JP6736736B1 - Wind power generator - Google Patents
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Abstract
【課題】風向きや風速が急激に変化しても安定した起電力が得られる等の風力発電装置を提供すること。【解決手段】風力発電装置20は、垂直回転軸21を有する発電ユニット23と、水平回転軸11の先端部にプロペラ12を設けた、3つのサボニウス型発電機10とを備え、複数のサボニウス型発電機10のそれぞれが、垂直回転軸21に水平方向において放射状に接続した構成を有している。サボニウス型発電機10が風を受けプロペラ12及びロータ14が回転すると、その回転軸に対し直交する方向に生じるジャイロモーメントTが発生し、それにより垂直回転軸21を中心に3つのサボニウス型発電機10が回転してジェネレータ22が発電する。【選択図】図3PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wind power generation device capable of obtaining stable electromotive force even if the wind direction or the wind speed changes rapidly. A wind power generation device (20) includes a power generation unit (23) having a vertical rotation shaft (21) and three Savonius-type generators (10) having a propeller (12) at the tip of a horizontal rotation shaft (11), and a plurality of Savonius-type generators. Each of the generators 10 has a configuration in which the vertical rotating shaft 21 is radially connected in the horizontal direction. When the Savonius type generator 10 receives wind and the propeller 12 and the rotor 14 rotate, a gyro moment T generated in a direction orthogonal to the rotation axis thereof is generated, whereby three Savonius type generators centering on the vertical rotation axis 21 are generated. 10 rotates and the generator 22 generates electricity. [Selection diagram]
Description
本発明は風力発電装置に関する。 The present invention relates to a wind turbine generator.
風力発電は、クリーンで無尽蔵の自然エネルギーを利用して発電エネルギーを得る装置であり、世界の再生可能エネルギーの中で最大規模の発電量を占めている。エネルギーの大半を海外からの輸入に頼っているわが国においては、今後、エネルギーの安全保障や地球温暖化防止といった観点から最も成長が期待されている。現在、陸上及び洋上の大規模なウインドファームにおいては、空力の変換効率が高い(例えば30〜40%)プロペラ型の発電装置が主流である(図1a参照)。
一方、一般家庭やオフィスなどのローカルな電力需要に応えるために、風向きに左右されない垂直軸型の小型発電装置も普及している。垂直軸型の代表的な発電装置としては、例えばダリウス型(図1b参照)及びサボニス型(図1c参照)がある。これらは、低周波騒音が比較的小さく、また小型化が容易であるため、都市部及びその郊外での設置に適している。ダリウス型及びサボニウス型を組み合わせた、例えば一般家庭向けのシンプルな構造の風力発電装置が既に提案されている(例えば特許文献1参照)。
Wind power generation is a device that uses clean and inexhaustible natural energy to obtain power generation energy, and accounts for the largest amount of power generation in the world's renewable energy. Japan, which relies on importing most of its energy from abroad, is expected to grow most from the perspective of energy security and prevention of global warming. Currently, in large-scale onshore and offshore wind farms, propeller-type power generators with high aerodynamic conversion efficiency (for example, 30 to 40%) are the mainstream (see FIG. 1a).
On the other hand, in order to meet the local power demand of general households and offices, vertical axis type small power generators that are not affected by the wind direction are also popular. Typical vertical axis power generators include, for example, the Darrieus type (see FIG. 1b) and the Savonis type (see FIG. 1c). These are suitable for installation in urban areas and their suburbs because they have relatively low low-frequency noise and are easily miniaturized. For example, a wind turbine generator having a simple structure for general households, which is a combination of the Darrieus type and the Savonius type, has already been proposed (see, for example, Patent Document 1).
プロペラ型の風力発電装置は、上述したように変換効率において優れている。しかし、風力や風の方向の変化によって出力が不安定となるというデメリットがある。また、ダリウス型の発電装置はプロペラ型に比較して自己起動性が良くない。また、サボニウス型の発電装置は、自己起動性は良いものの、大きな回転速度が得られず低出力である。
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、風向きや風速が急激に変化しても安定した起電力が得られる等の風力発電装置を提供することを目的としている。
The propeller-type wind turbine generator is excellent in conversion efficiency as described above. However, there is a demerit that the output becomes unstable due to changes in wind force and wind direction. In addition, the Darrieus-type power generation device has a poor self-starting property as compared with the propeller-type generator. Further, the Savonius type power generation device has a good self-starting property, but has a low output because a large rotation speed cannot be obtained.
The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object thereof is to provide a wind turbine generator capable of obtaining stable electromotive force even when the wind direction or the wind speed changes rapidly.
上述した課題を解決するため、本発明は、水平回転軸と、前記水平回転軸の先端部に設けられたプロペラと、前記プロペラが風を受けて生じる前記水平回転軸の回転力を電力に変換するジェネレータと、前記水平回転軸の回転力を補助する回転力補助装置とを備える風力発電装置である。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention converts a horizontal rotating shaft, a propeller provided at a tip end portion of the horizontal rotating shaft, and a rotational force of the horizontal rotating shaft generated by the propeller receiving wind into electric power. And a rotational force assisting device for assisting the rotational force of the horizontal rotary shaft.
