(57)【要約】      （修正有）【課題】プロペラと同等の機能を有する羽根車の構造上の制約を少なくする風力発電装置を提供する。【解決手段】風力発電装置１は、内側フレーム１００と外側フレーム２００との二重構造のフレームを備える。内側フレーム１００は外側フレーム２００の内部に位置する。外側フレーム２００の上方には環状のローラガイド３００が配置されている。内側フレーム１００の中央には垂直軸４００が回転自在に垂直に立設している。ローラガイド３００の環部の中央に開いた穴には羽根車５２０が配置されている。風向きが変化すると、羽根車５２０は、羽根が風を強く受けるように、ローラガイド３００の環部の空洞内のローラ５４０にその一端を支えられながら垂直軸４００を回転の中心として水平に回動する。内側フレーム１００の内部には発電機６００が配置されている。風を受けて羽根車５２０が回転すると、その回転が垂直軸４００を介して発電機６００に伝わり、発電機６００が発電する。【選択図】図１
0003183011.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に垂直に立設する垂直軸と、
前記垂直軸を中心として水平に配置された環状の環部を有しており、当該環部の内部が空洞であって内周側の側面が開いており、当該空洞内にローラが移動可能に収納されているローラガイドと、
水平に配置された円筒と、当該円筒の外周に巻き付けられた羽根と、当該円筒の一方の端部から当該円筒と同軸になるように伸びる風上回転軸と、当該円筒の他方の端部から当該円筒と同軸となるように伸びて先端が前記ローラガイドの環部の空洞内に内周側の側面から挿入され、前記ローラによって回転自在に保持される風下回転軸とを有する羽根車と、
前記垂直軸に水平に回動自在に取り付けられ、前記風上回転軸を回転自在に保持しており、前記羽根車の回転を前記垂直軸に伝達する回転伝達部を備えるギアボックスと、
前記羽根車が風を受けて回転し、前記伝達部によって当該回転が前記垂直軸に伝達されて前記垂直軸が回転するとき発電する発電機と、
風向きに応じて前記ローラを前記ローラガイドの空洞内で移動させ、前記羽根車が効率良く回転する位置に前記羽根車と前記ギアボックスとを一体として水平に回転させる風向き調整部と、
を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記風向き調整部が、両側面が開いており、前記羽根車の円筒を略同軸となるように収納する収納円筒と、当該収納円筒の外周に固定された平らな風向板とを有する羽根車カバーを備えることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、風向きによらずに発電する風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、風向きによらずに発電し、また風向きの変化に迅速に対応することができる風力発電装置を開示する。
特許文献１に記載の風力発電装置は、垂直軸風車の一種である羽根車を有する。羽根車は、上部平板と下部平板を備え、垂直に伸びた垂直軸を回転の中心として回転自在に配置されている。上部平板および下部平板の間には、垂直に立設した複数の自転羽根が垂直軸の回りに円形に配置されている。各自転羽根は風を強く受けるように自転しながら羽根車を水平に回転させる。各自転羽根の回転角度は風向きに応じて制御される。羽根車が水平に回転すると、発電機が発電する。
一方、水平軸風車の一種であるプロペラ型風車は、風向きに対してプロペラが垂直となるように、風向きに応じて制御しなければならない点は特許文献１に記載の風力発電装置と同様であるが、その原理から自転羽根は不要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】登録実用新案第３１８０９１４号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、プロペラ型風車は水平な軸でプロペラを支えなければならない。このため、プロペラの構造に制約がある。
