JP2008069691A - 発電用風車装置および風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い加工精度を要求される部品の数を低減し、かつ組立てや分解を容易にすることにより、低コストであり、かつ設置や設備保全が容易な発電用風車装置および風力発電装置を提供する。
【解決手段】風車装置９０は、風の方向に対して交差する回転軸αを有する風車１０と、回転軸α方向の一方側において風車１０を着脱可能に保持する回転ディスク２０と、回転ディスク２０に接続され、回転軸αに軸が一致するように、回転ディスク２０から見て風車１０とは反対側に延びるシャフト３０と、シャフト３０を、ハウジング４２に対して回転自在に支持する軸受４１とを備えている。そして、風車１０は、回転ディスク２０に着脱可能に接続された底板１１と、シャフト３０の延びる方向と交差する方向からの風により、底板１１をシャフト３０の軸周りに回転させるように、底板１１に直接接続された複数の翼１２とを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電用風車装置および風力発電装置に関し、より特定的には、設置や設備保全が容易な発電用風車装置および風力発電装置に関するものである。

近年の自然環境への意識の高まりに伴い、風力発電や太陽光発電などの自然エネルギーを利用した発電システムへの関心は益々高まりつつある。このような自然エネルギーを利用した発電システムのうち、風力発電は、昼夜を問わず発電可能である点において、太陽光発電よりも優れている。

主に電力の売却を目的として使用される発電所などの風力発電装置は、年間を通じて風速が大きい地域に設置され、プロペラ型風車などの風車を備えた比較的大規模な装置となっている。このような風力発電装置は、風速が大きい条件の下において発電効率が高いという利点を有している。一方、都市部などの風速が小さく、かつ非定常な地域に設置される風力発電装置に対しては、低風速で起動し、かつ低風速域での発電効率が高いことが必要となる。また、都市部に設置可能な風力発電装置の普及のためには、組立てや保全が容易で、低価格な発電用風車装置を備えた風力発電装置が求められている。

低風速での起動や低風速域での発電効率の向上を可能にする発電用風車装置や風力発電装置に関しては多くの検討が行なわれ、種々の提案がなされている（たとえば、特許文献１参照）。

以下、従来の発電用風車装置を備えた風力発電装置の一例について説明する。図１１は、従来の発電用風車装置を備えた風力発電装置を示す概略断面図である。図１１を参照して、風力発電装置１００は、風車装置１９０と、発電機１４０と、風車装置１９０と発電機１４０とを接続するカップリング１７０と、発電機１４０および風車装置１９０を保持する架台１５０とを備えている。風車装置１９０は、風車１１０と、風車１１０の回転軸α’に軸が一致するように風車１１０を貫通し、風車１１０に対して固定された支持軸１１９と、風車１１０の外側の両側において支持軸１１９を回転自在に支持する風車用軸受１１８、１１８と、架台１５０に接続され、風車用軸受１１８、１１８を保持する軸受フレーム１６０とを含んでいる。発電機１４０は、回転磁界を発生させるために回転するロータ１４３と、ロータ１４３の回転軸に軸が一致するようにロータ１４３を貫通するロータ軸１４５と、ロータ１４３に隣接するように配置されたステータ１４４と、発電機１４０の内壁１４０Ａに対して固定して配置されたハウジング１４２と、ロータ軸１４５をハウジング１４２に対して回転自在に保持するようにロータ軸１４５とハウジング１４２との間に嵌め込まれた発電機用軸受１４１とを含んでいる。そして、発電機１４０のロータ軸１４５は、風車１１０の支持軸１１９と軸が一致するように、カップリング１７０により支持軸１１９に接続されている。これにより、支持軸１１９とロータ軸１４５とは、風車１１０の回転軸α’を軸として一体に回転可能となっている。

次に、従来の発電用風車装置を備えた風力発電装置の動作について説明する。風車１１０が風を受けると、風車１１０は回転軸α’周りに回転する。このとき、風車１１０に固定された支持軸１１９は、風車１１０と一体に回転軸α’周りに回転し、これに伴い発電機１４０のロータ軸１４５も回転軸α’周りに回転する。そして、ロータ軸１４５の回転に伴って、ロータ１４３が回転して回転磁界が発生し、電磁誘導によりステータ１４４に起電力が発生する。このようにして、従来の発電用風車装置を備えた風力発電装置は、発電することができる。
特開２００３−１３９０４１号公報

