(57)【要約】【課題】強風による高速回転域であっても効率よく発電を行うことができるハイブリッド型風力発電装置を提供する。【解決手段】回転自在な第１軸１と、第１軸１に挿通され、回転自在に設けられた管状で第１軸１よりも短尺の第２軸２と、第１軸１に連結され、第１軸１の軸回りに配設された複数枚の直線翼９ａ，９ｂを有するＤロータ９と、Ｄロータ９の内側に配置されると共に、第２軸２に連結され、第２軸２の軸回りに螺旋形に形成された複数枚の羽根８ａ，８ｂを有するＳロータ８と、を備えたハイブリッド型風力発電装置２０であって、第１軸１と第２軸２との間に、第１軸１と第２軸２の回転速度が所定の速度に達すると、第１軸１と第２軸２とを連結または解除するクラッチ１０を設けたことを特徴とするハイブリッド型風力発電装置２０である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在な第１軸（１）と、
前記第１軸（１）に挿通され、回転自在に設けられた管状で前記第１軸（１）よりも短尺の第２軸（２）と、
前記第１軸（１）に連結され、前記第１軸（１）の軸回りに配設された複数枚の直線翼（９ａ，９ｂ）を有するＤロータ（９）と、
前記Ｄロータ（９）の内側に配置されると共に、前記第２軸（２）に連結され、前記第２軸（２）の軸回りに螺旋形に形成された複数枚の羽根（８ａ，８ｂ）を有するＳロータ（８）と、
を備えたハイブリッド型風力発電装置（２０）であって、
前記第１軸（１）と前記第２軸（２）との間に、前記第１軸（１）と前記第２軸（２）の回転速度が所定の速度に達すると、前記第１軸（１）と前記第２軸（２）とを連結または解除するクラッチ（１０）を設けたことを特徴とするハイブリッド型風力発電装置（２０）。
【請求項２】
前記クラッチ（１０）は、
前記第１軸（１）に固定されたクラッチ本体（３）と、
前記クラッチ本体（３）に穿孔され、回転軸に直交する貫通穴（３ａ）と、
前記貫通穴（３ａ）に挿通され、遠心力によって進退自在に移動するスリーブ（４ａ）と、
前記スリーブ（４ａ）の先端部に一体に形成されたクラッチボール（４ｂ）と、
前記クラッチボール（４ｂ）を軸心方向へ付勢するばね（４ｃ）と、
前記第２軸（２）に形成され、前記クラッチボール（４ｂ）を挿通する孔（２ａ）と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載されたハイブリッド型風力発電装置（２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２種類の風車を備えて風力発電を行うハイブリッド型風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電用風車は、一般的にプロペラ形風車と、サボニウス形風車と、ダリウス形風車等が知られている。プロペラ形風車は、２，３枚の羽根を備え、風の向きに羽根面を合わせる必要があるため、尾翼を設けて方向位置の制御をすることにより、風の持つエネルギーを最大で約４５％程度取り出すことができる。
図５は従来のサボニウス形風車とダリウス形風車とを組み合わせたハイブリッド型風車を示し、（ａ）は（ｂ）に示すＣ−Ｃ線の断面図、（ｂ）は正面図である。
図５の（ｂ）に示すように、内側に２段にして設けられたサボニウス形風車５６は、風の押す力（抗力）を受けて回転する。回転力は大きいが回転数は低く、風速と同じくらいの回転速度で回って、風の持つエネルギーを約１５〜２０％程度取り込むことができる。
【０００３】
図５の（ａ）に示すように、外側に設けられたダリウス形風車５７は、３本の翼から構成されている。翼の断面は飛行機の翼の形状になっており、揚力を受けて回転する。その翼の性能はプロペラ形風車に近く、風の持つエネルギーの約３５％程度取り込むことができる。しかし、起動するには停止状態から回転状態にするために補助力が必要なため、前記したサボニウス形風車５６と組み合わせ、サボニウス形風車５６が回転して得た電気を利用してダリウス形風車５７を起動回転させるハイブリッド゛型風車５１が知られている。
