(57)【要約】【課題】構造が簡易で低コストで製造可能としつつ、強風時にプロペラをフェザリング状態にし得る風力発電装置を提供する。【解決手段】メインシャフト１４の回転に伴い発電する発電機１２と、メインシャフト１４に取付けられると共にブレード２２の基端部２２Ａを回動可能に支持するハブ２０と、ハブ２０の前方に配置されて風を受ける受風材２４と、ハブ２０と受風材２４との間に配置されて弾性変形により受風材２４を移動可能とする圧縮コイルスプリング３６と、ブレード２２の基端側部分と受風材２４との間を連結し、受風材２４の移動に伴いブレード２２のピッチを変化させるリンク３８とにより風力発電装置１０が構成される。【選択図】図５
2013002363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロペラが風を受けてメインシャフトが回転し、その回転に伴い発電する発電機を搭載した風力発電装置であって、
メインシャフトに取付けられると共にプロペラブレードの基端部をピッチ可変に回動可能に支持するハブと、
ハブの前方に配置されて風を受ける受風材と、
ハブと受風材との間に配置されて弾性変形する弾性部材と、
前記弾性部材の弾性力に抗する受風材の移動に従って、ブレードの基端部をハブによる支持軸線周りに回転させてブレードのピッチを変化させるリンク機構と、
を有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
ブレードの基端側部分からアーム材が突出して設けられ、このアーム材の先端部にリンク機構の一端が回動可能に連結されている請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
受風材が、板状に形成された受風板と、受風板の後方に固定されたブラケットとを有し、前記ブラケットと前記ハブとの間に前記弾性部材が介装され、前記受風材が前記弾性部材の弾性力に抗して前後方向に移動可能に前記メインシャフトに支持されている請求項１または２記載の風力発電装置。
【請求項４】
弾性部材が圧縮コイルスプリングにより形成され、この圧縮コイルスプリングの密巻状態でブレードが風向方向と平行となる構成とされた請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項５】
発電機、ハブ、受風材、弾性部材及びリンク機構を含んで装置本体が構成され、
対地固定の支持台から立設された支持シャフトに、前記装置本体が縦軸周りに回転可能に支持されると共に、装置本体の後部に垂直尾翼が取付けられている請求項１〜４のいずれか１項に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、構造が簡素で低コストで製造可能としつつ、強風時にプロペラをフェザリング状態にし得る風力発電装置に関し、特に小型の風力発電装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンなエネルギーによって発電する装置として、風力を用いた風力発電装置が開発されている。この風力発電装置としては、発電機に接続されたメインシャフトの端部にプロペラを設置し、風力をこのプロペラが受けることによりメインシャフトを回転させて、発電機にて発電させるプロペラ型の風車等が知られている。
【０００３】
このプロペラ型の風車等の風力発電装置の運転中には、プロペラのメインシャフトが風向き方向に合致しなければならないだけでなく、強風時にはプロペラの回転数が異常に高くなって風力発電装置が破損するおそれがあるため、プロペラをフェザリング状態にして回転を停止あるいは低下させる必要がある。
【０００４】
従来、大型の装置においては、風向き方向を検知してモータ等の駆動源の作用により風の方向にプロペラを向ける動作を行う他に、上記のような操作を行うため、プロペラの現回転数の検出に基づき制御装置が判断して可変ピッチ装置によりプロペラの各ブレードのピッチを変化させ、プロペラをフェザリング状態にするような風力発電装置が知られている（特許文献１〜３参照）。
【０００５】
しかし、以上のようなプロペラのピッチを変化させるために、制御装置や可変ピッチ装置を持つことは大型の風力発電装置においては一般的なことであるが、小型の風力発電装置では発生する動力が小さいため、高価な制御装置や可変ピッチ装置を持つことは経済的に困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３０３２５５公報
【特許文献２】特開２００２−３１０３１公報
【特許文献３】特開２００７−２２４８７９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、構造が簡素で低コストで製造可能としつつ、強風時にプロペラをフェザリング状態にし得る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】
【０００８】
上記課題を解決した請求項１記載の発明は、プロペラが風を受けてメインシャフトが回転し、その回転に伴い発電する発電機を搭載した風力発電装置であって、
