ、ブレーキユニット９４の作動により、必要に応じて軸を制動するようにしている。なお、図６中、符号９５は軸９２を軸支する軸受であり、９６はエンコーダを各々図示する。

本実施例では、前記反転連結装置８０は、連結軸８２Ａ，８２Ｂ、かさ歯車８５Ａ，８５Ｂ，８６から構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。

以上のような構成による風力発電装置１００が風を受けると、第１風車１５Ａは回転し、第２風車１５Ｂは第１風車１５Ａの角速度より大きい角速度で回転する。すなわち、図５に示すように、風向１６の風上側の第１風車１５Ａの翼１３Ａの渦流による風下側の第２風車１５Ｂの翼１３Ｂの揚力向上要素の相対的な風向が翼仰角の増加効果をもたらすことになり、第２風車１５Ｂの方の回転が増大する。

前記相対的な回転増大効果は第２風車１５Ｂの回転が、第１風車１５Ａの回転の1.2〜1.3倍程度となる。よって、単純に一台の風車発電装置において一機の風車のみを用いて発電する場合に比べて、２倍以上の高効率化を図ることができる。

さらに、本実施例では、風下側の第２風車１５Ｂの単独出力が風上側の第１風車１５Ａの出力を上回る二重反転風車の相乗効果を同期反転連結装置８０により、両者の発電機の効力を平準化させることとなる。すなわち、第２風車側の回転に第1風車側の回転が一致することとなる。この結果、各単独風車エネルギーを１台の風車に比べて2.2〜2.6倍以上に活用することができる。

また、同期反転連結装置８０により連結軸８２Ａ，８２Ｂを同期することで、両者の風車ロータ１４Ａ、１４Ｂが反転して回転しているものの各トルクと回転数は常に同一になり、周波数が同一となり、送電系統への電力制御システムを単純な構成とすることができる。

この二重反転風車の相乗効果を発揮するための第１風車１５Ａの翼径と第２風車１５Ｂの翼径とは略同一とするのが好ましいいが、いずれか一方が他方の数倍程度大径であってもよい。

また、風下側の第２風車の回転が最大限となるように、図５に示すように、第１風車１５Ａ側の翼回転面７１Ａと第２風車１５Ｂ側の翼回転面７１Ｂとの間隔Ｌは、最大翼弦長の６〜９倍程度であるが、特に限定解釈されるものではなく、本発明の範囲内で適宜設計変更可能である。

本実施例にかかる風力発電装置１００は、第１風車１５Ａ、第２風車１５Ｂが支柱１１の風上と風下とにそれぞれ配置される両振り型であり、支柱１１の上に配置される機器の重量のバランスがよい点で特に好ましいものとなる。

また、高トルク回転部に同期発電機を備え、発電機ロータ６３Ａ，６３Ｂに具備したギヤー８４Ａ，８４Ｂによりピニオンギヤー８３Ａ，８３Ｂを介して増速低トルク軸系に同期反転連結機構と、風力発電装置の小型化した制動制御装置の装備を容易ならしめている。これにより、主動力軸系の増速機の装備を不要としており、周囲に対しての騒音の発生を防止している。

さらに、両風車は角度調整モータ６８Ａ，６８Ｂによるそれぞれ独立した可変ピッチ機構を有しており、風の状況に応じた翼ピッチ制御を行っており、高効率域での運転を容易にしている。

本実施例によれば、風向きに対して２台の風車１５Ａ，１５Ｂを設けるようにし、それぞれの翼１３Ａ，１３Ｂの回転を異なるようにするので、風上側の第１風車１５Ａの渦流による風下側の第２風車の翼揚力向上要素の相対的な風向が翼仰角の増加効果をもたらし、風下側の第２風車の単独出力が風上側の第１風車の出力を上回る二重反転風車の相乗効果により、一台の風車で二台分以上の発電能力の向上を図ることができる。

図６に基づき本実施例にかかる風力発電装置について説明する。図６は本実施例にかかる風力発電装置の要部構造断面図である。なお、第１実施例の部材と同一部材については同一符号を付してその説明は省略する。

図６に示すように、本実施例にかかる風力発電装置２００は、第１の実施例の風力発電装置において、反転連結装置８０を設置することなく、第１風車１５Ａと第２風車１５Ｂの回転を各々独立するようにしたものである。

前述したように、前記相対的な回転増大効果は第２風車１５Ｂの回転が、第１風車１５Ａの回転の1.2〜1.5倍程度となる。よって、単純に一台の風車発電装置において一機の風車のみを用いて発電する場合に比べて、２倍以上の高機能化を図ることができる。

また、同期反転連結装置８０を設けることがないので、装置の簡素化をはかることができる。この結果、風下側の第２風車１５Ｂの単独出力が風上側の第１風車１５Ａの出力を上回る二重反転風車の相乗効果が発揮され、一台の風車で二台分以上の発電能力の向上を図ることができ、狭い設置場所においても、効率的な発電が可能となる。

なお、本実施例では、第１風車１５Ａと第２風車１５Ｂとの回転は各々異なるので、図示しない発電機での周波数を調整する調整装置が必要となる。

以上のように、本発明にかかる風力発電装置は、自然エネルギーから回転動力を生成する風力を電力に変換する風力発電装置などに用いて適している。

本発明の第１の実施例における風力発電装置の正面図である。本発明の第１の実施例における風力発電装置の側面図である。本発明の第１の実施例における風力発電装置の要部構造断面図である。図３の一部拡大概略図である。本発明の第１の実施例における第１風車と第２風車の翼角度と仰角を説明する図である。本発明の第２の実施例における風力発電装置の要部構造断面図である。従来技術にかかる風力発電装置の概略図である。

符号の説明

１００，２００風力発電装置
１０基台１１支柱
１２ナセル
１３Ａ，１３Ｂ翼１４Ａ，１４Ｂ風車ロータ
１５Ａ第１風車１５Ｂ第２風車

Claims

基台と、
該基台に対し鉛直方向に設けられた支柱と、
該支柱の上端部に支持され、鉛直方向を回転軸に回転可能に設けられたナセルと、
該ナセルの風上側に設けられ、複数の翼と風車ロータとを有する第１風車と、
前記ナセルの風下側に設けられ、複数の翼と風車ロータとを有する第２風車と、
第１風車および第２風車から伝達される回転動力により回転される発電機とを具備してなると共に、
第１風車と第２風車とを同一軸心に配置し、それぞれの風車の回転方向が異なるように回転させてなることを特徴とする風力発電装置。
第１風車と第２風車とを反転連結する反転連結装置を有し、第１風車と第２風車とを同期反転してなることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
発電機は、
風車ロータに結合されてなる発電機ロータと、
該発電機ロータに周設された回転子と、
該回転子が回転する外側に配置されたナセルに設けられた固定子とからなることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の風力発電装置。
第１風車と第２風車の翼のピッチを各々可変自在とする翼ピッチ調整装置をナセル内に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電装置。