(57)【要約】【課題】風速が高まり、羽根が高速回転しても、発電機が設定値以上の高電圧を発生するのを防止にする。【解決手段】  微風な風速を受けても回転するダウンブロー形態の羽根１８を有する風車に、磁石２０が配設されたロータ１９を一体に固定し、風速が設定回転数以上で徐々に前記風車及びロータ１９が回転軸に対し水平方向に移動し、ボディ４に固定されたステータコイル１０との磁気結合度合いを低減可能とするスプリングを有し発電性能を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微風な風速を受けても回転するダウンブロー形態の羽根を有する風車に、磁石が配設されたロータを一体に固定し、風速が設定回転以上で徐々に前記風車及びロータが水平軸に対し水平方向に移動し、ボディに固定されたステータコイルとの磁気結合度合いを低減可能にするスプリングを有し発電性能を制御することを特徴とする風力発電機。
【請求項２】
垂直軸に回転自在に支持されたボディと、該ボディに水平に支持された水平軸と、該水平軸に回転自在及び前記水平軸方向に摺動自在に支持されたハブと、該ハブの周囲に取り付けられた複数の羽根と、前記ハブを常時前記ボディ方向に付勢するように前記水平軸に設けられたスプリングと、前記ボディに取り付けられたステータ及び該ステータに対向するように前記ハブに取り付けられたロータからなる発電機を備え、風速が設定値を超えたとき、風速の増加分だけ前記ハブを前記スプリングに抗して前記水平軸に沿って後退させ、前記ステータのステータコイルと前記ロータの磁石との磁気結合度合いを低減させることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
垂直軸の上下端が自立式フレームに支持されてなる請求項１又は２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
垂直軸の外周に前記ボディとともに回転可能であり、かつ流線型の断面を持つ筒状のコードガイドが設けられてなる請求項１、２又は３に記載の風力発電装置。
【請求項５】
コードガイドには、発電機から該コードガイド内に導入されたコードに接続され刷子と、該刷子を収納する角筒を持った刷子収納部材とが設けられ、垂直軸には刷子収納部材に対向するように配置されて前記刷子に摺接されるリング状電極を持つリング状電極保持部材が設けられてなる請求項１、２、３、又は４に記載の風力発電装置。
【請求項６】
風車の羽根が着脱自在、且つ取付け角度が自在に変更できることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の風力発電装置。
【請求項７】
発電機の風上側先端部にバランスウエイトを配置したことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６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、風力を利用して電力を発生する風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置は、風力を回転力に変換する羽根（回転翼）をロータ側に設け、ロータに設けられた磁石の回転によって、ステータに設けられたステータコイルに電力を誘起するというものである。
【０００３】
前記風力発電装置は、風力を安定的かつ有効に得るために、地上に設立されたタワーと、このタワーの上部に風車架台を設けている。また、この風車架台上には、風力を受けて回転する複数枚の羽根と、該羽根を取り付けた羽根ロータを設け、該羽根ロータ側に複数の磁石を配置した前記ロータが設けられ、該ロータの磁石に対向するようにステータコイルを持った前記ステータを固定側に有する。前記ロータ及び前記ステータが発電機を構成している。
【０００４】
したがって、この風力発電装置では、羽根が風力を受けることによって前記ロータが前記ステータに対し相対回転させられる。そして前記ステータコイルに電圧を誘起することとなる。この誘起（発電）電圧は前記ロータの回転速度に比例する。従って、強風時には高出力を得ることができるものの、微風時には安定した電圧を発生させることができない。
【０００５】
風力発電装置で微風時にも高出力が得られるようにするには、大きな面積で特殊な角度に曲げられた羽根が必要になる。しかし、強風時には羽根が高速回転するため、羽根自体や羽根の取付け部分が変形または破損する場合がある。したがって、前記羽根自体や羽根の取付け部分の変形または破損を防止するには羽根の面積や風の利用効率を下げるような処置をする必要がある。
【０００６】
また、タワーは風力発電装置の略全重量を支持し、かつ強風にも耐えられるように、ある大きさの外径と強度を持つように形成され、構造や設置工事が大掛かりになっている。
