JP2015102056A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で、しかも低コストで、過回転時の回転速度を抑制することができる風力発電装置を提供する。
【解決手段】風車１が過回転状態になると、風車１の翼６ａ，６ｂ，６ｃと、回転出力軸２との間に介装された回転バランス変更装置７が、前記翼６ａ，６ｂ，６ｃに作用する遠心力に応じて、少なくとも一つの翼を半径方向に移動させて、風車１の重心を偏芯させて回転摩擦力を増大させて定常回転に近付けるようにして、風車１の過回転時の回転速度を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風を捉えて回転する風車の回転出力軸によって発電機の入力駆動軸を回転駆動する、風力発電装置に関するものである。

一般に、風力発電装置において、風車に作用する風速の増加に伴い、回転出力軸の回転速度は増加する。これが一定の規定回転速度を超えると、動作上危険な状態になるため、安全な回転速度まで抑制するか、回転を停止させる仕組みが必要である。

特許文献１の技術では、風車の回転出力軸に、遠心力で進出して伸縮する制動専用の回転翼が、前記風車とは別に設けられている。この回転翼は、風車と同じ速度で回転して、過回転状態になると、回転の半径方向の外側へ延びるとともに、その後に空気抵抗が大きくなるように回転翼のピッチが切り換えられる構造になっている。

特開２００８−１９６４６４号公報

しかしながら、これらの技術は自然風から電力を作り出す風力発電装置であって、安定な状態を保ちながら前記風車が減速もしくは停止することを前提としており、複雑な機構や、制御手段を必要としている。

また、冷却塔や換気扇の排気風から電力を作り出す小型の風力発電装置の場合には、設備コストの低価格が要求されているため、自然風から電力を作り出す風力発電装置で説明したような、複雑な構造で高価な制動装置を使用できない、というのが現状である。

本発明は、処理装置から排出される排気風を捉えて風車が回転し、前記風車の回転出力軸の回転によって発電機の入力駆動軸を回転駆動する小型の風力発電装置において、簡素な構成で、しかも低コストで、過回転時の回転速度を抑制することができる風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明の風力発電装置は、処理装置から排出される排気風を捉えて風車が回転し、前記風車の回転出力軸の回転によって発電機の入力駆動軸を回転駆動する風力発電装置であって、前記風車は、前記回転出力軸に設けられ前記排気風を捉える翼と、前記回転出力軸と前記翼の間に介装され前記翼に作用する遠心力に応じて前記風車の重心の位置を回転の半径方向に移動させる回転バランス変更装置とを有し、前記風車が過回転状態になると前記回転バランス変更装置によって前記風車の重心を偏芯させて前記回転出力軸に作用する回転摩擦力を増大させて前記風車を定常回転に近付けることを特徴とする。

本発明によれば、処理装置から排出される排気風を捉える風車の翼と、回転出力軸との間に、回転バランス変更装置を設けるだけの簡単な構造だけで、過回転状態が発生しても自動的に制動して定常回転させることができる。

本発明の風力発電装置の風車を排気風の上手側から見た（ａ）定常回転状態の概略図と（ｂ）過回転状態の概略図 本発明の風力発電装置の別の実施の形態の風車を排気風の上手側から見た（ａ）定常回転状態の概略図と（ｂ）過回転状態の概略図 本発明の風力発電装置を処理装置に設置した状態の（ａ）定常回転状態の断面図と（ｂ）過回転状態の断面図 本発明の風力発電装置を処理装置に設置した状態の（ａ）過回転状態の制動状態を説明する断面図と（ｂ）定常回転状態の断面図

以下、本発明の風力発電装置を各実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）は本発明の風力発電装置の風車１と、この風車１の回転出力軸２に入力駆動軸３が連結された発電機４を示している。５は回転出力軸２の軸受けである。

風車１は、通常、複数枚の翼、この例では、３枚の翼６ａ，６ｂ，６ｃを回転出力軸２に取り付けて構成されている。３枚の翼６ａ〜６ｃのうちの２枚の翼６ｂ，６ｃは、回転出力軸２の先端に所定のピッチだけ傾けて固定されている。残りの翼６ａは、翼６ｂ，６ｃとピッチは同じであるが、翼６ａの自身に作用する遠心力によって、回転出力軸２の回転の半径方向にスライドできるように、回転バランス変更装置７が設けられている。

回転出力軸２と翼６ａの間に介装され翼６ａに作用する遠心力に応じて風車１の重心が偏芯するように回転出力軸２に対して翼６ａの位置を回転の半径方向に移動させるこの回転バランス変更装置７は、繰り出しスリーブ８と引っ張りばね９によって次のように構成されている。

