JPWO2019045114A1 - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 凹状パネル部の凸側面で受けた風を前縁気流貯留部内へ案内することで、起動時における始動の確実性を高めるとともに発電量を増やすことができる、風力発電装置を提供する。【解決手段】 受風パドル５は、縦長状でかつ平面視で内側面５１６または外側面５１５に凹状に湾曲または屈曲してなる凹状パネル部５１と、この凹状パネル部５１の回転方向における前縁部５１３の縦方向に沿って凹側面５１１側に突出形成されかつその先端部が後縁側に湾曲または屈曲してなる前縁気流貯留部５２とを有しており、凹状パネル部５１には、後縁側から凸側面５１２に当たる気流を凹側面５１１側に導いて前縁気流貯留部５２へ案内するための気流案内路５３が、受風パドル５の縦方向に沿って形成されている。

Description

本発明は、パドル型の風力発電装置に関するものである。

発電設備や送電線の無い地域に居住する人や遊牧民等の固定した居住地がない人等、世界中には電気による恩恵を受けられない人々が大勢いる。このため、従来、小型の太陽光発電パネルなど、設置が容易な発電機により電力を得てきた。しかし、太陽光発電パネルは、太陽光が出ている日中にしか発電を行うことができず、照明等のために最も電力の必要な夜間には電力が得られないという問題がある。

一方、風は昼夜を問わず発生する。よって、この風力によって発電を行う風力発電装置は夜間に電力を得るための最適な装置の一つである。しかし、プロペラに発生する揚力によって回転する風力発電機では、所定の風速以上の風を受けなければ起動しない。また、３ｍ／ｓ以下の低風速域で起動可能な発電機が開発されているが、起動させるにはプロペラに対して略直角方向から風が吹かなければならず、実際に風速３ｍ／ｓ以下で起動させることは困難である。

このような課題に対して、低風速の風であって、四方いずれの方向から吹く風であっても起動させることができるパドル式の風力発電装置に関する発明が提案されている。

例えば、特許第５９７２４７８号公報では、本願発明者によって、風力発電用モータに回転力を伝える垂直回転軸と、この垂直回転軸から放射状に等間隔で設けられる複数の支持アームと、各々の前記支持アームの先端に接続された受風パドルとを有する風力発電装置であって、前記受風パドルが平面視で外面側を凹状に湾曲または屈曲してなる凹状パネル部と、この凹状パネル部の回転方向における前縁部に沿って外面側に突出しかつその先端部が後縁部側に湾曲または屈曲してなる前縁気流貯留部が設けられており、前記受風パドルにおける前記支持アームとの接続部から前記後縁部までの長さが前記支持アームより長く形成されている、風力発電装置が提案されている（特許文献１）。この特許文献１の発明によれば、前縁気流貯留部に風を集中させて回転方向に力を得るとともに、風を前縁側で受けるときにはその投影面積を狭くすることで回転し易くし、発電効率を向上させることができる。

特許第５９７２４７８号公報

ところで、特許文献１に記載された発明では、凹状パネル部の凸側面で受けた風は受風パドルを押す力となって垂直回転軸の回転に寄与する。ただし、前記凸側面が湾曲または屈曲されているため、風を受ける方向によってはその風が凸側面に沿って流れ抜けやすく、パドルを回転させる力として充分に利用できていない場合があった。したがって、凸側面で受けた風の力を垂直回転軸の回転力に変換して効果を高めるための改良を施す余地があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、凹状パネル部の凸側面で受けた風を前縁気流貯留部内へ案内することで、起動時における始動の確実性を高めるとともに発電量を増やすことができる、風力発電装置を提供することを目的としている。

本発明に係る風力発電装置は、凹状パネル部の凸側面で受けた風を受風パドルの回転力として効果的に活用するという課題を解決するために、風力発電用モータに回転力を伝える垂直回転軸と、この垂直回転軸から放射状でかつ円周方向に対して等間隔に配置される複数の支持アームと、各々の前記支持アームの先端に接続される受風パドルとを有する風力発電装置であって、前記受風パドルは、縦長状でかつ平面視で内側面または外側面に凹状に湾曲または屈曲してなる凹状パネル部と、この凹状パネル部の回転方向における前縁部の縦方向に沿って凹側面側に突出形成されかつその先端部が後縁側に湾曲または屈曲してなる前縁気流貯留部とを有しており、前記凹状パネル部には、後縁側から凸側面に当たる気流を凹側面側に導いて前記前縁気流貯留部へ案内するための気流案内路が、前記受風パドルの縦方向に沿って形成されている。

また、本発明の一態様として、凹状パネル部の凸側面で受けた風を前縁気流貯留部内に直接的に導きやすくするという課題を解決するために、前記気流案内路が、前記凹状パネル部における前縁部の凸側面側でかつその縦方向に沿って形成された前縁側気流案内路を有するようにしてもよい。

さらに、本発明の一態様として、凹状パネル部の凸側面であってその後縁側で受けた風を前縁気流貯留部内に導くという課題を解決するために、前記気流案内路が、前記前縁側気流案内路とともに、当該前縁側気流案内路よりも後縁側において、その形成位置よりも後縁側の凸側面に当たる気流を凹側面側に導くための後縁側気流案内路を有するようにしてもよい。

