(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車が風車格納容器内に垂直に設けられ、風力風向制御用の板２枚を蝶々の羽のように中央で開閉自在となるように接合され、片方の風力風向制御用の板には、くの字形の部材を固定し、もう片方の風力風向制御用の板と、くの字形の部材とは自由になっており、２枚の風力風向制御用の板はバネの力で常時押し広げられ、くの字形の部材に添って開いた形となり、片方は風の取り入れ口の片方を塞ぐよう水平に、もう片方の風力風向制御用の板は、くの字形部材に添って立ち上がり、２枚の合わさった風力風向制御用の板の両端に出ている軸は水平方向へ自在に回転できる中心軸を持ったリング状の枠にある軸受けで受けられている風力風向を同時に自動制御できる機械的機構を集風器本体と一体化させ、風車格納容器に設けた風を導入するための風の取り入れ口に供えた風力風向を同時に制御できる機能をもった垂直軸型用格納式風車装置。
【請求項２】
風車を正面と背面から板で挟み、かつ、羽根の先端部にだけ風が当たるようにした板を有する請求項１記載の風力風向を同時に制御できる機能をもった垂直軸型用格納式風車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電に関する。
【背景技術】
【０００２】
ほとんどの風力発電用風車は、風のエネルギー効率を理由に外部に開放されムキ出しになった状態で回転させており、接触、飛散事故、また景観や野鳥の活動を妨げ生態系を害する可能性が大きい。更に近隣住民や家畜に対する低周波振動による健康被害や植物の生育にも影響を与えるという意見もある。このような技術的問題が有るにも係らず設置が進められ、放置されている現状がある。また一般家庭用風力発電においては発電能力や経済性において実用的でない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１７１８７２号公報
【特許文献２】実用新案登録第３１１６４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
大型風力発電はエネルギー変換効率がよいということで注目を集めているが、一ヶ所で大きな電力を作り出すということは全国の電力利用者のもとへ送電するための設備やそれらのメンテナンス、更に送電ロスも大きく、また風車設置場所の多くは海岸近くの平野部など農地として活用されていた所に設置され、今後の世界的食糧需給のバランスに大きな問題を残すことになる。
【０００５】
これらの問題の多くを解消するためには、電力利用者ごとに発電できる家庭用小型風力発電装置の開発には次のような課題がある。まず安全第一でなければならないため開放型風車の安全確保の問題、設置場所や条件の問題、実用電力が得られることなどがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下に本発明による風力制御と風向制御機能が必要になる理由を述べたあと課題解決の手段を示すことにする。
【０００７】
本発明による風力発電用風車装置は回転翼を開放型から安全な格納式とし、そのためにはエネルギー変換能力の高い水平軸型の折り紙で作るカザグルマ形式の風車を垂直軸型風車にするため、水平方向から吹いて来る風を風車正面から当てるようにするには、少なくとも９０度は方向を変える必要があり、更に刻々と風向きが変化することについては、風の取り入れぐちはたえず風上に向かっていなければならない。
また必要以上の強風は回避しなければならない。
【０００８】
折り紙で作るカザグルマ形式の風車がよい理由は羽根の先端部は揚力が発生するように捩れており、中心部に向かうにつれ捩れが大きくなり筒状となって抗力型の構造となっているため、プロペラ型の幅の狭い羽根に比べると風が羽根に作用している時間が長いため、風が持っているエネルギーを余すことなく回転力に向かわせることができ、力の不足分は多段式風車にして解消できる。
このように水平軸型風車を垂直軸型に変えることによって風向制御が必要となる。
【０００９】
そういうことで、ここから先の解決策が本発明とするところである。水平方向から吹いて来る風を風車正面から当てるようにする部材が必要となる。それは２枚の板を蝶々の羽のように中央部で開閉自在になるよう接合しバネによりたえず開くように力が加わり、片方の板には複数の、くの字形の部材が固定され、この板が水平に位置した時、もう片方の板は、くの字形の部材が立ち上がったところに接し、これに寄り添うように斜めに立ち上がって止まり風を取り込むようになっている。
