JP2003129936A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】風力をより効率よく電力に変換すること。 【解決手段】円筒形である外周輪４と、外周輪４の内側
に案内されて回転軸８を中心に回転可能である内周輪２
と、内周輪２に固着され風により内周輪２を回転させる
内周翼３と、外周輪４に対する内周輪２の相対的な運動
によって発電する同期発電機１１とを具備している。こ
のような風力発電装置１は、同期発電機１１の径が大き
く、回転界磁と電機子との相対速度が大きく、発電機の
大容量化と多極化が容易である。この結果、同期発電機
１１は、内周輪２の回転速度が遅いときでも、周波数・
電圧が十分である交流電力を生成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、風力発電装置に関
し、特に、同期発電機を用いて発電する風力発電装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】風車は、自然エネルギーから回転動力を
生成するために古くから利用され、近年、風力を電力に
変換する風力発電装置が広く利用されている。その風力
発電装置は、風力を回転に変換する風車と、回転を電力
に変換する発電機とを備えている。その風力発電装置の
発電機には、一般的に誘導発電機が適用されている。誘
導発電機が適用されている風力発電装置は、風車の回転
数が一定であり、要求される交流電力の周波数に適合し
た回転運動に変換して発電機に伝達するギアを備えてい
る。

【０００３】誘導発電機は、同期発電機と比較して、構
造が簡単であり、コストが安い。しかし、そのギアは騒
音を発生してうるさい。またしばしば故障の原因とな
る。誘導発電機は、励磁用の電力を取得するため送電系
統と繋いで用いる必要があり、単独では運転できない。
さらに、誘導発電機は、風速の変動によりトルクが変動
して出力が変動する。誘導発電機は、送電系統に電力を
投入する時に突入電流やそれに伴う電圧降下などの外乱
を与えるので系統側からみて適当な電源とはいえない。
風速の変動に追随することができる同期発電機が適用さ
れる風力発電装置が望まれている。

【０００４】図７は、公知の同期発電機が適用された風
力発電装置を示している。その風力発電装置１０１は、
風車１０２、同期発電機１０３、タワー１０４およびナ
セル１０５を備えている。風車１０２は、翼１０６と風
車ロータ１０７とを備えている。タワー１０４は、地表
に固定されて建造されている。ナセル１０５は、鉛直方
向を回転軸に回転可能にタワー１０４に支持されてい
る。風車１０２は、翼１０６と風車ロータ１０７とを備
えている。風車ロータ１０７は、軸受け１０８を介して
回転軸１０９を中心にして回転可能にナセル１０５に支
持されている。ナセル１０５は、回転軸１０５が風向と
平行になるようにタワー１０７に対して回転する。

【０００５】同期発電機１０３は、ナセル１０５の内部
に配置されている。同期発電機１０３は、回転子１１
０、固定子１１１および発電機ロータ１１２を備えてい
る。発電機ロータ１１２は、風車１０２の風車ロータ１
０７と一体であり、回転子１１０と同体に結合されてい
る。固定子１１１は、永久磁石から形成されている。固
定子１１１は、ナセル１０５に対して固定され回転子１
１０が回転する外側に配置されている。

【０００６】この風力発電装置１０１が風を受けると、
風車１０２はその風力に応じた回転数で回転し、同期発
電機１０２は、任意の周波数および電圧の交流電力を生
成する。その交流電力は、一旦直流にされてからインバ
ータを用いて要求される周波数・電圧の交流電力に変換
され、高品質で系統に送電される。このような風力発電
装置１０１は、突風が吹いたときに、回転数が増加する
ことにより風力を受け流すことができ、強度が大きい。
このような風力発電装置１０１は、さらに低風のときの
性能が良い。弱い風力をより効率よく電力に変換する風
力発電装置が望まれている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、風力
をより効率よく電力に変換する風力発電装置を提供する
ことにある。本発明の他の課題は、同期発電機を小型化
する風力発電装置を提供することにある。本発明のさら
に他の課題は、より弱い風で発電する風力発電装置を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以下に、［発明の実施の
形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特
許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載と
の対応関係を明らかにするために付加されたものであ
り、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的
範囲の解釈に用いてはならない。

【０００９】本発明による風力発電装置（１、２１、４
１）は、円筒形である外周輪（４、２４、４４）と、外
周輪（４、２４、４４）の内側に案内されて回転軸
（８、２８、５２）を中心に回転可能である内周輪
（２、２２、４２）と、内周輪（２、２２、４２）の内
側に配置され風により内周輪（２、２２、４２）を回転
させる内周翼（３、２３、４３）と、外周輪（４、２
４、４４）に対する内周輪（２、２２、４２）の相対的
な運動によって発電する同期発電機（１１、３１、５
４）とを具備している。このような風力発電装置（１、
２１、４１）は、同期発電機（１１、３１、５４）の径
が大きく、回転界磁と電機子との相対速度が大きく、発
電機の大容量化と多極化が容易である。この結果、同期
発電機（１１、３１、５４）は、内周輪（２、２２、４
２）の回転速度が遅いときでも、周波数・電圧が十分で
ある交流電力を生成することができる。

