WO2013042770A1 - 定方向回転風車 - Google Patents

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WO2013042770A1
WO2013042770A1 PCT/JP2012/074235 JP2012074235W WO2013042770A1 WO 2013042770 A1 WO2013042770 A1 WO 2013042770A1 JP 2012074235 W JP2012074235 W JP 2012074235W WO 2013042770 A1 WO2013042770 A1 WO 2013042770A1
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WO
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wind
rotating
shaft
wind turbine
convex
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/074235
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English (en)
French (fr)
Inventor
健栄 大城
Original Assignee
Oshiro Kenei
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/062—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D3/066—Rotors characterised by their construction elements the wind engaging parts being movable relative to the rotor
    • F03D3/067—Cyclic movements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/21—Rotors for wind turbines
    • F05B2240/211—Rotors for wind turbines with vertical axis
    • F05B2240/218—Rotors for wind turbines with vertical axis with horizontally hinged vanes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a constant-direction rotating windmill that rotates in a constant direction regardless of the wind direction, and particularly to a constant-direction rotating windmill that can stably extract wind power as rotational power regardless of weather conditions by a simple mechanism.
  • FIG. 9 is an explanatory plan view showing a main part of a general cup-type anemometer.
  • hemispherical blades called “cups” are arranged around a vertical rotation axis in a point-symmetric manner on a circumference of four equal parts.
  • the cup rotates in a certain direction in which the concave surface is pushed regardless of the direction of the wind. That is, when a blade having both a concave surface and a convex surface is arranged symmetrically on the circumference around the vertical axis, the blade rotates in a certain direction in which the concave surface is pushed regardless of the wind direction.
  • the “cup” is replaced with a wing, and the rotating body rotates in a certain direction in which the trailing edge of the wing is pushed.
  • Patent Documents 1 and 2 are known as fixed-direction rotating wind turbines that rotate in a constant direction regardless of the wind direction.
  • these conventionally proposed rotating turbines with a fixed direction have a problem that it is difficult to efficiently extract wind power as rotational power.
  • a constant-direction rotating wind turbine that can efficiently extract wind power as rotational power and rotates in a constant direction regardless of the wind direction as a solution to the above problems (see Patent Document 3).
  • a pair of wind blades having a convex surface and a concave surface having a point-symmetrical relationship are arranged around the rotation axis via a shaft at equal intervals and in multiple stages on the circumference.
  • Each wind turbine blade is configured so as to form an “open four-vertex angled linear shape” in which a cross-sectional shape orthogonal to the shaft lacks a part of a pentagon.
  • the open part is one surface of the convex surface, and the virtual extension surface of one surface of the convex surface is in contact with one surface of the concave surface.
  • the rotational power extracted from the wind power by the fixed-direction rotating windmill is used as a power source for rotating the generator, for example.
  • the wind force is very strong, such as a typhoon or hurricane
  • the wind turbine blades rotate at a high speed and load the generator.
  • the wind turbine blades rotate at a high speed so that a load is applied to the mounting portion of the shaft, and the wind turbine blades and the structural members are damaged.
  • the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and an object thereof is a constant-direction rotating wind turbine that can stably extract wind power as rotational power regardless of weather conditions by a simple mechanism. Is to provide.
  • the directional rotating wind turbine of the present invention that achieves the above object is provided with a vertical rotating shaft, a plurality of horizontal shafts radially attached to the outer peripheral surface of the rotating shaft, and the shafts individually attached along the horizontal direction.
  • the wind turbine blades are configured to have a convex vertical angle in the horizontal direction and open on the opposite side to the convex vertical angle. It has an open convex square shape and has both concave and convex surfaces, and at least one surface of the convex surface side of the convex square shape swings in a direction to release the wind force by receiving the wind force flowing into the concave surface side in a strong wind.
  • the convex side can be opened and closed, when the wind force is very strong, such as a typhoon, the convex side opens along the wind direction due to strong winds and escapes the wind force, and the wind blades are excessively fast. Rotation can be suppressed and safety is high.
  • the open convex square shape said here means the polygonal line figure of what is called a convex vertex angle
  • the wind toward the concave surface hangs outwardly from the concave surface to become wind resistance, and the wind toward the convex surface swings in the horizontal direction to escape wind force.
  • the skirt panel plate that acts is swingably attached.
  • the wind turbine blades have a tapered cross-sectional shape in the horizontal direction along the shaft.
  • the end of the shaft opposite to the rotating shaft is fixed to a cylindrical cage frame rotating body having a frame structure, and the center of the cylindrical cage frame rotating body is fixed to the rotating shaft. It is desirable that In the above-mentioned fixed-direction rotating wind turbine, both ends of the shaft that supports the wind blades are supported at both ends by both the rotating shaft and the cylindrical cage frame rotor, so that the load applied to the shaft mounting portion when the wind blades rotate is suitable. To be reduced.
  • the rotating cage frame rotating body also functions as a so-called flywheel that stabilizes the rotation of the wind blades against sudden changes in wind direction and wind force due to its weight.
  • auxiliary blades are provided on the side portion of the cylindrical frame at regular intervals with respect to the side portion at a predetermined angle.
  • the rotational speed of the rotating system including the wind turbine blades can be adjusted by providing the auxiliary blades in the above-described form in the cylindrical cage frame rotating body.
  • the lower end surface of the cylindrical cage frame rotating body is supported by a plurality of rotating bodies so as to make rolling contact.
  • the cylindrical rotating cage rotating body By supporting the cylindrical rotating cage rotating body with a plurality of rotating supports, it can rotate stably, and by adopting a motor pulley as the rotating support, the windmill is weak and the windmill stops or The windmill can be rotated by driving the motor pulley, such as when it is about to stop.
