JP2012229685A - 風力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 広範囲にわたる風の強さに応じて発電機の回転を効率よく制御すると共に、風向に応じて最適な位置にブレードの角度を保つことで効率よく発電することができる垂直軸型風力発電機を提供すること。
【解決手段】 本発明の特徴である風車の過回転を防止する機能であるスポイラは、垂直軸に対して半径方向のブレード外面側に装着され遠心力の上昇によって開き始めることで回転速度を制御し、本発明のもう一つの特徴であるブレードの角度を回転効率の良い位置に保つための機構で、それぞれのブレード上端の２つのピボット軸と、垂直軸上端のピボット軸２ａａに取り付けられた、角度制御板４のピボット軸４ｄから放射状に取付けられた制御支持棒５ａ、５ｂ、５ｃと角度制御板４と同方向に固定された垂直尾翼４ｗで、ブレードの風に対する角度を調節して回転効率を向上させることができる風力発電機。
【選択図】図１

Description

本発明は、風の力で発電機を駆動し電力を得る垂直軸型風車を有する風力発電機に関する。

風車による発電機には種々の形式のものが開発されている。特に、風の強さが変化して発電機の回転速度が変化しても商用電力網に送電できるよう、ＡＣ−ＤＣ−ＡＣインバータを介して商用電力の一定の周波数に変換する回路を有する可変速型風力発電機は、風速に応じて、低速回転時から高速回転時までの風車の回転数の変動に対応できる。このような可変速型の風力発電機の場合は、風車が過回転となると、発電機の固定側の電機子に過電流が流れ、発電機が焼損する虞がある。また、風車自体も、過回転による遠心力等で、物理的に破損する虞がある。このため、強風下では、発電を停止するか、又は、発電機の回転数を抑制することにより、風力発電機を破損から保護するのが一般的である。
また、垂直軸型風車は風を切るブレードから発生する揚力とブレードが風を受けることによる抗力で回転力を得るが、垂直軸型風車が風の中を回転すると構造上ブレードの回転する位置によって風車の回転を阻害するブレードの角度が必ず存在するため、垂直軸型風車の回転効率低下は避けられないし、微風では回転力を得ることができない。

通常、発電機の回転数を抑制して、過回転を防止する方法として、摩擦力を利用した機械的に制動する方法（例えば特許文献１参照）、及び、発電した電力を用いて発電機を電磁的に制動する方法（例えば特許文献２参照）がある。

特開２００３−３４３４１９ 特開２００８−２２８５７０

しかし、機械的に制動する場合には、回転側と固定側との相対移動する部材間に、摩擦による熱が発生し、特に、長期間にわたってある程度の回転を維持しつつ制動する場合は、相対回転する部材間の磨耗も増大する。また、電磁的に制動する方法は、風車の回転を発電機で消費するもので、発電コストを上昇させ、このときに発電機の内部に熱が発生することになる。このような熱の発生は、発電機の使用寿命を低下させ、損傷を生じさせる要因となる。
このため、不要な熱を発生させること無く、風速が広範囲にわたって変動する場合であっても、安定して発電することのできる風力発電機が望まれている。
また、垂直軸型風車、例えばジャイロミル型風車のような垂直のブレードと垂直の軸を持つものでは、ブレードが１回転する工程において、ブレードが風を垂直軸に対し半径方向の位置で受ける回転に関与しない角度が２回存在する。また、これらの位置の前後では、ブレードが風車の回転力を妨げることになる。
このため、垂直軸型風車の回転効率向上のためのブレード角度制御技術が望まれている。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、広範囲にわたる風の強さに応じて発電機の回転を効率よく制御すると共に、風向に応じて最適な位置にブレードの角度を保つことで効率よく発電することができる垂直軸型風力発電機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明によると、垂直軸に放射状に取り付けられた複数の支持棒の先端にブレードを配置し、風による抗力と揚力によって回転する垂直軸型風車を有する風力発電機であって、
前記ブレードは、前記垂直軸に対する半径方向外側面に、遠心力によって作動するスポイラを収納している。このスポイラとブレードに装着されているねじりバネの張力に、スポイラに装着されている錘の遠心力が抗してスポイラを開き、ブレード外側表面の気流を乱すことで、ブレードの揚力を減じて風車の過回転を防止する風力発電機が提供される。
前記スポイラは、前記ねじりバネの張力で前記ブレードに収まっている。そして、ブレードの大きさに応じて複数のスポイラと複数の張力の異なるバネを有している。前記ブレードの回転速度の増減による遠心力の変化に、張力の異なるねじりバネを有する前記スポイラで、前記ブレードの回転速度を柔軟に制御する風力発電機が提供される。

