JP6034249B2

JP6034249B2 - 垂直軸型風車の集風装置

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Publication number: JP6034249B2
Application number: JP2013125736A
Authority: JP
Inventors: 博之佐伯
Original assignee: 株式会社ピーエス三菱
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2016-11-30
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Description

本発明は、垂直軸型風車の集風装置に関するものであり、更に詳細には、風車の周囲に集風板を設け、風車に導入される風量を増加させ風速を増大させることにより、風速が低い環境であっても当該垂直軸型風車を効率良く回転させると共に、風車の周囲の風速が高い場合には集風板を収納し、風車の回転による総合的な発電効率を高めるものである。

風力発電は、石油のような化石燃料に依存せず、ＣＯ_２を排出しないなどの点から環境負荷の低減が図れるものであり、原子力発電とは異なり潜在的な危険性が少ない。更に、風力は一地域に偏在するものでもないため、基本的にどこにでも風力発電装置の設置が可能であり、エネルギー自給率の向上が図れ、再生も可能である事から、火力や原子力などの代替エネルギーの一つとして、近年注目されている。

また、風力発電装置は、原子力発電所や火力発電所のような大規模集中型の発電所のように大きな設備を必要としない小規模分散型の発電システムである。そのため、基本的に風力発電装置は装置単体で機能するものであるから、電力の供給が必要な箇所にピンポイントで設置することができ、災害の発生などに伴い電力会社からの給電網による電力の供給が途絶えた場合であっても、風力発電設備に損傷がなければ独自に電力の供給が可能である。特に、近年注目を集めている小型風力発電装置の場合には、従来、郊外の広い敷地に設置されていた比較的大型の風力発電装置とは異なり、市街地に多数分散して設置することが期待されている。

しかし、市街地の環境では一般的に平均風速が弱いため、特に発電開始風速（カットイン風速）が高く設定されている小型風力発電装置の場合には、風車を定格風速の領域で安定して動作させ、安定的な電力の供給を行うことは困難であった。

こうした課題を解決するために、特許文献１では、集風装置を用いて風車周辺の風を集束し、風車に流入する風を増速させる発明が開示されている。

特開昭５７−１３２７８号公報

しかし、特許文献１に記載された発明では、集風装置により集められた風が集束される過程で、集束された風が風車の回転軸（主軸）に沿った方向に拡散し、集束された風の有効利用が必ずしも図れていなかった。

また、特許文献１に記載された発明では、風車の主軸に垂直な方向に放射状に集風板を設けている。しかし、風向きに依存しない構造とするために、風車の風上側となった集風板と風車の風下側となった集風板との形態を変化させるようなものではなく、風車の風下側の空気の流れを考慮して、風車の効率を向上させるものではなかった。

更に、風車に設けられる集風板は低速の風では風速を増加させる効果があるが、風車周辺の環境の風速が高い場合には、風車に必要な風が十分に供給されるために集風板を用いる必要はなく、むしろ集風板の効果により風車が高速で過回転し、風車や風車に接続された発電機に過負荷が生じて、これらを損傷させる可能性があった。

こうした場合、一般的には、風車に流入する風速が発電停止風速（カットアウト風速）を超えると、風車の保護のために一時的に風車の回転を停止するが、その場合には、集風板がなければ、むしろ風車の運用を継続できるため、集風板の存在が風力発電装置の効率的な運用を妨げる結果となっていた。

したがって、従来の風車の集風装置には、低風速の風況にあっても効率の良い集風装置を得ること、風車を通過した風を円滑に風車から離脱させて風車に流入する風の抵抗にならないようにすること、強風時にも集風板を備えた風車を効率良く運用して、風力発電装置の効率的な運用を可能とすること、といった解決すべき課題が存在した。

そこで、上記課題を解決するために本発明は、垂直軸型風車の集風装置であって、中心に垂直軸型風車が配設され、該垂直軸型風車の上側に上側集風板、下側に下側集風板、外周に外周側集風板を設けており、該外周側集風板は、該上側集風板と該下側集風板との間に設けられ、該垂直軸型風車の主軸と平行な面を有し、該垂直軸型風車の主軸から間隔を開けた位置から等間隔に放射状の方向に複数の板面が展開されており、該上側集風板は、該垂直軸型風車の主軸を含む風車のブレードの回転面に対応する部分の直上の領域では該垂直軸型風車の主軸と垂直な面を有し、該直上の領域の外縁から該外周側集風板の該風車の主軸から遠方の側にかけては、該外周側集風板の上方を覆うように、上方へ傾斜を設けた逆円錐台状に形成され、該下側集風板は、該垂直軸型風車の主軸を含む風車のブレードの回転面に対応する部分の直下の領域では該垂直軸型風車の主軸と垂直な面を有し、該直下の領域の外縁から該外周側集風板の該風車の主軸から遠方の側にかけては、該外周側集風板の下方を覆うように、下方へ傾斜を設けた円錐台状に形成され、該外周側集風板は該垂直軸型風車に至る風速に応じて面積を可変とし、前記外周側集風板は、前記上側集風板と前記下側集風板との間に立設され前記垂直軸型風車の前記回転軸から間隔を開けた位置に前記垂直軸型風車の主軸と平行に設けられた起点軸と、該起点軸から放射状の方向に離隔して前記垂直軸型風車の主軸と平行に設けられた端部を構成する終点軸との間に展開された帆布からなり、該外側集風板により集束された風により該垂直軸型風車に至る風速がカットアウト風速を超過した場合には該帆布を該終点軸の周りに巻き取って収納する事が可能なことを特徴とする垂直軸型風車の集風装置を提供する。

