(57)【要約】  鉛直方向の回転中心の周りに配置されて風力を受ける風車用の羽根であって、鉛直方向からみて、回転方向の進行方向前側に配置された前側面が、進行方向の前方に配置されると共に平均曲率の最も大きい前縁面と、回転中心に近い側に配置され前縁面から進行方向の後方に向かって連続形成された気流低速通過面と、回転中心から遠い側に配置され前縁面から進行方向の後方に向かって気流低速通過面よりも大きく膨らむ曲面で連続形成され鉛直方向からみた長さが気流低速通過面よりも長い気流高速通過面とを含んで構成されている。
2007141834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向の回転中心の周りに配置されて風力を受ける風車用の羽根であって、
前記鉛直方向からみて、回転方向の進行方向前側に向かって凸状に湾曲された前側面と、
前記前側面の背面側に配置され、前記進行方向の後側に向かって凹状に湾曲された後側面と、
を有し、
前記前側面は、前記進行方向の前方に配置されると共に平均曲率の最も大きい前縁面と、前記回転中心に近い側に配置され前記前縁面から前記進行方向の後方に向かって連続形成された気流低速通過面と、前記回転中心から遠い側に配置され前記前縁面から前記進行方向の後方に向かって前記気流低速通過面よりも大きく膨らむ曲面で連続形成され前記鉛直方向からみた長さが前記気流低速通過面よりも長い気流高速通過面と、を含んで構成されていること、
を特徴とする風車用の羽根。
【請求項２】
前記後側面は前記前側面の平均曲率よりも小さい曲率の円弧状であること、を特徴とする請求項１に記載の風車用羽根。
【請求項３】
鉛直方向からみて、前記後側面により構成される円弧の延長上に前記回転中心が配置されていること、を特徴とする請求項２に記載の風車用の羽根。
【請求項４】
鉛直方向に回転中心を有し、前記回転中心の周りに請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載の風車用の羽根を複数備えた風車。
【請求項５】
前記風車用の羽根と前記回転中心との間には、風が通過可能な風洞が構成されていること、を特徴とする請求項４に記載の風車。
【請求項６】
前記風車用の羽根は、前記回転中心の周りに等間隔の中心角度で３枚配置されていること、を特徴とする請求項４または請求項５に記載の風車。
【請求項７】
鉛直方向からみて、前記気流高速通過面の前記進行方向最後端部が前記回転中心から最も離れた位置に配置され、前記気流低速通過面の前記進行方向最後端部が前記回転中心に最も近い位置に配置されていること、を特徴とする請求項６に記載の風車。
【請求項８】
鉛直方向からみて、前記気流低速通過面の前記進行方向最後端と前記回転中心とを通る第１直線と、前記風車用の羽根の前記進行方向の最前部と前記回転中心とを通る第２直線と、前記気流高速通過面の前記進行方向最後端と前記回転中心とを通る第３直線と、を考えた場合、前記第１直線と前記第３直線とで成す角θ２が、前記第１直線と前記第２直線とで成す角θ１よりも大きいこと、を特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の風車。
【請求項９】
請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の風車を備えた風力発電機。
【請求項１０】
請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の風車で構成される第１風車と、
請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の風車で構成され、前記第１風車と回転中心を共通とし、前記第１風車と逆方向に回転するように配置された第２風車と、
前記第１風車の回転に連動して前記第１風車と同方向に回転する界磁用磁石、及び、前記第２風車の回転に連動して前記第２風車と同方向に回転する電機子コイルを有し、前記第１風車と前記第２風車との間に配置された発電装置と、
を備えた、請求項９に記載の風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車用の羽根、風車、及び、風力発電機に係り、特に、垂直型の風車、この風車に用いられる風車用の羽根、及び、垂直型の風車を利用した風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
風車には、垂直回転軸型と水平回転軸型とがあり、現在、風力発電には主として水平回転軸型が用いられている。水平回転軸型の風車は、風のエネルギー回収率が垂直回転軸型の風車よりも高いという利点があるが、回転軸及び羽根が風の向きに対向しなければ回転効率が落ち、特に、羽根の上下間の高度差による風向きの違いから起きる失速や、急激な風向きの変化（例えば巻き風）による失速という難点を有している。【０００３】