メインシャフトに取付けられると共にプロペラブレードの基端部をピッチ可変に回動可能に支持するハブと、
ハブの前方に配置されて風を受ける受風材と、
ハブと受風材との間に配置されて弾性変形する弾性部材と、
前記弾性部材の弾性力に抗する受風材の移動に従って、ブレードの基端部をハブによる支持軸線周りに回転させてブレードのピッチを変化させるリンク機構と、
を有することを特徴とする風力発電装置である。
【０００９】
請求項１に係る風力発電装置によれば、発電機のメインシャフトに取付けられるハブが、ブレードの基端部を回動可能に支持して、このハブがプロペラの回転可能な中心部を構成している。また、予め設定された以上の力が加わった場合には、ハブの前方に配置されて風を受ける受風材とハブとの間に配置される弾性部材が弾性変形して受風材が移動し、ブレードの基端側部分と受風材との間を連結するリンク機構が、この受風材の移動に伴いブレードのピッチを変化させる。
【００１０】
従って、通常使用時には、弾性部材の付勢力により受風材の位置が変化しないために、ブレードは回転状態のピッチに維持される。これに対し、強風時には、弾性部材の弾性力に抗する受風材の移動に従って、リンク機構によってブレードのピッチが変化して、ブレードがフェザリング状態になる。
【００１１】
以上のように、本発明に係る風力発電装置によれば、受風材の移動とリンク機構とを用いた簡素な構造としたことで、低コストで製造可能としつつ、強風時にプロペラをフェザリング状態にできるようになる。なお、上記の際の通常使用時と強風時との間の調整は、受風材の風を受ける面積の変更や、弾性部材の強さ、弾性部材の抗力調整部材による位置調整などの予圧の設定・変更で行うことができる。
【００１２】
請求項２の発明は、ブレードの基端側部分からアーム材が突出して設けられ、このアーム材の先端部にリンク機構の一端が回動可能に連結されている請求項１記載の風力発電装置である。
このアーム材を適切な長さにすることで、小さな力でもブレードをハブに対して回動できるので、強風時に合わせて容易にブレードのピッチを変更可能となり、風力発電装置の最適な設計ができるようになる。
【００１３】
請求項３の発明は、受風材が、板状に形成された受風板と、受風板の後方に固定されたブラケットとを有し、前記ブラケットと前記ハブとの間に前記弾性部材が介装され、前記受風材が前記弾性部材の弾性力に抗して前後方向に移動可能に前記メインシャフトに支持されている請求項１または２記載の風力発電装置である。
メインシャフトに対して前後移動可能に支持される受風材が、上記の受風板とブラケットとを有することで、受風材が必要以上に大型化したり、受風材の強度を必要以上に高めたりする必要が無くなり、結果として風力発電装置の製造コストが低減される。
【００１４】
請求項４の発明は、弾性部材が圧縮コイルスプリングにより形成され、この圧縮コイルスプリングの密巻状態でブレードが風向方向と平行となる構成とされた請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力発電装置である。
弾性部材である圧縮コイルスプリングが密巻状態となった時に、ブレードが風向方向と平行になることで、圧縮コイルスプリングがこれ以上変形しないのに伴い、強風時におけるフェザリング状態の維持が確実になる。
【００１５】
発電機、ハブ、受風材、弾性部材及びリンク機構を含んで装置本体が構成され、
対地固定の支持台から立設された支持シャフトに、前記装置本体が縦軸周りに回転可能に支持されると共に、装置本体の後部に垂直尾翼が取付けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力発電装置である。
後部に垂直尾翼が取付けられた装置本体がシャフトに対して回転可能に支持されることで、垂直尾翼に風が作用してハブが常時風上に向く形で装置本体が回転し、風力を最大源利用可能な風力発電装置となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、構造が簡素で低コストで製造可能としつつ、強風時にプロペラをフェザリング状態にし得る風力発電装置が提供されるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る風力発電装置の斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る風力発電装置の要部分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る風力発電装置の正面図である。
【図４】図３の中心部分拡大図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る風力発電装置の側面断面図である。
【図６】図４の要部拡大図であって通常使用時を表わす図である。
【図７】図４の要部拡大図であって強風時を表わす図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る風力発電装置の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。
