JP5066988B2

JP5066988B2 - 風力発電装置

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Publication number: JP5066988B2
Application number: JP2007105187A
Authority: JP
Inventors: 明塩崎; 健嗣篠原; 利夫三木; 克好中野; 勉新谷; 英朗守屋
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-04-12
Also published as: JP2008261288A

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、自然エネルギーを運動エネルギーに変換する装置として、太陽光発電装置、火力発電装置、水力発電装置および風力発電装置等が開発されている。

例えば、特許文献１には、発電設備について開示されている。この特許文献１記載の発電装置においては、回転軸に風車部が複数段に配置された直線翼型風車装置を設け、これら各風車部で周方向一定間隔毎に回転軸と平行に配置される複数の直線翼の上端部および下端部が互いに平行な水平ガイド板を介して支持されるとともに、各風車部の回転方向が上下で異なるように直線翼を配置し、水平ガイド板の外周部複数位置に起動時に風を受けて直線翼を回転させる複数の受圧翼を有する自己起動装置を設けている。

それにより、構造が簡単で起動が容易で効率がよい発電装置を提供するという目的を達成することができる。

また、特許文献２には、小型風力発電装置について開示されている。この特許文献２記載の小型風力発電装置においては、風車本体の直線翼型風車に風力の小さい時に駆動トルクを発生する自己起動用のロビンソン型受風板を設けている。

それにより、構造が簡単で高層ビルや高層マンションなどビル風が多発する場所で最適で家庭用等に適した小型発電装置を提供するという目的を達成することができる。

また、特許文献３には、小型風力発電装置について開示されている。この特許文献３記載の小型風力発電装置においては、発電機に連結連動された回転軸に取り付けられた直線翼型風車とこの回転軸に回転自在に設けられて小さい風力で駆動トルクを発生する起動用風車と、起動用風車と直線翼型風車との間に介在されて一方向にのみ回転を伝達する連結手段とを具備し、この連結手段により起動風車の低速回転時に起動用風車の駆動トルクを直線翼型風車に伝達し、直線翼風車の回転速度が起動用風車を超えた時に直線翼型風車を起動用風車から切り離すように構成している。

それにより、構造が簡単で効率よく発電することができる家庭用等に適した小型風力発電装置を提供するという目的を達成することができる。

特開平１１−２０１０１８号公報特開平１１−２０１０１９号公報特開平１１−２０１０２０号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載の小型風力発電装置においては、ロビンソン型受風板、起動用風車、受圧板等を新たに設ける必要があり、風車の高速回転時と低速回転時とでそれらを本来の風車と切り離しを行なう構成がさらに必要となる。

そのため、構造が複雑になり、組み立て工数および整備工数が増大し、故障の要因も増加する結果となる。

本発明の目的は、風力エネルギーが少ない場合でも簡易な構成で発電を開始することができる風力発電装置を提供することである。

(１)
本発明に係る風力発電装置は、複数の風車を用いて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、略鉛直方向に延在して設けられた長手方向を有するシャフトと、同じ枚数で同じ寸法形状の複数の翼をそれぞれ回転方向で同じ半径方向位置に有する同じ形の風車がシャフトに対して鉛直方向に沿って複数積層配置されることで形成されている垂直軸直線翼型風車と、を含み、複数の風車の翼は、鉛直方向に沿って隣接する上下二段の風車からなる風車段のうちの少なくとも一つの風車段において、上段側の風車における各翼の下端部の鉛直方向高さが、下段側の風車における各翼の上端部の鉛直方向高さよりも低くなり、上段側と下段側の風車の各翼同士が干渉しないように回転方向で互いにオフセットされて当該風車段における各翼が配置されているものである。

本発明に係る風力発電装置においては、複数の風車がシャフトに縦方向に積層配置される。複数の風車の翼は、風力発電装置の所定の高さに存在する複数の翼の下端部が、下方に積層配置された複数の翼の上端部よりも下になるように配置されるので、上下に積層された複数の翼の両者が所定の水平面において重複して存在することとなる。その結果、所定の水平面において翼の面積が増加し、ソリディティの値を増加することができる。ここで、ソリディティとは、風車の受風面積に対する風車の羽根の面積を意味する。したがって、所定の水平面において少ない風力エネルギーであっても効率よく最大限に風力エネルギーを享受することができ、シャフトを軸周りの方向に回転させることができるので、風力発電装置の発電を開始する起動タイミングを早めることができ、効率よく発電を開始させることができる。

(２)
複数の風車の翼は、上段側の風車の複数の翼の下端部と下段側の風車の複数の翼の上端部との鉛直方向の距離が翼の高さの１０％以上５０％以下に配置されてもよい。

この場合、翼の高さの１０％以上５０％以下の範囲においてソリディティを向上させることができるので、所定の水平面において少ない風力エネルギーであっても効率よく最大限に風力エネルギーを享受することができ、シャフトを軸周りの方向に回転させることができるので、風力発電装置の発電を開始する起動タイミングを早めることができ、効率よく発電を開始させることができる。