【００１０】
もし反対方向から吹く風向きに変わった時は、くの字形の部材に添って立ち上がっていた板を後ろから押し倒し、水平に寝ていた板が立ち上がり風を取り入れる。
【００１１】
この状態で板を押し広げようとするバネの力に勝る強風が吹いて来た時、板はもう片方の板に向かって２つ折りになる格好で押し倒され強風は素通りする。
【００１２】
この２枚１組となった部材が水平方向に自在に回転できるように中心軸を設け、風車正面に当たる面に多数枚セットし、あらゆる方向から風を取り入れられるようにする。この２枚１組の部材に働く作用は、たえず風上に向かって風の流れに対して垂直になろうとする働きがあり、この揚力の働きを利用して風向制御をする。以下に図５を用いてその原理を説明する。
【００１３】
まず簡易実験方法を説明する。コピー用紙を幅２ｃｍ、長さ２０ｃｍほどに切って細長く板状に二つ折りにし、針か爪楊枝で水平になる位置を探しバランスをとる。この状態でエアコンあるいは扇風機、ファンヒーターなど、微風となっている場所に任意の角度で近づけると風の流れに対し垂直になろうとする働きで安定する現象が起こる。
【００１４】
図５より説明すると、図５は真上から見た図である。細長い板Ｐには水平方向へ自在に回る中心点Ｃがある。これを風の流れの中へ任意に置くと、風上Ｗから吹いて来る風Ｆは、板Ｐの風上側にあたる鋭角側風上領域ａと鈍角側風上領域Ａに対しては均等に作用するが、板Ｐの左鋭角側Ｌと右鈍角側Ｒを超えていく風Ｆは、風の流れに対して任意に斜めに置かれた板Ｐの左鋭角側Ｌと右鈍角側Ｒを中心に、扇形の鋭角側負圧空間域ｂと鈍角側負圧空間領域Ｂにできる乱気流ｔの乱す力が、ｂよりもＢの方が大となって静圧に近くなるため、任意に斜めに置かれた細長い板Ｐに作用する力関係は、ａ＝Ａ，ａ＞ｂ，Ａ≧Ｂ，Ｂ＞ｂつまり（ａ＝Ａ）≧Ｂ＞ｂとなり、ｂ領域が最もきつい負圧空間となって揚力が発生する。
【００１５】
よって中心点Ｃを中心軸に板Ｐは上から見ると、左鋭角側Ｌは揚力の働きにより風上Ｗから遠ざかり、右鈍角側ＲはＡとＢとが拮抗状態になり、板Ｐは風Ｆの流れに対し垂直になろうとする働きを受けて安定する。
【発明の効果】
【００１６】
風力制御が可能となることで強風から風車装置を守ることができる。
【００１７】
風向制御が可能となることで刻々と変化する風向きをとらえて風を取り入れることができる。
【００１８】
風力風向制御が可能となることで格納式の風車が可能となる。
【００１９】
水平軸型風車である折り紙で作るカザグルマ形の風車を垂直軸型風車に変えたことで、エネルギー変換効率が低くなったのを多段式にすることでカバーできる。
【００２０】
格納式にすることで高速回転する危険な部材に接触または飛散事故が防げ、開放型風車のように野鳥たちの活動を妨げ、近隣住民に不快感を与えることがない。
【００２１】
折り紙で作るカザグルマ形の多段式風車が可能となり大きなトルクが得られるようになると、家庭用小型風力発電が実用可能になる。
【００２２】
それだけではなく大口需要の工場やコンビナートに高層ビル化した多段式大型風力発電装置も可能となり、土地の有効利用と、高層部の方が風のエネルギーが大きいため、エネルギー変換効率が上り、その風力発電ビルは電波塔や気象レーダー、航空機のビーコン、一般用灯台等々、多目的ビルとして利用でき長距離送電網は不要となり、送電ロスもなくせる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】垂直軸用風車格納機の一部破断面と風力制御板を一部取り除いた見取り図
【図２】風力風向制御盤
【図３】強風を受けた時の風力風向制御板
【図４】集風器見取り図
【図５】風洞実験予想図
【図６】折り紙で作るカザグルマ
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下のように本発明の実施形態を図１中心に説明する。折り紙で作るカザグルマ図６のように、羽根の先端部は揚力が発生するように捩れており、羽根の中心部にいくにつれて捩れが大きくなり筒状になっている羽根１を垂直軸に多数枚取り付けた風車を、風車格納容器２に組み込む。
【００２５】
