JPWO2004009993A1 - 風力発電装置および風力発電装置などの建設方法 - Google Patents

Abstract

フレーム１１と、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車１２と、その羽根車によって回転駆動される複数台の発電機３４と、各発電機３４から導かれる送電線３６、３７のうち、いくつかを選択して連結／遮断するための制御装置４０とを備えている風力発電装置１０。羽根車１２は鉛直方向に延びるシャフト２２で支持され、そのシャフト２２にメインギヤ３１が連結され、フレーム１１にはメインギヤ３１と噛み合う複数個のサブギヤ３２が回転自在に設けられ、そのサブギヤ３２の軸３４が発電機３４に連結されている。制御装置４０は、風速ないし羽根車の回転数を検出する回転センサ４１を有し、回転数が減少するとき、送電線３６、３７を遮断し、稼働する発電機３４の数を減ずる。

Description

本発明は風力発電装置およびその建設方法に関する。さらに詳しくは、風力で回転する羽根車の支持軸に発電機の入力軸を連結し、羽根車の回転によって発電機から電気を取り出す風力発電機装置およびそのような装置の建設に適用することができる効率的な構造物の建設方法に関する。

特公平３−１００３７号公報には、羽根車の軸をリングギヤに連結し、そのリングギヤと内接する複数個の遊星ギヤを介して羽根車の軸心と同心状に配置される太陽ギヤを回転させ、その太陽ギヤの軸を発電機に連結した風力発電装置が開示されている。これらのリングギヤ、遊星ギヤ、太陽ギヤは遊星歯車減速機を構成しており、リングギヤに連結される羽根車の回転は、その減速機で増速されて発電機に伝えられる。それにより風力が弱く、羽根車の回転数が少ない場合でも、効率よく発電機を作動させることができる。
風力発電装置が利用する風は、自然現象であり、弱風の状態から強風の状態まで、かなり変動が大きい。そのため、風力発電装置にはその変動に対して機敏に対応できることが求められる。従来の風力発電機では、そのような広範囲の風力の変動に対応するため、広範囲の回転数に対応できる性能の発電機が採用されているが、微風から強風まで広く対応できる発電機は実用化されていない。前述の特公平３−１００３７号公報の風力発電装置は遊星歯車減速機の出力側であるリングギヤに入力し、太陽ギヤ側から出力させることで効率的な増速作用を得ることを意図しているが、強風の場合は減速機の回転数が高くなりすぎるおそれがある。本発明は、微風から強風まで、風力の幅広い変動に対して適切に対応しうる風力発電装置を提供することを技術課題としている。さらに本発明は、そのような風力発電装置などの構造物の効率的な建設方法を提供することを課題としている。

本発明の風力発電装置は、フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車によって回転駆動される複数台の発電機と、各発電機から導かれる送電線のうち、いくつかを選択して連結／遮断するための制御装置とを備えていることを特徴としている。
前記発電機はフレーム側に設けても、逆に羽根車の側に設けてもよい。前者の形態では、羽根車の回転に伴って回転する円板状ないし環状のメインギヤと、そのメインギヤと噛み合う複数個のサブギヤとを備え、そのサブギヤの軸がフレームに取り付けられる発電機に連結されている風力発電装置によって実現できる。その場合、羽根車が鉛直方向に延びる軸心廻りに回転自在に設けられており、その羽根車に前記メインギヤが取り付けられているものが好ましい。
発電機を風車側に設ける形態は、前記羽根車が鉛直方向に延びる軸心廻りに回転自在に設けられ、前記フレームに羽根車と隣接する環状の走行路ないしメインギヤが設けられ、羽根車に環状の走行路に沿って転動する複数個の車輪ないしサブギヤがそれぞれ回転自在に設けられると共に、それらの車輪ないしサブギヤの軸に発電機が連結されているものによって実現することができる。
また、発電機をフレームに設ける形態として、前記羽根車に環状のレールが設けられており、前記フレームにそのレールと当接する車輪が回転自在に設けられると共に、それらの車輪に発電機の軸が連結されているものとすることもできる。それらの場合、車輪が羽根車の重量を支持しているものであってもよい。また前記いずれの場合でも、メインギヤの歯をチェーンによって構成すると共に、前記サブギヤをそのチェーンと噛み合うスプロケットで構成することができる。
さらに前記制御装置は、風速ないし羽根車の回転数を検出する手段と、回転数が減少するとき、送電線を遮断する発電機の数を減少させる手段とを備えているものが好ましい。
また、前記羽根車が鉛直方向に延びる軸心廻りに回転自在に設けられると共に、円周方向に所定の間隔で配置された縦羽根を備えており、それらの縦羽根の後部に風を受けるポケットが設けられているものであってもよい。
本発明の風力発電装置の第２の態様は、フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車の回転によって回転駆動される発電機とを備えており、前記羽根車が鉛直方向に延びる軸心廻りに回転自在に設けられると共に、円周方向に所定の間隔で配置された縦羽根を備えており、それらの縦羽根の後部に風を受けるポケットが設けられていることを特徴としている。
