JP2013068096A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電時の振動を低減できる、風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力発電装置１では、ステータ１２は、複数のＵ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線を有し、支持軸１１に固定的に設けられている。一方、ロータ１３は、永久磁石を有し、支持軸１１に対して支持軸１１の中心軸線Ｃを中心に回転可能に設けられている。ロータ１３の周囲には、ロータ１３からロータ１３の回転半径方向に間隔を空けて、３枚のブレード３２が支持軸１１の中心軸線Ｃを中心とする等角度間隔で設けられている。そして、ロータ１３とブレード３２とは、ロータ１３から各ブレード３２に向けて延びるアーム３３によって連結されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、垂直軸風車を用いた風力発電装置に関する。

風力発電用の風車は、風向き（風の流れ）に対して回転軸が水平に延びる水平軸風車と、風向きに対して回転軸が垂直に延びる垂直軸風車とに大別される。

水平軸風車は、変化する風向きに対して回転軸を常に水平に保たなければならないため、その方向を制御する機構が必要になる。これに対し、垂直軸風車は、風向きに対する方向の制御が不要であり、小型かつ軽量に設計することができるうえ、季節や時間帯で風向きが変動する日本の風況に適しているとして、とくに日本国内で注目を集めている。

図５は、従来の垂直軸風車を採用した風力発電装置の側面図である。

風力発電装置１０１は、鉛直方向に延びる支柱１０２と、支柱１０２の上端部に設けられた発電機１０３と、発電機１０３に結合された垂直軸風車１０４とを備えている。

発電機１０３は、ステータおよびロータを備える三相交流発電機である。ステータは、支柱１０２に対して相対回転不能に設けられている。ステータからその回転軸線に沿って上方に支持軸（図示せず）が延びており、ロータは、ハウジング１０５内で、その支持軸に対して回転可能に設けられている。

垂直軸風車１０４は、発電機１０３のロータから支柱１０２の中心軸線に沿って上方に延びる回転軸１０６と、回転軸１０６の周囲に等角度間隔（１２０°間隔）で設けられた３枚のブレード１０７と、回転軸１０６と各ブレード１０７とを連結するアーム１０８とを備えている。

ブレード１０７は、鉛直方向に延びる直線翼である。

アーム１０８は、各ブレード１０７に対して２本設けられている。各ブレード１０７に対する２本のアーム１０８は、それぞれ回転軸１０６の上端部および下端部に接続され、互いに平行をなして水平に延びている。そして、２本のアーム１０８の先端部は、ブレード１０７に接続されている。これにより、ブレード１０７は、２本のアーム１０８を介して、回転軸１０６に連結されている。

垂直軸風車１０４が風力によって回転すると、発電機１０３のロータが垂直軸風車１０４の回転軸１０６と一体的に回転し、電磁誘導により、発電機１０３のステータに設けられた各相巻線に交流電流が流れる。

特開２００３−２０６８４９号公報

垂直軸風車１０４の回転時には、ブレード１０７が風を受けるので、各ブレード１０７に接続された２本のアーム１０８の先端部が回転力の作用点となる。一方、垂直軸風車１０４の支点は、回転軸１０６の下端部の１点であり、各作用点から最も離れた部分にある。

そのため、垂直軸風車１０４の回転時、つまり発電時に、回転軸１０６の下端部に過大な荷重が加わり、支柱１０２および回転軸１０６などが振動し、また、垂直軸風車１０４の回転数によっては、支柱１０２と回転軸１０６との共振が生じる。その結果、振動による騒音やロータを回転可能に保持するベアリングにおけるフレッティング摩耗などの問題が生じる。

本発明の目的は、発電時の振動を低減できる、風力発電装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る風力発電装置は、支持軸と、前記支持軸の周囲で前記支持軸の周方向に並べられた複数の巻線を有し、前記支持軸に固定的に設けられた固定子と、前記支持軸に対して前記支持軸の中心軸線を中心に回転可能に設けられ、その回転に伴って前記複数の巻線と順次に対向する永久磁石を有する回転子と、前記回転子の周囲に前記回転子から前記回転子の回転半径方向に間隔を空けて、前記支持軸の前記中心軸線を中心とする等角度間隔で設けられ、それぞれ前記中心軸線に沿う方向に延びる複数のブレードと、前記回転子から各ブレードに向けて延び、前記回転子と各ブレードとを連結するためのアームとを含む。

