(57)【要約】【課題】複数の垂直軸型風車を備えた風力発電装置において、発電効率における風向きの影響を抑制することができる風力発電装置を提供する。【解決手段】風向きに対して交差して延びる軸線まわりに回転する回転軸１１を有する風車１０により発電部を回転駆動させて発電を行う風力発電装置１であり、複数の風車１０は円弧上に並んで配置されているため、直線上に並んで配置されている場合と比較して、風車１０を回転させる風の風向きが変化しても、風力発電装置１の全体における発電効率低下を抑制することができる。つまり、風車１０が円弧上に配置されていると、一の風車１０によって風の流れが乱れた領域に残りの全ての風車１０が配置されることがない。そのため、風力発電装置１の全体における発電効率低下を抑制することができる。【選択図】  図２
2012082774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風向きに対して交差して延びる軸線まわりに回転可能に支持された回転軸、および、該回転軸に取り付けられ、風を受けて前記回転軸まわりに回転して回転駆動力を発生する複数の羽根を少なくとも有する複数の風車と、
前記回転軸によって回転駆動されることにより電力を発生させる発電部と、
前記複数の風車における前記回転軸および前記複数の羽根を、前記中心軸線まわりに回転可能に支持する支持部と、が設けられ、
前記複数の風車は、円弧上に並んで配置されている風力発電装置。
【請求項２】
前記円弧上に配置された前記複数の風車の内、端部に配置された２台の前記風車をつなぐ直線方向から見て、
端部に配置された前記風車の前記回転軸と、端部に配置された前記風車に隣接する前記風車の前記回転軸との間の距離は、前記風車の直径以上である請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記支持部は、前記軸線に沿って延びる複数の柱状の支柱と、複数の支柱の間をつなぐ横桁と、を少なくとも有し、
前記軸線方向から見て、一つの前記風車を囲う台形の頂点に相当する位置に前記支柱が配置され、前記台形の辺に相当する位置に前記横桁が配置されている請求項１または２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記支持部は、土台の上面に配置されるとともに、円弧上に並んで配置された複数の前記風車を支持し、
前記支持部には、
前記複数の風車を支持する前記支持部における長手方向の両端に配置され、該両端を前記土台に対して移動可能に支持する移動部と、
前記移動部の間に配置され、前記土台の上面に対して垂直に延びる回転軸線まわりに前記支持部を回転可能に支持する支持回転部と、
前記支持部と前記土台との相対位置を固定する固定部と、
がさらに設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記支持部は、土台の上面に配置されるとともに、円弧上に並んで配置された複数の前記風車を支持し、
前記支持部には、
前記複数の風車を支持する前記支持部における長手方向の両端に配置され、該両端を前記土台に対して移動可能に支持する移動部と、
前記移動部の間に配置され、前記土台の上面に対して垂直に延びる回転軸線まわりに前記支持部を回転可能に支持する支持回転部と、
前記支持部を前記支持回転部まわりに移動させる駆動部と、
が設けられ、
前記複数の羽根を回転させる風の風向きを測定する風向測定部と、
前記駆動部に対して、前記風向測定部により測定された風向きに基づいて前記支持部を前記支持回転部まわりに移動させる制御信号を出力する制御部と、
がさらに設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の風力発電装置。
【請求項６】
請求項５記載の風力発電装置において、前記複数の風車を支持する前記支持部が複数配置され、
前記制御部は、前記風向測定部により測定された風向きにおける風上側に配置された前記支持部の前記駆動部に対して、前記風上側に配置された前記支持部に支持された前記複数の風車の内、風下側に配置された前記支持部側の端部に配置された前記風車が、前記風下側に配置された前記支持部に接近する方向に前記風上側の支持部を回転させる制御信号を出力する風力発電装置。
【請求項７】
風向きに対して交差して延びる軸線まわりに回転可能に支持された回転軸、および、該回転軸に取り付けられ、風を受けて前記回転軸まわりに回転して回転駆動力を発生する複数の羽根を少なくとも有する複数の風車と、
前記回転軸によって回転駆動されることにより電力を発生させる発電部と、
土台の上面に配置されるとともに、前記複数の風車における前記回転軸および前記複数の羽根を、前記中心軸線まわりに回転可能に支持する支持部と、が設けられ、
該支持部には、
前記支持部の両端に配置され、該両端を前記土台に対して移動可能に支持する移動部と、
前記移動部の間に配置され、前記土台の上面に対して垂直に延びる回転軸線まわりに前記支持部を回転可能に支持する支持回転部と、
前記支持部と前記土台との相対位置を固定する固定部と、
がさらに設けられている風力発電装置。
【請求項８】
風向きに対して交差して延びる軸線まわりに回転可能に支持された回転軸、および、該回転軸に取り付けられ、風を受けて前記回転軸まわりに回転して回転駆動力を発生する複数の羽根を少なくとも有する複数の風車と、
前記回転軸によって回転駆動されることにより電力を発生させる発電部と、
