JP3865136B2

JP3865136B2 - 風力発電用風車および風力発電装置

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Publication number: JP3865136B2
Application number: JP2003037575A
Authority: JP
Inventors: 雅西口
Original assignee: Asahi Corp
Current assignee: Asahi Corp
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2023-02-17
Also published as: JP2004245166A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風力発電技術、特に風力発電用風車に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
近年、自然エネルギーを利用した発電手段として、風力発電装置が大きな注目を集めている。具体的には、高さ数十ｍの支柱の上端に、風車および発電機を設置した構造の風力発電装置などがよく知られている。こうした構造の風力発電装置では、いうまでもなく、地表面と平行に吹く風（水平気流）を風車で受けて回転力に変換し、発電機を働かせるようになっている。
【０００３】
さて、普通、こうした風力発電装置は、風通しのよい平原などに設置されるのであるが、最近では洋上への設置も検討されている。たとえば、吊橋の橋脚に風力発電装置を取り付け、夜間照明などに必要となる電力をまかなう計画がある。ところで、よく知られているように、洋上では水平気流だけでなく垂直気流（上昇気流）も頻繁に発生しており、もしこれを発電に利用できれば効率が大幅に向上する。
【０００４】
しかしながら、従来型の風力発電装置では、水平気流しか有効に利用することはできない。むろん、風車の取り付け方を工夫すれば、垂直気流を利用した発電が可能となるが、今度は水平気流を役立てることができなくなる。したがって、本発明が解決しようとする課題は、水平気流および垂直気流の両方を有効に利用して効率よく発電することができる風力発電技術を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するべく研究を進める過程で、本発明者は、風力発電用風車を、垂直気流に対応した第１の羽根と水平気流に対応した第２の羽根とを備え、両者が一体となって中心軸の周りを回転するような構造とすることを思いついた。すなわち風車を、風受け面が中心軸の軸方向に対して傾斜した状態となるよう中心軸の周囲に設けられた第１の羽根と、風受け面が中心軸の軸方向と平行な状態となるよう第１の羽根の外側に設けられた第２の羽根とから構成すれば、水平気流および垂直気流の両方を有効に利用した効率のよい発電が可能になるであろうと考えた。
【０００６】
しかしながら、さらに研究を進めるうち、単に、第１の羽根の外側に第２の羽根を設けただけでは不十分であることが判明した。これは、次のような理由による。２種類の羽根を備えた構造の上記風車は、垂直気流および水平気流の両方から力を受けて作動するので、いずれか一方の気流だけを利用する従来型風車よりも回転速度が高くなる。ときに、この回転速度は、従来型風車では達し得ないほど過度に高くなることがあり、こうした不可避の現象が、外側に位置する第２の羽根を破損させる。
【０００７】
このような実情に鑑みてさらに研究を推し進めた結果、本発明者は、上記第２の羽根を可動式に、すなわちその基端側に位置し、かつ、中心軸と平行な軸を中心として傾倒可能にすればよいことを見出した。こうした構造の風力発電用風車では、第２の羽根に作用する力（風圧）の一部をうまく逃がすので、回転速度が必要以上に高くなることはなく、したがって第２の羽根の損傷が起きることもない。その結果、水平気流および垂直気流の両方を有効に利用した、安定的かつ永続的な効率よい風力発電が可能となる。
【０００８】
本発明は、こうした知見に基づいてなされたものであり、上記の課題は、
