JP5329128B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置に係り、特に、ねじったブレードを用いた風車を備えた風力発電装置に関する。

風力発電装置に使用される一般的な風車においては、ブレードと呼ばれる複数の翼が、必要とされる電力を発電できるサイズで備えられている。一般的な風車であると、風向きに対するブレードのサイズが大きくなるので設置個所が限られてしまう。ここで、ねじったブレードを使用すれば、風力を効率的に回転力として作用させることができるので、一般的な風車よりも風向きに対するサイズが小型でありながら、一般的な風車と同程度の回転数を見込める風車が開発されている。（例えば非特許文献１，２、特許文献１参照）。
小島，「ねじれ円弧翼型水平軸風車の開発」，太陽エネルギー，日本太陽エネルギー学会，１９９６年５月，第２２巻，第３号，ｐ．２５−３１ 小島，岸村，「ねじれ円弧翼型水平軸風車に関する研究」，太陽エネルギー，日本太陽エネルギー学会，１９９７年９月，第２３巻，第５号，ｐ．７０−７６ 特開２００５−２２６４７５号公報

風車は、風速が高まるにつれてその回転数も増加するものであり、台風などの強風時においては高速回転となってしまう。強風時にはブレードにかかる負荷が激増し、ブレードを破損させるおそれも高まるため、それを防止すべく所定の回転数以上では風車を停止させるブレーキ機構を搭載したものも開発されている。
しかしながら、ブレーキ機構を設けてしまうと、風力発電装置自体の製造コストも高まるだけでなく、停止時においては発電も停止されることになり、発電効率も低下することになっていた。

本発明の課題は、強風時における風車の回転数を抑制して、ブレードの耐久性を確保するとともに、強風時の発電も可能とすることである。

請求項１記載の発明に係る風力発電装置は、
板状の複数のブレードと、
前記複数のブレードが回転軸に対して湾曲するように取り付けられた風車と、
前記風車の回転軸に連結されて、前記風車の動力が伝達され発電する発電機とを備え、
前記風車は、
前記ブレードを前記回転軸に固定するために、前記回転軸に所定の間隔をあけて固定される一対の固定具を備え、
前記一対の固定具のうち、一方の固定具には、前記ブレードの一端部が固定されるとともに他方の固定具には、前記ブレードの他端部が固定され、
前記ブレードは、前記回転軸から最も離れた地点を軽量化すべく、中央の狭幅部と、これを挟む拡幅部とが形成されていることを特徴とする風力発電装置。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の風力発電装置において、
前記ブレードは、前記拡幅部から中央に向かって幅が狭くなる一対のテーパ部と、前記一対のテーパ部に連続して、前記拡幅部よりも狭い幅で一様な前記狭幅部とが形成されていて、前記テーパ部と前記狭幅部との境界部分の側辺は、凹曲線となっていることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の風力発電装置において、
前記狭幅部の両側辺は、凹曲線となっていることを特徴としている。

本発明によれば、ブレードの狭幅部の幅が拡幅部よりも狭く形成されているので、回転軸から離れた地点（狭幅部）が軽量化され、回転の慣性力も低減されることになる。これにより、風速の増加に基づく回転の増加率が抑えられることになる。また、狭幅部の軽量化によって、固定具とブレードとの連結部分に対する遠心力も低減されて、固定具とブレードとが破損してしまうことを防止することができる。この軽量化により、ブレード自体の自重も低減するので、低風速であっても風車の回転を開始させることができる。
これらのことにより、強風時における風車の回転数が抑制されて、ブレードの耐久性を確保でき、強風時における発電も可能となる。

また、狭幅部のみが拡幅部よりも幅が狭く形成されているので、回転軸の軸方向から見た投影面積は、幅が均一なブレードと比較しても大幅に低減されていない。つまり、風が当たる面積はある程度確保しつつも、ブレードに対する負荷は低減できるので、発電効率を極力確保しつつも、耐久性が高められることになる。

