JP2017218998A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 弱い風でも風車が回り、風の強さが上がって定格出力を得る風の強さからカットアウト風速となる強い風の範囲が広い風力発電機を得る。【解決手段】 自然風を受けて自然風の方向に垂直な回転軸を回転させる風車と、回転軸の回動エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置において、風車が前記回転軸を中心として取り巻くように対称に２枚以上支持された自然風を受けるブレードを備え、ブレードの各々と回転軸との距離を変更する回転半径変更手段を更に備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、風を受けて回転することにより発電する風力発電装置の工夫に関するものである。

震災等の災害時には、電気・水道等のライフラインが寸断される場合があり、自家発電設備を備える病院や大型の施設では、ライフラインの復旧が行われる間、自家発電で凌ぐことが行われる。また、簡易型の発電機としては、数Ｗの電力を供給するものが大多数であり、自家発電の設備がない避難所での電力を賄うものとしては、かなりの大型とするか、多数の発電機を駆動させる必要があり、復旧の間には大量の燃料が消費され、発電機を回動するエンジンの騒音も大きなものとなる。

また、送電線が到達していない遠隔地等での電力の確保についても発電装置を必要とするが、石油やガス等の燃料によって駆動されるものでは、前述の自家発電と同様に大量の燃料が消費され、発電機を回動するエンジンの騒音も大きなものとなる。また、遠隔地での発電としては、中長期に亘って発電を行わざるを得ない場合もある。

その一方で、風力発電は、資源が枯渇することがなく、発電時や熱利用時に地球温暖化の原因となる二酸化炭素をほとんど排出しないエネルギーの一つである風のエネルギーを電気エネルギーに変える発電装置である。我が国では、欧米諸国に比べると導入が遅れているものの、２０００年以降導入件数は増えており、先の東日本大震災後は更に急激に増えている。

この風力発電は、再生可能エネルギーの中では発電コストが比較的低く、工期の短さも大きな長所である。加えて、風車の高さやブレード（羽根）の形状や数によって異なるものの、風力エネルギーは高効率で電気エネルギーに変換可能であり、昼間のみの太陽光発電とは異なり、風さえあれば、夜間でも発電可能であることも長所の一つである。

建築物としての風力発電装置としては、超大型の台風を想定して、強烈な風（５４ｍ／ｓ）を超える風速６０ｍ／ｓの風にも充分に耐える装置とすることを目安として設計されている（設計耐風速６０ｍ／ｓ以上）。このため、施設としては充分な基礎工事を行った上で、充分な堅牢な構造とされている。

また、風力発電装置では、高い設計耐風速を備えている一方で、自然風は強ければ強いほど多量の電気を発電することができるのではない。詳しくは、風速２４〜２５ｍ／ｓを越えるようなあまりに強い風の場合には、風車や発電機の回転数が異常に上がり破損する虞があるため、カットアウト風速を超えた場合には、発電をやめてしまうという安全装置を備える。

更に、風力発電装置では、大出力の電気を得るために大きな発電機を回動させる場合には、回動軸の動き出しにも強い風が必要となるが、カットアウト風速は小出力の発電機とさほど変わらない。そのため、弱い風でも風車が回り、また、定格出力を得る程良い風からカットアウト風速となる更に強い風の範囲が広い発電機であれば風力発電機の稼働率を向上させることができる。そこで、低風速時には最大出力を取り出し、高風速時には平準化した出力を取り出すようにした発電機制御も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−６４９２９号公報

しかしながら、弱い風でも風車を回すためには、風車自体が軽量化されることが第１である。即ち、設計耐風速６０ｍ／ｓ以上の堅牢な構造とするために、風を受ける全ての構造物が風に対抗できるように、堅牢な構造とすると当然のことながら、重量が大きくなる。大きな重量の風車を動かす場合には、大きな風を必要とするため、前述の通り、建築物として設計耐風速６０ｍ／ｓ以上として、堅牢な構造とすることが達成できない大きな原因となる。

