JP2007056744A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が少ない場合でも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、風力エネルギーが風車３００により享受され、回転運動エネルギーに変換される。回転運動エネルギーがシャフト４００に伝達され、シャフト４００に固定されたロータ１１０が回転運動を行なう。また、駆動装置１７０によりステータ１２０がロータ１１０に対向するように移動されたり、ロータ１１０から相対的に離間するように移動される。
【選択図】 図３

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のみならず、従来の風力発電装置においては、発電を行なうために使用する発電機自体に回転方向に対する抵抗力がある。例えば、この抵抗力は、摩擦力、鉄損および自己保持力（ディテントトルクまたはコギングトルク）の影響（抵抗力）等である。

本発明の目的は、風力エネルギーの風速が小さい場合でも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）
第１の発明に係る風力発電装置は、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であって、風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換する風車と、風車により変換された回転運動エネルギーを伝達するシャフトと、シャフトに対してともに回転するように固定されたロータと、ロータの外周に対向するように配設されるステータと、ステータをロータに対して相対的に移動させる駆動手段とを含むものである。

第１の発明に係る風力発電装置においては、風力エネルギーが風車により享受され、回転運動エネルギーに変換される。回転運動エネルギーがシャフトに伝達され、シャフトに対してともに回転するように固定されたロータが回転運動を行なう。また、駆動手段によりステータがロータに対向する、またはロータから相対的に離間するように移動される。

この場合、駆動手段は、発電を行なう場合に、ステータがロータに対向するようステータを移動させ、発電を行なわない場合には、ステータがロータから離間するように移動する。その結果、発電を行なう時には、ロータの回転によりステータに誘導起電力が発生し、発電を行なわない場合には、ステータがロータから離間されるので、ステータに誘導起電力が発生しない。

特に、発電を行なう初期駆動時において、シャフトおよびロータが所定の回転速度になるまで駆動手段によりステータをロータから離間させ、シャフトおよびロータが所定の回転速度に達した後、駆動手段によりステータをロータに対向させることにより、摩擦力、鉄損および自己保持力（ディテントトルクまたはコギングトルク）の影響（抵抗力）を、シャフトおよびロータの回転による慣性力で打ち消すことができる。

すなわち、わずかな風力エネルギーであっても、初期駆動時に摩擦力、鉄損および自己保持力の影響がないため、本来であれば、摩擦力、鉄損および自己保持力の影響によりシャフトおよびロータが回転しない場合でも、容易にシャフトおよびロータを回転させることができる。そして、所定の回転数が発生した後にステータをロータに対向させることにより、シャフトおよびロータにより生じた慣性力が、摩擦力、鉄損および自己保持力よりも大きな値となるので、容易に発電を行なうことができる。

また、摩擦力に関しては、回転初期時に生じる値（最大摩擦係数）よりも一定の回転力で回転している場合の摩擦力の方が小さな値となるため、より容易に発電を行なうことができる。

（２）
駆動手段は、ロータに対してステータを相対的にシャフトの軸方向に移動させてもよい。

この場合、駆動手段によりステータがロータに対して相対的にシャフトの軸方向に移動されるので、ロータが上位置に配された場合、ステータをロータよりも下方向に移動してロータから離間させたり、ステータをロータに対向するように上方向に移動させたりすることができる。また、ロータが下位置に配された場合、ステータをロータよりも上方向に移動してロータから離間させたり、ステータをロータに対向するように下方向に移動させたりすることができる。

（３）
環状のステータは、周方向において複数に分割可能な部材から構成され、駆動手段は、ステータを構成する複数に分割可能な部材をロータに対して相対的に径方向に移動させてもよい。

この場合、複数に分割可能な部材から構成される環状のステータを相対的に径方向（略水平方向）に移動させることによりロータから離間させたり、ロータに対向させたりすることができる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。まず、風力発電装置５００の全体概要について説明し、次に風力発電装置５００内に配設された発電装置１００について図面を用いて説明を行なう。

