JP2004211707A

JP2004211707A - 風力発電機

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Publication number: JP2004211707A
Application number: JP2004000491A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Kato; 政春加藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-06
Filing date: 2004-01-05
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】風の向きにかかわりなく効率よく発電できる風力発電機を提供する。
【解決手段】風力を動力源として発電する風力発電機１において、縦軸形の第１風車２０、縦軸形の第２風車３０および発電装置４０を備え、第１風車２０の３つの羽根２１、２２、２３の回転中心と第２風車３０の３つの羽根３１、３３の回転中心は同一であり、第１風車２０の３つの羽根２１、２２、２３の回転方向と第２風車３０の３つの羽根３１、３３の回転方向は互いに反対方向であり、発電装置４０の界磁用磁石は前記第１風車２０に取り付けられ、発電装置４０の電機子コイルは第２風車３０に取り付けられていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電機に関するものであり、特に、風向きがどのような方向であっても効率よく発電できる風力発電機に関するものである。

従来、公害の少ない発電機としてプロペラ形風力発電機が使用されている（例えば、「１級電気工事施工学科試験の完全対策」、オーム社、２００２年３月２５日発行の１８２頁および１８３頁参照）。
また、縦軸形風車を使用した風力発電機もある（例えば特許文献１）。この場合の風力発電機では、縦軸とこの縦軸に同芯状にして外嵌合されている回転軸筒の両者に、それぞれ４枚の羽根が風受け面を互いに反対向きにして設けられ、前記縦軸と回転筒軸の互いに相対向する部位には、一方に巻線が、また、他方に界磁磁石が設けられている。このため、風向きの如何にかかわらず、縦軸に設けられた４枚の羽根と回転軸筒に設けられた４枚の羽根は風力により互いに反対方向に回転するので、前記巻線と界磁磁石が互いに反対方向に回転するため、発電することができる。
特開２００１−１３２６１７号

しかし、従来のプロペラ形風力発電機においては、特に大型のプロペラ形風力発電機では、プロペラの上下間の高度差による風向きの違いから起きるプロペラのブレードの失速や、急激な風向きの変化（例えば巻き風）による前記ブレードの失速などにより、風力エネルギーを無駄にすることが致命的である。
また、プロペラ形風車はそのブレードの面積が小さいことにより、微風による少量の風圧では起動しにくいため、その設置場所はかなりの環境条件が必要となる。さらに、前記プロぺラ形風車の風車ロータの円周が大きいとともに、変化する風向きに合わせるために、前記プロぺラ形風車の横軸の方向が水平方向に３６０度回転することを想定すると、プロペラ形風力発電機の１基当りの設置に必要な地面の面積はかなり大きくなってしまうことになる。
また、現在のプロペラ形風力発電に使用されている発電機は、風車ロータと比べて小型のものが多く、その発電効率はあまり良いとはいえない。その上、風車ロータから発電機に動力を伝達する駆動機構に、増速機などの二次的な駆動機械を使用しているため、これによっても多少のエネルギーロスが発生している。
このため、風力という不安定でデリケートなエネルギーが効率よく電力に変換されるように、風力発電機がどの様な条件の風力にも対応でき、かつ、風力発電機のエネルギーロスができるだけ少なくなるようにして、風力が持つ自然エネルギーを風力発電機が高効率で取り出して発電できるようにすることが望まれる。

また、上述の従来例の縦軸形風車では、４枚の羽根を使用しているので、４枚の羽根のうちいずれかの羽根が風を受けて回転力を得るときに、反対側に配置された羽根が回転方向と反対方向の力を風から受けるので、回転力が減少する。また、４枚の羽根のうち風下側に位置する羽根が風からほとんど回転力を受けることができない。このため、風力発電機の効率が低下するという問題がある。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その課題は、風の向きに関わりなく効率よく発電できる風力発電機を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、風力を動力源として発電する風力発電機において、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、前記風力による第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ことである。
これにより、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をすることができる。このため、風の向きに関わりなく効率よく発電できる
さらに、縦軸形の風力発電機を形成することができ、地上からの高さにより風の方向・強さが異なる場合でも、効率よく発電することができる。

