JP7085161B1

JP7085161B1 - 弾性体を用いる風車ブレードの自動制御機構を有する風車

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Publication number: JP7085161B1
Application number: JP2021119134A
Authority: JP
Inventors: 育二橋本; 恵岩崎; かおる竹田
Original assignee: 育二橋本
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2021-06-10
Publication date: 2022-06-16
Anticipated expiration: 2041-06-10
Also published as: JP2022189671A; JP7085161B6

Abstract

【課題】マイクロ風車では、風力はエネルギー密度が低く、変動性が高く、現状では有効利用されていない。しかし、日常ではないが日常的に存在する自動車の制限速度は時速６０ｋｍである。これは台風時の風速にほぼ匹敵する。自動車等の移動手段に風力発電・充電装置を搭載して自ら発電し充電しながら走行して、１充電による走行距離を延長するための、小型で簡潔な風力の自動制御機構を有する風車を提供する事を課題とする。【解決手段】ブレードはブレード軸を有し、翼弦線上の前縁側に中心点を持ち、複数をハブの回転面に放射状に配置し内端に小傘歯車を設け、ハブの主軸と回転フリーの直角大傘歯車と噛合せて、各ブレードのピッチ角を零に揃え、待機位置のピッチ角零から約１５度変位し停止位置までのピッチ角を維持するため、ハブと大傘歯車の間に弾性体を設けた構成で、ブレードを受風により自ら制御し、繰り返し運転が可能のものである。【選択図】図１

Description

本発明は、風力の制御に弾性体を用いる、ブレードの自動制御機構を有する風車で、移動手段の風力発電・充電装置として搭載可能な技術に関する。

従来のピッチ制御は、風速と発電機出力を検知して、演算し、風車ブレードのピッチ角をパワーで変化させ維持し、風力を制御するもので、機構が複雑で高価であり、大形風力発電装置に使用される。
台風など強風時はピッチ角を風向きに平行（フェザー状態）にしてロータを停止させる機能や、回転数制御によって過回転防止など安全装置としても使用される。

小形風車なかでもマイクロ風車のブレードは、設計条件により最適設定角度が設定され風速に比例した回転数になるように発電機の負荷を制御する事により、常に最大出力が得られる運転が行われている。これは発電機の有効的な利用法ではあるが、風力を有効に利用するとはいえないものである。
強風時は、風車ブレードを上方へ偏向し実効的な受風面積を減少させ過回転を防止する方法等もある。
なかには、風力に対する回転翼の角度を自動的に変えられるようにし、風車が所定以上の速度で回転しないように自動的に調速されるものがある。（例えば、特許文献１参照）

以下、特許文献１について、この考案は、回転翼に予め設定された風圧以上の圧力が加わった場合、スプリングにより回転翼の風向に対する迎角Ｑを自動的に変化させ、回転翼の受ける風量に影響を与えて回転速度が一定となるようにし、弱風時にも強風時にも一定の回転速度を保ちながら主軸を回動させる、風車回転翼の回転速度自動調整装置である。
Ｑは受風方向（主軸）に対する角度（受風投影面積）の変化であり、翼の回転方向に対する角度（ピッチ角）に変換すると（９０－Ｑ）度で大きくなるが、その限界は示されていない。

一方、同様の特許文献２について、ピッチ角は弱風時はスプリングで微調整されるが、風速が所定値以上でピッチ変動を開始し完全に立った状態となる。（００１９）
可変ピッチの動作開始点や変化度合等の調整があらゆる風域で自由自在な、台風でも発電することのできる風力発電用風車を提供できるとある。（００４３）
これは、現在使用されるピッチ制御の機能を超えるものである。

実開昭５５－１４２６７２号公報特開２００３－４２０５３号公報

久保大次郎著、マイクロ風力発電機の設計と製作、ＣＱ出版社、第２版、２００９年２月１日発行、第１８頁から３２頁、第９５頁から１００頁牛山泉著、風力エネルギーの基礎、オーム社、第１版第２刷、平成１８年５月２０日発行、第８５頁から８９頁

以上に述べた従来の風車のピッチ制御では、電気系統用に使用され、独立電源として使用されるマイクロ風力発電においては複雑・高価で使用されない。
小型の偏向型は強風時や移動手段では使用しづらい。
特許文献１および２は、設定風速以上でピッチ角が変化するが、これは、ブレードの受風投影面積の変化によって、台風時まで使用可能とある。

