JP2010261344A - 風力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】微風から強風に到るまで常に略一定の安定した発電出力が得られる風力発電機を提供する。
【解決手段】風車回転軸１３と、該風車回転軸の表面に近接して配置されたカム１５を備えたカム支持軸１６と、該カム支持軸の上端部に配置され、カム１５の楕円形長辺に対して垂直な方向に配置された回転軸１８と、該回転軸を中心として回転可能に、基部１９ａがカム支持軸１６の上端部に接続された羽根１９と、カム１５の外周と接触する可動部２１を備えた第１バネ２２と、羽根１９とアーム２６を介して接続する可動部２７を備えた第２バネ２８と、を備える。羽根１９は、風力に対応した角度でカム軸１６の回りに回転し、一定風力で回転軸１８が風車回転軸１３に対して垂直となり、それ以上の風力で羽根１９が回転軸１８の回りに回転する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電機に係り、特に風力に対応して、羽根の角度を自動的に調整し、発電出力を略一定にすることができる風車を備えた風力発電機に関する。

従来から、風力発電機が広く実用に供されているが、典型的な例では、幅が狭く、且つ長い半径を有する羽根を備えた風車が用いられ、このため、風車を支持するポールの高さが高くなり、且つ広い設置面積を必要とする。これらの風力発電機においては、風力が弱いと発電出力が低く、風力が強いと発電出力は高くなるが、さらに風力が強くなると風車が破損する可能性があるという問題がある。

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、微風から強風に到るまで常に略一定の安定した発電出力が得られる風力発電機を提供することを目的とする。

本発明の風力発電機は、風車回転軸と、該風車回転軸の表面に近接して配置されたカムを備えたカム支持軸と、該カム支持軸の上端部に配置され、カムの楕円形長辺に対して略垂直な方向に配置された回転軸と、該回転軸を中心として回転可能に、基部がカム支持軸の上端部に接続された羽根と、カムの外周と接触する可動部を備えた第１バネと、羽根とアームを介して接続する可動部を備えた第２バネと、を備える。

ここで、羽根は、一定風力（例えば１０ｍ/ｓ程度の風速）以下で、風力に対応した角度でカム軸回りに回転し、該一定風力で羽根を回転支持する回転軸が風車回転軸に対して略垂直となり、それ以上の風力で羽根が前記回転軸の回りに回転する。

カムと第１バネによる羽根のカム軸回りの角度調整機構と、アームと第２バネによる羽根の回転軸回りの角度調整機構との２段階の風速領域（例えば１０ｍ/ｓ以下と以上）に対応した羽根の自動回転制御により、微風から台風級の強風に風力が変動しても、略一定の安定したトルクを取り出すことができ、その結果安定した発電出力を取り出すことができ、且つ台風級の強風下においてもその破損を防止できる。

本発明の一実施形態の風力発電機の断面図である。 （ａ）はカムと第１バネとの関係を示す上面図であり、（ｂ）はその側面図である。 羽根の構成例を示す風車の正面図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図３を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

図１において、ポール１１に風車固定部１２が搭載され、ここに風車回転軸１３がスラストおよびラジアル軸受１４により回転自在に支持されている。風車回転軸１３の回転は軸３１を介して歯車３２ａ，３２ｂに伝達され、軸３３の回転が図示しない増速機構を介して発電装置に伝達され、風力による発電電力を生成する。

風車回転軸１３の表面に近接してカム１５が配置され、カム１５において偏心して垂直に配置されたカム軸１６が軸受１７により回転自在に支持され、カム軸１６は風車回転軸１３の軸心から半径方向に延びている。カム軸１６の上端部には、カム軸１６に垂直に回転軸１８が設けられ、羽根１９の基部１９ａが回転軸１８に回転可能に接続されている。従って、羽根１９は、カム軸１６の回りに該カム軸と共に回転可能であると共に、回転軸１８の回りに回転可能である。

