JP6622528B2

JP6622528B2 - 風力発電装置

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Publication number: JP6622528B2
Application number: JP2015179441A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　政彦; 政彦鈴木
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2019-12-18
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: JP2017053308A

Description

本発明は、風力発電装置に係り、受風面積が小さい揚力型ブレード（以下単にブレードという）の小型風車でも、低風速時に高効率の発電をすることのできる風力発電装置に関する。

１本の縦主軸に、上下２層にロータを配設した風力発電機は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００６−１７０１１号公報

特許文献１に記載の発明では、長いブレードが使用されており、ブレードを複数層にすると、全体の高さが高くなり、小型の風力発電装置には適さない。
また、上下のロータは、縦主軸に固定されており、同時に回転するものである。
本発明は、民家の庭先や田圃の畦道などでも配設することができ、低風速時に高効率の発電をすることができるようにした、風力発電装置を提供することを目的としている。

本発明の具体的な内容は、次の通りである。

（１）発電機に連結された縦主軸に、風力により、縦主軸を回転させる主ロータと、縦主軸の周囲を空転する空転ロータとを設け、各ロータはそれぞれ揚力型ブレードを備え、空転ロータの揚力型ブレードの回転直径内に生じる低圧により、その外側部から揚力型ブレードの回転直径内に、気圧の差により気流を呼び込むようになっている風力発電装置。

（２）前記縦主軸を回転させる主ロータの上部に、空転ロータを配設した前記（1）に記載の風力発電装置。

（３）前記縦主軸を回転させる主ロータの下部に、空転ロータを配設した前記（1）に記載の風力発電装置。

（４）前記縦主軸を回転させる主ロータの上部と下部とに、それぞれ空転ロータを配設した前記（1）に記載の風力発電装置。

（５）前記縦主軸を回転させる主ロータ及び空転ロータにおける揚力型ブレードの弦長は、ロータの回転半径の45％〜60％の範囲である前記（1）〜（4）のいずれかに記載の風力発電装置。

（６）前記空転ロータの揚力型ブレードは、縦主軸を回転させる主ロータのブレードと異なる諸元を有している前記（1）〜（4）のいずれかに記載の風力発電装置。

（７）前記縦主軸を回転させる主ロータの上部に配設される空転ロータの各揚力型ブレードは揚力型ブレード全体が垂直ではなく、その上端部を縦主軸方向に向け、下端部を外側に向けて傾斜させて、左右の支持腕の先端にそれぞれ配設される前記（1）〜（6）のいずれかに記載の風力発電装置。

（８）前記縦主軸を回転させる主ロータの下部に配設される空転ロータの各揚力型ブレードは、揚力型ブレード全体が垂直ではなく、該揚力型ブレードの下端部を支持腕を中心として縦主軸方向に向け、かつ該揚力型ブレードの上端部を外側に向けて全体を傾斜させて、前記左右の支持腕の先端にそれぞれ配設される前記（1）〜（6）のいずれかに記載の風力発電装置。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載の発明においては、縦主軸に、これを回転させる主ロータの他に、縦主軸の周囲に空転ロータが配設されているので、気流によって各ロータが回転すると、発電機に連結された縦主軸を回転させる主ロータの回転速度よりも、空転ロータの回転速度の方が高速となる。
各ロータに配設されている揚力型ブレードは、一定の回転周速以上の速度になると、コアンダ効果によって、揚力型ブレードの周面に沿って流れる気流は、風速以上の高速度で通過し、その反作用として、揚力型ブレードは風速以上の高速度で回転する。
空転ロータは、発電機と係りが無いので、コギングトルクがかからないため、常にコギングトルクが作用している主ロータよりも高速で回転し、ブレードの回転する回転軌跡内の気流は、高速で上下方向へ通過し、ブレードの回転軌跡内は、周囲の気流よりも気圧が低下して、外部から常圧の気流を呼び込む。
その結果、風の流れ以外の大量の気流がブレードに当ることとなり、ブレードに生じる揚力を高めるため、空転ロータ以外の主ロータのブレードにも外部からの気流が当り、その回転を助長するので、効率の良い発電をさせる。

前記（2）に記載の発明においては、縦主軸を回転させる主ロータの上部に、空転ロータが配設されているので、空転ロータが高速で回転すると、そのブレードの回転内側が負圧となって、外部からの気流を多量に呼び込み、その外部からの多量の気流により、縦主軸を回転させる主ロータも、風速よりも高速で回転し、効率のよい発電をする。

