(57)【要約】【課題】  風力エネルギーを有効利用し、発電効率を向上させることができる風力発電装置を提供することである。【解決手段】  本発明に係る風力発電装置５００においては、主柱２００が１または複数の翼形の羽根の回転領域の周囲から当該回転領域に向かって誘導される風の流れＦ２が形成されるので、風量が増加し、風速も増加し、風力エネルギーが増加するので、発電効率を高めることができる。【選択図】  図２
2007046539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然界に存在する風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、前記回転運動エネルギーを用いて発電を行なう風力発電装置であって、
略垂直に設けられた垂直軸と、
前記垂直軸周りに回転可能に支持された１または複数の翼形の羽根と、
前記１または複数の翼形の羽根の回転領域の周囲に配置され、かつ前記垂直軸を支持するように配設された３本以上の主柱を有する櫓部材とを含み、
前記櫓部材は、
前記１または複数の翼形の羽根の回転領域の周囲から当該回転領域に向かって誘導される風の流れを形成するように前記各主柱が形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３本以上の主柱は、
前記垂直軸に対して放射方向に沿って延びるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記主柱は、
断面が略Ｈ形からなるＨ形鋼からなり、
前記Ｈ形鋼のフランジ部における両側面が前記放射方向に沿って設けられたことを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記主柱は、
断面が略矩形状からなる角形鋼からなり、
前記角形鋼の対向する一対の面が前記放射方向に沿って設けられたことを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記主柱は、
断面が流線形からなる鋼からなり、
前記流線形を有する面が前記放射方向に沿って設けられたことを特徴とする請求項２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、風力エネルギーを運動エネルギーに変換するとともに、運動エネルギーを用いて発電を行なう風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電装置については、様々な発電装置が研究開発されている。例えば、特許文献１には、微風時の回転力を向上させるため回転軸の小径化と強風時の破損、風圧、振動、屈曲方向負荷等を充分吸できる風力発電装置について開示されている。
【０００３】
特許文献１記載の風力発電装置によれば、全体の形を球状ドームにし、そのドーム全体を支持する外ドームと、風受け翼を回転する内ドームの２重とし、回転する内ドームの回転軸の直径を細く加工し、軸受ダブルラジアルベアリングを設けるとともに、遠心力による回転力の抑止制御を図り、微風による回転軸の回転性能を大幅にアップしている。また強風時の風圧、振動、に対しても充分対処し得る構造とすることにより、全体の支持主柱には太陽光モジュールを設置し、無風時にも、この太陽光発電と風力発電の出力を集合して、電力を得るようにしている。
【特許文献１】特開２００３−２２７４５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように回転軸の小径化等を行なうことにより微風時であっても風力エネルギーによる発電を実現しようとしている。
【０００５】
しかしながら、風車自体の回転軸の小径化を行なうことは、風車自体の強度を低下させることとなり、耐久性等において問題が生じる。
【０００６】
本発明の目的は、風力エネルギーを有効利用し、発電効率を向上させることができる風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段および効果】
【０００７】
（１）
第１の実施の形態に係る風力発電装置は、自然界に存在する風力エネルギーを回転運動エネルギーに変換するとともに、回転運動エネルギーを用いて発電を行なう風力発電装置であって、略垂直に設けられた垂直軸と、垂直軸周りに回転可能に支持された１または複数の翼形の羽根と、１または複数の翼形の羽根の回転領域の周囲に配置され、かつ垂直軸を支持するように配設された３本以上の主柱を有する櫓部材とを含み、櫓部材は、１または複数の翼形の羽根の回転領域の周囲から当該回転領域に向かって誘導される風の流れを形成するように各主柱が形成されているものである。
