(57)【要約】【課題】小さい動力で起動をアシストすることができ、かつ運転時に大きな回転力が得られて、総合的な発電効率が良い垂直軸風車方式の風力発電装置を提供する。【解決手段】垂直軸風車方式の風力発電装置は、揚力型の垂直軸風車１と、発電機２と、風速計１１と、垂直軸風車１の単位時間当たりの回転数を検出する回転数センサ１２と、アシスト装置４と、制御装置１３とを備える。アシスト装置４は、垂直軸風車１の回転位置を変更させることが可能である。制御装置１３は、風速計１１によって検出される風速が一定値以上であり、かつ回転数センサ１２によって検出される回転数が一定値以下である場合に、垂直軸風車１を起動可能な回転位置まで回転させるようにアシスト装置４の駆動手段９を制御する。【選択図】図４
2019210913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸風車と、
この垂直軸風車の回転力で発電する発電機と、
風速を検出する風速計と、
前記垂直軸風車の単位時間当たりの回転数を検出する回転数センサと、
駆動手段を有し前記垂直軸風車の回転位置を変更させることが可能なアシスト装置と、
前記風速計によって検出される風速が一定値以上であり、かつ前記回転数センサによって検出される回転数が一定値以下である場合に、前記垂直軸風車を起動可能な回転位置まで回転させるように前記アシスト装置の前記駆動手段を制御する制御装置と、
を備えた垂直軸風車方式の風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の垂直軸風車方式の風力発電装置において、前記垂直軸風車は揚力型である垂直軸風車方式の風力発電装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の垂直軸風車方式の風力発電装置において、前記アシスト装置は、前記駆動手段の一部または全体を構成する直動アクチュエータと、この直動アクチュエータにより進退させられて前記垂直軸風車に対して回転力を付与する回転力付与部材とを有する垂直軸風車方式の風力発電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の垂直軸風車方式の風力発電装置において、前記垂直軸風車の回転を制動するディスクブレーキ装置を備え、前記回転力付与部材は、前記ディスクブレーキ装置のブレーキディスクに押し付けられて、摩擦力により前記回転力付与部材の直進運動を前記ブレーキディスクの回転運動に変換して伝達する垂直軸風車方式の風力発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の垂直軸風車方式の風力発電装置において、前記回転力付与部材は、前記ブレーキディスクの表面を転動自在な回転体であって、前記回転力付与部材の直進運動を前記ブレーキディスクの回転運動に変換して伝達するときは前記回転力付与部材の回転を拘束し、それ以外のときは前記回転力付与部材の回転を許容するワンウェイクラッチを有する垂直軸風車方式の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、垂直軸風車方式の風力発電装置、特に垂直軸風車の起動性を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直軸風車は揚力型と抗力型に大別される。揚力型の垂直軸風車は、高い周速比で大きな回転力が得られるが、起動性が良くない。逆に、抗力型の垂直軸風車は、起動性は良いが、回転力が劣る。そこで、揚力型の垂直軸風車と抗力型の垂直軸風車とを組み合わせて、両者の長所を併せ持つ揚力・抗力複合型の垂直軸風車が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
また、回転力に優れる揚力型の垂直軸風車を用い、モータで垂直軸風車に回転力を与えて起動をアシストする構成が提案されている（例えば特許文献２、３、４）。特許文献２のものは、起動時に垂直軸風車が必要とする回転力を、起動後も連続して与え続ける。特許文献３のものは、垂直軸風車が起動して一定回転数以上になるまでの間だけ回転力を与える。特許文献４のものは、風速が一定値以上になると回転力を与え、垂直軸風車が一定回転数以上で回転するようになると回転力を与えるのを停止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２８３７１３号公報
