JP4125284B2

JP4125284B2 - 多重回転翼を備えた風力発電機

Info

Publication number: JP4125284B2
Application number: JP2004509271A
Authority: JP
Inventors: ジャンシクジョー
Original assignee: ジャンシクジョー
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-12-28
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-12-28
Also published as: CN1328499C; US7044713B2; WO2003102410A1; KR100557716B1; KR20030092767A; JP2005528556A; CN1628215A; US20050118027A1; AU2002359064A1

Description

本発明は、多重回転翼を備えた風力発電機に関し、より詳しくは、回転翼に発生する風力に対する抵抗と負荷を減少させることで、高効率の回転力を得ることができ、風圧の変動に応じて回転翼に発生する衝撃を流動的に吸収することができる多重回転翼を備えた風力発電機に関する。

一般に、電気を得るための発電の形態としては、水の落差を活用した水力発電、燃料を燃やして得られる火力発電、核分裂を用いた原子力発電、風を活用した風力発電などに分けられ、季節や地形的な影響に応じて適切な発電装置を設置して電力を得ている。

その中、風力発電は、自然現象である風を活用して電力を得る装置であって、他の発電施設とは異なり、設置費用が安価になり、家庭や地域単位で個別発電をすることが容易であるというメリットを持っているもので、風力発電機の一実施例を図１３に示している。

前記風力発電機１００は、風により回転する回転翼１０１と、前記回転翼１０１の回転力により電力を生産する発電機１０３と、前記発電機１０３および回転翼１０１を支持する支持フレーム１０４とで構成される。

前記回転翼１０１は、回転軸１０２から長手方向に設けられ、吹いてくる風により回転する場合、回転翼１０１の背面部には大きな抵抗力が生じ、または、過負荷が作用して、回転翼１０１の回転力が相殺される可能性が生じる。その結果として、風力の利用効率が低下するという問題点があった。

即ち、長方向に長く形成された前記回転翼１０１に当たる風をそれぞれａ、ｂ、ｃ方向に分類し、風の方向に対応する地点をｒ_１、ｒ_２、ｒ_３とすると、各回転半径の差によって回転力が異なって作用することは自明である。特に前記回転翼１０１が長く形成されるほどその差は大きく示されると共に、ｒ_３地点に行くほど前記回転翼１０１の背面部で生じる抵抗力は大きくなり、結局、この構造では、回転力の大部分が相殺される。

また、吹いてくる方向が一定でない風を前記回転翼１０１に集中させる別の装置が設けられていないため、風を効率良く利用しているとは言えず、また、台風や突風などのような強い風が吹く場合、前記回転翼１０１の過度な回転により過負荷が発生し、これによって、風力発電機の故障が頻繁に発生している。

本発明は、前述の問題点を解決するために創案されたものであって、本発明の目的は、回転半径の異なる複数の回転翼を風の方向に応じて個別回転するように備えることで、一体型である長方向の回転翼から発生した風に対する抵抗および負荷要素により回転力が相殺する現象を防止することができ、加速カバーにより風を加速させると共に、各回転翼の翼片に分割して排出させることで、高効率の回転力を得ることができ、風力の増減に応じて回転翼に発生する衝撃を弾性的に吸収し、風の強さに応じて段階的に回転するように支持することで、突風による装置の損傷を防止すると共に、風力の利用効率を高くすることができるため、安定性および作動信頼性を向上することができる風力発電機を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の構成は、風を活用して電気を発電する風力発電装置において、それぞれが異なる回転半径を有する複数の回転翼であって、前記各回転翼は放射状に設けられた複数の翼桟１５と、その翼桟の円周上に連結された複数の翼片１６とを備える、回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａと、前記回転翼１１ａおよび１４ａにそれぞれ連結され、相互に一定の間隔を維持する第１および第４の回転軸１１、１４と、前記第１、４の回転軸１１、１４にそれぞれ回転可能に連結し、一端に回転翼１２ａおよび１３ａがそれぞれ設けられた第２、３の回転軸１２、１３と、前記第１、４の回転軸１１、１４上にそれぞれ設けられ、流入される風を加速化させると共に前記複数の翼片１６に案内する第１、２の加速カバー２０、２１と、前記複数の回転翼１１ａ、１４ａに設けられ、風圧の変動に応じて前記翼片１６の流動を弾性的に支持する翼片支持手段３０と、前記翼片支持手段３０の一側と鋼線４２で連結され、突風が吹く場合、前記翼片１６の角度を調節して風の影響を過度に受けるのを防止する安全手段と、前記第１、２、３、４の回転軸１１、１２、１３、１４とギア列で連結され、回転速度を変速する変速装置５０と、前記変速装置５０の一側と係合されたシャフト６１により回転力を伝達されて電力を生産する発電機６０と、前記発電機６０のシャフト６１が回転できるように貫通し、前記変速装置５０を内蔵した変速装置ハウジング５０ａと、前記変速装置ハウジング５０ａの底部を支持すると共に前記発電機６０が所定の位置に取り付けられたベースフレーム７０とを備えてなることを特徴とする。

