WO2013111852A1 - 垂直軸型風力発電装置 - Google Patents

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WO
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windmill
vertical axis
power generation
rotating shaft
power generator
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PCT/JP2013/051579
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和久 中川
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クリーンパワー株式会社
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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 
    • F03D3/02—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors
    • 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
    • F05B2240/214—Rotors for wind turbines with vertical axis of the Musgrove or "H"-type
    • 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 vertical axis wind power generator using a windmill having a vertical rotating shaft.
  • FIG. 9 shows an example of a vertical axis wind power generator.
  • the vertical axis wind power generator 1X includes a power generator 2X and a windmill 10X.
  • the windmill 10X includes a rotating shaft 3X connected to the power generation unit 2X, an arm 4X extending in the horizontal direction from the rotating shaft 3X, and a blade 5X fixed to the arm 4X.
  • a typical vertical axis wind power generator has a blade length h of 3.0 m, a width d of 0.3 m, and a horizontal length r of the arm 4X of about 1.5 m.
  • the windmill 10X receives wind from the blades 5X and starts rotating as indicated by the arrows in FIG.
  • the windmill 10X starts to rotate with a wind having a wind speed of about 1.0 m / s (referred to as startup).
  • power generation by the power generation unit 2X is started (referred to as cut-in).
  • This vertical axis wind power generator 1X can generate about 3 kw at a wind speed of 12 m / s.
  • This vertical axis type windmill 10X has the following features.
  • the wind speed required for startup is lower than that of a horizontal axis type wind turbine (high startup performance). Therefore, even if it is a breeze, a windmill can rotate and electric power generation can be started. Further, since the rotational speed of the rotary shaft 3X is smaller than that of the horizontal axis type windmill, noise can be prevented.
  • the ideal theoretical value of the rotational speed of the rotary shaft 3X is about 1.7 times the wind speed for the vertical axis type windmill and about 7.0 times the wind speed for the horizontal axis type windmill.
  • the above vertical axis wind power generator 1X has a problem that it is difficult to increase the amount of power generation while maintaining the start-up performance that is the merit of the vertical axis wind turbine.
  • the large windmill when comparing a small windmill with a small turning radius and a large windmill with a large turning radius, the large windmill has a higher start-up performance and a larger rotational torque, but the rotational speed becomes smaller. This makes it difficult to increase the amount of power generation.
  • the 4-blade wind turbine when comparing a 4-blade wind turbine and a 2-blade wind turbine, the 4-blade wind turbine has a higher start-up performance and a larger rotational torque, but the rotational speed is reduced. This makes it difficult to increase the amount of power generation.
  • JP 2008-261288 A Japanese Patent Laying-Open No. 2005-2848
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to achieve vertical axis wind power that can increase the amount of power generation while maintaining or improving start-up performance in a vertical axis wind power generator. It is to provide a power generation device.
  • a vertical axis wind power generator has a wind turbine and a power generation unit, and the wind turbine extends in the vertical direction, and extends from the rotation shaft in the outer circumferential direction.
  • the vertical axis wind power generator having at least one arm and at least one blade fixed to the arm, the vertical axis wind power generator has at least a first windmill and a second windmill, The first windmill and the second windmill have different radii of rotation and rotate independently.
  • the first windmill has a first rotating shaft and first blades installed on the first rotating shaft via a first arm
  • the second windmill is And a second rotating shaft and a second blade installed on the second rotating shaft via a second arm, wherein the first arm and the second arm have different lengths.
  • the vertical axis wind power generator described above is characterized in that the power generation unit combines the rotational forces of the first rotating shaft and the second rotating shaft that rotate independently of each other to generate power. . With this configuration, the same effects as described above can be obtained.
  • the wind turbine having the larger rotation radius has a larger number of blades than the wind turbine having the smaller rotation radius. It is structured. With this configuration, a windmill having a large turning radius and a large number of blades can have high start-up performance.
  • the wind turbine having the larger rotation radius is at least one of the mass or area of the blades as compared with the wind turbine having the smaller rotation radius. It is characterized in that it is configured to be large. With this configuration, a windmill having a large turning radius and at least one of the mass and area of the blades can have high start-up performance.
  • the power generation unit includes a generator including a rotor and a stator, and one of the rotor and the stator is fixed to the first rotation shaft and the other is fixed. Is fixed to the second rotating shaft, and the first wind turbine and the second wind turbine rotate in opposite directions.
  • the vertical axis wind power generator according to the present invention can provide a vertical axis wind power generator capable of increasing the amount of power generation while maintaining or improving the start-up performance.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a vertical axis wind power generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing a vertical axis wind power generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a power generation unit of a vertical axis wind power generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a power generation unit of a vertical axis wind power generator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a vertical axis wind power generator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing a power generation unit of a vertical axis wind power generator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a front view showing a vertical axis wind power generator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a front view showing a vertical axis wind power generator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a conventional vertical axis wind power generator.
  • FIG. 1 shows a vertical axis wind power generator 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the vertical axis wind power generator 1 includes a first windmill 10, a second windmill 20, and a power generation unit 2.
  • the first windmill 10 has a first rotating shaft 13 and a first blade 15 installed on the first rotating shaft 13 via a first arm 14.