本発明は、弱い風でも風車が回り、風の強さが上がって定格出力を得る風の強さからカットアウト風速となる強い風の範囲が広い風力発電機を得ることを目的とし、カットアウト風速以上となることが予想される台風等の接近の際には、予め風車自体を伏せた状態とすることができる風力発電機を得ることを目的とする。

請求項１に記載された発明に係る風力発電装置は、自然風を受けて自然風の方向に垂直な回転軸を回転させる風車と、前記回転軸の回動エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置において、
前記風車が前記回転軸を中心として取り巻くように対称に２枚以上支持された自然風を受けるブレードを備え、
前記ブレードの各々と回転軸との距離を変更する回転半径変更手段を更に備えたことを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明に係る風力発電装置は、請求項１に記載の風車が、前記回転軸と共に伏仰可能に立設させる駆動手段を備えたことを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明に係る風力発電装置は、請求項１又は２に記載の回転半径変更手段として、
前記ブレードの各々に取付け角度変更可能に一方が連絡された第１支持アーム群と、
前記第１支持アーム部の連結位置と相違する高さ位置で前記ブレードの各々に取付け角度変更可能に一方が連絡された第２支持アーム群と、
前記第１支持アーム群の他端の前記回転軸に対する第１取付け高さ位置と、前記第２支持アーム群の他端の前記回転軸に対する第２取付け高さ位置との取付け位置の間隔を変更する取付け高さ位置を変更する回転軸取付け高さ変更手段を備えたことを特徴とするものである。

請求項４に記載された発明に係る風力発電装置は、請求項３に記載の回転軸取付け高さ変更手段が、
前記回転軸の長手方向にネジ溝が形成されたネジ溝外筒と、
前記ネジ溝外筒のネジ溝に螺合する筒内溝を備えネジ溝外筒上を回転軸の長手方向に沿って移動可能であり、尚且つ、前記第１支持アーム群の他端又は第２支持アーム群の他端の少なくとも一方が固定された移動筒と、
前記ネジ溝外筒を正逆回転させて前記移動筒を長手方向に対して移動させ、第１支持アーム群と第２支持アーム群との取付け高さ位置の間隔を変更する回動機構とを備えたことを特徴とするものである。

請求項５に記載された発明に係る風力発電装置は、請求項３に記載の回転軸取付け高さ変更手段が、
前記回転軸の中央から上方向にネジ溝が形成された上ネジ溝外筒と、
前記回転軸の中央から下方向に前記上ネジ外筒とは逆回転のネジ溝が形成された下ネジ溝外筒と、
前記上ネジ溝外筒のネジ溝に螺合する筒内溝を備え上ネジ溝外筒上を回転軸の長手方向に沿って移動可能であり、尚且つ、前記第１支持アーム群の他端が固定された上移動筒と、
前記下ネジ溝外筒のネジ溝に螺合する筒内溝を備え下ネジ溝外筒上を回転軸の長手方向に沿って移動可能であり、尚且つ、前記第２支持アーム群の他端が固定された下移動筒と、
前記ネジ溝外筒を正逆回転させて前記第１移動筒と第２移動筒とを長手方向に対して移動させ、第１支持アーム群と第２支持アーム群との取付け高さ位置の間隔を変更する回動機構とを備えたことを特徴とするものである。

請求項６に記載された発明に係る風力発電装置は、請求項１〜３に記載の回転半径変更手段の前記ブレードの各々と回転軸との距離を、前記回転軸の回転速度に応じて制御する回転半径制御手段を備え、
この回転半径制御手段として、自然風が弱いときには回転半径を大きくし、自然風が強いときには回転半径を小さくするものであることを特徴とするものである。

本発明は、弱い風でも風車が回り、風の強さが上がって定格出力を得る風の強さからカットアウト風速となる強い風の範囲が広い風力発電機を得ることができるという効果がある。更に、カットアウト風速以上となることが予想される台風等の接近の際には、予め風車自体を伏せた状態として、台風の影響を受けることがないという効果がある。

