JP2009197586A - フラップ型風力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、翼先端が描く面積分の空間を極力少なく（略上半円以下）することで、大掛かりな支柱を必須のものから除外し、製作、設置工事、メンテナンスの空間、規模を小規模にでき、陸屋根のような平面屋根の上にも設置でき、回転翼とは違った美観を与える風力発電機を提供することである。
【解決手段】本発明によるフラップ型風力発電機では、翼を回転することなく、鳥は羽ばたくように、風を受けた翼は、略上半円以下の面積を描く範囲で往復羽ばたきをするように構成することで課題を満たし、往復運動に懸念される往復切替時の伝達効率低下を回避する手段と風向き変動に即応しつつ強風下の安全手段を付加した構成となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、フラップ（羽ばたき）型の風力発電機に関するものである。

従来から、風力発電機としては、翼が風力を受けて回転し、その回転により発電機を稼動する回転型風力発電機が主流であり、多くの場所で目にすることが出来、特許文献１、特許文献２のような多くの文献に見ることが出来る。図６は従来の風力発電機と本発明による風力発電機を比較する図である。６−Ａでは従来の風力発電機の外観を示している。風を受けて回転する翼６０１の回転をそのまま発電機に伝えることが出来るので、パワー伝達効率がよい。然しながら、電力を取る発電機では、翼６０１の大きさも大きくなって、回転による翼先端が描く円６０２の面積分の空間を他のものと干渉することなく占有させなければならない。そのためにその空間を上空に支える大掛かりな支柱６０３が必要となって、製作、設置工事、メンテナンスの空間、規模が大きくなり、コストのかさむ要因となっている。
特開平１１−３４３９５９ 特開２０００−１６１１９７

上記のような事情から、解決しようとする課題は、６−Ｂで示すように翼６０１先端が描く面積分の空間を極力少なく（略上半円以下）することで、大掛かりな支柱を必須のものから除外し、製作、設置工事、メンテナンスの空間、規模を小規模にでき、陸屋根のような平面屋根の上にも設置でき、回転翼とは違った美観を与える風力発電機を提供することである。

上記の課題を解決するための手段として、本発明によるフラップ型風力発電機では、翼を回転することなく、鳥は羽ばたくように、風を受けた翼は、略上半円以下の面積を描く範囲で往復羽ばたきをするように構成することで課題を満たし、往復運動に懸念される往復切替時の伝達効率低下を回避する手段と強風下の安全手段を付加した構成となっている。
以下、請求項に沿って説明する。

請求項１記載の発明は、フラップ型風力発電機であって、風を受けて羽ばたく翼と、風を受けてフラップを効果的にするため、羽ばたきを左右の翼同士で対称に動かす手段と、風向きに対して前後にも前記翼がある場合は、前後の前記翼同士を交互に上下反対方向に動かす手段と、前記翼の向きの変化点で翼のピッチ角を正負に反転させるピッチ角反転手段と、その羽ばたきの往復運動を回転運動に変えて発電機に伝える伝達手段と、回転により発電する発電機とを有することを特徴とする。これにより、伝達効率よい往復運動の風力発電機が構成でき、市中の空間にも設置できる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のフラップ型風力発電機において、風速を取得する風速計器と、前記風速計器が取得した物理量で前記翼のリード角を制御するリード角制御具を有することを特徴とする。これにより風速に応じた運転が可能となり、特に強風下での安全な運転状態、安全な停止状態を得ることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか一つに記載のフラップ型風力発電機において、前記風速計器は風速を受けて回転するフェザーベーンであり、前記リード角制御器は、前記リード角を与える向きに前記翼を回転可能にする回転結合部と前記翼を前記風速に応じた伸縮量で押し引きするケーブルと、前記フェザーベーンの回転速さを前記ケーブルの伸縮に変える機械的回転伸縮変換部を有するか、又は、前記風速計器が取得した風速の物理量を電気的データにして、前記電気的データで稼動する電気機械的手段で前記伸縮量を与える電気機械的回転伸縮変換部を有することを特徴とする。これにより特に強風下での安全な運転状態、安全な停止状態を得る具体案を提供することができる。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のフラップ型風力発電機において、前記発電機を付設したベースと前記翼と一体の羽ばたき動作をする翼集合体を回転自在に付設した組台との間にヨー角回転をするための回転結合部をもつことを特徴とする。これにより風向きに応じた動作が可能となる。

