(57)【要約】【課題】弱風域でも回転し始め、風力エネルギーを効率的に回転力に変換し、高い発電効率を有すると共に、機械的強度を維持し、軽量化を図ったベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置を提供する。【解決手段】垂直軸心Ｃ回りに回転自在に設けられるベルシェープ式のクロスフロー風車２と、風車２と同軸心回りに回転自在に配設されるダリウス風車３と、クロスフロー風車２の上方に配設され、風車２によって駆動されるクロスフロー風車用発電機４と、ダリウス風車３の下方に配設され、風車３によって駆動されるダリウス風車用発電機５と、クロスフロー風車２とダリウス風車３の垂直方向外周を所定間隔離間して所定幅で覆って保護すると共に、クロスフロー風車用発電機４とダリウス風車用発電機５とを夫々上下部で固着する保護枠６とを備えたベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置１を提供する。【選択図】図２
2012002069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸心回りに回転自在に設けられるベルシェープ式のクロスフロー風車と、
前記クロスフロー風車と同軸心回りに回転自在に配設されるダリウス風車と、
前記クロスフロー風車の上方に配設され、前記クロスフロー風車によって駆動されるクロスフロー風車用発電機と、
前記ダリウス風車の下方に配設され、前記ダリウス風車によって駆動されるダリウス風車用発電機と、
前記クロスフロー風車と前記ダリウス風車の垂直方向外周を所定間隔離間して所定幅で覆って保護すると共に、前記クロスフロー風車用発電機を上部で固着し、前記ダリウス風車用発電機を下部で固着する保護枠とを備えたことを特徴とするベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置。
【請求項２】
請求項１記載のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置を前記垂直軸心が同軸心となり、前記保護枠の向きが同一方向となるように複数個、複数段に積み重ねて固着したことを特徴とするベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置。
【請求項３】
請求項１記載のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置を前記垂直軸心が同軸心となり、上下で隣接する前記保護枠の向きが互いに直角方向となるように複数個、複数段に積み重ねて固着したことを特徴とするベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弱風域でも回転し始め、風力エネルギーを効率的に回転力に変換し、高い発電効率を有すると共に、機械的強度を維持し、軽量化を図った、ベルシェープ（Bell-Shaped）式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止のため、ＣＯ２の削減を目指した代替エネルギーの開発が急務とされている。
なかでも、風力発電は、温室効果ガスの発生が極めて少ない自然エネルギーを使用し、エネルギー源が無尽蔵に存在し、近年の技術開発により発電コストを低減したことなどから最も注目されている。
我が国の風力発電の設備規模は、２００２年で約４８万ＫＷ、２０１０年には３００万ＫＷを目標とし、さらに２０２０〜３０年には、その１０倍の３０００万ＫＷを目標とする計画が出されている。
ＩＰＣＣ（気候変動に関する政府間パネル）のガイドラインに基づいて、二酸化炭素排出量を算出すれば、風力発電の普及に伴い、２０１０年の時点では、年間９７０万ｔのＣＯ２の削減に寄与することが出来る。
【０００３】
一方、今までの自然エネルギー活用の研究から、実用的な小型風力発電装置を作るのはコスト面、発電効率の面から困難であると考えられている。しかしながら、太陽光発電の次に実用的に活用が期待されているのは、風力発電である。
経済産業省はクリーンな小型風力発電機の国内市場を育てるため、今年度から標準性能評価手法の確立に向けた検討を始めた。小型風車の耐久性や性能などを同一条件で評価する手法を開発し、その結果を製品に表示することで自治体や企業等ユーザーが安心して良質な小型風力発電機を購入できるようにする「ラベリング制度」の導入である。
小型風力・太陽光発電普及協会では、ラベリング制度が導入され風車への信頼性が向上すれば、実用型の市場は、もっと伸びると期待できると考えている。
【０００４】
種々の風力発電に於いて用いられる風車のうち、例えば、ダリウス型は、回転時に引張応力のみが翼に作用するためブレードの軽量化が図れる利点がある。
又、クロスフロー型は、ブレードの凹凸面に作用する抗力の差を利用して駆動力を得るもので、自己起動性が良く、低回転域での高トルクが発生し、構造がシンプルで、安全性が優れている。
