(57)【要約】【課題】安価で、低騒音で少ない設置面積でかつ安全で、密集した住宅街にでも設置可能な、効率良く風力発電するための風力発電装置を提供する。【解決手段】そのために、本発明の風力発電装置は風向きに向かって設けた翼を回転させるのではなく、風向きに対し、揚力が発生する向きに傾け、翼が受ける揚力を翼が揺動しながらクランク機構で回転運動に変換するように構成した。そのために、風力により揚力を得る翼はプロペラのように大きな回転空間を必要とせず、狭い空間でも風力発電ができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の移動を回転動力に変換するにあたって、移動する流体の流れを翼で受け、翼の両面に生じる流体の速度差により発生する揚力を翼が受けて移動しようとする力を揺動運動としてクランクまたは偏芯軸の回転運動に変換するように構成したことを特徴とする流体の移動を回転力に変換する装置。
【請求項２】
特許請求項１の揺動翼が軸対称に配置され、各々の揺動翼により発生する回転力を連結する連結手段を備えたことを特徴とする流体の移動を回転力に変換する装置。
【請求項３】
特許請求項１の揺動翼が複数配置され、各々の揺動翼により発生する回転力を連結する連結手段を備えたことを特徴とする流体の移動を回転力に変換する装置。
【請求項４】
該特許請求項１から３に関する変換装置に発電機を連結して風力により発電する風力発電装置。
【請求項５】
揺動翼に連結されたクランクまたは偏芯軸に逆に回転運動を入力することで該揺動翼を揺動させ、流体に対し推進力を得る。あるいは流体を移動させるように構成した回転力を流体の移動に変換する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
風力を回転エネルギーに変換するエネルギー変換装置であって、とりわけ出力エネルギー形態が電力となる風力発電装置あるいは逆に回転エネルギーを流体の移動に変換する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、風力を回転エネルギーに変換してその回転力で発電する装置においては風を受ける翼の形状により、プロペラ型、ダリウス型、サボニウス型等のものが考案されている。
【０００３】
これら今までの風力発電装置は大電力を発電するには風を受ける面積を大きく取るため、高さ方向に伸ばした巨大な建造物にならざるを得ない。これらのうち、現在最も普及しているものはプロペラ型で、一般家庭での数十Ｗレベルの発電が出来るローター半径約５０ｃｍ程度の小型のものから、ローター半径約２５ｍ程度の１０００ＫＷ級の大型のものまで普及しはじめた。
【０００４】
しかし、このように発電電力を大きくするにはローターの半径を大きくする必要がある。このため、一般家庭での電力を部分的にでも賄うほどの風力発電装置は、日本国内のように密集した住宅地にははとんど設置不可能である。
【０００５】
また、プロペラタイプはローター先端が高速で回転するので、風切り音が出易く、騒音の原因にもなる。また風速が大きい時、プロペラが壊れないように強度をあげる、プロペラのピッチを可変にする。等の工夫をしなければいけなかった。その結果、強風に耐える構造、装置の大型化等が必要であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
安価で、低騒音で少ない設置面積でかつ安全で、密集した住宅街にでも設置可能な、効率良く風力発電するための風力発電装置を提供する。特に街等の狭い空間でも、風が吹く場所であれば、風力による発電を期待できる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の風力発電装置は風向きに向かって設けた翼を回転させるのではなく、風向きに向かって設けた翼を揚力が発生する向きに傾け、翼が受ける揚力で翼が揺動しながらクランク機構で回転運動に変換するように構成した。そのために、風力により揚力を得る翼はプロペラのように大きな回転空間を必要とせず、狭い空間でも風力発電ができる。
