JP5413757B1 - フライホイールを装備した垂直軸風車発電機の始動加速手段 - Google Patents
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Abstract
【課題】垂直軸風車は低風速域で回転トルクが弱いことが上げられる。この欠点を解決するとともに、強風等での破損を防ぐ。
【解決手段】垂直軸風車の回転主軸５の下部にフライホイール１を直結する。別に設けられたエアーコンプレッサー１７の圧搾空気を回転主軸５の頂部よりフライホイール１に送り込みフライホイール１の底面の外周部に取り付けられている空気噴射ノズル１１よりジェット噴射させてフライホイール１を強制回転させてトルクを生み出し風車ローター２を瞬発的に回転させる。回転始動した風車ローター２は自然風力に依って回転が加速される。回転が増大することに依って、運動エンネルギーがフライホイール１に貯えられる。また風車ローター２の外周側にガイドベーン４を設けて風力を集中する。暴風時、或いは、豪雪時に当該垂直軸風車発電機をドーム式、又は、円筒式格納容器に自動的に収納して風車の破壊を防ぐことを手段とする。
【選択図】図１
【解決手段】垂直軸風車の回転主軸５の下部にフライホイール１を直結する。別に設けられたエアーコンプレッサー１７の圧搾空気を回転主軸５の頂部よりフライホイール１に送り込みフライホイール１の底面の外周部に取り付けられている空気噴射ノズル１１よりジェット噴射させてフライホイール１を強制回転させてトルクを生み出し風車ローター２を瞬発的に回転させる。回転始動した風車ローター２は自然風力に依って回転が加速される。回転が増大することに依って、運動エンネルギーがフライホイール１に貯えられる。また風車ローター２の外周側にガイドベーン４を設けて風力を集中する。暴風時、或いは、豪雪時に当該垂直軸風車発電機をドーム式、又は、円筒式格納容器に自動的に収納して風車の破壊を防ぐことを手段とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、垂直軸風車発電機（以降、当該風車発電機と称する）で大出力の発電を可能にしたもので、且つ、暴風や豪雪下では同風車発電機を円筒式、又は、ドーム式の格納容器に収納して風車発電機の破壊を防ぐ構造にしたものである。
在来の大型風力発電機は型式が水平軸プロペラ型風車発電機で出力は最大４０００ＫＷ級のものがある。しかし、出力が大きい半面、下記のような欠点がある。
風力の受風エネルギーを上げる為に羽根車が高所に設置される。従って、発電機等の重量物も風車上部に取付けなければならない。それに伴い設置、メインテナンス時の難易度が高くなる。高所に重量物を設置するために暴風、或いは、地震に耐える様に風車の強度設計レベルを上げる必要がある。従って、風車の剛性を高める必要がある為に結果的に製造コストが非常に高くなる。又、風車の据付けに重量級の高所据付クレーンを必要とするため工事費も相対的に高出費となる。
大出力のプロペラ型風車の平均全高は１００Ｍを超えるため落雷により羽根車の破壊、火災が多々発生している。従って、羽根車自体に耐落雷構造を施さなければならず、此れがコスト高の一要因となっている。
機構的に風車の回転面を常に風向に向ける必要がある。その為に、風向に向けるヨー機構を装備する必要がある。又、風速に対応するブレードのピッチ制御機構を備える必要がある。これ等の機構を備える必要がありコスト高の一因となる。
上空で騒音、低周波音、太陽光を断続的に遮るシャドウフリッカーが発生するため風車設置近辺の住民に健康被害を与えている。環境省が２２年度よりこの悪影響について調査研究を行っている。
羽根車が極端に上空の為バードストライク（鳥が風車に衝突する事故）が多発している。又、立地の景観を損なっていると云う風評も出ている。
機構上、トルク伝達の機械ロスが大きい。特に、増速機内臓型は機械ロスが大きい。従って、風力エネルギーの電気エネルギーへの変換率が劣る。
水平軸プロペラ型風車に較べて従来型の垂直軸風車は極端に発生トルクが小さい為に発電効率が低いと云うことと、自己起動性が低い、即ち、風車の回り始めに強い風力を必要とすると云う二大欠陥が有った。この欠陥が故に、上記文献の垂直軸風車発電機は、全て発電出力が５０ＫＷ以下に止まっている。又、同全ての文献において、発電出力の根幹である風車による発生トルクの計算並びに、発電出力の理論計算がなされていない。
上記の背景の下に、本発明はこの二大欠陥を解決した当該風車発電機に依って発電能力を大幅に増大させることを課題とする。因みに、アメリカでは、発電出力が１５００ＫＷクラスの垂直軸風車発電機が開発されたと云う報告があるが、上述した通り、このクラスのものは日本では未だ開発、普及していない。輸入して実用に付されていないのは、日本特有の自然条件である台風等の暴風対策に難点があると思われる。
このアメリカで開発されたこの実機の写真を、参考資料−１として添付する。
上記の背景の下に、本発明はこの二大欠陥を解決した当該風車発電機に依って発電能力を大幅に増大させることを課題とする。因みに、アメリカでは、発電出力が１５００ＫＷクラスの垂直軸風車発電機が開発されたと云う報告があるが、上述した通り、このクラスのものは日本では未だ開発、普及していない。輸入して実用に付されていないのは、日本特有の自然条件である台風等の暴風対策に難点があると思われる。
このアメリカで開発されたこの実機の写真を、参考資料−１として添付する。
在来の垂直軸風車は自己起動性が弱い、即ち、始動又は、起動トルクが弱い、又、定格風速に於いても発生トルクが低い。発電出力が１００ＫＷを超える当該風車発電機に於いて低風速でも風車が回転を始め、且つ、回転を持続する為の定格トルクを生じる機構を持たせることを課題とする。即ち、電動機に於いて回転始動させる為には始動トルクが負荷トルクを上回る必要がある。同じく風車（負荷機械）に於いては風力による発生トルク（駆動トルク）が風車固有の負荷トルクを超えるトルクを発生させる機構を持たせることを課題とするものである。
参考までに、電動機が負荷機械を回転させるに到るトルクに関わるトルク特性カーブを、参考資料−２として添付する。
参考までに、電動機が負荷機械を回転させるに到るトルクに関わるトルク特性カーブを、参考資料−２として添付する。
風車は日本固有の気象である台風に対して構造的に弱く破壊された実例が多い。台風、或いは、暴風時に風車を破壊から防ぐことを課題とする。又、雪国で風車を設置する場合、プロペラ型風車は降雪時に風車の羽根車が氷結してしまう。この氷結を解凍する為にヒーターを装備している例も有るがコストアップに繋がり、又、解凍に時間を要し再運転時に対して即応性に欠ける。この風車ブレードの氷結を回避して再運転に即応性を持たせることを課題とする。
本発明では、風車ローター２にフライホイール１、別名、はずみ車、を直結して風車と同フライホイールを一体型として圧搾空気のジェット噴射力に依って同フライホイールを強制回転させて始動又は、起動トルクを増大させることに依って同風車ローターを回転始動させることを手段とする。即ち、風車の始動時に於いて始動加速手段として同フライホイールを設けて、空気のジェット噴射力に依って強制回転させるものである。
後は、風力エネルギーと同フライホイールが生み出す慣性力によって同風車ローターは加速され同フライホイールに運動エネルギーが蓄えられて定格に運動エネルギー、即ち、回転トルクを負荷側である発電機１４に放出する。従って、風力が続く限り発電を継続する理論であり、モデル機により実証された。
当該風車発電機のシステムは同フライホイールを風車ローター２と一体として当該風車発電機の初期始動に於いて同フライホイールに設けられた空気噴射ノズル１１より圧搾空気をジェット噴射させて同フライホイールを強制回転させる機構を備えたものである。
ジャンボジェット機の発進始動トルクは通常飛行運行の必要トルクの数倍と云われている。この膨大な始動トルクを生み出すものが空気利用の燃焼ガスによるジェット噴射力である。離陸重量が４００〜５００トンに及ぶジャンボジェット機を急速発進させて揚力により浮上飛行を継続させているのがこのジェット噴射力と揚力と慣性力である。
即ち、この空気のジェット噴射力の特性を当該風車発電機の機構に組入れたものである。
後は、風力エネルギーと同フライホイールが生み出す慣性力によって同風車ローターは加速され同フライホイールに運動エネルギーが蓄えられて定格に運動エネルギー、即ち、回転トルクを負荷側である発電機１４に放出する。従って、風力が続く限り発電を継続する理論であり、モデル機により実証された。
当該風車発電機のシステムは同フライホイールを風車ローター２と一体として当該風車発電機の初期始動に於いて同フライホイールに設けられた空気噴射ノズル１１より圧搾空気をジェット噴射させて同フライホイールを強制回転させる機構を備えたものである。
ジャンボジェット機の発進始動トルクは通常飛行運行の必要トルクの数倍と云われている。この膨大な始動トルクを生み出すものが空気利用の燃焼ガスによるジェット噴射力である。離陸重量が４００〜５００トンに及ぶジャンボジェット機を急速発進させて揚力により浮上飛行を継続させているのがこのジェット噴射力と揚力と慣性力である。
即ち、この空気のジェット噴射力の特性を当該風車発電機の機構に組入れたものである。
同フライホイールを強制回転させる機構は、センサー付き風速計１９が微風、即ち、風速５〜６ｍ／ｓｅｃ．（以降、カットイン風速と称す）以上の風速を検知して同信号によりエアーコンプレッサー１７付属の空気槽の電磁弁が自動作動して圧搾空気を同フライホイールに送って強制回転させる機構である。この圧搾空気を使ってフライホイールを強制回転させる機構には二方式が有る。下記の通り詳述する。
本発明の主眼とするところは、当該風車発電機に於いて回転トルクを増大させることである。そして、その増大させる主役は、同フライホイールである。フライホイール無くして当該風車発電機は有り得ない、と云っても過言ではない。従って、当該風車発電機にこの同フライホイールを導入するに到ったフライホイールの主たる三大特性を下記の通り詳述する。
第一は、同フライホイールには貯えられた運動エネルギーを風力が一定でない時でも連続して同エネルギー、即ち、回転トルクモーメントを放出し続けると云う特性がある。
又、同フライホイールに貯えられる運動エネルギー量は同フライホイールの回転速度、即ち、角速度の二乗に比例して増大する。従って、風速、即ち、風力エネルギーが上がれば風車ローター２の回転速度が増大する。同風車ローターの回転速度が上がると云うことは一体型である同フライホイールの回転速度が増大することであり、それに比例して同フライホイールの運動、即ち、回転エネルギーが増大する。
同フライホイールと一体型である同風車ローターの回転トルクモーメントは次式に依って表わされる。
同フライホイール一体型の同風車ローターの回転トルクの計算式：−
回転トルク Ｔ ＝ 外力運動エネルギー Ｆ ＊回転体の半径 Ｒ．
Ｔ ＝ Ｆ ｘ Ｒ （Ｎ・ｍ）
又、回転体の運動エネルギー（Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ）（Ｋ）は次式で表される。
Ｋ ＝ １／２Ｉ＊ω２
ここで：
ω オメガ ＝ 角速度、即ち、回転運動する物体の速度
Ｉ ＝ 慣性モーメント
この慣性モーメントは次式で表される。
Ｉ ＝ Ｍ ＊ Ｒ２
ここで： Ｍ ＝ 回転体の質量 Ｒ ＝ 回転体の半径
従って、同フライホイールの半径を大きくすれば、比例して同フライホイールの質量も増大して、慣性モーメントは相乗的に増大する。その結果、回転体、即ち、同フライホイールの運動エネルギーが増大することになる。即ち、上式より運動エネルギーはフライホイールの半径の二乗に比例するのであるから、その径を大きくすればする程、運動エネルギー（Ｋ）を増大させることであり、特に同フライホイールの径は回転トルクの増大にとって重要なファクターとして取上げる必要がある。