ここで、前記第１、２の加速カバー２０、２１は、流入される風を前記複数の回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａにそれぞれ案内するようにテーパ形状の円形管２３が紡錘形に配設されてなることが好ましい。

以下、本発明の好適な実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る風力発電機を示す斜視図であり、図２は、本発明に係る風力発電機の分離斜視図であり、図３は、図２の部分拡大正面図であり、図４は、本発明に係る風力発電機の変速装置を示す断面図であり、図５は、本発明に係る風力発電機の安全手段を示す構成図であり、図６の（ａ）および（ｂ）は、図５のＡ−Ａから見た回転子の動作状態を示す断面図であり、図７は、本発明に係る風力発電機の回転翼を示す部分拡大斜視図であり、図８は、図７のＢ−Ｂから見た断面図であり、図９の（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る翼片支持手段の動作過程を示す断面図であり、図１０は、本発明に係る第１の加速カバーを示す模型図であり、図１１は、本発明に係る風力発電機を示す模型図であり、図１２は、本発明に係る風力発電機の動作状態を示す模型図である。

図面に示されたように、本発明の風力発電機は、それぞれが異なる回転半径を有する複数の回転翼であって、前記各回転翼は放射状に設けられた複数の翼桟１５と、その翼桟の円周上に連結された複数の翼片１６とを備える、回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａと、前記回転翼１１ａおよび１４ａにそれぞれ連結され、相互に一定の間隔を維持する第１、４の回転軸１１、１４と、前記第１、４の回転軸１１、１４にそれぞれ回転可能に連結し、一端に回転翼１２ａおよび１３ａがそれぞれ設けられた第２、３の回転軸１２、１３と、前記第１、４の回転軸１１、１４上にそれぞれ設けられ、流入される風を加速化させると共に前記複数の翼片１６に案内する第１、２の加速カバー２０、２１と、前記複数の回転翼１１ａ、１４ａに設けられ、風圧の変動に応じて前記翼片１６を伸縮自在に支持する翼片支持手段３０と、前記翼片支持手段３０の一側と鋼線４２で連結され、突風が吹く場合、前記翼片１６の角度を調節して風の影響を過度に受けるのを防止する安全手段と、前記第１、２、３、４の回転軸１１、１２、１３、１４とギア列で連結され、これら回転軸の回転速度を変速する変速装置５０と、前記変速装置５０の一側と係合されたシャフト６１により回転力を伝達されて電力を生産する発電機６０と、前記発電機６０のシャフト６１が回転できるように貫通し、前記変速装置５０を内蔵した変速装置ハウジング５０ａと、前記変速装置ハウジング５０ａの底部を支持すると共に前記発電機６０が所定の位置に取り付けられたベースフレーム７０とを備えてなる。

ここで、第２の回転軸１２に前記第１の回転軸１１が、第３の回転軸１３に第４の回転軸１４が、それぞれ回転可能に連結すると共に、第１、２、３、４の回転軸１１、１２、１３、１４はベアリングＢにより支持される。

前記第１、２の加速カバー２０、２１は、流入される風を加速させ、前記複数の回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａの各翼片１５に案内するようにテーパ形状の円形管２３が紡錘形に配設されてなり、前記複数の円形管２３は、円錐状になった支持部材２２に固定される。

即ち、前記第１、２の加速カバー２０、２１が回転半径の異なる前記複数の回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａに加速された風をそれぞれ分割させることで効果的な回転力を得ることができる。

前記翼片支持手段３０は、前記翼桟１５が回転可能に挿入されるように管状になった固定管３２と、前記翼桟１５の一側から延長形成された延長片１５ａとヒンジ３４で結合された移動棒３５と、前記移動棒３５に嵌められ、突風により前記翼片１６に伝達される衝撃を吸収する第１、２のバネ３７、３８と、前記第１、２のバネ３７、３８の間に位置するように前記移動棒３５に嵌められ、前記安全手段の一側と鋼線４２で連結された移動片３６とで構成される。

