WO2007141834A1

WO2007141834A1 - 風車用の羽根、風車、及び、風力発電機

Info

Publication number: WO2007141834A1
Application number: PCT/JP2006/311128
Authority: WO
Inventors: Masaharu Kato
Original assignee: Eco Technology Co., Ltd.
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-13
Also published as: EP2034179B1; US20090167027A1; JPWO2007141834A1; CN101529090B; JP3905121B1; US8198747B2; EP2034179A1; EP2034179A4; CN101529090A

Description

明細書

風車用の羽根、風車、及び、風力発電機

技術分野

[0001] 本発明は、風車用の羽根、風車、及び、風力発電機に係り、特に、垂直型の風車、この風車に用いられる風車用の羽根、及び、垂直型の風車を利用した風力発電機に関する。

背景技術

[0002] 風車には、垂直回転軸型と水平回転軸型とがあり、現在、風力発電には主として水平回転軸型が用いられている。水平回転軸型の風車は、風のエネルギー回収率が垂直回転軸型の風車よりも高いという利点がある力回転軸及び羽根が風の向きに対向しなければ回転効率が落ち、特に、羽根の上下間の高度差による風向きの違いから起きる失速や、急激な風向きの変化 (例えば巻き風）による失速という難点を有している。

[0003] 一方、垂直回転軸型の風車 (例えば、特許文献 1参照）は、風向きに左右されずに回転可能であるが、垂直回転軸の片側の羽根は充分な回転力を受けるが、他の片側の羽根は向かい風による抵抗を受けるという難点を有している。

特許文献 1 :特開 2001— 132617号

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、風向きによる影響の少ない垂直回転軸型で、より効率よく回転する風車、この風車に用いられる風車用の羽根、及び、この垂直回転型の風車を利用した風力発電機を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0005] 上記課題を解決するために、請求項 1に記載の風車用の羽根は、鉛直方向の回転中心の周りに配置されて風力を受ける風車用の羽根であって、前記鉛直方向からみて、回転方向の進行方向前側に向力つて凸状に湾曲された前側面と、前記前側面の背面側に配置され、前記進行方向の後側に向かって凹状に湾曲された後側面と、を有し、前記前側面は、前記進行方向の前方に配置されると共に平均曲率の最も大き、前縁面と、前記回転中心に近!、側に配置され前記前縁面から前記進行方向の後方に向力つて連続形成された気流低速通過面と、前記回転中心力遠い側に配置され前記前縁面から前記進行方向の後方に向かって前記気流低速通過面よりも大きく膨らむ曲面で連続形成され前記鉛直方向からみた長さが前記気流低速通過面よりも長い気流高速通過面と、を含んで構成されていること、を特徴としている。

[0006] 本発明の風車用の羽根は、いわゆる垂直回転軸型の風車に用いられる羽根であつて、鉛直方向の回転中心の周りに配置される。そして、前側面と後側面とを有している。

[0007] 前側面は、鉛直方向からみて、回転方向の進行方向前側に向力つて凸状に湾曲されている。この前側面は、前縁面、気流低速通過面、及び、気流高速通通過面を含んで構成されている。前縁面は、前側面の中で進行方向の前方に配置され、平均曲率の最も大きい部分である。気流低速通過面は、回転中心に近い側に配置され、前縁面力進行方向の後方に向力つて連続形成されている。気流高速通過面は、回転中心力遠い側に配置され前縁面力進行方向の後方に向かって連続形成されている。また、気流高速通過面は、気流低速通過面よりも大きく膨らむ曲面で構成され、鉛直方向からみた長さが気流低速通過面よりも長くなつている。なお、気流低速通過面よりも大きく膨らむとは、前縁面の前方側からの向かい風が気流低速通過面側と気流高速通過面側とに分かれて後方側へ流れる際に、気流高速通過面側を通過する気流の速度が、気流低側面側を通過する気流の速度よりも速くなるように膨らんでいることをいう。

[0008] このように、気流低速通過面と気流高速通過面とを有することにより、前方からの向カヽ風を受けると羽根に対して揚力が作用する。この揚力の方向が進行方向前側への成分を含むことで、羽根を前方へ回転させることができる。

[0009] 一方、後側面は、前側面の背面側に配置されている。背面側とは、凸状に湾曲された前側面の凹形状側をいう。後側面は、進行方向の後側に向かって凹状に湾曲されている。このような形状とすることにより、後側面で効率よく風を受けることができる。

[0010] 本発明の風車用の羽根によれば、向かい風の場合には前側面で風を受けて揚力により、後方からの追い風の場合には後側面で風を受けて抗カにより、羽根を進行方向の前側に向かって強い力で回転させることができる。