この風力発電装置では、固定子（ステータ）は、複数の巻線を有し、支持軸に固定的に設けられている。複数の巻線は、支持軸の周囲で支持軸の周方向に並べられている。一方、回転子（ロータ）は、永久磁石を有し、支持軸に対して支持軸の中心軸線を中心に回転可能に設けられている。回転子の回転に伴って、永久磁石が複数の巻線と順次に対向し、各巻線に誘導電流が流れる。

回転子の周囲には、回転子から回転子の回転半径方向に間隔を空けて、複数のブレードが支持軸の中心軸線を中心とする等角度間隔で設けられている。そして、回転子とブレードとは、回転子から各ブレードに向けて延びるアームによって連結されている。

この構成では、図５に示される回転軸１０６に相当する部材が存在しないので、支持軸が支柱の上端部に固定されても、ブレードおよびアームと一体的に回転子が回転する時、つまり発電時に生じる支柱の振動を低減でき、また、支柱とその他の部材との共振が生じることを防止できる。その結果、振動による騒音を低減することができる。また、振動による各部の摩耗を防止することができる。たとえば、支持軸と回転子との間にベアリングが介在される場合、そのベアリングにおけるフレッティング摩耗を防止することができる。

また、図５に示される回転軸１０６に相当する部材が不要であるので、図５に示される構成と比較して、その分のコストを低減することができる。

回転子に対して中心軸線に沿う方向の一方側および他方側にベース板が設けられ、各ベース板が回転子に固定されていてもよい。そして、各ブレードに対して２本のアームが設けられて、そのうちの一方のアームは、基端部が一方側のベース板に固定され、ブレードに向けて一方側に傾斜して直線的に延び、先端部がブレードに固定されており、他方のアームは、基端部が他方側のベース板に固定され、ブレードに向けて他方側に傾斜して直線的に延び、先端部がブレードに固定されていてもよい。

この場合、各ブレードに対する２本の各アームの基端部から当該アームに沿ってベース板側に延ばした直線が支持軸の中心軸線上かつ回転子の中心軸線に沿う方向の中央で交差するように、その２本のアームが延びていることが好ましい。言い換えれば、各ブレードに対する２本の各アームの基端部から当該アームに沿って延ばした直線の交点が回転子の重心と一致するように、その２本のアームが延びていることが好ましい。

これにより、ブレードおよびアームと一体的に回転子が回転するときに、回転子に生じる応力のバランスを保つことができる。その結果、回転子の回転時の振動を低減することができる。

また、回転子に対して中心軸線に沿う方向の一方側のみにベース板が設けられ、そのベース板が回転子に固定されていてもよい。そして、各ブレードに対して２本のアームが設けられて、そのうちの一方のアームは、基端部がベース板に固定され、ブレードに向けて一方側に傾斜して直線的に延び、先端部がブレードに固定されており、他方のアームは、基端部がベース板に固定され、ブレードに向けて他方側に傾斜して直線的に延び、先端部がブレードに固定されていてもよい。

この構成では、ベース板が１枚でよいので、回転子に対して支持軸の中心軸線に沿う方向の一方側および他方側にそれぞれベース板が設けられる構成と比較して、コストを低減することができる。

本発明によれば、発電時に生じる振動を低減できる。その結果、振動による騒音を低減することができる。また、振動による各部の摩耗を防止することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電装置の使用状態における側面図である。 図２は、風力発電装置の断面図である。 図３は、風力発電装置の要部の分解断面図である。 図４は、本発明の他の実施形態に係る風力発電装置の要部の断面図である。 図５は、従来の垂直軸風車を採用した風力発電装置の側面図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電装置の使用状態における側面図である。

