JP2007032455A

JP2007032455A - 風力発電装置

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Publication number: JP2007032455A
Application number: JP2005218346A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shinohara; 健嗣篠原; Hiroki Kataoka; 弘樹片岡; Hiroaki Nishiono; 寛明西小野; Kazuo Okubo; 和夫大久保
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: JP4867228B2

Abstract

【課題】シャフトの水平方向の動きを緩衝することにより、風車の回転効率を低下させることなく、効率よく発電を行なうことができる風力発電装置を提供することである。
【解決手段】風力発電装置５００においては、複数の主柱２００からなる櫓構造に設けられた板状部材２１０ａ，２１０ｂを貫通して垂直方向にシャフト４００が設けられる。シャフト４００に積層配置されて直線翼垂直軸型風車が形成される。そのシャフト４００と板状部材２１０ａ，２１０ｂとの間にシャフト４００の軸周りの方向の回転を円滑にする支持機構６００が設けられる。
図２においては、この支持機構６００はボールベアリング２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃおよび弾性を有するゴムタイヤ３５０からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、回転運動エネルギーを用いて発電を行なう風力発電装置に関する。

従来、風力発電装置については、様々な風力発電装置が研究開発されている。例えば、特許文献１には、微風時の回転力を向上させるため回転軸の小径化と強風時の破損、風圧、振動、屈曲方向負荷等を充分吸収できる風力発電装置について開示されている。

特許文献１記載の風力発電装置によれば、全体の形を球状ドームにし、そのドーム全体を支持する外ドームと、風受け翼を回転する内ドームの２重とし、回転する内ドームの回転軸の直径を細く加工し、軸受ダブルラジアルベアリングを設けるとともに、遠心力による回転力の抑止制御を図り、微風による回転軸の回転性能を大幅にアップしている。又強風時の風圧、振動、に対しても充分対処し得る構造とすることにより、全体の支持主柱には太陽光モジュールを設置し、無風時にも、この太陽光発電と風力発電の出力を集合して、電力を得るようにしている。
特開２００３−２２７４５４号公報

しかしながら、特許文献１記載の風力発電装置においては、強風時においてもラジアルベアリングによってシャフトの傾斜を許容しつつ保持するのみである。そのため、風車が風力エネルギーを享受して水平方向に大きく撓んだ場合、シャフトに負荷が加わってラジアルベアリングにおいて摩擦力が高まり、風力エネルギーが効率よく回転運動エネルギーに変換されない状態が起こり得る。

本発明の目的は、シャフトの水平方向の動きを緩衝することにより、風車の回転効率を低下させることなく、効率よく発電を行なうことができる風力発電装置を提供することである。

課題を解決するための手段および効果

（１）
本発明に係る風力発電装置は、複数の風車を用いて風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、回転運動エネルギーを用いて発電を行なう風力発電装置であって、垂直に並んで設けられるとともにそれぞれ水平に配置される複数の板状部材を有する櫓構造と、櫓構造の内部において複数の板状部材を貫通しつつ、垂直方向に延在するシャフトと、シャフトに沿って積層配置されることで直線翼垂直型風車を形成するようシャフトに取り付けられる複数の風車と、シャフトと複数の板状部材との間に配置されて、シャフトの軸周り方向の回転を円滑にしつつ、シャフトの水平方向の動きを緩衝するよう当該シャフトを支持する円滑緩衝支持構造とを含むものである。

本発明に係る風力発電装置においては、櫓構造の複数の板状部材を貫通して垂直方向にシャフトが設けられる。複数の風車がシャフトに積層配置されて直線翼垂直軸型風車が形成される。そのシャフトと複数の板状部材との間にシャフトの軸周りの方向の回転を円滑にする円滑緩衝支持構造が設けられる。

この場合、円滑緩衝支持構造が設けられているので、シャフトが水平方向に移動した場合であってもシャフトの軸周り方向の回転を維持しつつ、シャフトの水平方向の動きを円滑緩衝支持構造により吸収することができる。

また、複数の風車が回転することによりシャフトに所定の振動、例えば、シャフトに固有振動数と一致した振動が発生した場合でも、円滑緩衝支持構造の働きによりシャフトの水平方向の動きが吸収されるので、振動を低減させることができ、安全性をさらに高めることができる。

（２）
円滑緩衝支持構造は、シャフトの軸周りの回転を円滑にするためのボールベアリング機構と、シャフトの水平方向の動きを緩衝する緩衝部材とを含んでもよい。

この場合、ボールベアリング機構の働きによりシャフトの軸周りの回転が円滑に行なわれ、緩衝部材の働きによりシャフトの水平方向の移動量を吸収させることができる。

（３）
緩衝部材は、弾性を有するゴムタイヤを含んでもよい。弾性を有するゴムタイヤの場合、タイヤ内部の空洞およびゴムの弾性によりシャフトの水平方向の移動量を吸収させることができる。

