(57)【要約】【課題】弱風における発電量を改善すると共に大型大出力タイプにも対応可能な風力発電装置を提供する。【解決手段】回転軸２４の長手方向一端部２４ａは、その反対側の長手方向他端部２４ｂよりも高い位置に位置するように傾斜しており、この長手方向一端部２４ａには、風力に応じて回転するように羽２６が固定されている。傾斜した回転軸２４の長手方向一端部２４ａに羽２６が取り付けられているので、図１（ｂ）に示すように羽２６の回転面は鉛直面上には無く、鉛直面に交差する面上にあることになる。羽２６は、風力によって回転する途中において支柱２２に対向する。支柱２２のうち羽２６に対向する対向面２２ｆは、回転軸２４の傾斜角度（図２（ｂ）のθ）以下の角度だけ鉛直方向に対して傾斜しており、支柱２２のうち対向面２２ｆになる部分の太さは、下方ほど太くなっている。【選択図】図１
2009299515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に延びる支柱と、風向きに応じて回転するように前記支柱の上端部に固定された回転軸と、風力に応じて回転するように前記回転軸の長手方向一端部に固定された羽とを備えた風力発電装置において、
前記回転軸は、
前記長手方向一端部とは反対側の長手方向他端部よりも高い位置に該長手方向一端部が位置するように傾斜しているものであることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記支柱は、
該支柱のうち前記羽に対向する対向面が、前記回転軸の傾斜角度以下の角度だけ鉛直方向に対して傾斜しているものであることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記支柱は、
複数の柱から構成されるラーメン構造又はトラス構造であって、
前記複数の柱は、前記回転軸の傾斜角度以下の角度だけ鉛直方向に対して傾斜しているものであることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項４】
鉛直方向に延びる支柱と、風向きに応じて自在に回転するように前記支柱の上端部に固定された回転軸と、風力に応じて回転するように前記回転軸の長手方向一端部に固定された羽とを備えた風力発電装置において、
前記羽は、
前記支柱に向き合う位置に該羽が到達したときには、該支柱から離れる方向に傾斜しているものであることを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
前記支柱は、
該支柱のうち前記羽に対向する対向部分が、前記羽の傾斜角度以下の角度だけ鉛直方向に対して傾斜している外側面を有するものであることを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記支柱は、
複数の柱から構成されるラーメン構造又はトラス構造であって、
前記複数の柱は、前記羽の傾斜角度以下の角度だけ鉛直方向に対して傾斜しているものであることを特徴とする請求項４に記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記羽のピッチ角を該羽の位置に応じて変更させるピッチ角変更器を備えたことを特徴とする請求項１から６までのうちのいずれか一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、風力によって羽を回転させて発電する風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力によって羽を回転させて発電する風力発電装置が知られている。この風力発電装置の高出力型の一例について図３を参照して説明する。図３は、従来の高出力型の風力発電装置の一例を示す斜視図である。
【０００３】
風力発電装置１０は、鉛直方向に延びる支柱１２と、風向きに応じて自在に回転するように支柱１２の上端部１２ａに固定された回転軸１４と、風力に応じて回転するように回転軸１４の長手方向一端部１４ａに固定された複数（図１では３枚）の羽１６とを備えた構造をしている。このような構造の風力発電装置１０では、支柱１２と回転する羽１６との干渉（衝突）を防止するために、これらの横断面の大きさに限度があり、限度を超えて支柱１２を太くすることができない。このため、風力発電装置１０の設計基準を超えた強風を受けた場合、羽１６や支柱１２が折損するという事故が発生するおそれがある。また、上記と同様の理由（支柱１２と羽１６との干渉を防止する）から、風を受ける羽１６の面積に制約があり、この羽１６の面積をむやみに広くすることはできない。このため、風力の小さいときに発電する風力量は小さくなるといった問題がある。
