風力発電用のプロペラ型タービン装置

【課題】簡単且つ安価な構成でありながら強風に対しても安心して使用することができる風力発電用のプロペラ型タービン装置を提供する。
【解決手段】主翼３は主翼軸４を中心として回転可能に支持され、主翼３の基端部にアングル部材６を介して補助翼７が固定連結されている。前方から風Ｗを受けると、補助翼７は後方へと押圧され、補助翼７により主翼軸４の周りに風Ｗの強さに応じたモーメントが発生して主翼３のピッチ角が自動的に調整され、風Ｗの方向に対する主翼３の角度が小さくなり、出力軸１の周りの主翼３の回転数が所定値以上に大きくなることが防止される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風力発電用のプロペラ型タービン装置に係り、特に主翼で風を受けて出力軸を回転させるプロペラ型タービン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンエネルギーの利用として風力発電が注目されている。この風力発電においては、例えば、プロペラにより風を受けて出力軸を回転させ、出力軸に連結された発電機を駆動するため、風の強さに応じて出力軸の回転数が変化するが、強風によりプロペラが破損したり、プロペラの回転数が高くなり過ぎて発電機に支障を来すおそれがある。
そこで、特許文献１には、風速に対応して翼のピッチ角を制御することにより、風速に関わらずに発電機の出力を一定とする風力発電機のピッチ角制御装置が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３７８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の装置では、発電機の出力と定格出力の偏差に基づいてピッチ角の指令値を演算する制御回路と、制御回路で演算されたピッチ角の指令値に基づいて翼のピッチ角を調整するピッチ角調整装置とが必要となり、これら制御回路及びピッチ角調整装置の構成が複雑で部品点数も多く、設備費用が嵩むという問題がある。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、簡単且つ安価な構成でありながら強風に対しても安心して使用することができる風力発電用のプロペラ型タービン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】
【０００５】
この発明に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置は、主翼で風を受けて出力軸を回転させる風力発電用のプロペラ型タービン装置において、出力軸に固定され且つ出力軸と共に回転する支持部材と、支持部材に回転可能に支持された主翼軸を有する主翼と、主翼に連結され且つ風を受けて回転するときに主翼に主翼軸の周りのモーメントを発生させるための補助翼とを備え、風力に応じて補助翼により主翼に発生する主翼軸の周りのモーメントの大きさが変化し、主翼のピッチ角が風力と出力軸の回転数に応じて自動的に調整されるものである。
好ましくは、主翼のピッチ角が設定値となるように支持部材に対して主翼を付勢するバネを備えている。このようにすると、補助翼が風を受けて回転するときに補助翼に発生する揚力に起因してバネの付勢力に抗して主翼が主翼軸の周りに回転することにより主翼のピッチ角が設定値から変化し、補助翼が風を受けないときにはバネの付勢力により主翼のピッチ角が設定値となる。
また、外周部にストッパ用ノッチが形成された偏心カムを主翼軸に取り付けると共に、偏心カムの外周部に対して付勢されるようにスプリングプランジャを支持部材に支持させてもよい。このようにすると、突風を受けたときに主翼軸と共に偏心カムが回転してスプリングプランジャが偏心カムのストッパ用ノッチに係合することにより主翼のピッチ角を所定の角度に固定することができる。
バネは、支持部材の内部に設けられていてもよい。
２つの主翼軸を有し、各主翼軸は、ブレードピッチ角連動同調リンクによって接続されていてもよい。
主翼のピッチ角を最適ピッチ（１６°〜３０°）に調整するための第１ストッパを有し、主翼のピッチ角を最大角度に維持するための第２ストッパを有してもよい。
【発明の効果】
【０００６】
