JP2005299626A - 昇降ローター式風力原動機による風力発電システムユニット。 - Google Patents

Abstract

【課題】不安定な風力エネルギーを効率良く利用し、大規模施設、設置条件等、低普及率の風力発電を、省スペース省コストで設置可能とし、需要電力補助と、地球温暖化につながる環境汚染等の軽減を目的とする。
【解決手段】風量の増減に伴い、風力原動機であるユニットハウジング内の昇降ローターを、フライホイールの慣性力、ガバナウエイトのパンタグラフ効果とテコの応用、発電機の発電抵抗を利用し、回転軸上を昇降させる事により適正回転数を得、蓄電池の併用で比較的安定した電力供給と、強風下においても発電運転を継続し、且つ本体並びに発電機の破損を防ぎ、簡素な構造で製造コスト、ランニングコストを軽減させ、風力原動機、発電機、電力変換機、充電機、蓄電池、等を同一ケースハウジング内にセットし、移動設置が短期間で可能な風力発電システムユニットとし、需要電力補助、地球温暖化につながる環境汚染等の軽減の目的を達成するものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、駆動軸にボールスライド・スプラインシャフトを使用した、昇降ローター式風力原動機を使用し、一定しない風力エネルギーの下においても、比較的安定した発電を行い、また、短期間で移動設置が可能な事を特徴とした、発電システムユニットに関するものである。

従来、風力発電は、エネルギー密度が低いため、安定した風力地域での設置と、大規模な施工技術が必要なため、普及に関し解決すべき課題が多くある。

また、安定した発電力を得る為に、複雑な機械的、また、電気的な補助機能を必要とし、それにより、製作コスト及び保守点検等の、ランニングコストにかかる費用等の面から見ても、着手が困難と思われる。（例えば特許文献１参照）
特開２０００−１６１１９６号広報（第５項、図１）

風力原動機としてのローターは回転駆動力の強弱が激しく、単に回転軸上を移動する手段としての摺動抵抗軽減を目的としたボールスプラインシャフトでは、駆動軸等の破損リスクが多いと思われる。
特開平５−５７６６２号広報（第１項、図中番号２２１、ボールスプラインに関する図面）

以上に述べた、従来の風力発電システムに於いては、エネルギー密度が低く不安定な風向風力を、最大限活用すべく大規模で複雑な設備にならざるを得なかった。
故に、短期間で移動設置が困難で、更には製作コスト及び保守点検等の、ランニングコストにかかる費用等、問題点も少なくは無いものである。

また、不安定な風向風力のため、急激な風力低下（風の息継ぎ現象）による発電電力のバラツキも有し、更には、台風等の非常に強い風力下においては、施設保護のため発電運転自体を、放棄せざるを得ない等の問題点も有するものである。

本発明は、このような従来のシステムにおいての、様々な問題点を解決しようとするものであり、電力供給に必要な風力原動機、駆動力制御機能、発電機、電力変換機、蓄電池等の装置を、同一ケースハウジング内に設置し、単一のユニットとし、短期間で移動設置を可能にし、簡素な内部機構をもって、製作コスト及び保守点検等の、ランニングコストにかかる費用等の軽減を図ることを目的としたものである。

本発明は、上記課題を解決すべく、風力及び発電機の発電抵抗の増減と、ガバナウエイトのパンタグラフ効果により、回転駆動軸上を昇降する、昇降回転ローター式風力原動機による風力発電システムとして、不安定で密度の低い風力エネルギーの下においても、比較的安定した適正回転力として、発電機を駆動し、発電を行えるようにしたものである。

この不安定で密度の低い風力エネルギーは、ユニットハウジング中層部に設定された風導入口の集積フィンにより風量を増加させ、回転ローターへの駆動力として伝えるものである、更に、駆動軸上をローターが上方に移動した時には、このハウジング上層部に設定された風排出口により、このハウジング内の不要な空気圧力を排除するものである。

この時に、この昇降ローターが、風力を駆動軸に回転力として伝え、円滑に昇降するよう、駆動軸はボールスライド・スプラインシャフトを用いるものである。
このスプラインシャフトは、適正回転力を得るべく駆動軸上を昇降する際の、摺動抵抗の軽減と、昇降ローターが回転する際の中心軸とのブレを無くすことを可能とすべく、回転軸外周に位置するスプラインシャフトカラーの内側同一円周上に、駆動軸凸部をはさみ込むようベアリングボールを設定するものである。

