(57)【要約】【課題】風の利用効率の向上を図り、高効率で小形の垂直軸型風力発電装置を実現すること。【解決手段】風車部３０の回転軸３１が発電機２２の入力軸に連結された垂直軸型風力発電装置１０において、垂直軸形風車部は、風の進行方向に対して垂直方向に立設された回転軸３１に固設され、風を受けることにより回転軸３１に回転力を与える羽根３２〜３７と、羽根に向かって進行する風を増速させる増速部４０と、増速部４０を風の進行方向に基づいて位置決めする方向調整羽根３８とを有する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸形風車部の回転軸が発電機の入力軸に連結された垂直軸型風力発電装置において、
前記垂直軸形風車部は、
風の進行方向に対して垂直方向に立設された回転軸に固設され、風を受けることにより前記回転軸に回転力を与える羽根と、
前記羽根に向かって進行する風を増速させる増速部と、
前記増速部を風の進行方向に基づいて位置決めする方向調整部と、
を有することを特徴とする垂直軸型風力発電装置。
【請求項２】
前記方向調整部は、前記回転軸に直交するように該回転軸に固定され風上に向かって正対する位置で停止する方向調整羽根を有し、
前記増速部は、前記方向調整羽根に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の垂直軸型風力発電装置。
【請求項３】
前記増速部は、前記回転軸に対して長手方向が平行であり、かつ幅方向が前記方向調整羽根の中心線に対して所定角度だけ前記回転軸に直交する平面内で傾斜するとともに、前記回転軸に前記羽根が固定されてなる風車部と所定距離だけ離間するように前記方向調整羽根に固定されている板体であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の垂直軸型風力発電装置。
【請求項４】
前記増速部は、前記風車部に対面する側の面が湾曲するように形成されており、かつ他の面が平坦になるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の垂直軸型風力発電装置。
【請求項５】
前記方向調整羽根は、鉛直面にほぼ平行になるように平板状に形成された羽根部と、該羽根部の末端から該羽根部の中心線に対して左右対称に二又状に分岐する分岐部とを有し、
前記増速部は、一の面が平坦面に、かつ他の面が湾曲面で矩形状に形成された一対の板体を有し、
該一対の板体は、前記羽根の周縁部の回転通路における上下端近傍に前記一対の板体の幅方向に沿う側面の一端が位置し、該幅方向に沿う側面は前記方向調整羽根の羽根部の側面に対して垂直で、かつ前記一対の板体の長手方向に沿う側面が前記前記羽根部の中心線に対して所定角度、外方に傾斜するとともに、前記一対の板体の前記湾曲面が内側となり、かつ該湾曲面は前記羽根部の中心線と平行な面内で湾曲するように、取付部材により前記方向調整羽根に固設されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の垂直軸型風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直軸型風力発電装置に係り、特に、垂直軸型風力発電装置の外周部に風速を増加することができる装置を設置し、風の利用度を上げ、より大きな出力を得られるようにした垂直軸型風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風車には、水平軸形と垂直軸形があり、水平軸形のプロペラ風車は、技術的にかなり進んでいるが、風車の回転面を常に風向きに合わせる複雑な制御が必要であり、発電機、伝達機構、制御機構などの重量物を支持塔の上部に設置しなければならない。
【０００３】
一方、垂直軸形風車は、無指向性であり、重量物なども地上に設置できる利点がある。その上、低風速からの始動が可能であり、騒音レベルも小さいという特徴を有している。
しかしながら、垂直軸形風車は、受風面の半分は回転力の源となるが、残りの半分は風上に向かって進むため、回転を抑制するように働いてしまうという問題がある。したがって、このような問題を解決するために効率の向上が要求されている。
【０００４】
そこで、エネルギ変換効率の向上を主目的にこれまでにも、図８に示すように、垂直軸形風車６０において回転軸６１に設けられた羽根６２の周囲に、風５０を案内する案内板（導風板）６３を配置することが提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照。）。
