(57)【要約】【課題】小型風力発電装置であって、強風時、ブレードに作用する風力を十分低減できる程度に風車の向きを変化させる。【解決手段】風Ｗを受けて風車２が回転し、この風車２の回転によりナセル３が発電を行う小型風力発電装置Ｍであって、回転速度検出手段５が風車２の回転速度ＲＶを検出し、風車２と風車方向変更手段７との間に設けられたクラッチ手段６が、風車２の回転速度ＲＶが基準値以上のときは風車２の回転を風車方向変更手段７に伝達し、風車２の回転速度ＲＶが基準値未満の時は風車２の回転を風車方向変更手段７に伝達しないようにする。風車方向変更手段７が、風車２の回転により駆動されて風車２の向きを上下方向もしくは左右方向のいずれか一方に向けて変化させる。【選択図】図２
2011027078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けて回転する風車と、
該風車の回転により駆動されて発電を行うナセルと、
前記風車の回転により駆動されて該風車の向きを上下方向もしくは左右方向のいずれか一方に向けて変化させる風車方向変更手段と、
前記風車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記風車と前記風車方向変更手段との間に設けられ、前記回転速度検出手段により検出された前記風車の回転速度が基準値以上のときは前記風車の回転を前記風車方向変更手段に伝達し、前記風車の回転速度が前記基準値未満のときは前記風車の回転を前記風車方向変更手段に伝達しないようにするクラッチ手段とを備えていることを特徴とする小型風力発電装置。
【請求項２】
前記クラッチ手段が、前記回転速度検出手段により検出された前記風車の回転速度が前記基準値以上であり、且つ該基準位置以上の回転速度の継続時間が所定時間以上のときに前記風車の回転を前記風車方向変更手段に伝達することを特徴とする請求項１に記載の小型風力発電装置。
【請求項３】
前記風車方向変更手段が、前記風車が前記風に対して略垂直方向を向くまで前記風車の向きを変化できることを特徴とする請求項１または２に記載の小型風力発電装置。
【請求項４】
前記風に対して略垂直方向を向いた前記風車の向きを固定するロック手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の小型風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型風力発電装置に関する。より詳しくは、強風時、ブレードに作用する風力が低減するように風車の向きを変化させる小型風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンな自然エネルギーを利用して発電する発電装置として風力発電装置が注目されている。この風力発電装置は、複数のブレードを有する風車およびナセルを備え、風車が風を受け、ブレードに風力が作用することで風車が回転し、風車の回転軸に接続された、ナセル内の発電機が駆動して発電を行うものである。
【０００３】
風力発電装置においては、強風時、ブレードに作用する風力が増大すると、風車の回転速度が増加してブレードが折損し、風車が破損する虞がある。また、風車の回転速度の増加によって発電機が過回転し異常発電を行う虞がある。
【０００４】
このような事態を回避するために、大型風力発電装置では、ブレードの基端に、サーボモータ、傘歯車機構および減速機等からなる、ブレードのピッチ角を調整するピッチ角調整手段を設け、強風時、ブレードが風に対して平行となるようにピッチ角を調整することにより、ブレードに作用する風力を低減させて風車の回転速度を低下させることが知られている。
【０００５】
このピッチ角調整手段は、上記の通り、駆動源およびピッチ角変更機構を必要とするため大型であり、スペースの制約を有する小型風力発電装置には、このようなピッチ角調整手段をブレードの基端に設けることは困難である。
【０００６】
