JPWO2003067079A1 - 風力発電用の風車 - Google Patents

Abstract

タワー状のフレーム１１と、そのフレームに縦方向の軸心回りに回転自在に設けられる回転部材１２とからなる風車１０。回転部材１２は、上下に配置されるボス２３、２４と、それらのボスからそれぞれ放射状に延びる複数の横羽根２５と、上下一対の横羽根の先端によって保持される縦羽根２６とからなる。フレーム１１は、回転部材のボス２３、２４を上下方向の軸心回りに回転自在に支持する軸受け１９、２０と、その軸受けを支持する放射状に設けられるスポーク１７と、それらのスポーク１７を地面から離れた位置に保持する脚１５とからなる。下側の軸受け２０には、回転部材１２のボス２４と連結される発電機が収容されている。

Description

技術分野
この発明は風力発電用の風車に関する。さらに詳しくは、発生する発電量が大きい大型の風車に関する。
背景技術
風力発電用の風車としては、支柱の上部に水平方向に延びる回転軸を回転自在に設け、その回転軸の先端に複数枚の羽根をプロペラ状に取り付けたものが知られている。また、回転軸を縦方向に配置し、その回転軸に対し、複数枚の放射状の縦羽根を設けたものも知られている。このような風力発電用の風車は、大型化する方が風をよく受けて発電効率が高い。
しかし単に寸法を大きくするだけでは自重を支えることが困難になり、また、自重に基づく回転抵抗が大きくなるため、実用化が困難である。そのため、従来の風車は、発電量が３０００ｋｗ程度までである。本発明は、大型化しても自重の影響を受けにくく、しかも安定して回転させることができる風力発電用の風車を提供することを技術課題としている。
発明の開示
本発明の風力発電用の風車は、上下に配置されるボス、それらのボスからそれぞれ放射状に延びる複数の支持部材および上下一対の支持部材の先端によって保持される縦羽根を有する回転部材と、前記回転部材のボスを上下方向の軸心回りに回転自在に支持する軸受けとおよびその軸受けを地面から離れた位置に保持する脚を有するフレームとから構成されている。
このような風車では、前記支持部材が、縦羽根が風を受けて回転するとき、その回転方向で揚力を生ずる横羽根であるのが好ましい。さらに前記フレームが、縦羽根が回転する領域と隣接する位置に、縦羽根を拘束状態に保持するためのロック手段を備えているものが好ましい。さらに前記フレームが、縦羽根が回転する領域と隣接する位置に水平方向に配置されるリングを備えており、前記回転部材に、リングと接して走行する車輪が設けられているものが好ましい。さらに前記フレームと回転部材が、回転部材を上向きに付勢する組み合わせでそれぞれ設けられた複数対の磁石を備えているものが好ましい。
本発明の風車は、各縦羽根がボスに対し、支持部材を介して取り付けられているので、回転中心から離れた位置に縦羽根がある。そのため、発生トルクが大きい。さらに縦羽根とボスとは、複数本の支持部材で連結されているので、縦羽根以外の部分では風に対する抵抗が少なく、重量も軽い。したがって大型化しやすく、発生電力を大きくすることができる。
本発明の風車において、支持部材を、縦羽根が風を受けて回転するとき、その回転方向で揚力を生ずる横羽根として構成する場合は、回転部材が回転を始めると、水平方向に回転するようにボスに取り付けた横羽根に生ずる揚力で回転部材が上向きに付勢され、回転部材を支える軸受けの負担が少なくなり、面転抵抗が少ない。そのため、回転効率が高く、発生する電力を大きくすることが容易である。さらに揚力が回転部材の重量を上回る場合は回転部材が浮き上がり、一層回転効率が高くなる。
本発明の風車において、前記フレームが、縦羽根が回転する領域と隣接する位置に、縦羽根を拘束状態に保持するためのロック手段を備えている場合は、強風のときにロック手段で縦羽根を固定することができる。そのため、強風により回転部材が激しく回転して風車や発電機が故障することが避けられる。また、縦羽根を直接固定するので、支持部材に大きい曲げ力が加わらない。
本発明の風車において、前記フレームが、縦羽根が回転する領域と隣接する位置に水平方向に配置されるリングを備えており、前記回転部材に、リングと接して走行する車輪が設けられているものは、回転部材を支える軸受けの負担が少なくなり、回転抵抗が少ない。そのため、回転効率が高く、発生する電力を大きくすることが容易である。また、車輪を縦羽根に設けているので、縦羽根の重量を支持しやすく、放射方向の支持部材に負担をかけない。
