JP2006037939A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シロッコ形式による実用的効果を有するのはもとより、風向きの変化にかかわらず、回転抗力を最小限に止めて、風速、風圧に常に見合うだけの水平回転力を確保し最大限の発電能力を発揮できるようにする。
【解決手段】 基礎２から上方に向けて垂直に立設の固定支持部材１に鉛直軸心ａ周りに回転可能に外嵌支持された筒軸３上部には、周方向に複数枚の風受け翼６を有する水平回転式風力ロータ７が取付けられているとともに、地上部付近には、筒軸３に連結された発電機９が配置され、かつ、固定支持部材１の上端部に装着された風向検知装置１０により検知された風向きに対応して、水平回転式風力ロータ７における複数枚の風受け翼６それぞれの風受け角度をそれら翼全体で受ける回転抗力が最小となるように自動制御する翼角度制御機構を備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、太陽光発電や地熱発電、波浪発電などと並んで環境問題を提起しない自然エネルギーを利用した発電装置として注目度の高いもので、風力を利用して発電を行なう風力発電装置に関する。

現在一般に普及している風力発電装置は、図１３示すように、鉄塔等の高層構造体５１の頂部にプロペラ式翼車５２を水平軸５３周りに回転可能に支持させるとともに、その水平軸５３に発電機５４を直結する構造のものが大半である。

しかし、このような一般普及型の風力発電装置の場合は、安定風力の確保及びプロペラ式翼車５２の回転による地上付近への悪影響がないようにするためには、直径Ｄの大きい翼車５２を用い、かつ、その大径の翼車５２及び発電機５４を直結した水平軸５３を地上高ｈの相当高い位置に設定する必要がある。そのため、全高Ｈが高くなり、それに伴い高層構造物５１に大きな構造耐力を要する。特に、発電機５４が水平軸５３に直結されている構造のものでは、装置全体の重心位置が高くなるとともに、高層構造体５１に偏荷重が加わり、構造的に不安定であるために、益々大きな構造耐力を要し施工及び設備コストの著しい上昇に繋がりやすい。さらに、大径のプロペラ式翼車５２を用いているので、１基当たりの発電装置の設置に要する水平方向の占有範囲Ｗが非常に大きいために、数基の風力発電装置を相互干渉のないように並設するとき、膨大な用地面積が必要となり、これらの点が風力発電装置普及の妨げの一因にもなっている。

上記のような一般普及型のプロペラ式風力発電装置が有する問題点を解消するものとして、従来、地下または地表面に構築した基礎から上方に向けて垂直に立設させた鉛直（垂直）軸の下部に発電機を連結する一方、その鉛直（垂直）軸の上部に、周方向に複数枚の直線翼を放射状に取付けた水平回転式風力ロータを少なくとも上下二段に固定し、風により回転抗力を受ける直線翼の肉薄翼端の角度（これは固定角度である）を段毎に変化させてなる風力発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、上記とほぼ同様に、鉛直軸の下部に発電機を連結する一方、鉛直軸の上方部に固定された上下の回転板間に複数枚のブレード（風受け翼）を放射状に固定して風力ロータを構成し、この風力ロータにおける各ブレードに風抜穴を形成するとともに、上下の回転板の外周に上下位置並びに風受け角度を調整可能とした突設羽根を設けてなる風力発電装置も従来より提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２３５６５６号公報 特開２００２−３１７７４９号公報

上記特許文献１，２で提案されている従来の風力発電装置は、風力ロータが鉛直軸の軸心周りを水平回転する、いわゆる、シロッコ形式に構成されているので、そのロータの軸長をプロペラ式翼車の直径に匹敵する長さにして受風面積を大きく設定したとしても、ロータの回転による地上付近への悪影響がほとんど出ないため、プロペラ式のものに比べて全高を低くして支持構造物の構造耐力を小さくすることが可能である上に、発電機の設置位置を低くして装置全体の重心位置も低くすることが可能であるから、支持構造物が構造的に安定した風力発電装置を経済的に設計し施工することができる。また、１基当たりの発電装置の設置に要する水平方向の占有範囲をプロペラ式のものに比べて非常に小さくすることが可能であるから、数基の風力発電装置を相互干渉のないように並設するときの用地面積を大幅に節減可能で、単位面積当たりの発電量を大きくとることができるという実用的効果を有する。

