JP3756437B2

JP3756437B2 - Wind turbine blade for wind power generation and unit and apparatus using the same

Info

Publication number: JP3756437B2
Application number: JP2001281678A
Authority: JP
Inventors: 一男山▲崎▼
Original assignee: 大本正子
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: JP2002310057A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、風力発電用風車のブレード及びそれを用いたユニット並びに装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クリーンエネルギーを利用した発電方法として風力発電が実施されている。風力発電は、通常、海岸あるいは丘陵地帯などの比較的強い風が安定して吹く場所にブレード（風車）と発電機からなる発電素子を設置し、ブレードの回転を入力軸に伝えて発電機を回す。
風力発電に使用されるブレードには、プロペラ形、多翼形、セイルウィング形等の風車の回転軸が風の吹く方向に対して並行に配置される水平軸風車と、パドル形、サボニウス形、ダリウス形等の風車の回転軸が風の吹く方向に対して垂直に配置される垂直軸風車とに分類される。また、周速比（ブレードの周速度／風速）の高いプロペラ形、ダリウス形等の風車と、周速比の低いサボニウス形、多翼形等の風車とに分類することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
水平軸風車、特にプロペラ形風車では、高い回転数が得られるという利点を有する反面、風車の回転面を風向きに合わせる手段（例えば、尾翼を取り付ける等）が必要になる。さらに、起動性が低い（低い風速では回転しない）という欠点を有する。
また、周速比の高いプロペラ形、ダリウス形等の風車は、変換効率が比較的高い反面、風切り音が高く、ブレードの捩じり等において高い工作精度が要求される。一方、周速比の低いサボニウス形、多翼形等の風車は、風切り音が比較的低いが、周速比が低いため、利用可能な高い変換効率（風速を回転トルクに変換する効率）を得ることが難しい。
【０００４】
上記した風車の欠点等のために、風力発電を実施するにあたって様々な制約があった。例えば、必要な平均風速が得られる場所であっても、ブレードの風切り音が問題になったり風車の設置あるいはメンテナンスに困難を伴なったりする。風力発電は、クリーンエネルギーの利用の点から注目されているが、その普及は未だ目ざましいものではない。
【０００５】
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、静音性および微風下での変換効率および起動性に優れた風力発電用風車のブレードを提供するとともに、設置する際の自由度の高い風力発電ユニット並びに風力発電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、中空円筒体をその軸線に沿って所定の中心角で縦割りにしてなる２つの円弧状湾曲板と、各湾曲板の円弧状両端を閉じかつ２つの湾曲板を軸を対称に結合してなる一対の支持板とからなる風力発電用風車のブレードであって、支持板は、両湾曲板の円弧の弦が互いに平行で、かつ弦の幅の一部だけ両円弧の内側が互いに対向するよう両湾曲板を支持するとともに前記軸を通る回転軸を支持し、前記所定の中心角が１４０°〜１５５°である風力発電用風車のブレードと、前記支持板の少なくとも一方に接続された発電機とからなる発電素子と、
少なくとも１つの前記発電素子を一平面内に縦および／または横方向に配列固定するフレームと
からなり、前記発電機の入力軸が、ブレードの回転軸と同軸に設置され、前記支持板またはフレームに固定され、かつ入力軸の先端に発電機側から見てブレードの回転方向と逆方向にねじきりされたねじ部を有し、ねじ締結部材を介して前記一方の支持板に固定されたことを特徴とする風力発電ユニットを提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明のブレードは、基本となる単位発電量を出力可能な小型のブレードと発電機の結合からなる発電素子を構成し、この発電素子を任意の数量だけ集合させてなる集合型の風力発電装置を構成することを意図して設計されている。このような集合型の風力発電装置は、以下のような利点を有する。
【０００８】
（１）発電量は単位発電量×発電素子の数で求められるので、所望する発電量を得るためには、発電素子の数と設置場所に適した集合形態を決定するだけでよい。したがって、大型のブレードと発電機を所望する発電量に応じて一から設計する労力および時間が節約される。また、発電が各発電素子に分担されるので、一部の発電素子が損傷してもただちに発電不能になることがなく、発電量のわずかな低下で済む。
（２）小型のブレードと発電機を用いることにより、発電素子の製造および加工が容易になり大量生産に適する。また、風車を設置する際の現場への搬入や現場での組み立てが容易になる。
（３）発電素子の集合形態を風車を設置する現場の状況（設置可能面積、周囲の構造物の存在等）に合わせて自在に変えられるので、風車を設置する際の従来の様々な制約が緩和され、風車の普及が促進される。
【０００９】
この発明のブレードは、以下のような利点を有する。
（１）微風下での起動性に優れる。つまり、微風、例えば、０．３〜１ｍ／ｓ程度の風速で起動することである。
（２）風車を設置する際の現場への搬入や現場での組み立てが容易になる。つまり、小型のブレードと、それによってブレードの厚みを薄くして製造、取扱あるいは車両等への積載を考慮した搬送が容易になる。
【００１０】
この発明のブレードは、さらに、以下のような条件で構成されている。
すなわち、対向する弦の幅の一部が、弦の長さの１８〜２５％であり、両弦の距離が、弦の長さの５〜８％である。これは、実験的に見出されたものである。ブレードの大きさは、回転直径１００〜４００ｍｍ、高さ１５０〜２５００ｍｍ程度のものが好ましい。これは、３ｍ／ｓ前後の風速を設定条件とした場合である。ブレードの回転直径と回転数は反比例の関係にあり、ブレードの軸方向の長さはトルクに比例する。したがって、平均風速や発電機の仕様などに応じて、これらのサイズを調整すればよい。
【００１１】
この発明のブレードは、起動性を高めるため、軽量な材料で構成されることが好ましい。
したがって、樹脂あるいは軽金属を材料とする成形品が好ましい。樹脂材料としては、ポリカーボネイト、ポリプロピレン、ＦＲＰあるいはポリ塩化ビニルが挙げられ、特に、耐候性に優れたポリカーボネイトが好ましい。軽金属材料としては、厚さ０．２〜１．２ｍｍ程度のアルミニウム板が好ましい。
【００１２】
この発明の風力発電装置は、複数の発電素子を一平面内に縦および／または横方向に配列固定するフレームを備え、各発電素子が、前記したブレードと、前記ブレードの一方の支持板に接続された発電機とからなる風力発電ユニットを単位とし、複数単位を集合させてなる風力発電装置を構成する。
複数の風力発電ユニットは、少なくとも１つの大フレームを備え、大フレームが前記風力発電ユニットを支持するのが好ましい。
【００１３】
前記フレームに対するブレードおよび発電機の取り付けの具体的な形態について例示する。
この発明において、ブレードは他方の支持板から突出する支持軸を備え、フレームが支持軸を軸支する軸受けを具備してなるのが好ましい。このような軸受けは、フレームに穿設された孔部と、孔部に嵌入された樹脂製ブッシングとからなるものが例示される。
支持軸は、その先端に発電機側から見てブレードの回転方向と同方向にねじきりされたねじ部を有し、ねじ締結部材によって前記他方の支持板に固定されてなるのが好ましい。
【００１４】
発電機の入力軸は、ブレードと同軸に設置され、ブレードの支持板またはフレームに固定することができる。
発電機の入力軸をブレードの支持板に固定する場合は、発電機の入力軸が、その先端に発電機側から見てブレードの回転方向と逆方向にねじきりされたねじ部を有し、ねじ締結部材によって前記一方の支持板に固定されてなる。
このような取り付け構造は、少ない部品数および簡単な構造を有して、ブレードの芯振れがないように、発電機の入力軸にブレードを回転可能に接続することができる。
発電機の入力軸にブレードを回転可能に吊り下げるため、発電機は入力軸を支持するスラスト軸受けを有することが好ましい。
【００１５】
発電機の入力軸をフレームに固定する場合、発電機の入力軸は、一端がフレームに固定され、他端がコイルを有し、前記コイルは、発電機ケース内に固定された磁石によって発生する磁束を横切るように前記発電機ケース内に収容され、発電機ケースが前記ブレードの少なくとも一方の支持板に固定されてなる構成が挙げられる。
このような取り付け構造では、ブレードの支持板が発電機ケースに固定されるので、発電機の入力軸の芯出しが容易になる。したがって、ブレードの芯振れがないように、発電素子をフレームに接続することができる。さらに、発電機の入力軸が重力方向を向くように発電素子をフレームに支持すれば、入力軸が固定され発電機のケースがブレードとともに回転することになるので、磁石を回転させコイルに発生する電流を入力軸から取り出すアウターローター型の発電機を構成することができる。したがって、回転子のトルクロスを抑えることができ、またフレームに対する発電素子の支持構造が簡略化される。
【００１６】
フレームは、ブレードの回転方向が互いに異なる発電素子を支持することができる。これにより隣接する周囲のブレードに対する風の影響を様々に制御することができる。
複数の発電素子は、それぞれのブレードの回転軸が平行になるように横方向にフレームに配列固定され、前記フレーム内で互いに隣接するブレードどうしは、それぞれの回転方向が互いに逆になるように配列固定されるので、各ブレードに衝突した風がさらに気流となって後方に抜ける際に、隣接する各ブレードによって生じる気流どうしの干渉を防止することができる。したがって、各ブレードの回転が妨げられないので、発電効率がさらに高まる。
【００１７】
この発明では、前記した風力発電装置を建築物の最上部または車道の近傍に配置することが好ましい。この発明の風力発電装置は、風が吹き抜ける場所に設置されることが好ましく、壁面等の風を遮る構造物に隣接して配置すると発電量は低下する。また、ビルの谷間を吹き抜けるビル風を利用することができる。
【００１８】
この発明によれば、前記した発電素子の少なくとも１つと、前記発電素子を受風可能に支持する支柱と、前記発電素子によって得られた電力を蓄電する蓄電部と、蓄電部に蓄電された電力によって点灯される電灯とからなる照明装置が提供される。
このような照明装置は、支持部に取り付けられた光センサと、光センサによって検知される光量に応じて蓄電部に蓄電された電力を電灯に供給する点灯制御回路とをさらに備えることにより、照明装置の周囲の明るさ（暗さ）に応じて自動的に点灯や消灯が制御される街灯、室内灯などの各種の照明手段に用いることができる。
さらに太陽電池モジュールを具備すれば、太陽電池モジュールによって得られた電力を、風力発電素子によって得られた電力とともに蓄電部に蓄電することができる。また、太陽電池モジュールの出力電圧に基づいて電灯の点灯を制御する光センサとして用いることもできる。
【００１９】
この発明に用いられる発電機について説明する。
風車用の発電機の特性として特に次の点が求められる。
（１）低い回転数で高い出力電圧が得られること。
（２）起動トルクが小さいこと。
低回転数で高出力電圧が得られるということは、弱い風でも発電が可能になるということである。これは、発電機を構成する磁石や鉄芯の性能、巻線仕様により決定される。
起動トルクが小さいということは、弱い風でも発電機が起動できるということである。この点から、直流発電機は整流子の摩擦による起動トルクが比較的大きいため、交流発電機を用いることが好ましい。また、交流発電機は整流子を持たないためメンテナンスもほとんど必要としない点からも有利である。
【００２０】
しかし、交流発電機においても、電機子鉄心と回転子の界磁とが回転位置によっては引き合って、いわゆる磁気トルクが生じるため、これを小さくする必要がある。
この磁気トルクの最も小さい発電機はタコメータ用のコアレスジェネレータであるが、これは電機子コイルが鉄心に巻かれていないため、出力電流をほとんど得ることができない。
【００２１】
従って、この発明に用いる交流発電機は電機子コイルを巻回する鉄心量や電機子鉄心と回転子とのギャップなどを調整し、磁気トルクを最小限に抑制しながら、効率よく電流出力を得ることができるように構成される。つまり、交流発電機は、出力電流が大きくなると出力電圧がある程度低下する、いわゆる垂下特性を有するものとなる。この特性は、複数の交流発電機の出力を整流して並列接続する場合に、電圧を平衡させるのに有効である。
また、磁気トルクを回転角に対して分散させるために、電機子および回転子の極数は多い方が好ましい。
また、発電機の相数は直流に整流した場合の波形率の点から多い方が好ましく、単相よりも３相のものが選択される。
【００２２】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明するが、これらによってこの発明は限定されるものではない。
〔実施例１〕
この発明の風力発電用風車のブレード及びそれを用いた風力発電装置並びに風力発電ユニットの具体的な構成例を、図面を参照して説明する。
図１において、風力発電ユニット１００は、ブレード１０と発電機２０の結合からなる発電素子５０（図５）と、発電素子５０を所定数取り付ける小フレーム３０とからなる。この例では、発電ユニット１００が、５つの発電素子５０を横１列に配列してなる。このような発電ユニット１００は、さらに、後記のように、小フレーム３０を複数取り付け可能な大フレームに固定されて風力発電装置を形成する。
【００２３】
ブレード１０の詳細を、図２および図３を用いて説明する。図２はブレード１０の正面図、図３は図２のIII −III 断面図である。
ブレード１０は、円筒体をその軸線に沿って所定の中心角で縦割りにしてなる２つの湾曲板１と、各湾曲板の円弧状両端を閉じかつ２つの湾曲板を結合してなる一対の支持板２とからなる。
湾曲板１は、０．４ｍｍの板厚を有する矩形のアルミニウム板を長辺と平行な軸で円弧状にロール成形してなり、それぞれが略同形同寸の円弧を有する。
【００２４】
支持板２は、１．０ｍｍの板厚を有するアルミニウム板を、対向する二辺の一方が平行な直線、他方が円弧状曲線となるようそれぞれが成形されてなり、両湾曲板１の各円弧状端部１１に互いに平行に配設される。支持板２は、両湾曲板１の円弧の弦が互いに平行で、かつ弦の幅の一部だけ両円弧の内側が互いに対向するよう両湾曲板１を軸対称位置に支持する。各支持板２には、軸心が通る軸孔１２が形成される。なお、この例では、ブレード１０の回転直径（図２における幅）は２００ｍｍ、ブレード１０の高さは３００ｍｍである。
【００２５】
湾曲板１の形状および支持板２上における両湾曲板１の位置関係を図４を用いて説明する。
図４に示すように、軸対称位置に配置された湾曲板１の中心角θはそれぞれ１４８°であり、両湾曲板１の円弧の端点を結んでなる弦Ｃは互いに平行となる。弦Ｃの長さの１９％の幅ｗを有して両湾曲板１が各弦Ｃの一部で互いに向き合い、かつ互いに向き合う弦Ｃがその長さの７．５％の距離ｄで隔てられた位置に配置される。
【００２６】
次に、小フレーム３０および小フレーム３０に対するブレード１０、発電機２０の取り付けについて図１および図５を参照しながら説明する。
図１に示すように、小フレーム３０は等辺Ｌ型鋼を溶接して一平面上に展開した取り付けフレームからなる。
図５に示すように、発電機２０は、入力軸２１の先端２１ａが重力方向に突出して小フレーム３０の横材３０ａに穿設された孔部３１を貫通するよう、ブラケット３２を介して前記横材３０ａにビス止めされる。入力軸２１の先端２１ａには、図３に矢印で示した、発電機２０側から見てブレード１０の回転方向と逆方向にねじきりされたねじ部２２が形成される。支持板２の軸孔１２ａを貫通したビス２３（ねじ締結部材）がねじ部２２に螺合されて発電機２０とブレード１０はビス２３の締結方向に接続される。
【００２７】
ブレード１０の下部には、図３に矢印で示した、発電機２０側から見てブレード１０の回転方向と同方向にねじきりされたねじ部２４を基端に有する支持軸２５が取り付けられる。支持板２の軸孔１２ｂを貫通したビス２６（ねじ締結部材）がねじ部２４に螺合することによって支持軸２５とブレード１０はビス２６の締結方向に接続される。支持軸２５は、先端２５ａが重力方向に突出して横材３０ｂに穿設された孔部３３を貫通する。孔部３３にはナイロン製ブッシング３５が嵌入される。ブッシング３５は、ブッシング３５を貫通して下方に突出した支持軸２５のラジアル軸受け部を形成する。
【００２８】
次に、発電機２０について図６を参照しながら説明する。
この例では、発電機２０に、低い回転数で高い出力電圧が得られ、起動トルクが小さい３相交流発電機が用いられる。
図６は、この実施例の電気的な出力回路を示す。
【００２９】
図６において、５台の３相交流発電機２０の交流出力電圧は、それぞれ３相全波整流ブリッジＲにより整流される。各整流ブリッジＲの直流出力電圧は結合コンデンサＣを介して直列接続され、加算された直流電圧Ｖｏとして出力される。なお、ブリッジＲはダイオードによって構成されるが、整流損失を少なくするためダイオードには順電圧降下の小さいものを用いる。
【００３０】
この実施例では、１つの発電機２０は、風速３m/sec のとき300rpmで回転し、直流出力電流０．３３Ａに対して６Ｖの直流電圧、つまり２Ｗの電力が得られるようになっている。また、整流後の出力電流／電圧特性は、１８．２Ｖ／Ａの垂下特性を有している。従って、図６に示す５台の発電機２０からは、風速３m/sec に対して３０Ｖ、１０Ｗの出力が得られることになる。