土台の上面に配置されるとともに、前記複数の風車における前記回転軸および前記複数の羽根を、前記中心軸線まわりに回転可能に支持する支持部と、が設けられた風力発電装置であって、
該支持部には、
前記複数の風車を支持する前記支持部における長手方向の両端に配置され、該両端を前記土台に対して移動可能に支持する移動部と、
前記移動部の間に配置され、前記土台の上面に対して垂直に延びる回転軸線まわりに前記支持部を回転可能に支持する支持回転部と、
前記支持部を前記支持回転部まわりに移動させる駆動部と、
が設けられ、
前記複数の羽根を回転させる風の風向きを測定する風向測定部と、
前記駆動部に対して、前記風向測定部により測定された風向きに基づいて前記支持部を前記支持回転部まわりに移動させる制御信号を出力する制御部と、
がさらに設けられ、
前記制御部は、前記風向測定部により測定された風向きにおける風上側に配置された前記支持部の前記駆動部に対して、前記風上側に配置された前記支持部に支持された前記複数の風車の内、風下側に配置された前記支持部側の端部に配置された前記風車が、前記風下側に配置された前記支持部に接近する方向に前記風上側の支持部を回転させる制御信号を出力する風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、垂直軸型風車により発電を行う風力発電装置であって、複数の垂直軸型風車を備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の地球環境問題に対する関心の高まりや、化石燃料の枯渇に対する懸念等から、再生可能エネルギを利用した電力の発電装置の開発が盛んになりつつある。その中でも、風力発電装置は、風のエネルギを電力に変換するものであり、太陽光発電装置、太陽熱発電装置、水力発電装置、地熱発電装置などと並んで、再生可能エネルギを利用した発電装置であり、発電時に二酸化炭素を排出しない発電装置として注目を浴びている。
【０００３】
風力発電装置においては、急速な普及に伴って発電の経済性が追求された結果、風力発電装置の大型化（大容量化）が進んでいる。風力発電装置によって大容量の発電を行う場合、一般的に、風力発電装置に設けられた風車の大型化が図られる。風車が大型化すると、風車を製造するために必要な技術が高度化するとともに、製造された風車の設置に伴う困難性も高くなる。このような問題を解決する方法として、比較的小型（低容量）の風力発電装置を集積して配置する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
特許文献１には、複数の水平軸型風車を垂直面内に並べて配置し、垂直方向に延びる回転軸まわりに、複数の水平軸型風車が配置された鋼製枠が回転可能とされた構成が開示されている。このようにすることで、比較的小型な水平軸型風車を複数集積させて全体として大容量の発電を行う風力発電装置とすることができる。さらに、鋼製枠が回転可能であることから、水平軸型風車は風力発電装置の発電効率が最も高くなる正面から風を受けることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−０５０１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献１に記載された風力発電装置は、風向きに対して回転軸を平行にして使用する水平軸型風車を用いているため、水平軸型風車を支持する鋼製枠の向きを風向きに合わせて常に制御する必要があるという問題がある。
【０００７】
上述の制御を行わない場合や、制御を間欠的に行う場合には、風車の回転軸と風向きとが平行にならない時間帯ができるため、水平軸型風車における風のエネルギを回転エネルギに変換する効率が低下するという問題、言い換えると、風力発電装置における発電効率が低下するという問題がある。
【０００８】
風向きに対して回転軸を平行にして使用する水平軸型風車に対して、回転軸を垂直にして使用する垂直軸型風車を用いると、鋼鉄製の枠の向きを風向きに合わせて常に制御する必要がなくなる。しかしながら、複数の垂直軸型風車を鋼鉄製の枠に配置する特許文献１に記載された配置方法の場合には、風下に配置された垂直軸型風車は、風上に配置された垂直軸型風車によって風が遮られるときがある。このようなとき、風下に配置された垂直軸型風車が発生する回転エネルギは低下し、風力発電装置全体における発電効率が低下するという問題がある。
【０００９】
このような状態を回避するためには、垂直軸型風車を用いた場合であっても、鋼製枠の向きを風向きに合わせて制御し、一の垂直軸型風車が他の垂直軸型風車の風下に隠れないようにする必要があり、風向きに合わせて風車の向きを変える必要がない垂直軸型風車の利点が失われるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、複数の垂直軸型風車を備えた風力発電装置において、発電効率における風向きの影響を抑制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する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の風力発電装置は、風向きに対して交差して、より好ましくは直交して延びる軸線まわりに回転する回転軸を有する風車、つまり垂直軸型風車により発電部を回転駆動させて発電を行うものであり、風車と発電部との組を複数備えるものである。複数の風車は円弧上に並んで配置されているため、直線上に並んで配置されている場合と比較して、風車を回転させる風の風向きが変化しても、風力発電装置の全体における発電効率低下を抑制することができる。つまり、風車が円弧上に配置されていると、一の風車によって風の流れが乱れた領域（以下、「風下領域」と表記する。）に残りの全ての風車が配置されることがない。
