JP2016176414A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、風車の定格回転数を電動機によって維持させ、回転により揚力型ブレードの揚力によって生じるトルクの増減変動を、取出し電流量を増減調節することにより一定化し、安定した電圧の出力を得る風力発電装置を提供する。【解決手段】 風力発電機の主軸４と、これを回転させる電動機７と、電動機７の負荷の増減を検知して、取出し電流量を自動調節するコントローラ９とを有し、主軸４を電動機７で定格回転数で回転させることにより定格電圧を維持させ、風車の揚力型ブレード６に生じる揚力により、主軸４に生じるトルクの増減変化を、取出し電流量を自動調節して一定化させ、安定した電圧の出力を得るようにした。【選択図】 図１

Description

本発明は、風力発電機の定格回転数を、風車の主軸に接続した電動機の回転力で維持させ、ロータが受ける風力によって生じる主軸のトルクの増減変化を、取出し電流量の自動調節によって一定化し、定格回転数を維持し、安定した電圧の出力を得るようにした風力発電装置に関する。

風力発電機においては、風速の変化によって電圧と電流が変動し、安定した電力の供給が困難である。
また、風力発電機は、一般的に機械的ロスが大であり、低風速では回転しにくく、回転効率は低い。更に風切り音や低周波などの問題もある。騒音の生じない風車が、特許文献１に提案されている。

特開２００４−２０４８０１号公報

特許文献１に記載の風車は、回転効率が優れており、騒音の発生も小さいものである。高速回転させるには、強風を必要とするが、強風は持続して吹くことがない。しかし、風速が大であるほど、風車の回転数は大となり、低風速時における発電量との差が開き、電圧と電流の変動が大となるので、継続して安定した電力は得難いものであった。
本発明は、電動機により主軸を定格回転数で回転させることによって、風力発電機における定格電圧を維持させ、かつ風車のロータの回転に伴い、揚力型ロータブレードの揚力によって生じる主軸のトルクの増減変化を、取出し電流量を自動調節することによって一定化させて、安定した電圧を得るようにした風力発電装置を提供するものである。

本発明の具体的な内容は、次の通りである。

（１） 風力発電機の主軸と、これを回転させる電動機と、電動機の負荷の増減検知により取出し電流量を自動調節するコントローラとを有し、主軸を電動機で定格回転数で回転させることによって、定格電圧を維持させ、風車の揚力型ブレードに生じる揚力によって、主軸に生じるトルクの増減変化を、取出し電流量を自動調節して、安定した電圧の出力を得るようにした風力発電装置。

（２） 前記取出し電流量の自動調節は、電動機の負荷が増大した時は、取出し電流量を減少させ、電動機の負荷が減少した時は、取出し電流量を増大させるようにしてなる前記（1）に記載の風力発電装置。

（３） 前記風力発電機は、起動平均風速時における発電量と、前記電動機の消費電力量とをほぼ同じに設定しておき、起動平均風速が風速計で検知された時に、電動機を自動的に起動して発電させ、起動平均風速以下の風速が検知された時には、電動機を自動的に停止させるようにしてなる前記（1）又は（2）に記載の風力発電装置。

（４） 前記、風力発電機における垂直の主軸に、縦軸ロータを水平回転するように支持し、主軸を電動機で回転させるようにしてなる前記（1）〜（3）のいずれかに記載の風力発電装置。

（５） 前記主軸は、横軸風車の風車筐体内に配設された発電機と、横軸ロータ間に横架されている前記（1）〜（3）のいずれかに記載の風力発電装置。

（６） 前記電動機は、遠隔操作スイッチにより、自動入力の切替えが行われる前記（1）〜（5）のいずれかに記載の風力発電装置。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載の風力発電装置は、風速の遅速に関わらず、電動機によって発電機の定格回転数が維持され、常時一定の電圧を取出すことが出来る。
従って、高速風が続くと、揚力型ブレードが回転することによって生じる揚力が増大し、風車の回転数と発電量が増加するので、電力の取出し量が一定であれば、電動機にかかる負荷は減少する。
また、低風速となって、揚力型ブレードの揚力が低下すると、風車の回転数が低下するので、発電量を減少させなければ、電動機にかかる負荷は増大する。
従って、電動機の負荷の増減を検知し、コントローラによって電力の取出し量を低下させると、電動機にかかる負荷は減少するので、主軸の回転数の変化が生じた時には、電動機の負荷を自動調節し、主軸の定格回転数を一定に維持することによって安定した電圧を、小さな電動機の少ない消費電力で得ることができる。
例えば、フライホィールを電動機で回転させると、回転抵抗によるエネルギーの損失が生じるが、揚力型ブレードを備える風車を、電動機で回転させると、揚力型ブレードに必然的に生じる揚力が、風車の回転力を生み出し、エネルギーの上積みが得られる。

