JP2007032470A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な設備及び安価な設備コストにて、一般家庭においても実用できる風力発電装置を提供する。
【解決手段】鳥かご型支持部材Ｂの中に風車を有する風力発電機Ａを、垂直軸４にて回動自在に設けてなり、好ましくは、前記鳥かご型支持部材Ｂが鳥かご状に配置された逆Ｕ字状枠部材１と、該逆Ｕ字状枠部材１の下端対向部間を連結する連結部材２からなり、前記逆Ｕ字状枠部材１上端の中央部Ｓと前記連結部材２の交差部Ｃ間に垂直軸４が起立保持させられ、該垂直軸４に風力発電機Ａが回転自在に支持されてなり、さらに好ましくは、前記逆Ｕ字状枠部材１上端の中央部Ｓ、前記連結部材２の交差部Ｃ及び前記逆Ｕ字状枠部材１の下端と前記連結部材２間にジョイント３を介在させてなり、さらに好ましくは前記逆Ｕ字状枠部材１及び連結部材２がパイプである風力発電装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力を利用して電力を発生する風力発電装置に関する。

風力発電装置は、風力を回転力に変換する羽根（回転翼）をロータ側に設け、ロータに設けられたマグネットの回転によって、ステータに設けられたステータコイルに電力を誘起するというものである。

前記風力発電装置は、風力を安定的且つ有効に得るために、地上に設立されたタワーと、このタワーの上部に風車架台を設けている。また、この風車架台には、風力を受けて回転する複数枚の羽と、該羽根を取り付けた羽根ロータを設け、該羽根ロータ側に複数の磁石を配置した前記ロータが設けられ、該ロータのマグネットに対抗するようにステータコイルを持った前記ステータを固定側に有する。前記ロータ及び前記ステータが発電機を構成している。

したがって、この風力発電装置では、羽根が風力を受けることによって前記ロータが前記ステータに対し相対回転させられる。そして前記ステータコイルに電圧を誘起することとなる。この誘起（発電）電圧は前記ロータの回転速度に比例する。従って、強風時には高出力を得ることができるものの、微風時には安定した電圧を発生させることができない。

風力発電装置で微風時にも高出力が得られるようにするには、大きな面積で特殊な角度に曲げられた羽根が必要になる。しかし、強風時には羽根が高速回転するため、羽根自体や羽根の取付け部分が変形または破損する場合がある。したがって、前記羽根自体や羽根の取付け部分の変形または破損を防止するには羽根の面積や風の利用効率を下げるような処置をする必要がある。

また、タワーは風力発電装置の略全重量を支持し、かつ強風にも耐えられるように、ある大きさの外径と強度を持つように形成され、構造や設置工事が大掛かりになっている。
特開平０７−１７４０６７号公報

本発明は、簡単な設備及び安価な設備コストにて、一般家庭においても実用できる風力発電装置を提供することを目的とする。

一般家庭における実用化では、設備のコンパクト化、設置の容易化及び安価であることが要求される。さらには発電機の回路部品及び各種配線などの耐圧、容量を大幅に変更する必要がないことが望ましい。

請求項１の本発明の風力発電装置は、鳥かご型支持部材の中に風車を有する風力発電機を、垂直軸にて回動自在に設けたことを特徴とする。前記鳥かご型にする構成により自立が確保され、垂直軸の支持、さらに該垂直軸に対する風力発電機の支持が容易となり、安定性が確保され、しかも全体がコンパクトに構成されて設置の容易化が図られる。したがって、一般家庭における実用化が可能である。

請求項２に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、鳥かご状に配置された逆Ｕ字状枠部材と、該逆Ｕ字状枠部材の下端対向部間を連結する連結部材からなり、前記逆Ｕ字状枠部材の上端中央部と前記連結部材の交差部間に垂直軸が起立保持され、該垂直軸に風力発電機が回動自在に支持された構成である。

前記構成により、風力発電装置全体が自立式且つコンパクトに纏められ、可搬式となり、必要に応じて水平架台等を用いて屋根や風を受け易い高台、あるいは平地に容易に設置することができる。

請求項３に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、前記逆Ｕ字状枠部材上端の中央部、連結部材の交差部及び前記逆Ｕ字状枠部材の下端と前記連結部材間にジョイントを介在させたことを特徴とする。