また上記課題の解決は、前記外周側集風板のうち、前記垂直軸型風車の風下側に該当する集風板については、適宜該風下側に該当する該集風板の面積を減少させる事が可能とする事、また、前記上側集風板と前記下側集風板の板面は、それぞれの集風板の外縁を始点として、前記垂直軸型風車の主軸と垂直に設けられた該垂直軸型風車の直上及び直下に設けられた当該上側集風板及び当該下側集風板をそれぞれ構成する平面の外縁、にかけてそれぞれ曲面により構成することによっても、更に効果的に達成される。

本発明は、上記のような構成を採ることにより、風車周辺の環境において風速が低い場合であっても、集風板により風を集めて風車に流入する風の風速を増大させ、風車を効率的に回転させることができる。その結果、本発明では風車に接続した発電機を効率良く運転する事が可能となり、発電量を増加させることが可能である。

また、本発明では、風車周辺の環境において風速が増大し、集風板により風車に集束される風の風速が風車の定格風速を超過する場合には外周側集風板の面積を減少させることが可能である。そのため、集風板により集束された風の風速が風車の定格風速を超過した場合であっても、外周側集風板の面積を減少させて、集風板の効果を消失させることで、強風の場合であっても、より長く風車を運用することが可能である。さらにまた、本発明の外周側集風板を上下に分割し、その間に間隙を設ける構成を採用した場合には、風車への過度な集風をさらに円滑に拡散する事が容易となる。したがって、本発明によれば、風況に応じた風車のより効率的な運用が可能となり、強風による風車や風車に接続された発電機の破損を防ぐことが可能である。

更に、風車を通過した風は、風車の風下の領域において乱流を形成するが、かかる乱流は風車の風下の領域において複雑な挙動を示し、風車に流入する風に対する抵抗を生じていた。そのため本発明では、風車の風下の領域に風車を通過した風が滞留することを防ぎ、風車に流入した風が円滑に通流していくように風車下流にある外周側集風板の面積を適宜変動させることにより、風車を通過した風を円滑に風車から離脱させることを可能とした。加えて、本発明の外周側集風板を上下に分割し、その間に間隙を設ける構成を採用した場合にも、同様に風車を通過した風を円滑に風車から離脱させることを可能である。

本発明の集風装置の実施形態の概要を示す斜視図である。本発明の集風装置と風車の配置を示す説明図である。本発明の集風装置の実施形態の一部断面を含む正面図である。このうち（Ａ）は外周側集風板Ｏを外周方向から図示したものである。(Ｂ)は、（Ａ）に示した集風板を構成する帆布２５０を終点軸Ｅに巻き取った場合を示したものである。本発明の集風装置の制御の流れを示すブロック図である。本発明の上側集風板及び下側集風板の板面が曲面で構成された例を示す正面図である。複数のパネルにより構成される外周側集風板のうちの一つについて、その概略を図示した説明図である。このうち（Ａ）は該パネルにより構成される集風板において、パネルを展開した状態を示した一部正面図である。（Ｂ）は当該パネルが展開された状態におけるパネル同士の重なり状態を上面から見た説明図である。（Ｃ）は該パネルにより構成される集風板において、パネルを収納した状態を示した一部正面図である。（Ｄ）は当該パネルが収納された状態におけるパネル同士の重なり状態を上面から見た説明図である。帆布２５０の展開と収納を上下方向におこなって、外周側集風板の面積を変動させる場合の、当該集風板の一つの構成について、その概略を示した一部正面図である。本発明の集風装置のうち、外周側集風板の一部に空隙を設けた場合の実施形態を示す正面図である。本発明の上側集風板の長さが風車に与える影響を測定した計測値である。このうち（Ａ）は、計測結果であり、（Ｂ）は、当該計測結果に基づくグラフである。本発明の集風装置のうち、外周側集風板の一部に空隙を設けた場合の別の実施形態を示す正面図である。

図１は本発明の集風装置の実施形態の概要を示す斜視図である。また、図２は、本発明の集風装置と風車の配置を示す説明図である。但し、説明のため、図１では上側集風板と外周側集風板との一部は除いて記載しており、図２では、上側集風板を除いて記載している。なお、以下の説明において共通した構成要素については特掲しない限り共通して用いる。

図１と図２の中央部に配設されているのは、風車の主軸が水平面に対して垂直に設置される垂直軸型風車Ｗであり、図１と図２とでは、ジャイロミル型風車が例示されているが、風車の形式は垂直軸型風車であれば、ダリウス型、サボニウス型、又はクロスフロー型等、任意の形式の選択が可能である。

なお、一般的に風車には、主軸が地面に対して水平の水平軸型風車と、主軸が地面に対して垂直の垂直軸型風車があるが、水平軸型風車では主軸を風向に合わせる機構が必要となる。しかし、垂直軸型風車の場合は風向きに依存しないため、そのような機構が必要とされないという利点があり、本願発明ではこうした点から垂直軸型風車を用いている。

上記垂直軸型風車Ｗの下部には図示しないが増速機及び発電機が接続されており、風車の回転により該増速機を介して該発電機を駆動して、発電を行う構成となっている。なお、風車から発電機への接続は、増速機を介さずに直接発電機を駆動するダイレクトドライブ方式であっても良い。

前記垂直軸型風車Ｗの周囲には、該垂直軸型風車Ｗの上下に上側集風板Ｕと下側集風板Ｄとが設けられ、該垂直軸型風車Ｗの外周には図中１〜８の集風板により構成される外周側集風板Ｏが設けられている。

