(57)【要約】【課題】  垂直主軸を持つ風力発電用の風車において、少ない風力エネルギーでも翼を回転させ得る風力発電用の風車および風力発電機を提供する。【解決手段】  この風力発電用の風車は、垂直主軸２２を持つ風力発電用の風車である。この風車は、軸心回りに回転自在に設けられる垂直主軸２２と、この垂直主軸２２に一体に設けられる支持体２３と、垂直主軸２２に支持体２３を介して連結され風を受けて前記軸心と同心の軸心回りに回転する翼２４とを備える。上下方向に延びる複数枚の翼２４が、垂直主軸２２から離れて垂直主軸２２の周囲に設けられる。各翼２４は、この風車が地球の北半球に設置された場合に、平面視で反時計回りＲ１に回転する回転力を風力で発生する断面形状である。各翼２４をコリオリ力を利用して前記反時計回りＲ１に回転させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直主軸を持つ風力発電用の風車であって、上下方向に延びる複数枚の翼が、前記垂直主軸から離れて前記垂直主軸の周囲に設けられ、前記各翼は、この風車が地球の北半球に設置された場合に、平面視で反時計回りに回転する回転力を風力で発生する断面形状であることを特徴とする風力発電用の風車。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電用の風車において、前記風車が直線翼垂直軸型風車である風力発電用の風車。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の風車と、この風車により駆動される発電機とを備える風力発電機。
【請求項４】
請求項３に記載の風力発電機において、前記発電機は、出力巻線が巻かれた出力鉄心と、主界磁巻線および副界磁巻線が巻かれた界磁鉄心とのいずれか一方がステータとなり、他方がロータとなり、前記各界磁巻線に整流手段が接続され、前記翼が回転し前記ステータとロータとが相対回転することにより発電電力を得る自励式であって、発電の初期励磁に必要な程度の磁力を生じさせる初期励磁手段を有する風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、垂直主軸を持つ風力発電用の風車および風力発電機に関し、少ない風力エネルギーでも翼を回転させ得る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直主軸を持つ垂直軸式風力発電機が提案されている（特許文献１）。
垂直軸式発電用の風車は、例えば低速風でもある程度の回転速度が得られて効率良く発電できるように、翼の形状や枚数等が設計されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１８３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の垂直軸式風力発電用の風車において、翼の回転方向に関して規定されておらず、平面視で時計回り（右回り）が基準であった。一方、垂直軸式風力発電用の風車において、低速風でも回転できる特長をより一層効果的とするために、より少ない風力エネルギーでも翼を回転させ得る技術が所望されていた。
【０００５】
この発明の目的は、垂直主軸を持つ発電用の風車において、少ない風力エネルギーでも翼を回転させ得る風力発電用の風車および風力発電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の風力発電用の風車は、垂直主軸を持つ風力発電用の風車であって、上下方向に延びる複数枚の翼が、前記垂直主軸から離れて前記垂直主軸の周囲に設けられ、前記各翼は、この風車が地球の北半球に設置された場合に、平面視で反時計回りに回転する回転力を風力で発生する断面形状であることを特徴とする。
【０００７】