翼６ａは、回転半径方向の外側に繰り出すための経路を規定する繰り出しスリーブ８を介して回転出力軸２の先端に取り付けられている。翼６ａは繰り出しスリーブ８と一体である。回転出力軸２の先端と翼６ａの基端との間には、回転時の遠心力に伴い、回転半径の外側へ翼６ａがせり出すが、一定回転速度までは翼６ａが繰り出さないよう、引っ張りばね９が設けられている。

このように構成したため、処理装置１０（図３を参照）から排出された排気風１１を捉えて風車１が定常回転している状態では、引っ張りばね９の付勢力によって翼６ａの基端が回転出力軸２の先端に押し付けられ、風車１は回転出力軸２の軸心に対して回転バランスを維持した安定した状態で回転する。このときは風車１の回転重心が回転出力軸２の軸心に一致している。なお、排気風１１は自然風ではなく、冷却塔や換気扇などの処理装置１０の排気風である。

排気風１１の速度が速くなって、これを捉えた風車１が過回転状態になると、図１（ｂ）に示したように、翼６ａが引っ張りばね９の付勢に抗して、繰り出しスリーブ８によってガイドされながら回転半径の外側へせり出す。この翼６ａのせり出しによって風車１の回転バランスが崩れて、風車１の重心が回転出力軸２の軸心からずれる。この風車１の重心と回転出力軸２の軸心とのずれによって、風車１が振動を伴って回転することになり、回転出力軸２と軸受け５との間に、定常状態よりも大きな回転摩擦を受けることになる。

このように、回転エネルギが一部、振動および摩擦として消費されることにより、回転出力軸２の回転力が低減し、風車１の回転速度が低下する。風車１の回転速度が低下すると過回転状態が抑制され、翼６ａは繰り出しスリーブ８によってガイドされながら、引っ張りばね９の付勢力によって回転出力軸２の先端からのせり出し量が少なくなる方向に移動して、図１（ａ）の定常状態に近付く。

排気風１１が強いままの状態であれば、風車１は再びその回転速度を増加させ、過回転状態へ遷移しようとするが、そのエネルギの一部を消費して回転速度を低下させるため、回転速度が増加し続けて危険な状態になることはなく、回転速度の増加、減少を繰り返すことになる。

このように風車１が過回転状態になっても、風車１を定常状態から減速もしくは停止すること無しに、自動的に風車１の回転を定常回転状態に近付けることができる。小型の風力発電装置では、その規模の特性上、風力発電装置に掛け得るコスト面でも制約が強いが、上記のような簡素な構造の回転バランス変更装置７を採用することによって、低コストで過回転状態の運転状態の発生を確実に低減することができる。これにより、各種工場などで用いられる冷却塔などの排気風を再利用することが可能となり、エネルギーロスの低減に寄与することができる。

（実施の形態２）
上記の実施の形態では、風車１の複数の翼６ａ〜６ｃのうちの一つの翼６ａにだけ回転バランス変更装置７が設けられていたが、この実施の形態２では、複数の翼に回転バランス変更装置７が設けられている。

図２（ａ）は定常回転状態の実施の形態２の風車１を示している。風車１の翼６ａと回転出力軸２の間には、回転バランス変更装置７を構成する繰り出しスリーブ８ａと引っ張りばね９ａが設けられている。風車１の翼６ｂと回転出力軸２の間には、回転バランス変更装置７を構成する繰り出しスリーブ８ｂと引っ張りばね９ｂが設けられている。風車１の翼６ｃと回転出力軸２の間には、回転バランス変更装置７を構成する繰り出しスリーブ８ｃと引っ張りばね９ｃが設けられている。引っ張りばね９ａ，９ｂ，９ｃのバネ定数は、単一ではなく異なっている。その他は実施の形態１と同じである。

風車１の量産において、特定の翼を特殊構造にするよりも、全ての翼を同じ構造にするほうが生産コストを低減できる。しかし、全ての翼が回転速度に応じて同一量だけ繰り出すと、その重心位置が変化しないため、風車１の回転重心の移動による過回転抑制動作効果を得ることができない。従って、翼６ａ〜６ｃが同一の繰り出し量とならないよう、引っ張りばね９ａ，９ｂ，９ｃのバネ定数を異ならせている。

これにより、一定回転速度を超え、翼が繰り出す際に、翼６ａ〜６ｃの繰り出す量が異なることになり、風車１の重心位置が変化する。このため、図２（ｂ）に仮想線で示すように風車１の回転バランスが崩れ、振動を伴い回転し、回転出力軸２は通常より大きな回転摩擦を受け、回転エネルギが一部、振動および摩擦として消費されることにより、回転力が低減し、風車１の回転速度が低下する。

例えば、引っ張りばね９ａ，９ｂ，９ｃのバネ定数を９ａ＜９ｂ＜９ｃとし、異常な過回転数として設定したＮａ回転を超えたときに引っ張りばね９ａのバネが有意に伸長し、風車１の重心位置が変化する。これにより、風車１全体の重心位置が変化し、回転に伴う振動が発生する。更に回転数が増加し、Ｎｂ回転（Ｎｂ＞Ｎａ）となった場合、図３（ｂ）のように引っ張りばね９ｂも伸長し、都合２枚の翼が伸びることにより、風車１全体の重心位置はさらにその中心から遠ざかり、風車１の回転に伴う振動が強まり、過回転抑制力が増加する。

