JP2006194198A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】できるだけ重心を低くして大型化による大出力化を可能とした風力発電装置等の発電装置を提供すること。
【解決手段】略鉛直面上に配設した輪状のガイド部材１１を備えている固定設置用のフレーム１０と、翼２１を備えガイド部材１１に沿って回転可能に支持された輪状のセンターレス型風車２０と、フレーム１０に固定支持された発電機３０と、センターレス型風車２０の回転運動を発電機３０の入力軸に伝達する駆動力伝達機構４０と、を具備して構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力や水力を利用して発電する発電装置に関する。

従来より、自然エネルギーである風力を回転運動に変換する風車を用い、発電機を駆動して電力を得る風力発電装置が知られている。このような風力発電装置は、水平に配設された回転軸の一端部側に鉛直面内方向へ延びる細長いブレードを備えた風車を取り付け、ブレードに作用する揚力により風車を回転させて回転軸と連結された発電機を駆動して発電するように構成されている。また、近年においては、風力発電装置の大出力化に伴い風車のブレードも長尺化するので、この風車を回転させるためには水平方向及び鉛直方向の両方に広い面積が必要となり、しかも、回転軸や重量の大きい発電機を収納するナセルが非常に高い位置となる。

すなわち、風力発電装置の大型化は、設置スペース確保の問題に加え、ナセルを設置する支柱も高くなって高重心となる。このため、特に地震の多い地域にあっては、地震荷重を考慮した構造設計が必要になるため、高重心は好ましいことではない。
また、船上に設置する風力発電装置の場合、大出力化により重心が高くなることは、細長い形状となる船体の安定性にとって好ましいことではない。このような背景から、風車の高さを低くし、洋上の発電船や風況が略一定の陸上でも使用可能な無限鎖輪型風力発電装置が提案されている。この風力発電装置は、横軸の二つの鎖ホイールに鎖の輪を掛け渡し、その鎖に多数の翼を取り付けた構成とされ、翼の水平移動によるエネルギー変換を行って発電することで、大出力が得られるだけでなく優れた安定性の発電船を提供できるとされる。（たとえば、特許文献１参照）
特開２００３−１３８４１号公報（図１参照）

しかしながら、上述した特許文献１の無限鎖輪型風力発電装置は、鎖ホイール間に鎖の輪を掛け渡した構成のものであるから、大型化すれば必然的に鎖ホイール間のスパンが長くなる。この結果、鎖の撓みや振動による強度上の問題が生じてくるため、大型化により大出力を得ることは困難になる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、できるだけ重心を低くして大型化による大出力化を可能とした風力発電装置等の発電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る発電装置は、略鉛直面上に配設した輪状のガイド部材を備えている固定設置用のフレームと、翼を備え前記ガイド部材に沿って回転可能に支持された輪状の回転体と、前記フレームまたはその近傍に固定支持された発電手段と、前記回転体の回転運動を前記発電手段の入力軸に伝達する駆動力伝達手段と、を具備して構成したことを特徴とするものである。

上述した本発明の発電装置によれば、略鉛直面上に配設した輪状のガイド部材を備えている固定設置用のフレームと、翼を備えガイド部材に沿って回転可能に支持された輪状の回転体と、フレームまたはその近傍に固定支持された発電手段と、回転体の回転運動を発電手段の入力軸に伝達する駆動力伝達手段とを具備して構成したので、輪状の回転体は、翼に風力等の力が作用すると、固定設置されたフレームに設けられている輪状のガイド部材に導かれて略鉛直面上で周方向へ回転する。このため、回転体の回転中心に軸が不要となり、回転運動する回転体がフレーム設置面近傍の低い位置を通過するようになるので、発電手段を低い位置に設置し、駆動力伝達手段を介して回転体の回転運動を入力軸に伝達することができる。

上記の発電装置においては、前記回転体がチェーン等の可変形状部材であることが好ましく、これにより、たとえば楕円形等のように、ガイド部材の輪形状を円形以外の形状に設定することが可能になる。
この場合、ガイド部材を縦長の形状に設定すると、限られた設置面積内に多数の発電装置を配置できるようになり、また、ガイド部材を横長の形状に設定すると、装置全体の高さを低くすることができる。さらに、固定設置用のフレームとして、ビル等の建築物を利用することも可能になる。