前記（3）に記載の発明においては、縦主軸の周囲において、縦主軸を回転させる主ロータの下部に、空転ロータを配設しているので、空転ロータが該ロータのブレードの回転直径内側に生じた、周囲の風速によるより高速回転し、気圧の低い気流により生じた上昇気流により、上部にある縦主軸を回転させる主ロータを巻き込んで効率良く回転させる。

前記（4）に記載の発明においては、空転ロータが、縦主軸を回転させる主ロータの上下部分に配設されるので、高速回転する上下の空転ロータによって、ロータの回転直径内側に生じる低気圧により、外部から大量の気流が気圧の差によって呼び込まれて、発電効率を高めることができる。

前記（5）に記載の発明における揚力型ブレードの弦長は、回転半径の45％〜60％としてあるので、受風面積を広くすることが出来るとともに、空転ロータのブレードの弦長をより長くすると、過回転を抑止することができる。

前記（6）に記載の発明において、空転ロータの揚力型ブレードは、縦主軸を回転させる主ロータのブレードと異なった形、受風面積、大きさなどで変化させることによって、空転による気圧変化に適したものとすることができる。

前記（7）に記載の発明では、縦主軸を回転させる主ロータの上部に配設される空転ロータの揚力型ブレードは揚力型ブレード全体が垂直でなく、その上部を縦主軸方向に傾斜させて左右の支持腕の先端に配設されるので、空転により生じる竜巻状の上昇気流と、それに伴う下方向からの気流を効率良く上昇させることができる。

前記（8）に記載の発明では、縦主軸を回転させる主ロータの下部に配設される、空転ロータの揚力型ブレードは揚力型ブレード全体が垂直でなく、その上部を外向きに傾斜させて左右の支持腕の先端に配設されるので、空転により生じる竜巻状の気流と、それに伴う下方向へ移動する気流を、効率良く排除させることができる。

本発明の一実施形態を示す正面図である。図１に示す風力発電装置の平面図である。図１におけるブレードの内側面図である。図３におけるIV−IV線横断面図である。本発明の風力発電装置の実施例２を示す正面図である。本発明の風力発電装置の実施例３を示す正面図である。空転ロータの１実施形態を示すブレードの内側面図である。図５におけるブレードの平面図である。図５におけるブレードの正面図である。

以下本発明を、図面を参照して説明する。

図１において、本発明の風力発電装置１は、基盤Ｇ上に構築された支持枠体２の内側に支持台３を設け、その上に固定した筒状の下部軸受４を介して、縦主軸５が立設されている。縦主軸５の上端部は、支持枠体２の上部に固定された横枠体７の、中央部に配設した上部軸受８に支持されている。

支持枠体２は、基盤Ｇ上に立設された複数（図２では４本）の支柱６と複数の横枠体７とで枠組されている。上部の横枠体７は、方形の外枠体７Ａの内側に、十字状に配した中桟７Ｂの中央部に上部軸受８が固定されている。

前記下部軸受４は、内部にベアリング４Ａ、４Ｂを介して縦主軸５が支持されており、下部軸受４の上端部には、フランジ４Ｃが形成されており、その上面に発電機９のコイル部材９Ａが固定されている。

縦主軸５が中央部を貫通しているコイル部材９Ａの上部において、縦主軸５に発電機９における磁石部材９Ｂが固定されている。
縦主軸５の回転に伴い、磁石部材９Ｂが回転して、コイル部材９Ａに対する磁束の断接が生じて、コイル部材９Ａにおいて誘導発電が行われる。

縦主軸５には、上下２層に、下部に縦主軸を回転させる主ロータ10、及び上部に空転ロータ11が配設されている。各ロータ10、11における揚力型ブレード12、14の弦長は、回転半径の45〜50％としてある。これより弦長が狭いと、受風面積が小さくなり、気流を十分に活かせない。これより広いと回転時の抵抗になる。

下部の主ロータ10の、左右の支持腕10Ａの基端部は、縦主軸５に固定された固定部材10Ｂに固定され、各先端部には、垂直のブレード12、12が、広い内側面12Ｂを縦主軸５に対面させて装着されている。また各ブレード12の上下端部は、縦主軸５方向へ傾斜する傾斜部12Ａとされている。

