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技術 風力発電機の羽根に、自動的に角度を変更できる機構を持たせ、自己起動性の向上と微風時における力の伝達を容易にし、製作が容易な風力発電装置について

出願人 佐貫幸一
発明者 佐貫幸一
出願日 2012年5月30日 (7年1ヶ月経過) 出願番号 2012-137302
公開日 2013年12月12日 (5年7ヶ月経過) 公開番号 2013-249829
状態 未査定
技術分野 風車
主要キーワード 油圧駆動力 バネ常数 ショック吸収 定常回転状態 釣り合い関係 無風状態 運営費 回転軸側
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この項目の情報は公開日時点(2013年12月12日)のものです。
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図面 (10)

課題

風力発電機の特に垂直型風力発電機羽根に、自動的に角度を変更できる機構を持たせ、自己起動性の向上と微風時における力の伝達を容易にし製作が容易な風力発電装置

解決手段

アーム11に設けられた軸受け4及び軸受け5により支持され、回転軸10を中心として回転する複数の羽根1と同心を持つ重り2を軸受け6及び7を介してアーム3により羽根1に連結する。これにより、無風状態では、重り2に生じる重力により、羽根1が回転軸10方向へ引っ張られ、図1の様に風のエネルギ12を有効に利用できる角度に設定される。複数の羽根1が回転方向13の方向へ回転し出すと遠心力により外側に開こうとする力21が発生する。この力と重り2に生じる重力とをバランスさせることにより、羽根1は回転により生じる遠心力に応じた位置に固定される。

概要

背景

概要

風力発電機の特に垂直型風力発電機羽根に、自動的に角度を変更できる機構を持たせ、自己起動性の向上と微風時における力の伝達を容易にし製作が容易な風力発電装置アーム11に設けられた軸受け4及び軸受け5により支持され、回転軸10を中心として回転する複数の羽根1と同心を持つ重り2を軸受け6及び7を介してアーム3により羽根1に連結する。これにより、無風状態では、重り2に生じる重力により、羽根1が回転軸10方向へ引っ張られ、の様に風のエネルギ12を有効に利用できる角度に設定される。複数の羽根1が回転方向13の方向へ回転し出すと遠心力により外側に開こうとする力21が発生する。この力と重り2に生じる重力とをバランスさせることにより、羽根1は回転により生じる遠心力に応じた位置に固定される。

目的

本発明者の意図は、このような現在の状況を考え、羽根の角度を変化させ、風のエネルギを発電に有効に使えるようにエネルギ効率を向上させた維持費建設費が安価である風力発電装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

複数の羽根1の回転中心と同じ中心を持ちハブ9と同期して回転可能な重り2と、軸受け6及び7を介して重り2と複数の羽根1に連結されている複数のアーム3と、このアーム3にそれぞれに連結された複数の羽根1からなる風力発電装置であって、重り2に生じる重力により羽根1のピッチを変更できることを特徴とする風力発電装置。

請求項2

前記アーム3をワイヤー14等に変更し、図5に示すとおり滑車15等を用いて重り2の重力を伝達して、羽根1のピッチを変更できることを特徴とする風力発電装置。

請求項3

請求項1及び2において重り2に生じる重力を利用しているが、この重りをバネ20等で置き換えバネ20等の力を伝達して羽根1のピッチを変更できることを特徴とする風力発電装置。このとき1つのバネ等であっても良いし、複数のバネ等を使用しても良いまた、バネ常数が異なる複数のバネ等を組み合わせたものであっても良い。

請求項4

請求項1及び2において重り2に生じる重力を利用しているが、この重り2を封入された気体液体圧縮する又は膨張することにより発生する力を利用したバネ等の力を伝達して羽根1のピッチを変更できることを特徴とする風力発電装置。

請求項5

請求項1及び請求項3において重り2及びバネ等を同期して回転させず、重り2及びバネ20等に取り付けられているアーム3等およびワイヤー14等がそれぞれに連結された羽根1と同期して回転できるような機構をもたせることにより、重り2に生じる重力またはバネ20等の力を伝達して、羽根1のピッチを変更できることを特徴とする風力発電装置。

