(57)【要約】【課題】風力を効率よく利用することができる風車を提供する。【解決手段】垂直軸４と、垂直軸４を中心に回転する２段の羽根車２，３とを備えた風車１であって、羽根車２，３は、隣接するもの同士が逆回転するように構成され、それぞれが複数の羽根部１３を有しており、羽根部１３は、回転方向下流側で受けた風が、隣接する段の羽根部の回転方向上流側に流入する形状を有する。かかる風車は、逆回転している２軸を１軸で取り出すことにより、同じ風で回転数が２倍になり、発電機の回転を上げるためのギヤー比が少なくすみ、そのトルクを発電に利用でき、効率よく発電できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸と、該垂直軸を中心に回転する２段以上の羽根車とを備えた風車であって、
前記２段以上の羽根車は、隣接するもの同士が逆回転するように構成され、それぞれが複数の羽根部を有しており、
前記羽根部は、回転方向下流側で受けた風が、隣接する段の羽根部の回転方向上流側に流入するように形成されていることを特徴とする風車。
【請求項２】
一方向に回転する前記羽根車の回転軸である第１の回転軸と、
他方向に回転する前記羽根車の回転軸である第２の回転軸と、
前記第１及び第２の回転軸の回転を、いずれかの方向の回転に変換する回転方向変換機と、をさらに備えた請求項１に記載の風車。
【請求項３】
前記回転方向変換機により変換された一方向の回転により発電を行う発電機をさらに備えた請求項１または２に記載の風車。
【請求項４】
一方向に回転する前記羽根車の回転軸である第１の回転軸と、
他方向に回転する前記羽根車の回転軸である第２の回転軸と、
前記第１の回転軸の回転により発電を行う第１の発電機と、
前記第２の回転軸の回転により発電を行う第２の発電機と、をさらに備えた請求項１に記載の風車。
【請求項５】
前記羽根部は、回転方向下流側に向かって凸形状を有する、請求項１から４のいずれかに記載の風車。
【請求項６】
前記羽根部の凸形状の稜線は、開閉自在に構成されており、
前記稜線が閉じるように付勢する付勢手段をさらに備えた請求項５に記載の風車。
【請求項７】
前記羽根車は、前記垂直軸近傍に、前記各羽根部の回転方向上流側空間と連通したチャンバーが形成され、
前記羽根部は、回転方向上流側で受けた風を前記チャンバーに導き、該チャンバー内を相対的に圧力が高い状態にするように、半径方向外側に向かって延びて配置されている、請求項１から６のいずれかに記載の風車。
【請求項８】
前記羽根部は、隣接する羽根部との間隔が前記垂直軸から外方に向けて広くなるように、相互に配置されている、請求項７に記載の風車。
【請求項９】
前記羽根部は、外端部が内端部より回転方向上流側に位置するように配置されている、請求項７または８に記載の風車。
【請求項１０】
垂直軸と、該垂直軸を中心に回転する羽根車とを備えた風車であって、
当該羽根車は、
前記垂直軸を中心として、外側に延びるようにして配設された複数の羽根部と、
前記各羽根部の上部及び下部に設けられ、前記羽根部の回転方向上流側に導かれた風の垂直方向への流出を防止するフィンと、を備えた風車。
【請求項１１】
最上段の羽根車における前記各羽根部の上部に設けられ、前記羽根部の回転方向上流側に導かれた風の垂直方向への流出を防止する上部フィンと、
最下段の羽根車における前記各羽根部の下部に設けられ、前記羽根部の回転方向上流側に導かれた風の垂直方向への流出を防止する下部フィンと、をさらに備えた、請求項１から９のいずれかに記載の風車。
【請求項１２】
隣接する羽根車間における前記各羽根部の上部、及び下部に中間フィンをさらに設けた請求項１１に記載の風車。
【請求項１３】
前記上部フィン、及び前記下部フィンは、略水平面内に設けられ、半径方向外側に向かって細くなる板状の部材である、請求項１１または１２に記載の風車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風車に関し、特に垂直軸と該垂直軸を中心に回転する羽根車とを有する風車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以前より、風力エネルギーを利用する装置として、風車が利用されてきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
