WO2011052536A1 - 風力発電機 - Google Patents

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常雄 福井
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Definitions

  • the present invention relates to a wind power generator having a ring-shaped power generation portion that enables power generation from weak wind power.
  • a wind power generator using wind power was developed as a clean power generation system.
  • a horizontal axis type such as a propeller type
  • a vertical type such as a Dalius type
  • Wind power generation is a renewable energy that does not place a burden on the environment, and is spreading throughout the world as an energy source that can simultaneously realize environmental conservation, ensuring energy security, and maintaining economic growth.
  • the small wind power market is expected to grow rapidly globally, particularly in the off-grid areas of emerging countries. In particular, growth is expected in the power supply applications of mobile phone base stations, which are growing rapidly in emerging countries, and in 2012 there are estimates that the number will reach 520,000 in the non-powered area alone.
  • Patent Document 1 has a structure in which the rotor side of the generator is fixed to the blades of the windmill, and the rotor rotates integrally with the rotation of the blades.
  • the rotor diameter is smaller than the size of the blades and is almost the same as the horizontal axis type. Absent. Moreover, it does not have an exterior that protects people and birds and beasts from rotating blades.
  • Patent Document 2 is an example of a horizontal axis type wind turbine provided with a diffusion cylinder.
  • the passage speed (v) is increased by reducing the cross-sectional area (S). It is more efficient.
  • the cross-sectional area through which the wind passes is reduced to one third, the wind is accelerated to 3 times the speed, and the magnitude of the wind energy when passing through the unit area is 27 times.
  • the cross-sectional area of the passage is one third, the amount of energy received as a whole wind turbine is nine times. Actually, it is necessary to calculate the friction loss of the windmill. However, the amount of energy received by the windmill is basically 9 times, so if the windmill has the same efficiency, it is more efficient. .
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2007-32471
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 7-127562
  • Wind power generators are capable of generating power from light and weak winds, and the challenge is to provide a windmill that is safe not only for birds and beasts but also for humans.
  • a wind turbine for wind power generation basically includes a cylindrical fan case and a wing wheel having a nacelle (central housing) and wings (splashes) located in the center of the inside of the fan case.
  • the nacelle has a spindle shape with a thin front end (wind intake side) at the center in the front-rear direction, and has the largest cross-sectional area at the position where the wing wheel of the cylindrical fan case is supported.
  • the nacelle is supported by a fan case on the front end side, and a wing wheel having a wing at the center is rotatably mounted via a bearing.
  • the annular distance formed between the nacelle and the fan case is the smallest at the position where the wing wheel is supported, for example, approximately 1/3 to 1/5 of the opening area at the front end of the fan case.
  • a wing wheel having wings is composed of a flat disk part and an annular part formed around the disk part at right angles to the disk surface, and the wings are attached to the outer peripheral side of the annular part.
  • the generator is an outer rotor type, and a plurality of permanent magnets of the generator are annularly attached to the inner peripheral side of the annular portion.
  • the wing wheel is a rotor of the generator as well as a wing mounting base, and is rotatably attached to a stator that is fixedly arranged on the frame (machine frame) side so as to overlap the annular portion.
  • the annular part to which the wing and the permanent magnet are attached has a ring shape. Note that the outer diameter of the annular portion of the wing wheel is the same as the outer diameter of the central portion of the nacelle, and is smoothly assembled so that there is no step.
  • the height of the wings (dimension in the direction in which the radius of the disk portion is extended) is about one-fourth to one-fifth of the radius unlike a blower with a similar structure, and is extremely small.
  • the air velocity (wind) introduced from the front end of the fan case increases as it reaches the location where the central ventilation cross section has become smaller, and if the diameter is reduced to one third, the wind velocity triples and the wing receives.
  • the amount of energy per unit area is 27 times by a simple calculation not considering friction loss. Therefore, efficient power generation can be performed even in an environment where the wind is weak. Since the wing wheel with wings rotates inside the fan case, it is safe because humans and birds and beasts do not come into direct contact with the wings.
  • the wing wheel has a large diameter and a structure that only needs to be fitted with a magnet, and is light in weight. Therefore, the starting torque at which the windmill begins to rotate decreases, and the windmill starts rotating with weak wind power. Moreover, it is easy to manufacture the stator side coil.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a part of the second embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view showing a part of the third embodiment.
  • the wind power generator 1 (FIG. 1) of this embodiment has a gantry 2 and a windmill 3, and the windmill 3 is rotatable along a horizontal plane by a wind direction rotating shaft 4 perpendicular to the gantry 2.
  • the gantry 2 should just support the windmill 3 and can maintain a fixed position stably.