さらに前記横羽根を備えている回転部材に車輪を設ける場合は、回転部材の回転が遅く、横羽根で生ずる揚力で浮き上がる前は車輪で支える。そして回転速度が速くなって揚力で浮き上がると、車輪の転がり抵抗がなくなる。そのため、横羽根と車輪の相乗作用により、安定した回転と効率的な回転が共に達成される。
また前記フレームと回転部材が、回転部材を上向きに付勢する組み合わせでそれぞれ設けられた複数対の磁石を備えている場合は、磁石同士は直接接することなく上向きの付勢力を発生するので、高速の回転および大きい荷重にも耐えることができ、しかも抵抗が少ない。
発明を実施するための最良の形態
図１に示す風車１０はフレーム１１と、そのフレーム内に上下２段で設けられる回転部材１２とから構成されている。それぞれの回転部材１２は図２に示すように、フレーム１１に対して鉛直方向の軸心１３回りに回転自在に設けられている。
図３に示すように、前記フレーム１１は上下方向に延びる３本の脚１５と、それらの脚を円周方向等間隔に連結する連結部材１６とを備えている。連結部材１６は脚１５の上端と、下端からある程度上側の位置と、それらの中間の３段で設けられている。各連結部材１６の間のスペースＳ１、Ｓ２には、前記回転部材１２が収容される（図２参照）。連結部材１６は、放射状に延びる３本のスポーク１７と、それらのスポーク１７の外側の端部近辺同士をつなぐリング１８とを備えている。さらに上段の連結部材１６のスポーク１７の中心部には、回転部材を回転自在に支持するための円柱状の軸受け１９が下向きに設けられている。また下段の連結部材１６には軸受け２０が上向きに設けられており、中段の連結部材１６には上下向きの軸受け１９と上向きの軸受け２０の両方が設けられている。
図２に示すように、上向きの軸受け２０の内部には、発電機２１が設置されている。さらに大型の風車では、脚１５内に螺旋階段あるいはエレベータが設置されており、スポーク１７内は渡り廊下になっている。フレームの大きさにはとくに限定はないが、たとえばリング１８の直径で数メートルから数十メートル程度のもの、あるいはさらに大きいものが採用される。また脚１５の高さも数メートルから数十メートル程度、あるいはさらに高いものが採用される。
図４および図５に示すように、前記回転部材１２は、上下一対のボス２３、２４と、各ボスから放射状に延びる３本の横羽根２５と、上下の横羽根２５の先端に固定される縦羽根２６とから構成されている。すなわちこの実施形態では、３枚の縦羽根２６と、その倍の６枚の横羽根２５を備えている。横羽根２５は、この実施形態ではボスが２３、２４が上から見たときに反時計方向（矢印ＣＣＷ）に回転したときに上向きに揚力が働くような断面形状を有する翼型を呈している。なお、回転方向に関して前端が上向きになるように傾いていてもよく、翼型を傾きを組み合わせてもよい。さらに傾きを調節できるようにしてもよい。なお、縦羽根２６の向きが逆で、回転体が逆回りに回転する場合は、横羽根２５の向きも時計方向で揚力が働くように逆向きにする。
前記縦羽根２６は横方向からの風を受けるときに、３枚の縦羽根２６に生ずる力の合力が矢印ＣＣＷ方向のモーメントを生ずるような翼型を呈している。縦羽根２６も、鉛直方向の軸心回りに傾いていてもよく、翼型と傾きを組み合わせてもよい。さらに傾きを調節するようにしてもよい。また、風の方向に応じて、回転体１２が逆向きに回転することができるように、縦羽根２６を角度調節可能に取り付けるようにしてもよい。
図２に示すように、前記回転部材１２は、フレーム１１の上段のスペースＳ１と下段のスペースＳ２にそれぞれ１基ずつ取り付けられる。各回転部材１２の上側のボス２３はフレーム１１の下向きの軸受け１９の周囲に回転自在に嵌合され、下側のボス２４は上向きの軸受け２０の周囲に回転自在に嵌合される。なお上下のボス２３、２４の間を連結することもでき、本発明はそのような場合を含む。しかしボスの間を省略するほうが軽量化の点で好ましい。図２のように取り付けられた状態では、回転部材１２の重量は上向きの軸受け２０によって支持される。なお、この実施形態では軸受け１９、２０がシャフトの形態を有し、ボスがその軸受けの周囲に嵌合しているが、逆にボス２４にシャフトを突出させ、その周囲を軸受け１９、２０で囲むようにしてもよい。回転部材１２の下側のボス２４には、前述の軸受け２０内の発電機２１の回転軸が連結されている。
