JP2014074382A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な発電を図ることができるとともに、ブレードの回転時に生じる騒音を著しく低減することができる風力発電装置を提供する。
【解決手段】風を受けて軸部材Ｌを中心として回転し得るブレード（小径ブレード２ａ及び大径ブレード３）と、軸部材Ｌと共に回転するロータ４ａ、及び当該ロータ４ａと対向した状態で固定されたステータ４ｂを有し、小径ブレード２ａ及び大径ブレード３の回転に基づきロータ４ａとステータ４ｂとの間で相対回転させて発電する発電手段４とを具備し、風力を電力に変換することにより発電し得る風力発電装置１において、軸部材Ｌを磁力にて浮上させて当該軸部材Ｌ及びブレードを回転自在に支持し得る磁力支持手段５を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力を電力に変換することにより発電し得る風力発電装置に関するものである。

近時において、自然エネルギーを利用した発電装置が注目されるに至っており、例えば風力を電力に変換することにより発電し得る風力発電装置について種々提案されるに至っている。かかる風力発電装置は、例えば特許文献１にて開示されているように、風を受けて軸部材を中心として回転し得るブレードと、ロータ及びステータを有した発電機とを具備しており、ブレードが風を受けて回転するのに伴い軸部材が回転すると、発電機による発電が行われ得るよう構成されていた。

特開２０１２−０５０１８１号公報

しかしながら、上記従来の風力発電装置においては、以下の如き問題があった。
風力発電装置は、効率よく風力を電力に変換するためにブレードの大型化が必要とされるが、ブレードが大型化すると、ブレードの回転時の抵抗が大きくなって効率的な発電の妨げになってしまうとともに、回転時の騒音が大きくなってしまうことから、設置場所が制限されてしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、効率的な発電を図ることができるとともに、ブレードの回転時に生じる騒音を著しく低減することができる風力発電装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、風を受けて軸部材を中心として回転し得るブレードと、前記軸部材と共に回転するロータ、及び当該ロータと対向した状態で固定されたステータを有し、前記ブレードの回転に基づきロータとステータとの間で相対回転させて発電する発電手段とを具備し、風力を電力に変換することにより発電し得る風力発電装置において、前記軸部材を磁力にて浮上させて当該軸部材及びブレードを回転自在に支持し得る磁力支持手段を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の風力発電装置において、前記磁力支持手段は、前記軸部材の所定部位に形成された可動側磁石と、当該可動側磁石と対向させて固定された固定側磁石とを有して構成され、当該可動側磁石と固定側磁石との間の反発力により前記軸部材を浮上させ得ることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の風力発電装置において、前記ブレードは、風を受けて前記軸部材を中心として回転し得る小径ブレードと、該小径ブレードより大きな径に設定されて当該小型ブレードを内側に包含し得るとともに、前記軸部材に連結されて前記小径ブレードと共に回転し得る大径ブレードとを有することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の風力発電装置において、前記小径ブレードは、サボニウス型のブレードから成るとともに、前記大径ブレードは、ダリウス型のブレードから成ることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れか１つに記載の風力発電装置において、前記小径ブレード、大径ブレード及び発電手段を具備したユニットを複数連結させるとともに、当該ユニット毎に独立に回転自在とされた軸部材を中心としてそれぞれのユニットの小径ブレード及び大径ブレードが回転可能とされたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、軸部材を磁力にて浮上させて当該軸部材及びブレードを回転自在に支持し得る磁力支持手段を備えたので、効率的な発電を図ることができるとともに、ブレードの回転時に生じる騒音を著しく低減することができる。

請求項２の発明によれば、磁力支持手段は、軸部材の所定部位に形成された可動側磁石と、当該可動側磁石と対向させて固定された固定側磁石とを有して構成され、当該可動側磁石と固定側磁石との間の反発力により軸部材を浮上させ得るので、より簡素な構成にて軸部材を浮上させつつ支持することができる。

請求項３の発明によれば、ブレードは、風を受けて軸部材を中心として回転し得る小径ブレードと、該小径ブレードより大きな径に設定されて当該小型ブレードを内側に包含し得るとともに、軸部材に連結されて小径ブレードと共に回転し得る大径ブレードとを有するので、小径ブレードの回転によって、より低い風速から発電可能とされるとともに、大径ブレードの回転によって、比較的大きな発電量を得ることができ、かつ、装置全体の小型化を図ることができる。

請求項４の発明によれば、小径ブレードは、サボニウス型のブレードから成るとともに、大径ブレードは、ダリウス型のブレードから成るので、小型ブレードの回転開始をより低い風速から行わせることができるとともに、大径ブレードによる大きな発電量を確実に得ることができる。

