(57)【要約】【課題】台風等の暴風の場合には、強風により風車が高速回転をおこなうため、風車の羽根の強度が機械振動および脈動を高速で繰り返し、羽根の材質劣化や亀裂を生じ、そして最終的には材質の内部応力が破壊点を越えると羽根の破損を招くという課題がある。【課題手段】自然風を捉えて回転する風車と、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄える蓄電池とを備えた風力発電装置において、風車の回転軸と同軸に併設した遠心羽根車と、前記遠心羽根車が自然風を捉えないケーシングを有したファンを形成して構成されたものである。それにより、前記風車の回転力に基づき前記ファンで生成された負荷によって、自然風の増加に伴う前記風車の過回転を防止する風力発電装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然風を捉えて回転する風車と、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄える蓄電池とを備えた風力発電装置において、風車の回転軸と同軸に併設した遠心羽根車と、前記遠心羽根車が自然風を捉えないケーシングを有したファンを形成したことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記ファンは、前記遠心羽根車と舌部とケーシングを有し、舌部の形状が変化することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記遠心羽根車と前記舌部の間隙は、風車の発電風速域までは舌部形状をなさず、発電風速域に入るとケーシング内に舌部形状をなす舌部形成手段を有することを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記ケーシングの内部に、前記遠心羽根車の吐出口近傍の通風路に前記風車のベアリングを配置してファンの吐出流によって冷却することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記遠心羽根車の回転方向は、前記風車が自然風を受けて回転する方向に対して、前記遠心羽根車のブレード方向が前向きに配設されたことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記遠心羽根車の材質をアルミニウムとしたことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記遠心羽根車を多翼型羽根車にしたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項８】
前記蓄電池、インバータ、発電機および制御機器等の発熱体と、前記風車および前記発熱体を保持する連結ポールと、前記連結ポールは中空構造で前記発熱体を連通する通風路を形成し、前記通風路を前記ファンの吸込口に連結し、発熱体の発熱をファンから排気する構成した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、自然エネルギーを利用した風力発電装置において、強風時の風車の保護装置等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の強風時の風車の保護装置等に関するものは、風車が受ける風圧に応じて回転翼のピッチが変化する可変ピッチ式風力発電装置がよく知られている。また、風車が受ける風圧に応じて枢軸から吊り下げられた風車や発電機が揺動変化する懸垂型固定ピッチ方式の上位変形風力発電装置等もある。この方式の一つは方向板とそれに取り付けられる出力調整バネを利用して、風速の如何にかかわらず、風車にほぼ一定の風力しか加わらぬように風圧に応じて風車回転数を変位させるものである。そして暴風時には、風の方向に対して真横に変位させ最も抵抗の少ない姿勢にして風車の保護を図っている（例えば、特許文献１参照）。一方、プロペラ軸のプロペラの前にブレーキディスクを設けるブレーキディスク方式では、強風時に前記ブレーキディスクの圧接により摩擦をおこして制動をおこなわせるものである（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開昭５８−１２８４７１号公報
