(57)【要約】【課題】  垂直軸型風力発電装置において、スタートアップ性能を維持又は向上しながら、且つ発電量を増加することのできる垂直軸型風力発電装置を提供する。【解決手段】  風車と発電装置を有しており、前記風車が鉛直方向に延伸した回転軸と、前記回転軸から外周方向に延伸した少なくとも１つのアームと、前記アームに固定した少なくとも１つの羽根を有した垂直軸型風力発電装置において、前記垂直軸型風力発電装置１が、少なくとも第１風車１０及び第２風車２０を有しており、前記第１風車１０及び前記第２風車２０が、異なる回転半径を有し且つ独立して回転する。【選択図】図１
2012077620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車と発電装置を有しており、前記風車が鉛直方向に延伸した回転軸と、前記回転軸から外周方向に延伸した少なくとも１つのアームと、前記アームに固定した少なくとも１つの羽根を有した垂直軸型風力発電装置において、
前記垂直軸型風力発電装置が、少なくとも第１風車及び第２風車を有しており、前記第１風車及び前記第２風車が、異なる回転半径を有し且つ独立して回転することを特徴とする垂直軸型風力発電装置。
【請求項２】
前記第１風車が、第１回転軸と、前記第１回転軸に第１アームを介して設置した第１羽根を有しており、前記第２風車が、第２回転軸と、前記第２回転軸に第２アームを介して設置した第２羽根を有しており、前記第１アームと前記第２アームの長さが異なることを特徴とする請求項１に記載の垂直軸型風力発電装置。
【請求項３】
前記第１回転軸及び前記第２回転軸が、共通する中心軸を有した多重管構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直軸型風力発電装置。
【請求項４】
互いに独立して回転する前記第１回転軸及び前記第２回転軸の回転力を、前記発電装置が合成し、発電を行なう構成を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の垂直軸型風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直な回転軸を有する風車を利用した、垂直軸型風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電の装置として、垂直軸型風車又は水平軸型風車と、発電装置を組み合わせた風力発電装置が利用されている（例えば特許文献１及び２参照）。図７に垂直軸型風力発電装置の１例を示す。この垂直軸型風力発電装置１Ｘは、発電装置２Ｘと風車１０Ｘを有している。風車１０Ｘは、発電装置２Ｘに連結した回転軸３Ｘと、回転軸３Ｘから水平方向に延伸したアーム４Ｘと、アーム４Ｘに固定した羽根５Ｘを有している。一般的な垂直軸型風力発電装置は、羽根の長さｈが３．０ｍ、幅Ｄが０．３ｍ、アーム４Ｘの水平方向の長さｒが１．５ｍ程度の大きさである。
【０００３】
次に、垂直軸型風力発電装置１Ｘの動作について説明する。風車１０Ｘは羽根５Ｘに風を受けて図７の矢印に示す様に回転を開始する。風車１０Ｘは、例えば風速１．０ｍ／ｓ程度の風で回転を開始する（スタートアップという）。そして風速２．０ｍ／ｓ以上になったときに、発電装置２Ｘによる発電を開始する（カットインという）。この垂直軸型風力発電装置１Ｘは、風速１２ｍ／ｓで３ｋｗ程度の発電を行なうことができる。
【０００４】
この垂直軸型の風車１０Ｘは、以下の特徴を有している。水平軸型の風車に比べスタートアップに必要な風速が小さい（スタートアップ性能が高い）。そのため、微風であっても風車が回転し、且つ発電を開始することができる。また、水平軸型の風車に比べ、回転軸３Ｘの回転数が小さいため、騒音を防止することができる。なお、回転軸３Ｘの回転速度の理想理論値は、垂直軸型の風車が風速の１．７倍程度、水平軸型の風車が風速の７．０倍程度である。
【０００５】
上記の垂直軸型風力発電装置１Ｘは、垂直軸型の風車のメリットであるスタートアップ性能を維持しながら、発電量を増加させることが困難であるという問題を有している。ここで、発電量を増加するためには、回転軸３Ｘの回転数を上げ、回転トルクを大きくする必要がある。これは、風車１０Ｘの羽根５Ｘの枚数を増加することにより実現できる。他方で、羽根５Ｘの枚数を増加すると、スタートアップ性能が著しく低下する。つまり、スタートアップ性能の維持と、発電量の増加を同時に実現することが困難であった。
【０００６】
