JP3766845B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロペラ形風車と垂直軸形揚力羽根風車、そして風杯形風車の３形式合体による風力発電装置に関するものである。

本発明の風力発電装置に関しては、今までの大型風力から小型風力までの風力発電装置には、サボニウス風車とセイルウイング風車そしてソーラー発電との発電装置合体や、風力形同士の２形式を合体した風力発電装置（例えば、非特許文献１参照）、他に風力発電と他のエネルギー発電との合体装置したもの例えば、プロペラ形風力とソーラー発電の合体した発電装置がある。

上記述べしたように、今までの風力発電装置合体では、プロペラ形と垂直軸形揚力羽根式と風杯形の風力発電装置を合体したものはない。

本発明の風力発電装置に関しては、従来のプロペラ形風力発電装置では、プロペラ形発電装置を支える支柱（鉄柱・鉄塔・コンクリート・木材などの構造物）の上に風向回転垂直軸を施して設置してあり、その風向回転垂直軸の形態が一枚の板状風向回転安定翼にしたものもある。

さらに上述べした、従来のプロペラ形風向回転垂直軸に、一枚板状の風向安定翼を施し風向安定させ発電効率向上させたものもある。（例えば、特許文献１参照）

本発明の風力発電装置に関しては、今までの垂直回転形風力発電装置で垂直軸形揚力羽根風力と風杯形風力発電装置で垂直回転軸を施しているものや、又は回転翼円周の中心部に施して無いものもある。

上記述べた、その垂直回転軸の強風対策として、回転軸の下に固定支柱等を施置したものや、回転に当たらない個所でワイヤー等の線を施して風対策したものが、非特許として従来からある。

風力発電装置に関しては、今までの垂直軸形揚力羽根風力発電装置には、おもりを施して慣性の法則（非特許文献2）を利用した、横回転羽根の発電効率を上げた垂直軸形風力発電装置は無かった。

また、今までのプロペラ形風車には、強風対策に羽根や装置を移動するもの、また羽根のピッチを変更して回転数制御装置を施したものがある。（例えば、非特許文献3参照）。

そして又、羽根先や羽根後方部の角度変更して回転数制御装置を施したものもある。（例えば、特許文献2）

非特許文献3には、図1５に示されるように、（ａ）は上方偏向式で、強風時羽根と発電モーターが共に上方向にむく方法。（ｂ）は側翼式で、強風時に横向きが下方にむく方法。（ｃ）は側方偏向式で、強風時に上向きが横方にむく方法。（ｄ）はコーニング式で、強風時には羽根が風下方向ににげる方法。（ｅ）は可変ピッチ式で、風車の回転数が上昇すると、おもりの質量に働く遠心力でピッチを変えて回転数をさげる方法。（ｆ）は抵抗翼式で、遠心力で抵抗版を起こし回転数が下がる方法で回転数制御しているプロペラ形風車について記載されている。

本発明の風力発電装置に関しては、従来の垂直軸形揚力羽根風車の風車羽根はプロペラ形状の揚力羽根と、一枚板の羽根で湾曲したものである。（例えば、非特許文献４参照）

特開2004-052720号公報 特開2002-303249号公報 風車入門、著者 牛山 泉、1997年、ｐ．145（写真） 物理入門コース１・力学、著者 戸田 盛和、1982年、ｐ・16 小型風車活用ガイド、著者 松本 文雄、2004年、ｐ．10 風車工学入門、著者 牛山 泉、2002年、ｐ．75、（表5.2）

従来の風力発電装置では、発電効率が良いプロペラ形が多く、発電力を上げるため大型化して場所を取り環境景観があまり良くない問題があった。これは発電力を上げるためプロペラの直径が大きくなり、その直径幅３６０゜の場所を取るためである。

また、他の風力発電装置では発電効率や発電力に問題があった。それは発電力を上げるために大型化すれば発電効率が下がり強風対策にコストが掛かり過ぎるし、小型では発電力不足で効率が悪かった。