【００１２】
具体的には、複数の風車が直線上に並べて配置された場合には、風向きと当該直線とが平行となったときに、風力発電装置の全体における発電効率が最も低下する。それは、最も風上に配置された１台の風車のみが風を受けて回転し、残りの風車は、最も風上に配置された風車の風下領域に配置されて、風を受けることができないからである。
【００１３】
それに対して、複数の風車を円弧上に配置した場合には、当該円弧の弦と風向きとが平行となったときに、風を直接受ける風車の数が最も減ると考えられる。しかしながら、この場合でも、最も風上側に配置された風車と、その次に風上側に配置された風車の少なくとも一部とに風を受けることができるため、複数の風車が直線上に並べて配置された場合よりも、風力発電装置の全体における発電効率の低下を抑制できる。ここで、円弧の弦とは、円弧上に配置された複数の風車の内、端部に配置された２台の風車をつなぐ直線のことである。
【００１４】
さらに、円弧の弦方向から見て、端部の風車とそれに隣接する風車の間、つまり回転軸間の距離が、風車の直径以上とされているため、円弧の弦方向から見て、端部の風車とそれに隣接する風車が重ならない。言い換えると、端部の風車の風下領域に、隣接する風車が入らない。そのため、円弧の弦と風向きとが平行となった場合であっても、端部の風車とそれに隣接する風車は風を受けることができ、風力発電装置の発電効率における風向きの影響を抑制することができる。
【００１５】
風力発電装置を軸線方向、つまり上方から見て、支持部は、１台の風車を囲う台形の頂点に相当する位置に支柱を有し、当該台形の辺に相当する位置に横桁を有する。上記台形における上底を一方の側、下底を他方の側に統一して複数の上記台形を並べるようにして支持部を構成すると、支持部は多角形の一部を構成するように配置され、風車は円弧上に並んで配置される。
【００１６】
支持部を支持回転部まわりに回転移動可能に構成することにより、風の風向きが変わった場合に、支持回転部まわりに支持部を回転移動させて、支持部に支持されている複数の風車の全てに風を受けさせることができ、風力発電装置全体としての発電効率低下を抑制できる。支持部の回転移動は、風力発電装置のオペレータ等が人力で行い、固定部などにより支持部の位置を固定させてもよいし、支持部を回転移動させる駆動部を新たに設けて、風の風向きに合わせて制御部が駆動部に支持部を回転移動させる制御信号を出力するようにしてもよい。
【００１７】
支持部が複数配置されている場合には、風上側に配置された支持部の向きを、風下側に配置された支持部側の端部に配置された風車が、風下側に配置された支持部に接近する方向に回転させる、言い換えると風向きに対して斜めとすることにより、風を風下側に配置された支持部に誘導してもよい。このようにすることで、風下側に配置された支持部に支持された風車に、より多くの風が導かれるため、当該風車における発電量が増大する。ひいては、風力発電装置全体の発電効率向上を図ることができる。
【００１８】
具体的には、支持部および複数の風車は、風に対して抵抗を有するため、風上側に配置された支持部および複数の風車に吹き付けられた風は、支持部を吹き抜けて複数の風車を回転させるとともに、斜めに配置された支持部に沿う方向に風向きが変更される。風下側に配置された支持部および複数の風車には、風上側の支持部および複数の風車により風向きが変更された風がさらに吹き付けることになり、風下側に配置された風車による発電量が増大する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の風力発電装置および風力発電装置の制御方法によれば、複数の風車を円弧上に配置することにより、一の風車の風下領域に残りの全ての風車が配置されることがないため、発電効率における風向きの影響を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の構成を説明する模式図である。
【図２】図１の架台に支持された垂直軸型風車の配置を説明する模式図であって、架台を上方から見た図である。
【図３】図２の風力発電装置に対する風向きと、風下領域に入る垂直軸型風車の数との関係を説明する模式図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置の構成を説明する模式図である。
【図５】図４の架台の構成を説明する模式図であって、架台を下方から見た図である。
【図６】図４の風力発電装置を上方から見た模式図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る風力発電装置の構成を説明する模式図である。
【図８】図７の風力発電装置における向きの制御の一例を説明する模式図である。
【図９】図７の風力発電装置における向きの制御の他の例を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置１ついて図１から図３を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る風力発電装置１の構成を説明する模式図である。
