(57)【要約】      （修正有）【課題】従来縦型風車の課題として、円周上に配置された受風板が受風面に直角或いは類似した角度で受風した場合は回転トルクを発生するが、有効角度範囲から外れた場合は空気の抵抗により、周りの空気を押しのけて抵抗力を発生し、効率が低下するので改善を図る。【解決手段】本発明は受風面直角およびその近似値角度面より得た回転力エネルギーを他の複数の受風板は風の流れに逆らうことなく風向に平行なポジションにその位置を置く構造となっているため、上記抵抗力がなくなり、受風面より得た回転力エネルギーを損なわず受風変換効率を改善できる。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦型風車を構築するにあたり、フレーム枠に自在に回転する回転翼（受風板）を配し、複数のフレーム枠と共に自在に回転する回転翼（受風板）を円周状に配置すると共に風の流れに平行なる位置を検出し、自在回転となる構造と風の進行方向を検知し、最も大きな回転トルクを得られる位置を予測検出し、自在に回転する回転翼（受風板）の回転を停止せしめ、受風圧力を中心軸に伝達可能な構造を有する縦型風車装置。
【請求項２】
流風方向を検知するにあたり、センサー出力を流風方向と認識するセンサーとして、ストレインゲージ、微差圧センサー、ホール素子、ロータリーエンコーダー、タコジェネレーター等を使用し、差動出力増幅器等をもって流風方向の決定を実施する回路構成を縦型風車の制御装置の一部とする縦型風車装置。
【請求項３】
自在に回転する回転翼（受風板）を所望位置に停止ロックするにあたり、電磁力、空圧、油圧等の原動力、ロータリーアクチェーター、ラックアンドピニオン、ベルト式ブレーキ、ディスクブレーキ、回転式ピン穴党の機構を用いて自在に回転する回転翼（受風板）の回転力を停止する機構を用いた縦型風車装置。
【請求項４】
請求項２、請求項３の項目を満たすため、請求項１によって配置された中心軸内部を空洞を有した円筒状構造とし、その内部に複数の層を成して、空圧供給、あるいは、電力供給のため、スリップリング、ロータリーカップリング、電磁的結合装置を有した縦型風車装置。
【請求項５】
請求項１~４項を原動力供給装置とした電力発生装置への応用、空気圧縮装置への原動力供給によるコンプレッサーへの応用、風力発電装置としての機能を有する縦型風車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高効率に風力をエネルギーに変換する縦型風車装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電を実施するうえで大別すれば、大きな羽根を高所に設置して発電をする水平軸式発電装置と比較的小型で中小規模発電を実施する縦軸方式に分類される。水平軸、縦軸という分類は風車を取り付ける軸の配置を言い表している。
【０００３】
本発明において述べる項目は縦軸型風車とし、ダリウス、サポニウス、揚力型、抗力型等様々な方式が存在し、使用範囲も必要とする発電量によって特徴があり、導入においては十分なる検討が必要である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Betz の限界（風車理論効率）http://homepage3.nifty.com/chacocham/Wind_Note/note/Betz.pdf
【非特許文献２】風の発生と風車の出力  https://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza_0102.html
【非特許文献３】垂直軸型風力発電用風車の研究  http://www.cit.nihon-u.ac.jp/kouendata/No.41/1_kikai/1-032.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
風力発電等に使われる風車において自然が発生する風を如何に効率よく補足し、風の力をエネルギーに変換するかという問題は重要であるが、ベッツの法則によって５９．３％がその上限値であるとされているが、効率が良いとされる大型水平軸型風車においても実際はその値よりも相当下の値で稼動しているのが現状である。
【０００６】
縦型軸風車においては、効率良く設計しても現状３０％前後の風力変換効率であろうと思われる。効率が低い根本的原因として、水平軸風車の場合は受風軸中心が常に受風状態にあり、受けた風を後方に流し翼によってエネルギーの授受が行われた後は後方に流すのみで、常に向かい風に対する抵抗のみであって、翼に対する逆向きモーメントを発生する構造にはなっていない。
【０００７】
垂直軸を基本構造とする縦型風車の場合、水平軸風車が翼面が常に風上に面していなければ風車として機能することが出来ない構造に対して、縦型風車は前方向の風に対応して風車の回転力を得る事が可能で有るが、受風面が存在すると同時に反受風面が存在する事も明らかな事実である。反受風面の存在が受風変換効率の効率低下である事は、現状覆す事は不可能である。また、縦型風車を設計するに当り、当然の事ながら負荷率も大きな要因となるが、最悪設計の場合、受風面で発生するトルクと反受風面で発生するトルクが釣り合えば回転しない縦型風車になってしまう可能性も有る。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
