JP2021025443A

JP2021025443A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2021025443A
Application number: JP2019142435A
Authority: JP
Inventors: ワサンタサマラトュンガ; Wasantha Samarathunga
Original assignee: Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-02-22
Anticipated expiration: 2039-08-01
Also published as: JP6736736B1

Abstract

【課題】風向きや風速が急激に変化しても安定した起電力が得られる等の風力発電装置を提供すること。【解決手段】風力発電装置２０は、垂直回転軸２１を有する発電ユニット２３と、水平回転軸１１の先端部にプロペラ１２を設けた、３つのサボニウス型発電機１０とを備え、複数のサボニウス型発電機１０のそれぞれが、垂直回転軸２１に水平方向において放射状に接続した構成を有している。サボニウス型発電機１０が風を受けプロペラ１２及びロータ１４が回転すると、その回転軸に対し直交する方向に生じるジャイロモーメントＴが発生し、それにより垂直回転軸２１を中心に３つのサボニウス型発電機１０が回転してジェネレータ２２が発電する。【選択図】図３

Description

本発明は風力発電装置に関する。

風力発電は、クリーンで無尽蔵の自然エネルギーを利用して発電エネルギーを得る装置であり、世界の再生可能エネルギーの中で最大規模の発電量を占めている。エネルギーの大半を海外からの輸入に頼っているわが国においては、今後、エネルギーの安全保障や地球温暖化防止といった観点から最も成長が期待されている。現在、陸上及び洋上の大規模なウインドファームにおいては、空力の変換効率が高い（例えば３０〜４０％）プロペラ型の発電装置が主流である（図１ａ参照）。
一方、一般家庭やオフィスなどのローカルな電力需要に応えるために、風向きに左右されない垂直軸型の小型発電装置も普及している。垂直軸型の代表的な発電装置としては、例えばダリウス型（図１ｂ参照）及びサボニス型（図１ｃ参照）がある。これらは、低周波騒音が比較的小さく、また小型化が容易であるため、都市部及びその郊外での設置に適している。ダリウス型及びサボニウス型を組み合わせた、例えば一般家庭向けのシンプルな構造の風力発電装置が既に提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平１１−２９４３１３号公報

プロペラ型の風力発電装置は、上述したように変換効率において優れている。しかし、風力や風の方向の変化によって出力が不安定となるというデメリットがある。また、ダリウス型の発電装置はプロペラ型に比較して自己起動性が良くない。また、サボニウス型の発電装置は、自己起動性は良いものの、大きな回転速度が得られず低出力である。
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、風向きや風速が急激に変化しても安定した起電力が得られる等の風力発電装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明は、水平回転軸と、前記水平回転軸の先端部に設けられたプロペラと、前記プロペラが風を受けて生じる前記水平回転軸の回転力を電力に変換するジェネレータと、前記水平回転軸の回転力を補助する回転力補助装置とを備える風力発電装置である。

この風力発電装置は、前記回転補助装置が、風を受けたときに前記プロペラによる回転と同一方向に前記水平回転軸に回転力を生じさせる回転翼を有するサボニウス型ロータであることが好ましい。

また、本発明は、水平回転軸を有し該水平回転軸の先端部にプロペラを設けた、複数のサボニウス型発電機と、一つの垂直回転軸と、該垂直回転軸の回転力を電力に変換するジェネレータとを備える風力発電装置であって、複数の前記サボニウス型発電機のそれぞれが、前記垂直回転軸を中心に水平方向において放射状に接続しており、前記プロペラの回転軸に対し直交する方向に生じるジャイロモーメントが前記垂直回転軸に作用することにより前記ジェネレータが発電するよう構成されている、風力発電装置である。

この風力発電装置は、前記垂直回転軸にダリウス型のブレードが更に設けられていることが好ましい。

本発明の風力発電装置によれば、風向きや風速が急激に変化しても安定した起電力を得ることができる。

従来の風力発電装置を例示する図である。第一の実施形態によるサボニウス型発電機の外観図である。第二の実施形態による風力発電装置の外観図である。図３の風力発電装置を構成する発電ユニットを示す図である。図３の風力発電装置を真上から見たときの外観図である。ジャイロ効果の原理を説明するためのモデル図である。

（第一の実施形態）
図２は、本発明に関する風力発電装置の第一の実施形態であるサボニウス型発電機１０の外観図である。本実施形態によるサボニウス型発電機１０は、水平回転軸１１と、水平回転軸１１の先端部に設けられたプロペラ１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、水平回転軸１１の回転力を電力に変換するジェネレータ１３とを備え、水平回転軸１１の回転力を補助する回転力補助装置としてサボニウス型ロータ１４を備えている。

サボニウス型ロータ１４は、水平回転軸１１に連結し、半円筒又は断面Ｓ字状に湾曲する風受け面を有する回転翼１５を有している。このサボニウス型の回転翼１５は、プロペラ１２ａ、１２ｂ、１２ｃの回転と同一方向（図２では時計回りの方向）に水平回転軸１１が回転するように、凹状に湾曲する風受け面の向きが定められている。すなわち、サボニウス型ロータ１４は、回転翼１５の風受け面で風を受けると、その風力によって回転翼１５が押され、その回転力を水平回転軸１１に伝えるように構成されている。

この第一の実施形態のサボニウス型発電機１によれば、プロペラ１２ａ、１２ｂ、１２ｃで受ける風の向きが急に変化しても、起動性が高いサボニウス型ロータ１４により横からの風を受けて水平回転軸１１の回転力が補償されるので発電量の変動を抑えることができる。また、水平回転軸１１の回転力を補助する回転力補助装置としてサボニウス型ロータ１４を備えているので自己起動性能も高めることができる。