しかし、このハイブリッド゛型風車５１の持つ問題は多く、例えば、ダリウス形風車５７の回転する回転径が大きいため、横置きに難点があり、いろいろな建物に組み込むことができないという問題があった。したがって、低速の風でも高速の風であっても風車が回転し続けると共に、風車がケージに格納され、建物に組み込み易い風力発電装置が望まれていた。
【０００４】
図６はこの従来のハイブリッド型風車を改良した従来のハイブリッド型風力発電装置の全景を示す斜視図である。図６に示すように、このハイブリッド型風力発電装置６０は、上部のケージ４０の内側には２枚の直線翼（以下、Ｄロータ２５という）２５ａ，２５ｂが設けられている。
また、このＤロータ２５の内側には、２枚の螺旋形に形成された羽根（以下、Ｓロータ２４という）２４ａ，２４ｂが設けられ、弱風を捉えて低速回転する。
このＳロータ２４とＤロータ２５は、一本の回転軸３８と一体になっている。
螺旋形のＳロータ２４の羽根２４ａ，２４ｂは、両端部とその間を数箇所に設けられて湾曲させた支柱５２，５２…に固定されている。この支柱５２，５２…の配置は、羽根２４ａ，２４ｂがスパイラル状に形成されるように位相を変えて回転軸３８に固定されている。また、Ｓロータ２４は、直線翼のＤロータ２５の全長よりも少し短くなっている。
Ｄロータ２５の直線翼２５ａ，２５ｂは、断面が飛行機の翼と同様の形状であり、揚力を受けて回転する。Ｄロータ２５は、強風を捉えて高速回転する。
【０００５】
さらに、ハイブリッド型風力発電装置６０は、垂直方向の立置きと、水平方向の横置きのどちらにも設置ができる。ここでは、立置きとした場合について、説明する。
図６に示すように、ハイブリッド型風力発電装置６０は、ハイブリッド型の風車を覆い、カバーする上部のケージ４０と、下部の支持台５０とが一体に構成されている。
上部のケージ４０は、上方のパイプ材のリング３０と、中間位置のパイプ材のリング３１と、下方のパイプ材のリング３２、そして、クロスに配置したパイプ材の棒４２，４２…によって、図６に示すように組立てられてカバーされ、動物、人その他から風車を保護している。
下部の支持台５０は、ベースとなる４個のブロック５５が設けられ、複数本のパイプ５４，５４…によってブロック５５の配置が固定され、そこから複数本のパイプ５３，５３…を立ち上げて、パイプ５３，５３…の上部はパイプ材のリング３２に接続されている。
【０００６】
なお、４個のブロック５５は、強風に備えて地面に埋設するか、コンクリートによって地面に固着されている。
このように改良したハイブリッド型風力発電装置６０は、ケージ４０の内側には２枚の直線翼２５ａ，２５ｂで構成するＤロータ２５が設けられ、もう一つ内側には２枚の螺旋形の羽根２４ａ、２４ｂで構成するＳロータ２４が設けられ、Ｄロータ２５とＳロータ２４が回転軸３８に固定されて一体になっている。そして、Ｓロータ２４が弱い風を受けて回転し、Ｄロータ２５が強い風を受けて回転し、回転軸の下部に設けられた発電機３５を回転させて、地面に配置されたバッテリー３７に蓄電する。
【０００７】
ハイブリッド型風力発電装置６０は、このような構成に改良したことにより、いろいろな建物に組み込むことが可能であり、運転中は最小限の騒音と振動で、低速の風でも高速の風であっても回転し続ける。また、ケージに格納された風力発電装置を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７１３２７６０号明細書（図１〜３、図１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、ハイブリッド型風力発電装置６０は、強い風の場合はＤロータ２５が風を受けて回転するが、Ｓロータ２４がブレーキとなって、高速回転しようとするＤロータ２５の回転を抑えるため、発電効率がよい高速回転域で、効率よく発電を行うことができないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、これらの問題に鑑みてなされたもので、強風による高速回転域であっても効率よく発電を行うことができるハイブリッド型風力発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、回転自在な第１軸（１）と、前記第１軸（１）に挿通され、回転自在に設けられた