JP2012233458A

JP2012233458A - 風力発電機

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Publication number: JP2012233458A
Application number: JP2011104328A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Hirata; 好男平田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2031-05-09
Also published as: JP4822195B1

Abstract

【課題】垂直軸風車を用いた縦型のタービンを有する風力発電機であって、安全且つ効率よく電力を得るために、並設した２機のタービンを連動することによって、風力の大小に応じて効率的に電力を得ることができるようにした。
【解決手段】
回転軸を垂直方向に立てた状態で回転可能に設けた回転体の外周に所定間隔で複数の縦長の羽根を取り付けた主タービンを構成し、該主タービンと同様に垂直方向に立てた回転体の外周に所定間隔で複数の縦長の羽根を取り付けてなる補助タービンを設け、これらの主タービンと補助タービンとを微小間隔を開けた状態で並置し、夫々のタービンに設けられた回転体に同軸に形成した双方の大径ギヤの間に小径ギヤを噛み合わせることにより、主タービンの回転と補助タービンの回転を連動させると共に、小径ギヤに発電機を接続した。
【選択図】図３

Description

本発明は、風力エネルギーを利用して、効率的に電力を得ることができるようにした風力発電機に関する。

近年、地球環境の保全やエネルギー施設の安全管理を確保することができる電力源として、風力エネルギーを利用した風力発電機が開発されている。

この風力発電機に設けられる風車には様々な種類があり、一般的に、水平軸風車と垂直軸風車の２種類に分類することが可能である。

このうち、水平軸風車の中で最も普及が進んでいるものがプロペラ型風車である。このプロペラ型風車は、一般的に羽根数の多いほうが風に対する効率性が良く、機動性も良い。また、プロペラ型風車は、最高効率点が低風速域にあるため、低風速からの発電が可能とされている。

ところで、このプロペラ型風車は、風車の回転軸が風の吹く方向に対して平行になるため、風に対する方向の制御が必要となる。また、プロペラ型風車は、ロータの直径が大型化するに伴い風を捉える効率が向上し、高所の方が効率よく風を捉えることができるため、大型化する傾向にある。しかしながら、保守性を考えるならば、ロータの径が大型化するにつれて、タワーは高くなり、ブレードは長くなるため、点検や補修が困難になるという問題点があった。

また、垂直軸風車は、水平軸風車に比べて低回転、高トルクで回転し、回転軸が風の吹く方向に対して垂直になるため、風の方向を制御する必要がない。この垂直軸風車は、用途に応じて、ダリウス型、ジャイロミル型、サボニウス型またはその併用型が用いられている。このうち、サボニウス型は、プロペラ型風車に比較して小型であり、設置場所が特に限定されない風力発電機として注目されている。

そこで、従来技術として、特許文献１に示すサボニウス型の風力発電装置を参照すると、この風力発電装置は、垂直軸の上部に複数枚の羽根と下部にギヤを取り付けた風車部を左右に設け、夫々の風車部の羽根が、非接触で相互に重なり、しかも互いの羽根が入りこむように並列状に配置した構成とされたものである。駆動する際には、左右の風車部の羽根が接触しないように同期をとって逆回転させ、その駆動力で発電をするようにしている。

ところが、上記の特許文献１の風力発電装置は、互いの羽根が入りこむように並列状に配置した構成を有するため、夫々の羽根が回転する際、互いに同期をとって回転させても、双方の羽根の同期回転に故障が生じた場合、左右の羽根が互いに接触するおそれがあり、羽根が破損する等の事故につながるという危険性があった。

