JP2007321659A

JP2007321659A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2007321659A
Application number: JP2006153133A
Authority: JP
Inventors: Hisaomi Kubota; 久臣久保田
Original assignee: Kubota Denki KK
Current assignee: Kubota Denki KK
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】複雑な機器構成を必要とせず、低コストに、広風速域で受風効率を高める。
【解決手段】少なくとも２つのロータ１０、２０を同軸上に同一方向に回転可能に並設するとともに、各ロータ１０、２０を、前方のロータ１０に対して同一方向に回転する後方のロータ２０により、ブレード及び風速の条件の基で前方のロータ１０から後方のロータ２０へ風を一定の位置に収束して流し、（前方のロータ１０に対して同一方向に回転する）後方のロータ２０が、風速の変化により前方のロータ１０から後方のロータ２０へ流れる風の収束位置の変化に追従し、受風し得る所定の間隔に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自然の風力を利用して発電機を駆動するプロペラ形の風力発電装置に関する。

一般に、プロペラ形の風力発電装置は、複数のブレードを有するロータと、発電機とを備え、ロータを風力により回転せしめ、当該回転力により発電機を駆動するようになっている。

この種の風力発電装置が特許文献１に記載されている。この文献１の風力発電装置では、３枚のブレードを有するロータがナセル（機器箱）の前面部に水平駆動軸を介して回転自在に支持され、ナセル内において水平駆動軸が発電機に連結されて、このナセルが支柱の上端部に水平旋回自在に取り付けられる。このようにしてロータが各ブレードの風向面側とブレード腹（風背面）側との気流の速度差によって生ずる揚力により回転され、この回転力により発電機が駆動される。
特開２００３−３３６５７２公報

しかしながら、従来の風力発電装置では、ブレードの設計条件から、ある一定の風速域でしか高効率（の回転エネルギー）を維持することができず、当該一定の風速域以外では、良い効率で回転エネルギーへ変換することは難しい。また、これを一定の風速域に絞らず、広風速域において高受風効率を維持しようとすると、ブレードの角度を変えるピッチ制御が必要で、この場合、複雑な機器構成を要し、コストは増大せざるを得ない。したがって、ピッチ制御システムは高価な物となるため、特に小型風力発電への採用はコスト上の問題で厳しいものとなっている。また、日本のように強弱の激しい風況下では、風速計の風速情報からピッチ制御をしても、刻々と変わる風に対応することは極めて難しく、技術的な課題もある。

本発明は、このような従来の課題を解決するもので、この種のプロペラ形の風力発電装置において、複雑な機器構成を必要とすることなく、低コストに、広風速域で受風効率を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の風力発電装置は、複数のブレードを有するロータを備え、前記ロータを風力により回転せしめ、当該回転力により発電機を駆動する風力発電装置において、少なくとも２つのロータが同軸上又は同軸芯上の回転軸に同一方向に回転可能に並設され、各ロータは、前方のロータに対して同一方向に回転する後方のロータにより、ブレード及び風速の条件の基で前方のロータから後方のロータへ風を一定の位置に収束して流し、前方のロータに対して同一方向に回転する後方のロータが、風速の変化により前方のロータから後方のロータへ流れる風の収束位置の変化に追従し、受風し得る所定の間隔に配置されることを要旨とする。この場合、所定の間隔は、ロータの半径の４０分の１以上２分の１以内の範囲から選択的に設定される。また、各ロータは回転軸上にワンウェイクラッチを介して同一方向に一体に回転可能に、また独立に回転可能に取り付けられることが好ましい。さらに、ロータは略筒構造のハブの外周に複数のブレードがブレードマウントにより取り付けられて形成され、当該ブレードマウントは、各ブレードを前面側で一体的に結合する前側マウントと、各ブレードを後面側で一体的に固定する後側マウントとを有し、前側マウントはロータ毎のハブに固定され、後側マウントはそのロータと同軸上後方に配設された他の回転体の外周に軸方向に対して直交する方向に突出されたフランジを跨いで当該外周回りに配置されることが好ましい。