しかしながら、図１１を参照して、従来の風力発電装置１００においては、支持軸１１９が、風車１１０の外側の両側に配置された風車用軸受１１８、１１８により支持される構造を有しているため、発電機用軸受１４１とは別に風車用軸受１１８、１１８が必要となるだけでなく、風車用軸受１１８、１１８を保持する軸受フレーム１６０と、支持軸１１９とが必要となり、部品点数が多くなる。また、風車１１０の回転軸α’の偏心等を回避するため、風車１１０の回転を支持する支持軸１１９および軸受フレーム１６０には、高い加工精度および剛性が要求される。さらに、従来の風力発電装置１００は、風車１１０の回転軸α’の偏心等を回避するため、その設置の際、風車１１０の回転を支持する支持軸１１９、軸受フレーム１６０および風車用軸受１１８、１１８に高い取り付け精度が要求される。また、一般に風力発電装置は、屋外に設置されるため、設備保全を目的として風車を取り外す必要が生じる場合も多い。このとき、従来の風力発電装置１００の風車１１０を取り外すためには、風車用軸受１１８、１１８に直接接続された支持軸１１９と軸受フレーム１６０とを分離する必要がある。そして、その後組立てる際には、再度上述と同様に支持軸１１９、軸受フレーム１６０および風車用軸受１１８、１１８の高い取り付け精度が要求される。

このように、従来の風車装置１９０を備えた風力発電装置１００では、部品点数が多くなること、および高い加工精度を要求される部品が多いことに起因して、風車装置１９０および風力発電装置１００の製造コストが高くなるという問題点を有している。また、従来の風車装置１９０を備えた風力発電装置１００では、支持軸１１９、軸受フレーム１６０および風車用軸受１１８、１１８の高い取り付け精度が要求されるため、設置や設備保全が困難となるだけでなく、取り付け精度が不十分であることに起因した発電効率や低風速環境下での起動性の低下が発生するおそれもある。

そこで、本発明の目的は、高い加工精度を要求される部品の数を低減し、かつ組立てや分解を容易にすることにより、低コストであり、かつ設置や設備保全が容易な発電用風車装置および風力発電装置を提供することである。

本発明に従った発電用風車装置は、風の方向に対して交差する方向に延びる回転軸を有する風車と、風車の回転軸方向の一方側において風車を着脱可能に保持する保持部材と、保持部材に接続され、風車の回転軸に軸が一致するように、保持部材から見て風車とは反対側に延びる軸部材と、軸部材を、軸部材に隣接して配置される部材に対して軸部材の軸周りに回転自在に支持する軸受とを備えている。そして、風車は、保持部材に着脱可能に接続されたベース部材と、軸部材の延びる方向と交差する方向からの風により、ベース部材を軸部材の軸周りに回転させるように、ベース部材に直接接続された複数の翼とを含んでいる。

本発明に従った他の発電用風車装置は、風の方向に対して交差する方向に延びる回転軸を有する風車と、風車の回転軸方向の一方側において風車を着脱可能に保持する保持部材と、保持部材に接続され、風車の回転軸に軸が一致するように、保持部材から見て風車とは反対側に延びる軸部材と、軸部材を、軸部材に隣接して配置される部材に対して軸部材の軸周りに回転自在に支持する軸受とを備えている。そして、風車は、軸方向の一方側とは反対側である他方側においては保持されていない。

上記本発明の発電用風車装置においては、風車が保持部材により保持された上で、保持部材に接続された軸部材が軸受により回転自在に保持されている。すなわち、風車が、回転軸方向の一方側において軸受により保持されており、他方側においては軸受による保持が必要ではないため、回転軸方向の他方側において軸受を保持する軸受フレームなどの部品を設置する必要がない。また、上述の構成を有することにより、風車を軸方向に貫通する支持軸などの部品を設置する必要がない。その結果、本発明の発電用風車装置によれば、風車の回転を安定して支持するために高い加工精度や剛性が要求される軸受フレームや支持軸などの部品が必要ないことにより、発電用風車装置の製造コストを低減することが可能となる。

また、上記本発明の発電用風車装置の設置に際しては、風車の回転を安定して支持するために高い組立て精度が要求される軸受フレームや支持軸などの部品を設置する必要がない。そのため、本発明の発電用風車装置によれば、発電用風車装置の設置が容易となる。