本発明の風力発電装置などの建設方法は、複数段で構成されている構造物の建設方法であって、１段目の部材を基礎に固定し、その１段目の部材に、自力で昇降し、かつ脚を取り囲む建設足場を備えたクレーンを取り付け、１段目の部材を支えとしてクレーンを上昇させ、ついでそのクレーンを用いて１段目の部材の上に２段目の部材を連結し、ついで２段目の部材を支えにしてクレーンを上昇させることを特徴としている。
このような建設方法においては、前記自力で昇降するクレーンが、各段の部材に対して固定／緩めが可能な第１固定具と、その第１固定具の上に連結される伸縮自在の昇降ユニットと、その昇降ユニットの上に連結され、前記脚に対して固定／緩めが可能な第２固定具とを備えており、第１固定具を固定し第て２固定具を緩めた状態で、昇降ユニットを伸ばし、ついで第２固定具を固定して第１固定具を緩め、昇降ユニットを縮めることにより、クレーンを上昇させるのが好ましい。
本発明の風力発電装置は、１基の羽根車によって複数台の発電機が駆動されるように構成されている。そして風が吹いて羽根車が回転すると、それらの発電機の全体が駆動される。風力が強い場合は、羽根車の回転が速くなり、発生トルクも大きくなるので、すべての発電機の送電線を連結する。それにより発電量が多くなる。風力が弱い場合は、いくつかの発電機の送電線を遮断する。送電線が遮断された発電機の回転抵抗は極めて低くなるので、風車の回転速度はそれほど低下しない。そのため、残りの発電機の発電効率が高い。
このように発電機の送電線を連結／遮断する操作は、たとえばクラッチを入り切りして発電機へのトルク伝達を制御する場合に比して、構成要素が少なくて済み、機械効率が高い利点がある。とくに発電機を４〜１２台程度と多くする場合は、風量の変化に対してきめ細かく対応することができる。しかもその場合でも送電線の連結／遮断操作は容易に行うことができ、遮断機などの構成および制御が簡単である。
前記羽根車の回転に伴って回転する円板状ないし環状のメインギヤと、そのメインギヤと噛み合う複数個のサブギヤとを備えており、そのサブギヤの軸が発電機に連結されている風力発電装置においては、羽根車が回転するとメインギヤが回転し、その回転は複数個のサブギヤに伝達される。そしてサブギヤが回転することにより、それぞれの発電機が回転駆動される。このものはとくに大きいメインギヤと小さいサブギヤを組み合わせるときの配置がシンプルになり、発電機の配置バランスが好適になる利点がある。
前記羽根車が鉛直方向に延びる軸心廻りに回転自在に設けられており、その羽根車に前記メインギヤが取り付けられている風力発電装置においては、縦型の羽根を備え、鉛直方向の軸廻りに回転する風車に好適に適用することができる。またメインギヤが水平面内で回転するので、大きいメインギヤを用いる場合でも、安定して回転させることができ、軸の撓みが少ないため支持し易い。
前記羽根車が鉛直方向に延びる軸心廻りに回転自在に設けられ、前記フレームに羽根車と隣接する環状の走行路ないしメインギヤが設けられ、羽根車に環状の走行路ないしメインギヤに沿って転動する複数個の車輪ないしサブギヤがそれぞれ回転自在に設けられると共に、それらの車輪ないしサブギヤの軸に発電機が連結されている風力発電装置においては、羽根車が回転すると車輪ないしサブギヤが走行路ないしメインギヤに沿って転動する。それにより各車輪ないしサブギヤの軸が回転し、発電機を回転駆動する。このものは発電機を大きい円周に沿って配置することができる。そのため、多数の発電機を適切な間隔で配列することができる。
前記羽根車に環状のレールが設けられており、前記フレームにそのレールと当接する車輪が回転自在に設けられると共に、それらの車輪に発電機の軸が連結されている場合は、車輪がサブギヤと同じ作用を奏する。前記車輪が羽根車の重量を支持し、走行路に伝達している場合は、車輪は走行路によって支持されるので、羽根車の重量は車輪の数に応じて分散して走行路に伝達される。そのため、大きい羽根車であっても安定して支持することができる。
前記環状のメイン歯車の歯をチェーンによって構成すると共に、前記サブギヤをそのチェーンと噛み合うスプロケットで構成する場合は、大径のメインギヤであっても容易に構成することができ、車輪などに比して滑りがない利点がある。
前記制御装置が、風速ないし羽根車の回転数を検出する手段と、回転数が減少するとき、送電線を遮断する発電機の数を減少させる手段とを備えている場合は、風力の変動に応じて自動的に作動している発電機の数が調節されるので、運転作業が容易である。すなわち多数の発電機を備えていても、オペレータが風力を測定しながら逐一発電機の送電回路を入り切りするのは手間がかかるが、制御装置によってその作業の自動化が図られ、ひいては遠隔地などにおける無人運転を可能とする。
また、前記羽根車が鉛直方向に延びる軸心廻りに回転自在に設けられると共に、円周方向に所定の間隔で配置された縦羽根を備えており、それらの縦羽根の後部に風を受けるポケットが設けられているものは、縦羽根のポケットで風を受けるので、微風に対しても風を充分に受けることができる。
