JP2012072760A - 風力発電用の開閉羽根付き風車 - Google Patents

Abstract

【目的】従来よりも風による回転トルクを大幅に向上させることができ、風力発電の効率を大幅に高めることができる風力発電用開閉羽根付き風車を提供する。
【構成】平面略Ｖ状に形成されている固定羽根と、前記固定羽根の両側縁部にそれぞれ配置され、それぞれが前記固定羽根に対して回動可能に支持されている開閉羽根とを含んでいる。また、前記開閉羽根の側縁部には、前記開閉羽根が閉じる力を与える風を受けるための風受け部であって、前記開閉羽根の側縁部から前記開閉羽根が開く方向に突出している風受け部が備えられている。さらに、前記固定羽根の両側縁部またその近傍部分にそれぞれ配置された各開閉羽根を互いに連結するための連結アームであって、前記開閉羽根の前記開閉羽根が開く力を与える風を受ける側に配置され、前記各開閉羽根が互いに所定距離以上離れないように連結する連結アームを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風力発電用開閉羽根付き風車であって、風力発電において発電効率を高めるための羽根を備えた風車に関する。

従来より、小型で設置が比較的容易な風車として、パドル風車やサボニウス風車などの抗力型垂直軸風車が知られている。パドル風車は、風力計に利用されている球を半割して利用されるロビンソン風速計にも用いられている、風に押されて回るタイプのものである。サボニウス風車は、一般的には円筒形を縦に２つに切った形をしたバケット（羽根）を、中心をずらして芯棒を取り付けたタイプのもので、２つのバケットの間を通り抜ける風をも利用して効率を高めたものである。

前述のようなパドル風車やサボニウス風車を風力発電用の風車として使用するときは、製作が容易であり、かつ安価に設置することができるなどのメリットがあると言われている。しかしながら、前述のようなパドル風車やサボニウス風車を使用した風力発電装置においては、回転トルクが低く発電効率が低いことが最大の課題とされていた。

そこで、例えば特許文献１に示すように、羽根部の外側寄り部分を平面略Ｚ字状の段状に屈曲させて回転トルクを向上した風車を風力発電に使用することが提案されていたが、その効果は十分ではなかった。また、特許文献２に示すように、互いに位置をずらした２つのバケットを上下３段の多段型として回転トルクを平準化した風車を風力発電に使用することも提案されていたが、これも、風力を増加させて発電効率を高めるという効果は十分ではなかった。

特開２０１０−１２７１９０公報 特開平２００５−５４７２４公報

本発明は、前述のようなパドル風車やサボニウス風車などの抗力型垂直軸風車を使用した風力発電装置における問題点に着目してなされたものであって、羽根の構造を抜本的に変えることにより、従来の抗力型垂直軸風車と比較して風による回転トルクを大幅に向上させることができ且つ風力発電の効率を大幅に高めることができる風力発電用の開閉羽根付き風車を提供することを目的とする。

このような本発明の課題を解決するための風力発電用開閉羽根付き風車は、風向によって開閉可能な羽根を固定羽根の両側縁部に付加したことを特徴とするものである。すなわち、前述のような課題を解決するための本発明による風力発電用開閉羽根付き風車は、平面略Ｖ状に形成されている固定羽根と、前記固定羽根の両側縁部にそれぞれ配置され、それぞれが前記固定羽根に対して回動可能に支持されている開閉羽根と、を含むことを特徴とするものである。

また、本発明においては、前記開閉羽根の側縁部に、前記開閉羽根が閉じる力を与える風を受けるための風受け部であって、前記開閉羽根の側縁部から前記開閉羽根が開く方向に突出している風受け部が備えられている、ことが望ましい。

さらに、本発明においては、前記固定羽根の両側縁部にそれぞれ配置された各開閉羽根を互いに連結するための連結アームであって、前記開閉羽根の前記開閉羽根が開く力を与える風を受ける側に配置され、前記各開閉羽根をそれらが互いに所定距離以上離れないように連結する連結アームを備えた、ことが望ましい。

