JP7685696B2 - Vertical Wind Power Generation System - Google Patents
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Description
本発明は、風のエネルギーをブレードの回転エネルギーに変換し、その回転エネルギーを発電機により電気エネルギーに変換する垂直型風力発電システムと垂直型風力発電システムのブレード構成および制御方法に関するものであり、特に垂直型風力発電システムにおけるブレードの回転エネルギーの大幅な向上および暴風時の風車の安全性構築に関するものである。The present invention relates to a vertical wind power generation system that converts wind energy into rotational energy of the blades and then converts the rotational energy into electrical energy by a generator, and to a blade configuration and control method for the vertical wind power generation system, and in particular to a significant improvement in the rotational energy of the blades in the vertical wind power generation system and to ensuring the safety of the wind turbine during storms.
近年、有害排出ガス削減による自然環境保護、自然エネルギー活用の観点から、世界各国で自然風のエネルギーを利用した風力発電システムの開発が進められるとともに、多数の風力発電システムが設置され稼働している。In recent years, from the perspective of protecting the natural environment by reducing harmful exhaust gases and utilizing natural energy, the development of wind power generation systems that utilize natural wind energy has been progressing in countries around the world, and a large number of wind power generation systems have been installed and are now in operation.
風力発電システムには水平型と垂直型があり、水平型は簡易な構成ではあるがブレードの回転数が比較的高く風切音が発生するとともに、発電可能な風向が限られブレード受風面が風に正対する必要があり、常に風の方向に追従する機構または制御が必要になるなどの課題を有している。一方垂直型はやや構成が複雑で比較的回転エネルギーへの変換効率は低いが、比較的回転数が低く、かつ風の方向を考慮する必要はないという利点を有している。There are two types of wind power generation systems: horizontal and vertical. Horizontal systems have a simple structure, but the blades rotate at a relatively high speed, generating wind noise, and the wind direction in which they can generate power is limited, so the blades' wind-receiving surfaces must face the wind, and they have issues with the need for mechanisms or controls to always follow the wind direction. On the other hand, vertical systems have a somewhat complex structure and are relatively low in efficiency of conversion to rotational energy, but they have the advantage of a relatively low rotation speed and no need to consider the wind direction.
垂直型風力発電システムにおいて、風の運動エネルギーから電力エネルギーとなる回転エネルギー変換効率を上げるには、比較的出現率が高い平均風速における回転エネルギー変換効率を高くするとともに、微風から強風までの環境条件全域において可能な限り常時発電することが必要となる。さらには、強風および暴風域で可能な限り発電するとともにブレードやポールが風圧に耐えることおよび発電機やブレーキがブレード(直線翼など)の回転トルクに安全に対応することが重要となる。
ここで、回転エネルギー変換効率は、ブレード受風面を単位時間あたりに通過する風の運動エネルギーをブレードの回転エネルギーに変換する変換効率(%)のことで回転エネルギー変換効率または発電効率としてCpと定義する。また、この回転エネルギー(W)を角速度ω(rad/s:回転数rpmでも可)で除した値が円筒形回転体となる垂直型ブレード全体の接線方向の回転力で回転トルク(N・m)となる。上記の風のエネルギーは1/2ρAV3で表され、Aは垂直型ブレードの受風面積(直径×翼長)(m2)、Vは風速(m/s)、ρは空気密度(kg/m3)で表すことができる。 In order to increase the efficiency of rotational energy conversion from wind kinetic energy to electrical energy in a vertical wind power generation system, it is necessary to increase the efficiency of rotational energy conversion at average wind speeds that occur relatively frequently, and to generate power as much as possible at all times under all environmental conditions from light winds to strong winds. Furthermore, it is important to generate power as much as possible in strong wind and storm areas, and for the blades and poles to withstand wind pressure and for the generator and brakes to safely handle the rotational torque of the blades (straight blades, etc.).
Here, the rotational energy conversion efficiency is the conversion efficiency (%) of converting the kinetic energy of the wind passing over the blade's wind receiving surface per unit time into the rotational energy of the blade, and is defined as Cp, which is the rotational energy conversion efficiency or power generation efficiency. In addition, the value obtained by dividing this rotational energy (W) by the angular velocity ω (rad/s: rotation speed rpm is also acceptable) is the rotational torque (N·m), which is the tangential rotational force of the entire vertical blade, which becomes a cylindrical rotating body. The above wind energy can be expressed as 1 /2ρAV3, where A is the vertical blade's swept area (diameter x blade length) ( m2 ), V is the wind speed (m/s), and ρ is the air density (kg/ m3 ).
微風域から発電するには、微風域からスムーズに風の運動エネルギーをブレードの回転エネルギーに変換できるブレード構成が必要となり、強風域で可能な限り発電するには、過度な回転エネルギーに対してもブレード、ポール、アーム、発電機およびブレーキなどが機械的かつ電気的に損傷しないような垂直型風力発電システムを構築する必要がある。さらに暴風域で発電するとともに風力発電システムを安全に維持するには風圧に耐えることおよび強風や暴風域の高速回転におけるブレードの回転エネルギーに耐えることが必要となる。To generate electricity in light wind areas, a blade configuration is required that can smoothly convert the kinetic energy of the wind into rotational energy for the blades, and to generate as much electricity as possible in strong wind areas, it is necessary to build a vertical wind power generation system that will not mechanically or electrically damage the blades, poles, arms, generators, brakes, etc., even with excessive rotational energy. Furthermore, to generate electricity in stormy wind areas and maintain the wind power generation system safely, it is necessary to withstand wind pressure and the rotational energy of the blades during high-speed rotation in strong winds and stormy wind areas.
そこで、起動特性を改善する構成として、翼型の一部を切り欠いて抗力を増加させる構成(特許文献1)や、カムやリンク機構を用いブレードを自転させる構成を有した垂直型風力発電システムが提案されている(特許文献2)。さらに、特許文献3ではブレードの取付け角を調整式として発電効率を向上させる垂直型風力発電システムが提案されている。また、発電量を最適化するためにブレードの翼直径と翼角度を可変とする垂直型風力発電システムが提案されている。In order to improve the starting characteristics, a vertical wind power generation system has been proposed in which a part of the airfoil is cut out to increase the drag (Patent Document 1) and a vertical wind power generation system has been proposed in which the blades are rotated using a cam or link mechanism (Patent Document 2). Furthermore, Patent Document 3 proposes a vertical wind power generation system in which the blade mounting angle is adjustable to improve power generation efficiency. Also, a vertical wind power generation system has been proposed in which the blade diameter and blade angle of the blades are variable to optimize the amount of power generation.
しかしながら上述した従来の特許文献1および特許文献2における垂直型風力発電システムでは、ブレードなどに関してどのような条件にすれば垂直型ブレードの回転トルクが大きくなるのか、周速比(風速とブレード回転速度の比)や翼性能およびレイノルズ数がどのように関係しているのか、翼型が変わればどう影響するのか等といった最も本質となる翼に作用する流体力(空力弾性学)の理論の考察や開示がなされていない。従って、相対風速に対してどのような迎角(またはアームに対する取付け角度やピッチ角でも可)にすればどの程度回転トルクまたは発電効率(Cp)が上がるのかが不明である。また、空力弾性学的な最適解には至っていないため、例えば2m/s程度の微風時には発電効率の高いブレードの回転トルクを得たとしても出現頻度が最も高い平均風速(たとえば6m/sあたり)付近では、逆にブレードの翼型の影響および揚力が最大となる最適な迎角のずれ、揚力の低下などにより発電効率が低下してしまうといった問題が発生する。逆に暴風域では発電が可能でも、微風域や平均風速では発電効率が大幅に低くほとんど発電しないなどの問題が発生する。
したがって、幅広い風速範囲で発電効率の高い垂直型風力発電システムを提供することが困難となる。 However, in the above-mentioned conventional vertical wind power generation systems in Patent Document 1 and Patent Document 2, the most essential theory of fluid force (aeroelasticity) acting on the blades, such as what conditions for the blades increase the rotational torque of the vertical blades, how the peripheral speed ratio (ratio of wind speed to blade rotation speed), blade performance, and Reynolds number are related, and how the blade shape changes affect the most essential theory, such as aeroelasticity, is not considered or disclosed. Therefore, it is unclear how much the rotational torque or power generation efficiency (Cp) will increase if the angle of attack (or the mounting angle or pitch angle with respect to the arm) is set to the relative wind speed. In addition, since an optimal aeroelasticity solution has not been reached, even if a blade rotational torque with high power generation efficiency is obtained in a light breeze of about 2 m/s, for example, in the vicinity of the average wind speed (for example, around 6 m/s) that occurs most frequently, problems such as a decrease in power generation efficiency due to the influence of the blade airfoil shape, a deviation from the optimal angle of attack at which the lift is maximized, and a decrease in lift occur. Conversely, even if power generation is possible in a stormy wind area, problems such as a significantly low power generation efficiency and almost no power generation occur in a light breeze area or average wind speed.
This makes it difficult to provide a vertical wind power generation system that has high power generation efficiency over a wide range of wind speeds.
ブレードに切り欠きを構成している特許文献1では、微風時は多少発電効率が改善する可能性はあるが逆に平均風速が高くなる領域では発電効率は低下する。ブレードの翼型の切り欠きにより、本来の翼特性が失われ揚力の大幅な減少により平均風速近傍における回転時の発電量(発電効率)が大幅に低下するという課題がある。In the case of Patent Document 1, in which the blades are configured with notches, the power generation efficiency may improve somewhat in light winds, but conversely, the power generation efficiency decreases in areas where the average wind speed is high. The notches in the blade airfoil shape cause the original wing characteristics to be lost, and the lift force is greatly reduced, resulting in a significant decrease in the amount of power generation (power generation efficiency) during rotation near the average wind speed.
また、特許文献2のカムやリンクを用いたブレードの迎角(取付け角)調整では、特定の風向きしか効果が無く、風向きが変わった場合は逆に回転エネルギー変換効率(発電効率)が大幅に悪化してしまうという課題や、迎角の調整範囲が狭い、さらにはどういう迎角の角度調整を行うか、またその効果がどの程度あるのかという点が全く考慮されていないなどの課題や、そもそも風速や風向が変われば迎角の最適値が大きく変化してしまうという課題を有していた。Furthermore, the blade angle of attack (mounting angle) adjustment using cams and links as described in Patent Document 2 has the following problems: it is only effective in certain wind directions, and conversely, if the wind direction changes, the rotational energy conversion efficiency (power generation efficiency) significantly deteriorates; the adjustment range of the angle of attack is narrow; and no consideration is given to what kind of angle of attack adjustment should be made or how effective it would be; and in the first place, the optimal value of the angle of attack changes significantly if the wind speed or direction changes.
さらに、特許文献3では迎角を調整し発電効率を改善する構成が示されている。しかしながら風速、風向、垂直型ブレードの回転角、ブレードの翼型や弦長および枚数、垂直型ブレードの回転速度に応じた最適な迎角が存在し、それらの値に応じて迎角を調整する必要があることが考えられていない。また、暴風時にブレードが受ける風圧を低減するには限度があるとともに、風向きが変化した際は迎角を調整するまでの時間遅れが発生し、突風や風向きに変化した場合その風圧からブレードやポールを安全に守ることが困難となるという課題を有していた。
また、特許文献4では風速とブレードの回転速度の合成となるいわゆる相対風速に対してブレードの揚力および抗力を決定する迎角を如何にコントロールするかという本質的なことに関しては考慮されていない。さらにブレードの回転軸に対してブレードの上端または下端を任意にスライド可能とすることにより、垂直型風車の翼直径、回転速度がブレードの垂直断面でそれぞれの位置で異なるため最適な迎角を設定することが困難となるとともに、発電効率の最大化、発電効率の精度の良い制御、静音化が困難となるという課題を有していた。 Furthermore, Patent Document 3 shows a configuration for improving power generation efficiency by adjusting the angle of attack. However, it does not take into consideration that there is an optimal angle of attack depending on the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blades, the blade airfoil type, chord length and number of blades, and the rotation speed of the vertical blades, and that the angle of attack needs to be adjusted depending on these values. In addition, there is a limit to reducing the wind pressure that the blades receive during a storm, and when the wind direction changes, there is a time delay until the angle of attack is adjusted, which makes it difficult to safely protect the blades and poles from the wind pressure when there is a gust of wind or a change in wind direction.
In addition, Patent Document 4 does not consider the essential issue of how to control the angle of attack, which determines the lift and drag of the blades, relative to the so-called relative wind speed, which is the composite of the wind speed and the rotation speed of the blades. Furthermore, by allowing the upper or lower end of the blade to slide freely relative to the rotation axis of the blades, the blade diameter and rotation speed of the vertical wind turbine differ at each position on the vertical cross section of the blades, making it difficult to set the optimal angle of attack, and also making it difficult to maximize power generation efficiency, accurately control power generation efficiency, and reduce noise.