風力を効率よく利用するためには、ウィンドファームのように多数の風車を設置すればよいが、そのように多くの風車を建設するには多大なコストが必要となる。
【０００４】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、風力を効率よく利用することができる風車を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による風車は、垂直軸と、該垂直軸を中心に回転する２段以上の羽根車とを備えた風車であって、前記２段以上の羽根車は、隣接するもの同士が逆回転するように構成され、それぞれが複数の羽根部を有しており、前記羽根部は、回転方向下流側で受けた風が、隣接する段の羽根部の回転方向上流側に流入するように形成されているものである。
【０００６】
本発明によれば、各羽根部の回転方向下流側で受けた風が、隣接する段の羽根部の回転方向上流側に流入し、各羽根車の回転が助勢されることとなり、風車の各羽根車は効率的に回転することとなる。
【０００７】
また、本発明による風車では、一方向に回転する前記羽根車の回転軸である第１の回転軸と、他方向に回転する前記羽根車の回転軸である第２の回転軸と、前記第１及び第２の回転軸の回転を、いずれかの方向の回転に変換する回転方向変換機とをさらに備えてもよい。
【０００８】
また、本発明による風車では、前記回転方向変換機により変換された一方向の回転により発電を行う発電機をさらに備えてもよい。
【０００９】
このような構成を有する本発明によれば、互いに逆回転する羽根車の回転ごとに発電機を設ける必要がなくなり、単一の発電機により発電を行うことができる。
【００１０】
また、本発明による風車では、一方向に回転する前記羽根車の回転軸である第１の回転軸と、他方向に回転する前記羽根車の回転軸である第２の回転軸と、前記第１の回転軸の回転により発電を行う第１の発電機と、前記第２の回転軸の回転により発電を行う第２の発電機とをさらに備えてもよい。
【００１１】
また、本発明による風車では、前記羽根部が、回転方向下流側に向かって凸形状を有するようにしてもよい。
【００１２】
また、本発明による風車では、前記羽根部の凸形状の稜線が、開閉自在に構成されており、前記稜線が閉じるように付勢する付勢手段をさらに備えるようにしてもよい。
【００１３】
このような構成を有する本発明によれば、強風時には羽根部の稜線が開口し、回転方向上流側からの風がその開口を介して貫流することとなり、強風による風車の破損等を防止することができる。
【００１４】
また、本発明による風車では、前記羽根車は、前記垂直軸近傍に、前記各羽根部の回転方向上流側空間と連通したチャンバーが形成され、前記羽根部は、回転方向上流側で受けた風を前記チャンバーに導き、該チャンバー内を相対的に圧力が高い状態にするように、半径方向外側に向かって延びて配置されているようにしてもよい。
【００１５】
このような構成を有する本発明によれば、回転中心となる垂直軸近傍に形成されたチャンバー内は相対的に高圧（正圧）状態となる。一方、風車の風下側の領域は、風車が風を遮るので、相対的に低圧（負圧）状態となる。この結果、風車の風下側ではチャンバー内の空気が、半径方向外方に延びる羽根に沿って流出する。この流出する空気によって、羽根部が回転方向に押圧され、風車は効率的に回転することになる。
【００１６】
また、本発明による風車では、前記羽根部は、隣接する羽根部との間隔が前記垂直軸から外方に向けて広くなるように、相互に配置されているようにしてもよい。
【００１７】
また、本発明による風車では、前記羽根部は、外端部が内端部より回転方向上流側に位置するように配置されているようにしてもよい。
【００１８】
本発明による風車は、垂直軸と、該垂直軸を中心に回転する羽根車とを備えた風車であって、当該羽根車が、前記垂直軸を中心として、外側に延びるようにして配設された複数の羽根部と、前記各羽根部の上部及び下部に設けられ、前記羽根部の回転方向上流側に導かれた風の垂直方向への流出を防止するフィンとを備えたものである。
