(57)【要約】      （修正有）【課題】微風から強風に至るまで風力を無駄にすることなく電力に変換することができる風力発電装置を提供する。【解決手段】地面に垂直な固定軸１廻りを回転し得る垂直羽根型の風車２と、この風車２の回転力により発電する発電機３とを備えた風力発電装置Ｇ。前記発電機３は、前記固定軸１に回転自在に支持された回転ケーシング１０と、この回転ケーシング１０内において前記固定軸１に固定される円板状のステーターテーブル１１と、このステーターテーブル１１上に配設された複数個のコイル１２と、前記回転ケーシング１０上で、前記コイル１２の上面と対向するように配置された第１マグネット１３と、前記回転ケーシング１０上で、前記コイル１２の下面と対向するように配置された第２マグネット１４とを備えている。前記複数個のコイル１２は、複数のブロックに分割されており、風速に応じて各ブロック同士の接続を切り替え得るように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地面に対し垂直方向に設けられた固定軸廻りを回転し得る垂直羽根型の風車と、この風車の回転力により発電する発電機とを備えた風力発電装置であって、
前記発電機は、前記風車に連結されるとともに前記固定軸に回転自在に支持された回転ケーシングと、この回転ケーシング内において前記固定軸に固定される円板状のステーターテーブルと、このステーターテーブルの外周に沿ってリング状に配設された複数個のコイルと、前記回転ケーシングの内面に固定され、前記コイルの上面と対向するようにリング状に配置された複数個の第１マグネットと、前記回転ケーシングの内面に固定され、前記コイルの下面と対向するようにリング状に配置された複数個の第２マグネットと、を備えており、
前記複数個のコイルは、複数のブロックに分割されており、風速に応じて各ブロック同士の接続を切り替え得るように構成されていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記コイルが、鉄芯の廻りに巻回されたものであり、且つ、前記第１マグネットにおける前記コイルの上面と対向する部分の極性がすべてＮ極又はＳ極のうちいずれか一方の極であり、前記第２マグネットにおける前記コイルの下面と対向する部分の極性がすべて他方の極である請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
Ｎを自然数とすると、前記コイルの数が２Ｎであるとともに、前記第１マグネット及び第２マグネットの数がそれぞれＮであり、当該第１マグネット及び第２マグネットが、いずれも１つおきにコイルと対向するように配置されている請求項１〜２のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項４】
隣接するマグネット間にセラミック又は合成樹脂からなる充填材が充填されており、この充填材及びマグネットの表面が面一となるように研磨加工されている請求項３に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記コイルが、ステーターテーブルの径方向に沿って縦長の略くさび形状を呈している請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記発電機が風力センサを有しており、この風力センサからの出力に応じて、前記ブロックを直列、並列、又はその組合せのいずれかに切り替えるように構成されている請求項１〜５のいずれかに記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電装置に関する。さらに詳しくは、垂直羽根型の風車を備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の防止を含む地球環境保全の動きは、近年益々活発化しており、これに関連して、化石燃料の消費を低減させるために自然エネルギーを利用して発電を行う装置が着目されている。
風力発電装置は、自然エネルギーである風力を利用して羽根又はプロペラを回転させ、この回転力を電力に変換する装置であり、諸国においてすでに実用化の段階に入っている。風力発電用の風車には、風に対して回転軸が水平になっている水平軸型風車と、風に対して回転軸が垂直になっている垂直軸型風車があるが、水平軸型風車（いわゆるプロペラ型風車）は、風の方向により発電の可否が左右されるとともに、微風ではプロペラが充分に回転しないことから、風向きに関係なく微風でも発電が可能な垂直軸型風車が注目されており、各種の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、垂直回転軸に直交する面内で、当該回転軸を中心として一定角度ごとに複数のブレードが設けられた風力発電用の風車が開示されており、前記ブレードを、低いレイノルズ数で高い揚力係数を有する翼型とし、翼下面の後縁部に切欠部を形成することが記載されている。そして、この風車によれば、起動時や低風速域でも効率よく回転させることができるものとされている。
