JP5832068B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、全方位からの気流に対応した風力発電装置の原理、構造に関する。

従来の風力発電機は気流の強さを利用して、その気流の向きに回転翼を対向させて、その主軸を回転させ発電させて、機械エネルギーを電気エネルギーに変えるものが一般的である。

本発明は、上記の欠点をなくす為に、風力発電装置を固定したまま、自然の大気中の気流に対して、単方位、双方位又は全方位に対応できるものであり、効率的に発電を行える装置を提供するものである。

つまり、気流の方向に左右される事なく、微風にも気流増速器を利用して、風力を増し、発電する風力発電装置である。

上記目的を達成する為に、本発明に係る風力発電装置は、気流を生じている大気中に、水平誘導板、垂直誘導板又は、それらを組み合わせた気流増速器を配設し、その回転翼の回転軸に風力発電機を取り付けて発電させるものである。

つまり、その回転翼部と、前記各回転軸の一端部に接続された風力発電機と、前記回転翼の羽根部に気流を誘導する気流誘導板を用いた気流増速器で構成されたものである。

即ち、本発明は、大気中の回転翼部の羽根部に気流を誘導するようにし、その背面側は、対向気流による空気抵抗が少ない流線形又は鋭角状にしているものである。気流誘導、圧縮式の気流増速器を採用し、気流の流速を増大させ、この流速を高めた気流で、風力発電機につながる回転翼を駆動するのであり、回転軸の法線方向の単方位、双方位又は全方位からの気流に対応できるものである。

上記目的を達成する為に、本発明は、無尽蔵にある自然エネルギーを利用して発電するもので、気流を増速し、回転翼部の羽根部に加えて、その高エネルギーを電気エネルギーに変えるものである。

請求項１に記載の発明は、上下に所定間隔を保って互いに対向して配置され、中心部が開口したドーナッツ板状を呈する一対の水平誘導板と、該水平誘導板間の開口部に回転軸が配置されて同回転軸に羽根部が取付けられた回転翼部と、該回転翼部の外周側の前記水平誘導板の間に前記回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に複数配置した垂直誘導板と、から構成され、前記羽根部の回転移動方向側は鋭角及び／又は流線型とし、該回転移動方向と反対側に気流を取り込む気流取り込み口を有する奥行きのある空洞を具備する一方、前記水平誘導板は、気流進入側の幅を広角且つその幅員を大きくし、該幅員が回転翼部方向に徐々に小さくなっているとともに、該水平誘導板と、該水平誘導板間に組み入れた前記垂直誘導板とによって気流増速器が形成され、該気流増速器によって増速された気流の誘導先が、前記羽根部の気流取り込み口に向けられており、かつ、前記回転翼部は、前記水平誘導板の開口部に着脱自在に取り付けられているとともに、この水平誘導板の開口部は、前記回転翼部の軸受板でカバーされ、さらにこの軸受板又は前記水平誘導板に、開閉を制御出来る排気口が設けられていることを特徴とする風力発電装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の風力発電装置において、上記水平誘導板の間に気流の出入り口を形成する双方向性垂直誘導壁が配置されていることを特徴とする風力発電装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の風力発電装置において、気流増速部と上記回転翼部が単独又は多段形成されていることを特徴とする風力発電装置である。

上記の発明は、回転翼部の回転軸を垂直に設置した場合、水平方向の全方位からの微風にも対応できる風力発電装置である。

つまり、全方位からの気流を気流増速器により、増速させた気流を取り込み、回転翼羽根部の気流取り込み口を加圧して、発電機に繋がる回転翼の回転軸を駆動させることができる非常に効率的な発電を行う事ができる風力発電装置である。

以下に本発明の実施形態の一例を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態の風力発電装置１は全方位からの気流を利用して発電を行う風力発電装置であって、回転翼部（４、５、６又は７）、回転軸３及び複数の気流増速器８を組み合わせた気流増速部８Ｕと発電機２とから主に構成される。

（ａ）は気流増速部８Ｕ及び回転翼部４の設置を１段のものであり、（ｂ）は気流増速部８Ｕ及び回転翼部４を３段にしたものであるが、用途に応じて、回転翼部５，６又は７を採用出来るものとし、又、それ以外の回転翼を設置しても良い。上記気流増速部８Ｕ及び該回転翼部（４，５，６又は７）の設置を幾段にするかは、必要な供給電力に応じて決めれば良い。

このように回転翼部４が取り付けられた上記回転軸３の一端部には、発電機２が接続されている。気流増速器８は、気流が緩やかな場所でも、加圧して、羽根部（４ａ〜ｆ）に送風出来る為に非常に役立つものである。

