(57)【要約】  流体の作用を利用して発電を行う流体発電装置であって、複数の発電機構を備える。各発電機構は、内側を流体が流れるケーシングと、ケーシングの内側に設けられて流体の作用を利用して発電する発電部とを有する。ケーシングは、流体の流出口の周囲に渦を形成するものである。複数のケーシングは、隙間を隔てて配置されている。各ケーシングにより流体の流出口の周囲に渦が形成される。さらに、隙間を隔てて配置された複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉する。これにより、各発電機構による内部流れの増速作用の相乗的な作用を得ることができる。
2016076425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の作用を利用して発電を行う流体発電装置における流体発電方法であって、
前記流体発電装置は、複数の発電機構を備え、
前記各発電機構は、内側を流体が流れるケーシングと、前記ケーシングの内側に設けられて流体の作用を利用して発電する発電部とを有し、
前記ケーシングは、流体の流出口の周囲に渦を形成する形状を有し、
複数の前記ケーシングは、隙間を隔てて配置されるものであり、
前記各ケーシングにより流体の流出口の周囲に渦が形成され、前記隙間を隔てて配置された前記複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉するステップを含む流体発電方法。
【請求項２】
前記流体発電装置は、少なくとも、第１発電機構、第２発電機構、及び、第３発電機構を備え、
前記第１発電機構、前記第２発電機構及び前記第３発電機構は、直線上になく、前記第１発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間は、前記第１発電機構と前記第２発電機構の前記ケーシングの隙間及び前記第２発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間よりも広いものである、請求項１記載の流体発電方法。
【請求項３】
前記流体発電装置は、少なくとも、第１発電機構、第２発電機構、及び、第３発電機構を備え、
前記第１発電機構、前記第２発電機構及び前記第３発電機構は、順に直線上に存在して、前記第１発電機構と前記第２発電機構との間及び前記第２発電機構及び前記第３発電機構の間では渦の干渉をさせ、前記第１発電機構と前記第３発電機構の間では渦の干渉をさせない、請求項１記載の流体発電方法。
【請求項４】
前記流体発電装置は、少なくとも、第１発電機構、第２発電機構、及び、第３発電機構を備え、
前記第１発電機構と前記第２発電機構の前記ケーシングの隙間、前記第２発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間、及び、前記第１発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間は等しい、請求項１記載の流体発電方法。
【請求項５】
前記複数の発電機構の一部又は全部は、鉛直方向の所定軸回りに回転可能に配置され、
前記流体発電装置は、前記所定軸を挟んで対向する側に配置される一対の発電機構のうちの一方の発電機構と他方の発電機構の前記発電部の負荷を異ならせる制御部を備える、請求項１から４のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項６】
前記ケーシングは、流体の流出口の周囲に渦を形成する鍔部を備える、請求項１から５のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項７】
前記各ケーシング内を流れる流体の内部流れの向きは、略並行である、請求項１から６のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項８】
前記ケーシングは、該ケーシングの流体の流出口の周囲に渦を形成して該ケーシング内を流れる流体の内部流れの速度を増加させるものであり、
前記ステップにおいて、前記隙間を隔てて配置された複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉して、前記各ケーシングの流体の内部流れの速度が、干渉がない状態よりも増加する、請求項１から７のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項９】
前記発電部は、
回転軸回りに回転するロータ、及び／又は、
固定軸に固定されたコイルと、前記コイルの外周側に配置されてブレードの回転に応じて回転する磁石とを有するアウタロータ発電機、が設けられたロータを備え、更に、前記固定軸の軸方向前後端と前記ケーシングとの間に架設された複数のスポークを備える、請求項１から８のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項１０】
前記流体発電装置は、複数の前記発電機構を囲繞するケーシング部材をさらに備える、請求項１から９のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項１１】
前記隙間は、前記ケーシングの最大外形寸法の０．０５〜１．５倍である、請求項１から１０のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項１２】
流体の作用を利用して発電を行う流体発電装置であって、
複数の発電機構を備え、
前記各発電機構は、内側を流体が流れるケーシングと、前記ケーシングの内側に設けられて流体の作用を利用して発電する発電部とを有し、
前記ケーシングは、流体の流出口の周囲に渦を形成する形状を有し、
複数の前記ケーシングは、隙間を隔てて配置され、前記各ケーシングにより流体の流出口の周囲に渦が形成され、前記隙間を隔てて配置された前記複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉する、流体発電装置。
【請求項１３】
前記隙間は、前記ケーシングの最大外形寸法の０．０５〜１．５倍である、請求項１１記載の流体発電装置。
【発明の詳細な説明】
【参照による取り込み】
【０００１】
本出願は、２０１４年１１月１４日に出願された日本特許出願特願２０１４−２３１９３２の優先権を主張し、その内容を参照することにより、本出願に取り込む。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、流体の作用を利用して発電を行う流体発電方法及び流体発電装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
流体発電装置は、流体の作用を利用した発電（流体発電）を行う。流体の作用は、例えば風力や潮流などである。【０００４】
発明者らは、風を受けて回転するロータとしての風車（羽根車）と、風の流出口の周囲に渦を形成するケーシングとを有する風力発電装置を研究開発してきた（例えば特許文献１及び２など参照）。さらに、レンズ風車（登録商標）などにより実用化してきた。【０００５】
また、風力発電装置として、複数の風車を備えたいわゆるマルチロータシステムが提案されている。一般的なマルチロータシステムでは、複数の風車が互いに干渉しないように所定の配置で組み上げられている。特許文献３には、マルチロータシステムの例が記載されている。特許文献３には、所定の回転軸の前端部に接続された羽根車と、羽根車の周囲を囲む円筒状ダクトとを含む風力発電のユニット構成の集合体として、複数のユニット構成が地表に設置された支柱の両側に対称的に配置された構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４７３６００３号公報
【特許文献２】特許第５０３０１２２号公報
【特許文献３】特開２００３−９７４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
風力エネルギーは、クリーンエネルギー源として最もポテンシャルが大きく、注目されている。風車による出力を増大させて十分な発電量を得るため、風車を超大型化（巨大化）することが世界的な主流となっている。具体的には、１００メートル以上の直径を有し、数メガワット級の電力を出力する風車が開発されている。しかしながら、風車が大型化するにつれてコストパフォーマンスが悪化したり、故障が多くなったりする。また、風車の超大型化は、風車騒音（空力騒音）の増大、バードストライクの危険性の増大、巨大過ぎるスケールや尖ったブレードによる景観性の低下等といった社会問題を伴う。そのため、巨大な風車は、近辺住民に受け入れられにくく、設置しにくいという問題がある。【０００８】
マルチロータシステムでは、風車の超大型化に伴う問題がある程度解消されると考えられる。しかしながら、一般的なマルチロータシステムによれば、その全体出力が単体風車の出力の集合数倍になるだけである。つまり、風車の集合数をｎ個とした場合、システム全体の合計出力は、単体風車の出力のｎ倍になる。例えば、特許文献１に記載されているように円筒状ダクト付の羽根車を集合配置させた構成によれば、風の進路に対して円筒状ダクトが壁のような存在として作用し、羽根車の上流側で圧力上昇が起こり、風の流れが妨げられると考えられる。このため、特許文献３に記載の構成の場合、システム全体の合計出力は、単体風車の出力のｎ倍よりも小さくなると考えられる。なお、仮にマルチロータシステムを改良して増加したとしても、せいぜい１−３％程度である。【０００９】
このように、従来のマルチロータシステムの全体出力は、各単体風車の出力の合計程度となるにすぎない。このため、従来のマルチロータシステムによれば、効率的な発電を行うことが難しく、超大型の風車による出力に匹敵するような大出力を得ることが実質的に困難である。【００１０】
このような問題は、流体の作用を利用した流体発電装置に広く認められる。【００１１】
本発明は、上述のような事情のもとになされたものであり、複数の発電機構を利用して効率的な大出力化を図ることができる流体発電方法等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明の第１の観点は、流体の作用を利用して発電を行う流体発電装置における流体発電方法であって、前記流体発電装置は、複数の発電機構を備え、前記各発電機構は、内側を流体が流れるケーシングと、前記ケーシングの内側に設けられて流体の作用を利用して発電する発電部とを有し、前記ケーシングは、流体の流出口の周囲に渦を形成する形状を有し、複数の前記ケーシングは、隙間を隔てて配置されるものであり、前記各ケーシングにより流体の流出口の周囲に渦が形成され、前記隙間を隔てて配置された前記複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉するステップを含むものである。【００１３】
本願発明の第２の観点は、第１の観点の流体発電方法であって、前記流体発電装置は、少なくとも、第１発電機構、第２発電機構、及び、第３発電機構を備え、前記第１発電機構、前記第２発電機構及び前記第３発電機構は、直線上になく、前記第１発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間は、前記第１発電機構と前記第２発電機構の前記ケーシングの隙間及び前記第２発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間よりも広いものである。【００１４】
本願発明の第３の観点は、第１の観点の流体発電方法であって、前記流体発電装置は、少なくとも、第１発電機構、第２発電機構、及び、第３発電機構を備え、前記第１発電機構、前記第２発電機構及び前記第３発電機構は、順に直線上に存在して、前記第１発電機構と前記第２発電機構との間及び前記第２発電機構及び前記第３発電機構の間では渦の干渉をさせ、前記第１発電機構と前記第３発電機構の間では渦の干渉をさせないものである。【００１５】
本願発明の第４の観点は、第１の観点の流体発電方法であって、前記流体発電装置は、少なくとも、第１発電機構、第２発電機構、及び、第３発電機構を備え、前記第１発電機構と前記第２発電機構の前記ケーシングの隙間、前記第２発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間、及び、前記第１発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間は等しいものである。【００１６】
本願発明の第５の観点は、第１から第４のいずれかの観点の流体発電方法であって、前記複数の発電機構の一部又は全部は、鉛直方向の所定軸回りに回転可能に配置され、前記流体発電装置は、前記所定軸を挟んで対向する側に配置される一対の発電機構のうちの一方の発電機構と他方の発電機構の前記発電部の負荷を異ならせる制御部を備えるものである。【００１７】
本願発明の第６の観点は、第１から第５のいずれかの観点の流体発電方法であって、前記ケーシングは、流体の流出口の周囲に渦を形成する鍔部を備えるものである。【００１８】
本願発明の第７の観点は、第１から第６のいずれかの観点の流体発電方法であって、前記各ケーシング内を流れる流体の内部流れの方向は、略並行である。【００１９】
本願発明の第８の観点は、第１から第７のいずれかの観点の流体発電方法であって、前記ケーシングは、該ケーシングの流体の流出口の周囲に渦を形成して該ケーシング内を流れる流体の内部流れの速度を増加させるものであり、前記ステップにおいて、前記隙間を隔てて配置された複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉して、前記各ケーシングの流体の内部流れの速度が、干渉がない状態よりも増加するものである。【００２０】
本願発明の第９の観点は、第１から第８のいずれかの観点の流体発電方法であって、前記発電部は、回転軸回りに回転するロータ、及び／又は、固定軸に固定されたコイルと、前記コイルの外周側に配置されてブレードの回転に応じて回転する磁石とを有するアウタロータ発電機、が設けられたロータを備え、更に、前記固定軸の軸方向前後端と前記ケーシングとの間に架設された複数のスポークを備えるものである。【００２１】
本願発明の第１０の観点は、第１から第９のいずれかの観点の流体発電方法であって、前記流体発電装置は、複数の前記発電機構を囲繞するケーシング部材をさらに備える。【００２２】
本願発明の第１１の観点は、第１から第１０のいずれかの観点の流体発電方法であって、前記隙間は、前記ケーシングの最大外形寸法の０．０５〜１．５倍である。【００２３】
本願発明の第１２の観点は、流体の作用を利用して発電を行う流体発電装置であって、複数の発電機構を備え、前記各発電機構は、内側を流体が流れるケーシングと、前記ケーシングの内側に設けられて流体の作用を利用して発電する発電部とを有し、前記ケーシングは、流体の流出口の周囲に渦を形成する形状を有し、複数の前記ケーシングは、隙間を隔てて配置され、前記各ケーシングにより流体の流出口の周囲に渦が形成され、前記隙間を隔てて配置された前記複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉するものである。【００２４】
