(57)【要約】      （修正有）【課題】灯台の閃光電源は、殆どがコストが割高な商用電源を使用しているのが現状である。省エネを目的として灯台の閃光電源にフリーコストである風力エネルギーを利用する垂直軸風車発電機と灯台の灯室を一体型にした灯台の開発を課題とする。【解決手段】フライホイールが風車と一体化されることによってエネルギーが一旦、同ホイールに貯蔵され発電機１４の要求トルクに応じて同ホイールより発電機にむらの無い平準化されたトルクが放出されるのでより効率的に電気エネルギーが創生される。更に、可動式ガイドベーンの当該風車ロータ―への装備による手段を以って、ガイドベーン効果、即ち、出力の増大化が可能となりエネルギー変換率は飛躍的に改善されることとなった。以って、灯台ＬＨの閃光電源の省エネ化に供するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
灯台の閃光電源の省エネ化を目的として、灯台の灯室と回転時にエネルギーを貯蔵して平準化したトルクを発電機に放出して安定した電気エネルギーを創り出す機能を持つフライホイールを装備した垂直軸風車発電機とを一体化した灯台を提供し、且つ、当該風車のロータ―の外周部位に可動式案内羽根（ガイドベーン）を装備して回転トルクを増大化せしめて発電出力の増大化を生み出し、以って、省エネ化に供する灯台の灯室と垂直軸風車発電機を一体化した灯台。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は灯台の閃光用電源に風力エネルギーを利用した風車発電による電源を主電源として、商用電源、或いは、ディーゼル発電機による電源は非常用電源として省エネに付するものである。
【背景技術】
【０００２】灯台の閃光用電源として流用されている電源は、商用電源、太陽光エネルギー、波力エネルギー、ディーゼル発電機、プロペラ型風力発電機、等である。それぞれの装置には弱点がある。即ち、商用電源及びディーゼル発電機は、電源としてのエネルギーコストが割高である、太陽光エネルギー及び波力エネルギーの発電装置は、耐暴風、耐暴波装置として信頼性に欠ける、又、プロペラ型風力発電機は暴風により風車のプロペラが欠落する事故が多く、構造的に信頼性に欠ける。（添付  参考資料―１、―２参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】・灯台の電源用として、商用電源、或いは、ディーゼル発電機による電源が流用されているが燃料費が割高である。省エネ型の灯台を目的としてフリーコストである風力エネルギーを発電の電源とした灯台の開発を課題とする。
・安定した灯台の電源を確保するためにフライホイールの特性を生かしたフライホイール一体型垂直軸風車発電機による発電を電源とした風車と一体型の灯台の開発を課題とする。
・耐暴風、耐豪雪の機構を備えた風車発電機と一体型の堅牢な灯台設備の開発を課題とする。  参考までに、過去、昭和２６年、続いて昭和３２年に海上保安庁が山口県の蓋井島（ふたおいじま）に灯台用の電源設備としてプロペラ型風車発電機を各１基を設備したことがある。内、１基は、Ａ社の物で、残１基はＢ社のものであった。Ｂ社の１基は、暴風事故で破損したＡ社の後継機であった。しかし、Ｂ社の１基も、暴風（台風）により羽根の折損、並びに、タワーが倒壊する事故が発生したため、当プロペラ型風車発電機は撤去され商用電源に切り替えられた歴史的事実がある。（添付  参考資料―３参照）