このうち、上側集風板Ｕと下側集風板Ｄとは垂直軸型風車Ｗの上下方向を通流する風を風車に導くものであり、上述のように、垂直軸型風車Ｗの上下側に設けられている。

上側集風板Ｕは、垂直軸型風車Ｗの上面側に配設され、上側集風板Ｕの外縁から垂直軸型風車Ｗに向かって下側に傾斜した集風路を形成しており、その集風路を形成する板面は、垂直軸型風車Ｗの直上部分を底面とした逆円錐台形状の面状に形成されている。そして、該上側集風板Ｕのうち、外周側集風板Ｏの直上に相当する部分にはスリットＵｓが設けられており、後述するように該外周側集風板Ｏに設けられた起点軸Ｓの動作を支障なく行えるようになっている。

また、下側集風板Ｄは、垂直軸型風車Ｗの下面側に上記上側集風板Ｕとは垂直軸型風車Ｗを挟んで対称に配設され、下側集風板Ｄの外縁から垂直軸型風車Ｗに向かって上側に傾斜した集風路を形成している。また、その集風路を形成する板面は、垂直軸型風車Ｗの直下部分を底面とした円錐台形状の面状に形成されている。そして、該下側集風板Ｄのうち、外周側集風板Ｏの直下に相当する部分にはスリットＤｓが設けられており、前記上側集風板Ｕに設けられたスリットＵｓと同様に外周側集風板Ｏに設けられた起点軸Ｓの動作を支障なく行えるようになっている。

図１に示した上側集風板Ｕと下側集風板Ｄの板面は、共に、後述する図３にも示すように、それぞれの集風板の外縁から垂直軸型風車Ｗのある中心方向に対し水平面に対して３０度の傾斜が設けてある。このように上側集風板Ｕと下側集風板Ｄの集風路である板面の傾斜を３０度としたのは、実験的に、３０度よりも小さい角度とした場合には、集風板の集風効果が低下する一方、３０度よりも大きい角度とした場合には、通流する風に対して集風板が抵抗となり、エネルギーとして失われる割合が大きくなるためである。

また、外周側集風板Ｏは、上側集風板Ｕと下側集風板Ｄとの間に設けられ、垂直軸型風車Ｗの主軸Ａに平行で且つ該垂直軸型風車Ｗの主軸Ａを中心として、該垂直軸型風車Ｗの主軸Ａに取付けられたブレードＢの回転半径から適当な距離をおいて、等間隔に放射状に複数設けられた集風板であり、図１と図２では１から８までの８枚の集風板により構成されている。

外周側集風板Ｏを構成する上記１から８までの個々の集風板のうち主軸に近い側の一方の端には、上述したように、風車の主軸Ａに設けられたブレードＢの回転半径から適当な距離を置いた位置に該主軸Ａと平行に起点軸Ｓが設けられ、当該主軸Ａから更に遠い側の他方の端には風車の主軸Ａと平行に終点軸Ｅが設けられている。

図３（Ａ）は、こうした外周側集風板Ｏを外周方向から図示したものである。図中の２２０は上側集風板Ｕに設けられたスリット部分Ｕｓの断面、２３０は下側集風板Ｄに設けられたスリット部分Ｄｓの断面を表し、上述したように、図中のＳは外周側集風板Ｏのうち主軸Ａ寄りの端部に設けられた起点軸Ｓを表し、図中のＥは同じく外周側集風板Ｏの他端部に設けられた終点軸Ｅを表している。

そして、該起点軸Ｓと該終点軸Ｅとの間には帆布２５０が展開されており、該帆布２５０の上側集風板Ｕと下側集風板Ｄとに挟まれた部分は、外周側集風板Ｏとして機能する。そして、該帆布２５０は本集風装置周囲の風況に応じて、外周側集風板Ｏの終点軸Ｅに巻き取られることにより、集風板として機能する面積を変動させて、本集風装置を効率的に運用することが可能である。

また、外周側集風板Ｏの該起点軸Ｓの上端部は、上側集風板Ｕの板面に設けられたスリットＵｓを抜けて該上側集風板Ｕの上又は内部に設けられた上側ガイドレール２６０に摺動可能に取付けられ、該起点軸Ｓの下端部は、下側集風板Ｄの板面に設けられたスリットＤｓを抜けて該下側集風板の下又は内部に設けられた下側ガイドレール２７０に摺動可能に取付けられている。

更に、該終点軸Ｅの上端部は、上側集風板Ｕの板面に設けられたスリットＵｓを通過して該上側集風板の上又は内部に設けられた上側ガイドレール２６０にベアリングを介して回動可能に接続され、該起点軸Ｅの下端部の末端近くは前記下側ガイドレールに２７０にベアリングを介して支持され、該下端部は帆布の巻取り等を行う集風板駆動モータＭに接続されている。

そのため、外周側集風板Ｏを構成する起点軸Ｓと終点軸Ｅとの間に展開されている帆布２５０の面積を減少させる場合には、終点軸Ｅの下部に設けられている該集風板駆動モータＭにより、該終点軸Ｅを回転させて、該終点軸Ｅの周囲に帆布２５０を巻き取り、併せて、該起点軸Ｓの上端部と下端部とを上記ガイドレール２６０及び２７０上を摺動させて、該起点軸Ｓを主軸Ａとの平行を維持したまま該終点軸Ｅ方向に移動させ、該起点軸Ｓと該終点軸Ｅとの距離を変動させる事によって、その間に展開された帆布２５０の面積を減少させる。