  • the 2nd windmill 20 has the 2nd blade
  • the first windmill 10 and the second windmill 20 have different radii of rotation and are configured to rotate independently of each other.
  • the second arm 24 is formed longer than the first arm 14. Therefore, the first blade 15 and the second blade 25 do not interfere with each other and can rotate independently.
  • the blades 15 and 25 of the first wind turbine 10 and the second wind turbine 20 are illustrated one by one, but may be one by one, and preferably 3 to 6 are installed. Further, it is desirable that the blade length h is about 0.6 to 1.5 m and the width d is about 0.15 to 0.50 m.
  • the operation of the vertical axis wind power generator 1 will be described.
  • the first windmill 10 and the second windmill 20 are stopped, when receiving a breeze, the second windmill 20 first starts rotating (startup). This is because the second arm 24 of the second windmill 20 is long (the radius of rotation is large) and is easy to rotate by receiving wind (high start-up performance). Thereafter, the first windmill 10 starts to rotate.
  • the first wind turbine 10 and the second wind turbine 20 rotate independently of each other, and power generation is started when a predetermined rotation speed is reached (cut-in).
  • the power generation unit 2 is configured to rotate by the resultant force of the first windmill 10 and the second windmill 20 to generate power.
  • the following effects can be obtained by the above configuration.
  • the start-up performance is high, so that rotation can be started even with a light wind of 1.0 m / s or less. .
  • the amount of power generation can be increased without degrading the startup performance. This is because the power generation unit 2 receives the resultant force of the rotational forces of the first windmill 10 and the second windmill 20 as energy. Here, this energy is nearly twice that of the conventional energy.
  • At least two windmills may be configured to have the same number of blades.
  • a windmill having a large turning radius and a large number of blades (for example, the second windmill) can have high startup performance. Therefore, it can rotate spontaneously even in a light wind environment.
  • a windmill with a small turning radius and a small number of blades (for example, the first windmill) has a low start-up performance but a large amount of power generation. Therefore, for example, when a part of the rotational force of the second windmill is transmitted to the first windmill to assist the startup of the first windmill, a vertical axis wind power generator having high startup performance and a large amount of power generation is provided. can do.
  • it may be configured to have blades having a larger mass or area than the wind turbine having the larger turning radius (for example, the second wind turbine) and the other wind turbine (for example, the first wind turbine).
  • FIG. 2 shows a plan view of the vertical axis wind power generator 1.
  • the second arm 24 is formed longer than the first arm 14.
  • the 1st rotating shaft 13 and the 2nd rotating shaft 23 rotate independently. Therefore, the first blade 15 and the second blade 25 do not interfere with each other and rotate independently.
  • F1 indicates a first region through which the first blade passes
  • F2 indicates a second region through which the second blade passes.
  • the number of blades 15 and 25 of the first windmill 10 and the second windmill 20 is two, but three or more. This can be appropriately designed in consideration of the average wind speed at the place where the vertical axis wind power generator 1 is installed.
  • FIG. 3 shows an example of a partial cross-sectional view of the power generation unit 2.
  • the power generation unit 2 includes a generator 6 that rotatably supports the first power generation shaft 17 and the second power generation shaft 27.
  • the power generation unit 2 is configured such that the rotational force of the first rotation shaft 13 is transmitted to the first power generation shaft 17 via the first belt 16.
  • the power generation unit 2 is configured such that the rotational force of the second rotation shaft 23 is transmitted to the second power generation shaft 27 via the second belt 26.
  • the 2nd rotating shaft 23 rotates with the force of a wind. This rotational force is transmitted to the generator 6 through the second belt 26 and the second power generation shaft 27 and converted into electricity. Similarly, when the first rotating shaft 13 is rotated by wind force, the rotating force is transmitted to the generator 6 via the first belt 16 and the first power generating shaft 17 and converted into electricity.
  • the 1st rotating shaft 13 and the 2nd rotating shaft 23 are comprised so that it may rotate in the same direction. Further, the rotational force transmitted to the first power generation shaft 17 and the second power generation shaft 27 is synthesized through, for example, a one-way clutch or the like.
  • a configuration in which the first power generation shaft 17 and the second power generation shaft 27 are connected via a one-way clutch to synthesize rotational force will be described.
  • the second power generation shaft 27 starts rotating as the second wind turbine 20 starts rotating.
  • the one-way clutch is configured to be idle. That is, the first power generation shaft 17 is stopped.
  • the one-way clutch is configured to be in an engaged state. That is, the rotational forces of the first power generation shaft 17 and the second power generation shaft 27 are combined via the one-way clutch and transmitted to the generator 6.
  • the generator 6 can obtain a high torque.
  • a control mechanism such as a torque limiter may be added to the one-way clutch so as to arbitrarily control the idling state and the meshing state.
  • the rotational speed and rotational torque of the first power generation shaft 17 and the second power generation shaft 27 may be set using gears or the like. With this configuration, for example, even when the rotational speed of the first windmill 10 is smaller than the rotational speed of the second windmill 20, the rotational force is synthesized by the first power generation shaft 17 and the second power generation shaft 27, and the generator 6 can be transmitted. Further, even when the first power generation shaft 17 is in a stopped state, a part of the rotational force of the second power generation shaft 27 can be transmitted so that the first windmill 10 starts to rotate.