請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一つに記載のフラップ型風力発電機において、前記ピッチ角反転手段は、前記ピッチ角を正負に反転させる向きに回転可能なベアリング結合部と、前記翼または前記翼と連結した連結体に付いていて、前記羽ばたきの向きの変化点で慣性力により前記反転をさせるところの機械的手段、又は、前記変化点を電気的に捉えるセンサーと、前記電気的信号により反転動作を行わせる反転機とを有することを特徴とする。これにより、伝達効率が改善する。

請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一つに記載のフラップ型風力発電機において、前記機械的手段は、重量物の慣性を利用したボブウェイト又は、前記ピッチ角を正負に反転させる向きに回転させる回転体に付設した補助のバーと、前記翼の上下限位置で、前記補助のバーを押して回転を与えるためのプッシュバーであることを特徴とする。これにより、伝達効率が改善する。

以上のように構成されているので、本発明によるフラップ型風力発電機では、往復運動でのパワー伝達効率を低下させない、通常の平坦地以外に住宅や工場のある市内の陸屋根の上などに容易に取り付けが出来メンテナンスも容易となり、製造、運搬、取り付け、メンテナンスなど諸コストを低減することが出来、又、回転翼とは一風違った美観を備えることが出来るなどの利点が得られる。

本発明によるフラップ型風力発電機は、風を受けて羽ばたく翼と、風を受けてフラップを効果的にするため羽ばたきの向きの変化点で翼のピッチ角を正負に反転させる手段と、その羽ばたきの往復運動を回転運動に変えて発電機に伝える伝達手段と、回転により発電する発電機とを有するものである。以下、実施例を用い本発明の提案を説明する。

図１は、本発明によるフラップ型風力発電機の翼から発電機までの機構部の一実施態様を示す図である。図１に示す機構部以外に発電機等を覆う筺体や、設置する台座等があるが図示されていない。図１の翼から発電機までの機構部は、主に３つの部分に分けられる。一つ目は、羽ばたき往復運動を行いピストンの往復運動として発電機側に力の伝達を行う翼系２００であり、２つ目は、ピストンの往復運動をクランクで受けて回転運動とし、発電機を回す発電系３００であり、３つ目は、風の特に強風を受けてその速度に応じて翼のリード角を制御するリード角制御系４００である。以下、図２から図４を用い各部を説明する。

図２は、本発明によるフラップ型風力発電機の翼系の一実施態様を示した図である。２−Ａにおいて、翼（ブレード）２０１の上半分の先端側は、図示空間を節約するため、切り取って示されていない。翼２０１の先端部とシャンク２０２とは、互いに回転結合をするための回転結合部２０３を有して噛み合って連結している。この図では、見やすいように噛み合いの状態を外して描いている。従って、この回転軸の周りに、翼２０１は、回転し、矢印で示す風（一様流）とフラップの運動によって合成される相対風向きに対する翼２０１のリード角が変わるようになっている。このリード角は、ケーブル２０４の伸縮動作により変わる。ケーブル２０４が縮退すると翼２０１は矢印Ａの方向に引かれ、矢印Ｗで示す風向きの相対流に対して下流側に向いてリード角が小さくなり、フェザー状態（風を逃がす）にすることが出来、翼２０１はラグ状態となり空力トルクを維持できなくなる。逆にケーブル２０４が伸張すると翼２０１は矢印Ａの反対方向に押され、リード角が大きくなって、翼２０１は、アンフェザー状態（風が逃げない）になり、翼２０１は空力トルクを得て、羽ばたき動作をすることが出来る。

