JP5351682B2 - 垂直回転軸型風車および同風車を用いた風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、垂直回転軸型風車と同垂直回転軸型風車を用いた風力発電装置に関するもので、詳しくは、どのような方向から風を受けても効率よく回転する風車とその風車を用いた風力発電装置に関するものである。

近年、環境保護および省エネルギーの面から太陽光発電と風力発電とが注目されている。風力発電には風車が用いられており、この風車には垂直回転軸型と水平回転軸型とがある。水平回転軸型の風車は、対向する風を受けなければプロペラが効率よく回転しない。このため、常にプロペラが前方から向かい風を受けるように、プロペラを先端に支持する支持体の先端部を風が吹いてくる方向に向くようにしなければならない。一方、垂直回転軸型の風車は、風の向きに左右されずに回転するが、ブレードの回転中心を境にして片方のブレードは効率よく回転しようとするが、他方のブレードには回転を妨げるように風が当たるという問題点を有している。

垂直回転軸型風車を用いた風力発電装置に関する先行技術として、縦軸形の第１風車、縦軸形の第２風車および発電装置を備え、風力による第１風車の羽根の回転方向と第２風車の羽根の回転方向は互いに反対方向であり、前記発電装置は前記第１風車と第２風車との間に配置され、前記発電装置の界磁用磁石と電機子コイルは同じ回転中心の周りを回転し、かつ、前記界磁用磁石は前記第１風車および第２風車の一方の回転方向に回転し、前記電機子コイルは前記界磁用磁石による磁界中において前記第１風車および第２風車の他方の回転方向に回転する風力発電機が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００４−２１１７０７号公報

上記の特許文献１に記載の風力発電機によれば、第１風車と第２風車が風力により互いに反対方向に回転し、両者の間に配置された発電装置の界磁用磁石と電機子コイルが前記第１風車および第２風車の回転により互いに反対方向に回転するので、前記界磁用磁石による磁界を横切る電機子コイルにより発電量が倍の発電をすることができるという利点がある。

しかしながら、回転方向が反対の第１風車と第２風車とを発電装置を介在させて設ける必要があるため、構造が複雑である。また、ブレードの回転中心を境にして片側のブレードには同ブレードを回転させる方向に風が当たるが、反対側のブレードには回転を妨げるように風が作用するという上記問題点は解決されていない。さらに、特許文献１に記載の風車用ブレードは、鉛直方向からみて、回転方向の進行方向前側に向かって凸状に湾曲された前側面と、前側面の背面側に配置され、前記進行方向の後側に向かって凹状に湾曲された後側面とを備えており、前記前側面は、前記進行方向の前方に配置されると共に平均曲率の最も大きい前縁面と、前記回転中心に近い側に配置され前記前縁面から前記進行方向の後方に向かって連続形成された気流低速通過面と、前記回転中心から遠い側に配置され前記前縁面から前記進行方向の後方に向かって前記気流低速通過面よりも大きく膨らむ曲面で連続形成され前記鉛直方向からみた長さが前記気流低速通過面よりも長い気流高速通過面とを含んでいるために、ブレードの構造が複雑で製造が難しく、風車の重量が重くなる。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、風の向きに左右されずにブレードが効率よくスムーズに回転するとともに、円周方向に間隔をあけて配置される複数のブレードの回転中心位置を境にし、従来はブレードの回転を妨げるように風が作用する側のブレードについても回転が妨げられにくい、垂直回転軸型風車と同風車を備えた風力発電装置とを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明にかかる垂直回転軸型風車は、 鉛直方向に直交する断面が円弧状になるように湾曲させた板状の複数枚のブレードを、同ブレードの凹状側円弧面が風を受けるように鉛直方向の前記ブレードの回転中心部の周りに円周方向に間隔をあけて配置するとともに、前記各ブレードが受ける風が通過可能な空洞部を、前記各ブレードの前記回転中心部側において隣接する前記各ブレード間の空間部に連通させて設け、前記各ブレードの円弧面の外縁より、前記回転中心部から半径方向外方へ延びる延長板を張り出して設けたことを特徴とする。