本発明は、上記構成により、複雑な機器構成を必要とすることなく、低コストに、広風速域で受風効率を高めることができる。

以下、本発明の一実施の形態について図１を用いて、また必要に応じて図２を参照しながら説明する。図１において、風力発電装置１は、同軸上に複数のブレード１１、２１を有する少なくとも２つのロータ１０、２０を具備し、これらロータ１０、２０を風力により回転せしめ、当該回転力により発電機３を駆動する構成を備える。この風力発電装置１の場合、ケーシング４に回転軸５が挿通支持され、ケーシング４から延びる回転軸５の前部に２つのロータ１０、２０（第１ロータ１０、第２ロータ２０）が一体的に配設されて、これら２つのロータ１０、２０の回転により、（ケーシング４内に配置された）発電機３を駆動する形式が採用される。

各部について詳しく見ていくと、ケーシング４は略流線形の外形を有し、その後部にケーシング４の正面を、風を受ける方向に向けてコントロールする風向翼４１が設けられ、支柱４０上に水平方向に回転可能に設置される。

回転軸５は略円柱形の軸で、図２に示すように、小径の先端軸部５１と、先端軸部５１に続く中径の前側中間軸部５２と、前側中間軸部５２に続く大径の中間ねじ部５３と、中間ねじ部５３に続いて（中間ねじ部５３よりもさらに大径に）徐々に拡径された中間テーパ部５４と、中間テーパ部５４に続く中径の後側中間軸部５５と、後側中間軸部５５に続く小径の後端軸部５６とを有する。この回転軸５は中間テーパ部５４から後端軸部５６までがケーシング４の正面から挿通され、ケーシング４内で軸受を介して支持され、発電機３に作動連結される。この場合、図２に示すように、発電機３はアウタロータ方式が採用され、アウタロータ３１とステータ３３とにより構成される。アウタロータ３１は後述する第１ロータ１０、第２ロータ２０の各ハブ１２、２２よりも大径の略円筒構造に構成され、その一端に回転軸５の中間テーパ部５４に対応するテーパ形状の軸挿通部３２が設けられる。また、このアウタロータ３１の場合、外周面の前端に外周方向（回転軸５に対して直交する方向）に突出するフランジ３１Ｆが併せて設けられる。このアウタロータ３１に、回転軸５が軸挿通部３２を通じて挿通され、回転軸５の中間ねじ部５３に予め螺合されたナット６の締め込みにより、アウタロータ３１の軸挿通部３２に回転軸５の中間テーパ部５４が圧入されて固定される。ステータ３３は円筒形状のシャフト３４の外周に保持される。このシャフト３４内に回転軸５がベアリング３５を介して回転可能に挿通配置され、ステータ３３に回転軸５が貫通される。このようにしてケーシング４内で（回転軸５に一体の）アウタロータ３１がステータ３３の外側に対向配置される。

