JP6168402B2 - 風力発電用風車 - Google Patents

Description

本発明は、風向きへの追従を必要としない水平軸風車に関するものである。

風車は、風の揚力または抗力を回転力としており、その回転力を得るために、風の吹く方向へ回転軸を平行にして作動するのが水平軸風車であり、風の吹く方向へ回転軸を垂直にして作動するのが垂直軸風車である。この二種類の風車の中で多く実用化されているのが、揚力を回転力とするプロペラ型の水平軸風車であることは知られている。その最大の理由は、回転翼を大型化できることにある。風力による発電量は、回転翼の半径の２乗に比例し、風速の３乗に比例するため、回転翼を大きくして受風面積を広くすることで、電気エネルギーへの変換率が向上して、発電量が増えて採算性が高くなるからである。反面、プロペラ型水平軸風車は、プロペラを風向きへ追従させるための方向制御が不可欠である。

前記プロペラ型水平軸風車の大型は、約５０トンの重量を有するナセル（機器格納庫）ごと風向きへ追従させなければならないため、急激な風向の変動に対応できないという問題がある。風向と風速が頻繁に変化する日本の気象特性においては、風向きへの追従を必要としない垂直軸風車の方が適しているとされるが、垂直軸風車は回転軸を片持梁の形状にして地上で支えているため大型化が難しいという課題がある。

本発明は、日本の気象特性に最も適し、大型化が可能で、風向きへの追従も必要としない水平軸風車に形成して課題を解決するものである。

前記水平軸風車の形状を、骨組構造の輪形躯体に形成して、その輪形躯体に複数の可動羽根板と複数の固定羽根板を装着した羽根車とする。
まず、回転軸を水平に嵌めるハブから垂直方向へ複数のアームを等間隔で放射状に配列して、その先端部に、回転軸から真円になる外輪を接合し、その外輪からハブ側へ向けて、前記複数のアームへ装着する前記複数の可動羽根板の作動に必要な間隔を空けた位置に、前記複数の固定羽根板を装着する保持材と前記複数のアームの補強材を併用する円環材を前記外輪と同心円になるようにアーム間へ接合して骨組構造の輪形躯体を構成する。

前記輪形躯体へ装着する複数の可動羽根板は、断面形状を左右対称の涙滴型にして、回転方向を向く前縁をベアリング付の両開きヒンジ型に形成し、その両開きヒンジ型を前記アームの背面側、即ち、回転方向を向く裏側の面へ装着して、後縁を可動する構成とする。

前記輪形躯体へ装着する複数の固定羽根板は、断面形状を前記円環部材の曲線に合わせた背面湾曲の鳥翼型にして、前縁を回転方向へ向け、両側端の片側を先端部にして前記回転軸の向く方へ水平に向け、もう片側を付根にして前記円環材の両側面へ交互に装着する構成とする。

前記装着した複数の可動羽根板と複数の固定羽根板は、回転軸の向く前方または後方から風が吹くと、前記可動羽根板が受風して、後縁が風速に応じた角度まで風下側へ開いて作動し、生じた揚力が前記前縁の方向へ働いて羽根車を回転させ、回転軸の向く左方または右方から風が吹くと、前記固定羽根板が受風して作動し、生じた揚力と抗力の合力が前縁お方向へ働いて羽根車を回転させる。

以上の手段によって課題を解決した本発明は、以下の効果を奏する。

四方から吹く風を、回転軸に対して垂直に装着した複数の可動羽根板または水平に装着した複数の固定羽根板の何れかが受風して作動することにより、風向きへの追従を必要のない水平軸風車とした画期的な効果があり、それによる以下の効果も生む。

回転軸の方向を固定できることにより、支柱を回転軸の両側へ設けて風車を支えることができるため、従来のタワー（塔）１本支柱のプロペラ型水平軸風車や、片持梁支柱の垂直軸風車に比べて安全で安定した構造である。

風車を両側で支えることができることにより、従来のプロペラ型水平軸風車よりも安定した大型化が可能となる。

骨組構造の輪形躯体図。 垂直に装着した可動羽根板と水平に装着した固定羽根板の左側面図。 図２の反対面となる右側面図。 図２のＡ−Ｂと図３のＣ−Ｄ線断面図。 風速に応じた角度まで風下側へ開く可動羽根板の断面詳細図。 右側面の背面側を視点とした斜視図。 可動羽根板と固定羽根板を６枚ずつ装着した参考図。

