JP2010101263A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ナセルが水平及び垂直に揺動自在の風力発電機において、常にプロペラを風向きに対して正対させることができ、且つ軽量で風向きの変化に対して追従性のよい風力発電機を提供する。
【解決手段】風力発電機１には、ナセル３内部に差動機構１１と発電機１２とが設けられている。この差動機構１１及び発電機１２は、ナセル３内において水平軸７よりも前方位置に配置されている。また、プロペラ２は回転軸１３に連結されており、差動機構１１を介して発電機１２の回転軸１２ａに連結されている。また、逆回転軸１４は筒状体で形成されており、回転軸１３の外側を覆い、回転軸１３と同一の軸心で回転する。逆回転体４は、プロペラ２と角運動量が同一となっている。従って、プロペラ２が回転した際に生じるジャイロモーメントを逆回転体４が相殺するので、常に風上に向けてプロペラ２が正対した状態となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、プロペラ型の風力発電機に関する。

従来より、比較的小型の風力発電機として、発電機等を収納するナセルの前方にプロペラが設けられ、ナセルの後方部分に垂直尾翼が設けられ、ナセルが水平方向に揺動自在にタワー等の支持体に軸支されたものが知られている。この種の風力発電機は、垂直尾翼によって風向きの変化をとらえてナセルが風上に向かうようにナセルの向きを変え、風向きに対して常にプロペラが正対するような構成となっている。

また、下記特許文献１には、ナセルを水平方向のみならず垂直方向にも揺動自在に軸支して風向きの変化を立体的にとらえ、発電効率を向上させようとした風力発電機が提案されている。当該風力発電機では、ナセルの後方部分に垂直尾翼に加えて水平尾翼を設け、この水平尾翼によって風向きの変化をとらえてナセルの方向を変更させるようにしている。

しかしながら、本願発明者等は、このような構成の風力発電機で発電を行おうとすると、ナセルが風向きに対して絶えず水平方向又は垂直方向にずれた角度に維持されてしまうことを知見した。本願発明者等が原因を調査したところ、プロペラが回転することにより発生するジャイロモーメントにより、プロペラの回転軸、即ちナセルの軸方向に対して曲げモーメントが発生し、ナセルの向きが風向きに対してずれることが判明した。

一方で、このようなジャイロモーメントを相殺するために、プロペラの回転を変速機により逆回転させて逆回転軸に伝え、逆回転軸に発電機のローターを連結し、ローターの回転によってプロペラに発生するジャイロモーメントを相殺する構成が下記特許文献２に開示されている。当該特許文献２に開示された構成では、プロペラ及び発電機等を支持するタワーを変速機の直下に配置し、支持部の前方にプロペラを配置し、支持部の後方に発電機を配置している。
特開２００１−２１５２４１号公報 特開２００４−３６０６６９号公報

ここで、ナセルを水平方向及び垂直方向に揺動自在に軸支する風力発電機において、プロペラのジャイロモーメントを相殺するために特許文献２に開示された構成を適用することが考えられる。

しかしながら、ナセルを垂直方向に揺動自在に軸支する場合、プロペラが前方に傾いた際にプロペラがタワー等の支持体に接触しないように、ナセルの支持部とプロペラとの距離を通常の場合に比べて長くする必要がある。

このように支持部とプロペラとの距離が長くなると、垂直尾翼及び水平尾翼でナセルを風上方向に向けるためには大きなモーメントが必要となるため、垂直尾翼及び水平尾翼を従来よりも大きくする必要がある。従って、ナセルが水平及び垂直に揺動自在の風力発電機は、水平方向にのみ揺動自在の風力発電機に比べて、ナセルの支持部よりも後方の重量が増加することになる。

このような状況下において、特許文献２に記載の構成のようにナセルの後方部分に発電機を設けると、さらにナセルの後方部分の重量が増加してしまい、ナセルの前後バランスをとることが困難となる。特に、プロペラは風速が低くても回転するように軽量でなければならない。従って、当該構成においてナセルの後方に発電機を設けた場合は、ナセルの前方にウエイト等を設けてバランスを調整しなければならないが、ウエイト等を設けると風向きの変化に対するナセルの追従性が悪化するとともに装置全体の重量が増えてしまうという不都合がある。