本考案の目的は、プロペラと同等の機能を有する羽根車の構造上の制約が少ない風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本考案の風力発電装置は、
回転自在に垂直に立設する垂直軸と、
前記垂直軸を中心として水平に配置された環状の環部を有しており、当該環部の内部が空洞であって内周側の側面が開いており、当該空洞内にローラが移動可能に収納されているローラガイドと、
水平に配置された円筒と、当該円筒の外周に巻き付けられた羽根と、当該円筒の一方の端部から当該円筒と同軸になるように伸びる風上回転軸と、当該円筒の他方の端部から当該円筒と同軸となるように伸びて先端が前記ローラガイドの環部の空洞内に内周側の側面から挿入され、前記ローラによって回転自在に保持される風下回転軸とを有する羽根車と、
前記垂直軸に水平に回動自在に取り付けられ、前記風上回転軸を回転自在に保持しており、前記羽根車の回転を前記垂直軸に伝達する回転伝達部を備えるギアボックスと、
前記羽根車が風を受けて回転し、前記伝達部によって当該回転が前記垂直軸に伝達されて前記垂直軸が回転するとき発電する発電機と、
風向きに応じて前記ローラを前記ローラガイドの空洞内で移動させ、前記羽根車が効率良く回転する位置に前記羽根車と前記ギアボックスとを一体として水平に回転させる風向き調整部と、
を備えることを特徴とする。
【０００６】
好ましくは、本考案の風力発電装置は、
前記風向き調整部が、両側面が開いており、前記羽根車の円筒を略同軸となるように収納する収納円筒と、当該収納円筒の外周に固定された平らな風向板とを有する羽根車カバーを備えることを特徴とする。
【考案の効果】
【０００７】
本考案によれば、プロペラと同等の機能を有する羽根車の構造上の制約を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本考案の実施形態に係る風力発電装置の構造の一例を示す縦断面図である。
【図２】本考案の実施形態に係る風力発電装置の構造の一例を示す左側面図である。
【図３】フレームの構造の一例を示す斜視図である。
【図４】羽根車の構造の一例を示す斜視図である。
【図５】羽根車の構造の一例を示す図である。図（Ａ）は羽根車の正面図である。図（Ｂ）は羽根車の左側面図である。図（Ｃ）は図（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】羽根車を構成する円筒の長手方向の長さを４倍に拡張した仮想的な円筒を示す図である。（Ａ）は仮想的な円筒の外観を示す図である。（Ｂ）は仮想的な円筒の長手方向の長さ４Ｌと、羽根と円筒の外周との接触部分Ｘの長さと、円筒の底面の円周長との関係を示す図である。
【図７】羽根車カバーの構造の一例を示す図である。（Ａ）は図１のＢ断面図（風上側）である。（Ｂ）は図１のＣ断面図（風下側）である。
【図８】図１のＤ断面図であり、発電機駆動部の構造の一例を示す。
【図９】羽根車が風向きに応じて回転する様子の一例を示す図である。
【考案を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本考案の実施形態に係る風力発電装置について詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
【００１０】
図１と図２は、それぞれ本考案の実施形態に係る風力発電装置１の構造の一例を示す縦断面図と左側面図である。
風力発電装置１は、図３に示すフレームを有する。フレームは例えば水平な地面７００の上に設置される。フレームは、内側フレーム１００と外側フレーム２００との二重構造である。内側フレーム１００は外側フレーム２００の内部に位置する。外側フレーム２００の上方には環状のローラガイド３００が配置されている。内側フレーム１００の中央には、垂直軸４００が回転自在に垂直に立設している。