従来の垂直軸形揚力羽根風力発電装置と風杯形風力発電装置では、強風対策の為に回転軸の下に大きな支柱や土台を設置しなくてはならない。

また、細い軸や支柱には強風対策の為にワイヤー等の線を施して補強しなくてはならない。

本発明は風力発電装置の発電効率向上を図り、強風対策を施し羽根破損防止したものである。

本発明の目的を達成するために、垂直軸形揚力羽根風車の軸に風杯形風車の風杯を縦軸にそって接続し、併合した風力発電装置の上にプロペラ形風力発電装置を合体して設置場所を少なくし、大型化や小型化しても発電効率と発電力を上げた風力発電装置である。

本発明の目的を達成するためにプロペラ形風車回転垂直軸を二枚羽根形状にして、その二枚羽根の間に風道を作り風向安定を増した、発電効率と強風の耐久性を図った風力発電装置である。

本発明の目的を達成するために、垂直軸形風力発電装置の垂直回転軸を外周回転羽根円周直径φの0.8％〜80％までの範囲に垂直回転軸を大きくして、その大きくした垂直回転軸の中に垂直固定軸を垂直回転軸内径直径φの70％〜99.9％までの範囲で施して、その隙間にベアリング等で垂直回転軸の回転を維持し固定した軸を設置する、その固定軸は固定支柱の先を装置に合わせて伸ばしそのまま利用する風力発電装置である。

また、その固定軸と支柱や土台を別々にして、設置場所の風力環境に合わせて接合して垂直回転軸の中に固定垂直支持軸用いた、強風対策を図る風力発電装置である。

本発明の目的を達成するために、垂直軸形揚力羽根風力発電装置の垂直回転軸から外周垂直回転羽根接合部まで伸びる横回転羽根数枚（垂直軸揚力羽根風車装置の大きさや環境規模で、横回転羽根の枚数が変わるので数枚とした。）を施して、垂直回転軸から外周垂直回転羽根まで伸びた横回転羽根に上り角度を付けて、その横回転羽根の中に重りを入れて風車装置が回転してないときには、横回転羽根と垂直回転軸接合部の所にあり、回転すると遠心力が働き横回転羽根の外周先端まで角度を上り回転しているときに慣性の法則に従い、急に風力が増しても重りで回転を抑え、急に風力が落ちても重りで回転を維持しようとして装置の回転力を安定させる風力発電装置である。

また，回転が止まると羽根の中の重りが元の位置にもどる風力発電装置である。

さらに、その重りと同じ所に潤滑油を入れて、重りの運動と共に羽根の中で移動して重さの質量を増す。そして、そのおもりの移動で羽根の中の磨耗や破損を防ぎ、重りの移動をし易くした装置で発電効率を向上させる風力発電装置である。

本発明の目的を達成するために、プロペラ形風力発電装置の回転羽根を縦に羽根を2枚に分け、その２枚にした個所に蝶番を施して接続し、その蝶番の後ろ（風向側の裏側）に板バネを施して、強風時に風力に合わせて蝶番より後方羽根が裏側に折れて回転制御する風力発電装置である。

本発明の目的を達成するために、風力発電装置の垂直羽根に既存のプロペラ形揚力羽根と揚力抗力併合した羽根を上下に数枚（風車装置の大きさや設置環境規模で、横回転羽根の枚数が変わるので数枚とした。）組み合わせ合体した羽根の風力発電装置である。

その上記述べた、揚力抗力を併合した羽根を以下、図３〜図５により説明する。ｂ10の頭部においてはプロペラ形揚力羽根と同じ形状で揚力作動し、ｂ11のくぼんだ所は外側風杯で回転時風向の正面から回転方向90°まで抗力作動し、ｂ12のくぼんだ所は内側風杯で風向から見た回転方向90°から170°付近（装置の回転軸の大小で風圧範囲が異なるので付近とした。）まで抗力作動する併合羽根で発電効率向上する発電装置ある。

