(57)【要約】低コストで、且つ効率よく風力エネルギーを他のエネルギーに変換する装置を提供する。この風力エネルギー変換装置は、動力取り出し軸を有するフレーム、動力取り出し軸は一対の支柱間に回転自在に保持される；動力取り出し軸に接続される発電機；フレームに取り付けられる少なくとも２つの軸受け手段を有し、各軸受け手段は回転シャフトを回転自在に保持する；羽根軸と羽根軸周りに形成される複数の羽根とで構成される風受け手段；および一端で回転シャフトに接続され、他端で風受け手段の羽根軸に接続される連結部材とを有する。風が風受け手段にあたると風受け手段が連結手段とともに回転シャフト回りに回転し、回転シャフト周りの風受け手段と連結手段の回転力が、フレームを動力取り出し軸回りに回転させ、結果的に動力取り出し軸の回転が発電機を起動させて風力エネルギーを電気エネルギーに変換する。
2003081034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の支柱間に回転自在に保持される回転架台と、回転架台の回転中心に水平に配置される動力取出し軸と、動力取出し軸に接続される発電機と、回転架台の動力取出し軸から離れた両端側に設けられる一対のクランク軸形状の回転シャフトと、各回転シャフトの回転運動を動力取出し軸に伝達して回転架台及び動力取出し軸を一方向に回転させるための動力伝達機構とを備えており、上記クランク軸形状の各回転シャフトは、羽根板が設けられる羽根軸と、羽根軸の両端に連設される一対の垂直アームと、各垂直アームから羽根軸と平行に且つ外方に向かって連出される一対の主軸とで構成され、風力によって羽根軸が主軸を中心にして回転することにより回転架台と共に動力取出し軸が一方向に回転して発電機のタービンを回転させると共に、上記回転シャフトの回転時に、回転シャフトの羽根軸が動力取出し軸から最も遠い位置に移動したときに、最も外方に張り出す主羽根板に発生する遠心力を利用して動力取出し軸の回転エネルギーを増幅させ、さらに一対の回転シャフト間に回転架台の回転方向と逆方向に向かって動力取出し軸を中心として回転する人工気流を発生させ、この人工気流を利用して各回転シャフトの回転エネルギーを増幅させることを特徴とする風力エネルギー変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力エネルギー変換装置において、
上記回転架台の両端に回転シャフトの羽根板を回転させる送風ファンが設置され、動力取出し軸の両端部にそれぞれ発電機が接続される。
【請求項３】
筒状の固定ドラム内に回転自在に収納される３枚羽根のプロペラフレームと、プロペラフレームの回転中心から離れた先端側に各々設けられるクランク軸形状の回転シャフトと、回転シャフトの主軸から屈曲形成された羽根軸に取り付けられる羽根板と、羽根板に圧縮エアーを吹き付けて羽根板を回転させるためのエアー噴射部と、プロペラフレームの回転中心に設けられる第１の動力取出し軸と、回転シャフトの回転運動を第１の動力取出し軸に伝達してプロペラフレームと第１の動力取出し軸とを同一方向に回転させるための動力伝達機構とで第１の風力エネルギー変換機構が構成されており、上記プロペラフレームの各羽根板で囲まれた位置に各羽根板と対向し且つ接触しないように回転自在に配置される従動羽根車と、従動羽根車の回転中心に設けられて従動羽根車の回転運動を固定ドラムの外部に取り出すための第２の動力取出し軸とで第２の風力エネルギー変換機構が構成されており、上記第１の風力エネルギー変換機構は、エアー噴射部によって羽根板が回転するときに羽根板がプロペラフレームの回転中心から最も遠い位置に移動したときに最も外方に張り出す羽根板に発生する遠心力を利用してプロペラフレーム及び第１の動力取出し軸の回転エネルギーを増幅させるものであり、上記第２の風力エネルギー変換機構は、上記プロペラフレームの回転時に羽根板と従動羽根車との隙間に人工気流を発生させ且つ羽根板が従動羽根車の回転中心から最も離れた位置から最も近づいた位置に移動する際の人工気流の増幅を利用して従動羽根車及び第２の動力取出し軸の回転エネルギーを増幅させることを特徴とする風力エネルギー変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の風力エネルギー変換装置において、
上記固定ドラムの内周面に取り付けた固定子コイルと、プロペラフレームの回転中心から離れた先端側に上記固定子コイルと対向する位置に取り付けた界磁用磁石からなる回転子とで第３の風力エネルギー変換機構が構成され、回転子の回転によって固定子コイルに起電力が発生し、発生した起電力を導線を経て固定ドラムの外部に引き出してエアーポンプの電力として利用される。
【請求項５】
請求項４に記載の風力エネルギー変換装置において、
上記動力伝達機構は、回転シャフトの主軸と第１の動力取出し軸とを連結する複数のギア列からなり、回転シャフトの回転運動を上記複数のギア列を介して第１の動力取出し軸に伝達する。
【請求項６】
以下の構成を含む風力エネルギー変換装置であって、
動力取り出し軸を有するフレーム、前記動力取り出し軸は一対の支柱間に回転自在に保持される；
前記動力取り出し軸に接続される発電機；
前記フレームに取り付けられる少なくとも２つの軸受け手段を有し、各軸受け手段は回転シャフトを回転自在に保持する；
羽根軸と羽根軸周りに形成される複数の羽根とで構成される風受け手段；および一端で回転シャフトに接続され、他端で風受け手段の羽根軸に接続される連結部材：
しかるに、風が風受け手段にあたると風受け手段が連結手段とともに回転シャフト回りに回転し、回転シャフト周りの風受け手段と連結手段の回転力が、フレームを動力取り出し軸回りに回転させ、結果的に動力取り出し軸の回転が発電機を起動させて風力エネルギーを電気エネルギーに変換することを特徴とする風力エネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、風力エネルギーを効率よく他のエネルギーに変換することができる風力エネルギー変換装置に関するものである。
背景技術
