本発明は、風力発電装置に関する。

従来、特許文献1のように、垂直軸風車を含む風力発電装置が提案されている。

特開2011−163334号公報

しかし、風車の回転軸と、発電機の回転軸が平行に配置されるため、鉛直方向に延びる回転軸を有する発電機に限定され、設置の自由度が低い。

したがって本発明の目的は、垂直軸風車を使った風力発電装置において、発電機の設置自由度が高いものを提供することである。

本発明に係る風力発電装置は、鉛直方向に第1回転軸を有する風車と、第2回転軸を有し、第1回転軸の回転力に基づいて、第2回転軸を回転させて、電力を発生させる発電機と、第1回転軸に取り付けられた第1プーリーと、第2回転軸に取り付けられた第2プーリーと、第1プーリーと第2プーリーに掛けられ十字掛けベルトで構成された摩擦伝導ベルトとを有し、第1回転軸の回転力を第2回転軸に伝達する動力伝達機構とを備え、第2回転軸は、第1回転軸とねじれの位置関係にある。

摩擦伝導ベルトを使うことにより、第1回転軸の回転を同軸で直接的に発電機に伝達する形態に比べて、振動や騒音の発生を抑えることが可能になる。また、摩擦伝導ベルトを使うことにより、風力の変化により第1回転軸の回転数が急激に変化した場合に、スリップで発電機などの構成部品の損傷を防ぐことが出来る。

また、摩擦伝導ベルトを十字掛けにすることにより、第2回転軸が、第1回転軸と平行で無く、ねじれの位置関係にある場合でも、摩擦伝導ベルトを介して、動力伝達を行うこと出来る。特に、第2回転軸が水平方向に略平行になるように設置された発電機を使って、風力発電を行うことが出来る。従って、様々な形状や設置条件の発電機を使って、風力発電を行うことが出来る(発電機の設置自由度が高い)。

好ましくは、動力伝達機構は、第1回転軸の回転数に応じて、摩擦伝導ベルトの張力を調整する張力調整装置を有する。

第1回転軸の回転数が少ない状態では、摩擦伝導ベルトの張力を緩めて、摩擦伝導ベルトや第2回転軸による抵抗を少なくして、第1回転軸が回転しやすくし、第1回転軸の回転数が多い状態では、摩擦伝導ベルトの張力を高めて、第2回転軸への動力伝達効率を高める(発電効率を高める)ことが出来る。

風が強い状態から風が弱い状態に変わった時に、摩擦伝導ベルトや第2回転軸による抵抗(負荷)が少なくなるので、風車の回転が止まらずに回転を維持しやすくなる。回転を維持出来た場合には、回転が止まった場合に比べて、次に風が吹いた時に風車の回転を加速させて発電を行いやすくなるメリットがある。

発電機の仕様(第2回転軸の回転抵抗など)や、風車の仕様(回転能力)は、使用する機材によって異なるが、張力調整装置を構成する部材の仕様(大きさや重さ)を調整することで、第1回転軸から第2回転軸への動力伝達が効率良く行えるよう(高い発電効率で運用出来るよう)に調整出来る。このため、設置条件を含めて様々な発電機を風力発電装置の発電機として使用することが出来る。

さらに好ましくは、第1プーリーが前記張力調整装置であり、第1プーリーは、ドライブプーリーフェイスと、ドライブプーリーフェイスと対向するドライブプーリーとを有し、ドライブプーリーが鉛直方向に移動制御されることで、ドライブプーリーフェイスとドライブプーリーとの距離が変動し、摩擦伝導ベルトの張力が変動する。

さらに好ましくは、第1プーリーは、第1回転軸の半径方向に移動可能で、半径方向外側に移動した時にドライブプーリーを押し上げるウエイトローラーと、ウエイトローラーが載置されるローラーガイド部を有する。

また、ドライブプーリーの上下方向の移動を遠心力によるウエイトローラーを移動に基づいて行わせるため、他の駆動源を用いずに、ドライブプーリーフェイスとドライブプーリーの距離を変えて、摩擦伝導ベルトの張力を変化させることが出来る。