前記（2）に記載の風力発電装置は、電動機の負荷が増大した時には、取出し電流量を減少させ、負荷が減少した時には、取出し電流量を増大させて、電動機の負荷を一定に維持させるように、自動調節することによって、発電機の主軸の回転数を定格回転数に維持させ、電流の増減変化があっても、安定した電圧の出力を得ることができる。

前記（3）に記載の風力発電装置は、起動平均風速時における風力発電機の発電量と、電動機の消費電力量とを、ほぼ同じに設定してあるので、起動平均風速が風速計で検知された時に、自動制御器により、電動機を自動的に起動させて発電させ、その後、起動平均風速以下となった時には、電動機を自動制御器によって自動的に停止させるようにし、電動機を有効に稼働させることができる。

前記（4）に記載の風力発電装置は、縦軸風車により回転する風力発電機の主軸の定格回転数を、電動機で維持させるようにしてあるので、縦軸風車は、風向きの変化にも効率良く回転し、発電効率を高めることができる。

前記（5）に記載の風力発電装置は、横軸風車により回転する風力発電機の主軸の定格回転数を、電動機で維持させるようにしてあるので、横軸風車は低風速でも効率良く回転し、発電効率を高めることができる。

前記（6）に記載の風力発電装置は、電動機の自動入力の切替えを、遠隔操作で行うことができるので、電動機が手の届きにくい位置にあっても、始動及び停止を容易にさせることができる。

本発明の風力発電装置の実施例１の正面図である。 本発明の風力発電装置の実施例２の要部縦断側面図である。 図２における揚力型ブレードのIII−III線横断拡大平面図である。

本発明の実施例を、以下に図面を参照して説明する。

図１において、風力発電装置１は、発電機２と風車３とを備えている。発電機２に立設した垂直の主軸４の上端に、縦軸ロータ５のハブ５Ａが固定され、ハブ５Ａで支持された複数の水平の支持腕５Ｂの先端に、垂直の揚力型ブレード６（以下単にブレードという）が装着されている。

主軸４の下端部は、任意の伝動手段８Ａ、８Ｂを介して、電動機７と連係されている。すなわち、電動機７に設けた減速機７Ａの出力軸７Ｃに設けた伝動手段８Ｂと、主軸４に設けた伝動手段８Ａとは、適宜の連係手段８Ｃを介して連係されている。連係手段８Ｃには、必要に応じて、自動制御のクラッチも使用する。 電動機７は、例えば、定格出力100ｗ仕様で、内部に、定格回転数を例えば、300rpmとする減速機７Ａが組込まれている。

外部からコード７Ｄを介して電力を供給し、自動スイッチ７Ｂを遠隔操作して電動機７を起動させると、無負荷での風車３は、トルクの大きな電動機７によって、容易に高速回転し、発電機２は、この回転に伴う発電量の発電をする。

なお、発電機２の出力コード２Ａには、コントローラ９及び蓄電池10が連結されている。上記の風力発電装置１を、風況のよい場所に設置し、電動機７による駆動によって、風車３を支持する発電機２の主軸４を、定格回転数で回転させる。

一般的な電動機の回転数は、2500rpm〜3000rpmであるから、これを、例えば300rpmに減速して風車３を回転させると、トルクが大きく作用するので、風車３が大型であっても、容易に回転させることができる。

風速の変化に伴い、高速の風が吹けば、揚力型ブレード６の揚力が大となって、主軸４は風力で回転し、発電量は増加するので、電動機７にかかる負荷は100w以下の小となる。
従って、コントローラ９の作用によって、取出す電流量を増加させ、電動機７の負荷を100ｗに維持して、蓄電池10に蓄電するか消費する。

風速が低下すれば、発電量が低下し、風車３によって回転する主軸４の定格回転数を、例えば300rpmに維持させると、発電機２の発電量が増加して、電動機７にかかる負荷は増加する。

その場合には、コントローラ９の作用によって、発電機２から取出す電流量を、自動的に減少させて、定格回転数を例えば300rpmに維持させ、一定の電圧を維持して出力をする。

風車３の回転によって、主軸４が300rpmの定格回転数で回転するためには、風速をどの程度必要とするのかを例示すると、例えば縦軸ロータ５の大きさが、半径１ｍ、揚力型ブレード６の長さ2.7ｍ、受風面積5.4ｍ、翼幅0.5ｍ、翼枚数２枚として、風速約16m/sの時の数値に該当する。