（４）
緩衝部材は、弾性を有するバネを含んでもよい。この弾性を有するバネの場合、シャフトの水平方向の移動量をバネの弾性により吸収させることができる。

（５）
緩衝部材は、減衰機構を有する減衰装置を含んでもよい。例えば、減衰機構を有するダンパーの場合、シャフトの水平方向の移動量を減衰させることができる。

（６）
緩衝部材は、ワイヤロープを有するワイヤロープ防振器を含んでもよい。この場合、ワイヤロープ防振器の特性により、シャフトの水平方向の動きを抑制することができる。また、ワイヤロープ防振器によりシャフトの水平方向のみならず、垂直方向への移動量をも吸収させることができる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。まず、本発明に係る風力発電装置の一例として、風力発電装置５００に本発明を適用した場合について説明する。

（第１の実施の形態）

図１は、風力発電装置５００の一例を示す模式的側面図である。
図１に示すように風力発電装置５００は、主に発電装置１００、主柱２００、保持板２１０ａ，２１０ｂ、支持梁２２０、支持柱２３０、翼形状の羽根を複数有する風車３００、風車支持パイプ３２０、風車保持パイプ３１０およびシャフト４００からなる。

図１に示す風力発電装置５００は、主柱２００が４隅に設けられ、主柱２００の上端部近傍に保持板２１０ａが設けられ、主柱２００の中部に保持板２１０ｂが設けられる。さらに主柱２００の下方に、主柱２００を互いに支持するために支持梁２２０が主柱２００と垂直方向に設けられ、主柱２００が傾斜しないように地中から支持柱２３０が設けられている。これらの主柱２００等により構成された櫓内に縦方向に４段で形成された風車３００が設けられている。

また、主柱２００等により構成された櫓内の中心にシャフト４００が垂直に設けられる。シャフト４００の上端部は、主柱２００の上端部に設けられた保持板２１０ａに供えられた支持機構６００により保持される。またシャフト４００の中間部は、保持板２１０ｂに設けられた支持機構６００により保持される。さらに、このシャフト４００の下端部には、風力発電装置１００が設けられている。この支持機構６００の詳細構造については後述する。

また、シャフト４００の上部で、かつ主柱２００および２枚の保持板２１０ａ，２１０ｂにより囲まれた空間内に、上下２段に翼形状の羽根を複数有する風車３００の一部が設けられ、シャフト４００の下部で、かつ主柱２００、支持梁２２０および保持板２１０ｂにより囲まれた空間内に、上下２段に翼形状の羽根を複数有する風車３００の一部が設けられる。

この風車３００は、翼形状の羽根が１段毎に４枚ずつ設けられ、それぞれ水平方向に９０度毎にずらして設けられる。そして、この翼形状の羽根が２本の支持パイプ３１０および２本の保持パイプ３２０によりシャフト４００に固定される。このような風車３００は、シャフト４００に設けられることにより、一般に直線翼垂直軸型風車と呼ばれる。

なお、図示していないが、２本の支持パイプ３１０および２本の保持パイプ３２０と、シャフト４００との間に別途接続部材を設ける構造としてもよい。

この風力発電装置５００は、翼形状の羽根により風力エネルギーを享受し、羽根に揚力が生じて時計回りに回転する。翼形状の羽根を有する風車３００が時計回りに回転することにより、２本の支持パイプ３１０および２本の保持パイプ３
２０を介してシャフト４００が時計回りに回転する。それにより、発電装置１００に回転運動エネルギーが与えられ、発電が行なわれる。

次に、図２は、図１の支持機構６００の詳細構造の一例を示す模式的断面図である。

図２に示すように、支持機構６００は、ボールベアリング２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃ、ゴムタイヤ３５０および支持部材２７０を含む。

図２に示すように、支持機構６００は、保持板２１０ａ，２１０ｂおよびシャフト４００の間に設けられる。シャフト４００の外周面には、ボールベアリング２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃが配設される。ボールベアリング２８０ｂの働きにより、ボールベアリング２８０ａおよび２８０ｃが別個独立して回動することができる。したがって、ボールベアリング２８０ａ〜２８０ｃの働きにより、シャフト４００を軸周りの方向に円滑に回転させることができる。

また、ボールベアリング２８０ａ〜２８０ｃの外周面には、ゴムタイヤ３５０が配設される。このゴムタイヤ３５０は、内部が空洞になっており、減衰効果を有する。そして、ゴムタイヤ３５０の周囲には、ゴムタイヤ３５０を保持するための支持部材２７０が配設される。この支持部材２７０は、ボールベアリング２８０ａの外周面と併せて、ゴムタイヤ３５０の変形を一方向に逃がすことができるように、断面がＬ字状で形成される。