前記構成によれば、部材の調達、製造、さらに運搬、保管等の流通過程における取り扱いが容易である。すなわち、周知品のパイプ、ジョイント等の使用、製造の容易化及び分解してコンパクトな状態で流通過程に置くことができ、コストダウンが可能である。

請求項４に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、前記逆Ｕ字状枠部材及び前記連結部材がパイプ材であることを特徴とする。該構成によれば、強度を維持しつつ装置の軽量化を図ることができる。なお、パイプ材は金属に限らず強化プラスチック他であってもよい。

請求項５に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、垂直軸の外周に風力発電機とともに回転自在であり、且つ流線型断面を持つコードガイドが設けられたことを特徴とする。該構成によれば、風力発電機本体から発生電圧を取り出すケーブル（配線）を風雨にさらすことなく、前記コードガイド内に収めることができる。また、前記コードガイド自体が流線型断面であるため、風の抵抗を少なくすることができる。したがって、強風下でも垂直軸部での振動や騒音の発生を抑制できる。

また、請求項６に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、コードガイドには風力発電機本体から該コードガイド内に導入されたコードに接続される刷子と、該刷子を収納する角筒を持った刷子収納部材とが設けられ、垂直軸には刷子収納部材に対向するように配置されて前記刷子に摺接されるリング状電極を持つリング状電極保持部材を設けたことを特徴とする。

前記構成によれば、風力発電機の可動部から固定部への電力の取り出しを前記垂直軸を被う前記コードガイドの一部で安全且つ確実に行うことができる。

請求項７に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、風車の羽根が着脱自在、且つ取付け角度が自在に変更できることを特徴とする。該構成によれば、形状やサイズが異なる羽根の中から設置場所の風速などに応じたものを選んだものを任意に付け替えて使用することができる。

請求項８に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、風力発電機の風上側先端部にバランスウエイトを配置したことを特徴とする。該構成に寄れば、風向追従性を良好にして発電効率を向上させることができる。

本発明によれば、簡単な設備及び安価な設備コストにて、一般家庭において実用できる風力発電装置を提供することができる。

以下に、本発明の実施の一形態を図について説明する。図１は本発明の風力発電装置の全体を示す斜視図、図２は風力発電機の縦断面図、図３は要部の分解斜視図、図４は他の実施例を示す風力発電装置の全体斜視図である。

図１には、本発明の風力発電装置は、風力発電機Ａと、該風力発電機Ａを支持する自立式フレームの鳥かご型支持部材Ｂとからなる。該鳥かご型支持部材Bは、鳥かご状に配置された逆Ｕ字状枠部材１と、該逆Ｕ字状枠部材１の下端対向部を連結する連結部材２からなる。前記逆Ｕ字状枠部材１及び前記連結部材２は、溶接、その他の方法によって鳥かご状に形成することも可能である。

しかしながら、図面実施の一形態では、周知の金属パイプと周知のジョイントにより構成している。すなわち、周知の金属パイプを所定長さ（前記逆U字状枠部材１の略二分割の長さ）に切断、さらに必要部分を湾曲加工した分割逆U字状枠部材１ａ、１ｂを鳥かご状に配置し、その上端の中央部Ｓに、放射状に４ヶ所の接合部３ａと該接合部３ａの中心に起立させられた１ヶ所の接合部３ｂを有するジョイント３を介在させて接合してなる。なお、該ジョイント３は前記１ヶ所の接合部３ｂを下方に向けて介在させられる。

さらに、周知の金属パイプを所定長さ（前記連結部材２の略二分割の長さ）に切断した分割連結部材２ａ、２ｂを放射状に配置し、その交差部Ｃに、前記放射状に４ヶ所の接合部３ａと該接合部３ａの中心に起立させられた１ヶ所の接合部３ｂを有するジョイント３を介在させて接合してなる。なお、該ジョイント３は前記１ヶ所の接合部３ｂを上方に向けて介在させられる。

さらにまた、前記分割逆Ｕ字状枠部材１ａ、１ｂの下端と前記分割連結部材２ａ、２ｂ間にも前記同様のジョイント３を介在させて略直角に接合してなる。

つぎに、前記逆Ｕ字状枠部材１上端の中央部Ｓと前記連結部材２の交差部Ｃとの間に垂直軸４が起立保持させられる。図面実施の一形態では、前記逆Ｕ字状枠部材１上端中央部Ｓに介在させられたジョイント３と前記連結部材２の交差部Ｃに介在させられたそれぞれのジョイント３の対向させられた前記接合部３ｂ間に前記垂直軸４が起立保持されている。

