(57)【要約】【課題】起動性を改善でき、かつ翼の駆動力が不連続性にならずに振動を低減できる垂直軸風力発電装置および照明設備を提供する。【解決手段】この垂直軸風力発電装置１は、垂直軸型風車２と発電機３とを備える。垂直軸型風車２は、垂直な回転軸４の回りに上下方向にヘリカル状に延びる複数の翼５が、前記回転軸４にアーム６を介して取付けられている。翼５は、揚力型の断面形状のヘリカル型翼本体５ａと、このヘリカル型翼本体５ａの上下方向のいずれか一方あるいは両側の先端に設けられた一対の抗力型翼部５ｂ，５ｂとを有する。この風力発電装置付き照明設備（図示せず）は、支柱にこの発明の垂直軸風力発電装置１と、照明器具と、太陽光発電装置とが取付けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直な回転軸の回りでヘリカル状に延びる複数の翼が、前記回転軸にアームを介して取付けられた垂直軸型風車と、前記回転軸の回転によって発電する発電機とを備えた垂直軸風力発電装置であって、
前記翼が、揚力型の断面形状のヘリカル型翼本体と、このヘリカル型翼本体の上下方向のいずれか一方または両方の先端に設けられた抗力型翼部とを有する垂直軸風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の垂直軸風力発電装置において、前記抗力型翼部がパドル形である垂直軸風力発電装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の垂直軸風力発電装置において、回転方向を向く幅につき、前記抗力型翼部の幅が、前記ヘリカル型翼本体の先端の幅以下である垂直軸風力発電装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の垂直軸風力発電装置において、回転方向を向く幅につき、前記抗力型翼部の幅が、前記ヘリカル型翼本体の先端の幅よりも大きい垂直軸風力発電装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の垂直軸風力発電装置において、前記抗力型翼部は、前記ヘリカル型翼本体とは別部品で構成されていて、前記ヘリカル型翼本体に接する面である底面の面積が前記抗力型翼部の先端面の面積よりも大きく、前記底面で前記ヘリカル型翼本体に取付けられている垂直軸風力発電装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の垂直軸風力発電装置において、前記抗力型翼部が、抗力型であってかつ翼端で前記回転軸の軸方向に開放されている垂直軸風力発電装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の垂直軸風力発電装置において、前記ヘリカル型翼本体の両端の前記抗力型翼部の翼長さの和Ｈが、前記翼の全長Ｈ１の０．４１倍未満である垂直軸風力発電装置。
【請求項８】
支持基体に、照明器具と、この照明器具に給電するための風力発電装置と、太陽光発電装置と、蓄電池とが取付けられた照明設備であって、前記風力発電装置に、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の垂直軸風力発電装置が用いられた風力発電装置付き照明設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヘリカル状の翼を有する垂直軸風力発電装置およびこれを備えた風力発電装置付き照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直軸を有する風力発電装置において、翼をヘリカル（らせん）形にすることによってダリウス型で生じる翼の駆動力の不連続性が生じることなく、風力エネルギーを効率的に利用できることが知られている。
特許文献１は、羽根（翼）の水平方向断面を上端から下端まで略同一形状とし、かつ、一定の割合で連続的に位相角を変化させるように構成して、起動性が良く、振動が少ない風力発電装置を提供している。
