(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼を構成する外周構造体と該外周構造体の内部に収容される内部収容部材から構成されるダリウスロータにおいて、該内部収容部材が、翼の長手方向に延びた複数のプラスチック中空チューブを該外周構造体の内部に稠密状態で配置したものであることを特徴とするダリウスロータ。
【請求項２】
請求項１に記載されたダリウスロータにおいて、該プラスチック中空チューブの一部には、少なくとも１本以上の金属製細線をチューブ内に配置することを特徴とするダリウスロータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたダリウスロータにおいて、該プラスチック中空チューブは、ポリカーボネイトを主体とする材料で構成されていることを特徴とするダリウスロータ。
【請求項４】
請求項１又は２に記載されたダリウスロータにおいて、該プラスチック中空チューブは、生分解性ポリマーを主体とする材料で構成されていることを特徴とするダリウスロータ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載されたダリウスロータにおいて、該外周構造体が、縦、横、斜め織りのガラス繊維を含むＦＲＰを主体とする材料で構成されることを特徴とするダリウスロータ。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかに記載されたダリウスロータを用いることを特徴とする風力発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載された風力発電装置において、サボニウスロータを併結することを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダリウスロータ及びこれを用いた風力発電装置に関わり、特に、翼の構造に特徴を有するダリウスロータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギー・環境問題の深刻化により、風力発電の需要が増加している。
風力発電の効率は、風力を如何に効率良く発電機の回転軸に伝達するかに依存しており、従来から多用されてきたプロペラ型の風力発電装置に代り、最近では垂直軸型のダリウスロータを用いた風力発電装置が注目されている。しかも、ダリウスロータを用いた風力発電装置は、そのロータ翼の構造から、ロータ翼が回転する円周のどの方向からの風に対しても、回転力を弱めることなく円滑に回転するため、安定した電力の発電が可能である。
【０００３】
図１は、ダリウスロータを用いた風力発電装置の一つである、ダリウス・サボニウス併結型風力発電装置（以下に、「ハイブリッド型風力発電装置」という）である。
このハイブリッド型風力発電装置は、ダリウスロータ１、サボニウスロータ２、そして、これらのロータ翼を支持する固定軸３と可動軸４，５、増速器６や発電機系部材で構成されている。固定軸３の周りには、ダリウスロータ翼を支持する可動軸４、サボニウスロータ翼を支持する可動軸５が同心状に配置されており、固定軸３の周囲をこれらの可動軸４，５が回転自在となるように構成されている。ダリウスロータ翼を支持する可動軸４と、サボニウスロータ翼を支持する可動軸５との関係は、サボニウスロータ翼の回転が、ダリウスロータ翼を支持する可動軸４を介して、ダリウスロータ翼に伝達されるような構成であれば良く、単純には両方の可動軸を一体化する方法や、可動軸間に一方向クラッチなどを介在させ、サボニウスロータ翼の回転がダリウスロータ翼の回転を上回る時のみ、可動軸間が連結するように構成することも可能である。
【０００４】
増速器６は、ダリウスロータの可動軸４と発電機７の回転軸との間の回転比を最適化するためのものであり、通常、複数の歯車により構成される。また、発電機の極数を増やすことにより、歯車を除くこともできる。
発電機系部材としては、交流発電機７と、電力を蓄えるための蓄電池９と、該発電機より出力される電力を発電出力として外部へ出力、または内部の蓄電池に蓄えるかを選択的に制御するための制御装置８などからなる。
【０００５】
次に、ハイブリッド型風力発電装置の動作について説明する。
風の揚力を得て回転するダリウスロータ１は単独では起動できないため、風の抗力を得て起動するサボニウスロータ２が、スタータとしての機能を有する。このため、カットイン風速はサボニウスロータ２の能力により決定される。
なお、サボニウスロータが無いダリウスロータを用いた風力発電装置では、別途設けられた起動用電源によりある程度の回転数までダリウスロータを回転させることにより、ダリウスロータの駆動を行う。
【０００６】