特開２０１０−２８５９６３号公報

本発明は、設置箇所に汎用性のある垂直軸風車を用いた縦型のタービンを有する風力発電機であって、安全且つ効率よく電力を得るために、並設した２機のタービンを連動することによって、風力の大小に応じて効率的に電力を得ることができるようにした風力発電機を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するために、本発明の請求項１の風力発電機は、回転軸を垂直方向に立てた状態で回転可能に設けた回転体の外周に所定間隔で複数の縦長の羽根を取り付けた主タービンを構成し、該主タービンと同様に垂直方向に立てた回転体の外周に所定間隔で複数の縦長の羽根を取り付けてなる補助タービンを設け、これらの主タービンと補助タービンとを所定間隔を開けた状態で並置し、夫々のタービンに設けられた回転体に同軸に形成した双方の大径ギヤの間に所定数の小径ギヤを噛み合わせることにより、主タービンの回転と補助タービンの回転を連動させると共に、小径ギヤに発電機を接続し、主タービンの外周に発生した風圧を補助タービンの羽根が受けることによって付勢された補助タービンの大径ギヤの回転力を小径ギヤに伝達することにより、該小径ギヤの回転力を付勢して発電機に伝達するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２の風力発電機は、請求項１において、主タービンと補助タービンと小径ギヤとを組み合わせてケーシングに収容し、該ケーシングは、主タービンの側部に設けた縦長の開口部と、該開口部を経てケーシングの外方から取り入れた風を主タービンの羽根に導入して当てるように形成した風受け部を有する開閉扉が設けられ、該ケーシングにおける補助タービンの側方部位には、該ケーシングの内部を流動した風の流れを外方へ排出する排気口が設けられたことを特徴とする。

また、本発明の請求項３の風力発電機は、請求項１又は２において、ケーシングの開口部に設けられた開閉扉は、開口部の間口の大きさを調整するようにケーシングに沿って伸縮する構造であることを特徴とする。

また、本発明の請求項４の風力発電機は、請求項１、２又は３において、主タービンと補助タービンと小径ギヤと発電機を収納した１基のケーシングを複数基設けると共に、各ケーシング内の小径ギヤを互いに連結した構成とし、各ケーシングの外方から吹き込む風の大小に応じて、発動させる発電機の数を調整するようにしたことを特徴とする。

さらに、本発明の請求項５の風力発電機は、請求項１、２又は３において、主タービンと補助タービンとを収容した複数のケーシングを縦方向に積み重ねて互いに固定するようにしたことを特徴とする。

本発明は上記のように構成されているため、ケーシングの開口部から外界の風を取り込んだ後、ケーシング内の主タービンの外周に発生した風圧を補助タービンの複数の羽根が受けることによって付勢された補助タービンの大径ギヤの回転力を小径ギヤに伝達することにより、小径ギヤの回転力を付勢することが可能となる。

従って、ケーシングの開口部から取り入れた外界の風の風圧が弱い場合でも、主タービンの風圧を受けて回転した補助タービンの付勢力によって小径ギヤを補助的に回転させることができるため、外界の風の風量が微小である場合でも、効率的に小径ギヤを回転して、その回転力を発電機に供給することが可能となる。

また、本発明の風力発電機によれば、ケーシングの開口部に設けられた開閉扉は、開口部の間口の大きさを調整するようにケーシングに沿って伸縮する構造としているため、外界の風量に応じて開閉扉の開度を調整することが可能となる。このような構成は、特に、外界から取り入れられる風圧が大きい場合に、開閉扉を適度に閉めることによって、ケーシング内の主タービン等を保護することが可能となるものである。

また、本発明によれば、主タービンと補助タービンと小径ギヤと発電機を収納してなる１基のケーシングを複数基設けると共に、各ケーシング内の小径ギヤを互いに連結した構成とし、発動させる発電機の数を調整することにより、各ケーシングの外方から吹き込む風の大小に応じて調整された発電量を得ることが可能となる。

さらに、本発明において、主タービンと補助タービンとを収容した複数のケーシングを縦方向に積み重ねて互いに固定した構造とすることにより、風力発電機の立地面積が狭い箇所や付近に他の障害物があって低地では必要な風力を確保できないときでも、縦に積み重ねた複数の風力発電機により、高所の風力を得て効率的に電力を得ることが可能となる。