[0011] 請求項 2に記載の風車用の羽根は、請求項 1の風車用の羽根において、前記後側面が前記前側面の平均曲率よりも小さい曲率の円弧状であること、を特徴とする。

[0012] このように、後側面を平均曲率の小さい円弧状で構成することにより、後側面付近での気流を安定させることができる。また、後方力もの風を凹面型の広い面積で、効率よくとら免ることができる。

[0013] 請求項 3に記載の風車用の羽根は、鉛直方向からみて、前記後側面により構成される円弧の延長上に前記回転中心が配置されていること、を特徴とする。

[0014] 後側面を上記形状とすることにより、後側面に当たった気流を回転中心に向力つてスムーズに流すことができる。

[0015] 請求項 4に記載の風車は、鉛直方向に回転中心を有し、前記回転中心の周りに請求項 1乃至請求項 3に記載の風車用の羽根を複数備えたものである。

[0016] 本発明の風車は、前述のように、前側面からの向かい風に対して揚力を発生させると共に、後側面で効率よく風を受けることができるので、効率よく回転させることができる。羽根の枚数としては、 2枚以上、 3枚、 4枚、 5枚、 6枚等、で構成することができる

[0017] 請求項 5に記載の風車は、前記風車用の羽根と前記回転中心との間に、風が通過可能な風洞が構成されていること、を特徴とする。

[0018] このように、風洞を構成することにより、風が風洞を通過して風下側に位置する羽根にも回転力を与えることができる。

[0019] 請求項 6に記載の風車は、風車用の羽根が、回転中心の周りに等間隔の中心角度で 3枚配置されていること、を特徴とする。

[0020] このように、 3枚の風車用の羽根を等間隔で配置することにより、回転中心に対して点対称の位置に他の羽根が配置されず、いずれか 1つの羽根が最も強く進行方向に向力つて風を受ける位置に配置されたときに、点対称の位置の羽根が逆方向に向かつて最も強く風を受けることを回避でき、効率よく回転させることができる。

[0021] 請求項 7に記載の風車は、鉛直方向からみて、前記気流高速通過面の前記進行方向最後端部が前記回転中心から最も離れた位置に配置され、前記気流低速通過面の前記進行方向最後端部が前記回転中心に最も近!、位置に配置されて!、ること、を特徴とする。

[0022] このように、 3枚の風車用の羽根を配置することにより、効率よく揚力及び抗カを発生させることができ、風車を効率よく回転させることができる。

[0023] 請求項 8に記載の風車は、鉛直方向からみて、前記気流高速通過面の前記進行方向最後端と前記回転中心とを結ぶ直線の延長上付近に前記前縁面が配置されること、を特徴とする。

[0024] このように、 3枚の風車用の羽根を配置することにより、風洞を通過して気流を風下側の風車用の羽根の後側面に当てることができる。

[0025] 請求項 9に記載の風力発電機は、請求項 4乃至請求項 8のいずれ力 1項に記載の風車を備えたものである。

[0026] この風力発電機によれば、前述のように効率よく回転する風車を備えているので、効率よく発電を行うことができる。

[0027] 請求項 10に記載の風力発電機は、請求項 4乃至請求項 8のいずれか 1項に記載の風車で構成される第 1風車と、請求項 4乃至請求項 8のいずれか 1項に記載の風車で構成され、前記第 1風車と回転中心を共通とし、前記第 1風車と逆方向に回転するように配置された第 2風車と、前記第 1風車の回転に連動して前記第 1風車と同方向に回転する界磁用磁石、及び、前記第 2風車の回転に連動して前記第 2風車と同方向に回転する電機子コイルを有し、前記第 1風車と前記第 2風車との間に配置された発電装置と、を備えている。

[0028] 上記構成によれば、界磁用磁石と電機子コイルとが互いに反対方向に回転するので、界磁用磁石による磁界を電機子コイルが横切ることにより、どちらか一方のみが回転する場合よりも、効率よく発電をすることができる。