カットイン風速以上の風で、サボニウスロータ２が回転をはじめると、サボニウスロータ２の可動軸５に連結されたダリウスロータ１の可動軸４が従動して回転し、ダリウスロータ翼が回転をはじめる。ダリウスロータ１は風の揚力を得ると、風の速度の数倍の周速度で回転する。ダリウスロータが定常回転している際には、通常、サボニウスロータの回転速度は、ダリウスロータの回転速度より低速となるため、ダリウスロータの可動軸４とサボニウスロータの可動軸５の連結は解除されている。または、可動軸４，５が一体の時は、両者は等速で回転する。
【０００７】
ダリウスロータ又はサボニウスロータの可動軸４，５の回転力は、増速器６を介して、回転速度を増速されて、発電機７の回転軸に伝達される。発電機７は、回転エネルギーを電力に変換し、発電した電力を制御装置８に供給する。制御装置８では、発電機の発電量や外部の電力需要等に対応して、発電機の出力の周波数調整を経て外部への電力供給又は、交流−直流変換を経て蓄電池９に導入などの各種制御を行う。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
風力発電の性能を高めるためには、ダリウスロータ、サボニウスロータ、および各々の可動軸など、可動する部分の各部材を機械的強度を高めて堅牢なものとし、しかも、慣性力を下げるために軽量化を図ることが求められている。
特に、円弧状に張り出し、可動軸の上下部のみで支持されているダリウスロータにおいては、これは大きな課題となっている。
【０００９】
従来のダリウスロータ翼は、風の揚力を効率的に得るために、翼の断面形状の成型精度を確保することが主眼となっており、ダリウスロータ翼の材質としては軽金属などが利用されていた。このため、可動するダリウスロータ翼が重たくなり、回転性能が犠牲となるなどの欠点が発生していた。
また、ダリウスロータ翼をガラス繊維強化プラスチックを利用して軽量化することも考えられるが、このような軽量化では逆に機械的強度が犠牲となり、ダリウスロータに働く機械的な衝撃力に対してロータ翼を構成する部材が耐えきれず、ダリウスロータ自体が破断し、その破片が周辺に飛散し危険な状況となることも予想される。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解消し、ダリウスロータの機械的強度を高めかつ軽量化を図ることにより、風力を効率的に回転力に変換するダリウスロータと、そのダリウスロータを利用した風力発電装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、翼を構成する外周構造体と該外周構造体の内部に収容される内部収容部材から構成されるダリウスロータにおいて、該内部収容部材が、翼の長手方向に延びた複数のプラスチック中空チューブを該外周構造体の内部に稠密状態で配置したものであることを特徴とする。
【００１２】
請求項１に係る発明により、ダリウスロータの翼に懸かる機械的な衝撃力や張力など、特に、翼の長手方向に懸かる負荷を、翼を構成する外周構造体及び内部収容部材が協働して吸収するため、外周構造体が破断する可能性を減少させ、仮に外周構造体が破断した場合でも、翼の長手方向に延びた複数のプラスチック中空チューブにより、ロータ翼自体が切断されることを防止するため、破片が周辺に飛散する危険性がない。
しかも、中空チューブであるため、機械的強度を維持しながら、内部収容部材の軽量化が図れることとなる。
【００１３】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載されたダリウスロータにおいて、該プラスチック中空チューブの一部には、少なくとも１本以上の金属製細線をチューブ内に配置することを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明により、金属製細線がプラスチック中空チユーブと同様に、ダリウスロータ翼の長手方向に懸かる負荷を吸収するため、翼の機械的強度がより高くなる。しかも、金属製の細線を利用しているため、翼の外周構造体や中空チューブに金属材料を利用する場合と比較し、大きな軽量化が図れる。また、金属製細線は、中空チューブに入れられているため、細線に懸かる負荷によりロータ翼の内部を細線が自由に動き回ることを抑制でき、細線を常に所要の位置に配置し続けることが可能となり、長期に渡り安定した機械的強度を維持することが可能となる。
【００１５】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載されたダリウスロータにおいて、該プラスチック中空チューブは、ポリカーボネイトを主体とする材料で構成されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明により、プラスチック中空チューブとしてポリカーボネイトを利用することにより、一定以上の機械的強度を得ると共に、加熱により容易に変形可能であることから、ロータ翼の内部に充填し、ダリウスロータ翼全体を加工成型する際に、加工が容易なものとなる。
【００１７】