第１ロータ１０、第２ロータ２０はそれぞれ、略円筒構造のハブ１２、２２に３枚のブレード１１、２１がブレードマウント１７、２７により取り付けられて形成される。この場合、第１ロータ１０のブレード１１の長さは第２ロータ２０のブレード２１の長さよりも幾分（数％〜１０％位）短く形成される。また、第１ロータ１０のハブ１２は、図２に示すように、外周面に段差形状のマウント取付部１３が設けられる。第２ロータ２０のハブ２２は、図２に示すように、外周面に段差形状のマウント取付部２３が設けられ、また、外周面の前端に外周方向（回転軸５に対して直交する方向）に突出するフランジ２４を有する。第１ロータ１０のブレードマウント１７は、第１ロータ１０のハブ１２外周に外嵌可能なリング状の取付プレートとその円周方向１２０度の等間隔で３方向に延びる支持アームとを有する前側マウント１７Ｆと、第２ロータ２０のハブ２２（第１ロータ１０のハブ１２と同軸上後方に配設される他の回転体）の外周回りに沿って非接触に配置可能なリング状の取付プレートとその円周方向１２０度の等間隔で３方向に延びる支持アームとを有する後側マウント１７Ｒとにより構成される。第２ロータ２０のブレードマウント２７は、第２ロータ２０のハブ２２外周に外嵌可能なリング状の取付プレートとその円周方向１２０度の等間隔で３方向に延びる支持アームとを有する前側マウント２７Ｆと、アウタロータ３１（第２ロータ２０のハブ２２と同軸上後方に配設される他の回転体）の外周回りに沿って非接触に配置可能なリング状の取付プレートとその円周方向１２０度の等間隔で３方向に延びる支持アームとを有する後側マウント２７Ｒとにより構成される。ロータ１０、２０毎に、３枚のブレード１１、２１は前側マウント１７Ｆ、２７Ｆ（の各支持アーム）及び後側マウント１７Ｒ、２７Ｒ（の各支持アーム）に挟持され、ボルト１８、２８により固定されて、円周方向１２０度の等角度間隔に組み立てられる。

これらのロータ１０、２０はそれぞれ、図２に示すように、回転軸５の前側中間軸部５２上に、ワンウェイクラッチ１５、２５及びベアリング１６、２６を介して配設される。この場合、第１ロータ１０は、前側中間軸部５２上の前部に取り付けられ、第２ロータ２０は、前側中間軸部５２上の後部に取り付けられ、各ロータ１０、２０が前後方向に所定の間隔で並設される。このロータ１０、２０のタンデム構造は、同軸上に２つ以上のロータを配置し、このうち２つ以上を同一方向に回転させるようにしておくと、各ロータの前方から吹き付ける風の一部は前方のロータで受けて回転し、その残部は前方のロータから後方へ流れ、この風が、各ブレード（翼断面形状や翼設定角）及び低風速、中風速、高風速の各風速の条件により異なる、一定の位置に収束して流れる現象（図３参照）を利用するもので、前後の各ロータ１０、２０は、前方のロータ１０に対して同一方向に回転する後方のロータ２０により、各ブレード１１、２１及び各風速の条件の基で前方のロータ１０から後方のロータ２０へ風を一定の位置に収束して流し、（前方のロータ１０に対して同一方向に回転する）後方のロータ２０が、風速の変化により前方のロータ１０から後方のロータ２０へ流れる風の収束位置の変化に追従し、受風し得る所定の間隔Ｌで配置される。この所定の間隔Ｌは、翼断面形状や翼設定角等の条件を考慮して「各ロータ１０、２０いずれかの半径の４０分の１以上２分の１以内」の範囲に求めることができ、この範囲内から適宜選定される。

また、これら第１、第２ロータ１０、２０の回転軸５上の取り付けにおいて、第１ロータ１０のブレードマウント１７は第１ロータ１０のハブ１２と第２ロータ２０のハブ２２との間に跨って配置され、特に後側マウント１７Ｒが第２ロータ２０のハブ２２の外周面の回りに（非接触に）配置され、これがフランジ２４により抜け止めされる。また、第２ロータ２０のブレードマウント２７は第２ロータ２０のハブ２２とアウタロータ３１との間に跨って配置され、特に後側マウント２７Ｒがアウタロータ３１の外周面の回りに（非接触に）配置され、これがフランジ３１Ｆにより抜け止めされる。なお、第１ロータ１０の前面中心には、流線形状のキャップ１９が取り付けられる。