【特許文献１】特開平０７−１７４０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記のように微風時にも高出力が得られるようにし、強風時には羽根の面積や風の利用効率を抑えるようにするため、風力に応じて羽根の向きを変えたり、羽根の回転軸に負荷を連結したりする方法が考えられる。しかしながら、羽根の取付構造が複雑となり、風の利用効率を変化させるために大掛りで面倒な作業が必要となる。また、強風に耐えられるようにタワーの外径を大きくした場合には、騒音や振動を発生するという問題があった。
【０００８】
さらに強風時には羽根が高速回転し、この高速回転で発生する電圧が過大となるが、この発生電圧に耐えられる発電機回路部品、配線などの耐圧、容量に余裕を見る必要がある。このため設備コストが高くなるとともに、設備の利用効率が悪いという問題があった。また、タワー上に風車架台や風車を設置する風力発電装置は設備全体が大掛りで、一般家庭では到底採用できないものであった。
【０００９】
本発明は、微風時には高出力が得られ、強風時には騒音を低減でき、高速回転時にも発生電圧の過大上昇を回避でき、簡単な設備および安価な設備コストにて、一般家庭においても実用できる風力発電装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の本発明の風力発電装置は、微風な風速を受けても回転するダウンブロー形態の羽根を有する風車に、磁石が配設されたロータを一体に固定し、風速が設定回転以上で徐々に前記風車及びロータが水平軸に対して水平方向に移動し、ボディに固定されたステータコイルとの磁気結合度合いを低減可能とするスプリングを有し発電性能を制御することを特徴とする。
【００１１】
前記構成により、微風時にも高出力が得られ、設定風速以上になると、実風速の増加に応じて前記ロータが後退させられ、前記ステータコイルの誘起電力が低減させられる。すなわち、風速が増加してロータ（羽根）が高速回転しても、前記ステータコイルが設計値以上の高電圧を発生させることがない。したがって、絶縁や耐電圧を考慮して必要以上に大型で高価な配線や電気部品及び設備を用意する必要がなく、家庭用発電設備として安全且つ有用である。
【００１２】
請求項２に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、垂直軸に回転自在に支持されたボディと、該ボディに水平に支持された水平軸と、該水平軸に回転自在及び前記水平軸方向に摺動自在に支持されたハブと、該ハブの周囲に取り付けられた複数枚の羽根と、前記ハブを常時前記ボディ方向に付勢するように前記水平軸に設けられたスプリングと、前記ボディに取り付けられたステータ及び該ステータに対向するように前記ハブに取り付けられたロータからなる発電機とを備え、風速が設定値を超えたとき、風速の増加分だけ前記ハブを前記スプリングに抗して前記水平軸に沿って後退させ、前記ステータのステータコイルと前記ロータの磁石との磁気結合度合いを低減させることを特徴とする。
【００１３】
前記構成により、設定風速以上では、実風速の大きさに応じて前記ハブが前記水平軸に沿って往復摺動し、前記ロータが前記ステータに対して軸方向に位置ずれを起こし、前記ステータコイルの誘起電力が変化させられる。すなわち、風速が大きくなって羽根が高速回転しても、ステータコイルが設計値以上の高電圧を発生することがない。したがって、絶縁や耐電圧を考慮して必要以上に大形で高価な配線や電気部品及び設備を用意する必要がなく、家庭用発電設備として安全且つ有用である。
【００１４】
請求項３に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、垂直軸の上下端部が自立式フレームに支持されてなることを特徴とする。前記構成によれば、風力発電装置全体を自立式且つコンパクトに纏めることができ、可搬式とすることが可能であり、必要に応じて水平架台等を用いて、屋根や風を受け易い高台、あるいは平地に容易に設置することができる。
【００１５】
請求項４に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、垂直軸の外周に前記ボディとともに回転可能であり、かつ流線型の断面を持つ筒状のコードガイドが設けられてなることを特徴とする。
【００１６】
前記構成により、発電機から発生電圧を取り出すケーブル（配線）を風雨にさらすことがなく、前記コードガイド内に収めることができる。また、前記コードガイド自体が流線型であるため、風の抵抗を少なくすることができる。したがって、強風下でも垂直軸部での振動や騒音の発生を抑制できる。
【００１７】