羽根１を多数枚取り付けた風車の正面と裏面には空気抵抗を減らす板１８で挟み、羽根１の先端部にだけ風が当たるようにする。
【００２６】
風車正面にあたる風車格納容器２の水平面には、揚力が発生する羽根１の先端部に、たえず理想的な角度で風が吹きつけるように吹き出しぐち１４と、風の取り入れ口１７の中央には中心軸受け１３の付いた軸受け保持部材１５を設けた集風器本体１６がセットされている。
【００２７】
この集風器本体１６に風力制御と風向制御が同時に作動する次のような機構が組み合わさる。
【００２８】
まず風力風向制御盤図２は上下に分解した図であるが、２枚の風力風向制御用の板３ａと３ｂとが、蝶々の羽のように中央部で開閉自在になるよう風力風向制御用の板開閉軸４と蝶番１９で接合されており、バネ５によりたえず開くように力が働いており、片方の風力風向制御用の板３ｂには、くの字形部材６が固定され、もう片方の風力風向制御用の板３ａと、くの字形部材６は自由になっているため、風力風向制御用の板３ａと３ｂは、くの字形の部材６に添って、くの字形に開き、自由になる状態で止まっている。
【００２９】
この状態で水平方向に自在回転するには、中心軸１２が設けられるように、リング状の枠９に中心を通る支柱１０を複数本通し、リング状の枠９の直径線上の開閉軸受け１１に開閉軸４を通したものを風力風向制御盤とする。
【００３０】
これを集風器本体１６の中心軸受け１３にセットすると風力と風向とを同時一体となって制御できる垂直軸型用格納式風車装置となる。
【００３１】
次にこれらの構成による動きを説明する。風力風向制御盤図２の風力風向制御用の板３ａは、たえず風上の方向図１の７を追い求めて風を取り込み、集風器１６の吹き出しぐち１４から、揚力を発生する羽根１の先端部に向けて風を吹きつけ、更に風車の中心部へ向かう筒状の中を通り抜けようとする力が抗力を生む。
【００３２】
もし反対方向からの風向きになった場合、今立ち上がっている風力風向制御用の板３ａは、風に押されて風力風向制御用の板を保持するくの字形の部材６を押しながら倒れることで、くの字形の部材６と一体になっている板３ｂを立ち上がらせ、大きなタイムロスなく反対方向からの風を速やかに取り込む。風力風向制御用の板３ａは水平に倒れ、風の取り入れ口１７の片側を塞ぐ。
【００３３】
更に図１の状態で図３の８のように、押し広げ用バネ５の力に勝る強風が吹いて来た時、風力風向制御用の板３ａは、３ｂの方へ二つ折りになるような格好で押し倒され、強風の大半は素通りする。
【００３４】
また風車を正面と背面から挟み込んで空気抵抗を減らす板１８を付けることで、羽根と羽根の間の段差のところで発生する乱気流による抵抗を抑制する。
【符号の説明】
【００３５】
１    羽根
２    風車格納容器
３ａ  風力風向制御用の板
３ｂ  部材６と一体になっている風力風向制御用の板
４    開閉軸
５    押し広げ用バネ
６    くの字形の部材
７    風上の方向
８    強風の方向
９    リング状の枠
１０  中心を通る支柱
１１  開閉軸受け
１２  中心軸
１３  中心軸受け
１４  吹き出しぐち
１５  軸受け保持部材
１６  集風器本体
１７  風の取り入れ口
１８  空気抵抗を減らす板
１９  蝶番
【要約】
【課題】
大型風力発電はエネルギー変換効率が高いといわれているが、発電所を作るということは送電設備や送電ロスが大きくなるため、従来の発電、送電システムのまま自然エネルギーを利用するのは進歩性に乏しい。また小型風力発電用風車もエネルギー変換効率を上げるため、風車回転翼部は開放型のムキ出し状態で回転させており、住宅地域や市街地での設置は接触事故や飛散事故が想定される。
【解決手段】
そこで折り紙で作るカザグルマ形の風車を垂直軸型仕様に変え回転翼部を格納式にすることで安全性を確保し、蝶々の羽のように開閉する２枚の板をバネで押し広げ、くの字形の部材に添って開いた形で水平方向へ自在に回転できる中心軸を持たせると、揚力の原理でたえず風の流れに対し垂直に安定しようとする力が働くため、たえず風上に向かい風を取り込み、バネの力に勝る強風が吹いた時、羽根は押し倒され風は素通りする。
【選択図】図１【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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