本発明においては、固定羽根１が「風車を回転させる方向の風」を受けた場合、開閉羽根も開かれて風を受けるので、あたかも前記開閉羽根により前記固定羽根が拡大したように作用し、風車の回転力を生じさせる抗力が大幅に増大する。他方、前記固定羽根１が「風車を回転させない方向（前記と反対の方向）の風」を受けた場合は、前記開閉羽根は、風力によって前記固定羽根に対して所定角度まで閉じるように回動するので、前記風の抵抗を増加させることなく、前記風の抵抗を減少させる。したがって、本発明によれば、風による風車の回転力を大幅に向上させ、発電効率を飛躍的に向上させることが可能になる。

本発明の実施例１の風力発電用風車の羽根の部分を示す斜視図で、固定羽根の両側縁部（両端部）に取り付けられた開閉羽根が所定角度まで閉じている状態を示す図である。 本実施例１の風力発電用風車の羽根の部分を示す斜視図で、固定羽根の両側縁部（両端部）に取り付けられた開閉羽根が前記固定羽根と同じ角度まで開いている状態を示す図である。 本実施例１における図１，２に示す羽根を備えた風車を示す平面図である。 本実施例１における図１，２に示す羽根を備えた風車を示す側面図である。 本発明の実施例２における風車を示す平面図である。 本実施例２における風車を示す側面図である。 本発明の実施例３における風車に取り付けられる羽根を示す平面図である。 本実施例３における風車に取り付けられる羽根を示す側面図である。 本実施例３における風車の開閉羽根に備えられた連結アームを説明するための概略図である。

本発明の実施形態は、風力発電に使用される抗力型垂直軸風車の羽根の構造を改良したものである。すなわち、本実施形態においては、従来の固定羽根の両側縁部（両端部）に、開閉可能な開閉羽根を付加する構造としている。詳細は、次の実施例に即して説明する。

図１及び図２は本発明の実施例１の風力発電用風車（抗力型垂直軸風車）の羽根１０を示す斜視図で、図１は固定羽根の両側縁部（両端部）に取り付けられた開閉羽根が予め決められた所定角度まで閉じている状態を示す図、図２は固定羽根の両側縁部（両端部）に取り付けられた開閉羽根が予め決められた所定角度まで開いている状態を示す図である。

図１，２において、１は図の矢印α方向からの風を受けるように平面略Ｖ字状（例えば略９０度の開き角度を有する略Ｖ字状）に形成された固定羽根、２は前記固定羽根１の図示上下両側に固定され前記固定羽根１を補強・支持する支持板、３は前記固定羽根１の各両縁部（符号４で示す位置）にそれぞれ周知の構造のヒンジ部（図示省略）により回動可能に取り付けられた開閉羽根であって前記固定羽根１に対して図の矢印β方向に所定角度だけ（例えば前記固定羽根１に対して略１８０度の範囲まで）開いたりその逆方向に所定角度だけ（例えば前記固定羽根１に対して例えば略１１０〜１５０度、例えば略１３０度の範囲まで）閉じることが可能な開閉羽根、５は前記開閉羽根３の図示上下両側に固定され前記開閉羽根３を補強・支持する支持板、６は前記各開閉羽根３の側縁部（前記固定羽根１と反対側の端部）に備えられ前記開閉羽根３を閉じるための風を受けるための風受け部であって前記開閉羽根３の側縁部から前記開閉羽根３が開く方向に平面略円弧状に突出している風受け部、７は一方が前記固定羽根１に他方が前記開閉羽根３に固定された一対のストッパであって前記開閉羽根３が風を受けて図の矢印β方向に開かれるとき前記固定羽根１に対して略１８０度を超えて開くことがないようにするためのストッパ（図２参照）、である。

