JP2017110613A - 風車及び風車発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的遅い風速の風でも羽根車を回転させることができる風車及び風車発電機を提供する。【解決手段】風車１は，回転軸２２と、回転軸２２に固定されて回転可能で、複数の羽根２１ｂが外周部に環状に配置された羽根車２１と、風を取り込み可能な開口部IPと、開口部IPと連通しかつ風が複数の羽根２１ｂに当たるように形成され、羽根車２１に対して配置された開口部OPとを有し、IP開口部の面積S1が開口部OPの面積S2よりも大きい集風部１４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、風車及び風車発電機に関し、特に、比較的遅い風速によっても羽根車を回転させることができる風車及び風車発電機に関する。

従来より、風車が発電などの種々の目的で利用されている。風車には、羽根車を風向きに対して平行な回転軸回りに回転させる水平軸風車や、羽根車の回転軸を地面に対して垂直にした垂直軸風車がある。

近年は、例えば特開２０００−１６１１９６号公報に開示のように、出力及び効率を低下させないで羽根車を小さくすることができる風車も提案されている。

特開２０００−１６１１９６号公報

しかし、従来の風車は、比較的遅い風速の風、すなわち弱い風では、羽根車の十分な回転が得られないという問題がある。例えば、風車発電機の場合、所定の風速以下の比較的弱い風では所望の電力を発電することができない。

そこで、本発明は、比較的遅い風速の風でも羽根車を回転させることができる風車及び風車発電機を提供することを目的とする。

本発明の一態様の風車は、回転軸と、前記回転軸に固定されて回転可能で、複数の羽根が外周部に環状に配置された羽根車と、風を取り込み可能な第１の開口部と、前記第１の開口部と連通しかつ前記風が前記複数の羽根に当たるように形成され、前記羽根車に対して配置された第２の開口部とを有し、前記第１の開口部の面積が前記第２の開口部の面積よりも大きい、集風部と、を有する。

本発明の一態様の風車発電機は、本発明の風車において、前記回転軸の回転力を用いて発電する発電機を有する。

本発明によれば、比較的遅い風速の風でも羽根車を回転させることができる風車及び風車発電機を提供することができる。

本発明の実施の形態に係わる風車の横方向から見た部分断面図である。 本発明の実施の形態に係わる、先端側から見た風車の正面図である。 本発明の実施の形態に係わる、基端側から見た風車の上部の背面図である。 本発明の実施の形態に係わる風車の上面図である。 本発明の実施の形態に係わる風車の上部の斜視図である。 本発明の実施の形態に係わる発電機の正面図である。 本発明の実施の形態に係わる発電機の側面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本実施の形態に係わる風車の横方向から見た部分断面図である。図２は、本実施の形態に係わる、先端側から見た風車の正面図である。図３は、本実施の形態に係わる、基端側から見た風車の上部の背面図である。図４は、本実施の形態に係わる風車の上面図である。図５は、本実施の形態に係わる風車の上部の斜視図である。
（全体構造）
風車１は、固定部１１と、支柱１２と、風車本体部１３と、集風部１４と、方向舵１５とを有して構成されている。風車１は、風車発電機であり、風を受けて後述する羽根車を回転させることによって、電力を生成する。すなわち、後述するように、風車１は、羽根車の回転軸の回転力を用いて発電する発電機を有する。

風車１は、固定部１１が地面に設けられた基礎Gに対して固定部１１がボルトなどで固定されることによって、地表あるいはビルディングの屋上などに設置される。
支柱１２は、基端部が固定部１１に固定され、先端部は、ベアリングなどを有する接続部１２ａを介して風車本体部１３に接続されている。具体的には、接続部１２ａは、風車本体部１３に固定されたベース部１２ｂに固定されている。よって、風車本体部１３は、接続部１２ａのベアリングにより、支柱１２の軸Ox回りに回動可能となっている。

風車本体部１３は、略直方体の形状を有しており、長手軸方向の一端である先端部に、集風部１４が固定され、長手軸方向の他端である基端部に、方向舵１５が設けられている。

方向舵１５は、２枚の板１５ａ、１５ｂから構成され、２枚の板１５ａ、１５ｂは、対向する面同士が非平行で、かつ対向する面間の距離が短い辺部が集風部１４に最も近くなるように配置されて、風車本体部１３の上面に固定されている。

