JP2011247224A

JP2011247224A - 風力発電装置

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Publication number: JP2011247224A
Application number: JP2010123759A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Misawa; 良輔三澤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2030-05-31
Also published as: JP5207412B2

Abstract

【課題】発電効率が高く、かつ低コストで製造できると共に、強風に耐えられる強度を有する風力発電装置を提供する。
【解決手段】風圧を受ける風受け板２を回転可能に支持する風受けユニット３と、風受けユニット３を移動可能に支持するフレーム４と、発電機５と、風圧を受けた風受け板２を支持する風受けユニット３がフレーム４の始端から終端を移動するときの運動を発電機５に伝達する発電伝達機構６と、風受け板２を風受けユニット３のフレーム４の始端から終端へ移動する方向とほぼ直交方向及び平行方向に交互に回転させると共に、風受け板２をこれらの直交方向と平行方向にそれぞれ固定する風受け板固定回転機構７と、風受けユニット３をフレーム４の終端から始端まで移動させる戻し機構８とを有する風力発電装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、風圧を電気エネルギーに変換する風力発電装置に関するものである。

従来の風力発電装置は、風を受けて回転するプロペラ等の回転軸に発電機を接続し、風圧を電気エネルギーに変換するものが一般的である。大きいものでは、ローターの直径が７８メーターで、４０００ＫＷの発電能力を有するものがある。
また、下記特許文献１で示されるように、エンドレスチェーンに支持された風受け板が開いた状態で風を受けて後方に移動し、前方に戻るときに風受け板が折り畳まれる構造の風力発電装置も提案されている。
米国特許第５１３４３０５号公報

しかしながら、プロペラ等を用いる風力発電装置は、強風に耐えられる強い支軸とプロペラ自身の強度を強くする必要から、装置が大がかりになり、コストを要すると共に、プロペラの重量のために微風ではプロペラが回転せず、発電効率が良くないという問題点を有する。
また、特許文献１で示された風力発電装置は、風受け板が中央下部でエンドレスチェーンに１本の支柱によって支持されているだけであるので、強風のときに破損するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、発電効率が高く、かつ低コストで製造できると共に、強風に耐えられる強度を有する風力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の風力発電装置は、風圧を受ける風受け板を回転可能に支持する風受けユニットと、前記風受けユニットを移動可能に支持するフレームと、発電機と、風圧を受けた前記風受け板を支持する風受けユニットが前記フレームの始端から終端へ移動するときの運動を前記発電機に伝達する発電伝達機構と、前記風受け板を前記風受けユニットの前記フレームの始端から終端へ移動する方向とほぼ直交方向と平行方向とに交互に回転させると共に、これらの直交方向と平行方向にそれぞれ固定する風受け板固定回転機構と、前記風受けユニットを前記フレームの終端から始端まで移動させる戻し機構とを有することを特徴とする。

本発明の風力発電装置の発電機構は、フレームが、風圧を受ける風受け板を回転可能に支持する風受けユニットを移動可能に支持しており、この移動方向と直交する方向に風受け板が風受け板固定回転機構によって固定されると、風受けユニットは風受け板が風圧を受けてフレームの始端から終端まで後退し、その間に発電伝達機構によって風受けユニットの運動が発電機に伝達され、発電される。また、フレームの終端に達した風受けユニットの風受け板は風受け板固定回転機構によって風圧を受けない移動方向とほぼ平行方向へ回転された後、風受けユニットが戻し機構によってフレームの終端から始端まで戻され、風受け板は風受け板固定回転機構によって移動方向と直交する方向へ回転される。これによって、風受け板は風圧を受け、風受けユニットはフレームを始端から終端に向かって後退する。

このような動作をさせることにより、本発明の風力発電装置は、風受け板がフレームを往復運動し、風圧を受けて後退する間に運動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

本発明の風力発電装置は、風受け板が面で風圧を受けて移動するときの運動エネルギーを利用しているため、発電効率が高い。また、風受け板を組み込んだ風受けユニットがフレームを移動する構造であり、フレームは製缶によって製造することができるため、低コストで製造できると共に、丈夫であり、強風に耐えることができる。

