(57)【要約】【課題】風速に関わらず起動性が良好であり、効率良く発電可能な縦軸式マグナス型風力発電装置を提供する。【解決手段】前記円筒体翼に作用する空気流の風向を計測する風向計測手段と、前記発電機軸を中心とする円周軌道上を円運動する円筒体翼のアジマス角を計測するアジマス角計測手段と、前記円筒体翼に作用する空気流の風速を計測する風速計測手段とを備え、前記計測手段により計測される風向、アジマス角、風速に基づいて円筒体翼位置と風向のズレを検出するとともに円筒体翼の回転数を決定し、該円筒体翼位置と風向のズレ及び円筒体翼の回転数に基づいて円筒体翼を回転させるモーターを夫々制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機に連結される発電機軸と、該発電機軸を中心として回転するとともに円筒体翼を軸支する支持部材と、該支持部材上に垂設され各個に独立して回転する複数の円筒体翼と、該円筒体翼の翼根部に夫々設けられ円筒体翼を回転させるモーターとを備え、前記支持部材上に垂設される円筒体翼が発電機軸を中心とする円周軌道上に配設されるとともに、前記円筒体翼の回転と該円筒体翼に作用する空気流により生じるマグナス揚力によって円筒体翼が該円周軌道上を円運動して発電機軸を回転せしめる縦軸式マグナス型風力発電装置において、
前記円筒体翼に作用する空気流の風向を計測する風向計測手段と、前記発電機軸を中心とする円周軌道上を円運動する円筒体翼のアジマス角を計測するアジマス角計測手段と、前記円筒体翼に作用する空気流の風速を計測する風速計測手段とを備え、
前記計測手段により計測される風向、アジマス角、風速に基づいて円筒体翼位置と風向のズレを検出するとともに円筒体翼の回転数を決定し、該円筒体翼位置と風向のズレ及び円筒体翼の回転数に基づいて円筒体翼を回転させるモーターを夫々制御したことを特徴とする縦軸式マグナス型風力発電装置。
【請求項２】
前記円筒体翼が風下側に位置するときに、風上側に位置する円筒体翼の回転方向と逆向きに円筒体翼を回転若しくは回転を停止させたことを特徴とする請求項１記載の縦軸式マグナス型風力発電装置。
【請求項３】
前記風下側は、風向に対して９０°＜θ＜２７０°の範囲域であることを特徴とする請求項２記載の縦軸式マグナス型風力発電装置。
【請求項４】
前記円筒体翼が風向に対して９０°若しくは２７０°に位置するときに円筒体の回転を停止させることを特徴とする請求項１記載の縦軸式マグナス型風力発電装置。
【請求項５】
前記円筒体翼に作用する空気流の風速によって該円筒体翼の回転数を増減させることを特徴とする請求項１記載の縦軸式マグナス型風力発電装置。
【請求項６】
前記円筒体翼の円筒側面部の表面に螺旋状の空気穴を形成し、該円筒体翼の回転方向に空気を吐出しながら円筒体翼を回転させることを特徴とする請求項１記載の縦軸式マグナス型風力発電装置。
【請求項７】
前記円筒体翼の円筒側面部の表面に、該円筒体翼の周方向に沿う並行溝を形成したことを特徴とする請求項１記載の縦軸式マグナス型風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機に連結される発電機軸と、該発電機軸を中心として回転するとともに円筒体翼を軸支する支持部材と、該支持部材上に垂設され各個に独立して回転する複数の円筒体翼と、該円筒体翼の翼根部に夫々設けられ円筒体翼を回転させるモーターとを備え、前記支持部材上に垂設される円筒体翼が発電機軸を中心とする円周軌道上に配設されるとともに、前記円筒体翼の回転と該円筒体翼に作用する空気流により生じるマグナス揚力によって円筒体翼が該円周軌道上を円運動して発電機軸を回転せしめる縦軸式マグナス型風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電装置には様々な形式のものがあり、その形式に応じてそれぞれ異なる特性を有している。例えば風力発電装置を、風車を支持する軸の取り付け方向により分類すれば、その軸の取り付け方向が垂直である縦軸式とその軸の取り付け方向が水平である横軸式とに分類される。縦軸式には、サボニウス型、ダリウス型などがあり、横軸式には、プロペラ型などがある。
【０００３】
また、風力発電装置は、風車を回転させるトルクとして抗力が支配的に作用される抗力型と、風車を回転させるトルクとして抗力が支配的に作用される揚力型とに分類することができる。抗力型にはサボニウス型があり、微風といわれる低速の風においても風車が良く回転するから低速の風でも発電できるという利点があるが、大電力を発電しようとすると、その構造上から装置が大型化して経済的でない。