（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態にかかる風力発電装置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２１０、支持梁２２０、支持柱２３０、複数の風車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、その上端部およびその下方にそれぞれ保持板２１０が設けられる。さらにその下方に、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風車３００が縦方向に４段設けられている。なお、本実施の形態においては、縦方向に４段で設けられた風車３００を説明するが、これに限定されず、１段または任意の数の段の風車３００であってもよい。

主柱２００等により構成された櫓の中心にシャフト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に供えられた上段支持機構（例えばピローブロック等）により保持される。またシャフト４００の中部は、保持板２１０ｂに設けられた中段支持部材（例えば、ラジアルベアリングまたはスラストベアリング等）により保持される。さらに、このシャフト４００の下端部には、発電装置１００が設けられている。この発電装置１００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、２段の風車３００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、２段の風車３００が設けられる。

この風車３００は、翼状の羽根が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、この風車状の羽根が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、一般にジャイロミル形風車と呼ばれる。風車３００は、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に固定されている。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との間に接続部材を設けてもよい。

この風力発電装置５００は、風力エネルギーを享受することにより４段の風車３００が時計回りに回転する。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３２０を介してシャフト４００が時計回りに回転する。

次に、図２は、発電装置１００の内部構成を示す模式的断面図である。

図２に示すように、発電装置１００は、主にロータ１１０、ステータ１２０、ステータ保持部材１３０、ベアリング１４０、外筐体１５０、内筐体１６０、駆動装置１７０およびシャフト保持部１８０を含む。

図２に示すように、発電装置１００では、外筐体１９０内にベアリング１４０を介して内筐体１６０が設けられる。内筐体１６０の外周面には、ネジ溝１６１が形成されている。また、発電装置１００の外筐体１９０の中央部を貫通するようにシャフト４００がシャフト保持部１８０を介して設けられる。このシャフト保持部１８０とは、例えばボールベアリング等からなる。

続いて、図２に示すように、ロータ１１０は、シャフト４００に固定され、シャフト４００と一体回転するように設けられる。ロータ１１０は、ポールコア（磁極）（図示せず）、ロータコイル（フィールドコイル）（図示せず）および励磁電流を供給するためのスリップリング（図示せず）等を含む。ロータ１１０は、内部にロータコイルが巻回して設けられ、ロータコイルを外包するようにボールコアが設けられる。

一方、ステータ１２０は、ステータコア（図示せず）およびステータコイル１２２を含む。ステータコアは複数の薄い鉄板を重ね合わせて形成される。ステータコアの内側に複数の溝が形成されており、その溝内にステータコイル１２２が収納されている。

また、ステータ１２０には、ステータ保持部材１３０が設けられている。ステータ保持部材１３０は、内筐体１６０の外周面に形成されたネジ溝１６１と嵌合するネジ溝１３１が形成されている。

外筐体１９０の外側に駆動装置１７０が設けられる。この駆動装置１７０は、モータ１７１、駆動軸１７２および回転伝達部材１７３を含む。回転伝達部材１７３は、外筐体１９０を貫通して内筐体１６０に駆動力を伝達できるように設けられる。

次いで、図３を用いて図２で説明した発電装置１００の動作について説明する。図３（ａ）はステータ１２０をロータ１１０から離間させた状態を示し、図３（ｂ）はステータ１２０をロータ１１０に対向させた状態を示す。

まず、図３（ａ）に示すように、ステータ１２０は、ロータ１１０から離間した状態にある。ステータ１２０をロータ１１０に対向させる場合、モータ１７１に指示を与え駆動軸１７２を矢印Ｒの方向に回転させる。駆動軸１７２に取り付けられた回転伝達部材１７３が同方向に回転する。回転伝達部材１７３が回転することにより、内筐体１６０がシャフト４００を軸として矢印Ｒと逆方向に回転する。この場合、内筐体１６０の外周面に形成されたネジ溝１６１およびステータ保持部材１３０のネジ溝１３１の働きによりステータ１２０が矢印Ｙの方向に移動する。