また、本発明の一態様として、気流案内路から排出される気流の速度を加速させるという課題を解決するために、前記気流案内路は、後縁側から前縁側に向けて徐々に狭められるように形成されていてもよい。

さらに、本発明の一態様として、垂直回転軸とこれを支持する軸支持台との摩擦抵抗を低減させるという課題を解決するために、前記垂直回転軸は、軸方向に沿って複数の箇所に設けられた上下一対の磁石の反発力により浮遊状態で軸支持台に回転自在に支持されていてもよい。

本発明によれば、凹状パネル部の凸側面で受けた風を前縁気流貯留部内へ案内することで、起動時における始動の確実性を高めるとともに発電量を増やすことができる。

本発明に係る風力発電装置の第一実施形態を示す斜視図である。 本第一実施形態における軸支持台の内部を示す縦断面図である。 本第一実施形態における受風パドルを一部横断面で示す風力発電装置の上方から見た平面図である。 本第一実施形態における受風パドルを平面視した横断面図である。 本第一実施形態において受風パドル５Ａ側から風を受けた場合の風力発電装置に対する空気の流れを示す平面図である。 本第一実施形態において受風パドル５Ａと受風パドル５Ｂとの間から風を受けた場合の風力発電装置に対する空気の流れを示す平面図である。 本発明に係る風力発電装置の第二実施形態における受風パドルを平面視した横断面図である。 本第二実施形態において受風パドル５Ａ側から風を受けた場合の風力発電装置に対する空気の流れを示す平面図である。 本第二実施形態において受風パドル５Ａと受風パドル５Ｂとの間から風を受けた場合の風力発電装置に対する空気の流れを示す平面図である。 本発明に係る風力発電装置の他の実施形態であって受風パドルを一部横断面で示した平面図である。 本発明に係る風力発電装置の他の実施形態であって受風パドルを一部横断面で示した平面図である。 本発明に係る風力発電装置の他の実施形態であって受風パドルを一部横断面で示した平面図である。

以下、本発明に係る風力発電装置の第一実施形態について図面を用いて説明する。

本第一実施形態の風力発電装置１は、図１に示すように、設置場所に固定される軸支持台２と、この軸支持台２に回転自在に軸支される垂直回転軸３と、前記垂直回転軸３から放射状に設けられる複数の支持アーム４と、各々の前記支持アーム４の先端に支持される受風パドル５とを有している。以下、各構成について詳細に説明する。

軸支持台２は、垂直回転軸３を回転自在に軸支する台である。本第一実施形態における軸支持台２は、図２に示すように、主に発電機構を備えた略円筒状の本体部２１と、この本体部２１の上面に形成されて前記垂直回転軸３を支持する略円筒状の上部支持部２２とを有している。

本体部２１は、中空となっておりその内部には、垂直回転軸３を浮遊状態にする磁石６と、前記垂直回転軸３の回転力を前記風力発電用モータ８に伝達する回転伝達機構７と、前記垂直回転軸３の回転力によって発電を行う風力発電用モータ８とを有している。

磁石６は、上下一対で構成されており、同極同士（＋極と＋極または−極と−極）を向かい合わせに配置しその反発力により垂直回転軸３を浮遊状態とすることで軸支持台２との摩擦抵抗を軽減させるものである。本第一実施形態における磁石６は、ドーナツ状に形成されたネオジウム磁石からなり、一方が本体部２１側、他方が垂直回転軸３側に固定されている。また、上下一対の磁石６，６は、軸方向に沿って複数の箇所、本第一実施形態では上下２箇所に設けられており、より強い磁力によって垂直回転軸３の浮遊状態を保持できるようになっている。なお、磁石６の種類はネオジウム磁石に限定されるものではなく、その他の永久磁石または電磁石などから適宜選択してもよい。

回転伝達機構７は、垂直回転軸３の回転力を風力発電用モータ８に伝達するものであり、本第一実施形態では、複数の歯車から構成されていて回転数を増加させる増速機能を備えている。つまり、本第一実施形態における回転伝達機構７は、複数の歯車を適宜組み合わせることで、前記垂直回転軸３の回転数より多い回転数で前記風力発電用モータ８を回転させることができるようになっており、これにより垂直回転軸３と風力発電用モータ８とを直接接続して発電する場合より多くの発電量が得られるようになっている。

風力発電用モータ８は、回転伝達機構７によって伝達された垂直回転軸３の回転力を電力に変換するものである。本第一実施形態における風力発電用モータ８は、一般的な発電用モータであり、詳細は図示しないが、回転自在に軸支された回転軸８１と、この回転軸８１が備える永久磁石と、回転する前記永久磁石の周囲に配置された電気コイルとを有している。前記回転軸８１は、回転伝達機構７に接続されており、回転伝達機構７によって伝達された垂直回転軸３の回転力によって永久磁石を回転させ、その周囲に配置された前記電気コイルに電流を発生させるようになっている。また、図示しないが、この風力発電用モータ８は送電線、蓄電池または電子機器等に接続されており、発電した電力を前記送電線や前記蓄電池または前記電子機器等に供給するようになっている。

