(57)【要約】      （修正有）【課題】大出力の発電が可能な水タンク一体型の垂直軸風車発電機を提供する。【解決手段】既存の垂直軸風車発電機は起動トルクが低レベルであり、又、起動しても発生トルクが低レベルであることが挙げられている。この為に垂直軸風車発電機は発電出力は小出力に止まっている。大容量の水タンクを垂直軸風車の主軸の下部位に配置し、垂直軸風車発電機と一体化して高レベルの回転トルクを創出することによって発電出力を大容量化する。【選択図】図１
0003203180.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
大容量の発電出力を目的として垂直軸風車の主軸の下部位に大容量の水タンクを一体化した垂直軸風車発電機
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本考案は風車発電機において大スケールの円盤型満水タンク（１）を風車と一体化することによって発生回転トルクを増大させて大出力の発電を可能にした垂直軸風車発電機（以下、当該風車発電機と称する）
【背景技術】
【０００２】２０１５年現在、実用化されているメガワット級の発電出力を持つ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。一方、垂直軸風車発電機の発電出力は実用化されているもので、凡そ、５０ｋＷ  未満である。しかし、垂直軸風車発電機にはプロペラ型風車発電機に較べて、性能上、機構上、或いは、環境上、下記の通り、様々なメリットを備えている。
１．プロペラ型風車発電機は、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。
一方、垂直軸型風車発電機は下記の通り、機構的に風力エネルギーの捕捉率がプロペラ型機より優れて居り、且つ、鉛直構造であり風車発電機の主要機器が鉛直線上に配列されているので機械ロスが少ない、等のメリットにより風力エネルギーの電気エネルギーへの変換率がプロペラ型風車発電機より優れている。
２．プロペラ型風車発電機は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る。それ故に、当プロペラ機の建造費が高いと云う一つの要因となっている。
一方、垂直軸型風車発電機は重量級の発電機が地表レベルに設置されるので建造物に関わる建築上の強度設計レベルを低水準に押さえることが出来る。
其のために建造費の全体コストを低く押さえることができる。又、主要機器が地表レベルに設置されているのでメインテナンスの難易度が低いのでメインテナンスの費用を安く押さえることが出来る。
３．プロペラ型風車発電機は、低周波音、又、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に健康被害を及ぼす等、生活環境面に悪影響を及ぼしている。
一方、垂直軸型風車発電機は低周波音や、シャドウフリッカーを発しないので環境面でやさしい風力発電機である。
４．プロペラ型風車発電機の羽根車の周速が極端に速いために鳥類は上空で回転体を目視できずに羽根車に衝突する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。
一方、垂直軸型風車発電機は外見が港の灯台のような円筒型の建造物であるので鳥が衝突する現象は無い。又、建造物として港の灯台のように座高がプロペラ型風車発電機より低く押さえることができるので設置上、自然の景観を損ねるものではない。
等々。
【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起動トルクが弱く自己起動性が低いこと。この二大欠点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。
【考案を解決するための手段】
【０００４】風車発電機において発電出力を大容量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）の値が高レベルでなければならない。回転トルクは、回転体の円周上に加わる力（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（１）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  ∝  回転トルクの定理が成り立つ。故に、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容量の電気エネルギーを生み出す理論が成立つ。
【０００５】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・・・・・（１）式