上記の構成を有する垂直回転軸型風車によれば、図４に示すように凹状側円弧面４１で風を受けるブレード４と反対側（風下側）の、凸状側円弧面４２で風を受けて回転の抗力になる側のブレード４に対し、風車本体２の回転を助長するように風が流れ込むので、風車本体２の回転に風が有効に利用され風車本体２が効率よく回転する。
また、起動時に各ブレードの外縁から半径方向に張り出す延長板（フラットバー）がブレードの凹状の円弧面とともに風を受け、しかも前記延長板に当たる風は大部分が風車本体を一方向に回転させる回転力を生じさせるように作用するために、風車本体がスムーズに回転を開始する。なお、前記延長板の幅（張り出し寸法）は限定するものではないが、たとえば前記風車本体の外径の１／１０前後位あればよい。

請求項２に記載のように、前記風車本体の外径の１／３の直径で同心の内径円を描き、その内径円を円周方向に６等分した各点から前記外径の１／２の直径で同心の中間径円を描き、その中間径円上の点を中心に前記外径の１／４〜１／３の半径で前記内径円の等分点と前記外径の円上とを結ぶ円弧状の６枚のブレードを備えることができる。

このようにすれば、円周方向に等間隔に６枚の円弧状ブレードを規則正しく、かつ容易に製作することができる。

請求項３に記載のように、前記各ブレードは対向する円形の上板と円形の下板との間に跨って上下の板と一体回転可能に支持され、前記上板と前記下板の各中心部にそれぞれ支持された回転軸により軸受を介して回転することができる。

このようにすれば、複数枚の円弧状ブレードを相互に隣接するブレード間に風が流通する空間部を設け、円形の上下板間に一体に支持することができ、構造が簡単で小型軽量化が可能になる。また、円弧状ブレードと円形の板と回転軸との３種類の、少ない点数の部品で製造できる。さらに、ブレードを共通にすることで、ブレードの枚数を簡単に増減できるとともに、ブレードの長さを変えるだけで、風車本体が受ける風量を任意に調整することができる。

請求項４に記載のように、前記各ブレードの円弧面の曲率を、前方のブレードが受けた風が前記空洞部を挟んで反対側（風下側）のブレードの凹状側円弧面に流れ込み同ブレードに同一方向に回転させる回転力を生じさせるように設定することが望ましい。

このようにすれば、凹状の円弧面で風を受けるブレードと反対側（風下側）の、凸状側円弧面で風を受けて風車本体の回転の抗力になる側のブレードに対し、図４に示すように風車本体の回転を助長するように風が流れ込むので、風車本体の回転に風が有効に利用され風車本体が効率よく回転する。

請求項５に記載のように、前記風車本体の側周面における円周方向の１／４（９０度）前後を覆う風よけカバーを、上下の前記回転軸に回転可能に取り付けるとともに、風の吹く方向を指す風向翼を前記回転軸に回転可能に取り付け、前記風よけカバーを風に対向して前記風車本体の１／４前後の側周面を覆うように前記風向翼に対し一体的に回転するように連結することが望ましい。

このようにすれば、風を正面より受けて回転の抗力となる側を風よけカバーで覆ってブレードに風が当たらなくできるので、風よけカバーに隣接する位置から風車本体内のブレードに吹き込んで当たる風を、風車本体の回転に無駄なく利用でき、弱風でも風車本体が円滑に回転する。したがって、本請求項にかかる風車を用いた風力発電装置によれば、弱風から強風に至るまで風の強弱に拘わらず、風力を無駄なくかつ効率よく発電に利用することができる。

請求項６に記載の風力発電装置は、請求項１〜５のいずれか記載の垂直回転軸型風車を備えたことを特徴とする。

このようにすれば、上記の請求項１〜５のいずれか１項に記載の風車を用いて風力発電装置を製造することにより、弱風から強風に至るまで風の強弱に拘わらず、風力を無駄なくかつ効率よく発電に利用することができる。

請求項７に記載のように、前記回転軸に対し回転子コアを一体回転可能に取り付けるとともに、前記回転子コアの周囲に固定子コアを配設することができる。

このようにすれば、風車本体の回転に伴って回転子コアが固定子コア間の磁力に抗して同磁力線を切ることで発電する。

本発明にかかる垂直回転軸型風車および風力発電装置には、つぎのような優れた効果がある。
・本発明の風車は、風向きによる影響が少なく、弱風でも効率よく回転することができる。
・本発明の風力発電装置は、風向きによる影響が少なく、効率よく回転する風車を用いているので、風向きおよび風力の強弱にかかわらず、効率よく発電することができる。