請求項５に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、コードガイドには発電機から該コードガイド内に導入されたコードに接続される刷子と、該刷子を収納する角筒を持った刷子収納部材とが設けられ、垂直軸には刷子収納部材に対向するように配置されて前記刷子に摺接されるリング状電極を持つリング状電極保持部材を設けたことを特徴とする。
【００１８】
前記構成により、発電機の可動部から固定部への電力の取り出しを、前記垂直軸を被う前記コードガイドの一部で安全且つ確実に行うことができる。
【００１９】
請求項６に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、風車の羽根が着脱自在、且つ取付け角度が自在に変更できることを特徴とする。前記構成により、形状やサイズが異なる羽根の中から設置場所の風速などに応じて選んだものを任意に付け替えて使用することができる。
【００２０】
請求項７に示す本発明の実施の一形態に係る風力発電装置は、風力発電機の風上側先端部にバランスウエイトを配置したことを特徴とする。前記構成により風向追従性を良好にして発電効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、微風時にはロータの磁石とステータのステータコイルとの磁気結合度合いを大きくして、十分なレベルの電圧誘起を実現し、強風時には前記磁気結合度合いを小さくして、誘起電圧レベルを設定以上に上昇しないように抑えることができる。したがって、電気的な諸設備の小形化、小容量化および低価格化を実現できる。また、家庭用風力発電機としても容易に利用が可能である。さらに、垂直軸を流線型のコードガイドで被うことで、垂直軸周辺での風による振動や騒音を確実に回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、ステータコイルに対向して磁石及び複数の羽根を有するロータが設けられ、該ロータが風速の増加に応じて後退させられ、さらに風速の減少に応じて自動復帰させられる。
【００２３】
以下に、本発明の実施の一形態を図について発明する。図１は本発明の風力発電装置の全体を示す斜視図、図２は要部の縦断面図、図３は要部の分解斜視図、図４は他の実施例を示す風力発電装置の全体斜視図である。
【００２４】
図１には、本発明の風力発電装置Ａを鳥かご型の自立式フレームＢに支持させた例が示されている。前記風力発電装置Ａにおいて、１は前記鳥かご型の自立式フレームＢに上下端が固定された金属パイプからなる垂直軸であり、該垂直軸１の略中央部に、該垂直軸１の貫通孔５を有するボディ４が嵌装され水平回転可能に支持される。図面実施の一形態では、前記ボディ４の上下端が前記垂直軸１に固定される軸受押さえ２、さらに軸受３によって水平回転可能に支持されている。
【００２５】
前記ボディ４は一部が後方に膨出させられて、後に述べる水平軸９の取付部７とされ、該取付部７の中心部に水平孔８が形成され、該水平孔８に前記水平軸９の一端部が圧入され、該水平軸９の他端部は前記取付部７の後方へ延長させられている。
【００２６】
前記ボディ４の前記取付部７には、複数のステータコイル１０を外周に等間隔配置したステータ１１が取り付けられている。このステータ１１は、図３に示すように、リング状部材１１ａの外周に前記ステータコイル１０を等間隔に配置してなる。なお、前記ステータコイル１０の外周には後述するロータ１９が対向配置される。
【００２７】
前記取付部７の外へ延びる前記水平軸９上には、間筒１２が軸方向に摺動自在に嵌装されている。該間筒１２の外形は図３に示す通りであり、外周には軸受１３を介してハブ１４が回転自在に支持されている。したがって、前記ハブ１４は前記水平軸９上に回転自在および軸方向移動自在に支持される。
【００２８】
前記水平軸９の後端、且つ後述する後カバー２３内には、板状のスプリング受け部材１５が取り付けられている。該スプリング受部材１５と前記ハブ１４との間の前記水平軸９の回りにスプリング１６が介在されている。したがって、前記ハブ１４は前記スプリング１６の反発力を受けて常時前記ボディ４（前記取付部７）側に接している。
【００２９】
前記ハブ１４の外周には中心に向う方向に複数（図面では８個）の羽根取付孔１７が設けられ、該羽根取付孔１７に羽根１８の基部１８ａが着脱可能に嵌合されて風車が構成されている。したがって、前記羽根取付孔１７には形状やサイズが異なる羽根の中から設置場所の風速などに応じて選んだものを任意に付け替えることができる。また、前記羽根１８の取付角度を変更自在にすることも可能である。
【００３０】
前記ハブ１４の側面（前記ボディ４（前記取付部材７）に対向する面）には、図３にも示すように、カップ状のロータ１９が取り付けられている。該ロータ１９の内周面には複数の磁石２０が等間隔かつリング状に配置されている。前記磁石２０は通常前記ステータ１１の外周にある各ステータコイル１０に対向している。