この支持機構６００の構成によれば、シャフト４００が水平方向に移動した場合でも、ボールベアリング２８０ａ〜２８０ｃにより軸周りの方向の回転が円滑に行なわれるとともに、ゴムタイヤ３５０により水平方向の動作が吸収される。すなわち、ゴムタイヤ３５０の内部の空洞が変形することによりシャフト４００の移動量が吸収される。

また、風車３００が回転することによりシャフト４００に生じる水平方向の振動、びびり等をゴムタイヤ３５０により低減することが可能となる。

なお、本実施の形態においては、保持板２１０ａ，２１０ｂの両方に支持機構６００を設けることとしたが、これに限定されず、保持板２１０ａのみに支持機構６００を設けてもよく、保持板２１０ｂのみに支持機構６００を設けてもよい。さらに本実施の形態においては、内部に空洞を有するゴムタイヤ３５０を用いて説明したが、これに限定されず、内部に空洞を有さないゴムのみからなるリング状部材等、他の任意の部材を用いてもよい。

次に、図３は、図２の支持機構６００の他の例を示す模式的断面図である。
図３に示すように、支持機構６００ａは、ボールベアリング２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃ、複数のダンパー３５０および支持部材２７０を含む。

図３に示すように、支持機構６００ａは、保持板２１０ａ，２１０ｂおよびシャフト４００の間に設けられる。シャフト４００の外周面には、ボールベアリング２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃが配設される。したがって、ボールベアリング２８０ａ〜２８０ｃの働きにより、シャフト４００を軸周りの方向に円滑に回転させることができる。

また、ボールベアリング２８０ａ〜２８０ｃの外周面には、複数のダンパー３６０が配設される。この複数のダンパー３６０は、シャフト４００の中心から水平方向に放射状に沿って設けられる。複数のダンパー３６０の周囲には、複数のダンパー３６０を保持するための支持部材２７０が配設される。この支持部材２７０は、断面がＬ字状で形成される。

この支持機構６００ａの構成によれば、シャフト４００が水平方向に移動した場合でも、ボールベアリング２８０ａ〜２８０ｃにより軸周りの方向の回転が円滑に行なわれるとともに、複数のダンパー３６０により水平方向の移動量（動き）が吸収される。すなわち、複数のダンパー３６０によりシャフト４００の移動量が吸収される。

また、風車３００が回転することによりシャフト４００に生じる水平方向の振動、びびり等を複数のダンパー３６０により低減することが可能となる。

なお、本実施の形態においては、保持板２１０ａ，２１０ｂに支持機構６００ａを設けることとしたが、これに限定されず、保持板２１０ａのみに支持機構６００ａを設けてもよく、保持板２１０ｂのみに支持機構６００ａを設けてもよい。また、複数のダンパー３６０をシャフト４００の中心軸から水平方向に放射状に沿って設けられることとしたが、これに限定されず、他の任意の数、例えば、１本のダンパー３６０を設けるのみとしてもよい。また、ダンパー３６０は、油圧または圧縮空気を用いたものでもよい。

次に、図４は、図２または図３の支持機構６００，６００ａの他の例を示す模式的断面図である。

図４に示すように、支持機構６００ｂは、ボールベアリング２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃ、複数のバネ３７０および支持部材２７０を含む。

図４に示すように、支持機構６００ｂは、保持板２１０ａ，２１０ｂおよびシャフト４００の間に設けられる。シャフト４００の外周面には、ボールベアリング２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃが配設される。したがって、ボールベアリング２８０ａ〜２８０ｃの働きにより、シャフト４００を軸周りの方向に円滑に回転させることができる。

また、ボールベアリング２８０ａ〜２８０ｃの外周面には、複数のバネ３７０が配設される。この複数のバネ３７０は、シャフト４００の中心から水平方向に放射状に沿って設けられる。複数のバネ３７０の周囲には、複数のバネ３７０を保持するための支持部材２７０が配設される。この支持部材２７０は、断面がＬ字状で形成される。

この支持機構６００ｂの構成によれば、シャフト４００が水平方向に移動した場合でも、ボールベアリング２８０ａ〜２８０ｃにより軸周りの方向の回転が円滑におこなわれるとともに、複数のバネ３７０により水平方向の移動量が吸収される。すなわち、複数のばね３７０によりシャフト４００の移動量が吸収される。

また、風車３００が回転することによりシャフト４００に生じる水平方向の振動、びびり等を複数のバネ３７０により低減することが可能となる。

なお、本実施の形態においては、保持板２１０ａ，２１０ｂに支持機構６００ｂを設けることとしたが、これに限定されず、保持板２１０ａのみに支持機構６００ｂを設けてもよく、保持板２１０ｂのみに支持機構６００ｂを設けてもよい。