【０００８】
【発明実施の形態】
風上に翼を向ける方向舵と揚力を発生させる揺動翼と、翼の揺動運動を回転運動に変換するクランクと、揺動翼の向きを制御するリンクとクランクの回転を受け発電する発電機からなる構成により、風を受けた揺動翼は羽ばたくように揺動し、効率よく回転運動に変換して発電することを特徴とする。
【０００９】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例を示している上面からみた縦型風力発電機の構成図であって、対称に配置された揺動する翼をもっているこの揺動翼は航空分野でよく用いられるＮＡＣＡ００２型翼のように断面が軸対称形状をしている。２点鎖線は揺動翼の動作範囲を示す。図２はこの側面図である。以下図１から図７の夫々の図において、同じ番号は同じ構成要素を示す。
【００１０】
図１において、１ａ．１ｂは揺動翼であり、１１ａ．１１ｂはリンク支持点であり１２ａ．１２ｂはクランク支持点である。揺動翼１ａ．１ｂは風を受け揚力を発生させる翼型断面形状部と、リンク支持点１１ａ．１１ｂとクランク支持点１２ａ．１２ｂからなる。
【００１１】
２ａ．２ｂはリンクである。３ａ．３ｂはリンク２ａ．２ｂの揺動中心である。４ａ．４ｂは回転軸であり、５ａ．５ｂはギヤである。５１ａ．５１ｂはギヤ５ａ．５ｂの回転中心から偏芯した位置に設けた偏芯軸である。
【００１２】
ギヤ５ａ．５ｂは図２において、回転軸４ａ．４ｂと各々上下にて偏芯軸５１ａ．５１ｂが一致する角度で一体化される。またギヤ５ａとギヤ５ｂはに偏芯軸５１ａ．５１ｂが軸対称に位置するようかみ合わせられる。６は発電機であり、７は発電機への入力ギヤである。
【００１３】
下方のギヤ５ａにのみにかみ合う位置に発電機への入力ギヤ７が設けられており、ギヤ５ａが回転すると、発電機への入力ギヤ７に回転が伝達され発電機６が回転して発電する。８は方向舵であり、９は方向舵８と一体となったフレームである。
【００１４】
９１はフレーム９からなるリンク２ａ．２ｂの揺動軸である。１０はフレーム支持軸でありフレーム９上の構成をすべて回動可能に軸支している。１１は支持軸１０を支えるベースである。
【００１５】
揺動翼１ａ．１ｂのリンク支持点１１ａ．１１ｂは各々上下にてリンク２ａ．２ｂの一端と揺動自在に連結されている。また、クランク支点２ａ．１２ｂも各々上下にてギヤ５ａ．５ｂの偏芯軸５１ａ．５１ｂに揺動自在に連結されている。
【００１６】
かつ、リンク２ａ．２ｂの他端はフレーム９の揺動軸９１に各々上下にて揺動自在に連結されている。つまり、揺動翼１ａ．１ｂのクランク支持点１２ａ．１２ｂはギヤ５ａ．５ｂの周りを回転可能に拘束されている。
【００１７】
一方、揺動翼１ａ．１ｂのリンク支持点１１ａ．１１ｂはリンク２ａ．２ｂによりフレーム９の揺動軸９１中心に揺動可能に軸支されている。
【００１８】
次にこれらの動作を説明する。図３はこの動作の分解図である。上記のように連結されているので、揺動翼１ａ．１ｂは図３に示した３−１から３−８のような動きを順にとることが可能となる。
【００１９】
風が吹くとこの装置は方向舵８により風の力で支持軸１０を中心に揺動して方向舵８の先頭が風上の方向に向く。
【００２０】
すると、３−１の位置に揺動翼１ａ．１ｂがあるときは風向きに対し揺動翼１ａ．１ｂは風の流れと平行の向きにあるので揚力は発生せず、抗力を受け、リンク支持点１１ａ．１１ｂを中心に揺動翼１ａは偏芯軸５１ａを反時計廻りに、一方揺動翼１ｂは偏芯軸５１ｂを時計廻りに回転しようとする。
【００２１】
その反力としてクランク支持点１２ａ．１２ｂがギヤ５ａ．５ｂを回転各々回転させる。すると揺動翼１ａ．１ｂは一端３−８の位置になる。すると揺動翼１ａ．１ｂは風力によって、回転軸４ａ．４ｂから離れる方向に揚力が生じる。
