JP7182739B1

JP7182739B1 - 垂直型風力発電装置

Info

Publication number: JP7182739B1
Application number: JP2022038133A
Authority: JP
Inventors: 正樹大津
Original assignee: Mitsui E&S Machinery Co Ltd
Current assignee: Mitsui E&S Machinery Co Ltd
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2042-03-11
Also published as: JP2023132671A; JP2023133103A; JP7421624B2

Abstract

【課題】比較的簡易な構成としつつ、羽根車によって得られる動力を大きなものとすることのできる垂直型風力発電装置を提供する。【解決手段】発電機に動力伝達可能な回転軸１４ａと、第１筒状部材１２ａを有するベース１２と、第１筒状部材１２ａを基点として回転可能な第２筒状部材１６ａと、複数の羽根１６ｂとを備えた羽根車１６と、第１筒状部材１２ａを基点として回転可能に構成されるケーシング１８と、を備える風力発電装置１０であって、第２筒状部材１６ａは内周面にインターナルギア１６ａ１を有し、第１筒状部材１２ａは、複数の切欠き１２ａ１を有すると共に、複数のアイドルギア１２ｃを有し、回転軸１４ａには、ピニオンギア１４ｂが設けられていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置に係り、特に回転軸を風向きに対して垂直に配置した垂直型の風力発電装置に関する。

風力発電装置には、様々な形態のものが存在するが大別すると、水平型と垂直型に分けることができる。水平型の風力発電装置は、回転軸を風の流れる方向に沿って配置するもので、代表的なものとしてはプロペラ型の風力発電装置が知られている。一方、垂直型の風力発電装置は、回転軸を風の流れる方向に直交するように、すなわち地面に対して垂直となるように配置するもので、代表的なものとしてはクロスフロー型と呼ばれる風力発電装置が知られている。

一般的に、垂直型の風力発電装置は水平型の風力発電装置に比べて静音性に優れているものの、発電効率が悪いとされているため、発電設備として実用化されているものが少ない。そうした中で垂直型の風力発電装置における発電効率の向上を図るための技術が、特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されている風力発電装置は、垂直に配置された回転軸に円筒体を固定し、この円筒体の周囲にバケット状に湾曲した羽根を複数配置した羽根車を備えた、いわゆるクロスフロー型の風力発電装置に関する技術である。特許文献１に開示されている風力発電装置では、羽根車の外周に風洞を配置し、この風洞により羽根車が一定方向に風を受けるように、正面からの風を誘導する構成としている。そして、風洞には、垂直尾翼を配置することで、風洞の入口側が常に風上を向くように構成している。

このような構成の風力発電装置によれば、風洞に供給される風は、常に風車を一定方向に回転するように作用することとなる。このため、弱風であっても効率良く羽根車を回転させることができ、発電効率を向上させることができると考えられる。しかし、さらに大きな電力を得るためには、羽根の面積を大きくする必要があるが、羽根車の直径を大きくする場合には広い土地が必要となり、羽根の高さを高くする場合には、羽根、及び回転軸の強度に懸念が生じる可能性がある。

特開昭５２－１２５１号公報

そこで本発明では、発電装置の専有面積を変える事なく、羽根車によって得られる動力を大きなものとした上で、風車全体としての強度的懸念を払拭することのできる垂直型風力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る垂直型風力発電装置は、発電機に動力伝達可能な回転軸と、前記回転軸を内包する第１筒状部材を有するベースと、前記第１筒状部材の外周側に配置され、前記第１筒状部材を基点として回転可能な第２筒状部材と、前記第２筒状部材の外周に放射状に配置される複数の羽根とを備えた羽根車と、前記羽根車の外周側に配置されると共に、前記第１筒状部材を基点として回転可能に構成される集風機能を備えたケーシングと、を備える垂直型風力発電装置であって、前記第２筒状部材は内周面にインターナルギアを有し、前記第１筒状部材は、前記インターナルギアに対向する位置に複数の切欠きを有すると共に、前記切欠きを介して前記インターナルギアと噛み合う複数のアイドルギアを有し、前記回転軸には、複数の前記アイドルギアと噛み合うピニオンギアを有し、前記羽根の高さ寸法を前記羽根車の直径の寸法よりも大きくしたことを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する垂直型風力発電装置における前記ケーシングには、導入部と排出部とが設けられ、前記排出部には、風向舵が備えられているようにすることができる。このような特徴を有する事によれば、風向舵が風を受けることでケーシングが回転し、導入部が風上側を向くこととなる。