図２において、各羽根部（４ａ〜ｆ）は、回転軸３に固定されており、回転翼部（４、５，６，７）は少なくとも３個以上の回転翼を有するものとする。

又、図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、前記の風力発電装置１に採用できる４種類の回転翼部（４，５，６，７）を示すものである。これら全ての羽根部（４ａ〜ｆ、５ａ〜ｆ、６ａ〜ｆ、７ａ〜ｆ）は気流を取り込む為の空洞を有し、その羽根部の点線は、その奥行きを示している。又、回転翼部（４、５、６、７）において、その羽根部（４ａ〜ｆ、５ａ〜ｆ、６ａ〜ｆ、７ａ〜ｆ）の気流取り込み口（斜線で示している部分）の背面は、流線形又は鋭角にして、回転時の対向気圧による空気抵抗を少なくしている。

又、羽根部で受ける風圧が非常に高い場合は、その風圧を調整する為、気流取り込み口の背面に排気口を設けて、気圧又はプログラム制御により、自動的にその排気口を制御し、発電機２の回転軸２の回転数を制御して、強い風力に対応しても良い。

図３は、気流を回転翼方向に誘導する水平誘導板２０ａ、ｂを示す図である。図（ａ）は、該水平誘導板２０ａ、ｂの斜視図である。図（ｂ）は該水平誘導板２０ａ、ｂを横から視た図である。図に示すように、二枚の水平誘導板２０ａ、ｂを対とし、円形状のもので、その中心付近は水平状で、その側面方向に傾斜を持たせ広角にし、全方向（３６０度）方向に対応出来るようにしている。

図４は、垂直誘導板３０（ａ〜ｌ）を示す斜視図である。これは水平方向の気流の向きを誘導するもので、全ての誘導板は気流を回転翼の羽根部に誘導されるように配置されているものであり、垂直誘導板３０（ａ〜ｌ）を１２枚用いて回転軸の軸芯から偏芯させて、放射状に配置し、全方位（３６０度）からの気流に対応出来るものである。

図５は上記の水平誘導板２０ａ、ｂと垂直誘導板３０（ａ〜ｌ）を組み合わせた気流増速部８Ｕを横から視た図である。図からも解るように、気流受口側は開口面積を大きくし、回転翼部の羽根部方向へ向って徐々に開口面積を小さくし、気流を増速したもので、全方位、３６０度方位からの気流に対応している。

図６は、上記の気流増速器８及び気流増速部８Ｕの斜視図である。（ａ）は該気流増速器８の単独のものであり、（ｂ）は気流増速器８を放射状に１２個配設した全方位（３６０度）に対応できる。

又、図（ａ）、（ｂ）に示すように、該気流増速器８は、その開口面積を下流に向って徐々に減少させている構造であり、且つ、その誘導先が回転翼部（４）、（５）、（６）、（７）の羽根部の気流受口である為、回転翼部の羽根部に高い気圧が加わるようにしている。つまり、気流増速器８内を圧力管状態とし、気流速度を増加させているものである。

図７は上記気流増速部８Ｕ（３６０度対応）と回転翼部４を組み合わせた回転翼部４部分の透視、斜視図である。

図８は該回転翼部４と気流の関係を示したものである。（ａ）は従来型の回転翼部４と気流との対応関係を示した図であり、（ｂ）は回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に１２枚の垂直誘導板３０（ａ〜ｌ）で（３６０度対応）を配設し、該回転翼部４と気流の関係を上部から視た図である。

又、流速の速い気流を受ける場合、回転翼部の羽根部は空洞を有する回転翼（４ａ〜ｆ）を設けているので、圧力の高い気流を一時的に空洞（点線は奥行きを示す）にて蓄積し、その気流の圧力により、回転力を増し、回転軸３を効率よく回転させるものである。又、（ｂ）図に示すように回転翼（４ｄ、４ｅ、４ｆ）側は、気流の圧力を直接受けない構造となっており、且つ、回転翼部の羽根部の背面側が鋭角又は流線形になっている事により、更に対向気圧による空気抵抗を低減している。

図９は気流と前記水平誘導板２０ａ，ｂ及び回転翼部４との関係を横方向から視た図である、（ａ）は、該水平誘導板２０ａ、ｂがない場合の回転翼４と気流方向を示したものであり、（ｂ）は気流と該水平誘導板２０ａ、ｂを設置した場合の回転翼部４と気流との関係を示したものである。