この事実を踏まえて、省エネを目的とした灯台の閃光電源は、耐暴風、耐豪雪の機構を備えた風力発電設備であることが必要条件となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】灯台用電源として、発電エネルギーがフリーコストである風力エネルギーを利用した垂直軸風車発電機を手段として、同風車発電機の風車の頂上部位に灯台の灯室を装備して灯台の灯室の常用閃光エネルギーを完全フリーコストにした風車一体型の灯台を提供するものである（図１）。【０００５】同垂直軸風車発電機によって創生さられた電気エネルギーは一旦、同灯台に備え付けられている蓄電池に充電された上で灯室の閃光用電源に供されるシステムであるが、風力エネルギーは不安定なエネルギー源であるので風車によって生じたエネルギーは一旦、同垂直軸風車の下部位に設けられた同風車と一体型のフライホイールに運動エネルギーとして貯蔵される。同貯蔵された同運動エネルギー（回転エネルギー）は、フライホイールの特性により安定した、且つ、平準化された回転トルクとして負荷側（発電機）に放出される。以って、安定した電気エネルギーを創生するものである。
このフライホイールの特性を手段として安定した電気エネルギーを創生することを可能としたフライホイール付き風車発電機を一体型とした灯台を提供する。【０００６】風車本体もフライホイールも回転体であるが、風車は複雑な形状を為しているので風車自体から回転トルクを算出することは困難とされている。
一方、フライホイールは密度が均一な剛体であるのでフライホイールが回転した時に得られる回転トルクの算出は容易に得られる。
即ち、Ｔ（トルク）＝  Ｆ（Ｎ）（接線力）＊Ｒ（半径）と定義されており、ここでＦ（Ｎ）は、回転体の質量（ｍ）に重力加速度（９．８Ｎ）を乗じた値である。従って、発電機の出力（Ｐ）は次式によって求められる。（添付  参考資料―４参照）
Ｐ（ｋＷ）＝Ｔ（トルク）＊Ｎ（回転数ｒｐｍ）／９５４９・・・（１）
即ち、ここで、フライホイールの仕様（サイズ、重量）を設定することによってトルクの算出を容易とし、以って、発電機の出力の算出を容易にするメリットが生じる。一方、このトルクモーメントは、発電機が出力する為の要求トルク（Ｔｏｒｑｕｅ  Ｒｅｑｕｉｒｅｄ）である。この要求トルクに応じてフライホイールよりトルクが発電機に放出（Ｒｅｌｅａｓｅ）されることになる。故に、安定した電気エネルギーを創出するには、フライホイールは回転することによってこの要求トルク以上の運動エネルギー（トルク）を貯蔵して置く必要がある。その為に、風車側より風力エネルギーによって得られる回転エネルギー（回転トルク）をフライホイールに転送（Ｔｒａｎｓｆｅｒ）することが必要条件となる。この必要条件を満たす機構は、下記段落（０００７）に記載されている。
この回転エネルギーを創出するのが風車の役目であるが、風車の仕様（風車ロータ―の横径、縦径、並びに、風車ロータ―の段数）は予め集積されたデーターベースよりコンピューター解析により最適な仕様が選定される。
そして、選定された風車ロータ―によって運動エネルギー（回転エネルギー）が創出されてフライホイールに転送されることになる。
故に、フライホイールは発電機に放出される充分なエネルギーを得て発電機は定格の発電出力を行い灯台は安定した閃光電源を得ることになる。
この電源について近年のＬＥＤの導入により省エネ化が進み、日本の灯台の閃光電源の発電機の最大出力は、５０ｋＷ台である。
仮に、計画上、発電機の出力に対し５０ｋＷが要求された場合、フライホイールの回転数（Ｎ）を、Ｎ＝１００ｒｐｍと設定すると、上記（１）式より、発電機の要求トルク（Ｔ）は、Ｔ＝５０ｋＷ＊９５４９  ／１００ｒｐｍ、即ち、Ｔ≒４，７７５Ｎ・ｍ  である。
ここで、  仮に、フライホイールの半径を１．０ｍと設定すると、フライホイールの重量は、上記のトルクの定義式（Ｔ＝Ｆ（Ｎ）＊Ｒ）より逆算して、４８７．２ｋｇが求められ、約５００ｋｇとなる。
即ち、直径２ｍ．，重量約５００ｋｇのフライホイールを風力エネルギーによって毎分１００回転で回転せしめることによって、概ね、発電出力５０ｋＷを得ることができる。
即ち、フライホイールを風車と一体化することによって、トルクの算出が容易であり，以って、発電機の発電出力の値を容易に算出することが出来る。