さらに、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、第１風車の羽根および第２風車の羽根の回転中心に垂直な面での断面は、湾曲した板状であり、第１風車の羽根の前記湾曲による凹面と第２風車の前記湾曲による凹面は互いに反対方向に向いていることである。
これにより、第１風車の羽根および第２風車の羽根の回転中心に垂直な面での断面は、湾曲した板状で凹面が形成されているので、風力を受けることが容易であり、第１風車の羽根の前記凹面と第２風車の羽根の前記凹面は互いに反対方向に向いているので、第１風車と第２風車は互いに反対方向に回転する。

さらに、請求項３記載の発明は、請求項２に記載した発明において、第１風車の羽根および第２風車の羽根の回転中心に垂直な面での断面は、円弧状に湾曲した板状であることである。
これにより、円弧状の湾曲した板状の羽根は、円筒を適当に軸方向に切断することにより容易に形成することができるので、羽根を形成することが容易になる。

さらに、請求項４記載の発明は、請求項３に記載した発明において、第１風車の羽根とその回転中心との間および第２風車の羽根とその回転中心との間に風の通路（通風路）が形成されていることである。
これにより、前記風の通路を通過した風の力により、第１風車および第２風車の羽根のうち風下側に位置する羽根に回転力を与えることが容易になる。

さらに、請求項５記載の発明は、請求項１に記載した発明において、前記発電装置の外形がその界磁用磁石および電機子コイルの回転中心に垂直な板状であることである。
これにより、第１風車を回転させる風と第２風車を回転させる風とを容易に分離することができるので、第１風車および第２風車の回転が容易になる。さらに、板状外形の発電装置の回転する界磁用磁石および電機子コイルによりフライホイール効果が得られるので、界磁用磁石および電機子コイルの回転むらを少なくすることができるため、発電電力の周波数の変動を少なくすることができる。

さらに、請求項６記載の発明は、請求項２に記載した発明において、前記第１風車の羽根とその回転中心との間および前記第２風車の羽根とその回転中心との間に風の通路が形成され、前記羽根の凸面側に整流板が配設されていることである。
これにより、前記風の通路を通過した風の力により、第１風車および第２風車の羽根のうち風下側に位置する羽根に回転力を与えることが容易になるとともに、第１風車および第２風車の羽根の凸面側に整流板を付加することにより、この整流板が風により羽根と同様に回転力を発生するとともに、この整流板がこの整流板と対になっている羽根に加わる回転方向と反対方向の回転力を減少させる。さらに、整流板が風を風下側の羽根に導く。また、整流板は風の乱れを少なくする。このため、風により第１風車および第２風車を効率よく回転させることができる。

さらに、請求項７記載の発明は、請求項６に記載した発明において、前記各羽根の凸面と前記整流板との間隔は、前記整流板が前記回転中心軸に近くなるほど広くなることである。
これにより、前記羽根の凸面側に配設された整流板が前記羽根の凸面に加わる回転方向と反対方向の回転力を一層減少させるので、風により第１風車および第２風車を一層効率よく回転させることができる。

請求項１記載の発明によれば、風の向きにかかわりなく効率よく発電でき、さらに、縦軸形の風力発電機を形成することができ、地上からの高さにより風の方向・強さが異なる場合でも、効率よく発電することができる。
さらに、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果とともに、風力を受けることが容易であり、第１風車と第２風車は互いに反対方向に回転する。
さらに、請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明の効果とともに、羽根を形成することが容易になる。
さらに、請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明の効果とともに、第１風車および第２風車の羽根のうち風下側に位置する羽根に回転力を与えることが容易になる。
さらに、請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果とともに、第１風車および第２風車の回転が容易になる。さらに、発電電力の周波数の変動を少なくすることができる。
さらに、請求項６記載の発明によれば、請求項２記載の発明の効果とともに、効率よく発電することができる。
さらに、請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の発明の効果ともに、一層効率よく発電することができる。

以下、本発明における実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る風力発電機を示す斜視図である。図２は、図１に示す風力発電機の第１風車のII−II断面を示す断面図であり、図３は、前記風力発電機の第２風車のIII−III断面を示す断面図であり、図４は、前記風力発電機の発電装置のIV−IV断面を示す断面図である。さらに、図５は、図４の界磁用磁石部分の一部分を拡大して示す断面図である。図６は、図２のVI-VI断面に沿った前記風力発電機の断面構造を拡大して示す断面図である。図７は、前記第１風車の動作を示す説明図であり、図８は図７の続きを示す説明図であり、さらに図９は図８の続きを示す説明図である。図１０は、前記第２風車の動作を示す説明図であり、図１１は図１０の続きを示す説明図であり、さらに図１２は図１１の続きを示す説明図である。

