JP4269040B2 - 風力発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電装置に係り、特に、捻ったブレードを用いた風車を備えた風力発電装置に関する。
風力発電装置に使用される一般的な風車においては、ブレードと呼ばれる複数の翼が、必要とされる電力を発電できるサイズで備えられているが、一般的な風車であると、風向きに対するブレードのサイズが大きくなるので設置個所が限られてしまう。ここで、捻ったブレードを使用すれば、風力を効率的に回転力として作用させることができるので、一般的な風車よりも風向きに対するサイズが小型でありながら、一般的な風車と同程度の回転数を見込める風車が開発されている。(例えば非特許文献1,2参照)。
小島,「ねじれ円弧翼型水平軸風車の開発」,太陽エネルギー,日本太陽エネルギー学会,1996年5月,第22巻,第3号,p.25−31 小島,岸村,「ねじれ円弧翼型水平軸風車に関する研究」,太陽エネルギー,日本太陽エネルギー学会,1997年9月,第23巻,第5号,p.70−76
しかしながら、上記の捻ったブレードを用いた風車においては、好適な回転速度を得るためにブレードのねじれ角度を所定の値に設定しなければならないが、風車の組立時に作業者がねじれ角度を逐一調節しながら、風車の回転軸にブレードを取り付けなければならず、組立に非常に時間がかかってしまうのが現状であった。
また、上記の捻ったブレードを用いた風車を効率的に回転させるためには、風向きが回転軸方向に沿う風であることが好ましいが、従来の風力発電装置にそのまま設置してしまうと、回転軸方向に沿う風を得にくく、結果として風車が効率的に回転することは困難であった。
本発明の課題は、ブレードを取り付けやすくして組立作業の簡便化を図ることである。また、微弱な風であっても効率的に風車を回転させて発電能力を高めることである。
請求項1記載の発明は、
複数のブレードが回転軸に対して湾曲するように取り付けられた風車と、
前記風車の回転軸に連結されて、前記風車の動力が伝達され発電する発電機と、
前記ブレードに向けて風を案内する流路を形成するように、前記回転軸の軸方向に沿って前記風車を覆うカバーとを備え、
前記風車は、
前記ブレードを前記回転軸に固定するために、前記回転軸に所定の間隔をあけて固定される一対の固定具を備え、
前記一対の固定具のうち、一方の固定具には、前記ブレードの一端部が固定されるとともに他方の固定具には、前記ブレードの他端部が固定され、
前記一対の固定具には、前記ブレードが所定のねじれ角度で固定されるように前記ねじれ角度と同角度に傾き、前記ブレードの一端部及び他端部に接触するねじれ面が、前記ブレードの個数に対応して形成されていることを特徴としている。
請求項1記載の発明によれば、ねじれ角度と同角度に傾いたねじれ面が一対の固定具に形成されているので、風車の組立時においては、ねじれ面にブレードの端部を密着させるだけで、ブレードを所定のねじれ角度で捻らせて回転軸に取り付けることができる。つまり、ねじれ角度を調節する手間を省くことで、ブレードを取り付けやすくでき、組立作業を簡便化することができる。
また、上述の捻ったブレードを有する風車は一般的な風車よりも風向きに対するサイズが小型であっても同一の回転数を得ることができるので、風力発電装置自体を小型化することが可能になる。一般的に、標高が高くなればそれに比例して風力も増加するが、請求項1記載の発明であれば、従来の一般的な風車を用いて発電を行う場合よりも低い位置で同程度の発電が可能となる。したがって、従来の一般的な風車を使用した風力発電装置よりも設置個所を低くすることや設置面積も少なくすることができ、結果として設置時における安全性を高めることができる。
また、風車がカバーによって覆われているので、人が回転に巻き込まれることを防止することができる。また、カバーによって風は軸方向に沿って案内されるために、風車を効率的に回転させて、発電能力を高めることができる。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の風力発電装置において、
前記回転軸が垂直方向に沿うように配置されていることを特徴としている。
