JP2005299523A

JP2005299523A - 風力発電装置

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Publication number: JP2005299523A
Application number: JP2004117523A
Authority: JP
Inventors: Hideo Iwami; 秀雄岩見
Original assignee: NAIGAI SPECIAL ENG CO Ltd
Current assignee: NAIGAI SPECIAL ENG CO Ltd
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2024-04-13
Also published as: JP4509633B2

Abstract

【課題】極めて簡易な構成で、風力が変化してもほぼ一定の電気エネルギが効率的に得られ、強風による羽根の破損も防止できる装置を提供する。
【解決手段】保持台板２６上に支持された水平回転軸１０、水平回転軸に取着された翼車１２、発電機３６、伝動機構３８〜４４および方向舵５０を備える。翼車１２を、水平回転軸１０に固着された固定カラー１４、固定カラーに放射状に固着された複数本の風上側取付棒１８、水平回転軸に対し摺動自在に取着された可動カラー１６、可動カラーに放射状に、風上側取付棒と角度位置をずらして固着された複数本の風下側取付棒２０、風上側取付棒と風下側取付棒との間に張設された複数枚の羽根２２、および、風力が大きいほど風上側取付棒から風下側取付棒が離間しかつ風上側取付棒と風下側取付棒との角度位置のずれが小さくなるように可動カラーを移動および回動させる機構を備えて構成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、風の力により翼車を回転させて、その回転のエネルギを電気エネルギに変換する風力発電装置に関する。

この種の風力発電装置としては、従来から様々な種類のものが考案され、各種型式のものが提案され製作されている。それらのうち、作動時に風の方向に沿う水平回転軸を持つ水平軸型の風力発電装置は、一般に、２〜４枚程度の羽根を有するプロペラ（翼車）を水平回転軸に固着し、水平回転軸を回転自在に軸受によって支持するとともに、水平回転軸の回転のエネルギが発電機によって電気エネルギに変換されるようにし、軸受および発電機を保持した保持部材（ケーシング）を鉛直軸周りに回転自在に支柱上に支持し、プロペラが固着された水平回転軸が常に風向に沿うようにする機構を備えて構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２９５３６２号公報（第３−５頁、図１Ａ、Ｂ、Ｃ、図２−４）

従来の風力発電装置のうちの多くのものは、風の力を如何に効率良く電気エネルギに変換するか、といった観点から開発されている。また、従来の風力発電装置では、金属やプラスチック材料などで形成された羽根の角度を調節することにより、風力（風速）の変化に対してプロペラの回転数をほぼ一定にする、といった工夫もなされている。さらに、強風による羽根の破損を防止するような安全機構についても、種々検討されている。しかしながら、従来のそれらの機構は、複雑化したものが多い。また、従来の風力発電装置では、羽根などが破損すると、その修理に手間と時間がかかり、修理費用も高くなる、といった問題点がある。

この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、極めて簡易な構成でありながら、風力が変化してもほぼ一定の電気エネルギが効率的に得られ、強風による羽根の破損も防止することができ、例え羽根などが破損したとしても、その修理が簡単で費用も余りかからない風力発電装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、保持部材に水平姿勢でかつ回転自在に支持された回転軸と、この回転軸に取着され風の力を受けて回転軸と一体的に回転する翼車と、回転のエネルギを電気エネルギに変換する発電機と、前記回転軸の回転動力を前記発電機の回転子に伝達する伝動機構と、前記回転軸を風向に沿わせるように水平面内で回動させる向き調整機構と、を備えた風力発電装置において、前記翼車を、前記回転軸に固着された固定部材と、この固定部材に放射状にかつ円周方向に等配されて固着された複数本の風上側取付棒と、前記回転軸の、前記固定部材の後方側に、固定部材と間隔を設け回転軸に対して摺動自在に取着された可動部材と、この可動部材に放射状にかつ円周方向に等配され、前記各風上側取付棒にそれぞれ対応するようにかつ風上側取付棒と角度位置をずらして固着された、風上側取付棒と同数本の風下側取付棒と、前記各風上側取付棒と前記各風下側取付棒との間にそれぞれ張設された複数枚の羽根と、これらの羽根が受ける風力が大きいほど前記風上側取付棒から前記風下側取付棒が離間するようにかつ風上側取付棒とそれに対応する風下側取付棒との角度位置のずれが小さくなるように、前記回転軸に対し前記可動部材を移動および回動させる回転数自動調整機構と、を備えて構成したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の風力発電装置において、前記回転数自動調整機構が、前記回転軸の外周面に、回転軸の軸線方向に沿いながら捩れるように穿設された案内溝と、前記可動部材に固着され先端部が前記案内溝に対し摺動自在に嵌合した係合ピンと、前記可動部材を前記固定部材に対して接近させるように付勢する弾発手段と、により構成されたことを特徴とする。

