(57)【要約】      （修正有）【課題】メガワット級の発電出力を可能とし、且つ、耐暴風型機構を備えた垂直軸風車発電機を提供する。【解決手段】メガワット級の発電出力を目的として大スケールのフライホイール１を垂直軸風車発電機と一体化し、且つ、風力エネルギーから、より多くの回転トルクを捉えることと、更に、風量制御を行うことによって安定化した出力を得るために風車のローター２の外周部位に可動式のガイドベーン機構を備える。又、暴風時には垂直軸風車発電機を可動式円筒型格納容器１５に風速検知センサーを以って自動的に収納する機構を備える。【選択図】図１
0003201957.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
メガワット級の発電を目的として垂直軸風車の主軸の下部位に大スケールのフライホイールを一体化した垂直軸風車発電機
【請求項２】
風車ローターの外周部位に可動式ガイドベーンを備えて風力エネルギーを同ローターの外周部に収束して回転トルクの増大を図り、且つ、同ガイドベーンの開度角度の調整により風量制御を行って発電出力の安定化を図った請求項１の垂直軸風車発電機
【請求項３】
耐暴風構造の風車発電機を目的として可動式円筒型格納容器に収納する機構を備えた請求項１、又は、請求項２の垂直軸風車発電機
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本考案は風車発電機で大スケールのフライホイールを風車と一体型にすることによって大出力の発電を可能にした垂直軸風車発電機で、且つ、暴風や豪雪下では円筒式の格納容器に自動収納する機構を備えた垂直軸風車発電機（ＷＴＧ）（図１）である。（以下、当該風車発電機と称する）。
【背景技術】
【０００２】実用化されているメガワット級の発電出力を備えた風車発電機はプロペラ型風車発電機が主流をなしている。しかし、このプロペラ型風車発電機には下記に列挙するような弱点がある。
１．風力エネルギーの電気エネルギーへの変換率が低い、理論上は、約５９％（ベッツの法則による）である。しかし、実際は機械ロスも大きいため、約４０〜４５％である。添付  参考資判―１（出典：三菱重工業）参照。
２．建造費のレベルが高い。これは、発電出力が２０００ｋＷクラスでローター、ナセル、発電機等の主要機器の総重量は約１３０トンに及び、これが地表レベルより約８０メートル上空のタワーの頂点に設置されるため耐震、耐風上、タワーの強度設計レベルを引き上げる必要があり、そのために建造費が極度に高い要因となっている。それでもなお且つ、強風により金属疲労を起こしタワーが折損破壊された事例が多発している。
３．出力が２０００ｋＷのもので、そのローターのスパンは約８０メートルで、ローターの重量は約４０トンに及ぶ。これをタワーに懸架するためには高レベルの据付クレーンを必要とする。風車が山頂の高レベルに設置される場合、同クレーンの現地搬入が困難であり、又、搬入費用が高く、据付工事費の高騰の要因となっている。
４．発電機等の主要機器が上記の通り相当の上空に設置されるため、メインテナンスの難易度が高いためメインテナンスの費用が高く、又、落雷等で電気機器に火災が発生した場合、火災箇所が高所であるために消火活動が困難であり機器が燃え尽きるのを待つ事例が見受けられている。
５．低周波音、並びにシャドウフリッカー（太陽光を断続的に遮る現象）を発する為に風車設置近辺の住民の生活環境に悪影響を及ぼしている。
６．バードストライクによる渡り鳥の死亡事故が多発している。自然保護の対策が必要である。又、地表レベルより平均１００メー及ぶ高層建造物であるため設置により自然の景観を損ねている。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００３】プロペラ型風車に較べて従来型の垂直軸風車はその発生トルクモーメント（以下、回転トルクと称する）が極めて低レベルであること、又、羽根車のブレードの形状が、その殆どが揚力型でなく、直線翼であるために自己起動性が低いこと。この二大欠陥によりこれまでの垂直軸風車発電機は低発電出力に止まっている。【０００４】プロペラ型風車はその構造上、その殆どが増速機の組入れ型であるため機械ロスが大きい。又、風力エネルギーの捕捉率が低い。これ等が風力エネルギーの電気エネルギーに対する変換率の低さの要因となっている。