JP6858581B2

JP6858581B2 - 風力発電装置

Info

Publication number: JP6858581B2
Application number: JP2017018937A
Authority: JP
Inventors: 憲昭鰐渕
Original assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: JP2018123817A

Description

本発明は、風車を用いた発電装置に関するもので、特に、回転軸が水平方向にあるプロペラ型の風車を備えた風力発電装置に関する。

図５（ａ），（ｂ）は、従来の水平軸風車を用いた風力発電装置５０の一例を示す図で、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は正面図である。各図において、５１はタワー、５２はナセル、５３は翼、５４はロータヘッド(ハブ)、５５はロータシャフト、５６は増幅器（ギアボックス）、５７は発電機で、翼５３とハブ５４とロータシャフト５５とにより、水平軸風車５８を構成する。
風力発電装置５０は、（ａ）図の白抜きの矢印で示す風Ｗにより翼５３をロータシャフト５５の軸周りに回転させるとともに、増幅器５６により回転数を上げて、ロータシャフト５５に連結された発電機５７の駆動軸５７Ｊを回転させることで、発電を行う（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１６８９３７号公報

図６は、図５に示した水平軸風車の翼５３を上側から見たときの図である。
翼５３が、同図の上方から下方に向く風Ｗを受けた場合には、翼５３には、同図の一点鎖線で示す翼流入方向と垂直な方向には揚力ｆ₁が作用し、平行な方向には抗力ｆ₂が作用するので、翼５３が風Ｗから受ける合成風外力ｆ_wは、揚力ｆ₁と抗力ｆ₂とのベクトル和となる。この合成風外力ベクトルｆ_wは、翼５３を回転させる回転力Ｆ₁と図５（ａ）に示したロータシャフト５５に作用する軸方向力Ｆ₂とに分解される。回転力Ｆ₁は、翼５３を、同図の白抜きの矢印で示す回転方向に回転させるための力で、軸方向力Ｆ₂は、風Ｗを受けた翼５３がロータシャフト５５を押す力である。
風Ｗの方向とロータシャフト５５の延長方向とが同じ方向である従来の水平軸風車では、回転力Ｆ₁が小さく、軸方向力Ｆ₂が大きくなるため、風Ｗのエネルギーを効率的に電気エネルギーに変換する効率が悪いという欠点があるだけでなく、軸方向力が大きいため、強風時には翼５３が折れたりするなどの被害が発生することがある。
また、上記従来の水平軸風車では、翼５３が風Ｗの方向とほぼ垂直な方向に回転するため、翼５３が風を切るときに騒音が生じるだけでなく、風車の支柱と翼５３の干渉による低周波が発生していた。更に、風Ｗの方向から見たときの翼５３の回転面積が大きいため、バードストライクの発生を防ぐことが困難であった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、翼の大きさが小さくても、風のエネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できる水平軸風車を備えた風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、水平方向を向いた回転軸と、前記回転軸に取り付けられる、鉛直方向に延長する板材から成る複数の翼とを有する水平軸風車と、前記水平軸風車の翼の板面を風向き方向に対向させる風向対向手段と、前記回転軸に連結された発電機と、前記水平軸風車の回転軸と前記発電機とを収納する発電機収納部と、地上面に立設され、支持部材を介して、前記発電機収納部を支持する支柱とを備えた風力発電装置であって、前記回転軸の方向が前記風向き方向と垂直で、前記翼を構成する板材の、前記回転軸側の端部から前記回転軸側とは反対側の端部へ向かう方向を長さ方向、長さ方向と直交する方向を幅方向、板面に垂直な方向を厚さ方向としたとき、前記翼は、一方の面が、長さ方向の寸法長さが幅方向の寸法長さよりも長く、長さ方向の幅寸法が、根元側では狭く先端に行くにしたがって広くなる平面状で、かつ、前記平面状の面が風向き方向を向いているときの前記翼の長さ方向の厚さ寸法が、中央部では厚く、両端部では薄い形状を有し、前記風向対向手段は、前記水平軸風車の下部にて、前記発電機収納部を前記支持部材を介して前記支柱に回転可能に固定する回転台と、前記回転台に取り付けられて風向き方向を検知する尾翼と、前記尾翼の回転角度に応じて、前記回転台を駆動・制御するヨー制御手段とを備え、前記翼の一方の面が前記検知された風向き方向に垂直になるように前記回転台を回転させることを特徴とする。
このような構造を採ることにより、翼が風の方向に回転するようにしたので、風のエネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができる。また、風のエネルギーを効率よく電気エネルギーに変換できるので、図５に示した従来の水平軸風車の翼よりも大きさをコンパクトにできるので、装置自体を小型化することができるとともに、強風時に翼が折れるなどの被害を抑制できる。
また、風の方向に翼が回転するため、翼が風を切るときに生じる騒音の発生を低減できるとともに、風車の支柱と翼の干渉による低周波の発生についても低減できる。
また、本発明の風力発電装置では、風Ｗの方向から見たときの翼の回転面積を小さくできるので、バードストライクの発生を抑えることができる。

