JP6396390B2 - 垂直軸の軸構造および風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷重を受けながら軸回転する垂直軸の軸構造およびこれを用いた風力発電装置に関するものである。

クリーンな発電として、自然エネルギーの一つである風力を利用した風力発電装置が注目されている。風力発電装置は、ブレードの回転軸が水平となる水平軸型と、ブレードの回転軸が上方を向いた垂直軸型とに大別される。
水平軸型は風向の制御が必要であるが、垂直軸型は不要である。しかし、垂直軸型はブレードや発電機の荷重が軸回転する垂直軸に掛かるため、ブレードの回転時の抵抗となるため、効率的な発電の阻害となる。
そこで、例えば、特許文献１に記載された従来の垂直軸型の風力発電装置では、発電効率を向上させるために、垂直軸を磁力により浮上させることが開発されている。

特許文献１に記載の垂直軸型風車装置は、第１の支持体２に垂直に設けられた回転軸４に、ブーメラン形状の複数枚の主たる羽根が設けられ、第１の支持体２内には、固定磁石が設けられた固定円板と、可動磁石が設けられた可動円板とによる浮上手段が設けられ、第１の支持体が有する軸受けにより支持される回転軸を浮上させている。

特開２００４−３１６５５１号公報

特許文献１に記載の垂直軸型風車装置では、回転軸（垂直軸）を浮上させる浮上手段を備えているため、羽根の荷重が掛かる垂直軸を支持する軸受けへの負荷を軽減することができる。
しかし、軸受けは、浮上した状態の垂直軸を回転自在に支持しているため、風力により羽根が回転して浮力を得ると、垂直軸を上方へ引っ張る力が発生する。この垂直軸を上方へ引っ張る力は軸受けへの負担となるため、軸受けの摩耗が進んでしまう。

そこで本発明は、上方への力が発生しても、軸受けの負担を軽減することができる垂直軸の軸構造および風力発電装置を提供することにある。

本発明の垂直軸の軸構造は、荷重を受けながら軸回転する第１垂直軸部と、前記第１垂直軸部を浮上させる浮上部と、前記第１垂直軸部に連動する第１部材および前記第１部材に対して相対的に上下方向にスライドする第２部材を有する中継軸部と、前記第２部材に連結され、軸受けにより回転自在に上下方向に対して固定された第２垂直軸部とを備えたことを特徴とする。

本発明の垂直軸の軸構造によれば、荷重を受けながら軸回転する第１垂直軸部が、浮上部により浮上する。この第１垂直軸部は、中継軸部の第１部材と連動する。中継軸部の第２部材は、軸受けにより回転自在に上下方向に対して固定された第２垂直軸部に連結されている。従って、第１垂直軸部に上方への力が作用すると、第１部材が第２部材から上下方向にスライドして移動するため、第１垂直軸部が上方への移動することによる力が、第２垂直軸部を支持する軸受けに加わらない。

前記第１部材は、前記浮上部により前記第１垂直軸部が浮上した初期状態で、前記第２部材に対して上昇可能であり、かつ下降可能であることが望ましい。第１部材が、初期状態から上昇可能で、かつ下降可能であると、第１垂直軸部に上方へスライドするときに第１部材が上昇した後に、第１垂直軸部に復帰するときに、第１部材が初期状態を過ぎて下方へスライドさせることができる。

前記中継軸部は、前記第１部材を外筒部、前記第２部材をスプライン軸部としたボールスプラインとすることができる。中継軸部をボールスプラインとすることにより、第１垂直軸部の軸回転（回転運動）を第２垂直軸へ伝達させながら、第１垂直軸を上下方向に直線運動させることができる。

前記第２部材の上側を、前記第１垂直軸部に形成された軸穴に挿入し、前記第２部材に、前記軸穴の内周面に接する摺動部材を設けることができる。第１垂直軸部に軸穴が形成されていることで、第１垂直軸部を軽量化することができる。第１垂直軸部の軸穴に挿入された第２部材の上側に軸穴の内周面に接する摺動部材が設けられているため、中継軸部の第１部材が第１垂直軸部を支持するだけでなく、摺動部材が軸穴から第１垂直軸部を支持するため、第１垂直軸部を安定させた状態で軸回転させることができ、スライドさせることができる。