また、上記のような特徴を有する垂直型風力発電装置における前記導入部には、風導板を設けるようにすると良い。このような特徴を有する事によれば、導入部に対して効率的に向かい風を導くことができるようになる。

さらに、上記のような特徴を有する垂直型風力発電装置において複数の前記切欠き、及び前記アイドルギアは、前記回転軸を中心とする円周上に、均等配置されるようにすることが望ましい。このような特徴を有する事によれば、ピニオンギアに対する力の伝達のバランスを整えることができる。このため、回転軸の撓み等によるギアの浮き上がりなどを抑制することができる。

さらにまた、上記のような特徴を有する垂直型風力発電装置では、前記羽根の高さ寸法は、前記羽根車の直径の寸法の２倍以上とすることが望ましい。このような特徴を有する事により、羽根自体の面積の増加に加え、下層に比べて風速が速くなりやすい上層に羽根を置くことが可能となり、発電効率の向上を図りやすくなる。

上記のような特徴を有する垂直型風力発電装置によれば、羽根車を構成する羽根の高さを高くすることで集風効果を高めることができ、大きな動力を得て発電効率の向上を図ることができる。また、回転軸の外周に大径とすることのできる第１筒状部材を配置したことで、軸方向の強度を確保することが可能となる。よって、風車全体としての強度が不足するという懸念を払拭することができる。

実施形態に係る垂直型風力発電装置の概略構成を示す断面図である。ケーシングと羽根車の平面視形状を示す断面図である。ケーシングと羽根車の配置関係を示す側面図である。インナーナルギアとアイドルギア、及びピニオンギアの関係を説明するための部分断面図である。

以下、本発明の垂直型風力発電装置に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において図１は、実施形態に係る垂直型風力発電装置の概略構成を示す断面図である。また、図２は、ケーシングと羽根車の平面視形状を示す断面図であり、図３は、ケーシングと羽根車の配置関係を示す側面図である。さらに、図４は、インターナルギアとアイドルギア、及びピニオンギアの関係を説明するための部分断面図である。

［構成］
本実施形態に係る垂直型風力発電装置（以下、単に風力発電装置１０と称す）は、ベース１２と発電機１４、羽根車１６、及びケーシング１８を基本として構成されている。ベース１２は、詳細を後述する発電機１４を内包する要素であり、本実施形態では、第１筒状部材１２ａとボトムケース１２ｂとを有する。第１筒状部材１２ａは、発電機１４に動力伝達可能な回転軸１４ａ（図１に示す例では、発電機１４の回転軸１４ａ）を内包する要素であり、その周壁には、複数の切欠き１２ａ１が設けられると共に、切欠き１２ａ１に配置可能な複数（本実施形態では３つ（図４参照））のアイドルギア１２ｃを備える。複数の切欠き１２ａ１には、アイドルギア１２ｃが介入され、少なくともアイドルギア１２ｃの歯の一部が、第１筒状部材１２ａの外周側に突出するように構成される。このため、各切欠き１２ａ１の周囲には、アイドルギア１２ｃの回転軸１２ｃ１を支持するためのブラケット１２ａ２が設けられている。

また、第１筒状部材１２ａの外周には、詳細を後述する羽根車１６とケーシング１８が配置される。このため、第１筒状部材１２ａの外周には、羽根車１６とケーシング１８をそれぞれ回転自在に支持するための軸受１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇが設けられている。なお、各軸受１２ｄ～１２ｇは、第１筒状部材１２ａの長手方向両端部近傍にそれぞれ配置することで、羽根車１６とケーシング１８がそれぞれ長手方向に沿って両持ち支持されることとなり、支持状態の安定化を図ることができる。ボトムケース１２ｂは、風力発電装置１０の土台となる要素であり、本実施形態では、発電機１４の本体を収容している。