従来、自然界のクリーンな風力エネルギーを電気エネルギーに変換するものとして風力発電が知られている。例えば、そのような風力発電が特開平５−２１５０６２号に記載されている。
さて、一般に風力エネルギーの供給は連続性、安定性に欠けることが指摘されている。また、風を利用して単にプロペラを回転させるものでは大きな発電量は期待できない。一方、その他の発電方法としては、原子力発電、火力発電、水力発電、太陽熱発電等がある。しかしながら、原子力発電や火力発電は、公害と地域住民不安の元凶となっており、さらに近未来における資源枯渇問題や環境問題、そして燃料輸送の安全性や経費が問題とされている。また、水力発電、太陽熱発電の場合は、地理や気候に制約されるといった問題が挙げられる。その他、最近では自動車の内燃機関の燃料源として燃料電池が注目されているが、燃料電池の水素源の貯蔵・輸送が困難であり、コストが高くつくという問題があるなど、多くの課題が残されている。
発明の開示
上記課題を解決するために、本発明者は、地球環境保全のためにはクリーンなエネルギーの研究開発が必須であるとの考えから、地球に普遍的に存在する大気及び重力の下で、低コストで、風力エネルギー（気流エネルギー）を効率よく別のエネルギー（特に、電気エネルギー）に変換する方法を見出して本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の風力エネルギー変換装置は、一対の支柱１４，１４間に回転自在に保持される回転架台２と、回転架台２の回転中心Ｍに水平に配置される動力取出し軸３と、動力取出し軸３に接続される発電機５と、回転架台２の動力取出し軸３から離れた両端２ａ側に設けられるクランク軸形状の一対の回転シャフト４，４と、回転シャフト４，４の回転運動を動力取出し軸３に伝達して回転架台２及び動力取出し軸３を一方向に回転させるための動力伝達機構６とを備えており、上記クランク軸形状の回転シャフト４，４は、羽根板８が設けられる羽根軸７と、羽根軸７の両端に連設される一対の垂直アーム９と、各垂直アーム９から羽根軸７と平行に且つ外方に向かって連出される一対の主軸１０とで構成され、風力によって羽根軸７が主軸１０を中心にして回転することにより回転架台２と共に動力取出し軸３が一方向に回転して発電機５のタービンを回転させると共に、上記回転シャフト４の回転時に、回転シャフト４の羽根軸７が動力取出し軸３から最も遠い位置に移動したときに、最も外方に張り出す主羽根板８Ａに発生する遠心力Ｆを利用して動力取出し軸３の回転エネルギーを増幅させ、さらに一対の回転シャフト４，４間に回転架台２の回転方向と逆方向に向かって動力取出し軸３を中心として回転する人工気流Ｇを発生させ、この人工気流Ｇを利用して各回転シャフト４，４の回転エネルギーを増幅させることを特徴とする。
このような構成することで、羽根軸７のクランク回転運動によって動力取出し軸３から新たなエネルギーを提供することができる。また、回転架台２の回転が安定すれば生成されたエネルギーを利用して羽根軸７を継続して回転させることもできる。また、クランク軸形状の回転シャフト４の回転時に、回転シャフト４の羽根軸７が動力取出し軸３から最も遠い位置に移動したときに、最も外方に張り出す主羽根板８Ａに発生する遠心力Ｆを利用して動力取出し軸３の回転エネルギーを増幅させるので、主羽根板８Ａに加わるモーメント荷重Ｗが最大となり、小さい風力エネルギー（気流エネルギー）で回転シャフト４に大きな回転トルクを発生させることができる。さらに、一対の回転シャフト４，４間に回転架台２の回転方向と逆方向に向かって動力取出し軸３を中心として回転する人工気流Ｇを発生させることができるので、この人工気流Ｇを利用して各回転シャフト４，４の回転エネルギーを更に増幅させることができる。つまり、回転架台２が一方向に大きな円運動を行ない、さらに一対の回転シャフト４がそれぞれ一方向に小さな円運動を行なう場合、一対の回転シャフト４，４で囲まれた小空間においては、一方の回転シャフト４の羽根板８の一方向の回転と他方の回転シャフト４の羽根板８の他方向の回転とによって進行方向が異なる正反対の２つの気流イ，ロが生じ、このとき一方向の気流イが他方の回転シャフト４の羽根板８に当たって小空間に閉じ込められ、逆に他方向の気流ロが一方の回転シャフト４の羽根板８に当たって小空間に閉じ込められることで、動力取出し軸３を中心として回転架台２の回転方向と反対回りに円運動を行なう新たな人工気流（乱気流）Ｇを発生させることができ、この新たに発生する人工気流Ｇによって、各回転シャフト４の羽根板８に対して新たな回転エネルギーが付与されることとなり、回転シャフト４の回転トルク及び回転架台２の回転トルクを、より一層、強大なものとすることができる。
また、上記回転架台２の両端２ａに回転シャフト４の羽根板８を回転させる送風ファン１１を設置した場合は、回転初期において羽根板８を人工的な風力エネルギー（気流エネルギー）によって回転させることができ、また一対の回転シャフト４，４と一対の送風ファン１１とによって回転架台２の重力バランスが良くなり、安定した回転運動を実現できる。さらに動力取出し軸３の両端にそれぞれ発電機５を接続した場合、動力取出し軸３の回転エネルギーをより効率良く電力エネルギーに変換できるようになり、大きなエネルギーを理論上取り出すことができる。