【００３１】
さらに、図６のように５台の発電機２０の出力を整流して得られる直流出力回路は、例えば10個が並列接続されると、風速３m/sec のときに合計100 Ｗ（発電機約５０台分）の出力が得られる。
【００３２】
ここで、風速の違いや出力特性のバラツキなどにより、各発電機２０の出力電圧に多少の差が生じても、前記のように発電機２０の出力は、電流―電圧特性が適度な垂下特性を有するので、並列接続された各直流出力回路は各出力電流を調整して互いの出力電圧を同じ電圧に平衡させることができる。
【００３３】
このようにして得られる直流電力を、例えばバッテリーに一旦蓄え、必要に応じて負荷に供給するようにしてもよいし、インバータによって100/200 Ｖ、50/60Hz の交流電力に変換し、電力会社へ販売するようにしてもよい。
なお、図６に示す発電機２０の台数、および並列接続される直流出力回路の個数は任意であり、電力を供給する対象の仕様に応じて決定すればよい。
【００３４】
図７は、小フレーム３０に対するブレード１０、発電機２０の取り付けの他の実施の形態を例示する。
図５を参照して説明した取り付け方法では、ブラケット３２を介して発電機２０を小フレーム３０に取り付けたが、この例では、取り付けねじ部２０ａが形成された発電機２０が、小フレーム３０の横材３０ａを貫通してねじ部２０ａに螺合するビス２８によって小フレーム３０に取り付けられる。発電機２０と横材３０ａの間には、クッション材３８を配設するのが好ましい。
【００３５】
発電ユニット１００は、図８に示すように、小フレーム３０を複数取り付け可能な大フレーム４０に固定されて風力発電装置２００を形成する。大フレーム４０は、小フレーム３０と同様に等辺Ｌ型鋼を溶接して一平面上に展開した取り付けフレームからなり、発電ユニット１００を縦横に配列することができる。
大フレーム４０の縦材４０ａには、各段の発電ユニット１００の下部両端を支持するブラケット４１が配設される（各片側のみを図示する）。さらに大フレーム４０は図示しない脚材と大フレーム４０の上部から設置面に張り渡されるワイヤーで支持固定される。
【００３６】
なお、前記の例では、発電素子５０を横一列に配列した発電ユニット１００を示したが、１つの発電ユニットを構成する発電素子５０の縦横の配列数および配列方向に限定はなく自由に設定できる。
例えば、図９に示すように、発電素子５０を縦一列に配列した発電ユニット１５０が構成できる。
これらの発電ユニット１００，１５０は、さらに設置現場の状況に応じて縦横に組むことができる。例えば、図１０および図１１に示すように、複数の発電ユニットを１つまたは複数の大フレーム４０に取り付けて固定することができる。図１０では、発電ユニット１５０を横一列に１０こ配列した風力発電装置２１０が形成され、図１１では、発電ユニット１００を縦一列に１０こ配列した風力発電装置２２０が形成される。
【００３７】
〔実施例２〕
図１２は前記の発電素子７０の正面図であり、図１３はその底面図である。
前記の実施例１では、発電機２０の入力軸２１とブレード１０の上部支持板２を接続する構成であったが、実施例２は、発電機６０のケースとブレード１０の下部支持板２を接続する構成とした点で実施例１と異なる。
図１２および図１３に示すように、発電素子７０は、ブレード１０と、上部支持板２に固定された支持軸２５と、下部支持板２に取り付けられた発電機６０とから主に構成される。
発電機６０の入力軸６１には、ボス５と、ボス孔に挿入された入力軸６１を、ボス孔と直交する方向に形成されたねじ孔に挿入される締結部材６とが接続されている。ボス５は、例えば、図５に示した小フレーム３０の横材３０ａに固定されて、発電素子７０の下部を支持する。
発電機６０は、円筒状のカバー６７を介して下部支持板２に固定されている。
【００３８】
図１４は図１２の要部縦断面図であり、図１５は図１４のIV−IV断面図である。
図１４および図１５に示すように、発電機６０は、入力軸６１と、入力軸６１に対して直角に、かつ回転不能に取り付けられたディスク６２と、ディスク６２の外周部分に同心に捲回されたコイル６３と、磁石６４が内部に配列固定された円筒状の発電機ケース６５とからなる三相交流発電機として構成される。
磁石６４は、複数の偏平な円柱状のネオジウム磁石からなり、発電機ケース６５の上下のケース板６５ａ、６５ｂの各内側にそれぞれが環状に配列固定される。上下のケース板６５ａ、６５ｂに取り付けられた上下の磁石６４は、コイル６３が横切るギャップを介して共軸で対向配置されている。
【００３９】
入力軸６１は、発電機ケース６５の上下のケース板６５ａ、６５ｂの各外側にそれぞれ配設された、ラジアルボールベアリングからなる軸受け６６によって発電機ケース６５に対して回転可能に支持されている。
コイル６３は、各磁石６４対の間に発生する磁束を横切るようにディスク６２に取り付けられ、入力軸６１が発電機ケース６５に対して相対回転するとき、コイル６３に発生した電流が、コイル６３から延出したリード線（図示しない）で外部に取り出される。このリード線は、入力軸６１の軸線に沿って穿設された孔部６１ａを通って外部の回路部に接続される。
【００４０】
カバー６７は上部ケース板６５ａより大径の底板６７ａを有し、底板６７ａの中心部には軸受け６６の貫通孔６７ｂを有する。底板６７ａと下部支持板２がリベット６８によって接合されることにより、カバー６７はブレード１０に固定される。さらに、底板６７ａに上部ケース板６５ａが接着される。
カバー６７は、発電機ケース６５との接着面積を確保し、発電機６０の防水性を高める。
【００４１】
図１６は、複数の発電素子７０を前記の小フレーム３０（図１および図５）に取り付けてなる発電ユニット７５の正面図である。
図中のＡ部では、図１２に示したように、小フレーム３０の下側の横材３０ａに取り付けられた前記のボス５に発電機６０の入力軸６１が挿入されることにより、発電素子７０の下部が小フレーム３０に回転可能に支持される。
図中のＢ部では、図５に示したように、小フレーム３０の上側の横材３０ｂに取り付けられたブッシング３３に、ブレード１０の支持軸２５が挿入されることにより、発電素子７０の上部が小フレーム３０に回転可能に支持される。
【００４２】
図１７は、図１６の平面図である。
図１７に示すように、複数の発電素子７０は、それぞれのブレード１０の回転軸が互いに平行になるように小フレーム３０に横方向に配列固定され、小フレーム３０内で互いに隣接するブレード１０どうしは、図中上側の矢印で示すように、それぞれの回転方向が互いに逆になるように配列固定されている。このような発電素子７０の配列により、図中下側の矢印で示す方向から吹く風が各ブレード１０に衝突し、さらに気流となって後方に抜ける際に、隣接する各ブレード１０によって生じる気流どうしの干渉を防止することができる。
【００４３】
上記したように、発電機ケース６５をブレード１０に固定して一体とし、入力軸６１を固定して磁石６４を回転させるアウターローターとすることにより、構造を簡略化し、回転体のトルクロスを抑えることができる。
【００４４】
なお、実施例２における他の実施の形態として、図１６中のＢ部を、Ａ部と同様に、小フレーム３０の上側の横材３０ｂに取り付けられたボス５に発電機６０の入力軸６１が挿入して発電素子を小フレーム３０に支持する構成とすることができる。このような構成では、ブレード１０の上下両端の支持板２に発電機６０がそれぞれ取り付けられることになるが、ブレード１０が受ける風速が高い場合には、１つのブレード１０の回転により２倍の出力を得ることができる。また、ブレード１０が受ける風速が低い場合には、１つの発電機６０だけでは不足する出力を補うことができる。
【００４５】
〔実施例３〕
図１８は前記の発電素子７０を用いて構成された照明装置としての街灯の正面図であり、図１９は図１８のＶ−Ｖ断面図である。
図１８および図１９に示すように、街灯８は、複数の発電素子７０と、これらの発電素子７０を覆う籠体８１と、各発電素子７０の各ブレード１０が受風できるように各発電素子７０を支持する支柱８２と、支柱８２に吊るされた電灯８３と、支柱８２の内部に配設された回路部９とから主に構成される。
【００４６】
図１９に示すように、籠体８１の内側には、回転方向が同一になるように構成された４つの発電素子７０が、十字状のブラケット８５を介して略同一高さで環状に支持されている。各発電素子７０の上部は、図５に示したように、ブレード１０の上部支持板２に取り付けられた支持軸２５が、ブラケット８５に取り付けられたブッシング３５に支持される。各発電素子７０の下部は、図１６に示したように、ブレード１０の下部支持板２に発電機６０が取り付けられ、重力方向を向いた入力軸６１が、ブラケット８５に取り付けられたボス５に支持される。
【００４７】
この例では、各発電素子７０の各ブレード１０の回転直径（図２における幅）が３５０ｍｍ、ブレード１０の高さが７００ｍｍである。また、電灯８３は、１５Ｗの丸型蛍光ランプで構成され、後記する回路部９の蓄電池から供給される電力によって点灯される。
【００４８】
なお、ブラケット８５の上部には、図中の破線で示したように、パネル状の太陽電池モジュール８６を取り付けることができる。
太陽電池モジュール８６を付加することにより、太陽電池モジュール８６によって得られた電力を、発電素子７０によって得られた電力とともに後記の蓄電部に蓄電することができるし、太陽電池モジュール８６の出力電圧に基づいて電灯８３の点灯を制御する光センサとして用いることもできる。また、発電素子７０の上方を覆って発電素子７０の防水性を高める被覆部材となる。
【００４９】
図２０は、街灯８の回路部９の構成を示すブロック図である。なお、この回路部８４は、街灯８に上記の太陽電池モジュール８６が付加された場合を示す。
図２０において、回路部９には、発電素子７０によって得られた電力を蓄電する蓄電池（蓄電部）９３が接続されている。また、太陽電池モジュール８６は、太陽光等の受光により、約６〜９Ｖの直流電圧を発生し、１．２〜１．８Ｗ程度の電力が得られるようになっている。
４つの発電素子７０の交流出力電圧は、三相交流整流回路９０において、しきい電圧０．３８Ｖのショットキーバリアダイオードで全波整流される。
明暗信号発生回路９１は、太陽電池モジュール８６の出力電圧の変化によって日没を検出し、この結果を明暗信号としてワンチップマイコン９２に送る。
なお、太陽電池モジュール８６の代わりに、Ｃｄｓ等の光電変換素子を日没を検出する光センサとして用いることもできる。
【００５０】
ワンチップマイコン９２は、予め設定されたプログラムに基づいて蓄電池９３の常時監視および電灯８３の点灯制御を行う。
ＡＤコンバータ９４は、定電圧電源９５の出力電圧および蓄電池９３の端子電圧をそれぞれデジタル化してワンチップマイコン９２に常時入力している。
ＦＥＴ第１スイッチ９６は、蓄電池９３の充電電圧の定電圧化およびワンチップマイコン９２からの制御信号で蓄電池９３の過充電を監視し、充電電流のＰＷＭ制御を行う。
ＦＥＴ第２スイッチ９７は、電灯８３の点灯制御と、蓄電池９３の過放電を防止するために出力の制限を行う。
【００５１】
ワンチップマイコン９２が明暗信号発生回路９１から明暗信号を受信すると、ワンチップマイコン９２が有する点灯タイマーが計時を開始する。点灯タイマーによる計時時間が予め設定された点灯時間を超えると、ＦＥＴ第２スイッチ９７を介して蓄電池９３からの電力供給を停止させる。
同時に、リセット信号発生回路９８がワンチップマイコン９２における明暗信号および点灯タイマーのリセットを行う。
なお、ワンチップマイコン９２による制御動作は、回路部９に接続されたＬＥＤモニタ９９によって確認できる。
【００５２】
上記の回路部９を有する街灯８では、発電素子７０のブレード１０が風速４〜５ｍ／秒の風を受けて180 ｒｐｍで回転するとき、直流出力電流０．２Ａに対して２４．１Ｖの直流電圧、つまり約５Ｗの電力が得られるようになっている。
なお、上記の実施例では、点灯タイマーによって電灯８３の消灯を決定したが、太陽電池モジュール８６の出力電圧の変化によって日の出を検出し、この結果を明暗信号としてワンチップマイコン９２に送ることによって消灯を行う構成とすることができる。
【００５３】
実施例３の街灯８は、街中における３ｍ／秒程度の比較的低い風速で発電可能な発電素子７０を用いて十分な光量を提供することができる。
また、街灯８に対する送電が不要であるため、街灯の設置に要するコストを大幅に下げることができる。
【００５４】
【発明の効果】
この発明によれば、静音性および微風下での変換効率および起動性に優れた風力発電用風車のブレードが提供される。また、設置する際の自由度の高い風力発電ユニット並びに風力発電装置が提供される。
この発明のブレードを用いたユニット並びに装置は、発電素子の数と設置場所に適した集合形態を決定するだけで所望する発電量を得る設計ができる。したがって、大型のブレードと発電機を所望する発電量に応じて一から設計する労力および時間が節約される。また、発電が各発電素子に分担されるので、一部の発電素子が損傷してもただちに発電不能になることがない。
【００５５】
また、小型のブレードと発電機を用いることにより、部材の製造および加工が容易になり大量生産に適する。また、風車を設置する際の現場への搬入や現場での組み立てが容易になる。
さらに、発電素子の集合形態を風車を設置する現場の状況（設置可能面積、周囲の構造物の存在等）に合わせて自在に変えられるので、風車を設置する際の従来の様々な制約が緩和され、風車の普及が促進される。
【００５６】
発電素子を照明装置に用いることにより、街中における３ｍ／秒程度の比較的低い風速で発電し、必要に応じて十分な光量を提供することができる。このような照明装置では、照明装置に対する送電が不要であるため、設置に要するコストを大幅に下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の風力発電ユニットの正面図である。
【図２】図１のユニットを構成するブレードの正面図である。
【図３】図２のブレードのIII −III 線断面図である。
【図４】ブレードの配置位置の関係を説明する図である。
【図５】フレームに対するブレードおよび発電機の取り付けを説明する正面図である。
【図６】図１のユニットにおける電気的な出力回路を示す。
【図７】この発明のさらに他の実施形態によるフレームに対するブレードおよび発電機の取り付け方法を説明する正面図である。
【図８】図１のユニットを集合してなる風力発電装置の正面図である。
【図９】この発明の他の実施形態による風力発電ユニットの正面図である。
【図１０】この発明の風力発電ユニットを集合してなる他の実施形態による風力発電装置の正面図である。
【図１１】この発明の風力発電ユニットを集合してなる他の実施形態による風力発電装置の正面図である。
【図１２】他の実施の形態による発電素子の正面図である。
【図１３】図１３の発電素子の底面図である。
【図１４】図１２の発電機６０の正面断面図である。
【図１５】図１４の発電機６０のIV−IV線断面図である。
【図１６】他の実施の形態による発電ユニットの正面図である。
【図１７】図１６の発電ユニットの平面図である。
【図１８】図１２の発電素子７０を用いて構成された照明装置としての街灯の正面図である。
【図１９】図１８の街灯のＶ−Ｖ線断面図である。
【図２０】図１８の街灯の回路部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１湾曲板
２支持板
８街灯
１０ブレード
１１円弧状端部
２０発電機
３０小フレーム
４０大フレーム
５０発電素子
６０発電機
６１入力軸
６３コイル
６４磁石
６５発電機ケース
７０発電素子
１００発電ユニット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wind turbine blade for wind power generation, a unit and an apparatus using the blade.
[0002]
[Prior art]
Wind power generation has been implemented as a power generation method using clean energy. In wind power generation, a generator element consisting of a blade (windmill) and a generator is usually installed at a place where relatively strong winds blow stably, such as on the coast or in a hilly area, and the rotation of the blade is transmitted to the input shaft and the generator is operated. turn.
For blades used for wind power generation, propeller type, multi-blade type, sail wing type, etc., horizontal axis wind turbine in which the rotation axis of wind turbine is arranged in parallel to the direction of wind, paddle type, Savonius type, It is classified into a vertical axis wind turbine in which the rotation axis of a Darrieus-type wind turbine is arranged perpendicularly to the wind blowing direction. Moreover, it can classify | categorize into windmills, such as a propeller type and Darrieus type, with a high peripheral speed ratio (blade peripheral speed / wind speed), and Savonius type, a multi-blade type windmill, etc. with a low peripheral speed ratio.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
