JP2011252409A

JP2011252409A - 風力発電装置

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Publication number: JP2011252409A
Application number: JP2010125350A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Nomoto; 一喜野元; Kazuomi Nomoto; 一臣野元; Manabu Yagi; 学屋宜
Original assignee: Birumen Kagoshima Co Ltd
Current assignee: Birumen Kagoshima Co Ltd
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-05-31
Also published as: JP4749497B1

Abstract

【課題】風力発電における不安定な発電出力をより安定化させることが可能な風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力を受けて所定の回転軸２の周りを一定回転方向に回転する風車３を備える風力発電装置１において、回転軸２と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータ４を有して回転軸２の回転に伴う該ロータ４の回転により電力を生成する第１の発電機５と、回転軸２と同軸をなし、かつ回転軸２の一定回転方向において、回転軸２が増速している場合には該回転軸２と一体回転状態となって自身も増速回転し、回転軸２が減速している場合には該回転軸２から切り離されて慣性回転するようにワンウェイクラッチ６を介して配置されるフライホイール７と、フライホイール７と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータ８を有してフライホイール７の回転に伴う該ロータ８の回転により電力を生成する、第１の発電機５とは異なる第２の発電機９と、それら双方の発電機５，９により生成された電力を合わせて外部出力する出力部（出力手段）１０を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

近年、地球環境の保全のため、再生可能エネルギーを用いた発電方法として、二酸化炭素などの温室効果ガスを排出しない風力発電に注目が集まっている（例えば特許文献１等）。

特開２００４−２３９１１３号公報

ところが、風力発電は、風速の変動に伴い発電出力が変動するため、安定しないという課題がある。

本発明の課題は、風力発電における不安定な発電出力をより安定化させることが可能な風力発電装置を提供することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するために、本発明の風力発電装置は、
風力を受けて所定の回転軸周りを一定回転方向に回転する風車と、
前記回転軸と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータを有し、前記回転軸の回転に伴う該ロータの回転により電力を生成する第１の発電手段と、
前記回転軸と同軸をなし、かつ前記一定回転方向において、前記回転軸が増速している場合には該回転軸と一体回転状態となって自身も増速回転し、前記回転軸が減速している場合には該回転軸から切り離されて慣性回転するように１方向クラッチを介して配置されるフライホイールと、
前記フライホイールと同軸をなして一体回転するよう配置されたロータを有し、前記フライホイールの回転に伴う該ロータの回転により電力を生成する、前記第１の発電手段とは異なる第２の発電手段と、
前記第１の発電手段と前記第２の発電手段により生成された双方の電力入力を受け、それらを合わせて外部出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする。

上記本発明の構成によれば、第１の発電手段によって発電される電力は、風車が受ける風力に応じて大きく変動するが、第２の発電手段によって発電される電力は、フライホイールに蓄積された安定的な回転エネルギーに基づいて生成されるものであるから出力が安定しており、これら第１の発電手段と第２の発電手段による双方の発電電力が重畳された形で出力されることにより、第１の発電手段による発電電力の不安定さは緩和され、全体として比較的安定な発電出力を得ることができる。

また、風車の減速時には、フライホイールと風車の回転軸が切り離されるため、フライホイールは慣性回転状態となる。つまり、フライホイール側の減速要素が大幅に減じられるため、より長時間の回転継続が可能となり、その間、第２の発電手段からは、経時的になだらかな減衰は生じるものの安定した発電出力を得ることができる。

また、風車の増速時には、風車の回転軸とフライホイールとが一体回転状態となってフライホイールに回転エネルギーが蓄積されるので、その後、風車が減速したとしても、増速時に蓄積された回転エネルギーによって第２の発電手段からは安定した発電出力を、蓄積した分だけ長く継続的に得続けることができる。また、風車の増速時には、第１の発電手段と第２の発電手段による２段発電状態となって発電出力は増すが、より重量のあるフライホイールが回転抵抗となる形で風車に極端な増速（加速）が生じて全体の発電出力が極端に増すことは無く、２段発電状態になったとしても、全体の発電出力を比較的安定した状態に保つことができる。

本発明の一実施形態である風力発電装置を簡略的に示す外観図。図１の風力発電装置の電気的構成を簡略的に示すブロック図。図１の風力発電装置の出力部の電気的構成を簡略的に示すブロック図。図１の風力発電装置における風車部分を簡略的に示す拡大断面図。図１の風力発電装置におけるナセル部分の拡大断面図。図１の風力発電装置における発電ケース体内部を拡大した拡大断面図。図１の風力発電装置のステータの斜視図。図７のステータの正面図及び部分断面図。図１の風力発電装置のステータと磁性部材の位置関係を示す斜視図。図９のステータ及び磁性部材の正面図及び部分断面図。

以下、本発明の風力発電装置の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態である風力発電装置の構成を概略的に示す概略図である。また、図２は、図１の風力発電装置の構成を簡略的に示すブロック図である。図１及び図２に示す本実施形態の風力発電装置１は、所定の受風方向２ｗからの風力を受けて所定の回転軸線２ｘの周りを一定回転方向に回転する風車３と、風車３の回転軸２と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータ４を有して回転軸２の回転に伴う該ロータ４の回転により電力を生成する第１の発電機（発電手段）５と、回転軸２と同軸をなし、かつ上記一定回転方向において、回転軸２が増速している場合には該回転軸２と一体回転状態となって自身も増速回転し、回転軸２が減速している場合には該回転軸２から切り離されて慣性回転するように１方向クラッチ（ワンウェイクラッチ）６を介して配置されるフライホイール７と、フライホイール７と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータ８を有してフライホイール７の回転に伴う該ロータ８の回転により電力を生成する、第１の発電機５とは異なる第２の発電機（発電手段）９と、を備えて構成される。