また本発明に係る風力エネルギー変換装置は、筒状の固定ドラム２７内に回転自在に収納される３枚羽根のプロペラフレーム２８と、プロペラフレーム２８の回転中心Ｍから離れた先端側に各々設けられるクランク軸形状の回転シャフト４と、回転シャフト４の主軸１０から屈曲形成された羽根軸７に取り付けられる羽根板８と、羽根板８に圧縮エアーを吹き付けて羽根板８を回転させるためのエアー噴射部４１と、プロペラフレーム２８の回転中心Ｍに設けられる第１の動力取出し軸２５と、回転シャフト４の回転運動を第１の動力取出し軸２５に伝達してプロペラフレーム２８と第１の動力取出し軸２５とを同一方向に回転させるための動力伝達機構６とで第１の風力エネルギー変換機構１５Ａが構成されており、上記プロペラフレーム２８の各羽根板８で囲まれた位置に各羽根板８と対向し且つ接触しないように回転自在に配置される従動羽根車２９と、従動羽根車２９の回転中心Ｎに設けられて従動羽根車２９の回転運動を固定ドラム２７の外部に取り出すための第２の動力取出し軸２６とで第２の風力エネルギー変換機構１５Ｂが構成されており、上記第１の風力エネルギー変換機構１５Ａは、エアー噴射部４１によって羽根板８が回転するときに羽根板８がプロペラフレーム２８の回転中心Ｍから最も遠い位置に移動したときに最も外方に張り出す羽根板８に発生する遠心力を利用してプロペラフレーム２８及び第１の動力取出し軸２５の回転エネルギーを増幅させるものであり、上記第２の風力エネルギー変換機構１５Ｂは、上記プロペラフレーム２８の回転時に羽根板８と従動羽根車２９との隙間に人工気流Ｇを発生させ且つ羽根板８が従動羽根車２９の回転中心Ｎから最も離れた位置から最も近づいた位置に移動する際の人工気流Ｇの増幅を利用して従動羽根車２９及び第２の動力取出し軸２６の回転エネルギーを増幅させることを特徴とする。
本構成によれば、第１の風力エネルギー変換機構１５Ａの羽根板８の遠心力を利用してプロペラフレーム２８の回転トルクを強大なものとすることができ、さらに、第２の風力エネルギー変換機構１５Ｂにおいてプロペラフレーム２８の回転運動と羽根板８自体の回転運動とによって羽根板８と従動羽根車２９との隙間に発生する人工気流Ｇを利用して従動羽根車２９の回転トルクを強大なものとすることができ、これにより第１及び第２の動力取出し軸２５，２６からそれぞれ大きな動力を取り出して発電機を駆動することが可能となる。また第２の風力エネルギー変換機構１５Ｂにおいてプロペラフレーム２８の回転運動と羽根板８自体の回転運動とによって、羽根板８と従動羽根車２９との隙間に発生する人工気流Ｇが大きくなり、この大きな人工気流Ｇが従動羽根車２９の回転エネルギーとなり、しかも、羽根板８は回転シャフト４の主軸１０回りに回転する際に、羽根板８が従動羽根車２９の回転中心Ｎから最も離れた位置から最も近づいた位置に移動することによって人工気流Ｇが一層増幅され、大きな人工気流Ｇが従動羽根車２９に加わり、従動羽根車２９の回転トルクを一層強大なものとすることができる。
また上記固定ドラム２７の内周面に取り付けた固定子コイル４２と、プロペラフレーム２８の回転中心Ｍから離れた先端側に上記固定子コイル４２と対向する位置に取り付けた界磁用磁石からなる回転子４３とで第３の風力エネルギー変換機構１５Ｃを構成し、プロペラフレーム２８の回転によって回転子４３が回転して固定子コイル４２に起電力が発生し、発生した起電力を導線４４を経て固定ドラム２７の外部に引き出してエアーポンプの電力として利用可能とするのが好ましい。この場合、初期のエアーポンプを駆動する電力エネルギーさえあれば、プロペラフレーム２８が回転を開始した後は、固定子コイル４２からの電力によってエアーポンプの動力をまかなうことができる。
また上記動力伝達機構６は、回転シャフト４の主軸１０と第１の動力取出し軸２５とを連結する複数のギア列４５〜４９からなり、回転シャフト４の回転運動を上記複数のギア列４５〜４９を介して第１の動力取出し軸２５に伝達するのが好ましく、この場合、回転シャフト４の回転運動を複数のギア列４５〜４９を用いて確実に第１の動力取出し軸２５に伝達できるようになる。
また、本発明は、以下の構成を含む風力エネルギー変換装置を提供する。すなわち、この風力エネルギー変換装置は、動力取り出し軸を有するフレーム、前記動力取り出し軸は一対の支柱間に回転自在に保持される；前記動力取り出し軸に接続される発電機；前記フレームに取り付けられる少なくとも２つの軸受け手段を有し、各軸受け手段は回転シャフトを回転自在に保持する；羽根軸と羽根軸周りに形成される複数の羽根とで構成される風受け手段；および一端で回転シャフトに接続され、他端で風受け手段の羽根軸に接続される連結部材とを有する。上記構成でなる風力エネルギー変換装置によれば、風が風受け手段にあたると風受け手段が連結手段とともに回転シャフト回りに回転し、回転シャフト周りの風受け手段と連結手段の回転力が、フレームを動力取り出し軸回りに回転させ、結果的に動力取り出し軸の回転が発電機を起動させて風力エネルギーを電気エネルギーに変換する。
本発明のさらなる特徴およびそれがもたらす効果は，以下に述べる発明の詳細な説明および実施例から理解されるだろう。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。
本実施形態の風力エネルギー変換装置１は、地球上の大気及び重力（万有引力）下で風力エネルギー（気流エネルギー）を増大させて新たなエネルギーを創生する風力エネルギー変換機構１５と、風力エネルギー変換機構１５にて創生されたエネルギーにより発電を行なう発電機５とで主体が構成されており、風力エネルギー変換機構１５から取り出したエネルギーを発電機５にて電気エネルギーに変換できるようになっている。
上記風力エネルギー変換機構１５は、図１に示すように、左右一対の支柱１４，１４間に回転架台２が回転自在に保持されている。回転架台２は、例えば四角形のフレーム１６で構成されている。回転架台２の中間部が回転中心Ｍとされ、この回転中心Ｍに沿って動力取出し軸３が水平に架設されており、動力取出し軸３は回転架台２と一体に回転するようになっている。動力取出し軸３の両端には軸受２２（図５）が設けられ、この軸受２２を介して動力取出し軸３は左右の支柱１４，１４に対して回転自在に保持されている。また、動力取出し軸３の両端には、左右一対の発電機５が接続されており、動力取出し軸３の両端からエネルギーを取り出して発電できるシステムとなっている。なお、発電機５として直流発電機、交流発電機のいずれであってもよい。また発電機５に代えてバッテリーであってもよい。
上記回転架台２の動力取出し軸３から離れた両端２ａ側には、クランク軸形状をした一対の回転シャフト４，４と、一対の送風ファン１１（人工送風器）とが設けられている。一対の回転シャフト４，４及び送風ファン１１は回転架台２の両端２ａに左右対称的に配置されている。以下、一方の回転シャフト４及び送風ファン１１について説明する。
