(57)【要約】      （修正有）【課題】風力効率を上げ、製造費、設置費及び保守費用を抑える省エネ風車を提供する。【解決手段】鉛直ポールの水平断面が二等辺三角形のような対称軸を有するタワー型胴体１１を持つ垂直型風車１が、頂点付近を機首部２として回転自在にポール１００に鉛直支持され、頂面に立てられている垂直安定板１０によってポールまわりに機首を風上に向けて風向自動旋回され、底辺付近で二等辺三角形内領域に対称配置される羽根列は、等辺部で集められた風で垂直羽根車５１、５２を自然風よりも増速回転する一方で、頂板上に突出する風速制御フラップ６１、６２によって、二等辺三角形胴体の外領域に開扉可能であるフードフラップ７１、７２を風圧により開き、垂直羽根車に当たる風を遮蔽し、羽根車シャフト１０１、１０２の回転速を自動調整し、強風時に羽根車の過回転を防止し、抗力型の垂直型風車でも平板翼により翼枚数を増加可能とし、風力効率を上げる。【選択図】図１
2017096239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦型風車であって、以下の：
底部で据付けられている縦ポールと、；
前記ポールに機首部で回転自在に連結され、上面からみた横断面形状の機首端が尖状形を有し機尾に向けて末広がりの線対称形のタワー型の胴体と、；
前記胴体の機尾両隅部に対称位置に回転自在に連結される二つの羽根車と、；
前記胴体の前記ポール連結位置より機尾側の頂面に立てられている固定垂直安定板と、；
前記胴体の機尾端面に固定されているリアピラーと；
前記胴体上に突出して機首に向けて立てられ、風力で機尾向きに傾倒可能である風力制御フラップと；
前記機首部の胴体の各側面の前記羽根車よりも機首側に、かつ、前記ポール連結位置より機尾側に連接軸を持つ、前記胴体から外側へ開扉可能であるフードフラップと、；
前記風速制御フラップの傾倒角に応じて、前記フードフラップの開扉角をリンクするリンク機構と、；そして、
所定の低風速以下では、前記フードフラップを閉扉状態にする弾性部材による与圧部材と、；
を備え、前記各１枚の前記フードフラップの閉扉時の機尾側両端間の最短距離は、前記胴体の中心線に軸対称に相互に離隔配置される前記羽根車の中心間距離よりも大であって、かつ、両羽根車の外径先端間の最大距離より小であり、前記リンク機構によるフードフラップの開扉時には、羽根車への風力は減少され、前記風力制御フラップの受ける風力に応じ、羽根車へ当たる風力を自動調整可能である風車。
【請求項２】
前記リンク機構は、前記風力制御フラップが、中点で前記リアピラーに固定連接される第一のリンク棒に一端で縦方向に接続され、前記第一のリンク棒は他端で第一のリンク棒方向のスライダ機構を介し、横方向にスライド支持されている第二のリンク棒の一端に回転スライド可能に連接されており、前記第二のリンク横棒の他端は、前記フードフラップの胴体内面側に固定連接される上面から見て左右対称に横配置される二本の第三のリンク棒に回転連接されているリンク機構であって、前記与圧機構は、前記胴体頂面に一端が肯定され、他端が前記風力制御フラップに固定されている与圧機構である請求項１記載の風車。  
【請求項３】
タワー型の胴体の断面形状は、その横断面形がほぼ二等辺三角形であって、機首を頂角に向けるものであり、；
二等辺三角形の等辺部は前記機尾に向けて末広がり形部及び閉扉時の前記フードフラップ部であって平板状であり、；
前記羽根車の回転中心シャフトは、前記二等辺三角形の内部に配設され、；
前記羽根車の外径は回転外縁円が前記二等辺三角形の外部に突出するものであり、；そして、
前記垂直安定板は前記二等辺三角形の頂角の二分線上に１枚配設され、前記風速制御フラップは、前記垂直安定板の両脇に各１つ立つ一体品であって中央で前記リンク機構に接続する請求項１又は２に項記載の風車。
【請求項４】
前記羽根車を構成する羽根列は、軸断面で等角に配列された６以上の平板から成り、；
少なくとも羽根列の両端部でフランジに固定され、；そして、
さらに、羽根列を囲む一又は複数の外輪に一体に固定され、前記羽根列は、羽根車シャフトとの間に空隙を有する請求項請求項１〜３いずれか１項に記載の風車。
【請求項５】
前記フードフラップの最大開扉時には、前記機首部の胴体側面とフードフラップの機尾方向への延長投影線が前記羽根車の羽根外縁外径よりも胴体から離反し、前記羽根車の風圧がほぼ遮断される請求項１〜４いずれか１項に記載の風車。
【請求項６】
前記風速制御フラップは胴体頂面の中央に１枚配設され、前記垂直安定板は、前記風速制御フラップの両脇に対称に立てられている請求項１に記載の風車。
【請求項７】
前記羽根車のシャフトの底端にさらに発電機が回転シャフトに連結されている請求項１〜６いずれか１項記載の風車。
【請求項８】
前記請求項１記載の前記リンク機構には、ダンパ材を含む請求項１〜７いずれか１項記載の風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電に用いる風車に関し、風力により風向きの変動に自動追尾可能な支柱旋回調整機構と、可動フード板によって風車上流の空流を整流可能であり、強風時に風車の回転羽根の自動保護も可能である縦型の風車を提供する。
【背景技術】
【０００２】
持続可能エネルギーの開発促進が見直され、諸外国に比しても立ち遅れる我が国現状の打開が社会的に期待されている。風力は、無償であり、無限ともいえ、地球上で循環するものであるから、この利用が促進されれば、風力は、持続可能エネルギー源の主役になり得るはずである。
（１）風力発電の風車は、発明者の観点を交え、凡そ、以下に分類される（分類例については、例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
分類１．プロペラ型風車