さらに、本実施形態の風力発電装置１は、第１の発電機５と第２の発電機９により生成された双方の電力入力を受け、それらを合わせて外部出力する出力部（出力手段）１０を備えて構成される。つまり、第１の発電機５及び第２の発電機９の発電電力の出力ラインを、外部出力に至るまでの間で接続し、１系統で外部出力する形で構成される。

出力部１０は、例えば図３（ａ）に示すように、第１の発電機５と第２の発電機９により生成された双方の三相の交流電力を、それぞれ整流器１２に入力した上で、昇圧コントローラ１１に入力して所定の電圧で出力し、さらにそれをパワーコンディショナ１５にて入力して、入力された直流の電力を系統電力に変換し、出力するように構成できる。これにより、第１の発電機５と第２の発電機９により生成された双方の電力を合わせて外部の電源系統１９Ａに供給することができ、例えば売電等が可能となる。また、パワーコンディショナ１５にて、家庭内で使える交流電力に変換して出力してもよい。また、出力部１０は、図３（ｂ）に示すように、第１の発電機５と第２の発電機９により生成された双方をそれぞれ、整流器１２に入力した上で、昇圧コントローラ１３に入力し、所定電圧とされた直流の電力をバッテリー（蓄電手段）１９Ｂに供給して蓄電させてもよい。また、バッテリー（蓄電手段）１９Ｂに蓄電された電力を、パワーコンディショナ１５を介して外部の電源系統１９Ａに供給するようにしてもよい。

本実施形態の風車３は、受風方向２ｗが回転軸２の軸線２ｘの延出方向（以下、軸線方向という）と一致しており、該受風方向２ｗから風力を受けることで一定方向に回転するよう複数のブレード３０を有する。各ブレード３０はハブ２２を介して回転軸２と連結（接続）する。

図４は、本実施形態の風力発電装置１の風車部分の拡大断面図である。ただし、ナセル２１の内部構造については簡略化して示している。風車３は、回転軸２の軸線方向に同軸をなす形で筒状に延出する筒状風洞部（ダクト）３１の内側に配置される。筒状風洞部３１は、風車３の受風方向２ｗの上流側から下流側に向けて開口面積が減少していく形で形成される。具体的にいえば、筒状風洞部３１は、受風方向２ｗの上流側の環状端部３１Ａから下流側の環状端部３１Ｂまでの間の区間において、ラジアル方向内向きに膨出した湾曲形状をなす。この筒状風洞部３１において取り込まれた風は、圧縮された形で下流に供給され、下流側のブレードがこれを受けることになるので、風車３が得る回転力を増すことができる。

筒状風洞部３１は、その内周面に、ナセル２１の外周面２１０から外向きに放射状に延出する複数の支持部材（ＦＲＰ）３２が固定されており、ナセル２１と共に回転軸２に対し非回転に設けられている。

ナセル２１は、第１の発電機５とフライホイール７と第２の発電機９、さらに回転軸２を内部に収容する。図４及び図５に示すように、ナセル２１の外表面２１Ａは、少なくとも回転軸２の軸線２ｘ上の、受風方向２ｗの上流側に頂点部２１ａを有する湾曲面として形成される。具体的にいえば、その外表面２１Ａは、回転軸２の軸線方向の周りに回転させても面形状が変化しない回転対称面をなし、ここでは流線型をなす。他方、ナセル２１の受風方向２ｗの下流側には、風車３に対し一体回転するようその回転軸２に固定されるハブ２２が設けられ、その外表面２２Ａは、ナセル２１の外表面２１Ａをなす湾曲面から受風方向２ｗに滑らかに続く湾曲面をなし、かつ回転軸２の軸線２ｘ上の受風方向２ｗの上流側に頂点部２２ａを有する湾曲面をなす。具体的にいえば、その外表面２１Ａは、回転軸２の軸線方向の周りに回転させても面形状が変化しない回転対称面をなしており、ナセル２１の外表面２１Ａから続く流線型をなしている。ここでのナセル２１とハブ２２の外表面２１Ａ，２２Ａは、それら全体で球体表面を形成しており、その球体表面２１Ａ，２２Ａは、上流側の頂点部２１ａが下流側の頂点部２２ａよりも曲率半径が大とされた卵状をなしている。

なお、ナセル２１は、少なくとも一部が筒状風洞部３１の内側に位置し、残りが筒状風洞部３１の外側に突出する。本実施形態のナセル２１は、その頂点部２１ａが風車３の受風側（受風方向２ｗの上流側）に筒状風洞部３１の内部から突出する形で配置される。また、ナセル２１の受風方向２ｗの下流側には、各ブレード３０と回転軸２を接続するハブ２２が設けられる。つまり、ブレード３０は、受風方向２ｗにおいてナセル２１よりも下流側に設けられており、下流側のブレード３０で得た回転力が、回転軸２を介して受風方向２ｗの上流側に位置する発電機５，９側へと伝達される。ハブ２２は、円盤状をなしてその中心部が回転軸２の受風方向２ｗの下流側端部に中心部が締結部材によって固定される軸固定部２２１と、軸固定部２２１における受風方向２ｗの下流側主面の外周部に対し締結部材によって固定される筒状のブレード取付部２２２とを有しており、ブレード取付部２２２の外周面から放射状に複数のブレード３０が延びている。