この風力発電装置は、前記回転補助装置が、風を受けたときに前記プロペラによる回転と同一方向に前記水平回転軸に回転力を生じさせる回転翼を有するサボニウス型ロータであることが好ましい。 In this wind power generator, it is preferable that the rotation assisting device is a Savonius rotor having rotary blades that generate a rotational force on the horizontal rotary shaft in the same direction as the rotation by the propeller when receiving wind.
また、本発明は、水平回転軸を有し該水平回転軸の先端部にプロペラを設けた、複数のサボニウス型発電機と、一つの垂直回転軸と、該垂直回転軸の回転力を電力に変換するジェネレータとを備える風力発電装置であって、複数の前記サボニウス型発電機のそれぞれが、前記垂直回転軸を中心に水平方向において放射状に接続しており、前記プロペラの回転軸に対し直交する方向に生じるジャイロモーメントが前記垂直回転軸に作用することにより前記ジェネレータが発電するよう構成されている、風力発電装置である。 Further, the present invention provides a plurality of Savonius-type generators having a horizontal rotation shaft and a propeller provided at the tip of the horizontal rotation shaft, one vertical rotation shaft, and the rotational force of the vertical rotation shaft used as electric power. A wind power generator comprising a generator for conversion, each of the plurality of Savonius type generators being connected radially in a horizontal direction about the vertical rotation axis, and being orthogonal to the rotation axis of the propeller. A wind power generator configured such that a gyro moment generated in a direction acts on the vertical rotation axis to generate power by the generator.
この風力発電装置は、前記垂直回転軸にダリウス型のブレードが更に設けられていることが好ましい。 In this wind power generator, it is preferable that a Darrieus-type blade is further provided on the vertical rotation axis.
本発明の風力発電装置によれば、風向きや風速が急激に変化しても安定した起電力を得ることができる。 According to the wind turbine generator of the present invention, stable electromotive force can be obtained even when the wind direction or the wind speed changes rapidly.
(第一の実施形態)
図2は、本発明に関する風力発電装置の第一の実施形態であるサボニウス型発電機10の外観図である。本実施形態によるサボニウス型発電機10は、水平回転軸11と、水平回転軸11の先端部に設けられたプロペラ12a、12b、12cと、水平回転軸11の回転力を電力に変換するジェネレータ13とを備え、水平回転軸11の回転力を補助する回転力補助装置としてサボニウス型ロータ14を備えている。
(First embodiment)
FIG. 2 is an external view of a Savonius
サボニウス型ロータ14は、水平回転軸11に連結し、半円筒又は断面S字状に湾曲する風受け面を有する回転翼15を有している。このサボニウス型の回転翼15は、プロペラ12a、12b、12cの回転と同一方向(図2では時計回りの方向)に水平回転軸11が回転するように、凹状に湾曲する風受け面の向きが定められている。すなわち、サボニウス型ロータ14は、回転翼15の風受け面で風を受けると、その風力によって回転翼15が押され、その回転力を水平回転軸11に伝えるように構成されている。
The Savonius
この第一の実施形態のサボニウス型発電機1によれば、プロペラ12a、12b、12cで受ける風の向きが急に変化しても、起動性が高いサボニウス型ロータ14により横からの風を受けて水平回転軸11の回転力が補償されるので発電量の変動を抑えることができる。また、水平回転軸11の回転力を補助する回転力補助装置としてサボニウス型ロータ14を備えているので自己起動性能も高めることができる。
According to the Savonius generator 1 of the first embodiment, even if the direction of the wind received by the
(第二の実施形態)
図3は、本発明に関する風力発電装置の第二の実施形態を示す外観図である。本実施形態による風力発電装置20は、一つの垂直回転軸21と、垂直回転軸21の回転力を電力に変換するジェネレータ22と、垂直回転軸21に接続した複数のサボニウス型発電機10を備えている。サボニウス型発電機10は、上述した第一の実施形態のものをそのまま採用することができる。
(Second embodiment)
FIG. 3 is an external view showing a second embodiment of the wind turbine generator according to the present invention. The
第二の実施形態による風力発電装置20の構成を、より詳細に説明する。風力発電装置20は、基本的には図4に示す垂直軸発電ユニット23と、例えば3つの水平軸発電ユニット24の組み合わせで構成される。垂直軸発電ユニット23は、上述の垂直回転軸21及びジェネレータ22を構成要素とする。水平軸発電ユニット24は、上述のサボニウス型発電機10を構成する水平回転軸11及びジェネレータ13を含む。
The configuration of the