特許文献２は、放射状アームをシャフトに容易に接続させることが可能となるようにして、組立て及び補修することができるタービン組立体構造に関する考案であり、前記タービンは、ブレード（翼）が「らせん」形状を有することを特徴としている。
特許文献３は、ブレードが回転軸体の延伸方向と略直交する断面である横断面において翼型を有し、回転軸体からの水平距離が回転軸体の軸方向に沿って対数螺旋状で変化するように形成されたブレードを有する。これにより、風力エネルギー等の利用効率を向上させ、かつ、自己起動性の低さを改善している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１３７０５９号公報
【特許文献２】特表２０１３−５１５２０９号公報
【特許文献３】特許第６１２６２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
垂直軸を有する風力発電装置は、風向に依存せず、静粛であるという特長を有するが、低い風速で起動する「起動特性」の改善が必要となっている。一方、風速が大きい場合には、風車の翼の回転数が大きくなり、風力発電装置の回転数と風力発電装置の支持系の共振周波数とが近い値になる場合が生じて、支柱の振動が大きくなるという課題がある。
【０００５】
より具体的には、垂直軸を有する風力発電装置において、翼が垂直翼あるいはダリウス型の場合、翼の駆動力は一回転する間で不連続であり、回転周期と支持系の共振周波数が近い値となるときに振動を生じる。この振動は、翼をヘリカルにすることで改善できる。  一方、揚力によって翼に回転力を生じる揚力型の場合は、翼をヘリカル型にしても低い風速で回転を始める起動特性の改善効果は小さい。
翼端に傾斜部あるいはウィングレットを備えた技術は知られているが、ウィングレットは高速回転時の翼端の渦の発生を低減して、風力発電効率を増加する技術であって起動特性の改善効果は小さい。
【０００６】
風力発電装置によって発電して、照明器具を点灯する街路灯（道路灯）の場合、地上近くに風力発電装置が設置されているため、振動・騒音が小さく、かつ、風速の小さい場合でも発電能力の高いことが必要となっている。
【０００７】
この発明は、上記課題を解消するものであり、その目的は、起動性を改善でき、かつ翼の駆動力が不連続性にならずに振動を低減できる垂直軸風力発電装置および風力発電装置付き照明設備を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の垂直軸風力発電装置は、垂直な回転軸の回りでヘリカル状に延びる複数の翼が、前記回転軸にアームを介して取付けられた垂直軸型風車と、前記回転軸の回転によって発電する発電機とを備えた垂直軸風力発電装置であって、
前記翼が、揚力型の断面形状のヘリカル型翼本体と、このヘリカル型翼本体の上下方向のいずれか一方または両方の先端に設けられた抗力型翼部とを有する。
【０００９】
この構成によると、翼をヘリカル型にしたため、振動特性と起動性の両方を改善することができる。また、ヘリカル型翼本体の端部に抗力型の翼部、つまり翼が風から受ける抗力によって回転する形式の翼を、前記の揚力型のヘリカル型翼本体の先端に有するため、翼の駆動力が不連続性にならずに振動を低減できることができ、これ加えて、翼端に抗力型の翼を設けることで起動特性が改善される。また、高回転をする領域では、抗力型翼部が抵抗となり翼の過回転を防ぐことができる。
【００１０】
この発明において、前記抗力型翼部がパドル形であってもよい。
パドル形の翼は、抗力型の翼のうちでも、風から受ける抗力によって回転する効率に優れる。
【００１１】
この発明において、回転方向を向く幅につき、前記抗力型翼部の幅が、前記ヘリカル型翼本体の先端の幅以下であってもよい。
抗力型翼部の翼幅を制限することによって揚力型の翼であるヘリカル型翼本体の回転効率が低下するのを防ぐことができる。
【００１２】
この発明において、回転方向を向く幅につき、前記抗力型翼部の幅が、前記ヘリカル型翼本体の翼端の幅よりも大きくても良い。