ローラガイド３００の環部の中央に開いた穴に羽根車カバー５００が配置される。羽根車カバー５００は内部に羽根車５２０を収納する。羽根車５２０は水平軸風車の一種である。風向きが変化すると、羽根車５２０は、羽根が風を強く受けるように、ローラガイド３００の環部の空洞内のローラ５４０にその一端を支えられながら垂直軸４００を回転の中心として水平に回動する。
内側フレーム１００の内部には２台の発電機６００が配置されている。風を受けて羽根車５２０が回転すると、その回転が垂直軸４００を介して発電機６００に伝わり、発電機６００が発電する。
【００１１】
図３に示すように、内側フレーム１００は、上下に内側上フレーム部材１２０と内側下フレーム部材１４０とが配置されている。内側上フレーム部材１２０と内側下フレーム部材１４０は両方とも環状であり、断面が方形状である。内側上フレーム部材１２０は、内側下フレーム部材１４０から伸びる４本の柱１６０で支えられる。柱１６０は、断面が方形状であり、垂直に立設する。内側下フレーム部材１４０の下側には４個の内側足部１８０が取り付けられている。内側足部１８０は地面に接しており、内側下フレーム部材１４０を水平となるように支える。
内側上フレーム部材１２０の中央の穴にはパネル１２１が取り付けられている。パネル１２１には、所定の高さの軸受１２２がパネル１２１を貫通して垂直に取り付けられている。内側下フレーム部材１４０の中央の穴にはパネル１４１が配置されている。パネル１４１には、軸受１４２が垂直に取り付けられている。対向する２本の柱１６０にそれぞれパネル１６１が取り付けられている。軸受１２２と軸受１４２は、垂直軸４００を回転自在に保持する。
【００１２】
外側フレーム２００は、上下に外側上フレーム部材２２０と外側下フレーム部材２４０とが配置されている。外側上フレーム部材２２０と外側下フレーム部材２４０は両方とも環状であり、断面が方形状である。外側上フレーム部材２２０は、外側下フレーム部材２４０から伸びる８本の柱２６０で支えられる。柱２６０は、断面が方形状であり、垂直に立設する。外側下フレーム部材２４０の下側には８個の外側足部２８０が取り付けられている。外側足部２８０は地面に接しており、外側下フレーム部材２４０を水平となるように支える。
内側上フレーム部材１２０と外側上フレーム部材２２０とは同じ高さに位置する。内側上フレーム部材１２０と外側上フレーム部材２２０とは８本の角棒２２１で連結されている。８本の角棒２２１は、断面が方形状であり、水平に放射状に伸びる。
また、内側下フレーム部材１４０と外側下フレーム部材２４０とは同じ高さに位置する。内側下フレーム部材１４０と外側下フレーム部材２４０とは８本の角棒２４１で連結されている。８本の角棒２４１は、断面が方形状であり、水平に放射状に伸びる。
【００１３】
ローラガイド３００は、環状の環部で構成されており、外側上フレーム部材２２０から伸びる８本の柱３０１で支えられる。柱３０１は、断面が方形状であり、垂直に立設する。この構造により、ローラガイド３００の環部は、垂直軸４００を中心として垂直軸４００の周りに水平に配置される。図１に示すように、ローラガイド３００の環部は、Ｃ字形の断面形状を有し、内部が空洞であって、内周側の側面が開いている。ローラガイド３００の内部の空洞にはローラ５４０が移動できるように収納されている。
【００１４】
図１に示すように、垂直軸４００の上端にはベベルギア４１０が固定されている。ベベルギア４１０を含む垂直軸４００の上端部分は、ギアボックス４２０の中に収納されている。ギアボックス４２０は立方体のケースである。ギアボックス４２０は底面に軸受４２１を有し、側面に軸受４２２を有する。ギアボックス４２０は軸受４２１によって垂直軸４００に回動自在に取り付けられる。底面の軸受４２１と、内側上フレーム部材１２０の中央部の軸受１２２との間には座金４３０が配置されている。垂直軸４００は軸受４２１と座金４３０を貫通して、ベベルギア４１０を含む上端部分がギアボックス４２０の中に収納されている。
【００１５】
図４と図５は、羽根車５２０の構造の一例を示す。図４は、羽根車５２０の斜視図である。図５（Ａ）は羽根車５２０の正面図であり、図５（Ｂ）は羽根車５２０の左側面図であり、図５（Ｃ）は図５（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