特許文献１には、このようなピッチ角調整手段を用いずに、風車およびナセルを支持する支柱および支線を撓み易い材料で構成し、強風時、材料の弾性によって支柱および支線が撓むことにより、風車およびナセル自体の向きを変化させてブレードに作用する風力を低減させる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２７０４５６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に提案された技術では、風車およびナセルの向きを変化させるために、支柱および支線の材料は弾性を必要とするが、一方で、この支柱および支線は風車およびナセルを支持するために、これらの材料はある程度の剛性も必要である。したがって、支柱および支線の材料の特性を利用するだけでは、強風時、ブレードに作用する風力を十分に低減させる程、風車およびナセルの向きを十分に変化させることができない虞がある。
【０００９】
本発明の目的は、上記事情に鑑み、強風時、ブレードに作用する風力を十分低減できる程、風車の向きを変化できる小型風力発電装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の小型風力発電装置は、風を受けて回転する風車と、この風車の回転により駆動されて発電を行うナセルと、風車の回転により駆動されてこの風車の向きを上下方向もしくは左右方向のいずれか一方に向けて変化させる風車方向変更手段と、風車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、風車と風車方向変更手段との間に設けられ、回転速度検出手段により検出された風車の回転速度が基準値以上のときは風車の回転を風車方向変更手段に伝達し、風車の回転速度が基準値未満のときは風車の回転を風車方向変更手段に伝達しないようにするクラッチ手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
ここで、「風車の向き」とは、風車が受ける風に対しての向きを意味する。上記「基準値」とは、風車の回転速度の閾値を意味するものであり、風速が１６ｍ／ｓｅｃ程度の場合の風車の回転速度であり、具体的には、６００ｒｐｍ程度、より望ましくは５５０ｒｐｍ程度である。
【００１２】
また、本発明の小型風力発電装置は、クラッチ手段が、回転速度検出手段により検出された風車の回転速度が基準値以上であり、且つこの基準値以上の回転速度の継続時間が所定時間以上のときに風車の回転を風車方向変更手段に伝達するものであってもよい。
【００１３】
ここで、「所定時間」とは、基準値以上の回転速度の継続時間の閾値を意味するものであり、望ましくは５秒程度である。
【００１４】
また、本発明の小型風力発電装置は、風車方向変更手段が、風車が風に対して略垂直となるまで風車の向きを変化できるものであってもよい。
【００１５】
ここで、「風に対して略垂直」とは、風車が風に対して略垂直方向を向いている状態の意味であり、具体的には、風車が風に対して８０度程度以上に傾いている状態であり、望ましくは、風に対して８５度程度以上に傾いている状態である。
【００１６】
また、風に対して略垂直状態となった風車の向きを固定するロック手段を備えるものであってもよい。
【００１７】
ここで、「略垂直状態となった」とは、完全に略垂直状態となった場合のみに限定されるものではなく、略垂直状態に近い状態となった場合をも含むものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の小型風力発電装置によれば、風を受けて回転する風車と、この風車の回転により駆動されて発電を行うナセルと、風車の回転により駆動されてこの風車の向きを上下方向もしくは左右方向のいずれか一方に向けて変化させる風車方向変更手段と、風車の回転速度を検出する回転速度検出手段と、風車と風車方向変更手段との間に設けられ、回転速度検出手段により検出された風車の回転速度が基準値以上のときは風車の回転を風車方向変更手段に伝達し、風車の回転速度が基準値未満のときは風車の回転を風車方向変更手段に伝達しないようにするクラッチ手段を備えることにより、新たな駆動源を設けずに、風車の回転を利用して風車の向きを変化させることが可能であり、また、新たな駆動源を設ける必要がないため、スペースの制約を有する小型風力発電装置にも適用が可能である。
