(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022139606
(43)【公開日】2022-09-26
(54)【発明の名称】風力発電装置
(51)【国際特許分類】
F03D 3/02 20060101AFI20220915BHJP
F03D 7/06 20060101ALI20220915BHJP
【ＦＩ】
F03D3/02
F03D7/06 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021040074
(22)【出願日】2021-03-12
(71)【出願人】
【識別番号】596080743
【氏名又は名称】有限会社大善工業
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100132883
【弁理士】
【氏名又は名称】森川 泰司
(74)【代理人】
【識別番号】100173462
【弁理士】
【氏名又は名称】宮本 一浩
(74)【代理人】
【識別番号】100201684
【弁理士】
【氏名又は名称】橋爪 慎哉
(72)【発明者】
【氏名】大橋 善二朗
【テーマコード（参考）】
3H178
【Ｆターム（参考）】
3H178AA12
3H178AA40
3H178AA43
3H178BB08
3H178CC02
3H178DD54X
3H178EE05
(57)【要約】
【課題】過大な風力を受けても、許容回転数を超えずに回転する、風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力発電装置は、発電機に接続された鉛直な回転軸２２と、回転軸２２に固定された複数の翼１０と、翼１０が有する複数の軸に固定された複数の羽根と、回転軸２２の回転数に応じて複数の羽根を回転して羽根同士の隙間を変更する制御部と、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】風力発電装置は、発電機に接続された鉛直な回転軸２２と、回転軸２２に固定された複数の翼１０と、翼１０が有する複数の軸に固定された複数の羽根と、回転軸２２の回転数に応じて複数の羽根を回転して羽根同士の隙間を変更する制御部と、を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
発電機に接続された鉛直軸と、
前記鉛直軸に固定された複数の翼と、
前記翼が有する複数の軸に固定された複数の羽根と、
前記鉛直軸の回転数に応じて前記複数の羽根を回転して前記羽根同士の隙間を変更する制御部と、
を有する風力発電装置。
前記鉛直軸に固定された複数の翼と、
前記翼が有する複数の軸に固定された複数の羽根と、
前記鉛直軸の回転数に応じて前記複数の羽根を回転して前記羽根同士の隙間を変更する制御部と、
を有する風力発電装置。
【請求項2】
前記翼に外周部と、前記外周部を上下から磁石の反発力で保持する保持部とを、
さらに有する請求項１に記載の風力発電装置。
さらに有する請求項１に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、風力発電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
温室効果ガス排出量を削減するために再生可能エネルギーの活用が求められている。風力発電は風力をエネルギー源として発電を行うものであり、その有効活用が期待されており、様々な方式のものが提案されている。
【0003】
風力発電装置は、風力によってプロペラ等を回転させ、その回転力によって発電するものであるが、回転軸の方向によって、水平軸型と垂直軸型に分類される。このうち垂直軸型は、水平軸型に比べ、騒音や落下の危険性の問題が低く、設置場所の自由度が高い。また、水平軸型のように、回転軸と風の方向を一致させる必要も無く、シンプルな構造にできる。さらに、発電機等を下方に配置することができるため、洋上に設置する場合等には安定性を高めることができる。
【0004】
垂直軸型風力発電装置として、例えば、特許文献１に開示された風力発電装置がある。これは、垂直に設置された回転軸に、支持アームを介して複数の垂直翼を取り付けたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１９－２１０９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１に開示された風力発電装置は、過大な風力を垂直翼に受け、許容回転数を超えた場合に、ブレーキで回転を制動する機構を有する。しかし、垂直翼に作用する風力は変わらないため、垂直翼やその支持部が破壊されるおそれがある。あるいは、過大な風力を受けても破壊されないように、垂直翼や支持部の強度を高める必要がある。
