JP4970838B2 - 小型風力発電機用の風車 - Google Patents

Description

本発明は、風速や風向の変動に対して優れた応答機動性を有すると共に、安全かつ静かで、優れた過回転防止性を有する小型風力発電機用の風車に関する。

従来、小型風力発電機用の風車は、木製や繊維強化プラスティック等の硬質材料で形成された羽根を有していた。しかしながら、回転中の風車の羽根に破壊が生じると、羽根の破片が周囲に飛散して衝突した際に、２次被害が発生する可能性が高かった。また、風車の羽根の回転速度が速くなると、風切り音が大きくなり騒音問題が発生していた。さらに、風車の羽根の重量が重いために、風が吹き始めてから風車の羽根が回転を開始するまでの応答時間が長くかかり、機動性に劣るという問題も存在していた。

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、風車の回転中に羽根に破壊が発生して羽根の破片が周囲に飛散した場合においても２次被害の発生を抑えることができ、また、回転中の騒音が小さく、風速や風向の変動に対して敏感に応答する機動性にも優れた小型風力発電機用の風車を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る小型風力発電機用の風車は、風力を回転力に変換する複数の羽根を備えた小型風力発電機用の風車であって、複数の羽根の各々が、風を受けて回転力を発生する羽根本体と、該羽根本体に固定されて該羽根本体を風車の回転軸に取り付ける羽根取付け部材とから構成され、羽根本体が、多孔性柔軟材料のみによって形成されており、風力を受けて風車が回転を開始すると遠心力によって所定の形状を保持し、風速が速くなって風から受ける力が増加して遠心力に勝ると、変形して風の下流側に曲がることにより風車の回転速度を抑制することを特徴とする。

多孔性柔軟材料は、軽く、変形し易く、かつ、振動を吸収し易いといった機械的特性を有している。従って、多孔性柔軟材料を使用することにより、風車の羽根部分を軽量化でき、風速や風向等の変動に対して敏感に応答する機動性を向上させることが可能となる。また、回転中の羽根が破壊して羽根の破片が飛散した場合に、破片が軽く軟らかいため、飛散した羽根の破片が周囲に衝突しても２次被害の発生が少なくなる。

ところで、風車の風切り音は、羽根の後縁側にカルマン渦と呼ばれる空気の渦が規則的に発生し、カルマン渦による圧力変動で羽根が振動することによって発生する。本発明に係る風車においては、羽根が多孔性柔軟材料で形成されているので、渦が発生する際の圧力変動で羽根が振動しても、振動のエネルギーが直ちに羽根本体に吸収されて減衰してしまう。その結果、羽根の振動が持続しないので、連続した風切り音が発生し難い。このような特性を有する多孔性柔軟材料としては、例えば、発泡ポリプロピレン樹脂があり、その特性としては、発泡倍率が５〜１５倍、見掛け密度が０．０８〜０．２ｇ／ｃｍ^３、ＳＲＩＳ（日本ゴム協会標準規格）０１０１スプリング硬さ試験器による硬度が２５〜７０度である。

本発明に係る小型風力発電機用の風車において、多孔性柔軟材料は、非塩素系の多孔性合成樹脂であることが好ましい。非塩素系の多孔性合成樹脂を使用する場合には、型に多孔性合成樹脂を注入することによって、複雑な形状の羽根を容易に成形することが可能となる。また、非塩素系であるために、使用済みの羽根の焼却処理を行っても、ダイオキシンが発生しない。従って、羽根が廃棄された場合でも、処理が容易であり環境汚染が起こらない。

本発明に係る小型風力発電機用の風車において、羽根取付け部材は、羽根本体中に内設されて該羽根本体を支持する支持部と、該支持部の一端側に設けられ羽根本体を回転軸に固定する固定部とを有していることが好ましい。羽根が回転を始めると、回転に伴って羽根本体に遠心力が発生する。この遠心力のために、羽根本体内に引張応力が発生し、多孔性柔軟材料で形成されている羽根本体が支持部により内側からのみ支持されていても、回転中に所定の形状を保持することができる。