本発明は、風向きへ追従させる必要のない水平軸風車とするため、８枚の可動羽根板と８枚の固定羽根板を有する骨組構造の輪形羽根車に形成してあり、実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。

まず、図１に示すように、回転軸（１）を水平に嵌めたハブ（２）から垂直方向へ等間隔で放射状に接合された８本のアーム（３）を介在して、前記回転軸から真円になる外輪（４）が接合してあり、その外輪から前記ハブ側へ向けて、前記８本のアームへ装着する８枚の可動羽根板（６）の作動に必要な間隔を空けた位置に、前記回転軸に対して水平に装着する固定羽根板（７）の保持材と前記８本のアームの補強材を併用する円環材（５）を前記外輪と同心円にしてアーム間へ接合して骨組構造の輪形躯体が形成してある。

前記輪形躯体に装着する８枚の可動羽根板（６）は図５に示すように、断面形状を左右対称の涙滴型にして、回転方向を向く前縁（６ａ）をベアリング付の両開きヒンジ型（６ｅ）に形成して、図２または図３に示すように、そのヒンジ型を以って一枚ずつ８本のアームの背面側へ装着して、末尾の後縁（６ｂ）は、閉止状態の０度から、風の全てを風下側へ逃がして待機状態に至る約７０度の角度まで開くように可動式としてある。

また、図５に示すように、８本のアーム（３）には、前記可動羽根板の開閉を調節するコイルバネ式のラッチ（７）が前縁（６ａ）を挟むように両側へ内蔵してあり、後縁（６ｂ）が風速に応じた角度まで風下側へ開く際に、前記前縁の爪（６ｆ）に押されたラッチのコイルバネ（７ａ）が圧縮され、風速が至軽風以下まで弱まると、圧縮されたバネの弾性力によって後縁を閉止状態の０度まで戻す。そのラッチは、定格風速時に羽根車が効率良く回転する約３５度の角度を基準にバネの強弱をボルト（７ｂ）で調節する。

前記骨組構造の躯体へ装着する８枚の固定羽根板（８）は、図２と図３に示すように、断面形状を円環部材（５）の曲線に合わせた背面湾曲の鳥翼型にして、前縁（８ａ）を回転方向へ向け、両側端の片側を先端（８ｃ）にして回転軸の向く方へ水平向け、もう片側を円環材と同形状の付根（８ｄ）にして、その円環部材（５）の両側へ交互に４枚ずつ装着してある。

前記可動羽根板（６）と固定羽根板（８）を装着した羽根車は、図に示していない回転軸の両側へ片持梁付の支柱を設けて搭載され、その回転軸の向く前方または後方から風が吹くと、前記可動羽根板が受風して、後縁（６ｂ）が風速に応じた角度まで風下側へ開いて作動し、生じた揚力が前縁（６ａ）方向へ働いて回転し、前記回転軸の向く左方または右方から風が吹くと、前記固定羽根板が受風して作動し、生じた揚力と抗力の合力が前縁（８ａ）方向へ働いて回転する。

前記羽根車は、作動時に生じる回転軸（１）とハブ（２）の摩擦を少なくするためと、前記回転軸の向く前方または後方から強風を受けて羽根車に横ズレが生じたとき潤滑に摺動させるため、図４に示すように、嵌合部分を従来技術のボールスプライン構造（９）としてある。さらに、前記ハブの左右には、横ズレした羽根車を定位置へ押し戻す従来技術の油圧式調整装置（１０）が装備してあり、その油圧式調整装置は前記両側の支柱の片持梁へ固定される。

また、回転軸（１）の左右には、図に示していない従来技術の機械式ブレーキが装備してあり、設定した最大風速を超える風を受けると、過回転防止と安全を確保するために、前記ブレーキが自動的に作動して羽根車を停止させ、風速が設定した定格風速域まで弱まると、自動的にブレーキが解除されて羽根車が回転する。また、緊急時やメンテナンス時には、手動での停止と解除ができる。その機械式ブレーキは、増速機、発電機、変圧器などと共にナセル（機器格納庫）に搭載されて前記の支柱へ固定される。