また、本発明によると、前記支持棒の末端部は、前記ブレード頭部の上端部と下端部に位置するピボット軸に接続されている。したがって、ブレードは支持棒を介して垂直軸を駆動するとともに、このピボット軸を枢軸としてブレード尾部が可動となっている。
この可動なブレード尾部を制御する制御支持棒が角度制御板の末端部のピボット軸に放射線状に取り付けられ、それぞれ、各ブレード上端尾部のピボット軸に接続されている。
また、前記角度制御板は前記垂直軸頂部のピボット軸に取り付けられ、末端部上部に垂直尾翼を有する。
前記ブレードの角度は、ブレードと前記角度制御板が受ける風圧による前記角度制御板末端部のピボット軸の移動よって、前記ブレード尾部のピボット軸の回転中心位置と前記垂直軸を中心とするブレード本体の回転軸の位置関係を変化させて制御する風力発電機が提供される。
前記ブレードの風に対する角度調節方法は、前記支持棒の長さ（Ｌ１とする）、前記垂直軸上端ピボット軸と前記角度制御板の制御支持棒用ピボット軸の距離（Ｌ２とする）、前記制御支持棒の長さ（Ｌ３とする）、ブレード上端の支持棒用ピボット軸と制御支持棒用ピボット軸の距離（Ｌ４とする）について次の条件を設定することで回転効率を向上させることが出来る。すなわち、Ｌ１とＬ３は同じ長さとすることが好ましく、Ｌ２とＬ４はＬ２の距離をＬ４より短くすることで、回転効率を向上したブレード角度調節機構を有する風力発電機が提供される。
また、垂直軸型風力発電機は、上記の遠心力とねじりバネで作動するスポイラによって回転速度を制御する機構と、上記のブレード角度を調節する機構の両方の機能を有することが好ましい。

本発明のスポイラによるブレードの過回転を防止する機構によると、単純な仕組みでブレードに発生する揚力を阻害し過回転を防止できる。また、ブレードに装着されるスポイラのねじりバネの張力を複数の種類にすることで、垂直軸型風車の過回転を防止するだけではなく、細かく風車の回転速度を制御することができる。
本発明のブレード角可変機構によると、ブレードが垂直軸を中心に１回転する間のブレード角は、ブレードが風に向かい揚力を発生し回転力を得るブレード角度と、ブレードが風の抗力を大きく受け回転力を得る角度が大半を占め、回転を妨げる角度がほとんど無いため効率よく風のエネルギーを回転エネルギーに変換できる。

本発明の実施形態（３枚ブレードで回転方向を反時計回り方向とするジャイロミル型風車の例）による垂直軸型風力発電機を説明するための上方から見た斜視図。 ブレードに装着されたスポイラの作動を説明するため図１のＡ−Ａ’方向から見たブレード横断面図。 図２のスポイラの装着位置と作動を説明するため図１のＢ−Ｂ’方向から見たブレードの断面図とブレード上面の図。 図１の本発明の実施形態におけるブレードの風向に対する角度調節と支持棒などの長さの関連を説明するための上方よりブレードを見た図。 図４の支持棒や制御支持棒等の設定を適切にした形態の説明図。 本発明の垂直軸型風力発電機において風向が１８０度変化した場合の作動説明図。

図１乃至図３は本発明の好ましい実施形態による３枚のブレードを有する風力発電機と主要部品を示す。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
図１の上方からの斜視図に示すように、この風力発電機は、発電機１０を駆動する垂直軸２に３枚のブレード１ａ、１ｂ、１ｃを有し、それぞれのブレードは上下の支持棒３ａ、３ａ’、３ｂ、３ｂ’、３ｃ、３ｃ’で垂直軸２に取り付けられているジャイロミル型と称される垂直軸型風車である。ブレード横断面は飛行機の翼の形状で、ブレードで風を切ると風の作用で垂直軸に対し半径方向前方に揚力を得ることが出来る。なお、発電機及び電気回路は一般的に用いられているものであるから記述を省略する。

