JP2007332917A - ハイブリッド発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自然エネルギを利用した発電装置の発電効率を向上する。
【解決手段】本発明のハイブリッド発電装置Ｗは、風車１と太陽電池パネル７とを備えている。風車１は、鉛直方向に延びる風車回転軸Ａｗ回りに回転可能な回転部材２１と、中凹状の凹曲面に形成された反射面を有する羽根４と、羽根４を回転部材２１の回転と同期して風車回転軸Ａｗを中心に公転可能に支持するとともに、支持部材回転軸Ａｓ回りに回転可能に支持する支持部材（羽根支持部材３０、下側アーム２６）とを含んでいる。各羽根４が風を受けて公転することにより回転部材２１を回転させる第１のモードと、太陽電池パネル７が、各羽根４に対応して反射面の焦点位置に位置付けられるように支持部材に支持されるとともに、各羽根４を反射面が太陽を仰ぐ姿勢にして、各羽根４の反射面により反射させた太陽光を各太陽電池パネル７に集光させる第２のモードと、に切り替え可能に構成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、太陽光発電と風力発電とのハイブリッド発電装置に関するものである。

従来より、安全で環境に負荷をかけない自然エネルギ源として、太陽エネルギを利用し、太陽の光エネルギを直接電気エネルギに変換して利用する太陽光発電が注目されている。太陽光発電において、太陽電池を、建物の屋根、屋上、壁面等に、固定して設置するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１５５２６５号公報

しかしながら、一定位置に固定された太陽電池においては、太陽との相対角度が最適な角度になるのは１日の日照時間のうち短い時間に限られ、残りの時間帯の発電効率が低いという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、自然エネルギを利用した発電装置の発電効率を高めることにある。

本発明に係るハイブリッド発電装置は、鉛直方向に延びる風車回転軸を有する風車と、少なくとも２つの太陽電池パネルと、を備えており、上記風車は、上記風車回転軸回りに回転可能な回転部材と、上記風車回転軸に対して周方向に配置された少なくとも２つの羽根と、上記羽根を上記回転部材の回転と同期して上記風車回転軸を中心に公転可能に支持するとともに、該風車回転軸に対して垂直な方向に延びる支持部材回転軸回りに回転可能に支持する支持部材と、を含んでおり、上記各羽根は、中凹状の凹曲面に形成された反射面を有するとともに、該羽根の長手方向が鉛直方向となる起立姿勢と上記反射面が上方を仰ぐ倒伏姿勢とに変更可能に上記支持部材に支持されており、上記各羽根を上記起立姿勢にして、該各羽根が風を受けて公転することにより上記回転部材を回転させる第１のモードと、上記太陽電池パネルが、上記各羽根に対応して上記反射面の焦点位置に位置付けられるように上記支持部材に支持されるとともに、上記各羽根を倒伏姿勢にして上記反射面が太陽を仰ぐ姿勢にして、上記各羽根の反射面により反射させた太陽光を上記各太陽電池パネルに集光させる第２のモードと、に切り替え可能に構成される。

上記の構成によると、このハイブリッド発電装置は、第１のモードでは、風車回転軸に対して周方向に配置された各羽根を起立姿勢にし、その各羽根を風力によって公転させて回転部材を回転させる。つまり、その回転部材に発電機を連結し、回転部材の回転によって発電機を駆動することによって、ハイブリッド発電装置は風力発電システムの風車として機能する。

また、このハイブリッド発電装置は、第２のモードでは、各羽根を倒伏姿勢にして、各羽根の反射面が太陽を仰ぐ姿勢にして、各羽根の反射面により反射させた太陽光を各太陽電池パネルに集光させる。つまり、各羽根の反射面とその反射面の焦点位置に位置付けられる太陽電池パネルとによって、太陽光を集光し、電気エネルギを得ることによって、ハイブリッド発電装置は太陽光発電システムの発電装置として機能する。

このように、ハイブリッド発電装置は、風力発電システムの風車として機能させることと、太陽光発電システムの発電装置として機能させることとが、切り替え可能である。そのため、風の状況や太陽の照射状況に応じてモードの切り替えを行うことにより、自然エネルギを利用した発電システムの発電効率を高めることが可能である。

また、太陽光を羽根の反射面により反射させて各太陽電池パネルに集光させることにより、太陽電池の出力を向上させて、太陽電池パネルの面積を低減でき、コストを低減することが可能である。つまり、太陽光を太陽電池パネルに集め、太陽電池パネルに照射される光のエネルギ密度を高めることにより、同じ出力を少ない面積の太陽電池パネルで得ることが可能である。

