JP4355635B2 - 水平軸と垂直軸が組み合わされたシングルロータ方式の風力発電機システム - Google Patents

Description

本発明は、水平軸と垂直軸が組み合わされたシングルロータ方式の風力発電機システムに係り、さらに詳しくは、自動的に風向に合わせ、超強風であっても別途のピッチ制御なしにばね圧力によってブレードが自動的に後方へ可変してシステムを保護するとともに、発電を続けることができる水平軸と垂直軸が組み合わされたシングルロータ方式の風力発電機システムに関する。

一般に、風力発電機システムは、風力によって回転するブレードの回転エネルギーを電気エネルギーに転換して各需要者への電気供給を行うものであって、軸の方向によって プロペラ型水平軸風力発電機システムと、ジャイロミル型およびダリウス型等の垂直軸風力発電機システムと、垂直−水平軸統合型風力発電機システムなどとに分けられ、原子力や水力および火力に比べて設置コストおよび設置面積面で経済性が高く、環境汚染を引き起こすおそれがないという利点がある。

かかる従来の風力発電機は、タワーの上部に回転自在に設置された胴体と、前記胴体の先端に設置され風によって回転するブレードと、前記ブレードの回転力を増速させるための増速機などの歯車箱(gear box)と、前記歯車箱で増速された回転力を電気エネルギーに転換する発電機とを含んで構成される。

前記構成の風力発電機は、風によってブレードが回転すると、その回転力が歯車箱を介して増速される。そして、発電機では増速された回転力によって電気エネルギーが発生し、該電気エネルギーは蓄電装置などに印加されて蓄電されるか、需要者に直接印加される。

前記水平軸風力発電機は、ブレードから発電機までの回転トルクの伝達経路が短くて伝達効率に優れているという利点を持つ。しかし、胴体内部に発電機などが搭載されて重くなるため、風向によるヨーの動作が鈍くなり、また、胴体が一定回転数以上に回転すると、風力発電機の動作が停止してしまい、さらに、もつれたケーブルを解かなければならないという問題がある。

また、前記胴体内部に発電機が搭載されているため、冷却およびメンテナンスなどが容易でなく、なお、強風などの非常時に発電機に過負荷がかかるとき、システム保護のために羽部のピッチ制御によって完全に停止させるので、発電が不可能になるという問題がある。

一方、水平軸と垂直軸が組み合わされた風力発電機（二重ロータ方式）は、メインブレードの中央部分を通過する風力を補助ブレードでのトルク発生に利用することにより、断面積当り風力の利用率が向上するという利点を持つ。しかし、メインブレードおよび補助ブレードの回転方向が反対であるためブレードの作成に難があり、メインブレードおよび補助ブレードのトルクが一定に合成できるようにそれぞれのピット制御を精密に行う必要があるが、実際それほど完璧な制御は不可能である。

また、製作コストが高価であり、強風などの非常時には前記水平軸風力発電機の如くピッチ制御によって完全に停止させる必要があるので、発電が不可能になるという問題がある。

本発明は、かかる従来の問題点を解決するためのもので、その目的は、自動的に風向に合わせ、超強風であっても別途のピッチ制御なしにばね圧力によって ブレードが自動的に後方へ可変して発電機の過負荷を防止するなどシステムを保護するとともに、発電を続けることができる水平軸と垂直軸が組み合わされたシングルロータ方式の風力発電機システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の水平軸と垂直軸が組み合わされたシングルロータ方式の風力発電機システムは、一定の高さのタワーの上端に回転自在に設置される流線形の胴体と、前記胴体が吹いてくる風の方向と一致するように胴体の外周面に放射状に設けられる多数の方向キーと、前記胴体に回転自在に水平設置されるが、一端部は胴体の後端部の外側に突出し、他端部は胴体内部に位置し、前記他端部に第１かさ歯車（bevel gear）が設けられる水平軸と、前記胴体の後方の、前記水平軸の一端部に、風圧に応じて前後方へ可変できるように可変手段を介して設置され、風によって回転しながら水平軸を回転させるブレードと、前記タワーの内部に設置される発電機と、前記水平軸の回転力を前記発電機に伝達できるように、一端部には前記第１かさ歯車と噛み合う第２かさ歯車が設けられ、他端部は前記発電機のロータ軸と結合される垂直軸とを含んでなることを特徴とする。