また、本発明の風力発電装置は、前記構造に加えて、前記フレームを回転自在に支持するリング状のレールと、風の向きを検出する風向計と、前記風向計で検出された風の向きに前記フレームを向けるように前記フレームを前記レール上で回転させるフレーム方向変換機構とを有する。

これによって、風受け板の移動方向と直交する方向、即ち風受け板が常に風と向き合うようにフレームの向きを調節することができる。

また、本発明の風力発電装置は、前記構造に加えて、前記フレームの中心近傍に、前記リング状のレールの中心と一致する中心回転軸を備え、前記フレームが前記中心回転軸を中心として回転可能である。

これによって、フレームは中心回転軸を中心としてレール上を回転することができる。

本発明の風力発電装置は、発電効率が高く、かつ低コストで製造できると共に、強風に耐えられる強度を有する。

本発明の風力発電装置の一実施形態の全体を示す平面図である。本発明の風力発電装置の一実施形態の全体を示す正面図である。本発明の風力発電装置の一実施形態の風受けユニットを示す正面図である。本発明の風力発電装置の一実施形態の風受けユニットの上部構造を示す平面である。本発明の風力発電装置の一実施形態の風受けユニットの上部構造を示す側面図である。本発明の風力発電装置の一実施形態のフレームの後端部の側面図であり、発電伝達機構の一部と発電機を示す。本発明の風力発電装置の一実施形態のフレームの後端部の一部正面図であり、発電伝達機構の一部を示す。

以下、本発明の風力発電装置の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
図１〜図７に示す本発明の風力発電装置の一実施形態について、これらの図面を参照しながら説明する。本発明の風力発電装置は、風受け板を回転自在に支持する風受けユニットがフレームを往復運動することに特徴がある。

本実施形態の風力発電装置１は、風圧を受ける風受け板２を回転可能に支持する風受けユニット３と、風受けユニット３を移動可能に支持するフレーム４と、発電機５と、風圧を受けた風受け板２を支持する風受けユニット３がフレーム４の始端から終端を移動するときの運動を発電機５に伝達する発電伝達機構６と、風受け板２を風受けユニット３のフレーム４の始端から終端へ移動する方向とほぼ直交方向及び平行方向に交互に回転させると共に、風受け板２をこれらの直交方向と平行方向にそれぞれ固定する風受け板固定回転機構７と、風受けユニット３をフレーム４の終端から始端まで移動させる戻し機構８とを有する。

風受けユニット３が移動するフレーム４は、図１及び図２に示すように、細長い直方体の４つの長辺が例えばＨ型鋼、断面がＬ字型の山型鋼、溝型鋼等の形鋼や鋼管で構成され、それぞれの長辺を構成する鋼材間を接続する梁や筋交いが設けられている。フレームの４つの長辺を構成する鋼材に風受けユニット３の後述する車輪が乗る溝型鋼のレール４１（図５参照）が配置されている。図１及び図２に示すフレーム４の左側が前端部であり、右側の発電機５が設置されている方が後端部とする。

次に、主に図３〜図５を参照して、風受けユニット３について説明する。風受けユニット３は、扁平で水平方向に長い直方体の各辺をＨ型鋼、断面Ｌ字型の山型鋼、溝型鋼等の鋼材が構成し、それらの鋼材を補強する鋼材で組み立てられた走行フレーム３１を有する。走行フレーム３１の上下の両端部の４箇所に、例えばウレタンゴム等のエラストマー製の車輪３２が回転自由に取り付けられており、走行フレーム３はフレーム４に設けられたレール４１（図５参照）の上を図３の正面と直交する方向に車輪３２を介して走行（移動）可能である。風受け板２は走行フレーム３１の中に収まる矩形状の鋼板製であり、長辺中央を通る垂直回転軸２１が設けられ、走行フレーム３１に垂直回転軸２１を中心として回転可能に支持されている。