結局、このフライホイールを一体化することによってトルクの算出が容易であると云うメリットを手段として灯台設備の計画段階での発電機の出力の設定を容易にするものである。【０００７】垂直軸風車は起動トルクが低レベルであり、又、起動できても発生トルクのトルクモーメントが低レベルである、従って、高出力を創生することが出来ない、という既成概念がある。この既成概念を破ったのが、特許第５４１３７５７４号である。
これは、風車の起動時にカットイン風速（４〜５ｍ／ｓｅｃ．）をセンサー検知して圧搾空気によって風車と一体型のフライホイールを強制回転させる方式である。
圧搾空気は、潜水艦の魚雷発射装置にも応用されており、その威力は周知である。強制回転後は、慣性と風車から送られて来る付加トルク（Ｔ１）によってフライホイールは回転を持続する。添付（図２）（エネルギーの変換プロセス）参照
風車発電機の発電出力の増大について、プロペラ型風車発電機の場合は、プロペラの径を拡大することによって風力エネルギーの捕捉率を増大させて出力の増大を図っている。当垂直軸風車発電機に於いては、風車ロータ―のスケールＵＰ即ち、横径、或いは、縦径を拡大する。（図３）参照
（図３）に於いて：−
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と寸法を仮に、設定した場合、自ずから受風面積は（ｂ）は（ａ）より大で、又、（ｃ）は（ｂ）より大となり風力エネルギーの捕捉率は増大する。
又、同ロータ―のステージ（ＳＴＡＧＥ，段数）の員数を仮に、次の様に増加することによって風力エネルギーの捕捉率を増大させることができる。（図４）参照
即ち、（図４）に於いて：−
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以って、フライホイールに転送される回転エネルギー（回転トルク）を増大させて、同フライホイールより発電機に放出されるトルクを増大させる手段を以って、発電出力の増大を可能とするものである。
そして、実際面でそのスケールＵＰ並びに、ステージの員数の設定は、予め集積されたデータ―ベースからコンピューター解析によって最適なものが選出されることになる。これは、プロペラ型風車発電機と同様に、プロペラの直径の設定は予め集積されたデータ―ベースより直径が設定されることと同じことである。
ここで、灯台の風車発電機の出力を３０ｋＷより、５０ｋＷに増大する場合、当然、発電機の要求トルクは増大する。従って、フライホイールは、それに呼応して放出（Ｒｅｌｅａｓｅ）するトルクを増大させてやる必要がある。それ故、フライホイールをスケールＵＰして貯蔵エネルギーの増大を図る必要がある。
そして、一方、フライホイールへの供給エネルギーを増大させる為に、上記した通り、風車側でエネルギーの増大機構（風車ロータ―のスケールＵＰ、或いは、ロータ―の段数の増大）を講じることになる。【０００８】当風車発電機の風車のロータ―の外周部位には可動式の案内羽根（ガイドベーン）を装備してガイドベーンの開度を調整することによって風量制御を行いフライホイールの回転制御を行い、同ホイールの回転速度を定格速度に保持して発電機の発生出力を一定に保つ機能を持つものである。当ガイドベーン機構は（図５）参照当該ガイドベーンの機能による手段を以って発電機の出力の安定化により灯台の発光電源の保持化を図るものである。
一方、ガイドベーンはガイドベーン効果（図６参照）によりトルクを増大させて出力を２〜３倍に増大させたと云う実験報告が有る。添付  参考資料―５（１）、（２）参照
（図６）に於いて、（Ａ）図は、ガイドベーンを備えて居ないロータ―図であり、（Ｂ）図はロータ―の外周部位にガイドベーンを備えていうロータ―図である。
（Ａ）図に於いてＢ面（非抗力側）に流れる風力エネルギーはＡ面（抗力側）発生する抗力を減衰させるマイナスファクタ―である。