水平軸風車においては受風投影面積は翼の数が複数で有る場合、その並列投影面積に応じた回転力を発生するため大きなトルクを比較的発生し易いが、縦軸式風車の場合は翼の数が増えた場合、回転に対する応力が増加する事は明らかな事であるが、同時に反応力も同時に発生する事も事実である。また、受風のための翼を偶数を選択して設定した場合は応力、反応力が平衡状態に陥りやすいため、翼の円周上配置数を奇数に設定する場合が通例となる。
【０００９】
縦型風車の効率改善のための手法として、受風によって回転力を得られる角度のみ受風を行い、回転モーメントを発生しない角度においては風の流れに平行状態に受風板の角度を移動することにより、風の進行方向に抵抗となる成分は無視できる値となる。円周上に配置された受風板を風の進行方向に対して直角に近い配置で固定受風し、回転モーメントに寄与しない角度に受風板が移動した時、受風板の固定を解除する事により受風板は風の流れの中で最も抵抗の少ない状態に自らその位置に安定する。
【００１０】
受風板を配置するに当り受風板を保持するためのフレームが必要であるが、受風板を自由回転とするため受風板中心付近に中心軸を配し、フレーム中心近辺にベアリングを配した軸受けを儲け、受風板を自由回転が可能な形状とする。
【００１１】
受風板を保持するフレームが風の流れに対してどの角度に位置するかを判断するために、フレームの前後に風圧差を検出するためのセンサーを配置し、風圧による圧力の検出し受風板を固定するタイミングを検出する。センサーは歪センサー、圧力センサー、磁気センサー、ロータリーエンコーダー等を使用する事が可能であり、受風板を内包するフレームに対して直角に配置する事により、その差分圧力を最も効率的に検出できる。
【００１２】
該当する受風板を配したフレームが風の進行方向に対して直角を成したタイミングが最もフレーム前後での圧力差が大きくなる。しかしながら、直角面以前から受風板には、回転モーメントに寄与する角度が存在するため、センサー開口部面積を増加して直角面以前に受風板をロックする。最もトルクを多く発生するタイミング角度を経過した後受風板ロックを解除すれば、受風板は風の流れに対して最も抵抗の少ない角度に安定する。
【発明の効果】
【００１３】
従来の縦型風車において、本来の所望トルクが得られないという問題は、最も強い風圧を受けた受風板によって回転力を得るが、同心軸上に配置された複数の受風板も固着されている為、同時に回転するが、最も強く回転力を受けた部位以外は回転力発生部位以外は回転に伴う抵抗力となる。同心軸上に偶数の受風板を配置した場合、反回転力となってバランス状態で回転力を相殺してしまう。本発明の場合は、回転に寄与する受風板のみを風の吹くほぼ直角面のみ活用し、受風板を自在回転とする事で風の進行方向に抵抗となる存在ではない状態に移行する事により、受風板が受け取るエネルギーの損失を回避できた。この損失回避法により、縦型風車の受風板数の偶数、奇数の制約を回避可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は回転翼（受風板）の構造を示した説明図である。
【図２】図２はフレーム枠の構造を示した説明図である。
【図３】図３は図１、図２を組立てた風車組立ての１ユニットの説明図である。
【図４】図４は歪ゲージによる差圧動作の断面説明図である。
【図５】図５はロータリーエンコーダーを用いた場合の差圧動作の断面説明図である。
【図６】図６は回転翼（受風板）の受風角度１０度面での流跡線の説明図である。
【図７】図７は回転翼（受風板）の受風角度４５度面での流跡線の説明図である。
【図８】図８は回転翼（受風板）の受風角度９０度面での流跡線の説明図である。
【図９】図９はフレームに制御部品を実装した概念図の説明図である。
【図１０】図１０は全部品実装時の概念を表した説明図である。
【図１１】図１１は制御回路のブロックダイヤグラムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
縦型風車の回転トルクを受風板構造の変更により大幅に改善すると共に、円周上に配置される受風板数の偶数配置を可能とし、大風速時の風車の安全性確保もセンサーの活用により実現した。
【実施例】
【００１６】
図１は回転翼（受風板）であり、回転翼（受風板）中心軸５を中心として小面積受風面４と大面積受風面６および受風エッジ３を持って構成されている。重量バランスとして小面積受風面４と受風エッジ３の重量および面積は大面積受風面６と同一となる構成としてある。
【００１７】
図１回転翼（受風板）の構造をもって、図２フレーム枠本体１および回転翼（受風板）取り付け穴２に勘合させる構造を持って一体化させしめる。図３は図１に示す回転翼（受風板）とフレーム枠本体図２を組み付けた状態を示す。回転翼（受風板）中心軸は微弱な風量であってもその感能性を高めるためベアリングを内包した中心軸ベアリング、ホルダー７をもって保持されている。
【００１８】
本縦型風車装置に置ける最大特徴は、風車組立て図３に差動型風圧センサー１６を付加する事によって流風方向を検知し、自在回転する回転翼（受風板）を必要に応じて固定し最も回転トルクを得る回転角度を算出する能力を得る事を目的としている。
【００１９】
図４は２枚の歪ゲージを一体化させ差動型歪計９である。歪ゲージはゲージの伸縮によってゲージの持つ固有抵抗が変化する電気的特性を有する素子であり、可とう性金属或いは樹脂等の表裏に固着する事によって、表面に受ける応力に応じて抵抗値が変化する。表裏にゲージを有する事により差動型歪ゲージとして構成される。それぞれの出力は抵抗値変化として検出可能であり、ブリッジ回路、或いは定電流回路を用いて、電流出力、電圧出力として後段電子回路に出力する。
