JP3842254B2

JP3842254B2 - 風力発電装置における風車構造

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Publication number: JP3842254B2
Application number: JP2003291181A
Authority: JP
Inventors: 国男宮崎
Original assignee: 国男宮崎
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2023-08-11
Also published as: JP2005061291A

Description

本発明は、風力発電装置における複数の羽根を具備する風車の構造に関する。

プロペラ状の複数の羽根（ブレード）を具備する風車の回転により、発電を行う風力発電装置が知られている。図５は、このような風力発電装置の従来例の一つを概略的に示した図である。図５の風力発電装置は、支柱１１５の上端に風車１００及び発電部が設置される。風車１００は、中心の羽根支持部１１３から放射状に延びる等角度間隔で配置された３枚の羽根１２０ａ、１２０ｂ及び１２０ｃを具備する。羽根支持部１１３は、主軸受１１２を介して主軸１１１と接続されており、風車の回転が主軸１１１へ伝達される。主軸１１１の回転により発電機１１４のロータを駆動し、電気を発生する。

通常、風向計及び風速計等のセンサ１１６も取り付けられており、風向計の情報に基づいて風の吹いてくる方向に風車１００を向ける。すなわち、矢印Ｒ１のように支柱１１５を軸として風車１００を回動させる。風車１００は、前方から吹いてくる風によって矢印Ｒ２のように回転する。このような風車を有する風力発電装置については、特許文献１及び２等、多数の公知技術がある。
特開平８−１２８３８５号公報特開２０００−８７８４１号公報

上記のように、放射状の羽根からなる風車においては、風車の耐久力を超える強風によって破損するおそれがある。風力発電効率の観点からすれば、羽根の受風面積を大きくとることが好ましいが、強風に対する耐久力が低下する。従って、強風に耐え得るように羽根を細くし、また、受風面積を少しでも大きくとるために羽根の長さを長くした形状が、多く採用されている。

特許文献１及び２では、強風に対する対策として１枚の羽根の風に対する角度を変化させることにより、風を受ける実効面積を制御して破損を防ぐ構造が開示されている。羽根の面を風の向きと平行にすることにより、風に対する抵抗をゼロにしようとするものである。

しかしながら、図５に示す通り、風車の羽根は平面ではなく、プロペラのように基端部から先端へと螺旋を描くように捻れている。これは、回転力を得るために、すなわちより高い発電効率を得るために好適な形状だからである。ところが、このように螺旋状に捻れた羽根１２０ａ等の羽根支持部１１３に対する取付角度を変化させても、すなわち羽根１２０ａ等の軸Ｃの周りで回転させても、羽根の面全体を風と平行にすることはできない。このような螺旋状に捻れた面をもつ羽根では、いずれかの部分が必ず風の抵抗を受けることとなり、耐久力以上の強風により破損することがある。

上記の問題点に鑑み、本発明は、風力発電装置の風車の構造において、高い発電効率を得るために好適な螺旋状の面をもつ羽根を具備し、かつ強風による破損を防止することができる構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく本発明は、以下の風車構造を提供する。
（１）請求項１に係る風力発電装置の風車構造は、主軸先端の羽根支持部から該主軸に対して放射状に延びる１又は複数の羽根を具備する風車の回転を該主軸に伝達することにより発電機を駆動する風力発電装置の風車構造である。前記羽根が、前記羽根支持部から放射方向に延びる中心ロッドと、該中心ロッドの先端部に連接部を介して取り付けられた上部ロッドと、該中心ロッドの基端部に該中心ロッドを軸として回動可能に取り付けられた下部ロッドと、該上部ロッド及び該下部ロッドの各々の先端部を連結すべく連接部を介して取り付けられた側縁ロッドとからなる枠体を有する。さらに、この４本のロッドからなる枠体により囲まれる空間に張られたシート部を有する。さらにまた、前記中心ロッドの軸方向からみた前記下部ロッドの前記上部ロッドに対する角度を風速に応じて変更すべく前記下部ロッドを回動させる制御手段とを有する。

（２）請求項２に係る風力発電装置の風車構造は、請求項１において、前記下部ロッドを回動させる角度範囲が、９０度の範囲であることを特徴とする。

（３）請求項３に係る風力発電装置の風車構造は、請求項２において、前記９０度の範囲が、前記主軸に対して垂直な方向から該主軸に対して平行な方向の間であることを特徴とする。

（４）請求項４に係る風力発電装置の風車構造は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記下部ロッドの先端部から前記羽根支持部の方へ延びるロッド状の回動支持部と、前記羽根支持部上に穿設した回動ガイド溝とを有し、前記下部ロッドの回動に伴って該回動支持部が該回動ガイド溝内を移動することを特徴とする。