抗力型である抗力型翼部の翼幅を大きくすることによって起動特性を更に、改善できる。
【００１３】
この発明において、前記ヘリカル型翼本体に接する面である底面の面積が前記抗力型翼部の先端面の面積よりも大きく、前記底面で前記ヘリカル型翼本体に取付けられていても良い。
この構成によって、抗力型翼部のヘリカル型翼本体への取付け強度を改善できる。
【００１４】
この発明において、前記抗力型翼部が抗力型であって、かつ翼端で前記回転軸の軸方向に開放されていてもよい。
抗力型翼部が翼端で軸方向に開放されていることによって、更に風の流線の乱れを少なくでき、揚力型のヘリカル型翼本体の性能の低下を防ぐことができる。
【００１５】
この発明において、前記ヘリカル型翼本体の両端の前記抗力型翼部の翼長さの和Ｈが、前記翼の全長Ｈ１の０．４１倍未満であってもよい。
抗力型翼部の翼長さの和Ｈが、翼の全長Ｈ１の０．４１倍未満であると、起動特性がさらに向上するとともに高速での発電性能の向上が達成できる。
【００１６】
この発明の風力発電装置付き照明設備は、支柱に、照明器具と、この照明器具に給電するための風力発電装置と、太陽光発電装置と、蓄電池とが取付けられた照明設備であって、前記風力発電装置に、この発明の上記いずれかの構成の垂直軸風力発電装置が用いられている。
照明器具を風力による発電と太陽光による発電とで点灯させることができ、また風力発電につき、起動性を改善でき、かつ翼の駆動力が不連続性にならずに振動を低減できる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の垂直軸風力発電装置は、垂直な回転軸の回りでヘリカル状に延びる複数の翼が、前記回転軸にアームを介して取付けられた垂直軸型風車と、前記回転軸の回転によって発電する発電機とを備えた垂直軸風力発電装置であって、
前記翼が、揚力型の断面形状のヘリカル型翼本体と、このヘリカル型翼本体の上下方向のいずれか一方または両方の先端に設けられた抗力型翼部とを有するため、起動性を改善でき、かつ翼の駆動力が不連続性にならずに振動を低減できる。
【００１８】
この発明の風力発電装置付き照明設備は、支柱に、照明器具と、この照明器具に給電するための風力発電装置と、太陽光発電装置と、蓄電池とが取付けられた照明設備であって、前記風力発電装置に、この発明の上記いずれかの構成の垂直軸風力発電装置が用いられているため、照明器具を風力による発電と太陽光による発電とで点灯させることができ、また風力発電につき、起動性を改善でき、かつ翼の駆動力が不連続性にならずに振動を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る垂直軸風力発電装置の斜視図である。
【図２】図１のII部の拡大斜視図である。
【図３】図１のII部の変形例の拡大斜視図である。
【図４】この発明の他の実施形態に係る垂直軸風力発電装置の斜視図である。
【図５】図４のＶ部の拡大斜視図である。
【図６】この発明の他の実施形態に係る垂直軸風力発電装置の斜視図である。
【図７】図６のVII部の拡大斜視図である。
【図８】同垂直軸風力発電装置の寸法関係の説明図である。
【図９】この発明の一実施形態に係る照明設備の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
この発明の第１の実施形態に係る垂直軸風力発電装置を図１および図２と共に説明する。この垂直軸風力発電装置１は、垂直軸型風車２と発電機３とを備える。
垂直軸型風車２は、垂直な回転軸４の回りで上下方向にヘリカル状に延びる複数（この実施形態では２枚）の翼５が、前記回転軸４に複数のアーム６を介して取付けられている。回転軸４は、下端で回転軸支持部７内の転がり軸受（図示せず）を介して支持基体である支柱８の上端に、回転自在に支持されている。前記発電機３は、同期発電機または誘導発電機等の交流発電機であり、前記回転軸支持部７内に設置され、入力軸部が前記回転軸４に連結されている。なお、発電機３は、入力軸部が回転軸４に連結されていればよく、回転軸４の上端または中間に設けられていても、またジョイントや増速機等を介して回転軸４に連結されていてもよい。