さらにこの風車１０では、フレーム１１のリング１８あるいはスポーク１７に、回転部材１２の回転を拘束するためのロック手段として油圧ユニット２８が設けられている。油圧ユニット２８は、たとえば油圧シリンダと、その油圧シリンダのロッドに設けられるパッドないしヘッドと、ヘッドのためのガイドから構成される。そして上段のスポーク１７にはロッドが下向きに伸び出す油圧ユニット２８を設け、中段のスポーク１７には上向きに伸び出すロッドを有する油圧ユニット２８を設けるというように、上下一対で対向するように設けるのが好ましい。また、油圧ユニット２８は３枚の縦羽根２６の上端および下端を拘束するように、縦羽根２６の枚数分だけ設けるのが好ましい。下段の回転部材についても同様である。そのため中段のスポーク１７には、上向きに伸び出す油圧シリンダと下向きに伸び出す油圧シリンダを備えた油圧ユニット２８が用いられる。
上記のように構成される風車１０は、従来の風量発電用の風車と同様に、たとえば海岸線に沿って設置したり、山や台地などの小高い地形を利用して、風を多く受けることができるような位置に設置する。そして風が吹くと、縦羽根２６が風を受けて回転部材１２が図３の反時計方向に回転する。そのとき、横羽根２５が上向きの揚力を生ずるので、回転部材１２の重量を支えている下側の軸受け２０の負担が少ない。それにより回転抵抗が少なく、少ない風であっても、回転部材１２が効率よく回転する。回転部材１２が回転すると、発電機２１が発電し、その電気はたとえば送電線によって消費地に送られ、あるいは蓄電池に保存される。送電する地域が遠方の場合は、発電機が交流発電機の場合は、変圧器で変圧してから送電する。直流発電機の場合は、インバータなどで一旦交流に変換してから変圧し、送電する。
また、たとえば台風のときのように風力がきわめて大きい場合は、縦羽根２６を油圧ユニット２８と対応する位置で停止させ、縦羽根２６の上端と下端を油圧ユニット２８で挟んで拘束することにより、回転部材１２を安定してロックすることができる。そして縦羽根２６自体を拘束するので、横羽根２５には大きい曲げ力が加わらない。ただし小型の風車の場合は、ボス２３、２４と軸受け１９、２０の間の回転を拘束するロック手段を設けることもできる。なお、油圧ユニットに代えて、エアユニットや、電気モータで駆動されるロック手段を採用することもできる。
前述の実施形態では、回転部材１２の重量を下側のボス２４と上向きの軸受け２０とで支持しているが、他の部位で分散して受けるようにすることもできる。たとえば図６に示す風車３０では、縦羽根２６の下端にリング１８上を転がる車輪３１を設けている。さらにこの実施形態では、縦羽根２６の上端にもリング１８の下面に沿って転動する車輪３２を設けている。車輪３１、３２は空気を収容したゴムタイヤとすることもできるが、空気を入れていないゴム車輪とするのが好ましい。各車輪３１、３２は、空気抵抗を減ずるために大部分を縦羽根２６の内部に収容するのが好ましい。
このものは回転部材１２の重量、とくに縦羽根２６の重量を下端の車輪３１で受けることができ、そのため横羽根２５や軸受け２０の負担が少ない。それにより軸受け２０の摩擦抵抗が少なくなり、効率的に回転することができる。また、回転部材１２が上向きの風で急に煽られたとき、縦羽根２６の上端の車輪３２がリング１８の下面と当接しているので、横羽根２５に大きい曲げ力が加わらない。なお、回転部材１２が回転するとき、車輪３１、３２はリング１８に沿って転動するので、ころがり抵抗だけであり、そのためほとんど回転部材１２の回転の妨げにならない。
なお前記車輪３１、３２は、通常の状態ではリング１８との間に隙間を設けておき、横羽根２５あるいは縦羽根２６が抵抗や風を受けてその重量を支えられなくなったときに初めてリング１８に接するように構成するのが好ましい。その場合は通常の状態では転がり抵抗を受けず、しかも横羽根２６などの撓みが一定以上になったときに、車輪３１、３２がリング１８に接するので、それ以上の撓みを防ぐことができる。
