(57)【要約】      （修正有）【課題】より一層、風力エネルギーの捕捉比率を高めて電気エネルギー生成の高効率化が求められる抗力型羽根を持つ垂直軸風車発電機を提供する。【解決手段】抗力型羽根（ブレード）３を持つフライホイール付き垂直軸風車発電機において、捕捉比率を高効率化するために風力エネルギー（力）の捕捉に優れている抗力型の“Ｖ”字型ブレード３を採用し、且つ、ローター２の外周の外郭部位に風力エネルギー（力）をローター２の外周部位に収束せしめるために複数の案内羽根（ガイドベーン）４を配列せしめて、所謂、梃子の原理の応用であるが、回転トルクの増大化を図り、その結果、フライホイールに放出されるトルクの増大化によってフライホイールは増速してフライホイールに貯えられる運動エネルギーの絶対量が増大することとなる。運動エネルギーの増大は負荷側（発電機側）へ増大化したトルクの放出に繋がり電気エネルギーに対する変換比率の高効率化に繋がる。【選択図】図１
0003195023.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
フライホイールを装備した垂直軸風車発電機において、同風車の回転翼（ローター）の水平フレームに鉛直に取付けられた複数の抗力型羽根（ブレード）は風力エネルギーを受け入れて抗力によって回転エネルギーを生み出すが、同ブレード内部の空気の滞留はクッションとなり抗力を減衰させるので、そのブレードの上端部と下端部に空気の滞留を防ぐエアー抜き開口部を設けて空気を流通させて抗力を高めることによって回転エネルギーの向上を図り発生回転トルクの増大により風力エネルギーの電気エネルギーに対する変換比率の向上化を図った抗力型の“Ｖ”字型ブレード付き垂直軸風車発電機
【請求項２】
抗力型ブレードを持つ垂直軸風車発電機に於いて同風車のローターの外周部分に風力エネルギー（力）を収束させて回転トルクの増大を図る目的で、即ち、梃子の原理の応用であるが、同ローターの全外周部の外郭部位に同ローターの外周部位に向かって風抜き角度を設定した複数の案内羽根（ガイドベーン）を取付けた機構を持つ請求項１の垂直軸風車発電機
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】現時点（２０１４年１０月１日現在）、プロペラ型風車発電機による風の運動エネルギーの機械エネルギーへの変換率、即ち、風力エネルギーの電気エネルギーに対する変換比率は学術上、風洞試験に基づくベッツの法則（Ｂｅｔｚ’Ｌａｗ）により最大５９．３％とされている。しかし、実際面では、羽根車を通過しない空気の引き摺りによるエネルギー損失、羽根車の空気摩擦損失、増速機や発電機等の機構からくる機械損失等で、更に低く４０〜４５％であるとされている。即ち、一般的に風車発電機における同エネルギーの変換比率は低効率であることが指摘されている。
【背景技術】
【０００２】プロペラ型風車発電機において風向に対してプロペラの受風面を正対させる機構（ヨー機構）を備えている。風向の変化、或いは、乱流時に、このヨー機構によって風向に受風面を正対させるのであるが、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がす現象が起きる。これが、更にプロペラ型風車発電機の機構上、同エネルギーの捕捉率の低下を招いていることが、その一因として指摘される。図１は、プロペラ型風車と当該垂直軸風車発電機の風力エネルギーの捕捉についての機構上の相違点を示している概念図である。【０００３】一方、当該垂直軸風車発電機においては、その構造上、風向に対して３６０°無指向性であるのでヨー機構を必要としない。叉、乱流に対しても的確に風力エネルギーを捕捉することが可能である。加えて、構造上、鉛直軸上に風車、フライホイール、発電機等の中枢機器が設置されているので摩擦による機械損失が少なく、又、近年、大容量出力の多極式同期発電機が開発され低速発電が可能となったので増速機が不要となり、従って、構造がシンプルとなったので風車発電機としての綜合効率は理論上、プロペラ型風車発電機より良いとされている。