本発明の風力発電装置の風車部の一実施例の構成を示す説明図である。 図１の風車部の回転半径を小さくした状態を示す説明図である。 図２の風車部を伏せた状態を示す説明図である。 図１の風車部をトラックの荷台に搭載させた状態を示す説明図である。

本発明においては、自然風を受けて自然風の方向に垂直な回転軸を回転させる風車と、前記回転軸の回動エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置において、前記風車が前記回転軸を中心として取り巻くように対称に２枚以上支持された自然風を受けるブレードを備え、前記ブレードの各々と回転軸との距離を変更する回転半径変更手段を更に備える。このため、弱い風でも風車が回り、風の強さが上がって定格出力を得る風の強さからカットアウト風速となる強い風の範囲が広い利点を有する。

本発明の風車としては、自然風を受けて回転軸を回転させるものであればよいが、風車が回転軸を取り巻くように２枚以上支持された自然風を受けるブレードを備え、これらブレードの各々と回転軸との距離を変更する回転半径変更手段を備えるものであればよい。そのため、ブレードの各々と回転軸との距離を変更することを念頭にすると、好ましくはプロペラ型ではなく、風力の方向に垂直な回転軸を有するものであれば回転半径を容易に変更できる。より具体的には、パドル型、ダリウス型、ジャイロミル型の風車が挙げられる。

本発明の好ましい態様としては、風車が回転軸と共に伏仰可能に立設させる駆動手段を備える。これにより、カットアウト風速以上となることが予想される台風等の接近の際には、予め駆動手段によって、風車自体を伏せた状態とすることにより、設計耐風速６０ｍ／ｓ以上の堅牢な構造とする必要がない。

このため、風車自体を軽量化することが可能になり、より弱い風でも回動することが可能となる。また、軽量化することにより移動性も向上し、遠隔地への搬送も容易となる。加えて、強風時には風車自体を伏せた状態とするため、破損や故障も少なくなるため、中長期に亘って発電を行うことができる。

好ましい設計耐風速としては、中小規模の耐風の最大風速である３０ｍ／ｓ程度とすることにより、風車自体を軽量化することが可能になり、より弱い風でも回動することが可能となり、台風のような悪天候でなければ、通常の運転が可能となる。

本発明の回転半径変更手段として、ブレードの各々に取付け角度変更可能に一方が連絡された第１支持アーム群と、第１支持アーム部の連結位置と相違する高さ位置で前記ブレードの各々に取付け角度変更可能に一方が連絡された第２支持アーム群と、第１支持アーム群の他端の前記回転軸に対する第１取付け高さ位置と、前記第２支持アーム群の他端の前記回転軸に対する第２取付け高さ位置との取付け位置の間隔を変更する取付け高さ位置を変更する回転軸取付け高さ変更手段を備える。これにより、回転軸の回転速度に応じて前記ブレードの各々と回転軸との距離を変更することができる。

本発明の回転軸取付け高さ変更手段が、回転軸の長手方向にネジ溝が形成されたネジ溝外筒と、ネジ溝外筒のネジ溝に螺合する筒内溝を備えネジ溝外筒上を回転軸の長手方向に沿って移動可能であり、尚且つ、前記第１支持アーム群の他端又は第２支持アーム群の他端の少なくとも一方が固定された移動筒と、ネジ溝外筒を正逆回転させて前記移動筒を長手方向に対して移動させ、第１支持アーム群と第２支持アーム群との取付け高さ位置の間隔を変更する回動機構とを備えるものであればよい。

更に好ましい態様としては、回転軸取付け高さ変更手段が、回転軸の中央から上方向にネジ溝が形成された上ネジ溝外筒と、回転軸の中央から下方向に前記上ネジ外筒とは逆回転のネジ溝が形成された下ネジ溝外筒と、上ネジ溝外筒のネジ溝に螺合する筒内溝を備え上ネジ溝外筒上を回転軸の長手方向に沿って移動可能であり、尚且つ、前記第１支持アーム群の他端が固定された上移動筒と、下ネジ溝外筒のネジ溝に螺合する筒内溝を備え下ネジ溝外筒上を回転軸の長手方向に沿って移動可能であり、尚且つ、前記第２支持アーム群の他端が固定された下移動筒と、ネジ溝外筒を正逆回転させて前記第１移動筒と第２移動筒とを長手方向に対して移動させ、第１支持アーム群と第２支持アーム群との取付け高さ位置の間隔を変更する回動機構とを備えるものであればよい。

