JP2007023923A - 垂直型風力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でありながら、風力に応じて回転数を調整できかつ暴走も防止可能な垂直型風力発電機を提供すること。
【解決手段】垂直型風力発電機１は、通常の運転状態においては、外側羽根体２と内側羽根体３との間の角度θが約４５°である。これにより、どのような方向から風をうけても外側羽根体２および内側羽根体３が効率よく回転する。風速が小さくて、外側羽根体２および内側羽根体３の回転が停止している場合には、角度θを約３５°にする。これにより、回転数を向上でき、また、風速が小さくても外側羽根体２および内側羽根体３が円滑に回転するようになる。暴風時のように、風速が大きくて、外側羽根体２および内側羽根体３の回転数が通常の回転数を上回った場合には、角度θを約±０°にする。これにより、外側羽根体２および内側羽根体３の回転数が低下する。
【選択図】図６

Description

本発明は、垂直型風力発電機に関し、特に、風力に応じて回転数を調整する垂直型風力発電機に関する。

従来、風力発電機として、垂直型風力発電機が利用されている。垂直型風力発電機は、一般的に回転軸が風の向きに対して垂直方向に延伸するようにして設置され、風を受けた際に羽根の回転軌跡が風の向きと同一の水平面内に存在するものである。
このような垂直型風力発電機は、風の向きにかかわらず回転軸を鉛直方向に向けて設置すれば良いため、風の向きに応じて回転軸を変位させる首振り構成が不要であり、また、静粛性に優れているといった特徴を有している（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００４−２９３４０９号公報

しかしながら、従来の技術では以下の問題点があった。
すなわち、上記特許文献１の垂直型風力発電機を含めて、従来の垂直型風力発電機は、回転軸が水平方向を向く水平型風力発電機に比べて静かであるため、街中に設置するのに適しているという利点を有する一方で、回転に偏りがあるといった問題点があった。

たとえば、垂直型風力発電機の構成を、暴風時などの風速がきわめて大きな場合も想定して、大型の発電機（モータ）を用いると、風速が小さい場合にはトルクとモーメントの関係から相対的に羽根の回転数が小さく、また、通常の風速のときであっても効率良く回転しない。また、風速が小さい場合に効率的に回転する構成とすると、風速が大きい場合には羽根が暴走してしまい垂直型風力発電機が破損するおそれがある。
また、これらの問題点を解決するためにたとえば変速機を採用したり、複数のモータを併用したりするなどすると、垂直型風力発電機の構成が複雑になってしまい、コスト面からの実用化が困難である。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、簡素な構成でありながら、風力に応じて回転数を調整できかつ暴走も防止可能な垂直型風力発電機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の垂直型風力発電機は、回転軸の中心を共通にし、回転対称に配された羽根をもつ外側羽根体と、外側羽根体と略相似形であって外側羽根体に近接した内側を回転する内側羽根体とを有し、暴風時には、外側羽根体と内側羽根体とを重ね合わせて回転数を低下させ、暴風時でないときには、回転数がより大きくなるように前記外側羽根体と前記内側羽根体とを近接させた位置ないし離した位置のいずれかの位置となるようにその相対角度を調整するようにしたことを特徴とする。

すなわち、請求項１に記載の発明は、二つの羽根体により大きなトルクを発生させることができる。
また、初動期には、外側羽根体の各羽根と内側羽根体の各羽根とに流れ込む空気の流れを調整して回転数を向上できる。そして、通常期には、風向きの変動にも対応できる最良な相対角度で回転させることができる。さらに、暴風時には、回転力を低減させ暴走を防止可能となり、また、回転を停止させる際には負荷を低減させた後に停止可能となる。よって、簡素な構成でありながら、風力に応じて回転数を調整できかつ暴走も防止することが可能となる。
なお、回転対称とは、羽根体を軸方向から見た場合に４枚羽根として９０度毎に羽根が設けられているものや、３枚羽根として１２０度毎に羽根が設けられているものをいう。
また、外側羽根体と内側羽根体との相対角度を調整するとは、外側羽根体の各羽根の前端部と内側羽根体の各羽根の後端部とを近接させることや、外側羽根体の各羽根の後端部と内側羽根体の各羽根の前端部とを近接させることを含むものとし、これらの位置関係は、外側羽根体および内側羽根体の大きさや形状、また、回転軸とを連結する支持棒との間の取り付け角度や取り付け位置によって異なる。
なお、調製するに際しては、風速に対応した適切な相対角度をあらかじめ決定しておき、これを用いる様にしてもよいし、より動的に、負荷の多い方向（トルクをより発生させる方向）を探って相対角度を決定する様にしてもよい。