そこで、本発明は、風力発電機の改良を目的とし、さらに詳しくは前記不都合を解消するために、ナセルが水平及び垂直に揺動自在の風力発電機において、常にプロペラを風向きに対して正対させることができ、且つ軽量で風向きの変化に対して追従性のよい風力発電機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の風力発電機は、ナセルの前方にプロペラが装着され、前記ナセルが水平方向及び垂直方向に揺動自在に支持体に支持され、前記ナセルの後方部分に垂直尾翼と水平尾翼とが設けられた風力発電機であって、前記プロペラに連結された回転軸と、前記ナセル内に設けられ前記回転軸に連結されて駆動される発電機と、前記回転軸と同一の軸心を有し反転機構により前記回転軸と反対方向に回転する逆回転軸と、前記逆回転軸に連結されて前記プロペラと逆方向に回転する逆回転体とを備え、前記逆回転体は、前記プロペラの回転軌道外縁よりも小径であると共に角運動量が前記プロペラと実質的に同一となるように形成され、前記逆回転体、前記発電機及び前記反転機構が前記ナセルの支持位置よりも前方に配置されていることを特徴とする。

本発明の風力発電機によれば、ナセルが水平方向及び垂直方向に揺動自在に支持体に支持されており、ナセルには垂直尾翼と水平尾翼とが設けられているため、風向きの変化に応じてナセルを水平方向のみならず垂直方向にも揺動させることができる。また、プロペラが回転した際に生じるジャイロモーメントは、プロペラと実質的に角運動量が同一の逆回転体がプロペラと逆回転することにより相殺させることができる。従って、本発明の風力発電機では、常にプロペラを風上に向けて正対させることができる。また、前記逆回転体を前記プロペラの回転軌道外縁よりも小径とすることで空気抵抗が低減できるため、前記ナセルの風上方向への移動を円滑にすることができる。これにより、本発明の風力発電機は、水平方向のみならず垂直方向にも風向きが変化する設置場所においても、確実に風向きを捉えて発電効率を向上させることができる。

また、ナセルを垂直方向に揺動自在としているため、プロペラが下方を向いた際にプロペラと支持体が接触しないように、ナセルの支持位置からプロペラまでの長さをプロペラの長さに応じて長くする必要があり、それに応じて垂直尾翼及び水平尾翼の大きさを大きくする必要があるが、本発明の風力発電機では、逆回転体、発電機及び反転機構をナセルの支持位置よりも前方に配置しているため、ナセルの重量バランスを容易に取ることができる。

また、本発明の風力発電機においては、前記ナセルは、ブラケットに設けられた水平軸により垂直方向に揺動自在に支持され、前記ナセルは、前記回転軸と直交する水平軸により軸支され、前記水平軸は前記ナセルの側方及び下方に対面するブラケットに支持され、前記ブラケットは垂直軸により水平方向に揺動自在に前記支持体に支持され、前記垂直軸が前記水平軸に対して後方に配置されていることが好ましい。

当該構成とすることにより、プロペラの長さが同じであれば、プロペラを垂直方向下方へ傾けることができる角度を大きくすることができる。或いは、プロペラの下方に傾く角度を同一とした場合には、プロペラの長さを長くすることができる。これにより、垂直方向の風向きの変化が大きい設置場所において、より効率よく風向きの変化に対応して発電効率を高めることができる。

また、本発明の風力発電機においては、前記逆回転体は、前記プロペラと前記ナセルの先端部との間に配置されると共に、前記ナセルの後方に向けて延設される筒状部を備えていることが好ましい。当該構成とすることにより、前記筒状部で前記ナセルの先端部が前記筒状部により覆われる。前記ナセルの先端部からは回転軸及び逆回転軸が延設されるため、これらの軸受けやシール部材等が必要になるが、前記筒状部で覆うことによりこれらの部材が風雨に晒されることを防止することができ、機器の寿命を延ばすことができる。

次に、本発明の風力発電機の実施形態の一例について、図１乃至図４を参照して説明する。図１は本発明の実施形態の一例である風力発電機を示す説明図、図２は図１の部分断面図、図３は本発明の第２実施形態の風力発電機を示す説明図、図４は図３の一部断面図である。なお、本願においては、風上方向を前方、風下方向を後方として説明する。

