JP6449512B1 - 水平軸型風力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】プロペラの羽（ブレード）が短く風力発電機全体として小型であり、かつ、風速や風向に関係なく効率よく回転力が得られる形状の水平軸型風力発電機を提供する。【解決手段】水平回転軸を中心として回転するプロペラ部２は、プロペラ中心部３と、複数のブレード４と、外周リング５を備え、プロペラ中心部３は、水平回転軸の前方の先端に取り付けられ、水平回転軸を中心軸として表側である前方を先端とした円錐形状をしているとともに、その裏側には平面部を有しており、複数のブレード４は、水平回転軸およびプロペラ中心部３を中心として等角度間隔で放射状に、プロペラ中心部３の周りに設けられており、かつ、それぞれのブレード４は表裏対象の形状をしており、外周リング５は、複数のブレード４の外周部に設けられており、表側にも裏側にも風を受けるための凹凸を備えているとともに、当該凹凸は表裏対象に設けられている。【選択図】図１

Description

この発明は、風に対して回転軸が水平になっている水平軸型風力発電機に関するものである。

従来より、風力発電機としては、風に対して回転軸が垂直になっている垂直軸型風力発電機と、風に対して回転軸が水平になっている水平軸型風力発電機が知られている。このうち、垂直軸型風力発電機としては、サボニウス型、パドル型、ジャイロミル型、ダリウス型などがあり、水平軸型風力発電機としては、プロペラ型などがある。

その中でも、プロペラ型の水平軸型風力発電機が多く使用されているが、小型の風力発電機より大型の風力発電機の方がコストパフォーマンスが良いとされてきた。また、風力を主軸の回転力に変換する際に、プロペラの羽（ブレード）が長い風車、すなわち、径の大きい風車にした方が効率（性能）がよいため、効率の良い水平軸型風力発電機を製作しようとすると大型化（大径化）してしまう、という問題があった。大型の風力発電機の場合には、設置するために広い土地を必要とすることや、低周波問題、騒音問題もあり、設置できる場所が限られていた。このような問題に対処するために、例えば特許文献１には、ブレードの形状を工夫して小型化した水平軸型風力発電機が開示されている。

また、プロペラ型の水平軸型風力発電機の場合、風の向きによって発電量が変わってしまい、効率よく風力を得るためには風を受ける方向が限定される、という問題もあった。このような問題に対処するために、例えば特許文献２には、風向の変化に追随して常に前方から風を受けることができるよう、後方に尾翼を設けて方向舵の役目をさせている水平軸型風力発電機が開示されている。

特開２００４−１３７９１０号公報 特開２００５−２８４８号公報

しかしながら、例えば特許文献１に示すような従来の水平軸型風力発電機は、風速が低い場合に回転力を得ることはできても、風向が合わなければ発電可能な回転力を得ることはできなかった。また、例えば特許文献２に示すような従来の水平軸型風力発電機は、風向に関係なく回転力を得ることはできても、後方に尾翼が必要であり、また、風速が低い場合にも回転力を得るためにはブレードを長くする必要があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、プロペラの羽（ブレード）が短く風力発電機全体として小型であり、かつ、風速や風向に関係なく効率よく回転力が得られる形状の水平軸型風力発電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明は、水平回転軸の周りに、当該水平回転軸を中心として回転するプロペラ部を有し、主に前記プロペラ部の表側である前方からの風を受けて回転し、当該回転により発電する水平軸型風力発電機において、前記プロペラ部は、プロペラ中心部と、複数のブレードと、外周リングを備え、前記プロペラ中心部は、前記水平回転軸の前方の先端に取り付けられ、前記水平回転軸を中心軸として表側である前方を先端とした円錐形状をしているとともに、その裏側には平面部を有しており、前記複数のブレードは、前記水平回転軸および前記プロペラ中心部を中心として等角度間隔で放射状に、前記プロペラ中心部の周りに設けられており、かつ、それぞれのブレードは表裏対象の形状をしており、前記外周リングは、前記複数のブレードの外周部に設けられており、表側にも裏側にも風を受けるための凹凸を備えているとともに、当該凹凸は表裏対象に設けられていることを特徴とする。

この発明の水平軸型風力発電機によれば、プロペラ部の外周に外周リングをつけた上に、プロペラの中心部の形状とともに、ブレードおよび外周リングの形状を工夫したことにより、全方位からの風を受けて回転力を得ることができるため、プロペラの羽（ブレード）が短く風力発電機全体として小型で軽量であり、かつ、風速や風向に関係なく効率よく回転力を得ることができる。