管状で前記第１軸（１）よりも短尺の第２軸（２）と、前記第１軸（１）に連結され、前記第１軸（１）の軸回りに配設された複数枚の直線翼（９ａ，９ｂ）を有するＤロータ（９）と、前記Ｄロータ（９）の内側に配置されると共に、前記第２軸（２）に連結され、前記第２軸（２）の軸回りに螺旋形に形成された複数枚の羽根（８ａ，８ｂ）を有するＳロータ（８）と、を備えたハイブリッド型風力発電装置（２０）であって、前記第１軸（１）と前記第２軸（２）との間に、前記第１軸（１）と前記第２軸（２）の回転速度が所定の速度に達すると、前記第１軸（１）と前記第２軸（２）とを連結または解除するクラッチ（１０）を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載されたハイブリッド型風力発電装置（２０）であって、前記クラッチ（１０）は、前記第１軸（１）に固定されたクラッチ本体（３）と、前記クラッチ本体（３）に穿孔され、回転軸に直交する貫通穴（３ａ）と、前記貫通穴（３ａ）に挿通され、遠心力によって進退自在に移動するスリーブ（４ａ）と、前記スリーブ（４ａ）の先端部に一体に形成されたクラッチボール（４ｂ）と、前記クラッチボール（４ｂ）を軸心方向へ付勢するばね（４ｃ）と、前記第２軸（２）に形成され、前記クラッチボール（４ｂ）を挿通する孔（２ａ）と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明によれば、第１軸のＤロータと第２軸のＳロータの回転速度が所定の速度に達すると、クラッチによって第１軸と第２軸との連結が解除される。これにより、ＳロータをＤロータから切り離すことができるので、Ｄロータが発電効率よい高速回転域で、効率よく発電を行うことができるハイブリッド型風力発電装置を提供することができる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、クラッチに設けられたスリーブと一体のクラッチボールは、弱風のときは、ばねの付勢力により軸心方向へ移動してＳロータとＤロータとを一体にして回転するが、風速が強風になると、クラッチに設けられたスリーブと一体のクラッチボールが遠心力により軸心方向から外へ向かって移動するため、連結が解除され、ＳロータをＤロータから切り離すようにしたことにより、Ｄロータだけが発電効率よい高速回転域で、効率よく発電を行うハイブリッド型風力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の全景を示し、ハイブリッド型風力発電装置の斜視図である。
【図２】ハイブリッド型風力発電装置の本体部を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は要部側面図である。
【図３】本発明のクラッチを示し、図２（ａ）に示すＡ−Ａ線の拡大断面図である。
【図４】図２（ｂ）に示すａ部の拡大図であり、（ａ）は（ｂ）に示すＢ−Ｂ線の断面図、（ｂ）は遠心力によりクラッチが外れた状態を示す縦断面図である。
【図５】ダリウス形風車とサボニウス形風車を組み合わせた従来のハイブリッド型風車を示し、（ａ）は（ｂ）に示すＣ−Ｃ線の断面図、（ｂ）は正面図である。
【図６】従来のハイブリッド型風車を改良した従来のハイブリッド型風力発電装置の全景を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本発明のハイブリッド型風力発電装置２０は、前記した図６に示す従来のハイブリッド型風力発電装置６０と概観は類似であるが、詳細が異なるため、重複する説明は省略し、その相違点を中心に詳細に説明する。
相違点の一つ目は、１本の回転軸３８を、２本の第１軸１と第２軸２に分離し、第１軸１はＤロータ９用、第２軸２はＳロータ８用とした点である。また、二つ目は、第１軸１と第２軸２とを連結、または、離脱するクラッチ１０を設けた点である。
【００１７】
＜第１軸の構成＞
第１軸１は、図２の（ｂ）に示すように、Ｄロータ９（外側）の回転軸である。
図１に示すように、第１軸１の下端（一端）は、発電機３５とカップリング３５ａ（図２（ｂ））によって接続されている。また、この発電機３５は４本のステー３６，３６…によって、ケージ４０を構成するパイプ材のリング３２に接続されている。