すなわち、方向舵１５の２枚の板１５ａ、１５ｂは、風車本体部１３の中心軸に対して、互いに逆方向に同じ角度だけで傾いており、２枚の板１５ａ、１５ｂの先端側の辺部同士の間の距離が短く、２枚の板の基端側の辺部同士の間の距離が長くなるように、２枚の板１５ａ、１５ｂは、風車本体部１３の上面に固定される。
方向舵１５が風を受けると、風車本体部１３は、常に、方向舵１５が風下でかつ集風部１４が風上に位置するように、支柱１２の軸Ox回りに回動する。

よって、風向が変わっても、方向舵１５によって、集風部１４は風上に自動的に向くので、集風部１４は風を効率良く取り込む。
（風車本体部の構造）
風車本体部１３内には、フライホイール付きの羽根車２１が、回転軸２２の一端に固定されている。羽根車２１は、円板状あるいは円環状のフライホイール２１ａを有し、フライホイール２１ａの外周部に、複数の羽根２１ｂが等間隔に固設されている。すなわち、羽根車２１は、回転軸２２に固定されて回転可能で、外周部に環状に配置された複数の羽根２１ｂを有する。

風車本体部１３内には、底部に固定された２つの支持部材２３、２４が設けられている。支持部材２３と２４には、それぞれ軸受２３ａと２４ａが設けられている。回転軸２２は、軸受２３ａと２４ａに、回転軸２２の中心軸O回りに回転可能に支持されている。

風車本体部１３の基端側に設けられた支持部材２４には、２つのプレート２５と２６の各々の一端が固定されている。
軸受２３ａと２４ａの間には、円板状の発電機２７が回転軸２２に設けられている。プレート２５は、発電機２７を固定するためのプレートであり、プレート２５の他端が固定されている。

図６は、発電機２７の正面図である。図７は、発電機２７の側面図である。発電機２７は、円盤形状を有し、円板状のロータ２７ａと、ロータ２７ａを覆うステータ２７ｂとを有する。発電機２７の内部に配設されたロータ２７ａには、ロータ２７ａの回転軸回りに円環状に配置された複数の磁石（図示せず）を有する。ステータ２７ｂは、ロータ２７ａを覆い、ロータ２７ａの複数の磁石の磁場を受けるための複数のコイル（図示せず）を内部に有する。複数のコイルは、電圧出力用の出力配線（図示せず）に接続されている。

発電機２７は、ロータ２７ａに固定された筒状部材２７ｃを有する。回転軸２２が筒状部材２７ｃ内に挿通されて、筒状部材２７ｃに設けられた螺子孔２７ｄを利用して、筒状部材２７ｃは、螺子止めにより回転軸２２に固定される。その結果、ロータ２７ａが回転軸２２に対して固定される。

発電機２７のステータ２７ｂは、プレート２５を取り付けるための取り付け面２７ｅを有している。取り付け面２７ｅには、複数の螺子孔２７ｆが形成されており、プレート２５は、プレート２５に設けられた螺子孔を通して、螺子止めにより取り付け面２７ｅに固定されている。

よって、回転軸２２の回転に応じて、発電機２７のロータ２７ａが回転すると、ステータ２７ｂに設けられた複数のコイルに誘導電流が流れ、発電機２７は、出力配線から発電電圧を出力する。

羽根車２１が、回転軸２２の先端部に固定され、クラッチ付きモータ２８が、回転軸２２の基端部に接続されている。すなわち、モータ２８は、回転軸２２の一端に接続され、羽根車２１は、回転軸２２の他端に固定されている。始動電動機としてのモータ２８は、プレート２６の他端に固定されている。

また、風車本体部１３の上面には、風速計２９ａが設けられている。風車本体部１３内には、モード駆動用のバッテリ２９ｂが設置されている。さらに、風車本体部１３内には、制御装置３０が設けられており、制御装置３０は、モータ２８と、風速計２９ａと、バッテリ２９ｂとに接続されている。

