JP4366427B2

JP4366427B2 - 縦軸型の風力発電装置

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Publication number: JP4366427B2
Application number: JP2008012849A
Authority: JP
Inventors: 健花村; 順也花村
Original assignee: MECHATECH LIMITED COMPANY
Current assignee: MECHATECH LIMITED COMPANY
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: JP2009174390A; WO2009093696A1

Description

本発明は、揚力を発生させる翼側部の表面積を変化させることができる回転翼を備えた縦軸型の風力発電装置に関するものである。

現在、発電装置としては、主として原子力発電装置、火力発電装置及び水力発電装置が用いられている。しかし、原子力発電装置には処理が困難な放射性廃棄物が発生するといった問題があり、火力発電装置には地球温暖化の一因である二酸化炭素を排出するといった問題がある。また、水力発電装置には周囲の自然環境及び生活環境を損なうといった問題ある。そこで、近年、このような問題が何ら発生せず、環境に優しい風力発電装置が普及しつつある。

風力発電装置としては、従来、発電機を駆動する回転軸が水平方向に伸びるように配置され、この回転軸にロータブレードないしはプロペラが取り付けられた水平軸型の風力発電装置が多く用いられている。しかし、水平軸型の風力発電装置では、風のエネルギの利用率を高めるために、ロータブレードが常に風上を向くよう、風向の変化に追従してナセルを旋回させなければならないので、その構造ないしは制御機構が複雑化するといった問題がある。

かくして、近年、発電機を駆動する回転軸を鉛直方向に伸びるように配置し、この回転軸にロータブレードないしは回転翼を取り付け、風向の影響を受けないようにした縦軸型の風力発電装置が注目されている。そして、このような縦軸型の風力発電装置としては、風の抗力によりロータブレードを回転させる縦軸型の風力発電装置（抗力型風力発電装置）、例えばサボニウス型風力発電装置などが知られている。しかし、このような抗力型の風力発電装置では、基本的には周速比を１より大きくすることができないので、風のエネルギの利用率をさほど高くすることはできない。

そこで、風に起因して翼側部に発生する揚力により回転する回転翼を設け、この回転翼により回転軸を回転させるようにした縦軸型の風力発電装置（揚力型風力発電装置）が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。このような揚力型の風力発電装置では、周速比を１より大きくすることができるので（例えば、２〜３）、風のエネルギの利用率を非常に高くすることができるといった利点がある。
特開２００４−１０８３３０号公報（段落［００１９］、図６）特開２００７−１４６８５１号公報（段落［００４５］、図２）

しかしながら、揚力により回転する回転翼を用いた従来の縦軸型の風力発電装置では、風の速度がとくに高いとき（例えば、台風の接近時）には、回転翼ないし回転軸の回転速度が過上昇し、回転軸の支持機構あるいは発電機に支障ないしは損傷が生じるおそれがある。このため、従来のこの種の縦軸型の風力発電装置では、風の速度がとくに高いときには運転を停止しなければならないといった問題がある。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、風の速度にかかわりなく稼働させることができる、揚力により回転する回転翼を用いた縦軸型の風力発電装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る縦軸型の風力発電装置は、軸中心線が鉛直方向に伸びるように配置され該軸中心線のまわりに回転（自転）することができる回転軸と、回転軸に取り付けられ風に起因して翼側部（翼側面）に発生する揚力により上記回転軸に回転力を付与する回転翼と、回転軸によって回転駆動される発電機とを備えている。この風力発電装置は、揚力を発生させる回転翼の翼側部の表面積を風速に応じて変化させることができるようになっている。

さらに、上記風力発電装置においては、回転翼は、翼側部を形成し渦巻状（ないしは筒状）に曲がる変形が可能なシート部材と、シート部材を翼側部に対応する形状となるように保持するシート部材保持具と、シート部材を水平方向に移動するように巻き取り又は繰り出す（ないしは巻き戻す）ことができるシート部材移動機構とを備えていて、シート部材を巻き取り又は繰り出すことにより翼側部の表面積を変化させるようになっている。