発明の効果

[0029] 本発明の風車用の羽根、及び、風車によれば、風向きによる影響の少ない垂直回転軸型の風車を、より効率よく回転させることができる。

[0030] また、本発明の風力発電機によれば、風向きによる影響が少なぐ効率よく回転する風車を利用するので、より効率よく発電することができる。

図面の簡単な説明

[図 1]本発明の実施形態である風力発電機の斜視図である。

[図 2]本発明の実施形態である風力発電機の側面図である。

[図 3]本発明の実施形態である第 1風車、第 2風車、及び発電機の斜視図である。

[図 4]本発明の実施形態である羽根の外形状と回転中心とを鉛直方向力見た概略図である。

[図 5]本発明の実施形態である羽根の取り付け角度を示す上面図である。

[図 6]本発明の実施形態である第 1風車の羽根プレートを示す上面図である。

[図 7A]本発明の実施形態である風力発電機の発電装置を示す上面図である。

[図 7B]本発明の実施形態である風力発電機の発電装置を示す側断面図である。

[図 8A]本発明の実施形態である第 1風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。

[図 8B]本発明の実施形態である第 1風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。

[図 8C]本発明の実施形態である第 1風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。

[図 8D]本発明の実施形態である第 1風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。

[図 8E]本発明の実施形態である第 1風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。

[図 8F]本発明の実施形態である第 1風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。

[図 9A]本発明の実施形態である第 1風車の回転中心と羽根の重心位置との関係を示す上面図である。

[図 9B]本発明の実施形態である第 1風車の回転中心と羽根の重心位置との関係を示す上面図である。

[図 10]本発明の実施形態である第 2風車の羽根の回転と気流との関係を示す上面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0032] 以下、図面を参照しながら、本発明の風車用の羽根、風車、及び、風力発電機の実施形態について説明する。

[0033] 図 1〜図 3に示すように、風力発電機 10は、フレーム 12、第 1風車 20、第 2風車 30 、及び、発電装置 40を備えている。

[0034] フレーム 12は、台 14上に鉛直方向に立設された 3本の柱 12A、及び、各々の柱 1 2Aの間を連結する複数の梁 12Bを備えている。 3本の柱 12Aは、鉛直方向からみて実質正三角形の頂点位置に配置されており、梁 12Bは、柱 12Aの上端部を含む 3力所の高さ位置で各々の柱 12Aを連結している。各高さ位置の 3本の梁 12Bにより、正三角形状が構成されている。

[0035] 第 1風車 20、及び、第 2風車 30は、いわゆる垂直側の風車であり、図 3に示すように、鉛直方向に配置される共通の回転中心 Mを有している。なお、回転中心 Mは、仮想の回転軸であり、本実施形態では、回転軸は後述するように、第 1風車 20、及び、第 2風車 30を貫通せず、各々の上下に配置されている。

[0036] 第 1風車 20は、 3枚の羽根 22A、 22B、 22C、及び、 2枚の羽根プレート 24A、 24 Bを備えている。羽根 22A、 22B、 22C、及び、羽根プレート 24A、 24Bは、各々同一形状とされ、取付位置のみ異なるため、これらをまとめて、羽根 22、羽根プレート 2 4とする。

[0037] なお、羽根 22の材質としては、アルミニウム、ジュラルミン、チタン、などの軽合金、強化プラスチックなどを用いることができる。

[0038] 羽根 22は、鉛直方向からみて、図 4に示すように、翼形状 WIを想定し、その前方部分を用いた形状とされている。翼形状 WIは、前方からの風 (矢印 AIR)に対して揚力を発生させることの可能な、一般的な飛行機の翼の断面と同様の形状であり、翼弦 W Gに対して一方側が他方側よりも大きく膨らんだ形状とされている。回転に伴う相対風の向きを AK、自然風を ASとすると、羽根 22には揚力 Fが作用して、回転中心 M の周りを X方向に回転する。

[0039] 羽根 22は、鉛直方向からみた断面は、どの水平断面位置でも同様の形状とされている。鉛直方向からみて、進行方向の前側は、前側プレート 26で構成され、進行方向の後側は、後側プレート 28で構成され、中空形状となっている。

[0040] 前側プレート 26は進行方向の前側に向かって凸状に湾曲されており、前縁面 26F 、気流低速通過面 26L、及び、気流高速通過面 26Hを含んで構成されている。前側プレート 26は、前方力もの風を受けると揚力が作用し、進行方向前側へ回転可能な形状とされている。

[0041] 前縁面 26Fは、湾曲された前側プレート 26の中で、最も平均曲率の大きい（曲率半径の小さい)部分を含んで構成されており、進行方向の前側に配置されている。

[0042] 気流低速通過面 26Lは、回転中心 Mに近い側に配置されており、前縁面 26Fから進行方向の後側に向力つて連続形成されている。気流低速通過面 26Lの進行方向後端部 ELは、羽根 22のなかで最も回転中心 Mに近い位置に配置されている。