ここで、（Ｂ）図は、ガイドベーンを備えた概念図であり、同図においてＢ面（非抗力側）に流れる風力エネルギーはガイドベーンによって、（Ａ）面（抗力側）に誘導されて、ガイドベーン無しの場合に比べて、トルクは略、倍増することになる。依って、発生出力が増大することになる。
即ち、ガイドベーンはその出力増大機構として、本発電装置の省エネを生み出す効果がある。【０００９】灯台の閃光電源が途絶えることは人命に関わる問題であるので非常用電源を確保することは必要条件である。又、風が長時間途絶えて、蓄電池が上がって仕舞う事象も考えられる。従って、商用電源の敷設が有るところは商用電源を、離れ小島、等商用電源のないところは、ディ―ゼル発電機をバックアップ電源として設備することを手段として対応することは必要条件である
バックアップ電源として太陽光パネルを設備しているケースが見受けられるが、同パネルが台風で吹き飛ばされるケースが見受けられ、この設備をバックアップとするのは万全とは云えない。【００１０】上述の段落（０００３）に述べられている通り、過去、昭和時代に海上保安庁がプロペラ型風車発電機を電源とした灯台設備を山口県の蓋井島（ふたおいじま）に設置した歴史がある。
これは、省エネを目的として開発されたものであるが、程なくして商用電源に切り替えられることとなった。理由は、度々、襲来する台風により羽根車が折損する、或いは、タワーが倒壊する事故に見舞われて灯台本来の人命に関わる使命に供することが不能になったことに起因するものであった。
従って、風車発電機を耐風構造にすることは絶対必要条件となる。これに対応するものが、台風時に強風速（２５ｍ／ｓｅｃ．以上）を検知して円筒式格納容器に風車自動的に完全収納する機構を持たせたものである。円筒式構造物は、在来の灯台同様に耐風建造物であることは周知である。そして、この収納機構は、構造的に縦軸である垂直軸風車にのみ対応できるもので横軸のプロペラ型風車に対応するのは不可能である。
即ち、この円筒式格納容器に垂直軸風車発電機を収納する機構の手段を以って万全な灯室と風車発電機を一体型にした灯台設備を供するものである。（図７）参照
【発明の効果】
【００１１】当発明の垂直軸風車発電機と一体型の灯台の閃光電源は、フリーコストの風力エネルギーによって創生される電気エネルギーを電源とする省エネ型の灯台であり、省エネ機器として我が国のエネルギー政策に寄与するものである。【００１２】当発明の垂直軸風車発電機と一体型の灯台は、電源としてフライホイール付きの垂直軸風車発電機と灯台の灯室を一体化した灯台である。フライホイールの機能として風車から転送されて来た回転エネルギーを自体に運動エネルギーとして蓄える特殊機能を備え、そして、脈動の無い、平準化された定格トルクを負荷側（発電機）に放出して安定した電気エネルギーを生み出す特殊機能を備えている。これ等の特殊機能によって安定した電気エネルギーを生み出す効果を当発明の灯台は持つものである。【００１３】当発明の灯台はフライホイール付きの垂直軸風車発電機と一体型の灯台であるが、フライホイールは密度が均一な剛体であるので回転時のトルクの算出が容易である。従って、灯台設備の計画段階でフライホイールの仕様（質量と半径）と回転数（Ｎ）の設定により発電機の出力を容易に算出することができるので設計画が容易に行えると云う効果を備えるものである。【００１４】灯台の電源としてプロペラ型風車発電機や太陽光パネルを電源として活用している灯台がある。しかし、暴風（台風）によってこれ等の発電機器が破壊されているケースが多発している。
当発明の垂直軸風車発電機と一体型の灯台は、暴風時に風速を検知して円筒式格納容器に当風車発電機を自動で完全収納する機構を備えている。円筒構造の建造物は耐暴風構造であることは実証されており、台風襲来時に破壊されることのない安全性の高い風車一体型の灯台を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】  フライホイール一体型垂直軸風車発電機々灯台の灯室を一体型にした省エネ型灯台の概念図