本願発明の第１３の観点は、第１２の観点の流体発電装置であって、前記隙間は、前記ケーシングの最大外形寸法の０．０５〜１．５倍である。
【発明の効果】
【００２５】
本願発明の各観点によれば、複数の発電機構を用いることにより、大幅な軽量化、コストの低減、メンテナンス性の向上及び設備利用率の向上を図ることができる。さらに、各発電機構は、流体の流出口の周囲に渦を形成するものであり、これらの発電機構を隙間を隔てて配置させて、複数の発電機構により形成された渦が干渉することにより、従来のマルチロータシステムとは異なり、複数の発電機構による相乗的な作用を得て、効率的な大出力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の構成を示す背面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の構成を示す正面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るロータ機構の構成を示す正面側からの斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るロータ機構の構成を示す背面側からの斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るロータ機構の構成を示す縦断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係るロータ機構の作用についての説明図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る複数のロータ機構の配置態様を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の隣り合うロータ機構間の隙間の寸法と全体出力の測定値との関係の一例を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る風力発電装置の構成を示す正面側からの斜視図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る風力発電装置の構成を示す背面側からの斜視図である。
【図１１】本発明の各実施形態に係る風胴体の変形例を示す図である。
【図１２】本発明の各実施形態に係る複数のロータ機構の配置態様の変形例を示す図である。
【図１３】本発明の各実施形態に係る複数のロータ機構の配置態様の他の変形例を示す図である。
【図１４】本発明の各実施形態に係る複数のロータ機構の配置態様の他の変形例を示す図である。
【図１５】本発明の各実施形態に係る３個のロータ機構の配置態様を一般化した例を示す図である。
【図１６】図１５に示す配置態様における角度と全体出力の測定値との関係の比較例を示す図である。
【図１７】本発明の第３実施形態に係る風力発電装置の構成を示す正面図である。
【図１８】本発明の第４実施形態に係るロータ機構の構成を示す正面図である。
【図１９】本発明の第５実施形態に係る風力発電装置の構成を示す正面側からの斜視図である。
【図２０】本発明の第５実施形態に係る風力発電装置の構成を示す背面側からの斜視図である。
【図２１】本発明の第５実施形態に係るロータ機構の構成を示す縦断面図である。
【図２２】本発明の第６実施形態に係る風力発電装置の構成概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本願発明は、風力や潮流等の流体の作用を利用して発電を行う流体発電装置において、ケーシングとケーシング内に設けられた発電部とを有する発電機構を複数備えたシステムを採用し、ケーシングの形状及び複数の発電機構の配置態様を工夫することにより、複数の発電機構を用いるメリットを享受するとともに、流体の流出口の周囲に渦を形成する発電機構を複数用いることによる相乗効果を得ることを可能とし、効率的な発電を実現しようとするものである。以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
以下に説明する本発明の実施の形態では、本願発明に係る流体発電装置として、風力の作用を利用して発電を行う風力発電装置を例にとって説明する。ただし、本願発明に係る流体発電装置は、例えば、潮流の作用を利用して発電を行う潮流発電装置や、海流、河川の流水を利用した水力発電装置など、流体の作用を利用して発電を行う発電装置として適用することが可能である。
【００２９】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態について説明する。図１及び図２に示すように、本実施形態に係る風力発電装置１は、風力の作用を利用して発電を行うための複数のロータ機構５を備え、マルチロータシステムとしての集合風車を構成する。すなわち、本実施形態の風力発電装置１は、３つのロータ機構５を備える。ロータ機構５は、風力発電装置１において、基本ユニットとしての風車を構成し、所定の配置態様で集合配置される。
【００３０】
ロータ機構５は、ケーシングとしての風胴体２０と、風胴体２０内に設けられたロータとしての羽根車３０とを有する。ロータ機構５は、自然界の風の流れを利用して羽根車３０を回転させることで、羽根車３０の回転エネルギー（運動エネルギー）を発電機によって電気エネルギーに変換し、発電を行う。
【００３１】
風力発電装置１が備える３つのロータ機構５は、地表面上に設けられた支持台等により構成される所定の設置面２上に立設された支柱３により、所定の配置態様で支持される。本実施形態では、３つのロータ機構５は、構成及び大きさを互いに共通とする。
【００３２】
本実施形態の風力発電装置１における３つのロータ機構５の配置態様について説明する。３つのロータ機構５は、羽根車３０の回転軸の軸方向（以下「ロータ軸方向」という。）が略平行方向であるように配置されている。また、３つのロータ機構５は、同一の垂直面内に配置されている。つまり、３つのロータ機構５は、ロータ軸方向（前後方向）について同じ位置に設けられている。ただし、３つのロータ機構５のロータ軸方向の位置については、同じ位置である場合に限らず、隣り合うロータ機構５同士がロータ軸方向にずれた位置、つまり食い違い状の配置（staggered配置）で設けられてもよい。なお、以下の説明では、風力発電装置１及びロータ機構５において、風下側又は下流側は後側であり、風上側又は上流側は前側である。
【００３３】
図１及び図２に示すように、３つのロータ機構５は、二等辺三角形（図１及び図２では、二等辺三角形の一例としての正三角形を示しており、同様に、図７、図９及び図１０では、正三角形を示している）状に配置されている。すなわち、３つのロータ機構５は、ロータ軸方向視において、各ロータ機構５の羽根車３０の回転軸の位置が１つの辺を水平方向に沿わせた正三角形の頂点の位置に対応するような配置で設けられている。言い換えると、３つのロータ機構５は、各ロータ機構５の羽根車３０の回転軸の位置を結ぶ３つの直線によりロータ軸方向視で正立した正三角形が形成されるように設けられている。
【００３４】
したがって、３つのロータ機構５のうち、２つのロータ機構５が、互いに同じ高さ位置に配設され、残り１つのロータ機構５が、他の２つのロータ機構５の間の上方の位置に設けられている。すなわち、高さ位置を互いに同じとする２つのロータ機構５が下段に配置され、下段の２つのロータ機構５間の中心位置の上方に、上段のロータ機構５が１つ配置されている。以下の説明では、３つのロータ機構５を区別する場合、便宜上、図１に示すように、ロータ機構５の背面視において、下段左側のロータ機構５をロータ機構５Ａ、下段右側のロータ機構５をロータ機構５Ｂ、上段のロータ機構５をロータ機構５Ｃとする。
【００３５】
また、正三角形状に配置された３つのロータ機構５において、隣り合うロータ機構５間には、所定の隙間（以下「風車間隙間」という。）１０が設けられている。つまり、ロータ機構５は、他のロータ機構５との間に、３つのロータ機構５が位置する垂直面に沿う方向について所定の寸法を有する風車間隙間１０を隔てて配置されている。なお、風車間隙間１０の詳細については後述する。
【００３６】
以上のような態様で配置される３つのロータ機構５は、設置面２上に設置された支柱３に対して、所定の支持構造によって支持される。本実施形態では、図１及び図２に示すように、３つのロータ機構５は、支柱３に対して、複数の支持杆７を介して支持されている。風力発電装置１は、３つのロータ機構５、支柱３及び支持杆７を含めて左右対称に構成されている。具体的には次のとおりである。
【００３７】
支柱３は、設置面２に対する垂直方向（鉛直方向）に直線状に延設されている。支柱３は、３つのロータ機構５の前側の位置、かつ下段の２つのロータ機構５の間の中央の位置にて、上端が下段のロータ機構５の中心位置、つまり下段のロータ機構５の羽根車３０の回転軸の位置と略同じ高さに達する高さ（長さ）で設けられている。
【００３８】
また、支柱３にロータ機構５を固定支持するための支持杆７としては、縦支持杆７ａ、横支持杆７ｂ、一対の上斜め支持杆７ｃ及び一対の下斜め支持杆７ｄが設けられている。縦支持杆７ａは、支柱３の上端から上方に延設され、支柱３の上方に位置する上段のロータ機構５Ｃの羽根車３０の回転軸部３１に連結されている。横支持杆７ｂは、支柱３の上端から左右両側に水平方向に延設され、下段の２つのロータ機構５Ａ，５Ｂのそれぞれの羽根車３０の回転軸部３１に連結されている。つまり、横支持杆７ｂは、下段の左右のロータ機構５Ａ，５Ｂのそれぞれの回転軸部３１同士を互いに連結するように水平方向に配されている。
【００３９】
一対の上斜め支持杆７ｃは、上段のロータ機構５Ｃと下段の左右のロータ機構５Ａ，５Ｂのそれぞれの回転軸部３１同士を互いに連結するように斜めに配されている。したがって、一対の上斜め支持杆７ｃと横支持杆７ｂとにより、３つのロータ機構５の配置に対応した正三角形状が形成される。一対の下斜め支持杆７ｄは、一対の上斜め支持杆７ｃとの関係において上下対称に配設され、支柱３の上下方向の中間部から左右両側に斜め上方に向けて延設され、下段の左右のロータ機構５Ａ，５Ｂのそれぞれの回転軸部３１に連結されている。
【００４０】
したがって、図２に示すように、ロータ機構５の正面視において、一対の上斜め支持杆７ｃ及び一対の下斜め支持杆７ｄにより、対角線の方向を上下方向・左右方向に沿わせた菱形形状が形成される。つまり、縦支持杆７ａ及び横支持杆７ｂは、上斜め支持杆７ｃ及び下斜め支持杆７ｄからなる菱形形状の対角線の方向に沿うように設けられている。
【００４１】
なお、支柱３に対して３つのロータ機構５を支持するための支持構造は、特に限定されるものではない。ロータ機構５の支持構造としては、設置面２上の所定の高さ位置において、３つのロータ機構５をその相対的な位置関係を保持した状態で支持固定することができ、十分な耐風安定性が得られるような構造であれば、適宜の構成が採用される。
【００４２】
次に、ロータ機構５の構成について、図３から図５を加えて説明する。ロータ機構５は、環状ないし筒状の風胴体２０と、風胴体２０内に設けられ、風力の作用を受けて所定の回転軸回りに回転する発電用のロータとしての羽根車３０とを有する。
【００４３】
風胴体２０は、全体として、筒軸方向の寸法が径方向の寸法よりも短い筒状の外形をなす環状の部材である。風胴体２０は、その筒状の外形におけるロータ軸方向の一方側（図５において左側）の開口を風の流入口２０ａとし、ロータ軸方向の他方側（図５において右側）の開口を風の流出口２０ｂとする。
【００４４】
風胴体２０は、その流出口２０ｂの周囲に渦を形成することで風胴体２０内を流れる風の内部流れの速度を増加させる形状を有する。風胴体２０は、風の流れ方向に対して非流線形の形状を有し、羽根車３０の周囲を囲って内外流を分離させる。具体的には、風胴体２０は、筒状に構成された本体部２１と、本体部２１の流出口２０ｂ側の端部に設けられた鍔部２２とを有する。
【００４５】
本体部２１は、羽根車３０の回転軸に一致する中心軸を通る縦断面視（図５参照）で、中心軸側に凸となる湾曲面をなす筒状ないし環状の部分である。風胴体２０の中心軸方向について、本体部２１の風下側（流出口２０ｂ側）の過半部分は、風上側（流入口２０ａ側）から風下側に向けて徐々に拡径する形状を有し、かかる部分はディフューザ部として機能する。つまり、風胴体２０の流路断面は、本体部２１の風下側の過半部分において、流入口２０ａ側から流出口２０ｂ側にかけて徐々に広がっている。このようにディフューザ部として機能する本体部２１の風下側の過半部分は、詳細には、羽根車３０が有する複数のブレード（羽根）３２のブレード面よりも下流側の部分である。なお、風上側から風下側にかけて徐々に拡径する本体部２１の風下側の過半部分は、縦断面視において、本実施形態のような曲線状をなす部分ではなく、直線状をなす部分、つまり円錐面状の部分であってもよい。
【００４６】
一方、本体部２１の風上側の部分は、本体部２１の風下側の過半部分とは逆に、風下側から風上側に向けて徐々に拡径する形状、つまり風上側から風下側に向けて徐々に縮径する形状を有する。これにより、風胴体２０の流路断面は、流入端から一旦絞られ、風速が加速される。ただし、流入口２０ａの口径は、流出口２０ｂの口径よりも小さい。また、風上側から風下側にかけて徐々に縮径する本体部２１の風上側の部分は、上記の風下側の過半部分と同様に円錐面状の部分であってもよい。
【００４７】
鍔部２２は、流出口２０ｂの周囲に渦を形成するための部分である。鍔部２２は、本体部２１の風下側の端部の周囲、つまり流出口２０ｂの周囲において、風胴体２０の中心軸方向に対して垂直な面に沿うように、流出口２０ｂの全周にわたって設けられた環状の平板部である。したがって、鍔部２２は、風胴体２０の縦断面視において、本体部２１の風下側の縁端から風胴体２０の中心軸方向に対して垂直な方向に風胴体２０の径方向の外側に折れ曲がった直線状の部分となる（図５参照）。鍔部２２の幅、つまり鍔部２２の本体部２１からの突出高さは、特に限定されるものではないが、例えば、風胴体２０の最小内径寸法Ｄ１の数％から５０％の範囲内の寸法に設定される。
【００４８】
このように、風胴体２０は、流出口２０ｂの周囲に渦を形成するための渦生成部としての鍔部２２を有する。風胴体２０は、風下側の端部に鍔部２２を有することで、全体的な形状を非流線形形状とする。
【００４９】
羽根車３０は、その回転軸方向を長手方向とする円筒状ないし紡錘形状の回転軸部３１と、回転軸部３１の周面からロータ軸方向視で回転軸部３１の径方向に沿って放射状に設けられた複数のブレード３２とを有する。回転軸部３１は、ブレード３２の付け根を図示せぬロータ軸に連結するハブと、ハブからロータ軸を介して連結される増速機や発電機等を収納するナセルとを含む。また、本実施形態では、羽根車３０は、回転軸部３１の周方向に等間隔で配置された３枚のブレード３２を有する。なお、羽根車３０が有するブレード３２の枚数や各ブレード３２の形状は、特に限定されるものではない。