上記の発電装置においては、前記フレームが、方向転換手段を備えている浮体上に固定設置されていることが好ましく、これにより、風力や海流等のように変動する自然エネルギーを浮体が方向転換することで有効に利用して効率よく発電することができる。

上述した本発明の発電装置によれば、翼を備えた輪状の回転体が風力等の力を受けることにより、この回転体は、フレームに設けられている輪状のガイド部材に導かれ、略鉛直面上で回転中心に回転軸が不要な回転運動をして、フレーム設置面近傍の回転中心よりも低い位置を通過する。このため、重心位置に大きな影響を及ぼす発電機等の発電手段を低い位置に設置し、発電手段の入力軸と駆動力伝達手段を介して容易に連結することができるようになる。従って、大出力化により回転体や発電機が大型化しても、風車等の回転中心に存在する回転軸と連結して駆動力を伝達する従来構成とは異なり、装置の低い位置で回転体の回転運動を発電手段に伝達して発電することができるので、装置全体の重心位置を低くして大出力化が可能となる。

また、回転体にチェーン等の可変形状部材を採用すれば、たとえば楕円形等のように、ガイド部材の輪形状を円形以外の形状に設定することが可能になるので、回転体が回転運動する回転形状（回転軌跡）の設計自由度を増し、発電装置を設置する場所の諸条件に応じて最適化することが可能になる。
また、上述した発電装置は、方向転換手段を備えている浮体上に固定設置されることにより、風向が変化する洋上の自然エネルギーを有効利用して効率よく発電することができる。この場合、ガイド部材を縦長の形状に設定した発電装置を採用すれば、浮体上に多数の発電装置を配置して効率よく発電することができる。

以下、本発明に係る発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１（ａ），（ｂ）に示す発電装置１は、風力を利用して回転軸のないセンターレス型風車を回転させて発電する風力発電装置である。
この発電装置１は、装置全体を支持して設置面２に固定設置されるフレーム１０と、このフレーム１０に支持された輪状のガイド部材１１に沿って回転する回転体のセンターレス型風車（以下、「風車」と呼ぶ）２０と、フレーム１０の適所に固定支持された発電手段の発電機３０と、風車２０の回転運動を発電機３０の入力軸に伝達する駆動力伝達手段となる駆動力伝達機構４０とを具備して構成される。

フレーム１０は、円形とした輪状のガイド部材１１を備えている固定支持用の部材である。このフレーム１０は、設置面２に設けた基礎等に支持される脚部１２と、脚部１２の上部に支持されて略鉛直面上に配設された円形フレーム１３とを備えている。
ガイド部材１１は、円形フレーム１３に支持されて略鉛直面上に配設されるが、図示の例では、所定の間隔をもって対向配置された左右一対の円形リング１１ａ，１１ｂにより構成される。なお、左右一対の円形リング１１ａ，１１ｂ間には、後述する風車２０の回転経路となる空間部１４が形成されている。

風車２０は、風力を受けるように外周側へ突出する複数枚の翼２１を備えている。図示の風車２０は、円形の輪状としたリング本体２２から左右両側へ突出するように、すなわち、空間部１４に配設されたリング本体２２と直交するようにして、円周方向へ等ピッチに固着した複数の翼支持アーム２３を備えている。各翼支持アーム２３の両端部には、ガイド部材１１を挟持して円滑な回転運動を可能にする走行ローラユニット２４が取り付けられている。図示の例では、各走行ローラユニット２４に走行ローラ２４ａが４輪設けられており、２輪が一組となってガイド部材１１の上下を２箇所で挟持するように構成されている。なお、複数の翼２１を備えた風車２０は、主要な構成部材であるリング本体２２及び翼支持アーム２３の他にも、図示しない補強部材等を適所に設けることにより、必要な強度を確保している。
従って、風車２０は、全周にわたって等ピッチに存在する走行ローラユニット２４がガイド部材１１に沿って回転可能に支持された構成となるので、風車中心部には回転軸及びその支持部材等が不要となる。

