JP2008248702A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力エネルギーが少ない場合でも簡易な構成で発電を開始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】複数の翼を有する風車３００,３５０がシャフト４００に対して上下に配設される。すなわち、シャフト４００の上部に第１の風車３００が設けられ、シャフト４００の下部に第２の風車３５０が設けられる。第１の風車３００においては、シャフト固定部３３０がシャフト４００に固定され、風車支持パイプ３１０がシャフト固定部３３０から１２０度毎の開きで設けられ、風車支持パイプ３１０の先端に羽根３０１が設けられる。第２の風車３５０においては、風車支持パイプ３１０がシャフト固定部３３０から９０度毎の間隔で設けられ、風車支持パイプ３１０の先端に羽根３０２が設けられる。第１の風車３００は、第２の風車３５０よりも高速型、すなわち風力エネルギーが高い場合の発電に適している特性を有する。
【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、自然エネルギーを運動エネルギーに変換する装置として、太陽光発電装置、火力発電装置、水力発電装置および風力発電装置等が開発されている。

例えば、特許文献１には、発電設備について開示されている。この特許文献１記載の発電装置においては、回転軸に風車部が複数段に配置された直線翼型風車装置を設け、これら各風車部で周方向一定間隔毎に回転軸と平行に配置される複数の直線翼の上端部および下端部が互いに平行な水平ガイド板を介して支持されるとともに、各風車部の回転方向が上下で異なるように直線翼を配置し、水平ガイド板の外周部複数位置に起動時に風を受けて直線翼を回転させる複数の受圧翼を有する自己起動装置を設けている。

それにより、構造が簡単で起動が容易で効率がよい発電装置を提供するという目的を達成することができる。

また、特許文献２には、小型風力発電装置について開示されている。この特許文献２記載の小型風力発電装置においては、風車本体の直線翼型風車に風力の小さい時に駆動トルクを発生する自己起動用のロビンソン型受風板を設けている。

それにより、構造が簡単で高層ビルや高層マンションなどビル風が多発する場所で最適で家庭用等に適した小型発電装置を提供するという目的を達成することができる。

また、特許文献３には、小型風力発電装置について開示されている。この特許文献３記載の小型風力発電装置においては、発電機に連結連動された回転軸に取り付けられた直線翼型風車とこの回転軸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と、起動用風車と直線翼型風車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とを具備し、この連結手段により起動風車の低速回転時に起動用風車の駆動トルクを直線翼型風車に伝達し、直線翼風車の回転速度が起動用風車を超えた時に直線翼型風車を起動用風車から切り離すように構成している。

それにより、構造が簡単で効率よく発電することができる家庭用等に適した小型風力発電装置を提供するという目的を達成することができる。

特開平１１-２０１０１８号公報 特開平１１-２０１０１９号公報 特開平１１-２０１０２０号公報

しかしながら、特許文献１〜３のいずれかに記載の小型風力発電装置においては、ロビンソン型受風板、起動用風車、受圧板等を新たに設ける必要があり、風車の局遠回転時と低速回転時とでそれらを本来の風車と切り離しを行なう構成部材がさらに必要となる。

そのため、構造が複雑になり、組み立て工数および整備工数が増大し、故障の要因も増加する結果となる。

本発明の目的は、風力エネルギーが少ない場合でも簡易な構成で発電を開始することができ、かつ発電効率を向上させることができる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、複数の風車を用いて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、複数の翼をそれぞれ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ことで形成されている垂直軸直線翼型風車とを含み、複数の風車は、各風車において風力エネルギーを享受する複数の翼の面積が、シャフトに設けられる各風車の高さによって変化しているように形成さ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、鉛直方向に延在して設けられたシャフトに複数の風車が、縦方向に複数積層配置される。それにより、直線翼積層型風車が形成される。この複数の風車の翼の面積がシャフトに設けられる風車の高さによって変化するように形成される。

この場合、各風車における風力エネルギーを享受する翼面積を風力分布に応じて適切に配置でき、風力発電効率を簡易な構造で、かつ容易に向上させることができる。例えば、一般に風力発電装置の下方を流れる風力エネルギーは少なく、風力発電装置の上方を流れる風力エネルギーは多い。この場合、本発明に係る風力発電装置の縦方向において風力エネルギーを享受することができる翼の面積が変化しているので、少ない風力エネルギーを効率よく享受するために下段の面積を増加させ、多い風力エネルギーを効率よく享受するために上段の面積を減少させることにより、下段の風車は、風車の発電開始タイミングを早めることができ、上段の風車は、高速回転に対して好ましい翼の面積にすることができる。

