JP2006300030A - 風車装置およびこれを用いた風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく空気流を集めて風車に導入するとともに、当該風車に導入される空気流のエネルギー（即ち風速）が小さかったとしても、回転効率、風車の回転トルクおよび回転数を最大限に向上させることのできる風車を実現する。
【解決手段】回転軸、回転軸に互いに間隔をもって固定された少なくとも２枚の第１の回転板および第１の回転板間に互いに間隔をもって固定された複数の羽根体を有し、羽根体が第１の回転板間において回転軸の周囲に空間部を形成する形状を有する風車部と、回転軸方向において風車部を挟みかつ回転軸に回動可能に係止された２枚の第２の回転板および第２の回転板間に互いに間隔をもって固定された複数の集風板を有し、集風板が回転軸からみて風車部の外側に位置する回転型集風部とで、風車装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転型集風装置を具備する風車装置、およびこれを用いた風力発電装置に関する。

近年、地球環境問題に対する意識の高まりから、環境破壊物質を発生させることのない風力発電の動力源として風車が注目を集めており、小型の羽根構造の風車から大型のプロペラ型の風車まで各種の構成のものが提案されている。
なかでも、クロスフロー風車（例えば特許文献１参照）は、比較的小型であるにもかかわらず優れた回転効率を有する点で特に注目されており、さらに実用性を考慮して回転効率を向上させることが要請されている。

このような要請に対し、例えば特許文献２においては、より簡潔な構成で空気流（風の流れ）の妨げを防止することによってクロスフロー風車の回転効率を向上させることを意図して、図７に示すような構造を有する風車が提案されている。
図７は、従来の風車の構成を示す概略斜視図である。

ここで、上記特許文献２記載の風車においては、風車の回転部１１が、上下一対の円板形状の第１の回転板１２間における外側部に、互いに間隔をもって複数の羽根体１３が立設され、各羽根体１３の横断面形状が飛行機の翼と同様の翼形を有し、風力を受けて第１の回転板１２の周方向への揚力を発生する形状を有している。
そして、羽根体１３の内端側である第１の回転板１２の中央部分には、空気流を妨げることのない空間部が形成され、空間部の上下側は第１の回転板１２により閉鎖されている。
実開昭６１−３３９８０号公報 特開２００３−１２０５０１号公報

しかしながら、上記特許文献２で提案されている風車においては、回転部１１の外側に位置する第２の回転板１７およびガイドベーン１８が固定部１６に固定されており、これら第２の回転板１７およびガイドベーン１８は、空気流を集めて回転部１１側に方向付けし、空気流を回転部１１に導く役割を果たしているだけである。

したがって、上記特許文献２記載の風車においては、空気流が回転部１１を通過する際の速度は、ガイドベーン１８によって集められて導入される空気流の速度（入力される風の速度）に比例し、回転部１１の回転速度も空気流の速度に比例するものであった。即ち、自然界における空気流（風）のエネルギー以上のエネルギーは得られず、天候条件によっては十分な回転効率を実現できないことから、未だ改善の余地があった。

そこで、上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、効率よく空気流を集めて風車に導入するとともに、当該風車に導入される空気流のエネルギー（即ち風速）が小さかったとしても、回転効率、風車の回転トルクおよび回転数を最大限に向上させることのできる風車、ならびにこれを用いた風力発電装置を得ることを目的とする。

上記のような課題を解決すべく、本発明は、
回転軸と、前記回転軸に互いに間隔をもって固定された少なくとも２枚の第１の回転板と、前記第１の回転板間に互いに間隔をもって固定された複数の羽根体と、を有し、前記羽根体が前記回転軸の周囲に空間部を形成する形状を有する風車部；および
前記回転軸の軸方向において前記風車部を挟む位置に前記回転軸を中心に回動可能に設置された２枚の第２の回転板と、前記第２の回転板間に互いに間隔をもって固定された複数の集風板と、を有し、前記集風板が、前記回転軸からみて前記風車部の外側に位置する回転型集風部；
を具備することを特徴とする風車装置を提供する。

本発明の風車装置においては、前記回転型集風部が、前記第２の回転板に設けられた回動手段（例えばベアリング）を介して、前記回転軸に係止されているのが好ましい。
また、本発明の風車装置の風車部においては、前記羽根体が、前記回転軸に略垂直な面おいて翼形の断面形状を有するのが好ましい。

さらに、本発明の風車装置の回転型集風部においては、前記集風板の少なくとも一方の面には、太陽電池モジュールが設けられているのが好ましい。特に前記集風板の両面に太陽電池モジュールが設けられているのが好ましい。
また、本発明は上記風車装置を具備する風力発電装置をも提供する。