一方、垂直回転軸型の風車（例えば、特許文献１参照）は、風向きに左右されずに回転可能であるが、垂直回転軸の片側の羽根は充分な回転力を受けるが、他の片側の羽根は向かい風による抵抗を受けるという難点を有している。
【特許文献１】特開２００１−１３２６１７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、風向きによる影響の少ない垂直回転軸型で、より効率よく回転する風車、この風車に用いられる風車用の羽根、及び、この垂直回転型の風車を利用した風力発電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の風車用の羽根は、鉛直方向の回転中心の周りに配置されて風力を受ける風車用の羽根であって、前記鉛直方向からみて、回転方向の進行方向前側に向かって凸状に湾曲された前側面と、前記前側面の背面側に配置され、前記進行方向の後側に向かって凹状に湾曲された後側面と、を有し、前記前側面は、前記進行方向の前方に配置されると共に平均曲率の最も大きい前縁面と、前記回転中心に近い側に配置され前記前縁面から前記進行方向の後方に向かって連続形成された気流低速通過面と、前記回転中心から遠い側に配置され前記前縁面から前記進行方向の後方に向かって前記気流低速通過面よりも大きく膨らむ曲面で連続形成され前記鉛直方向からみた長さが前記気流低速通過面よりも長い気流高速通過面と、を含んで構成されていること、を特徴としている。【０００６】
本発明の風車用の羽根は、いわゆる垂直回転軸型の風車に用いられる羽根であって、鉛直方向の回転中心の周りに配置される。そして、前側面と後側面とを有している。【０００７】
前側面は、鉛直方向からみて、回転方向の進行方向前側に向かって凸状に湾曲されている。この前側面は、前縁面、気流低速通過面、及び、気流高速通通過面を含んで構成されている。前縁面は、前側面の中で進行方向の前方に配置され、平均曲率の最も大きい部分である。気流低速通過面は、回転中心に近い側に配置され、前縁面から進行方向の後方に向かって連続形成されている。気流高速通過面は、回転中心から遠い側に配置され前縁面から進行方向の後方に向かって連続形成されている。また、気流高速通過面は、気流低速通過面よりも大きく膨らむ曲面で構成され、鉛直方向からみた長さが気流低速通過面よりも長くなっている。なお、気流低速通過面よりも大きく膨らむとは、前縁面の前方側からの向かい風が気流低速通過面側と気流高速通過面側とに分かれて後方側へ流れる際に、気流高速通過面側を通過する気流の速度が、気流低側面側を通過する気流の速度よりも速くなるように膨らんでいることをいう。【０００８】
このように、気流低速通過面と気流高速通過面とを有することにより、前方からの向かい風を受けると羽根に対して揚力が作用する。この揚力の方向が進行方向前側への成分を含むことで、羽根を前方へ回転させることができる。【０００９】
一方、後側面は、前側面の背面側に配置されている。背面側とは、凸状に湾曲された前側面の凹形状側をいう。後側面は、進行方向の後側に向かって凹状に湾曲されている。このような形状とすることにより、後側面で効率よく風を受けることができる。【００１０】
本発明の風車用の羽根によれば、向かい風の場合には前側面で風を受けて揚力により、後方からの追い風の場合には後側面で風を受けて抗力により、羽根を進行方向の前側に向かって強い力で回転させることができる。【００１１】
請求項２に記載の風車用の羽根は、請求項１の風車用の羽根において、前記後側面が前記前側面の平均曲率よりも小さい曲率の円弧状であること、を特徴とする。【００１２】
このように、後側面を平均曲率の小さい円弧状で構成することにより、後側面付近での気流を安定させることができる。また、後方からの風を凹面型の広い面積で、効率よくとらえることができる。【００１３】
請求項３に記載の風車用の羽根は、鉛直方向からみて、前記後側面により構成される円弧の延長上に前記回転中心が配置されていること、を特徴とする。【００１４】
後側面を上記形状とすることにより、後側面に当たった気流を回転中心に向かってスムーズに流すことができる。【００１５】
請求項４に記載の風車は、鉛直方向に回転中心を有し、前記回転中心の周りに請求項１乃至請求項３に記載の風車用の羽根を複数備えたものである。【００１６】
本発明の風車は、前述のように、前側面からの向かい風に対して揚力を発生させると共に、後側面で効率よく風を受けることができるので、効率よく回転させることができる。羽根の枚数としては、２枚以上、３枚、４枚、５枚、６枚等、で構成することができる。【００１７】