また、特許文献２には、風力を受けて回転するサボニウス型の風車と、この風車の回転力によって発電する発電機とを備えており、前記発電機が、コイルの励磁手段として希土類系永久磁石を使用してなる風力発電システムが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１０８３３０号公報
【特許文献２】特開２００２−３１７７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２記載のものを含む従来の風力発電装置では、風速と発電電圧との関係がリニアーであり、風速が大きくなると発電電圧が直線的に増大することから、コントローラ（直流電圧を商用電力と同じ交流電力に変換する装置）の設計が困難であった。そして、コントローラで制御できない高電圧については、蓄電池及び関連電気部品を保護するために、ダンプ抵抗器を接続して意図的に電気ブレーキをかけて電力を廃棄しており、折角得たエネルギーを無駄に消費しているのが現状である。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、微風から強風に至るまで風力を無駄にすることなく電力に変換することができる風力発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の風力発電装置は、地面に立設された固定軸廻りを回転し得る垂直羽根型の風車と、この風車の回転力により発電する発電機とを備えた風力発電装置であって、
前記発電機は、前記風車に連結されるとともに前記固定軸に回転自在に支持された回転ケーシングと、この回転ケーシング内において前記固定軸に固定される円板状のステーターテーブルと、このステーターテーブルの外周に沿ってリング状に配設された複数個のコイルと、前記回転ケーシングの内面に固定され、前記コイルの上面と対向するようにリング状に配置された複数個の第１マグネットと、前記回転ケーシングの内面に固定され、前記コイルの下面と対向するようにリング状に配置された複数個の第２マグネットと、を備えており、
前記複数個のコイルは、複数のブロックに分割されており、風速に応じて各ブロック同士の接続を切り替え得るように構成されていることを特徴としている。
【０００８】
本発明の風力発電装置では、地面に立設された固定軸廻りを回転し得る垂直羽根型の風車を採用していることから、風向きに関係なくどの方向から吹いてくる風に対しても動作して発電を行うことができ、また微風でも発電を行うことができる。そして、発電機における複数のコイルを複数のブロックに分割し、各ブロック内のコイルを直列に接続するとともに、各ブロック同士の接続（直列又は並列）を風速に応じて切り替えることができるようにしているので、例えば微風のときは、すべてのブロックを直列に接続して電圧を優先させ、一方、強風のときはすべてのブロックを並列に接続して電圧を抑えるようにするなど、風力に応じて風のエネルギーを無駄なく有効に利用することができる。
【０００９】
前記コイルが、鉄芯の廻りに巻回されたものであり、且つ、前記第１マグネットにおける前記コイルの上面と対向する部分の極性がすべてＮ極又はＳ極のうちいずれか一方の極であり、前記第２マグネットにおける前記コイルの下面と対向する部分の極性がすべて他方の極であるのが好ましい。この場合、コイルの内部に鉄芯が装填されていることから、コイルを横切る磁力線の数を増やすことができ、その結果、多くの電流を発生させることができる。一方、コイル内部に鉄芯を装填することで、マグネットの影響によりコギングトルクが大きくなり、微風では風車が回転しなくなることが考えられるが、第１マグネットにおけるコイルの上面と対向する部分の極性をすべてＮ極又はＳ極のうちいずれか一方の極とし、第２マグネットにおけるコイルの下面と対向する部分の極性をすべて他方の極とすることで、この問題を解消することができる。すなわち、コイルの上面側と下面側において、マグネットの極性をそれぞれ統一すると、鉄芯に近接してマグネットを配設したとしても、磁力線を切る方向（磁力線に平行な方向）にマグネットを移動させるには大きな力を要するが、磁力線と垂直な方向へは簡単に移動させることができる。この、横方向に磁界をずらすのは容易であるという原理を利用して、コギングトルクを軽減させることができる。
【００１０】
