JP4760366B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、回転運動エネルギーを用いて発電を行なう風力発電装置に関する。

従来、風力発電装置については、様々な風力発電装置が研究開発されている。例えば、特許文献１には、微風時の回転力を向上させるため回転軸の小径化と強風時の破損、風圧、振動、屈曲方向負荷等を充分吸収できる風力発電装置について開示されている。

特許文献１記載の風力発電装置によれば、全体の形を球状ドームにし、そのドーム全体を支持する外ドームと、風受け翼を回転する内ドームの２重とし、回転する内ドームの回転軸の直径を細く加工し、軸受ダブルラジアルベアリングを設けるとともに、遠心力による回転力の抑止制御を図り、微風による回転軸の回転性能を大幅にアップしている。又強風時の風圧、振動、に対ししても充分対処し得る構造とすることにより、全体の支持主柱には太陽光モジュールを設置し、無風時にも、この太陽光発電と風力発電の出力を集合して、電力を得るようにしている。
特開２００３−２２７４５４号公報

しかしながら、特許文献１記載の風力発電装置のみならず、従来の風力発電装置においては、風力発電装置の設置時におけるシャフトの歪または撓みまで考慮されていない。そのため、風力発電装置の設置時に生じる歪または撓みを残した状態で運転を開始するか、または歪または撓みを除去するために再び風力発電装置の設置を調整するために多大な時間がかかっていた。

本発明の目的は、設置時におけるシャフトの歪または撓みによって風車の回転効率を低減させることなく、効率よく発電を行なうことができる風力発電装置を提供することである。

課題を解決するための手段および効果

（１）
第１の発明に係る風力発電装置は、自然界に存在する風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、回転運動エネルギーを用いて発電を行なう風力発電装置であって、風力エネルギーを前記回転運動エネルギーに変換するための複数の風車および鉛直方向に沿って立設されるとともに複数の風車が鉛直方向に沿って直列に積層するように配設されたシャフトを有する直線翼垂直軸形風車と、直線翼垂直軸形風車を支持するための櫓部材と、シャフトの上端部、下端部、上端部および下端部以外における少なくとも１箇所の中間部の各部において櫓部材との間を支持するために配設され、シャフトが上端部、中部、下端部の各部において所定量傾斜してもシャフトの軸を回転可能に支持する上段支持部材、中段支持部材および下段支持部材とを含むものである。

第１の発明に係る風力発電装置においては、風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換する直線翼垂直軸形風車がシャフトおよび複数の風車により構成される。複数の風車は、鉛直に設けられたシャフトに沿って積層して配設される。また、このシャフトと櫓部材との間に設けられる各支持部材が、複数の風車の上端部、複数の風車の下端部、上端部および下端部以外における少なくとも１箇所の中間部の各部において配設される。各支持部材は、シャフトが所定量傾斜した場合でもシャフトを回転可能に支持することができる。

この場合、各支持部材の働きにより風力発電装置のフレームの組み立て精度が低い場合でも、長手方向を有するシャフトの回転ロス（回転摩擦力）を低減させることができる。また、長手方向を有するシャフトに沿って複数の風車を配設させているため、複数の風車に強風が付与された場合、長手方向を有するシャフトに撓みが発生し、シャフトが所定量傾斜する状況が生じる。所定量傾斜してもシャフトを回転可能に支持する支持部材により、このシャフトの撓み等による影響が低減されるので、発電効率を高めることができ、同時に機構部の寿命も長くすることができる。

（２）
上段支持部材および中段支持部材のうち少なくともいずれか一方は、シャフトを保持する第１の保持部と、櫓部材に固設された第２の保持部と、第２の保持部の内周面と第１の保持部の外周面との間に設けられた摺動部とを含んでもよい。

この場合、第１の保持部によりシャフトが保持され、第２の保持部が櫓部材に固設される。第１の保持部と第２の保持部との間に摺動部が設けられることにより、シャフトが風車設置時において、鉛直方向と誤差のある状態でも、シャフトの回転ロス（回転摩擦）の低減を計ることができる。