このように、先行文献に開示されている垂直型風力発電システムでは、微風時におけるブレードの回転起動ができない、平均風速近傍での発電効率が低下する、暴風時のブレードの回転数の制御が困難であるとともに暴風時の過大風力エネルギーに対して強度的な問題により垂直型風力発電システムの寿命や信頼性が大きく悪化するという課題を有している。また、ブレード周辺に発生する渦などにより比較的大きな騒音が発生し、住宅街の近隣には設置できないという課題を有していた。As described above, the vertical wind power generation systems disclosed in the prior art have the following problems: the blades cannot be started to rotate in a light breeze, the power generation efficiency decreases near the average wind speed, it is difficult to control the rotation speed of the blades in a strong wind, and the life and reliability of the vertical wind power generation system is significantly reduced due to strength problems against excessive wind energy in a strong wind. In addition, the vertical wind power generation systems have the problem that they cannot be installed near residential areas because relatively loud noise is generated by vortexes generated around the blades.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、様々な風向や風速における揚力および抗力の発生状況を効果的に制御し、効率的に垂直型ブレードの回転トルクに変換することで、従来に比べ微風時から強風域の発電効率を大幅に改善するとともに、強風域や暴風域においてもブレードの効率的な回転エネルギーの低減や精度の高いブレードの回転数制御を行うことができ、発電効率の大幅な向上と、設備の信頼性および寿命の大幅な改善を実現することができる垂直型風力発電システムを提供するものである。
さらには、ブレード直径および風速および風向に応じた、最適な相対風速に対する迎角調整により、微風域から暴風域まで安全で高効率かつ低騒音な垂直型風力発電システムを提供するものである。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and provides a vertical wind power generation system that effectively controls the generation of lift and drag in various wind directions and wind speeds, and efficiently converts them into rotational torque for the vertical blades, thereby significantly improving power generation efficiency in areas ranging from light winds to strong winds compared to conventional systems, and can also efficiently reduce the rotational energy of the blades and precisely control the blade rotation speed even in strong wind and storm areas, thereby achieving a significant improvement in power generation efficiency and a significant improvement in the reliability and lifespan of the equipment.
Furthermore, by adjusting the angle of attack to the optimum relative wind speed according to the blade diameter and the wind speed and direction, the present invention provides a vertical wind turbine power generation system that is safe, highly efficient, and quiet from light wind areas to strong wind areas.
上記課題を解決するため、本発明の請求項1に記載の発明は、回転軸と、前記回転軸と平行に配設された複数の直線翼と、前記直線翼を前記回転軸に保持するアームと、前記直線翼の前記アームに対する取付け角度を可変とする迎角調整機構から構成された垂直型ブレードを有し、微風域、通常発電風速、強風域、暴風域の各風速域において、風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度、前記垂直型ブレードの直径、前記直線翼の断面形状、前記直線翼の弦長および前記直線翼の枚数に応じて前記直線翼の相対風速に対する迎角または前記アームに対する前記取付け角度を前記迎角調整機構により角度調整を行うことを特徴とする。In order to solve the above problem, the invention described in claim 1 of the present invention has a vertical blade composed of a rotating shaft, a plurality of straight blades arranged parallel to the rotating shaft, an arm that holds the straight blades on the rotating shaft, and an angle-of-attachment adjustment mechanism that varies the attachment angle of the straight blades to the arm, and is characterized in that in each of the wind speed ranges of light breeze, normal power generation wind speed, strong wind range, and storm range, the angle of attack of the straight blades with respect to the relative wind speed or the attachment angle to the arm is adjusted by the angle-of-attachment adjustment mechanism depending on the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blades, rotation speed of the vertical blades, diameter of the vertical blades, cross-sectional shape of the straight blades, chord length of the straight blades, and number of the straight blades.
同じく、請求項2に記載の発明は、発電機と前記垂直型ブレードより構成され、前記回転軸は前記発電機の略回転中心部に結合されていることを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 2 is characterized in that the rotor comprises a generator and the vertical blades, and the rotating shaft is connected to approximately the center of rotation of the generator.
同じく、請求項3に記載の発明は、前記迎角調整機構は、モータとギヤおよび/またはベルト、またはリニアアクチュエータを駆動源とすることを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 3 is characterized in that the attack angle adjustment mechanism is driven by a motor and gears and/or a belt, or a linear actuator.
同じく、請求項4に記載の発明は、前記垂直型ブレードの回転数は前記回転軸または前記発電機周辺に構成された回転センサより検出し、前記風速および/または風向の検出、前記角度調整の設定値は、前記垂直型ブレードの回転トルクまたは出力の変化より推定することを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 4 is characterized in that the rotation speed of the vertical blades is detected by a rotation sensor configured on the rotating shaft or around the generator, and the detection of the wind speed and/or wind direction and the setting value for the angle adjustment are estimated from changes in the rotational torque or output of the vertical blades.
同じく、請求項5に記載の発明は、前記角度調整の設定値は、事前に設定した風速毎の出力カーブに基づいて事前に算出した数値を参照することを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 5 is characterized in that the set value for the angle adjustment refers to a numerical value calculated in advance based on an output curve for each preset wind speed.
同じく、請求項6に記載の発明は、前記角度調整の設定値は、前記垂直型ブレードの回転トルクまたは出力の変化より推定する。In the sixth aspect of the present invention, the set value for the angle adjustment is estimated from a change in the rotation torque or output of the vertical blade.
同じく、請求項7に記載の発明は、回転軸と、前記回転軸と平行に配設された複数の直線翼と、前記直線翼を前記回転軸に保持するアームと、前記回転軸と前記アームと複数の前記直線翼から構成された垂直型ブレードより構成された垂直型ブレードを有し、風速に応じて前記アームの一部をスライドもしくは回動させるブレード直径可変機構にて前記アームの形状を変形させることにより前記垂直型ブレードのブレード直径を可変とすることを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 7 has a vertical blade comprising a rotating shaft, a plurality of straight blades arranged parallel to the rotating shaft, an arm that holds the straight blades on the rotating shaft, and a vertical blade formed from the rotating shaft, the arm, and the plurality of straight blades, and is characterized in that the blade diameter of the vertical blade is variable by deforming the shape of the arm using a blade diameter variable mechanism that slides or rotates a portion of the arm depending on the wind speed.
同じく、請求項8に記載の発明は、微風域、通常発電風速、強風域、暴風域の各風速に応じた前記ブレード直径の設定値は、事前に算出した数値を参照することを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 8 is characterized in that the setting values of the blade diameter corresponding to each wind speed of the light breeze area, normal power generation wind speed, strong wind area, and storm area are calculated by referring to numerical values calculated in advance.
同じく、請求項9に記載の発明は、前記発電機と、前記迎角調整機構およびブレード直径可変機構を搭載した前記垂直型ブレードとを有し、微風域、通常発電風速、強風域、暴風域の各風速域において、風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度、前記垂直型ブレードの直径、前記直線翼の断面形状、前記直線翼の弦長および前記直線翼の枚数に応じて前記直線翼の相対風速に対する迎角または前記アームに対する取付け角度を前記迎角調整機構により角度調整を行うとともに前記ブレード直径可変機構により前記ブレード直径を調整することを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 9 has the generator and the vertical blade equipped with the angle of attack adjustment mechanism and the blade diameter variable mechanism, and is characterized in that in each wind speed range of light breeze, normal power generation wind speed, strong wind range, and storm range, the angle of attack of the straight blade with respect to the relative wind speed or the attachment angle with respect to the arm is adjusted by the angle of attack adjustment mechanism and the blade diameter is adjusted by the blade diameter variable mechanism depending on the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blade, rotation speed of the vertical blade, diameter of the vertical blade, cross-sectional shape of the straight blade, chord length of the straight blade, and number of the straight blades.
同じく、請求項10に記載の発明は、前記角度調整およびブレード直径の設定値は、事前に設定した風速毎の出力カーブに基いて事前に算出した数値を参照することを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 10 is characterized in that the set values of the angle adjustment and the blade diameter refer to values calculated in advance based on an output curve for each preset wind speed.
同じく、請求項11に記載の発明は、微風域、通常発電風速、強風域、暴風域の各風速域に応じた前記角度調整および前記ブレード直径の設定値において、前記ブレード直径の設定値は事前に算出した数値を参照し、前記角度調整の設定値は前記垂直型ブレードの回転トルクまたは出力の変化より推定することを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 11 is characterized in that, in the angle adjustment and blade diameter setting values corresponding to each wind speed range of a light breeze range, a normal power generation wind speed, a strong wind range, and a storm range, the blade diameter setting value refers to a numerical value calculated in advance, and the angle adjustment setting value is estimated from changes in the rotational torque or output of the vertical blades.
同じく、請求項12に記載の発明は、風が停止の状態、微風域、通常発電風速、強風域、暴風域の各風速域において、事前に設定した風速域において前記ブレード直径を最小としかつ前記角度調整を行うとともに前記垂直型ブレードの回転を停止する停止モードを有することを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 12 is characterized in having a stop mode in which the blade diameter is minimized and the angle adjustment is performed in a pre-set wind speed range, including a state where the wind is stopped, a light breeze range, a normal power generation wind speed range, a strong wind range, and a storm range, and the rotation of the vertical blades is stopped.
同じく、請求項13に記載の発明は、前記停止モードの際に、前記回転軸の回転を防止するためのブレーキ力をディスクブレーキまたは前記発電機によりにより発生させることを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 13 is characterized in that, in the stop mode, a braking force for preventing rotation of the rotating shaft is generated by a disk brake or the generator.
同じく、請求項14に記載の発明は、水平型洋上風車のファーリング制御用の非常用電源として使用することを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 14 is characterized in that the power supply is used as an emergency power source for furling control of a horizontal offshore wind turbine.
同じく、請求項15に記載の発明は、前記垂直型風力発電システムを前記水平型洋上風車のポールの一部に設置することを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 15 is characterized in that the vertical wind power generation system is installed on a part of the pole of the horizontal offshore wind turbine.
同じく、請求項16に記載の発明は、通常発電風速では前記ブレード直径の設定値を最大とし、前記微風域および前記強風域では前記ブレード直径を前記通常発電風速の設定値より小さくし、前記暴風域および前記停止モードの際は前記ブレード直径の設定値を前記強風域よりさらに小さな設定値とすることを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 16 is characterized in that the set value of the blade diameter is maximized at normal power generation wind speed, the blade diameter is smaller than the set value of the normal power generation wind speed in the light breeze area and the strong wind area, and the set value of the blade diameter is even smaller than the set value in the strong wind area in the storm area and in the stop mode.
同じく、請求項17に記載の発明は、前記微風域は3m/s未満の風速とし、前記通常風速は3m/s以上~12m/s未満の風速とし、前記強風域は12m/s以上20m/s未満の風速とし、前記暴風域は20m/s以上の風速域とすることを特徴とする。Similarly, the invention described in claim 17 is characterized in that the gentle breeze area has a wind speed of less than 3 m/s, the normal wind speed has a wind speed of 3 m/s or more and less than 12 m/s, the strong wind area has a wind speed of 12 m/s or more and less than 20 m/s, and the storm area has a wind speed of 20 m/s or more.
本発明に係る垂直型風力発電システムは上記に説明したように構成され、請求項1から請求項6に記載された発明に関わる垂直型風力発電システムによれば、回転軸と、複数の略直線翼と、略直線翼を前記回転軸に保持するアームと、前記略直線翼の前記アームに対する取付け角度を可変とする迎角調整機構から構成された垂直型ブレードを有し、微風から暴風の各風速域において、風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度、前記垂直型ブレードの直径、前記略直線翼の断面形状、前記略直線翼の弦長および前記略直線翼の枚数に応じて前記略直線翼の相対風速に対する迎角または前記アームに対する取付け角度を前記迎角調整機構により角度調整を行うことを特徴とする垂直型風力発電システムである。The vertical wind power generation system according to the present invention is configured as described above. According to the vertical wind power generation system according to the invention described in claims 1 to 6, the vertical wind power generation system has a vertical blade composed of a rotating shaft, a plurality of approximately straight blades, an arm that holds the approximately straight blades on the rotating shaft, and an attack angle adjustment mechanism that changes the attachment angle of the approximately straight blades to the arm, and is characterized in that the attack angle of the approximately straight blades with respect to the relative wind speed or the attachment angle of the approximately straight blades to the arm is adjusted by the attack angle adjustment mechanism in accordance with the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blades, rotation speed of the vertical blades, diameter of the vertical blades, cross-sectional shape of the approximately straight blades, chord length of the approximately straight blades, and number of the approximately straight blades in each wind speed range from a light breeze to a strong wind.
また迎角または取付け角の前記角度調整の設定値は、事前に算出する、もしくは事前に算出した設定値をベースに垂直型ブレードの回転トルクまたは出力の変化より推定する。さらには、微風から暴風の環境下において、風車の発電量と設置された環境への騒音などの要望事項と安全性を考慮して事前に設定された風速毎の出力カーブに基いて前記角度調整の設定値を演算し、そのデータを参照して前記角度調整が行われる構成としている。The set value for the angle adjustment of the attack angle or the setting angle is calculated in advance, or is estimated based on the previously calculated set value from the change in the rotation torque or output of the vertical blades.Furthermore, the set value for the angle adjustment is calculated based on an output curve for each wind speed that is set in advance, taking into consideration the amount of power generated by the wind turbine and the noise level in the installation environment, and safety, in environments ranging from light winds to strong winds, and the angle adjustment is performed by referring to the data.