図１に示すように、風力発電機１は、フレーム１０、フレーム１０に回転自在に支えられている縦軸形の上側の第１風車２０および下側の第２風車３０並びに第１風車２０と第２風車３０との間に配置された発電装置４０を備えている。
フレーム１０は、台１８に立設された３本の柱１１、これらの柱１１の間を連結する複数の梁１２および前記各柱１１の上端部に連結されている軸支持部１３を備えている。軸支持部１３は各柱１１の上端部から延びる3本の梁１３ａおよびこれらの梁１３ａに連結された軸受取付部材１３ｂを備えている。
図６に示すように、縦軸１５は台１８に立設され、縦軸１５の上端部は軸受取付部材１３ｂに固定されている。このため、縦軸１５の上端部はフレーム１０（図１参照）で支えられている。
第１風車２０の筒状軸２６の上端部は、軸受１６ａを介して軸受取付部材１３ｂに回動自在に支えられ、筒状軸２６の下端部は軸受１６ｂを介して縦軸１５の径大部１５ａに回動自在に支えられている。ここで、軸受１６ｂはスラスト軸受であり、第１風車２０の荷重を支えている。縦軸１５が筒状軸２６を挿通し、筒状軸２６が縦軸１５を回転中心として自転するように配置されている。
筒状軸２６の上端部には、第１風車２０の上側フレーム２４が固定され、筒状軸２６の下端部には、第１風車２０の下側フレーム２５が固定されている。

図２に示すように、第１風車２０の第１羽根２１、第２羽根２２および第３羽根２３が等間隔に放射状に取り付けられている。各羽根２１、２２、２３は、その上端部が上側フレーム２４（図６参照）に固定され、その下端部が下側フレーム２５に固定されている。筒状軸２６と各羽根２１、２２、２３と間には風が通過できる通風路２７が形成されている。このため、各羽根２１、２２、２３が通風路２７の風下に位置するときでも、風による空気流が通風路２７を通過して各羽根２１、２２、２３をも回転駆動することができる。
各羽根２１、２２、２３は、湾曲した板状であり、例えば円筒を円周方向に３分割して形成した円弧状板になっている。各羽根２１、２２、２３はそれぞれ凸面２１ａ、２２ａ、２３ａおよび凹面２１ｂ、２２ｂ、２３ｂを備えている。

図６に示すように、縦軸１５が第２風車３０の筒状軸３６を挿通し、筒状軸２６の上端部は、軸受１７ａを介して縦軸１５の径大部１５ａに回動自在に支えられ、筒状軸３６の下端部は、軸受１７ｂを介して台１８に回動自在に支えられている。ここで、軸受１７ｂはスラスト軸受であり、第２風車３０の荷重を支えている。このため、筒状軸３６は縦軸１５を回転中心として自転することができる。
筒状軸３６の上端部には、第２風車３０の上側フレーム３４が固定され、筒状軸３６の下部には、第２風車３０の下側フレーム３５が固定されている。

図３に示すように、第２風車３０の第１羽根３１、第２羽根３２および第３羽根３３が等間隔に放射状に取り付けられている。各羽根３１、３２、３３は、その上端部が上側フレーム３４（図６参照）に固定され、その下端部が下側フレーム３５に固定されている。筒状軸３６と各羽根３１、３２、３３と間には風が通過できる通風路３７が形成されている。このため、上記第１風車２０（図２参照）の場合と同様に、風による空気流が通風路３７を通過して風下側に位置する各羽根３１、３２、３３を回転駆動することができる。
各羽根３１、３２、３３は湾曲した板状であり、例えば円筒を円周方向に３分割して形成した円弧状板になっている。各羽根３１、３２、３３はそれぞれ凸面３１ａ、３２ａ、３３ａおよび凹面３１ｂ、３２ｂ、３３ｂを備えている。各羽根３１、３２、３３は上記第１風車２０（図２参照）の各羽根２１、２２、２３に対応しているが、各羽根３１、３２、３３の凸面３１ａ、３２ａ、３３ａと凹面３１ｂ、３２ｂ、３３ｂは前記各羽根２１、２２、２３の場合とは逆の方向を向いている。

