(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受けから上部へ突出された縦主軸に固定された、支持アームを支持する回転支持体が、その重量負荷を軸受に担持させて回転自在に固定され、該回転支持体の上部に、それぞれ放射方向を向く複数の支持アームを、その装着数を増減可能で着脱自在に装着させ、該各支持アームの先端部を被覆するように、環状支持体が装着され、該環状支持体の外周部に一定間隔おきに、複数の揚力型風受羽根を、その側面を主軸方向へ向け、かつその装着数を、増減可能として、設置現場の地理的風力条件に適合させて選択して装着すること、を特徴とする動力用風車の設置方法。
【請求項２】
前記回転支持体の軸受に対する重量負荷の担持は、軸受と回転支持体間で互いに反発する磁石によって行うこと、を特徴とする請求項１に記載された動力用風車の設置方法。
【請求項３】
タワー上部の発電部に収容された発電器に連結された縦主軸が、軸受から上部へ突出され、該主軸に、支持アームを支持する回転支持体が固定され、該回転支持体は軸受に対してその重量負荷を担持させて回転自在に固定され、該回転支持体の上部に、それぞれ放射方向を向く複数の支持アームが、その装着数を増減可能で、着脱自在に定間隔で装着され、該各支持アームの先端部を被覆するように環状支持体が着脱自在に装着され、該環状支持体の外周部に複数の揚力型風受羽根を、その側面を主軸方向へ向けて、その装着数を増減可能で着脱自在に装着され、設置現場の地理的条件に合わせて、あらかじめ設定されている規格外に、揚力型風受羽根の大きさ、数量を現場で変更して装着可能とすること、を特徴とする風力発電機の設置方法。
【請求項４】
前記タワーは、ＦＲＰ成形管体の複数を積層し、該タワーの上部に発電部が配設され、その上部の前記支持アームには、前記回転支持体を被覆するように被覆体を固定すること、を特徴とする請求項３に記載された風力発電機の設置方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発電或いはその他の用途に利用できる動力用風車、並びに風力発電機に係り、特に微風によっても高い回転トルクが得られ、また、設置する土地における風力条件に、適切に適応させることのできる動力用風車の設置方法と、これを使用した風力発電機の設置方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、我国の発電方法として、水力発電、火力発電、原子力発電があるが、これらは、例えばダムによる自然破壊、燃料と煙公害、放射能などの問題を抱えており、最近では国の補助による太陽発電、風力発電が注目されている。
現在国内で設置されている、風力発電機１基の発電能力は、３００ｗ〜８００ｗのものが主流で、国全体の年間発電量は約１０万ｋｗである。ここで国の方針としては、２０１０年までに３００万ｋｗ達成を目標としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、風力発電には次のような問題点が指摘されている。すなわち、
風力発電は、毎秒４メートル平均の風速がなければ、事業として成り立たない。縦軸風車は効率が悪いので、横軸風車が主流になる。遠心力を利用する事、又地上より高い方が風速が高いので、羽根の長さを長くし、同時にタワーを高くする必要がある。
【０００４】
このことは、羽根の剛性、運搬設置コストの問題がある。
すなわち、羽根の剛性を高めると、重量が重くなる。当然低速風による回転効率が悪い。例えば羽根の長さ４５〜５０ｍ、タワーの高さ４０〜５０ｍという大型発電機においては、トレーラでは１６ｍ以上の運搬はできないので、搬送が困難で、例えばアメリカから６００ｗクラスの物を輸入搬送するのにも、運賃だけで２０００万円以上もかかるという難点がある。
【０００５】
又、細長い日本列島における年間平均風速も、地理条件によって全く異なっている。従って、設置場所における風力を、あらかじめ調査した上で、設計に入っても、日本の国土は長く、変化に富んでいるため、適用する基礎データがその地理に合いにくく、せっかく設置した風力発電機が全然稼動しない（大型機は風速毎秒７ｍが必要なため）という場面も生じる難点がある。
【０００６】
しかも、風力発電機を一度設置すると、構造を変更することができないので、設置そのものが無駄になるという難点がある。
更に、横軸式では３枚羽根が主流（多いと剛性、回転率が問題）であるため、高位置気流を利用する場合、１枚の羽根が上向きの時には、他の２枚の羽根は斜め下向きであるので、有効な風圧を受ける羽根の有効面積は限定されるという難点がある。
【０００７】
この発明は、このような実情に鑑みて、
(1)  小型発電機で発電効率を高くすることができる、
(2)  設置地理における平均的な風速に適した構造に、現場で設定し或いは変更することができる、
(3)  設置後において、風車の構成を変更することができる、