例えば、２枚羽根の風車と、４枚羽根の風車を比較すると、２枚羽根の風車の方が停止状態から回転を開始しやすい（スタートアップ性能が高い）。また、４枚羽根の風車の方が、回転状態において高回転、高トルクとなる（発電量が多い）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２６１２８８号公報
【特許文献２】特開２００５−２８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、垂直軸型風力発電装置において、スタートアップ性能を維持又は向上しながら、且つ発電量を増加することのできる垂直軸型風力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明に係る垂直軸型風力発電装置は、風車と発電装置を有しており、前記風車が鉛直方向に延伸した回転軸と、前記回転軸から外周方向に延伸した少なくとも１つのアームと、前記アームに固定した少なくとも１つの羽根を有した垂直軸型風力発電装置において、前記垂直軸型風力発電装置が、少なくとも第１風車及び第２風車を有しており、前記第１風車及び前記第２風車が、異なる回転半径を有し且つ独立して回転することを特徴とする。この構成により、スタートアップ性能を維持又は向上しながら、発電量を増加することができる。
【００１０】
上記の垂直軸型風力発電装置において、前記第１風車が、第１回転軸と、前記第１回転軸に第１アームを介して設置した第１羽根を有しており、前記第２風車が、第２回転軸と、前記第２回転軸に第２アームを介して設置した第２羽根を有しており、前記第１アームと前記第２アームの長さが異なることを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。
【００１１】
上記の垂直軸型風力発電装置において、前記第１回転軸及び前記第２回転軸が、共通する中心軸を有した多重管構造を有することを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。
【００１２】
上記の垂直軸型風力発電装置において、互いに独立して回転する前記第１回転軸及び前記第２回転軸の回転力を、前記発電装置が合成し、発電を行なう構成を有することを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る垂直軸型風力発電装置によれば、スタートアップ性能を維持又は向上しながら、且つ発電量を増加することのできる垂直軸型風力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る実施の形態の垂直軸型風力発電装置を示した斜視図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の垂直軸型風力発電装置を示した平面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の垂直軸型風力発電装置の発電装置を示した部分断面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の垂直軸型風力発電装置の発電装置を示した部分断面図である。
【図５】本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置を示した正面図である。
【図６】本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置を示した正面図である。
【図７】従来の垂直軸型風力発電装置を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る実施の形態の垂直軸型風力発電装置について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る実施の形態の垂直軸型風力発電装置１を示す。垂直軸型風力発電装置１は、第１風車１０と第２風車２０と、発電装置２を有している。第１風車１０は、第１回転軸１３と、第１回転軸１３に第１アーム１４を介して設置した第１羽根１５を有している。同様に、第２風車２０は、第２回転軸２３と、第２回転軸２３に第２アーム２４を介して設置した第２羽根２５を有している。第１風車１０と第２風車２０は、異なる回転半径を有しており、それぞれ独立して回転するように構成している。つまり、例えば、第１アーム１４に比べて、第２アーム２４を長く形成している。そのため、第