また、例えば、風力発電システムの風車と、太陽光発電システムの発電装置との双方を設置する場合に比べて、設置面積が小さくなり、設置効率の向上が図られる。

ここで、各羽根は、第２のモードにおいて、１つの回転凹曲面上に配置されて支持部材に支持されており、第２のモードにおいて、支持部材を太陽の移動に追従して移動させる太陽追尾手段をさらに備えており、太陽追尾手段は、太陽光の照射方向を検知するセンサと、各羽根が配置された回転凹曲面の中心軸と太陽光の照射方向とが平行となるように支持部材を駆動する駆動手段とを有する、としてもよい。

こうすることで、太陽追尾手段の駆動手段が支持部材を移動させることにより、各羽根が１つの回転凹曲面上に配置された状態で支持部材と一対となって移動する。太陽光の照射方向が回転凹曲面の中心軸に平行であり、各羽根の反射面の焦点位置に位置付けられた太陽電池パネルへの集光効率が向上する。したがって、太陽光発電におけるエネルギ変換効率が向上する。

また、各羽根は、羽根の横断面が円弧翼型であり、反射面は、羽根の翼弦方向に円弧形状とし、各太陽電池パネルは、各羽根の翼弦方向の中央に相対向する位置に位置付けられる、としてもよい。

こうすることで、第２のモードにおける集光効率がさらに向上し、太陽光発電システムにおけるエネルギ変換効率がさらに向上する。

また、各羽根を、該羽根の長手方向に延びる羽根回転軸回りに自転可能に支持部材に支持し、風車本体は、第１のモードにおいて、各羽根の公転に伴い各羽根の風向に対する角度を所定の角度に制御する角度制御手段をさらに含み、角度制御手段は、風向に対して風車回転軸を挟んだ一側では、羽根の角度を、羽根に発生する抗力が風車本体の回転力となる角度にする一方、風車回転軸を挟んだ他側では、羽根の角度を、羽根に発生する揚力が風車本体の回転力となる角度にする、としてもよい。

従来の抗力型風車では、風向に対して風車回転軸を挟んだ一側では、羽根に発生する抗力によって風車本体の回転力が得られるものの、風車回転軸を挟んだ他側では、羽根に発生する抗力が風車本体の回転力にならない上に、風車本体の回転力を減少させることになり、エネルギ変換効率が低下していた。

これに対し、上記の構成では、各羽根を羽根回転軸回りに自転可能にするとともに、角度制御手段によって、風向に対して風車回転軸を挟んだ一側では、羽根に発生する抗力が風車本体の回転力となるように羽根の角度を制御し、風車回転軸を挟んだ他側では、羽根に発生する揚力が風車本体の回転力となるように羽根の角度を制御するため、風車本体の回転力を減少させることがなく、風力発電システムにおけるエネルギ変換効率が向上する。

また、各羽根の横断面を円弧翼型としたときには、羽根に発生する揚力が大きくなるため、風車本体のトルク向上が図られる。

以上説明したように、本発明のハイブリッド発電装置によると、羽根を、太陽光を集光させる反射板としても機能させることによって、１つの発電装置によって風力および太陽光の双方のエネルギを利用することが可能となり、自然エネルギのエネルギ変換効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態に係るハイブリッド発電装置Ｗは、風力エネルギと太陽光エネルギとのそれぞれを電気エネルギに変換するものであり、風車１と発電機と太陽追尾手段とを備えている。このハイブリッド発電装置Ｗは、風力によって回転する形態（風力発電モード）と、太陽光を集光するための反射板として羽根を利用することにより、太陽光を集光する形態（太陽光発電モード）とに切り替えることが可能にされている。風の強い時期（主に冬）は風力発電モードとし、風の弱い時期（主に夏）は太陽光発電モードに切り替えて利用する。

（発電装置の構成）
図１は、本発電システムに用いられるハイブリッド発電装置Ｗの全体を概略的に示した図であり、このハイブリッド発電装置Ｗは、回転部材２１および、この回転部材２１の周方向に等間隔に配置された６つの羽根４を含む風車１と、風車１を回転可能に支持する支持体９１およびトラスフレーム９２とを備える。

回転部材２１は、矩形形状の枠体に構成されており、板状の２枚の縦フレーム２１ａが鉛直に配置されて側部を構成し、板状の２枚の横フレーム２１ｂが水平に配置され上端と下端とを構成している。