本発明の回転半径変更手段の前記ブレードの各々と回転軸との距離を、前記回転軸の回転速度に応じて制御する回転半径制御手段を備え、この回転半径制御手段として、自然風が弱いときには回転半径を大きくし、自然風が強いときには回転半径を小さくするものである。

即ち、ブレードと回転軸との距離を広くして回転半径を大きくすることにより、弱い風でも広く風を受けて駆動する。逆に、ブレードと回転軸との距離を狭くして回転半径を小さくすることにより、この結果、回転モーメントが小さくなって回転数が落ち、発電出力が低下するため、強い風によってカットアウト風速とならないように強い風の一部を有効利用することができる。更に、強い風の際に回転半径を小さくなることにより、風車の構成を軽量化していても、設計耐風速が向上する利点もある。

図１は本発明の風力発電装置の風車部の一実施例の構成を示す説明図である。図２は図１の風車部の回転半径を小さくした状態を示す説明図である。図３は図２の風車部を伏せた状態を示す説明図である。図４は図１の風車部をトラックの荷台に搭載させた状態を示す説明図である。

図１に示す通り、本実施例の風力発電装置１０の風車部２０は、ジャイロミル型の風車であり、風力の方向に垂直な回転軸１１を有し、回転軸１１を取り巻くように回転軸１１と同方向の５枚のブレード２１を備える。回転軸１１は４枚の十字状の支持片１３の各々が外方に伸長可能な支持台１２に立設される支持軸１４の上に回動可能に支持される。

この支持軸１４内には図示していないが発電機が内蔵され、回転軸の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電池等に貯留するか、整流して既存の送電系に導入する。尚、発電機は支持軸１４内に内蔵するのではなく、支持軸１４内に歯車を配置し、この歯車を介して回転軸の駆動を支持軸外の発電機に駆動を伝えることで発電してもよい。

個々のブレード２１は断面が翼型に形成されており、翼型のブレード２１による風に対する抗力の発生及び揚力の発生によって、回転軸１１に直交するどの方向からの自然風でも回転軸１１を回動することが可能となる。この翼型のブレード２１により、より弱い風でも回動することが可能となる。

また、個々のブレード２１は、上部に２本の上支持アーム２２（第１支持アーム群）と、下部に２本の下支持アーム２３（第２支持アーム群）とで回転軸１１上を上下に移動可能な上下移動筒２４、２５とに連結される。具体的には、２本の上支持アーム２２は上移動筒２４に連結され、２本の下支持アーム２３は下移動筒２５に連結されている。

各２本の上下支持アーム２２、２３のブレード２１への取付け高さ間隔は、移動筒２４、２５への取付け高さ間隔と同じ間隔であり、２本の支持アーム２２、２３同士は平行に配される。図１又は図４に示す通り、回転軸１１に対するブレード２１の距離（即ち、回転半径）が最も大きい場合には、２本の支持アーム２２、２３は、各々回転軸１１に対して各々垂直に配される。２本の支持アーム２２、２３は、ブレード２１及び移動筒２４、２５の各々に対して回動ジョイント２６によって回動可能としている。

図２及び図４の一点鎖線で示す通り、上下移動筒２４、２５が回転軸１１上を上下に移動することにより、前述の２本の上下支持アーム２２、２３と上下移動筒２４、２５と回動ジョイント２６とによる回転半径変更手段として、ブレード２１の回転半径を変更可能としている。