【００１９】
本発明によれば、フィンにより羽根部の回転方向上流側に導かれた風の垂直方向への流出を防止することができ、効率を上げることができる。
【００２０】
また、本発明による風車では、最上段の羽根車における前記各羽根部の上部に設けられ、前記羽根部の回転方向上流側に導かれた風の垂直方向への流出を防止する上部フィンと、最下段の羽根車における前記各羽根部の下部に設けられ、前記羽根部の回転方向上流側に導かれた風の垂直方向への流出を防止する下部フィンとをさらに備えてもよい。
【００２１】
この上部及び下部フィンを備えることで、羽根部の回転方向上流側に導かれた風の垂直方向への流出を防止することができ、効率を上げることができる。
【００２２】
また、本発明による風車では、隣接する羽根車間における前記各羽根部の上部、及び下部に中間フィンをさらに設けてもよい。
【００２３】
また、本発明による風車では、前記上部フィン、及び前記下部フィンが、略水平面内に設けられ、半径方向外側に向かって細くなる板状の部材であってもよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
【００２５】
以下、本発明の実施の形態１による風車について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１は、本実施の形態１による風車１の外観を示す斜視図であり、図２は、風車１の側面図であり、図３は、風車１の羽根車（ローター）２の上面図であり、図４は、羽根車２，３の回転が発電機１９に伝達する機構を示す図である。
【００２７】
図１から図３に示されているように、風車１は、垂直方向に伸びる垂直軸４を中心に回転するように配置された２つの羽根車２，３を備える。羽根車２、３は、水平方向に伸びる上部フレーム５、７及び下部フレーム６、８と、それらの間に設けられている上側メインパネル９、下側メインパネル１０、上側サブパネル１１、及び下側サブパネル１２とを備える。本実施の形態１による風車１は、上方から見たときに、羽根車２は時計回り方向に回転し、羽根車２に隣接する羽根車３は反時計回り方向に回転するものである。
【００２８】
上部及び下部フレーム５〜８は、それぞれ垂直軸４に接続されている。また、上部及び下部フレーム５〜８は、それぞれ水平方向外側に延びる４本の枝を有しており、隣接する各枝は略垂直となっている。その各枝に上側メインパネル９、あるいは下側メインパネル１０の一辺が接合されている。上側メインパネル９と下側メインパネル１０とは、羽根車２，３の回転時の回転方向下流側に向かって凸状となるように突出した稜線において接合されている。上側サブパネル１１は、上側メインパネル９の半径方向外側の一辺と接合されており、下側サブパネル１２は、下側メインパネル１０の半径方向外側の一辺と接合されている。また、上側サブパネル１１と下側サブパネル１２も、上側及び下側メインパネル９，１０の稜線が、やや回転方向上流側（谷側）に折れ曲がって連続するように接合されている。このようにして構成された、上部及び下部フレーム５〜８と、上側及び下側メインパネル９，１０と、上側及び下側サブパネル１１，１２とによって、各羽根部１３が構成されている。したがって、各羽根車２，３は、回転（円周）方向に略等間隔で配置された４枚の羽根部１３を有することになる。なお、各フレーム、及び各パネルは、金属、カーボンファイバ、合成樹脂、木材等の種々の材料から選択された材料により形成される。
【００２９】
図２及び図３で示されるように、上側及び下側メインパネル９，１０の垂直軸４側（付け根側）には、回転方向上流側（谷側）空間をふさぐパネルが設けられていない。したがって、上側及び下側メインパネル９，１０の付け根側は、開口領域となっている。そのため、各羽根部１３の回転方向上流側の空間（羽根部１３の谷側）は、上側及び下側メインパネル９，１０の開口領域を介して、垂直軸４を中心とする空間（チャンバー）１４に連通している。
【００３０】
