(57)【要約】【課題】羽根が欠落しても風車本体を安定して支持することのできる風力発電装置を提供することを課題とする。【解決手段】外枠２と、外枠２内に配置され、上端部及び下端部が外枠２に対して回転可能に取り付けられた風車本体３と、風車本体３の回転により発電する発電機４と、を備えている。【選択図】図１
2011185101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外枠と、
前記外枠内に配置され、回転軸の第１の端部及び第２の端部が前記外枠に対して回転可能に取り付けられた風車本体と、
前記風車本体の回転により発電する発電機と、
を備えた、風力発電装置。
【請求項２】
前記風車本体は、環状の第１のリング部材と、前記第１のリング部材の内側に取り付けられた羽根と、を有する、請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記風車本体は、前記第１のリング部材よりも径が小さい第２のリング部材をさらに有し、
前記羽根は、前記第１のリング部材と前記第２のリング部材との間において前記第１及び第２のリング部材に取り付けられる、請求項２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記風車本体は、前記回転軸が第１の端部及び第２の端部のみを有し、前記第１の端部と第２の端部との間は空洞である、請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記風車本体は、弓状の羽根を複数有する、請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記外枠は、各側面が格子状である、請求項１〜５のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記発電機は、前記風車本体の第１の端部に接続される第１の発電機と、前記風車本体の第２の端部に接続される第２の発電機と、を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項８】
ローター及びステーターを有する補助発電機であって、前記風車本体の周囲に設置され、前記ローターの側面に複数の磁石が間隔をあけて取り付けられた前記補助発電機をさらに備え、
前記風車本体は、外周面に複数の磁石が取り付けられている、請求項１〜７のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の風力発電装置を上下方向に積層してなる風力発電装置アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置及びこれを用いた風力発電装置アセンブリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置としては、従来より、地上高が約１２０〜１５０ｍ程度あるプロペラ型風車の風力発電装置が広く使用されている。しかしながら、このような大型の風力発電装置は、プロペラが回転することによって発生する風切り音や、低周波騒音の発生が問題となっている。また、装置自体が大型であるため、設置できる場所に制限があるといった問題や、建設費が嵩むといった問題もある。
【０００３】
そこで、上述したような問題の少ない小型・中型の風力発電装置、特に回転軸が垂直でなるクロスフロー型や、サボニウス型、ジャイロミル型、ダリウス型などの風車を利用した風力発電装置の研究が進められている（例えば、特許文献１参照）。このような小型・中型の風力発電装置は、騒音の問題も少ないことから市街地などにも設置することができ、例えば街灯などに電力を送るためなどに使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８０２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したような従来の風力発電装置の一般的な構成は、まず、地面から垂直に延びる支柱があり、その支柱の上端に風車本体を支持していた。より詳細には、支柱の上端に発電機が設置されており、この発電機から上方に回転軸が延びている。そして、この回転軸から水平方向に複数のアームが延びており、このアームの先端に羽根を取り付けた構成となっている。しかしながら、このような構成の風力発電装置は、風圧によって羽根のねじれやゆがみ、たわみが生じることで偏心運動が生じて回転振動が生じ、その結果強風に耐えられずに羽根が飛散することがあった。また、その他にも、台風時などの強風によってとばされた看板や木などが風車を構成する羽根に衝突することなどによって羽根が破損することがあった。羽根が破損すると風車本体の回転バランスが悪くなるため、風車本体と連結される支柱の上端における支持部に負担がかかり最終的には風車本体が転落する可能性があるといった問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、羽根が欠落しても風車本体を安定して支持することのできる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】
