(57)【要約】【課題】サボニウス垂直軸型の羽根車を備えた構造において、従来よりもさらに一層風力変換効率を高めて大きな回転出力を得ることができる風車装置を提供する。【解決手段】羽根車７が垂直回転軸５に取り付けられ、この羽根車７の外方には周方向に沿って集風板３が渦巻き放射状に配置固定されており、羽根車７は、円弧状の２つの親回転羽根１４，１５と、これよりも小形で円弧状の２つの子回転羽根１６，１７とを備え、各親回転羽根１４，１５は垂直回転軸５を中心として点対称に配置され、各子回転羽根１６，１７は、その凹面側を親回転羽根１４，１５の凸面側に向けた状態で各親回転羽根１４，１５に対して個別に隣接配置されており、かつ、互いに隣接する親回転羽根１４，１５と子回転羽根１６，１７との間には通風隙間Ｓ２１，Ｓ２２が確保されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直回転軸を軸として回転する羽根車と、上記羽根車の外周に沿って配置された複数の集風板とを備えた風車装置であって、
上記集風板は、上記羽根車に対して羽根車を回転させる側に集風するようラジアル方向から所定角度だけ傾斜させた状態で等間隔に配置され、
上記羽根車は、横断面略円弧状の複数の親回転羽根と、これらの親回転羽根よりも小形で横断面略円弧状の複数の子回転羽根とを有し、上記各親回転羽根は上記垂直回転軸を中心として点対称に配置され、上記各子回転羽根は、その凹面側を親回転羽根の凸面側に向けた状態で各親回転羽根に対して個別に隣接配置され、上記隣接する親回転羽根と子回転羽根との間に通風隙間が確保されていることを特徴とする風車装置。
【請求項２】
上記各集風板と羽根車との間に、集風された風を風下に向かってある程度逃がす通風隙間が確保されている請求項１記載の風車装置。
【請求項３】
上記集風板は、羽根車の周方向に沿う５箇所に配置されている請求項１または２記載の風車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電等に利用可能な風車装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電等に利用される風車装置には、従来、羽根車を支持する回転軸の方向が水平方向を向く水平軸型のものと、垂直方向を向く垂直軸型のものとがある。前者の水平軸型のものとしては、多翼型、セイルウィング型、オランダ型などの各種のものがあり、また、後者の垂直軸型のものとしては、サボニウス型、ダリウス型、直線翼型などの各種のものが提案されている。
【０００３】
この場合、垂直軸型のものは、水平軸型のものに比べて風向きの影響を受け難く、風向きに応じて羽根車の向きを制御する必要がないという利点がある。特にサボニウス型のものは、直線翼型などと比較すると、自己起動性に優れていて弱い風速の場合にも回転を継続できるという利点を備えている。
【０００４】
ところが、垂直軸型のものは、水平型のものに比べて一般に回転出力が小さい。そこで、従来技術では、この欠点を補うべく、垂直軸型の羽根車の外方に、周方向に沿って集風板を渦巻き放射状に配置固定して回転出力を増加させるようにした構成のものも提供されている（例えば、特許文献１，２等参照）。
【０００５】
【特許文献１】実用新案登録第３０９６９３１号公報
【特許文献２】特開平５−２４０１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したように、垂直軸型の羽根車の内、特にサボニウス型のものは、自己起動性に優れているが、従来のものは風向きの指向性が依然として存在していて風力変換効率が小さく、上記特許文献１のように羽根車の周方向に沿って集風板を渦巻き放射状に配置固定した構成とした場合であっても、水平軸型のものに比べると十分な回転出力を得ることが難しい。
【０００７】