以上のように、対応可能な風力エネルギーの幅を広げることが出来るとともに、発電開始タイミングを早め、高速回転にも対応できる風力発電装置を実現することができる。

(２)
第２の発明に係る風力発電装置は、複数の風車を用いて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、複数の翼をそれぞれ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ことで形成されている垂直軸直線翼型風車とを含み、下段に設けられた風車段のソリディティが、上段に設けられた風車段のソリディティよりも大きくなるように設けられたものである。

第２の発明に係る風力発電装置においては、鉛直方向に延在して設けられたシャフトに複数の風車が縦方向に複数積層配置されて直線翼積層型風車が形成される。この複数の風車は、下段に設けられた風車のソリディティが、上段に設けられた風車のソリディティよりも大きくなるように設けられる。ここで、ソリディティとは、風車の回転面積に対する風車の受風面積である。

この場合、一般に風力発電装置の下方を流れる風力エネルギーは少なく、風力発電装置の上方を流れる風力エネルギーは多いので、下段に設けられた風車のソリディティが上段よりも大きくなる。その結果、発電開始タイミングを早めることができるので、効率のよい発電を行なうことができる。

(３)
下段に設けられた風車のソリディティは、上段に設けられた風車の羽根の枚数よりも多くの枚数を設けることによりソリディティが大きくなるように設けてもよい。

この場合、風車の羽根の枚数を換えることによりソリディティの増減を調整することができるので、新たな翼の羽根を設計する必要がなく、低コストで実現することができる。

(４)
下段に設けられた風車は、４枚の翼を備え、上段に設けられた風車は、３枚の翼を備えてもよい。

この場合、下段の風車の羽根の枚数を４枚にすることにより、風力エネルギーで発電開始タイミングを早めることができる。また、上段の風車の羽根の枚数を３枚にすることにより高速回転にも対応可能な風車を実現することができる。

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、複数の翼形状の羽根３０１を有する第１の風車３００、複数の翼形状の羽根３０２を有する第２の風車３５０、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。なお、風車３００および風車３５０は、一つの風車段を形成する。すなわち、風車段とは上下に隣接する一組の風車を示す。この風車３００および風車３５０は、一般に、垂直軸直線翼型風車と呼ばれる。

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棺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の上部に複数の翼形状の羽根３０１を有する第１の風車３００が設けられ、第１の風車３００よりも下方で、かつ発電装置１００よりも上方に複数の翼形状の羽根３０２を有する第２の風車３５０が設けられる。第１の風車３００および第２の風車３５０の詳細については後述する。これらの第１の風車３００および第２の風車３５０は、直線翼垂直型風車と呼ばれる。

次に、図２および図３は、風力発電装置５００の風車３００,３５０の詳細を説明するための模式図である。

図２は、風力発電装置５００を側方から視た模式的断面図を示し、図３は、風力発電装置５００を上方から視た模式図を示す。

まず、図２に示すように、複数の翼を有する第１の風車３００が第２の風車３５０よりも上１に配設される。すなわち、シャフト４００の上部に第１の風車３００が設けられ、シャフト４００の下部に第２の風車３５０が設けられる。

図３に示すように、第１の風車３００においては、シャフト固定部３３０がシャフト４００に固定され、風車支持パイプ３１０がシャフト固定部３３０から１２０度毎の開きで設けられ、風車支持パイプ３１０の先端に羽根３０１が設けられる。したがって、第１の風車３００は、羽根３０１を３枚有する。

一方、第２の風車３５０においては、風車支持バイプ３１０がシャフト固定部３３０から９０度毎の間隔で設けられ、風車支持パイプ３１０の先端に羽根３０２が設けられる。したがって、第２の風車３００は、羽根３０１を４枚有する。

この場合、第１の風車３００は、第２の風車３５０に比べて羽根３０２の枚数が少ないため、第２の風車３５０よりも高速型、すなわち風力エネルギーが高い場合の発電に適した特性を有する。