[0043] 気流高速通過面 26Hは、回転中心 M力も遠い側に配置されており、前縁面 26Fから進行方向の後ろ側に向力つて連続形成されている。気流高速通過面 26Hは、鉛直方向からみて、図 4に示すように、翼型 WIの翼弦 WGを考えた場合、気流低速通過面 26Lよりも翼弦 WG力も離れる方向に大きく膨らむ曲面形状とされている。また、気流高速通過面 26Hの長さは、気流低速通過面 26Lよりも進行方向後側に延びている。気流高速通過面 26Hの進行方向後端部 EHは、羽根 22のなかで最も回転中心 Mから遠、位置に配置され、気流低速通過面 26Lの後端部 ELよりも進行方向の後側に配置されている。

[0044] 後側プレート 28は、前側プレート 26の背面側（凹形状側）に配置され、気流低速通過面 26Lの後端部 ELと気流高速通過面 26Hの後端部 EHとを結び、進行方向の後側に向力つて凹状に湾曲されている。この湾曲形状は、鉛直方向からみて、円弧の一部である弧状とされている。この円弧の曲率は、前側プレート 26全体の平均曲率よりも小さぐ前側プレート 26と後側プレート 28との間に、中空の空間 Rが構成される。また、この円弧を回転中心 M側へ延長した位置に、回転中心 Mが配置されている。

[0045] 図 5に示すように、回転中心 Mと気流低速通過面 26Lの後端部 ELとを通る直線を Cl、羽根 22の最前部 Fと回転中心 Mとを通る直線を C2、羽根 22の最後部 EH (気流高速通過面 26Hの後端部と一致する）と回転中心 Mとを通る直線を C3とすると、 C 1と C3とが成す角 Θ 2は、 C1と C2とが成す角 θ 1よりも大きい角度とされている。このような取り付け角度にすることにより、後述する第 1風洞 20Fへ入った気流を、風下側に配置された羽根 22の後側プレート 28に効率よく当てることができ、羽根 22を効率よく回転させることができる。

[0046] 羽根 22の上端面及び下端面は、図 3に示すように、蓋プレート 27で構成され、空間 Rを閉鎖している。

[0047] 羽根プレート 24は、板状とされ、図 6に示すように、中心部に位置する円形状の円板部 24Mと、円板部 24M力も外側方向に向力つて延びる 3つの羽根付部 24Hで構成されている。羽根付部 24Hは、円板部 24Mの周りに等間隔で放射状に配置されている。羽根付部 24Hの進行方向前側（矢印 X方向）は羽根 22の後側プレート 28と同じ曲率の円弧状とされ、羽根付部 24Hの進行方向後側は羽根 22の後側プレート 28よりも小さい曲率の円弧状とされている。 3つの羽根付部 24Hの最外部は、中心 O を中心として同心円上に配置されている。

[0048] 羽根付部 24Hの前端縁部には、弧状に沿って取付孔 24Pが複数 (本実施形態では 4個）形成されて!ヽる。この前端縁部と羽根 22の蓋プレート 27後端縁が重ねられ、取付孔 24Pからビス (不図示）を差し込んで蓋プレート 27に固定することにより、羽根 22が羽根付部 24Hに取り付けられている。 3枚の羽根 22A、 22B、 22Cは、同様にして他の羽根付部 24Hに取り付けられ、羽根 22の上面及び下面に羽根プレート 24 A、 24Bが各々配置される。

[0049] 図 3にも示されるように、羽根プレート 24A、 24Bの間の、羽根 22に囲まれた中間部分には、回転軸が配置されず、空洞部である第 1風洞 20Fが構成されている。羽根プレート 24Aの中央部上側には、図 2に示すように、回転中心 Mに沿って配置された第 1上軸 51が固定され、羽根プレート 24Bの中央部下側には、回転中心 Mに沿つて配置された第 1下軸 50が固定されている。

[0050] 第 2風車 30は、図 3に示すように、 3枚の羽根 32A、 32B、 32C、及び、 2枚の羽根プレート 34A、 34Bを備えている。羽根プレート 34A、 34Bは、第 1風車 20の羽根プレート 24A、 24Bと同一形状とされている。羽根 32A、 32B、 32Cは、第 1風車 20の羽根 22A、 22B、 22Cとほぼ同様の形状とされており、前側プレート 36、後側プレート 38、及び、蓋プレート 37を備えている。羽根 32は鉛直方向の長さのみ羽根 22と異なっており、羽根 32の鉛直方向の長さは、羽根 22の同方向の長さよりも長く構成されている。羽根 32の羽根プレート 34への取り付けも、第 1風車 20と同様にされており、羽根プレート 34A、 34Bの間の、羽根 32に囲まれた部分には、回転軸は配置されず、第 2風洞 30Fが構成されている。

