JP2014047724A - 風車装置および風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】暴風時などに、風洞体の鍔部に過大な風荷重が作用し、それを支える部材に過大な力が作用するのを容易に回避することができる風車装置および風力発電装置を提供する。
【解決手段】筒状の風洞体１２と、この風洞体１２内部に設けられる風車１６と、風洞体１２の外周に設けられる鍔部１８とを備えた風車装置１０であって、鍔部１８の周方向に所定間隔で複数設けられた開口部２６と、開口部２６を開放して通風可能にする一方で、閉塞して遮風する通風手段２８と、通風手段２８を駆動する駆動手段とをさらに備え、通風手段２８は、鍔部１８と同軸に設けられる環状円盤であり、開口部２６の位置に対応した位置に遮風板を有し、環状円盤が軸周りに所定角度回転することで遮風板が開口部２６を開閉するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、風車ブレードの周りに筒状の風洞体を配置してなるディフューザ型の風車装置、およびこの風車装置による風力発電装置に関するものである。

従来、風車ブレードの周りに筒状の風洞体を配置してなるディフューザ型の風車装置が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。このディフューザ型の風車装置は、風洞体をいわゆる風レンズとすることができることからレンズ風車とも呼ばれており、その発電効率は、風洞体を有しない従来の風車に比べて約３倍と高く、現在最も注目されている風車である。この風車による発電規模は現在のところ１００ｋＷ程度であるが、今後設備の大型化が進むものと予想される。

ところで、上記のレンズ風車を大型化した場合には、次のような課題が生じると考えられる。すなわち、風速６０ｍ／ｓ程度の暴風時には、風洞体の鍔部に大きな風荷重が作用するため、風洞体本体およびその支持構造に大きな断面力が発生するという問題がある。こうした問題に対処するため、上記の特許文献１では、風洞体の外周面に設けるフランジを複数の起倒自在のフランジ片により構成することが提案されている。

この特許文献１の構成によれば、平時には、フランジ片を起立させることにより風洞体の外周面にフランジ片を突設した状態として風洞体をいわゆる風レンズとして機能させることができる。一方、強風時には、フランジ片を傾倒させることによりフランジが存在しない状態として風に対する抵抗を軽減し、風力発電装置自体を傾倒させる力やモーメントを軽減させることができる。

ここで、上記のフランジ片は、風の力を利用して起立または傾倒させるようになっている。より具体的には、フランジ片は、これを支持するフランジ片支持柱に設けた電磁石の磁力によって起立状態に支持されている。この状態からフランジ片を傾倒させる場合には、風車の向きを反転させてフランジ片の起立方向とは逆向きの風を生じさせるとともに、電磁石の磁力によってフランジ片をフランジ片支持柱から離反させるとともに風圧で傾倒させる。また、フランジ片の起立または傾倒状態の保持は、電磁石の磁力によってなされている。

特開２００９−４７０６９号公報 特開２００８−９５６７１号公報 特開２００６−３０７７８３号公報

上記の特許文献１では、フランジ片を起倒するために風車の向きを反転させる必要がある。しかしながら、強風発生の都度、フランジ片を傾倒させるために風車の向きを反転させるのは手間がかかりすぎて不便である。特に風車が大型である場合には、ジャイロ効果が発生して向きを変えるのが難しいという問題もある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、暴風時などに、風洞体の鍔部に過大な風荷重が作用するのを容易に回避することができる風車装置および風力発電装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る風車装置は、筒状の風洞体と、この風洞体内部に設けられる風車と、前記風洞体の外周に設けられる鍔部とを備えた風車装置であって、前記鍔部の周方向に所定間隔で複数設けられた開口部と、前記開口部を開放して通風可能にする一方で、閉塞して遮風する通風手段と、前記通風手段を駆動する駆動手段とをさらに備え、前記通風手段は、前記鍔部と同軸に設けられる環状円盤であり、前記開口部の位置に対応した位置に遮風板を有し、前記環状円盤が前記軸周りに所定角度回転することで前記遮風板が前記開口部を開閉することを特徴とする。