本発明の実施例に係る風力発電機の主タービンと補助タービンとを組み合わせた構成を示す平面図である。本発明の実施例に係る風力発電機の主タービンと補助タービンとを組み合わせた構成を示す側面図である。本発明の実施例に係る風力発電機の主タービンと補助タービンとを組み合わせてケーシング内に収納した構成を示す平面図である。本発明の実施例に係る風力発電機のケーシングを排気口側から見た外観図である。本発明の実施例に係る複数の風力発電機を横方向に連結した構成を示す平面図である。本発明の他の実施例に係る風力発電機の主タービンと補助タービンとを組み合わせてケーシング内に収納した状況を示す内部構造図である。図６に示す本発明の他の実施例に係る複数の風力発電機を縦方向に積み重ねて互いに固定した状況を示す内部構造図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本実施例の風力発電機１は、図１又は図２に示すように、基台２上に主タービン３と補助タービン４とが縦方向に立設した状態で並設され、これらの主タービン３と補助タービン４とが後述するケーシング５の内部に収納されたことによって、一基の風力発電機１を構成している。

このような構成において、上記の主タービン３は円筒形状の回転体６ａの中心に回転軸７ａが設けられ、回転軸７ａの下端部を基台２に取り付けた軸受部材８にベアリング８ａを介して回転軸７ａを支承することにより、回転体６ａの回転軸７ａを垂直方向に立てた状態で回転可能としている。

さらに、主タービン３の回転体６ａの外周に所定間隔で複数の縦長の羽根９、９・・・が取り付けられている。それぞれの羽根９は縦長に形成された板部材の一辺を回転体６ａの外周に固定した構成としてあり、各羽根９、９・・・を回転体６ａの外周方向へ湾曲した形状とすることによって、各羽根９、９・・・で受ける風圧を効率的に主タービン３の回転運動へと変換するようにしている。

なお、主タービン３の回転体６ａの外周に設けた各羽根９、９・・・の形状は、上記のように必ずしも湾曲形状とする必要はなく、回転体６ａの外周から垂直方向又は所定角度を有して直状に形成するようにしてもよい。

また、上記の主タービン３と同様に垂直方向に立てた状態で主タービン３の近傍に補助タービン４が形成されている。この補助タービン４は、上記の主タービン３と同様に、円筒形状の回転体６ｂの中心に回転軸７ｂが設けられ、回転軸７ｂの下端部を基台２に取り付けた軸受部材８にベアリング８ａを介して支承することにより、回転体６ｂの回転軸７ｂを垂直方向に立てた状態で回転可能にした構成としている。

さらに、この補助タービン４においても、回転体６ｂの外周に所定間隔で複数の縦長の羽根９、９・・・が取り付けられている。このような補助タービン４の構成においても、主タービン３と同様に、それぞれの羽根９、９・・・は縦長に形成された板部材の一辺を回転体６ｂの外周に固定した構成としてあり、各羽根９、９・・・は回転体６ｂの外周方向へ湾曲した形状とすることによって、各羽根９、９・・・で受ける風圧を効率的に主タービン３の回転運動へ変換するようにしている。

ただし、図１に示すように、補助タービン４の回転体６ｂの外周に設けられた羽根９、９・・・を湾曲形状とする場合、主タービン３の羽根９、９・・・の湾曲方向とは異なる方向に湾曲した形状とするのが好ましい。このような構成により、主タービン３の回転によって発生する主タービン３の羽根９、９・・・に生じる風圧の流れを、主タービン３の近傍に設けた補助タービン４の羽根９、９・・・で受けて、補助タービン４を強制的に回転することが可能となる。

また、これらの主タービン３と補助タービン４とは接近した所定間隔で並置され、主タービン３と補助タービン４の何れのタービンにおいても、それぞれの回転体６ａ、６ｂに対して同軸に大径ギヤ１０ａ、１０ｂが設けられている。夫々の大径ギヤ１０ａ、１０ｂは、各回転体６ａ、６ｂの下部の外周に形成するようにしてもよいし、各回転体６ａ、６ｂとは別体であって、回転体６ａ、６ｂの下部の回転軸７ａ、７ｂに固定するようにしてもよい。

