(57)【要約】【課題】  小型・中型の風力発電機において、尾翼による風向制御と、支柱高さが低い位置であってもより効率よく発電が可能な風力発電システムの提供と日本の風況に適合する風力発電装置を提供するものである。  【解決手段】  一本の支柱上部に、支柱に対し３６０°自在に旋回する旋回ハブとスリップリング兼ケ−シングを配設し、後方に尾翼ア−ムと垂直尾翼を固設し、前方には風力発電機用ア−ムを配設し、左右２台の風力発電機を固設する。左右の風力発電機はプロペラの回転軸芯において、それぞれト−イン角とキャスタ−角を持たせて装置に固設し、尾翼による風向制御が容易に出来る構造を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上に立設する支柱の上部に支柱に対し３６０°自在に旋回する旋回用ハブを配設させて、該旋回用ハブにスリップリング兼ケ−シングを固設し、該スリップリング兼ケ−シングの後端に尾翼用ア−ムを配設させ、該尾翼用ア−ムの後端部に尾翼を設け、該スリップリング兼ケ−シングの前端に風力発電機用ア−ムを左右に垂設し、該風力発電機用アームの両端左右にそれぞれ風力発電機を互いに所定間隔離間させて固設したことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
上記２つの風力発電機の回転軸に各々プロペラが固設され、２つの該プロペラは互いに反対方向に回転するように逆ピッチに形成されていることを特徴とする請求項1の風力発電装置。
【請求項３】
上記尾翼は２つの上記風力発電機の間に配設され、２つの上記プロペラによる乱気流の影響が受けない位置にあり、上記尾翼ア−ムの後方に設置する事を特徴とする請求項１または請求項２、記載の風力発電装置。
【請求項４】
上記風力発電機用ア−ムは支柱の左右に等間隔離間して伸び、上記スリップリング兼ケーシングに固設することを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３、記載の風力発電装置。
【請求項５】
上記の２つの風力発電機の回転軸の中心線は、側面から見て支柱垂直線に直交する水平線に対し、上向きに一定角度(キャスタ−角)を持って風力発電機用アームに風力発電機を固設していることを特徴とする請求項１，請求項２，請求項３または請求項４、記載の風力発電装置。
【請求項６】
上記の２つの風力発電機の回転軸の中心線は、上面から見て尾翼アーム中心線に対しそれぞれ斜め外側に一定角度(ト−イン角)を持って風力発電ア−ムに風力発電機を固設していることを特徴とする請求項１，請求項２，請求項３，請求項４または請求項５、記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、日本の風の特長が風の塊が小さくかつ弱い風で、しかも風向の時間的変化が激しいことに鑑み、その様な条件にも対応できる小型・中型の風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の風力発電装置は、支柱の上端にプロペラをもつ１台の風力発電機が設けられ、風力発電機の後方に尾翼が配設された形式のもの、通称アップウインド型が一般に知られている。またこれとは別に支柱の後方にプロペラと発電機が配設される形式、通称ダウンウインド型がある。
【０００３】
前記アップウインド型風力発電装置は、尾翼によってプロペラが風向きに直角に向くように追従させ、風速によってプロペラが回転され、プロペラの回転力によって風力発電機が回転して発電するように構成されている。
【０００４】
「特許文献１」に記載の風力発電システムは、風向風速計を用い、風力発電機が受ける風の風向風速及び到達時間を予測し、この予測デ−タを基にコントロ−ラに導き、該コントロ−ラの制御信号によって、風力発電機のプロペラ回転面を予測した風向に合わせるように、モーターによりギヤーを介してヨ−角制御すると共に、プロペラブレ−ドのピッチ角を風速に対して最大出力となるよう最適化させるものである。  
【０００５】
「非特許文献１」では地上高さと風速の変化について実験した成果が発表されているが、それによれば高さが高い程風速が強いことが解る。しかし５０（ｍ）を越えるあたりから高さが１０（ｍ）増すごとの風速変化率が約０．２（ｍ／ｓ）と急激に少なくなる。一方高さ４０（ｍ）で風速５．１８（ｍ／ｓ）、３０（ｍ）で４．５９（ｍ／ｓ）、２０（ｍ）で３．４７（ｍ／ｓ）、１０（ｍ）では２．０（ｍ／ｓ）程度と高さが低くなるほど風速変化率は大きくなる。これは大型風車が高い位置で稼働している由縁である。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８５８５７号公報。