（５）請求項５に係る風力発電装置の風車構造は、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記シート部がステンレス鋼繊維からなるシートであることを特徴とする。

本発明による風力発電装置の風車構造は、中心ロッド、上部ロッド、下部ロッド及び側縁ロッドの４本のロッドからなる枠体と、この枠体により囲まれる空間に張られたシート部とを有する各羽根が、羽根支持部から放射状に延びている。

許容範囲内の風速の場合は、下部ロッドが、中心ロッドの軸方向から見て上部ロッドと所定の角度をなす位置にある。好適には９０度であり、さらに好適には下部ロッドが主軸に対して垂直な方向を向き、上部ロッドは主軸に対して平行な方向を向く。このとき、シート部は螺旋状に捻れた面を形成する。これにより、風力エネルギーを効率的に回転エネルギーへ変換できる羽根形状となる。

風速が許容範囲を超えた場合は、下部ロッドを所定の角度だけ回動させ、上部ロッドとなす角度を変更する（具体的には小さくする）。これにより、シート部の螺旋状の面の捻れが小さくなり、より平面に近い羽根形状となる。また、羽根の向きが、風に対して平行な方向に近くなり、受ける風圧が低減される。最も極端な場合は、下部ロッドと上部ロッドのなす角度が０度、すなわち平行となる位置まで下部ロッドを回動させる。これにより、羽根形状は完全に平面となりかつ風の向きと平行になる。このとき、風圧を全く受けない状態となる。

本発明では、風速に応じて下部ロッドの回動角度を制御することにより、羽根形状を螺旋状と平面状の間で変化させ、かつ、羽根の向きを風圧を受ける向きから全く受けない向きへと変化させることができる。この結果、風圧による羽根の破損を防止できる。また、羽根の形状を幅広くして受風面積を大きくすることができ、変換効率の大きい形状とすることができる。さらに、同じ受風面積の場合、幅を広くすることで羽根の長さを従来よりも短くすることができるため、コンパクトかつ低コストで構築することができる。

図１は、本発明による風力発電装置の風車構造を示す概略的な外観斜視図である。風車１０は、支柱（図示せず）の上端に発電機と共に設置される。発電機（図示せず）を駆動するための主軸１１の先端部（図１では左側方向）に主軸受１２を介して羽根支持部１３が取り付けられている。図示の羽根支持部１３には、主軸１１に対して放射状に延びる３枚の羽根２０ａ、２０ｂ及び２０ｃが等角度間隔で取付けられている。主軸１１の軸を符号Ｃ１で示す。主軸１１の軸Ｃ１は、吹いてくる風に対して正対するように回転制御される（矢印Ｒ１）。この回転制御は、風向計（図示せず）の出力信号により行われる。

尚、本発明による風車構造は、１枚の羽根の構造に特徴がある。よって、各羽根はいずれも同じ構造であり、羽根の数は１枚であっても複数であってもよい。風により羽根２０ａ等が羽根支持部１３と共に回転すると、主軸１１に回転が伝達され（矢印Ｒ２）、主軸１１の回転により発電機が駆動され、発電が行われる。

１枚の羽根２０ａについてその構造を説明する。羽根２０ａは、４本のロッドから構成される枠体を具備する。枠体を構成する第１のロッドは、羽根支持部１３上に基端部が取り付けられ軸Ｃ１に対して放射方向に延びる中心ロッド２１である。中心ロッド２１の軸を符号Ｃ２で示す。第２のロッドは、中心ロッド２１の先端部に連接部２７を介して取り付けられた上部ロッド２３である。第３のロッドは、中心ロッド２１の基端部（基端部近傍含む）において中心ロッド２１を軸として回動可能に取り付けられた下部ロッド２４である。さらに、第４のロッドは、上部ロッド２３及び下部ロッド２４の各々の先端部を連結すべく連接部２８及び２９をそれぞれ介して取り付けられた側縁ロッド２２である。ロッドの素材は、軽量で強度のある剛体であればよく、例えば金属製である。各連接部２７、２８、２９は、連結される双方のロッド同士が互いにいずれの方向にも屈曲自在であるように連結する。

さらに、これら４本のロッド２１、２２、２３及び２４からなる枠体により囲まれる空間に張られたシート部２６を有する。シート部２６の風に正対する面積が、実際に風を受ける受風面積として働く。シート部２６は、フレキシブルで弾性をもつシート素材からなり、軽量で強度のあることが好ましい。例えば、ステンレス鋼繊維からなるシートを利用できる。後述するように、下部ロッド２４の回動に伴ってシート部２６の形状は変形するので、シート部２６はこの変形を許容しかつ弛みなく張られた状態を維持する程度の弾性と可撓性を要する。