なお、バッテリ２９ｂは、風車本体部１３の上面に設置した太陽光発電装置３２を利用して、蓄電可能な蓄電池である。風車１を使用する前、初期的には、太陽光発電装置３２を利用して、バッテリ２９ｂは蓄電される。

制御装置３０は、風速計２９ａの検出出力が所定の風速値となると、バッテリ２９ｂからの電源を、モータ２８に供給する。モータ２８は、発電機２７が定格発電に必要な回転数になるまで、羽根車２１を回転させる。モータ２８は、モータ２８の回転軸と回転軸２２との接続及び接続の解除を行うためのクラッチを有している。

制御装置３０は、モータ２８の回転数を監視し、モータ２８による回転軸２２の回転数が所定の回転数になると、クラッチにて、モータ２８の回転軸と回転軸２２の接続を切り離すようにモータ２８のクラッチを制御する。

風車本体部１３の長手軸方向の基端部には、防音及び安全のための網状のカバー３３が取り付けられている。
（集風部の構造）
集風部１４は、風を取り込み可能な開口部IPと、開口部IPと連通しかつ風を排出する開口部OPとを有する円錐台形状を有している。開口部IPは、集風部１４の先端側に設けられ、開口部OPは、集風部１４の基端側に設けられている。開口部IPは、円形形状を有している。集風部１４は、基端側に、風車本体部１３の先端側に接続される円筒部１４ａを有している。

円錐台形状部である集風部１４内には、先端側が円錐の頂点Pが位置するように、円錐部３１が設けられている。
円錐部３１は、外周面上に、周方向において等間隔で配置されて固定された複数の支持板１４ｂによって、集風部１４の内周面に固定されている。すなわち、円錐部３１は、複数の支持板１４ｂによって集風部１４内に固定されている。

円錐部３１は、基端側に、円筒部１４ａ内に延出する円筒部３１ａを有している。
円錐台形状の集風部１４の中心軸（円錐台を構成する２つの円の中心を結ぶ線）及び円錐部３１の中心軸（円錐の頂点Pと円形の底面の中心を結ぶ線）は、回転軸２２の中心軸Oと一致している。

円筒部３１ａの直径は、円筒部１４ａの直径よりも小さい。これらの２つの直径の差により形成される円筒部１４ａと３１ａの間の隙間により、風を排出する開口部OPが形成される。
よって、集風部１４の第１の円形部が、開口部IPである。集風部１４の第２の円形部と、円錐部３１との間の隙間が、開口部OPを形成する。

開口部OPから排出された風が羽根車２１の複数の羽根２１ｂに当たるように、円筒部１４ａの直径と円筒部３１ａの直径はそれぞれ設定される。
すなわち、集風部１４は、風を取り込み可能な開口部IPと、開口部IPと連通しかつ風が羽根車２１の複数の羽根２１ｂに当たるように形成され、羽根車２１に対して配置された開口部OPとを有する。
そして、開口部OPは、風が複数の羽根２１ｂに当たるように環状に形成されている。
さらに、開口部IPの面積S1が開口部OPの面積S2よりも大きくなるように、集風部１４は、形成されている。

なお、図示しないが、開口部IPに、電動式のシャッタを設け、風速が所定以上になったときには、制御装置３０によりシャッタを閉じるように駆動して、強風が集風部１４内に入らないようにするようにしてもよい。
（作用）
風車１は、風を受けると、方向舵１５により、集風部１４の先端側の開口部IPが風上方向を向くように、風車本体部１３は、支柱１２の軸Ox回りに回動する。

制御装置３０は、所定の風速、例えば１．５ｍ以上の風速を示す信号を風速計２９ａから受信すると、バッテリ２９ｂの電源をモータ２８に供給して、始動モータとしてのモータ２８を駆動する。モータ２８が回転することにより、回転軸２２は回転する。

制御装置３０は、モータ２８の回転数が所定の回転数、例えば毎分３００回転になると、クラッチを制御して、モータ２８と回転軸２２の接続を切り離す。この所定の回転数は、発電機２７が定格発電に必要な回転数である。

開口部IPから集風部１４内に入った風は、円錐部３１によって、開口部OPに向かって風が通る領域が狭くなっていくため、風速が増加する。すなわち、開口部OPの面積S2が開口部IPの面積S1よりも小さいので、広い面積の開口部IPから流入した風は、狭い面積の開口部OPから、流入時の風速よりも速い風速で噴出する。