本発明の風力発電装置の第２の態様は、縦羽根のポケットで風を受けるので、微風に対しても風を充分に受けることができる。
本発明の建設方法は、始めに１段目の部材を基礎に固定し、その１段目の部材に、自力で昇降し、かつ１段目の部材を取り囲む建設足場を備えたクレーンを取り付け、１段目の部材を支えとしてクレーンを上昇させる。そのため、クレーンを１段目の部材の上端まで別個のクレーンなどで吊り上げたり、あるいは、１段目の上端でクレーンを組み立てたりする手間が省ける。そしてクレーンは意段目の部材を取り囲む建設足場が設けられているので、クレーンが安定する。さらにその建設足場により、２段目の部材の組立作業やフレームの連結部材の組立作業なども容易である。
さらに２段目の部材を支えにしてクレーンを自力上昇させるので、交互に吊り上げていく一対のクレーンを用いなくてもよい。すなわち１台のクレーンだけであっても、効率的に順位高く組み立てていくことができる。
前記自力で昇降するクレーンが、前記脚に対して固定／緩めが可能な第１固定具と、その第１固定具の上に連結される伸縮自在の昇降ユニットと、その昇降ユニットの上に連結され、前記脚に対して固定／緩めが可能な第２固定具とを備えており、第１固定具を固定し第て２固定具を緩めた状態で、昇降ユニットを伸ばし、ついで第２固定具を固定して第１固定具を緩め、昇降ユニットを縮めることにより、クレーンを上昇させる場合は、いわば尺取り虫のように昇降ユニットの伸縮に伴って順にクレーンを上昇させていくことができる。また、同様に尺取り虫のようにして下降させていくことができる。さらに外壁などの外側を組み立てた後に内側の構造を組み立てる場合、下降しながら順次内部構造を組み立てたり、外側の組立後に下部に戻って下方の内部構造を組み立て、順次上部の内部構造を組み立てていくなどの方法を採用することができる。

図１は本発明の風力発電装置の一実施形態を示す概略平面断面図である。
図２はその風力発電装置の全体を示す斜視図である。
図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
図４ａおよび図４ｂはそれぞれ本発明に関わる制御装置の作動状態を示すグラフである。
図５および図６はそれぞれ本発明の風力発電装置の他の実施形態を示す側断面図である。
図７ａは本発明の風力発電装置のさらに他の実施形態を示す要部斜視図、図７ｂは図７ａのＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
図８は図７ａの縦羽根を備えた羽根車の平面断面図である。
図９は本発明の風力発電装置のさらに他の実施形態を示す要部斜視図である。
図１０は本発明の風力発電装置のさらに他の実施形態を示す要部平面図である。
図１１は本発明にかかわる羽根車の他の実施形態を示す要部平面図である。
図１２は本発明の建設方法の実施の形態を示す工程図である。
図１３は図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。
図１４はその建設方法の要部を示す部分工程図である。

初めに図２を参照して風力発電装置の全体を説明する。図２に示す風力発電装置１０はフレーム１１と、そのフレーム内に上下２段で設けられる羽根車１２とから構成されている。それぞれの羽根車１２は、フレーム１１に対して鉛直方向の軸心回りに回転自在に設けられている。
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の間のスペースには、前記羽根車１２が収容される。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。さらに各連結部材１６のスポーク１７の中心部には、羽根車１２を回転自在に支持するための軸受け１９、２０が上下一対で設けられている。下段の軸受け２０の近辺には、発電室２１が設けられている。
図２および図３に示すように、前記羽根車１２は、上下方向に延びるシャフト２２と、そのシャフトに固定されている上下一対のボス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、この実施形態ではシャフト２２が上から見たときの反時計方向に回転したときに上向きに浮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、特定の翼型と特定の傾きと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。
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上から見たときに反時計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。