また、好ましくは、第1プーリーは、第1回転軸の回転数に基づいて、ドライブプーリーを鉛直方向に移動させる第1アクチュエータを有する。

また、好ましくは、第2プーリーが張力調整装置であり、第2プーリーは、ドリブンプーリーフェイスと、ドリブンプーリーフェイスと対向するドリブンプーリーとを有し、ドリブンプーリーが、第2回転軸方向に移動制御されることで、ドリブンプーリーフェイスとドリブンプーリーとの距離が変動し、摩擦伝導ベルトの張力が変動する。

被動側のプーリー(第2プーリー)を可変プーリーとすることでも、摩擦伝導ベルトの張力を回転数が低い時は緩く、回転数が高い時は強くするように調整することが出来る。

また、好ましくは、張力調整装置は、摩擦伝導ベルトに接触するローラーと、第1回転軸の回転状態に応じて、ローラーを移動させて摩擦伝導ベルトとの接触度合いを変化させる第2アクチュエータを有する。

以上のように本発明によれば、垂直軸風車を使った風力発電装置において、発電機の設置自由度が高いものを提供することができる。

第1実施形態における第1状態の風力発電システムを示す斜視図である。

第1実施形態における第2状態の風力発電システムを示す斜視図である。

第1実施形態における第1状態の風力発電システムを示す断面構成図である。

第1実施形態における第2状態の風力発電システムを示す断面構成図である。

第2実施形態における風力発電システムを示す斜視図である。

第3実施形態における第1状態の風力発電システムを示す斜視図である。

第3実施形態における第2状態の風力発電システムを示す斜視図である。

第4実施形態における風力発電システムを示す斜視図である。

以下、第1実施形態について、図を用いて説明する(図1〜図4参照)。第1実施形態における風力発電装置1は、風車11、第1回転軸12、シャフトカバー13、軸受け15、動力伝達部20、発電機41、第2回転軸42を備える。

風車11は、風を羽根車で受けて回転する垂直軸風車で、鉛直方向に延びる第1回転軸12を中心にして、第1回転軸12も一緒に回転する。

第1回転軸12は、鉛直方向に延び、土台50に取り付けられたシャフトカバー13で覆われ、シャフトカバー13や土台50が、ボールベアリングなどの軸受け15を介して、第1回転軸12を回転自在な状態で保持する。

動力伝達部20は、第1プーリー21(張力調整装置:ドライブプーリーフェイス21a、ドライブプーリー21b、第1ウエイトローラー21c、第1ローラーガイド部21d)、摩擦伝導ベルト31、第2プーリー33を有し、風車11の回転により得られた第1回転軸12の回転力を、発電機41の第2回転軸42に伝達する。

第1回転軸12には、ドライブプーリーフェイス21aと第1ローラーガイド部21dが取り付けられる。

第1ローラーガイド部21dには、第1回転軸12の半径方向に移動可能なガイドが設けられ、当該ガイド上に第1ウエイトローラー21cが載置される。第1実施形態では、2つの第1ウエイトローラー21cが第1ローラーガイド部21dに載置される形態を説明するが、3つ以上の第1ウエイトローラー21cが第1ローラーガイド部21dに載置される形態であってもよい。

第1ローラーガイド部21dのガイドは、第1回転軸12の回転数が低い時に、第1ウエイトローラー21cが半径方向内側(中心)近くに位置しやすいように、半径方向内側(中心)が低く、半径方向外側が高くなるような傾斜(中央が下側に突出する円錐台形状の傾斜面、不図示)が設けられるのが望ましい。

ドライブプーリーフェイス21aと対向する位置であって、第1回転軸12の軸方向に移動可能な状態で、ドライブプーリー21bが、第1ウエイトローラー21cに載置される。

摩擦伝導ベルト31は、駆動側は、プーリー径が可変である第1プーリー21(ドライブプーリーフェイス21aとドライブプーリー21bの間)に掛けられ、被動側は、プーリー径が変わらない第2プーリー33に掛けられる。

