(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空円筒体をその軸線に沿って所定の中心角で縦割りにしてなる２つの円弧状湾曲板と、各湾曲板の円弧状両端を閉じかつ２つの湾曲板を軸を対称に結合してなる一対の支持板とからなる風力発電用風車のブレードであって、支持板は、両湾曲板の円弧の弦が互いに平行で、かつ弦の幅の一部だけ両円弧の内側が互いに対向するよう両湾曲板を支持するとともに前記軸を通る回転軸を支持し、前記所定の中心角が１４０°〜１５５°である風力発電用風車のブレードと、前記支持板の少なくとも一方に接続された発電機とからなる発電素子と、
少なくとも１つの前記発電素子を一平面内に縦および／または横方向に配列固定するフレームと
からなり、前記発電機の入力軸が、ブレードの回転軸と同軸に設置され、前記支持板またはフレームに固定され、かつ入力軸の先端に発電機側から見てブレードの回転方向と逆方向にねじきりされたねじ部を有し、ねじ締結部材を介して前記一方の支持板に固定されたことを特徴とする風力発電ユニット。
【請求項２】
ブレードの対向する弦の幅の一部が、弦の長さの１８〜２５％である請求項１に記載の風力発電ユニット。
【請求項３】
ブレードの両弦の距離が、弦の長さの５〜８％である請求項１または２に記載の風力発電ユニット。
【請求項４】
回転直径が１００〜４００ｍｍ、高さが１５０〜２５００ｍｍである請求項１から３のいずれか１つに記載の風力発電ユニット。
【請求項５】
複数の発電素子は、それぞれのブレードの回転軸が平行になるように横方向にフレームに配列固定され、前記フレーム内で互いに隣接するブレードどうしは、それぞれの回転方向が互いに逆になるように配列固定されてなる請求項１に記載の風力発電ユニット。
【請求項６】
各ブレードは一方の支持板から突出する支持軸をそれぞれ備え、フレームが各支持軸を軸支するそれぞれの軸受けを具備してなる請求項１に記載の風力発電ユニット。
【請求項７】
発電機の入力軸は、一端がフレームに固定され、他端がコイルを有し、前記コイルは、発電機ケース内に固定された磁石によって発生する磁束を横切るように前記発電機ケース内に収容され、発電機ケースが前記ブレードの少なくとも一方の支持板に固定されてなる請求項１に記載の風力発電ユニット。
【請求項８】
発電素子は、発電機の入力軸が重力方向を向くようにフレームに支持されてなる請求項１に記載の風力発電ユニット。
【請求項９】
軸受けが、フレームに穿設された孔部と、孔部に嵌入されたブッシングとからなる請求項６に記載の風力発電ユニット。
【請求項１０】
支持軸は、その先端に発電機側から見てブレードの回転方向と同方向にねじきりされたねじ部を有し、ねじ締結部材を介して前記支持板に固定されてなる請求項６に記載の風力発電ユニット。
【請求項１１】
各発電機が、三相交流発電機である請求項１から１０のいずれか１つに記載の風力発電ユニット。
【請求項１２】
各発電機の出力を整流する整流器をさらに備えてなる請求項１１に記載の風力発電ユニット。
【請求項１３】
複数の交流発電機の出力を整流して直列接続してなる請求項１１または１２に記載の風力発電ユニット。
【請求項１４】
複数の風力発電ユニットを少なくとも１つの平面内に縦および／または横方向に配列し、その各風力発電ユニットが請求項１から１３のいずれか１つに記載された風力発電ユニットからなる風力発電装置。
【請求項１５】
複数の風力発電ユニットが少なくとも１つの大フレームを備え、大フレームが請求項１から１３のいずれか１つに記載された風力発電ユニットを支持してなる風力発電装置。
【請求項１６】
建築物の最上部または車道の近傍に配置された請求項１４または１５に記載の風力発電装置。
【請求項１７】
中空円筒体をその軸線に沿って所定の中心角で縦割りにしてなる２つの円弧状湾曲板と、各湾曲板の円弧状両端を閉じかつ２つの湾曲板を軸を対称に結合してなる一対の支持板とからなる風力発電用風車のブレードであって、支持板は、両湾曲板の円弧の弦が互いに平行で、かつ弦の幅の一部だけ両円弧の内側が互いに対向するよう両湾曲板を支持するとともに前記軸を通る回転軸を支持し、前記所定の中心角が１４０°〜１５５°である風力発電用風車のブレードと、前記支持板の少なくとも一方に接続された発電機とからなり、前記発電機の入力軸が、ブレードの回転軸と同軸に設置され、前記支持板に固定され、かつ入力軸の先端に発電機側から見てブレードの回転方向と逆方向にねじきりされたねじ部を有し、ねじ締結部材を介して前記一方の支持板に固定された少なくとも１つの発電素子と、
前記発電素子を受風可能に支持する支柱と、
前記発電素子によって得られた電力を蓄電する蓄電部と、
蓄電部に蓄電された電力によって点灯される電灯と
からなる照明装置。
【請求項１８】
