(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風速計と、風圧を受ける風受け板を傾斜角度自在に支持する複数の風受けユニットと、前記風受けユニットを風上側の前端から風下側の後端に移動可能に支持すると共に、前記後端に達した前記風受けユニットを前記前端へ移動可能に支持するフレームと、前記風受けユニットが前記前端側から前記後端側へ移動するときに前記風受け板を風を受ける傾斜角度に配置し、前記風受けユニットが前記後端側から前記前端側へ移動するときに風を避ける傾斜角度に配置するように制御すると共に、前記風速計で計測された風速に応じて風受け板の傾斜角度を変化させる傾斜角度調整機構と、前記風受けユニットが前記前端側から前記後端側へ移動するときの運動力を電力に変換する発電装置とを有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記フレームを回転自在に支持するリング状のレールと、風の向きを検出する風向計と、前記風向計で検出された風の向きに前記フレームを向けるように前記フレームを前記レール上で回転させるフレーム方向変換機構とを有することを特徴とする請求項１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、風圧を電気エネルギーに変換する風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者は、下記特許公報において、風受け板がフレームを往復運動し、風圧を受けて後退する間に運動エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置を提案した。この往復型風力発電装置は、発電効率が高く、かつ低コストで製造できると共に、強風に耐えられる強度を有するもので、普及が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２０７４１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本発明者が更に検討した結果、上述した往復型風力発電装置は、風受け板を一枚しか配置することができない。そのため、風受け板を風上側の前端へ戻すときに、発電が行えず、発電効率を高める改良の余地があることが分かった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、発電効率をさらに高めた風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の風力発電装置は、風圧を受ける風受け板を傾斜角度自在に支持する複数の風受けユニットと、前記風受けユニットを風上側の前端から風下側の後端に移動可能に支持すると共に、前記後端に達した前記風受けユニットを前記前端へ移動可能に支持するフレームと、前記風受けユニットが前記前端側から前記後端側へ移動するときに前記風受け板を風を受ける傾斜角度に配置し、前記風受けユニットが前記後端側から前記前端側へ移動するときに風を避ける傾斜角度に配置するように制御する傾斜角度調整機構と、前記風受けユニットが前記前端側から前記後端側へ移動するときの運動力を電力に変換する発電装置とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の風力発電装置は、風圧を受ける風受け板を傾斜角度自在に支持する一つの風受けユニットが、傾斜角度調整機構によって風を受ける傾斜角度に配置された風受け板が風を受けてフレームを風上側の前端から風下側の後端まで移動する間に発電すると共に、他の風受けユニットが傾斜角度調整機構によって風を避ける傾斜角度に配置された風受け板が風を避けてフレームを風下側の後端から風上側の前端へ移動する動作を行うことができる。このため、常にいずれかの風受けユニットが風を受けて循環して発電するので、発電時間に切れ目がほとんど無くなり、従来の風力発電装置と比較して発電効率を飛躍的に高めることができる。
【０００８】
また、本発明の風力発電装置は、前記構造に加えて、前記フレームを回転自在に支持するリング状のレールと、風の向きを検出する風向計と、前記風向計で検出された風の向きに前記フレームを向けるように前記フレームを前記レール上で回転させるフレーム方向変換機構とを有する。
