WO2016148016A1 - 翼車およびこれを備える自然エネルギー発電装置 - Google Patents

Abstract

　この翼車（１８）は、軸心回りに回転自在に設けられる主軸（２２）と、この主軸（２２）に固定され、風力又は水力によって駆動されて前記軸心回りに回転する翼（２４）とを備える。前記翼（２４）は、前記主軸（２２）に対し平行または垂直方向に延びるストレート部（２８）と、前記ストレート部（２８）の端部から延びる翼先端部（２９）とを有し、前記翼先端部（２９）は、この翼先端部（２９）を前記主軸（２２）の軸心を含む平面で切断した断面の形状が、基端から先端に向かうに従って前記ストレート部（２８）から一方に離れるように傾斜した第１の傾斜部分（２９ａ）と、基端から先端に向かうに従って前記第１の傾斜部分（２９ａ）とは逆側に遠ざかるように傾斜した第２の傾斜部分（２９ｂ）とでなる二股に分岐する形状に形成されている。

Description

翼車およびこれを備える自然エネルギー発電装置 関連出願

　本出願は、２０１５年３月１６日出願の特願２０１５－０５１５９３および２０１５年３月１９日出願の特願２０１５－０５５８４８の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　この発明は、翼車および自然エネルギー発電装置に関し、翼が受ける風力や水力、潮力エネルギーに対して回転エネルギーに変換する変換効率を高めると共に、翼の強度を向上させる技術に関する。

　自然エネルギー発電装置の風車や水車は、水平軸式と垂直軸式とに大別され、垂直軸式は、風向きや流水方向、潮流方向に対する制御が不要なことから比較的に小型の風車や水車に用いられている。

　垂直軸式の発電用の風車や水車において、風力や水力、潮力エネルギーを回転エネルギーに変換する変換効率を高めるように翼の先端部の形状が設計されている。例えば、翼の先端部を垂直主軸に近づけるように傾斜させることで、風や流水、潮流から受けるエネルギーを効率良く回転エネルギーに変換することが可能となる。この傾斜させた翼先端部をウイングレットと呼ぶ。このウイングレットを設けることで、翼先端からの翼端渦を低減でき高効率な翼となる（特許文献１）。

特許第４１７３７２７号公報

　自然エネルギー発電装置において、翼が受けるエネルギーに対して、いかに効率良く回転エネルギーに変換できるかは非常に重要な要素である。この変換効率（パワー係数）は理論的に１６／２７が限界とされている（ベッツの限界）。この限界値に対して現在の翼の変換効率は０．３～０．４５程度となっており、この変換効率を上げるためにさらなる翼の改良が必要となる。

　図１２Ａは従来例の垂直軸式発電用の風車や水車の翼５０の正面図であり、図１２Ｂは図１２ＡのXIIB-XIIB線断面図である。この翼５０において、ストレート部５１とウイングレット５２との成す角度θを定められた角度以下としている場合、これらストレート部５１とウイングレット５２とを繋ぐ繋ぎ部５３に応力が集中するおそれがある。この場合、翼の強度上問題である。

　繋ぎ部５３の角度θを単に大きくすると、風車や水車のサイズにより翼の全長Ｌａが規定されていることから、ストレート部５１の長さＬｖが短くなる。この場合、受風面積や受水面積が実質減少することで前記変換効率が低下する。

　ストレート部５１の長さＬｖを確保したうえで、繋ぎ部５３の角度θを大きくすることも考えられる。この場合も前記のように翼５０の全長Ｌａが規定されていることから、ウイングレット５２の水平方向長さＬｈが短くなる。そうすると翼端渦を低減する効果が劣る。

　この発明の目的は、翼車において、翼が受けるエネルギーに対して回転エネルギーに変換する変換効率を高めると共に、翼の強度を向上させることができる翼車およびこれを備える自然エネルギー発電装置を提供することである。

　この発明の翼車は、軸心回りに回転自在に設けられる主軸と、この主軸に固定され、風力または水力によって駆動されて前記軸心回りに回転する翼とを備えた翼車であって、
　前記翼は、前記主軸に対し平行または垂直方向に延びるストレート部と、前記ストレート部の端部から延びる翼先端部とを有し、
　前記翼先端部は、この翼先端部を前記主軸の軸心を含む平面で切断した断面の形状が、基端から先端に向かうに従って前記ストレート部から一方に離れるように傾斜した第１の傾斜部分と、基端から先端に向かうに従って前記第１の傾斜部分とは逆側に遠ざかるように傾斜した第２の傾斜部分とでなる二股に分岐する形状に形成されている。
　前記翼車は、風車または水車である。

　この構成によると、翼先端部の前記主軸断面が基端から先端に向かうに従ってそれぞれストレート部から互いに離れるように傾斜する断面形状としている。翼先端部における、第１の傾斜部分がこの第１の傾斜部分の翼先端からの翼端渦を低減できるうえ、翼先端部における、前記逆側の第２の傾斜部分もこの第２の傾斜部分の翼先端からの翼端渦を低減できる。このため、翼先端部全体として、翼先端からの翼端渦を効果的に低減することができる。

