(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車羽根、発電機、尾翼、風向きに追従するヨー装置を備え、無風時に垂直となる支柱に取り付けたアップウインド型水平軸風車型風力発電機において、該支柱は回転数制御、出力制御および強風時の風逃し機構たるべく全体または一部弓なりに撓む弾性を有しかつ該支柱には支線を併設して強風時に該支柱または支線の弾性を機能させるべく構成したことを特徴とする軽量風力発電装置。
【請求項２】
風車羽根、発電機、風向きに追従するヨー装置を備え、無風時に垂直となる支柱に取り付けたダウンウインド型水平軸風車型風力発電機において、該支柱は回転数制御、出力制御および強風時の風逃し機構たるべく全体または一部弓なりに撓む弾性を有しかつ該支柱には支線を併設して強風時に該支柱または支線の弾性を機能させるべく構成したことを特徴とする軽量風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風力発電装置の軽量化技術における、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アップウインド型水平軸風車型風力発電機の回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構として受風面積を減らすために、側方または上方に回転面をずらせるようにしている機構はよく知られている。図１８に示すように側方偏向式は風車羽根５の回転軸６６の中心と風車支持の支柱の中心６７とが偏心（Ｅで示す）しており、強風時には風車羽根回転面が側方に偏向し、風速が減少するとばね６９の力により復元するようになっている。図１８は微風のときを示し、図１９は風がやや強くなったときを示す。尾翼７０は風向に追従する。強風のときは風車羽根５の回転面と尾翼７０は平行になり完全に風を逃がして風力発電機の破損を防ぐ。
【０００３】
一方、上方偏向式は図２０に示すように、風速が大きくなると風車羽根７１の回転面が発電機７２と共に支点７４を中心にして上向きに偏向し、風速が減少するとカウンターウエイト７７またはばね７６の作用により復元するものである。なお、尾翼７３は支柱７５を中心にして常に風車羽根７１を風上に向けている。ばね７６またはカウンターウエイト７７で引き戻す方式は強い風から急に風が弱くなった時、強制的な引き戻しで急激な荷重がゴムなどのストッパーに加わる。また、風力発電機全体に大きな衝撃を与え易く、甚だしいときは破損したり寿命を短める。これを避けるため、ばね７６やカウンターウエイト７７を用いない風力発電機も製品化されているが、上方から戻るとき支点から上の風力発電機の重心と支点との長さが小さく、元に戻る回転モーメント小さいので、風が弱くなった時に元に戻って受風面積を増す作動の応答性が悪く風エネルギーを無駄にしている。具体例として図２１はばねやカウンターウエイトのない上方偏向式水平軸風車型の風力発電機を示し、風車羽根７１、発電機７８および尾翼７９が支点８０によって支えられ、支柱７５に風向に追従するように装着されている。実線で表したものが強風で上方に傾き風を逃がしているところである。この状態で風が急に弱くなると、風力発電機の重心Ｃに加わる重力Ｗと支点８０との水平距離Ｓ１と乗算した反時計回りの回転モーメントにより、風力発電機は点線で示す微風の状態に戻ろうとする。しかし、点線で示す位置の重心Ｃと支点までの水平距離Ｓ０と乗算した回転モーメントに比べはるかに小さいため、実線で示した上方偏向した位置から点線で示した位置に戻る応答性が悪く時間がかかる。
【０００４】
また、ダウンウインド型では図２２に示すように、コーニング式といって強風時には後流側に風車羽根８１ａが円錐状を形成するようにして、図２２に点線で示す風車羽根８１ｂのように風車の受風面積を減少させ、回転数を抑えるものである。風車羽根８１ａはヒンジ８２、８７を用いて回転軸８４に取り付けられ、起動時にはばね８３の力で風車羽根を保持して受風面積を大きくし、回転時には遠心力により回転面が形成される。強風時には風の抗力が増大し円錐状になる。図２２の風車羽根８１ａは発電機８６の出力軸８４に直結されている。発電機８６は支柱８５を中心に風向に追従して回転するように取り付けられている。
【０００５】
以上、何れの従来の方式も風力発電機を支える支柱は、剛性のある堅固なもので製作されていて重量が大きかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の風力発電機を支えるため強固に作られた太い支柱はどうしても重量が大きくなり携帯用としては不向きであった。また、据え付けと撤去を容易にしようとするとき支柱を含めた発電装置全体として非常に重く、作業に人手と時間を要した。
【０００７】
【課題を解決するため手段】
風車羽根、発電機、尾翼、風向きに追従するヨー装置を備え、無風時に垂直となる支柱に取り付けたアップウインド型水平軸風車型風力発電機において、該支柱は回転数制御、出力制御および強風時の風逃し機構たるべく全体または一部弓なりに撓む弾性を有しかつ該支柱には支線を併設して強風時に該支柱または支線の弾性を機能させるべく手段を適用した。
【０００８】
さらに尾翼のないダウンウインド型においては請求項２の手段を適用する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例にもとずき図面を参照して説明する。図１はアップウインド型の上方偏向式水平軸風車型風力発電機に本発明を適用した一実施例である。図１は微風の状態を表す。
【００１１】