また、請求項２に記載の垂直型風力発電機は、鉛直方向を向いた回転軸の中心を共通にして回転する外側羽根体と内側羽根体とを有する垂直型風力発電機であって、前記外側羽根体と前記内側羽根体とは、その相対角度が調整可能であるとともに一定の相対角度を保ったまま前記回転軸を中心に回転可能であり、前記外側羽根体は、鉛直方向に延伸し前記回転軸を中心に回転対称に配された複数の羽根を有し、前記内側羽根体は、鉛直方向に延伸し前記外側羽根体の各羽根の軌道に近接した内側に、前記外側羽根体と同様の回転対称形を有する羽根を有し、暴風時などの所定の風速を超える場合には、前記外側羽根体の各羽根と前記内側羽根体の各羽根とが重なるように前記相対角度を調整して回転数を低下させ、前記所定の風速以下では、回転数がより大きくなるように前記相対角度を調整するようにしたことを特徴とする。

すなわち、請求項２に記載の発明は、二つの羽根体により大きなトルクを発生させることができる。
また、初動期には、外側羽根体の各羽根と内側羽根体の各羽根とに流れ込む空気の流れを調整して回転数を向上できる。そして、通常期には、風向きの変動にも対応できる最良な相対角度で回転させることができる。さらに、暴風時には、回転力を低減させ暴走を防止可能となり、また、回転を停止させる際には負荷を低減させた後に停止可能となる。よって、簡素な構成でありながら、風力に応じて回転数を調整できかつ暴走も防止することが可能となる。

なお、鉛直方向を向くとは、垂直型風力発電機を水平面に対して直立させる場合の方向を意図するものであって、設置方法によって回転軸が水平方向を向くものを含むものとする。たとえば、垂直型風力発電機を、回転軸を水平方向に向けるようにしてビルの谷間などに設置することも可能である。
また、回転対称とは、羽根体を軸方向から見た場合に４枚羽根として９０度毎に羽根が設けられているものや、３枚羽根として１２０度毎に羽根が設けられているものをいう。
また、羽根体が鉛直方向に延伸するとは、各羽根がまっすぐ鉛直方向に延伸している場合に必ずしも限定されず、弓なりに反って羽根の中心部分が上下端部より軸に対して外側に膨らんでいるような場合も含むものとする。
また、羽根の形状としては、飛行機の翼のように揚力を発生させるような、断面が流線形状である翼形や、単に軸に対して所定の角度がついている平板を挙げることができる。
また、外側羽根体と内側羽根体との相対角度を調整するとは、外側羽根体の各羽根の前端部と内側羽根体の各羽根の後端部とを近接させることや、外側羽根体の各羽根の後端部と内側羽根体の各羽根の前端部とを近接させることを含むものとし、これらの位置関係は、外側羽根体および内側羽根体の大きさや形状、また、回転軸とを連結する支持棒との間の取り付け角度や取り付け位置によって異なる。
なお、調製するに際しては、風速に対応した適切な相対角度をあらかじめ決定しておき、これを用いる様にしてもよいし、より動的に、負荷の多い方向（トルクをより発生させる方向）を探って相対角度を決定する様にしてもよい。

