JP4147150B2 - 水平軸型風力発電機及びその方向陀取付方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水平軸型風力発電機及びその方向陀取付方法に係わり、更に詳しくは本体の姿勢を風向方向に追従的に効率良く合わせることができる水平軸型風力発電機及びその方向陀取付方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、 従来、風力発電装置には様々な形式のものがある。例えば風力発電装置を、風車を支持する軸の取り付け方向により分類すれば、その軸の取り付け方向が垂直である垂直軸型とその軸の取り付け方向が水平である水平軸型とに分類される。垂直軸型には、サボニウス型、ダリウス型などがあり、水平軸型には、プロペラ型などがある。
【０００３】
また、風力発電装置を、風車を回転させるトルクとして抗力又は揚力のいずれが支配的に作用するかによって分類すれば、抗力が主である形状のものを抗力型、揚力が主である形状のものを揚力型、抗力と揚力とが同程度に作用する形状のものを抗力／揚力併用型として分類することができる。例えば、上記のサボニウス型は抗力型に属し、上記のダリウス型やプロペラ型は揚力型に属している。
【０００４】
抗力型の風車は例えば微風といわれる低速の風においても風車が良く回転するから低速の風でも発電できるという利点があるが、大電力を発電しようとすると、その構造上から装置が大型化して経済的でないという不利な点のほうが目立つようになる。
【０００５】
また、抗力型の風車は、低風速でも回転が開始できるようにと羽根面積を大きくすると、強風時には羽根の回転方向から当る風力が減速抵抗となって羽根の面積を大きくした分だけこの減速抵抗が大きく、このため発電効率が低下するという問題を引き起こしてしまう。
【０００６】
これに対し、揚力型の風車は、その構造上、小電力の発電だけでなく大電力の発電にも容易に対応できる利点があるばかりでなく、例えば、ものによっては小型ながら風速１２．５ｍ／秒の風で４００Ｗもの電力を発生させることができるという利点を有している。
【０００７】
そのような揚力型の風車を備えた典型的な水平軸型風力発電機においては、本体の姿勢を風向方向に追従的に合わせるための姿勢制御の方法として、風向センサと姿勢制御用駆動装置とを用いた積極的な方法と、本体後方に取り付けた方向舵による受動的な方法がある。
【０００８】
しかし、上記の風向センサと姿勢制御用駆動装置とを用いる方法は、構造が複雑となり製造コストも高くなるという理由で、採用される割合が少ない。そして、より一般的には、構造が簡単で製造コストも比較的低くて済むという理由で、本体後方に方向舵を取り付けた受動的な方法が多用されている。
【０００９】
図３は、そのような本体後方に方向舵を備えた水平軸型風力発電機の一例を示す斜視図である。同図に示すように、水平軸型風力発電機１は、風圧によりほぼ鉛直面に沿って回転する複数枚（同図の例では３枚）の回転翼２と、この回転翼２の回転軸の回転により発電する本体部３と、この本体部３をほぼ水平面に沿って回転自在に支持する支持軸４と、本体部３の回転翼２の配設側と対峙する側に本体部３と一体に固設して配置された方向陀５とを備えている。
【００１０】
上記の方向陀５は、風見鶏の尾と同様の機能を持っており、無風状態から風力が生じたとき、その風向き方向に本体部３の姿勢を追従させて回転翼２を風向き上流側に向ける働きを持っている。そして、風力により回転翼２が回転を始めると、今度は回転翼２自身がその回転によって風向き方向に追従する働き、すなわち自己風向追従性を発揮する。
【００１１】
一般に、風車は風に正対している状態が最も性能を発揮する。この風車が風向きに正対することを「ヨー追従」という。通常、水平軸型風力発電機１の回転翼２は、上記の自己風向追従性によるヨー追従性を備えている。
図４(a),(b) は、ヨー追従の状態を模式的に示す図である。なお、同図(a),(b) には、図３と同一の構成部分には図３と同一の番号を付与して示している。また、以下の説明では、風向の変化を、その主流の速度Ｕと時間を表す添字ｔｉで示す矢印の向きで示すことにする。ｉは時間の順序を示し、その番号が増える矢印の示す方向に風向きと風速が変化するものとする。
【００１２】
図４(a) は、風向と風速Ｕt0で示す最初の風向きに水平軸型風力発電機１の風車（回転翼２）が正対している。そして、同図(b) に実線で示すように、風向きが風向と風速Ｕti（ｉ＝１、２、３、・・・）で示す風向きに変化すると、その風向きに回転翼２が追従して、回転翼２が風向きに正対するように水平軸型風力発電機１の姿勢が変化する。