本発明の特徴である風車の過回転を防止する機能であるスポイラは、垂直軸に対して半径方向のブレード外面側に装着され遠心力の上昇によって開き始める（スポイラの詳細は図２に示す）。
本発明のもう一つの特徴であるブレードの角度を回転効率の良い位置に保つための機構が、それぞれのブレード上端の２つのピボット軸（例えばブレード１ａの３ａａと５ａａ）と、垂直軸上端のピボット軸２ａａに取り付けられた角度制御板４のピボット軸４ｄから放射状に取付けられた制御支持棒５ａ、５ｂ、５ｃと角度制御板４と同方向に固定された垂直尾翼４ｗで、ブレードの風に対する角度を調節することができる。
角度制御板４のもう一方の末端部４ｈは、角度制御板４に取り付けられた制御支持棒５ａ、５ｂ、５ｃと垂直尾翼４ｗの重量との均衡をとるため、末端部４ｈに比重の大きい材質を用いて、垂直軸上端のピボット軸２ａａを挟んだ反対側に延長されている。
ブレード側では（以下、３枚のブレード共通の事項なので、ブレード１ａについてのみ符号を付す）支持棒３ａ、３ａ’がブレードの上端と下端の頭部のピボット軸３ａａ、３ａｂに取付けられ、制御支持棒５ａがブレード上端の尾部のピボット軸５ａａに取付けられているので、ブレード１ａは垂直軸２を中心とし回転するだけでなく、ピボット軸５ａａに作用する制御支持棒５ａによってブレード上端のピボット軸３ａａと下端のピボット軸３ａｂを中心として回転する。
すなわち、支持棒３ａと制御支持棒５ａの長さ、及び垂直軸のピボット軸２ａａと角度制御板４のピボット軸４ｄとの距離と、ブレード上端のピボット軸３ａａとピボット軸５ａａの距離を適切に設定し、ブレード１ａと角度制御板４の垂直尾翼４ｗが風の圧力を受けることで、ブレード１ａの角度が変化する。
上記の制御支持棒やピボット間の距離を適切に設定することで常に効率よく風を捉えるブレードの角度を維持する風車となる。

図２では、ブレード１ａ上端とブレード１ａ中心部分のスポイラ６ａの断面を示す。スポイラ６ａはピボット軸６ｃでブレード１ａの垂直軸２からの半径方向外側に装着されている。ブレード１ａが適切な速度で回転中は、スポイラ６ａはブレードに収まった状態を維持して、ブレード１ａ表面の風の流れを阻害することはない。
スポイラ６ａは錘６ｂを端末部に装着し、遠心力でスポイラ６ａがピボット軸６ｃを枢軸として図面上方に開くのを容易にしている。一方、ブレード１ａは、ねじりバネ７ｂを有しており、ねじりバネの一端７ａをスポイラ６ａに差し込み、もう一端７ｃをブレード１ａに固定している。従って、スポイラ側のバネ端７ａはスポイラ６ａの長さ方向にスライドしてスポイラ６ａの開閉を妨げない。
このねじりバネ７ｂはスポイラの錘６ｂの遠心力に抗して、スポイラ６ａの開くのを抑制する。すなわち、スポイラの錘６ｂの重量とねじりバネ７ｂの張力とを調整することでスポイラ６ａの開き始めるブレード１ａの速度とスポイラ６ａの開度を調節することができる。
ブレード頭部の上下のピボット軸３ａａ、３ａｂはブレードの重心が頭部に位置するので、ブレード１ａの殆どの重量を支えながら回転する。そこで、面積の大きいワッシャー３３を有してブレードの重量と回転による摺動に備えている。また、ブレード尾部のピボット軸５ａａも回転による摺動に備えてワッシャー５５を有する。

図３では、複数のスポイラ６ａ、６ａ２、６ａ３の装着位置とブレード１ａの回転を垂直軸２に伝える支持棒３ａとブレード角度を制御する制御支持棒５ａの制限突起５０について説明する。
本図のブレード１ａでは、スポイラの適切な数を３枚としている。３枚のうち中央に装着するスポイラ６ａと上下に位置するスポイラ６ａ２、６ａ３とでは、ねじりバネ７ｂの張力が異なり、中央のスポイラ６ａが最少である。そのため、ブレード１ａの回転数が上昇すると中央のスポイラ６ａが開き始め、更にブレード１ａの回転数が上昇すると上下の２枚のスポイラ６ａ２、６ａ３が開き始めることでブレード１ａの細かい速度制御を可能としている。
ブレード１ａ上端のピボット軸３ａａ、５ａａに取り付ける支持棒３ａと制御支持棒５ａは互いにブレード上面で交錯しないよう、そして、ブレード１ａが高効率で回転する角度を維持して、風から回転力得ることができない角度にならないよう、支持棒３ａ、５ａの取り付け間隔と角度制御板ピボット軸４ｄの位置で調節しているが、念のため制限突起５０をブレードの上面に設けて支持棒３ａと制御支持棒５ａの作動範囲を制限している。（この制限については図４と図５で説明する）

