JP2003042053A - 風力発電用風車 - Google Patents

風力発電用風車

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JP2003042053A
JP2003042053A JP2001234076A JP2001234076A JP2003042053A JP 2003042053 A JP2003042053 A JP 2003042053A JP 2001234076 A JP2001234076 A JP 2001234076A JP 2001234076 A JP2001234076 A JP 2001234076A JP 2003042053 A JP2003042053 A JP 2003042053A
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wind turbine
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Chiyuu Hayashi
厨 林
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 シンプルでありながらいずれの風速において
も理想的なピッチとなるよう調整可能とする。 【解決手段】 風車1において、風力を受けるブレード
2をブレード受3に固定し、ブレード受3に、ブレード
2の中心線から風車回転方向(矢印Y方向)へずれるよ
うにして、ブレード軸6を設ける。各ブレード軸6は、
ハウジング4のハウジングヘッド8へ回動可能に接続さ
れ、ブレード2のピッチ(矢印X方向への傾き)を変更
可能である。又、各ブレード2とハウジング4との間に
は、ブレード2をピッチ減少方向へ付勢するスプリング
10が介装されている。ブレード2は、ブレード軸6の
ずれた配置により受風時にピッチ増大方向にトルクを受
ける一方、スプリング10によりピッチ減少方向にトル
クを受けるため、スプリング10の選択により、風力に
対するピッチの変化度合を調節可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、あらゆる風速或い
は気温においても、スムーズに動作する風力発電用風車
に関する。
【0002】
【従来の技術】風力発電用風車では、強風で風車の回転
速度が過大となりダメージを生ずる事態を防止するた
め、風車の各ブレードにおける、風と垂直な面からのブ
レード軸周りの傾き(ピッチ)を強風時に大きくする可
変ピッチ機構が設けられている。可変ピッチ機構として
は、油圧駆動のアームを介してブレードを押すものや、
電気駆動のパワーシリンダを用いたものや、風速計と連
動して電気制御するもの等が知られている。
【0003】又、風力発電用風車は、風が恒常的に存す
る場所に設置され、風の有る限り風車が回転するため、
気温が低く氷結のおそれがある場所においてもそのまま
据えられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の風
力発電用風車では、油圧やパワーシリンダ、風速計等を
含むため、可変ピッチ機構が複雑で大掛かりなものとな
ってしまうし、弱風から強風の広範囲に亘りピッチを的
確に調整することは困難である。
【0005】又、風力発電はクリーンであるため、寒冷
地においても風力発電用風車の導入が進められている
が、特にピッチを強風時にしか変更しないためにブレー
ド軸が氷結してしまい、可変ピッチ機構が有効に機能し
ない場合があることが分かった。
【0006】そこで、請求項1から請求項4に記載の発
明は、シンプルでありながらいずれの風速においても理
想的なピッチとなるよう調整可能とすることを目的とし
たものである。
【0007】又、請求項5に記載の発明は、上記目的に
加えて、寒冷地においてもスムーズな動作を実現するこ
とを目的としたものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載の発明は、風力を受けるブレード
を、ブレード軸を介して、ブレード軸の周りで回動可能
にハウジングへ接続した、ブレードのピッチを変更可能
な風力発電用風車であって、ブレードを、受風によりブ
レード軸の周りのトルクがピッチの大きくなる方向へ発