支持体９１は、円形状の基板９０と、基板９０上に配置されたハウジング９４、基板９０から放射状に延びる３本の脚部９３を有している。

ハウジング９４内には、発電機および後述する太陽追尾手段の第１駆動モータ等が収納されている。

トラスフレーム９２は、回転部材２１の上方に配置されたトラス支持部９５から、支持体９１の脚部９３と同じ基板９０の円の周方向位置に放射状に延び、下端が脚部９３に接続固定されている。

トラス支持部９５には、上側軸部材２２が回転可能に支持されている。この上側軸部材２２の下端が、回転部材２１の上側の横フレーム２１ｂに取り付けられている。

ハウジング９４には、下側軸部材２３が回転可能に支持されている。下側軸部材２３の下部は、ハウジング９４内に延び、発電機および太陽追尾手段の第１駆動モータが連結されている。下側軸部材２３の上部は、回転部材２１の下側の横フレーム２１ｂに取り付けられている。

そうして、回転部材２１は、支持体９１、トラスフレーム９２およびトラス支持部９５に支持されて、上側および下側軸部材２２，２３の回転と一体的に、風車回転軸Ａｗ回りに回転する。

回転部材２１の上部における縦フレーム２１ａ間には、円盤状のアーム支持部材２４が水平に配置されている。アーム支持部材２４には、周方向に等間隔を空けてそれぞれ径方向の外方に延びる、６つの上側アーム２５が取り付けられている。

回転部材２１の下部における縦フレーム２１ａ間には、円盤状の羽根支持部材３０が、風車回転軸Ａｗに対して垂直な方向に延びる支持部材回転軸Ａｓ回りに回転可能に支持されている。支持部材回転軸Ａｓは、羽根支持部材３０の円の中心を通る軸である。羽根支持部材３０には、各上側アーム２５と同じ周方向位置でそれぞれ径方向の外方に延びる下側アーム２６が取り付けられている。各下側アーム２６は、羽根支持部材３０の回転と一体的に支持部材回転軸Ａｓ回りに回転する。

アーム支持部材２４、上側アーム２５、羽根支持部材３０および下側アーム２６は、回転部材２１の回転と一体的に風車回転軸Ａｗ回りに回転する。

各羽根４は、各上側アーム２５の先端部と、各下側アーム２６の先端部とを互いに連結するように縦向きに配置された状態で、各上側アーム２５および各下側アーム２６によって支持される。これによって、各羽根４は、回転部材２１の回転と同期して、風車回転軸Ａｗを中心として回転（公転）する。各羽根４は、風力発電モードにおいては、略鉛直に配置された起立姿勢に配置される。

各羽根４は、図２および３に示すように、フレーム４０と、このフレーム４０の一側面側に張り付けられた外板としての布材４４とによって構成されている。フレーム４０は、等間隔を空けて平行に並んだ複数の（図例では４個の）桁４１と、この４つの桁４１の間で長手方向に所定の間隔を空けて配設されて、各桁４１を互いに連結する複数の（図例では６個の）リブ４２とによって構成されている。

この布材４４は、風車Ｗにおいて風を受ける部分となる他に、後述するように、羽根４を反射板として用いる際にその反射面４４ａとなる部分である。そのため、少なくとも反射面４４ａとなる側の表面は、その反射率が高いことが望ましく、一例として樹脂コーティングをした布に、アルミ蒸着を施すことによって反射率を高めた布材４４を用いてもよい。なお、羽根４において反射面４４ａとなる側は、図２において図示される側である。

上記各桁４１は、図３に示すように、その長手方向に放物線状に湾曲している一方、各リブは、図２に示すように、円弧状に形成されており、これにより、各羽根４は、縦断面形状が放物線形状であり、横断面形状が円弧翼型となっている。

なお、以下の説明では、図２において右上側となる側を羽根４の上側、左下側となる側を羽根４の下側と呼ぶとともに、左側となる側を羽根４の前縁、右側となる側を羽根４の後縁として、その左右方向を翼弦方向と呼ぶ。また、図３において上向きとなる面側を羽根の圧力面側、下向きとなる面側を羽根の負圧面側と呼ぶ。

各羽根４の上端部には、上部ブラケット４５が固定されており、この上部ブラケット４５には、上方に延びる上部回転軸４５ａが取り付けられている。この上部回転軸４５ａは、上部ブラケット４５における翼弦方向の中央位置から前縁側にずれた位置に設けられている。また、各羽根４の下端部には、下部ブラケット４６が固定されており、この下部ブラケット４６には、下方に延びる下部回転軸４６ａが、上部回転軸４５ａと同様に翼弦方向の中央位置から前縁側にずれた位置に取り付けられている。

