JP2009103051A - 風車装置及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、導入される空気流のエネルギーが小さかったとしても、回転効率、風車の回転トルク及び回転数を最大限に向上させることのできる風車装置、これを用いた風力発電装置を実現する。
【解決手段】回転軸と、回転軸の軸方向に対して略垂直に配置されている第１の回転板及び第２の回転板と、第１の回転板及び第２の回転板の間において、回転軸との間に空間が形成されるように、回転軸の軸方向に対して略平行に配置されている翼複数枚と、を具備する風車装置において、翼の形状、軸受の構成又は制御方法を最適化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特殊な形状を有する翼を含む風車装置、及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おり、クロスフロー風車は、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１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、風車において、上下一対の円板形状の第１の回転板間における外側部に、互いに間隔をもって複数の羽根体を立設し、各羽根体の横断面形状を飛行機の翼と同様の翼形とし、風力を受けて第１の回転板の周方向へ揚力が発生する形状を有する回転部を設けることが開示されている。

ところが、上記特許文献１の風車においては、回転部の外側に位置する第２の回転板及びガイドベーンが固定部に固定され、これら第２の回転板及びガイドベーンは、空気流を集めて回転部側に方向付けして回転部に導くだけであり、空気流が回転部を通過する際の速度及び回転部の回転速度は、空気流の速度（入力される風の速度）に比例するに過ぎなかった。

これに対し、本発明者らは特許文献２に記載のように、回転軸と、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、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、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；及び回転軸の軸方向において風車部を挟む位置に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、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、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；を具備する風車装置を完成させた。

上記特許文献２に記載の風車装置は、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（すなわち風速）が小さかったとしても、回転効率、風車の回転トルク及び回転数を最大限に向上させるができるものであったが、風車部の外側に整流板としての役割を果たす回転型集風部を必要とし、構造が若干複雑になるという問題があった（構造上の問題点）。

また、従来の風力発電装置における風車装置の回転軸には、例えば特許文献４に開示されているように、ラジアルベアリングとスラストベアリングとが用いられているが、スラストベアリングは回転軸の段差部分に接触して下方から上方に向けて支持するとともにし、鋼球を介して滑り運動を行なう軸受であることから、長期間使用すると上記段差部分や鋼球が摩耗により破損するため、定期的なメンテナンスが頻繁に必要になるという問題がある（メンテナンス上の問題）。

一方、風車装置を利用した従来からの風力発電装置は、交流発電機及びダイオードブリッジを用いて直流電流を出力し、この直流電流を蓄電池に蓄積したりした後、ＤＣ／ＡＣ変換や昇圧を経て１００Ｖの交流として供給されるのが一般的である。このような従来の風力発電装置においては、例えば翼に当たる風が弱い場合、定格電流を出力させようとすると風車装置に対する動力負荷が大きくなって、風車装置がスムースかつ安定的には回転を開始されず、発電効率が向上しにくいという問題があった（制御上の問題点）。

このような問題に対し、例えば特許文献３においては、高効率でコストパフォーマンスの良い発電を行うことができる風力発電装置を提供することを意図して、風車回転速度の時間微分値に基づいて発電効率が最大となる発電出力の出力電圧値を求める高効率運転制御ループを有し、該高効率運転制御ループにより求めた出力電圧値を出力電圧目標値として出力電圧を制御する出力電圧制御装置を用いることが提案されている。

しかしながら、上記特許文献３における風力発電装置は、風車、該風車の軸に接続した交流発電機、及び該交流発電機からの交流電力を直流電力に変換する整流器を備え、上記出力電圧制御装置は整流器の出力電圧を制御するものであり、交流電力を一度直流電流に変換して取り出すことから直接的に家庭内で使用しにくく、また、風が弱い場合に生じる上記のような問題（すなわち、定格電流を出力させようとすると風車装置に対する動力負荷が大きくなって、風車装置がスムースかつ安定的には回転を開始されず、発電効率が向上しにくいという問題）を確実に解消できるものではなかった。
特開２００３−１２０５０１号公報 特開２００６−３０００３０号公報 特開２００５−７３４１８号公報 特開２００７−１７０３３２号公報