上部支持部２２は、中空の縦長円筒状に形成されている。当該上部支持部２２の内部には、その上方と、その下方または本体部２１の上方との上下２箇所に、垂直回転軸３の回転時における摩擦によるエネルギーの損失を軽減するベアリング９，９が設けられている。このように上部支持部２２は、前記垂直回転軸３を支持アーム４近傍となるその上方位置と、それよりも下方位置との上下２箇所において支持することにより、受風パドル５等が受けた風力によって前記垂直回転軸３が撓むのを抑制している。

垂直回転軸３は、受風パドル５により受けた風力によって回転するものである。本第一実施形態における垂直回転軸３は、軽量でかつ強度の高いスチールパイプやアルミパイプ等で構成されており、図２に示すように、軸支持台２にその回転軸方向を略垂直にした状態で回転自在に支持されている。前記垂直回転軸３の下端部は、回転伝達機構７に固定されている。また、前記垂直回転軸３は上部支持部２２より上方に延出されており、次に説明する支持アーム４が固定できるようになっている。

支持アーム４は、受風パドル５によって得られた風力を垂直回転軸３に回転力として伝達するものであり、垂直回転軸３から放射状でかつ円周方向に対して等間隔に複数配置されている。本第一実施形態では、図１に示すように、垂直回転軸３の上端および上部支持部２２近傍において、それぞれ４本の支持アーム４が円周方向に９０度間隔で設けられている。これにより支持アーム４は、合計で４枚の受風パドル５を支持することになり、後述するように前記受風パドル５に対して四方いずれの方向から吹く風を受けても前記垂直回転軸３を回転させられるようになっている。なお、支持アーム４の本数や円周方向の間隔等は、特に限定されるものではなく、支持する受風パドル５の枚数、その形状や重さ等を考慮して適宜選択してもよい。

次に、本第一実施形態における受風パドル５について説明する。受風パドル５は、風を受けてその力によって垂直回転軸３に対して回転力を生じさせるものである。本第一実施形態における受風パドル５は、図３および図４に示すように、凹側面５１１で受けた風を前縁部５１３側へと案内する凹状パネル部５１と、この凹状パネル部５１によって案内された風を受けてその風力を回転力に変換する前縁気流貯留部５２と、前記凹状パネル部５１の凸側面５１２に当たる気流を凹側面５１１側に導いて前記前縁気流貯留部５２へ案内する気流案内路５３とを有している。また、本第一実施形態における受風パドル５は、図１に示すように、凹状パネル部５１によって受けた風が上下方向から逃げるのを防ぐための上縁気流止め部５４および下縁気流止め部５５を有している。

凹状パネル部５１は、図１、図３および図４に示すように、縦長状の略矩形パネルを、支持アーム４に固定された状態の平面視で内側面５１６または外側面５１５を凹状に湾曲または屈曲してなるものである。本第一実施形態における凹状パネル部５１は、図３および図４に示すように、平面視で前記外側面５１５が凹状に湾曲するように形成されている。これにより、外側から垂直回転軸３に向かう風や後縁側から前縁側（後縁部５１４側から前縁部５１３側）に向けて吹く風を前縁方向に案内し易いようになっている。また、受風パドル５を略翼形状とすることで、当該受風パドル５が前縁側から気流を受けた場合に、凹側面５１１における風速より凸側面５１２における風速を速くするようにして、前記凹側面５１１よりも凸側面５１２側が負圧にし、後述する気流案内路５３から空気を噴出させることで推進力（回転力）を得るようになっている。

なお、凹状パネル部５１は、平面視において湾曲したものに限定されるものではなく、図１０に示すように、平面視において直線状のパネルを屈曲させるか、または複数のパネルを繋ぎ合わせて屈曲させたような形状としてもよい。また、本第一実施形態における凹状パネル部５１は、平面視で外側面５１５が凹状になるように形成されているが、図１１に示すように、平面視で内側面５１６が凹状になるように形成されていてもよい。なお、平面視で内側面５１６を凹状に形成した凹状パネル部５１による作用については、後述する第二実施形態において説明する。

前縁気流貯留部５２は、凹状パネル部５１で受けた風を前縁部５１３で受け止めて回転力に変換する部分であり、前記凹状パネル部５１の回転方向における前縁部５１３の縦方向に沿って凹側面５１１側に突出形成されているとともに、その先端部５２１が後縁側に湾曲または屈曲されている。本第一実施形態における前縁気流貯留部５２では、軽量化のためにアルミ製のパイプを縦半分に切断したものからなり、平面視において略半円状に形成されている。この前縁気流貯留部５２は、図３および図４に示すように、凹状パネル部５１とともに気流案内路５３の気流排出口５３２となるように、前記凹状パネル部５１側の後端部５２２が前記凹状パネル部５１の凸側面５１２よりも内側方向に配置されるようになっている。つまり、前記前縁気流貯留部５２の後端部５２２と、凹状パネル部５１の前縁部５１３との間に隙間を形成することで、前記凹状パネル部５１の後縁側から凸側面５１２に当たる気流を凹側面５１１側に導けるようになっている。この前縁気流貯留部５２は、図１、図３および図４に示すように、上縁気流止め部５４、下縁気流止め部５５および次に説明する気流案内路５３の仕切板５３４を介して凹状パネル部５１に連結されている。なお、前縁気流貯留部５２は、パイプから構成されるものに限定されるものではなく、図１０に示すように、縦長状の略矩形パネル部材を先端部５２１が後縁側に向くように屈曲または連結等したものから適宜選択してもよい。

