JP6571438B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力により回転する羽根（以下、「ブレード」という）を備えた回転部が垂直方向及び水平方向に揺動可能に構成された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、ナセル支持部材により揺動可能に支持されたナセルの回転中心（特許文献１のピン８）からナセル支持部材を設置した設置手段としての支柱（以下、「タワー」という）のヘッド台座までの距離が、回転部の回転中心からブレードの先端までの長さ（ブレードの長さ）よりも小さいため、ブレードが回転した場合、ブレードとタワーとが対向することがある。このように、ブレードとタワーとが対向した場合、ブレードとタワーとの対向間の空気が圧縮されて低周波が発生するという問題点があった。
本発明は上記問題点に鑑み、ブレードが回転した場合において、ブレードと設置手段とが対向せず、低周波の発生を抑制できるように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、風力により回転するブレードを備えた回転部と、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が収納されたナセルと、回転部及びナセルを垂直方向に揺動可能に支持するとともに、水平方向に揺動可能となるように設置手段に回転可能に取付けられた揺動支持部とを備え、中心が回転部の回転中心と同じである環状部材を介してナセルと揺動支持部とが連結されたことにより、回転部とナセルと環状部材とが垂直方向に揺動可能となるように揺動支持部で支持され、環状部材は、ブレードの径方向外側に設けられた環状体と、回転部の回転中心を中心として放射状に延長するように設けられて環状体とナセルとを連結する複数の連結部材とを備え、環状部材の環状体には、ブレードの受風面が風向きと正対しやすくなるようにするためにブレードの受風面の風下側に延長して風を受ける迎角制御板が設けられ、迎角制御板は、回転部の回転中心線が水平に延長する状態において環状体の上端部より延長する板面が水平面を形成するように設けられた平板により形成され、回転部の回転中心から設置手段までの距離が、回転部の回転中心からブレードの先端までの長さよりも長いので、ブレードが回転した場合において、ブレードと設置手段とが対向せず、低周波の発生を抑制できて、かつ、複数の連結部材によってナセルを環状体に確実に連結でき、回転部とナセルと環状部材の揺動動作の信頼性が向上するとともに、ブレードの受風面が風上からの風向きに対して正対しやすくなり、発電効率を向上させることが可能となる。
また、回転部の回転中心から環状部材の内周面までの距離が、回転部の回転中心からブレードの先端までの長さよりも長いので、ブレードが回転した際の風を切るときの騒音の発生を抑制できる。
また、環状体は、円環状であるため、ブレードの径方向外側に円環状の環状体が位置されて、鳥がブレードの径方向外側の円環状の環状体を常に認識できるようになるため、バードストライクを抑制できるようになる。また、ブレードの回転により形成される円形の外周と円環状の環状体の内周面との間の間隔を均等にでき、意匠に優れた風力発電装置を形成できる。
また、環状体の下端部に、環状体の上端部に設けられた迎角制御板と上下対称となるように迎角制御板が設けられた構成としたので、回転部の上下方向（垂直方向）の迎角制御がより正確に行われるようになって、回転部のブレードを風上からの風向きに対して正対させることができるようになり、発電効率を向上させることが可能となる。
また、環状体の左右の端部のいずれ一方、又は、両方に迎角制御板が設けられた構成としたので、回転部の左右方向（水平方向）の迎角制御がより正確に行われるようになって、回転部のブレードを風上からの風向きに対して正対させることができるようになり、発電効率を向上させることが可能となる。

風力発電装置の正面図。 （ａ）は風力発電装置の平面図、（ｂ）は風力発電装置の側面図。 風力発電装置の斜視図。

図１に示すように、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を備えた回転部５と、回転部５により得られた回転エネルギーを電気エネルギーに変換する図外の発電機及び回転部５の回転中心軸（以下、主軸という）５２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）等の機器等が収納されたナセル６と、回転部５及びナセル６を環状部材７を介して垂直方向に揺動可能に支持するとともに、水平方向に揺動可能となるようにタワー４に回転可能に取付けられた揺動支持部８と、迎角制御板９とを備えた構成である。
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、例えばナセル６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、複数のブレード５１；５１…と、主軸５２と、複数のブレード５１の付け根を主軸５２に連結する連結部材であるハブ５３とを備えた構成である。
ブレード５１は、例えば、図１に示すように、回転部５の回転中心線５５を中心とした円周上において互いに１２０°隔てて回転中心線５５を中心として放射状に延長するように３つ設けられている。
即ち、風力により複数のブレード５１及び主軸５２が回転し、こ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。