回転体である同フライホイールの運動エネルギー、即ち、回転トルクを大きくするには、上記の角速度（ω）、即ち、回転速度を増大させること、同フライホイールの半径を大きくすること、それに、フライホイールの数、即ち、同ホイールの取付け絶対数を可能な限り増やすこと、この三点に帰結できる。当出願時に、当出願人が提出した「参考資料―１３」に示されているモデルＢ号機のフライホイールは数が二つ、即ち、２段になっている。
即ち、回転体の運動エネルギー（Ｋ）の定義式は、：−
Ｋ＝１／２ Ｉ＊ω ２ に於いて、Ｉ（慣性）＝質量（Ｍ） ＊ Ｒ ２ （半径）
であるので、質量（Ｍ）を増大させること、即ち、フライホイールの絶対数を増やせば同運動エネルギーが増大する理論であります。本件について（図３３）を参照下さい。同図（ａ）１段、（ｂ）２段、（ｃ）３段を示します。
又、同フライホイールに貯えられる運動エネルギー量は同フライホイールの回転速度、即ち、角速度の二乗に比例して増大する。従って、風速、即ち、風力エネルギーが上がれば風車ローター２の回転速度が増大する。同風車ローターの回転速度が上がると云うことは一体型である同フライホイールの回転速度が増大することであり、それに比例して同フライホイールの運動、即ち、回転エネルギーが増大する。
同フライホイールと一体型である同風車ローターの回転トルクモーメントは次式に依って表わされる。
同フライホイール一体型の同風車ローターの回転トルクの計算式：−
回転トルク Ｔ ＝ 外力運動エネルギー Ｆ ＊回転体の半径 Ｒ．
Ｔ ＝ Ｆ ｘ Ｒ （Ｎ・ｍ）
又、回転体の運動エネルギー（Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ）（Ｋ）は次式で表される。
Ｋ ＝ １／２Ｉ＊ω２
ここで：
ω オメガ ＝ 角速度、即ち、回転運動する物体の速度
Ｉ ＝ 慣性モーメント
この慣性モーメントは次式で表される。
Ｉ ＝ Ｍ ＊ Ｒ２
ここで： Ｍ ＝ 回転体の質量 Ｒ ＝ 回転体の半径
従って、同フライホイールの半径を大きくすれば、比例して同フライホイールの質量も増大して、慣性モーメントは相乗的に増大する。その結果、回転体、即ち、同フライホイールの運動エネルギーが増大することになる。即ち、上式より運動エネルギーはフライホイールの半径の二乗に比例するのであるから、その径を大きくすればする程、運動エネルギー（Ｋ）を増大させることであり、特に同フライホイールの径は回転トルクの増大にとって重要なファクターとして取上げる必要がある。
回転体である同フライホイールの運動エネルギー、即ち、回転トルクを大きくするには、上記の角速度（ω）、即ち、回転速度を増大させること、同フライホイールの半径を大きくすること、それに、フライホイールの数、即ち、同ホイールの取付け絶対数を可能な限り増やすこと、この三点に帰結できる。当出願時に、当出願人が提出した「参考資料―１３」に示されているモデルＢ号機のフライホイールは数が二つ、即ち、２段になっている。
即ち、回転体の運動エネルギー（Ｋ）の定義式は、：−
Ｋ＝１／２ Ｉ＊ω ２ に於いて、Ｉ（慣性）＝質量（Ｍ） ＊ Ｒ ２ （半径）
であるので、質量（Ｍ）を増大させること、即ち、フライホイールの絶対数を増やせば同運動エネルギーが増大する理論であります。本件について（図３３）を参照下さい。同図（ａ）１段、（ｂ）２段、（ｃ）３段を示します。
第二は、フライホイールが放出するエネルギー量（即ち、回転トルクモ−メント）はエネルギー源である風力エネルギーを超えるエネルギー量を定格で放出すると云う特性である。
これは一定時間を超えてフライホイールに貯えられたエネルギー量が急速に放出されるからである。即ち、風速が途絶えても一定時間、回転トルクモーメントを放出し続ける特性がある。この特性が故に、ディーゼル機関はフライホイールを装備している。
これは一定時間を超えてフライホイールに貯えられたエネルギー量が急速に放出されるからである。即ち、風速が途絶えても一定時間、回転トルクモーメントを放出し続ける特性がある。この特性が故に、ディーゼル機関はフライホイールを装備している。
第三は、フライホイールは機械的システムの方向付け（Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）の制御を行う。
即ち、機械的システムに於いて、フライホイールの角運動量（Ａｎｇｕｌａｒ Ｍｏｍ−ｅｎｔｕｍ，この場合、回転体が持っている回転の強さを表す物理量）はシステム制御通りにフライホイールへ、或いは、フライホイールから負荷（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｌｏａｄ）側へと意図通りに転送される。 即ち、発電機側に連続してトルクモーメントを転送する特性が有る点である。
垂直軸風車発電機で大型の水平軸プロペラ型風車並みの発電出力を得るには、これ等のフライホイール固有の特性を垂直軸風車発電機構に組入れることが最良の手段で、この手段を組入れたものが当該風車発電機である。
当該風車発電機にとって、このフライホイールの特性の導入は最重要ファクターであるので参考までに、インターネットのウィキペディア（無料の百科事典）のＷＥＢ ＳＩＴＥに掲載されているフライホイールの特性についての原文を、参考資料−３として添付する。
即ち、機械的システムに於いて、フライホイールの角運動量（Ａｎｇｕｌａｒ Ｍｏｍ−ｅｎｔｕｍ，この場合、回転体が持っている回転の強さを表す物理量）はシステム制御通りにフライホイールへ、或いは、フライホイールから負荷（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｌｏａｄ）側へと意図通りに転送される。 即ち、発電機側に連続してトルクモーメントを転送する特性が有る点である。
垂直軸風車発電機で大型の水平軸プロペラ型風車並みの発電出力を得るには、これ等のフライホイール固有の特性を垂直軸風車発電機構に組入れることが最良の手段で、この手段を組入れたものが当該風車発電機である。
当該風車発電機にとって、このフライホイールの特性の導入は最重要ファクターであるので参考までに、インターネットのウィキペディア（無料の百科事典）のＷＥＢ ＳＩＴＥに掲載されているフライホイールの特性についての原文を、参考資料−３として添付する。
本発明による効果は、プロペラ型風車発電機の下記欠点を排除できることである。
第１は、大型のプロペラ型風車発電機の平均全高は地表レベルから１００Ｍであるが、当該風車発電機本体の全高は半分以下に納まることである。例として、垂直軸風車とプロペラ軸風車の高さ比較をした比較図を、参考資料−４として添付する。
従って、耐震、耐風設計に係わる建造物の製造コストが大幅に節減できるメリットが有る。加えて、大型のプロペラ型風車は運転中にプロペラを風向に正体させるヨー機構を備えなければならない、或いは、風車のブレードが風速変化に対応するためのピッチ制御機構を持たせなければならない等、構造並びに機構が複雑である。然るに、当該風車発電機は同風車ローターの外周側に設けたガイドベーン４の機能により風向は全方向に適応するので、そう云う機構は必要としない。従って、構造的にプロペラ型風車に較べて簡単な為、製作が容易である。故に、装置として全体の製造コストが下がるので風車発電機の普及並びに発展に大幅に貢献するものである。
参考までに、プロペラ型風車の構造例を、同参考資料−４に併せて表示する。
第１は、大型のプロペラ型風車発電機の平均全高は地表レベルから１００Ｍであるが、当該風車発電機本体の全高は半分以下に納まることである。例として、垂直軸風車とプロペラ軸風車の高さ比較をした比較図を、参考資料−４として添付する。
従って、耐震、耐風設計に係わる建造物の製造コストが大幅に節減できるメリットが有る。加えて、大型のプロペラ型風車は運転中にプロペラを風向に正体させるヨー機構を備えなければならない、或いは、風車のブレードが風速変化に対応するためのピッチ制御機構を持たせなければならない等、構造並びに機構が複雑である。然るに、当該風車発電機は同風車ローターの外周側に設けたガイドベーン４の機能により風向は全方向に適応するので、そう云う機構は必要としない。従って、構造的にプロペラ型風車に較べて簡単な為、製作が容易である。故に、装置として全体の製造コストが下がるので風車発電機の普及並びに発展に大幅に貢献するものである。
参考までに、プロペラ型風車の構造例を、同参考資料−４に併せて表示する。
第２は、プロペラ型風車発電機は発電機等の主要機器が平均、地上レベル１００Ｍ上空に在る為にメインテナンス上の難易度が相当に高い。これに較べて、当該風車発電機は発電機を含めて主要機器は地上に設置することができる。これは大幅なメインテナンスコストの低減に繋がるメリットがある。因みに、プロペラ型風車で出力２０００ＫＷ級の発電機の重量は約６０ｔｏｎである。この重量は小型乗用車略４０台分に相当する。これを躯体，即ち，ナセルに据付けるために１００ｍ上空に吊り上げるには超大型クレーン必要とする。当該風車発電機は現地据付けのコスト費も大幅に縮減できるメリットがある。それに加えて、プロペラ型風車のブレードの重量は２０００ＫＷ級を例として、約７ｔｏｎ有り、上記の発電機の重量を合わせて、約６７ｔｏｎの躯体を約１００Ｍ上空に支えなければならない。従って、此れを支える支柱（タワー）は、耐震、耐風上、剛性を高めなければならず約１６４ｔｏｎと相当の重量物となってしまう。プロペラ型風車は高所レベルの建造物が故に建造費も比例して増大してしまう欠点がある。これに較べて、当該風車発電機は建造物としての高さレベルがプロペラ型風車に較べて半分以下に納めることが出来るので大幅な建造費の縮減が可能である。此れは経済的に有利で、風車発電の発展に大幅に貢献できると云う利点である。
第３は、プロペラ型風車は平均１００ｍ上空で低周波音を発する為、近隣の住民に健康被害を及ぼしている。又、運転中に高所で太陽光を遮るシャドーフリッカーの障害が出るなど問題が多い。それに、風車に渡り鳥がぶつかって死亡すると云うバードストライクが多発発生しており鳥類保護上問題になっている。
これに対して、当該風車発電機は上記（００２０）で述べられている通り風車の主要機器が地上に設置され、又、装置としての全高が高くても４〜５階建てのビルに相当する高さであるので殆どこうした環境に対する弊害が無い。従って、電気エネルギーに係わる風車発電機の発展と普及に於いて大いに貢献するものである。
これに対して、当該風車発電機は上記（００２０）で述べられている通り風車の主要機器が地上に設置され、又、装置としての全高が高くても４〜５階建てのビルに相当する高さであるので殆どこうした環境に対する弊害が無い。従って、電気エネルギーに係わる風車発電機の発展と普及に於いて大いに貢献するものである。
第４は、当該風車発電機は台風等の暴風時に円筒型格納容器、又は、ドーム型格納容器に収納して当該風車発電機の破壊を防ぐ構造を持たせたことである。上述した全高が１００ｍを超える大型の水平軸のプロペラ型風車では殆ど出来ない仕様である。
参考までに、プロペラ型風車に於いて、台風、或いは、落雷による破壊例の写真を、参考資利−５として添付する。
参考までに、プロペラ型風車に於いて、台風、或いは、落雷による破壊例の写真を、参考資利−５として添付する。
図１は、当該風車発電機の作動に関わるシステムを表しているものである。同図に於いて、風速計１９に備えられているセンサーが予め設定されたカットイン風速を検知する。同検知信号を予め組み込まれた制御回路によりエアーコンプレッサー１７に送信する。