【００５０】
羽根車３０は、風胴体２０内において、回転軸部３１の中心軸、つまり回転軸が風胴体２０の中心軸に一致するように、風胴体２０に対して同心配置される。羽根車３０は、ロータ軸方向について、ブレード３２が風胴体２０の本体部２１の流入口２０ａ側寄りの位置、詳細にはブレード３２が本体部２１の最小内径位置の近傍に位置するように設けられる。また、羽根車３０は、風胴体２０の内周面２０ｃにブレード３２の先端が触れないように、内周面２０ｃに対して若干のクリアランスを保持した状態で回転するように設けられている。なお、羽根車３０の回転軸部３１については、その前側の大部分が、風胴体２０の流入口２０ａから外側に露出した状態となっている。
【００５１】
以上のような構成を備えるロータ機構５によれば、風胴体２０が集風体（風レンズ）として機能し、風胴体２０による風の集中作用によって、より強い風が羽根車３０のブレード３２に当たることになる。これにより、ロータ機構５を通過する風の速度が増加する。かかる作用について、図６を用いて詳細に説明する。
【００５２】
図６に示すように、上述のとおり縦断面視で湾曲面をなす筒状ないし環状の本体部２１と、流出口２０ｂ側の端部に設けられた鍔部２２とを有する風胴体２０においては、主に鍔部２２の作用により、風胴体２０の内外部流が風胴体２０の外周・内周の全周で剥離し、風胴体２０の下流側に、カルマン渦と呼ばれる強い渦が形成される（矢印群Ａ１参照）。このカルマン渦は、風胴体２０の下流側において風胴体２０の周方向について非定常的に（交互に）生成され、部分的に強い渦列を形成する。
【００５３】
このようにカルマン渦による渦列が形成されることにより、風胴体２０の下流側（流出口２０ｂ付近）において安定した低圧領域が形成される。この低圧領域が、圧力差によってロータ機構５に流れ込む風（矢印Ａ２参照）を引込み、風胴体２０内を流れる風の内部流れの速度を増加させる（矢印Ａ３参照）。特に、ブレード３２の先端部付近の流れが相対的に大きく増速する（矢印Ａ４参照）。
【００５４】
このようなメカニズムによるロータ機構５における内部流れの増速により、羽根車３０の回転数が増加し、ロータ機構５として高トルクの駆動力が出力され、出力としての発電量が向上する。風力発電による出力（発電量）は、風速の３乗に比例する。実際、本実施形態のロータ機構５のように風胴体２０と羽根車３０とを備える構成によれば、同じロータ径の羽根車３０のみの構成（風胴体２０が無い構成）との比較において、２〜３倍の出力増加が得られることが実証されている。
【００５５】
以上のように、本実施形態のロータ機構５は、集風体としての風胴体２０によって風エネルギーを集中させて発電効率を高めたレンズ風車として構成されている。したがって、本実施形態のロータ機構５によれば、効率良く風の流れを増速することが可能となり、効率的な発電を行うことができる。
【００５６】
また、本実施形態のロータ機構５によれば、上記のような羽根車３０のみの構成との比較において、空力騒音を極めて小さくすることが可能となる。このことは、ロータ機構５においては、羽根車３０を取り囲む風胴体２０によって、騒音の原因となる羽根車３０の翼端渦が抑制ないし解消されることに基づく。さらに、本実施形態のロータ機構５によれば、例えば非可聴の低周波（１〜３Ｈｚ）の騒音が極めて低い等の優れた低周波特性が得られることが、周波数解析により判明している。
【００５７】
なお、本実施形態に係る風胴体２０においては、鍔部２２は、風胴体２０の中心軸方向に対して垂直な面に沿う環状の平板部として設けられているが、これに限定されるものではない。鍔部２２としては、風胴体２０を非流線形形状にして風胴体２０の下流側で渦を形成させる部分であればよい。したがって、鍔部２２としては、例えば、外周が周方向に四角形、六角形などの規則性、周期性を持つような形状や、楕円形状、長方形状、菱形形状、さらには上下非対称な異形形状の部分であってもよい。また、鍔部２２としては、風胴体２０の縦断面視において本体部２１に対して滑らかにつながるような曲線をなす部分、つまり本体部２１とともにラッパ状の形状をなす部分等であってもよい。
【００５８】
また、図３から図５に示すように、風胴体２０は、複数の位相制御板部２３を有する。位相制御板部２３は、風胴体２０の周方向を板厚方向とする板状の部分であり、風胴体２０の外周側において、本体部２１と鍔部２２との間にリブ状に架設されている。本実施形態では、位相制御板部２３は、風胴体２０の周方向に略等間隔に１２箇所に設けられている。
【００５９】
位相制御板部２３は、その内側（風胴体２０側）の辺部につき、風胴体２０の縦断面視において本体部２１と鍔部２２とがなす断面形状に沿う形状を有し、風胴体２０の外周面２０ｄに対して全体的に接触した状態で、風胴体２０と一体的に設けられている。また、位相制御板部２３は、その外側（風胴体２０側と反対側）の辺部につき、風胴体２０の風上側から風下側への拡径に応じて傾斜する直線状の形状を有する。また、位相制御板部２３には、軽量化等のため、複数の（本実施形態では３つの）孔２３ａが穿設されている。
【００６０】
上述したように風胴体２０の下流側に生じるカルマン渦においては、風胴体２０の円周方向について形成される渦の強弱（ゆらぎ）が存在する。そこで、位相制御板部２３は、風胴体２０の周方向にゆらぐ渦の位相を揃えることで、風胴体２０の下流側においてカルマン渦を生じさせる流れを強くしかつ安定させる。風力発電装置１の設置場所においてロータ機構５が受ける風は、基本的には自然風等の不規則な流れのものであり、位相制御板部２３は、このような不規則な流れに作用して強制的に流れを安定させる。
【００６１】
詳細には、位相制御板部２３によれば、風胴体２０の下流側における渦形成の位相が揃い、その結果、風胴体２０の下流側においてより強い渦が形成され、付近の静圧がより低圧化する。つまり、位相制御板部２３によって、風胴体２０の円周方向についての渦の強弱（ゆらぎ）が緩和され、各部における渦形成が安定化する。これにより、位相制御板部２３が無い構成との比較において、風胴体２０の下流側においてより強い渦形成がより多くの時間に行われ、風胴体２０の下流側がより低圧化され、風胴体２０の下流側において安定した強い低圧領域が得られる。結果として、風胴体２０の下流側における低圧領域による引込み作用によって得られる風の内部流れの増速作用が向上する。
【００６２】
このように風胴体２０がその外周側に位相制御板部２３を有する構成によれば、上述したようなカルマン渦による渦列及びそれを利用した流れを安定させることができ、ロータ機構５に流入する風の速度を効果的に増速することが可能となる。これにより、発電効率の向上を図ることが可能となる。
【００６３】
なお、風胴体２０が有する位相制御板部２３の形状、枚数、板厚、孔２３ａの有無等は、特に限定されるものではなく、ロータ機構５の大きさ等により適宜設定される。例えば、位相制御板部２３としては、その外側（風胴体２０側と反対側）の辺部について風胴体２０の径方向の外側に凸となるような曲線状の形状を有するものや、鍔部２２の上流側から鍔部２２を乗り越えて鍔部２２の下流側に突出する形状を有するもの等であってもよい。
【００６４】
また、本実施形態の風力発電装置１は、電気的構成として、各ロータ機構５に対応した発電装置を備え、各発電装置において対応するロータ機構５が備える羽根車３０の回転力を受けることで、発電装置を駆動して発電を行い、外部に電気を供給する。ただし、風力発電装置１の電気的構成は、特に限定されるものではない。
【００６５】
以上のような構成を備えるロータ機構５が、上述したように、ロータ軸方向が略平行方向であるとともに、同一の垂直面内において二等辺三角形（前述の通り、二等辺三角形の一例としての正三角形）状に対応するような配置で、設置面２上の支柱３に支持された状態で３つ設けられている。そして、図１、図２及び図７に示すように、３つのロータ機構５は、隣り合うロータ機構５の風胴体２０間に、所定の寸法の風車間隙間１０を隔てて配置されている。
【００６６】
風車間隙間１０は、風力発電装置１の背面視において、隣り合うロータ機構５の、羽根車３０の回転軸及び風胴体２０の中心軸の位置に一致するロータ機構５の中心位置（以下「ロータ中心位置」という。）同士を結ぶ方向の最小隙間寸法に相当する。したがって、本実施形態では、ロータ軸方向の位置を互いに同じとする３つのロータ機構５が、風胴体２０の最大外径部分となる鍔部２２の部分を同一の垂直面内に位置させる構成において、風車間隙間１０は、隣り合うロータ機構５の鍔部２２間の隙間となる。なお、流入口２０ａから流出口２０ｂにかけて徐々に拡径する本体部２１と、流出口２０ｂの外周側に突出する鍔部２２とを有する風胴体２０においては、鍔部２２の部分が、ロータ機構５の最大外径部分となる。
【００６７】
本実施形態のように、３つのロータ機構５が正三角形状に配置された構成においては、風車間隙間１０として、上段のロータ機構５Ｃと下段左側のロータ機構５Ａとの間の風車間隙間１０Ｘ、下段左側のロータ機構５Ａと下段右側のロータ機構５Ｂとの間の風車間隙間１０Ｙ、下段右側のロータ機構５Ｂと上段のロータ機構５Ｃとの間の風車間隙間１０Ｚの３つの風車間隙間１０が存在する（図７参照）。これらの３つの風車間隙間１０の寸法は、基本的には互いに同じ寸法に設定される。
【００６８】
本実施形態では、風車間隙間１０は、羽根車３０の回転軸に垂直な面に沿う方向について風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２よりも小さい寸法を有する。ここで、風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２は、上述のとおり風胴体２０における最大外径部分となる鍔部２２の部分における外径寸法である（図５参照）。すなわち、本実施形態の風力発電装置１においては、風車間隙間１０の寸法を隙間寸法ｓとした場合、隙間寸法ｓ＜最大外径寸法Ｄ２となる。
【００６９】
このように互いの間に風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２よりも小さい風車間隙間１０を隔てて配置されている３つのロータ機構５は、上述したように支柱３に対して複数の支持杆７を含む支持構造により支持されているが、これに加え、互いの位置関係を保持するための支持構造（風車間支持構造）により支持されている。すなわち、本実施形態の風力発電装置１においては、３つのロータ機構５の相対的な位置関係を保持するための風車間支持構造が設けられている。風車間支持構造について、図２を用いて説明する。
【００７０】
風車間支持構造は、各ロータ機構５の風胴体２０が有する鍔部２２を利用して設けられている。図２に示すように、本実施形態の風力発電装置１においては、風車間支持構造として、複数の支持部材４０が設けられている。支持部材４０は、棒状の部材であり、隣り合うロータ機構５の間において、鍔部２２間に架設された状態で設けられている。
【００７１】
具体的には、図２に示すように、本実施形態では、支持部材４０として、隣り合うロータ機構５の間において、外側支持部材４０ａと内側支持部材４０ｂとの２本の支持部材４０が設けられている。外側支持部材４０ａ及び内側支持部材４０ｂは、いずれも、隣り合うロータ機構５の間において、対応するロータ機構５同士の間において羽根車３０の回転軸部３１同士を互いに連結する支持杆７に対して平行な方向に配されている。
【００７２】
すなわち、上段のロータ機構５Ｃと下段左側のロータ機構５Ａとの間、及び上段のロータ機構５Ｃと下段右側のロータ機構５Ｂとの間においては、外側支持部材４０ａ及び内側支持部材４０ｂは、それぞれ上斜め支持杆７ｃと平行に配されている。また、下段左右のロータ機構５Ａ，５Ｂ間においては、外側支持部材４０ａ及び内側支持部材４０ｂは、横支持杆７ｂと平行に配されている。
【００７３】
そして、外側支持部材４０ａは、正三角形状に配置された３つのロータ機構５の外周側において、風胴体２０の円形状に対して略接線状に配された状態で、隣り合うロータ機構５の鍔部２２間に架設されている。また、内側支持部材４０ｂは、外側支持部材４０ａに対して、上斜め支持杆７ｃあるいは横支持杆７ｂを間に挟んだ内側において、隣り合うロータ機構５の鍔部２２間に架設されている。外側支持部材４０ａ及び内側支持部材４０ｂは、その両端部がロータ機構５の鍔部２２に対して溶接やボルト止め等によって固定されることで、各ロータ機構５の風胴体２０に固定される。
【００７４】
このように、３つのロータ機構５の相対的な位置関係を保持するための風車間支持構造を設けることにより、複数の支持杆７を含む支持構造によって支柱３に支持される３つのロータ機構５について、相互の位置関係を確実に保持することができる。これにより、３つのロータ機構５の相対的な位置関係の変動を防止することができ、各ロータ機構５間に設けられた風車間隙間１０の寸法を一定の大きさに保持することが可能となる。
【００７５】
なお、風車間支持構造の構成は、本実施形態の構成に限定されるものではない。風車間支持構造の構成としては、支柱３に支持された３つのロータ機構５の相対的な位置関係を保持することができ、十分な耐風安定性が得られるような構造であれば、適宜の構成が採用される。
【００７６】
以上のように、本実施形態に係る風力発電装置１は、ロータとしての羽根車３０の周囲に集風体としての風胴体２０を備えたレンズ風車（００４０段落で定義したものをレンズ風車と呼ぶ）を基本ユニットとするマルチロータシステムとして研究開発されたものである。マルチロータとは、基本ユニットの風車を垂直面内にタワー構造で支持し、一つの集合システムで大きな出力を得るものである。
【００７７】
本実施形態の風力発電装置１によれば、通常の風車に比べて大幅な軽量化が図れ、コストの低減、メンテナンス性の向上、及び設備利用率の向上を図ることができるとともに、複数のロータによる相乗的な作用を得ることが可能であり、効率的な大出力化を図ることができる。以下、このような効果について詳細に説明する。
【００７８】
まず、マルチロータシステムを採用することにより、理論的には、通常の同定格の単体風車（以下「通常風車」という。）に比べ、重量は１／√ｎになる。詳細には次のとおりである。
【００７９】
通常風車とマルチロータシステムとを想定し、直径をそれぞれＤ、ｄとすると、両者の面積を互いに同じ面積とした場合、次式（１）が成り立つ。
Ｄ２＝ｎｄ２  ・・・（１）
ここで、ｎは風車の数である。
【００８０】
また、通常風車及びマルチロータシステムの風車それぞれの質量をＭ、ｍとした場合、次式（２）、（３）が成り立つ。
Ｍ＝ｋＤ３  ・・・（２）
ｍ＝ｋｄ３  ・・・（３）
ここで、ｋは比例定数である。
【００８１】
上記式（１）〜（３）より、マルチロータシステムのｎ個の風車と通常風車の質量比をＲとすると、次式（４）が導かれる。