上記のような問題点に鑑み、本発明は、簡単な構造で、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（すなわち風速）が小さかったとしても、回転効率、風車の回転トルク及び回転数を最大限に向上させることのできる風車装置、及びこれを含む風力発電装置を提供することを第一の目的とする。

また、本発明は、長期間使用しても頻繁なメンテナンスを必要としない軸受を有する風力発電装置を提供することを第二の目的とし、さらに、発電の開始時において翼に当たる風が弱い場合であっても、風車装置がスムースかつ安定的に回転を開始することができ、定格電流を出力することができかつ発電効率に優れる風力発電装置を提供することを第三の目的とする。

上記第一の目的を達成すべく、本発明は、
回転軸と、
前記回転軸の軸方向に対して略垂直に配置されている第１の回転板及び第２の回転板と、
前記第１の回転板及び前記第２の回転板の間において、前記回転軸との間に空間が形成されるように、前記回転軸の軸方向に対して略平行に配置されている翼複数枚と、
を具備すること、
を特徴とする風車装置、並びにこれを含む風力発電装置を提供する。

当該風車装置においては、
前記翼が、前記回転軸の軸方向に対して略垂直な方向からみた場合に、
軸側から外側にむかって放射状に延びる第一の曲面部及び第二の曲面部と、前記第一の曲面部と前記第二の曲面部とをつなぐ平面部と、を含み、
前記第一の曲面部と前記平面部との接続部が前記回転軸の回転方向に対して凸状の形状を有すること、が好ましい。

また、前記回転軸の軸方向に対して略垂直な方向からみた場合に、等間隔に配置された５枚の前記翼を具備すること、が好ましい。

さらに、前記回転軸の軸方向に対して略垂直な方向からみた場合に、前記翼の軸側端部と外側端部をと結ぶ直線と、前記回転軸を中心とする円の径と、の角度が２５〜３０°となるように、前記翼が配置されていること、が好ましい。

上記第二の目的を達成すべく、本発明は、
回転軸と、前記回転軸の軸方向に対して略垂直に固定されている第１の回転板及び第２の回転板と、前記第１の回転板及び前記第２の回転板の間において、前記回転軸との間に空間が形成されるように、前記回転軸の軸方向に対して略平行に固定されている翼複数枚と、を具備する風車装置；並びに
前記回転軸を受ける磁気浮上式無接触軸受部；
を具備すること、
を特徴とする風力発電装置を提供する。

前記磁気浮上式無接触軸受部は、
前記回転軸の一端に接続された上側磁性板と、
前記上側磁性板に空間を隔てて対向して設けられた下側磁性板と、を具備すること、が好ましい。

上記第三の目的を達成すべく、本発明は、
回転軸と、前記回転軸の軸方向に対して略垂直に配置されている第１の回転板及び第２の回転板と、前記第１の回転板及び前記第２の回転板の間において、前記回転軸との間に空間が形成されるように、前記回転軸の軸方向に対して略平行に配置されている翼複数枚と、を具備する風車装置；
前記回転軸に接続された交流発電機；
前記回転軸に接続された回転数測定装置；並びに
前記交流発電機及び前記回転数測定装置を制御するための制御装置；
を具備すること、
を特徴とする風力発電装置を提供する。

前記交流発電機としては例えば三相交流発電機を用いることができる。

前記制御装置は、前記交流発電機から出力される交流電力（例えば正弦波）の位相｛ゼロクロス（点弧角）の位置｝を前記回転軸の回転数に応じてシフトすること、が好ましい。このような交流電力の位相の前記回転軸の回転数に応じたシフトは、前記制御装置に例えばサイリスタを含ませることによって実現することができる。

本発明によれば、簡単な構造で、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（すなわち風速）が小さかったとしても、回転効率、風車の回転トルク及び回転数を最大限に向上させることのできる風車装置、及びこれを含む風力発電装置を提供することができる。