上記クランク軸形状の回転シャフト４は、図７に示すように、８枚の羽根板８が放射状に取り付けられた羽根軸７と、羽根軸７の両端に連設される一対の垂直アーム９と、各垂直アーム９から羽根軸７と平行に且つ外方に向かって連出される一対の主軸１０とで一体に構成されている。一対の主軸１０は三角形状の支持フレーム１７（図３）を介して回転架台２のフレーム１６に対して支持されている。
図２に示す例では、回転シャフト４の羽根軸７には、８枚の羽根板８が取り付けられている。なお図２中の矢印Ａは後述する主羽根板８Ａの先端部の軌跡を示し、矢印Ｂは主羽根板８Ａ以外の他の羽根板８の軌跡を示している。各羽根板８は、それぞれ、横方向に長い面状体で構成されており、各羽根板８の側面形状は、円筒を縦半分に切って円周方向にずらした形をしたサボニウスタイプのものであり、風の圧力を受けると風を効果的に捕らえることができると同時に一方向のみに回転可能な流線形状をしている。なお羽根板８の数は８枚に限らず、設計により任意に増減することができる。
また、回転架台２の両端２ａに設置される一対の送風ファン１１は、一対の回転シャフト４，４に個別に対向して設けられ、一対の回転シャフト４，４を同一方向に回転させるものである。送風ファン１１としては業務用ドライヤー等を用いることができる。また、送風ファン１１の数は１つの回転シャフト４に対して１つ設置される場合には限られず、例えば２つ以上の送風ファン１１を１つの回転シャフト４に面して並べて設けることも可能である。また回転架台２の一端のみに送風ファン１１を設置することも可能であり、要するに少なくとも回転初期において羽根板８を人工的な風力エネルギーによって回転させるものであればよい。
次に、動力伝達機構６について説明する。動力伝達機構６は、クランク軸形状の回転シャフト４のクランク運動を動力取出し軸３に伝達して回転架台２及び動力取出し軸３を一方向に回転させるためのものであり、本例では、回転比を切り換え可能とする変速機構によって構成されている。図３に示すように、回転シャフト４の主軸１０にはスプロケット１２が一体に設けられている。また図４、図５に示すように、回転架台２のフレーム１６には中間伝導用のスプロケット２０が支軸２３に回転自在に保持されており、上記両スプロケット１２，２０間にはチェーン２１が巻回されている。そして、回転シャフト４が回転すると、スプロケット２０が回転し、チェーン２１を介して中間伝導用のスプロケット２０が回転するようになっている。さらにスプロケット２０には中間伝導用の小径のスプロケット２４が設けられ、スプロケット２４とスプロケット２０とが一体に回転するようになっている。さらに図６に示すように、中間伝導用の小径のスプロケット２４は従動ギヤ１９に噛合している。従動ギヤ１９は動力取出し軸３に固定されている。動力取出し軸３は軸受２２を介して支柱１４に回転自在に支持されている。従動ギヤ１９の全周にはギヤが設けられており、スプロケット２０の回転によりスプロケット２４が従動ギヤ１９の回りに回転して回転架台２と動力取出し軸３とが一方向に回転するようになっている。
次に本発明の風力エネルギー変換機構１５の原理を説明する。初期エネルギーは送風ファン１１による人工的な風力エネルギーを利用する。つまり、送風ファン１１からの風を羽根軸７に取り付けた羽根板８に当てると、羽根軸７が主軸１０の周囲を周期的に回転する。回転シャフト４が回転すると、回転シャフト４と一体化されたスプロケット２０が回転し、その回転運動がチェーン２１及びスプロケット２０，２４の動力伝達機構６を介して従動ギヤ１９に伝達され、従動ギヤ１９と一体化されている動力取出し軸３が回転すると共に、動力取出し軸３と一体化されている回転架台２が一方向（本例では時計回り方向）に回転し、動力取出し軸３の回転によって発電機５のタービンが回転する。
ここで、図８に示すように、クランク軸形状の回転シャフト４の羽根軸７が動力取出し軸３（図２）から最も遠い位置（図８のＡ１で示す位置）に移動したときには、最も外方に張り出す羽根板８（以下、「主羽根板８Ａ」という）において大きな遠心力Ｆが発生する。つまり、クランク回転時において、主羽根板８Ａの先端部８ａは、真円運動ではなく、図８のＡ１→Ａ１’→Ａ２→Ａ２’→Ａ３→Ａ３’→Ａ４→Ａ５で示すような略楕円運動を行なう。図９において主羽根板８Ａの先端部８ａの移動軌跡を概念的に示している。この場合において、送風ファン１１からの人工の風（或いは自然の風）が一定と仮定すると、動力取出し軸３から主羽根板８Ａの先端までの距離が最も長くなったとき（図８のＡ１で示す位置）は、主羽根板８Ａの先端部８ａに対して加わるモーメント荷重Ｗが最大となり、これにより、小さい風力エネルギー（気流エネルギー）で回転シャフト４に大きな回転トルクを発生させることができる。図８の例では、回転シャフト４の主軸１０の動きと羽根軸７の動きとをＡ１→Ａ１’→Ａ２→Ａ２’→Ａ３→Ａ３’→Ａ４→Ａ５にパターン分けしており、Ａ１からＡ５までが主羽根板８Ａの１回転であり、この主羽根板８Ａが１回転するときの主軸１０の動く角度（動力取出し軸３を中心とした角度）は２２．５°である。このことから、回転架台２が１回転したときには主羽根板８Ａは計１６回転することとなる。つまり、主羽根板８Ａの略楕円運動は、回転架台２が１回転する間に１６回繰り返されることとなり、小さな風力エネルギー（気流エネルギー）で回転シャフト４に大きな回転トルクが発生し、これにより動力取出し軸３において風力エネルギー（気流エネルギー）よりも増力された大きな回転エネルギーが創生されることとなる。なお主羽根板８Ａ以外の他の羽根板８に対しても風力エネルギーが与えられるため、主羽根板８Ａほどではないにしろ、各羽根板８の回転運動によって回転シャフト４に回転トルクが連続して発生することも重要である。