次に、図３は図１，２に示す羽根１０を備えた風車を示す平面図、図４は図１，２に示す羽根を備えた風車を示す側面図である。図３，４において、１１は地面に設置された基台（図示せず）に固定された垂直軸である。また１２は、前記垂直軸１１に対して周知の軸受を介して水平方向に回転可能に支持されている、４つのアーム部を有する略十字状のアーム１２である。図３，４に示すように、本実施例１は、垂直軸１１に対して回転可能に支持された略十字状のアーム１２の４つのアーム部の各先端にそれぞれ図１，２に示す風車が設置されて成る「４枚羽根・一段式」の風車である。なお、図３，４において、１１ａは風車と発電機（図示せず）とを連結するための連結部である。また、図３，４においては、図示の便宜上から、図１，２で説明したストッパ７などは図示を省略している。

また、図３，４に示すように、本実施例１においては、前記羽根１０は、平面略Ｖ字型の固定羽根１の両側縁部に、それぞれ、前記開閉羽根３を前記固定羽根１に対して回転可能に配置させた構造を有するものである。前記固定羽根１は、平面略Ｖ字型であるため、凹状に開口している側に向かって来る風を受けて回転力を生じさせ、他方、前記と反対方向から来る（開口していない凸状の側に向かって来る）風の抵抗は少ない。複数個の固定羽根１を有する風車は、この風力を用いて回転し、この回転力で風力発電が行なわれる。

図３，４に示すように、本実施例１の開閉羽根３は、前記固定羽根１の略Ｖ字状に開口された側に向かう風を受けた場合には、前記固定羽根１の略Ｖ字状の延長線上になるように（前記固定羽根１に対して略１８０度の角度まで開かれるように）開放されて、あたかも前記Ｖ字状の固定羽根１が拡大したように作用し、風車の回転力を生じさせる抗力が大幅に増大する。他方、前記開閉羽根３は、前記と異なる方向からの風（前記固定羽根１の略Ｖ字状に開口された側に向かう風ではない風）を受けた場合には、その風力によって前記固定羽根１に対して例えば略１２０度から１５０度まで（より望ましくは略１３０度まで）閉じるように回動するので、風の抵抗を増加させることなく、かえって風の抵抗を減少させる。したがって、本実施例１によれば、風による風車の回転力が大幅に向上し、発電効率を飛躍的に向上させることが可能になる。なお、風による風車の回転力について固定羽根１のみの場合と本実施例１による場合との比較を下表１に示すが、この下表１に示すように、本実施例によるときは風力は２．３倍に増大した。

以上のように、本実施例１によれば、抗力型垂直軸風車を構成する各羽根１０の固定羽根１の両側縁部にそれぞれ前記固定羽根１の両側縁部に対して水平方向に回動可能（開閉可能）な開閉羽根２を付加することにより、風車を回転させる方向からの風が各羽根１０に当たる風量を増大させると共に、風車を回転させない方向からの風が各羽根１０に当たる風量は前記開閉羽根３を閉じることにより増大させないようにしたので、従来の抗力型垂直軸風車と比較して、風を受けての風車の回転力が大幅に向上し、風力発電の発電効率が飛躍的に向上するようになる。

次に、本発明の実施例２による風力発電用風車を図５，６を参照して説明する。図５は本実施例２における風車を示す平面図、図６は本実施例２における風車を示す側面図である。本実施例２の基本的構成は前記実施例１と同様であるので、以下では、前記実施例１と異なる部分を中心に説明する。なお、図５，６において、図１−４と共通する部分には同一の符号を付している。

本実施例２では、図５，６に示すように、図３，４において、１３は、前記垂直軸１１に対して周知の軸受を介して水平方向に回転可能に支持されており、互いに略１２０度の角度を介して３つの方向に延びるアーム部を有する上段アームである。また１４は、前記垂直軸１１に対して前記上段アーム１３の図示下方に設置されており、前記垂直軸１１に対して周知の軸受を介して水平方向に回転可能に支持されており、互いに略１２０度の角度を介して３つの方向に延びるアーム部を有する下段アーム、である。図５，６に示すように、本実施例２は、垂直軸１１に対して回転可能に支持されている前記上段アーム１３および前記下段アーム１４の各３つのアーム部の先端に、それぞれ、図１，２に示す風車が設置されて成る「３枚羽根・上下２段式」の風車である。