【非特許文献１】林  農；「中風速地域での  Wind  Farm  建設の条件」、第26回風力エネルギ−利用シンポジウム資料集、日本風力エネルギ−協会及び日本科学技術振興財団、平成16年11月、ｐ．79〜82。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
支柱の最上端に一機の風力発電機が設けられ、風力発電機の後方に尾翼が配設される風力発電装置では、プロペラによって引き起こされた乱気流によって、尾翼による風向制御に不確実性を与える問題がある。また、プロペラが後方の支柱と一致する回転位置でいわゆる風切り音が発生する。
【０００８】
「特許文献１」に記載の風力発電システムでは、風向風速計によって風車の回転軸が風向に一致するように、ヨ−角を制御すると共に、プロペラブレ−ドのピッチ角を風速に対して最大出力となるよう最適化させるが、風速計や制御回路を必要としているため、コスト高となり故障リスクが大きくなる。またこの方法は風向の時間的変化が激しいところでは風向制御に制御遅れを引き起こす。またプロペラの後方にある支柱との間で騒音を発生する装置となる。
【０００９】
本発明は、風向変化に機敏に追従させ、支柱を高くしなくても設備利用率の良い、しかも２つの発電機を一本の支柱に搭載することによるコスト安の風力発電装置として提供するものである。
【００１０】
風況は先に「非特許文献１」で述べたように、５０（ｍ）以上の高い所では風速変化率が少ないが、逆に低くなるほど変化率が大きくプロペラに掛る曲げモーメントの変化も大きい。例えば、回転半径１０（ｍ）のプロペラではその面積は３１．４（ｍ2）となりこれを２台設置すると６２．８（ｍ2）となる。高さ３０（ｍ）の支柱に風車を設置したとすると、最高部は４０（ｍ）で予想される風速は５．１８（ｍ／ｓ）、最低部は２０（ｍ）で３．４７（ｍ／ｓ）となり、これより風速の変化率は１．７１と算出される。
これを支柱高さを同じく３０（ｍ）にとって設置した場合に、風車１台で同一電力を発生する条件で計算すると、回転半径が１４．１４（ｍ）となり、プロペラの最高部は４４．１４（ｍ）、最低部は１５．８６（ｍ）となる。この場合のプロペラの最高部位置での風速は５．３３（m／ｓ）、最低部は２．７４（ｍ／ｓ）となり、風速変化率は２．５９と算出される。これより回転半径１０（ｍ）の風車を２台設置した場合とそれと同等の風力発電能力を持つ回転半径１４．１４（ｍ）の風車を１台だけ設置した場合で比較すると、風速変化率に関しては１台で構成した方が２台で構成した場合の約１．５１５倍と大きくなる。プロペラへの曲げモーメントに関しては１台の方が不利となり、風のエネルギーが風速の３乗に比例することから考えると、小さな風車を横に複数並べて設置した方がプロペラに掛かる曲げモーメント負担が小さくなり、破損の原因を軽減し耐久性を高めることに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決すべく本発明は以下の構成を提供する。請求項１に関わる発明は、地上に立設する支柱の最上部に支柱に対し３６０°自在に旋回可能な旋回用ハブを配設し、該旋回用ハブにスリップリング兼ケ−シングを固設し、該スリップリング兼ケ−シングの後端に尾翼用ア−ムを配設し、該尾翼用ア−ムの後端部に垂直尾翼を設ける。該スリップリング兼ケ−シングの前端には風力発電機用ア−ムを固設し、該風力発電機用ア−ムの両端にそれぞれ１つづつの風力発電機を互いに所定間隔離間させて設けることを特徴とする風力発電装置を提供するものである。
【００１２】
請求項２に関わる発明は、上記２つの風力発電機の回転軸にそれぞれプロペラが固設され、２つの該プロペラは互いに反対方向に回転するように逆ピッチに形成されていることを特徴とする請求項１、記載の風力発電装置を提供するものであり、プロペラの回転による装置全体にかかる反作用トルクを、互いに２つの逆方向に回転するプロペラによって打ち消す効果をもたらすものである。
【００１３】