羽根車５２０は、水平に配置された円筒５２１と、円筒５２１の外周に巻き付けられた４枚の羽根５２６とを有する。円筒５２１は、両端部に円形の風上側板５２２と風下側板５２４とを有する。風上側板５２２から円筒５２１と同軸となるように風上回転軸５２３が伸びる（すなわち、円筒５２１と風上回転軸５２３は同軸である。）。同様に、風下側板５２４から円筒５２１と同軸となるように風下回転軸５２５が伸びる（すなわち、円筒５２１と風下回転軸５２５は同軸である。）。
羽根５２６の横断面は円弧形状である。図６（Ａ）は、円筒５２１の長手方向の長さをＬ、底面（風上側板５２２と風下側板５２４）の直径をＤとするとき、長手方向の長さが４Ｌに拡張された仮想的な円筒５５０を示す。羽根５２６と円筒５５０（すなわち、円筒５２１）の外周との接触部分Ｘが直線となり、長手方向に４Ｌ進むと円筒５２１の外周を１周するように、個々の羽根５２６は外周に沿って巻きつけられる。
図６（Ｂ）は、長さ４Ｌと、接触部分Ｘの長さと、円筒５５０の底面の円周長との関係を示す。図６（Ｂ）の直角三角形の斜辺が接触部分Ｘに対応する。図６（Ｂ）から分かるように、接触部分Ｘが円筒５２１の軸方向となす角度（ねじれ角）ａは次の数式１で表すことができる。
【００１６】
【数１】
0003183011.tif 000003
【００１７】
なお、円筒５２１は、最大の長さがＬであり、Ｌ以下の任意の長さとすることができる。
羽根車５２０は、図４の左に示す矢印の向きに風が吹くと、図４の右に示す矢印の方向に回転する。
【００１８】
図１と図２と図７に示すように、羽根車カバー５００が羽根車５２０を覆っている。図７（Ａ）は図１のＢ断面図（風上側）であり、図７（Ｂ）は図１のＣ断面図（風下側）である。
羽根車カバー５００は、収納円筒５０１と、上側風向板５０２と、下側風向板５０３と、フランジ５０４と、ステー５０５と、軸受５０６と、ステー５０７とで構成される。
収納円筒５０１は、内部が空洞であり、両側面が開いた円筒である。収納円筒５０１の内部には円筒５２１と収納円筒５０１とが略同軸となるように（すなわち、円筒５２１の中心と収納円筒５０１の中心とが略一致するように）羽根車５２０が収納される。収納円筒５０１の外周の上下には上側風向板５０２と下側風向板５０３が垂直に固定されている。上側風向板５０２と下側風向板５０３は平らな平板である。
図１と図７（Ａ）に示すように、フランジ５０４は、円筒状であり、ギアボックス４２０の側面の軸受４２２にボルトを用いて固定される。４本のステー５０５がフランジ５０４と収納円筒５０１とを連結する。
図１と図７（Ｂ）に示すように、軸受５０６は羽根車５２０の風下回転軸５２５を回転自在に保持する。４本のステー５０７が軸受５０６と収納円筒５０１とを連結する。
なお、羽根車カバー５００は風向き調整部の一例である。
【００１９】
図１に示すように、風上回転軸５２３の先端にはベベルギア５３０が固定されている。風上回転軸５２３はギアボックス４２０の側面の軸受４２２によって回転自在に保持されており、ベベルギア５３０を含む風上回転軸５２３の先端はギアボックス４２０の中に収納されている。ギアボックス４２０の内部でベベルギア５３０と垂直軸４００の上端のベベルギア４１０とは噛みあっている。このため、羽根車５２０が回転すると、垂直軸４００が回転する。なお、ベベルギア５３０とベベルギア４１０とは回転伝達部の一例である。
風下回転軸５２５の先端は、ローラガイド３００の環部の中に内周側の側面から挿入され、ローラ５４０によって回転自在に保持される。ローラ５４０は、風下回転軸５２５を回転自在に保持するとともに、ローラガイド３００の環部の中を風向きに応じて移動する。
【００２０】
図８は、図１のＤ断面図であり、発電機駆動部の構造の一例を示す。
内側フレーム１００の２つのパネル１６１には、それぞれ発電機６００が取り付けられている。