飛行機同様のプロペラ翼形を持ち風力エネルギーの利用効率の高い揚力型風車であり、大型風力発電機において最も普及されている風車で、主流は３翼プロペラ型風車である。プロペラ軸は若干上下に傾きを持たせてもほぼ水平に設置される。したがって、プロペラ半径よりも背高の支柱にプロペラ軸が水平に設置されることから、背高の構造体となる。発電機構もプロペラ軸とほぼ同軸に支柱上の高架に設置される。プロペラの周速が高くなると騒音源となるため、プロペラ軸の回転速度は抑制され、プロペラと発電機構の間には歯車増速機構が設けられるのが通常である。したがって、背高の支柱上には、プロペラ、増速機構、発電機構が軸を水平に設置され、構造強度上の問題が発生し、大掛かりな構成とならざるを得ず、結果として、建設費が他の発電に比し高くなるし、保守の要する機器が支柱上の高架にあるから保守性も悪く、都市計画との整合性、後述の環境問題、風の最適地選定による交通不便な地での設置により、エネルギー原材料費がかからずとも、ランニングコストも低くはなく、トータルとして最も発電単価の高い部類の発電方法となっている。
環境面でも、景観との調和、低周波振動、騒音の問題が対人の面で発生し、鳥類との関係では、同様の視覚的異物としての障害のみならず、プロペラや支柱への衝突死の問題が発生し、建設予定地の鳥類生息との関係によっては、建設計画・決定までに時間を要し、その後の鳥類の生態調査により建設計画規模を縮小する変更リスクも存在する。
以上の事柄を考慮すると、プロペラ型風車を採用する場面には限界がある。
【０００４】
分類２．サボニウス型風車
羽根は円筒を縦半分に切って円周方向にずらした形により、風上に向かい左右の抗力に差を持たせる抗力型の風車である。縦型であり、上下方向に伸長できるので周速を落とせで風音は比較的抑えられ、抗力型であるから弱風でも起動性が良く大きなトルクを発生可能である。基本的なサボニウス型風車は、首振りの必要はなく、全方位の風の取り込みが可能である縦型の特徴を持つ。縦型風車の支持構造を必要とするにしても、重量物である発電機を地上に近く設置できるので、保守性がプロペラ型に比して格段によく、支柱の旋回機構も不要であることも合わせ、定性的にはランニングコストを下げられる余地があるが、抗力型のため発電効率はあまり高くなくトータルとして経済的な発電方法として認知されていない。しかしながら、上述の景観上の問題、プロペラの騒音低周波数振動の問題や飛鳥の衝突事故の問題は、かなり軽減されるので、小規模発電には比較的採用しやすいいが、発電効率の改善には特に課題がある。
【０００５】
分類３．その他縦型風車
縦型のジャイロミル型風車、ダリウス型風車は、各々翼断面形、翼形の捩じれに特徴を持つ、首振り無しで全方位の風の取り込みが可能である縦型の揚力型風車である。翼形の最適化により、高効率を追求するが、低風速では起動もできず、日本の風の時的な変化、多様性を考えるとこれらの分類中で当面積極的には取り組みづらい。
【０００６】
以上を考慮すると、特に保守の容易性、ランニングコストを重視すると縦型のサボニウス型風車がより好ましいと考えるのが流れである。
【０００７】
サボニウス型風車は抗力型であり、風をそのまま受入れ利用するのが原則である。風車の羽根は、羽根車軸心を通る風向線で２分される追風領域と向風領域とを交互に通過し、追風領域で風力を受け羽根が抗力を得て回転軸は増速し、向風領域で羽根が抗力を受け風力に邪魔され回転軸は減速するのが一般原理である。この点は、サボニウス型風車の変形として羽根を翼形とするものでも変わりない。
【０００８】
しかしながら、より詳細に見れば、いわゆる風の息により風速に変動があれば、上記回転中心を通る風向中心線で２分される追風領域でもその時点の羽根の旋回速度、周速が比較的高速のときにそれよりも低速の風速に晒されれば、羽根が旋回の向きとは逆向きの抗力に空気が作用し、回転軸はその暫らくの間には減速される。
【０００９】
新しい風車は、風力の利用効率の低い従来のサボニウス型風車に代わり、風力の利用効率を高めるものでなければならない。したがって、新しい風車は、風をそのまま受入れ利用するのでは足りず、抗力型とするにしても、風の流れを集め風車に周囲よりも高い圧力を作用させる風車であり、空力機構（エアロダイナミクス機構）を備える。
【００１０】
風の流れを集め風車に周囲よりも高い圧力を作用させる空力機構を備えるということは、縦型のサボニウス型風車、縦型のジャイロミル型風車、ダリウス型風車のように全方位に風指向性のない風車ではあり得ない。すなわち、風上から流れる空気を空力機構によって羽根に当てる空気の流れを作る、風指向性が新しい水車には求められる。
【００１１】
こうして、新しい風車は、風上を認知し、上記空力機構を風上に最適に対峙させる機構、空力機構の風指向機構が求められることがわかる。本発明でいう風指向機構とは、細かな風の息の乱れにそのまま忠実に反映するものではなく、風の息の乱れの中でもその大きな指向を捉える空力機構という風指向機構である。
【００１２】
さらに、凡そ風車であれば防風時に、建屋に格納する移動台車を備えぬ限り、羽根、回転機構を強風から守る必要性があり、プロペラ型では翼ピッチを可変としたり、縦型風車では、風車を覆う防風機構を設けるなど、羽根、回転機構の保護機構を備える必要がある。
【００１３】
自然風を直接風車に衝突させて回転エネルギーに変換するだけでなく、羽根に当たる風の速度を自然風より増速する仕組みを構成要素とする先行発明には以下がある。
【００１４】