また、上記特許文献２に示す装置では、案内羽根で風を羽根車に導いているが、導かれた風の抜け道について設計上の考慮なされていないため、羽根車に導かれた風が抜けるところがなく、導かれた風は羽根車内で滞留してしまい、それほど回転効率をあげることができないのが実情である。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、例えばサボニウス型等のような垂直軸型の風車において、従来よりもさらに風向きの指向性を少なくして風力変換効率を高め、大きな回転出力を得ることができる風車装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明は、垂直回転軸を軸として回転する羽根車と、上記羽根車の外周に沿って配置された複数の集風板とを備えた風車装置であって、上記集風板は、上記羽根車に対して羽根車を回転させる側に集風するようラジアル方向から所定角度だけ傾斜させた状態で等間隔に配置され、上記羽根車は、横断面略円弧状の複数の親回転羽根と、これらの親回転羽根よりも小形で横断面略円弧状の複数の子回転羽根とを有し、上記各親回転羽根は上記垂直回転軸を中心として点対称に配置され、上記各子回転羽根は、その凹面側を親回転羽根の凸面側に向けた状態で各親回転羽根に対して個別に隣接配置され、上記隣接する親回転羽根と子回転羽根との間に通風隙間が確保されていることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の風車装置によれば、羽根車には親回転羽根に加えて、これよりも小形の子回転羽根を設けているので、例えば各親回転羽根の凹面側が風向きに対して直交して縦一列に並んだ状態になった場合でも、各子回転羽根は十分に風を受けることができる。しかも、その際、親回転羽根と子回転羽根との間に確保されている通風隙間を通過した風は最終的に親回転羽根に当たるので、風力の回転力への変換効率を高まるうえ、従来に比べて風向きの指向性が低減され、羽根車の回転出力を高めることができる。しかも、上記集風板は、上記羽根車に対して羽根車を回転させる側に集風するようラジアル方向から所定角度だけ傾斜させた状態で等間隔に配置されていることから、上記羽根車を構成する親子の各回転羽根の凹面側に向けて集風されるため、羽根車の外方に配置された集風板によって風速が増幅されるので、回転羽根に効率良く回転力を生じさせることができる。これと同時に、親子の回転羽根の凸面側は集風板によって遮られて風が当たらないようになるため、風が羽根車の回転を遮る方向に作用するのを防止し、風力変換効率が一層改善される。その結果、羽根車の回転出力をさらに増大させることができる。しかも、上記親回転羽根と子回転羽根との間に確保された通風隙間を通って、集風された風が風下に向かってある程度抜けることから、集風された風が羽根車内で滞留することが防止され、回転効率を一層向上させ、回転出力をさらに増大させることができるのである。
【００１１】
本発明において、上記各集風板と羽根車との間に、集風された風を風下に向かってある程度逃がす通風隙間が確保されている場合には、各集風板と羽根車との間に確保された通風隙間を通って集風された風が風下に向かって抜けることから、集風された風が羽根車内で滞留することが防止され、回転効率を一層向上させ、回転出力をさらに増大させることができる。
【００１２】
本発明において、上記集風板は、羽根車の周方向に沿う５箇所に配置されている場合には、集風板を羽根車の周方向に沿う５箇所に配置することにより、最小限の設備で３６０度どの方向からの風であっても効率的に集風することが可能となり、各方向からの風を極力遮らずに風速の増幅作用を十分に発揮できるので、集風効率が改善されて羽根車の回転出力をさらに一層大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明の実施の形態における風車装置の全体構成を示す斜視図、図２は同風車装置の平面断面図、図３は子回転羽根を除いた場合の風車本体の側面図、図４は親回転羽根を除いた場合の風車本体の正面図、図５は羽根車の平面断面図である。
【００１４】
図１に示すように、上記風車装置１は、垂直回転軸５を軸として回転する羽根車７を有する風車本体２と、上記羽根車７の外周に沿って配置された複数（この例では５枚）の集風板３とを備えている。
【００１５】