さらに、上記本発明の発電用風車装置においては、風車が保持部材により着脱可能に保持されており、当該保持部材に接続された軸部材が軸受により保持されている。そのため、設備保全等の目的で風車を取り外す必要が生じた場合でも、軸受に直接接続されている部品を取り外すことなく、風車を発電用風車装置から取り外すことができる。その結果、風車を再び発電用風車装置に取り付ける際に、軸受に直接接続されるため高い取り付け精度を要求される部品を、改めて軸受に取り付ける必要がない。したがって、本発明の発電用風車装置によれば、発電用風車装置の設備保全が容易となる。

以上のように、本発明の発電用風車装置によれば、高い加工精度を要求される部品の数を低減し、かつ組立てや分解を容易にすることにより、低コストであり、かつ設置や設備保全が容易な発電用風車装置を提供することができる。

ここで、風車を着脱可能に保持する保持部材とは、溶接、はんだ付けなど固定部の一部を破壊しなければ分離することができない固定方法ではなく、たとえばネジ、ボルト、ナット等による固定のように、固定部を破壊することなく分離および接続が可能な固定方法により風車に固定されて風車を保持する保持部材をいう。また、風の方向に対して交差する方向に延びる回転軸を有する風車とは、たとえば垂直軸型の風車をいい、具体的にはクロスフロー型、サボニウス型、ダリウス型などの風車をいう。

上記本発明の発電用風車装置において好ましくは、軸部材を支持する軸受は、軸部材の軸方向に複数個配置されている。これにより、軸部材を複数箇所において支持することが可能となり、風車の回転軸が安定する。その結果、風車の回転に対する抵抗が減少し、より低い風速で風車が回転可能となるだけでなく、効率よく風車が回転することが可能となる。

上記本発明の発電用風車装置において好ましくは、風車は、風車の回転軸方向の両端部を繋ぐ補強部材をさらに備えている。これにより、風車の剛性が向上して回転中のたわみなどが抑制されるため、効率よく風車が回転することができる。

本発明に従った風力発電装置は、風車装置と、風車装置に含まれる風車の回転により発電する発電機とを備えている。そして、当該風車装置は、上述の本発明の発電用風車装置である。

本発明の風力発電装置によれば、高い加工精度を要求される部品の数を低減し、かつ組立てや分解を容易にすることにより、低コストであり、かつ設置や設備保全が容易な本発明の発電用風車装置を備えていることにより、低コストであり、かつ設置や設備保全が容易な風力発電装置を提供することができる。

上記本発明の風力発電装置において好ましくは、発電機は、回転磁界を発生させるために回転するロータと、ロータの回転軸に軸が一致するように接続されたロータ軸とを含んでいる。そして、風車装置の軸部材は、発電機のロータ軸である。

風車装置の軸部材が発電機のロータ軸であることにより、風力発電装置の部品点数を一層低減することが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明の発電用風車装置および風力発電装置によれば、高い加工精度を要求される部品の数を低減し、かつ組立てや分解を容易にすることにより、低コストであり、かつ設置や設備保全が容易な発電用風車装置および風力発電装置を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、本発明の一実施の形態における発電用風車装置を備えた風力発電装置を示す概略断面図である。また、図２は、図１の線分II−IIに沿う概略断面図である。また、図３は、図１の発電用風車装置の要部を示す概略斜視図である。図１〜図３を参照して、本発明の一実施の形態における発電用風車装置および風力発電装置について説明する。

図１を参照して、本実施の形態における風力発電装置１は、風車装置９０と、風車装置９０に含まれる風車１０の回転により発電する発電機４０と、発電機４０および風車装置９０を保持する架台５０とを備えている。発電機４０は、回転磁界を発生させるために回転するロータ４３と、ロータ４３の回転軸に軸が一致するようにロータ４３に接続されたロータ軸としてのシャフト３０と、ロータ４３に隣接するように配置されたステータ４４と、発電機４０の内壁４０Ａに対して固定して配置されたハウジング４２と、シャフト３０をハウジング４２に対して回転自在に保持するようにシャフト３０とハウジング４２との間に嵌め込まれた軸受４１とを含んでいる。

図１〜図３を参照して、風車装置９０は、風車１０と、風車１０の回転軸α方向の一方側において風車１０を着脱可能に保持する保持部材としての円盤状の回転ディスク２０と、回転ディスク２０に接続され、風車１０の回転軸αに軸が一致するように、回転ディスク２０から見て風車１０とは反対側に延びる軸部材としてのシャフト３０と、シャフト３０を、シャフト３０に隣接して配置される部材であるハウジング４２に対してシャフト３０の軸周りに回転自在に支持する軸受４１とを備えている。