[0051] 図 2に示すように、羽根プレート 34Aの中央部上側には、回転中心 Mに沿って配置された第 2上軸 52が固定され、羽根プレート 34Bの中央部下側には、回転中心 Mに沿って配置された第 2下軸 53が固定されている。

[0052] 第 2風車 30は、第 1風車 20とは逆方向に回転するように、羽根 32及び羽根プレート 34は第 1風車 20とは上下が逆向きに取り付けられている。

[0053] 発電装置 40は、図 1に示すように、回転中心 Mに沿った円筒状の円筒筐体 40A、及び、円筒筐体 40Aの下側に配置されるフランジ部 40Bを備えている。フランジ部 4 OBは、中央部に配置された梁 12Bと同じ高さで、各柱 12Aから内側に向力つて水平方向に延びる梁 15の上に固定されている。

[0054] 発電装置 40は、複数極の交流発電装置として構成され、図 7A及び図 7Bに示すように、円筒筐体 40A内に界磁用の磁石 42、磁石 42による磁束を横切る電機子コィル 44、を備えている。磁石 42は、永久磁石で構成され、円筒状の取付部材 43の内側に複数取り付けられ、取付部材 43と磁石 42とで外側回転体 45が構成されてヽる。電機子コイル 44は、円盤状のコイル保持部材 41の外周部分に配置され、磁石 42 よりも内側に磁石 42と対向するように配置されている。コイル保持部材 41及び電機子コイル 44により、内側回転体 47が構成されている。

[0055] なお、上記構成とは逆に、電機子コイル 44を外側に配置される外側回転体とし、磁石 42を内側に配置される内側回転体としてもよい。

[0056] 図 7Bに示すように、外側回転体 45は、円盤状の接続部材 49の外周下側に固定され、接続部材 49を介して第 1下軸 50に固定されており、第 1風車 20と一体的に回転するようになつている。第 1下軸 50は、下端部にフランジ状の接続プレート 50Pを有し、接続プレートの中央部下側には、後述する第 2上軸 52用の軸受け 52Aが設けられている。接続プレート 50Pは、接続部材 49の中央部に固定されている。 [0057] 内側回転体 47の回転中央部には、第 2上軸 52が固定されており、第 2風車 30と一体的に回転するようになっている。第 2上軸 52の上端部は、軸受け 52Aに軸支持されるとともに、軸受け 52Aと相対回転可能とされて、る。

[0058] 円筒筐体 40Aの上面中央部には、第 1下軸 50を支持する軸受け 50Aが設けられている。第 1下軸 50は、軸受け 50Aにより軸支持され、回転可能とされている。また、フランジ部 40Bの中央部には、第 2上軸 52を支持する軸受け 52Bが設けられている。第 2上軸 52は、軸受け 52Bにより軸支持され、回転可能とされている。第 1下軸 50 及び第 2上軸 52は、回転中心 Mに沿って配置され、外側回転体 45及び内側回転体 47は、第 1風車 20及び第 2風車 30と共通の回転中心 Mを中心に回転する。

[0059] 発電装置 40には、図示しないスリップリングとこのスリップリングに摺動するブラシが複数組設けられてヽる。そのうちの半数組は電機子コイル 44から交流発電電力を取り出すように接続され、他の半数組は磁石 42に界磁用電力を供給するように接続されている。界磁用電力は、前記交流発電電力の一部分を図示しない整流回路により直流に変換したものである。

[0060] 図 3に示すように、第 1風車 20、発電装置 40、及び、第 2風車 30は、上側からこの順でフレーム 12内に配置されている。

[0061] 図 1に示すように、フレーム 12の上端部に配置された梁 12Bの中心部には、軸支持部 16が設けられている。軸支持部 16は、各柱 12Aの上端部からから水平方向内側に向かつて延びる 3本の梁 13と連結されて支持されて!、る。軸支持部 16の下側には、軸受け 51Aが設けられている（図 2参照)。軸受け 51Aは、第 1上軸 51の上端部を軸支持する。

[0062] 最下部に配置された梁 12Bと同じ高さに配置され、各柱 12Aから内側に向力つて水平方向に延びる梁 17の上には、台 18が固定されている。台 18上には、軸受け 53 Aが設けられている。軸受け 53Aは、第 2下軸 53の下端部を軸支持する。

[0063] 次に、本実施形態の風力発電機 10の作用について説明する。

[0064] 図 8A〜（F)は、矢印 WIND方向の風に対して、第 1風車 20の各羽根 22が回転して異なる位置に配置されたときの気流を示す図である。矢印 Aは、気流を示す。