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。この運動エネルギーに関わる方程式において回転体の質量を円盤型満水タンク（１）の水の質量とし、そして、その半径を同タンクの半径とし、回転させることによって高運動エネルギー、即ち、高回転トルクを生み出すことを理論とした水タンク一体型の当該風車発電機である。即ち、密度が均一な回転円盤と同様に円盤型満水タンク（１）は回転することによって大容量の運動エネルギーを蓄えることが出来る。同満水タンクは大回転トルクを定格で負荷側（発電機）に放出することによって大電気エネルギーを創出することになる。そして、風力エネルギーが続く限り、付加トルク（Ｔ１）が同満水タンクに送られ、同タンクの回転に伴って発する慣性と相まって同タンクは回転を持続するものである。図２（Ａ）は当満水タンクの斜視図であり、図１０は、風力エネルギーの電気エネルギーへの変換プロセスに関わるフローチャートである。
【０００６】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機械的な破壊，即ち、風車の破壊を招くことになる。  一方、上記の定義式（１）より、慣性モーメント（Ｉ）を大にすれば、運動エネルギー（Ｋ）は増大するのであるから同重量（ｍ）よりも二乗に比例する半径（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するのに起動トルクを増大させねばならず、ここで在来の垂直軸風車では自動起動出来ないと云う問題が生じる。  これが一つの原因となり在来の垂直軸風車発電機は低出力に止まっている。
【０００７】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、密度が均一な物質である水を満タンにした円盤型満水タンク（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。図１は、当円盤型満水タンクと垂直軸風車発電機を一体型にした発電システムの概念図である。
当水タンクを満水にしたタンクには次の通り二つの顕著な機能がある。
其の一：満水タンク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、満水タンクはスケール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。従って、満水タンク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。
これは、密度が均一な回転体、例えば、フライホイールが回転することによって運動エネルギーを蓄える機能と同じくするものである。
更に、満水タンクは外力（風力エネルギー：Ｔ１）が加えられることにより増速し、そして同タンクの運動エネルギーは、式（１）にある通り、角速度、即ち、回転速度の二乗に比例して増大し、それを蓄えることが出来る特有な機能を持つ。
即ち、満水タンクはフライホイールと同様に密度が均一な物体であるので回転することによって運動エネルギーの蓄積が可能である。従って、フライホイールと同様に回転体自体からの回転トルクの算出が容易に得られると云う利便性がある。
この満水タンクの機能については、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。満水タンクは、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、満水タンクもスケール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、満水タンクから大量の運動エネルギー、即ち、異次元の物理量である大量の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、物理的に、同貯水池も満水タンク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満水タンクを風車と一体型にすることによって、定格に大回転トルクを負荷側（発電機側）に放出することによって大出力、即ち、大電気エネルギーを生み出すことを可能としたものである。
この満水タンクをスケールＵＰすることによって大回転トルクの創出を可能としたものがこの考案の主体である。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付加トルク（Ｔ１）が満水タンクに送られて、更に、回転による慣性がプラスαとなり同満水タンクは回転維持乃至増速して回転トルクを発電機に放出して電気エネルギーを生み出すことに  なる。。
其の二：満水タンク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。即ち、上述の通り、満水タンクはフライホイールと同様に密度が均一な物体である。従って、満水タンクはフライホイールと同様に回転することによって蓄積された運動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ものである。