【特許文献２】特開２００３−３１４４２９号公報
【特許文献３】特許第４２３６９６９号公報
【特許文献４】特開２０１７−２０３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のような、揚力型の垂直軸風車と抗力型の垂直軸風車を組み合わせた揚力・抗力複合型の垂直軸風車は、起動性が良く、抗力型の垂直軸風車と比べて大きな回転力が得られる。しかし、揚力型の垂直軸風車と比べると回転力が劣る。
【０００６】
特許文献２、３、４のように、揚力型の垂直軸風車を使用し起動をアシストする構成は、揚力型の垂直軸風車の短所である起動性の悪さを克服しつつ、長所である回転性の良さを最大に発揮させることができる。しかし、アシストのための動力が大きいと、発電効率の低下に繋がる。
【０００７】
この発明の目的は、小さい動力で起動をアシストすることができ、かつ運転時に大きな回転力が得られて、総合的な発電効率が良い垂直軸風車方式の風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の垂直軸風車方式の風力発電装置は、揚力型の垂直軸風車と、この垂直軸風車の回転力で発電する発電機と、風速を検出する風速計と、前記垂直軸風車の単位時間当たりの回転数を検出する回転数センサと、駆動手段を有し前記垂直軸風車の回転位置を変更させることが可能なアシスト装置と、前記風速計によって検出される風速が一定値以上であり、かつ前記回転数センサによって検出される回転数が一定値以下である場合に、前記垂直軸風車を起動可能な回転位置まで回転させるように前記アシスト装置の前記駆動手段を制御する制御装置とを備える。
【０００９】
風速が一定値以上であるにもかかわらず、垂直軸風車の回転数が一定値以下である状態は、風速は十分あるのに、垂直軸風車の回転位置が悪くて起動できない状態である。この場合、アシスト装置により垂直軸風車を起動可能な回転位置まで回転させる。これにより、垂直軸風車が起動可能となって回転を始める。
アシスト装置は、垂直軸風車の回転位置が悪い場合にだけ作動し、また垂直軸風車を起動可能な回転位置まで回転させるだけである。このため、起動をアシストするための動力を抑えることができる。余分な動力を使わない分だけ、発電効率が向上する。
【００１０】
この発明において、前記垂直軸風車が揚力型であるとよい。
揚力型の垂直軸風車は起動性が良くないので、この発明の構成を採用したことによる効果が顕著に現れる。起動後は、揚力型の垂直軸風車の特長である大きな回転力が得られる。
【００１１】
この発明において、前記アシスト装置は、前記駆動手段の一部または全体を構成する直動アクチュエータと、この直動アクチュエータにより進退させられて前記垂直軸風車に対して回転力を付与する回転力付与部材とを有していてもよい。
駆動手段が直動アクチュエータを用いた構成であると、駆動手段の動きが明快となり、アシスト装置全体の構成を簡易にすることができる。
【００１２】
前記垂直軸風車の回転を制動するディスクブレーキ装置を備える場合、前記回転力付与部材は、前記ディスクブレーキ装置のブレーキディスクに押し付けられて、摩擦力により前記回転力付与部材の直進運動を前記ブレーキディスクの回転運動に変換して伝達するものであってもよい。
ブレーキディスクは表面の摩擦係数が大きい部材であるため、回転力付与部材を押し付けることで大きな摩擦力が得られる。また、ブレーキディスクは比較的直径の大きな円板状の部材であるため、このブレーキディスクの外周縁の近くに回転力付与部材を押し付けることで、出力の小さな直動アクチュエータを用いても、ブレーキディスクを回転させることができる。
【００１３】
また、前記回転力付与部材は、前記ブレーキディスクの表面を転動自在な回転体であって、前記回転力付与部材の直進運動を前記ブレーキディスクの回転運動に変換して伝達するときは前記回転力付与部材の回転を拘束し、それ以外のときは前記回転力付与部材の回転を許容するワンウェイクラッチを有していてもよい。