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２１０、支持梁２２０、支持柱２３０、複数の翼形状の翼３０１を有する風車３００、複数の翼形状の翼３０２を有する風車３５０、風車支持パイプ３２０、風車保持パイプ３１０およびシャフト４００からなる。なお、風車３００および風車３５０は、一つの風車段を形成する。すなわち、風車段とは上下に隣接する一組の風車を示す。この風車３００および風車３５０は、一般に、垂直軸直線翼型風車と呼ばれる。

図１に示す風力発電装置５００は、４本の主柱２００がそれぞれ４隅に設けられ、主柱２００の上端部に保持板２１０が設けられる。さらにその下方に、主柱２００を互いに支持するために支持梁２２０が隣接する主柱２００同士を支持しあうように水平方向に設けられ、さらに主柱２００が傾斜しないように地中から支持柱２３０が設けられている。

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。このシャフト４００の下端部には、発電装置１００が設けられている。

また、シャフト４００の上部に複数の翼形状の翼３０１を有する風車３００が一個設けられ、風車３００よりも下方で、かつ発電機１００よりも上方に複数の翼形状の翼３０２を有する風車３５０が一個設けられる。風車３００,３５０の詳細については後述する。

次に、図２および図３は、風力発電装置５００の風車３００，３５０の詳細を説明するための模式図である。

図２は、風力発電装置５００を側方から視た模式的断面図を示し、図３は、風力発電装置５００を上方から視た模式的断面図を示す。

まず、図２に示すように、複数の翼を有する風車３００，３５０がシャフト４００に対して上下にそれぞれ配設される。すなわち、シャフト４００の上段に風車３００が設けられ、シャフト４００の下段に風車３５０が設けられる。

図３に示すように、シャフト４００の上段に配設された風車３００においては、シャフト固定部３３０がシャフト４００に固定され、風車支持パイプ３１０がシャフト固定部３３０から９０度毎の開きで設けられ、風車支持パイプ３１０の先端に翼３０１が設けられる。したがって、風車３００は、翼３０１を４枚有する。なお、シャフト４００の下段に設けられた風車３５０の翼３０２は、上段に設けられた風車３００の翼３０１との干渉を防止するため、上段に設けられた４枚の翼３０１に対して、それぞれ４５度オフセットされて配設される。その結果、翼３０２が直接的に接触することはない。なお、本実施の形態においては、４５度オフセットされて配設されることとしたが、これに限定されず、翼３０１および風車３５０が干渉しない角度であれば、他の任意の角度であってもよい。

図２および図３に示すように、本実施の形態に係る風力発電装置５００においては、シャフト４００の上段に設けられた４枚の翼３０１の回転領域と、シャフト４００の下段に設けられた４枚の翼３０１の回転領域とが、一部重複している。すなわち、シャフト４００の上段に設けられた４枚の翼３０１の下端よりも、シャフト４００の下段に設けられた４枚の翼３０２の上端の方が、高い位置になるよう配設される。したがって、高さ方向のみに着目すれば、互いに重なりあっている状態で配設される。

これらのシャフト４００の上部に設けられた４枚の翼３０１の下端からシャフト４００の下部に設けられた４枚の翼３０２の上端までの距離Ｌは、翼３０１の高さＷＬに対して１０％以上５０％以下であることが好ましく、起動性を重視した場合は、３０％以上４０％以下であることが好ましく、高速性を重視した場合は、１０％以上２５％以下であることが好ましい。

この場合、シャフト４００の上部と下部とに設けられた風車３００，３５０の翼３０１，３０２の一部が重複するため、その重複した回転領域のソリディティを向上させることができる。ここで、ソリディティとは、風車の受風面積に対する風車の羽根の面積を意味する。

続いて、風車３００，３５０の初期動作について説明する。例えば、従来の風車３００のみを有する風力発電装置に回転不可能な風力エネルギーが付与された場合を考える。この場合、従来の風力発電装置では、風車３００の回転を可能とする揚力が得られず、風車３００により風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換することができない。

しかしながら、本実施の形態に係る風力発電装置５００においては、風車３００および風車３５０の重複部分のソリディティを向上させているので、従来の風力発電装置では、回転不可能な風力エネルギーであっても、本実施の形態における風力発電装置５００においては、風車３５０の翼３０２に大きな揚力を発生させることができる。すなわち、重複部分のソリディティは、４枚分の翼３０１および４枚分の風車３５０を有するため、風力エネルギーが少ない場合でも、風力エネルギーを享受し、時計周りの方向（軸周りの方向）に回転することができる。それにより、シャフト固定部３３０を介してシャフト４００が軸周りの方向に回転し始める。その結果、効率のよい発電を行なうことができる。

（他の例）
次に、図２および図３に示した風力発電装置５００の他の例について説明する。図４および図５は、風力発電装置５００ａの風車３００ａ，３５０ａの詳細を説明するための模式図である。