ナセル２１は、地表の基礎部１９０から延びる支柱（タワー）１１０の上端部１１０Ｔに対し、風向きに合わせて水平面内において向きを変えることが可能（該支柱１１０の鉛直方向の軸線１１０ｘの周りに回転可能）に取り付けられている。このとき、各ブレード３０を外周側から被う筒状風洞部３１も、ナセル２１の受風方向２ｗの下流側に設けられており、これにより、筒状風洞部３１は風車３の受風方向２ｗを可変する尾翼のような手段として機能する。即ち、筒状風洞部３１の筒状外周面３１Ｃ（特にその水平方向側の面）が風を受けると、支柱１１０の上端部１１０Ｔに対し回転し、風が来る向きにナセル２１の頂点部２１ａを向ける。また、筒状風洞部３１がナセル２１よりも受風方向２ｗの下流側に位置することで、わずかな風向きの変化でナセル２１の向き、つまりは風車３の受風面の向きが細かく変化することを防ぐことも可能となる。

図５は、図４のナセルを軸線２ｘ，１１０ｘを通過する平面で切断した断面図であり、ナセル２１の内部には、第２の発電機９とフライホイール７と第１の発電機５とを、風車の受風方向２ｗの上流側からこの順で収容した発電機ケース体１００が配置され、ナセル２１に対し締結部材１０３によって締結固定されている。図６に示すように、受風方向２ｗの上流側から順に、第２の発電機９を収容する上流側収容空間９Ｓと、フライホイール７を収容する中間収容空間７Ｓと、第１の発電機５を収容する下流側収容空間５Ｓとを有し、これらをひとつながりの空間とする形状をなす。このひとつながりの空間は、フライホイール７が中間収容空間７Ｓ内に配置されることで、上流側収容空間９Ｓと下流側収容空間５Ｓとに分断される。これら円筒状の上流側収容空間９Ｓ及び下流側収容空間５Ｓよりも、同じく円筒状の中間収容空間７Ｓの方が径大で、かつ収容されるフライホイール７自体も、径方向において中間収容空間７Ｓの円筒状外周壁に対し近接して位置するため、フライホイール７が配置されたときには、上流側収容空間９Ｓと下流側収容空間５Ｓとは、フライホイール７の外周側においてのみ連通するので、より確実な分離状態となっている。

発電機ケース体１００内の第１の発電機５と第２の発電機９は、回転軸２の軸線方向において、間にフライホイール７を挟む形で位置し、発電ケース体１００内の空間がフライホイール７によって上流側収容空間９Ｓと下流側収容空間５Ｓとで分断されている。これにより、上流側収容空間９Ｓ及び下流側収容空間５Ｓのうち、一方の空間内での回転体（ロータ９２，５２）の回転に伴う気流の乱れの影響を、他方の空間が受けることがない。本実施形態においては、受風方向２ｗの上流側から、第２の発電機９、フライホイール７、第１の発電機５の順で位置し、さらにその下流側にハブ２２が位置する。なお、フライホイール７には磁気シールド材料（例えば鉄等の軟磁性材料）を用いてもよく、これにより、発電ケース体１００内の空間をフライホイール７によって第１の発電機５側と第２の発電機９側とを磁気的に分断し、互いの磁気的な干渉を防止するようにしてもよい。

回転軸２は、発電ケース体１００に対し自身の軸線方向に貫通し、なおかつ発電ケース体１００に対し円滑に相対回転するよう軸受装置６０を介して取り付けられる（図６参照）。本実施形態の軸受装置６０は、例えばシール装置（Ｏリング等）やグリース等のような密閉機能付きの密閉型軸受装置であり、その密閉機能によって密閉状態としている。密閉された発電機ケース体１００内部は、空気が大気圧で充填されている場合に、内部の回転体５１，９１，７等が受ける充填気体による抵抗（空気抵抗）が軽減されるよう、減圧状態等のような内部状態とされている。ここでは、発電ケース体１００内にＨｅガスを充填することで、回転体であるロータ５１，９１やフライホイール７等の回転抵抗を減じている。

第１の発電機５及び第２の発電機９は、回転軸２の周りを回転可能なロータ（発電機回転子）５１，９１の周方向に沿って所定間隔おきに複数の磁性部材５２，９２が配置されるとともに、それら磁性部材５２，９２に対しエアギャップを形成する形で対向し、かつ該ロータ５１，９１に対し非回転となるステータコイル５４，９４が配置されたステータ（発電機固定子）５３，９３を備えて構成され、それら磁性部材５２，９２とステータコイル５４，９４との相対回転により電力を生成する。生成される電力（発電電力）は、その相対回転速度が大きいほどが大となる。なお、本実施形態における磁性部材５２，９２は永久磁石であり、例えばネオジウム磁石等を用いることができる。ただし、永久磁石に代わって電磁石を用いてもよい。