ここで、捻ったブレードを有する風車では、回転軸がブレードの外形よりも長くなっている。このため、回転軸が水平方向に沿うように配置された風車よりも、垂直方向に沿うように配置された風車の方が、水平面に投影された面積が小さくなり、設置面積を削減しやすい。したがって、請求項2記載の発明のように、回転軸が垂直方向に沿うように配置されていれば、設置面積を小さくすることが可能になる。
請求項3記載の風力発電装置は、請求項1記載の風力発電装置において、
前記カバー及び前記風車を、前記回転軸が水平方向に沿うように回転自在に支持する支持部を備えることを特徴としている。
請求項3記載の発明によれば、支持部がカバー及び風車を回転自在に支持しているので、風向きが変化してもそれに応じて風車及びカバーの向きを変化させることができる。
請求項4記載の発明は、請求項1記載の風力発電装置において、
前記発電機の駆動軸には、前記風車の回転を増速する増速機が設けられていることを特徴としている。
請求項4記載の発明によれば、発電機の駆動軸には、前記風車の回転を増速する増速機が設けられているので、効率のよい発電が可能となる。
請求項5記載の発明は、請求項1記載の風力発電装置において、
前記風車の回転軸と前記発電機の駆動軸とを連結する回転継手を備え、
前記回転継手は、
軸方向に伸縮する中空な伸縮部と、
前記伸縮部の一端面に設けられて、前記駆動軸の先端部が前記伸縮部内部に位置するように前記駆動軸を回転自在に支持するベース部と、
前記伸縮部の他端面に設けられて、前記回転軸の回転に連動して回転しながら、当該回転を前記伸縮部に伝達するとともに、前記ベース部に支持された前記駆動軸の先端部に着脱自在な連結部とを備え、
前記伸縮部は、前記回転軸から前記連動部を介して伝達された回転に連動して回転すると、当該回転による遠心力によって収縮し、
前記連結部は、前記伸縮部の変形に連動して前記ベース部に対して相対的に移動し、前記伸縮部の縮み量が所定量以上である場合には前記駆動軸の先端部と連結状態にあり、前記伸縮部の縮み量が所定量未満である場合には前記駆動軸の先端部と非連結状態であることを特徴としている。
請求項5記載の発明によれば、伸縮部の縮み量が所定量以上である場合には連結部が駆動軸の先端部と連結状態にあって、所定量未満である場合には連結部が駆動軸の先端部と非連結状態であるので、風車の回転軸と発電機の駆動軸とを連結したり、その連結を解除したりすることができる。つまり、非連結状態のときは、回転開始時の負荷が低減されており、微弱な風であっても風車を回転させることができる。そして、回転軸の回転数が高まって、伸縮部を所定量以上縮ませると、連結部と駆動軸とが連結されて負荷が加わってしまうものの、このときには回転による慣性力が作用しているために、スムーズに駆動軸を回転させることができる。したがって、微弱な風力であっても発電が可能となる。
請求項6記載の発明は、請求項5記載の風力発電装置において、
前記回転軸における前記ブレードの上方若しくは下方には、前記ブレードに向けて風を導くガイド部材が回転自在に設けられ、
前記カバーにおける前記ガイド部材に対向する部分には、前記カバー内部に風を進入させる開口が、前記回転軸の周方向に沿って複数形成されていることを特徴としている。
請求項6記載の発明によれば、回転軸の周方向に沿って複数の開口がカバーに形成されているので、回転軸が垂直方向に沿うようにカバー及び風車を配置した場合であっても、如何なる風向きの風をカバー内部に進入させることができる。そして、ガイド部材が回転自在であるために、カバー内部に進入した風によって方向転換されて、常に風をブレードに向けて導くことができる。
本発明によれば、風車の組立時においては、ねじれ面にブレードの端部を密着させるだけで、ブレードを所定のねじれ角度で捻らせて回転軸に取り付けることができる。つまり、ねじれ角度を調節する手間を省くことで、ブレードを取り付けやすくでき、組立作業を簡便化することができる。このように、風車の組立作業が簡便化されれば、この風車が設置される風力発電装置の組立作業をも簡便化することが可能となり、簡便なため安価となる。
また、回転軸の軸方向に沿って風を案内することと、微弱な風においても風車が回転することによって、効率的に風車が回転し、発電能力を高めることができる。
本実施形態の風力発電装置について図1〜図6を参照にして説明する。図1は、風力発電装置2を表す正面図である。