【０００５】
此種技術の先行文献として、例えば特許文献１があり、特許文献１は、複数の回転翼を中心軸の周方向に均等に配置するとともに、中心軸と一体に周回移動可能に設けた垂直軸駆動装置において、前記各々の回転翼が、前記中心軸を中心とする径方向に対してブレードの面が斜交した配置に設けられ、前記回転翼が周回する回転領域であるシリンダー部の周囲に、気流または水流を整流して前記回転翼に誘導する案内羽根を備えた固定翼部が設けられているものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４０５４８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、ダリウス型は、回転時に引張応力のみが翼に作用するためブレードの軽量化が図れるが、起動性に劣る欠点がある。
又、クロスフロー型は、自己起動性が良く、低回転域での高トルクが発生し、構造がシンプルで、安全性が優れている反面、最大出力係数が低いという欠点がある。
そこで、ダリウス型と、クロスフロー型の風車の利点を生かした小型風力発電装置が完成すれば、高い発電効率が期待できる。
【０００８】
以上の現状に鑑み、本発明は、弱風域でも回転し始め、風力エネルギーを効率的に回転力に変換し、高い発電効率を有すると共に、機械的強度を維持し、軽量化を図ったベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置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】
【０００９】
上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、垂直軸心回りに回転自在に設けられるベルシェープ式のクロスフロー風車と、
前記クロスフロー風車と同軸心回りに回転自在に配設されるダリウス風車と、
前記クロスフロー風車の上方に配設され、前記クロスフロー風車によって駆動されるクロスフロー風車用発電機と、
前記ダリウス風車の下方に配設され、前記ダリウス風車によって駆動されるダリウス風車用発電機と、
前記クロスフロー風車と前記ダリウス風車の垂直方向外周を所定間隔離間して所定幅で覆って保護すると共に、前記クロスフロー風車用発電機を上部で固着し、前記ダリウス風車用発電機を下部で固着する保護枠とを備えたことを特徴とするベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置を提供するものである。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置を前記垂直軸心が同軸心となり、前記保護枠の向きが同一方向となるように複数個、複数段に積み重ねて固着したことを特徴とするベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置するものである。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１記載のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置を前記垂直軸心が同軸心となり、上下で隣接する前記保護枠の向きが互いに直角方向となるように複数個、複数段に積み重ねて固着したことを特徴とするベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置は、次のような効果が期待できる。
（１）弱風域でも回転し始め、風力エネルギーを効率的に回転力に変換し、高い発電効率を有すると共に、機械的強度を維持し、軽量化を図ったベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置を提供することができる。
（２）回転負荷が極限的に軽減されるベルシェープ式の採用により、弱風域でも回転し始める事が可能であり、常に高効率の発電が可能である。
（３）ダリウス＋クロスフロ一型であるので、建設するためのコストが低く、さらに風向きを選ばず、強風時でも騒音をあまり出さずに回転するので、都市部での発電に向いている。
【００１３】
（４）ダリウスローターは２か所で締結されているので、ローターの破損時においても飛散せず、高い安全性を有する。
（５）風向きの影響を受けない垂直軸型であり、日本特有の風向の変わる場所に適した風力発電ローターである。３６０度どの方向からの風も捕捉することができる。
【００１４】
（６）小容量のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置であるので、置場所の環境・需要に柔軟に対応できる。
（７）翼に曲げ応力が生じない事から軽量構造が可能である。