　特に翼先端部を第１，第２の傾斜部分で二股に分岐させたため、第１の傾斜部分における翼先端からストレート部までの水平方向長さに、第２の傾斜部分における翼先端からストレート部までの水平方向長さを加えた翼先端部全体の水平方向長さを長く確保することができる。このように二股に分岐させた翼先端部は、前述の一段に傾斜させた場合に比べて、翼先端部に局部的に急な屈曲部分を生じさせることなく、翼先端部の水平方向長さを翼先端部全体として長く確保することができる。そのため、翼全体の長さを一定とした場合に、翼先端部の水平方向長さを所望長さに確保しながら、ストレート部の長さを長く確保できて所望の受風面積または受水面積を確保し得る。以上のように翼先端からの翼端渦を確実に低減できるうえ、所望の受風面積または受水面積を確保し得るため、僅かな微風または低流速の水でも回転が可能となる。また翼先端部の第１，第２の傾斜部分を互いに離れるように二股に分岐させたため、一方にのみ傾斜させた翼先端部よりも曲げモーメントを低減し得る。

　このようにストレート部の長さを長く得られるため、翼が受けるエネルギーに対して回転エネルギーに変換する変換効率を高めることができる。また、翼先端部の水平方向長さを所望長さに確保することで、翼先端から発生する翼端渦を確実に低減でき、かつ翼先端部の局部的な曲がり角度を緩やかにできるため、翼先端部の曲がり部に作用する応力を低減でき、翼の強度を向上させることができる。

　本発明の一実施形態において、前記翼のストレート部が前記主軸に対し平行に延び、前記翼が前記主軸に支持体を介して前記主軸から半径方向に離れた位置で連結されていてもよい。すなわち、前記翼車は、直線翼垂直軸型翼車であってよい。この場合、翼に作用する揚力と効力との比を高めることができる。また高い周速比で大きなトルクを得ることができる。

　本発明の一実施形態において、当該翼車が前記垂直軸式の、風力発電用の風車であって、上下方向に延びる複数枚の前記翼が、前記垂直主軸から離れて前記垂直主軸の周囲に設けられ、前記各翼の横断面の形状が、当該風車が地球の北半球に設置された場合に、平面視で反時計回りに回転する回転力を風力で発生する形状であってもよい。

　小型風力発電機の開発の過程において、翼の回転方向を特定方向に規定することで、小さい風のエネルギーでも翼が回転することが判明した。具体的には、北半球における日本国において、垂直軸型風車の上下方向に延びる翼の方向を上下反転させて主軸に取付けることにより確認したところ、右回りに比べ左回りが同じ条件下で良く回転した。北半球では、地球の自転により台風や渦潮および排水口の渦までも全て左回り（反時計回り）である。これは、地球の自転よるコリオリ力が作用しているためであると考えられる。一方、風車は、その翼の断面形状によって、翼が風を受けるとその翼の両面を流れる空気の流速差から生じる揚力に基づき回転方向が定まる。
　この構成の風車によると、北半球に設置された場合に、各翼の横断面形状が平面視で反時計回りに回転する回転力を風力で発生する形状であるため、従来の時計回りの翼を持つ垂直軸式風力発電用の風車に対し、地球の自転により生じる作用を効果的に利用して回転抵抗を減らし、同じ条件下で多く翼を回転させることができる。したがって、垂直主軸を持つ発電用の風車を用いて、より小さい風のエネルギーから発電を行うことができる。

　本発明の一実施形態において、前記翼の前記ストレート部が、前記主軸に対し半径方向外方に延びていてもよい。すなわち、前記翼車が水平軸式の翼車であってもよい。

　この発明の自然エネルギー発電装置は、この発明におけるいずれかの実施形態に係る翼車と、この翼車により駆動される発電機とを備える。この構成によると、翼が受けるエネルギーに対して回転エネルギーに変換する変換効率を従来品よりも高めることができる。このため、特に垂直軸式では従来、設置が見送られてきたような場所に、この自然エネルギー発電装置を設置することが可能となる。また従来品よりも翼の強度を向上させることができるため、例えば、翼材料の低減を図りまたメンテナンス性の向上を図ることができる。

　本発明の一実施形態に係る自然エネルギー発電装置において、前記発電機は、出力巻線が巻かれた出力鉄心と、主界磁巻線および副界磁巻線が巻かれた界磁鉄心とを備え、前記出力鉄心および界磁鉄心のいずれか一方がステータとなり、他方がロータとなり、前記各界磁巻線に整流手段が接続され、前記翼が回転し前記ステータとロータとが相対回転することにより発電電力を得る自励式発電機であって、発電の初期励磁に必要な程度の磁力を生じさせる初期励磁手段をさらに備えていても良い。

　この構成の場合、前記発電機が自励式であるため、他励のための給電が不要で構成が簡単であり、また磁界を与える永久磁石が不要で、コギングトルクも問題とならない程度に小さい。コギングトルクが小さいため、小さなトルクで始動させることができる。始動時は磁界が必要であり、残留磁束があれば始動できるが、長期の放置や保守で残留磁束が消滅することがあり、残留磁束が消滅していると始動することができない。しかし、前記初期励磁手段を設けることで、確実な始動が行える。界磁となる磁束は回転するに従って増大するため、初期励磁に必要な磁束は僅かであり、前記コギングトルクへの影響も小さくて、僅かなトルクで回転を開始し発電が行える。