風力発電装置2には、円柱形状の基台21が備えられている。基台21の内部には、発電機22と、発電機22によって発電された電力を蓄える蓄電池23と、蓄電池23に蓄えられた電力を各駆動部に供給して、各駆動部の動作を制御する制御装置24とが格納されている。基台21の上方には風車5が配置されているとともに、基台21の上面中央には発電機22の駆動軸221が上方に向けて突出している。この駆動軸221には、風車5の動力を発電機22に伝達するための回転継手223が増速機222を介して接続されている。このように、風車5の回転を増速する増速機222が設けられているので発電の効率化を図ることができる。
図2は風車5の概略構成を表す説明図であり、図2(a)は側面図、図2(b)は上面図である。図2に示すように、風車5には、回転継手223に連結される回転軸51と、回転軸51に所定の間隔をあけて固定される一対の固定具52a,52bと、一対の固定具52a,52bのうち、一方の固定具52aに一端部が固定されるとともに他方の固定具52bに他端部が固定されて、回転軸51に対して湾曲するように取り付けられる複数の板状のブレード53とが設けられている。
図3は固定具52a,52bの概略構成を表す説明図であり、図3(a)は上面図、図2(b)は側面図である。図3に示すように、固定具52a,52bの中央には回転軸51が貫通されて固定される貫通孔521が形成されている。そして、固定具52a,52bの貫通孔521の周囲には、貫通孔521の軸方向に対して所定の角度αで傾いたねじれ面522が、ブレード53の枚数に対応して複数形成されている。このねじれ面522にブレード53の端部を接触させれば、図2に示すように好適なねじれ角でブレード53がねじれるようになっている。そして、ねじれ面522に設けられているネジ孔523と、ブレード53の端部に設けられている孔とを合わせてネジ止めすれば、固定具52a,52bにブレード53を好適なねじれ角で固定できるようになっている。
なお、ブレード53のねじれ角は、一対の固定具52a,52bの間隔や、ブレード53の枚数、形状、サイズ等により最適な値が変化するため、予め設計時に種々のシミュレーションや実験等を行って最適なねじれ角度を求めることが必要である。そして、この導き出された最適なねじれ角度に対応するようにねじれ面522の角度αも設定しておかなければならない。
回転継手223は、風車5の回転軸51の回転数が所定値未満の場合には発電機22の駆動軸221と回転軸51との連結を解除し、回転軸51の回転数が所定値以上の場合には駆動軸221と回転軸51とを連結するようになっている。図4は回転継手223を表す横断面図(a)及び縦断面図(b)であり、この図4に示すように回転継手223には、軸方向に伸縮する中空の伸縮部93が設けられており、この伸縮部93は、所定の負荷が付与されることで縮み、当該負荷が除かれれば伸びて初期状態に戻るようになっている。伸縮部93の外周には、4つの錘94が固定されている。伸縮部93の下端面(一端面)には、ベアリング91を内蔵したベース部92が設けられている。ベース部92のベアリング91は、発電機22の駆動軸221の先端部が伸縮部93内部に位置するように、駆動軸221を回転自在に支持するようになっている。一方、伸縮部93の上端面(他端面)には、風車5の回転軸51の回転に連動して回転しながら、当該回転を伸縮部93に伝達するとともに、ベース部92に支持された駆動軸221の先端部に着脱自在な連結部95が設けられている。
連結部95には、伸縮部93の上面と接触して、回転軸51が回転自在に貫通される貫通部951が設けられている。貫通部951の下面には、伸縮部93の伸縮状態によって駆動軸221に対する着脱状態が変化する着脱部952が固定されている。伸縮部93の伸張時には、着脱部952はベース部92に対して相対的に離間するために、駆動軸221から外れるようになっている。一方、伸縮部93の収縮時には、着脱部952はベース部に対して近接し、駆動軸221と連結されるようになっている。ここで、伸縮部93の縮み量が所定量未満であれば、着脱部952と駆動軸221とは非連結状態であり、縮み量が所定量以上であれば、着脱部952と駆動軸221とが連結状態となっている。