  • the cross-sectional shape perpendicular to the shaft of the wind turbine blade that receives the wind forms an “open convex square shape”, and the convex side of the convex square shape can be easily opened and closed by a strong wind force.
  • wind power can be extracted efficiently as rotational power, and when the wind force is very strong, such as typhoons and hurricanes, the wind force received on the concave side opposite to the convex side is released and the wind blades are excessively fast. Rotation can be suppressed.
  • the skirt panel plate becomes resistant to the wind from the windward side, and resists the wind from the leeward side.
  • the constant direction rotational force of the windmill is effectively increased.
  • the horizontal cross-sectional shape along the shaft is a tapered shape, the drag force of the wind received on the convex surface side is reduced, so that the wind force can be extracted more efficiently as the rotational power.
  • the shaft supporting the wind blades is fixed at one end to the rotating shaft, the other end is fixed to the cylindrical cage rotating body, and further the cylindrical cage rotating body is fixed to the rotating shaft and supported at both ends,
  • the load applied to the shaft during the rotation of the rotary blade is preferably reduced.
  • the rigidity of the rotating system including the rotating blades is improved by the cylindrical cage frame rotating body, so that a plurality of rotating blades can be stored in a compact manner, and a high-efficiency windmill with a small installation area can be obtained.
  • the rotating system is stable, there is little noise and vibration, and a quiet windmill can be obtained.
  • the cylindrical cage frame rotating body functions as a support mechanism for the shaft and on the other hand as a flywheel for the rotating blades, so that sudden rotation of the rotating blades is suppressed and rotation of the rotating blades is stabilized smoothly. It works to let you.
  • auxiliary blades that are inclined at equal intervals in the circumferential direction at the sides of the cylindrical cage frame, it is possible to effectively rotate against weak winds and increase the rotational output, and includes wind blades.
  • the rotational speed of the rotating system can be adjusted.
  • the cylindrical rotating basket rotating body can be rotated more stably by supporting the supporting structure with the rotating support body.
  • a motor pulley as the rotation support, the motor pulley can be used as auxiliary power, and the windmill can be effectively started to rotate even in a light wind or no wind condition.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. It is explanatory drawing which shows the cylindrical cage frame rotary body which concerns on this invention (without an auxiliary
  • FIG. 5 is a DD sectional view of FIG. It is explanatory drawing which shows operation
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the state which the fixed direction rotating windmill of this invention connected in series with multiple stages.
  • FIG. 3 is a view corresponding to FIG. 2 of a fixed-direction rotating wind turbine according to another embodiment of the present invention. It is principal part plane explanatory drawing which shows a cup-type anemometer.
  • FIG. 1-2 is an explanatory diagram showing a unidirectional rotating wind turbine 100 according to the present invention.
  • 1 is a plan view thereof
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
  • This fixed-direction rotating wind turbine 100 includes a vertical rotating shaft 1 that transmits rotational power, a shaft 2 that extends horizontally from the rotating shaft that supports the wind blades 10, a wind blade 10 that converts wind power into rotational power, and a shaft.
  • the cylindrical cage frame rotating body 20 that supports the end of the rotating shaft 1 opposite to the rotating shaft 1 and the column structure 30 that supports the entire rotating system including the rotating shaft 1 are configured. The details of the wind turbine blade 10 will be described later with reference to FIGS. 4 to 6.
  • the wind turbine blade 10 has a cross-sectional shape in the vertical direction with respect to the shaft 2 that forms an “open convex angle” and is formed on the shaft 2.
  • the horizontal cross-sectional shape along the taper is tapered and has both a concave surface and a convex surface.
  • the concave surface preferably receives wind force, while the convex surface preferably allows wind force to escape.
  • the wind blades 10 are arranged in a point-symmetric manner in pairs in a radial pattern around the rotation axis 1 for each stage. In the illustrated embodiment, three stages are arranged in the axial direction on a cylindrical cage frame rotating body, which will be described later, to form a unit, but the number of stages of wind blades is arbitrary.
  • the fixed-direction rotating wind turbine 100 rotates in the direction of pushing out the concave surface, but the force that pushes out the convex surface, which is the drag (resistance) of the force pushing out the concave surface, is preferably determined by the shape characteristics of the wind blade 10. Weakened. This makes it possible to efficiently extract wind power as rotational power.
  • the wind turbine blade 10 allows the wind turbine blade 10 to appropriately escape the wind force that damages the wind turbine blade 10 or rotates the wind turbine blade 10 at an excessively high speed when the wind power is very strong like a typhoon. Has a safety mechanism.
  • the cylindrical cage frame rotating body 20 includes upper and lower annular plates 21, 21, eight side connection plates 22,..., And four upper surface connection plates 23,. , 23, and four lower surface connecting plates 24,.
  • the cylindrical cage frame rotating body 20 is formed of a material having a relatively large specific gravity, such as iron, and also functions as a flywheel that smoothly stabilizes the rotation of the rotating system including the wind blades 10.
  • the wind turbine blade 10 is mounted on the shaft 2 so that the mounting angle can be adjusted, and the outer end of the shaft is fixed and supported by the side connection plate 22.
  • Auxiliary blades 25 are attached to the respective side surface connection plates 22.
  • the auxiliary blade 25 is attached to the side surface connection plate 22 by a hinge 19 at a predetermined angle with respect to the outer periphery of the side surface connection plate 22 or the annular plate 21 of the cylindrical cage frame rotating body.
  • the opening / closing attachment angle of the auxiliary blade 25 (opening angle of the hinge 19) is preferably 35 ° to 40 °.