また、前記移動棒３５の一端は、支持片３１に固定されるが、前記支持片３１は、他の固定管３２の一側に固定される。

前記翼片支持手段３０は、風圧の変動に応じて前記翼片１６の回動を弾性的に支持すると共に風を効果的に利用するためのものである。

ここで、前記第１、２のバネ３７、３８は、それぞれ直径が異なるように設けられるが、風速の低い平常の状態では、前記翼桟１５に取り付けられた翼片１６の回動を前記第１のバネ３７が支持し、台風のように風速が強くなる場合は、前記移動片３６に連結された鋼線４２を前記安全手段が引っ張ることで前記第２のバネ３８が圧縮されると共に、前記第１のバネ３８が引っ張られ、十分な弾性で前記翼片１６が回動を支持するようになる。

そして、前記鋼線４２を引っ張る安全手段は、前記移動片３６と連結された鋼線４２が挿入され、前記第１、２、３、４の回転軸１１、１２、１３、１４と前記シャフト６１に嵌め込まれるように中空状に設けられた複数の固定部材４０と、前記複数の固定部材４０に挿入された前記鋼線４２の終端部が固定され、前記固定部材４０の内側において上下に移動するように設けられた複数の鋼線流動部材４１と、前記複数の鋼線流動部材４１のうち前記シャフト６１に設けられた鋼線流動部材の底部と前記鋼線４２で連結され、高速回転の時、遠心力により円周方向に移動し、弾性部材４７により互いに連結された複数の回転子４４と、前記複数の回転子４４を内蔵するように前記シャフト６１に設けられ、前記回転子４４とヒンジ軸４８で連結された回転子ハウジング４５と、前記回転子４４の移動によって前記複数の鋼線流動部材４１が一体型に動作するように連結する連結鋼線４４とで構成される。

前記シャフト６１に設けられた回転子ハウジング４５が突風などで高速回転されると、前記回転子４４が遠心力により円周方向に移動し、これによって、前記鋼線４２、連結鋼線４３および鋼線流動部材４１が前記翼片支持部材３０の移動片３６を引っ張るようになる。

なお、前記回転子４４は、前記回転子ハウジング４５の高速回転時にのみ円周方向に移動するように重量感のある金属材からなることが好ましい。

前記変速装置５０は、個別に回転する前記第１、２、３、４の回転軸１１、１２、１３、１４上にそれぞれ直径が異なるように設けられた複数の原動ギア５１、５２、５３、５４と、前記複数の原動ギア５１、５２、５３、５４にそれぞれ係合されて回転する複数の従動ギア５５、５６、５７、５８と、前記複数の従動ギア５５、５６、５７、５８を連結する従動軸５９と、前記従動軸５９の回転力を前記シャフト６１に伝達するべベル・ギア６２とで構成される。

前記変速装置５０によりそれぞれ異なるように回転する原動ギア５１、５２、５３、５４の回転力を一定の回転力を前記シャフト６１に伝達することで、発電機６０が電力を生産することが可能となる。

前述のように構成された本発明の作用および効果については、吹いてくる風が第１の加速カバー２０を経由しながら流速が速くなると共に分割されて排出される。

即ち、自由端から吹いてくる風が紡錘形に配列されると共に断面が縮小される円形管２３を経由しながら加速されることで、２方向に分割されて第１、２の回転翼１１ａ、１２ａの翼片１６に案内されるようになる。

ここで、前記第１の加速カバー２０から前記第１、２の回転翼１１ａ、１２ａまで三角の形状をなすように構成し、前記第１、２の回転翼１１ａ、１２ａの翼片１６に風を集中させることで、最大の回転力を得ることができる。

前記第１、２の回転翼１１ａ、１２ａを経由して流速が遅くなった風は、第２の加速カバー２１に流入されるが、このとき、前記第１の加速カバー２０の作用のように前記第２の加速カバー２１により風がさらに加速されるようになる。

前記第２の加速カバー２１を経由しながら加速された風は、翼片１６に集中され、第３、４の回転翼１３ａ、１４ａを回転させるようになる。

ここで、前記第１の回転軸１１は、第２の回転軸１２に連結し、前記第４の回転軸１４は、第３の回転軸１３に連結するようになされ、各回転軸上に回転半径が異なるように設けられた前記第１、２、３、４の回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａにより個別に回転するようになる。

前記第１、２、３、４の回転軸１１、１２、１３、１４が回転すると、各回転軸上に設けられた第１、２、３、４の原動ギア５１、５２、５３、５４と、これに係合された第１、２、３、４の従動ギア５５、５６、５７、５８が一定の減速比で回転するようになる。

前記ギア連結は、個別に回転する前記第１、２、３、４の回転軸１１、１２、１３、１４の回転力を一定の減速比で出力するためのもので、これは、従動軸５９とシャフト６１とを連結するべベル・ギア６２を介して前記発電機６０を駆動させるようになる。