また、着脱部952には、軸方向に延在する溝954が形成されている。着脱部952の内部には、貫通部951を貫通した回転軸51に固定される回転固定軸953が設けられている。回転固定軸953には、側方に延出するピン955が固定されており、このピン955は、着脱部952の溝954から突出して、伸縮部93に係合している。つまり、回転軸51の回転に伴って回転固定軸953が回転すると、その回転力はピン955を介して伸縮部93に伝達し、伸縮部93及び錘94も連動して回転するようになっている。そして、伸縮部93及び錘94の回転を基とした遠心力は、伸縮部93を外側へと変形させる力として作用しながらも、軸方向に収縮させるように作用する。ここで、着脱部952と駆動軸221とを連結させるには伸縮部93の縮み量が所定量以上なければならないので、少なくとも縮み量が所定量になるだけの遠心力を伸縮部93に与えなければならない。遠心力は回転軸51の回転数や、伸縮部93の重さ、錘94の重さ等によって変化するが、少なくとも回転軸51の回転数が約100rpm以上となった場合に、伸縮部93の縮み量が所定量になるように、伸縮部93や錘94の重さを設定することが好ましい。さらに、回転軸51の回転数は、風速に依存しているので、風速が約1.6m/s以上になった場合に、回転数が約100rpmを越えるように、ブレード53の枚数や、サイズ、形状等を設定しておくことが好ましい。
これら一連の動作によって、駆動軸221及び回転軸51とを連結したり、連結を解除したりできるようになっている。
回転軸51のブレード53の下方には、図1に示すように、ブレード53に向けて風を案内するガイド部材54が回転自在に設けられている。図5は図1におけるA−A断面を表す断面図であり、この図5に示すように、ガイド部材54には、回転軸51に回転自在に固定された円板形状の底板541と、底板541の半周縁から上方に向けて延出する案内板542と、案内板542の下面から下方に向けて延出する風向板543が設けられている。風向板543は、案内板542の中央と回転軸51とを結ぶ直線上に配置されているため、風向板543に風があたると、その風圧によって底板541が回転し、案内板542の内周面が風に対峙するようになっている。すなわち、ガイド部材54は、如何なる風向きの風であっても、その風向きに応じて回転し、風を底板541の上面及び案内板542内周面に沿わせながらブレード53に向けて風を案内するようになっている。
また、ブレード53の上方には、回転軸51の上端部を回転自在に支持する軸受け(図示省略)が設けられている。
基台21の上面周縁には、図1に示すように、回転軸51の軸方向に沿って風車5を覆うカバー6が円筒形状となるように配置されている。このカバー6におけるガイド部材54に対向する部分には、カバー6内部に風を進入させる開口61が、回転軸51の周方向に沿って複数形成されていて、如何なる風向きの風であってもカバー6内部に進入させることができるようになっている。このように、カバー6内部には、風が開口61から進入された後に、ブレード53に向けて案内されてから、上方から排出されるように風の流路が形成されている。
風力発電装置2の上方には、電光式の表示器3が設置されている。この表示器3は、カバー6の上端部に固定されていて、その内部にはカバー6を通過した風が上方に逃げるように上下方向に沿って空洞31が設けられている。この表示器3の外周面には、種々の表示を行う複数の電光パネル32が設けられている。電光パネル32は、制御装置24に電気的に接続されており、制御装置24によってその表示内容が制御されるようになっている。
表示器3上部周面には、太陽光により発電する複数のソーラパネル33が配置されている。このソーラパネル33は蓄電池23に接続されていて、ソーラパネル33により発電された電力は蓄電池23に蓄えられるようになっている。つまり、風力発電装置2とソーラパネル33とを併用しての発電が可能であるので、長期にわたって安定した発電が可能となる。
次に、本実施形態の作用について説明する。
先ず、風車5の組立手順について図2及び図3を参照に説明すると、作業者は、回転軸51を一対の固定具52a,52bの貫通孔521に貫通させて、一対の固定具52a,52bの間隔を所定間隔とした後に、一対の固定具52a,52bを回転軸51に取り付ける。固定具52a,52bが回転軸51に固定されると、作業者は、ブレード53の一端部を一方の固定具52aのねじれ面522に密着させてネジ止めした後に、ブレード53の他端部を一方の固定具52bのねじれ面522に密着させてネジ止めする。全てのブレード53に対して、上記行程を繰り返せば、図2に示すようにブレード53が所定のねじれ角度を有した状態で、回転軸51に固定されて、風車5が完成する。