また、本発明に係る風力発電装置は、上記の風車装置と、前記風車によって駆動され、発電を行う発電機とを備えることを特徴とする。

本発明に係る風車装置によれば、筒状の風洞体と、この風洞体内部に設けられる風車と、前記風洞体の外周に設けられる鍔部とを備えた風車装置であって、前記鍔部の周方向に所定間隔で複数設けられた開口部と、前記開口部を開放して通風可能にする一方で、閉塞して遮風する通風手段と、前記通風手段を駆動する駆動手段とをさらに備え、前記通風手段は、前記鍔部と同軸に設けられる環状円盤であり、前記開口部の位置に対応した位置に遮風板を有し、前記環状円盤が前記軸周りに所定角度回転することで前記遮風板が前記開口部を開閉するので、平時には鍔部の開口部を閉塞して風洞体の風レンズ効果を発揮させる一方、暴風時には開口部を開放して鍔部に向かってくる風を通過させる。ここで、通風手段の環状円盤が所定角度回転することにより、遮風板が開口部を開閉する。したがって、暴風時などに、風洞体の鍔部に過大な風荷重が作用するのを容易に回避することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る風車装置および風力発電装置の実施例を示す平時（発電時）の概略斜視図である。 図２は、本発明に係る風車装置および風力発電装置の実施例を示す暴風時（非発電時）の概略斜視図である。 図３は、本発明に係る風車装置の正面図である。 図４は、本発明に係る風車装置の側断面図である。 図５は、図４の右上部分Ａの拡大図である。 図６は、図４の右下部分Ｂの拡大図である。 図７は、本発明に係る風車装置の通風手段の正面図であり、図５および図６のＣ−Ｃ線に沿った図である。 図８は、本発明に係る風車装置の固定手段の正面図であり、図５および図６のＤ−Ｄ線に沿った図である。

以下に、本発明に係る風車装置および風力発電装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１または図２に示すように、本発明に係る風車装置１０は、円筒状の風洞体１２と、この風洞体１２内部の中心軸Ｚに配置したナセル１４に装着された風車１６と、風洞体１２の外周に設けられる鍔部１８とを備えている。

図３および図４に示すように、風車１６は周方向に等間隔（１２０°間隔）に配置した３枚のブレード１６ａからなる。

ナセル１４はタワー２０上部に固定してある。このタワー２０の下部は図示しないベースに固定されている。

ナセル１４の風の流入口側２２ａには、風洞体１２を支持するための５本の支持部材２４が軸Ｚ周りに等間隔に放射状に突設してある。支持部材２４の外端２４ａはＬ字状に屈曲して、風洞体１２の風の流入口側２２ａの端縁１２ａに固定してある。このように、風洞体１２は支持部材２４、ナセル１４を介してタワー２０に固定される。

鍔部１８には、周方向に所定間隔で開口部２６が複数設けてある。本実施例では、開口部２６は周方向にθ＝１５°の等間隔で１２個設けてある。

また、開口部２６を開放して通風可能にする一方で、閉塞して遮風する通風手段２８と、通風手段２８を駆動する駆動手段３０が設けてある。

風洞体１２は、図４に示すように、風の流入口側２２ａの端縁１２ａからある範囲までは同じ内径の胴部１２ｂとなっており、下流側に行くに従い内径が次第に縮小して拡大する断面視凹字状の縮径部１２ｃに接続している。鍔部１８は風の流出口側２２ｂの端縁１２ｄに径外方向に突設してある。

鍔部１８は、図５および図６に示すように、上流側に配置されるプレート１８ａと、下流側に配置されるプレート１８ｂと、プレート１８ａ、１８ｂの端縁に外嵌する環状蓋部材１８ｃとにより包まれた袋構造としてある。

この鍔部１８の内部には、通風手段２８と、この通風手段２８を回転自在に固定する固定手段４６が設けられている。

通風手段２８は、図７および図５、図６に示すように、鍔部１８と同軸に設けられる環状円盤３２で構成されている。この環状円盤３２は、軸Ｚを中心とする同心円状に配置した２つの断面Ｕ字状部材３６、３８と、これらの部材同士を連結する複数のリブ４０と、図示しない鍔部１８の開口部２６の位置に対応した位置に配置される遮風板３４とからなる。ここで、図７の例では、左上側の四半円部分については遮風板３４の図示を省略している。また、図７では説明を容易にするために、環状円盤３２の中心の円形の開口部を相対的に小さく図示している。