ここで、風車１０は、回転ディスク２０に着脱可能に接続されたベース部材としての円盤状の底板１１と、シャフト３０の延びる方向と交差する方向からの風により、底板１１をシャフト３０の軸周りに回転させるように、底板１１に直接接続された複数の翼１２と、複数の翼１２に直接接続された円盤状の天板１３とを含んでいる。また、風車１０は、軸方向の一方側である回転ディスク２０により保持される側とは反対側である他方側においては保持されていない。

また、底板１１において翼１２と接続される側とは反対側の面には、円柱形状を有する凹部１１Ａが形成されており、凹部１１Ａに回転ディスク２０が嵌め込まれている。そして、底板１１には、風車１０の回転軸αを中心とする円周上の等間隔に底板１１を貫通するボルト穴が形成されている。また、回転ディスク２０にも、回転ディスク２０の回転軸を中心とする円周上に等間隔にボルト穴が形成されている。そして、底板１１のボルト穴を貫通し、回転ディスク２０のボルト穴に到達するようにボルト６０が挿入され、ボルト６０が締め付けられることにより、回転ディスク２０は、底板１１において風車１０を保持している。

さらに、回転ディスク２０において底板１１と接続される側とは反対側の面には、円柱形状を有する凹部２０Ａが形成されており、凹部２０Ａにシャフト３０の一方の端部が嵌め込まれている。そして、底板１１には、風車１０の回転軸αを含む領域に底板１１を貫通するボルト穴が形成されており、回転ディスク２０にも回転ディスク２０の回転軸を含む領域に回転ディスク２０を貫通するボルト穴が形成されている。また、シャフト３０の回転ディスク２０と接続される側の端面３０Ａには、シャフト３０の回転軸を含む領域にボルト穴が形成されている。そして、底板１１のボルト穴および回転ディスク２０のボルト穴を貫通し、シャフト３０のボルト穴に到達するようにボルト７０が挿入され、ボルト７０が締め付けられることにより、シャフト３０は回転ディスク２０に接続されている。

また、図１〜図３を参照して、風車１０は、風の方向に対して交差する方向に延びる回転軸αを有するクロスフロー型風車である。具体的には、風車１０は、底板１１と、天板１３と、板状の形状を有し、底板１１および天板１３により保持されることにより円環状に配置された複数の翼１２とを備えている。翼１２は底板１１にて翼１２が保持される部分の表面に沿った面における断面において、円弧状の凸形状を有する凸面１２Ａと、凸面１２Ａの反対側に形成された円弧状の凹形状を有する凹面１２Ｂとを含んでいる。そして、複数の翼１２のうちの１つの翼１２の凸面１２Ａおよび凹面１２Ｂが、それぞれ隣接する翼１２のうちの他の翼１２の凹面１２Ｂおよび凸面１２Ａに隣り合うように、翼１２は配置されている。

次に、本実施の形態における風力発電装置１の動作について説明する。図１〜図３を参照して、風車１０が風を受けると、風車１０は回転軸α周りに回転する。このとき、風車１０を保持している回転ディスク２０に接続されたシャフト３０は、風車１０と一体に回転軸α周りに回転する。そして、シャフト３０の回転に伴って、ロータ４３が回転して回転磁界が発生し、電磁誘導によりステータ４４に起電力が発生する。このようにして、本実施の形態における風力発電装置１は、発電することができる。

本実施の形態における風車装置９０においては、風車１０が回転ディスク２０により保持された上で、回転ディスク２０に接続されたシャフト３０が軸受４１により回転自在に保持されている。すなわち、風車１０が、回転軸α方向の一方側において軸受４１により保持されており、他方側においては軸受による保持が必要ではないため、回転軸α方向の他方側において軸受を保持する軸受フレームなどの部品を設置する必要がない。また、上述の構成を有することにより、風車１０を回転軸α方向に貫通する支持軸などの部品を設置する必要がない。その結果、本実施の形態の風車装置９０によれば、風車１０の回転を安定して支持するために高い加工精度や剛性が要求される軸受フレームや支持軸などの部品が必要ないことにより、製造コストを低減することが可能となる。

また、本実施の形態における風車装置９０の設置に際しては、風車１０の回転を安定して支持するために高い組立て精度が要求される軸受フレームや支持軸などの部品を設置する必要がない。そのため、風車装置９０によれば、発電用風車装置の設置が容易となる。