更に、本発明の風力エネルギー変換機構１５においては、一対の回転シャフト４，４間に回転架台２の回転方向と逆方尚に向かって回転する人工気流Ｇ（渦巻き状乱気流）が発生し、人工気流Ｇを利用して回転架台２を積極的に回転させることが重要である。つまり、図２に示すように、一対の回転シャフト４，４間には、回転架台２の回転方向と逆方向に向かって動力取出し軸３を中心として回転する人工気流Ｇが発生し、この人工気流Ｇを利用して各回転シャフト４，４の回転エネルギーを増幅させることができる。つまり、回転架台２が一方向（本例では時計回り方向）に大きな円運動を行ない、さらに一対の回転シャフト４，４がそれぞれ一方向（本例では時計回り方向）に小さな円運動を行なう場合、一対の回転シャフト４，４で囲まれた小空間においては、一方の回転シャフト４の羽根板８の一方向の回転と他方の回転シャフト４の羽根板８の他方向の回転とによって進行方向が異なる正反対の２つの気流イ、ロが生じることとなるが、本発明では、一方向の気流イが他方の回転シャフト４の羽根板８に当たって小空間に閉じ込められ、逆に他方向の気流ロが一方の回転シャフト４の羽根板８に当たって小空間に閉じ込められることにより、一対の回転シャフト４，４で囲まれた小空間において、動力取出し軸３を中心として反時計回りに円運動を行なう新たな人工気流Ｇ（渦巻き状乱気流）が発生することとなる。この新たに発生する人工気流Ｇによって、各回転シャフト４，４の羽根板８に対して新たな回転エネルギーが付与されることとなり、回転シャフト４の回転トルク及び回転架台２の回転トルクを、より一層、強大なものとすることができる。
更に加えて、本発明の風力エネルギー変換機構１５においては積極的に地球引力を利用していることが重要である。つまり、重力が普遍的に存在する条件下で、一定の風力エネルギー（気流エネルギー）を与えることにより、それを越える量のエネルギーを創生できる。つまり、回転架台２は地球重力の存在下で、図２に示すように、動力取出し軸３を中心に重力方向Ｐに回転するものであり、回転架台２の重力方向Ｐへの回転によって回転架台２の回転中心に設けた動力取出し軸３には大きな回転トルクが発生し、動力取出し軸３から強大な回転エネルギーを取り出すことができる。従って、主羽根板８Ａの楕円運動により創生されるエネルギーと、回転架台２の中心側に新たに発生する人工気流Ｇによるエネルギーと、回転架台２の重力方向Ｐの回転運動により創生されるエネルギーとが融合して動力取出し軸３からより強大なエネルギーを取り出すことが可能となるのである。
しかるに、本発明に係る風力エネルギー変換機構１５は、装置外部からの燃料やエネルギーの補給を必要としないで、軽微な力で回転架台２を強力に回転させることができると共に、動力取出し軸３から取り出した強大な回転エネルギーを利用して発電することが可能となる。しかも、地球上において大気及び重力は普遍的に存在するため、本発明の風力エネルギー変換装置１を設置する場所を考慮する必要が皆無であり、そのうえ気象や自然の変化に左右されることもなく、いつでも、どこでも、どんな時にでも自由にエネルギーを取り出すことができ、エネルギー革命を起こすことができる。その手始めとして原子力発電の問題を改善し、さらには地球規模の環境問題、資源問題、そしてエネルギー問題が解決に向かって大きく前進することとなる。また本発明の風力エネルギー変換装置１では、複雑な制御設備を一切必要としないため、構造が簡素であり、製作が容易であるという利点がある。
また、回転初期のみ送風ファン１１による人工的な風力エネルギーを与えて回転架台２を回転させ、回転架台２の回転が軌道に乗った後には新たに創生されたエネルギーを利用して送風ファン１１を駆動可能となる。つまり、送風ファン１１を駆動するとエネルギーを消費していくが、動力取出し軸３から取り出された回転エネルギーを電力に変えてバッテリーに充電していくことによって、送風ファン１１を回転させるエネルギーの一部をバッテリーから補充することが可能となる。しかも送風ファン１１としては業務用ドライヤーレベルの風力でよいため、ランニングコストを大幅に低減できる。また動力取出し軸３の両端に２個の発電機５，５を接続した場合は動力取出し軸３の回転エネルギーをより効率良く電力エネルギーに変換できるようになる。
また本発明の風力エネルギー変換装置１を隔離された屋内に設置した場合は送風ファン１１から人工的に送風を行なうことで、動力取出し軸３から取り出される回転エネルギーのすべてを発電や蓄電にまわすことができる。
更に他の実施形態として、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、動力取出し軸３と発電機５との間に複数の増速ギヤ列３０〜３２とチェーン列３３〜３５とを介在させることで、大きなエネルギーを理論上取り出すことができ、発電量増加を実現ができる。図１１Ａおよび図１１Ｂの例で説明すると、一段目の増速ギヤ３０が１回転するとチェーン３３を介して２段目の増速ギヤ３１が１０回転し、更にチェーン３４を介して３段目の増速ギヤ３２が１００回転し、更にチェーン３５を介して発電機５のタービン軸３６が８００回転する仕組みとなる。これにより、動力取出し軸３の回転エネルギーを強大なエネルギーに増力して、発電機５のタービンの単位時間当りの軸回転数を増加させることができ、巨大な電力を得ることができる。また発電機５に代えてバッテリーを接続することが可能であり、この場合、バッテリーの充電電流を送風ファン１１の駆動電源として利用可能となる。なお増速ギヤ列３０〜３２列とチェーン列３３〜３５の数、ギヤ比は適宜設計変更自在である。
また、図７の実施形態では、主羽根板８Ａと他の羽根板８とを同じ大きさとしているが、他の実施形態として図１０に示すように、主羽根板８Ａを他の羽根板８よりも外方に向かって更に寸法Ｄだけ大きく張り出す形状としてもよい。この場合、主羽根板８Ａが動力取出し軸３から最も遠い位置に移動したときには、動力取出し軸３から主羽根板８Ａの先端までの距離がＤだけ長くなり、これに伴い送風ファン１１から主羽根板８Ａに加わるモーメント荷重Ｗが更に大きくなり、これにより、小さい風力エネルギー（気流エネルギー）で回転シャフト４に更に大きな回転トルクを発生させることができる。
