(57)【要約】【課題】複数枚の回転翼を一定ピッチで回転軸の外周に取付けた回転ローター、そして回転ローターの外側には複数枚の集風翼を配列して上記ローターの回転翼へ風を導いて該ローターを回転することで発電機を回す風力タービン発電装置であり、乱流を抑えて速度を増幅し、高い効率を発揮する風力タービン発電装置の提供。【解決手段】上記ローター１の回転翼５を内側回転翼部１１と外側回転翼部１２から成る概略Ｖ形としている。又上記集風翼２を内側集風翼部１３と外側集風翼部１４から成る概略「へ」字状としている。ローター１が回転して外側回転翼部１２が内側集風翼部１３を通過する際、外側回転翼部１２と内側集風翼部１３はほぼ同一面に成るように配置されている。【選択図】        図２
2004308550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の回転翼を一定ピッチで回転軸の外周に取付けた回転ローター、そして回転ローターの外側には複数枚の集風翼を配列して上記ローターの回転翼へ風を導いて該ローターを回転することで発電機を回す風力タービン発電装置において、上記ローターの回転翼を概略Ｖ形とし、又上記集風翼を概略「へ」字状としたことを特徴とする風力タービン発電装置。
【請求項２】
複数枚の回転翼を一定ピッチで回転軸の外周に取付けた回転ローター、そして回転ローターの外側には複数枚の集風翼を配列して上記ローターの回転翼へ風を導いて該ローターを回転することで発電機を回す風力タービン発電装置において、上記ローターの回転翼を内側回転翼部と外側回転翼部から成る概略Ｖ形とし、又上記集風翼を内側集風翼部と外側集風翼部から成る概略「へ」字状とし、ローターが回転して外側回転翼部が内側集風翼部を通過する際、これら外側回転翼部と内側集風翼部はほぼ同一面に成るように配置したことを特徴とする風力タービン発電装置。
【請求項３】
上記概略Ｖ形回転翼の頂部をローターの外側に位置した請求項１、又は請求項２記載の風力タービン発電機。
【請求項４】
上記集風翼の外側集風翼部の幅寸法は内側集風翼部の幅寸法の２倍以上とした請求項１、請求項２、又は請求項３記載の風力タービン装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風力を効率よく利用したタービン発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年においては、環境保全の為に自然のエネルギーを使って電気を起す１つの手段として風力を用いる場合が多く、各地で風力発電装置が設置されている。ところが、該風力発電装置は風が吹かなくては電気を起すことが出来ず、比較的弱い風でも羽根を回転することが出来るような工夫がなされている。風力発電装置に使用されている最も一般的な羽根は飛行機のプロペラに類似した大きな羽根であり、風が当ることでゆっくり回転することが出来る。
【０００３】
該プロペラ羽根は高く起立した支柱上端に取付けられ、風の方向に応じてその向きが変わるように成っている。ここで、弱い風であってもプロペラ羽根を大きくするならば風の当り面積が拡大して回転するが、プロペラ羽根は片持ち支持形態である為に、支柱及び該支柱上端から水平に延びて該プロペラ羽根を支持している軸の強度が問題となる。
【０００４】
勿論、大きなプロペラ羽根を高い支柱上端に取付ける為に、大きな構造物となり、製作費及び施工費が非常に高くなることも普及を抑制する原因に成っている。従って、比較的コンパクトで弱い風であっても回転するような羽根（翼）が好ましく、従来においても色々な羽根（翼）形態が開発されてきている。
【０００５】
図４はサポニウス翼形羽根を示している。同図に示すように、全方向の風力を回転エネルギーに変換することが出来ると共に比較的製作が簡単である一方、反対側の羽根（翼）に当る風は回転を阻止する力として作用する。従って効率は低くなり、低速回転には良いが発電領域となる中速回転領域に達するとトルクは極端に低下すると言った欠点がある。
【０００６】
そこで、該サポニウス翼形羽根の外周に複数の固定集風板を設けたり、回転円筒外周上に湾曲した回転翼を配したローターの外側には固定集風翼を設けて風力の効率向上を図っている。しかし、何れも満足される効率が得られない。このサポニウス翼形羽根で重要な点は、微妙に変化する自然風を広角度（理想は１８０°）で集風すること、集風した風を少しでも速く増速すること、増速時に風の乱流を起して効率を下げずに素直な風流の構造を図ること、そして増速された風の進行方向を回転体の中心方向でなく回転体に付する翼部の回転方向に向け、反転力が生じないように効率良く工夫して風向整流することである。
【０００７】
特開２００１−１９３６３３に係る「風力発電機」においては、図５に示すように集風角度は理想的な１８０°であって、「全方向からの風の何れの方向の風でも、ファンが回転し、コンパクトな形状で風のエネルギーを効果的に利用できる。」としている。しかし隣り合う集風板の角度の違い過ぎと、角度の大きい集風板に当る風の角度と強弱変動により増幅される風の乱反射により乱流が起こり、ローラーの回転方向に向けて反転力風向を無くして均一風向整流は疑問であり、十分な効率が得られない。そして、図中の⇒印方向の風向に対しては、風のすり抜け反転力の増大によって極端な効率低下を引き起こす。