【0007】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、過大な風力を受けても、許容回転数を超えずに回転する、風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するため、本発明にかかる風力発電装置は、発電機に接続された鉛直軸と、前記鉛直軸に固定された複数の翼と、前記翼が有する複数の軸に固定された複数の羽根と、前記鉛直軸の回転数に応じて前記複数の羽根を回転して前記羽根同士の隙間を変更する制御部と、を有する。
【0009】
例えば、本発明にかかる風力発電装置は、前記翼に外周部と、前記外周部を上下から磁石の反発力で保持する保持部とを、さらに有する。
【発明の効果】
【0010】
本発明の風力発電装置は、翼の羽根を回転して羽根同士の隙間を変更して、翼に受ける風力を変更することで、過大な風力を受けても許容回転数を超えずに回転して、発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】実施の形態に係る風力発電機の羽根を閉じた状態の斜視図
【図2】実施の形態に係る風力発電機の羽根を開いた状態の斜視図
【図3】実施の形態に係る風力発電機の羽根開閉機構を説明する斜視切断図
【図5】実施の形態に係る風力発電機の羽根を閉じた状態の平面図
【図6】実施の形態に係る風力発電機の羽根を閉じた状態の正面図
【図7】実施の形態に係る風力発電機の羽根を開いた状態の平面図
【図8】実施の形態に係る風力発電機の羽根を開いた状態の正面図
【図10】実施の形態に係る風力発電装置の概略構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、実施の形態に係る風力発電装置３００について、図面を参照しながら説明する。
実施の形態に係る風力発電装置３００の風力発電機１は、図１の斜視図で示すように、土台３０と、土台３０の上面に配置された回転部１００とを有する。回転部１００は、３枚の翼１０を有し、それぞれの翼１０は、後述する３枚の羽根１３、１５、１７を有し、３枚の羽根１３、１５、１７は、それぞれ回動可能である。３枚の羽根１３、１５、１７が閉じた状態を図１に示し、開いた状態を図２に示す。
実施の形態に係る風力発電装置３００の風力発電機１は、図１の斜視図で示すように、土台３０と、土台３０の上面に配置された回転部１００とを有する。回転部１００は、３枚の翼１０を有し、それぞれの翼１０は、後述する３枚の羽根１３、１５、１７を有し、３枚の羽根１３、１５、１７は、それぞれ回動可能である。３枚の羽根１３、１５、１７が閉じた状態を図１に示し、開いた状態を図２に示す。
【0013】
（回転部１００の構造）
回転部１００は、土台３０の上面の四隅に配置された、上方に延在する支柱２４によって支持されている。支柱２４の上端は、平面視で円環状の水平支持部２３に接続されている。側面視で弓状の垂直支持部２１は、水平支持部２３に接続されている。垂直支持部２１の中央部は、水平支持部２３に平面視で９０度間隔で４つ配置され、垂直支持部２１のそれぞれの上下の端部は、水平支持部２３の円環の中心に向かうように配置されている。第１の回転支持部２５は、４つの垂直支持部２１の上部の端部に接続されている。第２の回転支持部２６は、４つの垂直支持部２１の下部の端部に接続されている。鉛直軸である回転軸２２は、第１の回転支持部２５と第２の回転支持部２６で、鉛直方向に、回転自在に支持されている。回転軸２２に、３つの翼１０が、平面視で等角度間隔で固定されている。回転軸２２は、図３に示すように、土台３０の内部に延在しており、下端に発電機３１が接続されている。発電機３１は、図示しない回転数検出機構を有している。
回転部１００は、土台３０の上面の四隅に配置された、上方に延在する支柱２４によって支持されている。支柱２４の上端は、平面視で円環状の水平支持部２３に接続されている。側面視で弓状の垂直支持部２１は、水平支持部２３に接続されている。垂直支持部２１の中央部は、水平支持部２３に平面視で９０度間隔で４つ配置され、垂直支持部２１のそれぞれの上下の端部は、水平支持部２３の円環の中心に向かうように配置されている。第１の回転支持部２５は、４つの垂直支持部２１の上部の端部に接続されている。第２の回転支持部２６は、４つの垂直支持部２１の下部の端部に接続されている。鉛直軸である回転軸２２は、第１の回転支持部２５と第２の回転支持部２６で、鉛直方向に、回転自在に支持されている。回転軸２２に、３つの翼１０が、平面視で等角度間隔で固定されている。回転軸２２は、図３に示すように、土台３０の内部に延在しており、下端に発電機３１が接続されている。発電機３１は、図示しない回転数検出機構を有している。
【0014】
（翼１０の構造）