よって、図１及び図４に示すように、開口部IPから集風部１４内に入った風Fは、円筒部１４ａと３１ａの間の隙間を、風速計２９ａが示す風速よりも速くなって通過する。
また、開口部OPの形状は、羽根車２１の外周部に円環状に設けられた複数の羽根２１ｂの配置形状と一致しているので、開口部OPから噴出した風Fは、複数の羽根２１ｂに効率良く当たる。

例えば、風速１．５ｍ〜２０ｍの風の発生率は、地域、場所等により変動はあるものの、一般に、９２％である。よって、集風部１４の開口部IPの面積S1と開口部OPの面積S2の差により、比較的遅い風速から発電が可能となる。例えば、風速１．５ｍ〜２０ｍの風によっても、発電可能となるように、面積S1とS2を設定すれば、多くの場所に設置でき、かつ羽根車２１を効率よく回転させることができる。比率S1/S2は、例えば、略１３である。

以上のように、開口部IPの開口面積S1と、開口部OPの開口面積S2との比率を調整することによって、開口部OPから噴出する風の速度を、所望の範囲に設定することができる。

また、羽根車２１の中心軸から羽根２１ｂまでの距離を調整することによって、各羽根２１ｂが受ける風圧による羽根車２１の所望の回転モーメントを設定することができる。

さらに、羽根車２１は、フライホイールを有しているので、一旦回転し始めると、フライホイールによって安定して回転する。

さらにまた、開口部IPの前面側に設けたシャッタを設けた場合は、例えば、風速が所定の風速、例えば２０ｍ／秒以上になったとき、制御装置３０は、開口部IPの前面に設けられたシャッタを駆動して開口部IPを塞ぐ。風速が２０ｍ／秒以下になったときは、制御装置３０は、開口部IPに設けられたシャッタを駆動して開口部IPを開ける。

以上のように、上述した実施の形態によれば、比較的遅い風速の風でも羽根車を回転させることができる風車及び風車発電機を提供することができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

１ 風車、１１ 固定部、１２ 支柱、１２ａ 接続部、１２ｂ ベース部、１３ 風車本体部、１４ 集風部、１４ａ 円筒部、１４ｂ 支持板、１５ 方向舵、１５ａ、１５ｂ 板、２１ 羽根車、２１ａ フライホイール、２１ｂ 羽根、２２ 回転軸、２３ 支持部材、２３ａ 軸受、２４ 支持部材、２４ａ 軸受、２５、２６ プレート、２７ 発電機、２７ａ ロータ、２７ｂ ステータ、２７ｃ 筒状部材、２７ｄ 螺子孔、２７ｅ 取り付け面、２７ｆ 螺子孔、２８ モータ、２９ａ 風速計、２９ｂ バッテリ、３０ 制御装置、３１ 円錐部、３１ａ 円筒部、３２ 太陽光発電装置、３３ カバー。

Claims (7)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に固定されて回転可能で、複数の羽根が外周部に環状に配置された羽根車と、
   風を取り込み可能な第１の開口部と、前記第１の開口部と連通しかつ前記風が前記複数の羽根に当たるように形成され、前記羽根車に対して配置された第２の開口部とを有し、前記第１の開口部の面積が前記第２の開口部の面積よりも大きい、集風部と、
   を有することを特徴とする風車。
2. 前記第２の開口部は、前記風が前記複数の羽根に当たるように環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の風車。
3. 前記第１の開口部は、円形形状を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の風車。
4. 前記集風部は、円錐台形状部を有し、
   前記円錐台形状部内に、円錐形状部を有し、
   前記第１の開口部は、前記円錐台形状部の第１の円形部であり、
   前記第２の開口部は、前記円錐台形状部の第２の円形部と前記円錐形状部の間の隙間によって形成されることを特徴とする請求項３に記載の風車。
5. 前記回転軸の一端に接続されたモータを有し、
   前記羽根車は、前記回転軸の他端に固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の風車。
6. 前記羽根車は、フライホイールを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の風車。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の風車において、前記回転軸の回転力を用いて発電する発電機を有することを特徴とする風車発電機。

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