JP2006316751A - ダリウス・サボニウス式風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転支柱軸にダリウス翼とサボニウス翼を取付けた風車部と、該風車部の回転によって発電する発電機を備えたダリウス・サボニウス式風力発電装置であって、転倒に対する安定性が高く、据付が容易で、しかもコストが安いダリウス・サボニウス式風力発電装置の提供。
【解決手段】 地面又地面近傍に設置した基部内には低速回転式発電機９とブレーキ装置１０を内蔵し、基部１１から上方へ延びて起立するポール６内には伝達軸８を設け、上記発電機９の発電機軸１６と伝達軸８はカップリング１２を介して連結し、又伝達軸８の上端にはカップリング１２を介して連結した翼部回転支柱軸７の上端に上記風車部１の回転支柱軸３を載せて固定している。
【選択図】 図１

Description

本発明は風力によって回転するダリウス・サボニウス式風力発電装置に関するものであり、特に発電装置の転倒に対する安定性の向上及び据付工事の容易性を図った上で大幅なコストダウンを達成することが出来るダリウス・サボニウス形風力発電装置に関するものである。

風力発電機は風車に風が当たることで回転し、この回転を利用して回る発電装置により発電される。ところで、風力発電装置において、風車の回転速度は風速とその風車形状が有す周速特性により決まる為に、風車の径が大きくなるほど低く成り、風車回転軸と発電機装置との間に高価な増速機が備わっている。近年、風車の回転軸に永久磁石を配置したローターとし、増速機を要さない一体型の発電装置が水平式発電装置用として実用化されているが、コストは高い。

本発明が対象とする、ダリウス翼と該ダリウス翼の起動性を向上させる為のサボニウス翼を組み合わせた垂直形ダリウス・サボニウス式風力発電装置に関しては、早稲田大学の長年の研究により発表された周知の技術がある。そして、その周知技術に添って色々な周辺技術が開発されているが、中でも翼の回転を発電機に伝達して発電する機械構造部に関しては多くの方式が開発されている。翼の回転数は翼の形状により周速比が決まっており、発電容量の大きいほど翼直径も大きく成り、従って翼回転数（ｒｐｍ）は小さくなる為に、歯車などにより回転を増幅して発電機に伝達する方式が一般的である。

特開２００５−８３２０６号に係る「ダリウス式風力発電装置及びサボニウス風車」は、回転翼を支持する入力軸の垂直性を容易に調整できる構造簡単なダリウス式風力発電装置であり、「回転翼と、回転翼を相対回転不能に支持する入力軸であって、略垂直方向に延びる入力軸と該入力軸に相対回転不能に連結されるバランス板であって、該入力軸の軸線を基準にして径方向に延びるバランス板とを備えている。そして該バランス板は、入力軸の軸線を基準にして周方向に配設された複数のウエイト取付け部を有している。」
２００５−８３２０７号に係る「ダリウス式風力発電装置」は、入力軸を垂直方向に沿わせて容易に組付けすることが出来、且つ、大きな設置スペースを要しない構造簡単なダリウス式風力発電装置である。そこで、「回転翼と、回転翼を相対回転不能に支持する入力軸であって、略垂直方向に延びる入力軸と該入力軸
を介して入力される回転動力を増速する増速伝動ユニットと、増速伝動ユニットに作動的に連結された発電機と、増速電動ユニット及び発電機を収容するハウジングとを備えている。該ハウジングは底壁と底壁の周縁部から上方に延びる周壁と、周壁の上方開口を閉塞する上壁とを有し、入力軸は上壁及び底壁にそれぞれ設けられた軸受け部によって少なくとも２点支持されている。」
ところで、上記特開２００５−８３２０６号、及び２００５−８３２０７号に係る「ダリウス式風力発電装置」は、ギア増速機を備えるなどして構造が複雑であって、該風力発電装置の製作コストは高くなってしまう。また、風車と発電機械構造部が一体化した構造とされ、その為に高い支柱ポール上に重量物と成る発電機械構造部を設置した不安定な構造と成っている。
特開２００５−８３２０６号に係る「ダリウス式風力発電装置及びサボニウス風車」 ２００５−８３２０７号に係る「ダリウス式風力発電装置」