環状部材７は、中心が回転部５の回転中心線５５と一致するように配置された円環状の環状体７１と、当該環状体７１とナセル６とを連結する放射状のスポークのような複数の連結部材７２；７２…とを備えた構成である。
連結部材７２は、例えば、図１に示すように、回転部５の回転中心線５５を中心とした円周上において互いに１２０°隔てて回転中心線５５を中心として放射状に延長するように３つ設けられている。尚、環状体７１とナセル６とが、回転部５の回転中心線５５を中心とした円周上において互いに１８０°隔てて回転中心線５５を中心として放射状に延長するように設けられた２つの連結部材７２により連結されていても良い。好ましくは、図１に示すように、環状体７１とナセル６とが、回転部５の回転中心線５５を中心とした円周上において互いに１２０°隔てて回転中心線５５を中心として放射状に延長するように設けられた３つの連結部材７２により連結されたり、回転部５の回転中心線５５を中心とした円周上において互いに９０°隔てて回転中心線５５を中心として放射状に延長するように設けられた４つの連結部材７２により連結されたり、さらには、５つ以上の連結部材７２により連結されれば、ナセル６と環状体７１とを確実、かつ、バランス良く安定に連結でき、回転部５とナセル６と環状部材７の揺動動作の信頼性が向上する。即ち、環状部材７が、円環状の環状体７１と、環状体７１とナセル６とを連結する複数の連結部材７２；７２…とを備えたので、複数の連結部材７２；７２…によってナセル６を環状体７１に確実に連結でき、回転部５とナセル６と環状部材７の揺動動作の信頼性が向上する。
また、回転部５の回転中心線５５から環状体７１の内周面７１ａまでの最短距離（環状体７１の内周面までの半径寸法）が、回転部５の回転中心線５５からブレード５１の先端まで長さ（ブレードの長さ）よりも長くなるように形成されている。

揺動支持部８は、環状体７１とタワー４とを連結する連結支持部材８１と、回転部５の回転中心線５５と直交する水平線を回転中心線８５として環状体７１を回転可能に支持することにより、回転部５及びナセル６を垂直方向に揺動可能に支持する垂直揺動支持部８２と、垂直線を回転中心線８６として連結支持部材８１を回転可能に支持することにより、回転部５、ナセル６、環状部材７を水平方向に揺動可能に支持する水平揺動支持部８３とを備えている。
連結支持部材８１は、中心角略１８０°の円弧面を形成する円弧状に構成された部材である。

垂直揺動支持部８２は、例えば、円環状の環状体７１の外周面７１ｂにおいて互いに１８０°隔てた位置に設けられた一対の回転中心軸９０；９０と、半円環状の連結支持部材８１の内周面８１ａにおいて互いに１８０°隔てた当該内周面８１ａの両端側位置に設けられて回転中心軸９０；９０を回転可能に支持する一対の軸受９１；９１とを備え、回転中心軸９０；９０が回転中心線８５を回転中心として回転可能に構成されていることで、回転部５、ナセル６、環状部材７を垂直方向に揺動可能に支持する。

水平揺動支持部８３は、円弧状の連結支持部材８１の外周面８１ｂにおける周方向の中間位置に設けられた回転中心軸９２と、タワー４の上端に設けられて当該回転中心軸９２を回転可能に支持する軸受９３とを備え、回転中心軸９２が回転中心線８６を回転中心として回転可能に構成されていることで、回転部５、ナセル６、環状部材７、連結支持部材８１を水平方向に揺動可能に支持する。

即ち、実施形態の風力発電装置１は、水平揺動支持部８３を備えていることによって、連結支持部材８１、環状部材７、ナセル６、回転部５が一緒に、回転中心線８６を回転中心として水平方向に揺動可能となるように構成されているとともに、垂直揺動支持部８２を備えていることによって、環状部材７、ナセル６、回転部５が一緒に、回転中心線８５を回転中心として垂直方向に揺動可能となるように構成されている。換言すれば、垂直揺動支持部８２は、回転部５、ナセル６、環状部材７を上下首振り可能に支持し、水平揺動支持部８３は、回転部５、ナセル６、環状部材７、連結支持部材８１を左右首振り可能に支持する。