また、Ｎを自然数とすると、前記コイルの数が２Ｎであるとともに、前記第１マグネット及び第２マグネットの数がそれぞれＮであり、当該第１マグネット及び第２マグネットが、いずれも１つおきにコイルと対向するように配置されているのが好ましい。この構成によれば、片側（コイルの上面側又は下面側）のマグネットの数をコイルの半数にすることで、当該コイルに対してマグネットと全く対向しない状態をつくることができる。その結果、コイルを横切る磁力線の数を効果的に増減させることができ、これにより発電電流を大きくすることができる。
【００１１】
隣接するマグネット間にセラミック又は合成樹脂からなる充填材が充填されており、この充填材及びマグネットの表面が面一となるように研磨加工されているのが好ましい。この構成によれば、隣接するマグネット間の空間がセラミック又は合成樹脂からなる充填材で充填されており、しかもこの充填材及びマグネットが面一になるように研磨加工されているので、風力により回転ケーシングが回転したときに、マグネット間の空間により騒音（風切音）が発生するのを防止することができる。
【００１２】
前記コイルが、ステーターテーブルの径方向に沿って縦長の略くさび形状を呈しているのが好ましい。この場合、コイルを縦長の略くさび形状とすることで、当該コイルを横切る磁力線の数を多くすることができ、これにより発電効率を高めることができる。
【００１３】
また、前記発電機が風力センサを有しており、この風力センサからの出力に応じて、前記ブロックを直列、並列、又はその組合せのいずれかに切り替えるように構成されているのが好ましい。この構成によれば、風力センサを利用して、微風のときは、すべてのブロックを直列に接続して電圧を優先させ、一方、強風のときはすべてのブロックを並列に接続して電圧を抑えるようにするなど、風力に応じて風のエネルギーを無駄なく有効に利用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の風力発電装置によれば、微風から強風に至るまで風力を無駄にすることなく電力に変換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の風力発電装置の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る風力発電装置Ｇの斜視説明図である。風力発電装置Ｇは、地面に対し垂直方向に設けられた固定軸１の廻りを回転し得る垂直羽根型の風車２と、この風車２の回転力により発電する発電機３とを備えている。垂直羽根型の風車２としては、パドル型、サボニウス型などのようにブレードに発生する抗力で風車を回す抗力型や、ダリウス型、ジャイロミル型などのようにブレードに発生する揚力で風車を回す揚力型を用いることができるが、構造が簡単であり、且つ高出力の発電が可能である点より、サボニウス型の風車を用いるのが好ましい。垂直羽根型の風車２を採用することにより、風向きに関係なくどの方向から吹いてくる風に対しても動作して発電を行うことができ、また微風でも発電を行うことができる。
【００１６】
前記風車２は、サボニウス型の風車であり、前記固定軸１に軸受（図示せず）を介して回動自在に支持された回転軸４と、この回転軸４の上端及び下端付近において当該回転軸４の外周面から径方向外方に突設された複数本の支柱５と、この支柱５の先端に固定されたブレード６とで構成されている。
【００１７】
前記支柱５は、回転軸４の上端及び下端付近においてそれぞれ４本ずつが９０°間隔で配設されており、上下の対応する２本の支柱５によって１枚のブレード６が支持されている。このブレード６はアルミ合金や合成樹脂などからなる薄板状の素材に曲げ加工を施して流線型の翼状に形成したものであり、前記回転軸４に平行になるように配設されている。前記ブレード６の長さ（回転軸４に平行な方向の寸法）は、必要とする発電量に応じて適宜選定することができるが、例えば小電力（１〜３ｋｗ）の場合に１〜２ｍ、中電力（４〜５ｋｗ）の場合に３〜５ｍ、大電力（６〜８ｋｗ）の場合に７〜８ｍとすることができる。
【００１８】
発電機３は前記風車２の下方に配設されており、図２に示されるように、その上面が前記風車２の回転軸４に接続されるとともに前記固定軸１に回転自在に支持される中空円盤状の回転ケーシング１０と、この回転ケーシング１０内において前記固定軸１に固定される円板状のステーターテーブル１１と、このステーターテーブル１１の外周に沿ってリング状に配設された複数個のコイル１２と、前記回転ケーシング１０の内面に固定され、前記コイル１２の上面と対向するようにリング状に配置された複数個の第１マグネット１３と、前記回転ケーシング１０の内面に固定され、前記コイル１２の下面と対向するようにリング状に配置された複数個の第２マグネット１４とを備えている。
【００１９】