本実施形態においては、磁性部材５２，９２とステータコイル５４，９４との数の比が３：４であり、ステータコイル５４，９４からは三相の交流電力が出力される。支柱１１０の上端部１１０Ｔに設けられた上端軸部にはスリップリング１１０ＳＡ，１１０ＳＢが設けられており、各スリップリング１１０ＳＡ，１１０ＳＢ上を摺動するブラシ１０２ＣＡ，１０２ＣＢを介し、ステータコイル５４，９４から発電出力を取り出すよう構成されている。取り出された発電出力は、筒状の支柱（タワー）１１０の内部空間を通る配線を介して、出力部１０に接続される。

第１の発電機５及び第２の発電機９における双方のステータ５３，９３は、発電機ケース体１００からケース内部に向けて回転軸２の軸線方向に沿って突出形成された筒状部材として設けられる。図７に示すように、それら筒状部材５３，９３には、径方向に貫通する開口部５７，９７が周方向に沿って所定間隔おきに形成される。これらの開口部５７，９７は、周方向に設けられた回転軸２の軸線方向に延びる各柱部５６，９６により区画される。各柱部５６，９６には、図８の（ｂ），（ｃ）に示すように、ステータコイル５４，９４が巻き付けられており、本実施形態においては、隣接する柱部５６，９６で巻き方向が逆向きとなっている。

本実施形態のステータ５３，９３について詳細に説明する。

本実施形態のステータ５３，９３はそれぞれ筒状部材として形成されており、それらが互換性を有するよう互いに同形状をなす。これらの筒状部材５３，９３は、耐熱性を有する硬化性樹脂（例えば不飽和ポリエステル樹脂を主体とし、充填材とガラス繊維などで構成した熱硬化性の成形材料）であり、図６に示すように、発電ケース体１００において受風方向２ｗの上流側及び下流側にて外側に露出する主表面１２１Ａ，１２２Ａを形成する各主面部１２１，１２２の主裏面（ケース内側の面）１２１Ｂ，１２２Ｂから、ケース内に向けて回転軸２の軸線方向に沿って筒状に突出する形で配置される。

具体的にいえば、筒状部材５３，９３は、主面部１２１，１２２の主裏面（ケース内側の面）１２１Ｂ，１２２Ｂに設けられた環状の嵌合溝部１２１Ｃ、１２２Ｃに対し嵌合する形で固定される嵌合固定部５３Ａ，９３Ａと、その嵌合固定部５３Ａ，９３Ａに径方向（ラジアル方向）の段差を形成する形で回転軸２の軸線方向に延出する上記した各柱部５６，９６と、それら柱部５６，９６をその延出先端部（主面部１２１，１２２とは逆側の端部）５６Ｄ，９６Ｄにて筒状に連結する筒状連結部５３Ｄ，９３Ｄとを有して構成される。各柱部５６，９６の両端が環状部材（嵌合固定部５３Ａ，９３Ａと筒状連結部５３Ｄ，９３Ｄ）で連結されていることで、筒状部材５３，９３は高い強度を有する。本実施形態の筒状部材５３，９３は、嵌合固定部５３Ａ，９３Ａにおいて主面部１２１，１２２に対し締結部材（ボルト等）１０９，１０９によって締結固定される。

また、図７及び図８に示すように、嵌合固定部５３Ａ，９３Ａの外周面５３１，９３１の延出先端側（嵌合固定部５３Ａ，９３Ａとは逆側）には、その外周面５３１，９３１から径方向外側に立上る外周側立面５６１，９６１を有する。このため、嵌合固定部５３Ａ，９３Ａの外周面５３１，９３１と、当該外周側立面５６１，９６１と、柱部５６，９６の径方向外側の面５６２，９６２とによって段差５６Ａ，９６Ａが形成されている。他方、各柱部５６，９６におけるそれらの段差５６Ａ，９６Ａとは逆側には、上述した筒状連結部５３Ｄ，９３Ｄが形成されており、この筒状連結部５３Ｄ，９３Ｄは、各柱部５６，９６の延出先端部５６Ｄ，９６Ｄの径方向内側端部から周方向に延出する形で、隣接する柱部５６，９６へと延出し、全体が環状をなす。このため、柱部５６，９６の径方向外側の面５６２，９６２と、該柱部５６，９６の延出先端部５６Ｄ，９６Ｄの周方向における側面５６３，９６３と、該柱部５６，９６の延出先端部５６Ｄ，９６Ｄの径方向内側端部から周方向に延出する筒状連結部５３Ｄ，９３Ｄの径方向外側の面５３２，９３２とによって段差５６Ｂ，９６Ｂが形成されている。

本実施形態のステータコイル５４，９４は、軸線２ｘに対する径方向に軸線５ｘ、９ｘを有する形で環状に巻きつけられる。ここでは、上述の段差５６Ａ，９６Ａと５６Ｂ，９６Ｂを利用する形で、各柱部５６，９６に四角形状をなして巻きつけられる。具体的にいえば、ステータコイル５４，９４は、柱部５６，９６の延出方向（回転軸２の軸線方向）の一方の端面５６１，９６１と、他方の端面５６４，９６４と、該柱部５６，９６の周方向における一方の側面５６３，９６３と、他方の側面５６３，９６３とにより形成される環状面を取り巻く形で巻きつけられる。このとき、段差５６Ａ，９６Ａにおいて段差下面をなす嵌合固定部５３Ａ，９３Ａの外周面５３１，９３１と、段差５６Ｂ，９６Ｂにおいて段差下面をなす筒状連結部５３Ｄ，９３Ｄの径方向外側の面５３２，９３２とが、柱部５６，９６に巻きつけられるステータコイル５４，９４の、回転軸２の軸線２ｘに対する径方向内側における巻き付け位置を規制する巻き付け位置規制部（巻き付け位置規制手段）として機能し、これにより、ステータコイル５４，９４は各柱部５６，９６に安定的に巻きつけられている。