発電機１４は、回転軸１４ａを介して伝達された動力を電力に変換するための要素である。本実施形態では、上述したベース１２のボトムケース１２ｂに収容され、第１筒状部材１２ａに向けて回転軸１４ａを延設させている。回転軸１４ａには、ピニオンギア１４ｂが設けられている。ピニオンギア１４ｂは、第１筒状部材１２ａに設けられたアイドルギア１２ｃと噛み合うように、その配置高さが調整されている。このような構成とすることで、アイドルギア１２ｃが回転することで、回転軸１４ａが回転し、発電機１４が機能することとなる。

羽根車１６は、第２筒状部材１６ａと、羽根１６ｂとを基本として構成されている。第２筒状部材１６ａは、軸受１２ｄ，１２ｅを介して第１筒状部材１２ａの外周側に配置されることとなる回転筒である。第２筒状部材１６ａの内周面には、第１筒状部材１２ａに設けられたアイドルギア１２ｃと噛み合う位置に、インターナルギア１６ａ１が設けられている。

羽根１６ｂは、第２筒状部材１６ａの外周面に複数、放射状を成すように均等配置されている。本実施形態に係る羽根１６ｂは、図２に平面視形状を示すように、円弧状の湾曲を成し、一定方向の風による力が受けやすくなるように構成されている。また、図１で示す例では、羽根１６ｂの上端部と下端部にそれぞれ端板１６ｂ１を設けるようにすることで、長尺となる羽根１６ｂのよじれや強度不足を補うようにしている。しかしながら、素材の選択や厚みの調整により、羽根１６ｂの強度が十分である場合には、端板１６ｂ１を設ける必要は無い。ここで、羽根１６ｂの長手方向長さ寸法は、羽根車１６の直径の寸法の２倍以上とすることが望ましい。地上を基点として上空を流れる風は、地表付近に比べて風速が速くなりやすい。このため、このような構成とすることで、羽根１６ｂの面積増大を図ることができると共に、羽根１６ｂに対して風速の速い風（強い風）を当てることができ、羽根車１６に大きな動力を与えることが可能となる。

ケーシング１８は、羽根車１６を覆い、羽根車１６へ風を誘導するように集風する役割を担う。ケーシング１８は、ほぼ円筒状の側壁１８ａとこの側壁１８ａの上下に配された端板１８ｂとを有し、軸受１２ｆ，１２ｇを介して第１筒状部材１２ａに支持されている。側壁１８ａには、風上側に配置され、向かい風をケーシング１８内に導く開口である導入部１８ａ１と、ケーシング１８内に導入された風を排出する開口である排出部１８ａ２とが設けられている。

ここで、導入部１８ａ１と排出部１８ａ２は、羽根車１６の中心を基点として、羽根１６ｂが湾曲している側、すなわち羽根１６ｂが風を受けて回転する側に偏るように配置している。このような構成とすることで、風を受けた際に羽根車１６の回転に寄与する側の羽根１６ｂにのみ、向かい風を当てる事が可能となり、風の力を羽根車１６の回転に効率的に寄与させることができるようになる。また、導入部１８ａ１には、開口へ風を導くための風導板１８ｃが設けられている。このような構成とすることで、より多くの風を導入部１８ａ１へ導くことが可能となり、羽根車１６を回転させる力を高めることができるからである。

またケーシング１８には、風向舵１８ｄが設けられている。風向舵１８ｄは排出部１８ａ２の近傍に設けられており、風向舵１８ｄに風が当たる事でケーシング１８が回転し、導入部１８ａ１が風上側へ向くこととなる。

［作用］
上記のような構成の風力発電装置１０では、次のようにして電力が生成される。まず、風力発電装置１０に風が当たると、風向舵１８ｄの作用によりケーシング１８が矢印Ｂで示すいずれかの方向に回転し、導入部１８ａ１が風上側へ向くこととなる。導入部１８ａ１が風上側へ向くと、導入部１８ａ１から向かい風がケーシング１８内に導入される。ケーシング１８内に導入された風には、排出部１８ａ２から排出される流れが生じるため、羽根車１６が矢印Ａで示す方向に回転する。