[0065] まず、図 8Aにおいて、羽根 22Aでは、気流 Aが後側プレート 28A側に当たり、進行方向とほぼ一致する矢印 AA方向の力が作用する。後側プレート 28Aに当たった気流 Aは、第 1風洞 20Fを通過して羽根 22Bの後側プレート 28Bに当たる。

[0066] 羽根 22Bでは、羽根 22Aに当たった後に流れてきた気流 Aと、羽根 22Aと羽根 22 Cとの間から流入して第 1風洞 20Fを通過してきた気流 Aとが当たる。前者の気流 A は、後側プレート 28Bに当たり、後者の気流 Aは後側プレート 28Bと前側プレート 26 Bの気流低速通過面 26Lに当たる。このとき、後側プレート 28Bは弧状とされ、後側端部 EHが回転中心 M力最も遠い位置に配置されていると共に気流低速通過面 2 6Lの後端部よりも進行方向後側に配置されているので、後側プレート 28Bが矢印 WI N方向から気流 Aを受けると、羽根 22Bには進行方向前側への成分を含んだ矢印 A Bの力が作用する。

[0067] 羽根 22Cでは、気流 Aが前側プレート 26C側に当たり、進行方向に対して向かい風となっている。この向かい風は、羽根 22Cの気流低速通過面 26L側と気流高速通過面 26H側とに分かれて後方へ流れる。羽根 22Cには、気流低速通過面 26L側に流れる気流 Aと気流高速通過面 26H側に流れる気流 Aとの速度差により揚力が働き、進行方向の成分を含んだ矢印 AC方向の力が作用する。

[0068] 前述の矢印 AA、 AB、 AC方向の力により、羽根 22は矢印 X方向に回転する。図 8 Aの羽根 22の位置において、矢印 AA、 AB、 AC方向の力（特に矢印 AC方向）は進行方向と逆向きの成分を有していないので、羽根 22を効率よく回転させることができる。

[0069] 図 8Bにおいて、羽根 22A、 22Cには、図 8Aにおける矢印 AA、 AC方向とほぼ同様の、矢印 BA、 BC方向の力が作用する。羽根 22Bについては、第 1風洞 20Fを通過してきた気流 A力直接には前側プレート 26Aに当たらないので (羽根 22Cが風上に配置されているため）、矢印 AB方向よりも進行方向側に傾いた矢印 BB方向の力が作用する。図 8Bの羽根 22の位置においても、矢印 BA、 BB、 BC方向の力（特に矢印 BC方向）は進行方向と逆向きの成分を有していないので、羽根 22を効率よく回転させることができる。

[0070] 図 8Cにおいて、羽根 22Aには、気流 Aが後側プレート 28A側に当たり、風向きとほぼ一致する矢印 CA方向の力が作用する。後側プレート 28Aに当たった気流 Aは、第 1風洞 20Fの内側寄りへ方向を変える。

[0071] 羽根 22Bでは、気流 Aが羽根 22Aと羽根 22Cとの間力も流入して第 1風洞 20Fを通過する際に、羽根 22A側からの気流 Aにより方向が変えられ、後側プレート 28Bに当たる。これにより、羽根 22Bには、進行方向前側への成分を含んだ矢印 CB方向の力が作用する。

[0072] 羽根 22Cでは、前側プレート 26Cの先端部分は、回転中心 M力も矢印 WIND方向に描かれる直線よりも進行方向前側に配置されており、気流 Aは前側プレート 26Cに当たって前側プレート 26Cの両側へ分かれて流れる。羽根 22Cには、矢印 CC方向の力が作用する。

[0073] 図 8Cの羽根 22の位置においても、矢印 CA、 CB、 CC方向の力は進行方向と逆向きの成分を有して、な、ので、羽根 22を効率よく回転させることができる。

[0074] 図 8Dにおいて、羽根 22Aには、気流 Aが後側プレート 28A側に当たり、風向きとほぼ一致する矢印 DA方向の力が作用する。

[0075] 羽根 22Bでは、前側プレート 26Bの前縁面 26F側力も気流 Aが当たり、この気流 A は気流高速通過面 26H側へ流れるので、羽根 22Bには、進行方向前側への成分を含んだ矢印 DB方向の力が作用する。

[0076] 羽根 22Cでは、図 8Cと同様に、気流 Aが前側プレート 26Cに当たり、前側プレート

26Cの両側へ分かれて流れる。羽根 22Cには、矢印 DC方向の力が作用する。

[0077] 図 8Dの羽根 22の位置においても、矢印 DA、 DB、 DC方向の力は進行方向と逆向きの成分を有して、な、ので、羽根 22を効率よく回転させることができる。