また、本発明の別の態様によれば、発電の開始時において翼に当たる風が弱い場合であっても、風車装置がスムースかつ安定的に回転を開始することができ、定格電流を出力することができかつ発電効率に優れる風力発電装置を提供することができ、本発明のさらに別の態様によれば、長期間使用しても頻繁なメンテナンスを必要としない軸受を有する風力発電装置を提供することができる。

以下において、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、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、また、以下の説明では、同一又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一部を切り欠いた概略正面図である。図１に示すように、本実施の形態に係る風車装置１は、回転軸２と、回転軸２の軸方向に対して略垂直に固定して配置されている第１の回転板４及び第２の回転板６と、第１の回転板４及び第２の回転板６の間において、回転軸２との間に空間１４が形成されるように、回転軸２の軸方向に対して略平行に配置されている複数枚の翼８と、を具備する。

より具体的には、第１の回転板４は、第１の回転板４の面が回転軸２の軸方向に対して略直交する位置関係となるように、回転軸２に固定されており、第２の回転板６は、第２の回転板６の面が回転軸２の軸方向に対して略直交する位置関係となるように、配置されている。そして、翼８は、翼８の面が回転軸２の軸方向に対して略平行な位置関係となるように、かつ、回転軸２との間に空間１４が形成されるように、第１の回転板４及び第２の回転板６に固定されている。

なお、図１において、翼８は上部固定部材８ａ及び下部固定部材８ｂとでそれぞれ第１の回転板４及び第２の回転板６に固定されている。また、空間１４の大きさは、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択することができる。ただし、図１においては、空間１４において向こう側に位置する翼８を省略している。

回転軸２の外周には固定されて回動しない筒体２ｃが配置されており、回転軸２には回転軸２より径の大きいフランジ部２ａが設けられていることから、回転軸２、第１の回転板４、第２の回転板６及び複数枚の翼８を含む風車機構部１ａが、上側に設けられた第１のラジアルベアリング１２ａ及び下側に設けられた第２のラジアルベアリング１２ｂを介して、回動可能な態様で筒体２ｃに係合している。

ここで、図２は、図１における風車装置１を矢印Ｘの方向から見た図、より詳しくは、図１における風車装置１を、第１の回転板４を取り外した状態で、回転軸２の軸方向に略平行な方向から見た図、換言すると、図１における風車装置１を回転軸２の軸方向に略直交する面において切断した場合に見える横断面図である。図２に示すように、本実施の形態の風車装置１には、等間隔に配置された５枚の翼８が設けられている。

また、図３は、図２における風車装置１に搭載された翼８を拡大した図、より詳しくは、図２における風車装置１のうちの翼８を一つについて、回転軸２の軸方向に略平行な方向から見た図、換言すると、図２における翼８を回転軸２の軸方向に略直交する面において切断した場合に見える横断面図である。

図２及び図３に示すように、翼８は、軸側から外側にむかって円弧状、放射状に延びる第一の曲面部２８ａ及び第二の曲面部２８ｂと、第一の曲面部２８ａと第二の曲面部２８ｂとをつなぐ平面部２８ｃと、を含む。そして、第一の曲面部２８ａと平面部２８ｃとの接続部２８ｄが回転軸２の回転方向（図３における矢印Ｒで示される方向）に対して凸状の形状を有している。

このような形状を有する翼８に風が供給された場合、矢印Ｗ１で示される風の流れが第二の曲面部２８ｂに衝突して翼８に抗力が働くとともに、矢印Ｗ２ｂで示されるように第二の曲面部２８ｂの表面に沿って流れる風の力と、矢印Ｗ２ａで示されるように第一の曲面部２８ａに沿って流れる風の力との差によって翼８に揚力が働く。これら抗力と揚力との合計によって、翼８はより強く矢印Ｒで示される方向に回転する。