特許文献１は、縦型風車でありながら、風の流れを集め風車に周囲よりも高い圧力を作用させる風車の発明を開示する。五角形状の木造家屋形を水平断面形とするボックス内に羽根と羽根車を格納し、屋根部尖がりを風上に向ける風向方向制御部、木造家屋形の屋根の下方に家屋対称軸に対称に二つの羽根及び羽根車を設け、二つの屋根部の下流半分に設けた開閉式屋根として風導板がボックス内に向けて開口可能であり、ボックス内に開口された風導板とボックス内壁で形成される絞り形状の空間に流れ込む空気により、高トルクを発生させるものと開示する。また屋根部が風を受け風力の風向きの直交成分の作用により、風力により自動的に屋根部尖がりが風上に向けられる風向方向制御部を屋根上に持つ。
【００１５】
特許文献２は、水平断面形がアイロン形の底部両隅部に各羽根と羽根車を１対に計２つ備え、アイロン形の先端半分を先端に向けて水平断面形が尖った形状部をウェッジノーズと呼称し、このアイロン形の板状の匡体部を前方で屋根形のフレーム部とアイロン形の底面に垂直なフードプレートで閉塞し、絞り空間を形成し（特許文献２の図３）、フレーム内部に気流の流速を上げられる風洞を備える（特許文献２の段落００１２、８行目〜９行目を要約）。通常運転時に、風洞内にばねで引っ張られ開口し風洞を一部閉塞しているフラッパーがフードプレートと、通常運転時に閉じているウェッジノーズに連結されるフラッパーは風車の回転速度の安定化装置であり、両フラッパーはリンクで連結し連動され、強力な風が来ると、外側のフードプレートフラッパーには風洞圧が掛かり、外側に押し出され、リンクで連結されている内側のウェッジノーズフラッパーは風洞を閉塞する方向に動き、風車に衝突する風を逃がして風車の暴走を防止する（特許文献２段落０００９、３行目から１５行目を要約）。回転速度の安定化装置のない、変形例が、特許文献２の図６『ウェッジノーズだけで風速を増す風車装置の断面図』に『フードプレートを省略してウェッジノーズ４だけにした単純な構造にしても、その表面を流れる風の速度は自然風より相当に増速される』（段落００１１）ものと開示されているが、図６に開示される発明は回転速度の安定化装置を欠き、風力の利用効率を高める本発明の目的に鑑み妥当でないし、これを欠けば強風時の羽根の保護機構が提供されず妥当でない。ウェッジノーズが受ける風力により風向き制御するのは、支柱の旋回軸とウェッジノーズの作用モーメント半径が小さく、元々風が流されるから風向制御として十分に精度よく制御可能かさらに検討が必要である。回転速度の安定化装置としてフラッパー実現のために、ウェッジノーズフラッパーをさらに囲むフードプレートを備える特許文献２の図３に開示される発明は、ケーシング構成が冗長であり、使用される鋼材のエネルギー消費量とのエネルギーバランス、製造コストの面から総発電コストで問題と考えられる。
【００１６】
特許文献３は、油圧シリンダーが設けられた左右二つの風圧調整盤により風洞をつくり、羽根に受ける風圧を増強させ、左右二つの風圧調整盤を自動開閉させ、暴風や台風時に回転数の制御が可能とするが、風力利用効率の厳しい縦型風車では油圧シリンダーのエネルギー消費は無視できず妥当でない。
【００１７】
特許文献４は、風見翼を尾翼に風車から風下に離れるように設けられ、導風板は風見翼と連動可能に連結されて、風向きの変化に対応して常に風上の位置へ回転変位させ、『抗風領域Ｒを通過しようとする風を遮って受風領域Ｑの側へ流動案内する導風板５を、抗風領域Ｒの風上側に臨んで配置する。以て、抗風領域Ｒにおける抵抗を低減し、同時に受風領域Ｑにおける風力を向上する前方に導風板を風力により導く』（特許文献４の要約）。が、強風時の羽根の保護機構が提供されず妥当でない。
【００１８】
特許文献５は、『回転翼の風に逆らう部分を、風防板１で遮蔽して、回転力を上げる。このため、風車本体が指向性をもつので、風向センサー４からの信号で、風車本体を正しい方向に向けさせるモーターを取り付け、風車本体の方向を、自動で何時も正しい方向にコントロールする』（特許文献５の要約）が風力利用効率の厳しい縦型風車ではセンサー回路及び風向制御の旋回用モーターの駆動エネルギー消費は無視できず妥当でない。
【００１９】
風力発電に用いる風車に関し、維持及び製造に係るエネルギーを低減し、低ランニングコスト、低売電価格を実現可能である、風力により風向きの変動に自動追尾可能な支柱旋回調整機構と、風車上流の空流を整流可能であり、強風時に風車の回転羽根の自動保護も可能である垂直設置型の風車を提供には、総合して、風力のみにより風向きの変動に自動追尾可能な支柱旋回調整機構と、風車上流の空流を整流し風圧を昇圧させる機構と、強風時に風車の回転羽根の自動保護も可能である風車を、如何に提供するかが課題となる。そして、維持及び製造に係るエネルギーを低減し、低ランニングコスト、低売電価格を実現可能とするのは、縦型の風車に他ならない。こうして、持続可能エネルギーの問題解決は、風力発電に用いる風車に関し、風力により風向きの変動に自動追尾可能な支柱旋回調整機構と、可動フード板によって風車上流の空流を整流可能であり、強風時には、風車の回転羽根の自動保護も可能である垂直設置型の風車を提供することに還元されるのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２０１１−５８３７０
【特許文献２】特開平９−２４２６５８
【特許文献３】特開２００１−２５４６６７
【特許文献４】特開２００３−４２０５５
【特許文献５】特開２０１３−４４３２３
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】http://eco-technology.jp/world/ 「世界の風力発電：世界の風力発電」，株式会社エコ・テクロノジーホームページ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、風力発電に用いる風車に関し、風向きの変動に自動追尾可能な支柱旋回調整機構と、風車上流の空流を整流可能であり、強風時に風車の回転羽根の自動保護も可能である風車を提供する。
