JP2007239542A

JP2007239542A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2007239542A
Application number: JP2006061169A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Sasaki; 亮治佐々木
Original assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Current assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: JP4808049B2

Abstract

【課題】揚力型風車を用いながらも自己起動性のよい風力発電装置を提供する。
【解決手段】揚力型の風車１０に設けられた主軸１１を介して伝達された風車１０の回転力を電力に変換する発電装置１５を備える風力発電装置１である。水流を受けて定常回転する水車２０と、水車２０の回転軸と主軸１１とを結合しまたは結合を解除するクラッチ１８と、をさらに備える。水車２０の回転軸と主軸１１とをクラッチ１８で結合することで、無風状態または微風状態でも風車１０を定常的に回転させておくことができ、自己起動性のよい風力発電装置１とすることができる。一方、風力が大きい場合には、クラッチ１８を解除して主軸１１を水車２０の回転軸から切り離すことができ、風車１０を高速回転させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、揚力型の風車を用いた風力発電装置に関する。

風力発電に用いる風車には、風向と平行に回転軸が配置される水平軸型風車と、回転軸が垂直に配置される垂直軸型風車とがある。このうち、水平軸型風車は風向に応じて軸方向を変化させる必要があるが、垂直軸型風車は風向に関係なく回転力を得られるというメリットがある。

垂直軸型風車には、ブレードに発生する抗力で風車を回転させる抗力型と、ブレードに発生する揚力で風車を回転させる揚力型とがあり、前者にはサボニウス型、パドル型等の風車があり、後者にはダリウス型、ジャイロミル型等の風車がある。抗力型風車は弱風でも起動性がよいという利点があるが、周速比（Tip Speed Ratio；ＴＳＲ＝（ブレードの翼端速度）／（風速））が１以上にならないため、高速回転させて高出力を得ることができないという欠点がある。一方、揚力型風車は１よりも大きい周速比が得られ、周速比が大きいときのパワー係数が高いという利点があるが、周速比が小さいときには充分な回転力が得られず、自己起動性が悪いという欠点がある。

また、揚力型風車の自己起動性をよくするため、揚力型ブレードの一部で抗力を得られるようにしたハイブリッド型の風車も検討されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２４８９３５号公報

しかし、揚力型風車の一部で抗力が得られるようにすると、ブレードの揚力を得る性能が低下するという問題があった。

本発明の課題は、揚力型風車を用いながらも自己起動性のよい風力発電装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、揚力型の風車に設けられた主軸を介して伝達された風車の回転力を電力に変換する発電装置を備える風力発電装置において、水流を受けて定常回転する水車と、前記水車の回転軸と前記主軸とを結合しまたは結合を解除するクラッチと、をさらに備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置において、前記風車の回転力が前記水車の回転力よりも大きいときに前記クラッチを解除し、前記風車の回転力が前記水車の回転力よりも小さいときに前記クラッチを結合することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の風力発電装置において、前記水車の回転軸の回転数を計測する第１の回転計と、前記主軸の回転数を計測する第２の回転計とを備え、前記クラッチを結合した状態で、前記第１の回転計の回転数が増大したときに前記クラッチを解除し、前記クラッチを解除した状態で、前記第２の回転計の回転数が第１の回転計の回転数よりも減少したときに、前記クラッチを結合させることを特徴とする。

本発明によれば、水流を受けて定常回転する水車の回転軸と揚力型の風車の主軸とをクラッチで結合することで、無風状態または微風状態でも揚力型風車を定常的に回転さておくことができ、自己起動性のよい風力発電装置とすることができる。一方、風力が大きい場合には、水車が負荷となるためクラッチを解除して主軸を水車の回転軸から切り離すことができ、揚力型風車を高速回転させることができる。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明に係る風力発電装置１を示す模式図であり、図２はこの風力発電装置１の制御ブロック図である。なお、風力発電装置１は、河川のように常に水流がある水域に設けられる。このような水域は地表面粗度が陸地よりも小さく風の抵抗となるものが少ないため、風力が比較的大きくなり、風力発電に適している。

風力発電装置１は、風車１０と、主軸１１と、水車２０と、水車軸２１と、タイミングベルト１３と、発電装置１５と、上部回転計１７と、クラッチ１８と、制御器１９と、下部回転計２２と、これらを保持するフレーム２とを備える。

フレーム２は基板３と脚部４とからなり、脚部４は上端に設けられた基板３が水面上に出るように水域に沈設されている。基板３には水車軸２１が収納された円筒形容器（図示せず）が鉛直に貫通している。また、基板３上には発電装置１５、制御器１９が設けられている。

主軸１１及び水車軸２１は、図示しない円筒形容器に収納されており、図示しないベアリングにより円筒形容器に対して回転可能に保持されている。主軸１１及び水車軸２１は軸線を等しくするようにフレーム２に鉛直に配置され、クラッチ１８により接続されている。クラッチ１８は制御器１９により制御され、主軸１１と水車軸２１とを結合して両軸間で回転力を伝達し、または主軸１１と水車軸２１との結合を解除する。クラッチ１８としては、機械式のクラッチや、電磁クラッチ等を用いることができる。

主軸１１を収納する円筒形容器には上部回転計１７が設けられ、水車軸２１を収納する円筒形容器には下部回転計２２が設けられている。上部回転計１７及び下部回転計２２は非接触式の回転計であり、上部回転計１７は主軸１１の回転数を検出し、下部回転計２２は水車軸２１の回転数を検出し、制御器１９に出力する。