本実施形態の風力発電装置について説明する。図１は、風力発電装置１を示す正面図であり、図２は図１の風力発電装置１の側面図である。

図１及び図２に示すように風力発電装置１には、円柱形状の基台２１が備えられている。基台２１の上端部には、水平方向に開口した円筒状のカバー６が水平方向に回動自在に設けられている。カバー６の内部には、風車５と、風車５の回転軸５１の先端部を回転自在に支持する第１支持部７１と、前記回転軸５１の後端部を回転自在に支持する第２支持部７２とが配設されている。第２支持部７２の後方には、発電機２２が設けられていて、この発電機２２の駆動軸２２１と、風車５の回転軸５１とは連結されている。
また、カバー６の上端部には、風向きに沿うようにカバー６や風車５を回動させるためのガイド板６１が設けられている。

図３は風車５の概略構成を示す説明図であり、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は側面図である。図３に示すように、風車５には、発電機２２の駆動軸２２１に連結される回転軸５１と、回転軸５１に所定の間隔をあけて固定される一対の固定具５２ａ，５２ｂと、一対の固定具５２ａ，５２ｂのうち、一方の固定具５２ａに一端部が固定されるとともに他方の固定具５２ｂに他端部が固定されて、回転軸５１に対して湾曲するように取り付けられる複数の板状のブレード５３とが設けられている。なお、図３（ｂ）の塗り潰し部分はブレード５３の表面側を示しており、斜線部はブレード５３の裏面側を示している。

図４は固定具５２ａ，５２ｂの概略構成を示す説明図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は側面図である。図４に示すように、固定具５２ａ，５２ｂの中央には回転軸５１が貫通されて固定される貫通孔５２１が形成されている。そして、固定具５２ａ，５２ｂの貫通孔５２１の周囲には、貫通孔５２１の軸方向に対して所定の角度αで傾いたねじれ面５２２が、ブレード５３の枚数に対応して複数形成されている。このねじれ面５２２にブレード５３の端部を接触させれば、図３に示すように好適なねじれ角でブレード５３がねじれるようになっている。また、ねじれ面５２２には、ブレード５３を固定するためのネジ孔５２３が形成されている。

なお、ブレード５３のねじれ角は、一対の固定具５２ａ，５２ｂの間隔や、ブレード５３の枚数、形状、サイズ等により適宜選択することが好ましく、予め設計時に種々のシミュレーションや実験等を行って最適なねじれ角度を求めることが必要である。そして、この導き出された最適なねじれ角度に対応するようにねじれ面５２２の角度αも設定しておかなければならない。また、ブレード５３が疲労破断することを予防するために、ねじれ面５２２の円弧端部を面取りしておくことが好ましい。

図５は、回転軸５１に取り付けられる前のブレード５３を示す正面図である。図５に示すようにブレード５３の一端部５３１及び他端部５３２は、固定具５２ａ，５２ｂのねじれ面５２２と略同形状に形成されている。また、ブレード５３の一端部５３１及び他端部５３２には、これら一端部５３１及び他端部５３２と略同形状の補強板５３３が重ねられていて、溶接等により固着されている。一端部５３１，他端部５３２及び補強板５３３には、ねじれ面５２２上のネジ孔５２３に重なる貫通孔５３４が形成されており、これらの貫通孔５３４と、ネジ孔５２３とを合わせてネジ止めすれば、固定具５２ａ，５２ｂにブレード５３を好適なねじれ角で固定できるようになっている。

ブレード５３は、中央の狭幅部５３８と、これを挟む拡幅部５３６とが形成されている。つまり、ブレード５３の狭幅部５３８は、ブレード５３の一端部５３１及び他端部５３２から狭幅部５３８まで連続する一対の拡幅部５３６よりも幅が狭く形成されている。具体的に説明すると、拡幅部５３６は、一端部５３１及び他端部５３２から狭幅部５３８にかけて均等な幅Ｈ１で形成されている。一方、狭幅部５３８は、拡幅部５３６から中央に向かって幅が狭くなる一対のテーパ部５３７に連続して、拡幅部５３６よりも狭い幅Ｈ２で一様となるように形成されている。

図６は、図５中の円Ｓ内の拡大図であり、テーパ部５３７と狭幅部５３８との境界部分５３９を示している。この図６に示すように、テーパ部５３７と狭幅部５３８との境界部分５３９の側辺は、テーパ部５３７と狭幅部５３８との側辺に対して滑らかに連続する凹曲線となっている。