【０００８】
第１の実施の形態に係る風力発電装置においては、３本以上の主柱を有する櫓部材により垂直軸が支持され、１または複数の翼形の羽根が垂直軸周りに回転可能に配置される。
【０００９】
この場合、櫓部材は、１または複数の翼形の羽根の回転領域の周囲から当該領域に向かって風が誘導されるので、風の流量を増加させることができ、１または複数の翼形の羽根に流れる風の速度を周囲の速度よりも向上させることができる。その結果、風力エネルギーは、風速の３乗に比例して増加するため、風力エネルギーを有効に利用することができる。その結果、同じ風量であっても、風力エネルギーを増加させることができるので、発電効率を向上させることができる。また、新たに設置する部材を必要としないため、従来の設置スペースを利用でき、かつ新たな部材を必要としないため、低コストで実現することができる。
【００１０】
（２）
３本以上の主柱は、垂直軸に対して放射方向に沿って延びるように形成されてもよい。
【００１１】
この場合、櫓部材は、１または複数の翼形の羽根の回転領域の周囲から当該領域に向かって風が誘導されるので、風の流量を増加させることができ、１または複数の翼形の羽根に流れる風の速度を周囲の速度よりも向上させることができる。すなわち、放射状に沿って３本の主柱を設けているので、回転領域に対して周囲から流れ込む風力エネルギーを低減させることなく、効率よく多くの電力を発電することができるので、発電効率を向上させることができる。
【００１２】
（３）
主柱は、断面が略Ｈ形からなるＨ形鋼からなり、Ｈ形鋼のフランジ部における両側面が放射方向に沿って設けられてもよい。
【００１３】
この場合、Ｈ形鋼のフランジ部における両側面が放射方向に沿って設けられるので、１または複数の翼形の羽根に対して周囲から流れ込む風量を増加させ、風速を向上させることにより風力エネルギーを増加させることができる。
【００１４】
（４）
主柱は、断面が略矩形状からなる角形鋼からなり、角形鋼の対向する一対の面が放射方向に沿って設けられてもよい。
【００１５】
この場合、角形鋼の対向する一対の面が放射方向に沿って設けられるので、１または複数の翼形の羽根に対して周囲から流れ込む風量を増加させ、風速を向上させることにより風力エネルギーを増加させることができる。
【００１６】
（５）
主柱は、断面が流線形からなる鋼からなり、流線形を有する面が放射方向に沿って設けられてもよい。
【００１７】
この場合、流線形を有する面が放射方向に沿って設けられるので、１または複数の翼形の羽根に対して周囲から流れ込む風量を増加させ、風速を向上させることにより風力エネルギーを増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施の形態について説明する。まず、本発明に係る風力発電装置の一例として、風力発電装置５００に本発明を適用した場合について説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、風力発電装置５００の一例を示す模式的側面図である。
【００２０】
図１に示すように風力発電装置５００は、主に発電装置１００、主柱２００、保持板２１０、支持梁２２０、支持柱２３０、複数の翼形状の羽根を有する風車３００、風車支持パイプ３２０、風車保持パイプ３１０およびシャフト４００からなる。
【００２１】
図１に示す風力発電装置５００は、主柱２００が４隅に設けられ、その上端部およびその下方にそれぞれ保持板２１０が設けられる。この支柱２００の配置の詳細については後述する。さらにその下方に、主柱２００を互いに支持するために支持梁２２０が主柱２００と垂直方向に設けられ、主柱２００が傾斜しないように地中から支持柱２３０が設けられている。これらの主柱２００等により構成された櫓内に縦方向に風車３００が４段で設けられている。
【００２２】
主柱２００等により構成された櫓内の中心にシャフト４００が垂直に設けられる。このシャフト４００の下端部には、発電装置１００が設けられている。
【００２３】
また、シャフト４００の上部で、かつ主柱２００および２枚の保持板２１０により囲まれた空間内に、上下２段に複数の翼形状を有する風車３００が設けられ、シャフト４００の下部で、かつ主柱２００、支持梁２２０および保持板２１０ｂにより囲まれた空間内に、上下２段に複数の翼形状を有する風車３００が設けられる。
