JP2009185806A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弱い風の場合においても、増速して所定の回転数を確保でき、強い風、特に風速２０ｍ／ｓ以上の強風においても、所定の回転数に制御することが可能であり、故障の原因の少ない信頼性の高い風車の回転制御装置を提供することである。
【解決手段】風洞体と風洞体内部のプロペラ型風車とからなる風車装置において、該風洞体は、複数の板体による導風壁面により筒状に構成され、風の流入口から流出口に向かって口径が拡大するように、導風壁面を傾斜させて設けられ、かつ、該導風壁面は、その傾斜角度が調整可能に設けられ、その風速制御手段は、プロペラ式風車の回転軸に設けられた遠心式調速手段により、風洞体内の流速が所定の流速より遅くなると、導風壁面の傾斜角度を大きくし、逆に流速が速くなると、導風壁面の傾斜角度を小さくするように可動させることを特徴とする風車の回転制御装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プロペラ式風車などにおいて、風速に応じて回転速度を調整するための風車の回転制御装置に関し、特に風洞体内にプロペラが設けられた風車の回転制御装置に関する。

従来、風車の回転数制御システムでは、大型のプロペラ型風車では、翼のピッチを変更する制御を行うことで回転数を制御する方法が知られており、また、小型風車では、台風時等の強風時にのみ偏向動作を行う制御方法を用いたものも知られている。

また、風向と風速とを検知し、回転数制御の対象となる風車についての風速、風車の回転数及び風向に対する偏向角の相互関係から偏向角を求め、風車の向きをその偏向角となるように変更する制御を行い、風向、風速の変化にかかわらず風車の回転数を設定回転数に安定良く保つことができるようにした風車の回転数制御システムが開示されている（特開２００７−２６３０８９）。

また、風力発電装置は、自然界の風の流れを利用するものであるので、設置場所の地形や気象等の条件によって十分な風力が得られないことがある。

弱い風を増速する方法として、風洞体を付加したディフューザー型風力発電装置が開示されている。

風の流れる方向に向かって内径が拡大する側胴部と、この風洞体の風の流入口に案内片と流出口に鍔状片と風の流入口近傍に配置した発電用風車とを備え、風洞体の軸に対する側胴部の傾斜角φを5〜25度の範囲とする風力発電装置が開示されている（特開２００３−２７８６３５号公報）。

そして、風洞体に流入した風は流入口近傍で増速されるため、流入口近傍に設置した発電用風車を高速回転させることができ、高い発電出力が得られるというものである。

特開２００７−２６３０８９号公報 特開２００３−２７８６３５号公報

上記のように、風車の回転制御について種々の装置が開発されており、特に発電用の風車の場合には、回転数を一定に保つことが求められる。

弱い風の場合に、複数台の風車を設けて、出力の低下を補うようにしている。また、特開２００３−２７８６３５号公報に示すように、風車の回転を増幅させることが求められる。

強風の場合には、上記のようなプロペラのピッチを変化させたり、偏向動作を行ったりすることで調整し、一定の回転数を維持するようにしているが、さらに強い風（風速２０ｍ／ｓ以上）の場合には、制御が困難なため、風車を停止させる処置が行われている。

本来、風力発電の場合には、風が強いほど発電能力が高くなるのであり、強い風の場合に、風車を停止してしまったのでは、非常に効率が悪い。

また、ピッチの調整は、駆動装置など制御装置が複雑で故障が多いことが指摘されている。偏向動作においても、本来の電子制御による駆動機構が必要であり、また、偏向した状態での風車の運転は、通常と異なる部分に応力が集中してしまい、故障の要因を多く含んでいることとなる。

また、上記の弱い風の場合に対応したディフューザー型風力発電装置では、強い風の場合には、回転が高くなりすぎるために、やはり停止処置が行われ、減速するためにはブレーキが必要となり、制御が困難となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、弱い風の場合においても、増速して所定の回転数を確保でき、強い風、特に風速２０ｍ／ｓ以上の強風においても、所定の回転数に制御することが可能であり、故障の原因の少ない信頼性の高い風車の回転制御装置を提供することである。