【０００４】
そこで、羽の高さを風力に合わせて調整し、風力の小さいときには羽の高さ（従来の羽では長さに相当）を高く（長く）し、風力の大きい場合には羽の高さを低く（短く）する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この構造では、羽の高さを調整する機構が複雑になるので風力発電装置のコストが増加する。また、羽が一体の剛体構造ではないので、強風下における羽の強度を確保するための対策が必要となる。
【０００５】
また、支柱と発電機の間に水平の回転軸を設けておくと共に、強風時に支柱や支線の弾性変形を利用し、羽の回転面が傾斜するような構造の風力発電装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この構造の風力発電装置では、強風による発電装置の破損を防止することができるとされている。しかし、このような構造は軽量小出力タイプの小型発電機には採用可能であるが、大型の大出力タイプの発電機には採用が難しい。この理由は、風圧は構造物の寸法相似則である寸法の２乗に比例するものの、重力は体積（即ち、寸法の３乗）に比例するので、大型になるほど支柱等の太さを相似形状よりも大きくしなければならず、必要とされる剛性が急激に増加するからである。しかも、水平方向に延びる回転軸に回転自在に固定された羽の回転は突風等の急激な風圧の増加等には対応できず、さらに、この構造の風力発電装置では、通常の使用時には支柱や支線の弾性変形及びばね（又は、カウンターウエイト）によって羽の回転面を垂直に戻すので、羽と支柱が干渉しない範囲に支柱の太さを制限する必要があり、風圧をさらに強く受ける大型の発電機の羽の長さや幅の寸法に限界がある。
【特許文献１】特開２００７−０８５２７１号公報
【特許文献２】特開平１１−２７０４５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、弱風における発電量を改善すると共に大型大出力タイプにも対応可能な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】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の風力発電装置は、鉛直方向に延びる支柱と、風向きに応じて回転するように前記支柱の上端部に固定された回転軸と、風力に応じて回転するように前記回転軸の長手方向一端部に固定された羽とを備えた風力発電装置において、
（１）前記回転軸は、前記長手方向一端部とは反対側の長手方向他端部よりも高い位置に該長手方向一端部が位置するように傾斜しているものであることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、
（２）前記支柱は、該支柱のうち前記羽に対向する対向面が、前記回転軸の傾斜角度以下の角度だけ鉛直方向に対して傾斜しているものであってもよい。
【０００９】
さらに、
（３）前記支柱は、複数の柱から構成されるラーメン構造又はトラス構造であって、前記複数の柱は、前記回転軸の傾斜角度以下の角度だけ鉛直方向に対して傾斜しているものであってもよい。
【００１０】
また、上記目的を達成するための本発明の他の風力発電装置は、鉛直方向に延びる支柱と、風向きに応じて自在に回転するように前記支柱の上端部に固定された回転軸と、風力に応じて回転するように前記回転軸の長手方向一端部に固定された羽とを備えた風力発電装置において、
（４）前記羽は、前記支柱に向き合う位置に該羽が到達したときには、該支柱から離れる方向に傾斜しているものであることを特徴とするものである。
【００１１】
ここで、
（５）前記支柱は、該支柱のうち前記羽に対向する対向部分が、前記羽の傾斜角度以下の角度だけ鉛直方向に対して傾斜している外側面を有するものであってもよい。
【００１２】
さらに、
（６）前記支柱は、複数の柱から構成されるラーメン構造又はトラス構造であって、前記複数の柱は、前記羽の傾斜角度以下の角度だけ鉛直方向に対して傾斜しているものであってもよい。
【００１３】
さらにまた、
（７）前記羽のピッチ角を該羽の位置に応じて変更させるピッチ角変更器を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、回転軸（又は、羽）を傾斜させることにより、羽と支柱とを干渉させずに支柱の曲げ強度を改善できるので、軽量化と強風に対する強度を両立した風力発電装置を提供できる。さらに、支柱の強度を高められるので、羽の受風面積を増加でき、弱風の際にも高出力が確保される風力発電装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、垂直方向に延びる支柱を備えた風力発電装置に実現された。