請求項５の発明によれば、小径ブレード、大径ブレード及び発電手段を具備したユニットを複数連結させるとともに、当該ユニット毎に独立に回転自在とされた軸部材を中心としてそれぞれのユニットの小径ブレード及び大径ブレードが回転可能とされたので、外部環境や必要とされる発電量に応じて任意個数のユニットを連結させることができる。

本発明の実施形態に係る風力発電装置を示す全体斜視図 同風力発電装置を示す正面図 同風力発電装置の内部構造を模式的に示す縦断面図 同風力発電装置における発電手段の内部構造を模式的に示す縦断面図 同風力発電装置における発電手段のロータ及びステータを模式的に示す平面図 同風力発電装置における磁力支持手段の内部構造を模式的に示す縦断面図 同風力発電装置における磁力支持手段の可動側磁石及び固定側磁石を模式的に示す平面図及び正面図 本発明の他の実施形態に係る風力発電装置であってフレームに収容された状態を示す斜視図 同他の実施形態に係る風力発電装置を複数連結させた状態を模式的に示す斜視図

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係る風力発電装置は、風力を電力に変換することにより発電し得るもので、図１〜３に示すように、小径ブレード２と、大径ブレード３と、発電手段４と、磁力支持手段５と、小径ブレード２及び大径ブレード３の回転軸を成す軸部材Ｌとから主に構成されており、所定長さのポール状部材Ｐの上端に取り付けられている。

小径ブレード２は、風を受けて軸部材Ｌを中心として回転し得るもので、サボニウス型（所謂、垂直型及び抗力型に属する風車の形式の一つ）と称されるブレードにて構成されている。すなわち、小径ブレード２は、風を受ける受け部（２ａａ、２ｂａ）が形成されるとともに軸部材Ｌに取り付けられた円筒状部材から成り、当該受け部（２ａａ、２ａｂ）にて風を受けて回転すると軸部材Ｌも同方向に回転させ得るようになっている。かかる小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂのそれぞれ）は、異なる方向から吹く風をそれぞれ受け得る受け部（２ａａ、２ｂａ）が形成されており、左右何れの方向からの風も受けてその方向に回転し得るものとされている。

また、本実施形態においては、径が互いに異なる第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂにて構成されている。しかるに、本実施形態においては、第１小径ブレード２ａの方が第２小径ブレード２ｂより径が大きいものとされているが、第１小径ブレード２ａの方が第２小径ブレード２ｂより径が小さいものとしてもよい。さらに、本実施形態においては、径が互いに異なる２つの小径ブレード２を直列に取り付けているが、単一の小径ブレードのみを取り付けたもの、或いは互いに径が異なる３つ以上の小径ブレードを直列に取り付けたものとしてもよい。

大径ブレード３は、ダリウス型（所謂、垂直型及び揚力型に属する風車の形式の一つ）と称されるブレードにて構成されたもので、小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）より大きな径に設定されて当該小型ブレード２を内側に包含し得るとともに、軸部材Ｌに連結されて小径ブレード２と共に回転し得るものである。より具体的には、本実施形態に係る大径ブレード３は、弧状に延設された複数（本実施形態においては３本）の羽根部材から成り、それぞれの端部が軸部材Ｌと連結されるとともに、内側に小径ブレード２が位置するよう配設されているのである。なお、本実施形態に係る大径ブレード３は、小径ブレード２と同様、左右何れの方向からの風も受けてその方向に回転し得るものとされている。

発電手段４は、小径ブレード２の下方（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂの下方であって軸部材Ｌの延設方向に対して並びの位置）に配設されたもので、図４、５に示すように、軸部材Ｌと共に回転するロータ４ａ、及び当該ロータ４ａと対向した状態で固定されたステータ４ｂを有し、小径ブレード２及び大径ブレード３の回転に基づきロータ４ａとステータ４ｂとの間で相対回転させて発電するためのものである。

すなわち、本実施形態に係る発電手段４は、ケースＣ１を筐体とするとともに、軸部材Ｌの中心部挿通して固定されたロータ４ａと、そのロータ４ａの外周縁面と対向しつつ外周を円環状に囲んだステータ４ｂとが当該ケースＣ１内に収容されており、軸部材Ｌがロータ４ａと共に回転すると、当該ロータ４ａがケースＣ１に固定されたステータ４ｂに対して相対的に回転し得るよう構成されている。