生するように配置するとともに、ハウジングに、ブレー
ド軸をピッチの小さくなる方向へ軸周りで付勢する付勢
機構を設けたことを特徴とするものである。
【0009】又、請求項2に記載の発明は、請求項1に
記載の発明において、ブレードを複数設けるとともに、
付勢機構を、各ブレード軸の回動を連係する連結機構
と、連結機構、ブレード軸又はブレードを付勢する弾性
体とを設けたものとしたことを特徴とする。
【0010】更に、請求項3に記載の発明は、請求項
1、請求項2に記載の発明において、連結機構を、ブレ
ード軸の基端側に第1ベベルギアを設けるとともに、各
第1ベベルギアと噛合する第2ベベルギアをハウジング
に回動可能に設けたものとしたことを特徴とする。
【0011】又更に、請求項4に記載の発明は、請求項
1から請求項3に記載の発明において、付勢機構におけ
る付勢の度合を微調整可能としたことを特徴とする。
【0012】加えて、請求項5に記載の発明は、請求項
1から請求項4に記載の発明において、ハウジングに、
低温域で動作するセンサと発熱体とを備えた凍結防止機
構を取り付けたことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。
【0014】《形態1》図1は本発明の形態1に係る風
力発電用の風車1の分解説明図、図2は風車1を取り付
けた風力発電機20の側面説明図、図3は風力発電機2
0の回路模式図であって、風車1は、3枚のブレード2
(合わせてロータという)、及びハウジング(ハブ)4
を有している。
【0015】各ブレード2は、風力を受ける羽根であっ
て、基端側においてブレード受3に固定されている。各
ブレード受3は、取り付けたブレード2の中心軸から風
車1の回転方向(矢印Y)へずれた位置において、円柱
状のブレード軸6を備えている。尚、ブレード受3は、
機能的にブレード2の一部とみなすことができる。
【0016】又、ハウジング4は、ラッパ状の部材であ
って、後側(図1では下側)は、発電機駆動シャフト2
2をネジ24により螺着する接続部26とされている。
更に、ハウジング4は、前面の外側において120度毎
にハウジングヘッド8を備えており、ハウジングヘッド
8内に設けられたベアリング(図示せず)に、ブレード
軸6が支持される。尚、各ブレード軸6のブレード2と
逆側の基端には、径を太くした抜け止め9が設けられて
いる。又、ハウジング4の前面であって、ハウジングヘ
ッド8の内側には、ノーズカバー11が取り付けられて
いる。
【0017】加えて、各ハウジングヘッド8の周囲に
は、付勢機構としてスプリング10が配置されており、
一端はハウジング4に固定され、他端はブレード軸6と
は逆に延ばされて、ブレード受3の底面端部に開けられ
た調整穴12に差し込まれている。各スプリング10
は、受風方向(矢印W、前から後ろへの方向)に垂直な
面からのブレード2の傾き(角)即ちピッチが若干存在
する通常状態において自然長となっており、ブレード軸
6の周りで、ピッチが通常状態となる方向(ピッチの小
さくなる方向)に付勢している。従って、ピッチを通常
状態から変えようとするトルク(矢印Xの方向)がブレ
ード2にかかると、各スプリング10は、ブレード受3
を介して、ピッチを通常状態に戻そうとする逆トルクを
発生する。又、調整穴12は複数並設されており、スプ
リング10の端部の差し替えにより、スプリング10の
張力を変更可能とし、これにより外力−変位特性を若干
変えて、結局逆トルクが調整可能となっている。
【0018】尚、発電機駆動シャフト22は、風力発電
機20のケース30内において、図示しない増速機構を
含むプーリ群32の一端と接続されており、他端に接続
された3相の発電機34を駆動する。又、発電機34の
出力は、シリコンダイオード36を介して蓄電池38に
接続し、蓄電池38から風力発電に係る電気を取り出し
て利用する。更に、発電機駆動シャフト22を含むケー
ス30の下側から、360度回動可能な正対風軸42が
出ており、風力発電機20を設置するポール44に接続
されているとともに、ケース30の後側には、垂直尾翼
46を正対風軸42から離れた位置に立たせるアーム4
8が取り付けられているため、風車1は常に前側から受
風することとなり、受風方向(矢印W方向)は変わらな
い。
【0019】以上のような部材の配置により、ブレード