図３および図４に示すように、上記風車本体２は、架台４に垂直回転軸５がベアリング６を介して回転自在に立設され、この垂直回転軸５に羽根車７が一体的に取り付けられている。また、垂直回転軸５の下端部は、例えば図示しないベルト、プーリ、チェーン等の伝達媒体を介して発電機（図示せず）に連結される。なお、垂直回転軸５に直接に発電機を連結させた構成も採用することができる。
【００１６】
上記羽根車７は、垂直回転軸５の上部に円形の天板８が、下部に円形の底板９がそれぞれブッシュ１０，１１を介して取り付けられ、これらの天板８と底板９との間に横断面略円弧状の複数（この例では２つ）の親回転羽根１４，１５と、これらの親回転羽根１４，１５よりも小形で同じく横断面略円弧状をした複数（この例では２つ）の子回転羽根１６，１７とが設けられている。この例は、親回転羽根１４，１５と子回転羽根１６，１７とがそれぞれ同じ数だけ設けられている例を説明している。
【００１７】
図５に示すように、各々の親回転羽根１４，１５は、垂直回転軸５を中心として点対称に配置された、いわゆるサボニウス型のものである。そして、各親回転羽根１４，１５は、垂直回転軸５に近接する内側端部が垂直回転軸５から所定距離だけ離間されるように相互にオーバーラップするように設けられており、これによって垂直回転軸５との間に第１の通風隙間Ｓ１１，Ｓ１２が確保されている。
【００１８】
また、各々の子回転羽根１６，１７は、その凹面側を親回転羽根１４，１５の凸面側に向けた状態で各親回転羽根１４，１５に対して個別に隣接配置されている。そして、各子回転羽根１６，１７の内側端部は、その隣接する親回転羽根１４，１５の凸面側から所定距離だけ離間されており、これによって親回転羽根１４，１５との間に第２の通風隙間Ｓ２１，Ｓ２２が確保されている。
【００１９】
各親回転羽根１４，１５は、天板８と底板９との間に左右一対の支柱１４ａ，１５ａを立設し、両支柱１４ａ，１５ａの上下方向に沿う複数箇所に両支柱１４ａ，１５ａ間を連結する円弧状をした横桟１４ｂ，１５ｂを取り付けるとともに、支柱１４ａ，１５ａの高さと略同じ長さで、横桟１４ｂ，１５ｂの長さと略同じ横幅を有する帆布１４ｃ，１５ｃを、これらの支柱１４ａ，１５ａおよび横桟１４ｂ，１５ｂの凸面側に張設して構成されている。
【００２０】
同様に、各子回転羽根１６，１７は、天板８と底板９との間に左右一対の支柱１６ａ，１７ａを立設し、両支柱１６ａ，１７ａの上下方向に沿う複数箇所に両支柱１６ａ，１７ａ間を連結する円弧状をした横桟１６ｂ，１７ｂを取り付けるとともに、支柱１６ａ，１７ａの高さと略同じ長さで、横桟１６ｂ，１７ｂの長さと略同じ横幅を有する帆布１６ｃ，１７ｃを、これらの支柱１６ａ，１７ａおよび横桟１６ｂ，１７ｂの凸面側に張設して構成されている。
【００２１】
上記各回転羽根１４，１５，１６，１７において、各帆布１４ｃ，１５ｃ，１６ｃ，１７ｃは、横桟１４ｂ，１５ｂ，１６ｂ，１７ｂの凸面側に位置するように取り付けられている。これにより、各帆布１４ｃ，１５ｃ，１６ｃ，１７ｃが各回転羽根１４，１５，１６，１７の凹面側に風を受けたときには適切な凹面形状が保たれるとともに、仮に回転羽根１４，１５，１６，１７の凸面側に風を受けた場合でも、横桟１４ｂ，１５ｂ，１６ｂ，１７ｂで受け止められて常に適切な凸面形状が保たれる。また、帆布１４ｃ，１５ｃ，１６ｃ，１７ｃを使用することにより、各回転羽根１４，１５，１６，１７が軽量になり、羽根車７の回転が円滑に行われ、回転効率や回転出力の向上に有利である。
【００２２】
一方、図２に示すように、上記集風板３は、上記羽根車７に対して羽根車７を回転させる側に集風するよう羽根車７のラジアル方向から所定角度だけ傾斜させた状態で等間隔に、いわば渦巻き放射状に配置されている。これにより、各集風板３は、羽根車７を構成する親子の各回転羽根１４，１５，１６，１７の凹面側に向けて集風されるようになっている。
【００２３】
これらの集風板３は、平面視で正５角形状をしたフレーム２１の各頂点位置から立設された支柱２２と、風車本体２の架台４に立設された５本の支柱２３との間にそれぞれ帆布２４を張設して構成されている。また、フレーム２１から立設されている支柱２２間には、補強用のワイヤ２５が互いに交差するように張設されている。