支柱に取り付けられた光センサと、光センサによって検知される光量に応じて蓄電部に蓄電された電力を電灯に供給する点灯制御回路とをさらに備えた請求項１７に記載の照明装置。
【請求項１９】
さらに太陽電池モジュールを具備してなる請求項１７に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、風力発電用風車のブレード及びそれを用いたユニット並びに装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クリーンエネルギーを利用した発電方法として風力発電が実施されている。風力発電は、通常、海岸あるいは丘陵地帯などの比較的強い風が安定して吹く場所にブレード（風車）と発電機からなる発電素子を設置し、ブレードの回転を入力軸に伝えて発電機を回す。
風力発電に使用されるブレードには、プロペラ形、多翼形、セイルウィング形等の風車の回転軸が風の吹く方向に対して並行に配置される水平軸風車と、パドル形、サボニウス形、ダリウス形等の風車の回転軸が風の吹く方向に対して垂直に配置される垂直軸風車とに分類される。また、周速比（ブレードの周速度／風速）の高いプロペラ形、ダリウス形等の風車と、周速比の低いサボニウス形、多翼形等の風車とに分類することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
水平軸風車、特にプロペラ形風車では、高い回転数が得られるという利点を有する反面、風車の回転面を風向きに合わせる手段（例えば、尾翼を取り付ける等）が必要になる。さらに、起動性が低い（低い風速では回転しない）という欠点を有する。
また、周速比の高いプロペラ形、ダリウス形等の風車は、変換効率が比較的高い反面、風切り音が高く、ブレードの捩じり等において高い工作精度が要求される。一方、周速比の低いサボニウス形、多翼形等の風車は、風切り音が比較的低いが、周速比が低いため、利用可能な高い変換効率（風速を回転トルクに変換する効率）を得ることが難しい。
【０００４】
上記した風車の欠点等のために、風力発電を実施するにあたって様々な制約があった。例えば、必要な平均風速が得られる場所であっても、ブレードの風切り音が問題になったり風車の設置あるいはメンテナンスに困難を伴なったりする。風力発電は、クリーンエネルギーの利用の点から注目されているが、その普及は未だ目ざましいものではない。
【０００５】
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、静音性および微風下での変換効率および起動性に優れた風力発電用風車のブレードを提供するとともに、設置する際の自由度の高い風力発電ユニット並びに風力発電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、中空円筒体をその軸線に沿って所定の中心角で縦割りにしてなる２つの円弧状湾曲板と、各湾曲板の円弧状両端を閉じかつ２つの湾曲板を軸を対称に結合してなる一対の支持板とからなる風力発電用風車のブレードであって、支持板は、両湾曲板の円弧の弦が互いに平行で、かつ弦の幅の一部だけ両円弧の内側が互いに対向するよう両湾曲板を支持するとともに前記軸を通る回転軸を支持し、前記所定の中心角が１４０°〜１５５°である風力発電用風車のブレードと、前記支持板の少なくとも一方に接続された発電機とからなる発電素子と、
少なくとも１つの前記発電素子を一平面内に縦および／または横方向に配列固定するフレームと
からなり、前記発電機の入力軸が、ブレードの回転軸と同軸に設置され、前記支持板またはフレームに固定され、かつ入力軸の先端に発電機側から見てブレードの回転方向と逆方向にねじきりされたねじ部を有し、ねじ締結部材を介して前記一方の支持板に固定されたことを特徴とする風力発電ユニットを提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明のブレードは、基本となる単位発電量を出力可能な小型のブレードと発電機の結合からなる発電素子を構成し、この発電素子を任意の数量だけ集合させてなる集合型の風力発電装置を構成することを意図して設計されている。このような集合型の風力発電装置は、以下のような利点を有する。
【０００８】
（１）発電量は単位発電量×発電素子の数で求められるので、所望する発電量を得るためには、発電素子の数と設置場所に適した集合形態を決定するだけでよい。したがって、大型のブレードと発電機を所望する発電量に応じて一から設計する労力および時間が節約される。また、発電が各発電素子に分担されるので、一部の発電素子が損傷してもただちに発電不能になることがなく、発電量のわずかな低下で済む。
（２）小型のブレードと発電機を用いることにより、発電素子の製造および加工が容易になり大量生産に適する。また、風車を設置する際の現場への搬入や現場での組み立てが容易になる。