【００１０】本発明による風力発電装置（２１）は、更
に、外周輪（２４）を支持するタワー（２６）を具備し
ていることが好ましい。外周輪（２４）が固定されてい
ることにより、互いに運動している物体を連続的に電気
的に接触させるスリップリング（１４、５７）が不要で
ある。

【００１１】本発明による風力発電装置（１）は、更
に、回転軸（８）を中心にして回転可能に外周輪（４）
を支持するタワー（６）と、外周輪（４）の外側に配置
され風により外周輪（４）を回転させる外周翼（５）と
を具備していることが好ましい。外周翼（５）のさらに
外側を回転可能に支持する場合より、軽量化を図ること
ができる。

【００１２】本発明による風力発電装置（４１）は、更
に、円筒形である外側外周輪（４７）と、外側外周輪
（４７）を固定して支持するタワー（４８）と、外側外
周輪（４７）の内側に案内されて回転軸（５２）を中心
に回転可能である外側内周輪（４６）と、外側内周輪
（４６）と外周輪（４４）との間に介設され風により回
転軸（５２）を中心に回転させる外周翼（４５）とを具
備していることが強度の点で好ましい。

【００１３】タワー（６、４８）に対する外周輪（４、
４４）の回転方向は、タワー（６、４８）に対する内周
輪（２、４２）の回転方向の反対方向である。同期発電
機（１１、５４）は、電機子（１２、５６）と回転界磁
（１３、５５）との相対運動を電力に変換する。同期発
電機（１１、５４）は、電機子（１２、５６）と回転界
磁（１３、５５）とを互いに反対方向に回転させること
により、同期発電機（１１、５４）の半径を大きくする
ことなく、電機子（１２、５６）と回転界磁（１３、５
５）との相対速度を上昇させることができ、同期発電機
（１１、５６）の小型化を図ることができる。

【００１４】タワー（６、４８）に対する外周輪（４、
４４）の回転の角速度は、タワー（６、４８）に対する
内周輪（２、４２）の回転の角速度より遅い。内周翼
（３、４３）または外周翼（５、４５）に作用する揚力
は、風との相対速度の２乗に比例する。このような風力
発電装置（１、４１）は、内周翼（３、４３）と外周翼
（５、４５）との風の相対速度のバラツキが小さく、１
組の回転翼による風車よりも単位面積当たりの風力をト
ルクに変換する効率が大きい。

【００１５】

【発明の実施の形態】図面を参照して、本発明による風
力発電装置の実施の形態を説明する。その風力発電装置
１は、図１に示されているように、内周輪２が内周翼３
とともに設けられている。内周輪２は、円筒形を形成
し、その円筒の内部に内周翼３が同体に結合されてい
る。内周翼３は、風力を内周輪２の回転運動に変換す
る。内周輪２の外側には、外周輪４が設けられている。

【００１６】外周輪４は、円筒形を形成し、その円筒の
内部には内周輪２を滑り運動可能に支持されている。外
周輪４の外側には、外周翼５が設けられている。外周翼
５は、風力を外周輪４の回転運動に変換する。外周輪４
が風を受けて回転する方向は、内周輪２の回転方向の反
対方向である。外周輪４は、地表に固定されているタワ
ー６に滑り運動可能に支持されている。

【００１７】タワー６は、図２に示されているように、
軸受け７を介して回転軸８を中心にして回転可能に外周
輪４を支持している。内周輪２と外周輪４との間には、
軸受け９が設けられ、内周輪２は、回転軸８を中心に回
転可能に外周輪４に支持されている。内周輪２と外周輪
４との間には、さらに、同期発電機１１が設けられてい
る。

【００１８】同期発電機１１は、電機子１２と回転界磁
１３とを備えている。電機子１２は、外周輪４に同体に
結合されている。回転界磁１３は、内周輪２に同体に結
合されている。外周輪４とタワー６との間には、スリッ
プリング１４が設けられている。スリップリング１４
は、固定ブラシと回転導体とから形成され、回転してい
る同期発電機１１をタワー３側に連続的に電気的に接続
している。風力発電装置１は、スリップリング１４を介
して電力を外部に出力している。