【０００４】
また、揚力型の風力発電装置としてはダリウス型などがあり、その構造上、小電力の発電だけでなく大電力の発電にも容易に対応できる利点があるばかりでなく、ものによっては小型ながら効率良く電力を発生させることができるという利点を有している。しかし、揚力型は、発電のために回転を開始する風速である回転開始風速として、高速の風力が必要であるという特性があり、低速の風に対しては回転ができず起動性が悪いため、発電効率が十分に得られないという問題を有している。
【０００５】
一方、飛行装置に使用されている揚力発生装置としてはジェット機やプロペラ機等に使用されている固定翼によるものが主流である。航空機の固定翼の代わりにマグナス効果の円筒を適用した例として特許文献１（特開昭６１−１０５２９９号公報）が開示されている。特許文献１によれば、小型且つ軽量な揚力装置をマグナス効果の円筒により可能にし、揚力装置の小型化とともに経済的な航空機の形成に役立てている。
このようなマグナス効果を利用し、現在では上述した方式の他に特許文献２（特開２００７−８５３２７号公報）に開示される風力発電装置が提案されている。
【０００６】
特許文献２は横軸式風力発電装置であり、詳しくは、発電機構部に回転トルクを伝達する水平回転軸と、該水平回転軸から放射状に所要数配設された回転円柱と、該各回転円柱をこれら回転円柱の軸周りに回転駆動する駆動モータをと備え、前記各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により前記水平回転軸を回転させて発電機構部を駆動するマグナス型風力発電装置であって、前記回転円柱の外周表面に空気流動を発生させてマグナス揚力を増大させる空気流動手段が、所定位置に設けられている発明である。
【０００７】
また、縦軸式でマグナス効果を利用した風力発電装置としては、特許文献３（特開２００８−１７５０７０号公報）が開示されている。特許文献３は、発電機の垂直回転軸を中心軸とする架台上に、各個自転するマグナス円筒を円周上に複数個垂直に軸支して配置し、各マグナス円筒には自転用の駆動装置を設けており、風速中で各マグナス円筒が自転することにより発生するマグナス力で各マグナス円筒、上部回転架台、下部回転架台等により構成されるマグナス型風車部を回転させ、マグナス型風車の回転軸に連結した発電機を回転させることにより発電させている。
【０００８】
【特許文献１】特開昭６１−１０５２９９号公報
【特許文献２】特開２００７−８５３２７号公報
【特許文献３】特開２００８−１７５０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記特許文献２においては、横軸型の風力発電装置であるため大型であり、また風況の良い場所が必要となり、その場所までの道路建設、設置場所での建設、発電された電力の回収等、投下資本が大きくかかり、それらの費用は、電力採算に大きく影響している。
また、特許文献３においては、比較的低速や中速の領域にも設置できる縦軸型の風力発電装置ではあるが、風力発電装置の後流部において、マグナス円筒に発生する逆方向に回転させるマグナス力の制御が後流部への風速カットであり、風向に対して常に風の上流を向かせる風向維持装置を用いる必要があるため、その制御に時間差が生じるとともにカットされた後流部への風速が有効に活用されていないため、発電効率が十分に得られるものではない。
【００１０】
従って、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、風速に関わらず起動性が良好であり、効率良く発電可能な縦軸式マグナス型風力発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、かかる目的を達成するため、発電機に連結される発電機軸と、該発電機軸を中心として回転するとともに円筒体翼を軸支する支持部材と、該支持部材上に垂設され各個に独立して回転する複数の円筒体翼と、該円筒体翼の翼根部に夫々設けられ円筒体翼を回転させるモーターとを備え、前記支持部材上に垂設される円筒体翼が発電機軸を中心とする円周軌道上に配設されるとともに、前記円筒体翼の回転と該円筒体翼に作用する空気流により生じるマグナス揚力によって円筒体翼が該円周軌道上を円運動して発電機軸を回転せしめる縦軸式マグナス型風力発電装置において、