また、請求項３に記載の垂直型風力発電機は、請求項１または２に記載の垂直型風力発電機において、前記垂直型風力発電機は、単一の発電装置を備えるものであり、前記外側羽根体の回転力と前記内側羽根体の回転力とは、前記単一の発電装置に伝達されるものであることを特徴とする。

すなわち、請求項３に記載の発明は、垂直型風力発電機が高出力の発電装置を備えるものであっても、相対角度を調製した大きなトルクによりその発電装置を駆動させることができる。

また、請求項４に記載の垂直型風力発電機は、請求項１〜３のいずれか１つに記載の垂直型風力発電機において、前記外側羽根体および前記内側羽根体の回転数を検出する検出手段をさらに備え、前記検出手段が検出した回転数に応じて、前記外側羽根体と前記内側羽根体との相対角度を調整するものであることを特徴とする。

すなわち、請求項４に記載の発明は、外側羽根体と内側羽根体との相対角度を適切に調整することができる。たとえば、風速が小さくて回転数が小さい場合には、外側羽根体と内側羽根体との位置を調整して回転数の低下を防止でき、場合によっては回転数を向上できる。また、風速が大きくて回転数が大きい場合には、外側羽根体と内側羽根体とを重ね合わせることで回転数を低下させることができる。
なお、回転数に応じて相対角度を調整するとは、回転数と直接関係する垂直型風力発電機の出力数に応じて相対角度を調整することを含むものとする。

また、請求項５に記載の垂直型風力発電機は、請求項１〜４のいずれか１つに記載の垂直型風力発電機において、ヘリカルギアを用いることにより前記外側羽根体と前記内側羽根体との相対角度を調整するものであることを特徴とする。

すなわち、請求項５に記載の発明は、ヘリカルギアにより相対角度を容易に調整することができる。
なお、ヘリカルギアを用いる方法としては、外側羽根体の回転軸および内側羽根体の回転軸のいずれか一方をヘリカルギアとして形成することや、外側羽根体の回転軸および内側羽根体の回転軸のいずれか一方に係合させるギアをヘリカルギアとすることが挙げられる。

また、請求項６に記載の垂直型風力発電機は、請求項１〜５のいずれか１つに記載の垂直型風力発電機において、発生した電力の一部を蓄電する蓄電装置をさらに備え、少なくとも前記外側羽根体および前記内側羽根体の回転が停止している際には、前記蓄電装置に蓄電されている電力を用いて前記外側羽根体と前記内側羽根体との相対角度を調整し、始動性を向上させるようにしたことを特徴とする。

すなわち、請求項６に記載の発明は、外側羽根体および内側羽根体の回転が停止していても、外部の動力を用いずに、初動期を含めて総ての相対角度の調製を発生した電力によってまかなうことができる。

以上のように、本発明（請求項１に記載の発明）によれば、簡素な構成でありながら、風力に応じて回転数を調整できかつ暴走も防止することが可能となる。また、本発明（請求項２に記載の発明）によれば、簡素な構成でありながら、風力に応じて回転数を調整できかつ暴走も防止することが可能となる。また、本発明（請求項３に記載の発明）によれば、相対角度を調製した大きなトルクにより高出力の発電装置を駆動させることができる。また、本発明（請求項４に記載の発明）によれば、外側羽根体と内側羽根体との相対角度を適切に調整することができる。また、本発明（請求項５に記載の発明）によれば、ヘリカルギアにより相対角度を容易に調整することができる。また、本発明（請求項６に記載の発明）によれば、外部の動力を用いずに、初動期を含めて総ての相対角度の調製を発生した電力によってまかなうことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる垂直型風力発電機の構成を示した斜視図であり、図２は、図１に示した垂直型風力発電機の平面図である。また、図３は、図１および図２に示した垂直型風力発電機の正面図であり、一部を断面により示した。
垂直型風力発電機１は、鉛直な軸線まわりに回転可能な外側羽根体２と、外側羽根体２の内側に位置し、外側羽根体２と同一の軸線まわりに回転可能な内側羽根体３と、外側羽根体２および内側羽根体３が取り付けられている基台部４とを備えている。