さらに、本実施の形態における風車装置９０においては、風車１０が回転ディスク２０により着脱可能に保持されており、回転ディスク２０に接続されたシャフト３０が軸受４１により保持されている。そのため、設備保全等の目的で風車１０を取り外す必要が生じた場合でも、軸受４１に直接接続されている部品を取り外すことなく、ボルト６０およびボルト７０による締め付けを解除することにより、風車１０を風車装置９０から取り外すことができる。その結果、風車１０を再び風車装置９０に取り付ける際に、軸受４１に直接接続されるため高い取り付け精度を要求される部品を改めて軸受４１に取り付ける必要がない。したがって、風車装置９０によれば、発電用風車装置の設備保全が容易となる。

また、本実施の形態における風車装置９０によれば、特に設備保全の際における部品の取り付け精度が不十分であることに起因した発電効率や低風速環境下での起動性の低下を抑制することができる。

以上のように、本実施の形態における風車装置９０は、高い加工精度を要求される部品の数を低減し、かつ組立てや分解を容易にすることにより、低コストであり、かつ設置や設備保全が容易な発電用風車装置となっている。

さらに、本実施の形態における風車装置９０においては、シャフト３０を支持する軸受４１は、シャフト３０の軸方向に複数個、具体的には２個配置されている。これにより、シャフト３０を複数箇所において支持することが可能となり、風車１０の回転軸αが安定する。その結果、風車１０の回転に対する抵抗が減少し、より低い風速で風車が回転可能となるだけでなく、効率よく風車が回転することが可能となる。なお、軸受４１を複数個配置することにより、風車１０を高い剛性をもって保持することが可能となる一方、軸受４１の個数を３個以上に増加させると軸受４１による回転抵抗およびエネルギー損失が大きくなる。そのため、シャフト３０を支持する軸受４１は、シャフト３０の軸方向に２個配置されていることが好ましい。

また、本実施の形態における風力発電装置１においては、風車装置９０の軸部材としてのシャフト３０は、発電機４０のロータ軸を兼ねている。これにより、風力発電装置１の部品点数を一層低減することが可能となっている。さらに、本実施の形態における風力発電装置１においては、軸受４１は、発電機４０のロータ軸を支持する発電機用軸受と、風車１０を支持する風車用軸受を兼ねている。これにより、必要な軸受の数を低減できるとともに、軸受による回転抵抗およびエネルギー損失が一層抑制される。また、軸受４１は、発電機４０の外部に配置されてもよいが、上述のように発電機に内蔵されていてもよい。

なお、シャフト３０は、風車装置９０の大きさ、形状および風力発電装置１の設置場所の風速などを考慮して、十分な強度および剛性を有するものを採用することが好ましい。そのため、シャフト３０は、強度および剛性を重視して中実形状のものが採用されてもよいが、強度および剛性が十分に確保される場合、風車装置９０の軽量化を目的として中空形状のものが採用されてもよい。

次に、上記本発明の一実施の形態における発電用風車装置を備えた風力発電装置の変形例について説明する。図４は、本実施の形態の変形例における発電用風車装置を備えた風力発電装置を示す概略断面図である。

図４を参照して、本実施の形態の変形例における発電用風車装置を備えた風力発電装置は、上述の本実施の形態における発電用風車装置を備えた風力発電装置と基本的には同様の構成を有しており、同様に動作する。しかし、本実施の形態の変形例においては、風車１０は、風車１０の回転軸α方向の両端部を繋ぐ補強部材としての補強柱１４をさらに備えている点で、上記本実施の形態とは異なっている。具体的には、補強柱１４は、風車１０の回転軸αを含む位置において、底板１１と天板１３とを接続するように底板１１および天板１３に固定されている。これにより、風車１０の剛性が向上して回転中のたわみなどが抑制されるため、効率よく風車１０が回転可能となっている。

なお、補強柱１４は図４に示すように１本であってもよいが、複数本配置されてもよい。この場合、たとえば底板１１および天板１３における回転軸αを中心とする円周上の等間隔の位置に、補強柱１４との接続部を設け、互いに対向する接続部同士を補強柱１４により接続することができる。また、補強柱１４は、強度および剛性を重視して中実形状のものが採用されてもよいが、強度および剛性が十分に確保される場合、風車装置９０の軽量化を目的として中空形状のものが採用されてもよい。