前記円筒体翼に作用する空気流の風向を計測する風向計測手段と、前記発電機軸を中心とする円周軌道上を円運動する円筒体翼のアジマス角を計測するアジマス角計測手段と、前記円筒体翼に作用する空気流の風速を計測する風速計測手段とを備え、前記計測手段により計測される風向、アジマス角、風速に基づいて円筒体翼位置と風向のズレを検出するとともに円筒体翼の回転数を決定し、該円筒体翼位置と風向のズレ及び円筒体翼の回転数に基づいて円筒体翼を回転させるモーターを夫々制御したことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、計測される風向、アジマス角、風速に基づいて円筒体翼位置と風向のズレを検出するとともに円筒体翼の回転数を決定し、該円筒体翼位置と風向のズレ及び円筒体翼の回転数に基づいて円筒体翼を回転させるモーターを夫々制御することにより、円筒体翼の回転速度を最適化してマグナス効果を最大限利用することができる。よって、風速に関わらず起動性が良好であり、効率良く発電可能な縦軸式マグナス型風力発電装置を提供することができる。
【００１３】
また、前記円筒体翼が風下側に位置するときに、風上側に位置する円筒体翼の回転方向と逆向きに円筒体翼を回転若しくは回転を停止させたことを特徴とする。
このように、前記円筒体翼が風下側に位置するときに、風上側に位置する円筒体翼の回転方向と逆向きに円筒体翼を回転若しくは回転を停止させることにより、円筒体翼に受ける風力を最大限に利用し、風力発電装置の正方向の回転モーメントを更に向上させることができる。
【００１４】
また、前記風下側は、風向に対して９０°＜θ＜２７０°の範囲域であることを特徴とする。
さらに、前記円筒体翼が風向に対して９０°若しくは２７０°に位置するときに円筒体の回転を停止させることを特徴とする。
これにより、風向に対して常に風の上流を向かせなくても、円筒体翼が風向に対してどの範囲域に位置するかによって円筒体翼ごとに回転を制御すれば良く、風力発電装置の正方向の回転モーメントを向上させて、風力発電を高効率で行うことが可能となる。
【００１５】
また、前記円筒体翼に作用する空気流の風速によって該円筒体翼の回転数を増減させることを特徴とする。
このように、前記円筒体翼に作用する空気流の風速によって該円筒体翼の回転数を増減させ、風速に対して最適な円筒体翼の回転数を選択することによりマグナス効果が得られるため、円筒体翼の回転制御不能状態となり回転数が増加した場合でも発電機が過回転状態になる恐れがなく安全である。従来の風力発電装置は、風に対するピッチ角度を変化させて回転する力を変化させているため、風速に比例して発電機回転数が増加し過回転で風車を損傷する可能性を有しているが、本発明によれば過回転状態になる恐れがなく、また回転数制御のためピッチ角度制御よりも容易である。
【００１６】
また、前記円筒体翼の円筒側面部の表面に螺旋状の空気穴を形成し、該円筒体翼の回転方向に空気を吐出しながら円筒体翼を回転させることを特徴とする。
このように、前記円筒体翼の円筒側面部の表面に螺旋状の空気穴を形成し、該円筒体翼の回転方向に空気を吐出しながら円筒体翼を回転させることにより、マグナス効果の効率を向上させることができる。
【００１７】
さらに、前記円筒体翼の円筒側面部の表面に、該円筒体翼の周方向に沿う並行溝を形成したことを特徴とする。
このように、前記円筒体翼の円筒側面部の表面に、該円筒体翼の周方向に沿う並行溝を形成することにより、円筒体翼の自転時の空気抵抗を低減し、円筒体翼にそれぞれ設けられるモーターの負荷を減らすことができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上記載のごとく本発明によれば、計測される風向、アジマス角、風速に基づいて円筒体翼位置と風向のズレを検出するとともに円筒体翼の回転数を決定し、該円筒体翼位置と風向のズレ及び円筒体翼の回転数に基づいて円筒体翼を回転させるモーターを夫々制御することにより、円筒体翼の回転速度を最適化してマグナス効果を最大限利用することができる。
また、前記円筒体翼が風下側に位置するときに、風上側に位置する円筒体翼の回転方向と逆向きに円筒体翼を回転若しくは回転を停止させることにより、円筒体翼に受ける風力を最大限に利用し、風力発電装置の正方向の回転モーメントを更に向上させることができる。
さらに、風向に対して常に風の上流を向かせなくても、円筒体翼が風向に対してどの範囲域に位置するかによって円筒体翼ごとに回転を制御すれば良く、風力発電装置の正方向の回転モーメントを向上させて、風力発電を高効率で行うことが可能となる。
