JP5387087B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力によって風車を回転させて発電する風力発電装置に関するものである。

従来の風力発電装置に用いられるクラッチ装置は、特許文献１に示す遠心クラッチを用いたものが知られている。

以下、その風力発電装置の一例について図を参照しながら説明する。

図５及び図６に示すように、風車１０１に備えたハブ１０２に固定したクラッチボス１０３に、一端をピン１０４を中心として揺動可能にしたウェイト１０５を回転中心に接する面に対して対称となるように２個備え、ウェイト１０５の他端同士をバネ１０６で連結することにより半径方向内側へウェイト１０５を引張る構成であり、ウェイト１０５が遠心力によりピン１０４を中心として半径方向外側へ揺動する際にウェイト１０５と接触するクラッチドラム１０６を発電機１０７に備えることで風車の回転を発電機に伝達する構成となっている。
特開２００２ー３２７６７８号公報

このような従来の風力発電装置に用いられるクラッチ装置は、ウェイトがピンを中心に揺動する際にクラッチ装置の重心位置が回転中心からずれることによるアンバランスが発生し、振動が大きくなるという課題があり、また、ウェイトとクラッチドラムとの接触面が小さく、磨耗による劣化が生じやすいという課題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、クラッチ装置の重心位置が回転中心からずれないようにすることでアンバランスによる振動が発生せず、且つ、部品の劣化を抑制し、耐久性を向上させることで長寿命とすることができる風力発電装置を提供することを目的としている。

また、必要に応じて適切に保守、メンテナンスを行うことで長期間使用することができる風力発電装置を提供することを目的としている。

本発明の風力発電装置は、上記目標を達成するために、屋外に設置した支柱の上部に設けた風車と、風車の回転力により発電する発電機を備えた風力発電装置において、風車を回転可能に支持する風車側回転軸と、発電機に具備した発電機側回転軸は、クラッチ装置により風車側回転軸の回転を発電機側回転軸に伝達及び遮断できる構成であり、クラッチ装置は、風車側回転軸の半径方向に移動可能なウェイトと、風車側回転軸に固定され、ウェイトを保持するクラッチボスと、クラッチボスが回転することにより遠心力を受けて半径方向外側に移動するウェイトを受けて摩擦により回転するクラッチドラムを備え、且つウェイトは軸対称に複数備えたものである。この手段によりクラッチ装置の重心位置が回転中心からずれないためアンバランスによる振動が発生せず、且つ、部品の劣化を抑制することにより耐久性を向上させることで長寿命とすることができる風力発電装置が得られる。また、風車の回転異常を検知する回転検知手段と、外部に異常を報知する報知手段を備え、回転検知手段により回転の異常を検知した場合は、報知手段により異常を報知するものである。または、時間を計測できるタイマー装置を備え、回転計により風車側回転軸が停止した時間からあらかじめ設定された時間内に風車側回転軸が回転しない場合に回転異常を検知するものである。

本発明によればクラッチ装置の重心位置を回転中心からずれないようにすることでアンバランスによる振動を発生することなく、且つ部品の劣化を抑制することにより耐久性を向上させることで長寿命とするという効果のある風力発電装置を提供できる。

また、必要に応じて適切に保守、メンテナンスを行うことにより長期間使用できる風力発電装置を提供できる。

本発明の請求項１記載の発明は、屋外に設置した支柱の上部に設けた風車と、風車の回転力により発電する発電機を備えた風力発電装置において、風車を回転可能に支持する風車側回転軸と、発電機に具備した発電機側回転軸は、クラッチ装置により風車側回転軸の回転を発電機側回転軸に伝達及び遮断できる構成であり、クラッチ装置は、風車側回転軸の半径方向に移動可能なウェイトと、風車側回転軸に固定され、ウェイトを保持するクラッチボスと、クラッチボスが回転することにより遠心力を受けて半径方向外側に移動するウェイトを受けて摩擦により回転するクラッチドラムを備え、且つウェイトは軸対称に複数備えたものであり、風車が回転してウェイトが半径方向に移動しても、軸対称に配置された複数のウェイトの重心を合成した位置は回転中心にあるため、クラッチ装置の重心位置が回転中心からずれることがなく、アンバランスによる振動を発生させないようにするという作用を有する。また、風車の回転異常を検知する回転検知手段と、外部に異常を報知する報知手段を備え、回転検知手段により回転の異常を検知した場合は、報知手段により異常を報知するものであり、迅速にメンテナンスや修理を行うことができるという作用を有する。また、時間を計測できるタイマー装置を備え、回転計により風車側回転軸が停止した時間からあらかじめ設定された時間内に前記風車側回転軸が回転しない場合に回転異常を検知するものであり、風車がロック状態となったことを検知し、迅速にメンテナンスや修理を行うことができるという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に風力発電装置の構成を示す断面図、図２にクラッチ装置８の構成を示す斜視図、図３（ａ）にクラッチ装置８の回転を伝達しない状態を示す正面図、図３（ｂ）にクラッチ装置８の回転を伝達する状態を示す正面図、図４に外風の風速と風車側回転軸４及び発電機側回転軸７の回転数を示すグラフを示して説明する。