図１及び図５に示すように、本実施の形態に係る風力発電装置１０の本体カバー１６内には、発電機１２が備えられていて、この発電機１２の発電軸１２Ａに水平方向に伸びるように配置されたメインシャフト１４が連結されている。このため、このメインシャフト１４の回転に伴い発電機１２が発電するようになっていて、このメインシャフト１４は、本体カバー１６内においてベアリング１８により回転可能に支持されると共に、先端が本体カバー１６の外側に突出している。
【００１９】
本実施の形態では、図２から図４に示すように、たとえば４枚とされる複数枚のブレード２２の円筒形に形成された基端部２２Ａを回動可能、かつ間隔の各９０°の角度でそれぞれ嵌合されるハブ２０が、これら４枚のブレード２２の中心部に位置している。そして、このハブ２０がメインシャフト１４と一体的に回転するようにこのメインシャフト１４がハブ２０に貫通しつつ連結されている。
【００２０】
メインシャフト１４は、ハブ２０だけでなくこのハブ２０を覆っている筒状の保護カバー材２０Ａを貫通し、さらに伸びて、ハブ２０の前方に風を受けるために配置された受風材２４が、このメインシャフト１４に支持されている。具体的には、この受風材２４は、金属材により円形で板状に形成された受風板２６、及びこの受風板２６に４つのビス３０でネジ止められて固定される金属材による十字形状のブラケット２８を有している。これらの中心をメインシャフト１４が貫通して、メインシャフト１４の他端に設けられた雄ねじ１４Ａにワッシャ３２を介してナット３４がネジ止められていて、これらワッシャ３２及びナット３４がメインシャフト１４から受風材２４が外れないようにするためのストッパとしての機能を奏している。
【００２１】
他方、弾性部材例である圧縮コイルスプリング３６がメインシャフト１４の外周側に巻き掛けられる形で、ブラケット２８とハブ２０との間に配置されていて、この圧縮コイルスプリング３６が常時これらを離間するように付勢している。この結果、これら受風板２６及びブラケット２８の中心部分が、メインシャフト１４に前後移動可能に支持されているものの、通常は圧縮コイルスプリング３６により図５及び図６における左端側に押しつけられている。
【００２２】
この一方、４枚のブレード２２の基端部２２Ａ寄りの箇所である基端側部分からは、アーム材２２Ｂが放射状に各１本突出して設けられていて、これら４本のアーム材２２Ｂの先端部には、円弧状に形成された４本のリンク３８の各一端が回動可能に連結されている。そして、十字形状に形成されたブラケット２８の４つの外端には、これら４本のリンク３８の各他端が回動可能に連結されている。
【００２３】
このことで、各リンク３８がブレード２２の基端側部分と受風材２４との間を連結することになる。このため、圧縮コイルスプリング３６の付勢力に抗しつつ受風材２４が移動するに伴い、リンク３８が図６に示す位置から図７に示す位置に移動して、ブレード２２のピッチが変化し、図７に示す圧縮コイルスプリング３６の密巻状態において、ブレード２２が風向方向Ｗとほぼ平行になる。
【００２４】
さらに、本実施の形態では、これら発電機１２、ハブ２０、ブレード２２、受風材２４、圧縮コイルスプリング３６、リンク３８及び本体カバー１６等により、風力発電装置１０の装置本体４０が形成されている。また、図１及び図３に示すように、接地面Ａに配置された金属製で円盤状の支持台４２から垂直に伸びる支持シャフト４４が、装置本体４０の下部に形成する連結案内部４６内に挿入されて、この連結案内部４６内に配置されているベアリング４８により装置本体４０と支持シャフト４４との間が相対回転可能になっている。
【００２５】
したがって、支持台４２及び支持シャフト４４に対して装置本体４０が回転可能に支持されていることになる。そして、一端が装置本体４０の後部にネジ止められた連結具５０を介して、板状に形成されて装置本体４０寄りの箇所がテーパ状に形成された垂直尾翼５２が、装置本体４０の後部に取付けられている。なお、装置本体４０の発電機１２からは、電力を送り出すための送電線５４が支持シャフト４４や支持台４２内を貫通して、本実施の形態の風力発電装置１０外にまで伸びていて、外部に電力を供給可能となっている。
【００２６】
次に、本実施の形態に係る風力発電装置１０の作用を以下に説明する。
本実施の形態に係る風力発電装置１０によれば、風速が正常な範囲である通常使用時には、図６に示す圧縮コイルスプリング３６の付勢力により受風材２４の位置が変化しないのに伴い、ハブ２０に支持されるブレード２２のピッチが維持される。
【００２７】
これに対して、正常な範囲を越えた強風時には、ハブ２０の前方に配置されて風を受けるための受風材２４が押され、この受風材２４とハブ２０との間に配置される圧縮コイルスプリング３６が弾性変形して縮まることで、受風材２４が移動する。この受風材２４が図７に示すストロークＳだけ移動して位置が変化するのに伴って、ブレード２２の基端側部分から突出したアーム材２２Ｂと受風材２４との間を連結するリンク３８の作用により、ブレード２２の基端部２２Ａが回転してブレード２２のピッチが変化する。つまり、リンク３８が移動することでブレード２２のピッチが変化して、角度が最大９０°程度変化してブレード２２が図７に示すフェザリング状態になる。
