JP2020159315A - 垂直軸式風力発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、垂直軸式風力発電装置はエネルギー利用率がそれほど高くないため、発電量を確保する上で改善の余地がある。
そこで、複数の垂直軸式風力発電装置を設けることで発電量を確保することが考えられるが、単に垂直軸式風力発電装置の数を増やすだけでは垂直軸式風力発電装置の設置スペースが大きくなってしまう。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、発電量を確保すると共に、設置スペースのコンパクト化を図る上で有利な垂直軸式風力発電装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記内部回転軸の上部に下方に凸の球面からなる軸受面を有する軸受部材が前記内部回転軸と一体に回転可能に設けられ、前記外部回転軸の下端は前記軸受面に載置され、前記動力伝達機構は前記外部回転軸と前記軸受部材とを連結していることを特徴とする。
また、本発明は、発電機本体と前記発電機本体から上方に突出する回転軸を有する発電機と、前記回転軸に取着され風を受けることにより前記回転軸を回転させる羽根体と、前記回転軸に設けられ鉛直線に対する前記回転軸の傾動により、前記羽根体で回転される前記回転軸の回転方向と同一の方向に前記回転軸を回転させるジャイロ機構と、移動体に設置され前記発電機本体を支持するフレームと、前記発電機本体の上方のフレームの箇所に設けられ前記回転軸を回転可能にかつ前記回転軸の径方向に変位可能に支持する回転軸支持部とを備え、前記発電機本体は、前記フレームで前記回転軸の下端を中心に傾動可能にかつ回転不能に支持されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記フレームに下方に凸の球面からなる軸受面を有する軸受部材が設けられ、前記発電機本体の下部は前記軸受面に載置され、傾動可能にかつ回転不能に支持されていることを特徴とする。
また、本発明は、発電機本体と前記発電機本体から上方に突出し鉛直線に対して所定角度傾斜した回転軸を有する発電機と、前記回転軸に取着され風を受けることにより前記回転軸を回転させる羽根体と、前記回転軸に設けられ前記羽根体で回転される前記回転軸の回転方向と同一の方向に前記回転軸を回転させるジャイロ機構と、移動体に設置され前記発電機本体を支持するフレームと、前記発電機本体の上方のフレームの箇所に設けられ前記回転軸を回転可能に支持する回転軸支持部とを備えることを特徴とする。
また、本発明は、前記ジャイロ機構は、前記回転軸に、この回転軸と直交する軸線回り回転可能に支持されたフライホイールと、前記フライホイールに回転力を付与するスピンモータとを備えることを特徴とする。
また、本発明は、前記フライホイールは前記回転軸を挟んで同一の前記軸線上に2つ設けられ、2つの前記フライホイールは互いに反対方向に回転することを特徴とする。
また、複数の垂直軸式風力発電装置を設ける場合に比較して回転軸、発電機が1つで足りるため、垂直軸式風力発電装置の設置スペースのコンパクト化を図る上で有利となる。
また、外部回転軸がフレームの揺れに同調して揺れる重りとなり、外部回転軸がTMD(チューンド・マス・ダンパー)として機能し、フレームの揺れを抑制する上で有利となる。
また、軸受面を有する軸受部材を内部回転軸と一体に回転可能に設け、外部回転軸の下端を軸受面に載置されるようにすると、簡単な構成により外部回転軸をTMD(チューンド・マス・ダンパー)として機能させる上で有利となる。
また、本発明によれば、昼間、夜間に拘わらず、移動体が停止して風がある場合は、風力により回転軸が回転されるため、発電がなされることは無論のこと、移動体が移動すると、風が生じると共に移動体が揺れるため、風力による回転力と、フライホイールの歳差運動による回転力との双方により回転軸が回転されるため、回転軸の回転が増速されるので、発電効率を高めて発電量を確保する上で有利となる。