本実施形態の風力発電装置１は、図１及び図２に示すように、フレーム方向変換機構９を備えている。フレーム４の平面中心にはフレーム方向変換機構９を構成する中心回転軸９１が設けられ、中心回転軸９１は架台９２によって支えられており、フレーム４は中心回転軸９を中心として回転可能になっている。また、中心回転軸９１を中心とする円周上に配置された複数（本実施形態では８本）本の支柱９３の上に掛け渡されたリング状のレール９４を備えている。リング状のレール９４の中心は、中心回転軸９１の中心と一致する。フレーム４の前方と後方のそれぞれの下部にフレーム４の両方の側方へ突き出るようにアーム９５が配置され、そのアーム９５の４箇所の先端部分に車輪９６を回転させる防水・ブレーキ・減速機付電動機９７が取り付けられ、車輪９６はレール９４の上を走行することができるようになっており、フレーム４の重量は車輪９６を介して主にレール９４によって支えられている。中心回転軸９１と架台９２は、フレーム４の重量を支える構造ではなく、主にフレーム４の横揺れを防止するものである。

電動機９７を駆動させることによって、車輪９６が回転してレール９４上を走行し、中心回転軸９１を中心にしてフレーム４を時計方向及び反時計方向へ回転させることができる。また、フレーム４の上端には、風の向きを検出する風向計９８が取り付けられている。風向計９８は風の方向の急激な変動によって向きが極端に変化することを防止するため、例えば図示しないダンパーが設けられている。

フレーム方向変換機構９は、風向計９８で電気的に検出された風の向きの信号によって電動機９７が駆動され、車輪９６が回転してレール９４上を走行し、これによってフレーム４が中心回転軸９１を中心にして風の向きに応じて時計方向又は反時計方向へ回転し、フレーム４の長手方向を常に風に向かって向けるようになっている。

走行フレーム３１には、風受け板固定回転機構７が設置されている。図４及び図５を参照すると、油圧ポンプを含む油圧ユニット７１、油圧ユニット７１に接続されたアキュームレーター７２、アキュームレーター７２と接続された油圧シリンダー７３が設けられ、油圧シリンダー７３は風受け板２の回転軸２１と固定されているアーム７４と連結されている。油圧ユニット７１が作動すると、アキュームレーター７２を介して油圧シリンダー７３が伸縮し、アーム７４を介して、風受け板２を走行フレーム３１の走行方向に対して直交する方向（風圧を受ける方向、フレーム４の長手方向と直交方向と同義）から走行フレーム３１の走行方向に対して平行な方向（風圧を避ける方向、図４の二点鎖線で示した方向、フレーム４の長手方向と平行方向と同義）に回転させて固定することができると共に、風受け板２を走行フレーム３１の走行方向に対して平行な方向（風圧を避ける方向）から走行方向に対して直交する方向（風圧を受ける方向）に回転させて固定することができるようになっている。

次に、図６及び図７を参照しながら発電伝達機構６について説明する。本実施形態の風力発電装置の発電伝達機構６は、風力を受けた風受け板２を組み込んだ風受けユニット３がフレーム４の始端から終端への走行するときの運動エネルギーを発電機５に伝達するためのものである。走行フレーム３１の上側の車輪３２近傍に両末端が固定された上側伝達チェーン６１がフレーム４の長手方向の両端面のそれぞれの上側に固定されている一対の一方向クラッチ付スプロケット６２間に掛け渡され、走行フレーム３１の移動に伴って上側伝達チェーン６１がこれらの一対の一方向クラッチ付スプロケット６２間を動く。同様に、走行フレーム３１の下側の車輪３２近傍に両末端が固定された下側伝達チェーン６３がフレーム４の長手方向の両端面のそれぞれの下側に固定されている一対の一方向クラッチ付スプロケット６２間に掛け渡されている。フレーム４後端の上下方向中央部には２つのフライホイール６４が取り付けられている棒状回転軸６５が水平方向に回転可能に取り付けられ、棒状回転軸６５の両末端には第１平歯車６６が固定され、この第１平歯車６６と噛み合う第２平歯車６７がフレーム４に取り付けられ、第１平歯車６６と下側の一方向クラッチ付スプロケット６２との間に第１ローラーチェーン６８が掛け渡され、第２平歯車６７と上側の一方向クラッチ付スプロケット６２との間に第２ローラーチェーン６９が掛け渡されて、それぞれ無限軌道を構成している。棒状回転軸６５には発電機５の回転軸の先端に固定されているスプロケット５１とローラーチェーン５２が無限軌道として掛け渡されているスプロケット５３が固定されている。