この発明によれば、風力に応じて補助翼により主翼に発生する主翼軸の周りのモーメントの大きさが変化して主翼のピッチ角が風力と出力軸の回転数に応じて自動的に調整されるので、複雑な回路や装置を用いることなく、強風に対しても過回転の心配なく、突風に対しても可変ピッチ機構が即応するため、可及的に回転力が上がり、安心して使用することができるプロペラ型タービン装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に実施の形態１に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置を示す。図示しない発電機に連結される出力軸１の端部にブロック状の支持部材２が固定されている。この支持部材２を挟んで一対の主翼３が互いに逆方向に延びるように配置されており、各主翼３に固定された主翼軸４が、対応するベアリング５を介して支持部材２に支持されている。これにより、一対の主翼３は、それぞれの主翼軸４を中心として回転可能、すなわちピッチ角が可変となるように支持されている。また、各主翼３の基端部にはアングル部材６を介してそれぞれ対応する補助翼７が固定連結され、この補助翼７により主翼３に主翼軸４を中心とした大きなモーメントを発生させるように構成されている。それぞれの主翼３と補助翼７は、互いに直角方向に延びるように配置されている。
【０００８】
図２に示されるように、支持部材２には、各主翼３に対応して一対のアーム８が、出力軸１の軸方向とほぼ平行で且つこのプロペラ装置の前方に向かって突出形成されており、各アーム８の先端部とアングル部材６に配設された係合部９との間にバネ１０が掛けわたされている。また、各アーム８には下方に向かって延びるロッド形状のストッパ１１が取り付けられている。
図３に示されるように、各アングル部材６に配設された係合部９は、主翼軸４の位置よりも補助翼７側に配置されており、主翼３は、バネ１０の引っ張り力により主翼軸４を中心として補助翼７が配設されている側がアーム８に向かって回動するような向きに付勢されている。ただし、アーム８に取り付けられたストッパ１１の先端部にアングル部材６が当接することにより、風等による外力を受けないとき、あるいは外力がバネ１０の引っ張り力以下の場合には、図４に実線で示されるように、主翼３は、ストッパ１１の長さにより決定されるピッチ角θ１に設定されることとなる。
【０００９】
また、補助翼７は、主翼３に対して角度θ２だけ、このプロペラ装置の前方に向かって傾斜すると共に、図５に示されたピッチ角θ３を有している。図４において、Ｓは、主翼軸４を通り且つ出力軸１に対して垂直な、プロペラ型タービン装置の基準面を示しており、一対の主翼３の主翼軸４は、共にこの基準面Ｓ上に位置している。
図４からわかるように、主翼３に対する補助翼７の傾斜角θ２は主翼３のピッチ角θ１より大きく設定されており、このため、補助翼７は、風等による外力を受けないときには、基準面Ｓよりもプロペラ型タービン装置の前方側に傾いた状態となっている。
なお、図４では、簡略化のため、一方の主翼３及び補助翼７のみが描かれているが、他方の主翼３及び補助翼７も同様の角度θ１〜θ３を有している。
【００１０】
この状態で、プロペラ型タービン装置の前方から風Ｗを受けると、主翼３のピッチ角θ１と回転数に応じて主翼３に出力軸１の周りのモーメントが発生し、一対の主翼３はそれぞれ対応する補助翼７と共に出力軸１の周りに回転する。その結果、出力軸１に連結されている図示しない発電機により発電が行われる。
【００１１】
このとき、補助翼７に発生する揚力に起因して、補助翼７はプロペラ型タービン装置の後方へと移動し、この補助翼７により主翼３に主翼軸４の周りのモーメントが発生する。この補助翼７により発生する主翼軸４の周りのモーメントは、風Ｗの強さと回転数に応じて変化し、風Ｗが強いほど、大きなモーメントを主翼３に発生させる。
ただし、補助翼７に発生する揚力がバネ１０の引っ張り力以下の場合には、補助翼７は主翼軸４を中心として回動することがなく、図６に示されるように、一対の主翼３は共にピッチ角θ１を維持した状態で出力軸１の周りに回転する。
【００１２】
一方、風Ｗが強くなって補助翼７に発生する揚力がバネ１０の引っ張り力を超えると、補助翼７は、バネ１０の引っ張り力に抗してプロペラ型タービン装置の後方へと移動し、主翼軸４の周りに回動を始める。例えば、図４に二点鎖線で示されるように、主翼軸４の周りの大きなモーメントが発生して、補助翼７が主翼軸４の周りに角度Δθだけ回転すると、補助翼７と共に主翼３も主翼軸４の周りに角度Δθだけ回転することとなる。その結果、図７に示されるように、一対の主翼３のピッチ角は、それぞれθ１＋Δθとなって、風Ｗの方向に対する主翼３の角度が小さくなり、これにより主翼３を出力軸１の周りを回転させようとするモーメントの増大が抑制される。このため、それ以上に風Ｗが強くなっても、出力軸１の周りの主翼３の回転数が所定値以上に大きくなることは防止される。
【００１３】
このように、風力に応じて補助翼７により主翼３に発生する主翼軸４の周りのモーメントの大きさが変化して主翼３のピッチ角が自動的に調整されるので、出力軸１の周りの回転数は所定値以上に大きくならないように制御され、強風を受けても回転数が高くなり過ぎることはなく、しかも低回転域でのトルク特性を著しく向上させることで、良好な発電特性が与えられ、プロペラ型タービン装置や発電機の破損等を未然に防ぐことができる。
【００１４】