（３）発電素子の集合形態を風車を設置する現場の状況（設置可能面積、周囲の構造物の存在等）に合わせて自在に変えられるので、風車を設置する際の従来の様々な制約が緩和され、風車の普及が促進される。
【０００９】
この発明のブレードは、以下のような利点を有する。
（１）微風下での起動性に優れる。つまり、微風、例えば、０．３〜１ｍ／ｓ程度の風速で起動することである。
（２）風車を設置する際の現場への搬入や現場での組み立てが容易になる。つまり、小型のブレードと、それによってブレードの厚みを薄くして製造、取扱あるいは車両等への積載を考慮した搬送が容易になる。
【００１０】
この発明のブレードは、さらに、以下のような条件で構成されている。
すなわち、対向する弦の幅の一部が、弦の長さの１８〜２５％であり、両弦の距離が、弦の長さの５〜８％である。これは、実験的に見出されたものである。ブレードの大きさは、回転直径１００〜４００ｍｍ、高さ１５０〜２５００ｍｍ程度のものが好ましい。これは、３ｍ／ｓ前後の風速を設定条件とした場合である。ブレードの回転直径と回転数は反比例の関係にあり、ブレードの軸方向の長さはトルクに比例する。したがって、平均風速や発電機の仕様などに応じて、これらのサイズを調整すればよい。
【００１１】
この発明のブレードは、起動性を高めるため、軽量な材料で構成されることが好ましい。
したがって、樹脂あるいは軽金属を材料とする成形品が好ましい。樹脂材料としては、ポリカーボネイト、ポリプロピレン、ＦＲＰあるいはポリ塩化ビニルが挙げられ、特に、耐候性に優れたポリカーボネイトが好ましい。軽金属材料としては、厚さ０．２〜１．２ｍｍ程度のアルミニウム板が好ましい。
【００１２】
この発明の風力発電装置は、複数の発電素子を一平面内に縦および／または横方向に配列固定するフレームを備え、各発電素子が、前記したブレードと、前記ブレードの一方の支持板に接続された発電機とからなる風力発電ユニットを単位とし、複数単位を集合させてなる風力発電装置を構成する。
複数の風力発電ユニットは、少なくとも１つの大フレームを備え、大フレームが前記風力発電ユニットを支持するのが好ましい。
【００１３】
前記フレームに対するブレードおよび発電機の取り付けの具体的な形態について例示する。
この発明において、ブレードは他方の支持板から突出する支持軸を備え、フレームが支持軸を軸支する軸受けを具備してなるのが好ましい。このような軸受けは、フレームに穿設された孔部と、孔部に嵌入された樹脂製ブッシングとからなるものが例示される。
支持軸は、その先端に発電機側から見てブレードの回転方向と同方向にねじきりされたねじ部を有し、ねじ締結部材によって前記他方の支持板に固定されてなるのが好ましい。
【００１４】
発電機の入力軸は、ブレードと同軸に設置され、ブレードの支持板またはフレームに固定することができる。
発電機の入力軸をブレードの支持板に固定する場合は、発電機の入力軸が、その先端に発電機側から見てブレードの回転方向と逆方向にねじきりされたねじ部を有し、ねじ締結部材によって前記一方の支持板に固定されてなる。
このような取り付け構造は、少ない部品数および簡単な構造を有して、ブレードの芯振れがないように、発電機の入力軸にブレードを回転可能に接続することができる。
発電機の入力軸にブレードを回転可能に吊り下げるため、発電機は入力軸を支持するスラスト軸受けを有することが好ましい。
【００１５】
発電機の入力軸をフレームに固定する場合、発電機の入力軸は、一端がフレームに固定され、他端がコイルを有し、前記コイルは、発電機ケース内に固定された磁石によって発生する磁束を横切るように前記発電機ケース内に収容され、発電機ケースが前記ブレードの少なくとも一方の支持板に固定されてなる構成が挙げられる。
このような取り付け構造では、ブレードの支持板が発電機ケースに固定されるので、発電機の入力軸の芯出しが容易になる。したがって、ブレードの芯振れがないように、発電素子をフレームに接続することができる。さらに、発電機の入力軸が重力方向を向くように発電素子をフレームに支持すれば、入力軸が固定され発電機のケースがブレードとともに回転することになるので、磁石を回転させコイルに発生する電流を入力軸から取り出すアウターローター型の発電機を構成することができる。したがって、回転子のトルクロスを抑えることができ、またフレームに対する発電素子の支持構造が簡略化される。
【００１６】
フレームは、ブレードの回転方向が互いに異なる発電素子を支持することができる。これにより隣接する周囲のブレードに対する風の影響を様々に制御することができる。
複数の発電素子は、それぞれのブレードの回転軸が平行になるように横方向にフレームに配列固定され、前記フレーム内で互いに隣接するブレードどうしは、それぞれの回転方向が互いに逆になるように配列固定されるので、各ブレードに衝突した風がさらに気流となって後方に抜ける際に、隣接する各ブレードによって生じる気流どうしの干渉を防止することができる。したがって、各ブレードの回転が妨げられないので、発電効率がさらに高まる。