以上のように本発明は、従来の設備のような、大規模又は複雑な制御機能を持たず、製作コスト並びにランニングコストの軽減を目的とし、短期間で移動設置が可能な、発電システムユニットとしたものである。

上述したように本発明は、一定の風量導入口開口部面積であっても、集積フィンの設定により、できうる限りの有効風量として、回転ローターに駆動力として取り入れる事ができるものである。

本発明では、風速低下、もしくは、発電抵抗の増加時においては、昇降ローターの下降により、風量導入口開口部面積に対し、最大受動部面積を得、回転駆動力を発電機に与えるものである。

また、風量の増加、もしくは、発電抵抗の減少時においては、ローターと共に駆動軸の回転が速くなり発電機の許容回転数を上回る場合、ガバナウエイトのパンタグラフ効果とテコの応用による、昇降ローターの上昇により、風量導入口開口部面積に対し、最小受動部面積として、ローター並びに発電機等の破損など、許容回転数限度を超えることを防止するものである。

更には、台風等の強風状態においても、回転ローターの昇降により、駆動軸回転数を適正制御するため、発電の継続が見込めるものである。

また、安定しない風速（息継ぎ現象）に対しては、駆動軸に固定接続されたフライホイールの慣性力により、急激な回転数の低下に伴う、発電能力のバラツキにも対応するものである。

以上に述べたように、本発明は風力制御の方法として、昇降ローター、ガバナウエイトまた、フライホイール及び発電機の発電抵抗により回転駆動力の制御を行ない、強風下においても、風力駆動力を放棄することも無く、発電機に対し適正回転駆動力を与えることができることも、大きな特徴としているものである。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。

図１は、円柱形であるユニットハウジング１の外観を、斜め上方より見た図であり、中層部の風導入口３と集積フィン１７、上層部の排出口２と排出フィン１６の位置関係を見る。

図２、３は、ユニットハウジング１の中心線垂直方向の断面図であり、風力増減時又は発電抵抗増減時の、昇降ローター４と風導入口３と排出口２、ガバナウエイト５、フライホイール９、発電機１０、電力変換機１１、蓄電池１２の位置関係を見る。

図４は、昇降ローター上昇時に、不要な空気圧力を排出するための、ユニットハウジング１上層部排出口２排出フィン１６の水平方向の断面図である。

図５は、ユニットハウジング１中層部風導入口３と集積口フィン１７、昇降ローター４の位置関係を見るための、水平方向の断面図である。

図６は、ボールスライド・スプラインシャフトのスプラインカラー６に配列されたベアリングボール１３の、回転軸７に対する位置関係を見るための、水平方向の拡大断面図である。

以下、上記構成の動作を説明する。図１、において、一定しない風向と風量は、ユニットハウジング１の中層部に位置する、風導入口３に設定した集積フィン１７で、風上方向からの風力を集積し、風下方向にて排出する、昇降ローター４の上昇時には、上層部に位置する排出口２に設定した排出フィン１６の吸い出し効果により排出するものである。

図２、において、その風力は、昇降ローター４を回転させる、この際、回転するローター４は、接合されるボールスライド・スプラインカラー６の内側同一円周上に位置するベアリングボール１３を介し、スプライン状の回転駆動軸７を回転させ、これを駆動力とし、ガバナウエイト５フライホイール９発電機１０を同調回転させるものである。

昇降ローター４が駆動軸上を移動するときに発生する、スプライン上における摺動抵抗の軽減をを図るために、昇降ローターが受ける正逆の回転駆動力は、図６、スプラインカラー６ベアリングボール１３スプライン状の回転軸７により構成されるボールスライド・スプラインシャフトにより、円滑な昇降が行なわれる事により、適正駆動力を得ることを可能とするものである。

図６における、このベアリングボール１３は回転軸７のスプライン凸部分をはさみ込むようスプラインカラー６の同一円周上凸部すべての正逆回転方向に配列され、更に、軸方向に適時複数設定し、回転軸７のスプライン上を少ない摺動抵抗で移動できる構造になっているものである。

また、回転軸７の凸部においては、このスプラインカラー６に配列された、ベアリングボール１３が軸方向に転がる溝を設定し、正逆駆動力発生時の、昇降ローター４の移動に伴う摺動抵抗を減少し、また、昇降ローター４の回転軸に対する中心線のズレを防止するものである。

図２、において、風量減少時、もしくは、発電機１０の発電抵抗が増加することにより、回転軸７の回転数が減少した場合は、昇降ローター４は、これとガバナウエイト５の自重により、回転駆動軸７上を、下方に移動し、風量導入開口部面積に対し、受動部面積を増加させ、回転駆動力を上昇させるものである。