翼１０は、図３及び図４に示すように、半月状の枠部１１と、枠部１１を上下２つに分割する位置に配置された横枠２７と、枠部１１に回転自在に保持され、鉛直方向に、互いに平行であるように配置された羽根回転軸１２、１４、１６と、それぞれの羽根回転軸１２、１４、１６に固定された羽根１３、１５、１７とを有する。羽根１３、１５、１７は、枠部１１に囲まれた平面を埋めるように配置された平板を有する。羽根１３、１５は、それぞれの平板の回転軸２２から遠い位置と、枠部１１の弓状部に近い位置の端部に、平板の一方の面に垂直に立設された壁部を有する。羽根１７は、平板の枠部１１の弓状部に近い位置の端部に、平板の一方の面に垂直に立設された壁部を有する。
翼１０は、図３及び図４に示すように、半月状の枠部１１と、枠部１１を上下２つに分割する位置に配置された横枠２７と、枠部１１に回転自在に保持され、鉛直方向に、互いに平行であるように配置された羽根回転軸１２、１４、１６と、それぞれの羽根回転軸１２、１４、１６に固定された羽根１３、１５、１７とを有する。羽根１３、１５、１７は、枠部１１に囲まれた平面を埋めるように配置された平板を有する。羽根１３、１５は、それぞれの平板の回転軸２２から遠い位置と、枠部１１の弓状部に近い位置の端部に、平板の一方の面に垂直に立設された壁部を有する。羽根１７は、平板の枠部１１の弓状部に近い位置の端部に、平板の一方の面に垂直に立設された壁部を有する。
【0015】
（羽根１３、１５、１７の回転構造）
羽根１３、１５、１７の回転構造は、図４に示すように、横枠２７の内部に配置されている。羽根１３、１５、１７は、それぞれ羽根回転軸１２、１４、１６に固定されており、それぞれの羽根回転軸１２、１４、１６に、かさ歯車４８が固定されている。かさ歯車４８は、歯車４７と噛み合っており、歯車４７は、横枠２７の内部で、横枠２７の延在方向を回転軸として回転自在に保持されている駆動軸４９に固定されている。駆動軸４９の回転軸２２側の端部に、平歯車４６が固定されている。平歯車４６と噛み合っているラック４５は、鉛直方向に配置されている。ラック４５の下方端に、ロッド４４が鉛直方向に配置され、ロッド４４の下方端は、図３に示す、ブラケット４３に接続されている。ブラケット４３は、距離を置いて配置された２枚の円盤を有し、回転軸２２に沿って、上下方向に移動可能である。ブラケット４３の２枚の円盤の間に、カムフォロア４２が複数配置されており、それぞれのカムフォロア４２は、直動シリンダー４１の軸に接続されている。
羽根１３、１５、１７の回転構造は、図４に示すように、横枠２７の内部に配置されている。羽根１３、１５、１７は、それぞれ羽根回転軸１２、１４、１６に固定されており、それぞれの羽根回転軸１２、１４、１６に、かさ歯車４８が固定されている。かさ歯車４８は、歯車４７と噛み合っており、歯車４７は、横枠２７の内部で、横枠２７の延在方向を回転軸として回転自在に保持されている駆動軸４９に固定されている。駆動軸４９の回転軸２２側の端部に、平歯車４６が固定されている。平歯車４６と噛み合っているラック４５は、鉛直方向に配置されている。ラック４５の下方端に、ロッド４４が鉛直方向に配置され、ロッド４４の下方端は、図３に示す、ブラケット４３に接続されている。ブラケット４３は、距離を置いて配置された２枚の円盤を有し、回転軸２２に沿って、上下方向に移動可能である。ブラケット４３の２枚の円盤の間に、カムフォロア４２が複数配置されており、それぞれのカムフォロア４２は、直動シリンダー４１の軸に接続されている。
【0016】
これによって、直動シリンダー４１の軸を出し入れすると、直動シリンダー４１の軸に接続されたカムフォロア４２が上下に移動し、カムフォロア４２を上下から挟んだブラケット４３が上下に移動し、ブラケット４３に接続されたロッド４４が上下に移動し、ロッド４４に接続されたラック４５が上下に移動し、ラック４５に噛み合った平歯車４６が回転することで駆動軸４９が回転し、駆動軸４９に形成された３つの歯車４７が回転し、歯車４７と噛み合った羽根回転軸１２、１４、１６が回転し、羽根回転軸１２、１４、１６に固定された羽根１３、１５、１７が回転する。
【0017】
（外周支持構造）
翼１０の横枠２７は、枠部１１より外側に突出しており、図９に断面で示すように、断面がコの字状である水平支持部２３の内部に配置されている。水平支持部２３の内部と横枠２７の端部に磁石５１～５４が配置されている。なお図９に示す磁石５１～５４に記した矢印は、磁石のＮ極とＳ極を明示するものであって、矢印の先端をＮ極、根元をＳ極と表している。水平支持部２３の内部にある横枠２７の端部に、磁石５２、５３が、上部がＳ極、下部がＮ極となるように配置されている。水平支持部２３の内側の上下に、磁石５２と対向する位置に磁石５１が、磁石５３と対向する位置に磁石５４が配置されている。磁石５１の下部がＳ極であり、磁石５４の上部がＮ極となっている。