(4)  軽量で剛性が高い、搬送が容易、
(5)  安価、設置場所の選択幅が広がる、
等、すぐれた性能を有する動力用風車、並びにこれを使用した風力発電機を提供する事を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記課題を解決するために、次のような技術的な手段を講じた。
前記課題を解決するための技術上の基本理論は、次の通りである。
【０００９】
風力発電は、風車の回転力で発電機の主軸を回転させるものであるから、風車の回転数が多いほど、発電効率は高まる。
また、風圧を受ける羽根の有効面積が広く、かつ主軸より遠い位置にある方が、梃子の原理により、小さな風力で力強い回転をさせることができる。
羽根の有効面積を広くするには、個体の面積を広くするほか、同じ回転軌道上に多数の羽根がある事によって満足でき、連続的な風圧を受けることができる。
【００１０】
このことから、主軸に、複数の支持アームを放射方向に配設した。その支持アームの各先端部を被覆連結するように、環状支持体を装着した。
該環状支持体の周面に風受羽根を、支持アームの数以上の複数を、定間隔で装着した。また、縦軸を有効に利用できる利点がある。
すなわち、従来の３枚羽根横軸風車の羽根長さが、例えば２ｍであるとして、これに対応させて、本願における前記支持アームの長さを２ｍに設定すると、主軸から２ｍ離れた位置に、複数の風受羽根が配設される事になる。
【００１１】
この、本願における主軸から２ｍ離れた位置の風受羽根の面積は、従来の３枚羽根の主軸から２ｍの位置での、風圧を受ける面積と比較すると、比較にならない大きな広さになる。
このことは、本願においては、微風でも風圧を受ける風受羽根の面積が広いので、風車は効果的に回転する事になる。すなわち微風でも回転が得られるから、順風なら高速回転が容易に得られる。
【００１２】
例えば、横軸３枚羽根では、特定位置における風圧を受けるためには、次の羽根は１２０度回転しなければならないが、環状支持体の周面に複数の風受羽根を装着できる本願では、例えば１０枚羽根にすると、３６度の回転で、次の風受羽根が有効な風圧を受けることができる。
つまり風受羽根の特定位置で、短時間に連続した風圧を重ねて受けることができるため、風車の回転力が平均して強くなり、また風車の遠心端部が重いので、遠心力による回転慣性が有効に利用できる。
【００１３】
風車を縦軸にした場合、風受羽根を大きくし、又は装着数を多くしても、剛性に無理が生じにくく、安定した回転が得られる。しかも高位置に風受羽根を設定するときは、１枚の風受羽根における風圧を受ける面積を、横軸式よりも著しく拡大することができる。
【００１４】
環状支持体に対して、風受羽根を着脱自在に装着できるので、設置場所において、基礎的な設置をした後に、風受羽根の幅、長さ、大きさ、枚数、等、その地理条件に最適な構成をすることができる。また、季節によって、変更させることができる。
基礎的な機構は同じであっても、支持アームの長さを現場で変更させることができるので、規格生産ができ、場所によって、長短任意に選択できる。
【００１５】
支持アームが短くても、風受羽根の数を増加させることによって、回転力を高めることができる。
また支持アームの長さが長い時は、小さな風受羽根で容易に効率のいい回転をさせることができるから、地理条件に適応させ易い。
【００１６】
このように、設置場所に標準的なものを設置して、その地理条件に最適なように、試験期間にデータを集めて、支持アーム及び風受羽根の設定を容易に変更することができるので、無駄な設置を無くして、その地理に適した効率の良い発電をすることができる。
本願発明の具体的な内容は、次の通りである。
【００１７】
（１）  軸受けから上部へ突出された縦主軸に固定された、支持アームを支持する回転支持体が、その重量負荷を軸受に担持させて回転自在に固定され、該回転支持体の上部に、それぞれ放射方向を向く複数の支持アームを、その装着数を増減可能で着脱自在に装着させ、該各支持アームの先端部を被覆するように、環状支持体が装着され、該環状支持体の外周部に一定間隔おきに、複数の揚力型風受羽根を、その側面を主軸方向へ向けて、揚力型風受羽根の装着数を、増減可能として、設置現場の地理的風力条件に適合させて選択して装着すること、を特徴とする動力用風車の設置方法。
【００１８】
（２） 前記回転支持体の軸受に対する重量負荷の担持は、軸受と回転支持体間で互いに反発する磁石によって行う、前記（１）に記載された動力用風車の設置方法。
【００１９】
（３）  タワー上部の発電部に収容された発電器に連結された縦主軸が、軸受から上部へ突出され、該主軸に、支持アームを支持する回転支持体が固定され、該回転支持体は軸受に対してその重量負荷を担持させて回転自在に固定され、該回転支持体の上部に、それぞれ放射方向を向く複数の支持アームが、その装着数を増減可能で、着脱自在に定間隔で装着され、該各支持アームの先端部を被覆するように環状支持体が着脱自在に装着され、該環状支持体の外周部に複数の揚力型風受羽根を、その側面を主軸方向へ向けて、その装着数を増減可能で着脱自在に装着され、設置現場の地理的条件に合わせて、あらかじめ設定されている規格外に、揚力型風受羽根の大きさ、数量を現場で変更して装着可能とする、風力発電機の設置方法。
