JP6024883B2 - 自律制御風力発電装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

風力発電機

立地条件を精査するとともに装置を大きくすることで発電量を確保しているが、広く一般的かつ多様な環境には適さない。

発明が解決しようとする課題

日本の国土では海外の風力発電先進国と比較して
風が弱いこと、風力が安定していないこと、風向きが頻繁に変化すること、台風など強すぎる風の被害を避けられないことなど課題が多い。

課題を解決するための手段

風上に向かって前よりに垂直の回転軸（図１及び１１−１１）を備える本体（図１−１及び６及び７）は、回転軸より後に垂直翼に相当する翼（図１−６及び７）を備え、本体全体が流線型をイメージする構造であるため、風力発電装置自体が受ける風により、常に風上に対して正面を向く構造となっている。
本体に取り付けられた発電機（図１１−１４）を回すための回転翼（図１−４）は、一定の方向に回転するように定めた回転軸（図１−１２）に対する遊びをつけ、無風時はスプリングによって風力による回転方向と逆方向の位置に戻しておく。
起動時は、風力発電装置自体の摩擦抵抗と発電機への負荷によって微風程度ではなかなか回転を始めない。しかし本件考案の装置の場合は、微風であっても、最初は回転軸の遊び部分だけで回るため、発電機を回転させるための負荷が無く、起動時の機械的な摩擦抵抗は無いに等しいので、空回りすることと、遊びが終わるまでの間の慣性と加速によって回転を開始する。
したがって、遊びの終わったところでの慣性により回転軸に回転翼自身の回転力によるインパクトを与えることで、構造自体の摩擦と負荷による微風では回りはじめないことを解消し微風から発電を開始する。
回転翼（図１−４）は無風時から弱風時には最も風を受け取りやすくするために回転翼の風上側にある本体（図１−１）から、スプリングの作用によって本体の両側に張り出している。
回転翼（図１−４）は、その回転力を発電機に伝え発電機を回転するが、同時にその先には遠心クラッチ（図１１−９）が接続されていて、強風で回転数が一定以上に上昇したときに限って遠心クラッチにより、回転翼を取り付ける張り出しアーム（図１−２）に回転力を伝えることで、回転翼（図１−４）を風上側本体（図１−１）の後ろに隠してしまう。
隠れてしまった回転翼には、回転翼の風上側本体が障害物となって回転翼を遮ってしまうため回転が落ちてしまう。したがってクラッチも回転を伝えないので張り出しアームはスプリングの力によって無風の位置に戻してしまう。
張り出しアームが無風の位置に戻ろうとするとき風上側本体の外側が強風であり、回転翼がクラッチに動力を伝えるならば張り出し動作と影に隠れる動作を繰り返すことで、回転翼自体が移動し、回転翼が受ける風圧を自身の動作で変化させる。
したがって台風などの強風時の回転翼は本体風上側前方部分の後ろ側に移動していることで強風を避け、破損から機械自身が機械を守る。
右側回転翼の右前方と、左側回転翼の左前方にはそれぞれ風を集めるための翼が取り付けられている。
右側前方翼は左側回転翼の張り出しアームと連動し、
左側前方翼は右側回転翼の張り出しアームと連動している。
右側回転翼の右後方と左側回転翼の左後方にはそれぞれ風を逃がすための翼が取り付けられている。
右側後方翼は左側回転翼の張り出しアームと連動し、
左側後方翼は右側回転翼の張り出しアームと連動している。
右の張り出しアームが張り出している状態のとき右の回転翼も張り出している、連動している左側前方翼と左側後方翼は、いずれも引き付けられた状態であり、右側回転翼が風を受けやすい位置にあるとき左側前方翼は左側回転翼に対し風を集めやすい位置にあり、左側後方翼は風を逃がしやすい位置にある。
左右の回転翼を取り付けたそれぞれの張り出しアームは、左右逆方向に連動しているので、
左の張り出しアームが張り出している状態のとき左の回転翼も張り出している、連動している右側前方翼と右側後方翼は、いずれも引き付けられた状態であり、左側回転翼が風を受けやすい位置にあるとき右側前方翼は右側回転翼に対し風を集めやすい位置にあり、右側後方翼は右側回転翼に対し風を逃がしやすい位置にある。
それぞれの前方翼と後方翼について、強風時に回転翼がその風上にある本体の影に隠れる位置に移動し、内側に引き付けられた張り出しアームによって反対側の押し出される前方翼と後方翼はいずれも風を流す位置に移動する。
回転翼自体が移動し回転翼が受ける風圧を、回転翼自身が伝えるクラッチの動作で変化させるとき、それぞれの回転翼に連動した前方翼と後方翼は、自身の動作で風を集めたり逃がしたり流したりといった動作を行う。
回転翼の風下側本体部分は張り出しアーム（図１−２）に連動した整流板（図１−７）で構成する。左右の後方翼が風を逃がしたり流したりといった動作を行うとき、整流板で構成する本体後方部分も風の通りやすさを変化させている。張り出しアームが左右に張り出し回転翼が本体外側の風を受けやすい位置にあるとき、本体後方を構成する整流板は風の流れと平行方向にあり風を通り抜けやすくしている。
逆に、強風時の回転翼が風を受けにくい位置にあるときこの整流板は、左右それぞれに整流板同士の面を揃える方向に角度を変える。
整流板で構成する本体後方部分の外側は風が流れやすいものの、回転翼の後方となる本体の内側では風が流れず、回転翼が風を避ける位置にあるとき、回転翼後ろの本体後方部分では、本体後方部分内側を塞ぐことによって内側である回転翼の直後から本体の後方に対して風の流れや巻き込みを押さえ、流れない状態を構成することで強風時の回転翼に対する風圧を回避している。
風が吹かなければ発電しないし、弱くても難しい反面、少しでも多く、安定した発電を求める、需要に即時対応する発電量を求めることなど、本格的な基盤としての発電のためには、複数の風力発電装置を組み合わせるほか、風力以外の発電を含めて構成することも必要となります。隣り合った風力発電機であっても吹く風の強さの異なることが風力発電の実際であり、効率を求める一方で発電機１台ごとに発電量を制御することが可能です。
それぞれの場所で、それぞれに異なる風を受ける風力発電装置は、それぞれの動作を風力発電装置自身が受ける風によって、もしくは受ける風に応じて風力発電装置自身がこれらの動きを操作することの出来る自律制御風力発電装置を構成します。