前記第２部材の下側を、前記第２垂直軸部に形成された軸穴の上端から挿入し、前記第２部材を、前記第２垂直軸部の下端から前記軸穴に挿入された固定用部材により前記第２垂直軸部に固定することができる。第２垂直軸部に軸穴が形成されていることで、第２垂直軸部を軽量化することができる。第２部材の下側を、第２垂直軸部の軸穴に上端から挿入し、第２垂直軸部の下端から固定用部材を軸穴に挿入して第２部材を固定することで、しっかりと第２部材と第２垂直軸部とを固定することができる。

前記浮上部は、固定側である固定磁石部と、前記第１垂直軸部に設けられ、前記固定磁石部に対向して配置され、前記固定磁石部に反発する可動磁石部とを備えることができる。可動磁石部が、固定磁石部に対向して配置され、第１垂直軸部に連結されていることで、第１垂直軸部を磁力により浮上させることができる。

本発明の風力発電装置は、本発明の垂直軸の軸構造と、前記第１垂直軸部に連結された風車部と、前記第２垂直軸部に連結された発電部とを備えたことを特徴とする。

本発明の風力発電装置によれば、風車が風を受け回転して、垂直軸に上方への力が作用しても、第１垂直軸部が第２垂直軸部対して上方へ移動できるため、第２垂直軸部を支持する軸受けに負担が加わらない。

本発明によれば、第１垂直軸部に上方への力が作用すると、第１部材が第２部材から上下方向にスライドして移動するため、第１垂直軸部が上方への移動することによる力が、第２垂直軸部を支持する軸受けに加わらない。よって、本発明は、上方への力が発生しても、軸受けの負担を軽減することができる。

本発明の実施形態に係る風力発電装置を示す全体斜視図である。 図１に示す風力発電装置の分解斜視図である。 図１に示す風力発電装置のサボニウス型の小径ブレードの分解斜視図である。 図１に示す風力発電装置のダリウス型の大径ブレードと垂直軸部と中継軸部の外筒部との分解斜視図である。 図１に示す風力発電装置の初期状態における一部断面図である。 図１に示す風力発電装置の風車が浮力を得て、第１垂直軸部が初期状態から上昇した状態の一部断面図である。 図１に示す風力発電装置の風車が浮力を失って、第１垂直軸部が初期状態から更に下降した状態の一部断面図である。

本発明の実施の形態に係る垂直軸の軸構造を用いた風力発電装置を、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、風力発電装置１０は、風車２０と、垂直軸３０と、発電部４０と、基台部５０とを備えている。

風車２０は、サボニウス型の小径ブレード２１０と、ダリウス型の大径ブレード２２０とを備えている。
図２および図３に示すように、小径ブレード２１０は、第１小径ブレード２１１と第２小径ブレード２１２とが、筒状の中間用軸部材２１３と取付用の円板部材２１４とにより上下２段に連結されたものである。
小径ブレード２１０の上端は、上部連結用部材２１５を介して、大径ブレード２２０に連結されている。

第１小径ブレード２１１と第２小径ブレード２１２とは、それぞれに、一対の半円筒形状のブレード２１１ａ，２１２ａが、中心を直径方向にずらした状態で、互いに凹みが向き合うように、配置されている。
円板部材２１４が、第１小径ブレード２１１の上端、第１小径ブレード２１１と第２小径ブレード２１２との間、第２小径ブレード２１２の下端に連結され、中間用軸部材２１３が円板部材２１４のそれぞれの間に連結されていることで、第１小径ブレード２１１および第２小径ブレード２１２が固定されている。

図２および図４に示すように、大径ブレード２２０は、３本のＵ字状ブレード２２１の上端が、三方向に放射状に延びる板状の上側連結部材２２２に連結されていることにより１２０度ごとに配置されている。Ｕ字状ブレード２２１の下端は、後述する第１垂直軸部に連結される。

垂直軸３０は、上下方向に延びる回転軸である。垂直軸３０は、小径ブレード２１０と大径ブレード２２０とからなる風車２０の軸回転を発電部４０へ伝達するものである。

発電部４０は、風車２０の回転から三相交流を発電する発電機である。発電部４０は、基台部５０上に設置されている。発電部４０は、固定子４１と、回転子４２とを備えている。
固定子４１は、回転子４２の両面にそれぞれ対向するように３組のコイルが円周方向に沿って配置され、回転子４２の回転により位相の異なる３つの交流を発生させる機能を有する。回転子４２は、円盤状に形成され、垂直軸３０と共に回転する永久磁石が、円周方向に沿って、Ｎ極およびＳ極が交互に配置されたものである。