【０００５】プロペラ型風車は発電出力が２０００ｋＷのもで約４０トンのローターを約８０メートルの上空のタワーに懸架する必要があり、又、数十トンに及ぶ発電機、等の主要機器をナセル内に収納して同じく同上空のタワーの先端に設置しなければならない。この為に、タワーの耐震、耐風上、設計強度レベルを引き上げて相当に堅牢なタワーを造る必要がある。これが風車発電機としての建造コストの高騰の一因をなしている。【０００６】台風等の暴風によりプロペラ型風車のプロペラは折損したり、吹き飛んだり、又、タワー自体が破損乃至折損したり、或いは、落雷により発電機等の電気機器が火災を起こしている状況が見受けられる。添付  参考資料―２参照。
【考案を解決するための手段】
【０００７】風車発電機において発電出力を高レベル化するためには風車から発電機に放出される回転トルク（Ｔ２）が高レベルの値でなければならない。回転トルクは、回転体に加わる力（接線力）と半径の外積量である。接線力は回転体の質量に重力加速度（９．８Ｎ）を乗じたものであるから同トルクは回転体の質量と半径に比例して増大する。即ち、トルクは梃子の原理に準じるものである。一方、回転体の運動エネルギーは次式に示す通り慣性モーメント（Ｉ）に比例して増大する。即ち、慣性モーメントは、回転体の質量と半径の二乗を乗じたモーメントであるので運動エネルギーは、回転体の質量と半径に比例して増大する。即ち、運動エネルギー（仕事）と回転トルクは質量と半径に比例して増大する。従って、比例式、運動エネルギー  ∝  回転トルクが成り立つ。従って、高運動エネルギーが高回転トルクを生み出し負荷側に放出されて大電気エネルギーを生み出す理論が成立つ。
【０００８】回転体の運動エネルギー（Ｋ）の値は次の定義式で表される。即ち、：−
Ｋ＝１／２Ｉ＊ω＾２
ここで、（Ｉ）は、慣性モーメントであり、ωは角速度である。又、（Ｉ）は、Ｉ＝ｍ＊ｒ∧２で表される。（ｍ）は、回転体の質量であり、（ｒ）は回転体の半径を表す。即ち、上記の通り、運動エネルギー（Ｋ）は、回転体の質量とその半径の二乗と、角速度の二乗に比例すると定義されている。このエネルギーに関わる方程式がフライホイールを一体型にした当該風車発電機の根幹を成す。即ち、フライホイールは大量の運動エネルギーを蓄え、そして、大回転トルクを定格で負荷側に放出する特有の機能を持つもので、この理論を適用したものがフライホイール一体型垂直軸風車発電機である。
【０００９】在来の直線翼垂直軸風車発電機の出力計算は，プロペラ型風車発電機と同様に風車の受風面積と風速の三乗に比例すると定義している。即ち、回転体の回転速度が出力の一つの要因となっている。故に、可能な限り回転体の角速度を大にして発電出力を上げようとしている。理論的には、これによって運動エネルギー（仕事量→動力）の増大は可能であるが、角速度の過度な増大は金属疲労をもたらし、又、機械的な破壊を招く。即ち、過度の角速度の増大は風車の破壊を招くことになる。一方、上記の定義式より、慣性モーメント（Ｉ）を大にすれば、（Ｋ）は増大するのであるから同重量（ｍ）より半径（ｒ）の二乗に比例するから、この（ｒ）を増大させた方が有利である。従って、回転体の質量より半径を大にして同運動エネルギーの増大を図る。しかし、過度な（ｒ）の増大は負荷の増大となり起動トルクの問題で風車が自動起動出来ないと云う難問題が生じる。  これらの要因がネックとなり在来の垂直軸風車発電機の発電出力を小出力に止まっている。
故に、実用化されているものの発電出力は凡そ、５０Ｋｗ未満である。
【００１０】垂直軸風車発電機において、この問題を解決するために考案されたのが、密度が均一な剛体であるフライホイール（１）を垂直軸風車発電機と一体化した当該風車発電機である。
このフライホイールには次の通り二つの顕著な機能がある。即ち、：−
其の一：フライホイールは回転することによってその内部に運動エネルギーを蓄える機能を持つ。又、フライホイールはスケールＵＰ（質量と径の増大）することによってより多くの運動エネルギーを蓄えることが出来る機能を持つ。従って、フライホイールはエネルギーを貯め込むことによって、風車から伝達される入力トルク（Ｔ１）より大きな定格トルクを負荷側に定格に放出することができる。更に、フライホイールは外力（風力エネルギー→Ｔ１）が加えられることにより増速し、回転速度の二乗に比例して運動エネルギーを蓄えることが出来る特有な機能を持つ。添付、参考資料―３、及び、参考資料−４を参照。