風力発電装置１は、鉛直方向に延びる略円筒状の支柱２の上端部に取り付けられて、屋外で使用される。

図２は、風力発電装置の断面図である。図３は、風力発電装置の要部の分解断面図である。

風力発電装置１は、略円筒状の支持軸１１と、支持軸１１に固定的に設けられたステータ１２と、支持軸１１に対して支持軸１１の中心軸線Ｃを中心に回転可能に設けられたロータ１３と、支持軸１１を支柱２（図１参照）の上端部に固定するための固定部材１４とを備えている。

支持軸１１は、その中心軸線Ｃが鉛直方向に延びている。

ステータ１２は、支持軸１１の上端から少し下方の位置に設けられ、全体として支持軸１１の周囲を取り囲む略円環板状（フランジ状）をなしている。ステータ１２には、それぞれ複数のＵ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線（いずれも図示せず）が支持軸１１の周方向に並べて設けられている。

ロータ１３は、たとえば、上下２つに分割して構成されている。そして、ロータ１３は、その２つの分割部分が互いに結合した状態で、ステータ１２を包囲するように設けられ、扁平な略円環板状をなしている。より具体的には、ロータ１３は、２つの分割部分が違いに結合した状態で、支持軸１１の周囲を取り囲む円筒状の円筒部１５と、円筒部１５の上下方向の中央部から周囲に張り出すフランジ状の本体部１６とを有している。ロータ１３の上下方向の中央部には、円筒部１５の内周面から本体部１６の径方向の途中部に至るスペース１７が形成されており、ロータ１３は、そのスペース１７に収容されている。

円筒部１５には、スペース１７の上方および下方に、それぞれ円筒部１５の内周面から径方向に窪む凹部１８が形成されている。各凹部１８には、ベアリング１９が収容されている。ベアリング１９の内輪の内周面は、円筒部１５の内周面とほぼ段差なく連続しており、ベアリング１９の内輪は、支持軸１１に相対回転不能に外嵌されている。

本体部１６には、複数の永久磁石（図示せず）がロータ１３の回転に伴ってＵ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線と順次に対向するように設けられている。

固定部材１４は、略円筒状の挿入部２０と、挿入部２０の周囲に張り出すフランジ状のフランジ部２１とを一体的に有している。

挿入部２０は、支持軸１１の外径とほぼ等しい内径を有している。挿入部２０には、支持軸１１の下端部が上方から挿入されて、ねじ２２（図３参照）により、その支持軸１１の下端部が固定されている。

また、挿入部２０は、支柱２の外径よりやや大きい内径を有している。風力発電装置１が支柱２に取り付けられるときには、図１に示されるように、挿入部２０の下端部が支柱２の上端部に上方から冠着される。そして、フランジ部２１が支柱２の上端に当接した状態で、ねじ（図示せず）により、挿入部２０が支柱２に対して固定される。これにより、支持軸１１が固定部材１４を介して支柱２に対して相対回転不能に固定される。

風力発電装置１は、１対（２枚）のベース板３１、３枚のブレード３２、６本のアーム３３、各アーム３３をベース板３１に連結するための６個の基端側連結部材３４および各アーム３３をブレード３２に連結するための６個の先端側連結部材３５をさらに備えている。

ベース板３１は、ロータ１３とほぼ同じ外径の略円板状をなし、ロータ１３の上下にそれぞれ設けられている。上側のベース板３１は、図２に示されるように、平面視でロータ１３と同じ位置に配置されて、ロータ１３の円筒部１５に上方から当接した状態で、ねじ３６でロータ１３に固定されている。下側のベース板３１は、図２に示されるように、平面視でロータ１３と同じ位置に配置されて、ロータ１３の円筒部１５に下方から当接した状態で、ねじ３７でロータ１３に固定されている。

３枚のブレード３２は、ロータ１３の周囲にロータ１３から水平方向（ロータ１３の回転半径方向）に間隔を空けて、支持軸１１の中心軸線（ロータ１３の回転軸線）を中心とする等角度間隔（１２０°間隔）で設けられている。各ブレード３２は、ＣＦＲＰ（carbon fiber reinforced plastics）からなり、鉛直方向に延びる略長方形板状の中空体に形成されている。