  • the rotational force of the first windmill 10 and the second windmill 20 can be synthesized using a known mechanism.
  • a planetary gear can be used.
  • the first rotating shaft 27 can be connected to the planetary gear
  • the second rotating shaft 23 can be connected to the sun gear
  • the ring gear can be fixed to the generator 6.
  • the first power generation shaft 17 or the second power generation shaft 27 has a configuration in which the connection with the planetary gear can be released by a clutch or the like.
  • combines rotational force such as a one-way clutch
  • the 1st belt 16 and the 2nd belt 26 should just be the structures which can transmit the rotational force of the rotating shafts 13 and 23 to the electric power generation shafts 17 and 27.
  • a gear or the like can be used.
  • the start-up performance of the windmills 10 and 20 can be maintained or improved by the structure which the 1st windmill 10 and the 2nd windmill 20 rotate independently.
  • the amount of power generation can be increased by combining the rotational forces of the first windmill 10 and the second windmill 20 that rotate independently and transmitting them to the generator 6.
  • FIG. 4 shows a partial cross-sectional view of a power generation unit 2A of a vertical axis wind power generator according to another embodiment of the present invention.
  • the power generation unit 2A includes a generator 6A including a stator 18A and a rotor 28A that are configured by coils, magnets, or the like.
  • the stator 18A is fixed to the first rotating shaft 13A
  • the rotor 28A is fixed to the second rotating shaft 23A.
  • the first rotating shaft 13A and the second rotating shaft 23A are arranged so as to have a multi-tube structure having a common center axis and the other rotating shaft arranged in one rotating shaft.
  • the first windmill 10 and the second windmill 20 are configured to rotate in opposite directions.
  • One of the generators 6A is called a stator 18A for convenience, but the stator 18A can rotate relative to the rotor 28A to generate power.
  • the first windmill 10 and the second windmill 20 receive wind and start rotating in opposite directions.
  • the first rotating shaft 13A rotates the stator 18A (the generator 6A itself) in one direction
  • the second rotating shaft 23A rotates the rotor 28A in the reverse direction.
  • the relative rotational speed of the stator 18A and the rotor 28A is a composite value of the rotational speeds of the first and second windmills 10 and 20.
  • the following effects can be obtained by the above configuration.
  • the speed at which the generator 6A rotates can be made about twice that of the prior art, the amount of power generation can be increased.
  • the power generation unit 2A can be installed on the central axis of the rotating shaft (13A, 23A) of the windmill, the vertical axis wind power generator can be designed in a compact manner.
  • the wind speed is low and only the first windmill or the second windmill rotates, power generation can be performed.
  • FIG. 5 shows a vertical axis wind power generator 1B according to another embodiment of the present invention.
  • the vertical axis wind power generator 1B includes a support shaft 40B, a first windmill 10B that is rotatably installed with respect to the support shaft 40B, a second windmill 20B that is rotatably installed with respect to the first windmill 10B, It has the power generation part 2B installed between the 1st windmill 10B and the 2nd windmill 20B.
  • the 1st windmill 10B and the 2nd windmill 20B are comprised so that a rotation direction may become a reverse direction.
  • the length of the first arm 14B is configured to be longer than the length of the second arm 24B.
  • FIG. 6 shows a partial cross-sectional view of the power generation unit 2B of the vertical axis wind power generator 1B.
  • the power generation unit 2B includes a generator 6B including a stator 18B and a rotor 28B, one of which is configured with a coil and the other is configured with a magnet.
  • the stator 18B is fixed to the first rotating shaft 13B, and the rotor 28B is fixed to the second rotating shaft 23B.
  • the power generation unit 2B includes a contact (for example, a slip carbon brush) 41B connected to the generator 6B and a contact ring (for example, a slip ring) 42B fixed to the support shaft 40B.
  • a contact for example, a slip carbon brush
  • the power generation unit 2B has a bearing (eg, a ball bearing) 43 that rotatably supports the first rotating shaft 13B with respect to the support shaft 40B, and a second rotating shaft 23B that can rotate with respect to the first rotating shaft 13B.
  • the bearings 43 are supported respectively.
  • the operation of the power generation unit 2B will be described.
  • the first rotating shaft 13B of the first windmill that has received the wind and the second rotating shaft 23B of the second windmill start to rotate in directions opposite to each other.
  • the rotation direction of the first rotation shaft 13B is indicated by R1
  • the rotation direction of the second rotation shaft 23B is indicated by R2.
  • the contact 41B that rotates together with the first rotating shaft 13B is configured to maintain contact on the outer periphery of the contact ring 42B. Further, the support shaft 40B and the contact ring 42B do not rotate. Further, for example, a power cable arranged inside the support shaft 40B is preferably a three-pole cable. In addition, it is desirable that the first rotation shaft 13B and the second rotation shaft 23B have a common center axis.
  • the same operational effects as the embodiment shown in FIG. 4 can be obtained.
  • the contact 41B made of a slip carbon brush and the contact ring 42B made of a slip ring are installed, so that the power cable can be connected even if the stator 18B side (the generator 6B itself) rotates. Electricity can be sent to the outside without being twisted.
  • the generator which comprised the stator 18B with magnets, such as a permanent magnet, and comprised the rotor 28B with the coil.
  • the length of the first arm 14B may be configured to be shorter than the length of the second arm 24B.