  • a plurality of pairs (four pairs in the present embodiment) are arranged on the same circumference so that the auxiliary blades 25 are also point targets. You may attach the auxiliary
  • the column structure 30 includes six columns 31,..., 31 and upper and lower twelve connection plates 32,..., 32, and six upper and lower bearing plates 33. ..., 33 and upper and lower bearings 34, 34.
  • an annular plate 45 extending to at least a position below the inner peripheral edge of the annular plate 21 of the cylindrical cage frame rotating body 20 is attached to the connecting plate 32 on the lower side of the column structure 30.
  • a plurality of small motor pulleys (or motor rollers) 46 constituting a rotary support on the upper surface of the plate 45 (differing depending on the diameter of the cylindrical cage frame rotary body 20, but preferably 3 to 4) are arranged at equal intervals. Has been.
  • the motor pulley constitutes an electric roller that supports the load, and plays the role of auxiliary power for rotating the windmill when there is no wind or when the wind force is weak.
  • the bottom surface of the annular plate of the body 20 is disposed so as to be in frictional contact, and by driving the motor pulley, the cylindrical cage frame rotating body 20 can be rotated without wind.
  • a commercially available motor pulley 46 can be used as appropriate, and a rubber jacket or the like is fitted on the pulley surface to improve the frictional force, and is supported on an appropriate bearing device 47 so as to be rotationally driven as shown in the figure.
  • the motor pulley serves as a rotation guide roller for the cylindrical cage frame rotating body by allowing the roller to freely rotate when the motor pulley is not in operation, so that the cylindrical cage frame rotating body is guided and stabilized by the motor pulley. Can be rotated.
  • the auxiliary power is not necessarily required, and the constant direction rotating wind turbine of the present invention can be efficiently rotated by the configuration described later and can be rotated even in the case of a light wind. Therefore, the auxiliary power is not always necessary. Therefore, the rotating support is not limited to a motor pulley, and may be configured by a free roller or a rotatable ball.
  • a plurality of stages (three stages in this embodiment) of wind blades are arranged in one cylindrical cage frame rotating body, and are unitized.
  • the unitized cylindrical cage frame rotating body 20 As shown in FIG. 8, which will be described later, through the support column structure 30, a plurality of shafts are connected in the axial direction through the rotating shaft 1, whereby a larger output can be obtained.
  • a large-diameter output pulley 48 is fixed to the lower portion of the rotating shaft 1, and the rotating shaft of the generator 50 is rotated from the pulley through an appropriate transmission means such as a belt 49, and is obtained by the constant direction rotating windmill 100. Rotational power is converted into electric power.
  • a speed increasing mechanism is configured.
  • FIG. 4-6 is an explanatory view showing the wind turbine blade 10 according to the present invention.
  • 4 (a) is a plan view, (b) is a front view, (c) is a rear view, (d) is a left side view, and (e) is the same.
  • FIG. 5B is a sectional view taken along line BB in FIG. 5B
  • FIG. 5F is a sectional view taken along line CC in FIG. 5B
  • FIG. 5 is a sectional view taken along line DD in FIG.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the operation of the wind blade 10.
  • the wind turbine blade 10 includes a top panel plate 11, a center panel plate 12, a right side panel plate 13, a left side panel plate 14, a right corner panel plate 15, a left corner panel plate 16, and a bottom.
  • This is a so-called polyhedral structure composed of a panel plate 17 and a skirt panel plate 18.
  • the top panel plate 11 is rectangular (rectangular)
  • the center panel plate 12 is a parallel trapezoid whose short side is located on the leeward side (long side is on the windward side)
  • the left side panel plate 14 is a parallel trapezoidal shape from FIGS. 4B, 4D and 4E
  • the right corner panel plate 15 and the left corner panel plate 16 are both triangular plates from FIGS. 4A, 4B and 4C. It is.
  • the bottom panel plate 17 and the skirt panel plate 18 are parallel trapezoidal and rectangular, respectively, from FIGS. 4 (a) and 4 (f).
  • the skirt panel plate 18 is swingably attached to the concave end edge of the bottom panel plate 17 by a hinge 49 as shown in the figure.
  • the skirt panel plate 18 may be attached to the tip edge of the top panel plate so as to be rotatable within a range of approximately 90 ° from the horizontal direction to the upper side. In this case, the skirt panel plate rises upward against the wind coming into the concave surface and acts as wind resistance, and acts in a direction to sway the wind from the convex surface side in a horizontal direction to escape the wind.
  • the cross-sectional shape perpendicular to the shaft 2 of the wind blade 10 is characterized by an “open convex square”.
  • the horizontal cross-sectional shape along the shaft 2 of the wind turbine blade 10 is characterized by a tapered shape, and thereby the wind force received by the convex surface side is more effectively released.
  • it is not necessarily a tapered shape, and can be formed in a parallel rectangular shape.
  • top panel plate 11 and the center panel plate 12 are coupled in parallel to the shaft by hinges 50 and 50, and as shown in FIG. 6, when the wind speed increases, the center panel plate 12 moves outward from the convex vertex angle with the hinge 50 as a fulcrum. Configured to open.
  • both the right side panel plate 13 and the left side panel plate 14 are parallel trapezoids having parallel top and bottom sides, but may not be parallel trapezoids (the top panel plate 11 and the bottom panel plate 17). May not be parallel).
  • FIG. 7 is a cross-sectional explanatory view of a main part showing a wind turbine blade 10A according to another embodiment of the constant-direction rotating wind turbine of the present invention, and only differences from the above-described embodiment will be described.
  • This wind turbine blade 10 ⁇ / b> A is a convex blade having a triangular cross section orthogonal to the shaft 2.