A horizontal axis wind turbine, particularly a propeller-type wind turbine, has an advantage that a high rotational speed can be obtained, but on the other hand, means for aligning the rotation surface of the wind turbine with the wind direction (for example, attaching a tail blade) is required. Furthermore, there is a drawback that the startability is low (it does not rotate at a low wind speed).
Moreover, propeller type and Darrieus type wind turbines having a high peripheral speed ratio have a relatively high conversion efficiency, but have high wind noise and require high machining accuracy in blade twisting and the like. On the other hand, Savonius type and multi-blade type wind turbines with low peripheral speed ratio have relatively low wind noise, but the peripheral speed ratio is low, so high conversion efficiency (efficiency for converting wind speed into rotational torque) is available. Difficult to get.
[0004]
Due to the above-mentioned drawbacks of wind turbines, there were various restrictions in implementing wind power generation. For example, even in a place where a necessary average wind speed can be obtained, wind noise of the blade becomes a problem, and it is difficult to install or maintain the windmill. Wind power generation is attracting attention in terms of the use of clean energy, but its spread is not yet remarkable.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a blade for a wind turbine for wind power generation that is excellent in quietness, conversion efficiency under a breeze and startability, and has a high degree of freedom in installation. It aims at providing a high wind power generation unit and a wind power generator.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, two arcuate curved plates obtained by vertically dividing a hollow cylindrical body at a predetermined central angle along its axis, and the arcuate ends of each curved plate are closed and the two curved plates are pivoted. It consists of a pair of support plates that are connected symmetrically.A wind turbine blade for wind power generation,The support plate supports the two curved plates so that the arc strings of the two curved plates are parallel to each other, and the insides of both arcs face each other by a part of the width of the string, and supports the rotating shaft passing through the axis, The predetermined center angle is 140 ° to 155 °.A power generation element comprising a blade of a wind turbine for wind power generation, and a generator connected to at least one of the support plates;
A frame for arranging and fixing at least one of the power generation elements in a vertical and / or horizontal direction in one plane;
The input shaft of the generator is installed coaxially with the rotation shaft of the blade, is fixed to the support plate or the frame, and is opposite to the rotation direction of the blade when viewed from the generator side at the tip of the input shaft. A wind power generation unit having a screwed screw portion and fixed to the one support plate through a screw fastening memberprovide.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The blade according to the present invention is a collective wind power generator configured by forming a power generation element composed of a combination of a small blade capable of outputting a basic unit power generation amount and a generator, and assembling an arbitrary number of the power generation elements. Designed with the intention of composing. Such a collective wind power generator has the following advantages.
[0008]
(1) Since the power generation amount is obtained by the unit power generation amount × the number of power generation elements, in order to obtain a desired power generation amount, it is only necessary to determine a collective form suitable for the number of power generation elements and the installation location. Therefore, labor and time for designing a large blade and a generator from the start according to a desired power generation amount are saved. In addition, since power generation is shared by each power generation element, even if some power generation elements are damaged, power generation is not immediately disabled, and a slight decrease in power generation is sufficient.
(2) By using a small blade and a generator, manufacturing and processing of the power generation element are facilitated and suitable for mass production. In addition, it is easy to carry in and assemble at the site when installing the windmill.
(3) Since the collective form of the power generation elements can be freely changed according to the situation of the site where the windmill is installed (installable area, presence of surrounding structures, etc.), there are various conventional restrictions when installing the windmill. Mitigation will promote the spread of windmills.
[0009]
The blade of the present invention has the following advantages.
(1) Excellent startability under a slight wind. That is, it is to start with a slight wind, for example, a wind speed of about 0.3 to 1 m / s.
(2) It becomes easy to carry in and assemble at the site when installing the windmill. That is, a small blade and the thickness of the blade can be reduced to facilitate manufacture, handling, or conveyance in consideration of loading on a vehicle or the like.
[0010]
The blade of the present invention is further configured under the following conditions.
That is, a part of the width of the opposing strings is 18 to 25% of the length of the strings, and the distance between the two strings is 5 to 8% of the length of the strings. This has been found experimentally. The blade preferably has a rotation diameter of 100 to 400 mm and a height of about 150 to 2500 mm. This is a case where the wind speed around 3 m / s is set as the setting condition. The rotational diameter of the blade and the rotational speed are in an inversely proportional relationship, and the axial length of the blade is proportional to the torque. Therefore, these sizes may be adjusted according to the average wind speed and the generator specifications.
[0011]
The blade of the present invention is preferably made of a lightweight material in order to improve the startability.
Therefore, a molded product made of resin or light metal is preferred. Examples of the resin material include polycarbonate, polypropylene, FRP, and polyvinyl chloride. Polycarbonate having excellent weather resistance is particularly preferable. As the light metal material, an aluminum plate having a thickness of about 0.2 to 1.2 mm is preferable.
[0012]
The wind turbine generator according to the present invention includes a frame for arranging and fixing a plurality of power generation elements in one plane in a vertical and / or horizontal direction, and each power generation element is connected to the blade and one support plate of the blade. A wind power generation apparatus is formed by combining a plurality of units with a wind power generation unit including the generated generator as a unit.
The plurality of wind power generation units preferably include at least one large frame, and the large frame supports the wind power generation unit.
[0013]
A specific form of attachment of the blade and the generator to the frame will be exemplified.
In the present invention, the blade preferably includes a support shaft protruding from the other support plate, and the frame includes a bearing that supports the support shaft. Such a bearing is exemplified by a hole made in the frame and a resin bushing fitted in the hole.
The support shaft preferably has a threaded portion threaded in the same direction as the rotation direction of the blade when viewed from the generator side, and is fixed to the other support plate by a screw fastening member.