図２の風力発電装置のＡ−Ａ方向から見た平面図で、一部を省略して表している。 本発明の垂直回転軸型風車を備えた風力発電装置の実施の形態を示す正面図である。 本発明の垂直回転軸型風車におけるブレードの作成方法の一例を示す説明図である。 本発明の垂直回転軸型風車におけるブレードの作成方法の別の例を示す説明図と同作成方法に基づいて作成したブレードを備えた垂直回転軸型風車における風の流れを表すものである。 本発明の垂直回転軸型風車におけるブレードの変形例を示すもので、ブレードの作成方法の一例を表した説明図である。 図５の垂直回転軸型風車における２枚のブレードを示す斜視図である。 本発明の変形例にかかるブレード４’を備えた風車本体２を示す平面図である。 本発明の風力発電装置の別の実施形態を示す平面図である。 図８の風力発電装置を示す正面図である。

以下、本発明の垂直回転軸型風車および風力発電装置の実施の形態について図面に基づいて説明する。

図１および図２に示すように、風力発電装置１は、垂直回転軸型の風車本体２を支持枠３内の中心部に回転可能に備えている。風車本体２は円筒体状で、本例では６枚のブレード４を上下の円板５・５間に跨って一体回転可能に備えている。上下の各円板５・５の中心位置に上部回転軸６の上端と下部回転軸７の下端とが、上方または下方へ突出して一体回転可能に固定されている。

支持枠３は略正方形状の底板３１を備え、この底板３１上に４本の支柱３２が左右に２本ずつ鉛直方向に立設されている。４本の各支柱３２は左右方向および前後方向に一対の上部フレーム（図示せず）および下部フレーム３５・３６により連結され、枠体が構成されしている。また、上部フレーム（図示せず）間および下部フレーム３６・３６間が平板状フレーム３７または３８で連結されている。上下の平板状フレーム３７・３８の長さ方向の中央部に開口３７ａ・３８ａが設けられ、各開口３７ａ・３８ａ内に配置された軸受１６・１７により上下の回転軸６・７がそれぞれ回転可能に支持されている。上下の平板状フレーム３７・３８の上面または下面には、補強フレーム３７ｂ・３８ｂが一体に垂直（縦向き）に固着されている。

図２に示すように、底板３１の中央部上に円筒状支持台１１が設置されている。この支持台１１内には、図示を省略した発電装置としての固定子コア１２が配設され、この固定子コア１２内に回転子コア１３が配置されている。回転子コア１３の中心部には回転軸１４が一部を上方へ突出させて一体回転可能に設けられ、回転軸１４は下部回転軸７に軸継手１５を介して連結されている。発電装置には、たとえば図示しないスリップリングとこのスリップリングに摺動するブラシが複数組設けられ、それらのブラシは回転子コア１３から交流電力を取り出せるように接続されている。固定子コア１２には永久磁石を使用しているが、発電した交流電力の一部を図示しない整流回路により直流に変換した界磁用電力によって励磁するようにしてもよい。また、ブラシを用いず無接点方式にしてもよく、できるだけ小トルクで回転して発電されるものであれば、発電装置は特に限定されない。

風車本体２は、本例では図３に示すように、外径Ｄが１２００ｍｍの場合に外径Ｄの１／３の直径ｄ１＝４００ｍｍで同心の内径円２０１を描き、その内径円２０１を円周方向に６０°間隔で６等分した各点から前記外径Ｒの１／２の直径ｄ２＝６００ｍｍで同心の中間径円２０２を描き、その中間径円２０２上の点を中心に前記外径Ｄの７／３０の半径ｒ＝３８０ｍｍで前記内径円２０１の６等分点と外径円２００上とを結ぶことにより、扇形状角度α＝９０°の円弧状の６枚のブレード４を作成する。このようにして作成したブレード４が内径円２０１から外径円２００に向けて時計方向へ円弧状に湾曲するように、かつ円周方向に等間隔に配置される。