本実施形態においては、発電手段４のロータ４ａは、軸部材Ｌに固定された永久磁石から成り、当該永久磁石の外周に沿ってステータ４ｂを構成するコイルが配設されている。そして、永久磁石から成るロータ４ａは、その外周縁面においてＮ極とＳ極とが交互に形成されるよう着磁されており、ステータ４ｂに対して相対的に回転することで、当該ステータ４ｂを構成するコイルに電流を生じさせ得るようになっている。

特に、本実施形態に係る発電手段４は、ステータ４ｂが３組のコイルを有する三相交流発電機と称されるものから成り、磁石から成るロータ４ａがステータ４ｂに対して相対的に回転することによって、位相の異なる３つの波の電流を発生させ、外部に送電し得るよう構成されている。さらに、本実施形態においては、小径ブレード２及び大径ブレード３が風を受けて軸部材Ｌが所定の回転数に達したことを条件に、外部に対する送電を遮断する遮断手段７（図４参照）を具備している。かかる遮断手段７は、過回転防止制御方式のものから成り、ステータ４ｂから外部に延設された配線Ｈの途中に接続されている。

しかるに、本実施形態においては、発電手段４は、小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）と共に、大径ブレード３の内側に包含されて取り付けられている。すなわち、弧状に形成された大径ブレード３にて周囲が囲まれた位置に発電手段４が取り付けられており、風力発電装置１全体の小型化をより一層図ることができるとともに、大型ブレード３の内側に発電手段４が位置するので、風と共に異物等が飛来した場合、当該発電手段４に当たって破損してしまうのを抑制することができる。

なお、本実施形態においては、軸部材Ｌと略同心状に延びるカバー部材Ｂが組み付けられており、かかるカバー部材Ｂの上端部に発電手段４のケースＣ１が取り付けられている。また、風力発電装置１の下端部側には、フランジＡが形成されており、当該フランジＡをポール状部材Ｐの上端面に固定させることで、風力発電装置１全体が固定されるようになっている。

ここで、本実施形態に係る軸部材Ｌは、磁力支持手段５により支持されている。かかる磁力支持手段５は、軸部材Ｌを磁力にて浮上させて当該軸部材Ｌ及び小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）及び大径ブレード３を回転自在に支持し得るもので、図６、７に示すように、ケースＣ２を筐体とするとともに、当該ケースＣ２内に、軸部材Ｌの所定部位に形成されて当該軸部材Ｌと共に回転可能な可動側磁石Ｍ１と、該可動側磁石Ｍ１の一方の面（本実施形態においては下面）と対向しつつケースＣ２に固定された固定側磁石Ｍ２とを有して構成されている。

より具体的には、可動側磁石Ｍ１及び固定側磁石Ｍ２は、図６、７に示すように、それぞれ円板状の永久磁石から成り、可動側磁石Ｍ１における中央孔ａの内径寸法が軸部材Ｌの外径寸法と略同一に設定されているとともに、固定側磁石Ｍ２における中央孔ｂの内径寸法が軸部材Ｌの外径寸法より若干大きく設定されている。そして、軸部材Ｌを可動側磁石Ｍ１の中央孔ａに挿通させて固定させる一方、固定側磁石Ｍ２をケースＣ２に固定させ、その中央孔ｂに軸部材Ｌを挿通させて組み付けると、当該軸部材Ｌは、中央孔ｂの内周面との間にクリアランスが生じた状態とされて回転自在とされる。

しかるに、可動側磁石Ｍ１及び固定側磁石Ｍ２は、互いに対向する面が同極（Ｓ極又はＮ極）となるよう取り付けられており、これら可動側磁石Ｍ１と固定側磁石Ｍ２との間の反発力により軸部材Ｌを浮上させ支持し得るようになっている。なお、軸部材Ｌは、磁力支持手段５に加え、ローラベアリングやニードルベアリング等から成る汎用の支承手段６にて回転自在に支持されている。これにより、軸部材Ｌは、磁力支持手段５による磁力によって軸方向に浮上して支持されるとともに、小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）及び大径ブレード３が風を受けると、浮上状態を維持しつつ回転し得るよう構成されている。

さらに、本実施形態においては、上述したように、小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）がサボニウス型のブレードから成るとともに、大径ブレード３がダリウス型のブレードから成り、小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）の方が大径ブレード３よりも低い風速で回転開始し得るものとされている。これにより、微風（弱風）時から小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）が回転開始し、軸部材Ｌと共に大径ブレード３を回転させることができるので、低い風速時においてもカットインさせることができる。