１羽根１５と第２羽根２５は、互いに干渉せず、独立して回転することができる。なお、図１には、第１風車１０及び第２風車２０の羽根１５、２５を１枚ずつ図示しているが、１枚ずつでもよく、望ましくは２枚ずつ設置する。
【００１６】
次に、垂直軸型風力発電装置１の動作について説明する。第１風車１０及び第２風車２０が停止した状態から、微風を受けると、まず第１風車１０が回転を開始する（スタートアップ）。これは、第１風車１０の第１アーム１４が短い（回転半径が小さい）ため、風を受けて回転しやすいためである（スタートアップ性能が高い）。その後、第２風車２０が回転を開始する。第１風車１０及び第２風車２０がそれぞれ独立して回転し、予め定めた回転速度となったときに発電を開始する（カットイン）。このとき、発電装置２は、第１風車１０及び第２風車２０の回転力の合力により回転し、発電を行なうように構成している。
【００１７】
上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、垂直軸型の風車のメリットであるスタートアップ性能を維持しながら、発電量を増加することができる。つまり、第１風車１０及び第２風車２０の羽根１５、２５の枚数をそれぞれ２枚ずつとすると、スタートアップ性能が高いため、風速１．０ｍ／ｓ以下の微風でも回転を開始することができる。
【００１８】
第２に、スタートアップ性能を低下させることなく、発電量を増加することができる。これは、発電装置２が、第１風車１０及び第２風車２０の回転力の合力をエネルギーとして受けるためである。なお、このエネルギーは、従来に比べ２倍近いエネルギーとなる。
【００１９】
図２に、垂直軸型風力発電装置１の平面図を示す。この垂直軸型風力発電装置１は、第１アーム１４に比べて、第２アーム２４を長く形成している。そして、第１回転軸１３と第２回転軸２３は、独立して回転する。そのため、第１羽根１５と第２羽根２５は互いに干渉せず、独立して回転する。なお、Ｆ１は第１羽根が通過する第１領域を示し、Ｆ２は第２羽根が通過する第２領域を示す。
【００２０】
また、図２には、第１風車１０及び第２風車２０の羽根１５、２５の枚数をそれぞれ２枚ずつとしているが、３枚ずつ又はそれ以上とすることもできる。これは、垂直軸型風力発電装置１を設置する場所の平均風速等を考慮して適切に設計することができる。
【００２１】
図３に、発電装置の１例の部分断面図を示す。発電装置２は、第１発電軸１７及び第２発電軸２７を回転可能に支持した発電器６を有している。この発電装置２は、第１回転軸１３の回転力が、第１ベルト１６を介して第１発電軸１７に伝達するように構成している。同様に、発電装置２は、第２回転軸２３の回転力が、第２ベルト２６を介して第２発電軸２７に伝達するように構成している。
【００２２】
次に、発電装置２の動作について説明する。まず、第１回転軸１３が、風の力により回転する。この回転力は、第１ベルト１６及び第１発電軸１７を介して、発電器６に伝達され、電気に変換される。第１発電軸１７及び第２発電軸２７に伝達された回転力は、例えば、ワンウェイクラッチ等を介して合成される。
【００２３】
この第１発電軸１７と第２発電軸２７を、ワンウェイクラッチを介して連結し、回転力を合成する構成について説明する。風力発電装置１の始動時には、第１風車１０の回転開始に伴い、第１発電軸１７が回転を開始する。このとき、ワンウェイクラッチは空転状態となるように構成している。つまり、第２発電軸２７は停止した状態となる。風速が上昇し、第２風車２０の回転に伴い、第２発電軸２７が第１階転じ行く１７の回転数を上回った場合、ワンウェイクラッチは、かみ合い状態となるように構成している。つまり、第１
発電軸１７及び第２発電軸２７の回転力が、ワンウェイクラッチを介して合成され、発電器６に伝達される。このとき、第１風車１０及び第２風車２０は、見かけ上、一体の風車として回転するため、発電器６は高いトルクを得ることができる。
【００２４】
また、ワンウェイクラッチに、トルクリミッタ等の制御機構を付加し、空転状態とかみ合い状態を任意に制御するように構成してもよい。更に、歯車等を利用し、第１発電軸１７及び第２発電軸２７の回転数及び回転トルクを設定してもよい。この構成により、例えば、第１風車１０の回転数に比べ、第２風車２０の回転数が小さい場合であっても、第１発電軸１７及び第２発電軸２７で回転力が合成され発電器６に伝達することが可能となる。
【００２５】