即ち、回転軸１１の側壁部は、回転軸１１と外筒体で覆われており、外筒体はその中央位置から上部方向と中央位置から下部方向とに同ピッチで正逆のネジ溝１５、１６が形成されている。上移動筒２４には、上部のネジ溝１５のネジ溝に螺合する筒内溝が形成されており、下移動筒２５には、下部のネジ溝１６のネジ溝に螺合する筒内溝が形成されている。上下移動筒２４、２５の回動は外筒体から回転軸１１に伝わる。

ネジ溝１５、１６が形成された外筒体は図示しない外筒体用モータで回転軸１１に対して相対的に正逆回転することができる。この外筒体用モータによって、ブレード２１に受けた自然風で回転軸１１が回動しながら、外筒体を回転軸１１に対して正逆回転することにより、回転軸取付け高さが変更される。これにより、上部のネジ溝に螺合された上移動筒２４と下部のネジ溝１６に螺合する下移動筒２５との距離が離れたり近づいたりする。上下移動筒２４、２５の距離が離れたり近づいたりするにより、２本の支持アーム２２、２３によって個々のブレード２１と回転軸１１との距離を大きくしたり小さくする。

尚、本実施例では、上下支持アーム２２、２３の回転軸に対する取付け高さを変更する変更手段として、ネジ溝１５、１６の正逆の回動で上移動筒２４と下移動筒２５との距離が離れたり近づいたりするが、上下支持アーム２２、２３の一方を固定し、他方の支持アームの他端を移動筒に固定することにより、移動筒をネジ溝で正逆回動することにより、支持アーム同士の距離を離したり、近づけたりすることにより、個々のブレード２１と回転軸１１との距離を大きくしたり小さくしてもよい。

本実施例では、この回転半径を変更することにより、自然風が弱いときには回転半径を大きくし、自然風が強いときには回転半径を小さくすることにより、弱い風でも風車が回り、風の強さが上がって定格出力を得る風の強さからカットアウト風速となる強い風の範囲が広いという利点を奏する。

本実施例の風車２０は回転軸１１と共に伏仰可能に立設させる駆動手段を備える。即ち、図３に示す通り、支持軸１４には、支持台１２の一つの支持片１３とヒンジ部１８で回動自在に連結され、伏仰回動の駆動手段として、支持軸１４とヒンジ部１８とを備えた支持片１３とを連結する油圧ピストン１７が備わっている。

即ち、立設された支持軸１４は、下端部の支持台１２と連結していたボルト１９を取り外した後、油圧ピストン１７の油圧を徐々に伸縮させることにより、ヒンジ部１８を中心にして伏せた状態に徐々に移行する。回動方向に油圧ピストン１７が配置されているため、完全に水平に伏せた状態とすることができないために、伏せた状態を維持するため、保持台３０等で保持する。立設する場合には、油圧ピストン１７を伸長させて、ヒンジ部１８を中心にして立設させ、ボルト１９によって支持軸１４を支持台１２を連結する。

この風車２０を回転軸１１と共にヒンジ部１８を中心に伏仰可能に立設させる油圧ピストン１７を備えため、台風の進路に当たる等のように、カットアウト風速以上となることが予想される場合には、予め駆動手段によって、風車自体を伏せた状態とすることにより、設計耐風速６０ｍ／ｓ以上の堅牢な構造とする必要がない。

このため、例えば、ブレード２１及び支持アーム２２、２３自体の強度や、ブレード２１と支持アーム２２、２３との取付け強度、及び、移動筒２４、２５と支持アーム２２、２３との取付け強度等を設計耐風速６０ｍ／ｓ以上の堅牢な構造とする必要がないため、風車自体を軽量化することが可能になり、より弱い風でも回動することが可能となる。

好ましい設計耐風速としては、中小規模の耐風の最大風速である３０ｍ／ｓ程度とすることにより、風車自体を軽量化することが可能になり、より弱い風でも回動することが可能となり、台風のような悪天候でなければ、通常の運転が可能となる。

また、軽量化することにより移動性も向上し、遠隔地への搬送も容易となる。図４に示す通り、本実施例の風車部をトラック４０の荷台４１に搭載させて発電することができる。尚、移動時には図３に示す通り、伏せた状態で荷台４１に固定することにより、容易に移動することができる。