次に、風力発電装置2の作用について図1を参照に説明すると、風が開口61から進入すると、その風向きに応じてガイド部材54が回転し、風をブレード53に向けて案内する。ブレード53に風が当たると、ブレード53及び回転軸51が回転する。ここで、回転軸51の回転数が約100rpmを下回っていると、伸縮部93の縮み量が所定量未満であるために、回転継手223が回転軸51と駆動軸221との連結を解除しているので、回転開始時の負荷を低減でき、弱い風力で風車5を回転させることができる。そして、回転軸51の回転数が約100rpmを上回ると、伸縮部93の縮み量が所定量以上になり、回転軸51と駆動軸221とが連結される。この連結時においては負荷が加わってしまうものの、回転による慣性力が作用しているために、スムーズに駆動軸221を回転させることができる。
駆動軸221が回転すれば発電機22が作動し発電が開始される。この発電によって得られた電力は、蓄電池23に供給されて蓄えられる。また、ソーラパネル33に太陽光が照射していれば、ソーラパネル33によって発電された電力が蓄電池23に供給されて蓄えられる。
表示器3は、蓄電池23に蓄えられた電力及び制御信号が制御装置24から供給されることで、種々の表示内容が電光パネル32に表示される。
以上のように、本実施形態の風力発電装置2によれば、風車として上述の捻ったブレード53を有する風車5を使用しているので、一般的な風車よりも風向きに対するサイズが小型であっても同一の回転数を得ることができ、風力発電装置2自体を小型化することが可能になる。一般的に、標高が高くなればそれに比例して風力も増加するが、本実施形態の風力発電装置2であれば、従来の一般的な風車を用いて発電を行う場合よりも低い位置で同程度の発電が可能となる。したがって、従来の一般的な風車を使用した風力発電装置よりも設置個所を低くすることや設置面積も少なくすることができ、結果として設置時における安全性を高めることができる。
さらに、風車5がカバー6によって覆われているので、人が回転に巻き込まれることを防止することができる。また、カバー6には風の流路が形成されているので、カバー6によって風が遮られることを防止できる。
そして、ブレード53自体はカバー6によって覆われており、さらには、ブレード53の両端部は一対の固定具52a,52bに固定されているので、台風などの強風下であっても、ブレード53が破損することを防止している。
また、風車5の固定具52a,52bには、ねじれ角度と同角度に傾いたねじれ面522が形成されているので、風車5の組立時においては、ねじれ面522にブレード53の端部を密着させるだけで、ブレード53を所定のねじれ角度で捻らせて回転軸51に取り付けることができる。つまり、ねじれ角度を調節する手間を省くことで、ブレード53を取り付けやすくでき、組立作業を簡便化することができる。このように、風車5を簡便に組み立てることができれば、風力発電装置2自体の組立作業の簡便化が可能となって、さらには簡便なため安価にもなる。
また、上述したように、回転軸51の軸方向に沿って風を案内することと、微弱な風においても風車が回転することによって、効率的に風車5が回転し、発電能力を高めることができる。
そして、捻ったブレード53を有する風車5では、回転軸51がブレード53の外形よりも長くなっている。このため、回転軸51が水平方向に沿うように配置された風車5よりも、垂直方向に沿うように配置された風車5の方が、水平面に投影された面積が小さくなり、設置面積を削減しやすい。したがって、本実施形態の風力発電装置2のように、回転軸51が垂直方向に沿うように配置されていれば、設置面積を小さくすることが可能になる。
なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、本実施形態では、回転軸51が垂直方向に沿った場合を例示して説明したが、回転軸51の傾きは如何様でもよく、例えば水平方向に沿った構成であっても構わない。以下に、回転軸51を水平方向に沿わせた場合について図6を参照に説明する。なお、以下の説明で上記実施形態における風力発電装置2と同一の部分においては同一符号を付してその説明を省略する。
風力発電装置2Aには、図6に示すように、回転軸51及び駆動軸221が水平方向に沿うように、風車5、回転継手223、増速機222及び発電機22が配置されている。そして、風力発電装置2Aには、これら風車5、回転継手223、増速機222及び発電機22を回転軸51の軸方向に沿って覆う円筒形状のカバー6Aが設けられている。