また、各柱部５６，９６は、延出先端部５６Ｄ，９６Ｄの径方向外側端部からさらに同方向に延出する突起部５６Ｅ，９６Ｅを有する。突起部５６Ｄ，９６Ｄは、柱部５６，９６に巻きつけられるステータコイル５４，９４の、回転軸２の軸線２ｘに対する径方向外側における巻き付け位置を規制する巻き付け位置規制部（巻き付け位置規制手段）として機能しており、これもステータコイル５４，９４を各柱部５６，９６に安定的に巻きつけられる要因となっている。このように、本実施形態では、径方向の内外でステータコイル５４，９４の位置規制がなされているため、ステータコイル５４，９４が各柱部５６，９６に安定して巻き付いた状態を保つことができ、作業者による巻き付け作業も容易となっている。

本実施形態の第１の発電機５のロータ５１について詳細に説明する。

本実施形態の第１の発電機５は、図６に示すように、ロータ５１として、回転軸２と同軸をなし互いに一体回転する第１ロータ部５１Ａと第２ロータ部５１Ｂとを有する。それら双方のロータ部５１Ａ，５１Ｂは、エアギャップを介して互いに対向（対面）する対向面５１ＳＡ，５１ＳＢを有し、それら双方の対向面５１ＳＡ，５１ＳＢ上には、周方向において複数の磁性部材５２が所定間隔おきに同数配置され、締結部材により固定されている。ただし、それら双方のロータ部５１Ａ，５１Ｂのうち、一方のロータ部５１Ａの磁性部材５２Ａ（５２）と他方のロータ部５１Ｂの磁性部材５２Ｂ（５２）とは、図１０に示すように、互いに異なる極性（磁極）の着磁面同士にて対面している。さらに、それら第１ロータ部５１Ａと第２ロータ部５１Ｂとの間の空隙にステータ５３のステータコイル５４が位置する。ステータコイル５４は、図９に示すように、回転するそれら双方のロータ部５１Ａ，５１Ｂの磁性部材５２，５２間に挟まれるステータ５３上の環状の対向領域に、その周方向に沿って所定間隔おきに複数配置される。

また、第１の発電機５において、第１ロータ部５１Ａ及び第２ロータ部５１Ｂは、回転軸２の軸線２ｘに対する径方向（ラジアル方向）に対向して配置される。本実施形態においては、ロータ５１の本体部として、回転軸２と一体回転するよう固定される軸固定部５０Ｃと、軸固定部５０Ｃから径方向外側に延出する円盤状の中間部５０Ｂと、中間部５０Ｂの径方向外側の外端部５０Ａと、を有したロータ本体部５０を備える。ただし、ロータ本体部５０は、外周側に大重量を有するフライホイール７よりも軽く、小径である。第１ロータ部をなす円筒状部５１Ａと、第２ロータ部をなす、円筒状部５１Ａよりも径大の円筒状部５１Ｂとは、ロータ本体５０に対し同軸をなす形で一体回転するよう双方とも外端部５０Ａに固定されている。このように本実施形態においては、回転軸２に対し１つの回転体（ロータ本体部５０）を取り付けるだけで、第１ロータ部５１Ａと第２ロータ部５１Ｂとの双方を設けることが可能であり、回転軸２に対し第１ロータ部５１Ａと第２ロータ部５１Ｂとを個別の回転体としてそれぞれ固定する場合よりもシンプルな構成となる。なお、中間部５０Ｂは、内周側の軸固定部５０Ｃ及び外端部５０Ａの第１ロータ部５１Ａとの固定部よりも厚み（回転軸２の軸線方向幅）が薄くなっている。

本実施形態の第１の発電機５において、ロータ本体部５０の外端部５０Ａは、第１ロータ部をなす内周側の円筒状部５１Ａを固定するための内周側固定部５０Ａ１と、第２ロータ部をなす外周側の円筒状部５１Ｂを固定するための外周側固定部５０Ａ２と、を備えて構成される。内周側固定部５０Ａ１は、回転軸２の軸線方向に突出する円筒状をなし、他方、外周側固定部５０Ａ２は、中間部５０Ｂから径方向に続く形で延出する形状をなす。

第１の発電機５において第１ロータ部をなす円筒状部５１Ａは、ロータ本体部５０の円筒状の内周側固定部５０Ａ１の外周側に嵌合する筒状の嵌合部５１Ａ１と、内周側固定部５０Ａ１の延出先端面に当接するよう嵌合部５１Ａ１の端部から径方向内向きに延出する環状の当接部５１Ａ２とを備える。筒状の嵌合部５１Ａ１は、その外周面が磁性部材５２の配置面５１ＳＡとされており、他方、環状の当接部５１Ａ２は、ロータ本体部５０（内周側固定部５０Ａ１）との固定部として機能する。具体的にいえば、第１ロータ部をなす円筒状部５１Ａは、当接部５１Ａ２の周方向の複数箇所において締結部材１０６Ａによってロータ本体部５０の内周側固定部５０Ａ１に対し締結固定される。