軸6の軸線は、ブレード2を非対称形状の2部分に分け
るように配置され、通常状態からピッチの完全に立つ状
態にかけて、風車1の回転方向(矢印Y)における後側
の部分の受風面積を大きくする。従って、受風により、
ピッチを後側へ大きくするような矢印X方向のトルクが
発生する。このトルクは、スプリング10の逆トルクに
より打ち消されるが、所定値以上となると逆トルクに勝
る。
【0020】逆トルクは、調整穴12を利用した微調整
の他、スプリング10の材質、線の太さ、巻き数、巻き
方向、設置数等によっても調整可能であり、例えば風速
20m/s(メートル毎秒)以上においてブレード2が
発生するトルクに屈し変形するステンレススチール製の
スプリング10として、風速20m/sからピッチを後
へ大きくし始めることができる。又、同様に、風速に対
するピッチの変化度合も、例えば風速50m/sで完全
に立ち、その間は正比例的或いはピッチが風速の3乗に
比例するように変化する等と調整することができる。
【0021】又、ノーズカバー11の内部に、温度セン
サ50と、発熱体52とを収めている(図3)。温度セ
ンサ50は、低温(例えば摂氏0度)でONとなるスイ
ッチであり、ケース30、発電機駆動シャフト22及び
ハウジング4を通した配線54により蓄電池38と接続
されている。そして、温度センサ50より下流側に、電
熱線である発熱体52を配して、低温時に発熱し、ブレ
ード軸6やハウジングヘッド8の凍結を防止する凍結防
止機構56を形成している。
【0022】以上のような形態1に係る風車1では、ブ
レード2を、ピッチの大きくなる向き(ピッチ増大方
向)のトルクが受風により発生するように配置するとと
もに、当該トルクと逆向きのトルクを発生可能とすべく
ブレード軸6をピッチ減少方向へ付勢するスプリング1
0を設けたので、強風時にピッチを立たせる可変ピッチ
機構を簡潔に構成することができ、軽量で通常運転を殆
ど阻害しない一方、強風時にはブレード2が受ける風力
の分力を減らして、風力発電機20が過大な回転を生じ
破損に至る事態を防止することができる。しかも、ピッ
チ増大方向のトルクは風力により発生するため、受風エ
ネルギーの損失は起こらないし、強風時にピッチが立っ
た場合には、当該トルクの分だけ更に風力発電機20自
体の回転トルク(風車1による発電機駆動シャフト22
のトルク)が緩和され、破損防止効果が一層発揮される
し、かなりの強風時においても、風車1を緩やかに回転
させることができ、発電を続けることができる。そし
て、強風時にピッチが立つことにより、ブレード2につ
いて弱風域での効率のみを考慮すれば良く、設計が容易
になる。
【0023】又、スプリング10の特性を変更するだけ
で、ピッチの変更を開始する風速や、風速の変化に対す
るピッチの変化の仕方等、風速とピッチとの関係を様々
に調整することができ、立地条件に適応させる可変ピッ
チ機構のカスタマイズが容易に行える。更に、比較的小
さい力にも変位するスプリング10を選択すれば、弱風
域からのピッチ変更が可能となるし、外力に対して徐々
に変位するスプリング10を選択すれば、広い範囲の風
域でピッチ変更が可能となる。尚、調整穴12の設置に
より、スプリング10の付勢の度合が微調整可能であ
り、風速とピッチとの関係についてその場で手軽に変化
させることができる。
【0024】加えて、凍結防止機構56を、ノーズカバ
ー11を介してハウジング4に取り付けたので、可変ピ
ッチ機構が作動せずにブレード軸6やハウジングヘッド
8が停止していてもこれらの凍結を防止することがで
き、寒冷地においても可変ピッチ機構を常に円滑に作動
させることができる。尚、凍結防止機構56の電源とし
て蓄電池38を使用することにより、配線54やエネル
ギーに無駄がないし、温度センサ50の設置により、凍
結のおそれがある場合にのみ発熱体52が発熱するた
め、省エネルギーとなる。
【0025】尚、形態1に係る風車1は、例えば次のよ
うに変更可能である。即ち、ブレード軸をブレードの中
心軸から風車の回転方向側にずらして設置することによ
り、受風によるピッチ増大方向のトルクを発生せずに、
ブレード軸をブレードの中心線上に設けながらも、ブレ
ードの形状(肉厚も含む)を非対称とすることにより、
風車の回転方向と逆側の受風面積を大きくして、ピッチ
増大方向のトルクを発生しても良い。又、ブレードの揚