【００２２】
そのため、揺動翼１ａはギヤ５ａを時計回りに、一方揺動翼１ｂはギヤ５ｂを反時計回りに回転させる。すると３−１の位置を越して３−２の位置関係となる。
【００２３】
この位置では揺動翼１ａ．１ｂは風力によって、回転軸４ａ．４ｂに近づく方向に揚力が生じる。そのため、いっそう揺動翼１ａはギヤ５ａを時計回りに、一方揺動翼１ｂはギヤ５ｂを反時計回りに回転させる。
【００２４】
このようにして３−３，３−４では揺動翼１ａ．１ｂは風向きに対し、同じ向きを保っているので、つづけて揺動翼１ａはギヤ５ａを時計回りに、一方揺動翼１ｂはギヤ５ｂを反時計回りに回転させる。
【００２５】
３−１からみてギヤ５ａ．５ｂの偏芯軸５１ａ．５１ｂが１８０度回転した位置にくると、揺動翼１ａ．１ｂは風向きとちょうど並行になる。この位置を通り越すと、３−６になり揺動翼１ａ．１ｂの傾きはいままでと逆になり、揺動翼１ａ．１ｂは風力によって、回転軸４ａ．４ｂから離れる方向に揚力が生じる。
【００２６】
そのため、揺動翼１ａはギヤ５ａを時計回りに、一方揺動翼１ｂはギヤ５ｂを反時計回りに回転させる。３−６から３−８までは揺動翼１ａ．１ｂは風向きに対し、同じ向きを保っているので、つづけて揺動翼１ａはギヤ５ａを時計回りに、一方揺動翼１ｂはギヤ５ｂを反時計回りに回転させる。
【００２７】
このようにして連続してギヤ５ａ．５ｂは同期して連続回転する。そこでギヤ５ａに連結されたギヤ７が発電機を回転させ発電する。
【００２８】
もし、３−５の位置で停止していた場合でも風が吹いて方向舵８が風上に向かうと、揺動翼１ａ．１ｂが風の抵抗をうけ夫々リンク支持点１１ａ．１１ｂを中心に、揺動翼１ａは偏芯軸５１ａを時計廻りに、一方揺動翼１ｂは偏芯軸５１ｂを反時計廻りに回転しようとするのでそのまま３−６の位置関係になり回転し始める。
【００２９】
このような構成で揺動翼１ａ．１ｂの揺動力を回転力に変換するとき３−１の位置以外はすべて同じ方向に回転するように揚力が働く構成であるため、非常に効率が良い。
【００３０】
本発明においては、発電機６にギヤ７で直接回転入力しているが、調速機を介して一定回転になるようにして安定的な発電ができるよう構成してもよい。
【００３１】
本発明の実施例では揺動翼はＮＡＣＡ００２型翼のように断面が軸対称形状のものを用いたが、ＮＲＥＬで開発されたＳ８０９翼型や産業技術研究所で開発されたＭＥＬ００２翼型のような非対称翼であってもよい。
【００３２】
あるいは揺動翼はすくなくとも２つ以上の複数に分割構成されており、風向きや速度に対し、最も効率の良い翼断面形状になるようリンクやサーボモータ等で変形させるようにしてもよい。
【００３３】
偏芯軸を可動にして、偏心量を変えたり、リンク支持点を可動にして揺動翼の揺動角をかえたりと細かに制御して変換効率を上げる工夫も可能である。
【００３４】
一方、強風で破損しないようには、図３における３−１または３−５の位置でギヤ５ａまたは５ｂを固定することで揚力が生じないようにすることで対応する。
【００３５】
具体的には発電機をモーターとして逆方向に回転させブレーキとして働かせ、３−１または３−５の位置を図示しないホトインタラプタ等の検出器で位置検出して、ギヤ５ａまたは５ｂの側面からフレーム９から図示しないロックピンを挿入することで固定する。
【００３６】
図４は他の実施例を示す。フレームに軸対称位置で連結した揺動翼を複数設け、各々をベルトで連結した実施例を示す。１２はギヤ５ａと一体となったプーリーである。１４は発電機６のギヤ７を回転させるギヤ５ａと一体となったプーリーである。
【００３７】
１３はこれらのプーリー１２，１４を連結するベルトである。発電機６を回転させるのに４つの揺動翼が働く。この場合フレームの揺動中心の支持軸に対し、長手方向に軸対称揺動翼を設けているので、方向舵は必ずしも必要ではない。
