JP2015027250A - 減速制御システム付き垂直式風車 - Google Patents

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Abstract

【課題】風車シャフトの回転数が速すぎて発電機が損壊し、又は故障することを防止することが可能であり、短い間隔で部品を定期的に交換する必要がない減速制御システム付き垂直式風車を提供する。
【解決手段】風車固定軸と、風車固定軸に回動可能に嵌め設けられている風車シャフトと、風車シャフトに固定されている複数の羽根と、風車固定軸と風車シャフトの間に組み付けられている発電機と、減衰プレートと、磁力発生ユニットと、整流器と、制御ユニットと、を備える減速制御システムと、を含む減速制御システム付き垂直式風車において、減衰プレートは、金属で作製され、風車シャフトに固定されており、磁力発生ユニットは、風車固定軸に固定されており、整流器は、電力出力端にカップリングされている整流入力端と整流出力端とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、垂直式風車に関し、特に、減速制御システム付き垂直式風車に関するものである。
図１を参照する。図１は従来の垂直式風車を示す側面図である。従来の垂直式風車１０は、立設される風車固定軸１１と、風車固定軸１１に嵌め設けられており、風車固定軸１１に対して回転可能な風車シャフト１２と、風車シャフト１２に駆動されて発電する外転式発電機１３と、から構成される。
風車シャフト１２の周面には、ダリウス（Ｄａｒｒｉｅｕｓ）型羽根１４と、円筒式羽根１５と、が設けられている。空気の流動による風力により、ダリウス（Ｄａｒｒｉｅｕｓ）型羽根１４と円筒式羽根１５は、駆動されて風車シャフト１２と共に回転して、発電機１３を回転して発電する。しかし、このような垂直式風車１０には下記の欠点がある。
風車シャフト１２の回転数が速すぎて発電機１３が損壊し、又は故障することを防止するために、垂直式風車１０に減速装置（図示せず）を組付けることが一般的である。前記減速装置の減衰ブロックを風車固定軸１１に接触することにより、摩擦抵抗が発生して風車シャフト１２の回転数を減少して、発電機１３の損壊や故障を回避することが可能である。
しかし、前記減衰ブロックが酷く磨耗されると、風車シャフト１２の回転数を減少する効果が低下するため、前記減衰ブロックを定期的に交換することが必要であり、利用上極めて不便である。
また、風車シャフト１２の回転数が速すぎて発電機１３が損壊し、又は故障することを防止する方式では、発電機１３の内部の電磁性を制御して外回転軸の回転数を減少することが可能であるが、このような制御方式によれば、発電機１３に対して磁性制御を繰り返すことが必要であるため、発電機１３が損壊し、又は故障しやすい問題がある。
本発明の主な目的は、風車シャフトの回転数が速すぎて発電機が損壊し、又は故障することを防止することが可能であり、短い間隔で部品を定期的に交換する必要がない減速制御システム付き垂直式風車を提供することにある。
本発明の減速制御システム付き垂直式風車は、風車固定軸と、風車固定軸に回動可能に嵌め設けられている風車シャフトと、風車シャフトに固定されている複数の羽根と、風車固定軸と風車シャフトの間に組み付けられており、電力出力端を有する発電機と、減衰プレートと、磁力発生ユニットと、整流器と、制御ユニットと、を備える減速制御システムと、を含む減速制御システム付き垂直式風車において、減衰プレートは、金属で作製され、風車シャフトに固定されており、磁力発生ユニットは、風車固定軸に固定されており、減衰プレートに近接し、電流を流すと、減衰プレートに作用する渦電流を発生して、風車が回転しているときに、減衰プレートに減衰効果が発生し、整流器は、電力出力端にカップリングされている整流入力端と整流出力端とを有し、発電機から出力する交流電圧を整流して直流電圧に変換して、直流電圧が整流出力端から出力され、制御ユニットは、整流出力端と磁力発生ユニットの間にカップリングされており、導通レベルを有し、直流電圧が導通レベルよりも低いときには、整流器と磁力発生ユニットが電気的に接続せず、直流電圧が導通レベルよりも高いときには、整流器と磁力発生ユニットが電気的に接続することを特徴とする。