上記図８の（ｂ）に示す１２枚の垂直誘導板（３０ａ〜ｌ）と図９の（ｂ）の水平誘導板（２０ａ〜ｂ）の効果を持ち合わせたものが気流増速器である。

図１０は、上記回転翼部４を取り囲むように回転軸の軸芯から偏芯させて、放射状に配設された１２枚の垂直誘導板３０（ａ〜ｌ）と気流との関係を上部から視た図である。これは、図に示す様に気流が進入する側、排気口側の区別はなく共用している。前記回転軸３の法線方向からの気流に対して、全方位（３６０度方向）に対応できる構造となっている。

以下に本発明の実施形態の二例を図面に基づいて説明する。

図１１は、気流双方向性対応の回転翼部４と垂直誘導板（４１ａ〜ｆ）及び誘導壁（４０ａ、ｂ）に対する気流との関係を上部から視た図である。図に示す様に気流が進入する側、排気口側の区別はなく併用しており、気流誘導壁（４０ａ、ｂ）によって、回転翼部の羽根部気流受口の背面側が回転して戻って来る場合でも、該背面側に気流は誘導されない構造となっている。但し、この図は垂直方向の気流は想定しておりません。上記垂直誘導板４１（ａ〜ｆ）及び４０（ａ、ｂ）に替えて、前記気流増速器８を配設した場合は上述の通りとなる。

以下に本発明の実施形態の三例を図面に基づいて説明する。

図１２は、二枚を対とした円形状の中心部を円状に切り抜いたドーナッツ板状の水平誘導板２００ａ，ｂの図である。（ａ）は、その斜視図である。（ｂ）該水平誘導板を横から視た図である。図に示すように、実施形態一例のように、気流進入側の二枚の誘導板の幅員を変えているものではない。

図１３は、垂直誘導板３００（ａ〜ｌ）を示す斜視図である。個々の該垂直誘導板３００（ａ〜ｌ）は、長方形のもので、該垂直誘導板を回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に配置し、その中心部に回転翼部を配置するものである。

図１４は上記、図１３及び１４に示す水平誘導板及び垂直誘導板を組み合わせた気流増速部８０Ｕの斜視図である。図からも解るように、全方位３６０度の方向からの気流に対応できる構造となっている。

図１５は、上記、気流増速部８１の中心部を、円形状である回転翼部の軸受板５０にてカバーを行い固定している気流増速部８１Ｕの斜視図である。この気流増速部８１Ｕは回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に気流増幅器８０を１２個配設したもので、全方位（３６０度）からの気流に対応できるようにしている。

図１６に示す気流増速部８２Ｕは、図１５のドーナッツ状の平面板を用いた気流増速部８１Ｕの、該回転翼部の軸受板に、制御出来る排気口を設けているものである。その排気口の開閉度を風力の強さにより自動制御するものである。

又、放射状に配置した気流増速部の中央部に設置した回転翼部４の羽根部４（ａ〜ｆ）に風圧を加えて、該回転翼部４を駆動し、その回転軸３を回転させ、該回転翼に加わる気圧を排気制御により出来る限り、回転を安定するようにしたものである。

図１７は上記の排気口開閉を制御する軸受板６０の図面である。（ａ）は軸受板のカバーに制御用の排気口開閉板を取り付けていない状態の図である。（ｂ）は該軸受板のカバーに取り付ける該排気用開閉板６１の図である。（ｃ）は該排気口開閉板６１を全開した図である。（ｄ）は半開の図面である。（ｅ）は全閉の図である。（ｆ）は排気口の開閉にヒンジ６３を用いているものである。

これらは気圧によってその開閉度を自動制御するものである。その開閉は回転軸３の回転する力を利用しても良いし、別に開閉用モーターにより行なっても良い。当然の事ながら、手動で行なう事も出来るものとする。

又、上記の排気制御機能の設置は上記回転軸受板の代わりに、上記気流増速器の水平誘導板部分に設ける事もできるものとする。

図１８の（ａ）は上記気流増速部８０Ｕと回転翼４の関係を示す図であり、（ｂ）は気流増速部８２Ｕ及び該回転翼の軸受板６０に設けている制御可能の排気口と回転翼の関係を示すもので排気口全閉の図である。