このフライホイールの特性（運動エネルギーの貯蔵能力）を生かして、国（ＮＥＤＯ）は、近年、フライホイールによる大電気エネルギーの貯蔵実験を支援している。これについて添付、参考資料−５を参照。
このフライホイールの機能については、水力発電所のダムの貯水池の機能に喩えることが出来る。ダムは上流から流れ込んで来る水を位置エネルギーとして貯水池に貯め込み満水状態にして水圧管を通して水車に運動エネルギーとして水を放流して発電装置により水力発電を行う。フライホイールは、この貯水池の機能に喩えることが出来る。即ち、貯水池のスケールを大にすればより大量の水（位置エネルギー→運動エネルギー）を貯め込むことができることと同じく、フライホイールもスケールＵＰすれば大量の運動エネルギーを蓄えることが出来る。そして、水力発電は貯水池からの放水量を増やすことによって運動エネルギーが増大し発電量を増大することになる。同じく、フライホイールから大量の運動エネルギー、即ち、異次元の物理量である回転トルクを発電機に放出することによって発電量が増大する。即ち、概念的に、同貯水池もフライホイールもエネルギーの貯蔵機能に於いて同じくするものである。このエネルギーの貯蔵機能を持つフライホイールを風車と一体型にすることによって、即ち、定格で大回転トルクを放出する機能を持たせた風車発電機がこの考案の主要なコンセプトを為すものである。そして、外力（エネルギー）の補給、即ち、風力エネルギーが続く限りフライホイールはその機能を発揮して発電出力に繋がることになる。
故に、フライホイールをスケールＵＰして貯蔵能力を増やせば定格に大回転トルクの放出が可能となり大発電出力が可能となる。
其の二：フライホイールは運動エネルギーを蓄える一方、同エネルギーを平準化して安定したトルクを負荷側に放出する機能を持つ。この機能を適用したものとして大型の舶用ディーゼルエンジンがフライホイールを装備していることを挙げることが出来る。レシプロエンジンが発する脈動のあるエネルギーをクランクシャフトにフライホイールを取り付けてこのフライホイールの機能により平準化した回転トルクを放出する機能である。一方、フライホイールは負荷側にトルクを放出することによって蓄えられたエネルギーが減少して回転は減速する。そこで、連続して負荷側に平準化したトルクを放出するためには風車より連続してフライホイールに回転トルク（Ｔ１）、即ち、付加トルクを補給する必要がある。付加トルクよって、フライホイールは加速されて、更なるエネルギーを蓄え、そして、平準化した回転トルク（Ｔ２）を放出して安定した電気エネルギーを生み出すことになる。このフライホイールを中枢とした当該風車発電機による発電システムを図２に示す。
一方、安定した電気エネルギーを得るには風車を安定した風力エネルギーを得る地域に設置することが肝要である。その為に、近年、風力発電は安定した風力エネルギーを得られる洋上風力発電が主流になりつつある。欧州の風力発電の主流は殆どが洋上風力発電である。従って、当該風車発電機も安定した風力エネルギーを得られる海浜、乃至洋上に設置されるのが一番効果的である。特に、タンカーや大型客船の甲板上の設置は、航海中は、４〜５ｍ／ｓｅｃ．以上の風速を連続して得られるので安定した電気エネルギーを得ることができる。そして、付言したいことは、何よりも利点であるのは風力エネルギーは太陽エネルギーと並んでそのエネルギー源がコストフリーであることである。  添付参考資料―１０は、この適用例のイメージ図である。
【００１１】フライホイールは密度が均一な剛体である。故に、安定した回転トルクを生み出し、その回転力を動力源として安定した発電出力が可能となる。
その算出は次によって求められる。（添付参考資料―６参照。出典  工業力学入門講座―第１０回“トルクと回転数と動力”）
即ち、半径Ｒ（ｍ）のフライホイールがその接線方向にＦ（Ｎ）の力を受けて回転数ｎ（ｒｐｍ）で回転している場合、フライホイールの回転トルクは、接線力（Ｆ）とフライホイールの半径（Ｒ）の積で表される。ここで、接線力（Ｆ）はフライホイールの質量に重力加速度（９．８Ｎニュートン）を乗じた値である。
即ち、トルクＴは、：−
トルクＴ（Ｎ・ｍ）＝接線力Ｆ（Ｎ）＊回転半径Ｒ（ｍ）
ここで、フライホイールを一分間（ｎ）廻した時の仕事（運動エネルギー）は