図４に示すように、発電装置４０は、例えば８極の交流発電装置である。具体的には、発電装置４０は、界磁用の８極の磁石４１、磁石４１による磁束を横切る電機子コイル４２、磁石４１による磁束の磁路４３を備えている。
図１に示すように、発電装置４０の外形は、界磁用磁石４１および電機子コイル４２の回転中心に垂直な板状である。これにより、第１風車２０を回転させる風と第２風車３０を回転させる風とを容易に分離することができるので、第１風車２０および第２風車３０の回転が容易になる。さらに、板状外形の発電装置４０の回転する界磁用磁石４１および電機子コイル４２によりフライホイール効果が得られるので、界磁用磁石４１および電機子コイル４２の回転むらを少なくすることができるため、発電電力の周波数の変動を少なくすることができる。

図６に示すように、発電装置４０に、縦軸１５の径大部１５ａの側面に設けられたスリップリング４４とこのスリップリング４４に摺動する図示しないブラシが４組設けられている。そのうち２組は電機子コイル４２から交流発電電力を取り出すように接続され、他の２組は磁石４１に界磁用電力を供給するように接続されている。なお、前記界磁用電力は、前記交流発電電力の一部分を図示しない整流回路により直流に変換したものである。

なお、図５に示すように、磁石４１は例えば永久磁石４１ａと前記界磁用電力で励磁される電磁石４１ｂを直列に組み合わせたものとすることができ、このようにすると、発電装置４０が発電を開始するときに、発電電力の立ち上がりを速くすることができる。また、磁石４１を全て電磁石４１ｂとすることもできる。このときは、電磁石４１ｂの残留磁束により発電を開始することができる。
また、磁石４１をすべて永久磁石４１ａとすると、発電装置４０内の構造をシンプルにすることができ、発電装置４０を小型にすることができる。
図６に示すように、磁石４１および磁石４１側の磁路４３は第１風車２０の下側フレーム２５の下面に取り付けられている。また、電機子コイル４２および電機子コイル４２側の磁路４３は第２風車３０の上側フレーム３４の上面に取り付けられている。

図７から図９までは、矢印５０方向の風による第１風車２０の回転を示す。矢印５１は前記風による空気の流れを示す。
まず、図７において、第１羽根２１は空気の流れにより、その凸面２１ａ側の気圧がその凹面２１ｂ側の気圧より低くなるので、凹面２１ｂ側から凸面２１ａ側の方向の矢印２１ｘで示す力が第１羽根２１に加わる。第２羽根２２は、その凹面２２ｂが矢印５１に示す空気の流れ（第１羽根２１側の通風路２７を通過する空気の流れおよび第１羽根２１の図示右側（凸面２１ａ側）を通過する空気の流れを含む）を受けるので、ほぼ空気の流れの方向の矢印２２ｘで示す力が第２羽根２２に加わる。さらに、第３羽根２３は空気の流れ５１によりその凸面２３ａが押されるが、第３羽根２３の先端部分は空気の流れを受け流す形状をしているので、空気の流れに対する負荷がかかりにくい。このため、空気の流れの方向の矢印２３ｘで示す第３羽根２３に加わる力の大きさは、矢印２２ｘで示す第２羽根２２に加わる力よりも著しく小さい。このため、第１風車２０は矢印２１ｘで示す力および矢印２２ｘで示す力による回転力の方向となる矢印２８の方向に回転する。

このため、第１風車２０はその回転により図８に示す状態になる。この状態では、第１羽根２１の凹面２１ｂに当った空気の流れが第１羽根２１に回転力を与えるとともに、その流れの方向を変えて、通風路２７を通過して第２羽根２２の凹面２２ｂにも当り、第２羽根２２に回転力を与える。また、第３羽根２３の凸面２３ａに当る空気の流れは、凸面２３ａにより、第３羽根２３の先端方向に流れる空気の流れと第３羽根２３側の通風路２７を流れる空気の流れに２分される。そして、前記第３羽根２３側の通風路２７を流れる空気の流れは第２羽根２２の凹面２２ｂに当って第２羽根２２に回転力を与える。このため、空気の流れ５１により、第１羽根２１は矢印２１ｙの方向の力を受け、第２羽根２２は、矢印２２ｙの方向の力を受け、第３羽根２３は矢印２３ｙの方向の力を受けるが、矢印２３ｙの方向の力は、矢印２１ｙの方向の力と矢印２２ｙの方向の力を合成した力より著しく小さいので、第１風車２０は矢印２８の方向に回転する。