【０００９】
これによって、風受け板が常に風と向き合うようにフレームの向きを調節することができる。
【００１０】
また、本発明の風力発電装置は、前記構造に加えて、風速計を有し、前記傾斜角度調整機構が、前記風速計で計測された風速に応じて風受け板の傾斜角度を変化させる。
【００１１】
これによって、風速が速すぎるときに、風受け板の傾斜角度を風を逃がすように配置し、発電装置が強風で破損することを防止して、装置の安定性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の風力発電装置は、複数の風受けユニットが循環しながら発電を行うため、発電効率に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の風力発電装置の一実施形態の全体を示す概略平面図である。
【図２】本発明の風力発電装置の一実施形態の全体を示す概略側面図である。
【図３】本発明の風力発電装置の一実施形態の風受けユニットを示す（ａ）平面図と（ｂ）側面図である。
【図４】本発明の風力発電装置の一実施形態のガイドローラーの構造を示す概略断面図である。
【図５】本発明の風力発電装置の一実施形態のフレーム後端の風受けユニット受け渡し機構の概略構成図である。
【図６】本発明の風力発電装置の一実施形態のフレーム前端の風受けユニット受け渡し機構の概略構成図である。
【図７】本発明の風力発電装置の一実施形態のフレーム方向変換装置を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の風力発電装置の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１５】
図１〜図７に示す本発明の風力発電装置の一実施形態について、これらの図面を参照しながら説明する。本発明の風力発電装置は、一つの風受けユニットがフレームを風上側から風下側への移動する間に、他の風受けユニットがフレームを風下側から風上側へ移動し、複数の風受けユニットが循環移動しながら発電を行うことに特徴がある。
本実施形態の風力発電装置１は、風圧を受ける風受け板２を傾斜角度自在に支持する複数の風受けユニット３と、風受けユニット３を風上側の前端から風下側の後端に移動可能に支持すると共に、後端に達した風受けユニット３を前端へ移動可能に支持するフレーム４と、風受けユニット３がフレーム４の前端側から後端側へ移動するときに風受け板２を風を受ける傾斜角度に配置し、風受けユニット３がフレーム４の後端側から前端側へ移動するときに風を避ける傾斜角度に配置するように制御する傾斜角度調整機構５と、風受けユニット３がフレーム４前端側から後端側へ移動するときの運動力を電力に変換する発電装置６とを有する。
【００１６】
図３を参照しながら、風受けユニット３について説明する。風受けユニット３は、Ｈ型鋼、断面Ｌ字型の山型鋼、溝型鋼等の鋼材で四角枠状のユニット本体３１が構成されている。ユニット本体３１の前端部の両側にはフレーム４に配置されている後述するレール上を走行する前輪３２ａがそれぞれ回転自在に支持され、ユニット本体３１の後端部の両側にはフレーム４に配置されている後述するレール上を走行する後輪３２ｂがそれぞれ回転自在に支持されている。また、後端部の両側の車輪３２ｂそれぞれの軸と同軸にガイドローラ３３が回転自在に支持されている。
【００１７】
ガイドローラ３３は、図４に示すように、ユニット本体３１に固定されている支軸３３１に後輪３２ｂと共に回転自在に支持されていると共に、チェーン６３に回転自在に連結されている。そのため、ガイドローラ３３は、フレーム４の前端に回転自在に支持されている後述する駆動側スプロケット６１と、フレーム４の後端部に回転自在に支持されている従動側スプロケット６２に無限軌道として架けられているチェーン６３の一部を構成している。ガイドローラ３３は、チェーン６３の移動と共にフレーム４の上部を前端から後端へ移動して従動側スプロケット６２と噛み合い、従動側スプロケット６２を離れてフレーム４下部を後端側から前端側へ移動し、駆動側スプロケット６１と噛み合ってフレーム４上部へ移動し、フレーム４内を循環するようになっている。風受けユニット３が風を受けてフレーム４の前端側から後端側へ移動すると、風受けユニット３に固定されているガイドローラ３３の移動と共にチェーン６３が引張られ、チェーン６３と噛み合っている駆動側スプロケット６１と従動側スプロケット６２が回転するようになっている。