これによって、風５０の収束が行えるようになっているが、上述した受風面の半分に対する回転の抑制作用の問題は依然として残されたままである。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２４０１４１号公報
【特許文献２】
特開平９−２９６７７４号公報
【特許文献３】
特開平１１−６２８１３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、垂直軸形風車では、風のエネルギを受けて風車が回転する際に、回転する受風面の半分については風上に向かって羽根が進むため、回転力を減少させるように働き、エネルギ変換効率を向上させる際の阻害要因になっていた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、上記のような垂直軸形風車を備えた風力発電装置が有する問題の解決を図ることができる高効率で小形の垂直軸型風力発電装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、垂直軸形風車部の回転軸が発電機の入力軸に連結された垂直軸型風力発電装置において、前記垂直軸形風車部は、風の進行方向に対して垂直方向に立設された回転軸に固設され、風を受けることにより前記回転軸に回転力を与える羽根と、前記羽根に向かって進行する風を増速させる増速部と、前記増速部を風の進行方向に基づいて位置決めする方向調整部とを有することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の垂直軸型風力発電装置において、前記方向調整部は、前記回転軸に直交するように該回転軸に固定され風上に向かって正対する位置で停止する方向調整羽根を有し、前記増速部は、前記方向調整羽根に固定されていることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の垂直軸型風力発電装置において、前記増速部は、前記回転軸に対して長手方向が平行であり、かつ幅方向が前記方向調整羽根の中心線に対して所定角度だけ前記回転軸に直交する平面内で傾斜するとともに、前記回転軸に前記羽根が固定されてなる風車部と所定距離だけ離間するように前記方向調整羽根に固定されている板体であることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の垂直軸型風力発電装置において、前記増速部は、前記風車部に対面する側の面が湾曲するように形成されており、かつ他の面が平坦になるように形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載の垂直軸型風力発電装置において、前記方向調整羽根は、鉛直面にほぼ平行になるように平板状に形成された羽根部と、該羽根部の末端から該羽根部の中心線に対して左右対称に二又状に分岐する分岐部とを有し、前記増速部は、一の面が平坦面に、かつ他の面が湾曲面で矩形状に形成された一対の板体を有し、該一対の板体は、前記羽根の周縁部の回転通路における上下端近傍に前記一対の板体の幅方向に沿う側面の一端が位置し、該幅方向に沿う側面は前記方向調整羽根の羽根部の側面に対して垂直で、かつ前記一対の板体の長手方向に沿う側面が前記前記羽根部の中心線に対して所定角度、外方に傾斜するとともに、前記一対の板体の前記湾曲面が内側となり、かつ該湾曲面は前記羽根部の中心線と平行な面内で湾曲するように、取付部材により前記方向調整羽根に固設されていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
〈第１実施形態〉
本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の構成を図１及び図２に示す。本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置は、風の進行方向に対して垂直方向に立設された回転軸に固設され、風を受けることにより前記回転軸に回転力を与える羽根と、前記羽根に向かって進行する風を増速させる増速部と、前記増速部を風の進行方向に基づいて位置決めする方向調整部とを有することを特徴としている。
【００１３】
図１は本実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の平面図、図２はその正面図である。これらの図において、垂直軸型風力発電装置（以下、風力発電装置と略称する場合がある。）１０は、風車部３０を支持する支持部２０と、垂直円筒形の風車部３０と、羽根に向かって進行する風を増速させる増速部４０とを有している。