図１に示すように、風力発電装置１は、屋外の地面に埋設されて固定された支柱２の上部に設置した風車３（一例としてサボニウス型風車）は、風車側回転軸４と固着され、風車側回転軸４は支柱２に保持された軸受５によって回転自在に支持されている。一方、発電機６（一例として直流モータ）は支柱２内部に固定され、発電機６に具備された発電機側回転軸７は、風車側回転軸４と同軸上に配置されている。この風車側回転軸４と発電機側回転軸７の間には風車側回転軸４の回転を発電機側回転軸７に伝達及び遮断するクラッチ装置８が備えられている。

図２に示すようにクラッチ装置８は、風車側回転軸４に固定した円盤状のクラッチボス９と、発電機側回転軸７に固定した円筒状のクラッチドラム１０で構成されている。

クラッチボス９は、軸対称位置となるように２個のウェイト１１を備えており、クラッチボス９に半径方向に向かって一定幅の溝形状のガイド部１２を備え、ウェイト１１にはガイド部１２に挟まれるキー部１３を備えることでウェイト１１がガタ無く風車側回転軸４の半径方向に移動可能になっている。

ここで、ウェイト１１位置を軸対称とすることでウェイト１１が半径方向に移動してもクラッチ装置８の重心位置は回転中心からずれないため、アンバランスによる振動を発生させず、長寿命とすることができるという効果がある。

また、ウェイト１１は２個に限らず、３個以上であっても軸対称となるように回転角度に対して等配となるようにすることで、同様の効果がある。

クラッチドラム１０は、金属製（一例としてステンレス）で、クラッチボス９を覆うような円筒状となっており、クラッチボス９に備えたウェイト１１が遠心力により半径方向外側に移動した際にクラッチドラム１０の円筒内側である摺動部１４に接触するように配置している。また、摺動部１４には磨耗抑制手段１５（一例としてメタル又はフッ素樹脂）が備えられている。

ここで、図３（ａ）に示すようにウェイト１１のキー部１３同士をバネ１６（一例としてコイルバネ）で接続することにより半径方向内側に常に引張力が加えられている。このバネ１６は回転中心と交差するように設置することでバネ１６自身の重心位置を回転軸中心と合致させることができ、アンバランスによる振動を発生させず、長寿命とすることができるという効果がある。

またさらに、バネ１６の代わりにウェイト１１を磁力により引き付けられる金属製（一例としてＳ４５Ｃ）とし、回転中心位置にウェイト１１を磁力により引張力を与える磁石１７（図示せず）とすると、アンバランスによる振動を発生させない作用に加えて非接触で引張力を与えられるため、機械的に引っ張ることによる部品の劣化が発生せず、長寿命となる効果がある。

ウェイト１１の外周部１８の形状は、クラッチドラム１０の内周で且つウェイト１１が遠心力により半径方向外側に移動した際に接触する摺動部１４と同一径となるような円弧状となっており、外周部１８の円弧長さをキー部１３の幅よりも大きくすることで、ウェイト１１がバネ１６により半径方向内側に引っ張られる際は、外周部１８の半径方向内側とクラッチボス９のガイド部１２のエンドが接触して半径方向の位置が決まるストッパーの機能を備えている。

また、図１に示すように風車側回転軸４には回転異常を検知する回転検知手段としての振動センサ１９（一例として加速度ピックアップ）、又は回転数を測定できる回転計２０（一例として反射式回転センサ）を備えており、回転異常が発生した場合は、外部に異常を報知する報知手段としての外観から目視できる表示ランプ２１（一例としてＬＥＤランプ）、又は報知音を発生させるブザー２２により異常を報知することができる。