さらに、第一の曲面部２８ａと平面部２８ｃとの接続部２８ｄが回転軸２の回転方向に対して凸状の形状を有していることから、矢印Ｗ２ａで示されるように第一の曲面部２８ａに沿って流れる風の一部が剥離し、図３における翼８からみて上方側（矢印Ｒで示される回転方向側）に設けられた翼の第二の曲面部２８ｂに供給されて抗力を起こさせる。

換言すると、この平面部２８ｃは特許文献２における整流板の役割を果たしているものと考えられ、本発明に係る翼は、従来の回転翼と整流板とが組み合わさって単一の部材で両者の機能を果たす複合翼とも言うことができる。

すなわち、上記特許文献２においては、風を受けて回転する翼を含む風車部と、導入される風を整流するいわば整流板の役割を果たす回動型集風部と、の二重構造が採用されているが、上記のような複合翼によって整流板を用いなくとも上記特許文献２に記載の風車装置と同等以上の回転効率、風車の回転トルク及び回転数が得られる。

ただし、本発明の効果を損なわない範囲で、図２に示すように翼８の数は５枚に限定されるものではなく、また、それぞれの翼８の配置について、軸側端部８ａ及び外側端部８ｂを結ぶ直線８ｃと、回転軸２を中心とする円の径ｃと、の角度ａも、第一の曲面部２８ａ、第二の曲面部２８ｂ及び平面部２８ｃの寸法及び形状等も、特に限定されるものではない。

上記のような複合翼としての機能をより確実に発揮するという観点から、第一の曲面部２８ａと平面部２８ｃとの凸状の接続部２８ｄは、軸側端部８ａ及び外側端部（より厳密には外側端部を含むＲ部分の中心部）８ｂを結ぶ直線８ｃの中心点（直線８ｃの軸側端部８ａからみて１／２の距離（長さ）の点）よりも外側端部８ｂ側、さらには、直線８ｃの軸側端部８ａからみて３／４の距離（長さ）点よりも外側端部８ｂ側に位置するのが好ましい。

例えば、第一の曲面部２８ａ、第二の曲面部２８及び平面部２８ｃの寸法及び形状等については、回転軸２の軸方向に略平行な方向から見た図３における第一の曲面部２８ａの長さＬａ、第二の曲面部２８ｂＬｂ及び平面部２８ｃの長さＬｃが、
関係式（１）：Ｌｂ＞Ｌａ、及び
関係式（２）：Ｌａ＋Ｌｃ＞Ｌｂ
を満たすように適宜調整することができる。

また、図３に示すように、第二の曲面部２８ｂ及び平面部２８ｃとの接続部は、風、特に矢印Ｗ２ａで示される風及び矢印Ｗ２ｂで示される風を効率よく導き入れて、より確実に抗力及び揚力に変換することができるように、曲面形状を有するＲ部分を構成しているのが好ましい。

なかでも、本発明者が鋭意実験を繰り返して検討した結果、翼８の数が５枚、上記角度ａが概ね２５〜３０°の範囲、特に約２７°、軸側端部８ａと外側端部８ｂとを結ぶ直線８ｃの長さ（軸側端部８ａと外側端部８ｂとの距離）が約６２０ｍｍ、空間１４の幅１４ａが約７０ｍｍ、第一の曲面部２８ａ及び第二の曲面部２８ｂのＲが６００ｍｍの場合には、一定の風に対して風車装置１の回転数を最も向上させ得ることを確認した。

次に、図１に示すように、本実施の形態に係る風車装置１においては、風車機構部１ａの下側に、収容部１ｂが設けられている。収容部１ｂは筒体２ｃと固定されており、回転軸２、第１の回転板４、第２の回転板６及び複数枚の翼８を含む風車機構部１ａは、筒体２ｃ及び収容部１ｂに対して回動することになる。

収容部１ｂは、回転軸２の下側の一端を収容するとともに、回転軸２及び交流発電機（図示せず。）に連結される伝達軸２ｂを空間を隔てつつ磁気的に連結する磁気浮上式無接触軸受部（図１においてＹで示される部分）と、回転軸２及び伝達軸２ｂの回転を制動する電磁式制動部（図１においてＺで示される部分）と、を収容する。