【００１９】
また、本発明の小型風力発電装置は、材料の特性を利用するものではなく、風車方向変更手段によって風車の向きを変化させるものであり、強風時、ブレードに作用する風力を十分に低減させる程、風車の向きを変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態である小型風力発電装置の正面図
【図２】本発明の実施形態である小型風力発電装置の側面図
【図３】本発明の実施形態である小型風力発電装置の上面図
【図４】本発明の実施形態である小型風力発電装置の強風時の態様図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の小型風力発電装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の小型風力発電装置の実施形態である小型風力発電装置Ｍの正面図、図２は、小型風力発電装置Ｍの側面図、図３は、小型風力発電装置Ｍの上面図を示す。なお、図２および図３においては、理解を容易にするため、一部を断面とし、内部を図示している。
【００２２】
小型風力発電装置Ｍは、ベースユニット１と、風Ｗを受ける風車２と、風車２の回転により発電を行うナセル３と、向きが変化した風車２およびナセル３を固定するロック機構４と、風車２の回転速度を検出する回転計５と、風車２の回転を伝達するクラッチ装置６と、伝達された回転により風車２およびナセル３の向きを変化させる風車方向変更機構７とから構成される。
【００２３】
ベースユニット１は、風車２、ナセル３およびロック機構４を支持するものであり、スタンド１１と、スタンド１１の上方に取り付けられた略Ｕ字形状のフレーム１２と、フレーム１２の両端で固定支持された断面円形のシャフト１３とから構成されている。
【００２４】
ベースユニット１は、図示する通り、シャフト１３がナセル３を貫通する状態で風車２およびナセル３を支持し、フレーム１２の下部でロック機構４を支持するものである。
【００２５】
風車２は、複数のブレード２１と、回転軸２２を有し、風車２が風Ｗを受け、その風力がブレード２１に作用することにより、回転軸２２が回転する。ブレード２１は、風力が作用すると回転軸２２が図中Ｒ１方向に回転するように、そのピッチ角が調整されている。
【００２６】
ここで、風車２の向きが、図１および図２に示すようなブレード２１が風Ｗと対向する場合、風車２の受風面積が最大となり、ブレード２１に作用する風力も最大となる。ここで、受風面積とは、風Ｗに対して垂直方向の風車２の面積を意味する。強風時、図１および図２に示すような風車２の向きを維持すると、風車２の回転速度が上がり、ブレード２１が折損する虞や、後述する発電機３３が過回転によって異常発電を行う虞がある。
【００２７】
ナセル３は、風車２の回転によって発電を行うものであり、ナセル３自体がシャフト１３に対して回転自在となるように両側に設けられた軸受３１と、ナセル３の後部に取り付けられた突起３２と、発電機３３と、発電機３３を駆動させる駆動軸３４と、駆動軸３４に接続され、風車２の回転を増速させて駆動軸３４に伝達する増速機３５とから構成される。
【００２８】
増速機３５は、回転軸２２に接続された歯数の多い歯車３５ａと、駆動軸３４に接続された歯数の少ない歯車３５ｂとから構成される。また、ナセル３は、後述する回転計５、クラッチ装置６および風車方向変更機構７を内蔵する。
【００２９】
