JP4204661B2 - 軽量風力発電装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は風力発電装置の軽量化技術における、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、アップウインド型水平軸風車型風力発電機の回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構として受風面積を減らすために、側方または上方に回転面をずらせるようにしている機構はよく知られている。図18に示すように側方偏向式は風車羽根5の回転軸66の中心と風車支持の支柱の中心67とが偏心(Eで示す)しており、強風時には風車羽根回転面が側方に偏向し、風速が減少するとばね69の力により復元するようになっている。図18は微風のときを示し、図19は風がやや強くなったときを示す。尾翼70は風向に追従する。強風のときは風車羽根5の回転面と尾翼70は平行になり完全に風を逃がして風力発電機の破損を防ぐ。
【0003】
一方、上方偏向式は図20に示すように、風速が大きくなると風車羽根71の回転面が発電機72と共に支点74を中心にして上向きに偏向し、風速が減少するとカウンターウエイト77またはばね76の作用により復元するものである。なお、尾翼73は支柱75を中心にして常に風車羽根71を風上に向けている。ばね76またはカウンターウエイト77で引き戻す方式は強い風から急に風が弱くなった時、強制的な引き戻しで急激な荷重がゴムなどのストッパーに加わる。また、風力発電機全体に大きな衝撃を与え易く、甚だしいときは破損したり寿命を短める。これを避けるため、ばね76やカウンターウエイト77を用いない風力発電機も製品化されているが、上方から戻るとき支点から上の風力発電機の重心と支点との長さが小さく、元に戻る回転モーメント小さいので、風が弱くなった時に元に戻って受風面積を増す作動の応答性が悪く風エネルギーを無駄にしている。具体例として図21はばねやカウンターウエイトのない上方偏向式水平軸風車型の風力発電機を示し、風車羽根71、発電機78および尾翼79が支点80によって支えられ、支柱75に風向に追従するように装着されている。実線で表したものが強風で上方に傾き風を逃がしているところである。この状態で風が急に弱くなると、風力発電機の重心Cに加わる重力Wと支点80との水平距離S1と乗算した反時計回りの回転モーメントにより、風力発電機は点線で示す微風の状態に戻ろうとする。しかし、点線で示す位置の重心Cと支点までの水平距離S0と乗算した回転モーメントに比べはるかに小さいため、実線で示した上方偏向した位置から点線で示した位置に戻る応答性が悪く時間がかかる。
【0004】
また、ダウンウインド型では図22に示すように、コーニング式といって強風時には後流側に風車羽根81aが円錐状を形成するようにして、図22に点線で示す風車羽根81bのように風車の受風面積を減少させ、回転数を抑えるものである。風車羽根81aはヒンジ82、87を用いて回転軸84に取り付けられ、起動時にはばね83の力で風車羽根を保持して受風面積を大きくし、回転時には遠心力により回転面が形成される。強風時には風の抗力が増大し円錐状になる。図22の風車羽根81aは発電機86の出力軸84に直結されている。発電機86は支柱85を中心に風向に追従して回転するように取り付けられている。
【0005】
以上、何れの従来の方式も風力発電機を支える支柱は、剛性のある堅固なもので製作されていて重量が大きかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の風力発電機を支えるため強固に作られた太い支柱はどうしても重量が大きくなり携帯用としては不向きであった。また、据え付けと撤去を容易にしようとするとき支柱を含めた発電装置全体として非常に重く、作業に人手と時間を要した。
【0007】
【課題を解決するため手段】
風車羽根、発電機、尾翼、風向きに追従するヨー装置を備え、無風時に垂直となる支柱に取り付けたアップウインド型水平軸風車型風力発電機において、該支柱は回転数制御、出力制御および強風時の風逃し機構たるべく全体または一部弓なりに撓む弾性を有しかつ該支柱には支線を併設して強風時に該支柱または支線の弾性を機能させるべく手段を適用した。
【0008】
さらに尾翼のないダウンウインド型においては請求項2の手段を適用する。
【0010】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例にもとずき図面を参照して説明する。図1はアップウインド型の上方偏向式水平軸風車型風力発電機に本発明を適用した一実施例である。図1は微風の状態を表す。
【0011】
図1において風車羽根5、発電機10および尾翼13を備えた風車回転軸2の下方に距離Yだけオフセットした水平の支点軸18を設けるとともに、風向きに追従する図2に示すヨーチューブ22、ベアリング24、24およびヨーシャフト25で構成するヨー装置を設け、無風時に垂直の支柱28に取り付けるアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機において、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構として支柱28の全体または一部を撓み易くし、その弾性を利用するとともに支柱28を支える支線33、33の持つ弾性も併用するか、もしくは支柱28または支線33、33のどちらかの弾性のみを利用する軽量風力発電装置を提供するものである。図1において風車羽根5は発電機10に直結されている。支持金具14には発電機10と尾翼13が取り付けられて一体となっている。この風力発電機全体の重心Gにかかる重力Pと支点18までの水平距離Xと乗算した反時計回りのモーメントが風車羽根5の風車回転軸2の中心線と支点18までのオフセットYと風車羽根5の抗力によって生じる時計回りのモーメントより大きくなっている。