図４は、外側羽根体２の構成を示した斜視図である。
外側羽根体２は、同一の鉛直線上に位置する上回転軸２１および下回転軸２２、ならびに、鉛直方向に延伸する４枚の外羽根２３を備えている。
上回転軸２１は、中空円柱形状の部材であって、鉛直な軸線Ｌまわりに回転可能であり、４本の上支持棒２４が取り付けられている。
下回転軸２２は、中空円柱形状の部材であって、鉛直な軸線Ｌまわりに回転可能であり、上回転軸２１の下方に位置している。そして、下回転軸２２には、４本の下支持棒２５が取り付けられている。

外羽根２３は、鉛直方向に延伸する長手の羽根であって、断面形状が翼形の流線形状の羽根である。４枚の外羽根２３は、鉛直な軸線Ｌを中心として回転対称に配されており、詳しくは、軸線Ｌを中心とした同一の円周上に約９０度の間隔を保って配されている。各外羽根２３は、同一の周方向を向いている。なお、以降において、外羽根２３の先端が向く方を前側とする。

上支持棒２４はそれぞれ、水平方向に延伸する同長の長手の部材であって、一端が外羽根２３の上部に取り付けられていて、他端が上回転軸２１に取り付けられている。外羽根２３の位置関係に従い、４本の上支持棒２４は、同一の水平面内において軸線Ｌを中心として略十字状に配されることとなる。
下支持棒２５はそれぞれ、水平方向に延伸する同長の長手の部材であって、一端が外羽根２３の下部に取り付けられていて、他端が下回転軸２２に取り付けられている。すなわち、４本の下支持棒２５は同様に、同一の水平面内において軸線Ｌを中心として略十字状に配される。
これにより、外側羽根体２は、各外羽根２３の間隔を約９０°に保ちながら、上回転軸２１および下回転軸２２を中心として（軸線Ｌを中心として）回転可能となっている。

図５は、内側羽根体３の構成を示した斜視図である。
内側羽根体３は、鉛直方向に延伸する回転軸３１、および、鉛直方向に延伸する４枚の内羽根３２を備えている。
回転軸３１は、鉛直な軸線Ｌ上に延伸する略円柱形状の長手の部材であって、下方部３１Ａは、その外周面に螺旋状に歯が形成されたヘリカルギアになっている。また、回転軸３１の下端には、略円板形状のストッパ３１Ｂが設けられている。そして、回転軸３１の上部には上支持体３３が取り付けられており、回転軸３１の下部には下支持体３４が取り付けられている。

内羽根３２は、鉛直方向に延伸する長手の羽根であって、断面形状が翼形の流線形状の羽根である。４枚の内羽根３２は、鉛直な軸線Ｌを中心として回転対称に配されており、詳しくは、軸線Ｌを中心とした同一の円周上に約９０度の間隔を保って配されている。また、各内羽根３２が配置されている円は、各外羽根２３が配置されている円に比べて径が小さくなっている。各内羽根３２は、同一の周方向を向いており、その方向は、上述の外羽根２３が向く方向と同一となっている。

上支持体３３は、水平面内に略十字状に拡がる格子状の部材であって、その端部が各内羽根３２の上部に取り付けられている。そして、上支持体３３の交差中心部分に、回転軸３１の上部が挿通するようにして取り付けられている。
下支持体３４は、水平面内に略十字状に拡がる格子状の部材であって、その端部が各内羽根３２の下部に取り付けられている。そして、下支持体３４の交差中心部分に、回転軸３１の下部が挿通するようにして取り付けられている。
これにより、内側羽根体３は、各内羽根３２の間隔を約９０°に保ちながら、回転軸３１を中心として（軸線Ｌを中心として）回転可能となっている。