力をブレード軸の両側で相違させて、当該トルクを発生
したり、これらを組み合わせたりすることができる。更
に、付勢機構はスプリングとせずに、樹脂体を始めとす
る他の弾性体によるものとすることができる。又、通常
状態におけるピッチの大きさは、任意に設定することが
できる。
【0026】加えて、凍結防止機構は、直接ハウジング
に設置して良いし、発電機駆動シャフトの凍結防止を考
慮しても良いし、省略しても良い。又、調整穴は、数や
配置を変更したり、省略したり、長い穴に係止機構を組
み合わせて、スプリングの端部を任意の位置で停止可能
とし、無段階調整可能としたものとしたりすることがで
きる。更に、ネジ止めは、適宜、ピンによる固定や、接
着、溶接等に置き換えることができる。
【0027】《形態2》次に、本発明に係る実施の形態
2を、図4に基づいて説明する。尚、形態2において
は、ハウジング、ブレード軸、及び付勢機構のみが形態
1と異なり、その他は形態1と同様であるので、重複す
る部分は形態1と同じ符号を用いて説明を省略する。
【0028】形態2に係る風力発電用の風車61の各ブ
レード軸62は、ハウジングヘッド8に取り付けられ、
基端部に、第1ベベルギア64を備えている。又、ハウ
ジング66内において、各第1ベベルギア64と共通に
噛合する円形の第2ベベルギア68が、鉛直面(図4で
は水平面)内で、自身の中央を中心に回動(フローティ
ング)可能に、図示しないベアリングを介して取り付け
られている。各第1ベベルギア64は、第2ベベルギア
68に対して、ブレード2のピッチが同等となるように
噛合している。
【0029】第2ベベルギア68を設けることにより、
第1ベベルギア64を介してブレード軸62が連係され
る。よって、第1ベベルギア64及び第2ベベルギア6
8は連結機構を構成し、更に連結機構と全てのスプリン
グ10は付勢機構を構成し、全てのスプリング10を合
わせて各ブレード2に均等に逆トルクを発生することと
なるし、1つのブレード2が比較的にピッチを大きくし
ようとしても、第2ベベルギア68を介して他のブレー
ド2(ブレード受3、ブレード軸62、スプリング1
0)が抵抗し、結局各ブレード2に係るピッチが略同じ
になる。尚、ノーズカバー11には、凍結防止機構56
が配備されている。
【0030】形態2の風車61では、複数のブレード軸
6に亘る第2ベベルギア68を設けて、各ブレード軸6
2のピッチ増減方向(軸周り)の回動につき連結したの
で、各ブレードの受風エネルギーをまとめた状態でピッ
チ変化に利用することができる。従って、各ブレード2
の受風エネルギーの差分(風速差)、配置誤差或いは制
作誤差等があったとしても、これらを等しく分配し吸収
したより安定性の高いピッチ制御を実行することができ
る。又、各トルク伝達の時間的な差異も第2ベベルギア
68により吸収することができ、同期を確保することが
できる。尚、各ブレード2のピッチが同等であるように
連結されているため、ブレード2の形状やブレード軸6
2の配置が同等である一般的な場合に、バランス良くピ
ッチを制御することができる。
【0031】一方、凍結防止機構56は、第1ベベルギ
ア64や第2ベベルギア68の凍結をも防止することが
でき、寒冷地においてもバランスの良い可変ピッチを行
うことができる。
【0032】尚、形態2に係る風車61は、形態1の風
車1と同様な変更例を有する他、次のような変更例も有
する。各ブレード軸の連結機構は、ベベルギアによるも
のではなく、他の種類のギアや、リンク乃至はプーリを
用いたものであって良い。又、一部のブレードにのみス
プリングを接続して良いし、第1ベベルギアを付勢する
スプリングを設けても良く、即ちスプリングは、連結機
構、ブレード軸又はブレードの何れの部分に何個でも配
置して良い。
【0033】《形態3》続いて、本発明に係る実施の形
態3を説明する。尚、形態3においては、ブレード、ブ
レード軸、ハウジング及び付勢機構のみが形態2と異な
り、その他は形態2と同様であるので、重複する部分は
形態2と同じ符号を用いて説明を省略する。
【0034】図5は形態3に係る風力発電用の風車71
の正面説明図、図6は風車71の側端面説明図であっ
て、風車71の各ブレード72に直接ブレード軸74が
固定されている。ブレード軸74は、ハウジングヘッド
8に挿入されており、基端に第1ベベルギア64を備え