本発明は、前記可変手段により、別途のピッチ制御なしに超強風およびいきなりの突風などの風圧に対応してブレードが自動的に前後方へ可変して発電機への回転力が調節されることにより、発電機などの過負荷を防止してシステムを保護し、強風時にも続けて発電することができる。

また、前記発電機を垂直軸と結合して前記タワーに設置することにより、電力線の引き出しおよびメンテナンスを容易に行え、前記胴体の軽量化を図ることで低風速においてもヨー動作を行え、胴体の回転時にも電力線のもつれを防止することができる。

また、簡便な構造で、製作コストを低減することができる。

以下、本発明を添付図を参照して詳細に説明する。
従来と同一の部分についての説明は省略する。

図１は本発明に係る風力発電機を示す断面図であり、図２は本発明に係る風力発電機を示す正面図であり、図３は本発明に係る風力発電機におけるブレードの可変状態を示す図である。

図面に示すように、本発明に係る風力発電機１は、地面に設置された一定の高さのタワー１０の上端に流線形の胴体２０が回転可能に設置される。

前記胴体２０の内部は軽量化のために空洞であることが好ましい。

そして、胴体２０の外周面には３つの方向キー２１が放射状に設けられる。

ここで、前記方向キー２１は前記タワー１０を基準として胴体２０の後部に設けられるのが好ましい。

したがって、前記３つの方向キー２１により、別途の補助装置なしに前方から吹いてくる風の方向と胴体２０とを一致させることができ、より安定で自由なヨ−の動作を助けることができる。

そして、前記胴体２０の内部の後側には水平軸３０が回転自在に設置される。

前記水平軸３０の一端部は前記胴体２０の後端部の外側に突出し、他端部は胴体２０の内部に位置しながらその先端部に第１かさ歯車（bevel gear）３１が設けられる。

また、前記胴体２０の後端部の外側に突出した水平軸３０の一端部には、吹いてくる風の風圧に応じて前後方へ可変できるように可変手段８０を介してブレード７０が設置される。

前記ブレード７０は前記胴体２０の後方に位置し、吹いてくる風によって回転しながら前記水平軸３０を回転させる。

従来は前記ブレード７０が胴体２０の前方に設置されたのに対して、本発明では、前記胴体２０の自由なヨ−の動作および風圧に応じるブレード７０の可変動作のために、胴体２０の後方に設置された。

すなわち、前記ブレード７０は前記胴体２０の回転中心から一定の距離をおいているため、風向による回転モーメントが発生して風向と一致しようとし、この際、３つの方向キー２１によってより安定で自由なヨ−の動作を行うようになる。

前記可変手段８０は、前記水平軸３０の一端部に結合されるハブ８１と、前記ハブ８１の外周面に前後回転可能にピン８６結合され、先端部は前記ブレード７０の翼根側と連結／結合される多数の可変棒８２と、前記ハブ８１から所定間隔離して前記水平軸３０にスライド可能に結合されるスライドバー（slide bar）８３と、前記ハブ８１とスライドバー８３との間に設置されるばね８４と、前記可変棒８２とスライドバー８３とを連結するコネクティングロッド（connecting rod）８５とからなる。

ここで、前記コネティングロッド８５は前記スライドバ８３および可変棒８２とピン８６結合される。

そして、前記ばね８４の張力を調節するこどで風圧による前記ブレード７０の可変動作点を設定することができる。

前記可変手段８０により、一定風圧以下では最大効率を得るために前記ブレード７０を前記水平軸３０に対して略垂直に保持することができ、強風による一定風圧以上では風圧に増加に対応して前記ブレード７０を後方へ一定角度可変することができる。

すなわち、強風のために前記ブレード７０が後方へ傾斜すると、風の影響力がその分弱まり、前記ブレード７０の回転が減少し、同時に水平軸３０の回転力も減少して、後述する発電機６０の過負荷などを防止してシステムを保護するとともに、持続的な発電が可能になる。