この構成により、微風域は比較的に回転しやすくなり発電効率が上昇し、平均風速近傍では発電効率が上昇すると共に騒音レベルの大幅な低下を実現することができ、強風域は要望される出力と、ブレード、ポール、アーム、ブレーキなどの機械強度と、発電機の定格出力等の電気的能力への対応と、風車全体の安全性のバランスを考慮した出力特性となる前記角度調整の設定値を選択し、暴風時においても停止を含めた要望される出力、ブレード、ポール、アーム、ブレーキなどの機械強度と、発電機の定格出力等の電気的能力において、風車全体の安全性のバランスを考慮した出力特性となる前記角度調整の設定値を選択することが可能となり、垂直型風力発電システムの発電性能と安全性および静音性をバランスよく実現することが可能となる。With this configuration, in light breeze areas, rotation is relatively easy and power generation efficiency increases, and near the average wind speed, power generation efficiency increases and noise levels can be significantly reduced. In strong wind areas, the angle adjustment setting value can be selected which results in output characteristics that take into consideration a balance between the desired output, the mechanical strength of the blades, poles, arms, brakes, etc., electrical capabilities such as the rated output of the generator, and the safety of the entire wind turbine, and even during strong winds, it is possible to select the angle adjustment setting value which results in output characteristics that take into consideration a balance between the desired output, including shutdown, the mechanical strength of the blades, poles, arms, brakes, etc., and electrical capabilities such as the rated output of the generator, and the safety of the entire wind turbine, making it possible to achieve a good balance between the power generation performance, safety, and quietness of the vertical wind power generation system.
また、請求項7から請求項8に記載された発明に関わる垂直型風力発電システムによれば、回転軸と、複数の略直線翼と、略直線翼を前記回転軸に保持するアームと、前記回転軸と前記アームと複数の前記直線翼から構成された垂直型ブレードより構成された垂直型ブレードを有し、風速に応じて前記アームの一部をスライドもしくは回動させるブレード直径可変機構にて前記アームの形状を変形させることにより前記垂直型ブレードのブレード直径を可変とする構成としている。In addition, according to the vertical wind power generation system of the invention described in claims 7 and 8, the system has a rotating shaft, a plurality of approximately straight blades, an arm that holds the approximately straight blades on the rotating shaft, and a vertical blade that is composed of the rotating shaft, the arm, and the plurality of straight blades, and is configured to change the blade diameter of the vertical blades by deforming the shape of the arm using a blade diameter changing mechanism that slides or rotates a part of the arm depending on the wind speed.
この構成により、停止時や微風域(3m/s未満)において発電量が小さい場合は、ブレード直径を小さくしてスペースの確保を実施し、平均風速近傍の通常発電風速(3m/s以上~12m/s未満)では可能な限りブレード直径を大きくして発電量を増やし、強風域(12m/s以上~20m/s未満)は発電量と安全性を考慮するためブレード直径を小さくし、暴風域(20m/s以上)は安全性の観点より風圧を小さくするためできる限りブレード直径を小さくすることで、垂直型風力発電システムの発電性能と安全性をより一層バランスよく実現することが可能となる。With this configuration, when the amount of power generation is small when the system is stopped or in a light breeze area (less than 3 m/s), the blade diameter is made smaller to ensure space, and at normal power generation wind speeds near the average wind speed (3 m/s or more to less than 12 m/s) the blade diameter is made as large as possible to increase the amount of power generation, and in strong wind areas (12 m/s or more to less than 20 m/s) the blade diameter is made smaller to take into account power generation and safety, and in storm areas (20 m/s or more) the blade diameter is made as small as possible to reduce wind pressure from a safety standpoint, making it possible to achieve an even better balance between the power generation performance and safety of the vertical wind power generation system.
さらに、請求項9から請求項13に記載された発明に関わる垂直型風力発電システムによれば、前記発電機と、前記迎角調整機構およびブレード直径可変機構を搭載した前記垂直型ブレードとを有し、風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度に応じて前記略直線翼の相対風速に対する迎角または前記アームに対する取付け角度を前記迎角調整機構により角度調整を行うとともに前記ブレード直径可変機構により前記ブレード直径を調整する構成としている。Furthermore, according to the vertical wind power generation system of the invention described in claims 9 to 13, the system has the generator and the vertical blade equipped with the angle-of-attack adjustment mechanism and the blade diameter variable mechanism, and is configured to adjust the angle of attack of the approximately straight blade with respect to the relative wind speed or the mounting angle with respect to the arm by the angle-of-attack adjustment mechanism according to the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blade, and rotation speed of the vertical blade, and to adjust the blade diameter by the blade diameter variable mechanism.
この構成により、微風域において発電量が小さい場合は、ブレード直径を小さくしてスペースの確保を実施しつつ相対風速に対する迎角またはアームに対する取付け角度となる前記角度調整を行うことで発電効率または発電量を増やしつつスペースの確保を行い、平均風速近傍となる通常発電風速では可能な限りブレード直径を大きくしてかつ相対風速に対する迎角またはアームに対する取付け角度となる前記角度調整を行うことで発電量の増加と静音性を実現し、強風域は発電量と安全性を考慮するためブレード直径を小さくしつつ相対風速に対する迎角またはアームに対する取付け角度となる前記角度調整を行うことで発電量と安全性の両立をはかり、暴風域は安全性の観点より風圧を小さくするためできる限りブレード直径を小さくすること、相対風速に対する迎角またはアームに対する取付け角度となる前記角度調整を行うことで、暴風域の発電を可能としつつ垂直型風力発電システムの発電性能と安全性をより一層バランスよく実現することが可能となる。With this configuration, when the amount of power generation is small in a light breeze area, the blade diameter is reduced to ensure space while adjusting the angle to the angle of attack relative to the relative wind speed or the attachment angle to the arm, thereby increasing the power generation efficiency or power generation while ensuring space; at a normal power generation wind speed which is close to the average wind speed, the blade diameter is increased as much as possible and the angle adjustment to the angle of attack relative to the relative wind speed or the attachment angle to the arm is performed, thereby increasing the amount of power generation and achieving quieter operation; in a strong wind area, the blade diameter is reduced to take into account the amount of power generation and safety, while the angle adjustment to the angle of attack relative to the relative wind speed or the attachment angle to the arm is performed, thereby achieving both the amount of power generation and safety; and in a stormy wind area, the blade diameter is reduced as much as possible to reduce wind pressure from a safety standpoint, and the angle adjustment to the angle of attack relative to the relative wind speed or the attachment angle to the arm is performed, thereby making it possible to achieve an even better balance between the power generation performance and safety of the vertical wind power generation system while enabling power generation in a stormy wind area.
特に、前記ブレード直径を大きくした場合、仮に風速を同じとした場合には最大出力を発生する回転数はブレード直径が小さい場合に比べ比較的遅くなり、前記ブレード直径を小さくした場合、仮に風速を同じとした場合には最大出力を発生する回転数はブレード直径が大きい場合に比べ比較的速くなる。特に暴風域で回転数が速くなることは機械的強度の悪化につながるため、相対風速に対する迎角、アームに対する取付け角度またはピッチ角となる前記角度調整を行うことで暴風域での回転数の増加を大幅に抑制することが可能となり、暴風域でも安定した発電を行うことが可能となり、垂直型風力発電システムの発電性能と安全性をより一層バランスよく実現することが可能となる。
また、微風域から暴風域までの各風速において、事前に設定した風速領域において前記ブレード直径を最小としかつ前記角度調整を行うとともに前記垂直型ブレードの回転を停止する停止モードを有する構成とすることで垂直型風力発電システムの安全性をより一層高くすることが可能なる。前記停止モードの際に、前記回転軸の回転を防止するためのブレーキ力をディスクブレーキまたは前記発電機によりにより発生させる構成とすることで垂直型風力発電システムの安全性をさらに高くすることが可能なる。 In particular, when the blade diameter is increased, the rotation speed at which maximum output is generated is relatively slower than when the blade diameter is small, assuming the same wind speed, and when the blade diameter is decreased, the rotation speed at which maximum output is generated is relatively faster than when the blade diameter is large, assuming the same wind speed. Since an increase in the rotation speed in a stormy wind area leads to a deterioration in mechanical strength, it is possible to significantly suppress the increase in the rotation speed in a stormy wind area by adjusting the angle of attack with respect to the relative wind speed, the mounting angle with respect to the arm, or the pitch angle, and it is possible to generate stable power even in a stormy wind area, and it is possible to achieve a better balance between the power generation performance and safety of the vertical wind power generation system.
In addition, the vertical wind turbine can be further improved in safety by providing a stop mode in which the blade diameter is minimized and the angle is adjusted in a pre-set wind speed range from a light breeze range to a strong wind range, and the rotation of the vertical blades is stopped. In the stop mode, the braking force for preventing the rotation of the rotating shaft is generated by a disk brake or the generator, thereby further improving the safety of the vertical wind turbine.
さらに、請求項14に記載された発明に関わる垂直型風力発電システムによれば、垂直型風力発電システムを水平型洋上風車のファーリング制御用の非常用電源として使用する構成としている。Furthermore, according to the vertical wind power generation system of the present invention described in claim 14, the vertical wind power generation system is configured to be used as an emergency power source for furling control of a horizontal offshore wind turbine.
この構成により、台風や爆弾低気圧などの異常気象時に前記水平型洋上風車のブレードを止め発電を停止した際においても、ブレードの向きを風向と正対させないファーリング制御を行う際の電力源として使用することが可能となり、安全性の高い垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。With this configuration, even when the blades of the horizontal offshore wind turbine are stopped and power generation is halted during abnormal weather such as a typhoon or bomb cyclone, the turbine can still be used as a power source for furling control to prevent the blades from facing directly into the wind, making it possible to realize a highly safe vertical wind power generation system.
さらに、請求項15に記載された発明に関わる垂直型風力発電システムによれば、前記垂直型風力発電システムを前記水平型洋上風車のポールの一部に設置する構成としている。Furthermore, according to a vertical wind power generation system according to the present invention as set forth in claim 15, the vertical wind power generation system is configured to be installed on a part of the pole of the horizontal offshore wind turbine.
この構成により、前記垂直型風力発電システムのポールを前記水平型洋上風車の前記ポールと共用化することが可能となり、前記水平型洋上風車の非常用電源および前記垂直型風力発電システムの大幅な低コスト化が可能となり、垂直型風力発電システムの低コスト化と安全性をより一層バランスよく実現することが可能となる。This configuration makes it possible to share the poles of the vertical wind power generation system with the poles of the horizontal offshore wind turbine, thereby enabling significant cost reductions for the emergency power supply of the horizontal offshore wind turbine and the vertical wind power generation system, and making it possible to achieve an even better balance between cost reduction and safety of the vertical wind power generation system.
さらに、請求項16に記載された発明に関わる垂直型風力発電システムによれば、通常発電風速では前記ブレード直径の設定値を最大とし、前記微風域および前記強風域では前記ブレード直径を前記通常発電風速の設定値より小さくし、前記暴風域および前記停止モードの際は前記ブレード直径の設定値を前記強風域よりさらに小さな設定値としている。
この構成により、風速に応じた最適なブレード直径を選択することが出来、風速に応じた最適な発電効率、風圧を選択することが可能となる。さらに前記ブレード直径とともに前記迎角を調整することにより最適な発電効率および発電量、風圧、静音性を選択することが可能となる。 Furthermore, according to the vertical wind power generation system of the invention described in claim 16, the set value of the blade diameter is set to a maximum value at normal power generation wind speed, and in the light breeze area and the strong wind area, the set value of the blade diameter is set to a value smaller than the set value of the normal power generation wind speed, and in the storm area and the stop mode, the set value of the blade diameter is set to a value even smaller than that of the strong wind area.
This configuration allows the optimum blade diameter to be selected according to the wind speed, and the optimum power generation efficiency and wind pressure to be selected according to the wind speed. Furthermore, by adjusting the blade diameter and the angle of attack, it is possible to select the optimum power generation efficiency, power generation amount, wind pressure, and quietness.
請求項17に記載された発明に関わる垂直型風力発電システムによれば、前記微風域は3m/s未満の風速とし、前記通常発電風速は3m/s以上~12m/s未満の風速とし、前記強風域は12m/s以上20m/s未満の風速とし、前記暴風域は20m/s以上の風速域としている。
この構成により、各風速に応じた最適なブレード直径および迎角を選択および設定することが可能となる。ただし、この風速域の設定は一例であり、各風速における風速の範囲を変更しても本発明の効果に問題は無い。 According to the vertical wind power generation system of the invention described in claim 17, the gentle breeze area is a wind speed of less than 3 m/s, the normal power generation wind speed is a wind speed of 3 m/s or more and less than 12 m/s, the strong wind area is a wind speed of 12 m/s or more and less than 20 m/s, and the storm area is a wind speed of 20 m/s or more.
This configuration makes it possible to select and set the optimal blade diameter and angle of attack for each wind speed. However, this wind speed range setting is only an example, and there is no problem in the effect of the present invention even if the wind speed range for each wind speed is changed.
(本発明の一形態を得るに至った経緯)
本発明者は「背景技術」にて記載した従来の垂直型風車の発電効率の改善および暴風域における発電および設備保全対策に関して鋭意研究した。この際、風速域は微風域(3m/s未満)、通常発電風速(3m/s~12m/s未満)、強風域(12m/s~20m/s未満)、暴風域(20m/s以上)と定義する。(How one embodiment of the present invention was achieved)
The inventors have conducted extensive research into improving the power generation efficiency of conventional vertical wind turbines described in the "Background Art" section, and into power generation and equipment maintenance measures in stormy wind areas. In this study, wind speed areas are defined as light wind area (less than 3 m/s), normal power generation wind speed (3 m/s to less than 12 m/s), strong wind area (12 m/s to less than 20 m/s), and storm area (20 m/s or more).