アーム３３は、図１に示されるように、各ブレード３２に対して２本設けられている。各ブレード３２に対する２本のアーム３３は、それぞれ上側のベース板３１とブレード３２との間および下側のベース板３１とブレード３２との間で直線状に延びている。具体的には、上側のアーム３３は、上側のベース板３１の近傍からブレード３２に向かって、水平面（支持軸１１の中心軸線Ｃと直交する平面）に対して上方に約２６°の傾斜角で傾斜して延びている。下側のアーム３３は、下側のベース板３１の近傍からブレード３２に向かって、水平面に対して下方に約２６°の傾斜角で傾斜して延びている。

基端側連結部材３４は、アーム３３と同じ幅を有する細長い板状部材を途中部で屈曲させて形成されており、図２に示されるように、ベース板３１の表面（上面または下面）に沿って延びるベース板側部分３８およびアーム３３に沿って延びるアーム側部分３９を一体的に有している。

ベース板側部分３８が上側のベース板３１の上面に接した状態で、ベース板側部分３８がベース板３１にボルト４０およびナット４１で固定され、アーム側部分３９がアーム３３の下面に接した状態で、アーム側部分３９がアーム３３にボルト４２およびナット４３で固定されることにより、アーム３３の基端部が上側のベース板３１に基端側連結部材３４を介して連結固定されている。

また、ベース板側部分３８が下側のベース板３１の下面に接した状態で、ベース板側部分３８がベース板３１にボルト４４およびナット４５で固定され、アーム側部分３９がアーム３３の上面に接した状態で、アーム側部分３９がアーム３３にボルト４６およびナット４７で固定されることにより、アーム３３の基端部が下側のベース板３１に基端側連結部材３４を介して連結固定されている。

上側のベース板３１に固定される基端側連結部材３４と下側のベース板３１に固定される基端側連結部材３４とは、平面視で互いに重なるように配置されている。これにより、各ブレード３２に対する２本のアーム３３は、平面視で互いに重なり、水平面に対してそれぞれ上方および下方に同じ傾斜角度で傾斜して延びている。そして、図２に示されるように、各アーム３３の基端部からアーム３３に沿ってベース板３１側に延ばした直線Ｌ１，Ｌ２が中心軸線Ｃ上かつロータ１３の上下方向の中央で交差するように、水平面に対するアーム３３の傾斜角度が設定されている。

先端側連結部材３５は、アーム３３と同じ幅を有する細長い板状部材を途中部で屈曲させて形成されており、アーム３３に沿って延びるアーム側部分４８および水平面に沿って延びる水平部分４９を一体的に有している。

アーム側部分４８が上側のアーム３３の下面に接した状態で、アーム側部分４８がアーム３３にボルト５０およびナット５１で固定され、水平部分４９がブレード３２に突設された接続板５２の下面に接した状態で、水平部分４９が接続板５２にボルト５３およびナット５４で固定されることにより、上側のアーム３３がブレード３２に先端側連結部材３５を介して連結固定されている。

また、アーム側部分４８が下側のアーム３３の上面に接した状態で、アーム側部分４８がアーム３３にボルト５５およびナット５６で固定され、水平部分４９がブレード３２に突設された接続板５７の下面に接した状態で、水平部分４９が接続板５７にボルト５８およびナット５９で固定されることにより、下側のアーム３３がブレード３２に先端側連結部材３５を介して連結固定されている。

ブレード３２に突設された接続板５２，５７は、ブレード３２の上下方向の中央に対してそれぞれ上方および下方に等間隔を空けた位置に配置されている。これにより、各ブレード３２に関して、ブレード３２、アーム３３、基端側連結部材３４、先端側連結部材３５および接続板５２，５７を含む構造物は、上下対称の構成を有している。また、ブレード３２の上下方向の中央は、ロータ１３の上下方向の中央と上下方向の位置がほぼ一致している。