気流案内路５３は、後縁側から前記凹状パネル部５１の凸側面５１２に当たる気流をその凹側面５１１側に導いて前縁気流貯留部５２へ案内するものであり、凹状パネル部５１に形成されている。この気流案内路５３は、図３および図４に示すように、後縁側から凸側面５１２に当たる気流を凸側面５１２側において導入する気流導入口５３１と、この気流導入口５３１から導入された気流を前縁側の前縁気流貯留部５２に向けて排出する気流排出口５３２とを有している。（なお、図４に示す破線は気流導入口５３１および気流排出口５３２を示すために便宜上記載した仮想の線であり、外形線等を示すものではない。）また、本第一実施形態における気流案内路５３は、凹状パネル部５１の凸側面５１２と、この凸側面５１２に並設されるよう配置される気流案内板５３３と、前記凸側面５１２と前記外側案内板５３３との間に形成された隙間を長手方向に対して所定の間隔で分割する複数の仕切板５３４とによって構成されている。なお、仕切板５３４による長手方向の分割されている状態は図示していないが、分割数は特に限定されるものではなく、適宜選択されるものである。

本第一実施形態における気流案内板５３３は、縦長状の略矩形パネル材からなり、図３および図４に示すように、前縁気流貯留部５２の後端部５２２から後縁側に向けて延出されている。つまり、本第一実施形態における気流案内路５３は、凹状パネル部５１の前縁部５１３の凸側面５１２側でかつその縦方向に沿って形成されており、前縁側気流案内路５３５として構成されている。

仕切板５３４は、気流案内板５３３および前縁気流貯留部５２と凹状パネル部５１とを連結するとともに、後縁側から凸側面５１２に当たる気流に切り裂くようにして、流れに乱れを生じさせることで、前記気流が気流案内路５３に導入されやすくするものである。この仕切板５３４は、図３および図４に示すように、平面視において略台形状に形成されており、前記気流導入口５３１の上流において気流を切り裂きやすいように、気流導入口５３１より後縁側に延出されている。

また、仕切板５３４は、後縁側よりも前縁側が前記台形状の高さ（凸側面５１２と気流案内板５３３との距離）が低く（短く）形成されている。よって、本第一実施形態における気流案内路５３は、後縁側から前縁側に向けて徐々に狭められるように形成されている。気流案内路５３を狭めて気流導入口５３１から導入された気流の速度を加速させて気流排出口５３２から排出することで、前縁気流貯留部５２へ案内される風力によって前記前縁気流貯留部５２を回転方向へ押す力を強めている。

上縁気流止め部５４は、凹状パネル部５１で受けた風の気流をその上縁から逃げないように受け止めるためのものである。本第一実施形態における上縁気流止め部５４は、図１に示すように、凹状パネル部５１から前縁気流貯留部５２にかけてそれらの上縁部５１７を覆うように前記凹状パネル部５１の凹側面５１１側に設けられている。

また、下縁気流止め部５５は、上縁気流止め部５４と同様に、凹状パネル部５１で受けた風の気流をその下縁から逃げないように受け止めるためのものである。本第一実施形態における下縁気流止め部５５は、図１に示すように、凹状パネル部５１から前縁気流貯留部５２にかけてその下縁部５１８を覆うように前記凹状パネル部５１の凹側面５１１側に設けられている。

以上の構成からなる受風パドル５は、回転方向に前縁側を向けた状態で各支持アーム４に支持されている。また、各支持アーム４と受風パドル５との連結部分には、角度調整機構１０が設けられており、平面視において回転方向に対する受風パドル５の角度を適度に調整できるようになっている。本第一実施形態における角度調整機構１０は、図３および図４に示すように、凹状パネル部５１の凸側面５１２に固定された支持板１１と、この支持板１１を支持アーム４に固定する２本の支持ボルト１２，１２とを有している。前記支持板１１には、一方の前記支持ボルト１２を挿通させるボルト孔１３と、このボルト孔１３を中心とする円弧に沿って形成され他方の支持ボルト１２を挿通させる円弧状の長孔１４とが形成されている。つまり、角度調整機構１０は、一方の支持ボルト１２を前記ボルト孔１３に挿通させて前記支持アーム４に固定することで受風パドル５を回転自在に支持するとともに、他方の支持ボルト１２を前記長孔１４に挿通させ前記受風パドル５の角度を適宜調整後に前記支持アーム４に固定するようになっている。