【００１３】
図５(a),(b),(c) は、上記の回転翼２によるヨー追従（自己風向追従）の力学的メカニズムについて説明する図であ。同図(a) は水平軸型風力発電機１を正面から見た図であり、説明の便宜上、３枚の回転翼２（２−１、２−２、２−３）のみを示している。今、３枚の回転翼２は、風向きに正対しているものとし、その風圧により矢印ωで示す反時計回り方向に回転しているものとする。
【００１４】
同図(b) は、同図(a) に示す回転翼２−１のＡ−Ａ´矢視断面図であり、同図(c) は、その回転翼２−１が正反対の位置すなわち回転翼２−２と回転翼２−３の中間に来たときの同じくＡ−Ａ´矢視断面図である。ヨー追従の力学的メカニズムを分かり易く説明するために、回転している回転翼２が上記のように回転翼２−１の位置とその正反対の位置に在る時に風圧による力の作用が以下に働くかを同図(b),(c) により説明する。
【００１５】
図５(b),(c) に示すように、風速Ｕと、この風速Ｕが回転翼２の面に当ることによて生じる回転気流ｒωとの合成力の方向（図の破線６で示す方向）に生じる力として抗力Ｄが発生し、この合成力Ｄの方向と直角の方向に揚力Ｌが発生する。そして、これら抗力Ｄと揚力Ｌの合成力が回転翼２に作用する力Ｆとなる。
【００１６】
この回転翼２に作用する力Ｆの分力として、トルクＦｔと圧力Ｆｎが回転翼２に作用する。圧力Ｆｎは回転翼２を風向の下流側に押す力であり、トルクＦｔは回転翼２を回転順方向に回転させる力である。３枚の回転翼２は、このトルクＦｔによって回転する。
【００１７】
図６(a),(b) は、風向（風速）が変化したときに、その風向に回転翼２が追従するヨー追従の原理を簡単に説明する図である。図６(a) は図５(b) に示す位置にある回転翼２に加わる風向の変化した向きとその力の作用を示し、図６(b) は図５(c) に示す位置にある回転翼２に加わる風向の変化した向きとその力の作用を示している。いずれも回転翼２を図５(a) の上方又は下方から見た横断面図であり、したがって、回転翼２に当る変化した風速と風向きＵ１の向きは、図６(a),(b) に示すように同一の向きである。
【００１８】
図６(a),(b) に示すように、風向が図５(b),(c) に示した最初の風向と風速Ｕから反時計回り方向の角度で図６(a),(b) の実線矢印で示す風向と風速Ｕ１に変化したものとすると、回転気流とｒωの方向も反時計回り方向に変化するから、結果として、変化した風向Ｕ１と回転気流との合成力の方向も、図５(b),(c) に示した方向（図６(a),(b) の破線６で示す方向）から図６(a),(b) の実線７で示す方向に、つまり反時計回り方向に変化する。
【００１９】
この合成力の方向の変化に伴って、つまり破線６で示す方向から実線７で示す方向に変換した角度の分だけ、図５(b),(c) に示した抗力Ｄ、揚力Ｌ、これらの合力として回転翼に作用する力Ｆ、その分力としてのトルクＦｔ及び圧力Ｆｎで示される全てのベクトルの方向が反時計回り方向に変化する。
【００２０】
この変化によって回転翼２には、図６(a),(b) の矢印Ｂで示す反時計回り方向に回転させる（この場合は回転翼を捻る）ように作用する応力が発生する。この応力の捻り作用に従って回転翼２は風向き対向（追従）するように姿勢を変化させる。すなわち、図４(b) に示したように、水平軸型風力発電機１が変化した風向きと風向Ｕti方向に追従して姿勢を変える。
【００２１】
回転翼２の位置が図５(b) の位置にあるときは、図６(a) に示すように回転翼を捻る（風向に追従させる）力は強く、回転翼２の位置が図５(c) の位置にあるときは、図６(b) に示すように回転翼を捻る（風向に追従させる）力は比較的弱いが、いずれにしても、回転翼を捻る（風向に追従させる）力となることにおいて変わりはない。
【００２２】
勿論、風向きの変化した方向が、図６(a),(b) の場合とは反対に、破線で示す前の風向と風向Ｕよりも図の左側から吹くように変化したときは、回転翼２の位置が図５(c) の位置にあるときのほうが、図６(a) に示した場合と同様に回転翼を捻る（この場合は時計回り方向に捻って風向に追従させる）力は強く、図５(b) の位置にあるときのほうでは、図６(b) に示した場合と同様に回転翼を時計回り方向に捻る力は比較的弱い。しかし、この場合も、いずれもそれらの力が回転翼を風向方向に捻る力となることにおいて変わりはない。
