JP6521786B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力により回転するブレードの回転中心線が揺動運動可能なように構成されてブレードの回転エネルギーにより発電する風力発電装置に関する。

風力により回転するブレード（特許文献１のロータ５）を備えた回転部、及び、回転部で得られた回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機等の機器等を収納した収納部（以下、「ナセル」という）が、垂直方向及び水平方向に揺動運動可能となるように構成された風力発電装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−３５２４９号公報

特許文献１に開示された風力発電装置では、ナセル内の発電機に回転エネルギーを付与する主軸とブレードとが固定状態に連結されているため、ブレードとナセルとを一緒に揺動する。このため、一緒に揺動させる必要があるブレードとナセルとを合わせた一体物の重量が嵩むとともに大きさが大きくなる（即ち、大型化する）ので、ブレードを揺動させるために大きな力が必要になるという問題点があった。
本発明は上記問題点に鑑み、風力により回転するブレードの回転中心線が発電機に回転エネルギーを供給する主軸の回転中心線に対して交差可能なように構成することによって、ブレードを揺動しやすくした風力発電装置を提供する。

本発明に係る風力発電装置は、発電機と、風力により回転するブレードとブレードの回転力を発電機に伝達する主軸とを有した回転部とを備え、当該回転部で得られた回転エネルギーを発電機によって電気エネルギーに変換する風力発電装置において、主軸が主軸の中心線を回転中心として設置手段に設置されるとともに、ブレードの回転中心線が主軸の中心線と交差する状態となることが可能なように、ブレードの付け根部が主軸の一端部に揺動自在に取付けられたことを特徴とするので、ブレードを揺動しやすくした風力発電装置を得ることができる。
また、主軸の一端部が球状に形成されるとともに、ブレードの付け根部が主軸の一端部を覆う殻状体に形成され、主軸の一端部の外面と殻状体の内面とに設けられた凹凸対による揺動ガイドを備えたことを特徴とするので、揺動ガイドによりブレードを揺動しやすくした風力発電装置を得ることができる。
さらに、揺動ガイドは、球状に形成された主軸の一端部の球面に主軸の中心線に沿って延長するように設けられた凸部と、主軸の一端部の球面に対向する殻状体の内面にブレードの回転中心線に沿って延長するように設けられて凸部が入り込む凹溝とを備えて構成され、凸部及び凹溝のうちの一方は幅寸法が一定に形成され、他方は幅寸法が一定でないように形成されて、凸部の側壁と凹溝の溝壁とが互いに接触するように構成されたことを特徴とするので、凸部の側壁と凹溝の溝壁との接触をブレードの揺動動作時のストッパーとして機能させることができるようになる。
また、互いに接触する凸部の側壁及び凹溝の溝壁のうちの一方が平面に形成され、他方が曲面に形成されたことを特徴とするので、凸部の側壁と凹溝の溝壁との接触をブレードの揺動動作時のストッパーとして機能させることができるようになる。
また、殻状体は、球状に形成された主軸の一端部の上半球面から下半球面を含む上側球面を覆うことが可能な中空球面を備えたことを特徴とするので、殻状体が主軸の一端部上を揺動しても当該主軸の一端部から脱落しないようになる。

風力発電装置の正面図。 風力発電装置の斜視図。 風力発電装置の分解斜視図。 風力発電装置の回転部の横断面図。 風力発電装置の揺動ガイドを示す図。 揺動ガイドの動作を示す図。 ブレードの回転中心線が主軸の回転中心線と交差するようにブレードが揺動した状態を示す図。