反面、シロッコ形式の風力発電装置においては、ロータにおける複数枚の直線翼やブレードの受ける水平回転力及び回転抗力（抵抗）が風向きによって大きく変化し、風向きによっては回転抗力と水平回転力との差が非常に小さくなったり、あるいは、回転抗力が水平回転力を上回って鉛直軸が逆回転したりして発電能力が著しく低下する、あるいは、発電不能に陥る可能性がある。その風向き変化による発電能力の低下や発電不能に繋がる水平回転力の低下対策として、例えば、特許文献１では、少なくとも上下二段に固定した直線翼をそれらの肉薄翼端の固定角度が段毎に変化する状態に取付ける手段が採用されているが、この場合は、風により上下段ロータの直線翼の肉薄翼端が受ける回転抗力を上下段ロータ間で相殺させて低風速時の自己起動を可能とし、かつ、水平回転力の低下を抑制できるものの、風向きの経時的変化に伴う回転抗力の増加は避けられない。

また、特許文献２では、主たる風受け翼であるブレードに風抜穴を形成し、これらブレードとは別個に上下位置並びに風受け角度を調整可能な突設羽根を設ける手段が採用されているが、この場合は、風抜穴の形成によりブレードの大きさの割に風受け面積が小さくなり、このブレードの風受け面積の減少を、該ブレードとは別個に設けた突設羽根の角度調整により、ある程度は補えるものの、風向きが経時的に変化した場合、放射状に固定されているブレードが受ける回転抗力の増加は避けられない。したがって、特許文献１，２で提案されている従来のシロッコ形式の風力発電装置のいずれも、風向きが変化した場合、空中に十分な風速、風圧が生起されているにもかかわらず、それに見合うだけの十分な水平回転力及び発電能力を発揮し得ないという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、シロッコ形式であることによる既述のような実用的効果を有するのはもとより、風向きの変化にかかわらず、回転抗力を最小限に止めて、空中に生起されている風速、風圧に常に見合うだけの水平回転力を確保し最大限の発電能力を発揮させることができる風力発電装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る風力発電装置は、地下または地表面に構築した基礎から上方に向けて垂直に立設させた固定支持部材に筒軸が鉛直軸心周りに回転可能に外嵌支持され、この筒軸の上部には周方向に複数枚の風受け翼を有する水平回転式風力ロータが取付けられているとともに、前記固定支持部材下部の地上部付近には前記筒軸に連結された発電機が配置されている風力発電装置であって、前記固定支持部材の上端部には風向きを検知する風向検知装置が装着され、この風向検知装置により検知された風向きに対応して、前記水平回転式風力ロータにおける複数枚の風受け翼それぞれの風受け角度をそれら翼全体で受ける回転抗力が最小となるように自動制御する翼角度制御機構が設けられていることを特徴としている。

上記のごとき特徴構成を有する本発明に係る風力発電装置によれば、周方向に複数枚の風受け翼を有する水平回転式風力ロータが鉛直軸心周りに回転可能に構成された、いわゆる、シロッコ形式の風力ロータを用いることにより、そのロータ軸長をプロペラ式翼車の外径に匹敵する程度に長くして受風面積を大きく設定しても、風力ロータの回転による地上付近への悪影響がほとんどないため、一般普及型のプロペラ式のものに比べて全高を低くして支持構造物（固定支持部材）の構造耐力を小さくすることができるとともに、発電機の設置位置を低くして装置全体の重心位置も下げることができ、これによって、構造的に安定した風力発電装置を経済的に設計し施工することができる。また、１基当たりの発電装置の設置に要する水平方向の占有範囲がプロペラ式のものに比べて非常に小さくて済み、数基の風力発電装置を並設するときの用地面積を大幅に節減し、単位面積当たりの発電量を大きくとれるという実用的効果を奏する。