[0014]
The input shaft of the generator is installed coaxially with the blade and can be fixed to a support plate or a frame of the blade.
When fixing the input shaft of the generator to the support plate of the blade, the input shaft of the generator has a threaded portion that is twisted in the direction opposite to the rotation direction of the blade as viewed from the generator side at the tip thereof. It is fixed to the one support plate by a screw fastening member.
Such a mounting structure has a small number of parts and a simple structure, and the blade can be rotatably connected to the input shaft of the generator so that there is no runout of the blade.
In order to suspend the blade rotatably on the input shaft of the generator, the generator preferably has a thrust bearing that supports the input shaft.
[0015]
When the input shaft of the generator is fixed to the frame, one end of the input shaft of the generator is fixed to the frame and the other end has a coil, and the coil is generated by a magnet fixed in the generator case. An example is a configuration in which the generator case is accommodated in the generator case so as to cross the magnetic flux, and the generator case is fixed to at least one support plate of the blade.
In such an attachment structure, since the support plate of the blade is fixed to the generator case, the input shaft of the generator can be easily centered. Therefore, the power generating element can be connected to the frame so that there is no runout of the blade. Furthermore, if the power generation element is supported on the frame so that the input shaft of the generator faces the direction of gravity, the input shaft is fixed and the generator case rotates together with the blade. An outer rotor type generator that extracts current from the input shaft can be configured. Therefore, the torque cross of the rotor can be suppressed, and the structure for supporting the power generating element with respect to the frame is simplified.
[0016]
The frame can support power generation elements having different blade rotation directions. Thereby, the influence of the wind on the adjacent surrounding blades can be controlled in various ways.
The plurality of power generation elements are arranged and fixed in the frame in the lateral direction so that the rotation axes of the blades are parallel to each other, and the blades adjacent to each other in the frame are arranged so that the rotation directions are opposite to each other. Since it is fixed, when the wind colliding with each blade further becomes an air current and escapes backward, it is possible to prevent interference between air currents generated by adjacent blades. Therefore, since the rotation of each blade is not hindered, the power generation efficiency is further increased.
[0017]
In this invention, it is preferable to arrange | position the above-mentioned wind power generator in the uppermost part of a building, or the vicinity of a roadway. The wind power generator according to the present invention is preferably installed in a place where the wind blows through, and if it is disposed adjacent to a structure that blocks the wind, such as a wall surface, the amount of power generation is reduced. It is also possible to use a building wind that blows through the valleys of the building.
[0018]
According to the present invention, at least one of the power generation elements described above, the support that supports the power generation element so as to receive wind, the power storage unit that stores the power obtained by the power generation element, and the power stored in the power storage unit A lighting device comprising an electric lamp that is turned on is provided.
Such an illuminating device further includes an optical sensor attached to the support unit, and a lighting control circuit that supplies the electric power stored in the electric storage unit to the electric lamp according to the amount of light detected by the optical sensor. The present invention can be used for various lighting means such as street lamps and indoor lamps that are automatically controlled to be turned on and off according to the brightness (darkness) around the device.
Furthermore, if a solar cell module is provided, the electric power obtained by the solar cell module can be stored in the power storage unit together with the electric power obtained by the wind power generation element. Moreover, it can also be used as an optical sensor that controls lighting of the lamp based on the output voltage of the solar cell module.
[0019]
The generator used for this invention is demonstrated.
The following points are particularly required as the characteristics of the wind turbine generator.
(1) A high output voltage can be obtained at a low rotational speed.
(2) The starting torque is small.
The fact that a high output voltage can be obtained at a low rotational speed means that power can be generated even in a weak wind. This is determined by the performance of the magnet and iron core constituting the generator and the winding specifications.
A small starting torque means that the generator can be started even in a weak wind. From this point of view, it is preferable to use an AC generator because the DC generator has a relatively large starting torque due to friction of the commutator. In addition, the AC generator has no commutator, which is advantageous in that it requires little maintenance.
[0020]
However, even in an AC generator, the armature core and the rotor field attract each other depending on the rotational position to generate a so-called magnetic torque, which needs to be reduced.
The generator with the smallest magnetic torque is a coreless generator for a tachometer. However, since the armature coil is not wound around the iron core, almost no output current can be obtained.
[0021]
Therefore, the AC generator used in the present invention adjusts the amount of iron core around which the armature coil is wound, the gap between the armature core and the rotor, etc., and efficiently obtains the current output while minimizing the magnetic torque. Configured to be able to. That is, the AC generator has a so-called drooping characteristic that the output voltage decreases to some extent when the output current increases. This characteristic is effective for balancing the voltages when the outputs of a plurality of AC generators are rectified and connected in parallel.
In order to disperse the magnetic torque with respect to the rotation angle, it is preferable that the armature and the rotor have a large number of poles.
The number of phases of the generator is preferably larger in terms of the waveform rate when rectified to direct current, and a three-phase one is selected rather than a single phase.
[0022]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
[Example 1]
A specific configuration example of a blade of a wind turbine for wind power generation according to the present invention, a wind power generation apparatus using the blade, and a wind power generation unit will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, the wind power generation unit 100 includes a power generation element 50 (FIG. 5) composed of a combination of a blade 10 and a generator 20, and a small frame 30 to which a predetermined number of power generation elements 50 are attached. In this example, the power generation unit 100 includes five power generation elements 50 arranged in a horizontal row. Such a power generation unit 100 is further fixed to a large frame to which a plurality of small frames 30 can be attached to form a wind power generator as will be described later.
[0023]
Details of the blade 10 will be described with reference to FIGS. 2 and 3. 2 is a front view of the blade 10, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG.