また、翼の風を受ける面である前記平面状の面に、前記翼の長さ方向に延長する凹部を設けて、風向き方向に正対する翼形状を凹型としたので、吹き上げや吹き下ろしのような、地形や地物の影響を受けて３次元的に変化する風の流れに対しても、効率よく風を受け止めて翼を回転させることができる。
また、翼を軽量化できるので、弱い風でも効果的に発電することができる。
また、前記翼の前記長さ方向に垂直な面で切ったときの断面である横断面の形状を前記長さ方向の全てに亘って流線型とすることで、翼の平面状の面とは反対側の面が風の方向を向く位置にきたときの翼に作用する風の力を小さくできるようにしたので、翼を更に効率よく回転させることができる。
また、前記翼の一方の面を表面としたときの裏面である他方の面の形状を前記長さ方向の全てに亘って流線型線型とすることで、翼の長さ方向が風向き方向を向く位置に翼がきたときの風の抵抗を小さくできるようにしたので、翼を更に効率よく回転させることができる。

また、前記翼の中央部に開口を開けて、風が開口を通り抜けることができるようにしたので、強風時における翼の回転数を抑えることができる。したがって、台風などの強風時であっても装置の運転が可能となる。
また、前記開口を開閉するシャッターを設け、風が弱いときにはシャッターを閉じ、風が強いときにはシャッターを開けるようにすれば、風速によらず、安定して発電を行うことができる。

なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

本実施の形態１に係る風力発電装置を示す図である。翼に作用する力を説明するための図である。本実施の形態２に係る風力発電装置を示す図である。本発明による風力発電装置の翼の他の例を示す図である。従来の水平軸風車を用いた発電装置の一例を示す図である。従来の水平軸風車の動作を説明するための図である。

