JP5135486B1 - 垂直軸型風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強風により破損するのを防ぐことができ、強風時でも発電することができる垂直軸型風力発電装置を提供する。
【解決手段】回転軸１３が、中心線周りに回転可能に、鉛直に立てられている。複数の回転取付部１４が、それぞれ回転軸１３の異なる高さに、回転軸１３とともに回転可能かつ回転軸１３に沿って上下動可能に設けられている。アーム部１５が、各回転取付部１４にそれぞれ複数ずつ設けられている。各アーム部は、回転軸１３に対して垂直を成す面に沿って、回転軸１３の中心線に対して回転対称となるよう、各回転取付部１４から伸びて途中で一方向に曲がっている。複数の布製の受風部１６が、風を受けて回転軸１３を回転可能に、異なる回転取付部１４に設けられたアーム部１５に架け渡して取り付けられている。発電機２５が、回転軸１３の回転により発電するよう設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直軸型風力発電装置に関する。

従来の垂直軸型の風力発電装置として、ダリウス型、ジャイロミル型、サボニウス型などの風力発電装置がよく知られている。例えば、そのうちのサボニウス型は、複数の羽根を、垂直軸の円周方向にずらして配置して成り、風の抗力を利用して、風向に関係なく回転するよう構成されている（例えば、特許文献１または２参照）。

特開２００５−８３２２４号公報 特許第４３２２８４５号公報

一般的な風力発電装置では、風が強いときには、軸の回転数が高くなりすぎて破損するおそれがあるため、強制的に回転を止めておくことが多い。しかし、特許文献１および２に記載のサボニウス型のように、受風面積が大きい垂直軸型の風力発電装置では、羽根などの受風部が固い材質でできているため、強風時に破損しないよう回転を止めても、装置自体が風で倒されるおそれがあるという課題があった。また、強風時に回転を止めている間は、発電することができないという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、強風により破損するのを防ぐことができ、強風時でも発電することができる垂直軸型風力発電装置を提供することを目的としている。

本発明に係る垂直軸型風力発電装置は、中心線周りに回転可能に、鉛直に立てられた回転軸と、それぞれ前記回転軸の異なる高さに、前記回転軸とともに回転可能かつ前記回転軸に沿って上下動可能に設けられた複数の回転取付部と、各回転取付部にそれぞれ複数ずつ設けられ、前記回転軸に対して垂直を成す面に沿って、前記回転軸の中心線に対して回転対称となるよう、各回転取付部から伸びて途中で一方向に曲がるアーム部と、風を受けて前記回転軸を回転可能に、異なる回転取付部に設けられたアーム部に架け渡して取り付けられた複数の布製の受風部と、前記回転軸の回転により発電する発電機とを有し、上下方向に隣り合う回転取付部に設けられた各アーム部が、前記回転軸の中心線を中心として所定の角度ずれて設けられており、各受風部は、上下方向に隣り合う回転取付部に設けられたアーム部に架け渡して取り付けられ、下部から上部にかけて次第に幅が拡がっていることを特徴とする。

本発明に係る垂直軸型風力発電装置は、異なる高さに設けられた回転取付部のアーム部に架け渡して布製の受風部が取り付けられているため、受風部が風を受けやすい。受風部で風を受けると回転軸が回転するため、その回転軸の回転により発電機で発電することができる。受風部が布製であるため、受けた風をはらみやすく、回転力を高めることができ、発電効率を高めることができる。

本発明に係る垂直軸型風力発電装置は、受風部が布製であるため、各回転取付部を上下動させることにより、受風部を拡げたり畳んだりすることができる。このため、風の強さに応じて、各回転取付部を上下動させて受風部の受風面積を調整することにより、効率の良い発電を行うことができる。強風のときには、各回転取付部を上下動させて受風部の受風面積を小さくすることにより、回転軸の回転数が高くなりすぎて破損したり、装置自体が倒れたりするのを防ぐことができる。また、このとき、強風により破損するのを防ぎつつ、回転軸の回転を継続させて発電することができる。非常に風が強いときなどには、受風部を完全に畳むことにより、回転軸の回転を完全に止めて、破損を防ぐこともできる。