シャンク２０２は、ロッド２０６と一体構成になっている。ベアリング結合部２０５とベアリング結合部２０７は、シャンク２０２（及びロッド２０６）にかかる曲げモーメントを回転を許しながらブーツ２０８Ａに伝えるため２個使いとなっている。ロッド２０６は、ベアリング結合部２０７により長靴状のハウジングであるブーツ２０８Ａに接続している。ここでも見やすいように接続状態を外して描いてある。更に、ブーツ２０８Ａは、ピロー２０９の回転結合部２１０を介して接続している。従ってブーツ２０８Ａは、ピロー２０９の周りに翼２０１の羽ばたきと同じ往復運動を行う。ブーツ２０８Ａの往復運動は、レバー２１１、リンク２１２、アッパープレート２１３Ａを介してピストン２１４の往復運動に変えられる。翼やブーツの風に対する向きに応じて、自由に回転するようにリンク２１２とアッパープレート２１３Ａの間にはベアリング結合部２１５Ａがあり、ピロー２０９を支持するテーブルアッセンブリー２１７とピストン２１４を支持するベース（基台）２１８との間にはベアリング結合部２１６（ここではヨー角の自由度が得られる）がある。ベース２１８とピストン２１４の間には、ピストンが往復運動できるようにリニアベアリング２１９Ａがある。この図では、翼２０１は１枚しか描いてないが、ブーツ２０８Ｂに示すように翼２０１Ｂがあって、翼２０１Ａと交互に上下するようになっている。これで、２枚の翼をもつ構成となるが、この図では、リンク２１２とアッパープレート２１３Ａの図が半円盤状となっているが、もう一方の半円盤部があって、一体の円盤になっていて、その部分に示されない翼とブーツがあって、４枚の翼を持つ構成も可能である。尚、シャンク２０２、ベアリング結合部２０５、２０７、ロッド２０６、ブーツ２０８、回転結合部２１０は、翼２０１と一体の羽ばたき動作をする翼集合体を形成している。テーブルアッセンブリー２１７は翼集合体を回転自在に支持する組台となっている。

シャンク２０２には、ボブウェイト２２０が付いていて、翼２０１の羽ばたきの往復運動の羽ばたきの向きの変化点で翼のピッチ角を正負に反転させる手段となっている。翼２０１の羽ばたきの端で、ボブウェイト２２０の慣性力によりベアリング結合部２０５を基に回転し、ピッチ角が正負の間で反転し、風を効果的に受ける翼の向きを確保するようになっている。尚、羽ばたきの向きの変化点でピッチ角を正負に反転させる手段としては、このボブウェイト以外に、変化点をセンサー等で電気的に捉えて、それで反転動作をすることも出来るのは当然だが、ボブウェイトの機械的手段の方が実現が容易であり、長期安定性も優れている。尚、ダンパ２２１は、油圧を用いた緩衝機構であり、フラップによる遠心力やピッチ角の反転の影響でリードラグ方向に働くモーメントによる急激な動きを防止します。勿論、ボブウェイト２２０以外の他の機械的手段でも翼のピッチ角を正負に反転させる手段は可能である。例えば、２−Ｂにおいて、図２のシャンク２０２についたバー２２０Ａが、翼２０１が上に上がった状態で、プッシュバー２２０Ｂで押されることで、シャンク２０２が回転する。同様に、翼２０１が下に下がった状態で、バー２２０Ａが、別のプッシュバーで押されることで、シャンク２０２が戻りの回転をする。このように往復運動の羽ばたきの向きの変化点で翼のピッチ角を正負に反転させる手段は様々考えられる。

