JP5084812B2

JP5084812B2 - 風力発電装置

Info

Publication number: JP5084812B2
Application number: JP2009258810A
Authority: JP
Inventors: 喜三郎青木; 誠太一色
Original assignee: 富士乃屋合同会社
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: JP2011106274A

Description

本発明は、プロペラ型の風力発電装置に関する。

従来、比較的小型の風力発電機として、発電機等を内蔵するナセルの前方に装着されたプロペラと、ナセルの後方に設けられた垂直尾翼とを備え、ナセルがタワー等の支持体に水平方向に揺動自在に支持されたものが知られている。前記風力発電機は、垂直尾翼によって風向きの変化を捉えて、プロペラが風上に向かうようにナセルの向きを変え、風向きに対して常にプロペラが正対するような構成となっている。

また、前記ナセルの後方に垂直尾翼と共に水平尾翼を備え、該垂直尾翼または該水平尾翼によって風向きの変化を捉えて、プロペラが風上に向かうようにナセルの向きを変える構成とした風力発電機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。前記垂直尾翼と共に水平尾翼を備えるナセルを用いる風力発電機によれば、ナセルを水平方向のみならず垂直方向にも揺動自在に支持することにより風向きの変化を立体的に捉え、発電効率を向上させることができるとされている。

ところが、本発明者らの検討によれば、前記垂直尾翼と共に水平尾翼を備えるナセルを用いる風力発電機では、ナセルが風向きに対して正対せず、絶えず水平方向又は垂直方向において風向きからずれた角度に維持されるという偏向が生じてしまう。本発明者らは、前記偏向が生じる原因について、さらに検討した結果、プロペラの回転により発生するジャイロモーメントにより、プロペラの回転軸、即ちナセルの軸方向に対して曲げモーメントが発生し、該曲げモーメントにより前記偏向が生じることが判明した。

前記偏向を解消するために、プロペラと逆方向に回転すると共に角運動量がプロペラと実質的に同一であるような逆回転体をナセルに備えることが考えられる。前記逆回転体は、例えば、前記プロペラの回転軸と同一の軸心を有する逆回転軸を備え、プロペラの回転軸に接続された反転機構により該逆回転軸をプロペラの回転軸と逆方向に回転させることにより、プロペラと逆方向に回転駆動することができる。

特開２００１−２１５２４１号公報

しかしながら、前記ナセルに前記逆回転体を設け、プロペラの回転により発生する偏向を解消したとしても、該ナセルは前傾姿勢を取るとプロペラがタワー等の支持体と衝突するため、垂直方向で揺動できる範囲が限定されるという不都合がある。

そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、プロペラの回転により発生する偏向を解消できると共に、垂直方向に３６０°回転することができるナセルを備え、優れた発電効率を得ることができる風力発電装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の風力発電装置は、前方に装着され風力により互いに逆方向に回転自在とされているプロペラと、後方に設けられた垂直尾翼及び水平尾翼とを備えると共に、内部にプロペラの回転軸に連結されて駆動される発電機とを備える１対のナセルと、各ナセルをその重心位置で水平方向に接続する接続手段と、該接続手段をその重心位置で垂直方向に３６０°回転自在に支持する第１の支持手段と、第１の支持手段を水平方向に３６０°回転自在に支持する第２の支持手段と、各ナセルのプロペラの回転軸に連結されて各プロペラを相互に連動させて逆回転させる逆回転手段を備え、各ナセルの軸と第２の支持手段の外周縁との距離が各プロペラの回転半径より大きいことを特徴とする。

本発明の風力発電装置は、１対のナセルがその重心位置で、接続手段により水平方向に接続されており、該接続手段がその重心位置で第１の支持手段により垂直方向に３６０°回転自在に支持されている。また、前記第１の支持手段は、第２の支持手段により水平方向に３６０°回転自在に支持されている。このとき、前記ナセルは前記接続手段の左右両端に配設されることとなり、各ナセルの軸と第２の支持手段の外周縁との距離が各プロペラの回転半径より大きくなっているので、第１及び第２の支持手段に衝突することなく、垂直方向に３６０°回転することができる。

また、本発明の風力発電装置は、各ナセルのプロペラが互いに逆方向に回転自在とされていると共に、各ナセルのプロペラの回転軸に連結された逆回転手段を備えている。そこで、各ナセルのプロペラが互いに逆方向に回転するときに、各プロペラを互いに連動させて、一方を他方に確実に同調させて逆回転させることができる。従って、本発明の風力発電装置によれば、各ナセルのプロペラの回転により発生するジャイロモーメントを互いに他方のプロペラの回転により相殺して、風向きに対する偏向を解消し、各プロペラを常に風向きに正対させることができる。