さらに、各羽根４の上部および下部ブラケット４５，４６には、風力によって付勢される羽根４の角度を所定の角度に制御するために、揚力用規制部材４７と抗力用規制部材４８とが設けられている。具体的には、上部ブラケット４５には、その前縁近傍で上方に突出した棒状の上部揚力用規制部材４７ａが取り付けられている。下部ブラケット４６には、その前縁近傍で下方に突出した棒状の下部揚力用規制部材４７ｂが取り付けられている。

上部ブラケット４５にはさらに、その後縁近傍で上方に突出した棒状の上部抗力用規制部材４８ａが取り付けられている。下部ブラケット４６には、その後縁近傍で下方に突出した棒状の下部抗力用規制部材４８ｂが取り付けられている。

上部回転軸４５ａは、図４に示すように、上側アーム２５の先端部に支持される。つまり、上側アーム２５の先端部の内部には、下端面に開口する挿入穴２５ａが開けられている。上部回転軸４５ａの先端部は、２つのベアリング２５ｂを介して挿入穴２５ａに挿入されて、上部回転軸４５ａが、上側アーム２５に対して回転可能に支持されている。上部回転軸４５ａは、挿入穴２５ａに挿脱可能に支持されている。

下部回転軸４６ａは、下側アーム２６の先端部に支持される。つまり、下側アーム２６の先端部の内部には、上端面に開口する挿入穴２６ａが開けられている、下部回転軸４６ａの先端部は、上部回転軸４５ａと同様に、２つのベアリング２６ｂを介して挿入穴２６ａに挿入されて、下部回転軸４６ａが、下側アーム２６に対して回転可能に支持されている。下部回転軸４６ａは、挿入穴２６ａに挿脱可能に支持されている。

このように、上部回転軸４５ａが上側アーム２５の先端部に対して回転可能に支持される一方、下部回転軸４６ａが下側アーム２６の先端部に対して回転可能に支持されることにより、羽根４は、羽根回転軸Ａｂ回りに回転（自転）可能とされている。なお、羽根回転軸Ａｂは、図２に示すように、翼弦方向の中心に対して前縁側に所定距離だけずれた位置に位置している。

ハイブリッド発電装置Ｗが風力発電モードのときには、各羽根４は、風を受けて風車回転軸Ａｗを中心として公転するに伴い、風向に対する角度が所定の角度となるように、羽根回転軸Ａｂ回りに所定の回転角度範囲で自転する。

すなわち、羽根回転軸Ａｂが翼弦方向の中央に対して前縁側にずれていることで、羽根４はその前縁が風上側となるように風力によって付勢され、公転に伴い風車本体１の径方向に対する羽根４の角度は変化する。

各上側アーム２５および各下側アーム２６の先端側にはそれぞれ、上部、下部揚力用規制部材４７ａ，４７ｂが干渉する揚力用規制部材受部５０が取り付けられている。各揚力用規制部材受部５０と上部、下部揚力用規制部材４７ａ，４７ｂとが干渉することによって、図７に示すように、風向に対する羽根４の角度が所定の角度に規制される。具体的には、揚力用規制部材４７は、風車回転軸Ａｗを挟んだ他側（図７における左側）における風下側で、羽根４の揚力の方向Ｌ１が風車１の接線方向に略一致するように、風向に対する羽根の角度を規制する。そうすることによって、羽根４の揚力によって風車１の回転力が得られるようにする。ここで、揚力用規制部材４７は、風車本体１の径方向に対する羽根４の角度、換言すれば上側または下側アーム２５，２６の長手方向に対する羽根４の角度を公転に対して一定にする。

各上側アーム２５および各下側アーム２６の基端側には、上部、下部抗力用規制部材４８ａ，４８ｂが当接する抗力用規制部材受部５１が取り付けられている。各抗力用規制部材受部５１と上部、下部抗力用規制部材４８ａ，４８ｂとが干渉することによって、図７に示すように、風向に対する羽根４の角度は所定の角度に規制される。具体的には、抗力用規制部材４８は、風車回転軸Ａｗを挟んだ一側（図７における右側）で、羽根４の抗力の方向が風車１の接線方向に略一致するように、風向に対する羽根４の角度を規制する。そうすることによって、羽根４の抗力によって風車１の回転力が得られるようにする。ここで、抗力用規制部材４８は、風車本体１の径方向に対する羽根４の角度、換言すれば、上側または下側アーム２５，２６の長手方向に対する羽根４の角度を公転に対して一定にする。