しかし、非特許文献１によると、ピッチ角を変化させた時、揚力は０～１５度の間で角度と共に大きくなるが、１５～２０度を越えるとブレードの境界層が剥離して失速し急速に揚力が低下し、抗力が急速に増大するものである。
前記したように、台風など強風時はピッチ角を（フェザー状態）にしてロータを停止させる機能や、回転数制御によって過回転防止など安全装置として使用されるものである。

非特許文献１を参考にして従来の風力制御方式について説明する。
図５は、ブレードが風に対して９０度で回転する時の相対的な風の方向を示しており、ブレードの回転方向に対して翼弦線は、ブレード設定角度を持ち、相対的な風の方向とブレードの翼弦線の角度を「迎角」という。
ブレードの回転方向に対するブレード設定角度は、図５から次式で決まります。
β_Ｓ＝φ―α（β_Ｓ：ブレード設定角度、φ：風の流入角、α：迎角）
従来のピッチ制御ではブレード設定角度は、風の速度とブレードの回転数によって変わる「迎角」を常に最適になるように、風速や発電機出力を検知してパワーで制御して最大出力を得るものである。
このような従来のピッチ制御は、移動手段に搭載可能なマイクロ風力発電では、利用されてなかった。

そこで、本発明は、図５において、ブレードの回転方向と翼弦線の交点にブレード軸を設け（β_Ｓ＝０）で待機すると（０＝φ―α）から（φ＝α）となる。
このブレード軸をハブの回転面に放射状に配置すると、ブレードの弦長線に対して、相対的な風の方向との角度「迎角」が零で存在せず、調整の必要がなく風の流入角がそのままピッチ角となる。
ブレードは、翼弦線上の前縁側にブレード軸を設け、風力を受け後縁側がピッチ角を形成し弾性体で維持するものとして、無風時の待機状態から強風時にブレードの回転を停止させる間のブレードのピッチ角を、風力に応じて０～約１５度の範囲で変位・維持する、ブレードの自動制御機構を有する風車で、検知やパワーを使用しない、小型で簡潔な風力の自動制御機構を有する風車を実現する事を課題とする。

請求項５については、移動手段が移動時に受ける空気抵抗にあたる走行風は、時速６０ｋｍ（１６．７ｍ／ｓ）で走行すると、台風（風速１７．２ｍ／ｓ以上）時に匹敵する。
日常ではないが日常的に活用可能な走行風による風力発電・充電装置を搭載して、移動手段の１充電に対する移動距離を長くすることが課題である。

日常的に活用可能な走行風を活用するために、ブレード（１）と、ブレード軸（２）と、ハブ（３，６，１０）と、小傘歯車（５）と、大傘歯車（９）と、弾性体（１１）を有し、ブレードは、支持とピッチ角変位のためにブレード軸を設け、前記ブレード軸は、ブレードの前縁と後縁を結ぶ翼弦線上の前縁から翼弦長の４分の１の間に中心点に設け、複数の前記ブレード軸を、前記ハブの回転面に放射状に軸受を介して配置し、風の流入角がそのままピッチ角を成すこととし、各ブレード軸の内端に小傘歯車を設け、前記ハブの主軸に回転フリーに直角大傘歯車を設け、前記小傘歯車と噛合せ、各ブレードの同期を図り、各前記ブレードの弦長線を同一平面に揃えピッチ角を零とし、前記ハブと前記大傘歯車の間にブレードがピッチ角零で待機する待機位置（９ｂ）と約１５度ピッチ角が変位し停止する停止位置（１０ａ）を設け、風力に応じたピッチ角を維持するために、両位置間に弾性体を設ける構成で、ブレードは、無風時に待機位置で風力を受け、弾性体に抗してブレード軸を中心にピッチ角零から変位を始め、起動可能なピッチ角で回転を開始して、カットイン風速からカットアウト風速で電気的に発電を停止させるまで変位可能として、ピッチ角約１５度の停止位置で変位を停止し、風車ブレードはほぼ停止状態となり、停止後も風速により繰り返し運転を行い、無風時は待機位置に戻ることとした、無風時の待機位置から停止位置までの、ブレードのピッチ角を風力に応じて０～約１５度の範囲で変位・維持する、ブレードの自動制御機構を有するものである。

また、第２の課題解決手段は、ブレードは、支持とピッチ角変位のためにブレード軸を設け、前記ブレード軸は、ブレードの前縁と後縁を結ぶ翼弦線上の、前縁から翼弦長の４分の１の間に中心点に設け、前記ブレード軸を、前記ハブの回転面に、放射状に、軸受を介して配置し、風の流入角がそのままピッチ角を成すこととし、前記ハブと前記ブレード軸の間に、弾性体を設けた、無風時の待機位置から停止位置までの、ブレードのピッチ角を風力に応じて０～約１５度の範囲で変位・維持するものである。