図３に示すように、各羽根車１２のシャフト２２の上端および下端はそれぞれ上側の軸受け１９および下側の軸受け２０によって回転自在に支持されている。なお上下のボス２３、２４の間はシャフト２２を省略することもでき、その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、羽根車１２の重量は下側の軸受け２０によって支持される。なお、図３の実施形態では、各縦羽根２６の下端に車輪２７が回転自在に取り付けられている。そしてフレーム１１のリング１８が環状の走行路となっている。そのため、縦羽根２６や横羽根２５の重量が車輪２７を介してフレーム１１で支えられる。そのため軸受け１９、２０の負担が少ない。また、横羽根２５の撓みも少なくなる。
さらにこの実施形態では、前記発電室２１は羽根車１２の下側のボス２４とシャフト２２を支持する下側の軸受け２０との間に設けられている。その部分では、シャフト２２の周囲にメインギヤ３１が固定されている。そして発電室２１内には、そのメインギヤ３１とそれぞれ噛み合って回転する複数個のサブギヤ３２が回転自在に設けられている。各サブギヤ３２は発電室２１内に回転自在に支持される軸３３に固定されており、その軸３３は発電機３４の入力軸と連結されている。なお、発電機３４の入力軸をサブギヤ３２の軸３３として用いることもできる。
図１に示すように、サブギヤ３２はメインギヤ３１の周囲にほぼ等間隔で配置されている。サブギヤ３２の歯数はメインギヤ３１の歯数より少ない。そのためメインギヤ３１の回転は増速して発電機３４に伝えられる。なおこの実施形態ではサブギヤ３１は６個であるが、２〜５個、あるいは７個以上であってもよい。各発電機３４から延びている発電した電力を取り出すための送電線３６、３７のうち一方には、遮断機３８の接点３９が介在されている。それぞれの遮断機３８は、制御装置４０によってオン／オフが制御される。そしてシャフト２２にはその回転数を検出する回転センサ４１が設けられており、回転センサ４１からの検出信号は信号線４２によって制御装置４０に伝えられる。なお、２本の送電線３６、３７に遮断機の接点を介在させてもよい。
制御装置４０では、図４ａに示すように、シャフト２２の回転数が所定の回転数Ｐ５以上の場合、すべての発電機３４用の遮断機３８をオンにする。そして前記所定の回転数Ｐ５よりも回転数が少ない場合は、その回転数に応じていくつかの発電機３４用の遮断機３８をオフにする。たとえば図４で、回転数がＰ４〜Ｐ５の場合、１台の発電機の遮断機３８をオフにし、他の５台の発電機３４をオンにする。回転数がＰ３〜Ｐ４の場合は、２台の遮断機をオフにし、他の４台の発電機３４をオンにする。このように制御装置４０は、回転センサ４１によって検出されたシャフト２２の回転数に応じて、稼働する発電機の台数を１台ずつ、６段階で増減する。
このように１台の発電機３４の送電線３５を遮断すると、その発電機３４は発電せず、発電に要する回転抵抗も減じ、いわばほぼ空回り状態になる。そのため、風力が低下してシャフト２２の回転数が減じても、発電のための抵抗を減ずることにより、シャフト２２の回転数が再び増加する。それにより発電機の回転数の変動が少なくなり、効率的な発電作用が得られる。また２〜５台の発電機の稼働を停止すると、残りの１台だけで発電することになる。その場合は回転抵抗がもっとも少なく、微風状態でもある程度の高い回転数が得られ、効率的な発電が可能である。また、交流発電の場合は、回転数の変動が少なくなることにより、周波数の変動も少なくなる利点がある。
なお、稼働させる発電機３４の増減は、１台ずつのほか、２台ずつ、あるいは３台ずつなどとすることもできる。図４ｂの場合は、シャフト２２に関して対称位置にある２台の発電機３４を一緒に増減する場合を示している。この場合は羽根車１２の回転抵抗についてバランスがとれる。
前記実施形態では発電機３４をフレーム側１１の側に固定しているが、図５および図６に示すように、羽根車１２の側に設けてもよい。図５に示す風力発電装置５０では、下側の軸受け２０の周囲にメインギヤ３１を固定し、発電機３４を羽根車１２の横羽根２５に固定し、その発電機３４の入力軸５１に、メインギヤ３１と噛み合うサブギヤ３２を固定している。この風力発電装置５０では、羽根車１２が回転すると、サブギヤ３２がメインギヤ３１の外周に沿って公転しながら自転する。そのため羽根車１２の回転は増速されて入力軸５１に伝えられ、発電機３４が発電する。そして発電機３４がシャフト２２の軸心より離れているので、羽根車の慣性モーメントが大きい。したがって回転し始めるときは動きにくいが、一旦回転すると、その回転を持続する傾向がある。そのため安定した発電作用を奏する。
また図５の風力発電装置５０では、シャフト２２は上下のボス２３、２４の間で省略しており、軽量化が図られている。また、縦羽根２６の上端にも、車輪２７が回転自在に設けられており、その車輪２７が上側のリング１８の下面に沿って転動するように構成されている。そのため、羽根車１２の上下の振動を抑制することができ、回転が安定する。また、それぞれの発電機３４の送電線を遮断機で開閉自在にする構成など、他の構成およびそれらに基づく作用効果については、図１〜４の実施の形態と同様である。