また、複数の垂直軸式風力発電装置を設ける場合に比較して回転軸、発電機が1つで足りるため、垂直軸式風力発電装置の設置スペースのコンパクト化を図る上で有利となる。
また、外部回転軸がフレームの揺れに同調して揺れる重りとなり、外部回転軸がTMD(チューンド・マス・ダンパー)として機能し、フレームの揺れを抑制する上で有利となる。
また、フレームに下方に凸の球面からなる軸受面を有する軸受部材を設け、発電機本体の下部を軸受面に載置して傾動可能にかつ回転不能に支持するようにすると、簡単な構成により回転軸をTMD(チューンド・マス・ダンパー)として機能させる上で有利となる。
また、本発明によれば、昼間、夜間に拘わらず、移動体が停止して風がある場合は、風力により回転軸が回転されるため、発電がなされることは無論のこと、移動体が移動すると、風が生じると共に移動体が揺れるため、風力による回転力と、フライホイールの歳差運動による回転力との双方により回転軸が回転されるため、回転軸の回転が増速されるので、発電効率を高めて発電量を確保する上で有利となる。
また、回転軸をフレームに対して傾動可能に支持する機構が不要となるので、構成の簡素化を図る上で有利となる。
また、複数の垂直軸式風力発電装置を設ける場合に比較して回転軸、発電機が1つで足りるため、垂直軸式風力発電装置の設置スペースのコンパクト化を図る上で有利となる。
また、ジャイロ機構を、回転軸に回転可能に支持されたフライホイールとフライホイールに回転力を付与するスピンモータとを備えたものとすると、ジャイロ機構を簡単に構成する上で有利となる。
また、フライホイールとして互いに反対方向に回転する2つのフライホイールを設けると、2つのフライホイールの歳差運動によって回転軸に作用する回転力がより大きなものとなるため、回転軸の回転が増速され、発電効率を高め発電量を確保する上でより有利となる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1に示すように、本実施の形態の垂直軸式風力発電装置10Aは、フレーム12と、発電機14と、発電機14の回転軸16と、回転軸支持部18と、羽根体20と、ジャイロ機構22とを含んで構成されている。
フレーム12は、船舶などのように海上を移動する移動体、あるいは、列車などのように地上を移動する移動体に設置されるものであり、例えば、フレーム12は、船舶の甲板上、あるいは、列車の上部などの設置箇所に不図示の取り付け部材を介して取り付けられている。
フレーム12は、設置箇所に載置される板状の下部フレーム1202と、下部フレーム1202の周囲全周から上方に起立する板状の側部フレーム1204と、側部フレーム1204の上縁を接続する板状の上部フレーム1206とを備えている。
発電機14は、発電機本体1402と発電機本体1402から上方に突出する回転軸16を有している。
本実施の形態では、回転軸16は、発電機本体1402の内部に位置する内部回転軸16Aと、発電機本体1402の外部に位置し内部回転軸16Aと動力伝達機構26を介して一体回転可能にかつ傾動可能に連結された外部回転軸16Bを含んで構成されている。
内部回転軸16Aの上部に下方に凸の球面からなる軸受面2402を有する軸受部材24が内部回転軸16Aと一体に回転可能に設けられている。
外部回転軸16Bの下端1602は軸受面2402に載置されている。
動力伝達機構26は外部回転軸16Bと軸受部材24とを一体に回転可能に連結しており、例えば、動力伝達機構26はユニバーサルジョイントで構成されている。
したがって、外部回転軸16Bは、その下端1602が軸受面2402上で下端1602を中心として傾動可能となり、また、動力伝達機構26を介して内部回転軸16Aと一体に回転可能となる。
発電機14は、外部回転軸16Bと共に内部回転軸16Aが回転されることで、発電機本体1402の内部の回転子を回転させて発電を行なう。
