JP2015078678A - 垂直軸型発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】翼体同士を自在継手で連結する際に、連結される翼体同士の軸方向に生じる間隔を少なくし、かつ、自在継手の搭載スペースも確保することが出来る垂直軸型発電装置を提供する。
【解決手段】上下に伸びる翼６２の下側端部位置よりも、軸方向上側に支持板６３の下側端面が設けられ、軸方向に見て、支持板６３の下側端面と、翼６２の下側端部との間に、回転軸６１の下側端面が位置し、支持板６３の下側端面と回転軸６１の間に、フランジ体４３の下側端面が位置し、フランジ体４３の下側端面は、軸受４１によって、その荷重が支えられるとともに、回転軸６１が回転自在に支持される。
【選択図】図４

Description

本発明は、垂直軸型発電装置に関する。

例えば、特開２００２−２３５６５６号公報記載されているように、複数のロータが鉛直方向に連結される従来の垂直軸型風力装置の直線翼取付方法では、ロータの端部に水平ガイド板が設けられ、この水平ガイド板からは、ロータ長さよりも鉛直方向に延出した範囲に、軸部と、この軸部を支持する軸受が設けられ、同様に、ロータ長さよりも鉛直方向に延出した範囲に、軸部同士を接合する軸継手が設けられていた。

特開２００２−２３５６５６号公報

特開２００２−２３５６５６号公報に記載の垂直軸型風力装置の直線翼取付方法では、接合しようとする軸部は、鉛直方向に、ロータから延出して設けられているため、複数のロータの軸部を鉛直方向に連結する際、接合に必要な鉛直方向の距離が長くなってしまい、接合させるロータ同士の距離が長くなってしまう、といった欠点があった。ロータ同士の距離が長くなると、発電装置全体の鉛直方向の長さが長くなり、発電装置全体の重量増加や強度低下といった問題が生る。同時に、鉛直方向の所定の長さにおけるロータの長さの割合が低下するため、発電効率が低下する、といった問題も生じる。

同様の理由により、接合しようとする軸部を接合する軸継手を設置するために必要な鉛直方向のスペースが十分に確保できないため、軸部同士の同軸度誤差吸収、軸部の衝撃吸収、動力伝達、等、軸継手の本来の機能が十分に発揮できない、とった欠点があった。

また、ロータは、その回転軸が枠体の内側に配置されているため、ロータの半径方向の大きさは、枠体の大きさによって制限されるため、ロータの回転力が制限され、発電装置としての発電効率を十分に向上させることが出来ない、とった欠点があった。また、ロータのは、鉛直方向には、１つの枠体に対して１つしか設置できないため、ロータの回転力が制限され、発電装置としての発電効率を十分に向上させることが出来ない、とった欠点があった。

同様の理由により、枠体の支柱を環囲する安全リングを具備させる場合、ロータは安全リングの内側に配置されるため、ロータが受けるべき風が、安全リングによって妨げられたり、乱流を引き起したりして、ロータの受風回転力を低下させてしまう、といった欠点があった。

本発明は、上記課題を解決するため、（１）〜（５）に記載する垂直軸型風力発電装置を提供する。

（１）回転軸と、前記回転軸に支持される一対の支持板と、前記一対の支持板に支持される複数枚の翼とで構成される複数の翼体と、前記翼体に連結する発電機とを備え、前記翼体は、流体の流れを受けることで回転し、前記回転によって前記発電機が回転して発電を行う垂直軸型発電装置において、前記支持板の少なくとも一方の支持板は、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に設けられ、前記回転軸の両端の少なくとも一方は、軸方向に見て、前記翼体の両端位置と、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に設けられた前記支持板との間に位置し、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に設けられた前記支持板と、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に端部が位置する軸部との間の軸部にフランジが形成され、前記フランジは軸受によって回転可能に支持され、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に端部が位置する軸端部には自在継手が固定され、前記翼体の回転は、前記自在継手を介して前記発電機に連結されることを特徴とする、垂直軸型発電装置。

（２）回転軸と、前記回転軸に支持される一対の支持板と、前記一対の支持板に支持される複数枚の翼とで構成される複数の翼体と、前記翼体に連結する発電機を備え、前記翼体は、流体の流れを受けることで回転し、前記回転によって前記発電機が発電を行う発電装置において、前記一対の支持板は、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に設けられ、前記回転軸の両端は、軸法ｋロウに見て、前記翼体の両端位置と、前記支持板との間に位置し、前記一対の支持板と、軸端部との間の軸部にフランジが形成され、前記フランジは軸受によって回転可能に支持され、前記翼体の回転は、前記自在継手を介して前記発電機に連結されることを特徴とする、垂直軸型発電装置。

