(57)【要約】【課題】さらに回転効率を高めることのできる風力発電用風車を提供する。【解決手段】この風車１は、クロスフロー型の回転羽根２の周囲に固定羽根３を設けたものであって、回転羽根２が全体としてねじられつつ上向きに拡開するように配置されたので、風が当たって回転羽根２が回転し始めると、その回転羽根２が固定軸５の支持部から浮遊する向きの力が働くようになる。これにより、支持部での摩擦が少なくなり、その分だけ回転トルクの減少がなくなる結果、回転効率が高くなる。【選択図】図１
2011241838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロスフロー型の回転羽根の周囲に固定羽根を設けた風力発電用風車であって、
前記回転羽根が全体としてねじられつつ上向きに拡開するように配置されたことを特徴とする風力発電用風車。
【請求項２】
前記回転羽根を固定軸から非接触状態で支持可能な磁力ベアリングを備えたことを特徴とする請求項１記載の風力発電用風車。
【請求項３】
前記回転羽根の過回転を防止するブレーキを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の風力発電用風車。
【請求項４】
前記固定羽根の周囲に網若しくは格子を備えたこと請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロスフロー型の回転羽根を備えた風力発電用風車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギー利用法の一つとして風力発電が注目されており、各種の風車が提案されている。その中で、クロスフロー風車は、比較的小型でありながら、回転効率が低いので、あまり実用化されていない。かかる欠点は、回転羽根の周囲に、固定羽根を備えて、その回転効率を高めることで、ある程度は解消できる。
【０００３】
例えば特許文献１では、互いに間隔をもって複数の羽根体（回転羽根）が立設された回転板と、前記羽根体方向へ空気流れを導く複数のガイドベーン（固定羽根）が互いに間隔をもって前記羽根体の外側に対向するように立設され、かつ前記回転板を支持する固定板とを備え、前記複数の羽根体を、各羽根体の横断面形状を翼形として各羽根体の揚力が回転板の回転力に加わるように前記回転板に立設してなる構成のクロスフロー風車であって、上下一対の前記回転板間における外側部分にて前記羽根体の上下端部を固定することによって、前記羽根体の内端側である前記回転板の中央部分に空気流を妨げない空間部を形成し、かつ前記空間部の上下側を前記両回転板により閉鎖してなるクロスフロー風車と、このクロスフロー風車を、発電機におけるロータを駆動する駆動原とした風力発電機とが開示されている。
【０００４】
ここでは、ガイドベーンによって風が回転体に導かれ、その回転体を回転させるが、各羽根体の形状が翼形をしているので、該羽根体の両側部分に流れる空気流によって、揚力が発生し、これが羽根体の回転力に加わることで、実質的に回転トルクが増加することとなる、と記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、羽根体にかかる揚力は、すべて羽根体の回転方向に加わるものであるので、その回転板の支持部に非常に大きな摩擦力が働くこととなって、その分だけ回転トルクが減少する。その傾向は、回転初期において特に著しいものとなる。これでは、回転効率があまり高くならないものと推察される。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みたものであり、その目的とするところは、さらに回転効率を高めることのできる風力発電用風車を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、クロスフロー型の回転羽根の周囲に固定羽根を設けた風力発電用風車であって、前記回転羽根が全体としてねじられつつ上向きに拡開するように配置されたことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明によれば、前記回転羽根が全体としてねじられつつ上向きに拡開するように配置されたので、風が当たって回転羽根が回転し始めると、その回転羽根が支持部から浮遊する向きの力が働くようになる。これにより、支持部での摩擦が少なくなり、その分だけ回転トルクが減少しにくくなる結果、回転効率が高くなる。
【０００９】
ところで、回転羽根が支持部に接触していると、その回転羽根を起動しにくくなる。そこで、前記回転羽根を固定軸から非接触状態で支持可能な磁力ベアリングを備えることが好ましい。
【００１０】