さらにまた、前記円筒体翼に作用する空気流の風速によって該円筒体翼の回転数を増減させ、風速に対して最適な円筒体翼の回転数を選択することによりマグナス効果が得られるため、円筒体翼の回転制御不能状態となり回転数が増加した場合でも発電機が過回転状態になる恐れがなく安全である。
よって、本発明によれば、風速に関わらず起動性が良好であり、効率良く発電可能な縦軸式マグナス型風力発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態１に係る縦軸式マグナス型風力発電装置の正面図、図２は実施形態１に係る縦軸式マグナス型風力発電装置の制御方式の説明図、図３は実施形態１に係る縦軸式マグナス型風力発電装置の制御方式の構成を示すブロック図、図４は風向との位相差による円筒体翼の回転方向を表した特性テーブルの一例を示す図、図５は実施形態１に係る縦軸式マグナス型風力発電装置の参考斜視図、図６は円筒体翼の表面形状の一例を示す図である。
【００２０】
（実施形態１）
図１に示す縦軸式マグナス型風力発電装置１０は、発電機１４と、該発電機１４を収納する基礎１２と、該発電機１４に連結される発電機軸６と、各個に独立して回転する複数の円筒体翼２と、該発電機軸６を中心として回転するとともに円筒体翼２を軸支する支持部材４と、該円筒体翼２の翼根部に夫々設けられ円筒体翼を回転させるモーター３とで構成される。
なお、円筒体翼２はその翼根部に設けられたモーター３で回転させる他に、翼根部のみ風を受けて回る構造としても良い。このとき、円筒体翼内部に設けた歯車、クラッチ等で伝達や遮断を行って増速、減速、停止を行う。
【００２１】
このような縦軸式マグナス型風力発電装置の制御方式について、図２〜図５を用いて説明する。本実施形態では、風力発電装置の翼を４本としているが、本発明の趣旨を逸脱しなければ本数は問わない。
図２に示すように、円筒体翼２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは円周軌道上に配設されており、各円筒体翼の翼根部に夫々設けられ円筒体翼を回転（自転）させるモーターを３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとした。これらの円筒体翼２ａ〜２ｄを風に対して直角方向に回転させ、該円筒体翼に作用する空気流により生じるマグナス揚力によって円筒体翼２ａ〜２ｄは該円周軌道上を公転方向に円運動して発電機軸６を回転させる。
【００２２】
また、図２では円筒体翼２ａに作用する風向を０°とし、円筒体翼２ｂ、２ｃ、２ｄを位置させた。さらに、前記円筒体翼に作用する空気流の風向を計測する風向計１６と、前記発電機軸を中心とする円周軌道上を円運動する円筒体翼のアジマス角を計測するアジマス角計１７と、前記円筒体翼に作用する空気流の風速を計測する風速計１８とを備える構成とした。
【００２３】
本実施形態に係る縦軸式マグナス型風力発電装置では、風向計１６により計測される風向、アジマス角計１７により計測されるアジマス角、風速計１８により計測される風速によって円筒体翼を回転させるモーターを夫々制御する。この制御について、円筒体翼２ａが図２の位置にある場合を例とし、図３を用いて説明する。
【００２４】
まず、風向計１６、アジマス角計１７で計測された風向、アジマス角に基づき、円筒体翼２ａの位置と風向のズレを検出する。また、風速計１８で計測された風速により、円筒体翼２ａの回転数（翼回転数）を決定する。
次に、前記円筒体翼２ａの位置と風向のズレ及び円筒体翼２ａの回転数に基づき、各円筒体翼への回転速度や回転方向等の自転パラメータ指令を受け、例えば円筒体翼２ａを回転させるモーター３ａを制御させる。同様に、円筒体翼２ｂ、２ｃ、２ｄを自転させるモーター３ｂ、３ｃ、３ｄもパラメータ指令を受け制御される。
【００２５】
このとき、円筒体翼の回転方向は、円筒体翼が風向に対してどの領域に位置するかによって決定される。風向との位相差について円筒体翼毎に示した図を図４とした。
図４に示すように、円筒体翼はそれぞれ正回転域と、逆回転域を有している。正回転域は風上側であり、即ち翼が風向に対して０°≦θ＜９０°、２７０°＜θ＜３６０°の範囲域に位置するときである。また、逆回転域は風下側であり、即ち翼が風向に対して風向に対して９０°＜θ＜２７０°の範囲域に位置するときであり、θ＝９０°、２７０°のときは回転を停止させる。
図中の太線部分は同時刻で指令されるモーター駆動指令である。
【００２６】
例えば、図５を用いて説明すると、円筒体翼が風上側に位置するときは、矢印ａのように正回転させる（円筒体翼２ａ）。