上述したように、ハイブリッド発電装置Ｗは、太陽光発電モードにおいては、各羽根４を太陽光を集光するための反射板として利用する。

太陽光発電モードにおいて、各羽根４は、その圧力面側、すなわち反射面４４ａが上方を挑む倒伏姿勢に配置される。

具体的には、各羽根４は、上側、下側アーム２５，２６の各挿入穴２５ａ，２６ａから上部、下部回転軸４５ａ，４６ａを抜き、各羽根４の負圧面側の布材４４に設けられた固定部４９（図６にのみ示す）を各下側アーム２６の先端に取り付けることで、下側アーム２６に固定される。羽根支持部材３０と下側アーム２６によって、太陽光発電モードにおいて、羽根４を支持する支持部材が構成される。

下側アーム２６に固定された羽根４は、１つの回転凹曲面上に配置され、６つの羽根４全体の形状がいわゆるパラボラアンテナ形状に近い状態にある。

太陽光発電モードにおいては、図５および図６に示すように、各羽根４に対応して、太陽電池パネル７が取り付けられる。この太陽電池パネル７は、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子を有するものである。

各太陽電池パネル７は、各羽根４の反射面４４ａに相対するとともに、放物線形状を有する羽根４の長手方向に対しては、その焦点に相当する位置でかつ、羽根４の翼弦方向に対してはその中央に相当する位置に位置付けられる。つまり、この太陽電池パネル７は、下側アーム２６に固定された支持パイプ７１に支持されている。この支持パイプ７１は、各羽根４の基端側よりも風車本体１の内側の下側アーム２６にその下端が取り付けられており、下側アーム２６に対して垂直上方に延びるとともに、太陽電池パネル７が取り付けられる上部が羽根４に向かって折れ曲がっている。

各太陽電池パネル７は、下側アーム２６に対して固定されているため、羽根４の移動に伴って移動するので、太陽電池パネル７と羽根４との相対的な位置は常に一定であり、太陽電池パネル７は、羽根４の焦点に相当する位置に位置する。

そうして、後述するように、羽根４の反射面４４ａで反射した太陽光は、羽根４の向きに拘わらず、常に太陽電池パネル７に集光されるようになる。

ここで、羽根４の布材４４は、図３に示すように、フレーム４０に張り付けられ、各桁４１と各リブ４２とによって区画されるので、全体として反射面４４ａは厳密な曲面を構成していない。こうすることで、各桁４１および各リブ４２によって区画された反射面ごとに、焦点をずらしている。したがって、反射面４４ａで反射された太陽光が、太陽電池パネル７上の１点に集中して過度に強力な光が照射されず、太陽電池パネル７の焼損を防止することができる。

ハイブリッド発電装置Ｗは、太陽光発電モードにおいて、太陽追尾手段を有している。太陽追尾手段は、太陽の位置を検知する太陽追尾センサ３２と、羽根４を支持する羽根支持部材３０の向きを調節する駆動手段としての第１駆動モータおよび第２駆動モータ３１とからなる。

太陽追尾センサ３２は、羽根支持部材３０の上面中央に取り付けられている。この太陽追尾センサ３２が、太陽の位置を検知し、太陽光が羽根支持部材３０の上面に対して垂直な方向から入射するように、第１駆動モータと第２駆動モータ３１が羽根支持部材３０の向きを調節する。つまり、太陽追尾手段は、太陽の方位角と仰角とを、風車回転軸Ａｗおよび支持部材回転軸Ａｓ回りの２軸で追尾するものである。

第１駆動モータは、ハウジング９４内に配置され、回転部材２１の下側軸部材２３に連結されており、この下側軸部材２３を回転させることにより、羽根支持部材３０を風車回転軸Ａｗ回りに回転させる。

第２駆動モータ３１（図１にのみ示す）は、羽根支持部材３０を支持部材回転軸Ａｓ回りに回転させる。具体的には、第２駆動モータ３１は、回転部材２１の下部の横フレーム２１ｂ上に設けられている。この第２駆動モータ３１の駆動によって、第２駆動モータ３１の側方の縦フレーム２１ａに取り付けられた下側プーリー３２が回転する。下側プーリー３２の上方の縦フレーム２１ａには、上側プーリー３３が取り付けられている。下側プーリー３２と上側プーリー３３とには、伝動ベルト３４が架けられている。上側プーリー３３の回転に伴って、羽根支持部材３０が支持部材回転軸Ａｓ回りに回転するようになっている。