また、風速が速くなって風車の回転速度が速くなり、羽根本体が風から受ける力が増加して遠心力に勝ると、羽根本体は容易に変形して風の下流側に曲がり、風を受ける羽根本体の有効面積が減少する。また、支持部が設けられていない羽根本体の先端部においては、風の流れの方向と羽根本体とがなす角度が増加する（羽根が風の方向に対して立ってくる）。その結果として、風車の回転数（出力）が抑えられる。従って、この風車は、回転数に応じて羽根本体の形状を変形させることによって、過回転が発生しないように自己制御することが可能である。

本発明によれば、風速や風向の変動に対する応答機動性に優れ、安全で静かな風車を提供することが可能となる。また、非塩素系の多孔性合成樹脂を多孔性柔軟材料として用いる場合には、羽根本体の製作及び廃棄物の処理にかかるコストを低減することができる。さらに、羽根取付け部材を、羽根本体中に内設されて羽根本体を支持する支持部と、支持部の一端側に設けられ羽根本体を回転軸に固定する固定部とによって構成する場合には、回転中に羽根本体が徐々に変形することによって風車の過回転を防止して、定格運転を維持すると共に、風力発電機の破壊を防止することが可能となる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１の（ａ）は、本発明の一実施形態に係る小型風力発電機用の風車を適用した小型風力発電機の概念構造を表す側面図であり、図１の（ｂ）は、同小型風力発電機の概念構造を表す部分正断面図である。また、図２の（ａ）は、本発明の一実施形態に係る小型風力発電機用の風車の羽根の各部位における側断面図であり、図２の（ｂ）は、同風車の羽根の平面図であり、図２の（ｃ）は、同風車の羽根の正面図である。

図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の一実施形態に係る小型風力発電機用の風車１１を適用した小型風力発電機１０は、風力を回転力に変換する風車１１と、風車１１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する交流式発電部１２とを有している。以下、これらについて詳細に説明する。

風車１１は、風力を回転力に変換する例えば３枚の羽根１３と、各羽根１３が取り付けられ各羽根１３によって発生した回転力を回転エネルギーに変換して蓄積するフライホイール（風力発電機の軸に風車を固定する円板）１９と、フライホイール１９に設けられた風車１１の回転軸１４とを有している。

また、羽根１３は、風を受けて回転力が発生する羽根本体１５と、羽根本体１５を風車１１の回転軸１４が設けられているフライホイール１９に取り付ける羽根取付け部材１６とを有している。さらに、羽根取付け部材１６は、各羽根本体１５に内設されて羽根本体１５を内側から支持する支持部１７（図２参照）と、支持部１７の一端側に設けられた固定部１８とを有している。

このようにして、羽根本体１５は、固定部１８によって、フライホイール１９に固定される。以上の構成により、羽根本体１５は、フライホイール１９を介して回転軸１４に取り付けられている。なお、回転軸１４は、フライホイール１９を貫通して設けられており、回転軸１４の先端には、例えば、雄ねじ部２０が形成され、雄ねじ部２０に螺合する雌ねじ部を有する、例えば、合成樹脂製の保護カバー２１が取り付けられている。

図２の（ａ）〜（ｃ）に示すように、羽根本体１５は、断面が翼形の形状を有しており、羽根本体１５の寸法は、例えば、長さが５００ｍｍ〜７００ｍｍであり、幅が１１０ｍｍ〜１５０ｍｍであり、厚さは最大で１５ｍｍ〜２０ｍｍである。

また、図２の（ａ）に示すように、羽根本体１５の基端側は風の流れに対する立ち上がり角度が大きく、先端側に向かうにつれて徐々に減少し、先端で風の流れに対する立ち上がり角度が最小となっている。このため、羽根本体１５を複数の部分に分解して、各部分を多孔性柔軟材料の一例である非塩素系の多孔性合成樹脂、例えば、発泡ポリプロピレン樹脂により形成し、これらの部品を組み合わせて羽根本体１５の製造を行う。