このようにして第１、第２ロータ１０、２０が、回転軸５上の前部に所定の間隔Ｌで配設され、各ロータ１０、２０と回転軸５との間の各ワンウェイクラッチ１５、２５の切り替えにより、各ロータ１０、２０が同一方向に一体に回転したり、独立に回転したりする形式に構成される。通常は、第１ロータ１０及び第２ロータ２０が同一方向に一体に回転するようになっており、これらのロータ１０、２０が回転されると、回転軸５の回転により、発電機３（ステータ３３の回りでアウタロータ３１）を回転させて発電を行う。

次に、この風力発電装置１の動作について図１を用いて、また必要に応じて図３を参照しながら説明する。今、図１の紙面左側方向から風が吹いている場合として考えると、基本動作としては、それぞれの第１ロータ１０及び第２ロータ２０が風を受けて正回転する。このとき、両ロータ１０及び２０は共に風を受けて回転するが、既述のとおり、同軸上に所定の間隔Ｌで配置された２つのロータ１０、２０が同一方向に回転されることにより、各ロータ１０、２０の前方から吹き付ける風の一部は前方のロータ１０で受けて回転した後、その残部は後方へ流れ、この風が、図３に示すように、各ブレード１１、２１（翼断面形状や翼設定角）及び低風速、中風速、高風速の各風速の条件により異なる、一定の位置に収束して流される。この後方に収束して流された風に、（前方のロータ１０に対して所定の間隔Ｌで、同一方向に回転される）後方のロータ２０が追従し、受風して回転することにより、強い回転トルクを発生する。

さらに、第２ロータ２０は、正面から吹いてくる風に加えて、第１ロータ１０の回転によって起こされた風をも受ける。とりわけ、第１ロータ１０のブレード１１の先端は大きな周速で回転しており、この部分から後方へ強制的に送り出された風は大きな風速を有する。ここで、第１ロータ１０のブレード１１の長さを第２ロータ２０のブレード２１の長さより幾分短く設定したことで、第２ロータ２０は、自然の風に加えて第１ロータ１０のブレード１１の先端から後方へ押し出された強い風も受けることになる。またさらに、第１ロータ１０が回転することにより、この第１ロータ１０に向かってくる乱流気味の風（自然の風）は第１ロータ１０により整流作用を受ける。そして、この整流された風は第１ロータ１０から後方へ押し出された後、第２ロータ２０に当たるから、第２ロータ２０は第１ロータ１０よりも良い条件で風を受けることになる。これにより、第２ロータ２０はより強いトルクを発生する。

このようにして第１、第２ロータ１０、２０を共に回転することにより、回転トルクを高め、全体として受風効率を向上させることができる。

また、風速の変化が起こると、図３に示すように、前方の第１ロータ１０から後方へ流される、第２ロータ２０に好条件の風の収束位置が変化するため、第２ロータ２０は風の条件が悪くなり、前方の第１ロータ１０よりも回転数が低くなる。次第に第２ロータ２０の回転は遅れ、例えば３枚ブレードのロータなら円周３分の１以内の範囲で、また６枚ブレードなら円周６分の１以内の範囲で遅れるが、結果、第２ロータ２０は風の収束位置に追従移動していき、その時の風速域において風が収束する位置に収まり、この好条件の位置で受風して、高受風効率を保つ。この現象は、前後の各ロータ１０、２０が同一方向に回転する限り、低風速、中風速、高風域の各風速域で必ず起こるため、全風速域にて高受風効率を維持することができる。なお、風速の変化がない場合は、後方のロータ２０の位置は収束された風の位置から移動しない。このように風速が変化しても、第２ロータ２０はその時の風速域において風が収束する位置に収まり、この好条件の位置で受風して、高受風効率を維持することができる。

なお、第１、第２ロータ１０、２０の受風、回転の繰り返しにより、第１、第２ロータ１０、２０の特に前側マウント１７Ｆ、２７Ｆに受ける負荷が大きいため、これが万が一折損した場合、各ブレード１１は後側マウント１７Ｒにより一体に固定され、この後側マウント１７Ｒが第２ロータ２０のハブ２２外周面上にフランジ２４により抜け止めされて保持されるので、ブレード１１の落下は確実に防止される。