【０００８】
特開２０００−１６１１９６に係る「クロスフロー風車及び風力発電機」においては、図６に示しているように、集風板を円形上に６枚配設している為に集風角度は最大１２０°となって集風能力は不利であるが、集風区画を６分割に配したことで風の乱流が緩和される。しかし全体的な効率は高くない。又案内羽根（集風翼）は多い方が集風角度が大きくてローター入口の風の乱流も少なくなり、風の効率低下も小さくなる。
【０００９】
特開２００３−２８０４４に係る「風車」においては、集風板を円形上に多数枚配設しているが、前記特開２０００−１６１１９６の場合と同じで、高い効率は得られない。図７は該風車を示し、図８はその部分拡大図である。この風車では、平坦な集風板は多数設けられているが、円弧状に湾曲した回転翼の背面に風が当って反転力が発生する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、効率を高める為にローターの回転翼の周囲（外側）に集風翼を配設しているが十分ではない。本発明が解決しようとする課題はこの問題点であって、ローターの周りに固定集風翼を配設すると共に乱流を抑えて集風し、そして速度を増幅して回転ローターへ送ることで高い効率を発揮する風力タービン発電装置を提供する。
【００１１】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る風力タービン発電装置は直立型とし、回転ローターの周囲に複数の固定集風翼を配設しているもので、基本的構造は従来と共通する。ここで、回転ローターは複数枚の回転翼を円周方向に一定ピッチで配列し、該回転翼の形状は円弧をした湾曲形でなく、概略Ｖ形を成している。すなわち、概略Ｖ形回転翼が所定の半径上に一定ピッチで取付けられている。
【００１２】
一方、上記回転翼の外周（外側）には固定集風翼が取付けられているが、この集風翼の形状は平板ではなく、概略「へ」字状に屈曲している。ここで、概略Ｖ形回転翼の外側回転翼部は、集風翼間を回転通過時に、概略「へ」字状の集風翼の内側集風翼部と交差しない角度、すなわち、ほぼ同一面荷なるように設定されて、反転力を生じない翼形状としている。
【００１３】
さらに、本発明では遠心力ブレーキ装置を備えている。これは強風時の発電機保護の為であり、回転翼が一定速度以上に達するならば、ディスクパットが遠心力にて外方向へ移動して円筒部の内周面に摩擦接触する。回転が低いうちはバネ力にて内側へ引寄せられてブレーキは働かない。以下、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
【実施例】
図１は本発明に係る風力タービン発電装置を示す実施例である。同図の１はローター、２は集風翼、３は発電機を示している。上記ローター１は回転軸４の周囲に複数枚の回転翼５，５・・が一定ピッチで取付けられ、回転翼５，５・・の上端には上板６が、下端には下板７が設けられている。そして該回転翼５の形状は概略Ｖ形断面を成している。
【００１５】
ローター１の上下端に設けた上軸８と下軸９は軸受けに支えられて回転することが出来、下軸９は発電機３の軸と連結し、両軸間には遠心力ブレーキ装置１０が取付けられている。そして、上記ローター１の外周には複数枚の集風翼２，２・・が円周方向に一定ピッチで配設され、集風翼２，２・・に導かれた風はローター１を回転し、発電機３をまわして電気を起すことが出来る。
【００１６】
ここで、上記ローター１の回転翼５は概略Ｖ形を成し、又集風翼２は概略「へ」字状を成している。そこで、図１（ａ）に示すように風が矢印方向から吹く場合、集風翼２，２・・の間を風は流れ、中央側の回転翼５に近づくならば集風翼２，２・・間の間隔が小さくなることで流れの連続性から風速は高く（増幅）なり、その状態で回転翼５，５・・に流れ込む。そして回転翼５，５・・に風圧を作用してローター１を回転する。
【００１７】
図２は図１（ａ）の一部詳細図を表わしているが、ローター１は軸心（上軸、下軸）を中心に放射状に一定ピッチで配列している回転翼５，５・・は、概略Ｖ形を成して内側回転翼部１１と外側回転翼部１２を有している。そして内側回転翼部１１と外側回転翼部１２との交差角度をＲ２とし、Ｒ２＜９０°と成っている。又内側回転翼部１１の幅寸法ｅ＞外側回転翼部の幅寸法ｆとし、軸心から内側回転翼部１１と外側回転翼部１２の交差部（頂部）までの半径Ｒ１とした場合、ｇ＞ｈとしている。従って、概略Ｖ形の回転翼５の頂部はローター１の外側に位置する。
【００１８】
本発明では、回転翼５，５・・の頂部までの中心半径Ｒ１を大きくしている為に、風が当って発生する回転トルクは大きくなる。そして、回転翼５，５・・が回転することで集風翼２，２・・間を通過するが、回転翼５，５・・の外側回転翼部１２，１２・・の向きは、固定されている集風翼２の内側集風翼部１３の延長線と交差しない角度に成っている。すなわち、外側回転翼部１２が内側集風翼部１３を通過する際は両翼部１２，１３がほぼ同一面になるように配置されている。その為に、集風翼２，２・・間を流れる風によって、反転力を発生することなく、しかも、外側回転翼部１２の外面は、集風翼２から送り込まれる風を１つ前の回転翼５の作用点（内側回転翼部と外側回転翼部の頂部）へ向けて案内する形状と成っている。