  • aluminum shape members are assembled in a trapezoidal shape
  • the wind direction rotating shaft 4 is vertically arranged at the center on the upper surface side
  • support jacks 5 and casters 6 are provided at the four corners on the lower surface side.
  • a power generation control unit 7 and a battery 8 are arranged inside the gantry 2.
  • the windmill 3 includes a frame 9, a fan case 10, a nacelle 11, a wing wheel 12, an outer cover 13, and a wind direction plate 14 (FIGS. 2 and 3).
  • the frame 7 is a sturdy one in which components formed by cutting a thick steel plate are assembled and fixed by welding, and includes a leg portion 15, a bearing portion 16, and a support plate portion 17 from below.
  • the leg portion 15 has left and right legs 18 and 19 joined by a horizontal plate 20 below, and has a substantially trapezoidal shape when viewed from the front.
  • a reinforcing plate 21 is fixed between the left and right legs 18 and 19.
  • the bearing portion 16 has a shape in which a rear surface of a rectangular frame 22 formed by bending a steel strip is closed with a steel back plate 23, and a bearing plate 24 is fixed to the inside with a gap from the back plate 23 (see FIG. 1).
  • the bearing portion 16 is integrally fixed to the upper portion of the leg portion 15 by welding with the open side of the rectangular frame 22 as the front. As shown in FIG. 2, the bearing portion 16 is disposed at the center position of the circular fan case 8 in a front view.
  • the support plate portion 17 extends upward from the upper surface of the bearing portion 16 to just below the outer peripheral position of the fan case 8, and a horizontal plate 25 above the steel material is formed on the upper end portion thereof so as to be directed rearward.
  • An eyebolt 27 is attached to the upper surface of the horizontal plate 25 via a block 26. The position is on a vertical line passing through the position of the center of gravity of the wind turbine 3.
  • the wind direction rotating shaft 4 protrudes downward and is fixed to the lower horizontal plate 20, and the wind turbine 3 is supported by the rotating shaft 4 so as to be rotatable with respect to the gantry 2.
  • a bearing 28 having a bearing is prepared for the gantry 2.
  • the wind direction rotating shaft 4 is hollow, and a wiring 29 for storing the power generated by the windmill 3 in the battery 8 through the power generation control unit 7 passes therethrough.
  • the fan case 10 is a diffuser type drum having a wide opening at the entrance and exit (diameter of 960 mm in the embodiment) and a narrow middle portion in the front-rear direction. These joints are formed by screwing.
  • the dimension of the fan case 10 in the front-rear direction is about 1000 mm in this embodiment.
  • the inner surface of the ventilation path is smooth and smooth so that the wind can pass smoothly to the entrance and exit.
  • the fan case 10 is fixed by attaching the upper part to the support plate portion 17 of the frame 9 and the lower part to the left and right legs 18 and 19 of the frame 9. This fixing operation is performed together with the above-described matching operation.
  • a horizontal shaft 30 is supported at the bearing plate 24 on the bearing portion 16 of the frame 9.
  • the horizontal shaft 30 is fixed to the bearing plate 24 and does not rotate.
  • the horizontal shaft 30 extends back and forth from the bearing plate 24.
  • the front half of the nacelle 11 is attached to the front via a mounting plate 31a, and the rear half of the wing wheel 12 and the nacelle 11 is also attached via the mounting plate 31b. Is installed.
  • the nacelle 11 has a so-called spindle shape as a whole, the front end is round, the rear is sharp, the middle part in the front-rear direction is the thickest, and in this embodiment, the outer diameter is 400 mm.
  • the mounting plates 31a and 31b are discs, and prevent the first half and the second half of the nacelle 11 from sagging at the periphery. Further, the rear half of the front half of the nacelle 11 is fixed to the frame 9 by a stay 32a, and the front edge of the rear half is fixed to the horizontal shaft 30 by a stay 32b. A wing wheel 12 is rotatably supported on the horizontal shaft 30 at a fixed position on the shaft.
  • Reference numeral 33 denotes a bearing unit.
  • the wing wheel 12 (FIG. 4) is composed of a flat disk part 34 (in this embodiment, an outer diameter of 400 mm) and an annular part 35 that is formed around the disk part perpendicular to the disk surface and protrudes forward.
  • a disk portion 34 is rotatably supported on the horizontal shaft 30, and a wing 36 is attached to the outer peripheral side of the annular portion 35.
  • the generator is an outer rotor type
  • the wing wheel 12 corresponds to the rotor of the generator, and a plurality of permanent magnets 37 are annularly attached to the inner peripheral surface side of the annular portion 35.