この場合、前記回転羽根を固定軸から非接触状態で支持可能な磁力ベアリングを備えたので、回転羽根を起動しやすくなる。また、支持部での摩擦がさらに少なくなり、その分だけ回転トルクが減少しにくくなる結果、回転効率がさらに高くなる。さらに、静粛運転が可能となる。
【００１１】
また、突風を受けたときには、回転羽根が過回転となって、その回転羽根を損傷するおそれがある。そこで、前記回転羽根の過回転を防止するブレーキを備えることが好ましい。
【００１２】
この場合、前記回転羽根の過回転を防止するブレーキを備えたので、突風が回転羽根に当たったときでも、回転羽根が直接制動される結果、その回転羽根の損傷を確実に防止できる。
【００１３】
また、小鳥等が接触する、いわゆるバードストライクで回転羽根が損傷することがある。さらに、市街地に設置する場合には、特に人が受傷することがあってはならない。そこで、前記固定羽根の周囲に網若しくは格子を備えることが好ましい。
【００１４】
この場合、前記固定羽根の周囲に網若しくは格子を備えたので、回転羽根で人が受傷するおそれがまったくなくなり、市街地でも安全に設置できる。したがって、風車の据付位置を下げて、メンテナンスや交換などを容易化できる。また、バードストライクがなくなり、回転羽根の損傷をより確実に防止できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、前記回転羽根が全体としてねじられつつ上向きに拡開するように配置されたので、風が当たって回転羽根が回転し始めると、その回転羽根が支持部から浮遊する向きの力が働くようになる。これにより、支持部での摩擦が少なくなり、その分だけ回転トルクが減少しにくくなる結果、回転効率が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電用風車の全体構成を示す概念図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面を右半分だけ含む側面図である。
【図２】風力発電用風車の羽根部分の組み立て図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。
【図３】風力発電用風車の軸部分の分解図である。
【図４】風力発電用風車の軸部分の組み立て図である。
【図５】風力発電用風車の軸部分の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は本発明の一実施形態に係る風力発電用風車１の全体構成を示す概念図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面を右半分だけ含む側断面図である。なお、以下では、各図中の紙面に沿った上下方向などをそのまま用いて、各要素の位置・姿勢等を表現することがある。
【００１８】
図１（ａ）（ｂ）に示すように、この風車（風力発電用風車に相当する。）１は、主として回転羽根２と、固定羽根３と、格子４と、固定軸５と、軸受部（支持部、磁力ベアリングに相当する。）６と、上キャップ７と、バネ（ブレーキに相当する。）８と、下キャップ９と、上下蓋１０とから構成されている。
【００１９】
図２は風力発電用風車１の羽根部分の組み立て図であって、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。また、図３は風力発電用風車１の軸部分の分解図、図４はその組み立て図、図５は図４におけるＣ部の部分拡大図である。
【００２０】
図２〜図５に示すように、回転羽根２は、全体として一定の向き（図２では反時計回りとしている。）にねじられつつ上向きに拡開するように配置されている。具体的には、回転羽根２は例えば板状部材であって、回転羽根２の上部回転板２１への取り付け部２２と、中間部振れ止め２５への取り付け部２６と、下部回転板２３への取り付け部２４とが、それぞれ一定の割合でずれるようにしてなっている。
【００２１】
また、上下部回転板２１，２３の中央下部にはダブリング２７，２８が取り付けられているが、中間部振れ止め２５にはダブリングがなく、当該中間部振れ止め２５がダブリングを兼ねている。
【００２２】
固定羽根３は、例えば直立の板状部材であって、平面視で回転羽根２の向きに合わせるようにそれぞれ傾斜配置されている。これにより、回転羽根２の大きさよりも多くの風を集めることができる。
【００２３】
格子４は、小鳥や人間の手が入らない程度のメッシュを有するものであるが、これに代えて同程度のメッシュを有するステンレス網などを張ることとしてもよい。これにより、回転羽根２で受傷するおそれがまったくなくなり、市街地でも安全に設置することができる。また、風車１の据付位置を下げて、メンテナンスや交換などを容易化できる。さらに、バードストライクがなくなり、回転羽根２の損傷を確実に防止できる。