【００２２】
本実施形態の風力発電装置１は、図１に示すように、垂直軸型風車（風車）１０および発電部２０の組合せを複数備えたものであり、出力がＭＷ級の大型水平軸型風車を用いた風力発電装置と比較して小型な（例えば、１台あたりの出力が数十ｋＷから十数ｋＷ程度の）垂直軸型風車１０および発電部２０の組合せを備えたものである。風力発電装置１には、垂直軸型風車１０と、発電部２０と、架台（支持部）３０と、が主に設けられている。
【００２３】
垂直軸型風車１０は、風を受けて回転駆動力を発生させるものであり、発電部２０に回転駆動力を供給するものである。垂直軸型風車１０には、図１に示すように、シャフト（回転軸）１１と、ブレード（羽根）１２と、アーム１３と、が主に設けられている。
【００２４】
シャフト１１は、垂直軸型風車１０の中心に配置されるものであり、柱状、より具体的には円柱状に形成されたものである。シャフト１１は、架台３０によって、その中心線である回転軸線まわりに回転可能に支持されており、シャフト１１を回転可能に支持する部材としては、ベアリングなど公知の軸受け部材を用いることができる。さらに、垂直軸型風車１０のシャフト１１は、その回転軸線が風の流れ方向に対して交差する方向、例えば垂直方向に延びて配置されている。本実施形態では、シャフト１１が鉛直方向に延びて配置された例に適用して説明する。
【００２５】
ブレード１２は、風を受けてシャフト１１を中心として回転する回転駆動力を発生させるものである。本実施形態では、ブレード１２は、直線状に延びて形成されるとともに断面が翼形、つまり直線翼状に形成された羽根である。ブレード１２は、シャフト１１の回転軸線を中心とした同一の円筒面周上に、等間隔に配置されている。さらに、ブレード１２は、翼形における正圧面がシャフト１１側を向き、負圧面がシャフト１１と反対側を向くように配置されている。本実施形態では、３つのブレード１２，１２，１２が１２０°間隔に配置されている例に適用して説明する。
【００２６】
さらに、１本のシャフト１１には、３つのブレード１２の組が２組、合計６つのブレード１２が配置されている。つまり、１本のシャフト１１を長手方向に２分割したうちの一方（シャフト１１の上側部分）に３つのブレード１２の組が配置され、他方（シャフト１１の下側部分）に他の３つのブレード１２の組が配置されている。
【００２７】
下側部分に配置されたブレード１２の組は、上側部分に配置されたブレード１２の組と対比して、ブレード１２が配置される位相（位置）が異なった状態でシャフト１１に取り付けられている。本実施形態では、下側部分に配置されたブレード１２の組は、上側部分に配置されたブレード１２の組と対比して、位相を６０°異ならせて配置されている。このようにすることで、垂直軸型風車１０の起動性を向上させることができる。つまり、風の吹く方向による垂直軸型風車１０における起動性のばらつきを抑えることができる。
【００２８】
アーム１３は、シャフト１１とブレード１２との間に配置された棒状の部材であって、シャフト１１の回転軸線を中心に放射状に配置された部材である。アーム１３は、シャフト１１に対してブレード１２を取り付けて固定するものであり、かつ、風を受けたブレード１２において発生した揚力や抗力などの力をシャフト１１に伝達するものである。１つのブレード１２に対して２本のアーム１３，１３が用いられ、アーム１３は、ブレード１２に対して、ブレード１２における上端側、および下端側に取り付けられ、シャフト１１に対して、上下方向（回転軸線方向）に位置をずらして取り付けられている。
【００２９】
発電部２０は、垂直軸型風車１０のシャフト１１によって回転駆動されることにより、電力を発生させるものである。発電部２０により発電された電力は、風力発電装置１とつながれた外部の系統に供給されて（売電して）もよいし、風力発電装置１が設置された地域において消費されてもよいし、さらに充電池などに蓄電されてもよく、特に限定するものではない。発電部２０には、シャフト１１の端部（下端）が回転駆動力の伝達が可能に接続されている。発電部２０とシャフト１１との間には、回転速度の増速または減速、あるいは、回転トルクの変換を行う複数のギアを組み合わせた変速部（図示せず）が設けられていてもよい。発電部２０としては、公知の発電機を用いてもよく、特に限定するものではない。
【００３０】
図２は、図１の架台３０には支持された垂直軸型風車１０の配置を説明する、架台３０を上方から見た図である。
架台３０は、図２に示すように、垂直軸型風車１０を円弧上に並ならべた状態で支持するものである。垂直軸型風車１０は、４つの垂直軸型風車１０のうち、両端に配置された２つの垂直軸型風車１０のシャフト１１を結ぶ直線と、内側に配置された２つの垂直軸型風車１０のシャフトを結ぶ直線との間の距離Ｌは、垂直軸型風車１０の直径（ブレード１２が回転する領域の直径）Ｄよりも大きくなるように配置さている。このように垂直軸型風車１０を配置することにより、風の風向にかかわらず、少なくとも２つの垂直軸型風車１０は、他の垂直軸型風車１０の風下領域に入ることなく風を受けて回転することができる。
【００３１】