その上、本発明では、固定支持部材の上端部に装着した風向検知装置により風向きを検知し、その検知した風向きに対応して、シロッコ形式の風力ロータにおける複数枚の風受け翼それぞれの風受け角度をそれら翼全体で受ける回転抗力が最小となるように自動制御することが可能であるから、風向きが経時的にどのように変化したとしても、翼全体で受ける回転抗力を常に最小限に止めることができる。したがって、風向きの変化にかかわらず、空中に生起されている風速、風圧に見合うだけの水平回転力を常に確保して最大限の発電能力を発揮させることができるという顕著な効果を奏する。

本発明に係る風力発電装置において、請求項２に記載のように、前記風向検知装置を、定期的にロック及びロック解除可能に構成し、ロック解除されたときに風向きを検知し、その検知した風向きに対応して、前記翼角度制御機構を動作させるように構成することが望ましい。この場合は、風向検知装置をロックしておき、風向きの変化が想定される任意の時間間隔のもとで定期的にロック解除してその都度、検知される風向きに応じて風力ロータの風受け翼の風受け角度を自動制御することにより、風向検知装置による風向き検知動作が水平回転式風力ロータの受ける風力によって阻害されることなく、必要な時に風向きを正確に検知することが可能であり、その結果、風向きの変化にかかわらず翼全体で受ける回転抗力を最小限にするという所定の制御機能を確実かつ安定よく行わせることができる。

また、本発明に係る風力発電装置において、請求項３に記載のように、前記翼角度制御機構を、水平回転式風力ロータにおける複数枚の風受け翼の幅方向両側部から突設した誘導輪が風向検知装置の風向き検知に連動して前記鉛直軸心周りを回転する制御板に形成された二条の異径誘導溝に嵌合されてなり、その制御板の鉛直軸心周りの回転に伴い複数枚の風受け翼それぞれを風向きに対応した風受け角度に自動的に変更制御するように構成することにより、風受け翼の風受け角度の自動変更動作を、その時点における風向きいかんにかかわらず、円滑かつ確実に行わせることができる。

さらに、本発明に係る風力発電装置において、請求項４に記載のように、前記水平回転式風力ロータは、前記筒軸軸線方向に複数段に配置した水平支持パネルで筒軸に固定支持されていることが望ましい。この場合は、軸長の非常に長い帯板状の風受け翼を使用して長尺で発電能力の高い風力ロータを構成する際、肉厚の薄い一枚の翼材を用いてロータ重量を可及的に軽量化し、かつ、低コストに製作しながらも、各風受け翼を風圧に十分に耐えうる高剛性、高強度のものに構成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る風力発電装置全体の正面図、図２はその縦断面図、図３はその平面図であり、これら図１〜図３において、１は地下に構築した基礎２から上方に向けて垂直に立設させた円形断面の鋼製固定支持部材で、この固定支持部材１には、そのほぼ全長に亘って鋼管等からなる筒軸３が鉛直軸心ａ周りに回転可能に外嵌支持されている。

前記筒軸３の上端部及び下側寄り位置には、図４及び図５に明示するように、円板状の風受け翼固定台４及び５が固定連設されており、これら上下の風受け翼固定台４，５間に亘る筒軸３の上部には、周方向に複数枚（図面上では８枚で示すが、その枚数には限定がない。）の風受け翼６…を有するシロッコ形式の水平回転式風力ロータ７が取付けられている。また、前記固定支持部材１下部の地上部付近には発電機９が配置されているとともに、この固定支持部材１の上端部には風向きを検知する風向検知装置１０が装着されている。

前記風力ロータ７における各風受け翼６…は、図６に明示するように、肉厚が薄く軸長の長い帯板状翼材を用い、これを横断面において略円弧状に湾曲させた形状に形成されている。このような軸長の長い帯板状で略円弧状に湾曲された風受け翼６…は、前記筒軸３の軸線方向に適宜間隔を隔てて複数段に配置されて筒軸３に固定された水平支持パネル８…に形成の円形貫通孔８ａ…に挿通支持されており、これによって、肉薄かつ長尺な風受け翼６…を、風圧にも十分に耐えうる高剛性、高強度のものに構成している。