この場合、シート部材移動機構は、中心線が鉛直方向に伸びるように配置され該中心線のまわりに回転してシート部材を巻き取るシート部材巻取装置と、中心線が鉛直方向に伸びるように配置され該中心線のまわりに回転してシート部材に連結されたロープをシート部材の巻き取り方向と逆方向に巻き取ることによりシート部材をシート部材巻取装置から引き出すロープ巻取具とを備えているのが、より好ましい。

本発明に係る風力発電装置においては、シート部材が回転軸の半径方向にみて外側に面する（対向する）第１シート部材と内側に面する（対向する）第２シート部材とで構成され、シート部材巻取装置が、第１シート部材と第２シート部材とを（同時に）巻き取る一方、ロープ巻取具が、第１シート部材に連結されたロープと第２シート部材に連結されたロープとを（同時に）巻き取るようになっていてもよい。

本発明に係る風力発電装置においては、シート部材巻取装置が、第１シート部材を巻き取る第１シート部材巻取具と第２シート部材を巻き取る第２シート部材巻取具とで構成され、第１シート部材巻取具と第２シート部材巻取具とが互いに係合（噛合）して同時に逆方向に回転するようになっている一方、ロープ巻取具が、第１シート部材に連結されたロープを巻き取る第１ロープ巻取部材と第２シート部材に連結されたロープを巻き取る第２ロープ巻取部材とを有しているのが好ましい。

本発明に係る風力発電装置においては、シート部材として、例えば、帆布（セール）、
フレキシブルで巻き取りが可能な金属シート等を用いることができる。

本発明に係る風力発電装置によれば、風の速度に応じて翼側部の表面積を変化させ、回転翼で発生する揚力を調節ないしは制御することができる。例えば、風の速度が非常に高いときには、翼側部の表面積を小さくし、回転翼で発生する揚力の過上昇を抑制して回転翼ないし回転軸の回転速度が過度に上昇するのを防止することができる。したがって、風速にかかわりなく、例えば台風の接近時でも支障なく風力発電装置を稼働させることができる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を具体的に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る、揚力により回転する回転翼を用いた縦軸型の風力発電装置の概略構造を模式的に示している。

図１に示すように、縦軸型の風力発電装置１においては、回転軸２が、その軸中心線Ｌがほぼ鉛直方向（風と垂直な方向）に伸びるように配置されている。回転軸２は、地面に固定された回転軸支持機構（図示せず）によって、軸中心線Ｌのまわりに回転（自転）自在に支持されている。

そして、回転軸２には、４つの回転翼３が、それぞれ、複数の回転翼支持アーム４を介して、回転軸２まわりに等角度間隔（９０°）で取り付けられている。ただし、回転翼３の数は、これより少なくてもよく（例えば、１つ、２つ、３つ）、また多くてもよい（例えば、５つ、６つ……）。また、回転軸２の下端部は、増速機構（図示せず）を介して、発電機５のロータないしは回転子（図示せず）に連結されている。発電機５の非可動部分（例えば、ステータないしは固定子、ハウジング等）は、固定具（図示せず）により地面に固定されている。

なお、図１中の各回転翼３については、シート状部材で形成され風により揚力が生じる翼側部６（翼側面）の部分のみを示し、該回転翼３を構成するその他の要素は図示を省略している。図１から明らかなとおり、各回転翼３の翼側部６は、飛行機の主翼とほぼ同様のないしは類似の流線型の形状に形成されている。

この風力発電装置１においては、ほぼ水平方向に流れる風により、回転翼３の翼側部６に、回転軸２の半径方向にみておおむね外向きに作用する揚力が生じる。そして、回転翼３に生じた揚力の回転軸回転方向の分力が、回転軸２を矢印Ａで示す方向（上側からみて時計回り方向）に回転させる。その結果、回転軸２と回転翼３とは、軸中心線Ｌのまわりに、矢印Ａで示す方向に一体的に回転（自転）する。