過回転抑制のメカニズムについて、上記の各実施の形態では、回転出力軸２の軸心からの風車１の重心位置のずれによる回転に伴う振動によって、振動および摩擦として回転エネルギの一部が消費されて、風車１の回転速度が低下するとして説明したが、さらに詳しくは、回転出力軸２の傾きも同時に発生することで、過回転抑制力が発生している。

このことを図３（ａ）（ｂ）と図４（ａ）（ｂ）によって詳しく説明する。なお、ここでは実施の形態１の場合を説明するが、実施の形態２の場合も同様である。
図３（ａ）は処理装置１０からの一定の排気風１１を受けて、風車１が定常回転している状態を示している。１２は処理装置１０に内蔵されているファン、１３は処理装置１０の排気風１１の速度分布を示している。

図３（ｂ）は、強い排気風等の影響により、回転速度が増加し、過回転の状態を示している。このとき、特定の翼６ａは、引っ張りばね９の付勢力に抗して、回転半径方向に一定量繰り出すため、風車１の重心位置が変化した状態となっている。

処理装置１０の排気風１１は、均質な風速分布になっておらず、その半径方向中央部付近に強い風速を有し、半径方向の中心部近傍や外周部近傍においては、弱い風速となるものが多い。従って、過回転状態となった翼６ａは、繰り出していない他の翼６ｂ，６ｃにに比べて、受ける風速や風量が異なるため、鉛直上向きに受ける力に差が生じることになる。このため、図４（ａ）に示すように、翼６ａは鉛直方向に対して、若干の傾斜角を持つ状態になり、回転出力軸２を傾ける方向に力を受け、軸受け５における回転時の摩擦が増大することになる。この時、回転エネルギが一部、振動および摩擦として消費されることになり、回転力が低減し、風車１の回転速度が低下する。風車１の回転速度が低下すると、図４（ｂ）に示すとおり、風車１の過回転が抑制され、定常回転状態に戻る。この際には、図１にて説明した手順と逆の順序で、翼６ａは引っ張りばね９の付勢力により、元の位置に戻っている。

排気風１１が強いままの状態であれば、風車１は再びその回転速度を増加させ、過回転状態へ遷移しようとするが、図３と図４にて示す手順に従い、そのエネルギの一部を消費して回転速度を低下させるため、回転速度が増加し続けて危険な状態になることはなく、回転速度の増加、減少を繰り返すことになる。

なお、上記の各実施の形態の引っ張りばね９，９ａ〜９ｃの形状としては、コイルばね、板ばねなど各種の形状を採用できる。

本発明は、各種の工場などで用いられる冷却塔などの排気風を再利用することができ、エネルギーロスの低減に寄与する。

１ 風車
２ 回転出力軸
３ 入力駆動軸
４ 発電機
５ 軸受け
６ａ，６ｂ，６ｃ 翼
７ 回転バランス変更装置
８ａ，８ｂ，８ｃ 繰り出しスリーブ
９，９ａ，９ｂ，９ｃ 引っ張りばね
１０ 処理装置
１１ 排気風

Claims (4)

1. 処理装置から排出される排気風を捉えて風車が回転し、前記風車の回転出力軸の回転によって発電機の入力駆動軸を回転駆動する風力発電装置であって、
   前記風車は、前記回転出力軸に設けられ前記排気風を捉える翼と、前記回転出力軸と前記翼の間に介装され前記翼に作用する遠心力に応じて前記風車の重心の位置を回転の半径方向に移動させる回転バランス変更装置とを有し、前記風車が過回転状態になると前記回転バランス変更装置によって前記風車の重心を偏芯させて前記回転出力軸に作用する回転摩擦力を増大させて前記風車を定常回転に近付ける風力発電装置。
2. 前記翼のうちの複数の翼と、前記回転出力軸との間に、それぞれ前記回転バランス変更装置が介装されている
   請求項１記載の風力発電装置。
3. 前記回転バランス変更装置は、前記回転出力軸に回転の半径方向に移動自在に支持された前記翼と、前記回転出力軸との間に、引っ張りばねが介装されている
   請求項１または請求項２記載の風力発電装置。
4. 前記翼のうちの複数の翼と、前記回転出力軸との間に、それぞれ前記回転バランス変更装置が介装されており、
   前記回転バランス変更装置は、前記回転出力軸に回転の半径方向に移動自在に支持された前記翼と、前記回転出力軸との間に、引っ張りばねが介装されており、前記引っ張りばねの各ばね定数が単一でない
   請求項１記載の風力発電装置。

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