一方、満水タンク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同満水タンクに回転トルク（Ｔ１）、即ち、付加トルクを補給する必要がある。風車から送られて来る付加トルクよって満水タンクは加速されて、更なるエネルギーを蓄え、そして、同付加トルクを超えた平準化した定格回転トルク（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。図１０は、この満水タンクを中枢とした当該風車発電機による発電に至る風力エネルギーの電気エネルギーへの変換プロセスに関わるフローチャートである。
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、当該風車発電機は、一つの用途として、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られる発電機として有用である。
【０００８】満水タンクはフライホイールと同様に密度が均一な物体である。故に、回転することによって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。
即ち、満水タンクは密度が均一な円盤と同じくするもので、その動力算出は次によって求められる。（添付参考資料―１参照。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）の円盤型満水タンクがその接線方向にＦ（Ｎ）の力を受けて回転数ｎ（ｒｐｍ）で回転している場合、同満水タンクの回転トルクは、接線力（Ｆ）と同満水タンクの半径（Ｒ）の積で表される。ここで、接線力（Ｆ）は同満水タンク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、同満水タンクを一分間（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・・・・（２）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、風車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計算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・・・・（３）式
ここで、ｐ：空気密度、Ａ：受風面積、Ｖｗ：風速を示す。  添付参考資料―２参照（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（１）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、移動する空気の質量を計算ベースとし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当然、運動エネルギーが大となり、回転トルクが大となる。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（ｎｅｇｌｉｇｉｂｌｅ）なものではない。
一方、運動エネルギーの（１）式において、慣性（Ｉ）は半径（ｒ）の二乗に比例するのであるから質量（ｍ）より半径を大にした方が有利である。従って、近年、プロペラ型風車は羽根車にＦＲＰを採用し、軽量にして羽根車の径を大して運動エネルギーを大にする傾向がある。この理論、即ち、質量より径を大にする理論については否定するものではない。
【０００９】満水タンクを回転させた場合の発生動力の理論計算を下記に示す。
同満水タンクの満水時の質量と半径の設定：総質量１５ｔｏｎ、半径▲Ｒ▼２ｍ．
（（同満水タンクを３段直列接続、１段当たりの質量を５ｔｏｎ（タンクを構成する鋼    板＋水の質量）とする）図４：多段式満水タンク参照））
・同タンクの接線力：５ｔｏｎ＊９８０６（Ｎ）＝４９，０３０（Ｎ）
・（１Ｋｇ当たりの接線力：１Ｋｇ＊９．８０６（Ｎ）
・１段当たりのタンクの放出トルク：４９，０３０（Ｎ）＊２．０ｍ．＝９８，０６０（Ｎ）
・３段の総放出トルク：９８，０６０（Ｎ）＊３段＝２９４，１８０（Ｎ）
・同タンクの定格回転数を１００ｒｐｍ．と設定した場合の動力（Ｐ）：
動力（Ｐ）＝トルク（Ｔ）＊回転数（Ｎ）／９，５４９
＝２９４，１８０（Ｎ・ｍ）＊１００（ｒｐｍ）／９，５４９
≒３，０８０ｋＷ
（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。
当該風車発電機が装備している羽根車（１２）の形状は抗力式”Ｖ”字型ブレード（１９）であり同ブレードの外周部にはコーナーブレード（２０）（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（２１）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、所謂、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５は、ガイドベーン効果の概念図である。