【００１８】
図３に示すように、ユニット本体３１の左右の枠中央には矩形板状の風受け板２の中央両端に突出している回転軸が軸受けで回転自在に支持されている。風受け板２は、例えば高強度炭素繊維で作られている。また、ユニット本体３１の前端側の枠には、支持板５１が固定され、支持板５１に傾斜角度調整機構５を構成する油圧ポンプを含む油圧ユニット５２、油圧ユニット５２に接続されたアキュームレーター５３が取り付けられている。更に、ユニット本体３１の左右枠の一方の枠には傾斜角度調整機構５を構成するアキュームレーター５３と接続された油圧シリンダー５４が取り付けられている。風受け板２の回転軸に対して放射方向に結合されているく字状のアーム５５と油圧シリンダー５４のピストンが連結されている。油圧ユニット５２が作動すると、アキュームレーター５３を介して油圧シリンダー５４が伸縮し、アーム５５を介して、風受け板２の回転軸が回転し、風受け板２の傾斜角度を調整できるようになっている。
【００１９】
次に、風受けユニット３が走行（移動）するフレーム４について説明する。図１及び図２に示すように、細長い直方体の４つの長辺が例えばＨ型鋼、断面がＬ字型の山型鋼、溝型鋼等の形鋼や鋼管で構成され、それぞれの長辺を構成する鋼材間を接続する梁や筋交いが設けられている。
【００２０】
フレーム４の前端側（風上側）には、前端から風受けユニット３の長さとほぼ同じ距離をとって駆動側スプロケット６１の回転軸の両端がフレーム４に回転自在に支持されている。また、フレーム４の後端側（風下側）にはフレーム４に回転軸がそれぞれ支持されている一対の従動側スプロケット６２がそれぞれ回転自在に独立してフレーム４に支持されている。両側の従動側スプロケット６２を連結する回転軸は設けられていない。それぞれの駆動側スプロケット６１と従動側スプロケット６２の間にはチェーン６３が掛け渡されており、一対の無限軌道を構成している。チェーン６３には、この実施形態では２つの風受けユニット３の一対のガイドレール３３がそれぞれのチェーン６３に組み込まれており、一方の風受けユニット３のガイドレール３３が従動側スプロケット６２の最後端に達したときに、他方の風受けユニット３のガイドレール３３が駆動側スプロケット６１の最前端に位置するように、２つの風受けユニット３，３が配置されている。
【００２１】
フレーム４には、風受けユニット３の前輪３２ａと後輪３２ｂが走行するレール４２が敷設されている。風上側から風下側へ走行するための上段レール４２ａがフレーム４の上縁に沿って配置され、風下側から風上側へ走行するための下段レール４２ｂがフレーム４の下縁に沿って敷設されている。また、風受けユニット３の前輪３２ａを上段レール４２ａから下段レール４２ｂへ誘導する案内レール４２ｃ〜ｈが敷設されている。
【００２２】
フレーム４後端部に敷設されている風受けユニット受け渡し機構を構成する案内レール４２ｃ〜４２ｅの構造を図５を参照しながら説明する。上段レール４２ａには、前輪３２ａを案内レール４２ｃ側へ落とすための案内孔４２１が設けられ、風受けユニット３のガイドローラ３３が従動側スプロケット６２の上端に達したときに前輪３２ａを斜め下側へ案内する第１傾斜レール４２ｃが上段レール４２ａの案内孔４２１の端縁と連続して敷設されている。この第１傾斜レール４２ｃには前輪３２ａが通過するための案内孔４２２があり、案内孔４２２にシーソー型レール４２ｄが第１傾斜レール４２ｃと一体化して第１傾斜レール４２ｃの案内孔４２２を塞ぐような位置と次の第２傾斜レール４２ｅと平行になる角度との間で回転可能に支持されている。シーソー型レール４２ｄはバネ４２３によって常時は第２傾斜レール４２ｅと平行になる方向に位置し、前輪３２ａが通過するときに、バネ４２３に逆らって回転して第１傾斜レール４２ｃの案内孔４２２を塞ぐ構造になっている。第１傾斜レール４２ｃの案内孔４２２の下端縁と連続して下段レール４２ｂへ傾斜する第２傾斜レール４２ｅが敷設され、第２傾斜レール４２ｅの下端部は、後輪３２ｂの前方への走行を妨げないように、前方へ開く開閉扉４２４となっている。