本発明の風車装置によれば、上記のような構成により、効率よく空気流を集めて風車部に導入することができるとともに、風車部に導入される空気流のエネルギー（即ち風速）が小さかったとしても、上記風車部の回転効率、風車部の回転トルクおよび回転数を最大限に向上させることができる。

また、本発明の風力発電装置によれば、本発明の風車装置を用いていることから、風車部に導入される空気流のエネルギー（即ち風速）が小さかったとしても、上記風車部の回転効率、風車部の回転トルクおよび回転数を最大限に向上させることができ、発電効率を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
図１は、本発明の一実施の形態の風車装置の構成を示す概略斜視図である。また、図２は、図１に示す風車装置１に搭載される風車部２ａの構成を示す概略斜視図であり、図３は、図１に示す風車装置１に搭載される回転型集風部２ｂの構成を示す概略斜視図である。

また、図４は、図１におけるＡ−Ａ線断面図（即ち、図１に示す風車装置１の、回転軸３に略垂直な面における横断面図）であり、図５は、図１におけるＢ−Ｂ線断面図（即ち、図１に示す風車装置１の、回転軸３に略平行な面における縦断面図）である。

図１に示すように、本実施の形態の風車装置１は、風車部２ａと回転型集風部２ｂとで構成されている。風車部２ａは、図１および２に示すように、回転軸３と、回転軸３の軸方向において互いに間隔をもって固定された２枚の円盤状の第１の回転板４と、第１の回転板４間に互いに間隔をもって固定された８枚の羽根体５と、を有する。羽根体５は、第１の回転板４間において回転軸３の周囲に空間部６を形成し得る形状を有している。

また、風車部２ａの第１の回転板４間には、図４に示すように、回転軸３から放射状に羽根体５が設けられている。羽根体５は、第１の回転板４の径方向（即ち、回転軸３からみて第１の回転板４の内側から外側に向かう方向）に延びているが、回転軸３との間には所定の間隔が設けられており、空間部６が形成されている。回転軸３、第１の回転板４および羽根体５は、羽根体５が空気流を受けることによって回転軸３を中心に３６０°回転するが、空気流は空間部６を通過していく。

なお、羽根体５の外側端部５ａおよび内側端部５ｂの位置は、特に制限されることはないが、上記のような空間部６を形成するとともに、第１の回転板４の径方向において外側から内側に空気流を確実に導入し、前記径方向において内側から外側（詳細は後述するが、即ち風車部２ａの外部）に当該空気流が排出されるのを妨げず、かつ後述する本発明の効果を妨げない範囲で、適宜設計変更することができる。

さらに、羽根体５の回転軸３に略垂直な面における断面形状も、第１の回転板４の径方向において外側から内側に空気流を確実に導入し、前記径方向において内側から外側（詳細は後述するが、即ち風車部２ａの外部）に当該空気流が排出されるのを妨げず、かつ本発明の効果を妨げない範囲で、適宜設計変更することができる。

なかでも、羽根体５の両側部分に流れる空気流によって抗力および揚力を発生させ、これを羽根体５の回転力に利用できるという観点から、羽根体５の回転軸３に略垂直な面における断面形状は、翼形であるのが好ましい。

また、第１の回転板４は、図５に示すように、固定部４ａにおいて回転軸３に固定されており、風車部２ａは回転軸３とともに３６０°回転する。したがって、後述するように回転軸３に回転伝達軸体、発電機を連結すれば、本実施の形態の風車装置１を発電装置に適用することができる。

一方、回転型集風部２ｂは、図１および３に示すように、回転軸３の軸方向において風車部２ａを挟む位置に回転軸３を中心に回動可能に設置された２枚の円盤状の第２の回転板７と、第２の回転板７間に互いに間隔をもって固定された５枚の集風板８と、を有する。ただし、第２の回転板７は風車部２ａとは独立して回転することができるように構成されている。そして、集風板８は、回転軸３からみて風車部２ａの外側に位置している。

また、集風部２ｂの第２の回転板７間には、図４に示すように、第２の回転板７の径方向（即ち、回転軸３からみて第２の回転板７の内側から外側に向かう方向）に対して所定の角度をもって、集風板８が設けられている。これにより、集風板８が空気流を受けることによって、回転軸３を中心にして集風板７および第２の回転板７が回転軸３の周囲を３６０°回転する。