その結果、図３（ｂ）に示すように、ステータ１２０がロータ１１０に対向するように移動する。そして、ロータ１１０に交互に形成されたＮ極とＳ極との磁束が、ステータ１２０のステータコイル１２２と交差するように形成されているので、シャフト４００が回転した場合、Ｙ（スター）結線されたステータ１２０がロータ１１０の円周上を摺動して交流電圧が発生される。

一方、ステータ１２０をロータ１１０から離間させる場合、モータ１７１に指示を与え駆動軸１７２を矢印Ｒと逆方向に回転させる。駆動軸１７２に取り付けられた回転伝達部材１７３が同方向に回転する。回転伝達部材１７３が回転することにより、内筐体１６０がシャフト４００を軸として矢印Ｒの方向に回転する。この場合、内筐体１６０の外周面に形成されたネジ溝１６１およびステータ保持部材１３０のネジ溝１３１の働きによりステータ１２０が矢印Ｙと逆方向に移動する。

その結果、図３（ａ）に示すように、ステータ１２０がロータ１１０から離間するように移動する。この場合、シャフト４００が回転しても、ステータ１２０がロータ１１０の円周上を摺動しないのいで、交流電圧が発生しない。

続いて、図４を用いて本願発明における効果について説明する。図４はシャフト４００を回転させて発電を行なう際の影響を説明するための概念図である。

図４（ａ）は、発電を行なう際の影響を説明するための概念図であり、図４（ｂ）は本発明に係る効果を説明するための概念図である。図４（ａ）（ｂ）の縦軸は、負荷を示し、横軸は時間を示す。

まず、図４（ａ）に示すように、発電を行なう際の負荷は、主に摩擦力Ｆ、コイル等の鉄損（Ｗ）および自己保持力Ｔｑ（ディテントトルクまたはコギングトルク）等があげられる。なお、図４（ａ）（ｂ）においては、それぞれ摩擦力Ｆ、鉄損Ｗ、自己保持力Ｔｑをそれぞれ積算表示している。また、自己保持力Ｔｑの最小負荷を負荷Ｔｑ１と示し、自己保持力Ｔｑの最大負荷を負荷Ｔｑ２と示す。

自己保持力Ｔｑは、上述したように、ロータ１１０において磁界が所定間隔でＳ極およびＮ極の変化があるため、図４（ａ）に示すように、所定間隔で負荷Ｔｑ１がＴｑ２に増加する状態が生じる。すなわち、この所定間隔毎に負荷Ｔｑが負荷Ｔｑ１および負荷Ｔｑ２の間を変化するため、一定の力が付与されないと発電されない状態が生じる。

例えば、風力エネルギーのエネルギー量に対応する物理量が少ない場合でも、風車３００は風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換しようとシャフト４００に回転力を伝達する。この場合、図４（ａ）に示すように、シャフト４００に伝達される回転力が、回転力Ｍａであると仮定する。

回転力Ｍａは、摩擦力Ｆ、鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑの最小負荷Ｔｑ１の合計値よりも大きく、摩擦力Ｆ、鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑの最大負荷Ｔｑ２の合計値よりも小さい。そのため、摩擦力Ｆ、鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑの最小負荷Ｔｑ１の合計値よりも大きいので、シャフト４００は回転しようとするが、摩擦力Ｆ、鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑの最大負荷Ｔｑ２の合計値よりも小さいので回転することができず、発電装置１００において発電が行なわれない。

一方、本発明に係る発電装置１００においては、ステータ１２０をロータ１１０から離間させることができる。この場合、図４（ｂ）に示すように、ステータ１２０およびロータ１１０の間において生じる鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑが生じない。そのため、摩擦力Ｆの値よりも回転力Ｍａの値が大きくなるので、シャフト４００が回転する。同時にシャフト４００に取り付けられたロータ１１０も回転する。そして、シャフト４００の回転数が上昇するに伴ってシャフト４００およびローラ１１０に慣性力Ｍｂ（遠心力）が発生する。