【０００７】
本発明に係る風力発電装置は、外枠と、前記外枠内に配置され、回転軸の第１の端部及び第２の端部が前記外枠に対して回転可能に取り付けられた風車本体と、前記風車本体の回転により発電する発電機と、を備えている。
【０００８】
この本発明に係る風力発電装置は、風車本体が回転軸の第１の端部及び第２の端部において外枠に取り付けられている。このように回転軸の両端部が外枠に接続されていることで、回転軸を垂直方向とした場合は、回転軸の下端部だけで風車本体を支えるのではなく回転軸の上端部では風車本体を吊り下げるように支持するような状態となる。これにより、回転軸の下端部に掛かる荷重は、下端部だけで風車本体を支持する場合に比べて軽減することができ、通常、約１／３程度となる。また、回転軸の両端を支持することでその回転が安定したものとなり、羽根や回転軸のブレを軽減することができる。これらの結果、羽根などが欠落した状態で風車本体が回転をした場合であっても回転軸端部における負担を軽減することができ、ひいては、風車本体の転落を防止することができる。なお、この風車本体における回転軸の第１の端部及び第２の端部が外枠に対して取り付けられるとは、外枠に対して直接取り付けられているものや、発電機を介するなどして間接的に取り付けられているものも含む概念である。
【０００９】
上記風力発電装置は種々の構成をとることができるが、例えば、風車本体は、環状の第１のリング部材と、第１のリング部材の内側に取り付けられた羽根と、を有する構成とすることができる。この構成によれば、風車本体が回転することによって羽根に作用する遠心力を第１のリング部材によって抑えることができ、羽根とその羽根を支持する第１のリング部材との接続部分への負担を軽減し、ひいては羽根が外れてしまうと言ったような問題を防止することができる。また、風車本体は、さらに第１のリング部材よりも径が小さい第２のリング部材をさらに有していてもよい。この場合、羽根は、第１のリング部材と第２のリング部材との間に配置し、第１及び第２のリング部材の両方に取り付けられる。この構成によれば、より確実に羽根を固定することができる。また、風を受けて抗力を発生するよう羽根に折り返し部が形成されている場合は、その折り返し部を第２のリング部材で支持することによって、折り返し部が反り返ったりするような羽根の変形を防止することができる。
【００１０】
また、風車本体は、回転軸が第１の端部及び第２の端部のみを有し、第１の端部と第２の端部との間を空洞とすることができる。このように軸部材を極力減らすことで、軸部材が変形することによって生ずる偏心回転を防止することができる。
【００１１】
また、風車本体が弓状の羽根を複数有するような構成とすることができる。このように羽根を弓状とすることによって、全方位３６０度からの風を風車本体の回転に有効に利用することができる。なお、この場合は、羽根の形状は、風を受けることによって揚力を最大限に得られ、また、強風に耐えつつ揚力エネルギーを回転エネルギーに変換して高速回転が期待できるような揚力型とすることが好ましい。
【００１２】
また、外枠は、各側面を格子状とすることができる。この構成によれば、台風時などに看板などが飛んできても、外枠によって風車本体を保護し、風車本体の損傷を防止することができる。なお、各側面とは、上下面を除いた面のことをいうが、上下面が格子状となっていてもよい。
【００１３】
また、発電機を２つ備えており、第１の発電機を風車本体の第１の端部に接続し、第２の発電機を風車本体の第２の端部に接続することができる。このように、１つの風車本体で２つの発電機を作動させることで、効率的に発電を行うことができる。
【００１４】
また、ローター及びステーターを有する補助発電機をさらに備えた構成とすることもできる。この補助発電機は、風車本体の周囲に設置されており、ローターの側面に複数の磁石が間隔をあけて取り付けられている。また、風車本体の外周面にも複数の磁石が取り付けられている。この構成によれば、風車本体が回転することによって、その回転する風車本体に取り付けられた磁石が補助発電機のローターに取り付けられた磁石に作用し、補助発電機のローターを回転させ、その結果、補助発電機が発電することができる。
【００１５】