（３）複数の翼体が、前記自在継手で連結され、前記自在継手で連結された翼体は、複数設けられるとともに、その数は、枠体の数よりも多く、前記枠体から延出して配置されていることを特徴とする、前記（１）または（２）に記載の垂直軸型発電装置。

（４）前記自在継手で連結された翼体は、複数設けられるとともに、その数は、発電機の数よりも多く、前記発電機の入力軸へは、前記複数の翼体から集約して接合されていることを特徴とする、前記（１）乃至（３）の何れか１つに記載の垂直軸型発電装置。

本発明によれば、複数の翼体を連結する際、連結される複数の翼体同士の距離が短くなり、発電装置全体の鉛直方向の長さを短くすることができるため、発電装置全体の重量を低減したり強度を向上する。

同様の理由で、所定空間に於ける、翼体の容積比率が増加するため、所定空間に於ける、翼体が流体の流れを受けて回転する回転力を増加させることが出来る。特に、所定の設置面積に於ける、回転力の増加の効果が大きい。

翼体を連結する自在継手の設置容積が十分に確保され、軸部同士の同軸度誤差吸収、軸部の衝撃吸収、回転力伝達、等、自在継手の本来の機能が阻害される事なくなるため、発電装置全体の性能が向上する。

翼体の数量に比べて、枠体の数量や発電機の数量を少なくすることが可能なため、発電装置全体の製造コスト低減が可能となる。

本発明の実施の形態に係る斜視図。 図１の上面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 図３の部分拡大図。 図３の部分拡大図。

本発明に係る垂直軸型発電装置の実施の形態について、図１を参照して、本は発明の発電装置１の全体構成の概要を説明する。なお、以下の説明において、「上」及び「下」とは、水平面または床面に対して垂直な鉛直方向における上及び下をいうものとする。

発電装置１は、床面上（図示省略）に土台枠体２、が設置され、土台枠体２の上に、第１の枠体１０が固定されて積み重なり、第１の枠体１０の上に、第２の枠体３０が固定されて積み重なっている。土台枠体２と、第１の枠体１０と、第２の枠体３０とは、一体となって発電装置１の枠Ｂとして形成されている。

第１の枠体１０には、第１の翼体５０が、第２の枠体には第２の翼体６０が支持されており、土台枠体２には、発電部８０が備えられている。発電装置１は、土台枠体２、第１の枠体１０、第２の枠体３０、第１の翼体５０、第２の翼体６０、発電部８０、にて構成されている。

次に、図１乃至図５を参照して、本発明に係る垂直軸型発電装置の実施の形態について、詳細に説明する。

土台枠体２は、複数の土台３が床面に等間隔に配置され、それぞれの土台３の上には、複数の上下方向に伸びる縦支柱３が固定されている。複数の縦支柱３は、複数の水平方向に伸びる横支柱４、５と接合されており、それぞれ対応する横支柱４と横支柱５とは、横支柱５を下側に、横支柱６を上側にして、並行に配置されいる。横支柱５の水平方向の中央部からは、延出支柱７が、複数の横支柱５で囲われる領域から延出する方向に設けられている。延出支柱７の一端は、横支柱５に接合され、他方の端部には、水平面を有するブラケット７が固定されている。

第１の枠体１０は、複数の上下方向に伸びる縦支柱１１が等間隔に配置され、複数の縦支柱１１の下側端部は、水平方向に伸びる横支柱１２で、複数の縦支柱１１の上側端部は水平方向に伸びる横支柱１３と接合されている。横支柱１２の水平方向の中央部からは、延出支柱１７が、横支柱１２で囲われる領域から延出する方向に設けられている。横支柱１３の水平方向の中央部からは、延出支柱１８が、複数の横支柱１３で囲われる領域から延出する方向に設けられている。延出支柱１７の一端は、横支柱１２に接合され、他方の端部には、水平面を有するブラケット１９が固定されている。延出支柱１８の一端は、横支柱１３に接合され、他方の端部には、水平面を有するブラケット２０が固定されている。

また、縦支柱１４が、横支柱１２，１３の間に、横支柱１２，１３と並行に配置され、縦支柱１１と接合されており、縦支柱１５が、縦支柱１１と並行に配置され、横支柱１２と横支柱１４とを繋いで接合され、縦支柱１６が、縦支柱１１と並行に配置され、横支柱１３と横支柱１４とを繋いで接合されている。このように、第１の枠体１０は、これら複数の、縦支柱１１、横支柱５，６、延出支柱７、ブラケット８によって構成されている。