本発明は、上記に示す課題を、以下の手段によって解決することができる。

請求項１は、風洞体と風洞体内部のプロペラ型風車とからなる風車装置において、該風洞体は、複数の板体による導風壁面により筒状に構成され、風の流入口から流出口に向かって口径が拡大するように、導風壁面を傾斜させて設けられ、かつ、該導風壁面は、その傾斜角度が調整可能に設けられていることを特徴とする風車の回転制御装置である。

請求項２は、風洞体は互いに直角に対面配置された２組の導風壁面により、角柱筒状に構成され、導風壁面の傾斜角度が調整可能に設けられていることを特徴とする風車の回転制御装置である。

該導風壁面の傾斜角度は、風車の回転軸方向に対して０〜４５度程度が好ましい。さらに好ましくは、０〜３０度が好ましく、さらに好ましくは、０〜２０度が良い。

請求項３は、風洞体は複数の曲面板による導風壁面を花びら状に組み合わせて円筒状に構成され、各曲面板による導風壁面の傾斜角度が調整可能に設けられていることを特徴とする風車の回転制御装置である。

傾斜角度を大きくする動作は、花びらが開くように全体的に先端側が開くようにして傾斜させる。

該導風壁面の傾斜角度は、風車の回転軸方向に対して０〜４５度程度が好ましい。さらに好ましくは、０〜３０度が好ましく、さらに好ましくは、０〜２０度が良い。

請求項４は、前記の導風壁面を可動させ、傾斜角度を変化させることにより、風洞体内の風速を制御するための風速制御手段が設けられていることを特徴とする風車の回転制御装置である。

傾斜角度を大きくすると、導風壁面の後端部（風洞体の出口部分）で真空状態が発生し、風洞体の入口部分から出口部分に引き込む力が発生し、風洞体内の流速が高くなり、風車の回転数を高めることができるものである。

傾斜角度を小さくすると、上記の真空状態が解消され、風洞体の出口側に引き込む力が弱まるので、風車の回転数は低下する。

このように、導風壁面の傾斜角度を変化させることで、風車の回転数を制御することが可能となるものであり、所定の設定回転数に維持制御することが可能となる。

該導風壁面の傾斜角度は、風車の回転軸方向に対して０〜４５度程度が好ましい。さらに好ましくは、０〜３０度が好ましく、さらに好ましくは、０〜２０度が良い。

請求項５は、前記の風速制御手段は、プロペラ式風車の回転軸に設けられた遠心式調速手段により、風洞体内の流速が所定の流速より遅くなると、導風壁面の傾斜角度を大きくし、逆に流速が速くなると、導風壁面の傾斜角度を小さくするように可動させることを特徴とする風車の回転制御装置である。

該遠心式調速手段は、風車の回転数が高くなると、風車の回転軸に設けられた、錘が遠心力により、外側に押圧される。この押圧力を用いて、導風壁面の傾斜角度を駆動できるようにするものであればいずれでも良い。

例えば、遠心力による錘の外側への押圧力をスイッチとして、風車の軸の回転力を導風壁面を外側に広げるように駆動する機構を設け、遠心力が低下すると、バネを内側に押圧するように設け、この内側への押圧力がスイッチとなって、風車の軸の回転力によって導風壁面を内側に引き寄せるように駆動する機構を設けるようにしても良い。

請求項６は、前記の風速制御手段は、導風壁面を機械式駆動手段により可動制御することを特徴とする風車の回転制御装置である。

該機械式駆動手段は、遠心力や慣性力、重力を活用し、テコや、カム、滑車などを利用した駆動手段である。

請求項７は、前記の風速制御手段は、導風壁面を油圧式駆動手段により可動制御することを特徴とする風車の回転制御装置である。

該油圧式駆動手段は、油圧を用いた駆動手段であればいずれでも良く、油圧ポンプ、油圧チャンバーなどにより、伸縮アームなどで導風壁面を傾斜駆動できるようにしても良い。

請求項８は、前記の風速制御手段は、導風壁面を電動式駆動手段により可動制御することを特徴とする風車の回転制御装置である。

該電動式駆動手段は、電気により導風壁面を駆動できるものであればいずれでも良く、電動モータを用いて伸縮アームを駆動して導風壁面を傾斜駆動するものでも良い。

請求項９は、エアーガバナーが設けられていることを特徴とする風車の回転制御装置である。

該エアーバガナーは、風洞体内のプロペラを通過する空気の量を変化させて、プロペラの回転数を調整できるものであればいずれでも良く、風車のプロペラの外周部に、プロペラをバイパスする空気の流路を開閉自在に設けたものでも良い。