実施の形態１．
図１（ａ），（ｂ）は本実施の形態１に係る風力発電装置１を示す図で、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は背面図である。側面図の左側が風力発電装置１の前側、右側が後側、背面図の左側が左側、右側が右側である。風Ｗの方向である風向き方向は、（ａ）図においては前方から後方に向かう方向で、（ｂ）図においては、紙面裏側から紙面表側に向かう方向である。
風力発電装置１は、水平軸風車２と、発電機収納部３と、風向対向手段４と、支柱５と、蓄電器６と、支持部材７（７Ａ〜７Ｄ）とを備える。
水平軸風車２は、翼２１，２２と、ロータシャフト２３と、ハブ２４とを備える。翼２１，２２はハブ２４によりロータシャフト２３に直結されており、風Ｗにより翼２１，２２が風向き方向に回転することで、ロータシャフト２３を回転させる。
図１（ａ）と図５（ａ）とを比較してわかるように、本発明の水平軸風車２は、従来の水平軸風車５８とは異なり、回転軸であるロータシャフト２３の延長方向を風Ｗの方向である風向き方向と垂直とするとともに、翼２１，２２の風向き方向に正対する形状を凹型としている。具体的には、翼２１，２２の一方の面（表面２１ａ，２２ａ）に、他方の面（裏面２１ｂ，２２ｂ）の形状と相似形の凹部２１ｋ，２２ｋを設けることで、風向き方向に正対する翼２１，２２の形状を凹型とすることができる。
本例では、翼２１，２２が、上側に位置しているときに、翼２１，２２が風向き方向に正対するように、翼２１，２２をロータシャフト２３に取付けている。
なお、上側とは、翼２１，２２が、ロータシャフト２３よりも支柱５側とは反対側に位置しているときをいい、下側とは、ロータシャフト２３よりも支柱５側に位置しているときをいう。
すなわち、図１において上側に位置している翼２１では、凹部２１ｋが形成されている面２１ａが受風面となり、下側に位置している翼２２では、裏面２２ｂが受風面となる。
更に、本例では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、翼２１，２２の横断面形状を流線型とするとともに、図２（ｃ）に示すように、裏面２１ｂ、２２ｂの形状についても流線型としている。
発電機収納部３は、発電機３１と、ギアボックス（増幅器）３２と、ブレーキ装置３３とを備える。ロータシャフト２３と発電機３１の駆動軸３１Ｊとは、ギアボックス３２を介して接続されており、翼２１，２２の回転は、ギアボックス３２にて、ロータシャフト２３の回転を発電機３１に必要な回転数まで増幅された後、発電機３１の駆動軸３１Ｊに伝達される。発電機３１は、翼２１，２２を介してロータシャフト２３を回転させる風のエネルギーを電気エネルギーに変換する。
発電機３１に発生した電力（電荷）は、発電機３１に接続されたコード３４から蓄電器６に送られる。本例では、コード３４を支持部材７Ａ〜７Ｄのうちの右側の支持部材７Ｄ中を通して蓄電器６に送るようにしている。
なお、ブレーキ装置３３は、風速が所定値を超えた場合に、翼２１，２２の回転を抑制するもので、風速は、例えば、発電機収納部３の上部などに風速計（図示せず）を取付けて計測すればよい。

風向対向手段４は、尾翼４１と、回転台４２と、ヨー制御手段４３とを備え、支柱５上に設けられる。尾翼４１は、風Ｗの方向を検知するもので、風Ｗを受けると、尾翼４１は、水平面内において、翼面が風Ｗの方向に平行になる位置まで回転する。ヨー制御手段４３は、尾翼４１の回転角度に応じて、回転台４２を駆動・制御する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、水平軸風車２と発電機３１とは、鉛直面内にて回転可能に連結されており（水平面内では動かない）、発電機収納部３は、支持部材７により回転台４２に固定されているので、ヨー制御手段４３が回転台４２を駆動・制御することで、翼２１，２２が上側にきたときに、翼２１，２２の凹部２１ｋ，２２ｋが設けられた面である表面２１ａ，２２ａが風Ｗの方向に垂直になるように回転台４２を回転させる（ヨー制御する）ことができる。
支柱５は、同図の三角形で示す地上面に立設される風力発電装置１の土台で、内部には蓄電器６が収納されている。
蓄電器６は、発電機３１のコード３４と図示しないケーブルにより接続されており、発電機３１に発生した電荷を蓄える。
支持部材７は、発電機収納部３を風向対向手段４の回転台４２に固定する部材で、本例では、６本の支持部材７により、発電機収納部３を回転台４２に固定している。具体的には、符号７Ａは発電機収納部３の前側の面と回転台４２とを接続する支持部材で、符号７Ｂは発電機収納部３の後側の面と回転台４２とを接続する支持部材である。支持部材７Ａ，７Ｂは、それぞれ、２本ずつある。また、符号７Ｃは発電機収納部３の左側の面と回転台４２とを接続する支持部材で、符号７Ｄは発電機収納部３の右側の面と回転台４２とを接続する支持部材である。