またさらに、第３の課題解決手段は、前記各ブレード軸の内端に小傘歯車を設け、前記ハブの主軸に回転フリーに直角大傘歯車を設け、前記小傘歯車と噛合せ、各前記ブレードの弦長線を同一平面に揃えピッチ角を零とし、前記ハブと前記大傘歯車の間に、ブレードがピッチ角零で待機する待機位置と約１５度ピッチ角が変位し停止する停止位置を設け、風力に応じた両位置間のピッチ角を維持するために弾性体を設けたものである。

またさらに、第４の課題解決手段は、請求項１，２，３いずれかのブレードの自動制御機構を有する風車を用いたものである。

またさらに、第５の課題解決手段は、請求項１，２，３いずれかのブレードの自動制御機構を有する風車か、請求項４の風力発電充電装置のいずれかを搭載したものである。

上記第１の課題解決手段による作用は次のとおりである。
すなわち、ブレードは風を受け回転するので、相対的な風の方向は斜め方向となり、相対的な風の方向に対して働く力は「抗力」で、直角に働く力が「揚力」である。
ブレードは風を受け、抗力でピッチ角変位を始め、風が強くなるに従い抗力が小さくなり揚力が高くなりピッチ角と共に風車も回転を開始・増速する。
迎角が零で待機するため、風力に対するブレードの抵抗は少なく効力は小さくてすみ、揚力がより大きくなり、一般的に抗力に対する揚力の比は１０倍以上になり、この揚力は相対的な風の流速の２乗に比例します。
この時の、抗力と揚力は次式で与えられる。
Ｄ＝（１／２）Ｃ_Ｄ・ρ・Ａ・Ｖ^２
Ｌ＝（１／２）Ｃ_Ｌ・ρ・Ａ・Ｖ^２
ここで、Ｄ：抗力、Ｌ：揚力、Ｃ_Ｄ：抗力係数、Ｃ_Ｌ：揚力係数、ρ：空気の密度
Ａ：ブレード表面の面積、Ｖ：風の相対速度。
Ｃ_Ｄ、Ｃ_Ｌ係数は：共にブレードにより異なり通常は風洞にて測定して求められる。

カットアウト風速時には、発電機の保護のために、発電機の出力電圧が設定電圧より大きくなった時に発電機の出力端子を短絡すれば電磁ブレーキがかかり、風車ブレードはゆっくり回転しほぼ停止状態となり、繰り返し運転の条件が整えば運転を再開するものである。

また、第２の課題解決手段による作用は、ブレード軸を用いてピッチ角を形成し維持し、ブレードの翼弦線を回転面に迎角を零に配置し、風の流入角をそのままピッチ角とし、０～約１５度の範囲で変位・維持する、風力を有効に利用するものである。

また、第３の課題解決手段による作用は、ブレードを同期させるため直角傘歯車を用いて、複数のブレードのピッチ角を０～約１５度まで、弾性体で変位・維持するものである。

また、第４の課題解決手段による作用は、請求項１～３のいずれかを用いたものである。
発電機の出力を効率よくバッテリーに充電させるためには、発電機の出力とバッテリーの間に制御回路を設ける等でバッテリーの充電電圧が発電に影響しないように注意が必要である。

また、第５の課題解決手段による作用は、請求項１～４のいずれかを用いたものである。自然界では、平均風速は風の強い地域でもせいぜい４～６ｍ／ｓである。
水平軸プロペラ型風車から得られる。エネルギーＰは、次式により、風車の受風面積Ａに比例し、風速Ｖの３乗に比例することから、風が２倍になると８倍の出力が得られる。
Ｐ＝（１／２）・ρ・Ｃ・η・Ａ・Ｖ^３
（ρ：空気密度、Ｃ：パワー係数、η：変換効率）
移動手段に本発明の風車発電・充電装置を設置して走行すると、受風面積は極端に小さいが、進行方向から台風なみの強力な風力を利用可能である。
移動手段；時速６０ｋｍは、風速１６．７ｍ／ｓである。
台風時；風速１７．２ｍ／ｓ以上は、時速６１．９ｋｍ以上である。
日常ではないが、日常的に活用可能な走行風を活用する風力発電・充電装置を移動手段として代表的な自動車に、１または複数を搭載すると、自動車等への１充電に対する移動距離を長くすることが出来る。
以下は上式に、パワー係数、変換効率を仮設定し、移動手段の走行速度と翼径の４種について計算したものです。
ρ＝１．２２（空気密度）、Ｃ＝０．４（パワー係数）、η＝０．６４（変換効率）
風から得られるエネルギー