上部フレーム1206に外部回転軸16Bが挿通される挿通孔1210が設けられており、回転軸支持部18は、挿通孔1210に設けられた、外部回転軸16Bを回転可能に支持する軸受1802と、軸受1802を挿通孔1210の径方向に変位可能に支持する弾性部材1804とで構成されている。
弾性部材1804はゴム材料、あるいは、ばねなど従来公知の様々な弾性を有する材料が使用可能である。
したがって、外部回転軸16Bは、その下端1602が軸受面2402に載置され、その中間部が軸受1802および弾性部材1804に支持されることで、外部回転軸16Bはその下端1602を中心として傾動可能に支持されることになる。
本実施の形態では、羽根体20は上部フレーム1206の上方に位置する外部回転軸16Bの箇所に設けられている。
羽根体20は、回転軸16の周方向に間隔をおいて複数設けられ、各羽根体20は回転軸16の上端寄りの箇所から上部フレーム1206寄りの箇所にわたって延在する上下方向に縦長の矩形状を呈している。
なお、羽根体20として、従来公知の様々な垂直軸式風力発電装置の羽根体が使用可能である。
本実施の形態では、ジャイロ機構22は上部フレーム1206の下方に位置する外部回転軸16Bの箇所に設けられている。
図1、図2に示すように、ジャイロ機構22は、フライホイール28と、フライホイール室30と、スピンモータ32とを含んで構成され、フレーム12の内部に設けられている。
フライホイール28は、外部回転軸16Bと直交する軸線に沿って回転軸16から突設された支軸34に回転可能に支持され、したがって、フライホイール28は、外部回転軸16Bと直交する軸線回りに回転可能に支持されている。
本実施の形態では、フライホイール28は外部回転軸16Bを挟んで同一の軸線上に互いに対向するように2つ設けられている。
フライホイール室30は、各フライホイール28を収容するものであり気密に構成され、図2に示す真空ポンプ36によってフライホイール室30が負圧となるように保持され、フライホイール28の空気抵抗を低減し、スピンモータ32の消費電力の抑制が図られている。
スピンモータ32は、フライホイール28に回転力を付与してフライホイール28を高速回転させるものであり、本実施の形態では、スピンモータ32は外部回転軸16Bに取着されており、スピンモータ32が図示しない動力伝達機構を介して2つのフライホイール28を互いに反対方向に回転させるように構成されている。
垂直軸式風力発電装置10Aは、充電装置38、バッテリ(二次電池)40を備えている。
充電装置38は、発電機14で発電された電力によってバッテリ40を充電するものである。
バッテリ40は、電力を蓄えるものであり、垂直軸式風力発電装置10Aから取り外して運搬し,消費者に供給する。あるいは、列車や船舶等の移動体用のエネルギーとして消費する。
また、バッテリ40の電力の一部はスピンモータ32と真空ポンプ36に供給され、それらスピンモータ32と真空ポンプ36が駆動される。これらスピンモータ32および真空ポンプ36の消費電力は、発電機14によって発電される電力に比較して僅かなものである。
また、スピンモータ32と真空ポンプ36に対して発電機14で発電された電力を直接供給するようにしてもよい。
垂直軸式風力発電装置10Aが設けられた船舶や列車が移動し、垂直軸式風力発電装置10Aに風が吹くと、風が羽根体20に当たることで外部回転軸16Bが回転し、その回転力は動力伝達機構26を介して内部回転軸16Aを回転させ、これにより発電機14が駆動され発電が行われ、充電装置38を介してバッテリ40が充電される。
さらに、風が羽根体20に当たることであるいはフレーム12が移動体の移動に伴い揺れることで外部回転軸16Bがその下端1602を支点として傾動すると、言い換えると、外部回転軸16Bが鉛直線Aに対して傾動すると、互いに反対向きに回転しているフライホイール28に歳差運動が生じる。この歳差運動は回転軸16を回転する回転力として作用するため、この回転力によっても回転軸16が回転し発電機14が駆動され発電が行われ、充電装置38を介してバッテリ40が充電される。