回転軸１８は、カム１５の楕円形長辺Aに対して垂直な方向に、カム軸１６の上端部にピンが配置されている（図２参照）。図１はカム１５の楕円形長辺Aが風車回転軸１３に平行な状態を示し、この状態で回転軸１８は紙面に垂直となり、羽根１９は回転軸１８を中心として、図中２点鎖線で示すように風車回転軸１３の表面に倒れる方向に回転可能である。

図２に示すように、カム１５の外周は、固定部２０に一端が固定され、滑り軸受に支持された可動部２１に他端が固定された第１バネ２２により押圧されている。すなわち、無風の状態で、破線で示すように、羽根１９の受風面は風車回転軸１３に略適当な垂直状態となり、風車の受風量は最大となる。この時、カム１５の楕円形短辺Bが風車回転軸１３に平行な状態で、第１バネ２２は押されず、弾性力が最小となる。そして、風が強い状態となると、羽根１９はカム軸１６が軸受１７により回転可能に支持されているので、羽根１９が回転し、カム軸１６が回転し、カム１５が図中実線で示す位置に向けて回転し、第１バネ２２を圧縮する。

ある強風状態で、図中実線で示すように、羽根１９の受風面が風車回転軸１３に略平行な状態となり、風車の受風量は最小となる。この時、カム１５の楕円形長辺が風車回転軸１３に平行な状態となり、第１バネ２２が最も圧縮され、弾性力が最大となる。そして、図１に示すように、回転軸１８は紙面に垂直となり、さらに風力が増加すると羽根１９は回転軸１８を中心として、風車回転軸１３の表面に倒れる方向に回転可能となる。

羽根１９のブレード部分と基部１９ａとの間には可動リング２５が装着され、可動リング２５には軸２５ａを備え、この軸２５ａにアーム２６の一端が回転可能に接続され、アーム２６の他端は第２バネ２８のすべり軸受に支持された可動部２７に備えた軸２７ａに回転可能に接続されている。可動リング２５は、アーム２６に接続されているので、羽根１９がカム軸１６の回転に伴い回転しても、同じ位置に保たれる。従って、回転軸１８が風車回転軸１３に垂直でない角度では、羽根１９は回転軸１８の回りに回転できない。

カム１５の楕円形長辺が風車回転軸１３に平行な状態で、カム軸１６の上端部に設けた回転軸１８が風車回転軸１３に垂直となり、羽根１９はアーム２６を介して第１バネ２８の弾性力に抗して回転可能となる。すなわち、羽根１９が回転軸１８回りに図中矢印の向きに回転すると、アーム２６が可動部２７を図中の右側に移動させ、このため、第２バネ２８が圧縮し、バネの弾性力が羽根１９の回転軸１８回りの回転を妨げる方向に作用する。

図３は、図１に示す風力発電機をその正面から見た図である。本発明の風力発電機は、幅広で且つ短い羽根を備えることが好ましい。これにより、小型で設置面積を小さくしつつ、且つ広い受風面積が得られ、０．５ｍ/ｓ程度の微風から発電可能であり、弱風でも高い発電出力が得られる。そして、カム１５と第１バネ２２による羽根１９のカム軸１６回りの角度調整機構と、アーム２６と第２バネ２８による羽根１９の回転軸１８回りの角度調整機構との２段階の風力に対応した羽根の自動回転制御により、微風から台風級の強風に風力が変動しても、トルクが一定に近い状態で運転でき、略一定の安定した発電出力を取り出すことができ、且つ台風級の強風下においてもその破損を防止できる。

そして、風向が変化した場合に、羽根１９がそれぞれバネ力に抗してカム軸１６回りと回転軸１８回りに回転可能であり、ポール１１の上端は回転軸受３５に支持され、ポール１１の回りに回転可能であるので、風車回転軸１３は自動的に風向と平行になるように向きが調整される。これにより、風車が風向に対して常に正対し、風向に対して最大効率点で運転される。