  • a stator 38 for the rotor is fixed to the rear surface of the back plate 23 of the bearing portion 16 and includes an electromotive coil 39 on the outer periphery.
  • the permanent magnet 37 and the coil 39 have a one-to-one correspondence, and in this embodiment, there are 48 poles.
  • the wing wheel 12 and the stator 38 are rotatably arranged so as to overlap with the annular portion 35 (FIG. 5).
  • the outer diameter of the annular portion 35 of the wing wheel 12 is the same as the outer diameter of the central portion of the nacelle 11 in the front-rear direction, and is smoothly assembled so that there is no step.
  • the wing wheel 12 is a mounting base of the wing 36 and a rotor of the generator, and constitutes a generator together with a stator 38 fixed to the frame 9 side.
  • FIG. 7 shows the angle of attack used in normal wind power
  • FIG. 8 shows the case of strong wind
  • the wings 36 are rotated around the shaft 40 to the position where the coil spring 44 is extended to increase the angle of attack. It has become.
  • the cross section of the wing 36 is a so-called wing cross section, which is a convex curved surface whose thickness increases toward the front with respect to the relatively flat front surface.
  • shaft 40 is located in front of the wing
  • the outer cover 13 is a cylindrical body of a stainless steel plate and covers the outer periphery of the fan case 10 in the front-rear direction. Therefore, the diameter of the outer cover 13 is substantially the same as the diameter of the inlet side and the outlet side of the fan case 10.
  • the outer cover 13 is divided into two parts in the front-rear direction, butted together at the upper and lower parts and screwed to form an integral cylindrical body.
  • the outer cover 13 is attached by fixing the whole to the lower horizontal plate 20 and the upper horizontal plate 25 of the frame 9 while being screwed as described above.
  • the wind direction plate 14 (FIG. 9) is formed of a relatively wide stainless steel plate in a frame shape having a square front view.
  • the frame shape is divergent with the front narrowing and the rear spreading.
  • the wind direction plate 14 is attached to be overlapped with the rear half portion of the outer cover 13.
  • the ventilation space 45 is a fan-shaped space with a narrow front and a wide rear.
  • the fan case 10, the nacelle 11, the wing wheel 12, and the outer cover 13 are arranged on the frame 9, thereby forming the windmill 3.
  • the windmill 3 is rotatably attached to the gantry 2 by a wind direction rotating shaft 4.
  • the annular interval formed between the nacelle 11 and the fan case 10 is the smallest at the position where the vane wheel 12 is supported, and the area (s) of the annular interval is the opening area (S) at the front end of the fan case 10. About one-third to one-fifth (Fig. 3).
  • the area (s) of the annular interval is at the front end of the fan case 10.
  • the opening area (S) is almost a quarter (FIG. 4).
  • the height of the wings 36 (radial dimension h, FIG. 5) is 103 mm at the highest, 86.2 mm at the lowest, and 125 mm in width.
  • the windmill 3 is rotated by the action of the wind direction plate 14 so that the front-rear direction of the fan case 10 is parallel to the airflow. Then, as shown in FIG. 10, the airflow (wind) taken from the front of the fan case 10 moves along the curved surface of the inner surface of the fan case 10, and the cross-sectional area of the flow passage is reduced. Where it exists, the wind speed increases fourfold. Since the wing 36 of the annular portion 35 acts to push the airflow obliquely backward by the angle of attack, the wing wheel 12 is rotated by the reaction.
  • the wind force received by the wings 36 is 64 times the unit of the wind speed at the front end of the fan case 10 per unit area, and rotational friction, overflow loss, etc. Even if it is not as calculated, it will be a significant increase in efficiency. For this reason, it is possible to start up and generate power even in windy places.
  • the airflow during power generation is generally as shown by the arrow A in FIG.
  • An arrow B indicated by a solid line is a separation flow generated behind the fan case 10, and there is a direction returning to the rear opening of the fan case 10.
  • the wing wheel 12 having the wings 36 rotates inside the fan case 10, there is no direct contact between the wings 36 and humans and birds and beasts are safe.
  • the wing wheel 12 can be made light in weight because the ring portion 35 can be made to have a large diameter and the ring shape is sufficient to attach a magnet. For this reason, the starting torque at which the windmill 3 starts to rotate is small, and the windmill 3 starts to rotate with a weak wind.
  • the coil 39 on the stator 38 side is arranged in a direction in which the tip is widened in a circular arrangement, so that it is easy to perform operations such as winding the coil.
  • FIG. 11 shows a part of the second embodiment, and a wind guide piece 46 is arranged in a space between the wind direction plate 14 and the outer cover 13, that is, the ventilation space 45.