ドライブプーリーフェイス21aの下面(摩擦伝導ベルト31が掛けられる側の面)と、ドライブプーリー21bの上面(摩擦伝導ベルト31が掛けられる側の面)は、少なくとも一方が斜面(第1回転軸12に垂直な水平面から傾いた面)を有する。

具体的には、ドライブプーリーフェイス21aの斜面は、中央が下側に突出する円錐台形状を有し、ドライブプーリー21bの斜面は、中央が上側に突出する円錐台形状を有する。

第1実施形態では、ドライブプーリーフェイス21aの下面と、ドライブプーリー21bの上面の両方が斜面を有する形態を説明する。

ドライブプーリー21bの下面(摩擦伝導ベルト31が掛けられる側と反対側の面)は、上面と略平行な斜面を有し、当該斜面で、第1ウエイトローラー21cと接する。

第1ウエイトローラー21cは、略円柱形状を有し、ドライブプーリー21bと第1ローラーガイド部21dのガイドの間に載置される。

第1回転軸12の回転数が低い間は、ドライブプーリー21bの自重や摩擦伝導ベルト31の張力により、第1ウエイトローラー21cは、第1回転軸12に近づく位置に配置される(第1状態、図1、図3参照)。

この場合、ドライブプーリーフェイス21aとドライブプーリー21bが離れていて、摩擦伝導ベルト31は、第1回転軸12に近い位置にあって、摩擦伝導ベルト31の張力は後述する第2状態よりも緩くなる。

第1回転軸12の回転数が高くなると、第1ウエイトローラー21cは遠心力で第1回転軸12から遠ざかる位置に移動する(第2状態、図2、図4参照)。

これにより、ドライブプーリー21bが押し上げられ、ドライブプーリーフェイス21aとドライブプーリー21bの距離が狭められ、摩擦伝導ベルト31は、第1回転軸12から遠い位置に移動し、摩擦伝導ベルト31の張力は第1状態よりも高くなる。

第1回転軸12の回転数が高い状態(第2状態)から、回転数が低い状態になると、ドライブプーリー21bの自重や摩擦伝導ベルト31の張力により、第1ウエイトローラー21cは、第1回転軸12に近づく位置に移動する(第1状態、図1、図3参照)。

摩擦伝導ベルト31が掛けられる第2プーリー33は、発電機41の第2回転軸42に取り付けられる。第1実施形態では、第2プーリー33は、第1プーリー21のようにプーリー径が変化しない。

摩擦伝導ベルト31は、ゴムなどで構成され、Vベルトなどを使った動力伝達手段であり、十字掛けで、第1プーリー21や第2プーリー33に取り付けられる。

発電機41は、第2回転軸42の回転に基づいて、電力を発生させ、後段の蓄電池(不図示)や電気機器(不図示)に電力を供給する。

風車11の設置位置(風の強さ)、風車11の回転性能、発電機41の発電能力などに基づき、第2状態の時に、第1ウエイトローラー21cが半径方向外側に移動し、ドライブプーリー21bを上方向に移動させ、摩擦伝導ベルト31を第1回転軸12から離れる方向に移動させられるように、ドライブプーリー21bの仕様(傾斜角や大きさなど)、摩擦伝導ベルト31の仕様(張力や大きさなど)、第1ウエイトローラー21cの仕様(重さなど)が決定されるのが望ましい。

なお、図面では、動力伝達部20、発電機41、第2回転軸42が外部から見える構造を示しているが、風雨による各構成部材の劣化や伝達効率の低下を防止するため、これらを覆うカバー部材を設けるのが望ましい。

摩擦伝導ベルト31を使うことにより、第1回転軸12の回転を同軸で直接的に発電機41に伝達する形態に比べて、振動や騒音の発生を抑えることが可能になる。また、摩擦伝導ベルト31を使うことにより、風力の変化により第1回転軸12の回転数が急激に変化した場合に、スリップで発電機41などの構成部品の損傷を防ぐことが出来る。