図１２乃至図１４は、本発明の他の実施形態であり、風力エネルギーから第１〜第３の風力エネルギー変換機構１５Ａ〜１５Ｃを用いて新たなエネルギーを創生する場合の一例を示している。第１の風力エネルギー変換機構１５Ａは、エアーポンプ（図示せず）からの圧縮エアーによって羽根板８を回転させ、羽根板８の回転運動を回転シャフト４で増幅して第１の動力取出し軸２５を回転させるものである。第２の風力エネルギー変換機構１５Ｂは、第１の風力エネルギー変換機構１５Ａの羽根板８と第２の風力エネルギー変換機構１５Ｂの従動羽根車２９との間に発生する人工気流Ｇを利用して従動羽根車２９の回転エネルギーを増幅して第２の動力取出し軸２６を回転させるものである。第３の風力エネルギー変換機構１５Ｃは、固定ドラム２７に取り付けた固定子コイル４２と、プロペラフレーム２８の回転中心Ｍから離れた先端側に取り付けた界磁用磁石からなる回転子４３とを備え、回転子４３の回転によって固定子コイル４２に起電力が発生し、発生した起電力を導線４４を経て固定ドラム２７の外部に引き出してエアーポンプの電力として利用するものである。
先ず第１の風力エネルギー変換機構１５Ａを説明する。第１の風力エネルギー変換機構１５Ａは、図１２、図１４に示すように、筒状の固定ドラム２７内に回転自在に収納される３枚羽根のプロペラフレーム２８と、プロペラフレーム２８の回転中心Ｍから離れた先端側に各々設けられるクランク軸形状の回転シャフト４と、回転シャフト４の主軸１０から屈曲形成された羽根軸７に取り付けられる羽根板８と、羽根板８に圧縮エアーを吹き付けて羽根板８を回転させるためのエアー噴射部４１と、プロペラフレーム２８の回転中心Ｍに設けられる第１の動力取出し軸２５と、回転シャフト４の回転運動を第１の動力取出し軸２５に伝達してプロペラフレーム２８と第１の動力取出し軸２５とを同一方向に回転させるための動力伝達機構６とで構成されており、エアー噴射部４１によって羽根板８が回転するときに羽根板８がプロペラフレーム２８の回転中心Ｍから最も遠い位置に移動したときに最も外方に張り出す羽根板８に発生する遠心力を利用してプロペラフレーム２８及び第１の動力取出し軸２５の回転エネルギーを増幅させるものである。
ここで、固定ドラム２７は、逆止弁５３を備えたエアー抜き部５２（図１２）を除いて密閉されている。固定ドラム２７内に収納される３枚羽根のプロペラフレーム２８は同じ羽根形状をしている。つまり、プロペラフレーム２８の各羽根部２８ａ，２８ｂ，２８ｃは、それぞれ、左右一対の側枠５４と下枠５５と上枠５６とが一体形成された四角枠状をしており、一方の側枠５４の回転中心Ｍに第１の動力取出し軸２５が一体に取り付けられている。第１の動力取出し軸２５は、固定ドラム２７の軸方向Ｑ（図１２の左右方向）の一端に回転自在に支持されている。固定ドラム２７の外部の両側方にはそれぞれ発電機５（図１）が配置され、第１の動力取出し軸２５が一方の発電機５に接続され、後述する第２の動力取出し軸２６が他方の発電機５に接続され、各動力取出し軸からの回転エネルギーを取り出して発電できるシステムとなっている。なお、発電機として直流発電機、交流発電機のいずれであってもよい。また発電機に代えてバッテリーであってもよい。
上記プロペラフレーム２８の各羽根部２８ａ，２８ｂ，２８ｃの回転中心Ｍから離れた両端側には、それぞれ、クランク軸形状の一対の回転シャフト４が回転自在に軸支されている。各回転シャフト４は、羽根板８が設けられる羽根軸７と、羽根軸７の両端に連設される一対の垂直アームと、各垂直アームから羽根軸７と平行に且つ外方に向かって連出される一対の主軸１０とからなる。本例では、図１４に示すように、プロペラフレーム２８の各羽根部２８ａ，２８ｂ，２８ｃに各々２本ずつ、計６本の回転シャフト４が設けられており、各回転シャフト４ごとに羽根板８が取り付けられている。
上記回転シャフト４の主軸１０と第１の動力取出し軸２５の間には、図１２、図１３に示すように、複数のギア列４５〜４９からなる動力伝達機構６が介在されている。ここで、回転シャフト４の主軸１０に駆動ギア４５が取り付けられ、第１の動力取出し軸２５に従動ギア４９が取り付けられ、駆動ギア４５と従動ギア４９との間には、複数段（本例では３段）のフリーギア４６〜４８が介在されている。本例では、駆動ギア４５と１段目の中型フリーギア４６と２段目の大型フリーギア４７とが上下に噛み合い、２段目の大型フリーギア４７と３段目の小型フリーギア４８とが横に連結され、３段目のフリーギア４８と従動ギア４９が上下に噛み合っている。そして、回転シャフト４の回転運動がギア列４５〜４９を介して、第１の動力取出し軸２５に伝達され、第１の動力取出し軸２５が一方向に回転すると共に第１の動力取出し軸２５と一体のプロペラフレーム２８も同方向に回転するようになっている。なお、図１２、図１３中の５０はギア列４６〜４９を支持する枠であり、図１２中の５１は従動ギア４９とプロペラフレーム２８の側枠５４との間に介在される座板である。また図１３の例では、プロペラフレーム２８の各羽根部２８ａ，２８ｂ，２８ｃに各々２個、計６個の動力伝達機構６を使用しているが、これら動力伝達機構６をすべてプロペラフレーム２８の一側方に寄せて配置するのではなく、隣り合う動力伝達機構６をプロペラフレーム２８の一側方と他側方に分散して配置しており、これにより動力伝達機構６の荷重バランスを良好なものとしている。なお動力伝達機構６を構成するギヤ列４５〜４９の数や、ギヤ比は適宜設計変更自在である。
上記羽根板８を回転させるためのエアー噴射部４１は、プロペラフレーム２８の側枠５４における羽根板８との対向面に設けられられている。このエアー噴射部４１は第１の動力取出し軸２５の内部からプロペラフレーム２８の側枠５４の内部に沿って形成された中空状のエアー導入通路５７に連通しており、エアーポンプからの圧縮エアーがエアー導入通路５７を介してエアー噴射部４１から図７の矢印Ｅで示す方向に向かって噴射し、羽根板８はそのエアー圧力によって図１３の矢印Ｈで示す方向に回転する仕組みとなっている。本例では、プロペラフレーム２８の各羽根部２８ａ，２８ｂ，２８ｃの両端部にそれぞれエアー噴射部４１を設け、プロペラフレーム２８に取り付けられるすべての羽根板８をエアー圧力によって回転させるようにしている。