次に、水平型風車２の翼２１，２２に作用する力について説明する。
本発明による翼２１，２２は、図１（ｂ）に示すように、長さ方向の寸法長さが幅方向の寸法長さよりも長い平面状の部材で、鉛直方向である長さ方向の幅が、根本側であるハブ２４側で狭く、先端にいくに従って広くなり、かつ、先端部が円弧状となっている。これにより、風速の大きい先端側の面積を広くできるので、翼２１，２２を効果的に回転させることができる。
また、翼２１が風向き方向に正対したとき、すなわち、翼２１が上側にきたときには、図２（ａ）に示すように、翼２１の凹部２１ｋが設けられた面である表面２１ａが受風面となるので、同図の斜線で塗った矢印のように、翼２１には大きな回転力が作用するだけでなく、風Ｗの方向が変化しても、効率よく風を受け止めることができる。
一方、翼２１が下側にきたときには、裏面２１ｂが受風面となる。図２（ｂ）に示すように、翼２１の裏面２１ｂは、風向き方向に正対する形状が凸型となるので、翼２１の回転を抑えようとする空気の圧力を小さくすることができる。
翼２２が上側にきたとき、及び、下側にきたときも同様である。
したがって、風向き方向に正対する翼２１，２２の形状を上記のように凹型とすれば、水平軸風車２を効果的に回転させることができるので、風力発電装置１の発電効率を向上させることができる。
このとき、翼２１，２２の横断面形状を流線型（厳密には、流線型の頭の部分）とすれば、翼２１，２２が下側にきたときの回転を抑えようとする空気の圧力を更に小さくすることができるので、翼２１，２２を効果的に回転させることができ、風力発電装置１の発電効率を向上させることができる。
更に、図２（ｃ）に示すように、翼２１，２２の裏面２１ｂ，２２ｂの形状についても流線型とすれば、翼２１，２２が前後方向に平行な方向に位置したとき、すなわち、翼２１，２２の長さ方向が風向き方向を向く位置にきたときに翼２１，２２に作用する空気の圧力を小さくできるので、翼２１，２２を効果的に回転させることができる。

実施の形態２．
図３（ａ），（ｂ）は本実施の形態２に係る風力発電装置１Ｄを示す図で、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は背面図である。
風力発電装置１Ｄは、実施の形態１の風力発電装置１の翼２１，２２に開口２１ｓ，２２ｓを設けたもので、開口２１ｓ，２２ｓは、翼２１，２２のそれぞれの中央部に、翼２１，２２を前後方向に貫通するように形成される。
本例では、正面もしくは裏面側から見た開口２１ｓ，２２ｓの形状を、幅がハブ２４側で狭く、先端にいくに従って広くなる台形状とした。
翼２１，２２の中央部に開口２１ｓ，２２ｓを開けると、風Ｗの一部が開口２１ｓ，２２ｓを通り抜けるので、翼２１，２２の受風面で受ける風の量が少なくなり、その結果、翼２１，２２の回転数が低下するが、一方では、強風時における翼２１，２２の回転数を抑えることができるので、台風などの強風時であっても風力発電装置１Ｄの運転が可能となる。
なお、開口２１ｓ，２２ｓを開閉するシャッター（図示せず）を設けるとともに、発電機収納部３の上部に風力計を取付け、風速計で計測した風速に応じて、シャッターが開口２１ｓ，２２ｓを覆う面積を制御するようにすれば、風速によらず、安定して発電を行うことができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

例えば、前記実施の形態１，２では、翼を２枚としたが、翼の枚数はこれに限るものではなく、複数枚あればよい。但し、翼の枚数が多すぎると、凹部が形成された面が風Ｗの方向を向いている翼の割合が小さくなるので、翼の枚数としては、２〜４枚とすることが好ましい。
また、前記実施の形態１，２では、凹部２１ｋ，２２ｋの形状を裏面２１ｂ，２２ｂの形状と相似形としたが、図４（ａ）に示すように、凹部２１ｋ，２２ｋの中心を翼２１，２２の中心よりも先端側にずらしてロータシャフト２３側を平面のままとしたり、図４（ｂ）に示すように、凹部２１ｋ，２２ｋの底面を平面状としてもよい。これにより、翼２１，２２の強度を高めることができるので、強風時に翼２１，２２が折れるなどの被害を抑制することができる。また、図４（ｃ）に示すように、風向き方向に正対する翼２１，２２の形状を平面状としてもよい。