The blade 10 has a pair of curved plates 1 formed by vertically dividing a cylindrical body at a predetermined central angle along its axis, and a pair of curved plates that are formed by closing the arc-shaped ends of each curved plate and connecting the two curved plates. It consists of a support plate 2.
The curved plate 1 is formed by roll-forming a rectangular aluminum plate having a thickness of 0.4 mm in an arc shape with an axis parallel to the long side, and each has an arc of substantially the same shape and the same size.
[0024]
The support plate 2 is an aluminum plate having a plate thickness of 1.0 mm, and is formed so that one of two opposing sides is a parallel straight line and the other is an arcuate curve. The arcuate ends 11 are arranged parallel to each other. The support plate 2 supports the two curved plates 1 in an axially symmetric position so that the arc strings of the two curved plates 1 are parallel to each other and the insides of both arcs face each other by a part of the width of the strings. Each support plate 2 is formed with a shaft hole 12 through which the shaft center passes. In this example, the rotation diameter of the blade 10 (width in FIG. 2) is 200 mm, and the height of the blade 10 is 300 mm.
[0025]
The shape of the curved plate 1 and the positional relationship between the curved plates 1 on the support plate 2 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 4, the central angles θ of the curved plates 1 arranged at axially symmetric positions are 148 °, and the chords C connecting the end points of the arcs of the two curved plates 1 are parallel to each other. The two curved plates 1 having a width w of 19% of the length of the string C face each other at a part of each string C, and the strings C facing each other are separated by a distance d of 7.5% of the length. Placed in a different position.
[0026]
Next, the attachment of the blade 10 and the generator 20 to the small frame 30 and the small frame 30 will be described with reference to FIGS. 1 and 5.
As shown in FIG. 1, the small frame 30 is composed of a mounting frame in which equilateral L-shaped steel is welded and developed on a single plane.
As shown in FIG. 5, the generator 20 is configured so that the tip 21 a of the input shaft 21 protrudes in the direction of gravity and passes through the hole 31 formed in the cross member 30 a of the small frame 30 via the bracket 32. Screwed to the cross member 30a. A threaded portion 22 is formed at the tip 21a of the input shaft 21 and is threaded in the direction opposite to the rotational direction of the blade 10 when viewed from the generator 20 side, as indicated by an arrow in FIG. A screw 23 (screw fastening member) penetrating the shaft hole 12 a of the support plate 2 is screwed into the screw portion 22, and the generator 20 and the blade 10 are connected in the fastening direction of the screw 23.
[0027]
A support shaft 25 having a screw portion 24 screwed in the same direction as the rotation direction of the blade 10 as viewed from the generator 20 side as indicated by an arrow in FIG. A screw 26 (screw fastening member) passing through the shaft hole 12 b of the support plate 2 is screwed into the screw portion 24, whereby the support shaft 25 and the blade 10 are connected in the fastening direction of the screw 26. The support shaft 25 penetrates the hole 33 formed in the cross member 30b with the tip 25a protruding in the direction of gravity. A nylon bushing 35 is fitted into the hole 33. The bushing 35 forms a radial bearing portion of the support shaft 25 that protrudes downward through the bushing 35.
[0028]
Next, the generator 20 will be described with reference to FIG.
In this example, the generator 20 is a three-phase AC generator that can obtain a high output voltage at a low rotational speed and has a small starting torque.
FIG. 6 shows an electrical output circuit of this embodiment.
[0029]
In FIG. 6, the AC output voltages of the five three-phase AC generators 20 are rectified by the three-phase full-wave rectification bridge R, respectively. The DC output voltage of each rectifier bridge R is connected in series via a coupling capacitor C, and is output as an added DC voltage Vo. The bridge R is composed of a diode, but a diode having a small forward voltage drop is used for reducing the rectification loss.
[0030]
In this embodiment, one generator 20 rotates at 300 rpm when the wind speed is 3 m / sec, and a DC voltage of 6 V, that is, a power of 2 W is obtained with respect to a DC output current of 0.33 A. Further, the output current / voltage characteristic after rectification has a drooping characteristic of 18.2 V / A. Therefore, from the five generators 20 shown in FIG. 6, outputs of 30 V and 10 W are obtained for a wind speed of 3 m / sec.
[0031]
Furthermore, the DC output circuit obtained by rectifying the outputs of the five generators 20 as shown in FIG. 6, for example, when 10 pieces are connected in parallel, a total of 100 W (generator approx. 50 units) output is obtained.
[0032]
Here, even if there is a slight difference in the output voltage of each generator 20 due to differences in wind speed or variations in output characteristics, the output of the generator 20 has a drooping characteristic with an appropriate current-voltage characteristic as described above. Therefore, each DC output circuit connected in parallel can adjust each output current to balance each other's output voltage to the same voltage.
[0033]
The DC power obtained in this way may be temporarily stored in a battery, for example, and supplied to a load as needed, or converted into 100/200 V, 50/60 Hz AC power by an inverter, You may make it sell to.
Note that the number of generators 20 shown in FIG. 6 and the number of DC output circuits connected in parallel are arbitrary, and may be determined according to the specifications of the target to which power is supplied.
[0034]
FIG. 7 illustrates another embodiment of attaching the blade 10 and the generator 20 to the small frame 30.
In the attachment method described with reference to FIG. 5, the generator 20 is attached to the small frame 30 via the bracket 32. In this example, the generator 20 in which the attachment screw portion 20 a is formed is attached to the small frame 30. It is attached to the small frame 30 by a screw 28 that passes through the cross member 30a and is screwed into the screw portion 20a. A cushion material 38 is preferably disposed between the generator 20 and the cross member 30a.
[0035]
As shown in FIG. 8, the power generation unit 100 is fixed to a large frame 40 to which a plurality of small frames 30 can be attached to form a wind power generator 200. The large frame 40 is composed of an attachment frame in which equilateral L-shaped steel is welded and developed on a single plane, like the small frame 30, and the power generation units 100 can be arranged vertically and horizontally.
On the vertical member 40a of the large frame 40, brackets 41 that support both lower ends of the power generation units 100 of each stage are disposed (only one side is illustrated). Further, the large frame 40 is supported and fixed by legs (not shown) and wires extending from the upper portion of the large frame 40 to the installation surface.
[0036]
In the above example, the power generation unit 100 in which the power generation elements 50 are arranged in a horizontal row is shown. However, the number and the arrangement direction of the power generation elements 50 constituting one power generation unit are not limited and can be freely set. .
For example, as shown in FIG. 9, a power generation unit 150 in which power generation elements 50 are arranged in a vertical row can be configured.