請求項１に係る発明の風力発電装置においては、風力が大きくなると、翼車の風上側取付棒と風下側取付棒との間に張設された羽根の受ける力が大きくなり、その力によって可動部材が、回転軸に固着された固定部材から遠ざかるように回転軸に対し移動しつつ回転軸の軸心線周りに回動する。これにより、風上側取付棒から風下側取付棒が離間するとともに風上側取付棒とそれに対応する風下側取付棒との角度位置のずれが小さくなって、風の進行方向から見える羽根の見掛け上の面積が小さくなる。この結果、風から羽根の受ける力が小さくなる。このため、風力が大きくなっても、翼車の回転数、したがって回転軸の回転数の増大が抑えられる。そして、風力の大きさに応じて可動部材の移動距離および回動角度が変化し、風の進行方向から見える羽根の見掛け上の面積が変化するので、風力が変化しても、回転軸の回転数の変動が抑えられる。また、回転軸の回転数の増大が抑えられるので、強風による羽根の破損が防止される。
したがって、請求項１に係る発明の風力発電装置を使用すると、風力が変化してもほぼ一定の電気エネルギを効率的に得ることができ、強風による羽根の破損も防止することができる。そして、この風力発電装置は、極めて簡易な構成を有しており、例え羽根などが破損したとしても、その修理が簡単で費用も余りかからない。

請求項２に係る発明の風力発電装置では、風力が大きくなって羽根の受ける力が大きくなると、可動部材は、弾発手段の弾発力に抗し、可動部材に固着された係合ピンの先端部が回転軸の案内溝に対し摺動しつつ案内溝により案内されて、回転軸に固着された固定部材から遠ざかるように回転軸に対し移動しつつ、回転軸の軸心線周りに回動する。これにより、風上側取付棒から風下側取付棒が離間するとともに風上側取付棒とそれに対応する風下側取付棒との角度位置のずれが小さくなって、風の進行方向から見える羽根の見掛け上の面積が小さくなる。一方、風力が小さくなって羽根の受ける力が小さくなると、可動部材は、弾発手段の付勢力が羽根の受ける力に打ち克ち、係合ピンの先端部が回転軸の案内溝に対し摺動しつつ案内溝により案内されて、固定部材に近づくように回転軸に対し移動しつつ、回転軸の軸心線周りに、前記とは逆の方向に回動する。これにより、風上側取付棒から風下側取付棒が接近するとともに風上側取付棒とそれに対応する風下側取付棒との角度位置のずれが大きくなって、風の進行方向から見える羽根の見掛け上の面積が大きくなる。
したがって、請求項２に係る発明の風力発電装置では、極めて簡易な構成により、風力の変化に伴う回転軸の回転数の変動を抑えることができ、また、回転軸の回転数の増大を抑えて、強風による羽根の破損を防止することができる。

以下、この発明の最良の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１ないし図６は、この発明の実施形態の１例を示し、図１は、風力発電装置の側面図であり、図２は、図１のII−II矢視断面図であり、図３は、図１のIII−III矢視断面図である。また、図４は、図１に示した装置の一部を拡大した部分断面図であり、図５は、図１に示した装置の一部を拡大した側面図であり、図６は、図５のVI−VI矢視断面図である。