前記発電機９は、図７〜図９に明示するように、筒軸３の下端部に固定の大歯車１１及びこれに噛合する小歯車１３を介して筒軸３に連動連結した軸１２に発電コイル１４が固定され、この発電コイル１４を電磁コイル１５により形成される磁場の中で高速回転させることにより発生される交流起電力を摺動環（図示省略する）を経て取り出すように構成されており、このような発電機９を固定支持部材１の周囲に複数個（図面上では３個で示すが、２個以上であっても、１個であってもよい）配置している。

これら発電機９は、前記風力ロータ７下部の筒軸３部分を包囲する筒状ガード部１６ａ及び截頭円錐状ガード部１６ｂを−体に形成してなる円筒状ガード１６の内部に収納されている。この円筒状ガード１６には扉付き出入口１７のほかに、防鳥ネット付きのガラリ窓１８が設けられているとともに、そのガード１６内部には、外気（冷風）を吸引し、かつ、排出する排気ファン１９が前記筒軸３に固定して設けられており、前記風力ロータ７の回転に伴う排気ファン１９の作動により、発電機９を空冷するように構成されている。また、前記大歯車１１の上面には回転円周方向に等ピッチで複数個の永久磁石２０が固定保持され、これら永久磁石２０の回転経路の上部対向位置には、低風時等において永久磁石２０に作用して風力ロータ７に慣性力を付与する初期始動用のスイッチ付き補助エンジン２１が配設されている。

前記風向検知装置１０は、図１０に明示するように、前記固定支持部材１の頂面に鉛直軸心ａ周りに回転可能に支承された風洞２３に複数枚の風向板２４が互いに平行に並置して固定されているとともに、風洞２３の上面中央部にも前記風向板２４と平行に単一枚の風向板２５が固定されてなる。この風向検知装置１０における風洞２３の下部には、風向き検知に連動して前記鉛直軸心ａ周りを回転する円形の制御板２６が固定されている。

この円形の制御板２６には、図１１に明示するように、鉛直軸心ａ周りの二箇所に異径部を有し、それら異径部において相互に接続される二条の誘導溝２７ａ，２７ｂが下向き開放状態に形成されているとともに、この二条の誘導溝２７ａ，２７ｂ内に前記水平回転式ロータ７における各風受け翼６…上辺の幅方向両側部から突設した誘導輪６ａ，６ｂ…が嵌合されており、風向検知装置１０の風向き検知による制御板２６の鉛直軸心ａ周りの回転に伴って二条の誘導溝２７ａ，２７ｂの異径接続部分２７ｃ，２７ｄの位置を円周方向で変位させることにより、風力ロータ７における各風受け翼６…それぞれの風受け角度が、図１１の点線で示すように、回転周方向で順次自動的に変更され、これによって、風向検知装置１０により検知された風向きに対応し連動して、風力ロータ７における複数枚の風受け翼６…全体で受ける回転抗力が最小となるように各風受け翼６…それぞれの風受け角度を白動制御する翼角度制御機構が構成されている。

なお、ここで、前記制御板２６は鉄等の磁性体材料から構成されているので、一方の誘導輪６ａ…に磁気性を持たせておくことにより、異径接続部分２７ｃ，２７ｄにおける両者間の磁気作用によって各風受け翼６…の風受け角度を確実かつ正常に変更させることが可能である。

また、前記風向検知装置１０における風洞２３下部に固定の円形制御板２６の中央部下面には図１２の（ａ）（ｂ）に示すような環状円板３１が固定されており、この環状円板３１に径方向に複数個のロック用ホール２８が回転周方向に多数組形成されている一方、固定支持部材１の頂部にはベアリング２２を介して前記環状円板３１に対し鉛直軸心ａ周りに相対回転可能な図１２の（ａ）（ｃ）に示すような環状円板３３が固定支持されており、この環状円板３３に径方向に複数個のロックピン２９が回転周方向に複数組支持されている。そして、このロックピン２９をタイマー制御式のソレノイド等の駆動源（図示省略する）を介して前記ロック用ホール２８に対して駆動進退移動させることにより、前記風向検知装置１０を定期的にロック状態とロック解除状態とに切換可能なロック機構が構成されている。風向検知装置１０はそのロック機構を介して通常ロックされており、タイマー設定された時間間隔で定期的にロック解除されたとき、風向き検知可能に構成されている。