  • the wind guide piece 46 is disposed with an angle of attack with respect to the wind direction, and deflects the direction of the airflow passing through the ventilation space 45 in the direction of rotation along the surface of the outer cover 13. For this reason, an airflow that moves backward while drawing a large spiral while surrounding air is entrained by the airflow flowing out of the four ventilation spaces 45 is generated behind the windmill 3.
  • This airflow has an effect of suppressing the generation of the separation flow B that tends to return to the fan case 10, and in the wind turbine 3, the resistance to the rearward discharge of the fan case 10 is reduced to prevent the power generation efficiency from being lowered. be able to.
  • FIG. 12 shows a part of the third embodiment and is characterized in that the wind guide piece 46 is attached to the surface of the rear half of the nacelle 11.
  • Other configurations are the same as those in the first embodiment. According to this configuration, the airflow that has passed through the wing wheel 12 is further deflected in the rotational direction by the wind guide piece 46, and a rotational flow that moves backward in the rear space of the fan case 10 is created. This rotating flow breaks the separation flow that tends to occur behind the fan case 10 and, like the second embodiment, reduces the blowing resistance behind the fan case 10 to prevent the power generation efficiency from being lowered. be able to.
  • the form of a wind direction board is not limited to the thing of an Example.
  • the assembly structure of the outer cover 13 and the fan case 10 is not limited to that of the embodiment.
  • the configuration of the generator is not limited to the structure of the embodiment as long as it is an outer rotor type.
  • the material of the member which comprises each part is not specifically limited as long as the function can be exhibited.

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Abstract

　前後方向の中央部において断面積が小さくなるファンケース１０に紡錘形のナセル１１を配置して気流の通過断面積を３分の１から５分の１に狭め、この位置に羽３６を備えた羽ホイール１２を配置し、羽ホイール１２の位置での風速を高めて羽３６の単位面積当たりの風力エネルギーを高め、これにより発電効率を向上させる。羽３６を軸４０で回動可能に取付けその軸の回動を弾力的に支持することにより、風力に応じて羽３６の迎角を自動的に調整可能としたり、風向板１４又はナセル１１の後部に風誘導片４６を取り付けてファンケース１０後方の気流を回転させたりすることがある。