次式によって与えられる。即ち、：−
仕事Ｌ（Ｎ・ｍ）＝接線力Ｆ（Ｎ）＊移動距離Ｓ（ｍ）
＝Ｆ（Ｎ）＊２πＲｎ（ｍ）
＝２πＲＦｎ（Ｎ・ｍ）
＝２πＴｎ（Ｎ・ｍ）
仕事（エネルギー）の単位は、ジュールであり、エネルギー・仕事・電力量の各単位の関係（換算）は次に様に定義されている。
即ち、：−
１ジュール／秒＝１ニュートン・メートル＝１ワット
従って、動力（仕事率）Ｐ＝１分間に行う仕事／１分間
＝２πＴｎ（Ｎ・ｍ）／６０（ｓｅｃ）
Ｋｗ表示で表すと、：−
Ｐ（Ｋｗ）＝Ｔｎ／９５４９・・・（Ａ）式
となり、動力Ｐ（Ｋｗ）は、トルク（Ｎ・ｍ）と回転速度（ｒｐｍ）に比例することを表している。
（注）在来の風車発電機の動力計算は、風力の受風面における密度のある空気の移動（風速）による運動エネルギーをベースにしたものである。
この計算方式は、プロペラ型風車、サポニウス型風車、直線翼垂直軸風車、等に適用されている。即ち、風の運動エネルギー（Ｐｗ）が醸し出す動力の計算式は次に様に定義されている。
Ｐｗ＝１／２ｐＡＶｗ∧３・・・・（Ｂ）式
ここで、Ｐ：空気密度、Ａ：受風面積、Ｖｗ：風速。添付参考資料―７参照。
（エネルギー総合工学研究所  発行「風力発電」〜風車のトルクの式〜より転載  出典：遠隔講義『風力発電最前線』八戸工業大学）
即ち、同運動エネルギーは、空気密度を一定として、受風面積と風速の三乗に比例するとしている。そして、出力係数（ベッツの法則  ０．５９３）を乗じて風による風車の出力としている。
しかし、この動力計算式には次の通り疑義が生じる。即ち、：−
発電機の出力は入力トルクをベースとして算出されるもので入力トルクの大小によって発電出力の大小が決まる。風車なる回転体が発する回転トルクが発電機に放出されて出力されるが、この回転トルクのモーメントは回転体が発する運動エネルギーのモーメントの大小に比例する。そして、同運動エネルギーは、上記の定義式、Ｋ＝１／２Ｉ＊ω＾２より、角速度以外に回転体の質量と半径に比例するものである。従って、同質量も回転トルク発生の重要なファクターである。それにも拘らず、在来の動力計算式は回転体の質量を計算外としている。即ち、プロペラ型風車を例に挙げれば、全く外形寸法が同じプロペラで一つは、アルミ製で、もう一つは鉄製の場合、鉄製のプロペラが質量が大であるから運動エネルギーが大となり、回転トルクが比例して大となる。従って、発生動力は大となる。即ち、在来の学説の動力計算式において、この回転体の質量を動力計算のファクターとして組み入れていない、或いは、計算外としているところに疑義が生じる。      回転体としてコマを例にあげれば、外形寸法が全く同じＡ，Ｂの二つのコマがある。Ａは鉄製で、Ｂはアルミ製である。同じ回転スピードでこの二つのコマを廻した場合、コマの運動エネルギーは質量に比例するのであるから、保持するエネルギーはＡ＞Ｂである。同じく、発生トルクは質量に比例するのであるからＡ＞Ｂである。エネルギーが大であれば、より多くの仕事を為すことであり、コマはＡがＢより長い間廻り続ける。    一方、コマを回転させた場合の発生動力は、トルクと回転数に比例するのであるからＡがより大きい動力を発する、と云う理論が成り立つ。即ち、回転体に於いて、同回転体の質量を無視した発生動力の計算式には疑問を投じるものである。回転体が発するトルクにとって、回転体の質量はネグリジブルなものではない。
【００１２】フライホイールを回転させた場合の発生動力の理論計算を下記に示す。
・  フライホイールの質量と径の設定：  総質量  １５ｔｏｎ、半径  ２ｍ．
（フライホイールを３段直列接続、１段当たりの質量５ｔｏｎ    図１参照）
・  フライホイールの接線力：  １５ｔｏｎ＊９８０６（Ｎ）＝  １４７，０００（Ｎ）
・  （１Ｋｇ当たりの接線力：１Ｋｇ＊    ９．８０６Ｎ）
・  フライホイールの放出トルク：１４７，０００（Ｎ）＊２．０ｍ．＝２９４，０００（Ｎ）
・  フライホイールの定格回転数を１００ｒｐｍ．と設定した場合の動力（Ｐ）：
・  動力（Ｐ）＝  トルク（Ｔ）＊回転数（Ｎ）／９５４９
＝２９４，０００（Ｎ・ｍ）＊１００（ｒｐｍ）／９５４９
≒３０８０Ｋｗ
（注）上記は理論計算であり、出力係数、機械ロスは計算外としている。