次に、本第一実施形態の風力発電装置１における各構成の作用について説明する。

本第一実施形態の風力発電装置１に対して、図５に示すように、一つの受風パドル５Ａ方向から垂直回転軸３を中心として対向する受風パドル５Ｃの方向に吹く風（図５における下から上方向へ向かう風）を受けた場合について説明する。

この場合、最も風上側に位置する受風パドル５Ａは、主に凹状パネル部５１の凹側面５１１で風を受ける。凹状パネル部５１は、凹側面５１１が湾曲しており前縁側へ向けて傾斜しているため、受けた風をその湾曲面（凹側面５１１）に沿うように後縁側から前縁側へと案内する。

前縁気流貯留部５２は、凹状パネル部５１によって後縁側から前縁側へと案内された風を受け止め、風力を前縁方向への力に変換する。このとき、凹状パネル部５１の上縁部５１７および下縁部５１８に設けられた上縁気流止め部５４および下縁気流止め部５５が、上下方向に空気が抜けるのを防止する。よって、凹状パネル部５１の凹側面５１１で受けた風は、その多くが前縁気流貯留部５２へと案内され、前縁方向に押す力となる。

次に、この受風パドル５Ａに対して回転方向に９０度間隔で配置された受風パドル５Ｂ（図５において右側に配置される受風パドル５Ｂ）において受けた風による作用について説明する。当該受風パドル５Ｂに対しては、後縁側から前縁側に向けて風が流れている。よって、凹状パネル部５１の凹側面５１１を流れる気流は前記凹状パネル部５１に沿って前縁気流貯留部５２に案内されるか、または直接的に前記前縁気流貯留部５２に流れ込み、前縁方向に押す力となる。

一方、凹状パネル部５１の凸側面５１２に当たる気流は、前記凸側面５１２に沿って流れる。このとき、気流案内路５３の気流導入口５３１よりも上流側に延設された仕切板５３４では、気流に乱れを与える。これにより、気流は前記気流導入口５３１から気流案内路５３に流れ込み易くなる。そして、前記気流は気流導入口５３１から気流案内路５３に流れ込む。

気流案内路５３では、気流導入口５３１から気流排気口にかけてその断面積を徐々に狭めているため、断面積に応じて流れ込んだ気流の速度を加速させる。そして、加速された気流が気流排出口５３２から排出され、前縁気流貯留部５２へ案内される。気流案内路５３によって凸側面５１２から凹側面５１１側に導かれた気流は加速された強い力によって前縁気流貯留部５２を前縁方向に押す力となる。よって、本第一実施形態における受風パドル５は、従来であれば、凸側面５１２に沿って流れ抜けるため前縁方向に押す力としてあまり使われなかった後縁側から凸側面５１２に当たる気流を前縁方向に押す力として利用することができる。

次に、前記受風パドル５Ｂに対して、さらに回転方向に９０度間隔で配置された受風パドル５Ｃ（図５において風下側に配置される受風パドル５Ｃ）について説明する。当該受風パドル５Ｃでは、凸側面５１２で風を受ける。このとき凸側面５１２に当接した気流は前記凸側面５１２に沿って流れる。そして、その一部が気流案内路５３に流れ込む。気流排出口５３２が前縁気流貯留部５２側に向けて開口しているため、気流案内路５３に流れ込んだ空気は前縁気流貯留部５２へ案内され、前縁方向に押す力となる。よって、本第一実施形態における受風パドル５は、従来であれば、風下側に配置された場合に垂直回転軸３の回転に対して力が発揮されていなかった凸側面５１２に当接した気流を、前縁方向に押す力として利用することができる。

次に、前記受風パドル５Ｃに対して、さらに回転方向に９０度間隔で配置された受風パドル５Ｄ（図５において左側に配置される受風パドル５Ｄ）について説明する。当該受風パドル５Ｄに対しては、前縁側から後縁側に向けて風が流れている。よって、受風パドル５Ｄは前縁側からの向かい風を受けることになる。しかし、本第一実施形態における受風パドル５は、前縁気流貯留部５２の凹側面５１１側から凸側面５１２側にかけての幅が狭く、前縁側から後縁側に向けた投影面積が小さいため向かい風によって後縁側に押される力をより小さくすることができる。

また、受風パドル５が略翼形状であることから凹側面５１１における風速より凸側面５１２における風速を速くなる。よって、前記凹側面５１１よりも凸側面５１２側が負圧になる。そうすると、前記凹側面５１１の空気は気流案内路５３から凸側面５１２側に噴出される。受風パドル５は、噴出された気流による反動により回転方向への推進力を得る。

以上より、本第一実施形態における各受風パドル５では、一方向から受けた風の力を、４つの全ての受風パドル５Ａ〜５Ｄにおいて前縁側に向けて回転（図５における反時計回り方向に回転）させる力とすることができる。また、受風パドル５Ｄには、回転方向とは逆方向に回転させる力を受けるが、その力は他の３つの受風パドル５Ａ〜５Ｃによる回転方向の回転力よりも小さくなる。