また、本発明に係る風力発電装置アセンブリは、上述したいずれかの風力発電装置を上下方向に積層することで構成される。この風力発電装置アセンブリによれば、複数の風力発電装置を設置する際に、上下方向に積層することができるため、省スペース化を図ることができる。また、複数の風力発電装置を設置することで、１つの風力発電装置をメンテナンスや故障などのために停止させても、他の風力発電装置によって電力を供給することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、風車本体を安定して支持することができる風力発電装置及びこれを用いた風力発電装置アセンブリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本実施形態に係る風力発電装置の斜視図である。
【図２】図２は本実施形態に係る風車本体の斜視図である。
【図３】図３は本実施形態に係る風車本体の平面図（ａ）及び羽根の斜視図（ｂ）である。
【図４】図４は本実施形態に係る風車本体の平面図（ａ）及び羽根の斜視図（ｂ）である。
【図５】図５は本実施形態に係る風車本体の平面図（ａ）及び羽根の斜視図（ｂ）である。
【図６】図６は他の実施形態に係る風車本体の平面図である。
【図７】図７は本実施形態に係る風力発電装置アセンブリの斜視図である。
【図８】図８は他の実施形態に係る風力発電装置の斜視図である。
【図９】図９は他の実施形態に係る風車本体の斜視図である。
【図１０】図１０は他の実施形態に係る羽根の斜視図である。
【図１１】図１１は他の実施形態に係る風力発電装置の斜視図である。
【図１２】図１２は他の実施形態に係る風力発電装置アセンブリ
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る風力発電装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
図１に示すように、風力発電装置１は、外枠２と、この外枠２内に回転可能に設置された風車本体３と、を主な構成としている。また、風車本体３が回転することによって発電を行う発電機４が外枠２と風車本体３との間に取り付けられ、発電機４によって生成された電気を蓄えるためのバッテリー（図示省略）が外枠２に取り付けられている。また、外枠２には、その他にも風車本体３の回転を制御するためのコントローラ（図示省略）が設置されている。
【００２０】
外枠２は、直方体の形状をした枠体を構成しており、その内部は風車本体３を設置できるよう空洞となっている。外枠２の材質としては、風車本体３を支持する程度の強度を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、アルミニウムやステンレス、鉄骨などを挙げることができる。
【００２１】
外枠２の左右前後の計４つの側面は、風車本体３へ風が送られるよう開口しているとともに、内部の風車本体３を保護するために格子２１が設けられている。また、外枠２の上面及び下面には、発電機４や、バッテリー、コントローラを設置するための梁部材２２が設けられている。なお、外枠２の上面及び下面は、風を通り抜けさせる必要がないため、上述したような梁部材２２ではなく、上面及び下面を塞ぐような天板及び底板を設置し、これに発電機４やバッテリー、コントローラなどを支持させることもできる。
【００２２】
風車本体３は、垂直方向に延びる回転軸を中心として回転するよう外枠２内に取り付けられている。この風車本体３は、図２に詳細に示すように、上下方向に延びる３枚の羽根３１を有しており、この３枚の羽根３１は等間隔で３本の第１のリング部材３２に固定されている。なお、３本の羽根３１は、第１のリング部材３２の内側において固定されているため、風車本体３が回転することによって各羽根３１に作用する遠心力を抑制することができる。また、この羽根３１と第１のリング部材３２との固定は、溶接によって固定してもよいし、ボルトやナットなどを使用して固定するなど、種々の固定方法をとることができる。
【００２３】
羽根３１は種々の形状をとることができ、例えば、その水平断面を図３に示すように鈎状としたり、図４に示すようにV字状としたり、図５に示すようにU字状とすることができる。これらの形状の羽根３１は、長さ方向に沿って内側に折り返された折り返し部３１１が形成されているため、風を受けることで抗力を得ることができ、この抗力によって風車本体３を回転させることができる。また、これら各形状の羽根３１のように揚力をも発生させる形状とすることで、この揚力によっても抗力による回転方向と同じ方向の回転力を風車本体３に与えることができる。なお、強風を受けた際に折り返し部３１１が反り返るなど羽根３１の変形が生じないように、各羽根３１の内側にはリブ３１２が形成されている。また、後述する第２のリング部材３３との取付けを容易にするよう、折り返し部３１１の先端に取付け面３１３を形成することもできる。羽根３１の材質は、特に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム合金やマグネシウム合金、ステンレス、カーボン樹脂、ＦＲＰなどを挙げることができる。また、羽根３１の本数は、特に限定されるものではなく、これよりも多く又は少なくすることができる。