【００１７】
この発明では、前記した風力発電装置を建築物の最上部または車道の近傍に配置することが好ましい。この発明の風力発電装置は、風が吹き抜ける場所に設置されることが好ましく、壁面等の風を遮る構造物に隣接して配置すると発電量は低下する。また、ビルの谷間を吹き抜けるビル風を利用することができる。
【００１８】
この発明によれば、前記した発電素子の少なくとも１つと、前記発電素子を受風可能に支持する支柱と、前記発電素子によって得られた電力を蓄電する蓄電部と、蓄電部に蓄電された電力によって点灯される電灯とからなる照明装置が提供される。
このような照明装置は、支持部に取り付けられた光センサと、光センサによって検知される光量に応じて蓄電部に蓄電された電力を電灯に供給する点灯制御回路とをさらに備えることにより、照明装置の周囲の明るさ（暗さ）に応じて自動的に点灯や消灯が制御される街灯、室内灯などの各種の照明手段に用いることができる。
さらに太陽電池モジュールを具備すれば、太陽電池モジュールによって得られた電力を、風力発電素子によって得られた電力とともに蓄電部に蓄電することができる。また、太陽電池モジュールの出力電圧に基づいて電灯の点灯を制御する光センサとして用いることもできる。
【００１９】
この発明に用いられる発電機について説明する。
風車用の発電機の特性として特に次の点が求められる。
（１）低い回転数で高い出力電圧が得られること。
（２）起動トルクが小さいこと。
低回転数で高出力電圧が得られるということは、弱い風でも発電が可能になるということである。これは、発電機を構成する磁石や鉄芯の性能、巻線仕様により決定される。
起動トルクが小さいということは、弱い風でも発電機が起動できるということである。この点から、直流発電機は整流子の摩擦による起動トルクが比較的大きいため、交流発電機を用いることが好ましい。また、交流発電機は整流子を持たないためメンテナンスもほとんど必要としない点からも有利である。
【００２０】
しかし、交流発電機においても、電機子鉄心と回転子の界磁とが回転位置によっては引き合って、いわゆる磁気トルクが生じるため、これを小さくする必要がある。
この磁気トルクの最も小さい発電機はタコメータ用のコアレスジェネレータであるが、これは電機子コイルが鉄心に巻かれていないため、出力電流をほとんど得ることができない。
【００２１】
従って、この発明に用いる交流発電機は電機子コイルを巻回する鉄心量や電機子鉄心と回転子とのギャップなどを調整し、磁気トルクを最小限に抑制しながら、効率よく電流出力を得ることができるように構成される。つまり、交流発電機は、出力電流が大きくなると出力電圧がある程度低下する、いわゆる垂下特性を有するものとなる。この特性は、複数の交流発電機の出力を整流して並列接続する場合に、電圧を平衡させるのに有効である。
また、磁気トルクを回転角に対して分散させるために、電機子および回転子の極数は多い方が好ましい。
また、発電機の相数は直流に整流した場合の波形率の点から多い方が好ましく、単相よりも３相のものが選択される。
【００２２】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明するが、これらによってこの発明は限定されるものではない。
〔実施例１〕
この発明の風力発電用風車のブレード及びそれを用いた風力発電装置並びに風力発電ユニットの具体的な構成例を、図面を参照して説明する。
図１において、風力発電ユニット１００は、ブレード１０と発電機２０の結合からなる発電素子５０（図５）と、発電素子５０を所定数取り付ける小フレーム３０とからなる。この例では、発電ユニット１００が、５つの発電素子５０を横１列に配列してなる。このような発電ユニット１００は、さらに、後記のように、小フレーム３０を複数取り付け可能な大フレームに固定されて風力発電装置を形成する。
【００２３】
ブレード１０の詳細を、図２および図３を用いて説明する。図２はブレード１０の正面図、図３は図２のIII −III 断面図である。
ブレード１０は、円筒体をその軸線に沿って所定の中心角で縦割りにしてなる２つの湾曲板１と、各湾曲板の円弧状両端を閉じかつ２つの湾曲板を結合してなる一対の支持板２とからなる。
湾曲板１は、０．４ｍｍの板厚を有する矩形のアルミニウム板を長辺と平行な軸で円弧状にロール成形してなり、それぞれが略同形同寸の円弧を有する。
【００２４】
支持板２は、１．０ｍｍの板厚を有するアルミニウム板を、対向する二辺の一方が平行な直線、他方が円弧状曲線となるようそれぞれが成形されてなり、両湾曲板１の各円弧状端部１１に互いに平行に配設される。支持板２は、両湾曲板１の円弧の弦が互いに平行で、かつ弦の幅の一部だけ両円弧の内側が互いに対向するよう両湾曲板１を軸対称位置に支持する。各支持板２には、軸心が通る軸孔１２が形成される。なお、この例では、ブレード１０の回転直径（図２における幅）は２００ｍｍ、ブレード１０の高さは３００ｍｍである。
