JP2012137059A

JP2012137059A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2012137059A
Application number: JP2010291231A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shinohara; 健嗣篠原; Akira Shiozaki; 明塩崎; Kensuke Shibui; 健介渋井; Hiroaki Nishiono; 寛明西小野
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-19

Abstract

【課題】発電効率を損なうことなく、起動性が良く、振動が少ない風力発電装置を提供する。
【解決手段】回転軸を鉛直方向にして回転可能に設けたシャフト５１と、シャフト５１に取り付けられた羽根５３とを具備し、羽根５３の周囲を流れる流体により羽根５３に発生する揚力によってシャフト５１を回転させ、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換するものであって、羽根５３の水平方向断面を上端から下端まで略同一形状とし、かつ、一定の割合で連続的に位相角を変化させるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力を用いて発電を行う風力発電装置に関するものである。

従来より、風力を受けて風車が回転し、その回転エネルギーを用いて発電を行う風力発電装置が知られており、自然エネルギーを用いたクリーンな発電手段として注目されている。こうした風力発電装置にも様々なタイプのものがあり、その中でも都市部のように風向きが変動しやすい場所に適したものとして垂直軸型風車が知られている。また、垂直軸型風車であっても、風車に設けた羽根が風から受ける抗力によって廻るもの、風の流れから羽根に発生する揚力によって廻るものの２種類に大別される。

このうち揚力型の垂直軸型風車は、風からのエネルギーを効率よく取り出すことができる点で抗力型よりも有利ではあるが、一方で起動性が悪いとの欠点もある。揚力型風車は一旦回転し始めると、その回転による相対風を受けることで羽根に働く揚力が増加し、自己増速を行うことが可能であるが、停止中の風車を起動させるためには風速のみに頼らざるを得ないため、風向きによる影響を受ける。例えば羽根の外周面に対して直交する方向より風を受ける場合には、風車を回転させる方向には揚力を生じず、起動が困難となる。

また、揚力型の垂直軸型風車においては、風車の回転に応じて風向きに対する羽根の向きが変化するため、羽根に作用する揚力が変化する。こうした揚力の変動は、風車の回転軸に対する周期的な加振力としても作用し、振動発生の原因ともなる。

以上のような起動性の向上、振動の低減を図るものとして、特許文献１に記載するものが知られている。これは長手方向を鉛直方向として回転可能に設置したシャフトが周方向に複数の羽根を具備しており、全ての羽根の長手方向が鉛直方向に対して同じ角度傾くようにしたものである。このような構成にしてあるため、風車の回転位相による影響が減少し、風車回転の起動性が向上し、回転中の揚力変動に起因した振動が低減することが可能となる。

特開２００８−２４０６４６号公報

しかしながら、上述の方法のように、羽根をシャフトに対して傾けて設置すると、羽根の上端から下端までの範囲で高さごとに比較した場合、それぞれの位置で風車の回転中心からの距離が異なるとともに、翼弦の角度も異なることになる。これらは本来、羽根に発生する揚力の大きさを決定づける重要な因子であるため、発電効率を大きく低下させることがないように考慮すると、翼を傾けることが可能な角度にも自ずと限界が生じる。従って、こうした手法では、風車回転の起動性向上や振動の低減という目的を達成するには不十分である。

本発明は、このような課題を有効に解決することを目的としており、具体的には、発電効率を損なうことなく、起動性が良く、振動が少ない風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の風力発電装置は、回転軸を鉛直方向にして回転可能に設けたシャフトと、当該シャフトに取り付けられた羽根とを具備し、前記羽根の周囲を流れる流体により前記羽根に発生する揚力によって前記シャフトを回転させ、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換するものであって、前記羽根の水平方向断面を上端から下端まで略同一形状とし、かつ、一定の割合で連続的に位相角を変化させたことを特徴とする。

このように構成すると、風車であるロータの性質が周方向で同一となることから、風の方向によらず起動が可能となり、かつ、周期的な揚力変動が生じず振動も低減できる。

また、上記の効果を高めるためには、前記シャフトの回転軸の軸方向から見て、当該軸を中心とする何れの位相角においても前記羽根の少なくとも一部が存在するように構成することが好ましい。