垂直回転軸21に固定されたハブ25に、それぞれの水平軸発電ユニット24の基端部が接続している。風力発電装置20を垂直回転軸21の真上から見た場合には、図5に示すように、3つのサボニウス型発電機10が互いに120°の角度をなして垂直回転軸21に接続している。これにより、3つのサボニウス型発電機10が垂直回転軸21とともに水平面上において回転可能とされている。
A base end of each horizontal axis
サボニウス型発電機10は、上述したように水平回転軸11の先端部に例えば3枚羽根のプロペラ12が設けられている。このような中心部から2枚以上のエアフォイルが延びるプロペラは、一種のブーメランとみなすことができる。ブーメランは、投げた位置から斜めに弧を描くような飛行ルートで元の位置に戻る性質を有している。その原理は、羽根の回転に対し直交する方向にモーメントが生じるジャイロ効果(gyroscopic precession)によることが知られている。
As described above, the Savonius
ジャイロ効果について簡単なモデルで説明する。図6に示すように、X軸周りに角速度ωで回転している慣性体I(角速度ベクトルL=I×ω)に重力モーメントNgが加えられると、Z軸周りに慣性体Iを回転させようとするジャイロモーメントNz(Y軸方向のトルクT)が生じる。慣性体Iは重心の周り回転するため角速度ベクトルLはスピン角運動量(spin angular momentum)になる。 The gyro effect is explained using a simple model. As shown in FIG. 6, when the gravitational moment Ng is applied to the inertial body I (angular velocity vector L=I×ω) rotating at the angular velocity ω around the X axis, the inertial body I will be rotated around the Z axis. A gyro moment Nz (torque T in the Y-axis direction) is generated. Since the inertial body I rotates around the center of gravity, the angular velocity vector L becomes a spin angular momentum.
本実施形態の風力発電装置20においては、サボニウス型発電機10が片持ちで垂直回転軸21に接続した構造であるため、プロペラ12及びサボニウス型ロータ14が風を受けて時計回り(CW)に回転することにより、垂直回転軸21にジャイロモーメントに基づくトルクTが発生する。プロペラ12が翼型の場合、重力に抗する揚力による上向きのモーメントが発生し、そのため垂直回転軸21が反時計回り(CCW)に回転する。そして、垂直回転軸21が回転することにより、垂直軸発電ユニット23のジェネレータ22が発電する。なお、図示はしないが、プロペラ12及びサボニウス型ロータ14が重力のモーメントを受けた(要するに揚力が発生しない)単純な回転慣性体である場合には、垂直回転軸21には時計回り(CW)のジャイロモーメントが発生し、その回転を利用してジェネレータ22が発電してもよい。
In the
また、サボニウス型発電機10(水平軸発電ユニット24)のジェネレータ13によって発電された電力は、垂直回転軸21に取り付けたスリップリング26を介して回収される。
Further, the electric power generated by the
この第二の実施形態の風力発電装置20によれば、プロペラ12及びサボニウス型ロータ14の回転慣性により生じるジャイロモーメントのトルクにより垂直軸発電ユニット23で発電がされるので、風向きや風速が急激に変動しても起電力への影響を受け難く、安定した電力を得ることができる。また、サボニウス型発電機10からの電力も加えることで高出力とすることができる。更に、サボニウス型発電機10を水平放射状に配置することで、風向きに依存せず効率の良い発電を安定して行うことができる。
According to the
なお、垂直回転軸21にダリウス型のブレード(エアフォイル)を付加することで、全方位型で更に高出力の風力発電装置とすることもできる。
By adding a Darrieus-type blade (airfoil) to the
10 サボニウス型発電機(第一の実施形態)
11 水平回転軸
12 プロペラ
13 ジェネレータ
14 サボニウス型ロータ
15 回転翼
20 風力発電装置(第二の実施形態)
21 垂直回転軸
22 ジェネレータ
23 垂直軸発電ユニット
24 水平軸発電ユニット
25 ハブ
26 スリップリング
10 Savonius generator (first embodiment)
11
21
Claims (2)
一つの垂直回転軸と、
該垂直回転軸の回転力を電力に変換するジェネレータと
を備える風力発電装置であって、
複数の前記サボニウス型発電機のそれぞれが、前記垂直回転軸を中心に水平方向において放射状に接続しており、
前記プロペラの回転軸に対し直交する方向に生じるジャイロモーメントが前記垂直回転軸に作用することにより前記ジェネレータが発電するよう構成されている、風力発電装置。 A plurality of Savonius type generators having a horizontal rotation shaft and a propeller provided at the tip of the horizontal rotation shaft;
One vertical axis of rotation,
A wind power generator comprising: a generator that converts the rotational force of the vertical rotation axis into electric power,
Each of the plurality of Savonius-type generators are connected radially in the horizontal direction about the vertical rotation axis,
A wind turbine generator configured such that a gyro moment generated in a direction orthogonal to a rotation axis of the propeller acts on the vertical rotation axis to cause the generator to generate power.
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