JP3491012B2

JP3491012B2 - 風力発電装置

Info

Publication number: JP3491012B2
Application number: JP2000273680A
Authority: JP
Inventors: 菊夫菊地
Original assignee: 菊夫菊地
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2004-01-26
Anticipated expiration: 2020-09-08
Also published as: JP2002089431A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地上等に設置され
る風力発電装置に係り、特に、強風による風車や発電機
の損傷を防止し、かつ効率の良い発電を行いうるように
した風力発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在実用化されている風力発電装置は、
地上に立設された支持塔の上端に、水平軸回りに回転す
る風車を、垂直軸回りに旋回可能として設けた全開放型
のものが殆どである。

【０００３】一般に、風力発電装置において、風車は、
それを構成するブレードの全長（回転半径）が長く、幅
広な程、また枚数が多くなる程、受風面積が増大し、風
力エネルギが回転エネルギに有効に変換されて、発電効
率が高まる。

【０００４】しかし、このようにすると、台風等の強風
時において各ブレードに大きな負荷が加わり、また風車
が許容回転数を超えて過回転するため、それが破壊され
ることがある。また、過発電により発電機が焼損するこ
ともある。

【０００５】このような問題の発生するのを防止するた
めに、上記全開放型の風力発電装置における風車は、通
常、そのブレードの数を２ないし３枚と少なくするとと
もに、その幅を比較的小さくして、強風時に対処してい
る。

【０００６】しかし、ブレードの長さについては、弱風
時の発電効率に配慮して、比較的大きくしてある。その
ため、突風が吹いたり、長時間強風にさらされ続けたり
すると、上述したと同様の問題が発生することがある。

【０００７】一方、強風時の対策を施した他のものとし
て、ブレードのピッチ角（迎え角）可変式の風車を用
い、強風時においてピッチ角を大とすることにより、風
の有効受圧面積を減らし、ブレードに加わる負荷を小さ
くするようにしたものが知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記ブレードのピッチ
を可変としたものにおいても、瞬間時に風速が変化した
り、風向きが目まぐるしく変化したりした際、それらに
追従してブレードのピッチを迅速にかえることができ
ず、ブレードに大きな負荷が加わったり、過回転するな
どして、それが破損することがある。またブレードの可
変ピッチ機構が複雑で、信頼性に欠ける問題がある。

【０００９】さらに、従来の風力発電装置の殆どは、風
車の回転軸と発電機の回転軸とを直結するか、風車の回
転軸に取付けたプーリ等と発電機の回転軸に取付けたプ
ーリ等とを、ベルト等により連係するなどして、風車の
回転を発電機に伝達するようにしているため、それらの
速度比は小さく、微風又は弱風時において発電機の回転
数が低下し、効率のよい発電ができない問題もある。

【００１０】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、ブレードに可変ピッチ機構を用いたりすることな
く、簡単な構造で台風や突風等の強風時において風車や
発電機が損傷するのを防止するとともに、微風又は弱風
等においても効率のよい発電を行いうるようにした風力
発電装置を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題は、次のようにして解決される。(１)支持塔の上端
に、外周面の中央部が開放された制風筒を、上下方向に
向けて設置するとともに、前記開放面に、適宜の開閉手
段に連係され、かつ風速が予め定めた値を超えたとき、
前記開放面を閉じる方向に移動するようにした複数の開
閉シャッタを、円周方向に所定間隔おきに設け、かつ前
記制風筒内の中央部に、内部に風車を備える導風筒と、
前記風車のブレードの外端に固着されたリング状の駆動
プーリに掛け回したベルトにより駆動されるプーリを有
する発電機とからなる発電ユニットを、導風筒と風車の
軸線が前記開放面の中央を向くように垂直軸回りに旋回
自在に設ける。

【００１２】(２)上記(１)項において、風車を同軸上に
複数設け、各風車により、１個の発電機を駆動するよう
にする。

【００１３】(３)上記(２)項において、導風筒の内面
に、複数の風車の中、風下側に位置する風車の前方に向
かって傾斜する偏風筒を設ける。

【００１４】(４)上記(１)〜(３)項のいずれかにおい
て、導風筒における風下側の端部に方向舵を設ける。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、図面
に基づいて説明する。図１に示すように、地上に立設さ
れた鉄塔(１)の上端には、本発明の風力発電装置(２)が
載設されている。

