JP2006022746A

JP2006022746A - 風力発電装置

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Publication number: JP2006022746A
Application number: JP2004202571A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Oe; 通博大江
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: JP4685379B2

Abstract

【課題】最も主要な課題点は、本発明者が既出願の風力発電装置に連関する風力発電装置において、変化する風向への対向性を向上させ且つ風力に対する風車の強度的な安定性を確保することにある。
【解決手段】水平方向にある回転軸部２ａから放射状に突出する板状の回転翼部２ｂを３枚以上有した羽根車２が用いられ、羽根車２の両端を支承する枠状の支承架構部位３とこれを水平方向に回動可能に連結支承する主回転支持機構部位４とこれを連結支承する支持架台部位６を有し、支承架構部位３の風上側に羽根車２の回転範囲の下方向半分を防風するための防風部位７と風下側に方向舵機能を発揮する垂直尾翼部位８を有した形態の風車が用いられた風力発電装置１において、主回転支持機構部位４が支承架構部位３の風上側に偏心した位置を支持し、回転支持機構部位４を中心とした外周部に支承架構部位３を回動可能に支持する補助回転支持機構部位５を配設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置に関するものであり、板状の回転翼を有し回転軸が水平方向にある羽根車を用いて風向の変化に適切に対向して受風出来るとともに羽根車の回転力を高めることが出来る様にした受風方式の風力発電装置に関する。

風力発電の受風方式としては従来からプロペラ型やサボニウス型、ダリウス型風車等が知られている。前記各受風方式には用いる場合の得失が各々にあり、例えば、プロペラ型は回転翼を長くし回転径を大きくすることにより大きな発電出力が期待出来るがそれに伴い高い支柱を設け基礎も大きくする必要があり強風には比較的対応力が小さく回転翼の破損飛散や風切り音等による周辺への被害も考慮しなければならないため設置場所が限定され、サボニウス型、ダリウス型に類するものは回転軸が鉛直方向にあるため設置基盤面から余り高さを要しない位置での発電が容易であり設置場所の限定は比較的少ないが回転翼の回転位置によっては受風力が回転への抵抗力として作用とするとともに風は同地点でも高さ方向で風速が異なって来るので風力の回転エネルギーへの変換は効率的と言い難く大型化による大出力も期待し難いと言った得失がある。

このため、本発明者は、従来の前記各受風方式の得失を勘案してこれに代わる新たな受風方式の風力発電の提案として「風力発電装置（特願２００３−１０１２０８）」、「風力発電装置（特願２００３−４２２２９６）」、「風力発電装置（特願２００４−０３７５７２）」、「風力発電装置（特願２００４−０３７７４９）」を既出願している。該提案の趣旨は、板状面で受風する回転翼を有し回転軸が水平方向にあり回転軸の両端部が支承される羽根車を用いて該羽根車の支承架構が支持基礎部上で回動可能とし風向の変化に対応出来る様にして設置基盤面から余り高さを要しない位置での発電を容易にし、前記支承架構の風上側に羽根車の回転範囲の下方半分を防風し回転翼の回転位置的な風力による抵抗力を無くし羽根車の回転力を高め効率的な発電が出来る様にして、プロペラ方式よりも設置場所の限定が少なくサボニウス型等よりも効率的で大きな出力の発電が期待出来る風力発電装置を提供することにある。

ところで、風力発電おいては風向の変化への対応性が良好で且つ強風時の風力に対する風車の強度的な安定性も良好な風力発電装置が望まれている。
特願２００３−１０１２０８号特願２００３−４２２２９６号特願２００４−０３７５７２号特願２００４−０３７７４９号

本発明が解決しようとする最も主要な問題点は、本発明者が既出願の主として「風力発電装置（特願２００４−０３７５７２）」に連関する風力発電装置において、変化する風向への対向性をより向上させ且つ風力に対する風車の強度的な安定性を確保することにある。付加して、当該装置への羽根車の組み付けやメンテナンス等が容易に出来る様にし、更には羽根車の回転力の向上を図る。

前記の目的を達成するため、本発明の風力発電装置は、水平方向にある回転軸部から放射状に突出する板状の回転翼部を３枚以上有した羽根車が用いられ、該羽根車の両端を支承する枠状の支承架構部位とこれを水平方向に回動可能に連結支承する主回転支持機構部位とこれを連結支承する支持架台部位を有し、前記支承架構部位の風上側に羽根車の回転範囲の下方向半分を防風するための防風部位が設けられ風下側に方向舵機能を発揮する垂直尾翼部位が設けられた形態の風車が用いられた風力発電装置で、解決しようとする最も主要な問題点である変化する風向への対向性をより向上させ且つ風力に対する風車の強度的な安定性を確保するために、前記主回転支持機構部位が支承架構部位の風上側に偏心した位置を支持し、該主回転支持機構部位を中心とした外周部に支承架構部位を回動可能に支持する補助回転支持機構部位を有していることを最も主要な特徴とする。