小型風力発電機の開発の過程において、翼の回転方向を特定方向に規定することで、少ない風のエネルギーでも翼が回転することが判明した。具体的には、北半球における日本国において、垂直軸型風車の上下方向に延びる翼の方向を上下反転させて主軸に取付けることにより確認したところ、右回りに比べ左回りが同じ条件下で良く回転した。北半球では、地球の自転により台風や渦潮および排水口の渦までも全て左回り（反時計回り）である。これは、地球の自転よるコリオリ力が作用しているためであると考えられる。一方、風車は、その翼の断面形状によって、翼が風を受けるとその翼の両面を流れる空気の流速差から生じる揚力に基づき回転方向が定まる。
この構成の風車によると、北半球に設置された場合に、各翼が平面視で反時計回りに回転する回転力を風力で発生する断面形状であるため、従来の時計回りの翼を持つ垂直軸式風力発電用の風車に対し、地球の自転により生じる作用を効果的に利用して回転抵抗を減らし、同じ条件下で多く翼を回転させることができる。したがって、垂直主軸を持つ発電用の風車を用いて、より少ない風のエネルギーから発電を行うことができる。
【０００８】
前記風車が直線翼垂直軸型風車であっても良い。この場合、翼に作用する揚力と抗力との比を高めることができる。また高い周速比で大きなトルクを得ることができる。
この発明の風力発電機は、この発明におけるいずれかの風車と、この風車により駆動される発電機とを備える。この構成によると、より少ない風のエネルギーから発電を行うことができるため、従来、設置が見送られてきたような場所に、この風力発電機を設置することが可能となる。
【０００９】
前記発電機は、出力巻線が巻かれた出力鉄心と、主界磁巻線および副界磁巻線が巻かれた界磁鉄心とのいずれか一方がステータとなり、他方がロータとなり、前記各界磁巻線に整流手段が接続され、前記翼が回転し前記ステータとロータとが相対回転することにより発電電力を得る自励式であって、発電の初期励磁に必要な程度の磁力を生じさせる初期励磁手段を有するものとしても良い。この場合、主界磁巻線を用いて励磁を行う自励式であるため、通常の発電用の永久磁石や、外部からの他励のための給電を行う外部電源を必要とせずに発電が行える。自励式発電機では、通常の回転時は外部からの励磁は不要とするが回転の開始時は、若干の励磁が必要である。初期励磁手段は、このような発電の初期励磁に必要な程度の磁力を生じさせるものであるため、通常の、つまり常時の発電電力を得るための磁力は不要である。したがって、コギングトルクは実用上で問題とならない程度となり、小さなトルクでロータを回転させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の発電用の風車は、垂直主軸を持つ風力発電用の風車であって、上下方向に延びる複数枚の翼が、前記垂直主軸から離れて前記垂直主軸の周囲に設けられ、前記各翼は、この風車が地球の北半球に設置された場合に、平面視で反時計回りに回転する回転力を風力で発生する断面形状であるため、少ない風力エネルギーでも翼を回転させ得る。
この発明の風力発電機は、この発明のいずれかの風車と、この風車により駆動される発電機とを備えるため、少ない風力エネルギーでも翼を回転させ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施形態に係る風力発電用の風車の破断平面図である。
【図２】同風車の正面図である。
【図３】（Ａ）は同風車の翼の正面図、（Ｂ）は図３（Ａ）のIIIB - IIIB線断面図である。
【図４】図３（Ｂ）のIV-IV線断面図である。
【図５】この発明の実施形態に係る発電機の発電機本体の破断正面図と回路図とを組み合わせた説明図である。
【図６】同発電機本体を直線状に展開して示す説明図である。
【図７】同発電機本体の電気回路構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
この発明の実施形態に係る風力発電用の風車および風力発電機を図１ないし図４と共に説明する。図１は、この実施形態に係る風力発電用の風車１８の破断平面図である。図２はこの風車１８の正面図である。この風車１８は、翼２４が上下方向に延びるいわゆる直線翼垂直軸型風車である。この風車１８は北半球に設置されるものである。図１および図２に示すように、風力発電機１９は、風車１８と、この風車１８により駆動される発電機２６（後述する）とを備える。風車１８は、支持板体２０、枠体２１、垂直主軸２２、支持体２３、翼２４、および基台２５を有する。支持板体２０は、接地面に載置される平板状の板体であって、この支持板体２０の上面に基台２５が設置されている。この基台２５の内部には、後述する発電機２６が設けられている。