　このように自励式で前記初期励磁手段を設けた発電機は、僅かなトルクで回転可能でかつ確実に発電が可能という利点が得られる。一方、前述の二股に分岐させた翼先端部を有する翼車は変換効率を高め得る。特に、二股に分岐させた翼先端部を有する垂直主軸型の翼車と、自励式で前記初期励磁手段を設けた発電機とを組み合わせることで、従来の自然エネルギー発電機では発電効率が悪かった環境下においても必要十分な発電を行うことが可能となる。また微風または低流速の水でも回転が生じる翼車の利点と、僅かなトルクで回転できて発電できる発電機の特徴が効果的に組み合わされることになり、従来の自然エネルギー発電機では発電できなかったごく僅かな微風または低流速の水での発電が可能となる。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の第１実施形態に係る翼車の破断平面図である。 同翼車の正面図である。 同翼車の翼の正面図である。 図３ＡのIIIB-IIIB線断面図である。 図３ＢのIV-IV線断面図である。 図３ＢのＶ部の拡大図である。 この発明の第２実施形態に係る翼車の翼の正面図である。 図６ＡのVIB-VIB線断面図である。 この発明の実施形態に係る風力発電用の風車の破断平面図である。 図７に示す翼について、図４で示した断面と同一位置における横断面を示す断面図である。 この発明の実施形態に係る発電機の発電機本体の破断正面図と回路図とを組み合わせた説明図である。 同発電機本体を直線状に展開して示す説明図である。 同発電機本体の電気回路構成を示す回路図である。 従来例の翼車の翼の正面図である。 図１２ＡのXIIB-XIIB線断面図である。

　この発明の実施形態に係る翼車および自然エネルギー発電装置を図１ないし図５と共に説明する。図１は、この実施形態に係る翼車１８の破断平面図である。図２はこの翼車１８の正面図である。この翼車１８は、翼２４が上下方向に延びるいわゆる直線翼垂直軸型翼車（垂直軸式の翼車）である。図１および図２に示すように、自然エネルギー発電装置１９は、翼車１８と、この翼車１８により駆動される発電機２６（後述する）とを備える。翼車１８は、回転体であるロータＲｔと、固定体である固定基台Ｋｄとを有する。固定基台Ｋｄは、支持板体２０と、枠体２１と、基台２５とを有する。支持板体２０は、接地面に載置される平板状の板体であって、この支持板体２０の上面に基台２５が設置されている。この基台２５の内部には、後述する発電機２６が設けられている。

　枠体２１は、支持板体２０から上方に延びる複数（この例では４本）の支柱２１ａと、これら支柱２１ａを水平方向に連結する複数の連結部材２１ｂと、複数の架設部材２１ｃとを有する。複数の連結部材２１ｂは、隣接する支柱２１ａの上端部同士を互いに連結する上段の複数の連結部材２１ｂと、隣接する支柱２１ａの下端付近部を互いに連結する下段の複数の連結部材２１ｂとを含む。上段（図２の上側）の連結部材２１ｂのうち定められた連結部材２１ｂと、この連結部材２１ｂに対向する連結部材２１ｂとにわたって架設部材２１ｃが架設されている。また下段（図２下側）の連結部材２１ｂのうち定められた連結部材２１ｂと、この連結部材２１ｂに対向する連結部材２１ｂとにわたって架設部材２１ｃが架設されている。

　ロータＲｔは、垂直主軸（主軸）２２と、支持体２３と、翼２４とを有する。各架設部材２１ｃ，２１ｃの長手方向中間部に、それぞれ軸受２７，２７を介して垂直主軸２２が回転自在に支持されている。垂直主軸２２は上下方向に延び、この垂直主軸２２の下端部が、基台２５の内部まで延びている。垂直主軸２２の長手方向中間付近部から複数の支持体２３がそれぞれ半径方向外方に延びるように設けられている。これら支持体２３は、例えば、この翼車１８の正面視において平行で、且つ、同翼車の平面視において同位相となるように設けられている。

　複数の支持体２３における両側の先端部には、それぞれ翼２４が設けられている。この例では、上下の支持体２３，２３の一端部に一枚の翼２４が連結され、上下の支持体２３，２３の他端部に他の一枚の翼２４が連結されている。これら翼２４，２４は、垂直主軸２２を中心として１８０度位相の異なる位置に設けられる。各翼２４は、上下方向に沿って延び、枠体２１内において同枠体２１に干渉しないように設けられる。各翼２４は、様々な方向からの風または水を受けて垂直主軸２２の軸心Ｌ１回りに回転する。

　図３Ａはこの翼車の翼２４の正面図であり、図３Ｂは図３ＶのIIIB-IIIB線断面図である。図３Ａ，３Ｂに示すように、翼２４は、ストレート部２８と、このストレート部２８の長手方向両端からそれぞれ延びる翼先端部２９，２９とを有する。ストレート部２８および各翼先端部２９，２９は同一材料から一体に形成される。ストレート部２８は、垂直主軸２２（図２）と平行に延び、且つ、図３Ａに示す正面視で上下方向のいずれの位置においても同一幅を成す。またストレート部２８は、図３Ｂに示すように、上下方向のいずれの位置においても同一の厚みに形成される。

　図４は、図３ＢのIV-IV線断面図である。図１および図４に示すように、複数（この例では２枚）の翼２４は、それぞれ垂直主軸２２の軸心Ｌ１（図２）に垂直な平面で切断して見た横断面が翼２４の回転方向に対し非対称で、且つ、同断面にて厚肉側となる部分（同図４上側部分）を各翼２４の回転方向先端としている。さらに各翼２４のストレート部２８の外側面２８ａを半径方向外方に凸となる湾曲面とし、ストレート部２８の内側面２８ｂの大部分を平坦面２８ｂａとしている。