【００２３】
また、フレーム４前端部に敷設されている風受けユニット受け渡し機構を構成する案内レール４２ｆ〜４２ｈの構造を図６を参照しながら説明する。駆動側スプロケット６１の下端に存する下段レール４２ｂはそこで屈曲して前方へ行くに従いせり上がる第３傾斜レール４２ｆとなり、駆動側スプロケット６１の回転中心近傍の高さで屈曲して水平方向前方に突き出る前方レール４２ｇとなっている。第３傾斜レール４２ｆと前方レール４２ｇの境目から上段レール４２ａに繋がる第４傾斜レール４２ｈが後方へ行くに従いせり上がる傾斜で敷設されている。第４傾斜レール４２ｈの下端部は、後輪４２ｂの前方への走行を妨げないように、前方へ開く開閉扉４２５となっている。
【００２４】
次に、図１を参照しながら、本実施形態の風力発電装置の発電装置６について説明する。風受けユニット３の風受け板２が風を受けると、風受けユニット３の車輪３２ａ、３２ｂが上段レール４２ａ上を走行して風受けユニット３はフレーム４の前端部から後端部へ走行（移動）する。風受けユニット３の走行に伴って風受けユニット３のチェーン６３の一部を構成するガイドローラ３３がチェーン６３を引張り、チェーン６３の移動に伴って駆動側スプロケット６１と従動側スプロケット６２が回転する。駆動側スプロケット６１の回転軸には、プーリー６４が固定され、フライホイール６５と例えばベルトで連結され、フライホイール６５は発電機６６とベルト等で連結されている。
【００２５】
本実施形態の風力発電装置１は、図１、図２及び図７に示すように、フレーム方向変換機構７を備えている。フレーム４の平面中心にはフレーム方向変換機構７を構成する中心回転軸７１が設けられ、中心回転軸７１は架台７２によって支えられており、フレーム４は中心回転軸７１を中心として回転可能になっている。また、中心回転軸７１を中心とする円周上に配置された複数（本実施形態では６本）本の支柱７３の上に掛け渡されたリング状のレール７４を備えている。リング状のレール７４の中心は、中心回転軸７１の中心と一致する。フレーム４の前方と後方のそれぞれの下部にフレーム４の両方の側方へ突き出るようにアーム７５が配置され、そのアーム７５の４箇所の先端部分に車輪７６を回転させる防水・ブレーキ・減速機付電動機７７が取り付けられ、車輪７６はレール７４の上を走行することができるようになっており、フレーム４の重量は車輪７６を介して主にレール７４によって支えられている。中心回転軸７１と架台７２は、フレーム４の重量を支える構造ではなく、主にフレーム４の横揺れを防止するものである。
【００２６】
電動機７７を駆動させることによって、車輪７６が回転してレール７４上を走行し、中心回転軸７１を中心にしてフレーム４を時計方向及び反時計方向へ回転させることができる。また、フレーム４の上端には、風の向きと風速を検出する風向計７８が取り付けられている。風向計７８は風の方向の急激な変動によって向きが極端に変化することを防止するため、例えば図示しないダンパーが設けられている。
【００２７】
フレーム方向変換機構７は、風向計７８で電気的に検出された風の向きの信号によって電動機７７が駆動され、車輪７６が回転してレール７４上を走行し、これによってフレーム４が中心回転軸７１を中心にして風の向きに応じて時計方向又は反時計方向へ回転し、フレーム４の長手方向を常に風に向かって向けるようになっている。
【００２８】
また、フレーム４には、傾斜角度調整機構５を構成する風速計５６が備えられ、風速を計測するようになっている。一定以上の風速を計測すると、傾斜角度調整機構５の図示しない計算機が風受け板２の傾斜角度を風速に応じて算出し、算出した傾斜角度になるように、油圧ユニット５２を制御して、アキュームレーター５３を介して油圧シリンダー５４を伸縮させ、アーム５５を介して、風受け板２の回転軸が回転し、風受け板２の傾斜角度を調整できるようになっている。これにより、例えば、風速が１５ｍ／Ｓまでは風に対して直交する方向に保つが、その風速を超えると、風速が上がるにつれて風に対する傾斜を与えて風を逃がす方向に風受け板の傾斜角度２を制御するようになっている。このような傾斜角度調整機構５を備えることによって、強風で装置が破損することを防止することができる。