【００１３】
枠体２１は、支持板体２０から上方に延びる複数（この例では４本）の支柱２１ａと、これら支柱２１ａを水平方向に連結する複数の連結部材２１ｂと、複数の架設部材２１ｃとを有する。これら連結部材２１ｂは、隣接する支柱２１ａの上端部同士を互いに連結する上段の複数の連結部材２１ｂと、隣接する支柱２１ａの下端付近部を互いに連結する下段の複数の連結部材２１ｂとを含む。上段（図２の上側）の連結部材２１ｂのうち定められた連結部材２１ｂと、この連結部材２１ｂに対向する連結部材２１ｂとにわたって架設部材２１ｃが架設されている。また下段（図２下側）の連結部材２１ｂのうち定められた連結部材２１ｂと、この連結部材２１ｂに対向する連結部材２１ｂとにわたって架設部材２１ｃが架設されている。
【００１４】
各架設部材２１ｃの長手方向中間部に、それぞれ軸受２７を介して垂直主軸２２が回転自在に支持されている。垂直主軸２２は上下方向に延び、この垂直主軸２２の下端部が、基台２５の内部に繋がっている。垂直主軸２２の長手方向中間付近部から複数の支持体２３がそれぞれ半径方向外方に延びるように設けられている。これら支持体２３は、例えば、この風車の正面視において平行で、且つ、同風車の平面視において同位相となるように設けられている。
【００１５】
複数の支持体２３における両側の先端部には、それぞれ翼２４が設けられている。この例では、上下の支持体２３，２３の一端部に一枚の翼２４が連結され、上下の支持体２３，２３の他端部に他の一枚の翼２４が連結されている。これら翼２４，２４は、垂直主軸２２を中心として１８０度位相の異なる位置に設けられる。各翼２４は、上下方向に沿って延び、枠体２１内において同枠体２１に干渉しないように設けられる。各翼２４は、様々な方向からの風を受けて垂直主軸２２の軸心Ｌ１回りに回転する。
【００１６】
図３（Ａ）はこの風車の翼２４の正面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のIIIB - IIIB線断面図である。図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、翼２４は、ストレート部２８と翼先端部２９，２９とを有する。ストレート部２８は、垂直主軸２２（図２）と平行に延び、且つ、図３（Ａ）に示す正面視で上下方向のいずれの位置においても同一幅を成す。またストレート部２８は、図３（Ｂ）に示すように、上下方向のいずれの位置においても同一の厚みに形成される。
【００１７】
図２および図３に示すように、翼先端部２９は、この翼先端部２９を前記軸心Ｌ１を含む平面で切断して見た断面が、基端から先端に向かうに従って垂直主軸Ｌ１側に至るように傾斜した断面形状としている。この翼先端部２９は、図３（Ａ）に示すように、基端から先端に向かうに従って幅狭となる先細形状としている。また翼先端部２９は、図３（Ｂ）に示すように、基端から先端に向かうに従って薄肉となる厚みに形成される。
【００１８】
図４は、図３（Ｂ）のIV-IV線断面図である。
図１および図４に示すように、複数（この例では２枚）の翼２４は、風向きにかかわらず回転方向を特定方向（図１矢符Ｒ１で表す反時計回り）に規定する断面形状としている。つまり複数の翼２４は、それぞれ垂直主軸２２の軸心Ｌ１に垂直な平面で切断して見た断面が翼２４の回転方向に対し非対称で、且つ、同断面にて厚肉側となる部分（同図４下側部分）を各翼２４の回転方向先端としている。さらに各翼２４のストレート部２８の外側面２８ａを半径方向外方に凸となる湾曲面とし、各翼２４のストレート部２８の内側面２８ｂの大部分を平坦面２８ｂａとしている。
【００１９】
