JPS6143276A - 発電風車装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は建設容易で簡便な小型発電風車＠置に、関する
もので、構造上水平回転軸形風車装置に属し比較的に低
風連帯利用の風車装＠を意図している。

（従来技術） 従来風力発電設備に利用された前記形式の小型風車（２
０ＫＷ程度以下）は翼幅が狭く直径は４米乃至１５米と
いった回転翼車を使用している場合が多い。これら風車
の風力エネルギ変換効率は理論的にはｉｌｌ入約５９係
であるが、実際上の変換エネルギ効率は２０〜３０％程
度にすぎないといわれている。また垂直回転軸形式のも
ので比較的幅広の翼をもちかつ風向に依存しない無方向
性のサボニウス形風車装置は最も高い変換効率をもつと
いわれるがその効率ｕ３０％程度である０前述したプロ
ペラ形風車の利用風速帯は、約７〜１５　ｍ　／　ｓの
範囲で、年間平均７１ｒＬ／Ｓの風速が必要であるとい
うのが定説である。更に風車装置は台風や豪雪に耐処し
うる強度と故障に対する安全性が確保されなければなら
ない。現在利用されている風車設備の多くは建設費およ
び管理費が高く、更に利用風速の適用において、低効率
である０従って諸経費が安く、効率が４０係近くでかつ
悪気象条件下にも耐える全天候型風車装置が希求されて
いる。本発明は以上のような要請に答えるべく開発され
たものである。なお本発明は同一出願人に係る特願昭５
８−２２６７７５号発明の改良に係るものである。

（発明が解決しようとする問題点） 発明の基本的に重要な解決点は利用風速帯を従来７〜１
５　ｍ／　ｓであったものものを比較的低風速の３〜１
０　ｍ／Ｂに下げ得ることである。更に従来の翼幅の狭
いプロペラに対し、翼幅を流路断面−ばいに閉塞可能な
翼幅の広い所謂扇風機形の幅広翼形を採用したことであ
る。風のもつ運動エネルギＥはあり、そして風車によっ
て暇り出される変換エネルギＥいは翼を通る空気速度ヲ
■１　翼の有効表面Ａ−Ｖ３で表わされる。従って原理
的には風車回転翼の面積を大とし、翼通過風速を増大す
ることにより変換風力エネルギを増大し、その効率を高
めることか出来るはずである。本発明では上記立脚点か
ら従来の狭い翼幅で大径のプロペラ形回転翼に対し小さ
い直径をもち、かつ翼幅は扇風機形の幅広いものを採用
する。これによって僻地や離島の建設に有利となるよう
に運搬と分解組立容易でかつ低廉な小形発電風力装置を
提供するものである。更に風車羽根面を通過する利用風
速の増加を図るため翼車後流の背圧を低下せしめるよう
に配慮したことであシ、これは排風を積極的に外気へ向
けて吸い出す多重フードの採用によって可能となる。即
ち同心層状に配列され次環状ノズルから噴射された高速
のジェット気流に誘引されて風車通過の排出流が吸い出
されるようにしたものでエゼクタ効果を奏する部分とな
っている。

更にまた、従来風車の羽根軸は風車の回転軸ボス回りに
片持ち梁状に固定化されていたのであるが、本発明の小
形化に対してこれを両持ち梁形式に改めることを提案し
、これによって可変ピッチ機構の簡素化と共に回転の軽
快性と、構造のコンパクト化に寄与せしめている。