洋上に設置される風力発電用風車であって、
中心軸と、
風受け面が前記中心軸の軸方向に対して傾斜しているように該中心軸に連結された第１の羽根と、
前記第１の羽根を囲むように該第１の羽根に連結されたリングと、
風受け面が前記中心軸の軸方向に平行なように前記リングの外側に配置連結された第２の羽根
とを具備し、
前記第２の羽根は前記リングに傾倒可能に連結されてなる
ことを特徴とする風力発電用風車によって解決される。
【０００９】
また、上記の課題は、この風力発電用風車を用いて構成された風力発電装置であって、
前記風力発電用風車と、
対向する上下面および周面に通風口が形成されてなるとともに、前記風力発電用風車を回転自在に収容保持する枠体と、
前記風力発電用風車の中心軸に接続された発電機と
を具備してなることを特徴とする風力発電装置によって解決される。
【００１０】
なお、上記風力発電用風車は、第１の羽根を取り囲むリングをさらに具備し、第１の羽根と第２の羽根とがこのリングを介して連結されてなるとともに、第２の羽根が、同リングに対して傾倒可能に構成されている構造とすることができる。そしてこの場合、第２の羽根の傾倒範囲（可動範囲）は、９０〜１２０度であることが望ましい。ただし、第２の羽根が傾倒するのは、あくまで規定値以上の過大な力が加えられたときだけであり、それ以外は、常時作用する復元力により正規の状態（正立状態）が維持されることになる。
【００１１】
また、本発明に係る風力発電用風車を構成する第２の羽根としては、その中央に向かって厚みが大きなものとなるような断面を有するとともに、この断面が厚み方向について非対称であるものを用いるのが好ましい。こうした断面形状の羽根を用いた場合、水平気流を特に効率よく一方向の回転力に変換でき、発電能力がさらに向上する。
【００１２】
加えて、本発明に係る風力発電装置にあっては、枠体の上方に筒状の気流ガイドが設けられてなるとともに、この気流ガイドは、枠体に接合された基端側から開放端側に向かって断面が縮小していく、先細ノズル形状のものであることが好ましい。こうした気流ガイドを設けることで、枠体内を通過する垂直気流、特に上昇気流の流速を高めることができ、垂直気流による発電能力がいっそう向上する。
【００１３】
なお、本明細書において、「風受け面が中心軸の軸方向に対して傾斜……」とは、中心軸の軸方向に対して傾斜した無数の直線、あるいは無数の曲線、あるいはその両方を一列に連ねて得た平面あるいは曲面から、風受け面が構成されていることを意味する。また、同じく本明細書において、「風受け面が中心軸の軸方向と平行……」とは、中心軸の軸方向と平行な無数の直線を一列に連ねて得た平面あるいは曲面から、風受け面が構成されていることを意味する。したがって、第１の風受け面および第２の風受け面は、平面であっても曲面であってもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を用い、本発明の一実施形態について具体的に説明する。なお、図１は本実施形態に係る風力発電装置（以降、本装置という）を設置状態にて示す概略図、図２〜図４はそれぞれ本装置における主要部の斜視図、底面図および断面図、図５、図６はそれぞれ本実施形態に係る風力発電用風車の斜視図および平面図である。
【００１５】
本装置は、図１からわかるように、たとえば吊橋における橋脚の頂面に設置されるもので、概して、主要部Ａおよび発電機Ｂから構成されている。このうち主要部Ａは、さらに本実施形態に係る風力発電用風車（以降、本風車という）１と、それを回転自在に収容保持する枠体２とを主構成要素として具備しており、本風車１の中心軸１１が上記発電機Ｂに直結されている。枠体２と発電機Ｂ（正確にはそのケース）とは、筒状の支柱３によって連結されており、中心軸１１はこの支柱３の内部を通る。すなわち主要部Ａ、したがって本風車１は、発電機Ｂおよび支柱３を介して橋脚上に設置されている。
【００１６】
主要部Ａは、中心軸１１の軸方向と鉛直方向とが完全に一致するよう姿勢が調整されており、したがって橋脚には、垂直荷重以外の力が作用することはない。なお、本装置の設置対象は橋脚に限定されるわけではなく、それ以外にも各種タワーや高層建造物などが挙げられる。