その上、図６に示している通り、羽根車は風向に対して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。
【００１０】上述した通り、在来の垂直軸風車発電機は機構上、発生起動トルクが弱いために起動始動が難しいという弱点がある。加えて、起動出来ても発生回転トルクが弱いと云う致命的な欠点がる。故に、垂直軸風車発電機に於いて大出力の大型機種は実用化に至っていない
この欠点を解消したものが円盤型満水タンクを風車と一体化した当該風車発電機の考案である。即ち、大電気エネルギーを生み出すプロセスを要約すると、大スケールの満水タンクを垂直軸風車発電機と一体型とするが、風車の起動時は同タンクから水を排水したドライタンクとして負荷トルクを軽減してセルモーターで起動回転し、その回転と同時に注水ポンプを起動して風車の中空主軸の頂部より注水を行い同タンク内に注水を開始する。同タンク内の注水開始時は水は遠心力によって同タンク内の円周部位に引き寄せられて水の重力によって一時的に回転体の接線力が増大して回転トルクが増大する、即ち、起動トルクの増大となり風車の回転始動を助長する理論である。同タンクが満水後は回転することによって運動エネルギーを蓄えて、風車から送られて来る付加トルク（Ｔ１）と慣性によって一層回転は増速して、増速に比例して蓄えられる運動エネルギーは増大する。
そして、増大した運動エネルギーを負荷側に大回転トルクとして放出することによって蓄えられた同運動エネルギーは減少して同タンクの回転速度は減速することになる。そこで、ガイドベーンの開度調整により風量制御を行って同タンクの回転速度を一定に保つものである。これは同タンクの回転速度とガイドベーンの開度調整が連動して行われる自動制御であるが、これによって、定格に平準化された大運動エネルギー、即ち、大回転トルクが負荷側に放出されて大容量の電気エネルギーを生み出すことになる。
【００１１】ガイドベーンの開度調整による風量制御は当該風車発電機において重要な機構である。この機構は水力発電のフランシス水車において流入水量を制御するガイドベーンの操作機構を適用したものである。図１１は、同ガイドベーンの操作機構を示す。
即ち、ガイドベーンの機構はガイドリングとクランクによって構成され、ガイドリングを回すと接続されたクランクによりガイドベーン軸の回転運動に変換されて開度調整が行われるものである。同回転の操作源は油圧装置によるもので、同ベーンの制御は中央制御盤に組み込まれた自動制御システムによって行われる。＊＊＊＊
【００１２】満水タンクの形状は図２（Ａ）に示す通り円盤投げの円盤の形状乃至巷で目撃されている円盤状のＵＦＯ型の形状を為している。即ち、円盤形状は回転時に空気抵抗を低減させて回転エネルギーの低下を出来るだけ防ぐ構造としたものである。この円形の形状については、飛行機の先端部、或いは、新幹線の先頭車両の先端も同じく円型形状を為している。これは云うまでもなく空気抵抗を下げて運動エネルギーの損出を極力少なくする物理に則ったものである。
同水タンクは溶接鋼板製でコマの様に同センターの中心には中空軸が鉛直に貫通しており同タンクの内部の円周部位には固定されたインナーブレード（Ｉｎｎｅｒ  Ｂｌａｄｅｓ）（１４）が同軸より円周方向に放射状に設けられている。又、同タンク内の同軸には水平対角線上の部位に注水用の開口部が二か所設けられている。
図２の（Ｂ）は、同タンクの“Ｆ−Ｆ”断面図を示す。
同インナーブレードは同水タンクの回転始動時に中空軸を通してタンク内に注水され流れ込んだ水が遠心力によって同タンクの外周部位に引き寄せられる結果、同部位には水の質量が一時的に増大し同水タンクの回転始動時の回転トルクの増大を助長することを目的としたもので、これは、所謂、梃子の原理を組み込み応用したものである。
この機構によって風車の起動トルクを増大させて垂直軸風車発電機の起動始動を容易とするものである。これにより、垂直軸風車発電機の大型化、即ち、出力の大容量化を可能としたものである。
即ち、垂直軸風車発電機は、従来、起動トルクが弱いことで大容量化は難しいとされていたが、この弱点が解消されたことになる。
この機構について要約すると、同水タンクの起動時は同タンクは水の無いドライタンクの状態であるので負荷が小さくセルモーター方式で同タンクを容易に起動始動が可能となった。
始動後は上記した通り、同タンク内への注水により注水スタート時は梃子の原理の応用により起動トルクが増大する。そして、同タンクが満水時は同タンクの回転により慣性が発生し、更に、風車から送られて来る付加トルク（Ｔ１）によって同風車は回転持続乃至増速することとなる。ここで、風車に装備されているガイドベーンによって風量の自動制御を行い定速運転により出力の定格化を図ったものである。上記の通り、図１０は、風力エネルギーの電気エネルギーへの変換プロセスのフローチャートを示す。