請求項５に記載の風車は、前記風車用の羽根と前記回転中心との間に、風が通過可能な風洞が構成されていること、を特徴とする。【００１８】
このように、風洞を構成することにより、風が風洞を通過して風下側に位置する羽根にも回転力を与えることができる。【００１９】
請求項６に記載の風車は、風車用の羽根が、回転中心の周りに等間隔の中心角度で３枚配置されていること、を特徴とする。【００２０】
このように、３枚の風車用の羽根を等間隔で配置することにより、回転中心に対して点対称の位置に他の羽根が配置されず、いずれか１つの羽根が最も強く進行方向に向かって風を受ける位置に配置されたときに、点対称の位置の羽根が逆方向に向かって最も強く風を受けることを回避でき、効率よく回転させることができる。【００２１】
請求項７に記載の風車は、鉛直方向からみて、前記気流高速通過面の前記進行方向最後端部が前記回転中心から最も離れた位置に配置され、前記気流低速通過面の前記進行方向最後端部が前記回転中心に最も近い位置に配置されていること、を特徴とする。【００２２】
このように、３枚の風車用の羽根を配置することにより、効率よく揚力及び抗力を発生させることができ、風車を効率よく回転させることができる。【００２３】
請求項８に記載の風車は、鉛直方向からみて、前記気流高速通過面の前記進行方向最後端と前記回転中心とを結ぶ直線の延長上付近に前記前縁面が配置されること、を特徴とする。【００２４】
このように、３枚の風車用の羽根を配置することにより、風洞を通過して気流を風下側の風車用の羽根の後側面に当てることができる。【００２５】
請求項９に記載の風力発電機は、請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の風車を備えたものである。【００２６】
この風力発電機によれば、前述のように効率よく回転する風車を備えているので、効率よく発電を行うことができる。【００２７】
請求項１０に記載の風力発電機は、請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の風車で構成される第１風車と、請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の風車で構成され、前記第１風車と回転中心を共通とし、前記第１風車と逆方向に回転するように配置された第２風車と、前記第１風車の回転に連動して前記第１風車と同方向に回転する界磁用磁石、及び、前記第２風車の回転に連動して前記第２風車と同方向に回転する電機子コイルを有し、前記第１風車と前記第２風車との間に配置された発電装置と、を備えている。【００２８】
上記構成によれば、界磁用磁石と電機子コイルとが互いに反対方向に回転するので、界磁用磁石による磁界を電機子コイルが横切ることにより、どちらか一方のみが回転する場合よりも、効率よく発電をすることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の風車用の羽根、及び、風車によれば、風向きによる影響の少ない垂直回転軸型の風車を、より効率よく回転させることができる。【００３０】
また、本発明の風力発電機によれば、風向きによる影響が少なく、効率よく回転する風車を利用するので、より効率よく発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態である風力発電機の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態である風力発電機の側面図である。
【図３】本発明の実施形態である第１風車、第２風車、及び発電機の斜視図である。
【図４】本発明の実施形態である羽根の外形状と回転中心とを鉛直方向から見た概略図である。
【図５】本発明の実施形態である羽根の取り付け角度を示す上面図である。
【図６】本発明の実施形態である第１風車の羽根プレートを示す上面図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態である風力発電機の発電装置を示す上面図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態である風力発電機の発電装置を示す側断面図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態である第１風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態である第１風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。