すなわち、風力による回転力と、フライホイール28の歳差運動による回転力との双方により回転軸16が回転されて発電機14により発電が行われ、充電装置38を介してバッテリ40が充電される。
また、複数の垂直軸式風力発電装置を設ける場合に比較して回転軸16、発電機14が1つで足りるため、垂直軸式風力発電装置の設置スペースのコンパクト化を図る上で有利となる。
したがって、例えば、限られたスペースしかない移動体であっても発電効率の高い垂直軸式風力発電装置10Aを設置することができ有利となる。
したがって、歳差運動によって回転軸16に作用する回転力がより大きなものとなるため、回転軸16の回転が増速され、発電効率を高め発電量を確保する上でより有利となる。
また、フライホイール28を3つ以上設けても良いことは無論である。
そのため、外部回転軸16Bがフレーム12の揺れに同調して揺れる重りとなり、外部回転軸16BがTMD(チューンド・マス・ダンパー)として機能し、フレーム12の揺れを抑制する。
また、台風時のように風が強い場合にフレーム12の揺れを抑制できるので、フレーム12および回転軸16の保護を図る上で有利となる。
次に第2の実施の形態について図3を参照して説明する。
なお、以下の実施の形態では、第1の実施の形態と同様の部分、部材については第1の実施の形態と同一の符号を付してその説明を省略し、異なった箇所を重点的に説明する。
図3に示すように、第2の実施の形態では、上方に突出する回転軸16を有する発電機本体1402を回転軸16の下端1602を中心に傾動可能にかつ回転不能に支持した点が第1の実施の形態と異なっている。
すなわち、単一の回転軸16が発電機本体1402から上方に突出しており、回転軸16の中間部は回転支持部18により回転可能にかつ回転軸16の径方向に変位可能に支持されている。
発電機本体1402の下面は、下方に凸の球面からなる上側軸受面1404として構成されている。
下部フレーム1202には、下方に凸状の球面からなる下側軸受面4202を有する軸受部材42が設けられ、上側軸受面1404が下側軸受面4202により傾動可能にかつ回転不能に支持されている。
したがって、発電機本体1402は、フレーム12で回転軸16の下端1602を中心に傾動可能にかつ回転不能に支持されている。
また、第1の実施の形態と同様に、外部回転軸16BがTMD(チューンド・マス・ダンパー)として機能することで、風力による発電効率を高めて発電量を確保し、また、台風時にフレーム12および回転軸16の保護を図る上で有利となる。
次に第3の実施の形態について図4を参照して説明する。
第3の実施の形態は、回転軸16がフレーム12に対して回転可能にかつ傾動不能に支持されている点が第1、第2の実施の形態と異なっている。
すなわち、回転軸支持部18は、発電機本体1402の上方の上部フレーム1206の箇所に設けられ外部回転軸16Bを回転可能に支持する軸受1802で構成されており、外部回転軸16Bは径方向に変位不能とされている。
また、回転軸16は、発電機本体1402の内部に位置する内部回転軸16Aと、発電機本体1402の外部に位置し内部回転軸16Aと一体回転可能に連結された外部回転軸16Bを含んで構成されている。
発電機14は、外部回転軸16Bと共に内部回転軸16Aが回転されることで、発電機本体1402の内部の回転子を回転させて発電を行なう。
すなわち、移動体の移動に伴いフレーム12が揺れると、回転軸16がフレーム12と一体に揺れ、したがって、鉛直線Aに対して回転軸16が傾動し、これによりフライホイール28の歳差運動による回転力が発生する。
したがって、昼間、夜間に拘わらず、移動体が停止して風がある場合は、風力により羽根体20を介して回転軸16が回転されるため、発電がなされることは無論のこと、移動体が移動すると、風が生じると共に移動体が揺れるため、風力による回転力と、フライホイール28の歳差運動による回転力との双方により回転軸16が回転されるため、回転軸16の回転が増速されるので、発電効率を高めて発電量を確保する上でより有利となる。