【００１３】当水タンクへの注水は次の機構によって行われる。
当該風車発電機の主軸は中空軸と固体軸の連結によって構成される。コマの主軸と同じように当水タンクの主軸は同水タンクの本体の中心部を鉛直に貫通して取り付けられる。
当主軸の水タンクの取付け部位は中空軸になっており水タンク内に注水できるように当中空軸の水平対角線上の部位の二か所に開口部が設けられている、この開口部より同水タンク内に注水が行われる。図１、図４は、注水システムを示す。同タンクへ注水は、図９“水タンクの運転ロジック”のプロセスに従って行われる。
即ち、当風車発電機に備えられている風速計がカットイン風速（４〜５ｍ／ｓｅｃ．）を検知して風車が駆動装置（セルモーター）により起動始動した時点で備えられている注水ポンプが自動起動して同主軸の頂部より同中空軸に注水が行われ同タンク内の軸の同開口部より注水が行われる。
同水タンクにはフロート式満水検知器並びに複数のフロート式排気弁が設けられている。同水タンクが満水した時（多段式の時は、全ての同タンクが満水した時）に同満水検知器の動作により同ポンプは自動停止する。
そして、風力が止まった時点では風車は回転停止するが、回転検知センサーがこれを検知して同水タンクの底部位に取り付けられた複数の排水ノズル付属の電磁弁が“開”動作して同水タンクは完全排水状態になる。
その後、風力が再開された時点で風速計がカットイン風速を検知して同水タンクが完全排水状態であることを前提条件に同水タンクの駆動装置（セルモーター）が作動して同水タンクは回転起動して、この起動を条件に再度注水が開始される。
【００１４】水タンクが単段（以下、シングルステージと称する）の時には同水タンクの下部位に同水タンクの容量と同じ容量の受水槽（Ａ）を設けて風車が回転停止した時点で排水ノズルに設けられた電磁弁が開動作して同タンク内からの排水を受水する。図３（Ａ）は、同タンクの外観図を示し、同図の（Ｂ）は、同タンクの“Ｈ−Ｈ”断面図を示す。
自然蒸発により同受水槽内の水位が既定の水位より低下した時は、これを検知して雨水を貯め込んだ補水槽（Ｃ）より雨水を補水する。図１、図４は、そのシステムを示す。
水タンクが多段（以下、マルティステージと称する）の時は、同マルティステージの総水容量と同じ容量の受水槽（Ｂ）を別に設ける。そして、（Ａ）受水槽が満タンになり次第、同（Ａ）受水槽の満水検知器が作動して受水槽（Ｂ）に排水する。
同マルティステージのタンク内の水が完全に排水された時点で、同受水槽（Ｂ）の水位が低下している時は、シングルステージの場合と同様に、補水槽（Ｃ）より同受水槽（Ｂ）に自動給水されるようにリレーが組込まれている。
補水槽（Ｃ）への給水は補助電源として設けられている太陽光パネルに降った雨水が同パネルの下部位に設けられた樋を通して行われる。図１、図４参照。
同太陽光パネルによって蓄電された電気は風車のガイドベーンの操作電源、給水ポンプのモーターの電源、水タンク起動用セルモーターの電源、或いは、当該風車発電機を収納する格納容器の操作電源に供される。
【００１５】完全に排水した同水タンク（以下、ドライ水タンクと称する）の回転起動は自動車等に適用されているセルモーター方式を採用する。
ドライ水タンクの底部位の外周部分には大歯車のリングギアー（９）が装備されており、セルモーター（８）のピニオンギアー（８ａ）が噛み合う構造になっている。
ピニオンはソレノイドアクチュエータによって軸方向にスライドし、モーターのスイッチが入れられた際にのみリングギアーに噛み合う機構になっている。
そして、セルモーターのトルクが同リングギアーに伝達され同ドライ水タンクは起動始動する。
回転始動後は、同リングギアーとピニオンギアーは噛み合いを断接するクラッチ機構を備えている。
そして、当セルモーターは同水タンクがドライ状態にあり、且つ、完全回転停止状態にあることを条件として起動するように保護リレーが組込まれている。
加えるに、同セルモーターは別に備えられている風速計がカットイン風速を検知し、且つ、上記の条件を満たした時にのみ始動するように同じく保護リレーが組込まれている。
【００１６】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（２３）に容易に収納することが可能である。図７は当該風車発電機が当円筒式格納容器に収納され、風車の運転のために同容器の外套がスライドダウンされた時の外観図を示す。
図８は、当該風車発電機が円筒式格納容器に完全に収納された状態から電動式で完全に露出された時の操作展開図である。
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自動収納する機構を持つもので、図８（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年間を通じる消費電力は僅かで操作は太陽光パネルの蓄電によっておこなわれる。