請求項１０は、前記の請求項１から請求項９までにいずれかに記載の回転制御装置が設けられた風車が設けられていることを特徴とする風力発電装置である。

発電機は、風車の回転力をギアやロッドなどの伝達手段により取り出し、伝達手段を介して発電機を駆動するものでも良く、風車の回転軸に小型の発電機を接続したものでも良い。

インバーター（直流、交流電力変換装置）を使っていないので、複数台並列に設置しても高調波の問題は発生しない。

本発明では、以下に示すような効果がある。

１）風洞体の出口側の導風壁面の傾斜角度を開くことにより、風車の回転力を増強することができる。

２）導風壁面の傾斜角度を調整することにより、風車の回転数を調整することができる。

３）風速や風量が変化しても、風車の回転数を一定に制御することができる。

４）エアーガバナーにより、強い風の場合にも、風車を制御することが可能であり、停止させる必要がないので効果的な風力発電を実現できる。

５）コンバーター、インバーター（直流、交流変換機）、バッテリーを必要とせずに風車の回転数を60Hzまたは50Hzに制御できるので、発電による高調波の問題を解消できる。

６）高調波の問題がないので、複数台の発電機を並列に設置して発電を行うことができ、安定した電力を確保できる。

本発明による風洞体内部にプロペラを設けた風車の一実施例を示す概略図である。 本発明の風車の風量制御手段における強風時のクラッチ部分の拡大概略図である。 本発明の風車の風量制御手段における弱風時のクラッチ部分の拡大概略図である。 本発明による風洞体内部にプロペラを設けた風車の他の実施例を示す概略図である。 本発明による風車のエアーガバナー部の実施例を示す概略図である。 本発明による風車のエアーガバナー部の他の実施例を示す概略図である。 本発明による風車を用いた発電装置の実施例を示す概略図である。 本発明による風洞体内部にプロペラを設けた風車（弱風時）の他の実施例を示す概略図である。 本発明による風洞体内部にプロペラを設けた風車（強風時）の他の実施例を示す概略図である。 本発明による風洞体内部にプロペラを設けた風車を用いた発電装置の実施例を示す概略図である。 本発明による発電装置の可動式架台の実施例を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例の図面を用いて説明する。

図１は、本発明による風洞体内部にプロペラを設けた風車の一実施例を示す概略図である。

本実施例の風車は、風の流路を形成するための風洞体１内の流入口側に、プロペラ式の風車が設けられている。

該風洞体１は、風の流入口から流出口に向かって口径が拡大するように設けられている。

流入側は、一定の口径となった円柱部分が形成され、この部分の内部にプロペラ３が位置する。

風洞体のプロペラ３の位置より後方側（流出口側）は、４枚の導風壁面４により、角柱状に形成され、上下の２面の導風壁面４ａ、４ｂは、その傾斜角度を調整することができるようになっている。

風の流入口部には整流板５が設けられ、プロペラ３の先端部分６は尖った形状となっており、整流板５により、プロペラ３の先端が固定され、プロペラ３とその回転軸２が回転自在に取り付けられている。

該回転軸２には、遠心ロッドを用いた機械式の風量制御手段が設けられている。

該風量制御手段は、回転軸２の回転による遠心力を発生させるための１対の遠心ロッド７が設けられ、該遠心ロッド７と接続されて回転軸２と同じ方向に回転し、駆動リング８を駆動するための回転駆動パイプ９と、該遠心ロッド７と接続されて回転軸２と反対方向に回転し、駆動リング８を逆方向に駆動するための逆回転駆動体１０と、駆動リング８と導風壁面４とを接続し、導風壁面４の傾斜角度を変化させるための駆動ロッド１１とからなる。

該回転駆動パイプ９の外面はネジ部となっており、駆動リング８は、このネジ部に螺合されており、回転駆動パイプ９の回転により、駆動リング８は回転軸２方向に移動するようになっている。