【００２３】
本発明の風車は、その製造コストは元より、支柱設置コストをはじめとする、トータル建設コストの低減と保守維持コストの低減のため、発電設備は装置全体の底部に設置できる風車を提供するべきである。
【００２４】
本発明の風車は、車載、船載される場合、住宅地、路上、都市ビルの屋上等の、人・家畜の近傍で使用されても、騒音を最小限とし、低周波騒音も発生させず、人畜の健康を害する恐れのない風車を提供するべきである。
【００２５】
本発明の風車は、鳥類の衝突の危険を増加させる広開口の回転面を避け、環境に優しい風車を提供するべきである。
【００２６】
本発明の風車は、自然環境・都市環境・住居環境の美観を害さない、景観に適応可能な風車を提供するべきである。
【００２７】
本発明の風車は、その製造コスト保守維持コストの低減のため、部品点数を最小限とし、風力のみにより発電を維持できる風車機構を提供するべきである。
【００２８】
本発明の風車は、風車上流の空流を整流可能とし、風車の回転を促進する構造を有するべきである。
【００２９】
本発明の風車は、強風時に風車の回転羽根の自動保護も可能とするべきである。
【００３０】
本発明に係る風車の発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、風力発電に用いる風車に関し、風力により風向きの変動に自動追尾可能な支柱旋回調整機構と、可動フード板によって風車上流の空流を整流可能であり、強風時に風車の回転羽根の自動保護機能も提供する、垂直設置型で、発電設備を底部に保持し、設置建設、保守、機器交換等に便宜であり、羽根長を長くしても、支柱の高さに制限はなく、上層部の特別な機構が最小限であり、支柱の設計製造及び設置建設に低コストを実現し、羽根を可能な限りカバー可能であって、鳥類の衝突の危険を最小限とし、当該カバーを景観へ適合させる配慮も可能であり、高効率を実現し必要以上に羽根を高速で回転する必要もなく、低周波騒音も発生させず可動フード板を備え、風車上流の空流を整流可能とし、風車の回転を促進する構造を備え、空力に応じて開度を変ずるフラップを備え、風車の回転を増減し、空力が所定の強風域に達すれば、フラップは完全に開き、羽根への風流入を抑え、羽根車を保護する風車であり、これらは、人手を介さず、追加の動力・電力を要さず提供される省エネルギーであって持続可能エネルギーを提供可能な風車である。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
この課題を解決した本発明は以下のとおりである。
［請求項１記載の発明］
縦型風車であって、以下の：
底部で据付けられている縦ポールと、；
前記ポールに機首部で回転自在に連結され、上面からみた横断面形状の機首端が尖状形を有し機尾に向けて末広がりの線対称形のタワー型の胴体と、；
前記胴体の機尾両隅部に対称位置に回転自在に連結される二つの羽根車と、；
前記胴体の前記ポール連結位置より機尾側の頂面に立てられている固定垂直安定板と、；
前記胴体の機尾端面に固定されているリアピラーと；
前記胴体上に突出して機首に向けて立てられ、風力で機尾向きに傾倒可能である風力制御フラップと；
前記機首部の胴体の各側面の前記羽根車よりも機首側に、かつ、前記ポール連結位置より機尾側に連接軸を持つ、前記胴体から外側へ開扉可能であるフードフラップと、；
前記風速制御フラップの傾倒角に応じて、前記フードフラップの開扉角をリンクするリンク機構と、；そして、
所定の低風速以下では、前記フードフラップを閉扉状態にする弾性部材による与圧部材と、；
を備え、前記各１枚の前記フードフラップの閉扉時の機尾側両端間の最短距離は、前記胴体の中心線に軸対称に相互に離隔配置される前記羽根車の中心間距離よりも大であって、かつ、両羽根車の外径先端間の最大距離より小であり、前記リンク機構によるフードフラップの開扉時には、羽根車への風力は減少され、前記風力制御フラップの受ける風力に応じ、羽根車へ当たる風力を自動調整可能である風車。
【００３２】
[発明の作用効果]
請求項１記載の発明は、機首から胴体側面にかけて末広がりの形状で自然風を集め羽根車に当たる風を強め、羽根車の回転速度を上げ、風力の利用効率を上げる。機首先端は、尖状形である。ここで尖状形とは機尾から機首先端に向けて縦断面が減じている様をいうのであり、必ずしも先端が鋭角に尖形であることは要するものではなく、或る程度段付のものでも差支えなく、機首から胴体側面にかけて末広がりの形状で自然風を集め得るものであればよいが、尖状形部は、ある程度流線形状であるのも好ましい。
本発明は、風を集めるという風指向性を備え、風向を捉える垂直安定板を構成要素とする。垂直安定板は胴体の頂面に垂直に立てられ固定されている。風見板の役目のみならず、胴体にしっかりと固定され、風向をとらえ風向きの変動に応じて風向きに対して左右の風力を受け、胴体を風向きに安定保持し、風向を自動追尾可能とする。
【００３３】
胴体は、底部で据付けられている縦ポールとこのポールに機首部で回転自在に連結され、垂直安定板は、前記胴体の前記ポール連結位置より機尾側の頂面に立てられ固定されており、垂直安定板は、胴体が懸架されるポールまわりに旋回可能とされている。風向によって旋回中心とされるポールは、垂直安定板より風上とされる側に偏って設置されるから、風が旋回軸から時計回りに斜方から当たれば、反時計回りの風力により復元される、風向を自動追尾可能とする機構である。
【００３４】
胴体の機首及び側面も風が旋回軸から時計回りに斜方から当たれば、反時計回りの風力により復元力を与えるが、垂直安定板はポールから離れて配設も可能であり、胴体から機尾側へオーバーハングすれば、より胴体の旋回方向を風上に追従可能となる。
【００３５】