【図８Ｃ】本発明の実施形態である第１風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。
【図８Ｄ】本発明の実施形態である第１風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。
【図８Ｅ】本発明の実施形態である第１風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。
【図８Ｆ】本発明の実施形態である第１風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態である第１風車の回転中心と羽根の重心位置との関係を示す上面図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態である第１風車の回転中心と羽根の重心位置との関係を示す上面図である。
【図１０】本発明の実施形態である第２風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照しながら、本発明の風車用の羽根、風車、及び、風力発電機の実施形態について説明する。【００３３】
図１〜図３に示すように、風力発電機１０は、フレーム１２、第１風車２０、第２風車３０、及び、発電装置４０を備えている。【００３４】
フレーム１２は、台１４上に鉛直方向に立設された３本の柱１２Ａ、及び、各々の柱１２Ａの間を連結する複数の梁１２Ｂを備えている。３本の柱１２Ａは、鉛直方向からみて実質正三角形の頂点位置に配置されており、梁１２Ｂは、柱１２Ａの上端部を含む３カ所の高さ位置で各々の柱１２Ａを連結している。各高さ位置の３本の梁１２Ｂにより、正三角形状が構成されている。【００３５】
第１風車２０、及び、第２風車３０は、いわゆる垂直側の風車であり、図３に示すように、鉛直方向に配置される共通の回転中心Ｍを有している。なお、回転中心Ｍは、仮想の回転軸であり、本実施形態では、回転軸は後述するように、第１風車２０、及び、第２風車３０を貫通せず、各々の上下に配置されている。【００３６】
第１風車２０は、３枚の羽根２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、及び、２枚の羽根プレート２４Ａ、２４Ｂを備えている。羽根２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、及び、羽根プレート２４Ａ、２４Ｂは、各々同一形状とされ、取付位置のみ異なるため、これらをまとめて、羽根２２、羽根プレート２４とする。【００３７】
なお、羽根２２の材質としては、アルミニウム、ジュラルミン、チタン、などの軽合金、強化プラスチックなどを用いることができる。【００３８】
羽根２２は、鉛直方向からみて、図４に示すように、翼形状ＷＩを想定し、その前方部分を用いた形状とされている。翼形状ＷＩは、前方からの風（矢印ＡＩＲ）に対して揚力を発生させることの可能な、一般的な飛行機の翼の断面と同様の形状であり、翼弦ＷＧに対して一方側が他方側よりも大きく膨らんだ形状とされている。回転に伴う相対風の向きをＡＫ、自然風をＡＳとすると、羽根２２には揚力Ｆが作用して、回転中心Ｍの周りをＸ方向に回転する。【００３９】
羽根２２は、鉛直方向からみた断面は、どの水平断面位置でも同様の形状とされている。鉛直方向からみて、進行方向の前側は、前側プレート２６で構成され、進行方向の後側は、後側プレート２８で構成され、中空形状となっている。【００４０】
前側プレート２６は進行方向の前側に向かって凸状に湾曲されており、前縁面２６Ｆ、気流低速通過面２６Ｌ、及び、気流高速通過面２６Ｈを含んで構成されている。前側プレート２６は、前方からの風を受けると揚力が作用し、進行方向前側へ回転可能な形状とされている。【００４１】
前縁面２６Ｆは、湾曲された前側プレート２６の中で、最も平均曲率の大きい（曲率半径の小さい）部分を含んで構成されており、進行方向の前側に配置されている。【００４２】
気流低速通過面２６Ｌは、回転中心Ｍに近い側に配置されており、前縁面２６Ｆから進行方向の後側に向かって連続形成されている。気流低速通過面２６Ｌの進行方向後端部ＥＬは、羽根２２のなかで最も回転中心Ｍに近い位置に配置されている。【００４３】
気流高速通過面２６Ｈは、回転中心Ｍから遠い側に配置されており、前縁面２６Ｆから進行方向の後ろ側に向かって連続形成されている。気流高速通過面２６Ｈは、鉛直方向からみて、図４に示すように、翼型ＷＩの翼弦ＷＧを考えた場合、気流低速通過面２６Ｌよりも翼弦ＷＧから離れる方向に大きく膨らむ曲面形状とされている。また、気流高速通過面２６Ｈの長さは、気流低速通過面２６Ｌよりも進行方向後側に延びている。気流高速通過面２６Ｈの進行方向後端部ＥＨは、羽根２２のなかで最も回転中心Ｍから遠い位置に配置され、気流低速通過面２６Ｌの後端部ＥＬよりも進行方向の後側に配置されている。【００４４】