各羽根４は、羽根支持部材３０の回転と一対にパラボラアンテナ形状を保ったまま向きを変える。各太陽電池パネル７は、各羽根４の移動に拘わらず、羽根４との相対的な位置が常に一定であり、太陽電池パネル７は羽根４の焦点に相当する位置に位置する。羽根支持部材３０の上面に対して垂直な方向から入射した太陽光は、各羽根４の反射面４４ａで反射して、焦点位置にある太陽電池パネル７に集光する。つまり、太陽光を太陽電池パネル７に集め、太陽電池パネル７に照射される光のエネルギ密度を高めることにより、 反射面４４ａを太陽電池として構成する場合に比べて、太陽電池パネルの面積を低減でき、太陽電池のコストを低減することができる。

また、各羽根４が下側アーム２６に固定され、１つの回転放物面上に配置された状態で、羽根支持部材３０と一対に移動する。そして、太陽追尾手段により、太陽光の照射方向が回転放物面の中心軸に平行、すなわち、各羽根４の長手方向の放物線の軸に対して太陽光が平行に照射されるので、太陽電池パネル７への集光効率が向上する。したがって、太陽光発電モードにおけるエネルギ変換効率が向上する。

また、各羽根４が、その横断面が円弧翼型であり、反射面４４ａが、その翼弦方向に円弧形状であるので、太陽光発電モードにおける集光効率がさらに向上し、エネルギ変換効率がさらに向上する
（風力発電モード）
次に、ハイブリッド発電装置Ｗの、風力発電モードにおける動作について、図７を参照しながら説明する。図７は、風車回転軸回Ａｗに沿って風車１を上方から見た図であり、図７では、風車回転軸Ａｗ回りの公転に伴う風向に対する羽根４の角度の変化を、１つの羽根４について示している。なお、図７において、風車１は時計回りに回転し、風向は紙面上側から下側に向かう方向とする。また、図７に示す、各上側アーム２５先端の白丸は羽根回転軸Ａｂを示している。

風力発電モードにおいては、各羽根４の上部、下部回転軸４５ａ，４６ａが上側アーム２５および下側アーム２６に支持され、各羽根４は起立姿勢にされる。

羽根回転軸Ａｂは、上述したように、羽根４に対し、その翼弦方向の中央位置に対して前縁側にずれて設定されているため、羽根４は、風力によってその前縁が風上側に、その後縁が風下側になるように付勢される。

ここで、図７におけるＲ１で示す公転角度位置においては、風力によって付勢される羽根４は、抗力用規制部材４８が抗力用規制部材受部５１と干渉することとなり、それによって、羽根４は、その翼弦方向が風車本体１の径方向にほぼ一致する向きとなる（図４において一点鎖線で示す羽根４の状態）。この状態では、羽根４の抗力の方向（図７の矢印Ｄ参照）が、風車１の接線方向に略一致する。そうして、羽根４の抗力が風車１の回転力となり、羽根４は、Ｒ１の公転角度位置からＲ４の公転角度位置への移動する。なお、この移動の間、羽根４と風車１の径方向とのなす角度は、抗力用規制部材４８と抗力用規制部材受部５１との干渉により一定にされる。

次に、Ｒ４の公転角度位置からＲ５の公転角度位置に羽根４が移動する間に、その前縁が風上側に、その後縁が風下側になるように、羽根４は風力によって図７における時計回りに自転する。そして、Ｒ６の公転角度位置において、揚力用規制部材４７と揚力用規制部材受部５０とが干渉し（図４において二点鎖線で示す羽根４の状態）、羽根４は風向に対して所定の角度を有する向きとなる。これにより、羽根４の揚力の方向（図７の矢印Ｌ１参照）が風車１の接線方向に略一致し、羽根４の揚力が風車１の回転力となる。そうして、羽根４はＲ６の公転角度位置からＲ９の公転角度位置へと移動する。なお、この移動の間、羽根４と風車１の径方向とのなす角度は、揚力用規制部材４７と揚力用規制部材受部５０との干渉により一定にされる。

Ｒ９の公転角度位置からＲ１２の公転角度位置の間は、風向に対する羽根４の角度が略０°となるため、風車１の回転力はほとんど得られないものの、各位置において、羽根４と干渉するものもないため、風車１の回転に対する抵抗もほとんどない。したがって、Ｒ９の公転角度位置までの風車１の回転力によって、羽根４がＲ１２の公転角度位置まで移動する。

Ｒ１２の公転角度位置からＲ１の公転角度位置に羽根４が移動する間に、風力によって付勢される羽根４の抗力用規制部材４８が、抗力用規制部材受部５１と干渉する。このようにして羽根４は、公転を繰り返し、その公転によって回転部材２１が風車回転軸Ａｗ回りに回転する。