【００１６】風力発電装置(２)は、図２及び図３にも示
すように、上下の面が閉塞されるとともに、外周面の中
央部が開放され、その全開放面(３)に所定数の開閉シャ
ッタ(４)を設けた大円筒形の制風筒(５)と、この制風筒
(５)内のほぼ中央に配設された発電ユニット(６)とから
なっている。

【００１７】(７)は、制風筒(５)の上面中央に設置され
た風速計である。制風筒(５)の各開閉シャッタ(４)は、
その円周方向の両側端部が、制風筒(５)の開放面(３)に
所定間隔おきに立設されたガイド支柱(８)により上下に
摺動可能に支持されている。

【００１８】各開閉シャッタ(４)における上下の端面の
中央部には、図４に示すように、制風筒(５)の上端部の
支持板(９)上に、個々のシャッタ(４)毎に設けられたモ
ータ(10)の駆動プーリ(１)に巻回したワイヤ(12)の両端
部が上下１対のガイドプーリ(13)(13)を介して結合さ
れ、モータ(10)を正逆回転することにより、制風筒(５)
の開放面(３)をほぼ全開する上限位置と、同じく開放面
(３)を全閉する下限位置との間を同期して昇降しうるよ
うになっている。

【００１９】全てのモータ(10)は、風速計(７)に電気的
に接続され、風速計(７)より出力される電気信号により
作動させられるようになっている。すなわち、風速が予
め定めた値、例えば３５ｍ／s を超えたときには、モー
タ(10)が正転して、各シャッタ(４)を全閉位置まで下降
させ、それ以下の風速のときには、モータ(10)が逆転し
て各シャッタ(４)を全開させ、強風時において後記風車
(19)が許容回転数を超えないようにしている。

【００２０】(14)(14)は、各シャッタ(４)の上下限位置
を検知するリミットスイッチで、それらが作動したと
き、モータ(10)は自動的に停止するようになっている。
なお、全てのモータ(10)は同期して作動するため、リミ
ットスイッチ(14)は、いずれか１つのシャッタ(４)のみ
を検知すればよく、各シャッタ(４)毎に設ける必要はな
い。

【００２１】発電ユニット(６)は、制風筒(５)内の中心
部に、その開放面(３)を向くように軸線を水平として設
けられた導風筒(15)と、この導風筒(15)内に直径方向を
向いて固着した１対の支持部材(16)(16)に、導風筒(15)
と同心をなして両端部が軸支された回転軸(17)と、その
両端部に固着された、複数枚（例えば４枚）のブレード
(18)よりなる２個の同径をなす風車(19)(19)と、導風筒
(15)の上面に載設された発電機(20)とを備え、各風車(1
9)のブレード(18)の外端には、図５にも示すように、リ
ング状の駆動プーリ(21)が固着されている。

【００２２】両駆動プーリ(21)と発電機(20)の両端より
突出する回転軸(22)に固着した従動プーリ(23)とには、
複数（２本）ずつのＶベルト(24)が掛け回され、各風車
(19)の回転が同期して発電機(20)に伝達されるようにな
っている。このような駆動プーリ(21)を用いると、速度
比が極めて大きくなるため、風車(19)の回転数が小さく
ても、効率のよい発電を行うことができる。

【００２３】また、駆動プーリ(21)は、各ブレード(18)
の撓み剛性を高める作用をも有しており、ブレード(18)
が長寸であっても、大きな風圧に耐えうるようになって
いる。風下側に位置する後方の風車(19)の前方の導風筒
(15)内には、風車(19)に向かって漸次テーパ状に縮径す
る偏風筒(25)が固着され、風下側の風車(19)に風力エネ
ルギが効果的に作用するようにしてある。

【００２４】導風筒(15)の風下側の端部内周面には、垂
直をなす３枚の方向舵(26)が固着され、それらの後端部
同士は、連結杆(27)により互いに結合されている（図３
参照）。