その後、図４に示したように、図４（ａ）の状態から駆動装置１７０の働きにより図４（ｂ）のステータ１２０がロータ１１０に対向するように移動する。

この場合、ステータ１２０およびロータ１１０の間において生じる鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑが生じるが、摩擦力Ｆ、鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑの最大負荷Ｔｑ２の合計値よりも、回転力Ｍａおよび慣性力Ｍｂの合計値の方が大きくなる。したがって、シャフト４００は停止せずに回転を続ける。その結果、ステータ１２０に対してロータ１１０が摺動するので誘導起電力が発生し、ステータ１２０において発電が行なわれる。

なお、図４においては、摩擦力Ｆを一定としたが、摩擦力Ｆには、最大静止摩擦係数と動摩擦係数とがあり、静止時には、大きな値の最大静止摩擦係数がかかることとなるが、シャフト４００が回転することで、最大静止摩擦係数よりも小さな値の動摩擦係数が積算されるので、よりシャフト４００の回転を阻害する要因を除去できる。

以上のように、本願発明に係る風力発電装置５００内の発電装置１００においては、駆動装置１７０の働きにより、ステータ１２０がロータ１１０に対向するようステータ１２０が移動されたり、発電を行なわない場合にステータ１１０がロータ１１０から離間するように移動される。その結果、発電を行なう時には、ロータ１１０の回転によりステータ１２０に誘導起電力が発生し、発電を行なわない場合には、ステータ１２０がロータ１１０から離間されるので、ステータ１２０に誘導起電力が発生しない。

特に、発電を行なう初期駆動時において、シャフト４００およびロータ１１０が所定の回転速度になるまで駆動装置１７０によりステータ１２０をロータ１１０から離間させ、シャフト４００およびロータ１１０が所定の回転速度に達した後、駆動装置１７０によりステータ１２０をロータ１１０に対向させることにより、摩擦力Ｆ、鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑ（ディテントトルクまたはコギングトルク）の影響（抵抗力）を、シャフト４００およびロータ１１０の回転による慣性力Ｍｂで打ち消すことができる。

すなわち、わずかな風力エネルギーであっても、初期駆動時に摩擦力Ｆ、鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑの影響がないため、本来であれば、シャフト４００およびロータ１１０が回転しない場合でも、容易にシャフト４００およびロータ１１０を回転させることができる。そして、所定の回転数が発生した後にステータ１２０をロータ１１０に対向させることにより、シャフト４００およびロータ１１０により生じた慣性力Ｍｂが、摩擦力Ｆ、鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑよりも大きな値となるので、容易に発電を行なうことができる。

また、摩擦力Ｆに関しては、回転初期時に生じる値（最大摩擦係数）よりも一定の回転力で回転している場合の摩擦力の方が小さな値となるため、より容易に発電を行なうことができる。さらに、駆動装置１７０によりステータ１２０がロータ１１０に対して相対的にシャフトの軸方向に移動されるので、ロータ１１０が上位置に配された場合、ステータ１２０をロータ１１０よりも下方向に移動してロータ１１０から離間させたり、ステータ１２０をロータ１１０に対向するように上方向に移動させたりすることができる。また、ロータ１１０が下位置に配された場合、ステータ１２０をロータ１１０よりも上方向に移動してロータ１１０から離間させたり、ステータ１２０をロータ１１０に対向するように下方向に移動させたりすることができる。

次に、図５は、ステータ１２０の他の例を示す模式的斜視図である。図５（ａ）はステータ１２０ａ、１２０ｂをロータ１１０から離間させた状態を示し、図５（ｂ）はステータ１２０ａ、１２０ｂをロータ１１０に対向させた状態を示す。

図５に示すように、ステータ１２０はステータ１２０ａおよびステータ１２０ｂからなる。ステータ１２０ａおよびステータ１２０ｂは互いの端部を対向させることで、略円状にロータ１１０の周面を包囲する。