従来の垂直型風車ではその構成上、微風域から通常発電風速におけるすべての風速域で発電効率(Cp)を高くすることが困難となる。また、特定の風速域で最適な発電効率(Cp)を高くすることは可能だが、幅広い風速において発電効率(Cp)を高くすることは困難となる。さらに、微風域、通常発電風速、強風域、暴風域の各風速域において発電を行うとともに大きな風圧に対して設備を安全に維持することは困難となる。一方、発電効率(Cp)を極端に低く設定し、暴風域のみ発電する構成としても通常発電風速ではほとんど発電せずかつ設備の剛性を上げるためポールをはじめとする設備コストが大幅に上昇してしまうという課題を有していた。また、ブレードの風切音による騒音に関しても対策がされておらず、住宅街の近隣には従来の風車を設置することは限定的となるという課題を有していた。Due to its configuration, it is difficult for a conventional vertical wind turbine to have a high power generation efficiency (Cp) in all wind speed ranges from a light breeze range to a normal power generation wind speed. In addition, although it is possible to increase the optimal power generation efficiency (Cp) in a specific wind speed range, it is difficult to increase the power generation efficiency (Cp) in a wide range of wind speeds. Furthermore, it is difficult to generate power in each wind speed range of a light breeze range, a normal power generation wind speed, a strong wind range, and a storm range, and to safely maintain the equipment against large wind pressure. On the other hand, even if the power generation efficiency (Cp) is set extremely low and the configuration is such that power generation is only performed in a storm range, there is a problem that almost no power is generated at a normal power generation wind speed and the equipment cost including the pole increases significantly in order to increase the rigidity of the equipment. In addition, there is a problem that no measures are taken against the noise caused by the wind noise of the blades, and the installation of conventional wind turbines near residential areas is limited.
このように、従来の垂直型風車では、微風域から暴風域までの幅広い風速域で発電し、微風域から暴風域の幅広い風速域で発電効率(Cp)が高くかつ暴風から設備を安全に維持する安全性と、静音性と、小型化を両立することが非常に難しいという課題を有していた。
また、暴風域での設備保全に対応するために、ポール、ブレード、回転軸、アーム、ブレーキなどの機構部品や発電機が風圧や回転エネルギーに耐える構成とするには膨大なコストが必要となり、設備費が高くなりすぎるという課題に直面していた。
また、単純に風圧を下げるためにブレード直径のみを小さくしたのでは、発電効率(Cp)を最適化するのが難しく、ブレード回転数が速くなりすぎてしまい、発電機、ブレード、アームなどの許容量を大きく超えることになったり、様々な風速域に対して最適な発電量や回転数および剛性の設定が困難であるという問題を有していた。 As described above, conventional vertical wind turbines had the problem that it was extremely difficult to generate electricity over a wide range of wind speeds from light breeze to strong winds, achieve high power generation efficiency (Cp) over that wide range of wind speeds from light breeze to strong winds, and simultaneously maintain safety to keep the equipment safe from strong winds, be quiet, and be compact.
Furthermore, in order to maintain equipment in storm areas, it would be extremely costly to design mechanical parts such as poles, blades, rotating shafts, arms, and brakes, as well as generators, to withstand wind pressure and rotational energy, which meant that equipment costs were too high.
Furthermore, simply reducing the blade diameter in order to reduce wind pressure makes it difficult to optimize power generation efficiency (Cp), and the blade rotation speed becomes too fast, greatly exceeding the capacity of the generator, blades, arms, etc., and there are problems in that it is difficult to set optimal power generation, rotation speed, and rigidity for various wind speed ranges.
さらに、風車の設備投資を考慮した際に、発電効率(Cp)が従来の垂直型風車に対して大幅に増加しないと投資回収期間が大幅に延びてしまうという課題を有していた。
一方、水平型洋上風車において暴風域で風とブレードが正対するのを防ぐファーリング制御を行う際は、ブレードが止まった際においてもファーリング制御が可能となる非常用電源が必要となるが、暴風が長期間になった際でも安定して電源を供給するにはディーゼルエンジンに変わる対策が必要となるという課題を有していた。 Furthermore, when considering the capital investment required for a wind turbine, there was a problem in that unless the power generation efficiency (Cp) was significantly increased compared to conventional vertical wind turbines, the investment payback period would be significantly extended.
Meanwhile, when furling control is performed on horizontal offshore wind turbines to prevent the blades from facing the wind directly in stormy areas, an emergency power source is required to enable furling control even when the blades have stopped. However, there was an issue in that an alternative to diesel engines was needed to provide a stable power supply even in prolonged storms.
また、従来の風車ではブレード周辺に発生する渦や流れのはく離による騒音の発生が大きく、深夜などの騒音の発生により住宅地の近傍に設置しにくいという課題を有していた。Additionally, conventional wind turbines generate a lot of noise due to vortexes and flow separation that occur around the blades, making it difficult to install them near residential areas due to the noise generated late at night, etc.
そこで、本発明者はこの問題点に関し検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、微風域から通常発電風速においてはできる限り全域で発電効率(Cp)を上げる構成とするとともに、強風域および暴風域ではできる限り発電量(発電効率)と装置保全のバランスを考慮し発電を行う構成が実現できないかと考えた。The inventors have studied this problem and have come to the following conclusion: They thought it might be possible to realize a configuration that would increase the power generation efficiency (Cp) as much as possible across the entire range from light wind areas to normal power generation wind speeds, while at the same time, in strong wind areas and stormy wind areas, taking into consideration the balance between the amount of power generation (power generation efficiency) and equipment maintenance as much as possible.
ブレードの迎角を調整することで発電効率を大幅に向上させ、強風域および暴風域は迎角を調整するのみでなくブレードの直径を変化させることと併せて制御するとともに発電機の性能も考慮してブレード回転数や発電量を設定し、風圧によるポール、ブレード、アームなどへの負荷も考慮し、相対風速に対する最適な迎角および各風速域に対する最適なブレード直径を事前に設定する構成とした。さらには、ブレードの角度を騒音を下げるために調整する構成とした。
また、最適な迎角は動作中に学習してもよい。さらに、微風域や停止中は、スペース確保のためブレード直径を最小としてたたみ込む構成としても良いし、暴風域でもブレードを最小直径としてたたみ込んでも良いしその際ブレーキにより回転軸を固定することで一層安全に設備を保全することが可能となる。 By adjusting the angle of attack of the blades, the power generation efficiency is greatly improved, and in strong wind and stormy wind areas, not only the angle of attack is adjusted but also the diameter of the blades is changed and controlled, and the blade rotation speed and power generation amount are set taking into consideration the performance of the generator, and the load on the pole, blades, arms, etc. due to wind pressure is also taken into consideration, and the optimal angle of attack for the relative wind speed and the optimal blade diameter for each wind speed range are set in advance. Furthermore, the angle of the blades is adjusted to reduce noise.
The optimal angle of attack may be learned during operation. Furthermore, in light wind areas or when the aircraft is stopped, the blades may be folded to the smallest diameter to secure space, and in strong wind areas the blades may also be folded to the smallest diameter, and in that case, the rotor shaft may be fixed with a brake to ensure even safer maintenance of the equipment.
そして、本発明では以下に示す態様を提供する。
本発明の第1の態様に係る垂直型風力発電システムは、回転軸と、前記回転軸と平行に配設された複数の直線翼と、前記直線翼を前記回転軸に保持するアームと、前記直線翼の前記アームに対する取付け角度を可変とする迎角調整機構から構成された垂直型ブレードを有し、微風域、通常発電風速、強風域、暴風域の各風速域において、風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度、前記垂直型ブレードの直径、前記直線翼の断面形状、前記直線翼の弦長および前記直線翼の枚数に応じて前記直線翼の相対風速に対する迎角または前記アームに対する前記取付け角度を前記迎角調整機構により角度調整を行う構成としている。 The present invention provides the following aspects.
The vertical wind power generation system according to the first aspect of the present invention has vertical blades composed of a rotating shaft, a plurality of straight blades arranged parallel to the rotating shaft, an arm that holds the straight blades on the rotating shaft, and an angle-of-attachment adjustment mechanism that changes the attachment angle of the straight blades to the arm, and is configured to adjust the angle of attack of the straight blades with respect to the relative wind speed or the attachment angle with respect to the arm by the angle-of-attachment adjustment mechanism depending on the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blades, rotation speed of the vertical blades, diameter of the vertical blades, cross-sectional shape of the straight blades, chord length of the straight blades and number of the straight blades in each of the wind speed ranges of light breeze, normal power generation wind speed, strong wind range and storm range.
上記した構成によると、風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度、前記垂直型ブレードの直径、前記略直線翼の断面形状、前記略直線翼の弦長および前記略直線翼の枚数に応じた前記垂直翼の相対風速に対する最適な迎角、または前記垂直翼の前記アームに対する取付け角度を調整することで、前記垂直型ブレードの回転エネルギーまたは垂直型風力発電システムの発電効率(Cp)を微風域、通常発電風速、強風域において大幅に向上させることが可能となる。さらに強風域および暴風域において、前記垂直型ブレードが受ける風圧、前記垂直型ブレードの回転エネルギー、前記垂直型ブレードの回転数を考慮しながら風圧、発電量、回転数のバランスを考慮しながら、前記相対風速に対する最適な前記垂直翼の迎角を設定することが可能となる。According to the above-mentioned configuration, by adjusting the optimal attack angle of the vertical blades for the relative wind speed or the mounting angle of the vertical blades to the arms according to the wind speed, wind direction, the rotation angle of the vertical blades, the rotation speed of the vertical blades, the diameter of the vertical blades, the cross-sectional shape of the substantially straight blades, the chord length of the substantially straight blades, and the number of the substantially straight blades, it is possible to significantly improve the rotational energy of the vertical blades or the power generation efficiency (Cp) of the vertical wind power generation system in light wind areas, normal power generation wind speeds, and strong wind areas. Furthermore, in strong wind areas and storm areas, it is possible to set the optimal attack angle of the vertical blades for the relative wind speed while taking into account the wind pressure received by the vertical blades, the rotational energy of the vertical blades, and the rotation speed of the vertical blades, and taking into account the balance between the wind pressure, power generation, and rotation speed.
また、本発明の第2の態様に係る垂直型風力発電システムは、発電機と前記垂直型ブレードより構成され、前記回転軸は前記発電機の略回転中心部に結合されている。
上記した構成によると、前記垂直型ブレードが高精度に効率よく回転することが可能となり、低速回転から高速回転に至るまで、発電ロスの少ない垂直型風力発電システムを構築することが可能となる。 A vertical wind power generating system according to a second aspect of the present invention comprises a generator and the vertical blades, and the rotating shaft is connected to approximately the center of rotation of the generator.
With the above-described configuration, the vertical blades can rotate efficiently with high precision, making it possible to construct a vertical wind power generation system with little power generation loss from low to high rotation speeds.
また、本発明の第3の態様に係る垂直型風力発電システムの前記迎角調整機構は、モータとギヤおよび/またはベルト、またはリニアアクチュエータを駆動源とする構成としている。
上記した構成によると、ステッピングモータ、DCモータ、ACモータなどのモータとギヤまたはベルト、またはリニアアクチュエータを駆動源とすることにより、簡易な構成で前記迎角調整機構を実現することが可能となる。 The attack angle adjustment mechanism of the vertical wind power generating system according to the third aspect of the present invention is configured to use a motor and a gear and/or a belt, or a linear actuator as a drive source.
According to the above-mentioned configuration, by using a motor such as a stepping motor, a DC motor, or an AC motor and a gear or a belt, or a linear actuator as a drive source, it is possible to realize the attack angle adjustment mechanism with a simple configuration.
また、本発明の第4の態様に係る垂直型風力発電システムの前記垂直型ブレードの回転数は前記回転軸または前記発電機周辺に構成された回転センサより検出し、前記風速および/または風向の検出、前記角度調整の設定値は、前記垂直型ブレードの回転トルクまたは出力の変化より推定する構成としている。
この構成により前記風速や風向を推定することで前記風向計および前記風速計の両方またはいずれか一方を取り除くことが可能となる。さらには角度調整の設定値となる迎角の計算誤差、前記垂直型ブレードの組立て誤差、前記垂直翼の取付け誤差などを補正することが可能となる。In addition, the rotation speed of the vertical blades of the vertical wind power generation system according to the fourth aspect of the present invention is detected by a rotation sensor arranged on the rotating shaft or around the generator, and the detection of the wind speed and/or wind direction and the setting value of the angle adjustment are estimated from changes in the rotation torque or output of the vertical blades.
With this configuration, it is possible to eliminate the wind vane and/or the anemometer by estimating the wind speed and direction, and it is also possible to correct calculation errors in the angle of attack, which is the set value for angle adjustment, assembly errors of the vertical blades, installation errors of the vertical wings, etc.
また、本発明の第5の態様に係る垂直型風力発電システムにおける前記角度調整の設定値は、事前に設定した風速毎の出力カーブに基づいて事前に算出した数値を参照する構成としている。
この構成により前記風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度、前記垂直型ブレードの直径、前記略直線翼の断面形状、前記略直線翼の弦長および前記略直線翼の枚数に応じた前記垂直翼の最適な迎角、または前記垂直翼の前記アームに対する取付け角度、または前記垂直翼の相対風速に対する迎角となる前記角度調整の設定値を事前に精度よく検証することが出来るとともに、事前に算出し準備しておくことで前記風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度に応じて高速にかつ精度よく前記角度調整の設定値に設定することが可能となる。 In addition, the set value of the angle adjustment in the vertical wind power generation system according to the fifth aspect of the present invention is configured to refer to a numerical value calculated in advance based on an output curve for each wind speed set in advance.