前記機首部の胴体の各側面には前記羽根車よりも機首側に、かつ、前記ポール連結位置より機尾側に連接軸を持ち、前記胴体から外側へ開扉可能であるフードフラップが各１枚ずつ配され、かつ、胴体上に突出して機首に向けて立てられて風力で機尾向きに傾倒可能である風力制御フラップが配され、風速制御フラップの傾倒角に応じて、リンク機構によって、前記フードフラップの開扉角に応じて、フードフラップは開扉する。所定の低風速以下では、弾性部材による与圧で、フードフラップ閉扉状態であり、前記各１枚の前記フードフラップの閉扉時の機尾側両端間の最短距離は、前記前記羽根車の中心間距離よりも大であるという所定のフードフラップ、機首部の胴体側面及び羽根車の形状と位置関係により、フードフラップ閉扉時には、前記機首部の胴体側面とフードフラップの機尾方向への延長投影線が前記羽根車の羽根列と交叉し、機首から胴体側面にかけて末広がりの形状で自然風を集め羽根車に当たる風を強め、羽根車の回転速度を上げ、風力の利用効率を上げる効果を得る。
【００３６】
風速が所定の風速以上になり、風力制御フラップの受ける風力が、与圧機構が与える与圧に勝てば、風力制御フラップは機尾側へ倒れ、リンク機構を駆動し、リンク機構を介して、フードフラップを開扉する。この場合には、羽根車の前をフードフラップが拡がり遮蔽するから、羽根車への風力を減少し、前記風力制御フラップの受ける風力に応じ、羽根車へ当たる風力を自動調整される。
【００３７】
胴体の後方は、隅部に羽根車で各隅部に設け、羽根車の外形は回転外縁円が胴体側板の側面延長線上よりも外側へ突出している。前記各１枚の前記フードフラップの閉扉時の機尾側両端間の最短距離は、前記前記羽根車のシャフトの中心間距離よりも大であり、かつ、前記前記羽根車の外径先端より小であれば、機首から胴体側面にかけて末広がりの形状で集められた風が羽根車に強く当たり、羽根車は自然風による場合よりも高速で回転し、風力利用効率を上げるわけである。
【００３８】
以上のように、本発明は、風力発電に用いる風車で、風力により風向きの変動に自動追尾可能な風向に追従可能な垂直安定板と、フードフラップによって羽根車の風上の空流を一部排除可能であり、強風時には羽根車風上の空流をほとんど排除可能で、風車の回転羽根の自動保護機能も提供する。縦型の風車であるから、発電設備を底部に保持可能であり、そうすれば、風車の設置建設、保守、機器交換等に便宜であり、羽根長を長くしても、支柱の高さに制限はなく、高架部に設置される特別な機構が最小限であり、ポールの設計製造及び設置建設に低コストを実現し、縦軸の羽根のまわりには可能な限り羽根を覆うカバーが配置可能であって、鳥類の衝突の危険を最小限とし、当該カバーのデザインを工夫すれば、景観へ適合させる配慮も可能であり、高効率を実現する。尤も、羽根は縦軸に伸長設計すれば、羽根外縁長を大きくする必要もなく、羽根を高速で回転しても周速が過大になり、羽根破損の心配もなく、騒音の影響、低周波騒音発生も抑制される。羽根を囲む胴体を配置できるから、羽根破損事故の際にも破片の散逸を防止でき、その面でも安全寄りである。機首から胴体側板、閉扉時のフードフラップ板で羽根車上流の空流を整流可能とし、羽根車の回転を促進する構造とする。風速に応じて開度を変ずるフードフラップを備え、風車の回転を増減し、風速が所定の強風域に達すれば、フラップは完全に開き、羽根への風流入を抑え、羽根車を保護する風車であり、これらは、人手を介さず、追加の動力・電力を要さず提供される省エネルギーであって、持続可能エネルギーを提供可能な風車を提供する。
【００３９】
［請求項２記載の発明］
前記リンク機構は、前記風力制御フラップが、中点で前記リアピラーに固定連接される第一のリンク棒に一端で縦方向に接続され、前記第一のリンク棒は他端で第一のリンク棒方向のスライダ機構を介し、横方向にスライド支持されている第二のリンク棒の一端に回転スライド可能に連接されており、前記第二のリンク横棒の他端は、前記フードフラップの胴体内面側に固定連接される上面から見て左右対称に横配置される二本の第三のリンク棒に回転連接されているリンク機構であって、前記与圧機構は、前記胴体頂面に一端が肯定され、他端が前記風力制御フラップに固定されている与圧機構である請求項１記載の風車。  
【００４０】
[発明の作用効果]
風力制御フラップの風向に風下方向への前後の移動は、ばねの弾性の与圧より拘束され、所定の低速の場合には、直立したままであるが、所定の風速を超えると、動き出し、必要以上に、風速が早まれば、フードフラップを開き羽根車への風を胴体サイドへ逃がし抑制する。風力制御フラップの風向に風下方向への前後の移動をフードフラップの横方向の運動に幾何変換するリンク機構の一形態を本請求項に係る発明は提供する。
【００４１】
［請求項３］
タワー型の胴体の断面形状は、その横断面形がほぼ二等辺三角形であって、機首を頂角に向けるものであり、；
二等辺三角形の等辺部は前記機尾に向けて末広がり形部及び閉扉時の前記フードフラップ部であって平板状であり、；
前記羽根車の回転中心シャフトは、前記二等辺三角形の内部に配設され、；
前記羽根車の外径は回転外縁円が前記二等辺三角形の外部に突出するものであり、；そして、
前記垂直安定板は前記二等辺三角形の頂角の二分線上に１枚配設され、前記風速制御フラップは、前記垂直安定板の両脇に各１つ立つ一体品であって中央で前記リンク機構に接続する請求項１又は２に項記載の風車。
【００４２】
[発明の作用効果]
本請求項に係る発明は、縦型の垂直型風車であって、以下の、垂直に配設されているポールに、水平断面が頂角を鋭角とする二等辺三角形を成し、二等辺三角形の頂角付近で鉛直まわりに回転自在に支持される三角柱状のタワー型の胴体を持つ。タワー型の胴体は、機尾端中央部にピラーが設けられ構造支持される。胴体は前記ポールまわりに風の作用により自由に回転する。風車の構造は、鉛直の羽根車軸に放射状の羽根車が固定されている。二等辺三角形の等辺にはフードフラップがあり、その部分は強風時に外側へ開いて羽根車を風上側で覆う。中央１枚の垂直安定板により、風に対して向きを正座可能であり、この両脇に拡がるフードフラップによって、風を受け、風羽根車の回転数を制御可能であることを特徴とする風車である。