迎角制御板９は、円環状の環状体７１に取付けられている。当該迎角制御板９は、ブレード５１の受風面（ブレード５１が回転することにより形成される円の面）が風向きと正対しやすくなるようにするために、環状体７１からブレード５１の受風面の風下側に延長して風を受けるように形成されている。この迎角制御板９は、例えば、環状体７１から風下側に向けて徐々に幅広となるように形成された板材により形成される。
尚、回転部５の複数のブレード５１；５１…がブレード５１の前方（図３参照）からの風を効率的に受けるように構成されている場合は、ブレード５１の前方が風上となる。従って、この場合、図３に示すように、迎角制御板９は、環状体７１から風下となるブレード５１の受風面の後方に向けて延長するように設けられる。
また、回転部５の複数のブレード５１；５１…がブレード５１の後方（図３参照）からの風を効率的に受けるように構成されている場合は、ブレード５１の後方が風上となる。従って、この場合、図示しないが、迎角制御板９は、環状体７１から風下となるブレード５１の前方（図３参照）に向けて延長するように設けられる。
迎角制御板９は、例えば図１；図３に示すように、円環状の環状体７１の上端部（頂部）７１ｔより延長する平板により形成され、板面９５が、回転部５の回転中心線５５及び垂直揺動支持部８２の回転中心線８５と直交する線（回転中心線８６）と直交するように設けられる。即ち、回転部５の回転中心線５５が水平に延長する状態において円環状の環状体７１の上端部（頂部）７１ｔより延長する板面９５が水平面を形成するように設けられた平板により形成される。
尚、図示しないが、図１；図３に示した環状体７１の上端部７１ｔに設けた迎角制御板９と上下対称となるように環状体７１の下端部にも迎角制御板９を設けることによって、回転部５の上下方向（垂直方向）の迎角制御がより正確に行われるようになって、回転部５のブレード５１を風上からの風向きＦに対して正対させることができるようになり、発電効率を向上させることが可能となる。
また、環状体７１の左右の端部のいずれか一方、又は、両方に迎角制御板９を設けることで、回転部５の左右方向（水平方向）の迎角制御がより正確に行われるようになって、回転部５のブレード５１を風上からの風向きＦに対して正対させることができるようになり、発電効率を向上させることが可能となる。
即ち、迎角制御板９を、環状体７１の上端部７１ｔ、下端部、左端部、右端部にそれぞれ設けることによって、回転部５の上下方向（垂直方向）及び回転部５の左右方向（水平方向）の迎角制御がより正確に行われるようになって、回転部５のブレード５１を風上からの風向きＦに対して正対させることができるようになり、発電効率を向上させることが可能となるので、好ましい。
尚、迎角制御板９は、例えば環状体７１、連結支持部材８１のいずれかに設けられていればよい。
また、環状体７１の下端部に迎角制御板９を設ける場合、環状体７１の垂直方向に揺動動作時に迎角制御板９が連結支持部材８１に衝突しないように、連結支持部材８１の内面と環状体７１の外面との間に間隔を大きく設定することが好ましい。

尚、発電機により発電された電気を地上に送電する送電線は、例えば、ナセル６から、連結部材７２、環状体７１、垂直揺動支持部８２、連結支持部材８１、水平揺動支持部８３、タワー４を経由して地上に到達するように設けられる。従って、環状体７１及び連結支持部材８１は、例えば、当該送電線を通過させる中空部を有した中空パイプや板材等により構成すれば、当該環状体７１及び連結支持部材８１の中空部に送電線を通すことができて送電線を外部に露出させずに送電線の取り回しが容易になり、風力発電装置１の美観、送電線の劣化抑制等の観点からも好ましい。

実施形態の風力発電装置１によれば、垂直揺動支持部８２、水平揺動支持部８３、迎角制御板９を備えているので、風向きによって回転部５の回転中心線５５が風の流れる方向と平行になってブレード５１の受風面が風上からの風向きＦと正対しやすくなるため、風のエネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することができる。
即ち、風がブレード５１の受風面に対して斜め上方や斜め下方から吹いてきた場合、迎角制御板９の板面９５が風圧を受けることで環状部材７が垂直揺動支持部８２を介して垂直方向に動くため、ブレード５１の受風面が風上からの風向きＦと正対しやすくなる。
また、連結支持部材８１が水平揺動支持部８３を介して水平方向に動くため、ブレード５１の受風面が風上からの風向きＦと正対しやすくなる。

また、環状体７１とタワー４とを連結する円弧状の連結支持部材８１を備え、回転部５の回転中心（回転部５の回転中心線５５）からタワー４までの距離を、回転部５の回転中心（ブレード５１の回転中心）からブレード５１の先端５１ｔまで長さ（ブレード５１の長さ）よりも長くしたため、ブレード５１が回転した場合、ブレード５１とタワー４とが対向することがなくなる（ブレード５１とタワー４とが前後で重なることがなくなる）ので、ブレードが回転してブレードとタワーとが対向した場合にブレードとタワーと間の空気が圧縮されて低周波が発生するという従来の問題を解消できるようになる。