▲１▼ 山林や原野地帯では樹木の上まで出られる高さの電柱のような柱が一本あれば設置が可能。
▲２▼ 水上では発電機を重りとして水面下に下ろすことが可能であり、本体を水上に浮かべるための浮きがあれば設置が可能
▲３▼ 市街地でも建物の屋上のほか道路や河川など、回転する範囲に障害物や危険物が無ければ設置が可能。

発明の効果

▲１▼ 自然エネルギーの活用による地球環境の保仝
▲２▼ 原子力や石油等エネルギー依存度の軽減
▲３▼ 風力自身によって発電を操作することが可能になり、発電効率を制御することによれば、実用的で安定した単独の運用から大規模プラントとしての組み合わせでも可能となる。

無風時（平面） 無風時「張り出しアーム」は風向きに対し最も外側の風を受けやすい位置に張り出している。したがって回転翼も両側の風を受けやすい位置にあるとともに、前方翼は風を集めやすく、後方翼は風を逃がしやすい位置にある。このとき本体の回転翼より後ろ側の整流板で構成する部分は、風の流れる方向と平行であり、回転翼の後方の、風の流れを通り抜けやすくしている。 中風時（平面） 中風時の「張り出しアーム」は無風時と強風時の中間にあり、回転翼、前方翼、後方翼、整流板ともに中間にある。 強風時（平面） 強風時の「張り出しアーム」は風向きに対し最も内側の、風を受けにくい位置に寄っている。したがって回転翼は回転翼より風上部分にある本体の前の部分に隠れてしまって風の影響をほとんど受けなくなってしまう。このときの前方翼及び後方翼は、いずれも風を流しやすい位置にあり、本体の後ろの部分は整流板の面が揃うことで、本体外側を流れる風は流れやすく、回転翼の後方かつ本体の内側は、風が流れにくい。 無風時（平面） 無風時又は弱風時の主たる翼の位置を実線で表し風の流れのイメージを破線で表現した。本体側面と前方翼の２枚の翼によって集められた左右それぞれの風が、張り出している回転翼に効率よく集中し、その後ろでは後方翼が広がることで、本体後方の整流板とともに風を効率よく逃がしている。 中風時（平面） 中風時の主たる翼の位置を実線で表し風の流れのイメージを破線で表現した。中風時は回転翼、前方翼、後方翼、整流板とも無風時と強風時の中間にある。 強風時（平面） 強風時の主たる翼の位置を実線で表し風の流れのイメージを破線で表現した。回転翼は本体の前方部の後ろに隠れ風を受けにくく、前方翼と後方翼および本体後方整流板は周囲の風を流れやすくしながら、回転翼の後ろでは流れにくくしている。 無風時（正面） 本体の右側半分の面と右側前方翼の左の面によって集められた風は、その間を通るとき、大きく張り出した右側の回転翼を回転させる。同様に左側半分の面と左側前方翼の右の面によって集められた風は、その間を通るとき、大きく張り出した左側の回転翼を回転させる。 中間時（正面） 回転翼及び左右の前方翼が無風時と強風時の中間に位置する。回転翼は無風時と強風時の中間であり半分が隠れる動きに対し、前方翼は半分であるが開く動きになる。 強風時（正面） 強風時に回転翼は、ほぼ正面からは確認できないほどに本体前方部分の後ろに隠れてしまい、風の影響を受けにくい位置にある。一方で前方翼及び後方翼ともに、ほぼ風の流れに平行であり、風を流しやすい位置にある。