図１において風車羽根５、発電機１０および尾翼１３を備えた風車回転軸２の下方に距離Ｙだけオフセットした水平の支点軸１８を設けるとともに、風向きに追従する図２に示すヨーチューブ２２、ベアリング２４、２４およびヨーシャフト２５で構成するヨー装置を設け、無風時に垂直の支柱２８に取り付けるアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機において、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構として支柱２８の全体または一部を撓み易くし、その弾性を利用するとともに支柱２８を支える支線３３、３３の持つ弾性も併用するか、もしくは支柱２８または支線３３、３３のどちらかの弾性のみを利用する軽量風力発電装置を提供するものである。図１において風車羽根５は発電機１０に直結されている。支持金具１４には発電機１０と尾翼１３が取り付けられて一体となっている。この風力発電機全体の重心Ｇにかかる重力Ｐと支点１８までの水平距離Ｘと乗算した反時計回りのモーメントが風車羽根５の風車回転軸２の中心線と支点１８までのオフセットＹと風車羽根５の抗力によって生じる時計回りのモーメントより大きくなっている。
【００１２】
支柱２８まわりを詳しく述べると、図１に示すように、風力発電機全体は支柱２８によって支えられ、支柱２８は分配金具３１によって少なくとも３本の支線３３、３３によって地上３６にアンカーボルト３４、３４などで無風時は垂直に固定されている。なお、固定金具３２は分配金具３１を支柱２８に固定するためのものである。また、支柱の下端は図のように先の尖った物で構成し、凹形のくぼみを設けた支持板３５で地上３６に固定する。支柱２８は撓み易い材料で製作される。図１は微風のときの状態で、風力発電機全体の自重により、風車羽根５に直結されている風車回転軸２はほぼ水平に保たれている。尾翼１３が上方に位置しているひとつの理由は風車羽根５の回転中心より離れるため、空気の流れが安定しているので風車回転面を正確に風向に向け易いからである。他の理由は後述の強風時に支柱２８が撓んだ時に尾翼１３が下がり、支線３３、３３や支柱２８と干渉しないためである。なお、尾翼１３はヨーチューブ２２に取り付けても本発明は同様の効果を発揮する。また、風車回転軸と電動機の間に増速機を入れる場合も同様の作用をする。
【００１３】
図２は図１の主要部分を説明するための拡大部分断面図である。図３は図２のＡ−Ａに沿った支点軸１８まわりの断面図である。図４は図２のＢ矢視図で風力発電機主要部を示す背面図ある。支持金具１４には風力発電機１０がボルト１１、１１およびナット８、８によって取り付け座９、９を介して取り付けられている。同じく支持金具１４には尾翼１３がビス１２、１２およびナット３８、３８によって取り付けられている。発電機１０と直結の風車回転軸２にはフランジ１およびフランジ６がはめ込まれ、止めネジ３によって固定されている。フランジ１およびフランジ６の間には風車羽根５がボルト７、７およびナット４、４によって取り付けられている。風車羽根５の回転軸と発電機の回転軸は一致するが、この風車回転軸２とオフセットした位置に支点受け３０、３０が支持金具１４に形成され、支点軸１８が図３のようにヨーチューブ２２と共にはめこまれている。支点軸１８はスプリングピン１９によって抜けないように固定されている。これで、ヨーチューブ２２は支点軸１８を中心にして、ストッパー２９とストッパー１７に規制される角度の範囲内は自由に回転することができる。ヨーチューブ２２には玉軸受２４、２４を介してヨーシャフト２５が取り付けられ、止め輪２３、止め輪２６によって軸方向に動かないように固定されている。ヨーチューブ２２の動きを規定するため、支持金具１４にはストッパー２９が固定されている。これは風が弱くなったとき元の位置に戻るとき緩衝材としての機能も果たすようゴムなどで作られる。一方支持金具とヨーチューブの角度を規定するためストッパー１７がバンド２０によって固定されている。このストッパー１７の位置はバンド２０のビス２１とナット３９を緩めることによって自由に設定できる。発電機１０の電気出力ケーブル１５は図２のように発電機１０からキャップ１６を通してヨーシャフト２５に導かれる。ヨーシャフト２５はボルト２７によって支柱２８に固定される。この構成で風力発電機全体は尾翼１３の作用で常に風車羽根５が風の向かってくる方向に向くことになる。なお、キャップ１６、ヨーチューブ２２、支点軸１８およびスプリングピン１９の接合面には、シール剤が充填され防水されている。
【００１４】
図５は風がやや強くなった時のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。風の力によって撓み易く製作された支柱２８は風の吹く方向に弓なりに湾曲して傾く。次に風力発電機本体が支点軸１８を中心にして、上方に偏向する。この状態のときは風の強さに応じて風車の回転面の傾き角度を予め設定した回転数制御や出力制御ができるよう、支点軸１８の位置、支柱２８の撓み代および支線３３、３３の伸び代を設定する。
【００１５】
図６は強風時のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置である。支柱２８はさらに弓なりに大きくしなって強風を逃がし、風力発電機１０の支持板１４はストッパー１７の当たる位置まで支点軸１８を中心に傾斜し、風力発電装置全体が破損するのを防いでいる。
【００１６】
図７は微風時の支点を持たないアップウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。風車羽根５、発電機１０および尾翼１３を備え、風向きに追従するヨー装置３７を設け、垂直の支柱に取り付けるアップウインド型水平軸風車型風力発電機において、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構に支柱２８の全体または一部を撓み易くし、その弾性を利用するとともに支柱２８を支える支線３３、３３の持つ弾性も併用するか、もしくは支柱２８または支線３３の、３３どちらかの弾性のみを利用する軽量風力発電装置の一実施例を示す。すなわち、図１の支点軸１８を持たないタイプで、微風の状態を表している。この形式は支柱２８のより多い撓み量を要求する。風向に追従するヨー装置は３７で表す。図７の主要部の詳細は図２の支点軸１８を無くし、支持板１４とヨーチュブ２２を動かないよう固定したもので、図２のヨーチューブ２２、ベアリング２４、２４およびヨーシャフト２５で構成する風向に追従するヨー機能は全く同様である。