次に、一つの受風パドル５Ａと、この受風パドル５Ａの隣に配置される受風パドル５Ｂとの間に風が吹いた場合（図６において右下から左上に向けた斜め４５度の角度に風が吹いた場合）について説明する。このとき、受風パドル５Ｂでは、主に凹状パネル部５１の凹側面５１１で風を受ける。そして、気流は、凹側面５１１に沿って前縁気流貯留部５２に案内され、前縁方向への強い力となる。

また、受風パドル５Ｃでは、後縁側から凸側面５１２に気流が当たる。この気流は、受風パドル５Ｃを前縁方向に押す力となる。また、当接した気流は、凸側面５１２に沿って気流案内路５３に流れ込み、前縁気流貯留部５２へ案内され、前縁方向に押す力となる。

一方、受風パドル５Ａおよび受風パドル５Ｄには、前縁側から風を受けて、回転方向とは逆方向の力を生じさせる。しかし、風を受ける凹側面５１１および凸側面５１２が、流線型のように流れに対して滑らかな形状に形成されているため、気流は各面に沿って流れ回転方向と逆方向に発生させる力を弱くしている。また、受風パドル５が略翼形状であることから気流案内路５３から凸側面５１２側に空気が噴出され、その反動により回転方向への推進力を得る。

したがって、本第一実施形態における各受風パドル５は、受風パドル５同士の間を通る風を受けても回転方向に回転（図６における反時計回り方向に回転）させる力を生じさせることができる。そのため、受風パドル５側または受風パドル５同士の間のいずれに風が吹いたとしても、回転方向への力を発揮することができる。

支持アーム４では、この各受風パドル５による変換された前縁方向への力を回転する力（回転トルク）として垂直回転軸３に伝達する。

垂直回転軸３は、支持アーム４によって伝達された受風パドル５に作用した風力により生じた回転力によって回転を開始する。前記垂直回転軸３は、上下２箇所に配置された上下一対の磁石６，６の反発力によって浮遊状態で支持されているとともに、ベアリング９，９によって回転方向の摩擦損失も低減されている。よって、前記垂直回転軸３は、低速の風力による弱い回転力であっても起動（回転が開始）される。また、回転中においても支持軸台との摩擦による損失を抑制できるので、発電の損失も抑えることができる。

また、垂直回転軸３は、上部支持部２２における支持アーム４近傍と、その下方の２箇所以上で支持されているため、受風パドル５が強風を受けて撓むのが抑制される。よって、前記垂直回転軸３の回転がスムーズに行うことができる。

風力発電用モータ８では、伝達された垂直回転軸３の回転力によって回転軸８１が回転され、発電が行われる。このとき、回転伝達機構７では、垂直回転軸３の回転数より多い回転数で前記風力発電用モータ８を回転させるため、より多くの発電量を得ることができる。

以上のような本第一実施形態の風力発電装置１によれば、以下の効果を得ることができる。
１．受風パドル５の後縁側から凸側面５１２に当接する風を凹側面５１１側に導いて前縁気流貯留部５２を押す力として利用することができるため、従来のパドル型の風力発電装置１よりも多くの発電量を得ることができる。
２．受風パドル５では、凸側面５１２に当接する風も利用できるため、四方いずれの方向から吹く風を受けても垂直回転軸３を回転させて効率の良い発電を行うことができる。
３．受風パドル５では、気流案内路５３によって前縁気流貯留部５２に排出する風を加速させるため、より強い力で垂直回転軸３を回転させることができる。
４．プロペラによる揚力で発電するものではなく、風から受ける力を直接回転力に変換して発電するパドル型の風力発電機であるため、弱い風でも発電を開始することができる。特に、本願第一実施形態の風力発電装置１では、複数の磁石６によって垂直回転軸３を浮遊状態に支持されるようにしたため、支持軸台との摩擦を最低限に抑えることで、より始動し易くなっている。

次に、本発明に係る風力発電装置の第二実施形態について図面を用いて説明する。なお、本第二実施形態の風力発電装置１のうち、上述した第一実施形態の構成と同等または相当する構成については、再度の説明を省略する。

本第二実施形態における凹状パネル部５１は、図７に示すように、支持アーム４に固定された状態の平面視で内側面５１６が凹状に湾曲するように形成されている。

また、本第二実施形態における気流案内路５３は、前述した前縁側気流案内路５３５に加えて後縁側気流案内路５３６を有している。後縁側気流案内路５３６は、前縁側気流案内路５３５よりも後縁側に形成されており、凹状パネル部５１の後方の凸側面５１２に当たる気流を凹側面５１１側に導くためのものである。本第二実施形態では、凹状パネル部５１が、前縁側凹状パネル部５１９と後縁側凹状パネル部５２０とから構成されており、前縁側凹状パネル部５１９の後端を凸側面５１２側に配置し、当該後端の凹側面５１１側にオーバーラップするように後縁側凹状パネル部５２０の前縁を配置することで、その隙間によって後縁側気流案内路５３６を形成している。

また、本第二実施形態における受風パドル５は、凹側面５１１で受けた風が前記凹側面５１１に沿って流れるのを妨げないようにするため、支持アーム４による支持位置を凹状パネル部５１の凹側面５１１ではなく、下縁気流止め部５５および上縁気流止め部５４において支持されている。このため、図７〜図９に示すように、下縁気流止め部５５および上縁気流止め部５４は、角度調整機構１０の支持板１１を兼ねるべく、ボルト孔１３および長孔１４が形成されている。