【００４３】
［請求項４］
前記羽根車を構成する羽根列は、軸断面で等角に配列された６以上の平板から成り、；
少なくとも羽根列の両端部でフランジに固定され、；そして、
さらに、羽根列を囲む一又は複数の外輪に一体に固定され、前記羽根列は、羽根車シャフトとの間に空隙を有する請求項請求項１〜３いずれか１項に記載の風車。
【００４４】
[発明の作用効果]
本発明の風車は、抗力型であっても機首部で風車の内側半分が覆われるので、反対向きの抗力は発生しない。したがって、羽根は裏表で抗力が不均衡な、例えば、おわん型である必要はなく、平板でよい。そうすると、羽根間のスペースに余裕が生じるから、サボニウス型風車のように４枚羽根に限定する必要はなく、４枚以上の構成に可能である。そうすれば、回転ムラは減少し、風力効率がさらに増すという効果が得られる。
【００４５】
［請求項５］
前記フードフラップの最大開扉時には、前記機首部の胴体側面とフードフラップの機尾方向への延長投影線が前記羽根車の羽根外縁外径よりも胴体から離反し、前記羽根車の風圧がほぼ遮断される請求項１〜４いずれか１項に記載の風車。
【００４６】
[発明の作用効果]
最大開扉時には風車への風力をほぼ遮断する構成であり、強風時に風車を保護する。
【００４７】
［請求項６］
前記風速制御フラップは胴体頂面の中央に１枚配設され、前記垂直安定板は、前記風速制御フラップの両脇に対称に立てられている請求項１に記載の風車。
【００４８】
[発明の作用効果]
風速制御フラップは中央に１枚でもよく、この場合には、垂直安定板は、２枚以上で風風速制御フラップの両脇に最低各１つ対称位置に立てられ、左右の風力の均衡を保つ効果がある。
【００４９】
［請求項７］
前記羽根車シャフトの底端にさらに発電機が回転シャフトに連結されている請求項１〜６いずれか１項記載の風車。
【００５０】
[発明の作用効果]
本発明では、風車を増速可能とする構成であるから、風車と発電機の間に増速機構も不要とし、前記羽根車のシャフトの底端にさらに発電機を直結する構成も実現できる。このため、胴体直下に発電機を連結し、下方で発電機器や関連配線の保守もより容易になり、メンテナンスコストを低減する。また、一つの発電機の風力を連成伝達する場合に比し、機構が簡素にできる利点もあり、合わせて総運転費用を低減する。
【００５１】
［請求項８］
前記請求項１記載のリンク機構には、ダンパ材を含む請求項１〜７いずれか１項記載の風車。
【００５２】
[発明の作用効果]
ダンパ材によって風の息に応じた変動を緩和でき、風による自励振動も防止可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施の形態が適用される風車１の上面模式図である。
【図２】本発明の一実施の形態が適用される風車1の側面模式図である。
【図３】本発明の一実施の形態が適用される風車1の、フードフラップ７１，７２が開扉時の上面模式図である。
【図４】本発明の一実施の形態が適用される風車1のフードフラップ７１，７２が開扉時の側面模式図である。
【図５】本発明の一実施の形態が適用される風車1の斜視模式図である。
【図６】本発明の一実施の形態が適用される風車1の、フードフラップ７１，７２が開扉時の斜視模式図である。
【図７】本発明の一実施の形態が適用される風車1の風速制御フラップ６１，６２とリンク機構8を示す斜視模式図である。
【図８】本発明の一実施の形態が適用される風車1の羽根車51,52を示す斜視模式図である。
【図９】本発明の一実施の形態が適用される風車1の、フードフラップ７１，７２が閉扉時の風の流れを示す上面模式図である。
【図１０】本発明の一実施の形態が適用される風車1の、フードフラップ７１，７２が開扉時の風の流れを示す上面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
以下に本発明の実施形態による風車１について説明する。図１は、同実施の形態による風車１の上面図の模式図である。図２は、同実施の形態による風車１の側面図の模式図である。図３は、同実施の形態による風車のフードフラップ７１，７２が開扉時の上面図の模式図である。図４は、同実施の形態による風車１のフードフラップ７１，７２が開扉時の側面図の模式図である。図５は、同実施の形態による風車１の斜視模式図である。図６は、同実施の形態による風車１の、フードフラップ７１，７２が開扉時の斜視模式図である。図７は、同実施の形態による風車１の風速制御フラップ６１，６２とリンク機構８を示す斜視模式図である。図８は、同実施の形態による風車１の羽根車５１，５２を示す斜視模式図である。図９は、同実施の形態による風車1の、フードフラップ７１，７２が閉扉時の風の流れを示す上面模式図である。図１０は、同実施の形態による風車1の、フードフラップ７１，７２が開扉時の風の流れを示す上面模式図である。
【００５５】
図１から６を参照し、本発明の実施形態による風車１についてより詳細に説明する。一実施形態では、本発明に係る風車１は、縦型、特に垂直型、タワー型の胴体１１を持つ風車であり、一実施形態では風力発電に用いる。胴体１１の形状は、水平横断面形がほぼ二等辺三角形であって、機首２を頂角に向けるものであり、；
二等辺三角形の等辺部は前記胴体の機尾３に向けて末広がり形部及び胴体側面にあって風を制御するフードフラップ７１，７２は持ち、閉扉時に二等辺三角形の等辺部の一部をなす形態を呈する。フードフラップ７１，７２は、平板状であり、羽根車５１，５２の回転中心１０１，１０２は、前記二等辺三角形の内部に配設され、；