  • the configuration includes an upper panel plate 11A, a lower panel plate 12A, a hinge 50A, and a bearing 51.
  • the upper panel plate 11A is rotatably supported with the hinge 50A as a fulcrum, and the hinge 50A is a support mechanism (not shown). ) Is fixed and supported by the cylindrical cage frame rotating body 20.
  • the lower bottom panel plate 12 ⁇ / b> A is coupled to the shaft 2 via a bearing 51.
  • the upper panel plate 11A hangs down due to its own weight, and the bottom bottle panel plate 12A and the edge join to form a convex apex angle.
  • the upper panel 11A rotates about the hinge 50A as a fulcrum, and the wind acting on the wind blades 10A is suitably released.
  • FIG. 8 is an explanatory view showing a state in which the fixed-direction rotating wind turbine 100 of the present invention is connected in series in multiple stages. That is, the unitized cylindrical cage frame rotating body 20 is attached to the column structure 30 in multiple stages and rotatably supported, and the vertical rotating shafts 1 are connected to each other so as to be integrated. The number of stages is determined according to the output. As described above, by increasing the number of stages of the fixed-direction rotating wind turbine according to the present invention, the output as rotational power increases, and a large-capacity generator can be rotationally driven by the increased rotational power.
  • the cylindrical cage frame rotating body 20 is supported only on the rotating shaft 1, but as shown in FIG.
  • the column structure is provided via a motor pulley or a rotation support means described later. It is desirable to support it. Moreover, the cylindrical cage frame rotating body by the motor pulley and the support by the other rotating support body may be performed only for the lowermost cylindrical cage frame rotating body without performing each stage of the cylindrical cage frame rotating body.
  • FIG. 9 relates to another embodiment of the constant-direction rotating wind turbine of the present invention, and the same parts as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and only different points will be described.
  • the unidirectional rotating wind turbine of this embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 2 in that the cylindrical cage frame rotating body 20 is supported by a pulley motor in the above embodiment, but in this embodiment, the free roller 53 is simply used. It is made to support to the support
  • the fixed-direction rotating wind turbine of the present invention configured as described above can be configured relatively compactly, it can be used not only as a stationary type but also mounted on, for example, an automobile roof or a loading platform and used as an automobile power generation system. It is.
  • the wind turbine blades are provided in multiple stages, but may be configured with a single wind turbine blade.
