(57)【要約】【課題】内部に取り込んだ風力のエネルギーを殆ど吸収し自走回転推力の高い縦軸角型風力発電機を提供する。【解決手段】風車本体３は支持部４の縦回転軸５の上端に中空の縦回転筒６を回転自在に支持している。縦回転筒６の上位置７と下位置８から水平方向に左右一対となって配設された上取付支持腕９及び下取付支持腕１１の先端に垂直翼１２が保持される。保持部の上下には垂直翼１２の突出部１３が角（つの）状に出ている。保持部の上下には中心角θのＲ部１５が形成されている。垂直翼１２で囲まれた空間はＲ部１５が形成されている分だけ吹き込む風の流路が狭く、垂直翼１２の内外に生じる圧力差により垂直翼１２は回転推力を得る。垂直翼１２の断面が直線状の面１６に風を受けると、気流はＲ部１５により上下から内方へ圧縮され、圧縮された気流が開放されるとき更に回転推力を得る。【選択図】図１
2011012565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦軸風車を用いて風力発電を行う縦軸型の風力発電機であって、
前記縦軸風車は、
縦回転軸に回転自在に支持される縦回転筒と、
該縦回転筒の上端部から所定の距離だけ中央部に下がった上位置と、下端部から所定の距離だけ中央部に上がった下位置とから、それぞれ前記縦回転筒の周面から水平方向に延在して配設された複数の上取付支持腕及び下取付支持腕と、
該上取付支持腕及び下取付支持腕の先端部により、上下に所定の余地を持った所定の位置を保持されて、前記縦回転筒の中心軸と平行に配設された垂直翼と、
前記上取付支持腕及び下取付支持腕それぞれの前記垂直翼を保持する保持部において前記垂直翼と前記上取付支持腕、及び前記垂直翼と前記下取付支持腕との間に所定の中心角で形成されたＲ部と、
を有することを特徴とする縦軸角型風力発電機。
【請求項２】
前記垂直翼は、上端から下端まで同一形状の水平断面を有し、前記垂直翼の前記縦回転筒に対面する面の水平断面の形状は直線であり、前記垂直翼の前記縦回転筒に対し外側となる面の水平断面の形状は流線型湾曲部である、ことを特徴とする請求項１記載の縦軸角型風力発電機。
【請求項３】
前記垂直翼は、長さが１〜３ｍ、幅が０．５ｍである、ことを特徴とする請求項１又は２記載の縦軸角型風力発電機。
【請求項４】
前記縦軸風車を支持する前記回転軸は、支柱の上端部に回転自在に支持され、該支柱は前記縦回転筒とは同径または小径であって下端部を地面に形成された基礎部にアンカーボルトで固定されている、ことを特徴とする請求項１記載の縦軸角型風力発電機。
【請求項５】
発電部を前記縦回転筒の内部、又は前記支柱の内部、又は前記基礎部の内部に備える、ことを特徴とする請求項４記載の縦軸角型風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、縦軸風車を用いた縦軸風力発電機に係わり、特に回転体の羽を縦２本又は縦３本の角（つの）型に取り付けた自走回転推力の高い縦軸角型風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電機の風車には横軸プロペラ式の風車が使用されていた。近年開発されつつある縦軸風車は、横軸プロペラ式に比較して、風向きを選ばず、接地面積が狭く、且つ高さも極めて低い形態で設置できるという利点がある。しかし、風力回収率が低いということで実用化がなかなか実現しないという問題を有していた。
【０００３】
この問題を解決するために、回転時に外側面に沿って通過する風の速度よりも、内側面に沿って通過する風の速度を、より早くすることにより、その内側面域に負圧を生じさせて、回転推力を得ることのできる羽根と、この羽根を使用した風車が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この特許文献１の風車は、水平面を回転する環縁体と、この環縁体の外側に取り付けられた５枚の羽とからなる回転体と、この回転体を支持するためにケース体の周囲軸部から輻射状に水平に延びる５本の支持アームと、上記のケース体を下から保持する縦主軸とからなる回転車で構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４６７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の縦軸風車は、風車に用いられる羽数が５枚と多く、このように枚数の多い羽を環縁体の円周部において支持するために、全体の構成が複雑になっている。当然ながら重量の過大な風車であることが推定さされる。このように構成が複雑で重量のある風車を用いる縦軸風力発電機は、組立作業においても、保守作業においても手数が掛かって面倒であるという課題がある。
【０００７】