With this configuration, the optimal angle of attack of the vertical blades, or the attachment angle of the vertical blades to the arms, or the angle of attack of the vertical blades with respect to the relative wind speed, can be verified in advance with high accuracy according to the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blades, rotation speed of the vertical blades, diameter of the vertical blades, cross-sectional shape of the approximately straight blades, chord length of the approximately straight blades, and number of the approximately straight blades. Furthermore, by calculating and preparing these in advance, it becomes possible to quickly and accurately set the angle adjustment setting value according to the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blades, and rotation speed of the vertical blades.
また、本発明の第6の態様に係る垂直型風力発電システムにおける前記角度調整の設定値は、前記垂直型ブレードの回転トルクまたは出力の変化より推定する構成としている。
この構成により、前記迎角の計算誤差、前記垂直型ブレードの組立て誤差、前記垂直翼の取付け誤差などを補正することが可能となり、一層高精度な前記角度調整を行うことが可能となる。 In addition, in the vertical wind power generation system according to the sixth aspect of the present invention, the set value of the angle adjustment is estimated from a change in the rotation torque or output of the vertical blades.
This configuration makes it possible to correct calculation errors in the angle of attack, assembly errors in the vertical blades, installation errors in the vertical wings, etc., thereby enabling angle adjustment to be performed with even higher precision.
また、本発明の第7の態様に係る垂直型風力発電システムは、回転軸と、前記回転軸と平行に配設された複数の直線翼と、前記直線翼を前記回転軸に保持するアームと、前記回転軸と前記アームと複数の前記直線翼から構成された垂直型ブレードより構成された垂直型ブレードを有し、風速に応じて前記アームの一部をスライドもしくは回動させるブレード直径可変機構にて前記アームの形状を変形させることにより前記垂直型ブレードのブレード直径を可変とする構成としている。
この構成により、強風域または暴風域ではブレード直径を小さくして風圧を減らしたり、微風域又は風が吹いていない場合はブレード直径を小さくして余剰スペースとして活用することが可能となる。このように様々な風速に応じた最適なブレード直径を選択することが可能となり、発電効率、発電量と設備の安全性の保全とのバランスを高精度に実現することが可能となる。 In addition, a vertical wind power generation system according to a seventh aspect of the present invention has a rotating shaft, a plurality of straight blades arranged parallel to the rotating shaft, an arm that holds the straight blades on the rotating shaft, and a vertical blade composed of the rotating shaft, the arm, and the plurality of straight blades, and is configured to change the blade diameter of the vertical blades by deforming the shape of the arm using a blade diameter changing mechanism that slides or rotates a portion of the arm depending on the wind speed.
This configuration makes it possible to reduce the blade diameter in strong wind or storm areas to reduce wind pressure, and to reduce the blade diameter in light wind areas or when there is no wind, to utilize the extra space. In this way, it is possible to select the optimal blade diameter according to various wind speeds, and it is possible to achieve a high degree of balance between power generation efficiency, power generation amount, and equipment safety.
また、本発明の第8の態様に係る垂直型風力発電システムの微風域、通常発電風速、強風域、暴風域の各風速に応じた前記ブレード直径の設定値は、事前に算出した数値を参照する構成としている。
この構成により前記風速に応じて前記ブレード直径を事前に精度よく検証することが出来るとともに、事前に算出し準備しておくことで前記風速に応じて高速にかつ精度よく前記角度調整の設定値に設定することが可能となる。 In addition, the setting values of the blade diameter corresponding to each wind speed in the light breeze zone, normal power generation wind speed, strong wind zone, and storm zone of the vertical wind power generation system according to the eighth aspect of the present invention are configured to refer to numerical values calculated in advance.
With this configuration, the blade diameter can be verified in advance with high accuracy in accordance with the wind speed, and by calculating and preparing it in advance, it is possible to quickly and accurately set the angle adjustment setting value in accordance with the wind speed.
また、本発明の第9の態様に係る垂直型風力発電システムは、前記発電機と、前記迎角調整機構およびブレード直径可変機構を搭載した前記垂直型ブレードとを有し、微風域、通常発電風速、強風域、暴風域の各風速域において、風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度、前記垂直型ブレードの直径、前記直線翼の断面形状、前記直線翼の弦長および前記直線翼の枚数に応じて前記直線翼の相対風速に対する迎角または前記アームに対する取付け角度を前記迎角調整機構により角度調整を行うとともに前記ブレード直径可変機構により前記ブレード直径を調整する構成としている。
この構成により、風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度、前記垂直型ブレードの直径、前記略直線翼の断面形状、前記略直線翼の弦長および前記略直線翼の枚数に応じて最適な前記直線翼の相対風速に対する迎角または前記アームに対する取付け角および前記ブレード直径の調整が可能となり、発電効率、発電量と設備の安全性の保全とのバランスをより高精度に実現することが可能となる。 In addition, a vertical wind power generation system according to a ninth aspect of the present invention has the generator and the vertical blade equipped with the angle of attack adjustment mechanism and the blade diameter variable mechanism, and is configured to adjust the angle of attack of the straight blade with respect to the relative wind speed or the attachment angle with respect to the arm by the angle of attack adjustment mechanism and to adjust the blade diameter by the blade diameter variable mechanism depending on the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blade, rotation speed of the vertical blade, diameter of the vertical blade, cross-sectional shape of the straight blade, chord length of the straight blade and number of the straight blades in each wind speed range of light breeze range, normal power generation wind speed range, strong wind range and storm range.
With this configuration, it is possible to adjust the angle of attack of the straight blades with respect to the relative wind speed or the attachment angle with respect to the arm, and the blade diameter to be optimal depending on the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blades, rotation speed of the vertical blades, diameter of the vertical blades, cross-sectional shape of the approximately straight blades, chord length of the approximately straight blades, and number of the approximately straight blades, making it possible to achieve a balance between power generation efficiency, power generation amount, and maintaining the safety of the equipment with greater precision.
また、本発明の第10の態様に係る垂直型風力発電システムの前記角度調整およびブレード直径の設定値は、事前に設定した風速毎の出力カーブに基づいて事前に算出した数値を参照する構成としている。
この構成により、風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度、前記垂直型ブレードの直径、前記略直線翼の断面形状、前記略直線翼の弦長および前記略直線翼の枚数に応じた前記垂直翼の最適な迎角または前記垂直翼の前記アームに対する取り付け角度、または前記垂直翼の相対風速に対する迎角となる前記角度調整の設定値と前記ブレード直径を事前に精度よく検証することが出来るとともに、事前に算出し準備しておくことで前記風速、風向、前記垂直型ブレードの回転角、前記垂直型ブレードの回転速度に応じて高速にかつ精度よく前記角度調整の設定値および前記ブレード直径に設定することが可能となる。 In addition, the angle adjustment and blade diameter setting values of the vertical wind power generation system according to the tenth aspect of the present invention are configured to refer to numerical values calculated in advance based on an output curve for each pre-set wind speed.
With this configuration, the optimal angle of attack of the vertical blades or the attachment angle of the vertical blades to the arms, or the angle of attack of the vertical blades with respect to the relative wind speed, depending on the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blades, rotation speed of the vertical blades, diameter of the vertical blades, cross-sectional shape of the approximately straight blades, chord length of the approximately straight blades and number of the approximately straight blades, can be verified in advance with high accuracy, and by calculating and preparing them in advance, it is possible to quickly and accurately set the angle adjustment setting value and the blade diameter depending on the wind speed, wind direction, rotation angle of the vertical blades and rotation speed of the vertical blades.
また、本発明の第11の態様に係る垂直型風力発電システムは、微風域、通常発電風速、強風域、暴風域の各風速域に応じた前記角度調整および前記ブレード直径の設定値において、前記ブレード直径の設定値は事前に算出した数値を参照し、前記角度調整の設定値は前記垂直型ブレードの回転トルクまたは出力の変化より推定する構成としている。
この構成により、前記角度調整の設定値となる前記迎角の計算誤差、前記垂直型ブレードの組立て誤差、前記垂直翼の取付け誤差を補正することが可能となり、一層高精度な前記角度調整を行うことが可能となる。 In addition, in the vertical wind power generation system according to the eleventh aspect of the present invention, in the angle adjustment and the blade diameter setting values corresponding to each wind speed range of a light breeze range, a normal power generation wind speed range, a strong wind range, and a storm range, the blade diameter setting value is set by referring to a numerical value calculated in advance, and the angle adjustment setting value is estimated from a change in the rotational torque or output of the vertical blade.
This configuration makes it possible to correct calculation errors in the angle of attack, which is the setting value for the angle adjustment, assembly errors in the vertical blades, and installation errors in the vertical wing, thereby enabling the angle adjustment to be performed with even higher precision.
また、本発明の第12の態様に係る垂直型風力発電システムは、風が停止の状態、微風域、通常発電風速、強風域、暴風域の各風速域において、事前に設定した風速域において前記ブレード直径を最小としかつ前記角度調整を行うとともに前記垂直型ブレードの回転を停止する停止モードを有する構成としている。
この構成により、強風域または暴風域において前記垂直型ブレード、前記直線翼、前記アーム、前記ポール、前記回転軸が受ける風圧の影響を大きく低減することが出来るとともに微風域または風がない時に前記垂直型風力発電システムの占有するスペースを最小に抑えることが可能となり、設備の保全性とスペース効率に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。 In addition, the vertical wind power generation system according to the twelfth aspect of the present invention is configured to have a stop mode in which the blade diameter is minimized and the angle adjustment is performed in pre-set wind speed ranges, namely, when the wind is stopped, in a light breeze range, a normal power generation wind speed range, a strong wind range, and a storm range, and the rotation of the vertical blades is stopped.
This configuration significantly reduces the effect of wind pressure on the vertical blades, the straight wings, the arms, the pole, and the rotating shaft in strong wind or storm areas, and also makes it possible to minimize the space occupied by the vertical wind power generation system in light wind areas or when there is no wind, making it possible to realize a vertical wind power generation system with excellent equipment maintainability and space efficiency.
また、本発明の第13の態様に係る垂直型風力発電システムは、前記停止モードにおいて、前記回転軸の回転を防止するためのブレーキ力をディスクブレーキまたは前記発電機によりにより発生させる構成としている。
この構成により、前記停止モードにおいて前記垂直型ブレードの回転を確実に停止させることが可能となり、一層設備の保全性および安全性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。 In addition, the vertical wind power generating system according to a thirteenth aspect of the present invention is configured such that, in the stop mode, a braking force for preventing rotation of the rotating shaft is generated by a disk brake or the generator.
With this configuration, it is possible to reliably stop the rotation of the vertical blades in the stop mode, and it is possible to realize a vertical wind power generation system with even greater facility maintainability and safety.
また、本発明の第14の態様に係る垂直型風力発電システムは、水平型洋上用風車のファーリング制御用の非常用電源として使用する構成としている。
この構成により、暴風域で前記水平型洋上用風車のブレードが停止し発電がストップした場合においても発電を行いファーリング制御用の電力を供給することが可能となり、一層設備の保全性および安全性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。 The vertical wind power generation system according to a fourteenth aspect of the present invention is configured to be used as an emergency power source for furling control of a horizontal offshore wind turbine.
With this configuration, even if the blades of the horizontal offshore wind turbine stop in a storm area and power generation stops, it is possible to generate power and supply electricity for furling control, making it possible to realize a vertical wind power generation system with even better equipment maintainability and safety.
また、本発明の第15の態様に係る垂直型風力発電システムは、前記水平型洋上用風車のポールの一部に設置する構成としている。
この構成により、前記垂直型風力発電システムのポールを前記水平型洋上風車の前記ポールと共用化することが可能となり、前記水平型洋上風車の非常用電源および前記垂直型風力発電システムの大幅な低コスト化が可能となり、垂直型風力発電システムの低コスト化と安全性をより一層バランスよく実現することが可能となり、一層低コストで安全性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。 A vertical wind power generation system according to a fifteenth aspect of the present invention is configured to be installed on a part of the pole of the horizontal offshore wind turbine.
With this configuration, it is possible to share the poles of the vertical wind power generation system with the poles of the horizontal offshore wind turbine, which enables a significant reduction in the costs of the emergency power supply for the horizontal offshore wind turbine and the vertical wind power generation system. This makes it possible to achieve an even better balance between cost reduction and safety of the vertical wind power generation system, making it possible to realize a vertical wind power generation system that is even lower cost and safer.
また、本発明の第16の態様に係る垂直型風力発電システムは、通常発電風速では前記ブレード直径の設定値を最大とし、前記微風域および前記強風域では前記ブレード直径を前記通常発電風速の設定値より小さくし、前記暴風域および前記停止モードの際は前記ブレード直径の設定値を前記強風域よりさらに小さな設定値とする構成としている。
この構成により、風速に応じた最適なブレード直径を選択することが出来、風速に応じた最適な発電効率、風圧を選択することが可能となる。さらに前記ブレード直径とともに前記迎角を調整することにより最適な発電効率および発電量、風圧、静音性を選択することが可能となる。 In addition, the vertical wind power generation system according to the sixteenth aspect of the present invention is configured such that the set value of the blade diameter is maximum at normal power generation wind speed, the blade diameter is smaller than the set value of the normal power generation wind speed in the light breeze area and the strong wind area, and the blade diameter is set to an even smaller value than that in the strong wind area in the storm area and in the stop mode.
This configuration allows the optimum blade diameter to be selected according to the wind speed, and the optimum power generation efficiency and wind pressure to be selected according to the wind speed. Furthermore, by adjusting the blade diameter and the angle of attack, it is possible to select the optimum power generation efficiency, power generation amount, wind pressure, and quietness.