例えば、シャフトが撓むような場合でも、撓んだシャフトの傾斜分を摺動部により吸収することができるので、シャフトの回転に影響を与えることがない。その結果、風車が受けた風力エネルギーを回転運動に変換し、効率よく発電を行なうことができる。

（３）
上段支持部材および中段支持部材のうち少なくともいずれか一方は、ピローブロックからなってもよい。

この場合、シャフトの撓みが生じた場合でもピローブロックの特徴である傾斜吸収機能により、シャフトの撓みによる回転ロス（回転摩擦）を削減することができる。

（４）
下段支持部材は、ラジアルベアリングおよびスラストベアリングと、櫓部材に水平方向に摺動可能な水平摺動部とを含んでもよい。

この場合、スラストベアリングの機能である支持機能により、シャフト自身の重量を下方に設けられた発電機に付与することなく、下段支持部材により支持することができる。それにより発電機にシャフトの重さによる負荷を与えることがなく、効率のよい発電を行なうことができる。

また、シャフトの撓みが傾斜する状態のみならず、水平方向に移動する状態になっても、水平摺動部により誤差を吸収することができる。具体的に水平摺動部は、ゴムプレート、自動調芯ベアリング、スプリング、油圧ダンパー等のすべてまたはいずれかひとつを含んでもよい。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。まず、本発明に係る風力発電装置の一例として、風力発電装置５００に本発明を適用した場合について説明する。

（一実施の形態）

図１は、風力発電装置５００の一例を示す模式的側面図である。

図１に示すように風力発電装置５００は、主に発電装置１００、主柱２００、保持板２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ、複数の翼形状の羽根を有する風車３００、風車支持パイプ３２０、風車保持パイプ３１０およびシャフト４００、上段支持機構６１０ａ、中段支持機構６１０ｂ、中段支持機構６１０ｃからなる。

図１に示す風力発電装置５００は、主柱２００が４隅に設けられ、その上端部に保持板２１０ａが設けられ、その下方に保持板２１０ｂが設けられる。さらにその下方に、保持板２１０ｃが設けられる。

主柱２００等により構成された櫓内の中心にシャフト４００が垂直に設けられる。シャフト４００の上端部は、主柱２００の上端部に設けられた保持板２１０ａに供えられた上段支持機構６１０ａにより支持される。またシャフト４００の中部は、保持板２１０ｂに設けられた中段支持機構６１０ｂにより支持される。さらに、シャフト４００の下部は、保持板２１０ｃに設けられた下段支持部材６０ｃにより支持される。そして、シャフト４００の下端部には、風力発電装置１００が設けられている。この上段支持機構６１０ａ，中段支持機構６１０ｂおよび下段支持機構６１０ｃの詳細については後述する。

この主柱２００、保持板２１０ａ，２１０ｂに囲まれた空間内に、シャフト４００に沿って１個の風車３００が設けられ、主柱２００、保持板２１０ｂ，２１０ｃに囲まれた空間内に、シャフト４００に沿って１個の風車３００が設けられる。

この風車３００は、翼形状の羽根が１段毎に４枚ずつ設けられ、それぞれ水平方向に９０度毎にずらして設けられる。そして、この翼形状の羽根が２本の支持パイプ３１０および２本の保持パイプ３２０によりシャフト４００に固定される。このようにシャフト４００に設けられた風車３００およびシャフト４００を併せて、直線翼垂直型風車と呼ばれる。

なお、図示していないが、２本の支持パイプ３１０および２本の保持パイプ３２０と、シャフト４００との間に接続部材を設けてもよい。また、翼形状の羽根が１段に４枚ずつ設けられることとしたが、これに限定されず、１枚、２枚、３枚、５枚、または他の任意の数を設けてもよい。

この風力発電装置５００は、翼形状の羽根により風力エネルギーを享受し、羽根に揚力が生じて時計回りに回転する。翼形状の羽根を有する風車３００が時計回りに回転することにより、２本の支持パイプ３１０および２本の保持パイプ３２０を介してシャフト４００が時計回りに回転する。