第１の発電機５において第２ロータ部をなす円筒状部５１Ｂは、全体が円筒形状をなす。そのうち一方の端部５１Ｂ２は、ロータ本体部５０の外周側固定部５０Ａ２の、内周側固定部５０Ａ１が延出する側の面の外周側領域に対し先端面が当接した形で固定される固定部をなし、他方の端部５１Ｂ１側は、その内周面が第１ロータ部をなす円筒状部５１Ａの嵌合部５１Ａ１の外周面と径方向にて対向（対面）し、当該内周面が磁性部材５２の配置面５１ＳＢとされている。第２ロータ部をなす円筒状部５１Ｂは、一方の端部５１Ｂ２の周方向の複数箇所において締結部材１０６Ｂによってロータ本体部５０の外周側固定部５０Ａ２に対し締結固定される。

なお、ステータ５３の嵌合固定部５３Ａ側において発電ケース対１００の主面部１２１側とは逆側の側面と、柱部５６の内周面との間に形成される環状の角部５５Ｂには、内周側の第１ロータ部５１に対し非接触となるよう、回転軸２の軸線方向において該第１ロータ部５１から離れる側に窪んだ環状の湾曲面が形成されている。この角部５５Ｂには、第１ロータ部をなす内周側の円筒状部５１Ａと、その外周面上に固定設置される磁性部材５２とが近接しており、それら双方に対し非接触となるよう、それら双方の近接部位が、それらから遠ざかる方向に窪んだ２つの湾曲面５５Ｂ１，５５Ｂ２が隣接して形成されている。

本実施形態の第２の発電機９のロータ９１について詳細に説明する。

本実施形態の第２の発電機９は、図６に示すように、ロータ９１として、回転軸２と同軸をなしフライホイール７と共に互いに一体回転する第１ロータ部９１Ａと第２ロータ部９１Ｂとを有する。それら双方のロータ部９１Ａ，９１Ｂは、エアギャップを介して互いに対向（対面）する対向面９１ＳＡ，９１ＳＢを有し、それら双方の対向面上９１ＳＡ，９１ＳＢには、周方向において複数の磁性部材９２が所定間隔おきに同数配置され、締結部材により固定されている。ただし、それら双方のロータ９１Ａ，９１Ｂのうち、一方のロータ部９１Ａの磁性部材９２Ａ（９２）と他方のロータ部９１Ｂの磁性部材９２Ｂ（９２）とは、図１０に示すように、互いに異なる極性（磁極）の着磁面同士にて対面している。さらに、それら第１ロータ部９１Ａと第２ロータ部９２Ａとの間の空隙にステータ９３のステータコイル９４が位置する。ステータコイル９４は、図９に示すように、回転するそれら双方のロータ９１Ａ，９１Ｂの磁性部材間９２，９２に挟まれるステータ９３上の環状の対向領域に、その周方向に沿って所定間隔おきに複数配置される。

また、第２の発電機９において、第１ロータ部９１Ａ及び第２ロータ部９１Ｂは、回転軸２の軸線２ｘに対する径方向（ラジアル方向）に対向して配置される。第１ロータ部９１Ａは、フライホイール７の外周側の中間部（外周端部でもよい）に形成される固定部９０Ａに対し、第１ロータ部をなす円筒状部９１Ａと、第２ロータ部をなす、円筒状部９１Ａよりも径大の円筒状部９１Ｂとが共に、フライホイール７に対し同軸をなして一体回転するよう固定されている。この場合、回転軸２に対し１つの回転体（フライホイール７）を取り付けるだけで、第１ロータ部９１Ａと第２ロータ部９１Ｂとの双方を設けることが可能であり、回転軸２に対し第１ロータ部９１Ａと第２ロータ部９１Ｂとを個別の回転体として固定する場合よりも簡単な構成となる。

なお、本実施形態のフライホイール７は、回転軸２に対し１方向クラッチ（ワンウェイクラッチ）６を介して固定される軸固定部７０Ｃと、軸固定部７０Ｃから径方向外側に延出する円盤状の中間部７０Ｂと、中間部７０Ｂの径方向外側の固定部７０Ａとを有し、本実施形態ではさらに、固定部７０Ａから径方向外側に延出する外端部７０Ｄを有することにより、上述のロータ本体部５０よりも径大で大重量をなしており、回転エネルギー保存手段として機能する。なお、中間部７０Ｂは、内周側の軸固定部７０Ｃと、外周側の固定部７０Ａ及び外端部７０Ｄよりも厚み（回転軸２の軸線方向幅）が薄くなっている。特に固定部７０Ａ及び外端部７０Ｄが中間部７０Ｂよりも厚く形成され、より重くなっていることでロータ９１が形成される外周側により大きな遠心力が作用する。

本実施形態の第２の発電機９において、フライホイール７の固定部７０Ａは、第１ロータ部をなす内周側の円筒状部９１Ａを固定するための内周側固定部７０Ａ１と、第２ロータ部をなす外周側の円筒状部９１Ｂを固定するための外周側固定部７０Ａ２と、を備えて構成される。