同システムに於いて、同エアーコンプレッサーの空気槽の電磁弁の自動（開）操作により圧搾空気が空気配管１２に圧送される。
同システムに於いて、当該風車発電機の頂部に設けられたエアー配管接続ボックス１３に空気配管１２が接続されており同接続ボックスに圧搾空気が圧送される。
同システムに於いて、当該風車発電機の中空軸（以降、ホローシャフトと称する）５を通して圧搾空気がフライホイール１の下部に設けられた二個の空気噴射ノズル１１に導かれて同ノズルより同圧搾空気がジェット噴射される。
同システムに於いて、同ジェット噴射力によって同フライホイールは強制回転させられる。ジェット噴射による噴射時間は短時間で時間的に３〜５秒間に設定する。設定時間経過後、上記電磁弁を自動（閉）とするように制御回路を操作パネル上に組み込む。
同エアーコンプレッサーの空気槽の容量はこの設定時間を見計らって設定する。又、同エアーコンプレッサーは空気槽の内圧を検知して自動起動して常に一定圧に保つように制御回路を組み込み、同フライホイールの再起動に備える。
同エアーコンプレッサーの空気槽の容量はこの設定時間を見計らって設定する。又、同エアーコンプレッサーは空気槽の内圧を検知して自動起動して常に一定圧に保つように制御回路を組み込み、同フライホイールの再起動に備える。
同システムに於いて、カットイン風速により風車ローター２と一体型である同フライホイールが強制回転した後は、同フライホイールの慣性力と風車が受風する風力に依って生じる回転トルクによって同風車ローターは回転を持続して、一層の運動エネルギーが同フライホイールに貯えられる。そして、同運動エネルギーは回転トルクとして発電機１４に転送される。
同システムに於いて、風が途絶えた後、即ち、風力が停止した後は、風車は一旦回転を停止するが、再び、カットイン風速を検知して同風車ローターは回転を開始する。
即ち、上記（００２４）よりの動作の繰り返しとなる。
尚、同システム図に於いてコントロールパネル１６には風速計１９よりカットイン風速の信号を受信して油圧機器１８や他の付属機器に動作信号を発する制御回路が組み込まれている。
当該エアーシステムの方式を、エアーシステムＡと称する。
図２は、同エアーシステムＡの作動に関わるシステム概念図を示す。同図に於いて、同エアーコンプレッサーより送られる圧搾空気は同空気配管を経由して同風車ローターの頂部に設けられたエアー配管接続ボックス１３へ導かれる。
図３（ａ）は同接続ボックスの拡大図である。同図の（ｂ）は同図（ａ）に於けるＫ−Ｋ線断面図である。図２に図示されている通り、同ボックスにはホローシャフト５を支持するラジアルベアリング１３ａが設けられている。同ホローシャフトは、同フライホイールに到るその中間部でラジアル＆スラストベアリング８で支持されて、リジットカップリング９に依って下部ホローシャフトに接続される。そして、同下部ホローシャフトは同フライホイールに直結される構造である。更に、同ホローシャフトは、同フライホイールの下部でソリッドシャフト６に接続される。
即ち、上記（００２４）よりの動作の繰り返しとなる。
尚、同システム図に於いてコントロールパネル１６には風速計１９よりカットイン風速の信号を受信して油圧機器１８や他の付属機器に動作信号を発する制御回路が組み込まれている。
当該エアーシステムの方式を、エアーシステムＡと称する。
図２は、同エアーシステムＡの作動に関わるシステム概念図を示す。同図に於いて、同エアーコンプレッサーより送られる圧搾空気は同空気配管を経由して同風車ローターの頂部に設けられたエアー配管接続ボックス１３へ導かれる。
図３（ａ）は同接続ボックスの拡大図である。同図の（ｂ）は同図（ａ）に於けるＫ−Ｋ線断面図である。図２に図示されている通り、同ボックスにはホローシャフト５を支持するラジアルベアリング１３ａが設けられている。同ホローシャフトは、同フライホイールに到るその中間部でラジアル＆スラストベアリング８で支持されて、リジットカップリング９に依って下部ホローシャフトに接続される。そして、同下部ホローシャフトは同フライホイールに直結される構造である。更に、同ホローシャフトは、同フライホイールの下部でソリッドシャフト６に接続される。
同フライホイールを強制回転させる別の方式としてエアースタータ装置を使用する方式を当発明に於いて提供する。このエアースタート方式をエアーシステムＢと称する。同エアースタータ装置は主に大型の舶用ディーゼルエンジンのエンジン始動システムに組み込まれている。これはエンジンに組み込まれているフライホイールを回転させる装置であるが、この装置を当該風車発電機の同フライホイールの回転始動システムとして流用するものである。
このエアーシステムＢ方式は、エアーシステムＡと同様に圧搾空気を利用するものである。同スタータ装置の詳細は後述する。
このエアーシステムＢ方式は、エアーシステムＡと同様に圧搾空気を利用するものである。同スタータ装置の詳細は後述する。
本発明は、当該風車発電機の同風車ローターの外周側にガイドベーン４を取付けることを特徴とする。
同ガイドベーンは同風車ローターの回転する外周部に対して集風効果があり風車の回転トルクの増大に優れた効果がある。ガイドベーンは水車（フランシス水車）やポンプ等の水力機械に取付けられて居りトルクの増大、流量制御、或いは、整流の効果が実証されている。蒸気タービンや水力タービンに於いて回転体の外周先端部に外力（蒸気圧力又は、水力）を加えることに依って回転トルクの増大を図っているものである。此れは、所謂、回転体に於けるトルク増大に関わる定理を応用したものである。
即ち、当該風車発電機に於いて同ガイドベーンによるローター外周部への集風効果は回転トルクを増大させる手段として欠くことが出来ない最も重要な機構の一つである。
蒸気タービンと水車の回転体の構造並びに外観図を、参考資料−６として添付する。
同ガイドベーンは機構上、可動型方式と固定型方式がある。前者は同ガイドベーンの開閉角度を風速検知により自動調整することに依って風量制御を行い同風車ローターの回転速度を変化させる機構を持つものである。即ち、風速の変化に対して同ガイドベーンの角度調整を行ない同風車ローターの回転速度を一定に保ち発電量を一定に保つ効果がある。
一方、後者の固定型方式は同ガイドベーンの開角度を一定に固定にする方式である。
同風車ローターは同ガイドベーンの開角度に依って回転速度が変化する。当該風車発電機の同ガイドベーンの開角度に依って同風車ローターの回転速度は変動するが、ある角度で最高回転数を生じることがモデルテストに依って判明した。この、ある最適角度をβ角度と称する。当該風車発電機に於けるβ角度の設定値に付いては後述する。
同ガイドベーンは同風車ローターの回転する外周部に対して集風効果があり風車の回転トルクの増大に優れた効果がある。ガイドベーンは水車（フランシス水車）やポンプ等の水力機械に取付けられて居りトルクの増大、流量制御、或いは、整流の効果が実証されている。蒸気タービンや水力タービンに於いて回転体の外周先端部に外力（蒸気圧力又は、水力）を加えることに依って回転トルクの増大を図っているものである。此れは、所謂、回転体に於けるトルク増大に関わる定理を応用したものである。
即ち、当該風車発電機に於いて同ガイドベーンによるローター外周部への集風効果は回転トルクを増大させる手段として欠くことが出来ない最も重要な機構の一つである。
蒸気タービンと水車の回転体の構造並びに外観図を、参考資料−６として添付する。
同ガイドベーンは機構上、可動型方式と固定型方式がある。前者は同ガイドベーンの開閉角度を風速検知により自動調整することに依って風量制御を行い同風車ローターの回転速度を変化させる機構を持つものである。即ち、風速の変化に対して同ガイドベーンの角度調整を行ない同風車ローターの回転速度を一定に保ち発電量を一定に保つ効果がある。
一方、後者の固定型方式は同ガイドベーンの開角度を一定に固定にする方式である。
同風車ローターは同ガイドベーンの開角度に依って回転速度が変化する。当該風車発電機の同ガイドベーンの開角度に依って同風車ローターの回転速度は変動するが、ある角度で最高回転数を生じることがモデルテストに依って判明した。この、ある最適角度をβ角度と称する。当該風車発電機に於けるβ角度の設定値に付いては後述する。
当ガイドベーンが固定型方式の場合の風車ローターの回転速度調整は、風車を収納する格納容器（１５ａ）、又は、格納容器（１５ｂ）を上下に作動させることに依って行うことが可能である。
図４は非開閉ドーム式円筒型格納容器（１５ａ）の外観イラスト図である。
図５は開閉ドーム式円筒型格納容器（１５ｂ）の外観イラスト図である。
何れも、同容器を上下作動させることに依って風量制御を行い回転速度の調整を可能とするものである。
図６は、非開閉式ドーム付き円筒型格納容器の作動展開図を示す。同図（ａ）は、当該風車発電機（略称、ＷＴＧ）が完全に同容器に収納された状態を示す。
同図（ｂ）は、同容器の半開状態を示す。同図（ｃ）は、同容器の全開状態を示す。
非開閉式ドーム付き円筒型格納容器とは、開閉機構を有しないドーム式円筒型格納容器のことで（図３１）に示されている様に円筒式格納容器の内側に別箇にフレームを施した固定式円筒を設けて、その最上部に固定式の非開閉ドームを備えた構造のものである。そして、その円筒フレームの内側にガイドベーン付きの風車ローターを収納する構造である。風車の通常運転時は円筒式格納容器は下方に作動するが台風等の暴風時は同容器は上方に作動して風車を封鎖して防御する構造になっている。加えて、風速をセンサーで検知して同容器を上下方向に作動させて風量制御を行うことにより風車の回転速度の制御を可能としたものである。
図７は、開閉式ドーム付き円筒型格納容器の作動展開図を示す。同図（ａ）は、同容器の完全閉鎖状態を示す。同図（ｂ）は、同容器の半開状態を示す。
同図（ｃ）は、同容器の全開状態を示す。円筒容器の上下作動、並びに、機能は非開閉式ドーム付き円筒型格納容器と同一である。
図４は非開閉ドーム式円筒型格納容器（１５ａ）の外観イラスト図である。
図５は開閉ドーム式円筒型格納容器（１５ｂ）の外観イラスト図である。
何れも、同容器を上下作動させることに依って風量制御を行い回転速度の調整を可能とするものである。
図６は、非開閉式ドーム付き円筒型格納容器の作動展開図を示す。同図（ａ）は、当該風車発電機（略称、ＷＴＧ）が完全に同容器に収納された状態を示す。
同図（ｂ）は、同容器の半開状態を示す。同図（ｃ）は、同容器の全開状態を示す。
非開閉式ドーム付き円筒型格納容器とは、開閉機構を有しないドーム式円筒型格納容器のことで（図３１）に示されている様に円筒式格納容器の内側に別箇にフレームを施した固定式円筒を設けて、その最上部に固定式の非開閉ドームを備えた構造のものである。そして、その円筒フレームの内側にガイドベーン付きの風車ローターを収納する構造である。風車の通常運転時は円筒式格納容器は下方に作動するが台風等の暴風時は同容器は上方に作動して風車を封鎖して防御する構造になっている。加えて、風速をセンサーで検知して同容器を上下方向に作動させて風量制御を行うことにより風車の回転速度の制御を可能としたものである。
図７は、開閉式ドーム付き円筒型格納容器の作動展開図を示す。同図（ａ）は、同容器の完全閉鎖状態を示す。同図（ｂ）は、同容器の半開状態を示す。
同図（ｃ）は、同容器の全開状態を示す。円筒容器の上下作動、並びに、機能は非開閉式ドーム付き円筒型格納容器と同一である。
可動式ガイドベーン４の回転メカニズムは、上記（００３２）に記載されている通りにフランシス水車のガイドベーンの操作メカニズムを流用し、活用するものである。
図８は、当該風車発電機の可動式ガイドベーン４の操作機構の概念図を示す。操作源は油圧方式を採用している。フランシス水車に於いてガイドベーンの操作機構は油圧作動方式を採用している。