Ｃ問題を解決するための手段） 発電風車装置は運搬と現場組立を容易にするため支柱台
座、軽量な鋼製中空の直立支柱管によって構築された支
柱上部に水平配置の風車胴を搭載した水平回転軸式風車
装置である。第１１で明らかな様に前記風車胴の中央区
域に回転翼車を回転自在に軸架した風車本体を配置し該
風車本体の前部に増速機と発電機を配列しその後部に可
変ピッチ駆動機構とそのサーボ制御装置をそれぞれ配列
し、かつ前記回転翼車は空気流入路断面をｔｌぼ閉塞可
能な複数枚の幅広形羽根によって翼車が形成され、更に
これらの各羽根軸は可変ピッチ制御機構の出力端に連結
され風車の回転数とトルク積がほぼ定格出力となるよう
に羽根ピツチ角が制御される。更にＩｔ回転翼車の外周
に少くとも２個以上のフードを同心状に配置しそれら相
互間に高速ジェット気流を生ずる多重フードを形成する
。該多重フードは翼車を流下する排風の背圧を減少する
ことにより捕捉風力のエネルギ変換効率を大々らしめる
ように構成したものである。

（作用） 風速は通常無風時から台風にいたる（）〜６０　ｍ１ｍ
の範囲であるとされ、それはまた同一地点において高さ
Ｈの関数でＶωＨ７の関係で上空程風速は増大するとい
われる。従って大なる風速を捕捉するためには建設鉄塔
は高い程風速の利用度は人語なる。例えば地上１１ｒＬ
において風速２ｆｎ／ｓのとき、地上１６ｍにおいて風
速は４’５’ｓと推定される。このように利用風速帯が
大なる程、鉄塔の高さを大とせねばならぬ。本発明は従
来の７〜１５ｔｎ　／　Ｂに対し３〜１０　ｍ　／　ａ
範囲で充分であり、即ち約ｉの低風速帯で利用可能であ
る。また主柱をパイプにしたことで風圧抵抗が小さくな
り突風による曲げ応力が減少し従来の如く強固な鉄塔状
構築構造は大幅に簡易化される。この低風速帯の採用は
広幅翼車の適用と多重フードによる風力エネルギ効率の
向上化によって実施可能になる。前記広幅柩車の採用の
ため羽根面に作用する風圧は増大し、回転数は若干小と
なるがそれは翼車軸を発電機間に増速機を設けることに
よって発成機の回転数を増加することが出来る。

次に回転翼車の可変ピッチ制御装置は捕捉風量を発電機
の出力に見合せて調節自在に制御すること並びに利用風
速帯以外の風速全切り捨てること或は台風時に備えて羽
根ピツチ角度を零度に保持してプロバラ抵抗を最小の状
態にして風を素通シさせることは抵抗を極７Ｊ％にする
必須条件である。

羽根の取付はビ・ソチ角度θは通過する風の方向に対し
θ；４５ｏのとき理論効率最大となるが、予め定めた規
定の限界速度を超えるときマイコン装備の制御装置にニ
ジ、羽根角θは減少制御され、風車回転数をほぼ一定と
し発電機出力もまたほぼ一定に保持される。

本発明はま九発電容址ＩＫＷ以下の小型のものに対し特
に回転菖車の羽根軸を両持ち梁形式として採用すること
を提案する。この保持方式は円周リムとハブに設けた円
錐ピボット軸受間に羽根軸両端が回転自在に接着され、
しかもリムとハブ間はほぼ放射状に張設し次多数の緊張
ロッドにより相互間が緊密に結合されるため、翼車の旋
回作用を極めて軽快に行なわしめることができる。その
几め羽根軸の支持性がよく構造が堅牢かつコンパクト化
される特徴がある。

本発明はまｆｃ軽量にしてかつ保守管理上の労務を節約
すべぐことを意図し、耐久的には全天候型風車装置を希
求しているから、使用材料は強度を必要とする支柱や回
転軸等は別としても、回転翼や多重フード並びに風車胴
はすべて強ｆヒ繊維プラスチック與とし、防錆や潮風等
の塩害に耐えるよう実施される。

（実施例） 第２図ａは本発明風車装置の外観を示す側面図で第２図
すはその正面図を示す。図中１は中空支柱２の上部に回
転可能に搭載された風車本体部を示す。支柱２は鉄筋コ
ンクリートで地上に構築された基攪ブロックでその上面
に基板５がアンカーボルトを埋入して碇着されている。