一般に、風車の羽根数及び上下の段数が大きくなるほど風力は大きくなり、また回転に伴う風力変動も平準化するため発電効率は向上する。したがって、本実施例２によるときは、前記実施例１におけるよりも、さらに一層、風車の回転力を向上させ、風力発電の発電効率を向上させることが可能になる。

次に、本発明の実施例３による風力発電用風車を図７，８，９を参照して説明する。図７は本実施例３における風車に取り付けられる羽根を示す平面図、図８は本実施例３における風車に取り付けられる羽根を示す側面図、図９は本実施例３における羽根に備えられた連結アームを説明するための概略図である。本実施例３の基本的構成は前記実施例１と同様であるので、以下では、前記実施例１と異なる部分を中心に説明する。なお、図７，８において、図１−５と共通する部分には同一の符号を付している。

図７，８において、２１は前記各開閉羽根３が互いに所定距離以上離れないように連結するための連結アームである。前記連結アーム２１の両端部は、前記各開閉羽根３の内側（風を受ける側）の側端部に、図８の図示上下方向に回動可能に支持されている。また図７，８において、２２は、前記連結アーム２１の各両端を、自らを支点として前記連結アーム２１の中央部が図８の図示上下方向に回動・揺動可能となるように支持するヒンジ部である。また２４は、前記開閉羽根３を前記固定羽根１に対して水平方向に回動可能に支持するヒンジ部である。また図７，８，９において、２１ａは図７，８の図示左側のヒンジ部２２により図８の図示上下方向に回動可能に支持される左側アーム部、２１ｂは図７，８の図示右側のヒンジ部２２により図８の図示上下方向に回動可能に支持される右側アーム部、２１ｃは前記左側アーム部２１ａの図示右側端部と前記右側アーム部２１ｂの図示左側端部とを図８の図示上下方向に回動可能に連結する連結軸、２１ｄは前記右側アーム部２１ｂの図８の図示左側端部に設けられたストッパ部であって前記アーム部２１ａとアーム部２１ｂとが図９の矢印γ方向に（互いに離れる方向）回動して開かれるときに前記アーム部２１ａとアーム部２１ｂとが互いに略１８０度を超えて開くことがないようにするためのストッパ部、である。

本実施例３では、風を受けて前記開閉羽根３が開いたときは、前記連結アーム２１（左側アーム部２１ａと右側アーム部２１ｂ）は、図７，８に示すように、図８の左右方向に伸びた状態となる。他方、前記開閉羽根３が閉じたときは、前記連結アーム２１（左側アーム部２１ａと右側アーム部２１ｂ）は、図９に示すように、前記連結軸２１ｃが図９の図示下方に移動して略Ｖ字状に折れ曲がった状態となる。

以上のように、本実施例３では、前述のようなストッパ部２１ｄを含む連結アーム２１を備えているので、台風などの強風の場合でも、前記開閉羽根３は、前記連結アーム２１のストッパ部２１ｄの作用により、前記連結アーム２１により連結された状態（図７，８に示すような、前記各開閉羽根３が前記固定羽根１に対して略平行（略１８０度）となるように開かれた状態）を超えて開くことが防止されている。よって、本実施例３によれば、台風などの強風の場合でも、前記開閉羽根３が開き過ぎて破損してしまうことが有効に防止されるようになっている。