技術分野

0001

本発明は風力発電装置に関する。特に、垂直型風力発電機において重力遠心力を利用して羽根の角度を変化させる機構を備えた風力発電装置に関する。

技術背景

0002

風力発電装置は風のエネルギーを利用する装置であり非常に環境に優しい発電装置であるが、風力発電機は特に垂直型風力発電機は起動時において、定常回転をするために必要な風のエネルギより大きな風のエネルギを必要とする特徴があり、従って自己起動性が悪く風のエネルギを有効に使えない欠点がある。また、各種の制御装置を組み込み、自動的に羽根の角度を変化させ、風のエネルギを有効に活用しようとすると維持運営費を含んだ建設費が高価となり、発電によって得られる利益が経済的に見合わなくなる。

発明が解決しようとする課題

そこで維持運営費を含んだ建設費が安価で、風のエネルギ密度が低いところでの発電が容易で発電効率が良く、発電によって得られる利益が経済的に見合う風力発電機が求められている。

0003

本発明者の意図は、このような現在の状況を考え、羽根の角度を変化させ、風のエネルギを発電に有効に使えるようにエネルギ効率を向上させた維持費や建設費が安価である風力発電装置を提供することにある。

問題を解決するための手段

0004

本発明の風力発電装置を図1において説明すると、複数の羽根1の回転中心となる回転軸10と同じ中心を持ちハブ9と同期して回転可能な重り2と、軸受け6及び7を介して重り2と羽根1を連結している複数のアーム3と、このアーム3にそれぞれに連結された複数の羽根1からなる機構とを備え、重り2に生じる重力と羽根1の回転から生じる遠心力との釣り合い関係を利用して、羽根1の角度を変更できることを特徴とするものである。
重り2をアーム3で持ち上げる場合、重り2が上昇するにつれて、アーム3の角度が水平に近づくため、その角度の変化により、重り2を引く力が最初の状態(無風状態)から徐々にその大きさを大きくする必要があるため、羽根1の回転による遠心力応じた、すなわち回転数に応じた位置に固定される。
また、前記アーム3をワイヤー14等に変更し、図5に示すとおり滑車15等を用いて重り2に生じる重力を伝達して、複数の羽根1の角度を変更することもできる。この場合、図8のように回転軸10の形状をテーパ状にしてこれをバネ17等により押されるボール16等で挟みつけることにより抵抗が生じ、羽根1の回転による遠心力応じたすなわち回転数に応じた位置に固定される。
この機構により、羽根1は重り2の位置に準じた角度に自由に変化することができ、無風時は図1のように、最大の風のエネルギーを受けることができような角度の設定され、起動の準備をしており、定常回転をおこなえる風のエネルギを得ることができるようになれば図2の様な角度に変化し、風のエネルギを有効に利用することができるようになる。

0005

なお、遠心力対抗用として重り2ではなく、図4の様にバネ20を使用したり、封入された液体気体圧縮する又は膨張することにより発生する力を利用してもよい。

発明の効果

0006

本発明では、羽根1は重り2の位置に準じた角度に自由に変化することができ、無風時は図1のように、風のエネルギーを最大限生かせることができような角度の設定され、起動の準備をしている。複数の羽根1が回転軸10を中心として、回転方向13の方向へ回転し始めると、遠心力により羽根1に軸受け4及び5を中心として、外側に開こうとする力21が生じ、アーム3を介して重り2を引き上げ図2のような角度に設定され、定常回転をおこなう。これにより風のエネルギーを有効に利用することができる。なお、風の強弱の変化により羽根1が振動するようなことがあれば、アーム3内にダンパを追加するか、図6のようにアーム3とは別に羽根1とハブ9等をダンパ18等で接続するか、軸受け4または軸受け5または軸受け6または軸受け7内にショック吸収機構を設けるか、重り2をガイドする回転軸10にダンパ機能を持たせるかまた、図7の様に回転軸10とは別にダンパ19等を追加するなどの対策を行い、重り2を用いた場合においては重り2が急激な上下運動を起こさないようにするか、バネ20等を用いた場合は急激な伸び縮みを起こさないようにすることにより解決できる。従って、本発明は重り2にかかる重力と羽根1が回転することにより生じる遠心力をバランスさせることにより、スムーズに羽根1の角度を変えることができ、本発明により自己起動性に優れた、安価で製作が容易でかつ、エネルギ効率の良い風力発電装置を実現できる。

実施例

0007

本発明の風力発電装置は、風の比較的弱い場所においても、自己起動性に優れた、風のエネルギーを有効に回転エネルギーに変換する、複数の羽根1の角度を変化する機構を有するものである。このことを図1及び図2を参照して説明する。