【００２４】
固定軸５は、丸棒状の軸体５１と、前記回転羽根２の上下部回転板２１，２３のダブリング２７，２８に対向して配置されたフランジ５２，５３と、中間部振れ止め２５に対向して配置されたフランジ５４，５５とを備えている。フランジ５２の上部には、ＳＮ磁石対５２１が固定されており、フランジ５３の上部には、ＳＮ磁石対５３１が固定されており、フランジ５４，５５間には、ＳＮ磁石対５４１が挟みこまれるようにして固定されている。図３〜図５中、例えば□はＳ極、■はＮ極を示す（以下、同様）。
【００２５】
軸受部６は、前記回転羽根２を固定軸５から非接触状態で支持可能なものであり、上部軸受６１と、下部軸受６２と、中間部軸受６３とに区分される。上キャップ７は、上部が天板でふさがれた円筒状の本体７１と、その天板中央に形成された貫通孔７２と、その側壁内面に沿うようにリング状に配置されたＳＮ磁石対７３とを備えている。
【００２６】
バネ８は、固定軸５の軸体５１に挿通されるコイルバネであって、その上部が上キャップ７の天板の下面に接触し、その下部が上部回転板２１の上面に接触している。このバネ８は、もともと回転上昇により回転羽根２が飛び出さないように設けたものであるが、回転羽根２の過回転を防止するブレーキとして作用する。
【００２７】
下キャップ９は、下部が底板でふさがれた円筒状の本体９１と、その底板中央に形成された貫通孔９２と、その側壁内面に沿うようにリング状に配置されたＳＮ磁石対９３とを備えている。
【００２８】
軸受部６の上部軸受６１は、前記回転羽根２の上部回転板２１の上側周縁付近においてリング状に立設された支持板２１１と、支持板２１１に外向きに固定されたＳＮ磁石対２１２とを備えている。このＳＮ磁石対２１２と、前記上キャップ７のＳＮ磁石対７３とは、組み立て状態で例えばＮ極同士が対向して配置されるようになっている。そして、両ＳＮ磁石対２１２，７３が互いに反発する結果、わずかな隙間が生じることがわかる。これにより、回転羽根２の横ぶれの振動や摩擦を軽減できる。
【００２９】
また、前記回転羽根２の上部回転板２１のダブリング２７に下向きに固定されたＳＮ磁石対２７１を備えている。このＳＮ磁石対２７１と、フランジ５２のＳＮ磁石対５２１とは、組み立て状態で例えばＮ極同士が対向して配置されるようになっている。そして、両ＳＮ磁石対２７１，５２１が互いに反発する結果、わずかな隙間が生じることがわかる。これにより、回転羽根２を宙に浮かして摩擦を軽減できる。
【００３０】
軸受部６の下部軸受６２は、前記回転羽根２の下部回転板２３の下側周縁付近においてリング状に垂設された支持板２３２と、支持板２３２に外向きに固定されたＳＮ磁石対２３１とを備えている。このＳＮ磁石対２３１と、下キャップ９のＳＮ磁石対９３とは、組み立て状態で例えばＮ極同士が対向して配置されるようになっている。そして、両ＳＮ磁石対２３１，９３が互いに反発する結果、わずかな隙間が生じることがわかる。これにより、回転羽根２の横ぶれの振動や摩擦を軽減できる。
【００３１】
また、前記回転羽根２の下部回転板２３のダブリング２８に下向きに固定されたＳＮ磁石対２８１を備えている。このＳＮ磁石対２８１と、フランジ５３のＳＮ磁石対５３１とは、組み立て状態で例えばＮ極同士が対向して配置されるようになっている。そして、両ＳＮ磁石対２８１，５３１が互いに反発する結果、わずかな隙間が生じることがわかる。これにより、回転羽根２を宙に浮かして摩擦を軽減できる。
【００３２】
軸受部６の中間部軸受６３は、中間部振れ止め２５に内向きに固定されたＳＮ磁石対２５１を備えている。このＳＮ磁石対２５１と、フランジ５４，５５間のＳＮ磁石対５４１とは、組み立て状態で対向配置されるようになっている。ここでは、図４中のＣ部（図５）で示すように、ＳＮ磁石対２５１は、上部がＮ極２５１ａ、下部がＳ極２５１ｂとなっているのに対し、ＳＮ磁石対５４１は、上部がＳ極５４１ａ、下部がＮ極５４１ｂとなっている。このように配置することにより、上部のＮ極２５１ａ及びＳ極５４１ａと、下部のＳ極２５１ｂ及びＮ極５４１ｂとが互いに引きつけあう結果、中心位置にとどまろうとすることがわかる。
【００３３】
そして、固定軸５の軸体５１に、軸受部６の上部軸受６１と、下部軸受６２と、中間部軸受６３をそれぞれ固定した状態で、その上部にバネ８を挿通して、上キャップ７の貫通孔７２を貫通させるとともに、その下部に下キャップ９の貫通孔９２を貫通させると、図４のような組み立て状態となる。
【００３４】
これにより、回転羽根２を固定軸５から非接触で支持することができる。したがって、その支持部での摩擦がさらに少なくなり、その分だけ回転トルクが減少しにくくなる結果、回転効率がさらに高くなる。