本発明のブレードの風向に対する角度を調節する機構は、例えばブレード１ａでは、支持棒３ａの長さ（Ｌ１とする）、垂直軸上端ピボット軸２ａａと角度制御板４の制御支持棒用ピボット軸４ｄの距離（Ｌ２とする）、制御支持棒５ａの長さ（Ｌ３とする）、ブレード上面における支持棒用ピボット軸３ａａと制御支持棒用ピボット軸５ａａの距離（Ｌ４とする）を適切に調整することで機能を発揮する。
図４及び図５は、風車を上方から見て反時計回りに回転させようとしている図で、風車の各回転角度におけるブレードの角度変化を示す。
図４では、Ｌ１とＬ３を同じ長さにして、円３０と円４０として回転軌跡を表している。そして、Ｌ２とＬ４も同じ距離にして円４１と円４２で軌跡を表している。
ここで、Ｌ２とＬ４を等距離にすると円４０と円４２が接する状況（Ａ）が発生する。すなわち、ブレードの尾部が次の回転角では円４０と円４２の交点（Ｂ）或いは交点（Ｃ）のどちらかに風の圧力で振られることになる。図（ａ）は、幸にも風車が回転可能な（Ｂ）の方向にブレード尾部が収まった状況を表すが、通常は、図（ｂ）のように（Ｃ）の位置になる。すなわち、（Ｃ）のように風下側にブレード尾部が位置すると、次に円４０と円４２が接する１８０度回転する位置（Ｄ）、（Ｅ）までブレード尾部が変化できる位置に来ないが、風の力ですべてのブレードが、図（ｂ）のように風向と同じ方向になり、風車が回転することができない。
更に、支持棒３ａが図４に示すＦからＦ’の位置にくると支持棒３ａと制御支持棒５ａが重なることになる。（実際にはブレード上面の制御支持棒用ピボット軸に支持棒３ａが衝突し重なる前に破損する）

そこで、図５で、上記のＬ１からＬ４までの長さを適切にしてブレード事故を防止し、回転効率向上する方法を示す。
ここでは、支持棒３ａ、３ｂ、３ｃの長さＬ１と制御支持棒５ａ、５ｂ、５ｃの長さＬ３は、図４と同様同じ長さであるが、角度制御板４における垂直軸上端のピボット軸２ａａと制御支持棒用ピボット軸４ｄとの距離Ｌ２と、ブレード上面の支持棒用ピボット軸３ａａ、３ｂａ、３ｃａと制御支持棒用ピボット軸５ａａ、５ｂｂ、５ｃｃとの距離Ｌ４とではＬ２＜Ｌ４と設定している。（円４１と円４２を、２ａａを中心とする同心円で描き、その距離の差がわかるよう示している）
Ｌ２とＬ４の差が、角度制御板４のピボット軸４ｄを中心とする半径Ｌ３の円４０と、ブレード上面のＬ４を半径とするブレード頭部のピボット軸３ａａ、３ｂａ、３ｃａを中心とする円４２と、重なる領域４１の最大幅となる。
前記の領域４１の意味するところは、Ｌ３とＬ４の長さは制御支持棒或いはブレードが変形しない限り変わらないので、前記に示す円４０と円４２との交点にのみブレード尾部が位置することができる。領域４１のハッチング部分では制御支持棒５ａ、５ｂ、５ｃが長すぎる或いはブレード上面のピボット軸間Ｌ４の長さが長すぎて、ブレード尾部が収まることができないし、交点以外のところでは、制御支持棒５ａ、５ｂ、５ｃが届かないので、ブレード尾部が収まらない。そこで、前記領域４１の幅が大きい場合は、ブレード尾部が移り変わることがより困難となり安定していることを示す。すなわち、図４（ｂ）に示すような回転不可能の角度にならないし、支持棒３ａ、３ｂ、３ｃと制御支持棒５ａ、５ｂ、５ｃが重なることがないことを示す。本発明では、念のために制限突起５０をブレード上面に取り付けて、確実にブレードが回転不可能な位置に振れないよう、そして支持棒３ａ、３ｂ、３ｃと制御支持棒５ａ、５ｂ、５ｃがブレード上面で交錯することのないようにしている。