0008

図1及び図2は本発明の平面図と正面図である。図1では無風状態にあるときの複数の羽根1の状態を示しており、重り2に働く重力をアーム3を介して複数の羽根1に伝達し、複数の羽根1は風のエネルギーを最大限に回転エネルギーに変換できる角度に設定されている。また、図2は風力発電装置の複数の羽根1が風の力12により、回転軸10を中心として回転方向13の方向へ回転している状態を示しており、複数の羽根1に働く遠心力により、羽根1に軸受け4及び5を中心として、外側に開こうとする力21がアーム3を介して重り2を持ち上げ定常回転をおこなっている状態である。図3は重り2から伸びたアーム3により、全ての羽根1の角度が常に同一に保たれていることを示すもので、点線は無風状態を示し、実線定常回転状態を示す。

0009

上記のように構成された本実施形態の風力発電装置の動作を以下に説明する。

0010

図1のように風車が停止しており、風が吹き始めるのを待っている待機状態では、複数の羽根1は、遠心力対抗用である重り2にかかる重力により、回転軸10の方向へアーム3を介して引っ張られ、風のエネルギーを有効活用できる角度に設定される。

0011

羽根1が風の力12を受けると、回転軸10を中心として複数の羽根1は回転方向13の方向へ回転を始める。これにより、羽根1にはその回転速度に応じて遠心力が発生する。
この遠心力により羽根1に軸受け4及び5を中心として、外側に開こうとする力21が生じる。羽根車の回転速度が上昇すると、この外側に開こうとする力21が、重り2にかかる重力より大きくなる。これにより、軸受け7は、回転軸10から徐々に遠ざかり、図3の点線で示される角度(無風状態)から、実線で示される角度(定常回転状態)へとスムーズに移動する。
また、風の力12が小さくなり、複数の羽根1の回転速度が遅くなってくると、羽根1に発生している外側に開こうとする力21が重り2にかかる重力より小さくなるため、羽根1は上記とは逆の動きとなり、風速が0になると、図3の点線で示される角度(無風状態)に戻る。
このように、回転により生じた遠心力を利用して複数の羽根1を外側に開かせようとする力21と、重り2にかかる重力から生じる複数の羽根1を回転軸側に引き寄せるように作用する力とを対抗するようにアーム3を取り付けることにより、複数の羽根1の回転数に応じて変化する遠心力と、重り2により生じる重力による力をアーム3の水平に対してなす角度により増減する機構により増減された力とがバランスするように、羽根1が外側方向に移動するので、これに応じて羽根1の角度が変化する。

0012

以上のように、本発明の風力発電装置は、外部からの油圧駆動力電気的な駆動力を必要とせずに、複数の羽根1に発生する遠心力を主要な駆動力源として羽根1の角度を変化させることにより、自己起動性の向上とエネルギ効率の向上を図ることにその特徴がある。

0013

また、重り2とハブ9の同期が不安定な場合は、回転軸10の断面を多角形にするか回転軸10とは別に図9に示すとおり、ガイド軸22を設けることにより安定させることができる。

図面の簡単な説明

0014

無風状態における本発明の風力発電の羽根車の状態である。羽根を重りに生じる重力によりアームを介して伝達し、風のエネルギを効率よく受けられるように設定されている。定常回転時における本発明の風力発電の羽根車状態である。羽根に生じる遠心力をアームを介して重りに伝達し、風のエネルギを効率よく受けられるように設定されている。無風状態で風のエネルギを効率よく受けられるように設定されているの羽根の角度を点線で示し、定常回転時における羽根の角度を実線で示してある。遠心力に抵抗する力を重りではなくバネを使用した場合を示している。遠心力をアーム等にて伝達するのではなく、ワイヤー等を使用した場合を示している羽根が振動するのを防ぐためにダンパ等を追加した場合を示している。羽根が振動するのを防ぐためにダンパ等を追加した場合を示している。遠心力をアーム等にて伝達するのではなく、ワイヤー等を使用した場合、回転数により変動する遠心力にバランスする力を得るために、回転軸にテーパを持たせた場合を示している。重りとハブの同期が不安定な場合に確実に同期するように、回転軸とは別にガイド軸を設けた場合を示している。

1、羽根
2、重り
3、アーム
4、軸受け
5、軸受け
6、軸受け
7、軸受け
8、ハブ
9、ハブ
10、回転軸
11、支持アーム
12、風の力
13、回転方向
14、ワイヤー等
15、滑車等
16、ボール等
17、バネ等
18、ダンパ等
19、ダンパ等
20、バネ等
21、外側に開こうとする力
22、ガイド軸

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