該遠心ロッド７は、回転軸２に固定された天秤軸１２に、回転軸２と平行方向に設けられ、その流出口側端部に錘１３が設けられ、他方の端部には、クラッチ部１４が設けられ、このクラッチ部１４は回転駆動パイプ９と逆回転駆動体１０との間に位置するように設けられている。

また、遠心ロッド７の錘１３側の部分と回転軸２との間にはバネ１５が設けられている。

このように構成された風車は、以下のように動作する。

本発明の風車は、流出口側の口径が大きくなるように、導風壁面４が傾斜させて設けられており、これにより、流出口部で真空状態が形成され、流入口側の空気が引っ張られ、流速が増幅されるようになっている。弱い風の状態においても、プロペラ３の回転数を確保できるようになっている。

風が流入口より整流板５を通過して風洞体１内に流入する。流入した風は、プロペラ３を回転させる。

このプロペラ３の回転により、回転軸２が回転し、回転軸２に固定されている遠心ロッド７が回転軸２の回転に従って回転する。

遠心ロッド７は、錘１３が設けられているため、回転数が上昇するにしたがって、錘１３側の遠心ロッド７が外側に広がり、天秤軸１２の反対側のクラッチ部１４は、反対に内側に押圧される。

図２、図３は本発明の風車の風量制御手段におけるクラッチ部分の拡大概略図であり、図２は強風状態を示し、図３は弱風状態を示す。

クラッチ部１４が内側に押圧され、回転駆動パイプ９の外面を押圧する。この内側への押圧により、図２（２）の矢印に示すように、遠心ロッド７の回転とともに、回転駆動パイプ９も同じ方向に回転する。すなわち、回転軸２と回転駆動パイプ９とは同じ方向に回転する。

この回転駆動パイプ９の回転により、回転駆動パイプ９の外面のネジ部に螺合されている駆動リング８が流出口側に移動する。

駆動リング８が流出口側に移動することにより、駆動ロッド１１が引き込まれ、導風壁面４ａ、４ｂが引き込まれて傾斜角度が小さくなる。

この導風壁面の傾斜角度が小さくなると、導風壁面による流出口部分での真空状態が低下し、引き込み効果も低下し、流速も低下する。

流速が低下すると、プロペラ３の回転数が低下し、遠心ロッド７の回転数も同様に低下するので、錘１３の外側への遠心力よりも、バネ１５による復元力が強くなり、遠心ロッド７の錘１３側の部分は内側に引き寄せられ、図３（２）に示すように、クラッチ部１４は、外側に移動し、逆回転駆動体１０の内側を外側に向かって押圧することとなる。

これにより、逆回転駆動体１０は遠心ロッド７と同じ方向に回転する。逆回転駆動体１０が回転すると、その内側に設けられたローラー１６の回転により回転駆動パイプ９が回転する。この場合の回転駆動パイプ９は、回転軸２と逆方向に回転することになる（図２（２）参照）。

よって、駆動リング８は、流入口側に移動し、駆動ロッド１１は導風壁面４ａ、４ｂを押し開き、導風壁面の傾斜角度は大きくなる。

このように、弱い風の場合には、導風壁面の傾斜角度が自動的に大きくなり、強い風の場合には傾斜角度が自動的に小さくなるので、プロペラ３の回転を一定に維持することができるものである。

図４は、本発明による風洞体内部にプロペラを設けた風車の他の実施例を示す概略図であり、（１）は強風状態を示し、（２）は弱風状態を示す。

この風洞体２０は、図１と同様に流入口側の口径が下流側になるに従い、口径が大きくなるように形成されているが、導風壁面は、花びら型導風壁面２１となっており、導風壁面の傾斜の動作は、花びらが開くように、全体が均等に開き、傾斜するようになっている。

図５は、本発明による風車のエアーガバナー部の実施例を示す概略図であり、（１）は、弱風状態を示し、（２）は強風状態を示す。

本発明の風車は、導風壁面が傾斜しているため、弱風においても、プロペラの回転数を高める作用をする。そのため、台風などの風速が２０ｍ／ｓ以上の強風の場合には、強風のため、プロペラの回転数が高くなりすぎて破損してしまう危険がある。

