(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の回転板を、回転板の中心から互いに等角度かつ等距離の位置で、回転板に対し垂直に立設された２本以上の回転軸で結合することにより形成された回転体と、前記各回転軸に取り付けられた、横断面形状が湾曲形の２枚以上の風受板とを含み、前記各風受板の外面側には、回転体の円周方向に歯を取り付けたラックを設け、前記回転軸には、前記該ラックに対応するピニオンギアを設け、これらのラック・アンド・ピニオン機構により、回転軸の回動で各風受板が展開、収納されることを特徴とする風車ユニット。
【請求項２】
前記各風受板は、前記回転軸に連結板を介して固定され、前記各風受板は回転軸の回動に従い、回転体から出没可能に設けられている請求項１に記載の風車ユニット。
【請求項３】
前記風受板が固定された各回転軸は、駆動手段により連動して回動可能であり、各風受板はこの回転軸の回動に連動し、同期して回転体から出没可能である請求項２に記載の風車ユニット。
【請求項４】
前記回転軸の一方向への回動により、前記風受板が回転体の外側に展開して広がり、風受け面積を拡大させること、および回転軸の逆方向への回動により、風受板が回転体の内側に巻き込むように収納され、風受け面積を縮小ないし失わせることで前記各風受板の回転体からの出没が行われる請求項１ないし請求項３の何れかの項に記載の風車ユニット。
【請求項５】
前記ラック・アンド・ピニオン機構は、回転軸の回動中常に噛み合っている請求項１ないし４の何れかに記載の風車ユニット。
【請求項６】
前記ラック・アンド・ピニオン機構は、隣接する他のラック・アンド・ピニオン機構と重なり合わないように設けられている請求項１ないし５の何れかに記載の風車ユニット。
【請求項７】
前記の請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の風車ユニットを用いたことを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電に利用可能な風車ユニットに関し、特に風受板が可動することにより、受ける風量を調整することができる風車ユニット及びその風車ユニットを用いた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電に利用される従来の風車は、ブレード及びプロペラ式が主流であるが、台風などの強風の時には、制御が困難であるため、停止させているのが現状である。
【０００３】
本来、強風になるほど、風力発電の効率は高まるので、強風時に安定した回転となるように制御することができることが求められている。
【０００４】
出願人は、この問題に鑑みて、風洞体内にプロペラ式風車ユニットを配置し、風洞体壁面を可動させることにより、風洞体内の流速を調整することができる風力発電装置出願している（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８５８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ブレード及びプロペラ式風車ユニットにおいては、ある程度の風量が必要であり、微風に対しては、風を受ける面積が小さいので、充分な発電を実現できないという問題がある。
【０００７】
また、風を受ける面積が比較的に大きい風車として、垂直型、かつ、抗力型のサボニウス型などがあるが、風速変動に対する制御が困難で、風の受圧面積が大きい割には低効率であり、出力当りの装置重量が大で、余り経済的ではない等の問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、弱い風の場合には、充分に風を受けることができるように風受け面積を拡大でき、所定の回転数を確保でき、強い風の場合には、風受け面積を縮小して、所定の回転数に制御することが可能であり、かつ、風圧に対する強度があり、故障の原因の少ない信頼性の高い風車及びその風車を用いた風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記に示す課題を、以下の手段によって解決することができる。
【００１０】
請求項１は、一対の回転板を、回転板の中心から互いに等角度かつ等距離の位置で、回転板に対し垂直に立設された２本以上の回転軸で結合することにより形成された回転体と、前記各回転軸に取り付けられた、横断面形状が湾曲形の２枚以上の風受板とを含むことを特徴とする風車ユニットである。
【００１１】