後側プレート２８は、前側プレート２６の背面側（凹形状側）に配置され、気流低速通過面２６Ｌの後端部ＥＬと気流高速通過面２６Ｈの後端部ＥＨとを結び、進行方向の後側に向かって凹状に湾曲されている。この湾曲形状は、鉛直方向からみて、円弧の一部である弧状とされている。この円弧の曲率は、前側プレート２６全体の平均曲率よりも小さく、前側プレート２６と後側プレート２８との間に、中空の空間Ｒが構成される。また、この円弧を回転中心Ｍ側へ延長した位置に、回転中心Ｍが配置されている。【００４５】
図５に示すように、回転中心Ｍと気流低速通過面２６Ｌの後端部ＥＬとを通る直線をＣ１、羽根２２の最前部Ｆと回転中心Ｍとを通る直線をＣ２、羽根２２の最後部ＥＨ（気流高速通過面２６Ｈの後端部と一致する）と回転中心Ｍとを通る直線をＣ３とすると、Ｃ１とＣ３とが成す角θ２は、Ｃ１とＣ２とが成す角θ１よりも大きい角度とされている。このような取り付け角度にすることにより、後述する第１風洞２０Ｆへ入った気流を、風下側に配置された羽根２２の後側プレート２８に効率よく当てることができ、羽根２２を効率よく回転させることができる。【００４６】
羽根２２の上端面及び下端面は、図３に示すように、蓋プレート２７で構成され、空間Ｒを閉鎖している。【００４７】
羽根プレート２４は、板状とされ、図６に示すように、中心部に位置する円形状の円板部２４Ｍと、円板部２４Ｍから外側方向に向かって延びる３つの羽根付部２４Ｈで構成されている。羽根付部２４Ｈは、円板部２４Ｍの周りに等間隔で放射状に配置されている。羽根付部２４Ｈの進行方向前側（矢印Ｘ方向）は羽根２２の後側プレート２８と同じ曲率の円弧状とされ、羽根付部２４Ｈの進行方向後側は羽根２２の後側プレート２８よりも小さい曲率の円弧状とされている。３つの羽根付部２４Ｈの最外部は、中心Ｏを中心として同心円上に配置されている。【００４８】
羽根付部２４Ｈの前端縁部には、弧状に沿って取付孔２４Ｐが複数（本実施形態では４個）形成されている。この前端縁部と羽根２２の蓋プレート２７後端縁が重ねられ、取付孔２４Ｐからビス（不図示）を差し込んで蓋プレート２７に固定することにより、羽根２２が羽根付部２４Ｈに取り付けられている。３枚の羽根２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃは、同様にして他の羽根付部２４Ｈに取り付けられ、羽根２２の上面及び下面に羽根プレート２４Ａ、２４Ｂが各々配置される。【００４９】
図３にも示されるように、羽根プレート２４Ａ、２４Ｂの間の、羽根２２に囲まれた中間部分には、回転軸が配置されず、空洞部である第１風洞２０Ｆが構成されている。羽根プレート２４Ａの中央部上側には、図２に示すように、回転中心Ｍに沿って配置された第１上軸５１が固定され、羽根プレート２４Ｂの中央部下側には、回転中心Ｍに沿って配置された第１下軸５０が固定されている。【００５０】
第２風車３０は、図３に示すように、３枚の羽根３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、及び、２枚の羽根プレート３４Ａ、３４Ｂを備えている。羽根プレート３４Ａ、３４Ｂは、第１風車２０の羽根プレート２４Ａ、２４Ｂと同一形状とされている。羽根３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは、第１風車２０の羽根２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃとほぼ同様の形状とされており、前側プレート３６、後側プレート３８、及び、蓋プレート３７を備えている。羽根３２は鉛直方向の長さのみ羽根２２と異なっており、羽根３２の鉛直方向の長さは、羽根２２の同方向の長さよりも長く構成されている。羽根３２の羽根プレート３４への取り付けも、第１風車２０と同様にされており、羽根プレート３４Ａ、３４Ｂの間の、羽根３２に囲まれた部分には、回転軸は配置されず、第２風洞３０Ｆが構成されている。【００５１】
図２に示すように、羽根プレート３４Ａの中央部上側には、回転中心Ｍに沿って配置された第２上軸５２が固定され、羽根プレート３４Ｂの中央部下側には、回転中心Ｍに沿って配置された第２下軸５３が固定されている。【００５２】
第２風車３０は、第１風車２０とは逆方向に回転するように、羽根３２及び羽根プレート３４は第１風車２０とは上下が逆向きに取り付けられている。【００５３】
