JP2005201071A - 舶用直線翼垂直軸型風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】船舶が動揺した場合であっても、風車が損壊するのを未然に防止できるようにする。
【解決手段】船舶に、直線翼垂直軸型の風車２と、風車２により駆動される発電機３と、風車２を強制停止させるブレーキ手段８と、風向・風速計１１と、風車２の回転軸１５における傾きの角速度を計測するためのジャイロセンサ１２と、ブレーキ手段８およびサーボコントローラ１３を制御する制御手段１０とを設ける。風速が上限設定値（例えば２５ｍ／ｓｅｃ）以上となった場合、および回転軸１５の傾きの角速度が設定値（例えば５°／ｓｅｃ）以上となった場合に、ブレーキ手段８を作動させて風車２を強制的に停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、舶用直線翼垂直軸型風力発電装置に係り、特に船舶が動揺した際の風車の損壊を未然に防止することができる舶用直線翼垂直軸型風力発電装置に関する。

従来から、直線翼垂直軸型の風車を用いた風力発電装置は、一般に知られている。
特許第３３６８５３７号

前記従来の直線翼垂直軸型風力発電装置においては、風車が地上に設置されることを前提として設計しているため、これを船舶に適用した場合には、風車に無理な力が加わって風車が損壊するおそれがある。

すなわち、従来の風力発電装置における風車は、回転軸が垂直であることを前提として設計がなされているため、ロータアームは、ブレードの回転時の遠心力に耐えることおよびトルクを回転軸に伝えることのみを考慮して設計すればよく、その断面形状は、回転時の空気抵抗を減らすために、薄い翼型が採用されている。

ところが船舶に搭載される風力発電装置の場合には、船舶の動揺によって風車にジャイロモーメントが作用することになるため、ロータアームに曲げモーメントが作用して風車が損壊するおそれがある。

これを防止する方法としては、風車の径を小さくしてロータアームの本数を増やすことが考えられるが、これらの防止策は、いずれも風車の機能低下に繋がるため一定の制限がある。

本発明はかかる現況に鑑みなされたもので、風車の機能低下を最少限に抑えつつ、風車の損壊を未然に防止することができる舶用直線翼垂直軸型風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、突風が吹いたような場合であっても、風車の損壊を未然に防止することができる舶用直線翼垂直軸型風力発電装置を提供するにある。

本発明の他の目的は、弱い風であっても風車を効率よく回転させて発電効率を向上させることができる舶用直線翼垂直軸型風力発電装置を提供するにある。

本発明の他の目的は、装置構成を簡素化して軽量化を図り、既存の船舶にも容易に適用できる舶用直線翼垂直軸型風力発電装置を提供するにある。

本発明のさらに他の目的は、ロータアームの剛性を向上させてロータアームの本数の増加を抑制し、風車を軽量化して発電効率を向上させることができる舶用直線翼垂直軸型風力発電装置を提供するにある。

前記目的を達成するため本発明は、船舶に設置された直線翼垂直軸型の風車と；風車の回転により駆動される発電手段と；風車の回転を停止させるブレーキ手段と；停止している風車を設定回転数まで駆動する起動手段と；風車の回転軸の傾きの角速度を検出するセンサと；風速を検出する風速計と；制御手段と；を設け、前記制御手段により、前記センサが設定値を超える角速度を検出した際に風車を停止させるようにしたことを特徴とする。

本発明はまた、制御手段により、風速計が設定値を超える風速を検出した際に風車を停止させるようにしたことを特徴とする。

本発明はまた、制御手段により、風車が停止している状態で風速計が設定値を超える風速を検出した際に風車を駆動させるようにしたことを特徴とする。

本発明はまた、発電手段と起動手段とを、機能切換機構を有する単一装置で構成するようにしたことを特徴とする。

本発明はさらに、風車を、回転軸と、回転軸から径方向に延びるロータアームと、ロータアームの先端部に取付けられたブレードとを備え、ロータアームは、断面方形状をなす本体部と、本体部の回転先端部に一体に設けられ断面円弧状をなす先端部と、本体部の回転後端部に一体に設けられ断面紡錘状をなす後端部とで構成するようにしたことを特徴とする。