さらに、上記の効果を生かしつつ、発電効率を高めるためには前記羽根を２枚設けるようにして構成することが好ましい。

以上説明した本発明によれば、発電効率を損なうことなく、起動性が良く、振動が少ない風力発電装置提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の斜視図。同風力発電装置の要部正面図。同風力発電装置の要部上面図。同風力発電装置に用いる羽根の形状を示す斜視図。図４の羽根の形状を説明する模式図。図１とは別の実施形態に係る要部正面図。同風力発電装置の要部上面図。一般的な風力発電装置の基本構成を示す正面図。同風力発電装置の要部上面図。羽根形状および取付方法に関するパラメータを説明する模式図。風の主流方向に対する羽根位置を表すアジマス角を説明する模式図。本発明の第３の実施形態に係る風力発電装置の斜視図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

それに先立ち、まずは本発明の特徴を明らかにするために一般的な揚力型の垂直軸型風車を備えた発電装置についての説明を行う。

一般的な揚力型の垂直軸型風車は、図８に示すように、土台２の上に設置された発電機３と、発電機３の上部より鉛直上方に延出された支柱４と、支柱４の上方に回転可能に設けられた風車部分であるロータ５からなり、ロータ５は支柱４の内部を通じて発電機３と連結されているため、ロータ５の回転は発電機３まで伝動し、そこで回転エネルギーを電気エネルギーに変換することができるようになっている。

そして前記ロータ５は、支柱４に回転自在に取り付けられたシャフト５１と、当該シャフト５１に支持手段５２を介して取り付けられた羽根５３と、支持手段５２としての支持棒５２１とからなる。さらに、シャフト５１および羽根５３はそれぞれ長手方向を鉛直方向とするように設けており、シャフト５１の回転軸も鉛直方向とされる。

このように構成されたロータ５は、図９に示すように、鉛直方向から見て軸心５４を中心として円を描くようにして回転する。また、同図から分かるように、羽根５３は軸心５４を中心として軸対称となるように配置され、回転アンバランスを生じないように配慮している。

羽根５３は、航空力学上の知見が生かされ、図９および図１０に示すように、水平断面が一様に翼型となるようにして形成するのが一般的であり、回転方向に対して前方が厚く、後方に行くに従って絞りこまれた形状となっている。そして、羽根５３は前記支持棒５２１を介してシャフト５１に対して取り付けられている。

羽根５３に対する前記支持棒５２１の取付は、羽根５３の前縁５３３および後縁５３４を結ぶ線分である翼弦５３５と、前記支持棒５２１の中心線５２１ａとが交わる点を基準として行われ、この点を単に取付位置５３６と称す。取付位置５３６を設ける場所によっては、ロータ５が回転している際に、揚力や遠心力等の影響から羽根５３がねじれたり、後述する羽根の取付角度が変化するような不具合が生じ、ロータ５の性能低下を招く場合がある。一般に、ロータ５の性能は羽根５３の断面形状、取付角度、ソリディティ等から決定されるが、こうしたロータ性能を最大限に引き出せる位置に上記の取付位置５３６は設けられ、具体的には前縁から取付位置までの距離（図１０中のａ）が翼弦長ｃの１／４程度となることが多い。

ここで、図１０を用いて、羽根５３の形状および取付位置５３６を表すための各種パラメータを定義する。

上述したように、羽根５３の前縁５３３および後縁５３４を結ぶ線分を翼弦５３５といい、その長さを翼弦長ｃとする。そして、ロータ５の軸心５４を中心として前記取付位置５３６を通る円をロータ基準円５５として、その半径をロータ半径Ｒで表す。また、前記取付位置５３６におけるロータ基準円５５に対する接線と、翼弦とのなす角を取付角βとする。これら翼弦長ｃ、ロータ半径Ｒ、取付角βは、羽根の性能に大きな影響を及ぼすものといえる。

また、風の主流方向に対する羽根５３の位置を示すパラメータとしてアジマス角θを定義する。アジマス角θは、図１１に示すように、ロータ５の回転軸心５４を中心として羽根５３の前縁５３３が主流方向と正対する位置を０°として角度で表したものであり、上方向より見て反時計回りの方向を正とする。一般に、羽根はアジマス角θ＝０°〜１８０°の位置で大きなロータ回転トルクを発生させるが、１８０°〜３６０°の位置で発生するロータ回転トルクは小さい。このように風向きに対する羽根の位置によって発生するロータ回転トルクの大きさが異なるため、ロータの円周方向で羽根が部分的に偏在している場合には、一回転中でロータの回転トルクが増減することで振動発生の原因となる。

