JP2012072755A - 風力発電機用水平軸風車 - Google Patents

Abstract

【課題】 ソリディティが同じでも、最も普及しているプロペラ型風車の翼の主に面積を占める場所は作動円盤の内周部である。
【解決手段】 水平軸風車の回転軸３を中心として同心上に２つの環状フレーム２を設け、該２つの環状フレーム間に翼１の翼副を半径方向にし、複数枚の該翼を周方向に配列し、内周側の環状フレーム２ｂと回転軸３とを複数の支持体４を介して固着し、風車回転面の回転面積、つまり作動円盤６の外周部に沿って翼群１を配列させる。支持体４の形状は翼形状であっても良く、フレームはパネル状か骨組み状かは問わない。
【選択図】図１

Description

本発明は風力発電用風車であって、更に詳しくは回転軸が水平である、水平軸風車に関する。

化石燃料を大量に消費する昨今、人類の歴史にも古い風のエネルギーが見直されてきている。太古の航海から、風車を利用した製粉など、人類との付き合いは随分と長い。この地球環境に優しく、無尽蔵な自然のエネルギーを、近代文明に欠かせない電気エネルギーへの変換が求められている。

今は太陽エネルギーと同様に風のエネルギーを利用しようと様々な取り組みが始まり、巨大な風車が見られるようになった。しかし、其の出力は蒸気タービンなどと比べるとまだまだ小さな出力である。巨大な風車からの出力は精々２−３千ｋＷ程である。よって、効率がよく、しかもコストが安い風車が求められている。

主に商業用に用いられる風力発電用風車に水平軸プロペラ翼型の風車がある。高い出力を求めて年々大型化が図られているが、大型化にも限界がある。寧ろ如何に高効率化を図るかがこれからの課題である。非特許文献１が示すように効率化を図るためにはトルクを高め、周速度を高めれば、最大のパワー（出力）が得られ、プロペラ翼型などの揚力型風車で５９．３％が風力から得られるパワーの最大値と考えられている。

風のエネルギーを翼の回転エネルギーに変換するのは、風と翼とが接する面に生じる抗力である。抗力は、しかしながら、翼を回転させることも、回転を阻止する抗力ともなる。回転翼の作る回転面積に対する、翼の総面積比（ソリディティ）が大きければ、トルクは大きくなるが、周速度は小さくなる。逆に翼のソリディティが小さければ、トルクは小さいが、周速度は大きくなる。（非特許文献１）

「風力エネルギー読本」牛山泉編著 （オーム社 平成１７年９月２０日第１版第１刷発行 ４章、５章） 特開２００９−２４６８１号公報 特開２０１０−１８５４４４号公報

風のエネルギーを受ける翼の総面積は大き過ぎても、小さ過ぎても問題がある。因って最も出力の大きいところを求める。それによって現在最もよく見かける３枚翼のプロペラ型風車が最も良く利用されてある。しかし、翼の回転する作動範囲、つまり作動円盤６の中で翼の総面積は高効率を求めるための大きな研究対象であるが、翼の面積を占める位置の問題は考慮されていない。つまり風のエネルギーを受ける翼の主な位置が作動円盤の中で内周部と外周部ではソリディティが同じでも、主に回転軸に近い所で風のエネルギーを得るか、又は遠い所でエネルギーを得るかでトルクは変わる。外周部で風のエネルギーを得る方がソリディティは同じでも大きなトルクを得ることができる。しかし、最も普及しているプロペラ型風車の翼の主に面積を占める場所は作動円盤の内周部である（図３）。

水平軸風車は、強風時における回転軸の過回転を防止する目的で、予め定めた風速値を超える風が吹いた場合には回転軸に取り付けられている翼のピッチ角を制御して回転軸の過剰な回転を抑制しながら待機する方法があるが、メカニズムが複雑で、コストが大きくなる問題がある。

風車は風を利用するため、野外の出来るだけ風を得やすいところに設置する。それ故、落雷を受ける可能性も大きく、又その為の被害も大きくなる。特許文献１で述べているアースリングは各翼の略先端を結んでリング状にしてあるが、例えば３翼の各翼間に張り巡らせるアースリングを弧状に保つのは、高速回転や停止、風の抵抗や回転振動等が発生するので、略先端に取り付けるのは非常に難しい。直線に結ぶ場合は３翼ではアースリングとアース端子とのギャップが大きくなりすぎ現実的では無いという問題があるが、特に問題なのはアースリングを直接翼の略先端に取り付けねばならなく、翼を落雷で損傷する危険性が大きいという問題がある。

又野外に取り付けられる風車には風車と鳥の衝突による被害がある。自然に生息する鳥への被害と、風車に生じる被害である。このバードストライクの問題も見過ごせない課題である。（特許文献２）