しかし、尚、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換している水力発電のエネルギー変換比率が８０〜９０％であるのに比べて一般通称の風車発電機の同変換比率は、上述の通り、５９．３％以下とされており、その変換率の低レベルが指摘されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７１９７８
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】図３及び図４に示されている通り、回転翼（ローター）２に抗力型羽根（ブレード）３を備える当該垂直軸風車発電機において、そのブレードの形状を“Ｖ”字型ブレードとして、複数の同ブレードを同回転翼フレーム２ａに取り付けて風力エネルギーを受け入れ、その抗力により同ローターを回転させる方法において、同“Ｖ”字型ブレードの上部位と下部位に空気抜き口（ＡＯＬ）を設けて受風時に“Ｖ”字型ブレード内部に空気の滞留を避ける機構を持たせたものである。空気の同ブレード内の滞留は受風時に空気がクッションとなり抗力を減衰させるので空気の逃げ口を設けて空気を流通させて抗力の増大化を図ったものである。
この手段によって、同ブレード内部での抗力が高まり同ローターの回転速度が増大して、その結果、回転トルクが主軸を通してフライホイールに送られて同フライホイールに貯えられる運動エネルギーが増大して、それに比例して増大した回転トルクが負荷側（発電機側）に放出されて電気エネルギーに対する変換比率を引き上げることになる。
図５に示されている通り、この手段は、古代エジプトの帆船、或いは、現代の帆船の帆の形状から観てとれる。同帆船の帆の形状は“お椀”型ではなく、帆の左右に必ず空気を逃がす開口部を設けて空気の滞留を防いでいる。これは上述の通り風力エネルギーの圧力効果を高めて一層の抗力、即ち、推進力を得るためである。
又、結果的に、この帆の膨らんだ形状は揚力を生み出し推進力の増大に繋がっている。
この帆船の帆の形状による風力エネルギー（力）の抗力の向上効果を応用したものが、この“Ｖ”字型ブレードである。
添付、参考資料−１、に示す通り、水力エネルギーを利用する水力発電のペルトン水車のバケットの構造においてもこの事例が観られる。即ち、バケット付き水車に射出ノズルより水流をバケットに射出するのであるがバケット内に水流が滞留するのを避ける為にバケットに切り欠きを設けて水流を速やかに排出する構造になっている。これは、同滞留は水力エネルギーによる抗力を減衰させるので水流の逃げ口を設けたものである。これは、水力エネルギーの電気エネルギーに対する変換率の向上化を図ったものである。【０００６】この“Ｖ”字型ブレードには別の機能がある。即ち、下述の通り、受風面積を拡大して抗力を増大させることによって回転増速を得て運動エネルギー（回転エネギー）を増大させる機能である。
昔、中国にはジャンク船なる帆船があったが、その帆は上述の古代エジプトの帆船の帆と異なり、その形状は湾曲ではなく平板であった。そして、後になって、このジャンク船は姿を消して、湾曲の帆を持つ帆船が取って代わることになる。これは、帆が平板であるために揚力を得られず、その為に推進力が小さいことに起因している。即ち、湾曲形状の帆は揚力が発生するが故に並行して推進力が増大しスピードの増大に繋がる、その機能が故に必然的に平板の帆船に取って代わることになった。即ち、帆船の推進力は風力エネルギーによる抗力と湾曲形状の帆による揚力の合成力である。図５に観られる通り、古代エジプトの帆船の帆は湾曲を成し、更に、帆の左右に空気を流通させる空気抜きを備えている。エジプト人は帆船の推進力についての知恵に長けていたことが伺える。やがてこの知恵（機能）はヨーロッパ人に受け継がれ帆船の発達に繋がるのである。即ち、古代エジプト人は、帆船の帆において二つの機能（空気抜きを備えた帆による抗力の増大機能と湾曲の帆による揚力機能）によって一層の推進力を得る帆船を造り出していたことになる。