なお、本実施の形態における羽根３０１,３０２は、符号が異なるが、同一形状の羽根である。すなわち、第１の風車３００と第２の風車３５０とはソリディティ（剛率）が異なるものである。ここで、ソリディティとは、風車の回転面積に対する風車の受風面積である。

次いで、図２,３に示した第１の風車３００および第２の風車３５０の動作について説明する。第２の風車３５０は、羽根３０２を４枚有するため、風力エネルギーが少ない場合でも、風力エネルギーを享受し、時計周りの方向(軸周りの方向)に回転する。それにより、シャフト保持部材３３０を介してシャフト４００が軸周りの方向に回転し始める。

シャフト４００が軸周りの方向に回転し始めることにより、第１の風車３００も時計回りに回転を開始する。それにより、風力エネルギーが少ない場合でも、第１の風車３００においても風力エネルギーを享受して、シャフト４００を軸周りの方向に回転させることができる。

以上のように、本実施の形態に係る風力発電装置５００においては、第２の風車３５０の羽根３０１が４枚で形成されているので、少ない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、一般に風力発電装置の下方を流れる風力エネルギーが少ない場合でも、風力発電装置の発電開始タイミングを早め、上段の風車を回転させて、上方を流れる多い風力エネルギーの変換を行なうことができる。

その結果、風力エネルギーが低い場合から高い場合まで対応可能な風力エネルギーの幅を広げることができるとともに、シャフト４００を安定して回転させ、発電開始タイミングを早め、高速回転にも対応でき、効率のよい発電を行なうことができる風力発電装置を実現することができる。

また、本案施の形態に係る風力発電装置５００においては、第１の風車３００および第２の風車３５０の羽根の枚数を換えることによりソリディティの増減を調整することができるので、新たな羽根形状を設計する必要がなく、低コストで実現することができる。

なお、本実施の形態においては、第１の風車３００および第２の風車３５０の羽根３０１,３０２が同一形状からなることとしたが、これに限定されず、第１および第２の風車３００,３５０の翼の枚数を一致させ、第２の風車３５０の羽根３０２は、第１の風車３００の羽根３０１よりも大きなソリディティを有する形状としてもよい。

また、本実施の形態においては、第１および第２の風車の２段で説明したが、これに限定されず、他の任意の段数の風車を設けてもよい。例えば、垂直方向に４段の風車を積層配置させた場合に、１番下の段の風車の翼のソリディティの値を大きくし、残りの３段の風車の翼のソリディティの値を一致させることもできるし、４段の風車のうち上２段は、ソリディティの値を小さくし、下２段はソリディティの値を大きくしてもよい。また、４段の風車のうち、最下段の風車のソリディティの値を大きく設定し、上段に移動するに連れてソリディティの値を小さくしてもよい。

上記実施の形態においては、風車３００,３５０が複数の風車、風車段に相当し、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、羽根３０１,３０２が複数の翼に相当し、風車３００が上部の複数の翼を有する風車に相当し、風車３５０が地表近傍の複数の翼を有する風車に相当する。

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 風力発電装置を側方から視た模式的断面図 風力発電装置を上方から視た模式図

符号の説明

３００，３５０ 風車
３０１，３０２ 翼
４００ シャフト
５００ 風力発電装置

Claims (4)

1. 複数の風車を用いて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、
   複数の翼をそれぞれ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ことで形成されている垂直軸直線翼型風車と、を含み、
   前記複数の風車は、各風車において前記風力エネルギーを享受する複数の翼の面積が前記シャフトに設けられる各風車の高さによって変化しているように形成されていることを特徴とする風力発電装置。
2. 複数の風車を用いて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、
   複数の翼をそれぞれ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ことで形成されている垂直軸直線翼型風車と、を含み、
   鉛直方向に沿って隣接する上下二段の風車からなる風車段のうちの少なくとも一つの風車段において、下段に設けられた風車のソリディティが、上段に設けられた風車のソリディティよりも大きくなるように設けられたことを特徴とする風力発電装置。
3. 前記下段に設けられた風車のソリディティは、
   前記上段に設けられた風車の羽根の枚数よりも多くの枚数を設けることによりソリディティが大きくなるように設けられたことを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。
4. 前記下段に設けられた風車は、４枚の翼を備え、
   前記上段に設けられた風車は、３枚の翼を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の風力発電装置。

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