Description

風力発電機
　本発明は、微弱な風力からの発電を可能とした発電部分がリング状である風力発電機に関する。
　クリーンな発電システムとして、風力を利用した風力発電機が開発された。風力発電用風車は、構造的に水平軸型（プロペラ型など）や垂直型（ダリュウス型など）などが実用化されている。
　風力発電は環境に負担のかからない再生可能エネルギーであり環境の保全・エネルギーセキュリティの確保・経済成長の維持を同時に実現可能なエネルギー源として、世界各地で普及が進んでいる。小型風力発電市場は、新興国の無電源（オフグリッド）地域を中心にグローバルでの急成長が見込まれている。特に成長が見込まれているのが、新興国で急速に伸びている携帯電話基地局の電源用途で２０１２年には無電源地域だけで５２万ヶ所に達するとの試算もある。また、日本の住宅においても、現在の太陽光発電（平成２１年６０万件）と同様に小型風力発電の導入が進み、２０１５年には１万世帯に普及すると予測されている。
　しかし、市街地のように、風の弱い地域における風力発電は、発電量が期待できないだけでなく、高速で羽根が回ることによる人や鳥獣などに対する危険、騒音問題（低周波騒音を含む）が発生している。
　また、水平軸型も垂直軸型も軸で風車を回す機構となっており、安全のために羽根と軸が強度の高い強固な材質で製作されている。また、従来の風力用発電機は内部で電磁コイル鉄心が高速で回転する構造となっているので、外装が強固な材質で製作されている。これらのため、風力用発電機は重量の大きな製品となっている。
　特許文献１は、風車の羽根に発電機のローター側を固定し、羽根の回転と一体にローターが回転する構造であるが、羽根の大きさに比べローターの直径が小さく水平軸型とほとんど変わらない。また、羽根の回転から人や鳥獣を保護する外装を備えていない。
　一方、新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）の研究プロジェクトが発表した研究結果によれば、水平軸型風車の外周を拡散筒（ディフェーザ）で覆うと、拡散筒の後ろで強い渦が発生し、風車に風の流れが引き込まれる引き込み効果によって、風車を通過する風が加速されることが判明している。
　特許文献２は拡散筒を備えた水平軸型風車の例である。
　ここで流体力学では、連続の法則により、体積流量（Ｖ）＝通路断面積（Ｓ）×風速（ｖ）であり、単位時間当たりの風力エネルギー（Ｅ）＝１／２ρｖ2・Ｓ・ｖ（ρは密度）であるから、風力エネルギーＥは、風速（ｖ）の３乗に比例し、通路の断面積Ｓに比例する。つまり、一定の風量からエネルギーを取り出すさい、ベッツの限界（風から風車によって取り出せるエネルギーの割合は約６０％）があるとはいえ、通路断面積（Ｓ）を小さくして風速（ｖ）を大きくしたほうが効率がよい。
　例えば、風の通る断面積を３分の１に細くしたとき、風は３倍の速度に加速され、単位面積を通過するときの風力エネルギーの大きさが２７倍になる。しかし、通路断面積は３分の１になっているので、風車全体として受けるエネルギーの大きさは９倍になる。実際はこれに風車の摩擦損失などを計算しなければならないが、基本的に風車が受けるエネルギーの大きさは９倍であるから、同じ効率の風車であれば、こちらのほうの効率が良いといえる。
　特許文献１：特開２００７－３２４７１号公報
　特許文献２：特開平７－１２７５６２号公報
　風力発電機において、軽量で微弱な風による発電が可能であり、鳥獣だけでなく、人に対しても安全な風車を提供することが課題である。
　風力発電用風車を、基本的に、筒状のファンケースとこのファンケースの内側中央に位置するナセル（中央筐体）及び羽（はね）を有する羽ホイールを備えた構成とする。
　ナセルは前後方向の中央部で前端（風の取り込み側）が細くなった紡錘状であり、筒状のファンケースの羽ホイールを支持する位置で断面積が最も大きくなっている。ナセルは前端側でファンケースに支持されるとともに中央部に羽を有する羽ホイールがベアリングを介して回転自在に取り付けられている。
　ナセルとファンケースとの間に形成される環状の間隔は、羽ホイールを支持する位置で最も小さくなり、例えば、ファンケースの前端における開口面積のほぼ３分の１～５分の１程度とされる。
　羽を有する羽ホイールは、平らな円盤部とその周囲に円盤面に対して直交して形成された環状部とからなり環状部の外周側に羽が取り付けられる。発電機はアウターローター型とし、環状部の内周側に発電機の永久磁石が複数個、環状に取り付けられる。羽ホイールは、羽の取り付け基盤であるとともに発電機のローターであり、フレーム（機枠）側に固定して配置されるステーターに前記の環状部で重なるようにして回転自在に取り付けられる。羽と永久磁石を取り付けた環状部はリング状である。なお、羽ホイールの環状部の外径はナセル中央部の外径と同じであって段差ができないよう滑らかに組み付けられる。
　羽の高さ（円盤部の半径を延長した方向での寸法）は、構造が類似する送風機などと違って半径の４分の１から５分の１程度であり、極端に小さい。
