JP3239619U - 風力発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】流体をブレードの方へガイドすることができる風力発電装置を提供する。【解決手段】風力発電装置は、垂直軸であるロータ軸20と、流体を受けて揚力及び抗力によりロータ軸20まわりに回動するブレード30と、ロータ軸20及びブレード30を囲むように配置された3つ以上の支柱42を有し、ロータ軸20を支持するフレーム40と、支柱42にそれぞれ設けられ、流体をブレード30の方へガイドするガイド板50と、を備える。【選択図】図4

Description

本考案は、風力発電装置に関する。
特許文献1には、風力発電装置において、垂直軸まわりに可動するそりをつけた翼型のブレードと、ブレードの周囲に設けられた回動する補助翼と、を備える整流装置が開示されている。特許文献1に開示された整流装置においては、回動する補助翼により、風力発電装置のブレードを支えるフレーム、およびブレードの回転軸と、流体と、の間で生じる剥離や渦による圧力低下を抑制する。
特許第6624349号公報
特許文献1に開示された整流装置は、大気の流れにより補助翼が回動する構造を有する。そして、補助翼に当たった流体の流れる向きが一定ではない。そのため、この整流装置では、流体をブレードの方へガイドすることができない。
本考案は、上述の課題を解決するためになされたもので、流体をブレードの方へガイドすることができる風力発電装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本考案に係る風力発電装置は、
垂直軸であるロータ軸と、
流体を受けて揚力及び抗力により前記ロータ軸まわりに回動するブレードと、
前記ロータ軸及び前記ブレードを囲むように配置された3つ以上の支柱を有し、前記ロータ軸を支持するフレームと、
前記支柱にそれぞれ設けられ、流体を前記ブレードの方へガイドするガイド板と、を備える。
前記ガイド板は、前記ロータ軸の軸芯を通る平面上に位置するような角度に配置されてもよい。
前記ガイド板は、前記支柱により規定される空間の内部に張り出すように設けられた第1板部と、前記空間の外部に張り出すように設けられた第2板部と、に区分されてもよい。
前記第1板部と、前記第2板部と、が鈍角を形成し、
前記第1板部が、前記空間の内部を通る前記ブレードに向かわない流体を前記ブレードの方へガイドし、
前記第2板部が、前記空間の内部を通らない流体を前記第1板部の方へガイドしてもよい。
前記ブレードが、凹状の正圧側面を有する翼型であり、
前記第1板部は、流体を回動する前記ブレードの前記正圧側面の方へガイドするように形成されてもよい。
本考案に係る風力発電装置は、ロータ軸及びブレードを囲む支柱に設けられたガイド板により、流体をブレードの方へガイドすることができる。
本考案の実施の形態1に係る風力発電装置の正面図である。 実施の形態1に係る風力発電装置の右側図である。 実施の形態1に係る風力発電装置本体の正面図である。 図3の風力発電装置本体のIII-III’断面の断面図である。 実施の形態1に係るブレードの拡大図である。 (a)は、図4のブレードに対する流体の流れを示す断面図である。(b)は、45°回転したブレードに対する流体の流れを示す断面図である。 (a)は、図4のブレードに対する異なる角度の流体の流れを示す断面図である。(b)は、45°回転したブレードに対する異なる角度の流体の流れを示す断面図である。 実施の形態1に係る風力発電装置の変形例の正面図(その1)である。 実施の形態1に係る風力発電装置の変形例の正面図(その2)である。 実施の形態1に係る風力発電装置の変形例の正面図(その3)である。 実施の形態1に係る風力発電装置の変形例の斜視図である。
以下、本考案の実施の形態に係る風力発電装置を図に基づいて詳細に説明する。なお、理解を容易にするために、相互に直交するXYZ座標を設定し、適宜参照する。
実施の形態1.