支持部２０は、台座２１と、この台座２１内に設けられた発電機２２とを有している。
【００１４】
風車部３０は、台座２１に対し回転自在に支持されるとともに、前述した発電機２２の入力軸に連結され、風の進行方向に対して垂直方向に立設された回転軸３１と、この回転軸３１の周囲に沿って配置され、風を受けることにより回転軸３１に回転力を与える複数の羽根３２〜３７とを備えている。
増速部４０は、台座２１及び回転軸３１に対し、回転自在に支持されている。
【００１５】
増速部４０は、湾曲するように形成された湾曲面４１と平坦に形成された平坦面４２を有する板体であり、湾曲部分で風の流入速度が上がる機能を有している。  ここで、増速部４０は、風車部３０に対面する側の面が湾曲面となり、かつ他の面が平坦面となるように方向調整部としての方向調整羽根３８に固定されている。
方向調整羽根３８は、回転軸３１に直交するように回転軸３１に固定され、風上に向かって正対する位置で停止するように機能する。
【００１６】
また、増速部４０は、回転軸３１に対して長手方向が平行であり、かつ幅方向が方向調整部としての方向調整羽根３８の中心線に対して所定角度φだけ回転軸３１に直交する平面内で傾斜するとともに、回転軸３１に羽根３２〜３７が固定されてなる風車部３０と所定距離Ｄだけ離間するように方向調整羽根３８に取付部材３９により固定されている。
ここで、増側部４０の作用について説明する。増速部４０において、スプーンのように膨らんでいる湾曲面４１は、一方の平坦面に比べ、空気の流通する方向の長さが長いので、空気の流れのスピードを速くすることができる。なぜならば、曲面と直面に２方向に分岐した風は、同じ時間をかけて表面を通過し、後方で同時に合流するが、曲面は直面より長いので、曲面上を流れる風は、より長い距離を速い速度で流れなければならないからである。これにより、通常の回転力の他に、増速部４０による力を羽根に伝えることができ、回転軸３１は大きな回転力を得ることができる。
【００１７】
なお、増速部４０の形状については、図３（Ａ）〜（Ｅ）に示すように様々な形状が考えられ、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示す飛行機の翼型モデルや、図３（Ｃ）、（Ｄ）に示す三角形モデル、図３（Ｅ）に示す鍔付モデルなどがある。なお、図３（Ａ）〜図３（Ｅ）は、それぞれ、増速部４０の平面図及び正面図を各例について示している。
【００１８】
次に図３（Ａ）の翼型モデルの増速部を図１、図２における増速部４０として用いた場合における、風車部３０と増速部４０との間隔Ｄに対する増速部４０の全長Ｌの比率Ｌ／Ｄ、傾斜角度φによる増速率Ｑの相違について図４及び図５を参照して説明する。ここで、増速率Ｑとは、羽根に向かって吹く風の羽根と増速部４０との間隙に流入する直前の風速をV１、羽根と増速部４０との間隙を通過後の風速をV２としたときにＱ＝V２／V１である。
【００１９】
まず、風車部３０と増速部４０との間隔Ｄに対する増速部４０の全長Ｌの比率Ｌ／Ｄと増速率Ｑとの関係については、図４に示すように、Ｌ／Ｄが大きくなるにしたがって、次第に増速率Ｑが増加し、すなわち、羽根に向かって吹く風の風速は増速していき、Ｌ／Ｄが２以上で２倍以上の増速効果を実現している。
一方、傾斜角度φについては、図５に示すように、φが４〜１０°の範囲において、増速率１．５以上を実現している。なお、図４は、φ＝４°のときの特性を、図５はＬ／Ｄ＝２のときの特性を、それぞれ示している。
【００２０】
この増速部４０を効果的に作用させるために、風力発電装置１０の一番上部には上述した方向調整羽根３８が取り付けられている。方向調整羽根３８は、鉛直面にほぼ平行になるように平板状に形成された羽根部３８Ａと、該羽根部３８Ａの末端から羽根部３８Ａの中心線に対して左右対称に二又状に分岐する分岐部３８Ｂとを有している。
【００２１】
この方向調整羽根３８と増速部４０を取付部材３９で固定することにより、風向が変化しても分岐部３８Ｂに風が吹き込むことにより瞬時に方向調整羽根３８の羽根部３８Ａが回転し、増速部４０が常に最適な位置に向くように向きを変えることができる。
【００２２】
このように構成された風力発電装置１０では、回転軸３１に取リ付けられた複数の羽根３２，３３に風５０が当たることにより、回転軸３１に回転力が与えられ、発電機２２の作動により低速で発電が開始される。これと同時に風５０は方向調整羽根３８の分岐部３８Ｂに当たり、増速部４０を羽根３２，３３に増速効果を与える位置に回転移動させる。これにより、通常の回転力以上の力を羽根３２，３３に加えることができる。このため、通常の垂直軸型風力発電装置の性能を損なうことなく、回転力を向上させることができる。