上部の空転ロータ11における支持腕11Ａの基端部は、縦主軸５に回転可能に装着された回転体13に、左右対称に固定され、その先端部には、それぞれ垂直のブレード14、14が、広い内側面14Ｂを縦主軸５に対面して固着されている。
また各ブレード14の上下端部は、縦主軸５方向へ傾斜する傾斜部14Ａとされている。

図４に示すように、各ブレード12の横断面は、ほぼ魚形をなし、内側面12Ｂは肉厚に膨出しているが、外側面12Ｃは前後にほぼ直線状とされている。
支持腕10Ａと直交する方向に対して、後縁12Ｅが前縁12Ｄより僅かに外側方向へ傾いており、回転時に内側面12Ｂに風を受けると、前縁12Ｄ方向へ回転するようになっている。

ブレード12の高さは、主ロータ10の回転半径の1.5倍程度、弦長は、回転半径の45％〜50％前後としてある。ブレード12の最大厚さは、弦長の20〜30％としてあるが、設置する環境によって設定されるもので、ここに記載された各数値はそれぞれ限定されるものではない。

下部の主ロータ10が、ブレード12に気流を受けると回転し、縦主軸５と、それに連結された発電機の磁石部材９Ｂを回転させて発電させる。上部の空転ロータ11のブレード14が気流を受けると、縦主軸５の周囲を空転する。

この空転は、縦主軸５を回転させる下部の主ロータ10よりも高速で回転し、ブレード14の弦方向に生じる、コアンダ効果によって通過する高速気流により、揚力が生じ、風速以上の高速で回転する。

高速回転するブレード14の側面には、流体の粘性により、ブレード14とともに回転する気流があり、高速回転に伴って、流体の密度が粗くなり気圧が低下する。
この低圧になる気流に、ロータ10、11の回転直径内の気流は、遠心方向へ引かれて、ブレード14の内側面に沿って渦を巻きながら上方向へ抜ける。すると、周囲から気圧の差により、常圧の気流が引寄せられて、ブレード14に当り回転を速める。

従って、下部の主ロータ10の上方において、空転ロータ11が高速回転をすると、下部の主ロータ10から上昇する竜巻状の気流を、空転ロータ11に生じる低圧の上昇気流が引揚げる作用をし、下部の主ロータ10の回転直径内の気圧をより低下させ、外部からの常圧気流を大量に吸引する作用をして、その回転効率と、合わせて発電効率を高める。

上下のロータ10、11の支持腕10Ａ、11Ａの長さは、図１においては同じものとしてある。またブレード12、14も同じ態様の物を使用しているが、これは設置する場所等により、各諸元を異なるものとすることができる。

図２において、空転ロータ11のブレード14の回転方向（左回り）と、下部の主ロータ10のブレード12の回転方向（右回り）とは逆回りとしてあり、好ましいが、上下のロータ10、11の回転方向を同じものとしてもかまわない。

図５は、風力発電装置１の実施例２を示す正面図である。前例と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。
この実施形態では、図１に示した風力発電装置１の、縦主軸５を回転させる主ロータ10の下部に、別の空転ロータ15を配設したものである。

この空転ロータ15の諸元は、前記図１の空転ロータ11と同じものが図示されているが、諸元を、例えば下部の空転ロータ15のブレード16を、上部の空転ロータ11のブレード14より大型もしくは小型とするなど、任意に変化させることができる。

図６は、図５に示した風力発電装置１の、空転ロータ11、15のブレード14、16の、支持腕11Ａ、15Ａに対する取付角度を変化させた実施例である。
すなわち、空転ロータ11のブレード14は、上部を縦主軸５方向へ傾斜させたものである。また、下部の空転ロータ15のブレード16は、その上部を外側へ傾斜させたものである。

上部の空転ロータ11のブレード14は、回転時に、上部よりも下部の回転周速が早くなり、比較の上でブレード14の上部よりも、下部の方で低圧の気流が生じる。低圧の気流は軽く上昇しやすいので、上昇気流が早く生じて、下方の上昇気流を吸引する。