なお内側面２８ｂの大部分を平坦面２８ｂａとする代わりに、内側面２８ｂを外側面２８ａよりも曲率半径の大きい湾曲面としても良い。ストレート部２８の内側面２８ｂにおける、外側面２８ａの円周方向一端（図４下側）との繋ぎ部は円弧面２８ｂｂを成す。この円弧面２８ｂｂと平坦面２８ｂａとの繋ぎ部は段差なく滑らかに続くように形成されている。
【００２０】
ストレート部２８の内側面２８ｂと、外側面２８ａの円周方向他端（図４上側）との繋ぎ部は、鋭角となる角部に形成されている。ストレート部２８の内側面２８ｂにおける平坦面２８ｂａのうち円弧面２８ｂｂ寄りの部分に、支持体２３の先端部が連結されている。前記平坦面２８ｂａは、支持体２３の長手方向に対し垂直な平面を成し、この垂直な平面が上下方向に沿って延びる。
【００２１】
このような翼２４が風を受けると、内側面２８ｂに沿う流速よりも外側面２８ａに沿う流速が速く、翼周りの圧力分布は外側面２８ａの負圧が大きくなる。よって翼全体として内側面側から外側面側への揚力Ｌが発生する。図４に示すように、ここで翼２４の回転で生じる相対風速ｖと風速Ｕとの合成風速Ｗによって翼に発生する揚力をＬとする。そうすると、揚力Ｌと効力Ｄのｔ方向の合成成分（Ｌｔ−Ｄｔ）が翼２４の回転方向の力となる。
【００２２】
風向きにかかわらず回転方向を反時計回りに規定した前述の複数の翼２４を備える風車１８を北半球に設置した場合、従来の時計回りの翼を持つ垂直軸式風力発電用の風車に対し、地球の自転により生じるコリオリ力を効果的に利用して回転抵抗を減らし、同じ条件下で多く翼２４を回転させることができる。したがって、垂直主軸２２を持つ発電用の風車１８を用いて、より少ない風のエネルギーから発電を行うことができる。
風力１８は直線翼垂直軸型風車であるため、翼２４に作用する揚力と抗力との比を高めることができる。また高い周速比で大きなトルクを得ることができる。
【００２３】
発電機２６について図５ないし図７と共に説明する。
基台２５（図２）の内部には、垂直主軸２２（図２）の回転により後述のロータ５を回転させ発電を行う発電機２６が設けられている。図５は、発電機２６の発電機本体１の破断正面図と回路図とを組み合わせた説明図である。同図５において、発電機２６の発電機本体１は、環状のステータ４と、このステータ４の内側にステータ４の中心周りで回転自在に設置されたロータ５とを有する。例えば、このロータ５と前述の垂直主軸（図２）とが同軸に連結されている。ステータ４は出力鉄心６と出力巻線７とを有する。この実施形態は２極発電機に適用した例であり、出力鉄心６は、円環状のヨーク部６ａの円周方向２箇所に、内側へ突出する歯状の磁極部６ｂが形成されている。各磁極部６ｂに前記出力巻線７が巻かれている。
【００２４】
図６に示すように、各磁極部６ｂの出力巻線７は、出力鉄心６の隣り合う磁極部６ｂの内径側を向く磁極面に互いに異なる磁極が現れるように直列に接続されている。出力巻線７の両端が端子７ａ，７ｂとなり、これら端子７ａ，７ｂに図５のように外部負荷３を接続し、発電機から電流を外部に取り出す。
【００２５】
図５および図６に示すように、ロータ５は、界磁鉄心８と、この界磁鉄心８に巻かれた主界磁巻線９および副界磁巻線１０とを有する。界磁鉄心８は、中心孔を有する鉄心本体８ａの外周に、外径側へ突出する複数の歯状の磁極部８ｂが円周方向に並んで設けられている。この磁極部８ｂは、出力鉄心６の一つの磁極部６ｂに対してそれぞれ３つずつ設けられている。
【００２６】
主界磁巻線９は、隣合う２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれ、この２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれた各主界磁巻線９は、２つ一組となった隣合う磁極組同士の磁極面に異なる磁極が現れるように直列に接続されている。副界磁巻線１０は、主界磁巻線９と一つの磁極部８ｂの分だけ位相をずらせて、主界磁巻線９と同様に、隣合う２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれている。この２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれた各副界磁巻線１０は、２つ一組となった隣合う磁極組同士の磁極面に異なる磁極が現れるように直列に接続されている。主界磁巻線９および副界磁巻線１０の各直列接続体の両端の端子を、それぞれ符号９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂで図６に示す。