例えば、羽根本体１５の一方面側の外形と他方面側の外形とがそれぞれ内側に転写された各羽根本体１５側の型枠と、内設される支持部１７の一方面側の外形と他方面側の外形とがそれぞれ外側に転写された各支持部１７側の型枠を作製し、それぞれ対応する型枠同士を組み合わせて各成形型を構成する。

次に、各成形型内に、例えば発泡ポリプロピレン樹脂を注入して固化させ、各型枠を脱形することによって各部品を得ることができる。このようにして得られた羽根本体１５の一方面側の部品と他方面側の部品とを張り合わせることによって、羽根本体１５が形成される。なお、成形用の各外型及び各内型は、羽根本体１５及び支持部１７の外形形状を表す３次元座標値を入力したマシニングセンタ等の３次元加工機を用いることによって、型素材から削り出して製作することができる。

羽根本体１５中に内設されて羽根本体１５を内側から支持する支持部１７と、支持部１７の一端側に設けられた固定部１８とは、例えば、厚さが３ｍｍ〜５ｍｍであるアルミニウム合金の板を加工して一体的に作製される。羽根本体１５に内設される支持部１７は、羽根本体１５の形状が基端側から先端側に向けて徐々に変化しているので、この形状変化に合わせて作製される。

また、固定部１８には、フライホイール１９に固定するための複数のボルト挿通孔２２が設けられる。支持部１７を芯にして発泡ポリプロピレン樹脂で形成された羽根本体１５の各部品を、例えば、エポキシ樹脂接着剤により張り合わせることによって、支持部１７を内設する羽根本体１５を形成し、羽根本体１５の一端側にフライホイール１９に取り付けられる羽根取付け部材１６の固定部１８を備えた羽根１３を構成することができる。

従って、羽根１３に設けられた羽根取付け部材１６の固定部１８を、フライホイール１９に設けられた一対の押さえ板２３間にそれぞれ配置し、ボルトで固定することによって、各羽根１３をフライホイール１９に固定することができる。これによって、風力を受けて各羽根１３に発生した回転力をフライホイール１９に伝達して回転エネルギーとして蓄積し、風車１１の回転軸１４を回転させることができる。

交流式発電部１２は、風車１１の回転軸１４が接続されている入力軸（図示されていない）を有する交流式発電機２４と、交流式発電機２４を設置する設置台２５とを有している。また、交流式発電機２４を設置する設置台２５は、ベアリング２６を介して、支持柱２７によって支持されている。支持柱２７は、例えば、長さが１５ｍ〜２０ｍであり、交流式発電機２４で発電された電力を取り出す出力ケーブルを内蔵している。また、交流式発電部１２及び支持柱２７の上部側は、支持柱２７との間に隙間を有する、例えば、合成樹脂製の保護カバー２８で覆われている。

以上のような構成によって、風車１１の回転が回転軸１４を介して交流式発電機２４に伝達されて発電が行われ、さらに、発生した電力が、出力ケーブルを経由して蓄電設備（図示されていない）に入力される。また、支持柱２７と交流式発電機２４の設置台２５とはベアリング２６を介して接続されているので、風車１１と交流式発電部１２は、風向が変化すると風向に追従して一体的に方向を自由に変化させることができるので、風車１１の各羽根１３は、常に効率的に回転するようになっている。

次に、本発明の一実施形態に係る小型風力発電機用の風車１１の動作について詳細に説明する。
設置された小型風力発電機１０に風が吹くと、羽根１３が風力を受けて風車１１が回転を開始する。風車１１は、風向に対して羽根１３から効率的に回転駆動力が得られるように、その方向を変化させる。羽根１３の回転速度が増加するに従って、羽根本体１５に働く遠心力が増大する。この遠心力によって、羽根本体１５の形状保持性が向上し、羽根本体１５が発泡ポリプロピレン樹脂で形成されていても、羽根本体１５の形状を保持することができる。なお、風車１１の羽根１３が３枚であって、風車１１の直径が１．５ｍである場合には、例えば、風速が３．５ｍ／秒以上で発電が開始される。