ブレード３２が風を受けると、各ブレード３２とアーム３３を介して連結されたロータ１３が回転する。ロータ１３が回転すると、その回転に伴って、ロータ１３に保持された永久磁石がステータ１２のＵ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線と順次に対向し、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線に電磁誘導による交流電流が流れ、風力による発電が達成される。

以上のように、風力発電装置１では、ステータ１２は、複数のＵ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線を有し、支持軸１１に固定的に設けられている。Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線は、支持軸１１の周囲で支持軸１１の周方向に並べられている。一方、ロータ１３は、永久磁石を有し、支持軸１１に対して支持軸１１の中心軸線Ｃを中心に回転可能に設けられている。ロータ１３の回転に伴って、永久磁石が複数のＵ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線と順次に対向し、各Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線に誘導電流が流れる。

ロータ１３の周囲には、ロータ１３からロータ１３の回転半径方向に間隔を空けて、３枚のブレード３２が支持軸１１の中心軸線Ｃを中心とする等角度間隔で設けられている。そして、ロータ１３とブレード３２とは、ロータ１３から各ブレード３２に向けて延びるアーム３３によって連結されている。

この構成では、図５に示される回転軸１０６に相当する部材が存在しないので、支持軸１１が支柱２の上端部に固定されても、ロータ１３の回転時、つまり発電時に生じる支柱２の振動を低減でき、また、支柱２とその他の部材との共振が生じることを防止できる。その結果、振動による騒音を低減することができる。また、振動による各部の摩耗を防止することができる。たとえば、支持軸１１とロータ１３との間にベアリングが介在される場合、そのベアリングにおけるフレッティング摩耗を防止することができる。

また、図５に示される回転軸１０６に相当する部材が不要であるので、図５に示される構成と比較して、その分のコストを低減することができる。

ロータ１３に対して中心軸線Ｃに沿う方向の上側および下側にベース板３１が設けられ、各ベース板３１がロータ１３に固定されている。そして、各ブレード３２に対して２本のアーム３３が設けられて、そのうちの一方のアーム３３は、基端部が上側のベース板３１に固定され、ブレード３２に向けて上方に傾斜して直線的に延び、先端部がブレード３２に固定されており、他方のアーム３３は、基端部が下側のベース板３１に固定され、ブレード３２に向けて上方に傾斜して直線的に延び、先端部がブレード３２に固定されている。

そして、各アーム３３の基端部から当該アーム３３に沿ってベース板３１側に延ばした直線が中心軸線Ｃ上かつロータ１３の中心軸線Ｃに沿う方向の中央で交差するように、各ブレード３２に対する２本のアーム３３が延びている。言い換えれば、各アーム３３の基端部から当該アーム３３に沿って延ばした直線の交点がロータ１３の重心と一致するように、各ブレード３２に対する２本のアーム３３が延びている。

これにより、ブレード３２と一体的にロータ１３が回転するときに、ロータ１３に生じる応力のバランスを保つことができる。その結果、ロータ１３の回転時の振動を低減することができる。

図４は、本発明の他の実施形態に係る風力発電装置の要部の断面図である。

図４において、図２に示される各部に相当する部分には、それらの各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、その同一の参照符号が付された部分の説明を省略する。

図２に示される構成では、ロータ１３の上側および下側にそれぞれベース板３１が設けられている。これに対し、図４に示される構成では、ロータ１３の上側のみにベース板６１が設けられている。

ベース板６１は、ロータ１３より大きい外径の略円環板状をなしている。ベース板６１は、平面視でその中心がロータ１３の中心と重なるように配置されて、中央の円形孔にロータ１３の円筒部１５が挿通されて、ロータ１３の本体部１６に上方から当接した状態で、ねじ６２で本体部１６に固定されている。

そして、各ブレード３２に対する２本のアーム３３は、基端側連結部材３４を介して、それぞれベース板６１の上面および下面に連結固定されている。すなわち、上側のアーム３３に固定された基端側連結部材３４のベース板側部分３８がベース板３１の上面に接し、下側のアーム３３に固定された基端側連結部材３４のベース板側部分３８がベース板３１の下面に接した状態、言い換えれば、２本のアーム３３に固定された基端側連結部材３４のベース板側部分３８でベース板６１を挟んだ状態で、それらのベース板側部分３８がベース板６１にボルト６３およびナット６４で一括して固定されている。