また、摩擦伝導ベルト31を十字掛けにすることにより、第2回転軸42が、第1回転軸12と平行で無く、ねじれの位置関係にある場合でも、摩擦伝導ベルト31を介して、動力伝達を行うこと出来る。特に、第2回転軸42が水平方向に略平行になるように設置された発電機41を使って、風力発電を行うことが出来る。従って、様々な形状や設置条件の発電機41を使って、風力発電を行うことが出来る(発電機の設置自由度が高い)。

また、ドライブプーリー21bの上下方向の移動を遠心力による第1ウエイトローラー21cを移動に基づいて行わせるため、他の駆動源を用いずに、ドライブプーリーフェイス21aとドライブプーリー21bの距離を変えて、摩擦伝導ベルト31の張力を変化させることが出来る。

第1回転軸12の回転数が少ない第1状態では、摩擦伝導ベルト31の張力を緩めて、摩擦伝導ベルト31や第2回転軸42による抵抗を少なくして、第1回転軸12が回転しやすくし、第1回転軸12の回転数が多い第2状態では、摩擦伝導ベルト31の張力を高めて、第2回転軸42への動力伝達効率を高める(発電効率を高める)ことが出来る。

風が強い状態から風が弱い状態に変わった時に、摩擦伝導ベルト31や第2回転軸42による抵抗(負荷)が少なくなるので、風車11の回転が止まらずに回転を維持しやすくなる。回転を維持出来た場合には、回転が止まった場合に比べて、次に風が吹いた時に風車の回転を加速させて発電を行いやすくなるメリットがある。

発電機41の仕様(第2回転軸42の回転抵抗など)や、風車11の仕様(回転能力)は、使用する機材によって異なるが、張力調整装置(第1実施形態や第2実施形態では第1プーリー21、第3実施形態では第2プーリー33、第4実施形態ではローラー32bなど)を構成する部材の仕様(大きさや重さ)を調整することで、第1回転軸12から第2回転軸42への動力伝達が効率良く行えるよう(高い発電効率で運用出来るよう)に調整出来る。このため、設置条件を含めて様々な発電機を風力発電装置1の発電機41として使用することが出来る。

第1実施形態では、ドライブプーリー21bの上下方向の移動制御を遠心力による第1ウエイトローラー21cの半径方向の移動に基づいて行わせる形態を説明したが、他の手段によってドライブプーリー21bの上下方向の移動制御を行っても良い。

例えば、第1ウエイトローラー21cと第1ローラーガイド部21dに代えて、第1回転軸12の回転数を計測する第1センサ21eと、第1センサ21eからの情報に基づいて、ドライブプーリー21bを上下方向の移動制御を行う第1アクチュエータ21fとを設ける形態が考えられる(第2実施形態、図5参照)。

第1回転軸12の回転数が閾値を超えるまでは、摩擦伝導ベルト31が第1回転軸12の近くに掛けられるように、第1アクチュエータ21fがドライブプーリー21bを下方に位置させ、閾値を超えると、摩擦伝導ベルト31が第1回転軸12から離れた位置で掛けられるように、第1アクチュエータ21fがドライブプーリー21bを上方に位置させる。

閾値は1つだけに限定せず、複数の閾値を設け、段階的にドライブプーリー21bを上下方向に移動させる形態であってもよい。

第2実施形態では、第1センサ21eや第1アクチュエータ21fの駆動に必要な電力が、外部から供給される形態であってもよいし、第1回転軸12の回転に基づいて発電する第1発電装置21gや蓄電装置を設けて、当該発電装置や当該蓄電装置から供給される電力で、第1センサ21eや第1アクチュエータ21fを駆動する形態であってもよい。ここでいう第1発電装置21gは、第1センサ21eや第1アクチュエータ21fを駆動するためだけに使用されるため、発電機41に比べて小型のもので良い。

第1発電装置21gが発電する時は、第1回転軸12の回転数が高い時なので、蓄電装置や、第1センサ21eを設けずに、第1発電装置21gで発電した電力に応じて、第1アクチュエータ21fを駆動する(第1回転軸12の回転数が高くて、第1アクチュエータ21fを駆動出来る時だけ、第1アクチュエータ21fを駆動して、ドライブプーリー21bを上方向に押し上げる)形態であってもよい。