さらに、上記のように各タービン３、４に設けた双方の大径ギヤ１０ａ、１０ｂの間に２枚の小径ギヤ１１ａ、１１ｂを噛み合わせることにより、主タービン３の回転と補助タービン４の回転を互いに逆方向に回転させる。また、大径ギヤ１０ａの回転によって発生した羽根９の風力を隣設した大径ギヤ１０ｂの羽根９に当てることにより、大径ギヤ１０ｂの回転を付勢させ、これによって小径ギヤ１１ａ、１１ｂの回転力を付勢することができる。

なお、それぞれの小径ギヤ１１ａ、１１ｂは軸１１で支持し、それぞれの軸１１を主タービン３と補助タービン４との間に設けた小径ギヤ１１ａ、１１ｂの軸受部材８にベアリング８ａを介して立設した状態で支持している。

また、いずれか一方の小径ギヤ１１ａ又は１１ｂのギヤ軸１１の下部に連結用ギヤ１２を設け、この連結用ギヤ１２に発電機１３を接続した構成によって、ギヤ軸１１の回転を発電機１３の回転に変換し、発電機１３に接続された蓄電装置１４又は送電装置等に電力を供給することが可能となる。なお、上記の発電機１３は、多相交流発電機等を利用するほか、他の構造の発電機を利用してもよく、この発電機の構造や種別は本発明において特に限定するものではない。

さらに、本実施例においては、図３又は図４に示すように、上記のように構成された主タービン３と補助タービン４と双方の大径ギヤ１０ａ、１０ｂと小径ギヤ１１ａ、１１ｂとを収容するケーシング５を設けてもよい。だたし、本発明は、ケーシング５を設けない図１の構造とすることも可能である。また、ケーシング５は、並設した主タービン３と補助タービン４との外周に沿って形成され、夫々の主タービン３と補助タービン４の羽根９、９・・・の外周に接触しない距離を保って湾曲状の外形を有する構成とされている。

また、ケーシング５には、主タービン３の側部に縦長の開口部１５が形成され、この開口部１５から入り込む自然風等の風圧を受けて、この風圧がケーシング５内の主タービン３の複数の羽根９、９・・・に当ることによって、主タービン３が大径ギヤ１０ａを回転し、この回転を小径ギヤ１１ａ、１１ｂの回転に伝達して、発電機１３の動力源として供給することが可能となる。

さらに、上記の開口部１５には、ケーシング５の外方から取り入れた風を効率的に主タービン３の羽根９、９・・・に導入して当てるように形成した風受け部１６ａを有する開閉扉１６が設けられている。この開閉扉１６は、開口部１５の間口の大きさを調整するようにケーシング５に沿って伸縮する構造とされている。

この開閉扉１６の具体的な構造としては、図３に示すように、ケーシング５の外側の上下部に取り付けられた保持具１７、１７に沿ってスライドする開閉扉１６を構成している。このような開閉扉１６を外界の風の大小に応じて移動することにより、開口部１５の間口の開き具合を調整し、開口部１５からケーシング５の内部に取り入れる風量の調整を行うことによって、主タービン３の回転速度を制御することが可能となる。

また、上記のケーシング５の構造において、補助タービン４の側方におけるケーシング５の所定部位には、該ケーシング５の内部を流動した風の流れとして、特に補助タービン４の風の流れを外方へ排出する縦長形状の排気口１８が設けられている。

上記の構成により、ケーシング５内の主タービン３の外周に発生した風圧を補助タービン４の羽根９、９・・・が受けることによって付勢された補助タービン４の大径ギヤ１０ｂの回転力を小径ギヤ１１ａ、１１ｂに伝達することにより、補助的に小径ギヤ１１ａ、１１ｂの回転力を付勢することが可能となる。

また、本発明の他の実施例として、主タービン３と補助タービン４とを収納したケーシング５とは別の密閉状の空室（不図示）を設け、この空室に、空気圧縮機による圧縮空気を蓄積し、該空室の圧縮空気をケーシング５内に供給することが可能となる。本実施例の風力発電機１のケーシング５内に外界から取り入れる風量が少ない場合、別室の圧縮空気を主タービン３又は補助タービン４の羽根９、９・・・に当てるようにしてもよい。