前記羽根車５１，５２の外径は回転外縁円が前記二等辺三角形の外部に突出するものであり、；そして、
風向に胴体を正座させる垂直安定板１０が前記二等辺三角形の頂角の二分線上に胴体１１のトップに１枚配設され、垂直安定板１０の両脇に風上に対峙して風速制御フラップ６１，６２が設置されている。前記風速制御フラップ６１，６２は前記垂直安定板１１の両脇に各１つ立つ一体品であって中央で前記リンク機構８に接続している。
本発明を上位概念も交えて、別の表現で記述すると以下となる。
垂直型を含む縦型風車であって、以下の：
底部、又は垂直型では下端部で、例えば、地面、建屋の屋上、船上又は車上に固定されている架台５００に据付けられているポール１００と、；
前記ポール１００に機首２部位で回転自在に連結され、上面からみた横断形状の機首２端部が尖状形を有し機尾３に向けて末広がりの線対称形のタワー型の胴体１１と、；
前記胴体１１の機尾３両隅部に対称位置に回転自在に連結される二つの羽根車５１，５２と、；
前記胴体１１の前記ポール１００連結位置より機尾３側の頂面に立てられている固定垂直安定板１０と、；
前記胴体１１の機尾３端面に固定されているリアピラー４と；
前記胴体１１上に突出して機首２に向けて立てられ、風力で機尾３向きに傾倒可能である風力制御フラップ６１，６２と；
前記機首２部の胴体１１の各側面には前記羽根車５１，５２よりも機首２側に、かつ、前記ポール１００の連結位置より機尾３側に連接軸を持ち、前記胴体１１から外側へ開扉可能であるフードフラップ７１，７２が各１枚ずつと、；
前記風速制御フラップ６１，６２の傾倒角に応じて、前記フードフラップ７１，７２の開扉角をリンクするリンク機構８と、；そして、
所定の低風速以下では、前記フードフラップ７１，２７閉扉状態にする、一実施形態では性部材つるまきばねによる与圧部材９１，９２と、；
を備え、前記各１枚の前記フードフラップ７１，７２の閉扉時の機尾３側両端間の最短距離Ｄ２は、前記前記羽根車５１，５２の中心間距離Ｄ１よりも大であって、前記フードフラップ７１，７２閉扉時には、前記機首２部の胴体１１側面とフードフラップ７１，７２の機尾３方向への延長投影線が前記羽根車の羽根列４１と交叉する関係にあり、前記リンク機構８によるフードフラップ７１，７２の開扉時には、羽根車５１，５２への風力を減少し、前記風力制御フラップ６１，６２の受ける風力に応じ、羽根車５１，５２へ当たる風力を自動調整可能である風車である。
【００５６】
すなわち、一実施形態では、本発明は、縦型の垂直型風車１であって、以下の、垂直に配設されているポール１００に、水平断面が頂角を鋭角とする二等辺三角形を成し、二等辺三角形の頂角側で鉛直まわりに回転自在に支持されるタワー型胴体１１を有するが、タワー型胴体１１は、等角付近にある２つの羽根車軸１０１，１０２に構造支持され、底辺中央部にピラー４が設けられる。三角柱状のタワー型胴体１１は前記ポール１００まわりに風の作用により自由に回転する。羽根車５１，５２の構造は、図８に示すように鉛直の羽根車軸１０１，１０２に放射状の羽根車が、一実施形態では８枚固定され、図８の４１１から４１５と図の裏側に４１６から４１８の３枚（図示しない）を備える。羽根４１１から４１８は、羽根車シャフト１０１と一体に固定されている、羽根４１１から４１８は、軸断面で等角に配列された２以上の羽根列を形成し、一実施形態では、羽根は８枚である。
【００５７】
前記羽根車５１，２５を構成する羽根列は、軸１０１断面で等角に配列された６以上の平板から成り、；
少なくとも羽根列４１１から４１８の両端部でフランジ４２２，４２１に固定され、；そして、
さらに、羽根列４１１から４１８を囲む一又は複数の外輪４３１、４３２に一体に固定され、前記羽根列４１１から４１８は、羽根車シャフト１０１との間に空隙を有する。
前記羽根列は、６以上の平板の羽根列から成って、羽根列の両端部でフランジ４２２，４２１に固定され、さらに、羽根列を囲む一又は複数の外輪４３１，４３２に一体に固定されている。本発明の風車は、抗力型であっても、図９に示す風車１の一実施形態の上面模式図で示すように、機首２部で風車１の内側半分、が覆われるので、反対向きの抗力は発生しないから、羽根は裏表で抗力が不均衡な、例えば、おわん型である必要はなく、４１１から４１８のように平板でよい。そうすると、羽根間のスペースに余裕が生じるから、従来からよく知られるサボニウス型風車のように４枚羽根に限定する必要はなく、４枚以上の構成も可能であり、一実施形態では、４１１から４１８の８枚の羽根を持つ。この風車１は、回転ムラは減少し、風力効率がさらに増すという効果が得られる。前記羽根列４１１から４１８は、羽根車シャフト１０１との間に空隙を有し、フードフラップ７１，７２の閉扉時には、前記機首２部の胴体１１側面とフードフラップ７１，７２の機尾３方向への投影線が前記空隙部と交叉する範囲内で前記胴体１１側面は末広がりであり、末広がり部分で自然風を集め、羽根４１１から４１８の胴体１１外側半分部分の羽根に当てる。図９に示す風車１の一実施形態の上面模式図で示すように、機首２部で風車１の内側半分、が覆われるので（図９で機尾部分の矩形枠内で示す、羽根車内側部分）、反対向きの抗力は発生しないように、前記羽根列４１１から４１８は、羽根車シャフト１０１との間に空隙を有し、内側にあるときに胴体外から回り込む風があっても、滑らかに空隙部を通し、羽根車に抗力を発生させない。
【００５８】