【特許文献２】特開昭５６−７７５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような従来の風力発電装置では、自然風の風速が強く、たとえば台風時の風速６０ｍ／ｓのような場合には、強風により風車が高速回転をおこなうため、風車の羽根の強度が機械振動および脈動を高速で繰り返し、羽根の材質劣化や亀裂を生じ、そして最終的には材質の内部応力が破壊点を越えると羽根の破損を招くという課題がある。そのため従来から多くの対策がなされ、強風時に回転翼のピッチが変化する可変ピッチ式が知られているが、これには回転伝達機構等の多くの付帯設備を要する。また、懸垂型固定ピッチ方式もあるが、これも回転伝達機構やバネ機構を有し、多くの付帯設備を要している。また、ブレーキディスク方式ではバネ機構を要し、その方式は摩擦力にて制動するため摩擦部の破損等の新たな問題を有したりもする。また、羽根が回転しないように電磁ブレーキをかけて制動させる方式もある。
【０００４】
このような従来の方式では、構造が複雑で、それにより設備費も高価であり、複雑な構造のため機能確保に定期メンテを要する等多くの工数を必要とする課題があった。また、電磁ブレーキをかけて制動させる場合、バッテリーに故障がある時には、風車の停止を継続できない等の確実性にも問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、簡単で確実かつ安価で、しかもメンテサイクルの長い風車の保護装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の本発明の、自然風を捉えて回転する風車と、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄える蓄電池とを備えた風力発電装置において、風車の回転軸と同軸に併設した遠心羽根車と、前記遠心羽根車が自然風を捉えないケーシングを有したファンを形成したことを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の本発明は請求項１記載の風力発電装置において、前記ファンは、前記遠心羽根車と舌部とケーシングを有し、舌部の形状が変化することを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の本発明は請求項２記載の風力発電装置において、前記遠心羽根車と前記舌部の間隙は、風車の発電風速域までは舌部形状をなさず、発電風速域に入るとケーシング内に舌部形状をなす舌部形成手段を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の本発明は請求項１記載の風力発電装置において、前記ケーシングの内部に、前記遠心羽根車の吐出口近傍の通風路に風車のベアリングを配置してファンの吐出流によって冷却することを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の本発明は請求項１記載の風力発電装置において、前記遠心羽根車の回転方向は、前記風車が自然風を受けて回転する方向に対して、前記遠心羽根車のブレード方向が前向きに配設されたことを特徴とする。
【００１１】
請求項６記載の本発明は請求項１記載の風力発電装置において、遠心羽根車の材質をアルミニウムとしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項７記載の本発明は請求項１から請求項６のいずれかに記載の風力発電装置において、前記遠心羽根車を多翼型羽根車にしたことを特徴とする。
【００１３】
請求項８記載の本発明は請求項１記載の風力発電装置において、前記蓄電池、インバータ、発電機および制御機器等の発熱体と、前記風車および前記発熱体を保持する連結ポールと、前記連結ポールは中空構造で前記発熱体を連通する通風路を形成し、前記通風路を前記ファンの吸込口に連結し、発熱体の発熱をファンから排気することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、台風等の強風時において、ファンのブレーキ力により自動的に制動するため構造が簡素化され、風車の保護に対して複雑な付帯設備が不要となり、また簡単な構造により設備費も安価で、制動機能を確保するための定期メンテ回数を少なく、しかもメンテサイクルの長い風車の保護装置を提供できるものである。
【００１５】
また、ファンのファン特性を利用して、蓄電池、発電機、インバータ、制御機器等から発生する発熱を支持パイプの中空構造と連結して排気する効果も有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の第１の実施の形態は、自然風を捉えて回転する風車と、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄える蓄電池とを備えた風力発電装置において、風車の回転軸と同軸に併設した遠心羽根車と、前記遠心羽根車が自然風を捉えないケーシングを有したファンを形成して構成されたものである。それにより、前記風車の回転力に基づき前記ファンで生成された負荷によって、自然風の増加に伴う前記風車の過回転を防止している。