【００２３】
〈第２実施形態〉
本発明の第２実施形態に係る垂直軸型風力発電装置を図６及び図７に示す。図６は本実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の平面図を、図７はその側面図を、それぞれ示している。本実施形態が第１実施形態と構成上、異なるのは、回転軸３１に取り付けられた羽根の周縁部の回転通路の上下端近傍に湾曲面が位置するように一対の増速部（板体）４０，４０を設け、羽根にあたる風のうち、羽根の上下端近傍の風を増速するように構成した点であり、その他の構成は第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００２４】
図６及び図７において、本実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１０は、一対の増速部４０，４０は、羽根の周縁部の回転通路における上下端近傍に一対の増速部４０、４０の幅方向に沿う側面の一端が位置し、該幅方向に沿う側面は方向調整羽根３８の羽根部３８Ａの側面に対して垂直で、かつ一対の増速部４０、４０の長手方向に沿う側面が羽根部３８Ａの中心線に対して所定角度、外方に傾斜するとともに、一対の増速部４０，４０の湾曲面４１が内側となり、かつ該湾曲面４１は羽根部３８Ａの中心線と平行な面内で湾曲するように、ロッド７０、取付ボルト７１、７２等の取付部材により方向調整羽根３８に固設されている。
【００２５】
また、図７上、下方に位置する増速部４０は、回転軸３１に設けられた固定部５３にボルト７４により固定されている。これにより、一対の増速部４０、４０は一体的に方向調整羽根３８に固定されている。
本実施形態に係る垂直軸型風力発電装置によっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
なお、本発明は、クロスフロー型、サボニウス型等、風車の羽根の形状に関わらず、いずれの垂直軸型風力発電装置についても適用することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、垂直軸形風車部の回転軸が発電機の入力軸に連結された垂直軸型風力発電装置において、前記垂直軸形風車部は、風の進行方向に対して垂直方向に立設された回転軸に固設され、風を受けることにより前記回転軸に回転力を与える羽根と、前記羽根に向かって進行する風を増速させる増速部と、前記増速部を風の進行方向に基づいて位置決めする方向調整部とを有するので、風の利用度の向上が図れ、高効率で小形の垂直軸型風力発電装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の平面図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の正面図。
【図３】増速部の各種形状の例を示す平面図及び正面図。
【図４】本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置における風車部と増速部との間隔Ｄに対する増速部の全長Ｌの比率Ｌ／Ｄと増速率Ｑとの関係を示す特性図。
【図５】本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置における増速部の傾斜角度φと増速率Ｑとの関係を示す特性図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の平面図。
【図７】本発明の第２実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の側面図。
【図８】従来の垂直軸型風力発電装置の構成を示す説明図。
【符号の説明】
１０…風力発電装置
２０…支持部
２１…台座
２２…発電機
３０…風車部
３１…回転軸
３２〜３７…羽根
３８…方向調整羽根
３８Ａ…羽根部
３８Ｂ…分岐部
３９…取付部材
４０…増速部
４１…湾曲面
４２…平坦面
５０…風
６０…垂直軸風車
６１…回転軸
６２…羽根
６３…案内板
【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】
2004211569.tif 000008
【図７】
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【図８】
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