本発明の合体した風力発電装置は、場所を取らずに大型化から小型化まで設置し易くコストを抑えて、発電効率を向上する事ができる。

本発明の風力発電装置は、プロペラ形風車風向回転垂直軸の改良によって、風向を安定させて強風対策ができる。

本発明の風力発電装置は、垂直回転軸に垂直固定軸を施して、発電装置が脱落したり倒れたりするのを防ぐことができる。

また、ワイヤー等の斜めの補強で場所を取らずに強風対策ができる。

本発明の風力発電装置は、風の強弱の波を重りで羽根の回転力を安定させて、発電効率を向上できる。

本発明の風力発電装置は、プロペラ形風車羽根の回転制御装置を簡素化した、新たな羽根である。

本発明の風力発電装置は、羽根の揚力と抗力を利用した揚力抗力胴体羽根と揚力羽根が合体した羽根で、風力発電効率を向上できる。

以下、本発明の実施の形態を図1〜図8に基づいて説明する。

図においては、ａはプロペラ形風力発電装置全体を表し、ａの符号の後に番号が付いているのは、プロペラ形風力発電装置ａの各部品や機能を表す。

また、ｂは垂直軸形風力発電装置全体を表し、ｂの符号の後に番号が付いているのは、垂直軸形風力発電装置ｂの各部品や機能を表す。

図１〜図８に示す、風力発電装置合体に関して実施する形態は、垂直軸風力発電装置ｂの垂直回転軸ｂ4に抗力形風杯ｃを接続し、垂直軸風力発電装置ｂと抗力形風杯ｃを接合し併合した垂直軸形発電装置ｂ．ｃの上に、プロペラ形風力発電装置ａを垂直固定軸ｂ5の先端部の中に風向回転垂直軸下部ａ5-1を差込んで、垂直回転軸ａ5の回転を妨げないようにベアリングｂ13を施して３形式ａ．ｂ．ｃ合体した、風力風力発電装置の実施形態である。

図２、図６に示すように、プロペラ形風車風向回転垂直軸ａ5の風向安定と強風対策に関して実施する形態は、風向回転垂直軸ａ5に風道a6を設け、また、風向回転垂直軸ａ5を左右２枚の垂直翼形状にした、風力発電装置の実施形態である。

図２、図３に示すように、垂直回転軸ｂ4と垂直固定軸ｂ5の強風対策と耐久性を図った風力発電装置に関して実施する形態は、併合した垂直軸形発電装置ｂ．ｃの垂直回転軸ｂ4を回転装置外周羽根ｂ2．ｂ3の円周直径φの0.8％〜80％までの範囲に垂直回転軸ｂ4を大きくして、その大きくした垂直回転軸ｂ4の中に垂直固定軸ｂ5を垂直回転軸ｂ4直径φの70％〜99.9％までの範囲で施して、その隙間にベアリングｂ13等で垂直回転軸ｂ4の回転をじゃましないよう固定した軸を施した、風力発電装置の実施形態である。

図２、図３、図４に示すように、垂直軸形揚力羽根風力発電装置ｂの発電効率向上に、横回転羽根ｂ1揚力羽根と抗力風杯を施した羽根の中に重りｂ6と潤滑油ｂ7を施して遠心力と慣性の法則を利用した、横回転羽根ｂ1に関して実施する形態は、横回転羽根ｂ1を中心から外周に向けて上り角度ｂ8（1゜〜５０゜範囲）をつけて、その羽根に空洞b10を施し、さらにその中におもりｂ6と潤滑油ｂ7を入れた、風力発電装置の実施形態である。

図６、図７、図８に示すように、プロペラ回転羽根ａ7の強風による羽根破損防止のため回転制御を図った回転羽根ａ7に関して実施する形態は、回転羽根ａ7の羽根前頭部ａ7-1と羽根後尾部ａ7-2を蝶番ａ8で接合し、その接合した回転羽根ａ7の風向の裏側に板バネａ12を羽根前頭部ａ7-1に施着ａ11し羽根後尾部ａ7-2まで伸ばし設置させた、風力発電装置の実施形態である。

図２、図３、図５に示すように、垂直軸形風力発電装置ｂの縦羽根ｂ2・ｂ3の合体に関して実施する形態は、揚力羽根と抗力風杯図ｂ11・ｂ12を併合した、揚抗力併合羽根ｂ3を横回転羽根ｂ1の先端に接続した揚力羽根ｂ2の羽根と羽根の間に揚抗力併合羽根ｂ3を接合し、その風力発電装置の大きさに合わせた枚数を合体させた、風力発電装置の実施形態である。

本発明の風力発電装置は、図9家屋ｄの屋根、図10ビルｅの屋上、図11電柱及び鉄塔ｆのネットワーク設置、図12東屋ｇの上、図13燈台の上、図14海上フロートの上などに設置する。