更に基板５の上面に支柱を挿入保持する支柱台座３がボ
ルト締結により固定化される。中空支柱２は複数本の鋼
製中空管を次次に適宜の結合手段例えば溶接等によシ接
ぎ合わされ必要な高さまで延長され、運搬の便宜と構築
費低下のため規格寸法を有する市販品を使用する。１２
は風車胴ｌＯを垂直支柱軸線の回りに回動可能に担持さ
せる丸め特別に作製された回転軸受部を有する頂部支柱
である。６は内側フード、７Ｕ外側フードでこれらは回
転翼車１１の回転中心線に対し軸方向断面が同心ラッパ
状に漸減し、その間に同心環状の増速縮流流路が形成さ
れ、フード後面からジェット気流Ｊを噴射しエゼクタ−
効果により風車回転翼全流下し九弱勢排気を積極的に吸
い上げて翼車後流に介在する背圧を負圧化〔２風カエネ
ルギの変換効率を高めている。８は上側フード７の後端
外周に直立させた板状の方向舵で、回転軸線を含む一平
面内に配位され１８０°　を距て上下にそれぞれ１個宛
設けられている。この多重フード部分は第１図に拡大し
て描かれている。多重フード６．７の組立は半割り状に
さｔｌだ半部と半部ｔｌ−接合用７ランジ１３□。

１３□　を介して合体して結合される。上側フードと内
側フード間に所定の縮流流路を形成するために両者間に
複数個の間隔板１４．．１４２１に溶着手段により一体
化させており、かつ内１１１１フード６を風車胴上に嵌
合固定するため半割シ状の嵌合輪１５１．１５□と間隔
板１６．，１６□を形成し、更に符号１６の個所におい
て風車胴１０と上記一方の嵌合輪１５１とに成形した７
ランジ相互をボルト締めによシキ結合している。１７は
頂部支柱管１２０回りを取υ巻き内側フード６の円錐状
拡開壁を貫通して形成した支柱の貫通筒管で前記多重フ
ードを支柱回９に回動せしめるために必要とされた構造
部分となっている。

第３図は回転翼車１１前方の風車胴ｌＯの内部を示す垂
直側面断面図である。風車胴１０の前方部分は胴本体３
０とその前端に固定した前部スピンナ３１から成る。胴
本体３０の下部には中空支軸３２が固着され、ころがジ
軸受３３と３４ｔｌ″介して、頂部支柱１２の上方開放
端に挿入され回転自在に支承されている。３５は２ビリ
ンスシールで外部から風ｍ雨水の浸入を阻止する０頂部
支柱１２の上方に当る胴本体３０内に増速機４０？ｉｌ
−配置し軸継手４Ｉを介して最前端内部に発電機４２が
胴本体端部に固定され強化Ｉｊ？、ｒ！プラヌチックト
、＋４前部スピンナ内部に密封内蔵されている。

回転翼車１１は祁数枚（第２図ｂ″′ｃ′は６枚羽根が
例示）の羽根２０を羽根軸２１上に取付は腕を介して強
固に締付は固定されている。羽根２０は図示のように流
路断面−ばいに拡がる広幅の羽根表面積を有し導入され
た風圧をその全表面に受けて補足空気の全エネルギを有
効に変換せしめるために採用される。従って羽根直径は
従来のものに比較し／トさく在来プロペラの１／３以下
で充分実用に供しうる。羽根軸２１は翼車ボス２９に設
けたピボット軸受に羽根軸内端を枢支すると共に羽根軸
外端に形成したピボット軸受２２に取付けたピボット軸
２８を枢支して羽根軸２１の可袈ピッチ角変更を可能に
している。２７は羽根軸２１のピッチ角変更用の回動連
結リングでリンク２７の後端はねし運動にＬシ軸力同に
運動可能でかつ風車軸と共に一体回転する駆動操作円板
２４に結合されている。外周リム２ｚＨ翼亜ボス２９上
に固着した緊締環４５との間に張設した多数の緊張ロッ
ド２３．２３によってハブ側に一体化される。