また、図７，８において、２５，２６は、前記固定羽根１に電磁石（図示せず）を取り付ける位置を示すものである。本実施例３においては、前記固定羽根１の符号２５，２６で示す位置に電磁石を配置し、この各電磁石に所定のロッドなどを介して前記各開閉羽根３を固定させることにより、前記各開閉羽根３の回動状態または風力をマイクロコンピュータなどの制御部（図示せず）により制御できるようにしている。よって、本実施例３においては、例えば台風などの強風が生じた場合は、例えば前記各開閉羽根３の回動状態を検知するセンサや風力センサからの信号に基づいて前記制御部が強風が生じたことを判定し、前記制御部が前記電磁石を制御するようにすれば、台風などの強風が生じた場合は前記電磁石の力により前記各開閉羽根３を強制的に閉じることにより、前記各開閉羽根３が破損してしまうことを防止することができる。また、本実施例３において、前記連結アーム２１は、微風の時に、前記連結アーム２１の重みが前記開閉羽根３を閉じる方向に力を及ぼす作用をも有している。

以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明及び本発明を構成する各構成要件は、それぞれ、前記の各実施例及び前記の各実施例を構成する各要素として述べたものに限定されるものではなく、様々な修正及び変更が可能である。例えば、前記実施例１においては４枚羽根・１段式の風車を、前記実施例２においては３枚羽根・２段式の風車を使用する例を示したが、本発明においてはこれらに限定されるものではなく、例えば３枚羽根・３段式、４枚羽根・３段式などの様々なバリエーションが可能であることはもちろんである。

１ 固定羽根
２，５ 支持板
３ 開閉羽根
６ 風受け部
７ ストッパ
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 風車
１１ 垂直軸
１２ アーム
１３ 上段アーム
１４ 下段アーム
２１ 連結アーム
２１ａ，２１ｂ アーム部
２１ｃ，２４ ヒンジ部
２１ｄ ストッパ部
２５，２６ 電磁石の配置位置

このような本発明の課題を解決するための風力発電用開閉羽根付き風車は、地上に固定された垂直軸と、前記垂直軸から水平方向に延びる複数のアームであって、前記垂直軸に対して水平方向に回転可能に支持されている複数のアームと、前記複数のアームの各先端部にそれぞれ固定されており、水平方向の断面が略Ｖ状に形成されている固定羽根と、前記略Ｖ状の固定羽根の両側の縁部にそれぞれヒンジ部を介して接続されており、それぞれが前記固定羽根の両側の縁部に対して水平方向に回動可能に支持されている開閉羽根と、を含むことを特徴とするものである。

また、本発明による風力発電用の開閉羽根付き風車においては、前記開閉羽根の側縁部には、前記開閉羽根が閉じる力を与える風を受けるための風受け部であって、前記開閉羽根の側縁部から前記開閉羽根が開く方向に突出している風受け部が備えられていてもよい。

さらに、本発明による風力発電用の開閉羽根付き風車においては、前記固定羽根の両側縁部またその近傍部分にそれぞれ配置された各開閉羽根を互いに連結するための連結アームであって、前記開閉羽根の前記開閉羽根が開く力を与える風を受ける側に配置され、前記各開閉羽根をそれらが互いに所定距離以上離れないように連結する連結アームを備えていてもよい。

Claims (3)

1. 風力発電用の風車であって、
   平面略Ｖ状に形成されている固定羽根と、
   前記固定羽根の両側縁部にそれぞれ配置され、それぞれが前記固定羽根に対して回動可能に支持されている開閉羽根と、
   を含むことを特徴とする、風力発電用の開閉羽根付き風車。
2. 請求項１において、前記開閉羽根の側縁部には、前記開閉羽根が閉じる力を与える風を受けるための風受け部であって、前記開閉羽根の側縁部から前記開閉羽根が開く方向に突出している風受け部が備えられている、ことを特徴とする、風力発電用の開閉羽根付き風車。
3. 請求項１または２において、前記固定羽根の両側縁部またその近傍部分にそれぞれ配置された各開閉羽根を互いに連結するための連結アームであって、前記開閉羽根の前記開閉羽根が開く力を与える風を受ける側に配置され、前記各開閉羽根をそれらが互いに所定距離以上離れないように連結する連結アームを備えた、ことを特徴とする、風力発電用の開閉羽根付き風車。
   

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