さらに、前記垂直軸４の略中間部に風力発電機Ａが回動自在に支持される。また、前記風力発電機Ａの上下の垂直軸４の外周には前記風力発電機Ａとともに回動自在であり、且つ流線型断面を持つコードガイド５、５ａが設けられる。なお、前記鳥かご型支持部材Bの形状やサイズは、使用場所における風速や風力発電機本体の設置環境に応じて任意に選択することができる。

つぎに、前記鳥かご型支持部材Bに起立保持された前記垂直軸４に対する風力発電機Ａの取り付け及び該風力発電機Ａの実施の一形態について説明する。

前記垂直軸４の上下略中央部に、該垂直軸４の貫通孔６を有するボディ７が嵌装され水平回動可能に支持される。図面実施の一形態では、前記ボディ７の上下端が前記垂直軸４に固定される軸受押さえ８、さらに軸受９によって水平回転可能に支持されている。

前記ボディ７は一部が後方に膨出させられて、後に述べる水平軸１０の取付け部１１とされ、該取付け部１１の中心部に水平孔１２が形成され、該水平孔１２に前記水平軸１０の一端部が圧入され、該水平軸１０の他端部は前記取付け部１１の後方へ延長させられている。

前記ボディ７の前記取付け部１１には、複数のステータコイル１３を外周に等間隔配置したステータ１４が取り付けられている。このステータ１４は、図３に示すように、リング状部材１４ａの外周に前記発電コイル１３を等間隔に配置してなる。さらに、前記発電コイル１３の外周には後述するロータ１５が対向配置される。

前記取付け部１１の後方へ延長させられた前記水平軸１０上には、間筒１６が軸方向に摺動自在に嵌装されている。該間筒１６の外形は図３、図２に示す通りであり、外周には軸受１７を介してハブ１８が回転自在に支持されている。上記構成において、前記ハブ１８は前記水平軸１０上に回転自在および軸方向移動自在に支持される。

前記水平軸１０の後端、且つ後述する後カバー１９内には、板状のスプリング受け部材２０が取り付けられている。該板状のスプリング受部材２０と前記ハブ１８との間の前記水平軸１０の回りにスプリング２１が介在されている。前記構成において、前記ハブ１８は前記スプリング２１の反発力を受けて常時前記ボディ７（前記取付け部１１）側に接している。

前記ハブ１８の外周には中心に向う方向に複数（図面では８個）の羽根取付孔２２が設けられている。該羽根取付孔２２には羽根２３の基部２３ａが着脱可能に嵌合されている。したがって、前記羽根取付孔２２には形状やサイズが異なる羽根の中から設置場所の風速などに応じて選んだものを任意に付け替えることができる。また、前記羽根２３の取付け角度を変更自在にすることも可能である。

前記ハブ１８の側面（前記ボディ７（前記取付け部１１）に対向する面）には、図３にも示すように、カップ状のロータ１５が取り付けられている。該ロータ１５の内周面には複数の磁石２５が等間隔かつリング状に配置されている。前記マグネット２５は通常前記ステータ１４の外周にある各ステータコイル１３に対向している。

前記垂直軸４の外周には、上下一対の筒状の前記コードガイド５、５ａが水平回転可能に設けられている。該コードガイド５、５ａは断面形状が風の抵抗が小さい流線型をなしている。また、前記各コードガイド５、５ａ間には、前記ボディ７、前記ハブ１８、前記スプリング受け部材２０などを収容する前カバー２６及び前記後カバー１９が取り付けられている。

前記後カバー１９の後端には、尾翼２８が一体に設けられている。該尾翼２８は前記各カバー２６、１９とともに前記羽根２３を風の方向に向けるように作用する。

前記下方のコードガイド５ａの下端には円盤状の刷子収納部材２９が取り付けられている。該刷子収納部材２９には、角筒３０が一体に形成され、該角筒３０内に刷子（図示しない）及び該刷子を下方へ付勢するスプリング（図示しない）などが収納されている。

図中、３１は前記角筒３０の開口端を塞ぐスプリング押さえである。該スプリング押さえ３１は前記角筒３０内の刷子を下方へ付勢するように機能する。前記刷子には、前記下方のコードガイド５ａ内に導入された発電機からのコード端が接続される。なお、前記刷子収納部材２９の中心部には前記垂直軸４を貫通させる透孔２９ａが設けられている。

