JPS5948310B2 - 風力エネルギ−の変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、風向きによって回動しうるよう支柱フレー
ムに支承された風車によって駆動される容積形油圧ポン
プと、その吐出管路に直列に取り付けた流量制御弁とを
備え、風力エネルギーを液圧エネルギーに、さらには液
圧エネルギーを熱エイ、ルギーに変換する風力エネルギ
ーの変換装置、とくに風車ならびに風車の支持機構の強
風による損傷防止をはかったものに関する。

風力をエネルギー源として利用することは古くから種々
行なわれており、風車による穀物の粉砕や揚水などの小
規模な利用から、近くは風力発電における大規模な利用
などクリーンエネルギーとしてのその活用分野は将来飛
躍的に拡大して行くことが期待される。

風力の利用はある速さで風車を通過する空気の運動エネ
ルギーの一部を機械的エイ・ルギー即ち°風車の軸を回
そうとする力と軸の回る角速度との積としでとり出す過
程でエネルギー変換することにより行なわれる。

この場合エネルギー変換を効率よく行なわねばならない
が、それに先立つ風力エネルギーの捕促を効率よく行う
ために風車は風向によって回動しうるよう支柱に支承さ
れるのが一般である。

風力の導入手段に使われる風車で問題になるのは風害を
いかにして避けるかということである。

まず台風時の破損を避けるために如何にするかであるが
、現在台風の来襲はレーダ観測その他の手段によって事
前に予知することができる。

したがって台風に対してはその来襲を予報によって判断
し、風車を支柱もろともに倒して風害を避けるのがもつ
とも適当な方法と考えられる。

台風シーズン外にお・いても強風注意報が出されること
があり、ときには突発的に強風が吹きつけたり、風向が
急変したりすることがある。

このような場合には支柱を立てたま・の状態で風害を避
けられる手段を講じておくことが望ましい。

従来プロペラ形風車に対してこのような強風時の過速度
回転を抑制し風車の損傷を防止する試みが種々なされて
いる。

たとえば可変ピッチ式のプロペラ風車においては一定回
転速度具−七の回転に対しては自動的にフエーザリング
状態になるようにしで、プロペラの同転を停止させる手
段や、空気式のブレーキが自動的に作用して一定回転速
度以上の回転にならぬようにする手段がとられでいるが
、これらの手段は複雑な機構を必要とし、経済面がら中
・小規模の風車には適用することができない。

さらに風は常時一定方向に吹くものではなく、とくに強
風が突発的に風向きを変えで吹き付ける場合には、風車
が急旋回し、それによって風車や風車支持機構に損傷を
生ずるおそれが多分にある。

この発明は風車によって油圧ポンプを回転駆動して油を
加圧させ、加圧された圧力油に、油圧回路に直列に組込
んだオリフィスや紋り弁をとおらせることによって積極
的に圧力損失を生ぜしめ、風力エネルギーを液圧エネル
ギーに、さらには液圧エネルギーを熟エネルギーに変換
し、これを熱源として暖房などに利用しようとする中・
小規模の風力エネルギーの変換装置に対して、前記した
強風による風車構成部材の損傷を防止する最適な手段を
提供しようとするものであって、風向によって回動し得
るよう支柱フレーム９に支承された風車１の回転により
風力エネルギーを回転エネルギーとして取り出す機構と
、この機構の回転出力軸によって駆動される容積膨油圧
ポンプ３と、その吐出管路３に直列に取り付けた流量制
御弁２２とを備えてなる風力エネルギーの変換装置にお
いて、前記回転取り出し機構を風車１ごと、支柱フレー
ム９の上部に回動自在に係合する回転ホルダ４を介して
支柱フレーム９に支承させるとともに、支柱フレーム９
に固定され、回転ボルダ４に動力伝達機構５，６を介し
で連結された制動用可逆油圧ポンプ８と、この可逆油圧
ポンプ８の油圧回路においで可逆油圧ポンプ８の吐出側
どなるポートＬ。

Ｒと油タンク８６との間に介在させたオリフィス８５と
からなり、同転ホルダ４の急旋回を制動する制動機構を
支柱フレーム９に設けたことを特徴とする風力エネルギ
ーの変換装置にかかるものである。