付加して、当該装置への羽根車の組み付けやメンテナンス等が容易に出来る様にするために、前記支承架構部位が羽根車の回転軸部近傍の位置から上下に分離出来る様になっていることを特徴とする。

更には、羽根車の回転力の向上を図るため、羽根車の風下側に位置する回転翼部を有効に利用する方法として前記羽根車が回転軸部と回転翼部との間に間隙を有する形体の羽根車であることを特徴とし、前記防風部位の下方の風を活用する方法として該防風部位の下方から後方にかけて該防風部位の下方からの風を羽根車の回転方向に導き入れることが出来る導風部位を有していることを特徴とする。

本発明によれば、プロペラ方式よりも設置場所の限定が少なくビルディングの屋上等にも容易に設置出来て、サボニウス型等よりも比較的発電効率が高く大きな出力の発電が期待出来、更には、変化する風向への対向性が良好で且つ風力に対する風車の強度的な安定性も良好な風力発電装置が提供出来る様になる。付加して、当該装置への羽根車の組み付けやメンテナンス等が容易に出来て、更には、羽根車の回転力の向上を図ることにより高い発電効率が期待出来る風力発電装置が提供出来る様になる。

本発明を実施するための最良の形態としては以下に記載することが勘案された形態のものである。羽根車は回転軸部と回転翼部との間に間隙を有する形体であり、回転翼部は４〜６枚程度配設され受風効果を高めるために外周側にくの字状又は湾曲状に類した断面形状部を有する。支承架構部位は、開口部側の寸法比としての高さ／幅が１／１〜３の範囲で側方幅が回転翼の回転径に近い寸法の略筒状の形体であり、羽根車の回転軸部近傍の位置から上下に分離出来る様になっている。主回転支持機構部位は、支承架構部位の開口部側下部中央の可能な限り風上側に偏心した位置を支持する。補助回転支持機構部位は、主回転支持機構部位を中心とした外周部で開口部側から見て対称位置の複数箇所に配設して支承架構部位を回動可能に支持する。支持架台部位は、鉄骨構造で強風時にも安定的な構造とし極力軽量化と受風抵抗の低減が図れる様な形体にする。防風部位は、受風抵抗軽減および羽根車側への導風効果を勘案して三角形の断面形状をした形体または前記頂点に接する楕円の一部形状をなした断面形状に類する形体として、支承架構部位の羽根車の回転軸より下方の約１／２〜２／３の寸法範囲を防風する様に配設し、後述する導風部位と合わせて羽根車の下方半分の防風機能を果たす。垂直尾翼部位は、支承架構部位の両側部の後方および上方にかけて開口部側から見た中心軸を起点にして対称形状となる様に配設する。導風部位は、主要部がくの字状又は湾曲状に類した断面形状で防風部位の下方からの風を羽根車の回転方向に導き入れることが出来る形体をなしている。

図１は本発明の風力発電装置の１実施例の側面方向の断面図である。図２は図１の例の正面図、図３はその側面図、図４はその平面図、図５は図３に示すＡ−Ａ部の正面方向の断面図である。以下、図面を参照して本発明に係る風力発電装置を説明する。尚、前記図中の符号については後述の符号の説明に記載する。

本発明の風力発電装置１は、実施例図に示す様に、水平方向にある回転軸部２ａから放射状に突出する板状の回転翼部２ｂを３枚以上有した羽根車２が用いられ、羽根車２の両端を支承する枠状の支承架構部位３とこれを水平方向に回動可能に連結支承する主回転支持機構部位４とこれを連結支承する支持架台部位６を有し、支承架構部位３の風上側に羽根車２の回転範囲の下方向半分を防風するための防風部位７と風下側に方向舵機能を発揮する垂直尾翼部位８を有した形態の風車が用いられ、主回転支持機構部位４が支承架構部位３の風上側に偏心した位置を支持し、主回転支持機構部位４を中心とした外周部に支承架構部位３を回動可能に支持する補助回転支持機構部位５を有していて、羽根車２の回転力を回転伝達機構部位１１により発電機１２に伝達して発電出来る様にした発電装置である。そして、付加して、支承架構部位３が羽根車２の回転軸部２ａ近傍の上下分離境界部３ｃから上下に分離出来る様になっている。更に、羽根車２が回転軸部２ａと回転翼部２ｂとの間に間隙を有する形体をなしている。更には、防風部位７の下方からの風を羽根車の回転方向に導き入れることが出来る導風部位９を有している。