まず、図５（ａ）に示すように、ステータ１２０ａ、１２０ｂが離間している場合には、図３（ａ）と同様に、ステータ１２０とロータ１１０との間で電力が発生しない。一方、図５（ｂ）に示すように、ステータ１２０ａ、１２０ｂが駆動手段（図示せず、例えば、ピニオンラック構造等）を用いて互いに対向させた場合には、ステータ１２０ａおよび１２０ｂとロータ１１０との間で誘電起電力が生じ、電力を発生させることができる。

以上のように、本発明に係る風力発電装置５００内の発電装置１００においては、発電を行なう時には、ロータ１１０の回転によりステータ１２０ａ，１２０ｂが互いに近接されて、ステータ１２０ａ，１２０ｂに誘導起電力が発生し、発電を行なわない場合には、ステータ１２０ａ，１２０ｂがロータ１１０から離間されるので、ステータ１２０ａ，１２０ｂに誘導起電力が発生しない。

特に、発電を行なう初期駆動時において、シャフト４００およびロータ１１０が所定の回転速度になるまでステータ１２０ａ，１２０ｂをロータ１１０から離間させ、シャフト４００およびロータ１１０が所定の回転速度に達した後、ステータ１２０ａ，１２０ｂを近接させて、ロータ１１０と対向させることにより、摩擦力Ｆ、鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑ（ディテントトルクまたはコギングトルク）の影響（抵抗力）を、シャフト４００およびロータ１１０の回転による慣性力Ｍｂで打ち消すことができる。

すなわち、わずかな風力エネルギーであっても、初期駆動時に摩擦力Ｆ、鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑの影響がないため、本来であれば、シャフト４００およびロータ１１０が回転しない場合でも、容易にシャフト４００およびロータ１１０を回転させることができる。そして、所定の回転数が発生した後にステータ１２０ａ，１２０ｂを略水平方向に移動させてロータ１１０に対向させることにより、シャフト４００およびロータ１１０により生じた慣性力Ｍｂが、摩擦力Ｆ、鉄損Ｗおよび自己保持力Ｔｑよりも大きな値となるので、容易に発電を行なうことができる。

また、摩擦力Ｆに関しては、回転初期時に生じる値（最大摩擦係数）よりも一定の回転力で回転している場合の摩擦力の方が小さな値となるため、より容易に発電を行なうことができる。

なお、本実施の形態においては、ロータ１１０をロータ電磁石として説明したが、これに限定されず、他の任意の磁石、例えば永久磁石等を用いてもよい。

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、発電装置１００が発電装置に相当し、風車３００が風車に相当し、シャフト４００がシャフトに相当し、ロータ１１０がロータに相当し、ステータ１２０がステータに相当し、駆動装置１７０が駆動手段に相当し、ステータ１２０ａ，１２０ｂがステータを構成する複数に分割可能な部材に相当する。

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。

本実施の形態にかかる風力発電装置の一例を示す模式的側面図である。 発電装置の内部構成を示す模式的断面図 （ａ）はステータをロータから離間させた状態、（ｂ）はステータをロータに対向させた状態 シャフトを回転させて発電を行なう際の影響を説明するための概念図 ステータの他の例を示す模式的斜視図

符号の説明

１００ 発電機
１１０ ロータ
１２０ ステータ
１２０ａ，１２０ｂ ステータ
１７０ 駆動装置
３００ 風車
４００ シャフト

Claims (3)

1. 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、
   前記風力エネルギーを前記回転運動エネルギーに変換する風車と、
   前記風車により変換された回転運動エネルギーを伝達するシャフトと、
   前記シャフトに対してともに回転するように固定されたロータと、
   前記ロータの外周に対向するように配設されるステータと、
   前記ステータを前記ロータに対して相対的に移動させる駆動手段とを含むことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記駆動手段は、
   前記ロータに対して前記ステータを相対的に前記シャフトの軸方向に移動させることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 環状の前記ステータは、周方向において複数に分割可能な部材から構成され、
   前記駆動手段は、前記ステータを構成する複数に分割可能な部材を前記ロータに対して相対的に径方向に移動させることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。

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