【００２５】導風筒(15)の上下の面には、中空円筒状の
旋回軸(28)(28)が上下方向を向いて固着され、それらの
端部に固着された拡径鍔部(29)(29)は、制風筒(５)内の
上下１対の水平支持板(30)(30)と、開放面(３)を挟んで
対向する上下の隔壁(31)(31)とに固着された中空状の支
持体(32)(32)により、上下１対のスラストベアリング(3
3)を介して回転自在に支持されている。上下の旋回軸(2
8)の外周面は、ラジアルベアリング(34)を介して、支持
体(32)に支持されている。

【００２６】上記発電機(20)は、上方の旋回軸(28)内に
収容されている。これにより、導風筒(15)は、風向きに
対向して、旋回軸(28)及び発電機(20)と共に自由に旋回
することができ、制風筒(５)の開放面(３)より流入する
風力エネルギにより回転させられる２個の風車(19)の回
転力を、発電機(20)に伝達して発電することができる。

【００２７】以上説明したように、上記実施形態におい
ては、発電ユニット(６)を、外周面に複数の開閉シャッ
タ(４)を備える制風筒(５)内に収容し、風速が予め定め
た値に達したとき、全てのシャッタ(４)を全閉するよう
にしているので、台風や突風等の強風時において風車(1
9)が許容回転数を超えて損傷したり、発電機(20)が過発
電されて焼損するなどの問題を解消しうる。

【００２８】また、全てのシャッタ(４)を同時に閉じる
ので、強風時に風向きが目まぐるしく変化しても、特に
問題となることはない。さらに、強風時において風車(1
9)が保護されるので、そのブレード(18)を長寸かつ広幅
としたり、枚数を増加したりすることが可能となり、そ
の結果、微風時においても風車(19)の回転数が増加し、
発電効率が高まる。

【００２９】風車(19)の各ブレード(18)の外端にリング
状の駆動プーリ(21)を固着し、これに巻回したＶベルト
(24)をもって発電機(20)のプーリ(23)を駆動しているた
め、両プーリ(21)(23)の直径差により極めて大きな速度
比が得られ、風車(19)の回転数が低くても、発電機(20)
は高速で回転され、発電効率が高まる。

【００３０】また、駆動プーリ(21)により各ブレード(1
8)が補強され、撓み剛性が高くなるので、それを長寸か
つ広幅とするなどして、受風面積を増大しても、大きな
風力に耐えることができる。

【００３１】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではない。上記実施形態では、開閉シャッタ(４)を昇降
させる開閉手段に、モータ(10)及びワイヤ(12)等を用い
ているが、流体圧シリンダやソレノイド等のアクチュエ
ータを使用してもよい。

【００３２】また、上記実施形態においては、発電容量
の大きな比較的大型の発電機(20)を駆動するために、そ
の回転軸(22)を２個の風車(19)により駆動するようにし
ているが、小型の発電機を２基設置して、これらを各風
車(19)により別々に駆動するようにしてもよい。

【００３３】開閉シャッタ(４)は、上記全開と全閉との
２位置制御の外、次のように制御するようにしてもよ
い。すなわち、モータ(10)を、風力計(７)よりの信号に
基づいて正逆回転するサーボモータ又はステッピングモ
ータとし、風速が予め定めた値以上となったとき、その
風速に比例して、開閉シャッタ(４)が全開と全閉位置の
間を段階的又は無段階に昇降するように制御し、導風筒
(15)に流入する風量を絞り込むようにする。

【００３４】このようにすると、風車(19)が許容回転数
を超えて過回転するのを防止しうるので、強風時におい
ても発電を停止させずに済む。また、風車(19)の回転数
を常時検出し、この信号によりサーボ又は、ステッピン
グ型のモータ(10)を正逆回転させ、風車(19)の回転数が
許容回転数を超えることのないように、開閉シャッタ
(４)の昇降を制御して、導風筒(15)に流入する風量を絞
り込むようにしてもよい。

【００３５】このようにしても、強風時に発電を停止さ
せずに済む。上記実施形態においては、全ての開閉シャ
ッタ(４)を同期させて昇降させるようにしているが、例
えば風力計(７)の指す方向により風向きを検知し、風上
に位置する複数のシャッタ(４)のみを全閉させたり、風
上と風下に位置する複数のシャッタ(４)のみを、段階的
又は無段階に昇降制御することもある。