図４は、図１における磁気浮上式無接触軸受部（図１においてＹで示される部分）を拡大して示す図である。より具体的には、図４は、図１における磁気浮上式無接触軸受部Ｙのうちの上側磁性板３０の下面と下側磁性板３２の上面との位置関係を示す概念図であり、楕円状部分は本来略円形状である。図１及び図４に示すように、本実施の形態における磁気浮上式無接触軸受部Ｙは、回転軸２の下側の一端に接続された円盤状の上側磁性板３０と、上側磁性板３０に空間を隔てつつ対向して設けられた円盤状の下側磁性板３２と、を具備する。

なお、図示しないが、収容部１ｂには、上側磁性板３０と下側磁性板３２との間の距離を調整は、例えば軸２の上部に同様に磁気浮上式無接触軸受部を設けることによって行なうことができる。これらの軸受部はそれぞれ、従来公知の接触型の軸受部としてもよい。

上側磁性板３０と下側磁性板３２とは、互いに対向する面が互いに異なる極性を有する。例えば上側磁性板３０の下面がＮ極の場合、下側磁性板３２の上面はＳ極であり、逆に、上側磁性板３０の下面がＳ極の場合、下側磁性板３２の上面はＮ極である。これにより、上側磁性板３０と下側磁性板３２とは、空間を隔てて浮遊しながら無接触で対向しているにもかかわらず、強い磁性によって磁気的に連結されており、動力を伝達することができる。

このような構成を有する磁気浮上式無接触軸受部Ｙを用いれば、回転軸２と伝達軸２ｂとが空間を隔てて連結されていることにより、従来のスラストベアリングのような接触式の軸受のように接触部分がないため、長期間使用しても摩耗する箇所がなく、定期的なメンテナンスの回数を著しく低減させることができる。

本実施の形態においては、図４に示すように、上側磁性板３０及び下側磁性板３２の互いに対向する部分には、断面円状の貫通孔が６個ずつ形成されており、それぞれの貫通孔に円状の磁石体３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ及び３０ｆ並びに円状の磁石体３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ及び３２ｆが埋設されている。

そして、例えば上側磁性板３０に埋設された磁石体３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ及び３０ｆは、下側磁性板３２側の面においてＮ極に帯磁しており、下側磁性板３２に埋設された磁石体３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ及び３２ｆは、上側磁性板３０側の面においてＳ極に帯磁していることにより、上側磁性板３０と下側磁性板３２とは磁気的に連結される。

上記磁石体３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ及び３０ｆ並びに上記磁石体３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ及び３２ｆとしては、外部から磁場や電流等の供給を受けることなく強い磁力を有し磁石としての性質を比較的長期にわたって保持し続けるという観点から、例えばアルニコ磁石、フェライト磁石又はネオジム磁石等の永久磁石を用いるのが好ましい。

アルニコ磁石は、アルミニウム（Ａｌ)、ニッケル（Ｎｉ)及びコバルト(Ｃｏ)等を原料として鋳造された磁石（鋳造磁石）であり、鉄や銅等が添加物として加えられていてもよい。フェライト磁石は、酸化鉄を主原料にしてバリウムやストロンチウム等を微量加えて焼き固め、その後に粉砕したものを成型し焼結し、電磁石で着磁して得られる。ネオジム磁石はネオジム、鉄及びホウ素を主成分とする希土類磁石（レアアース磁石）である。これらのなかでも、酸化鉄を主原料としているため安価であり、高い透磁率を持ち様々な用途に用いられているフェライト磁石が好ましい。

上側磁性板３０及び下側磁性板３２が有する磁石体の形状、寸法及び個数については、上側磁性板３０及び下側磁性板３２との間に空間を隔てつつも、強い磁性によって磁気的に連結されており、回転軸２から伝達軸２ｂに動力を確実に伝達できる範囲であれば適宜設計変更することが可能である。