さらに、他の実施例として、図５に示すように、主タービン３と補助タービン４と小径ギヤ１１と発電機１３等を収納してなる１基の風力発電機１を複数基設けると共に、各風力発電機１のケーシング５内の連結用ギヤ１２、１２・・・を互いにチェーン２０等で連結した構成とし、各ケーシング５の外方から吹き込む風の大小に応じて、発動させる風力発電機の数を調整するようにしてもよい。

また、上記の実施例における風力発電機の構造においては、図２に示すように、大径ギヤ１０ａ、１０ｂ、小径ギヤ１１ａ、１１ｂ、連結用ギヤ１２は、回転体６ａ、６ｂの下部に設けていたが、他の実施例として、図６に示すように、回転体６ａ、６ｂの上部に設けることも可能である。

即ち、他の実施例においては、図６に示すように、大径ギヤ１０ａ、１０ｂ、小径ギヤ１１ａ、１１ｂ、連結用ギヤ１２を、回転体６ａ、６ｂの上部に設けることによって、これらのギヤ群、さらに連結用ギヤ１２に連結する発電機１３や蓄電器１４等をケーシング５内の天井付近に設け、これによって洪水等の水害に際しても浸水し難い高さを確保するようにしている。

さらに、本発明において、図７に示すように、主タービン３と補助タービン４とを収容した複数の風力発電機１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・・を縦方向に積み重ね、各ケーシング５の上下に設けた基台２、２に対してボルト、ナット１９で互いに固定した構造とすることができる。このように複数の風力発電機１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・・を縦方向に積み重ねることにより、風力発電機の立地面積が狭い箇所や付近に他の障害物があって、低地では必要な風力を確保できないときでも、高所の風力を得て、効率的に電力を得ることが可能となる。なお、上記の風力発電機１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・・を縦状に連結した構造において、各風力発電機の連結用ギヤ１２を一本の軸部材で連結した構成とし、各風力発電機１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・・を貫く１本の軸部材で構成して、１個の連結用ギヤ１２で構成するようにしてもよい。

上記の本発明の風力発電機に、さらに太陽光発電機を並設することも可能であり、夜間には太陽光発電機の電力発生量を風力発電機が補う等の使用方法によって、自然力を効率的に利用した発電装置を得ることが可能となる。このような構成において日中の太陽光を利用して太陽光発電機により発電した電力を用いてコンプレッサーを発動させ、このコンプレサーにより発生させた圧縮空気を空室に蓄積しておき、無風状態のときに、蓄積した圧縮空気を風力発電機の羽根に当て、各風力発電機を稼動することにより、無風状態でも安定した電力供給が可能となる。

このような自然の風力を利用した本発明の風力発電機の利用、または太陽光発電機の併用により、ＣＯ_２の発生量の削減を図ることができ、また火力発電や原子力発電のように施設のコストが甚大かつ危険となるものではなく、自然力を効率的に用いた発電装置として利用することが可能となる。

本発明の風力発電機は、風力発電に用いる風車の中でも小型化に利便であって、設置箇所にも汎用性のある垂直軸風車を用いた縦型のタービンを有する風力発電機であって、安全且つ効率よく電力を得るために、並設した２機のタービンを連動することによって、風力の大小に応じて効率的に電力を得ることができるようにした風力発電機として利用可能である。

１風力発電機
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ風力発電機
２基台
３主タービン
４補助タービン
５ケーシング
６ａ、６ｂ回転体
７ａ、７ｂ回転軸
８軸受部材
８ａベアリング
９羽根
１０ａ、１０ｂ大径ギヤ
１１ａ、１１ｂ小径ギヤ
１１ギヤ軸
１２連結用ギヤ
１３発電機
１４蓄電装置
１５開口部
１６開閉扉
１６ａ風受け部
１７ａ、１７ｂ保持具
１８排気口
１９ボルト、ナット
２０チェーン