水車に於いてガイドベーンが開閉を行った時の実像写真を、参考資料−７として添付する。同図には、同水車のガイドベーン操作のアニメーション並びに、同水車のガイドベーンに関わる取付け概念図が図示されている。
図８は、当該風車発電機の可動式ガイドベーン４の操作機構の概念図を示す。操作源は油圧方式を採用している。フランシス水車に於いてガイドベーンの操作機構は油圧作動方式を採用している。
水車に於いてガイドベーンが開閉を行った時の実像写真を、参考資料−７として添付する。同図には、同水車のガイドベーン操作のアニメーション並びに、同水車のガイドベーンに関わる取付け概念図が図示されている。
図９は、同ガイドベーンの形状並びに取付け概念図を示す。同ガイドベーンの主軸４ａは，円形枠の上蓋２１並びに，下蓋２２に設けられたそれぞれの軸受４ｆに依って支持される。
同ガイドベーンが風圧により、ふら付くのを減衰させるために同ガイドベーンの片側に鉛直に補助軸４ｄを設ける。同補助軸は回転時に同上蓋及び同下蓋に設けられたガイドレール４ｅ上を走行する。同ガイドベーンの開閉操作はガイドリング４ｃを油圧操作により回転させてクランク４ｄを通してガイドベーン主軸４ａを回転させて行う。
図１０は、可動式ガイドベーン４を付属する当該風車発電機の分解概念図を示す。
ガイドリング４ｃは固定されている補助リング４ｇの上面に設けられたローラー４ｈ、上を回転走行する。
同ガイドベーンが風圧により、ふら付くのを減衰させるために同ガイドベーンの片側に鉛直に補助軸４ｄを設ける。同補助軸は回転時に同上蓋及び同下蓋に設けられたガイドレール４ｅ上を走行する。同ガイドベーンの開閉操作はガイドリング４ｃを油圧操作により回転させてクランク４ｄを通してガイドベーン主軸４ａを回転させて行う。
図１０は、可動式ガイドベーン４を付属する当該風車発電機の分解概念図を示す。
ガイドリング４ｃは固定されている補助リング４ｇの上面に設けられたローラー４ｈ、上を回転走行する。
図１１は、同ガイドベーンのβ角度の方角を示している。同ガイドベーンの取付け枠が円形枠の場合、モデル機によるテスト結果、β角度は５０度に設定する。β角度の方角定義は、同図に示されている通りガイドベーン主軸４ａ と風車ローター主軸５を結ぶ仮想線、Ｙ−Ｙ線とガイドベーン主軸上のＹ−Ｙ線と交わる直角線である仮想線、Ｘ−Ｘ線に於いて、Ｘ−Ｘ線と同ガイドベーンを結ぶ角度を示す。上述の通りβ角度とは、変動する風速に対して最大回転数を得る最適角度を云う。同図には上蓋２１及び下蓋２２に於けるガイドレール４ｅの軌道が図示されている。同図に図示されている通り同ガイドレールは同ガイドベーン主軸を中心とした円軌道の４分の一にのみに敷設されて居り、この軌道上を９０度回転する。
図１２は、同風車ローターの主軸を円心とした円盤状の同上蓋と同下蓋に取付けた同可動式ガイドベーンの配列を示す。
同ガイドベーンは円周の各２０度に対して一組、即ち、円周３６０度に対して計１８組が同上蓋と同下蓋の間に配列される。同ガイドベーンの横幅の寸法は同ローターの半径の二分の一とする。同上蓋と同下蓋は円盤形状で外形寸法は同一であるが、それぞれの外輪と内輪間の幅は同ガイドベーンの横幅と略同一寸法に設定する。
同図に於いては、同可動式ガイドベーンの場合のβ角度の方角を示している。
図１２は、同風車ローターの主軸を円心とした円盤状の同上蓋と同下蓋に取付けた同可動式ガイドベーンの配列を示す。
同ガイドベーンは円周の各２０度に対して一組、即ち、円周３６０度に対して計１８組が同上蓋と同下蓋の間に配列される。同ガイドベーンの横幅の寸法は同ローターの半径の二分の一とする。同上蓋と同下蓋は円盤形状で外形寸法は同一であるが、それぞれの外輪と内輪間の幅は同ガイドベーンの横幅と略同一寸法に設定する。
同図に於いては、同可動式ガイドベーンの場合のβ角度の方角を示している。
図１３及び図１４は、ガイドベーン補助軸４ｂの上部キャスター４ｘと下部キャスター４ｙの取付け詳細図を示す。
同可動式ガイドベーンに於いて同ガイドベーン補助軸は、当上蓋と当下蓋に設けられた同ガイドレール上を走行する。 従って、同ガイドレール上を走行する為に同補助軸の上端と下端には、それぞれ同キャスターを付属せしめる。
同可動式ガイドベーンに於いて同ガイドベーン補助軸は、当上蓋と当下蓋に設けられた同ガイドレール上を走行する。 従って、同ガイドレール上を走行する為に同補助軸の上端と下端には、それぞれ同キャスターを付属せしめる。
図１５及び図１６は、同固定式ガイドベーンの枠への取付け平面図を示す。風車の同固定式ガイドベーン取付け枠には円形枠と四角形枠の二方式がある。
図１５は、円形枠の場合の平面図を示し、図１６は、四角形枠の場合の平面図を示す。
円形枠の同ガイドベーンには固定式と角度調整が可能な可動式がある。一方、四角形枠のガイドベーンは固定式のみとする。円形枠取付け方式の場合のガイドベーンのβ角度は、上記（００３６）に述べられている通り５０度である。
図１６に於いて、四角枠に於ける同ガイドベーンの取付けβ角度は下記の通り設定する。同図に於いて示されている通り四角枠のフレームに取り付けられている各同ガイドベーンの取付け位置（図中、符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）によってβ角度は異なる。
四角形枠の場合のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの各同ガイドベーンのβ角度は下記の通り設定する。
Ｘ−Ｘ線を基準線としたβ角度 ：−
Ａガイドベーン ： ９０度 Ｂガイドベーン ： ７０度
Ｃガイドベーン ： ５０度 Ｄガイドベーン ： ４０度
Ｅガイドベーン ： ３０度
図１５は、円形枠の場合の平面図を示し、図１６は、四角形枠の場合の平面図を示す。
円形枠の同ガイドベーンには固定式と角度調整が可能な可動式がある。一方、四角形枠のガイドベーンは固定式のみとする。円形枠取付け方式の場合のガイドベーンのβ角度は、上記（００３６）に述べられている通り５０度である。
図１６に於いて、四角枠に於ける同ガイドベーンの取付けβ角度は下記の通り設定する。同図に於いて示されている通り四角枠のフレームに取り付けられている各同ガイドベーンの取付け位置（図中、符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）によってβ角度は異なる。
四角形枠の場合のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの各同ガイドベーンのβ角度は下記の通り設定する。
Ｘ−Ｘ線を基準線としたβ角度 ：−
Ａガイドベーン ： ９０度 Ｂガイドベーン ： ７０度
Ｃガイドベーン ： ５０度 Ｄガイドベーン ： ４０度
Ｅガイドベーン ： ３０度
本発明に於いて、風車ローター２の羽根車のブレード３は抗力型で形状はＶ字型である。
図１７は、同ブレードを持つ抗力型風車に於ける回転原理を示す概念図である。同図はガイドベーン４を設置していない場合の同抗力型ブレードの風車で回転主軸を中心に左右の抗力の差異に依って生ずる回転原理を示している。
図１８は、同ブレードを備えた抗力型風車の外周側に同ガイドベーンを取付けた場合の回転原理を示す概念図を示す。ガイドベーン効果により風力が抗力側の同ローターの外周部に集中するので回転トルクが一層増大する。一方、同ローターの反抗力側はガイドベーンの取付け角度により風力が減少するので抗力が減少する。従って、同ローターは左右の抗力の差が大となり回転が増速されることになる。回転数の増大は運動エネルギーの増大となる。詰まり、ガイドベーンは運動エネルギーを増大させる一つの非常に効果的な手段である。
図１９は、同ローターの抗力側の同ブレードの形状を示す外観図である。
図２０は、同ローターの風車ローターフレーム２ａに鉛直に、且つ、並列に取付けられた抗力側の同ブレードの斜視図を示す。
図２１は、同ローターの反抗力側の同ブレードの形状を示す外観図である。
図２２は、同ローターの同風車ローターフレームに鉛直に、且つ、並列に取付けられた反抗力側の同ブレードの斜視図を示す。
同風車ローターフレームの外周側のコーナーには、Ｌ字型のコーナーブレード３ｂが取付けられている。同ブレードの特徴は、図１７、図１８に示されている通り、空気の逃げ口ＡＯＬ（ＡＩＲ ＯＵＴＬＥＴ）を備えていることである。同ＡＯＬの効能は下記（００４０）に記述されている。
図１７は、同ブレードを持つ抗力型風車に於ける回転原理を示す概念図である。同図はガイドベーン４を設置していない場合の同抗力型ブレードの風車で回転主軸を中心に左右の抗力の差異に依って生ずる回転原理を示している。
図１８は、同ブレードを備えた抗力型風車の外周側に同ガイドベーンを取付けた場合の回転原理を示す概念図を示す。ガイドベーン効果により風力が抗力側の同ローターの外周部に集中するので回転トルクが一層増大する。一方、同ローターの反抗力側はガイドベーンの取付け角度により風力が減少するので抗力が減少する。従って、同ローターは左右の抗力の差が大となり回転が増速されることになる。回転数の増大は運動エネルギーの増大となる。詰まり、ガイドベーンは運動エネルギーを増大させる一つの非常に効果的な手段である。
図１９は、同ローターの抗力側の同ブレードの形状を示す外観図である。
図２０は、同ローターの風車ローターフレーム２ａに鉛直に、且つ、並列に取付けられた抗力側の同ブレードの斜視図を示す。
図２１は、同ローターの反抗力側の同ブレードの形状を示す外観図である。
図２２は、同ローターの同風車ローターフレームに鉛直に、且つ、並列に取付けられた反抗力側の同ブレードの斜視図を示す。
同風車ローターフレームの外周側のコーナーには、Ｌ字型のコーナーブレード３ｂが取付けられている。同ブレードの特徴は、図１７、図１８に示されている通り、空気の逃げ口ＡＯＬ（ＡＩＲ ＯＵＴＬＥＴ）を備えていることである。同ＡＯＬの効能は下記（００４０）に記述されている。
抗力型同ブレードの特性を下記する。
同ブレードは湾曲型ブレードに較べて鉛直線上、即ち、図１９及び、図２１に於けるＺ−Ｚ線上に外力、即ち、風力が集中するので受風に対する瞬発力が湾曲面に於いて働く瞬発力より優れている。又、風車のローターブレードの回転に於いて反抗力側の空気抵抗部は鋭角形状になっているので空気抵抗が減衰する。図２１は反抗力側から見た同ブレードの形状を示す。航空力学に於いて飛行物体の先端を鋭角にするのは空気抵抗を減衰させるためである。即ち、ブレードの形状に於いて同ブレードの形状は同風車ローターの回転効率を一層高める効果がある。
又、図２０、図２２は、同ブレードを同風車ローターフレームに並列状態に取付けた斜視図である。同ブレードは２乃至３組を同フレームに鉛直に取り付ける。前記（００３９）に記述されているが、同フレームの外周のコーナー部の同ブレードはＬ字型形状である。同ブレード自体には、その頂部と底部に空気逃げ口ＡＯＬが有り、同ブレード内部に空気が滞留しない形状になっている。空気が滞留すると抗力が減衰するのでＡＯＬを備えたＶ字型構造とするものである。
古代より現代に至る帆船に於いて、（帆）には必ず空気の逃げ口を設けている。古代人の風力に対する知恵が現代に引き継がれている実例である。参考までに、帆船の実像写真を、参考資料−８として添付する。
同ブレードは湾曲型ブレードに較べて鉛直線上、即ち、図１９及び、図２１に於けるＺ−Ｚ線上に外力、即ち、風力が集中するので受風に対する瞬発力が湾曲面に於いて働く瞬発力より優れている。又、風車のローターブレードの回転に於いて反抗力側の空気抵抗部は鋭角形状になっているので空気抵抗が減衰する。図２１は反抗力側から見た同ブレードの形状を示す。航空力学に於いて飛行物体の先端を鋭角にするのは空気抵抗を減衰させるためである。即ち、ブレードの形状に於いて同ブレードの形状は同風車ローターの回転効率を一層高める効果がある。