【００１９】この風力発電装置１が風を受けると、内周
輪２はその風力に応じた回転数で回転し、同期発電機１
１は、任意の周波数の交流電力を生成する。その交流電
力は、一旦直流にされてからインバータを用いて要求さ
れる周波数・電圧の交流電力に変換され、送電系統に送
電される。このような風力発電装置１は、同期発電機１
１の直径が大きく、さらに極数を多くすることが容易で
あり、電機子１２と回転界磁１３との相対速度が大き
い。

【００２０】内周輪２と外周輪３とが互いに反対方向に
回転していることにより、電機子１２と回転界磁１３と
の相対速度は、大きい。同期発電機１１は、電機子１２
と回転界磁１３との相対運動を電力に変換する。この結
果、同期発電機１１の半径を大きくすることなく、弱い
風力をより効率よく周波数・電圧が十分である交流電力
に変換することができ、風力発電装置の小型化を図るこ
とができる。

【００２１】外周輪４の回転速度（角速度）は、内周輪
２の回転速度より遅くなるように、内周翼３と外周翼５
とのピッチ角が設定されている。内周翼３または外周翼
５に作用する揚力は、風との相対速度の２乗に比例す
る。このため、内周翼３と外周翼５との風の相対速度の
バラツキが小さく、単位面積当たりの風力をトルクに変
換する効率が大きい。

【００２２】図３は、本発明による風力発電装置の実施
の他の形態を示している。その風力発電装置２１は、内
周輪２２が内周翼２３とともに設けられている。内周輪
２２は、円筒形を形成し、その円筒の内部に内周翼２３
が同体に結合されている。内周翼２３は、風力を内周輪
２２の回転運動に変換する。内周輪２２の外側には、外
周輪２４が設けられている。外周輪２４は、円筒形を形
成し、その円筒の内部には内周輪２２を滑り運動可能に
支持されている。外周輪２４は、地表に固定されている
タワー２６に支持されている。

【００２３】タワー２６は、図４に示されているよう
に、外周輪４と同体に結合している。内周輪２２と外周
輪２４との間には、軸受け２９が設けられ、内周輪２２
は、回転軸２８を中心に回転可能に外周輪２４に支持さ
れている。内周輪２２と外周輪２４との間には、さら
に、同期発電機３１が設けられている。同期発電機３１
は、電機子３２と回転界磁３３とを備えている。電機子
３２は、外周輪２４に同体に結合されている。回転界磁
３３は、内周輪２２に同体に結合されている。

【００２４】この風力発電装置２１が風を受けると、内
周輪２２はその風力に応じた回転数で回転し、同期発電
機３１は、任意の周波数の交流電力を生成する。その交
流電力は、一旦直流にされてからインバータを用いて要
求される周波数・電圧の交流電力に変換され、送電系統
に送電される。このような風力発電装置２１は、同期発
電機３１の直径を大きく、極数を多くすることができ
る。この結果、弱い風力をより効率よく電力に変換する
ことができる。

【００２５】風力発電装置２１は、外周輪２４に電機子
３２が固定されていることにより、スリップリングが不
要である。また風車の向きをタワー上で風向きに合せて
変えることができ好ましい。

【００２６】図５は、本発明による風力発電装置の実施
の形態を示している。その風力発電装置４１は、内周輪
４２が内周翼４３とともに設けられている。内周輪４２
は、円筒形を形成し、その円筒の内部に内周翼４３が配
置されている。内周翼４３は、風力を内周輪４２の回転
運動に変換する。内周輪４２の外側には、外周輪４４が
設けられている。外周輪４４は、円筒形を形成し、その
円筒の内部には内周輪４２を滑り運動可能に支持されて
いる。

【００２７】外周輪４４の外側には、外周翼４５が設け
られている。外周翼４５は、風力を外周輪４４の回転運
動に変換する。外周輪４４が風を受けて回転する方向
は、内周輪４２の回転方向の反対方向である。外周翼４
５のさらに外側には、外側内周輪４６が設けられてい
る。外側内周輪４６は、外周翼４６に同体に結合されて
いる。外側内周輪４６のさらに外側には、外側外周輪４
７が設けられている。外側外周輪４７は、円筒形を形成
し、その円筒の内部には外側内周輪４６が滑り運動可能
に支持されている。外側外周輪４７は、地表に固定され
ているタワー４８に支持されている。

【００２８】タワー４８は、図６に示されているよう
に、軸受け５１を介して外側外周輪４７を支持してい
る。外側外周輪４４は、回転軸５２を中心にして回転可
能である。内周輪４２と外周輪４４との間には、軸受け
５３が設けられ、内周輪４２は、回転軸５２を中心に回
転可能に外周輪４４に支持されている。内周輪４２と外
周輪４４との間には、さらに、同期発電機５４が設けら
れている。同期発電機５４は、電機子５６と回転界磁５
５とを備えている。電機子５６は、外周輪４２に同体に
結合されている。回転界磁５５は、内周輪４４に同体に
結合されている。