実施の形態１における水平軸型風力発電機の外観の一例を示す概略斜視図である。 実施の形態１における水平軸型風力発電機のプロペラ部の一例を示す正面図である。 実施の形態１における水平軸型風力発電機のプロペラ部の側面図および斜視図である。 実施の形態１のプロペラ部におけるプロペラ中心部、ブレード、外周リングの断面形状を示す説明図である。 実施の形態２における水平軸型風力発電機の外観の一例を示す概略斜視図である。 実施の形態２における水平軸型風力発電機のプロペラ部の側面図および斜視図である。

この発明は、水平回転軸の周りに、当該水平回転軸を中心として回転するプロペラ部を有し、主にプロペラ部の表側である前方からの風を受けて回転し、当該回転により発電する水平軸型風力発電機に関するものである。
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における水平軸型風力発電機１の外観の一例を示す概略斜視図である。この水平軸型風力発電機１は、水平回転軸（図示せず）、水平回転軸を中心として回転するプロペラ部２、支柱６を備えており、プロペラ部２は、プロペラ中心部３、複数のブレード４、外周リング５により構成されている。複数のブレード４は水平回転軸およびプロペラ中心部３を中心として等角度間隔で設けられている。また、ここでは、この水平軸型風力発電機１のプロペラ部２は、図１の矢印の方向に回転するものとして説明する。

図１における左方向を「前方」と呼ぶこととすると、従来の水平軸型風力発電機は、表側である前方からの風を受けると回転する。そして、水平回転軸の後方（図１における右方向）には、発電機等（図示せず）が接続されており、この水平軸型風力発電機１の回転により、その発電機等を動かすことができる。

この実施の形態１では、図１に示すように、水平回転軸の前方の先端にプロペラ中心部３が取り付けられ、４本のブレード４が水平回転軸およびプロペラ中心部３を中心として９０度間隔で放射状に、プロペラ中心部３の周りに設けられている。なお、ここでは複数のブレード４が４本である場合を例に説明するが、複数のブレード４は水平回転軸およびプロペラ中心部３を中心として等角度間隔で放射状に、プロペラ中心部３の周りに配置されていればよく、例えば１２０度間隔で３本のブレードや、７２度間隔で５本のブレードなど、他の角度および本数であってもよい。
そして、各ブレード４の風力による回転は、プロペラ中心部３を介して水平回転軸に伝えられ、水平回転軸に接続された発電機に伝達される。

図２は、実施の形態１における水平軸型風力発電機１のプロペラ中心部３，複数のブレード４、外周リング５からなるプロペラ部２の一例を示す正面図である。また、図３は、実施の形態１における水平軸型風力発電機１のプロペラ部２の側面図および斜視図であり、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は表側（正面側、前方側）から見た斜視図、図３（ｃ）は裏側（背面側、後方側）から見た斜視図である。

さらに、図４は、実施の形態１のプロペラ部２におけるプロペラ中心部３、ブレード４、外周リング５の断面形状を示す説明図である。図４（ａ）は、図２と同じプロペラ部２の正面図に、一点鎖線Ａ−Ａが追記されたものであり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ａ断面を矢印Ｂ方向から見た側面図（図３（ａ）と同じ方向からの側面図）である。

図４（ｂ）を見てもわかるように、プロペラ中心部３は、水平回転軸を中心として表側である前方を先端とした円錐形状をしており、従来の水平軸型風力発電機に比べると大きな中心部となっている。また、プロペラ中心部３を裏側（後方側）から見ると平面部を有しており、図３（ｃ）に示すようにその中心に水平回転軸用穴３０を備えている。プロペラ中心部３はこの水平回転軸用穴３０を介して水平回転軸に取り付けられ、プロペラ部２が回転することにより、水平回転軸の後方に接続された発電機にその回転が伝達される。

通常、このようにプロペラ中心部３が表側である前方を先端として円錐形状に広がっていると前方からの風が外側へ逃げるため効率が悪くなるが、この実施の形態１では外周リング５があることにより、風が外側へ逃げていかない。また、風は中心より外側で受けた方が回転力も大きくなるため、プロペラ中心部３が大きいと回転力も大きくなる。さらに、強い風を受けた場合の強度という意味でも、大きなプロペラ中心部３であることによりプロペラ部２全体の強度が高い、というメリットがある。