一方向クラッチ付スプロケット６２は、走行フレーム３１が後方に向かって走行しているときには上側伝達チェーン６１と下側伝達チェーン６３を介して回転し、その回転を第１平歯車６６と第２平歯車６７に伝達し、走行フレーム３１が前方に向かって戻るときには、上側伝達チェーン６１と下側伝達チェーン６３が動いても空転して第１平歯車６６と第２平歯車６７は回転しないようになっている。

次に、戻し機構８について図１及び図４を参照して説明する。戻し機構８は、フレーム４の前端側の始端から後端側の終端に達した風受けユニット３を始端まで戻すもので、フレーム４の前端と後端との間に、フレーム４の４つの長辺を構成するそれぞれの鋼材とそれぞれ平行に４本の戻り用ローラーチェーン８１が掛け渡されている。一方、図４に示すように、走行フレーム３１の長辺を構成する鋼材と平行でこれらの長辺の中間に同調軸８２が回転可能に走行フレーム３１に支持されている。同調軸８２の両端部にはそれぞれ戻り用駆動スプロケット８３が固定されており、走行フレーム３１の一端側に設けられている油圧モータ８４の駆動軸に固定されたスプロケットと対をなすスプロケットが同調軸に固定され、これらのスプロケット間にはローラーチェーンが掛け渡されて、無限軌道を構成している。また、一方の戻り用駆動スプロケット８３のやや下方の左右に１対のスプロケット８７が配置されており、戻り用ローラーチェーン８１が戻り用駆動スプロケット８３の上側と左右のスプロケット８７の下側に掛け渡されて逆Ｕ字状に屈曲しながら戻り用駆動スプロケット８３と噛み合っている。このように戻り用ローラーチェーン８１を屈曲させることによって、戻り用ローラーチェーン８１と戻り用駆動スプロケット８３の噛み合いを確実にしている。

駆動モータ８４の駆動によって、同調軸８２が回転し、同調軸８２の両端に固定されている戻り用駆動スプロケット８３が駆動され、戻り用ローラーチェーン８１と戻り用駆動スプロケット８３の噛み合いで風受けユニット３はフレーム４の終端から始端まで戻される。

風受けユニット３のフレーム４における位置に対する風受け板固定回転機構７と戻し機構８の動作について説明する。風受けユニット３がフレーム４後端部の終端に達すると、フレーム４の終端には図示しない緩衝器が設けられ、風受けユニット３は終端で緩衝器によって滑らかに停止する。フレーム４の終端には風受けユニット３の位置を検出する図示しないリミットスイッチ等の位置検出装置が設けられており、風受けユニット３が終端に達したことを位置検出装置が検出すると、風受け板固定回転機構７の油圧ユニット７１が作動し、風受けユニット３の移動方向と直交する方向、即ち、風向きと直交する方向に配置されていた風受け板２を風向きと平行方向に回転軸２１を介して回転させ、停止して保持する（図４の２点鎖線で示した風受け板２）。風受け板２の回転が停止した後、戻し機構８が風受けユニット３をフレーム４の始端まで戻す。フレーム４の始端にも緩衝器と風受けユニット３の位置を検出するリミットスイッチ等の位置検出装置が設けられている。風受けユニット３が始端に達すると、緩衝器の作用で停止し、位置検出装置が風受けユニット３が始端に達したことを検知すると、その信号によって風受け板固定回転機構７の油圧ユニット７１が作動し、風向きと直交する方向に回転させ、停止して保持する。これによって、風受け板２が風圧を受けて風受けユニット３が後退を開始する。

