JP2008240646A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風車の回転始動性の向上を図ることができるとともに、安定した回転を簡易な構成で実現する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】鉛直方向に延在して長手方向を有するシャフト４００が設けられ、シャフト４００に縦方向に配置されて、複数の翼３０１を有する風車３００とを含み、複数の翼３０１は、それぞれ長手方向を有し、その長手方向が鉛直方向に対してそれぞれ同じ角度傾くように設けられている。
【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、自然エネルギーを回転運動エネルギーに変換する装置として、クリーンで廃棄物を生じない風力発電装置が注目されている。

例えば、特許文献１には、小型風力発電装置について開示されている。特許文献１記載の小型風力発電装置によれば、回転軸３Ａ，３Ｂに取り付けられた直線翼型風車２Ａ、２Ｂと、この回転軸３Ａ，３Ｂに回転自在に設けられて小さい風力で駆動トルクを発生する起動用風車５Ａ，５Ｂ、起動用風車５Ａ，５Ｂと直線翼型風車２Ａ、２Ｂとの間に介在されて一方向にのみ回転を伝達する連結手段６とを具備しているものである。そして、この連結手段６により起動風車５Ａ、５Ｂの低速回転時に起動用風車５Ａ、５Ｂの駆動トルクを直線翼型風車２Ａ、２Ｂに伝達し、直線翼型風車２Ａ、２Ｂの回転速度が起動用風車５Ａ、５Ｂを超えた時に直線翼型風車２Ａ、２Ｂを起動用風車５Ａ、５Ｂから切り離すように構成することで、効率よく発電することができるという目的を達成している。
特開平１１−２０１０２０号公報

しかしながら、特許文献１記載の小型風力発電装置においては、起動用風車５Ａ、５Ｂおよび連結手段６を新たに設ける必要があり、機構が複雑化してしまい、費用および組み立て工数等にも時間がかかる。

また、小型風力発電装置の直線翼型風車が高速で回転する場合、起動用風車５Ａ、５Ｂは連結手段６により切り離されているが、起動用風車５Ａ、５Ｂに風力が当たり、本来の直線翼型風車２Ａ、２Ｂに享受されるべき風力を阻害する可能性もある。

本発明の目的は、風車の回転始動性の向上を図ることができるとともに、安定した回転を簡易な構成で実現することができる風力発電装置を提供することである。

本発明の他の目的は、風車の回転始動性の向上を図ることができるとともに、安定した回転を簡易な構成で実現し、かつ風車の振動低減を図ることにより騒音の少ない風力発電装置を提供することである。

（１）
本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、鉛直方向に延在して設けられた長手方向を有するシャフトと、シャフトに取り付けられるとともに、シャフトに対して周方向に沿って配置される複数の翼を有する風車とを含み、複数の翼はそれぞれ長手方向を有し、その長手方向が鉛直方向に対してそれぞれ同じ角度傾くように設けられているものである。

本発明に係る風力発電装置においては、鉛直方向に延在するシャフトに風車が配置される。この風車の有する複数の翼は、それぞれ長手方向を有し、その長手方向が鉛直方向に対してそれぞれ同じ角度傾くように設けられている。

この場合、複数の翼が同じ角度傾いて設けられているので、様々な方向から受ける風力を回転トルクに変換できる。このように起動用風車および連結手段を用いることなく、簡易な構成で回転トルクの値を大きくすることができるので、部品点数および組み立て工数を削減することができるとともに、風力エネルギーを効率よく享受することができる。したがって、風車の回転始動性の向上を図ることができるとともに、安定した回転を簡易な構成で実現することができる。