また、内側面域に負圧を生じさせて、回転推力を得る方法は、羽を外側に折り曲げる力が働いて羽を破損させる危険が多いという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の縦軸角型風力発電機は、縦軸風車を用いて風力発電を行う縦軸型の風力発電機であって、上記縦軸風車は、縦回転軸に回転自在に支持される縦回転筒と、該縦回転筒の上端部から所定の距離だけ中央部に下がった上位置と、下端部から所定の距離だけ中央部に上がった下位置とから、それぞれ上記縦縦回転筒の周面から水平方向に延在して配設された複数の上取付支持腕及び下取付支持腕と、該上取付支持腕及び下取付支持腕の先端部により、上下に所定の余地を持った所定の位置を保持されて、上記縦回転筒の中心軸と平行に配設された垂直翼と、上記上取付支持腕及び下取付支持腕それぞれの上記垂直翼を保持する保持部において上記垂直翼と上記上取付支持腕、及び上記垂直翼と上記下取付支持腕との間に所定の中心角で形成されたＲ部と、を有して構成される。
【０００９】
上記垂直翼は、例えば、上端から下端まで同一形状の水平断面を有し、上記垂直翼の上記縦回転筒に対面する面の水平断面の形状は直線であり、上記垂直翼の上記縦回転筒に対し外側となる面の水平断面の形状は流線型湾曲部であるように構成され、また、例えば、長さが１〜３ｍ、幅が０．５ｍであるように構成される。
【００１０】
この縦軸角型風力発電機において、上記縦軸風車を支持する上記回転軸は、例えば、支柱の上端部に回転自在に支持され、該支柱は上記縦回転筒とは同径または小径であって下端部を地面に形成された基礎部にアンカーボルトで固定されている。そして、発電部を上記縦回転筒の内部、又は上記支柱の内部、又は上記基礎部の内部に備えるように構成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、内部に取り込んだ風の流れを後方に逃すがことなく風力のエネルギーを殆ど吸収し、自走回転推力の高い縦軸角型風力発電機を提供することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１に係る縦軸角型風力発電機の上面図と正面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る縦軸角型風力発電機の側面図である。
【図３】本発明の実施例１の変形例に係る縦軸角型風力発電機の上面図である。
【図４】本発明の実施例２に係る縦軸角型風力発電機の上面図と正面図である。
【図５】本発明の実施例２に係る縦軸角型風力発電機の側面図である。
【図６】本発明の実施例２の変形例に係る縦軸角型風力発電機の上面図である。
【図７】本発明の実施例３に係る縦軸角型風力発電機の上面図と正面図である。
【図８】本発明の実施例３に係る縦軸角型風力発電機の側面図である。
【図９】本発明の実施例３の変形例に係る縦軸角型風力発電機の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の実施例１に係る縦軸角型風力発電機の上面図と正面図である。
図２は、図１に示す正面図の側面図である。
図１及び図２に示す縦軸角型風力発電機１は、縦軸風車２を用いて風力発電を行う縦軸型の風力発電機である。上記縦軸風車２は、風車本体３と、支持部４とから成る。
【００１５】
風車本体３は、支持部４の縦回転軸５の上端に縦回転筒６を回転自在に支持している。縦回転筒６は、軽量金属、又は硬質樹脂等の軽量部材で構成され、中空であり、その直径は５００ｍｍに形成されている。
【００１６】
この縦回転筒６には、その上端部から所定の距離だけ中央部に下がった上位置７と、下端部から所定の距離だけ中央部に上がった下位置８とから、それぞれ縦回転筒６の周面から水平方向に延在する複数（本例では左右一対の２本）の上取付支持腕９及び下取付支持腕１１が配設されている。
【００１７】
上取付支持腕９及び下取付支持腕１１は、アルミ等の軽量金属で構成され、その細部の構成は、特には図示していないが、メッシュ又は複数の平行条からなるように形成されている。
【００１８】
更に、風車本体３は、上取付支持腕９及び下取付支持腕１１の先端部の保持部１１により、それぞれ保持部１１の中心部を保持位置１４（１４ａ、１４ｂ）として垂直翼１２を保持している。
【００１９】
垂直翼１２は保持位置１４（１４ａ、１４ｂ）の上下に所定の長さの突出部１３を角（つの）状に突出させて上取付支持腕９及び下取付支持腕１１により保持され、縦回転筒６の中心軸と平行に配置されている。
【００２０】
これらの垂直翼１２は、表面塗装加工、又は薄膜被覆加工された発泡スチロールで構成される。または、サーフィングボードと同質のものでもよく、また、中空の軽金属製であってもよい。ただし、発泡スチロール製の方が、破損部分が落下しとき、下に居る人物に傷害事故を起こす虞が少ないので安全である。
【００２１】