These power generation units 100 and 150 can be assembled vertically and horizontally according to the situation of the installation site. For example, as shown in FIGS. 10 and 11, a plurality of power generation units can be attached and fixed to one or a plurality of large frames 40. In FIG. 10, a wind power generator 210 having 10 power generation units 150 arranged in a horizontal row is formed, and in FIG. 11, a wind power generator 220 having 10 power generation units 100 arranged in a vertical row is formed.
[0037]
[Example 2]
FIG. 12 is a front view of the power generating element 70, and FIG. 13 is a bottom view thereof.
In the first embodiment, the input shaft 21 of the generator 20 and the upper support plate 2 of the blade 10 are connected. However, in the second embodiment, the case of the generator 60 and the lower support plate 2 of the blade 10 are connected. It differs from the first embodiment in that it is configured to be connected.
As shown in FIGS. 12 and 13, the power generation element 70 is mainly composed of the blade 10, the support shaft 25 fixed to the upper support plate 2, and the generator 60 attached to the lower support plate 2. .
Connected to the input shaft 61 of the generator 60 are the boss 5 and a fastening member 6 into which the input shaft 61 inserted into the boss hole is inserted into a screw hole formed in a direction orthogonal to the boss hole. . The boss 5 is fixed to the cross member 30a of the small frame 30 shown in FIG.
The generator 60 is fixed to the lower support plate 2 via a cylindrical cover 67.
[0038]
14 is a longitudinal sectional view of the main part of FIG. 12, and FIG. 15 is a sectional view taken along line IV-IV of FIG.
As shown in FIGS. 14 and 15, the generator 60 includes an input shaft 61, a disk 62 that is attached to the input shaft 61 at a right angle and non-rotatably, and a concentric winding around the outer periphery of the disk 62. The three-phase AC generator includes a coil 63 and a cylindrical generator case 65 in which magnets 64 are arranged and fixed.
The magnet 64 is composed of a plurality of flat columnar neodymium magnets, and is arranged and fixed in an annular manner inside the upper and lower case plates 65a and 65b of the generator case 65, respectively. The upper and lower magnets 64 attached to the upper and lower case plates 65a and 65b are opposed to each other coaxially through a gap that the coil 63 crosses.
[0039]
The input shaft 61 is rotatably supported with respect to the generator case 65 by bearings 66 made of radial ball bearings arranged on the outer sides of the upper and lower case plates 65a and 65b of the generator case 65, respectively.
The coil 63 is attached to the disk 62 so as to cross the magnetic flux generated between each pair of magnets 64. When the input shaft 61 rotates relative to the generator case 65, the current generated in the coil 63 is changed to the coil 63. The lead wire (not shown) extending from the outside is taken out to the outside. This lead wire is connected to an external circuit portion through a hole portion 61 a formed along the axis of the input shaft 61.
[0040]
The cover 67 has a bottom plate 67a having a diameter larger than that of the upper case plate 65a, and has a through hole 67b of a bearing 66 in the center of the bottom plate 67a. The cover 67 is fixed to the blade 10 by joining the bottom plate 67 a and the lower support plate 2 with the rivets 68. Further, the upper case plate 65a is bonded to the bottom plate 67a.
The cover 67 secures a bonding area with the generator case 65 and enhances the waterproof property of the generator 60.
[0041]
FIG. 16 is a front view of a power generation unit 75 in which a plurality of power generation elements 70 are attached to the small frame 30 (FIGS. 1 and 5).
In the portion A in the figure, as shown in FIG. 12, the input shaft 61 of the generator 60 is inserted into the boss 5 attached to the cross member 30a on the lower side of the small frame 30, thereby generating the power generation element. The lower part of 70 is rotatably supported by the small frame 30.
In the portion B in the figure, as shown in FIG. 5, the support shaft 25 of the blade 10 is inserted into the bushing 33 attached to the cross member 30 b on the upper side of the small frame 30. Is rotatably supported by the small frame 30.
[0042]
FIG. 17 is a plan view of FIG.
As shown in FIG. 17, the plurality of power generating elements 70 are arranged and fixed in the horizontal direction on the small frame 30 so that the rotation axes of the blades 10 are parallel to each other, and the blades 10 adjacent to each other in the small frame 30 are mutually connected. As shown by the arrows on the upper side in the figure, the arrangement is fixed so that the respective rotation directions are opposite to each other. With such an arrangement of the power generation elements 70, when the wind blown from the direction indicated by the lower arrow in the figure collides with each blade 10 and further flows backward as air current, the air currents generated by the adjacent blades 10 flow between each other. Interference can be prevented.
[0043]
As described above, the generator case 65 is fixed to the blade 10 to be integrated, and the input rotor 61 is fixed to rotate the magnet 64, thereby simplifying the structure and suppressing the torcross of the rotating body. Can do.
[0044]
As another embodiment of the second embodiment, the portion B in FIG. 16 is replaced with the input shaft 61 of the generator 60 on the boss 5 attached to the cross member 30b on the upper side of the small frame 30 in the same manner as the portion A. Can be inserted to support the power generating element on the small frame 30. In such a configuration, the generators 60 are respectively attached to the support plates 2 at the upper and lower ends of the blade 10. When the wind speed received by the blade 10 is high, the output of the blade 10 is doubled by the rotation of the blade 10. Can be obtained. Further, when the wind speed received by the blade 10 is low, an output that is insufficient with only one generator 60 can be compensated.
[0045]
Example 3
FIG. 18 is a front view of a streetlight as a lighting device configured using the power generation element 70, and FIG. 19 is a cross-sectional view taken along line VV of FIG.
As shown in FIGS. 18 and 19, the streetlight 8 includes a plurality of power generation elements 70, a casing 81 that covers these power generation elements 70, and each power generation element so that each blade 10 of each power generation element 70 can receive wind. The main body is mainly composed of a support 82 for supporting 70, an electric lamp 83 suspended from the support 82, and a circuit unit 9 disposed inside the support 82.
[0046]
As shown in FIG. 19, four power generation elements 70 configured to have the same rotation direction are supported in an annular shape at substantially the same height via a cross-shaped bracket 85 inside the housing 81. ing. As shown in FIG. 5, the support shaft 25 attached to the upper support plate 2 of the blade 10 is supported by the bushing 35 attached to the bracket 85 at the upper part of each power generation element 70. As shown in FIG. 16, the generator 60 is attached to the lower support plate 2 of the blade 10, and the input shaft 61 facing the gravitational direction is attached to the boss 5 attached to the bracket 85. Supported.
[0047]
In this example, the rotational diameter (width in FIG. 2) of each blade 10 of each power generating element 70 is 350 mm, and the height of the blade 10 is 700 mm. The lamp 83 is a 15 W round fluorescent lamp, and is lit by electric power supplied from a storage battery of the circuit unit 9 described later.
[0048]
A panel-like solar cell module 86 can be attached to the upper portion of the bracket 85 as shown by a broken line in the drawing.