図３（Ｂ）は、このように図３（Ａ）に示した外周側集風板Ｏを構成する帆布２５０を終点軸Ｅに巻き取った場合を示したものである。このように起点軸Ｓと終点軸Ｅとの間に展開されていた該帆布２５０が該終点軸Ｅに巻き取られると、該起点軸Ｓは該帆布２５０の巻き取りに伴い該終点軸Ｅの近傍へ平行移動し、垂直軸型風車Ｗの周囲が開放されて、該帆布２５０により生じていた集風板の効果は喪失する。

また、こうして減少した外周側集風板Ｏの面積を増加させる場合には、上記の場合とは逆に、終点軸Ｅの下端部に設けられた上記集風板駆動モータＭを逆方向に回転させて、該終点軸Ｅに巻きつけられた帆布２５０を送り出すと共に、起点軸Ｅの上端部と下端部とを上記ガイドレール２６０及び２７０上を摺動させて該起点軸Ｓを主軸Ａとの平行を維持したまま、風車の主軸Ａ方向に移動させ、該起点軸Ｓと該終点軸Ｅとの距離を変動させる事によって、その間に展開された外周側集風板Ｏを構成する該帆布２５０の面積を増大させる。

そして、上述のように構成される本発明の垂直軸型風車の集風装置は次のように制御される。

図４は、本発明の垂直軸型風車の集風装置の制御の流れを示すブロック図である。本発明の垂直軸型風車の集風装置には、集風板制御装置Ｃｓが備えられており、当該集風板制御装置Ｃｓには、本集風装置の近傍に配置された（図示しない）風向計Ｆｋ及び風速計Ｆｓから風向と風速を示す信号が入力され、更に本発明の集風装置が設けられた垂直軸型風車Ｗに設置された（図示しない）風車の回転計Ｒｏと発電機の電力計Ｐｗとから、当該垂直軸型風車Ｗを構成する風車の回転数と発電機の発電量を示す信号が入力される。そして、当該集風板制御装置Ｃｓには、更に外周側集風板Ｏを構成する１〜８の各集風板に設けられた集風板駆動モータＭが接続され、当該集風板駆動モータＭは当該集風板制御装置Ｃｓにより制御され、個々の外周側集風板１〜８の面積の増減を行う。

本発明の集風装置は初期状態では、外周側集風板Ｏを構成する各集風板１〜８の帆布２５０は全て展開された状態になっている。集風板制御装置Ｃｓには、風速計Ｆｓで計測された風速と、風向計Ｆｋで計測された風向と、風車の回転数と発電量を示す信号が入力され、これに基づいて、当該集風板制御装置Ｃｓでは、集風装置近傍の風況と風車に通流されている実際の風速とを判定する。なお、この際行われる判定は、各計測器から入力される情報を単独で利用しても良いし、組み合わせて利用しても良い。

そして、風車に通流されている実際の風速が、本集風装置が設けられた垂直軸型風車Ｗのカットオフ風速に至ったと当該集風板制御装置Ｃｓが判定した場合には、集風板駆動モータＭを駆動して外周側集風板Ｏとして構成されている帆布２５０を巻取り、集風板による集風効果を喪失させる制御を行う。

また、その後、集風装置近傍の風況から風車に通流されている実際の風速が、集風装置が設けられた垂直軸型風車Ｗのカットオフ風速より低下したと当該集風板制御装置Ｃｓが判定した場合には、集風板駆動モータＭを逆転する等して駆動し、外周側集風板として構成されている帆布２５０を展開して、外周側集風板Ｏによる集風効果を復活させる制御を行う。

また、同時に本集風装置の集風板制御装置Ｃｓでは、本集風板制御装置Ｃｓに接続された風向計Ｆｋからの入力に基づいて、本集風装置に設けられた垂直軸型風車Ｗの風下に当たる外周側集風板を判定し、該外周側集風板に設けられた集風板駆動モータＭを駆動して、当該風下に該当する外周側集風板を構成する帆布２５０を巻取り、該外周側集風板による集風効果を喪失させる制御を行う。そして、当該制御は、風向の変動に併せて、適宜行われ、風向の変動に応じて、風下側に当たる外周側集風板を構成する帆布２５０を巻取り、風下側であった外周側集風板が風上側になった場合には、既に巻き取られた外周側集風板を構成する帆布２５０を再度展開する制御を行う。

以上のように、本発明では、垂直軸型風車の集風装置を設け、これを制御することで、風車周辺の環境において風速が低い場合であっても、集風装置を構成する集風板により風を集めて風車に流入する風の風速を増大させ、風車を効率的に回転させることができる。

また、風車周辺の環境において風速が増大し、当該集風板により風車に集束される風の風速が風車の定格速度を超過する場合には外周側集風板の面積を減少させ、風車本体に過大な負荷がかかることを防止すると共に風車を効率的に運用することが可能である。

更に、風車の風下の領域に風車を通過した風が滞留することを防ぎ、風車に流入した風が円滑に通流していくように風車下流にある通風板の面積を適宜変動させることにより、風車を通過した風が円滑に通流することを可能とした。

以上の説明は本発明の一実施形態を示したものであり、本発明を限定することを意図したものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形をしたものも本発明に包含される。

例えば、上側集風板Ｕと下側集風板Ｄとのそれぞれの集風板の板面は図１に示す実施形態では平面により形成されているが、当該板面は風の流入を円滑にし、当該板面上で乱流が生ずることを防止すると同時に集束された風をより円滑に増速するために、曲面により構成する事が可能であり、より望ましい。

即ち、当該上側集風板Ｕと当該下側集風板Ｄとのそれぞれの外縁（Ｕe、Ｄe）を始点として、垂直軸型風車Ｗの主軸と垂直に設けられた該垂直軸型風車の直上又は直下に設けられた当該上側集風板又は当該下側集風板を構成する平面の外縁（Ｕｆｅ、Ｄｆｅ）へかけて、曲面により構成する事も可能である。