架台３０は、図１および図２に示すように、少なくとも垂直軸型風車１０および発電部２０からなる組を、複数組、支持するであるとともに、垂直軸型風車１０および発電部２０の周囲を取り囲むトラス構造またはラーメン構造を有するものである。本実施形態では、４組の垂直軸型風車１０および発電部２０を水平方向に直線状に並べた状態で支持する架台３０の例に適用して説明する。架台３０には、支柱３１と、下方支持部３２と、上方支持部３３と、中央支持部３４と、横桁３５と、が主に設けられている。
【００３２】
支柱３１は、土台Ｂから架台３０の上端（本実施形態では地面から１１ｍ上方）まで、鉛直方向に延びて配置された柱状の部材であり、架台３０の外形を形成するものである。支柱３１は、垂直軸型風車１０および発電部２０の質量の大半を支えるものであり、地面から上方へ離れた位置で垂直軸型風車１０および発電部２０を支えるものである。支柱３１は柱状の部材であり、１つの垂直軸型風車１０および発電部２０の組を中心として四方に離れた４か所（上方から見て台形の頂点の位置）に配置されている。垂直軸型風車１０および発電部２０の組が隣接し、２本の支柱３１が重複する場所では、一方の支柱３１を省略して、残りの１本の支柱３１が共用される。
【００３３】
下方支持部３２は、支柱３１とともに垂直軸型風車１０および発電部２０の質量を支えるものである。下方支持部３２は、地面から所望の距離だけ上方に離れた位置（本実施形態では約２ｍ）において、４本の支柱３１の間を水平方向に延びて配置されるとともに、架台３０を上方から見て、４本の支柱３１を対角線状につなぐように配置された棒状の部材である。本実施形態では、下方支持部３２として、断面がＩ字状やＨ字状に形成された部材が用いられた例に適用して説明する。
【００３４】
上方支持部３３はシャフト１１の上端を回転可能に支持するものである。上方支持部３３は、支柱３１の上端近傍において、４本の支柱３１の間を水平方向に延びて配置されるとともに、架台３０を上方から見て、４本の支柱３１を対角線状につなぐように配置された棒状の部材である。
【００３５】
中央支持部３４はシャフト１１の中央部分を回転可能に支持するものである。中央支持部３４は、下方支持部３２と上方支持部３３との間であって、上下に並んで配置されたブレード１２の間において、４本の支柱３１の間を水平方向に延びて配置されるとともに、架台３０を上方から見て、４本の主支柱３１を対角線状につなぐように配置された棒状の部材である。上方支持部３３とシャフト１１の上端との間、および、中央支持部３４とシャフト１１との間には、シャフト１１を回転軸線まわりに回転可能に支持するベアリングなどの公知の軸受けが配置されている。
【００３６】
横桁３５は、隣接する支柱３１の間をつないで架台３０の強度を確保する部材である。横桁３５は、上方支持部３３および中央支持部３４が配置された高さにおいて、４本の支柱３１の間を水平方向に延びて配置されるとともに、４本の支柱３１を頂点とした台形の辺を形成するように配置された棒状の部材である。
【００３７】
次に、上記の構成からなる風力発電装置１における発電について説明する。
まず、風力発電装置１による発電について一般的な内容を説明する。図１に示すように、風力発電装置１の垂直軸型風車１０は、風を受けるとシャフト１１を中心として回転する。具体的には、垂直軸型風車１０のブレード１２は、風を受けることにより、揚力や抗力を発生してシャフト１１を中心として回転する。垂直軸型風車１０が回転し始めると、ブレード１２は風に加えて自らの回転による相対的な空気の流れを受けることにより、揚力や抗力を発生してシャフト１１を中心として回転する。
【００３８】
シャフト１１の回転は発電部２０に伝達され、発電部２０は伝達された回転駆動力を用いて発電を行う。発電部２０により発電された電力は、例えば、電圧、周波数などの安定化を図る系統連係部（図示せず）を介して、商用電力系統に供給、つまり売電される。その他にも、発電された電力を蓄電池に蓄電してもよいし、電力を消費する設備（例えば、工業設備や商業設備など）に供給してもよい。
【００３９】
次に、本実施形態の特徴である垂直軸型風車１０が円弧上に並んで配置されたことによる作用について図３を参照しながら説明する。図３は、図２の風力発電装置１に対する風向きと、風下領域に入る垂直軸型風車１０の数との関係を説明する模式図である。
【００４０】
図３におけるＡ１の角度範囲、および、Ａ２の角度範囲から風が吹いている場合には、それぞれの垂直軸型風車１０の下流領域に、他の垂直軸型風車１０が入らない。言い換えると、４つの垂直軸型風車１０の全てに、直接、風が当たる。その他のＡ３の角度範囲、および、Ａ４の角度範囲から風が吹いている場合には、風力発電装置１の全体として、１つまたは２つの垂直軸型風車１０が、他の垂直軸型風車１０の下流領域に入る。言い換えると、２つまたは３つの垂直軸型風車１０が、直接風を受ける。
【００４１】
例えば、外側に配置された２つの垂直軸型風車１０のシャフト１１をつなぐ直線方向、または、内側に配置された２つの垂直軸型風車１０のシャフト１１をつなぐ直線方向から風が吹いている場合（図３の上下方向から風が吹いている場合）、風上側に配置された外側の垂直軸型風車１０、および、風上側に配置された内側の垂直軸型風車１０は、直接風を受ける。
【００４２】
ここで、Ａ１の角度領域とＡ３の角度領域との間、および、Ａ１の角度領域とＡ４の角度領域との間を区画する直線Ｌ１は、外側に配置された垂直軸型風車１０と、それに隣接する内側の垂直軸型風車１０（図３の下半分を参照。）において、外側に配置された垂直軸型風車１０の下流領域に、内側の垂直軸型風車１０が入り始める風向きを示すものである。また、Ａ２の角度領域とＡ３の角度領域との間、および、Ａ２の角度領域とＡ４の角度領域との間を区画する直線Ｌ２は、外側に配置された垂直軸型風車１０と、それに隣接する内側の垂直軸型風車１０（図３の上半分を参照。）において、内側に配置された垂直軸型風車１０の下流領域に、外側の垂直軸型風車１０が入り始める風向きを示すものである。