本実施の形態の羽根部１３は、隣接する羽根部の間隔が中心軸（垂直軸４）から離れる方向（すなわち外方）に向かって広くなるように、かつ、外端（羽根部１３の中心軸から一番遠い点）が内端（稜線の中心軸側の端点）より回転方向上流側に位置するように構成されている。
【００３１】
図４で示されるように、垂直軸４は、羽根車２の上部及び下部フレーム５，６と接続されている内軸１５と、羽根車３の上部及び下部フレーム７，８と接続されている外軸１６と、発電機１９等を覆うカバー１７と、各軸に設けられたベアリング部材２０とから構成されている。羽根車２，３はそれぞれ逆回転するため、羽根車２，３の回転軸である内軸１５及び外軸１６も逆回転する。回転方向変換機１８は、内軸１５及び外軸１６の回転を一方向の回転に変換し、発電機１９に伝達させる。発電機１９は、その伝達された回転により発電を行う。なお、回転方向変換機１８としては、例えば、サイクロ（登録商標）減速機、遊星歯車機構等が用いられる。なお、内軸１５及び外軸１６ごとに２つの発電機を備えるようにしてもよい。
【００３２】
このような構成を有する風車１では、各羽根部１３の回転方向下流側で受けた風が、隣接する段の羽根部１３の回転方向上流側に流入する。この結果、各羽根車２，３の回転が助勢される。
【００３３】
次に、図５から図７を参照して、風車１の各羽根車２，３が回転する原理について説明する。図５及び図６は、図中右側からの風の中におかれた風車１近辺の空気の流れ等を模式的に示す図である。図５において、羽根車２の羽根部１３−１は、稜線部が風下に向かって位置しており、回転方向上流側（谷側）の面で風を受ける。羽根車１３−１が風を受けることにより、羽根車２は回転する。羽根車３の羽根部１３−２は、稜線部が風上に向かって位置しており、回転方向下流側（峰側）の面で風を受ける。この羽根部１３−２の回転方向下流側で受けた風のうち、上側メインパネル９で受けた風は、隣接する羽根部１３−１の回転方向上流側に流入する。その結果、羽根車２の回転が助勢される。
【００３４】
羽根車２，３が回転し、図６で示される位置関係になったとする。羽根車２の羽根部１３−３の稜線部が風上に向かって位置しており、回転方向下流側（峰側）の面で風を受ける。この羽根部１３−３の回転方向下流側の面で受けた風のうち、下側メインパネル１０で受けた風は、隣接する羽根部１３−４の回転方向上流側に流入する。その結果、今度は羽根車３の回転が助勢される。
【００３５】
図７は、矢印Ａで示される風の中におかれた羽根車３付近の空気の流れ等を模式的に示す図である。羽根車３は、稜線部が風下に向かって位置する第１の羽根部１３−１が、裏面（回転方向上流側の面）で風を受ける。羽根部１３−１の上流側▲１▼の空気は、羽根部１３−１の付け根側の開口領域を通り、垂直軸４の周囲空間であるチャンバー▲２▼に送られ、チャンバー▲２▼内の圧力を相対的に高い圧力（正圧）とする。チャンバー▲２▼の正圧の空気は、風下側に位置する第２の羽根部１３−２及び稜線部が風上に向かって位置する第３の羽根部１３−３の付け根側の開口領域を通って、第２の羽根部１３−２の裏側（回転方向上流側）領域▲３▼、及び第３の羽根部１３−３の裏側（回転方向上流側）領域▲４▼に流出する。
【００３６】
第１の羽根部１３−１と第２の羽根部１３−２との回転方向下流側の領域▲５▼、▲６▼は、羽根車３の風下側となるので、相対的に圧力が低い状態となっている。したがって、第１の羽根部１３−１と第２の羽根部１３−２との回転方向下流（表）側▲５▼、▲６▼と、回転方向上流（裏）側▲１▼、▲３▼との間には大きな圧力差が生じ、これらの羽根部１３が矢印Ｂで示される方向に押圧され、羽根車３が矢印Ｃで示される回転方向に回転させられる。
【００３７】
さらに、風上側に向かって延びる第４の羽根部１３−４の回転方向下流（表）側を流れる空気は、羽根部の形状により、回転方向上流（裏）側を流れる空気より、流速が速くなるので、第４の羽根部１３−４には、矢印Ｄで示される揚力が作用し、この揚力が羽根車３の回転に寄与する。
【００３８】
なお、第３の羽根部１３−３の回転方向下流側の面が風を受け、回転方向下流側領域▲７▼が正圧領域となるが、この正圧は、第３の羽根部１３−３の回転方向上流領域▲４▼の正圧と相殺され、羽根車３の回転には影響を及ぼさない。