図５は、このようにして上側集風板Ｕと下側集風板Ｄの板面を曲面により構成した本発明のうち、当該上側集風板及び下側集風板部分のみを強調して表した正面図である。

このように、上側集風板Ｕについては、当該上側集風板Ｕの外縁Ｕeを始点として、当該上側集風板Ｕのうち垂直軸型風車Ｗの主軸と垂直に設けられた該垂直軸型風車Ｗの直上に設けられた平面の外縁Ｕｆｅ終点として、ＵeとＵｆｅとを結ぶ線分（図中では点線で表す）を翼弦として、上側集風板Ｕの板面を翼型とした曲面Ｕhを構成している。また、下側集風板Ｄについても、同様に、当該下側集風板Ｄの外縁Ｄeを始点として、当該下側集風板Ｄのうち垂直軸型風車Ｗの主軸と垂直に設けられた該垂直軸型風車Ｗの直下に設けられた平面の外縁Ｄｆｅ終点として、ＤeとＤｆｅとを結ぶ線分（図中では点線で表す）を翼弦として、下側集風板Ｄの板面を翼型とした曲面Ｄhを構成している。

ここで、上記翼弦はそれぞれ水平から３０度の傾斜を設けてあり、翼型は上下の集風板で同じものを用いても異なるものを用いても良い。また翼型はＮＡＣＡ４４１２又は、ＮＡＣＡ００１２の翼型上面を用いることが望ましい。なお、ここでＮＡＣＡ翼型とは、アメリカ航空宇宙局（ＮＡＳＡ）の前身である国家航空宇宙諮問委員会（ＮＡＣＡ）が定義した翼型をいう。

なお、表１は本発明の実施形態のうち、下側集風板Ｄの傾斜を水平乃至極めて小さくした場合の上側集風板Ｕの傾斜の効果を実測したものである。ここでは、垂直軸型風車Ｗのみの場合に比べて、上側集風板Ｕの傾斜を水平面に対して、それぞれ、４５度、３０度、とした場合と、当該上側集風板Ｕの板面を翼型とし、当該上側集風板Ｕの外縁Ｕeを前縁とし垂直軸型風車Ｗの主軸Ａ側を後縁とした翼型形状の翼弦を水平面に対して３０度とした場合の、回転増加率と出力増加率を示した。ここで、回転増加率とは、上側集風板Ｕを設けない場合の垂直軸型風車Ｗの回転数を１とした場合の当該垂直軸型風車Ｗの回転数の増加率をいい、出力増加率とは当該上側集風板Ｕを設けない場合の垂直軸型風車Ｗによる出力と比較した増加率をいう。本表１から明らかなように、上側集風板Ｕの傾斜は４５度よりも３０度の方が回転増加率と出力増加率は向上し、更に傾斜が３０度の場合であれば、上側集風板Ｕの板面が翼型の方が、回転増加率と出力増加率とが向上している。

また、本実施形態では、外周側集風板Ｏを起点軸Ｓと終点軸Ｅとの間に展開した帆布２５０により構成しているが、帆布の材質は、布の他にアラミド繊維のような各種合成繊維でもよく、また、帆布の代わりに複数のパネルにより構成する事も可能である。

例えば、図６は複数のパネルにより構成される外周側集風板Ｏのうちの一つの集風板についてその概略を図示した説明図である。ここで同図（Ａ）は該パネルにより構成される外周側集風板Ｏの一つにおいて、パネルを展開した状態を示した一部正面図。同図（Ｂ）は当該パネルが展開された状態におけるパネル同士の重なり状態を上面から見た説明図。同図（Ｃ）は該パネルにより構成される集風板において、パネルを収納した状態を示した一部正面図。同図（Ｄ）は当該パネルが収納された状態におけるパネル同士の重なり状態を上面から見た説明図である。

図６に示した外周側集風板Ｏでは、該外周側集風板Ｏを構成する個々の集風板はそれぞれ複数のパネルによって構成され、本実施例の場合は、Ｐ１〜Ｐ５までのパネルにより構成されている。各パネルの上部は、上側ガイドレール５１０に摺動可能に取付けられ、各パネルの下部は、下側ガイドレール５２０に同様に摺動可能に取付けられている。そして、下側ガイドレール５２０に摺動可能に設けられた各パネルには、更に下側ガイドレール５２０に設けられたパネル駆動機構５５０が接続されている。

本パネルにより構成される集風板の面積を変動させる場合には、集風板制御装置Ｃｓの指示によって、リニアモータ等を用いたパネル駆動機構５５０により、上記Ｐ１からＰ５の複数のパネルの全部又は一部を上下のガイドレール５１０と５２０との間を主軸Ａに平行にスライドさせて、パネル相互の重なり合う面積を変動させる事によって行う。

そして、例えば図６（Ａ）で示した場合のように、パネル相互の重なり合いが図６（Ｂ）のように最小の場合には、本実施例における集風板の面積は最大になり、集風板の集風効果を増大させる。また、図６（Ｃ）で示した場合のように、パネル相互の重なり合いが図６（Ｄ）のように最小の場合には、本実施例における集風板の面積は最小となり、集風効果を実質的に消失させる。