また下端側の車輪３１だけを設けると共に、回転部材１２をいくらか上下方向に移動自在に構成する場合、あるいは上記のように横羽根２５や支持部材が可撓性を有する場合は、回転部材１２が遅く回転して横羽根２５による揚力が充分でないとき、回転部材１２の重量を車輪が支え、回転が速くなって揚力が増加すると、回転部材１２が揚力で浮き上がり、車輪３１がリング１８の上面から離れる。それにより車輪３２の転がり抵抗が減少し、回転効率が高くなる。そして風が弱くなって回転速度が減少し、揚力が小さくなると、再び車輪３１で回転部材１２の重量を支えることができる。この作用は飛行機の車輪と同様な作用である。
前記縦羽根（垂直翼）２６や横羽根（水平翼）２５は、できるだけ軽いものが好ましく、それによって剛性が弱くなり、可撓性を有するものとなってもよい。軽くする方が軸受け１９、２０などの支持部の負担が軽くなるからであり、可撓性を有する場合でも、前述のように車輪などで支えることができ、さらに停止時にはロック手段で安全に保護することができるためである。そのため、縦羽根２６や横羽根２５はグライダーなどの翼と同様な材料が好適に採用される。
さらに図６の風車３０では、回転部材１２の上側のスポーク１７ａおよび下側のスポーク１７ｂに、それぞれ軸受け１９、２０と同心状に小径リング３４、３５を設けている。そして上側の小径リング３４には、カーテンレール状の吊りレール３６を設け、その吊りレール内を走行するランナー３７と上側の横羽根２５ａとを吊りロッド３８で連結している。また下側の横羽根２５ｂに、下側の小径リング３５上を転動する車輪３９を取り付けている。したがって回転部材１２の重量、縦羽根２６および横羽根２５が受ける風の力が分散してフレームに伝えられ、横羽根２５に大きい曲げ力が加わらず、軸受け２０の負担も少ない。
図７に示す縦羽根２６は、端部に切り込み４０が形成されている。そしてリング１８に設けられる油圧ユニット２８の上下に移動するヘッド４１には、その切り込み４０と嵌合する突起４２が設けられている。切り込み４０はＶノッチあるいはＵノッチなどが用いられる。なお符号４３はリング１８内に収容されている油圧シリンダであり、符号４４はヘッド４１の上下方向の移動を案内するガイドである。
このものは縦羽根２６が停止した後、油圧シリンダ４３を作動させてヘッド４１を上昇させると、突起４２が縦羽根２６の切り込み４０と嵌合する。そのため、単に摩擦力で固定する場合に比して、小さい力でより確実に縦羽根２６の移動を拘束することができる。なお、切り込み４０と突起４２に代えて、ヘッド４１側に縦羽根２６の端部の外周と係合する前後の段部を設けてもよい。すなわちロック手段と縦羽根２６の間に、縦羽根２６の移動を係合して拘束する係合手段を設ければ、回転部材の拘束を確実にすることができる。
図７のような切り込４１、突起４２あるいは段部など係合による拘束手段は、縦羽根２６の上端を拘束するロック手段に設けることができ、それにより上下から縦羽根２６を挟むように拘束することができる。
図８に示す縦羽根２６は下端に磁石４５を設けている。そしてそれに対向するリング１８には、縦羽根２６側の磁石と反発する磁石４６を設けている。リング側の磁石４６はリング上に多数配列する方が好ましいが、間隔をあけて複数個設ける程度でもよい。磁石４５、４６は通常は永久磁石であるが、電磁石でもよい。このように互いに反発する磁石４５、４６を縦羽根２６とリング１８に設ける場合は、反発力で回転部材１２が上向きに付勢されるので、横羽根２５および軸受け２０の負担が少なくなり、摩擦抵抗が小さくなる。そのため効率的に回転することができる。前記下側の磁石４６は、リング１８のほか、スポークに設けるなど、フレームのいずれかの部分に設けても同様の作用効果を奏する。
前記下側の磁石４６を電磁石にするなど、極性を変換できるように構成すると共に、図７の油圧ユニットのヘッド４１などのロック手段に設けてもよい。その場合は、通常の回転作用の時は縦羽根２６側の磁石と反発するようにし、停止させるときは互いに吸着するように極性を変化させる。それにより回転時には前述の回転部材１２を浮き上がらせる作用が得られると共に、停止時には縦羽根２６をロック手段に対向する位置で停止させる作用が得られる。それにより縦羽根２６をロック手段の位置で迅速に停止させることができる。