風力発電装置１は、地上、建物屋上、建物壁面等の設置対象部２に設けられたベース（基礎）３上に立設された設置手段としてのタワー４と、風力により回転するブレード５１とブレード５１の回転力を発電機に伝達する主軸６０とを有した回転部５と、タワー４の内側に設置された図外の発電機及び発電機に回転エネルギーを伝達する主軸６０の回転数を発電機に必要な回転数に増速する図外の増速機（当該増速機を備えない構成の場合もある）等の機器とを備え、回転部５で得られた回転エネルギーを発電機によって電気エネルギーに変換するように構成されている。
発電機により得られた電力は、図外のインバータによって出力周波数が調整されるとともに図外の変圧器を介して昇圧されて図外の電力系統に送電される。
また、例えば後述する殻状体５３の外面又はタワー４の外面には図外の風向・風速計が取付けられている。

回転部５は、風力を受けて回転するブレード部５０と、ブレード部５０の回転力を発電機に伝達するためにブレード部５０と連結された主軸６０とを備える。

主軸６０は、主軸６０の回転中心線（中心線）６０Ｃを回転中心としてタワー４の一端側（ベース３に取付けられる側とは反対側）に設置される。主軸６０は、タワー４の一端開口４１を介して一端部がタワー４の外側に突出するように設置され、タワー４の一端開口４１の内側に設けられた軸受４２によって回転可能に支持されている。
タワー４の一端開口４１よりタワー４の外側に突出する主軸６０の一端部は、球状の揺動支持台６１に形成されている。

ブレード部５０は、複数のブレード５１；５１…と、複数のブレード５１の付け根同士を連結するブレードの付け根部５２とを備え、当該ブレードの付け根部５２が、球状の揺動支持台６１（主軸６０の一端部）を覆う一部が開口した中空球状の殻状体５３に形成されている。
殻状体５３は、球状に形成された主軸６０の一端部の上半球面から下半球面を含む上側球面を覆うことが可能な中空球面を備えている。即ち、殻状体５３の中空球面の面積は、中空半球面より大きい。換言すれば、殻状体５３の中空球面の中心線に沿った断面の円弧面は、中心角が１８０°よりも大きい円弧面である。例えば、当該円弧面は、中心角が２２０°程度の円弧面に形成される。
このように、殻状体５３の中空球面は、中空球面の中心線に沿った断面の円弧面の中心角が１８０°よりも大きい円弧面に形成されているため、殻状体５３が主軸６０の一端部である球状の揺動支持台６１の球面上を揺動しても当該揺動支持台６１から脱落しないようになっている。
尚、殻状体５３は、例えば図２；図３に示すように、ブレード５１の回転中心線５０Ｃ（＝ブレード部５０の回転中心線５０Ｃ（図７参照））となる殻状体５３の回転中心線に沿った切断面５３ａで殻状体５３を４分割した４つの分割体５４；５４…が結合されて構成される。
また、ブレード部５０は、例えば、各分割体５４；５４…にそれぞれブレード５１を２つずつ設け、このようにブレード５１が２つずつ設けられた各分割体５４；５４…の隣り合う切断面５３ａ；５３ａ同士を突き合わせて隣り合う分割体５４；５４…同士を図外の溶接、接着、ブラケットを用いたねじ結合等の連結手段で連結して構成される。
また、複数のブレード５１；５１…は、殻状体５３の回転中心線（＝ブレード部５０の回転中心線５０Ｃ（図７参照））を中心とした殻状体５３の外面の周方向に沿って所定の間隔を隔てて設けられている。例えば、複数のブレード５１；５１…は殻状体５３の回転中心線を中心とした殻状体５３の外面の周方向に沿って中心角４５°間隔で設けられ、かつ、周方向に隣り合うブレード５１；５１同士は、一方が殻状体５３の回転中心線に沿った一端（上端）側の外面より突出するように設けられ、他方が殻状体５３の回転中心線に沿った他端（下端）側の外面より突出するように設けられる。即ち、ブレード部５０は、例えば、複数のブレード５１；５１…が、殻状体５３の外面の周方向に沿って殻状体５３の一端（上端）側と他端（下端）側とに交互に設けられた構成となっている。