【００１７】
図８は強風時の支点を持たないアップウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置を示す側面図である。支柱２８は弓なりに大きくしなって強風を逃がし、風力発電装置全体が破損するのを防いでいる。なお図示していないが回転数制御や出力制御をしているときは図７と図８の中間の支柱の撓みであることは容易に解る。
【００１８】
図９は微風時のダウンウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。風車羽根５および発電機１０を備え風向きに追従するヨー装置３７を設け、無風時には垂直の支柱２８に取り付けるダウンウインド型水平軸風車型風力発電機において、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構に支柱２８の全体または一部を撓み易くし、その弾性を利用するとともに支柱を支える支線３３、３３の持つ弾性も併用するか、もしくは支柱２８または支線３３、３３のどちらかの弾性のみを利用する軽量風力発電装置の一実施例を示す。尾翼はなく風向安定板３８が付いている。図９の主要部の詳細は図２の支点軸１８を無くし、支持板１４とヨーチュブ２２を動かないよう固定したもので、図２のヨーチューブ２２、ベアリング２４、２４およびヨーシャフト２５で構成する風向に追従するヨー機構は全く同様である。
【００１９】
図１０は強風時のダウンウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の状態である。支柱２８は弓なりに大きくしなって強風を逃がし、風力発電装置全体が破損するのを防いでいる。なお図示していないが回転数制御や出力制御をしているときは図９と図１０の中間の支柱の撓みであることは容易に解る。
【００２０】
図１１はアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え撓まない支柱に取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。支柱がほとんど撓まない従来から使われている支柱３９、４４を使用し、支線４２がよく撓むもの、ないしは伸びない支線４０ａ、４０ａ、４０ｂ、４０ｂ引張ばね４１、４１などを用いたときの一実施例を表す。作動は前記の図２に準ずる。この例は支柱３９と支柱４４に分かれて伸縮式に形成し、持ち運ぶ長さが短くなるようにしている。支柱全体の長さはバンド４３によって長さが自由に調節できる。この伸縮式の支柱はこれまで述べてきた撓み易い支柱２８にも適用可能で、つなぐ本数は何段でもかまわない。また、撓み易い支柱２８と伸び易い支線との組合せでも本発明は成り立つ。図１１は伸びない支線４０ａ、４０ａ，４０ｂ、４０ｂと引張ばね４１、４１で支線を形成しているが、点線で示す支線４２を伸び縮みする線で作ることも可能である。実用的には撓み易い支柱２８と伸び縮みする支線４２の組合せで本発明を実施することが経済的に得策となろう。
【００２１】
図１２はアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え、固定台４５に支線のない撓む支柱４７ａに取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。支柱の下部を堅固なもので固定し支線を使わない形式である。固定台４５を使わず、支柱４７ａを長くして地上に埋め込み、自立型支柱とし支線を使わないようにしても同様の作用をする。また、図１３は支柱４６は撓まないものを使用し、一部のみより撓みやすい支柱４７ｂを入れたものであるが、前記図１２と同様の作動をする。
【００２４】
図１６はアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え、支柱が長い場合の風力発電装置の実施例を示す側面図である。支柱６２が長い場合、２箇所以上の分配金具３１、６５から支線６３、６３、６４、６４を張った場合を示す一実施例である。
【００２５】
図１７は風がやや強くなった時のアップウインド型側方偏向式水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す斜視図である。風車羽根５、発電機６７、尾翼７０および戻しばね６９を備え、風車回転軸６６を支柱の風向きに追従するヨー装置につながる支柱の中心６７と偏心させた図１８に示すアップウインド型側方偏向式の水平軸風車型風力発電機において、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構として支柱２８の全体または一部を撓み易くし、その弾性を利用するとともに支柱２８を支える支線３３、３３の持つ弾性も併用するか、もしくは支柱２８または支線３３、３３のどちらかの弾性のみを利用する軽量風力発電装置の一実施例である。従来の側方偏向式は、風向が偏向する方向に変化し、同時に強くなった場合には制御が困難であった。強風が偏向しようとする方向に急に変化して吹くと、逃げがなくて風力発電装置の弱い箇所が破損する場合がある。その点、図１７に示すものは、強風になったとき、まず支柱２８や支線３３、３３が撓み、風車羽根５の回転面を上に向け受風面積を減らし、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構として作用し応答性が良い。