【００２９】
なお、図示しないが、フレーム４には、風受けユニット３の傾斜角度調整機構５に電力を送る送電線が配線され、風受けユニット３に設置されている図示しない集電装置で電力を受け取ることができるようになっている。
【００３０】
このような構造の本発明の風力発電装置１の一実施形態の全体の動作を説明する。フレーム４の向きは、フレーム方向変換機構７によって、風の向きを検出し、風の向きと平行になる方向、即ち、風受け板２が風圧を最大に受ける方向へ常に向くように調整される。一対の風受けユニット３は、一方の風受けユニット３のガイドローラ３３が従動側スプロケット６２に達し従動側スプロケット６２と噛み合って従動側スプロケット６２の最後端に位置するときに、他方の風受けユニット３のガイドローラ３３が駆動側スプロケット６１と噛み合って最前端に位置するように設定される。
【００３１】
前端側の風受けユニット３は、図６に示すように、最前端に位置するときには、ガイドローラ３３が駆動側スプロケット６１と噛み合い、前輪３２ａが前方レール４２ｇの最前端に位置してほぼ水平状態であり、風受け板２は傾斜角度調整機構５によってユニット本体３１の中に納められ、風を受けないような傾斜角度に調整されている。この位置から、ガイドローラ３３が駆動側スプロケット６１の最上位に位置するまでの間に、風受け板２の傾斜角度は、傾斜角度調整機構５によって風を受けるように立ち上がる。このとき、風速計５６で測定された風速が一定値、例えば風速が１５ｍ／Ｓまでは風に対して直交する方向に調整され、それ以上の風速では、風速に応じて風に対して傾斜をもたせる傾斜角度に調整される。
【００３２】
風受け板２が風を受けると、風受けユニット３は上段レール４２ａの上を４つの車輪３２ａ、３２ｂが乗った状態でフレーム４の前端側から後端側へ走行する。これによって、風受けユニット３のガイドローラ３３がチェーン６３を引張り、駆動側スプロケット６１と従動側スプロケット６２を回転させる。回転する駆動側スプロケット６１の中心軸からフライホイール６５を介して発電機６６に運動エネルギーが伝達され、発電機６６によって電気エネルギーに変換される。
【００３３】
図５に示すように、風受けユニット３がフレーム４の上段レール４２ａ上を走行して後端部に達し、ガイドローラ３３が従動側スプロケット６２と噛み合い、従動側スプロケット６２の最上位に達する（図５中、ガイドローラ３３がｃ、前輪３２ａがｃの位置）まで風受け板２は風を受ける傾斜を保つ。従動側スプロケット６２の最上位より後退してガイドローラ３３が最後端の位置に達したときには傾斜角度調整機構５によって風受け板２はユニット本体３１に収まるような傾斜角度に調整される。ガイドローラ３３が従動側スプロケット６２の最上位から最後端（従動側スプロケットの中心位置とほぼ同じ水平位置）に達するまでに、風受けユニット３の前輪３２ａは、第１傾斜レール４２ｃの上を降下し、シーソーレール４２ｄの上をバネ４２３の力に逆らってシーソーレール４２ｄを押し下げて通過し、第１傾斜レール４２ｃの後端に達する（図５中、ガイドローラ３３がｄ、前輪３２ａがｄの位置）。ここより、従動側スプロケット６２の回転と共に風受けユニット３が前進を開始し、風受けユニット３の前輪３２ａはバネ４２３の力で元の位置に復帰したシーソーレール４２ｄに前進を妨げられて、案内孔４２２を通って第２傾斜レール４２ｅに進入する（図５中、ガイドローラ３３がｅ、前輪３２ａがｅの位置）。風受けユニット３が前進すると、後輪３２ｂは下段レール４２ｂの上を前進し、第２傾斜レール４２ｅの開閉扉４２４を押し上げて前進を続ける。
【００３４】
一方の風受けユニット３が下段レール４２ｂを前端側へ走行しているときに、他方の風受けユニット３は風を受けて上段レール４２ａを後端側へ走行しており、両者は、図２の一点鎖線で示したようにフレームの中央付近ですれ違う。
【００３５】