発電装置４０は、図１に示すように、回転中心Ｍに沿った円筒状の円筒筐体４０Ａ、及び、円筒筐体４０Ａの下側に配置されるフランジ部４０Ｂを備えている。フランジ部４０Ｂは、中央部に配置された梁１２Ｂと同じ高さで、各柱１２Ａから内側に向かって水平方向に延びる梁１５の上に固定されている。【００５４】
発電装置４０は、複数極の交流発電装置として構成され、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、円筒筐体４０Ａ内に界磁用の磁石４２、磁石４２による磁束を横切る電機子コイル４４、を備えている。磁石４２は、永久磁石で構成され、円筒状の取付部材４３の内側に複数取り付けられ、取付部材４３と磁石４２とで外側回転体４５が構成されている。電機子コイル４４は、円盤状のコイル保持部材４１の外周部分に配置され、磁石４２よりも内側に磁石４２と対向するように配置されている。コイル保持部材４１及び電機子コイル４４により、内側回転体４７が構成されている。【００５５】
なお、上記構成とは逆に、電機子コイル４４を外側に配置される外側回転体とし、磁石４２を内側に配置される内側回転体としてもよい。【００５６】
図７Ｂに示すように、外側回転体４５は、円盤状の接続部材４９の外周下側に固定され、接続部材４９を介して第１下軸５０に固定されており、第１風車２０と一体的に回転するようになっている。第１下軸５０は、下端部にフランジ状の接続プレート５０Ｐを有し、接続プレートの中央部下側には、後述する第２上軸５２用の軸受け５２Ａが設けられている。接続プレート５０Ｐは、接続部材４９の中央部に固定されている。【００５７】
内側回転体４７の回転中央部には、第２上軸５２が固定されており、第２風車３０と一体的に回転するようになっている。第２上軸５２の上端部は、軸受け５２Ａに軸支持されるとともに、軸受け５２Ａと相対回転可能とされている。【００５８】
円筒筐体４０Ａの上面中央部には、第１下軸５０を支持する軸受け５０Ａが設けられている。第１下軸５０は、軸受け５０Ａにより軸支持され、回転可能とされている。また、フランジ部４０Ｂの中央部には、第２上軸５２を支持する軸受け５２Ｂが設けられている。第２上軸５２は、軸受け５２Ｂにより軸支持され、回転可能とされている。第１下軸５０及び第２上軸５２は、回転中心Ｍに沿って配置され、外側回転体４５及び内側回転体４７は、第１風車２０及び第２風車３０と共通の回転中心Ｍを中心に回転する。【００５９】
発電装置４０には、図示しないスリップリングとこのスリップリングに摺動するブラシが複数組設けられている。そのうちの半数組は電機子コイル４４から交流発電電力を取り出すように接続され、他の半数組は磁石４２に界磁用電力を供給するように接続されている。界磁用電力は、前記交流発電電力の一部分を図示しない整流回路により直流に変換したものである。【００６０】
図３に示すように、第１風車２０、発電装置４０、及び、第２風車３０は、上側からこの順でフレーム１２内に配置されている。【００６１】
図１に示すように、フレーム１２の上端部に配置された梁１２Ｂの中心部には、軸支持部１６が設けられている。軸支持部１６は、各柱１２Ａの上端部からから水平方向内側に向かって延びる３本の梁１３と連結されて支持されている。軸支持部１６の下側には、軸受け５１Ａが設けられている（図２参照）。軸受け５１Ａは、第１上軸５１の上端部を軸支持する。【００６２】
最下部に配置された梁１２Ｂと同じ高さに配置され、各柱１２Ａから内側に向かって水平方向に延びる梁１７の上には、台１８が固定されている。台１８上には、軸受け５３Ａが設けられている。軸受け５３Ａは、第２下軸５３の下端部を軸支持する。【００６３】
次に、本実施形態の風力発電機１０の作用について説明する。【００６４】
図８Ａ〜（Ｆ）は、矢印ＷＩＮＤ方向の風に対して、第１風車２０の各羽根２２が回転して異なる位置に配置されたときの気流を示す図である。矢印Ａは、気流を示す。【００６５】
まず、図８Ａにおいて、羽根２２Ａでは、気流Ａが後側プレート２８Ａ側に当たり、進行方向とほぼ一致する矢印ＡＡ方向の力が作用する。後側プレート２８Ａに当たった気流Ａは、第１風洞２０Ｆを通過して羽根２２Ｂの後側プレート２８Ｂに当たる。【００６６】
羽根２２Ｂでは、羽根２２Ａに当たった後に流れてきた気流Ａと、羽根２２Ａと羽根２２Ｃとの間から流入して第１風洞２０Ｆを通過してきた気流Ａとが当たる。前者の気流Ａは、後側プレート２８Ｂに当たり、後者の気流Ａは後側プレート２８Ｂと前側プレート２６Ｂの気流低速通過面２６Ｌに当たる。このとき、後側プレート２８Ｂは弧状とされ、後側端部ＥＨが回転中心Ｍから最も遠い位置に配置されていると共に気流低速通過面２６Ｌの後端部よりも進行方向後側に配置されているので、後側プレート２８Ｂが矢印ＷＩＮ方向から気流Ａを受けると、羽根２２Ｂには進行方向前側への成分を含んだ矢印ＡＢの力が作用する。【００６７】