以上説明したように本発明は、船舶に設置された直線翼垂直軸型の風車と；風車の回転により駆動される発電手段と；風車の回転を停止させるブレーキ手段と；停止している風車を設定回転数まで駆動する起動手段と；風車の回転軸の傾きの角速度を検出するセンサと；風速を検出する風速計と；制御手段と；を設け、前記制御手段により、前記センサが設定値を超える角速度を検出した際に風車を停止させるようにしているので、風車の機能低下を最少限に抑えつつ、風車の損壊を未然に防止することができる。

本発明はまた、制御手段により、風速計が設定値を超える風速を検出した際に風車を停止させるようにしているので、突風が吹いたような場合であっても、風車の損壊を未然に防止することができる。

本発明はまた、制御手段により、風車が停止している状態で風速計が設定値を超える風速を検出した際に風車を駆動させるようにしていているので、弱い風であっても風車を効率よく回転させて発電効率を向上させることができる。

本発明はまた、発電手段と起動手段とを、機能切換機構を有する単一装置で構成するようにしているので、装置構成を簡素化して軽量化を図り、既存の船舶にも容易に適用できるようにすることができる。

本発明はさらに、風車を、回転軸と、回転軸から径方向に延びるロータアームと、ロータアームの先端部に取付けられたブレードとを備え、ロータアームは、断面方形状をなす本体部と、本体部の回転先端部に一体に設けられ断面円弧状をなす先端部と、本体部の回転後端部に一体に設けられ断面紡錘状をなす後端部とで構成するようにしているので、ロータアームの剛性を向上させてロータアームの本数の増加を抑制し、風車を軽量化して発電効率を向上させることができる。

以下、本発明を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の一形態に係る舶用直線翼垂直軸型風力発電装置を示すもので、この風力発電装置１は、図示しない船舶に設置された直線翼垂直軸型の風車２と、この風車２の回転により駆動される発電機３とを備えており、この発電機３は、内部機構の切換えにより、停止中の風車２を起動するモータとしても使用できるようになっている。すなわち、発電機３は、風車２の回転により駆動される発電手段と、停止中の風車２を設定回転数まで駆動する起動手段との２つの手段を兼ねている。

前記風車２は、図２および図３に示すように、船体４に立設された左右一対の支柱５ａと、両支柱５ａの上端間を連結する天材５ｂと、両支柱５ａの下端近傍位置間を連結する底材５ｃと、支柱５ａを支持する支持材５ｄとを有する支持枠５を備えており、この支持枠５内には、風車本体６が回転自在に支持されているとともに、前記底材５ｃ上には機器部７が設置されている。そして、この機器部７内には、図１に示すように、前記発電機３，ブレーキ手段８および風車本体６の回転数を計測する回転計９が組込まれており、前記回転計９で計測された計測値は、制御用データとして制御手段１０に送られるようになっている。

この制御手段１０にはまた、図１に示すように、風向・風速計１１およびジャイロセンサ１２からの各計測値も、制御用データとしてそれぞれ入力されるようになっており、制御手段１０は、これら各制御用データに基づき、前記ブレーキ手段８およびサーボコントローラ１３を制御し発電制御を行なうようになっている。これについては、後に詳述する。
なお、図１において、符号１４は、例えば三相ＡＣ２００Ｖの舶用電源である。

前期風車本体６は、図２および図３に示すように、回転中心に位置する回転軸１５と、回転軸１５から径方向に延びるロータアーム１６と、ロータアーム１６の先端部に取付けられたブレード１７とを備えており、この風車本体６は、ブレード１７の向きにより、どの方向からの風に対しても常に一定方向に回転するようになっている。なお、その回転原理は、この種の風車における周知技術であるので、その詳細説明は省略する。

前記ロータアーム１６は、図４に示すように、断面方形の箱型をなす本体部１６ａと、本体部１６ａの回転先端部に一体に設けられ断面円弧状をなす先端部１６ｂと、本体部１６ａの回転後端部に一体に設けられ断面防錘状をなす後端部１６ｃとで構成されており、断面が薄い翼型でなく、前記本体部１６ａが断面方形の箱型をなしていることにより、ロータアーム１６に負荷される曲げ方向の外力に対する耐力を、大幅に向上させることができるようになっている。