このため、第１風車２０は回転して図９に示す状態になる。図９に示す状態においては、第１羽根２１の凹面２１ｂが空気の流れの上流側に向いており、さらに、第３羽根２３の凸面２３ａに当った空気の流れも、通風路２７を通過して第１羽根２１の凹面２１ｂに当るので、空気の流れから第１羽根２１の凹面２１ｂが受ける回転力は最大になる。また、第２羽根２２が第３羽根２３の風下側になるので、第３羽根２３は負荷となっても空気の流れから受ける力は小さい。このため、空気の流れ５１により、第１羽根２１は矢印２１ｚの方向の力を受け、第２羽根２２は、矢印２２ｚの方向の力を受け、第３羽根２３は矢印２３ｚの方向の力を受けるが、この場合では、矢印２２ｚの方向の力は、矢印２１ｚの方向の力より著しく小さいので、第１風車２０は矢印２８の方向に回転する。
このようにして、第１風車２０が矢印２８の方向に１２０度回転すると、図７の第１羽根２１が図７の第２羽根２２の位置まで回転する。これ以降、第１風車２０は同様に矢印２８の方向に回転し続ける。

図１０、図１１および図１２は、第２風車３０の回転を説明している。なお、第２風車３０の回転を示す図１０、図１１および図１２は、それぞれ第１風車２０の回転を示す上記図７、図８および図９に対応している。図３の第２風車３０の第１羽根３１、第２羽根３２および第３羽根３３は、それらの凸面３１ａ、３２ａ、３３ａと凹面３１ｂ、３２ｂ、３３ｂが図２の第１風車２０の第１羽根２１、第２羽根２２および第３羽根の凸面（２１ａ等）と凹面（２１ｂ等）と逆の向きに形成されているため、第１羽根３１、第２羽根３２および第３羽根３３が空気の流れ５２から受ける力の方向は、上記第１風車２０の第１羽根２１、第２羽根２２および第３羽根２３の場合と逆の方向になる。このため、図１０〜図１２に示すように、第２風車３０の矢印３８で示す回転方向は、図７〜図９に示す第１風車２０の上記矢印２８で示す回転方向と逆の方向となる。

このため、第１風車２０および第２風車３０は、３６０度どの風向きにも、複数の風が複合した場合でも、回転することができる。そして第１風車２０と第２風車３０は同一の縦軸１５を回転中心として回転でき、縦方向に２連に形成され、互いに反対方向に回転する。

図６に示すように、発電装置４０の界磁用の磁石４１および磁石４１側の磁路４３は上述のように第１風車２０の下側フレーム２５に取り付けられているので、第１風車２０の回転方向に回転する。一方、発電装置４０の電機子コイル４２および電機子コイル４２側の磁路４３は上述のように第２風車３０の上側フレーム３４に取り付けられているので、第２風車３０の回転方向に回転する。ここで、第１風車２０と第２風車３０は、互いに逆方向にほぼ同じ速度で回転する。このため、磁石４１と電機子コイル４２との相対回転速度は、磁石４１および電機子コイル４２のうち一方が停止している場合の２倍の回転速度になる。このため、電機子コイル４２の交流発電電圧は、磁石４１および電機子コイル４２のうち一方が停止している場合の２倍の電圧になる。

さらに、上記２組のスリップリング４４とブラシを介して交流電力を外部に取り出すときには、交流電圧を発電する磁石４１と電機子コイル４２間には、両者の回転を妨げる方向の電磁力が発生し、磁石４１と電機子コイル４２はこの電磁力に抗して回転を継続する。このため、磁石４１が取り付けられた第１風車２０と電機子コイル４２が取り付けられた第２風車３０とに両者の回転を妨げるような力が発生し、第１風車２０および第２風車３０はこの力に抗して回転を継続する。このため、上記電磁力によるねじりトルクがフレーム１０に加わることがない。これに対し、磁石４１および電機子コイル４２のうち一方が停止している場合には、停止している磁石４１または電機子コイル４２はフレーム１０に固定されることになり、このため、フレーム１０と回転している磁石４１または電機子コイル４２との間に電磁力が加わる。この電磁力によりフレーム１０にねじりトルクが加わる。

また、本発明に係る風力発電機は、その設置面積が従来のプロペラ形風車を使用した風力発電機の設置面積の４分の１以下ですむので、設置場所を選ばない。さらに、風さえあれば、今まで考えにくかった都心や身近な場所にも設置可能である。構造的にも、その部品をできるだけ少なくシンプルに設計されているので、高性能で建造しやすい特徴を持っている。