この回転軸２の回転力は、増速機構を介して、発電機５の回転子を、回転軸２よりも高速で回転させ、これにより発電機５で電力が生成される。この電力は、配電系統（図示せず）を介して、所定の電力供給先に供給され、又は特定の電気装置（例えば、水の電気分解装置ないしは水素製造装置）に供給される。なお、回転軸２と回転翼３とは、風の向きに関係なく、矢印Ａで示す方向に回転する。

ところで、風力発電装置１においては、回転翼３に生じる揚力が大きければ大きいほど、回転軸２に付与される回転力ひいては回転軸２の回転速度が大きくなる。また、風速が大きければ大きいほど、また、翼側部３ａの表面積が大きければ大きいほど、回転翼３に生じる揚力が大きくなる。そこで、この風力発電装置１では、風速に応じて翼側部６の表面積を変えることにより、各回転翼３に生じる揚力ひいては回転軸２の回転速度を調整ないしは制御し、風速にかかわりなく、例えば強風時ないしは暴風時でも支障なく風力発電装置１を稼働させることができるようになっている。

以下、風力発電装置１の回転翼３の翼側部６の表面積を変えるための機構を具体的に説明する。
図２及び図３に示すように、各回転翼３は、それぞれ、翼側部６を構成するフレキシブルな（渦巻状に曲がる変形が可能な）帆布を用いた第１シート部材７及び第２シート部材８と、第１、第２シート部材７、８を翼側部６の形状に対応する流線型の形状となるように保持するシート部材保持具９とを備えている。ここで、回転軸２の半径方向（すなわち、回転翼支持アーム４の伸びる方向）にみて第１シート部材７は外側に面し、第２シート部材８は内側に面している。

シート部材保持具９は、所定の間隔をあけて上下に配列された平面視では実質的に同一の形状を有する複数（例えば７つ）の保持プレート１０を備えている。各保持プレート１０は軽量で剛性の高いアルミニウム合金で形成され、該保持プレート１０には軽量化を図るために複数の穴部１０ａが形成されている。ただし、穴部１０ａは省略してもよい。また、保持プレート１０を設けずに、第１、第２シート部材７、８を、ヨットのセール支持機構と同様の支持機構で保持するようにしてもよい。

なお、以下では、便宜上、平面視で回転翼３の長手方向（図２及び図３中では左右方向）にみて、第１シート部材７と第２シート部材８とが係合する側（図２及び図３中では右側）を「前」といい、これと反対側を「後」ということにする。

各回転翼３の前端部近傍には、それぞれ、その中心線が鉛直方向に伸びるように配置され、該中心線のまわりに回転（自転）することができる第１シート部材巻取具１１及び第２シート部材巻取具１２が設けられている。第１、第２シート部材巻取具１１、１２は、それぞれ、シート部材保持具９（保持プレート１０）によって時計回り方向及び反時計回り方向に回転可能に支持されている。第１シート部材巻取具１１は、第１シート部材７を渦巻き状に巻き取り又は繰り出す（巻き戻す）ことができ、第２シート部材巻取具１２は第２シート部材８を渦巻き状に巻き取り又は繰り出すことができる。

ここで、第１シート部材巻取具１１に設けられた比較的小径の（歯数が少ない）歯車１３と、第２シート部材巻取具１２に設けられた比較的大径の（歯数が多い）歯車１４とが互いに噛み合っている。したがって、第１、第２シート部材巻取具１１、１２は、同時に互いに逆方向に回転し、それぞれ第１、第２シート部材７、８を同時に巻き取り、又は同時に繰り出す（巻き戻す）ようになっている。第１、第２シート部材７、８は、巻き取られ又は繰り出されるときには、水平方向に移動する。第１シート部材巻取具１１は、回転翼３に内蔵されたモータによって駆動される。このモータは、例えば風力発電装置１に搭載されたコンピュータ等で制御することができる。なお、第２シート部材巻取具１２は、歯車１３、１４を介して、第１シート部材巻取具１１によって駆動される。