前記ブレーキ手段８は、図５および図６に示すように、前記回転軸１５の下端部に取付けられたディスク８ａと、このディスク８ａ周りの周方向４箇所に配された例えば空気圧作動のブレーキパッド８ｂとで構成されており、このブレーキ手段８は、後に詳述するように、回転軸１５が、予め設定された設定値を超える角速度で傾いた場合や、風向・風速計１１が、予め設定された設定値を超える風速を計測した場合に作動し、回転軸１５を強制的に停止させて風車本体６の損壊を未然に防止できるようになっている。

前記回転軸１５のディスク８ａの直近上方位置には、図５および図６に示すように、大プーリ１８が取付けられており、この大プーリは、前記発電機３の入出力軸３ａに取付けられた小プーリ１９と、無端ベルト２０を介して連動連結されている。そして、この大プーリ１８は、発電機３を発電手段として使用する際には、回転軸１５の回転を発電機３の入出力軸３ａに伝えて発電を行なうとともに、発電機３を起動手段として使用する際には、前記入出力軸３ａの回転を回転軸１５に伝えて回転軸１５を駆動できるようになっている。

図７および図８は、自動運転開始時および停止時における動作をそれぞれ示す流れ図であり、以下これら両流れ図を参照して、本実施の形態の作用を説明する。
風車２の運転開始に際しては、まず図７のステップＳ１において、風速が上限設定値（例えば２５ｍ／ｓｅｃ）を下廻っているか否かを判別する。具体的には、図１に示す制御手段１０が、風向・風速計１１からの計測値を制御用データとして取込み、この制御用データと上限設定値とを比較する。そして、風速が上限設定値を下廻っている場合には、次のステップＳ２を実行する。

ステップＳ２においては、回転軸１５の傾きの角速度が設定値（例えば５°／ｓｅｃ）を下廻っているか否かを判別する。具体的には、図１に示す制御手段１０が、ジャイロセンサ１２からの計測値を制御用データとして取込み、この制御用データと設定値とを比較する。そして、回転軸１５の傾きの角速度が、設定値を下廻っている場合には、次のステップＳ３を実行する。

ステップＳ３においては、風速が下限設定値（例えば５ｍ／ｓｅｃ）以上であるか否かを判別する。具体的には、図１に示す制御手段１０が、風向・風速計１１からの計測値を制御用データとして取込み、この制御用データと下限設定値とを比較する。そして、風速が下限設定値以上である場合には、ステップＳ４において、ブレーキ手段８をＯＦＦにする。

ところでこの際、充分な風速がある場合には、風車本体６はブレーキ手段８をＯＦＦにしただけで、発電に充分な速度で回転し始めることになるが、下限設定値あるいはこれに近い風速の場合には、風車本体６は回転しないか、あるいは回転しても極めて緩慢な速度でしか回転しないことになる。

そこで、本実施の形態においては、ステップＳ４でブレーキ手段８をＯＦＦにしたならば、ステップＳ５において、風車本体６が設定回転数（例えば５３ｒｐｍ）以上で回転しているか否かを判別する。具体的には、図１に示す制御手段１０が、回転計９からの計測値を制御用データとして取込み、この制御用データと設定回転数とを比較する。そして、回転軸１５の回転数が設定回転数を下廻っている場合には、ステップＳ６において、回転軸１５を強制的に回転させる。具体的には、図１に示す発電機３の機能をモータ側に切換えた後、この発電機３を用いて、回転軸１５を強制的に回転させる。

この強制回転により、回転軸１５の回転数が設定回転数以上となったならば、ステップＳ７において、回転軸１５の強制回転を解除する。具体的には、図１に示す発電機３の機能を、発電機側に切換て風力発電を行なう。

一方、回転している風車２を停止させる際には、まず図８のステップＳ１１において、風速が上限設定値以上か否かを判別する。具体的には、図１に示す制御手段１０が、風向・風速計１１からの計測値を制御データとして取込み、この制御用データと上限設定値とを比較する。そして、風速が上限値を下廻っている場合には、次のステップＳ１２を実行する。

ステップＳ１２においては、回転軸１５の傾きの角速度が、設定値以上であるか否かを判別する。具体的には、図１に示す制御手段１０が、ジャイロセンサ１２からの計測値を制御用データとして取込み、この制御用データと設定値とを比較する。そして、回転軸１５の傾きの角速度が、設定値を下廻っている場合には、次のステップＳ１３を実行する。