この風速で回転する風車３による発電機２の発電量は、約6000w/hとなる。すなわち、100ｗの電力を消費して電動機７を駆動し、風力発電装置１を回転させることにより、発電機２によって約6000W/hの発電をすることが可能となる。

一般の風力発電機においては、風速が常に変化しているため、回転数を一定にすることは不可能であり、常に電圧と電流の変動が生じている。
従って、従来の小型風力発電機においては、定電圧の出力が困難である。

しかし、本発明における風力発電装置１においては、電動機７によって風車３の主軸４を回転させて、常に定格回転数を維持させるので、縦軸ロータ５の回転によって生じる主軸４のトルクの増減変化も、取出す電流量の増減を調節することによって一定化させ、電圧を一定にして取出すことが出来る。

風力で風車３を回転させると、風車３の回転速度が加速される時のエネルギー損失が生じるが、電動機７によって風車３を常に回転させておき、電動機７側の負荷変動を起さないように、出力側の電流取出し量を、コントローラ９により調節をすることによって、回転速度が加速した状態から出力を得られるため、風車３の加速時のエネルギー損が生じない。

揚力型ブレード６のスパンを、回転直径より長くしておくと、次第に縦軸ロータ５の回転数が上って、回転している揚力型ブレード６の外側の空気が、遠心力で移動し、内側の空気は外側方向に引寄せられるため、揚力型ブレード６の回転軌跡よりも内側では、負圧となる。

その結果、縦軸ロータ５の上下方向から、負圧となったハブ５Ａの方向へ、外部から空気が引込まれ、回転する揚力型ブレード６によって、遠心方向へ吸い出される気流は、揚力型ブレード６の後縁に沿って外方へ流出し、その反動で、揚力型ブレード６は、回転方向へ揚力（推進力）が生じて回転する。

この風力発電装置１は、単純に発電するだけではなく、他の方法で発電された外部電力を使用して電動機７を駆動させ、風力発電装置１を回転させて発電することによって、他の方法で発電された電力の余剰分を、ロスを少なくして保存すると共に、揚力型ブレード６に生じる揚力による回転力によって、新たな発電を継続的に行うこともできる。

なお、この風車３における揚力型ブレード６を、１本の主軸４に多層状（例えば特開2005-188468号記載のよう）に固定することもできる。
また、揚力型ブレード６の翼端部を、主軸４方向へ傾斜する傾斜部６Ａとすることによって、翼端外方向へ気流が拡散することを抑止し、回転効率を高めることができる。

更に、台風対策として、自動風速検知器21を発電機２の横に臨設し、台風等により、一定の高速風を検知した時は、自動制御器22によって、電動機７の自動スイッチ７Ｂをオフに作動させて、電動機７を停止させると共に、発電機２に大きな負荷をかけて、主軸４を停止させる。

また、一定（平均）以下の風速を、自動風速検知器21が検知した時には、発電機２の負荷を、自動的に解除すると共に、電動機７の自動スイッチ７Ｂを、自動制御器22によって自動的にオンにして、風車３の回転の復元を図る。

図２は、本発明の風力発電装置の実施例２の要部縦断正面図である。前例と同じ部分は、同じ符号を付して説明を省略する。
この実施例２においては、横軸風車13を使用してある。支柱11Ａの上端に、風車筐体11Ｂが、垂直軸11Ｄの周りを旋回可能に装着されている。

風車筐体11Ｂは、前部が大きく、後端へかけて次第に細く形成してあり、後部に横軸風車13を装着してある。
風車筐体11Ｂの内部の、前方部分に配した発電機12から、水平に後方へ突出する主軸14の後端に、横軸ロータ15のハブ15Ａを固定してある。

ハブ15Ａには、２枚〜５枚の揚力型ブレード16を、放射方向に向けて装着してある。揚力型ブレード16の断面は、図３に示すように、前縁16Ａが厚く、最大翼厚部16Ｃから後縁16Ｂにかけて、次第に薄く形成してある。

揚力型ブレード16の前面16Ｄは、前縁16Ａから後縁16Ｂへかけて、ほぼ直線的であるが、背面16Ｅは、最大翼厚部16Ｃを頂点として、後縁16Ｂへかけて緩く湾曲しており、回転すると、前面16Ｄに沿って流れる気流の速度よりも、背面16Ｅに沿って流れる気流の速度の方が早くなり、背面16Ｅ部分が負圧となる。