“Ｖ”字型ブレードを備えた回転ローターは抗力のみで揚力は生じないが、風力エネルギーによる抗力によって回転エネルギー（推進力）を得て回転ローターを回転させる機能を持つものである。
そして、図６に示す通り、風の流入口Ｘ面より流入する風力エネルギーＡは“Ｖ”字型ブレードのＹ面とＺ面とＸ面によって形成される空間に、より多くの風力エネルギーが流れ込みＹ面とＺ面に抗力を生じるのであるが、帆船の帆と同じで帆の面積を広げればそれだけ抗力が増大する理屈で、受風面積の拡大は抗力の増大となり回転力の増大に繋がる理論である。即ち、回転力の増大、即ち、回転トルクの増大は回転速度を増大させるもので、回転速度の増大は比例して風車の出力（動力）の増大に繋がり、結果、“Ｖ”字型ブレードは風力エネルギーの電気エネルギーに対する変換比率の効率向上化を生み出すものである。【０００７】この“Ｖ”字型ブレードに加えて、当該垂直軸風車発電機は回転ローターの全外周部位に複数の案内羽根（ガイドベーン）４を取り付けるもので、これによって風力エネルギーの電気エネルーに対する変換比率を高める手段とする。
又、当ガイドベーンの付加的手段として流入する風量（風力エネルギー）を制御する、或いは、当ガイドベーンを閉塞して同エネルギーを遮断することによって風車の過回転を防止することである。
元々、ガイドベーンは水車、ポンプ等の水力機械に導入されているもので、流体の流量変動に対して当ガイドベーンの開度調整により流体エネルギーの高効率化を目的としたものであるが、当垂直軸風車発電機においてはガイドベーンを装備することによって、上述の通り、次の機能を当該風車発電機に持たせるものである。【０００８】その一つ機能は、当ガイドベーン４の傾角の角度設定を行い同ガイドベーンにおける空気の流れを、即ち、同ガイドベーンの吐出開口方向を同回転ローター２の外周部に向けて風力エネルギーを同回転ローターの外周部に収束させる方法によって回転トルクの増大を図る手段である。これは、所謂、梃子の原理の応用である。即ち、図７の（Ｂ）に示す通り、同ローターの反抗力側Ｂに働く風力エネルギー（力）を同ローターの抗力側Ａのローターの外周部に方向転回させて同エネルギーを収束させて一層の回転トルクを生み出すことを目的としたものである。
図８は、回転ローター２の外郭部位に取付けられるガイドベーン４の取付け方式を示す。ガイドベーンは四角枠に取付ける方式と円形枠に取付ける方式の二方式がる。そして、その同ガイドベーンの形態にはそれぞれ固定式と可動調整式の二形態がある。尚、当ガイドベーンが固定式の場合の風量制御は、図９に示す通り、フライホイールの回転速度をセンサー検知して風車格納容器の上下作動により行なう機能も備えている。【０００９】二つ目の機能は、水車タービンのガイドベーンの機能の応用であるが、油圧、或いは、電動方式により同ガイドベーンの開度調整により流入空気量の調整、或いは、完全閉塞を行なうものである。当該垂直軸風車発電機においては、その発生出力はフライホイールの定格回転数を計算ベースとしている。
風車発電は風力エネルギーが回転エネルギーに転換されて回転トルクを生み出し発電するシステムである。当該垂直軸風車発電機は風車自体によって生み出された回転トルクが主軸を通してフライホイールに伝達され、風力エネルギーが続く限り同トルクは送り続けられることになり、慣性力も加わり同フライホイールは益々増速して過回転となってしまう。そこで、当フライホイールの回転速度をセンサー検知して、当ガイドベーンの開度の自動調整を行ない流入風量のコントロール行なって回転制御を行うシステムを採用している。風力エネルギーが続く限り、このシステムによって回転制御を行い設定された定格回転数を保って定格出力を得るものである。
加えるに、フライホイールの過回転は風車を破壊することになるので、万一に備えてガイドベーンを完全閉塞して流入風量をシャットアウトさせる機能を持たせるものである。図１０は、水車タービンのガイドベーンによる水量の調整機構で、この操作機構を当ガイドベーンに応用したものである。