ステップＳ１３においては、風車２が停止しているか否か判別する。そして、仮令設定回転数未満であっても、風車本体６が回転している場合には、ステップＳ１１に戻って前述の判別を繰返す。

一方、ステップＳ１１における判別で、風速が上限設定値以上となった場合、あるいはステップＳ１２における判別で、回転軸１５の傾きの角速度が設定値以上となった場合、さらにはステップＳ１３における判別で、風車２が停止していることが判った場合には、ステップＳ１４において、ブレーキ手段８をＯＮにし、風車２を強制的に停止させる。

ところで、風車２を停止させる条件の１つとして、回転軸１５の傾きの角速度が設定値以上か否かを要件としているのは、以下の理由による。
すなわち、風車本体６が回転している状態において、回転軸１５がゆっくり傾いた場合には、風車本体６全体が無理なく傾くことになるため特に問題はないが、回転軸１５が急激な速度で傾いた場合には、ブレード１７は慣性の法則により、回転軸１５が傾く方向とは別の方向に傾こうとするので、ロータアーム１６に大きな曲げ応力が作用し、ロータアーム１６が破損したり変形するおそれがあるからである。

しかして、風速が上限設定値以上となった場合はもとより、回転軸１５の傾きの角速度が、設定値以上となった場合にも、風車２を強制的に停止させるようにしているので、風車２の損壊を未然に防止することができる。

以上のように、本発明に係る舶用直線翼垂直軸型風力発電装置は、船舶に搭載する風力発電装置として有用であり、特に船舶が動揺した際の風車の損壊を未然に防止することができる風力発電装置として適している。

本発明の実施の一形態に係る舶用直線翼垂直軸型風力発電装置を示す全体構成図である。 図１に示す風車の詳細図である。 図２の右側面図である。 図２に示すロータアームの拡大断面図である。 図２の機器部の内部構造を示す詳細図である。 図５の平面図である。 自動運転開始時の動作を示す流れ図である。 自動運転停止時の動作を示す流れ図である。

符号の説明

１ 風力発電装置
２ 風車
３ 発電機
３ａ 入出力軸
４ 船体
５ 支持枠
６ 風車本体
７ 機器部
８ ブレーキ手段
９ 回転計
１０ 制御手段
１１ 風向・風速計
１２ ジャイロセンサ
１３ サーボコントローラ
１４ 舶用電源
１５ 回転軸
１６ ロータアーム
１６ａ 本体部
１６ｂ 先端部
１６ｃ 後端部
１７ ブレード
１８ 大プーリ
１９ 小プーリ
２０ 無端ベルト

Claims (5)

1. 船舶に設置された直線翼垂直軸型の風車と；風車の回転により駆動される発電手段と；風車の回転を停止させるブレーキ手段と；停止している風車を設定回転数まで駆動する起動手段と；風車の回転軸の傾きの角速度を検出するセンサと；風速を検出する風速計と；制御手段と；を備え、前記制御手段は、前記センサが設定値を超える角速度を検出した際に風車を停止させることを特徴とする舶用直線翼垂直軸型風力発電装置。
2. 制御手段は、風速計が設定値を超える風速を検出した際に風車を停止させることを特徴とする請求項１記載の舶用直線翼垂直型風力発電装置。
3. 制御手段は、風車が停止している状態で風速計が設定値を超える風速を検出した際に風車を駆動させることを特徴とする請求項１または２記載の舶用直線翼垂直軸型風力発電装置。
4. 発電手段と起動手段とは、機能切換機構を有する単一装置で構成されていることを特徴とする請求項１，２または３記載の舶用直線翼垂直軸型風力発電装置。
5. 風車は、回転軸と、回転軸から径方向に延びるロータアームと、ロータアームの先端部に取付けられたブレードとを備え、ロータアームは、断面方形状をなす本体部と、本体部の回転先端部に一体に設けられ断面円弧状をなす先端部と、本体部の回転後端部に一体に設けられ断面紡錘状をなす後端部とを備えていることを特徴とする請求項１，２，３または４記載の舶用直線翼垂直軸型風力発電装置。

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