なお、図８及び９に示されるように、各主翼軸４に偏心カム１２が取り付けられており、偏心カム１２の外周部にストッパ用ノッチ１２ａが形成されている。また、支持部材２には、偏心カム１２の外周部に対向するようにスプリングプランジャ１３が支持され、スプリングプランジャ１３の先端部が偏心カム１２の外周部に対して付勢されている。
上述したように、風力に応じて補助翼７により主翼３が主翼軸４の周りに回転するが、このとき主翼軸４と共に偏心カム１２も回転する。そして、突風を受けたときには、主翼３が風の方向にほぼ平行になったところで、図９に示されるように、偏心カム１２のストッパ用ノッチ１２ａにスプリングプランジャ１３の先端部が係合し、主翼３のピッチ角が固定されるように構成されている。これにより、突風時に主翼３が風から受ける影響を最小とすることができる。
突風が治まった後は、手動により、あるいは電磁石等を利用することにより主翼軸４を回転させて、ストッパ用ノッチ１２ａとスプリングプランジャ１３との係合を解除すればよい。
【００１５】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置について説明する。尚、実施の形態２において、図１〜９の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００１６】
図１０及び２０に示されるように、支持部材２内において、２つの主翼軸４，４は、ブレードピッチ角連動同調リンク２０によって連結されている。これにより、各主翼軸４は、常に同じピッチ角で回転するようになる。また、図１０及び１１にそれぞれ示されるように、各主翼軸４には、カム２１が取り付けられている。実施の形態１において支持部材２の外部に設けられていたバネ１０の一端が、支持部材２内においてカム２１に接続され、バネ１０の他端は、支持部材２に設けられたバネ用ポスト２２に接続されている。
【００１７】
図１２に示されるように、支持部材２には、第１ストッパ３１と、第２ストッパ３２とが設けられている。風Ｗがあまり強くない時には、第１ストッパ３１は、アングル部材６に当接するようになっており、アングル部材６が第１ストッパ３１に当接する状態では、基準面Ｓに対する補助翼７のなす角度は、１５°以上として、主ブレードの後流の影響を避けている。このとき、主翼３は、基準面Ｓに対して、最適なピッチ角（１６°〜３０°）をなすようになっている。また、第２ストッパ３２は、補助翼７が強い風Ｗを受けたときに主翼３に当接するようになっており、風Ｗによって基準面Ｓに対する補助翼７のなす角度が変化したときに、主翼３が第２ストッパ３２に当接する状態では、基準面Ｓに対する主翼３のなす角度は、最大角度となっている。ここで、主翼軸４は、ブレードピッチ角連動同調リンク２０により、フェザーリンクの角度（０°〜９０°）まで可動することができるようにする。
その他の構成については、実施の形態１と同じである。
【００１８】
このように、２つの主翼軸４，４にブレードピッチ角連動同調リンク２０を設けることにより、各主翼軸４が同じ角度で回転するので、各主翼３の基準面Ｓに対してなす角度を同じにすることができる。
また、風Ｗがあまり強くない時には、第１ストッパ３１により、各主翼３のなす角度を、最適なピッチ角（１６°〜３０°）に調整することができる。また、風Ｗが強いときには、第２ストッパ３２により、各主翼３のなす角度を、ブレードピッチ角連動同調リンク２０によって決定される最大角度に保つことができる。
【００１９】
次に、この特許申請に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置において、アクティブピッチ制御方式の実証実験を述べる。
この実証に用いたプロペラ型タービン装置において、翼径８５０ｍｍ、先端ブレード弦長５０ｍｍ、根本ブレード弦長８０ｍｍ、主翼ブレード先端ピッチ角３°、主翼ブレード根本ピッチ角２６°である。このプロペラ型タービン装置の風速５ｍ／ｓにおける出力と回転数との関係を図１３に示す。図１３には、この翼を２枚使用した場合の関係の他に、この２枚の翼に、翼径１／２〜１／３及び弦長１／２〜１／３の副翼を付加した準４枚翼の場合の関係を示している。尚、副翼の先端ピッチ角は、０°、１０°、２０°とした。
【００２０】
図１３において、縦軸は、風車出力を風本来の保有エネルギーの比とした無次元出力係数であるＣ_ｐであり、横軸は、風車先端速度と風速の比である無次元回転数λである。
【００２１】
副翼の先端ピッチ角を０°とすれば、準４枚翼型風車として回転域を変えることなく性能が向上し、副翼の先端ピッチ角を２０°とすれば、ブレーキ効果により、低回転域に移行、出力性能は大幅に低下する。
【００２２】
通常翼ピッチ角を全体的に１０°、２０°と深めた場合（副翼なし）の出力性能から、トルク特性が著しく低回転域に移行し、抗力スラスト係数も著しく低下し、突風・強風に対し有効になることが示されている。