本実施形態の風力発電機１は、図１に示すように、プロペラ２がナセル３の前方に回転自在に装着されている。また、プロペラ２の後方の近傍位置には、プロペラ２と逆方向に回転する逆回転体４が回転自在にナセル３に取り付けられている。ナセル３の後方には、垂直尾翼５と水平尾翼６とがそれぞれ１対設けられている。また、ナセル３は、水平軸７、垂直軸８及びブラケット９により、水平方向のみならず垂直方向にも揺動自在にタワー（支持体）１０に取り付けられている。

次に、本実施形態の風力発電機１の内部構造について図２を参照して説明する。本実施形態の風力発電機１では、ナセル３の内部に差動機構１１と発電機１２とが設けられている。この差動機構１１及び発電機１２は、ナセル３内において水平軸７よりも前方位置に配置されている。また、プロペラ２は回転軸１３に連結されており、差動機構１１を介して発電機１２の回転軸１２ａに連結されている。また、逆回転軸１４は筒状体で形成されており、回転軸１３の外側を覆い、回転軸１３と同一の軸心で回転するものである。

差動機構１１は、回転軸１３に連結された駆動ギヤ１１ａと、逆回転軸１４に連結された被駆動ギヤ１１ｂと、駆動ギヤ１１ａ及び被駆動ギヤ１１ｂと噛み合うアイドルギヤ１１ｃとを備えている。アイドルギヤ１１ｃはアイドル軸１１ｄによりナセル３に回転自在に軸支されている。

プロペラ２は、この種の風力発電機に用いられている合成樹脂製のものを用いており、図２に示すように回転軸１３に連結されている。また、逆回転体４は、金属（本実施形態ではステンレススチール）製の円盤であり、逆回転軸１４に連結されている。また、回転軸１３は、被駆動ギヤ１１ｂの内周面に設けられたベアリング１５により軸支されると共に、逆回転体４及び逆回転軸１４の内周面に設けられた樹脂製ブッシュ１６により軸支されている。逆回転体４は、ナセル３の先端部近傍でベアリング１７により軸支されており、ベアリング１７の表面側にはシール部材１８が設けられている。本実施形態においては、逆回転体４は、プロペラ２の角運動量と同一となるようにその重量及び形状が定められている。

ブラケット９は、ナセル３の側方に位置する側板９ａとナセル３の下方に位置する底板９ｂとにより形成されており、側板９ａに水平軸７がベアリング７ａを介して軸支されている。この水平軸７はナセル３に固定されている。また、底板９ｂには垂直軸８が取り付けボルト９ｃによって取り付けられている。この垂直軸８は、中空の筒状体で形成されており、軸受け部材１９によってタワー１０に回転自在に軸支されている。また、垂直軸８の内部には、発電機１２から延びるリード線１２ｂが通されている。このリード線１２ｂは、垂直軸８の下方位置においてスリップリング（図示省略）を介して外部の電源設備（図示省略）に接続されている。

本実施形態においては、水平軸７の軸心と図２において一点鎖線で表された垂直軸８の軸心とが直交する位置に設けられている。当該構成により、本実施形態の風力発電機１は、プロペラ２が側面視で約１５°まで下方に傾けるようになっている。

次に、本実施形態の風力発電機１の作動について説明する。風力発電機１の周囲に風が生じると、プロペラ２に風が当たってプロペラ２が回転する。プロペラ２が回転すると、プロペラ２に連結されている回転軸１３が回転すると共に、回転軸１３に連結されている発電機１２の回転軸１２ａも同時に回転し、発電機１２により発電が開始される。また、同時に回転軸１３に連結されている駆動ギヤ１１ａが回転するので、駆動ギヤ１１ａの回転がアイドルギヤ１１ｃを介して被駆動ギヤ１１ｂに伝達され、被駆動ギヤ１１ｂが駆動ギヤ１１ａと逆方向に回転する。被駆動ギヤ１１ｂには逆回転軸１４が連結されているので、逆回転軸１４が被駆動ギヤ１１ｂの回転に伴って回転し、逆回転軸１４に連結されている逆回転体４もプロペラ２とは逆方向に回転する。

また、ナセル３に設けられた垂直尾翼５及び水平尾翼６にも風が当たるので、ナセル３が風の吹いてくる方向に向けて移動しようとする。その際、プロペラ２の回転によってジャイロモーメントが発生するが、逆回転体４がプロペラ２と逆方向に回転されてプロペラ２の回転によるジャイロモーメントが相殺される。従って、ナセル３は風上に向けてその向きが移動され、プロペラ２が風上に対して常に正対するようになる。