・翼形：図１は一般的な翼形を示すものであり、前縁は円い形状で、後縁は鋭く尖っており、上面の湾曲が下面（受風側）より大きいもので、マイクロ発電においては押出し型材や板状で湾曲をつけてもよい。
・弾性体：圧縮ばね、オイル式、ガス式等の弾性体が使用可能である。
・翼弦長の４分の１の点：揚力が翼型に作用する位置といわれます。

本発明は次のような効果を奏する。
風力を弾性体で受け止める機構で、ピッチ角を変化させて、風力をコントロールし、風車の回転を制御できる。
無風時から定格風速を経過後、発電を停止するカットアウト風速までを、ピッチ角約１５度の範囲に設定し、弱風から強風までさまざまな風域の風力発電と充電に利用可能である。
移動手段に搭載するには、方向制御は不要である。
日常ではないが、日常的に活用可能な走行風によって、本発明の風力発電・充電装置を移動手段に搭載すると、１充電に対する移動距離を長くすることが出来る。
風力を弾性体で制御する構成で小型・簡潔・安価であり、いわゆるゼロエミッションで省エネルギーと地球温暖化ＣＯ_２低減の対策に貢献できます。

本発明の実施の形態を示す第２図におけるＡ－Ａ断面図で、風上側より見たブレードが風に対して９０度で回転する時の相対的な風とピッチ角の関係を示す図である。（ａ）無風時にブレードがピッチ角零で待機状態を示す図である。（ｂ）強風時にブレードがピッチ角約１５度で停止状態を示す図である。本発明の実施形態における６翼の場合の風上側より見た平面図である。図２平面図におけるＢ－Ｂ断面図である。図３Ｂ－Ｂ断面図におけるＣ矢視図で、大傘歯車位置決め板（１２）を取り外した状態を示す図である。ブレードが風に対して９０度で回転する時の相対的な風の方向を示す図であり従来の風力制御方式の説明のための図である。

以下、本発明の実施の形態を、図１～図４に基づいて説明する。

図１は、図２のブレード（１）のＡ－Ａ断面図で、ブレード（１）の各部位を示し、ブレード軸（２）の中心点が前縁より翼弦長Ｌの４分の１の時を示す図である。
（ａ）は、ブレード（１）が無風時の待機位置のピッチ角（β＝０）の状態を示し、ブレード軸（２）、小・大傘歯車（５・９）との関係を示す図である。
（ｂ）は、ブレード（１）が相対的な風を受けて、ピッチ角が零から約１５度変位した状態を示し、風の流入角φとピッチ角βの（φ＝β）関係を示す図である。

図２は、強風時に対応するための１例で、ブレード（１）を６組配置した場合の風上側より見た平面図である。ブレード形状は、等弦長テーパーなしブレードとした。

図３は、図２のＢ－Ｂ断面図で、ハブ（ブレード部分）（３）に放射状に６か所内外にスラスト軸受（４）を嵌めこみ、内側より小傘歯車（５）と一体としたブレード軸（２）を挿入し、外側にブレード（１）を仮止めする。
スラスト軸受（４）は、回転時の遠心力と風速の激しい変化に対応するためである。

ハブ（３）の片側にハブ（主軸部分）（６）を取付け、ボルトＡ（７）で６個固定し、主軸（６ａ）に軸受（８）を２個と大傘歯車（９）を挿入し、小傘歯車（５）と噛合せる。
大小傘歯車（９と５）は、複数のブレード（１）の回転変位の同期を図るためである。

図４で、大傘歯車（９）の裏側の凸部の横穴（９ａ）に弾性体（１１）を３個嵌めこみ、大傘歯車（９）の裏側の凸部の待機位置（９ｂ）とハブ（大傘歯車カバー部分）（１０）のピッチ角の停止位置（１０ａ）に位置を合わせ、ボルトＡ（７）で６個固定する。
この時、大傘歯車の待機位置（９ｂ）とピッチ角の停止位置（１０ａ）の角度の約５度を確認する。（図４は、ピッチ角（β＝０）の状態を示す）
回転角約５度は、大小の傘歯車の歯数比が３：１でピッチ角１５度が５度に減少される。
弾性体の数量は３個の場合を示すが、弾性体の数量は任意であり、翼数分と歯数比と弾性体の位置の関係の考慮が必要である。