なお、小径ブレード２は、サボニウス型の他、パドル型、クロスフロー型又はＳ型ロータ型等の他の形態（但し、抗力型が好ましい）のブレードとしてもよく、大径ブレード３は、ダリウス型の他、ジャイロミル型又は直線翼型等の他の形態（但し、揚力型が好ましい）のブレードとしてもよい。

さらに、本実施形態においては、図９に示すように、小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）、大径ブレード３及び発電手段４を具備したユニット（Ｙ１〜Ｙ４）を複数（本実施形態においては４個）連結させるとともに、当該ユニット（Ｙ１〜Ｙ４）毎に独立に回転自在とされた軸部材Ｌを中心としてそれぞれのユニット（Ｙ１〜Ｙ４）の小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）及び大径ブレード３が回転可能とされている。

すなわち、各ユニットにおいては、図８に示すように、小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）、大径ブレード３及び発電手段４を金属製のフレームＦにて収容するとともに、かかるフレームＦの下部及び上部には、それぞれ支持フレームＦａ、Ｆｂが十字状に固定されており、これら支持フレームＦａと支持フレームＦｂとの間に軸部材Ｌが支持されているのである。

また、フレームＦは、その下部の所定位置に４つの位置決め孔ｈが形成されているとともに、上部の所定位置に４つの位置決めボルトｄが上方に向けて突出形成されている。そして、フレームＦを上下方向に複数段重ね合わせるとともに、上部のフレームＦにおける位置決め孔ｈに下部のフレームＦにおける位置決めボルトｄをそれぞれ挿通して位置決めさせ、ユニット（Ｙ１〜Ｙ４）を上下方向に連結させることにより、複数の風力発電装置１を直列（上下方向）に連結させているのである。

特に、本実施形態においては、一定の方向から風が吹いた場合、隣り合うユニット（Ｙ１〜Ｙ４）のブレード（小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）並びに大径ブレード３）が互いに逆向きに回転し得るようになっている。例えば、一定の方向の風が吹いた際、最上段のユニットＹ４のブレード（小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）並びに大径ブレード３：以下同じ）は右回転、上から２番目に位置するユニットＹ３のブレードは左回転、上から３番目に位置するユニットＹ２のブレードは右回転、最下段のユニットＹ１のブレードは左回転の如く、ブレードの回転方向を左右で交互に異ならせているのである。これにより、連結したユニット全体が共振して激しく左右に振れてしまうのを回避でき、安定して風力発電装置を設置することができる。

上記実施形態によれば、軸部材Ｌを磁力にて浮上させて当該軸部材Ｌ及びブレード（本実施形態においては、ブレード（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ、並びに大径ブレード３）を回転自在に支持し得る磁力支持手段５を備えたので、効率的な発電を図ることができるとともに、ブレードの回転時に生じる騒音を著しく低減することができる。すなわち、軸部材Ｌを磁気浮上させることで、ブレードの回転時の摺動抵抗を低減することができ、発電効率の向上及び騒音の低下を図ることができるのである。

また、本実施形態に係る磁力支持手段５は、軸部材Ｌの所定部位に形成された可動側磁石Ｍ１と、当該可動側磁石Ｍ１と対向させて固定された固定側磁石Ｍ２とを有して構成され、当該可動側磁石Ｍ１と固定側磁石Ｍ２との間の反発力により軸部材Ｌを浮上させ得るので、より簡素な構成にて軸部材Ｌを浮上させつつ支持することができる。特に、本実施形態においては、磁力支持手段５による磁力にて軸部材Ｌ及びブレード等の重力に抗して支持させているとともに、補助的に支承手段６によっても回転自在に支持させているので、ブレードの回転時の抵抗をより小さくしつつ円滑な回転を保持させることができる。

さらに、本実施形態に係るブレードは、風を受けて軸部材を中心として回転し得る小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）と、該小径ブレード２より大きな径に設定されて当該小型ブレード２を内側に包含し得るとともに、軸部材Ｌに連結されて小径ブレード２と共に回転し得る大径ブレード３とを有するので、小径ブレード２の回転によって、より低い風速から発電可能とされるとともに、大径ブレード３の回転によって、比較的大きな発電量を得ることができ、かつ、装置全体の小型化を図ることができる。

またさらに、本実施形態によれば、小径ブレード２は、サボニウス型のブレードから成るとともに、大径ブレード３は、ダリウス型のブレードから成るので、小型ブレード２の回転開始をより低い風速から行わせることができるとともに、大径ブレード３による大きな発電量を確実に得ることができる。