[0078] 図 8Eにおいて、羽根 22Aには、気流 Aが後側プレート 28Aに当たり、風向きとほぼ一致する矢印 EA方向の力が作用する。

[0079] 羽根 22Bでは、気流 Aが前側プレート 26B側に当たり、進行方向に対して向かい風となっている。この向かい風により、羽根 22Cには揚力が働き、進行方向の成分を含む矢印 EB方向の力が作用する。

[0080] 羽根 22Cでは、気流 Aが前側プレート 26Cに当たり、進行方向前側へ向かって流れる。これにより、羽根 22Cには、矢印 EC方向の力が作用する。

[0081] 図 8Eの羽根 22の位置においても、矢印 EA、 EB、 EC方向の力は進行方向と逆向きの成分を有して、な、ので、羽根 22を効率よく回転させることができる。

[0082] 図 8Fにおいて、羽根 22Aでは、気流 Aが後側プレート 28Aの回転中心 Mから遠い位置に当たる。これにより、羽根 22には、進行方向前側への成分を含んだ矢印 FB 方向の力が作用する。

[0083] 羽根 22Bでは、気流 Aが前側プレート 26B側に当たり、羽根 22Cには揚力が働き、進行方向の成分を含む矢印 FB方向の力が作用する。

[0084] 羽根 22Cでは、気流 Aが前側プレート 26Cに当たり、進行方向前側へ向かって流れる。これにより、羽根 22Cには、矢印 FC方向の力が作用する。この羽根 22の位置においても、矢印 FA、 FB、 FC方向の力は進行方向と逆向きの成分を有していないので、羽根 22を効率よく回転させることができる。

[0085] 図 9A及び図 9Bには、羽根 22が矢印 WIND方向の風に対して、最も回転方向と逆方向の力を受けると考えられる位置に配置された場合の、羽根 22の重心 Gと回転中心 Mとの関係を示す図である。

[0086] 図 9Aに示すように、気流高速通過面 26Hの後端部力も気流低速通過面 26Lの最も離れた位置への仮想直線 Lを考えた場合、この仮想直線 Lが矢印 WIND方向と直交する位置に配置されたときの羽根 22の位置 (最も気流 Aの直接当たる面積が広いと考えられる位置）では、矢印 WIND方向力みて、重心 Gが回転中心 Mに近い位置に配置されている。したがって、重心 Gが回転中心 M力遠い位置に配置された場合と比較して、矢印 WIND方向の同じ力の風が羽根 22に当たった場合でも、進行方向逆方向への力の成分を小さくすることができる。

[0087] また、図 9Bに示すように、気流高速通過面 26Hへ、これとほぼ直交する方向に気流が当たるときの羽根 22の位置 (気流 Aによる抗力が大きいと考えられる位置)では、矢印 WIN方向からみて、重心 Gが回転中心 Mとほぼ重なる位置に配置される。したがって、矢印 WIND方向への力（矢印 Dで示す）が羽根 22に作用した場合でも、進行方向逆方向への力の成分を小さくすることができる。

[0088] なお、第 2風車 30については、図 10に示すように、第 1風車 20と回転方向が逆方向（矢印 Y方向）となるだけであり、矢印 WIND方向の風に対して、第 1風車 20と同様にして回転する。 [0089] 上記のように、第 1風車 20の羽根 22A、 22B、 22C、及び、第 2風車 30の羽根 32A 、 32B、 32Cは、いずれの向き力気流を受けても、進行方向に対して逆向きの成分を有しない。したがって、どのような方向力もの風であっても、第 1風車 20を矢印 X方向に、第 2風車 30を矢印 Y方向に、効率よく回転させることができる。

[0090] このようにして、第 1風車 20及び第 2風車 30が回転すると、第 1風車 20の回転に伴つて第 1下軸 50が回転し、第 1下軸 50に固定された外側回転体 45が矢印 X方向に回転する。また、第 2風車 30の回転に伴って第 2上軸 52が回転し、第 2上軸 52に固定された内側回転体 47が矢印 Y方向に回転する。この回転により、磁石 42による磁束を電機子コイル 44が横切り、発電される。

[0091] ここで、第 1風車 20と第 2風車 30は、互いに逆方向にほぼ同じ速度で回転する。このため、外側回転体 45に設けられた磁石 42と、内側回転体 47に設けられた電機子コイル 44との相対回転速度は、磁石 42および電機子コイル 44のうち一方が停止している場合の 2倍の回転速度になる。このため、電機子コイル 44の交流発電電圧は、磁石 42および電機子コイル 44のうち一方が停止している場合の 2倍の電圧にすることができる。