ここで、第２の枠体３０は、その構成要素は第１の枠体１０と同一であるため、前述の第１の枠体１０の説明を参照することで、第２の枠体３０の構成が説明されるため、ここでの説明は省略する。具体的には、第１の枠体１０の構成要素の符号に２０を加算すると、図面に示される符号と対応する。

第１の翼体５０は、回転軸５１に一対の支持板５３，５４が固定されている。一対の支持板の内、支持板５３は、軸方向下側の支持板で、支持板５４は、上側の支持板である。一対の支持板５３，５４に、一対の翼５２が固定されている。一対の翼は、回転軸に対して、半径方向に同一距離に、円周方向に等間隔に配置して一対の支持板５３，５４に固定されている。

ここで、第２の翼体６０は、その構成要素は第１の翼体５０と同一であるため、前述の第１の翼体５０の説明を参照することで、第２の翼体６０の構成が説明されるため、ここでの説明は省略する。具体的には、第１の翼体５０の構成要素の符号に１０を加算すると、図面に示される符号と対応する。

次に図４を参照して、翼体と枠体との関係を詳細に説明する。尚、図４は、翼体６０の回転軸６１の下側を示すとともに、回転軸７１（詳細は後述する）の上側を示しているが、回転軸７１の上側の構成は、回転軸６１の上側の構成と同一であり、例えば、フランジ２０、軸受支持体２４、軸受２５、フランジ２６は、図３で示される、フランジ４０、軸受支持体４４、軸受４５、フランジ４６と同一の構成を成す。

すなわち、図４で示される構回転軸７１の上側に配置される、前記の構成要素は、回転軸６１の上側に配置される前記の構成要素と同一であるため、図４は、間接的に、翼体６０が回転軸６１の下側と上側で支持される構成を示している。具体的には、第１の翼体５０が上側で支持されるこれら構成要素、例えば、フランジ２０、軸受支持体２４、軸受２５、フランジ２６に、２０を加算すると、第２の翼体６０が上側で支持される構成要素として、図面と対応する。
また、図４では、上述の関係を示すためのものであり、混乱を避けるため、第１の翼体５０の図示は省略している。

第２の枠体３０の下側端側に配置している横支柱３２から延出している延出支柱３７の端部には、水平面を有するブラケット３９が固定されている。ブラケット３９の前記水平面には貫通孔が形成され、この貫通孔に、フランジ部４１ａを有する軸受支持体４１が挿入され、フランジ４１ａが前記ブラケット３９の水平面と接触して固定されている。

軸受支持体４１には、軸受４２が回転可能に支持されている。尚、軸受４２はスラストベアリングから成り、軸受４２の下側部材が軸受支持体４１に圧入されて保持され、上側部材は、軸受支持体４１に接することなく、回転自由に保持されている。

第２の翼体６０の回転軸６１の、支持板６３よりも下方に延出した部位に、フランジ面を有するフランジ体４３が固定されている。フランジ体４３は軸受４２の上側に位置し、フランジ体４３の下側面は、翼体６０の自重により、軸受４２の上側面に当接している。

ここで、関連する各構成要素の位置関係（特に軸方向の位置関係）を説明する。矢印Ｌ６３は、支持板６３の下面位置、矢印Ｌ４３は、フランジ体４３の下面位置、矢印Ｌ６１は、回転軸６１の下側端面位置、Ｌ６２は、翼６２の下側端部位置を示しており、軸方向上から下に向かって、支持板６３の下面、フランジ体４３の下面（軸受４２上面）、回転軸６１の下側端面、翼６２の下側端部の順に、これら構成要素が配置している。

すなわち、翼６２の下側端部位置Ｌ６２から上方向に向かって、その距離が長い順に、Ｌａ６３は支持板６３の下面までの距離、Ｌａ４３は、フランジ体４３の下面までの距離、Ｌａ６１は，回転軸６１の下側端面までの距離を示している。換言すれば、支持板６３の下面位置は、翼６２の下側端部よりも上方に位置し、回転軸６１の下側端部や、軸受４１に荷重を与えるフランジ体４３は、翼６２の下側端部と支持板６３の下面との軸方向に中間の位置に配置している。