通常の強風、風速２０ｍ／ｓ以下の場合には、図の（１）に示すように、可動リング３０は、プロペラとの隙間が最小となり、流入口から流入した風はすべてプロペラ３を通り流れる。さらに、風洞体１内部のの空間１ｄに引き込まれるため、より効果的にプロペラ３の回転を補強する。

風速２５ｍ／ｓ以上となる場合には、可動リング３０は、図の（２）に示すように、下流側に移動し、プロペラ３の上流側で流入口１ａから流入した風は風洞体１の内部の空間１ｄに引き込まれ、図示しない、排気口１ｂから排出される。プロペラ３をバイパスして、図の矢印のように風が流れるので、プロペラ３の異常な回転上昇を防止できる。

図６は、本発明による風車のエアーガバナー部の他の実施例を示す概略図であり、（１）は、弱風状態を示し、（２）は強風状態を示す。

本実施例では、プロペラ３の外周部に可動プレート３１が設けられており、通常の場合には、この可動プレート３１とプロペラ３との隙間は最小限となっており、強風時には、図の（２）に示すように、可動プレート３１が外側に開き、可動プレート３１とプロペラ３との隙間が開き、図（２）の矢印に示すように、風がバイパスして流れる流路が形成されるものである。

図７は、本発明による風車を用いた発電装置の実施例を示す概略図である。

（１）は、風車４０のプロペラの回転力を、磁石による伝達装置４１により、外部に取り出し、中継装置４２を経由して発電機４３を駆動させるようにしたものである。

（２）は、風車４４の回転軸２の流出口部分に小型の発電機４５を設けたものである。

本発明では、導風壁面の傾斜角度を調整できるため、プロペラ３の回転数を一定に制御できるので、安定した発電が可能であり、信頼性の高い風力発電システムを実現できる。

図８は、本発明による風洞体内部にプロペラを設けた風車（弱風時）の他の実施例を示す概略図であり、図９は、強風時の状態を示す概略図である。

本実施例は、エアーガバナー５０が設けられ、風洞体１に流入口１ａが設けられている。

また、風量制御手段は、図１と同様に、回転軸２の回転による遠心力を発生させるための１対の遠心ロッド７が設けられ、回転軸２に磁石５１が取り付けられ、その周囲に励磁コイル５２が設けられ、該コイル５２の外面部には、導風壁面４ａ、４ｂを可動させるために電動式の可動シリンダー５３が設けられている。

回転軸２の回転により、磁石５１の外周部に設けられたコイル５２に電気が発生し、この電力により、可動シリンダー５３を可動する。

風が強くなり、回転軸２の回転が速くなると、遠心ロッド７が広がり、スイッチ装置５４により、可動シリンダー５３を縮め、導風壁面４ａ、４ｂを閉じ、エアーガバナーを図９のように、可動させ、図に示すように、流入した風は、プロペラ３の上流側の風洞体１に設けられた流入口１ａより、風洞体１の内部の空間を通り、排気口１ｂから外部に排気される。これにより、プロペラ３の回転力が著しく低下させることができる。

このエアーガバナーによる風量制御手段により、プロペラ３の受ける風を制御でき、安定した回転を実現できるものである。

図１０は、本発明の風車を用いた発電装置の実施例を示す概略図である。

本実施例の発電装置は、飛行機型であり、発電機が内設されており、回転可能な架台上に設置されることで、常に風の方向に向かせることができる。

左右の翼部に１基づつ、図１や図８、９などに示す、風洞体内部にプロペラを設けた風車６１が設けられている。

胴体部６０の内部には、風車６１からの回転力を伝えるためのフライホール６２と、その制御をするための回転数制御機構６３と、発電機６４と、発電機６４に同軸に接続される、エアーモーター６５と、そのクラッチ６６と、コンプレッサー６７と、そのコンプレッサーによる圧縮空気を貯蔵するためのエーアタンク６８、６９とが設けられている。