羽根車２は、材質としては、アルミや鉄等の金属もしくはその合金または高強度プラスチック等の高強度高耐久材料が用いられるが本発明の目的を達成出来れば限定されない。そして、回転翼部２ｂは、図１に示す様に、受風効果を高めるために外周側にくの字状の断面形状部を設ける場合には内角が約１００〜１３０度程度とするのが好ましく、形状を維持するために板状の形状保持補強材部２ｄを適宜な間隔で配設し固設することが好ましい。また、回転軸部２ａと回転翼部２ｂとの間に間隙を有する形体とするためには、例えば、図１、５に示す様に、板状のハブ的連結部２ｃを適宜な間隔で配設し回転軸部２ａと回転翼部２ｂを連結固定する方法が考えられるが本発明の目的を達成出来る方法なら限定されない。そして、前記間隙寸法は羽根車の回転半径の約１／３程度の寸法を目処に設定されるのが好ましい。

支承架構部位３は、材質としては羽根車２に記載した材質に準じたものが用いられる。そして、図１、３に示す様に、羽根車の回転軸部２ａ近傍の位置の上下分離境界部３ｃから分離出来る様にしてボルト等で緊結される。また、構造としては、例えば、図１、３、５に示す様に、板状部３ａと骨組材部３ｂによる構成が考えられるが一体化されたものでも良く強度が確保出来て本発明の目的を達成出来れば骨組材部３ｂの形状を含め限定されない。尚、例図は表記不十分であるが、風抵抗を低減させる様な形状工夫および付加対策を組み込んだものであることが好ましい。そして、羽根車２の支承方法としては回転機械の回転軸支承に従来から用いられているものに準じ、例えば、ボールベアリングやニードルベアリングに類する機構等を組み込んだ支承方法が考えられるが本発明の目的を達成出来れば限定されない。また、風上側上部突端に羽根車２の回転力に寄与する受風量を増すために水平面から上方に約３０〜４０度の角度をなした集風部位１０を付設することが好ましく、両側部にも同様目的部位を配設することも好ましい。

主回転支持機構部位４は、図１、３に示す様に、例えば、主軸部４ａと支承部４ｂと連結部４ｃとからなり、連結部４ｃで支承架構部位３に連結し支承部４ｂで支持架台部位６に連結して回動可能な支承機能を発揮出来る様にする。そして、支承部４ｂの回動可能な支承機構としては、例えば、ボールベアリングやニードルベアリングに類する機構またはポリテトラルフルオロエチレン、グラファイト等を他のプラスチック材料に混合して摩擦抵抗を低減させた部材を摺動部材として組み込んだ機構もしくはオイル等の潤滑剤を利用した機構等を組み込んだ構造等のものが考えられるが、摩擦抵抗を低減し円滑な回動と上部の支持強度および浮き上がり防止機能が確保され本発明の目的を達成出来れば限定されない。また、安定的な支承のためには回動可能部４ｂは適宜な間隔を設けて２〜３カ所設けることが好ましい。

補助回転機構部位５は、図１、５に示す様に、例えば、支柱部５ａと回転支持機能部５ｂと支持架台部位６の上面に付設した滑動受部５ｃとからなり、回転支持機能部５ｂはローラーに類した機構や摩擦係数の小さい材質の摺動部材を用いた摺動機構等が組み込まれていて、滑動受部５ｃは摩擦係数の小さい平滑な部材が用いられ、滑動受部５ｃ上を回転支持機能部５ｂが転がりまたは滑動することにより支承架構部位３を回動可能に支持する機構が考えられるが本発明の目的を達成出来る機構なら限定されない。また、支柱部５ａは形体維持のため補強部材により適宜強度補強される。

支持架台部位６は、主に鉄骨構造のものが用いられるが限定はされず、仕様は規模や設置場所等の条件により適宜設定されるが、軽量化と受風圧の軽減が勘案されていることが好ましい。

防風部位７は、材質としては羽根車２に記載した材質に準じたものが用いられる。そして、図１に示す様に、防風部７ａは三角形の断面形状をした場合は前方に突出する頂角が約６０〜９０度の範囲が好ましい。また、強度補強と導風部位９の導風に悪影響を及ぼさないために裏当て材部７ｂが薄板にて覆設される。そして、三角形の空間部となった部分を適宜な間隔でプレート補強することも好ましい。