該回転体は、一対の回転板に垂直に立設された２本以上の回転軸で結合されて構成され、その回転軸に取り付けられた風受板が受けた風により、回転体は回転力を得るものである。この回転軸は、後記風受板の数と同じであり、一般には３枚以上であることが好ましい。
【００１２】
該風受板は、風を受けやすいように横断面形状が湾曲しているものであればいずれでも良く、横断面形状が円弧形状のものや、流線形状などでも良い。尚、風受板は２枚では、風向きの関係で回転しない位置が生じる場合もあり、一般には３枚以上であることが好ましいが、２枚でも製作は可能である。例えば、図８に示すように、軸方向に２基の風車ユニットを連結し、左右の風車ユニットの位相を９０度ずらして製作すると、回転しない位置の問題は解消される。
【００１３】
該回転軸は、一対の回転板間に垂直に設けられ、風受板を取り付けた状態で可動できるものであればいずれでも良く、該回転軸の駆動は、電動、油圧駆動などいずれでも良く、風車ユニットの回転力の一部を利用するものなどでも良い。
【００１４】
請求項２は、前記各風受板は、前記回転軸に連結板を介して固定され、前記各風受板は回転軸の回動に従い、回転体から出没可能に設けられている風車ユニットである。
【００１５】
該連結板は、回転軸に風受板を固定するものであり、回転軸から一定の距離離れた状態で固定できるようなリブ板材などで溶接固定したものなどでも良い。
【００１６】
該回転軸は、回転板の中心から互いに等角度で等距離に設けられているので、回転軸の回動により、風受板は、回転体から外側に突出した位置から回転体内に収納される位置まで移動させることができ、出没可能となる。
【００１７】
請求項３は、前記風受板が固定された各回転軸は、駆動手段により連動して回動可能であり、各風受板はこの回転軸の回動に連動し、同期して回転体から出没可能である請求項２に記載の風車ユニットである。
【００１８】
各回転軸は、連動するものであればいずれの機構でも良く、各回転軸にギアを設けてチェーンで連動させるようにしても良い。
【００１９】
各回転軸が連動することにより、回転軸に固定された各風受板も連動するものである。
【００２０】
請求項４は、前記回転軸の一方向への回動により、前記風受板が回転体の外側に展開して広がり、風受け面積を拡大させること、および回転軸の逆方向への回動により、風受板が回転体の内側に巻き込むように収納され、風受け面積を縮小ないし失わせることで前記各風受板の回転体からの出没が行われる風車ユニットである。
【００２１】
該風受板は、風車ユニットに当たる風が弱い場合に、回転体の外側に広がり、風が強い場合に回転体の内側に収納されるように制御することが望ましい。該風受板の可動制御は、風の強さの検知手段を設けて自動的に出没するようにしても良い。
【００２２】
請求項５は、各風受板の外面側に回転体の円周方向に歯を取り付けたラックを設け、該ラックに対応するように、隣接する回転軸側にピニオンギアを設け、これらのランク・アンド・ピニオン機構により、回転軸の回動で各風受板が展開、収納される風車ユニットである。
【００２３】
請求項６は、前記ラック・アンド・ピニオン機構は、回転軸の回動中常に噛み合っている風車ユニットである。
【００２４】
本ラック・アンド・ピニオン機構は、回転板の中心から等角度で等距離に設けられた奇数の回転軸の配置と、回転軸に固定された風受板の取り付け角度を調整することにより実現するものである。
【００２５】
回転軸に固定された風受板の回動により、風受板の外面が隣の回転軸の外面に接しながら、円弧を描くように回動するように連結板で距離を設定して取り付け、その接触面に各々風受板側にラックを設け、回転軸側にピニオンギアを設けるものである。
【００２６】
請求項７は、前記ラック・アンド・ピニオン機構は、隣接する他のラック・アンド・ピニオン機構と重なり合わないように設けられている風車ユニットである。
【００２７】
各ラック・アンド・ピニオン機構の取り付け位置を上下にずらすことにより、隣同士が重なり合わないようにしても良い。
【００２８】
請求項８は、前記の請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の風車を用いたことを特徴とする風力発電装置である。
【００２９】
発電機は、風車の回転力をギアやロッドなどの伝達手段により取り出し、伝達手段を介して発電機を駆動するものでも良く、風車の回転軸に小型の発電機を接続したものでも良い。
【００３０】
インバーター（直流、交流電力変換装置）を使っていないので、複数台並列に設置しても高調波の問題は発生しない。
【発明の効果】
【００３１】
本発明では、以下に示すような効果がある。
【００３２】
１）微風時においても、風受面積を拡大することができるので、充分な発電を実現できる。
【００３３】