さらに、前記固定支持部材１の頂部近くには、鉛直軸心ａ上に設けた水平軸３２を中心に正逆回転可能な回転制御板３４が組み込まれており、この回転制御板３４には該制御板３４の正逆回転によって風力ロータ７を固定する筒軸３の内周面部から突出形成した突起３５に係合及び離脱可能な制御ピン３６を径方向に出退移動させるリンク３７の一端が枢支連結されている。そして、図示省略したタイマー制御式の駆動装置を介して前記回転制御板３４を正逆回転させて制御ピン３６を径外方に突出させて突起３５に係合させることにより、風力ロータ７の回転を規制するロータ回転規定用のロック機構が構成されており、このロック機構を、風向検知装置１０のロック機構がロック解除されたとき、ロック動作させて風力ロータ７の回転を規制することにより、風向検知装置１０による風向検知作用が風力ロータ７の受ける旋回力で邪魔されずに正確な風向検知が行え、また、風向検知装置１０のロック機構がロックされたとき、ロック解除することにより、風向検知装置１０により検知された風向きに応じて前記の翼角度制御機構を動作させて風力ロータ７における風受け翼６…の風受け角度を既述したとおりに自動制御可能としている。

上記のように構成された風力発電装置においては、複数枚の風受け翼６…を有する風力ロータ７が鉛直軸心ａ周りで水平回転可能に構成された、いわゆる、シロッコ形式に構成されているので、そのロータ軸長Ｌを普及型のプロペラ式翼車の直径Ｄ（図１３参照）に匹敵する程度に長くして受風面積を大きく設定しても、風力ロータ７の回転による地上付近への悪影響がほとんど生じないため、普及型のプロペラ式のものに比べて全高Ｈを低くして固定支持部材１の構造耐力を小さくすることが可能であるとともに、発電機９の設置位置を低くして装置全体の重心位置も下げることが可能である。これによって、構造的に安定した風力発電装置を経済的に設計し施工することができる。また、１基当たりの発電装置の設置に要する水平方向の占有範囲Ｗがプロペラ式のものに比べて非常に小さくて済み、数基の風力発電装置を並設するときの用地面積を大幅に節減し、単位面積当たりの発電量を大きくとることが可能となる。

加えて、固定支持部材１の上端部に装着した風向検知装置１０により定期的に風向きを検知し、その検知した風向きに対応して、既述した翼角度制御機構を動作させることによって、シロッコ形式の風力ロータ７における複数枚の風受け翼６…それぞれの風受け角度をそれら翼全体で受ける回転抗力が最小となるように自動制御することが可能であり、これによって、風向きが経時的にどのように変化しても、常に十分大きい水平回転力を確保して風向きにかかわらず最大限の発電能力を発揮させることができる。

この点について図６を参照して詳述すると、シロッコ形式の風力ロータ７の場合は、各風受け翼６…に掛かる風圧が、図６のＡ側とＢ側とで異なるとき、その風圧差によって風力ロータ７が鉛直軸心ａの周りでの水平回転力を発揮するものであるから、各風受け翼６…の風受け角度が一定に固定されたものでは、風向きの変化によっては翼全体で受ける回転抗力が水平回転力よりも大きくなって筒軸３が逆回転したり、水平回転力と回転抗力との差が非常に小さくなったりして、例え空中の風速、風圧が大きくても十分な水平回転力が確保できない可能性がある。

この点を留意して構成された本発明の風力発電装置では、風向検知装置１０及び風力ロータ７を定期的にロック解除して風向きを周期的に検知し、その検知した風向きに応じて制御板２６を鉛直軸心ａ周りに回転させ、この回転に伴って二条の誘導溝２７ａ，２７ｂの異径接続部分２７ｃ，２７ｄの位置を円周方向で変位させることによって、図６のＡ側では各風受け翼６…が風圧を大きく受け止め、Ｂ側では各風受け翼６…の翼面が風の流れとほぼ平行で受け止める風圧が小さくなるように各風受け翼６…の風受け角度を自動的に変更制御する。これによって、風力ロータ７の翼全体で受ける回転抗力を常に最小限に止め、風向きの変化にかかわらず、風力ロータ７に空中に生起されている風速、風圧に見合うだけの十分に大きな水平回転力を確保することが可能である。