【００４３】
上記の構成によれば、複数の垂直軸型風車１０は円弧上に並んで配置されているため、直線上に並んで配置されている場合と比較して、垂直軸型風車１０を回転させる風の風向きが変化しても、風力発電装置１の全体における発電効率低下を抑制することができる。つまり、垂直軸型風車１０が円弧上に配置されていると、一の垂直軸型風車１０の風下領域に残りの全ての垂直軸型風車１０が配置されることがないため、風力発電装置１の全体における発電効率低下を抑制することができる。
【００４４】
特に、本実施形態の風力発電装置１は、一年を通じて風の風向が大きく変化しない場所、具体的には、風向の変化が図３の角度範囲Ａ１や、角度範囲Ａ２の範囲内に収まる場所に設置されることにより、発電効率低下を効果的に抑制することができる。
【００４５】
例えば、複数の垂直軸型風車１０が直線上に並べて配置された場合には、風向きと当該直線とが平行となったときに、風力発電装置１の全体における発電効率が最も低下する。それは、最も風上に配置された１台の垂直軸型風車１０のみが風を受けて回転し、残りの垂直軸型風車１０は、最も風上に配置された垂直軸型風車１０の風下領域に配置されて、風を受けることができないからである。
【００４６】
それに対して、複数の垂直軸型風車１０を円弧上に配置した場合には、当該円弧の弦（両端に配置された垂直軸型風車１０のシャフト１１を結ぶ線）と風向きとが平行となったときに、風を直接受ける垂直軸型風車１０の数が最も減ると考えられる。しかしながら、この場合でも、最も風上側に配置された垂直軸型風車１０と、その次に風上側に配置された垂直軸型風車１０の少なくとも一部とに風を受けることができる（１つよりも多くの垂直軸型風車１０に風を受けることができる）ため、複数の垂直軸型風車１０が直線上に並べて配置された場合よりも、風力発電装置１の全体における発電効率の低下を抑制できる。
【００４７】
さらに、円弧の弦方向から見て、端部の垂直軸型風車１０とそれに隣接する垂直軸型風車１０の間、つまりシャフト１１間の距離Ｌが、垂直軸型風車１０の直径Ｄ以上とすることにより、円弧の弦方向から見て、端部に配置された外側の垂直軸型風車１０とそれに隣接する内側の垂直軸型風車１０が重ならない。言い換えると、外側の垂直軸型風車１０の風下領域に、隣接する内側の垂直軸型風車１０が入らない。そのため、円弧の弦と風向きとが平行となった場合であっても、端部の垂直軸型風車１０とそれに隣接する垂直軸型風車１０は風を受ける（２つの垂直軸型風車１０が風を直接受ける）ことができ、風力発電装置１の発電効率における風向きの影響を抑制することができる。
【００４８】
風力発電装置１を上方から見て、少なくとも、１台の垂直軸型風車１０を囲う台形の頂点に相当する位置に配置された支柱３１と、当該台形の辺に相当する位置に配置された横桁３５から架台３０を構成し、かつ、上記台形における上底を一方の側、下底を他方の側に統一して複数の上記台形を並べるようにして架台３０を構成すると、容易に、複数の垂直軸型風車１０を円弧上に並べて配置することができる。
【００４９】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図４から図６を参照して説明する。
本実施形態の風力発電装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、架台の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図４から図６を用いて架台の構成のみを説明し、その他の構成等の説明を省略する。
【００５０】
図４は、本実施形態に係る風力発電装置１０１の構成を説明する模式図であり、図５は、図４の架台１３０の構成を説明する模式図であって、架台１３０を下方から見た図である。本実施形態の風力発電装置１０１は、図４および図５に示すように、垂直軸型風車１０と、発電部２０と、架台（支持部）１３０と、が主に設けられている。
【００５１】
架台１３０には、図４および図５に示すように、支柱３１と、下方支持部３２と、上方支持部３３と、中央支持部３４と、横桁３５と、架台回転部（支持回転部）１３６と、移動部１３７と、固定部１３８と、が主に設けられている。
【００５２】
図６は、図４の風力発電装置１０１を上方から見た模式図である。
架台回転部１３６は、図４から図６に示すように、架台１３０から土台Ｂに向かって延びる円柱または円筒状の部材であり、回転移動する架台１３０の回転中心となる部材である。架台回転部１３６は架台１３０の水平方向における中央に配置された横桁３５の中ほどから土台Ｂに延びて配置されている。架台回転部１３６の下側の先端は、土台Ｂに埋め込まれた軸受け（図示せず）に、回転可能に嵌め込まれている。
【００５３】