本発明においては、下部ロッド２４が風速に応じて中心ロッド２１の軸の周りで回動するように制御される（矢印Ｒ３）。その制御手段は、下部ロッド２４の基端部が接続されたモータ軸３０と、モータ軸３０を回転駆動するモータ３１である。さらに、モータ３１に対して制御信号を供給する風速計（図示せず）である。風速計は、風速に対応した出力信号を発生し、これを制御信号としてモータ３１へ供給する。尚、図示の例では、モータ軸３０と中心ロッド２１の間にはベアリング３２が介在しており、中心ロッド２１はモータ３１によって影響を受けない。

図１の下部ロッド２４の状態は、風速が許容範囲内にある場合である。この場合、下部ロッド２４は、主軸１１の軸Ｃ１に対してほぼ垂直な方向を向いており、一方、上部ロッド２３は、主軸１１の軸Ｃ１に対してほぼ平行に後方（図１では右側方向）へ向いている。すなわち、下部ロッド２４と上部ロッド２３とは中心ロッド２１の軸Ｃ２の方向から見てほぼ直角（９０度）をなしている。よって、シート部２６は、下部ロッド２４から上部ロッド２３へ向かって螺旋状の捻れた面を形成している。この状態のとき、最も受風面積が大きく、発電効率が最大となる。

図示の例では、下部ロッド２４の回動を円滑に行わせるために、下部ロッド２４の先端部から羽根支持部１３の方へ延びるロッド状の回動支持部２５を設けている。加えて、羽根支持部１３上には、下部ロッド２４の回動範囲に対応した形状の回動ガイド溝１４が穿設されている。回動支持部２５の先端部は回動ガイド溝１４内に挿入されており、下部ロッド２４の回動に伴って回動支持部２５が回動ガイド溝１４に沿って移動する。

図１の状態のときに、風速の許容範囲を超えたならば、モータ３１が下部ロッド２４を回動させる。これにより、中心ロッド２１の軸方向からみた下部ロッド２４の上部ロッド２３に対する角度が変わることとなる。従って、シート部２６の形状及び風に対する向きが変化し、受風面積が変化する。

次に、図２〜図４を参照して、本発明の風車構造の仕組みをさらに詳細に説明する。

図２（Ａ）は、図１と同じ状態にある風車の羽根の概略的外観斜視図である。白抜き矢印の向きは、風の向きを表し、矢印の太さは、風速を相対的に表している（図３及び図４と対比）。下部ロッド２４は、中心ロッド２１の軸方向から見て上部ロッド２３とほぼ９０度をなしている。シート部２６の面は、螺旋状となっている。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の羽根の状態を中心ロッド２１の軸方向から見た図である。このとき風に正対する実効面積すなわち受風面積は最大となる。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）の羽根の状態のとき、中心ロッド２１の軸方向から見た下部ロッド２４と上部ロッド２３とのなす角度を模式的に示した図である。このとき、下部ロッド２４と上部ロッド２３とのなす角度はほぼ９０度であり、下部ロッド２４は、主軸の軸に対してほぼ垂直な方向を向いている。一方、上部ロッド２３は、主軸の軸にほぼ沿った方向を向いている。

図３（Ａ）は、図２の状態で風速がその許容範囲を超えたとき、下部ロッド２４をその回動範囲のほぼ中間位置まで回動させた状態の風車の羽根の概略的外観斜視図である。風速は図２の場合よりも強くなっている。下部ロッド２４は、中心ロッド２１の軸方向から見て上部ロッド２３とほぼ４５度をなしている。下部ロッド２４の回動により側縁ロッド２２が図２の状態より立ち上がり、上部ロッド２３の先端部を押し上げている。シート部２６の面は螺旋状であるが、図２の状態よりも捻れが小さい。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の羽根の状態を中心ロッド２１の軸方向から見た図である。このとき風に正対する実効面積すなわち受風面積は、図２の場合よりも小さくなっている。これにより、図２の場合よりも受ける風圧が小さくなる。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）の羽根の状態のとき、中心ロッド２１の軸方向から見た下部ロッド２４と上部ロッド２３とのなす角度を模式的に示した図である。このとき、下部ロッド２４と上部ロッド２３とのなす角度はほぼ４０度である。上部ロッド２３の向きは、主軸の軸にほぼ沿った方向を向いたままである。

図４（Ａ）は、図３の状態で風速がその許容範囲を超えたとき、下部ロッド２４をその回動範囲のほぼ最終位置まで回動させた状態の風車の羽根の概略的外観斜視図である。風速は図３の場合よりもさらに強くなっている。下部ロッド２４は、中心ロッド２１の軸方向から見て上部ロッド２３とほぼ０度をなし、すなわち平行である。側縁ロッド２２は図３の状態よりもさらに立ち上がり、上部ロッド２３の先端部をさらに押し上げている。このとき、シート部２６は、平面状となる。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の羽根の状態を中心ロッド２１の軸方向から見た図である。このとき風に正対する実効面積すなわち受風面積は、ほとんどゼロとなっており、ほとんど風圧を受けない。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）の羽根の状態のとき、中心ロッド２１の軸方向から見た下部ロッド２４と上部ロッド２３とのなす角度を模式的に示した図である。このとき、下部ロッド２４と上部ロッド２３とのなす角度はほぼ０度である。