図３は、本発明によるフラップ型風力発電機でピストンの往復運動をクランクで受けて回転運動とし、発電機を回す発電系の一実施態様を示した図である。クランク２１４の往復運動を受けてコネクティングロッド３０１が往復運動をし、クランク３０２を介してプライマリーシャフト３０３が回転する。ピストン２１４は交互に上下運動をする。プライマリーシャフト３０３には、増速機３０４を通じ発電機３０５の回転子が繋がっているので、発電が行われる。又、プライマリーシャフト３０３には、ブレーキディスク３０６が繋がっていて、ブレーキパッド３０７により回転を止めることが出来る。発電機３０５はベース２１８の延長上にある支持体３０８に固定され、プライマリーシャフト３０３は、支持体３０８とベアリング結合部３０９を介して接している。発電系３００では、ピストン運動から発電機の回転を得て発電する伝達手段と発電手段があり、回転を止めるブレーキ手段を備え、発電機のついたベースに対して翼系２００の回転ヨー角を可能にするヨー角回転手段とがある。これによって、風向き応じた動作を可能としている。尚、発電機の出力は、図示しないインバータを介して、商用電源との連係運転に供される。

図４は、本発明によるフラップ型風力発電機で、風特に強風を受けてその速度に応じて翼のリード角を制御するリード角制御系の一実施態様を示した図である。フェザーベーン４０１が風を受けて回転し、風速に比例した遠心力で開き、リンク４０２を通してラック＆ピニオン４０３を上側に押し上げる。押し上げる力と調整バネ４０４の復元力とが釣り合ったところで開き状態を維持する。ラック＆ピニオン４０３が先端の平面歯（ラックギア）と回転平歯車４０５が噛み合い、回転歯車４０５には、ディスク４０６が固定されているので、ラック＆ピニオン４０３の上下動により、ディスク４０６が前後回転する。ディスク４０６が前後回転動作により、プッシュプルロッド４０７が押引し、このプッシュプルロッド４０７の動作は、図２のケーブル２０４に伝えられ、回転結合部２０３により回転しリード角を制御する。従って強風時には、これにより、翼のリード角が小さくなって、風を逃がすフェザー特性を得ることが出来る。尚、フェザーベーン４０１は、テーブルアッセンブリー２１７にベアリング結合をしている。リンク４０２、ラック＆ピニオン４０３、調整バネ４０４、回転平歯車４０５、ディスク４０６、プッシュプルロッド４０７は
フェザーベーン４０１の回転をケーブル２０４の伸縮に変える機械的回転伸縮変換部を構成している。フェザーベーン４０１等の風速計器が取得した風速の物理量を電気的データにして、リード角を得るために電気的データで稼動する電気機械的手段でケーブル２０４の伸縮量を与える電気機械的回転伸縮変換部とすることもできることは当然である。

尚、翼２０１の数は、２枚又は４枚と複数が基本であり、左右の翼では対称の動作、４枚では、前後の動作で上下に反対方向動作が、機械的強度、振動音、風の活用面の効率化の面で最も重要である。対称でないと、翼の非対称による力のアンバランスを強度的に受けるからである。又、翼の反転音の大きくなる。前後の翼が上下に同一方向では、前の翼の陰になって、有効に風の力を生かせない。又、翼をずらせても上下に同一方向では、風による揚力が翼の間で相手の翼の運動を阻害する方向に働いて効果が低減する。従って、翼同士は、一箇所のみで交差する上下に反対方向動作が重要である。図２の例は、４枚翼の図の前後の片側（左側）のみを示しているので、これと左右対称に動くものが、右側にあるが、左側のみ示されている。左側の前の翼関連が示されているが、後の翼は、図示が省略され、動作が反対に動くことを示したブーツＢ、２０８Ｂが示されている。勿論、ブーツＢ。２０８Ｂには、翼までの他の部品が付設されているのは当然である。

以上のように本発明によるフラップ型風力発電機は構成される。下記運転モードの説明にあるように６つの運転状態モードを取ることが出来る。
以下に各々の運転モードについて概略説明を加える。

１）
メンテナンスモード
・ 手動ブレーキを掛けてプライマリーシャフト３０３をロック。風力でトルクが掛かっても起動しない。
・ フェザーベーン４０１は、ＲＵＮ状態。強風下では遠心力によって前後の翼２０１がラグ状態となり空力トルクを維持できなくなる。
・ 後退角による舵（ラダー）効果で風向変化に対して方位安定性を保つ。
・ 発電機３０５、インバータ、連係保護装置は、配電線から手動で電気的に切り離されている。
・ 操作は原則としてメンテナンス要員によって行われる。

