JP2011027055A - Horizontal wind turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、風車に係り、特に風力発電機に使用され、高速風を受けると、風上を向くと共に、ブレードの回転数を遠心力でコントロールさせて、回転速度を一定に維持させるようにした横軸風車に関する。 The present invention relates to a wind turbine, particularly used in a wind power generator. When receiving a high-speed wind, the wind turbine faces upward and the rotational speed of the blade is controlled by centrifugal force so that the rotational speed is kept constant. It relates to a horizontal axis windmill.
横軸風車を使用した風力発電機におけるブレードのピッチ角は、一般に固定されているが、高速風の時には、風速を電子的に計測し、機械的にブレードのピッチ角度を変えて、ブレードに対する風圧による負荷を軽減させることが、例えば特許文献1に開示されている。
The blade pitch angle in a wind turbine generator using a horizontal axis wind turbine is generally fixed, but in the case of high-speed wind, the wind speed is measured electronically, and the pitch angle of the blade is mechanically changed to reduce the wind pressure against the blade. For example,
前記特許文献1に限らず、風速を計測し、その計測値に基づいてコンピュータ制御により、ブレードのピッチ角度を機械的に変えるようにしたものにおいては、風の向きが急激に変化した際、ブレードの向きが追従できず、風車がその性能を十分に発揮し得ないことがしばしばある。
これは、瞬時の風向変化に、機械的運動が即座に追従できないという構造上の問題によるもので、特に風車が大きければ、機械的なロスは大きく、この点の改善は大きな課題となっている。
本発明は、構造が簡単で、強風時に安全であり、かつ風向きの変化に敏感に反応して、正確な制動作用をすることのできる横軸風車を提供することを目的としている。
In the case where the wind speed is measured and the pitch angle of the blade is mechanically changed by computer control based on the measured value, the blade speed is not limited to the above-mentioned
This is due to a structural problem that mechanical movement cannot immediately follow the instantaneous wind direction change. Especially, if the windmill is large, the mechanical loss is large, and improvement of this point is a big issue. .
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a horizontal axis wind turbine that is simple in structure, safe in strong winds, and sensitive to changes in wind direction and capable of accurate braking action.
本発明の具体的な内容は次の通りである。 The specific contents of the present invention are as follows.
(1) ナセルの内部に、遠心力でブレードの回転数をコントロールする回転数制御機構を設けた横軸風車において、支柱にナセルの前部を旋回可能に支持し、かつナセルの後部外周面に、放射方向を向く複数の方向舵を配設し、強風時に、回転数制御機構によりブレードの回転数を制御させた状態で、方向舵により、ナセルの前部を風上に向けて維持させるようにした横軸風車。 (1) In a horizontal axis wind turbine provided with a rotational speed control mechanism for controlling the rotational speed of the blade by centrifugal force inside the nacelle, the front part of the nacelle is supported by the support so as to be able to turn, and the rear outer peripheral surface of the nacelle is The rudder is arranged in a radial direction, and the front of the nacelle is kept upwind by the rudder in a state where the rotation speed of the blade is controlled by the rotation speed control mechanism in a strong wind. Horizontal axis windmill.
(2) 前記方向舵は、正面視X状となし、左右においてそれぞれの先端部に外側方向へ湾曲する湾曲部が形成されている前記(1)に記載の横軸風車。 (2) The rudder is an abscissa wind turbine according to (1), wherein the rudder has an X shape when viewed from the front, and curved portions that are curved outward are formed at the respective distal ends on the left and right.
(3) 前記方向舵は、前縁の厚さが厚く、後縁にかけて次第に薄く形成されている前記(1)又は(2)に記載の横軸風車。 (3) The horizontal rudder wind turbine according to (1) or (2), wherein the rudder has a thick front edge and is gradually formed thinner toward the rear edge.
(4) 前記方向舵の後縁は、主軸に対して直交し、かつ側面視において基部よりも先端部の幅が広く形成されている前記(1)〜(3)のいずれかに記載の横軸風車。 (4) The horizontal axis according to any one of (1) to (3), wherein the rear edge of the rudder is orthogonal to the main axis and has a width at the tip portion wider than the base portion in a side view. Windmill.