次に、図２は、上段支持機構６１０ａおよび／または中段支持機構６１０ｂの一例を示す模式的拡大図である。

図２に示す上段支持機構６１０ａおよび／または中段支持機構６１０ｂ（以下、上段支持機構６１０ａの場合について説明する。）は、ピローブロックと呼ばれる構造部材である。

この上段支持機構６１０ａは、軸受６２１、内輪６２２、外輪６２３、鋼球６２４およびシール６２５を含む。

軸受６２１の内部（孔空間）に、外輪６２３が収納され、外輪６２３の内周面に複数の鋼球６２４が設けられ、複数の鋼球６２４の内周に内輪６２２が設けられる。この外輪６２３と内輪６２２との間の複数の鋼球６２４を包囲するように、シール６２５が設けられる。

この上段支持機構６１０ａの軸受６２１が、保持板２１０ａに固設される。また、シャフト４００が上段支持機構６１０ａの内輪６２２を貫通して保持される。この内輪６２２には、シャフト４００を保持するための止めネジ（図示せず）が設けられる。それにより、内輪６２２とシャフト４００との空転を防止できる。さらに外輪６２３の一部にグリス供給口（図示せず）が設けられる。グリスまたは潤滑油をグリス供給口から鋼球６２４の周囲に供給することにより、摺動を円滑に行なわせることができる。それにより、分解等を必要とせずにメンテナンスを行なうことができる。

シャフト４００が軸を中心に回転した場合、内輪６２２が鋼球６２４により円滑に回転可能に保持される。また、軸受６２１の内部が、外輪６２３の外側と曲面で形成されているため、シャフト４００が傾斜した場合でも、内輪６２２、外輪６２３、鋼球６２４およびシール６２５が軸受６２１に対して曲面により傾斜できるので、シャフト４００の傾斜、偏角に対応することができる。

次に、図３は、下段支持機構６１０ｃの一例を示す模式的拡大図である。

図３に示す上段支持機構６１０ｃは、ラジアルベアリング６３０およびスラストベアリング６３１を含む構造部材６３５と、それらの構造部材６３５の下部にゴムプレート６３２とを設けたものである。

ラジアルベアリング６３０は、シャフト４００を内輪６３０ａで支持し、その内輪６３０ａと外輪６３０ｂとが、鋼球６３０ｃを介して滑り運動を行なう軸受であり、スラストベアリング６３１は、輪６３１ａによりシャフト４００の段差部分４００ａを下方から上方に向けて支持し、輪６３１ｂとの間に設けられた鋼球６３１ｃを介して滑り運動を行なう軸受である。

ラジアルベアリング６３０によりシャフト４００の軸を中心とした回転運動が円滑に支持され、スラストベアリング６３１によりシャフト４００の自重が支持される。すなわち、スラストベアリング６３１によりシャフト４００の段差部分を支持することにより、下段支持機構６１０ｃよりも上部のシャフト４００の自重が支持される。

また、構造部材６３５の下面にゴムプレート６３２が配されるので、構造部材６３５に設けられたラジアルベアリング６３０およびスラストベアリング６３１がシャフト４００の水平方向の移動に伴って移動した場合でも、ゴムプレート６３２の弾性力により水平方向の移動を吸収することができる。

以上のように、本発明に係る風力発電装置５００においては、保持板２１０ａおよび保持板２１０ｂに上段支持機構６１０ａ、中段支持機構６１０ｂが設けられ、保持板２１０ｃに下段支持機構６１０ｃが設けられるので、設置時にシャフト４００が傾斜して取り付けられたとしても、その傾斜を内輪６３０ａ、外輪６３０ｂ、鋼球６３０ｃ，６３１ｃ、輪６３１ａ，６３１ｂ等により吸収することができ、また、下段支持機構６１０ｃの働きによりシャフト４００の段差部分４００ａから上方向においてシャフト４００の重量を支持することができる。

その結果、風車発電装置５００自体の回転ロスを低減することができ、また、風力発電装置５００の設置に余裕の幅を持たせることができる。また、風力発電装置５００の機構部にシャフト４００の自重等の不要な負荷がかからないため、機構部の寿命を延ばすことができる。