【００２４】
上述した羽根３１を支持するための各第１のリング部材３２は、図２に示すように、上下方向に等間隔に配置されており、一番上側のリング部材３２及び一番下側のリング部材３２は、内側に延びる梁部３２１を有している。なお、この第１のリング部材３２は、強風を受けても十分に羽根を支持する程度の強度を有していることが好ましく、例えばその材質をアルミニウム合金やマグネシウム合金、ステンレス、鉄などとすることができる。また、羽根３１の折り返し部３１１の反り返りなどの変形や、羽根３１の脱落をより確実に防ぐために、図６に示すように、羽根３１の内側を第２のリング部材３３によって固定することもできる。図６においては、折り返し部３１１を第２のリング部材３３に固定させており、この固定方法は、第１のリング部材３２と同じく種々の固定方法を採用することができる。なお、上記リング部材３２の本数は特に限定されるものではない。
【００２５】
また、各梁部３２１の中心部は、発電機４のローターに接続されており、この各梁部３２１の接続部分を上端回転軸、及び下端回転軸（本発明の第１の端部及び第２の端部に相当）とする。この上端回転軸及び下端回転軸が発電機４のローターに接続されることで、風車本体３の回転を発電機４に伝えている。なお、風車本体３の回転軸に相当する部分は、上端回転軸及び下端回転軸のみが存在しており、上端回転軸と下端回転軸との間の部分は空洞となっている。すなわち、各羽根３１及びリング部材３２によって囲まれた部分における回転軸部分は空洞となっている。
【００２６】
発電機４は、外枠２の上面及び下面のそれぞれに１つずつ設置されており、外枠２に固定されるステーターと、風車本体３に接続されるローターとを有している。この発電機４は、風車本体３に接続されたローターが回転することによって電気を発生させる。このように発生した電気は、発電機４と電気的に接続されたバッテリーに蓄えられる。なお、この発電機４は、風力発電装置に一般的に使用される公知のものを採用し、具体的には、(株)スカイ電子製の小型発電機・ＳＫＹシリーズ（SKY-HR125、SKY-HR160、SKY-HR200、SKY-HR250、SKY-HR350、SKY-HR450）等を採用することができる。
【００２７】
以上のように構成された風力発電装置１は、例えば、高層ビルの屋上などに設置することができ、さらには、図７に示すように、複数の風力発電装置１を用意し、これらを上下方向に積層して風力発電装置アセンブリ１０とすることができる。このように上下方向に積層することによって、風力発電装置１の設置面積を減らし、省スペース化することができる。また、このように複数台風力発電装置１を設置することで、メンテナンスや故障などによって一台の風力発電装置１が停止しても、他の風力発電装置１によって電力を供給することができる。なお、上下隣接する各風力発電装置１の風車本体３の回転方向を互いに異なる方向とすることができる。例えば、ある風車本体３を時計回りに回転するように設置し、その下に位置する風車本体３を反時計回りに回転するように設置することができる。この場合、各風車本体３の間に1つの発電機４を設置し、どちらか一方を発電機４のローターに連結し、他方を発電機４のステーターに連結することで、発電機４のローターとステーターとを相対的に回転させて発電機４の回転数を倍にすることができる。
【００２８】
なお、以上のように構成された風力発電装置１は、種々の利用態様が考えられる。例えば、本実施形態に係る風力発電装置１を家庭用風力発電装置として一般住宅に設けることにより、一般家庭からの二酸化炭素排出量を削減することができ、また、災害時であっても電力を安定して供給することができ、特に災害時におけるホームセキュリティの機能を安定して稼働させることができる。
【００２９】
また、本実施形態に係る風力発電装置１を、携帯電話基地局への電力供給手段として設置することもできる。現在、電力会社が電力を供給している地域はすでに携帯電話基地局の整備がほとんど完了しており、携帯電話基地局の設置が望まれている地域は電力インフラが未整備の山間部や山頂部である。このような場所に携帯電話基地局を建設するためには、電力インフラを新設する必要があるが、この電力インフラの整備には多額の費用を要する。このような地域に対して、本実施形態に係るような風力発電装置１を設置することで、多額の費用を掛けることなく、携帯電話基地局に必要な電力を供給することができる。
【００３０】
また、本実施形態に係る風力発電装置１を、災害時用の電力源として災害時の緊急避難場所に設置し、街灯路への電力供給や、災害時の情報収集手段であるテレビやラジオへの電力供給、さらには携帯電話の充電用として電力を供給するために使用することができる。また、災害時に信号や道路標識が停止しないようにこれらの電力源として用いることもできる。
【００３１】