【００２４】
また、上記各集風板３と羽根車７との間には、集風された風を風下に向かってある程度逃がす第３の通風隙間Ｓ３１が確保されている。さらに、上記各集風板３と設置面に設置される部材であるフレーム２１との間には、各集風板３と設置面との間において、風をある程度逃がす第４の通風隙間Ｓ４１が確保されている。
【００２５】
上記構成の風車装置１は、例えばつぎのように動作する。
【００２６】
まず、風車本体２の羽根車７に着目すると、例えば、図５中、矢印Ａで示す方向から風が吹いてきた場合、２つの親回転羽根１４，１５は、その凹面側が共に風向きに対して直交した状態で縦一列に並んでいるので、２つの親回転羽根１４，１５だけでは十分に風を受けることができない。しかし、この実施例の風車装置１では、子回転羽根１６，１７を設けているので、図中破線で示すように、一方の子回転羽根１７の凹面で十分に風を受けることができる。
【００２７】
しかも、上記親回転羽根１４，１５と子回転羽根１６，１７との間に第２の通風隙間Ｓ２１，Ｓ２２を確保しているため、子回転羽根１７の凹面に当たらずにその横の第２の通風隙間Ｓ２２を素通りした風は、その子回転羽根１７に隣接する親回転羽根１５の凸面に誘導されて他方の親回転羽根１４の凹面に当たるので、風力変換効率が高くなって羽根車７の回転出力が増加する。しかも、上記第２の通風隙間Ｓ２１，Ｓ２２を通って、集風された風が風下に向かってある程度抜けることから、集風された風が羽根車７内で滞留することが防止され、回転効率を一層向上させ、回転出力をさらに増大させることができるのである。
【００２８】
これは図５中、矢印Ｃで示す方向から風が吹いてきた場合、矢印ＡとＢの中間の方向から風が吹いてきた場合、および矢印ＣとＤの中間の方向から風が吹いてきた場合も同様である。
【００２９】
また、図５中、矢印Ｂで示す方向から風が吹いてきた場合、一方の親回転羽根１４の凹面側が風向きに対して正対しており、かつ、この親回転羽根１４は大きな受圧面積をもっているので、この親回転羽根１４の凹面で十分に風を受けることができる。しかも、図中破線で示すように、この親回転羽根１４の凹面に当たった風はこの凹面に誘導されて第１の通風隙間Ｓ１１，Ｓ１２を通って他方の親回転羽根１５の凹面に当たるので、風力変換効率が高くなり、羽根車７の回転出力を増加させることができる。
【００３０】
これは図５中、矢印Ｄで示す方向から風が吹いてきた場合、矢印ＢとＣの中間の方向から風が吹いてきた場合、および矢印ＤとＡの中間の方向から風が吹いてきた場合も同様である。
【００３１】
このように、この実施の形態の風車装置１の羽根車７は、親回転羽根１４，１５と子回転羽根１６，１７とを組み合わせた構成にすることにより、従来よりも風向きの指向性が低減されて風力変換効率が向上するので、羽根車７の回転出力が増加する。特に、親回転羽根１４，１５と子回転羽根１６，１７とを２つずつ設けた構成において顕著な効果を発揮する。
【００３２】
つぎに、集風板３に着目すると、各集風板３は、羽根車７の外方の周方向に沿う５箇所にそれぞれ渦巻き放射状に配置固定しているので、これらの集風板３によって風速が増幅されて羽根車７に向けて十分大きな風速をもつ風を当てることができる。また、集風板３を羽根車７のラジアル方向に対して所定角度θだけ傾斜させることにより、羽根車７に効率良く回転力を生じさせることができる。それと同時に、親子の回転羽根１４〜１７の凹面側に風が当たるとき、その凸面側は風上方向から見て集風板３によって遮られて極力風が当たらないようになるので、親子の回転羽根１４〜１７の凸面側が風の障壁となる確率が少なくなり、羽根車７の風力変換効率がさらに改善される。
【００３３】
このように、集風板３を設けることにより、羽根車７単体の場合よりも集風効率がはるかに高くなるとともに、風速の増幅作用を十分に発揮することができ、羽根車７に対して大きな風速をもつ風を当てることができる。そして、風力変換効率が高くて風向きの指向性が少ない羽根車７を使用することと相まって、羽根車７は常に円滑かつ大きな力で回転されるようになり、羽根車７の回転出力を従来よりも一層増大させることができる。