また、本発明の第17の態様に係る垂直型風力発電システムは、前記微風域は3m/s未満の風速とし、前記通常発電風速は3m/s以上~12m/s未満の風速とし、前記強風域は12m/s以上20m/s未満の風速とし、前記暴風域は20m/s以上の風速域としている。
この設定により、各風速に応じた最適なブレード直径および迎角を選択および設定することが可能となる。ただし、この風速域の設定は一例であり、各風速における風速の範囲を変更しても本発明の効果に問題は無い。 In addition, in the vertical wind power generation system according to the seventeenth aspect of the present invention, the gentle breeze area is a wind speed of less than 3 m/s, the normal power generation wind speed is a wind speed of 3 m/s or more and less than 12 m/s, the strong wind area is a wind speed of 12 m/s or more and less than 20 m/s, and the storm area is a wind speed of 20 m/s or more.
This setting makes it possible to select and set the optimal blade diameter and angle of attack for each wind speed. However, this wind speed range setting is only an example, and there is no problem in the effect of the present invention even if the wind speed range for each wind speed is changed.
これらの構成により、垂直型風力発電システムの高効率化、低騒音化、小型化、省スペース化、低コスト化、強風域および暴風域における設備保全対策、強風域および暴風域での発電をバランスよく実現することが可能となる。また、台風や異常気象時における非常用電源としての洋上風車の設備保全の小型、低コスト、高性能かつ高信頼性の対策案として大きく貢献することが可能となる。These configurations make it possible to achieve a well-balanced system of high efficiency, low noise, compact size, space saving, and low cost for vertical wind power generation systems, as well as equipment maintenance measures in strong wind and storm areas, and power generation in strong wind and storm areas. In addition, the system can contribute greatly to the provision of a compact, low-cost, high-performance, and highly reliable equipment maintenance plan for offshore wind turbines as emergency power sources during typhoons and other abnormal weather conditions.
(実施形態1)
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。(Embodiment 1)
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding components are designated by the same reference numerals throughout the drawings, and the description thereof will be omitted.
(実施形態1)
図1~図8を参照して実施形態1に係る垂直型風力発電システムについて説明する。図1~図8は、実施形態1に係る垂直型風力発電システム1の構成の一例を示した模式図である。
図1は、実施形態1に係る垂直型風力発電システムの斜視図を模式的に示している。図2は、実施形態1に係る垂直型風力発電システム1の断面構成の模式図を示している。図3は、実施形態1に係る垂直型風力発電システム1のブレード直径可変機構13および迎角調整機構5の断面構成の模式図を示している。図4は、実施形態1に係る垂直型風力発電システム1のブレード直径可変機構13および迎角調整機構5の断面構成の模式図を示している。図5は、実施形態1に係る垂直型風力発電システム1の迎角調整機構5の断面構成の模式図を示している。図6は、実施形態1に係る垂直型風力発電システム1の迎角調整機構5の断面構成の模式図を示している。図7は、実施形態1に係る垂直型風力発電システム1の迎角と相対風速(W)の模式図を示している。図8は、実施形態1に係る垂直型風力発電システム1の直線翼3の回転角(θ)の模式図を示している。(Embodiment 1)
A vertical wind power generating system according to a first embodiment will be described with reference to Fig. 1 to Fig. 8. Fig. 1 to Fig. 8 are schematic diagrams showing an example of the configuration of a vertical wind power generating system 1 according to the first embodiment.
FIG. 1 is a schematic perspective view of a vertical wind power generation system according to the first embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram of a cross-sectional configuration of the vertical wind power generation system 1 according to the first embodiment. FIG. 3 is a schematic diagram of a cross-sectional configuration of the blade diameter variable mechanism 13 and the attack angle adjustment mechanism 5 of the vertical wind power generation system 1 according to the first embodiment. FIG. 4 is a schematic diagram of a cross-sectional configuration of the blade diameter variable mechanism 13 and the attack angle adjustment mechanism 5 of the vertical wind power generation system 1 according to the first embodiment. FIG. 5 is a schematic diagram of a cross-sectional configuration of the attack angle adjustment mechanism 5 of the vertical wind power generation system 1 according to the first embodiment. FIG. 6 is a schematic diagram of a cross-sectional configuration of the attack angle adjustment mechanism 5 of the vertical wind power generation system 1 according to the first embodiment. FIG. 7 is a schematic diagram of the attack angle and the relative wind speed (W) of the vertical wind power generation system 1 according to the first embodiment. FIG. 8 is a schematic diagram of the rotation angle (θ) of the straight blade 3 of the vertical wind power generation system 1 according to the first embodiment.
図1~図3に示すように、垂直型風力発電システム1は回転軸2、直線翼3、アーム4、迎角調整機構5、垂直型ブレード6、直径可変モータ7、タイミングベルト8、回動保持部9、リンク部10、発電機11、ポール12、ブレード直径可変機構13、迎角調整モータ14、ブレーキ15、迎角調整ギヤA16、迎角調整ギヤB17、プーリーA18、プーリーB19、保持部20、回動保持ピン21、風速計22、風向計23、発電機可動部24、迎角25、ブレード直径26より構成される。As shown in Figures 1 to 3, the vertical wind power generation system 1 is composed of a rotating shaft 2, a straight blade 3, an arm 4, an angle-of-attack adjustment mechanism 5, a vertical blade 6, a diameter variable motor 7, a timing belt 8, a rotating holding part 9, a link part 10, a generator 11, a pole 12, a blade diameter variable mechanism 13, an angle-of-attack adjustment motor 14, a brake 15, an angle-of-attack adjustment gear A 16, an angle-of-attack adjustment gear B 17, a pulley A 18, a pulley B 19, a holding part 20, a rotating holding pin 21, an anemometer 22, a wind vane 23, a generator movable part 24, an angle of attack 25, and a blade diameter 26.
垂直型ブレード6は回転軸2を発電機11の発電機回動部24の略回転中心部に固定され、発電機11(発電機の固定部)はポール12に固定される。さらに垂直型ブレード6および発電機11の発電機回動部24の近傍または回転軸2の近傍にはブレーキ15が取り付けられ、制動時は(メカニカル)ブレーキ15が用いられる。このブレーキ機能に関しては発電機11のロック機能で代用する場合もある。垂直型ブレード6は、回転軸2に固定されたアーム4とアーム4に固定された複数の直線翼3より構成される。またこの際、アーム4は直径可変モータ7、リンク部10、プーリーA18、プーリーB19、タイミングベルト8より構成されるブレード直径可変機構13を有し、直径可変モータ7の出力のプーリーA18、プーリーB19からリンク部10を介し回動側のアーム4を回動させることにより垂直型ブレード6のブレード直径26(図中D)を可変とすることが可能となる。ブレード直径可変機構13は図4に示すように、アーム4に固定された直径可変モータ7のリンク部10(モータ軸でも可)に固定された外周側のアーム4が回動する構成でもよい。The vertical blade 6 has a rotating shaft 2 fixed to the approximate center of rotation of the generator rotating part 24 of the generator 11, and the generator 11 (fixed part of the generator) is fixed to the pole 12. A brake 15 is attached near the vertical blade 6 and the generator rotating part 24 of the generator 11 or near the rotating shaft 2, and the (mechanical) brake 15 is used when braking. The brake function may be substituted by the lock function of the generator 11. The vertical blade 6 is composed of an arm 4 fixed to the rotating shaft 2 and a plurality of straight blades 3 fixed to the arm 4. The arm 4 has a blade diameter changing mechanism 13 composed of a diameter changing motor 7, a link part 10, a pulley A 18, a pulley B 19, and a timing belt 8, and the blade diameter 26 (D in the figure) of the vertical blade 6 can be changed by rotating the arm 4 on the rotating side from the pulley A 18 and pulley B 19 of the output of the diameter changing motor 7 via the link part 10. As shown in FIG. 4, the blade diameter varying mechanism 13 may be configured such that an arm 4 on the outer periphery side fixed to a link portion 10 (which may be a motor shaft) of a diameter varying motor 7 fixed to the arm 4 rotates.
さらに、迎角調整機構5は迎角調整モータ14、迎角調整ギヤA16および直線翼3に固定された迎角調整ギヤB17、直線翼3をアーム4上で回動可能に保持するための回動保持部9より構成され、直線翼3は迎角25が調整可能な状態でアーム4に保持される。Furthermore, the angle-of-attack adjustment mechanism 5 is composed of an angle-of-attack adjustment motor 14, an angle-of-attack adjustment gear A 16, an angle-of-attack adjustment gear B 17 fixed to the straight wing 3, and a rotating holding part 9 for holding the straight wing 3 rotatably on the arm 4, and the straight wing 3 is held on the arm 4 in a state where the angle of attack 25 is adjustable.
図5および図6はアーム4が直線翼3を回動可能に保持する構成を示した模式図である。この際、図5または図6に示すように、直線翼3は、直線翼3に固定された回動保持部9および回動保持ピン21によりアーム4上で回動可能な状態で保持されることとなり、回動中心は図5に示すように直線翼3の外部でも良いし、図6に示すように直線翼3の内部でもよい。図6に示すように直線翼3の内部に回動中心を構成する場合は、直線翼3の内部に回動保持部9、回動保持ピン21、アーム4の一部を構成することとなる。Figures 5 and 6 are schematic diagrams showing a configuration in which the arm 4 rotatably holds the straight blade 3. In this case, as shown in Figure 5 or 6, the straight blade 3 is held in a rotatable state on the arm 4 by a rotation holding part 9 and a rotation holding pin 21 fixed to the straight blade 3, and the center of rotation may be outside the straight blade 3 as shown in Figure 5, or may be inside the straight blade 3 as shown in Figure 6. When the rotation center is configured inside the straight blade 3 as shown in Figure 6, the rotation holding part 9, the rotation holding pin 21, and part of the arm 4 are configured inside the straight blade 3.
また、図7は、直線翼3に発生する流体力(揚力、抗力)、各風速および各角度の関係を示した模式図である。アーム4に保持された直線翼3における風速(V)、ブレード回転速度(m/s:または回転数rpm)、相対風速(W)、迎角25(α)、揚力、抗力、取付け角、ピッチ角(ψ)の関係を示した概略図である。相対風速(W:m/s)は風速(V:m/s)とブレード回転速度(m/s)の合成となり、迎角25(α)は相対風速(W)に対する直線翼3(中心線)の角度となる。取付け角はアーム4と直線翼3との角度となり、ピッチ角(ψ)は直線翼3の回転方向に対する接線方向と直線翼3(中心線)との角度となる。7 is a schematic diagram showing the relationship between the fluid forces (lift and drag) generated on the straight blade 3, the wind speeds, and the angles. This is a schematic diagram showing the relationship between the wind speed (V), blade rotation speed (m/s: or rotation speed rpm), relative wind speed (W), attack angle 25 (α), lift, drag, attachment angle, and pitch angle (ψ) on the straight blade 3 held by the arm 4. The relative wind speed (W: m/s) is a combination of the wind speed (V: m/s) and the blade rotation speed (m/s), and the attack angle 25 (α) is the angle of the straight blade 3 (center line) with respect to the relative wind speed (W). The attachment angle is the angle between the arm 4 and the straight blade 3, and the pitch angle (ψ) is the angle between the tangent to the rotation direction of the straight blade 3 and the straight blade 3 (center line).
一方図8は、垂直型ブレード6の回転軌跡を示した垂直型ブレード6の上面図の模式図であり、垂直型ブレード6および直線翼3の回転方向、垂直翼回転角度(θ)、直線翼3の長さ(C)、垂直型ブレード6の直径(D)、風速(V)、ピッチ角(ψ)、取付け角との関係を示している。
各風速を微風域(3m/s未満)、通常発電風速(3m/s以上~12m/s未満)、強風域(12m/s以上~20m/s未満)、暴風域(20m/s以上)と定義し、各風速における発電効率(Cp)を最大または最適にするのは、微風域および強風域では上記迎角25(α:取付け角、ピッチ角でも可)を、風向計23から検出した風向、風速計22から検出した風速、ブレード回転速度(m/s:ブレード直径26および垂直型ブレード5の回転数から算出)、風速およびブレード回転速度から算出した相対風速(m/s)、垂直翼回転角度(θ)、ブレード直径26、垂直翼3の翼形状の特性(揚力係数および抗力係数など)、垂直翼3の長さ(C)、直線翼3の枚数などの条件を考慮し算出することとなる。 On the other hand, Figure 8 is a schematic diagram of a top view of the vertical blade 6 showing the rotation trajectory of the vertical blade 6, and shows the relationship between the rotation direction of the vertical blade 6 and the straight blade 3, the vertical blade rotation angle (θ), the length of the straight blade 3 (C), the diameter (D) of the vertical blade 6, the wind speed (V), the pitch angle (ψ), and the setting angle.
Each wind speed is defined as a light breeze range (less than 3 m/s), a normal power generation wind speed (3 m/s or more to less than 12 m/s), a strong wind range (12 m/s or more to less than 20 m/s), and a storm range (20 m/s or more), and the power generation efficiency (Cp) at each wind speed is maximized or optimized by calculating the angle of attack 25 (α: installation angle, or pitch angle) in the light breeze and strong wind ranges, taking into consideration conditions such as the wind direction detected by the anemometer 23, the wind speed detected by the anemometer 22, the blade rotation speed (m/s: calculated from the blade diameter 26 and the rotation speed of the vertical blades 5), the relative wind speed (m/s) calculated from the wind speed and the blade rotation speed, the vertical blade rotation angle (θ), the blade diameter 26, the characteristics of the blade shape of the vertical blades 3 (lift coefficient, drag coefficient, etc.), the length of the vertical blades 3 (C), and the number of straight blades 3.