以下図面によってこの発明の実施例について説明する。

第１図は実施例の風力エネルギーの変換装置の支柱内機
構要部模式断面図である。

図にお・いて１ば風車、１″は風車軸、１′は駆動傘歯
車、１″′は風車ハウジングである。

風車１が風により回転されるど一体の風車軸１″は風車
ハウジング１″′内で軸受により２個所で支承された状
態で回転し、回転出力軸として駆動傘歯車１′を回転す
る。

２は入力軸でその上端部には受動傘歯車２′が固定され
、下端部は容積膨油圧ポンプ３に連結されている。

４は回転ホルダでその内径部（最低２個所）でコロガリ
軸受を介して人力軸２に対し回転自在に挿入され、また
その外径部（最低２個所）でこれまたコロガリ軸受を介
して支柱フレーム９に対して回転自在に嵌込まれている
。

なおこの回転ホルダ４の上面に支柱４′が固定され、支
柱４′の上部は風車ハウジング１″′を一体に支えてい
る。

即ち回転ホルダ４と風車ハウジング１″′はこの支柱４
′ を中介として相互に一定の関係位置を保持している
。

人力軸２は上述の軸受類ならびに回転ホルダ４を介して
支柱フレーム９の中心位置にて回転自在に保持されてい
る力へなおその下端部の油圧ポンプ３との結合部近傍に
おいても軸受を介設して支柱フレーム９に対する位置を
保持されている。

なお・油圧ポンプ３もブラケット等により支柱フレーム
９に位置が固定されている。

つぎに回転ホルダ４の下端部外用に平歯車５がキー５′
などを用いて一体に固定されていて同転ホルダ４と同調
回転する。

平歯車５に噛合う６はビニオンで、ピニオン６と一体の
ピニオン軸７は軸受を介して支柱フレーム９に回転自在
に支持され、かつその下端部に可逆油圧ポンプ８が結合
されでいる。

この可逆油圧ポンプ８を中心とした回転ホルダ４の回転
制動用油圧回路についでは後述する。

以上の構成により風圧エネルギーは風車軸１″、駆動傘
歯車１′を経て回転出力として入力軸２に導入され、油
圧ポンプ３を回転駆動する。

なお前記実施例とは別に容積膨油圧ポンプ３を風車ハウ
ジング１″′の内部に取付け、風車軸１″と油圧ポンプ
３の駆動軸とを直接連結するようにしでもよい。

ただしこの場合には、油圧ポンプ３に対するハウジング
１″′内の吸込管路ならびに吐出管路は回転ホルダ４の
同転中心に対して対称的に配設し、支柱フレーム９の内
部中央に取付けるト下方向の配管とのそれぞれ接続には
回転ホルダ４に取付けた回転形管継手を介しで行うこと
が必要である。

、また支柱フレーム９の高さが高く、油タンクとの高低
差が大きくなるときは、油の吸込みに不都合を米すこと
となるが、それに対しでは油タンクを密閉構造と−４−
るとともに、油圧ポンプ３の吸込ボーＩ・近傍の吸込管
路に一定のブースト圧が作用するようにした適当な力１
１圧可撓管を併設して前記吸込管路と接続し、配管系が
クローズトループを構成するようにすればよい。

第２図は風力エネルギーを熱エネルギーに変換するため
の油圧回路図である。

、図において２は風車の出力回転軸、３は容積形油圧ポ
ンプ、２１はオリフィス（図示されでいないが円板に小
孔を複数個あけた一種の紋り）、２２は圧力補償形流量
制御弁で、２１．２２はいずれも吐出管路３′ に直列
に設けられでいる。

２３はラジェータ、２４は地下鉄の油タンク第１図に不
才実施例の場合）、３″は吸込管路である。

油圧ポンプ３で加圧された圧力油がオリフ・イス２１を
とおされることによって、王勾油に積極的に圧力損失を
生せしめ、この損失圧力エネルギーが然エネルギ・−に
変換して、油温を上昇させろ。

、このようにしで油温のＦ−昇し、た圧力油は圧力補償
形流量制御弁２２の流量設定用の開度がＪ−め設定され
た紋りをとお−って下流に流出（７、さらにラシ゛二［
−夕２３をとお・す、地Ｆタンク２４（二もと゛る。