なお、上記実施の形態において、第１風車２０の第１〜第３羽根２１〜２３および上側および下側フレーム２４、２５を合成樹脂等により一体に成形してもよい。第２風車３０も同様である。また、各風車２０、３０の羽根の数は３枚に限定されず、適当な数（例えば５枚）にすることができる。
また、発電装置４０の極数は、発電する周波数に適応するように適宜選択することができる。また、発電装置４０の界磁用磁石４１は第１風車２０に固定され、電機子コイル４２は第２風車３０に固定されているが、これに限定されず、界磁用磁石４１を第２風車３０に固定し、電機子コイル４２を第１風車２０に固定してもよい。

（第２の実施の形態）
さらに、第２の実施の形態は以下のとおりである。
図１３は、図２の第１風車の変形例（第２の実施の形態）の風車の横断面図であり、図１４は、図３の第２風車の変形例（第２の実施の形態）の風車の横断面図である。さらに、図１５は、図１３の風車の動作を示す説明図であり、図１６は、図１５の動作の続きを示す説明図であり、図１７は、図１６の動作の続きを示す説明図であり、図１８は、図１７の動作の続きを示す説明図である。さらに、図１９は、図１３の整流板の働きを示す説明図であり、図２０は、整流板がない場合の風の乱れを示す説明図である。

図１３に示すように、第１風車２０（図２参照）の変形例となる風車６０は、回転中心軸（図２の縦軸１５に相当する。）６８の周りに等間隔に放射状に配置された第１羽根６１、第２羽根６２および第３羽根６３を有し、各羽根６１、６２、６３の回転中心軸６８に垂直な断面は円弧状に湾曲した板状であり、各羽根６１、６２、６３は、その図示時計方向（以下「時計方向」とする。）の回転方向側の面が凸面６１ａ、６２ａ、６３ａであり、回転方向と反対側の面が凹面６１ｂ、６２ｂ、６３ｂである。各羽根６１、６２、６３とその回転中心軸６８との間に通風路６４が形成されている。
第１羽根６１の凸面６１ａ側に第１整流板６５が配設され、第２羽根６２の凸面６２ａ側に第２整流板６６が配設され、第３羽根６３の凸面６３ａ側に第３整流板６７が配設されている。各整流板６５、６６、６７の回転中心軸６８に垂直な断面は、各羽根６１、６２、６３と同様に円弧状に湾曲した板状である。各整流板６５、６６、６７の回転方向の面は凸面６５ａ、６６ａ、６７ａであり、各整流板６５、６６、６７の回転方向と反対方向の面は凹面６５ｂ、６６ｂ、６７ｂである。
前記各整流板６５、６６、６７の面積は、各羽根６１、６２、６３の面積より小さく形成されている。また、前記各羽根６１、６２、６３の凸面６１ａ、６２ａ、６３ａの各々と対になる整流板６５、６６、６７の各々の凸面６５ａ、６６ａ、６７ａの各々との間隔は、整流板６５、６６、６７が回転中心軸６８に近くなるほど広くなる。
なお、各羽根６１、６２、６３および各整流板６５、６６、６７は、図６の上側フレーム２４および下側フレーム２５に相当するものに固定されている。風車６０のその他の事項は、図２等の第１風車２０と同様である。
第１整流板６５の回転中心軸６８側の端部６５ｃは、第１整流板６５と対になる第１羽根６１の回転中心軸６８側の端部６１ｃと第２羽根６２（第１羽根６１の凸面６１ａ側の隣の羽根となる。）の先端部６２ｄとを結ぶ直線上に位置し、かつ、回転中心軸６８から第１羽根６１の回転中心軸６８側の端部６１ｃと第２羽根６２の先端部６２ｄを見た角度を二等分する直線上に位置する。また、第１整流板６５の回転中心軸６８から離れた側の端部６５ｄは、第２羽根６２の先端部６２ｄから第１羽根６１の凸面６１ａに接するように引いた直線上にある。第２整流板６６および第３整流板６７も第１整流板６５と同様である。