  • the power generation unit 2B may have a contact ring such as a slip ring connected to the generator 6B and a contact such as a slip carbon brush installed on the support shaft 40B.
  • FIG. 7 shows a vertical axis wind power generator 1C according to another embodiment of the present invention.
  • the vertical axis wind power generator 1C includes a third wind turbine 30C having a different radius of rotation in addition to the first wind turbine 10C and the second wind turbine 20C.
  • the first to third wind turbines 10C, 20C, and 30C rotate independently of each other, so that the power generation amount can be increased while maintaining or improving the start-up performance.
  • the blades 15C, 25C, and 35C of the wind turbines 10C, 20C, and 30C are configured so that a part thereof becomes a shadow of each other. Due to this overlap, energy can be efficiently extracted from the passing wind. Even if the blades 15C, 25C, and 35C do not overlap, the effects of the present invention can be sufficiently obtained.
  • any of the power generation units described above can be adopted as the power generation unit.
  • FIG. 8 shows a vertical axis wind power generator 1D according to another embodiment of the present invention.
  • the vertical axis wind power generator 1D includes a third wind turbine 30D having a smaller radius of rotation than the second wind turbine 20D.
  • the present invention is not limited to this, and is configured to rotate four or more wind turbines independently. However, the same effect can be obtained. Moreover, you may comprise so that some of several windmills may rotate in response. In addition, in order to realize further improvement in start-up performance, the generator 6 may be used as a motor so that the wind turbine is initially moved.

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Abstract

　垂直軸型風力発電装置において、スタートアップ性能を維持又は向上しながら、且つ発電量を増加することのできる垂直軸型風力発電装置を提供する。風車と発電部を有しており、風車が鉛直方向に延伸した回転軸と、回転軸から外周方向に延伸した少なくとも１つのアームと、アームに固定した少なくとも１つの羽根を有した垂直軸型風力発電装置において、垂直軸型風力発電装置１が、少なくとも第１風車１０及び第２風車２０を有しており、第１風車１０及び第２風車２０が、異なる回転半径を有し且つ独立して回転する。

Description

垂直軸型風力発電装置
　本発明は、垂直な回転軸を有する風車を利用した、垂直軸型風力発電装置に関する。
　従来、風力発電の装置として、垂直軸型風車又は水平軸型風車と、発電部を組み合わせた風力発電装置が利用されている（例えば特許文献１及び２参照）。図９に垂直軸型風力発電装置の１例を示す。この垂直軸型風力発電装置１Ｘは、発電部２Ｘと風車１０Ｘを有している。風車１０Ｘは、発電部２Ｘに連結した回転軸３Ｘと、回転軸３Ｘから水平方向に延伸したアーム４Ｘと、アーム４Ｘに固定した羽根５Ｘを有している。一般的な垂直軸型風力発電装置は、羽根の長さｈが３．０ｍ、幅ｄが０．３ｍ、アーム４Ｘの水平方向の長さｒが１．５ｍ程度の大きさである。
　次に、垂直軸型風力発電装置１Ｘの動作について説明する。風車１０Ｘは羽根５Ｘに風を受けて図９の矢印に示す様に回転を開始する。風車１０Ｘは、例えば風速１．０ｍ／ｓ程度の風で回転を開始する（スタートアップという）。そして風速２．０ｍ／ｓ以上になったときに、発電部２Ｘによる発電を開始する（カットインという）。この垂直軸型風力発電装置１Ｘは、風速１２ｍ／ｓで３ｋｗ程度の発電を行なうことができる。