  • the size of the wind turbine blade of the present invention is not limited. For example, even if the wind turbine blade is a large size of 3 meters or more in the radial direction, the shaft on which the wind turbine blade is mounted is the center rotating shaft and the outer cylindrical cage frame rotating. Since it is supported at both ends of the body, it is rigid and can rotate stably.
  • the unidirectional rotating wind turbine of the present invention can be suitably applied to a rotary power machine that converts a natural or artificial wind power source into rotary power and outputs it.

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Abstract

　簡易な機構により気象条件に拘わらず風力を回転動力として安定に取り出すことが可能な定方向回転風車を得る。シャフト２に直交した断面形状が「開いた凸角形」であり且つ該凸角形に係る凸面が開閉可能に構成されている風力羽根１０を円周ｎ等分かつ放射状にシャフト２を介して回転軸１の回りに点対称に多段に配設する。シャフト２の外側端部は円筒カゴ枠回転体２０に固定し、円筒カゴ回転体２０の中心は回転軸１によって固定・支持されるようにする。

Description

定方向回転風車
　本発明は、風向きに拘わらず一定の方向に回転する定方向回転風車であって、特に簡易な機構により気象条件に拘わらず風力を回転動力として安定に取り出すことが可能な定方向回転風車に関する。
　図９は、一般的な風杯型風速計を示す要部平面説明図である。
　この風速計は、垂直な回転軸の回りに風杯と呼ばれる半球状の羽根を円周４等分に点対称に配置したものである。この風速計では、ある風杯が凹面で風を受ける時、必ずそれと点対称の関係にある別の風杯は凸面で風を受けることになる。凹面と凸面とでは風に対する抵抗は凹面の方が大きい。従って、凹面と凸面に各々作用する風力が合算されると、風杯は風の向きに依らずに凹面が押される一定の方向に回転する。つまり、凹面と凸面を併せ持った羽根を垂直軸の回りに円周上点対称に配設した場合、羽根は、風向きに依らずに凹面が押される一定の方向に回転する。また、上記「風杯」を翼に置き換えた場合も同様で、回転体は翼の後縁が押される一定の方向に回転する。
　従来、風向きに関わらず一定方向に回転する定方向回転風車として、たとえば特許文献１、２のもの等が知られている。しかしながら、従来提案されているこれらの定方向回転風車は風力を回転動力として効率よく取り出すことが難しいという問題点があった。
　そこで、本願発明者は、上記問題点を解決するものとして風力を回転動力として効率よく取り出すことが可能で風向きに拘わらず一定の方向に回転する定方向回転風車を考案した（特許文献３を参照。）。この風車は、点対称の関係にある凸面と凹面を有する風力羽根の対（ペア）がシャフトを介して回転軸の回りに円周上等間隔・多段に配設されている。各風力羽根は、シャフトに直交した断面形状が五角形の一部を欠いた「開いた４頂角折れ線形」を成して構成されている。なお、その開いた箇所は凸面の一方の面とし、その凸面の一方の面の仮想延長面が凹面の一方の面に接するように構成されている。風力羽根を上記のように、すなわち凸面の一面を「一部を欠いた側面」とすることにより、凸面の受風面積が小さくなり凸面で受ける風力は好適に軽減されることになり、また、その仮想延長面が凹面の一方の面に接するように構成することにより、凸面側で受ける風を好適に逃がし、凸面側で受ける風の抵抗が好適に軽減されるようになる。その結果、凹面側で受ける風力に対する抗力が減少し、風力を回転動力として効率良く取り出すことが可能となる。
特開２００５－５４６９５号公報 特開２００６－２８３７１３号公報 国際公開第ＷＯ２０１０／０２９６０５号パンフレット
　上記定方向回転風車によって風力から取り出された回転動力は、例えば発電機を回転駆動するための動力源として使用される。
　しかしながら、台風やハリケーンのように風の勢力が非常に強い場合、風力羽根が高速で回転し過ぎて発電機に負荷をかける問題があった。また、風力羽根が高速で回転し過ぎてシャフトの取付部に対しても負荷をかけ、風力羽根や構造部材を破損する問題があった。
　そこで、本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、簡易な機構により気象条件に拘わらず風力を回転動力として安定に取り出すことが可能な定方向回転風車を提供することにある。
　前記目的を達成する本発明の定方向回転風車は、垂直な回転軸、該回転軸の外周面に放射状に取り付けられた水平な複数個のシャフト、該シャフトの個々に水平方向に沿って取り付けられた風力羽根とから構成された定方向回転風車であって、前記風力羽根は、前記シャフトに垂直な断面形状が、水平方向に凸頂角を有し該凸頂角と反対側が開いた凹面となっている開いた凸角形をなして凹面と凸面の両面を併せ持ち、且つ該凸角形に係る凸面側の少なくとも一面が、強風時に前記凹面側に流入する風力を受けて該風力を逃がす方向に揺動して前記凸頂角から開くように、前記シャフトと平行なヒンジ機構によって開閉可能に構成されていることを特徴とする。
　上記定方向回転風車では、風力羽根のシャフトに垂直な断面形状が「開いた凸角形」を成しているため、凸面側で風から受ける抵抗が小さくなるので、風力を回転動力として効率良く取り出すことが出来ると共に、凸面側が開閉可能に構成されているために、台風のように風の勢力が非常に強い場合に、強風によって凸面側が風向に沿って開いて風力を逃がし風力羽根の過度の高速回転化を抑制することが出来るようになり安全性が高い。なお、ここで言う開いた凸角形とは、凸角形の一辺の全部または一部が欠いた、いわゆる凸頂角の折れ線図形のことを言う。