本発明に係る垂直軸型風力発電装置は、各回転取付部から伸びるアーム部が途中で一方向に曲がっているため、受風部で風を受けたときにアーム部にかかる力の方向が、回転取付部へのアーム部の取付位置で、アーム部に対して垂直にならない。このため、アーム部の根元にかかる力を軽減することができ、アーム部が根元で破損するのを防ぐことができる。

本発明に係る垂直軸型風力発電装置は、受風部が布製であるため、軽く、大型化が容易であり、製造コストも低減することができる。各回転取付部を下まで降ろすことにより、各回転取付部やアーム部、受風部の修理、点検などのメンテナンスを、地上で容易に行うことができる。受風部は、風をはらみやすくするために、ピンと張るのではなく、少し弛めて取り付けられることが好ましい。

本発明に係る垂直軸型風力発電装置は、各受風部が、回転方向に対して同じ傾斜で斜めに取り付けられる。このため、風を受けたとき、上向きの傾斜面で風を受ける受風部では、風がその傾斜面に沿って上向きに流れ、幅が広い受風部の上部で風をはらみ、その受風部を押す方向に回転軸を回転させる。これに対し、下向きの傾斜面で風を受ける受風部では、その回転方向とは逆向きの抵抗力が働く。しかし、受風部の下部の幅が狭いため、傾斜面に沿って下向きに流れた風による抵抗力は小さく、回転を止めることはできない。こうして、回転軸を回転させて発電を行うことができる。上下のアーム部をずらす所定の角度は、発電効率を高めるために、６０度〜１２０度が好ましく、特に９０度であることが好ましい。

本発明に関し、垂直軸型風力発電装置は、中心線周りに回転可能に、鉛直に立てられた回転軸と、それぞれ前記回転軸の異なる高さに、前記回転軸とともに回転可能かつ前記回転軸に沿って上下動可能に設けられた複数の回転取付部と、各回転取付部にそれぞれ複数ずつ設けられ、前記回転軸に対して垂直を成す面に沿って、前記回転軸の中心線に対して回転対称となるよう、各回転取付部から伸びて途中で一方向に曲がるアーム部と、風を受けて前記回転軸を回転可能に、異なる回転取付部に設けられたアーム部に架け渡して取り付けられた複数の布製の受風部と、前記回転軸の回転により発電する発電機とを有し、異なる回転取付部に設けられた各アーム部が、前記回転軸に対して上下同じ位置に設けられており、各受風部は、上下方向に隣り合う回転取付部の、前記回転軸に対して上下同じ位置に設けられたアーム部に架け渡して取り付けられていることを特徴とする。この場合、各受風部を、アーム部の曲がりに沿って取り付けることにより、その曲がりの内側で風を受けやすくすることができ、風を受けた方向に回転軸を回転させることができる。これに対し、曲がりの外側では、受風部で風をはらみにくいため、その回転に対する抵抗力が小さく、回転を止めることはできない。こうして、回転軸を回転させて発電を行うことができる。

本発明によれば、強風により破損するのを防ぐことができ、強風時でも発電することができる垂直軸型風力発電装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の垂直軸型風力発電装置の斜視図である。 図１に示す垂直軸型風力発電装置の平面図である。 図１に示す垂直軸型風力発電装置の側面図である。 本発明に関する実施の形態の垂直軸型風力発電装置の斜視図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図３は、本発明の実施の形態の垂直軸型風力発電装置を示している。
図１乃至図３に示すように、垂直軸型風力発電装置１０は、発電室１１と支柱１２と回転軸１３と回転取付部１４とアーム部１５と受風部１６と発電手段１７と昇降手段１８とを有している。

図３に示すように、支柱１２は、円筒状を成し、発電室１１の中央を貫通して、設置面に鉛直に固定されている。図１乃至図３に示すように、回転軸１３は、円筒状を成し、支柱１２に差し込まれて、鉛直に立てられている。回転軸１３は、下端が発電室１１の内部に挿入されている。回転軸１３は、中心線周りに支柱１２の周囲を回転可能に構成されている。回転軸１３は、上端、および下端の発電室１１との取付位置に、それぞれスラスト軸受２１とラジアル軸受２２とを有し、支柱１２から独立して回転するようになっている。回転軸１３は、外面に上下方向に伸びる１対のレール１３ａを有している。各レール１３ａは、回転軸１３の中心線に対して対称な位置に設けられている。各レール１３ａは、回転軸１３の下部で円周方向にややずれるよう設けられている。