この構成によると、ワンウェイクラッチにより回転力付与部材の回転が拘束された状態では、回転力付与部材の直進運動がブレーキディスクの回転運動に変換して伝達される。また、ワンウェイクラッチにより回転力付与部材の回転が許容されている状態では、回転力付与部材からブレーキディスクへ運動が伝達されない。このため、回転力付与部材がブレーキディスクに常時押し付けられた状態であっても、アシスト装置により、垂直軸風車に対して起動用の回転力を付与する方向にだけブレーキディスクを回転させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の垂直軸風車方式の風力発電装置は、揚力型の垂直軸風車と、この垂直軸風車の回転力で発電する発電機と、風速を検出する風速計と、前記垂直軸風車の単位時間当たりの回転数を検出する回転数センサと、駆動手段を有し前記垂直軸風車の回転位置を変更させることが可能なアシスト装置と、前記風速計によって検出される風速が一定値以上であり、かつ前記回転数センサによって検出される回転数が一定値以下である場合に、前記垂直軸風車を起動可能な回転位置まで回転させるように前記アシスト装置の前記駆動手段を制御する制御装置とを備えるため、小さい動力で起動をアシストすることができ、かつ運転時に大きな回転力が得られて、総合的な発電効率が良い。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の一実施形態に係る垂直軸風車方式の風力発電装置の概略構成を示す正面図である。
【図２】図１のII−II平面図である。
【図３】垂直軸風車の回転位置と風向との関係を示す説明図である。
【図４】同風力発電装置のアシスト制御系を示すブロック図である。
【図５】アシスト制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
この発明の一実施形態を図１〜図５と共に説明する。
図１に示すように、この垂直軸風車方式の風力発電装置は、垂直軸風車１と発電機２とディスクブレーキ装置３とアシスト装置４とを備える。
【００１７】
垂直軸風車１は、翼１ａが受ける揚力によって回転する揚力型であって、主軸１ｂに支持体１ｃを介して複数の翼１ａが取り付けられている。主軸１ｂは上下方向に沿って延びる軸であり、軸受（図示せず）によって回転自在に支持され、下部が発電機２に連結されている。翼１ａの数は例えば２つであり、それぞれの翼１ａは主軸１ｂを中心として１８０°位相の異なる位置に設けられている。翼１ａの数は３つ以上であってもよい。
【００１８】
発電機２は、土台５に固定して設けられ、垂直軸風車１の主軸１ｂの回転を受けて発電する。発電機２は、例えば３相交流発電機である。発電機２で発電した電力は、図示しない配線を介して外部の電力系統に流される。
【００１９】
ディスクブレーキ装置３は、垂直軸風車１の回転を制動する装置である。例えば、垂直軸風車１の回転数が定められた許容回転数を超えた場合に制動する。このディスクブレーキ装置３は、主軸１ｂに固定されたブレーキディスク３ａをブレーキパッド（図示せず）で挟み付けて制動する構成である。ブレーキパッドを動作させるブレーキキャリパー３ｂは油圧式で、動力源６から供給される油で駆動する。動力源６は、油圧ポンプ、モータ等で構成される。動力源６とブレーキキャリパー３ｂとの間の油路には、油の流れ方向を制御する方向制御弁６ａ等の油圧弁が設けられている。
【００２０】
アシスト装置４は、起動時に垂直軸風車１に対して回転力を与えて、垂直軸風車１を起動可能な回転位置まで回転させる装置である。アシスト装置４は、前記動力源６と、直動アクチュエータ７と、この直動アクチュエータ７により進退させられる回転力付与部材８とを有する。この例では直動アクチュエータ７は油圧シリンダであり、前記動力源６から供給される油で駆動する。動力源６と直動アクチュエータ７との間の油路には、油の流れ方向を制御する方向制御弁６ｂ等の油圧弁が設けられている。動力源６と直動アクチュエータ７とで、このアシスト装置４の駆動手段９を構成する。
【００２１】