翼１０の横枠２７は、枠部１１より外側に突出しており、図９に断面で示すように、断面がコの字状である水平支持部２３の内部に配置されている。水平支持部２３の内部と横枠２７の端部に磁石５１～５４が配置されている。なお図９に示す磁石５１～５４に記した矢印は、磁石のＮ極とＳ極を明示するものであって、矢印の先端をＮ極、根元をＳ極と表している。水平支持部２３の内部にある横枠２７の端部に、磁石５２、５３が、上部がＳ極、下部がＮ極となるように配置されている。水平支持部２３の内側の上下に、磁石５２と対向する位置に磁石５１が、磁石５３と対向する位置に磁石５４が配置されている。磁石５１の下部がＳ極であり、磁石５４の上部がＮ極となっている。
【0018】
これによって、それぞれの磁石同士の反発力が作用して、横枠２７の外側の端部は、水平支持部２３の内部で、非接触で保持され、保持部となっている。この外周支持機構によって、回転部１００は水平に保たれる。従って、この外周支持機構が無い場合であれば、翼１０に横からかかる風力によって回転軸２２が撓まないように、回転軸２２の強度を高めておく必要があるが、この外周支持機構があることによって、回転軸２２の強度は高める必要は無くなる。
【0019】
（作動方法）
次に、本実施の形態に係る風力発電装置３００によって、風力発電を行う方法について説明する。図１０に示すように、風力発電機１に、制御部２００、バッテリー２１０が接続されている。
次に、本実施の形態に係る風力発電装置３００によって、風力発電を行う方法について説明する。図１０に示すように、風力発電機１に、制御部２００、バッテリー２１０が接続されている。
【0020】
風力が弱いときは、直動シリンダー４１の軸の位置を、羽根１３、１５、１７が翼１０に形成する隙間を最も小さくする。このときの風力発電機１を平面視したものが図５であり、側面視したものが図６である。翼１０の羽根１３、１５、１７は、一方の面に壁が立設されており、他方の面には壁が無いので、翼１０の一方の面で受ける風力と、他方の面で受ける風力に差が生じる。この風力の差によって、風力発電機１が回転する。このように、風力発電機は、翼１０の一方の面で受ける風力と、他方の面で受ける風力との差によって回転するものであるから、風力発電機に対する風向きは、平面視で、どの方向からの風でも良い。また、風力によっては風力発電機１が回転を始めない場合があるので、発電機３１にバッテリー２１０に蓄えた電力を送り、発電機３１を駆動モータとして使用して、風力発電機を回転させ、その回転によって生じた慣性力を用いて、回転させても良い。
【0021】
風力発電機１が回転している状態は、発電機３１が有する回転数検出機構から制御部２００へ送られる信号によって監視される。回転数が所定の回転数を超えた場合は、制御部から送られた信号によって、直動シリンダー４１を作動させて、直動シリンダー４１の軸を出し入れする。直動シリンダー４１の軸を出し入れすることで、羽根１３、１５、１７が回転して、翼１０に隙間が生じる。この隙間によって、翼１０の一方の面で受ける風力と、他方の面で受ける風力との差を小さくする。翼１０の隙間を最大にした状態を平面視したものが図７であり、側面視したものが図８である。この結果、風力発電機１を回転させる力が弱まり、回転数が抑制される。また、風力発電機１の回転数が、所定の回転数よりも小さくなった場合は、制御部２００から送られた信号によって、直動シリンダー４１を作動させて、羽根１３、１５、１７を回転して、翼１０の隙間を小さくする。それによって翼１０が受ける風力が大きくなり、風力発電機１の回転数が大きくなる。
【0022】
以上によって、風力発電装置３００は、風力が小さいときであっても翼１０の隙間を小さくして十分に風を受けて風力発電機１が回転し、風力が過大になっても、翼１０の隙間を大きくして風を逃がし、風力発電機１が許容回転数を超えることなく回転する。
【符号の説明】
【0023】
１ 風力発電機
１０ 翼
１１ 枠部
１２、１４、１６ 羽根回転軸
１３、１５、１７ 羽根
２１ 垂直支持部
２２ 回転軸
２３ 水平支持部
２４ 支柱
２５ 第１の回転支持部
２６ 第２の回転支持部
２７ 横枠
３０ 土台
３１ 発電機
４１ 直動シリンダー
４２ カムフォロア
４３ ブラケット
４４ ロッド
４５ ラック
４６ 平歯車
４７ 歯車
４８かさ歯車
１００ 回転部
２００ 制御部
２１０ バッテリー
３００風力発電装置
１０ 翼
１１ 枠部
１２、１４、１６ 羽根回転軸
１３、１５、１７ 羽根
２１ 垂直支持部
２２ 回転軸
２３ 水平支持部
２４ 支柱
２５ 第１の回転支持部
２６ 第２の回転支持部
２７ 横枠
３０ 土台
３１ 発電機
４１ 直動シリンダー
４２ カムフォロア
４３ ブラケット
４４ ロッド
４５ ラック
４６ 平歯車
４７ 歯車
４８かさ歯車
１００ 回転部
２００ 制御部
２１０ バッテリー
３００風力発電装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】