（第二の実施形態）
図３は、本発明に関する風力発電装置の第二の実施形態を示す外観図である。本実施形態による風力発電装置２０は、一つの垂直回転軸２１と、垂直回転軸２１の回転力を電力に変換するジェネレータ２２と、垂直回転軸２１に接続した複数のサボニウス型発電機１０を備えている。サボニウス型発電機１０は、上述した第一の実施形態のものをそのまま採用することができる。

第二の実施形態による風力発電装置２０の構成を、より詳細に説明する。風力発電装置２０は、基本的には図４に示す垂直軸発電ユニット２３と、例えば３つの水平軸発電ユニット２４の組み合わせで構成される。垂直軸発電ユニット２３は、上述の垂直回転軸２１及びジェネレータ２２を構成要素とする。水平軸発電ユニット２４は、上述のサボニウス型発電機１０を構成する水平回転軸１１及びジェネレータ１３を含む。

垂直回転軸２１に固定されたハブ２５に、それぞれの水平軸発電ユニット２４の基端部が接続している。風力発電装置２０を垂直回転軸２１の真上から見た場合には、図５に示すように、３つのサボニウス型発電機１０が互いに１２０°の角度をなして垂直回転軸２１に接続している。これにより、３つのサボニウス型発電機１０が垂直回転軸２１とともに水平面上において回転可能とされている。

サボニウス型発電機１０は、上述したように水平回転軸１１の先端部に例えば３枚羽根のプロペラ１２が設けられている。このような中心部から２枚以上のエアフォイルが延びるプロペラは、一種のブーメランとみなすことができる。ブーメランは、投げた位置から斜めに弧を描くような飛行ルートで元の位置に戻る性質を有している。その原理は、羽根の回転に対し直交する方向にモーメントが生じるジャイロ効果（gyroscopic precession）によることが知られている。

ジャイロ効果について簡単なモデルで説明する。図６に示すように、Ｘ軸周りに角速度ωで回転している慣性体Ｉ（角速度ベクトルＬ＝Ｉ×ω）に重力モーメントＮｇが加えられると、Ｚ軸周りに慣性体Ｉを回転させようとするジャイロモーメントＮｚ（Ｙ軸方向のトルクＴ）が生じる。慣性体Ｉは重心の周り回転するため角速度ベクトルＬはスピン角運動量(spin angular momentum)になる。

本実施形態の風力発電装置２０においては、サボニウス型発電機１０が片持ちで垂直回転軸２１に接続した構造であるため、プロペラ１２及びサボニウス型ロータ１４が風を受けて時計回り（ＣＷ）に回転することにより、垂直回転軸２１にジャイロモーメントに基づくトルクＴが発生する。プロペラ１２が翼型の場合、重力に抗する揚力による上向きのモーメントが発生し、そのため垂直回転軸２１が反時計回り（ＣＣＷ）に回転する。そして、垂直回転軸２１が回転することにより、垂直軸発電ユニット２３のジェネレータ２２が発電する。なお、図示はしないが、プロペラ１２及びサボニウス型ロータ１４が重力のモーメントを受けた（要するに揚力が発生しない）単純な回転慣性体である場合には、垂直回転軸２１には時計回り（ＣＷ）のジャイロモーメントが発生し、その回転を利用してジェネレータ２２が発電してもよい。

また、サボニウス型発電機１０（水平軸発電ユニット２４）のジェネレータ１３によって発電された電力は、垂直回転軸２１に取り付けたスリップリング２６を介して回収される。

この第二の実施形態の風力発電装置２０によれば、プロペラ１２及びサボニウス型ロータ１４の回転慣性により生じるジャイロモーメントのトルクにより垂直軸発電ユニット２３で発電がされるので、風向きや風速が急激に変動しても起電力への影響を受け難く、安定した電力を得ることができる。また、サボニウス型発電機１０からの電力も加えることで高出力とすることができる。更に、サボニウス型発電機１０を水平放射状に配置することで、風向きに依存せず効率の良い発電を安定して行うことができる。

なお、垂直回転軸２１にダリウス型のブレード（エアフォイル）を付加することで、全方位型で更に高出力の風力発電装置とすることもできる。

１０サボニウス型発電機（第一の実施形態）
１１水平回転軸
１２プロペラ
１３ジェネレータ
１４サボニウス型ロータ
１５回転翼
２０風力発電装置（第二の実施形態）
２１垂直回転軸
２２ジェネレータ
２３垂直軸発電ユニット
２４水平軸発電ユニット
２５ハブ
２６スリップリング

Claims

水平回転軸と、
前記水平回転軸の先端部に設けられたプロペラと、
前記プロペラが風を受けて生じる前記水平回転軸の回転力を電力に変換するジェネレータと、
前記水平回転軸の回転力を補助する回転力補助装置と
を備える風力発電装置。
前記回転補助装置が、風を受けたときに前記プロペラによる回転と同一方向に前記水平回転軸に回転力を生じさせる回転翼を有するサボニウス型ロータである、請求項１に記載の風力発電装置。
水平回転軸を有し該水平回転軸の先端部にプロペラを設けた、複数のサボニウス型発電機と、
一つの垂直回転軸と、
該垂直回転軸の回転力を電力に変換するジェネレータと
を備える風力発電装置であって、
複数の前記サボニウス型発電機のそれぞれが、前記垂直回転軸を中心に水平方向において放射状に接続しており、
前記プロペラの回転軸に対し直交する方向に生じるジャイロモーメントが前記垂直回転軸に作用することにより前記ジェネレータが発電するよう構成されている、風力発電装置。
前記垂直回転軸にダリウス型のブレードが更に設けられている、請求項３に記載の風力発電装置。