また、本実施の形態の変形例においては、シャフト３０、回転ディスク２０および風車１０の底板１１の接続は、たとえば以下のように行なうことができる。すなわち、図４に示すように、回転ディスク２０には、シャフト３０に接続される側とは反対側の面に第２の凹部２０Ｂが形成されており、当該第２の凹部２０Ｂには、回転ディスク２０の回転軸を含む領域にボルト穴が形成されている。また、底板１１の凹部１１Ａの回転軸を含む領域には、第２の凹部１１Ｂが形成されている。そして、回転ディスク２０のボルト穴を貫通し、シャフト３０のボルト穴に到達するようにボルト７０が挿入され、ボルト７０が締め付けられることにより、回転ディスク２０とシャフト３０とは接続されている。さらに、回転ディスク２０と風車１０の底板１１とは、上述の本実施の形態と同様に接続されている。

上記実施の形態においては、風車１０としてクロスフロー型の風車が採用される場合について説明したが、本発明の発電用風車装置および風力発電装置はこれに限られない。たとえば、風車１０として、サボニウス型、ダリウス型などに代表される垂直軸型の風車を採用することができる。また、上記図１および図４においては、ラジアル型の転がり軸受である軸受４１がシャフト３０の外周面を保持する場合について説明したが、本発明の発電用風車装置および風力発電装置はこれに限られない。たとえば、シャフト３０の回転ディスク２０と接続されている側とは反対側の端面が、スラスト型の転がり軸受により保持されてもよいし、ラジアル型とスラスト型の転がり軸受とが組合わされて、シャフト３０が保持されてもよい。

以下、実施例について説明する。なお、以下の実施例において、Ｃ_ｐは出力係数、Ｃ_ｔはトルク係数、λは周速比、σはソリディティであり、以下の式により定義される。

ここで、Ｔはトルク（Ｎ・ｍ）、ωは角速度（ｒａｄ／ｓ）、Ｄは風車直径（ｍ）、Ｕは風速（ｍ／ｓ）、Ａは風車投影面積（ｍ^２）、ｒは風車回転半径（ｍ）、ρは空気の密度（ｋｇ／ｍ^３）、Ｚは翼枚数、Ｃは翼弦長（ｍ）である。

まず、実施例１について説明する。実施例１では、図１〜図３に基づいて説明した上記実施の形態における風車装置９０を備えた風力発電装置１０において、風車直径Ｄと風車高さＨとの比であるアスペクト比ＡＲ（ＡＲ＝Ｈ／Ｄ）の最適値を決定する実験を行なった。具体的には、風車直径Ｄを０．２１０ｍで一定とし、風車高さＨを変化させることによりアスペクト比ＡＲを変化させ、種々のλにおけるＣ_ｔを測定し、ＡＲの最適値を調査した。
次に、実験結果について説明する。図５は、実施例１の実験結果を示す図である。図５において、横軸は周速比λ、縦軸はトルク係数Ｃ_ｔである。また、図５において、三角、菱形、丸および四角の各点は、それぞれＡＲが０．８７、０．９１、１．１および１．３の場合を示している。

図５を参照して、ＡＲを０．９１とした場合のＣ_ｔが、実験を行なったλのほぼ全域において最も高いことが分かる。特に市街地などの風速の小さい地域で使用される発電用風車装置および風力発電装置において重要な、周速比λが小さい領域において、ＡＲを０．９１とすることにより、最も高いＣ_ｔが得られている。このことから、ＡＲの最適値は０．９１であることが確認された。

次に、実施例２について説明する。実施例２では、図１〜図３に基づいて説明した上記実施の形態における風車装置９０を備えた風力発電装置１０において、上記実施例１で決定したＡＲ＝０．９１の条件の下で、翼の取り付け角β’を変化させるとともに、翼枚数を変えることによりソリディティσを変化させ、これらの最適値を調査する実験を行なった。実験条件を表１に示す。表１においては、翼枚数Ｚ、取り付け角β’および風車回転半径ｒを変化させた場合のソリディティσが示されている。ここで、翼の取り付け角β’とは、図２を参照して、１つの翼１２の弦を延長した直線と、回転軸αから遠い側の翼１２の端部に接するように風車１０を囲む円の、当該１つの翼の端部における接線とがなす角である。