また、第1実施形態や第2実施形態では、摩擦伝導ベルト31の張力を調整する為に駆動側の第1プーリー21について、プーリーフェイスとプーリーとの間を可変にする形態を説明したが、被動側の第2プーリー33について、プーリーフェイスとプーリーとの間を可変にする形態であってもよい(第3実施形態、図6、図7参照)。

第3実施形態における第2プーリー33は、張力調整装置として、ドリブンプーリーフェイス33aとドリブンプーリー33bと第2ウエイトローラー33cと第2ローラーガイド部33dを有する。第1プーリー21と第2プーリー33の構成以外は、第1実施形態と同じである。以下、第1実施形態と異なる部分(第1プーリー21や第2プーリー33の構成や、動作)について説明する。

第3実施形態における第1プーリー21は、プーリー径が変化せず、第2プーリー33は、プーリー径が変化する。

第2回転軸42には、ドリブンプーリーフェイス33aと第2ローラーガイド部33dが取り付けられる。

第2ローラーガイド部33dには、第2回転軸42の半径方向に移動可能なガイドが設けられ、当該ガイドとドリブンプーリー33bの間に第2ウエイトローラー33cが載置される。

第2ローラーガイド部33dのガイドは、第2回転軸42の回転数が低い時に、第2ウエイトローラー33cが半径方向内側(中心)近くに位置しやすいように、半径方向内側(中心)がドリブンプーリー33bから離れ、半径方向外側がドリブンプーリー33bに近くなるような傾斜(中央がドリブンプーリー33bから離れる方向に突出する円錐台形状の傾斜面)が設けられる。

ドリブンプーリーフェイス33aと対向する位置であって、第2回転軸42の軸方向に移動可能な状態で、ドリブンプーリー33bが、取り付けられる。

摩擦伝導ベルト31は、駆動側は、プーリー径が変わらない第1プーリー21に掛けられ、被動側は、プーリー径が可変である第2プーリー33(ドリブンプーリーフェイス33aとドリブンプーリー33bの間)に掛けられる。

ドリブンプーリーフェイス33aの側面であって摩擦伝導ベルト31が掛けられる側の面と、ドリブンプーリー33bの側面であって摩擦伝導ベルト31が掛けられる側の面は、少なくとも一方が斜面(水平面から傾いた面)を有する。

具体的には、ドリブンプーリーフェイス33aの斜面は、中央がドリブンプーリー33bに近づく方向に突出する円錐台形状を有し、ドリブンプーリー33bの斜面は、中央がドリブンプーリーフェイス33aに近づく方向に突出する円錐台形状を有する。

第3実施形態では、ドリブンプーリーフェイス33aの側面と、ドリブンプーリー33bの側面の両方が斜面を有する形態を説明する。

ドリブンプーリー33bの側面であって摩擦伝導ベルト31が掛けられる側と反対側の面は、摩擦伝導ベルト31が掛けられる側の面と略平行な斜面を有し、当該斜面で、第2ウエイトローラー33cと接する。

第2ウエイトローラー33cは、略円柱形状を有し、ドリブンプーリー33bと、第2ローラーガイド部33dのガイドの間に載置される。

風車11の設置位置(風の強さ)、風車11の回転性能、発電機41の発電能力などに基づき、第2状態の時に、第2ウエイトローラー33cが半径方向外側に移動し、ドリブンプーリー33bをドリブンプーリーフェイス33aに近づく方向に移動させ、摩擦伝導ベルト31を第2回転軸42から離れる方向に移動させられるように、ドリブンプーリー33bの仕様(傾斜角や大きさなど)、摩擦伝導ベルト31の仕様(張力や大きさなど)、第2ウエイトローラー33cの仕様(重さなど)が決定されるのが望ましい。