尚、当該垂直軸風車発電機の風量制御する付加的方法として、上述の通り、円筒式格納容器に当該垂直軸風車発電機を収納する機構によって同格納容器を上下に動作させて流入する風量をコントロールする方式もある。又、この格納容器の収納方式は、図９に示す通り、台風などの暴風時に風速をセンサー検知して風車本体を当格納容器に自動収納することが可能であるので耐風機構を備えた風車として日本の風土、気候に最適なものである。
所謂、ガイドベーンの付加的機能としての完全閉塞機能と同格納容器の作動による同風車の完全収納機能によって風車の破壊を防ぐ“Ｆａｉｌ−Ｓａｆｅ”の機構を兼ね備えた安全性の高い風力発電機を提供するものである。
【考案の効果】
【００１０】当該垂直軸風車発電機の回転ブレードにおいて、受風面積の拡大を図った“Ｖ”字型ブレードにより風力エネルギーの捕捉率を高めて同エネルギーの高効率化を果たし、且つ、梃子の原理を応用した新機構のガイドベーン効果により風力エネルギーの電気エネルギーに対する変換比率の高効率化を図ったものである。
一般的に垂直軸風車発電機はプロペラ型風車発電機に較べて構造がシンプルであるので機械損失が少なく機械効率は良いとされている。これに加えて、上述の当該考案の二つの手段により当該垂直軸風車発電機において風力エネルギーの利用効率を高め、電力エネルギーに対する変換比率の効率向上化を図ったものである。
且つ、ガイドベーンの閉塞機構によって過回転による風車の破壊を防止する機能を兼ね備えた垂直軸風車発電機を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】プロペラ型風車と抗力型ブレード式垂直軸風車の平面概念図  （Ａ）は、プロペラ型風車の平面概念図で風向に対してプロペラを正対させる機構（ヨー機構）を備えている。（Ｂ）抗力型ブレード式垂直軸風車の平面概念図で風向に対して３６０°無指向性であるのでヨー機構を必要としない。又、ガイドベーン機構による風力エネルギーの収束を図示している。
【図２】大容量（ＭＷ級）出力の当該垂直軸風車発電機の概念図。
【図３】“Ｖ”字型ブレードの取付け概念図。（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図を示す。同ブレードには上部位と下部位に空気抜き口（ＡＯＬ）を備えている。
【図４】“Ｖ”字型ブレードの背面側面図。（Ａ）は同ブレードの単独背面図。（Ｂ）はローターフレームに取付けられた同ブレードの背面図。
【図５】帆船の帆の外観図。（Ａ）は古代エジプトの帆を示す。ＡＯＬ（Ａｉｒ  Ｏｕｔｌｅｔの略で空気抜き口を示す）を備えると同時に揚力によって推進力を得て増速化を図っている。（Ｂ）中国のジャンク船。帆は平板であるので推進力が劣る。（Ｃ）現代の帆船。古代エジプトの帆船のＡＯＬ機能を受け継いでいる。
【図６】“Ｖ”字型ブレードの機能に関わる概念図  （Ａ）は、受風面が平板Ｘにおいて風力エネルギー（力）Ａが抗力Ｃを生じ回転エネルギー（力）Ｂを生み出す。（Ｂ）は、“Ｖ”字型ブレードで受風の間口Ｘより入り込んだ風力エネルギー（力）はＹ面とＺ面に拡大して回転エネルギー（力）Ｂを生み出す。即ち、“Ｖ”字型ブレードは（Ａ）は奥行きがあるので、より多くの風力エネルギーを吸入出来るのでＹ面とＺ面においてその分、抗力Ｃの絶対量が大となり、回転エネルギー（力）Ｂが増大することになる。即ち、生み出される回転エネルギー（力）Ｂは“Ｖ”字型ブレードを採用した（Ｂ）方式が（Ａ）方式より大となる。
【図７】“Ｖ”字型ブレードを備えた回転ローターにおいて風力エネルギーを効果的に回転エネルギーに変換する機能に関わる概念図  （Ａ）は、同ローターにおいてガイドベーンを備えていない場合の風力エネルギーの捕捉に関わる概念図。同ローターの反抗力側のＢ面を通過する風力エネルギーを捕捉できない。（Ｂ）は、同ローターにおいてガイドベーンを備えている場合で反抗力側のＢ面へ流れる風力エネルギーは同ローターの外郭部位に傾角を持つガイドベーンにより同ローターの抗力側Ａに収束されることによって、同ローターのＡ面とＢ面に流れる略全風力エネルギーを回転エネルギーに変換する。