図３で、大傘歯車（９）の大傘歯車位置決め板（１２）をボルトＢ（１３）で４個固定する。

ブレード（１）の６組の翼のピッチ角βを「零」に合わせ仮止めを本締めとする。

ブレード（１）は、受風面に直角に風力Ｗを受け、ブレード軸（２）を中心にピッチ角βが回転変位を始め、風力Ｗが強くなるに従い、ピッチ角βの変位と共に風車ブレードも回転を始め増速して定格風速を経過後は、カットアウト風速で発電機の出力端子を短絡する等で風車ブレードを停止させ、ピッチ角約１５度の範囲で安全に繰り返し運転を可能とするものである。ブレード（１）は無風時には待機位置で待機する。

風力発電充電装置として、ＭＰＰＴ（最大電力点追従）制御を使用すると、風速の急激な変動と弱風時や強風時に対しても、効率よく発電と充電をする事が期待できる。

１ブレード
２ブレード軸
３ハブ（ブレード部分）
４スラスト軸受
５小傘歯車
６ハブ（主軸部分）
６ａ主軸
７ボルトＡ
８軸受
９大傘歯車
９ａ大傘歯車の裏側の凸部の横穴
９ｂ大傘歯車の裏側の凸部の待機位置
１０ハブ（大傘歯車カバー部分）
１０ａピッチ角の停止位置
１１弾性体
１２大傘歯車位置決め板
１３ボルトＢ
１４カバー
Ｗ風
β ピッチ角
φ 風の流入角

Claims

日常的に活用可能な走行風を活用するために、ブレード（１）と、ブレード軸（２）と、ハブ（３，６，１０）と、小傘歯車（５）と、大傘歯車（９）と、弾性体（１１）を有し、ブレードは、支持とピッチ角変位のためにブレード軸を設け、前記ブレード軸は、ブレードの前縁と後縁を結ぶ翼弦線上の前縁から翼弦長の４分の１の間に中心点に設け、複数の前記ブレード軸を、前記ハブの回転面に放射状に軸受を介して配置し、風の流入角がそのままピッチ角を成すこととし、各ブレード軸の内端に小傘歯車を設け、前記ハブの主軸に回転フリーに直角大傘歯車を設け、前記小傘歯車と噛合せ、各ブレードの同期を図り、各前記ブレードの弦長線を同一平面に揃えピッチ角を零とし、前記ハブと前記大傘歯車の間にブレードがピッチ角零で待機する待機位置（９ｂ）と約１５度ピッチ角が変位し停止する停止位置（１０ａ）を設け、風力に応じたピッチ角を維持するために、両位置間に弾性体を設ける構成で、ブレードは、無風時に待機位置で風力を受け、弾性体に抗してブレード軸を中心にピッチ角零から変位を始め、起動可能なピッチ角で回転を開始して、カットイン風速からカットアウト風速で電気的に発電を停止させるまで変位可能として、ピッチ角約１５度の停止位置で変位を停止し、風車ブレードはほぼ停止状態となり、停止後も風速により繰り返し運転を行い、無風時は待機位置に戻ることとした、無風時の待機位置から停止位置までの、ブレードのピッチ角を風力に応じて０～約１５度の範囲で変位・維持する、ブレードの自動制御機構を有する風車。
ブレードは、支持とピッチ角変位のためにブレード軸を設け、前記ブレード軸は、ブレードの前縁と後縁を結ぶ翼弦線上の前縁から翼弦長の４分の１の間に中心点に設け、前記ブレード軸を、前記ハブの回転面に、放射状に、軸受を介して配置し、風の流入角がそのままピッチ角を成すこととし、前記ハブと前記ブレード軸の間に、弾性体を設けた、無風時の待機位置から停止位置までの、ブレードのピッチ角を風力に応じて０～約１５度の範囲で変位・維持する、ブレードの自動制御機構であり、請求項１記載のブレードの自動制御機構を有する風車。
前記各ブレード軸の内端に小傘歯車を設け、前記ハブの主軸に回転フリーに直角大傘歯車を設け、前記小傘歯車と噛合せ、各グレードの同期を図り、各前記ブレードの弦長線を同一平面に揃えピッチ角を零とし、前記ハブと前記大傘歯車の間に、ブレードがピッチ角零で待機する待機位置と約１５度ピッチ角が変位し停止する停止位置を設け、風力に応じた両位置間のピッチ角を維持するために弾性体を設けた、ブレードの自動制御機構であり、請求項１記載のブレードの自動制御機構を有する風車。
請求項１，２，３いずれかのブレードの自動制御機構を有する風車を用いた、風力発電充電装置。
請求項１，２，３いずれかのブレードの自動制御機構を有する風車か、請求項４の風力発電充電装置のいずれかを搭載した、移動手段。