図４は風車本体２の、ブレード４の半径ｒと扇形角αが異なる別の実施例で、本例の場合、上記実施例と共通の外径、中間径および内径において、ブレード４の半径ｒを外径Ｒの１／４の３００ｍｍ、扇形角α＝１２０°にし、上記実施例と同様に内径円２０１内が空洞部８を構成し、図４に示すように矢印方向に吹く風を風に対向する複数枚のブレード４の凹状側円弧面４１で受ける。この風はブレード４に対し時計方向への回転力を与えるとともに、ブレード４の凹状側円弧面４１に案内されて空洞部８を通り、反対側（風下側）に位置するブレード４の凹状側円弧面４１に案内され、同様に時計方向への回転力を与えてブレード４・４間の空間部１０を通って風車本体２の外部へ排出される。このため、ブレード４の凸状側円弧面４２で風を受けて時計方向への回転に抗する力をある程度打ち消すことができる。図４は風車本体２の右側面に対向する風を 受ける状態を示しているが、風車本体２に対してどのような方向から風が吹いても、図４の右側面から風を受けるのと同じ態様により風車本体２が時計方向に回転する。

なお、本実施形態では、ブレード４を内径円２０１から外径円２００に向けて反時計方向に円弧状に湾曲するように配置しているが、ブレード４を内径円２０１から外径円２００に向けて時計方向に円弧状に湾曲するように配置してよい。そして、時計方向に円弧状に湾曲するようにブレード４を配置した場合には、風車本体２は時計方向に回転する。また、ブレード４の上下方向の長さ（高さ）は、本実施形態では風車本体２の外径Ｄの１．５倍、つまりＬ＝１８００ｍｍに設定しているが、これについても限定するものではなく、たとえば風車本体２の外径Ｄと同一の１２００ｍｍにすることもでき、発電装置の必要トルクに応じて設定できる。

図１および図２に示すように、風車本体２の側周面２ａを円周方向に概ね１／４（略９０°）覆う風よけカバー９を設けている。この風よけカバー９は、上方より見て扇形状の上板９ａと同扇形状の下板９ｂおよび上下板９ａ・９ｂの周面に跨る側周壁９ｃを備え、略１／４の円筒体からなる。風よけカバー９は風車本体２の側周面２ａの一部（円周方向の１／４）を覆うように、上部回転軸６と下部回転軸７に対し軸受１６または１７を介して回転可能に取り付けられている。この状態で風よけカバー９内には、風車本体２の上下および半径方向にわずかな隙間が生じている。

また、風よけカバー９には風向翼１８が一体回転可能に連結されている。すなわち、風向翼１８は五角形状の縦向きの翼からなり、軸受１９の外輪側に固定されている。この状態で、図１に示すように風向翼１８は風よけカバー９の上板９ａの半径の延長線上において、風よけカバー９の風下側の側辺９ｄに対しほぼ直角に交差する。この構成により、風向翼１８は風が吹く方向に平行にかつ風の方向と反対側に回転し、この風向翼１８の回転に伴って風よけカバー９は側周壁９ｃが、風に対向する風車本体２の側周面２ａの一部（１／４）を常に覆う。したがって、回転を阻害する方向の風は風車本体２には当たらない。なお、ブレード４・上下の円板５などの風車本体２を構成する部材や風よけカバー９および風向翼１８の材質については、アルミニウム、アルミニウム合金、ジュラルミン、チタンなどの軽合金、強化プラスチックなどが用いられるが、限定されるものではないことはいうまでもない。