【００２０】
図５はロータリーエンコーダー１１を用いた差圧検出法であり、風受け板１３は風受板取付板１２に固着されており、風受け板１３の下端に風受け板ウェイト１４が取付けられており、重力によって鉛直が保持される構造となっており、風受け板１３が流風を受ける事により、その強度に応じて風受け板１３は傾斜し、ロータリーエンコーダー１１の中心軸を回転し内部に設けられている２相式エンコーダーより回転方向とパルスが出力され、アップダウンカウンター等で風向、強度を検出可能である。その他の素子の一例としてとして、磁気感応素子、差動トランス、サーミスタ、半導体式マノメータ等が使用可能である。
【００２１】
図６は回転翼（受風板）流風方向１０度に傾斜した状態、図７は回転翼（受風板）流風方向４５度に傾斜した状態、図８は回転翼（受風板）流風方向９０度に傾斜した状態、での流跡線シュミレーション結果であり、その応力分布を表している。
【００２２】
図１０は全ての構成部品を実装した図であり、図１０右側フレーム枠本体１が受風状態として記述する。フレーム枠本体１はフレーム取付金具２２がボルトによって固着されており、フレーム取付け板２３によって、風車本体中心軸２４に固着されている。差動型受風センサーは受風方向が直角面の場合、最も大きな差動出力を出力し、制御回路およびラックギア駆動部１７は図１１テーブル定義された値と差動型風圧センサー１６より入力された信号を比較し、条件が満たされた場合、出力回路を起動しラックギア１８を駆動する能動部品を起動する。ラックギア１８が稼動する事によって、ピニオンギア１９が回転し、ゲートシャフト２５に風車本体連動するゲート板２１が図１回転翼（受風板）の回転を停止する事により回転翼（受風板）は最大受風面積をもって受風面に加えられる力をフレーム枠本体１に伝達し、風車本体中心軸２４は回転トルクを得る。
【００２３】
図１０中央部上下に表された２枚のフレーム枠本体１は風流れ方向に対して平行な状態であり、差動型風圧センサー１６風圧感知開口部に差圧が発生しないため、制御回路およびラックギア駆動部１７は図１１テーブル定義された値と差動型風圧センサー１６より入力された信号を比較し、条件が満たされないため、出力回路を起動しラックギア１８を駆動する能動部品を復帰する。ラックギア１８が復帰する事によって、ピニオンギア１９が反回転し、ゲートシャフト２５に風車本体連動するゲート板２１が図１回転翼（受風板）の回転を許容する事により回転翼（受風板）は風の流れに対して、平行な状態へと移行する。
【００２４】
図１０左側に現されたフレーム枠本体１は図１０右側に掛かれたフレーム枠本体１とは反対方向の風流れ方向に面している。よって、差動型風圧センサー１６は逆極性で最大値の信号出力である。図１１によって構成されている電子回路は出力を出さないプログラムとされており、上項同様図１回転翼（受風板）の回転を許容する事により回転翼（受風板）は風の流れに対して、平行な状態を維持する。
【００２５】
受風板が固定された状態の縦型風車においては、最大受風面によって得た回転トルクを付随する他の受風板が風の流れ方向に逆らって回転を維持しなければならない宿命的構造であり、３枚構造の縦型風車であれば、２枚の受風板は風流れ方向に常に逆らって回転しなければならず、多くの回転トルクを犠牲にして回転を維持していた為に効率が好ましくなかった。偶数受風板を用いた構造においては、反風流れ方向に面した受風板は最悪、相互トルクが釣り合ってしまえばその回転トルクは得られないというケースも存在する。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
再生可能エネルギーとして風力の応用は代表的な物の一つであり、風力の有効利用は次世代エネルギーの根幹を成すものであるが、大規模ではなく小型でのローカル発電も重要となってくる。その中で縦型風車は効率が良くないものという概念があったが、その原因を排除した事により高効率な小型風力発電の普及に貢献するものである。
【符号の説明】
【００２７】
１  フレーム枠本体
２  回転翼（受風板）取り付け穴
３  受風エッジ
４  小面積受風面
５  回転翼（受風板）中心軸
６  大面積受風面
７  中心軸ベアリング、ホルダー
８  差圧計ケース
９  差動型歪計
１０  差動型歪計取付ベース
１１  ロータリーエンコーダー
１２  風受板取付板
１３  風受け板
１４  風受け板ウェイト
１５  ケース
１６  差動型風圧センサー
１７  制御回路およびラックギア駆動部
１８  ラックギア
１９  ピニオンギア
２０  ベアリングケース
２１  ゲート板
２２  フレーム取付金具
２３  フレーム取付板
２４  風車本体中心軸
２５  ゲートシャフト
【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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【図８】
2016037941.tif 000010
【図９】
2016037941.tif 000011
【図１０】
2016037941.tif 000012
【図１１】
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