JP2006299868A

JP2006299868A - 自動伸縮式ブレード

Info

Publication number: JP2006299868A
Application number: JP2005120536A
Authority: JP
Inventors: Yasuhisa Choshoin; 松院泰久長
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】
実用的な小型風力及水力発電機を普及させる為、ブレードには耐圧面積の大きい多翼形が最適であるが、製作技術と強風時の制御が難しく、又、低回転という欠点もあり、利用は不可能と言われていたが、これを大幅に改善し、高効率の実用風力及水力発電機提供に関するものである。
【解決手段】
風力や水力に使用するブレードの外側を２重の袋状にし、その袋状の中に少し小形の同形の１枚の中ブレードを挿入し、用途に応じた大きさから、電動モーター又はバネ方式の中から１つを選び、内側の中ブレードと連結、全体のブレードの回転する遠心力とを併用し、そのブレードを適宜サイズ、出し入れする動作で中心軸への強弱の回転数を一定数に自動制御できる事を特徴とした、自動伸縮式ブレードで実用の風力・水力発電機の製作が可能となった。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電機と水力発電機に利用できるブレードで、このブレードに当たる風速及水量の変動でブレードの破壊や、ブレードの中心軸に伝わる回転数の変化により、発電機と駆動部分の損傷防止が必要で、更に小型風力発電機や小形水力発電機の一般利用ができる実用化には、弱風時や水量の少ない場合の回転数の向上が不可欠で、従来の方法ではこれらの重要な問題の解決は困難視されていた。これを必要に応じて、当初より適宜サイズの２重ブレードで内側を長めに製作しておき、弱風や水量の少ない時に十分な耐圧で、回転数を確保、反面、強風時には、この２重ブレードの内側のブレードが一定の回転数で縮小し軸の回転数を制御、又ブレード全体への耐圧の減少で、安全性も確保できる構造を特徴とした、自動伸縮式ブレードに関するものである。

ブレードの役目から風力用・水力用も同じであり、以下は風力用を主力として説明する。
従来から風力発電機としては、プロペラ型が主流で、最近は垂直翼型風力発電機も発明されているが、まだ大型・小型ともプロペラ式が多く実用化されている。

しかし最近は、地球温暖化の防止上、風力発電機の普及は欠かせないが、多く実用化されているプロペラ式風力発電機で、プロペラの風切り音が高いこと、超小型化すれば発電機の回転力が悪く、実用機種に不向きなどの欠点があった。

実用的小型風力発電機を普及させるには、プロペラの風切り音が少なく、目障り感がなく周囲に溶け込み、弱風と強風にも発電機として使用でき、できれば風速7m以下で負荷発電し、価格的にも安価で市街地でも設置可能な風力発電機の開発が望まれる。

特に実用化されているプロペラ式の小型風力発電機の市街地への設置は、プロペラのブレードの直径が1.2m〜２mに限定されているが、これはそれ以上のブレードになればブレードの風切り音・目障り感が目立つため、市街地への環境悪化とプロペラの大型化で危険度が増す為、設置が不可能で、そのためプロペラの長さが制限されることで、発電機の回転数も定格数に上がらず又、大型機種も設置できず弱風には発電しないなど、設置場所を限定しない実用化には至らない問題があった。

この改善策として多翼式でブレードも扇形とし、当初のブレードを少し長めにし風圧を多く受けブレード直径を3枚のプロペラ式より長くする事なく、低速回転を発電機には高速回転させ発電する方法がある。
図１は、自動伸縮型ブレードを装着した多翼式風力発電装置の姿図で、扇形ブレードの外側の一部が２重ブレードで、弱風時には図の状態で回転し、従来の３枚ブレード式の３倍の回転がある。

図２は背面図である。ブレードを扇型の多翼にしているのは、強度が保持できるのと伸縮変換がしやすい為である。参考文献は次の通りである。

特開２００５−００９４１５号公報特開２００２−２４２８１６号公報特開２００３−２５４２２２号公報特開平１０−８９２３５号公報

小型風力発電機を設置場所を限定せず、風速６〜７ｍの弱風で利用でき早急に実用化し、装置を普及させる為には次のような課題があった。
イ、ブレードがプロペラ式でも垂直翼でも従来の方法より、小型で回転力を向上し高性能にしなければならないが、その方法はどうするか。
ロ、弱風から強風でも発電を可能にし、方向蛇を必要とせず風を利用、製造コストと安全性をいかにしてバランスのとれた作りをするか。
ハ、ブレードを短くして風切り音を抑え、ブレードのチラツキを少なくする方法はないか。
ニ、ブレードを短くすれば、回転力が不足し又ブレードの面を拡大すれば、回転数が低くなる欠点があるがどのようにして改善するか。
本発明は、これらの欠点や課題を解決する為になされたものである。