【００２５】
湾曲板１の形状および支持板２上における両湾曲板１の位置関係を図４を用いて説明する。
図４に示すように、軸対称位置に配置された湾曲板１の中心角θはそれぞれ１４８°であり、両湾曲板１の円弧の端点を結んでなる弦Ｃは互いに平行となる。弦Ｃの長さの１９％の幅ｗを有して両湾曲板１が各弦Ｃの一部で互いに向き合い、かつ互いに向き合う弦Ｃがその長さの７．５％の距離ｄで隔てられた位置に配置される。
【００２６】
次に、小フレーム３０および小フレーム３０に対するブレード１０、発電機２０の取り付けについて図１および図５を参照しながら説明する。
図１に示すように、小フレーム３０は等辺Ｌ型鋼を溶接して一平面上に展開した取り付けフレームからなる。
図５に示すように、発電機２０は、入力軸２１の先端２１ａが重力方向に突出して小フレーム３０の横材３０ａに穿設された孔部３１を貫通するよう、ブラケット３２を介して前記横材３０ａにビス止めされる。入力軸２１の先端２１ａには、図３に矢印で示した、発電機２０側から見てブレード１０の回転方向と逆方向にねじきりされたねじ部２２が形成される。支持板２の軸孔１２ａを貫通したビス２３（ねじ締結部材）がねじ部２２に螺合されて発電機２０とブレード１０はビス２３の締結方向に接続される。
【００２７】
ブレード１０の下部には、図３に矢印で示した、発電機２０側から見てブレード１０の回転方向と同方向にねじきりされたねじ部２４を基端に有する支持軸２５が取り付けられる。支持板２の軸孔１２ｂを貫通したビス２６（ねじ締結部材）がねじ部２４に螺合することによって支持軸２５とブレード１０はビス２６の締結方向に接続される。支持軸２５は、先端２５ａが重力方向に突出して横材３０ｂに穿設された孔部３３を貫通する。孔部３３にはナイロン製ブッシング３５が嵌入される。ブッシング３５は、ブッシング３５を貫通して下方に突出した支持軸２５のラジアル軸受け部を形成する。
【００２８】
次に、発電機２０について図６を参照しながら説明する。
この例では、発電機２０に、低い回転数で高い出力電圧が得られ、起動トルクが小さい３相交流発電機が用いられる。
図６は、この実施例の電気的な出力回路を示す。
【００２９】
図６において、５台の３相交流発電機２０の交流出力電圧は、それぞれ３相全波整流ブリッジＲにより整流される。各整流ブリッジＲの直流出力電圧は結合コンデンサＣを介して直列接続され、加算された直流電圧Ｖｏとして出力される。なお、ブリッジＲはダイオードによって構成されるが、整流損失を少なくするためダイオードには順電圧降下の小さいものを用いる。
【００３０】
この実施例では、１つの発電機２０は、風速３m/sec のとき300rpmで回転し、直流出力電流０．３３Ａに対して６Ｖの直流電圧、つまり２Ｗの電力が得られるようになっている。また、整流後の出力電流／電圧特性は、１８．２Ｖ／Ａの垂下特性を有している。従って、図６に示す５台の発電機２０からは、風速３m/sec に対して３０Ｖ、１０Ｗの出力が得られることになる。
【００３１】
さらに、図６のように５台の発電機２０の出力を整流して得られる直流出力回路は、例えば10個が並列接続されると、風速３m/sec のときに合計100 Ｗ（発電機約５０台分）の出力が得られる。
【００３２】
ここで、風速の違いや出力特性のバラツキなどにより、各発電機２０の出力電圧に多少の差が生じても、前記のように発電機２０の出力は、電流―電圧特性が適度な垂下特性を有するので、並列接続された各直流出力回路は各出力電流を調整して互いの出力電圧を同じ電圧に平衡させることができる。
【００３３】
このようにして得られる直流電力を、例えばバッテリーに一旦蓄え、必要に応じて負荷に供給するようにしてもよいし、インバータによって100/200 Ｖ、50/60Hz の交流電力に変換し、電力会社へ販売するようにしてもよい。
なお、図６に示す発電機２０の台数、および並列接続される直流出力回路の個数は任意であり、電力を供給する対象の仕様に応じて決定すればよい。
【００３４】
図７は、小フレーム３０に対するブレード１０、発電機２０の取り付けの他の実施の形態を例示する。
図５を参照して説明した取り付け方法では、ブラケット３２を介して発電機２０を小フレーム３０に取り付けたが、この例では、取り付けねじ部２０ａが形成された発電機２０が、小フレーム３０の横材３０ａを貫通してねじ部２０ａに螺合するビス２８によって小フレーム３０に取り付けられる。発電機２０と横材３０ａの間には、クッション材３８を配設するのが好ましい。
【００３５】