羽根２２Ｃでは、気流Ａが前側プレート２６Ｃ側に当たり、進行方向に対して向かい風となっている。この向かい風は、羽根２２Ｃの気流低速通過面２６Ｌ側と気流高速通過面２６Ｈ側とに分かれて後方へ流れる。羽根２２Ｃには、気流低速通過面２６Ｌ側に流れる気流Ａと気流高速通過面２６Ｈ側に流れる気流Ａとの速度差により揚力が働き、進行方向の成分を含んだ矢印ＡＣ方向の力が作用する。【００６８】
前述の矢印ＡＡ、ＡＢ、ＡＣ方向の力により、羽根２２は矢印Ｘ方向に回転する。図８Ａの羽根２２の位置において、矢印ＡＡ、ＡＢ、ＡＣ方向の力（特に矢印ＡＣ方向）は進行方向と逆向きの成分を有していないので、羽根２２を効率よく回転させることができる。【００６９】
図８Ｂにおいて、羽根２２Ａ、２２Ｃには、図８Ａにおける矢印ＡＡ、ＡＣ方向とほぼ同様の、矢印ＢＡ、ＢＣ方向の力が作用する。羽根２２Ｂについては、第１風洞２０Ｆを通過してきた気流Ａが、直接には前側プレート２６Ａに当たらないので（羽根２２Ｃが風上に配置されているため）、矢印ＡＢ方向よりも進行方向側に傾いた矢印ＢＢ方向の力が作用する。図８Ｂの羽根２２の位置においても、矢印ＢＡ、ＢＢ、ＢＣ方向の力（特に矢印ＢＣ方向）は進行方向と逆向きの成分を有していないので、羽根２２を効率よく回転させることができる。【００７０】
図８Ｃにおいて、羽根２２Ａには、気流Ａが後側プレート２８Ａ側に当たり、風向きとほぼ一致する矢印ＣＡ方向の力が作用する。後側プレート２８Ａに当たった気流Ａは、第１風洞２０Ｆの内側寄りへ方向を変える。【００７１】
羽根２２Ｂでは、気流Ａが羽根２２Ａと羽根２２Ｃとの間から流入して第１風洞２０Ｆを通過する際に、羽根２２Ａ側からの気流Ａにより方向が変えられ、後側プレート２８Ｂに当たる。これにより、羽根２２Ｂには、進行方向前側への成分を含んだ矢印ＣＢ方向の力が作用する。【００７２】
羽根２２Ｃでは、前側プレート２６Ｃの先端部分は、回転中心Ｍから矢印ＷＩＮＤ方向に描かれる直線よりも進行方向前側に配置されており、気流Ａは前側プレート２６Ｃに当たって前側プレート２６Ｃの両側へ分かれて流れる。羽根２２Ｃには、矢印ＣＣ方向の力が作用する。【００７３】
図８Ｃの羽根２２の位置においても、矢印ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ方向の力は進行方向と逆向きの成分を有していないので、羽根２２を効率よく回転させることができる。【００７４】
図８Ｄにおいて、羽根２２Ａには、気流Ａが後側プレート２８Ａ側に当たり、風向きとほぼ一致する矢印ＤＡ方向の力が作用する。【００７５】
羽根２２Ｂでは、前側プレート２６Ｂの前縁面２６Ｆ側から気流Ａが当たり、この気流Ａは気流高速通過面２６Ｈ側へ流れるので、羽根２２Ｂには、進行方向前側への成分を含んだ矢印ＤＢ方向の力が作用する。【００７６】
羽根２２Ｃでは、図８Ｃと同様に、気流Ａが前側プレート２６Ｃに当たり、前側プレート２６Ｃの両側へ分かれて流れる。羽根２２Ｃには、矢印ＤＣ方向の力が作用する。【００７７】
図８Ｄの羽根２２の位置においても、矢印ＤＡ、ＤＢ、ＤＣ方向の力は進行方向と逆向きの成分を有していないので、羽根２２を効率よく回転させることができる。【００７８】
図８Ｅにおいて、羽根２２Ａには、気流Ａが後側プレート２８Ａに当たり、風向きとほぼ一致する矢印ＥＡ方向の力が作用する。【００７９】
羽根２２Ｂでは、気流Ａが前側プレート２６Ｂ側に当たり、進行方向に対して向かい風となっている。この向かい風により、羽根２２Ｃには揚力が働き、進行方向の成分を含む矢印ＥＢ方向の力が作用する。【００８０】
羽根２２Ｃでは、気流Ａが前側プレート２６Ｃに当たり、進行方向前側へ向かって流れる。これにより、羽根２２Ｃには、矢印ＥＣ方向の力が作用する。【００８１】
図８Ｅの羽根２２の位置においても、矢印ＥＡ、ＥＢ、ＥＣ方向の力は進行方向と逆向きの成分を有していないので、羽根２２を効率よく回転させることができる。【００８２】
図８Ｆにおいて、羽根２２Ａでは、気流Ａが後側プレート２８Ａの回転中心Ｍから遠い位置に当たる。これにより、羽根２２には、進行方向前側への成分を含んだ矢印ＦＢ方向の力が作用する。【００８３】
羽根２２Ｂでは、気流Ａが前側プレート２６Ｂ側に当たり、羽根２２Ｃには揚力が働き、進行方向の成分を含む矢印ＦＢ方向の力が作用する。【００８４】
羽根２２Ｃでは、気流Ａが前側プレート２６Ｃに当たり、進行方向前側へ向かって流れる。これにより、羽根２２Ｃには、矢印ＦＣ方向の力が作用する。この羽根２２の位置においても、矢印ＦＡ、ＦＢ、ＦＣ方向の力は進行方向と逆向きの成分を有していないので、羽根２２を効率よく回転させることができる。【００８５】