以上説明したように、この風力発電装置１によれば、少なくとも２つのロータ１０、２０を同軸上に同一方向に回転可能に並設し、各ロータ１０、２０を、前方のロータ１０に対して同一方向に回転する後方のロータ２０により、ブレード１１、２１及び風速の条件の基で前方のロータ１０から後方のロータ２０へ風を一定の位置に収束して流し、（前方のロータ１０に対して同一方向に回転する）後方のロータ２０が、風速の変化により前方のロータ１０から後方のロータ２０へ流れる風の収束位置の変化に追従し、受風し得る所定の間隔Ｌに配置して、各ロータ１０、２０を共に回転させるので、複雑な機器構成を必要とすることなしに、低コストに、広風速域で回転トルクを高め、全体として受風効率を向上させることができる。また、この所定の間隔Ｌを、各ロータ１０、２０いずれかの半径の４０分の１以上２分の１以内の範囲から選択的に設定すればよく、各ロータ１０、２０を回転軸５上に適宜の間隔に容易に設置することができる。

さらに、各ロータ１０、２０を回転軸５上にワンウェイクラッチ１５、２５を介して同一方向に一体に回転可能に、また独立に回転可能に取り付けるので、各ロータ１０、２０を同軸上で簡易に同一方向に回転させることができる。またさらに、第１、第２ロータ１０、２０は略円筒構造のハブ１２、２２の外周に３枚のブレード１１、２１がブレードマウント１７、２７により取り付けられて形成され、ブレードマウント１７、２７は、各ブレード１１、２１を前面側で一体的に結合する前側マウント１７Ｆ、２７Ｆと、各ブレード１１、２１を後面側で一体的に固定する後側マウント１７Ｒ、２７Ｒとを有し、前側マウント１７Ｆ、２７Ｆはロータ１０、２０毎のハブ１２、２２に固定され、後側マウント１７Ｒ、２７Ｒはそのロータ１０、２０と同軸上後方に配設された他の回転体（この場合、ハブ２２、アウタロータ３１）の外周に軸方向に対して直交する方向に突出されたフランジ２４、３１Ｆを跨いで当該外周回りに配置されるので、第１、第２ロータ１０、２０で受風、回転を繰り返すうちに、特に負荷の大きい各ロータ１０、２０の前側マウント１７Ｆ、２７Ｆに万が一折損が発生した場合でも、各ブレード１１、２１を一体に固定した後側マウント１７Ｒ、２７Ｒを他の回転体（ハブ２２、アウタロータ３１）の外周面上にフランジ２４により抜け止めして保持することができ、ブレード１１の落下を確実に防止して、安全性を十分に確保することができる。

［実施例］
本願発明者は、風速４ｍ／ｓ及び７ｍ／ｓの下で、前方のロータと後方のロータとの間隔の違いによる性能実験を行った。この実験においては、特に間隔４６．５と間隔９７〜１１２（本願発明における所定の間隔）とを対比する。表１に、その実験データを示す。

この実験から、風速４ｍ／ｓの下で、各ロータの間隔が４６．５の場合、ピークＣＷが０．１６７、トルクピークが０．７４１を示し、各ロータの間隔が１１２の場合、ピークＣＷが０．３１５、トルクピークが１．６６３を示した。風速７ｍ／ｓの下で、各ロータの間隔が４６．５の場合、ピークＣＷが０．４３５、トルクピークが８．２０１を示し、各ロータの間隔が９７の場合、ピークＣＷが０．５００、トルクピークが９．６８０を示した。この結果から、間隔が４６．５よりも、９７〜１１２の方が優れていることを確認した。また、この実験で、ロータの前後位置を（本願発明の）所定の間隔Ｌよりも近づけて設定すると、風が前方のロータに当たり切られて後方へ流れるため、カルマン渦などの影響により、後方のロータには受風するのに良い条件の風が受けられないことが判明した。