さらに前記下方のコードガイド５ａの下端に臨む、前記垂直軸４の外周にはリング状電極保持部材３２の中心孔３２ａが嵌装されている。該リング状電極保持部材３２上には複数枚の径が異なるリング状電極３３が取り付けられている。該リング電極３３にも前記垂直軸４が貫通する透孔３３ａが設けられている。

前記リング状電極保持部材３２に前記刷子収納部材２９が対向配置された状態において、前記リング電極３３のそれぞれに各一の刷子が所定の接触圧で接触する。したがって、前記垂直軸４の廻りで前記下方のコードガイド５ａが水平方向に回動した場合に、前記リング状電極保持部材３２に対して前記刷子収納部２９が回動する。したがって、発電機の発電電圧を回動側の刷子および固定側のリング状電極３３をそれぞれ介して、外部へ取り出すことができる。

図５は他の実施例を示し、前記風力発電機Ａの風上側先端部にバランスウエイト３４を配置したものである。

つぎに前記構成の風力発電装置の動作を図について説明する。まず、図１に示すように風力発電機Ａが前記鳥かご型支持フレームＢに搭載支持され、該鳥かご型支持部材Ｂが屋根や風を受け易い高台、あるいは平地に設置される。なお、設置の際には、前記垂直軸４が垂直となるように、前記鳥かご型支持部材Ｂ専用の水平架台など予め用意することが望ましい。また、前記風力発電装置は必要に応じて複数台を並設使用するとよい。

前記風力発電機Ａは、ダウンブロー形態の羽根２３を有し、該羽根２３部の直径が１．２４ｍ、羽根２３の枚数が８枚とすると、風を受けて初めはゆっくり回転する。そして、風速２．５ｍ／ｓ以上で発電を開始する。

前記前カバー２６とこれに連設された前記後カバー１９は流線型をなす。したがって、前記両カバー２６，１９の表面に沿って流れる風は尾翼２８に作用し、該尾翼２８を風の流れに沿うように制御する。そして前記両カバー２６、２７内の前記ハブ１８及び前記ボディ７が前記軸受９を介して前記垂直軸４の廻りに首振り回動する。さらに前記ハブ１８に取り付けられた前記羽根２３が常時風の方向に向き、風速に応じた速さで、前記水平軸１０を中心に回動する。

前記羽根２３の回動によって前記ハブ１８に取り付けられた前記ロータ１５が回転させられる。該ロータ１５の回転に伴う前記各磁石２５が前記ステータ１４の前記各ステータコイル１３に電圧を誘起させる。そして前記各ステータコイル１３の巻線形態に応じて単相（または３相）の交流電圧がコード（図示しない）を通して取り出される。

前記図示しないコードは前記下方のコードガイド５ａ内を通って前記刷子収納部材２９の前記角筒３０内に導かれ、前記各刷子に接続される。該各刷子はリング状電極保持部材３２の前記各リング状電極３３に摺接しながら、前記電圧を前記リング状電極３３から外部へ導出する。

一方、風速が高まり、例えば、設定風速の３０ｍ／ｓを超えると、前記羽根２３は高速で回転するとともに大きな風圧を受ける。したがって、設定風速が３０ｍ／ｓを超えた場合には、その超えた風速の大きさに応じて前記ハブ１８は前記水平軸１０上を前記スプリング２１の反発力に抗して後退させられる。

前記ハブ１８の後退によって、前記ロータ１５は前記スタータ１４に対し軸方向に位置ずれを起こす。同時に前記ステータコイル１３に対し前記ロータ１５の前記マグネット２５も同様に軸方向に位置ずれし、前記ステータコイル１３と前記磁石２５との磁気結合度が弱くなる。

したがって、前記ステータコイル１３に誘起される電圧も低下する。すなわち、風速が設定値を超えた場合には、発生電圧を予め設定した値以上に上昇するのを防ぐことができる。この結果、風力発電機Ａに接続される電気系統の小容量化、小形化が可能になる。なお、この設定値以上に発生電圧が上昇するのを抑えるためには、前記スプリング２１の反発力が予め計算される。

前記鳥かご型支持部材Ｂは前記風力発電機Ａを一本の垂直軸４によって安定的に支持するものである。もっとも、必要に応じて前記鳥かご型支持部材Ｂを屋根や地上に固定するためワイヤや杭、その他の保持部材を用いてもよい。また、前記コードガイド５、５ａは発電機と刷子とを結ぶコードを収納して、コードが風によって振動や騒音を発生したりするのを防止できる。また、前記垂直軸４が外部に露出されないため、該垂直軸１自体の振動や騒音の発生が防止される。