前記回転ケーシング１０は、軸受１５を介して固定軸１に回転自在に支持されており、前記支柱５のうち下側の４本の支柱５の根元部分が集結されるリング状のベース１６が、当該回転ケーシング１０の上面に固定されていることから、風力により風車２が回転すると、この風車２とともに回転ケーシング１０も固定軸１廻りを回転するように構成されている。
【００２０】
ステーターテーブル１１は、その中央部分に前記固定軸１を挿通するための孔が形成されており、この孔の周縁に沿って軸方向（固定軸の軸方向）上下に立設された固定部１７ａを有する取付金具１７により固定軸１に固定されている。ステーターテーブル１１には、図３に示されるように、周方向に沿って３２個の略くさび形状の孔１８が形成されており、各孔１８内には、珪素鋼板の積層体からなる鉄芯１９が当該孔１８を貫通するように固着されている（図２参照）。コイル１２は、この鉄芯１９の廻りに巻回されており、１つおきに時計廻りと、反時計回りに巻回されている。すなわち、３２個のコイルのうち１６個が時計廻りに巻回され、残りの１６個が反時計回りに巻回されている。このように、巻回方向の異なるコイルを交互に配設することで、出力電圧は略台形状の交流波形がとして得られるが、整流器にて直流に変換される。
【００２１】
なお、コイル１２の内部に鉄芯１９を装填することにより、当該コイル１２を横切る磁力線の数を増やすことができ、その結果、多くの電流を発生させることができる。また、コイル１２を縦長の略くさび形状とすることで、当該コイル１２を横切る磁力線の数を多くすることができ、これにより発電効率を高めることができる。
【００２２】
本実施の形態において、第１マグネット１３及び第２マグネット１４の数はいずれも１６個である。すなわち、Ｎを自然数とすると、前記コイル１２の数を２Ｎ（Ｎ＝１６）にするとともに、前記第１マグネット１３及び第２マグネット１４の数をそれぞれＮ（＝１６）にしている。また、当該第１マグネット１３及び第２マグネット１４が、いずれも１つおきにコイル１２と対向するように配置されている（図４参照）。このように、片側（コイルの上面側又は下面側）のマグネットの数をコイルの半数にすることで、当該コイルに対してマグネットと全く対向しない状態をつくることができる。その結果、コイルを横切る磁力線の数を効果的に増減させることができ、これにより発電電流を大きくすることができる。
【００２３】
また、本実施の形態では、前記第１マグネット１３における前記コイル１２の上面と対向する部分の極性がすべてＮ極であり、一方、前記第２マグネット１４における前記コイル１２の下面と対向する部分の極性がすべてＳ極である。前述したように、コイル１２の内部に鉄芯１９を装填することで多くの電流を発生させることができるが、反面、マグネット１３、１４の影響によりコギングトルクが大きくなり、微風では風車が回転しなくなることが考えられる。しかしながら、コイル１２の上面側と下面側において、マグネット１３、１４の極性をそれぞれ統一すると、鉄芯１９に近接してマグネット１３、１４を配設したとしても、磁力線を切る方向（磁力線に平行な方向）にマグネットを移動させるには大きな力を要するものの、磁力線と垂直な方向へは簡単に移動させることができる。この、横方向に磁界をずらすのは容易であるという原理を利用して、コギングトルクを軽減させることができる。
【００２４】
隣接するマグネット１３、１４間には、図４に示されるように、セラミックや、エポキシ樹脂などの合成樹脂からなる充填材２０が充填されており、この充填材２０及びマグネット１３、１４の表面は研磨加工により面一にされている。このように、隣接するマグネット１３、１４間の空間を充填材２０で充填し、しかもこの充填材２０及びマグネット１３、１４が面一になるように研磨加工することで、風力により回転ケーシング１０が回転したときに、マグネット１３、１４間の空間により騒音（風切音）が発生するのを防止することができる。
【００２５】
本実施の形態において、前記３２個のコイル１２は、８つのブロックに分割されており、各ブロック内において４つのコイル１２は直列に接続されている。そして、発電機３の装備されている公知の風力センサないしは風速センサ（図示せず）の出力に応じて前記８つのブロックを直列、並列又はその組合せのいずれかに切り替えるように構成されている。このように、発電機３における複数のコイル１２を複数のブロックに分割し、各ブロック内のコイル１２を直列に接続するとともに、各ブロック同士の接続を風速に応じて切り替えることができるようにすることで、例えば微風のときは、すべてのブロックを直列に接続して電圧を優先させ、一方、強風のときはすべてのブロックを並列に接続して電圧を抑えるようにするなど、風力に応じて風のエネルギーを無駄なく有効に利用することができる。
【００２６】