また図３、において、風量増加時、また、発電機１０の発電抵抗減少に伴い、回転数が上昇した時、回転駆動軸７と同調回転するガバナウエイト５の遠心力によって引き起こされるパンタグラフ効果とテコの原理の応用で、ローター４は、回転駆動軸７上を上方に移動し、風量導入開口部面積に対し、受動部面積を減少させ、回転駆動力を抑制するものである。

このガバナウエイト５の上部接点は、回転軸７上部の軸受８直下部分に、下部接点は、ローター４中心部に接合されるボールスライド・スプラインカラー６の上部に、ピンを介して接続されているものである。

また、瞬間的な風力の低下（息継ぎ現象）による急激な駆動軸回転数低下への対応は、駆動回転軸７に固定接続するフライホイール９の慣性力により行なわれるものである。

これにより、風量導入口３の開口部面積に対し、昇降ローター４の、受動部面積の変化と、発電機１０の発電抵抗とのバランスにより、本発明の最も重要視とする、発電機１０の許容最大回転数を超えない適正回転駆動力、更には、強風下における発電駆動力の継続が可能となるものである。

上記で述べた一連の動作により発生した電力を、電力変換機１１内の充電作用により、蓄電池１２に供給し、その蓄電池１２より、電力変換機１１内の電力変換作用により、必要な電力供給をするものである。

このように、一旦蓄電池１２の蓄電機能を利用することにより、極端な風力減少時、または、昇降ローター４を回転させるに至らない風力が継続した場合でも、蓄電池１２の許容量の範囲での安定電力の供給を可能とするものである。

現在世界規模で問題視されている、地球温暖化にかかる石化燃料等による、環境汚染問題、または、電力需要の増大等による公的発電所の能力限界等、将来にわたって電力不足が懸念されているのが現状である。

しかしながら、我々現代人は電力が無ければ生活にも事欠くのも現状である。一般家庭又は企業の節電対策の浸透にも関わらず、電力需要量は年々増加し、更なる環境の悪化も懸念されているのも現状である。そこで、現在クリーンエネルギーの一つとして脚光を浴びているのが、風力発電である

本発明は、この風力を利用し、更には、小型システムユニットとするため、移動設置が短期間で行なわれ、非常時の電力補助、並びに、電力線等の無い現場作業所、船舶等の補助電力など、更に、一般的に認知されている様な、太陽光発電システムを併用することにより、昼夜を問わず、電力の供給が見込め、また、石化燃料等を使用せず、環境汚染問題等にも、充分な配慮が見込め、広範囲に活用が見込まれるものである。

ユニットハウジング外観図である。 最大駆動力発生時の機構断面図である。 最小駆動力発生時の機構断面図である。 昇降ローター上昇時に作用する風力排出口フィンの断面図である。 昇降ローターと風力導入口及び集積フィンの断面図である。 ボールスライド・スプラインの拡大断面図である。

符号の説明

１ ユニットハウジング
２ 風力排出口
３ 風力導入口
４ 昇降ローター
５ ガバナウエイト
６ ボールスライド・スプラインカラー
７ スプライン回転駆動軸
８ 軸受
９ フライホイール
１０ 発電機
１１ 電力変換機
１２ 蓄電池
１３ ベアリングボール
１４ 防塵ブーツ
１５ ストロークストッパー
１６ 排出口フィン
１７ 導入口集積フィン

Claims (3)

1. 風力原動機、発電機、電力変換機、充電機、蓄電池、等を同一ケースハウジング内にセットし、移動設置が短期間で可能な風力発電システムユニット。
2. 不安定な風向及び風力を、ユニットハウジング中層部外周に設定した、集積フインにより風量を集積し、原動機であるハウジング中心部の駆動軸上に位置する、昇降ローターを回転させ、同調接続する発電機の発電抵抗と、ガバナウエイトのパンタグラフ効果とテコの応用で、ローターを昇降させ、風力を導入開口部面積に対し、受動部面積を変化させることで、駆動力を制御し、更に、風力の息継ぎ現象に対し、フライホイールの慣性力で対応することにより、風力エネルギーの変化に適応する、昇降回転ローター式風力原動機。
3. 回転駆動軸であるスプライン上を、スプラインカラーが移動する時に発生する摺動抵抗軽減を目的とし、駆動及び受動スプライン凸部分をはさみ込むよう、同一円周上の位置にベアリングボールを使用したボールスライド・スプラインシャフト機構。

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