ている。各第1ベベルギア64は、内側に前への突起7
5を備えた第2ベベルギア76と連結されている。尚、
ハウジングヘッド8の周囲に、スプリングは配されな
い。又、ブレード72の内、風車71回転方向(矢印Y
方向)と逆側で基端側の部分に、突出形状部77を設け
ており、ブレード72の幅をあまり大きくせずとも、風
力によるブレード軸74周り(矢印X方向、ピッチ増大
方向)のトルクが大きくなるように配慮されている。
【0035】更に、ハウジング78の前面であって、ハ
ウジングヘッド8の各間には、前後方向の調整穴80
を、複数、周方向に並べたネジ代82が設けられてい
る。又更に、各ネジ代82へネジ83で螺着可能な、Y
字状のスプリング止め板84が設けられている。そし
て、スプリング止め板84の後面からは突起85が出て
おり、当該突起85と、第2ベベルギア76の突起75
との間に、スプリング88が介装されている。スプリン
グ88は、巻き方向を周方向に合わせて配置され、第2
ベベルギア76を周方向に付勢し、第1ベベルギア64
及びブレード軸74を介してピッチが小さくなる逆トル
クを与え、ブレード72のピッチ増大を制限する。又、
スプリング止め板84を、別の調整穴80へ螺着するこ
とにより、周方向の傾きを変えて装着することができ、
突起75,85の間隔を変えてスプリング88の張力を
変え、スプリング88の発生するトルク、ひいては各ブ
レード72への逆トルクの微調整をすることができる。
【0036】尚、スプリング88が自然長の場合、僅か
にピッチが存在するように第1ベベルギア64が噛合さ
れ、通常状態で風車71がY方向に回転するようになっ
ている。又、ハウジング78の中央には、前後方向を向
いた突出部90が設けられ、突出部90の中心には、ス
プリング止め板84及び発電機駆動シャフト22の中心
を通るボルト92が螺入されている。更に、突出部90
と第2ベベルギア76との間に、フローティング用のベ
アリング94が配置されている。
【0037】形態3の風車71では、ブレード軸74を
連結する第2ベベルギア76について、スプリング88
により付勢したため、1つのスプリング88のみで、各
ピッチを増大させるトルクの合計に対する均等な逆トル
クを発生することができ、バランスに優れる可変ピッチ
機構を一層シンプルに構成することができる。又、スプ
リング88の交換によるピッチ可変開始風速等の調整
が、簡単でしかも総合的に行え、更にスプリング88の
張力変更による微調整も、スプリング止め板84を傾け
て螺着し直すだけで実行することができる。
【0038】尚、形態3に係る風車61も、形態1や形
態2の場合と同様な変更例を有する他、次のような変更
例も有する。即ち、更に形態1や形態2の如くスプリン
グを各ブレード毎に設置しても良い。又、ネジ代はプレ
ートの数より少なくすることができ、スプリング止め板
の形状もネジ代の数に従い変更することができる。
【0039】《形態4》更に、本発明に係る実施の形態
4を、図7に基づいて説明する。尚、形態4において
は、ハウジング及び付勢機構のみが形態3と異なり、そ
の他は形態3と同様である。重複する部分は形態3と同
じ符号を用いて説明を省略する。
【0040】形態4に係る風車101は、5枚のブレー
ド(図示せず)を有するため、ブレード軸74は5本有
り、5個の第1ベベルギア64が第2ベベルギア76に
噛み合っている。又、ハウジング102のネジ代82は
5箇所存在し、スプリング止め84は星形状になってい
る。そして、第2ベベルギア76の突起75と、スプリ
ング止め84の突起85とに、スプリング88の端部が
固定される。尚、各ハウジングヘッド8は、放射方向に
向いた円筒状の軸受カバー103と、ベアリング104
とを含む。
【0041】形態4の風車101では、ブレードが5枚
となっても、1個のスプリング88で総合的な可変ピッ
チ制御を実行することができ、シンプルながらバランス
がとれており、あらゆる風域でピッチ制御可能な優れた
可変ピッチ機構とすることができる。
【0042】尚、形態4は、形態1から形態3と同様な
変更例を有する他、次のような変更例も有する。即ち、
ブレードの枚数は、2乃至5が実用的であるが、上記以
外とすることも可能である。
【0043】
【発明の効果】請求項1に記載の発明によれば、ブレー