再び図１〜図３を参照して説明する。
外側羽根体２および内側羽根体３は、外側羽根体２を外側とし内側羽根体３を内側として、その回転軸線を同一としている。詳しくは、外側羽根体２の上回転軸２１および下回転軸２２には、それぞれベアリング２７および２８が内蔵されており、内側羽根体３の回転軸３１の上部が上回転軸２１のベアリング２７に保持され、内側羽根体３の回転軸３１の下部が下回転軸２２のベアリング２８に保持されている。これにより、内側羽根体３が外側羽根体２の内側に位置し、かつ、外側羽根体２と内側羽根体３との回転の軸線を同一として回転可能となる。また、内側羽根体３は、外側羽根体２の内側に位置しながら独自に回転できる。

基台部４は、設置面に載置される部材であって、中空円柱形状の部材である。
基台部４の上部には、中空円柱形状の保持体４１が設けられている。また、保持体４１には、ベアリング４２が内蔵されている。そして、保持体４１のベアリング４２に外側羽根体２の下回転軸２２が保持されている。これにより、外側羽根体２は、軸線Ｌを中心として回転可能となる。以上の構成より、外側羽根体２および内側羽根体３は、それぞれ、軸線Ｌを中心として独自に回転可能となる。ただし、後述するように、外側羽根体２と内側羽根体３とは、相対角度をほぼ一定に保ちながら同調して一体的に回転するようにしている。

基台部４には、発電用モータ４３が内蔵されている。発電用モータ４３は、鉛直方向に延伸する長手のモータ用ギア４３Ａを備えている。モータ用ギア４３Ａは、鉛直線まわりに回転可能なギアであって、その周面に直線状の平歯が形成されているスパーギアである。そして、発電用モータ４３は、モータ用ギア４３Ａが回転することにより電力を発生するようになっている。また、発電用モータ４３には、蓄電装置５が接続されており、発電用モータ４３により発生した電力の一部が蓄電されるようになっている。後述するように、蓄電装置５の電力は、駆動部８を介して外側羽根体２と内側羽根体３との相対角度を調整する際の電力として用いる。

基台部４内において、外側羽根体２の下回転軸２２の下端には、環状の外側羽根体用ギア６が外嵌されている。外側羽根体用ギア６は、その周面に直線状の平歯が形成されているスパーギアであって、発電用モータ４３のモータ用ギア４３Ａの上部と螺合していて、外側羽根体２と一体となって回転するようになっている。

また、基台部４内において、内側羽根体３の回転軸３１の下方部３１Ａには、環状の内側羽根体用ギア７が外嵌されている。内側羽根体用ギア７は、その周面に直線状の平歯が形成されており、また、図示しないが、その内周面にも歯が形成されている。すなわち、内側羽根体用ギア７は、外周面がスパーギアとして形成されていて、内周面もギアとして形成されている。そして、内側羽根体用ギア７は、外周面が発電用モータ４３のモータ用ギア４３Ａの下部と螺合しており、また、内周面が回転軸３１の下方部３１Ａと螺合していて、内側羽根体３と一体となって回転するようになっている。

内側羽根体用ギア７は、鉛直方向に変位可能な構成であって、駆動部８に接続されている。そして、内側羽根体用ギア７は、駆動部８の動作により鉛直方向の所定位置に変位するようになっている。
内側羽根体用ギア７が鉛直方向に変位すると、内側羽根体用ギア７と螺合している回転軸３１の下方部３１Ａがヘリカルギアであるため、外側羽根体用ギア６および内側羽根体用ギア７の外周は位相を同じくしたまま、回転軸３１が回転する。すなわち、内側羽根体用ギア７の鉛直方向への変位によって、内側羽根体３が外側羽根体２に対して回動し、外側羽根体２と内側羽根体３との相対角度が調整される。なお、回転軸３１にはストッパ３１Ｂが設けられているため、内側羽根体用ギア７の変位が所定の範囲内に規制される。