【００２６】
なお、この発明の発電機を油圧ポンプなどに置き換え、風のエネルギーを油圧エネルギーに変換したり、直接水をかくはんして風のエネルギーを熱エネルギーに変換することも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
【００２８】
本発明は以上に説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２９】
簡単な構造で風力発電機の回転数制御、出力制御および強風時の風逃がしをすることができる。従来のような戻しばねやカウンターウエイトが不要になり軽量化できる。
【００３０】
風力発電機本体とともに、これを支える支柱や支線も大幅に軽量化できる。
【００３１】
運搬、据え付けおよび撤去が容易である。
【００３２】
従来の支柱には剛性が要求されていたので、その材料は金属材料や鉄筋コンクリートなどに限られていた。しかし、本発明では支柱の「撓み」を大きくとる必要があるので、「撓み」が大きなＦＲＰやプラスチック材料も使用でき、材料選択の幅が広がる。
【００３４】
支線も伸び易い材料でも使用可能となり、材料選択の幅が大きくなる。
【００３５】
風力発電機の回転による振動がしなやかな支柱や支線の使用で、据え付けられた地上や建物に伝わり難くなり、防振効果がある。
【００３７】
側方偏向式に適用すると、強風が偏向しようとする方向に急に変化して吹くと、まず支柱や支線が撓み、回転数制御、出力制御および強風時の風逃がし機構として作用し応答性が良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】微風時のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図２】図１のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機の主要部の説明をするための拡大部分断面図である。
【図３】図２のＡ-Ａに沿った支点軸回りの実施例を示す断面図である。
【図４】図２のＢ矢視図で風力発電機主要部の実施例を示す背面図である。
【図５】風がやや強くなった時のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図６】強風時のアップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図７】微風時の支点を持たないアップウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図８】強風時の支点を持たないアップウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図９】微風時のダウンウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図１０】強風時のダウンウインド型水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図１１】アップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え、撓まない支柱に取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図１２】アップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え、支線のない撓む支柱に取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図１３】支線のない支柱の部分を示す実施例である。
【図１４】発電機が下部にあるアップウインド型の水平軸風車を備え、支柱に取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図１５】発電機が下部にあるダウンウインド型の水平軸風車を備え、支柱に取り付けた風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図１６】アップウインド型上方偏向式の水平軸風車型風力発電機を備え、支柱が長い場合の風力発電装置の実施例を示す側面図である。
【図１７】風がやや強くなった時のアップウインド型側方偏向式水平軸風車型風力発電機を備えた風力発電装置の実施例を示す斜視図である。
【図１８】微風時の従来の側方偏向式アップウインド型水平軸風車型風力発電機の実施例を示す上面図である。
【図１９】やや強い風の時の従来の側方偏向式アップウインド型水平軸風車型風力発電機の上面図である。
【図２０】従来の上方偏向式アップウインド型水平軸風車型風力発電機を示す側面図である。
【図２１】ばねやカウンターウエイトを持たない、従来の上方偏向式アップウインド型水平軸風車型風力発電機の側面図である。
【図２２】従来のダウンウインド型水平軸風車型風力発電機の側面図である。
【符号の説明】
２、６６      風車回転軸
５            風車羽根
１０、６８    発電機
１３、７０    尾翼
１７、２９    ストッパー
１８          支点軸
２２          ヨーチューブ
２８、３９、４４、４６、４７ａ、４７ｂ、６２    支柱
３１、５３、６５  分配金具
３３、４０ａ、４０ｂ、４２、６３、６４、        支線
３４          アンカーボルト
３５          支持板
３８、６１    風向安定板
４５          固定台
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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