【００２１】
翼５は、揚力型の断面形状のヘリカル型翼本体５ａと、このヘリカル型翼本体５ａの上下方向のいずれか一方または両側の先端に設けられた一対の抗力型翼部５ｂ，５ｂとを有する。ヘリカル型翼本体５ａと抗力型翼部５ｂとは別部品と製造され、ヘリカル型翼本体５ａに抗力型翼部５ｂが固定状態に取付けられている。
【００２２】
なお、垂直翼の場合は、回転軸と略平行に配設するが、この実施形態のヘリカル型翼本体５ａは、軸方向にヘリカル（らせん）状に構成されている。ヘリカル型にすることによって風力による翼５への駆動力の不連続性を低減することが可能となり、回転振動を低減することができる。また、垂直型の直線翼と比較して、ヘリカル翼は低い風速での起動性を改善する効果も有する。
一般的に、垂直軸風車の場合は、風の方向性に依存せずに風のエネルギーを電力に変換できる特長を有するが、風向と翼との配置の関係で起動性が劣る場合がある。垂直型の直線翼と比較してヘリカル翼の場合は起動性が改善される。しかし、更に、起動性を改善することが必要となってきている。
【００２３】
この実施形態では、翼５は、前述のようにヘリカル型翼本体５ａと抗力型翼部５ｂ，５ｂとで構成され、ヘリカル型翼本体５ａの水平面で切断した断面形状は、前縁が丸く全体的に湾曲した翼型（揚力型の翼と称する）とされている。揚力型の翼の代表例が「ジューコフスキー翼」と称される翼であり、この実施形態においてもジューコフスキー翼が用いられている。
【００２４】
翼端の前記抗力型翼部５ｂ，５ｂは、風から直接受ける抗力によって回転する翼部である。
図２は、図１のII部の拡大図である。前記抗力型翼部５ｂ，５ｂは、この例ではカップ状とされている。より具体的には、Ｕ字ないしＶ字状に屈曲ないし湾曲した板状の抗力型翼部本体５ｂａの翼端に蓋部５ｂｂが設けられている。このカップ状の翼は、パドル形とも称される翼形状に相当する。パドル形風車は、パドルの凹部で風を受けて回転するため、揚力型風車よりも起動性に優れる。
【００２５】
前記抗力型翼部５ｂの翼幅（パドル形風車の翼幅）Ｗ２は、揚力型の翼部であるヘリカル型翼本体５ａの翼幅Ｗ１と同じであるかまたは小さく構成されている。前記翼幅Ｗ１，Ｗ２は、翼５の回転方向を向く幅である。
抗力型翼部５ｂの翼幅を制限することによって揚力型の翼であるヘリカル型翼本体５ａの回転効率が低下するのを防ぐことができる。
【００２６】
図３は、図２の抗力型翼部５ｂにおいて、パドル形の受風部の蓋部５ｂｂを設けず、翼端で回転軸４の軸方向が開放された形状とされている。
蓋部５ｂｂを設けないことによって、更に風の流線の乱れを少なくでき、揚力型のヘリカル型翼本体５ａ性能の低下を防ぐことができる。
【００２７】
図４以降に、他の各実施形態を示す。これらの実施形態において、特に説明する事項の他は、図１〜図３に説明した第１の実施形態と同様である。
【００２８】
図４，図５に示す実施形態は、回転軸４の軸方向に延びるヘリカル型翼本体５ａを有している点は第１の実施形態（図１〜図３）と同じであるが、翼端のパドル形の抗力型翼部５ｂ，５ｂの翼形状において、パドル形の翼幅Ｗ２が、揚力型のヘリカル型翼本体５ａの翼端の翼幅Ｗ１より大きく構成されている。前記翼幅Ｗ１，Ｗ２は、翼５の回転方向を向く幅である。
抗力型であるパドル形の抗力型翼部５ｂの翼幅を大きくすることによって起動特性を更に、改善できる。
【００２９】
図６、図７に示す実施形態は、回転軸４の軸方向に延びるヘリカル型翼本体５ａを有している点は第１の実施形態（図１〜図３）と同じであるが、翼端のパドル形の抗力型翼部５ｂの翼形状において、抗力型翼部５ｂの翼幅Ｗ２が、揚力型のヘリカル型翼本体５ａの翼端の翼幅Ｗ１より大きく構成され、かつ、パドル形の抗力型翼部５ｂのヘリカル型翼本体５ａへの取付部となる底板部５ｂｃの面積が、揚力型のヘリカル型翼本体５ａの翼端の面積より大きい例を示す。前記翼幅Ｗ２は、翼５の回転方向を向く幅である。
この構成によって、パドル形の抗力型翼部５ｂのヘリカル型翼本体５ａへの取付け強度を改善できる。