内側羽根体３の回転軸３１には、回転軸３１の回転数を検出する検出部９が接続されている。検出部９は、制御部１０と接続されており、検出部９からの信号は制御部１０に入力される。制御部１０は、入力された信号に応じて駆動部８の動作を制御する。
これにより、制御部１０は、回転軸３１の回転数に応じて、駆動部８を制御して内側羽根体用ギア７を変位させ、外側羽根体２と内側羽根体３との相対角度を種々に調整することができるようになっている。

図６は、制御部１０による外側羽根体２と内側羽根体３との相対角度の調整の手順を示した図である。
垂直型風力発電機１は、通常の運転状態においては、外側羽根体２と内側羽根体３との間の角度θが約４５°（約−４５°）である。（図６（ａ）参照）。なお、角度θは、上方から見た状態において、外羽根２３の前方側に内羽根３２が位置する状態を正で表し、外羽根２３の後方側に内羽根３２が位置する状態を負で表す。そして、角度θを約４５°に保った状態で、風を受けて外側羽根体２および内側羽根体３が一体的に回転する。なお、このときの外側羽根体２および内側羽根体３の回転方向は、図示したように、外羽根２３および内羽根３２が前方側に変位する方向となる。この角度によりどのような方向から風をうけても効率よく回転する。

次に本願発明の特徴である始動時および暴風時について説明する。
風速が小さくて、外側羽根体２および内側羽根体３の回転が停止している場合には、垂直型風力発電機１は、蓄電装置５に蓄電されている電力を用いて駆動部８を動作させて、内側羽根体用ギア７を変位させ、外側羽根体２の各外羽根２３の前端部に内側羽根体３の各内羽根３２の後端部が近接するように、角度θを約３５°にする（図６（ｂ）参照）。また、外側羽根体２および内側羽根体３の回転数が所定の回転数よりも小さい場合には、発生している電力を用いて駆動部８を動作させて、内側羽根体用ギア７を変位させ、外側羽根体２の各外羽根２３の前端部に内側羽根体３の各内羽根３２の後端部が近接するように、角度θを約３５°にする。

この状態の空気の流れを概念的に図７に示した。
図示したように、角度θを約３５°にした状態においては、外側羽根体２の各外羽根２３と内側羽根体３の各内羽根３２との微小な隙間を流れる風力を利用して、個々に羽根が存在する場合より相対的に大きな起動トルクを発生させて回転数を向上させ、止まっている際には始動性を高めることも可能となる。また、回転数が小さくなった際には風速が小さくても外側羽根体２および内側羽根体３が相対的に良く回転するようになる。

再び図６を参照して説明する。
外側羽根体２および内側羽根体３が回転を始めて、その回転数が通常の回転数である所定の回転数となると、駆動部８を動作させて内側羽根体用ギア７を変位させ、角度θを約４５°にする（図６（ｃ）参照）。これにより、外側羽根体２と内側羽根体３との相対角度が通常の状態となり、垂直型風力発電機１が通常の運転を行う。

また、暴風時のように、風速が大きくて、外側羽根体２および内側羽根体３の回転数が所定の回転数を上回り、垂直型風力発電機１が破損するおそれがあるような回転数となった場合には、駆動部８を動作させて内側羽根体用ギア７を変位させ、外側羽根体２の各外羽根２３と内側羽根体３の各内羽根３２とが重なるように、角度θを約±０°にする（図６（ｄ）参照）。これにより、外側羽根体２および内側羽根体３の回転数が低下する。そして、外側羽根体２および内側羽根体３の回転を停止させる場合には、その後、両羽根体を停止させる。なお、風速が小さくなり、外側羽根体２および内側羽根体３の回転数が通常の回転数となった場合には、再び角度θを４５°にする。
なお、角度θの値は、外羽根２および内羽根３の形状、大きさ等によって異なるものであり、上述したものは角度θの一例である。