【実施例１】
【００１６】
図１を参照して、本発明の風力発電装置の一例を説明する。図１（ａ）は、本発明の風力発電装置の一例の概略を示す斜視図であり、（ｂ）は、構成部品の位置関係を示す模式図である。
【００１７】
風力発電装置２０は、鉛直方向に延びる支柱２２を備えている。この支柱２２は、後述するように回転軸２４が傾斜しているので従来よりも太くできる。この点についての詳細は後述する。支柱２２の上端部２２ａには回転軸２４が固定されており、この回転軸２４は、風向きに応じて自在に回転するように固定されている。回転軸２４の長手方向一端部２４ａは、その反対側の長手方向他端部２４ｂよりも高い位置に位置するように傾斜しており、この長手方向一端部２４ａには、風力に応じて回転するように羽２６が固定されている。図１では羽２６は３枚であるが、何枚でもよい。
【００１８】
傾斜した回転軸２４の長手方向一端部２４ａに羽２６が取り付けられているので、図１（ｂ）に示すように羽２６の回転面は鉛直面上には無く、鉛直面に交差する面上にあることになる。羽２６は、風力によって回転する途中において支柱２２に対向する（向き合う）。支柱２２のうち羽２６に対向する対向面２２ｆは、回転軸２４の傾斜角度（図２（ｂ）のθ）以下の角度だけ鉛直方向に対して傾斜しており、支柱２２のうち対向面２２ｆになる部分の太さは、下方ほど太くなっている。また、支柱２２の下部２２ｂを最も太くしてもよい。
【００１９】
上記のように回転軸２４を傾斜させたので、羽２６が支柱２２に向き合う位置にあるときは支柱２２から離れることとなり、支柱２２と羽２６が干渉せず（衝突せず）、しかも、この離れた分の長さだけ支柱２２を太くできる。強風で発生する風下方向の横荷重による支柱２２の曲げモーメントに対して、支柱２２の下部２２ｂは強度を必要とされるが、この強度的に厳しい支柱２２の下部２２ｂを太くできるので支柱２２の強度が大幅に改善する。
【００２０】
支柱２２を中空部材で構成した場合、支柱２２の外径を２倍に増加できれば、曲げ強度は４倍に向上する。支柱２２の重量を増加させないためにその板厚を半分にしても曲げ強度は２倍に向上でき、風圧が風力の２乗に比例することから限界風力が１．４倍に向上する。
【００２１】
一方、支柱２２の強度を向上する必要がない場合には外径を２倍にすれば板厚を１／４に軽減しても曲げ強度は変わらない。従って、同じ強度の支柱を半分の材料で構成することができ、軽量化を図ることができる。
【００２２】
支柱２２の強度を２倍程度に強化した場合には、羽２６の受風面積を２倍以内に増加でき、弱風下であっても発電量を２倍まで改善できる。羽２６の面積を増加するときは、羽２６の幅を２倍にできれば厚さも２倍程度に増加できるので、羽２６の曲げ強度は受圧面積以上に改善し、羽２６の破損も防止できる。
【００２３】
また、回転軸２４の傾き（傾斜角度θ）が５°以内の場合、ピッチ角の変化も無視できる。しかし、この傾きが５°を超えた場合は、風の方向となる水平面に対する左右の羽２６（回転中の羽２６は正面から見て左に位置したり右に位置したりする）のピッチ角の差が大きくなるので、発電効率の低下が予想される。周知の高出力型風力発電装置の羽のピッチ角は風力に合わせて調整可能であり、上に位置する羽（鉛直方向に一致して上に延びた状態の羽）と下に位置する羽（鉛直方向に一致して下に延びた状態の羽）の受ける風速の変化にも対応しているものもあり、この機構を利用して左右の羽（左右に位置した状態の羽）でピッチ角を水平面に対して同等となるよう変化させたほうがよい。この場合は、風力発電装置２０にピッチ角変更器を備えておき、上記のように左右の羽のピッチ角も適宜に変更する。
【００２４】
ところで、例えば通常のメガワット級風力発電装置では、支柱の最大径が支柱の高さ（長さ）のおよそ１０分の1のものが多く採用されている。このような風力発電装置では、羽２６の幅を変えずに支柱２２の強度や軽量化のために支柱２２の最大径を２倍に増加させる必要があるときは、羽２６との支柱２２の対向面２２ｆをアークタンジェント２０分の１、即ち僅か３度傾斜させればよく、回転軸２４の傾斜角は３度程度でよい。出力増加のために羽２６の幅を増加させる場合には、さらにクリアランスを確保するために回転軸２４を傾斜させる必要があるが、この場合でも５度程度でよい。
【００２５】