【００３０】
ここで、翼５の推力の連続性につき説明する。
風による風車の推力をＩとすると、推力Ｔは式（１）で表現できる。
Ｔ＝（１／２）ＣＴρＡＶ２＝ＣＴρＲＨＶ２    ・・・（１）
ここで、ＣＴは推力係数、ρは流体の密度、Ａは流れに対する翼の投影面積、Ｖは風速、Ｒは翼の回転半径、Ｈは翼の長さである。
【００３１】
翼の回転半径Ｒは、ほぼ同じであるから、抗力型翼による推力Ｔｄと揚力型ヘリカル翼による推力Ｔｌとの比は、推力係数ＣＴと翼の長さＨとの積で決定される。
図８は、抗力型翼である抗力型翼部５ｂと揚力型のヘリカル型翼本体５ａの回転軸方向の翼長さを比較した図である。Ｈ１は翼５の全翼長さ、Ｈ２はヘリカル型翼本体５ａの長さである。
【００３２】
推力係数ＣＴは、周速比λ（翼外周の周速度と風速Ｖとの比) に依存し、一般的に、抗力型翼の場合、周速比λが１．５でＣＴは零（ゼロ）になる。一方、揚力型翼の場合、回転が立ち上がる周速比λは約２．２である。すなわち、抗力型翼の抗力型翼部５ｂの翼長さＨ（上下の抗力型翼部５ｂ，５ｂの翼長さの和であり、図８の（Ｈ１−Ｈ２）を全翼長さＨ１の１．５／（１．５＋２．２）＝０．４１倍にすれば、抗力型翼部５ｂ，５ｂの推力係数ＣＴが零（ゼロ）になった時に、揚力型翼のヘリカル型翼本体５ａの推力係数ＣＴが零（ゼロ）から立ち上がるので、推力係数ＣＴの連続性を確保できる。
【００３３】
起動特性を改善し、低速度での発電を重視した設計では、抗力型翼部５ｂ，５ｂの翼長さＨ（図８のＨ１−Ｈ２）を全翼長さＨ１の０．４１倍以上にする。一方、高回転（高速度）時は、抗力型翼部５ｂ，５ｂが抵抗となって高回転化の障害となるため、高回転性能を重視するには、抗力型翼の翼長さＨ（図８のＨ１−Ｈ２）を全翼長さＨ１の０．４１倍未満にする。
ここで、前記の「低速度」及び「高速度」は、垂直型風車２の具体的構成や大きさ等によって適宜定められるが、「低速度」とは、風車が起動を開始する風速（カットイン風速と称する）で、通常３m/s程度である。「高速度」とは定格風速（定格出力に依存するが８〜１６m/ｓ程度）近傍を指す。
この実施形態は、高速での発電性能を重視していることから、抗力型翼部５ｂ，５ｂの翼長さＨ（図８のＨ１−Ｈ２）を全翼長さＨ１の０．４１倍未満にしている。
【００３４】
図９は、風力発電装置付き照明設備の一実施形態を示す。この照明設備は、街路灯（道路灯）となる設備である。この照明設備は、支持基体である支柱８の上部に垂直軸風力発電装置１、太陽光発電装置１２、および照明器具１１が設けられ、かつ支柱８の内部に複数の蓄電池（図に記載なし）が設けられている。垂直軸風力発電装置１は上記のいずれかの実施形態に係る垂直軸風力発電装置１であり、ヘリカル型翼本体５ａの翼端に抗力型翼部５ｂ，５ｂが取り付けられている構造である。例えば図１の実施形態の垂直軸風力発電装置１とされる。太陽光発電装置１２は、複数の太陽電池セル（図示せず）を有するソーラーパネルからなる。照明器具１１は、ＬＥＤ等を光源とする。
【００３５】
この構成の風力発電装置付き照明設備によると、垂直軸風力発電装置１および太陽光発電装置８で発電された電気は蓄電池に蓄電し、その蓄電された電気を使って夜間等に照明器具１１を点灯させる。この場合に、上記いずれかの実施形態の垂直軸風力発電装置１が用いられているため、風力発電につき、起動性を改善でき、かつ翼の駆動力が不連続性にならずに振動を低減できる。
【００３６】
以上、実態形態に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３７】
１…垂直軸風力発電装置
２…垂直軸型風車
３…発電機
４…回転軸
５…翼
５ａ…ヘリカル型翼本体
５ｂ…抗力型翼部
５ｂａ…抗力型翼部本体
５ｂｂ…蓋部
６…アーム
７…回転軸支持部
８…支柱（支持基体）
１１…太陽光発電装置
１２…照明器具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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