（８）従来、垂直軸型の発電機はローター下部に設置されるが、本発明はクロスフロー風車用発電機を垂直軸の上部に配設し、クロスフロー風車用発電機にクロスフロー風車を吊り下げる形態としているので、回転トルクの低減を図ることができる。
（９）状況に応じて、単体のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置を複数個複数段に積み重ねて使用することができ発電効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に係るベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置の正面図である。
【図２】本発明の実施例１に係るベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置の正面断面図である。
【図３】本発明の実施例１に係るベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置の側面図である。
【図４】本発明の実施例１に係るベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置の斜視図である。
【図５】本発明の実施例２に係るベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置の正面図である。
【図６】本発明の実施例３に係るベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
図１及び図２に於いて、１は、本発明による第１実施例のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置であり、ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置１は、垂直軸心Ｃ回りに回転自在に設けられるベルシェープ式のクロスフロー風車２と、クロスフロー風車２と同軸心回りに回転自在に配設されるダリウス風車３と、クロスフロー風車２の上方に配設され、クロスフロー風車２によって駆動されるクロスフロー風車用発電機４と、ダリウス風車３の下方に配設され、ダリウス風車３によって駆動されるダリウス風車用発電機５と、クロスフロー風車２とダリウス風車３の垂直方向外周を所定間隔離間して所定幅で覆って保護すると共に、クロスフロー風車用発電機４を上部で固着し、ダリウス風車用発電機５を下部で固着する保護枠６とを備えたものである。
【００１７】
ベルシェープ式のクロスフロー風車２は、釣鐘型又はボウル（bowl）型の２枚のクロスフローローター７，７をボビン形状の回転体８に固着したもので、クロスフローローター７の開口面が垂直軸心Ｃと平行になるようにクロスフローローター７の開口部の一側部が回転体８に取付けられ、２枚のクロスフローローター７，７は、垂直軸心Ｃに対して軸対称になるように、平面視１８０度離反して取付けられている。回転体８は、垂直軸心Ｃと同軸心上に配設される円筒部９と、円筒部９の下部に固着される円錐体１０と、円筒部９の上部に固着される逆円錐体１１とを備えており、クロスフローローター７の開口部の一側部が、円筒部９と、円錐体１０と、逆円錐体１１とに固着され、逆円錐体１１の上部がクロスフロー風車用発電機４の回転軸１２に連結されている。
これにより、クロスフロー風車２の重さが、クロスフロー風車用発電機４に直接負荷されない構成（クロスフロー風車２がクロスフロー風車用発電機４にぶら下がるような構成）となり、クロスフロー風車用発電機４の回転トルクの低減を図ることができる。
正確には、クロスフロー風車２の重さは、後述する下部収納体（図２に於いて１８）によって支えられ、クロスフロー風車用発電機４には、クロスフロー風車２の重さがかからない状態で、クロスフロー風車用発電機４の回転軸１２と逆円錐体１１の上部とが連結される。
【００１８】
ダリウス風車３は、逆円錐体１１の上方と、円錐体１０の下方に設けられ、且つ、垂直軸心Ｃ回り（クロスフロー風車２と同軸心回り）に回転自在に配設された上下回転盤１３，１４の外周部に、湾曲した長板状の３枚のダリウスローター１５，１５，１５が夫々平面視等間隔に両端を固着されて配設され、下回転盤１４がダリウス風車用発電機５の回転軸１６に連結されている。
【００１９】
そして、クロスフロー風車用発電機４は、回転軸１２を下方に突出させて上部収納体１７内に固着されて収納され、上部収納体１７は、上部を保護枠６の上部内壁に固着されている。
一方、ダリウス風車用発電機５は、回転軸１６を上方に突出させて下部収納体１８内に固着されて収納され、下部収納体１８は、下部を保護枠６の下部内壁に固着されている。
上部収納体１７に対して、上回転盤１３及び逆円錐体１１は夫々回転自在に配設され、下部収納体１８に対して、下回転盤１４及び円錐体１０は夫々回転自在に配設されている。
【００２０】