そして、風車本体３において、上取付支持腕９及び下取付支持腕１１それぞれの垂直翼１２を保持する保持部には、垂直翼１２と上取付支持腕９及び垂直翼１２と下取付支持腕１１との間に、所定の中心角θで形成された円弧から成るＲ部１５を有している。
【００２２】
垂直翼１２で囲まれた空間は、Ｒ部１５が形成されている分だけ吹き込む風の流路が狭く、垂直翼１２の内外に生じる圧力差により垂直翼１２は回転推力を得る。垂直翼１２の断面が直線状の面１６に風を受けると、気流はＲ部１５により上下から内方へ圧縮され、圧縮された気流が開放されるとき垂直翼１２は更に回転推力を得る。
【００２３】
上記の垂直翼１２は、上面図に示すように、上端から下端まで同一形状の流線型の水平断面を有している。この垂直翼１２の縦回転筒６に対面する面１６の水平断面の形状はほぼ直線である。
【００２４】
また、直径２ｍの回転域１７の回周に沿って回転する垂直翼１２の縦回転筒６に対し外側となる面１８の水平断面の形状は、流線型湾曲部であるように構成されている。また、本例では、この垂直翼１２の長さは３ｍであり、その幅は０．５ｍである。
【００２５】
この縦軸角型風力発電機１において、支持部４は、回転軸５、支柱１９、及び基礎部２１から成る。縦軸風車２を支持する回転軸５は、支柱１９の上端部に回転自在に支持されている。
【００２６】
支柱１９には、例えばＳＴＫ鋼材が用いら、筒状つまり中空に形成されている。この支柱１９は、縦回転筒６とは同径または小径に形成されている。本例では、支柱１９の直径は３５５．６ｍｍである。この支柱１９は下端部を地面２０に形成された基礎部２１にアンカーボルト２２によって固定されている。
【００２７】
本例において、この縦軸角型風力発電機１の地面２０から垂直翼１２の上端までの全長は、８ｍになるように構成されている。この縦軸角型風力発電機１の発電部（発電機）は、縦回転筒６の内部、支柱１９の内部、又は基礎部２１の内部のいずれかに備えられている。
【００２８】
風車本体３は、垂直翼１２の保持位置１４ａと１４ｂの間が、中心角θで形成された円弧から成るＲ部１５により、風車に流れ込む風量を絞り込み、風車内と風車外と間に風圧差を生じさせると同時に、垂直翼１２の正面、斜め、横のいずれから風を受けても、垂直翼１２が内側が平面で外側が流線型となる翼形状が飛行機の翼と同形状をしているため翼周辺で風の速度が異なるというベルヌイの定理より、全体として矢印ａで示す一方向のみに回転する。
【００２９】
風車本体３に風圧エネルギーを吸収されて流速を失った空気（風）の大半は風車本体３の後方に流れ、残りの空気は、垂直翼１２の保持位置１４ａと１４ｂで上下を仕切られた筒状の回転域１７の内部から風車本体３の上下に抜ける。前述した上取付支持腕９及び下取付支持腕１１がメッシュ状又は複数の平行条からなるように形成されているのは、この上下に抜ける空気の流れを有効に活用するためである。
【００３０】
発電機は、特には図示しないが、永久磁石式三相交流発電機である。発電力は２ｋｗ／Ｈｒから３ｋｗ／Ｈｒまで可能である。また、重量はおよそ５０ｋｇである。この発電機には、これも特には図示しないが、コントロールボックスが接続されている。
【００３１】
コントロールボックスは、制御コントローラと、バッファバッテリーと、パワーコンディショナーを備えている。制御コントローラはバッファバッテリーの入力側に接続され、パワーコンディショナーはバッファバッテリーの出力側に接続されている。
【００３２】
制御コントローラは、制御回路、安定化回路、バッテリ制御回路、風車ブレーキ回路、端子ポートを備えている。端子ポートは、風力部（発電入力部）、ソーラー部（太陽光発電入力部）、バッテリー蓄電部、選択的に風力発電を直接入力できる直接部（フリーポート）を備えている。
【００３３】
パワーコンディショナーは、調光制御回路、ＤＣ／ＤＣ変換回路、操作パネル表示回路、タイマー回路、Ｈｆ（高周波点灯専用形）蛍光灯制御回路、ＤＣ／ＡＣ逆変換回路、入出力接続部等を備えている。
【００３４】
入出力接続部には、制御部が接続され、更にデータ解析用ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、照明コントローラ、照度センサ、ＡＣ電源や非常災害システムに送電するための分電盤、緊急時の買電メータ、発電余剰時の売電メータ等が接続されている。
【００３５】
また、制御部からは、Ｈｆ蛍光灯制御信号、ＬＥＤや白熱灯や蛍光灯などを照明機材別に制御するＤＭＸへの制御信号、非常災害システム制御信号等が出力される。制御部による風車制御の例としては、本例では、風速１ｍ以下のときは発電しない、風速１．２ｍ以上のときは予備発電する。風速２ｍ以上のときは本格発電する。また、制御部は、蓄電、送電、余剰廃棄（又は電力会社への売電）の制御も行う。
【００３６】