２）微風から強風まで風の強さに応じて、風受け面積を可変できるので、安定した風車の回転を維持でき、安定した発電を実現できる。
【００３４】
３）風速や風量が変化しても、風受板を可動させて風受け面積を調整できるので、風車の回転数を一定に制御することができる。
【００３５】
４）奇数枚の風受板を連動して可動できるので、絶えず、各風受板の配置が対照となるのでバランスが保たれ、風車の回転のブレや振動が少ない安定した回転が得られる。
【００３６】
５）風受板は、一端は、その回転軸に支持され、他端は、隣の風受板の回転軸に支持され、風受板の両端が支持された状態で風を受けて回転するので、風受板が薄くても、充分な強度が保たれる。特に急な強風においても風受板が風圧で曲がってしまったり、破損してしまうこともなく、安全に可動させることができる。
【００３７】
５）コンバーター、インバーター（直流、交流変換機）、バッテリーを必要とせずに風車の回転数を６０Ｈｚまたは５０Ｈｚに制御できるので、発電による高調波や周波数の問題を解消できる。
【００３８】
６）高調波や周波数変動の問題がないので、複数台の発電機を並列に設置して発電を行うことができ、安定した電力を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による３枚の風受板を配置した風車ユニットの一実施例を示す概略外観図である。
【図２】本発明の風受板（羽根）の一実施例を示す正面図である。
【図３】本発明の風受板（羽根）の一実施例を示す背面図である。
【図４】本発明の３枚の風受板（羽根）の組み合わせ状態を示す概略外観図である。
【図５】本発明の３枚羽根風車の風受板（羽根）の展開・収納状態を示す概略平面図である。
【図６】本発明の風車ユニットを組みあわせた動力取出し装置を示す概略図である。
【図７】消音手段を講じた、本発明の風受板（羽根）の別の実施例を示す概略図である。図中、（１）は正面斜視図、（２）は背面斜視図、（３）は（１）のＡ−Ａ部水平断面拡大図である。
【図８】図７の動力取出し装置の、Ｘ−Ｘ、Ｙ−ＹおよびＳ−Ｓの断面を示す図面である。
【図９】本発明による３枚羽根風車を用いた発電装置の一実施例を示す概略図である。
【図１０】図７の動力取出し装置のＴ−Ｔの断面を示す図面である。
【図１１】本発明による３枚羽根風車を用いた発電装置の一実施例を示す概略図である。
【図１２】本発明による３枚羽根風車を用いた発電装置のメンテナンス時の一実施例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態について、実施例の図面を用いて説明する。
【００４１】
図１は、本発明による回転体と風受板を用いた３枚羽根風車ユニットの一実施例を示す外観図である。
【００４２】
この風車ユニットは、一対の回転板２が３本の回転軸３で連絡され形成された回転体１０と、回転軸３に取り付けられた風受板１とで構成されている。
【００４３】
該３本の回転軸３は、円板２の外周部付近に中心から等距離で、かつ互いに６０度の角度で配置されている。
【００４４】
この風車ユニットの羽根としては、横断面円弧状の風受板１を用いたものであり、回転軸３の上部と下部に取り付けられた、水平な連結板４で風受板１の内曲面側が固定されている。
【００４５】
該風受板１は、回転軸３の回動により、一定の円弧を描いて移動し、その風受板１の外面は隣の回転軸３の外面に沿って移動するように設けられている。
【００４６】
この風受板１と隣の回転軸３との接触面は、風受板１側には、ラック５が設けられ、回転軸３側にはピニオンギア６が設けられている。
【００４７】
このように風受板１のラック５と回転軸３のピニオンギア６とがかみ合わされており、回転軸３の回動により、回転軸３が時計回りに回動すると、風受板１は、回転体１０の外側に突出して展開し、逆に反時計回りに回動すると、回転体１０の内側に収納される。
【００４８】
図２は、風受板の正面図である。図に示すように、風受板１の外曲面側の上部と下部には、水平方向に歯が連続して取り付けられたラック５が設けられている。
【００４９】
図３は風受板の背面図である。図に示すように、ラック５に対応する位置の回転軸３にはピニオンギア６が設けられている。
【００５０】
図４は、３枚の風受板（羽根）の組み合わせ状態を示す概略外観図である。上下の回転板２を取り外した状態を示す。
【００５１】
本風車は、各回転軸３の回転により、風受板１は、風受板の外面側に設けられたラック５と、隣の回転軸３に設けられたピニオンギア６によるラック・アンド・ピニオン機構により可動し、回転軸３が時計方向に回転すると、風受板１は外側に展開し、風受け面積が大きくなり、逆に反時計方向に回転すると、風受板１は中心側に収納され、風受け面積が小さくなる。