　前記風力羽根の凹面側先端縁に、前記凹面に向かう風に対しては凹面外方に垂れ下がって風の抵抗となり、前記凸面に向かう風に対しては水平方向向きに揺動して風力の逃がし作用をするスカートパネル板を揺動自在に取り付けることが望ましい。
　また、前記風力羽根は、前記シャフトに沿った水平方向の断面形状が先細り形状にすることが望ましい。それにより、風下側からの風を効果的に逃がすことができ、凸面側で風から受ける抵抗が小さくなるので、反対面の凹面側において風力を回転動力として効率良く取り出すことが出来る。
　また、本発明の定方向回転風車では、前記シャフトの前記回転軸と反対側の端部は骨組構造の円筒カゴ枠回転体に固定され、該円筒カゴ枠回転体の中心は前記回転軸に固定されていることが望ましい。
　上記定方向回転風車では、風力羽根を支持するシャフトの両端部が回転軸および円筒カゴ枠回転体の双方においていわゆる両端支持されるため、風力羽根の回転時にシャフトの取付部が受ける荷重負荷が好適に軽減される。また回転カゴ枠回転体は、シャフトの支持機構の他に、その重量によって急な風向、風力の変化に対し風力羽根の回転を安定させるいわゆるフライホイールとしても機能するようになる。
　さらに、前記円筒枠の側部に、該側部に対し所定の角度を成して円周等間隔に補助羽根が設けられことが望ましい。
　上記定方向回転風車では、上記円筒カゴ枠回転体において、上記形態で補助羽根を設けることにより、風力羽根を含む回転系の回転速度を調整することが出来るようになる。
　さらにまた、定方向回転風車では、前記円筒カゴ枠回転体の下端面が転がり接触するように複数個の回転体に支持されていることが望ましい。
　円筒回転カゴ回転体を複数個の回転支持体で支持することによって、安定して回転することができ、且つ前記回転支持体としてモータープーリを採用することによって、風が弱く風車が止まった場合あるいは止まりそうになった場合など、該モータープーリーを駆動することによって、風車を回転させることができる。
　本発明の定方向回転風車によれば、風を受ける風力羽根のシャフトに垂直な断面形状が「開いた凸角形」を成し且つ該凸角形に係る凸面側が強い風力により容易に開閉可能に構成されている。これにより風力を回転動力として効率良く取り出すことが出来ると共に、台風やハリケーン等のように風の勢力が非常に強い場合に、凸面側の反対の凹面側で受ける風力を逃がし風力羽根の過度の高速回転化を抑制することが出来るようになる。
　また、スカートパネル板を風力羽根の凹面側先端縁に揺動自在に設けることにより、該スカートパネル板が風上側からの風に対しては外方に向いて抵抗となり、風下側からの風に対しては水平方向に揺動して風力を逃がすので、風車の定方向回転力を効果的に増大させる。
　また、シャフトに沿った水平方向の断面形状が先細り形状の場合は、凸面側で受ける風の抗力が減少するため風力を回転動力として更に効率良く取り出すことが可能となる。
　また、風力羽根を支持するシャフトは一端が回転軸に固定され、他端が円筒カゴ枠回転体に固定され、さらに円筒カゴ枠回転体は回転軸に固定されて両端で支持されているため、回転羽根の回転時におけるシャフトにかかる荷重負荷が好適に軽減される。更に、円筒カゴ枠回転体によって回転羽根を含む回転系の剛性が向上し、複数の回転羽根をコンパクトに収納することが可能となり、設置面積が小さい高効率風車を得ることが出来るようになる。また、同時に回転系が安定しているため、騒音や振動の発生が少なく、静寂な風車を得ることができる。
　また、円筒カゴ枠回転体はシャフトに対しては支持機構として、他方、回転羽根に対してフライホイールとして機能するため、回転羽根の急激な回転を抑制すると共に、回転羽根の回転をスムーズに安定させるように作用する。
　また、円筒カゴ枠の側部に円周方向に等間隔に傾斜させて補助羽根を設けることにより、弱い風に対しても効果的に回転し回転出力を高めることが出来ると共に、風力羽根を含む回転系の回転速度を調整することが出来るようになる。
　さらに、円筒回転カゴ回転体を支持構造体に対して回転支持体で支持することによって、より安定して回転させることができる。また、回転支持体としてモータープーリーを採用することによって、該モータープーリーを補助動力として使用でき、微風や無風状態のときでも風車を効果的に回転を開始させることができる。
本発明の定方向回転風車を示す平面図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 本発明に係る円筒カゴ枠回転体を示す説明図である（補助羽根なし）。 本発明に係る風力羽根を示す説明図である。 図４(c)のＤ－Ｄ断面図である。 本発明に係る風力羽根の動作を示す説明図である。 実施例１に係る風力羽根の動作を示す説明図である。 本発明の定方向回転風車が多段に直列結合した状態を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係る定方向回転風車の図２対応図である。 風杯型風速計を示す要部平面説明図である。
１　　　　　回転軸
２　　　　　シャフト
１０　　　　風力羽根
１１　　　　トップパネル板
１２　　　　センタパネル板
１３　　　　右サイドパネル板
１４　　　　左サイドパネル板
１５　　　　右コーナパネル板
１６　　　　左コーナパネル板
１７　　　　ボトムパネル板
１８　　　　スカートパネル板
１９　　　　蝶番
２０　　　　円筒カゴ枠回転体
２１　　　　環状プレート
２２　　　　側面連結プレート
２３　　　　上面連結プレート
２４　　　　下面連結プレート
２５　　　　補助羽根
３０　　　　支柱構造体
３１　　　　支柱
３２　　　　連結プレート
３３　　　　軸受けプレート
３４　　　　軸受
４０　　　　発電機
４５　　　　環状プレート
４６　　　　モータープーリー
４７　　　　軸受装置
４８　　　　プーリー
４９、５０　蝶番
５１　　　　軸受
５２　　　　環状レール
１００　　　定方向回転風車
　以下、図に示す実施の形態により本発明を詳細に説明する。なお、以下の説明は、発明の一実施形態（実施例）を示すものであり、発明がこれらの実施形態に限定されることを示すものではない。
　図１－２は、本発明の定方向回転風車１００を示す説明図である。なお、図１はその平面であり、図２は図１のＡ－Ａ断面図である。