二等辺三角形の頂点より羽根車５１，２５の近傍で胴体の左右の側板の一部分はフードフラップ７１，７２として強風時に外側へ開いて羽根車５１，５２を風上側で覆う。垂直安定板１０により、風に対して胴体１１を正座させることが可能であり、ポール１００まわりに胴体は垂直安定板１０が受ける風圧で、風上に向けられる。風速制御フラップ６１，６２が胴体１１の頂面に突出して、機尾３のピラー４に支持されて風を受ける。風速制御フラップ６１，６２は、風を受け、リンク機構８を介して、フードフラップ７１，７２を風の強弱に応じて開閉し、開けば、風を一部遮断し、風車１の回転数を制御可能であることを特徴とする風車１である。
【００５９】
図３及び図４に示す開扉時には、風の流れＦＦ１は前記フードフラップ７１，７２に妨げられ、外側へ流れる。前記フードフラップ７１，７２の開扉が図３に示すδが負であってもフードフラップ７１，７２が開けば、図９に示す閉扉時の風の流れＦ１のうち一部の風は、胴体１１から離反し、前記羽根車５１，５２の風圧が弱まり、羽根車５１，５２の回転速度は低下する。
【００６０】
前記フードフラップ７１，７２の最大開扉となれば、前記機首２部の胴体１１側面とフードフラップ７１，７２の機尾３方向への延長投影線が前記羽根車５１，５２の羽根４１１から１１８の外縁外径よりも胴体１１から離反し、図１０に示されるように、図１０の距離Ｄ３、前記機首２部の胴体１１側面とフードフラップ７１，７２の機尾３方向への延長投影線と前記羽根車５１，５２との最短距離Ｄ３が正値であれば、風の流れＦＦＦ１は、胴体１１から十分に離反し、前記羽根車５１，５２の風圧がほぼ遮断される風車１である。
【００６１】
一実施形態では、前記リンク機構８は、前記風力制御フラップ６１，６２が、中点で前記リアピラー４に固定連接される第一のリンク棒３０１に一端で、縦又は垂直方向に接続され、前記第一のリンク棒３０１は他端で第一のリンク棒方向の縦長孔３３０と第一のリンク棒３０１に結合されてこれに突出してスライド可能である突起３４０から成るスライダ機構３４１を介し、横方向にスライド支持されている第二のリンク棒３１０の一端に回転スライド可能に連接されており、前記第二のリンク横棒３１０の他端は、前記フードフラップ７１，７２の胴体内面側に連接点３６１，３６２で回転自在に固定連接される上面から見て左右対称に横配置される二本の第三のリンク棒３２１，３２２に連接点３５０で回転自在に連接されているリンク機構８であって、つるまきばね９１，９２から構成される与圧機構、前記胴体１１頂面に一端が肯定され、他端が前記風力制御フラップ６１，６２に固定されている与圧機構と連携するリンク機構８である。この与圧により、所定の風速まで、風力制御フラップ６１，６２は静止しており、所定の風速を超えると、図３，４及び６に示すように、風力制御フラップ６１，６２はリンク機構により機尾３側へ傾倒する。これにより、上記リンク機構８はフードフラップ７１，７２を開扉する。羽根に当たる風を低減し、過度の高速回転を防ぐ。風が弱まれば、ばね９１，９２によりフードフラップ７１，７２は閉じ、再び、羽根車５１，５２は増速される。
前記リンク機構８には、ダンパ材を含めばよりこの好ましく、この場合には、ダンパ材によって風の強弱に応じたばねの伸び変動を緩和でき、風による自励振動も防止可能である。
【００６２】
本発明の風車は、前記羽根車シャフトの底端にさらに発電機がシャフト１０１，２０１に個別に連結可能であり、一実施形態では、風力発電に用いられ、図２に示されるように、前記羽根車シャフト１０１，１０２の底端に発電機５０１，５０２が羽根車シャフト１０１，１０２に連結される。
【００６３】
本実施形態では、垂直安定板１０は頂面の中央に設置しているが、風速制御フラップが胴体１１頂面の中央に１枚配設され、前記垂直安定板１０は、１枚の風速制御フラップの両脇に対称に立てられてもよい。
【００６４】
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は係る実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。ここの取り上げた発明の効果はすべてが同時に一つの実施形態に現れるものと限定されず、その一部が一つでも発現して発明製品の目的を達成すれば十分であり、当業者であれば、容易に判断できることであろう。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、地上、路上、建物の屋上、船上、車上の小規模な用途から、多数を集約して大規模な発電設備用途等の持続可能エネルギーを提供可能であり、風力発電等エネルギー利用分野、軽動力利用の風車を提供し、離島、灯台等の交通不便な地での使用にも有用である。
【符号の説明】
【００６６】
１  風車
２  機首
３  機尾
４  リアピラー
８  リンク機構
１０  垂直安定板
１１  胴体
４１ 羽根
４２  羽根
５１  羽根車
５２  羽根車
６１  風速制御フラップ
６２  風速制御フラップ
７１  フードフラップ
７２  フードフラップ
９１  与圧機構
９２  与圧機構
１００  ポール
１０１  羽根車シャフト
１０２  羽根車シャフト
３０１  第一のリンク棒
３１０  第二のリンク棒
３２１，３２２  第三のリンク棒
３３０  長孔
３４０  突起
４１１  羽根
４１２  羽根
４１３  羽根
４１４  羽根
４１５  羽根
４１６  羽根
４１７  羽根
４１８  羽根
４２１  羽根車フランジ
４２２  羽根車フランジ
４３１  羽根車外輪
４３２  羽根車外輪
５００  風車据付台座
５０１，５０２  風車用発電機
【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】
2017096239.tif 000009
【図８】
2017096239.tif 000010
【図９】
2017096239.tif 000011
【図１０】
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