主軸６０の一端部を形成する揺動支持台６１の外面である球面には凸部６２が設けられ、かつ、当該揺動支持台６１の球面に対応して対向する殻状体５３の内面である中空球面（湾曲面）には凸部６２が入り込む凹溝６３が設けられ、これら互いに係合する凹溝６３と凸部６２との凹凸対による揺動ガイド７０が形成されている。

凸部６２は、例えば図４に示すように、揺動支持台６１の外面である球面において主軸６０の回転中心線６０Ｃを中心とした球面の周方向に互いに９０°隔てた４つの位置に設けられている。
各凸部６２；６２…は、図１；図３に示すように、主軸６０の回転中心線６０Ｃに沿って延長するように設けられている。

凹溝６３は、図４に示すように、揺動支持台６１の球面に対応した殻状体５３の湾曲面において殻状体５３の回転中心線（＝ブレード部５０の回転中心線５０Ｃ（図７参照））を中心とした湾曲面の周方向に互いに９０°隔てた４つの位置に設けられている。
各凹溝６３；６３…は、図７に示すように、殻状体５３の回転中心線であるブレード５１の回転中心線５０Ｃに沿って延長するように設けられている。
凹溝６３は、図３；図４に示すように、凸部６２を挟むように殻状体５３の中空球面（湾曲面）の周方向に並んで設けられた２つの板材６４；６４間の凹部により形成される。
凹溝６３は、例えば、各分割体５４；５４…の内面にそれぞれ１つずつ設けられている。

図５に示すように、各凸部６２；６２…は、例えば幅寸法（揺動支持台６１の球面の周方向に沿った長さ）が一定の板材により形成され、各凹溝６３；６３…は、凹溝６３の延長方向両端側の幅寸法（殻状体５３の湾曲面の周方向に沿った長さ）が凹溝６３の延長方向中央側の幅寸法よりも大きい寸法に形成されている。
例えば、凸部６２の両方の側壁６２ｓ；６２ｓ（主軸６０の回転中心線６０Ｃに沿った側面）と対向する凹溝６３の両方の溝壁６３ｓ；６３ｓ（ブレード５１の回転中心線５０Ｃに沿った壁面）が、凹溝６３の延長方向中央において互いに最も近付く湾曲面や傾斜面等に形成されている。

揺動ガイド７０を形成する凹凸対が上述のように構成されているため、揺動支持台６１の球面の周方向において互いに１８０°離れた位置に設けられた一方の揺動ガイド対７０；７０を介して殻状体５３が当該一方の揺動ガイド対７０；７０の延長方向に沿って動いた場合、揺動支持台６１の球面の周方向において互いに１８０°離れた位置に設けられた他方の揺動ガイド対７０；７０の凹溝６３を形成している板材６４；６４が、図６；図７（ａ）；（ｂ）の破線で示すように、主軸６０の回転中心線６０Ｃを含む平面に対して傾いた状態となることが可能となる。

即ち、実施形態の風力発電装置１によれば、主軸６０が主軸６０の回転中心線６０Ｃを回転中心として回転可能なようにタワー４の一端部に設置されるとともに、図６；図７（ａ）；（ｂ）に示すように、ブレード５１の回転中心線５０Ｃが主軸６０の回転中心線６０Ｃと交差する状態となることが可能なように、ブレードの付け根部５２である殻状体５３が主軸６０の一端部である揺動支持台６１に揺動自在に取付けられていることにより、ブレード５１を有したブレード部５０が、図２に示すように、一方の揺動ガイド対７０；７０の延長方向Ｘ及び他方の揺動ガイド対７０；７０の延長方向Ｙに揺動することが可能なように構成されている。