参考までに、プロペラ型風車の場合の出力計算は、出力係数：０．５９３（ベッツ係数）を組み入れている。即ち、これは出力において風力エネルギーの約４０％は捕捉出来ていないことを示すものである。更に、増速機等の機械ロスを組み入れると、プロペラ型風車の風力エネルギーの電気エネルギーに対する変換率は、上記した通り、概ね４０〜４５％である。プロペラ型風車の場合は、プロペラの外周部の風力エネルギーの引摺り現象、プロペラの前面から背面への風力エネルギーの漏出、風向の変位に対しヨー機構によって風向に機械的に正対させているが完全に正対させるまでにタイムラグが生じその間、風力エネルギーを逃がしている、等々で機構上、エネルギーの漏出が多い。従って、エネルギーの変換効率が低いことが指摘されている。
当該風車発電機の羽根車（２）の形状は抗力式”Ｖ”字型ブレード（３）であり同ブレードの外周部にはコーナーブレード（３ｂ）（別称、ウイングレット）を備えており、風力エネルギーの捕捉を向上させ羽根による風力エネルギーの引摺り現象を無くしている。又、羽根車の外周部位には可動式ガイドベーン（４）を備えて風量制御を行い、ガイドベーン効果、即ち、ガイドベーンの開閉角度調整により風力を羽根車の外周部に集束させて回転トルクを向上させる効果（挺子の原理の応用）により風力エネルギー利用効率の向上を図っている（図４  参照）。その上、図３に示している通り、羽根車は３６０度の無指向性であるので風向の変位に対して風力エネルギーの捕捉率が優れている。
風力エネルギーの捕捉について、当該風車のモデル機による実験結果、運転時、反受風面のＢポイント、Ｃポイントにおいて、殆ど風速が“０”メートル毎秒で、Ｄ、ＥポイントにおいてＡポイントの風速の約４０％の風速が計測された。Ｄ，Ｅポイントの空気の排出はローター内の空気の滞留を無くし抗力の増大の効果をもたらしている。当該風車のモデル機による実験時の平面図及び側面図、並びに風速の測定位置を図５に示す。一方、プロペラ型風車について、この空気の流れについては、受風面の風速の１／３が風車の背面（後方）に流出するのが効率面で最適とされている。仮に、背面の風速がゼロであればプロペラは回転を停止する。プロペラ型風車の羽根の形状は揚力型であり空気の流れを得て揚力と推進力を得て回転力に変換する物理である。従って、背面への空気の流出は風力エネルギーの流出になるが、このエネルギーの流出はプロペラ型風車の動力発生理論にとって欠かせない事象である。
上述の通り、抗力型ブレードを備える当該風車に於いても空気の流出（排出）は、ある程度の風力エネルギーの流出になるが必要な事象である。風車ローター内の空気の滞留は抗力を減衰させ風力エネルギーの利用効率を低下させるものである。この空気の流れ（流出）は、風力エネルギーを利用する両機にとって必要な事象である。
一方、当該風車発電機のメリットの一つは、その構造が鉛直構造であり又、増速機を必要としない構造なので機械ロスが少ない利点が挙げられる。従って、風力エネルギーの電気エネルギーへの変換効率は、プロペラ型機より優れている。
総括として、上記の数々の利点により、風力エネルギーの電気エネルギーに対する変換率はプロペラ型風車より優れている風力機械である。
【００１３】垂直軸風車発電機が起動トルクが弱いために起動始動が出来ない問題点については、次の二つの機構を適用することによって解消する。
１．当該風車発電機（ＷＴＧ）は、図１に示している通り、鉛直の主軸上に風車ローター（２）、フライホイール（１）、発電機（１４）が直列に取付けられる構造である。
同主軸は最上部よりフライホイールの底面に至るまで中空軸（５）とし、又、同フライホイールの外周部の対角線上に２個以上の圧搾空気噴射用の噴射ノズル（１１）を設ける。別置きのコンプレッサー付属の空気槽（１７）と同中空軸の最上部を配管接続する。同空気槽には常時、圧搾空気を蓄えて置き、備えられた風速検知センサーがカットイン風速（４〜５ｍ／ｓｅｃ．）を検知した時に同配管上に設けられた電磁開閉器が“開”動作を行い、同圧搾空気が同配管を通して同噴射ノズルに圧搾空気が圧送されて同噴射ノズルより圧搾空気を噴射させてフライホイールを強制回転させる機構である。同噴射ノズルからの圧搾空気の噴射時間を５秒間以内に設定し、この噴射力によって同フライホイールは即時に回転始動する。始動起動直後に同電磁開閉器は“閉”動作を行う様にタイマー設定を行い圧搾空気の圧送を停止する。