ロック機構４は、強風時、風車２の向きが変化したナセル３を固定するものであり、略凹形状のホルダー４１と、フレーム１２の下部とホルダー４１の底部とを連結するスプリング４２とから構成される。ホルダー４１は、突起４１ａおよび突起４１ｂによって略凹形状を形成し、本実施形態では、突起４１ｂが突起４１ａよりも高くなっている。なお、ロック機構４の動作については後述する。
【００３０】
回転計５は、回転軸２２に接続され、風車２の回転速度ＲＶを検出するものである。具体的に、回転計５は、風車２の毎分の回転数を検出するものである。風車２の回転速度ＲＶは、後述するクラッチ装置６へ逐次送信される。
【００３１】
クラッチ装置６は、回転計５が検出した回転速度ＲＶに基づいて、風車２の回転を後述する風車方向変更機構７に伝達するものであり、駆動軸３４の反対側の一端に接続された電磁クラッチ６１と、電磁クラッチ６１の伝達によって回転する出力軸６２とから主に構成される。
【００３２】
駆動軸３４は、増速機３５を介して風車２の回転が常時伝達されている。また、回転計５が検出した回転速度ＲＶは、クラッチ装置６の不図示の制御部に逐次入力され、この不図示の制御部からの指令により、電磁クラッチ６１が駆動軸３４の回転を出力軸６２に伝達する。
【００３３】
クラッチ装置６は、検出された回転速度ＲＶが基準値未満のときは、電磁クラッチ６１をオフ状態にして駆動軸３４の回転を出力軸６２に伝達せず、回転計５が検出した回転速度ＲＶが基準値以上のとき、電磁クラッチ６１をオン状態にして駆動軸３４の回転を出力軸６２に伝達する。回転速度ＲＶの基準値は、風速が１６ｍ／ｓｅｃ程度の場合の風車２の回転速度ＲＶであり、具体的には、６００ｒｐｍ程度、より望ましくは５５０ｒｐｍ程度である。
【００３４】
また、クラッチ装置は、基準値以上の回転速度ＲＶが所定時間以上継続する場合に限り、電磁クラッチ６１をオン状態にすることも可能である。これにより、突風のような、強風が一時的なものである場合に、風車２の向きを変化させて発電機３３の発電が少なくなることを回避できる。具体的な上記所定時間は５秒程度である。
【００３５】
また、クラッチ装置６は、風車方向変更機構７からの風車２の向き情報に基づいて、風車２の向きの変化が完了している場合、電磁クラッチ６１をオフ状態とする。
【００３６】
また、クラッチ装置６は、風車方向変更機構７からの風車２の向き情報に基づいて、風車２の向きが初期状態の場合、すなわち風車２の向きが変化を開始していない場合において、オフ状態の電磁クラッチ６１が内蔵するシャフトロック機構を作動させて出力軸６２を固定するものとし、風車２の向きが初期状態ではない場合、すなわち風車２の向きが変化中もしくは変化完了後において、オン状態の電磁クラッチ６１が内蔵するシャフトロック機構を作動させず、出力軸６２を回転可能にさせている。
【００３７】
風車方向変更機構７は、クラッチ装置６から伝達された回転を利用して風車２およびナセル３の向きを変化させるものであり、べべルギア７１と、回転軸７２と、クラッチ装置６に接続する減速機７３とから構成される。この風車方向変更機構７は、強風時、風車２が風Ｗに対して略垂直となるまで、風車２およびナセル３の向きを変化させるものであり、具体的に、風車２の向きを風Ｗに対して８０度程度以上、望ましくは、８５度程度以上に変化させるものである。
【００３８】
べべルギア７１は、シャフト１３に固定支持された歯数の多い傘歯車７１ａと回転軸７２に接続された歯数の少ない傘歯車７１ｂとから構成されている。減速機７３は、回転軸７２に接続された歯数の多い歯車７３ａと出力軸６２に接続された歯数の少ない歯車７３ｂとから構成さている。
【００３９】
風車方向変更機構７は、風車２の向きが変化を開始する前であって、電磁クラッチ６１がオフ状態の場合には、出力軸６２への回転が伝わらないため、風車２の向きをそのままの状態で維持するものである。また、風車方向変更機構７は、電磁クラッチ６１がオン状態の場合には、出力軸６２の回転を減速機７３によって減速して回転軸７２に伝達し、これにより、回転軸７２に接続された傘歯車７１ｂが、傘歯車７１ａの周りを図中Ｒ４方向に回転し、傘歯車７１ａがシャフト１３に固定支持されているため、軸受３１によってシャフト１３に対して回転自在に支持されたナセル３および風車２が、シャフト１３を中心にして図中Ｒ４方向に回転することにより、風車２の向きが変化する。