また、風力発電装置に対する風力エネルギーの流れが不均一なものであっても、従来の翼と比較しても風力エネルギーを効率よく回転運動エネルギーに変換することができる。さらに、同じ角度傾いて設けられている複数の翼（スキュー角を有する翼）を使用することで、揚力発生によるシャフトへの加振力を長手方向に分散することができ風車に生じる振動を低減することができ、騒音振動の少ない風力発電装置を提供することができる。
（２）
第２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、鉛直方向に延在して設けられた長手方向を有するシャフトと、シャフトに対して周方向に沿って配置される複数の翼を有する風車がシャフトに対して鉛直方向に沿って複数積層配置されるように取り付けられることで形成される直線翼垂直軸形風車とを含み、風車のそれぞれにおいて、複数の翼は、それぞれ長手方向を有し、その長手方向が鉛直方向に対してそれぞれ同じ角度傾くように設けられているものである。

本発明に係る風力発電装置においては、鉛直方向に延在するシャフトに複数の風車が積層配置される。この風車の有する複数の翼は、それぞれ長手方向を有し、その長手方向が鉛直方向に対してそれぞれ同じ角度傾くように設けられている。

この場合、複数の翼が鉛直方向に延在するのではなく、同じ角度傾いて設けられているので、様々な方向から受ける風力を回転トルクに変換できる。このように起動用風車および連結手段を用いることなく、簡易な構成で回転トルクの値を大きくすることができるので、部品点数および組み立て工数を削減することができるとともに、風力エネルギーを効率よく享受することができる。したがって、風車の回転始動性の向上を図ることができるとともに、安定した回転を簡易な構成で実現することができる。

また、風力発電装置に対する風力エネルギーの流れが不均一なものであっても、従来の翼と比較しても風力エネルギーを効率よく回転運動エネルギーに変換することができる。さらに、同じ角度傾いて設けられている複数の翼（スキュー角を有する翼）を使用することで、揚力発生によるシャフトへの加振力を長手方向に分散することができ風車に生じる振動を低減することができ、騒音振動の少ない風力発電装置を提供することができる。

（３）
鉛直方向で隣接する風車において、鉛直方向上段側の風車における各翼の長手方向の延長線と、鉛直方向下段側の風車における各翼の長手方向の延長線とがそれぞれ交差するように、複数の風車における全ての翼が配置されていてもよい。

この場合、鉛直方向上段側の風車における各翼と鉛直方向下段側の風車における各翼とがそれぞれ連続的に配置されることとなる。したがって、風力発電装置において連続的に翼が配置されるので、様々な方向から受ける風力を回転トルクに変換できる。したがって、風車の回転始動性の向上を図ることができるとともに、安定した回転を簡易な構成で実現することができる。

また、風力発電装置に対する風力エネルギーの流れが不均一なものであっても、風車発電装置のいずれかの面で風力エネルギーを享受できるので、複数の翼により風力エネルギーを効率よく回転運動エネルギーに変換することができる。

（４）
複数の風車における翼は、翼の鉛直方向に対する傾き角度が全て同じであってもよい。

この場合、鉛直方向上段側の風車における各翼と鉛直方向下段側の風車における各翼とがそれぞれ同じ角度で、かつ連続的に配置されることとなる。したがって、様々な方向から受ける風力を回転トルクに変換できる。したがって、さらに安定した風車の回転始動性の向上を図ることができる。
（５）
複数の翼は、鉛直方向と直交する水平方向からの風に対してその風向きと直交する方向において最大の揚力が発生するように、水平方向の断面が翼形状に形成されていてもよい。

この場合、シャフトの軸を中心に風向きと直交する方向において最大の揚力を有する翼を形成することができるので、効率よく風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。まず、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。

（一実施の形態）
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２１０、支持梁２２０、支持柱２３０、複数の翼３０１を有する２個の風車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、４本の主柱２００がそれぞれ４隅に設けられ、主柱２００の上端部に保持板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が隣接する主柱２００同士を支持しあうように水平方向に設けられ、さらに主柱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。

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。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。