通常は、風車６１からの回転力をフライホイール６２と回転数制御機構６３で、安定した回転により、発電を行う。

このときに、コンプレッサー６７で圧縮空気をエアータンク６８、６９に貯蔵しておき、風が弱くなり、発電機６４の回転が落ちてしまう場合には、このエアータンク６８、６９の圧縮空気を活用し、クラッチ６６で切り替えて、エアーモーター６５を回転させて、発電機６４の回転力を補強できるようにしたものである。

図１１は、本発明の風車を用いた発電装置の可動式架台を示す該略図である。

本実施例は、図１０の飛行機型発電装置７０を回転可能な架台７４上に設置し、複数の脚部７１ａ、７１ｂ、７１ｃで支持されている。

発電装置７０のメンテナンスの場合に、可動シリンダー７３を伸長させ、脚部７１ａ、７１ｂ、７１ｃを開き、発電装置の位置を地上に近づけることができるものである。可動シリンダーは、油圧式、空気圧式、電動式などいずれの駆動手段を用いても良い。

各脚部には車輪７２ａ、７２ｂ、７２ｃが設けられており、７２ｃの車輪には、駆動装置７２ｄが設けられているため、スムーズに駆動して開き、発電装置を上下させることができるものである。

１、１０ 風洞体
１ａ 流入口
１ｂ 排気口
１ｄ 風洞体の内部空間
２ 回転軸
３ プロペラ
４ 導風壁面
５ 整流板
６ プロペラ３の先端部分
７ 回転軸
８ 駆動リング
９ 回転駆動パイプ
１１ 駆動ロッド
１２ 天秤軸
１３ 錘
１４ クラッチ部
１５ バネ
１６ ローラー
２１ 花びら型導風壁面
３０ 可動リング
３１ 可動プレート
４１ 伝達装置
４２ 中継装置
４３、４５ 発電機
５０ エアーガバナー
５１ 磁石
５２ コイル
５３ 可動シリンダー
５４ スイッチ装置
６１ 風車
６２ フライホイール
６３ 回転数制御機構
６４ 発電機
６５ エアーモーター
６６ クラッチ
６７ コンプレッサー
６８、６９ エアータンク
７０ 飛行機型発電装置
７１ａ、７１ｂ、７１ｃ 脚部
７２ａ、７２ｂ、７２ｃ 車輪
７２ｄ 駆動装置
７３ 可動シリンダー
７４ 回転式架台

Claims (10)

1. 風洞体と風洞体内部のプロペラ型風車とからなる風車装置において、
   該風洞体は、複数の板体による導風壁面により筒状に構成され、風の流入口から流出口に向かって口径が拡大するように、導風壁面を傾斜させて設けられ、かつ、該導風壁面は、その傾斜角度が調整可能に設けられていることを特徴とする風車の回転制御装置。
2. 前記の風洞体は互いに直角に対面配置された２組の導風壁面により、角柱筒状に構成され、導風壁面の傾斜角度が調整可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風車の回転制御装置。
3. 前記の風洞体は複数の曲面板による導風壁面を花びら状に組み合わせて円筒状に構成され、各曲面板による導風壁面の傾斜角度が調整可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風車の回転制御装置。
4. 前記の導風壁面を可動させ、傾斜角度を変化させることにより、風洞体内の風速を制御するための風速制御手段が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの項に記載の風車の回転制御装置。
5. 前記の風速制御手段は、プロペラ式風車の回転軸に設けられた遠心式調速手段により、風洞体内の流速が所定の流速より遅くなると、導風壁面の傾斜角度を大きくし、逆に流速が速くなると、導風壁面の傾斜角度を小さくするように可動させることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかの項に記載の風車の回転制御装置。
6. 前記の風速制御手段は、
   導風壁面を機械式駆動手段により可動制御することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の風車の回転制御装置。
7. 前記の風速制御手段は、
   導風壁面を油圧式駆動手段により可動制御することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の風車の回転制御装置。
8. 前記の風速制御手段は、
   導風壁面を電動式駆動手段または電子制御駆動手段により可動制御することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の風車の回転制御装置。
9. 機械式または電子式エアーガバナーが設けられ、インバーター、コンバーターを必要としないことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれかの項に記載の風車の回転制御装置。
10. 前記の請求項１から請求項９までにいずれかに記載の回転制御装置が設けられた風車が設けられていることを特徴とする風力発電装置。