尚、前記ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置１の発電性能を更に上げるには、前記ローター７，１５の軽量化を図り、回転数を上げることが重要である。一方で、６０ｍ／ｓを超える風速に耐える機械的強度も必要である。
そこで、前記ローター７，１５の原材料としてアルミ合金を用い、アルミ合金押出式成型加工、又は、特殊ベンディング加工技術によりローター７，１５を成型・加工する。アルミ合金は、従来ローターに使用されているＦＲＰに比較して約２倍の比重を有するが、ローター全体の総重量を軽量化すれば必要な回転数を得ることができる。
【００２１】
加えて、前記ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置１のために小型（従来品サイズの例えば３５％減）で高効率のアウターローターコアレス同期式発電機を採択する。これにより、振動、摩擦が起こらず、経年劣化によるショートも無い。
さらにダリウス＋クロスフローローターの特性を考慮し、変化する広い風速域において、ハイブリッド制御運転により周速を制御し、常に最大効率の電力を取り出すことができる運転制御システムを採択する。
【００２２】
保護枠６は、正面視八角形状に形成された２つの同じ八角形枠１９，１９が図３に示す如く平行に所定幅離間して連結部材２０，２０…により連結されたものであり、図１に示す如く、上下部が夫々水平方向、側部中央部が垂直方向となるように起立させた状態で、クロスフロー風車２とダリウス風車３の垂直方向外周を所定間隔離間して所定幅で覆って保護すると共に、八角形枠１９内の上部の水平内壁部に上部収納体１７の上部を固着し、八角形枠１９内の下部の水平内壁部に下部収納体１８の下部を固着するように形成されている。
図４は、前記ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置１を斜視図で示したものである。図４からもわかるように、クロスフロー風車２と、ダリウス風車３とが、保護枠６内で回転を阻害されることなく回転できるように収納されている。
【００２３】
而して、前記ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置１を屋外の所定個所、例えば、屋外に立設した支柱の上端や、屋根、ビルの屋上に取り付けると、弱風速域では、クロスフロー風車２が先に回転を開始し、回転体８を介してクロスフロー風車用発電機４が回転し、発電する。
そして、中強風速域ではクロスフロー風車２の回転数が高まると共に、ダリウス風車３が回転を始め、ダリウスローター１５，１５，１５の回転による揚力によりダリウス風車３の回転数が高まる。ダリウス風車３の回転は、下回転盤１４を介してダリウス風車用発電機５を回転させ、発電させる。
過高風速域では、別途備えた速度制御システムにより、低速運転を実行する。
【００２４】
尚、前記ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置１は、適宜、次のような対策を施す。
（１）定格出力１ＫＷ以上となる場合、安全性を高める見地からダブル・ブレーキ又は手動・自動ブレーキ（１ＫＷ以上）等を装備する。
（２）２４時間監視する遠隔監視システムを構築する。
（３）屋上設置の場合等、振動音を防止する施工を行う。
（４）太陽電池とのハイブリッド発電システムや水素貯蔵装置や「有機ハイドライド」との連携システム、発電量モニターとの無線伝送方式、電力会社との系統連係装置を構築する。
【００２５】
前記ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置１の仕様、性能は例えば次のとおりである。
（１）ダリウス＋クロスフローローターの性能  条件：気温２０℃
において
（Ａ）引張り強度ＪＩＳ規格１５５Ｎ/ｍｍ２以上。発明品の現状値は、１７５〜２１５Ｎ/ｍｍ２。
（Ｂ）耐力ＪＩＳ規格１１０Ｎ/ｍｍ２以上。発明品の現状値は、１３０〜１９０Ｎ/ｍｍ２。
（２）製作規格ＪＩＳＨ４１００特殊級に基づくもの。
（３）カットイン風速（発電を開始する風速）は風速約２ｍ／ｓを目標値とする。
（４）安全性への対応
（Ａ）ダリウス＋クロスフローローターは２ケ所で締結し、破断時の飛散を防護する。
（Ｂ）手動・自動ブレーキ（定格出力１ＫＷ以上）を標準装備する。
（５）騒音が少ない。プロペラ式風力発電に比べて翼の回転数が低いので騒音は低い。
（６）ハイブリッド型速度制御運転。始動から定格風域までは，最大効率点で運転する可変速運転を行ない、過高風速域では、低速運転を実行する速度制御システムを装備している。
【００２６】
前記ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置１の技術の経済性は例えば次のとおりである。
（１）従来のＦＲＰローター製造工程は手作業で積層を重ね作成していくので断面形状の形成、重量精度、均一精度において著しく劣り、また製造コストも量産が難しく高いものとなる。これに比して、本発明のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置のアルミ製ローターは精度も高く均一性に富み、量産体制の下で大幅なコストダウンが図れるメリットがある。