基台部５０は、円筒形状部の両端に、発電部４０に連結するためと、地面または設置部材に連結するために、フランジが形成されている。

ここで、垂直軸３０の軸構造について、図面に基づいて詳細に説明する。
垂直軸３０は、風車２０と連結して回転する第１垂直軸部３１と、発電部４０を固定部として連結した第２垂直軸部３２と、第１垂直軸部３１と第２垂直軸部３２とを連結する中継軸部３３と、第１垂直軸部３１を浮上させる浮上部３４とを備えている。

第１垂直軸部３１は、筒状の回転軸部材３１１と、回転軸部材３１１の下端から三方向に放射状に延びる板状の下部連結用部材３１２と、回転軸部材３１１の下端に連結される下端用部材３１３とを備えた、大径ブレード２２０の上側連結部材２２２と対をなす下側連結部である。

回転軸部材３１１は、上端が第１小径ブレード２１１の下端の円板部材２１４に連結される。回転軸部材３１１には、下端用部材３１３を貫通して浮上部３４にねじ止めするためのフランジ３１１ａが形成されている。筒状の回転軸部材３１１には、長さ方向に沿って軸穴３１１ｂが形成されている。軸穴３１１ｂの上部には、後述する中継軸部３３の外筒部を押し下げるための環状凸部３１１ｃが形成されている。

下部連結用部材３１２は、Ｕ字状ブレード２２１の下端が連結される。下端用部材３１３は、輪郭形状が平面視して三角形状に形成されている。
下端用部材３１３は、中継軸部３３が挿通する貫通孔３１３ａが形成されている共に、貫通孔３１３ａの上側周縁部に中継軸部３３の後述する外筒部が嵌まり、外筒部を押し上げるための環状切欠部３１３ｂが形成されている。
下端用部材３１３は、ねじ止めにより浮上部３４に連結されている。

第２垂直軸部３２は、筒状に形成され、回転子４２の中心を貫通して、回転子４２と一体的に形成されている。第２垂直軸部３２は、回転子４２の上下となる位置が軸受け３５により回転自在に、上下方向に対して固定されている。第２垂直軸部３２には、長さ方向に沿って軸穴３２１が形成されている。

中継軸部３３は、第１垂直軸部に接続された筒状の第１部材である外筒部３３１と、外筒部３３１に対して相対的に上下方向にスライドする棒状の第２部材であるスプライン軸部３３２を有する。本実施の形態では、中継軸部３３は、スプライン軸部３３２の長さ方向に沿って形成された転送溝をボールが転がり、外筒部３３１がスプライン軸部３３２に沿ってスライドするボールスプラインである。

外筒部３３１には、キーピンが回転軸部材３１１の軸穴３１１ｂの凹部に嵌合している。スプライン軸部３３２の上端には、軸穴３１１ｂの内周面に接する摺動部材３６がねじ止めにより固定され、設けられている。この摺動部材３６は、外筒部３３１が最下位置に沈み込んだときに、摺動部材３６をねじ止めするねじと共に、回転軸部材３１１の上端開口に設けられたキャップ３１４が当たることで、外筒部３３１の下限位置とするストッパとしての機能を有している。

スプライン軸部３３２の下側は、第２垂直軸部３２の軸穴３２１の上端から挿入されている。スプライン軸部３３２は、第２垂直軸部３２の下端から軸穴３２１に挿入された固定用部材であるねじ３３２ａにより第２垂直軸部３２に連結されている。

浮上部３４は、軸受け３５が設けられた固定部となる発電部４０に連結された固定磁石部３４１と、第１垂直軸部３１に連結され、固定磁石部３４１に対向して配置され、固定磁石部３４１と同極としたことで反発する可動磁石部３４２とを備えている。例えば、固定磁石部３４１がＮ極であれば可動磁石部３４２はＮ極、固定磁石部３４１がＳ極であれば可動磁石部３４２はＳ極とすることができる。

以上のように構成された本発明の実施の形態に係る風力発電装置の動作および使用状態を図面に基づいて説明する。
図５に示すように、風車２０が風力を受けて回転すると、風車２０を支持する第１垂直軸部３１は軸回転する。第１垂直軸部３１が軸回転することで、中継軸部３３の外筒部３３１が連動し、スプライン軸部３３２が軸回転する。スプライン軸部３３２が軸回転することにより第２垂直軸部３２が軸回転する。そして、回転子４２が回転することで固定子４１により電力が発生する。