　この定方向回転風車１００は、回転動力を伝達する垂直な回転軸１と、風力羽根１０を支持する前記回転軸から水平に延びるシャフト２と、風力を回転動力に変換する風力羽根１０と、シャフト２の回転軸１と反対側の端部を支持する円筒カゴ枠回転体２０と、回転軸１を含む回転系全体を支持する支柱構造体３０とを具備して構成されている。なお、風力羽根１０の詳細については、図４から図６を参照しながら後述するが、この風力羽根１０はシャフト２に対し垂直方向の断面形状が「開いた凸角形」を成すと共にシャフト２に沿った水平方向の断面形状が先細り形状を成して凹面と凸面の両面を併せ持ち、凹面では風力を好適に受ける一方、凸面では風力を好適に逃がすように構成されている。そして、風力羽根１０は、図１に示すように１段ごとに回転軸１の周りに放射状に１対づつペアで点対称に配置されている。図の実施形態では、後述する円筒カゴ枠回転体に軸方向に３段配置してユニット化しているが、風力羽根の段数は任意である。
　従って、この定方向回転風車１００は、凹面を押し出す方向へ回転することになるが、その凹面を押し出す力の抗力（抵抗）となる凸面を押し出す力は、風力羽根１０の形状的特徴によって好適に弱められる。これにより効率良く風力を回転動力として取り出すことが可能となる。
　また、詳細については後述するが、風力羽根１０は台風のように風の勢力が非常に強い場合に、風力羽根１０を損傷させる或いは風力羽根１０を過度に高速回転させる勢力の風力を好適に逃がす安全機構を備えている。
　円筒カゴ枠回転体２０は、図３に示すように、上下の環状プレート２１,２１と、８個の側面連結プレート２２,・・・,２２と、４個の上面連結プレート２３,・・・,２３、４個の下面連結プレート２４,・・・,２４とから成る円筒カゴ枠構造体である。
　上下の環状プレート２１,２１及び側面連結プレート２２,・・・,２２は、回転軸１から最も離れた位置に配設されているため、慣性モーメントが高くなる。従って、円筒カゴ枠回転体２０は、鉄等の比重の比較的大きいもので形成され、風力羽根１０を含む回転系の回転をスムーズに安定させるフライホイールとしても機能する。
　図１－２に戻って、シャフト２には、風力羽根１０が取付角度調整可能に取り付けられ、該シャフトの外側の端部は側面連結プレート２２に固定・支持されている。
　各側面連結プレート２２には、補助羽根２５がそれぞれ取り付けられている。
　補助羽根２５は、円筒カゴ枠回転体の側面連結プレート２２又は環状プレート２１の外周に対し所定の角度傾けて蝶番１９によって側面連結プレート２２に取り付けられている。補助羽根２５の開閉取り付け角度（蝶番１９の開き角度）としては、好ましくは３５°～４０°である。補助羽根２５も点対象となるように同一円周上に複数個ペア（本実施形態では４ペア）で配置されている。補助羽根２５は蝶番を介さず直接円筒カゴ枠回転体に取り付けてもよい。
　支柱構造体３０は、本実施形態では６本の支柱３１,・・・,３１と、これらを連結する上下１２個の連結プレート３２,・・・,３２と、上下６個の軸受けプレート３３,・・・,３３と、上下の軸受け３４,３４とから成る。そして、支柱構造体３０の下方側の連結プレート３２には、図２に示すように、少なくとも円筒カゴ枠回転体２０の環状プレート２１の内周縁下方位置まで延びる環状プレート４５が取り付けられ、該環状プレート４５の上面に回転支持体を構成する小型のモータープーリー（又はモーターローラ）４６が複数個（円筒カゴ枠回転体２０の直径によって相違するが、３～４個が望ましい。）等間隔で配置されている。該モータープーリーは、荷重を支持する電動ローラを構成し、無風状態や風力が弱い場合に、風車を回転させるための補助動力の役目を果たすものであり、該モータープーリーの上面と円筒カゴ枠回転体２０の環状プレートの下面が摩擦接触するように配置され、該モータープーリーを駆動することによって、風がなくても円筒カゴ枠回転体２０を回転させることができる。モータープーリー４６は、市販ものが適宜採用でき、プーリー表面にゴムジャケット等を嵌装して摩擦力を向上させ、図示のように適宜の軸受装置４７に回転駆動可能に支持されている。
　また、モータープーリーは非作動時はローラーが自由回転するようにすることによって、円筒カゴ枠回転体の回転ガイドローラの役目を果たすため、円筒カゴ枠回転体は該モータープーリーに案内されて安定して回転することができる。
　しかしながら、補助動力は必ずしも必要でなく、本発明の定方向回転風車は後述する構成により効率よく回転し、微風の場合も回転可能であるので、補助動力は必ずしも必要でない。したがって、回転支持体は、モータープーリーに限らず、フリーローラあるいは回転自在なボールで構成してもよい。
　１個の円筒カゴ枠回転体には、図示のように複数段（本実施形態では３段）の風力羽根が配置されて、ユニット化されており、該ユニット化された円筒カゴ枠回転体２０を支柱構造体３０を介して後述する図８に示すように回転軸１を介して軸方向に複数個連結することによって、より大出力を得ることができる。回転軸１の下部には大径の出力プーリー４８が固定され、該プーリーからベルト４９等の適宜の伝動手段を介して発電機５０の回転軸を回転させ、定方向回転風車１００によって得られた回転動力を電力に変換している。本実施形態ではこのように、大径のプーリーから発電機の回転軸に固定された小径のプーリーに伝動しているので、増速機構を構成している。
　図４－６は、本発明に係る風力羽根１０を示す説明図である。なお、図４(a)は平面図であり、同(b)は正面図であり、同(c)は背面図であり、同(d)は左側面図であり、同(e)は同(b)のＢ－Ｂ断面図であり、同(f)は同(b)のＣ－Ｃ断面図であり、図５は図４(c)のＤ－Ｄ断面図であり、図６は風力羽根１０の動作を示す説明図である。
　この風力羽根１０は、本実施形態ではトップパネル板１１と、センタパネル板１２と、右サイドパネル板１３、左サイドパネル板１４と、右コーナパネル板１５と、左コーナパネル板１６と、ボトムパネル板１７と、スカートパネル板１８とから成る、いわゆる多面体構造である。
　図４(a)から、トップパネル板１１は矩形（長方形）であり、センタパネル板１２は短辺が風下側（長辺が風上側）に位置する平行台形であり、右サイドパネル板１３及び左サイドパネル板１４は図４(b)(d)(e)からともに平行台形であり、右コーナパネル板１５及び左コーナパネル板１６は図４(a)(b)(c)からともに三角板である。ボトムパネル板１７及びスカートパネル板１８は図４(a)(f)からそれぞれ平行台形、矩形である。該スカートパネル板１８は、図示のように蝶番４９によってボトムパネル板１７の凹面側先端縁に揺動自在に取り付けられ、風上側から風に対しては図４(d)－(f)において凹面側先端縁から下方に略垂直に垂れ下がった状態となって風の抵抗となり、風下側からの風に対しては仮想線で示すように垂直方向から水平方向向きに反対側に揺動して風力の逃がし作用をし、風車の定方向回転の回転力をより効果的に増大させることができる。なお、スカートパネル板１８は、トップパネル板の先端縁に水平方向から上側に略９０゜の範囲において回転可能に取り付けても良い。その場合、スカートパネル板は凹面側への迎え風に対しては上側に立ち上がり、風の抵抗となり、凸面側から風に対しては水平方向に揺動して風を逃がす方向に作用する。