　なお内側面２８ｂの大部分を平坦面２８ｂａとする代わりに、内側面２８ｂを外側面２８ａよりも曲率半径の大きい湾曲面としても良い。ストレート部２８の内側面２８ｂにおける、外側面２８ａの円周方向一端（図４上側）との繋ぎ部は円弧面２８ｂｂを成す。この円弧面２８ｂｂと平坦面２８ｂａとの繋ぎ部は段差なく滑らかに続くように形成されている。

　ストレート部２８の内側面２８ｂと、外側面２８ａの円周方向他端（図４下側）との繋ぎ部は、鋭角となる角部に形成されている。ストレート部２８の内側面２８ｂにおける平坦面２８ｂａのうち円弧面２８ｂｂ寄りの部分に、支持体２３の先端部が連結されている。前記平坦面２８ｂａは、支持体２３の長手方向に対し垂直な平面を成し、この垂直な平面が上下方向に沿って延びる。

　　図２および図３Ａ，３Ｂに示すように、翼先端部２９，２９は、各々の翼先端からの翼端渦を低減するいわゆるウイングレットである。翼先端部２９は、この翼先端部２９を前記軸心Ｌ１を含む平面で切断して見た断面（主軸断面）の形状が、基端から先端に向かうに従って垂直主軸側に近づくように傾斜した（換言すれば、ストレート部２８から一方に離れるように傾斜した）第１の傾斜部分２９ａと、基端から先端に向かうに従って前記垂直主軸側とは逆側に遠ざかるように傾斜した（換言すれば、第１の傾斜部分２９ａとは逆側に遠ざかるように傾斜した）第２の傾斜部分２９ｂとでなる二股に分岐する形状に形成されている。上下の翼先端部２９，２９は、ストレート部２８の長手方向中間部の中心線Ｌ２に対し、線対称となる同一形状に形成されている。

　図５は、図３ＢのＶ部つまり上側の翼先端部２９の拡大図である。なお前述のように上下の翼先端部２９，２９は線対称となる同一形状であるから、上側の翼先端部２９についてのみ符号を付して詳細に説明し、下側の翼先端部２９については図３Ｂにて上側の翼先端部２９と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。図３Ｂおよび図５に示すように、第１の傾斜部分２９ａおよび第２の傾斜部分２９ｂの基端は、ストレート部２８の長手方向先端３０に繋がる。

　第１の傾斜部分２９ａは、前記主軸断面において、先端に向かうに従って垂直主軸側に緩やかに曲がるように形成されている。この第１の傾斜部分２９ａの主軸断面は、垂直主軸側の内面側部分２９ａａと、この内面側部分２９ａａとは逆側の外面側部分２９ａｂとを含む。内面側部分２９ａａは、ストレート部２８の内側面２８ｂに段差なく円滑に繋がる。内面側部分２９ａａ，外面側部分２９ａｂは、それぞれ定められた曲率半径Ｒａ，Ｒｂから成る。これら内面側部分２９ａａ，外面側部分２９ａｂの曲率中心ｃ１，ｃ２は、例えば、ストレート部２８と垂直主軸２２（図２）との中間付近で、且つ、ストレート部２８の長手方向先端３０と略同じ高さに位置している。これら内面側部分２９ａａ，外面側部分２９ａｂの曲率中心ｃ１，ｃ２は互いに異なる位置に設定される。また第１の傾斜部分２９ａは、前記主軸断面における厚みｔ１が上端に向かうに従って薄肉となる断面形状に形成される。なお曲率半径Ｒａ，Ｒｂは、例えば、実験やシミュレーション等の結果から適宜に定められる。

　第２の傾斜部分２９ｂは、前記主軸断面において、先端に向かうに従って垂直主軸側とは逆側に緩やかに曲がるように形成されている。この第２の傾斜部分２９ｂの主軸断面は、ストレート部２８の外面側２８ａに段差なく繋がる内面側部分２９ｂａと、この内面側部分２９ｂａとは逆側の外面側部分２９ｂｂとを含む。これら内面側部分２９ｂａ，外面側部分２９ｂｂは、それぞれ定められた曲率半径から成る。その他第１の傾斜部分２９ａと略同様の構成となっている。但し、第２の傾斜部分２９ｂにおける水平方向長さＬｈｂは、第１の傾斜部分２９ａにおける水平方向長さＬｈａよりも短く設定されている。翼先端部全体としての水平方向長さは、第１の傾斜部分２９ａにおける水平方向長さＬｈａに、第２の傾斜部分２９ｂにおける水平方向長さＬｈｂを加えた値（Ｌｈａ＋Ｌｈｂ）である。

　以上説明した翼車１８の翼２４によると、翼先端部２９の主軸断面が基端から先端に向かうに従って垂直主軸側とその逆側とにそれぞれ傾斜する断面形状としている。翼先端部２９における、第１の傾斜部分２９ａがこの第１の傾斜部分２９ａの翼先端からの翼端渦を低減できるうえ、翼先端部２９における、第２の傾斜部分２９ｂもこの第２の傾斜部分２９ｂの翼先端からの翼端渦を低減できる。このため、翼先端部全体として、翼先端からの翼端渦を効果的に低減することができる。