このときの本体右側半分の面と右側前方翼の左の面集められた風は、その間を通るとき、その間隔が広く、そこに回転翼は張り出さないので風を集める効果や圧縮するなどの効果を少なくしている。 重ね図（平面） 図１、図２、図３の３枚の図面を重ねた図 左右の前方翼の風上側は固定している 左右の前方翼の風下側は連動している 左右の後方翼の風上側は連動している 左右の後方翼の風下側は固定している 右の回転翼は左の前方翼及び左の後方翼と連動している 左の回転翼は右の前方翼及び左の後方翼と連動している 右の整流板は右の回転翼と連動している 左の整流板は左の回転翼と連動している 側面 風力発電機全体を常に風上に向ける回転軸 張り出しアームが常に左右対称に開閉する回転軸 風力発電の動力源となる回転翼の回転軸 整流板の面を揃えたり開いたりする回転軸 風力が強くなりすぎたときに動力を伝える遠心クラッチ 上下の回転数が異なるときの調整歯車 本体回転軸の中に発生した動力を伝達するシャフト 本体回転軸の下に発電機 イラスト 立体イメージ１段 イラスト 立体イメージ２段

（１） 本体前方部（回転翼の風上側）
（２） 張り出しアーム
（３） 前方翼
（４） 回転翼
（５） 後方翼
（６） 本体後方部（回転翼の風下側）
（７） 本体後方部整流板
（８） 張り出しアーム反転ギヤ
（９） 遠心クラッチ
（１０） 張り出しアーム回転軸
（１１） 本体回転軸
（１２） 回転翼の回転軸
（１３） 本体後方整流板の回転軸
（１４） 発電機
（１５） 回転翼の回転部分（４段１列）
（１６） 本体後方の整流板（４段４列）
（１７） 前方翼固定腕木
（１８） 前方翼連動腕木
（１９） 後方翼連動腕木
（２０） 後方翼固定腕木
（２１） 回転翼回転部分
（２２） 本体後方整流板部分

Claims (1)

1. 垂直翼に相当する回転翼は、一定の方向に回転するように定めた回転軸に対する遊びをつけ、無風時はスプリングによって風力による回転方向と逆方向の位置に戻しておくことで、最初は回転軸の遊び部分だけで回るため、発電機を回転させるための負荷が無く、起動時の機械的な摩擦抵抗は無いに等しいので、空回りすることと、遊びが終わるまでの間の慣性と加速によって回転を開始し、
   回転翼は無風時には最も風を受け取りやすくするために回転翼の風上側にある本体から、スプリングの作用によって本体の両側に張り出しており、回転翼は、その回転力を発電機に伝え発電機を回転させるが、同時にその先には遠心クラッチが接続されていて、回転数が一定以上に上昇したときに限って遠心クラッチにより、回転翼を取り付ける張り出しアームに回転力を伝えることで、回転翼を風上側本体の後ろに隠すことで回転翼が受ける「風圧を変化」させるとともに、
   回転翼の右前と左前に風を集める翼、さらに右後と左後に風を逃がすための翼を備え、回転翼の受ける風によりこの角度を変えることで回転翼に集まる「風量を変化」させ、
   さらに回転翼より後ろの本体部分を構成する羽の角度を変えることで本体の形状を変え、風の流れを変えることで「風の通りやすさを変化」させ、
   それぞれの動作を風力発電装置自身が受ける風によって、もしくは受ける風に応じて風力発電装置自身がこれらの動きを操作することの出来る自立制御風力発電装置。

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