本発明によると次のような効果がある。 The present invention has the following effects.
前記(1)に記載の横軸風車は、ナセルに方向舵が装着されているので、風向きが瞬時に変化しても、方向舵によってナセルも瞬時に方向を追従させて、ナセルの前部を風上に向ける。
強風が吹くときは、主軸の回転に伴い回転数計測機が遠心力による移動量を回転数に変換して、一定以上の回転数になると、回転数制御機構によって自動的にブレードの向きが変って、回転速度は低下する。
その状態で風向きが変ると、方向舵の作用によって、瞬時にナセルの前部が風上方向へ向きを変えるので、ブレードの向きは風流に対して正面を向けない状態を維持し、ブレードが回転しても速度はあがらず、過回転の虞はない。また強風の当るブレードの面積は小さいので、ブレードが強風で破損する虞はない。主軸の回転数が減少すると、回転数制御機構によって自動的にブレードの向きが復元して、元のように回転する。
In the horizontal axis windmill described in (1) above, since the rudder is mounted on the nacelle, even if the wind direction changes instantaneously, the nacelle also instantaneously follows the direction by the rudder, and winds the front part of the nacelle upwind. Turn to.
When a strong wind blows, the rotational speed measuring machine converts the amount of movement by centrifugal force into rotational speed as the main shaft rotates, and when the rotational speed exceeds a certain level, the rotational speed control mechanism automatically changes the direction of the blade. Thus, the rotation speed decreases.
If the wind direction changes in that state, the front of the nacelle changes the direction of the windward in the windward direction instantaneously by the action of the rudder, so that the blade direction is maintained so that it does not face the wind current, and the blade rotates. However, the speed does not increase and there is no risk of over-rotation. Moreover, since the area of the blade hit by the strong wind is small, there is no possibility that the blade is damaged by the strong wind. When the rotational speed of the main shaft decreases, the direction of the blade is automatically restored by the rotational speed control mechanism and rotates as before.
前記(2)に記載の横軸風車は、方向舵がナセルにおいて、正面視X状となっているので、横から当る風流は、上下の方向舵の面積の広い側面に当ることになり、かつ方向舵はナセルの後部に形成されているため、前方の支柱を支点として、ナセルの前部を容易に風上に向けて旋回させることになる。
また、方向舵の各先端部は外側方向へ湾曲した湾曲部が形成されているので、方向舵の側面方向から当る気流は、方向舵の先端部からの拡散が抑制され、舵取り性に優れている。
In the horizontal axis windmill described in (2) above, the rudder has an X shape when viewed from the front in the nacelle. Therefore, the wind flow hit from the side hits the wide side surface of the upper and lower rudder, and the rudder is Since it is formed in the rear part of the nacelle, the front part of the nacelle is easily turned toward the windward with the front support as a fulcrum.
In addition, since each tip portion of the rudder is formed with a curved portion that is curved outward, the airflow hit from the side surface direction of the rudder is suppressed from spreading from the tip portion of the rudder and is excellent in steering performance.
前記(3)に記載の横軸風車は、方向舵の前縁の板厚が厚く、後縁にかけて次第に薄く形成されているので、前方から方向舵に当る気流は、方向舵の表面に沿ってコアンダ効果により高速となって通過するので、後方に位置するブレードに対して障害になりにくい。 The horizontal axis wind turbine described in (3) above has a thick plate at the front edge of the rudder and is formed to become thinner gradually toward the rear edge. Since it passes at a high speed, it is less likely to become an obstacle to the blade located behind.
前記(4)に記載の横軸風車は、方向舵の後縁は主軸に対して直交し、かつ側面視において、基部よりも先端部の幅が広く形成されているので、斜め横からの気流にも、よく反応して向きを変えさせることができる。 In the horizontal axis wind turbine described in the above (4), the rear edge of the rudder is orthogonal to the main axis, and in the side view, the tip portion is wider than the base portion. Can react and change direction.