隣り合う遮風板３４の間には開口４２が形成されている。つまり、本実施例では環状円盤３２には周方向１５°の間隔で開口４２が形成される。遮風板３４はボルト等で環状円盤３２に固定される。断面Ｕ字状部材３６の下部の内周面には略円弧状の平歯車４４が固定されている。

そして、環状円盤３２が軸Ｚ周りに所定角度θだけ回転することで遮風板３４が図示しない開口部２６を開閉する。なお、本実施例では、所定角度θ＝１５°としており、環状円盤３２が１５°回転することで図示しない開口部２６を開放あるいは閉塞することができる。

固定手段４６は、図８および図５、図６に示すように、鍔部１８と同軸に設けられる環状部材４８で構成されている。この環状部材４８は、軸Ｚを中心とする同心円状に配置した２つの断面Ｌ字状部材５０、５２と、これらの部材同士を連結する複数のリブ５４とからなる。隣り合うリブ５４の間には開口５６が形成されている。

図５、図６に示すように、環状部材４８の断面Ｌ字状部材５０、５２の間に形成される空間に、通風手段２８の環状円盤３２が収容される。この環状部材４８は、ローラベアリング５８、６０を有している。ローラベアリング５８は、通風手段２８の遮風板３４に当接可能に各リブ５４上に配置され、遮風板３４を回転自在に支持する。また、ローラベアリング６０は、断面Ｌ字状部材５０の内周側に周方向に所定間隔で配置され、通風手段２８の断面Ｕ字状部材３６の内周面と当接しており、環状円盤３２の回転を案内する。なお、図８の例では、ローラベアリング５８、６０はそれぞれ２４箇所、７箇所配置されている。また、図８では説明を容易にするために、環状部材３２の中心の円形の開口部を相対的に小さく図示している。

また、鍔部１８のプレート１８ａの内面側に、ベアリング６２が周方向に所定間隔で配置されている。このベアリング６２は、通風手段２８の断面Ｕ字状部材３８の上流側面に当接してあり、断面Ｕ字状部材３８を回転自在に支持する。なお、本実施例では、ベアリング６２は周方向に等間隔に１２箇所配置されている。

駆動手段３０は、図６、図７および図８に示すように、鍔部１８のプレート１８ａの下部に治具６４ａを介して取り付けられた小型モータ６４（電動機）からなる。小型モータ６４の出力軸６６の先端は鍔部１８の内部に配置された回転用歯車６８に連結してあり、この回転用歯車６８が通風手段２８の環状円盤３２に固定してある円弧状の平歯車４４に噛合している。小型モータ６４を回転駆動することで平歯車４４を介して環状円盤３２が所定方向に所定角度だけ回転するようにしてある。

また、本発明に係る風力発電装置１００は、この風車装置１０と、風車１６によって駆動され、発電を行う図示しない発電機とを備えて構成される。

上記の実施の形態において、風洞体１２、風洞体用の５本の支持部材２４、鍔部１８、遮風板３４などの部材は、適宜の材料で形成でき、例えばＦＲＰ製、プラスチック製として軽量かつ高強度に構成することができる。また、通風手段２８の断面Ｕ字状部材３６、３８、リブ４０、固定手段４６の断面Ｌ字状部材５０、５２、リブ５４はアルミウム等の軽量金属で構成することが可能である。また、ローラベアリング５８、６０、ベアリング６２としては樹脂ベアリングを用いることができる。

上記構成の動作および作用について説明する。
平時（発電時）の場合には、図１、図７等に示すように、駆動手段３０を駆動して通風手段２８を回転させ、鍔部１８の開口部２６と通風手段２８の開口（図７の開口４２）が一定角度θ（本実施例ではθ＝１５°程度）ずれた配置になるようにする。このようにすれば、図１に示すように、鍔部１８の開口部２６は通風手段２８（遮風板３４）によって閉塞されることになる。この場合、レンズ風車に必要な渦が形成されるので、風洞体の風レンズ効果が発揮された状態で発電運転がなされる。

一方、暴風時（非発電時）の場合には、図２、図７等に示すように、駆動手段３０を駆動して通風手段２８を回転させ、鍔部１８の開口部２６と通風手段２８の開口（図７の開口４２）が対応する配置になるようにする。このようにすれば、図２に示すように、鍔部１８の開口部２６と通風手段２８の開口（図７の開口４２）が一致するため鍔部２８を風が通過可能な状態となる。風は鍔部１８の開口部２６を通り抜けるので、鍔部１８に過大な風荷重が作用し、それを支える支持部材２４、ナセル１４、タワー２０およびその基礎に過大な力が作用する事態を回避することができる。