By adding the solar cell module 86, the electric power obtained by the solar cell module 86 can be stored in the power storage unit described later together with the electric power obtained by the power generation element 70, and the output voltage of the solar cell module 86 is set. It can also be used as an optical sensor for controlling the lighting of the electric lamp 83 based on it. In addition, a covering member that covers the upper portion of the power generation element 70 and improves the waterproofness of the power generation element 70 is obtained.
[0049]
FIG. 20 is a block diagram illustrating a configuration of the circuit unit 9 of the streetlight 8. In addition, this circuit part 84 shows the case where said solar cell module 86 is added to the streetlight 8. FIG.
In FIG. 20, a storage battery (power storage unit) 93 that stores electric power obtained by the power generation element 70 is connected to the circuit unit 9. In addition, the solar cell module 86 generates a direct current voltage of about 6 to 9 V by receiving light such as sunlight and can obtain electric power of about 1.2 to 1.8 W.
The AC output voltages of the four power generation elements 70 are full-wave rectified in a three-phase AC rectifier circuit 90 by a Schottky barrier diode having a threshold voltage of 0.38V.
The light / dark signal generation circuit 91 detects sunset based on a change in the output voltage of the solar cell module 86 and sends the result to the one-chip microcomputer 92 as a light / dark signal.
Instead of the solar cell module 86, a photoelectric conversion element such as Cds can also be used as an optical sensor for detecting sunset.
[0050]
The one-chip microcomputer 92 performs constant monitoring of the storage battery 93 and lighting control of the lamp 83 based on a preset program.
The AD converter 94 digitizes the output voltage of the constant voltage power supply 95 and the terminal voltage of the storage battery 93 and constantly inputs them to the one-chip microcomputer 92.
The FET first switch 96 monitors the overcharge of the storage battery 93 with a constant charge voltage of the storage battery 93 and a control signal from the one-chip microcomputer 92, and performs PWM control of the charging current.
The FET second switch 97 controls the lighting of the lamp 83 and limits the output in order to prevent overdischarge of the storage battery 93.
[0051]
When the one-chip microcomputer 92 receives the light / dark signal from the light / dark signal generation circuit 91, the lighting timer of the one-chip microcomputer 92 starts timing. When the time measured by the lighting timer exceeds a preset lighting time, the power supply from the storage battery 93 is stopped via the FET second switch 97.
At the same time, the reset signal generation circuit 98 resets the light / dark signal and the lighting timer in the one-chip microcomputer 92.
The control operation by the one-chip microcomputer 92 can be confirmed by the LED monitor 99 connected to the circuit unit 9.
[0052]
In the streetlight 8 having the circuit portion 9 described above, when the blade 10 of the power generation element 70 receives wind of 4 to 5 m / sec and rotates at 180 rpm, the direct current of 24.1 V is applied to the direct current output current of 0.2 A. A voltage, that is, a power of about 5 W can be obtained.
In the above embodiment, the lighting 83 is determined to be turned off by the lighting timer. However, the sunrise is detected by the change in the output voltage of the solar cell module 86, and the result is sent to the one-chip microcomputer 92 as a light / dark signal. It can be set as the structure which performs.
[0053]
The streetlight 8 according to the third embodiment can provide a sufficient amount of light using the power generation element 70 that can generate power at a relatively low wind speed of about 3 m / second in the city.
In addition, since power transmission to the street lamp 8 is unnecessary, the cost required for installing the street lamp can be greatly reduced.
[0054]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided a blade of a wind turbine for wind power generation that is excellent in quietness, conversion efficiency under a slight wind, and startability. In addition, a wind turbine generator unit and a wind turbine generator having a high degree of freedom in installation are provided.
The unit and apparatus using the blade of the present invention can be designed to obtain a desired power generation amount only by determining the number of power generation elements and an assembly form suitable for the installation location. Therefore, labor and time for designing a large blade and a generator from the start according to a desired power generation amount are saved. In addition, since power generation is shared by each power generation element, even if some power generation elements are damaged, power generation is not immediately disabled.
[0055]
In addition, by using a small blade and a generator, manufacturing and processing of the member is facilitated, which is suitable for mass production. In addition, it is easy to carry in and assemble at the site when installing the windmill.
In addition, the power generator assembly can be freely changed according to the situation of the site where the windmill is installed (installable area, presence of surrounding structures, etc.), so various conventional restrictions when installing the windmill are eased. This will promote the spread of windmills.
[0056]
By using the power generation element in the lighting device, it is possible to generate power at a relatively low wind speed of about 3 m / second in the city and provide a sufficient amount of light as required. In such an illuminating device, power transmission to the illuminating device is unnecessary, so that the cost required for installation can be greatly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view of a wind power generation unit according to the present invention.
2 is a front view of a blade constituting the unit of FIG. 1. FIG.
3 is a cross-sectional view of the blade of FIG. 2 taken along line III-III.
FIG. 4 is a diagram for explaining a relationship between positions of blades.
FIG. 5 is a front view illustrating attachment of a blade and a generator to a frame.
6 shows an electrical output circuit in the unit of FIG.
FIG. 7 is a front view for explaining a method of attaching a blade and a generator to a frame according to still another embodiment of the present invention.
8 is a front view of a wind turbine generator that is a collection of the units of FIG. 1. FIG.
FIG. 9 is a front view of a wind power generation unit according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a front view of a wind turbine generator according to another embodiment in which the wind turbine generator units of the present invention are assembled.
FIG. 11 is a front view of a wind turbine generator according to another embodiment in which the wind turbine generator units of the present invention are assembled.
FIG. 12 is a front view of a power generation element according to another embodiment.
13 is a bottom view of the power generation element of FIG.
14 is a front sectional view of the generator 60 of FIG. 12. FIG.
15 is a sectional view taken along line IV-IV of the generator 60 of FIG.
FIG. 16 is a front view of a power generation unit according to another embodiment.
FIG. 17 is a plan view of the power generation unit of FIG.
18 is a front view of a streetlight as a lighting device configured using the power generation element 70 of FIG. 12. FIG.
FIG. 19 is a cross-sectional view taken along the line VV of the streetlight of FIG.
20 is a block diagram showing a configuration of a circuit unit of the streetlight of FIG.
[Explanation of symbols]
1 Curved plate
2 Support plate
8 Streetlight
10 blades
11 Arc end
20 Generator
30 small frames
40 large frames
50 Power generation element
60 generator
61 Input shaft
63 coils
64 magnets
65 Generator case
70 Power generation element
100 power generation unit