請求項３に関わる発明は、垂直尾翼が２つの上記風力発電機の間に配設されるので、２つの上記プロペラによる乱気流の影響を受けない位置にあり、上記尾翼アームの後方に設置することを特徴とする請求項１または請求項２記載の風力発電装置である。これによりプロペラによる空気の乱流圏外にある尾翼で、ヨ−角制御を安定的に実現させる効果をもたらすものである。  
【００１４】
請求項４に関わる発明は、風力発電機用ア−ムが支柱垂直線の左右に等間隔離間して伸び、上記旋回用ハブに固設することを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３、記載の風力発電装置である。
【００１５】
請求項５に関わる発明は、２つの風力発電機の回転軸の中心線は、側面から見て支柱垂直線に直角に交差する水平線に対し、上向きに一定角(キャスター角)を持って風力発電機用アームに固設したことを特徴とする請求項１，請求項２，請求項３または請求項４、記載の風力発電装置である。この機構により自動車など車輌の方向操作に関わるキャスタ−角を与えて、風力発電装置の旋回性能を高め、僅かな回転力で風向方向に風力発電装置を旋回させる機能を与えることが出来る。キャスタ−角が大きければ旋回力が強くなるが同時に乱流に対して脆弱となるため、その値の選定は５〜１０度程度が適切である。
【００１６】
請求項６に関わる発明は、２つの風力発電機の回転軸の中心線は、上面から見て、尾翼中心線に対してそれぞれ斜め外側に開き、一定角(ト−イン角)を持って風力発電機用アームに固設されていることを特徴とする請求項１，請求項２，請求項３，請求項４または請求項５、記載の風力発電装置である。この機構は、自動車など車輌の操舵車輪にト−イン角を与えて直進安定性能を与える原理のように、風向に対し安定する。一方風向が変化した場合に風向方向に対し直角に近い回転軸を持つプロペラの面が、より多くの風量を受け、これが抗力となり尾翼によらないで、装置全体を旋回させるトルクが発生し、常時風向を向くことになる。すなわち自動風向調整機構として動作する。これは風向制御装置を簡素化並びに小勢力化ならしめる効果を有する。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１記載の、地上に立設する支柱の上部に支柱に対し３６０°旋回自在な旋回用ハブを配設し、該旋回用ハブにスリップリング兼ケ−シングを固設し、該スリップリング兼ケ−シングの後端に尾翼用ア−ムを配設し、該尾翼用ア−ムの後端部に垂直尾翼を設け、該スリップリング兼ケ−シングの前端に風力発電機用ア−ムを固設し、該風力発電機用アームの両端左右にそれぞれ風力発電機を互いに所定間隔離間させて固設したことを特徴とする風力発電装置は一本の支柱に２個の発電機を搭載できる事からコスト面で有利である。
【００１８】
一方風車を横に複数並べることによりプロペラ部における高さによる風速変化率を少なく押え、プロペラに掛かる曲げモーメントの変化率を少なくしてプロペラの機械的振動疲労を減少させ、同時に多くの風力エネルギーを得ることが出来る利点がある。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、２つの風力発電機の回転軸に、それぞれプロペラが固設され、２つの該プロペラは互いに反対方向に回転するように逆ピッチに形成されているので、プロペラの回転による反作用トルクが互いに対抗するため、打ち消し合う効果をもたらし、尾翼によるヨ−角制御を誤差を持たずに実現することを保証するものである。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、尾翼は２つのプロペラの間に配設され、２つの該プロペラによる乱気流の影響を受けない位置にあり、よってヨ−角制御が安定的に実現できる効果が得られる。  
【００２１】
請求項４、請求項５、請求項６、記載の発明によれば、風力発電機用ア−ムが支柱の左右に等間隔離間して伸び、旋回用ハブに固設することを特徴とし、風力発電機の回転軸芯が、尾翼ア−ム中心線に対してそれぞれ斜め外側に向けて固設され、水平線に向かって上を向いたキャスター角を有する事は、装置全体を操舵する上で機敏かつ小勢力で作動する事が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。図１−１、図１−２、は上面図。図２および図３は側面図である。風力発電装置１−Ｌは、プロペラ１−Ａ，発電機１−Ｃ、回転軸１−Ｅで構成される。風力発電装置１−Ｒは、プロペラ１−Ｂ、発電機１−Ｄ、回転軸１−Ｆで構成される。地上に立設する支柱２の上部に支柱に対し３６０°自在に旋回する旋回用ハブ３を配し、旋回用ハブ３にスリップリング兼ケ−シング４を固設する。スリップリング兼ケ−シング４の後端に尾翼用ア−ム５が配設され、尾翼用ア−ム５の後端部に垂直尾翼６を固設する。スリップリング兼ケ−シング４の前端に風力発電機用ア−ム７を固設し、その両端にそれぞれ風力発電機１−Ｌ、１−Ｒが所定間隔離間されて設けられている。  