【００２３】
このように、水平軸型風力発電機１は、その回転翼２が風力により回転しているときは、常にヨー追従するように姿勢を変化させる。この姿勢の変化つまり首振りには慣性を伴うから、通常は首を振りすぎて風向に正対する位置を通り過ぎる。そうすると、行き過ぎた位置から今度は逆のヨー追従性によって、元に戻るつまり風向に正対する位置に戻る力が働く。これにも慣性力が働くから上記のような首振りが弱いながらも発生する。これを繰り返して最終的に首振り運動が風向き方向に収束されてヨー追従が完成する。
【引用文献なし】
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図６(a),(b) に示した風向と風速Ｕ１の変化量がヨー追従に適正な範囲の変化量であれば良いが、変化の角度が急すぎたり、風速が強く変化しすぎたり、風向の変化が頻繁に起こるような場合には、上記の首振りの慣性力が大きく働いて、過回転を引き起こし、ヨー追従がなかなか出来ず、せっかくの強風にも効率よく風車機能を発揮することができず、発電効率が著しく低下するという問題が起きる。
【００２５】
また、そればかりでなく、発電機本体部自体が水平方向への過回転を伴った強い首振り運動が継続することによって、方向舵が破損するなどの問題も生じている。また、最初の強い首振りで本体部が反転し、回転翼面が風向きの下流側を向いてしまうなどということも稀れではない。
【００２６】
前述したように揚力型の風車を備えた受動的制御型の水平軸型風力発電機は、装置が簡単で姿勢制御に際しての電力消費がないなど経済的であり、弱風でも発電機能を発揮できて通常では発電効率も良いが、上記のような不具合な点も有しており、これらの不具合の改善が、これまで長い間望まれながら、その解決が見られなかったものである。
【００２７】
本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、風向変化の激しい風況環境においても優れた風向追従性を有して高い発電効率を発揮する水平軸型風力発電機及びその方向陀取付方法を提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
以下に、本発明に係わる水平軸型風力発電機及びその方向陀取付方法の構成を述べる。
先ず、請求項１記載の発明の水平軸型風力発電機は、風圧によりほぼ鉛直面に沿って回転する複数の回転翼を有する回転翼軸の回転により発電する本体部と、該本体部をほぼ水平面に沿って回転自在に支持する支持軸と、上記本体部の上記回転翼の配設側と対峙する側に設けられた方向陀と、を備えた水平軸型風力発電機において、上記方向陀は、上記本体部に対し連結部を介して常時回動自在な状態で連結され、無風時において上記連結部と自由端部を結ぶ線が上記回転翼軸を含む平面内に配置されるように構成されている。
【００２９】
上記連結部は、例えば請求項２記載のように、１個又は２個以上のヒンジを有して構成され、無風時において上記ヒンジのヒンジ軸の軸線は上記回転翼軸を含む鉛直平面内に配置されるように形成されている。
そして、上記ヒンジは、例えば請求項３記載のように、ヒンジ軸の下端部と交わる鉛直線に対し上記ヒンジ軸の上端部が上記方向陀側に傾いて形成されて配置されるように構成される。
【００３０】
次に、請求項４記載の発明の水平軸型風力発電機の方向陀取付方法は、水平軸型風力発電機において、支持軸によりほぼ水平面に沿って回転自在に支持され、風圧によりほぼ垂直面に沿って回転する複数の回転翼を有する回転翼軸の回転により発電する本体部の、上記回転翼の配設側と対峙する側に配置される方向陀の上記本体部への取り付け方法であって、上記方向陀は、ヒンジ軸の下端部と交わる鉛直線に対し上記ヒンジ軸の上端部が上記方向陀側に傾いて形成された少なくとも１個のヒンジを有する連結部により上記本体部に対し常時回動自在な状態で連結される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、一実施の形態に係わる水平軸型風力発電機を模式的に示す側面図である。同図に示すように、水平軸型風力発電機１０は、風圧によりほぼ鉛直面に沿って回転する複数の回転翼１１と、この回転翼１１の回転翼軸１２の回転により発電する本体部１３と、この本体部１３を回転支持部１４によりほぼ水平面に沿って回転自在に支持する支持軸１５と、本体部１３の回転翼１１の配設側と対峙する側に設けられた方向陀としての連結尾翼１６とを備えている。