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（２４ａ）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。
【００１７】以上、上記したものが円盤型満水タンク一体型垂直軸風車発電機の大容量発電出力に至る機構と運転システムである。
コマは紐を通して人力（運動エネルギー）によって回転して運動エネルギーを蓄える機能を持っている。そして、コマは空気抵抗や摩擦抵抗が無い限り慣性によって引力を無視すれば永遠に廻り続けることになる。これは、人口衛星が地球を廻り続けるのと同じ理論である。
ここで、コマの質量と径をスケールＵＰして、それなりにコマに加える運動エネルギーを増大してコマを回転させればコマは同エネルギ―に比例して蓄える運動エネルギーを増大させることになる。
ここで、このコマを満水タンクに置き替えれば、上記と同じ理論で同タンクは回転することによって大容量の運動エネルギーを蓄えることが出来る。
回転体の運動エネルギーと回転トルクはその物理的な構成要素、即ち、回転体の質量と径に依存して増大するものであるから運動エネルギー  ∝  回転トルクの関係にある。即ち、運動エネルギーの増大は回転トルクの増大に繋がる。
この増大した回転トルクを負荷側（発電機）に放出することによって発電機は大電気エネルギーを創出することになる。
在来の垂直軸風車発電機は起動トルクが弱い、且つ、起動しても回転トルクが弱いと云う弱点を上記した機構並びに、システムによって克服したものが、この考案の円盤型満水タンク一体型垂直軸風車発電機である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】シングルステージの満水タンク一体型垂直軸風車発電機の発電システム構成図
【図２】（Ａ）満水タンクの斜視図  （Ｂ）同満水タンクの”Ｆ−Ｆ”断面図
【図３】（Ａ）受水槽Ａの外観図  （Ｂ）同受水槽の”Ｈ−Ｈ”断面図
【図４】マルティステージの満水タンク一体型垂直軸風車発電機の発電システム構成図  受水槽Ｂのタンク容量は同マルティステージ水タンクの満水時の総容量を賄う量を以って設定する
【図５】（Ａ）風車ローター（ガイドベーン無し）  （Ｂ）風車ローター（ガイドベーン在り）→ガイドベーンの角度調整を行い風力エネルギーの効率化を図る。
【図６】（Ａ）プロペラ型風車の平面断面図  風向に対してプロペラの正面を機械的に正対させる必要がある。この機構を、ヨー機構と称する。正対させるまでにタイムラグを生じその間、風力エネルギーを逃す欠点ある。（Ｂ）垂直軸風車の平面断面図  風向に対して３６０度無指向性である。従って、ヨー機構を必要とせず３６０度吹き込む風力エネルギーを略１００％吸収活用することが出来る。
【図７】当該風車発電機に円筒型格納容器を装備した時の外観図  同図は風車並びに水タンクがマルティステージの場合を示す。
【図８】当該風車発電機を収納する円筒型格納容器の動作展開図  （Ａ）当該風車発電機を完全収納した外観  （Ｂ）同容器をスライド下降させて同容器が半開きになった外観  （Ｃ）同容器が完全にスライド下降し当該風車発電機が完全に露出した外観
【図９】水タンクの運転ロジック
【図１０】満水タンク一体型垂直軸風車発電機による風力エネルギーの電気エネルギーへの変換プロセスフローチャート
【図１１】ガイドベーンの操作機構  （Ａ）水車発電のフランシス水車に使用されているガイドベーンの操作機構の模式図（インターネット”ｓｕｉｒｙｏｋｕ．ｃｏｍ”掲載より引用）  （Ｂ）当該風車発電機に装備されるガイドベーンとその操作機構の外略図
【符号の説明】
【００１９】  １  水タンク
２  受水槽（Ａ）
３  中空軸
４  固体軸
５  排水ノズル
６  電磁弁
７  メカニカルシール
８  セルモーター
８ａ  ピニオンギアー
９  リングギアー
１０  満水検知器
１０ａ  排気弁
１１  注水ポンプ
１２  風車
１３  発電機（Ｇ）
１４  制水弁
１４ａ  制水弁
１４ｂ  チェッキ弁
１５  水タンクサポーター
１６  補水槽（Ｃ）
１７  太陽光パネル
１７ａ  樋
１７ｂ  制水弁
１８  受水槽（Ｂ）
１９  “Ｖ”字型ブレード、羽根車
２０  コーナーブレード、羽根車
２１  ガイドベーン
２１ａ  ガイドリング
２１ｂ  クランク
２２  ガイドベーン駆動用油圧装置
２３  円筒式格納容器
２４  ドーム、円筒式格納容器
２４ａ  避雷針、円筒式格納容器
２５  フレーム、円筒式格納容器
ＡＯＬ  空気逃げ口
Ｇ  発電機
Ｗ  水流
ＷＴＧ  風力発電機
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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