図６に示す風力発電装置５４は、車輪２７の軸５５に発電機３４を連結している。発電機３４は縦羽根２６または横羽根２５に取り付ける。このものは羽根車１２が回転し、車輪２７がリング１８の上を転動すると、軸５５が回転し、発電機３４が発電する。このものは走行路であるリング１８がいわばメインギヤとして作用する。なお、車輪２７をサブギヤとし、リング１８の上に、そのサブギヤと噛み合うリング状のメインギヤを設けるようにしてもよい。その場合は、サブギヤおよびメインギヤを傘歯歯車などとすることもできる。
さらにこの風力発電装置５４では、フレーム１１のリング１８あるいはスポーク１７に、羽根車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５６が設けられている。油圧ユニット５６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。そして上側のスポーク１７ないしリング１８にはロッドが下向きに伸び出す油圧ユニット５６を設け、下側のスポーク１７ないしリング１８には上向きに伸び出すロッドを有する油圧ユニット５６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５６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。他の構成およびそれらに基づく作用効果については、図１〜４の実施の形態と同様である。
このものは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５６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５６で挟んで拘束することにより、羽根車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。
図７ａに示す風力発電装置５８は、横羽根２５の下部に、下面に歯５９を備えたリング状のメインギヤ３１を有する。そしてフレーム１１のリング１８あるいはスポーク１７に発電機３４が取り付けられ、その発電機３４の入力軸５１に、前記メインギヤ３１と噛み合うサブギヤ３２が固定されている。発電機３４をリング１８に取り付ける場合は、発電機３４の数を比較的任意に設定することができる。たとえば図８の一点鎖線Ｄ１〜１２に示すように、１２台あるいはそれ以上設けることも容易である。そして設計条件や地形上の条件に合わせて発電機３４を追加したり、減少させたりすることも容易である。なお、想像線で示すように、リング１８の内側に小径の第２リング１８ａを設け、その第２リング１８ａに第２発電機３４ａを取り付けると共に、それらの発電機３４ａの入力軸に取り付けたサブギヤ３２ａと噛み合う第２メインギヤ３１ａを羽根車１２の横羽根２５などに取り付けるようにしてもよい。第２メインギヤ３１ａ、第２サブギヤ３２ａおよび第２発電機３４ａは、元のメインギヤ３１、サブギヤ３２、発電機３４と共に採用することもできる。
またメインギヤ３１を内歯ギヤとし、発電機３４の入力軸５１を上下方向に向けるようにしてもよい。いずれの場合も、メインギヤ３１およびサブギヤ３２にはカバーを設けて風の抵抗ができるだけ少ないようにするのが好ましい。カバーを設ける場合は、ギヤの噛み合い音などの騒音が外部に漏れにくい利点がある。なお図５におけるメインギヤ３１を固定する風力発電装置５０の場合でも、メインギヤ３１をリング状にしてもよく、また内歯ギヤとすることもできる。いずれの実施形態においても、リングギヤ３１が大きい場合は、リングギヤ３１を円弧状に分割すると、製造が容易になり、羽根車１２あるいはフレーム１１に取り付ける作業が容易になる。
さらに図７および図８の風力発電装置５８において、メインギヤ３１に代えてリング状のレールを設け、サブギヤ３２に代えて車輪を設けてもよい。レールおよび車輪は鉄道車両のものと同様なものでもよく、また、平坦なレールとゴム車輪などとを組み合わせてもよい。さらにサブギヤの軸を半径方向に配置する場合は、サブギヤで羽根車の重量を負担することができ、軸受けの負担を軽減することができる。また、メインギヤとサブギヤの組み合わせに加えて、車輪とレールあるいは車輪と平坦な走行路の組み合わせを採用する場合は、サブギヤが負担する羽根車の重量が軽減するので、騒音が少なくなる利点がある。
図７ａおよび図８の風力発電装置５８では、図７ｂに示すように、縦羽根２６の内面で後端側に、風を受けるためのポケット６１を設けている。ポケット６１は縦羽根２６のうち、上下の横羽根２５の間の部分に設けるのが好ましい。ポケット６１を設けた部分では、縦羽根２６の厚さが薄くなるので、補強のためのリブ６２を設けるのが好ましい。リブ６２は傾斜させて回転に伴って揚力を受けるようにすることもできる。このようなポケット６１を設ける場合は、後方から来た風をポケット６１にとらえることができ、前方から来た風は丸みを帯びた頭部で逃がす。そのため羽根車１２が受けるトルクが大きくなり、効率的に発電することができる。
なお、図７ａ、図７ｂおよび図８の縦羽根２６と、それらの縦羽根２６を支持する横羽根２５とを備えた羽根車１２は、その羽根車１２によって１台の発電機を駆動する風力発電装置にも採用することができる。その場合は、たとえば羽根車１２の中心軸に発電機の入力軸を直接的に、あるいは間接的に連結することができる。