回転軸６１の下側端面には、自在継手７２の上側端面と固定されている。自在継手７２の下側端面は、軸方向に翼６２の下側端部位置Ｌａ６２よりも下方に配置している。自在継手７２の下側端面には、第１の翼体５０の回転軸６１の上側端面が固定されている。すなわち、第１の翼体５０の回転軸５１の上側端面位置は、第２の翼体６０の翼６２の下側端部位置よりも下方に位置している。

第１の枠体１０の上側端側に配置している横支柱１３から延出している延出支柱１８の端部には、水平面を有するブラケット２０が固定されている。ブラケット２０の前記水平面には貫通孔が形成され、この貫通孔にフランジ部２４ａを有する軸受支持体２４が挿入され、フランジ２４ａが前記ブラケット２０の水平面と接触して固定されている。

軸受支持体２４には、軸受２５が回転可能に支持されている。尚、軸受２５はラジアルベアリングから成り、軸受２５の外側部材が軸受支持体２４に圧入されて保持され、内側部材は、回転軸５１を支持している。

第１の翼体５０の回転軸５１の、支持板５４よりも上方に延出した部位に、フランジ面を有するフランジ体２６が固定されている。フランジ体２６は軸受２５の上側に位置するが、軸受２５の上面とフランジ体２６との間には、若干の隙間が設けられており、フランジ体２６が軸受２５に軸方向の荷重を与えることはない。

以上の構成によれば、翼体６０の回転軸６１は、翼体６０の下側端部よりも上方で支持板６３よりも下方の位置で、軸受４２に自重による荷重を与えつつ、軸受４２によって回転可能に支持され、翼体６０の上側端部よりも下方で支持板６４よりも上方の位置で、軸受４５自重による荷重は与えずに軸受４５によって回転可能に支持されている。この支持構成は、翼体５０の回転軸５１についても同様に適用される。

次に、図５を参照して、翼体５０の回転軸５１から発電機８１へ回転が伝達する様子を説明する。

自在継手７１の下側端面には、シャフト７３の上側端面が固定されている。延出支柱６の端部には、水平面を有するブラケット７が固定されている。ブラケット７の前記水平面には貫通孔が形成され、この貫通孔に、フランジ部２７ａを有する軸受支持体２７が挿入され、フランジ２７ａが前記ブラケット７の水平面と接触して固定されている。

軸受支持体２７には、軸受２８が回転可能に支持されている。尚、軸受２８はスラストベアリングから成り、軸受２８の下側部材が軸受支持体２７に圧入されて保持され、上側部材は、軸受支持体２７に接することなく、回転自由に保持されている。

シャフト７３には、フランジ面を有するフランジ体２９が固定されている。フランジ体２９は軸受２８の上側に位置し、フランジ体２９は、シャフト７３や自在継手７１の自重により、軸受２８の上側面に当接している。

また、シャフト７３には、スプロケット７４が固定されている。同様に、発電機８１の入力軸８１ａにも、スプロケット７５が固定されており、スプロケット７４とスプロケット７５には、これと対応するチェーン７６が巻き掛けられている。シャフト７３が、自在継手７１を介して翼体５０からの回転軸５１や、回転軸５１と自在継手７２を貸介して翼体６０の回転軸６１からの回転力が伝達して回転すると、この回転は、スプロケット７４、チェーン７６、スプロケット７５を介して、発電機８１の入力軸８１ａに伝達し、発電機８１が回転させられ、発電機８１が発電を行う。

翼体が複数設けられている場合、スプロケット７４は、それぞれの翼体の回転軸から同軸に配置される、それぞれのシャフト７３に固定されるが、これに対応する、スプロケット７５は、発電機８１の入力軸に、軸方向に位置が異なり同軸に固定される。例えば、シャフト７３が３本、すなわち自在継手で軸方向に接合される複数の翼体ユニットが３本であって、これら翼体ユニットの回転力を１つの発電機に集約することも可能となる。

翼体は、翼が流体の流れを受けると、翼面に揚力または抗力が発生することで回転する回転体である。ここで、流体とは、空気等の気体や、水等の液体をいう。尚、ここでの実施例では、流体は空気を想定して説明しており、その場合、本発明の発電装置は、風力発電装置として機能する。また、流体は水を想定する場合、本発明の発電装置は、水力発電装置として機能する。

以上説明した本実施の形態によれば、以下の効果が得られる。

軸方向に並ぶ複数の翼体を自在継手で接合する際、前記接合される翼体同士の間に生じる隙間が軸方向に短くなり、装置全体の軸方向の長さが短くなるため、発電装置全体の重量が低減し、強度が向上する。また、軸方向の所定のスペースにおける翼体の容積の割合が上がるため、翼体が受ける流体の量が増加し、翼体の回転力が増加して、これに接している発電機の発電容量が増加、すなわち、所定のスペースでの発電効率が向上する。