本発明の減速制御システム付き垂直式風車は、磁力発生ユニットによる渦電流の範囲は、減衰プレートをカバーすることを特徴とする。
本発明の減速制御システム付き垂直式風車は、磁力発生ユニットは、風車固定軸に固定されている金属プレートと、金属プレートに環設されている偶数個のソレノイドと、を含み、隣接するソレノイド同士の磁極が互いに異なり、ソレノイドによる磁気抵抗は減衰プレートに作用することを特徴とする。
本発明の減速制御システム付き垂直式風車は、減衰プレートは、風車シャフトに固定されている円盤部と、円盤部の周縁から下方に延びる環状側部と、を有し、磁力発生ユニットは、風車固定軸に固定されている金属プレートと、金属プレートに環設されている偶数個のソレノイドと、を含み、隣接するソレノイド同士の磁極が互いに異なり、ソレノイドによる磁気抵抗は減衰プレートの環状側部に作用することを特徴とする。
本発明の減速制御システム付き垂直式風車によれば、風車シャフトの回転数が速すぎて発電機が損壊し、又は故障することを防止することが可能であり、短い間隔で部品を定期的に交換する必要がないという効果を有する。
従来の垂直式風車を示す側面図である。 本発明の実施例１を示す側面図である。 本発明の実施例１の一部を示す拡大図である。 本発明の実施例１を示す上面図であって、磁力発生ユニットの平面図を示す。 本発明の実施例１を示す模式図であって、制御ユニットが発電機と磁力発生ユニットの間に設けられている状態を示す。 本発明の実施例２を示す側面図である。 本発明の実施例２の一部を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（実施例１）
図２から図５を参照する。図２は本発明の実施例１を示す側面図であり、図３は本発明の実施例１の一部を示す拡大図であり、図４は、本発明の実施例１を示す上面図であって、磁力発生ユニットの平面図を示し、図５は、本発明の実施例１を示す模式図であって、制御ユニットが発電機と磁力発生ユニットの間に設けられている状態を示す。
本実施例の減速制御システム付き垂直式風車は、風車固定軸２１と、風車シャフト２２と、複数の羽根２３と、発電機２４と、減速制御システムと、から構成される。
風車固定軸２１は床面に立設されている。
風車シャフト２２は、風車固定軸２１に回動可能に嵌め設けられている。
複数の羽根２３は、風車シャフト２２に固定されている。本実施例では、三つのダリウス（Ｄａｒｒｉｅｕｓ）型羽根２３１と、円筒式羽根２３２と、を含む。
発電機２４は、風車固定軸２１と風車シャフト２２の間に組み付けられており、電力出力端２４１を有する。本実施例では、発電機２４が外転式発電機である。
前記減速制御システムは、減衰プレート３０と、磁力発生ユニット４０と、整流器５０と、制御ユニット６０と、を含む。
減衰プレート３０は、金属で作製され、風車シャフト２２に固定されており、風車シャフト２２と共に回転する。
磁力発生ユニット４０は、風車固定軸２１に固定されており、減衰プレート３０に近接し、電流を流すと、減衰プレート３０に作用する渦電流（磁気抵抗）を発生して、風車シャフト２２が回転しているときに、減衰プレート３０に減衰効果が発生する。
本実施例では、磁力発生ユニット４０による磁気抵抗の範囲は、減衰プレート３０をカバーする。磁力発生ユニット４０は、風車固定軸２１に固定されている金属プレート４１と、金属プレート４１に環設されている偶数個のソレノイド４２と、を含む。隣接するソレノイド４２同士の磁極が互いに異なる。ソレノイド４２による磁気抵抗は減衰プレート３０に作用する。各ソレノイド４２は、バックアイアン４２１に設けられている鉄コア４２２と、鉄コア４２２に巻き付けられているコイル４２３と、から構成される。