また、プロペラ部２の外側でより風を受けるように、複数のブレード４の外周部に外周リング５が設けられており、その外周リング５には風を受けるための凹凸５１，５２が備えられている（図２および図３（ｂ）（ｃ）参照）。ここで、凹凸５１は外周リング５の表側（前方側）全体に連続して、凹凸５２は外周リング５の裏側（後方側）全体に連続して設けられているとともに、それらの凹凸は表裏対象に設けられている。具体的には、表側（前方側）の凹凸５１も、裏側（後方側）の凹凸５２も、プロペラ部２の回転方向に対して、風を受ける方（風下の方）が長さが短く角度が急で、風の進む先の方が長さが長く角度が緩やかになっている。そして、このように表裏対象に凹凸が設けられていることにより、前方からだけでなく後方からの風も同じように受けることが可能となる。さらに、図３（ｂ）（ｃ）および図４（ｂ）を見るとわかるように、外周リング５の凹凸５１，５２が設けられた部分は表側も裏側も内側に向かって傾斜がつけられており、このことによって斜め方向の風を受けることも可能となる。

さらに、プロペラ中心部３と外周リング５との間に位置する複数のブレード４のそれぞれも、表裏対象の形状となっている。すなわち、ブレード４も凹凸５１，５２と同様に、表側（前方側）も裏側（後方側）も、プロペラ部２の回転方向に対して、風を受ける方（風下の方）が長さが短く角度が急で、風の進む先の方が長さが長く角度が緩やかになるように、表側（前方側）はプロペラ部２の前方に突出しており、裏側（後方側）はプロペラ部２の後方に突出している。そして、このような表裏対象の形状になっていることにより、表側も裏側も、長さが短く角度が急な部分の方が、長さが長く角度が緩やかな部分よりも空気の流れが速いので、揚力が得られて効率がよい。

このように、この実施の形態１における水平軸型風力発電機１は、プロペラ部２の外周に外周リング５をつけた上に、プロペラ中心部３を前方から見て大きな円錐形状にするとともに、ブレード４も外周リング５も表裏対象の形状とし、かつ、外周リング５にも表側にも裏側にも全体に凹凸をつけたり内側に向かって傾斜をつけるなど形状を工夫したことにより、全方位からの風を受けて回転力を得ることができるため、プロペラの羽（ブレード４）が短く風力発電機１全体として小型で軽量であり、かつ、風速や風向に関係なく効率よく回転力を得ることができるので、より効率よく発電することができる。

以上のように、この実施の形態１の水平軸型風力発電機１によれば、プロペラ部２の外周に外周リング５をつけた上に、プロペラ中心部３の形状とともに、ブレード４および外周リング５の形状を工夫したことにより、全方位からの風を受けて回転力を得ることができるため、プロペラの羽（ブレード４）が短く風力発電機１全体として小型で軽量であり、かつ、風速や風向に関係なく効率よく回転力を得ることができる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２における水平軸型風力発電機１０の外観の一例を示す概略斜視図である。この水平軸型風力発電機１０は、水平回転軸（図示せず）、水平回転軸を中心として回転するプロペラ部２０、支柱６を備えており、プロペラ部２０は、プロペラ中心部３、複数のブレード４、外周リング５０により構成されている。複数のブレード４は水平回転軸およびプロペラ中心部３を中心として等角度間隔で設けられている。また、ここでは、この水平軸型風力発電機１０は、図５の矢印の方向に回転するものとして説明する。なお、図１で説明したものと同様の構成には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

また、実施の形態２における水平軸型風力発電機１０のプロペラ中心部３，複数のブレード４、外周リング５０からなるプロペラ部２０の一例を示す正面図、および、実施の形態２のプロペラ部２０におけるプロペラ中心部３、ブレード４、外周リング５０の断面形状を示す説明図は、実施の形態１における図２および図４に示す図と符号以外は同じであるので、図示および説明を省略する。ただし、プロペラ部２０の側面図および斜視図については、実施の形態１における図３とは異なるものである。

図６は、実施の形態２における水平軸型風力発電機１０のプロペラ部２０の側面図および斜視図であり、図６（ａ）は側面図、図６（ｂ）は表側（前方側）から見た斜視図、図６（ｃ）は裏側（後方側）から見た斜視図である。なお、プロペラ部２０におけるプロペラ中心部３、ブレード４、外周リング５０の断面形状を示す説明図は、実施の形態１における図４と同じ形状であるので、図示および説明を省略する。