【００４０】
次に、小型風力発電装置Ｍの一連動作について説明する。風車２が風Ｗを受け、その風力がブレード２１に作用することにより、回転軸２２が図中Ｒ１方向に回転する。ここで、回転計５は、回転軸２２の回転速度ＲＶを検出してクラッチ装置６に出力する。回転軸２２の回転が増速機３５を介して駆動軸３４に伝達され、駆動軸３４が図中Ｒ２方向に回転し、この駆動軸３４の回転によって発電機３３が発電を行う。
【００４１】
回転軸２２の回転速度ＲＶが基準値未満の場合、クラッチ装置６は、電磁クラッチ６１をオフ状態にして駆動軸３４の回転を出力軸６２に伝達せず、電磁クラッチ６１が内蔵するシャフトロック機構は出力軸６２に出力しない。これにより、風車方向変更機構７は、風車２の向きを変化させず、現在の風車２の向きを維持する。
【００４２】
回転軸２２の回転速度ＲＶが基準値以上の場合、クラッチ装置６は、電磁クラッチ６１をオン状態にして駆動軸３４の回転を出力軸６２に伝達する。出力軸６２の回転が、減速機７３を介して回転軸７２に伝達され、回転軸７２が図中Ｒ３方向に回転し、傘歯車７１ｂが、傘歯車７１ａの周りを図中Ｒ４方向に回転する。ナセル３および風車２が、シャフト１３を中心にして図中Ｒ４方向に回転することにより、風車２の向きが変化する。なお、風車２の向きが変化する場合であっても、駆動軸３４が回転する限り、発電機３３が発電を継続することは、言うまでもない。
【００４３】
図４は、小型風力発電装置Ｍの強風時の態様図である。図４では、理解を容易にするため、ナセル３の内部構造を図示し、一方でフレーム１２を不図示としている。
【００４４】
図４において、局面Ａが風車２の向きの変化開始時、局面Ｂが風車２の向きの変化中であってロック開始前、局面Ｃが風車２の向きの変化中であってロック開始時および局面Ｄが風車２の向き変化完了であってロック完了の態様を図示している。
【００４５】
局面Ａについて説明する。局面Ａでは、風車２が風Ｗを受けることにより、回転軸２２が図中Ｒ１方向に回転し、増速機３５を介して駆動軸３４が図中Ｒ２方向に回転することにより、発電機３３が駆動する。
【００４６】
強風時、クラッチ装置６が、電磁クラッチ６１によって駆動軸３４の回転を出力軸６２に伝達し、出力軸６２が図中Ｒ２方向に回転する。出力軸６２の回転が、減速機７３を介して回転軸７２に伝達され、回転軸７２が図中Ｒ３方向に回転する。回転軸７２に接続された傘歯車７１ｂが、傘歯車７１ａの周りを回転することにより、風車２およびナセル３がシャフト１３を中心に図中Ｒ４方向に回転を開始する。
【００４７】
局面Ｂについて説明する。局面Ｂでは、風車２が受ける風Ｗが強風であり、回転計５が検出した回転速度ＲＶが基準値以上である場合、風車２およびナセル３は、風車２が上方を向くように、シャフト１３を中心に図中Ｒ４方向に回転を継続する。
【００４８】
ここで、風車２が受ける風Ｗが弱風となり、回転速度ＲＶが基準値未満となった場合、クラッチ装置６は、電磁クラッチ６１をオフ状態とし、オフ状態の電磁クラッチ６１は、風車２の向きが変化中であるため、内蔵するシャフトロック機構を作動させず、出力軸６２を回転可能にする。これにより、風車２およびナセル３の自重によって、出力軸６２が逆回転し、風車２およびナセル３が局面Ａの状態に戻る。風車２の向きが初期状態、すなわち変化開始前に戻ることにより、電磁クラッチ６１の内蔵するシャフトロック機構が作動して出力軸６２を固定し、風車２およびナセル３が局面Ａの状態を維持する。
【００４９】
局面Ｃについて説明する。局面Ｃでは、風車２が上方を向くように、風車２およびナセル３がシャフト１３を中心に図中Ｒ４方向に回転を継続し、風車２の向きが風Ｗに対して略垂直になるまで風車２の向きが変化すると、ナセル３の突起３２がロック機構４の突起４１ａの上面を押圧してロック機構４が動作を開始する。