【００２７】
図７に示すように、主界磁巻線９には並列に整流素子（整流手段）１１が接続され、主界磁巻線９には整流素子１１が流すことができる向きの電流が流れる。副界磁巻線１０は主界磁巻線９と直列に接続され、かつ直列に整流素子（整流手段）１２が接続され、副界磁巻線１０には主界磁巻線９と同じ方向の電流のみが流れる。図中の矢印は電流の流れる方向を示す。
【００２８】
この発電機２６は、このような副界磁巻線１０を有する構成の自励型の発電機において、発電の初期励磁に必要な程度の磁力を生じさせる初期励磁手段２を有する。図５に示すように、出力巻線７に、スイッチング手段１３を介して着磁用電源１４が外部負荷３と並列に接続されている。着磁用電源１４とスイッチング手段１３とで初期励磁手段２が構成される。スイッチング手段１３は、半導体スイッチッング素子または有接点のスイッチが用いられる。着磁用電源１４は２次電池またはコンデンサ等の蓄電手段である。外部負荷３が２次電池の場合は、それを着磁用電源として用いても良い。
【００２９】
着磁をするには、所定の大きさの電流を極短時間流せば良い。着磁の程度は、発電の開始のための初期励磁に必要な残留磁気が得られる程度で良く、電流の大きさとスイッチング手段１３のオン時間とで定められる。スイッチング手段１３の開閉操作は、開閉制御手段１５によって行われる。開閉制御手段１５は、例えば、ロータ５の回転を検出する回転検出手段１６の検出信号を監視し、ロータ５が静止状態から回転を開始したことが検出されると、スイッチング手段１３を着磁に必要な設定時間だけオンさせる。
【００３０】
なお、ロータ５の回転の停止時間が短い場合は残留磁気が十分に残っているため、開閉制御手段１５は、設定時間以上のロータ５の停止の後に回転を開始した場合のみスイッチング手段１３をオンさせるなど、設定条件に従ってスイッチング手段１３をオンさせるように制御としても良い。また、所定の回転数になっても発電を開始しない時だけ着磁をするようにしてもよいし、所定の時間ごとに発電機の回転が停止しているときに着磁をしてもよい。
【００３１】
この実施形態では出力巻線７に着磁用電源１４を接続したが、図７に示すように、界磁巻線９，１０にスイッチング手段１３を介して着磁用電源１４を接続しても良い。この例の場合も、着磁用電源１４は２次電池またはコンデンサである。着磁をするには、所定の大きさの電流を極短時間流せば良い。スイッチング手段１３は、図５の実施形態と同様に開閉制御手段１５で開閉制御される。
【００３２】
ロータ５が回転し発電を行っている場合の動作を説明する。
図７に示すように、主界磁巻線９には並列に整流素子１１が接続されているため、主界磁巻線９には整流素子１１が流すことができる向きの電流が流れる。そのため、主界磁巻線９に流すことができる電流によって決まる向きの磁束が発生する。また、電磁誘導により、電流がつくる磁束と同方向の磁束の減少を妨げる向きに電流が流れるが、磁束が増えるのを阻止する向きには電流は流れない。そのため、磁束の減少は妨げられるが、磁束の増加は妨げられない。副界磁巻線１０には直列に整流素子１２が接続され、主界磁巻線９と同じ方向の電流のみが流れる。
【００３３】
図５乃至図７に示すように、出力鉄心６または界磁鉄心８の残留磁気により、主界磁巻線９に電流が流れる。この電流により主界磁巻線９がつくる磁束により副界磁巻線１０に鎖交する磁束が変化して、副界磁巻線１０に電圧が発生する。この電圧で副界磁巻線１０が主界磁巻線９を介して電流を供給し、主界磁巻線９に流れる電流を増加させる。副界磁巻線１０に電圧が誘起されずに電流を供給していない時、主界磁巻線９には整流子１１を通して還流電流が流れ、主界磁巻線９の磁束を維持する。
【００３４】