第２の発電機９において第１ロータ部をなす円筒状部９１Ａと第２ロータ部をなす円筒状部９１Ｂとは共に、全体が円筒形状をなす。それぞれの一方の端部９１Ａ２，９１Ｂ２は、フライホイール７の固定部７０Ａ（７０Ａ１，７０Ａ２）の、第１の発電機５とは逆側の面に対し先端面が当接した形で固定される固定部をなす。また、他方の端部９１Ａ１，９１Ｂ１のうち、端部９１Ａ１側は、その外周面９１ＳＡが第２ロータ部をなす円筒状部９１Ｂの内周面９１ＳＢと径方向にて対向（対面）し、端部９１Ｂ１側は、その内周面９１ＳＢが第１ロータ部をなす円筒状部９１Ａの外周面９１ＳＡと径方向にて対向（対面）し、それら外周面９１ＳＡ及び内周面９１ＳＢが磁性部材９２，９２の配置面とされている。フライホイール７の固定部７０Ａ１，７０Ａ２は、第１ロータ部及び第２ロータ部をなす円筒状部９１Ａ，９１Ｂの端部９１Ａ２，９１Ｂ２を嵌合するよう、第１の発電機５とは逆側の面に形成された回転軸２の軸線方向に窪む環状の溝が形成された嵌合溝部である。第１ロータ部をなす円筒状部９１Ａと第２ロータ部をなす円筒状部９１Ｂとは共に、嵌合溝部７０Ａ１，７０Ａ２の環状の溝に端部９１Ａ２，９１Ｂ２を嵌合し、それら端部９１Ａ２，９１Ｂ２の周方向の複数箇所において締結部材１０７Ａ，１０７Ｂによってフライホイール７の固定部７０Ａに対し締結固定される。

なお、ステータ９３側の嵌合固定部９３Ａ側において発電ケース対１００の主面部１２２側とは逆側の側面と、柱部９６の内周面との間に形成される環状の角部９５Ｂには、内周側の第１ロータ部９１に対し非接触となるよう、回転軸２の軸線方向において該第１ロータ部９１から離れる側に窪んだ環状の湾曲面が形成されている。この角部９５Ｂには、第１ロータ部をなす内周側の円筒状部９１Ａと、その外周面上に固定設置される磁性部材９２とが近接しており、それら双方に対し非接触となるよう、それら双方の近接部位が、それらから遠ざかる方向に窪んだ２つの湾曲面９５Ｂ１，９５Ｂ２が隣接して形成されている。

ところで、支柱１１０は、図５に示すように、上述した発電機５，９及びフライホイール７を収容する発電ケース体１００の下端部１０２に対し固定されている。また、発電ケース体１００はナセル２１に対し固定されている。

発電ケース体１００は、地表から延びる支柱（タワー）１１０の上端部１１０Ｔにて、ナセル２１と共に、上述のように風向きに応じて回転可能である。ナセル２１の下端には内外を上下に貫通する下端開口２１Ｈが設けられ、発電ケース体１００の下端部１０２（１０２Ａ，１０２Ｂ）に対し固定された支柱固定部１０２Ｃが、当該下端開口２１Ｈを貫通してナセル２１の外部に突出する形で配置される。支柱固定部１０２Ｃには下端に開口する筒状に形成され、当該開口内に支柱１１０の上端部１１０Ｔを挿通させ、かつそれら支柱固定部１０２Ｃと支柱１１０の上端部１１０Ｔとの双方の間に軸受装置６３を介在させる形で、発電ケース体１００側が支柱１１０に対し支柱軸線１１０ｘ周りに回転可能となるよう組み付けられている。発電ケース体１００の支柱固定部１０２Ｃにはブラシ１０２ＣＡ，１０２ＣＢが取り付けられており、これらとそれぞれが摺動可能となる形で支柱上端部１１０Ｔの軸部１１０ＴＡにはスリップリング１１０ＳＡ，１１０ＳＢが取り付けられている。発電機５，９で発電した電力は、それらブラシ１０２ＣＡ，１０２ＣＢ及びスリップリング１１０ＳＡ，１１０ＳＢを介して出力部１０に出力される。

なお、図５に示すように、発電ケース体１００の下端部１０２（１０２Ａ，１０２Ｂ）は、支柱固定部１０２Ｃと一体に固定されている。本実施形態における発電ケース体１００は、上流側収容空間９Ｓ及び下流側収容空間５Ｓの外周壁を形成する小径の円筒状外周壁部１２９，１２５と、それらの間に中間収容空間７Ｓの外周壁を形成するそれらよりも大径の円筒状外周壁部１２７とを有した形状をなしており、支柱固定部１０２Ｃは、その大径の円筒状外周壁部１２７の下端突出部を回転軸２の軸線方向両側から挟み込む挟持部１０２Ｇと、それら挟持部１０２Ｇの上端にて回転軸２の軸線方向において互いの対向方向とは逆向きに広がって小径の円筒状外周壁部１２９，１２５の下端面を当接させる当接部１０２Ｓ，１０２Ｓとを有し、挟持部１０２Ｇにおいて円筒状外周壁部１２７の下端突出部に対し締結部材１０８，１０８により締結固定される。