これはちょうど自輪車のハブとリムをスポークにより一
体化したものに類似する。ただし、この緊張ロッド２３
の取伺は態様は翼車の前側において張設されかつボス部
締付部が前方にリム部締付部が後方にあるよう軸線に対
し傾胴して取付けられている。更に翼車の回転平面内で
視るとき緊張ロッドは緊締環４５の仮想外周円に対し略
接線状をなすように両者間に張設されるものである。か
くして回転翼車１１が風圧作用にＪｊ）羽根軸が曲げ荷
重を受けるとき緊張ロッド２３は常時引張り応力をうけ
る。この風車支持構成は特に出力１廓７以下の小型風車
に有効に適用しうる。それは量産性と軽量によるＡ１訪
４へ千を期待する為である。２５は内部にスプラインを
形成した中空の風車回転軸で、胴本体３０の内部に玉軸
受４６を介して回転自在に支承されている。該回転軸２
５の後端の中空内壁にはスプライン溝４４が形成され、
可変ピッチ駆動機構の出力側駆動口板２４から突出した
スプライン軸２６がこれに挿入され、とれらが一体回転
をするように設けられている。

第４図は回転翼車１１の後側に配列し友風車胴１０の内
部構造を示す。この部分は可変ピッチ駆動機、構部とそ
のサーボモータ制御部を内蔵する。

この後側風車胴部分は胴本体３０に結合し次後部胴５０
と尾端な形成する後部スピンナ５１にょって蔽われてい
る。後部スピンナ５１の内部には最後尾に位するサーボ
モータ５２が配置され、乞刑の減速比を有するハーモニ
ック型減速機５３を介してねじ軸５５を回転駆動する。

前記後部胴５０の内部には軸方向移動用案内キー６１を
有するケーシング５６が胴本体３０と減速機カバーケー
シング間に固定されている。符号６２は前記ねじ軸５５
に噛合う雌ねじスリーブで、該雌ねじスリーブ６２の前
部には案内キー６１に沿って前進後退可能な摺動支持体
６３が固着され、更に該支持体６３はころが９推力軸受
６４を介して中空の可変ピッチ出力軸５４を回転自在に
担持１〜ている。既述のようにこの出力軸の前端にはピ
ッチ操作円板２４が固着され、更にこの円板２４を風車
回転軸と一体回転を行なわせるためのスプライン嵌合軸
２６が突出して固着されている。かくして風車の回転翼
車１１が風圧を受けて定常回転するときには静止状態に
あるころが９推力軸受６４を後側の軸受部として、可変
ピッチ操作円板２４及び可変ピッチ出力軸５４はみブラ
イン嵌合軸２６全通して回転翼１１と共に一体的に回転
する。また回転翼車が風速変化によシ正規の回転数から
偏倚すると制御回路を通して可変ピッチ制御信号が制御
部に送信され、サーボモータ５２が始動される。これに
よってねじ軸５５が回転し摺動支持体６３は案内キー６
１に沿って回転中の出力軸５４を担持しつつこれを軸方
向に進退移動せしめる。この進退移動量は操作円板２４
にリンク連結された羽根軸に必要な所望のピッチ変角量
に相当する。５８はサーボモータ５２に接続され友導線
ケーブルを示す。６６はグリース充填室５７に対するグ
リース充填プラグ、６３は前記充填室５７から内部の摺
動案内部およびころがシ軸受部にグリースを補充するた
めの通路である。６７はブリーザで、風車胴内部を外気
に連通させる九めの濾過手段を内蔵した通気手段である
。これは胴内と外気の温度差による呼吸の際、外よシの
じん埃の侵入を防せぐ効果がある。