さらに、長手方向を有するシャフト４００に沿って複数の風車３００を配設させているため、強風時においても長手方向を有するシャフト４００に撓みが発生し、シャフト４００が所定量傾斜する状況（偏角）が生じる。このような状況下において、所定量傾斜したシャフト４００を回転可能に支持する上段支持機構６１０ａ、中段支持機構６１０ｂおよび下段支持機構６１０ｃにより、このシャフト４００の撓み等による影響が低減されるので、発電効率を高めることができ、同時に機構部の寿命も長くすることができる。

また、シャフト４００が傾斜する状態のみならず、水平方向に移動する場合でも、ゴムプレート６３２等により水平移動量を吸収することができる。なお、ゴムプレート６３２の代わりに、自動調芯ベアリング、スプリング、油圧ダンパー等のすべてまたはいずれかを用いてもよい。

上記一実施の形態においては、風力発電装置５００が風力発電装置に相当し、主柱２００、保持板２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃが櫓部材に相当し、風車３００が風車に相当し、複数の風車３００が直線翼垂直軸形風車に相当し、シャフト４００がシャフトに相当し、保持板２１０ａがシャフトの上端部に相当し、保持板２１０ｂがシャフトの中部に相当し、保持板２１０ｃがシャフトの下端部に相当し、上段支持機構６１０ａが上段支持部材に相当し、中段支持機構６１０ｂが中段支持部材に相当し、下段支持機構６１０ｃが下段支持部材に相当し、内輪６２２が第１の保持部に相当し、軸受６２１が第２の保持部に相当し、外輪６２３、鋼球６２４、シール６２５が摺動部に相当し、上段支持機構６１０ａがピローブロックに相当し、ラジアルベアリング６３０がラジアルベアリングに相当し、スラストベアリング６３１がスラストベアリングに相当し、ゴムプレート６３２が水平摺動部に相当する。

本発明は、上記の好ましい一実施の形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

風力発電装置の一例を示す模式的側面図 上段支持機構および／または中段支持機構の一例を示す模式的拡大図 下段支持機構の一例を示す模式的拡大図

符号の説明

２００ 主柱
２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ 保持板
３００ 風車
４００ シャフト
５００ 風力発電装置
６１０ａ 上段支持機構
６１０ｂ 中段支持機構
６１０ｃ 下段支持機構
６２１ 軸受
６２２ 内輪
６２３ 外輪
６２４ 鋼球
６２５ シール
６３０ ラジアルベアリング
６３１ スラストベアリング
６３２ ゴムプレート

Claims (4)

1. 自然界に存在する風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、前記回転運動エネルギーを用いて発電を行なう風力発電装置であって、
   前記風力エネルギーを前記回転運動エネルギーに変換するための複数の風車および鉛直方向に沿って立設されるとともに前記複数の風車が鉛直方向に沿って直列に積層するように配設されたシャフトを有する直線翼垂直軸形風車と、
   前記直線翼垂直軸形風車を支持するための櫓部材と、
   前記シャフトの上端部、下端部、上端部および下端部以外における少なくとも１箇所の中間部の各部において前記櫓部材に対して前記シャフトを支持するために配設され、前記シャフトの上端部、中間部、下端部の各部において前記シャフトが所定量傾斜しても回転可能に支持する上段支持部材、中段支持部材および下段支持部材とを含むことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記上段支持部材および中段支持部材のうち少なくともいずれか一方は、
   前記シャフトを保持する第１の保持部と、
   前記櫓部材に固設された第２の保持部と、
   前記第２の保持部の内周面と前記第１の保持部の外周面との間に設けられた摺動部とを含むことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 前記上段支持部材および中段支持部材のうち少なくともいずれか一方は、
   ピローブロックからなることを特徴とする請求項１または２記載の風力発電装置。
4. 前記下段支持部材は、
   ラジアルベアリングおよびスラストベアリングと、
   前記櫓部材に水平方向に摺動可能な水平摺動部とを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。

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