図５は一体化した揺動翼を複数列設けた実施例を示す。
【００３８】
図６、図７は揺動翼と回転軸が地面に対して水平となる実施例である。この場合揺動翼面に太陽光発電シートを貼り付け、揺動運動と風力で太陽光発電シートを冷却しながら効率よく発電することも併設できる。
【００３９】
図７においては複数の揺動翼を複数に風向き方向に並べて駆動を連結し、発電機を回転させる。このように揺動翼の移動範囲が非常に狭いためこのようなレイアウトも可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
風向きに向かって設けた翼を揚力が発生する向きに傾け、翼が受ける揚力をクランク機構で回転運動に変換するように構成した。
【００４１】
そのために、風力により揚力を得る翼はプロペラのように大きな回転空間を必要とせず、揺動運動をするだけで狭い空間でも効率良く、回転エネルギーに変換でき高効率の風力発電が可能となる。
【００４２】
他の方式に比べはるかに軽量かつ低強度で構成できる。また、揺動翼はほぼ風向きに対し鉛直方向へ揺動する構造なので、風切り音がほとんど発生しない。
【００４３】
翼は揺動運動で緩慢な動きなので、回転翼に比べはるかに危険が少ない。揺動翼を３−１または３−５の位置で予め固定しておくと、揚力が発生しないので設置しやすい。
【００４４】
発電機を地上近くに配置できるので、重心位置を下げることが容易にできる。また発電機のメンテナンスがしやすい。等多くのメリットがある。
【００４５】
発明の例において出力は発電機による電力としたが、風力を回転エネルギーとして変換後、スターリングサイクルの冷凍気やヒートポンプ等による冷暖房の空調機器の動力としても良い。
【００４６】
あるいは連結されたクランクまたは偏芯軸に対し、発電機をモータとすることで揺動翼を揺動し、流体に対し推進力を得る推進手段とすることもできるし、または送風機等にもなる。流体は空気であってもよいし、水や海水であってもよい。
【００４７】
風力による発電だけでは、電力が安定しないので、直流電圧に変換して、バッテリーやコンデンサーに蓄え、消費電力（使用状況）に応じて対応できるようにしても良い。前述のように、太陽電池との併設で、より安定的に電力を賄う事も可能となる。
【００４８】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の一実施例を示す、垂直軸型風力発電機の上面からみた構成図である。
【図２】図２はこの発明の一実施例側面図である。
【図３】図３はこの発明のこの動作の分解図である。
【図４】図４はこの発明における垂直軸型の他の実施例を示す。
【図５】図５もこの発明における垂直軸型の他の実施例を示す。
【図６】図６はこの発明における水平軸型の他の実施例を示す。
【図７】図７はこの発明における水平軸型の別の実施例を示す。
【符号の説明】
１ａ．１ｂ      揺動翼
１１ａ．１１ｂ  リンク支持点
１２ａ．１２ｂ  クランク支持点
２ａ．２ｂ      リンク
３ａ．３ｂ      揺動中心
４ａ．４ｂ      回転軸
５ａ．５ｂ      ギヤ
５１ａ．５１ｂ  偏芯軸
６              発電機
７              入力ギヤ
８              方向舵
９              フレーム
９１            揺動軸
１０            フレーム支持軸
１１            ベース
１２            プーリー
１３            タイミングベルト
１４            プーリー
【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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