【図２】  フライホイール一体型垂直軸風車発電機に於ける風力エネルギーの電気エネルギーへの変換プロセスのフローチャート
【図３】  風車ロータ―のスケールＵＰの説明概念図。スケールＵＰさせることによって風力エネルギーの捕捉率を増大させてフライホイールに転送するトルクの増大により、同トルクを発電機に放出することによって発電出力の増大に供するものである。
【図４】  風車ロータ―の段数の増大に関わる概念図  風車ロータ―の段数を増やすことによって風力エネルギーの捕捉率を増大させてフライホイールに転送するトルクの増大により、同トルクを発電機に放出することによって発電出力の増大に供するものである。
【図５】  ガイドベーン機構の概念図  （Ａ）水車のガイドベーン機構  （Ｂ）当風車のガイドベーン機構  当風車のガイドベーン機構は水車のガイドベーン機構を取り入れたものである。
【図６】  ガイドベーン効果に関わる概念図  （Ａ）ガイドベーンを装備していない風車ロータ―  Ｂ面（非抗力側）に流れる風力エネルギーは抗力を発揮して居ない。ロータ―の発生抗力のマイナス要因になっている。（Ｂ）ガイドベーンを装備している風車ロータ―  ガイドベーンによりＢ面（非抗力側）に流れる風力エネルギーをＡ面（抗力側）に誘導変換させてトルクの増大に供している。
【図７】  暴風時に灯台一体型垂直軸風車発電機を円筒式格納容器に収納する展開図  （Ａ）発電中の灯台一体型垂直軸風車発電機の概念図  （Ｂ）暴風時に垂直軸風車を円筒式格納容器に収納した時の概念図
【符号の説明】
【００１６】  ２    風車ロータ―
４    可動式ガイドベーン
４ｃ  ガイドリング
４ｄ  クランク
４ｇ  補助リング
７    ラディアルベアリング
８    ラディアルベアリング  ＆  スラストベアリング
９    リジットカップリング
１０    フレキシブルカップリング
１１    空気噴射ノズル
１２    空気配管
１３    空気配管接続ボックス
１４    永久磁石多極同期発電機
１５    円筒式風車収納格納容器
１７ａ  空気槽、コンプレッサー
１８    ガイドベーン開口角度調整用油圧装置
１８ａ  ユニバーサルジョイント
１８ｂ  連結ロッド
１８ｃ  スプリング
１８ｄ  作動油入口部
２５    灯室取付蓋
２６    ガイドレール、円筒容器上下スライド用
２７    避雷針
２８    緊急停止用ディスクブレーキ
２９    電磁弁
３０    流体継手  又は、トルクコンバーター
３１    上下スライド式点検デッキ
ＬＨ    灯室、灯台
ＳＢ    蓄電池
【参考資料の簡単な説明】
【００１７】参考資料―１    プロペラ型風車の暴風、落雷、漏電による破壊例
参考資料―２    暴風による太陽光パネルの破壊例
参考資料―３    日本に於ける最初の灯台電源用プロペラ型風車発電機
暴風（台風）により羽根車が折損し、タワーも倒壊した
ことが記録されている。
参考資料―４    フライホイール（回転円盤）が回転した時に得られる
出力計算式（インターネット掲載の“機械技術者のための
工業力学入門講座“より引用掲載）
参考資料―５（１）ガイドベーンの役割（Ｋ社がネットウエッブサ
イトに掲載したものを引用）研究による結び：ガイドベー
ン効果により約３倍の出力増大を得た。
参考資料―５（２）可変式ガイドベーンを有するマイクロ風車の研究（Ｓ工
業高等専門学校がネットウエッブサイトに掲載したものを
引用）研究による結び：ガイドベーン効果により約２倍の
出力増大を得ることが判明。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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