この結果、本発明の風力発電装置によれば、風向きの変化を立体的に捉えることができ、風向きによらず優れた発電性能を得ることができる。

また、本発明の風力発電装置において、前記各ナセルは、プロペラと発電機との間に、プロペラの回転数よりも増加した回転数で発電機を駆動する増速手段を備えることが好ましい。本発明の風力発電装置は、前記増速手段を備えることにより、プロペラの回転数よりも増加した回転数で発電機を駆動することができるので、さらに優れた発電性能を得ることができる。

本発明の風力発電装置においては、複数の前記増速手段が直列に接続されていてもよい。

本発明の風力発電装置の一構成例を示す斜視図。図１に示す風力発電装置に用いられる増速装置の一構成例を示す斜視図。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１に示すように、本実施形態の風力発電装置１は、１対のナセル２ａ，２ｂを水平方向に接続するアーム３と、アーム３を支持する第１の支持手段としてのブラケット４と、ブラケット４を支持する第２の支持手段としてのタワー５とを備えている。

ナセル２ａ，２ｂは、アーム３に対して線対称となっていることを除いて全く同一の構成を備えており、ナセル２ａ，２ｂの前方に装着されたプロペラ６ａ，６ｂと、後方に設けられた垂直尾翼７ａ，７ｂ及び水平尾翼８ａ，８ｂとを備えている。また、ナセル２ａ，２ｂは、内部にプロペラ６ａ，６ｂの回転軸９ａ，９ｂに連結されて駆動される発電機１０ａ，１０ｂを備えている。

ナセル２ａ，２ｂにおいて、プロペラ６ａ，６ｂは、例えば、２翔プロペラであり、互いに捻りを逆にすることにより、風力により互いに逆方向に回転自在に装着されている。そして、プロペラ６ａ，６ｂは、ナセル２ａ，２ｂ内部に設けられた回転軸９ａ，９ｂに接続されている。また、ナセル２ａ，２ｂにおいて、垂直尾翼７ａ，７ｂは上下各１対設けられており、水平尾翼８ａ，８ｂは左右各１対設けられている。

アーム３は水平方向に延在する中空の円筒状体である。ナセル２ａ，２ｂは、その重心位置で、アーム３の左右端部に接続されている。

ブラケット４は水平部材１１と、水平部材１１の両端から立ち上がる１対の垂直部材１２ａ，１２ｂとからなる。アーム３は、垂直部材１２ａ，１２ｂの軸受け部１３ａ，１３ｂに支持されて、垂直方向に３６０°回転自在とされている。軸受け部１３ａ，１３ｂはボールベアリングである。

タワー５は回転軸１４を備え、回転軸１４はタワー５の内部に設けられた軸受け部１５ａ，１５ｂに回転自在に支持されている。軸受け部１５ａ，１５ｂはボールベアリングである。回転軸１４にはブラケット４の水平部材１１が軸支されており、水平部材１１は回転軸１４により水平方向に３６０°回転自在とされている。

ここで、ナセル２ａ，２ｂの軸線と、タワー５の外周縁との距離は、プロペラ６ａ，６ｂの回転半径より大きく設定されており、また水平尾翼８ａまたは水平尾翼８ｂより大きく設定されている。この結果、ナセル２ａ，２ｂは、プロペラ６ａ，６ｂがブラケット４及びタワー５に衝突することなく、アーム３により垂直方向に３６０°回転することができる。

プロペラ６ａ，６ｂの回転軸９ａ，９ｂは、発電機１０ａ，１０ｂの回転軸１６ａ，１６ｂに連結されており、回転軸１６ａ，１６ｂは発電機１０ａ，１０ｂの後方に導出されている。そして、回転軸１６ａ，１６ｂはその後端部に傘歯車１７ａ，１７ｂを備えている。

傘歯車１７ａ，１７ｂは、アーム３の内部に設けられた水平回転軸１８の左右両端に設けられた傘歯車１９ａ，１９ｂと噛合している。この結果、傘歯車１７ａ，１７ｂ、水平回転軸１８、傘歯車１９ａ，１９ｂにより、プロペラ６ａ，６ｂを相互に連動させて逆回転させる逆回転手段２０が構成されている。尚、水平回転軸１８は、アーム３の内部に設けられた軸受け部２１ａ，２１ｂに支持されている。軸受け部２１ａ，２１ｂはボールベアリングである。

また、プロペラ６ａの場合を例として図２に示すように、プロペラ６ａ，６ｂの回転軸９ａ，９ｂは増速装置２２を介して、発電機１０ａ，１０ｂの回転軸１６ａ，１６ｂに連結されていてもよい。尚、図２は、例としてプロペラ６ａの場合を示しているが、プロペラ６ｂの場合も同一の構成により発電機１０ｂの回転軸１６ｂに連結されている。

プロペラ６ａの回転軸９ａは、ナセル２ａの内部に内部に設けられた１対の軸受け部２３ａ，２４ａに支持されている。軸受け部２３ａ，２４ａはボールベアリングである。そして、回転軸９ａの後端部が増速装置２２に接続されている。