また、翼の縦断面形状及び横断面形状についても、流線型にかぎるものではなく、長さ方向の厚さ寸法及び幅方向の厚さ寸法が、中央部で厚く両端部が薄い形状であればよい。
要は、ロータシャフト２３の延長方向が風Ｗの方向と垂直で、かつ、翼２１，２２の受風面である表面（表面２１ａ，２２ａ）が平面もしくは、風の方向に凹であり、かつ、裏面２１ｂ，２２ｂが風の方向に凹であれば、風のエネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することができるとともに、強風時に翼が折れるなどの被害を抑制できる。
また、前記実施の形態１，２では、尾翼４１を用いた風向対向手段４により翼２１，２２の方向制御を行ったが、別途風向計などの風向きセンサを設け、風向センサで検出した風向きに応じてヨー制御する様態のヨー制御手段を設けてもよい。
また、前記実施の形態１，２では、発電機３１で発電した電荷を蓄電器６に蓄える構成としたが、蓄電器６に代えて変電設備を設け、発電機３１で発電した電力を送電線等で変電所へ送るようにしてもよい。

１風力発電装置、２水平軸風車、３発電機収納部、４風向対向手段、
５支柱、６蓄電器、７Ａ〜７Ｄ支持部材、
２１，２２翼、２１ｋ，２２ｋ凹部、２３ロータシャフト、２４ハブ、
３１発電機、３２ギアボックス、３３ブレーキ装置、３４コード、
４１尾翼、４２回転台、４３ヨー制御手段、Ｗ風。

Claims

水平方向を向いた回転軸と、前記回転軸に取り付けられる、鉛直方向に延長する板材から成る複数の翼とを有する水平軸風車と、前記水平軸風車の翼の板面を風向き方向に対向させる風向対向手段と、前記回転軸に連結された発電機と、前記水平軸風車の回転軸と前記発電機とを収納する発電機収納部と、地上面に立設され、支持部材を介して、前記発電機収納部を支持する支柱とを備えた風力発電装置であって、
前記回転軸の方向が前記風向き方向と垂直で、
前記翼を構成する板材の、前記回転軸側の端部から前記回転軸側とは反対側の端部へ向かう方向を長さ方向、長さ方向と直交する方向を幅方向、板面に垂直な方向を厚さ方向としたとき、
前記翼は、一方の面が、長さ方向の寸法長さが幅方向の寸法長さよりも長く、
長さ方向の幅寸法が、根元側では狭く先端に行くにしたがって広くなる平面状で、かつ、
前記平面状の面が風向き方向を向いているときの前記翼の長さ方向の厚さ寸法が、中央部では厚く、両端部では薄い形状を有し、
前記風向対向手段は、
前記水平軸風車の下部にて、前記発電機収納部を前記支持部材を介して前記支柱に回転可能に固定する回転台と、前記回転台に取り付けられて風向き方向を検知する尾翼と、前記尾翼の回転角度に応じて、前記回転台を駆動・制御するヨー制御手段とを備え、前記翼の一方の面が前記検知された風向き方向に垂直になるように前記回転台を回転させることを特徴とする風力発電装置。
前記平面状の面に、前記翼の長さ方向に延長する凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記翼の前記長さ方向に垂直な面で切ったときの断面である横断面の形状が前記長さ方向の全てに亘って流線型であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
前記翼の一方の面を表面としたときの裏面である他方の面の形状が前記長さ方向の全てに亘って流線型であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の風力発電装置。
前記翼の中央部に開口を開けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の風力発電装置。
前記開口を開閉するシャッターを更に設けたことを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置。