また、シャフト４００の上部および中部に複数の翼３０１を有する風車３００がそれぞれ設けられる。この風車３００は、翼３０１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３０１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、一般に直線翼垂直軸形風車と呼ばれる。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２段の風車３００が一定方向に回転する。風車３００が一定方向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が同方向に回転する。風車３００の詳細については後述する。

次に、図２は、風力発電装置１００の風車３００の詳細を説明するための模式図であり、図３は風車３００の翼３０１を説明するための模式図である。

図２に示すように、風車３００は、複数の翼３０１、風車支持パイプ３２０および風車保持パイプ３１０からなる。

図２においては、風車３００が、上下２段に形成されている。図１においても説明したが、風車３００には、シャフト４００の軸の回転方向に対して９０度毎に風車保持パイプ３１０が設けられる。この風車保持パイプ３１０は、それぞれ上下に２本ずつ配置される。それらの風車保持パイプ３１０に翼３０１がそれぞれ１個ずつ取り付けられる。したがって、風車３００に翼３０１が４枚設けられる。

翼３０１は、長手方向を有し、その長手方向が鉛直方向に対してそれぞれ同じ角度傾くように設けられている（以下、スキュー角と略記する。）。図２に示すように、上の風車３００の翼３０１のスキュー角の角度線βが、下の風車３００の翼３０１のスキュー角の角度線βと交差するように、上下の風車３００の翼３０１が配置される。それにより、上下の風車３００の翼３０１が連続的に配置される。

次に、図２の風車３００の翼３０１の形成について説明する。図３に示すように、翼３０１は、従来の垂直翼形（図３（ａ）参照）の中心点Ｏを軸として所定の角度分矢印Ｒの方向へ回転させたものである（図３（ｂ）参照）。この回転角がスキュー角と一致する。例えば、スキュー角は、５度以上３０度以下が好ましく、１０度以上２０度以下がより好ましい。

次いで、図４は、風車３００の翼３０１をスキュー角を設けずに（長手方向が鉛直方向となるように）配設した場合の翼３０１における揚力発生を説明するための模式図である。図４の縦軸は揚力を示し、横軸はシャフトの軸を中心とした回転角度の値を示す。また、実線が本発明に係る風車３００の翼３０１を示し、破線が従来の風車の翼形を示す。

図４に示すように、従来の風車の翼形においては、９０度毎に大きな揚力を得ることができる。しかし、シャフトの回転角度の値が１２０度〜１５０度の間においては、全く揚力を得ることができない。

一方、本発明に係る風車３００の翼形においては、揚力の値が従来の風車よりも小さくなるが、シャフトの軸を中心とした回転角度のほぼ全域で揚力を得ることができる。

以上のように、本発明に係る風力発電装置５００に対する風力エネルギーの流れが不均一なものであっても、スキュー角を有する翼３０１により様々な方向から受ける風力を回転トルクに変換できる。したがって、簡易な構造で風力エネルギーを効率よく回転運動エネルギーに変換することができるとともに、風車３００の回転始動性の向上を図ることができる。

また、スキュー角を有する翼３０１を使用することで、翼３０１に生じる振動を低減することができるので、騒音振動の少ない風力発電装置を提供することができる。
（他の例）
次に図５は、図２に示した風車３００の他の例を示す模式図である。

図５に示す風車３００ａが、図２に示す風車３００と異なるのは、以下の点である。

図５に示す風車３００ａは、風車３００ａの翼３０２の上端部と下端部とが、水平に形成されている。すなわち、図２の上下の風車３００においては、従来の翼形と図２の翼３０１との形状を変化させず、中心点Ｏを軸として回転させたものであるため、風車３００の翼３０１の上端部と下端部とは、いずれもスキュー角に垂直な方向に傾斜している。しかし、図５における翼３０２においては、最適な形状となるように調整を加えている。以下、図を用いて説明する。