前記タワー１０の内部の上部には前記ブレード７０による回転力を受けて電気を発生する発電機６０が設置される。

前記発電機６０には蓄電装置（図示せず）または地上の送電線（図示せず）などに電力を送出するための電線６２が連結される。

また、前記水平軸３０の回転力を前記発電機６０に伝達できるように、前記胴体２０の内部とタワー１０の内部とを繋げる垂直軸４０が設置される。

前記垂直軸４０の一端部には前記水平軸３０の第１かさ歯車３１と噛み合う第２かさ歯車４１が設けられ、他端部は前記発電機６０のロータ軸６１と結合される。

また、前記垂直軸４０と発電機６０のロータ軸６１との間にはメンテナンスなどのために垂直軸４０から発電機６０を分離／連結する役割をするカップリング５０が設置される。

そして、前記水平軸３０上には、ブレード７０によって回転する水平軸３０の回転力を増速して、この増速された回転力を前記発電機６０側に伝達するための歯車箱（gear box）３２が設置される。

前記歯車箱３２は公知のもので、回転力増速のための遊星歯車（図示せず）およびリング歯車（図示せず）など多数の歯車が設置されており、ここでは詳細な説明は省略する。

すなわち、前記歯車箱３２は低風速時にも発電できるように水平軸３０の回転力を増速させる役割ばかりか、発電機６０の種類に合わせて増速させる役割を果たす。

一方、前記第１，２かさ歯車３１，４１としては騒音などを減少できるようなスパイラルかさ歯車を使用することが好ましい。

次に、本発明に係る風力発電機システムの作用を説明する。

先ず、前記胴体２０は胴体２０の回転中心を基準として後部に備えられた方向キー２１およびブレード７０によって自動的に風の方向と一致するようにヨーの動作を行い、同時に吹いてくる風によってブレード７０が回転するようになる。

前記ブレード７０が回転すると、前記水平軸３０が共に回転するようになり、この際、前記水平軸３０の回転力は増速され、前記歯車箱３２を介して発電機６０での電力生産が容易になる。

前記増速された回転力は第１かさ歯車３１を経て第２かさ歯車４１に伝達され、第２かさ歯車４１に伝達された回転力は前記垂直軸４０を回転させながら、カップリング５０にて相互に連結された発電機６０のロータ軸６１を回転させる。

前記ロータ軸６１が回転すると、発電機６０ではロータ（図示せず）が高速回転することになり、これにより電力が生産される。

前記発電機６０から生産された電力は前記電線６２を介して地上の送電線または蓄電装置などに送出される。

一方、強風などによる非常時には一定以上の風圧が前記ブレード７０に作用するようになり、同時にブレード７０の回転速度が過剰に上がる。この際、前記風圧によってブレード７０および可変棒８２が後方へ一定角度可変し始め、前記可変棒８２とコネクティングロッド８５で連結された前記スライドバー８３は水平軸３０に沿って後方へ移動しながら前記ばね８４を圧縮するようになる。

前記ブレード７０の可変動作は前記ばね８４の圧縮力と風圧とが比例するようになる時点で停止する。この際には、前記ブレード７０が後方へ一定角度傾斜した状態にあるので、初期位置に比べて風の影響力が弱まり、その分回転速度が減少し、同時に前記発電機軸６０へ伝達される回転力も減少する。したがって、発電機６０の過負荷などを防止してシステムを保護することはもとより、強風時にも発電を続けることができる。

その後、強風が止まると、前記ばね８４の復元力によって前記スライドバー８３が水平軸３０に沿って前方へ移動し、この際、コネクティングロッド８５と連結された前記可変棒８２およびブレード７０が前方へ可変しながら初期位置に復帰される。

このように、前記ブレード７０は風圧に対応して前後方へ可変し、これにより発電機６０へ伝達される回転力が調節されるので、発電機６０の過負荷を防止するなど全システムを保護するとともに、強風による非常時にも発電を続けることができる。

また、いきなりの突風が吹いてくるとき、ブレード７０およびシステムが受ける激しい衝撃を緩和させることができる。

図４は本発明の他の実施例を示す図である。

図４の構成は、前述した基本的な構成および作動原理とほとんど同一であるが、次のように異なる点がある。前述した仕組みでは、水平軸３０に沿ってスライドするスライドバー８３と、その後方に設置されて復元力を与えるばね８４と、その後方に配置され、前記スライドバー８３に連結されて回転するブレード７０とを含んで構成される。これに対して、図４では、ブレード７０をより前方に配置し、ブレード７０と連動するスライドバー８３の後方にばね８４を配置した。

このように構成した実施例は、すべての基本的な動作は同一であるが、風力発電機の容量による上部胴体の大きさに合わせて全体的なバランスをよくとるために、その構造を変形したものである。