　この垂直軸型の風車１０Ｘは、以下の特徴を有している。水平軸型の風車に比べスタートアップに必要な風速が小さい（スタートアップ性能が高い）。そのため、微風であっても風車が回転し、且つ発電を開始することができる。また、水平軸型の風車に比べ、回転軸３Ｘの回転数が小さいため、騒音を防止することができる。なお、回転軸３Ｘの回転速度の理想理論値は、垂直軸型の風車が風速の１．７倍程度、水平軸型の風車が風速の７．０倍程度である。
　上記の垂直軸型風力発電装置１Ｘは、垂直軸型の風車のメリットであるスタートアップ性能を維持しながら、発電量を増加させることが困難であるという問題を有している。ここで、発電量を増加するためには、回転軸３Ｘの回転数を増加させる、又は回転トルクを増加させるように羽根の枚数及び風車の回転半径を設計することが望ましい。
　風車１０Ｘの回転数を増加させるために、風車１０Ｘの回転半径（アーム４Ｘの長さ）が短くなるように設計する方法がある。しかし、風車１０Ｘの回転半径が短くなると、スタートアップ性能が著しく低下し、回転トルクも低下するという問題が発生してしまう。
　また、風車１０Ｘの回転トルクを増加させるために、風車１０Ｘの羽根５Ｘの枚数を増やすように設計する方法がある。この羽根５Ｘの枚数の増加により、スタートアップ性能も向上する。しかし、風車１０Ｘの羽根５Ｘの枚数が増えると、回転数が著しく低下するという問題を有している。
　つまり、スタートアップ性能の維持と、発電量の増加を同時に実現することが困難であった。
　例えば、回転半径の小さい小型風車と、回転半径の大きい大型風車を比較すると、大型風車の方が、スタートアップ性能が高く、回転トルクも大きいが、回転数が小さくなってしまう。そのため、発電量の増加を実現することが困難となる。また、例えば４枚羽根の風車と２枚羽根の風車を比較すると、４枚羽根の風車の方が、スタートアップ性能が高く、回転トルクも大きいが、回転数が小さくなってしまう。そのため、発電量の増加を実現
することが困難となる。
特開２００８－２６１２８８号公報 特開２００５－２８４８号公報
　本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、垂直軸型風力発電装置において、スタートアップ性能を維持又は向上しながら、且つ発電量を増加することのできる垂直軸型風力発電装置を提供することにある。
　上記の目的を達成するための本発明に係る垂直軸型風力発電装置は、風車と発電部を有しており、前記風車が鉛直方向に延伸した回転軸と、前記回転軸から外周方向に延伸した少なくとも１つのアームと、前記アームに固定した少なくとも１つの羽根を有した垂直軸型風力発電装置において、前記垂直軸型風力発電装置が、少なくとも第１風車及び第２風車を有しており、前記第１風車及び前記第２風車が、異なる回転半径を有し且つ独立して回転することを特徴とする。この構成により、スタートアップ性能を維持又は向上しながら、発電量を増加することができる。
　上記の垂直軸型風力発電装置において、前記第１風車が、第１回転軸と、前記第１回転軸に第１アームを介して設置した第１羽根を有しており、前記第２風車が、第２回転軸と、前記第２回転軸に第２アームを介して設置した第２羽根を有しており、前記第１アームと前記第２アームの長さが異なることを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。
　上記の垂直軸型風力発電装置において、互いに独立して回転する前記第１回転軸及び前記第２回転軸の回転力を、前記発電部で合成し、発電を行なう構成を有することを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。
　上記の垂直軸型風力発電装置において、記第１風車及び前記第２風車の内、回転半径の大きい方の風車が、回転半径の小さい方の風車に比べ、前記羽根の枚数が多くなるように構成されたことを特徴とする。この構成により、回転半径が大きく、羽根の枚数が多い風車は、高いスタートアップ性能を有することができる。
　上記の垂直軸型風力発電装置において、前記第１風車及び前記第２風車の内、回転半径の大きい方の風車が、回転半径の小さい方の風車に比べ、少なくとも前記羽根の質量又は面積のいずれかが大きくなるように構成されたことを特徴とする。この構成により、回転半径が大きく、少なくとも羽根の質量又は面積のいずれか一方が大きい風車は、高いスタートアップ性能を有することができる。
　上記の垂直軸型風力発電装置において、前記発電部が、回転子及び固定子を備えた発電機を有し、前記回転子及び前記固定子を、一方を前記第１回転軸に固定して他方を前記第２回転軸に固定して、且つ前記第１風車及び前記第２風車が逆方向に回転するように構成したことを特徴とする。この構成により、発電機が回転する速度を従来の約２倍とできるため、発電量を増加することができる。
　本発明に係る垂直軸型風力発電装置によれば、スタートアップ性能を維持又は向上しながら、且つ発電量を増加することのできる垂直軸型風力発電装置を提供することができる。
図１は本発明に係る実施の形態の垂直軸型風力発電装置を示した斜視図である。 図２は本発明に係る実施の形態の垂直軸型風力発電装置を示した平面図である。 図３は本発明に係る実施の形態の垂直軸型風力発電装置の発電部を示した部分断面図である。 図４は本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置の発電部を示した部分断面図である。 図５は本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置を示した図である。 図６は本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置の発電部を示した部分断面図である。 図７は本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置を示した正面図である。 図８は本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置を示した正面図である。 図９は従来の垂直軸型風力発電装置を示した斜視図である。