図９に示す風力発電装置６４は、図７ａの環状のメインギヤ３１を備えた風力発電装置５８の変形例であり、メインギヤとしてチェーン６５を採用し、サブギヤとしてそのチェーン６５と噛み合うスプロケット６６を採用している。チェーン６５は、この実施形態では横羽根２５の下部に設けたリング状の支持部材６７の外周に取り付けており、上下方向を向いているスプロケット６６の軸６８は、フレームのリング１８に取り付けた発電機３４に連結している。前記チェーン６５にはいわゆる取り付け用の羽根付きのローラチェーンなどを用いることができ、その羽根などを支持部材６７の外周に環状に取り付けてチェーン６５全体を支持する。
この風力発電装置６４では、チェーン６５はメインギヤの歯と同様に作用し、羽根車１２の回転に伴ってチェーン６５と噛み合っているスプロケット６６が回転し、発電機３４が発電する。なお、チェーン６５はリング状の支持部材６７の内面側に取り付けてもよい。その場合はチェーン６５は内歯歯車の歯のように作用する。さらに図７ａの場合と同様に、支持部材６５の下面に湾曲させながら取り付けてもよい。もちろん上面側に取り付けることもできる。それらの場合は、スプロケット６６の回転中心は図７ａの場合と同様に水平方向（羽根車の半径方向）に配置する。
また、メインギヤをフレームなどに固定し、羽根車にサブギヤと発電機を備えた風力発電装置に対しても上記構造を採用することができる。その場合は図１０に示すように、フレームのリング１８の内周にチェーン６５を取り付けてメインギヤとし、羽根車１２の横羽根２５にスプロケット６６を回転自在に取り付けてサブギヤとする。そしてそのスプロケット６６の軸６８に、横羽根２５に取り付けた発電機３４の入力軸を連結する。なお、チェーン６５は、リング１８以外のもの、たとえばフレームに固定した環状の支持部材に取り付けてもよく、さらにリングや環状の支持部材の外周、上面あるいは下面にチェーンを環状に固定してもよい。
上記のようにチェーン６５をメインギヤの歯の代わりに用い、スプロケットをサブギヤとして用いる風力発電装置は、大径のギヤを製造する場合に比して製造が簡単である。また、加工精度や剛性もある程度緩くすることができ、そのため重量も軽減することができる。
上記のように構成される風力発電装置１０、５０、５４、５８は、従来の風力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が風を受けて羽根車１２が図８の反時計方向に回転する。そのとき、横羽根２５が上向きの浮力を生ずるので、羽根車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、羽根車１２が効率よく回転する。羽根車１２が回転すると、稼働しているいくつかの発電機２１が発電し、その電気は図１の送電線３６、３７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、交流発電機を用い、変圧器で変圧してから送電する。ただし直流発電機を用い、インバータなどで一旦交流に変換してから変圧し、送電するようにしてもよい。
前記実施の形態では、シャフト２２の上端および下端を軸受け１９、２０で回転自在に支持しているが、逆に軸受け１９、２０側に軸を設け、それらの軸で上下のボス２３、２４を回転自在に支持するようにしてもよい。また前記実施形態では、羽根車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浮力は生じない。
また、前記実施形態では、縦羽根２６は横羽根あるいは放射状に設けた支持部材に取り付けているが、図１１に示すように、横羽根あるいは放射状の支持部材６８に設けた上下のリング状の支持部材６９に取り付けることもできる。その場合は横羽根あるいは放射状の支持部材の本数よりも多い縦羽根２６を設けることができ、縦羽根２６のピッチを自由に選択することができる。そのため、多数の縦羽根を設ける場合に有利である。
さらに前記実施形態では、シャフト２２の回転を回転センサ４１で検出して制御装置４０にフィードバックさせているが、別個に風力測定用の風車ないしプロペラを設け、その回転数を検出するセンサや、風圧を直接検出するセンサを採用することもできる。
また、図３や図５の風力発電装置では、フレーム１１にリング１８を設け、羽根車１２に車輪２７を設けているが、フレーム１１に複数個の車輪を設け、羽根車１２にそれらの車輪と当接するリングを設けることもできる。このものは図７ａのサブギヤを車輪に変え、メインギヤをリングに変えたものに相当する。このものは車輪が羽根車の重量の一部または全部を支えることができ、羽根車が回転すると、車輪が回転する。さらにこのものも図７ａの場合と同様に、それぞれの車輪の軸に発電機を連結することができ、複数個の発電機を同時に作動させることができる。
また前述のような風力発電装置において、羽根車によって回転される発電機は、軸またはケースの一方にコイル（巻き線）を設け、他方に磁界磁石を設けるが、一方を羽根車に設けたリング状の部材に設け、他方をその部材と対向するようにフレーム側に設けたリング状の部材に取り付けてもよい。たとえば図７ａのメインギヤ３１と同様な部材にコイルまたは磁界磁石を設け、他方をその部材と対向してフレーム１１に設けたリング１８に設けるようにしてもよい。このものはいわばリニアモータと同様に、リニア発電機として作動する。