ここで、上側からみて、第１シート部材巻取具１１が時計回り方向に回転し、第２シート部材巻取具１２が反時計回り方向に回転したときには、第１、第２シート部材巻取具１１、１２は、ぞれぞれ、第１、第２シート部材７、８を巻き取る。このとき、第１、第２シート部材７、８は、平面視でシート部材保持具９（保持プレート１０）の外周に沿ってたるみないしはしわを生じさせることなく水平方向に移動し、翼側部６の表面積を減少させる。

なお、第１シート部材巻取具１１では歯車１３が小径でありかつシート巻き取り径が大きく、他方第２シート部材巻取具１２では歯車１４が大径でありかつシート巻き取り径が小さいので、第１シート部材７の巻き取り速度（ないしは巻き取り長さ）は、第２シート部材８の巻き取り速度（ないしは巻き取り長さ）よりも大きい。第１シート部材７と第２シート部材８との間の巻き取り速度（ないしは巻き取り長さ）の比は、例えば、第１、第２シート部材７、８が同一の減少率で露出面積が減少するように設定される。

さらに、各回転翼３の前端部近傍には、その中心線が鉛直方向に伸びるように配置され、該中心線のまわりに回転することができるロープ巻取具１５が設けられている。このロープ巻取具１５に付設されたプーリ１６と第１シート部材巻取具１１に付設されたプーリ１７とにベルト１８が巻き掛けられている。両プーリ１６、１７は同一径である。したがって、ロープ巻取具１５と第１シート部材巻取具１１とは、同時に同一の回転速度で同一方向に回転する。

また、ロープ巻取具１５は、第１シート部材７に連結された第１ロープ２０を巻き取る第１ロープ巻取部材２１と上記第２シート部材８に連結された第２ロープ２２を巻き取る第２ロープ巻取部材２３とを有している。なお、後で説明するように、第１シート部材７には、上下方向にみて各保持プレート１０と対応する位置に、それぞれ第１ロープ２０が連結されている（図４（ａ）参照）。

また、ロープ巻取具１５には、上下方向にみて各保持プレート１０と対応する位置に、それぞれ第１、第２ロープ巻取部材２１、２３が設けられている。ここで、各第１ロープ２０は、シート部材保持具９に固定され、該第１ロープ２０に対応する各第１アイドルプール２５によってその移動方向がほぼ反転させられる。また、第２ロープ２２は、シート部材保持具９に固定された、該第２ロープ２０に対応する各第２アイドルプール２６によってその移動方向がほぼ反転させられる。

そして、ロープ巻取具１５は、上側からみて反時計回り方向に回転したときには、各第１ロープ２０を各第１ロープ巻取部材２１に巻き取って第１シート部材７を第１シート部材巻取具１１から引き出すとともに、各第２ロープ２２を各第２ロープ巻取部材２３に巻き取って第２シート部材８を第２シート部材巻取具１２から引き出す。このとき、第１、第２シート部材巻取具１１、１２は、それぞれ、第１、第２ロープ２０、２２と同一速度で第１、第２シート部材７、８を繰り出す。したがって、第１、第２シート部材７、８は、平面視でシート部材保持具９（保持プレート１０）の外周に沿って、たるみを生じさせることなく水平方向に移動し、翼側部６の表面積を増加させる。

図４（ａ）に示すように、各第１ロープ２０は、上下方向にみてシート部材保持具９の各保持プレート１０と対応する位置において、第１シート部材７の内側面に取付具２８を介して取り付けられている。そして、各第１ロープ２０は、それぞれ保持プレート１０内に形成された前後方向に伸びるロープ案内孔２９内に収容されている。ここで、各第１ロープ２０は、水平方向にみて第１シート部材７の全長にわたって取り付けられ、帆布を用いた第１シート部材７に形くずれないしはたるみが生じるのを防止するようにしている。

そして、各第１ロープ２０は、第１シート部材７の後端部からさらに後方に伸び、第１アイドルプール２５によりその伸びる方向がほぼ反転させられ、ロープ巻取具１５の第１ロープ巻取部材２１に巻き掛けられている。なお、図示していないが、第２シート部材８及び第２ロープ２２も、実質的には、第１シート部材７及び第１ロープ２０と同様の構造である。