第１軸１の上端（他端）は、図３に示すように、スラスト・ラジアル複合形軸受１ｃを介して、４本のステー３６，３６…によって、パイプ材のリング３０（図１及び図２参照）に接続され、両端支持されている。
また、図３に示すように、第１軸１の下端部近傍にはセレーション１ｄが形成され、後記するクラッチ本体３が一体に嵌着されている。第１軸１の上端部近傍にもセレーション１ｅが形成され、後記する第２サポート７，７…に形成された雌型のセレーション（図３参照）に一体に嵌着されている。
【００１８】
＜Ｄロータの構成＞
Ｄロータ９は、図２の（ｂ）に示すように、ケージ４０の内側に、２枚の直線翼９ａ，９ｂから構成されている。図５に示す従来のダリウス形風車５７と同様に、断面形状は飛行機の翼の形状をしており、揚力を受けて回転する。断面形状は、図２の（ａ）に示すように、流線型をしており、サイズは例えば、１５２．４ｍｍ（６″）×１８．３ｍｍである。このように、Ｄロータ９は、２枚の直線翼９ａ，９ｂにしたことにより、図５に示す直径Ｄに比べて回転する直径が小さくなり、コンパクトになっている。
Ｄロータ９は、下部の第１サポート６，６と、上部の第２サポート７，７によって直線翼９ａ，９ｂが支持され、ナット１ｎ、ナット１ｉによって固定されている。この下部の第１サポート６，６は、後記するクラッチ１０のクラッチ本体３の上面にボルトによって固定されている。
なお、ここでは、Ｄロータ９を２枚の直線翼９ａ，９ｂとしたが、直径を大きくするにしたがって、直線翼を３枚、４枚…としても構わない。
【００１９】
＜第２軸の構成＞
第２軸２は、Ｓロータ８の回転軸である。第２軸２は、第１軸１の両端にベアリング１ａ，１ｂを介して回転自在に設けられた管状の回転軸である。第２軸２の軸回りには螺旋形に形成された２枚の羽根８ａ，８ｂが、位相を変えて固定された支柱５２，５２…に連結、固定されており、ハイブリッド型風力発電装置２０のＤロータ９の内側に、Ｓロータ８を配置している。
また、第２軸２の下部には、図３に示すように、後記するクラッチ１０のクラッチボール４ｂを挿通する孔２ａが設けられている。この孔２ａの個数はバランスを考慮してここでは２個とするが、３個、４個…であっても構わない。
【００２０】
＜Ｓロータの構成＞
Ｓロータ８は、図２の（ｂ）に示すように、２枚の螺旋状の羽根８ａ，８ｂから構成されている。図５に示す従来のサボニウス形風車５６のＣ形状をスパイラル状にして改良し、風の抗力を受けて回転する。なお、螺旋状のねじれた羽根８ａ，８ｂは、いくつかに分割したセグメント羽根にして構成してもよい。羽根８ａ，８ｂの材質は、ファイバーグラス板、ポリカーボネイト板、アルミニウム板、ステンレス板、ケブラー、ゴムシート等であるが、この他であっても構わない。
【００２１】
＜クラッチの構成＞
クラッチ１０は、図３および図４（ａ）に示すように、第１軸１（Ｄロータ９）と第２軸２（Ｓロータ８）との間に設けられ、弱風のときは両者を連結して回転し、強風のときは両者の連結を解除して第１軸１（Ｄロータ９）だけの回転で発電する。
クラッチ１０は、クラッチ本体３とクラッチ可動部４とから構成されている。
クラッチ本体３の中心には軸心方向に穴が設けられ、その穴の内周面にはセレーション３ｄが形成されて、第１軸１のセレーション１ｄに嵌合されて、第１軸１がクラッチ本体３に一体に固定されている。また、クラッチ本体３には軸心に直交する貫通穴３ａ，３ａが穿孔されている。
【００２２】
＜クラッチ可動部の構成＞
クラッチ可動部４は、スリーブ４ａと、クラッチボール４ｂと、ばね４ｃと、ナット４ｄと、から構成されている。
スリーブ４ａは、前記貫通穴３ａに挿通され、遠心力によって横方向へ進退自在に移動するように遊嵌されている。スリーブ４ａの前端部には、鋼球と接続する座が形成され、後端部には、ばね４ｃを保持するくぼみが形成されている。
クラッチボール４ｂは鋼球であり、スリーブ４ａの前端部の座に溶接によって一体の固定されている。
ばね４ｃは、コイルばねであり、スリーブ４ａのくぼみとナット４ｄのくぼみとの間に保持され、スリーブ４ａ及びクラッチボール４ｂを軸心（前進）方向へ付勢する。