風車の高効率化と落雷、バードストライクの各問題は其々の参考文献では別々に取り扱われている。本発明は風車の高効率化に伴い落雷やバードストライク等の問題も同時に解決することを課題とする。

上記課題の幾つかを解決する為の発明の１つは、水平軸風車の回転軸３を中心として同心上に２つの環状フレーム２を設け、該２つの環状フレーム間に翼１の翼副を半径方向にし、複数枚の該翼を周方向に配列し、内周側の環状フレーム２ｂと回転軸３とを複数の支持体４を介して固着し、風車回転面の回転面積、つまり作動円盤６の外周部に沿って翼群１を配列させる。支持体４の形状は翼形状であっても良く、フレームはパネル状か骨組み状かは問わない。（図１、図２、図３ｂ及び図４）

次に強風時対策の発明として、２つの該環状フレーム２の間に取り付けられた翼１の先端部を環状フレーム２に固定し、尾部をスプリング８やオイルシリンダー等を利用して可動式にし、強風などで、翼腹部（受風面）に対する風圧が予め定められた値よりも過度に大きくなる場合、翼の回転運動方向に対して正方向（風下）に翼１が振れて過度の風圧を逃がす、パッシブ式の可動翼にする。（図５）

上記の水平軸風車の外周側の環状フレーム２ａに導電材を一巡させ、該風車の最下部近傍のタワー５下部に導電材リングとアースを沿わせ、落雷時の高圧電流を地中に誘う。

本発明は図３ｂが示すように、翼群１は風車回転面の回転面積、つまり作動円盤６の外周部に沿って配列されることを特徴とする。現在最も普及しているプロペラ型（図３ａ）の３枚翼のソリディティの主体は内周部にあり、これは風のエネルギーを回転エネルギーに変換する場所が主に作動円盤６の内周部にある事を意味する。一方、本発明の水平軸風車のソリディティも同じような面積比であるので、同じ量の風のエネルギーを受けるが、エネルギー変換場所は作動円盤６の外周部に集中してある。外周部で得た回転エネルギーを数本の長い支持体４を介して、梃子の原理を利用するように回転軸３に伝える。回転軸３から遠い所で風のエネルギーを得るので、近い所で風のエネルギーを得て回転軸３を回すプロペラ型よりも出力効率が改善されると同時に低風速時の起動性も良くなる。また例えばプロペラ型の風車と同じ出力の場合、本発明の風車は翼群が風車の外周部に集められているため、トルクが大きく成り、因って小型化が可能である。このことに因り、コストも低くすることが出来、普及が図れることになる。

翼にスプリング８等を用い、パッシブ式の可動翼にすれば、過度の風の圧力を逃がすことが出来、異常な高速回転で発電機に損傷を与えることや、風車自体の損傷も回避できる。（図５）

風車の最も外周部に導電材を一巡させ、該風車の最下部近傍のタワーに導電材やアースを沿わせ、落雷時の高圧電流を地中に誘う事により、外周環状フレーム２ａより内部にある翼群やナセル７内の発電機等への落雷の被害を避けることが出来る。（図６）

プロペラ型風車の輪郭は不鮮明であり、飛来する鳥が認識せず風車に飛び入り、翼に衝突するが、プロペラ型風車に比べ、本発明の水平軸風車は輪郭が鮮明であり、飛来する鳥にその存在を認知させやすく、バードストライクの発生を軽減できる。（図６）

プロペラ型翼は回転軸から半径方向に伸び、外周へ行くほど、周速度は速くなり、因って風の入射角度が変わるので翼を捻り、ピッチ角度を変える必要がある。これは設計や製造が難しく、高価になる。一方、本発明の風車の翼は短く、翼幅に対して周速度がほぼ一定であるためピッチ角度は一定で、設計も製造も容易く、経済的である。又現場への搬送や取り付けも容易く、維持管理も容易い。更に述べれば、設置場所の平均的風力条件に合わせ、翼の枚数を調整する。平均的風力が弱い場所では翼の数を増やし、逆に強い場所では翼の数を減らす。つまり翼の枚数を増減するだけで様々な設置環境条件に合わせることが出来る。以上の如く本発明の水平軸風車は多くの優位性がある。

本発明の水平軸風車の正面概念図。 図１の水平軸風車の２つの環状フレームと翼と支持体を示す概念図。 プロペラ型風車と本発明の水平軸風車の翼の投影面積比（ソリディティ）を示す概念図。 図１の水平軸風車の側面概念図。 スプリングを用い、翼をパッシブ式可動翼にした概念図。 本発明の避雷効果とバードストライク対策効果を示した概念図。