【００３１】
前記垂直軸１の外周には、上下一対の筒状のコードガイド２１、２１ａが水平回動可能に設けられている。該コードガイド２１、２１ａは断面形状が風の抵抗が小さい流線型をなしている。また、前記各コードガイド２１、２１ａ間には、前記ボディ４、前記ハブ１４、前記スプリング受け部材１５などを収容する前カバー２２及び後カバー２３が取り付けられている。
【００３２】
前記後カバー２３の後端には、尾翼２４が一体に設けられている。該尾翼２４は前記各カバー２２、２３とともに前記羽根１８を風の方向に向けるように作用する。
【００３３】
前記自立式フレームＢは、複数本の金属パイプ２５を複数のジョイント金具２６を用いて、鳥かご型に組み立てて構成されている。そして前記自立式フレームＢの上下一対のジョイント金具２６ａには前記垂直軸１の両端が安定的に取り付けられている。なお、前記金属パイプ２５及び前記ジョイント金具２６は周知品を用いることができる。なお、前記自立式フレームＢの形状やサイズは、風速や風力発電機の設置環境等に応じて任意に選択することができる。
【００３４】
下方の前記コードガイド２１ａの下端には円盤状の刷子収納部材２７が取り付けられている。該刷子収納部材２７には、角筒２８が一体に形成され、該角筒２８内に刷子（図示しない）及び該刷子を下方へ付勢するスプリング（図示しない）などが収納されている。図中、２９は前記角筒２８の開口端を塞ぐスプリング押さえである。該スプリング押さえ２９は前記角筒２８内の刷子を下方へ付勢するように機能する。前記刷子には、前記コードガイド２１内に導入された発電機からのコード端が接続される。なお、前記刷子収納部材２７の中心部には前記垂直軸１を貫通させる透孔２７ａが設けられている。
【００３５】
さらに下方の前記コードガイド２１ａの下端に臨む、前記垂直軸１の外周にはリング状電極保持部材３１の中心孔３１ａが嵌装されている。該リング状電極保持部材３１上には複数枚の径が異なるリング状電極３０が取り付けられている。該リング電極３０にも前記垂直軸１が貫通する透孔３０ａが設けられている。
【００３６】
前記リング状電極保持部材３１に前記ブラシ収納部材２７が対向配置された状態において、前記リング電極３０のそれぞれに各一の刷子が所定の接触圧で接触する。したがって、前記垂直軸１の廻りで下方の前記コードガイド２１ａが水平方向に回動した場合に、前記リング状電極保持部材３１に対して前記ブラシ収納部２７が回動する。したがって、発電機の発電電圧を回動側の刷子および固定側のリング状電極３０をそれぞれ介して、外部へ取り出すことができる。なお、垂直軸１の上下端は上下のジョイント２６ａに結合される。
【００３７】
図４は他の実施例を示し、前記風力発電装置Ａの風上先端部にバランスウエイト３２を配置したものである。
【００３８】
つぎに前記構成の風力発電装置Ａの動作を図について説明する。まず、図１に示す風力発電装置Ａが適宜の支持フレームに搭載される。図面実施の一形態では前記自立式フレームＢに搭載されており、該自立式フレームＢが屋根や風を受け易い高台、あるいは平地に設置される。なお、設置の際には、前記垂直軸２１が垂直となるように、前記自立式フレームＢ専用の水平架台などを予め用意することが望ましい。また、前記風力発電装置Ａは必要に応じて複数台を並設使用するとよい。なお、前記風力発電装置Ａを搭載した前記自立式フレームＢの設置後は、例えば、前記風力発電装置Ａ、前記羽根１８等の動きを止めておいたロック部材を外す。
【００３９】
前記風力発電装置Ａは、ダウンブロー形態の羽根１８を有し、該羽根１８部の直径が１．２４ｍ、羽根１８の枚数が８枚とすると、風を受けて初めはゆっくり回転する。そして、風速２．５ｍ／ｓ以上で発電を開始する。
【００４０】
前記前カバー２２とこれに連設された前記後カバー２３は流線型をなす。したがって、前記両カバー２２、２３の表面に沿って流れる風は尾翼２４に作用し、該尾翼２４を風の流れに沿うように制御する。そして前記両カバー２２、２３内の前記ハブ１４及び前記ボディ７が前記軸受３を介して前記垂直軸１の廻りに首振り回転する。さらに前記ハブ１４に取り付けられた前記羽根１８が常時風の方向に向き、風速に応じた速さで、前記水平軸９を中心に回転する。
【００４１】
前記羽根１８の回転によって前記ハブ１４に取り付けられた前記ロータ１９が回転させられる。該ロータ１９の回転に伴う前記各磁石２０が前記ステータ１１の前記各ステータコイル１０に電圧を誘起させる。そして前記各ステータコイル１０の巻線形態に応じて単相（または３相）の交流電圧がコード（図示しない）を通して取り出される。
【００４２】