次に、この風力発電機の動作例について説明する。まず無風状態では、羽根１９の受風風力が極めて小さいため、図２の破線で示すように第１バネ２２は最も伸びた状態となり、カム１５は楕円形短辺Bが風車回転軸１３に平行な状態となり、羽根１９の受風面は風車回転軸１３に垂直となる。そして、風力が増加すると、羽根１９はカム軸１６が軸受１７により回転可能に支持されているので、カム１５による第１バネ２２のバネ力に抗してカム軸１６の回りに回転する。すると、羽根１９の等価的な受風面積が減少し、受風風力と第１バネのバネ力がバランスする羽根１９のカム軸１６回りの回転角度に自動的に調整される。

第１バネ２２のバネ力は、風速１０ｍ/ｓ程度で、カム１５の楕円形長辺Aが風車回転軸１３と略平行となる位置、すなわち、羽根１９の受風面が風向と略平行となる位置（適当な角度）に設定することが好ましい。これにより、風速０．５ｍ/ｓ程度の微風から、風速１０ｍ/ｓ程度の強風迄、風力に対応してカム軸１６回りの羽根１９の回転角度が自動的に調整され、風車回転軸１３が略一定トルクで回転し、略一定の発電出力が得られる。

カム１５の楕円形長辺Aが風車回転軸１３と平行となる位置に到達すると、回転軸１８のピンが風車回転軸１３と垂直となり、羽根１９は回転軸１８の回りに回転可能となり、アーム２６、可動リング２５の軸２５ａを介して第２バネ２８のバネ力を羽根１９の回転軸１８回りの回転制御に作用させることが可能となる。

第２バネ２８のバネ力は、風速１０ｍ/ｓ程度で最も伸びた状態となり羽根１９の受風風力とバランスし、風速５０ｍ/ｓ程度で最も圧縮した状態となり、羽根１９の受風風力とバランスするバネ力を有することが好ましい。これにより、風速１０ｍ/ｓ程度では、羽根１９は回転軸１８の回りに回転可能であるが、第２バネ２８のバネ力により、風車回転軸１３に対して羽根１９を垂直位置に保持できる。

風速１０ｍ/ｓ程度を超す強風であると、風力を受けて羽根１９は回転軸１８の回りを第２バネ２８のバネ力に抗して回転する。羽根１９が回転軸１８の回りに回転すると、等価的な受風面積が減少し、受風風力と第２バネのバネ力がバランスする角度に自動的に調整される。従って、風速１０ｍ/ｓ程度を超え、風速５０ｍ/ｓ程度の領域では、その風力に対応して、羽根１９が傘をすぼめるように風車回転軸１３に対して傾き、風車回転軸１３が略一定トルクのもとで回転し、略一定の発電出力が得られるとともに、羽根１９の破損を防止できる。

なお、上述の例は、幅が広く且つ短い羽根を備えた風車についてのものであるが、幅が狭く且つ長い半径を有する羽根を備えた風車についても、本発明の２段階の羽根の回転制御を同様に適用することができる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明は、微風から強風に到るまで常に略一定の安定した発電出力が得られる風力発電機を提供するもので、風力発電の分野で利用可能である。

Claims (4)

1. 風車回転軸と、
   該風車回転軸の表面に近接して配置されたカムを備えたカム支持軸と、
   該カム支持軸の上端部に配置され、前記カムの楕円形長辺に対して垂直な方向に配置された回転軸と、
   該回転軸を中心として回転可能に、基部が前記カム支持軸の上端部に接続された羽根と、
   前記カムの外周と接触する可動部を備えた第１バネと、
   前記羽根とアームを介して接続する可動部を備えた第２バネと、を備えた風力発電機。
2. 前記羽根は前記カム支持軸の回りに回転可能であり、且つ前記カムの楕円形長辺が前記風車回転軸と平行な状態で前記羽根が前記回転軸の回りに回転可能である、請求項１記載の風力発電機。
3. 前記羽根は、風力に対応した角度で前記カム軸回りに回転し、一定風力で前記回転軸が前記風車回転軸に対して垂直となり、それ以上の風力で前記羽根が前記回転軸の回りに回転する、請求項１記載の風力発電機。
4. 前記羽根は、風速１０ｍ/ｓ以下で前記カム軸回りに回転し、それ以上の風力で前記羽根が前記回転軸の回りに回転する、請求項３記載の風力発電機。