【００１７】
本風車１を回転自在に収容保持する上記枠体２は、十字形の底板および天板を計４本の支柱で一体的に連結した構造を有する。すなわち、図２や図３からもわかるように枠体２は、いわばカゴ状のものであり、互いに対向する上面（天板）および下面（底板）には扇形の通風口２１が、また周面には通風口２２が形成されている。図３に示すのは枠体２の下面であるが、いうまでもなく上面も同じ形状を有する。
【００１８】
後に詳述する本風車１（図２〜図４中、一点鎖線で示すのは本風車を回転させてできる回転体表面の輪郭線）は、図４に示すごとく、中心軸１１が上面および下面を貫通した状態で枠体２の内部に収まっている。さらに具体的にいうと、枠体２の上面および下面の中心には、軸受け２３ａ，２３ｂが配置されている。本風車１は、この軸受け２３ａ，２３ｂを介して、枠体２に取り付けられており、すなわちそれに対して回転自在に保持されている。したがって、図４に矢印で示す、通風口２１，２２を経て枠体２の内部に導入される垂直気流（上昇気流）や水平気流の作用により、本風車１は安定状態で高速回転する。
【００１９】
枠体２の上方には、筒状の気流ガイド４が設けられている。この気流ガイド４は、枠体２に接合された基端（下端）側から開放端（上端）側に向かって断面が縮小していく、先細ノズル形状のものである。しかも、その周面は中心線方向に窪んでいる。この気流ガイド４は、枠体２の内部を通過する上昇気流の流速を高め、発電能力をいっそう向上させるために設けたわけであるが、場合によっては取り外されることもある。たとえば本装置を、上昇気流だけでなく下降気流も頻繁に発生するような地帯に設置し、両気流の有効利用を図る場合には、気流ガイド４は必要ではなくなるので枠体２から取り外される。
【００２０】
続いて、本風車１の構造および機能について説明する。本風車１は、図５からわかるように、主構成要素として、上記中心軸１１、第１の羽根１２、そして第２の羽根１３を具備する。このうち中心軸１１とともに回転する第１の羽根１２は、その風受け面が、中心軸１１の軸方向に対して傾斜した状態となるよう、同中心軸１１の周囲に設けられている。すなわち第１の羽根１２の基端側は、中心軸１１に対して強固に接合されている。本実施形態では、第１の羽根１２を２枚備えた風車を例に挙げたが、その枚数は特に規定されない。
【００２１】
また、ここでは第１の羽根１２として、上縁と下縁とが９０度ねじれている、３次元的に湾曲した形状のものを用いたが、風受け面が中心軸１１の軸方向に対して傾斜した状態となっていれば、第１の羽根１２の形状はいかなるものであってもよい。要するに、中心軸１１の軸方向に沿った向きの気流を受けた際に、それを中心軸１１回りの回転力に変換できるような様態の風受け面を有していればよい。
【００２２】
第２の羽根１３は、その風受け面が中心軸１１の軸方向と平行な状態となるよう、第１の羽根の外側に設けられている。本実施形態では、第２の羽根１３を２枚備えた風車を例に挙げたが、その枚数は特に規定されない。また、ここでは第２の羽根１３として、その中央に向かって厚みが大きなものとなるような断面を有するとともに、この断面が厚み方向について非対称であるものを用いた。
【００２３】
すなわち、第２の羽根１３は略Ｄ字形の断面を有するわけであるが、風受け面が中心軸１１の軸方向と平行な状態となっていれば、第２の羽根１３はいかなる形状であってもよい。要するに、中心軸１１の軸方向と直交する向きの気流を受けた際に、それを中心軸１１回りの回転力に変換できるような様態の風受け面を有していればよく、この風受け面が平面であるか曲面であるかは問わない。ただし第２の羽根１３は、中心軸１１の周方向については同じ向きとなるよう配置される。
【００２４】
本風車１は、上記構成要素とともに、第１の羽根１２を取り囲むリング１４ａ，１４ｂをさらに具備する。リング１４ａの内周面には第１の羽根１２の上縁先端が、また、リング１４ｂの内周面には同じく第１の羽根１２の下縁先端がそれぞれ強固に接合されている。一方、第２の羽根１３は、リング１４ａ，１４ｂの外周面に、正確には、同外周面に設けた凸部１５に取り付けられている。したがって、第１の羽根１２と第２の羽根１３とはリング１４ａ，１４ｂを介して連結され、回転中心を共有する格好となっている。つまり、第１の羽根１２と第２の羽根１３とは一体となって回転（上から見て時計回りに回転）する。