　図４(e)(f)に示すように、風力羽根１０のシャフト２に垂直な断面形状は、「開いた凸角形」を成していることが特徴である。また、図５に示すように風力羽根１０のシャフト２に沿った水平方向の断面形状は先細形状を成していることが特徴であり、それにより凸面側が受ける風力をより効果的に逃がしている。しかしながら、必ずしも先細形状でなくて、平行な矩形状に形成することも可能である。
　また、トップパネル板１１とセンタパネル板１２は蝶番５０,５０によってシャフトの平行に結合され、図６に示すように、風速が強くなるとセンタパネル板１２が蝶番５０を支点に凸頂角から外側に開くように構成されている。
　なお、本実施形態では、右サイドパネル板１３および左サイドパネル板１４はともに上辺と底辺がともに平行な平行台形であるが、平行台形でなくても良い（トップパネル板１１とボトムパネル板１７は平行でなくても良い）。
　図７は、本発明の定方向回転風車の他の実施形態に係る風力羽根１０Ａを示す要部断面説明図であリ、前記実施形態と相違点のみについて説明する。
　この風力羽根１０Ａは、シャフト２に直交した断面形状が三角状の開いた凸角形の羽根である。その構成は上面パネル板１１Ａと、下面パネル板１２Ａと、蝶番５０Ａと、軸受け５１とから成り、上面パネル板１１Ａは蝶番５０Ａを支点として回転可能に支持され、蝶番５０Ａは支持機構（図示せず）によって円筒カゴ枠回転体２０に固定・支持されている。他方、下面ボトムパネル板１２Ａは、軸受け５１を介してシャフト２に結合している。
　従って、風の勢力が弱い場合は図７(a)に示すように上面パネル板１１Ａは自重により垂れ下がって下面ボトルパネル板１２Ａと端縁が結合して凸頂角を形成し、風の勢力が強い場合は、図７(b)に示すように上面パネル板１１Ａが蝶番５０Ａを支点として回動し、風力羽根１０Ａに作用する風を好適に逃がすようになる。
　図８は、本発明の定方向回転風車１００が多段に直列結合した状態を示す説明図である。即ち、ユニット化された円筒カゴ枠回転体２０を多段に支柱構造体３０に取付けて回転自在に軸受けし、垂直な回転軸１を相互に連結して一体化して構成され、設置場所や所望の出力に応じて段数を決定する。
　このように、本発明の定方向回転風車を多段化することによって回転動力としての出力が増大し、この増大した回転動力によって大容量の発電機を回転駆動することが可能となる。なお、本実施形態では、円筒カゴ枠回転体２０は回転軸１にのみ支持されているが、必要に応じて図２に示すようにモータープーリー、あるいは後述する回転支持手段を介して支柱構造体に支持させるようにするのが望ましい。また、モータープーリーによる円筒カゴ枠回転体や他の回転支持体による支持は円筒カゴ枠回転体の各段ごとに行わずに最下段の円筒カゴ枠回転体のみ行ってもよい。
　図９は、本発明の本発明の定方向回転風車の他の実施形態に係るものであり、前記実施形態と同様な箇所は同じ引出符号を付し、相違点のみ説明する。
　本実施形態の定方向回転風車は、図２に示す実施形態と相違する点は、前記実施形態では円筒カゴ枠回転体２０をプーリーモーターで支持していたが、本実施形態では単にフリーローラ５３を介して、支柱構造体３０に支持させている。即ち、図中５２は、環状プレート４５上に配置した環状レールであり、該環状レール上を円筒カゴ枠回転体２０の環状プレート２１の下面に軸受を介して取り付けられた複数個のフリーローラ５３が円筒カゴ枠回転体２０と共に回転することによって回動し、円筒カゴ枠回転体２０が安定して回転することができる。
　以上のように構成された本発明の定方向回転風車は、比較的コンパクト構成できるので、定置型のみならず、たとえば自動車の屋根または荷台等に積載され、自動車用発電システムとして使用することも可能である。
　なお、上記実施形態では、風力羽根は多段に設けてあるが、一段の風力羽根で構成することも可能である。また、本発明の風力羽根は、その大きさが制限されることなく、例えば半径方向に３メートル以上の大型であっても、風力羽根を取付けるシャフトは中心の回転軸と外側の円筒カゴ枠回転体の両端で支持されるので、剛性があり安定して回転することができる。
　本発明の定方向回転風車は、自然または人工的な風力源を回転動力に変換して出力する回転動力機械に好適に適用することが可能である。

Claims (7)

  1. 　垂直な回転軸、該回転軸の外周面に放射状に取り付けられた水平な複数個のシャフト、該シャフトの個々に水平方向に沿って取り付けられた風力羽根とから構成された定方向回転風車であって、
    　前記風力羽根は、前記シャフトに垂直な断面形状が、水平方向に凸頂角を有し該凸頂角と反対側が開いた凹面となっている開いた凸角形をなして凹面と凸面の両面を併せ持ち、且つ該凸角形に係る凸面側の少なくとも一面が、強風時に前記凹面側から流入する風力を受けて該風力を逃がす方向に揺動して前記凸頂角から開くように、前記シャフトと平行なヒンジ機構によって開閉可能に構成されていることを特徴とする定方向回転風車。
  2. 　前記風力羽根の凹面側先端縁に、前記凹面に向かう風に対しては凹面外方に向いて風の抵抗となり、前記凸面に向かう風に対しては水平方向向きに揺動して風力の逃がし作用をするスカートパネル板が揺動自在に取り付けられている請求項１に記載の定方向回転風車。
  3. 　前記風力羽根は、前記シャフトに沿った水平方向の断面形状が先細り形状である請求項１又は２に記載の定方向回転風車。
  4. 　前記シャフトの前記回転軸と反対側の端部は骨組構造の円筒カゴ枠回転体に固定され、該円筒カゴ枠回転体の中心は前記回転軸に固定されている請求項１又は２に記載の定方向回転風車。
  5. 　前記円筒カゴ枠回転体の側部には該側部に円周方向に対し所定の角度を成して円周等間隔に補助羽根が設けられている請求項４に記載の定方向回転風車。
  6. 　前記円筒カゴ枠回転体の下端面が複数個の回転支持体に支持されている請求項４又は５に記載の定方向回転風車。
  7. 　前記回転支持体がモータープーリーである請求項６に記載の定方向回転風車。
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