また、請求項４に係る発明は、請求項１又は２に記載されたダリウスロータにおいて、該プラスチック中空チューブは、生分解性ポリマーを主体とする材料で構成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に係る発明により、ダリウスロータ翼の寿命により、該ロータ翼を廃棄処分する場合でも、ロータ翼の内部収容部材については、生分解性ポリマーを用いているため、内部収容部材であるプラスチック中空チューブを外周構造体から取り出し廃棄処分しても、埋め立て等で容易に分解することになるため、地球環境に対する負荷も減少させることが可能となる。
【００１９】
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至４の何れかに記載されたダリウスロータにおいて、該外周構造体が、縦、横、斜め織りのガラス繊維を含むＦＲＰを主体とする材料で構成されることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に係る発明により、外周構造体自体が、縦、横、及び斜め織りのガラス繊維で構成されているため、ロータ翼に加わる衝撃力や捩れ力など、縦・横・斜め方向に加わる多様な張力に対して、機械的強度を強化することかが可能となる。しかも、単に縦・横織りのガラス繊維を用いたＦＲＰなどの場合は、特に斜め方向の張力にも対応するためには、ガラス繊維をその繊維の配列方向をずらして積層することが必要となり、結局、外周構造体の重量が増加することとなる。しかしながら、本発明では、予め斜め方向の繊維も織りこんでいるため、このようにガラス繊維をずらして積層し、機械的強度を確保することが不要となり、ガラス繊維の積層枚数が減少し、軽量化にも寄与する。
【００２１】
また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至５の何れかに記載されたダリウスロータを用いることを特徴とする風力発電装置である。
【００２２】
請求項６に係る発明により、請求項１乃至５の何れかに記載されたダリウスロータのように機械的強度を高めかつ軽量化を図ったダリウスロータを、風力発電装置の回転翼として利用することにより、風力を効率的に回転エネルギーに変換できるため、発電効率の高い風力発電装置が実現できる。しかも、ダリウスロータ翼の破断等の不具合を防止でき、安全性の高い風力発電装置が提供できる。
【００２３】
また、請求項７に係る発明は、請求項６に記載された風力発電装置において、サボニウスロータを併結することを特徴とする。
【００２４】
請求項７に係る発明により、サボニウスロータを付加することで、ダリウスロータの起動時の回転を支援することが可能となり、起動用電源等の設備を不要にし、より効率的な風力発電装置を実現できる。また、モータ始動では改善できない、低周速比域での出力特性を改善でき、失速の低減をはじめ負荷との整合性向上に効果的となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図２は、ダリウスロータ翼の断面を示す図であり、ダリウスロータ翼は、外周構造体１０と内部収容部材から構成される。
外部構造体１０としては、ガラス繊維を縦、横、斜め方向に編み込んだものを、所要の機械的強度を得るため、複数枚積層し、これにプラスチックなどの樹脂を含浸させ、翼形状に成型加工する。
このようにガラス繊維を用いたＦＲＰに代り、カーボン繊維を用いたＦＲＰでも同様に翼を形成することは可能であり、一般的にカーボン繊維の方が軽量化を達成できる。しかし、縦、横、斜め方向に編み込んだカーボン繊維を形成するのは高度な技術を要する上、製造価格も高価なものとなるため、本実施例では、ガラス繊維を用いたＦＲＰを例示している。
【００２６】
内部収容部材は、図２に示すように、プラスチック材料で形成された中空チューブ１１を複数充填し、外周構造体１０の内部に稠密状態で配置したもので構成している。ダリウスロータ翼は、両端が上下部で可動軸に固定されているため、中空チューブもロータ翼の長手方向に延在し、各チューブの両端も、同様に、可動軸の上下部に固定されるように構成されている。内部収容部材を外周構造体内に収容させる方法としては、外部構造体１０を図２のように成型した後に、ロータ翼の端部から中空チューブ１１を挿入する方法もあるが、充填密度を高めるためには、外部構造体を流線型に加工する途中でロータ翼の側部から中空チューブ１１を充填し、最後に外部構造体を流線型に加工し、封止することも可能である。また、充填密度を向上する他の方法としては、中空チューブ径が異なる複数種の中空チューブを混在させ、大径の中空チューブが形成する隙間に小径の中空チューブが入り込むように構成することも可能である。
【００２７】