したがって、本実施形態に係る風車１は、風車回転軸Ａｗを挟んだ一側（図７では右側）においては、羽根４の抗力により風車１の回転力が得られ、その他側（図７では左側）においては、羽根４の揚力により風車１の回転力が得られる。このことにより、風車１の回転力を減少させることがなくなり、エネルギ変換効率が向上する。

つまり、従来の抗力型風車では、風向に対して風車回転軸を挟んだ一側では、羽根の抗力によって風車本体１の回転力が得られるものの、風車回転軸を挟んだ他側では、羽根の抗力が風車本体１の回転力にならない上に、風車本体１の回転力を減少させることになり、エネルギ変換効率が低下していた。

これに対し、上記風車１は、従来の抗力型風車において風車１の回転力を減少させていた側、つまり図７における左側においても回転力が得られることになるのである。つまり、揚力用規制部材４７と揚力用規制部材受部５０とを備えることによって、風車回転軸Ａｗを挟んだ他側の風下側において、羽根４の揚力を風車１の回転力とすることができる。その結果、エネルギ変換効率をさらに向上させることができる。

また、各羽根４は、その横断面形状が円弧翼型であることにより、羽根４の揚力が大きくなるため、風車１のトルコ向上が図られる。

さらに、上記風車１では、羽根回転軸Ａｂを羽根４の翼弦方向中央に対してずらして設定するとともに、羽根４の公転に伴う、その羽根４の風向に対する角度の制御を抗力用規制部材４８と揚力用規制部材４７とによって行うため、羽根４の角度制御が自動的に行われることになる。そのため、羽根４の角度制御のためのエネルギが不要である。すなわち、羽根４の公転位置を電気的に検出したり、羽根４を電気的に回転させたりする必要がなくなり、発電システムにおいて、余分なエネルギを消費することが抑制される。

（太陽光発電モード）
次に、ハイブリッド発電装置Ｗの、太陽光発電モードにおける動作について説明する。

太陽光発電モードにおいては、各羽根４の上部、下部回転軸４５ａ，４６ａを、上側アーム２５および下側アーム２６の各挿入穴２５ａ，２６ａから抜き出す。そして、各羽根４の固定部４９を下側アーム２６に固定させて、その反射面４４ａが上方を仰ぐ倒伏姿勢に配置する。

この状態において、各下側アーム２６に太陽電池パネル７の支持パイプ７１を固定する。これによって、太陽電池パネル７は、羽根４の反射面４４ａに相対して、その焦点に相当する位置に位置付けられる。

そして、各羽根４の向きを、太陽光の照射方向に応じて調整する。

具体的には、太陽追尾センサ３２が太陽を検知する。この太陽追尾センサ３２の検知に基づいて、羽根支持部材３０の上面が太陽光の照射方向に対して垂直となるように、羽根支持部材３０の向きを調整する。つまり、第１駆動モータが、羽根支持部材３０を風車回転軸Ａｗ回りに回転させることにより、太陽の方位角に対する各羽根４の向きの調整を行う。一方、第２駆動モータ３１が羽根支持部材３０を支持部材回転軸Ａｓ回りに回転させることにより、太陽の仰角に対する各羽根４の向きの調整を行う。

そうして、各羽根４が配置される回転凹曲面の中心軸に対して平行に太陽光が照射されるように、羽根支持部材３０の向きを調整し、各太陽電池パネル７に太陽光を集光する。それにより、各太陽電池パネル７において太陽光エネルギが電気エネルギに変換される。

このように、太陽光の照射方向に応じて、羽根４および太陽電池パネル７の位置を自動的に調整するので、太陽光の集光効率が向上する。

以上説明したように、本実施形態に係るハイブリッド発電装置Ｗは、風力発電システムの風車として機能させることと、太陽光発電システムの発電装置として機能させることとが、切り替え可能であるため、自然エネルギを利用した発電システムの稼働率を高めることができる。

また、上記ハイブリッド発電装置Ｗのみを設置すればよいため、例えば風力発電システムの風車と、太陽光発電システムの発電装置との双方を設置する場合に比べて設置面積が小さくなり、設置効率の向上が図られる。

なお、上述の実施形態は、本発明の例示であって、本発明はこの例に限定されるものではない。

例えば、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、風車１の備える羽根を６枚としたが、羽根の枚数はこれに限られず、２枚以上であれば任意に設定することが可能である。