　特に翼先端部２９を第１，第２の傾斜部分２９ａ，２９ｂで二股に分岐させたため、第１の傾斜部分２９ａにおける翼先端からストレート部２８までの水平方向長さＬｈａに、第２の傾斜部分２９ｂにおける翼先端からストレート部２８までの水平方向長さＬｈｂを加えた翼先端部全体の水平方向長さ（Ｌｈａ＋Ｌｈｂ）を長く確保することができる。このように二股に分岐させた翼先端部２９は、前述の一段に傾斜させた場合に比べて、翼先端部２９に局部的に急な屈曲部分を生じさせることなく、翼先端部２９の水平方向長さ（Ｌｈａ＋Ｌｈｂ）を翼先端部全体として長く確保することができる。そのため、翼全体の長さを一定とした場合に、翼先端部２９の水平方向長さ（Ｌｈａ＋Ｌｈｂ）を所望長さに確保しながら、ストレート部２８の長さＬｖを長く確保できて所望の受風面積または受水面積を確保し得る。以上のように翼先端からの翼端渦を確実に低減できるうえ、所望の受風面積または受水面積を確保し得るため、僅かな微風または低流速の水でも回転が可能となる。また第１，第２の傾斜部分２９ａ，２９ｂを互いに離れるように二股に分岐させたため、一方にのみ傾斜させた翼先端部よりも曲げモーメントを低減し得る。

　このようにストレート部２８の長さＬｖを長く得られるため、翼２４が受けるエネルギーに対して回転エネルギーに変換する変換効率を高めることができる。また、翼先端部２９の水平方向長さ（Ｌｈａ＋Ｌｈｂ）を所望長さに確保することで、翼先端から発生する翼端渦を確実に低減でき、かつ翼先端部２９の局部的な曲がり角度を緩やかにできるため、翼先端部２９の曲がり部に作用する応力を低減でき、翼２４の強度を向上させることができる。

　翼先端部２９は、基端から先端に向かうに従って幅狭となる先細形状としたため、翼先端を例えば平坦形状とするよりも翼端渦をより低減することができる。したがって、翼２４が受けるエネルギーに対して回転エネルギーに変換する変換効率をさらに高めることができる。

　なお、第１の傾斜部分２９ａの内面側部分２９ａａ，外面側部分２９ａｂは、同一の曲率半径から成るものとし、かつ第１の傾斜部分２９ａの前記主軸断面における厚みｔ１を上下方向のいずれの位置においても同一肉厚としても良い。第１の傾斜部分２９ａの内面側部分２９ａａ，外面側部分２９ａｂは、それぞれ基端からある一定の位置まで、定められた曲率半径から成るものとし、前記一定の位置から先端まで二次曲線等の放物線状の曲線から成るものとしても良い。この曲率半径と放物線状の曲線との関係を逆にしても良い。その他曲率半径と放物線状の曲線とを複合的に組み合わせたものとしても良い。第２の傾斜部分２９ｂについても、前述の第１の傾斜部分２９ａと同様の変更を行っても良い。

　一本の垂直主軸２２に対して上下方向に複数段の翼２４を設けても良い。この場合、翼車の設置面積に対して翼２４の受風面積を増加させることができる。翼枚数は一段当たり２枚に限定されるものではなく、３枚以上としても良い。

　本発明の第２の実施形態について説明する。以下の説明においては、各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

　　図６Ａは第２実施形態に係る翼車の翼２４Ａの上半部の正面図であり、図６Ｂは図６ＡのVIB-VIB線断面図である。この翼車は、翼２４Ａのストレート部２８Ａが主軸２２に対し半径方向外方に延びる水平軸式である。つまり主軸２２はその軸心Ｌ１回りに回転自在に設けられ、この主軸２２の外周に円周方向一定間隔おきに複数（例えば、２～５枚程度：図６Ａでは一枚のみ表示している）の翼２４Ａが固定される。翼２４Ａのストレート部２８Ａは、図６Ａに示す正面視で基端から先端に向かうに従って幅広に形成される。その他前述の実施形態と同一構成となっている。翼２４Ａは主軸２２の回転軸心から離れる程トルクを大きく確保し得る。なお、翼先端部２９を傾斜させる方向を、主軸２２の基端側に向けても良いし、主軸２２の先端側に向けても良い。この構成によると、ストレート部２８Ａが基端から先端に向かうに従って幅広に形成される、つまり面積が大きくなっているため、トルクを大きく確保できるストレート部２８Ａの先端の変換効率をより高め得る。また翼先端部２９を前述のように二股に分岐させた断面形状としたため、翼２４Ａが受けるエネルギーに対して回転エネルギーに変換する変換効率を高めると共に、翼２４Ａの強度を向上することができる。

　この発明の第３の実施形態に係る翼車である風力発電用の風車および自然エネルギー発電装置である風力発電装置を図７および図８と共に説明する。図７は、この実施形態に係る風力発電用の翼車（風車）１８の破断平面図である。この風車１８は、翼２４が上下方向に延びるいわゆる直線翼垂直軸型風車である。この風車１８は北半球に設置されるものである。以下の説明においては、各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