【００１７】
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態における風力発電装置において、前記ファンは前記遠心羽根車と舌部とケーシングを有し、舌部の形状が変化する構成として、ファン特性を変化させて、風車にかける負荷を調節する。
【００１８】
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態における風力発電装置において、前記遠心羽根車と前記舌部の間隙は、風車の発電風速域までは舌部形状をなさず、発電風速域に入るとケーシング内に舌部形状をなす舌部形成手段を有する構成としたものである。風車によって発電した電力を活用できる自然風速の間は前記ファンの負荷が軽く、それ以上の自然風速の場合は前記ファンの負荷が重くなるように、ファン特性を舌部で調節している。
【００１９】
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態における風力発電装置において、前記ケーシングの内部に前記遠心羽根車の吐出口近傍の通風路に風車のベアリングを配置してファンの吐出流によって冷却する構成としたものである。ファンの回転数が上がるとベアリングの温度も上昇するため、ベアリングにファンの吸気風路を設けて兼用している。
【００２０】
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態における風力発電装置において、前記遠心羽根車の回転方向は、前記風車が自然風を受けて回転する方向に対して、前記遠心羽根車のブレード方向が前向きに配設して構成されたものである。風車とファンの羽根の回転方向を調節して逆負荷にならないように配設している。
【００２１】
本発明の第６の実施の形態は、第１の実施の形態における風力発電装置において、遠心羽根車の材質をアルミニウムで構成されたものである。
【００２２】
本発明の第７の実施の形態は、第１の実施の形態から第６の実施の形態における風力発電装置において、前記遠心羽根車を多翼型羽根車にして構成されたものである。
【００２３】
本発明の第８の実施の形態は、第１の実施の形態における風力発電装置において、前記蓄電池、インバータ、発電機および制御機器等の発熱体と、前記風車および前記発熱体を保持する連結ポールと、前記連結ポールは中空構造で前記発熱体を連通する通風路を形成し、前記通風路を前記ファンの吸込口に連結し、発熱体の発熱をファンから排気する構成とした。発熱体から発生する熱を排気するに際し、雨水進入等の屋外の影響を受けないように、自然風を捉えないファンから排気している。
【００２４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明の風力発電装置を利用した街灯装置の一実施例を図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は本発明の一実施例による風力発電装置の全体概要の斜視図、図２は同風力発電装置のファン構成部分の斜視図、図３Ａは同風力発電装置の正面図、図３Ｂは同風力発電装置の正面の多翼型羽根車の部分断面図、図３Ｃは同風力発電装置の正面の風車の部分断面図、図４は同風力発電装置の自然風速と風車およびファンの回転数の特性表、図５は本発明第二の実施例の風力発電装置のプロペラファン風車の全体概要斜視図、図６は本発明第三の実施例の風力発電装置のベアリング装置の冷却部分、図７は本発明第四の実施例の風力発電装置の舌部の構成部分、図８は本発明第五の実施例の風力発電装置の排熱通風路の全体正面図である。
【００２７】
（実施例１）
図１は本発明の一実施例による風力発電装置の全体概要の斜視図、図２は同風力発電装置のファン構成部分の斜視図、図３Ａは同風力発電装置の正面図、図３Ｂは同風力発電装置の正面の多翼型羽根車の部分断面図、図３Ｃは同風力発電装置の正面の風車の部分断面図、図４は同風力発電装置の自然風速と風車およびファンの回転数の特性表である。
【００２８】