このように、従来のダリウス式風力発電装置には上記のごとき問題がある。本発明が解決しようとする課題はこれら問題点であって、風力発電装置の転倒に対する安定性の向上、据付工事の容易性を図った上で、大幅なコストダウンを達成することが出来るダリウス・サボニウス式風力発電装置を提供する。

本発明に係るダリウス・サボニウス式発電装置は、風車部と支柱ポール部に２分割し、風車部は軸接続を可能とした回転支柱軸にダリウス・サボニウス翼を組み付けした一体構造としている。そして支柱ポール部は発電機を内蔵した基部と伝達軸を内蔵した支柱ポールを有し、上記回転支柱軸は伝達軸上端に接続部を介して連結され、発電機を回転する発電機軸は伝達軸の下端とカップリングを介して連結している。

本発明では、低回転式発電機の採用により高価な増速機を省略し、その為に伝達ギアのロスをなくした上で大幅な機械構造の簡素化を達成し、発電機を内蔵して基部と成る重量機械構造を地上又は地上近部に設置している。伝達軸を内蔵の支柱ポールを基部上端に固定した一体構造としたことで、風力発電装置の転倒に対する安定性の向上、据付工事の容易性を図った上で大幅なコストダウンを達成したダリウス・サボニウス式風力発電装置である。

本発明のダリウス・サボニウス式風力発電装置は、従来の風力発電装置とは異なり、発電機を内蔵して基部と成る重量機械構造を地上又は地上近部に設置し、風車の回転支柱軸と連結する伝達軸を内蔵した支柱ポールを該基部から起立した構造と成っている為に、転倒し難く安定性は高い。そして、風車は起立した支柱ポールの伝達軸上端接続部に取着することが出来、据付工事も簡略化した構造と成っている。また、低回転式発電機を用いていることで増速機は不要と成り、発電装置全体の製作コスト及び据付けコストは安くなる。

図１は本発明に係るダリウス・サボニウス式風力発電装置の概略図であり、図２は図１の平面拡大図を表している。このダリウス・サボニウス式発電装置は風車部１と支柱ポール部２から成り、風車部１の回転支柱軸３にはダリウス翼４，４・・とサボニウス翼５，５・・が取着され、支柱ポール部２は内部に翼部回転支柱軸７と伝達軸８を有したボール６と、発電機９とブレーキ装置１０を組み込んだ基部１１から成っている。ポール６は基部１１の上に垂直に起立し、該ポール６の上端に突出して接続部となる翼部回転支柱軸７に風車部１が取着されている。

翼部回転支柱軸７は、その下端が伝達軸８とカップリング１２を介して連結し、上端には連結盤１３を形成し、該連結盤１３には風車部１の回転支柱軸３が載って固定されている。ところで、翼部回転支柱軸７はポール６に設けている軸受け１４にて支持され、一方の伝達軸８の下端は基部１１の上端部に設けた軸受け１５にて支持されている。そして、回転支柱軸３の下端部及び上端には概略アーチ状に湾曲した複数のダリウス翼４，４・・の両端がピンを介して連結・取着され、又該ダリウス翼４，４・・の内側にはサボニウス翼５，５・・が回転支柱軸３に取付けられている。

上記回転支柱軸３に固定した環状支持盤には分割されたサボニウス翼支持板をボルト支持して複数の円盤を形成し、その円盤間に半円形状の複数サボニウス翼５，５・・をボルト又はリベット支持にて構成したサボニウス翼部を構成している。そして上記回転支柱軸３に設けた上下支持部にはダリウス翼４，４・・の両端接続部をピン連結しているが、これはダリウス翼の振動疲労破壊を軽減する為である。

支柱ポール部２を構成するポール６は設置条件により算出された長さと径の鋼管が用いられ、該ポール６を垂直に起立する為に地面に固定される基部１１を設けている。基部１１には発電機９が内蔵されると共に、上記伝達軸８と連結して該発電機９を回転する発電機軸１６を設けている。そして、ポール６の最上部には、風車部１のモーメント荷重に耐え得る枠体と軸受け１４を介して回転を可能にした翼部回転支柱軸７を有している。