上記の図３では、下部ロッド２４をその回動範囲のほぼ中間位置まで回動させて停止させたが、下部ロッド２４の回動範囲内のどの位置でも下部ロッド２４を停止させることができることは、いうまでもない。上記の通り、下部ロッド２４を回動させる角度範囲は、ほぼ９０度の範囲である。下部ロッド２４がこの範囲を回動することにより、羽根のシート部は、螺旋形状から平面形状へと変化すると共に、受風面積が最大の向きからゼロへと変化する。この結果、許容範囲を超える風速による風車の破損を防止でき、許容範囲内の風速であれば極めて高い発電効率を得ることができる。

好適には、下部ロッド２４の回動範囲であるほぼ９０度の範囲が、主軸の軸に対して垂直な方向から主軸の軸に対して平行な方向の間であるが、この９０度の範囲が、いずれかの角度方向にずれていてもよい。

本発明による風力発電装置の風車構造を示す概略的な外観斜視図である。（Ａ）は、図１と同じ状態にある風車の羽根の概略的外観斜視図である。（Ｂ）は、（Ａ）の羽根の状態を中心ロッドの軸方向から見た図である。（Ｃ）は、（Ａ）の羽根の状態のとき、中心ロッドの軸方向から見た下部ロッドと上部ロッドとのなす角度を模式的に示した図である。（Ａ）は、図２の状態で風速がその許容範囲を超えたとき、下部ロッドをその回動範囲のほぼ中間位置まで回動させた状態の風車の羽根の概略的外観斜視図である。（Ｂ）は、（Ａ）の羽根の状態を中心ロッドの軸方向から見た図である。（Ｃ）は、（Ａ）の羽根の状態のとき、中心ロッドの軸方向から見た下部ロッド２４と上部ロッドとのなす角度を模式的に示した図である。（Ａ）は、図３の状態で風速がその許容範囲を超えたとき、下部ロッド２４をその回動範囲のほぼ最終位置まで回動させた状態の風車の羽根の概略的外観斜視図である。Ｂ）は、（Ａ）の羽根の状態を中心ロッドの軸方向から見た図である。（Ｃ）は、（Ａ）の羽根の状態のとき、中心ロッドの軸方向から見た下部ロッドと上部ロッドとのなす角度を模式的に示した図である。風力発電装置の従来例の一つを概略的に示した図である。

符号の説明

１０風車
１１主軸
１２主軸受
１３羽根支持部
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ羽根
２１中心ロッド
２２側縁ロッド
２３上部ロッド
２４下部ロッド
２５回動支持部
２６シート部
２７、２８、２９連接部
３０モータ軸
３１モータ
３２ベアリング
１００風車
１１１主軸
１１２主軸受
１１３羽根支持部
１１４発電機
１１５支柱
１１６センサ

Claims

主軸先端の羽根支持部から該主軸に対して放射状に延びる１又は複数の羽根を具備する風車の回転を該主軸に伝達することにより発電機を駆動する風力発電装置の風車構造において、
前記羽根が、前記羽根支持部から放射方向に延びる中心ロッドと、該中心ロッドの先端部に連接部を介して取り付けられた上部ロッドと、該中心ロッドの基端部に該中心ロッドを軸として回動可能に取り付けられた下部ロッドと、該上部ロッド及び該下部ロッドの各々の先端部を連結すべく連接部を介して取り付けられた側縁ロッドとからなる枠体と、前記枠体により囲まれる空間に張られたシート部とを有し、かつ
前記中心ロッドの軸方向からみた前記下部ロッドの前記上部ロッドに対する角度を風速に応じて変更すべく前記下部ロッドを回動させる制御手段とを有することを特徴とする
風力発電装置の風車構造。
前記下部ロッドを回動させる角度範囲が、９０度の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置の風車構造。
前記９０度の範囲が、前記主軸に対して垂直な方向から該主軸に対して平行な方向の間であることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置の風車構造。
前記下部ロッドの先端部から前記羽根支持部の方へ延びるロッド状の回動支持部と、前記羽根支持部上に穿設した回動ガイド溝とを有し、前記下部ロッドの回動に伴って該回動支持部が該回動ガイド溝内を移動することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置の風車構造。
前記シート部がステンレス鋼繊維からなるシートであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電装置の風車構造。