以下、本考案に係る風力発電装置1を説明する。本考案の風力発電装置1は、大気からなる流体を受けて回転したブレードにより発電する装置である。風力発電装置1は、例えば、図1に示すように、ビルの屋上Gに設けられる。図1の風力発電装置1から屋上GのパラペットG1へ向かう方向を+X軸方向、手前から奥行きの方向を+Y軸方向、高さ方向を+Z軸方向とする。風力発電装置1は、図1及び2に示すように、風力発電装置本体2と、タワー100と、制御盤室200と、を備える。
風力発電装置本体2は、図3に示すように、ナセル10と、ロータ軸20と、ブレード30と、フレーム40と、ガイド板50と、を備える。
ナセル10は、回転運動する部材の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。ナセル10の内部には、増速機と、発電機が設けられている。ナセル10は、増速機のギアを用いて部材の回転運動を増速して発電機に伝え、増速された回転運動の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
ロータ軸20は、発電するために、ナセル10に連結され、回転運動を伝える回転軸である。ロータ軸20は、ナセル10に対して鉛直上向き方向(+Z軸方向)に延びる垂直軸である。ロータ軸20には、上端部20a、下端部20b、及び、2点の第1中央部20c、第2中央部20dに支持アーム21が延設されている。
支持アーム21は、ロータ軸20に設けられた支持部材である。支持アーム21は、図4及び図5に示すように、第1支持部21aと、第2支持部21bと、を有する。
第1支持部21aは、ロータ軸20から上下方向(Z軸方向)と直交する方向に延設されている。第1支持部21aには、図5に示すように、そりをつけた翼型の枠部21a1と、枠部21a1とロータ軸20とを繋げるアーム部21a2と、が形成されている。枠部21a1は、上下方向(Z軸方向)に平行な鋭いエッジ21a1’を有する。枠部21a1は、鋭いエッジ21a1’がロータ軸20から最も離れるように、アーム部21a2に対して斜めになるように設けられている。第1支持部21aは、図3及び図4に示すように、ロータ軸20の上端部20a、下端部20b、第1中央部20c、及び、第1中央部20cよりも下方(-Z軸方向)の第2中央部20dにそれぞれ4つ設けられている。ロータ軸20の第1中央部20cにおいて、4つの第1支持部21aのアーム部21a2は、図4に示されるように、ロータ軸20を軸として、90°毎に設けられている。さらに、ロータ軸20の上端部20a、下端部20b、及び、第2中央部20dにおいても、それぞれ4つのアーム部21a2が、ロータ軸20を軸として、90°毎に設けられている(図示なし)。
第2支持部21bは、図5に示すように、第1支持部21aから上下方向(Z軸方向)に延設されている。第2支持部21bは、上端部20aの第1支持部21aと第1中央部20cの第1支持部21aをそれぞれ繋げるように形成されている。さらに、第2支持部21bは、第2中央部20dの第1支持部21aと下端部20bの第1支持部21aをそれぞれ繋げるように形成されている(図示なし)。
ブレード30は、図3から図5に示すように、流体を受けて回動する羽の部分である。ブレード30は、そりをつけた翼型である。ブレード30は、ロータ軸20の支持アーム21により支持されている。ブレード30は、様々な角度で受ける流体の運動エネルギーにより、ロータ軸20を回転軸とし、回転方向D1へ回動をする。ブレード30は、ロータ軸20の上端部20aの第1支持部21aと第1中央部20cの第1支持部21aとの間と、第2中央部20dの第1支持部21aと下端部20bの第1支持部21aとの間の上下二段に、それぞれ設けられている。ブレード30には、前縁31と、後縁32と、正圧側面33と、負圧側面34と、が形成されている。
前縁31は、ブレード30の一端に形成された緩やかなカーブを形成する上下方向(Z軸方向)に平行なエッジである。前縁31は、ブレード30が回転方向D1へ回動したとき、ブレード30が受ける大気からなる流体を分流させる。前縁31は、流体を正圧側面33側と、負圧側面34側と、に分流させる。