この風力発電装置は、作動時に風の方向に沿う水平回転軸１０を備えた水平軸型の装置であって、水平回転軸１０に翼車１２が取着されており、翼車１２は、風を受けて水平回転軸１０と一体的に回転するようになっている。この翼車１２は、水平回転軸１０に固着された固定カラー１４、および、水平回転軸１０の、固定カラー１４の後方側に、固定カラー１４と間隔を設けて取着された可動カラー１６を備え、可動カラー１６は、水平回転軸１０に対して摺動自在に保持されている。固定カラー１４および可動カラー１６はそれぞれ、図２に示すように、取付け用のリブ１４ａ、１６ａおよびホイール１４ｂ、１６ｂを具備している。そして、固定カラー１４には、複数本、図示例では４本の風上側取付棒１８が放射状にかつ円周方向に等配されて固着されている。また、可動カラー１６にも、風上側取付棒１８と同数本、図示例では４本の風下側取付棒２０が放射状にかつ円周方向に等配されて固着されている。各風上側取付棒１８と各風下側取付棒２０とは、それぞれ互いに対応するようにかつ角度位置をずらして配置されている。そして、対応する風上側取付棒１８と風下側取付棒２０との間に羽根２２が張設されている。羽根２２は、例えば防水加工が施されたポリエステル、ポリビニルアセタール等の布帛で製作される。また、固定カラー１４と可動カラー１６との間には、水平回転軸１０の外周側に巻回された引っ張りコイルばね２４が介装され、引っ張りコイルばね２４の両端部が固定カラー１４および可動カラー１６にそれぞれ固着されている。したがって、可動カラー１６および風下側取付棒２０は、引っ張りコイルばね２４の弾発力により固定カラー１４および風上側取付棒１８に対して接近するように付勢される。

水平回転軸１０は、保持台板２６の上面に固設された一対の軸受２８、２８によって回転自在に支持され、保持台板２６により軸受２８を介して片持ち式に水平姿勢で保持されている。保持台板２６は、下面側には回転支軸３０が一体的に垂設されており、回転支軸３０は、支柱３２の軸心部に形設された支持孔３４に回動自在に嵌挿されている。そして、保持台板２６は、支柱３２の上端部に水平姿勢で保持され、鉛直軸周りに自由回転するようになっている。

保持台板２６上には、回転のエネルギを電気エネルギに変換する発電機３６、および、回転動力を伝達するためのギヤボックス３８がそれぞれ固設されており、発電機３６の回転子とギヤボックス３８の出力軸とが連結されている。また、水平回転軸１０に大径プーリ４０が一体的に固着され、ギヤボックス３８の入力軸に小径プーリ４２が一体的に固着されていて、両プーリ４０、４２間にベルト４４が掛け回されている。なお、図１に二点鎖線で示すように、保持台板２６の上面側はカバー４６で覆蓋され、保持台板２６とカバー４６からなるケーシング内に軸受２８、発電機３６、ギヤボックス３８などが収納される。

水平回転軸１０は、図４に示すように中空となっており、その軸心部に固定桿４８が挿通されていて、水平回転軸１０の後端面から突き出た固定桿４８の後端部に方向舵５０が固着されている。また、水平回転軸１０の前端面から突き出た固定桿４８の前端部は、保持台板２６の上面に固設されたブラケット５２に固着されており、固定桿４８は保持台板２６に対して固定されている。したがって、固定桿４８に固着された方向舵５０の作用により、水平回転軸１０を風向に沿わせるように、保持台板２６と固定桿４８とは一体となって水平面内で回動するようになっている。また、水平回転軸１０の前・後両端部（図４には前端部だけを示している）には、軸受５４がそれぞれ取着されており、その軸受５４を介して水平回転軸１０と固定桿４８とが連接している。したがって、固定桿４８に対して水平回転軸１０の回転動作が許容されるとともに、水平回転軸１０に固定桿４８が支持されている。