　以下、本発明に係る実施の形態の垂直軸型風力発電装置について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る実施の形態の垂直軸型風力発電装置１を示す。垂直軸型風力発電装置１は、第１風車１０と第２風車２０と、発電部２を有している。第１風車１０は、第１回転軸１３と、第１回転軸１３に第１アーム１４を介して設置した第１羽根１５を有している。同様に、第２風車２０は、第２回転軸２３と、第２回転軸２３に第２アーム２４を介して設置した第２羽根２５を有している。第１風車１０と第２風車２０は、異なる回転半径を有しており、それぞれ独立して回転するように構成している。つまり、例えば、第１アーム１４に比べて、第２アーム２４を長く形成している。そのため、第１羽根１５と第２羽根２５は、互いに干渉せず、独立して回転することができる。なお、図１には、第１風車１０及び第２風車２０の羽根１５、２５を１枚ずつ図示しているが、１枚ずつでもよく、望ましくは３～６枚ずつ設置する。また、羽根の長さｈが０．６～１．５ｍ、幅ｄが０．１５～０．５０ｍ程度の大きさとすることが望ましい。
　次に、垂直軸型風力発電装置１の動作について説明する。第１風車１０及び第２風車２０が停止した状態から、微風を受けると、まず第２風車２０が回転を開始する（スタートアップ）。これは、第２風車２０の第２アーム２４が長い（回転半径が大き）く、風を受けて回転しやすいためである（スタートアップ性能が高い）。その後、第１風車１０が回転を開始する。第１風車１０及び第２風車２０がそれぞれ独立して回転し、予め定めた回転速度となったときに発電を開始する（カットイン）。このとき、発電部２は、第１風車１０及び第２風車２０の回転力の合力により回転し、発電を行なうように構成している。
　上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、垂直軸型の風車のメリットであるスタートアップ性能を維持しながら、発電量を増加することができる。つまり、第１風車１０及び第２風車２０の羽根１５、２５の枚数を例えばそれぞれ６枚ずつとすると、スタートアップ性能が高いため、風速１．０ｍ／ｓ以下の微風でも回転を開始することができる。
　第２に、スタートアップ性能を低下させることなく、発電量を増加することができる。これは、発電部２が、第１風車１０及び第２風車２０の回転力の合力をエネルギーとして
受けるためである。ここで、このエネルギーは、従来に比べ２倍近いエネルギーとなる。
　なお、少なくとも２つの風車（第１風車及び第２風車）は、それぞれ同じ数の羽根を有するように構成してもよい。また、回転半径の大きい方の風車（例えば第２風車）が、他方の風車（例えば第１風車）に比べ、多くの枚数の羽根を有するように構成してもよい。この構成により、回転半径が大きく且つ羽根の枚数の多い風車（例えば第２風車）は、高いスタートアップ性能を有することができる。そのため、微風環境下であっても自発的に回転することができる。また、回転半径が小さく且つ羽根の枚数の少ない風車（例えば第１風車）は、スタートアップ性能は低いが、発電量が大きい。そのため、例えば第２風車の回転力の一部を第１風車に伝達し、第１風車のスタートアップを補助するように構成すると、スタートアップ性能が高く且つ発電量の大きい垂直軸型風力発電装置を提供することができる。
　更に、回転半径の大きい方の風車（例えば第２風車が）、他方の風車（例えば第１風車）に比べ、質量又は面積が大きい羽根を有するように構成してもよい。この構成により、上記と同様の作用効果を得ることができる。
　図２に、垂直軸型風力発電装置１の平面図を示す。この垂直軸型風力発電装置１は、第１アーム１４に比べて、第２アーム２４を長く形成している。そして、第１回転軸１３と第２回転軸２３は、独立して回転する。そのため、第１羽根１５と第２羽根２５は互いに干渉せず、独立して回転する。なお、Ｆ１は第１羽根が通過する第１領域を示し、Ｆ２は第２羽根が通過する第２領域を示す。
　また、図２には、第１風車１０及び第２風車２０の羽根１５、２５の枚数をそれぞれ２枚ずつとしているが、３枚ずつ又はそれ以上とすることもできる。これは、垂直軸型風力発電装置１を設置する場所の平均風速等を考慮して適切に設計することができる。
　図３に、発電部２の部分断面図の一例を示す。発電部２は、第１発電軸１７及び第２発電軸２７を回転可能に支持した発電機６を有している。この発電部２は、第１回転軸１３の回転力が、第１ベルト１６を介して第１発電軸１７に伝達するように構成している。同様に、発電部２は、第２回転軸２３の回転力が、第２ベルト２６を介して第２発電軸２７に伝達するように構成している。
　次に、発電部２の動作について説明する。まず、第２回転軸２３が、風の力により回転する。この回転力は、第２ベルト２６及び第２発電軸２７を介して、発電機６に伝達され、電気に変換される。同様に、第１回転軸１３が風の力により回転すると、この回転力は、第１ベルト１６及び第１発電軸１７を介して、発電機６に伝達され、電気に変換される。ここで、第１回転軸１３及び第２回転軸２３は、同一方向に回転するように構成している。また、第１発電軸１７及び第２発電軸２７に伝達された回転力は、例えば、ワンウェイクラッチ等を介して合成される。
　この第１発電軸１７と第２発電軸２７を、ワンウェイクラッチを介して連結し、回転力を合成する構成について説明する。垂直軸型風力発電装置１の始動時には、第２風車２０の回転開始に伴い、第２発電軸２７が回転を開始する。このとき、ワンウェイクラッチは空転状態となるように構成している。つまり、第１発電軸１７は停止した状態となる。風速が上昇し、第１風車１０の回転に伴い、第１発電軸１７が第２発電軸２７の回転数を上回った場合、ワンウェイクラッチは、かみ合い状態となるように構成している。つまり、第１発電軸１７及び第２発電軸２７の回転力が、ワンウェイクラッチを介して合成され、発電機６に伝達される。このとき、第１風車１０及び第２風車２０は、見かけ上、一体の風車として回転するため、発電機６は高いトルクを得ることができる。