図６および図７は、図５の翼３０２の詳細を説明するための模式図である。

まず、図６（ａ）に示す従来の翼３００を細分化する。その結果、図６（ｂ）に示すように、細分化された薄膜翼３００Ａ，３００Ｂ，〜，３００Ｒが形成される。そして、図７（ａ）に示すように、薄膜翼３００Ａ，３００Ｂ，〜，３００Ｒをスキュー角に応じて積層する。その結果、図７（ｂ）に示す翼３０２が形成される。

この場合、翼３０２は、翼３０１と異なり、シャフト４００を中心に風向きと直交する方向において最大の揚力を有する翼３０２を形成することができるので、効率よく風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換することができる。

すなわち、従来の翼形の断面と、風車３００の翼３０１の水平面における断面形状は相違するが、従来の翼形の断面と、風車３００ａの翼３０２の水平面における断面形状は、同一の形状となる。

以上のように、本発明に係る風力発電装置５００に対する風力エネルギーの流れが不均一なものであっても、スキュー角を有する翼３０２により様々な方向から受ける風力を回転トルクに変換できる。したがって、簡易な構造で風力エネルギーを効率よく回転運動エネルギーに変換することができるとともに、風車３００の回転始動性の向上を図ることができる。

また、スキュー角を有する翼３０２を使用することで、翼３０２に生じる振動を低減することができるので、騒音・振動の少ない風力発電装置を提供することができる。

さらに、スキュー角を有する翼３０２においては、シャフト４００を中心に風向きと直交する方向において最大の揚力を有する翼３０２を形成することができる。

なお、本発明に係る風力発電装置５００においては、風車３００を上下に２段配置することとしたが、これに限定されず、他の任意の段数、例えば４段上下に配置してもよい。

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、シャフト４００がシャフトに相当し、風車３００が風車に相当し、複数の翼３０１，３０２が複数の翼に相当し、スキュー角が鉛直方向に対してそれぞれ同じ角度に相当し、翼３０２が鉛直方向と直交する水平方向からの風に対してその風向きと直交する方向において最大の揚力が発生するように、水平方向の断面が翼形状に形成されている複数の翼に相当する。

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 風力発電装置の風車の詳細を説明するための模式図 風車の翼形を説明するための模式図 風車の翼形の揚力発生を説明するための模式図 図２に示した風車の他の例を示す模式図 図４の翼形の詳細を説明するための模式図 図４の翼形の詳細を説明するための模式図

符号の説明

３００ 風車
３０１，３０２ 複数の翼
４００ シャフト
５００ 風力発電装置
β スキュー角の角度線

Claims (5)

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、
   鉛直方向に延在して設けられた長手方向を有するシャフトと、
   前記シャフトに取り付けられるとともに、前記シャフトに対して周方向に沿って配置される複数の翼を有する風車と、を含み、
   前記複数の翼は、それぞれ長手方向を有し、その長手方向が鉛直方向に対してそれぞれ同じ角度傾くように設けられていることを特徴とする風力発電装置。
2. 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、
   鉛直方向に延在して設けられた長手方向を有するシャフトと、
   前記シャフトに対して周方向に沿って配置される複数の翼を有する風車が前記シャフトに対して鉛直方向に沿って複数積層配置されるように取り付けられることで形成される直線翼垂直軸形風車と、を含み、
   前記風車のそれぞれにおいて、前記複数の翼は、それぞれ長手方向を有し、その長手方向が鉛直方向に対してそれぞれ同じ角度傾くように設けられていることを特徴とする風力発電装置。
3. 鉛直方向で隣接する風車において、鉛直方向上段側の風車における各翼の長手方向の延長線と、鉛直方向下段側の風車における各翼の長手方向の延長線とがそれぞれ交差するように、前記複数の風車における全ての翼が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
4. 複数の前記風車における翼は、前記翼の鉛直方向に対する傾き角度が全て同じであることを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
5. 前記複数の翼は、鉛直方向と直交する水平方向からの風に対してその風向きと直交する方向において最大の揚力が発生するように、水平方向の断面が翼形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の風力発電装置。

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