次に、図５は、図２〜図４の支持機構６００，６００ａ，６００ｂの他の例を示す模式的断面図である。

図５に示すように、支持機構６００ｃは、ボールベアリング２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃ、ワィヤローブ防振器３８０をおよび支持部材２７０を含む。

図５に示すように、支持機構６００ｃは、保持板２１０ａ，２１０ｂおよびシャフト４００の間に設けられる。シャフト４００の外周面には、ボールベアリング２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃが配設される。したがって、ボールベアリング２８０ａ〜２８０ｃの働きにより、シャフト４００を軸周りの方向に円滑に回転させることができる。

ワイヤロープ防振器３８０は、リング状部材３８１，３８２およびワイヤロープ３８３からなる。図５に示すように、リング状部材３８１は支持部材２７０に配設され、リング状部材３８２はボールベアリング２８０ａに配設される。リング状部材３８１，３８２の内部を交互に螺旋状でワイヤロープ３８３が設けられる。

この支持機構６００ｃの構成によれば、シャフト４００が水平方向に移動した場合でも、ボールベアリング２８０ａ〜２８０ｃにより軸周りの方向の回転が円滑におこなわれるとともに、ワイヤロープ防振器３８０により水平方向の移動量が吸収される。

また、このワイヤロープ防振器３８０においては、ワイヤロープのフリクションにより大きな減衰が得られ、ワイヤロープの大きな撓みを利用して衝撃を吸収でき、水平方向のみならず垂直方向に対しても振動の低減を行なうことができるので、シャフト４００の移動量を最適に吸収することができる。

また、風車３００が回転することによりシャフト４００に生じる水平および垂直方向の振動、びびり等をワイヤロープ防振器３８０により低減することが可能となる。また、ワイヤロープ防振器３８０では、耐環境性および耐薬品性に優れているという特徴がある。

なお、本実施の形態においては、保持板２１０ａ，２１０ｂに支持機構６００ｃを設けることとしたが、これに限定されず、保持板２１０ａのみに支持機構６００ｃを設けてもよく、保持板２１０ｂのみに支持機構６００ｃを設けてもよい。さらに、図５中では、支持部材２７０は、断面がＬ字状で形成されることとしたが、これに限定されず、断面が他の任意の形状であってもよい。

上記実施の形態においては、風力発電装置５００が風力発電装置に相当し、主柱２００、保持板２１０ａ，２１０ｂ、支持梁２２０、支持柱２３０が櫓構造に相当し、保持板２１０ａ，２１０ｂが複数の板状部材に相当し、シャフト４００がシャフトに相当し、複数の風車３００が複数の風車に相当し、支持機構６００，６００ａ，６００ｂ，６００ｃが円滑緩衝支持構造に相当し、ボールベアリング２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃがボールベアリング機構に相当し、ゴムタイヤ３５０、ダンパー３６０、バネ３７０、ワイヤロープ防振器３８０が緩衝部材に相当する。

本発明は、上記の好ましい実施の形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

風力発電装置の一例を示す模式的側面図図１の支持機構の詳細構造の一例を示す模式的断面図図２の支持機構の他の例を示す模式的断面図図２または図３の支持機構の他の例を示す模式的断面図図２〜図４の支持機構の他の例を示す模式的断面図

符号の説明

２００主柱
２１０ａ，２１０ｂ保持板
２２０支持梁
２３０支持柱
２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃボールベアリング
３００複数の風車
３５０ゴムタイヤ
３６０ダンパー
３７０バネ
３８０ワイヤロープ防振器
４００シャフト
５００風力発電装置
６００，６００ａ，６００ｂ，６００ｃ支持機構

Claims

複数の風車を用いて風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、前記回転運動エネルギーを用いて発電を行なう風力発電装置であって、
垂直に並んで設けられるとともにそれぞれ水平に配置される複数の板状部材を有する櫓構造と、
前記櫓構造の内部において前記複数の板状部材を貫通しつつ、垂直方向に延在するシャフトと、
前記シャフトに沿って積層配置されることで直線翼垂直軸型風車を形成するよう当該シャフトに取り付けられる複数の風車と、
前記シャフトと前記複数の板状部材との間に配置されて前記シャフトの軸周り方向の回転を円滑にしつつ、前記シャフトの水平方向の動きを緩衝するよう当該シャフトを支持する円滑緩衝支持構造とを含むことを特徴とする風力発電装置。
前記円滑緩衝支持構造は、
前記シャフトの軸周りの回転を円滑にするためのボールベアリング機構と、
前記シャフトの水平方向の動きを緩衝する緩衝部材とを含むことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
前記緩衝部材は、
弾性を有するゴムタイヤからなることを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。
前記緩衝部材は、
弾性を有するバネを含むことを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。
前記緩衝部材は、
減衰機構を有する減衰装置を含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の風力発電装置。
前記緩衝部材は、
ワイヤロープを有するワイヤロープ防振器を含むことを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。