本発明の実施形態を地上に設置した、風力発電装置の外観イメージ側面図 同風力発電装置の側面断面図 同垂直軸揚力抗力併用の風力発電装置平面図 同風力発電装置の横回転揚力羽根の根元A−Aと先端B−Bの断面図 同垂直軸揚力抗力合体縦羽根の揚力抗力併用羽根断面図 同プロペラ形風力発電装置の正面図 同プロペラ形風力発電装置の羽根C−C断面図 同プロペラ形風力発電装置の羽根風向裏側面図 同風力発電装置合体の家屋等の設置イメージ正面図 同風力発電装置合体のビル等の設置イメージ側面図 同風力発電装置合体の電柱や鉄塔等のネットワーク設置イメージ側面図 同風力発電装置合体の東屋等の設置イメージ側面図 同風力発電装置合体の燈台等の構造物設置イメージ正面図 同風力発電装置合体の海上フロート等の設置イメージ側面図 非特許文献３の参考図

符号の説明

ａ プロペラ形風力発電装置全体
ｂ 縦軸形風力風向回転軸発電装置全体
ｃ 縦軸形風力発電装置の抗力風杯
ａ5 風向回転軸
ａ5-1 風向回転軸の差込円柱部
ａ6 風向回転軸風道
ａ7 羽根
ａ7-1 羽根の頭部
ａ7-2 羽根の後尾部
ａ7-3 羽根の後尾部作動図
ａ8 羽根の蝶番
ａ11 羽根の板バネ
ａ12 羽根の接着材
ｂ1 横回転羽根揚力羽根
ｂ2 縦回転羽根揚力羽根
ｂ3 縦回転羽根揚抗力併用羽根
ｂ4 垂直回転軸
ｂ5 垂直固定軸
ｂ6 重り
ｂ7 潤滑油
ｂ9 横回転羽根揚力羽根の勾配角度
ｂ10 横回転羽根揚力羽根内の補強及び、重りの移動空洞
ｂ11 縦回転羽根揚抗力併用羽根の外面風杯
ｂ12 縦回転羽根揚抗力併用羽根の内面風杯
ｄ 家屋
ｅ ビル
ｆ 電柱及び鉄塔
ｇ 東屋
ｈ 燈台
ｉ 海上フロート

Claims (4)

1. 垂直軸形風力発電装置に外周縦回転揚力羽を支持する横回転揚力羽を施し回転軸に接合して、また横回転揚力羽を支持する風杯を回転軸と横回転揚力羽の根元に接合した垂直軸形風力発電装置と、その垂直軸形風力発電装置の垂直回転軸直径を、外周羽直径の0.8％〜80％範囲で施した中に、垂直固定軸柱を垂直回転軸内直径の70％〜99.9％範囲内で設置し、垂直軸形風力発電装置の垂直固定軸柱上部に、風洞式風向回転プロペラ形風力発電装置を垂直軸形風力発電装置と同じ設置平面積で立体に併合して施したことを特徴とする風力発電装置。
2. 風洞式風向回転プロペラ形風力発電装置を、垂直軸形風力発電装置の垂直固定軸柱上部に併合した、風洞式風向回転プロペラ形風力発電装置の風向回転軸を、２枚羽にして風向風洞を施し風向安定させたことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 垂直軸形風力発電装置の横回転揚力羽に、回転軸より縦回転揚力羽の方向に、設置場所の平均風力で異なる傾斜角度、弱風域では2度の傾斜角度、強風域では20度の傾斜角度範囲に施し、横回転揚力羽の中空にパイプを回転軸より縦回転揚力羽の方向に羽補強を施して、そのパイプの中に球状の固体質量を入れ羽が回転すると先端に留まり、急な強風には回転を制御し、急な弱風に回転を維持しょうとする、風波エネルギーを保存させることを特徴とする請求項１又は２記載の風力発電装置。
4. 風力発電装置を灯台の投光箇所上部に風洞式風向回転プロペラ形風力発電装置を施して、投光箇所下部に垂直軸形風力発電装置を施した灯台の電力供給を特徴とする請求項１、２、又は３記載の風力発電装置。

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