前記実施形態では、図３に示すように、フレーム１１が３本の脚１５を有し、それらの上部１５ａがリングやスポークを保持する囲み枠となっている。しかしそのような囲み枠と、風車を支える部分１５ｂとを連続した棒材とせず、別個にしてもよい。その場合はたとえば図９に示すように、囲み枠を構成する３本の棒材４８と、最下段のボスと一体化した１本の脚１５とに分離することができる。脚１５を１本にすることにより、地面の設置スペースを小さくすることができる。なお脚１５は２本でもよく、または４本以上でもよい。
さらに前記実施形態では、回転部材１２の縦羽根２６とボス２３、２４とを横羽根２５で連結しているが、単なる棒材などの支持部材を採用することもできる。その場合は横羽根による揚力は生じない。
図１０は直線状の構造部材を組み合わせてフレーム１１を構成した風車の実施形態を示している。たとえば円形のリングでなく、６本の直線状の構造部材を連結して六角形のリング１８とし、丸棒の脚ではなく、角棒ないし角パイプの脚１５を採用している。すなわち脚１５は６本用いている。リング１８は五角形、八角形などであってもよい。
図１０の風車５０の場合は、ほぼ図１の風車１０と同じ構造で、六角形状のリング１８を用いたフレーム１１を採用している。スポーク１７は６本の角棒を放射状に組み合わせている。なお、３本の角棒を交差させて構成することもできる。さらに脚１５はリング１８の頂点ごとに６本取り付けている。そして６本の脚１５の下部近辺にも、六角形のリング１８と６本のスポーク１７を用いた連結部材５１を介在させ、強度を向上させている。この風車５０のフレーム１１は、従来の鉄骨のタワーなどの建築物の建造技術により、比較的容易に建設することができる。
なお図１０の風車５０のフレーム１１の外周に、各リング１８と平行に格子状に線材を設けてもよい。その場合は線材により縦羽根２６を外部からの飛来物などから保護することができ、しかもフレームの強度を向上させることができる。ただしそのような線材は縦羽根２６に当たる風を弱めるので、できるだけ細いものにするのが好ましい。また、格子状の線材に代えて、２本の斜めの線材とそれらの上下を結ぶ縦向きの線材とで柵を形成してもよい。その柵はたとえば一対で二重螺旋のように設けることもできる。
図１０の直線状の構造部材を用いた風車、さらに前述の格子状あるいは二重螺旋の柵を設けた風車は、洗練された形態を有し、外側から眺めたり、上ったりすることができる観光用タワーとしても利用価値がある。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の風車の一実施形態を示す斜視図である。
図２はその風車の縦断面図である。
図３はその風車の平面図である。
図４はその風車に用いられている回転部材の斜視図である。
図５はその風車に用いられているフレームの概略斜視図である。
図６は本発明の風車の他の実施形態を示す要部断面図である。
図７および図８は本発明の風車のさらに他の実施形態を示す要部斜視図である。
図９は本発明の風車にかかわるロック手段の他の実施形態を示す斜視図である。
図１０は本発明の風車のさらに他の実施形態を示す斜視図である。

Claims (5)

1. 上下に配置されるボスと、それらのボスからそれぞれ放射状に延びる複数の支持部材と、上下一対の支持部材の先端によって保持される縦羽根とからなる回転部材と、
   前記回転部材のボスを上下方向の軸心回りに回転自在に支持する軸受けおよびその軸受けを地面から離れた位置に保持する脚を有するフレーム
   とを備えている風力発電用の風車。
2. 前記支持部材が、縦羽根が風を受けて回転するとき、その回転方向で揚力を生ずる横羽根である請求項１記載の風車。
3. 前記フレームが、縦羽根が回転する領域と隣接する位置に、縦羽根を拘束状態に保持するためのロック手段を備えている請求項１記載の風車。
4. 前記フレームが、縦羽根が回転する領域と隣接する位置に水平方向に配置されるリングを備えており、前記回転部材に、リングと接して走行する車輪が設けられている請求項１記載の風車。
5. 前記フレームと回転部材が、回転部材を上向きに付勢する組み合わせでそれぞれ設けられた複数対の磁石を備えている請求項１記載の風車。

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