発電機駆動部は、ギア４４０と、ギア６１０とで構成される。ギア６１０は垂直軸４００の中間部分に固定されている。ギア６１０は発電機６００の電機子に固定されている。ギア４４０とギア６１０は噛み合っている。発電機駆動部は、垂直軸４００が回転するとき、２つの発電機６００の回転子を回転させ、発電機６００に発電させる。
なお、図１と図８には２個の発電機６００が配置された例を示したが、これに限らず、例えば１個または４個の発電機を配置してもよく、設置することができる発電機の個数に制限はない。また、発電機６００を１個のみ配置する場合には、発電機６００の回転子と垂直軸４００を直結する構造とすることができる。この場合、ギア４４０とギア６１０は不要となる。
【００２１】
なお、軸受１２２や軸受１４２等の各種軸受は、各種ベアリング、Ｃ形止め輪、および必要に応じてシール等の部品で構成される。
【００２２】
図９に示すように、羽根車５２０は常に風の向きに対してフレームの中心より後方に位置する。羽根車カバー５００は、上側風向板５０２と下側風向板５０３に風を受け、垂直軸４００を回転の中心として移動する力を得る。この力によりローラ５４０はローラガイド３００の空洞内で移動する。羽根車カバー５００と羽根車５２０とギアボックス４２０とは一体として垂直軸４００を回転の中心としてローラ５４０に支えられて移動し、風の方向に対して定位する。
風を受けて回転する羽根車５２０の回転力は、ベベルギア５３０を介してベベルギア４１０に伝達される。その力は、更に垂直軸４００のギア４４０を介してギア６１０に伝達され、発電機６００が発電する。
【００２３】
なお、上述した実施形態では上側風向板５０２と下側風向板５０３とが風を受けることによって羽根車カバー５００と羽根車５２０とギアボックス４２０とが回転する例を示したが、上側風向板５０２と下側風向板５０３とを有さず、風向計と回転角度センサとモータとを備え、回転角度センサで風向計の向きの変化を検知してモータを制御し、羽根車５２０とギアボックス４２０とを一体として回転させる構成としてもよい。
【００２４】
羽根車５２０はその両端を軸受４２２とローラ５４０で支えられているため、プロペラに比べて厚くすることができる。このため、本考案によれば、プロペラに比べて羽根車の構造上の制約を少なくすることができる。
【００２５】
以上、本考案の実施形態について説明したが、設計上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている考案や考案の実施形態に記載されている具体例に対応する考案の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００２６】
１…風力発電装置、１００…内側フレーム、１２０…内側上フレーム部材、１２１…パネル、１２２…軸受、１４０…内側下フレーム部材、１４１…パネル、１４２…軸受、１６０…柱、１６１…パネル、１８０…内側足部、２００…外側フレーム、２２０…外側上フレーム部材、２２１…角棒、２４０…外側下フレーム部材、２４１…角棒、２６０…柱、２８０…外側足部、３００…ローラガイド、３０１…柱、４００…垂直軸、４１０…ベベルギア、４２０…ギアボックス、４２１…軸受、４２２…軸受、４３０…座金、４４０…ギア、５００…羽根車カバー、５０１…収納円筒、５０２…上側風向板、５０３…下側風向板、５０４…フランジ、５０５…ステー、５０６…軸受、５０７…ステー、５２０…羽根車、５２１…円筒、５２２…風上側板、５２３…風上回転軸、５２４…風下側板、５２５…風下回転軸、５２６…羽根、５３０…ベベルギア、５４０…ローラ、５５０…仮想的な円筒、６００…発電機、６１０…ギア、７００…地面
【図１】
0003183011.tif 000004
【図２】
0003183011.tif 000005
【図３】
0003183011.tif 000006
【図４】
0003183011.tif 000007
【図５】
0003183011.tif 000008
【図６】
0003183011.tif 000009
【図７】
0003183011.tif 000010
【図８】
0003183011.tif 000011
【図９】
0003183011.tif 000012