さらに、図１４に示すように、第２風車３０（図３参照）の変形例となる風車７０は、風車６０（図１３参照）の回転方向を逆にし、図示反時計方向（以下「反時計方向」とする。）に回転するようにしたものであり、第１羽根７１、第２羽根７２および第３羽根７３、並びに各羽根７１、７２、７３とその回転中心軸７８との間の通風路７４を有し、さらに、第１整流板７５、第２整流板７６および第３整流板７７を有している。ここで、各羽根７１、７２、７３および各整流板７５、７６、７７は、風車７０の回転方向が反時計方向になるように、図１３の各羽根６１、６２、６３および各整流板６５、６６、６７の前記湾曲を反対方向にしたものである。

上記構成の風車６０は以下の動作をする。
図１５に示すように、風の流れが矢印８１で示す方向である場合、風車６０の第１羽根６１が回転中心軸６８より風上に位置するときは、第１羽根６１はその凸面６１ａにより、凹面６１ｂ側の風の流れより凸面６１ａ側の風の流れが速くなり、第１羽根６１に図示右方向の揚力が発生し、この揚力は風車６０を時計方向に回転させる力となる。このとき、第１整流板６５は回転中心軸６８よりも図示右側にあり、前記風により、第１羽根６１と同様の揚力により風車６０の時計方向の回転力を生む。また、第２羽根６２はその凹面６２ｂで風を受け止めて、風車６０の時計方向の回転の主たる回転力を生ずる。
さらに、通風路６４を通り抜けようとする風を第２整流板６６の凹面６６ｂが捕えて右側に押し出し、時計方向の回転力を生む。また、第３羽根６３が風から受ける力は前記時計方向の回転を妨げるものであるが、第３整流板６７の凸面６７ａと第３羽根６３の凸面６３ａとの間隔が回転中心軸６８に近くなるほど広くなるので、第３整流板６７の凸面６７ａに当たる風は第３羽根６３の先端部６３ｄの方向に流される。このため、第３羽根６３および第３整流板６７が風から受ける力は第３整流板６７がなくて第３羽根６３のみのときに第３羽根６３が風から受ける力より軽減される。

つぎに、風車６０が図１５の状態から時計方向に３０度回転すると図１６の状態になる。このとき、第１羽根６１の凹面６１ｂおよび第１整流板６５の凹面６５ｂは、風を捕えて時計方向の回転力を生むとともに、風を通風路６４に導く。通風路６４を通過した風は、第２羽根６２の凹面６２ｂおよび第２整流板６６の凹面６６ｂが受け止めて、時計方向の回転力を発生させる。また、第３羽根６３は、風により反時計方向の回転力を受けるが、第３羽根６３の先端部６３ｄ側は湾曲しているので、風を受け流す形状をしているため、反時計方向の回転力は小さなものになる。なお、第３整流板６７が風の流れを乱すので、この風の流れの乱れは、反時計方向の回転力を減少させる。

つぎに、風車６０が図１６の状態から時計方向に３０度回転すると図１７の状態になる。このとき、第１羽根６１はその凹面６１ｂで風を大きく捕え、時計方向の大きな回転力を生む。そして、第１羽根６１と第１整流板６５から受け流された風を第２羽根６２の凹面６２ｂが捕え、時計方向の回転力を生む。また、第３羽根６３および第３整流板６７はまだ逆風を受けているが、第３羽根６３の凸面６３ａおよび第３整流板６７の凸面６７ａ側を通り抜ける風は通風路６４、第１羽根６１の凹面６１ｂおよび第２羽根６２の凹面６２ｂに流れ込んで、時計方向の回転力を生む。

つぎに、風車６０が図１７の状態から時計方向に３０度回転すると、図１８の状態になる。このとき、第３羽根６３および第３整流板６７が時計方向に回転しているので、第３羽根６３の凸面６３ａおよび第３整流板６７の凸面６７ａ側を前記風の圧縮された空気が通り抜け、第１羽根６１の凹面６１ｂに時計方向の回転力を与え、さらに通風路６４を通り抜け、第１整流板６５の凹面６５ｂに時計方向の回転力を与える。さらに、風車６０が時計方向に３０度回転すると、第１羽根６１が図１５の第２羽根６２の位置に到達する。このようにして、風車６０は時計方向に回転し続ける。

なお、図２０に示すように、各整流板６５〜６７がないときは、風車６０の高速回転時には、第１羽根６１が回転中心軸６８より図示風上側に位置するときは、第１羽根６１の凹面６１ｂ側に風の抵抗による渦巻き状の風の乱れ８２が生じるので、風下側の第３羽根６３にこの風の乱れ８２による抵抗がかかるが、図１９に示すように、第３整流板６７により図２０の渦巻き状の風の乱れ８２を押さえるので、風車６０の回転効率を高めることができる。