ただし、第２の回転板７上の中心部に風車部２ａが搭載され得るように、これらの集風板８は、第２の回転板７と第１の回転板４とを回転軸３方向に投影した場合に、第２の回転板７と第１の回転板４とが重なり合わない環状部分（即ち、第２の回転板７の面から第１の回転板４の部分の面を差し引いた環状部分）において、第２の回転板７の外側から内側に向けて、第１の回転板４の外側付近にまで延びている。

上記所定の角度、および集風板８の回転軸３に略垂直な面における断面形状は、特に制限されることはないが、第２の回転板７の径方向（即ち、回転軸３からみて第２の回転板７の内側から外側に向かう方向）において外側から内側に空気流を確実に導入し、前記径方向において内側から外側（詳細は後述するが、即ち回転型集風部２ｂの外部）に当該空気流が排出されるのを妨げず、かつ後述する本発明の効果を妨げない範囲で、適宜設計変更することができる。なお、羽根体５と集風板８とは、上記径方向に対して同じ方向に傾いている。

そして、図５に示すように、第２の回転板７は開口部７ａを有し、例えば開口部７ａの内側面に設けられたベアリングなどの回動手段を介して、回転軸３に回動可能に係止されている。例えば、回転軸３に溝を設け、上記のように開口部７ａの内側面に設けられたボールベアリングが当該溝を走るように構成すればよい。

つぎに、図６を参照しながら、図１におけるＡ−Ａ線断面図を用いて、本実施の形態の風車装置１のメカニズムについて説明する。まず、図６において、回転軸３に略垂直な方向における軸Ｘと、当該軸Ｘに直交する軸Ｙとを仮定する。そして、図６の矢印Ｚ₁で示される空気流（風）が軸Ｘの方向に吹いており、本発明の風車装置１のうち軸Ｙの左側に位置する集風エリアＰにおいて、空気流が風車装置１に導入される場合を想定する。

図６に示すように、空気流Ｚ₁が風車装置１の集風エリアＰに入ると、回転型集風部２ｂの集風板８に当たり、集風板８とともに第２の回転板７は回転軸３を中心に矢印Ｒ₂の方向に回転する。そして、この集風板８の回転によって、空気流Ｚ₁のうち回転型集風部２ｂ内に入った空気流Ｚ₂の大半はスムースに中央部分の風車部２ａに入り（即ち、風車部２ａに入力される風の量が増加し）、一部は風車装置１の外部に排出されるが、新たな空気流Ｚ₁とともに中央部分の風車部２ａに入る。

風車部２ａに入った空気流により、第１の回転板４は、回転軸３および第１の回転板４とともに矢印Ｒ₁の方向に回転する。このとき、上述したように、羽根体５の断面形状が翼状となっているため、羽根体５の両側部分に空気流が流れることによって抗力および揚力が発生し、当該抗力および揚力によって羽根体５、回転軸３および第１の回転板４の回転力が増大する。

本発明の風車装置１において、回転型集風部２ｂは風車部２ａから排出される空気流に起因するコリオリ力によって回転が加速する。加えて、軸Ｘの方向において風車部２ａの後方から回転型集風部２ｂに排出される空気流Ｚ₃は乱流となり、当該乱流を構成する空気流（風）のエネルギー圧が風車部２ａに入力される空気流のエネルギー圧よりも負となる結果、第２の回転板７および集風板８の回転力が増大するとともに、空気流Ｚ₂の風車部２ａへの導入がさらにスムースになって加速される。

以上のように、本発明の風車装置１においては、風車部２ａと回転型集風部２ｂとの相乗効果により、空気流を風車部２ａに最大限に効率よく取り込むことができ、導入される空気流のエネルギーが小さかったとしても、風車部２ａの回転数、回転トルクおよび回転効率を向上させることができる。

ここで、本発明の風車装置１を構成する材料としては、本発明の効果を損なわない範囲であれば、種々のものを用いることができる。例えば、第１の回転板４および第２の回転板７には、アルミ合金を用いることができ、羽根体５および集風板８にはポリカーボネートなどを用いることができる。また、回転軸３には種々の金属を用いることができる。

また、図示しないが、回転型集風部２ｂの集風板８の少なくとも一方の面、好ましくは両面には、太陽電池モジュールを設置するのが好ましい。回転型集粉部２ｂにおける集風板８は回転軸３を中心に３６０°回転するため、太陽光を効率よく受光することができる。

なお、従来の太陽電池モジュールでは片面でしか太陽光を受光できないのが一般的であるが、本発明の風車装置１における集風板８ではその両面に太陽光が当たり得るため、集風板８の両面に太陽電池モジュールを設置すれば、設置面積が増大し、発電容量を向上させることができる。したがって、集風板８の両面に太陽電池モジュールを設置するのが好ましい。