回転取付部１４は、３つから成り、それぞれ短い円筒状を成している。各回転取付部１４は、回転軸１３の外径と同じ内径を有し、内面の中心線に対して対称な位置に、回転軸１３のレール１３ａを嵌合可能な１対の溝１４ａを有している。各回転取付部１４は、各溝１４ａを各レール１３ａに嵌合させて回転軸１３に差し込まれ、回転軸１３とともに回転可能かつ、各レール１３ａに沿って回転軸１３を上下動可能に設けられている。各回転取付部１４は、それぞれ回転軸１３の異なる高さに位置付け可能に構成されている。

アーム部１５は、各回転取付部１４ごとに１対ずつ設けられ、全部で３対から成っている。各アーム部１５は、各回転取付部１４に対して、回転軸１３の中心線に対して対称な位置に取り付けられている。各アーム部１５は、回転軸１３に対して垂直を成す面に沿って、回転軸１３の中心線に対して回転対称となるよう、各回転取付部１４から伸びている。各アーム部１５は、途中で一方向に円弧状を成して滑らかに湾曲している。各アーム部１５は、上下方向に隣り合う回転取付部１４に設けられたものが、回転軸１３の中心線を中心として９０度ずれるよう設けられている。

受風部１６は、同じ大きさの４枚の布製の三角帆から成っている。各受風部１６は、上下方向に隣り合う回転取付部１４に設けられたアーム部１５に架け渡して取り付けられている。各受風部１６は、アーム部１５の湾曲の内側方向に向かって下向き傾斜になるよう取り付けられている。各受風部１６は、三角形の２つの頂点に挟まれた一辺が、上方のアーム部１５に沿って、そのアーム部１５の先端側に寄せて取り付けられ、残りの頂点がロープ１６ａを介して下方のアーム部１５の先端に取り付けられている。これにより、各受風部１６は、下部から上部にかけて次第に幅が拡がるよう取り付けられている。また、各受風部１６は、回転軸１３の回転方向に対して同じ側に傾斜するよう取り付けられており、風を受けて回転軸１３を回転可能に構成されている。各受風部１６は、ピンと張らずに、やや弛めに取り付けられている。

図３に示すように、発電手段１７は、発電室１１の内部に配置され、大径歯車２３と小径歯車２４と発電機２５とを有している。大径歯車２３は、平歯車から成り、回転軸１３とともに回転するよう、回転軸１３の下端に固定されている。小径歯車２４は、平歯車から成り、発電機２５の駆動軸とともに回転可能に取り付けられている。小径歯車２４は、大径歯車２３に螺合しており、大径歯車２３の回転数を上げて、発電機２５の駆動軸を回転可能になっている。発電機２５は、小径歯車２４の回転により発電するよう構成されている。こうして、発電機２５は、大径歯車２３および小径歯車２４を介して、回転軸１３の回転により発電するようになっている。

図１および図２に示すように、昇降手段１８は、ワイヤー２６と２つの滑車２７ａ，２７ｂとウインチ２８とを有している。ワイヤー２６は、一端側が各回転取付部１４に取り付けられている。ワイヤー２６は、他端側が、支柱１２の上端の滑車２７ａを介して、支柱１２の内部を通り、発電室１１の内部で支柱１２の下端部の滑車２７ｂを介してウインチ２８に接続されている。昇降手段１８は、ウインチ２８でワイヤー２６を張ったとき、各回転取付部１４をそれぞれ回転軸１３の上部、中部、下部に位置付け可能になっている。また、昇降手段１８は、ウインチ２８でワイヤー２６を弛めたとき、各回転取付部１４を回転軸１３の下端まで降下可能になっている。なお、ワイヤー２６には、支柱１２の下端部付近に、よりもどし部材２９が取り付けられている。

次に、作用について説明する。
垂直軸型風力発電装置１０は、異なる高さに設けられた回転取付部１４のアーム部１５に架け渡して布製の受風部１６が取り付けられているため、受風部１６が風を受けやすい。各受風部１６が、回転方向に対して同じ傾斜で斜めに取り付けられているため、風を受けたとき、上向きの傾斜面で風を受ける受風部１６では、風がその傾斜面に沿って上向きに流れ、幅が広い受風部１６の上部で風をはらみ、その受風部１６を押す方向に回転軸１３を回転させる。これに対し、下向きの傾斜面で風を受ける受風部１６では、その回転方向とは逆向きの抵抗力が働く。しかし、受風部１６の下部の幅が狭いため、傾斜面に沿って下向きに流れた風による抵抗力は小さく、回転を止めることはできない。こうして、回転軸１３を回転させることができ、発電機２５で発電を行うことができる。各受風部１６が布製で弛めに張られているため、受けた風をはらみやすく、回転力を高めることができ、発電効率を高めることができる。