【００３２】
連結尾翼１６は、本体部１３に対し連結部１７を介して常時同図の手前側と奥側に回動自在な状態で連結されている。連結部１７は、１個又は２個以上のヒンジを有して構成される。同図に示す例ではヒンジ２１とヒンジ２２の２個のヒンジを有して構成されている。
【００３３】
そして、この連結尾翼１６は、無風時においては、連結部１７と自由端部を結ぶ線１８が、回転翼軸１２を含む平面内に配置されるように形成されている。連結尾翼１６にそのような作用を持たせるために、上記のヒンジ２１及び２２は、そのヒンジ軸の下端部と交わる鉛直線２３及び２４に対し、ヒンジ軸の上端部２１−１及び２２−１が連結尾翼１６側に所定の角度θ及びδでそれぞれ傾いて形成されている。
【００３４】
これにより、無風時においては、連結尾翼１６は自重によりヒンジ２１及び２２を介してやや下方に鉛直に垂れ下がる状態で静止する。これにより、ヒンジ２１及び２２のヒンジ軸の軸線２１−１及び２２−１は回転翼軸１２を含む鉛直平面内に配置され、連結尾翼１６の連結部１７と自由端部を結ぶ線１８が上記のように回転翼軸１２を含む平面内に配置される。
【００３５】
図２(a) 〜(e) は、連結尾翼１６によるヨー追従メカニズムを模式的に示す図である。なお、ここでは、図１に示す回転翼１１が回転していない場合のメカニズムを示している。また、図２(a) 〜(e) には、図１の構成と同一の構成部分には図１と同一の番号を付与してい示している。
【００３６】
まず、回転翼１１が回転しない微風時には、回転翼１１が回転を開始する以前に連結尾翼１６が本体部１３より軽量であるため風向の変化に対して動きやすい。すなわち、同図(a) に示すように、風向Ｕ１が角度θ１だけ変化すると、連結尾翼１６に迎角がつき、揚力Ｌ１と抗力Ｄ１が発生する。このとき、連結尾翼１６の作用点２５には、揚力Ｌ１と抗力Ｄ１の合力Ｆ１が作用する。
【００３７】
続いて、同図(b) に示すように、合力Ｆ１の回転方向の分力Ｆ１ｎと伸ばし方向の分力Ｆ１ｔのうち回転方向の分力Ｆ１ｎにより、支点Ａ（支持軸１５）及び支点Ｂ（連結部１７）の周りに回転力が発生する。
これにより、同図(c) に示すように、その回転力により支点Ａ及びＢの周りで、それぞれ回転速度差による角度θA 及び角度θB の角変化が発生し、また、その回転速度差により作用力Ｆ3n及び反作用力Ｆ2nが発生する。「初期回転力＋Ｆ２ｎ」の合力で、支点Ａの周りに、回転中の連結尾翼１６には更にこの時点における流体力が作用する。
【００３８】
そして、この力により、同図(d),(e) に示すように、連結尾翼１６及び本体部１３は、最終的に風向きに正対するように制御される。このように、水平軸型風力発電機１０を容易に風向方向に正対させることができることにより、回転翼１１の回転開始を容易にし、微風領域でのスタートアップが改善される。
【００３９】
この連結尾翼１６は、回転翼１１が回転していないときに、正対すべき強風が吹いた場合にも、従来のような尾翼固定式の形式であれば「風車の回転力＋尾翼の制御効果」で過回転してしまうが、本例では、連結部１７に作用する図２(c) に示した反作用力Ｆ2nにより形成される最後の安定制御機構が付加されていることによって、過回転を容易に防止することができる。
【００４０】
また、同様の作用で、回転翼１１が回転中には、不安定方向へ変化しようとする回転動作へのブレーキを、連結尾翼１６によって与えることができる。
一般に、風力が増し回転翼１１の回転数が増加するにつれて、回転翼１１の受風面積が増加する。この場合、回転翼面における平均的な空気圧力が最大となる方向に回転翼面を正対させることにより最大の発電電力が得られる。
【００４１】
ここで、回転翼１１が回転中に最大電力が得られる回転翼面方向と、連結尾翼１６が捉える風向とは一致しない場合が生じる。すなわち、例えば回転翼面における左右の風圧差が生じた場合、風向が同じであっても回転翼面の最適角度は風向に対して直角ではない。
【００４２】
従来の方向陀が本体部に固定されて形式の場合では、方向陀を通過する風向を優先して捉えるから、最終的に制御される姿勢は本来必要とする回転翼面の平均最大圧力方向とは一致しないという欠点があったが、本例では、回転翼の回転開始後は、回転翼面で最適方向を捉えるために連結尾翼１６の左右方向の抵抗を最小化して回転翼面の左右運動を妨げないようにすることができる。
【００４３】
これにより、本例の水平軸型風力発電機１０は、乱流の多い風況でも持続的かつ高回転が可能となり発電効率を著しく増加させることが可能となる。