【００２３】
風車の性能を落とさない副翼の取り付け条件で主翼ブレードピッチ角制御に直結させる優れたアクティブピッチ制御方式が以下に考えられる。
図１４に、副翼と連動する主翼ブレードピッチ制御機構の具体例を示す。副翼のスラスト（回転中の揚力又は突風）により、時間遅れなく突風・強風時のピッチ角変化が即応できることが予想される。
【００２４】
先に述べた条件で、主翼ブレードピッチ角に連動する副翼（径１／２、弦長１／２）の先端ピッチ角を０〜３０°とした場合の無次元出力及び回転数の関係を図１５に示す。副翼のピッチ角を小さくするほど、副翼に作用するスラストが強くなり、結果として、主翼ブレードピッチ角が深まり、過回転防止として、出力特性が低回転域に著しく移行する。
【００２５】
同様に、図１６に、これと同一条件における通常の２枚翼に対し副翼を設置した場合の無次元トルク及び回転数の関係を示す。副翼に作用する強いトラストにより、主翼ブレードのピッチ角が深まり、低回転域でトルクは向上すると共に中回転域以上でトルクは著しく低下する強風に対し、過回転防止効果が大きいことを示している。
【００２６】
図１７に、この場合において、負荷トルク一定の下、風速を３．５ｍ／ｓから突然４．７ｍ／ｓに上げた場合の時間に対する回転数の過度応答特性を示す。副翼と主翼ブレードピッチ角とを連動させた場合と固定させた場合、及び副翼を外した場合を、負荷トルク毎に示しているが、ピッチ角に連動させた場合、応答性が３倍程向上し、回転数増加も半分としている。
【００２７】
以上の結果より、主翼ブレードピッチ角に連動させた副翼ピッチ制御方式は、突風・休風対策として、極めて優れた方式といえる。
本機構の類似のアクティブピッチ制御方式として、風車面の抗力をピッチ制御に利用する試みがあるが、機構が複雑で、作動上、主翼ブレードのピッチ角が深まればスラストが低下し、主翼ブレードピッチ角に独立した本方式程のピッチ角制御はできない（その分弱強風）ものと考えられる。
【００２８】
なお、アーム８に取り付けられたストッパ１１の長さを変えることにより、風を受けないときの主翼３のピッチ角θ１を調整することができる。このため、アーム８から突出する長さを調節できるように、ストッパ１１をアーム８に対して進退可能に取り付けることが好ましい。
上記の実施の形態では、バネ１０の引っ張り力により主翼３に付勢力を付与していたが、図１８に示されるように、圧縮コイルバネ１４の押し出し力を利用して主翼３を付勢してもよい。
【００２９】
主翼３及び補助翼７の大きさ、主翼３のピッチ角θ１、主翼３に対する補助翼７の傾斜角θ２、補助翼７のピッチ角θ３は、このプロペラ型タービン装置に接続される発電機に要求される電力量、プロペラ型タービン装置の設置場所における平均風力等に応じて適宜設定される。例えば、初期の主翼３のピッチ角θ１は、２４度に設定することができる。補助翼７の大きさ、傾斜角θ２及びピッチ角θ３を変えることにより、風の強さに対して主翼３に発生させる主翼軸４の周りのモーメントの大きさを調整することが可能となる。
この発明のプロペラ型タービン装置Ａを用いた風力発電装置の一例を図１９に示す。立設された支柱１５に対して水平面内で回転自在に回転アーム１６を連結すると共に回転アーム１６の先端に発電機１７を固定し、この発電機１７の回転軸を出力軸１としてプロペラ型タービン装置Ａが取り付けられている。回転アーム１６及び発電機１７は、カバー１８によって覆われている。風Ｗが吹くと、風Ｗに対してプロペラ型タービン装置Ａが支柱１５及び発電機１７の下流側に位置するように回転アーム１６が支柱１５の周りに回転し、この状態で主翼３及び補助翼７が出力軸１の周りに回転して発電機１７により発電が行われる。
この発明のプロペラ型タービン装置Ａは、強風や突風に対しても安心して使用することができるだけでなく、簡単な構造のため安価に製造することができ、家庭用や小規模発電用に対しても十分に適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置を示す正面図である。
【図２】実施の形態１に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置の中心部を示す側面図である。
【図３】実施の形態１に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置の中心部を示す拡大正面図である。
【図４】実施の形態１に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置の機能を模式的に示す図である。
【図５】実施の形態１に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置の機能を模式的に示す図である。
【図６】風を受けないときの主翼と補助翼の状態を示す側面図である。
【図７】風を受けたときの主翼と補助翼の状態を示す側面図である。