【００３４】
さらに、上記各集風板３と設置面に設置される部材であるフレーム２１との間には、各集風板３と設置面との間において、風をある程度逃がす第４の通風隙間Ｓ４１が確保されていることから、各集風板３と設置面との間に確保された第４の通風隙間Ｓ４１を通って風が風下に向かってある程度抜けることから、集風された風が羽根車７内で滞留することが防止される。
【００３５】
以上のように、本発明の風車装置によれば、羽根車７には親回転羽根１４，１５に加えて、これよりも小形の子回転羽根１５，１６を設けているので、例えば各親回転羽根１４，１５の凹面側が風向きに対して直交して縦一列に並んだ状態になった場合でも、各子回転羽根１５，１６は十分に風を受けることができる。しかも、その際、親回転羽根１４，１５と子回転羽根１６，１７との間に確保されている第２の通風隙間Ｓ２１，Ｓ２２を通過した風は最終的に親回転羽根１４，１５に当たるので、風力の回転力への変換効率を高まるうえ、従来に比べて風向きの指向性が低減され、羽根車７の回転出力を高めることができる。
【００３６】
しかも、上記集風板３は、上記羽根車７に対して羽根車７を回転させる側に集風するようラジアル方向から所定角度だけ傾斜させた状態で等間隔に配置されていることから、上記羽根車７を構成する親子の各回転羽根１４，１５，１６，１７の凹面側に向けて集風されるため、羽根車７の外方に配置された集風板３によって風速が増幅されるので、回転羽根７に効率良く回転力を生じさせることができる。これと同時に、親子の回転羽根１４，１５，１６，１７の凸面側は風上側から見ると集風板３によって遮られて風が当たらないようになるため、風が羽根車７の回転を遮る方向に作用するのを防止し、風力変換効率が一層改善される。その結果、羽根車の回転出力をさらに増大させることができる。
【００３７】
さらに、上記親回転羽根１４，１５と子回転羽根１６，１７との間に確保された第２の通風隙間Ｓ２１，Ｓ２２を通って、集風された風が風下に向かってある程度抜けることから、集風された風が羽根車７内で滞留することが防止され、回転効率を一層向上させ、回転出力をさらに増大させることができるのである。
【００３８】
また、上記各集風板３と羽根車７との間に、集風された風を風下に向かってある程度逃がす第３の通風隙間Ｓ３１が確保されていることから、各集風板３と羽根車７との間に確保された第３の通風隙間Ｓ３１を通って集風された風が風下に向かって抜けることから、集風された風が羽根車７内で滞留することが防止され、回転効率を一層向上させ、回転出力をさらに増大させることができる。
【００３９】
さらに、上記集風板３は、羽根車７の周方向に沿う５箇所に配置されているため、集風板３を羽根車７の周方向に沿う５箇所に配置することにより、最小限の設備で３６０度どの方向からの風であっても効率的に集風することが可能となり、各方向からの風を極力遮らずに風速の増幅作用を十分に発揮できるので、集風効率が改善されて羽根車の回転出力をさらに一層大きくすることができる。
【００４０】
つぎに、上記風車装置１を現場に設置する構成について説明する。
【００４１】
この風車装置１を地面や建屋の屋上に設置する場合には、集風板３を取り付けているフレーム２１をアンカーワイヤ２８で固定したり、あるいはタンクに水を満たして重りとした、いわゆるウオータアンカをフレーム２１上に載置して固定する。ウオータアンカを使用すれば基礎工事が不要なので簡便に施工することができる。
【００４２】
また、図６に示すように、上記風車装置１は、水上に設置することもできる。すなわち、この風車装置１の下にフロート２７を取り付け、このフロート２７をアンカーワイヤ２８を介して水底に固定したり、錨で固定する。
【００４３】
そして、上記風車装置１は、回転出力で発電機を稼動して電力として利用する風力発電装置に適用することにより、３６０度どの方向からの風であっても効率的に集風し、高い風力変換効率および回転出力での風力発電が極めて低コストで行うことが可能になる。
【００４４】