Claims

Two arcuate curved plates obtained by vertically dividing a hollow cylindrical body at a predetermined central angle along the axis, and the arcuate ends of each curved plate are closed and the two curved plates are coupled symmetrically with respect to the axis. a pair of support plates and wind turbine for wind power generation ing from the blade, the support plate is parallel arc chord of both the curved plates together, and the inner part only of the two arcs of the width of the chord facing each other A power generation blade connected to at least one of the support plate and the blade of the wind turbine for wind power generation that supports both the curved plates and the rotation shaft passing through the shaft, and has a predetermined central angle of 140 ° to 155 °. A power generation element consisting of a machine,
A frame for arranging and fixing at least one of the power generation elements in a vertical and / or horizontal direction in one plane;
The input shaft of the generator is installed coaxially with the rotation shaft of the blade, is fixed to the support plate or the frame, and is opposite to the rotation direction of the blade when viewed from the generator side at the tip of the input shaft. A wind power generation unit having a threaded portion and being fixed to the one support plate via a screw fastening member .

The wind power generation unit according to claim 1, wherein a part of the width of the opposing strings of the blades is 18 to 25% of the length of the strings.

The wind power generation unit according to claim 1 or 2, wherein a distance between both strings of the blade is 5 to 8% of a length of the string.

The wind power generation unit according to any one of claims 1 to 3, wherein a rotation diameter is 100 to 400 mm and a height is 150 to 2500 mm.

The plurality of power generation elements are arranged and fixed in the frame in the lateral direction so that the rotation axes of the blades are parallel to each other, and the blades adjacent to each other in the frame are arranged so that the rotation directions are opposite to each other. The wind power generation unit according to claim 1 , which is fixed.

2. The wind power generation unit according to claim 1 , wherein each blade includes a support shaft that protrudes from one support plate, and the frame includes a bearing that supports the support shaft.

The input shaft of the generator has one end fixed to the frame and the other end has a coil, and the coil is accommodated in the generator case so as to cross the magnetic flux generated by the magnet fixed in the generator case. The wind power generation unit according to claim 1 , wherein the generator case is fixed to at least one support plate of the blade.

The wind power generation unit according to claim 1 , wherein the power generation element is supported by the frame so that an input shaft of the generator faces a direction of gravity.

The wind power generation unit according to claim 6 , wherein the bearing includes a hole formed in the frame and a bushing fitted in the hole.

Support shaft, according to claim 6 which has a threaded portion which is threaded in the same direction as the rotational direction of the blade when viewed from the generator side to the tip, becomes fixed to the support plate via a threaded fastening member Wind power unit.

The wind power generation unit according to any one of claims 1 to 10 , wherein each generator is a three-phase AC generator.

The wind power generation unit according to claim 11 , further comprising a rectifier that rectifies the output of each generator.

The wind power generation unit according to claim 11 or 12 , wherein outputs of a plurality of AC generators are rectified and connected in series.

A plurality of wind power generation units are arranged in at least one plane in the vertical and / or horizontal direction, and each wind power generation unit includes the wind power generation unit according to any one of claims 1 to 13. .

A plurality of wind power generation units each include at least one large frame, and the large frame supports the wind power generation unit according to any one of claims 1 to 13 .

The wind power generator of Claim 14 or 15 arrange | positioned in the uppermost part of a building, or the vicinity of a roadway.

Two arcuate curved plates obtained by vertically dividing a hollow cylindrical body at a predetermined central angle along the axis, and the arcuate ends of each curved plate are closed and the two curved plates are coupled symmetrically with respect to the axis. A blade of a wind turbine for wind power generation comprising a pair of support plates, wherein the support plates are such that the arc strings of both curved plates are parallel to each other, and the insides of both arcs face each other by a part of the width of the strings A wind turbine blade for wind power generation that supports both curved plates and a rotating shaft that passes through the shaft and has a predetermined central angle of 140 ° to 155 °, and a generator connected to at least one of the support plates The input shaft of the generator is installed coaxially with the rotating shaft of the blade, is fixed to the support plate, and is screwed at the tip of the input shaft in the direction opposite to the rotating direction of the blade when viewed from the generator side. It has a threaded part, and it is At least one power generating element fixed to the one support plate;
A support that supports the power generating element so as to receive wind;
A power storage unit that stores electric power obtained by the power generation element;
An illumination device including an electric lamp that is turned on by electric power stored in an electric storage unit.

The lighting device according to claim 17 , further comprising: an optical sensor attached to the column; and a lighting control circuit that supplies electric power stored in the power storage unit to the electric lamp according to the amount of light detected by the optical sensor.

Furthermore, the illuminating device of Claim 17 which comprises a solar cell module.