同フライホイールは始動起動後、フライホイール自らが醸し出す慣性と風車から送られて来る回転トルク（付加トルク）によって回転維持乃至増速することになる。そして、負荷側に回転トルクを放出することによって回転は減速する。かくして、この入力トルクと放出トルクがバランスしたところで定格運転（定格出力）に入ることになる。この運転システムは図２に示されている
２．二つ目のフライホイールの始動起動方式は、風車発電機の主要機器の構成と配置は上記１．と同じあるが、大型の舶用ディゼルエンジンに付属しているフライホイールの始動起動方式に採用されているエアースタータ方式を適用する。この方式は、フライホイールの外周部位にエアースタータ（１７ｂ）を設けて、同スタータ内に組み込まれているローターとピニオンギアーがフライホイールの外周部に設けられているリングギアー（１ａ）と噛み合っている構造である。  エアースタータはコンプレッサーと空気槽との一体構造であり同空気槽は同スタータと配管接続されている。フライホイールの始動起動は上記の１．と同じく風速センサーによりカットイン風速を検知して同配管に設けられた電磁開閉器の“開”動作により圧搾空気をエアースタータに送り込み同フライホイールを強制始動起動させるシステムである。添付  参考資料―８、―９  参照。始動後の風車の動作の流れは上記１．と同じである。
【００１４】当該風車発電機は風車のローターの外周部位に可動式ガイドベーン（４）を備える。同ガイドベーンは、上述の通り、風力エネルギーをローターの外周部に集束させて回転トルクを増大させる効果、謂わば、ガイドベーン効果の他に、風車の回転制御及び、過回転防止の機能を持つ。
即ち、フライホイールの回転速度をセンサーで検知してガイドベーンの“開”角度を調整してローターの回転速度を自動的にコントロールして定格運転を行い、且つ、カットオフ風速（２５ｍ／ｓｅｃ．）時にはセンサーで同風速を検知してガイドベーンを“閉”状態にして風車の過回転を防止する機構である。
プロペラ型風車の場合は、プロペラの取付ピッチ角を変化させて出力を定格値に制御する方式であり、プロペラ型風車にこのガイドベーンを装備するのは構造的に不可能である。このガイドベーンによる回転制御方式は、図６（Ａ）に示す通り水力発電の水車の回転制御方式に採用されているものを適用したものである。この方式は抗力式ブレードを持つローター固有のものである。
同ガイドベーンの操作動力源は、図６（Ｂ）に示されている通り、油圧方式とコンプレッサーによる圧搾空気方式の何れかの方式によるものでシリンダー内の弁の動作によって行われる。このガイドベーンの機能については、図４を参照。
図４（Ａ）は同ローターにおいてガイドベーンを備えて居ない場合の風力エネルギーの捕捉に関わる概念図である。同ローターの反抗力側のＢ面を通過する風力エネルギーは捕捉出来ていない。従って、回転トルクが低減することとなりローターの回転速度は減速状態となり、やがて回転停止状態になることがモデルテストで確認された。
同図において、（Ｂ）は、同ローターにおいてガイドベーンを備えている場合で、同ガイドベーンの角度調整によりＡ面に流れる風力エネルギーに加えて反抗力側のＢ面へ流れる風力エネルギーもＡ面側の同ローターの外周部位に集束されて回転トルクを増大させる機能をもつものである。この機能を、上述した通り、ガイドベーン効果と呼ぶが、これは、所謂、挺子の原理を応用するもので外力をローターの外周部に集速させてトルクの増大を図ったものである。
従って、風車の半径を機械的に可能な限り大とすれば風車が生み出す回転トルクは大となりフライホイールに転送されるトルク（付加トルク）が大となり同ホイールの回転速度が増大し、結果、フライホイールに蓄えれられる運動エネルギーは増大することになる。
一方、フライホールの半径をより大きくする、即ち、フライホイールを機械的に可能な限りスケールＵＰすれば蓄えられる同エネルギーも増大し、このエネルギーの増大が比例して回転トルクとして発電機に放出されて大出力を生み出す一つの手段となる。
一方、出力を増大させる別の手段は、風速の増大である。風速が上がれば風車の回転数が上がり風車が生み出す運動エネルギーの増大に繋がる。当該風車発電機は、上記の段落（００１１）に記載の（Ａ）式に準じて出力は増大する。プロペラ型風車の場合は、風速の三乗に比例して発電出力が増大するとされている。同じく、上記の段落（００１１）に記載の（Ｂ）式に準じて増大するとされている。