【００５２】
図５は、本発明の３枚羽根風車の風受板（羽根）の展開・収納状態を示す概略平面図である。
【００５３】
（１）は風受板１が全展開状態を示す。全展開状態の場合には、風を最大限に受ける。
【００５４】
本発明では、風受板１の一側面は連結板４を介して回転軸３に支持され、他の側面は、ラック・アンド・ピニオン機構により、隣の回転軸３に設けられたピニオンギア６とのかみ合わせにより、支持されるので、風受板１の両側の側面で支持され、急な強風においても、風受板１が曲がったり、破損したりすることはなく、安全に可動させることができる。
【００５５】
また、全展開状態から、回転軸３を反時計方向に回転させると、（２）、（３）に示すように、風受板１が中心側にラック・アンド・ピニオン機構により、支持されながら収納されていく。
【００５６】
（４）は、さらに回転軸３を反時計方向に回転させ、風受板１ａのラックの先端が隣の風受板１ｂの内側に当接する。この状態では、風受面積が最小となる。
【００５７】
また、図６に示すように、風受板１ａのラック５ａの先端部分５ａ１が隣の風受板１ｂを貫通して突出するようにしても良い。この状態では、一つの風受板１ａが２つの回転軸３ａ、３ｂと１つの風受板１ｂの貫通孔部の３点で支持されることになり、非常に強固な支持状態となる。（１）は平面図であり、（２）は組み合わせ状態を示す斜視図である。
【００５８】
図７は、消音手段を講じた風受板の別の一実施例を示す概略図である。
【００５９】
従来より、風車の問題点に挙げられるものとして、風切り音の問題がある。この問題を解決するために、風受板１の先端部７の形状を図に示すようなのこぎり刃形状とし、正面側に多数の小孔８ａが開けられたプレート８が取り付け、背面側には、多数の突起部９を設けても良い。図７の（１）は正面斜視図であり、（２）は背面斜視図である。（３）は（１）のＡ−Ａ部水平断面拡大図である。このように、風受板１の先端部分で小孔８や突起部９などにより渦流を発生させることで風切り音を防止できるものである。
【００６０】
図８は、本発明の３枚羽根風車ユニットを組みあわせた動力取出し装置の状態を示す概略図である。
【００６１】
本実施例の動力取出し装置では、４つの風車ユニット１０は、まず出力軸２６によりそれぞれ２つが直列に並べられ、更にその中間に動力取出しギア２５が設けられている。また、この２つの直列に並べられた風車ユニット（２２ａ、２２ｂおよび２３ａ、２３ｂ）は更に平行に並べられる。そして、これら直列に並べられた風車ユニットを繋げた２本の出力軸２６は、保持部材２４ａおよび２４ｂで保持されるように構成されている。
【００６２】
すなわち、図８に示すように、風車ユニットは、出力軸２６により、上部に横置きに２台２２ａ、２２ｂ、下部に横置きに２台２３ａ、２３ｂを各々連結して取り付けられている。
【００６３】
そして、各段に設けられている２台の連結された風車ユニットは、左側の風車ユニットと右側の風車ユニットでその風受板の配置が図９の（１）と（２）に示すように、風受板の位相を１２０度ずらして設けられている。
【００６４】
これは、実施例の風車ユニットが３枚羽根であるため、例えば、２２ａの風車ユニットが（１）の状態で風を強く受ける時に、２２ｂの風車ユニットは（２）の状態で風を弱く受ける状態となり、動力取出し部全体としての回転のバランスを保つようになっている。
【００６５】
また、（３）に示すように、各風車ユニットの風受板１が取り付けられた３本の回転軸３は、当該回転軸に設けられた歯車（図示せず）を介してチェーンａで連結され、３本の回転軸３が連動するようになされている。
【００６６】
このように設けられた、本発明の動力取出し部によれば、風が弱い時には、風車ユニットの風受板を外側に展開させて、風受面積を増大させ、風が強い時には、風車ユニットの風受板を内側に収納させて、風受け面積を減少させることにより、風車ユニットの回転を制御し、所定の回転に保ち、安定した信頼性の高い発電装置を実現するものである。
【００６７】
また、平行に並べられた２段の風車ユニット（２２ａ、２２ｂと２３ａ２３ｂの２段）において、図１０に示すように、２段の風車ユニット間の距離Ｌを最小とするために、２段の風車ユニットを接近させて設け、両風車ユニットの風受板１の位相を１２０度ずらして互いの風受板１が接触しないように設けても良い。
【００６８】
図１１は、本発明の風車ユニットを用いた発電装置の実施例を示す概略図である。
【００６９】
本実施例の発電装置は、流線型の本体内２０に発電機が内設されており、回転可能な架台２１上に設置されることで、常に風の方向に向かせることができるようにしたものである。