【００３６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、台風や突
風等の強風時において風速が予め定めた値に達すると、
開閉シャッタが制風筒の外周面の開放面を閉じる方向に
移動し、制風筒内に流入する風量を絞り込むので、風車
が許容回転数を超えて過回転し、それが破壊されたり発
電機が過発電されて焼損するのが防止される。また、強
風時に風車が保護されるため、そのブレードを長寸かつ
広幅としたり、枚数を増加させたりすることが可能とな
り、その結果、微弱風時においても風車の回転数が増加
し、発電効率を高めうる。さらに、ブレードに、従来の
ような複雑な可変ピッチ機構を用いる必要がないので、
風車の信頼性が高まる。

【００３７】発電機は、風車のブレードの外端に固着さ
れたリング状の駆動プーリに掛け回したベルトにより駆
動されるため、駆動プーリと発電機のプーリとの直径差
により、極めて大きな速度比が得られ、風車の回転数が
低くても、発電機は高速で回転され、発電効率が高ま
る。

【００３８】また、駆動プーリにより風車の各ブレード
が補強され、撓み剛性が高くなるので、それを長寸かつ
幅広とするなどして、受風面積を増大しても、大きな風
力に耐えることができる。

【００３９】請求項２記載の発明によれば、発電機の駆
動力が増大するので、発電容量の大きな発電機を使用し
うる。

【００４０】請求項３記載の発明によれば、風下の風車
にも効果的に風力エネルギが作用するようになる。

【００４１】請求項４記載の発明によれば、風向きに対
応して発電ユニットは迅速に旋回し、常に風向きと対向
するようになるため、効率のよい発電が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の設置例を示す外観図である。

【図２】同じく、中央縦断側面図である。

【図３】同じく、図２のIII−III線の横断平面図であ
る。

【図４】同じく、開閉シャッタの駆動例を示す斜視図で
ある。

【図５】同じく、図２のＶ−Ｖ線の拡大縦断正面図であ
る。

【符号の説明】

(１)鉄塔（支持塔） (２)風力発電装置 (３)開放面 (４)開閉シャッタ (５)制風筒 (６)発電ユニット (７)風速計 (８)ガイド支柱 (９)支持板 (10)モータ (11)駆動プーリ (12)ワイヤ (13)ガイドプーリ (14)リミットスイッチ (15)導風筒 (16)支持部材 (17)回転軸 (18)ブレード (19)風車 (20)発電機 (21)駆動プーリ (22)回転軸 (23)従動プーリ (24)Ｖベルト (25)偏風筒 (26)方向舵 (27)連結杆 (28)旋回軸 (29)拡径鍔部 (30)水平支持板 (31)隔壁 (32)支持体 (33)スラストベアリング (34)ラジアルベアリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−47172（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−118135（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−70668（ＪＰ，Ａ) 特開平10−77996（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−97590（ＪＰ，Ｕ) 実開昭54−147347（ＪＰ，Ｕ) 実開昭56−127372（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4087196（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F03D 1/04 F03D 1/02 F03D 11/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】支持塔の上端に、外周面の中央部が開放
された制風筒を、上下方向に向けて設置するとともに、
前記開放面に、適宜の開閉手段に連係され、かつ風速が予め定めた値を超えたとき、前記開放面を閉
じる方向に移動するようにした複数の開閉シャッタを、
円周方向に所定間隔おきに設け、かつ前記制風筒内の中
央部に、内部に風車を備える導風筒と、前記風車のブレ
ードの外端に固着されたリング状の駆動プーリに掛け回
したベルトにより駆動されるプーリを有する発電機とか
らなる発電ユニットを、導風筒と風車の軸線が前記開放
面の中央を向くように垂直軸回りに旋回自在に設けたこ
とを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】風車を同軸上に複数設け、各風車によ
り、１個の発電機を駆動するようにした請求項１記載の
風力発電装置。
【請求項３】導風筒の内面に、複数の風車の中、風下
側に位置する風車の前方に向かって傾斜する偏風筒を設
けた請求項２記載の風力発電装置。
【請求項４】導風筒における風下側の端部に方向舵を
設けた請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。