水平回転軸１０の後端付近の外周面には、図５に示すように、水平回転軸１０の軸線方向に沿いながら軸心線周りに捩れるように案内溝５６が穿設されている。また、図６に示すように、可動カラー１６に係合ピン５８が固着されており、その係合ピン５８の先端部が水平回転軸１０の案内溝５６に対し摺動自在に嵌合している。このような構造により、可動カラー１６は、その係合ピン５８の先端部が水平回転軸１０の案内溝５６に対し摺動しつつ案内溝５６により案内されて、水平回転軸１０に固着された固定カラー１４から遠ざかるように水平回転軸１０に対し移動しつつ水平回転軸１０の軸心線周りに回動し、また、固定カラー１４に近づくように水平回転軸１０に対し移動しつつ水平回転軸１０の軸心線周りにかつ前記とは逆の方向に回動するようになっている。

次に、上記したような構成を備えた風力発電装置における動作について説明する。
この風力発電装置の設置場所において風が吹くと、方向舵５０の作用により、保持台板２６が支柱３２に対して水平面内で回動し、水平回転軸１０の軸線方向を風の流れに沿わせ翼車１２の前面側が風上に向いた姿勢となる。そして、風力が小さいときは、図１に示すように、翼車１２の風上側取付棒１８と風下側取付棒２０との間の距離が最小となり、図２に示すように、風上側から翼車１２を見たときの羽根２２の見掛け上の面積が最大となる。このため、翼車１２の羽根２２は、風から最大限の力を受けることとなる。このとき、引っ張りコイルばね２４には特に負荷はかからない。そして、風の力によって翼車１２が水平回転軸１０と共に回転し、その回転動力が大径プーリ４０、ベルト４４、小径プーリ４２およびギヤボックス３８を経て発電機３６の回転子に伝達され、発電機３６により回転のエネルギが電気エネルギに変換されて電力が発生する。得られた電力は、例えば、バッテリに一時的に蓄えられ、インバータを介して６０Ｈｚまたは５０Ｈｚの周波数および１００Ｖの電圧に変換されて一般家庭で使用されたり、インバータを介し回生インバータを通じて電力会社へ供給されたりする。

一方、風力が大きくなると、翼車１２の羽根２２の受ける力が大きくなり、風下側取付棒２０が一体的に固着された可動カラー１６は、引っ張りコイルばね２４の弾発力（引っ張り力）に抗し、係合ピン５８の先端部が水平回転軸１０の案内溝５６に対し摺動しつつ案内溝５６により案内されて、固定カラー１４から遠ざかるように移動しつつ、水平回転軸１０の軸心線周りに回動する。これにより、図７に示すように、翼車１２の風上側取付棒１８と風下側取付棒２０との間の距離が大きくなり、図８（図７のVIII−VIII矢視断面図）に示すように、風上側取付棒１８と風下側取付棒２０との角度位置のずれが小さくなって、風上側から翼車１２を見たときの羽根２２の見掛け上の面積が小さくなる。このため、翼車１２の羽根２２が風から受ける力が低減することとなる。そして、翼車１２の羽根２２が受ける風の力と引っ張りコイルばね２４の引っ張り力とが均衡した状態となる位置に可動カラー１６が保持される。このように、風力が大きいときには、翼車１２の羽根２２が風から受ける力を低減させるように動作するため、風力が大きくなっても、翼車１２の回転数、したがって水平回転軸１０の回転数の増大が抑えられる。そして、風力の大きさに応じて可動カラー１６の移動距離および回動角度が変化し、風の進行方向から見える翼車１２の羽根２２の見掛け上の面積が変化するので、風力が変化しても、水平回転軸１０の回転数の変動が抑えられる。また、水平回転軸１０の回転数の増大が抑えられるので、強風によって羽根２２が破損される、といったことが防止される。