　ファンケースの前端から導入された気流（風）は中央の通風断面が小さくなった箇所へ至るにつれて風速が増し、仮に３分の１に縮径されると風速は３倍になり、羽が受けるエネルギーの単位面積当たりの大きさは摩擦損失などを考慮しない単純計算で２７倍になる。このため、風が弱い環境でも効率の良い発電を行える。
　羽を有する羽ホイールはファンケースの内部で回転するので、人や鳥獣が直接に羽根と接触することが無く、安全である。
　羽ホイールは大径で磁石を取り付けるだけの構造でよく、軽量となるので、風車が回転を始める起動トルクが小さくなり、弱い風力で回転を始める。また、ステータ側のコイルを製造しやすい。
一部を断面として示す側面図。 正面図。 概略で示した平面図。 発電機の要部を示した側面図（一部を断面としている）。 発電機の正面図。 羽部分を示した正面図。 羽部分の機構を示した平面図（通常時）。 羽部分の機構を示した平面図（強風時）。 風向板と外カバーとの関係を示した斜視図。 気流を示した模式図。 実施例２の一部を示した斜視図。 実施例３の一部を示した概略の斜視図。
　図１－１０は、この発明の実施例１を示している。
　この実施例の風力発電機１(図１)は、架台２と風車３を有し、風車３が架台２上に垂直な風向回転軸４によって水平な面に沿って回転自在となっている。
　架台２は、風車３を支持し、定位置を安定して維持できるものであればよい。この実施例ではアルミ形材を台形に組み、上面側中央に前記の風向回転軸４を垂直に配置し、下面側の四隅に支持ジャッキ５とキャスター６を備えている。この実施例では、架台２の内部に発電制御部７とバッテリー８を配置している。
　風車３は、フレーム９、ファンケース１０、ナセル１１、羽ホイール１２、外カバー１３及び風向板１４（図２，３）を有する。
　フレーム７は、厚手の鋼板を切断して形成した部品を組み付け、これらを溶接により固定した頑丈なものであり、下方から脚部１５、軸受け部１６及び支持板部１７とからなっている。
　脚部１５は左右の脚１８，１９が下方の水平板２０で結合されており、正面視においてほぼ台形となっている。また、その左右脚１８，１９の間に補強板２１が固定されている。
　軸受け部１６は鋼材の帯板を屈曲させた長方形枠２２の後面を鋼材の背板２３で閉鎖した形態であり、内部に軸受け板２４が背板２３から間隔を取って固定されている（図１）。軸受け部１６は長方形枠２２の開放側を前方として脚部１５の上部へ溶接により一体に固定されている。軸受け部１６は図２のように、正面視において、円形をしたファンケース８の中央位置に配置される。
　支持板部１７は軸受け部１６の上面から上方へファンケース８の外周位置直下まで延び、その上端部に鋼材の上方の水平板２５が後方へ向けて形成されている。この水平板２５の上面にはブロック２６を介してアイボルト２７が取り付けられている。その位置は風車３の重心位置を通る垂直線上である。
　前記下方の水平板２０には前記の風向回転軸４が下方へ突出して固定され、この回転軸４で風車３は架台２に対して回転自在に支持されている。架台２にはベアリングを備えた軸受け２８が準備されている。
　なお、風向回転軸４は中空で風車３による発電電力を前記の発電制御部７を介してバッテリー８に蓄電するための配線２９が貫通する。
　ファンケース１０は入り口と出口の開口が広く（実施例において直径９６０ｍｍ）、前後方向の中間部が狭くされたディフューザー型のドラムであり、前後方向に２分割されたものを左右からつき合わせ、上下の接合箇所をねじ止めして形成する。ファンケース１０の前後方向の寸法はこの実施例において約１０００ｍｍである。通風路の内面は入り口と出口まで風が滑らかに通過できるように滑面であるとともに滑らかな曲線とされている。ファンケース１０は、上方をフレーム９の支持板部１７に、下方をフレーム９の左右脚１８，１９に取り付けて固定する。この固定作業は前記の突合せ作業とともに行われる。
　フレーム９の軸受け部１６には水平軸３０を軸受け板２４の箇所で支持させる。水平軸３０は軸受け板２４に固定され回転しない。水平軸３０は軸受け板２４から前後に延びており、前方にナセル１１の前半部が取付け板３１ａを介して装着され、後方には羽ホイール１２とナセル１１の後半部がやはり取付け板３１ｂを介して装着されている。
　ナセル１１は全体としていわゆる紡錘形であり、前端は丸く、後方はとがり気味であり、前後方向の中間部がもっとも太く、この実施例において外径４００ｍｍである。
　取り付け板３１ａ，３１ｂは円盤であり、その周縁でナセル１１の前半、後半が垂れ下がるのを防止する。また、ナセル１１の前半部はその後方の縁部がステー３２ａでフレーム９に固定され、後半部はその前方の縁部がステー３２ｂで水平軸３０に固定されている。
　水平軸３０には羽ホイール１２が軸上の定位置で回転自在に軸支される。符号３３はベアリングユニットである。