【図８】ガイドベーンの取付け形態の概念図  （Ａ）は、回転ローターの外周部位に取付けられた四角枠と同四角枠に取付けられたガイドベーンの平面概念図  （Ｂ）は、回転ローターの外周部位に取付けられた円形枠と同円形枠に取付けられたガイドベーンの平面概念図
【図９】垂直軸風車発電機が円筒式格納容器に収納されている斜視図  （Ａ）は、同容器に完全に同発電機が収納されている状態を示す。（Ｂ）は、同容器が下降動作して半開きの状態を示す。（Ｃ）は、同容器が完全に下降して風車の全体が露出している状態を示す。
【図１０】水車タービンに取付けられたガイドベーンの操作機構の概念図とその実像図  （Ａ）は、ガイドベーンの操作機構の概念図  （Ｂ）は、水車タービンのランナーと完全閉塞状態のガイドベーンの実像図  （Ｃ）は、水車タービンのランナーと開状態のガイドベーンの実像図
【符号の説明】
【００１２】１      フライホイール
２      回転翼（ローター）
２ａ    回転フレーム
３      “Ｖ”字型ブレード
３ａ    締付けボルト
３ｂ    コーナーブレード
３ｃ    ライナープレート
３ｄ    補強ライナー
４      ガイドベーン
４ｃ    ガイドリング
４ｄ    クランク
５      中空軸（ホローシャフト）
７      ラディアルベアリング
８      ラディアルベアリング＆スラストベアリング
９      リジッドカップリング
１０    フレキシブルカップリング
１１    空気噴射ノズル
１２    空気配管
１３    エアー配管接続ボックス
１４    永久磁石多極同期発電機
１５    円筒型風車格納容器
１５ａ  非開閉ドーム式円筒型風車格納容器
１７ａ  空気槽（エアータンク）
２５    非開閉式ドーム
２６    非開閉式ドーム固定フレーム
２７    避雷針
２８    ディスクブレーキ
２９    三方エアー電磁弁
３０    流体継ぎ手
ＡＯＬ  空気逃げ口（ＡＩＲ  ＯＵＴＬＥＴ）
Ｎ      ナセル（ＮＡＣＥＬＬＥ）
Ｐ      プロペラ（ＰＲＯＰＥＬＬＥＲ）
Ｔ      タワー（ＴＯＷＥＲ）
Ｗ      風（ＷＩＮＤ）
ＷＴＧ  風車発電機（ＷＩＮＤ  ＴＵＲＢＩＮＥ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ）
【参考資料の簡単な説明】
【００１３】本参考資料は、水車タービンのペルトン式水車の構造概念図と回転ローターの外周部に取付けられている抗力式バケットの外形図を示すものである。
水車タービンは水力エネルギーを電気エネルギーに変換するものであるが、同バケットに水抜きをする切り欠きを設けて水流の滞留を防止する機能を備えている。この機能によって水力エネルギーの電気エネルギーに対する変換率の向上化を図ったものである。“Ｖ”字式抗力型ブレードを備えた垂直軸風車発電機において同ブレードに空気抜き口を設けて空気の滞留を防ぐ機構は、水車タービンのバケットにおける切り欠き機能の原理を応用したものである。そして、この機能によって風力エネルギーの電気エネルギーに対する変換率の向上化を図ったものである。
【図１】
0003195023.tif 000003
【図２】
0003195023.tif 000004
【図３】
0003195023.tif 000005
【図４】
0003195023.tif 000006
【図５】
0003195023.tif 000007
【図６】
0003195023.tif 000008
【図７】
0003195023.tif 000009
【図８】
0003195023.tif 000010
【図９】
0003195023.tif 000011
【図１０】
0003195023.tif 000012