ドが、ブレード軸のずれた配置により受風時にピッチ増
大方向にトルクを受ける一方、ブレードをピッチ減少方
向に付勢する付勢機構によりピッチ減少方向にトルクを
受けるようにされている。よって、受風エネルギーをフ
ルに活用した、簡潔且つ設計容易で、可変ピッチの動作
開始点や変化度合等の調整があらゆる風域で自由自在
な、台風時でも発電することのできる風力発電用風車を
提供することができる、という効果を奏する。
【0044】請求項2に記載の発明によれば、複数のブ
レード軸を連係する連結機構を付勢することで、上記効
果に加えて、個々のブレードがもたらす差異を吸収する
バランスや同期のとれた可変ピッチ機構を構成すること
ができる、という効果を奏する。
【0045】請求項3に記載の発明によれば、ベベルギ
アを用いたことで、上記効果に加えて、風力発電用風車
に適した形で簡潔に連結機構を構成することができる、
という効果を奏する。
【0046】請求項4に記載の発明によれば、付勢度合
を微調整可能としたことで、上記効果に加えて、その場
で手軽に可変ピッチの動作開始点や変化度合等を変化さ
せることができる、という効果を奏する。
【0047】請求項5に記載の発明によれば、凍結防止
機構を設けたことで、上記効果に加えて、寒冷地におい
てもスムーズにピッチ可変或いは回転が可能な風力発電
用風車を提供することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る風力発電用風車の
斜視説明図である。
【図2】形態1の風力発電用風車を風力発電機に用いた
場合の側面説明図である。
【図3】形態1の風力発電用風車を風力発電機に用いた
場合の回路模式図である。
【図4】本発明の実施の形態2に係る風力発電用風車の
斜視説明図である。
【図5】本発明の実施の形態3に係る風力発電用風車の
正面説明図である。
【図6】形態3に係る風力発電用風車の側端面説明図で
ある。
【図7】本発明の実施の形態4に係る風力発電用風車の
正面説明図である。
【符号の説明】
1,61,71,101・・風車、2,72・・ブレー
ド、3・・ブレード受、4,66,78,102・・ハ
ウジング、6,74・・ブレード軸、8・・ハウジング
ヘッド、10,88・・スプリング、12,80・・調
整穴、50・・温度センサ、52・・発熱体、56・・
凍結防止機構、64・・第1ベベルギア、68,76・
・第2ベベルギア、W・・矢印(受風方向)、X・・矢
印(ピッチ増大方向)、Y・・矢印(風車回転方向)。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 風力を受けるブレードを、ブレード軸を
    介して、ブレード軸の周りで回動可能にハウジングへ接
    続した、ブレードのピッチを変更可能な風力発電用風車
    であって、 ブレードを、受風によりブレード軸の周りのトルクがピ
    ッチの大きくなる方向へ発生するように配置するととも
    に、 ハウジングに、ブレード軸をピッチの小さくなる方向へ
    軸周りで付勢する付勢機構を設けたことを特徴とする風
    力発電用風車。
  2. 【請求項2】 ブレードを複数設けるとともに、 付勢機構を、 各ブレード軸の回動を連係する連結機構と、 連結機構、ブレード軸又はブレードを付勢する弾性体と
    を設けたものとした請求項1に記載の風力発電用風車。
  3. 【請求項3】 連結機構を、ブレード軸の基端側に第1
    ベベルギアを設けるとともに、各第1ベベルギアと噛合
    する第2ベベルギアをハウジングに回動可能に設けたも
    のとした請求項1又は請求項2に記載の風力発電用風
    車。
  4. 【請求項4】 付勢機構における付勢の度合を微調整可
    能としたことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れ
    かに記載の風力発電用風車。
  5. 【請求項5】 ハウジングに、低温域で動作するセンサ
    と発熱体とを備えた凍結防止機構を取り付けたことを特
    徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の風力発
    電用風車。
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