　また、ワンウェイクラッチに、トルクリミッタ等の制御機構を付加し、空転状態とかみ合い状態を任意に制御するように構成してもよい。更に、歯車等を利用し、第１発電軸１７及び第２発電軸２７の回転数及び回転トルクを設定してもよい。この構成により、例えば、第２風車２０の回転数に比べ、第１風車１０の回転数が小さい場合であっても、第１発電軸１７及び第２発電軸２７で回転力が合成され発電機６に伝達することが可能となる。また、第１発電軸１７が停止状態であっても、第２発電軸２７の回転力の一部を伝達し、第１風車１０が回転を開始するように構成することもできる。
　上記のように、第１風車１０と第２風車２０の回転力は、既知の機構を利用して、合成することができる。他にも、遊星歯車を利用することもできる。例えば、第１回転軸２７を遊星ギアに連結し、第２回転軸２３を太陽ギアに連結し、発電機６にリングギアを固定して構成することができる。このとき、第１発電軸１７又は第２発電軸２７が、遊星歯車との連結をクラッチ等で解除できる構成を有していることが望ましい。
　なお、ワンウェイクラッチ等の回転力を合成する機構を、第１及び第２発電軸１７、２７に設置する構成について説明したが、この機構を第１及び第２回転軸１３、２３に設置する構成としてもよい。また、第１ベルト１６及び第２ベルト２６は、回転軸１３、２３の回転力を、発電軸１７、２７に伝達できる構成であればよい。例えば、歯車等を利用することもできる。
　上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、第１風車１０及び第２風車２０が独立して回転する構成により、風車１０、２０のスタートアップ性能を維持又は向上することができる。
　第２に、独立して回転する第１風車１０及び第２風車２０の回転力を、合成して発電機６に伝達する構成により、発電量を増加することができる。
　図４に、本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置の発電部２Ａの部分断面図を示す。発電部２Ａは、コイル又は磁石等で構成された固定子１８Ａ及び回転子２８Ａを備えた発電機６Ａを有している。この固定子１８Ａは第１回転軸１３Ａに固定され、回転子２８Ａは第２回転軸２３Ａに固定されている。ここで、第１回転軸１３Ａ及び第２回転軸２３Ａは、共通する中心軸を有し且つ一方の回転軸内に他方の回転軸が配置される多重管構造となるように配置している。更に、第１風車１０及び第２風車２０が互いに逆方向に回転するように構成している。なお、発電機６Ａを構成する一方を便宜上、固定子１８Ａと呼んでいるが、この固定子１８Ａは、回転子２８Ａに対して相対的に回転し、発電を行うことができる。
　次に、発電部２Ａの動作について説明する。第１風車１０及び第２風車２０が風を受けて、互いに逆方向に回転を開始する。第１回転軸１３Ａが固定子１８Ａ（発電機６Ａ自体）を一方向に回転させ、第２回転軸２３Ａが回転子２８Ａを逆方向に回転させる。ここで、固定子１８Ａと回転子２８Ａの回転の相対速度は、第１及び第２風車１０、２０の回転速度の合成値となる。
　上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、発電機６Ａが回転する速度を従来の約２倍とできるため、発電量を増加することができる。第２に、発電部２Ａを、風車の回転軸（１３Ａ、２３Ａ）の中心軸上に設置できるため、垂直軸型風力発電装置をコンパクトに設計することができる。第３に、風速が弱く、第１風車又は第２風車のみが回転するような場合であっても、発電を行うことができる。
　図５に、本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置１Ｂを示す。この垂直軸型風力発電装置１Ｂは、支持軸４０Ｂと、支持軸４０Ｂに対して回転自在に設置した第１風車１０Ｂと、第１風車１０Ｂに対して回転自在に設置した第２風車２０Ｂと、第１風車１０Ｂ及び第２風車２０Ｂの間に設置した発電部２Ｂを有している。ここで、第１風車１０Ｂ及び第２風車２０Ｂは、回転方向が逆方向となるように構成している。また、第１アーム１４Ｂの長さが、第２アーム２４Ｂの長さよりも長くなるように構成している。
　図６に、垂直軸型風力発電装置１Ｂの発電部２Ｂの部分断面図を示す。発電部２Ｂは、一方をコイルで構成され他方を磁石で構成された固定子１８Ｂ及び回転子２８Ｂを備えた発電機６Ｂを有している。この固定子１８Ｂは第１回転軸１３Ｂに固定され、回転子２８Ｂは第２回転軸２３Ｂに固定されている。また、発電部２Ｂは、発電機６Ｂに接続した接触子（例えば、スリップカーボンブラシ等）４１Ｂと、支持軸４０Ｂに固定した接触リング（例えば、スリップリング等）４２Ｂを有している。更に、発電部２Ｂは、支持軸４０Ｂに対して第１回転軸１３Ｂを回転自在に支持する軸受（例えばボールベアリング等）４３と、第１回転軸１３Ｂに対して第２回転軸２３Ｂを回転自在に支持する軸受４３をそれぞれ有している。
　次に、発電部２Ｂの動作について説明する。まず、風を受けた第１風車の第１回転軸１３Ｂと、第２風車の第２回転軸２３Ｂが、互いに逆となる回転方向に回転を開始する。図６では、第１回転軸１３Ｂの回転方向をＲ１で、第２回転軸２３Ｂの回転方向をＲ２で示している。この回転により、発電機６Ｂを構成する固定子１８Ｂと回転子２８Ｂの相対的な回転により、電気が発生する。この電気は、コイルを構成する側（例えば固定子１８Ｂ）から接触子４１Ｂ、及び接触リング４２Ｂを介して、図示しない電源ケーブルに送られる。