なお、本第二実施形態における前縁側気流案内路５３５および後縁側気流案内路５３６は、平面視で内側面５１６が凹状に湾曲する凹状パネル部５１が有しているが、これに限定されるものではなく、図１２に示すように、平面視で外側面５１５が凹状に湾曲する凹状パネル部５１を有していてもよい。また、図示しないが、凹状パネル部５１は、平面視において直線状のパネルによって、前縁側凹状パネル部５１９と後縁側凹状パネル部５２０を構成し、前縁側凹状パネル部５１９の後端と、後縁側凹状パネル部５２０の前縁とをオーバーラップさせて後縁側気流案内路５３６を形成してもよい。

次に、本第二実施形態の風力発電装置１における各構成の作用について説明する。

本第二実施形態の風力発電装置１に対して、図８に示すように、一つの受風パドル５Ａの方向から垂直回転軸３を中心として対向する受風パドル５Ｃの方向に吹く風（図８における下から上方向へ向かう風）を受けた場合について説明する。

この場合、最も風上側に位置する受風パドル５Ａは、主に凹状パネル部５１の凸側面５１２で風を受ける。凹状パネル部５１は、凸側面５１２が湾曲しており前縁側へ向けて傾斜しているため、凸側面５１２に当たる気流をその凸側面５１２に沿うように後縁側から前縁側へと案内する。

前縁側気流案内路５３５では、後縁側から凸側面５１２に当たる気流を凹側面５１１側に導いて前縁気流貯留部５２へ案内する。そして、案内された風は前縁気流貯留部５２において前縁方向に押す力となる。また、受風パドル５Ａが少しでも回転方向に回転すれば、後縁側気流案内路５３６にも気流が入りやすくなり、後方側の凸側面５１２に当たる気流を凹側面５１１側に導いて前縁気流貯留部５２へ案内し、前縁方向に押す力として加えることができる。

次に、この受風パドル５Ａに対して回転方向に９０度間隔で配置された受風パドル５Ｂ（図８において右側に配置される受風パドル５Ｂ）では、後縁側から前縁側に向けて風が流れている。よって、凹状パネル部５１の凹側面５１１を流れる気流は前記凹状パネル部５１に沿って前縁気流貯留部５２に案内されるか、または直接的に前記前縁気流貯留部５２に流れ込み、前縁方向に押す力となる。

また、凹状パネル部５１の凸側面５１２に当たる気流は、前記凸側面５１２に沿って流れる。本第二実施形態では、気流案内路５３が、前縁側気流案内路５３５と、当該前縁側気流案内路５３５よりも後縁側に配置された後縁側気流案内路５３６とから構成されているため、前縁側の凸側面５１２に当たる気流は前縁側気流案内路５３５に流れ込み、後縁側気流案内路５３６の形成位置よりも後縁側の凸側面５１２に当たる気流は、後縁側気流案内路５３６に流れ込む。

前縁側気流案内路５３５および後縁側気流案内路５３６に流れ込んだ気流は加速されて前縁気流貯留部５２へ案内される。よって、各気流案内路５３５，５３６によって凸側面５１２から凹側面５１１側に加速された強い力によって前縁気流貯留部５２を前縁方向に押す力となる。このように、凹状パネル部５１に複数の気流案内路５３を形成することで、後縁側から凸側面５１２に当たる気流をより多く凹側面５１１側に導いて前縁方向に押す力として利用することができる。

次に、前記受風パドル５Ｂに対して、さらに回転方向に９０度間隔で配置された受風パドル５Ｃ（図８において風下側に配置される受風パドル５Ｃ）では、主に凹状パネル部５１の凹側面５１１で風を受ける。凹状パネル部５１は、凹側面５１１側が湾曲しており前縁側へ向けて傾斜しているため、受けた風をその湾曲面（凹側面５１１）に沿うように後縁側から前縁側へと案内する。前縁気流貯留部５２では、湾曲面に沿って案内された気流を受けて前縁方向に押す力となる。

次に、前記受風パドル５Ｃに対して、さらに回転方向に９０度間隔で配置された受風パドル５Ｄ（図８において左側に配置される受風パドル５Ｄ）では、前縁側からの向かい風を受けることになる。しかし、本第一実施形態における受風パドル５と同様、前縁気流貯留部５２の凹側面５１１側から凸側面５１２側にかけての幅が狭く、前縁側から後縁側に向けた投影面積が小さいため向かい風によって後縁側に押される力をより小さくすることができる。また、本第二実施形態では複数の気流案内路５３を有しているが、投影面積に対する影響は少ない。よって、複数の気流案内路５３を設けたことが空気抵抗として回転を妨げることはない。また、凹側面５１１と凸側面５１２との風速差によって、前記凹側面５１１よりも凸側面５１２側が負圧になる。前記凹側面５１１の空気は前縁側気流案内路５３５および後縁側気流案内路５３６から凸側面５１２側に噴出され、その反動により回転方向への推進力を得る。