垂直尾翼部位８は、材質としては羽根車２に記載した材質に準じたものが用いられる。そして、支承架構部位３の両側部の後方および上部にかけて開口部側から見て対称となる様に配設された形体をなし、補強部材により適宜形体保持補強がなされている。その形体は両側部の後方および上方の延長線上に配設された形体でも良いが、例えば、図１〜５に示す様に、両側部の後方の下部垂直尾翼部８ａと支承架構部位３の上部に位置する部分を開口部の中心線から等角で後方側に広がった形状の上部垂直尾翼部８ｂとに分離して配設された形体のものが好ましく、その場合の上部垂直尾翼部８ｂの開き角度は約３０〜５０度を目処に設定されることが好ましい。

導風部位９は、材質としては羽根車２に記載した材質に準じたものが用いられる。そして、図１に示す様に、主導風部９ａにて主に導風され、補助導風部９ｂを配設することにより導風効果を高められる様にする。主導風部９ａは風を羽根車２の回転方向へ効果的に導風出来れば限定されないが、くの字状または湾曲状の断面形状の形体が効果的であり、くの字状の例では、下方部が水平より下方に約３０〜４０度の角度をなし、上方部が水平より上方に約６０〜９０度の角度をなしていることが好ましい。そして、補助導風部９ｂは水平より上方に約６０〜８０度の角度をなすのが好ましい。

回転力伝達機構部位１１は、回転力の伝達ロスが極力少ないもので増速機能を有する伝達機構が用いられ、例えば、プーリー、ベルト、歯車等を用いたものに増速機能を付加させた機構が考えられるが本発明の目的を達成出来る機構であれば限定されない。発電機１２は、本発明に適用出来るものであれば限定されないが極力小型で発電効率の高いものが好ましい。そして、配設に関しては、荷重や風抵抗バランス等を勘案して適宜配設されて良いが、例えば、図３、５に示す様に、回転力伝達機構部位１１を両側部の対象位置に配設し発電機１２を主回転支持機構部位４の近傍に配設される形体が好ましい。また、回転力伝達機構部位１１、発電機１２には受風抵抗を軽減出来る様な防風カバーが適宜付設されることが好ましい。

地球温暖化等の地球環境悪化の要因となる火力発電や安全性が課題として残っている原子力発電に代わる地球環境に優しい風力発電の一方式として利用出来るとともに今後期待される燃料電池のための水素ガスを水の電気分解により製造することにも利用出来る。

本発明の風力発電装置の１実施例の側面方向の断面図図１の例の正面図図１の例の側面図図１の例の平面図図３に示すＡ−Ａ部の正面方向の断面図

符号の説明

１；本発明の風力発電装置
２；羽根車
２ａ；回転軸部
２ｂ；回転翼部
２ｃ；回転軸部と回転翼部を連結するハブ的連結部
２ｄ；回転翼部の形状保持補強材部
３；支承架構部位
３ａ；板状部
３ｂ；骨組材部
３ｃ；支承架構部位の上下分離境界部
４；主回転支持機構部位
４ａ；主軸部
４ｂ；支承部
４ｃ；支承架構部位との連結部
５；補助回転支持機構部位
５ａ；支柱部
５ｂ；回転支持機能部
５ｃ；滑動受部
６；支持架台部位
７；防風部位
７ａ；防風部
７ｂ；裏当て材部
８；垂直尾翼部位
８ａ；下部垂直尾翼部
８ｂ；上部垂直尾翼部
９；導風部位
９ａ；主導風部
９ｂ；補助導風部
１０；集風部位
１１；回転力伝達機構部位
１２；発電機
１３；地盤面または建築物の躯体部等

Claims

水平方向にある回転軸部から放射状に突出する板状の回転翼部を３枚以上有した羽根車が用いられ、該羽根車の両端を支承する枠状の支承架構部位とこれを水平方向に回動可能に連結支承する主回転支持機構部位とこれを連結支承する支持架台部位を有し、前記支承架構部位の風上側に羽根車の回転範囲の下方向半分を防風するための防風部位と風下側に方向舵機能を発揮する垂直尾翼部位を有した形態の風車が用いられた風力発電装置で、前記主回転支持機構部位が支承架構部位の風上側に偏心した位置を支持し、該主回転支持機構部位を中心とした外周部に支承架構部位を回動可能に支持する補助回転支持機構部位を有していることを特徴とする風力発電装置。
前記支承架構部位が羽根車の回転軸部近傍の位置から上下に分離出来る様になっていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記羽根車が回転軸部と回転翼部との間に間隙を有する形体の羽根車であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
前記防風部位の下方から後方にかけて該防風部位の下方からの風を羽根車の回転方向に導き入れることが出来る導風部位を有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の風力発電装置。