以上、本発明の風車装置１の一実施の形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。例えば、羽根体５および集風板８の数は、本発明の効果を損なわない範囲で適宜変更することが可能であり、各部材を構成する材料や太陽電池モジュールの種類も適宜選択することが可能である。また、第１の回転板７は２枚としたが、複数枚の第１の回転板７を間隔をもって配置し、風車部２ａを複数の段で構成してもよい。

また、回転軸３の長さについても適宜調整することができ、特に風力装置１の上面において回転軸３は上方に延びていてもよいが、第１の回転板７の面に合わせておいてもよい。上記実施の形態の図においては、開口部７ａの部分において回転軸３が露出しているが、開口部７ａは覆われていてもよい。この場合、第１の回転板７に開口部７ａに対応する溝部を設け、当該溝部の内側面に上述のような回動手段を設ければよい。

さらに、先に述べた本発明の風車装置１は、常法により風力発電装置に好適に使用することができる。この場合、例えば回転軸３を風力装置１の下側において延長させておき、これに回転伝達軸体を連結し、当該回転伝達軸体によって回転駆動するロータを含む発電機を用いて、風力発電装置を構成することができる。

本発明の風力装置１は、先に述べたように従来の風車に比べて回転トルク、回転力および回転効率に優れているため、当該風力装置１を用いた風力発電装置は、通常の風力発電装置に比べて発電量を増加させることができ、また、比較的安定した回転トルクが得られるため、初期起動に優れるとともに常に安定した発電を行うことができる。

また、上記風力発電装置には、例えば蓄電池を設けてもよいし、回転軸３の回転をより効率よくするための磁気浮揚システムを搭載してもよい。これら蓄電池および磁気浮揚システムについては、従来公知のものを利用することができる。

本発明の風車装置によれば、効率よく空気流を集めて風車部に導入することができるとともに、風車部に導入される空気流のエネルギー（即ち風速）が小さかったとしても、上記風車部の回転効率を最大限に向上させ、回転トルクおよび回転数を最大限に向上させることができるため、風力発電装置として好適に用いることができる。

また、本発明の風力発電装置によれば、空気流のエネルギー（即ち風速）が小さかったとしても、風車部の回転効率、回転トルクおよび回転数を最大限に向上させることができるため、また、３６０°どの方向から風が吹いていたとしても利用することができるため、発電源として有効である。

本発明の一実施の形態の風車装置の構成を示す概略斜視図である。 図１に示す風車装置１に搭載される風車部２ａの構成を示す概略斜視図である。 図１に示す風車装置１に搭載される回転型集風部２ｂの構成を示す概略斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図（即ち、図１に示す風車装置１の、回転軸３に略垂直な面における横断面図）である。 図１におけるＢ−Ｂ線断面図（即ち、図１に示す風車装置１の、回転軸３に略平行な面における縦断面図）である。 本実施の形態の風車装置１のメカニズムを説明するための図である。 従来の風車の構成を示す概略斜視図である。

符号の説明

１ 風車装置
２ａ 風車部
２ｂ 回転型集風部
３ 回転軸
４ 第１の回転板
５ 羽根体
６ 空間部
７ 第２の回転板
８ 集風板

Claims (6)

1. 回転軸と、前記回転軸に互いに間隔をもって固定された少なくとも２枚の第１の回転板と、前記第１の回転板間に互いに間隔をもって固定された複数の羽根体とを有し、前記羽根体が前記回転軸の周囲に空間部を形成する形状を有する風車部；および
   前記回転軸の軸方向において前記風車部を挟む位置に前記回転軸を中心に回動可能に係止された２枚の第２の回転板と、前記第２の回転板間に互いに間隔をもって固定された複数の集風板とを有し、前記集風板が、前記回転軸からみて前記風車部の外側に位置する回転型集風部；
   を具備することを特徴とする風車装置。
2. 前記回転型集風部が、前記第２の回転板に設けられた回動手段を介して前記回転軸に係止されている、請求項１記載の風車装置。
3. 前記羽根体が、前記回転軸に略垂直な面において翼形の断面形状を有する請求項１または２記載の風車装置。
4. 前記集風板の少なくとも一方の面に太陽電池モジュールを具備する請求項１〜３のいずれかに記載の風車装置。
5. 前記集風板の両面に太陽電池モジュールを具備する請求項１〜３のいずれかに記載の風車装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の風車装置を具備すること特徴とする風力発電装置。

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