以上のようにロータの性能に影響を及ぼす因子が考えられる中、本発明の一実施形態に係る風力発電装置は以下のように構成した。

まず、図１に示すように、一般的な風力発電装置と同様、土台２の上に発電機３を設置し、この発電機３の上部より鉛直上方に支柱４が延出させ、その上方に風車部分であるロータ５を回転可能に設けている。当該ロータ５は支柱４の内部を通じて発電機３と連結させており、その回転を発電機３まで伝動させて発電できるようになっている。そして、ロータ５は支柱４に回転自在に取り付けられたシャフト５１と、当該シャフト５１に支持手段５２を介して取り付けられた羽根５３と、支持手段５２としての支持棒５２１とから構成している。

本実施態様においては、図１および図２に示すように、ロータ５が羽根５３を４個備えるように構成しており、それぞれの羽根５３は、上下に所定の間隔でもって配置された２個の支持棒５２１によりシャフト５１に取り付けられている。そして、これらの羽根５３は全て同一の形状とするとともに、それぞれがロータ５の回転軸心５４を中心として回転方向にねじれた形状としている。当該羽根５３は、いかなる水平面で切断してもその切断面が同じ形状となるようにするとともに、一定の割合で連続的に位相角を変化させるようにしている。

ここで、本発明において位相角とは、後述のように羽根５３の回転軸に対する周方向の設置角度を示す。

上述した羽根の形状を、図４を用いて具体的に説明する。羽根５３のうち一つをとり、その上側の端面を面Ｐ１、下側端面を面Ｐ５として、それぞれを含む水平面を平面Ｉ、平面Ｖとする。そして、平面Ｉと平面Ｖの間の空間を四等分する仮想の水平面を考え、それぞれ上から平面II、平面III、平面IVとする。さらにこれら平面II、III、IVによる羽根５３の切断面をそれぞれ面Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４とする。これらの面Ｐ１〜Ｐ５を、ロータ回転軸心の上方向よりみて一つの平面上に表すと、図５のようになる。

まず、面Ｐ１〜Ｐ５のいずれも同一の形状を採り、流体力学上有利な翼型に形成している。そして、面Ｐ２〜Ｐ５はロータ回転軸心５４を中心として面Ｐ１の位相角をずらしたものとしており、その位相角φは高さと比例させるようにしている。ここでは、面Ｐ１に対して面Ｐ５は回転方向を正として位相角がφ＝９０°だけ進んだ位置としているため、例えば面Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４はその位相角差を等分したφ＝２２．５、４５．０、６７．５°の位置となる。

このように羽根５３の形状を構成することにより、高さ方向のいかなる位置においても羽根５３の水平断面はロータ５の回転軸心５４との距離が同じ距離となり、ロータ半径Ｒは一定に保たれる。また、取付角βも高さ方向で同一となる。よって、高さ方向の任意の水平断面において、羽根５３の有する特性は全く同一なものといえるとともに、高さ方向の全範囲に渡って羽根５３の断面が揚力発生に適した位置関係にあるため、発電効率は損なわれない。

さらに、本実施形態では、図３に示すように、羽根５３の上面Ｐ１と下面Ｐ５との位相角を９０°ずらし、同一の羽根５３を４個均等に配置しており、上方よりロータ５を見た場合、周方向のいかなる位置においても羽根の一部が存在するように構成している。つまり、当該ロータは同一の性質を有する羽根５３を周方向にほぼ同一の割合で有していることになる。そのため、ロータ５の性質は周方向でほぼ等しく、風の方向による影響を受けないとともに周期的な揚力変化も生じない。よって、起動性が向上し、かつ、振動も低減するとともに、振動による軸損失が生じないことから発電効率そのものも大きくなる。

また、上記とは別の実施態様として、ロータ５が備える羽根５３の枚数を２枚としたものを図６および図７に示す。これは、各々の羽根５３を高さ方向内で回転軸心５４を中心に位相角を１８０°ずらしたものであり、それぞれが３本の支持棒５２１によってシャフト５１に取り付けられることで、ロータ５を構成している。この場合の羽根５３も、上記の実施態様の場合と同様に、高さ方向内で連続的に水平断面の位相角が変化するように構成するとともに、上方から見て周方向のいかなる位置においても羽根５３の一部が存在するようにしている。そのため、ロータ５の性質は周方向でほぼ等しく、風の方向による影響を受けないとともに周期的な揚力変化も生じない。