図３は、上記実施例１の変形例に係る縦軸角型風力発電機の上面図である。この変形例には、図１及び図２と同様の機能部分には、図１及び図２と同一の番号を付与して示している。この変形例が実施例１と異なるのは、垂直翼１２が三枚翼になっているところだけである。
【実施例２】
【００３７】
図４は、本発明の実施例２に係る縦軸角型風力発電機の上面図と正面図である。
図５は、図４に示す正面図の側面図である。尚、図４及び図５には、図１及び図２と同一の構成又は同一の機能部分には図１及び図２と同一の番号を付与して示している。
【００３８】
図４及び図５に示す縦軸角型風力発電機２５は、実施例１の縦軸角型風力発電機１よりも全体が小型になっていることと、保護板２６が支柱１９の上部に取り付けられていることが、実施例１の場合と異なる。
【００３９】
保護板２６は、この縦軸角型風力発電機２５が小型であるため地面２０により近くなっている風車本体３に、いたずらに石などを投げ上げられて、風車本体３が破損するのを防止するためのものである。
【００４０】
この保護板２６は、直径がおよそ０．８ｍであり、下面は金属又は硬質樹脂等の剛体の板状体２７からなり、上面には、ソーラー発電体２８が配設されている。
この実施例２の構成と実施例１の構成を比較すると、実施例１では、全長８．０ｍ、縦回転筒６の直径０．５ｍ、垂直翼１２の長さ３．０ｍ、垂直翼１２の幅０．５ｍ、垂直翼回転域１７の直径２．０ｍ、及び発電量約３ｋｗである。
【００４１】
これに対して、実施例２では、全長４．６ｍ、縦回転筒６の直径０．５ｍ、垂直翼１２の長さ１．０ｍ、垂直翼１２の幅０．５ｍ、垂直翼回転域１７の直径０．８ｍ、及び発電量約０．２ｋｗである。コントロールボックスその他の構成は実施例１の場合と同様である。
【００４２】
図６は、上記実施例２の変形例に係る縦軸角型風力発電機の上面図である。この変形例には、図４及び図５と同様の機能部分には、図４及び図５と同一の番号を付与して示している。この変形例が実施例２と異なるのは、垂直翼１２が三枚翼になっているところだけである。
【実施例３】
【００４３】
図７は、本発明の実施例３に係る縦軸角型風力発電機の上面図と正面図である。
図８は、図７に示す正面図の側面図である。尚、図７及び図８には、図１及び図２と同一の構成又は同一の機能部分には図１及び図２と同一の番号を付与して示している。
【００４４】
図７及び図８に示す縦軸角型風力発電機３０は、図１及び図２に示した実施例１における縦軸角型風力発電機１の、垂直翼１２の上下の保持位置１４ａ及び１４ｂの中間位置３１において、縦回転筒６の周囲には、反りの大きな２個のシンバルを向かい合わせた形状の筒側Ｒ部３２が設けられ、垂直翼１２には、上下Ｒ部３３が形成されている構成となっている。
【００４５】
これにより、風車本体３に吹き込む風が、縦回転筒６の筒側Ｒ部３２と垂直翼１２の上下Ｒ部３３により、実施例１の場合よりも更に絞り込まれるので、風速エネルギーを、より多く吸収して効率よく回転することができる。
【００４６】
図９は、上記実施例３の変形例に係る縦軸角型風力発電機の上面図である。この変形例には、図７及び図８と同様の機能部分には、図７及び図８と同一の番号を付与して示している。この変形例が実施例３と異なるのは、垂直翼１２が三枚翼になっているところだけである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、縦軸型の風力発電機に利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  縦軸角型風力発電機
２  縦軸風車
３  風車本体
４  支持部
５  縦回転軸
６  縦回転筒
７  上位置
８  下位置
９  上取付支持腕
１０  下取付支持腕
１１  保持部
１２  垂直翼
１３  突出部
１４（１４ａ、１４ｂ）  保持位置
１５  Ｒ部
１６  縦回転筒に対面する面
１７  垂直翼回転域
１８  縦回転筒に対し外側となる面
１９  支柱
２０  地面
２１  基礎部
２２  アンカーボルト
２５  縦軸角型風力発電機
２６  保護板
２７  剛体の板状体
２８  ソーラー発電体
３０  縦軸角型風力発電機
３１  中間位置
【図３】
2011012565.tif 000003
【図６】
2011012565.tif 000004
【図９】
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【図１】
2011012565.tif 000006
【図２】
2011012565.tif 000007
【図４】
2011012565.tif 000008
【図５】
2011012565.tif 000009
【図７】
2011012565.tif 000010
【図８】
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