本実施例による風力発電装置の全体構成は、風車１と、風車１の過回転を防止するファン２０と、風車１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置３０と、発電装置３０により発生する電力を蓄電する蓄電装置４０と、蓄電装置４０に蓄電された電力を用いて点灯する照明装置５０とを備えている。そして、風車１とファン２０と発電装置３０と蓄電装置４０と照明装置５０は、２本のポール２の間に挟み込まれるようにして地上からそれぞれ所定高さに保持されている。またポール２は、取付台３によって地上に設置され、取付台３はアンカーボルトなどの固定具によって設置されている。
【００２９】
ファン２０は、ファンケーシング２１を形成する天板２２、側板２３、底板２４と、ファンケーシング２１の天板２２と２本のポール２の中空端部である吸込口１０との間に吸込チャンバー１１を有し、吸込チャンバー１１、オリフィス１２、多翼型羽根車４、舌部１３、ファン吐出口１４を有して構成されている。また前記多翼型羽根車４は、風車１の回転軸７の上端に同軸に連結され、風車１が風を受けて回転する回転方向に多翼型羽根車４の羽根は前向きに取付けられ、風車１の下端は発電装置３０内に設けられた発電機５の回転軸と同軸に連結されている。風車１は、発電機５が継手６を介して連結される回転軸７と、この回転軸７の周りに配設される複数枚の風車羽根８によって構成される。回転軸７の上部と下部には、それぞれベアリング９が設けられ、それぞれのベアリング９によって回転軸７を保持しており、ベアリング９はファン２０の内部、および発電装置３０の内部にそれぞれ設けられている。
【００３０】
発電装置３０の下部には、照明装置５０が取付けられ、内部に照明１５を備えた構造としている。
【００３１】
蓄電装置４０の内部には、制御ボックス１６および鉛蓄電池１７が設けられ、照度センサーによって自動点灯、消灯を行うことができる。また、蓄電装置４０はメンテナンスを行うための点検扉１８を備えている。
【００３２】
発電装置３０と照明装置５０とは、制御ボックス１６を介して蓄電装置４０と電気的に接続され、風車１の回転エネルギーにより発生する電力を蓄電装置４０に蓄電し、この蓄電装置４０に蓄電された電力を照明装置５０に供給して点灯する。
【００３３】
本実施例では、風車１を単体で運転した場合、ファン２０を単体で運転した場合、風車１とファン２０を一体にして運転した場合のそれぞれの特性を図４に示す。図４では、自然風速と風車およびファンの回転数の特性表に示すように、Ａ曲線は風車１単体での運転特性であり、自然風速の増加にほぼ比例して風車１の回転数が増加している。また、Ｂ曲線はファン２０単体での負荷特性であり、自然風速の増加に応じてファン２０の回転数は自然風速の２乗に比例して増加している。ここで、風車１にファン２０を取付けた場合の運転特性のＣ曲線は、Ａ曲線からＢ曲線を差し引いた運転特性であり、実際の運転状態を示す。そして、通常風速の上限値とした風速１５ｍ／ｓの場合と台風時の風速６０ｍ／ｓの場合について風車１の過回転防止を以下に説明する。
【００３４】
なお、通常風速の上限値を１５ｍ／ｓとしたのは風力発電装置の定格風速を１５ｍ／ｓと設定しており、それを超える風速時の発電電力は蓄電装置４０に蓄電しないため上限値を１５ｍ／ｓとしている。ここで、Ｃ曲線に示したように１５ｍ／ｓの通常風速の上限時において風車１の単体運転は約１０００ｒ／ｍｉｎで、ファン２０を取付けた場合は約８００ｒ／ｍｉｎより、ファン２０を設けたことによる風車１の回転数が減少する回転数抑制率は２０％である。それに対し、台風時の風速６０ｍ／ｓには風車１の単体運転は約４４００ｒ／ｍｉｎで、ファン２０を取付けた場合は約２１５０ｒ／ｍｉｎより回転数抑制率が５１％となり回転数抑制率が大きく減少している。これは風車１の特性は風速に比例して回転数が増加するが、ファン２０の特性は風速の増加に対し２乗で回転数が増加するためである。結果として風車１とファン２０を同軸で接続した場合は、ファン２０が低い風速域においては風車１の回転の抑制が少なく、高い風速域においては風車１の回転を抑制することから、自然風速が強風になるほど風車１の回転数を大きく抑制して過回転になることを防止している。
【００３５】
以下、本発明の風力発電装置の他の実施例を図面に基づいて説明する。なお、上記実施例と同一機能を有する構成には同一符号を付して説明を省略する。また下記の実施例で図示しないその他の構成については上記実施例と同様の構成をしている。
【００３６】
なお、蓄電装置４０は鉛蓄電池の他、コンデンサも利用することができる。
【００３７】
（実施例２）
図５は本発明第二の実施例の風力発電装置のプロペラファン風車の全体概要斜視図である。
【００３８】