前記図示しないコードは前記コードガイド２１内を通って前記ブラシ収納部２７の前記角筒２８内に導かれ、前記各刷子に接続される。該各刷子はリング状電極保持部材３１の前記各リング状電極３０に摺接しながら、前記電圧を前記リング状電極３０から外部へ導出する。
【００４３】
一方、風速が高まり、例えば、設定風速の３０ｍ／ｓを超えると、前記羽根１８は高速で回転するとともに大きな風圧を受ける。したがって、設定風速が３０ｍ／ｓを超えた場合には、その超えた風速の大きさに応じて前記ハブ１４は前記水平軸９上を前記スプリング１６の反発力に抗して後退させられる。
【００４４】
前記ハブ１４の後退によって、前記ロータ１９は前記ステータ１１に対し軸方向に位置ずれを起こす。同時に前記ステータコイル１０に対し前記ロータ１９の前記磁石２０も同様に軸方向に位置ずれし、前記ステータコイル１０と前記磁石２０との磁気結合度が弱くなる。
【００４５】
したがって、前記ステータコイル１０に誘起される電圧も低下する。すなわち、風速が設定値を超えた場合には、発生電圧を予め設定した値以上に上昇するのを防ぐことができる。この結果、発電機に接続される電気系統の小容量化、小形化が可能になる。なお、この設定値以上に発生電圧が上昇するのを抑えるためには、前記コイルスプリング１６の反発力が予め計算される。
【００４６】
前記自立式フレームＢは前記風力発電機Ａを一本の垂直軸２１を安定的に支持するものである。もっとも、必要に応じて前記自立式フレームＢを屋根や地上に固定するためワイヤや杭、その他の保持部材を用いてもよい。また、前記コードガイド２１は発電機と刷子とを結ぶコードを収納して、コードが風によって振動や騒音を発生したりするのを防止できる。また、前記垂直軸１が外部に露出されないため、該垂直軸１自体の振動や騒音の発生が防止される。
【００４７】
前記刷子収納部材２７を可動側のコードガイド２１ａに設け、該コードガイド２１ａを固定側の前記垂直軸１下部の前記リング状電極保持部３１に対向させ、前記それぞれの刷子と前記リング状電極３０とを摺接させたことで、発電電圧を外部へ引き出すことができる。
【００４８】
前記のごとく、前記垂直軸１に回転自在に支持された前記ボディ４と、該ボディ４に水平支持された前記水平軸９と、該水平軸９に回転自在及び前記水平軸方向に摺動自在に支持された前記ハブ１４と、該ハブ１４の周囲に取り付けられた前記複数枚の羽根１８と、前記ハブ１４を前記ボディ方向に常時付勢するように前記水平軸９に設けられたスプリング１６と、前記ボディ４に取り付けられた前記ステータ１１及び該ステータ１１に対向するように前記ハブ１４に取り付けられた前記ロータ１９からなる発電機とを備え、風速が設定値を超えたとき、風速の増加分だけ前記ハブ１４を前記スプリング１６に抗して前記水平軸９に沿って後退させ、前記ステータ１１と前記ロータ１９との磁気結合度合いを低減させることで、風速が高くなって前記羽根１８が高速回転しても、前記ステータコイル１０が設計値以上の高電圧を発生することはない。このため、絶縁や耐電圧を考慮して必要以上に大形で高価な配線や電気部品、設備を用意する必要がなくなり、家庭用発電設備として安全に利用できることになる。
【００４９】
なお、前記風力発電装置Ａの風上側先端部に前記バランスウエイト３２を配置すると、風向追従性を良好にし、発電効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、設定風速以上のとき、ステータのステータコイルに対しロータの磁石を変位させ、前記ステータコイルに得られる電圧を設定電圧以下に抑制して、ステータコイルを含む電気系統の容量低減や絶縁処理の簡素化を図る用途に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態による風力発電装置を示す斜視図である。
【図２】図１に示す風力発電装置の要部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図１に示す風力発電装置の分解斜視図である。
【図４】他の実施例を示す風力発電装置の全体斜視図である。
【符号の説明】
【００５２】
１      垂直軸
４      ボディ
９      水平軸
１０    ステータコイル
１１    ステータ
１４    ハブ
１６    スプリング
１８    羽根
１９    ロータ
２０    磁石
２１    コードガイド
２１ａ  コードガイド
２７    刷子収納部材
２８    角筒
３０    リング電極
３１    リング電極保持部材
３２    バランスウエイト
【図１】
2007032471.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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