また、本実施形態では外周側集風板Ｏの起点軸Ｓと終点軸Ｅとを、垂直軸型風車Ｗの主軸Ａと平行に、主軸Ａの近くとその遠方に立設している。しかし、図７に示すように、当該起点軸Ｓと当該終点軸Ｅとを当該垂直軸型風車Ｗの主軸Ａと垂直に設け、上側集風板Ｕの上部乃至内部に起点軸Ｓ乃至終点軸Ｅを設け、下側集風板Ｄの下部乃至内部に終点軸Ｅ乃至起点軸Ｓを設ける構成とする事も可能である。その場合には、外周側集風板Ｏを構成する各集風板の面積の変動は、上述した実施形態で起点軸Ｓ及び終点軸Ｅを設けた位置に相当する位置にガイドレールを設けて、上側集風板Ｕと下側集風板Ｄとの間に展開された外周側集風板を構成する帆布の面積を上下方向に調節して行うこととなる。

図７はこのように帆布２５０の展開と巻取りを上下方向に行って、外周側集風板Ｏの面積を変動させる場合の、当該集風板の一つの構成について、その概略を示した一部正面図である。

図７では、起点軸Ｓは垂直軸型風車Ｗの主軸Ａと垂直に設けられ、上側集風板Ｕ側に配設され、終点軸Ｅは同様に該垂直軸型風車Ｗの主軸Ａと垂直に設けられ、下側集風板Ｄ側に配設されている。更に該起点軸Ｓの一方の端は、該垂直軸型風車Ｗの主軸Ａと平行であり該主軸Ａ寄りに配設された主軸側ガイドレール６６０に上下に摺動可能に接続され、該起点軸Ｓの他端は、該垂直軸型風車Ｗの主軸Ａと平行であり該主軸から更に外縁側に配設された外縁側ガイドレール６７０に上下に摺動可能に接続されている。また、該終点軸Ｅの一方の端部側は、該主軸側ガイドレール６６０にベアリングを介して回動可能に接続され、その端部には駆動モータＭが設けられており、該終点軸Ｅの他端はベアリングを介して、外縁側ガイドレール６７０に回動可能に設けられている。

そして、図７では既に、帆布２５０が半分ほど巻き取られた状態が示されており、起点軸Ｓは終点軸ＥをモータＭで回転することにより帆布２５０が該終点軸Ｅに巻き取られている結果、上側集風板Ｕよりも更に下方に降下して、外周側集風板Ｏの面積を減少させている。なお、ここでは帆布２５０の巻取りを行う終点軸Ｅを下側集風板Ｄ側に設けているが、これを上側集風板Ｕ側に設け、帆布２５０の巻取りを上側に行っても良い。更に、帆布２５０を上側若しくは下側に巻き取ることとした場合には、突発的な強風や故障に備えて、上側集風板Ｕ側に配設される起点軸Ｓ又は終点軸Ｅ自体を、帆布２５０の巻取り状態に関わらず速やかに下側集風板Ｄ側に降下させる機構を設ける事も可能である。

また、上記実施形態では、外周側集風板Ｏを１〜８までの８枚の集風板により構成し、それぞれの集風板は隣り合う集風板とは主軸からみて相互に４５度の角度をなしていた。しかし、該集風板は８枚に限られず、最低２枚から２の倍数の枚数を設ける事も可能である。さらに、隣り合う集風板との角度を主軸からみて相互に３０度として、１２枚設ける事も可能であり、これに限らず最低３枚から３の倍数の枚数を設ける事も可能である。

図８は本発明の垂直軸型風車の集風装置の別の実施形態を示す概略正面図である。なお、本実施形態における垂直軸型風車の集風装置の構成は、上述した実施形態の垂直軸型風車の集風装置と略同様であるため、相違点を中心に以下の説明を行い、上記同様の構成は符号を付す等により説明を省略する。

本実施形態では、外周側集風板Ｏを上部外周側集風板Ｏuと下部外周側集風板Ｏdとの上下２つに分割し、これら上下に分割した外周側集風板Ｏの上部外周側集風板Ｏuと下部外周側集風板Ｏdとの間に間隙Ｇを設けている。

具体的には、上下に分割された外周側集風板Ｏのうちの、上記上部外周側集風板Ｏuの下縁Ｏulは、本集風装置の垂直軸型風車Ｗの主軸Ａを中心として、該垂直軸型風車Ｗの主軸Ａに取付けられたブレードＢの回転半径から適当な距離をおいて、上側集風板Ｕと下側集風板Ｄとを繋ぐように垂直に設けられた内側支持柱Ｊiから、本集風装置の外周において上側集風板Ｕと下側集風板Ｄとを繋ぐように垂直に設けられた外側支持柱Ｊoにかけて、上記上側集風板Ｕの傾斜と平行に構成され、上記下部外周側集風板Ｏdの上縁Ｏdｌも、同様に上記内側支持柱Ｊiから本集風装置の外周に設けられた外側支持柱Ｊoにかけて下側集風板Ｄに設けられた傾斜と平行に構成されている。

このように構成された本実施形態の集風装置では、本集風装置の外部から来た風は、本集風装置に至ると、本集風装置の外周側集風板Ｏに設けられた間隙Ｇを介した上側では、上側集風板Ｕと上部外周側集風板Ｏuとにより、本集風装置の本体中央にある垂直軸型風車Ｗに導かれ、本集風装置の外周側集風板Ｏに設けられた間隙Ｇを介した下側では、下側集風板Ｄと下部外周側集風板Ｏdとにより、本体中央にある垂直軸型風車Ｗに導かれる。

そして、上記本集風装置の外周側集風板Ｏに設けられた間隙Ｇは、集束した風が本集風装置中央部の垂直軸型風車Ｗを通過した後には、当該集束した風を速やかに本集風装置外部に導出し、集束された風の停滞を防ぐ事によって、垂直軸型風車Ｗの効率的な回転が図られるように機能している。