以上のように、この実施形態では、垂直型風力発電機１は、外側羽根体２および内側羽根体３を備えているので、二つの羽根体により大きなトルクを発生させることができる。
また、初動期には、外側羽根体２の各外羽根２３と内側羽根体３の各羽根３２とに流れ込む空気の流れを調整して回転数を向上できる。そして、通常期には、風向きの変動にも対応できる最良な相対角度で回転させることができる。さらに、暴風時には、回転力を低減させ暴走を防止可能となり、また、回転を停止させる際には負荷を低減させた後に停止可能となる。よって、簡素な構成でありながら、風力に応じて回転数を調整できかつ暴走も防止することが可能となる。

また、外側羽根体２および内側羽根体３の回転力は、単一の発電装置である発電用モータ４３に伝達されるので、発電用モータ４３が高出力のものであっても、相対角度を調整した大きなトルクにより駆動させることができる。
また、外側羽根体２と内側羽根体３との相対角度を回転数に応じて調整するので、相対角度の適切な調整が可能となる。
また、内側羽根体用ギア７の内周面および回転軸３１の下方部３１Ａがヘリカルギアに形成されているので、外側羽根体２と内側羽根体３との相対角度を容易に調整することができる。
また、駆動部８は、回転が停止している際には蓄電装置５に蓄電されている電力を用いて内側羽根体用ギア７を変位させるので、外側羽根体２および内側羽根体３の回転が停止していても、外部の動力を用いずに、初動期を含めて総ての相対角度の調製を発生した電力によってまかなうことができる。

この発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項に記載の範囲内において種々の変更が可能である。
たとえば、上述の説明では、外羽根２３の前端部に内羽根３２の後端部を近接させることにより垂直側風力発電機１の回転数を調整するとしたが、外羽根２３の後端部に内羽根３２の前端部を近接させることにより垂直型風力発電機１の回転数を調整してもよい。
また、内羽根３２を断面が翼形の断面形状とし、外羽根２３をヨットの帆が描く弧の断面形状として、内羽根３２を通過した風を外羽根２３で受けるようにすれば、内羽根３２では揚力を推進力とし、外羽根２３では抗力を推進力とすることが可能となる。
このように、回転力を向上可能な組み合わせであれば、その羽根形状は特に限定されず、たとえば、外羽根を翼形、内羽根を平板として、内羽根をフラップとして作動させて始動性を向上させるようにしてもよい。
また、ヘリカルギアに替えて、円弧歯型や揺動内接噛合遊星歯車を用いても良い。具体的にはサイクロ減速機の機構を応用する例を挙げることができる。

本発明における垂直型風力発電機の起動トルクと、外側羽根体と内側羽根体との相対角度との関係を調べることを目的として、実験を行った。
実験は、小型の垂直型風力発電機を用いて、外側羽根体を風に対して十字の位置になるようにして内側羽根体の相対角度を５°間隔でずらしながら、各相対角度における起動トルクの大きさを測定することとした。なお、このときの相対角度は、垂直型風力発電機を上方から見た状態において、外羽根の前方側に内羽根が位置する状態を正とし、外羽根の後方側に内羽根が位置する状態を負とした。
垂直型風力発電機は、外羽根が、長さ約３００ｍｍ、幅約５０ｍｍ、内羽根が、長さ約２５５ｍｍ、幅約５０ｍｍのものとし、外羽根の各羽根から回転軸までの長さが約１５０ｍｍ、内羽根の各羽根から回転軸までの長さが約１４５ｍｍのものとした。いずれの羽根も紡錘形状であり、上方からみた状態において、羽根が接線方向に対して約１０°上を向くようにして支持棒に取り付けた。また、起動トルクの測定は、回転軸から約１１０ｍｍの位置におもりを取り付け、垂直型風力発電機に対して送風し、持ち上がったおもりの値から算出した。
風速は、１．２ｍ／ｓ（弱）、２．１ｍ／ｓ（中）、３．８ｍ／ｓ（強）の３段階とした。
実験の結果を表にしたものを図８に示した。
表に示したように、実験の結果は、外側羽根体と内側羽根体との相対角度が３５°の場合の起動トルクが最も大きくなり、外側羽根体と内側羽根体との相対角度が−５°の場合の起動トルクが最も小さくなった。この実験からは、少なくとも、暴風時には羽根が遮蔽される位置関係となると、回転数が小さくなることが確認できた。また、遮蔽されていない相対角度の場合であっても、その角度により大きくトルクが変動することも確認できる。すなわち、風力に応じて相対角度を変動させることにより、たとえば、モータの特性に応じて効率的に回転数を変化させ、高効率の出力を得られることが可能であることが確認できた。