以上のようにして、本実施形態の風力発電装置１が構成されるので、続いて風車本体２および風力発電装置１の動作について説明する。

図１および図２において風車本体２が正面方向からの風を受けたと仮定すると、風向翼１８は図１において時計方向に９０°回転するとともに、風よけカバー９も時計方向に９０°回転する。この状態は図１と同様の状態であり、風よけカバー９に隣接する右側方９０°の範囲に風が吹き込む。風は風車本体２内のブレード４の凹状側円弧面４１に当たり、風車本体２は反時計方向に回転する。一方、風車本体２内のブレード４の凸状側円弧面４２に当たろうとする風は、風よけカバー９によって阻止される。このため、風によって風車本体２の反時計方向への回転が阻害されることがない。また、風車本体２内のブレード４の凹状側円弧面４１に当たった風は、図４に示すように空洞部８を通って反対側に位置するブレード４の凹状側円弧面４１に案内され、同ブレード４に対し反時計方向への回転力を与えて風車本体２の外部へ排出される。したがって、本実施形態の風車本体２を備えた風力発電装置１によれば、風車本体２がどのような方向からの風を受けても、複数の異なる方向から風を受けても、あるいは風の吹く方向が変わっても、風車本体２は効率よく特定方向（反時計方向）に回転する。そして、風車本体２が特定方向に回転するのに伴って、下方の回転子コア１３が固定子コア１２間の磁力に抗して回転し磁力線を切ることによって発電し、交流電力が生じる。

つぎに、図５および図６は風車本体の変形例を示すもので、本例では、全てのブレード４の外縁から風車本体２’の中心位置より半径方向外方へ向け、延長板４ａをブレード４の全長にわたり一定幅で張り出させている。延長板４ａは板状のブレード４を湾曲させて一体に製造できる。各延長板４ａは、風車本体２’の側周面２ａから半径方向へ張り出しているので、０°から反時計方向に９０°の位置では延長板４ａの全面に風を垂直に受けるので、風車本体２’の回転開始時、つまり起動時に有効に働き、比較的弱い風でも風車本体２’が確実に回転を開始する。風車本体２’がいったん回転を開始すると、後は極めて弱い風でも風車本体２’は回転を継続する。したがって、本変形例は、風が止まってから風車本体２’の回転が停止した後、再び風が吹きだしたときに風車本体２を起動する際に有効である。なお、図５には風よけカバー９を示していないが、本変形例でも、風よけカバー９を設けることができ、その場合には、延長板４ａと干渉しないように、風よけカバー９の側周壁９ｃの位置を半径方向外方へ移動させる。なお、延長板４ａは通常、ブレード４と一体に形成するが、延長板４ａの幅は本例では１０〜２０ｍｍ程度にしている。この数値は一例であって限定するものではない。

上記に本発明にかかる垂直回転軸型風車および同風車を備えた風力発電装置について実施の形態を説明したが、以下のように実施することができる。

・上記実施の形態では変形例を含めてブレード４の枚数を６枚にしているが、枚数は風車本体２の外径・内径円の大きさなどに基づいて適宜決定することができ、たとえば３枚、４枚、５枚、８枚でもよい。

・ブレード４の枚数によって円周方向の間隔（基本的には等間隔）、隣接するブレード４間の空間部１０の大きさが決まってくるが、ブレード４の円弧面の曲率（湾曲の度合い）を変更することができる。

・ブレード４の円弧面の曲率を変更する場合は、風が吹き込むブレードから反対側の風下に位置するブレード４への風の流れをスムーズにするため、空洞部８の大きさ（内径円２０１の直径ｄ１）を変更することが望ましい。基本的には、ブレード４の曲率を大きくするとときには、空洞部８の大きさを小さくするとよい。

・本発明の垂直回転軸型風車を横向きにして自動車のフロントバンバーなどの下方に取り付け、自動車用の風力発電装置として使用することができる。

・図５に示したブレード４の延長板４ａは、ブレード４の１つおき、あるいは２つおきに設けてもよい。

・図７は変形例にかかるブレード４’を備えた風車本体２’を示す平面図である。本例のブレード４’は凹状側円弧面４１の曲率（半径ｒ）に比べて凸状側円弧面４２の曲率を小さく（半径ｒ’：ｒ＞ｒ’）し、凹状側円弧面４１で風を十分に受ける一方、凸状側円弧面４２に当たる風は逃げやすくして回転の抗力になりにくくしている。また、ブレード４’の内外両側に比べて中央部の厚みがやや厚くなるようにして、ブレード４’の強度を増大させて耐久性に富むようにしている。本例の場合、アルミニウム合金などの軽合金や合成樹脂を押し出し成形あるいは射出成形してブレード４’を製造できる。