この油圧回路を油が繰返し循環させられることによって
油温は徐べ・に上ｊ、！、 Ｌ、ラジエー タ２３より
遂次放熱が行われ、暖房に供されるとともに、地Ｆタン
ク２４に戻される９−とによって蓄熱効果かえられるよ
うにさねでいる。

、この場合、吐出管路３′、吸込管路３゛′および地下
タンク２４はいずれも断熱材で被覆（−でお・くことが
好ましい６、なお、前記オリフィスの小孔の大きさを適
当に設定することにより風速が変化してもその風速にお
・はる最適運転条ｆ！Ｉ’：ｚ ｆυｔ３続けるように
する、Ｉ−とが可能で・あり、ラジエー々かＬ）の放熱
エイ・ルギーと風車かｌらとり入れた風力−１−イ、ル
ギーとが平衡−４−る状態で゛定常状態となる５、風速
の弱し佳１が続いたり風速が時どき変動する場合にも地
ド夕ンクの容量を適当に設定することに１こつで安定し
、た暖房蓄熱装置と（７で利用することができる。

すなわ亡１、この実施例ば風カニｊ・、ルギーを熱エネ
ルギーじ変換し、それを暖１ガに利用土る暖房蓄熱装置
とし７τ構成さねでいる場合に一ついての例である。

、さて、長期間の運転に対して風車の受ける風害につい
での対策は重要な課題であり、以下実施例について、強
風に対する対応手段を説明する。

予報なしに突発的な強風に直面した際、風車が過大な速
度で回転（−１その構成部材を損壊するようなことがあ
ってはならないので、この発明にも・いては風車の過速
度回転を抑制する手段が施されでいる。

。第１図に示すように実施例の風車１は下流形の固定ピ
ッチ式のプロペラ形で、風向によってつねに一風Ｆにプ
ロペラが位置するようにされており、風速がますにつれ
で、ある範囲までは直線的にその回転速度がｌ−昇才る
３、シたがってその出力回転軸２によって駆動される容
積形油圧ポンプ３の同転速度も直線的に増大し７、その
回転速度に比例しで吐出量も増すこととなる。

ところで、吐出管路３′ に直列に組込んだ１トカ補償
形流量制御弁２２は、その流量設定用の紋りの開度を予
め一定流量に設定」−゛ることによって、この弁におい
ては弁の上流あるいは下流に圧力の変動が生じても弁を
とも・る流星はほとんど変らないように設定しうろこと
から、風速がなとえば２０ｍ／ｓまでは風車１は風速に
比例した回転速度でまわされ、２０ｍ／ｓから２５ｍ／
ｓ上で゛は風車１は一定の最大許作回転速度でよりきね
る一↓ン）にすることができる。

−４−なわち前記流量制御弁２２を風車のオーパスビー
トリミツターとして作動させるよ−）にされているわ
けである１−１風車１のブし−Ｉベシ翼（ゴ信用する風
速が大きくなると、卸角が大きくなる。

二どから、その揚力が増大し、当然風力からえられるブ
ｉ■ｉべ→Ｉ・ルクが増大するが、流ばか前記流星ホｌ
ｆ７１］弁２２で゛一定値に制御現さねているため２
０ｍ、’ｓ ＝ ２５ｒｎ／ｓ間の風速の増ａ［］間は
そのトルタの増卯分は油圧ポンプ３に利して吐出圧力の
増力［１余裕にむけられ、風車１の回転速度は一定値に
ｆ［４：、持される、−ととなる、さＩニー、に風速が
増力１１士、る場合には風車１のプロペラ翼は失速し、
是生トル′）はあ＋ｔ′）増１Ｊｌｌ Ｌないので・、
風車１の過速度回転による破損は防止される。