本発明の風力発電装置の一実施形態の全体の動作を説明する。フレーム４の向きは、フレーム方向変換機構９によって、風の向きを検出し、風の向きと平行になる方向、即ち、風受け板２が風圧を最大に受ける方向へ常に向くように調整される。始めに、フレーム４の前端側の始端に存する風受け板２は、風の向きと直交する方向に向けられ、風圧（図１の右方向を向いた白抜き矢印）を最大に受けて後退力が生じる。これによって、風受け板２が組み込まれた風受けユニット３はフレーム４内を後端側へ走行する。このとき、風受けユニット３の運動エネルギーが発電伝達機構６によって発電機５に伝達され、発電機５によって電気エネルギーに変換される。フレーム４の後端部の終端に達して停止した走行フレームの風受け板２が風受け板固定回転機構７によってフレーム４の長手方向と平行の方向、即ち風圧を避ける方向へ回転され維持されると共に、戻し機構８によって風受けユニット３はフレーム４の前端部の始端へ戻される。始端に戻されて停止した風受けユニット３の風受け板２は風受け板固定回転機構７によってフレーム４の長手方向と直交する方向、即ち、風受け板２が風圧を最大に受ける方向へ回転されて維持される。そして、再び、風受け板２が風圧を受けて風受けユニット３が後退を開始する。

このように、本発明の風力発電装置は、風受け板２がフレーム４内を往復運動し、風圧を受ける方向に維持されたまま後退し、戻されるときに風圧を避ける方向へ回転されるものである。

本実施形態の風力発電装置は、フレームや風受け板などのほとんどが製缶加工で作製できるため、制作費が低廉である。また、プロペラ式と異なって風圧を風受け板が面で受ける構造となっているので、微風でも作動し、エネルギー変換効率が高い。強風下では、プロペラ式ではブレーキ機構やプロペラを固定する機構が採用されるが、本実施形態の風力発電装置では、強風下でも破損する部品がないため、特に強風対策の機構が無く、強風下でも発電が可能であり、この点でも発電効率が高い。また、装置全体の高さを抑制できるため、プロペラ式のように転倒することがない。

４０ｋｗの定格出力（風速１５ｍ／ｓ）の場合、例えば、フレームの長さは約２０メートル、全体の高さは約５．５メーター、風受け板の大きさは、横３．５メーター高さ２．５メーターで、全体の重量は約５〜１０トンである。

本発明の風力発電装置は、全体が扁平な構造とすることができるため、例えば、積み重ねて、風力発電タワーとして設置することができる。

上記説明では、風受け板は中央にある垂直軸を中心にして回転するように記載しているが、風圧を避ける方向に回転させられれば、どのような軸を回転軸としても差し支えない。また、フレーム後端に配置されている発電装置と走行フレームを発電伝達機構を介して接続していたが、発電装置を走行フレームに設置し、フレーム上に設置した凹凸をスプロケットを介して発電機の回転軸を回転させる発電伝達機構を採用するようにしても良い。

本発明の風力発電装置は、風力を電気エネルギーに変換して電力を供給することができる。

１：風力発電装置
２：風受け板
３：風受けユニット
４：フレーム
５：発電機
６：発電伝達機構
７：風受け板固定回転機構
８：戻し機構
９：フレーム方向変換機構

Claims

風圧を受ける風受け板を回転可能に支持する風受けユニットと、前記風受けユニットを移動可能に支持するフレームと、発電機と、風圧を受けた前記風受け板を支持する風受けユニットが前記フレームの始端から終端を移動するときの運動を前記発電機に伝達する発電伝達機構と、前記風受け板を前記風受けユニットの前記フレームの始端から終端へ移動する方向とほぼ直交方向及び平行方向に交互に回転させると共に、前記風受け板をこれらの直交方向と平行方向にそれぞれ固定する風受け板固定回転機構と、前記風受けユニットを前記フレームの終端から始端まで移動させる戻し機構８とを有することを特徴とする風力発電装置。
前記フレームを回転自在に支持するリング状のレールと、風の向きを検出する風向計と、前記風向計で検出された風の向きに前記フレームを向けるように前記フレームを前記レール上で回転させるフレーム方向変換機構とを有することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
前記フレームの中心近傍に、前記リング状のレールの中心と一致する中心回転軸を備え、前記フレームが前記中心回転軸を中心として回転可能であることを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。