又、図２０、図２２は、同ブレードを同風車ローターフレームに並列状態に取付けた斜視図である。同ブレードは２乃至３組を同フレームに鉛直に取り付ける。前記（００３９）に記述されているが、同フレームの外周のコーナー部の同ブレードはＬ字型形状である。同ブレード自体には、その頂部と底部に空気逃げ口ＡＯＬが有り、同ブレード内部に空気が滞留しない形状になっている。空気が滞留すると抗力が減衰するのでＡＯＬを備えたＶ字型構造とするものである。
古代より現代に至る帆船に於いて、（帆）には必ず空気の逃げ口を設けている。古代人の風力に対する知恵が現代に引き継がれている実例である。参考までに、帆船の実像写真を、参考資料−８として添付する。
図２３は、当該風車発電機の同風車フレームに同ブレード並びに、同コナーブレードを取付けた側面図を示す。同ブレードの上端と下端には、それぞれ空気逃げ口が設けられている形状を示している。
図２４は、上記図２３の平面図を示す。同ブレードの経年腐食、或いは、破損に備えて着脱を容易にする為にボルト３ａ締めによる取付けとする。同ブレードはライナープレート３ｃを挟み、更に、補強ライナー３ｄを取付けた上でボルト締めにて取付けを行う。同図に於いてＡＯＬは、同じく、空気の滞留を防ぐ為の逃げ口を示している。
図２４は、上記図２３の平面図を示す。同ブレードの経年腐食、或いは、破損に備えて着脱を容易にする為にボルト３ａ締めによる取付けとする。同ブレードはライナープレート３ｃを挟み、更に、補強ライナー３ｄを取付けた上でボルト締めにて取付けを行う。同図に於いてＡＯＬは、同じく、空気の滞留を防ぐ為の逃げ口を示している。
当該風車発電機自体で回転トルクを増大させる機構には次の二つの方式が有る。
一つ目の方式は同風車ローターの一段当たりの同フレームの員数を増やすことである。
二つ目の方式は同風車ローターの段数（以降、ステージと称する）の員数を増やすことに依って同ブレードの絶対数を増やすことである。
何れにしても、同ブレードの絶対数が増えるので受風面積が増えることとなり、回転トルクが増大、即ち、運動エネルギーが増大することになる。
図２５は、同フレームの数を増やした場合の展開図を示す。又、同フレームの員数を増やした場合の風車のモデル機（Ｅ号機）の実像写真並びに、同機のテストシーンを、参考資料−９として添付する。
同図に於いて（ａ）は、フレームの数が一つであるワンフレーム（ＯＮＥ ＦＲＡＭＥ）を示す。同じく同図に於いて（ｂ）は、フレームの数がツウフレーム（ＴＷＯ ＦＲＡＭＥ）で受風面積がワンフレームの場合の倍となり理論的に発生トルクもワンフレームの場合の２倍となる。同じく同図に於いて（ｃ）は、フレームがフォーフレーム（ＦＯＵＲ ＦＲＡＭＥ）で受風面積がワンフレーの場合の４倍となり理論的に発生トルクもワンフレームの場合の４倍となる。
二つ目の方式は、同風車ローターのステージの員数を増やして受風面積を増大させて回転トルクを増大させる方式である。
図２６は、同風車ローターのステージの員数を増やした場合の展開図を示す。
同図に於いて（ａ）は、風車のステージがワンステージのローターを示す。
同図に於いて（ｂ）は、風車のステージがツウステージのローターを示す。
同図に於いて（ｃ）は、風車のステージがスリーステージのローターを示す。
同風車ローターは、所謂、回転体であるので耐震並びに、回転バランスを考慮してステージの員数は最大３段とする。
一つ目の方式は同風車ローターの一段当たりの同フレームの員数を増やすことである。
二つ目の方式は同風車ローターの段数（以降、ステージと称する）の員数を増やすことに依って同ブレードの絶対数を増やすことである。
何れにしても、同ブレードの絶対数が増えるので受風面積が増えることとなり、回転トルクが増大、即ち、運動エネルギーが増大することになる。
図２５は、同フレームの数を増やした場合の展開図を示す。又、同フレームの員数を増やした場合の風車のモデル機（Ｅ号機）の実像写真並びに、同機のテストシーンを、参考資料−９として添付する。
同図に於いて（ａ）は、フレームの数が一つであるワンフレーム（ＯＮＥ ＦＲＡＭＥ）を示す。同じく同図に於いて（ｂ）は、フレームの数がツウフレーム（ＴＷＯ ＦＲＡＭＥ）で受風面積がワンフレームの場合の倍となり理論的に発生トルクもワンフレームの場合の２倍となる。同じく同図に於いて（ｃ）は、フレームがフォーフレーム（ＦＯＵＲ ＦＲＡＭＥ）で受風面積がワンフレーの場合の４倍となり理論的に発生トルクもワンフレームの場合の４倍となる。
二つ目の方式は、同風車ローターのステージの員数を増やして受風面積を増大させて回転トルクを増大させる方式である。
図２６は、同風車ローターのステージの員数を増やした場合の展開図を示す。
同図に於いて（ａ）は、風車のステージがワンステージのローターを示す。
同図に於いて（ｂ）は、風車のステージがツウステージのローターを示す。
同図に於いて（ｃ）は、風車のステージがスリーステージのローターを示す。
同風車ローターは、所謂、回転体であるので耐震並びに、回転バランスを考慮してステージの員数は最大３段とする。
本発明に於いて、当該風車発電機の同フライホイールの始動方法には、前述した通り、二方式がる。即ち、エアーシステムＡ方式とエアーシステムＢ方式である。
何れの方式も、同風車ローターを初期始動時に圧搾空気を使ってフライホイールを強制回転させる方式である。
上述した通り、当該風車発電機は同フライホイールと直結した一体構造であり、同フライホイールの持つ特性は当該風車発電機の回転トルクの増大にとって欠くことの出来な手段である。エアーシステムＡ方式については、上記（００１３）及び、（００１４）に於いて詳述されている。
何れの方式も、同風車ローターを初期始動時に圧搾空気を使ってフライホイールを強制回転させる方式である。
上述した通り、当該風車発電機は同フライホイールと直結した一体構造であり、同フライホイールの持つ特性は当該風車発電機の回転トルクの増大にとって欠くことの出来な手段である。エアーシステムＡ方式については、上記（００１３）及び、（００１４）に於いて詳述されている。
図２７は、 同フライホイールが同風車ローターの下部に直結されているところの側面図を示す。空気配管１２は同フライホイールの中心を貫通して同フライホイルの底面の対角線上の円周上の二箇所に設けられた空気噴射ノズル１１へ導かれている。
圧搾空気は別設置のエアーコンプレッサー１７より同空気配管及び、同風車ローター頂部に設けられたエアー配管接続ボックス１３を経由してホローシャフト５から同フライホイールへと導かれる。
図２８は、上記図２７に於けるＦ−Ｆ線断面図を示す。二個の同空気噴射ノズルが同フライホイールの下部の外周上に設けられていることを図示している。この図示では同風車ローターの回転方向は右回転である。
圧搾空気は別設置のエアーコンプレッサー１７より同空気配管及び、同風車ローター頂部に設けられたエアー配管接続ボックス１３を経由してホローシャフト５から同フライホイールへと導かれる。
図２８は、上記図２７に於けるＦ−Ｆ線断面図を示す。二個の同空気噴射ノズルが同フライホイールの下部の外周上に設けられていることを図示している。この図示では同風車ローターの回転方向は右回転である。
図２９は、同エアーシステムＢ方式のシステム概念図を示す。
同システムは、上記（００３１）に於いて触れているが、フライホイールを備えた大型の船舶用ディーゼルエンジン等のエンジン始動用に使用されているものである。
これを当該風車発電機の同フライホイールの始動加速手段として導入したものである。
機構的には同フライホイールの外周部にリングギヤー１ａを設けて同外周に沿って同フライホイールを回転始動させるエアースタータ装置１７ｂを設けるものである。
システムとしては、エアーコンプレッサーより圧搾空気を同スタータに送り、同スタータの回転機構により同リングギヤーを強制回転させる、即ち、同フライホイールを強制的に回転始動させる方式である。
図３０は、図２９に於ける同フライホイールのＨ−Ｈ線断面図を示す。
同エアースタータの構造と機能は、インターネットの日本財団図書館のＷＥＢ ＳＩＴＥに掲載されているものを引用したものである。この記述を、参考資料−１０として添付する。
同システムは、上記（００３１）に於いて触れているが、フライホイールを備えた大型の船舶用ディーゼルエンジン等のエンジン始動用に使用されているものである。
これを当該風車発電機の同フライホイールの始動加速手段として導入したものである。
機構的には同フライホイールの外周部にリングギヤー１ａを設けて同外周に沿って同フライホイールを回転始動させるエアースタータ装置１７ｂを設けるものである。
システムとしては、エアーコンプレッサーより圧搾空気を同スタータに送り、同スタータの回転機構により同リングギヤーを強制回転させる、即ち、同フライホイールを強制的に回転始動させる方式である。
図３０は、図２９に於ける同フライホイールのＨ−Ｈ線断面図を示す。
同エアースタータの構造と機能は、インターネットの日本財団図書館のＷＥＢ ＳＩＴＥに掲載されているものを引用したものである。この記述を、参考資料−１０として添付する。
風車発電機にとって発生する回転トルクは最重要の要素である。この回転トルクモーメントの値が小さければ風車の回転は減速し、又は、停止する。最重要課題である風車、即ち、回転機械の回転トルク算出に関わる基礎理論計算式を下記する。
当該風車発電機は風力エネルギーを回転体を介して回転エネルギーを生み出して、その運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。在来の垂直軸風車発電機は、上述した通り、始動（起動）トルク、或いは、発生する定格トルクが低い為に大出力の電気エネルギーを生み出せ無いと云う弱点が有った。
本発明は、当該風車発電機の風車ローターの下部にフライホイールを直結して一体型としフライホイールの特性を生かして風車が発生する回転トルクの増大を図ったものである。フライホイール付き当該風車発電機の回転トルクに関わる計算式を下記する。
回転トルク Ｔ ＝ 風力 Ｆ ＊回転体半径 Ｒ
Ｔ ＝ Ｆ＊Ｒ （Ｎ・ｍ．） （注）単位はニュートン・メートル
上式より回転トルクは風力に比例し、回転体の半径に比例する。即ち、フライホイールの直径を大きく取り、更に、外力、即ち、風力が増大すれば、それに比例して回転トルクは増大すると云う原理の比例式である。因みに、ウインチ利用の場合のトルク発生の計算例を下記する。
計算例−１：錘りの質量Ｆが１０００Ｎ、即ち、約１００Ｋｇｆでウインチのドラムの半径Ｒが０．２ｍの時、発生トルクは ：−
Ｔ ＝Ｆ＊Ｒ＝１０００Ｎ＊０．２ｍ．＝２００（Ｎ・ｍ．）
計算例−２：自転車の通常走行時の場合の発生トルクの計算
人間の自重が８０Ｋｇｆで車体の自重が２０Ｋｇｆ．クランクの長さが０．２ｍの時の発生トルクは ：−
Ｔ ＝１０００Ｎ＊０．２ｍ．＝２００（Ｎ・ｍ．）
（注釈）自転車で始動時は通常走行トルクの２〜３倍の始動トルクを必要とする。
即ち、漕ぎ出しは通常走行時の２倍以上の力を加えて始動トルクを上げないと自転車は発進しない。上述している通り、出力の大きい垂直軸風車に於いても、その始動時に於いては定格運転時のトルク以上の始動トルクを必要とする。
当該風車発電機は風力エネルギーを回転体を介して回転エネルギーを生み出して、その運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。在来の垂直軸風車発電機は、上述した通り、始動（起動）トルク、或いは、発生する定格トルクが低い為に大出力の電気エネルギーを生み出せ無いと云う弱点が有った。
本発明は、当該風車発電機の風車ローターの下部にフライホイールを直結して一体型としフライホイールの特性を生かして風車が発生する回転トルクの増大を図ったものである。フライホイール付き当該風車発電機の回転トルクに関わる計算式を下記する。