【００２８】
以上より、本実施の形態に係る風力発電装置１０によれば、受風材２４の移動とリンク機構とを用いた単純な構造としたことで、構造が簡易で低コストで製造可能としつつ、強風時にプロペラをフェザリング状態にできるようになる。
【００２９】
この際、圧縮コイルスプリング３６の密巻状態でブレード２２が風向方向と平行になる。このように圧縮コイルスプリング３６が密巻状態となった時に、ブレード２２が風向方向Ｗと平行になることで、圧縮コイルスプリング３６がこれ以上変形しないのに伴い、強風時におけるフェザリング状態の維持が確実になる。
【００３０】
さらに、このアーム材２２Ｂを適切な長さにすることで、小さな力でもブレード２２をハブ２０に対して回動できるので、強風時に合わせて容易にブレード２２のピッチを変化可能となり、風力発電装置１０の最適な設計ができるようになる。また、メインシャフト１４に前後移動可能に支持される受風材２４が、円形で板状に形成された受風板２６とリンク３８の他端が回動可能に連結されるブラケット２８とから形成されることで、受風材２４が必要以上に大型化したり、受風材２４の強度を必要以上に高めたりする必要が無くなり、結果として風力発電装置１０の製造コストが低減される。
【００３１】
他方、本実施の形態に係る風力発電装置１０によれば、発電機１２、ハブ２０、ブレード２２、受風材２４、圧縮コイルスプリング３６及びリンク３８により装置本体４０が形成され、接地面Ａに配置された支持台４２から垂直に伸びる支持シャフト４４に、装置本体４０が回転可能に支持されると共に、この装置本体４０の後部に垂直尾翼５２が取付けられている。
従って、垂直に伸びる支持シャフト４４の頂点にプロペラが３６０°方向にわたって水平方向に回転するように位置するのに伴い、垂直尾翼５２に風が作用してハブ２０が常時風上に向く形で装置本体４０が回転することで、風力を最大源利用可能な風力発電装置１０となる。
【００３２】
これら通常使用時と強風時との間の調整は、受風材２４を構成する受風板２６の風を受ける面積の変更や、圧縮コイルスプリング３６の強さや予圧の設定変更等で行うことができる。具体的には、風速が２０ｍ／秒のときには風圧が２０Ｎ／ｍ2程度であり、風速が３０ｍ／秒のときには風圧が４５Ｎ／ｍ2程度であることから、例えば受風板２６の面積を１ｍ2とし圧縮コイルスプリング３６の予圧を２０Ｎと設定しておけば、少なくとも風速２０ｍ／秒までが受風材２４が固定された状態の通常使用時となる。
【００３３】
これに対して、風速２０ｍ／秒を越えたときが強風時となり、風速２０ｍ／秒を越えると受風板２６が徐々に風圧で押されて、ブレード２２のピッチが変化する。さらに、風速３０ｍ／秒以上の強風時にブレード２２をフェザリング状態にする場合には、４５Ｎの力が加わったときに、圧縮コイルスプリング３６が密巻状態になるように設定することが考えられる。
【００３４】
なお、上記実施の形態では、ブレード２２を４枚としたが、２、３あるいは５枚以上の他の枚数としても良い。この場合には、ブラケット２８を十字形状にする替りに、ブレードが２、３枚であれば２方向に突出した形状や３方向に突出した形状にブラケットをすることが考えられ、ブレードが５枚であれば星形の形状にすることが考えられる。また、弾性部材も圧縮コイルスプリング以外の他の金属製のスプリングや金属製以外のゴム製等のものとすることが考えられる。受風板２６の形状も加工性や面積確保の観点から円形としたが、円形以外の形状としても良く、大きさも検出が必要な風速に合わせて変更することが考えられる。
【００３５】
他方、各部材の材質としては、鋼材等の金属材とすることが考えられるが、軽量化のためにアルミニウム等の他の金属材としたり、さらに強度の維持が可能であればＦＲＰ等の樹脂材料を用いても良い。
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は係る実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、小型の風力発電装置に適用可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１０    風力発電装置
１２    発電機
１４    メインシャフト
２０    ハブ
２２    ブレード
２２Ｂ  アーム材
２４    受風材
２６    受風板
２８    ブラケット
３６    圧縮コイルスプリング（弾性部材）
３８    リンク
４０    装置本体
４２    支持台
４４    シャフト
５２    垂直尾翼
【図１】
2013002363.tif 000003
【図２】
2013002363.tif 000004
【図３】
2013002363.tif 000005
【図４】
2013002363.tif 000006
【図５】
2013002363.tif 000007
【図６】
2013002363.tif 000008
【図７】
2013002363.tif 000009