さらに、突発的乱流により回転翼面が不規則な運動を起こす場合には、連結尾翼１６が反作用動作を生じ上記の不規則動作を抑制する。
【００４４】
このように、連結尾翼１６に自由な動きを与えることにより、風向の変化に対する追従性が改善され、回転翼面の不規則運動による回転翼１１の停止頻度が最小化され、積算発電量を増加させることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、水平軸型風力発電機の方向陀を下方に傾斜するヒンジを介して回動自在に本体部に取り付けるので、回転翼が回転を開始する以前の微風時に回転翼面を風向に合わせる姿勢制御と、回転翼の回転中に回転翼面を最適な風向方向に合わせる姿勢制御と、突発的な風向の乱れに対して本体部の水平方向の過渡的な反転反応を抑制する姿勢制御とを、それぞれの場合において作用させることができ、これにより、回転翼面に当る風量を増加させ発電効率を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態に係わる水平軸型風力発電機を模式的に示す側面図である。
【図２】 (a) 〜(e) は連結尾翼によるヨー追従メカニズムを模式的に示す図である。
【図３】従来の本体後方に方向舵を備えた水平軸型風力発電機の一例を示す斜視図である。
【図４】 (a),(b) は従来の水平軸型風力発電機のヨー追従の状態を模式的に示す図である。
【図５】 (a),(b),(c) は水平軸型風力発電機の回転翼によるヨー追従（自己風向追従）の力学的メカニズムについて説明する図であ。
【図６】 (a),(b) は風向（風速）が変化したときにその風向に回転翼が追従するヨー追従の原理を簡単に説明する図である。
【符号の説明】
１ 水平軸型風力発電機
２（２−１、２−２、２−３） 回転翼
３ 本体部
４ 支持軸
５ 方向陀
Ｕt0 最初の風向きと風速
Ｕti（ｉ＝１、２、３、・・・） 時間ｉのときの風向きと風速
Ｕ 風速
ｒω 回転気流
６ 最初の風速と回転気流との合成力の方向
７ 変化した風速と回転気流との合成力の方向
Ｄ 抗力
Ｌ 揚力
Ｆ 抗力と揚力とによって回転翼に作用する力
Ｆｔ 回転翼に作用する力の分力としてのトルク
Ｆｎ 回転翼に作用する力の分力としての圧力
１０ 水平軸型風力発電機
１１ 回転翼
１２ 回転翼軸
１３ 本体部
１４ 回転支持部
１５ 支持軸
１６ 連結尾翼
１７ 連結部
２１、２２ ヒンジ
２１−１、２２−１ ヒンジ軸上端部
２３、２４ ヒンジ軸下端部と交わる鉛直線

Claims (3)

1. 風圧によりほぼ鉛直面に沿って回転する複数の回転翼を有する回転翼軸の回転により発電する本体部と、該本体部をほぼ水平面に沿って回転自在に支持する支持軸と、前記本体部の前記回転翼の配設側と対峙する側に連結部を介して設けられた方向陀と、を備えた水平軸型風力発電機において、
   前記連結部は、１個又は２個以上のヒンジを有して構成され、
   前記ヒンジは、ヒンジ軸の下端部と交わる鉛直線に対し前記ヒンジ軸の上端部が前記方向陀側に傾いて配置され、
   前記方向陀は、前記本体部に対し前記連結部を介して常時回動自在な状態で連結されるとともに、前記方向陀の中心部は前記連結部の最上部から前記方向陀の方向へ水平に伸びる直線よりも下方に位置するように配置される、
   ことを特徴とする水平軸型風力発電機。
2. 無風時において前記ヒンジのヒンジ軸の軸線は前記回転翼軸を含む鉛直平面内に配置されるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の水平軸型風力発電機。
3. 水平軸型風力発電機において、支持軸によりほぼ水平面に沿って回転自在に支持され、風圧によりほぼ垂直面に沿って回転する複数の回転翼を有する回転翼軸の回転により発電する本体部の、前記回転翼の配設側と対峙する側に配置される方向陀の前記本体部への取り付け方法であって、
   前記方向陀は、ヒンジ軸の下端部と交わる鉛直線に対し前記ヒンジ軸の上端部が前記方向陀側に傾いて形成された少なくとも１個のヒンジを有する連結部により前記本体部に対し常時回動自在な状態で連結され、且つ、その中心部が前記連結部の最上部から前記方向陀の方向へ水平に伸びる直線よりも下方に位置するように配置される、ことを特徴とする水平軸型風力発電機の方向陀取付方法。

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