尚、図７に示すように、羽根車はアームの本数を６本にして、可動羽根板と固定羽根板の枚数を６枚ずつにるすことも可能である。また、前記可動羽根板（６）は、閉止状態にあるとき納まりが良いように、上端（６ｃ）と下端（６ｄ）を外輪と円環材の曲線に合わせた形状としてあるが、他の形状にすることも可能であり、固定羽根板（８）は、風のエネルギーが効率よく得られるように、後縁（８ｂ）を斜にして先端（８ｃ）の幅を小さくしてあるが、他の形状にすることも可能である。

以上形成した本発明は、風向きへの追従の必要がない水平軸風車としての新規性があり、また、風車を左右で支えることができるため、タワー（塔）１本で支えている水平軸プロペラ型風車や片持梁の形状にして地上で支えている垂直軸風車に比べて安定した構造である。

さらに、従来の水平軸プロペラ型風車は、秒速１２ｍを超える特殊な気象条件下で定格出力を得ているため、定格風速が発揮できる風は約１５％程度に過ぎず、残りの約８５％は定格風速未満の部分負荷帯となっている。本発明は、二組の羽根板を外輪周辺に装着して風のエネルギーを先端部に集めたことで、低風速でも回転数（周速）を上げることが出来るため、最大出力が発揮できる定格風速域を、日本において風速出現頻度が最も多い秒速８ｍ〜１０ｍの風速域まで下げて、部分負荷帯を少なくすることが可能である。

以上により、本発明は、再生エネルギーを効率よく大量に創出できる風力発電用の水平軸風車として産業上有用である。

１ 回転軸
２ ハブ
３ アーム
４ 外輪
５ 円環材
６ 可動羽根板
６ａ 前縁
６ｂ 後縁
６ｃ 上端
６ｄ 下端
６ｅ 両開きヒンジ型
６ｆ 爪
７ ラッチ
７ａ コイルバネ
７ｂ バネ調整ボルト
８ 固定羽根板
８ａ 前縁
８ｂ 後縁
８ｃ 先端
８ｄ 付根
９ ボールスプライン構造
９ａ 鋼球
９ｂ 半球形溝加工
１０ 横ズレ調整装置

Claims (4)

1. 骨組構造の輪形躯体に複数の可動羽根板と複数の固定羽根板を装着して羽根に形成した水平軸風車において、
   前記羽根車は、回転軸の中央部に嵌めたハブから垂直方向へ等間隔で放射状に接合した複数のアームの先端部に、前記回転軸から真円になる外輪を接合し、該外輪から前記ハブ側へ向けて、前記複数のアームへ装着する前記複数の可動羽根板の作動に必要な間隔を空けた位置に、前記複数の固定羽根板を装着する保持材と前記複数のアームの補強材を併用する円環材を前記外輪と同心円状に接合して骨組構造の輪形躯体を構成してあり、
   前記複数の可動羽根板は、断面形状を左右対称の涙滴型にして、前縁をベアリング付の両開きヒンジ型に形成し、該両開きヒンジ型を回転方向へ向けて前記複数のアームの回転する方向の後部となる背面側に装着して、末尾の後縁を可動する構成とし、前記複数の固定羽根板は、断面形状を前記円環材の曲線に合わせた背面湾曲の鳥翼型にして、前縁を回転方向へ向け、両側端の片側を先端にして回転軸の向く方へ水平に向け、もう片側を付根にして、前記円環材の両側面へ交互に装着する構成としたことを特徴とする風力発電用風車。
2. 前記装着した複数の可動羽根板は、前記回転軸の向く前方または後方から吹く風を受風して、前記後縁部が風速に応じた角度まで風下側へ開いて作動し、生じた揚力が前記前縁方向へ働いて、羽根車を回転させることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用風車。
3. 前記装着した複数の固定羽根板は、前記回転軸の向く左方または右方から吹く風を受風して作動し、生じた揚力と抗力の合力が前記前縁方向へ働いて、羽根車を回転させることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用風車。
4. 前記複数の可動羽根板または前記複数の固定羽根板の何れかが、四方から吹く風を受風して羽根車を回転させることにより、風向きへの追従を必要としないことを特徴とする請求項１〜３に記載の風力発電用風車。

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