主軸１１の上端には、風車１０が設けられている。風車１０は風により揚力を得て回転する。
風車１０としては、例えばジャイロミル型、ダリウス型、直線翼型等、揚力型風車であれば任意のものを使用することができる。なお、図では垂直軸型の揚力型風車を用いたが、歯車等により垂直な主軸１１に回転を伝達することができれば、水平軸型の風車を用いてもよい。

フレーム２の基板３を貫通する水車軸２１の下端には、水車２０が設けられている。水車２０としては、水流から回転力を得られるものであれば任意のものを用いることができる。また、別途水路を形成し、例えばペルトン水車２０、フランシス水車２０、プロペラ水車２０、クロスフロー水車２０等を用いることもできる。水車２０はフレーム２の基板３よりも下の水流により回転力を得て回転する。

また、主軸１１には、タイミングベルト１３と噛み合うタイミングプーリ１２が設けられている。タイミングベルト１３はタイミングプーリ１２と発電装置１５に設けられたタイミングプーリ１４との間に掛けられ、主軸１１の回転力を発電装置１５の回転軸１６に伝達する。発電装置１５には図示しない増速機や発電機、バッテリー、電圧計や電流計等が設けられている。増速機は回転軸１６の回転を発電機に伝達し、発電機は回転軸１６の回転力を電力に変換する。発電機により発電された電力は、バッテリーに蓄電されるか、直流負荷に供給されるか、系統連係盤およびインバーターを介して交流負荷に供給される。

制御器１９には上部回転計１７、下部回転計２２より主軸１１、水車軸２１の回転数が入力され、制御器１９は主軸１１及び水車軸２１の回転数に応じてクラッチ１８を制御する。
また、制御器１９には発電装置１５の出力電圧値、出力電流値が入力される。

次に、本発明の風力発電装置１の動作について説明する。
まず、無風状態、または揚力型風車が自己起動できない程度の微風状態では、クラッチ１８により主軸１１と水車軸２１との間で回転力の伝達が可能となっている。このとき水車２０は水流を受けて常に回転しているため、水車軸２１より主軸１１に回転力が伝達され、風車１０が常に低速回転している。なお、水車２０による回転のみでは、発電装置１５は発電を行うことができない。

風力が大きくなると、回転している状態の風車１０は風を受けて自主回転を開始する。風車１０及び主軸１１により得られる回転力が水車２０及び水車軸２１により得られる回転力よりも大きくなると、クラッチ１８で接続された主軸１１及び水車軸２１の回転数が増大する。このとき、水車２０は主軸１１の回転を妨げる負荷となる。

上部回転計１７、下部回転計２２により主軸１１及び水車軸２１の回転数が増大したことを検出すると、制御器１９はクラッチ１８を制御し、主軸１１と水車軸２１との結合を解除する。すると、負荷が減少した主軸１１の回転数が増大する。発電装置１５により発電可能な程度に回転数が上昇すると、発電が行われる。
なお、この間も、水車２０及び水車軸２１は水流を受けて低速で回転している。

風力が小さくなると、風車１０及び主軸１１の回転数は減少する。風車１０及び主軸１１により得られる回転力が水車２０及び水車軸２１により得られる回転力よりも小さくなると、主軸１１の回転数が水車軸２１の回転数よりも小さくなる。上部回転計１７、下部回転計２２により主軸１１の回転数が水車軸２１の回転数まで低下したことを検出すると、制御器１９はクラッチ１８を制御し、主軸１１と水車軸２１とを結合させる。これにより風車１０は水車２０とともに低速回転する。

したがって、本発明の風力発電装置１によれば、無風状態または微風状態においても、風車１０を常に回転させておくことができる。一方、風力が増大したときには、クラッチ１８により主軸１１と水車軸２１との結合を解除することで負荷となる水車２０を切り離し、風車１０を高速回転させることができる。

なお、以上の実施の形態においては、風力発電装置１を河川の水域に設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば運河等に設けてもよい。また、護岸部分や橋梁に設置することも可能である。

本発明に係る風力発電装置１を示す模式図である。風力発電装置１の制御ブロック図である。

符号の説明

１風力発電装置
１０風車
１１主軸
１５発電装置
１７上部回転計（第２の回転計）
１８クラッチ
２０水車
２２下部回転計（第１の回転計）

Claims

揚力型の風車に設けられた主軸を介して伝達された風車の回転力を電力に変換する発電装置を備える風力発電装置において、
水流を受けて定常回転する水車と、
前記水車の回転軸と前記主軸とを結合しまたは結合を解除するクラッチと、
をさらに備えることを特徴とする風力発電装置。
前記風車の回転力が前記水車の回転力よりも大きいときに前記クラッチを解除し、
前記風車の回転力が前記水車の回転力よりも小さいときに前記クラッチを結合することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記水車の回転軸の回転数を計測する第１の回転計と、
前記主軸の回転数を計測する第２の回転計とを備え、
前記クラッチを結合した状態で、
前記第１の回転計の回転数が増大したときに前記クラッチを解除し、
前記クラッチを解除した状態で、
前記第２の回転計の回転数が第１の回転計の回転数よりも減少したときに、前記クラッチを結合させることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。