発電ユニット１００は、図８に示すように、小フレーム３０を複数取り付け可能な大フレーム４０に固定されて風力発電装置２００を形成する。大フレーム４０は、小フレーム３０と同様に等辺Ｌ型鋼を溶接して一平面上に展開した取り付けフレームからなり、発電ユニット１００を縦横に配列することができる。
大フレーム４０の縦材４０ａには、各段の発電ユニット１００の下部両端を支持するブラケット４１が配設される（各片側のみを図示する）。さらに大フレーム４０は図示しない脚材と大フレーム４０の上部から設置面に張り渡されるワイヤーで支持固定される。
【００３６】
なお、前記の例では、発電素子５０を横一列に配列した発電ユニット１００を示したが、１つの発電ユニットを構成する発電素子５０の縦横の配列数および配列方向に限定はなく自由に設定できる。
例えば、図９に示すように、発電素子５０を縦一列に配列した発電ユニット１５０が構成できる。
これらの発電ユニット１００，１５０は、さらに設置現場の状況に応じて縦横に組むことができる。例えば、図１０および図１１に示すように、複数の発電ユニットを１つまたは複数の大フレーム４０に取り付けて固定することができる。図１０では、発電ユニット１５０を横一列に１０こ配列した風力発電装置２１０が形成され、図１１では、発電ユニット１００を縦一列に１０こ配列した風力発電装置２２０が形成される。
【００３７】
〔実施例２〕
図１２は前記の発電素子７０の正面図であり、図１３はその底面図である。
前記の実施例１では、発電機２０の入力軸２１とブレード１０の上部支持板２を接続する構成であったが、実施例２は、発電機６０のケースとブレード１０の下部支持板２を接続する構成とした点で実施例１と異なる。
図１２および図１３に示すように、発電素子７０は、ブレード１０と、上部支持板２に固定された支持軸２５と、下部支持板２に取り付けられた発電機６０とから主に構成される。
発電機６０の入力軸６１には、ボス５と、ボス孔に挿入された入力軸６１を、ボス孔と直交する方向に形成されたねじ孔に挿入される締結部材６とが接続されている。ボス５は、例えば、図５に示した小フレーム３０の横材３０ａに固定されて、発電素子７０の下部を支持する。
発電機６０は、円筒状のカバー６７を介して下部支持板２に固定されている。
【００３８】
図１４は図１２の要部縦断面図であり、図１５は図１４のIV−IV断面図である。
図１４および図１５に示すように、発電機６０は、入力軸６１と、入力軸６１に対して直角に、かつ回転不能に取り付けられたディスク６２と、ディスク６２の外周部分に同心に捲回されたコイル６３と、磁石６４が内部に配列固定された円筒状の発電機ケース６５とからなる三相交流発電機として構成される。
磁石６４は、複数の偏平な円柱状のネオジウム磁石からなり、発電機ケース６５の上下のケース板６５ａ、６５ｂの各内側にそれぞれが環状に配列固定される。上下のケース板６５ａ、６５ｂに取り付けられた上下の磁石６４は、コイル６３が横切るギャップを介して共軸で対向配置されている。
【００３９】
入力軸６１は、発電機ケース６５の上下のケース板６５ａ、６５ｂの各外側にそれぞれ配設された、ラジアルボールベアリングからなる軸受け６６によって発電機ケース６５に対して回転可能に支持されている。
コイル６３は、各磁石６４対の間に発生する磁束を横切るようにディスク６２に取り付けられ、入力軸６１が発電機ケース６５に対して相対回転するとき、コイル６３に発生した電流が、コイル６３から延出したリード線（図示しない）で外部に取り出される。このリード線は、入力軸６１の軸線に沿って穿設された孔部６１ａを通って外部の回路部に接続される。
【００４０】
カバー６７は上部ケース板６５ａより大径の底板６７ａを有し、底板６７ａの中心部には軸受け６６の貫通孔６７ｂを有する。底板６７ａと下部支持板２がリベット６８によって接合されることにより、カバー６７はブレード１０に固定される。さらに、底板６７ａに上部ケース板６５ａが接着される。
カバー６７は、発電機ケース６５との接着面積を確保し、発電機６０の防水性を高める。
【００４１】
図１６は、複数の発電素子７０を前記の小フレーム３０（図１および図５）に取り付けてなる発電ユニット７５の正面図である。
図中のＡ部では、図１２に示したように、小フレーム３０の下側の横材３０ａに取り付けられた前記のボス５に発電機６０の入力軸６１が挿入されることにより、発電素子７０の下部が小フレーム３０に回転可能に支持される。
図中のＢ部では、図５に示したように、小フレーム３０の上側の横材３０ｂに取り付けられたブッシング３３に、ブレード１０の支持軸２５が挿入されることにより、発電素子７０の上部が小フレーム３０に回転可能に支持される。
【００４２】
図１７は、図１６の平面図である。