整流器５０は、三相ブリッジ整流器であり、発電機２４の電力出力端２４１にカップリングされている整流入力端５１と整流出力端５２とを有する。整流器５０は、発電機２４から出力する交流電圧を整流して直流電圧に変換して、前記直流電圧が整流出力端５２から出力される。
制御ユニット６０は、整流出力端５２と磁力発生ユニット４０の間にカップリングされており、導通レベルを有する。前記直流電圧が前記導通レベルよりも低いときには、整流器５０と磁力発生ユニット４０が電気的に接続せず、前記直流電圧が前記導通レベルよりも高いときには、整流器５０と磁力発生ユニット４０が電気的に接続する。
本実施例の制御ユニット６０は、整流器５０の整流出力端５２からの直流電圧を自動的に測定する。制御ユニット６０は、図５に示すように、コンデンサー６００と、第１電気抵抗６０１と、ツェナーダイオード６０２と、第２電気抵抗６０３と、ＰＮＰトランジスター６０４と、第３電気抵抗６０５と、第４電気抵抗６０６と、ダイオード６０７と、ダーリントントランジスタ６０８と、ソリッドステートリレー６０９と、から構成される。
コンデンサー６００は、整流器５０の整流出力端５２からの直流電圧をフィルタリングする。第１電気抵抗６０１、第２電気抵抗６０３、第３電気抵抗６０５、ＰＮＰトランジスター６０４及びツェナーダイオード６０２から、電子スイッチが構成される。整流器５０から出力する直流電圧がツェナーダイオード６０２の順方向バイアスに０．７ボルト（Ｖ）を加える電圧よりも大きいときには、ＰＮＰトランジスター６０４が導通（ＶＣＥ＝０．２ボルト）となる。ＰＮＰトランジスター６０４が導通となった後、電流が第４電気抵抗６０６を経由してダーリントントランジスタ６０８に流入して、ダーリントントランジスタ６０８が導通（ＶＣＥ＝０．２ボルト）される。
ダーリントントランジスタ６０８が導通された後、ソリッドステートリレー６０９の接点６０９１が導通となる。このとき、整流器５０と磁力発生ユニット４０は電気的に接続する。整流器５０から出力する直流電圧が磁力発生ユニット４０に流入して、減衰プレート３０に作用する磁気抵抗（渦電流）を発生する。ツェナーダイオード６０２の順方向バイアスに０．７ボルト（Ｖ）を加える電圧は導通レベルである。
本発明では、風車シャフト２２の回転数が発電機２４によって生じる電圧に比例する特性を利用して、発電機２４によって生じる電圧を減速の参考とする。発電機２４によって生じる電圧が設定された導通レベルよりも大きいときには、整流器５０と磁力発生ユニット４０は電気的に接続する。
整流器５０から出力する直流電圧が磁力発生ユニット４０に流入して、減衰プレート３０に作用する磁気抵抗（渦電流）を発生する。このように、減衰プレート３０に減衰効果が発生して、風車シャフト２２の回転数を減少する。風車シャフト２２の回転数が速すぎて発電機２４が損壊し、又は風車が解体することを防止することが可能であると共に、風車が稼動可能の風速上限を増加することが可能である。
これにより、高風速区域の風力エネルギー利用率及び年間平均発電量を増加することが可能である。そして磁気抵抗により減衰プレート３０に減衰効果を与えるため、短い間隔で部品を定期的に交換する必要がない。
一方、風車シャフト２２の回転数が減少するときには、発電機２４によって発生する電圧が減少する。制御ユニット６０によって測定する直流電圧が導通レベルよりも低いときには、整流器５０と磁力発生ユニット４０が電気的に接続しないため、風車２２は、抵抗を受けずに、発電機２４を駆動して発電させる。
（実施例２）
図６及び図７を参照する。図６は本発明の実施例２を示す側面図であり、図７は本発明の実施例２の一部を示す断面図である。本実施例の減速制御システム付き垂直式風車は、風車固定軸２１と、風車シャフト２２と、複数の羽根２３と、発電機２４と、減速制御システムと、から構成される。これらの部材は、形態及び効果が実施例１と同じであるため、説明を省略した。