第１の風力エネルギー変換機構１５Ａの原理を説明すると、初期エネルギーはエアーポンプからの人工的な圧縮エアーを利用する。先ず、エアーポンプを駆動して圧縮エアーをエアー導入通路５７に導入し、プロペラフレーム２８の側枠５４に設けたエアー噴射部４１から羽根板８に向かって噴射させることで羽根板８を回転させる。このとき羽根板８の回転によってクランク軸形状の回転シャフト４が主軸１０を中心に回転する。このとき固定ドラム２７の内部は、逆止弁５３付きエアー抜き部５２を除いて密閉されているため、エアーポンプからの圧縮エアーを無駄なく羽根板８の回転エネルギーに変換することができる。また、各羽根板８は回転シャフト４の主軸１０の回りに回転し、この主軸１０の回転力は動力伝達機構６を介して第１の動力取出し軸２５に伝達され、第１の動力取出し軸２５が一方向に回転すると同時に第１の動力取出し軸２５と一体化されている回転シャフト４が同方向に回転する。このとき前記図８で説明したように、羽根軸７がプロペラフレーム２８の回転中心Ｍから最も遠い位置に移動したときに、最も外方に張り出す羽根板８において大きな遠心力が発生し、この遠心力を利用してプロペラフレーム２８の回転エネルギーが増幅される。また本例では、３枚羽根のプロペラフレーム２８の各羽根部２８ａ，２８ｂ，２８ｃに計６個の回転シャフト４を設け、各回転シャフト４にそれぞれ羽根板８を設けたので、各羽根板８において発生する遠心力がより増幅されてプロペラフレーム２８に大きな回転トルクを発生させることができる。これによりプロペラフレーム２８の回転中心Ｍに取り付けた第１の動力取出し軸２５において、エアー噴射部４１から噴射された風力エネルギーよりも増力された大きな回転エネルギーが創生されることとなり、第１の動力取出し軸２５から大きな動力を取り出して第１発電機を駆動することができる。またここにおいて、第１の動力取出し軸２５と発電機との間に図１１Ａおよび図１１Ｂに示した複数の増速ギヤ列３０〜３２とチェーン列３３〜３５とを介在させることで、より大きなエネルギーを理論上取り出すことができる。
更に、上記第１の風力エネルギー変換機構１５Ａにおいては、上記羽根板８の遠心力を利用することに加えて、積極的に地球引力を利用していることも重要である。つまり、重力が普遍的に存在する条件下で、一定の風力エネルギー（気流エネルギー）を与えることにより、それを越える量のエネルギーを創生できる。つまり、プロペラフレーム２８は地球重力の存在下で、第１の動力取出し軸２５を中心に重力方向に回転するものであり、プロペラフレーム２８の重力方向への回転によってその回転中心Ｍに設けた第１の動力取出し軸２５には大きな回転トルクが発生し、動力取出し軸の回転エネルギーを増幅させることができる。
この結果、上記羽根板８の遠心力により創生される回転エネルギーと、プロペラフレーム２８の重力方向の回転運動により創生される重力エネルギーとが融合して第１の動力取出し軸２５からより強大なエネルギーを取り出すことが可能となるのである。また、３枚羽根のプロペラフレーム２８の各羽根部２８ａ，２８ｂ，２８ｃに回転シャフト４及び羽根板８をバランス良く取り付けたので、プロペラフレーム２８の重力バランスが良くなり、安定した回転運動を実現できるという利点もある。
次に、第２の風力エネルギー変換機構１５Ｂは、上記プロペラフレーム２８に設けた各羽根板８で囲まれた位置に各羽根板８と対向し且つ接触しないように回転自在に配置される従動羽根車２９と、従動羽根車２９の回転中心Ｎに設けられて従動羽根車２９の回転運動を固定ドラム２７の外部に取り出すための第２の動力取出し軸２６とで構成されている。ここでは、第２の動力取出し軸２６は、上記第１の動力取出し軸２５と同軸方向Ｑに配置されている。第１の動力取出し軸２５の一端は固定ドラム２７の軸方向Ｑの一端２７ａ（図１２の左側）に回転自在に軸支され、第２の動力取出し軸の一端は固定ドラム２７の軸方向Ｑの他端２７ｂ（図１２の右側）に回転自在に軸支されている。また第２の動力取出し軸２６の他端２５ａは上記第１の動力取出し軸２５の他端２６ａの内側に挿入されて回転自在に軸支されている。これにより第１及び第２の動力取出し軸２５，２６は同軸方向に接続された状態で互いに反対方向に回転可能となっている。
第２の風力エネルギー変換機構１５Ｂの原理を説明する。エアーポンプからの圧縮エアーは、プロペラフレーム２８の回転に寄与する以外に、第２の風力エネルギー変換機構１５Ｂの従動羽根車２９の回転にも寄与することとなる。つまり、プロペラフレーム２８が回転すると、プロペラフレーム２８に設けた各羽根板８と従動羽根車２９との隙間に人工気流Ｇ（図１４に示す渦巻き状乱気流）が発生して、人工気流Ｇが従動羽根車２９の受風面に当たって従動羽根車２９をプロペラフレーム２８と反対方向に回転させる。このとき、プロペラフレーム２８の回転運動と羽根板８自体の回転運動とによって、羽根板８と従動羽根車２９との隙間に発生する人工気流Ｇが増幅されて従動羽根車２９の回転エネルギーを増幅させる。しかも、羽根板８は回転シャフト４の主軸１０回りに回転しているので、羽根板８が図１４の矢印Ｒで示すように、従動羽根車２９の回転中心Ｎから最も離れた位置から最も近づいた位置に移動することによって人工気流Ｇが、より一層、増幅されることとなる。またここにおいて、３枚羽根のプロペラフレーム２８の各羽根部２８ａ，２８ｂ，２８ｃに６個の回転シャフト４をバランス良く取り付け、各回転シャフト４にそれぞれ羽根板８を設けているので、大きな人工気流Ｇがバランス良く従動羽根車２９に加わることとなり、さらに加えて、隣接する羽根板８，８間の隙間は狭くなっているため、人工気流Ｇは羽根板８と従動羽根車９の隙間にとじ込められて、従動羽根車２９を回転させるエネルギーに効率良く変換されるようになり、結果、従動羽根車２９は強大なエネルギーで回転することとなる。そのうえ固定ドラム２７は逆止弁５３付きエアー抜き部５２を除いて密閉されているため、各羽根板８と従動羽根車２９との間に発生する人工気流Ｇが固定ドラム２７の外部に抜けることがなく、人工気流Ｇは従動羽根車２９の受風面を押し続けるようになり、人工気流Ｇを従動羽根車２９の回転エネルギーに効率良く変換できるようになり、この結果、従動羽根車２９の回転トルクが一層強大となり、第２の動力取出し軸２６から大きな動力を取り出すことができるものである。またここにおいて、第２の動力取出し軸２６と発電機との間に図１１Ａおよび図１１Ｂに示した複数の増速ギヤ列３０〜３２とチェーン列３３〜３５とを介在させることで、より大きなエネルギーを理論上取り出すことができる。