ここで、風向きが下から上に向けて斜めに吹くように変化した場合、水平尾翼６によってその風向きの変化がとらえられ、ナセル３の前方を下方に向けるような力がナセル３に生じる。本実施形態の風力発電機１は、水平軸７によってナセル３が垂直方向にも揺動するように形成されているため、このような上下方向の風向きの変化に対してもナセル３の向きを変化させることができ、ひいてはプロペラ２の向きを風向きに対して常に正対するように変化させることができる。

従って、本実施形態の風力発電機１は、単に水平方向にのみ揺動可能な風力発電機に比べて発電効率を向上させることができる。また、特許文献１に開示された風力発電機のように、単に垂直方向に揺動自在としたものと比べた場合も、ジャイロモーメントによるプロペラ２の傾きがないので、効率のよい発電を行うことができる。

次に、図３及び図４を参照して、本発明の第２実施形態の風力発電機１’について説明する。なお、上記実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態の風力発電機１’は、図３に示すように、ナセル３を支持するブラケット９’と、逆回転体４’の形状が上記実施形態と異なっている。具体的には、ナセル３の下方に位置する底板９ｂ’が垂直軸８の前方に延設されており、水平軸７よりも垂直軸８が後方に位置するように形成されている。また、逆回転体４’は、図４に示すように、先端から後方に向けて延設される筒状部４ａを有しており、この筒状部４ａによりナセル３の前端部を覆っている。

第２実施形態の風力発電機１’では、上記構成により、プロペラ２が側面視で約３０°まで下方に傾けるようになっている。従って、第２実施形態の風力発電機１’は、垂直方向の風向きの変化が大きい環境に適している。

また、逆回転体４が筒状部４ａを備えているため、逆回転体４の中心部よりも径方向外側に重量が集中するので、円盤状の形状に比べて同一の角運動量を確保するための全体の重量を軽くすることができる。また、筒状部４ａがナセル３の先端部を覆っているため、シール部材１８に直接雨風が当たらなくなるので、シール部材１８や装置全体の寿命を延ばすことができる。

なお、逆回転体４の形状は、上記のように円盤状や筒状に限らず、その他の形状としてもよい。例えば、逆回転体４をプロペラ２の前方に位置するように配置し、プロペラ２の先端の円錐形の部分に替えて円錐形の逆回転体としてもよい。

本発明の実施形態の一例である風力発電機を示す説明図。 図１の部分断面図。 本発明の第２実施形態の風力発電機を示す説明図。 図３の一部断面図。

符号の説明

１…風力発電機、２…プロペラ、３…ナセル、４…逆回転体、５…垂直尾翼、６…水平尾翼、７…水平軸、８…垂直軸、１０…タワー（支持体）、１１…作動機構、１２…発電機、１３…回転軸、１４…逆回転軸。

Claims (3)

1. ナセルの前方にプロペラが装着され、前記ナセルが水平方向及び垂直方向に揺動自在に支持体に支持され、前記ナセルの後方部分に垂直尾翼と水平尾翼とが設けられた風力発電機であって、
   前記プロペラに連結された回転軸と、前記ナセル内に設けられ前記回転軸に連結されて駆動される発電機と、前記回転軸と同一の軸心を有し反転機構により前記回転軸と反対方向に回転する逆回転軸と、前記逆回転軸に連結されて前記プロペラと逆方向に回転する逆回転体とを備え、
   前記逆回転体は、前記プロペラの回転軌道外縁よりも小径であると共に角運動量が前記プロペラと実質的に同一となるように形成され、
   前記逆回転体、前記発電機及び前記反転機構が前記ナセルの支持位置よりも前方に配置されていることを特徴とする風力発電機。
2. 前記ナセルは、前記回転軸と直交する水平軸により軸支され、前記水平軸は前記ナセルの側方及び下方に対面するブラケットに支持され、前記ブラケットは垂直軸により水平方向に揺動自在に前記支持体に支持され、前記垂直軸が前記水平軸に対して後方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
3. 前記逆回転体は、前記プロペラと前記ナセルの先端部との間に配置されると共に、後方に向けて延設され前記ナセルの前端部を覆う筒状部を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電機。

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