なお、上記の場合、コイルを複数個設け、図１の場合と同様に、それらのコイルのうち、いくつかを作動させ、残りの作動を停止させるようにしてもよい。それによっても風力に応じて発電量をスムーズに増減させることができる。また、上記のコイルを設けたリング状の部材と磁界磁石を設けたリング状の部材の組を上下に複数セット設け、それぞれを１個の発電機として図１と同様の配線を行うこともできる。
つぎに図１２〜１４を参照して、本発明の建設方法の一実施形態を説明する。この実施形態では図２の風力発電装置１０を例に挙げて説明するが、本発明の建設方法は風力発電装置に限らず、鉄塔、展望台、ビルディング、その他の構築物、とくに高層の構築物の建設にも適用することができ、同じ作用効果を奏する。
始めに地面あるいは基礎７０に３本の脚（図２の符号１５）の最下段の脚部材７１を立てて固定する。ついでそれらの脚部材７１に、それらの部材を支えにして自力で昇降するクレーン７２を取り付ける（第１工程Ｓ１）。この場合はまだ低い位置であるので、クレーン車などの地面にある設備を利用することができる。なお、この実施形態では、脚部材７１を囲むリング状の足場７３（図１１参照）と、その足場７３の上に設けられる門型のフレーム７４と、フレームのビーム７４ａ上を走行する走行台車７５を備えたものである。ビーム７４ａは足場７３と同様のリング状にするのが好ましい。しかし他の形式のクレーン（図１２参照）であってもよい。
ついで脚部材７１に沿ってクレーン７２を上昇させ、脚部材７１の上端近辺に足場７３を配置する。なお足場７３は図１１のように３本の脚部材７１の周囲に近接して囲んでいるので、クレーン７２を上昇させるときに安定し、脱落する危険性が低い。ついで足場７３およびクレーン７２を利用して、地面からつぎの段階の脚部材７１あるいはリング（図２の符号１８）の資材７６を吊り上げ、組み立てていく（第２工程Ｓ２）。
２段目の脚部材７１が組み立てられると、再びクレーン７２を上昇させる（第３工程Ｓ３）。それ以降は上記の第１工程Ｓ１〜第３工程Ｓ３を順に繰り返す。脚部材７１の高さが所定の高さに達すると、リング１８を取り付ける。その場合はリング状の足場７３はリング１８を組み立てるための仮設台としての役割を果たす。リング１８が組み付けられると、羽根車（図２の符号１２）や発電室（図３の符号２１）を設置する。ついで脚部材７１をさらに上に延ばす工事を行なう。そして２番目のリング１８を設置し、さらに上段の羽根車や発電室を設置し、上端のリング１８を取り付けて工事が終了する。工事終了後は、クレーン７２の昇降機能を利用してクレーン７２を地上まで降ろす。その場合、図１０のような門型のクレーン７２では、ビーム７４ａを外してから降下させる。図１２のようなジブクレーンの場合は、そのまま降ろすことができる。ただしいずれの場合も分解して小型クレーンなどで降ろすようにしてもよい。
なお、脚部材７１やリング１８あるいは外壁などの外側の構造を先に組み立て、その後、羽根車や発電室などの内側の構造物を組み立てる場合は、一旦、クレーン７２を上昇させながら外側の構造物を組み立て、ついで順にクレーン７２を下降させながら内部構造を組み立てていけばよい。また、一旦、下端まで下降させてから、１段ずつ上昇させながら内部の構造を組み立てていくようにしてもよい。なお、羽根車や発電室などは比較的大きい構造物であるので、通常は部品で所定の高さまで引き上げ、クレーン７２を使用して組み立てていく。しかし地面であらかじめ組み立てておき、組み立てたものをクレーンで所定の高さまで吊り上げて据え付けてもよい。その場合は複数台のクレーン７２で協調して吊り上げるのが好ましい。
図１２は前述のクレーンの昇降作用を示している。なお、図１２ではジブクレーンで示しているが、どのような形式のクレーンにも採用することができる。このクレーン７２の柱７７の下部には、前述のリング状の足場７３のほか、脚部材７１に対して固定／解除（緩め）が可能な第１固定具７８および第２固定具７９が設けられている。それらの固定具７８、７９は、柱７７の内側に取り付けられている。そして第１固定具７８と第２固定具７９に対応する部位の間には、伸縮自在な昇降ユニット（ストロークが大きいジャッキ）８０が介在されている。昇降ユニット８０は油圧シリンダなどを用いた油圧式のものが好ましいが、ネジ式など、他の形式のものでもよい。また固定具７８、７９の固定／解除の操作は、たとえば脚部材７１に対してネジ止め、あるいはピン止めなどによって行うことができる。さらに油圧を利用したロック機構を用いるようにしてもよい。
上記のように構成されるクレーン７２は、始めに上側の第１固定具７８の固定を解除し、あるいは緩める（第４工程Ｓ４）。その場合、リング状の足場７３があるので、昇降ユニット８０より上側の部分が脚部材７１によって安定して支持される。ただし第１固定具７８を脚部材７１に対して外れないように、かつ、上下のスライドを許すスライド金具などとしてもよい。