図６は、実施例２の実験結果を示す図である。図６において、横軸はソリディティσ、縦軸は最大出力係数Ｃ_ｐｍａｘである。なお、Ｃ_ｐｍａｘとは周速比λを変化させた場合に出力係数Ｃ_ｐがとる最大値である。また、図６において、菱形、四角および三角の各点は、それぞれβ’が６５°、５５°および４５°の場合を示している。

図６を参照して、実験を行なったソリディティの全域において、取り付け角β’を５５°とした場合にＣ_ｐｍａｘが最も大きくなっている。そして、β’を５５°よりも大きくした場合も小さくした場合もＣ_ｐｍａｘが低下している。このことから、取り付け角β’の最適値は５５°であることが確認された。

また、図６を参照して、いずれの取り付け角β’の場合においても、ソリディティσが０．７８付近でＣ_ｐｍａｘが最大となっており、取り付け角β’＝５５°の条件の下では、σが０．７８６においてＣ_ｐｍａｘが最大となり０．１を超えている。そして、このときの翼枚数Ｚは１８枚である。このことから、取り付け角β’＝５５°とし、翼枚数Ｚを１８枚としてソリディティσを０．７８６とすることにより、これらの要素を最適化できることが分かった。

次に、実施例３について説明する。実施例３では、図１〜図３に基づいて説明した上記実施の形態における風車１０と、図１１に基づいて説明した従来の風車１１０とを作製し、風車の性能を比較する試験を行なった。具体的には、まず、翼の形状、枚数を含めて同一形状とする条件の下で、本発明の実施例として風車１０が回転ディスク２０により保持された上で、シャフト３０に接続されたものと、本発明の範囲外である比較例として支持軸１１９を備えた風車１１０とを作製した。そして、実施例の風車１０は、図１と同様にシャフト３０を２つの軸受４１で支持した上で、回転速度およびトルクの測定装置に接続した。一方、比較例の風車１１０は、図１１と同様に風車１１０の外側の両側において支持軸１１９を２つの風車用軸受１１８で支持した上で、同様に回転速度およびトルクの測定装置に接続した。その後、実験用風洞を用いて実施例および比較例の風車を回転させ、回転速度およびトルクを測定した。

次に、実験の結果について説明する。図７は、実施例３の実験により得られた周速比と出力係数との関係を示す図である。また、図８は、実施例３の実験により得られた周速比とトルク係数との関係を示す図である。図７および図８において、横軸はいずれも周速比λであり、縦軸はそれぞれ出力係数Ｃ_ｐおよびトルク係数Ｃ_ｔである。また、図７および図８において、丸および三角の点は、それぞれ実施例および比較例の結果を示している。

図７および図８を参照して、実験を行なったλの全範囲において、出力係数Ｃ_ｐおよびトルク係数Ｃ_ｔともに実施例の風車が比較例の風車を上回っている。これは、実施例の風車に比べて、比較例の風車においては支持軸の加工精度や軸受の取り付け精度等の影響を受けた風車の性能低下が発生しやすいためであると考えられる。

なお、実施例３においては、実施例、比較例ともに２つの軸受で風車が支持される場合について実験したが、実際には、図１と図１１とを比較すると、図１では２つの軸受により風車が支持されているのに対し、図１１では４つの軸受により風車が支持されている。したがって、実際に図１の風力発電装置と図１１の風力発電装置とを作製した場合、軸受におけるエネルギーの損失に起因して、両者の性能の差はさらに大きくなるものと考えられる。

次に、実施例４について説明する。実施例４では、図１〜図３に基づいて説明した上記実施の形態における風車装置９０を備えた風力発電装置１０において、風車高さＨおよび翼の曲率半径Ｒを変化させ、これらの最適値を調査する実験を行なった。実験条件を表２に示す。表２を参照して、実施例４の実験では、翼弦長Ｃを０．０３ｍで一定とし、風車高さＨを０．１４２ｍ〜０．２７３ｍ、翼の曲率半径Ｒを０．０２５ｍ〜０．０５ｍの範囲で変化させた実施例Ａ〜実施例Ｈについて、風車の性能が調査された。ここで、図２を参照して、翼の曲率半径Ｒとは、風車１０の回転軸αに垂直な断面における翼１２の凹面１２Ｂの曲率半径である。また、翼弦長Ｃとは、凹面１２Ｂの両端部を結ぶ弦の長さである。