回転トルク Ｔ ＝ 風力 Ｆ ＊回転体半径 Ｒ
Ｔ ＝ Ｆ＊Ｒ （Ｎ・ｍ．） （注）単位はニュートン・メートル
上式より回転トルクは風力に比例し、回転体の半径に比例する。即ち、フライホイールの直径を大きく取り、更に、外力、即ち、風力が増大すれば、それに比例して回転トルクは増大すると云う原理の比例式である。因みに、ウインチ利用の場合のトルク発生の計算例を下記する。
計算例−１：錘りの質量Ｆが１０００Ｎ、即ち、約１００Ｋｇｆでウインチのドラムの半径Ｒが０．２ｍの時、発生トルクは ：−
Ｔ ＝Ｆ＊Ｒ＝１０００Ｎ＊０．２ｍ．＝２００（Ｎ・ｍ．）
計算例−２：自転車の通常走行時の場合の発生トルクの計算
人間の自重が８０Ｋｇｆで車体の自重が２０Ｋｇｆ．クランクの長さが０．２ｍの時の発生トルクは ：−
Ｔ ＝１０００Ｎ＊０．２ｍ．＝２００（Ｎ・ｍ．）
（注釈）自転車で始動時は通常走行トルクの２〜３倍の始動トルクを必要とする。
即ち、漕ぎ出しは通常走行時の２倍以上の力を加えて始動トルクを上げないと自転車は発進しない。上述している通り、出力の大きい垂直軸風車に於いても、その始動時に於いては定格運転時のトルク以上の始動トルクを必要とする。
フライホイール一体型の当該風車発電機の出力についての理論計算は下記となる。
動力とは仕事をする能力であるが、一般的にキロワット、Ｐで表される。即ち、
１ＫＷとは、１０００Ｎ（１０１．９Ｋｇｆ）の重量のものを１秒間に１ｍ．の割合で動かす能力のことであると定義されている。この定義の基にキロワットとトルクの関係は次式によって表される。
Ａ式
Ｂ式
（注釈） 計算式に於ける記号 Ｎ は、毎分の回転数を表す。Ｎ・ｍ（ニュートン・メートル）は前記の通りトルクの単位を表す。
前記（００４６）のウインチ並びに、自転車の場合のトルク計算を前例としてフライホイールの場合の定格運行時のトルク計算、並びに、その動力による出力に関わる理
論計算は次式となる。
計算例 −
フライホイールの重量− １０００Ｋｇｆ＝９８０６Ｎ、フラオホイールの半径＝ １０ｍ． Ｔ＝９８０６Ｎｘ１０ｍ＝９８０６０Ｎ・ｍ、回転数 ＝５０ ｒ／ｍの場合 ―
Ｐ（ＫＷ）＝９８０６０Ｎ・ｍｘ５０ ｒ／ｍ．÷ ９５５０＝５１３．４ＫＷ．
即ち、 公称５００ＫＷクラス
フライホイールの重量 並びに、半径を２倍にした場合 ：−
フライホイールの重量２０００Ｋｇｆ＝１９６１２Ｎ フライホイールの半径＝２０ｍ．Ｔ＝１９６１２Ｎｘ２０ｍ＝３９２２４０Ｎ・ｍ、回転数 ＝５０ ｒ／ｍ．の場合 ―
Ｐ（ＫＷ）＝３９２２４０Ｎ・ｍｘ５０ ｒ／ｍ．÷９５５０＝２０５３．６
ＫＷ．即ち、 公称２０００ＫＷ．クラス
当該風車発電機の出力に関わる理論計算は上記となる。
しかし、実際上は、機械効率は、電動機の場合、０．７〜０．９を例として、仮に、０．８とすると、上記の５００ＫＷクラスで４００ＫＷ、２０００ＫＷクラスで１６００ＫＷの出力計算となる。
（注釈）
１．上記のフライホイールの質量は実際上は風車全体のローターの質量となる。
２．大型のプロペラ型風車の場合、定格回転数は機構上、２０〜５０ｒ／ｍの範囲に設定されている。当該風車発電機では５０ ｒ／ｍをベースにして出力計算している。
参考までに、水平軸プロペラ型風車の出力に関わる理論計算式を下記する。
Ｐ ＝ ＣＰ ＊ １／２ ＊ ｐ ＊ Ａ ＊ Ｖ３
記号説明
Ｐ ＝ パワー（Ｗ） Ｃｐ ＝ ベッツ係数 ０．５９３
１／２ ＝ 係数 ｐ ＝ 空気密度（Ｋｇ／ｍ３）
Ａ ＝ 翼の受風面積（ｍ２） Ｖ ＝ 風速（ｍ／ｓｅｃ．）
又、垂直軸風車と同様に回転トルクからＰパワーを割り出す理論計算式でも表され
る。 即ち、 Ｐ ＝ Ｔ ＊ Ｒ
記号説明
Ｐ ＝ パワー（Ｗ） Ｔ ＝ トルク （Ｎ・ｍ）
Ｒ ＝ 角速度 （ｒａｄ／ｓｅｃ．）
参考までに、プロペラ型風車の風力による出力に関わる理論計算式を参考資料−１１として添付する。在来の垂直軸風車についての風力に関わる理論計算式は未だ、確立されていない。それ故に、上記（０００９）に記載の特許文献に於いても、その風車による発生トルク及び、出力に関わる絶対値が如何ほどになるか謳われていない。
動力とは仕事をする能力であるが、一般的にキロワット、Ｐで表される。即ち、
１ＫＷとは、１０００Ｎ（１０１．９Ｋｇｆ）の重量のものを１秒間に１ｍ．の割合で動かす能力のことであると定義されている。この定義の基にキロワットとトルクの関係は次式によって表される。
Ａ式
Ｂ式
（注釈） 計算式に於ける記号 Ｎ は、毎分の回転数を表す。Ｎ・ｍ（ニュートン・メートル）は前記の通りトルクの単位を表す。
前記（００４６）のウインチ並びに、自転車の場合のトルク計算を前例としてフライホイールの場合の定格運行時のトルク計算、並びに、その動力による出力に関わる理
論計算は次式となる。
計算例 −
フライホイールの重量− １０００Ｋｇｆ＝９８０６Ｎ、フラオホイールの半径＝ １０ｍ． Ｔ＝９８０６Ｎｘ１０ｍ＝９８０６０Ｎ・ｍ、回転数 ＝５０ ｒ／ｍの場合 ―
Ｐ（ＫＷ）＝９８０６０Ｎ・ｍｘ５０ ｒ／ｍ．÷ ９５５０＝５１３．４ＫＷ．
即ち、 公称５００ＫＷクラス
フライホイールの重量 並びに、半径を２倍にした場合 ：−
フライホイールの重量２０００Ｋｇｆ＝１９６１２Ｎ フライホイールの半径＝２０ｍ．Ｔ＝１９６１２Ｎｘ２０ｍ＝３９２２４０Ｎ・ｍ、回転数 ＝５０ ｒ／ｍ．の場合 ―
Ｐ（ＫＷ）＝３９２２４０Ｎ・ｍｘ５０ ｒ／ｍ．÷９５５０＝２０５３．６
ＫＷ．即ち、 公称２０００ＫＷ．クラス
当該風車発電機の出力に関わる理論計算は上記となる。
しかし、実際上は、機械効率は、電動機の場合、０．７〜０．９を例として、仮に、０．８とすると、上記の５００ＫＷクラスで４００ＫＷ、２０００ＫＷクラスで１６００ＫＷの出力計算となる。
（注釈）
１．上記のフライホイールの質量は実際上は風車全体のローターの質量となる。
２．大型のプロペラ型風車の場合、定格回転数は機構上、２０〜５０ｒ／ｍの範囲に設定されている。当該風車発電機では５０ ｒ／ｍをベースにして出力計算している。
参考までに、水平軸プロペラ型風車の出力に関わる理論計算式を下記する。
Ｐ ＝ ＣＰ ＊ １／２ ＊ ｐ ＊ Ａ ＊ Ｖ３
記号説明
Ｐ ＝ パワー（Ｗ） Ｃｐ ＝ ベッツ係数 ０．５９３
１／２ ＝ 係数 ｐ ＝ 空気密度（Ｋｇ／ｍ３）
Ａ ＝ 翼の受風面積（ｍ２） Ｖ ＝ 風速（ｍ／ｓｅｃ．）
又、垂直軸風車と同様に回転トルクからＰパワーを割り出す理論計算式でも表され
る。 即ち、 Ｐ ＝ Ｔ ＊ Ｒ
記号説明
Ｐ ＝ パワー（Ｗ） Ｔ ＝ トルク （Ｎ・ｍ）
Ｒ ＝ 角速度 （ｒａｄ／ｓｅｃ．）
参考までに、プロペラ型風車の風力による出力に関わる理論計算式を参考資料−１１として添付する。在来の垂直軸風車についての風力に関わる理論計算式は未だ、確立されていない。それ故に、上記（０００９）に記載の特許文献に於いても、その風車による発生トルク及び、出力に関わる絶対値が如何ほどになるか謳われていない。
当該風車発電機のフライホイールのスケールの決定方法を下記する。
例として、アメリカのカリフォルニアにある大規模風車農園であるウインドファームの平均風速は、７〜８Ｍ毎秒と云われている。同じ立地条件では、風車の回転数は略毎分４０回転が可能である。当該風車発電機で出力を２０００ＫＷを目処とした場合、実機製作、並びに、据付現地までの輸送経路を考慮して、フライホイールの半径を１５Ｍとする。この場合のフライホイールの質量は上記（００４６）に記載のＡ式、並びに、Ｂ式より逆算して、更に、機械効率０．８を勘案して、約４ ｔｏｎと云うことになる。この質量は、上記した通り、フライホイール込みの風車ローターの質量とする。
因みに、同回転数が仮に毎分２０回転の場合は、比例的に同出力は、約１０００ＫＷとなる。風速（風力）は、風車の出力に係わる最重要なファクターである。
当該風車発電機を設置する場合、仮に、地域的に発電出力の容量が１万ＫＷを要求される場合は、出力１０００ＫＷの当該風車発電機を１０台設置することになる。
単機で大出力の風車発電機を計画することは必ずしも得策ではない。製造面及び、輸送上の問題を考慮して単機の出力を決定する必要がある。
水平軸のプロペラ型風車発電機で発電機出力が２０００ＫＷ級のものが横浜市の瑞穂地区に据付運転されている。同発電機のローター回転数は最大、毎分１９回転で定格出力は、１．９８０ＫＷの仕様となっている。同機のタワーの高さは７８Ｍで、同機の重量は、ブレード ６．５トン、ナセル ６７．５トン、タワー １６３トンと云う仕様になっている。
概略的に、本発明の当該風力発電機の重量と装置の全高を、このプロペラ型風車発電機のものと比較した場合、風車発電機の製造面、据付経費面、或いは、メインテナンス面に於いて如何に当該風車発電機が経済的であるか類推できる。比較対照の資料として、同プロペラ型風車発電機の諸元表を、参考資料−１２として添付する。
例として、アメリカのカリフォルニアにある大規模風車農園であるウインドファームの平均風速は、７〜８Ｍ毎秒と云われている。同じ立地条件では、風車の回転数は略毎分４０回転が可能である。当該風車発電機で出力を２０００ＫＷを目処とした場合、実機製作、並びに、据付現地までの輸送経路を考慮して、フライホイールの半径を１５Ｍとする。この場合のフライホイールの質量は上記（００４６）に記載のＡ式、並びに、Ｂ式より逆算して、更に、機械効率０．８を勘案して、約４ ｔｏｎと云うことになる。この質量は、上記した通り、フライホイール込みの風車ローターの質量とする。
因みに、同回転数が仮に毎分２０回転の場合は、比例的に同出力は、約１０００ＫＷとなる。風速（風力）は、風車の出力に係わる最重要なファクターである。
当該風車発電機を設置する場合、仮に、地域的に発電出力の容量が１万ＫＷを要求される場合は、出力１０００ＫＷの当該風車発電機を１０台設置することになる。
単機で大出力の風車発電機を計画することは必ずしも得策ではない。製造面及び、輸送上の問題を考慮して単機の出力を決定する必要がある。
水平軸のプロペラ型風車発電機で発電機出力が２０００ＫＷ級のものが横浜市の瑞穂地区に据付運転されている。同発電機のローター回転数は最大、毎分１９回転で定格出力は、１．９８０ＫＷの仕様となっている。同機のタワーの高さは７８Ｍで、同機の重量は、ブレード ６．５トン、ナセル ６７．５トン、タワー １６３トンと云う仕様になっている。
概略的に、本発明の当該風力発電機の重量と装置の全高を、このプロペラ型風車発電機のものと比較した場合、風車発電機の製造面、据付経費面、或いは、メインテナンス面に於いて如何に当該風車発電機が経済的であるか類推できる。比較対照の資料として、同プロペラ型風車発電機の諸元表を、参考資料−１２として添付する。
フライホイールのスケール（大きさ）の選定を下記する。
当該風車発電機に於いて、機械効率を勘案しないネット出力が５００ＫＷの場合は、回転数を最低２０ｒ／ｍ．、同ホイールの重量を１ｔｏｎ．を前提として、前式よりフライホイールの半径は２０ｍ．となる。仮に、回転数を据え置いて、同ホイールの重量を、１．５ｔｏｎ．とすると、同ホイールの半径は、１５ｍ．となる。当フライホイールの製作に当って一体型とするか、又は、分割組み立て方式を採用するかは、当該風車発電機が据付けられる現地輸送ルートを考慮して決定しなければならない。
フライホイールの径が大きすぎて据付現地までの輸送が困難な場合は、フライホイールを２分割、或いは、４分割として製作する必要がある。その場合、製作工場に於いて当フライホイールを仮組みの上、静バランス及び動バランステストは十分施行しなければならない。アンバランスは振動発生の原因となる。