前記第１、２、３、４の回転軸１１、１２、１３、１４に複数のベアリングＢを備えることで円滑な回転を誘導することができ、また、前記発電機６０により電気を発電して近所の送電所に送ったり、別の充電手段に充電したりすることは、当業者であれば、容易に実施することができ、通常使用されているため、詳細な説明は、省略する。

なお、台風のように風速の強い風が吹く場合は、前記第１、２、３、４の回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａの回転速度が速くなるが、特に、風の影響を直接的に受ける前記翼片１６に衝撃が発生するようになる。

前記翼片１６に発生する衝撃は、その程度によって翼片支持手段３０により弾性的に吸収されるが、特に、風速の強さによって翼片１６を風が吹いてくる方向に水平な方向に段階的に回転されるように弾性的に支持することで、風力を最大限活用することが可能となり、突風のように風圧が急激に大きくなる場合、安全手段が前記翼片１６の角度を流動的に調節するようになる。

先ず、前記翼片支持手段３０の作動過程を、図７乃至図９（ｂ）を参照して詳しく説明する。風速が速くなるにつれて前記翼片１６に取り付けられた翼桟１５が左右に回転するようになる。

また、前記翼片１５の延長片１５ａとヒンジ３４で連結された移動棒３５が連動して左右に移動し、このとき、前記移動棒３５に設けられた第１のバネ３７がヒンジ３４点により圧縮および引張されながら前記翼片１６および翼桟１５の移動を弾性的に吸収するようになる。

前記第１のバネ３７のみが作用するのは、前記第２のバネ３８が前記第１のバネ３７よりコイル直径が大きく荷重に対する垂れの少ないコイルバネが設けられ、前記第２のバネ３８と移動片３６により前記第１のバネ３７が支持される構造で、前記第１のバネ３７のみ弾性回動をすることで、前記翼片１６に発生する衝撃を一次的に吸収するためである。

また、台風などのような強い風が前記翼片１６に集中される場合は、前記安全手段が作用する。これを図５乃至図９（ｂ）を参照して説明する。風速が急に速くなるにつれて前記第１、２、３、４の回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａが高速回転すると、回転力が前記変速装置５０とシャフト６１に伝達され、回転子ハウジング４５が高速回転するようになる。

前記回転子ハウジング４５が高速回転すると、内部の回転子４４が図６（ｂ）のようにヒンジ軸４８を中心に円周方向に移動すると共に前記回転子４４に連結された鋼線４２を引っ張るようになる。

前記回転子１４が鋼線４２を引っ張ると、前記シャフト６１と複数の回転軸１１、１２、１３、１４上に設けられた鋼線流動部材４１が下部に流動し、前記鋼線流動部材４１およびこれに連結された前記第１、２、３、４の回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａに設けられた前記移動片３６を引っ張るようになり、図９（ｂ）のように、前記第２のバネ３８が圧縮されると共に前記第１のバネ３７が緩んでいる状態である最初の状態に戻される。

前記第１のバネ３７の最初状態への復帰により、前記翼片１６および翼桟１５の回動をより効果的に支持すると共に、風速が急に強くなる場合は、前記翼片１６を風が吹いてくる方向に水平に回転するように弾性的に支持することで、台風などで風力発電機が損傷を受けるのが、防止される。

台風が止まり、平常の風速になると、前記安全手段が前述のような動作過程の逆に作用し、前記第１、２のバネ３７、３８が図８のように最初の状態に戻されるようになり、前記第１のバネ３７の弾性移動が繰り返される。

前述のように、本発明の風力発電機によれば、風を第１、２の加速カバー２０、２１により加速させると共に個別に回転する前記第１、２、３、４の回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａの翼片１６に案内させることで、風の方向が一定でない場合に発生する風に対する抵抗要素と負荷を減少させることができ、効果的な回転力が得られ、風圧の変動に応じて前記翼片支持手段３０と安全手段により前記第１、２、３、４の回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａを弾性的に支持すると共に前記翼片１６が風の方向に水平に段階的に回転するように支持することで、風力の利用効率を高くすることができ、また、風力発電機の損傷を防止することができる。

以上のように、本発明の具体的な実施例について詳述してきたが、本発明の属する分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の範疇から逸脱しない範囲内で種々に変更して実施することができる。

従って、本発明の保護範囲は、前述の実施例に限定されるものではなく、後述の請求の範囲だけでなく、その均等物にまで及ぶものである。

前述のように、本発明によれば、加速カバーにより風の速度を加速させると共に風を翼片に分割して排出させることにより、回転半径の異なる回転翼を効果的に回転させることができるという長所がある。