【0012】
支柱28まわりを詳しく述べると、図1に示すように、風力発電機全体は支柱28によって支えられ、支柱28は分配金具31によって少なくとも3本の支線33、33によって地上36にアンカーボルト34、34などで無風時は垂直に固定されている。なお、固定金具32は分配金具31を支柱28に固定するためのものである。また、支柱の下端は図のように先の尖った物で構成し、凹形のくぼみを設けた支持板35で地上36に固定する。支柱28は撓み易い材料で製作される。図1は微風のときの状態で、風力発電機全体の自重により、風車羽根5に直結されている風車回転軸2はほぼ水平に保たれている。尾翼13が上方に位置しているひとつの理由は風車羽根5の回転中心より離れるため、空気の流れが安定しているので風車回転面を正確に風向に向け易いからである。他の理由は後述の強風時に支柱28が撓んだ時に尾翼13が下がり、支線33、33や支柱28と干渉しないためである。なお、尾翼13はヨーチューブ22に取り付けても本発明は同様の効果を発揮する。また、風車回転軸と電動機の間に増速機を入れる場合も同様の作用をする。
【0013】
図2は図1の主要部分を説明するための拡大部分断面図である。図3は図2のA−Aに沿った支点軸18まわりの断面図である。図4は図2のB矢視図で風力発電機主要部を示す背面図ある。支持金具14には風力発電機10がボルト11、11およびナット8、8によって取り付け座9、9を介して取り付けられている。同じく支持金具14には尾翼13がビス12、12およびナット38、38によって取り付けられている。発電機10と直結の風車回転軸2にはフランジ1およびフランジ6がはめ込まれ、止めネジ3によって固定されている。フランジ1およびフランジ6の間には風車羽根5がボルト7、7およびナット4、4によって取り付けられている。風車羽根5の回転軸と発電機の回転軸は一致するが、この風車回転軸2とオフセットした位置に支点受け30、30が支持金具14に形成され、支点軸18が図3のようにヨーチューブ22と共にはめこまれている。支点軸18はスプリングピン19によって抜けないように固定されている。これで、ヨーチューブ22は支点軸18を中心にして、ストッパー29とストッパー17に規制される角度の範囲内は自由に回転することができる。ヨーチューブ22には玉軸受24、24を介してヨーシャフト25が取り付けられ、止め輪23、止め輪26によって軸方向に動かないように固定されている。ヨーチューブ22の動きを規定するため、支持金具14にはストッパー29が固定されている。これは風が弱くなったとき元の位置に戻るとき緩衝材としての機能も果たすようゴムなどで作られる。一方支持金具とヨーチューブの角度を規定するためストッパー17がバンド20によって固定されている。このストッパー17の位置はバンド20のビス21とナット39を緩めることによって自由に設定できる。発電機10の電気出力ケーブル15は図2のように発電機10からキャップ16を通してヨーシャフト25に導かれる。ヨーシャフト25はボルト27によって支柱28に固定される。この構成で風力発電機全体は尾翼13の作用で常に風車羽根5が風の向かってくる方向に向くことになる。なお、キャップ16、ヨーチューブ22、支点軸18およびスプリングピン19の接合面には、シール剤が充填され防水されている。
【0014】
図5は風がやや強くなった時のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。風の力によって撓み易く製作された支柱28は風の吹く方向に弓なりに湾曲して傾く。次に風力発電機本体が支点軸18を中心にして、上方に偏向する。この状態のときは風の強さに応じて風車の回転面の傾き角度を予め設定した回転数制御や出力制御ができるよう、支点軸18の位置、支柱28の撓み代および支線33、33の伸び代を設定する。
【0015】
図6は強風時のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置である。支柱28はさらに弓なりに大きくしなって強風を逃がし、風力発電機10の支持板14はストッパー17の当たる位置まで支点軸18を中心に傾斜し、風力発電装置全体が破損するのを防いでいる。
【0016】
図7は微風時の支点を持たないアップウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。風車羽根5、発電機10および尾翼13を備え、風向きに追従するヨー装置37を設け、垂直の支柱に取り付けるアップウインド型水平軸風車型風力発電機において、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構に支柱28の全体または一部を撓み易くし、その弾性を利用するとともに支柱28を支える支線33、33の持つ弾性も併用するか、もしくは支柱28または支線33の、33どちらかの弾性のみを利用する軽量風力発電装置の一実施例を示す。すなわち、図1の支点軸18を持たないタイプで、微風の状態を表している。この形式は支柱28のより多い撓み量を要求する。風向に追従するヨー装置は37で表す。図7の主要部の詳細は図2の支点軸18を無くし、支持板14とヨーチュブ22を動かないよう固定したもので、図2のヨーチューブ22、ベアリング24、24およびヨーシャフト25で構成する風向に追従するヨー機能は全く同様である。
【0017】
図8は強風時の支点を持たないアップウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置を示す側面図である。支柱28は弓なりに大きくしなって強風を逃がし、風力発電装置全体が破損するのを防いでいる。なお図示していないが回転数制御や出力制御をしているときは図7と図8の中間の支柱の撓みであることは容易に解る。