従って、電動機17によって、横軸ロータ15を高速で空回転させると、揚力型ブレード16の前面16Ｄ方向から、後縁16Ｂ方向へ向かう気流が生じ、図３におけるＸ矢示方向へ流れて、その反動で横軸ロータ15の、前縁16Ａ方向への回転が助長される。また湾曲面をなす背面16Ｅへ、後縁16Ｂ方向から押す気流が生じて、回転に伴って、回転を助長する。

風力によって、揚力型ブレード16が回転する時には、風力によって回転することに加えて、回転する揚力型ブレード16自体によって生じる揚力により、回転力が付加され、横軸ロータ15が風速よりも早く回転し、発電量が増加する。

風車筐体11Ｂの後部内側に、減速機を備える電動機17を配設してあり、電動機17の出力軸17Ｃの回転力は、伝動手段18Ａ、18Ｂを介して主軸14に伝達される。
風車筐体11Ｂの前部内側に、コントローラ19と蓄電池20を収容してあり、発電機12から延出するコード12Ａを、蓄電池20に接続してある。

蓄電池20に接続したコード20Ａは、支柱11Ａの内部を通して下方へ導かれ、図示しない蓄電池に接続してある。電動機17には、電源に接続したコード17Ａに、遠隔操作のための自動スイッチ17Ｂを介在させてあり、始動当初において、スリップリング、もしくは、無線による遠隔操作によってスイッチオンさせ、電動機17を始動させる。風車筐体11Ｂの上面に、図示するように避雷針11Ｃを設ける。

この実施例２において、電動機17により、風車13の主軸14を定格回転させることによって、揚力型ブレード16に揚力が生じ、回転速度が高められる。揚力型ブレード16が風を受けて回転すると、揚力によって回転速度が加速される。
定格回転数の維持のために、取出し電流量を自動調節するコントローラ19の作用は、前例と同じである。

電動機によって、風車を定格回転数で回転させて、安定した電圧を取出すことができるので、風力発電のみならず、他の発電方法で得た電力の余剰分で電動機を駆動させて、風車を回転させて発電し、余剰電力の蓄電を、ロスを少なくして行うことができる。

１．風力発電装置
２．発電機
２Ａ．出力コード
３．風車
４．主軸
５．縦軸ロータ
５Ａ．ハブ
５Ｂ．支持腕
５Ｃ．筋交
６．揚力型ブレード
６Ａ．翼端部
７．電動機
７Ａ．変速機
７Ｂ．自動スイッチ
７Ｃ．出力軸
７Ｄ．コード
８Ａ．８Ｂ．伝動手段
８Ｃ．連係手段
９．コントローラ
10.蓄電池
11．風力発電装置
11Ａ．支柱
11Ｂ．風車筐体
11Ｃ．避雷針
11Ｄ．垂直軸
12．発電機
12Ａ．コード
13．横軸風車
14．主軸
15．横軸ロータ
15Ａ．ハブ
16．揚力型ブレード
16Ａ．前縁
16Ｂ．後縁
16Ｃ．最大翼厚部
16Ｄ．前面
16Ｅ．背面
17．電動機
17Ａ．コード
17Ｂ．自動スイッチ
17Ｃ．出力軸
18Ａ、18Ｂ．伝動手段
19．コントローラ
20.蓄電池
20Ａ．コード
21．自動風速検知器
22．自動制御器

Claims (6)

1. 風力発電機の主軸と、これを回転させる電動機と、電動機の負荷の増減を検知して、取出し電流量を自動調節するコントローラとを有し、主軸を電動機で定格回転数で回転させることによって、定格電圧を維持させ、風車の揚力型ブレードに生じる揚力により、主軸に生じるトルクの増減変化を、取出し電流量を自動調節して一定化させ、安定した電圧の出力を得るようにしたことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記取出し電流量の自動調節は、電動機の負荷が増大した時は、取出し電流量を減少させ、電動機の負荷が減少したときは、取出し電流量を増大させることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記風力発電機は、起動平均風速時における発電量と、電動機の消費電力量とをほぼ同じに設定しておき、起動平均風速が、風速計で検知された時に、電動機を自動的に起動させて発電させ、起動平均風速以下の風速が検知された時には、電動機を自動的に停止させるようにしてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
4. 前記風力発電機に、垂直に設けた主軸に縦軸ロータを水平回転するように支持し、主軸を電動機で回転させるようにしてなることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の風力発電装置。
5. 前記主軸は、横軸風車の風車筐体内に配設された発電機と、横軸ロータとの間に横架されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。
6. 前記電動機は、遠隔操作スイッチにより、自動的に入力切替えが行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の風力発電装置。
   
   
   
   

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