[0092] また、内側回転体 47、外側回転体 45の径を大きくすることにより、容易に磁石 42及び電機子コイル 44を大きくすることができる。

[0093] また、第 1風車 20と第 2風車 30は、互いに逆方向にほぼ同じ速度で回転するので、フレーム (柱 12Aなど）に作用される回転トルクが打ち消され、安定した回転とすることがでさる。

[0094] なお、上記実施形態では、第 2風車 30の羽根 32の鉛直方向の長さが、第 1風車 2 0の羽根 22の同方向の長さよりも長い構成とした力羽根 22と羽根 32の長さを同じとしてもよい。一般的に、高度の高い位置では、低い位置よりも風力が強いことから、本実施形態のように、下側に配置される第 2風車 30の羽根 32を長くすることにより、第 1 風車 20と第 2風車 30とを、ノ《ランスよく回転させることができる。

産業上の利用可能性

[0095] 本発明に係る風力発電機は、発電の分野において利用可能である。また、本発明に係る風力発電機は、大規模なものだけでなぐ家庭用、中小型にも適している。符号の説明

10 風力発電機 20 風車

20F風洞

22 羽根

26H気流高速通過面

26L気流低速通過面

26F前縁面

26 前側プレート

28 後側プレート

30 風車

30F風洞

32 羽根

36 前側プレート

38 後側プレート

40 発電装置

2 磁石

4 電機子コイル 5 外側回転体 7 内側回転体

Claims

請求の範囲

[1] 鉛直方向の回転中心の周りに配置されて風力を受ける風車用の羽根であって、前記鉛直方向からみて、回転方向の進行方向前側に向かって凸状に湾曲された前側面と、

前記前側面の背面側に配置され、前記進行方向の後側に向力つて凹状に湾曲された後側面と、

を有し、

前記前側面は、前記進行方向の前方に配置されると共に平均曲率の最も大きい前縁面と、前記回転中心に近い側に配置され前記前縁面から前記進行方向の後方に向かって連続形成された気流低速通過面と、前記回転中心力遠い側に配置され前記前縁面から前記進行方向の後方に向かって前記気流低速通過面よりも大きく膨らむ曲面で連続形成され前記鉛直方向からみた長さが前記気流低速通過面よりも長い気流高速通過面と、を含んで構成されていること、

を特徴とする風車用の羽根。

[2] 前記後側面は前記前側面の平均曲率よりも小さい曲率の円弧状であること、を特徴とする請求項 1に記載の風車用羽根。

[3] 鉛直方向からみて、前記後側面により構成される円弧の延長上に前記回転中心が配置されていること、を特徴とする請求項 2に記載の風車用の羽根。

[4] 鉛直方向に回転中心を有し、前記回転中心の周りに請求項 1乃至請求項 2のいずれカ 1項に記載の風車用の羽根を複数備えた風車。

[5] 前記風車用の羽根と前記回転中心との間には、風が通過可能な風洞が構成されていること、を特徴とする請求項 4に記載の風車。

[6] 前記風車用の羽根は、前記回転中心の周りに等間隔の中心角度で 3枚配置されて

V、ること、を特徴とする請求項 4または請求項 5に記載の風車。

[7] 鉛直方向からみて、前記気流高速通過面の前記進行方向最後端部が前記回転中心から最も離れた位置に配置され、前記気流低速通過面の前記進行方向最後端部が前記回転中心に最も近い位置に配置されていること、を特徴とする請求項 6に記載の風車。

[8] 鉛直方向からみて、前記気流低速通過面の前記進行方向最後端と前記回転中心とを通る第 1直線と、前記風車用の羽根の前記進行方向の最前部と前記回転中心とを通る第 2直線と、前記気流高速通過面の前記進行方向最後端と前記回転中心とを通る第 3直線と、を考えた場合、前記第 1直線と前記第 3直線とで成す角 Θ 2が、前記第 1直線と前記第 2直線とで成す角 θ 1よりも大きいこと、を特徴とする請求項 5乃至請求項 7の、ずれか 1項に記載の風車。

[9] 請求項 4乃至請求項 8の、ずれか 1項に記載の風車を備えた風力発電機。

[10] 請求項 4乃至請求項 8のいずれか 1項に記載の風車で構成される第 1風車と、請求項 4乃至請求項 8のいずれか 1項に記載の風車で構成され、前記第 1風車と回転中心を共通とし、前記第 1風車と逆方向に回転するように配置された第 2風車と、前記第 1風車の回転に連動して前記第 1風車と同方向に回転する界磁用磁石、及び、前記第 2風車の回転に連動して前記第 2風車と同方向に回転する電機子コイルを有し、前記第 1風車と前記第 2風車との間に配置された発電装置と、

を備えた、請求項 9に記載の風力発電機。