尚、ブレード部５０が一方の揺動ガイド対７０；７０の延長方向に沿って動ける可動範囲は、他方の揺動ガイド対７０；７０の凹溝６３を形成している板材６４；６４が主軸６０の回転中心線６０Ｃを含む平面に対して傾くことが可能な範囲によって決まる。
即ち、他方の揺動ガイド対７０；７０の板材６４；６４が主軸６０の回転中心線６０Ｃを含む平面に対して最大傾斜角度をなす状態となった場合における凸部６２を形成する板材の両方の側壁６２ｓ；６２ｓと凹溝６３を形成する板材６４；６４の両方の溝壁６３ｓ；６３ｓとが接触した状態が、ブレード部５０の一方の揺動ガイド対７０；７０の延長方向に沿った方向への移動を規制するストッパーとして機能する。
即ち、凸部６２は幅寸法が一定の板材により形成され、凹溝６３は凹溝６３の延長方向両端側の幅寸法が凹溝６３の延長方向中央側の幅寸法よりも大きい寸法に形成されているので、凸部６２の側壁６２ｓ；６２ｓと凹溝６３の溝壁６３ｓ；６３ｓとの接触をブレード５１の揺動動作時のストッパーとして機能させることが可能となる。

このように、実施形態の風力発電装置１では、風力により、ブレード部５０（ブレード５１）が一方の揺動ガイド対７０；７０の延長方向Ｘ及び他方の揺動ガイド対７０；７０の延長方向Ｙに動くこと、即ち、ブレード部５０（ブレード５１）の回転中心線５０Ｃが主軸６０の回転中心線６０Ｃと交差するようにブレード部５０が揺動運動可能であるとともに、風力によりブレード５１がブレード５１の回転中心線５０Ｃを回転中心として回転した場合に、当該回転力が揺動ガイド７０；７０…を介して主軸６０の一端部を形成する揺動支持台６１に伝達されて主軸６０が主軸６０の回転中心線６０Ｃを回転中心として回転し、当該主軸６０の回転エネルギーが発電機により電気エネルギーに変換されるように構成されている。

実施形態の風力発電装置１によれば、風力により回転するブレード５１の回転中心線５０Ｃが発電機に回転エネルギーを供給する主軸６０の回転中心線６０Ｃに対して交差可能なように構成したことによって、ブレード５１（ブレード部５０）が揺動運動しやすくなる。
従って、実施形態の風力発電装置１を、例えば風が三次元的な気流性状を示す高層建物の近傍に設置することによって、三次元的な気流に対応できるようになって、ブレード５１が三次元的な気流に正対しやすくなり、三次元的な気流中で効率良く発電を行うことが可能な風力発電装置１となる。
特に、上述したように、複数のブレード５１；５１…が、殻状体５３の外面の周方向に沿って殻状体５３の一端（上端）側と他端（下端）側とに交互に設けられた構成のブレード部５０を備えたことで、三次元的な気流中で効率良く発電を行うことが可能な風力発電装置１となる。

また、実施形態の風力発電装置１によれば、発電機及び増速機等の機器等をタワー４の内側に配置できるようになり、タワー４の外側には主軸６０の一端部とブレード部５０とだけが露出する構成とできるので、ブレード部５０が揺動運動しやすく、かつ、タワー４の外側に露出する構成要素を少なくできて外観及び意匠をシンプルにできる風力発電装置１を得ることができる。

尚、凸部６２及び凹溝６３のうちの一方は幅寸法が一定に形成され、他方は幅寸法が一定でないように形成されて、凸部６２の側壁６２ｓと凹溝６３の溝壁６３ｓとが互いに接触するように構成されていればよい。
例えば、互いに接触する凸部６２の側壁６２ｓ及び凹溝６３の溝壁６３ｓのうちの一方が平面に形成され、他方が曲面に形成されていれば、ブレード部５０が風を受けて図２のＸ方向及びＹ方向に揺動運動可能になるとともに、ブレード部５０が回転中心線５０Ｃを回転中心として回転した場合、当該回転力が凸部６２の側壁６２ｓから凹溝６３の溝壁６３ｓに伝達されて主軸６０が回転中心線６０Ｃを回転中心として回転して当該回転力が発電機により電気エネルギーに変換される。また、凸部６２の側壁６２ｓと凹溝６３の溝壁６３ｓとの接触をブレード部５０の揺動動作時のストッパーとして機能させることができるようになる。