【００２３】
前記風力発電機用ア−ム７は、スリップリング兼ケ−シング４の前方(尾翼と反対側)に固設し、７−Ｌ、７−Ｒの先端に風力発電装置１−Ｌ、１−Ｒを固設する。所定離間間隔を維持する為に突っ張り棒７−Ａを配することがある。
【００２４】
回転軸１−Ｅ，及び回転軸１−Ｆの中心線が、支柱芯線Ｎに直角に交差する水平線Ｌに対しβ°上方に向く(キャスタ−角)ように風力発電機用ア−ム７−Ｌ、７−Ｒの先端に風力発電装置１−Ｌ、１−Ｒを固設する。
【００２５】
一方風向Ｗ−１に対し、回転軸１−Ｅ，及び回転軸１−Ｆの中心線が、尾翼ア−ム中心線Ｍに対しそれぞれ外側に向かってα°開いた形(ト−イン角)で風力発電装置１−Ｌ、１−Ｒを固設する。
【００２６】
図１−１、図１-２は本発明の風力発電装置の上から見た上面図である。図１−２は風向Ｗ-１が変化して風向Ｗ-２になった時の装置自体のプロペラによる旋回時の変化の途中を含めて（破線で示す）表したものである。図１-１において風向Ｗ−１から風向Ｗ−２へ変化した時、プロペラ１−Ｌに対する風向との角度θ２°はプロペラ１−Ｒに対する角度θ１°より大きくなることが解る。このことはプロペラ１-Ｌに掛かる抗力がプロペラ１−Ｒに掛かる抗力より強いために図面上で時計回りの旋回力が働き、それによって装置全体が時計回りの旋回力が作動し、風向に対してプロペラが直角になるまで回転する。もし行き過ぎた場合にはその逆の作用がプロペラ１−Ｒに働き旋回力が反対となり再び風向Ｗ−２に直角となるように戻る。このようにして風向の変化を尾翼ばかりでなく、プロペラ自体の抗力による旋回力も加わり、装置全体を風向に対して常時真正面に向けさせ、風力発電機が最大出力となるように機能する。
【００２７】
図２は、装置を正面から見た図である。支柱一本に風力発電機２台を並べる事によりほぼ同じ風速を受けることとなる。このことは同じ電気出力を１台で発生させる場合に比べ２台による方がプロペラ直径が短くなり、風速の変化率の多い我国の風況に適した構造と言える。また一本の支柱に２台の風力発電機を載せることから設備コストの削減に寄与する。一方、プロペラによる後方の支柱との交差による風切り音が出ないことも特長と言える。
【００２８】
図３は装置を側面から見た図である。図２に示すように尾翼がプロペラの乱気流の受けない位置に配置されていることと、並びに図３に示すように風力発電機にキャスタ−角を持たせること、図１−１及び図１−２に示すト−イン角をそれぞれのプロペラに持たせることで、尾翼以外の部分による旋回力が得られ、尾翼を小さく設計できることがこの装置の大きな特長である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の風力発電装置の上から見た上面図
【図２】本装置の正面図
【図３】本装置の側面図
【符号の説明】
【００３０】
１  風力発電装置
１−Ｌ  左風力発電装置
１−Ｒ  右風力発電装置
１−Ａ  左ピッチプロペラ
１−Ｂ  右ピッチプロペラ
１−Ｃ  左発電機
１−Ｄ  右発電機
１−Ｅ  左回転軸
１−Ｆ  右回転軸
２  地上に立設する支柱
３  旋回用ハブ
４  スリップリング兼ケ−シング
５  尾翼用ア−ム
６  垂直尾翼
７  風力発電機用ア−ム
７-Ｌ  左風力発電機用アーム
７−Ｒ  右風力発電機用アーム  
α°  ト−イン角
β°  キャスタ−角
θ1°  風向Ｗ-２とプロペラ１-Ｒに対する角度
θ2°  風向Ｗ-２とプロペラ１-Ｌに対する角度
Ｗ−１  風向
Ｗ−２  風向
Ｎ  支柱垂直線
Ｌ  支柱水平線
Ｍ  尾翼ア−ム中心線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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