移動部１３７は、図４および図５に示すように、支柱３１の下端に配置され、架台１３０を架台回転部１３６まわりに回転移動可能に支持するものである。本実施形態では、移動部１３７が、架台回転部１３６を中心とした円の周方向に回転移動する車輪である例に適用して説明する。土台Ｂには、図６に示すように、移動部１３７が転動する領域に、移動部１３７が容易に転がるように平らな転動面１３７Ａを設けてもよい。転動面１３７Ａは、架台回転部１３６が嵌め込まれる軸受け（図示せず）を中心とした同心円状に形成されたものである。本実施形態では、一つの転動面１３７Ａの上を一つの移動部１３７が移動する例に適用して説明するが、一つの幅が広い転動面１３７Ａの上を複数の移動部１３７が移動してもよく、特に限定するものではない。さらに、移動部１３７が回転移動する方向は、上述のように、架台回転部１３６を中心とした円の周方向のみに固定されていてもよいし、任意の方向に回転移動できるように構成されていてもよい。なお、図６では、説明を容易にするために外側の４つの転動面１３７Ａのみを図示し、その他の転動面１３７Ａの図示を省略している。
【００５４】
固定部１３８は、図５および図６に示すように、土台Ｂに設けられた固定穴１３８Ａとともに架台１３０の配置位置を固定するものである。固定部１３８は、架台１３０の両端に配置された柱状の部材であり、上方に引き上げられて土台Ｂから離間した位置、および、下方に降ろされて固定穴１３８Ａに挿入された位置の一方を選択して配置され、配置位置を一方から他方に、他方から一方に自由に変更できるものである。
【００５５】
固定穴１３８Ａは図６に示すように土台Ｂにおける固定部１３８と対応する位置に設けられた穴であって、架台回転部１３６が嵌め込まれる軸受け（図示せず）を中心とした円周上に離散して配置されたものである。本実施形態では固定穴１３８Ａが等間隔、例えば１５°間隔に配置された例に適用して説明する。なお、図６では、説明を容易にするために固定穴１３８Ａの一部（１／４周分）のみを図示しているが、固定穴１３８Ａは全周に設けられている。
【００５６】
次に、上記の構成からなる風力発電装置１０１における特徴について、図５および図６を参照しながら説明する。なお、風力発電装置１０１における発電については、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００５７】
本実施形態の風力発電装置１０１は、図５および図６に示すように、架台１３０が架台回転部１３６を中心として土台Ｂの上を回転移動する。具体的には、まず、風力発電装置１０１の操作者（オペレータ）等により、固定穴１３８Ａに差し込まれていた固定部１３８が、上方に引き上げて固定穴１３８Ａから抜かれる。その後、操作者が架台１３０を押す、又は、引っ張ることにより、架台１３０が架台回転部１３６を中心として、土台Ｂの上を回転移動する。このとき、移動部１３７は土台Ｂの転動面１３７Ａの上を転がりながら移動する。架台１３０が所望の向きになるまで回転移動すると、引き上げられていた固定部１３８を下方に引き下ろし、固定穴１３８Ａに差し込まれる。これにより、架台１３０の向きが固定される。
【００５８】
上記の構成によれば、風の風向きが変わった場合に、架台回転部１３６まわりに架台１３０を回転移動させることにより、風力発電装置１０１の全ての垂直軸型風車１０に風を受けさせることができ、風力発電装置１０１全体としての発電効率低下を抑制できる。架台１３０の回転移動を開始する目安としては、風力発電装置１０１が受けている風の風向が、図３の角度範囲Ａ１や、角度範囲Ａ２を超えて変化した場合を例示できる。さらに、回転移動後の架台１３０の向きの目安としては、風力発電装置１０１が受けている風の風向が、図３の角度範囲Ａ１や、角度範囲Ａ２の範囲内に収まる向きを例示できる。
【００５９】
本実施形態の風力発電装置１０１は、第１の実施形態の風力発電装置１とは異なり、風の風向が大きく変化する場所、具体的には図３の角度範囲Ａ１や、角度範囲Ａ２を超えて変化する場所に設置されても、発電効率低下を効果的に抑制することができる。
【００６０】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図７から図９を参照して説明する。
本実施形態の風力発電装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、風力発電装置の向きを変更する方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図７から図９を用いて風力発電装置の向きを変更する構成および方法についてのみを説明し、その他の構成等の説明を省略する。
【００６１】
図７は、本実施形態に係る風力発電装置の構成を説明する模式図である。図８は、図７の風力発電装置における向きの制御の一例を説明する模式図である。本実施形態の風力発電装置２０１は、図７に示すように、垂直軸型風車１０と、発電部２０と、架台（支持部）２３０と、風向測定部２４０と、制御部２５０と、が主に設けられている。さらに、風力発電装置２０１には、図８に示すように、３つの架台２３０が三角形を形成するように配置されている。なお、風力発電装置２０１に設けられる架台２３０の数は、複数であればよく、２つや、４つや、それ以上の数であってもよい。
【００６２】
架台２３０には、図７に示すように、支柱３１と、下方支持部３２と、上方支持部３３と、中央支持部３４と、横桁３５と、架台回転部１３６と、移動部１３７と、固定部１３８（図５参照。）と、駆動部２３８と、が主に設けられている。
【００６３】