後縁32は、ブレード30の一端に形成された上下方向(Z軸方向)に平行な鋭いエッジである。後縁32は、ロータ軸20から最も離れるように形成され、回動するブレード30の回転面Rを形成する。後縁32では、前縁31において分流された正圧側面33側の流体と、負圧側面34側の流体と、が合流し、ブレード30から離れる。
正圧側面33は、ブレード30の一方の面に形成された凹状の曲面である。正圧側面33は、ブレード30において、回転方向D1の慣性力の方向とは逆側の面である。正圧側面33には、前縁31で分流された流体が正圧側面33の前縁31から後縁32までの正圧側面33の稜線に沿って流れる。
負圧側面34は、ブレード30の他方の面に形成された凸状の曲面である。負圧側面34は、ブレード30において、回転方向D1の慣性力の方向の側の面である。負圧側面34には、前縁31で分流された流体が負圧側面34の前縁31から後縁32までの負圧側面34の稜線に沿って流れる。負圧側面34の稜線は、正圧側面33の稜線よりも長い。
フレーム40は、ナセル10、ロータ軸20、及びブレード30を支持するフレームである。フレーム40は、脚部フレーム41と、支柱42と、屋根43、を有する。
脚部フレーム41は、ナセル10を支持するフレームである。脚部フレーム41は、ブレード30に障害物のない上方の流体を当てるために設けられている。脚部フレーム41は、ナセル10、ロータ軸20、及びブレード30の下方に空間を設け、ブレード30の位置を高くすることができる。
支柱42は、上下方向(Z軸方向)に伸びる四角柱である。支柱42は、図4に示すように、ロータ軸20及びブレード30を囲むように、+X側の奥行き側(+Y側)、+X側の手前側(-Y側)、-X側の奥行き側、及び、+X側の手前側に位置するように、4つ形成されている。4つの支柱42は、ブレード30を含む直方体状の空間Sを規定する。4つの支柱42は、4つの側面の角のうちの一つが空間Sの角と一致するように配置されている。支柱42は、角部42aと、第1側面42bと、第2側面42cと、を有する。
角部42aは、支柱42の4つの側面の角のうちの一つである。+X側の奥行き側の支柱42の角部42aは、この支柱42の+X側の手前側の角部である。同様に、+X側の手前側の支柱42の角部42aは、この支柱42の-X側の手前側の角部である。-X側の奥行き側の支柱42の角部42aは、この支柱42の+X側の奥行き側の角部である。+X側の手前側の支柱42の角部42aは、この支柱42の-X側の手前側の角部である。
第1側面42bは、角部42aを形成する支柱42の2つの側面のうちの一つである。第1側面42bは、空間Sの内部に位置する。
第2側面42cは、角部42aを形成する支柱42の2つの側面のうちの一つである。第2側面42cは、空間Sの外面上に位置する。
屋根43は、ブレード30の上方(+Z軸側)を覆う。屋根43は、ブレード30の上方から流れ込む流体を遮る。
ガイド板50は、流体の流れる向きを変えるための折り曲げられた板材である。ガイド板50は、流体の流れる向きを変えてブレード30の方へガイドするために用いられる。ガイド板50は、回動するブレード30に当たらないように形成されている。ガイド板50は、4つの支柱42にそれぞれ設けられている。ガイド板50は、ロータ軸20の軸芯を通る平面P1上に位置するような角度に配置される。図4では、平面P1の内の一つのみを破線で示している。ガイド板50は、屈曲部51と、第1板部52と、第2板部53と、が形成されている。
屈曲部51は、ガイド板50を2つに折り曲げる折り目である。屈曲部51は、上下方向(Z軸方向)に平行な線に沿って折り曲げられている。屈曲部51は、ガイド板50に第1板部52と、第2板部53の区分を形成する。屈曲部51は、図4に示すように、支柱42の角部42aと接する位置に設けられ、角部42aに固定されている。