垂直軸型風力発電装置１０は、各受風部１６が布製であるため、各回転取付部１４を昇降手段１８で上下動させることにより、各受風部１６を拡げたり畳んだりすることができる。このため、風の強さに応じて、各回転取付部１４を上下動させて各受風部１６の受風面積を調整することにより、効率の良い発電を行うことができる。強風のときには、各回転取付部１４を上下動させて各受風部１６の受風面積を小さくすることにより、回転軸１３の回転数が高くなりすぎて破損したり、装置自体が倒れたりするのを防ぐことができる。また、このとき、強風により破損するのを防ぎつつ、回転軸１３の回転を継続させて発電することができる。非常に風が強いときなどには、各受風部１６を完全に畳むことにより、回転軸１３の回転を完全に止めて、破損を防ぐこともできる。

突風のときには、ロープ１６ａが先に切れるため、被害を最小限にとどめることができる。各レール１３ａが回転軸１３の下部で円周方向にややずれているため、回転取付部１４をここまで下降させたとき、その回転取付部１４のアーム部１５と上方の回転取付部１４のアーム部１５とに架け渡された受風部１６がピンと張り、風をはらみにくくすることができる。これにより、受風部１６で受ける風の力を軽減することができ、破損するのを防ぐことができる。

垂直軸型風力発電装置１０は、各回転取付部１４から伸びるアーム部１５が途中で一方向に曲がっているため、各受風部１６で風を受けたときにアーム部１５にかかる力の方向が、回転取付部１４へのアーム部１５の取付位置で、アーム部１５に対して垂直にならない。このため、アーム部１５の根元にかかる力を軽減することができ、アーム部１５が根元で破損するのを防ぐことができる。また、アームの湾曲により、受風部１６に直角に空気抵抗を受けるのを防ぐことができ、少ない摩擦で回転軸１３を回転させることができる。

垂直軸型風力発電装置１０は、各受風部１６が布製であるため、軽く、大型化が容易であり、製造コストも低減することができる。各回転取付部１４を下まで降ろすことにより、各回転取付部１４やアーム部１５、各受風部１６の修理、点検などのメンテナンスを、地上で容易に行うことができる。どの方向からの風でも各受風部１６が風を受けて回転軸１３が回転し、発電を行うことができる。

垂直軸型風力発電装置１０は、抗力型の風車を利用しているため、発電効率はさほど高くないものの、発電コストを低く抑えることができる。また、風車による風の運動エネルギーの減衰が小さいため、同じ面積でも水平軸型の風力発電装置よりも多く設置することができる。このため、水平軸型のものよりも低発電コストで大きい発電量を確保することができ、風力発電に適している。また、浮体型洋上風力発電に使用すると、波による風車の揺れに伴う弱風でも回転するため、波力エネルギーからも発電することもできる。抗力型の風車を利用しているため、比較的ゆっくりとした回転となり、鳥の衝突を減らすことができ、風切音も小さくすることができる。

図４は、本発明に関する実施の形態の垂直軸型風力発電装置を示している。
図４に示すように、垂直軸型風力発電装置３０は、発電室１１と支柱１２と回転軸１３と回転取付部１４とアーム部１５と受風部１６と発電手段１７と昇降手段１８と収納ロール３１とを有している。なお、以下の説明では、本発明の実施の形態の垂直軸型風力発電装置１０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

回転取付部１４は、２つから成っている。昇降手段１８は、ウインチ２８でワイヤー２６を張ったとき、各回転取付部１４をそれぞれ回転軸１３の上部、下部に位置付け可能になっている。