また、本実施形態の発電ケース体１００は、受風方向２ｗ（回転軸２の軸線方向）における中間収容空間７Ｓの中間位置にて、上流側ケース体１００Ａと下流側ケース体１００Ｂとに２分割されており、それらケース体１００Ａ，１００Ｂを互いの位置を合わせて密着させ、それらの上端部１０１Ａ，１０１Ｂと下端部１０２Ａ，１０２Ｂとの双方が締結部材（ボルト）１０３，１０３によって締結固定されている。他方、ナセル２１には、密着状態のケース体１００Ａ，１００Ｂの上下の端部１０１（１０１Ａ，１０１Ｂ），１０２（１０２Ａ，１０２Ｂ）を、受風方向２ｗの上流側と下流側で挟み込む固定用板部２１０，２１０が設けられており、これら固定用板部２１０，２１０と、これらに挟み込まれた密着状態のケース体１００Ａ，１００Ｂの上下の端部１０１（１０１Ａ，１０１Ｂ），１０２（１０２Ａ，１０２Ｂ）が上記の締結部材１０３，１０３によって締結固定される。これにより、発電ケース体１００がナセル２１に固定される。本実施形態の固定用板部２１０は、Ｌ字状に屈曲した板材であり、ナセル２１の内部上端面に固定される水平部と、その水平部の端部からケース体１００Ａ，１００Ｂの上下の端部１０１，１０２の周側面に沿って下方に延び、締結部材１０３が挿通する垂下部とを有する。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、これはあくまでも例示にすぎず、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。以下、上記実施形態とは異なる実施形態について説明する。

１風力発電装置
２回転軸
２ｘ回転軸線
２ｗ受風方向
３風車
４ロータ
５第１の発電機（発電手段）
６１方向クラッチ（ワンウェイクラッチ）
７フライホイール
８ロータ
９第２の発電機（発電手段）
３０ブレード
３１筒状風洞部（ダクト）
２１ナセル
２２ハブ
１００発電ケース体
１１０支柱（タワー）
５１，９１ロータ（発電機回転子）
５１Ａ第１のロータ
５１Ｂ第２のロータ
５２，９２磁性部材
５３，９３ステータ（発電機固定子）
５４，９４ステータコイル

Claims

風力を受けて所定の回転軸線周りを一定回転方向に回転する風車と、
前記風車の回転軸と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータを有し、前記回転軸の回転に伴う該ロータの回転により電力を生成する第１の発電手段と、
前記回転軸と同軸をなし、かつ前記一定回転方向において、前記回転軸が増速している場合には該回転軸と一体回転状態となって自身も増速回転し、前記回転軸が減速している場合には該回転軸から切り離されて慣性回転するように１方向クラッチを介して配置されるフライホイールと、
前記フライホイールと同軸をなして一体回転するよう配置されたロータを有し、前記フライホイールの回転に伴う該ロータの回転により電力を生成する、前記第１の発電手段とは異なる第２の発電手段と、
前記第１の発電手段と前記第２の発電手段により生成された双方の電力入力を受け、それらを合わせて外部出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする風力発電装置。
前記出力手段は、前記第１の発電手段と前記第２の発電手段により生成された双方の電力入力を合わせて外部の電源系統に供給するものである請求項１に記載の風力発電装置。
前記出力手段から供給される電力を蓄電する蓄電手段を備える請求項１に記載の風力発電装置。
前記第１の発電手段及び前記第２の発電手段は、前記ロータとして、前記回転軸と同軸をなし互いに一体回転する第１ロータ部と第２ロータ部とをそれぞれ有し、それら第１ロータ部と第２ロータ部とには互いに対面する対向面を有するとともに、それら双方の対向面上には、周方向において複数の磁性部材が所定間隔おきに配置され、かつ一方のロータ部の磁性部材と他方のロータ部の磁性部材とが互いに異なる極性で対面しており、さらに、それら第１ロータ部と第２ロータ部との間にステータを有し、該ステータには、回転するそれら双方のロータの磁性部材間に挟まれる、該ステータの前記周方向に延びる環状の対向領域に所定間隔おきにステータコイルが配置される請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記第１ロータ部の磁性部材と、これと異極をなして対面する前記第２ロータ部の磁性部材とが前記回転軸線に対する径方向に対面し、前記ステータコイルが前記径方向に軸線を有する形で環状に巻き付けられている請求項４に記載の風力発電装置。
前記第１の発電手段におけるロータは、前記回転軸と一体回転するよう固定される軸固定部を有した円盤状のロータ本体部を備え、そのロータ本体部の外端部に対し、前記第１ロータ部をなす円筒状部と、前記第２ロータ部をなす、前記第１ロータ部よりも径大の円筒状部とが、前記回転軸と同軸をなす形で一体回転するように固定されている請求項４又は請求項５に記載の風力発電装置。
前記第２の発電手段におけるロータは、前記フライホイールに対し、前記第１ロータ部をなす円筒状部と、前記第２ロータ部をなす、前記第１ロータ部よりも径大の円筒状部とが、前記回転軸と同軸をなす形で一体回転するように固定されている請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記フライホイールは、前記回転軸の軸線方向において、前記第１の発電手段と前記第２の発電手段との間に配置されている請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記風車は、前記回転軸の軸線方向に筒状に延出する筒状風洞部の内側に同軸をなして配置されるとともに、前記筒状風洞部は、前記軸線方向において前記風車の受風方向の上流側から下流側に向けて開口面積が小となっていく形で形成されている請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の風力発電装置。
地表から延びる支柱に対し水平面内にて回転可能に固定され、前記第１の発電手段及び前記第２の発電手段と、前記フライホイールとを収容するナセルが、前記風車のハブに対し該風車の受風方向の上流側に位置し、前記筒状風洞部よりも前記受風方向の上流側に突出して位置する請求項９に記載の風力発電装置。