ここで、風車部１の回転支柱軸３を連結・取着している翼部回転支柱軸７は振動抑制の為にカップリング１２を介して伝達軸８と連結し、基部１１まで延びている伝達軸８はブラケットを介して取付けられている発電機９を回転する発電機軸１６とは、同じくカップリング１２を介して連結されている。同図から明らかなように、基部１１に内蔵されている発電機９は風車部１の回転と同じ速度で回って発電することが出来る低回転式発電機が用いられている。

図３に示すように、発電機軸１６の中間部にはブレーキ盤１７を設け、該ブレーキ盤１７の外周をブレーキパッド３１ａ，３１ｂで挟み込んで制動するブレーキ装置１０が備わっている。ブレーキ装置１０はシリンダー１８の力を複数のリンクと軸で構成されるリンク機構を介して増幅伝達し、上記ディスクパット３１ａ，３１ｂで挟み込んで回転するブレーキ盤１７を制動することが出来、強風時の風車部１の過回転を防止するように構成している。該ブレーキ装置１０は自動制動され、安全の為に平面一定角度を有して２箇所に設定し、その内一方のブレーキ装置１０ｂはハンドル１９と軸ネジ２０を介してリンク機構を作動することで制動を行うことが出来る手動ブレーキ機構としている。

図４は手動にて動作することが可能なブレーキ装置１０ｂを表している詳細図である。ブレーキ装置１０ｂのリンク機構は、先ずブラケット２１に設けた支点軸２２を中心として揺動するアーム２３を設けている。又、２本のアーム２５ａ，２５ｂは固定支点軸２４ａ，２４ｂを中心に揺動可能に軸支され、両アーム２５ａ，２５ｂは軸２７ａ，２７ｂを介してリンク２６ａ，２６ｂと連結している。そしてリンク２６ａ，２６ｂの先端は軸２８にて連結されてＶ字状と成っている。

一方、下側のアーム２５ｂの先端軸２７ｂには別のリンク２９が連結し、該リンク２９は上記アーム２３と軸３０を介して連結している。そして、上記アームアーム２５ａ，２５ｂの先端にはブレーキパッド３１ａ，３１ｂが軸支され、ブレーキ盤１７は両ブレーキパッド３１ａ，３１ｂにて挟まれて、ブレーキ盤１７の回転が制動される。

ところで、風車部１の回転を制動する場合、図４（ａ）に示すようにシリンダー１８のピストンロッド３２を収縮する。ピストンロッド３２が収縮すると、アーム２３の先端側が降下して支点軸２２を中心に揺動する。そして、アーム２３に連結しているリンク２９が引っ張られてアーム２５ｂが固定支点軸２４ｂを中心に揺動し、その結果、アーム先端に取付けているブレーキパッド３１ｂはブレーキ盤１７に接することに成る。

一方、アーム２３の揺動に伴ってリンク２９が下方へ引っ張られるならば、Ｖ字状のリンク２６ａ，２６ｂは交差角が拡大し、軸２７ｂは降下すると共に軸２７ａは上昇し、両軸２７ａ，２７ｂの間隔は大きくなる。この際、両リンク２６ａ，２６ｂの連結軸２８は水平方向へのスライドは許されるが、上下動しないようにガイドされている。すなわち、軸２８が上下動することなく水平方向への移動が許されることで、軸２７ｂが降下すると同時に対向側の軸２７ａは上昇することが出来る。

従って、アーム２５ａ，２５ｂは固定支点軸２４ａ，２４ｂを中心として揺動し、ブレーキパッド３１ａ，３１ｂはブレーキ盤１７を挟み込むことが出来る。この場合、アーム２５ａ，２５ｂの揺動に対して、ブレーキパッド３１ａ，３１ｂが常に一定方向を向いてブレーキ盤１７と接するように、アーム２５ａ，２５ｂの先端に軸支されている。

図４（ａ）はシリンダー１８のピストンロッド３２が収縮してアーム２３の先端を引張り、ブレーキを作動した場合である。ピストンロッド３２の先端にはツバ３３が設けられ、該ピストンロッド３２の収縮に伴ってアーム２３は揺動して先端を引くことが出来、その結果、上記リンク機構を介してブレーキパッド３１ａ，３１ｂはブレーキ盤１７を挟み込むことが出来る。