　羽ホイール１２（図４）は、平らな円盤部３４（この実施例において外径４００ｍｍ）とその周囲に円盤面に対して直交して形成され前方へ突出する環状部３５とからなる。円盤部３４で水平軸３０へ回転自在に軸支され、環状部３５の外周側に羽３６が取り付けられている。発電機はアウターローター型とするので羽ホイール１２は発電機のローターに相当し、前記環状部３５の内周面側に永久磁石３７が複数個、環状に取り付けられている。ローターに対するステーター３８は軸受け部１６の背板２３の後面に固定され、外周に起電用のコイル３９を備えている。前記の永久磁石３７とコイル３９は１対１で対応しており、この実施例において４８極である。
　羽ホイール１２とステーター３８は前記の環状部３５で重なるようにして回転自在に配置される（図５）。なお、羽ホイール１２の環状部３５の外径はナセル１１の前後方向中央部の外径と同じであって段差ができないよう滑らかに組み付けられる。結局、羽ホイール１２は、羽３６の取り付け基盤であるとともに発電機のローターであり、フレーム９側に固定されたステーター３８とともに発電機を構成する。
　この実施例において羽３６は１２枚であり、それぞれが前記の環状部３５に半径方向の軸４０（環状部３５の外周面から垂直に延びる軸４０）で回動自在に取付けられている（図６）。軸４０はベアリング４１を介して前記の環状部３５に軸支されるとともに下端にレバー４２が固定され、そのレバー４２の先端と環状部３５側に固定する基板４３との間にコイルばね４４を張設してある（図７）。コイルばね４４は、羽３６が受ける風圧に応じて伸縮するものであり、風圧に応じて羽３６の迎角を変更する。図７は通常の風力で利用する迎角の状態であり、図８は強風の場合であり、羽３６はコイルばね４４を引き伸ばして迎角が大きくなる位置へ軸４０を中心に回転した状態となっている。
　羽３６の横断面は、図７，８に示すように、比較的平板な前面に対して後面は前方ほど厚みが大きくなる凸湾曲面であり、いわゆる翼断面である。前記の軸４０は、羽３６の前方に位置し、湾曲による厚さがもっとも大きくなる箇所に配置されている。
　外カバー１３はステンレス鋼板の筒体であり、前後方向でファンケース１０の外周を覆っている。したがって、外カバー１３の直径はファンケース１０の入り口側及び出口側の直径とほぼ同じである。外カバー１３は、前後方向に２分割して上部と下部で突き合わせてねじ止めし、一体の筒体に構成する。外カバー１３は、前記のようにねじ止めしながら、全体をフレーム９の下方水平板２０と上方水平板２５に固定することにより、取り付ける。
　風向板１４（図９）は比較的幅の広いステンレス鋼板を正面視が正方形となる枠形に形成してある。枠形は、前方がすぼまり、後方が広がる末広がりとなっている。風向板１４は、図９のように、外カバー１３の後半部分に重ねて取り付けられる。風向板１４の内周面と前記外カバー１３の外周面との間には、前方から後方へ貫通した通風空間４５が４箇所に形成される。通風空間４５は前方が狭く後方が広い扇状の空間となる。
　このようにして、フレーム９にファンケース１０、ナセル１１、羽ホイール１２及び外カバー１３が配置され、風車３となる。風車３は風向回転軸４で架台２へ回転自在に取り付けられている。
　ナセル１１とファンケース１０との間に形成される環状の間隔は、羽ホイール１２を支持する位置で最も小さくなり、その環状間隔の面積（ｓ）はファンケース１０の前端における開口面積（Ｓ）のほぼ３分の１～５分の１程度とされる（図３）。この実施例において、ファンケース１０の入り口箇所の直径は９６０ｍｍ、最小径部分の直径６２０ｍｍ、ナセル１１の最大径部分の直径４００ｍｍであるから、環状間隔の面積（ｓ）はファンケース１０の前端における開口面積（Ｓ）のほぼ４分の１となっている（図４）。なお、羽３６の高さ（半径方向の寸法ｈ、図５）はもっとも高いところで１０３ｍｍ、最も低いところで８６．２ｍｍ、幅１２５ｍｍである。
　以上の構成からなる風力発電機１を風のある箇所に設置すると、風向板１４の作用で風車３が回動してファンケース１０の前後方向が気流と平行になる。そして、図１０のように、ファンケース１０の前方から採り入れられた気流（風）は、ファンケース１０内面の曲面に沿って移動し、流通路の断面積が減少することから、羽ホイール１２が存在する箇所では、風速が４倍に増大する。環状部３５の羽３６は迎角によって気流を斜め後方へ押し下げる作用をするので、その反動で羽ホイール１２が回転する。その際、前記のように風速が４倍となっているので、羽３６が受ける風力は単位面積当たりでファンケース１０の前端部における風速の場合の６４倍となり、回転摩擦、過流損失などがあって、計算どおりでないにしても、かなりの効率アップとなる。このため、風の弱い場所でも起動し、発電が可能である。
　発電時の気流は通常、ほぼ図１０に矢印Ａで示すとおりである。実線で示す矢印Ｂはファンケース１０の後方に生じる剥離流であり、ファンケース１０の後方開口部へ戻る方向になるものがある。
　また、羽３６を有する羽ホイール１２はファンケース１０の内部で回転するので、人や鳥獣が直接に羽３６と接触することが無く、安全である。
　羽ホイールは１２は環状部３５を大径に作ることができ、また、磁石を取り付けるだけのリング状となるので、軽量となる。このため、風車３が回転を始める起動トルクが小さく、弱い風で回転を始める。また、ステーター３８側のコイル３９は円状の配置において、先端が広がる方向の配置となるのでコイルを巻くなどの作業を行いやすい。