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１の風力発電機は、回転軸を垂直方向に立てた状態で回転可能に設けた回転体の外周に所定間隔で複数の縦長の羽根を取り付けた主タービンと、該主タービンと同様に垂直方向に立てた回転体の外周に所定間隔で複数の縦長の羽根を取り付けてなる補助タービンと、これらの主タービンと補助タービンとを所定間隔を開けた状態で並置し、夫々のタービンに設けられた回転体に同軸に形成した双方の大径ギヤの間に噛み合わせた所定数の小径ギヤとを組み合わせてケーシングに収容し、該ケーシングは、主タービンの側部に設けた縦長の開口部と、該開口部を経てケーシングの外方から取り入れた風を主タービンの羽根に導入して当てるように形成した風受け部を有する開閉扉が設けられ、該ケーシングにおける補助タービンの側方部位には、該ケーシングの内部を流動した風の流れを外方へ排出する排気口が設けられ、該ケーシング内にて、主タービンの回転と補助タービンの回転を連動させると共に、小径ギヤに発電機を接続し、主タービンの外周に発生した風圧を補助タービンの羽根が受けることによって付勢された補助タービンの大径ギヤの回転力を小径ギヤに伝達することにより、該小径ギヤの回転力を付勢して発電機に伝達するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２の風力発電機は、請求項１において、主タービンと補助タービンと小径ギヤとを組み合わせてケーシングに収容し、該ケーシング内の主タービンの側部に設けた縦長の開口部に設けられた開閉扉は、開口部の間口の大きさを調整するようにケーシングに沿って伸縮する構造であることを特徴とする。

また、本発明の請求項３の風力発電機は、請求項１又は２において、主タービンと補助タービンと小径ギヤと発電機を収納した１基のケーシングを複数基設けると共に、各ケーシング内の小径ギヤを各ケーシング間で互いに連結した構成とし、各ケーシングの外方から吹き込む風の大小に応じて、発動させる発電機の数を調整するようにしたことを特徴とする。

Claims

回転軸を垂直方向に立てた状態で回転可能に設けた回転体の外周に所定間隔で複数の縦長の羽根を取り付けた主タービンを構成し、該主タービンと同様に垂直方向に立てた回転体の外周に所定間隔で複数の縦長の羽根を取り付けてなる補助タービンを設け、これらの主タービンと補助タービンとを所定間隔を開けた状態で並置し、夫々のタービンに設けられた回転体に同軸に形成した双方の大径ギヤの間に所定数の小径ギヤを噛み合わせることにより、主タービンの回転と補助タービンの回転を連動させると共に、小径ギヤに発電機を接続し、
主タービンの外周に発生した風圧を補助タービンの羽根が受けることによって付勢された補助タービンの大径ギヤの回転力を小径ギヤに伝達することにより、該小径ギヤの回転力を付勢して発電機に伝達するようにしたことを特徴とする風力発電機。
主タービンと補助タービンと小径ギヤとを組み合わせてケーシングに収容し、該ケーシングは、主タービンの側部に設けた縦長の開口部と、該開口部を経てケーシングの外方から取り入れた風を主タービンの羽根に導入して当てるように形成した風受け部を有する開閉扉が設けられ、
該ケーシングにおける補助タービンの側方部位には、該ケーシングの内部を流動した風の流れを外方へ排出する排気口が設けられたことを特徴とする請求項１記載の風力発電機。
ケーシングの開口部に設けられた開閉扉は、開口部の間口の大きさを調整するようにケーシングに沿って伸縮する構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の風力発電機。
主タービンと補助タービンと小径ギヤと発電機を収納した１基のケーシングを複数基設けると共に、各ケーシング内の小径ギヤを互いに連結した構成とし、各ケーシングの外方から吹き込む風の大小に応じて、発動させる発電機の数を調整するようにしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の風力発電機。
主タービンと補助タービンとを収容した複数のケーシングを縦方向に積み重ねて互いに固定するようにしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の風力発電機。