また、小径ブレード２、大径ブレード３及び発電手段４を具備したユニット（Ｙ１〜Ｙ４）を複数連結させるとともに、当該ユニット（Ｙ１〜Ｙ４）毎に独立に回転自在とされた軸部材を中心としてそれぞれのユニット（Ｙ１〜Ｙ４）の小径ブレード２及び大径ブレード３が回転可能とされたので、外部環境や必要とされる発電量に応じて任意個数のユニットを連結させることができる。

特に、本実施形態によれば、小径ブレード２、大径ブレード３及び発電手段４を具備したユニット（Ｙ１〜Ｙ４）を複数連結させるとともに、その連結された複数のユニット（Ｙ１〜Ｙ４）に亘って軸部材Ｌが延設され、当該軸部材Ｌを中心としてそれぞれのユニットのブレードが磁力支持手段４にて浮上されつつ回転可能とされたので、外部環境や必要とされる発電量に応じて任意個数のユニットを連結させることができ、かつ、効率的な発電を図ることができるとともに、ブレードの回転時に生じる騒音を著しく低減することができる。

なお、本実施形態によれば、風を受けて軸部材Ｌを中心として回転し得る小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）と、小径ブレード２（第１小径ブレード２ａ及び第２小径ブレード２ｂ）より大きな径に設定されて当該小型ブレード２を内側に包含し得るとともに、軸部材Ｌに連結されて小径ブレード２と共に回転し得る大径ブレード３とを有し、小径ブレード２の方が大径ブレード３よりも低い風速で回転開始し得るので、小径ブレード２の回転によって、より低い風速から発電可能とされるとともに、大径ブレード３の回転によって、比較的大きな発電量を得ることができ、かつ、装置全体の小型化を図ることができる。

また、発電手段４のロータ４ａは、軸部材Ｌに固定された永久磁石から成り、当該永久磁石の外周に沿ってステータ４ｂを構成するコイルが配設されたので、発電効率をより向上させることができる。さらに、小径ブレード２及び大径ブレード３が風を受けて軸部材Ｌが所定の回転数に達したことを条件に、外部に対する送電を遮断する遮断手段７を具備したので、外部の電気系統に過大な電気的負荷が生じてしまうのを抑制することができる。

以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばポール状部材Ｐの上端に取り付ける形態に代え、任意の場所（風通りがよい屋根上等）に固設させるものとしてもよい。また、本実施形態に係るブレードは、小径ブレード２及び大径ブレード３を有しているが、単一の種類のブレードから成るものとしてもよい。さらに、発電手段４にて発電した電力を蓄電する蓄電手段を具備させるようにしてもよい。なお、本実施形態に係る発電手段４は、ロータ４ａが永久磁石から成るものとされているが、電磁石から成るものとしてもよい。

軸部材を磁力にて浮上させて当該軸部材及びブレードを回転自在に支持し得る磁力支持手段を備えた風力発電装置であれば、外観形状が異なるもの或いは他の機能が付与されたもの等にも適用することができる。

１ 風力発電装置
２ 小径ブレード
３ 大径ブレード
４ 発電手段
５ 磁力支持手段
６ 支承手段
７ 遮断手段
Ｌ 軸部材

Claims (5)

1. 風を受けて軸部材を中心として回転し得るブレードと、
   前記軸部材と共に回転するロータ、及び当該ロータと対向した状態で固定されたステータを有し、前記ブレードの回転に基づきロータとステータとの間で相対回転させて発電する発電手段と、
   を具備し、風力を電力に変換することにより発電し得る風力発電装置において、
   前記軸部材を磁力にて浮上させて当該軸部材及びブレードを回転自在に支持し得る磁力支持手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記磁力支持手段は、前記軸部材の所定部位に形成された可動側磁石と、当該可動側磁石と対向させて固定された固定側磁石とを有して構成され、当該可動側磁石と固定側磁石との間の反発力により前記軸部材を浮上させ得ることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 前記ブレードは、
   風を受けて前記軸部材を中心として回転し得る小径ブレードと、
   該小径ブレードより大きな径に設定されて当該小型ブレードを内側に包含し得るとともに、前記軸部材に連結されて前記小径ブレードと共に回転し得る大径ブレードと、
   を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の風力発電装置。
4. 前記小径ブレードは、サボニウス型のブレードから成るとともに、前記大径ブレードは、ダリウス型のブレードから成ることを特徴とする請求項３記載の風力発電装置。
5. 前記小径ブレード、大径ブレード及び発電手段を具備したユニットを複数連結させるとともに、当該ユニット毎に独立に回転自在とされた軸部材を中心としてそれぞれのユニットの小径ブレード及び大径ブレードが回転可能とされたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の風力発電装置。

Images