【００１９】
複数の回転翼５，５・・は上端に設けている上板６と下端に設けている下板７とで挟まれ、これら回転翼５，５・・を囲むように軸心を中心として放射状に集風翼２，２・・が配列・固定されている。そして、集風翼２，２・・は軸心からの半径Ｒ３にて屈曲して概略「へ」字状を成し、半径Ｒ３の内側には内側集風翼部１３と半径Ｒ３の外側には外側集風翼部１４を有している。
【００２０】
内側集風翼部１３は平坦部であって、その幅寸法はｃであり、外側集風翼部１４も平坦部であって、その幅寸法はｄである。集風角度を理想的な１８０°にする為に、外側集風翼部１４の延長線は軸心に向いて設けられ、又内側集風翼部１３は、その端部を回転翼５の外側回転翼部１２が通過する際に該外側回転翼部１２と交差しない交差角度Ｒ４と成っている。
【００２１】
そして、集風翼２，２・・の風取り入れ口幅ｂと回転翼５，５・・への風吹き出し口幅ａの比率は、ｂ：ａ＝２：１以上とし、集風翼２，２・・の取り入れ口から流入した風は幅が縮小されることで風速は高くなり、回転翼５，５・・の頂部に向かって流れる。ここで、集風翼２，２・・のピッチは２０°程度とし、取り入れ口から入った風は「へ」字状に屈曲した集風翼に沿って流れ、乱流の発生を抑えることが出来、さらに受風角度１８０°となる両端に位置する両集風翼２，２からも風を有効に取り入れることが出来る。
【００２２】
図３は下軸９と発電機３の間に介在する遠心力ブレーキ装置１０を示す具体例である。軸には３本のアーム１６，１６・・を外方向へ延ばした回転体１５が取着され、アーム先端軸１７，１７・・にはディスクパット１８，１８・・が揺動可能に取付けられている。そして、ディスクパット１８，１８・・にはコイルバネ１９，１９・・が連結していて、中心側へ引寄せられている。
【００２３】
ところが、風が強くてローター１が高速回転する場合、回転体１５と共にディスクパット１８，１８・・も高速回転し、その結果、アーム１６，１６・・の先端軸１７，１７・・を中心として遠心力の作用で外方向へ揺動する。そして、ディスクパット１８，１８・・は固定されている円筒体２０の内周面２１に接し、ディスクパット１８，１８・・は接触摩擦によりその回転は低下する。従って、一定速度以上に回転することがないようにブレーキが働くことになる。
【００２４】
以上述べたように、本発明の風力発電機は概略Ｖ形の回転翼を配列したローターの外周には概略「へ」字状に屈曲した集風翼を設け、そして発電機とローター間には遠心力ブレーキ装置を介在したものであり、次のような効果を得ることが出来る。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の風力タービン発電装置は回転ローターとその外周に固定集風翼を配置して構成し、上記ローターの回転翼は概略Ｖ形を成し、又集風翼は概略「へ」字状を成している。従って、取り入れ口から入った風は「へ」字状に屈曲した集風翼に沿って流れ、概略Ｖ形の回転翼に当るが、集風翼は乱流の発生を抑制して回転翼へ噴出し、そして、噴出した風は回転翼の頂部に当ってローターを回す為に、風のエネルギーが有効に使われる。
【００２６】
そして、回転翼の外側回転翼部画回転する際に集風翼の内側集風翼部を通過する場合、両翼部はほぼ同一面になるように配置されている為に、集風翼の吹き出し口から流れる風は回転翼に反転力を作用することはなく、概略Ｖ型の回転翼の頂部に当って正転させる力として働く。一方、本発明では、遠心力ブレーキ装置を備えている為に、強風時にローターの回転速度が一定以上に高くならないように制御されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る風力発電装置。
【図２】図１（ａ）の一部詳細図。
【図３】遠心力ブレーキ装置の具体例。
【図４】従来の風車。
【図５】従来の風車。
【図６】従来の風車。
【図７】従来の風車。
【図８】図７の部分拡大図。
【符号の説明】
１  ローター
２  集風翼
３  発電機
４  回転軸
５  回転翼
６  上板
７  下板
８  上軸
９  下軸
１０  遠心力ブレーキ装置
１１  内側回転翼部
１２  外側回転翼部
１３  内側集風翼部
１４  外側集風翼部
１５  回転体
１６  アーム
１７  先端軸
１８  ディスクパット
１９  コイルバネ
２０  円筒体
２１  内周面
【図１】
2004308550.tif 000003
【図２】
2004308550.tif 000004
【図３】
2004308550.tif 000005
【図４】
2004308550.tif 000006
【図５】
2004308550.tif 000007
【図６】
2004308550.tif 000008
【図７】
2004308550.tif 000009
【図８】
2004308550.tif 000010