以下、風力発電装置１における、翼側部６の表面積の調整方法ないしは制御方法を説明する。
図５（ａ）は、通常状態、すなわち翼側部６の表面積を最大にしても回転軸２の回転数が過上昇しない状態（例えば、風速２０ｍ／秒未満）における回転翼３の状態を示している。通常状態では、翼側部６の表面積を最大にして、該翼側部６に生じる揚力を最大限に大きくし、回転軸２の回転速度を可及的に高めて、発電機５の発電量を多くするようにしている。この場合、ロープ巻取具１５は第１、第２ロープ２０、２２を最大限に巻き取って第１、第２シート部材７、８を最大限後方に引き出し、したがって第１、第２シート部材巻取具１１、１２はそれぞれ第１、第２シート部材７、８を最大限に繰り出している（巻き戻している）。

図５（ｂ）は、強風状態（例えば、風速２５ｍ／秒）における回転翼３の状態を示している。通常状態よりも強風のときには、翼側部６の表面積を最大にすると回転軸２の回転数が過上昇するので、第１シート部材巻取具１１は第１シート部材７を風速に応じて巻き取り、第１シート部材７の水平方向の長さをｄ_１だけ短縮する。また、図示していないが、これと同時に、第２シート部材巻取具１２は第２シート部材８を巻き取り、第２シート部材８の水平方向の長さを短縮する。

かくして、翼側部６の表面積が減少し、回転翼３の揚力の上昇が抑制され、回転軸２の回転数の過上昇が防止される。なお、風の状態が強風状態から通常状態に復帰したときには、ロープ巻取具１５は、第１、第２ロープ２０、２２を巻き取って第１、第２シート部材７、８をそれぞれ第１、第２シート部材巻取具１１、１２から引き出し、回転翼３を図５（ａ）に示す状態に復帰させる。

図５（ｃ）は、さらに風が強くなった状態（例えば、風速３０ｍ／秒）における回転翼３の状態を示している。この場合、第１シート部材巻取具１１は第１シート部材７をさらに多く巻き取り、第１シート部材７の水平方向の長さをｄ_２（＞ｄ_１）だけ短縮する。また、図示していないが、これと同時に、第２シート部材巻取具１２は第２シート部材８を巻き取り、第２シート部材８の水平方向の長さを短縮する。これにより、翼側部６の表面積がより大きく減少し、回転翼３の揚力の上昇が抑制され、回転軸２の回転数の過上昇が防止される。本願発明者の知見によれば、本発明に係る風力発電装置１は、例えば風速６０ｍ／秒の暴風状態においても、支障なく運転することができるものと予測される。

なお、このように翼側部６の表面積を、強風時に風速に応じて連続的に変化させるのではなく、翼側部６の表面積を風速に応じて段階的に切り替えるようにしてもよい。かくして、本発明の実施の形態に係る風力発電装置１によれば、風速に応じて、翼側部６の表面積を変化させ、回転翼３で発生する揚力を調節することができるので、風速にかかわりなく、例えば台風時でも支障なく風力発電装置１を稼働させることができる。

前記の実施の形態では、第１シート部材７、８の材料に帆布を用いているが、第１シート部材７、８の材料は帆布に限定されるものではなく、渦巻状（ないしは筒状）に曲がる変形が可能な材料であればどのような材料を用いてもよい。例えば、第１、第２シート部材７、８の材料に、厚さが薄いフレキシブルなステンレススチールシートを用いてもよい。なお、ステンレススチールシートは形くずれないしはたるみが生じないので、第１、第２ロープ２０、２２を、水平方向にみて第１、第２シート部材７、８の全長にわたって取り付ける必要はない。すなわち、第１、第２ロープ２０、２２は、それぞれ、第１、第２シート部材７、８の後端部に連結するだけでよい。