図５に示すように、本実施例による風力発電装置は、水平軸風車を使用したものであり、風車１の回転軸７と同軸に多翼型羽根車４を備え、継手６を介し発電機５に接続される。また、多翼型羽根車４はファン２０の内部に設けられ、吸込口１０から吸込んだ空気を多翼型羽根車４で掻き出しファン吐出口１４に排気する構造としている。
【００３９】
図１に示す実施例と同様に、本実施例においても風車１は強風を受けた場合に、同軸で回転する多翼型羽根車４が抵抗となり過回転になることを防ぐことができる。
【００４０】
（実施例３）
また、図６は本発明第三の実施例の風力発電装置のベアリング装置の冷却部分の図である。
【００４１】
図６に示すように、前記風力発電装置の上部に備えられたファン２０内の通風路にベアリング９を設ける構造としている。
【００４２】
上記構成において、２本のポール２内を通風路として吸込チャンバー１１に蓄えられた空気はオリフィス１２を介して多翼型羽根車４で外部に排出される。
それにより、ベアリング９に吐出流を当てることが可能となり、温度上昇を防ぐことができる。
【００４３】
（実施例４）
また、図７は本発明第四の実施例の風力発電装置の舌部の構成部分の図である。
【００４４】
図７に示すように、前記風力発電装置の上部に設けられたファン２０内に取付けられた舌部１３を１５ｍ／ｓ以下の通常風速時には形状をなくし、１５ｍ／ｓを超える強風時には形状を有する可変構造としている。
【００４５】
上記構成において、ファン２０内の空気は多翼型羽根車４が回転することで遠心方向に掻き出され、舌部１３を介してファン吐出口１４から装置外に排出される。
【００４６】
前記舌部１３を可変することで、ファン２０のファン特性の調整が可能となり、任意の風速域までの負荷を減らせ、ファン２０により生ずる発電減少を低減することができる。
【００４７】
（実施例５）
また、図８は本発明第五の実施例の風力発電装置の排熱通風路の全体正面図である。
【００４８】
図８に示すように、構成は実施例１の図１に示す実施例と同様である。
【００４９】
上記構成において、発電機５、照明１５、制御ボックス１６、鉛蓄電池１７から発生した熱を２本のポール２の内部を通風路として前記風力発電装置の上部に設けられたファン２０により装置外に排出される。
【００５０】
それにより、前記風力発電装置の内部で発生した熱量を屋外に排出することが可能となり、高温になる装置内部の温度上昇を防ぐことができる。
【００５１】
本発明の風車１の羽根はサボニウス、プロペラ以外でもよく、自然風で回転するものならば羽根の形状にこだわらない。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、自然風を受けた場合の風車の羽根の保護に関するものとしたが、水流またはその他の流体により回転するものにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施例による風力発電装置の全体概要の斜視図
【図２】同風力発電装置のファン構成部分の斜視図
【図３】（Ａ）同風力発電装置の正面図（Ｂ）同風力発電装置の正面の多翼型羽根車の部分断面図（Ｃ）同風力発電装置の正面の風車の部分断面図
【図４】同風力発電装置の自然風速と風車およびファンの回転数の特性表を示す図
【図５】本発明第二の実施例の風力発電装置のプロペラファン風車の全体概要斜視図
【図６】本発明第三の実施例の風力発電装置のベアリング装置の冷却部分図
【図７】本発明第四の実施例の風力発電装置の舌部の構成部分図
【図８】本発明第五の実施例の風力発電装置の排熱通風路の全体正面図
【符号の説明】
【００５４】
１    風車
２    ポール
３    取付台
４    多翼型羽根車
５    発電機
６    継手
７    回転軸
８    風車羽根
９    ベアリング
１０  吸込口
１１  吸込チャンバー
１２  オリフィス
１３  舌部
１４  ファン吐出口
１５  照明
１６  制御ボックス
１７  鉛蓄電池
１８  点検扉
２０  ファン
２１  ファンケーシング
２２  天板
２３  側板
２４  底板
３０  発電装置
４０  蓄電装置
５０  照明装置
【図１】
2005188454.tif 000003
【図２】
2005188454.tif 000004
【図３】
2005188454.tif 000005
【図４】
2005188454.tif 000006
【図５】
2005188454.tif 000007
【図６】
2005188454.tif 000008
【図７】
2005188454.tif 000009
【図８】
2005188454.tif 000010