【００２４】
この風車３００は、翼形状の羽根が１段毎に４枚ずつ設けられ、それぞれ水平方向に９０度毎にずらして設けられる。そして、この翼形状の羽根が２本の支持パイプ３１０および２本の保持パイプ３２０によりシャフト４００に固定される。このような風車３００は、直線翼垂直軸型と呼ばれる。
【００２５】
なお、図示していないが、２本の支持パイプ３１０および２本の保持パイプ３２０と、シャフト４００との間に接続部材を設けてもよい。
【００２６】
この風力発電装置５００は、翼形状の羽根により風力エネルギーを享受し、羽根に揚力が生じて時計回りに回転する。翼形状の羽根を有する風車３００が時計回りに回転することにより、２本の支持パイプ３１０および２本の保持パイプ３２０を介してシャフト４００が時計回りに回転する。そして、シャフト４００の下部に設けられた発電機１００により発電が行なわれる。
【００２７】
次に、図２は主柱２００および複数の翼形状の羽根を有する風車３００の配置の一例を説明するための模式的上断面図である。図２（ａ）は比較例となる主柱２００の配置を示し、図２（ｂ）は本発明に係る主柱２００の配置を示す。なお、説明のためのＨ形鋼のフランジ面をＡ面およびＢ面、Ａ面とＢ面とを接続するウェブ面をＣ面と呼ぶ。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、主柱２００は、シャフト４００を中心として、４隅に設けられる。この場合、４隅に設けられた主柱２００のＡ面、Ｂ面およびＣ面の相対的位置がそれぞれ同じように配置される。すなわち、それぞれの主柱２００において図中左側にＡ面、右側にＢ面が配されるように設けられる。この場合、風の流れＦ１は、Ｈ形鋼のＢ面に衝突し、風力エネルギーが削減される。
【００２９】
一方、図２（ｂ）に示すように、本願発明に係る主柱２００は、Ｈ形鋼のフランジ面の両側面が風の流れＦ１を阻害しないようにシャフト４００を中心として放射方向に沿って設けられている。
【００３０】
例えば、風の流れＦ１がＨ形鋼のフランジ面の両側面に沿って翼型の羽根の方向Ｆ２に向けられる。それにより、風が誘導され、風車３００に供給される風量が増加する。そして、風量が増加することにより、周辺の風の速度よりも風速を高めることができる。一般に風力エネルギーは、風速の３乗に比例することから、風速を上げることにより風力エネルギーのエネルギー量を図２（ａ）の場合よりも多くすることができる。
【００３１】
図３は主柱２００および複数の翼形状の羽根を有する風車３００の配置の他の例を説明するための模式的上断面図である。なお、図２と同様に、Ｈ形鋼のフランジ面の両側面をＡ面およびＢ面、Ａ面とＢ面とを接続するウェブ面をＣ面と呼ぶ。
【００３２】
図３に示すように、主柱２００のＡ面およびＢ面には、集風部材ＡＳおよび集風部材ＢＳが設けられる。それにより、図２（ｂ）の場合と比較して、より多くの風の流れＦ１がＨ型鋼の両端面および集風部材ＡＳ，ＢＳに沿って翼型の羽根の方向Ｆ２に向けられるので、風力エネルギーのエネルギー量をより多くすることができる。
【００３３】
図４は主柱２００および複数の翼形状の羽根を有する風車３００の配置のさらに他の例を説明するための模式的上断面図である。
【００３４】
図４（ａ）は比較例となる主柱２００ｂの配置を示し、図４（ｂ）は本発明に係る主柱２００ｂの配置を示す。
【００３５】
図４（ａ）に示す主柱２００ｂが図２（ａ）の主柱２００と異なるのは、Ｈ形鋼の代わりに角型鋼を用いて配置している点である。同様に、図４（ｂ）に示す主柱２００ｂが図２（ｂ）の主柱２００と異なるのは、Ｈ形鋼の代わりに角型鋼を用いて配置している点である。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、シャフト４００の中心から放射状に延長した線ＣＬが角型鋼の頂点を結ぶように配置されている。この場合、風の流れＦ１が角型鋼に衝突し、風力エネルギーが削減される。
【００３７】
一方、図４（ｂ）に示すように、シャフト４００の中心から放射状に延長した線ＣＬが角型鋼の一対の辺（面）の中心を通過するように配置されている。この場合、風の流れＦ１が角型鋼の面に沿って翼型の羽根の方向Ｆ２に向けられる。それにより、風が誘導され、風車３００に供給される風量が増加する。そして、風量が増加することにより、風の速度が増加し、周辺の風の速度よりも風速を高めることができる。一般に風力エネルギーは、風速の３乗に比例することから、風速を上げることにより風力エネルギーのエネルギー量を図４（ａ）の場合よりも多くすることができる。