なぜなら、例えば、小型の場合は、胴体２０の前方部が中心からそれほど突出しないため、ブレード７０を胴体２０の最後方に配置するとバランスをとるのが難しくなるので、図４のようにブレード７０を胴体２０に隣接配置するが、一方、大型の場合は、胴体２０の前方部が中心から大きく突出するため、図３のようにブレード７０を最後方に配置することが好ましいからである。

したがって、重量物として回転運動を行うブレードと胴体間の相互に有機的なバランスの上に、ブレードの位置選択によって効率的な運動を行うことができる。

図５は図１に示す胴体２０の他の実施例を示す図である。

図１に示すように胴体２０の外周面をまるで砲弾状のように滑らかにすることも可能であるが、図５に示すように胴体２０の外周面上に風が過ぎていく長手方向に沿って多数の溝９０を形成することも可能である。

通常の風力発電機については、胴体が変化する風向に沿って容易に動くと共に、ブレードが弱い風でも円滑に回転できるようにすることが最も基本的な仕様であるが、上記のように胴体２０に形成された溝９０は、胴体を風向に正確に合わせる方行性を高め、方向性を見つけた後、停止によってブレードの回転を助ける一時停止能力を向上させる機能を果たす。

前記溝９０は、外周面に沿って多数形成することも可能であるが、本実施例では外周面上に９０°間隔で４個を形成した。

また、図６に示すような楔形の断面形状を有する方向キー２１の場合は、方向キーを過ぎていく風の円滑な流れにより、既存の風力発電機に用いられた一定の断面形状の方向キーに比べて、素早く風の方向を見つける機能を果たすことができる。

本発明に係る風力発電機を示す断面図である。 本発明に係る風力発電機を示す平面図である。 本発明に係る風力発電機におけるブレードの可変状態を示す状態図である。 本発明の他の実施例を示す図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１上の方向キーの一実施例を示す図である。

符号の説明

１ 風力発電機
２０ タワー
２０ 胴体
２１ 方向キー
３０ 水平軸
３１ 第１かさ歯車(bevel gear)
４０ 垂直軸
４１ 第２かさ歯車
５０ カップリング
６０ 発電機
６１ ロータ軸
６２ 電線
７０ ブレード
８０ 可変手段
８１ ハブ
８２ 可変棒
８３ スライドバー
８４ ばね
８５ コネクティングロッド(connecting rod)
８６ ピン

Claims (1)

1. 一定の高さのタワー（１０）の上端に回転自在に設置される流線形の胴体（２０）と、
   前記胴体が吹いてくる風の方向と一致するように胴体（２０）の外周面に放射状に設けられる多数の方向キー（２１）と、
   前記胴体（２０）に回転自在に水平設置されるが、一端部は胴体（２０）の後端部の外側に突出し、他端部は胴体内部に位置し、前記他端部に第１かさ歯車が設けられる水平軸（３０）と、
   前記胴体（２０）の後方の、前記水平軸（３０）の一端部に、風圧に応じて前後方へ可変できるように可変手段（８０）を介して設置され、風によって回転しながら水平軸（３０）を回転させるブレード（７０）と、
   前記タワー（１０）の内部に設置される発電機（６０）と、
   前記水平軸（３０）の回転力を前記発電機（６０）に伝達できるように、一端部には前記第１かさ歯車（３１）と噛み合う第２かさ歯車（４１）が設けられ、他端部は前記発電機（６０）のロータ軸（６１）と結合される垂直軸（４０）とを含んでなり、
   前記可変手段（８０）は、前記水平軸（３０）の一端部に結合されるハブ（８１）と、前記ハブ（８１）の外周面に前後回転可能に結合され、先端部は前記ブレード（７０）の翼根側と連結／結合される多数の可変棒（８２）と、前記ハブ（８１）から所定間隔離して前記水平軸（３０）にスライド可能に結合されるスライドバー（８３）と、前記ハブ（８１）とスライドバー（８３）との間に設置されるばね（８４）と、前記可変棒（８２）とスライドバー（８３）とを連結するコネクティングロッド（８５）とからなり、
   前記胴体（２０）の前方部の外周面上に空気の流れをガイドする長い多数の溝（９０）が外周面上に９０°間隔で４個形成され、
   前記方向キー（２１）は前方部から後方部に向かうにしたがって広くなるような楔形の断面形状を有することを特徴とする水平軸と垂直軸が組み合わされたシングルロータ方式の風力発電機システム。

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