【００５０】
突起３２が、突起４１ａの上面に当接し、さらにナセル３がシャフト１３を中心に図中Ｒ４方向に回転すると、スプリング４２が撓み、ホルダー４１が下方に移動する。なお、この局面Ｃにおいても、ナセル３はロックされていないため、風車２が受ける風Ｗが弱風となった場合の態様は、局面Ｂの場合と同じである。
【００５１】
局面Ｄについて説明する。局面Ｄでは、ホルダー４１が図中下方に移動を開始してから、さらにナセル３がシャフト１３を中心に図中Ｒ４方向に回転すると、突起３２は突起４１ａの上面を通過し、凹形状のホルダー４１の凹部に達する。
【００５２】
突起３２からの押圧がなくなり、スプリング４２が復元してホルダー４１が上方に移動する。これにより、ナセル３の後部が突起４１ａおよび４１ｂによって保持され、風車２およびナセル３の向きがロックされる。すなわち突起３２によって、ロック機構４は、ラチェット機構として動作する。風車２の向きの変化が完了し、電磁クラッチ６１がオフ状態となることにより、ロック中にナセル３が突起４１ｂを押圧し続けることを回避できる。なお、ロック中にナセル３が突起４１Ｂを押圧し続けることを回避することは、上記の方法に限定されず、傘歯車７１ａの一部に歯を設けず、傘歯車７１ｂを空回りさせることによっても対応が可能である。
【００５３】
ロックの解除は、オペレータが、小型風力発電装置Ｍに強風による破損がないかを目視した後、手動でホルダー４１を押し下げることによって可能である。ロックが解除された風車２およびナセル３は、その自重作用によってシャフト１３を中心に逆回転して局面Ａに戻る。
【００５４】
以上述べたように、本発明の実施形態である小型風力発電装置Ｍは、回転計５、クラッチ装置６および風車方向変更機構７を設けることにより、新たな駆動源を必要とすることなく、風車２の回転によって強風時、風車２の受風面積が最小となるように、風車２およびナセル３の向きを十分変化させることができる。これにより、ブレード２１に作用する風力が低減され、回転速度の増加によるブレード２１が折損して風車２を破損させることおよび発電機３３が異常発電を行うことを回避できる。
【００５５】
また、クラッチ装置６が、風車２の基準値以上の回転速度ＲＶが所定時間以上継続する場合に限り、駆動軸３４の駆動を出力軸６２に伝達することにより、強風が一時的である場合に、風車２の向きを変化させて発電が少なくなることを回避できる。
【００５６】
なお、本実施形態においては、風車方向変更機構７が、強風時に風車２が上方を向くように、風車２およびナセル３の向きを変化させるものとして説明したが、風車方向変更機構７は、強風時の風車２の受風面積が小さくなるように、風車２の向きを変化させるものであればよく、強風時の風車２の向きは上方に限定されるものではない。すなわち強風時の風車２の向きは下方であってもよく、左右方向のいずれか一方に変化するものであってもよい。
【００５７】
例えば、ブレード２１のピッチ角度を調整し、回転軸２２の回転方向を逆にすることにより、強風時に風車２が下方を向くように変化させるものであっても良く、シャフト１３の代わりに鉛直方向に伸びる新たなシャフトを設け、この新たなシャフトに傘歯車７１ａを固定支持するとともに、軸受１３がこのシャフトに対して回転自在となるようにすることで、強風時に風車２が左右方向のいずれか一方を向くように変化させるものであってもよい。
【符号の説明】
【００５８】
Ｍ    小型風力発電装置
ＲＶ  回転速度
Ｗ    風
２    風車
３    ナセル
４    ロック機構
５    回転計
６    クラッチ装置
７    風車方向変更機構
【図１】
2011027078.tif 000003
【図２】
2011027078.tif 000004
【図３】
2011027078.tif 000005
【図４】
2011027078.tif 000006