当該風車発電機に於いて、機械効率を勘案しないネット出力が５００ＫＷの場合は、回転数を最低２０ｒ／ｍ．、同ホイールの重量を１ｔｏｎ．を前提として、前式よりフライホイールの半径は２０ｍ．となる。仮に、回転数を据え置いて、同ホイールの重量を、１．５ｔｏｎ．とすると、同ホイールの半径は、１５ｍ．となる。当フライホイールの製作に当って一体型とするか、又は、分割組み立て方式を採用するかは、当該風車発電機が据付けられる現地輸送ルートを考慮して決定しなければならない。
フライホイールの径が大きすぎて据付現地までの輸送が困難な場合は、フライホイールを２分割、或いは、４分割として製作する必要がある。その場合、製作工場に於いて当フライホイールを仮組みの上、静バランス及び動バランステストは十分施行しなければならない。アンバランスは振動発生の原因となる。
風車ローターの直径の設定方法は下記とする。
上記（００４８）に従って当フライホイールの直径は設定されるが、当風車ローターの直径はフライホイールの直径と同一径乃至１．５倍以内で設定する。当ローターの直径を短く設定することは受風面積が縮小することに繋がり抗力の絶対値が低減する、即ち、回転トルクの低下に繋がり好ましく無い。
当該風車発電機の羽根車の役目は受風することに依って抗力が生じて、同フライホイールに風力エネルギーを運動エネルギーとして転送することである。そして、同フライホイールは同運動エネルギーを貯えて、定格に回転トルクを負荷側、即ち、発電機側に放出する機能を有するものである。
当該風車発電機に於いては、如何に大きな回転トルクを生み出すかが最大の課題である。この課題に答えるのが、前述している通り当該風車発電機に於ける風車と一体型にした同フライホイールである。従って、同フライホイールが当該風車発電機の主役であり、風車のローターや、ブレードは風力エネルギーを運動エネルギーとして同フライホイールに伝達する補助機ということになる。
しかし、風車ローターの直径を小さくすることは、結果的に風力エネルギーの縮小を招き回転トルクのモーメントを低下させることに繋がることになる。それだから、と云って、無為に大きくすればよい、と云うものでもない。
下記する通りに当該風車発電機は暴風時、或いは、降雪時に格納容器に自動的に収納する構造になっている。極端に、同ローターの径を拡大することは装置全体が大きくなり当該風車発電機の全体の製造コストを引き上げてしまう結果となる。この問題を勘案して同ローターの径は設定されねばならない。
上記（００４８）に従って当フライホイールの直径は設定されるが、当風車ローターの直径はフライホイールの直径と同一径乃至１．５倍以内で設定する。当ローターの直径を短く設定することは受風面積が縮小することに繋がり抗力の絶対値が低減する、即ち、回転トルクの低下に繋がり好ましく無い。
当該風車発電機の羽根車の役目は受風することに依って抗力が生じて、同フライホイールに風力エネルギーを運動エネルギーとして転送することである。そして、同フライホイールは同運動エネルギーを貯えて、定格に回転トルクを負荷側、即ち、発電機側に放出する機能を有するものである。
当該風車発電機に於いては、如何に大きな回転トルクを生み出すかが最大の課題である。この課題に答えるのが、前述している通り当該風車発電機に於ける風車と一体型にした同フライホイールである。従って、同フライホイールが当該風車発電機の主役であり、風車のローターや、ブレードは風力エネルギーを運動エネルギーとして同フライホイールに伝達する補助機ということになる。
しかし、風車ローターの直径を小さくすることは、結果的に風力エネルギーの縮小を招き回転トルクのモーメントを低下させることに繋がることになる。それだから、と云って、無為に大きくすればよい、と云うものでもない。
下記する通りに当該風車発電機は暴風時、或いは、降雪時に格納容器に自動的に収納する構造になっている。極端に、同ローターの径を拡大することは装置全体が大きくなり当該風車発電機の全体の製造コストを引き上げてしまう結果となる。この問題を勘案して同ローターの径は設定されねばならない。
本発明に於いて、当該風車発電機は悪天候時、即ち、暴風時、或いは、降雪時には格納容器に自動的に収納するものである。
同格納容器に付いては、上記（００３３）に於いて風量制御用としての利用が可能であるとして同容器が提案されているが、此れは付加的な用途である。同容器の本来の目的は暴風とか、豪雪等の劣悪な自然現象から当該風車発電機を保護することである。
格納容器のタイプには、円筒式とドーム式の２種類がある。
円筒式格納容器の外観は図４に図示されている。台風等の暴風時には風速計のセンサーがカットアウト風速を検知して自動的に格納容器が作動して当該風車発電機を同容器に収納するものである。カットアウト風速は、２５ｍ／ｓｅｃ．とする。同容器の作動源は電動式で所内電源を使用する。
ドーム式格納容器の外観は図５に図示されている。同容器は構造上完全閉鎖出来るので設置場所として降雪地域に適応するものである。カットアウト風速の検知方式、又、同容器の作動仕様は円筒式格納容器と同一である。又、降雪時は、降雪センサーを付属させることに依って、同容器の自動閉鎖を可能とするもので、積雪によるブレードへの荷重、ブレードの凍結を防ぐことが出来る。加えて、同容器の頂部に避雷針を取り付けて落雷による破壊防止を可能とする。
当格納容器に当該風車発電機を格納する理由、背景を下記する。
風車にとって暴風、落雷、或いは、豪雪は天敵である。２００３年９月に台風１４号が沖縄宮古島を通過した折、沖縄電力が保有する６基、総出力２９００Ｋｗのプロペラ型風車が全て被害を蒙ったと云う記録がある。６台の内３基が全壊、２基がブレード破損、１基がナセル損傷と記録されている。測候観測によると最大風速は３８．４ｍ／ｓ．最大瞬間風速７４．１ ｍ／ｓ． と記録されている。建設当事者にとってこの台風の規模は想定外であったことであろう。因みに、当該風車メーカーは全て外国製で４基がデンマーク製で、２基がドイツ製と記録されている。 ヨーロッパは台風、或いは、ハリケーンの様な特異な気象の無い国である。設計上は耐風設計が施されていたのであろうが、福島の原発事故と同様に想定外の自然の猛威に遭遇したのであろう。
円形形状の建造物は耐風建築として最も優れていることが風洞実験で実証されている。
それ故、航空機にしろ、ロケットにしろ本体は円筒形状を成している。又、曾て、富士山山頂の測候所も耐風上、円形ドーム状の建造であった。
斯様な理由、背景で当該風車発電機を円筒形、又は、ドーム形の格納容器に台風等の劣悪な自然条件時に収納するものである。
一方、水平軸のプロペラ型風車は本体が地表より平均１００ｍ．上空にあり構造的に容器に収納することは実際上、不可能に近い。
同格納容器に付いては、上記（００３３）に於いて風量制御用としての利用が可能であるとして同容器が提案されているが、此れは付加的な用途である。同容器の本来の目的は暴風とか、豪雪等の劣悪な自然現象から当該風車発電機を保護することである。
格納容器のタイプには、円筒式とドーム式の２種類がある。
円筒式格納容器の外観は図４に図示されている。台風等の暴風時には風速計のセンサーがカットアウト風速を検知して自動的に格納容器が作動して当該風車発電機を同容器に収納するものである。カットアウト風速は、２５ｍ／ｓｅｃ．とする。同容器の作動源は電動式で所内電源を使用する。
ドーム式格納容器の外観は図５に図示されている。同容器は構造上完全閉鎖出来るので設置場所として降雪地域に適応するものである。カットアウト風速の検知方式、又、同容器の作動仕様は円筒式格納容器と同一である。又、降雪時は、降雪センサーを付属させることに依って、同容器の自動閉鎖を可能とするもので、積雪によるブレードへの荷重、ブレードの凍結を防ぐことが出来る。加えて、同容器の頂部に避雷針を取り付けて落雷による破壊防止を可能とする。
当格納容器に当該風車発電機を格納する理由、背景を下記する。
風車にとって暴風、落雷、或いは、豪雪は天敵である。２００３年９月に台風１４号が沖縄宮古島を通過した折、沖縄電力が保有する６基、総出力２９００Ｋｗのプロペラ型風車が全て被害を蒙ったと云う記録がある。６台の内３基が全壊、２基がブレード破損、１基がナセル損傷と記録されている。測候観測によると最大風速は３８．４ｍ／ｓ．最大瞬間風速７４．１ ｍ／ｓ． と記録されている。建設当事者にとってこの台風の規模は想定外であったことであろう。因みに、当該風車メーカーは全て外国製で４基がデンマーク製で、２基がドイツ製と記録されている。 ヨーロッパは台風、或いは、ハリケーンの様な特異な気象の無い国である。設計上は耐風設計が施されていたのであろうが、福島の原発事故と同様に想定外の自然の猛威に遭遇したのであろう。
円形形状の建造物は耐風建築として最も優れていることが風洞実験で実証されている。
それ故、航空機にしろ、ロケットにしろ本体は円筒形状を成している。又、曾て、富士山山頂の測候所も耐風上、円形ドーム状の建造であった。
斯様な理由、背景で当該風車発電機を円筒形、又は、ドーム形の格納容器に台風等の劣悪な自然条件時に収納するものである。
一方、水平軸のプロペラ型風車は本体が地表より平均１００ｍ．上空にあり構造的に容器に収納することは実際上、不可能に近い。
モデル機による実施例は下記の通りである。
当該風車発電機のモデル機（Ａ号機）のテストによる実測値を下記する。
Ａ号機のスケール
全高 １．０ｍ．． 外枠縦、横幅 各４５ｃｍ．
羽根車段数： ２ 段 フレームの本数 上段 ４ 本、 下段 ２ 本
ローター直径： ４２ｃｍ．
フライホイールの質量：１．５Ｋｇｆ． 同半径は：１５ ｃｍ．
Ａ号機のテスト結果の実測値
ガイドベーン入口部の風速値 ４．９ ｍ／ｓｅｃ． ．．
ガイドベーン入口部から扇風機までの距離 ０．３ ｍ．．
風車ローターの回転実測値 ５０ ｒ／ｍ．．
上記データに基づいた理論上の発生トルク計算値Ｔは、下記となる。
Ｔ ＝ １４．７Ｎ＊ ０．１５ｍ．＝ ２．２ Ｎ・ｍ．
Ｂ号機のスケール
全高 ０．９３ｍ．． 外枠縦、横幅 各４５ｃｍ．
羽根車段数： ２ 段 フレームの本数 上段 ２ 本、 下段 ２ 本
ローター直径： ４８ｃｍ．
フライホイールの質量：２．８Ｋｇｆ． 同半径は：１５ ｃｍ．
Ｂ号機のテスト結果の実測値
ガイドベーン入口部の風速値 ４．０ ｍ／ｓｅｃ． ．．
ガイドベーン入口部から扇風機までの距離 ０．３ ｍ．．
風車ローターの回転実測値 ４０ ｒ／ｍ．．
上記データに基づいた理論上の発生トルク計算値Ｔは、下記となる。
Ｔ ＝ ２７．５Ｎ＊０．１５ｍ．＝４．２ Ｎ・ｍ．
Ａ号機、Ｂ号機の外観写真に併せて、その他、試験用に作成したモデルＣ号機、Ｄ号機の外観写真を、参考資料−１３として添付する。
又、当該風車発電機に圧搾空気を送って同風車ローターの回転試験を行っているモデル試験のシーン、並びに、屋外に於いて自然風の風力の元に回転試験を行っているシーンの映像写真を、参考資料−１４として添付する。
当該風車発電機のモデル機（Ａ号機）のテストによる実測値を下記する。
Ａ号機のスケール
全高 １．０ｍ．． 外枠縦、横幅 各４５ｃｍ．
羽根車段数： ２ 段 フレームの本数 上段 ４ 本、 下段 ２ 本
ローター直径： ４２ｃｍ．
フライホイールの質量：１．５Ｋｇｆ． 同半径は：１５ ｃｍ．
Ａ号機のテスト結果の実測値
ガイドベーン入口部の風速値 ４．９ ｍ／ｓｅｃ． ．．
ガイドベーン入口部から扇風機までの距離 ０．３ ｍ．．
風車ローターの回転実測値 ５０ ｒ／ｍ．．
上記データに基づいた理論上の発生トルク計算値Ｔは、下記となる。
Ｔ ＝ １４．７Ｎ＊ ０．１５ｍ．＝ ２．２ Ｎ・ｍ．
Ｂ号機のスケール
全高 ０．９３ｍ．． 外枠縦、横幅 各４５ｃｍ．
羽根車段数： ２ 段 フレームの本数 上段 ２ 本、 下段 ２ 本
ローター直径： ４８ｃｍ．
フライホイールの質量：２．８Ｋｇｆ． 同半径は：１５ ｃｍ．
Ｂ号機のテスト結果の実測値
ガイドベーン入口部の風速値 ４．０ ｍ／ｓｅｃ． ．．