次に、実験の結果について説明する。図９は、実施例４の実験により得られた周速比と出力係数との関係を示す図である。また、図１０は、実施例４の実験により得られた周速比とトルク係数との関係を示す図である。図９および図１０において、横軸はいずれも周速比λであり、縦軸はそれぞれ出力係数Ｃ_ｐおよびトルク係数Ｃ_ｔである。また、図９および図１０において、黒丸、黒四角、白丸、白四角、黒菱形、黒三角、白菱形および白三角の各点は、それぞれ表２の実施例Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、ＧおよびＨの結果を示している。

図９および図１０を参照して、実験を行なったλの全範囲において、出力係数Ｃ_ｐおよびトルク係数Ｃ_ｔともに実施例Ｅの風車が最も高くなっている。すなわち、図１の風車１０においては、実施例Ｅの条件である翼弦長Ｃ＝０．０３０ｍ、風車高さＨ＝０．１９２ｍ、翼の曲率半径Ｒ＝０．０２５ｍが最適値であることが分かった。

本発明の発電用風車装置および風力発電装置は、低風速での起動や低風速域での発電効率の向上が求められる発電用風車装置および風力発電装置に特に有利に適用され得る。

本発明の一実施の形態における発電用風車装置を備えた風力発電装置を示す概略断面図である。 図１の線分II−IIに沿う概略断面図である。 図１の風車装置の要部を示す概略斜視図である。 本発明の一実施の形態の変形例における発電用風車装置を備えた風力発電装置を示す概略断面図である。 実施例１の実験結果を示す図である。 実施例２の実験結果を示す図である。 実施例３の実験により得られた周速比と出力係数との関係を示す図である。 実施例３の実験により得られた周速比とトルク係数との関係を示す図である。 実施例４の実験により得られた周速比と出力係数との関係を示す図である。 実施例４の実験により得られた周速比とトルク係数との関係を示す図である。 従来の発電用風車装置を備えた風力発電装置を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 風力発電装置、１０ 風車、１１ 底板、１１Ａ 凹部、１１Ｂ 第２の凹部、１２ 翼、１２Ａ 凸面、１２Ｂ 凹面、１３ 天板、１４ 補強柱、２０ 回転ディスク、２０Ａ 凹部、２０Ｂ 第２の凹部、３０ シャフト、３０Ａ 端面、４０ 発電機、４０Ａ 内壁、４１ 軸受、４２ ハウジング、４３ ロータ、４４ ステータ、５０ 架台、６０，７０ ボルト、９０ 風車装置。

Claims (6)

1. 風の方向に対して交差する方向に延びる回転軸を有する風車と、
   前記風車の回転軸方向の一方側において前記風車を着脱可能に保持する保持部材と、
   前記保持部材に接続され、前記風車の回転軸に軸が一致するように、前記保持部材から見て前記風車とは反対側に延びる軸部材と、
   前記軸部材を、前記軸部材に隣接して配置される部材に対して前記軸部材の軸周りに回転自在に支持する軸受とを備え、
   前記風車は、
   前記保持部材に着脱可能に接続されたベース部材と、
   前記軸部材の延びる方向と交差する方向からの風により、前記ベース部材を前記軸部材の軸周りに回転させるように、前記ベース部材に直接接続された複数の翼とを含んでいる、発電用風車装置。
2. 風の方向に対して交差する方向に延びる回転軸を有する風車と、
   前記風車の回転軸方向の一方側において前記風車を着脱可能に保持する保持部材と、
   前記保持部材に接続され、前記風車の回転軸に軸が一致するように、前記保持部材から見て前記風車とは反対側に延びる軸部材と、
   前記軸部材を、前記軸部材に隣接して配置される部材に対して前記軸部材の軸周りに回転自在に支持する軸受とを備え、
   前記風車は、前記軸方向の一方側とは反対側である他方側においては保持されていないことを特徴とする、発電用風車装置。
3. 前記軸部材を支持する前記軸受は、前記軸部材の軸方向に複数個配置されている、請求項１または２のいずれか１項に記載の発電用風車装置。
4. 前記風車は、前記風車の回転軸方向の両端部を繋ぐ補強部材をさらに備えている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電用風車装置。
5. 風車装置と、
   前記風車装置に含まれる風車の回転により発電する発電機とを備え、
   前記風車装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電用風車装置である、風力発電装置。
6. 前記発電機は、
   回転磁界を発生させるために回転するロータと、
   前記ロータの回転軸に軸が一致するように接続されたロータ軸とを含み、
   前記風車装置の前記軸部材は、前記発電機の前記ロータ軸である、請求項５に記載の風力発電装置。

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