下部の空転ロータ15におけるブレード16は、回転するとブレード16の下部よりも上部の回転周速が早くなり、低圧の気流が生じ、下部から気圧の差による気流が生じて、縦主軸５を回転させる主ロータ10により生じる上昇気流を、押上げて上昇し、外部からの常圧気流を大量に呼び込んで、回転効率と発電効率を高める。

図７は、空転ロータのブレードとして使用される一例を示す、ブレードの回転時の内側面図（左側面）で、図８はその平面図、図９は正面図である。
このブレード17は、図７に示す内側面17Ｃに特徴がある。

すなわち、一般の縦軸風車におけるブレードは、縦長のものである。それに対して、このブレード17は、高さよりも弦長が長いことに特徴がある。その弦長は、回転半径の50〜60％ほどの物とすることができる。60％を超えると、回転時の抵抗が大となる。50％未満では、過回転抑止の目的には適合しなくなる。

また、図８に示す平面視において、外側面17Ｆは、前後方向で、ほぼ直線であるが、内側面17Ｃは、前縁17Ｄ部分の厚さが厚く、後縁17Ｅへかけて薄く形成されている。

その結果、回転時に前縁17Ｄに当たる相対流は、内側面17Ｃを後縁17Ｅ方向へ、コアンダ効果により高速で通過し、その反作用は、ブレード17を回転方向へ強く押出すので、弦長の長いことはマイナスとはならない。

更に空転ロータ11、15は、コギングトルクがかからないために高速回転をするが、弦長が長いために一定の速度に達すると、抵抗が生じるので、過回転が抑制され、過回転によるブレードの破壊などが抑止される。

本発明によると、風況の優れていない土地においても、低速風により空転ロータの回転により生じる低気圧により、外部から気流を呼び込んで発電することのできる風力発電装置として、効果的に利用することができる。

１．風力発電装置
２．支持枠体
３．支持台
４．下部軸受
４Ａ、４Ｂ．ベアリング
４Ｃ．フランジ
５．縦主軸
６．支柱
７．横枠体
８．上部軸受
９．発電機
９Ａ．コイル部材
９Ｂ．磁石部材
10．主ロータ
10Ａ．支持腕
11．空転ロータ
11Ａ．支持腕
12．揚力型ブレード
12Ａ．傾斜部
12Ｂ．内側面
12Ｃ．外側面
12Ｄ．前縁
12Ｅ．後縁
13．回転体
14．ブレード
14Ａ．傾斜部
14Ｂ．内側面
15．空転ロータ
15Ａ．支持腕
16．ブレード
16Ａ.傾斜部
16Ｂ．内側面
17.ブレード
17Ａ、17Ｂ．傾斜部
17Ｃ．内側面
17Ｄ．前縁
17Ｅ．後縁
17Ｆ．外側面

Claims

発電機に連結された縦主軸に、風力により縦主軸を回転させる主ロータと、該縦主軸の周囲を空転する空転ロータとを設け、各ロータはそれぞれ揚力型ブレードを備え、空転ロータの揚力型ブレードの回転直径内に生じる低圧により、その外側部から揚力型ブレードの回転直径内に、気圧の差により気流を呼び込むようになっていることを特徴とする風力発電装置。
前記縦主軸を回転させる主ロータの上部に、空転ロータを配設したことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記縦主軸を回転させる主ロータの下部に、空転ロータを配設したことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記縦主軸を回転させる主ロータの上部と下部とに、それぞれ空転ロータを配設したことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記縦主軸を回転させる主ロータ及び空転ロータにおける揚力型ブレードの弦長は、ロータの回転半径の45％〜60％の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電装置。
前記空転ロータの揚力型ブレードは、縦主軸を回転させる主ロータのブレードと異なる諸元を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電装置。
前記縦主軸を回転させる主ロータの上部に配設される空転ロータの各揚力型ブレードは揚力型ブレード全体が垂直ではなく、その上端部を縦主軸方向に向け、下端部を外側に向けて傾斜させて、左右の支持腕の先端にそれぞれ配設されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の風力発電装置。
前記縦主軸を回転させる主ロータの下部に配設される空転ロータの各揚力型ブレードは、揚力型ブレード全体が垂直ではなく、該揚力型ブレードの下端部を支持腕を中心として縦主軸方向に向け、かつ該揚力型ブレードの上端部を外側に向けて全体を傾斜させて、前記左右の支持腕の先端にそれぞれ配設されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の風力発電装置。