本発明の風力発電装置では、ブレードの各々と回転軸との距離を変更する回転半径制御手段によって、自然風が弱い状態でも風車が回り、風の強さが上がって定格出力を得る風の強さからカットアウト風速となる強い風の範囲が広くなる。また、風車が回転軸と共に伏仰可能となるため、設計耐風速６０ｍ／ｓ以上の堅牢な構造とする必要がなく、軽量化と共に移動性も向上することができる。

１０…風力発電装置、
１１…回転軸、
１２…支持台、
１３…支持片、
１４…支持軸、
１５…ネジ溝（正）、
１６…ネジ溝（逆）、
１７…油圧ピストン（駆動手段）、
１８…ヒンジ部、
１９…ボルト、
２０…風車部、
２１…ブレード、
２２…上支持アーム（第１支持アーム群）、
２３…下支持アーム（第２支持アーム群）、
２４…上移動筒、
２５…下移動筒、
２６…回動ジョイント、
３０…保持台、
４０…トラック、

Claims (6)

1. 自然風を受けて自然風の方向に垂直な回転軸を回転させる風車と、前記回転軸の回動エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置において、
   前記風車が前記回転軸を中心として取り巻くように対称に２枚以上支持された自然風を受けるブレードを備え、
   前記ブレードの各々と回転軸との距離を変更する回転半径変更手段を更に備えたことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記風車が、前記回転軸と共に伏仰可能に立設させる駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記回転半径変更手段として、
   前記ブレードの各々に取付け角度変更可能に一方が連絡された第１支持アーム群と、
   前記第１支持アーム部の連結位置と相違する高さ位置で前記ブレードの各々に取付け角度変更可能に一方が連絡された第２支持アーム群と、
   前記第１支持アーム群の他端の前記回転軸に対する第１取付け高さ位置と、前記第２支持アーム群の他端の前記回転軸に対する第２取付け高さ位置との取付け位置の間隔を変更する取付け高さ位置を変更する回転軸取付け高さ変更手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
4. 前記回転軸取付け高さ変更手段が、
   前記回転軸の長手方向にネジ溝が形成されたネジ溝外筒と、
   前記ネジ溝外筒のネジ溝に螺合する筒内溝を備えネジ溝外筒上を回転軸の長手方向に沿って移動可能であり、尚且つ、前記第１支持アーム群の他端又は第２支持アーム群の他端の少なくとも一方が固定された移動筒と、
   前記ネジ溝外筒を正逆回転させて前記移動筒を長手方向に対して移動させ、第１支持アーム群と第２支持アーム群との取付け高さ位置の間隔を変更する回動機構とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
5. 前記回転軸取付け高さ変更手段が、
   前記回転軸の中央から上方向にネジ溝が形成された上ネジ溝外筒と、
   前記回転軸の中央から下方向に前記上ネジ外筒とは逆回転のネジ溝が形成された下ネジ溝外筒と、
   前記上ネジ溝外筒のネジ溝に螺合する筒内溝を備え上ネジ溝外筒上を回転軸の長手方向に沿って移動可能であり、尚且つ、前記第１支持アーム群の他端が固定された上移動筒と、
   前記下ネジ溝外筒のネジ溝に螺合する筒内溝を備え下ネジ溝外筒上を回転軸の長手方向に沿って移動可能であり、尚且つ、前記第２支持アーム群の他端が固定された下移動筒と、
   前記ネジ溝外筒を正逆回転させて前記第１移動筒と第２移動筒とを長手方向に対して移動させ、第１支持アーム群と第２支持アーム群との取付け高さ位置の間隔を変更する回動機構とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
6. 前記回転半径変更手段の前記ブレードの各々と回転軸との距離を、前記回転軸の回転速度に応じて制御する回転半径制御手段を備え、
   この回転半径制御手段として、自然風が弱いときには回転半径を大きくし、自然風が強いときには回転半径を小さくするものであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の風力発電装置。

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