図９Ａ及び図９Ｂには、羽根２２が矢印ＷＩＮＤ方向の風に対して、最も回転方向と逆方向の力を受けると考えられる位置に配置された場合の、羽根２２の重心Ｇと回転中心Ｍとの関係を示す図である。【００８６】
図９Ａに示すように、気流高速通過面２６Ｈの後端部から気流低速通過面２６Ｌの最も離れた位置への仮想直線Ｌを考えた場合、この仮想直線Ｌが矢印ＷＩＮＤ方向と直交する位置に配置されたときの羽根２２の位置（最も気流Ａの直接当たる面積が広いと考えられる位置）では、矢印ＷＩＮＤ方向からみて、重心Ｇが回転中心Ｍに近い位置に配置されている。したがって、重心Ｇが回転中心Ｍから遠い位置に配置された場合と比較して、矢印ＷＩＮＤ方向の同じ力の風が羽根２２に当たった場合でも、進行方向逆方向への力の成分を小さくすることができる。【００８７】
また、図９Ｂに示すように、気流高速通過面２６Ｈへ、これとほぼ直交する方向に気流が当たるときの羽根２２の位置（気流Ａによる抗力が大きいと考えられる位置）では、矢印ＷＩＮ方向からみて、重心Ｇが回転中心Ｍとほぼ重なる位置に配置される。したがって、矢印ＷＩＮＤ方向への力（矢印Ｄで示す）が羽根２２に作用した場合でも、進行方向逆方向への力の成分を小さくすることができる。【００８８】
なお、第２風車３０については、図１０に示すように、第１風車２０と回転方向が逆方向（矢印Ｙ方向）となるだけであり、矢印ＷＩＮＤ方向の風に対して、第１風車２０と同様にして回転する。【００８９】
上記のように、第１風車２０の羽根２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、及び、第２風車３０の羽根３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは、いずれの向きから気流を受けても、進行方向に対して逆向きの成分を有しない。したがって、どのような方向からの風であっても、第１風車２０を矢印Ｘ方向に、第２風車３０を矢印Ｙ方向に、効率よく回転させることができる。【００９０】
このようにして、第１風車２０及び第２風車３０が回転すると、第１風車２０の回転に伴って第１下軸５０が回転し、第１下軸５０に固定された外側回転体４５が矢印Ｘ方向に回転する。また、第２風車３０の回転に伴って第２上軸５２が回転し、第２上軸５２に固定された内側回転体４７が矢印Ｙ方向に回転する。この回転により、磁石４２による磁束を電機子コイル４４が横切り、発電される。【００９１】
ここで、第１風車２０と第２風車３０は、互いに逆方向にほぼ同じ速度で回転する。このため、外側回転体４５に設けられた磁石４２と、内側回転体４７に設けられた電機子コイル４４との相対回転速度は、磁石４２および電機子コイル４４のうち一方が停止している場合の２倍の回転速度になる。このため、電機子コイル４４の交流発電電圧は、磁石４２および電機子コイル４４のうち一方が停止している場合の２倍の電圧にすることができる。【００９２】
また、内側回転体４７、外側回転体４５の径を大きくすることにより、容易に磁石４２及び電機子コイル４４を大きくすることができる。【００９３】
また、第１風車２０と第２風車３０は、互いに逆方向にほぼ同じ速度で回転するので、フレーム（柱１２Ａなど）に作用される回転トルクが打ち消され、安定した回転とすることができる。【００９４】
なお、上記実施形態では、第２風車３０の羽根３２の鉛直方向の長さが、第１風車２０の羽根２２の同方向の長さよりも長い構成としたが、羽根２２と羽根３２の長さを同じとしてもよい。一般的に、高度の高い位置では、低い位置よりも風力が強いことから、本実施形態のように、下側に配置される第２風車３０の羽根３２を長くすることにより、第１風車２０と第２風車３０とを、バランスよく回転させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明に係る風力発電機は、発電の分野において利用可能である。また、本発明に係る風力発電機は、大規模なものだけでなく、家庭用、中小型にも適している。
【符号の説明】
【００９６】
１０   風力発電機
２０   風車
２０Ｆ 風洞
２２   羽根
２６Ｈ 気流高速通過面
２６Ｌ 気流低速通過面
２６Ｆ 前縁面
２６   前側プレート
２８   後側プレート
３０   風車
３０Ｆ 風洞
３２   羽根
３６   前側プレート
３８   後側プレート
４０   発電装置
４２   磁石
４４   電機子コイル
４５   外側回転体
４７   内側回転体
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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