２）
待機モード
・ 手動でブレーキ（ブレーキパッド３０７）が解除され、翼２０１の羽ばたきが許される状態。
・ フェザーベーンは、ＲＵＮ状態。但し、低風速下ではラック＆ピニオン４０３の遠心力による動作が調整バネ４０４の復元力に抑えられ、リードが保たれる。
・ 前後の翼２０１は、任意の位置を取りえるが、重量バランスの調整で、一先ず、前翼が開状態となるよう調整する。
・ 発電機３０５は回転しないが、インバータ及び連係保護装置は電源が入っている。

３）起動モード（〜２ｍ／ｓ）
・プライマリーシャフト３０３系の摩擦トルクに打ち勝って前後の翼２０１がフルス
トロークの動きを始めプライマリーシャフト３０３は回転状態となる。
・ 翼２０１に働く揚力によってピッチ軸周りの回頭モーメントが発生するが、依然としてリードが大きく（〜５度）ピッチ角はアンフェザーに固定されてフルストロークが達成される。
・ 翼２０１の羽ばたきはリンケージを介してピストン運動となり前後のピストンが互いに逆行する。
・ クランクシャフト、ピストン、リンケージ、レバーの幾何学的関係により前後の翼２０１のストローク範囲が０〜６０度になる。
・ ストローク両端では、急激な反転が起こる。これを受けたボブウェイト２２０の慣性によってピッチ角の反転が促される。
・ フィン側のリンケージとピストン側のリンケージは４個のヨーベアリングでヨー軸周りの自由度を確保している。
・ これらの結果ベース側に装着されたピストン、リニアベアリング、クランク、プライマリーシャフト、ブレーキディスク、増速機、発電機という一群のコンポーネントと、テーブルアセンブリー側に設置した二組の翼２０１及びフェザーベーン４０１からなるもう一方のコンポーネントが形成される。
・ 回転数信号が規定値に達するとインバータと発電機が出力状態となる。

４）
発電モード
・ カットイン風速で発電機は規定の回転数に到達し、連係運転が開始される。
・ 連係保護装置は単独運転防止など系統との保護協調を行う。
・ 回転数信号によってインバータの出力を調整し可変速運転制御を行う。この結果
羽ばたきはほぼ定周速比運転となり、カットイン時約１Ｈｚ、定格時約３Ｈｚの範囲を変動する。

５）
強風下運転モード
・ フェザーベーンは風速に応じて回転数を上げ、遠心力によってラック＆ピニオンを介してディスクを回転させる。各翼は同期してラグ側にシフトする。
・ 本来、翼には空力モーメントによりフェザー特性があるのをリードによって逆手に取っていたところ、リード角が減少するにつれて特に高出力状態ではフェザー状態の傾向が強くなり、ピッチ角を保持することが出来なくなる。フェザーベーンの慣性力、調整バネのバネ特性、リードの初期設定などのファクタを調整し、定格からカットアウトまでの運転が平滑に行われるように設定する。

６）
強風回避モード
・ フルラグ状態になって、翼が揚力を持続的に保持できなくなるとフルストロークが達成されず運転は停止する。
・ フェザーベーンのみ高速回転を持続する。
尚、図５は、本発明によるフラップ型風力発電機の外観の例を示す図である。支柱部は設置場所に応じて小さく構成が可能である。

以上の様に、本発明によるフラップ型風力発電機は、翼の羽ばたきが円の上半分の空間しか動かないので、大掛かりな支柱を必要とせず、屋上のような平坦床面にも設置が出来、風力発電機が小規模で構成でき、設置からメンテナンスまで低コストで実現できる。また、回転翼とは違った美観の風力発電機を提供でき、市中にも設置しやすいので利用して好都合であり、産業上大きな利用性を有している。