増速装置２２は、ナセル２ａの内部に設けられた内歯車２５ａと、内歯車２５ａに噛合して、太陽歯車２６ａの周囲を回転する１対の遊星歯車２７ａ，２８ａと、遊星歯車２７ａ，２８ａを軸支する遊星腕２９ａとからなる。そして、遊星腕２９ａにプロペラ６ａの回転軸９ａが接続されていると共に、太陽歯車２６ａの軸心に発電機１０ａの回転軸１６ａが連結されている。このような構成にすることで、ナセル２ａには回転作用力のみ作用し、いかなる偏向力も作用しない利点がある。

次に、本実施形態の風力発電装置１の作動について説明する。

本実施形態の風力発電装置１は、風Ｗを受けることにより、プロペラ６ａ，６ｂが回転する。このとき、各ナセル２ａ，２ｂは垂直尾翼７ａ，７ｂにより風向きの水平方向の変化を捉え、水平方向に３６０°回転自在であるタワー５の回転軸１４により、プロペラ６ａ，６ｂが風上に向かうようにナセル２ａ，２ｂの向きを変えることができる。また、ナセル２ａ，２ｂは水平尾翼８ａ，８ｂにより風向きの変化を捉えることにより、垂直方向に３６０°回転自在であるアーム３により、プロペラ６ａ，６ｂが風上に向かうようにナセル２ａ，２ｂの向きを変えることができる。

このとき、各ナセル２ａ，２ｂはアーム３の左右両端に配設されており、各ナセル２ａ，２ｂの軸線とタワー５の外周縁との距離が各プロペラ６ａ，６ｂの回転半径より大きくなっている。従って、各ナセル２ａ，２ｂは、ブラケット４及びタワー５に衝突することなく、垂直方向に３６０°回転することができる。

また、プロペラ６ａ，６ｂは、風Ｗを受けて回転するとき、捻りが逆になっているので、相互に逆方向に回転する。このとき、プロペラ６ａ，６ｂは、逆回転手段２０により互いに連動して回転するようにされている。即ち、風力により一方のプロペラ６ａまたはプロペラ６ｂの回転数が他方より少ないことがあっても、回転数の少ない方のプロペラ６ａまたはプロペラ６ｂは回転数の多い方のプロペラ６ｂまたはプロペラ６ａに同調して回転する。従って、各ナセル２ａ，２ｂのプロペラ６ａ，６ｂの回転により発生するジャイロモーメントを互いに他方のプロペラ６ｂ，６ａの回転により相殺して、風向きに対する偏向を解消することができる。

この結果、本実施形態の風力発電装置１は、各ナセル２ａ，２ｂが風向きの変化を立体的に捉えることができ、各プロペラ６ａ，６ｂを常に風向きに正対させることができるので、発電機１０ａ，１０ｂの発電効率を向上させることができる。また、本実施形態の風力発電装置１は、図２に示す増速装置２２を備えることにより、プロペラ６ｂ，６ａの回転数よりも増加した回転数で発電機１０ａ，１０ｂを駆動することができ、さらに優れた発電性能を得ることができる。

発電機１０ａ，１０ｂにより得られた電力は、アーム３に外嵌されたスリップリング３０及びタワー５の回転軸１４に外嵌されたスリップリング３１に配設された導線を介して外部に取り出すことができる。

尚、本実施形態では、各ナセル２ａ，２ｂが２翔のプロペラ６ｂ，６ａを備える場合について説明しているが、プロペラ６ｂ，６ａは３翔以上の多数翔であってもよい。

１…風力発電装置、２ａ，２ｂ…ナセル、３…アーム（接続手段）、４…ブラケット（第１の支持手段）、５…タワー（第２の支持手段）、６ａ，６ｂ…プロペラ、１０ａ，１０ｂ…発電機、２０…逆回転手段。

Claims

前方に装着され風力により互いに逆方向に回転自在とされているプロペラと、後方に設けられた垂直尾翼及び水平尾翼とを備えると共に、内部にプロペラの回転軸に連結されて駆動される発電機とを備える１対のナセルと、
各ナセルをその重心位置で水平方向に接続する接続手段と、
該接続手段をその重心位置で垂直方向に３６０°回転自在に支持する第１の支持手段と、
第１の支持手段を水平方向に３６０°回転自在に支持する第２の支持手段と、
各ナセルのプロペラの回転軸に連結されて各プロペラを相互に連動させて逆回転させる逆回転手段を備え、
各ナセルの軸と第２の支持手段の外周縁との距離が各プロペラの回転半径より大きいことを特徴とする風力発電装置。
請求項１記載の風力発電装置において、前記各ナセルは、プロペラと発電機との間に、プロペラの回転数よりも増加した回転数で発電機を駆動する増速手段を備えることを特徴とする風力発電装置。