【００１５】港の灯台は円筒型形状の建造物である。これは、円筒形状の建造物は暴風に対して強いことが立証されているからである。
当該風車発電機は、プロペラ型風車発電機と異なり、その構造が鉛直構造であるので、この円筒式格納容器（１７）に収納することが可能である。図７は、当該風車発電機を電動式で動作する円筒式格納容器に収納する操作概念図である。
同格納容器は、暴風時にカットオフ風速（２５ｍ／ｓｅｃ．）をセンサー検知して当該風車発電機を同容器に完全収納する機構を持つもので、図７（Ａ）は当該風車発電機を完全に収納した概念図であり、同図（Ｂ）は、同格納容器の上部をスライド降下させた時の概念図で、同図（Ｃ）は、同格納容器を完全に降下させた時の状態を示した概念図である。同容器の上下動作はエレベータ方式の電動巻上機の作動によって行われる。この操作は風車防護のために殆ど台風襲来時にのみ行われるもので操作による電力消費は大して問題とはならない。
灯台型形状の建造物は、耐暴風、耐震、耐豪雪の堅牢な建造物で、特に頻繁に台風に襲われる日本の風土には欠かせない打って付けの風車収納型の格納容器である。従って、暴風によって風車が破壊される事象は払拭される。又、その建造物の形状より渡り鳥が飛行中に衝突して死に至らしめることは無く、又、プロペラ型風車が発するシャドウフリッカー現象を生じることもない環境を害しない建造物である。その上、同格納容器の最頂部には避雷針（２７）を設けているので落雷により風車が破壊されることは無い。そして、海辺の灯台と同じくこの建造物は景観を損なうものではない。
【考案の効果】
【００１６】１．大スケールのフライホイールを垂直軸風車発電機と一体化することによってメガワット級の発電出力を可能とするものである。
２．可動式ガイドベーンを風車ローターの外周部位に備えてガイドベーン効果により出力の増大化を図り、且つ、同ガイドベーンの開度角度調整により風量制御を行うことによってフライホイールの回転速度を制御して発電出力の安定化を可能とする。
３．暴風時、或いは、豪雪時にセンサー検知により当該風車発電機を円筒式格納容器に自動収納する。この機構により同風車発電機を自然による破壊から防護する効果を発揮する。ヨーロッパと異なり、日本は台風に襲われる風土である。従って、風車発電機に耐暴風機構を備えることは絶対必要条件となる。
４．段落（００１２）、（００１３）に記述されている通り、当該風車発電機の構造は鉛直構造であり主要機器である風車、フライホイール、発電機、等は全て鉛直上に直列に設置されて構造がシンプルである。従って、機械ロスがプロペラ型風車発電機に較べて小さいので風力エネルギーの電気エネルギーへの変換効率が優れている。
５．重量級のフライホイール及び、発電機は地表レベルに設置される。従って、耐風、耐震上、発電装置としての建造物の強度レベルを低く押さえることが出来る。故に、同建造物の全体コストを低く押さえることが出来る。
６．フライホイール、発電機、等の中枢機器が地表レベルに設置されるので同機器のメインテナンスの難易度が低い。従って、メインテナンスコストを低く押さえられる。
７．当該風車発電機は建造物として、港の灯台と同様に景観を損なうものではない。又、風車の構造上、運転中に低周波音やシャドウフリッカーを発しないので人体に健康被害を及ぼさない。そして、渡り鳥の衝突事故死を招かない発電装置の建造物である。プロペラ型風車は羽根車の周速が早いので鳥は障害物を目視出来ずに衝突すると言われている。総じて、当該風車発電機は環境にやさしい建造物である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本考案の円筒式格納容器収納型のフライホイール一体型垂直軸風車発電機の外形図
【図２】風力エネルギーがフライホイールを中枢として発電出力に至るシステム図
【図３】プロペラ型風車とガイドベーン付き垂直軸風車の風力エネルギーの捕捉比較図
【図４】ガイドベーン効果に関わる比較説明図  （Ａ）図：ガイドベーンを装備して居ないローターの平面図  風力エネルギーはＡ面、Ｂ面均等に流れ込み、ローターの回転慣性に対してＢ面に流れ込んだエネルギーはマイナス要因になっている。（Ｂ）図：ガイドベーンを装備しているローターの平面図  Ｂ面に流れ込む風力エネルギーはガイドベーンの角度調整により全てＡ面に流れ込み、Ａ面に流れ込む風力エネルギーと合流してローターの外周部に集束する。その結果、角運動量が増大し回転トルクの増大に繋がる。所謂、挺子の原理を応用して回転トルクの増大を図ったものである。