本発明によるフラップ型風力発電機の翼から発電機までの機構部の一実施態様を示す図である。 本発明によるフラップ型風力発電機の翼系の一実施態様を示した図である。 本発明によるフラップ型風力発電機でピストンの往復運動をクランクで受けて回転運動とし、発電機を回す発電系の一実施態様を示した図である。 本発明によるフラップ型風力発電機で、風特に強風を受けてその速度に応じて翼のリード角を制御するリード角制御系の一実施態様を示した図である。 本発明によるフラップ型風力発電機の外観の例を示す図である。 従来の風力発電機と本発明による風力発電機を比較する図である。

符号の説明

２００ 翼系
２０１、２０１Ｂ、６０１ 翼
２０２ シャンク
２０３、２１０ 回転結合部
２０４ ケーブル
２０５、２０７、２１５Ａ、２１６、３０９ ベアリング結合部
２０６、４０７ ロッド
２０８Ａ、２０８Ｂ ブーツ
２０９ ピロー
２１１ レバー
２１２ リンク
２１３Ａ アッパープレート
２１４ ピストン
２１７ テーブルアッセンブリー
２１８ ベース
２１９Ａ リニアベアリング
２２０ ボブウェイト
２２０Ａ バー
２２０Ｂ プッシュバー
２２１ ダンパ
３００ 発電系
３０１ コネクティングロッド
３０２ クランク
３０３ プライマリーシャフト
３０４ 増速機
３０５ 発電機
３０６ ブレーキディスク
３０７ ブレーキパッド
３０８ 支持体
４００ リード角制御系
４０１ フェザーベーン
４０２ リンク
４０３ ラック＆ピニオン
４０４ 調整バネ
４０５ 回転平歯車
４０６ ディスク
６０２ 翼先端が描く円
６０３ 支柱

Claims (6)

1. 風を受けて羽ばたく翼と、風を受けてフラップを効果的にするため、羽ばたきを左右の翼同士で対称に動かす手段と、風向きに対して前後にも前記翼がある場合は、前後の前記翼同士を交互に上下反対方向に動かす手段と、前記翼の向きの変化点で翼のピッチ角を正負に反転させるピッチ角反転手段と、その羽ばたきの往復運動を回転運動に変えて発電機に伝える伝達手段と、回転により発電する発電機とを有することを特徴とするフラップ型風力発電機。
2. 風速を取得する風速計器と、前記風速計器が取得した物理量で前記翼のリード角を制御するリード角制御具を有することを特徴とする請求項１記載のフラップ型風力発電機。
3. 前記風速計器は風速を受けて回転するフェザーベーンであり、前記リード角制御器は、前記リード角を与える向きに前記翼を回転可能にする回転結合部と前記翼を前記風速に応じた伸縮量で押し引きするケーブルと、前記フェザーベーンの回転速さを前記ケーブルの伸縮に変える機械的回転伸縮変換部を有するか、又は、前記風速計器が取得した風速の物理量を電気的データにして、前記電気的データで稼動する電気機械的手段で前記伸縮量を与える電気機械的回転伸縮変換部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか一つに記載のフラップ型風力発電機。
4. 前記発電機を付設したベースと前記翼と一体の羽ばたき動作をする翼集合体を回転自在に付設した組台との間にヨー角回転をするための回転結合部をもつことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のフラップ型風力発電機。
5. 前記ピッチ角反転手段は、前記ピッチ角を正負に反転させる向きに回転可能なベアリング結合部と、前記翼または前記翼と連結した連結体に付いていて、前記羽ばたきの向きの変化点で慣性力により前記反転をさせるところの機械的手段、又は、前記変化点を電気的に捉えるセンサーと、前記電気的信号により反転動作を行わせる反転機とを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載のフラップ型風力発電機。
6. 前記機械的手段は、重量物の慣性を利用したボブウェイト又は、前記ピッチ角を正負に反転させる向きに回転させる回転体に付設した補助のバーと、前記翼の上下限位置で、前記補助のバーを押して回転を与えるためのプッシュバーであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載のフラップ型風力発電機。
   

Images