Ｒ＝ｎｍ／Ｎ＝１／√ｎ  ・・・（４）
【００８２】
以上より、本実施形態のように３つのロータ機構５を備える構成を採用することで、通常風車に比べ、重量を１／√３に軽減することができ、風車に関して大幅な軽量化を達成することができる。
【００８３】
また、マルチロータシステムを採用することにより、通常風車に比べ、風車の軽量化に加え、風車の小型化を図れることから、基本ユニット、つまりロータ機構５の大量生産により、低コスト化を図ることが可能となる。すなわち、通常風車に比べて小型のロータ機構５は、大量生産に適しているため、風力発電装置１の１機当たりのコストを低減することができる。
【００８４】
また、マルチロータシステムを採用することにより、通常風車に比べ、各基本ユニットが小型であることから、メンテナンスを容易に行うことができる。この点、特に洋上に設置された風力発電装置に関しては、本実施形態に係る風力発電装置１によれば、大型な通常風車との比較において、メンテナンス性を大幅に向上させることができる。
【００８５】
また、マルチロータシステムを採用することにより、故障が生じた場合であっても、部分的な故障で収まることになるため、設備利用率の向上を図ることができる。すなわち、単体の風車を備えた構成によれば、その風車に故障が生じた場合、装置全体が運転停止状態となるが、本実施形態の風力発電装置１によれば、仮に複数のロータ機構５のうちのいずれかのロータ機構５が故障したとしても、それは部分的な故障であって装置全体が運転停止とはならないため、設備の継続的な稼働が可能であり、設備の利用率を向上させることができる。
【００８６】
以上のようなマルチロータシステムによる効果に加え、本実施形態の風力発電装置１によれば、３つのロータ機構５による相乗効果を得ることができ、効率的な出力の向上を達成することが可能となる。すなわち、一般的な通常の単体風車を複数用いた従来のマルチロータシステムにおいては、複数組み上げられた風車によるシステム全体としての出力は、マルチロータシステムを構成する各風車の単独での出力の合計と同じとなるか、あるいはわずか増加（１−３％）となる。つまり、３台の風車を備えるマルチロータシステムの場合、そのシステム全体としての出力は、単に各風車の出力の３台分の合計の出力と同等かわずかな増加となる。さらに、従来のダクト付の風車を集合配置させた構成によれば、風の進路に対してダクトが壁のような存在として作用し、システム全体としての出力は、各風車の出力の合計の出力よりも小さくなると考えられる。これに対し、本実施形態の風力発電装置１によれば、装置全体の出力として、３台の各ロータ機構５の出力の合計を上回る出力を得ることができる。このことは、次のようなメカニズムに基づく。
【００８７】
本実施形態のロータ機構５によれば、上述したように、風胴体２０が集風体（風レンズ）として機能し、風胴体２０による風の集中作用によって羽根車３０を介してロータ機構５を通過する風の速度が増加する。すなわち、ロータ機構５においては、風胴体２０の下流側において、渦形成による安定した低圧領域が形成され、これにより風が引き込まれ、風胴体２０の内部流れの速度が増加する（図６参照）。
【００８８】
このように内部流れの増速作用が得られるロータ機構５を、上述したように互いの間に所定の風車間隙間１０を介して垂直面内に集合配置させることにより、３つのロータ機構５の風胴体２０間のギャップを通過する風の流れが加速し、風胴体２０の下流側に形成される渦が強められる。これにより、風胴体２０の下流側に形成される低圧領域の圧力、特にブレード３２の下流側の圧力がより低圧化し、風の引込み作用が強められ、風胴体２０の下流側に対してより多くの風の流れが呼び込まれる。
【００８９】
以上のような流体力学的原理により、単体でも従来の風車と比べて高い出力効率が得られるレンズ風車としてのロータ機構５が、集合風車として、互いの間に風車間隙間１０を介して近傍に複数配置されることにより、レンズ風車としての高効率なメカニズムの根本原理、即ち集風リングとしての風胴体２０による渦形成により下流側を低圧化し流れを引き込むという作用が、マルチロータ化によって相互作用して活かされ、相乗的な効果を発揮する。つまり、本実施形態の風力発電装置１によれば、レンズ風車としてのロータ機構５の高効率性をより効果的に用いることができ、相乗効果を得ることができる。これにより、風力発電装置１のシステム全体としての高出力化を図ることができ、効率的な発電を行うことができる。このように、本実施形態の風力発電装置１は、ロータ機構５における風胴体２０の外の空気の流れに着目し、渦で低圧領域を形成するといった思想に基づき、複数のロータ機構５の間に風車間隙間１０を設けることで、出力の向上を図ったものである。
【００９０】
風力発電装置１による相乗的な効果については、数値的には、本実施形態の風力発電装置１のように３つのロータ機構５を、風車間隙間１０を介して正三角形状に配置した構成によるシステム全体の出力は、３つの各ロータ機構５の単独での出力の合計に対して１０％程度増加するという実験結果が得られている。かかる実験結果について、図７及び図８を用いて説明する。
【００９１】
本実験は、独立した３台のロータ機構５Ａ，５Ｂ，５Ｃの出力の合計の測定値を基準として、風車間隙間１０の寸法の大きさを変化させた場合の風力発電装置１の全体出力の変化を測定したものである。図８に示すグラフは、所定の大きさの３つのロータ機構５Ａ，５Ｂ，５Ｃが、本実施形態の風力発電装置１のように同一の垂直面内において正三角形状に沿うように、つまりロータ中心位置同士を結ぶ直線が正三角形状となるように、風車間隙間１０を介して集合配置された構成（以下「集合配置構成」という。）による全体の出力（Total Power Output of 3 WLT(Wind Lens turbines) in multi rotor arrangement）を示す。
【００９２】
図８に示すグラフにおいて、横軸は、風車間隙間１０の寸法をｓ、風胴体２０の最大外径部分である鍔部２２の直径をＤとした場合のｓ／Ｄ（Space between brims of turbines s/D[-] (D=brim diameter)）である。つまり、横軸は、風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２に対する風車間隙間１０の寸法ｓの比率（以下「隙間寸法比率」という。）である。また、縦軸は、出力（Power Output [Watt]）である。なお、本実験では、図７に示すように、３つのロータ機構５の正面視において、上段のロータ機構５Ｃのみ右回り回転（時計方向回転）とし、下段の２つのロータ機構５Ａ，５Ｂは左回り回転（反時計方向回転）とした。
【００９３】
図８に示すグラフにおいて、菱形形状で示す点（Ｐ１〜Ｐ１１）は、３つのロータ機構５Ａ，５Ｂ，５Ｃによる集合配置構成の出力の測定値を示す。この測定値についての測定誤差は約±２％であると推測される。また、図８に示すグラフにおいて、破線で示す直線Ｌ１は、上記のとおり基準となる測定値であって、独立した（Stand alone）３台のロータ機構５Ａ，５Ｂ，５Ｃの出力の合計の測定値（以下「独立合計測定値」という。）を示す。本実験では、独立合計測定値は、約１．２１［Ｗａｔｔ］である。
【００９４】
図８に示すように、本実験による集合配置構成の出力の測定値に関し、隙間寸法比率ｓ／Ｄが０の場合における測定値（点Ｐ２参照）は、約１．０８［Ｗａｔｔ］であり、この測定値は、直線Ｌ１で示す独立合計測定値に対して約−１１％の値である。この場合、風車間隙間１０の寸法は０であり、隣り合うロータ機構５は、鍔部２２同士を直接接触させた状態である。このように、風車間隙間１０の寸法が０の場合、集合配置構成の出力は独立風車の出力の合計よりも低下することが観察できた。
【００９５】
また、隙間寸法比率ｓ／Ｄが０．０４の場合における測定値（点Ｐ３参照）は、直線Ｌ１で示す独立合計測定値と略同じ値である。これに対して風車間隙間１０の寸法が大きく、隙間寸法比率ｓ／Ｄが０．１５の場合、測定値（点Ｐ５参照）は、約１．２８［Ｗａｔｔ］である。この測定値は、直線Ｌ１で示す独立合計測定値に対する増加率が＋６％の値である。さらに風車間隙間１０の寸法が大きく、隙間寸法比率ｓ／Ｄが０．５８の場合、測定値（点Ｐ９参照）は、約１．３２［Ｗａｔｔ］である。この測定値は、直線Ｌ１で示す独立合計測定値に対する増加率が＋９％の値である。
【００９６】
またさらに風車間隙間１０の寸法が大きく、隙間寸法比率ｓ／Ｄが０．７７の場合、測定値（点Ｐ１０参照）は、約１．２８［Ｗａｔｔ］である。この測定値は、直線Ｌ１で示す独立合計測定値に対する増加率が＋６％の値である。そして、隙間寸法比率ｓ／Ｄが１の場合、測定値（点Ｐ１１参照）は、約１．２６［Ｗａｔｔ］である。この測定値は、直線Ｌ１で示す独立合計測定値に対する増加率が＋４％の値である。
【００９７】
以上のような測定結果から、ロータ機構５の集合配置構成において風車間隙間１０を設けることにより、集合配置構成の出力は、独立風車の出力の合計に対して向上することがわかる。特に、本実験では、集合配置構成の出力の独立風車の出力の合計に対する増加率について、隙間寸法比率ｓ／Ｄの値が０．５から０．６までの範囲内にピークが存在することがわかる。一方で、隙間寸法比率ｓ／Ｄの値が０の場合、つまり風車間隙間１０が存在しない場合は、集合配置構成の出力は独立風車の出力の合計に対して減少している。
【００９８】
これらの結果は、ロータ機構５間に存在する風車間隙間１０が集合配置構成の出力の向上に寄与することを示している。すなわち、本実験により、風車間隙間１０が存在しない状態では、上述したように各ロータ機構５において得られる内部流れの増速作用が相殺されて集合配置構成の出力が独立風車の出力の合計に対して減少し、かかる状態から風車間隙間１０の寸法が大きくなるにつれて内部流れの増速作用が相乗的に作用して集合配置構成の出力が独立風車の出力の合計に対して増加し、風車間隙間１０がある程度の大きさを越えると、その相乗的な作用が徐々に低下することがわかる。したがって、本実験において集合配置構成の出力についての増加率が＋４％となっている、隙間寸法比率ｓ／Ｄが１の場合から、風車間隙間１０の寸法が大きくなるにつれ、集合配置構成の出力についての増加率は徐々に低下し、最終的には集合配置構成の出力の値は直線Ｌ１で示す独立合計測定値に収束していくと考えられる。
【００９９】
以上のように、本実験により、レンズ風車としてのロータ機構５を、風車間隙間１０を介して集合配置させてマルチロータ化することで、その全体出力が独立したロータ機構５の出力の合計よりも５〜１０％程度増加することが実証された。
【０１００】
上述のような実験結果を踏まえ、本実施形態に係る風力発電装置１においては、ロータ機構５間における風車間隙間１０の寸法としては、風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２の２倍よりも小さい寸法が採用される。
【０１０１】
特に、風車間隙間１０の寸法は、風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２の０．０５〜１．５倍の寸法であることが好ましい。風車間隙間１０の寸法が風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２の０．０５倍の寸法よりも小さくなると、各ロータ機構５による内部流れの増速作用の相乗的な作用がほとんど得られず、ロータ機構５の集合配置による出力増加の効果を得ることが困難となる。一方、風車間隙間１０の寸法が風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２の１．５倍の寸法よりも大きくなると、ロータ機構５が独立した状態に近くなるため、各ロータ機構５による内部流れの増速作用の相乗的な作用がほとんど得られず、ロータ機構５の集合配置による出力増加の効果を得ることが困難となる。
【０１０２】
さらに、風車間隙間１０の寸法に関しては、上述した実験結果によれば、風車間隙間１０の寸法は、風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２の０．４〜０．７倍の寸法であることが好ましく、より好ましくは、風車間隙間１０の寸法は、風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２の０．５〜０．６倍の寸法である。ただし、風車間隙間１０の寸法は、最大外径寸法Ｄ２との関係のほか、例えば、鍔部２２の高さ（幅）、本体部２１の最大・最小外径の寸法、風胴体２０の流れ方向長さ（２１の流れ方向長さ）や最小内径寸法Ｄ１等との関係や、これらのうちの２つ以上の組合せとの関係等に基づいて適宜設定される。
【０１０３】
また、本実施形態に係る風力発電装置１においては、風胴体２０は、流出口２０ｂの周囲に、渦を形成するための環状の平板部である鍔部２２を有する構成を採用する。かかる構成によれば、上述したように３つのロータ機構５の相対的な位置関係を保持するための風車間支持構造を設けるに際し、鍔部２２を利用することができるので、比較的容易に風車間支持構造を設けることができる。すなわち、鍔部２２は、ロータ軸方向に対して垂直な平面に沿う平板状の部分であるため、隣り合うロータ機構５間において、支持部材４０等といった風車間支持構造の構成部材を設けるに際し、この支持部材を支持する部分として好適に用いられる。
【０１０４】
このように、本実施形態の風力発電装置１によれば、羽根車３０の周囲を囲みロータ機構５の外装部分を構成する風胴体２０が鍔部２２を有することから、鍔部２２を支持部材の固定部分として利用して風胴体２０同士を所定の配置関係で接続・連結しやすくなる。これにより、複数のロータ機構５を集合配置させる際、隣り合うロータ機構５間の接続構成を容易に設けることができ、同接続構成について、比較的簡単に構造強度を保ちながら風車構造系として設計・製造することが可能となる。
【０１０５】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態について、図９及び図１０を用いて説明する。なお、第１実施形態と共通する内容については共通の符号を用いて適宜説明を省略する。本実施形態に係る風力発電装置５１は、第１実施形態の風力発電装置１に対して、所定の垂直面内に二等辺三角形（前述の通り、図９及び図１０では、二等辺三角形の一例として正三角形）状に配置された３つのロータ機構５を備える点で共通し、これら３つのロータ機構５を支持する構造系の点で異なる。
【０１０６】
図９及び図１０に示すように、本実施形態に係る風力発電装置５１において、ロータ機構５は、地表面上に設けられた支持台等により構成される所定の設置面上に立設された支柱構造機構により支持される。支柱構造機構は、３つのロータ機構５の風上側に設けられ、設置面上に固定される土台部６０と、土台部６０に対して上下方向（鉛直方向）を回転軸方向として回転可能（旋回可能）に支持され３つのロータ機構５を所定の配置で支持する旋回支持部７０とを有する。