このように、第１、第２シート部材７、８としてステンレススチールシートを用い、第１、第２ロープ２０、２２をそれぞれ第１、第２シート部材７、８の後端部に連結する場合は、図４（ｂ）に示すように、第１、第２シート部材７、８の上端部及び下端部をガイドレール部材３１でガイドするとともに、中間部では押さえ部材３２で第１、第２シート部材７、８の外側への膨出を防止するようにすればよい。

本発明の実施の形態に係る風力発電装置の概略構造を模式的に示す斜視図である。図１に示す風力発電装置を構成する回転翼の平面図である。図２に示す回転翼の側面断面図である。（ａ）は図２に示す回転翼の上部の模式的な側面断面図であり、（ｂ）はシート部材の材料にステンレススチールシートを用いた回転翼の上部の模式的な側面断面図である。（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、通常状態、強風状態及び暴風状態における回転翼の翼側部の状態を示す模式的な斜視図である。

符号の説明

１風力発電装置、２回転軸、３回転翼、４回転翼支持アーム、５発電機、６翼側部、７第１シート部材、８第２シート部材、９シート部材保持具、１０保持プレート、１０ａ穴部、１１第１シート部材巻取具、１２第２シート部材巻取具、１３歯車、１４歯車、１５ロープ巻取具、１６プーリ、１７プーリ、１８ベルト、２０第１ロープ、２１第１ロープ巻取部材、２２第２ロープ、２３第１ロープ巻取部材、２５第１アイドルプーリ、２６第２アイドルプーリ、２８取付具、２９ロープ案内孔、３０ガイドレール、３１押さえ部材。

Claims

軸中心線が鉛直方向に伸びるように配置され、該軸中心線のまわりに回転することができる回転軸と、
上記回転軸に取り付けられ、風に起因して翼側部に発生する揚力により上記回転軸に回転力を付与する回転翼と、
上記回転軸によって回転駆動される発電機とを備えている縦軸型の風力発電装置であって、
揚力を発生させる上記回転翼の翼側部の表面積を風速に応じて変化させることができるようになっていて、
上記回転翼は、上記翼側部を形成し渦巻状に曲がる変形が可能なシート部材と、上記シート部材を上記翼側部に対応する形状となるように保持するシート部材保持具と、上記シート部材を水平方向に移動するように巻き取り又は繰り出すことができるシート部材移動機構とを備えていて、上記シート部材を巻き取り又は繰り出すことにより上記翼側部の表面積を変化させるようになっていることを特徴とする風力発電装置。
上記シート部材移動機構が、
中心線が鉛直方向に伸びるように配置され、該中心線のまわりに回転して上記シート部材を巻き取るシート部材巻取装置と、
中心線が鉛直方向に伸びるように配置され、該中心線のまわりに回転して、上記シート部材に連結されたロープを上記シート部材の巻き取り方向と逆方向に巻き取ることにより、上記シート部材をシート部材巻取装置から引き出すロープ巻取具とを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電装置。
上記シート部材が、上記回転軸の半径方向にみて外側に面する第１シート部材と内側に面する第２シート部材とで構成されていて、
上記シート部材巻取装置が、上記第１シート部材と上記第２シート部材とを巻き取る一方、上記ロープ巻取具が、上記第１シート部材に連結されたロープと上記第２シート部材に連結されたロープとを巻き取るようになっていることを特徴とする、請求項２に記載の風力発電装置。
上記シート部材巻取装置が、第１シート部材を巻き取る第１シート部材巻取具と、第２シート部材を巻き取る第２シート部材巻取具とで構成され、第１シート部材巻取具と第２シート部材巻取具とが互いに係合して同時に逆方向に回転するようになっている一方、
上記ロープ巻取具が、上記第１シート部材に連結されたロープを巻き取る第１ロープ巻取部材と上記第２シート部材に連結されたロープを巻き取る第２ロープ巻取部材とを有していることを特徴とする、請求項３に記載の風力発電装置。
上記シート部材が帆布を用いて形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の風力発電装置。
上記シート部材が金属シートを用いて形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の風力発電装置。