この結果、本集風装置の本実施形態でも、そのままでは垂直軸型風車Ｗの回転に寄与しない風を当該風車Ｗ方向に集めると同時に、当該風車Ｗを回転させた後は、集めた風を速やかに下流へ通流することが可能である。そのため、当該風車Ｗ付近の風況が悪く風速が低い場合であっても、当該風車Ｗに至る風を集束して、効果的に風力発電装置を運用する事が可能である。

なお、本実施形態において、上記上部外周側集風板Ｏuの垂直方向の幅Ｈuは、上記上側集風板Ｕと上記上部外周側集風板Ｏuの下縁Ｏulとに形成される間隔の大きさとなり、上記下部外周側集風板Ｏdの垂直方向の幅Ｈdは、上記下側集風板Ｄと上記下部外周側集風板Ｏdの上縁Ｏdlとに形成される間隔の大きさとなる。そして、ＨuとＨdの大きさは、本発明の垂直軸型風車の集風装置に用いられる構造材のフレーム（図示しない）程度の小さな幅から、本発明の装置を構成する垂直軸型風車ＷのブレードＢの垂直方向の長さに対応する程度の大きな幅まで選択可能である。

また、上記実施形態では、上記上部外周側集風板Ｏuの垂直方向の幅Ｈuと、上記下部外周側集風板Ｏdの垂直方向の幅Ｈdとは、それぞれ、上側集風板Ｕ又は下側集風板Ｄと平行に一定のものとして形成されていたが、必ずしもそうでなくとも良く、例えば、内側支持柱Ｊiから外側支持柱Ｊoまで、水平に構成しても良い。

さらに、上記実施形態の内側支持柱Ｊiと外側支持柱Ｊoとは、上記上部外周側集風板Ｏuと上記下部外周側集風板Ｏdの面積を変更させるための起点軸Ｓ又は終点軸Ｅとして構成する事も可能である。

また、下記表２は、上記のように、上部外周側集風板Ｏuの幅Ｈｕと下部外周側集風板Ｏｄの幅Ｈdとを、共に本発明に用いられる構造体のフレーム程度の大きさに設定した場合に、当該外周側集風板Ｏの起点から外縁までの長さが、本発明の集風装置の回転増加率と出力増加率に与える影響を計測したものである。本表２中、φは本発明の垂直軸型風車ＷにおいてブレードＢを回転させた場合の直径を示している。この結果から、当該外周側集風板Ｏの起点から外縁までの長さが、５φ〜３φまではあまり変化がなく、それ以下にすると回転数が減少する事から、当該外周側集風板Ｏの起点から外縁までの長さは３φ程度以上とするのが望ましいと考えられる。なお、ここで外周側集風板Ｏの起点とは、垂直軸型風車Ｗの主軸ＡからブレードＢの回転半径の外縁から適当な距離を置いた位置をいう。

また、図９は、上記のように、上部外周側集風板Ｏuと下部外周側集風板Ｏｄとのそれぞれの垂直方向の幅ＨuとＨdとが、本発明に用いられる構造体のフレーム（図示しない）程度の大きさであって、外周側集風板Ｏの起点から外縁までの長さが５φの時に、上側集風板Ｕの起点から外延までの長さが垂直軸型風車Ｗに与える影響を測定したものである。ここで図９（Ａ）は、計測結果、図９（Ｂ）は計測結果をグラフにしたものである。この結果、上側集風板Ｕの起点からの長さが増加することにより、風車の回転数の増加が見られたが、該上側集風板Ｕの起点からの長さが１．５φ以上では回転数の増加がわずかであった。したがって、上側集風板Ｕの起点からの長さは１．５φ程度が必要と考えられる。なお、ここで上側集風板Ｕの起点とは、上側集風板Ｕのうち、垂直軸型風車Ｗの主軸Ａを含む風車のブレードＢの回転面に対応する部分の直上の領域の外縁の部分を言う。

また、本実施形態では、上部外周側集風板Ｏuの下縁Ｏulと下部外周側集風板Ｏdの上縁Ｏdｌは、上記内側支持柱Ｊi上において接しておらず、上記内側支持柱Ｊi上における上部外周側集風板Ｏuの下縁Ｏulとの接点tuは、上記内側支持柱Ｊi上における下部外周側集風板Ｏdの上縁Ｏdlとの接点tdの上方に設けられている。しかし、上記内側支持柱Ｊi上における上部外周側集風板Ｏuの下縁Ｏulとの接点tuと上記内側支持柱Ｊi上における下部外周側集風板Ｏdの上縁Ｏdlとの接点tdは、上記内側支持柱Ｊi上において、互いに接していても接していなくても良い。また、上記内側支持柱Ｊi上における上部外周側集風板Ｏuの下縁Ｏulとの接点tuは、上記内側支持柱Ｊi上における下部外周側集風板Ｏdの上縁Ｏdlとの接点tdの下方に設ける事も可能であり、その場合には、外周側集風板Ｏに形成される間隙Ｇは、上記実施形態とは異なり、風車Ｗの主軸Ａ側より外側の、上記内側支持柱Ｊi上から距離を置いた箇所を起点にして外周側集風板Ｏに形成される。