風車２０の回転運動は、駆動力伝達機構４０を介して発電機３０の図示しない入力軸に伝達される。この場合の発電機３０は、風車２０の回転運動下端部と略一致するように、すなわちリング本体２２の通過位置と略一致するように、円形フレーム１３の下端部近傍に固定支持されている。なお、発電機３０の設置位置については、フレーム１０の適所に直接固定設置してもよいし、フレーム１０の近傍に専用の支持部材を設けて固定設置してもよい。

駆動力伝達機構４０は、発電機３０とともに円形フレーム１３に固定支持されている。図示の駆動力伝達機構４０は、リング本体２２を挟持する駆動ローラ４１を二組（合計４輪）備え、リング本体２２と駆動ローラ４１との間に生じる摩擦力を利用して回転力が伝達されるように構成されている。すなわち、風力を受けて風車２０が回転運動をすることにより、駆動ローラ４１は、リング本体２２との間に生じる摩擦力によって連れ廻されて駆動する。従って、駆動ローラ４１及びリング本体２２の接触面には、互いの摩擦力が大きい素材（たとえばゴム等）を選択して使用する。なお、摩擦力伝達手段については、摩擦力を利用した構成に限定されることはなく、たとえば歯車を噛合させた構成など、適宜変更することができる。

駆動ローラ４１の駆動軸は、図示しない変速機構等を介して、あるいは直接、発電機３０の入力軸と連結される。この結果、風車２０の回転力は、リング本体２２から駆動ローラ４１を介して発電機３０の入力軸に伝達されるので、風力により発電機３０を駆動して発電することができる。
ところで、上述したセンターレス型の風車２０は、全体の径を同じにすれば翼２１の長さが短くなるため発電効率の低下が懸念される。しかし、翼２１の長さ方向において、風力を受けて大きな回転力を発生させるのは主に先端側の領域であり、根本付近の領域が寄与する割合は決して大きくないことが知られている。このため、風車２０の実質的な効率は、長尺の翼を有し回転軸を中心に回転する従来の風車と比較して、大きく低下するようなことはない。

上述したように、翼２１を備えた風車２０が風力を受けると、風車２０は、フレーム１０の円形フレーム１３に設けられている円形のガイド部材１１に導かれ、略鉛直面上で回転軸が不要な回転運動をし、フレーム１０の設置面２に比較的近い回転中心よりも低い位置を通過する。このため、発電装置１の重心位置に大きな影響を及ぼす発電機３０を低い位置に設置し、発電装置３０の入力軸と駆動力伝達機構４０を介して容易に連結することが可能になる。従って、大出力化により風車２０や発電機３０が大型化しても、風車回転中心に存在する回転軸と連結して駆動力を伝達する従来構造とは異なり、装置の低い位置で回転体の回転運動を発電機３０に伝達して発電することができるので、装置全体の重心位置を低くして大出力化することが可能になる。このようにして装置の重心を低く設定できると、フレーム１０や基礎の負担が軽減されるので、支持構造の簡素化が可能となる。特に、地震の影響を考慮した設計を行う場合には、重心の低下による支持構造の簡素化はより一層顕著になる。

ところで、上述した実施形態においては、風車２０の翼２１がリング本体２２の外周側へ突出して設けられているが、図２（ａ）に示す第１変形例や図２（ｂ）に示す第２変形例のようにしてもよい。
第１変形例の風車２０は、翼２１がリング本体２２の内周側及び外周側の両方に突出して設けられたものであり、また、第２変形例の風車２０は、翼２１がリング本体２２の内周側に突出して設けられたものである。このような翼２１の配置としても、装置全体の重心を下げて支持構造を簡素化することができる。

＜第２の実施形態＞
本発明による発電装置の第２の実施形態を図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態の発電装置１Ａは、翼２１が取り付けられる輪状の回転体に、具体的には第１の実施形態で説明したリング本体２２等に相当する部材について、たとえばチェーンのような可変形状部材を採用したものである。このため、翼２１に風力を受けて回転する風車２０Ａは、円形の軌道に限定されることはなく、たとえば楕円形状等の自由な形状としてもスムーズに回転することが可能になる。
この場合、図示しないガイド部材が縦長の形状に設定されているので、発電装置１Ａを１台設置するのに必要となる設置スペースが狭くなり、従って、同一面積に多数の発電装置１Ａを配置して発電することができる。また、このような縦長の形状は、翼２１が高い位置で高風速域の風を利用できるので、風力の有効利用が可能となる。