垂直軸３０は風車２０の荷重を受けながら軸回転している。しかし、垂直軸３０の第１垂直軸部３１は、発電部４０に連結されて固定された固定磁石部３４１に対向して配置され、固定磁石部３４１に反発する可動磁石部３４２に連結されている。従って、第１垂直軸部３１が受ける風車２０の荷重に対して、反対方向の力が可動磁石部３４２の浮力によって、第１垂直軸部３１に付与されるため、中継軸部３３を介して第２垂直軸部３２に対する荷重が軽減できる。従って、軸受け３５に対する摺動抵抗が軽減できるため、発電効率の向上、騒音の低下を図ることができる。

風力が強くなると、風車２０に浮力により上方へ引かれる力が作用する。そうなると、風車２０の第１垂直軸部３１への荷重が軽減されるため、浮上部３４による浮上が作用して、第１垂直軸部３１が上昇する。
外筒部３３１は、上端面および下端面が、回転軸部材３１１の環状凸部３１１ｃの下方に向いた周壁面と、下端用部材３１３の環状凸部３１１ｃにより挟まれていることで、上下方向の移動が回転軸部材３１１と連動する。また、外筒部３３１は、キーピンに周方向の移動（軸回転）が回転軸部材３１１と連動する。

第１垂直軸部３１が軸回転しながら、浮上部３４によって浮上している。その第１垂直軸部３１が軸回転しながら、風車２０によって上方へ引っ張られると、風車２０が回転していないときの外筒部３３１の位置、即ち、風車２０の荷重がそのまま第１垂直軸部３１に掛かった状態で浮上部３４により浮上していたときの外筒部３３１の位置（初期状態）から、外筒部３３１が第１垂直軸部３１に連動して、軸回転しながら上方へ移動する。

しかし、図６に示すように、スプライン軸部３３２は、外筒部３３１に対して相対的に上下方向にスライドすることができる。そのため、外筒部３３１が上方へ移動しても、スプライン軸部３３２は、高さ位置をそのままに維持することができる。
従って、外筒部３３１がスプライン軸部３３２に対して上昇しても、スプライン軸部３３２の位置は大きく変化しないため、スプライン軸部３３２に連結された第２垂直軸部３２を支持する軸受け３５に対する摺動抵抗の増加を抑えることができる。
よって、風力発電装置１０は、垂直軸３０に上方への力が発生しても、軸受け３５の負担を軽減することができる。従って、軸受け３５の劣化を抑止することができるので、発電効率を向上させるだけなく、耐久性を向上させることができる。

次に、急激に風力が弱まり、風車２０の浮力が減少すると、風車２０の第１垂直軸部３１への荷重が一気に第１垂直軸部３１に掛かるため、第１垂直軸部３１が下降する。そのとき、中継軸部３３の外筒部３３１が初期状態を過ぎて下方へスライドすることがある。
しかし、外筒部３３１が、スプライン軸部３３２に沿って下降し、初期状態の位置を過ぎて、更に下降しても、外筒部３３１がスプライン軸部３３２に対して初期状態から下降可能である。そのため、外筒部３３１がスプライン軸部３３２をスライドするだけで、スプライン軸部３３２に連結した第２垂直軸部３２をそのままの位置に維持させることができる。従って、第２垂直軸部３２を支持する軸受け３５に対する摺動抵抗の増加を抑えることができる。

第１垂直軸部３１に軸穴３１１ｂが形成されていることで、第１垂直軸部３１を軽量化することができる。第１垂直軸部３１が外筒部３３１を伴い、スプライン軸部３３２に対して、上下方向にスライドするときに、外筒部３３１の軸穴３１１ｂの内周面を摺動部材３６が摺動しながら移動する。従って、第１垂直軸部３１は外筒部３３１だけでなく、摺動部材３６よっても第１垂直軸部３１を支持させることができるため、第１垂直軸部３１を安定させた状態で軸回転させることができ、スライドさせることができる。

第２垂直軸部３２に軸穴３２１が形成されていることで、第２垂直軸部３２を軽量化することができる。スプライン軸部３３２の下側を、第２垂直軸部３２の軸穴３２１に上端から挿入し、第２垂直軸部３２の下端から固定用部材であるねじ３３２ａを軸穴３２１に挿入してスプライン軸部３３２を固定することで、しっかりとスプライン軸部３３２と第２垂直軸部３２とを固定することができる。