ガイドベーン入口部から扇風機までの距離 ０．３ ｍ．．
風車ローターの回転実測値 ４０ ｒ／ｍ．．
上記データに基づいた理論上の発生トルク計算値Ｔは、下記となる。
Ｔ ＝ ２７．５Ｎ＊０．１５ｍ．＝４．２ Ｎ・ｍ．
Ａ号機、Ｂ号機の外観写真に併せて、その他、試験用に作成したモデルＣ号機、Ｄ号機の外観写真を、参考資料−１３として添付する。
又、当該風車発電機に圧搾空気を送って同風車ローターの回転試験を行っているモデル試験のシーン、並びに、屋外に於いて自然風の風力の元に回転試験を行っているシーンの映像写真を、参考資料−１４として添付する。
福島原発事故により電力供給が需要に対して逼迫状態にあり、停止状態にある他の原発の再稼動の気運が出ている作今である。しかし、原発の安全性が１００％確約される技術革新が確立されるのは、恐らく今世紀中には無理と思われる。
この逼迫状態を補うものとして石油、石炭、或いは、ＬＮＧ等の火力発電の増設が行われているがＣＯ２ガスの排出による地球環境の悪化が懸念される。
斯様な現況下で、地球環境に対して全く無害で、しかも発電エネルギー源としてコストゼロの太陽光や風力を利用する自然エネルギーによる発電技術が俄かに脚光を浴びて来た作今である。
そこで発明されたのが当該風力発電機と太陽光モジュール発電を並立した大容量のハイブリッド発電所である。学説では、後、２００〜３００年で地球上の化石燃料は枯渇すると云われて居り、原子力の核燃料も無限ではない。電力エネルギー問題は、何れ人類が直面しなければならない究極の命題である。
従って、この太陽光と風力を両立した大容量のハイブリッド発電所こそが未来永劫の人類を存立させるための、又、人類を救う唯一の発電手段として提案するものである。
そして、本発明が現在の産業に寄与し利用の可能性は充分あると確信するものである。
添付、参考資料−１５は、このハイブリッド発電所の概要を描いたイラスト図である。
同図の（Ａ）は、同発電所の全体の概念図である。同図の（Ｂ）は、同発電所の平面を描いた概念図である。設置場所は風車が回転可能な一定の風力が得られる丘陵部、或いは、海岸線部が挙げられる。
添付、参考資料−１６は、ハイブリッド発電所以外に、当該風力発電機が個々に産業上利用される可能性のある箇所を描いたはめ込み写真である。 利用例として、−同図の（Ａ）： 大型タンカー、同図の（Ｂ）：大型客船、同図の（Ｃ）：高層ビル、同図の（Ｄ）：海上施設、同図の（Ｅ）：離れ小島、同図の（Ｆ）：山頂の観測所、同図の（Ｇ）：半島の岬、等々，或いは、南極の観測所にも利用可能である。
添付、参考資料−１７は、ウインドファームに設置された当該風車発電機の嵌め込み写真である。又、参考資料−１８は、港湾部に設けられた当該風車発電機によるハイブリッド発電所の嵌め込み概念図である。同図の（Ａ）は、当該風車発電機がドーム型格納容器に収納されている図であり、同図の（Ｂ）は、当該風車発電機が円筒型格納容器に収納されている図である。
この逼迫状態を補うものとして石油、石炭、或いは、ＬＮＧ等の火力発電の増設が行われているがＣＯ２ガスの排出による地球環境の悪化が懸念される。
斯様な現況下で、地球環境に対して全く無害で、しかも発電エネルギー源としてコストゼロの太陽光や風力を利用する自然エネルギーによる発電技術が俄かに脚光を浴びて来た作今である。
そこで発明されたのが当該風力発電機と太陽光モジュール発電を並立した大容量のハイブリッド発電所である。学説では、後、２００〜３００年で地球上の化石燃料は枯渇すると云われて居り、原子力の核燃料も無限ではない。電力エネルギー問題は、何れ人類が直面しなければならない究極の命題である。
従って、この太陽光と風力を両立した大容量のハイブリッド発電所こそが未来永劫の人類を存立させるための、又、人類を救う唯一の発電手段として提案するものである。
そして、本発明が現在の産業に寄与し利用の可能性は充分あると確信するものである。
添付、参考資料−１５は、このハイブリッド発電所の概要を描いたイラスト図である。
同図の（Ａ）は、同発電所の全体の概念図である。同図の（Ｂ）は、同発電所の平面を描いた概念図である。設置場所は風車が回転可能な一定の風力が得られる丘陵部、或いは、海岸線部が挙げられる。
添付、参考資料−１６は、ハイブリッド発電所以外に、当該風力発電機が個々に産業上利用される可能性のある箇所を描いたはめ込み写真である。 利用例として、−同図の（Ａ）： 大型タンカー、同図の（Ｂ）：大型客船、同図の（Ｃ）：高層ビル、同図の（Ｄ）：海上施設、同図の（Ｅ）：離れ小島、同図の（Ｆ）：山頂の観測所、同図の（Ｇ）：半島の岬、等々，或いは、南極の観測所にも利用可能である。
添付、参考資料−１７は、ウインドファームに設置された当該風車発電機の嵌め込み写真である。又、参考資料−１８は、港湾部に設けられた当該風車発電機によるハイブリッド発電所の嵌め込み概念図である。同図の（Ａ）は、当該風車発電機がドーム型格納容器に収納されている図であり、同図の（Ｂ）は、当該風車発電機が円筒型格納容器に収納されている図である。
当該風車発電機を各産業分野で利用するに当たって、安定した電気出力が要求される。その為に、近年、電機業界に於いて開発された、発電システムに於いて増速機を採用しない永久磁石同期発電機を本発明の当該風車発電機に導入するものである。因みに、同発電機の入力回転数は、毎分約１０〜４０回転である。当永久磁石同期発電機に付いて、参考までに、参考資料−１９を添付する。
【符号の説明】
【００５５】
１ フライホイール
１ａ リングギアー
２ 風車ローター
２ａ 風車ローターフレーム
３ 抗力式Ｖ字型ブレード
３ａ 締付けボルト
３ｂ コーナーブレード
３ｃ ライナープレート
３ｄ 補強ライナー
４ 固定式、或いは、可動式ガイドベーン
４ａ ガイドベーン主軸
４ｂ ガイドベーン補助軸
４ｃ ガイドリング
４ｄ クランク
４ｅ 上部ガイドレール
４ｆ ガイドベーン主軸軸受
４ｇ 補助リング
４ｈ ローラー
４ｉ クッション（スプリング）
４ｊ ローラー（キャスター）
４ｋ ダストカバー
４ｘ 上部キャスター
４ｙ 下部キャスター
５ ホローシャフト（中空軸）
６ ソリッドシャフト（固体軸）
７ ラディアルベアリング
８ ラディアルベアリング＆スラストベアリング
９ リジッドカップリング
１０ フレキシブルカップリング
１１ 空気噴射ノズル
１２ 空気配管
１３ エアー配管接続ボックス
１４ 永久磁石多極同期発電機
１５ 風車収納格納容器
１５ａ 非開閉ドーム式円筒型格納容器
１５ｂ 開閉ドーム式円筒型格納容器
１６ コントロールパネル
１７ エアーコンプレッサー
１７ａ エアータンク（空気槽）
１７ｂ エアースタータ
１８ ガイドベーン角度調整用油圧装置
１８ａ ユニバーサルジョイント
１９ 風速計（風速、降雪検知センサー付き）
２０ 太陽光パネルモジュール
２１ ガイドベーン取付け用上蓋
２２ ガイドベーン取付け用下蓋
２３ コンバーター・インバーター
２４ 大容量蓄電池
２５ 非開閉式ドーム
２６ 非開閉式ドーム固定フレーム
２７ アンテナ
ＡＯＬ 空気逃げ口
ＷＴＧ 当該風車発電機（Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）
【００５５】
１ フライホイール
１ａ リングギアー
２ 風車ローター
２ａ 風車ローターフレーム
３ 抗力式Ｖ字型ブレード
３ａ 締付けボルト
３ｂ コーナーブレード
３ｃ ライナープレート
３ｄ 補強ライナー
４ 固定式、或いは、可動式ガイドベーン
４ａ ガイドベーン主軸
４ｂ ガイドベーン補助軸
４ｃ ガイドリング
４ｄ クランク
４ｅ 上部ガイドレール
４ｆ ガイドベーン主軸軸受
４ｇ 補助リング
４ｈ ローラー
４ｉ クッション（スプリング）
４ｊ ローラー（キャスター）
４ｋ ダストカバー
４ｘ 上部キャスター
４ｙ 下部キャスター
５ ホローシャフト（中空軸）
６ ソリッドシャフト（固体軸）
７ ラディアルベアリング
８ ラディアルベアリング＆スラストベアリング
９ リジッドカップリング
１０ フレキシブルカップリング
１１ 空気噴射ノズル
１２ 空気配管
１３ エアー配管接続ボックス
１４ 永久磁石多極同期発電機
１５ 風車収納格納容器
１５ａ 非開閉ドーム式円筒型格納容器
１５ｂ 開閉ドーム式円筒型格納容器
１６ コントロールパネル
１７ エアーコンプレッサー
１７ａ エアータンク（空気槽）
１７ｂ エアースタータ
１８ ガイドベーン角度調整用油圧装置
１８ａ ユニバーサルジョイント
１９ 風速計（風速、降雪検知センサー付き）
２０ 太陽光パネルモジュール
２１ ガイドベーン取付け用上蓋
２２ ガイドベーン取付け用下蓋
２３ コンバーター・インバーター
２４ 大容量蓄電池
２５ 非開閉式ドーム
２６ 非開閉式ドーム固定フレーム
２７ アンテナ
ＡＯＬ 空気逃げ口
ＷＴＧ 当該風車発電機（Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）
Claims (3)
- 垂直軸風車の主軸の下部にフライホイールを一体化させた構造に於いて同風車の始動加速手段としてエアーコンプレッサー（１７）による圧搾空気を利用し同圧搾空気は同風車ローターの回転主軸にホローシャフト（中空軸）を採用して同シャフトの中空部を通過させて同フライホイールの中心部を貫通した配管に圧送する機構を持たせた垂直軸風車発電機。
- 当該フライホイールを強制回転させる為に同フライホイールの中心部を貫通させた空気配管を同フライホイールの底面の外周部に導き、同外周部に設けられた空気噴射ノズル（１１）に接続させた機構を持った請求項１の垂直軸風車発電機。
- 垂直軸風車に於いてソリッドシャフト（固体軸）を備えた同風車の主軸の下部にフライホイールを一体化した構造に於いて同風車ローターの始動加速手段として同フライホイールの外周部にリングギヤー（１ａ）を設けて同外周部に沿ってエアースターター装置（１７ｂ）を備えた垂直軸風車発電機。
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| JP2012259087A JP5413757B1 (ja) | 2012-11-09 | 2012-11-09 | フライホイールを装備した垂直軸風車発電機の始動加速手段 |
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2012
- 2012-11-09 JP JP2012259087A patent/JP5413757B1/ja not_active Expired - Fee Related
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| CN107923367B (zh) * | 2015-05-30 | 2019-10-01 | 阿列克谢·斯拉沃夫·久尔格斯基 | 具有垂直旋转轴的风能旋转转换器 |
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| CN112096569A (zh) * | 2020-09-29 | 2020-12-18 | 陕西理工大学 | 一种风能发电装置 |
| CN112096569B (zh) * | 2020-09-29 | 2023-01-31 | 陕西理工大学 | 一种风能发电装置 |
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| WO2022254763A1 (ja) * | 2021-06-02 | 2022-12-08 | 伸幸 谷口 | タービン装置及び発電装置 |
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