一方、円筒体翼が風下側に位置するときは、正回転させるとマグナス効果が逆に出てしまうため、翼を矢印ｂのように逆回転させる（円筒体翼２ｃ）。なお、マグナス効果が逆に出なければいいので、円筒体翼が風下側に位置するときは、モーターを停止若しくは円筒体翼に組み込まれたクラッチ（図示しない）で回転力を遮断する等して回転を停止させても良い。
このようにして、円筒体翼２ａ〜２ｄに受ける風力を最大限に利用し、風力発電装置の正方向の回転モーメントを更に向上させ、発電機軸６を矢印ｃ方向へ回転させて発電する。
【００２７】
なお、上述したように、円筒体翼２ａの回転数（翼回転数）は、風速計１８で計測された風速により決定され、風速に対して最適な円筒体翼の回転数を選択することにより、マグナス効果を最大限利用できる。
よって、低速な弱風の場合においても起動性が良く発電することも可能であるし、また強風時で円筒体翼の回転制御不能状態となり回転数が増加した場合でもモーターを停止若しくは円筒体翼に組み込まれたクラッチ（図示しない）で回転力を遮断する等して回転を停止させることができるので、発電機が過回転状態になる恐れがなく安全である。
また、円筒体翼はその翼根部に設けられたモーター３で回転させる他に、翼根部のみ風を受けて回る構造しても良いため、風の力のみで翼を回転させることができ、消費電力を削減することができる。
【００２８】
次に、円筒体翼２の表面形状について、図６に示す表面形状を一例として説明する。
図６の（ａ）は円筒体翼の表面に螺旋空気穴を設けており、該円筒体翼の回転方向（自転方向）に空気を吐出しながら円筒体翼を回転させる。これにより、マグナス効果の効率を向上させることができる。
図６の（ｂ）は円筒体翼の周方向に沿う並行溝を形成しており、円筒体翼の自転時の空気抵抗を低減し、円筒体翼にそれぞれ設けられるモーターの負荷を減らすことができる。
【００２９】
また、その他の構成として、図６の（ｃ）のように、円筒体翼の表面にディンプルを配しても良く、これにより円筒体翼の回転時（自転時）の空気抵抗を軽減してモーターの負荷を減らすことができる。
さらに、図６の（ｄ）のように、円筒体翼の表面に大小の隆起を螺旋状に形成しても良い。大小の隆起は翼長手方向で配列などピッチを変えることができ、これにより風速の高度分布に応じたマグナス効果の効率を向上することができる。また、円筒体翼の剛性も向上するという効果もある。なお、前記隆起を形成するものとして導電体を用い、導電体を螺旋状に巻き付けることで落雷対策も可能である。
【００３０】
以上述べたように、自転時の空気抵抗を低減させる、あるいはスパイラル状に隆起をつけて空気が翼根部に向って流れるようにする等、円筒体翼２の表面形状を工夫することにより、マグナス効果の効率を向上させることができる。よって、発電が効率よく行われる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、風速に関わらず起動性が良好であり、効率良く発電を行うことができるので、比較的風速の低い領域にも設置することができる縦軸式マグナス型風力発電装置への適用に際して有益である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態１に係る縦軸式マグナス型風力発電装置の正面図である。
【図２】実施形態１に係る縦軸式マグナス型風力発電装置の制御方式の説明図である。
【図３】実施形態１に係る縦軸式マグナス型風力発電装置の制御方式の構成を示すブロック図である。
【図４】風向との位相差による円筒体翼の回転方向を表した特性テーブルの一例を示す図である。
【図５】実施形態１に係る縦軸式マグナス型風力発電装置の参考斜視図である。
【図６】円筒体翼の表面形状の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
２      円筒体翼（翼）
３      モーター
４      支持部材
６      発電機軸
１０    縦軸式マグナス型風力発電装置
１４    発電機
１６    風向計
１７    アジマス角計
１８    風速計
【図１】
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【図２】
2010121518.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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