【０１０７】
土台部６０は、円板状の基部６１と、基部６１の上面の中央部に突設され、下側から上側にかけてテーパ状に縮径する円錐台形状を有する支持突部６２とを有する。支持突部６２の上側に、旋回支持部７０が回転可能に支持される。旋回支持部７０は、支持突部６２に対して所定の旋回機構を介して設けられている。つまり、旋回支持部７０の基部７０ａと、支持突部６２との間には、旋回支持部７０を土台部６０に対して旋回可能に支持する旋回機構が設けられている。
【０１０８】
旋回支持部７０は、基部７０ａの上端部から上方に向けて延設される縦支持部７１と、縦支持部７１に対して長手方向の中央部に交差して水平方向に延設され縦支持部７１とともに十字状をなす横支持部７２と、一対の上斜め支持部７３と、一対の下斜め支持部７４とを有する。これらの各支持部は、いずれも直線状の部分であり、３つのロータ機構５が位置する垂直面に対して平行な平面において、一対の上斜め支持部７３及び一対の下斜め支持部７４は、対角線を上下方向・左右方向に沿わせる菱形形状をなし、かかる菱形形状に対して、縦支持部７１及び横支持部７２が対角線状に配される。
【０１０９】
縦支持部７１の上端部は、上段のロータ機構５Ｃを構成する羽根車３０の回転軸部３１に接続される。また、横支持部７２の左右両端部は、それぞれ下段のロータ機構５Ａ，５Ｂの回転軸部３１に接続される。また、一対の上斜め支持部７３のうちの一方の上斜め支持部７３は、その上端部を上段のロータ機構５Ｃの回転軸部３１に接続させるとともに、下端部を下段の一方のロータ機構５Ａの回転軸部３１に接続させ、他方の上斜め支持部７３は、その上端部を上段のロータ機構５Ｃの回転軸部３１に接続させるとともに、下端部を下段の他方のロータ機構５Ｂの回転軸部３１に接続させる。また、一対の下斜め支持部７４のうちの一方の下斜め支持部７４は、その上端部を下段の一方のロータ機構５Ａの回転軸部３１に接続させるとともに、下端部を縦支持部７１の下方に位置する基部７０ａに接続させ、他方の下斜め支持部７４は、その上端部を下段の他方のロータ機構５Ｂの回転軸部３１に接続させるとともに、下端部を基部７０ａに接続させる。
【０１１０】
また、旋回支持部７０を構成する支持部は、いずれも、その一部をロータ機構５の上流側に位置させることから、ロータ機構５に対する風の流れに応じて、横断面形状が流線形形状となるような形状を有する。
【０１１１】
具体的には、３つのロータ機構５の配置に対して左右中央の位置にて上下方向に配される縦支持部７１は、その上端部を、上段のロータ機構５Ｃの上流側に位置させる。このため、縦支持部７１の上半部７１ａは、その横断面形状が流線形形状となるような形状を有する。詳細には、縦支持部７１の上半部７１ａは、横断面形状の長手方向がロータ軸方向（前後方向）となり、左右方向を板厚方向とするような略板状の形状を有する。これに対し、縦支持部７１の下半部７１ｂは、横断面形状が円形状となる円柱形状を有し、その後面側に、左右方向を板厚方向とする板状の部分であるリブ部７１ｃが、縦支持部７１の長手方向に沿って設けられている。
【０１１２】
また、水平方向に配される横支持部７２は、その両端部を、下段の左右のロータ機構５Ａ，５Ｂの上流側に位置させる。このため、横支持部７２は、全体的に、縦支持部７１の上半部７１ａと同様に、横断面形状が流線形形状となるような形状を有する。詳細には、横支持部７２は、ロータ軸方向を長手方向とする横断面形状を有し、上下方向を板厚方向とするような略板状の形状を有する。
【０１１３】
また、一対の上斜め支持部７３は、その上部を、上段のロータ機構５Ｃの上流側に位置させるとともに、下部を、下段のロータ機構５Ａまたはロータ機構５Ｂの上流側に位置させる。このため、上斜め支持部７３は、全体的に、横断面形状が流線形形状となるような形状を有する。詳細には、上斜め支持部７３は、横支持部７２等と同様に、横断面形状がロータ機構５に対する風の流れに応じた流線形形状となるような形状を有する。また、一対の下斜め支持部７４は、その下部を、下段のロータ機構５Ａまたはロータ機構５Ｂの上流側に位置させる。このため、下斜め支持部７４は、上斜め支持部７３と同様に、全体的に、横断面形状が流線形形状となるような形状を有する。
【０１１４】
また、旋回支持部７０においては、縦支持部７１と横支持部７２の交差部分から前側に向けて棒状の中央支持杆７５が突設されている。中央支持杆７５は、後方から前方にかけて徐々に縮径するように略縦長円錐形状を有する。そして、中央支持杆７５の先端部からは、一対の上斜め支持部７３及び一対の下斜め支持部７４がなす菱形形状の頂点部に向けて、４本のワイヤ状（細線状）の支持線部７６が配設されている。各支持線部７６は、その一端側を中央支持杆７５の先端部に接続させ、他端側を各ロータ機構５の回転軸部３１あるいは基部７０ａに接続させる。４本の支持線部７６は、一対の上斜め支持部７３及び一対の下斜め支持部７４とともに略四角錐形状をなす。
【０１１５】
また、本実施形態の風力発電装置５１が備える支柱構造機構では、各ロータ機構５において、羽根車３０の回転軸部３１と風胴体２０とを繋ぐ支持アーム６６及び支持線部６７が設けられている。支持アーム６６及び支持線部６７は、いずれもロータ軸方向視で風胴体２０の径方向に沿うように配された直線状の支持杆部である。
【０１１６】
支持アーム６６は、風胴体２０の前側において、回転軸部３１から延出され、先端側を風胴体２０の流入口２０ａ側の開口縁端部に接続させた状態で、回転軸部３１と風胴体２０との間に架設されている。本実施形態では、支持アーム６６の先端側は、位相制御板部２３の前端部に接続されている。支持アーム６６は、旋回支持部７０を構成する支持部と同様に、全体的に、横断面形状が流線形形状となるような形状を有する。
【０１１７】
支持線部６７は、回転軸部３１において、支持アーム６６よりも前側から延出され、先端側を支持アーム６６の先端部に接続させた状態で設けられている。支持線部６７は、ワイヤ状（細線状）の部分である。
【０１１８】
支持アーム６６及び支持線部６７は、各ロータ機構５において、その中心部分に設けられる回転軸部３１に対して、旋回支持部７０が設けられた側と反対側に配設されている。具体的には、上段のロータ機構５Ｃにおいては、支持アーム６６及び支持線部６７は、回転軸部３１に対して上側に設けられている。本実施形態では、上段のロータ機構５Ｃにおいて、支持アーム６６及び支持線部６７は、それぞれ４本、風胴体２０の周方向について略等間隔（略等角度間隔）で設けられている。また、下段の左右のロータ機構５Ａ，５Ｂにおいては、支持アーム６６及び支持線部６７は、回転軸部３１に対して左右の外側に設けられている。本実施形態では、下段のロータ機構５Ａ，５Ｂのそれぞれにおいて、支持アーム６６及び支持線部６７は、それぞれ３本、風胴体２０の周方向について略等間隔（略等角度間隔）で設けられている。
【０１１９】
本実施形態の風力発電装置５１は、３つのロータ機構５の支持構造系の一例を示すものである。すなわち、本実施形態に係る風力発電装置５１によっても、第１実施形態の風力発電装置１と同様に、風車間隙間１０を隔てる３つのロータ機構５の集合配置による出力の増加効果が得られる。そして、本実施形態の風力発電装置５１の３つのロータ機構５の支持構造系については、各部の流線形形状によって各ロータ機構５の内外における風の流れを妨げることなく、各ロータ機構５による内部流れの増速作用及びこれらの相乗的な作用を得ながら、３つのロータ機構５の配置関係を堅牢に保持する良好な支持構成が得られる。
【０１２０】
また、本実施形態に係るロータ機構５の支持構造系によれば、土台部６０に対して回転可能な状態で３つのロータ機構５を支持する旋回支持部７０により、３つのロータ機構５の向きを全体的に変化させることが可能となる。したがって、例えば、３つのロータ機構５を、風の流れに対応して、風胴体２０の流入口２０ａ側が常に風上側を向くように回転させることが可能となる。かかる構成を採用することで、３つのロータ機構５の向きを、最大出力が得られる向きへと自動的に調整することができる。なお、３つのロータ機構５の向きを変えるための回転（旋回）の機構に関しては、風の流れの微小な変動に過度に追従しないように、回転を機械的に抑制するための機構を設けたり、制御装置１６によって過度な追従を抑制する制御を行ったりすることができる。
【０１２１】
以上、各実施形態により説明した本発明に係る風力発電装置は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨に沿う範囲で、種々の態様を採用することができる。
【０１２２】
例えば、上述した実施形態では、風胴体２０は、全体として、径方向の寸法がロータ軸方向の寸法よりも長くなるような形態を有するが、これに限定されるものではない。すなわち、風胴体２０としては、例えば、図１１（ａ）に示すように、本体部２１の径方向の寸法Ｂ１がロータ軸方向の寸法Ｂ２よりも短くなるような形態を有するものであったり、図１１（ｂ）に示すように、本体部２１の径方向の寸法Ｂ１とロータ軸方向の寸法Ｂ２とが同程度となるような形態を有するものであったり、あるいは図５のようにＢ２をＢ１よりもかなり小さくしてもよい。
【０１２３】
また、風胴体２０が有する鍔部２２の高さについても、風胴体２０の径方向の寸法やロータ軸方向の寸法にかかわらず、特に限定されるものではない。したがって、例えば、鍔部２２の高さは、風胴体２０の半径と同程度の大きさであったり、風胴体２０の半径よりも大きかったりしてもよい。
【０１２４】
また、集合風車の基本ユニットであるロータ機構５としては、上述したように大量生産によるコストの低減を図るためには、構成の共通化を図ることが好ましいが、風力発電装置としては、例えば、風胴体２０や羽根車３０の寸法等が互いに異なる複数種類の大小様々なロータ機構５を集合配置させた構成であってもよい。
【０１２５】
また、風力発電装置１が備える複数のロータ機構５の回転方向については、全てのロータ機構５の回転方向を統一させた構成と、上述した実験のように一部のロータ機構５の回転方向を他のロータ機構５の回転方向と異ならせた構成が考えられる。例えば、水力発電装置において複数のロータ機構５が水中に設置されている場合、ジャイロ効果等の影響を考慮し、互いに隣り合うロータ機構５の回転方向を互いに逆方向とする構成や、左右対称あるいは上下対称となるように偶数個のロータ機構５を配設するとともに、対称の中心から左右あるいは上下のそれぞれに位置するロータ機構５の回転方向を互いに逆方向とする構成等が適宜採用される。
【０１２６】
また、マルチロータとして集合配置されるロータ機構５の個数も、上述した実施形態のような３個の場合に限定されるものではない。５個のロータ機構５が集合配置される場合は、例えば、図１２（ａ）に示すように、５個のロータ機構５は、所定の垂直面内において、上段に横並びに３個、これらの横並びの各ロータ機構５の間の直下に位置するように、下段に横並びに２個のような態様で配置される。このような配置態様において、隣り合うロータ機構５間には、所定の大きさの風車間隙間１０が設けられる。なお、このような５個のロータ機構５を、隙間寸法比率ｓ／Ｄの値が０．１の条件下で集合配置させてマルチロータ化することで、その全体出力が独立したロータ機構５の出力の合計よりも１２％程度増加することが実験により実証された。
【０１２７】
また、７個のロータ機構５が集合配置される場合は、例えば、図１２（ｂ）に示すように、７個のロータ機構５は、図１２（ａ）に示す５個の配置に加え、横並びの３個のロータ機構５の上方に、下段の横並びの２個のロータ機構５と上下方向に対称的に横並びに２個のロータ機構５が配置される。なお、このような７個のロータ機構５を、隙間寸法比率ｓ／Ｄの値が０．１の条件下で集合配置させてマルチロータ化することで、その全体出力が独立したロータ機構５の出力の合計よりも１４％程度増加することが実験により実証された。
【０１２８】
さらに、９個のロータ機構５が集合配置される場合は、例えば、図１３（ａ）に示すように、９個のロータ機構５は、図１２（ｂ）に示す７個の配置に加え、上段の２個のロータ機構５の左右両側に左右方向に対称的にそれぞれ１個のロータ機構５が配置される。また、１４個のロータ機構５が集合配置される場合は、例えば、図１３（ｂ）に示すように、１４個のロータ機構５は、図１３（ａ）に示す９個の配置に加え、横並びの４個のロータ機構５の上方に、左右方向に対称的に横並びに５個のロータ機構５が配置される。
【０１２９】
図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）、図１２（ｄ）に示す５個、７個、９個、１４個のロータ機構５の集合配置の態様は、上述した実施形態のような正三角形状に対応する３個のロータ機構５の配置態様の組合せということができる。すなわち、これらの集合配置の態様は、複数のロータ機構５が、ロータ軸方向視で、羽根車３０の回転軸の位置（ロータ中心位置）を正三角形の頂点に位置させる配置を最小単位として配置された態様である。かかる配置態様は、隣り合う正三角形状の配置で２個のロータ機構５を共有した配置態様と言える。
【０１３０】
さらに、ロータ機構５の集合配置の態様としては、図１４（ａ）に示すように、４個のロータ機構５が四角形（図１４（ａ）では、四角形の一例として正方形）状に対応するように配置された態様や、図１４（ｂ）に示すように、５個のロータ機構５が五角形（図１４（ｂ）では、五角形の一例として正五角形）状に対応するように配置された態様や、図１４（ｃ）に示すように、６個のロータ機構５が六角形（図１４（ｃ）では、六角形の一例として正六角形）状に対応するように配置された態様等が挙げられる。
【０１３１】
以上のように例示したロータ機構５の配置態様に関し、上述した実施形態及び図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような配置態様は、複数のロータ機構５が、ロータ軸方向視で、各ロータ機構５のロータ中心位置を所定の円周上にてこの円周の周方向に等間隔に位置させた配置態様であると言える。また、図１２（ｂ）に示すような配置態様は、上述のような所定の円周上における等間隔の配置に加え、ロータ中心位置を所定の円周の中心に一致させた配置態様であると言える。さらに、複数のロータ機構５の配置態様としては、例えば、上述した各配置態様とは上下反対の倒立した配置や、縦方向（上下方向）または横方向（左右方向）に一列または複数列に並べた配置等であってもよく、また、集合配置されるロータ機構５の個数は、数十個等であってもよい。以上のように、ロータ機構５の集合配置の態様としては、様々な態様が考えられる。
【０１３２】
なお、本実施形態において３個のロータ機構５が集合配置される場合は、図１５に示すように、上段の１個のロータ機構５（５Ｃ）と下段の２個のロータ機構５（５Ａ、５Ｂ）とが角度θ（６０°≦θ≦１８０°）を有する二等辺三角形として配置されるものとする。上段のロータ機構５Ｃと下段のロータ機構５Ａ、５Ｂとの間には、それぞれ前記の風車間隙間１０が設けられるものとする。一方、下段の２個のロータ機構５Ａ、５Ｂの間には、風車間隙間１０Ｌ（風車間隙間１０Ｌの長さ≧風車間隙間１０の長さ）が設けられる。