駆動部２３８は、架台２３０を架台回転部１３６まわりに回転移動させるものである。駆動部２３８は制御部２５０から入力される制御信号に基づいて回転駆動されるモータであり、土台Ｂの上に設置されている。駆動部２３８において発生された回転駆動力を、歯車を介して架台回転部１３６に伝えることにより、架台回転部１３６とともに架台２３０は回転移動される。
【００６４】
風向測定部２４０は、風力発電装置２０１が受ける風の風向を測定するものであり、架台２３０の近傍などに配置されたものである。風向測定部２４０により測定された風の風向は、測定信号として制御部２５０に出力されている。風向測定部２４０としては、図７に示すように方向舵を有する風向計であってもよいし、その他の形式の風向計を用いてもよく、特に限定するものではない。
【００６５】
制御部２５０は、風向測定部２４０によって測定された風の風向に基づいて、架台２３０に向きを制御するものである。制御部２５０は、風向測定部２４０から入力された測定信号に基づいて、風力発電装置２０１における発電効率が最も高くなる架台２３０の向きを求め、求められた向きに架台２３０が向くように、駆動部２３８を駆動する制御信号を出力する。
【００６６】
次に、上記の構成からなる風力発電装置２０１における特徴について、図７および図８を参照しながら説明する。なお、風力発電装置２０１における発電については、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００６７】
風力発電装置２０１は、図７に示すように、風力発電装置２０１が受ける風の風向を風向測定部２４０により測定する。測定された風向は風向測定部２４０によって測定信号に変換され、制御部２５０に入力される。制御部２５０では、測定信号に基づいて、風力発電装置２０１における発電効率が最も高くなる架台２３０の向きを求める。発電効率が最も高くなる架台２３０の向きとしては、架台２３０に支持された垂直軸型風車１０の全てが、風を直接受けて回転する向きを挙げることができる。図８には、架台２３０に支持された両端の垂直軸型風車１０を結ぶ線が風の風向と直交するとともに、架台２３０における凹となる面が風上側に配置される向きが例示されている。
【００６８】
図９は、図７の風力発電装置における向きの制御の他の例を説明する模式図である。
制御部２５０は、架台２３０の向きを図８に示した方向に制御する他に、図９に示す向きに制御してもよい。つまり、風向測定部２４０により測定された風向における風下側（図９の下側）に配置された架台２３０に対しては、図８に示した方向と同じ方向に架台２３０の向きを変える制御を行う。その一方で、風上側（図９の上側）に配置された架台２３０に対しては、異なる制御を行う。
【００６９】
具体的には、制御部２５０は、風上側の架台２３０に対して、風下側の架台２３０側の端部に配置された垂直軸型風車１０が、風下側の架台２３０に接近する方向に回転させる制御を行う。図９には、架台２３０における凸となる面が風上側に配置される斜めの向きが例示されているが、凹となる面が風上側に配置される斜めの向きであってもよい。
【００７０】
さらに、架台２３０の向きを変える程度は、風上側の架台２３０における発電効率低下の抑制を重視する場合には、風向が図３に示す角度範囲Ａ１、または、角度範囲Ａ２に含まれる程度にとどめることが望ましい。後述する風下側の架台２３０に風を集める効果を高めることを重視する場合には、風向が図３に示す角度範囲Ａ３、または、角度範囲Ａ４に含まれる程度にまで風上側の架台２３０の向きを変えてもよい。
【００７１】
図９に示す向きに配置された風上側の架台２３０に吹き付けられた風は、架台２３０を吹きぬけて当該架台２３０に支持された垂直軸型風車１０を回転させる。それとともに、風上側の架台２３０およびこれに支持された垂直軸型風車１０における風に対する抵抗によって、風上側の架台２３０に向かう風の風向が、風の風向は風上側の架台２３０の斜めの傾きに沿う方向に曲げられる。
【００７２】
風下側に配置された架台２３０には、風上側の架台２３０によって誘導された風がさらに加わることにより、より強い風が吹きつけることになり、風下側に配置された架台２３０に支持された垂直軸型風車１０および発電部２０における発電量が増大する。ひいては、風力発電装置全体の発電効率向上を図ることができる。
【００７３】
なお、第２の実施形態や第３の実施形態では、第１の実施形態と同様に、４つの（複数の）垂直軸型風車１０が円弧上に並んで配置された例に適用して説明しているが、円弧上に並んで配置された場合と同様の効果を奏することができるため、垂直軸型風車１０は直線上に並んで配置されていてもよく、特に限定するものではない。
【符号の説明】
【００７４】
１，１０１，２０１…風力発電装置，１０…垂直軸型風車（風車），２０…発電部，３０，１３０，２３０…架台（支持部），１１…シャフト（回転軸），１２…ブレード（羽根），３１…支柱，３５…横桁，１３６…架台回転部（支持回転部），１３７…移動部，１３８…固定部，２３８…駆動部，２４０…風向測定部，２５０…制御部
【図１】
2012082774.tif 000003
【図２】
2012082774.tif 000004
【図３】
2012082774.tif 000005
【図４】
2012082774.tif 000006
【図５】
2012082774.tif 000007
【図６】
2012082774.tif 000008
【図７】
2012082774.tif 000009
【図８】
2012082774.tif 000010
【図９】
2012082774.tif 000011