第1板部52は、4つの支柱42により規定された空間Sを通る流体の流れる向きを変えて、流体をブレード30の方へガイドするために用いられる。第1板部52は、4つの支柱42により規定された空間Sの内部に張り出すように設けられている。第1板部52は、屈曲部51が固定された角部42aを構成する第1側面42bに対して、傾斜して配置される。
第1板部52と、第1側面42bと、の間の角度αは、57°である。しかしながら、これに限られない。例えば、角度αは、53°から61°であってもよい。好ましくは、角度αは、流体を回動するブレード30の正圧側面33の方へガイドするような角度である。具体的には、角度αは、ロータ軸20の軸芯を通る平面P1と、ガイド板50が設けられた支柱42の角部42aを通りブレード30の回転面Rと接する平面であって、回転面Rとの接点の位置が平面P1と回転面Rとが交わる位置から回転方向D1へ回転したような位置である平面P2と、の間に第1板部52が位置する角度である。図では、平面P2の内の一つのみを二点鎖線で示している。
第2板部53は、4つの支柱42により規定された空間Sを通らない流体の流れる向きを変えて、流体をブレード30の方へガイドするために用いられる。第2板部53は、4つの支柱42により規定された空間Sの外部に張り出すように設けられている。第2板部53は、屈曲部51が固定された角部42aを構成する第2側面42cに対して、傾斜して配置される。
第2板部53と、第2側面42cと、の間の角度βは、48°である。しかしながら、これに限られない。例えば、角度βは、44°から52°であってもよい。好ましくは、角度βは、ロータ軸20の軸芯を通る平面上に第2板部53が位置するような角度である。
第1板部52と、第2板部53の間の角度θは、鈍角である165°である。しかしながら、これに限られない。角度θは、(270°-角度α-角度β)であり、例えば、角度θは、157°から173°である。
タワー100は、風力発電装置本体2に流体である大気が当たりやすいように、図1に示すように、風力発電装置本体2を高い位置で支持するために用いられる。例えば、風力発電装置1がビルの屋上Gに設けられ、風が-X軸方向へ吹いた場合、風の一部は屋上GのパラペットG1に遮られる。しかし、風力発電装置本体2は、タワー100によりパラペットG1より高い位置で支持されているため、風力発電装置本体2の側面には、風が全面に当たる。タワー100は、オムニアンテナ101を有する。
オムニアンテナ101は、災害時に用いられる無指向性アンテナである。オムニアンテナ101は、災害時にナセル10により生み出された電気エネルギーを用いて非常用の電波を送受信する。
制御盤室200は、内部に風力発電装置本体2を制御するための制御盤が設けられた筐体である。制御盤室200は、例えば、風力発電装置本体2により発電される電力の安定化、風力発電装置本体2の故障の検知を行う。
次に、風力発電装置1の動作について説明する。
風力発電装置1は、風通しの良い野外に設置され、図1及び図2に示すように、大気からなる流体の中で動作する。図6及び図7では、大気からなる流体の流れる向きを一点鎖線で示している。本実施の形態に係る風力発電装置1は、図1及び図2に示すように、ビルの屋上Gに設置されている。
最初に、図6及び図7に示すように、ブレード30及びガイド板50が、大気である流体を受ける。ガイド板50の第1板部52に当たった流体の少なくとも一部は、第1板部52に沿って流れが変わる。そして、流体は、ブレード30の凹状の曲面である正圧側面33、又は凸状の曲面である負圧側面34に向かう方向へガイドされる。
ガイド板50の第2板部53に当たった流体の少なくとも一部は、第2板部53に沿って流れが変わり、第1板部52に向かう。その後、ガイド板50の第2板部53に当たった流体は、ガイド板50の第1板部52に当たった流体とともに、第1板部52に沿って流れが変わる。そして、流体は、凹状の曲面である正圧側面33、又は凸状の曲面である負圧側面34に向かう方向へガイドされる。