また、時刻を計測できるタイマー装置２３（一例としてタイムカウンタ）を備えている。

上記構成において、外風によって風車３が回転を開始すると風車側回転軸４に固定されたクラッチボス９が回転を始める。図３（ａ）に示すように、初期の低回転時は、クラッチボス９のウェイト１１にかかる遠心力に対してバネ１６による引張力が大きいため、ウェイト１１は半径方向内側に寄ったままとなり、クラッチドラム１０の摺動部１４に接触しないため、発電機側回転軸７へ回転力が伝達しない状態となっている。次に、外風が強くなるに従って風車３の回転が速くなり、風車側回転軸４のクラッチボス９の回転も速くなると図３（ｂ）に示すようにウェイト１１にかかる遠心力がバネ１６による引張力を超えるため、ウェイト１１が半径方向外側に移動し、ウェイト１１の外周部１８とクラッチドラム１０の摺動部１４が接触してすべりによる摩擦が発生し、回転力が発電機側回転軸７に伝達され始める。この時、摺動部１４には、摩擦によってクラッチドラム１０を回転させようとする回転力Ｆｒ（Ｎ：（）は単位を示す）が回転方向に発生し、一方で発電機６の負荷トルクＴ（Ｎ・ｍ）による回転抑止力Ｆｔ（Ｎ）が回転方向とは逆方向に発生している。ここで、それぞれの力を数式で表すと、回転力Ｆｒ（Ｎ）は、ウェイト１１の外周部１８とクラッチドラム１０の摺動部１４との摩擦係数をμ、ウェイト１１にかかる遠心力をＦ（Ｎ）とすると、Ｆｒ（Ｎ）＝μ＊Ｆとなる。遠心力Ｆ（Ｎ）は、ウェイト１１の重量をＭ（ｋｇ）、回転中心からウェイト１１の重心までの距離をｒ（ｍ）、回転数をＮ（ｒ／ｍｉｎ）とするとＦ（Ｎ）＝Ｍ＊ｒ＊（２π＊Ｎ／６０）２となる。従って回転数が早くなればなるほど遠心力Ｆ（Ｎ）が大きくなり、回転力Ｆｒ（Ｎ）が増大する。一方、回転抑止力Ｆｔ（Ｎ）は、回転中心から摺動部１４までの距離をＲ（ｍ）とすると、Ｆｔ（Ｎ）＝Ｔ／Ｒとなる。

よって、図４に風車側回転軸４の回転数を実線、発電機側回転軸７の回転数を破線で示して説明すると、外風の風速が遅く、風車３が低速で回転する場合はウェイト１１に発生する遠心力Ｆ（Ｎ）が小さく、ウェイト１１の外周部１８とクラッチドラム１０の摺動部１４が接触しない、すなわち回転力Ｆｒ（Ｎ）＝０となる領域は風車側回転軸４のみが回転するＡ領域となり、風速が速くなって風車側回転軸４の回転数が上昇してくると、遠心力Ｆ（Ｎ）によりウェイト１１の外周部１８とクラッチドラム１０の摺動部１４が接触してＦｒ＜Ｆｔの状態となり、ウェイト１１の外周部１８とクラッチドラム１０の摺動部１４ですべりが発生して発電機側回転軸７の回転数は風車側回転軸４の回転数に比べて遅くなるＢ領域となり、さらに風速が速くなるとウェイト１１に発生する遠心力Ｆ（Ｎ）が増大し、Ｆｒ＞Ｆｔの状態となると、ウェイト１１が摺動部１４に押し付けられて風車側回転軸４の回転数と発電機側回転軸７の回転数が同一となるＣ領域となる。

このように、外風の風速が遅い場合に風車３のみが回転するようにすることは特許文献にも記載されているが、風車３の起動時のトルクを小さくすることができるため、発電機６を回転させる際のコギングによる負荷トルクを風車３の回転による慣性力を利用して回転させることにより、風車３と発電機６を連結した状態で起動させるよりも低い風速から発電機６を回転させることができ、効率良く発電することができるという効果がある。

また、図３（ａ）に示すように本発明の実施の形態１ではウェイト１１の外周部１８とクラッチドラム１０の摺動部１４の摩擦によって磨耗が生じるため、これを抑制すべく、ウェイト１１の外周部１８を円弧形状としクラッチドラム１０の摺動部１４の内径と同一径とすることで、ウェイト１１の外周部１８が遠心力によってクラッチドラム１０の摺動部１４に押し当てられる際の接触面を広くし、面圧を小さくすることができる。これにより、磨耗を抑制でき、耐久性を向上させることで長寿命とすることができる。

さらに、クラッチドラム１０の摺動部１４に磨耗抑制手段１５として潤滑油を含浸させたメタルを入れることにより、摺動部１４は常に潤滑油によって潤滑されるため、磨耗が発生しにくく、耐久性を向上させることができるため、同様の効果がある。また、メタルの代わりにフッ素樹脂としても同様の効果があり、フッ素樹脂の自己潤滑機能により摺動部１４が潤滑されるため、磨耗が発生しにくく、耐久性を向上させることができるため、同様の効果が得られる。

次に、本発明の実施の形態１では、風車側回転軸４の回転異常を検知する回転検知手段を備え、外部に異常を報知する報知手段により、回転異常発生時に報知することにより、迅速に保守、メンテナンスを行うことができるため、長期間使用できる風力発電装置１を提供することができる。