風受けユニット３が下段レール４２ｂの上を走行してフレーム４前端部に達すると、図６に示すように、風受けユニット３の前輪３２ａが第３傾斜レール４２ｆの上を走行しながら上昇し、駆動側スプロケット６１にガイドローラ３３が噛み合うときは、開閉扉４２５を押し上げて前進を続ける（図６中、ガイドローラ３３がｆ、前輪３２ａがｆの位置）。ガイドローラ３３が駆動側スプロケット６１と噛み合って上昇を開始すると前輪３２ａが前側レール４２ｇの上を前進し、風受けユニット３が最前端に位置するときには、ガイドローラ３３が駆動側スプロケット６１と噛み合い、前輪３２ａが前側レール４２ｇの最前端に位置してほぼ水平状態となる（図６中、ガイドローラ３３がａ、前輪３２ａがａの位置）。この位置からガイドローラ３３は駆動側スプロケット６１の回転に伴って上昇し、後輪３２ｂが上段レール４２ａまで駆動側スプロケット６１の回転によって運ばれる（図６中、ガイドローラ３３がｂ、前輪３２ａがｂの位置）。この間に、風受け板２の傾斜角度が傾斜角度調整機構５によって風を受ける傾斜に調整される。
【００３６】
両方の風受けユニット３がフレーム４の両端に存するときには、両方の風受け板２がユニット本体３１に納められている状態であり、両方の風受け板２が風を受けていないので、風受けユニット３を移動させる力が働いていない状態である。しかし、発電装置６に組み込まれているフライホイル６５によって風受けユニット３が風を受けていたときの運動量を維持するようにしているため、慣性力で風受けユニット３の循環は停止することはない。
【００３７】
本実施形態の風力発電装置１の発電量は、例えば、風受け板２の大きさを３８００ｍｍ×３３００ｍｍの矩形状とし、駆動側スプロケット６１と従動側スプロケット６２の直径を２５４６ｍｍ、駆動側スプロケット６１と従動側スプロケット６２間の距離を３００００ｍｍとすると、風速１５ｍ／Ｓのときに、４２．５ＫＷとなる。
【００３８】
本実施形態の風力発電装置は、フレームや風受け板などのほとんどが製缶加工で作成できるため、制作費が低廉である。また、プロペラ式と異なって風圧を風受け板が面で受ける構造となっているので、微風でも作動し、エネルギー変換効率が高い。強風下では、プロペラ式ではブレーキ機構やプロペラを固定する機構が採用されるが、本実施形態の風力発電装置では、強風下でも風受け板の傾斜角度を調整することによって、強風下でも発電が可能であり、この点でも発電効率が高い。また、装置全体の高さを抑制できるため、プロペラ式のように転倒することがない。
【００３９】
本発明の風力発電装置は、全体が扁平な構造とすることができるため、例えば、積み重ねて、風力発電タワーとして設置することができる。
上記説明では、風受けユニット３を２台使用するように説明しているが、２台以上の風受けユニットを配置するようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の風力発電装置は、風力を電気エネルギーに変換して電力を供給することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１：  風力発電装置
２：  風受け板
３：  風受けユニット
３２ａ：前輪
３２ｂ：後輪
３３：ガイドローラ
４：  フレーム
５：  傾斜角度調整機構
６：  発電装置
７：  フレーム方向変換機構
【要約】
【課題】  発電効率をさらに高めた風力発電装置を提供する。
【解決手段】  風圧を受ける風受け板２を傾斜角度自在に支持する複数の風受けユニット３と、風受けユニット３を風上側の前端から風下側の後端に移動可能に支持すると共に、後端に達した風受けユニット３を前端へ移動可能に支持するフレーム４と、風受けユニット３がフレーム４の前端側から後端側へ移動するときに風受け板２を風を受ける傾斜角度に配置し、風受けユニット３がフレーム４の後端側から前端側へ移動するときに風を避ける傾斜角度に配置するように制御する傾斜角度調整機構５と、風受けユニット３がフレーム４前端側から後端側へ移動するときの運動力を電力に変換する発電装置６とを有する構造とする。
【選択図】  図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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