ここで、発明者らの知見によれば、揚力型の垂直軸型風車において羽根枚数を多くすることは、発電効率を高める上で逆効果となる。その原因として、羽根５３は常に回転円周上で前方に位置する別の羽根５３の影響を受け、上流側の羽根５３に気流を乱されることで揚力が低下することがあげられる。そのため、羽根５３間の距離を大きく設定するほうが効率が高くなり、換言すれば羽根枚数を少なくしたほうが効率が高くなる。しかしながら、上述したように羽根５３の枚数を少なくすれば、周方向での羽根５３の偏在に起因する起動性の不良や、振動の発生という問題がより大きくなる。

そのため、図６および図７に示すように、上述の実施形態よりも羽根枚数を少なくした２枚の羽根構成とした上で、それぞれの羽根５３にねじりを加えた形態とすることで、発電効率の向上と、起動性向上や振動の抑制を同時に実現させることも可能となる。

以上のように、本実施形態に係る風力発電装置１は、回転軸を鉛直方向にして回転可能に設けたシャフト５１と、当該シャフト５１に取り付けられた羽根５３とを具備し、前記羽根５３の周囲を流れる流体により前記羽根５３に発生する揚力によって前記シャフト５１を回転させ、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換するものであって、前記羽根５３の水平方向断面を上端から下端まで略同一形状とし、かつ、一定の割合で連続的に位相角を変化させたことを特徴とする。

このように構成しているため、風車であるロータ５の性質が周方向で同一となり、いかなる方向からの風によっても起動が可能となり、かつ、周期的な揚力変動が生じず振動も低減できる。

また、前記シャフト５１の回転軸の軸方向から見て、当該軸を中心とする何れの位相角においても前記羽根５３の少なくとも一部が存在するように構成しているため、上記の効果はさらに高められている。

さらに、前記羽根５３を２枚設けるようにして構成することにより、上記の効果を有しつつ、発電効率も高めることが可能となる。

なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、上記の実施形態においてはロータ５の回転方向を上方から見て反時計回りとなるように構成していたが、図１２に示すように時計回りとなるように構成してもよい。この場合には、図１にかかる実施形態の場合に対して羽根５３を左右反転させた形態となる。また、同様にして、図６にかかる実施形態の場合に対して、羽根５３を左右反転させた形状とすることで回転方向を逆に構成することも可能である。

さらに、上述の図１および図６にかかる実施態様においては羽根５３のねじれ方向を、羽根５３の下側に対して上側の位相角を遅らせる方向にしていたが、これを逆に構成することも可能である。

また、羽根５３を１枚で構成するなど枚数を適宜変更して構成することが可能であるとともに、回転アンバランスを生じない限り、羽根５３のねじり角を増減させることも可能である。

さらに、上記の実施形態では羽根５３の上側および下側端面を平面として水平断面と同じ形状に構成しているが、ロータ５の周方向における性質を大きく変化させない範囲であれば、上下の端部近傍を限定的に水平断面と異ならせるように変更しても差し支えない。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

２…土台
３…発電機
４…支柱
５…ロータ
５１…シャフト
５２…支持手段
５３…羽根
５４…軸心
５５…ロータ基準円
５３３…前縁
５３４…後縁
５３５…翼弦
５３６…取付位置
ｃ…翼弦長
Ｒ…ロータ半径
β…取付角度
θ…アジマス角
φ…位相角

Claims

回転軸を鉛直方向にして回転可能に設けたシャフトと、当該シャフトに取り付けられた羽根とを具備し、前記羽根の周囲を流れる流体により前記羽根に発生する揚力によって前記シャフトを回転させ、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換するものであって、前記羽根の水平方向断面を上端から下端まで略同一形状とし、かつ、一定の割合で連続的に位相角を変化させたことを特徴とする風力発電装置。
前記シャフトの回転軸の軸方向から見て、当該軸を中心とする何れの位相角においても前記羽根の少なくとも一部が存在するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記羽根が２枚設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。