本発明の実施例を図面を参照して説明する。横軸風車1における支柱2の上端部に、ナセル3の前端部が旋回可能に配設されている。ナセル3の後端部から突出する主軸4には、可変ピッチプロペラ5が装着されている。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. A front end portion of the
可変ピッチプロペラ5は、ハブ6の外側面に、放射方向を向いて複数(図では4枚)のブレード7の基部が、取付けピッチを変向可能に装着されているものである。
The
ナセル3の内部には、主軸4と連結された発電装置8が配設されている。また回転数計測機9A、その計測値により、可変ピッチプロペラ5のブレード6の向きを変向させる、コンピュータ9Dを含む回転数制御機構9が内蔵されている。
Inside the
これら可変ピッチプロペラ5の、ブレード7の向きを変える回転数制御機構9は、公知のどのような物でもよいが、その一例を図3に示す。
図3において、ナセル3内の軸受10の外周に、笠歯車11が回転可能に配設されている。笠歯車11の前側には、平歯車12が固定されている。
The rotation speed control mechanism 9 for changing the direction of the
In FIG. 3, a bevel gear 11 is rotatably disposed on the outer periphery of the
ハブ6に回転可能に支持されたブレード7の基端部に、笠歯車13が固定され、前記笠歯車11と噛合されている。
回転数計測機9Aは、主軸4の回転に伴う遠心力により摺動体9Bが遠心方へ移動すると、近接センサ9Cにより移動量が検知され、回転数に変換される。
A
In the rotational
近接センサ9Cにより、あらかじめ設定してある一定以上の回転数が計測されると、コンピュータ9Dにより、サーボモータ9Eが制御されて、伝動歯車9Fが後退し、軸受10上の平歯車12と噛合すると共に、回転する。
When the proximity sensor 9C measures a predetermined number of revolutions or more, the
これによって、笠歯車11を介して各ブレード7の基端部の笠歯車13が1度〜45度回転する。これによって、正面を向いているブレード7は、横を向くことになり、正面に強風を受けることがないので、回転速度は低下する。
As a result, the
回転数は、摺動体9Bの移動量によって計測され、風速が低下してブレード7の回転数が低下すると、遠心力も弱まるので摺動体9Bは元の位置へ戻る。これによって、常にブレード7の回転数は遠心力計測によりコントロールされる。
The rotational speed is measured by the amount of movement of the sliding body 9B. When the wind speed decreases and the rotational speed of the
図1,図2において、ナセル3の外周面の後部には、放射方向を向く複数の方向舵14が装着されている。方向舵14は、側面視で後縁は垂直であり、その前縁は径方向の外回りへ行くほど、前向きに傾斜して、基部の幅より先端の幅が長く形成されている。
1 and 2, a plurality of
方向舵14の断面形は、図4に示すように、前部の板厚は厚く、後端へかけて次第に薄く形成されている。また図2に示すように、方向舵14の先端部14Aは、それぞれ外側方へ湾曲している。
As shown in FIG. 4, the cross-sectional shape of the
図1においてA矢示気流がブレード7に当ると、気流は翼端方向へ拡散されるが、翼端部の湾曲部7Aによって拡散が抑制され、弦長の広い翼端部に多量の気流があたり、回転力は高まる。
In FIG. 1, when the airflow indicated by the arrow A hits the
風向きが変って、図2におけるB矢示の側方気流が方向舵14にあたると、ナセル3は、前部が支柱2で支持されているため、図2においてブレード7は支柱2を支点として左方へ旋回する。また、ブレード7に、反対方向のC矢示気流があたると、ブレード7は支柱2を支点として右方へ旋回する。
When the wind direction changes and the side airflow indicated by the arrow B in FIG. 2 hits the
このようにして、風向きが変化しても、常にブレード7の正面は風上を向くこととなる。台風時の強風のときも、ブレード7の正面に強風があたり、ブレード7は高速回転をすることになる。