図７は、発電機２２の内部構成を示す側面図である。この図７に示すように、発電機２２には、風車５の回転軸５１と連結される駆動軸２２１と、駆動軸２２１の基端部に取り付けられた磁性体であるコア２２２と、コア２２２に対して所定の間隔を開けて、当該コア２２２の周囲を覆うコイル２２３と、コイル２２３及び蓄電池（図示省略）を接続するケーブル２２４とが設けられている。風車５の回転によって駆動軸２２１が回転すると、コア２２２がコイル２２３内で回転し、コイル２２３内に電力が発生する。この電力は、ケーブル２２４を介して蓄電池に蓄えられることになる。

次に、本実施形態の作用について説明する。
風力発電装置１の作用について図１及び図２を参照して説明すると、風がガイド板６１やカバー６に当たると、その風力に応じてカバー６及び風車５が基台２１を中心に回動し、風向きに対応した位置に配置される。カバー６内を通過する風が、ブレード５３に当たると、風車５の回転に伴って回転軸５１が回転する。さらに回転軸５１の回転に伴って駆動軸２２１が回転すると発電機２２が作動し発電が開始される。この発電によって得られた電力は蓄電池に供給されて蓄えられる。

次に、本実施形態の風車５と従来の風車１０との風速に対する回転数を比較する。
まず、従来の風車１０について説明するが、上記の風車５と同一の部分については同一符号を付してその説明を省略する。図８は、例えば特許文献１に開示された従来の風車１０に用いられるブレード１１を示す正面図である。図８に示すようにブレード１１は、上記実施形態のブレード５３とは異なり、一端部１１１から他端部１１２までの間が一様な等幅に形成されている。以下、この等幅な部分を等幅部１１３と称す。この等幅部１１３の幅Ｈ３をブレード５３の拡幅部５３６の幅Ｈ１と同じ値にした従来のブレード１１を固定具５２ａ，５２ｂに固定したものが風車１０となる（図９参照）。なお、図９中、一点鎖線部Ｔが上記実施形態のブレード５３である。

そして、従来の風車１０と、本実施形態の風車５とのそれぞれに対して、回転軸５１に沿った風を付与し、その風速を異ならせて、回転数の変動を調べた。図１０は、従来の風車１０と、本実施形態の風車５との風速及び回転数の関係を示す風速−回転数線図である。風速が５ｍ／ｓ〜１５ｍ／ｓでは、両風車５，１０ともにほぼ同等の回転数を示しているが、１５ｍ／ｓよりも風速が高まると、従来の風車１０よりも本実施形態の風車５の方が増加率が小さくなり、風速３０ｍ／ｓでも回転数が３０００ｒｐｍを下回ることになった。本実施形態の風車５では、ブレード５３の狭幅部５３８の幅が拡幅部５３６よりも狭く形成されているために、回転軸５１から最も離間した地点の重量が軽くなる。これにより高速回転時における遠心力が低下して回転方向に対する慣性力も弱まることになる。

一方、回転し始める風速は、従来の風車１０では２．６ｍ／ｓであるが、本実施形態の風車５では１．９ｍ／ｓとなった。これは本実施形態の風車５の方がブレード５３の軽量化が図られているために、低速な風速で回転し始めることとなる。

以上のように、本実施形態の風力発電装置１によれば、ブレード５３の狭幅部５３８の幅が拡幅部５３６よりも狭く形成されているので、風から受ける空気抵抗が減ることになり、強風時における回転数を抑制することができる。さらに、回転軸５１から離れた地点（狭幅部５３８）が軽量化されるために、回転の慣性力も低減され、風速の増加に基づく回転の増加率も抑えられることになる。また、狭幅部５３８の軽量化によって、固定具５２ａ，５２ｂとブレード５３との連結部分に対する遠心力も低減されて、固定具５２ａ，５２ｂとブレード５３とが破損してしまうことを防止することができる。
これらのことにより、強風時における風車の回転数が抑制されて、ブレードの耐久性を確保でき、強風時における発電も可能となる。

また、狭幅部５３８のみが拡幅部５３６よりも幅が狭く形成されているので、回転軸５１の軸方向から見た投影面積は、幅が均一なブレード１１と比較しても大幅に低減されていない（図９（ｂ）参照）。つまり、風が当たる面積はある程度確保しつつも、ブレード５３に対する負荷は低減できるので、発電効率を確保しつつも、耐久性が高められることになる。