（２）本発明のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置は垂直軸方式であるため、全方向の風を受けて回転エネルギーに転換できるので従来の他のプロペラ型風車より発電性能が高く、優位性に富む。
（３）本発明のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置のイニシャルコストは、定格出力により異なるが、運送費及び基礎工事費などを除き、本体価格は約１００万円／ＫＷ程度となっている。しかし、量産体制の確立に伴ない、更なるコストダウンが期待される。
（４）機械本体の耐用年数は１０年である。コンセプトとしてはメンテナンスフリーであるが、通常、ラン二ングコストとして、年１回の実施費用として合計約５万円を見込んでいる。
【００２７】
図５に於いて、２１は、本発明による第２実施例のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置であり、ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置２１は、前記ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置１，１を垂直軸心Ｃ，Ｃが同軸心となり、保護枠６，６の向きが同一方向となるように複数個、複数段に積み重ねて固着したベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置である。図５に於いては、２段に積重ねているが、３段以上の複数段に積重ねることも可能である。
これにより、より多くの風を受けることができ、発電量が増加する。
【００２８】
図６に於いて、３１は、本発明による第３実施例のベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置であり、ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置３１は、前記ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置１，１を垂直軸心Ｃ，Ｃが同軸心となり、上下で隣接する保護枠６，６の向きが互いに直角方向となるように複数個、複数段に積み重ねて固着したベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置である。図６に於いては、２段に積重ねているが、３段以上の複数段に積重ねることも可能である。
これにより、より多くの風を受けることができ、発電量が増加する。特に、風の向きが変化しやすい地域に設置する場合により多くの風を受けることができ、発電量が増加する。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、次のように利用することができる。
（１）当該ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置は、独立電源、補助電源、非常用電源、エコ教材、環境保護のシンボル、或いは、モニュメントとして、あらゆる用途が考えられる。具体的な設置場所としては．郊外住宅地、ビル・マンションの屋上、工場の敷地内、離島、山岳地帯、公園、学校公共施設などが挙げられる。
【００３０】
（２）使用用途としては無電源地の管理棟照明、工事現場の建物照明や夜間工事用注意喚起要器具への電源供給、また、パソコンや衛星通信等の電源としての用途がある。
（３）又、例えば、冬季間、利用されていない公園のトイレ等に、この風力発電機を使い水の電気分解を行う。冬季間の電気分解から得る水素を水素貯蔵装置にて有機ハイドライドとして貯蔵する。電気分解時の発熱よりお湯を作り、公園利用者に提供する。雪解けとともに貯蔵した有機ハイドライドを自動車に供給する。また、家庭用に燃料電池の水素供給にも利用できる。
【符号の説明】
【００３１】
１，２１，３１  ベルシェープ式クロスフロー・ダリウス方式複合型小型風力発電装置
２  クロスフロー風車
３  ダリウス風車
４  クロスフロー風車用発電機
５  ダリウス風車用発電機
６  保護枠
Ｃ  垂直軸心
【図１】
2012002069.tif 000003
【図２】
2012002069.tif 000004
【図３】
2012002069.tif 000005
【図４】
2012002069.tif 000006
【図５】
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【図６】
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