第1回転軸12の回転数が低い間は、摩擦伝導ベルト31を介して回転力が伝達された第2回転軸42の回転数も低く、第2ローラーガイド部33dのガイドの傾斜や摩擦伝導ベルト31の張力により、第2ウエイトローラー33cは、第2回転軸42に近づく位置に配置される(第1状態、図6参照)。

この場合、ドリブンプーリーフェイス33aとドリブンプーリー33bは離れていて、摩擦伝導ベルト31は、第2回転軸42に近い位置にあって、摩擦伝導ベルト31の張力は後述する第2状態よりも緩くなる。

第1回転軸12の回転数が高くなると、第2回転軸42の回転数も高くなり、第2ウエイトローラー33cは遠心力で第2回転軸42から遠ざかる位置に移動する(第2状態、図7参照)。

これにより、ドリブンプーリー33bが押し上げられ、ドリブンプーリーフェイス33aとドリブンプーリー33bの距離が狭められ、摩擦伝導ベルト31は、第2回転軸42から遠い位置に移動し、摩擦伝導ベルト31の張力は第1状態よりも高くなる。

第1回転軸12の回転数が高い状態(第2状態)から、回転数が低い状態になると、第2ローラーガイド部33dのガイドの傾斜や摩擦伝導ベルト31の張力により、第2ウエイトローラー33cは、第2回転軸42に近づく位置に移動する(第1状態、図6参照)。

被動側のプーリー(第2プーリー)を可変プーリーとすることでも、摩擦伝導ベルト31の張力を回転数が低い時は緩く、回転数が高い時は強くするように調整することが出来る。

第1実施形態〜第3実施形態では、可変プーリーを用いて、摩擦伝導ベルト31の張力を調整する形態を説明したが、他の手段を用いて摩擦伝導ベルト31の張力を調整する形態であってもよい。

例えば、第1回転軸12の回転数、若しくは風車11を回転させる風量を計測する第2センサ32aと、第2センサ32aからの情報に基づいて(風量から第1回転軸12の回転数を予測して)、摩擦伝導ベルト31に接触するローラー32bを摩擦伝導ベルト31に押しつけたり離したりする(摩擦伝導ベルト31への接触度合いを変化させる)第2アクチュエータ32cを設け、摩擦伝導ベルト31の張力を緩めたり強めたりする形態が考えられる(第4実施形態、図8参照)。

第4実施形態では、第2センサ32aや第2アクチュエータ32cの駆動に必要な電力が、外部から供給される形態であってもよいし、第1回転軸12の回転に基づいて発電する第2発電装置32dや蓄電装置を設けて、当該発電装置や当該蓄電装置から供給される電力で、第2センサ32aや第2アクチュエータ32cを駆動する形態であってもよい。ここでいう第2発電装置32dは、第2センサ32aや第2アクチュエータ32cを駆動するためだけに使用されるため、発電機41に比べて小型のもので良い。

第2発電装置32dが発電する時は、第1回転軸12の回転数が高い時なので、蓄電装置や、第2センサ32aを設けずに、第2発電装置32dで発電した電力に応じて(第1回転軸12の回転状態に応じて)、第2アクチュエータ32bを駆動する(第1回転軸12の回転数が高くて、第2アクチュエータ32cを駆動出来る時だけ、第2アクチュエータ32cを駆動して、ローラー32bを摩擦伝導ベルト31に押しつけて摩擦電動ベルト31の張力を強める)形態であってもよい。

1 風力発電装置 11 風車 12 第1回転軸 13 シャフトカバー 15 軸受け 20 動力伝達部 21 第1プーリー 21a ドライブプーリーフェイス 21b ドライブプーリー 21c 第1ウエイトローラー 21d 第1ローラーガイド部 21e 第1センサ 21f 第1アクチュエータ 31 摩擦伝導ベルト 32a 第2センサ 32b ローラー 32c 第2アクチュエータ 32d 第2発電装置 33 第2プーリー 33a ドリブンプーリーフェイス 33b ドリブンプーリー 33c 第2ウエイトローラー 33d 第2ローラーガイド部 41 発電機 42 第2回転軸 50 土台