第５図は４個のフード７　、　′７１．７□、７３を回
転軸線に対し同心状に重合した多重フードの例を示す。

これらフード相互間には同心環状のジェット流路７１．
７２．７３が形成され、その出口噴射速度は大径環状流
路にいたるに従かい高速化するよう設計され排風の外部
誘引作用は−そう増強される。

それだけ効率は高かくなる。

第６図は本発明の風車装置に適用可能な電気的制御回路
の一例を示す。本例示は設備の無人運転化を目標とする
制御方式を示し、小型風力発電用として示される。同図
に示す発電機Ｇは整流子をも几ない交流発電機である。

ＤＲはダイオード整流器で、蓄電池Ｂへの充電回路入口
に挿入され発電機Ｇの出力電圧が定格以下のときＤＲは
通電せず充電不能である。蓄電池Ｂの耐用寿命を高める
ため蓄電池Ｂは常時１００％充電率を維持されるよう浮
動充電方式により充電される。ＣＴｕ変流器で発電機Ｇ
の出力回路に設けられ、この出力電流はン°リッジ整流
器ＣＲによシ引出され、これに対応する電圧値はツェナ
ーダイオード２と抵抗Ｒからなる基準電圧回路の電圧値
と比較される。次いで前記比較されて引出された電圧差
値が増幅器Ａによシ増幅され、サーボモータＳＭへ送信
され回転翼車の羽根ピッチは変角可能になる。この羽根
ピッチの変角制御は発電機の出力が定格値に達するまで
継続的に作動する。ただし風速帯が所定範囲３〜ｌ　Ｏ
ｍ　／　ｓ以上になれば風力エネルギの変換作用は行な
われないよう即ち羽根ピツチ傾角は風方向に一致して零
角度設定され、風は最小抵抗状態で風車を素通りする様
にしである。

更に本発明装置金融軍用またはグリーンノ・ス用鉱設偏
に供しうる。或は家庭用温水槽加熱源に適用しうる。こ
の場合、発電機に蓄電池を付設することは必要でなく、
加熱ヒータと湯温センサーを適宜に組合せて発電機出力
回路に接続することによシ容易に実施できる０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一部をなす二重フードの側面断面図、
第２図ａは本発明風車装置の建設外観を描いた側面図で
、第２図すは第１図の左方からみ次風車装置の前面正面
図、第３図は風車胴前半部分の垂直側面断面図、第４図
は第３図に合体るべき風車胴後半部分の風車胴内部を示
す垂直側面断面図で、可変ピッチ制御機構部が内蔵され
た部分となっている。第５図は４重フードの一実施例を
示し、第６図は発電機と回転翼車間（接続された電気的
制御回路の一例を示す。 ｌ・・・・・・風車本体、２・・・・・・中空支柱、３
・・・・・・支柱台座、６・・・・・・内側フード、７
・・・・・・外側フード、８・・・・・・方向前、１０
・・・・・・風車胴、ｌｌ・・・・・・回転翼車、２０
・・・・・・広幅羽根、２５・・・・・・風車回転軸、
４０・・・・・・増速機、４２・・・・・・発電機、５
２・・・・・・サーボモータ、５３・・・・・・ハーモ
ニック形減速機。 第１図 第２図０ 第２図ｂ 手続補正書（自発） 昭和５９年９月７日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）直立支柱の上部に水平配置の風車回転軸を内蔵す
   る風車胴を搭載し、風向に順応して該風車胴を支柱軸線
   の回りに回動可能に架設した水平回転軸式風車装置にお
   いて、前記風車胴中央部に配置した回転翼車の羽根は風
   圧作用面積の広い幅広形羽根により形成され、該回転翼
   車の前側に増速機と発電機を配列し、その後側に可変ピ
   ッチ駆動機構とその制御装置を配列内蔵せしめ、更に前
   記回転翼車の外周に少くとも２個以上のフードを同心円
   、環状に形成した多重フードを取付けて入口と出口の風
   圧差を大きくするようにしたことを特徴とする発電風車
   装置。