例えば、円状の磁石体は上側磁性板３０及び下側磁性板３２よりも薄く、貫通孔ではなく穴に埋設されている状態であっても構わない。また、磁石体の形状は、楕円状、正方形若しくは長方形等の矩形状、又は棒状等であっても構わない。上側磁性板３０及び下側磁性板３２を磁石そのもので構成してもよい。

ここで、図５は、図１における電磁式制動部（図１においてＺで示される部分）を拡大して示す図である。本実施の形態においては、図１及び図５に示すように、上記の磁気浮上式無接触軸受部Ｙの下側に、回転軸２及び伝達軸２ｂの回転を制動する電磁式制動部Ｚが設けられている。この電磁式制動部Ｚは、回転軸２及び伝達軸２ｂの回転を制止させるために用いられるブレーキの役割を果たすものである。

従来の風車装置等において回転軸の回転を制止させる場合には、円盤状のブレーキ板を回転軸に配設するとともに、当該ブレーキ板を挟むブレーキパッドが用いられていたが、長期間使用するとブレーキ板及びブレーキパッドが摩耗により破損するため、交換する等定期的なメンテナンスが必要であった。

これに対し、本実施の形態の電磁式制動部Ｚによれば、このように摩耗により破損するブレーキ板及びブレーキパッドを使用しないため、ブレーキ板及びブレーキパッドを交換する等の定期的なメンテナンスを極力減らすことが可能である。

図５に示すように、本実施の形態における電磁式制動部Ｚは、回転軸２の軸方向に対して略垂直に固定されている第３の回転板４０と、第３の回転板４０の下面の一部に対向する位置に設けられた電磁石４２と、電磁石４２に直流電流を供給する直流電源部（図示せず。）と、を具備する。

第３の回転板４０はアルミニウム製の円盤であり、直流電源部から電磁石４２に過電流を流すことによって、電磁石４２と第３の回転板４０との間にうず電流を生じさせることによって、第３の回転板４０の回転を制動する。上記円盤を構成するアルミニウムは、より確実にうず電流を発生させるべく、純度の高いアルミニウムであるのが好ましい。

このように、第３の回転板４０はアルミニウム等で構成されており、回転している際には直流電源部から電磁石４２に電流を流さないため、回転している第３の回転板４０は電磁石４２に吸引されることはない。

第３の回転板４０の寸法及び形状等については、これに制限されず、所望する風車装置１及びこれを含む風力発電装置のスペック等に応じて適宜選択することができる。また、直流電源としては従来公知のものを用いることができ、電磁石４２としても永久磁石とコイルとを含む従来公知の電磁石を用いることができる。

本実施の形態の風車装置１における収容部１ｂの下側には、伝達軸２ｂに接続されている交流発電機５０が設けられている。本実施の形態の風力発電装置１０は、風車機構部１ａ及び収容部１ｂを含む風車装置１と、交流発電機５０と、で構成されている。

交流発電機５０としては従来公知のものを用いることができ、例えば１２０Ｈｚの３相交流を出力する永久磁石を用いた三相交流発電機を用いることが制御の観点から好ましい。三相交流発電機としても従来公知のものを用いることできる。

また、図示しないが、本実施の形態の風力発電装置１０には、回転数測定装置及び制御装置が設けられている。この回転数測定装置としては、従来公知のものを用いることができる。また、風力発電装置１０には、例えば充電池や、交流電力を直流電力として取り出せるように、ＤＣ／ＡＣインバーター等が含まれていてもよい。

制御装置には、磁気浮上式無接触軸受部Ｙのうちの距離調整装置、電磁式制動部Ｚのうちの直流電源部、交流発電機５０、及び回転数測定装置に接続されており、これらを制御するために用いられる。制御装置としては、各種のＣＰＵやソフトウェアを含むコンピューターを用いることができる。

上記制御装置による本発明に係る風力発電装置の制御は、従来公知の方法で行なうことができるが、なかでも上述のように翼に当たる風が弱い場合には、定格電流を出力させようとすると風車装置に対する動力負荷が大きくなって、風車装置がスムースかつ安定的には回転を開始されず、発電効率が向上しにくいという問題があるため、特にこの問題を解決すべく、以下のような制御方法を用いるのが好ましい。