アーム部１５は、各回転取付部１４ごとに３つずつ設けられ、全部で２組６個から成っている。各アーム部１５は、各回転取付部１４に対して、回転軸１３の中心線に対して１２０度ずつずれた位置に取り付けられている。各アーム部１５は、回転軸１３に対して垂直を成す面に沿って、回転軸１３の中心線に対して１２０度ずつずれるよう、各回転取付部１４から伸びている。各アーム部１５は、途中で一方向に円弧状を成して滑らかに湾曲している。各アーム部１５は、上下方向に隣り合う回転取付部１４に設けられた各アーム部１５が、回転軸１３に対して上下同じ位置になるよう設けられている。

受風部１６は、同じ大きさの３枚の布製の矩形帆から成っている。各受風部１６は、上下方向に隣り合う回転取付部１４の、回転軸１３に対して上下同じ位置に設けられたアーム部１５に架け渡して取り付けられている。各受風部１６は、矩形の１対の短辺が、それぞれ上方および下方のアーム部１５に沿って、それらのアーム部１５の先端側に寄せて取り付けられている。これにより、各受風部１６は、風を受けて回転軸１３を回転可能に構成されている。各受風部１６は、各アーム部１５の内側の長辺が強めに張られ、各アーム部１５の外側の長辺がやや弛めに張られている。

収納ロール３１は、各受風部１６に対応して３つから成っている。各収納ロール３１は、各受風部１６を収納可能に、下方の回転取付部１４の各アーム部１５に沿って、アーム部１５の先端に寄せて取り付けられている。各収納ロール３１は、上下方向に隣り合う回転取付部１４を昇降手段１８により互いに近づけて各受風部１６が緩んだとき、各受風部１６を巻き取って緩みを解消するようになっている。

次に、作用について説明する。
垂直軸型風力発電装置１０は、各受風部１６が、各アーム部１５の湾曲に沿って取り付けられているため、その湾曲の内側で風を受けやすく、風を受けた方向に回転軸１３を回転させることができる。これに対し、湾曲の外側では、各受風部１６で風をはらみにくいため、その回転に対する抵抗力が小さく、回転を止めることはできない。こうして、回転軸１３を回転させることができ、発電機２５で発電を行うことができる。

各受風部１６が各アーム部１５の湾曲の内側で風を受けやすく、湾曲の外側で風を逃がしやすくするために、各アーム部１５が、カーボンロッド製などでしなるよう構成されていてもよい。また、突風などで各受風部１６が急激に引っ張られたとき、各受風部１６が各収納ロール３１から引き出されないよう、収納した各受風部１６をワンウェイクラッチや電磁石などで固定可能であってもよい。この場合、突風でも各受風部１６があおられず、安全に発電を継続することができる。また、各受風部１６と上方の回転取付部１４の各アーム部１５との取付を弱めにしておいてもよい。この場合、破損するほどの突風のときには、その取付部で各受風部１６が切断されるため、被害を最小限にとどめることができる。

１０ 垂直軸型風力発電装置
１１ 発電室
１２ 支柱
１３ 回転軸
１３ａ レール
２１ スラスト軸受
２２ ラジアル軸受
１４ 回転取付部
１４ａ 溝
１５ アーム部
１６ 受風部
１６ａ ロープ
１７ 発電手段
２３ 大径歯車
２４ 小径歯車
２５ 発電機
１８ 昇降手段
２６ ワイヤー
２７ａ，２７ｂ 滑車
２８ ウインチ
２９ よりもどし部材

Claims (1)

1. 中心線周りに回転可能に、鉛直に立てられた回転軸と、
   それぞれ前記回転軸の異なる高さに、前記回転軸とともに回転可能かつ前記回転軸に沿って上下動可能に設けられた複数の回転取付部と、
   各回転取付部にそれぞれ複数ずつ設けられ、前記回転軸に対して垂直を成す面に沿って、前記回転軸の中心線に対して回転対称となるよう、各回転取付部から伸びて途中で一方向に曲がるアーム部と、
   風を受けて前記回転軸を回転可能に、異なる回転取付部に設けられたアーム部に架け渡して取り付けられた複数の布製の受風部と、
   前記回転軸の回転により発電する発電機とを有し、
   上下方向に隣り合う回転取付部に設けられた各アーム部が、前記回転軸の中心線を中心として所定の角度ずれて設けられており、
   各受風部は、上下方向に隣り合う回転取付部に設けられたアーム部に架け渡して取り付けられ、下部から上部にかけて次第に幅が拡がっていることを
   特徴とする垂直軸型風力発電装置。
   

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