　図８は、図７に示す本実施形態の翼２４について、第１実施形態の図４で示した断面と同一位置における横断面を示す断面図である。図７および図８に示すように、複数（この例では２枚）の翼２４の横断面は、風向きにかかわらず回転方向を特定方向（図７矢符Ｒ１で表す反時計回り）に規定する形状に形成されている。つまり複数の翼２４は、それぞれ垂直主軸２２の軸心Ｌ１に垂直な平面で切断して見た横断面が翼２４の回転方向に対し非対称で、且つ、同断面にて厚肉側となる部分（同図８下側部分）を各翼２４の回転方向先端としている。さらに各翼２４のストレート部２８の外側面２８ａを半径方向外方に凸となる湾曲面とし、各翼２４のストレート部２８の内側面２８ｂの大部分を平坦面２８ｂａとしている。

　なお内側面２８ｂの大部分を平坦面２８ｂａとする代わりに、内側面２８ｂを外側面２８ａよりも曲率半径の大きい湾曲面としても良い。ストレート部２８の内側面２８ｂにおける、外側面２８ａの円周方向一端（図８下側）との繋ぎ部は円弧面２８ｂｂを成す。この円弧面２８ｂｂと平坦面２８ｂａとの繋ぎ部は段差なく滑らかに続くように形成されている。

　ストレート部２８の内側面２８ｂと、外側面２８ａの円周方向他端（図８上側）との繋ぎ部は、鋭角となる角部に形成されている。ストレート部２８の内側面２８ｂにおける平坦面２８ｂａのうち円弧面２８ｂｂ寄りの部分に、支持体２３の先端部が連結されている。前記平坦面２８ｂａは、支持体２３の長手方向に対し垂直な平面を成し、この垂直な平面が上下方向に沿って延びる。

　このような翼２４が風を受けると、内側面２８ｂに沿う流速よりも外側面２８ａに沿う流速が速く、翼周りの圧力分布は外側面２８ａの負圧が大きくなる。よって翼全体として内側面側から外側面側への揚力Ｌが発生する。図８に示すように、ここで翼２４の回転で生じる相対風速ｖと風速Ｕとの合成風速Ｗによって翼に発生する揚力をＬとする。そうすると、揚力Ｌと効力Ｄのｔ方向の合成成分（Ｌｔ－Ｄｔ）が翼２４の回転方向の力となる。

　風向きにかかわらず回転方向を反時計回りに規定した前述の複数の翼２４を備える風車１８を北半球に設置した場合、従来の時計回りの翼を持つ垂直軸式風力発電用の風車に対し、地球の自転により生じるコリオリ力を効果的に利用して回転抵抗を減らし、同じ条件下で多く翼２４を回転させることができる。したがって、垂直主軸２２を持つ発電用の風車１８を用いて、より少ない風のエネルギーから発電を行うことができる。風車１８は直線翼垂直軸型風車であるため、翼２４に作用する揚力と抗力との比を高めることができる。また高い周速比で大きなトルクを得ることができる。

　次に、発電機２６について図９ないし図１１と共に説明する。基台２５（図２）の内部には、垂直主軸２２（図２）の回転により後述のロータ５を回転させ発電を行う発電機２６が設けられている。図９は、発電機２６の発電機本体１の破断正面図と回路図とを組み合わせた説明図である。同図９において、発電機２６の発電機本体１は、環状のステータ４と、このステータ４の内側にステータ４の中心周りで回転自在に設置されたロータ５とを有する。例えば、このロータ５と前述の垂直主軸（図２）とが同軸に連結されている。ステータ４は出力鉄心６と出力巻線７とを有する。この実施形態は２極発電機に適用した例であり、出力鉄心６は、円環状のヨーク部６ａの円周方向２箇所に、内側へ突出する歯状の磁極部６ｂが形成されている。各磁極部６ｂに前記出力巻線７が巻かれている。

　図１０に示すように、各磁極部６ｂの出力巻線７は、出力鉄心６の隣り合う磁極部６ｂの内径側を向く磁極面に互いに異なる磁極が現れるように直列に接続されている。出力巻線７の両端が端子７ａ，７ｂとなり、これら端子７ａ，７ｂに図９のように外部負荷３を接続し、発電機から電流を外部に取り出す。

　図９および図１０に示すように、ロータ５は、界磁鉄心８と、この界磁鉄心８に巻かれた主界磁巻線９および副界磁巻線１０とを有する。界磁鉄心８は、中心孔を有する鉄心本体８ａの外周に、外径側へ突出する複数の歯状の磁極部８ｂが円周方向に並んで設けられている。この磁極部８ｂは、出力鉄心６の一つの磁極部６ｂに対してそれぞれ３つずつ設けられている。

　主界磁巻線９は、隣合う２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれ、この２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれた各主界磁巻線９は、２つ一組となった隣合う磁極組同士の磁極面に異なる磁極が現れるように直列に接続されている。副界磁巻線１０は、主界磁巻線９と一つの磁極部８ｂの分だけ位相をずらせて、主界磁巻線９と同様に、隣合う２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれている。この２つの磁極部８ｂ，８ｂに渡って巻かれた各副界磁巻線１０は、２つ一組となった隣合う磁極組同士の磁極面に異なる磁極が現れるように直列に接続されている。主界磁巻線９および副界磁巻線１０の各直列接続体の両端の端子を、それぞれ符号９ａ，９ｂ，１０ａ，１０ｂで図１０に示す。