【０１３３】
すなわち、前述の図１、図２、図７、図９及び図１０に示す配置態様は、図１５において角度θ＝６０度且つ風車間隙間１０Ｌ＝風車間隙間１０である場合の配置態様を示している。また、特に角度θ＝１８０°の場合には、３個のロータ機構５は並列配置される。そして、このような配置構成では、角度θの値が大きい程システム全体としての出力が大きくなるという実験結果が得られている。かかる実験結果について、図１６を用いて説明する。
【０１３４】
本実験は、独立した３台のロータ機構５Ａ、５Ｂ、５Ｃの出力の合計の測定値を基準として、角度θが９０°、１８０°の場合の各々における風力発電装置１の全体出力の変化を測定したものである。図１６に示すグラフは、所定の大きさの３つのロータ機構５Ａ、５Ｂ、５Ｃが、同一の垂直面内において角度θが９０°又は１８０°となるように風車間隙間１０を介して集合配置された構成（以下「集合配置構成」という。）による全体出力を示す。
【０１３５】
図１６に示すグラフにおいて、横軸は、風車間隙間１０の寸法をｓ、風胴体２０の最大外径部分である鍔部２２の直径をＤとした場合のｓ／Ｄ（Space between brims of turbines s/D[-] (D=brim diameter)）である。つまり、横軸は、風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２に対する風車間隙間１０の寸法ｓの比率（以下「隙間寸法比率」という。）である。また、縦軸は、出力（Power Output [Watt]）である。なお、本実験では、図１５に示す３つのロータ機構５の正面視において、上段のロータ機構５Ｃのみ右回り回転（時計方向回転）とし、下段の２つのロータ機構５Ａ，５Ｂは左回り回転（反時計方向回転）とした。
【０１３６】
図１６に示すグラフにおいて、点Ｒ１〜Ｒ１４は角度θが９０°の場合、点Ｓ１〜Ｓ１１は角度θが１８０°の場合の３つのロータ機構５Ａ、５Ｂ、５Ｃ（鍔部２２の高さが風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２の７．５％）による集合配置構成の出力の測定値を示している。この測定値についての測定誤差は約±２％であると推測される。また、図１６に示すグラフにおいて、破線で示す直線Ｌ２は、上記のとおり基準となる測定値であって、独立した（Stand alone）３台のロータ機構５Ａ，５Ｂ，５Ｃの出力の合計の測定値（以下「独立合計測定値」という。）を示す。
【０１３７】
図１６から分かるように、角度θが９０°、１８０°の順に角度θの値が大きくなる程、集合配置構成による全体出力の増加が大きくなっている。例えば、隙間寸法比率ｓ／Ｄが０．１５の場合、全体出力の増加率は、角度θが９０°の場合には＋約６〜７％、角度θが１８０°の場合には＋約８〜１０％の増加率である。
【０１３８】
以上のような測定結果から、３つのロータ機構５の集合配置構成において、集合配置構成の出力は、角度θの値が大きくなる程、独立風車の出力の合計に対して向上することがわかる。特に、本実験では、集合配置構成の出力の独立風車の出力の合計に対する増加率について、角度θが６０°の場合は、隙間寸法比率ｓ／Ｄの値が０のときに集合配置構成の出力は独立風車の出力の合計に対して減少しているのに対し、角度θが９０°、１８０°の場合には、集合配置構成の出力は独立風車の出力の合計に対して増加しているという顕著な特徴が示された。
【０１３９】
このような角度θの値と集合配置構成の出力との関係の理由について、以下考察を行う。
【０１４０】
すなわち、角度θが９０°、１８０°の場合（６０°より大きい場合）であって隙間寸法比率ｓ／Ｄの値が小さい場合、各ロータ機構５による内部流れの増速作用の相乗的な作用（本明細書においては「干渉作用」ともいう。）に加え、３つのロータ機構５の全体が側面視横長一体の２次元的な物体形状に近づくことによる２次元的な渦放出に起因して、出力が増加したと考えられる。
【０１４１】
一方、角度θが６０°の場合であって隙間寸法比率ｓ／Ｄの値が低い場合には、３個のロータ機構５の間、すなわち３個のロータ機構５の真ん中に形成される隙間を、流体が流れにくくなることに起因して、出力が減少したと考えられる。
【０１４２】
以上のように、角度θの値が大きくなる程、３つの各ロータ機構５による内部流れの干渉作用よりも、隣り合わせの２つのロータ機構５（５Ａと５Ｃ、又は、５Ａと５Ｂ）のそれぞれにおける内部流れの干渉作用が強まり、流体が通りにくい隙間が存在しなくなるために、出力が増加するものと考えられる。そのため、本実施形態において３個のロータ機構５が集合配置される場合、正三角形を除く二等辺三角形状の配置態様であって、できるだけ並列配置に近い（上記の角度θの値が大きい）形状とすることが望ましい。これにより、風車間隙間１０が小さい場合であっても、安定して集合配置構成の出力を向上させることができる。
【０１４３】
なお、本実験では、集合配置構成の出力の独立風車の出力の合計に対する増加率について、角度θが９０°の場合には、隙間寸法比率ｓ／Ｄの値が０．１〜０．２５までの範囲内にピークが存在することがわかる。一方、角度θが１８０°の場合には、隙間寸法比率ｓ／Ｄの値が０．３〜０．５までの範囲内にピークが存在することが分かる。
【０１４４】
また、図１６では、鍔部２２の高さが風胴体２０の最大外径寸法Ｄ１の７．５％である場合を例示しているが、鍔部２２の高さが風胴体２０の最大外径寸法Ｄ２の３％である場合よりも全体的に出力が向上したという別の実験結果も得られた。そのため、鍔部２２の高さを大きくすることで、上記の干渉作用が強まり、集合配置構成の出力を高くすることができるともいえる。
【０１４５】
以上、図１６で３つのロータ機構５の集合配置態様とその集合配置構成の出力との関係について説明してきた。当該考察によれば、４つ以上のロータ機構５を集合配置させる場合の配置態様も同様に、流体が通りにくい隙間ができる限り存在しないように構成することで、風車間隙間１０が小さい場合であっても、安定して集合配置構成の出力を向上させることも可能であるといえる。
【０１４６】
なお、図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）、図１２（ｄ）に示す５個、７個、９個、１４個のロータ機構５の集合配置の態様を、図１５に係る二等辺三角形状に対応する３個のロータ機構５の配置態様の組合せにしても良い。この場合、これらの集合配置の態様は、複数のロータ機構５が、ロータ軸方向視で、羽根車３０の回転軸の位置（ロータ中心位置）を二等辺三角形の頂点に位置させる配置を最小単位として配置された態様になる。かかる配置態様は、隣り合う二等辺三角形状の配置で２個のロータ機構５を共有した配置態様と言える。
【０１４７】
また特に、複数のロータ機構５が、ロータ軸方向視で、羽根車３０の回転軸の位置を、正三角形を除く二等辺三角形の頂点に位置させる配置を最小単位として配置された態様とすることで、風車間隙間１０が小さい場合であっても、安定して集合配置構成の出力を向上させることが可能となる。
【０１４８】
更に、複数のロータ機構５の配置態様としては、例えば、上述した各配置態様とは上下反対の倒立した配置等であってもよく、また、集合配置されるロータ機構５の個数は、数十個等であってもよい。以上のように、ロータ機構５の集合配置の態様としては、様々な態様が考えられる。
【０１４９】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態について、図１７を用いて説明する。なお、上述した各実施形態と共通する内容については共通の符号を用いて適宜説明を省略する。本実施形態に係る風力発電装置１０１は、所定の垂直面内に二等辺三角形（図１７では、二等辺三角形の一例としての正三角形）状に配置された３つのロータ機構５を全体的に囲繞するケーシング部材１２０を備える。
【０１５０】
ケーシング部材１２０は、基本的には、各ロータ機構５の風胴体２０と同様の構成を有する。すなわち、ケーシング部材１２０は、全体として、筒軸方向の寸法が径方向の寸法よりも短い筒状の外形をなす環状の部材であり、筒状の外形におけるロータ軸方向の一方側の開口を風の流入口とし、ロータ軸方向の他方側の開口を風の流出口とする。
【０１５１】
また、ケーシング部材１２０は、その流出口の周囲に渦を形成することでケーシング部材１２０内を流れる風の内部流れの速度を増加させる形状を有する。ケーシング部材１２０は、風の流れ方向に対して非流線形の形状を有し、複数のロータ機構５の周囲を囲って内外流を分離させる。具体的には、ケーシング部材１２０は、筒状に構成された本体部１２１と、本体部１２１の流出口側の端部に設けられた鍔部１２２とを有する。
【０１５２】
本体部１２１は、風胴体２０の本体部２１と同様に、縦断面視で、中心軸側に凸となる湾曲面をなす筒状ないし環状の部分である。すなわち、ケーシング部材１２０の中心軸方向について、本体部１２１の風下側（流出口側）の過半部分は、風上側（流入口側）から風下側に向けて徐々に拡径する形状を有し、かかる部分はディフューザ部として機能する。つまり、ケーシング部材１２０の流路断面は、本体部１２１の風下側の過半部分において、流入口側から流出口側にかけて徐々に広がっている。なお、風上側から風下側にかけて徐々に拡径する本体部１２１の風下側の過半部分は、縦断面視において、曲線状をなす部分ではなく、直線状をなす部分、つまり円錐面状の部分であってもよい。
【０１５３】
一方、ケーシング部材１２０の本体部１２１の風上側の部分は、本体部１２１の風下側の過半部分とは逆に、風下側から風上側に向けて徐々に拡径する形状、つまり風上側から風下側に向けて徐々に縮径する形状を有する。これにより、ケーシング部材１２０の流路断面は、流入端から一旦絞られ、風速が加速される。ただし、風上側から風下側にかけて徐々に縮径する本体部１２１の風上側の部分は、上記の風下側の過半部分と同様に円錐面状の部分であってもよい。
【０１５４】
鍔部１２２は、風胴体２０の鍔部２２と同様に、ケーシング部材１２０の流出口の周囲に渦を形成するための部分である。すなわち、鍔部１２２は、本体部２１の風下側の端部の周囲において、ケーシング部材１２０の中心軸方向に対して垂直な面に沿うように、流出口の全周にわたって設けられた環状の平板部である。したがって、鍔部１２２は、ケーシング部材１２０の縦断面視において、本体部１２１の風下側の縁端からケーシング部材１２０の中心軸方向に対して垂直な方向にケーシング部材１２０の径方向の外側に折れ曲がった直線状の部分となる。鍔部１２２の幅、つまり鍔部１２２の本体部１２１からの突出高さは、特に限定されるものではないが、例えば、ケーシング部材１２０の最小内径寸法の数％から５０％の範囲内の寸法に設定される。
【０１５５】
このように、ケーシング部材１２０は、流出口の周囲に渦を形成するための渦生成部としての鍔部１２２を有する。ケーシング部材１２０は、風下側の端部に鍔部１２２を有することで、全体的な形状を非流線形形状とする。
【０１５６】
なお、本実施形態の風力発電装置１０１が備えるケーシング部材１２０は、複数のロータ機構５を全体的に囲繞する構成のものであれば、形状等は特に限定されず、例えば、ケーシング部材１２０内に位置する複数のロータ機構５の配置態様に応じて、三角柱状や四角柱状等の多角形状の部材であったり、楕円柱状の部材であったりしてもよい。また、ケーシング部材１２０内に位置するロータ機構５の数は、本実施形態では３つであるが、このロータ機構５の数及び配置態様についても特に限定されるものではない。
【０１５７】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態について、図１８を用いて説明する。なお、上述した各実施形態と共通する内容については共通の符号を用いて適宜説明を省略する。本実施形態に係る風力発電装置２０１は、所定の配置態様で設けられる複数のロータ機構５の各ロータ機構５において、風胴体２０内に設けられる羽根車３０が複数配置されている。
【０１５８】
図１８に示す例では、所定の垂直面内に二等辺三角形（図１８では、二等辺三角形の一例としての正三角形）状に配置された各ロータ機構５の風胴体２０内に、３つの羽根車３０が配置されている。３つの羽根車３０は、ロータ軸方向を共通の方向とするように配置されている。また、３つの羽根車３０は、同一の垂直面内に配置されている。つまり、３つの羽根車３０は、ロータ軸方向（前後方向）について同じ位置に設けられている。ただし、３つの羽根車３０のロータ軸方向の位置については、同じ位置である場合に限らず、隣り合う羽根車３０同士がロータ軸方向にずれた位置、つまり食い違い状の配置（staggered配置）で設けられてもよい。
【０１５９】
３つの羽根車３０は、正三角形状に配置されている。すなわち、３つの羽根車３０は、ロータ軸方向視において、その回転軸の位置が１つの辺を水平方向に沿わせた正三角形の頂点の位置に対応するような配置で設けられている。したがって、３つの羽根車３０のうち、２つの羽根車３０が、互いに同じ高さ位置に配設され、残り１つの羽根車３０が、他の２つの羽根車３０の間の上方の位置に設けられている。
【０１６０】
本実施形態のように、ロータ機構５において風胴体２０内に設けられる発電用の羽根車３０は、複数であってもよい。なお、各ロータ機構５において風胴体２０内に複数の羽根車３０が設けられる場合、羽根車３０の数や配置態様は特に限定されるものではない。また、ロータ機構５において大きさが異なる複数種類の羽根車３０が風胴体２０内に設けられたり、風力発電装置２０１が備える複数のロータ機構５ごとに大きさ等が異なる羽根車３０が設けられたりしてもよい。
【０１６１】
また、例えば、前述の第３実施形態とこの第４実施形態とを組み合わせることで、ケーシング部材１２０が、複数の羽根車３０を全体的に囲繞する構成であっても良い。例えば、側面視で角丸長方形状のケーシング部材１２０が、並列配置の複数のロータ機構５を全体的に囲繞する構成である。
【０１６２】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態について、図１９〜図２１を用いて説明する。なお、上述した各実施形態と共通する内容については共通の符号を用いて適宜説明を省略する。本実施形態に係る風力発電装置５２は、第１実施形態の風力発電装置１や第２実施形態の風力発電装置５１と、ロータ機構５００の構成が異なる（詳しくは、図２１参照）。また、３つのロータ機構５００の配置が所定の垂直面内に二等辺三角形状である点で共通し、これら３つのロータ機構５００を支持する構造系等が異なる。
【０１６３】
なお、この第５実施形態で説明する３つのロータ機構５００の配置形態は、正三角形を除く二等辺三角形の形状であるものとし、前述の図１５において角度θの値が９０°である場合に相当する。但し、正三角形状の配置である場合を本発明の技術的範囲から除くものではない。