図４（ｂ）はシリンダー１８のピストンロッド３２が伸長した場合であり、アーム２３は揺動して先端が上昇する。ピストンロッド３２は先端に設けているツバ３３にてアーム先端を引き下げることは出来るが、持ち上げることは出来ない為に、コイルバネ３４のバネ力にてアーム２３の先端が持ち上げられ、ブレーキが解除される。

図４（ｃ）はハンドル操作にてブレーキを作動する場合である。同図のようにハンドル１９を回転するならば軸ネジ２０は上昇し、その結果、アーム２３の後方端が持ち上げられる。すなわち、図４（ａ）の場合と同じようにアーム２３が揺動してブレーキが作動する。この場合、シリンダー１８のピストンロッド３２は伸長しているが、アーム先端はピストンロッド３２に沿ってスライドすることが出来る。

図５は本発明に係るダリウス・サボニウス式風力発電装置を示す他の実施例である。同図に示すダリウス・サボニウス式風力発電装置は前記図１とは異なり、ポール６を有していない。従って、屋上に設置される形式の発電装置であり、発電軸１６が翼部回転主柱軸７とカップリングを介して連結している。風車部１及び基部１１に関しては前記実施例と同じである為に、説明は省略する。

本発明に係るダリウス・サボニウス式風力発電装置の実施例。 図１の平面拡大図。 基部の内部構造。 ブレーキ装置の具体例。 本発明に係る他のダリウス・サボニウス式風力発電装置の実施例。

符号の説明

１ 風車部
２ 支柱ポール部
３ 回転支柱軸
４ ダリウス翼
５ サボニウス翼
６ ポール
７ 翼部回転支柱軸
８ 伝達軸
９ 発電機
10 ブレーキ装置
11 基部
12 カップリング
13 連結盤
14 軸受け
15 軸受け
16 発電機軸
17 ブレーキ盤
18 シリンダー
19 ハンドル
20 軸ネジ
21 ブラケット
22 支点軸
23 アーム
24 固定支点軸
25 アーム
26 リンク
27 軸
28 軸
29 リンク
30 軸
31 ブレーキパッド
32 ピストンロッド
33 ツバ
34 コイルバネ

Claims (4)

1. 回転支柱軸にダリウス翼とサボニウス翼を取付けた風車部と、該風車部の回転によって発電する発電機を備えたダリウス・サボニウス式風力発電装置において、地面又地面近傍に設置した基部内には低速回転式発電機とブレーキ装置を内蔵し、基部から上方へ延びて起立するポール内には伝達軸を設け、上記発電機の発電機軸と伝達軸はカップリングを介して連結し、又伝達軸の上端にはカップリングを介して連結した翼部回転支柱軸上端に上記風車部の回転支柱軸を載せて固定したことを特徴とするダリウス・サボニウス式風力発電装置。
2. 回転支柱軸にダリウス翼とサボニウス翼を取付けた風車部と、該風車部の回転によって発電する発電機を備えたダリウス・サボニウス式風力発電装置において、地面又地面近傍に設置した基部内には低速回転式発電機とブレーキ装置を内蔵し、基部に内蔵した上記発電機の発電機軸とカップリングを介して翼部回転支柱軸を連結し、該翼部回転支柱軸上端には上記風車部の回転支柱軸を載せて固定したことを特徴とするダリウス・サボニウス式風力発電装置。
3. 上記発電機軸にはブレーキ盤を設け、シリンダーのピストンロッドの伸縮動によりリンク機構を介してブレーキ盤を挟み込むように動作するブレーキパッドを備えた請求項１、又は請求項２記載のダリウス・サボニウス式風力発電装置。
4. 上記発電機軸にはブレーキ盤を設け、ハンドル操作による軸ネジの回転により、リンク機構を介してブレーキ盤を挟み込むように動作するブレーキパッドを備えた請求項１、又は請求項２記載のダリウス・サボニウス式風力発電装置。
   

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