・図８および図９は風力発電装置の別の実施形態を示すもので、図８は平面図、図９は正面図である。本実施形態の風力発電装置１’は実質的に図１および図２に示す風力発電装置１に共通するものである。コンクリート基礎３０上に４本の支柱３２をそれぞれ底板３１を介して立設し、支持枠３’を構成している。本風力発電装置１’は風車本体２の位置を上記実施形態の風力発電装置１に比べて高くし、発電装置１２・１３をコンクリート基礎３０の上方に配置している。また本風力発電装置１’では、風よけカバー９および風向翼１８を省いて構造を簡略にしている。なお、図８中の符号３３・３４は上部フレーム、図９中の符号３９・４０は平板状フレームである。そのほか、上記実施形態にかかる風力発電装置１と共通する部材は同一の符号を用いて示し、説明を省略する。

本発明にかかる風力発電装置は、発電の分野において利用可能であり、家庭用および中小型の装置として好適であるが、大規模な装置にも適用できる。

１・１’風力発電装置
２・２’垂直回転軸型風車本体
２ａ風車本体２の側周面
３・３’支持枠
４・４’ブレード
４ａ延長板
５ 円板
６ 上部回転軸
７ 下部回転軸
８ 空洞部
９ 風よけカバー
９ａ扇形状上板
９ｂ扇形状下板
９ｃ側周壁
９ｄ側辺
１０ 空間部（隙間）
１１ 円筒状支持台
１２ 固定子コア
１３ 回転子コア
１４ 回転軸
１５ 軸継手
１６・１７・１９・２０ 軸受
１８ 風向翼
３０ コンクリート基礎
３１ 底板
３２ 支柱
３３・３４ 上部フレーム
３５・３６ 下部フレーム
３７・３８ 平板状フレーム
３７ａ・３８ａ開口
３７ｂ・３８ｂ補強フレーム
３９・４０ 平板状フレーム
４１ ブレード４の凹状側円弧面
４２ ブレード４の凸状側円弧面

Claims (7)

1. 鉛直方向に直交する断面が円弧状になるように湾曲させた板状の複数枚のブレードを、同ブレードの凹状側円弧面が風を受けるように鉛直方向の前記ブレードの回転中心部の周りに円周方向に間隔をあけて配置するとともに、
   前記各ブレードが受ける風が通過可能な空洞部を、前記各ブレードの前記回転中心部側において隣接する前記各ブレード間の空間部に連通させて設け、
   前記各ブレードの円弧面の外縁より、前記回転中心部から半径方向外方へ延びる延長板を張り出して設けたことを特徴とする垂直回転軸型風車。
2. 前記風車本体の外径の１／３の直径で同心の内径円を描き、その内径円を円周方向に６等分した各点から前記外径の１／２の直径で同心の中間径円を描き、その中間径円上の点を中心に前記外径の１／４〜１／３の半径で前記内径円の等分点と前記外径の円上とを結ぶ円弧状の６枚のブレードを備えたことを特徴とする請求項１記載の垂直回転軸型風車。
3. 前記各ブレードは対向する円形の上板と円形の下板との間に跨って一体回転可能に支持され、前記上板と前記下板の各中心部にそれぞれ支持された回転軸により軸受を介して回転することを特徴とする請求項１または２記載の垂直回転軸型風車。
4. 前記各ブレードの円弧面の曲率を、前方のブレードが受けた風が前記空洞部を挟んで反対側のブレードの凹状側円弧面に流れ込み同ブレードに同一方向に回転させる回転力を生じさせるように設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の垂直回転軸型風車。
5. 前記風車本体の側周面における円周方向の１／４前後を覆う風よけカバーを、上下の前記回転軸に回転可能に取り付けるとともに、
   風の吹く方向を指す風向翼を前記回転軸に回転可能に取り付け、前記風よけカバーを風に対向して前記風車本体の１／４の側周面を覆うように前記風向翼に対し一体的に回転するように連結したことを特徴とする請求項３または４に記載の垂直回転軸型風車。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の垂直回転軸型風車を備えたことを特徴とする風力発電装置。
7. 前記回転軸に対し回転子コアを一体回転可能に取り付けるとともに、前記回転子コアの周囲に固定子コアを配設したことを特徴とする請求項６記載の風力発電装置。

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