図４に示した第１変形例の発電装置１Ｂでは、ガイド部材が横長の形状に設定されているため、装置全体の高さを低くすることができる。また、フレーム１０を全体的に嵩上げすることで風車２０Ｂの位置を高くすれば、高風速域の風を利用できるようになるだけでなく、風速の鉛直分布に起因する荷重のアンバランスを解消することもできる。
図５に示した第２変形例の発電装置１Ｃ，１Ｄでは、固定設置用のフレームとして、ビル３，４のような建築物を利用することも可能になる。この場合、可変形状部材の採用により、風車２０Ｃ，２０Ｄの回転軌道を自由に設定できるため、ガイド部材の形状をビル３，４の形状に合わせて最適化することができる。

上述した風車２０Ａ〜２０Ｄのように、図示しないリング本体等の回転体にチェーン等の可変形状部材を採用したことにより、たとえば楕円形等のように、ガイド部材の輪形状を円形以外の形状に設定することが可能になる。このため、回転体を回転運動させる回転形状（回転軌跡）の設計自由度が増し、発電装置を設置する場所の諸条件に応じて最適化することが可能になる。

また、上述した各実施形態の発電装置において、フレーム１０を浮体に固定設置してもよい。すなわち、上述したセンターレス型の風車は、風向の変化に対応することが困難であるため、方向転換手段を備えている浮体上に固定設置することにより、風向に応じて風車の向きを浮体とともに変更できるようになる。従って、風向に応じて最適な向きに風車を設置し、自然エネルギーを有効に利用して効率よく発電することができる。このような浮体設置の発電装置としては、限られた面積を有効利用して多数設置できることから、図３に示した縦長の形状を採用することが好ましい。

ところで、上述した各実施形態では、自然エネルギーとして風力を利用する発電装置について説明したが、風車に代えて水車を採用すれば、自然エネルギーの水流を利用した発電装置とすることができる。具体例をあげると、海洋上に配設された浮体に発電装置を固定設置し、水車の翼が海流の影響を受けて回転するよう海中に配置すれば、上述した風車と同様に自然エネルギーを利用して発電することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る発電装置の第１の実施形態を示す図で、（ａ）は全体構成の概要を示す正面図、（ｂ）は要部の拡大斜視図である。 図１に示す第１の実施形態に係る変形例であり、（ａ）は第１変形例として全体構成の概要を示す正面図、（ｂ）は第２変形例として全体構成の概要を示す正面図である。 本発明に係る発電装置の第２の実施形態について、全体構成の概要を示す正面図である。 図３に示す第２の実施形態に係る第１変形例として、全体構成の概要を示す正面図である。 図３に示す第２の実施形態に係る第２変形例として、全体構成の概要を示す正面図である。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｄ 発電装置
２ 設置面
１０ フレーム
１１ ガイド部材
１１ａ，１１ｂ 円形リング
１２ 脚部
１３ 円形フレーム
１４ 空間部
２０，２０Ａ〜２０Ｄ センターレス型風車（回転体）
２１ 翼
２２ リング本体
２３ 翼支持アーム
２４ 走行ローラユニット
２４ａ 走行ローラ
３０ 発電機（発電手段）
４０ 駆動力伝達機構（駆動力伝達手段）
４１ 駆動ローラ

Claims (3)

1. 略鉛直面上に配設した輪状のガイド部材を備えている固定設置用のフレームと、
   翼を備え前記ガイド部材に沿って回転可能に支持された輪状の回転体と、
   前記フレームまたはその近傍に固定支持された発電手段と、
   前記回転体の回転運動を前記発電手段の入力軸に伝達する駆動力伝達手段と、
   を具備して構成したことを特徴とする発電装置。
2. 前記回転体が可変形状部材であることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記フレームが、方向転換手段を備えている浮体上に固定設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。

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