上記のように、第１風車１０と第２風車２０の回転力は、既知の機構を利用して、合成することができる。他にも、遊星歯車を利用することもできる。例えば、第１回転軸１３を遊星ギアに連結し、第２回転軸２３を太陽ギアに連結し、発電器６にリングギアを固定して構成することができる。このとき、第１発電軸１７又は第２発電軸２７が、遊星歯車との連結をクラッチ等で解除できる構成を有していることが望ましい。
【００２６】
なお、ワンウェイクラッチ等の回転力を合成する機構を、第１及び第２発電軸１７、２７に設置する構成について説明したが、この機構を第１及び第２回転軸１３、２３に設置する構成としてもよい。また、第１ベルト１６及び第２ベルト２６は、回転軸１３、２３の回転力を、発電軸１７、２７に伝達できる構成であればよい。例えば、歯車等を利用することもできる。
【００２７】
上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、第１風車１０及び第２風車２０が独立して回転する構成により、風車１０、２０のスタートアップ性能を維持又は向上することができる。
【００２８】
第２に、独立して回転する第１風車１０及び第２風車２０の回転力を、合成して発電器６に伝達する構成により、発電量を増加することができる。
【００２９】
図４に、異なる実施例の発電装置２Ａの部分断面図を示す。発電装置２Ａは、発電器６Ａを第１回転軸１３Ａに固定し、第２発電軸２７Ａを第２回転軸２３Ａに固定している。更に、第１風車１０及び第２風車２０が互いに逆方向に回転するように構成している。
【００３０】
次に、発電装置２Ａの動作について説明する。第１風車１０及び第２風車２０が風を受けて、互いに逆方向に回転を開始する。第１回転軸１３Ａが発電器６Ａ自体を一方向に回転させ、第２回転軸２３Ａが第２発電軸２７Ａを逆方向に回転させる。ここで、発電器６Ａに対する第２発電軸２７Ａの相対速度は、第１及び第２風車１０、２０の回転速度の合成値となる。
【００３１】
上記の構成により以下の作用効果を得ることができる。第１に、発電器６Ａの第２発電軸２７Ａを従来の約２倍の速度で回転することができるため、発電量を増加することができる。第２に、発電装置２Ａを、風車の回転軸上に設置できるため、垂直軸型風力発電装置をコンパクトに設計することができる。
【００３２】
図５に、本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置１Ｂを示す。この風力発電装置１Ｂは、第１風車１０Ｂ及び第２風車２０Ｂに加えて、回転半径の異なる第３風車３０Ｂを有している。この風力発電装置１Ｂは、第１乃至第３の風車１０Ｂ、２０Ｂ、３０Ｂがそれぞれ独立して回転するため、スタートアップ性能を維持又は向上しながら、発電量を増加することができる。
【００３３】
ここで、各風車１０Ｂ、２０Ｂ、３０Ｂの羽根１５、２５、３５は、一部が互いの影になるように構成している。この重なりにより、通過する風から効率的にエネルギーを取出すことができる。なお、羽根１５、２５、３５が重ならないとしても、本発明の作用効果を十分に得ることができる。
【００３４】
図６に、本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置１Ｃを示す。この風力発電装置１Ｃは、第１風車１０Ｃ及び第２風車２０Ｃに加えて、回転半径が第２風車２０Ｃよりも小さい第３風車３０Ｃを有している。
【００３５】
ここで、図５及び６に、第１乃至３の風車を有する実施例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、４つ以上の風車を独立して回転するように構成しても、同様の作用効果を得ることができる。また、複数ある風車の内、いくつかを連動して回転するように構成してもよい。加えて、スタートアップ性能の更なる向上を実現するために、発電器６をモータとして使用して風車に初動を与える構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１     垂直軸型風力発電装置
２     発電装置
３     回転軸
４     アーム
５     羽根
１０   第１風車
１３   第１回転軸
１４   第１アーム
１５   第１羽根
２０   第２風車
２３   第２回転軸
２４   第２アーム
２５   第２羽根
【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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