請求項１の発明は、風力や水力に使用するブレードの外側を２重の袋状にし、その袋状の中に少し小形の同形の１枚の中ブレードを挿入し、用途に応じた大きさから電動モーター・ベアリングガイド又はバネ方式の中から１つを選び、内側の中ブレードと連結。全体のブレードの回転する遠心力とを併用し、そのブレードを適宜サイズに出し入れする動作で、中心軸への強弱の回転数を一定数に自動制御できる事を特徴とした自動伸縮式ブレードを提供するものである。

請求項２の発明は、ブレードの形状・サイズ、その用途も風車用・水車用で特に限定されず、使用取付方法には安全性を有した２重ブレード方式で、その外側の袋状のブレードは１枚作りか大きさに応じ２枚分割でも良く、自由に回転性能を向上できる構造を特徴とする請求項１に記載する自動伸縮式ブレードを提供するものである。

本発明により次の効果がある。ブレードが受ける風圧を多く受ける方法として、風速6m〜7m/sで当初よりブレードの面積を、幅広くしておく方法が出来、強風時には安全のため自動でブレードが定位置まで縮小することが可能で、従来型の３倍の発電効果がある。
ブレードが扇形で全体が大型化し、ブレードの回転数は少ないが回転力はあり、増速機の利用で回転軸の増速は可能で、音も出ず従来機種は１kw以下の発電で照明用に使用されていたが、本発明の利用で市街地・ビル屋上に設置できるサイズで２kw〜19kwまでの小型風力発電機の製作設置も可能となる為、冷暖房用など従来の利用とは大幅に電気器具の応用が広がり、小型風力発電機の実用化が期待され、CO2の削減効果にも有効である。

ブレードの面を扇型状により拡大する事で低速回転するが、従来より２〜３倍の高性能増速機の利用でシャフトの増速が可能で、発電機の回転は増速され効率が良く、製作コスト高を考慮しても十分メリットがある。

最近では、風力発電機で発電機の増速をしない方法もなされているが、１基ブレードが２m以内で風速も１１ｍ以上必要で、発電も600W〜800W程度しか発電しない為、実用性に欠けていた。
本願発明品では、デザイン・性能・安全性に従来機より大幅に向上する為、価格が20〜30％高くなっても、今回の発明の自動伸縮式ブレードを利用することで、風速７m/s以下で利用できる実用小型風力発電機が製作可能で、海岸地区では年間平均して風速が５〜６m/sは吹いており、発電効率は高く、又市街地では風速が平均２〜３m/sで、従来機種では発電効率が悪く、風力発電気のみで普及している機種はほとんどないが、今回の発明では市街地でも風速が３〜４m/s吹けば、定格発電量の60〜70％の発電が可能で、実用小型風力発電機として、全国に普及しやすい。
これにより、実用であてになる風力発電機を提供でき、自然エネルギー利用向上にも大きく寄与する。

従来よりプロペラ式や垂直翼でもブレードは、風速を回転に変換する時、ブレードの回転をいかに早くするかが最大の目的であった為、ブレードの形はなるべく細く・長く、又薄くをモットーに開発されている。しかしこれでは、海岸地区で年平均５〜６m/sの風速しか吹かず、市街地では年平均２〜３mから４m/s程度しか吹いていない為、今だに小型の風力発電機は実用化されていない。

しかし、今回の自動伸縮型ブレードの発明によりブレードの形状を扇型にし、ブレードの数も３枚ではなく４枚・６枚・８枚と多翼型にする事と、当初のブレードの面のサイズを20％〜40％大きくし、自動伸縮式ブレードとすれば軸の回転力は３枚式ブレードの同サイズの３倍以上となり、強風時のブレードの構造上の安全性も確保、風速７m以下でも小型で実用性の高い風力発電機を提供できる目的が達成できた。

以下、本発明の一実施例を図によって説明する。
図１は姿図で、本発明ので特許請求項１の自動伸縮ブレードの装着した姿図である。風車４組のブレードの中で１組のブレードで説明すると、外側の２重袋状ブレード１の中に中ブレード２が装着されており、風車全体が回転し一定の回転数以上になるとバランスを調整された、移動オモリ３が回転遠心力で外側に移動。この時、各ブレードそれぞれの移動オモリ３が停止バネ５の定位置まで移動。これに連動して中ブレード２の端と固定された引きバネ４−１と４−２が伸びる。