図６に、交流発電機５０から出力される交流電力（電圧）の波形の一例を示す。この出力する交流電力の波形、周波数及び振幅については、所望する出力電力に応じて適宜選択することができる（例えば定格電力）。なお、図６においては正弦波を有する交流電力を示しているが、その他の形状を有する交流電力であっても構わない。

図６に示すように、点６０は交流発電機５０から出力される交流電力のゼロクロス（点弧角）の位置を示している。かかるゼロクロスは、従来公知のゼロクロス検出装置を用いて測定することができる。したがって、本実施の形態における制御装置はゼロクロス検出装置をも具備していることが好ましい。

ゼロクロス検出装置の一例においては、例えばフォトカプラの入力端子に接続された交流電圧によってフォトカプラ内の発光素子が点灯し、出力側の受光素子（フォトトランジスタ）をＯＮ／ＯＦＦすることで出力トランジスタを介してゼロクロス信号を得ることが出来る。すなわち、交流電圧の電位に比例して発光素子の発光量が変化し、交流電圧の電位（絶対値）が所定レベル以下に低下したときにフォトトランジスタをＯＮすることができない光量となり、その結果、出力側にゼロクロスポイントを示す信号が出力される。

風車装置１の翼８が風を受けて回転を始める時点において、交流発電機５０からは図６に示すような波形を有する交流電力が出力される。しかし、風力が弱い場合、点６２で示される位置まで翼８が回転したとして、図６に示す波形を有する交流電力を取り出そうとすると、翼８の回転に対して動力負荷がかかり、風車装置がスムースかつ安定的には回転を開始されず、発電効率が向上しにくい。

そこで、本実施の形態においては、ゼロクロスの位置が点６０から点６２になるように、出力される交流電力を示す正弦波の位相｛ゼロクロス（点弧角）の位置｝の位置）を前記回転軸の回転数に応じてシフトさせることが好ましい。かかるシフトは、例えばサイリスタを用いて実現することができる。また、上記の回転数測定装置によって得られた風車装置１の回転速度や回転数に応じて、シフトさせる位相の大きさを選択すればよい。

以上、本発明の一実施の形態に係る風車装置１及びこれを含む風力発電装置１０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。また、特に言及しなかった各部材の形状や寸法、及び各部材を構成する材料等については、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択することができる。

例えば、翼８は種々の材料を用いて作製することができるが、軽量性、耐久性及び耐候性等の観点から、アルミニウム合金等の金属やポリカーボネート等の耐熱性樹脂等で構成するのが好ましい。翼８は発泡スチロールで構成してもよい。また、第一の曲面部２８ａ、第二の曲面部２８ｂ及び平面部２８ｃの表面は平滑性を有するのが好ましく、例えばウレタン樹脂でコーティングしたり、最表面を塗装したりしてもよい。

その他、回転軸２、伝達軸２ｂ、筒体２ｃ、第１の回転板４及び第２の回転板６、並びに収容部１ｂの筐体等は、剛性、対候性及び耐久性等を有する種々の金属や樹脂等で構成することができる。また、収容部１ｂの下側には、筒体２ｃよりも径の大きい筒体を設置して、風車装置１（特に風車機構部１ａ）の部分を地上から高い位置に固定し、風をより確実に受けるようにしてもよい。

また、第一の目的を達成する本発明に係る風車装置及び／又は風力発電装置は、翼及び風車について特徴のある上述したような所定の構成を具備していればよく、その他は従来公知の構成であってよい。もちろん、第二の目的を達成する磁気浮上式無接触軸受部及び電磁式制動部並びに第三の目的を達成する制御装置のうちの少なくとも一種を具備していてもよい。