ガイド板50に当たることなくブレード30に向かった流体は、第1板部52に当たった流体、又は第2板部53に当たった流体と合流し、凹状の曲面である正圧側面33、又は凸状の曲面である負圧側面34に向かう方向へガイドされる。
凹状の曲面である正圧側面33に当たった流体により、回転方向D1への抗力が生じる。凸状の曲面である負圧側面34に当たった流体により、回転方向D1の逆方向への抗力が生じる。凸状の曲面に当たった流体により生じる抗力は、流体が凸状の曲面に沿って逃れてしまうため、凹状の曲面に当たった流体により生じる抗力よりも小さい。そのため、回転方向D1への抗力は、回転方向D1の逆方向への抗力よりも大きい。そして、ブレード30は、流体によって生じた抗力によって、回転方向D1へ回転運動する。
凹状の曲面である正圧側面33に対して斜めに当たった流体は、正圧側面33の稜線に沿って流れる。凸状の曲面である負圧側面34に対して斜めに当たった流体は、負圧側面34の稜線に沿って流れる。正圧側面33の稜線、又は、負圧側面34の稜線に沿って流れる流体は、正圧側面33の稜線又は負圧側面34の稜線が長いほど速く流れ、圧力が低くなる。そして、負圧側面34の稜線は、正圧側面33の稜線よりも長いため、負圧側面34側の圧力が、正圧側面33側の圧力よりも低くなり、ブレード30には、回転方向D1への揚力が発生する。そのため、ブレード30は、流体によって生じた揚力によっても、回転方向D1へ回転運動する。
大気である流体は、ブレード30が回転方向D1へ回転運動することにより、ブレード30に対して、相対的に回転方向D1の逆方向に流れる。流体は、ブレード30の前縁31で流体を正圧側面33側と、負圧側面34側と、に分流される。そして、正圧側面33側の流体と、負圧側面34側の流体は、後縁32で合流する。負圧側面34の稜線は、正圧側面33の稜線よりも長いため、負圧側面34側の圧力が、正圧側面33側の圧力よりも低くなり、ブレード30には、回転方向D1への揚力が発生する。そのため、ブレード30は、流体によって生じた揚力によっても、回転方向D1へ回転運動する。
ブレード30が回転方向D1へ回転運動することにより、ロータ軸20が回転方向D1へ回転運動する。ロータ軸20の回転運動は、図3に示すナセル10に伝えられ、ナセル10の増速機により増速される。そして、増速された回転運動の運動エネルギーが、ナセル10の発電機により、電気エネルギーに変換される。
以上、説明したように、本考案に係る風力発電装置1において、図6及び図7に示すように、ガイド板50は、流体をブレード30の方へガイドする。その結果、流体がブレード30に集中し、回転方向D1への揚力が大きくなり、風力発電の発電効率が向上する。
ガイド板50の第1板部52は、ロータ軸20の軸芯と屈曲部51とを結ぶ平面と、屈曲部51を通りブレード30の回転面Rと接する平面との間に第1板部52が位置するため、流体がブレード30に対して斜めに当たるようにガイドされる。そして、第1板部52により、回転方向D1への揚力が大きくなるとともに、流体が正圧側面33及び負圧側面34の曲面に沿って流れるため、抗力が小さくなる。その結果、流体が負圧側面34に当たることにより生じる回転方向D1の逆方向への抗力の影響が小さくなり、風力発電の発電効率が向上する。
ガイド板50の第2板部53は、4つの支柱42により規定された空間Sを通らない流体の流れる向きを変えて、流体をブレード30の方へガイドするために用いられる。その結果、流体がブレード30に集中し、回転方向D1への揚力が大きくなり、風力発電の発電効率が向上する。
以上、本考案の実施の形態について説明したが、本考案は上記実施の形態によって限定されるものではない。
上記実施の形態1においては、風力発電装置本体2がタワー100に1つ設けられている。これに限らず、風力発電装置本体2が複数設けられていてもよい。例えば、図8に示すように、風力発電装置本体2が、タワー110に3つ設けられてもよい。
タワー110は、オムニアンテナ111を備え、さらに、避雷針112を備えてもよい。避雷針112は、風力発電装置1を落雷から保護する。避雷針112は、風通しの良い高い位置で発電することが好ましい風力発電において、風力発電装置1が落雷により損傷する危険性を抑制することができる。