【００３８】
図５は図２〜図４の主柱２００の形状と異なる主柱２００ｃの配置をさらに説明するための模式的上断面図である。
【００３９】
図５に示す主柱２００ｃは、断面に流線形の面を有する柱からなる。図２（ｂ）〜図４（ｂ）と同様に、この場合、風の流れＦ１が流線型の柱の面に沿って翼型の羽根の方向Ｆ２に向けられる。それにより、風が誘導され、風車３００に供給される風量が増加する。そして、風量が増加することにより、風の速度が増加し、周辺の風の速度よりも風速を高めることができる。一般に風力エネルギーは、風速の３乗に比例することから、風速を上げることにより風力エネルギーのエネルギー量を多くすることができる。
【００４０】
図６は、図２〜図５の主柱２００の形状と異なる主柱２００ｄの配置をさらに説明するための模式的上断面図である。
【００４１】
図６に示す主柱２００ｄは、断面に凹状の湾曲した面を有する柱からなる。図２（ｂ）〜図５と同様に、この場合、風の流れＦ１が凹状の湾曲した面に沿って翼型の羽根の方向Ｆ２に向けられる。それにより、風が誘導され、風車３００に供給される風量が増加する。そして、風量が増加することにより、風の速度が増加し、周辺の風の速度よりも風速を高めることができる。一般に風力エネルギーは、風速の３乗に比例することから、風速を上げることにより風力エネルギーのエネルギー量を多くすることができる。
【００４２】
続いて、図７は、図２の主柱２００とは異なる配置をさらに説明するための模式的上断面図である。
【００４３】
本発明に係る主柱２００は、図２に示したように、シャフト４００を中心として４隅に設けるのではなく、シャフト４００を中心として３隅に設けてもよい。
【００４４】
すなわち、シャフト４００の中心から放射状に伸びる線が主柱２００の面Ｃに略垂直となるように設ければよい。
【００４５】
なお、上記の実施の形態においては、主柱２００の個数を３〜４個としたが、これに限定されず、他の任意の個数であってもよい。
【００４６】
以上のように、本発明に係る風力発電装置５００においては、主柱２００が１または複数の翼形の羽根の回転領域の周囲から当該回転領域に向かって誘導されるように風の流れが形成されるので、風の流れＦ１を風の流れＦ２に変更させて、最大限有効に利用することができる。その結果、同じ風の流れＦ１であっても大きな風力エネルギーを用いて電力を発電することができる。
【００４７】
また、シャフト４００から放射状に沿って３本の主柱２００を設ける場合には、回転領域に対して周囲から流れ込む風の流れＦ１を低減させることなく、周囲の風を集めて回転領域に風を供給できるので、風力エネルギーが向上され、効率よく多くの電力を発電することができるので、発電効率を向上させることができる。
【００４８】
上記の実施の形態においては、風力発電装置５００が風力発電装置に相当し、シャフト４００が垂直軸に相当し、主柱２００が櫓部材およびＨ形鋼に相当し、風の流れＦ１，Ｆ２が風力エネルギーに相当し、主柱２００ｂが角形鋼に相当し、主柱２００ｃが流線形からなる鋼に相当する。
【００４９】
本発明は、上記の好ましい上記実施の形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】風力発電装置の一例を示す模式的側面図
【図２】主柱および複数の翼形状の羽根を有する風車の配置の一例を説明するための模式的上断面図
【図３】主柱および複数の翼形状の羽根を有する風車の配置の他の例を説明するための模式的上断面図
【図４】主柱および複数の翼形状の羽根を有する風車の配置のさらに他の例を説明するための模式的上断面図
【図５】図２〜図４の主柱の形状と異なる主柱の配置をさらに説明するための模式的上断面図
【図６】図２〜図５の主柱の形状と異なる主柱の配置をさらに説明するための模式的上断面図
【図７】図２の主柱とは異なる配置をさらに説明するための模式的上断面図
【符号の説明】
【００５１】
２００  主柱
２００ｂ  主柱
２００ｃ  主柱
４００  シャフト
５００  風力発電装置
Ｆ１，Ｆ２  風の流れ
【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７】
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