また、ブレード５３のテーパ部５３７狭幅部５３８との境界部分５３９の側辺が、凹曲線となっているので、ブレード５３の回転に基づく変形によって、境界部分５３９に応力が集中することを抑制することができる。これにより、ブレード５３の耐久性がより高められることになる。

ここで、図５に示す狭幅部５３８の幅Ｈ２は、拡幅部５３６の幅Ｈ１の０．１０〜０．９０倍であることが好ましい。遠心力の低減とブレード５３の強度とのバランスを考慮すると、０．４０〜０．５０倍であることがさらに好ましい。
また、狭幅部５３８とテーパ部５３７との長さＬ１は、ブレード５３の全長Ｌ２の０．２９〜０．６７倍であることが好ましい。遠心力の低減と投影面積の広さとのバランスを考慮すると、０．３０〜０．４倍であることがさらに好ましい。もしくは、前記長さＬ１は、回転軸５１の軸方向から見た投影図（図３（ａ）参照）における回転軸５１からブレード５３の最外端までの距離Ｌ３の０．１０〜０．５０倍の範囲内に収まるように設定されていることが好ましい。

なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、本実施形態では、ブレード５３の狭幅部５３８の側辺が、テーパ部５３７の直線状な側辺と狭幅部５３８の直線状な側辺との組合せから形成されている場合を例示して説明したが、図１１に示すようにブレード５３ａの狭幅部５３５ａの側辺が、凹曲線となっていてもよい。この場合においても、ブレード５３ａの回転に基づく変形によって、一箇所に応力が集中することを抑制することができ、ブレード５３ａの耐久性をより高めることが可能となる。

本実施形態の風力発電装置を示す正面図である。 図１の風力発電装置の側面図である。 図１の風力発電装置に備わる風車の概略構成を示す説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図３の風車に備わる固定具の概略構成を示す説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図３の風車に備わるブレードを示す正面図である。 図５中の円Ｓ内の拡大図である。 図１の風力発電装置に備わる発電機の内部構成を示す側面図である。 従来の風車に備わるブレードを示す正面図である。 従来の風車と本実施形態の風車とを比較するための説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 従来の風車と、本実施形態の風車との風速及び回転数の関係を示す風速−回転数線図である。 図５のブレードの変形例を示す正面図である。

符号の説明

１ 風力発電装置
５ 風車
６ カバー
１０ 風車
１１ ブレード
２１ 基台
２２ 発電機
５１ 回転軸
５２ａ，５２ｂ 固定具
５３ ブレード
６１ ガイド板
１１１ 一端部
１１２ 他端部
１１３ 等幅部
２２１ 駆動軸
２２２ コア
２２３ コイル
２２４ ケーブル
５３１ 一端部
５３２ 他端部
５３３ 補強板
５３４ 貫通孔
５３６ 拡幅部
５３７ テーパ部
５３８ 狭幅部
５３９ 境界部分

Claims (3)

1. 板状の複数のブレードと、
   前記複数のブレードが回転軸に対して湾曲するように取り付けられた風車と、
   前記風車の回転軸に連結されて、前記風車の動力が伝達され発電する発電機とを備え、
   前記風車は、
   前記ブレードを前記回転軸に固定するために、前記回転軸に所定の間隔をあけて固定される一対の固定具を備え、
   前記一対の固定具のうち、一方の固定具には、前記ブレードの一端部が固定されるとともに他方の固定具には、前記ブレードの他端部が固定され、
   前記ブレードは、前記回転軸から最も離れた地点を軽量化すべく、中央の狭幅部と、これを挟む拡幅部とが形成されていることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１記載の風力発電装置において、
   前記ブレードは、前記拡幅部から中央に向かって幅が狭くなる一対のテーパ部と、前記一対のテーパ部に連続して、前記拡幅部よりも狭い幅で一様な前記狭幅部とが形成されていて、前記テーパ部と前記狭幅部との境界部分の側辺は、凹曲線となっていることを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１記載の風力発電装置において、
   前記狭幅部の両側辺は、凹曲線となっていることを特徴とする風力発電装置。

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