図５の風車は、図面左から風を受けているが、もし、風が反対方向の右に変化した場合の風車の作動を図６に示す。
図５では、風車は反時計方向に回転していたが、風が右に変わったところで、例えば、図（ａ）のように図面で下側のブレード角が９０度に近く、図面上側のブレードが０度に近い状態では、風車は時計回りに回転を始める。次に風の圧力がブレードと角度制御板の尾翼に作用して角度制御板も時計回りに回転する（ｂ）。そして、角度制御板のピボット軸が図面の左手に回転した時点で、ブレードの角度が、反時計回り回転する状態に設定され、反時計回りの回転を開始し、この状態を保持する。

１ａ、１ｂ、１ｃ ブレード
２ 風車の垂直軸
２ａａ 垂直軸上端ピボット軸
３ａ、３ｂ、３ｃ 支持棒（ブレード上端用）
３ａａ、３ｂａ、３ｃａ ブレード上端頭部ピボット軸
３ａ’、３ｂ’、３ｃ’ 支持棒（ブレード下端用）
４ 角度制御板
４ｄ 角度制御板末端部ピボット軸
４ｗ 垂直尾翼
５ａ、５ｂ、５ｃ 制御支持棒
５ａａ、５ｂｂ、５ｃｃ ブレード上端尾部ピボット軸
６ａ、６ａ２、６ａ３ スポイラ
７ｂ ねじりバネ
１０ 発電機

Claims (5)

1. 垂直軸に放射状に取り付けられた複数の支持棒の先端にブレードを配置し、風による抗力と揚力によって回転する垂直軸型風車を有する風力発電機であって、
   前記ブレードは、前記垂直軸に対する半径方向外側面に、遠心力によって作動するスポイラを収納している。このスポイラとブレードに装着されているねじりバネの張力に、スポイラに装着されている錘の遠心力が抗してスポイラを開き、ブレード外側表面の気流を乱すことで、ブレードの揚力を減じて風車の過回転を防止することを特徴とする風力発電機。
2. 前記スポイラは、前記ねじりバネの張力で前記ブレードに収まっている。そして、ブレードの大きさに応じて複数のスポイラと複数の張力の異なるバネを有している。前記ブレードの回転速度の増減による遠心力の変化に、張力の異なるねじりバネを有する前記スポイラで、前記ブレードの回転速度を柔軟に制御することを特徴とする請求項１に記載する風力発電機。
3. 前記支持棒の末端部は、前記ブレード頭部の上端部と下端部に位置するピボット軸に接続されていて、ブレードは支持棒を介して垂直軸を駆動するとともに、このピボット軸を枢軸としてブレード尾部が可動となっている。このブレード尾部を制御する制御支持棒が角度制御板の末端部のピボット軸に放射線状に取り付けられ、それぞれ、各ブレード上端尾部のピボット軸に接続されている。
   また、前記角度制御板は前記垂直軸頂部のピボット軸に取り付けられ、末端部上部に垂直尾翼を有する。
   前記ブレードの角度は、ブレードと前記角度制御板が受ける風圧による前記角度制御板末端部のピボット軸の移動よって、前記ブレード尾部のピボット軸の回転中心位置と前記垂直軸を中心とするブレード本体の回転軸の位置関係を変化させて制御することを特徴とする風力発電機。
4. 前記ブレードの風に対する角度調節方法は、前記支持棒の長さ（Ｌ１とする）、前記垂直軸上端ピボット軸と前記角度制御板の制御支持棒用ピボット軸の距離（Ｌ２とする）、前記制御支持棒の長さ（Ｌ３とする）、ブレード上端の支持棒用ピボット軸と制御支持棒用ピボット軸の距離（Ｌ４とする）について次の条件を設定することで回転効率を向上させることが出来る。すなわち、Ｌ１とＬ３は同じ長さとすることが好ましく、Ｌ２とＬ４はＬ２の距離をＬ４より短くすることで、回転効率を向上したブレード角度調節機構を有することを特徴とする請求項３に記載する風力発電機。
5. 上記の遠心力とねじりバネで作動するスポイラによって回転速度を制御する機構と、上記のブレード角度を調節する機構の両方の機能を有することを特徴とする風力発電機。

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