羽根車１６が回転すると、第２筒状部材１６ａの内周面に設けられたインターナルギア１６ａ１が第１筒状部材１２ａに設けられた複数のアイドルギア１２ｃを回転させる。そして、複数のアイドルギア１２ｃがピニオンギア１４ｂを回転させることで、発電機１４の回転軸１４ａを回転させ、発電機１４による電力を発生させる。

［効果］
実施形態に係る風力発電装置１０では、回転軸１４ａの外周側に第１筒状部材１２ａを配置し、この第１筒状部材１２ａで羽根１６ｂや羽根車１６に課される負荷を受けるようにしているため、羽根の高さを高くした場合であっても、風力発電装置１０の強度を確保することができる。また、遊星ギアを介して羽根車１６の回転力を回転軸１４ａに伝達する構成としたことで、第１筒状部材１２ａを回転体とすることなく回転の伝達が可能となった。また、１つのピニオンギア１４ｂに対して複数のアイドルギア１２ｃを噛み合わせる構成としているため、ピニオンギア１４ｂを回転させるために必要とされるトルクが分配されることとなる。

また、実施形態に係る風力発電装置１０では、羽根車１６を構成する羽根１６ｂの高さ寸法を、羽根車１６の直径の寸法の２倍以上とすることで、風を受ける面積を大きくしている。このため、風の力が弱い場合であっても、羽根車１６に大きな回転力を与えることが可能となる。このため、発電機１４の容量を大きくした場合であっても、これを稼働させることが可能となる。また、羽根の高さを高く（高さ寸法を大きく）することで、羽根の面積を確保しているため、風力発電装置１０の占有面積（土地面積）を変える事無く大きな電力を得る事ができるようになる。

なお、上記実施形態では、回転軸１４ａが直接発電機１４に接続されているが、ギアなどを介して発電機１４に動力を伝達させる構成としても良い。

また、上記実施形態では、端板１６ｂ１を羽根１６ｂの上下端に設けることで羽根１６ｂを長尺とした場合に、そのよじれや強度不足を補う旨記載している。しかしながら、端板１６ｂ１に替えて、あるいは端板１６ｂ１と共に、羽根の高さ方向の一箇所、乃至複数箇所に補強板を設けるようにしても良い。

１０………風力発電装置、１２………ベース、１２ａ………第１筒状部材、１２ａ１………切欠き、１２ａ２………ブラケット、１２ｂ………ボトムケース、１２ｃ………アイドルギア、１２ｃ１………回転軸、１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ………軸受、１４………発電機、１４ａ………回転軸、１４ｂ………ピニオンギア、１６………羽根車、１６ａ………第２筒状部材、１６ａ１………インターナルギア、１６ｂ………羽根、１６ｂ１………端板、１８………ケーシング、１８ａ………側壁、１８ａ１………導入部、１８ａ２………排出部、１８ｂ………端板、１８ｃ………風導板、１８ｄ………風向舵。

Claims

発電機に動力伝達可能な回転軸と、
前記回転軸を内包する第１筒状部材を有するベースと、
前記第１筒状部材の外周側に配置され、前記第１筒状部材を基点として回転可能な第２筒状部材と、前記第２筒状部材の外周に放射状に配置される複数の羽根とを備えた羽根車と、
前記羽根車の外周側に配置されると共に、前記第１筒状部材を基点として回転可能に構成される集風機能を備えたケーシングと、を備える垂直型風力発電装置であって、
前記第２筒状部材は内周面にインターナルギアを有し、
前記第１筒状部材は、前記インターナルギアに対向する位置に複数の切欠きを有すると共に、前記切欠きを介して前記インターナルギアと噛み合う複数のアイドルギアを有し、
前記回転軸には、複数の前記アイドルギアと噛み合うピニオンギアを有し、
前記羽根の高さ寸法を前記羽根車の直径の寸法よりも大きくしたことを特徴とする垂直型風力発電装置。
前記ケーシングには、導入部と排出部とが設けられ、
前記排出部には、風向舵が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の垂直型風力発電装置。
前記導入部には、風導板が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の垂直型風力発電装置。
複数の前記切欠き、及び前記アイドルギアは、前記回転軸を中心とする円周上に、均等配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の垂直型風力発電装置。
前記羽根の高さ寸法は、前記羽根車の直径の寸法の２倍以上としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の垂直型風力発電装置。