また、同時に翼体同士を接合する自在継手に必要なスペースを、翼体の翼長の制約を受けずに設定出来るため、軸部同士の同軸度誤差吸収、軸部の衝撃吸収、動力伝達、といった、軸継手の本来の機能を十分に発揮させられる。

また、翼体は、枠体から延出した位置に設けられるため、翼体の径方向の寸法は、枠体の制約を受けずに設定出来るので、翼体の回転力が向上し、発電装置の発電量が向上する。

また、例えば、第１の枠体に第２の枠体を積み重ねる場合、自在継手に要するスペースが十分に設定出来ると、自在継手の軸精度誤差の許容量を十分に確保できるので、枠体の積み重ね作業を容易に行うことが出来る。

翼体の数に比べて、枠体の数量や発電機の数量を少なくすることが可能なため、その場合、発電装置全体の製造コスト低減が可能となる。

本発明の範囲は、上述の実施例に限定されるものではなく、例えば、枠体は、上から見て３本構成として説明したが、これを、例えば４本としても良く、それ以上としても良い。

前述した構成の変更に伴い、自在継手で連結された翼体ユニットの数は、３ユニットとして説明したが、これを４ユニットとしても良く、それ以上としても良い。

１…土台枠体、２…土台枠体、３…土台、４…縦支柱、５，６…横支柱、７…延出支柱、８…ブラケット、１０…第１の枠体、１１…縦支柱、１２，１３，１４…横支柱、１５，１６…補助支柱、１７，１８…延出支柱、１９，２０…ブラケット、２１，…軸受支持体、２２…軸受、２３…フランジ体、２４…軸受支持体、２５…軸受、２６…フランジ体、３０…第２の枠体、４１…軸受支持体、４２…軸受、４３…フランジ体、４７…接続板、４８，４９…ピン、５０…第１の翼体、５１…回転軸、５２…翼、５３，５４，５５…支持板、５６，５７…受風板、６０…第２翼体、７１，７２…自在継手、７３…シャフト、７４，７５…スプロケット、７６…チェーン、８０…発電部、８１…発電機、８２…ブラケット、

Claims (4)

1. 回転軸と、前記回転軸に支持される一対の支持板と、前記一対の支持板に支持される複数枚の翼とで構成される複数の翼体と、前記翼体に連結する発電機とを備え、前記翼体は、流体の流れを受けることで回転し、前記回転によって前記発電機が回転して発電を行う垂直軸型発電装置において、前記支持板の少なくとも一方の支持板は、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に設けられ、前記回転軸の両端の少なくとも一方は、軸方向に見て、前記翼体の両端位置と、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に設けられた前記支持板との間に位置し、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に設けられた前記支持板と、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に端部が位置する軸部との間の軸部にフランジが形成され、前記フランジは軸受によって回転可能に支持され、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に端部が位置する軸端部には自在継手が固定され、前記翼体の回転は、前記自在継手を介して前記発電機に連結されることを特徴とする、垂直軸型発電装置。
2. 回転軸と、前記回転軸に支持される一対の支持板と、前記一対の支持板に支持される複数枚の翼とで構成される複数の翼体と、前記翼体に連結する発電機を備え、前記翼体は、流体の流れを受けることで回転し、前記回転によって前記発電機が発電を行う発電装置において、前記一対の支持板は、前記翼体の両端位置よりも軸方向内側に設けられ、前記回転軸の両端は、軸法ｋロウに見て、前記翼体の両端位置と、前記支持板との間に位置し、前記一対の支持板と、軸端部との間の軸部にフランジが形成され、前記フランジは軸受によって回転可能に支持され、前記翼体の回転は、前記自在継手を介して前記発電機に連結されることを特徴とする、垂直軸型発電装置。
3. 複数の翼体が、前記自在継手で連結され、前記自在継手で連結された翼体は、複数設けられるとともに、その数は、枠体の数よりも多く、前記枠体から延出して配置されていることを特徴とする、請求項１乃至２の何れか１項に記載の垂直軸型発電装置。
4. 前記自在継手で連結された翼体は、複数設けられるとともに、その数は、発電機の数よりも多く、前記発電機の入力軸へは、前記複数の翼体から集約して接合されていることを特徴とする、請求項１乃至３の何れか１項に記載の垂直軸型発電装置。

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