ナット４ｄは、ばね４ｂの付勢力を受けると共に、ナット４ｄが螺合する位置を変えることにより、ばね４ｂの付勢力を調整する。ナットは円柱形であり、外周には細目ねじが設けられ、端面には、六角棒レンチを通す六角穴４ｅが設けられている。
そして、第２軸２の他端部（下端部）には、クラッチボール４ｂを挿通する孔２ａ，２ａが設けられている。
【００２３】
＜クラッチの動作＞
弱風でのクラッチ１０の動作を説明する。
図３に示すように、弱風のときは、スリーブ４ａ及びクラッチボール４ｂに働く遠心力が弱く、この遠心力よりもばね４ｃの付勢力の方が勝っている状態では、第２軸２に設けられた孔２ａにクラッチボール４ｂが挿通されている。このため、第１軸１と第２軸２は両者が連結して回転し、発電機３５（図２（ｂ）参照）を回転する。
なお、Ｓロータは、回転方向を決める働きをする。
【００２４】
＜強風でのクラッチの動作＞
図３に示すように、強風のときは、図４の（ｂ）に示すように、スリーブ４ａ及びクラッチボール４ｂの遠心力がばね４ｃの付勢力より抗してばね４ｃを撓ませ、第２軸２の孔２ａからクラッチボール４ｂが抜け出す。ばね４ｃがクラッチボール４ｂの遠心力により撓み、クラッチボール４ｂが移動して穴２ａからクラッチボール４ｂが外れと、第１軸１と第２軸２の両者の連結状態は解除され、第１軸１のみ回転により、発電機３５（図２（ｂ）参照）を回転し、バッテリー３７に蓄電する。
直線翼９ａ，９ｂのＤロータ９は、高速回転でブレーキとなるＳロータ８が解除したことにより、高速回転し、発電効率の高い領域で最大化するように働く。
風が弱まると、スリーブ４ａ及びクラッチボール４ｂに働く遠心力よりもばね４ｃの付勢力が勝り、クラッチボール４ｂが回転中心に付勢されて移動し、第２軸２の孔２ａにクラッチボール４ｂが入り込むと、第２軸２は第１軸１に連結して一緒に回転する。
【００２５】
なお、クラッチ１０は、Ｄロータ９とＳロータ８の大きさ、形状を加味した上で、所定の回転速度に達したら、連結、解除するように適宜設定すればよい。
これにより、ケージ４０は、垂直方向の立置き、水平方向の横置きのどちらにも設置ができる。また、いろいろな建物に組み込むことが可能であり、運転中は最小限の騒音と振動で、低速の風の場合であっても、高速の風の場合であっても回転する。また、ケージ４０に格納されたハイブリッド型風力発電装置２０を提供することができる。
【００２６】
本発明はその技術思想の範囲内で種々の改造、変更が可能である。例えば、このハイブリッド型風力発電装置２０はダリウス形風車とサボニウス形風車との組み合わせとしたが、この他の種類の風車の組み合わせであっても構わない。
また、クラッチ可動部４の駆動機構は、遠心力の替わりにマグネットの磁着力を利用して入り、切りができる電磁クラッチを採用しても構わない。さらに、蒸気機関の調速機のように、回転が速くなると、おもりが外へ振れてシリンダーへ蒸気を導き、バルブを閉じる方向に作用して回転を抑え、回転が遅くなると、おもりが戻りバルブを開いて出力を上げる遠心力を利用したガバナ（遠心調速機）が知られているが、このガバナ駆動機構を採用しても構わない。
【符号の説明】
【００２７】
１    第１軸
１ａ，１ｂ  ベアリング
１ｃ    スラスト・ラジアル複合形軸受
１ｄ，１ｅ  セレーション
１ｆ，２ｆ  止め輪
１ｇ，１ｈ  カラー
１ｎ，１ｉ  ナット
２    第２軸
２ａ  孔
３    クラッチ本体
３ａ  貫通穴
３ｄ  セレーション
４    クラッチ可動部
４ａ  スリーブ
４ｂ  クラッチボール
４ｃ  ばね
４ｄ  ナット
６    第１サポート
７    第２サポート
８    Ｓロータ（羽根）
８ａ、８ｂ  羽根
９    Ｄロータ（直線翼）
９ａ、９ｂ  直線翼
１０  クラッチ
２０  ハイブリッド型風力発電装置
【図１】
2011099327.tif 000003
【図２】
2011099327.tif 000004
【図３】
2011099327.tif 000005
【図４】
2011099327.tif 000006
【図５】
2011099327.tif 000007
【図６】
2011099327.tif 000008