図５〜８は、それぞれコイルブロックの接続例を示す図である。本実施の形態では、８つのコイルブロックＢが構成され、風速に応じてコイルブロック同士の接続を切り替えている。
風車２の回転数が以下の表１に示す値である場合、その値が大きくなるに従って、コイルブロックＢの接続は順次図５に示すものから図８に示すものに切り替えられる。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
すなわち、風速が小さく風車の回転数が１００ｒｐｍである場合（ケース１）、図５に示されるように、８つのコイルブロックＢを直列に接続する。各コイルブロックＢの発電電圧を１０Ｖとすると、発電機全体では８０Ｖの発電電圧が得られることになる。そして、各コイルブロックＢの電流値を１Ａとすると、発電機全体の電流値も１Ａであることから、発電機の出力は８０×１＝８０［ｗ］となる。
【００２９】
また、風速が少し大きくなり風車の回転数が２００ｒｐｍである場合（ケース２）、図６に示されるように、８つのコイルブロックＢをさらに４つのグループに分け、各グループを構成する２つのコイルブロックＢを並列に接続するとともに、４つのグループを直列に接続する。各コイルブロックＢの発電電圧を３０Ｖとすると、各グループの発電電圧も３０Ｖであり、発電機全体では３０×４＝１２０Ｖの発電電圧が得られることになる。そして、各コイルブロックＢの電流値を１Ａとすると、各グループの電流値は２Ａとなり、発電機全体の電流値も２Ａとなることから、発電機の出力は１２０×２＝２４０［ｗ］となる。
【００３０】
さらに風速が大きくなり風車の回転数が３００ｒｐｍである場合（ケース３）、図７に示されるように、８つのコイルブロックＢを２つのグループに分け、各グループを構成する４つのコイルブロックＢを並列に接続するとともに、２つのグループを直列に接続する。各コイルブロックＢの発電電圧を９０Ｖとすると、各グループの発電電圧も９０Ｖであり、発電機全体では９０×２＝１８０Ｖの発電電圧が得られることになる。そして、各コイルブロックＢの電流値を１Ａとすると、各グループの電流値は４Ａとなり、発電機全体の電流値も４Ａとなることから、発電機の出力は１８０×４＝７２０［ｗ］となる。
【００３１】
最後に、さらに風速が大きくなり風車の回転数が４００ｒｐｍである場合（ケース４）、図８に示されるように、８つのコイルブロックＢをすべて並列に接続する。各コイルブロックＢの発電電圧を１８０Ｖとすると、発電機全体でも１８０Ｖの発電電圧が得られることになる。そして、各コイルブロックＢの電流値を１Ａとすると、発電機全体の電流値は８Ａとなることから、発電機の出力は１８０×８＝１４４０［ｗ］となる。
以上のようにして得られた発電電圧は、例えば自動電圧調整装置により所定の電圧（例えば、２１７Ｖ）に昇圧し、電力会社の規格通りの連携コントロール制御器に接続することができる。
【００３２】
なお、本発明において、コイル及びマグネットの数や形状、１つのコイルブロックを構成するコイルの数、さらには直列と並列の切替え方法などは、特に限定されるものではなく、発電装置の規模や、装置設置場所の気候（風の強さなど）などに応じて適宜選定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の風力発電装置の一実施の形態の斜視説明図である。
【図２】図１に示される風力発電装置における発電機の断面説明図である。
【図３】発電機におけるステーターテーブルの平面説明図である。
【図４】発電機におけるコイルとマグネットの断面説明図である。
【図５】コイルブロックの接続例を示す図である。
【図６】コイルブロックの接続例を示す図である。
【図７】コイルブロックの接続例を示す図である。
【図８】コイルブロックの接続例を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１      固定軸
２      風車
３      発電機
３      回転軸
５      支柱
６      ブレード
１０      回転ケーシング
１１      ステーターテーブル
１２      コイル
１３      第１マグネット
１４      第２マグネット
１９      鉄芯
２０      充填材
【図１】
2007336777.tif 000004
【図２】
2007336777.tif 000005
【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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【図８】
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