ついで昇降ユニット８０を伸ばし、クレーン７２を上昇させる（第５工程Ｓ５）。その状態で第１固定具７８を脚部材７１に固定し、第２固定具７９の固定を解除する。そして昇降ユニット８０を収縮させると、第２固定具７９は上昇する（第６工程６）。それによりクレーン７２全体は昇降ユニット８０のストローク分だけ上昇する。そして上記第４〜６工程Ｓ４〜６を順次繰り返すことにより、クレーン７２を脚部材７１に沿って上昇させることができる。クレーン７２を下降させる場合は、上記と逆の手順をたどればよい。
なお、図１２のジブクレーンの場合でも、図１０の門型のクレーンの場合でも、柱７７が脚部材７１の近くにあると、つぎの脚部材７１を設置しにくい。そのため、図１１に示すように、脚部材７１から横方向にいくらか離れた部位に柱７７を設けるのが好ましい。
上記の建設方法は、クレーン７２が自力で昇降することができるので、一旦くみ当てた部位を足場にしてその上の構造を順に組み立てていくことができる。そのため効率よく高い建造物を構築することができる。
上記の建設方法は風力発電装置だけでなく、クレーンを支持することができ、クレーンの昇降をガイドすることができる複数本の柱あるいは筒状の外壁を備えた構造物、たとえばビルの建設などに対しても適用することができる。外壁の強度が弱い場合は、その外壁の内側の骨組みを利用して昇降させるようにし、その部分の外壁は最後に取り付けるようにする。なお、前記建設方法は、構造物の上部の寸法と下部の寸法が同じで、脚などが垂直に立っている場合に好適に適用できるが、その場合のほか、上方に行くに従って細くなっている構造物に対しても、適用することができる。その場合は、構造物の周囲を取り囲む足場の寸法を伸縮可能に構成するのが好ましい。

Claims (12)

1. フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車によって回転駆動される複数台の発電機と、各発電機から導かれる送電線のうち、いくつかを選択して連結／遮断するための制御装置とを備えている風力発電装置。
2. 前記羽根車の回転に伴って回転する円板状ないし環状のメインギヤと、そのメインギヤと噛み合う複数個のサブギヤとを備えており、そのサブギヤの軸がフレームに取り付けられる発電機に連結されている請求項１記載の風力発電装置。
3. 前記羽根車が鉛直方向に延びる軸心廻りに回転自在に設けられており、その羽根車に前記メインギヤが取り付けられている請求項２記載の風力発電装置。
4. 前記羽根車が鉛直方向に延びる軸心廻りに回転自在に設けられ、前記フレームに羽根車と隣接する環状の走行路ないしメインギヤが設けられ、羽根車に環状の走行路ないしメインギヤに沿って転動する複数個の車輪ないしサブギヤがそれぞれ回転自在に設けられると共に、それらの車輪ないしサブギヤの軸に発電機が連結されている請求項１記載の風力発電装置。
5. 前記羽根車に環状のレールが設けられており、前記フレームにそのレールと当接する車輪が回転自在に設けられると共に、それらの車輪に発電機の軸が連結されている請求項１記載の風力発電装置。
6. 前記車輪ないしサブギヤが羽根車の重量を支持している請求項４または５記載の風量発電装置。
7. 前記環状のメインギヤが環状の部材に取り付けられるチェーンによって構成されると共に、前記サブギヤがそのチェーンと噛み合うスプロケットによって構成されている請求項２、３または４記載の風力発電装置。
8. 前記制御装置が、風速ないし羽根車の回転数を検出する手段と、回転数が減少するとき、送電線を遮断する発電機の数を減少させる手段とを備えている請求項１記載の風力発電装置。
9. 前記羽根車が鉛直方向に延びる軸心廻りに回転自在に設けられると共に、円周方向に所定の間隔で配置された縦羽根を備えており、それらの縦羽根の後部に風を受けるポケットが設けられている請求項１記載の風力発電装置。
10. フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車の回転によって回転駆動される発電機とを備えており、前記羽根車が鉛直方向に延びる軸心廻りに回転自在に設けられると共に、円周方向に所定の間隔で配置された縦羽根を備えており、それらの縦羽根の後部に風を受けるポケットが設けられている風力発電装置。
11. 複数段で構成されている構造物の建設方法であって、１段目の部材を基礎に固定し、その１段目の部材に、自力で昇降し、かつ脚を取り囲む建設足場を備えたクレーンを取り付け、１段目の部材を支えとしてクレーンを上昇させ、ついでそのクレーンを用いて１段目の部材の上に２段目の部材を連結し、ついで２段目の部材を支えにしてクレーンを上昇させる構造物の建設方法。
12. 前記自力で昇降するクレーンが、各段の部材に対して固定／緩めが可能な第１固定具と、その第１固定具の上に連結される伸縮自在の昇降ユニットと、その昇降ユニットの上に連結され、前記各段の部材に対して固定／緩めが可能な第２固定具とを備えており、第１固定具を固定し第て２固定具を緩めた状態で、昇降ユニットを伸ばし、ついで第２固定具を固定して第１固定具を緩め、昇降ユニットを縮めることにより、クレーンを上昇させる請求項１１記載の建設方法。

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