図１７に示すように、複数の発電素子７０は、それぞれのブレード１０の回転軸が互いに平行になるように小フレーム３０に横方向に配列固定され、小フレーム３０内で互いに隣接するブレード１０どうしは、図中上側の矢印で示すように、それぞれの回転方向が互いに逆になるように配列固定されている。このような発電素子７０の配列により、図中下側の矢印で示す方向から吹く風が各ブレード１０に衝突し、さらに気流となって後方に抜ける際に、隣接する各ブレード１０によって生じる気流どうしの干渉を防止することができる。
【００４３】
上記したように、発電機ケース６５をブレード１０に固定して一体とし、入力軸６１を固定して磁石６４を回転させるアウターローターとすることにより、構造を簡略化し、回転体のトルクロスを抑えることができる。
【００４４】
なお、実施例２における他の実施の形態として、図１６中のＢ部を、Ａ部と同様に、小フレーム３０の上側の横材３０ｂに取り付けられたボス５に発電機６０の入力軸６１が挿入して発電素子を小フレーム３０に支持する構成とすることができる。このような構成では、ブレード１０の上下両端の支持板２に発電機６０がそれぞれ取り付けられることになるが、ブレード１０が受ける風速が高い場合には、１つのブレード１０の回転により２倍の出力を得ることができる。また、ブレード１０が受ける風速が低い場合には、１つの発電機６０だけでは不足する出力を補うことができる。
【００４５】
〔実施例３〕
図１８は前記の発電素子７０を用いて構成された照明装置としての街灯の正面図であり、図１９は図１８のＶ−Ｖ断面図である。
図１８および図１９に示すように、街灯８は、複数の発電素子７０と、これらの発電素子７０を覆う籠体８１と、各発電素子７０の各ブレード１０が受風できるように各発電素子７０を支持する支柱８２と、支柱８２に吊るされた電灯８３と、支柱８２の内部に配設された回路部９とから主に構成される。
【００４６】
図１９に示すように、籠体８１の内側には、回転方向が同一になるように構成された４つの発電素子７０が、十字状のブラケット８５を介して略同一高さで環状に支持されている。各発電素子７０の上部は、図５に示したように、ブレード１０の上部支持板２に取り付けられた支持軸２５が、ブラケット８５に取り付けられたブッシング３５に支持される。各発電素子７０の下部は、図１６に示したように、ブレード１０の下部支持板２に発電機６０が取り付けられ、重力方向を向いた入力軸６１が、ブラケット８５に取り付けられたボス５に支持される。
【００４７】
この例では、各発電素子７０の各ブレード１０の回転直径（図２における幅）が３５０ｍｍ、ブレード１０の高さが７００ｍｍである。また、電灯８３は、１５Ｗの丸型蛍光ランプで構成され、後記する回路部９の蓄電池から供給される電力によって点灯される。
【００４８】
なお、ブラケット８５の上部には、図中の破線で示したように、パネル状の太陽電池モジュール８６を取り付けることができる。
太陽電池モジュール８６を付加することにより、太陽電池モジュール８６によって得られた電力を、発電素子７０によって得られた電力とともに後記の蓄電部に蓄電することができるし、太陽電池モジュール８６の出力電圧に基づいて電灯８３の点灯を制御する光センサとして用いることもできる。また、発電素子７０の上方を覆って発電素子７０の防水性を高める被覆部材となる。
【００４９】
図２０は、街灯８の回路部９の構成を示すブロック図である。なお、この回路部８４は、街灯８に上記の太陽電池モジュール８６が付加された場合を示す。
図２０において、回路部９には、発電素子７０によって得られた電力を蓄電する蓄電池（蓄電部）９３が接続されている。また、太陽電池モジュール８６は、太陽光等の受光により、約６〜９Ｖの直流電圧を発生し、１．２〜１．８Ｗ程度の電力が得られるようになっている。
４つの発電素子７０の交流出力電圧は、三相交流整流回路９０において、しきい電圧０．３８Ｖのショットキーバリアダイオードで全波整流される。
明暗信号発生回路９１は、太陽電池モジュール８６の出力電圧の変化によって日没を検出し、この結果を明暗信号としてワンチップマイコン９２に送る。
なお、太陽電池モジュール８６の代わりに、Ｃｄｓ等の光電変換素子を日没を検出する光センサとして用いることもできる。
【００５０】
ワンチップマイコン９２は、予め設定されたプログラムに基づいて蓄電池９３の常時監視および電灯８３の点灯制御を行う。
ＡＤコンバータ９４は、定電圧電源９５の出力電圧および蓄電池９３の端子電圧をそれぞれデジタル化してワンチップマイコン９２に常時入力している。
ＦＥＴ第１スイッチ９６は、蓄電池９３の充電電圧の定電圧化およびワンチップマイコン９２からの制御信号で蓄電池９３の過充電を監視し、充電電流のＰＷＭ制御を行う。
ＦＥＴ第２スイッチ９７は、電灯８３の点灯制御と、蓄電池９３の過放電を防止するために出力の制限を行う。
【００５１】
ワンチップマイコン９２が明暗信号発生回路９１から明暗信号を受信すると、ワンチップマイコン９２が有する点灯タイマーが計時を開始する。点灯タイマーによる計時時間が予め設定された点灯時間を超えると、ＦＥＴ第２スイッチ９７を介して蓄電池９３からの電力供給を停止させる。