図６に示すように、プロペラ部２０の外側でより風を受けるように、複数のブレード４の外周部に外周リング５０が設けられており、風を受けるための凹凸５１，５２が備えられていること、凹凸５１は外周リング５の表側（前方側）に連続して、凹凸５２は外周リング５の裏側（後方側）に連続して設けられているとともに、それらの凹凸は表裏対象に設けられていること、表側（前方側）の凹凸５１も、裏側（後方側）の凹凸５２も、プロペラ部２の回転方向に対して、風を受ける方（風下の方）が長さが短く角度が急で、風の進む先の方が長さが長く角度が緩やかになっていること、および、外周リング５０の凹凸５１，５２が設けられた部分は表側も裏側も内側に向かって傾斜がつけられていることは、実施の形態１における外周リング５と同じであるが、この実施の形態２における外周リング５０では、さらに外周である側面にも連続して風を受けるための凹凸５３が設けられている。そのため、側面方向からの風も受けることができる。

また、この実施の形態２でも、プロペラ中心部３と外周リング５０との間に位置する複数のブレード４のそれぞれも、表裏対象の形状となっている。すなわち、ブレード４も凹凸５１，５２と同様に、表側（前方側）も裏側（後方側）も、プロペラ部２の回転方向に対して、風を受ける方（風下の方）が長さが短く角度が急で、風の進む先の方が長さが長く角度が緩やかになるように、表側（前方側）はプロペラ部２の前方に突出しており、裏側（後方側）はプロペラ部２の後方に突出している。そして、このような表裏対象の形状になっていることにより、表側も裏側も、長さが短く角度が急な部分の方が、長さが長く角度が緩やかな部分よりも空気の流れが速いので、揚力が得られて効率がよい。

このように、この実施の形態２における水平軸型風力発電機１０は、プロペラ部２０の外側に外周リング５０をつけた上に、プロペラ中心部３を前方から見て大きな円錐形状にするとともに、ブレード４も外周リング５０も表裏対象の形状とし、かつ、外周リング５０にも表側にも裏側にも全体に凹凸をつけたり内側に向かって傾斜をつけ、さらに外周である側面にも凹凸をつけるなど形状を工夫したことにより、側面方向も含めた全方位からの風を受けて回転力を得ることができるため、プロペラの羽（ブレード４）が短く風力発電機１０全体として小型で軽量であり、かつ、風速や風向に関係なく効率よく回転力を得ることができるので、より効率よく発電することができる。

以上のように、この実施の形態２の水平軸型風力発電機１０によれば、プロペラ部２０の外周に外周リング５０をつけた上に、プロペラ中心部３の形状とともに、ブレード４および外周リング５０の形状を工夫したことにより、全方位からの風を受けて回転力を得ることができるため、プロペラの羽（ブレード４）が短く風力発電機１０全体として小型で軽量であり、かつ、風速や風向に関係なく効率よく回転力を得ることができる。

なお、この実施の形態２のように外周リング５０の外周である側面にも凹凸５３を設けることにより、側面方向からの風も受けることができるため、この実施の形態２におけるプロペラ部２０については垂直軸型風力発電機にも使用することが可能となる。
また、この発明は風力発電機に関するものとして説明したが、送風機に転用することも可能である。すなわち、同じ構成の送風機としてもよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，１０ 水平軸型風力発電機
２，２０ プロペラ部
３ プロペラ中心部
４ ブレード
５，５０ 外周リング
６ 支柱
３０ 水平回転軸用穴
５１ 外周リング５，５０における表側（前方側）の凹凸
５２ 外周リング５，５０における裏側（後方側）の凹凸
５３ 外周リング５０における外周である側面の凹凸

Claims (3)

1. 水平回転軸の周りに、当該水平回転軸を中心として回転するプロペラ部を有し、主に前記プロペラ部の表側である前方からの風を受けて回転し、当該回転により発電する水平軸型風力発電機において、
   前記プロペラ部は、プロペラ中心部と、複数のブレードと、外周リングを備え、
   前記プロペラ中心部は、前記水平回転軸の前方の先端に取り付けられ、前記水平回転軸を中心軸として表側である前方を先端とした円錐形状をしているとともに、その裏側には平面部を有しており、
   前記複数のブレードは、前記水平回転軸および前記プロペラ中心部を中心として等角度間隔で放射状に、前記プロペラ中心部の周りに設けられており、かつ、それぞれのブレードは表裏対象の形状をしており、
   前記外周リングは、前記複数のブレードの外周部に設けられており、表側にも裏側にも風を受けるための凹凸を備えているとともに、当該凹凸は表裏対象に設けられている
   ことを特徴とする水平軸型風力発電機。
2. 前記外周リングは、前記凹凸が設けられた部分は表側も裏側も内側に向かって傾斜がつけられていることを特徴とする請求項１記載の水平軸型風力発電機。
3. 前記外周リングは、さらに外周である側面にも風を受けるための凹凸を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の水平軸型風力発電機。

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