【００２０】
（４）  前記タワーは、ＦＲＰ成形管体の複数を積層し、該タワーの上部に発電部が配設され、その上部の前記支持アームには、前記回転支持体を被覆するように被覆体を固定する、前記（３）に記載された風力発電機の設置方法。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。図１は、動力用風車の正面図、図２は平面図、図３は風力発電機を示す正面図である。
図における符号は、動力用風車(1)、主軸(2)、軸受(3)、ベアリング(4)、回転支持体(5)、支持アーム(6)、固定ボルト(7)、環状支持体(8)、風受羽根(9)、発電部(10)、発電機(11)、変速（増速）機構（12)、タワー(13)、被覆体(14)である。
【００２２】
前記回転支持体(5)は、下面の軸受(2)との間に、ベアリング(4)が環状に介在されている。これによって、支持アーム(6)並びに風受羽根(9)の負荷を分散させて回転負担を軽くしている。
従って、ベアリング(4)受部分の半径は大きい方が安定し、かつ、負荷の分散を多くする。該ベアリング(4)に代えて、互いに反発する上下で一対の磁石を複数配設することができる。
【００２３】
回転支持体(5)の上部には、図２に例示するように、複数の支持アーム(6)が、主軸の放射方向に向けて均等間隔で配置され、固定ボルト(7)によって、着脱自在に装着されている。符号５ａは固定ボルト(7)と対応するボルト孔である。
【００２４】
支持アーム(6)の形状は任意であるが、飛行機の翼状のものが好ましく、回転方向に厚みのある方を向けて配設される。ＦＲＰ（繊維強化樹脂）成形体の中空体で、必要に応じて、硬質発泡樹脂のリブ、或いはハニカムリブなどを部分的に使用することができるので、全体を軽量化することができる。
支持アーム(6)の使用数量は、図では４枚であるが、５枚、６枚、或いはそれ以上を、風受羽根(9)並びに支持アーム(6)自体の重量、長さ、剛性等に対応して増減する。
【００２５】
支持アーム(6)の長さを長くするときは、基部の幅並びに厚みを大きくすることによって剛性を保持させることができる。すなわち、主軸(2)を梃子の原理で回転させるためには、支持アーム(6)の長さが長い方がよく、また、風を有効に回転力に利用できる位置は、主軸(2)から離れた所であるため、主軸(2)の近くは幅や厚みがあっても軸と一体となるので、風力のロスは少ない。
【００２６】
前記環状支持体(8)は、断面略コ字形で、図２に示すように環状にするが、径の大きな物は、周部に沿う放射方向で複数に分割したものを組立てる。
材質は、金属よりＦＲＰ（繊維強化樹脂）が軽量で耐腐食性に優れている。周面には、所定間隔おきに金属のナット(8a)を埋設して、風受羽根(9)の増減による位置変更に対応させることができる。環状支持体(8)の断面形状は略Ｌ字形状でもかまわない。
【００２７】
前記風受羽根(9)の素材は、例えばＦＲＰ成形の中空体とし、断面は飛行機の翼状（揚力型）が好ましい。内部には、硬質発泡樹脂成形体リブ、ハニカム成形体リブなどを配設させることができる。又先端面には、前記環状支持体(8)を固定するための金属ナット(6a)を埋設させる。
【００２８】
前記タワー(13)は、ＦＲＰ成形体の管状のものが扱い易い。上下両端部にフランジ(13ａ)を形成することにより、短尺のものを複数積層することによって、長高にすることができる。また、高さを高くするものにおいて、径が大きくなる物においては、管の縦割状とし、２っ割、３っ割、４っ割、それ以上などにすることができ、側端部は図示しない側フランジによる結合にすることができる。
該フランジを利用して、図示しない梯子や踊り場の固定、或いは、装飾外被板、広告表示体などの取付けをすることができる。側フランジは耐荷重強度を増加させる。
【００２９】
以上のように構成されたこの実施例においては、図３に例示するように、設置場所にコンクリート基礎を構築し、タワー(13)を所望の高さに積層する。その上に発電部(10)と軸受(3)を配設する。ここまでの構成は、一定の物に規格化しておくことができる。特に軸受(3)については、ある程度の発電量の幅に対応できるように設定しておき、発電機(11)及び変速機構(12)の取替変更可能に構成しておく。
【００３０】
次に、設置場所の変化に伴う風力の地理的差に対応するために、基本的な、支持アーム(6)、環状支持体(8)、風受羽根(9)の設定をすることによって風力発電機(15)が完成する。
これで発電力の試験的データをとり、必要に応じて、支持アーム(6)の長さ、本数、支持アーム(6)に対応する環状支持体(8)の組合わせ、並びに風受羽根(9)の大きさ、枚数、形状などを選択して、全体構成を、その地理条件に適するように変更することができる。