同時に、リセット信号発生回路９８がワンチップマイコン９２における明暗信号および点灯タイマーのリセットを行う。
なお、ワンチップマイコン９２による制御動作は、回路部９に接続されたＬＥＤモニタ９９によって確認できる。
【００５２】
上記の回路部９を有する街灯８では、発電素子７０のブレード１０が風速４〜５ｍ／秒の風を受けて180 ｒｐｍで回転するとき、直流出力電流０．２Ａに対して２４．１Ｖの直流電圧、つまり約５Ｗの電力が得られるようになっている。
なお、上記の実施例では、点灯タイマーによって電灯８３の消灯を決定したが、太陽電池モジュール８６の出力電圧の変化によって日の出を検出し、この結果を明暗信号としてワンチップマイコン９２に送ることによって消灯を行う構成とすることができる。
【００５３】
実施例３の街灯８は、街中における３ｍ／秒程度の比較的低い風速で発電可能な発電素子７０を用いて十分な光量を提供することができる。
また、街灯８に対する送電が不要であるため、街灯の設置に要するコストを大幅に下げることができる。
【００５４】
【発明の効果】
この発明によれば、静音性および微風下での変換効率および起動性に優れた風力発電用風車のブレードが提供される。また、設置する際の自由度の高い風力発電ユニット並びに風力発電装置が提供される。
この発明のブレードを用いたユニット並びに装置は、発電素子の数と設置場所に適した集合形態を決定するだけで所望する発電量を得る設計ができる。したがって、大型のブレードと発電機を所望する発電量に応じて一から設計する労力および時間が節約される。また、発電が各発電素子に分担されるので、一部の発電素子が損傷してもただちに発電不能になることがない。
【００５５】
また、小型のブレードと発電機を用いることにより、部材の製造および加工が容易になり大量生産に適する。また、風車を設置する際の現場への搬入や現場での組み立てが容易になる。
さらに、発電素子の集合形態を風車を設置する現場の状況（設置可能面積、周囲の構造物の存在等）に合わせて自在に変えられるので、風車を設置する際の従来の様々な制約が緩和され、風車の普及が促進される。
【００５６】
発電素子を照明装置に用いることにより、街中における３ｍ／秒程度の比較的低い風速で発電し、必要に応じて十分な光量を提供することができる。このような照明装置では、照明装置に対する送電が不要であるため、設置に要するコストを大幅に下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の風力発電ユニットの正面図である。
【図２】図１のユニットを構成するブレードの正面図である。
【図３】図２のブレードのIII −III 線断面図である。
【図４】ブレードの配置位置の関係を説明する図である。
【図５】フレームに対するブレードおよび発電機の取り付けを説明する正面図である。
【図６】図１のユニットにおける電気的な出力回路を示す。
【図７】この発明のさらに他の実施形態によるフレームに対するブレードおよび発電機の取り付け方法を説明する正面図である。
【図８】図１のユニットを集合してなる風力発電装置の正面図である。
【図９】この発明の他の実施形態による風力発電ユニットの正面図である。
【図１０】この発明の風力発電ユニットを集合してなる他の実施形態による風力発電装置の正面図である。
【図１１】この発明の風力発電ユニットを集合してなる他の実施形態による風力発電装置の正面図である。
【図１２】他の実施の形態による発電素子の正面図である。
【図１３】図１３の発電素子の底面図である。
【図１４】図１２の発電機６０の正面断面図である。
【図１５】図１４の発電機６０のIV−IV線断面図である。
【図１６】他の実施の形態による発電ユニットの正面図である。
【図１７】図１６の発電ユニットの平面図である。
【図１８】図１２の発電素子７０を用いて構成された照明装置としての街灯の正面図である。
【図１９】図１８の街灯のＶ−Ｖ線断面図である。
【図２０】図１８の街灯の回路部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１    湾曲板
２    支持板
８    街灯
１０    ブレード
１１    円弧状端部
２０    発電機
３０    小フレーム
４０    大フレーム
５０    発電素子
６０    発電機
６１    入力軸
６３    コイル
６４    磁石
６５    発電機ケース
７０    発電素子
１００    発電ユニット
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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