また、AED（自動体外式除細動器）が公共の場所に広く設置されているが、このAEDは点検を怠ると内蔵バッテリー切れによって必要時に作動しない恐れがある。これに対して、このAEDに対する電力供給源として本実施形態に係る風力発電装置１を使用することでバッテリー切れを防止することができる。
【００３２】
またその他にも、農地や、登山道、離島、海岸、自然公園などの現在電力インフラが整備されていない地域において、温室の熱源や、照明、地下水の汲み上げポンプ、作物への水の供給のための散水機、循環型トイレ、バイオトイレ、自動販売機、街灯、海水淡水化装置、浄水器、電気自動車などの電力源として、有効に利用することができる。
【００３３】
またさらには、カーブミラーの曇り止めヒータや、寒冷地の融雪設備、ネオンサインなどの広告媒体の照明などの電力源として、本実施形態に係る風力発電装置１を用いることも可能である。
【００３４】
また、湖沼などの水質浄化や、養殖場内の魚介類の成長促進のためのナノバルブ発生器の電力源として、湖沼に浮かぶフロート上に本実施形態に係る風力発電装置１を設置することもできる。
【００３５】
以上、本実施形態に係る風力発電装置１によれば、風車本体３は、下端回転軸だけでなく上端回転軸も（発電機４を介して）外枠２に支持されているため、下端回転軸に対する負担を軽減することができ、この結果、羽根３１が欠落しても安定して風車本体３を支持することができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００３７】
例えば、外枠２を直方体ではなく、図８に示すような四角錐状などの多角錐状や円錐状、その他にも円柱状や三角柱状等の多角柱状の形状とすることができる。
【００３８】
また、上記実施形態においては、風車本体３の形状は略円柱状であったが、その他にも種々の形状とすることができ、例えば、図８及び図９に示すように略球状としてもよい。この場合、各羽根３１は、図１０に示すように外側に膨出するような弓状となっており、各羽根３１の上端及び下端は、碗状部材３４に接続されている。そして、この上端及び下端の各椀状部材３４が発電機４のローターに接続されている。このように、風車本体３を略球状とすることで、特に各羽根３１を弓状とすることで、全方位３６０度どの方向からの風も、風車本体３を回転させるために有効に利用することができる。また、その他にも、風車本体３の形状を樽型や、卵型（縦長）、楕円型（横長）の形状とすることができる。
【００３９】
また、図１１に示すように、風車本体３の周りを囲むように１つ又は複数の補助発電機４’を外枠２に取り付けることができる。この補助発電機４’は、上記実施形態の発電機４と同様にステーターとローターとを有しており、ローターの側面に複数の磁石が間隔をあけて貼り付けられている。また、風車本体３の第１のリング部材３２、又は風車本体３に別途設けた円盤部材３５などの側面にも複数の磁石を取り付けられている。このように構成された風力発電装置１は、風車本体３が回転することによって、磁石の磁力を利用して補助発電機４’を回転させることができる。なお、この補助発電機４’は、例えば風車本体３に対して接近可能に設置しておき、風車本体３の所定の回転数（例えば約１００〜１５０回転／分）未満の場合は、風車本体３に取り付けられた磁石の磁力が影響しない距離に配置され、所定回転数以上になると補助発電機４’が風車本体３に接近し、風車本体３に取り付けられた磁石よって、補助発電機４’のローターが回転するような構成とすることができる。
【００４０】
また、図１２に示すように、直方体状の外枠の上に四角柱の外枠を積層した風力発電装置アセンブリ１０とすることもできる。
【００４１】
また、上記実施形態では、風車本体３に発電機４を直接設けていたが、発電機４のローターを回転させることができれば特にこれに限定されるものではなく、例えば風車本体３と発電機４との間にギアなどを介在させてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１    風力発電装置
２    外枠
３    風車本体
３１    羽根
３２    第1のリング部材
３３    第２のリング部材
４    発電機
【図１】
2011185101.tif 000003
【図２】
2011185101.tif 000004
【図３】
2011185101.tif 000005
【図４】
2011185101.tif 000006
【図５】
2011185101.tif 000007
【図６】
2011185101.tif 000008
【図７】
2011185101.tif 000009
【図８】
2011185101.tif 000010
【図９】
2011185101.tif 000011
【図１０】
2011185101.tif 000012
【図１１】
2011185101.tif 000013
【図１２】
2011185101.tif 000014