【００２５】
第２の羽根１３は、図６に示すごとく可動式となっている。すなわち、第２の羽根１３は、その基端側に位置し、かつ、中心軸１１と平行な軸（傾倒軸）１６を中心として、リング１４ａ，１４ｂに対し傾倒可能に構成されている。この軸１６は、いうまでもなく、凸部１５と第２の羽根１３とを連結する役割をも果たすものである。第２の羽根１３の傾倒範囲（図６中、θで示す）は、図示していないストッパーで規制することにより、９０〜１２０度に設定されている。なお、第２の羽根１３が傾倒するのは、それにある規定値以上の過大な力が作用したときだけである。それ以外は、第２の羽根１３の取り付け部に配した復元力付与手段（図示せず）の作用で、図６に示す正規の状態（正立状態）が維持される。
【００２６】
上記構造の風車１を備えた本装置では、第１の羽根１２が主として垂直気流（上昇気流）を受けて回転し、一方、第２の羽根１３が水平気流を受けて回転し、電力を発生させる。ところで、こうした２種類の羽根を備えた風車では、垂直気流および水平気流の両方を受けて作動するので、従来型風車のようにいずれか一方の気流を利用するものよりも回転速度が高くなる。しかしながら本風車１は、上述したごとく第２の羽根１３が傾倒可能となっているので、この第２の羽根１３に作用する力（風圧）の一部をうまく逃がすことができ、回転速度が必要以上に高くなることはない。ゆえに、第２の羽根１３に損傷が起きることはなく、水平気流および垂直気流の両方を有効に利用した、安定的かつ永続的な効率よい風力発電が可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の風力発電技術によれば、水平気流および垂直気流の両方を有効に利用して効率よく発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る風力発電装置を設置状態にて示す概略図
【図２】本発明の実施形態に係る風力発電装置における主要部の斜視図
【図３】本発明の実施形態に係る風力発電装置における主要部の底面図
【図４】本発明の実施形態に係る風力発電装置における主要部の断面図
【図５】本発明の実施形態に係る風力発電用風車の斜視図
【図６】本発明の実施形態に係る風力発電用風車の平面図
【符号の説明】
Ａ風力発電装置の主要部
Ｂ風力発電装置の発電機
１風力発電用風車
２枠体
３支柱
４気流ガイド
１１中心軸
１２第１の羽根
１３第２の羽根
１４ａ，１４ｂリング
１５凸部
１６軸（傾倒軸）
２１，２２通風口
２３ａ，２３ｂ軸受け

Claims

洋上に設置される風力発電用風車であって、
中心軸と、
風受け面が前記中心軸の軸方向に対して傾斜しているように該中心軸に連結された第１の羽根と、
前記第１の羽根を囲むように該第１の羽根に連結されたリングと、
風受け面が前記中心軸の軸方向に平行なように前記リングの外側に配置連結された第２の羽根
とを具備し、
前記第２の羽根は前記リングに傾倒可能に連結されてなる
ことを特徴とする風力発電用風車。
第２の羽根の傾倒範囲が９０〜１２０度であることを特徴とする請求項１の風力発電用風車。
第２の羽根は、その中央に向かって厚みが大きなものとなる断面を有すると共に、この断面は厚み方向について非対称であることを特徴とする請求項１又は請求項２の風力発電用風車。
請求項１〜請求項３いずれかの風力発電用風車を用いて構成された洋上に設置される風力発電装置であって、
前記風力発電用風車と、
対向する上下面および周面に通風口が形成されてなると共に、前記風力発電用風車を回転自在に収容保持する枠体と、
前記風力発電用風車の中心軸に接続された発電機
とを具備してなることを特徴とする風力発電装置。
枠体の上方には筒状の気流ガイドが設けられてなると共に、この気流ガイドは前記枠体に接合された基端側から開放端側に向かって断面が縮小する先細ノズル形状のものであることを特徴とする請求項４の風力発電装置。