直動アクチュエータ７は、前記ブレーキディスク３ａの上面と平行で、かつブレーキディスク３ａの外周縁よりも少し径方向内側の位置に配置されている。直動アクチュエータ７の進退方向Ａは、ブレーキディスク３ａの径方向と略垂直な方向である。略垂直な方向とは、進退動作時に進退方向が若干変化することを意味している。すなわち、図２に示すように、直動アクチュエータ７は、その基端が鉛直方向の支持軸７ａにより支持されており、進退に伴って支持軸７ａを支点にして矢印方向Ｂの首振り動作を行う。進退動作時における首振り動作の範囲から直動アクチュエータ７が逸脱するのを規制するストッパ（図示せず）を設けておいてもよい。
【００２２】
前記回転力付与部材８は、ブレーキディスク３ａの表面を転動自在な回転体であって、ばね等の付勢手段８ａによりブレーキディスク３ａに押し付けられている。この例では、付勢手段８ａが圧縮ばねからなる。直動アクチュエータ７における回転力付与部材８の回転支持部には、ワンウェイクラッチ１０が設けられている。このワンウェイクラッチ１０は、回転力付与部材８に対して、図１における時計回りの回転は許容し、反時計回りの回転を拘束する。
【００２３】
前記ワンウェイクラッチ１０としては、例えばローラを係合子に用いたものが使用される。このローラを係合子に用いたワンウェイクラッチは、内輪と外輪との間に複数の楔状空間が形成され、この楔状空間にローラとばね部材とが配置されている。ばね部材は、ローラを楔状空間の狭い側に付勢している。ローラがばね部材に付勢されて内輪および外輪に係合した状態では、内輪および外輪が一体回転する。ローラがばね部材の付勢力に抗して移動することで係合が解除されると、内輪と外輪とが相対回転可能となる。
【００２４】
図１、図２において、直動アクチュエータ７により回転力付与部材８を左方向に進出させるとき、ワンウェイクラッチ１０により回転力付与部材８の回転が拘束される。それにより、ブレーキディスク３ａの表面に押し付けられた回転力付与部材８の直進運動が摩擦力によりブレーキディスク３ａに伝達されて、ブレーキディスク３ａが矢印Ｃ（図２）の方向に回転する。この矢印Ｃの回転方向は、風を受けて垂直軸風車１が回転する方向である。このようにブレーキディスク３ａを回転させることで、垂直軸風車１に対して起動用の回転力を与える。
【００２５】
直動アクチュエータ７により回転力付与部材８を右方向に後退させるとき、ワンウェイクラッチ１０は回転力付与部材８の回転を許容する。この場合、回転力付与部材８はブレーキディスク３ａの表面を転動するため、回転力付与部材８の直進運動がブレーキディスク３ａに伝達されず、ブレーキディスク３ａは回転しない。
【００２６】
なお、後述の起動アシスト以外のときにブレーキディスク３ａに回転抵抗を与えないように、直動アクチュエータ７が後退端まで後退した状態では、回転力付与部材８がブレーキディスク３ａの表面から外れていることが望ましい。例えば、ブレーキディスク３ａに隣接して、ブレーキディスク３ａと同じ高さの台（図示せず）を設け、ブレーキディスク３ａから前記台へ回転力付与部材８が乗り移るようにすればよい。
【００２７】
［アシスト制御］
揚力型であるこの垂直軸風車１は、翼１ａが風から効率良く力を受ける回転位置と効率良く力を受けることができない回転位置とがある。回転位置とは、主軸１ｂの回りの位相角のことである。図３のように、垂直軸風車１が風を受けて平面視で時計回りに回転する構成である場合、翼１ａがハッチングで示す範囲内にあるときに大きな揚力が発生する。すなわち、図３における４５°の前後２０°程度の範囲内および２２５°の前後２０°程度の範囲内に翼１ａが位置するときに、風の力を垂直軸風車１の回転に変える効率が良い。この範囲内であれば、一定以上の風速の風が吹けば垂直軸風車１が回転を始める。しかし、ハッチング範囲外では、同じ風速の風が吹いても垂直軸風車１が回転を開始できないことがある。
【００２８】
そこで、この垂直軸風車方式の風力発電装置は、垂直軸風車１が図３のハッチング範囲外の回転位置にある場合に、アシスト装置４により垂直軸風車１をハッチング範囲内まで回転させて起動をアシストするようにしている。図４は、そのためのアシスト制御系を示す。アシスト制御系は、風速を検出する風速計１１と、垂直軸風車１の単位時間当たりの回転数を検出する回転数センサ１２と、アシスト装置４の駆動手段９を制御する制御装置１３とで構成される。
【００２９】
制御装置１３は、図５のフローチャートに示す制御を行う。