次に、第３の風力エネルギー変換機構１５Ｃは、固定ドラム２７の内周面に等間隔をあけて取り付けられた複数の固定子コイル４２と、プロペラフレーム２８の回転中心Ｍから離れた先端側に上記固定子コイル４２と対向する位置に取り付けられた界磁用磁石からなる複数の回転子４３とを備えており、プロペラフレーム２８の回転によって回転子４３が回転して固定子コイル４２に起電力が発生し、発生した起電力を導線４４を経て固定ドラム２７の外部に引き出してエアーポンプの電力として利用するものである。つまり、プロペラフレーム２８の回転運動を有効利用して電力を自家発電させ、発電した電気エネルギーをフィードバッグしてエアーポンプの電力として利用することで、エアーポンプの必要電力を大幅に節約することができ、経済的な効果が一層大きくなる。なお、発電した電力を蓄電器に蓄電して、エアーポンプ以外の他の電力に用いることも可能である。
上記のように、本発明の風力エネルギー変換装置１にあっては、初期のエアーポンプを駆動する電力エネルギーさえあれば、プロペラフレーム２８が回転を開始した後は、第１の動力取出し軸２５及び第２の動力取出し軸２６によって発電を開始することができ、さらに固定子コイル４２からの電力によってエアーポンプの動力をまかなうことができるので、クリーンエネルギーを利用した発電を効率良く実現できるものである。また従来の風力発電のように自然の風ではなく、エアーポンプからの人工の圧縮エアーを利用しており、しかも全ての風力エネルギーを確実に利用できるので、発電能力にムラが発生することもなく、安定良く発電できるものである。
なお、図１４の例では、３枚羽根のプロペラフレーム２８を例示しているが、プロペラフレーム２８の羽根枚数は特に問わず、２枚以下、或いは４枚以上であってもよい。
また、図１２乃至図１４の実施形態では、固定ドラム２７を横置きにして第１及び第２の動力取出し軸２５，２６をそれぞれ水平軸としたが、必ずしもこれに限らず、固定ドラム２７を縦置きにして第１及び第２の動力取出し軸２５，２６をそれぞれ垂直軸としてもよい。縦置きにした場合は、第１及び第２の動力取出し軸２５，２６と軸受け部との間の抵抗はスラスト抵抗だけとなり、横置きの場合のラジアル抵抗と比較して荷重バランスを良好にできるという利点がある。
本発明の風力エネルギー変換装置１は、大型のものでは発電所に設置して各家庭の発電システムとして利用できるものであり、小型のものでは電気自動車や水上において人の輸送に使用される船舶に搭載して発電システムとして利用できるものであり、その利用範囲は無限の可能性を秘めている。その一例として、軽量で且つ小さな体積の風力エネルギー変換装置１を打上ロケットの貨物室の中に入れて打ち上げて宇宙空間で使用することが可能となり、しかも使用時には大型構造物に展開する必要がないために、宇宙空間での使用に最適なものとなる。
産業上の利用可能性
このように、本発明の風力エネルギー変換装置によれば、供給される風力エネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。原料である核燃料の管理および度重なる事故によって安全性が疑問視されている原子力発電や石炭や石油などの限りある地球資源を消費しつづける火力発電にとってかわり、次世代のクリーンなエネルギー生成方法として近年脚光を浴びている風力発電ではあるが、これまでエネルギー変換効率と建設費用の観点から強い風が比較的安定して吹く場所にその利用が限定されていた。しかしながら、本発明によれば、その改善されたエネルギー変換効率と比較的安価に実現できる構造とによって、さらに多くの場所での風力発電の利用が可能になるだろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態の一例を示す正面図である。
図２は、同上の風力エネルギー変換機構を説明する側面図である。
図３は、同上の回転シャフトの一部破断側面図である。
図４は、同上の動力伝達機構の説明図である。
図５は、同上の動力伝達機構の説明図である。
図６は、同上の動力伝達機構の説明図である。
図７は、同上のクランク軸形状の回転シャフトの斜視図である。
図８は、同上の主羽根板の先端部の移動軌跡の説明図である。
図９は、同上の主羽根板の先端部の移動軌跡の概念図である。
図１０は、同上の回転シャフトの他の実施形態の説明図である。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、動力取出し軸と発電機との間に複数の増速ギヤ列とチェーン列とを介在させて、発電量を増加させる場合の一例を示す図である。
図１２は、本発明の他の実施形態の第１乃至第３の風力エネルギー変換機構を備えた場合を説明する一部省略した正面断面図である。
図１３は、同上の動力伝達機構を説明する側面図である。
図１４は、図１２の側面断面図である。
【図１】
2003081034.tif 000003
【図２】
2003081034.tif 000004
【図３】
2003081034.tif 000005
【図４】
2003081034.tif 000006
【図５】
2003081034.tif 000007
【図６】
2003081034.tif 000008
【図７】
2003081034.tif 000009
【図８】
2003081034.tif 000010
【図９】
2003081034.tif 000011
【図１０】
2003081034.tif 000012
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
2003081034.tif 000014
【図１２】
2003081034.tif 000015
【図１３】
2003081034.tif 000016
【図１４】
2003081034.tif 000017
【国際調査報告】
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2003081034.tif 000019