そして、風力が次第に小さくなって翼車１２の羽根２２の受ける力が次第に小さくなると、可動カラー１６は、引っ張りコイルばね２４の付勢力により、係合ピン５８の先端部が水平回転軸１０の案内溝５６に対し摺動しつつ案内溝５６により案内されて、固定カラー１４に近づくように移動しつつ、水平回転軸１０の軸心線周りに、前記とは逆の方向に回動する。これにより、図１に示すように、翼車１２の風上側取付棒１８と風下側取付棒２０との間の距離が小さくなり、図２に示すように、風上側取付棒１８と風下側取付棒２０との角度位置のずれが大きくなって、風上側から翼車１２を見たときの羽根２２の見掛け上の面積が大きくなる。このため、翼車１２の羽根２２は、風の力を効率良く受けることとなり、翼車１２は一定以上の回転数で回転する。

なお、上記した実施形態では、翼車１２の羽根２２が受ける風の力と引っ張りコイルばね２４の引っ張り力とを均衡させることにより、風上側から翼車１２を見たときの羽根２２の見掛け上の面積が風力の大きさに応じて自動的に調整されるようにし、風力が変化しても水平回転軸１０および翼車１２の回転数がほぼ一定となるような構成としたが、風上側から翼車１２を見たときの羽根２２の見掛け上の面積を自動的に調整する機構としては、上記実施形態のものに限定されず、例えば、翼車１２の羽根２２が受ける風の力と水平回転軸１０の回転による遠心力とを均衡させることを利用したものであってもよい。また、水平回転軸１０の回転動力を発電機３６に伝達する伝動機構や方向舵の機構、発電機３６、軸受２８などを収納するケーシングの構造、ケーシングの鉛直軸周りの自由回転機構なども、上記した実施形態のものに限定されない。

この発明の実施形態の１例を示し、風力発電装置の側面図である。図１のII−II矢視断面図である。図１のIII−III矢視断面図である。図１に示した装置の一部を拡大した部分断面図である。図１に示した装置の一部を拡大した側面図である。図５のVI−VI矢視断面図である。図１に示した装置の一部を示す側面図であって、風力が大きいときの翼車の状態を説明するための図である。図７のVIII−VIII矢視断面図である。

符号の説明

１０水平回転軸
１２翼車
１４固定カラー
１６可動カラー
１８風上側取付棒
２０風下側取付棒
２２羽根
２４引っ張りコイルばね
２６保持台板
２８軸受
３０回転支軸
３２支柱
３４支持孔
３６発電機
３８ギヤボックス
４０、４２プーリ
４４ベルト
４８固定桿
５０方向舵
５２ブラケット
５６案内溝
５８係合ピン

Claims

保持部材に水平姿勢でかつ回転自在に支持された回転軸と、
この回転軸に取着され風の力を受けて回転軸と一体的に回転する翼車と、
回転のエネルギを電気エネルギに変換する発電機と、
前記回転軸の回転動力を前記発電機の回転子に伝達する伝動機構と、
前記回転軸を風向に沿わせるように水平面内で回動させる向き調整機構と、
を備えた風力発電装置において、
前記翼車を、
前記回転軸に固着された固定部材と、
この固定部材に放射状にかつ円周方向に等配されて固着された複数本の風上側取付棒と、
前記回転軸の、前記固定部材の後方側に、固定部材と間隔を設け回転軸に対して摺動自在に取着された可動部材と、
この可動部材に放射状にかつ円周方向に等配され、前記各風上側取付棒にそれぞれ対応するようにかつ風上側取付棒と角度位置をずらして固着された、風上側取付棒と同数本の風下側取付棒と、
前記各風上側取付棒と前記各風下側取付棒との間にそれぞれ張設された複数枚の羽根と、
これらの羽根が受ける風力が大きいほど前記風上側取付棒から前記風下側取付棒が離間するようにかつ風上側取付棒とそれに対応する風下側取付棒との角度位置のずれが小さくなるように、前記回転軸に対し前記可動部材を移動および回動させる回転数自動調整機構と、
を備えて構成したことを特徴とする風力発電装置。
前記回転数自動調整機構が、
前記回転軸の外周面に、回転軸の軸線方向に沿いながら捩れるように穿設された案内溝と、
前記可動部材に固着され先端部が前記案内溝に対し摺動自在に嵌合した係合ピンと、
前記可動部材を前記固定部材に対して接近させるように付勢する弾発手段と、
により構成された請求項１記載の風力発電装置。