このようにして大きな水平回転力が確保された風力ロータ７の回転力が、筒軸３、大小歯車１１，１３を経て各発電機９に伝達され、発電コイル１４が電磁コイル１５により形成される磁場の中で高速回転されることにより、風向きの変化に関係なく、常に高い発電能力を発揮させることが可能である。

なお、上記した実施の形態では、風力ロータ７における翼角度制御機構として、風向検知装置１０に連動して鉛直軸心ａの周りを回転する制御板２６に二条の異径誘導溝２７ａ，２７ｂを形成し、これら異径誘導溝２７ａ，２７ｂ内に風受け翼６…から突設した誘導輪６ａ，６ｂ…を嵌合させた構造のもので説明したが、これ以外であっても、風向検知装置１０の風向検知動作に対応して各風受け翼６…の風受け角度をそれら翼全体でうける回転抗力が最小となるように制御できるものであれば、どのような構造を採用してもよい。

また、上記実施の形態で説明した永久磁石２０及び補助エンジン２１からなる補機はなくてもよい。さらに、発電機９としては、上記実施の形態で説明したような交流発電機に限らず、直流発電機を用いてもよい。

本発明に係る風力発電装置全体の正面図である。 同上風力発電装置全体の縦断正面図である。 同上風力発電装置全体の平面図である。 要部の拡大縦断正面図である。 要部の拡大縦断正面図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿った拡大横断平面図である。 発電部の拡大縦断面図である。 図７のＹ−Ｙ線に沿った横断平面図である。 図７のＺ−Ｚ線に沿った横断平面図である。 図１のＣ−Ｃ線に沿った拡大横断平面図である。 図４のＥ−Ｅ線に沿った横断底面図である。 （ａ）は図２の丸囲いしたＦ部の拡大縦断面図、（ｂ）はその要部の平面図、（ｃ）はその要部の底面図である。 一般普及型の風力発電装置全体の正面図である。

符号の説明

１ 固定支持部材
２ 基礎
３ 筒軸
６ 風受け翼
６ａ，６ｂ 誘導輪
７ 風力ロータ
８ 水平支持パネル
９ 発電機
１０ 風向検知装置
２６ 制御板
２７ａ，２７ｂ 異径誘導溝
ａ 鉛直軸心

Claims (4)

1. 地下または地表面に構築した基礎から上方に向けて垂直に立設させた固定支持部材に筒軸が鉛直軸心周りに回転可能に外嵌支持され、この筒軸の上部には周方向に複数枚の風受け翼を有する水平回転式風力ロータが取付けられているとともに、前記固定支持部材下部の地上部付近には前記筒軸に連結された発電機が配置されている風力発電装置であって、
   前記固定支持部材の上端部には風向きを検知する風向装置が装着され、この風向装置により検知された風向きに対応して、前記水平回転式風力ロータにおける複数枚の風受け翼それぞれの風受け角度をそれら翼全体で受ける回転抗力が最小となるように自動制御する翼角度制御機構が設けられていることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記風向装置は、定期的にロック及びロック解除可能に構成されており、ロック解除されたときに風向きを検知し、その検知した風向きに対応して、前記翼角度制御機構を動作させるように構成されている請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記翼角度制御機構は、水平回転式風力ロータにおける複数枚の風受け翼の幅方向両側部から突設した誘導輪を、風向装置の風向き検知に連動して前記鉛直軸心周りを回転する制御板に形成された二条の異形誘導溝に嵌合させてなり、その制御板の鉛直軸心周りの回転に伴い複数枚の風受け翼それぞれを風向きに対応した風受け角度に自動的に変更制御するように構成されている請求項１または２に記載の風力発電装置。
4. 前記水平回転式風力ロータは、前記筒軸軸線方向に複数段に配置された水平支持パネルで筒軸に固定支持されている請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。

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