【図８】主翼軸に取り付けられた偏心カムと支持部材に支持されたスプリングプランジャの関係を示す正面図である。
【図９】突風を受けたときの偏心カムとスプリングプランジャの関係を示す側面図である。
【図１０】実施の形態２に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置の中心部を示す拡大正面図である。
【図１１】実施の形態２に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置におけるバネの取り付けられた状態を説明するための図である。
【図１２】実施の形態２に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置の機能を模式的に示す図である。
【図１３】風速５ｍ／ｓにおけるプロペラ型タービン装置の無次元出力と回転数との関係である。
【図１４】副翼と連動する主翼ブレードピッチ制御機構の斜視図である。
【図１５】主翼ブレードピッチ角に連動する副翼（径１／２、弦長１／２）の先端ピッチ角を０〜３０°とした場合のプロペラ型タービン装置における無次元出力と回転数との関係である。
【図１６】図１５と同一条件における通常の２枚翼に対し副翼を設置した場合のプロペラ型タービン装置における無次元出力と回転数との関係である。
【図１７】負荷トルク一定の下、風速を３．５ｍ／ｓから突然４．７ｍ／ｓに上げた場合の時間に対する回転数の過度応答特性である。
【図１８】圧縮コイルバネが取り付けられた変形例を示す図である。
【図１９】実施の形態に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置を用いた風力発電装置の一例を示す部分斜視図である。
【図２０】実施の形態２に係る風力発電用のプロペラ型タービン装置のブレードピッチ角連動同調リンクの側面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１出力軸、２支持部材、３主翼、４主翼軸、５ベアリング、６アングル部材、７補助翼、８アーム、９係合部、１０バネ、１１ストッパ、１２偏心カム、１２ａストッパ用ノッチ、１３スプリングプランジャ、１４圧縮コイルバネ、１５支柱、１６回転アーム、１７発電機、１８カバー、２０ブレードピッチ角連動同調リンク、３１第１ストッパ、３２第２ストッパ、Ａプロペラ型タービン装置、Ｓ基準面、θ１主翼のピッチ角、θ２主翼に対する補助翼の傾斜角、θ３補助翼の傾斜角。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
主翼で風を受けて出力軸を回転させる風力発電用のプロペラ型タービン装置において、
前記出力軸に固定され且つ前記出力軸と共に回転する支持部材と、
前記支持部材に回転可能に支持された主翼軸を有する主翼と、
前記主翼に連結され且つ風を受けて回転するときに前記主翼に前記主翼軸の周りのモーメントを発生させるための補助翼と
を備え、風力に応じて前記補助翼により前記主翼に発生する前記主翼軸の周りのモーメントの大きさが変化し、前記主翼のピッチ角が風力と前記出力軸の回転数に応じて自動的に調整されることを特徴とする風力発電用プロペラ型タービン装置。
【請求項２】
前記主翼のピッチ角が設定値となるように前記支持部材に対して前記主翼を付勢するバネを備え、
前記補助翼が風を受けて回転するときに前記補助翼に発生する揚力に起因して前記バネの付勢力に抗して前記主翼が前記主翼軸の周りに回転することにより前記主翼のピッチ角が設定値から変化し、
前記補助翼が風を受けないときには前記バネの付勢力により前記主翼のピッチ角が設定値となる請求項１に記載の風力発電用プロペラ型タービン装置。
【請求項３】
前記主翼軸に取り付けられ且つ外周部にストッパ用ノッチが形成された偏心カムと、
前記偏心カムの外周部に対して付勢されるように前記支持部材に支持されたスプリングプランジャと
を備え、突風を受けたときに前記主翼軸と共に前記偏心カムが回転して前記スプリングプランジャが前記偏心カムのストッパ用ノッチに係合することにより前記主翼のピッチ角が所定の角度に固定される請求項１または２に記載の風力発電用プロペラ型タービン装置。
【請求項４】
前記バネは、前記支持部材の内部に設けられている、請求項２に記載の風力発電用プロペラ型タービン装置。
【請求項５】
２つの前記主翼軸を有し、各主翼軸は、ブレードピッチ角連動同調リンクによって接続されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の風力発電用プロペラ型タービン装置。
【請求項６】
前記主翼のピッチ角を最適ピッチに調整するための第１ストッパを有し、前記主翼のピッチ角を最大角度に維持するための第２ストッパを有する、請求項５に記載の風力発電用プロペラ型タービン装置。

【図１】