【００３５】
また、バネ８が回転羽根２の過回転を防止するブレーキとして作用するので、突風が回転羽根２に当たったときでも、回転羽根２が直接制動される結果、回転羽根２の損傷を確実に防止できる。
【００３６】
また、固定軸５の周囲に回転羽根２を配置するとともに、回転羽根２のさらに周囲に固定羽根３を配置した状態で、固定羽根３のさらに周囲に格子４を取り付けて、その上下に蓋体１０を取り付けると、図１に示したような風車１が得られる。
【００３７】
以下、風車１の概略動作を説明する。この風車１では、回転羽根２が軸受部６の磁力による反発作用で固定軸５に非接触となっているものの、その隙間はわずかなものである。しかし、このわずかな隙間の存在で、回転羽根２は固定軸５回りに回転しやすくなっている（起動トルクが少なくてすむ）。
【００３８】
そして、風が風車１の格子４をすり抜けて固定軸５の直角方向（例えば図１中のＡ方向）から入ってくると、固定羽根３に案内されて回転羽根２に効率よく当たるようになる。すると、回転羽根２で回転方向に作用する力と、上向きに作用する力がそれぞれ発生する。回転方向に作用する力は回転羽根２を回転させる。一方、上向きに作用する力は、回転羽根２をバネ８の弾性付勢力に抗して押し上げるので、回転羽根２はさらに回転しやすくなる。
【００３９】
いま、突風が入ってきたものとすると、前記上向きに作用する力は、回転羽根２をバネ８の弾性付勢力に抗してさらに押し上げようとするが、このときには、バネ８の弾性付勢力がさらに大きく作用するようになる。これにより、回転羽根２は回転しにくくなり、その回転羽根２の過回転による損傷を防止できる。
【００４０】
突風がおさまると、前記上向きに作用する力は小さくなる。このときには、バネ８の弾性付勢力も小さくなる。これにより、回転羽根２は回転しやすくなり、いわば制動力が自動的に解除されることとなる。このように、入ってくる風の速さに応じて、制動力が適宜変化する。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態の発電用風車１によれば、回転羽根２が全体としてねじられつつ上向きに拡開するように配置されたので、風が当たって回転羽根２が回転し始めると、その回転羽根２が固定軸５の支持部から浮遊する向きの力が働くようになる。これにより、支持部での摩擦が少なくなり、その分だけ回転トルクが減少しにくくなる結果、回転効率が高くなる。
【００４２】
なお、上記実施形態では、回転羽根２を例えば板状部材であるとしているが、それに３次元のねじりを加えることとしてもよい。また、回転羽根２の下部よりも上部を幅広とすることとしてもよい。その場合には、上向きに作用する力をさらに大きくすることができる。ただし、上記実施形態のごとき単純な形状としたほうが、より安価な構成になる。
【００４３】
また、上記実施形態では、軸受部６を、上部軸受６１と、下部軸受６２と、中間部軸受６３の３箇所としているが、１箇所又は２箇所、或いは、４箇所以上としてもよい。ただし、各ＳＮ磁石対は、それが対抗配置するもの同士であれば、そのＳ極とＮ極とを逆配置としてもなんら支障はない。
【００４４】
また、上記実施形態では、バネ８で制動力を発生させており、入ってくる風の速さに応じて、制動力が適宜変化するが、風速が比較的遅いときには、回転羽根２の回転を邪魔しないように、例えばバネ８の上側（又は下側）に若干の遊びを設けてよい。その逆に、風速が比較的速いときには、回転羽根２の過回転を確実に防止するように、例えばディスクブレーキとの組み合わせとしてもよい。
【００４５】
この種類の再生可能エネルギーの利用法に関する発明等は、個人や企業で独占するべきものではない。したがって、われわれは、この発明が特許されれば、無償で広く一般に公開し、その発明に関する技術を広めていく所存である。
【符号の説明】
【００４６】
１  風車（風力発電用風車に相当する。）
２  回転羽根
３  固定羽根
４  格子
５  固定軸
５１  軸体
６  軸受部（磁力ベアリングに相当する。）
６１  上部軸受
６２  下部軸受
６３  中間部軸受
７  上キャップ
８  バネ（ブレーキに相当する。）
９  下キャップ
１０  蓋体
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４７】
【特許文献１】特開平８−１５９５２０号公報
【図１】
2011241838.tif 000003
【図２】
2011241838.tif 000004
【図３】
2011241838.tif 000005
【図４】
2011241838.tif 000006
【図５】
2011241838.tif 000007