【０１６４】
図１９及び図２０に示すように、本実施形態に係る風力発電装置５２において、３つのロータ機構５００は、地表面等の設置面２上に鉛直上方向に立設された支持機構構造により支持される。支持機構構造は、３つのロータ機構５００の風上側に設けられ、設置面２上に立設される支柱８０と、支柱８０の上面中央部に突設され、略円柱状形状の支持突部８１とを有する。支持突部８１の上側に、逆台形型の旋回支持部９０が回転可能に支持される。旋回支持部９０は、支持突部８１に対して所定の旋回機構を介して設けられている。
【０１６５】
旋回支持部９０には、鉛直上方に延設される上側風車支持アーム９１、水平方向右側やや下向き方向に延設される右側風車支持アーム９２と、水平方向左側やや下向き方向に延設される左側風車支持アーム９３とを有する。旋回支持部９０は、これら支持アームの支持基部である。これら各風車支持アーム９１〜９３は旋回支持部９０に対して補強リブ９１Ａ〜９１Ｃにより補強された状態で取り付けられている。また、本実施形態では、角度θの値が９０°であるように各風車支持アーム９１〜９３が配設される。
【０１６６】
上側風車支持アーム９１の上端部は、上段のロータ機構５００Ｃを構成する羽根車１００の固定軸部１０１に接続される。羽根車１００の構成については図２１を用いて後述する。また、右側風車支持アーム９２の右端部は、下段のロータ機構５００Ａの固定軸部１０１に接続される。さらに、右側風車支持アーム９３の右端部は、下段のロータ機構５００Ｂの固定軸部１０１に接続される。また、ロータ機構５００Ｃの固定軸部１０１とロータ機構５００Ａの固定軸部１０１との間には、両者間を支持する支持部材９４が配設されている。同様に、ロータ機構５００Ｃの固定軸部１０１とロータ機構５００Ｂの固定軸部１０１との間にも、両者間を支持する支持部材９４が配設されている。
【０１６７】
また、各ロータ機構５００において、羽根車１００の固定軸部１０１と風胴体２０とを繋ぐ支持アーム９５及び支持線部９６が設けられている。支持アーム９５及び支持線部９６は、いずれもロータ軸方向視で風胴体２０の径方向に沿うように配された直線状の支持杆部である。
【０１６８】
支持アーム９５は、風胴体２０の前側において、固定軸部１０１から延出され、先端側を風胴体２０の流入口２０ａ側の開口縁端部に接続させた状態で、固定軸部１０１と風胴体２０との間に架設されている。本実施形態では、支持アーム９５の先端側は、位相制御板部２３の前端部に接続されている。また、支持アーム９５は、各ロータ機構５００を支持する風車支持アーム９１〜９３の各々について、当該風車支持アーム９１〜９３の延長線方向及び当該延長線と垂直方向に合計３本架設される。
【０１６９】
支持線部９６は、その一旦側が各ロータ機構５００の固定軸部１０１に接続され、他端側が風胴体２０の流入口２０ａ側の開口縁端部のうち支持アーム９５が取り付けられていない開口縁端部に接続されるワイヤ（細線）状の支持部材である。
【０１７０】
以上に示すように、この第５実施形態に係る風力発電装置５２では、３つのロータ機構５００の各々が、一箇所の旋回支持部９０から延設される複数本（ここでは３本）の風車支持アーム９１〜９３によって支持される構成となっており、前述した図１、図２、図９及び図１０に示す構成に比べて、極めて簡易な構成となっている。
【０１７１】
なお、この第５実施形態に係る風力発電装置５２では、支持基部としての旋回支持部９０が３つのロータ機構５００の重心位置となるように、各風車支持アーム９１〜９３が延設され且つ３つのロータ機構５００が設けられることが望ましい。旋回支持部９０が３つのロータ機構５００の重心位置であることにより、以下の作用を奏する。その作用とはすなわち、強風時等に、各ロータ機構５００において風荷重（スラスト力）により発生するモーメントが、全体として相殺されることである。これにより、風力発電装置５２全体としての安定性が優れたものとなる。
【０１７２】
また、前述の第１実施形態の風力発電装置１と同様に、３つのロータ機構５００の集合配置による出力の増加効果が得られる。また、前述の第２実施形態の風力発電装置５１と同様に、支持突部８０に対して回転可能な状態で３つのロータ機構５００を支持する旋回支持部９０により、３つのロータ機構５００の向きを全体的に変化させることが可能となる。したがって、例えば、３つのロータ機構５００を、風の流れに対応して、風胴体２０の流入口２０ａ側が常に風上側を向くように回転させることが可能となる。かかる構成を採用することで、３つのロータ機構５００の向きを、最大出力が得られる向きへと自動的に調整することができる。３つのロータ機構５００の向きを変えるための回転（旋回）の機構に関しては、風の流れの微小な変動に過度に追従しないように、回転を機械的に抑制するための機構を設けたり、制御装置によって過度な追従を抑制する制御を行ったりすることができる。
【０１７３】
なお、ロータ機構５００の数が４個以上の場合（例えば図１２、図１３、図１４に相当）には、各ロータ機構５００は、旋回支持部９０から４以上の方向に延びる支持アームによって各々支持されてもよい。この場合も、旋回支持部９０が各ロータ機構５００の重心位置であることが望ましい。
【０１７４】
続いて、本実施形態５に係るロータ機構５００の構成について説明する。
【０１７５】
図２１は、本発明の第５実施形態に係るロータ機構５００の構成を示す縦断面図である。図２２に示すロータ機構５００は、第１実施形態に係る羽根車３０（図５参照）の代わりに、羽根車１００が設けられている点でロータ機構５と異なる。
【０１７６】
羽根車１００は、風胴体２０内において、固定軸部１０１の中心軸が風胴体２０の中心軸に一致するように、風胴体２０に対して同心配置される。
【０１７７】
固定軸部１０１は、例えば中空の肉厚鋼管によって形成され、ブレード１０２の回転軸方向を長手方向とする円筒状ないし紡錘形状の筐体であり、回転しない固定軸である。この固定軸部１０１は、その前側が風胴体２０の流入口２０ａより外側に露出し、その後側が鍔部２２より外側に露出している。この固定軸部１０１の内部には、ブレード１０２のピッチ機構１０４が配設される。この固定軸部１０１の外周には、アウタロータ発電機１０３が配設される。
【０１７８】
ブレード１０２は、固定軸部１０１上の流入口２０ａ側寄りの位置において、固定軸部１０１の周面からアウタロータ発電機１０３を介して放射状に設けられた羽根部分である。このブレード１０２は、風胴体２０の内周面２０ｃに当該ブレード１０２の先端が触れないように、内周面２０ｃに対して若干のクリアランスを保持した状態で回転するように設けられている。本実施形態では、固定軸部１０１の周方向に等間隔で３枚のブレード１０２が配置される。なお、ブレード１０２の枚数や各ブレード１０２の形状は、特に限定されるものではない。
【０１７９】
アウタロータ発電機１０３は、固定軸部１０１の外周上に配設され、固定軸に固定されたステータコイル（以下、単に「コイル」ともいう。）１０３ａと、コイル１０３ａを前後から覆うよう配置された磁石１０３ｂとが外殻１０３内には配置された発電機である。このアウタロータ発電部１０３では、ブレード１０２の回転に応じて磁石１０３ｂが外殻１０３ｃとともに固定軸部１０１の軸周りを回転することによって発電を行う。このアウタロータ発電部１０３はフライホイール（はずみ車）に相当する。なお、風車がストール時には内部発熱するが、外殻１０３ｃや固定軸部１０１からの放熱により放熱性を向上させることができる。
【０１８０】
ピッチ機構１０４は、固定軸部１０１内に配設され、ブレード１０２のピッチ角を制御するための機構である。第５実施形態に係るロータ機構５００によれば、前述の各実施形態と異なり、主軸を中空の固定軸部１０１としている。そのため、当該固定軸部１０１の内部空間を利用して、強風時のフェイルセーフとしてピッチ角制御（例えば、ブレードのピッチ角をほぼゼロとすることで揚力を発生させず風を逃がす制御、いわゆるフェザーリング制御）を実現することができる。制御内容については既知の技術であるとして、ここでは説明を省略する。
【０１８１】
スポーク１０５は、羽根車１００の固定軸部１０１と風胴体２０とを繋ぐワイヤ（細線）状の支持部材である（図１９の支持線部９６に相当）。このスポーク１０５は、風胴体２０の前側において、固定軸部１０１の前端から延出され、先端側を風胴体２０の流入口２０ａ側の開口縁端部に接続させた状態で、固定軸部１０１と風胴体２０との間に架設される。また、風胴体２０の後側において、固定軸部１０１の後端から延出され、先端側を風胴体２０の鍔部２２の開口縁端部に接続させた状態で、固定軸部１０１と風胴体２０との間に架設される。
【０１８２】
このスポーク１０５が少なくとも４箇所に配設されることにより、風胴体２０を上下流側並びに鉛直上下方向から支持することができる。従って、ロータ機構５００の強度、すなわち強風時等にロータ機構５００に加わる風荷重に対する構造上の安定性を高めることができる。従来、レンズ風車としてのロータ機構は、重量が軽すぎると空力フラッタを起こし易いという構造上の課題があったが、このような課題を解決することができる。また、このようなスポーク１０５は安価であるため、低コストにもつながる。また、通常のマルチロータシステムを構成する各風車はダウンウインド型の風車であるが、上記のアウタロータ発電部１０３やスポーク１０５を配設することによって、アップウインド型の風車にすることも可能である。
【０１８３】
以上説明してきたように、第５実施形態に係るロータ機構５００によれば、主軸が中空の固定軸部１０１であることにより、この固定軸部１０１の内部空間を利用し、ピッチ機構１０４を設けることができる。また、アウタロータ発電部１０３及びスポーク１０５がロータ機構５００の集風体（風胴体２０）を固定支持することにより、上記の構造上の課題を解決することができる。また、各ロータ機構５００にヨー機構、ナセルやスリップリングの機構が不要になるため、全体の構成をシンプル化及び軽量化することができる。なお、図１９や図２０に示す風力発電装置５２において、ロータ機構５００の代わりに、前述のロータ機構（図５参照）を設けても良い。
【０１８４】
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態について、図２２を用いて説明する。図２２は、本発明の第６実施形態に係る風力発電装置の構成概略を示す図である。なお、図２２では、前述の第２実施形態に係る風力発電装置５１（図１０参照）に対応する風力発電装置２００において、３つのロータ機構５の各々の羽根車２０１の回転軸部２０２において、ブレード２０３を駆動する駆動部２１０、制御部２２０を更に備えた構成を簡易的に示している。図２２の羽根車２０１、回転軸部２０２、ブレード２０３は、それぞれ図１０の羽根車３０、回転軸部３１、ブレード３２に対応する。
【０１８５】
まず、この第６実施形態に係る前提について説明する。一般的に、小型風車のピッチ角は固定である。そのため、風速１０ｍ／ｓ〜２０ｍ／ｓ程度の強風時には、大きな空力トルクを生じ、ブレードの素材強度や構造強度の限界以上の過回転に陥りやすい、或いは、ブレードの回転により風荷重が増加し、大きな転倒モーメントを生じ得るという課題が生じる。また、風速２０ｍ／ｓ−６０ｍ／ｓ程度の暴風時には、通常の１０倍以上の風荷重を受け、風車本体が倒壊する恐れが生じ得るという課題が生じる。
【０１８６】
上記の課題を解決すべく、この第６実施形態に係る風力発電装置２００では、風速１０ｍ／ｓ〜２０ｍ／ｓ程度の強風時における安全運転又は安全停止、並びに、風速２０ｍ／ｓ−６０ｍ／ｓ程度の暴風時における構造安全設計を考慮して、駆動部２１０や制御部２２０が、以下に説明する動作を行う。
【０１８７】
駆動部２１０は、制御部２２０によって動作制御され、ブレード２０３を時計回り又は反時計回りに所定の回転速度（角速度）で回転させたり、ブレード２０３の回転を停止させたりする駆動を行う。この駆動部２１０は、具体的には、回転軸部２００内の不図示のロータ軸を回転駆動させる機構であり、回転軸部２００内のナセルに収納される。
【０１８８】
制御部２２０は、駆動部２１０の駆動制御を行う制御装置である。この制御部２２０は、例えば支柱の最下部の支持突部６２に収納される。制御部２２０と駆動部２１０とは不図示の配線等により接続される。なお、制御部２２０が行う制御とは、不図示の風速計等により風速が所定速度以上の強風時を検出した場合に、下段のロータ機構５Ａ、５Ｂの回転状態を異なる状態にする制御である。
【０１８９】
制御部２２０は、例えば一方のロータ機構５Ｂを短絡停止させることによって、下段のロータ機構５Ａ、５Ｂの回転状態を異ならせる。そうすると、短絡停止したロータ機構５Ｂに対する風荷重が低減され、左右のロータ機構５Ａ、５Ｂのそれぞれに対する風荷重が異なる状態になり、風力発電装置２００はヨー回転を開始する。このように、ヨー機構のパッシブ特性を利用して強制的にヨー回転させることができる。すなわち、ファーリングが可能となる。
【０１９０】
また、制御部２２０は、上記制御でヨー回転力が足りない場合には、短絡停止させたロータ機構５Ｂを、他方のロータ機構５Ａと逆回転させることにより、当該ロータ機構５Ｂに風向きと逆向きの推進力を生じさせることで、ヨー軸である縦支持部７１周りのヨーモーメントを増加させる。これにより、ファーリングが可能となる。
【０１９１】
以上説明してきたように、第６実施形態に係る風力発電装置２００によれば、強風時等において、ヨー軸である縦支持部７１を挟んで対向する側に配置される下段のロータ機構５Ａ、５Ｂの回転状態を異ならせるよう制御することで、強制的にヨー回転を行わせている。これにより、風速１０ｍ／ｓ〜２０ｍ／ｓ程度の強風時における安全運転又は安全停止を実現でき、並びに、風速２０ｍ／ｓ−６０ｍ／ｓ程度の暴風時における倒壊等を防止することができる。
【０１９２】
なお、この第６実施形態では、３つのロータ機構５が配置される場合を例示して説明を行ってきたが、４つ以上のロータ機構５が配置されるマルチロータシステムであっても同様の制御を行うことが望ましい。すなわち、４つ以上のロータ機構５が鉛直方向のヨー軸回りに回転可能な配置態様である場合、ヨー軸を挟んで対向する側に配置される少なくとも一対のロータ機構５に関し、一方のロータ機構５と他方のロータ機構５との回転状態を異ならせる制御を行う。また、ヨー軸を挟んで対向する側に各々複数のロータ機構５が配置され、一方側に配置されるロータ機構５が複数である場合には、そのうちのいずれか一つ以上について上記の制御を行う。特に、ヨー軸から最も離間したロータ機構５に対して上記制御を行うことにより、効果的にヨーモーメントを増加させることができる。
【０１９３】
以上説明したように、本発明に係る流体発電装置は、風や潮流等の流体の流れを利用してロータ機構のロータ（羽根車）を回転させることで発電を行うものであり、集風構造体あるいは集水構造体がロータの周囲についているロータ機構を、回転軸の方向を共通とする配置で複数備え、複数のロータ機構を適切な隙間間隔で垂直面内に集合配置させたユニット群の構造システム（マルチロータシステム）として構成されている。