　図１１に示すように、主界磁巻線９には並列に整流素子（整流手段）１１が接続され、主界磁巻線９には整流素子１１が流すことができる向きの電流が流れる。副界磁巻線１０は主界磁巻線９と直列に接続され、かつ直列に整流素子（整流手段）１２が接続され、副界磁巻線１０には主界磁巻線９と同じ方向の電流のみが流れる。図中の矢印は電流の流れる方向を示す。

　この発電機２６は、このような副界磁巻線１０を有する構成の自励型の発電機において、発電の初期励磁に必要な程度の磁力を生じさせる初期励磁手段２を有する。図９に示すように、出力巻線７に、スイッチング手段１３を介して着磁用電源１４が外部負荷３と並列に接続されている。着磁用電源１４とスイッチング手段１３とで初期励磁手段２が構成される。スイッチング手段１３は、半導体スイッチッング素子または有接点のスイッチが用いられる。着磁用電源１４は２次電池またはコンデンサ等の蓄電手段である。外部負荷３が２次電池の場合は、それを着磁用電源として用いても良い。

　着磁をするには、所定の大きさの電流を極短時間流せば良い。着磁の程度は、発電の開始のための初期励磁に必要な残留磁気が得られる程度で良く、電流の大きさとスイッチング手段１３のオン時間とで定められる。スイッチング手段１３の開閉操作は、開閉制御手段１５によって行われる。開閉制御手段１５は、例えば、ロータ５の回転を検出する回転検出手段１６の検出信号を監視し、ロータ５が静止状態から回転を開始したことが検出されると、スイッチング手段１３を着磁に必要な設定時間だけオンさせる。

　なお、ロータ５の回転の停止時間が短い場合は残留磁気が十分に残っているため、開閉制御手段１５は、設定時間以上のロータ５の停止の後に回転を開始した場合のみスイッチング手段１３をオンさせるなど、設定条件に従ってスイッチング手段１３をオンさせるように制御としても良い。また、所定の回転数になっても発電を開始しない時だけ着磁をするようにしてもよいし、所定の時間ごとに発電機の回転が停止しているときに着磁をしてもよい。

　この実施形態では出力巻線７に着磁用電源１４を接続したが、図１１に示すように、界磁巻線９，１０にスイッチング手段１３を介して着磁用電源１４を接続しても良い。この例の場合も、着磁用電源１４は２次電池またはコンデンサである。着磁をするには、所定の大きさの電流を極短時間流せば良い。スイッチング手段１３は、図９の実施形態と同様に開閉制御手段１５で開閉制御される。

　ロータ５が回転し発電を行っている場合の動作を説明する。図１１に示すように、主界磁巻線９には並列に整流素子１１が接続されているため、主界磁巻線９には整流素子１１が流すことができる向きの電流が流れる。そのため、主界磁巻線９に流すことができる電流によって決まる向きの磁束が発生する。また、電磁誘導により、電流がつくる磁束と同方向の磁束の減少を妨げる向きに電流が流れるが、磁束が増えるのを阻止する向きには電流は流れない。そのため、磁束の減少は妨げられるが、磁束の増加は妨げられない。副界磁巻線１０には直列に整流素子１２が接続され、主界磁巻線９と同じ方向の電流のみが流れる。

　図９乃至図１１に示すように、出力鉄心６または界磁鉄心８の残留磁気により、主界磁巻線９に電流が流れる。この電流により主界磁巻線９がつくる磁束により副界磁巻線１０に鎖交する磁束が変化して、副界磁巻線１０に電圧が発生する。この電圧で副界磁巻線１０が主界磁巻線９を介して電流を供給し、主界磁巻線９に流れる電流を増加させる。副界磁巻線１０に電圧が誘起されずに電流を供給していない時、主界磁巻線９には整流子１１を通して還流電流が流れ、主界磁巻線９の磁束を維持する。

　主界磁巻線９に電流が供給され、主界磁巻線９がつくる磁束が大きくなるので、副界磁巻線１０に鎖交する磁束も大きくなり、さらに大きい電流が主界磁巻線９に供給される。このように、主界磁巻線９の電流が次第に増加し、発電に必要な界磁磁束がつくられる。出力鉄心６と界磁鉄心８の相対運動により、出力巻線７の鎖交磁束が変化して電圧が発生する。

　上記のように、ロータ５が回転を行っている間に発電を行うが、ロータ５がある程度長い時間を停止していると、出力鉄心６および界磁鉄心８のいずれにも残留磁気がなく、または残留磁気が不十分であって、発電を開始できない。そこで、この実施形態では、ロータ５の停止後の回転の開始時に、初期励磁手段２のスイッチング手段１３をオンにして着磁用電源１４から出力巻線７に着磁電流を流し、出力鉄心６を着磁する。磁束は前記のように回転を続けると次第に大きくなるため、着磁の程度は、発電の開始のための初期励磁に必要な残留磁気が得られる程度で良い。そのため、着磁をするには、所定の大きさの電流を極短時間流せば良い。この着磁により、ロータ５の長時間の停止後にも、回転の再開により発電が確実に開始される。

　スイッチング手段１３を設けた実施形態の場合は、ロータ５の停止後の回転の開始時に、初期励磁手段２のスイッチング手段１３をオンにして着磁用電源１４から主界磁巻線８に着磁電流を流し、界磁鉄心８を着磁する。このように界磁鉄心８を着磁した場合も、ロータ５の長時間の停止後にも、発電が開始される。