本発明の一実施形態にかかる垂直型風力発電機の構成を示した斜視図である。 図１に示した垂直型風力発電機の平面図である。 図１および図２に示した垂直型風力発電機の正面図である。 外側羽根体の構成を示した斜視図である 内側羽根体の構成を示した斜視図である。 外側羽根体と内側羽根体との相対角度の調整の手順を示した図である。 外羽根および内羽根に流れ込む空気の流れを概念的に示した図である。 実験の結果を示した表である。

符号の説明

１ 垂直型風力発電機
２ 外側羽根体
３ 内側羽根体
５ 蓄電装置
７ 内側羽根体用ギア
９ 検出部
２１ 上回転軸
２２ 下回転軸
２３ 外羽根
３１ 回転軸
３１Ａ 下方部
３２ 内羽根
４３ 発電用モータ

Claims (6)

1. 回転軸の中心を共通にし、回転対称に配された羽根をもつ外側羽根体と、外側羽根体と略相似形であって外側羽根体に近接した内側を回転する内側羽根体とを有し、暴風時には、外側羽根体と内側羽根体とを重ね合わせて回転数を低下させ、暴風時でないときには、回転数がより大きくなるように前記外側羽根体と前記内側羽根体とを近接させた位置ないし離した位置のいずれかの位置となるようにその相対角度を調整するようにしたことを特徴とする垂直型風力発電機。
2. 鉛直方向を向いた回転軸の中心を共通にして回転する外側羽根体と内側羽根体とを有する垂直型風力発電機であって、
   前記外側羽根体と前記内側羽根体とは、その相対角度が調整可能であるとともに一定の相対角度を保ったまま前記回転軸を中心に回転可能であり、
   前記外側羽根体は、鉛直方向に延伸し前記回転軸を中心に回転対称に配された複数の羽根を有し、
   前記内側羽根体は、鉛直方向に延伸し前記外側羽根体の各羽根の軌道に近接した内側に、前記外側羽根体と同様の回転対称形を有する羽根を有し、
   暴風時などの所定の風速を超える場合には、前記外側羽根体の各羽根と前記内側羽根体の各羽根とが重なるように前記相対角度を調整して回転数を低下させ、
   前記所定の風速以下では、回転数がより大きくなるように前記相対角度を調整するようにしたことを特徴とする垂直型風力発電機。
3. 前記垂直型風力発電機は、単一の発電装置を備えるものであり、
   前記外側羽根体の回転力と前記内側羽根体の回転力とは、前記単一の発電装置に伝達されるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の垂直型風力発電機。
4. 前記外側羽根体および前記内側羽根体の回転数を検出する検出手段をさらに備え、
   前記検出手段が検出した回転数に応じて、前記外側羽根体と前記内側羽根体との相対角度を調整するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の垂直型風力発電機。
5. ヘリカルギアを用いることにより前記外側羽根体と前記内側羽根体との相対角度を調整するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の垂直型風力発電機。
6. 発生した電力の一部を蓄電する蓄電装置をさらに備え、
   少なくとも前記外側羽根体および前記内側羽根体の回転が停止している際には、前記蓄電装置に蓄電されている電力を用いて前記外側羽根体と前記内側羽根体との相対角度を調整し、始動性を向上させるようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の垂直型風力発電機。
   
   

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