また、各風速で垂直型ブレード直径26(D)を可変とし発電効率(Cp)を最大または最適とする迎角25(α)を算出するには、風向計23から検出した風向、風速計22から検出した風速、ブレード回転速度(m/s:垂直型ブレードの直径および回転数から算出)、風速およびブレード回転速度から算出した相対風速(m/s)、垂直翼回転角度(θ)、垂直型ブレード直径26、垂直翼3の翼形状の特性(揚力係数および抗力係数など)、垂直翼3の長さ(C)、直線翼3の枚数などの条件を考慮し算出することとなる。
尚、実施の形態1に示す各風速域の設定は、一例であり各風速における風速の範囲を変更しても本発明の効果に問題は無い。 In addition, to calculate the angle of attack 25 (α) that maximizes or optimizes the power generation efficiency (Cp) by varying the vertical blade diameter 26 (D) for each wind speed, the calculation takes into consideration conditions such as the wind direction detected by the anemometer 23, the wind speed detected by the anemometer 22, the blade rotation speed (m/s: calculated from the vertical blade diameter and rotation speed), the relative wind speed (m/s) calculated from the wind speed and the blade rotation speed, the vertical blade rotation angle (θ), the vertical blade diameter 26, the characteristics of the blade shape of the vertical blades 3 (lift coefficient and drag coefficient, etc.), the length (C) of the vertical blades 3, and the number of straight blades 3.
The settings of each wind speed range shown in the first embodiment are merely examples, and the effects of the present invention will not be affected even if the range of wind speed for each wind speed is changed.
尚、本実施形態1では、この際の迎角25(α)の演算方法は、図9に示すいわゆる多流感ダブルアクチュエータ法を用いて演算を行うこととする。図9は垂直型風車に多流管ダブルアクチュエータ法を適用し上面から見た略図である。ブレード回転円と各流管が交差する上流側および下流側それぞれの位置にアクチュエータ面を仮想した層状流管を示し、各流管に翼素運動量理論を適用する。すなわち各流管の入口と出口の流体の運動量差と図9に示すアクチュエータ面に設置された翼に作用する流体力の関係から各流管ごとに回転トルクを求め、その総和をブレード全体の回転トルクとして演算する。In this embodiment, the angle of attack 25 (α) is calculated using the so-called multi-flow double actuator method shown in Fig. 9. Fig. 9 is a schematic diagram of a vertical wind turbine with the multi-flow tube double actuator method applied, viewed from above. A laminar flow tube is shown with an actuator surface imaginary at each of the upstream and downstream positions where the blade rotation circle intersects with each flow tube, and the blade element momentum theory is applied to each flow tube. That is, the rotation torque is calculated for each flow tube from the relationship between the momentum difference of the fluid at the inlet and outlet of each flow tube and the fluid force acting on the blade installed on the actuator surface shown in Fig. 9, and the sum of the torques is calculated as the rotation torque of the entire blade.
垂直型ブレード6の停止時は、ブレード直径26(D)を最大から最小の適切な値に設定し、できる限りブレード直径26(D)を小さくすることで、スペースを確保することが可能となる。
微風域ではブレード直径26(D)を小さくしてソリディティー(円周に対する垂直翼3の長さ(C)の和の比)を大きくすることで回転しやすくする構成、または迎角25(α)を調整しいわゆる抗力を主に回転させる設定としている。一般的に、ブレードのソリディティーを大きくすることで、最大効率を発生する回転数は低くなるとともに回転のスタート時はブレードの空隙部が少なくなるためブレードは回転しやすくなる。
通常発電風速ではブレード直径可変機構13によりブレード直径26をできる限り大きくし、迎角調整機構5により迎角25(α)を発電効率(Cp)が最大となる値とすることで発電量を大幅に向上させることが可能となる。この際、迎角25(α)は可能な限り発電効率(Cp)が最大となる角度に設定することで構成でもよく、必要以上に迎角25(α)を変化させること(最大効率を発生させる角度に設定)はしなくてよい。 When the vertical blade 6 is stopped, the blade diameter 26 (D) is set to an appropriate value between the maximum and minimum, and the blade diameter 26 (D) is made as small as possible, thereby making it possible to secure space.
In light wind areas, the blade diameter 26 (D) is reduced and the solidity (the ratio of the sum of the lengths (C) of the vertical blades 3 to the circumference) is increased to make the blade easier to rotate, or the angle of attack 25 (α) is adjusted to rotate the blade mainly by the drag. Generally, by increasing the solidity of the blade, the rotation speed at which maximum efficiency is achieved is lowered and the gaps in the blade are reduced at the start of rotation, making the blade easier to rotate.
At normal power generation wind speeds, it is possible to significantly improve the amount of power generation by making the blade diameter 26 as large as possible using the blade diameter variable mechanism 13 and setting the angle of attack 25 (α) to a value that maximizes the power generation efficiency (Cp) using the angle of attack adjustment mechanism 5. In this case, the angle of attack 25 (α) may be set to an angle that maximizes the power generation efficiency (Cp) as much as possible, and it is not necessary to change the angle of attack 25 (α) more than necessary (to an angle that maximizes the efficiency).
強風域では、風速により事前にブレード直径可変機構13でブレード直径26を設定し、ブレード直径26に応じて事前に設定した迎角25(α)に調整する。この際、ブレード直径26および迎角25は風圧により機構部品が受ける応力や発電機11の性能、必要とする発電量から算出した発電効率(Cp)より事前に各風速毎に設定した値とし、ブレード直径可変機構13によりブレード直径26を、迎角調整機構5により迎角25を調整する。従って、ブレード直径26を小さくして風圧を低減する事に加え、迎角25を調整することで風圧の低減および発電効率(Cp)の調整を行う事となる。ブレード直径26のみを小さくし、迎角25を最適化しないと、垂直型ブレード6の回転数、発電量、風圧が大きくなりすぎることとなるため、ブレード直径26を可変とすることと迎角25の調整は必ず一緒に行う必要がある。In a strong wind area, the blade diameter 26 is set in advance by the blade diameter variable mechanism 13 according to the wind speed, and the blade diameter 26 is adjusted to the angle of attack 25 (α) set in advance according to the blade diameter 26. At this time, the blade diameter 26 and the angle of attack 25 are set in advance for each wind speed based on the stress on the mechanical parts due to the wind pressure, the performance of the generator 11, and the power generation efficiency (Cp) calculated from the required power generation amount, and the blade diameter variable mechanism 13 adjusts the blade diameter 26 and the angle of attack adjustment mechanism 5 adjusts the angle of attack 25. Therefore, in addition to reducing the wind pressure by reducing the blade diameter 26, the angle of attack 25 is adjusted to reduce the wind pressure and adjust the power generation efficiency (Cp). If only the blade diameter 26 is reduced and the angle of attack 25 is not optimized, the rotation speed, power generation amount, and wind pressure of the vertical blade 6 will become too large, so it is necessary to make the blade diameter 26 variable and adjust the angle of attack 25 together.
暴風域では、風速により事前にブレード直径可変機構13のブレード直径26を設定し、ブレード直径26に応じて事前に設定した迎角25に調整する。この際、ブレード直径26および迎角25は風圧により機構部品が受ける応力や発電機11の性能、必要とする発電量から算出した発電効率(Cp)より事前に各風速毎に設定した値とし、ブレード直径可変機構13によりブレード直径26を、迎角調整機構5により迎角25を調整する。従って、ブレード直径26を小さくして風圧を低減する事に加え、迎角25を調整することで風圧の低減および発電効率(Cp)の調整を行う事となる。さらに暴風域では、垂直型ブレード6の回転を停止するとともにブレーキ15または発電機11の回転ロックにより垂直型ブレード6の保全を行う停止モードを有している。In a storm zone, the blade diameter 26 of the blade diameter variable mechanism 13 is set in advance according to the wind speed, and the blade diameter 26 is adjusted to the angle of attack 25 set in advance according to the blade diameter 26. At this time, the blade diameter 26 and the angle of attack 25 are set in advance for each wind speed based on the stress on the mechanical parts due to the wind pressure, the performance of the generator 11, and the power generation efficiency (Cp) calculated from the required power generation amount, and the blade diameter 26 is adjusted by the blade diameter variable mechanism 13, and the angle of attack 25 is adjusted by the angle of attack adjustment mechanism 5. Therefore, in addition to reducing the wind pressure by reducing the blade diameter 26, the angle of attack 25 is adjusted to reduce the wind pressure and adjust the power generation efficiency (Cp). Furthermore, in a storm zone, there is a stop mode in which the rotation of the vertical blades 6 is stopped and the vertical blades 6 are protected by locking the rotation of the brake 15 or the generator 11.
図10および図11は実施形態1に係る垂直型風力発電システム1の、各風速における垂直型ブレード6のブレード直径26の可変状態を示した図である。ブレード直径26の可変は、状況に応じて微風域および通常発電風速で行っても問題はない。10 and 11 are diagrams showing the variable state of the blade diameter 26 of the vertical blade 6 at each wind speed in the vertical wind power generation system 1 according to the embodiment 1. There is no problem in varying the blade diameter 26 in the light breeze range and the normal power generation wind speed depending on the situation.
図12は実施形態1に係る垂直型風力発電システム1の、強風域または暴風域における直線翼3の迎角25の調整、直線翼3の迎角25の調整および垂直型ブレード6のブレード直径26の調整による垂直型ブレード6の回転エネルギー(Kw)の変化(発電量または発電効率の変化)の概要を示した図である。対策1および対策2は強風域または暴風域で迎角26の調整および/またはブレード直径26の調整を行うことで、回転エネルギー(Kw)を抑え込むとともに垂直型ブレード6やポール12にかかる風圧を大幅に低減することが可能となり、強風域または暴風域における安定した発電や垂直型風力発電システム1の信頼性の高い設備保全を実現することが可能となる。12 is a diagram showing an overview of the change in rotational energy (Kw) of the vertical blades 6 (change in power generation amount or power generation efficiency) due to the adjustment of the attack angle 25 of the straight blades 3 in a strong wind area or a storm wind area, the adjustment of the attack angle 25 of the straight blades 3, and the adjustment of the blade diameter 26 of the vertical blades 6 in the vertical wind power generation system 1 according to the first embodiment. Measures 1 and 2 adjust the attack angle 26 and/or the blade diameter 26 in a strong wind area or a storm wind area, thereby suppressing the rotational energy (Kw) and significantly reducing the wind pressure acting on the vertical blades 6 and the poles 12, thereby making it possible to realize stable power generation in a strong wind area or a storm wind area and highly reliable equipment maintenance of the vertical wind power generation system 1.
図13は実施形態1に係る垂直型風力発電システム1の、強風域または暴風域における直線翼3の迎角25の調整、直線翼3の迎角25の調整および垂直型ブレード6のブレード直径26の調整による垂直型ブレード6の回転エネルギー(Kw)の変化(発電量または発電効率の変化)の概要を示した図である。対策1および対策2は強風域または暴風域で迎角25の調整および/またはブレード直径26の調整を行うことで、回転エネルギー(Kw)を抑え込むとともに回転エネルギーの制御および垂直型ブレード6の回転数の制御が可能となることとなり、精度の高い強風域および暴風域の発電が可能となるとともに、垂直型ブレード6の暴走を防ぎ、垂直型ブレード6の機構部品や発電機11への負荷を大幅に減らすことができ、強風域または暴風域における安定しかつ発電量精度の高いの発電や垂直型風力発電システム1の一層の信頼性の高い設備保全を実現することが可能となる。13 is a diagram showing an overview of the change in rotational energy (Kw) of the vertical blades 6 (change in power generation amount or power generation efficiency) by adjusting the angle of attack 25 of the straight blades 3 in a strong wind area or a storm area, adjusting the angle of attack 25 of the straight blades 3, and adjusting the blade diameter 26 of the vertical blades 6 in the vertical wind power generation system 1 according to the first embodiment. Measures 1 and 2 adjust the angle of attack 25 and/or the blade diameter 26 in a strong wind area or a storm area to suppress the rotational energy (Kw) and to control the rotational energy and the rotation speed of the vertical blades 6, thereby enabling highly accurate power generation in a strong wind area or a storm area, preventing the vertical blades 6 from running out of control, and significantly reducing the load on the mechanical parts of the vertical blades 6 and the generator 11, thereby enabling stable power generation with high power generation amount accuracy in a strong wind area or a storm area and more reliable equipment maintenance of the vertical wind power generation system 1.
停止時、微風域、通常風速域、強風域、暴風域におけるリンク部10を有したリンク方式(機構)によるブレード直径26(D)の設定の一例を図14に示す。
図14において、停止時はスペース効率を上げるためあるいは風圧の影響を低減するためにブレード直径26(D)を小さくし、微風時は始動性および発電効率を上げるためにブレード直径26(D)を小さくし、通常風速では発電効率を上げるためにブレード直径26(D)を比較的大きくし、強風域では風圧の影響を低減するためおよび発電量(発電効率)を調整するためにブレード直径26(D)を比較的小さくし、暴風域では風圧の影響を低減するためにブレード直径26(D)をより小さくする構成としている。 FIG. 14 shows an example of setting the blade diameter 26 (D) using a link system (mechanism) having the link portion 10 when the turbine is stopped, in a light wind area, a normal wind speed area, a strong wind area, and a storm area.