【0018】
図9は微風時のダウンウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。風車羽根5および発電機10を備え風向きに追従するヨー装置37を設け、無風時には垂直の支柱28に取り付けるダウンウインド型水平軸風車型風力発電機において、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構に支柱28の全体または一部を撓み易くし、その弾性を利用するとともに支柱を支える支線33、33の持つ弾性も併用するか、もしくは支柱28または支線33、33のどちらかの弾性のみを利用する軽量風力発電装置の一実施例を示す。尾翼はなく風向安定板38が付いている。図9の主要部の詳細は図2の支点軸18を無くし、支持板14とヨーチュブ22を動かないよう固定したもので、図2のヨーチューブ22、ベアリング24、24およびヨーシャフト25で構成する風向に追従するヨー機構は全く同様である。
【0019】
図10は強風時のダウンウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の状態である。支柱28は弓なりに大きくしなって強風を逃がし、風力発電装置全体が破損するのを防いでいる。なお図示していないが回転数制御や出力制御をしているときは図9と図10の中間の支柱の撓みであることは容易に解る。
【0020】
図11はアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え撓まない支柱に取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。支柱がほとんど撓まない従来から使われている支柱39、44を使用し、支線42がよく撓むもの、ないしは伸びない支線40a、40a、40b、40b引張ばね41、41などを用いたときの一実施例を表す。作動は前記の図2に準ずる。この例は支柱39と支柱44に分かれて伸縮式に形成し、持ち運ぶ長さが短くなるようにしている。支柱全体の長さはバンド43によって長さが自由に調節できる。この伸縮式の支柱はこれまで述べてきた撓み易い支柱28にも適用可能で、つなぐ本数は何段でもかまわない。また、撓み易い支柱28と伸び易い支線との組合せでも本発明は成り立つ。図11は伸びない支線40a、40a,40b、40bと引張ばね41、41で支線を形成しているが、点線で示す支線42を伸び縮みする線で作ることも可能である。実用的には撓み易い支柱28と伸び縮みする支線42の組合せで本発明を実施することが経済的に得策となろう。
【0021】
図12はアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え、固定台45に支線のない撓む支柱47aに取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。支柱の下部を堅固なもので固定し支線を使わない形式である。固定台45を使わず、支柱47aを長くして地上に埋め込み、自立型支柱とし支線を使わないようにしても同様の作用をする。また、図13は支柱46は撓まないものを使用し、一部のみより撓みやすい支柱47bを入れたものであるが、前記図12と同様の作動をする。
【0024】
図16はアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え、支柱が長い場合の風力発電装置の実施例を示す側面図である。支柱62が長い場合、2箇所以上の分配金具31、65から支線63、63、64、64を張った場合を示す一実施例である。
【0025】
図17は風がやや強くなった時のアップウインド型側方偏向式水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す斜視図である。風車羽根5、発電機67、尾翼70および戻しばね69を備え、風車回転軸66を支柱の風向きに追従するヨー装置につながる支柱の中心67と偏心させた図18に示すアップウインド型側方偏向式の水平軸風車型風力発電機において、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構として支柱28の全体または一部を撓み易くし、その弾性を利用するとともに支柱28を支える支線33、33の持つ弾性も併用するか、もしくは支柱28または支線33、33のどちらかの弾性のみを利用する軽量風力発電装置の一実施例である。従来の側方偏向式は、風向が偏向する方向に変化し、同時に強くなった場合には制御が困難であった。強風が偏向しようとする方向に急に変化して吹くと、逃げがなくて風力発電装置の弱い箇所が破損する場合がある。その点、図17に示すものは、強風になったとき、まず支柱28や支線33、33が撓み、風車羽根5の回転面を上に向け受風面積を減らし、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構として作用し応答性が良い。
【0026】
なお、この発明の発電機を油圧ポンプなどに置き換え、風のエネルギーを油圧エネルギーに変換したり、直接水をかくはんして風のエネルギーを熱エネルギーに変換することも可能である。
【0027】
【発明の効果】
【0028】
本発明は以上に説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【0029】
簡単な構造で風力発電機の回転数制御、出力制御および強風時の風逃がしをすることができる。従来のような戻しばねやカウンターウエイトが不要になり軽量化できる。
【0030】
風力発電機本体とともに、これを支える支柱や支線も大幅に軽量化できる。