すなわち、従来のプロペラ型の風力発電装置は、風力を水平軸のプロペラの回転に変換していた。しかも、我国は常に一定方向から風が吹くという自然環境にはないため、プロペラを常に風上に向けておく必要があり、極めて複雑な構造が必要であった。このため、従来の風力発電装置では１機あたり数億円以上もの巨額の投資が必要であり、しかも得られる電力により充分に減価償却できるだけの充分な耐用年数も得られておらず、ほとんど一般普及していなかったのが実情である。
【００４５】
本発明の風車装置を適用した風力発電装置によれば、極めて低コストな装置で簡単に設置可能であり、しかも、３６０度どの方向からの風であっても効率的に集風して高い風力変換効率での発電が可能である。したがって、例えば、農閑期の遊休地を利用した発電や、海上のスペースを利用した発電も容易かつ低コストに行うことができるようになるのである。
【００４６】
なお、上記各実施の形態では、羽根車７において、天板８と底板９との間にそれぞれ支柱１４ａ〜１７ａを取り付けることで親子の回転羽根１４〜１７を形成しているが、天板８や底板９を設ける代わりに、リング状のフレームに支柱１４ａ〜１７ａを取り付けて親子の回転羽根１４〜１７を形成することも可能である。また、親子の各回転羽根１４〜１７や集風板３には帆布を使用したが、薄肉のアルミ板や樹脂板、樹脂フィルム等を使用することも可能である。
【００４７】
さらに、上記各実施の形態では、羽根車７を構成する各親回転羽根１４，１５の内端部を垂直回転軸５から所定距離だけ離間して第１の通風隙間Ｓ１１，Ｓ１２を確保しているが、図７に示すように、親回転羽根１４，１５の内端部を垂直回転軸５に接合した構成とすることも可能である。また、集風板３は、集風効率を高める上では、この実施の形態のように、羽根車７の周方向に沿って５枚設けるのが好ましいが、４枚でもよく、さらには６枚以上設けた構成とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の風車装置は、風力発電装置に適用できるだけでなく、風力による回転出力を動力として利用する設備に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態における風車装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】同風車装置の平面断面図である。
【図３】子回転羽根を除いた場合の風車本体の側面図である。
【図４】親回転羽根を除いた場合の風車本体の側面図である。
【図５】羽根車の平面断面図である。
【図６】本発明の風車装置の具体的な設置状況の一例を示す説明図である。
【図７】羽根車の変形例を示す平面断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１      風車装置
２      風車本体
３      集風板
４      架台
５      垂直回転軸
６      ベアリング
７      羽根車
８      天板
９      底板
１０，１１      ブッシュ
１４，１５      親回転羽根
１４ａ，１５ａ      支柱
１４ｂ，１５ｂ      横桟
１４ｃ，１５ｃ      帆布
１６，１７      子回転羽根
１６ａ，１７ａ      支柱
１６ｂ，１７ｂ      横桟
１６ｃ，１７ｃ      帆布
２１      フレーム
２２      支柱
２３      支柱
２４      帆布
２５      ワイヤ
２７      フロート
２８      アンカーワイヤ
Ｓ１１，Ｓ１２      第１の通風隙間
Ｓ２１，Ｓ２２      第２の通風隙間
Ｓ３１      第３の通風隙間
Ｓ４１      第４の通風隙間
【図１】
2006214302.tif 000003
【図２】
2006214302.tif 000004
【図３】
2006214302.tif 000005
【図４】
2006214302.tif 000006
【図５】
2006214302.tif 000007
【図６】
2006214302.tif 000008
【図７】
2006214302.tif 000009