In FIG. 14 , when the turbine is stopped, blade diameter 26 (D) is small to improve space efficiency or to reduce the effects of wind pressure, blade diameter 26 (D) is small in a light breeze to improve starting performance and power generation efficiency, blade diameter 26 (D) is relatively large in normal wind speeds to improve power generation efficiency, blade diameter 26 (D) is relatively small in strong wind areas to reduce the effects of wind pressure and to adjust the amount of power generation (power generation efficiency), and blade diameter 26 (D) is even smaller in stormy wind areas to reduce the effects of wind pressure.
各風速域におけるブレード回転角度とブレードの迎角の設定値と実施例を図15に示す。発電効率を最大にするには通常発電風速における迎角変化より微風域の迎角変化の方が大きくなる。また、強風域は発電効率を低下させるため、通常発電風速における迎角変化より強風域の迎角変化の方が大きくなる。The setting values and examples of the blade rotation angle and blade attack angle for each wind speed range are shown in Figure 15. To maximize power generation efficiency, the change in the attack angle in a light wind range is larger than the change in the attack angle at normal power generation wind speed. Also, since the power generation efficiency decreases in a strong wind range, the change in the attack angle in a strong wind range is larger than the change in the attack angle at normal power generation wind speed.
尚、実施の形態1では、微風域でのブレード直径26(D)は通常発電風速のブレード直径26(D)より小さくしたが同等としても問題ない。In the first embodiment, the blade diameter 26 (D) in a light breeze region is smaller than the blade diameter 26 (D) in a normal power generation wind speed, but there is no problem if they are the same.
尚、実施形態1では発電機11はアウタータ式の構成としているが、いわゆるインナーロータ式としても問題ない。In the first embodiment, the generator 11 is of an outer rotor type, but it may be of an inner rotor type.
尚、実施形態1では垂直型ブレード6における直線翼3の数は2枚としたが2枚以上であれば何枚でも可となる。In the first embodiment, the number of the straight blades 3 in the vertical blade 6 is two, but any number greater than or equal to two may be used.
尚、実施形態1ではタイミングベルト8としたが、凹凸のないベルトでも問題ない。Although the timing belt 8 is used in the first embodiment, a belt without any irregularities may also be used.
尚、実施形態1では迎角調整機構5に迎角調整ギヤ1、迎角調整ギヤ2の2つのギヤを用いたが、ベルトを用いても良いし、その他回動する機構であれば問題ない。In the first embodiment, the angle-of-attack adjustment mechanism 5 uses two gears, the angle-of-attack adjustment gear 1 and the angle-of-attack adjustment gear 2, but a belt may be used or any other rotating mechanism may be used.
尚、実施形態1ではブレード直径可変機構13は外周側のアーム4をリンク部10を介しリンク方式で折りたたむ構成としたが、リニアアクチュエータを用い、半径をおよび直径を変化させる構成でもよい。In the first embodiment, the blade diameter varying mechanism 13 is configured to fold the outer peripheral arm 4 via the link portion 10 in a link system, but it may be configured to change the radius and diameter using a linear actuator.
尚、実施形態1では、迎角調整機構5は迎角調整モータ14、迎角調整ギヤA16および直線翼3に固定された迎角調整ギヤB17、回動保持部9より構成され、直線翼3はアーム4上で迎角が調整される構成としたが、迎角調整モータ14、迎角調整ギヤA16および直線翼3に固定された迎角調整ギヤB17をリニアアクチュエータに置き換え、リニアアクチュエータと回動保持部9にて迎角調整する構成でもよい。In the first embodiment, the angle-of-attack adjustment mechanism 5 is composed of the angle-of-attack adjustment motor 14, the angle-of-attack adjustment gear A16, and the angle-of-attack adjustment gear B17 fixed to the straight wing 3, and the rotating holder 9, and the straight wing 3 is configured so that the angle of attack is adjusted on the arm 4; however, the angle-of-attack adjustment motor 14, the angle-of-attack adjustment gear A16, and the angle-of-attack adjustment gear B17 fixed to the straight wing 3 may be replaced with a linear actuator, and the angle of attack may be adjusted by the linear actuator and the rotating holder 9.
尚、実施形態1では、各風速域における迎角25に調整値は事前に算出する構成としたが、迎角25に調整量と垂直型ブレード6の回転数の変化、回転エネルギーの変化、発電量の変化から学習し予測する構成としても良い。In addition, in embodiment 1, the adjustment value for the angle of attack 25 in each wind speed range is calculated in advance, but it is also possible to learn and predict the adjustment amount for the angle of attack 25 from the changes in the rotation speed of the vertical blades 6, the changes in rotational energy, and the changes in power generation.
尚、実施形態1では、風速および風向は風速計22および風向計23にてそれぞれ検出する構成としているが、風速計22および/または風向計23を省き、迎角25に調整量と垂直型ブレード6の回転数の変化、回転エネルギーの変化、発電量の変化から風向および風速を学習し予測する構成としても良い。In addition, in embodiment 1, the wind speed and wind direction are detected by the anemometer 22 and the wind vane 23, respectively. However, it is also possible to omit the anemometer 22 and/or the wind vane 23 and learn and predict the wind direction and wind speed from the adjustment amount to the angle of attack 25, the change in the rotation speed of the vertical blades 6, the change in rotational energy, and the change in the amount of power generation.
(実施形態2)
図16~図17を参照して実施形態2に係る垂直型風力発電システム1について説明する。
図16~図17は、大型風車の暴風時等の非常用電源としてメインポールに取り付けた垂直型風力発電システム1を示した図である。図16において、大型風車、メインポール、大型風車ブレード、垂直型風力発電システム1、メインポール固定部27、風車接続部28より構成され、暴風時等に大型風車の大型風車ブレードの回転が停止し発電が行われていない状態で大型風車ブレードが受ける風圧を低減するファーリング制御(大型風車ブレード面の回転制御)を行う非常用電源として垂直型風力発電システム1を用い、メインポール固定部25および風車固定部25によりメインポールに垂直型風力発電システム1を複数台取り付けた構成とし、迎角25の角度制御および/またはブレード直径26(D)の長さ制御を行うこととなる。(Embodiment 2)
Second Embodiment A vertical wind power generation system 1 according to a second embodiment will be described with reference to FIGS.
16 and 17 are diagrams showing a vertical wind power generation system 1 attached to a main pole as an emergency power source for a large wind turbine during a storm, etc. In Fig. 16, the vertical wind power generation system 1 is used as an emergency power source for performing furling control (rotation control of the large wind turbine blade surface) to reduce the wind pressure received by the large wind turbine blade when the rotation of the large wind turbine blade of the large wind turbine stops and power generation is not performed during a storm, etc., and a plurality of vertical wind power generation systems 1 are attached to the main pole by the main pole fixing part 25 and the wind turbine fixing part 25, and angle control of the attack angle 25 and/or length control of the blade diameter 26 (D) are performed.
この構成により長期間の暴風時においても安定したファーリング制御を行うことができるとともに、ポール12を大幅に小型化かつ短くした風車接続部28にて垂直型風力発電システム1を支えることとなり、大幅な低コスト化も実現することが可能となり、大型風車および垂直型風力発電システム1の設備保全と低コスト化を実現することが可能となる。This configuration allows stable furling control even during long-term strong winds, and the vertical wind power generation system 1 is supported by the wind turbine connection part 28, which has a significantly smaller and shorter pole 12, making it possible to achieve significant cost reductions, and enables equipment maintenance and cost reduction for the large wind turbine and vertical wind power generation system 1.
図17は発電機11の固定部はメインポールに取り付けられ、直線翼3とアーム4は発電機11の発電機回転部24に取り付けられた構成とし、迎角25の角度制御および/またはブレード直径26(D)の長さ制御を行う構成としている。この構成により非常用電源として取り付ける垂直型風力発電システム1の搭載は1機となり一層の簡素化と低コスト化をはかることが出来るとともに強風域および暴風域の設備保全の信頼性を一層向上させることとなる。
尚、実施の形態2では垂直型風車を取り付けたが、水平型風車を取り付け大型風車のファーリング制御に同期させて風向追尾を行っても良い。 In Fig. 17, the fixed part of the generator 11 is attached to the main pole, and the straight blades 3 and the arms 4 are attached to the generator rotating part 24 of the generator 11, and the angle of attack 25 and/or the length of the blade diameter 26 (D) are controlled. With this configuration, only one vertical wind power generation system 1 is required to be installed as an emergency power source, which further simplifies and reduces costs, and further improves the reliability of equipment maintenance in strong wind and storm areas.
Although a vertical wind turbine is installed in the second embodiment, a horizontal wind turbine may be installed and used to track wind direction in synchronization with the furling control of a large wind turbine.
上記説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更できる。From the above description, many improvements and other embodiments of the present invention will be apparent to those skilled in the art. Therefore, the above description should be construed as merely illustrative and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode for carrying out the present invention. Details of the structure and/or function thereof may be substantially changed without departing from the spirit of the present invention.
本発明は迎角調整機構およびブレード直径可変機構を用い、発電効率を大幅に向上させるとともに強風域や暴風域での制御性能、発電性能および設備保全性能を高める垂直型風力発電システムに関するものであり、発電性能、信頼性、静音性、経済性および設備保全性に優れ、脱炭素社会に向けた有効な技術となり、洋上および陸上風力の非常用電源、スマートシティーや家庭用の小型電源装置、さらには都市空間における風速センサとしての利用が可能となる。The present invention relates to a vertical wind power generation system that uses an angle of attack adjustment mechanism and a blade diameter variable mechanism to significantly improve power generation efficiency while also enhancing control performance, power generation performance, and equipment maintenance performance in strong wind areas and storm areas.The system has excellent power generation performance, reliability, quietness, economy, and equipment maintainability, and is an effective technology toward a decarbonized society, and can be used as an emergency power source for offshore and onshore wind power, a small power source device for smart cities and homes, and even as a wind speed sensor in urban spaces.
1 垂直型風力発電システム
2 回転軸
3 直線翼
4 アーム
5 迎角調整機構
6 垂直型ブレード
7 直径可変モータ
8 タイミングベルト
9 回動保持部
10 リンク部
11 発電機
12 ポール
13 ブレード直径可変機構
14 迎角調整モータ
15 ブレーキ
16 迎角調整ギヤ1
17 迎角調整ギヤ2
18 プーリー1
19 プーリー2
20 保持部
21 回動保持ピン
22 風速計
23 風向計
24 発電機回動部
25 迎角(α)
26 ブレード直径(D)
27 メインポール固定部
28 風車接続部Reference Signs List 1 Vertical wind power generation system 2 Rotating shaft 3 Straight blade 4 Arm 5 Attack angle adjustment mechanism 6 Vertical blade 7 Diameter variable motor 8 Timing belt 9 Rotational holding part 10 Link part 11 Generator 12 Pole 13 Blade diameter variable mechanism 14 Attack angle adjustment motor 15 Brake 16 Attack angle adjustment gear 1
17 Angle of attack adjustment gear 2
18 Pulley 1
19 Pulley 2
20 Holding part 21 Rotating holding pin 22 Anemometer 23 Wind vane 24 Generator rotating part 25 Angle of attack (α)
26 Blade diameter (D)
27 Main pole fixing part 28 Wind turbine connection part
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Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN120042738A (en) * | 2025-03-27 | 2025-05-27 | 西北工业大学 | High-performance vertical axis wind turbine blade structure and operation control method |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003239846A (en) | 2002-02-14 | 2003-08-27 | Fjc:Kk | Rotor with advancing and retreating force receiving section |
| JP2003254222A (en) | 2002-03-01 | 2003-09-10 | Fjc:Kk | Windmill with blade movable far and near |
| JP2007247577A (en) | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Toshiba Corp | Windmill device and wind power generator using the same |
| US20130307277A1 (en) | 2011-02-04 | 2013-11-21 | Vestas Wind Systems A/S | Wind turbine arrangement with a main wind turbine and at least one secondary wind turbine |
| JP2014518358A (en) | 2011-07-14 | 2014-07-28 | ファーブ,ダニエル | Vertical shaft turbine with variable diameter and angle |
| CN104912742A (en) | 2015-05-25 | 2015-09-16 | 哈尔滨工程大学 | Vertical axis wind turbine with protecting device capable of adjusting wind wheel radius |
| JP2017031920A (en) | 2015-08-04 | 2017-02-09 | 株式会社Winpro | Vertical type wind power generation system and control method in vertical type wind power generation system |
| DE202019002224U1 (en) | 2019-05-21 | 2019-07-15 | Wolfgang Freimund | Length-variable H-Darrieus twin rotor |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55161979A (en) * | 1979-06-06 | 1980-12-16 | Hitachi Ltd | Gyro-type windimill |
-
2022
- 2022-01-21 JP JP2022018291A patent/JP7685696B2/en active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003239846A (en) | 2002-02-14 | 2003-08-27 | Fjc:Kk | Rotor with advancing and retreating force receiving section |
| JP2003254222A (en) | 2002-03-01 | 2003-09-10 | Fjc:Kk | Windmill with blade movable far and near |
| JP2007247577A (en) | 2006-03-17 | 2007-09-27 | Toshiba Corp | Windmill device and wind power generator using the same |
| US20130307277A1 (en) | 2011-02-04 | 2013-11-21 | Vestas Wind Systems A/S | Wind turbine arrangement with a main wind turbine and at least one secondary wind turbine |
| JP2014518358A (en) | 2011-07-14 | 2014-07-28 | ファーブ,ダニエル | Vertical shaft turbine with variable diameter and angle |
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