また、第1、第2の実施の形態に比較して、回転軸16をフレーム12に対して傾動可能に支持する機構が不要となるので、構成の簡素化を図る上で有利となる。
12 フレーム
1210 挿通孔
14 発電機
1402 発電機本体
1404 上側軸受面
16 回転軸
16A 内部回転軸
16B 外部回転軸
1602 下端
18 回転軸支持部
1802 軸受
1804 弾性部材
20 羽根体
22 ジャイロ機構
24 軸受部材
2402 軸受面
26 動力伝達機構
28 フライホイール
30 フライホイール室
32 スピンモータ
34 支軸
42 軸受部材
4202 下側軸受面
Claims (7)
- 発電機本体と前記発電機本体から上方に突出する回転軸を有する発電機と、
前記回転軸に取着され風を受けることにより前記回転軸を回転させる羽根体と、
前記回転軸に設けられ鉛直線に対する前記回転軸の傾動により、前記羽根体で回転される前記回転軸の回転方向と同一の方向に前記回転軸を回転させるジャイロ機構と、
移動体に設置され前記発電機本体を支持するフレームと、
前記発電機本体の上方のフレームの箇所に設けられ前記回転軸を回転可能にかつ前記回転軸の径方向に変位可能に支持する回転軸支持部とを備え、
前記回転軸は、前記発電機本体の内部に位置する内部回転軸と、前記発電機本体の外部に位置し前記内部回転軸と動力伝達機構を介して一体回転可能にかつ傾動可能に連結された外部回転軸を含んで構成され、
前記羽根体と前記ジャイロ機構は前記外部回転軸に設けられている、
ことを特徴とする垂直軸式風力発電装置。 - 前記内部回転軸の上部に下方に凸の球面からなる軸受面を有する軸受部材が前記内部回転軸と一体に回転可能に設けられ、
前記外部回転軸の下端は前記軸受面に載置され、
前記動力伝達機構は前記外部回転軸と前記軸受部材とを連結している、
ことを特徴とする請求項1記載の垂直軸式風力発電装置。 - 発電機本体と前記発電機本体から上方に突出する回転軸を有する発電機と、
前記回転軸に取着され風を受けることにより前記回転軸を回転させる羽根体と、
前記回転軸に設けられ鉛直線に対する前記回転軸の傾動により、前記羽根体で回転される前記回転軸の回転方向と同一の方向に前記回転軸を回転させるジャイロ機構と、
移動体に設置され前記発電機本体を支持するフレームと、
前記発電機本体の上方のフレームの箇所に設けられ前記回転軸を回転可能にかつ前記回転軸の径方向に変位可能に支持する回転軸支持部とを備え、
前記発電機本体は、前記フレームで前記回転軸の下端を中心に傾動可能にかつ回転不能に支持されている、
ことを特徴とする垂直軸式風力発電装置。 - 前記フレームに下方に凸の球面からなる軸受面を有する軸受部材が設けられ、
前記発電機本体の下部は前記軸受面に載置され、傾動可能にかつ回転不能に支持されている、
ことを特徴とする請求項3記載の垂直軸式風力発電装置。 - 発電機本体と前記発電機本体から上方に突出し鉛直線に対して所定角度傾斜した回転軸を有する発電機と、
前記回転軸に取着され風を受けることにより前記回転軸を回転させる羽根体と、
前記回転軸に設けられ前記羽根体で回転される前記回転軸の回転方向と同一の方向に前記回転軸を回転させるジャイロ機構と、
移動体に設置され前記発電機本体を支持するフレームと、
前記発電機本体の上方のフレームの箇所に設けられ前記回転軸を回転可能に支持する回転軸支持部と、
を備えることを特徴とする垂直軸式風力発電装置。 - 前記ジャイロ機構は、
前記回転軸に、この回転軸と直交する軸線回り回転可能に支持されたフライホイールと、
前記フライホイールに回転力を付与するスピンモータとを備える、
ことを特徴とする請求項1から5の何れか1項記載の垂直軸式風力発電装置。 - 前記フライホイールは前記回転軸を挟んで同一の前記軸線上に2つ設けられ、
2つの前記フライホイールは互いに反対方向に回転する、
ことを特徴とする請求項6記載の垂直軸式風力発電装置。
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