そこで、中ブレード２が外側の２重袋状ブレード１の中に収納され、ブレードに当る耐風圧力が減少し、自動的に回転数が落ち一定の回転数以内にて回転され、回転軸に連結された発電機及駆動部・増速装置の損傷を防止。更には、風車全体の設備の倒壊防止にもつながる。

これとは逆の動作で風速が弱くなれば、移動オモリ３が引きバネ４−１・４−２より引き戻され、連動して中ブレード２は外側の２重ブレード１中より元の位置まで伸びて、風圧力の面積を拡大し、回転数をあげる回転力を得ることができ、強風時と弱風時と以上の動作を繰り返し高効率と安全を維持できる。

今回の自動伸縮式ブレードの発明の重要性は、風力と水力の自然エネルギーの利用で、安全で効率の向上において不可欠の発明である。発電量は１kw〜19kwの発電量を得る事が出来れば、従来の１基600w内外の発電量の平均して１０倍以上、少し大型にすれば１５倍以上の発電量となり、多様な用途が広がり社会的な貢献度は大きい。

そこで、従来の風車は風速が11〜12m/s吹く事が要求されているが、風力発電を普及させる為には、風速が従来の半分の６m〜７m/s以下で負荷発電する事が必要で、従来の半分の風速で、発電させる方法として今回の発明がある。

従来機は３枚プロペラ方式で、風速６m/sでは負荷発電（電気を使用しながら発電させる状態をいう）は、定格発電量の10％といわれ、弱風では使い物にならなかった。数値で示せば、従来機の３枚プロペラ方式では、３m/sの風速から６mの風が吹けば２乗方式で２×２＝４倍の回転力となる。

今回の発明では、ブレードを扇型にする事で、プロペラと同じサイズでも３乗方式で２×２＝４を更に４×４＝１６倍となり、その中でブレードの説明に戻るが、２重ブレードの中ブレード２を35パーセント大きめにしておく事で、回転力は２倍となる事が実験で証明された。

そこで、前述の３乗方式で回転力を計算すればプロペラ３枚と同じサイズより、新発明の扇型では35パーセント、４枚のブレードを長くすると、かなりの倍数の回転力となる。

３枚プロペラの元のサイズより35パーセント長くする方法は必要であるが、同プロペラ方式より新方式は、６m/sの風速で、２倍の回転力を発生させる事が出来る。

従って、今回の発明で元のブレードのサイズよりブレードを20パーセント長くすると、60パーセントの回転力、25パーセントでは75パーセント、35パーセントで100パーセントの２倍の、それぞれ回転力が増大する事が小型風力発電機の製作と普及には、小型で高性能化し一般の住宅地や市街地でも利用できる、風力発電機の開発では不可欠である。

一方、ブレードの大型化は強風時の破損や倒壊の恐れには十分配慮が必要で、今回の発明で元のブレードのサイズより35パーセントの拡大で２倍の力が出る事や、強風時と弱風時には安価で、自動で伸縮するブレード方式は重要視される。

ブレードの伸縮効率を述べ、元の図１の説明に戻り、外側のブレード６の金具はステンレス製のワイヤー止め金具、７は固定式ブレードで８は鋼材のLアングルの円型補強材で、ブレード全体を固定する役目を有する。この円型補強材がこの扇型風車の強度を十分維持する役目を有し、又回転をスムーズにするフライホイール（回転速度慣性）の役目にもなる。

回転主柱９で、固定主柱10の上にて回転する。11はサービス開閉口で12は発電機類の収納ケースで、13は２重袋状ブレード溶接部でビス止めで補強している。以上が自動伸縮式ブレードを装着した状態を含めての部材説明である。

図２は自動伸縮式ブレードの風車装着状態の背面図である。外側２重袋状ブレード１の裏面は、一部が袋状になっているが全体でもよい。中ブレード２は両端ステンレスに補強された三角よりワイヤーでそれぞれ連結し、表面で４−１と４−２の引きバネに結束し、14の三角ステンレス金具よりワイヤーで連結し、表面でオモリ３と結束する。４−１・４−２とオモリ３はバランスを取り、遠心力との引きと戻りを調節しておく。８・９・10は図１の通りである。

図３は左側面図で、右側面図と構造的には変化はなく、円型補強材８とこれを支える斜め支柱補強材15が各ブレードの数と同じ数で支える作りとなっており、この全体の構造が従来にはない強度を保持、実験では風速35m/sでも全く支障はなく、この斜め市中の表面に沿って、移動オモリ３が設置されその先端には停止バネ５があって、このバネの長さで、中ブレード２の伸縮長さを調整する。このオモリ３の中心とバネ５の中心には、移動オモリガイド鉄線18で構成され、トラブルの発生はない。