【００７０】
本体の後部に上下２段に、３枚羽根風車ユニット２２、２３が２台取り付けられている。
【００７１】
本体部２０の内部には、風車ユニット２２、２３からの回転力を伝えるためのフライホール２７と、その制御をするための回転数制御機構２８と、発電機２９と、発電機２９に同軸に接続される、エアーモーター３０と、そのクラッチ３１と、コンプレッサー３２と、そのコンプレッサー３２からの圧縮空気を貯蔵するためのエアータンク３３とが設けられている。
【００７２】
図の矢印に示すように、流線型の本体２０の外面に沿って風が流れ、後部に設けられた２段の風車ユニットの外側に風が当たり、回転する。上段の風車ユニット２２は、矢印のように時計回りに回転し、下段の風車２３ユニットは、矢印に示すように反時計回りに回転する。
【００７３】
通常は、風車ユニット２２、２３からの回転力をフライホイール２７と回転数制御機構２８で、安定した回転により、発電を行う。なお、風車ユニット２２、２３からの回転力は反対方向であるが、動力伝達の何れかの段階で、一方の回転を遊星歯車等の機構（図示せず）により、同一方向の回転に変換することで、全ての回転力を発電機２９に伝達することができる。
【００７４】
更に、コンプレッサー３２で圧縮空気をエアータンク３３に貯蔵しておき、風が弱くなり、風車ユニット２２、２３の回転が落ちてしまう場合には、このエアータンク３３の圧縮空気を活用し、クラッチ３１で切り替えて、エアーモーター３０を回転させて、風車ユニット２２、２３の回転力を補強できるようにすることもできる。
【００７５】
また、本実施例では、図１１のように、発電装置本体２０を回転可能な架台２１上に設置し、複数の脚部３４、３５、３６で支持されている。
【００７６】
発電装置のメンテナンスの場合に、図１２に示すように、可動シリンダー３７を伸長させ、脚部３４、３５、３６を開き、発電装置の位置を地上に近づけることができるものである。可動シリンダーは、油圧式、空気圧式、電動式などいずれの駆動手段を用いても良い。
【００７７】
各脚部には車輪３４ａ、３５ａ、３６ａが設けられており、３６ａの車輪には、駆動装置３６ｂが設けられているため、スムーズに駆動して開き、発電装置を上下させることができるものである。
【００７８】
また、本実施例では、図１１、図１２に示すように、可動シリンダーが設けられた脚部３６に制動装置３８が設けられている。
【００７９】
この制動装置３８は、強固な支持バー３８ａの先端に水タンク部３８ｂが設けれられており、脚部３６の下部に脚部の車輪３６ａを軸として、回動自在に設けられ、支持バー３８ａの反対側には、軸から突出して掛止フック３８ｃが設けられている。
【００８０】
メンテナンス時には、これらの各脚部３４、３５、３６が可動シリンダー３７の収縮により、開かれていくが、開きが大きくなるにつれて、可動シリンダー３７の負荷が大きくなる。
【００８１】
この場合に可動シリンダー２７の付加を軽減し、急激な可動を制動するために、図１２に示すように、掛止フック３８ｃが脚部３６に掛かり、支持バー３８ａとともに先端の水タンク３８ｂが持ち上げられる。
【００８２】
水タンク３８ｂには水が貯水されているので、その重量により、脚部の開きを制動するように作用するものである。
【００８３】
水タンク３８ｂの容量及び支持バー３８ａの長さにより、制動力を調整することができる。給水ポンプ等で水量を適時調整できるようにしても良く、支持バー３９ａを伸縮方向に可動できるようにしても良い。
【符号の説明】
【００８４】
１  風受板
２  回転板
３  回転軸
４  連結板
５  ラック
６  ピニオンギア
７  のこぎり状先端部
８  小孔
９  突起部
１０  回転体
２０  発電装置本体
２１  架台
２２  上段風車
２３  下段風車
２４  保持部材
２５  動力取出ギア
２６  出力軸
２７  フライホイール
２８  回転数制御機構
２９  発電機
３０  エアーモーター
３１  クラッチ
３２  コンプレッサー
３３  エアータンク
３４、３５、３６  脚部
３７  可動シリンダー
３８  制動装置
【図１】
0005641861.tif 000002
【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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【図１０】
0005641861.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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