特許請求項１の実施の形態について図１から図４を用いて説明する。図１の示す如く風車用タワー５上の水平回転軸３を中心として、同心上に２つの環状フレーム２を設ける。該２つの環状フレーム間に図２で示す如く、翼１の翼幅を半径方向にし、複数枚の該翼を周方向に配列し、予め定められた翼ピッチ角で２つの外周側と内周側の環状フレーム２間に固着し、内周側の環状フレーム２ｂを複数の支持体４を介して回転軸３に固着する（図１、図２及び図４）。尚図１では支持体４は３本であるが、設計条件により増減は勿論可能であり、また支持体４の形状は翼形状であっても良い。環状フレームはパネル状を各図面に示してあるが骨組み状でも良い。

次に強風時の対策として特許請求項２の１例を図５を用いて説明する。図５ａは翼群１を外周環状フレーム２ａ側から見た概念図である。左の翼は予め想定されてある風力内での翼のピッチ角度で、右の翼は過剰な風圧が翼腹部（受風面）に掛かった場合に、該翼の尾部が風下に振れて過剰な風圧を逃がすことを示してある。翼１の先端部を環状プレート２に固定し、尾部を可動式にし、翼の先端部のピン９ａにバネ８を固着し、翼の尾部のピン９ｂにバネの一端を掛ける。バネ８の強度は予め決められて、定められた数値を超えると曲げられるようにする。因って予め定められた以上の風圧１０が翼１に掛かるとバネ８は曲がり始め、図５の右の翼の如く翼は風下側に傾き、過剰な風圧を逃がす。因って強風時に風車に掛かる異常な風圧をパッシブ方式で逃がすことが出来る。

落雷の対策について図６を用いて説明する。外周側環状フレーム２ａの外面に導電材１１を一巡させ、該導電材の形状は略円形でも板状でも良いが、断面積が大きく、大電流を流すものであれば良い。該導電材を外周環状フレーム２ａに這わせれば良いので取り付けは簡単で、安定する。次に該外周側環状フレーム２ａの最下部近傍のタワー５に導電材リングを取り付け、回転軸３が水平に３６０度回転しても、外周側環状フレーム２ａの最下部と該導電材リングとのギャップがある程度一定間隔を保ちスパークオーバが発生するようにし、該導電材リングからアースを通り地中に雷電流を誘う。落雷により発生した大電流は外周側の環状フレームを通り、最下部でタワー側の導電材リングにスパークオーバし、アースを通り地中に流れ出る。因って、該外周側環状フレームより内周部に位置する翼群やナセル内の発電機等への落雷の被害は避ける事が出来る。

バードストライクの問題であるが、図３及び図６が示す如く３軸プロペラ翼の場合は風車の輪郭が不鮮明に成り、鳥にとって認識されにくいが、本発明の水平軸風車の輪郭は鮮明であり、飛来する鳥に其の存在が認識されやすく翼等との衝突が避けられる。

本発明は、以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

記号の説明

１ 翼
２ａ 外周側環状フレーム
２ｂ 内周側環状フレーム
３ 回転軸
４ 支持体
５ タワー
６ 作動円盤（Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｄｉｓｋ）
７ ナセル
８ スプリング
９ ピン
１０ （過剰）風圧
１１ 導電材
１２ 導電材リング
１３ アース（導電材）

Claims (3)

1. 風力発電用風車の回転軸が水平である、水平軸風車であって、回転軸より半径方向へ取り付けた複数の支持体を介して環状フレームを該支持体のもう一方の先端に設け、該環状フレームの外周にもう１つの環状フレームを同心上に設け、該２つの環状フレーム間に翼の翼幅を半径方向にし、複数の該翼を周方向に配列し、支持体の形状は翼形状であっても良く、フレームはパネル状か骨組み状かは問わなく、風車回転面の回転面積、つまり作動円盤の外周部に沿って翼群を配列させることを特徴とする水平軸風車。
2. 請求項１の水平軸風車であって、強風などで、翼腹部（受風面）に対する風圧が過度に大きくなる場合、該翼の先端部を環状フレームに固定し、尾部をスプリングやオイルシリンダー等を利用して可動式にし、翼角度が翼の回転運動方向に対して正方向（風下）に振れて過度の風圧を逃がす、パッシブ式可動翼を備えた水平軸風車。
3. 請求項１又は２の水平軸風車であって、環状フレームの最外周部に導電材を一巡させ、該環状フレームの最下部近傍のタワー下部に導電材リングを取り付け、回転軸が水平に３６０度回転しても、外周側環状フレームの最下部と該導電材リングとのギャップがある程度一定間隔を保ちスパークオーバが発生するようにし、該導電材リングからアースを通り地中に雷電流を誘うようにし、該導電材は翼と接しないことを特徴とする水平軸風車。

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