また、流入される風の方向に応じて複数の回転翼が個別に回転するようになり、風に対する抵抗要素と負荷を減少させ、回転力を最大化させることができ、発電効率を向上させることができる効果が得られる。

さらに、台風のような強い風に対して、翼片支持手段および安全手段により複数の回転翼が損傷を受けないように弾性的に支持し、特に、風の影響を直接的に受ける翼片が風の方向に水平な方向に急に回転するのを防止し、風の強さに応じて段階的に回転されるように支持することができるため、風力を最大限利用することが可能であるという長所がある。

本発明に係る風力発電機を示す斜視図である。本発明に係る風力発電機の分離斜視図である。図２の部分拡大正面図である。本発明に係る風力発電機の変速装置を示す断面図である。本発明に係る風力発電機の安全手段を示す構成図である。（ａ）および（ｂ）は、図５のＡ−Ａから見た回転子の動作状態を示す断面図である。本発明に係る風力発電機の回転翼を示す部分拡大斜視図である。図７のＢ−Ｂから見た断面図である。（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る翼片支持手段の動作過程を示す断面図である。本発明に係る第１の加速カバーを示す模型図である。本発明に係る風力発電機を示す模型図である。本発明に係る風力発電機の動作状態を示す模型図である。従来の風力発電機を示す斜視図である。

符号の説明

１１：第１の回転軸
１１ａ：第１の回転翼
１２：第２の回転軸
１２ａ：第２の回転翼
１３：第３の回転軸
１３ａ：第３の回転翼
１４：第４の回転軸
１４ａ：第４の回転翼
１５：翼桟
１５ａ：延長片
１６：翼片
２０：第１の加速カバー
２１：第２の加速カバー
２２：支持部材
２３：円形管
３０：翼片支持手段
３１：支持片
３２：固定管
３４：ヒンジ
３５：移動棒
３６：移動片
３７：第１のバネ
３８：第２のバネ
４０：固定部材
４１：鋼線流動部材
４２：鋼線
４３：連結鋼線
４４：回転子
４５：回転子ハウジング
４７：弾性部材
４８：ヒンジ軸
５０：変速装置
５０ａ：変速装置ハウジング
５１：第１の原動ギア
５２：第２の原動ギア
５３：第３の原動ギア
５４：第４の原動ギア
５５：第１の従動ギア
５６：第２の従動ギア
５７：第３の従動ギア
５８：第４の従動ギア
５９：従動軸
６０：発電機
６１：シャフト
６２：べベル・ギア
７０：ベースフレーム

Claims

風を活用して電気を発電する風力発電装置であって、
それぞれが異なる回転半径を有する複数の回転翼であって、前記各回転翼は放射状に設けられた複数の翼桟１５と、その翼桟の円周上に連結された複数の翼片１６とを備える、回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａと、
前記回転翼１１ａおよび１４ａにそれぞれ連結され、相互に一定の間隔を維持する第１および第４の回転軸１１、１４と、
前記第１および第４の回転軸１１、１４にそれぞれ回転可能に連結し、一端に前記回転翼１２ａおよび１３ａがそれぞれ設けられた第２および第３の回転軸１２、１３と、
前記第１および第４の回転軸１１、１４上にそれぞれ設けられ、流入する風を加速化させると共に前記複数の翼片１６に案内する第１および第２の加速カバー２０、２１と、
前記複数の回転翼１１ａ、１４ａに設けられ、風圧の変動に応じて前記翼片１６を伸縮自在に支持する翼片支持手段３０と、
前記翼片支持手段３０の一端と鋼線４２で連結され、突風が吹く場合、前記翼片１６の角度を調節して風の影響を過度に受けるのを防止する安全手段と、
前記第１、２、３、４の回転軸１１、１２、１３、１４とギア列で連結され、これら回転軸の回転速度を変速する変速装置５０と、
前記変速装置５０の一端と係合されたシャフト６１により回転力を伝達されて電力を生産する発電機６０と、
前記発電機６０のシャフト６１が回転できるように貫通し、前記変速装置５０を内蔵した変速装置ハウジング５０ａと、
前記変速装置ハウジング５０ａの底部を支持すると共に、前記発電機６０が所定の位置に取り付けられたベースフレーム７０と、
を備えてなることを特徴とする風力発電装置。
前記第１および第２の加速カバー２０、２１は、流入する風を前記複数の回転翼１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａにそれぞれ案内するようにテーパ形状の円形管２３が紡錘形に配設されてなることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。