主界磁巻線９に電流が供給され、主界磁巻線９がつくる磁束が大きくなるので、副界磁巻線１０に鎖交する磁束も大きくなり、さらに大きい電流が主界磁巻線９に供給される。このように、主界磁巻線９の電流が次第に増加し、発電に必要な界磁磁束がつくられる。出力鉄心６と界磁鉄心８の相対運動により、出力巻線７の鎖交磁束が変化して電圧が発生する。
【００３５】
上記のように、ロータ５が回転を行っている間に発電を行うが、ロータ５がある程度長い時間を停止していると、出力鉄心６および界磁鉄心８のいずれにも残留磁気がなく、または残留磁気が不十分であって、発電を開始できない。そこで、この実施形態では、ロータ５の停止後の回転の開始時に、初期励磁手段２のスイッチング手段１３をオンにして着磁用電源１４から出力巻線７に着磁電流を流し、出力鉄心６を着磁する。磁束は前記のように回転を続けると次第に大きくなるため、着磁の程度は、発電の開始のための初期励磁に必要な残留磁気が得られる程度で良い。そのため、着磁をするには、所定の大きさの電流を極短時間流せば良い。この着磁により、ロータ５の長時間の停止後にも、回転の再開により発電が確実に開始される。
【００３６】
スイッチング手段１３を設けた実施形態の場合は、ロータ５の停止後の回転の開始時に、初期励磁手段２のスイッチング手段１３をオンにして着磁用電源１４から主界磁巻線８に着磁電流を流し、界磁鉄心８を着磁する。このように界磁鉄心８を着磁した場合も、ロータ５の長時間の停止後にも、発電が開始される。
【００３７】
これら実施形態の発電機２６によると、次の利点が得られる。主界磁巻線９を用いて励磁を行う自励式であるため、永久磁石や、外部からの他励のための給電を行う外部電源を必要とせずに発電が行える。自励式発電機では、通常の回転時は外部からの励磁は不要とするが回転の開始時は、若干の励磁が必要である。初期励磁手段２は、このような発電の初期励磁に必要な程度の磁力を生じさせるものであるため、通常の、つまり常時の発電電力を得るための磁力は不要である。したがって、コギングトルクは実用上で問題とならない程度となり、小さなトルクでロータ５を回転させることができる。自励式であるが、発電の初期励磁に必要な磁力を発生することが可能な程度に、発電機のいずれかの鉄心を着磁する初期励磁手段２を設けたため、回転の停止後や分解保守の後であっても、また低速回転であっても、確実に発電を開始することができる。前記初期励磁手段２は必要となるが、この初期励磁手段２は発電の初期励磁に必要な磁力を発生することが可能な程度に着磁を行えるものであれば足りるため、他励式の発電機における外部電源に比べて飛躍的に小型のもので済む。
【００３８】
なお、上記実施形態では、ステータ４側を出力鉄心６、ロータ５側を界磁鉄心８としたが、これとは逆にステータ４側を界磁鉄心９，１０とし、ロータ５側を出力鉄心６としても良い。また上記実施形態では２極発電機としたが、４極、８極、１６極など、多極の発電機としても良い。
【００３９】
一本の垂直主軸２２に対して上下方向に複数段の翼２４を設けても良い。この場合、風車の設置面積に対して翼２４の受風面積を増加させることができる。
翼枚数は一段当たり二枚に限定されるものではなく、３枚以上としても良い。
発電機２６は、界磁の生成に永久磁石を用いた同期発電機を用いても良い。
１本の垂直主軸２２に対して複数の発電機２６を設け、前記１本の垂直主軸２２の回転により各発電機２６を個別に発電することも可能である。
風車は、直線翼垂直軸型風車に限定されるものではなく、ダリウス型風車やサボニウス型風車であっても良い。
【００４０】
以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４１】
２…初期励磁手段
４…ステータ
５…ロータ
６…出力鉄心
７…出力巻線
８…界磁鉄心
９…主界磁巻線
１０…副界磁巻線
１１，１２…整流素子（整流手段）
２２…垂直主軸
２３…支持体
２４…翼
２６…発電機
【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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