本実施の形態では、風車２０がサボニウス型とダリウス型の２種類のブレードを備えたものとしていたが、風車は、パドル型やＳ字型、直線翼型など、様々な垂直軸型の風車とすることができる。
また、第１垂直軸部３１は、大径ブレード２２０の上側連結部材２２２と対をなす下側連結部としていたが、風車に対して高所にて風力を受けさせるために垂直軸を延ばしたときには、下側連結部と第１垂直軸部とを別体としてもよい。

図１に示す風力発電装置１０では風車２０が１段しかないが、風力発電装置１０を複数段、上下方向に並べ、風力発電装置１０を多段積みするフレームと風車２０の上端との間に、本発明の垂直軸の軸構造を設けるようにしてもよい。このように構成することで、風車２０の上下で本発明の垂直軸が風車２０を挟み込むため、風車２０が浮遊状態で上下方向に移動するため、風車２０および垂直軸の横方向のずれが少なくなり、かつ鉛直方向の抵抗を軽減することができる。

更に、ダリウス型の大径ブレード２２０における３本のＵ字状ブレード２２１は、リグノセルロースナノファイバーにより形成することができる
Ｕ字状ブレード２２１の形状にリグノセルロースナノファイバーを樹脂で成形することで、３本のブレードを一体的に形成することができ、軽量化および強靭化を図ることができる。従って、発電効率を更に向上させることができる。また、風車の軽量化を図ることができるため、一般家庭の屋根上でも容易に設置することができる。

本発明は、荷重を受けながら軸回転する垂直軸であれば様々なもの適用することができる。特に、本発明は、ブレードの回転軸が上方を向いた垂直軸型の風車を受ける垂直軸に最適である。

１０ 風力発電装置
２０ 風車
２１０ 小径ブレード
２１１ 第１小径ブレード
２１２ 第２小径ブレード
２１１ａ，２１２ａ ブレード
２１３ 中間用軸部材
２１４ 円板部材
２１５ 上部連結用部材
２２０ 大径ブレード
２２１ Ｕ字状ブレード
２２２ 上側連結部材
３０ 垂直軸
３１ 第１垂直軸部
３１１ 回転軸部材
３１１ａ フランジ
３１１ｂ 軸穴
３１１ｃ 環状凸部
３１２ 下部連結用部材
３１３ 下端用部材
３１３ａ 貫通孔
３１３ｂ 環状切欠部
３１４ キャップ
３２ 第２垂直軸部
３２１ 軸穴
３２２ 環状切欠部
３３ 中継軸部
３３１ 外筒部
３３１ａ キーピン
３３２ スプライン軸部
３３２ａ ねじ
３４ 浮上部
３４１ 固定磁石部
３４２ 可動磁石部
３５ 軸受け
３６ 摺動部材
４０ 発電部
４１ 固定子
４２ 回転子
５０ 基台部

Claims (6)

1. 荷重を受けながら軸回転する第１垂直軸部と、
   前記第１垂直軸部を浮上させる浮上部と、
   前記第１垂直軸部と連動する第１部材および前記第１部材に対して相対的に上下方向にスライドする第２部材を有する中継軸部と、
   前記第２部材に連結され、軸受けにより回転自在に上下方向に対して固定された第２垂直軸部とを備え、
   前記浮上部は、固定側である固定磁石部と、前記第１垂直軸部に連結され、前記固定磁石部に対向して配置され、前記固定磁石部に反発する可動磁石部とを備えた垂直軸の軸構造。
2. 前記第１部材は、前記浮上部により前記第１垂直軸部が浮上した初期状態で、前記第２部材に対して上昇可能であり、かつ下降可能である請求項１記載の垂直軸の軸構造。
3. 前記中継軸部は、前記第１部材を外筒部、前記第２部材をスプライン軸部としたボールスプラインである請求項１または２記載の垂直軸の軸構造。
4. 前記第２部材の上側は、前記第１垂直軸部に形成された軸穴に挿入され、
   前記第２部材には、前記軸穴の内周面に接する摺動部材が設けられた請求項１から３のいずれかの項に記載の垂直軸の軸構造。
5. 前記第２部材の下側は、前記第２垂直軸部に形成された軸穴の上端から挿入され、
   前記第２部材は、前記第２垂直軸部の下端から前記軸穴に挿入された固定用部材により前記第２垂直軸部に固定されている請求項１から４のいずれかの項に記載の垂直軸の軸構造。
6. 前記請求項１から５のいずれかの項に記載の垂直軸の軸構造と、
   前記第１垂直軸部に連結された風車部と、
   前記第２垂直軸部に連結された発電部とを備えた風力発電装置。