【0031】
運搬、据え付けおよび撤去が容易である。
【0032】
従来の支柱には剛性が要求されていたので、その材料は金属材料や鉄筋コンクリートなどに限られていた。しかし、本発明では支柱の「撓み」を大きくとる必要があるので、「撓み」が大きなFRPやプラスチック材料も使用でき、材料選択の幅が広がる。
【0034】
支線も伸び易い材料でも使用可能となり、材料選択の幅が大きくなる。
【0035】
風力発電機の回転による振動がしなやかな支柱や支線の使用で、据え付けられた地上や建物に伝わり難くなり、防振効果がある。
【0037】
側方偏向式に適用すると、強風が偏向しようとする方向に急に変化して吹くと、まず支柱や支線が撓み、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構として作用し応答性が良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】微風時のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図2】図1のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機の主要部の説明をするための拡大部分断面図である。
【図3】図2のA-Aに沿った支点軸回りの実施例を示す断面図である。
【図4】図2のB矢視図で風力発電機主要部の実施例を示す背面図である。
【図5】風がやや強くなった時のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図6】強風時のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図7】微風時の支点を持たないアップウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図8】強風時の支点を持たないアップウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図9】微風時のダウンウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図10】強風時のダウンウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図11】アップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え、撓まない支柱に取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図12】アップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え、支線のない撓む支柱に取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図13】支線のない支柱の部分を示す実施例である。
【図14】発電機が下部にあるアップウインド型の水平軸風車を備え、支柱に取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図15】発電機が下部にあるダウンウインド型の水平軸風車を備え、支柱に取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図16】アップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え、支柱が長い場合の風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図17】風がやや強くなった時のアップウインド型側方偏向式水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す斜視図である。
【図18】微風時の従来の側方偏向式アップウインド型水平軸風車型風力発電機の実施例を示す上面図である。
【図19】やや強い風の時の従来の側方偏向式アップウインド型水平軸風車型風力発電機の上面図である。
【図20】従来の上方偏向式アップウインド型水平軸風車型風力発電機を示す側面図である。
【図21】ばねやカウンターウエイトを持たない、従来の上方偏向式アップウインド型水平軸風車型風力発電機の側面図である。
【図22】従来のダウンウインド型水平軸風車型風力発電機の側面図である。
【符号の説明】
2、66 風車回転軸
5 風車羽根
10、68 発電機
13、70 尾翼
17、29 ストッパー
18 支点軸
22 ヨーチューブ
28、39、44、46、47a、47b、62 支柱
31、53、65 分配金具
33、40a、40b、42、63、64、 支線
34 アンカーボルト
35 支持板
38、61 風向安定板
45 固定台
Claims (2)
- 風車羽根、発電機、尾翼、風向きに追従するヨー装置を備え、無風時に垂直となる支柱に取り付けたアップウインド型水平軸風車型風力発電機において、該支柱は回転数制御、出力制御および強風時の風逃し機構たるべく全体または一部弓なりに撓む弾性を有しかつ該支柱には支線を併設して強風時に該支柱または支線の弾性を機能させるべく構成したことを特徴とする軽量風力発電装置。
- 風車羽根、発電機、風向きに追従するヨー装置を備え、無風時に垂直となる支柱に取り付けたダウンウインド型水平軸風車型風力発電機において、該支柱は回転数制御、出力制御および強風時の風逃し機構たるべく全体または一部弓なりに撓む弾性を有しかつ該支柱には支線を併設して強風時に該支柱または支線の弾性を機能させるべく構成したことを特徴とする軽量風力発電装置。
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