【００３１】
すなわち、従来の風力発電機は、一度設置すると、その地理条件に適さないことが判っても、取替えることができず、発電効率の悪いままで放置せざるを得ない事もあるが、本発明においては、支持アーム(6)、環状支持体(8)、風受羽根(9)を規格化してあり、軽量で、組立式なので、容易に取替え、増減させて、その地理的条件に適合させることができる。
更に台風その他、天災による事故により、風受羽根(9)などが損傷を受けても、容易に取替えができる。
【００３２】
図４は、広告塔として設定した風力発電機(15)を示す。この形態例は、広告表示体(16)が風力発電機(15)に装着されている。該広告表示体(16)は、平面環状で、図４においては発電部(10)の下に配設されている。
該広告表示体(16)は、例えば図示しない回転手段を持ち、風車(1)の主軸の回転力を利用して回転させることができる。ネオンサインを持つときは、自己発電で電力を供給できる。また、タワー(13)部分に電光表示板(17)を配設することができる。
【００３３】
本願発明においては、主軸(2)を水平に設定することができる。横軸の場合でも、従来のプロペラ式と異なり、真横からの風流についても、効率良く回転することができる。風受羽根(9)を主軸(2)と平行にせずに、やや斜めに傾斜させることによって、風向きの変化に対応することができる。
【００３４】
この発明は、前記形態例に限定されるものでは無く、目的に沿って適宜設計変更させることができる。風受羽根(9)の形状も、縦長、三角形、団扇状、その他適宜変化させることができる。
動力用風車の用途も、発電のみならず、揚水用動力、製粉用動力、その他の動力に利用することができる。また図３における被覆体(14)、タワー(13)などの表面に、図示しない太陽発電パネルを装着させることができる。
【００３５】
【発明の効果】
(1)  請求項１に記載された発明の動力用風車は、主軸に固定された回転支持体が、軸受に対して負荷を担持させて回転自在に構成されているので、重量負荷を軸受に担持させることができる。
放射方向へ向けて装着された、複数の支持アームの各先端部を被覆するように、環状支持体が装着されているため、支持アームの数が少なくても、環状支持体に一定間隔で、複数の風受羽根を着脱自在に装着させる事、並びに、風受羽根は地理的条件に適する長さ、幅、形状のものを、選択的に現場で変更することができる効果がある。
支持アーム、風受羽根、タワーなど、規格化して生産することができ、着脱自在に組立てることができるので、搬送コストを低下させる事ができ、作業性に優れている効果がある。
そのことから、現場の地理的状条件に合うように、支持アームの大きさ、形状、数量を変更することができ設置範囲を広くすることができる。
【００３６】
(2)  請求項２に記載された発明の動力用風車は、軸受と回転支持体の間に、互いに反発する磁石が配設されているので、磁石の反発力により、回転支持体及び主軸にかかる、羽根や支持アームなどの重量負荷を、軸受に担持されて分散することができる。
【００３７】
(3)  請求項３に記載された発明の風力発電機は、主軸に固定された回転支持体が、負荷を軸受に担持して軸と共に回転可能に構成されているので、重量負荷を分散させることができる。該回転支持体に支持アームの複数が、着脱自在に装着され、各支持アームの先端部を連結するように、環状支持体が着脱自在に装着され、該環状支持体に複数の風受羽根が、着脱自在に装着されるように構成されているので、地理的条件に合わせて、支持アーム、環状支持体、風受羽根の規格並びに数を、現場で変更、取替えて、効率の良い発電をすることができる効果がある。
【００３８】
(4)  請求項４に記載された発明の風力発電機は、発電機のタワーがＦＲＰの管体なので高く積層しやすく、また上部に被覆体が被着されているので、回転支持体の保護をし、或いは太陽光発電パネルなどを装着することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】      動力用風車の正面図である。
【図２】      動力用風車の平面図である。
【図３】      風力発電機の正面図である。
【図４】      風力発電機の正面図である。
【符号の説明】
(1)動力用風車
(2)主軸
(3)軸受
(4)ベアリング
(5)回転支持体
(5a)ボルト孔
(6)支持アーム
(7)ボルト
(8)環状支持体
(8a)ナット
(9)風受羽根
(10)発電部
(11)発電機
(12)変速機
(13)タワー
(13a)フランジ
(14)被覆体
(15)風力発電機
(16)広告表示体
(17)電光掲示板
【図１】
0004191405.tif 000002
【図２】
0004191405.tif 000003
【図３】
0004191405.tif 000004
【図４】
0004191405.tif 000005