回転軸ケース16と方向蛇補助版17とがあり、風を調整し固定主柱10と上の回転主柱９の中心軸が上の発電機収納ケース12の中心位置をズラす事と扇型ブレード全体の重量が加わり、風下を必ず向くように設計し、通称ダウン・ウインド型と言い、方向蛇不要で低価格の一要因である。１・２は図１に示す通りである。

図４はブレードが一定の回転数以上になった時の、中ブレード２が外側の２重袋状ブレード１の中に収納した状態図である。これで、回転数の減少とで強風に対する風車全体の施設の保護と発電機の破損を防止できる。この時、斜めに支柱補強材15の表面上で、移動オモリ３が外側に移動し、停止バネ５で停止している。この時、引きバネ４−１・４−２は中ブレード２が収納する幅で左側に移動している。

図５は自動伸縮式ブレードの構造拡大図で、前記文と引き続いて説明する。図３がその構造の断面図に相当し、図５が拡大平面図でブレードを伸ばした状態図で、固定ベース用フラットバー材19に移動オモリガイド鉄線18に移動オモリ３と停止バネ５が装着され、中ブレード２が拡大しておれば引バネ４−１・４−２は縮小した状態になっている。一定以上の回転になれば移動オモリ３が右側へ遠心力で移動し、そのオモリと中ブレードはワイヤーで連結されており、同時に中ブレードは縮小し外ブレード１に収納するが、この時引バネは伸びた状態になる。

図６は外側の２重袋状ブレード拡大図で、２重袋状ブレード１は全面でも一部でも大きさに応じて決定し、中ブレード２が出入りしやすい作りとする。ブレード溶接部13の強度と厚みで調整する。

図７は中ブレード２の拡大図で、三角ステンレス金具14は引っ張り強度を増す為と、ワイヤーが結束しやすい穴を施している。

図８は拡大断面で、オモリ３から中ブレード結線ワイヤー20を通じ、中ブレード２が出し入れする。１・８・12・16・17は図１と図３の通りである。

ブレードがプロペラ式か垂直翼式を問わず、従来の方法より性能・効率・安全性が２〜3倍向上しなければ小型の実用型風力発電機の普及は不可能である。特に強風より弱風が年間大半吹いており、平均３〜４m/sの風力を、いかに小型風力発電機に生かせるブレードを発明するかが、性能向上には最大の課題であった。今回発明の自動伸縮式ブレードの利用により、価格が多少割高になるが、従来品は風速が10〜12m/s以上必要であるのに、本願発明品は風速６〜７m/sで負荷発電（電力を使用する意味）するため、海岸地区や市街地のビル屋上での利用が大幅に可能である。従って、全体的に従来機の３倍の性能アップができ、風速７m/s以下での実用小型風力発電機として１KW〜19KWまでの普及ができ、全世界の流通商品として又一般家庭から軽工業用まで幅広く利用でき、産業上の経済効果も大きく、更に自然エネルギーの利用向上にも役立つ画期的な風力発電機として提供できる。

本発明の一実施例を示す自動伸縮式ブレードの装着姿図背面図左側面図回転が一定数以上になった時の中ブレード収納状態図自動伸縮式ブレードの構造拡大図外側の２重袋状ブレード拡大図中ブレード拡大図拡大断面図

符号の説明

外側の２重袋状ブレード
中ブレード
移動オモリ
４−１・４−２．引バネ
５．停止バネ
６．ワイヤー止め金具
７．固定ブレード
８．円型補強材
９．回転主柱
10．固定主柱
11．サービス開閉口
12．発電機類収納ケース（ハウジングケース）
13．２重袋状ブレード溶接部
14．三角ステンレス金具
15．斜め支柱補強材
16．回転軸ケース
17．方向蛇補助板
18．移動オモリガイド鉄線
19．固定ベース用フラットバー材
20．オモリ及中ブレード連結ワイヤー

Claims

風力や水力に使用するブレード（羽根又はプロペラともいう、以下省略）の外側を２重の袋状にし、その袋状の中に少し小形の同形の１枚の中ブレードを挿入し、用途に応じた大きさから電動モーター・ベアリングガイド・又はバネ方式の中から１つを選び、内側の中ブレードと連結。全体のブレードの回転する遠心力とを併用し、そのブレードを適宜サイズ出し入れする動作で、中心軸への強弱の回転数を一定数に自動制御できる事を特徴とした自動伸縮式ブレード。
ブレードの形状・サイズ、その用途も風車用・水車用で特に限定されず、使用取付方法には、安全性を有した２重ブレード方式で、その外側の袋状のブレードは、１枚作りか大きさに応じ２枚分割でも良く、自由に回転性能を向上できる構造を特徴とする、請求項１に記載する自動伸縮式ブレード。