【００３９】
次に、図８及び図９を参照して、本実施の形態による２段逆回転型風車の効果について説明する。なお、図８及び図９では、実験の簡易化のために回転方向変換機を用いず、羽根車ごとに発電を行った。
【００４０】
図８は、上下２段の羽根車が逆回転する場合（ａ）と、同方向に回転する場合（ｂ）とを比較するための図である。図８（ａ）で示される風車は、上下２段の羽根車が逆回転するものであり、発電機は直列接続されている。この風車を風洞の中に置き、一定の風速下で発電を行ったところ、発電された電力は、０．１６２（Ｗ）となった。図８（ｂ）で示される風車は、上下２段の羽根車が同方向に回転するものであり、発電機は直列接続されている。この風車を風洞の中に置き、一定の風速下で発電を行ったところ、発電された電力は、０．１４９５（Ｗ）となった。このデータからわかるように、隣接する各羽根車を逆回転させることにより、羽根部の回転方向下流側で受けた風を、隣接する段の羽根部の回転方向上流側に流入させることができ、効率のよい風車を実現することができる。
【００４１】
図９は、上下２段の逆回転する羽根車を有する風車（ａ）と、上段の羽根車のみを有する風車（ｂ）と、下段の羽根車のみを有する風車（ｃ）とを比較するための図である。図９（ａ）で示される風車は、上下２段の羽根車が逆回転するものであり、各発電機により発電される電力は、上段と下段で別々に計測されている。この風車を風洞の中に置き、一定の風速下で発電を行ったところ、上段の羽根車による発電量は０．０７１５（Ｗ）となり、下段の羽根車による発電量は０．１０８（Ｗ）となった。図９（ｂ）で示される風車は、上段の羽根車のみを有する。この風車を風洞の中に置き、一定の風速下で発電を行ったところ、発電量は０．０７２５（Ｗ）となった。図９（ｃ）で示される風車は、下段の羽根車のみを有する。この風車を風洞の中に置き、一定の風速下で発電を行ったところ、発電量は０．０９５（Ｗ）となった。これらのデータによれば、上下２段の逆回転する羽根車で発電した場合の合計発電量は、０．１７９５（Ｗ）となるのに対し、上段と下段とを別々に発電した場合の合計発電量は、０．１６７５（Ｗ）となる。このデータからわかるように、隣接する２段の羽根車を逆回転させる風車は、一段の羽根車を有する風車を２つ設置した場合よりも、風力をより効率よく利用することができ、より多くの電力を発電することができることがわかる。つまり、逆回転している２軸を１軸で取り出すことは、同じ風で回転数が２倍になり、発電機の回転を上げるためのギヤー比が少なくすみ、そのトルクを発電に利用でき、効率よく発電できる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、２段の羽根車２，３を有する風車１について説明したが、羽根車は３段以上であってもよい。３段以上の羽根車の場合でも、隣接する羽根車は逆回転するように構成される。この場合、各羽根車の回転を１軸に変換して１つの発電機により発電を行ってもよく、各羽根車の回転軸ごとに発電を行ってもよく、あるいは、例えば、図１０で示されるように、回転方向変換機１８を用い、かつ、２つの発電機１９を用いて発電を行ってもよい。このように、羽根車の段数と、発電機の個数との関係は、上記説明に限定されるものではない。
【００４３】
また、羽根車の各羽根部を、パネルを用いて構成した場合について説明したが、各羽根部は、回転方向下流側で受けた風が、隣接する段の羽根部の回転方向上流側に流入するような形状を有するものであればよく、例えば、膜部材とそれを支持する骨組み部材とにより構成してもよい。
（実施の形態２）
【００４４】
以下、本発明の実施の形態２による風車について、図面を参照しながら説明する。
【００４５】
図１１は、本実施の形態２による風車３０の外観を示す斜視図であり、図１２は、風車３０の羽根車３１の上面図である。なお、図中、図１から図３までと同一の符号は、同様の、または相当する構成要素を示すものである。
【００４６】