カバー6Aの内部には、風車5、回転継手223、増速機222及び発電機22を支持するフレーム(図示省略)が設けられている。カバー6Aの外側面一端には、複数の風向翼65が設けられている。
また、風力発電装置2Aには、例えば建築物等に固定されてカバー6Aを回転自在に支持する支持部8が設けられていて、風が風向翼65及びカバー6Aの外周面に当たった場合に、その風向きに応じて風車5、回転継手223、増速機222、発電機22及びカバー6Aが回転し、回転軸51が風向きに沿うことになる。これにより、如何なる風向きであっても、風は常にカバー6A内を通過してブレード53を回転させるようになっている。
本実施形態の風力発電装置を表す正面図である。 図1の風力発電装置に備わる風車を表す説明図である。 図2の風車に備わる固定具を表す説明図である。 図1の風力発電装置に備わる回転継手を表す正面図である。 図1におけるA−A断面を表す断面図である。 図1の風力発電装置の変形例を表す正面図である。
符号の説明
2 風力発電装置
3 表示器
5 風車
6 カバー
22 発電機
51 回転軸
52a,52b 固定具
53 ブレード
54 ガイド部材
61 開口
92 ベース部
93 伸縮部
95 連結部
221 駆動軸
222 増速機
223 回転継手
522 ねじれ面

Claims (6)

  1. 複数のブレードが回転軸に対して湾曲するように取り付けられた風車と、
    前記風車の回転軸に連結されて、前記風車の動力が伝達され発電する発電機と、
    前記ブレードに向けて風を案内する流路を形成するように、前記回転軸の軸方向に沿って前記風車を覆うカバーとを備え、
    前記風車は、
    前記ブレードを前記回転軸に固定するために、前記回転軸に所定の間隔をあけて固定される一対の固定具を備え、
    前記一対の固定具のうち、一方の固定具には、前記ブレードの一端部が固定されるとともに他方の固定具には、前記ブレードの他端部が固定され、
    前記一対の固定具には、前記ブレードが所定のねじれ角度で固定されるように前記ねじれ角度と同角度に傾き、前記ブレードの一端部及び他端部に接触するねじれ面が、前記ブレードの個数に対応して形成されていることを特徴とする風力発電装置。
  2. 請求項1記載の風力発電装置において、
    前記回転軸が垂直方向に沿うように配置されていることを特徴とする風力発電装置。
  3. 請求項1記載の風力発電装置において、
    前記カバー及び前記風車を、前記回転軸が水平方向に沿うように回転自在に支持する支持部を備えることを特徴とする風力発電装置。
  4. 請求項1記載の風力発電装置において、
    前記発電機の駆動軸には、前記風車の回転を増速する増速機が設けられていることを特徴とする風力発電装置。
  5. 請求項1記載の風力発電装置において、
    前記風車の回転軸と前記発電機の駆動軸とを連結する回転継手を備え、
    前記回転継手は、
    軸方向に伸縮する中空な伸縮部と、
    前記伸縮部の一端面に設けられて、前記駆動軸の先端部が前記伸縮部内部に位置するように前記駆動軸を回転自在に支持するベース部と、
    前記伸縮部の他端面に設けられて、前記回転軸の回転に連動して回転しながら、当該回転を前記伸縮部に伝達するとともに、前記ベース部に支持された前記駆動軸の先端部に着脱自在な連結部とを備え、
    前記伸縮部は、前記回転軸から前記連動部を介して伝達された回転に連動して回転すると、当該回転による遠心力によって収縮し、
    前記連結部は、前記伸縮部の変形に連動して前記ベース部に対して相対的に移動し、前記伸縮部の縮み量が所定量以上である場合には前記駆動軸の先端部と連結状態にあり、前記伸縮部の縮み量が所定量未満である場合には前記駆動軸の先端部と非連結状態であることを特徴とする風力発電装置。
  6. 請求項5記載の風力発電装置において、
    前記回転軸における前記ブレードの上方若しくは下方には、前記ブレードに向けて風を導くガイド部材が回転自在に設けられ、
    前記カバーにおける前記ガイド部材に対向する部分には、前記カバー内部に風を進入させる開口が、前記回転軸の周方向に沿って複数形成されていることを特徴とする風力発電装置。
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