In this way, even if the wind direction changes, the front surface of the
台風のような強風が吹いた時、図3に示す回転数計測機9Aの摺動体9Bが、主軸4の回転に伴う遠心力で移動して、センサ9Cによって移動量が計測され回転数に変換される。
When a strong wind such as a typhoon blows, the sliding body 9B of the rotational
一定の回転数以上のとき、コンピュータ9Dによりサーボモータ9Eが制御されて、平歯車9Fは後退し、軸受10上の平歯車12と噛合して回転することによって、ブレード7の向きを横方向へ旋回させて、伝動歯車9Fは元の位置にもどる。
When the rotational speed exceeds a certain value, the
これによって、ナセル3の前部は風上を向いているが、ナセル3後部のブレード7は、その正面を横向きにしているので、回転速度は低下する。その強風の向きが変っても、方向舵14によって、ナセル3は瞬時に前部を風上に向けるので、ブレード7の正面は風流に対して横向きになったままであり、過回転することはない。
As a result, the front part of the
すなわち、従来の風車では、強風に伴い、コンピュータ制御によりブレード7の向きを変えることができるが、風向きは一瞬にして変るので、その変化した風向きにコンピュータ制御が追従することができず、しかも回転しないブレード7の正面に強風を受けることになり、ブレード7の破損や、支柱の破損などが生じやすいが、本発明では、風向きの変化に対して、瞬時にナセル3の前部が風上を向くので、破損の虞れが小さい。
That is, in the conventional windmill, the direction of the
風速が低下すると主軸4の回転数が減少し、摺動体9Bが後退するので、そのことをセンサ9Cが検知し、コンピュータ9Dの制御によって伝動歯車9Eは逆回転し、ブレード7の向きを元の位置に復元する。
同時に、伝動歯車9Eが前進して、軸受10上の平歯車12から噛合が解かれるので、ブレード7は風力により回転し、発電装置8により発電される。
When the wind speed decreases, the rotational speed of the
At the same time, the transmission gear 9 </ b> E moves forward and is disengaged from the
ブレード7は、図2に示すように、翼根の弦長よりも翼端の弦長が広く形成され、最大弦長部7Bを境にして、先端をナセル3の方へ湾曲させて湾曲部7Aが形成されている。また図5に示すようにブレード7全体の前縁7Cの翼厚を厚く、後縁7Dへかけて次第に薄く形成してある。湾曲部7Aにおいても同様である。
As shown in FIG. 2, the
またブレード7の前面における後縁7Dは、背面方向へ傾斜している。そのためブレード7が図5に示すA矢示気流を受けると、後縁7D方向へ移動する気流の反作用として、前縁7CはB矢示方向へ押される。
Further, the
ブレード7が回転すると、ブレード7に当る相対流はコアンダ効果により、ブレード7の前縁7C部においては負圧となり、後縁7D域では高圧となる。そのためブレード7は気圧の差によって前方向へ押出されて、回転効率がたかまる。
When the
このような回転効率のよいブレード7も、図6に示すように、A矢示方向の気流に対して横向きになると回転しにくい。また回転しても、高速回転をすることはない。
As shown in FIG. 6, such a
しかし、方向舵14は、低風速の時も風向きに敏感に追従して、ブレード7の正面を風上に向けるので、ブレード7は常に気流と正対して高い回転効率を示し、発電効果は高められる。
However, since the
1.横軸風車
2.支柱
3.ナセル
4.主軸
5.可変ピッチプロペラ
6.ハブ
7.ブレード
7A.湾曲部
8.発電装置
9.回転数制御機構
9A.回転数計測機
9B.摺動体
9C.近接センサ
9D.コンピュータ
9E.サーボモータ
9F.伝動歯車
10.軸受
11.伝動歯車
12.平歯車
13.笠歯車
14.方向舵
14A.湾曲部
1. Horizontal axis windmill2.
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---|---|---|---|
JP2009175097A JP2011027055A (en) | 2009-07-28 | 2009-07-28 | Horizontal wind turbine |
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