なお、この実施の形態では、２つのロータが同軸上に同一方向に回転可能に並設され、これら２つのロータでアウタロータ方式の発電機を駆動する簡易な形式に構成されているが、同軸芯上の各別の回転軸に少なくとも２つのロータが並設され、これらロータのそれぞれを独立に回転し、またそれぞれが独立した動力伝達系統で、各別の又は共通の発電機を駆動する２軸又は複数軸方式に構成されてもよく、この場合にも、各ロータ間に所定の間隔Ｌを設定することで、上記と同様の作用効果を得ることができる。

本発明は図面に示す好ましい実施の形態に基づいて説明されてきたが、当業者であれば、本発明の思想を逸脱することなく容易に各種の変更、改変をなし得ることは明らかである。本発明はそのような変更例も含むものである。例えば、複数のロータのうち、いずれかのロータの前後にダミーのロータ等を配置して、ロータ間に本願発明における所定の間隔と異なる点を主張しても、このダミーのロータ等を除く各ロータ間に本願発明で主張する所定の間隔が適用され、本願発明の作用効果を奏する限り、本願発明に含まれる。

本発明の一実施の形態として示す風力発電装置の部分断面側面図同風力発電装置に採用される回転軸、ハブ、発電機の部分断面側面図（Ａ）同風力発電装置の低風速域での受風動作を説明するための図（Ｂ）同風力発電装置の高風速域での受風動作を説明するための図

符号の説明

１風力発電装置
１０第１ロータ
１１ブレード
１２ハブ
１３マウント取付部
１５ワンウェイクラッチ
１６ベアリング
１７ブレードマウント
１７Ｆ前側マウント
１７Ｒ後側マウント
１８ボルト
１９キャップ
２０第２ロータ
２１ブレード
２２ハブ
２３マウント取付部
２４フランジ
２５ワンウェイクラッチ
２６ベアリング
２７ブレードマウント
２７Ｆ前側マウント
２７Ｒ後側マウント
２８ボルト
３発電機
３１アウタロータ
３１Ｆフランジ
３２軸挿通部
３３ステータ
３４シャフト
３５ベアリング
４ケーシング
４０支柱
４１風向翼
５回転軸
５１先端軸部
５２前側中間軸部
５３中間ねじ部
５４中間テーパ部
５５後側中間軸部
５６後端軸部
６ナット
Ｌ所定の間隔

Claims

複数のブレードを有するロータを備え、前記ロータを風力により回転せしめ、当該回転力により発電機を駆動する風力発電装置において、
少なくとも２つのロータが同軸上又は同軸芯上の回転軸に同一方向に回転可能に並設され、
各ロータは、前方のロータに対して同一方向に回転する後方のロータにより、ブレード及び風速の条件の基で前方のロータから後方のロータへ風を一定の位置に収束して流し、前方のロータに対して同一方向に回転する後方のロータが、風速の変化により前方のロータから後方のロータへ流れる風の収束位置の変化に追従し、受風し得る所定の間隔に配置されることを特徴とする風力発電装置。
所定の間隔は、ロータの半径の４０分の１以上２分の１以内の範囲から選択的に設定される請求項１に記載の風力発電装置。
各ロータは回転軸上にワンウェイクラッチを介して同一方向に一体に回転可能に、また独立に回転可能に取り付けられる請求項１又は２に記載の風力発電装置。
ロータは略筒構造のハブの外周に複数のブレードがブレードマウントにより取り付けられて形成され、当該ブレードマウントは、各ブレードを前面側で一体的に結合する前側マウントと、各ブレードを後面側で一体的に固定する後側マウントとを有し、前側マウントはロータ毎のハブに固定され、後側マウントはそのロータと同軸上後方に配設された他の回転体の外周に軸方向に対して直交する方向に突出されたフランジを跨いで当該外周回りに配置される請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電装置。