　ここで、第１回転軸１３Ｂと共に回転する接触子４１Ｂは、接触リング４２Ｂの外周で接触を維持するように構成されている。また、支持軸４０Ｂ及び接触リング４２Ｂは、回転しない。更に、例えば支持軸４０Ｂの内部に配置した電源ケーブルは、３極のケーブルを利用することが望ましい。加えて、第１回転軸１３Ｂと第２回転軸２３Ｂは、共通する中心軸を有することが望ましい。
　上記の構成により、図４に示した実施例と同様の作用効果を得ることができる。第１に、発電機６Ｂが回転する速度を従来の約２倍とできるため、発電量を増加することができる。第２に、発電部２Ｂを、第１風車１０Ｂ及び第２風車２０Ｂの回転軸上に設置できるため、垂直軸型風力発電装置をコンパクトに構成することができる。第３に、風速が弱く、第１風車又は第２風車のみが回転するような場合であっても、発電を行うことができる。第４に、スリップカーボンブラシ等で構成した接触子４１Ｂと、スリップリング等で構成した接触リング４２Ｂを設置した構成により、固定子１８Ｂ側（発電機６Ｂ自体）が回転しても、電源ケーブルがねじれたりすることなく、電気を外部に送ることができる。
　なお、固定子１８Ｂを永久磁石等の磁石で構成し、回転子２８Ｂをコイルで構成した発電機としてもよい。また、第１風車１０Ｂ側に回転子を設置し、第２風車２０Ｂ側に固定子を固定する構成としてもよい。更に、図２の例と同様に、第１アーム１４Ｂの長さが、第２アーム２４Ｂの長さよりも短くなるように構成してもよい。加えて、発電部２Ｂが、発電機６Ｂに接続したスリップリング等の接触リングと、支持軸４０Ｂに設置したスリップカーボンブラシ等の接触子を有するように構成してもよい。
　図７に、本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置１Ｃを示す。この垂直軸型風力発電装置１Ｃは、第１風車１０Ｃ及び第２風車２０Ｃに加えて、回転半径の異なる第３風車３０Ｃを有している。この垂直軸型風力発電装置１Ｃは、第１乃至第３の風車
１０Ｃ、２０Ｃ、３０Ｃがそれぞれ独立して回転するため、スタートアップ性能を維持又は向上しながら、発電量を増加することができる。
　ここで、各風車１０Ｃ、２０Ｃ、３０Ｃの羽根１５Ｃ、２５Ｃ、３５Ｃは、一部が互いの影になるように構成している。この重なりにより、通過する風から効率的にエネルギーを取出すことができる。なお、羽根１５Ｃ、２５Ｃ、３５Ｃが重ならないとしても、本発明の作用効果を十分に得ることができる。また、発電部は、前述した発電部のいずれも採用することができる。
　図８に、本発明に係る異なる実施の形態の垂直軸型風力発電装置１Ｄを示す。この垂直軸型風力発電装置１Ｄは、第１風車１０Ｄ及び第２風車２０Ｄに加えて、回転半径が第２風車２０Ｄよりも小さい第３風車３０Ｄを有している。
　ここで、図７及び８に、第１乃至３の風車を有する実施例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、４つ以上の風車を独立して回転するように構成しても、同様の作用効果を得ることができる。また、複数ある風車の内、いくつかを連動して回転するように構成してもよい。加えて、スタートアップ性能の更なる向上を実現するために、発電機６をモータとして使用して風車に初動を与える構成としてもよい。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ  垂直軸型風力発電装置
２、２Ａ、２Ｂ       発電部
３     回転軸
４     アーム
５     羽根
１０   第１風車
１３   第１回転軸
１４   第１アーム
１５   第１羽根
１８、１８Ａ、１８Ｂ 固定子
２０   第２風車
２３   第２回転軸
２４   第２アーム
２５   第２羽根
２８、２８Ａ，２８Ｂ 回転子

Claims (6)

  1. 　風車と発電部を有しており、前記風車が鉛直方向に延伸した回転軸と、前記回転軸から外周方向に延伸した少なくとも１つのアームと、前記アームに固定した少なくとも１つの羽根を有した垂直軸型風力発電装置において、
    　前記垂直軸型風力発電装置が、少なくとも第１風車及び第２風車を有しており、前記第１風車及び前記第２風車が、異なる回転半径を有し且つ独立して回転することを特徴とする垂直軸型風力発電装置。
  2. 　前記第１風車が、第１回転軸と、前記第１回転軸に第１アームを介して設置した第１羽根を有しており、前記第２風車が、第２回転軸と、前記第２回転軸に第２アームを介して設置した第２羽根を有しており、前記第１アームと前記第２アームの長さが異なることを特徴とする請求項１に記載の垂直軸型風力発電装置。
  3. 　互いに独立して回転する前記第１回転軸及び前記第２回転軸の回転力を、前記発電部で合成し、発電を行なう構成を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直軸型風力発電装置。
  4. 　前記第１風車及び前記第２風車の内、回転半径の大きい方の風車が、回転半径の小さい方の風車に比べ、前記羽根の枚数が多くなるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の垂直軸型風力発電装置。
  5. 　前記第１風車及び前記第２風車の内、回転半径の大きい方の風車が、回転半径の小さい方の風車に比べ、少なくとも前記羽根の質量又は面積のいずれかが大きくなるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の垂直型風力発電装置。
  6. 　前記発電部が、回転子及び固定子を備えた発電機を有し、
    　前記回転子及び前記固定子を、一方を前記第１回転軸に固定して他方を前記第２回転軸に固定して、且つ前記第１風車及び前記第２風車が逆方向に回転するように構成したことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の垂直軸型風力発電装置。
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