このように、図４に示される構成は、図２に示される構成よりも簡素化されている。よって、図４に示される構成では、図２に示される構成と比較して、コストを低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではない。

たとえば、３枚のブレード３２が設けられた構成を例にとったが、ブレード３２の枚数は、２枚であってもよいし、４枚以上であってもよい。

また、アーム３３、基端側連結部材３４、先端側連結部材３５および接続板５２，５７がそれぞれ個別の部品として形成された構成を例にとったが、アーム３３および基端側連結部材３４が一体に形成されていてもよいし、アーム３３および先端側連結部材３５が一体に形成されていてもよいし、アーム３３、基端側連結部材３４および先端側連結部材３５が一体に形成されていてもよい。さらには、アーム３３、基端側連結部材３４、先端側連結部材３５および接続板５２，５７が一体に形成されていてもよい。

さらにまた、ベース板３１，６１が省略されて、アーム３３がロータ１３に直接に接続されてもよい。

なお、このように、ロータ１３とベース板３１，６１とが別部品として考えることもできるが、ベース板３１，６１は、ロータ１３に一体的に設けられているので、ベース板３１，６１をロータ１３の一部と考えることもできる。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 風力発電装置
２ 支柱
１１ 支持軸
１２ ステータ（固定子）
１３ ロータ（回転子）
３１ ベース板
３２ ブレード
３３ アーム
６１ ベース板
Ｃ 中心軸線
Ｌ１ 直線
Ｌ２ 直線

Claims (4)

1. 支持軸と、
   前記支持軸の周囲で前記支持軸の周方向に並べられた複数の巻線を有し、前記支持軸に固定的に設けられた固定子と、
   前記支持軸に対して前記支持軸の中心軸線を中心に回転可能に設けられ、その回転に伴って前記複数の巻線と順次に対向する永久磁石を有する回転子と、
   前記回転子の周囲に前記回転子から前記回転子の回転半径方向に間隔を空けて、前記支持軸の前記中心軸線を中心とする等角度間隔で設けられ、それぞれ前記中心軸線に沿う方向に延びる複数のブレードと、
   前記回転子から各ブレードに向けて延び、前記回転子と各ブレードとを連結するためのアームとを含む、風力発電装置。
2. 前記回転子に対して前記中心軸線に沿う方向の一方側および他方側に設けられ、それぞれ前記回転子に固定される１対のベース板をさらに含み、
   前記アームは、各ブレードに対して２本設けられ、
   各ブレードに対する２本の前記アームのうちの一方の前記アームは、基端部が前記一方側の前記ベース板に固定され、前記ブレードに向けて前記一方側に傾斜して直線的に延び、先端部が前記ブレードに固定されており、他方の前記アームは、基端部が前記他方側の前記ベース板に固定され、前記ブレードに向けて前記他方側に傾斜して直線的に延び、先端部が前記ブレードに固定されている、請求項１に記載の風力発電装置。
3. 各ブレードに対する２本の前記アームは、各アームの基端部から当該アームに沿って前記ベース板側に延ばした直線が前記中心軸線上かつ前記回転子の前記中心軸線に沿う方向の中央で交差するように、それぞれ延びている、請求項２に記載の風力発電装置。
4. 前記回転子に対して前記中心軸線に沿う方向の一方側に設けられ、前記回転子に固定されるベース板をさらに含み、
   前記アームは、各ブレードに対して２本設けられ、
   各ブレードに対する２本の前記アームのうちの一方の前記アームは、基端部が前記ベース板に固定され、前記ブレードに向けて前記一方側に傾斜して直線的に延び、先端部が前記ブレードに固定されており、他方の前記アームは、基端部が前記ベース板に固定され、前記ブレードに向けて前記他方側に傾斜して直線的に延び、先端部が前記ブレードに固定されている、請求項１に記載の風力発電装置。

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