図４は、風力発電装置５００ａを側方から視た模式的断面図を示し、図５は、風力発電装置５００ａを上方から視た模式的断面図を示す。

図４および図５の風力発電装置５００ａが、図２および図３に示した風力発電装置５００と異なるのは風車３００ａが翼３０１が３枚有する点および風車３５０ａが翼３０２を３枚有する点である。

図５に示すように、シャフト４００の上下部に配設された風車３００ａにおいては、シャフト固定部３３０がシャフト４００に固定され、風車支持パイプ３１０がシャフト固定部３３０から１２０度毎の開きで設けられ、風車支持パイプ３１０の先端に翼３０１が設けられる。したがって、風車３００ａは、翼３０１を３枚有する。なお、シャフト４００の下部に設けられた風車３５０ａの翼３０２は、上部に設けられた風車３００ａの翼３０１との干渉を防止するため、上部に設けられた４枚の翼３０１に対して、それぞれ６０度オフセットされて配設される。その結果、翼３０１が直接的に接触することはない。なお、本実施の形態においては、翼３０１と翼３０２とが６０度オフセットされていることとしたが、これに限定されず、翼３０１と翼３０２とが干渉しない角度であればよく、他の任意の角度オフセットして設けてもよい。

この場合、上下に積層された複数の翼３０１，３０２の両者が所定の水平面において存在することとなる。その結果、所定の水平面において翼３０１，３０２の面積が増加し、ソリディティを増加させることができる。したがって、所定の水平面において少ない風力エネルギーであっても効率よく最大限に風力エネルギーを享受することができ、シャフト４００を軸周りの方向に回転させることができるので、風力発電装置５００ａの発電を開始する起動タイミングを早めることができ、効率よく発電を開始させることができる。

また、風車３００ａの翼３０１および風車３５０ａの翼３０２が３枚で構成されているので、強風時の風車の高速回転にも対応できる風力発電装置５００ａを提供することができる。

なお、上記の実施の形態においては、風車３００ａの翼３０１および風車３５０ａの翼３０２を３枚または４枚としたが、これに限定されず、他の任意の枚数であってもよい。

また、上記実施の形態においては、風車３００，３５０からなる風車段および風車３００ａ，３５０ａからなる風車段について説明したが、これに限定されず、３段または４段、その他任意の段数からなる垂直軸直線翼型風車であってもよい。さらに、風車段は、上下に隣合う二個の風車から形成されるため、仮に４段の風車からなる垂直軸直線翼型風車の場合、上から１段、２段、３段、４段の風車とすれば、３段目の風車の翼の下端部が４段目の風車の翼の上端部よりも低い場合でもよく、２段目の風車の翼の下端部が３段目の風車の翼の上端部よりも低い場合でもよく、１段目の風車の翼の下端部が２段目の風車の翼の上端部よりも低い場合でもよく、以上のいずれかを組み合わせた状態でもよい。さらに、風力発電装置に対する風力エネルギーの分布に応じて翼の下端部と翼の上端部との距離Ｌを変化させてもよく、また、風車の回転始動直後、または所定の時間経過後に翼の下端部と翼の上端部との距離を無くすように風車位置を変更させる構成でもよい。

上記実施の形態においては、風車３００，３５０，３００ａ,３５０ａが複数の風車に相当し、風力発電装置５００,５００ａが風力発電装置に相当し、シャフト４００がシャフトに相当し、翼３０１，３０２が複数の翼に相当する。

本発明は、上記の好ましい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風力発電装置を側方から視た模式的断面図風力発電装置を上方から視た模式的断面図風力発電装置を側方から視た模式的断面図風力発電装置を上方から視た模式的断面図

符号の説明

３００，３５０，３００ａ,３５０ａ風車
３０１，３０２翼
４００シャフト
５００，５００ａ風力発電装置

Claims

複数の風車を用いて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、
鉛直方向に延在して設けられた長手方向を有するシャフトと、
同じ枚数で同じ形の複数の翼をそれぞれ回転方向で同じ半径方向位置に有する同じ寸法形状の風車が前記シャフトに対して鉛直方向に沿って複数積層配置されることで形成されている垂直軸直線翼型風車と、を含み、
前記複数の風車の翼は、
鉛直方向に沿って隣接する上下二段の風車からなる風車段のうちの少なくとも一つの風車段において、上段側の風車における各翼の下端部の鉛直方向高さが、下段側の風車における各翼の上端部の鉛直方向高さよりも低くなり、上段側と下段側の風車の各翼同士が干渉しないように回転方向で互いにオフセットされて当該風車段における各翼が配置されていることを特徴とする風力発電装置。
前記複数の風車の翼は、
前記上段側の風車の複数の翼の下端部と前記下段側の風車の複数の翼の上端部との鉛直方向の距離が前記翼の高さの１０％以上５０％以下に配置されることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。