以上により、風車６０は風により効率よく時計方向に回転する。風車７０については、風車６０と回転方向が逆になるが、風車６０と同様の理由により風により効率よく回転する。
なお、図１３の風車６０において円弧状湾曲板である各羽根６１、６２、６３を回転中心軸６８まで伸ばした場合に、各羽根６１、６２、６３が回転中心軸６８で交わり、各羽根６１、６２、６３の回転中心軸６８までの円弧を円周の３分の１とすると、風車６０が効率よく回転するとともに、各羽根６１、６２、６３の製造が容易になる。また、各整流板６５、６６、６７を円弧状湾曲板にし、各整流板６５、６６、６７の前記円弧の曲率および各羽根６１、６２、６３の前記円弧の曲率を全て同じにすれば、各羽根６１、６２、６３および各整流板６５、６６、６７の製造が容易となる。

現在、環境問題が深刻になっているのを解決するためにも、本発明に係る風力発電機は本格的で大規模な風力発電の主力になりうるものである。また、本発明に係る風力発電機は、大型だけでなく、家庭用、中小型にも適している。

本発明の第１の実施の形態に係る風力発電機を示す斜視図である。図１に示す風力発電機の第１風車のII−II断面を示す断面図である。前記風力発電機の第２風車のIII−III断面を示す断面図である。前記風力発電機の発電装置のIV−IV断面を示す断面図である。図４の界磁用磁石部分の一部分を拡大して示す断面図である。図２のVI-VI断面に沿った前記風力発電機の断面構造を拡大して示す断面図である。前記第１風車の動作を示す説明図である。図７の続きを示す説明図である。図８の続きを示す説明図である。前記第２風車の動作を示す説明図である。図１０の続きを示す説明図である。図１１の続きを示す説明図である。前記第１風車の変形例（第２の実施の形態）の風車の横断面図である。前記第２風車の変形例（第２の実施の形態）の風車の横断面図である。図１３の風車の動作を示す説明図である。図１５の動作の続きを示す説明図である。図１６の動作の続きを示す説明図である。図１７の動作の続きを示す説明図である。図１３の整流板の働きを示す説明図である。整流板がない場合の風の乱れを示す説明図である。

符号の説明

１風力発電機
１５縦軸
２０第１風車
２１第１羽根
２２第２羽根
２３第３羽根
２７通風路（風の通路）
３０第２風車
３１第１羽根
３２第２羽根
３３第３羽根
３７通風路（風の通路）
４０発電装置
４１界磁用磁石
４２電機子コイル
６０第１風車の変形例の風車
６１第１羽根
６２第２羽根
６３第３羽根
６４通風路（風の通路）
６５第１整流板
６６第２整流板
６７第３整流板
６８回転中心軸
７０第２風車の変形例の風車
７１第１羽根
７２第２羽根
７３第３羽根
７４通風路（風の通路）
７５第１整流板
７６第２整流板
７７第３整流板

Claims

風力を動力源として発電する風力発電機において、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、前記風力による第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第１風車および第２風車の他方の回転方向に回転することを特徴とする風力発電機。
請求項１に記載した風力発電機において、第１風車の羽根および第２風車の羽根の回転中心軸に垂直な面での断面は、湾曲した板状であり、第１風車の羽根の前記湾曲による凹面と第２風車の前記湾曲による凹面は互いに反対方向に向いていることを特徴とする風力発電機。
請求項２に記載した風力発電機において、第１風車の羽根および第２風車の羽根の回転中心軸に垂直な面での断面は、円弧状に湾曲した板状であることを特徴とする風力発電機。
請求項３に記載した風力発電機において、第１風車の羽根とその回転中心との間および第２風車の羽根とその回転中心との間に風の通路が形成されていることを特徴とする風力発電機。
請求項１に記載した風力発電機において、前記発電装置の外形が界磁用磁石および電機子コイルの回転中心に垂直な板状であることを特徴とする風力発電機。
請求項２に記載した風力発電機において、前記第１風車の羽根とその回転中心との間および前記第２風車の羽根とその回転中心との間に風の通路が形成され、前記羽根の凸面側に整流板が配設されていることを特徴とする風力発電機。
請求項６に記載した風力発電機において、前記羽根の凸面と前記整流板との間隔は、前記整流板が前記回転中心軸に近くなるほど広くなることを特徴とする風力発電機。