上記したように風力発電装置２０では、回転軸２４を傾斜させることにより、羽２６と支柱２２とを干渉させずに支柱２２の曲げ強度を改善できるので、軽量化と強風に対する強度を両立した風力発電装置２０を提供できる。さらに、支柱２２の強度を高められるので、羽２６の受風面積を増加でき、弱風の際にも高出力が確保される風力発電装置２０を提供できる。
【００２６】
なお、上記した風力発電装置２０では支柱２２を中空又は中実のものとしたが、支柱２２を、図２に示す支柱３２のように複数の柱から構成されるラーメン構造又はトラス構造にしてもよく、この場合は、これら複数の柱は、回転軸２４の傾斜角度（θ）以下の角度だけ鉛直方向に対して傾斜させる。
【実施例２】
【００２７】
図２を参照して、本発明の風力発電装置の他の例を説明する。図２（ａ）は、本発明の風力発電装置の他の例の概略を示す斜視図であり、（ｂ）は、構成部品の位置関係を示す模式図である。
【００２８】
風力発電装置３０は、中心軸３２ｃが鉛直方向に延びる支柱３２を備えている。この支柱３２は、後述するように羽３６が傾斜しているので従来よりも太くできる。この点についての詳細は後述する。支柱３２の上端部３２ｂには回転軸３４が固定されており、この回転軸３４は、風向きに応じて自在に回転するように固定されている。回転軸３４は水平方向に延びたものであり、この長手方向一端部３４ａには、風力に応じて回転するように羽３６が固定されている。図２では羽３６は３枚であるが、何枚でもよい。
【００２９】
水平方向に延びる回転軸３４には、傾斜した羽３６が固定されている。傾斜角度は、図２（ｂ）に示すように、鉛直線に対してαである。この羽３６は、支柱３２に向き合う位置に羽３６が到達したときには、支柱３２から離れる方向に傾斜している。風の向きに応じて回転軸３４は回転するので、羽３６は、回転軸３４から風上に向かって傾斜することとなり、各羽３６の先端は回転軸３４よりも風上に位置していることとなる。上記のように羽３６が支柱３２から離れる方向に傾斜している場合、羽３６の重心位置が支柱３２から離れるので、支柱３２に作用するモーメントが大きくなる。しかし、羽３６が支柱３２よりも風上に配置されることとなるので、強風時に発生する支柱３２にとって最も厳しいモーメントを相殺して緩和することができる。
【００３０】
上記の風力発電装置３０では、羽３６を上記のように傾斜させただけなので、羽３６が左右に位置するときの各羽３６のピッチ角は対称となり、傾斜角αを大きくしても左右位置でのピッチ角の調整は不要となる。したがって、支柱３２と羽３６の干渉はいっそう確実に解消されるので、支柱３２の設計自由度は広くなり、支柱３２の更なる軽量化やコストの低減が可能となる。
【００３１】
ところで、例えば通常のメガワット級風力発電装置では、支柱の最大径が支柱の高さ（長さ）のおよそ１０分の1のものが多く採用されている。このような風力発電装置では、羽３６の幅を変えずに支柱３２の強度や軽量化のために支柱３２の最大径を２倍に増加させる必要があるときは、羽３６との支柱３２の対向面３２ｄをアークタンジェント２０分の１、即ち僅か３度傾斜させればよく、羽３６の傾斜角は３度程度でよい。出力増加のために羽３６の幅を増加させる場合には、さらにクリアランスを確保するために羽３６を傾斜させる必要があるが、この場合でも５度程度でよい。
【００３２】
なお、上記した風力発電装置３０では支柱３２をラーメン構造又はトラス構造にした。この場合、支柱３２のうち鉛直方向にやや傾斜して延びる４本の柱３２ｂは、羽３６に対向する対向部分となる。この柱３２ｂの外側面は、羽３６の傾斜角度（α）以下の角度だけ鉛直方向（中心軸３２ｃの延びる方向）に対して傾斜している。なお、支柱３２を、図１の支柱２２のように中空又は中実のものにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】（ａ）は、本発明の風力発電装置の一例の概略を示す斜視図であり、（ｂ）は、構成部品の位置関係を示す模式図である。
【図２】（ａ）は、本発明の風力発電装置の他の例の概略を示す斜視図であり、（ｂ）は、構成部品の位置関係を示す模式図である。
【図３】従来の高出力型の風力発電装置の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３４】
２０，３０  風力発電装置
２２，３２  支柱
２４，３４  回転軸
２６，３６  羽
【図１】
2009299515.tif 000003
【図２】
2009299515.tif 000004
【図３】
2009299515.tif 000005