　図１１は、第２の実施例の一部を示したものであり、風向板１４と外カバー１３の間の空間、すなわち、前記の通風空間４５に風誘導片４６を配置している。他の構成は実施例１の場合と同様である。
　風誘導片４６は、風向に対して迎角を持って配置されており、通風空間４５を通過する気流の向きを外カバー１３の表面に沿って回転する方向に偏向させる。このため、風車３の後方には、４個の通風空間４５から流れ出る気流によって周辺の空気を巻き込みながら大きくラセンを描きつつ後方へ移動する気流が発生する。この気流は前記のファンケース１０へ戻る傾向となる剥離流Ｂの発生を抑制する効果があり、風車３において、ファンケース１０後方への噴出抵抗を小さくして発電効率が低下するのを防止することができる。
　図１２は、実施例３の一部を示したものであり、風誘導片４６をナセル１１の後半部の表面に取り付けた構成を特徴とする。他の構成は実施例１の場合と同じである。
　この構成によれば、羽ホイール１２を通過した気流を風誘導片４６でさらに回転方向に偏向させ、ファンケース１０の後部空間を後方へ移動する回転流が作られる。この回転流はファンケース１０の後方に発生しがちな剥離流を破壊して、実施例２の場合と同様に、ファンケース１０後方の噴出抵抗を小さくして発電効率が低下するのを防止することができる。
　以上、実施例を用いて説明した。風向板の形態は実施例のものに限定されない。外カバー１３やファンケース１０の組み立て構成は実施例のものに限定されない。発電機の構成はアウターローター型である限り、実施例の構造に限定されない。また、各部を構成する部材の材質も機能を発揮できる限り、特に限定されることはない。
　強い風力を得がたい都会や住宅域においても、発電のために利用できる。
１　風力発電機
２　架台
３　風車
４　風向回転軸
５　支持ジャッキ
６　キャスター
７　発電制御部
８　バッテリー
９　フレーム
１０　ファンケース
１１　ナセル
１２　羽ホイール
１３　外カバー
１４　風向板
１５　脚部
１６　軸受け部
１７　支持板部
１８　左脚
１９　右脚
２０　下方の水平板
２１　補強板
２２　長方形枠　
２３　背板
２４　軸受け板
２５　上方の水平板
２６　ブロック
２７　アイボルト
２８　スラスト軸受け
２９　配線
３０　水平軸
３１ａ，３１ｂ　取付け板
３２ａ，３２ｂ　ステー
３３　ベアリングユニット
３４　円盤部
３５　環状部
３６　羽
３７　永久磁石
３８　ステーター
３９　コイル
４０　軸
４１　ベアリング
４２　レバー
４３　基板
４４　コイルばね
４５　通風空間
４６　風誘導片

Claims (6)

  1. 　前後に貫通した筒状のファンケース、このファンケースの内側中央に配置された紡錘形のナセル及びナセルの前後方向中央部に配置された羽ホイールが、架台に立設したフレームにそれぞれ取付けられており、
    　ファンケースは断面積が前方と後方の開口部が大きく、中央部が小さくなるよう滑らかな曲面で構成されており、ナセルは前後方向の中央部で断面積が最も大きくなっており、ファンケースの中央部でファンケース内周面とナセル外周面との間に形成される環状間隔の面積（ｓ）が前方開口部の面積（Ｓ）の３分の１から５分の１とされており、
    　羽ホイールは環状部を備えるとともにフレームへ回転自在に軸支されて環状部の外周面に羽が取り付けられ、また、環状部の内周面に複数の永久磁石が固定されており、
    　前記フレームには羽ホイールの永久磁石に対応した起電用コイルを外周に固定したステーターが固定され、羽ホイールの環状部がステーターに重ねられて羽ホイールをアウターローターとする発電機が構成されていることを特徴とした風力発電機。
  2. 　ファンケースの外周を筒状の外カバーで覆い、外カバーに風向板が取り付けられており、風向板は幅広の板体を矩形に形成したもので、外カバーとの間に矩形の４隅を入り口とし後方に貫通した通風空間を形成してあることを特徴とした請求項１に記載の風力発電機。
  3. 　ファンケースとナセル、羽ホイール、フレーム及び風向板とで風車が構成され、風車が架台に風向回転軸で回転自在に取り付けられていることを特徴とした請求項２に記載の風力発電機。
  4. 　風向板と外カバーとの間に形成された通風空間に通風空間の気流を回転方向に偏向させる風誘導板が取り付けられていることを特徴とした請求項２又は３に記載の風力発電機。
  5. 　ナセルの後半部の外周に羽ホイール位置通過後の気流を回転方向に偏向させる風誘導板を取り付けてあることを特徴とした請求項２、又は３に記載の風力発電機。
  6. 　羽は羽ホイールの環状部へ半径方向の軸で回動自在に軸支され、コイルばねで通常の迎角位置に維持されるとともに、強風時に風力によってコイルばねが引き伸ばされ、風力とコイルばねの引力が均衡する位置まで迎角が大きくされることを特徴とした請求項１に記載の風力発電機。
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