本実施例の実施例１と相違する点は、減衰プレート３０は、風車シャフト２２に固定されている円盤部３１と、円盤部３１の周縁から下方に延びる環状側部３２と、を有し、磁力発生ユニット４０は、風車固定軸２１に固定されている金属プレート４１と、金属プレート４１に環設されている偶数個のソレノイド４２と、を含み、隣接するソレノイド４２同士の磁極が互いに異なり、ソレノイド４２による磁気抵抗（渦電流）が減衰プレート３０の環状側部３２に作用することにある。
本発明は、垂直式風車に適用することができる。
１ 外転式発電機
１０ 垂直軸風車
１１ 風車固定軸
１２ 風車シャフト
１４ ダリウス型羽根
１５ 円筒式羽根
２１ 風車固定軸
２２ 風車シャフト
２３ 羽根
２４ 発電機
３０ 減衰プレート
３１ 円盤部
３２ 環状側部
４０ 磁力発生ユニット
４１ 金属プレート
４２ ソレノイド
５０ 整流器
５１ 整流入力端
５２ 整流出力端
６０ 制御ユニット
２３１ ダリ式羽根
２３２ 円筒式羽根
２４１ 電力出力端
４２１ バックアイアン
４２２ 鉄コア
４２３ コイル
６００ コンデンサー
６０１ 第１電気抵抗
６０２ ツェナーダイオード
６０３ 第２電気抵抗
６０４ ＰＮＰトランジスター
６０５ 第３電気抵抗
６０６ 第４電気抵抗
６０７ ダイオード
６０８ ダーリントントランジスタ
６０９ ソリッドステートリレー
６０９１ 接点

Claims (4)

  1. 風車固定軸と、
    前記風車固定軸に回動可能に嵌め設けられている風車シャフトと、
    前記風車シャフトに固定されている複数の羽根と、
    前記風車固定軸と前記風車シャフトの間に組み付けられており、電力出力端を有する発電機と、
    減衰プレートと、磁力発生ユニットと、整流器と、制御ユニットと、を備える減速制御システムと、
    を含む減速制御システム付き垂直式風車において、
    前記減衰プレートは、金属で作製され、前記風車シャフトに固定されており、
    前記磁力発生ユニットは、前記風車固定軸に固定されており、前記減衰プレートに近接し、電流を流すと、前記減衰プレートに作用する渦電流を発生して、前記風車が回転しているときに、前記減衰プレートに減衰効果が発生し、
    前記整流器は、前記電力出力端にカップリングされている整流入力端と整流出力端とを有し、前記発電機から出力する交流電圧を整流して直流電圧に変換して、前記直流電圧が前記整流出力端から出力され、
    前記制御ユニットは、前記整流出力端と前記磁力発生ユニットの間にカップリングされており、導通レベルを有し、前記直流電圧が前記導通レベルよりも低いときには、前記整流器と前記磁力発生ユニットが電気的に接続せず、前記直流電圧が前記導通レベルよりも高いときには、前記整流器と前記磁力発生ユニットが電気的に接続することを特徴とする、
    減速制御システム付き垂直式風車。
  2. 前記磁力発生ユニットによる渦電流の範囲は、前記減衰プレートをカバーすることを特徴とする、請求項１に記載の減速制御システム付き垂直式風車。
  3. 前記磁力発生ユニットは、前記風車固定軸に固定されている金属プレートと、前記金属プレートに環設されている偶数個のソレノイドと、を含み、隣接する前記ソレノイド同士の磁極が互いに異なり、前記ソレノイドによる磁気抵抗は前記減衰プレートに作用することを特徴とする、請求項１に記載の減速制御システム付き垂直式風車。
  4. 前記減衰プレートは、前記風車シャフトに固定されている円盤部と、前記円盤部の周縁から下方に延びる環状側部と、を有し、前記磁力発生ユニットは、前記風車固定軸に固定されている金属プレートと、前記金属プレートに環設されている偶数個のソレノイドと、を含み、隣接する前記ソレノイド同士の磁極が互いに異なり、前記ソレノイドによる磁気抵抗は前記減衰プレートの前記環状側部に作用することを特徴とする、請求項１に記載の減速制御システム付き垂直式風車。
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