　本実施形態の発電機２６によると、次の利点が得られる。発電機２６が自励式発電機であるため、他励のための給電が不要で構成が簡単であり、また磁界を与える永久磁石が不要で、コギングトルクも問題とならない程度に小さい。コギングトルクが小さいため、小さなトルクで始動させることができる。始動時は磁界が必要であり、残留磁束があれば始動できるが、長期の放置や保守で残留磁束が消滅することがあり、残留磁束が消滅していると始動することができない。しかし、前記初期励磁手段２を設けることで、確実な始動が行える。界磁となる磁束は回転するに従って増大するため、初期励磁に必要な磁束は僅かであり、前記コギングトルクへの影響も小さくて、僅かなトルクで回転を開始し発電が行える。

　このように自励式で前記初期励磁手段２を設けた発電機２６は、僅かなトルクで回転可能でかつ確実に発電が可能という利点が得られる。一方、前述の二股に分岐させた翼先端部２９を有する垂直主軸型の翼車１８は、微風または低流速の水でも回転が可能という利点がある。そのため、この傾斜した翼先端部２９を有する垂直主軸型の翼車１８と、自励式で前記初期励磁手段２を設けた発電機２６とを組み合わせることで、その微風または低流速の水でも回転が生じる翼車１８の利点と、僅かなトルクで回転できて発電できる発電機２６の特徴が効果的に組み合わされることになり、従来の自然エネルギー発電機では発電できなかったごく僅かな微風または低流速の水での発電が可能となる。

　自励式であるが、発電の初期励磁に必要な磁力を発生することが可能な程度に、発電機のいずれかの鉄心を着磁する初期励磁手段２を設けたため、回転の停止後や分解保守の後であっても、また低速回転であっても、確実に発電を開始することができる。前記初期励磁手段２は必要となるが、この初期励磁手段２は発電の初期励磁に必要な磁力を発生することが可能な程度に着磁を行えるものであれば足りるため、他励式の発電機における外部電源に比べて飛躍的に小型のもので済む。

　なお、上記実施形態では、ステータ４側を出力鉄心６、ロータ５側を界磁鉄心８としたが、これとは逆にステータ４側を界磁鉄心９，１０とし、ロータ５側を出力鉄心６としても良い。また上記実施形態では２極発電機としたが、４極、８極、１６極など、多極の発電機としても良い。なお発電機は、自励式発電機に限定されず他励式発電機や他の各種の形式の発電機であっても良い。

　発電機２６は、界磁の生成に永久磁石を用いた同期発電機を用いても良い。
　１本の垂直主軸２２に対して複数の発電機２６を設け、前記１本の垂直主軸２２の回転により各発電機２６を個別に発電することも可能である。

　以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２…初期励磁手段
４…ステータ
５…ロータ
６…出力鉄心
７…出力巻線
８…界磁鉄心
９…主界磁巻線
１０…副界磁巻線
１１，１２…整流素子（整流手段）
１８…翼車
１９…自然エネルギー発電機
２２…垂直主軸（主軸）
２３…支持体
２４，２４Ａ…翼
２６…発電機
２８…ストレート部
２９…翼先端部
２９ａ…第１の傾斜部分
２９ｂ…第２の傾斜部分

Claims (6)

1. 　軸心回りに回転自在に設けられる主軸と、この主軸に固定され、風力又は水力によって駆動されて前記軸心回りに回転する翼とを備えた翼車であって、
   　前記翼は、
   　　前記主軸に対し平行または垂直方向に延びるストレート部と、
   　　前記ストレート部の端部から延びる翼先端部とを有し、
   　前記翼先端部は、この翼先端部を前記主軸の軸心を含む平面で切断した断面の形状が、基端から先端に向かうに従って前記ストレート部から一方に離れるように傾斜した第１の傾斜部分と、基端から先端に向かうに従って前記第１の傾斜部分とは逆側に遠ざかるように傾斜した第２の傾斜部分とでなる二股に分岐する形状に形成されている翼車。
2. 　請求項１に記載の翼車において、前記翼のストレート部が前記主軸に対し平行に延び、前記翼が前記主軸に支持体を介して前記主軸から半径方向に離れた位置で連結されている翼車。
3. 　請求項２に記載の翼車において、当該翼車が風力発電用の風車であって、上下方向に延びる複数枚の前記翼が、前記垂直主軸から離れて前記垂直主軸の周囲に設けられ、前記各翼の横断面の形状が、当該風車が地球の北半球に設置された場合に、平面視で反時計回りに回転する回転力を風力で発生する形状である翼車。
4. 　請求項１に記載の翼車において、前記翼の前記ストレート部が、前記主軸に対し半径方向外方に延びている翼車。
5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の翼車と、この翼車により駆動される発電機とを備える自然エネルギー発電装置。
6. 　請求項５に記載の自然エネルギー発電装置において、
   　前記発電機は、
   　　出力巻線が巻かれた出力鉄心と、
   　　主界磁巻線および副界磁巻線が巻かれた界磁鉄心と、
   　を備え、
   　　前記出力鉄心および界磁鉄心のいずれか一方がステータとなり、他方がロータとなり、前記各界磁巻線に整流手段が接続され、前記翼が回転し前記ステータとロータとが相対回転することにより発電電力を得る自励式発電機であって、
   　　発電の初期励磁に必要な程度の磁力を生じさせる初期励磁手段をさらに備える、
   自然エネルギー発電装置。

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