また、円弧状の連結支持部材８１を備えるため、当該連結支持部材８１に対してタワー４を複数本設けることも可能となり、タワー４が折れにくい構成とすることも容易となる。

また、ブレード５１が回転することによりブレード５１の先端が描く円軌跡の円周の外側に、当該円周よりも径の大きい円環状の環状部材７を備えている。即ち、中心が回転部５の回転中心と同じである環状部材７を介してナセル６と揺動支持部８とが連結されたことにより、回転部５とナセル６と環状部材７とが垂直方向に揺動可能となるように揺動支持部で支持されて、回転部５の回転中心（回転部５の回転中心線５５）から環状部材７の環状体７１の内周面７１ａまでの距離が、回転部５の回転中心からブレード５１の先端５１ｔまでの長さよりも長くなるように構成されているため、ブレード１５が回転した際の風を切るときの騒音の発生を抑制できる。

さらに、ブレード５１の径方向外側に円環状の環状体７１を備えるので、鳥がブレード５１の径方向外側の円環状の環状体７１を常に認識できるようになるため、バードストライクを抑制できるようになる。
また、環状体７１が円環状であるため、ブレード５１の回転により形成される円形の外周と円環状の環状体７１の内周面との間の間隔を均等にでき、意匠に優れた風力発電装置１を形成できる。

尚、水平揺動支持部８３を介した水平揺動のためのモータ等の駆動源、垂直揺動支持部８２を介した垂直揺動のためのモータ等の駆動源を設けて、これら駆動源を制御する制御装置を設けて、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、水平揺動制御、垂直揺動制御を行う構成としてもよい。

回転部５及びナセル６を環状部材７を介して垂直方向に揺動可能に支持するとともに、水平方向に揺動可能となるように、揺動支持部８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。

また、連結支持部材８１は、円弧状ではなく、例えば、円弧以外の弧状、四角形の環状体を半分にした凹状、四角形の環状体を半分にした三角凹状、多角形の環状体を半分にした凹状等に形成されたものであってもよい。

また、環状体７１は、円環状ではなく、例えば、連結支持部材８１と同様に長尺な板材の板面が湾曲面に形成されて中心角略１８０°の円弧面を形成する円弧状、円弧以外の弧状、四角形の環状体を半分にした凹状、四角形の環状体を半分にした三角凹状、多角形の環状体を半分にした凹状等に形成されたものであってもよい。

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、
６ ナセル、７ 環状部材、８ 揺動支持部、９ 迎角制御板、５１ ブレード、
５１ｔ ブレードの先端、５５ 回転部の回転中心線（回転部の回転中心）、
７１ 環状体、７１ａ 環状体の内周面（環状部材の内周面）、７２ 連結部材。

Claims (5)

1. 風力により回転するブレードを備えた回転部と、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が収納されたナセルと、回転部及びナセルを垂直方向に揺動可能に支持するとともに、水平方向に揺動可能となるように設置手段に回転可能に取付けられた揺動支持部とを備え、
   中心が回転部の回転中心と同じである環状部材を介してナセルと揺動支持部とが連結されたことにより、回転部とナセルと環状部材とが垂直方向に揺動可能となるように揺動支持部で支持され、
   環状部材は、ブレードの径方向外側に設けられた環状体と、回転部の回転中心を中心として放射状に延長するように設けられて環状体とナセルとを連結する複数の連結部材とを備え、
   環状部材の環状体には、ブレードの受風面が風向きと正対しやすくなるようにするためにブレードの受風面の風下側に延長して風を受ける迎角制御板が設けられ、
   迎角制御板は、回転部の回転中心線が水平に延長する状態において環状体の上端部より延長する板面が水平面を形成するように設けられた平板により形成され、
   回転部の回転中心から設置手段までの距離が、回転部の回転中心からブレードの先端までの長さよりも長いことを特徴とする風力発電装置。
2. 回転部の回転中心から環状体の内周面までの距離が、回転部の回転中心からブレードの先端までの長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 環状体は、円環状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電装置。
4. 環状体の下端部に、環状体の上端部に設けられた迎角制御板と上下対称となるように迎角制御板が設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の風力発電装置。
5. 環状体の左右の端部のいずれ一方、又は、両方に迎角制御板が設けられ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。