第二の目的を達成する本発明に係る風力発電装置は、磁気浮上式無接触軸受部及び電磁式制動部について特徴のある上述したような所定の構成を具備していればよく、その他は従来公知の構成であってよい。もちろん、第一の目的を達成する翼及び風車装置並びに第三の目的を達成する制御装置のうちの少なくとも一種を具備していてもよい。

第三の目的を達成する本発明に係る風力発電装置は、制御装置及び制御方法について特徴のある上述したような所定の構成を具備していればよく、その他は従来公知の構成であってよい。もちろん、第一の目的を達成する翼及び風車装置並びに第二の目的を達成する磁気浮上式無接触軸受部及び電磁式制動部のうちの少なくとも一種を具備していてもよい。

上記のような本発明の風力装置は、従来の風車装置に比べて簡易な構造で回転トルク、回転力及び回転効率に優れているため、当該風力装置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。

本発明によれば、簡単な構造で、効率よく空気流を集めて風車機構部に導入するとともに、当該風車機構部に導入される空気流のエネルギー（すなわち風速）が小さかったとしても、回転効率、風車の回転トルク及び回転数を最大限に向上させることのできる風車装置、及びこれを含む風力発電装置を実現することができる。

また、本発明によれば、空気流のエネルギー（すなわち風速）が小さかったとしても、風車機構部の回転効率、回転トルク及び回転数を最大限に向上させることができる風車装置が得られ、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、これを用いた風力発電装置は発電源として有効である。

さらに、本発明によれば、発電の開始時において翼に当たる風が弱い場合であっても、風車装置がスムースかつ安定的に回転を開始して、定格電流を出力することができ、かつ発電効率に優れる風力発電装置を実現することができる。また本発明のさらに別の態様によれば、長期間使用しても頻繁なメンテナンスを必要としない軸受を有する風力発電装置を実現することができる。

本発明の一実施の形態の風車装置の構成を示す一部を切り欠いた概略正面図である。 図１における風車装置１を矢印Ｘの方向から見た図である。 図２における風車装置１に搭載された翼８を拡大した図である。 図１に示すＹ部分の部分的に拡大して示す図である。 図１に示すＺ部分の部分的に拡大して示す図である。 交流発電機５０から出力される交流電力（電圧）の波形の一例を示す図である。

符号の説明

１・・・風車装置、
２・・・回転軸、
２ａ・・・フランジ部、
２ｂ・・・伝達軸、
２ｃ・・・筒体、
４・・・第１の回転板、
６・・・第２の回転板、
８・・・翼、
１０・・・風力発電装置、
１２ａ、１２ｂ・・・ラジアルベアリング、
１４・・・空間、
３０・・・上側磁性板、
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ・・・磁石体、
３２・・・下側磁性板、
４０・・・第３の回転板、
４２・・・電磁石、
６０・・・ゼロクロス。

Claims (5)

1. 回転軸と、
   前記回転軸の軸方向に対して略垂直に配置されている第１の回転板及び第２の回転板と、
   前記第１の回転板及び前記第２の回転板の間において、前記回転軸との間に空間が形成されるように、前記回転軸の軸方向に対して略平行に配置されている翼複数枚と、
   を具備すること、
   を特徴とする風車装置。
2. 前記翼が、前記回転軸の軸方向に対して略平行な方向からみた場合に、
   軸側から外側にむかって放射状に延びる第一の曲面部及び第二の曲面部と、前記第一の曲面部と前記第二の曲面部とをつなぐ平面部と、を含み、
   前記第一の曲面部と前記平面部との接続部が前記回転軸の回転方向に対して凸状の形状を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の風車装置。
3. 前記回転軸の軸方向に対して略平行な方向からみた場合に、等間隔に配置された５枚の前記翼を具備すること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の風車装置。
4. 前記回転軸の軸方向に対して略平行な方向からみた場合に、前記翼の軸側端部及び外側端部を結ぶ直線と、前記回転軸を中心とする円の径と、の角度が２５〜３０°となるように、前記翼が配置されていること、
   を特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載の風車装置。
5. 請求項１〜４のうちのいずれかに記載の風車装置を含む風力発電装置。

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