また、上記実施形態では、各羽根４は、その横断面形状が円弧翼型であったが、羽根４の横断面形状はこれに限らず、適宜設定することができる。

さらに、上記実施形態では、羽根４の角度を制御する手段として、羽根に揚力用規制部材４７を抗力用規制部材４８とを設けたが、羽根４の角度を制御する手段はこれに限られない。例えば、羽根と係合することによって羽根を公転に伴い自転させるガイドレールと、風車回転軸回りに回動可能に設けられたガイドレールを、風向に応じて風車回転軸を挟んだ他側における風上側の所定位置に位置付ける移動手段とを有するものとしてもよい。

以上説明したように、本発明は、風力エネルギと太陽光エネルギとを利用したハイブリッド発電装置に有用であり、特にその発電効率を高める上で有用である。

本発明の実施形態に係るハイブリッド発電装置において、風力発電モードの場合の全体を示す概略斜視図である。 羽根の斜視図である。 羽根の縦断面図である。 羽根と上側アームおよび下側アームとの支持部分を拡大して示す一部破断の側面説明図である。 太陽光発電モードにおけるハイブリッド発電装置の全体を示す概略斜視図である。 太陽光発電モードにおけるハイブリッド発電装置の一部を示す概略側面図である。 羽根の公転に伴う羽根の自転の様子を拡大して示す平面説明図である。

符号の説明

１ 風車
４ 羽根
７ 太陽電池パネル
２１ 回転部材
２６ 下側アーム（支持部材）
３０ 羽根支持部材（支持部材）
３１ 第２駆動モータ（駆動手段、太陽追尾手段）
３２ 太陽追尾センサ（センサ、太陽追尾手段）
Ｗ ハイブリッド発電装置
Ａｗ 風車回転軸
Ａｓ 支持部材回転軸
Ａｂ 羽根回転軸

Claims (4)

1. 鉛直方向に延びる風車回転軸を有する風車と、
   少なくとも２つの太陽電池パネルと、
   を備えており、
   上記風車は、
   上記風車回転軸回りに回転可能な回転部材と、
   上記風車回転軸に対して周方向に配置された少なくとも２つの羽根と、
   上記羽根を上記回転部材の回転と同期して上記風車回転軸を中心に公転可能に支持するとともに、該風車回転軸に対して垂直な方向に延びる支持部材回転軸回りに回転可能に支持する支持部材と、
   を含んでおり、
   上記各羽根は、中凹状の凹曲面に形成された反射面を有するとともに、該羽根の長手方向が鉛直方向となる起立姿勢と上記反射面が上方を仰ぐ倒伏姿勢とに変更可能に上記支持部材に支持されており、
   上記各羽根を上記起立姿勢にして、該各羽根が風を受けて公転することにより上記回転部材を回転させる第１のモードと、
   上記太陽電池パネルが、上記各羽根に対応して上記反射面の焦点位置に位置付けられるように上記支持部材に支持されるとともに、上記各羽根を倒伏姿勢にして上記反射面が太陽を仰ぐ姿勢にして、上記各羽根の反射面により反射させた太陽光を上記各太陽電池パネルに集光させる第２のモードと、に切り替え可能に構成されたハイブリッド発電装置。
2. 請求項１のハイブリッド発電装置において、
   上記各羽根は、上記第２のモードにおいて、１つの回転凹曲面上に配置されて上記支持部材に支持されており、
   上記第２のモードにおいて、上記支持部材を太陽の移動に追従して移動させる太陽追尾手段をさらに備えており、
   上記太陽追尾手段は、太陽光の照射方向を検知するセンサと、上記各羽根が配置された回転凹曲面の中心軸と太陽光の照射方向とが平行となるように上記支持部材を駆動する駆動手段と、を有するハイブリッド発電装置。
3. 請求項１または２のハイブリッド発電装置において、
   上記各羽根は、該羽根の横断面が円弧翼型であり、上記反射面は、該羽根の翼弦方向に円弧形状であり、
   上記各太陽電池パネルは、上記各羽根の翼弦方向の中央に相対向する位置に位置付けられるハイブリッド発電装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つのハイブリッド発電装置において、
   上記各羽根は、該羽根の長手方向に延びる羽根回転軸回りに自転可能に上記支持部材に支持されており、
   上記風車本体は、上記第１のモードにおいて、上記各羽根の公転に伴い該各羽根の風向に対する角度を所定の角度に制御する角度制御手段をさらに含み、
   上記角度制御手段は、風向に対して上記風車回転軸を挟んだ一側では、上記羽根の角度を、上記羽根に発生する抗力が上記風車本体の回転力となる角度にする一方、上記風車回転軸を挟んだ他側では、上記羽根の角度を、該羽根に発生する揚力が上記風車本体の回転力となる角度にするハイブリッド発電装置。

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