また、図１０は、本発明の更に別の実施形態を表した概略正面図である。本実施形態も、外周側集風板Ｏを上部外周側集風板Ｏuと下部外周側集風板Ｏdとの上下２つに分割し、これら上下に分割した外周側集風板Ｏの上部外周側集風板Ｏuと下部外周側集風板Ｏdとの間に間隙Ｇを設けている。そして、本実施形態では、上部外周側集風板Ｏuの垂直方向の幅Ｈuを略垂直軸型風車ＷのブレードＢの垂直方向の長さと同じ程度とし、下部外周側集風板Ｏdの垂直方向の幅Ｈdを該風車ＷのブレードＢを含む本体部が設置された上側集風板Ｕと下側集風板Ｄとの間の残りの高さと同程度としている。その結果、上記内側支持柱Ｊi上における上部外周側集風板Ｏuの下縁Ｏulとの接点tuと上記内側支持柱Ｊi上における下部外周側集風板Ｏdの上縁Ｏdlとの接点tdは、内側支持柱Ｊi上で接している。なお、本実施形態では、更に、下側集風板Ｄの傾斜を極めて小さく設定しており、上側集風板Ｕの垂直軸型風車Ｗの中心方向からの長さは、上記のように、本発明の垂直軸型風車ＷにおいてブレードＢを回転させた場合の直径φに対して、１．５φであり、外周側集風板Ｏは１３枚設けてある。

本実施形態によっても、そのままでは垂直軸型風車Ｗの回転に寄与しない風を当該風車Ｗの方向に集めると同時に、当該風車Ｗを回転させた後は、集めた風を速やかに下流へ通流することが可能である。そのため、当該風車Ｗ周辺の風況が悪く風速が低い場合であっても、当該風車Ｗに至る風を集束して、効果的に風力発電装置を運用する事が可能である。

Ｗ垂直軸型風車
Ｕ上側集風板
Ｄ下側集風板
Ｏ外周側集風板
Ｕｓ上側集風板スリット
Ｄｓ下側集風板スリット
Ｕe 上側集風板の外縁
Ｄe 下側集風板の外縁
Ｕｆｅ垂直軸型風車の直上に設けられた平面の外縁
Ｄｆｅ垂直軸型風車の直下に設けられた平面の外縁
Ｕh 上側集風板の翼型曲面
Ｄh 下側集風板の翼型曲面
Ｓ起点軸
Ｅ終点軸
Ａ垂直軸型風車主軸
Ｍ集風板駆動モータ
Ｃｓ集風板制御装置
Ｆｋ風向計
Ｆｓ風速計
Ｐ１〜Ｐ５パネル
Ｏu 上部外周側集風板
Ｏul 上部外周側集風板の下縁
Ｏd 下部外周側集風板
Ｏdl 下部外周側集風板の上縁
Ｇ間隙
Ｂブレード（風車の羽根）
Ｊi 内側支持柱
Ｊo 外側支持柱
Ｈu 上部外周側集風板の垂直方向の幅
Ｈd 下部外周側集風板の垂直方向の幅
ｔu 上部外周側集風板の下縁と内側支持柱との接点
ｔd 下部外周側集風板の上縁と内側支持柱との接点
１〜８集風板
２２０上側集風板Ｕに設けられたＵｓの断面
２３０下側集風板Ｄに設けられたＤｓの断面
２５０帆布
２７０５２０下側ガイドレール
２６０５１０上側ガイドレール
５５０パネル駆動機構
６６０主軸側ガイドレール
６７０外縁側ガイドレール

Claims

垂直軸型風車の集風装置であって、中心に垂直軸型風車が配設され、該垂直軸型風車の上側に上側集風板、下側に下側集風板、外周に外周側集風板を設けており、
該外周側集風板は、該上側集風板と該下側集風板との間に設けられ、該垂直軸型風車の主軸と平行な面を有し、該垂直軸型風車の主軸から間隔を開けた位置から等間隔に放射状の方向に複数の板面が展開されており、
該上側集風板は、該垂直軸型風車の主軸を含む風車のブレードの回転面に対応する部分の直上の領域では該垂直軸型風車の主軸と垂直な面を有し、該直上の領域の外縁から該外周側集風板の該風車の主軸から遠方の側にかけては、該外周側集風板の上方を覆うように、上方へ傾斜を設けた逆円錐台状に形成され、
該下側集風板は、該垂直軸型風車の主軸を含む風車のブレードの回転面に対応する部分の直下の領域では該垂直軸型風車の主軸と垂直な面を有し、該直下の領域の外縁から該外周側集風板の該風車の主軸から遠方の側にかけては、該外周側集風板の下方を覆うように、下方へ傾斜を設けた円錐台状に形成され、
該外周側集風板は該垂直軸型風車に至る風速に応じて面積を可変とし、
前記外周側集風板は、前記上側集風板と前記下側集風板との間に立設され前記垂直軸型風車の前記回転軸から間隔を開けた位置に前記垂直軸型風車の主軸と平行に設けられた起点軸と、該起点軸から放射状の方向に離隔して前記垂直軸型風車の主軸と平行に設けられた端部を構成する終点軸との間に展開された帆布からなり、該外側集風板により集束された風により該垂直軸型風車に至る風速がカットアウト風速を超過した場合には該帆布を該終点軸の周りに巻き取って収納する事が可能なことを特徴とする垂直軸型風車の集風装置。
前記外周側集風板のうち、前記垂直軸型風車の風下側に該当する集風板については、適宜該風下側に該当する該集風板の面積を減少させる事が可能な請求項１に記載した垂直軸型風車の集風装置。
前記上側集風板と前記下側集風板の板面は、それぞれの集風板の外縁を始点として、前記垂直軸型風車の主軸と垂直に設けられた該垂直軸型風車の直上及び直下に設けられた当該上側集風板及び当該下側集風板をそれぞれ構成する平面の外縁、にかけてそれぞれ曲面により構成された請求項１又は２に記載した垂直軸型風車の集風装置。