風車１１の回転速度が増大するにつれて、回転中の羽根本体１５の後縁側にカルマン渦が発生し、この渦が羽根本体１５から剥離する際に圧力変動が生じることによって、羽根本体１５の後縁側が振動する。しかしながら、羽根本体１５が発泡ポリプロピレン樹脂で形成されているため、羽根本体１５の後縁側が振動しても、この振動のエネルギーは、羽根本体１５を形成している発泡ポリプロピレン樹脂に直ちに吸収されて減衰する。従って、羽根本体１５の後縁側の振動が持続しないので、風切り音は連続して発生しない。このため、回転中の風車１１からの騒音を非常に小さくすることができる。

風速がさらに速くなると、風車１１の回転速度は大きくなり、同時に、羽根本体１５に働く風の力も増大する。羽根本体１５が発泡ポリプロピレン樹脂で形成されているので、羽根本体１５に作用する風の力が増大すると、回転の遠心力による羽根本体１５の形状保持性よりも、風の力による変形性が上回り、羽根本体１５は容易に変形して風の下流側に曲がり、風を受ける羽根本体１５の有効面積が減少する。また、支持部１７が設けられていない羽根本体１５の先端部においては、風の流れの方向と羽根本体１５とがなす角度が増加して（直角に近くなり）、羽根本体１５が風の方向に対して立ってくる。このため、風車１１の回転速度が抑えられる。従って、風車１１は、風速が大きく変動しても過回転速度とならずに、常に定格風速前後の定格回転速度付近において回転することができる。例えば、風車１１の羽根１３が３枚であり、風車１１の直径が１．５ｍである場合に、定格風速は９ｍ／秒となり、定格出力は２００Ｗとなる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態においては、非塩素系の多孔性合成樹脂として発泡ポリプロピレン樹脂を使用したが、その他に、発泡エチレン樹脂、又は、スポンジ状の合成ゴムを使用することも可能である。また、上記の実施形態においては、羽根の枚数を３枚としたが、羽根の枚数を２枚、又は、４枚以上としても良い。

本発明は、小型風力発電機用の風車において利用することが可能である。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係る小型風力発電機用の風車を適用した小型風力発電機の概念構造を示す側面図であり、（ｂ）は、同小型風力発電機の概念構造を示す部分正断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る小型風力発電機用の風車の羽根の各部位における側断面図であり、（ｂ）は、同風車の羽根の平面図であり、（ｃ）は、同風車の羽根の正面図である。

符号の説明

１０ 小型風力発電機
１１ 風車
１２ 交流式発電部
１３ 羽根
１４ 回転軸
１５ 羽根本体
１６ 羽根取付け部材
１７ 支持部
１８ 固定部
１９ フライホイール
２０ 雄ねじ部
２１ 保護カバー
２２ ボルト挿通孔
２３ 押さえ板
２４ 交流式発電機
２５ 設置台
２６ ベアリング
２７ 支持柱
２８ 保護カバー

Claims (3)

1. 風力を回転力に変換する複数の羽根を備えた小型風力発電機用の風車であって、
   前記複数の羽根の各々が、風を受けて回転力を発生する羽根本体と、該羽根本体に固定されて該羽根本体を前記風車の回転軸に取り付ける羽根取付け部材とから構成され、
   前記羽根本体が、多孔性柔軟材料のみによって形成されており、風力を受けて前記風車が回転を開始すると遠心力によって所定の形状を保持し、風速が速くなって風から受ける力が増加して遠心力に勝ると、変形して風の下流側に曲がることにより前記風車の回転速度を抑制することを特徴とする小型風力発電機用の風車。
2. 前記多孔性柔軟材料が、発泡倍率が５〜１５倍であり、見掛け密度が０．０８〜０．２ｇ／ｃｍ^３であり、ＳＲＩＳ（日本ゴム協会標準規格）０１０１スプリング硬さ試験器による硬度が２５〜７０度である非塩素系の多孔性合成樹脂であることを特徴とする請求項１記載の小型風力発電機用の風車。
3. 前記羽根取付け部材が、
   前記羽根本体中に内設されて該羽根本体を支持する支持部と、
   該支持部の一端側に設けられ前記羽根本体を前記回転軸に固定する固定部と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２記載の小型風力発電機用の風車。

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