前記刷子収納部材２９を前記可動側のコードガイド５ａに設け、該コードガイド５ａを固定側の前記垂直軸４下部の前記リング状電極保持部材３２に対向させ、前記それぞれの刷子と前記リング状電極３３とを摺接させたことで、発電電圧を外部へ引き出すことができる。

前記のごとく、前記垂直軸４に回動自在に支持された前記ボディ７と、該ボディ４に水平支持された前記水平軸１０と、該水平軸１０に回動自在及び前記水平軸方向に摺動自在に支持された前記ハブ１８と、該ハブ１８の周囲に取り付けられた前記複数枚の羽根２３と、前記ハブ１８を前記ボディ７方向に常時付勢するように前記水平軸１０に設けられた前記スプリング２１と、前記ボディ７に取り付けられた前記ステータ１４及び該ステータ１４に対向するように前記ハブ１８に取り付けられた前記ロータ１５からなる発電機と、を備えた構成にすれば、風速が設定値を超えたとき、風速の増加分だけ前記ハブ１８を前記スプリング２１に抗して前記水平軸１０に沿って後退させられ、前記ステータ１４と前記ロータ１５との磁気結合度合いが低減させられて、風速が速くなって前記羽根２３が高速回転しても、前記ステータコイル１３が設計値以上の高電圧を発生することはないものである。したがって、絶縁や耐電圧を考慮して必要以上に大形で高価な配線や電気部品、設備を用意する必要がなくなり、家庭用発電設備として安全に利用できるものである。

なお、前記風力発電機Ａの風上側先端部に前記バランスウエイト３４を配置すると、風向追従性を良好にし、発電効率を向上させることができる。

本発明は、鳥かご状に配置された逆Ｕ字状枠部材と、該逆Ｕ字状枠部材の下端対向部間を連結する連結部材からなり、前記逆Ｕ字状枠部材上端の中央部と前記連結部材の交差部間に垂直軸が起立保持させられ、該垂直軸に風力発電機が回転自在に支持されてなる簡単な設備及び安価な設備コストにて、一般家庭において実用できる風力発電装置を提供できる。

本発明の実施の形態による風力発電装置の全体を示す斜視図である。 図１に示す風力発電装置の要部を拡大して示す縦断面図である。 図１に示す風力発電装置の分解斜視図である。 他の実施例を示す風力発電装置の全体斜視図である。

符号の説明

１ 逆Ｕ字状枠部材
２ 連結部材
３ ジョイント
４ 垂直軸
５ コードガイド
２９ 刷子収納部材
３０ 角筒
３２ リング状電極保持部材
３３ リング状電極
３４ バランスウエイト
Ａ 風力発電機
Ｂ 鳥かご型支持部材

Claims (8)

1. 鳥かご型支持部材の中に風車を有する風力発電機を、垂直軸にて回動自在に設けたことを特徴とする風力発電機。
2. 鳥かご状に配置された逆Ｕ字状枠部材と、該逆Ｕ字状枠部材の下端対向部間を連結する連結部材からなり、前記逆Ｕ字状枠部材上端の中央と前記連結部材の交差部間に垂直軸が起立保持され、該垂直軸に風力発電機が回動自在に支持されてなることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機装置。
3. 逆Ｕ字状枠部材上端の中央部、連結部材の交差部及び前記逆Ｕ字状枠部材の下端と前記連結部材間にジョイントを介在させたことを特徴とする請求項１又は２記載の風力発電装置。
4. 逆Ｕ字状枠部材及び連結部材がパイプ材であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の風力発電装置。
5. 垂直軸の外周に風力発電機とともに回転自在であり、且つ流線型断面を持つコードガイドが設けられてなることを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の風力発電装置。
6. コードガイドには風力発電機から該コードガイド内に導入されたコードに接続される刷子と、該刷子を収納する角筒を持った刷子収納部材とが設けられ、垂直軸には刷子収納部材に対向するように配置されて前記刷子に摺接されるリング状電極を持つリング状電極保持部材が設けられてなることを特徴とする請求項５に記載の風力発電機。
7. 風車の羽根が着脱自在、且つ取付け角度が自在に変更できることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の風力発電装置。
8. 風力発電機の風上側先端部にバランスウエイトを配置したことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７に記載の風力発電装置。

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