【０１９４】
例えば風力発電の場合、通常、集合風車としての全体出力は単体風車の集合数倍（ｎ倍）になるだけであるところ、本発明に係る流体発電装置によれば、単体のロータ機構の集合数倍以上の出力を得ることができることから、最もコストパフォーマンスが高い汎用規模サイズのロータ機構を集合させることで、大出力化、空力騒音の低減、低コスト化、良好なメンテナンス性、軽量化を達成することができ、大出力の風車・水車の新しい姿を提供することが可能となる。
【０１９５】
本発明に係る流体発電装置の実用化の展望としては、上述した実施形態に係る風力発電装置１の構成を採用することで、例えば、３ｋＷ程度の小型のレンズ風車を基本ユニットとすることで２０ｋＷ程度への大出力化が図れ、３００ｋＷ程度の中型のレンズ風車を基本ユニットとすることでメガワット程度の大出力化が図れると考えられる。レンズ風車はもとよりとても静かな風車である。したがって、例えば、空力騒音は問題にならない中型の数百ｋＷサイズのレンズ風車を基本ユニットとして集合化させ、メガワット機にすることで、メガワット機以上の大型機に特有な空力騒音が極端に小さく、低周波騒音が皆無で、環境にやさしく、社会に受け入れられる風力発電装置を実現することが可能となる。
【０１９６】
以上、各実施形態により説明した本発明に係る風力発電装置は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨に沿う範囲で、種々の態様を採用することができる。
【符号の説明】
【０１９７】
１         風力発電装置（流体発電装置）
５         ロータ機構
１０     風車間隙間
２０     風胴体（ケーシング）
２０ａ  流入口
２０ｂ  流出口
２１     本体部
２２     鍔部
３０     羽根車（ロータ）
【図１】
2016076425.tif 000003
【図２】
2016076425.tif 000004
【図３】
2016076425.tif 000005
【図４】
2016076425.tif 000006
【図５】
2016076425.tif 000007
【図６】
2016076425.tif 000008
【図７】
2016076425.tif 000009
【図８】
2016076425.tif 000010
【図９】
2016076425.tif 000011
【図１０】
2016076425.tif 000012
【図１１】
2016076425.tif 000013
【図１２】
2016076425.tif 000014
【図１３】
2016076425.tif 000015
【図１４】
2016076425.tif 000016
【図１７】
2016076425.tif 000017
【図１８】
2016076425.tif 000018
【図１９】
2016076425.tif 000019
【図２０】
2016076425.tif 000020
【図２１】
2016076425.tif 000021
【図２２】
2016076425.tif 000022
【図１５】
2016076425.tif 000023
【図１６】
2016076425.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月26日(2016.7.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の作用を利用して発電を行う流体発電装置における流体発電方法であって、
前記流体発電装置は、複数の発電機構を備え、
前記各発電機構は、内側を流体が流れるケーシングと、前記ケーシングの内側に設けられて流体の作用を利用して発電する発電部とを有し、
前記ケーシングは、流体の流出口の周囲に渦を形成する形状を有し、
複数の前記ケーシングは、隙間を隔てて配置されるものであり、
前記各ケーシングにより流体の流出口の周囲に渦が形成され、前記隙間を隔てて配置された前記複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉することにより内部流れの速度を増加させるステップを含む流体発電方法。
【請求項２】
前記流体発電装置は、少なくとも、互いに隣接する第１発電機構、第２発電機構及び第３発電機構を備え、
前記第１発電機構、前記第２発電機構及び前記第３発電機構は、直線上になく、前記第１発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間は、前記第１発電機構と前記第２発電機構の前記ケーシングの隙間及び前記第２発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間よりも広いものである、請求項１記載の流体発電方法。
【請求項３】
前記流体発電装置は、少なくとも、互いに隣接する第１発電機構、第２発電機構及び第３発電機構を備え、
前記第１発電機構、前記第２発電機構及び前記第３発電機構は、順に直線上に存在して、前記第１発電機構と前記第２発電機構との間及び前記第２発電機構及び前記第３発電機構の間では隙間における渦の干渉をさせ、前記第１発電機構と前記第３発電機構の間では渦の干渉をさせない、請求項１記載の流体発電方法。
【請求項４】
前記流体発電装置は、少なくとも、互いに隣接する第１発電機構、第２発電機構及び第３発電機構を備え、
前記第１発電機構と前記第２発電機構の前記ケーシングの隙間、前記第２発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間、及び、前記第１発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間は等しい、請求項１記載の流体発電方法。
【請求項５】
前記複数の発電機構の一部又は全部は、鉛直方向の所定軸回りに回転可能に配置され、
前記流体発電装置は、前記所定軸を挟んで対向する側に配置される一対の発電機構のうちの一方の発電機構と他方の発電機構の前記発電部の負荷を異ならせる制御部を備える、請求項１から４のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項６】
前記制御部は、前記一対の発電機構の一方を短絡停止させ、又は、他方とは逆向きの推進力を生じさせる、請求項５記載の流体発電方法。
【請求項７】
前記ケーシングは、流体の流出口の周囲に渦を形成する鍔部を備える、請求項１から６のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項８】
前記各ケーシング内を流れる流体の内部流れの向きは、略並行である、請求項１から７のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項９】
前記ケーシングは、該ケーシングの流体の流出口の周囲に渦を形成して該ケーシング内を流れる流体の内部流れの速度を増加させるものであり、
前記ステップにおいて、前記隙間を隔てて配置された複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉して、前記各ケーシングの内部流れの速度が、干渉がない状態よりも増加する、請求項１から８のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項１０】
前記発電部は、
回転軸回りに回転するロータ、及び／又は、
固定軸に固定されたコイルと、前記コイルの外周側に配置されてブレードの回転に応じて回転する磁石とを有するアウタロータ発電機、が設けられたロータを備え、更に、前記固定軸の軸方向前後端と前記ケーシングとの間に架設された複数のスポークを備える、請求項１から９のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項１１】
前記流体発電装置は、複数の前記発電機構を囲繞するケーシング部材をさらに備える、請求項１から１０のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項１２】
前記隙間は、前記ケーシングの最大外形寸法の０．０５〜１．５倍である、請求項１から１１のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項１３】
流体の作用を利用して発電を行う流体発電装置であって、
複数の発電機構を備え、
前記各発電機構は、内側を流体が流れるケーシングと、前記ケーシングの内側に設けられて流体の作用を利用して発電する発電部とを有し、
前記ケーシングは、流体の流出口の周囲に渦を形成する形状を有し、
複数の前記ケーシングは、隙間を隔てて配置され、前記各ケーシングにより流体の流出口の周囲に渦が形成され、前記隙間を隔てて配置された前記複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉することにより、内部流れの速度を増加させる、流体発電装置。
【請求項１４】
前記隙間は、前記ケーシングの最大外形寸法の０．０５〜１．５倍である、請求項１３記載の流体発電装置。
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月13日(2016.12.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の作用を利用して発電を行う流体発電装置における流体発電方法であって、
前記流体発電装置は、複数の発電機構を備え、
前記各発電機構は、内側を流体が流れるケーシングと、前記ケーシングの内側に設けられて流体の作用を利用して発電する発電部とを有し、
前記ケーシングは、
風の流れ方向に対して非流線形の形状を有する本体部と、
前記本体部の流体の流出口の端部の外周側に鍔部を有し、
複数の前記ケーシングは、隙間を隔てて配置されるものであり、
前記隙間は、前記ケーシングの最大外形寸法の０．０５〜１．５倍であり、
前記各ケーシングの前記鍔部により流体の流出口の周囲に渦が形成され、前記隙間を隔てて配置された前記複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉することにより内部流れの速度を増加させるステップを含む流体発電方法。
【請求項２】
前記流体発電装置は、少なくとも、互いに隣接する第１発電機構、第２発電機構及び第３発電機構を備え、
前記第１発電機構、前記第２発電機構及び前記第３発電機構は、直線上になく、前記第１発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間は、前記第１発電機構と前記第２発電機構の前記ケーシングの隙間及び前記第２発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間よりも広いものであることにより、前記第１発電機構、前記第２発電機構及び前記第３発電機構が互いに同じ隙間の場合よりも発電効率を上昇させる、請求項１記載の流体発電方法。
【請求項３】
前記流体発電装置は、少なくとも、互いに隣接する第１発電機構、第２発電機構及び第３発電機構を備え、
前記第１発電機構、前記第２発電機構及び前記第３発電機構は、順に直線上に存在することにより、前記第１発電機構、前記第２発電機構及び前記第３発電機構が直線上にない場合よりも発電効率を上昇させる、請求項１記載の流体発電方法。
【請求項４】
前記流体発電装置は、少なくとも、互いに隣接する第１発電機構、第２発電機構及び第３発電機構を備え、
前記第１発電機構と前記第２発電機構の前記ケーシングの隙間、前記第２発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間、及び、前記第１発電機構と前記第３発電機構の前記ケーシングの隙間は等しい、請求項１記載の流体発電方法。
【請求項５】
前記複数の発電機構の一部又は全部は、鉛直方向の所定軸回りに回転可能に配置され、
前記流体発電装置は、風速が所定速度以上の強風を検出したならば、前記所定軸を挟んで対向する側に配置される一対の発電機構のうちの一方の発電機構と他方の発電機構の前記発電部の負荷を異ならせることにより、前記複数の発電機能の一部又は全部を前記所定軸回りに回転させる制御部を備える、請求項１から４のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項６】
前記制御部は、前記一対の発電機構の一方を短絡停止させ、又は、他方とは逆向きの推進力を生じさせる、請求項５記載の流体発電方法。
【請求項７】
前記各ケーシング内を流れる流体の内部流れの向きは、略並行である、請求項１から６のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項８】
前記ケーシングは、該ケーシングの流体の流出口の周囲に渦を形成して該ケーシング内を流れる流体の内部流れの速度を増加させるものであり、
前記ステップにおいて、前記隙間を隔てて配置された複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉して、前記各ケーシングの内部流れの速度が、干渉がない状態よりも増加する、請求項１から７のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項９】
前記発電部は、
回転軸回りに回転するロータ、及び／又は、
固定軸に固定されたコイルと、前記コイルの外周側に配置されてブレードの回転に応じて回転する磁石とを有するアウタロータ発電機、が設けられたロータを備え、更に、前記固定軸の軸方向前後端と前記ケーシングとの間に架設された複数のスポークを備える、請求項１から８のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項１０】
前記流体発電装置は、複数の前記発電機構を囲繞するケーシング部材をさらに備える、請求項１から９のいずれかに記載の流体発電方法。
【請求項１１】
流体の作用を利用して発電を行う流体発電装置であって、
複数の発電機構を備え、
前記各発電機構は、内側を流体が流れるケーシングと、前記ケーシングの内側に設けられて流体の作用を利用して発電する発電部とを有し、
前記ケーシングは、流体の流出口の外周側に鍔部を備え、流体の流出口の周囲に渦を形成し、
複数の前記ケーシングは、隙間を隔てて配置され、前記隙間は、前記ケーシングの最大外形寸法の０．０５〜１．５倍であり、前記各ケーシングにより流体の流出口の周囲に渦が形成され、前記隙間を隔てて配置された前記複数のケーシングの流体の流出口の周囲に形成された渦が干渉することにより、内部流れの速度を増加させる、流体発電装置。
【国際調査報告】
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2016076425.tif 000026
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