図１１及び図１２で示されているように、羽根車３１の上部フレーム３２、及び下部フレーム３３は、それぞれ各フレームの基端部（垂直軸４の側）から各枝の先端部（羽根車３１の外周側）に延びる板状部材であるフィン３４を有する。各フィン３４は、各羽根部３５の各枝の回転方向上流側に、略水平となるように、かつ、垂直軸４から離れる方向（すなわち外方）に向かって幅が細くなるように、構成されている。
【００４７】
このフィン３４により、各羽根部３５の回転方向上流側に導かれた風の垂直方向への流出を防止することができ、より効率よく風力を利用できる。
【００４８】
次に、このフィンを２段以上の羽根車を有する風車に用いる場合について説明する。
【００４９】
最上段の羽根車の上部フレームの上部フィンと、最下段の羽根車の下部フレームの下部フィンとは、図１１及び図１２で示されるフィン３４と同様のものとし、それ以外のフレームの中間フィン（隣接する羽根車間のフレームのフィン）は、図１３で示されるように、フレーム３８の基端部から枝の先端部に向かって延びる板状部材３６と、板状部材３６の略中点と枝の略中点とを繋ぐ補強部材３７とから構成される。
【００５０】
なお、上記各実施の形態において、強風時に風車の羽根車が高速で回転することによる風車の破損を防止するための対策を行ってもよい。図１４は、強風対策のなされた羽根部の構成を模式的に示す図である。図１４（ａ）で示されるように、羽根部４０の回転方向下流側の稜線部が、稜線部の外点４２を中心として開口自在に構成されており、稜線部の内端点にバネ４１が設けられ、羽根部４０の稜線が閉じるように付勢されている。その結果、通常の風速のときには、羽根部４０の稜線は閉じている（図１４（ｂ））が、強風のときには、羽根部４０の回転方向上流側に流入した風力により、バネ４１の付勢力に抗して稜線部が開口し、開口部を介して羽根部４０の回転方向上流側から回転方向下流側に風が貫流する（図１４（ｃ））。したがって、強風時に羽根車を回転する力が減衰され、風車の破損等を防止することができる。なお、バネやゴムなどの付勢手段により羽根部４０の稜線が閉じるように付勢してもよく、あるいは、モータとそのモータを制御する制御手段とにより強風時にのみ稜線部が開口するように制御してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、風力を効率よく利用することができる風車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による風車の外観を示す斜視図
【図２】同実施の形態による風車の側面図
【図３】同実施の形態による風車の羽根車の上面図
【図４】同実施の形態による垂直軸の構成を模式的に示す断面図
【図５】同実施の形態による風車付近の空気の流れ等を模式的に示す図
【図６】同実施の形態による風車付近の空気の流れ等を模式的に示す図
【図７】同実施の形態による羽根車付近の空気の流れ等を模式的に示す図
【図８】同実施の形態における、上下２段の羽根車が逆回転する場合（ａ）と、同方向に回転する場合（ｂ）とを比較するための図
【図９】同実施の形態における、上下２段の逆回転する羽根車を有する風車（ａ）と、上段の羽根車のみを有する風車（ｂ）と、下段の羽根車のみを有する風車（ｃ）とを比較するための図
【図１０】同実施の形態による３段の羽根車を有する風車の構成を模式的に示す図
【図１１】本発明の実施の形態２による風車の外観を示す斜視図
【図１２】同実施の形態による風車の羽根車の上面図
【図１３】同実施の形態による羽根車のフレームの構造を示す図
【図１４】強風対策のなされた羽根部を模式的に示す図
【符号の説明】
１、３０  風車
２、３、３１  羽根車（ローター）
４  垂直軸
５、７、３２  上部フレーム
６、８、３３  下部フレーム
９  上側メインパネル
１０  下側メインパネル
１１  上側サブパネル
１２  下側サブパネル
１３、３５、４０  羽根部
１４  チャンバー
１５  内軸
１６  外軸
１７  カバー
１８  回転方向変換機
１９  発電機
２０  ベアリング部材
３４  フィン
４１  バネ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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