【００２９】外側内周輪４６と外側外周輪４７との間に
は、スリップリング５７が設けられている。スリップリ
ング５７は、電線５８により電気的に同期発電機５４に
接続されている。スリップリング５７は、固定ブラシと
回転導体とから形成され、回転している同期発電機５４
を固定されているタワー４８の側に連続的に電気的に接
続している。風力発電装置２１は、スリップリング５７
を介して電力を外部に出力している。

【００３０】この風力発電装置４１が風を受けると、内
周輪４２はその風力に応じた回転数で回転し、同期発電
機５４は、任意の周波数の交流電力を生成する。その交
流電力は、一旦直流にされてからインバータを用いて要
求される周波数・電圧の交流電力に変換され、系統に送
電される。このような風力発電装置４１は、同期発電機
５４の直径が大きく、さらに極数を多くすることが容易
であり、電機子５６と回転界磁５５との相対速度が大き
い。

【００３１】内周輪２２と外周輪２３とが互いに反対方
向に回転していることにより、電機子５６と回転界磁５
５との相対速度は、大きい。同期発電機５４は、電機子
５６と回転界磁５５との相対運動を電力に変換する。こ
の結果、同期発電機５４の半径を大きくすることなく、
弱い風力をより効率よく周波数・電圧が十分である交流
電力に変換することができ、風力発電装置の小型化を図
ることができる。

【００３２】外周輪４４の回転速度（角速度）は、内周
輪２２の回転速度より遅くなるように、内周翼２３と外
周翼２５とのピッチ角が設定されている。内周翼２３ま
たは外周翼２５に作用する揚力は、風との相対速度の２
乗に比例する。このため、内周翼２３と外周翼２５との
風の相対速度のバラツキが小さく、単位面積当たりの風
力をトルクに変換する効率が大きい。

【００３３】風力発電装置４１は、外側内周輪４６と外
側外周輪４７との分だけ重量が風力発電装置１より大き
くなる。しかし、風力発電装置４１は、強風に対する強
度が大きい効果を奏する。また風車の向きをタワー上で
風向きに合せて変えることができ好ましい。

【００３４】

【発明の効果】本発明による風力発電装置は、風力をよ
り効率よく電力に変換することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による風力発電装置の実施の形
態を示す正面図である。

【図２】図２は、本発明による風力発電装置の実施の形
態を示す断面図である。

【図３】図３は、本発明による風力発電装置の実施の他
の形態を示す正面図である。

【図４】図４は、本発明による風力発電装置の実施の他
の形態を示す断面図である。

【図５】図５は、本発明による風力発電装置の実施のさ
らに他の形態を示す正面図である。

【図６】図６は、本発明による風力発電装置の実施のさ
らに他の形態を示す断面図である。

【図７】図７は、公知の風力発電装置の実施の形態を示
す断面図である。

【符号の説明】

１：風力発電装置 ２：内周輪 ３：内周翼 ４：外周輪 ５：外周翼 ６：タワー ７：軸受け ８：回転軸 ９：軸受け １１：発電機 １２：電機子 １３：回転界磁 １４：スリップリング

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H078 AA02 AA26 AA31 BB11 CC01 CC22 CC44 CC47 5H590 AA02 AA03 CA14 CC01 CC18 CD03 CE01 FA01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒形である外周輪と、 前記外周輪の内側に案内されて回転軸を中心に回転可能
   である内周輪と、 前記内周輪の内側に配置され風により前記内周輪を回転
   させる内周翼と、 前記外周輪に対する前記内周輪の相対的な運動によって
   発電する同期発電機とを具備する風力発電装置。
2. 【請求項２】請求項１において、更に、 前記外周輪を支持するタワーを具備する風力発電装置。
3. 【請求項３】請求項１において、更に、 前記回転軸を中心にして回転可能に前記外周輪を支持す
   るタワーと、 前記外周輪の外側に配置され前記風により前記外周輪を
   回転させる外周翼とを具備する風力発電装置。
4. 【請求項４】請求項１において、 円筒形である外側外周輪と、 前記外側外周輪を固定して支持するタワーと、 前記外側外周輪の内側に案内されて前記回転軸を中心に
   回転可能である外側内周輪と、 前記外側内周輪と前記外周輪との間に介設され前記風に
   より前記回転軸を中心に回転する外周翼とを具備する風
   力発電装置。
5. 【請求項５】請求項３または請求項４のいずれかにおい
   て、 前記外周輪の回転方向は、前記内周輪の回転方向の反対
   方向である風力発電装置。
6. 【請求項６】請求項３〜請求項５のいずれかにおいて、 前記外周輪の回転速度は、前記内周輪の回転速度より遅
   い風力発電装置。