【図５】ガイドベーン付き垂直軸風車の風力エネルギーの捕捉に関わるモデル装置による実証試験の見取図  （Ｘ）図：同装置の側面図  （Ｙ）図：同装置の平面図  Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの各ポイントは風速計の取付位置を示す。同装置の風の流入口より見て左右両側面には透明アクリル板（ＡＣＬ）の囲いを取り付けている。
【図６】ガイドベーン付きローター部の模写斜視図  （Ａ）図：水力発電におけるフランシス水車のガイドベーンを装備したローター部の模写斜視図  （Ｂ）図：同機構を風車のローター部に適用した模写斜視図
【図７】当該風車発電機を収納する円筒式格納容器に収納した時の概念図並びに同容器の動作概念図  （Ａ）図：同発電機を同容器に完全収納した時の外観図  （Ｂ）図：同容器を電動操作により下降動作中の外観図  （Ｃ）図：同容器を完全に下降させた時の外観図
【図８】当該ガイドベーン装着のフライホイール一体型垂直軸風車のモデル機の外観映像。当モデル機と実機との対比：約１／２０。モデル機の高さ：２．１Ｍ．
【符号の説明】
【００１８】  １    フライホイール
２    風車ローター
３    抗力式“Ｖ”字型ブレード
４    可動式ガイドベーン
５    ホローシャフト
７    ラディアルベアリング
８    ラディアル＆スラストベアリング
９    リジッドカップリング
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  エアー配管接続ボックス
１４  永久磁石多極同期発電機
１５  円筒式格納容器、風車収納用
１８  ガイドベーン角度調整シリンダー
２５  格納容器頂部ドーム
２６  格納容器フレーム
２７  避雷針
２８  ブレーキディスク
２９  三方電磁弁
３０  流体継手
２ａ  風車ローターフレーム
３ｂ  ウイングレット
４ｃ  ガイドリング、ガイドベーン
４ｄ  クランク、ガイドベーン
４ｇ  補助リング、ガイドベーン
１７ａ  エアータンク（空気槽）
１８ａ  ユニバーサルジョイント
１８ｂ  連結ロッド
１８ｄ  作動油乃至圧搾空気入口
ＡＣＬ  透明アクリル板
ＡＯＬ  空気逃げ口
ＷＴＧ  当該垂直軸風車発電機【００１９】参考資料
１  プロペラ型風車の理論上の出力係数（０．５９３）と実際の風車運転に於ける風力エネルギーの電気エネルギーへの変換率の相違比較について（出典：三菱重工業  風力講座“風の発生と風車の出力”）
２  プロペラ型風車発電機の暴風、落雷、漏電による破壊例
３  フライホイールの機能と特性（インターネット掲載ウィキペディアより引用掲載）
４  “剛体の回転エネルギー”について
九州大学理工学部の回転運動に関わる研究論文“第１３章剛体の回転運動“より引用掲載
５  ＮＥＤＯによる次世代フライホイール蓄電システム実証試験に関わる記事
６  “トルク・回転数・動力”について
Ｗａｓｈｉｍｏ‐ｗｅｂ掲載の「工業力学入門」記事より引用掲載
７  「風車トルクの式」について
（財）エネルギー総合工学研究所発行の編纂「風力発電」より引用掲載  当式の出典：八戸工業大学遠隔講義『風力発電最前線』
８  “エアースタータ”の構造説明
日本舶用機関整備協会発行「舶用機関整備士指導書」より引用掲載
９  フライホイールの始動起動に関わる“エアースタータの作動に関わるシステム図“
同じく同上協会発行の「舶用機関整備士指導書」より引用掲載
１０  当該風車発電機は、安定した風速を得られる海浜、乃至洋上に設置されるのが一番効果的である。その事例を示すイメージ図である。
１１  大容量出力の永久磁石式多極同期発電機の開発により風車の低速回転による出力が可能となった。本図は同発電機を当該風車発電機の発電システムに組み入れて電力系統送電に至る構成図である。
【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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【図８】
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