すなわち、風速計１１によって検出される風速が一定値以上（Ｓ１の判定がＹＥＳ）であり、かつ回転数センサ１２によって検出される回転数が一定値以下（Ｓ２の判定がＮＯ）である場合、方向制御弁６ｂ（図１）を切換制御して、直動アクチュエータ７を図１、図２の左方向に進出させる（Ｓ３）。それにより、垂直軸風車１が平面視で時計回りに所定の角度だけ回転する。進出端まで進出すると、方向制御弁６ｂを切換制御して、直動アクチュエータ７を図１、図２の右方向に後退させる（Ｓ４）。
【００３０】
垂直軸風車１を所定の角度だけ回転させても、回転数が一定値以下（Ｓ２の判定がＮＯ）である場合、再度、直動アクチュエータ７を左方向に進出させて（Ｓ３）、垂直軸風車１を所定の角度だけ回転させる。これを、回転数が一定値を超える（Ｓ２の判定がＹＥＳ）まで繰り返す。回転数が一定値を超えたなら、垂直軸風車１が運転状態になったとして、アシスト制御を終了する。
【００３１】
なお、風速が一定値に満たない（Ｓ１の判定がＮＯ）場合は、垂直軸風車１を回転させることが困難であるため、Ｓ２以下の制御を行わない。
【００３２】
このアシスト制御によると、以下の作用・効果が得られる。
風速が一定値以上であるにもかかわらず、垂直軸風車１の回転数が一定値以下である状態は、風速は十分あるのに、垂直軸風車１の回転位置が悪くて起動できない状態である。この場合、アシスト装置４により垂直軸風車１を起動可能な回転位置まで回転させる。これにより、垂直軸風車１が起動可能となって回転を始める。回転中は、揚力型の垂直軸風車１の特長である大きな回転力が得られる。
【００３３】
アシスト装置４は、垂直軸風車１の回転位置が悪い場合にだけ作動し、また垂直軸風車１を起動可能な回転位置まで回転させるだけである。このため、起動をアシストするための動力を抑えることができる。余分な動力を使わない分だけ、発電効率が向上する。
【００３４】
この実施形態のアシスト装置４は、駆動手段９が直動アクチュエータ７を用いた構成であるため、駆動手段９の動きが明快となり、全体の構成を簡易にすることができる。直動アクチュエータ７は油圧シリンダであるため、油圧式であるブレーキキャリパー３ｂの動力源６をそのまま直動アクチュエータ７の動力源に併用することができる。このため、アシスト装置４を、部品点数が少なく低コストで構成することができる。
【００３５】
また、この実施形態のアシスト装置４は、ディスクブレーキ装置３のブレーキディスク３ａに回転力付与部材８を押し付けることで、摩擦力により回転力付与部材８の直進運動をブレーキディスク３ａの回転運動に変換して伝達する。ブレーキディスク３は表面の摩擦係数が大きい部材であるため、回転力付与部材８を押し付けることで大きな摩擦力が得られる。また、ブレーキディスク３は比較的直径の大きな円板状の部材である。このブレーキディスク３の外周縁の近くに回転力付与部材８を押し付け、かつ回転力付与部材８がブレーキディスク３ａの径方向と略垂直な方向に進出するため、出力の小さな直動アクチュエータ７でも、ブレーキディスク３ａを回転させることができる。
【００３６】
この実施形態では、直動アクチュエータ７として油圧シリンダを用いているが、代わりにエアシリンダを用いてもよい。また、電磁ソレノイドを用いてもよい。その場合、電磁ソレノイドが単独で駆動手段９となる。さらに、ボールねじ機構やラック・ピニオン機構等の直動機構とモータとを組み合わせたものを用いてもよい。
【００３７】
この実施形態では、垂直軸風車１が揚力型である例を示すが、場合によっては、この発明の構成を抗力型の垂直軸風車に適用してもよい。
【００３８】
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３９】
１…垂直軸風車
２…発電機
３…ディスクブレーキ装置
３ａ…ブレーキディスク
４…アシスト装置
６…駆動源
７…直動アクチュエータ
８…回転力付与部材
９…駆動手段
１０…ワンウェイクラッチ
１１…風力計
１２…回転数センサ
１３…制御装置
【図１】
2019210913.tif 000003
【図２】
2019210913.tif 000004
【図３】
2019210913.tif 000005
【図４】
2019210913.tif 000006
【図５】
2019210913.tif 000007