尚、互いに接触する凸部６２の側壁６２ｓ及び凹溝６３の溝壁６３ｓのうちの他方が、互いに接触する凸部６２の側壁６２ｓ及び凹溝６３の溝壁６３ｓのうちの一方の平面と交差する傾斜面、又は、当該一方の平面と平行な平面、又は、当該平面と当該傾斜面と曲面の２つ以上が組み合わされた複合面に形成されていてもよい。このように構成された場合でも、ブレード部５０が風を受けて図２のＸ方向及びＹ方向に揺動運動可能になり、また、凸部６２の側壁６２ｓと凹溝６３の溝壁６３ｓとの接触をブレード部５０の揺動動作時のストッパーとして機能させることができるようになる。

また、揺動支持台６１の外面に設けられた凹溝６３と殻状体５３の内面に設けられた凸部６２とで揺動ガイド７０を構成してもよい。

また、タワー４や殻状体５３の外側に風速計及び風向計を設置するとともに、揺動ガイド７０を介してブレード部５０を揺動運動させるためのモータ等の駆動源、及び、当該駆動源を制御する制御装置を設け、当該制御装置が上述した風速計、風向計からの情報に基づいて駆動源を静制御することで、ブレード部５０の揺動制御を行う構成としてもよい。

また、ブレード部５０と主軸６０とを備えた回転部５を、地上、建物屋上、建物壁面等の設置対象部２に設けられた設置手段としてのベース（基礎）３に回転可能に取付けた構成としてもよい。
また、ブレード５１の数は１つ以上であればよい。

１ 風力発電装置、３ ベース（設置手段）、４ タワー（設置手段）、５ 回転部、
５０Ｃ ブレードの回転中心線、５１ ブレード、５２ ブレードの付け根部、
５３ 殻状体、６０ 主軸、６０Ｃ 主軸の回転中心線（中心線）、
６１ 揺動支持台（主軸の一端部）、６２ 凸部、６２ｓ 側壁、６３ 凹溝、
６３ｓ 溝壁、７０ 揺動ガイド。

Claims (5)

1. 発電機と、風力により回転するブレードとブレードの回転力を発電機に伝達する主軸とを有した回転部とを備え、当該回転部で得られた回転エネルギーを発電機によって電気エネルギーに変換する風力発電装置において、
   主軸が主軸の中心線を回転中心として設置手段に設置されるとともに、ブレードの回転中心線が主軸の中心線と交差する状態となることが可能なように、ブレードの付け根部が主軸の一端部に揺動自在に取付けられたことを特徴とする風力発電装置。
2. 主軸の一端部が球状に形成されるとともに、ブレードの付け根部が主軸の一端部を覆う殻状体に形成され、主軸の一端部の外面と殻状体の内面とに設けられた凹凸対による揺動ガイドを備えたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 揺動ガイドは、球状に形成された主軸の一端部の球面に主軸の中心線に沿って延長するように設けられた凸部と、主軸の一端部の球面に対向する殻状体の内面にブレードの回転中心線に沿って延長するように設けられて凸部が入り込む凹溝とを備えて構成され、
   凸部及び凹溝のうちの一方は幅寸法が一定に形成され、他方は幅寸法が一定でないように形成されて、凸部の側壁と凹溝の溝壁とが互いに接触するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
4. 互いに接触する凸部の側壁及び凹溝の溝壁のうちの一方が平面に形成され、他方が曲面に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
5. 殻状体は、球状に形成された主軸の一端部の上半球面から下半球面を含む上側球面を覆うことが可能な中空球面を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の風力発電装置。