このように、本発明では、平時には鍔部１８の開口部２６を閉塞して風洞体１２の風レンズ効果を発揮させる一方、暴風時には開口部２６を開放して鍔部１８に向かってくる風を通過させる。ここで、通風手段２８の環状円盤３２が所定角度回転することにより、遮風板３４が開口部２６を開閉する。

したがって、本発明によれば、暴風時などに、風洞体の鍔部に過大な風荷重が作用するのを容易に回避することができる。また、風車の向きを反転させることなく開口部を容易に開閉することができる。

また、本発明によれば、平時（発電時）に風洞体の風レンズ効果を発揮させながら風力発電することができる一方で、暴風時（非発電時）における風洞体本体、鍔部、風洞体の支持構造の安全性を向上させることができる。特に、風洞体本体およびその支持構造の断面力の低減を図ることができる。例えば本発明者らの試算では、本発明は鍔部に開口部がない風車装置に比べて発生断面力を４０％程度低減することができる。

以上説明したように、本発明に係る風車装置によれば、筒状の風洞体と、この風洞体内部に設けられる風車と、前記風洞体の外周に設けられる鍔部とを備えた風車装置であって、前記鍔部の周方向に所定間隔で複数設けられた開口部と、前記開口部を開放して通風可能にする一方で、閉塞して遮風する通風手段と、前記通風手段を駆動する駆動手段とをさらに備え、前記通風手段は、前記鍔部と同軸に設けられる環状円盤であり、前記開口部の位置に対応した位置に遮風板を有し、前記環状円盤が前記軸周りに所定角度回転することで前記遮風板が前記開口部を開閉するので、平時には鍔部の開口部を閉塞して風洞体の風レンズ効果を発揮させる一方、暴風時には開口部を開放して鍔部に向かってくる風を通過させる。ここで、通風手段の環状円盤が所定角度回転することにより、遮風板が開口部を開閉する。したがって、暴風時などに、風洞体の鍔部に過大な風荷重が作用するのを容易に回避することができる。

以上のように、本発明に係る風車装置および風力発電装置は、風車ブレードの周りに筒状の風洞体を配置してなるディフューザ型の風車装置、およびこの風車装置による風力発電装置に有用であり、特に、暴風時などに、風洞体の鍔部に過大な風荷重が作用するのを容易に回避するのに適している。

１０ 風車装置
１２ 風洞体
１２ａ，１２ｄ 端縁
１２ｂ 胴部
１２ｃ 縮径部
１４ ナセル
１６ 風車
１６ａ ブレード
１８ 鍔部
１８ａ，１８ｂ プレート部材
１８ｃ 環状蓋部材
２０ タワー
２２ａ 流入口側
２２ｂ 流出口側
２４ 支持部材
２４ａ 外端
２６ 開口部
２８ 通風手段
３０ 駆動手段
３２ 環状円盤
３４ 遮風板
３６，３８ 断面Ｕ字状部材
４０，５４ リブ
４２，５６ 開口
４４ 平歯車
４６ 固定手段
４８ 環状部材
５０，５２ 断面Ｌ字状部材
５８，６０ ローラベアリング
６２ ベアリング
６４ 小型モータ
６４ａ 治具
６６ 出力軸
６８ 回転用歯車
１００ 風力発電装置

Claims (2)

1. 筒状の風洞体と、この風洞体内部に設けられる風車と、前記風洞体の外周に設けられる鍔部とを備えた風車装置であって、
   前記鍔部の周方向に所定間隔で複数設けられた開口部と、
   前記開口部を開放して通風可能にする一方で、閉塞して遮風する通風手段と、前記通風手段を駆動する駆動手段とをさらに備え、
   前記通風手段は、前記鍔部と同軸に設けられる環状円盤であり、前記開口部の位置に対応した位置に遮風板を有し、前記環状円盤が前記軸周りに所定角度回転することで前記遮風板が前記開口部を開閉することを特徴とする風車装置。
2. 請求項１に記載の風車装置と、前記風車によって駆動され、発電を行う発電機とを備えることを特徴とする風力発電装置。

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