さて１．二の発明は急激な風向の変化が起−った場合、
油ＦＥボ：７ブと紋り（７）絹、舖＋ｊ、によつ〔旋回
透電に比例したプル一一−ギ作用を１動かせる油圧夕）
バー’−？’ｒ組込／゛シで゛ｆα険、当り虱屯ので、
旋回・夕・防止」−る手段が講じられでいる点に特徴が
ある） −４−なわち第１目１ ＋ 、１ 、ｔ″、ｉ
−いて回転ホルダ４と−・１トの風［１（ハウシング１
″′に保持されでいる風車１は用１向きの方向に合わせ
て人力輔２の固りを旋［［１目”るが−１逆に風車の旋
回と共に回転７トルダ４と一体の平歯車５も入力軸２の
周りに回転し、その回転をピニオン６に伝達する。

ピニオン６の回転によりピニオン軸７は同調回転し、下
部の可逆油圧ポンプ８が回転される。

第３図は可逆油圧ポンプ８を中心とする回転ホルダの回
転制動機構の油圧回路図である。

換言すれば風車の旋回速度制動機構とも言える。

図で８１．８２．８３．８４は逆止弁、８５はオリフィ
ス、８６は油タンクである。

いま、風車が急な風向の変化によって急旋回されようと
した場合、平歯車５、ピニオン６を経由してピニオン軸
７が時計方向あるいは反時計方向の何れかに急回転した
時、油圧ポンプ８は可逆であるため、ポートＲまたはＬ
の何れかから作用油を吐出する。

例えばポー１− Ｒから吐出された作用油は逆止弁８１
を通ってオリフィス８５に達するが、作用油はオリフィ
ス８５で紋られるのでここまでの管路内の作用油の油圧
は急激に上昇し、吐出口Ｒに対して抵抗となって働きブ
レーキ作用を起す。

オリフィス８５で紋られて通過した作用油はタンク８６
に流入し、逆止弁８４を経て、ボー１− Ｌから可逆油
圧ポンプ８へと管路を矢印方向に環流するが、この油圧
回路によって油圧ダンパとしての機能を発揮し、可逆ポ
ンプ８の回転に制動作用を与え、これによって風車の急
旋回による故障を防止するようにされている。

しかも、この制動機構は、ゆるやかな風向きの変化時の
回動に対しては制動が大きく作用せず、風向に速やかに
風車は正対することができる。

以上説明したことによって明らかなとおり、この発明に
かかる風力エネルギーの変換装置においては、可変ピッ
チプロペラや空気作動ブレーキなどの複雑な機構によら
ず、簡単で、はとんど保守を要しない機構によって、急
激な強風の発生による風車の過速度回転を防止すること
ができ、とくに頻度の高い日常の突発的な強風の風向の
変化に際して風車がその支持機構とともに徐ろに風向に
正対するよう方向を変換し、急旋回に伴って生ずる風車
ならびにその支持機構の損傷を防止することができ、長
期間故障なしに運転を行うことができ、とくに中・小規
模の風力エネルギー利用に対して有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の機構要部の模式断面図、第
２図は風力エネルギーを熱エネルギーに変換するための
油圧回路図、第３図はこの発明の要部を示す回転ホルダ
の回転制動機構の油圧回路図である。 １・・・・・・風車、２・・・・・・出力回転軸、３・
・・・・・容積膨油圧ポンプ、４・・・・・・回転ホル
ダ、８・・・・・・可逆油圧ポンプ、２２・・・・・・
圧力補償形流量制御弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 風向によって回動し得るよう支柱フレームに支承さ
   れた風車の回転により風力エイ・ルギーを回転出力とし
   て取り出す機構と、この機構の回転出力軸によって駆動
   される容積形油圧ポンプと、その吐出管路に直列に取り
   付けた流量制御弁とを備えてなる風力エネルギーの変換
   装置において、前詫回転取り出し機構を前記風車ごと、
   前記支柱フレームの上部に回動自在に係合する円筒状の
   回転ホルダを介して支柱フレームに支承させるとともに
   、前記支柱フレームに固定され、前記回転ホルダに動力
   伝達機構を介して連結された制動用可逆油圧ポンプと、
   この可逆油圧ポンプの油圧回路において前記可逆油圧ポ
   ンプの吐出側となるポートと油タンクとの間に介在させ
   たオリフィスとからなり、前記回転ホルダの息旋回を制
   動する制動機構を前記支柱フレームに設けたことを特徴
   とする風力エネルギーの変換装置。