上記実施の形態1においては、風力発電装置本体2のブレード30が、タワー100において、上下二段になるように設けられている。これに限らず、ブレード30は、図9に示すように、タワー120において、一段であってもよい。
上記実施の形態1においては、タワー100に風力発電装置本体2のみが設けられている。これに限らず、さらに、図10に示すように、太陽光発電パネル300が、タワー130に設けられていてもよい。
上記実施の形態1においては、風力発電装置本体2が、タワー100に設けられている。これに限らず、風力発電装置本体2が、図11に示すように、タワー100に設けられず、持ち運び可能であってもよい。図では、ガイド板50を省略している。
さらに、風力発電装置本体2が、USB付きバッテリー400を備えてもよい。風力発電装置本体2は、USB付きバッテリー400に充電することができる。
上記実施の形態1においては、支柱42が、4つ設けられている。これに限らず、支柱42は、ブレード30を囲むように設けられていればよい。例えば、支柱42は、3つ、又は5つ以上であってもよい。
上記実施の形態1においては、ブレード30は、そりをつけた翼型である。これに限らず、ブレード30は、流体により回動する羽であればよい。例えば、ブレード30は、ジャイロミル型、ダリウス型、サボニウス型、クロスフロー型、バドル型の羽であってもよい。
本考案は、本考案の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施の形態は、本考案を説明するためのものであり、本考案の範囲を限定するものではない。
1 風力発電装置、2 風力発電装置本体、10 ナセル、20 ロータ軸、20a 上端部、20b 下端部、20c 第1中央部、20d 第2中央部、21 支持アーム、21a 第1支持部、21a1 枠部、21a1’ エッジ、21a2 アーム部、21b 第2支持部、30 ブレード、31 前縁、32 後縁、33 正圧側面、34 負圧側面、40 フレーム、41 脚部フレーム、42 支柱、42a 角部、42b 第1側面、42c 第2側面、43 屋根、50 ガイド板、51 屈曲部、52 第1板部、53 第2板部、100,110,120,130 タワー、101,111 オムニアンテナ、112 避雷針、200 制御盤室、300 太陽光発電パネル、400 USB付きバッテリー、D1 回転方向、S 空間、P1,P2 平面、R 回転面、G 屋上、G1 パラペット、α,β,θ 角度

Claims (5)

  1. 垂直軸であるロータ軸と、
    流体を受けて揚力及び抗力により前記ロータ軸まわりに回動するブレードと、
    前記ロータ軸及び前記ブレードを囲むように配置された3つ以上の支柱を有し、前記ロータ軸を支持するフレームと、
    前記支柱にそれぞれ設けられ、流体を前記ブレードの方へガイドするガイド板と、を備える、
    風力発電装置。
  2. 前記ガイド板は、前記ロータ軸の軸芯を通る平面上に位置するような角度に配置されている、請求項1に記載の風力発電装置。
  3. 前記ガイド板は、前記支柱により規定される空間の内部に張り出すように設けられた第1板部と、前記空間の外部に張り出すように設けられた第2板部と、に区分される、請求項1又は請求項2に記載の風力発電装置。
  4. 前記第1板部と、前記第2板部と、が鈍角を形成し、
    前記第1板部が、前記空間の内部を通る前記ブレードに向かわない流体を前記ブレードの方へガイドし、
    前記第2板部が、前記空間の内部を通らない流体を前記第1板部の方へガイドする、請求項3に記載の風力発電装置。
  5. 前記ブレードが、凹状の正圧側面を有する翼型であり、
    前記第1板部は、流体を回動する前記ブレードの前記正圧側面の方へガイドするように形成されている、請求項4に記載の風力発電装置。

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