本発明の第一の実施形態に係る風力発電装置で、気流増速部と回転翼部を単独又は三段に重ねたものを横から視た図 図１に示す風力発電装置に採用される回転翼部の斜視図 図１の風力発電装置が備える水平誘導板を示した図 図１の風力発電装置が備える垂直誘導板（１２枚）を回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に配置した斜視図 第一の実施形態に係る風力発電装置の気流増速部を横方向から視た図 第一の実施形態に係る風力発電装置の気流増速器及び気流増速部の斜視図 図１の風力発電装置が備える回転翼部の周囲に回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に１２個の気流増速器を配設した回転翼部分の透視、斜視図。 本発明の第一の実施形態に係る垂直誘導板を設けた場合と設けない場合との回転翼部の羽根部に対する気流との関係図 本発明の第一の実施形態に係る単なる２枚の水平誘導板の板間は垂直方向を気流進入側は幅員を大きくし、徐々に回転翼方向に幅員を小さくした該水平誘導板と回転翼部の羽根部に対する気流との関係図 １２枚の垂直誘導板を回転軸の軸芯から偏芯させて円形放射状に配設し、その中心に回転翼部を配置した時の気流の進入及び排気の関係を上部から視た図 本発明の第二の実施形態に係る風力発電装置の回転翼部と双方向性気流垂直誘導板を設置した回転翼部に対する気流との関係を上部から視た図。 本発明の第三の実施形態に係る風力発電装置で、２枚の水平誘導板の板間を一定にした斜視及び横から視た図。 本発明、第三実施形態の垂直誘導板で１２枚を回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に配置した斜視図。 本発明、第三実施形態の円型状水平誘導板の中心部を円状に切り抜いたドーナッツ状の誘導板を用いた気流増速部を示した斜視図。 本発明、第三実施形態の円型状水平誘導板で、ドーナッツ状である円状の中心部分を回転軸受板でカバーした気流増速部を示した斜視図。 本発明、第三実施形態で、回転軸受板に排気開閉板を制御出来る排気口を設けた気流増速部を示した斜視図。 本発明、第三実施形態での、排気開閉板及び排気開閉板を取り付けた回転軸受板を示した上部から視た図。 本発明の気流増速部及び回転軸受板に取り付けた排気開閉板と回転翼の関係配置を示した上部から視た図。

１、風力発電装置
２、発電機
３、回転軸
４、５、６、７ 回転翼部
４ａ〜ｆ、５ａ〜ｆ、６ａ〜ｆ、７ａ〜ｆ 羽根部
８、気流増速器
８Ｕ、気流増速部
９、９ａ 軸受
２０ａ、２０ｂ、 水平誘導板
３０（ａ〜ｌ） 垂直誘導板
４０ａ、４０ｂ 双方向性垂直誘導壁
４１ａ〜ｆ 双方向性水平誘導板
５０、第三実施形態の回転軸受板
６０、第三実施形態の排気口を設けた回転軸受板
６１、第三実施形態の排気口開閉板
６２、第三実施形態のヒンジを用いた排気口開閉板
６３、第三実施形態の排気口開閉板のヒンジ
８０、気流増速器
８０Ｕ、気流増速部
２００（ａ、ｂ）、第三実施形態の水平誘導板
３００（ａ〜ｌ）、第三実施形態の垂直誘導板
８１Ｕ、第三実施形態の回転軸受板を設けた気流増速部
８２Ｕ、第三実施形態の回転軸受板に排気口を設けた気流増速部

Claims (3)

1. 上下に所定間隔を保って互いに対向して配置され、中心部が開口したドーナッツ板状を呈する一対の水平誘導板と、該水平誘導板間の開口部に回転軸が配置されて同回転軸に羽根部が取付けられた回転翼部と、該回転翼部の外周側の前記水平誘導板の間に前記回転軸の軸芯から偏芯させて放射状に複数配置した垂直誘導板と、から構成され、
   前記羽根部の回転移動方向側は鋭角及び／又は流線型とし、該回転移動方向と反対側に気流を取り込む気流取り込み口を有する奥行きのある空洞を具備する一方、
   前記水平誘導板は、気流進入側の幅を広角且つその幅員を大きくし、該幅員が回転翼部方向に徐々に小さくなっているとともに、該水平誘導板と、該水平誘導板間に組み入れた前記垂直誘導板とによって気流増速器が形成され、該気流増速器によって増速された気流の誘導先が、前記羽根部の気流取り込み口に向けられており、
   かつ、前記回転翼部は、前記水平誘導板の開口部に着脱自在に取り付けられているとともに、この水平誘導板の開口部は、前記回転翼部の軸受板でカバーされ、さらにこの軸受板又は前記水平誘導板に、開閉を制御出来る排気口が設けられていることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置において、上記水平誘導板の間に気流の出入り口を形成する双方向性垂直誘導壁が配置されていることを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の風力発電装置において、気流増速部と上記回転翼部が単独又は多段形成されていることを特徴とする風力発電装置。

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