また、一つの受風パドル５Ａと、この受風パドル５Ａの隣に配置される受風パドル５Ｂとの間に風が吹いた場合（図９において右下から左上に向けた斜め４５度の角度に風が吹いた場合）において、受風パドル５Ｂでは、主に凹状パネル部５１の凸側面５１２で風を受ける。そして、気流は、凸側面５１２に沿って流れ、前縁側気流案内路５３５および後縁側気流案内路５３６に流れ込む。そして、気流は前縁気流貯留部５２に案内され、前縁方向への強い力となる。

また、受風パドル５Ｃでは、主に凹状パネル部５１の凹側面５１１で風を受ける。よって、この気流は凹側面５１１に沿って前縁気流貯留部５２へ案内され、あるいは直接的に前記前縁気流貯留部５２へ流入して前縁方向に押す力となる。

一方、受風パドル５Ａおよび受風パドル５Ｄは、前縁側から風を受けて、回転方向とは逆方向の力を生じさせる。また、本第二実施形態では、複数の気流案内路５３を有している。しかし、風を受ける凹側面５１１および凸側面５１２が、前縁側気流案内路５３５および後縁側気流案内路５３６とともに流線型のように流れに対して滑らかな形状に形成されているため、気流は各面に沿って流れ回転方向と逆方向に発生させる力を弱くしており、複数の気流案内路５３を設けたことが空気抵抗として回転を妨げることはない。また、受風パドル５が略翼形状であることから前縁側気流案内路５３５および後縁側気流案内路５３６から凸側面５１２側に空気が噴出され、その反動により回転方向への推進力を得る。

以上のような本第二実施形態の風力発電装置１によれば、第一実施形態と同様の作用効果が得られるとともに、複数の気流案内路５３によって、後縁側から凸側面５１２に当たる気流を凹側面５１１側により多く導くことができ、前記凸側面５１２に当たる気流を効率よく発電に利用することができる。また、複数の気流案内路５３を設けたことによる回転を妨げる効果は殆どないため、製造コストなどを考慮して適宜設けることができる。また、本第二実施形態における凹状パネル部５１は、平面視で内側面５１６を凹状に湾曲させているが、様々な方向から吹く風を受けても垂直回転軸３を回転させて効率の良い発電を行うことができる。

なお、本発明に係る風力発電装置は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。例えば、各部材として使用される素材は特に限定されるものではなく、重量や価格等を考慮して適宜選択してもよい。

１ 風力発電装置
２ 軸支持台
３ 垂直回転軸
４ 支持アーム
５ 受風パドル
６ 磁石
７ 回転伝達機構
８ 風力発電用モータ
９ ベアリング
１０ 角度調整機構
１１ 支持板
１２ 支持ボルト
１３ ボルト孔
１４ 長孔
２１ 本体部
２２ 上部支持部
５１ 凹状パネル部
５２ 前縁気流貯留部
５３ 気流案内路
５４ 上縁気流止め部
５５ 下縁気流止め部
８１ 回転軸
５１１ 凹側面
５１２ 凸側面
５１３ 前縁部
５１４ 後縁部
５１５ 外側面
５１６ 内側面
５１７ 上縁部
５１８ 下縁部
５１９ 前縁側凹状パネル部
５２０ 後縁側凹状パネル部
５２１ 先端部
５２２ 後端部
５３１ 気流導入口
５３２ 気流排出口
５３３ 外側案内板
５３４ 仕切板
５３５ 前縁側気流案内路
５３６ 後縁側気流案内路

Claims (5)

1. 風力発電用モータに回転力を伝える垂直回転軸と、この垂直回転軸から放射状でかつ円周方向に対して等間隔に配置される複数の支持アームと、各々の前記支持アームの先端に接続される受風パドルとを有する風力発電装置であって、
   前記受風パドルは、縦長状でかつ平面視で内側面または外側面に凹状に湾曲または屈曲してなる凹状パネル部と、この凹状パネル部の回転方向における前縁部の縦方向に沿って凹側面側に突出形成されかつその先端部が後縁側に湾曲または屈曲してなる前縁気流貯留部とを有しており、
   前記凹状パネル部には、後縁側から凸側面に当たる気流を凹側面側に導いて前記前縁気流貯留部へ案内するための気流案内路が、前記受風パドルの縦方向に沿って形成されている、前記風力発電装置。
2. 前記気流案内路が、前記凹状パネル部における前縁部の凸側面側でかつその縦方向に沿って形成された前縁側気流案内路を有する、請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記気流案内路が、前記前縁側気流案内路とともに、当該前縁側気流案内路よりも後縁側において、その形成位置よりも後縁側の凸側面に当たる気流を凹側面側に導くための後縁側気流案内路を有する、請求項２に記載の風力発電装置。
4. 前記気流案内路は、後縁側から前縁側に向けて徐々に狭められるように形成されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載の風力発電装置。
5. 前記垂直回転軸は、軸方向に沿って複数の箇所に設けられた上下一対の磁石の反発力により浮遊状態で軸支持台に回転自在に支持されている、請求項１から請求項４のいずれかに記載の風力発電装置。

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