中空チューブ１１は、ダリウスロータ翼に懸かる多様な機械的負荷に対して、常に安定的に作用すること必要があるため、外周構造体内で、中空チューブが局所的に偏ることがないように構成する必要がある。このため、ダリウスロータ翼の長手方向の数カ所で、中空チューブ間を接合し、中空チューブの自由な動きをある程度制限するように、構成している。接合方法は、加熱融着や接着剤の利用など、既存の方法が利用できる。また、複数の中空チューブを金属又は樹脂による繊維状の糸などにより、簾状に編んでおき、簾を折りたたむようにして、外周構造体内に中空チューブを配置することも可能であり、これにより、中空チューブの動きを制限することが可能となる。
中空チューブは、全体に渡り強固に固定することも考えられるが、ダリウスロータ翼の回転時に懸かる機械的な負荷により、ダリウスロータ翼が若干変形する場合においては、中空チューブ間での相互のずれを許容する設計の方が、全体を強固に固定する場合と比較して、常に安定した形状の維持・回復を図ることができ、機械的負荷の分散能力の低下も抑制することが可能となる。
【００２８】
次に、内部収容部材の機械的強度を向上させる方法を説明する。
図３（ａ）に示すように、特定の中空チューブ１１内に、ピアノ線など金属製細線１２を１本又は複数本挿入し、中空チューブの機械的強度を強化する。そして、挿入された金属製細線１２は、ダリウスロータ翼の両端において、可動軸の上下部に接続し、固定される。
なお、金属製細線を単体で、内部収容部材の一つとして外周構造体内に配置することも可能であるが、金属製細線が該外周構造体内を自由に移動可能な状態であると、上述した中空チューブと同様に、局所的に偏在する可能性があり、ダリウスロータに懸かる様々な機械的負荷を、金属製細線が適切に引き受け、効果的に分散することができない。
【００２９】
上述の例では、製造の容易性及びコスト面の関係から、中空チューブの内部に、金属製細線を挿入する方法を提示したが、図３（ｂ）のように中空チューブ１１の周辺の所定箇所に金属製細線１２が固定された複合型チューブを、別途、形成し、本発明の内部収容部材として利用することも可能である。
さらには、ダリウスロータ翼の外周構造体の内面に、翼の長手方向に沿って金属製細線を配置固定することも可能である。
【００３０】
中空チューブの材料としては、プラスチックなど機械的強度を有し、成型加工が容易なものであるなら、多様なものが利用できる。特に、ポリカーボネイトを材料の主体として利用することにより、一定以上の機械的強度を得ると共に、加熱により容易に変形可能であることから、ロータ翼の内部に充填し、ダリウスロータ翼全体を加工成型する際に、加工が容易になる。
しかも、ロータ翼の両端を可動軸に固定する際には、断面形状は、流線型状から長方形へ、面積も大幅に減少することとなるため、加熱変形が容易なポリカーボネイトであるなら、このような加工成型に好適と言える。
【００３１】
また、プラスチック中空チューブを、生分解性ポリマーを主体とする材料で構成することも可能である。これにより、ダリウスロータ翼の寿命のため、該ロータ翼を廃棄処分する場合でも、ロータ翼の内部収容部材については、生分解性ポリマーを用いているため、内部収容部材であるプラスチック中空チューブを外周構造体から取り出し廃棄処分しても、埋め立て等で容易に分解することになるため、地球環境に対する負荷も減少させることが可能となる。
【００３２】
上述した本発明に係るダリウスロータを用いて風力発電装置を構成することが可能である。
風力発電装置の全体の構成としては、図１に示すように、従来のダリウス型風力発電装置が利用できる。しかも、起動用電源を不要としたい場合には、サボニウスロータ翼を付加し、ハイブリッド型風力発電装置を形成することができる。なお、本発明の好適例では、ロータ翼の外周構造体の特徴と、内部収容部材に係る特徴とを共に兼ね備えた事例を説明したが、一方のみの構成を有するものも、本発明に包含されることは、言うまでも無い。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るダリウスロータにより、ロータ翼の機械的強度を高めるだけでなく、軽量化も達成でき、風力発電の効率を向上させることが可能となる。
しかも、ロータ翼が仮に破断した場合でも、破片が周囲に飛散することが無いため、ダリウスロータの安全性を各段に向上させることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ダリウス・サボニウス併結型風力発電装置の概念図。
【図２】  本発明に係るダリウスロータ翼の断面図。
【図３】  中空チューブと金属製細線の配置関係を示す図。
【符号の説明】
１    ダリウスロータ
２    サボニウスロータ
３    固定軸
４，５  可動軸
６    増速器
７    発電機
８    制御装置
９    蓄電池
１０  外周構造体
１１  中空チューブ
１２  細線
【図１】
0004037158.tif 000002
【図２】
0004037158.tif 000003
【図３】
0004037158.tif 000004