一例として、回転検知手段としての振動センサ１９により、例えば風速２０ｍ／ｓまでの外風によって風車３が回転する際の振動レベルが１００ＧＡＬ未満である場合、１００ＧＡＬ以上の振動を検知した場合に回転異常と判断して報知手段により報知する動作を行う。これにより、外風が想定以上の風速となり、風車３が高速回転している時や、外的要因などによって風車３のバランスが崩れてアンバランスになっている時を検知することができ、迅速に且つ適切に保守、メンテナンスを行うことができるため、同様の効果がある。

また、別の一例として、回転以上を検知する回転検知手段は風車側回転軸４の回転数を測定できる回転計２０としたものであり、例えば風速２０ｍ／ｓまでの回転数が２０００ｒ／ｍｉｎ未満であるとき、回転計２０により２０００ｒ／ｍｉｎ以上の回転数を検知した場合に回転異常と判断して報知手段により報知する動作を行う。これにより、上記動作と同様に外風が想定以上の風速となり、風車３が高速回転している時に報知手段により報知することで迅速に保守、メンテナンスを行うことができるため、同様の効果がある。

ここで、回転計２０により２０００ｒ／ｍｉｎ以上の回転数を検知した場合に、発電機６に備えた発電回路（図示せず）を短絡させて、回生電流を流すことにより回生ブレーキを生じさせることもでき、風車３の回転数上昇を抑制することで、回転負荷を軽減して部品の劣化を抑制することができるため、耐久性を向上させて長寿命とすることができるという効果がある。

また、別の一例として、時間を計測できるタイマー装置２３によって、例えば風車側回転軸４が停止した時間からあらかじめ設定された時間として１ヶ月間、風車側回転軸４が回転しない場合に回転異常と判断して報知手段により報知する動作を行う。これにより、外的要因などによって風車３がロック状態となったことを検知することができるため、迅速に且つ適切に保守、メンテナンスを行うことができるため、同様の効果がある。

また、別の一例として、タイマー装置２３により、風力発電装置１を設置してから一定期間としての例えば３年間を経過した場合に報知手段により定期メンテナンスを報知する。これにより、定期的に保守、メンテナンス時期を認知して適切に実施することができるため、同様の効果がある。

以上の動作について、報知手段の一例について記述する。

報知手段の一例として、外部から目視できるように支柱２の側面に光を発光する表示ランプ２１を備えることにより、回転検知手段によって回転異常を検知した場合は表示ランプ２１を点灯又は点滅させることにより報知することができる。

また、報知手段の別の一例として、支柱２内部に報知音を発生するブザー２２を備えることで回転検知手段によって回転異常を検知した場合はブザー２２を鳴らすことにより、聴感により異常を報知することができる。

家庭用の小型風力発電装置から業務用の大型風力発電装置に適用できる。

本発明の実施の形態１の風力発電装置の構成を示す断面図 同クラッチ装置の構成を示す斜視図 （ａ）同クラッチ装置の回転を伝達しない状態を示す正面図、（ｂ）同クラッチ装置の回転を伝達する状態を示す正面図 同外風の風速と風車側回転軸及び発電機側回転軸の回転数を示すグラフ 従来の風力発電装置の構成を示す側面断面図 従来のクラッチ装置を示す正面図

１ 風力発電装置
２ 支柱
３ 風車
４ 風車側回転軸
５ 軸受
６ 発電機
７ 発電機側回転軸
８ クラッチ装置
９ クラッチボス
１０ クラッチドラム
１１ ウェイト
１２ ガイド部
１３ キー部
１４ 摺動部
１５ 磨耗抑制手段
１６ バネ
１７ 磁石
１８ 外周部
１９ 振動センサ
２０ 回転計
２１ 表示ランプ
２２ ブザー
２３ タイマー装置

Claims (1)

1. 屋外に設置した支柱の上部に設けた風車と、前記風車の回転力により発電する発電機を備えた風力発電装置において、前記風車を回転可能に支持する風車側回転軸と、前記発電機に具備した発電機側回転軸は、クラッチ装置により前記風車側回転軸の回転を前記発電機側回転軸に伝達及び遮断できる構成であり、前記クラッチ装置は、前記風車側回転軸の半径方向に移動可能なウェイトと、前記風車側回転軸に固定され、前記ウェイトを保持するクラッチボスと、前記クラッチボスが回転することにより遠心力を受けて半径方向外側に移動する前記ウェイトを受けて摩擦により回転するクラッチドラムを備え、且つ前記ウェイトは軸対称に複数備え、
   風車の回転異常を検知する回転検知手段と、外部に異常を報知する報知手段を備え、前記回転検知手段により回転の異常を検知した場合は、前記報知手段により異常を報知し、
   時間を計測できるタイマー装置を備え、回転計により風車側回転軸が停止した時間からあらかじめ設定された時間内に前記風車側回転軸が回転しない場合に回転異常を検知する風力発電装置。