JP2002081364A

JP2002081364A - 風力装置

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Publication number: JP2002081364A
Application number: JP2000269942A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Nishimura; 薫西村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2002-03-22

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、簡単な構成で風力により翼ピッチを
可変できるクロスフロー形風力装置を提供することを目
的とする。【解決手段】本発明では，翼軸５に支持された翼４は，
翼前側の復元ピン６をばね７で引っ張り，風速に応じて
ばね７の力に抗して回転力を発生する方向の仰角を成す
ように回転しつつ公転し，風上および風下の翼も回転力
の発生に寄与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、簡単な構造で、低
騒音な風力を利用した風力装置に関するものである。本
発明の風力装置は風力発電装置、ポンプなどの機械装置
に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】従来、風力発電などに利用されてきた風
車は、プロペラ形を主体にオランダ風車、サボニウス形
風車、クロスフロー形風車など多くの形式がある。この
うち、プロペラ形に代表される水平軸形の風車は、構造
上、すべての翼が常時回転力を発生することができ、変
換効率が高いが、１）プロペラの構造および形状が複雑
で、且つ高い強度が必要なため高価となる、２）風向に
応じて軸の方向を変える必要があり、回転面のジャイロ
モーメントが大きいためにその駆動力が大きく、また，
風向に対する応答が遅い、３）翼のピッチ変更のための
機構が複雑で高価である、４）翼のピッチ変更の無い小
形では、プロペラの強度上強風時のブレーキが必要であ
る、５）大形では、高い太い支柱が必要で翼との干渉
音、駆動軸の方向を水平より垂直に変換するための機構
部、増速機構などの騒音が大きく、さらにこの音（振
動）が支柱と共鳴を起こして騒音が増幅されることがあ
る、６）水平軸に発電機を装着した場合には、その電力
を取り出すため大電流のスリップリングその他の導電機
構が必要となり信頼性および稼働率の低下を招く、７）
翼の先端速度が大きく風切り音が大きい、などの欠陥を
有していた。

【０００３】一方、クロスフロー形風車に代表される垂
直軸形の各種の風車は、低騒音であるもののプロペラ形
に比較して変換効率が低い。これは、クロスフロー形の
風車は、回転中の翼の取付角が一定であるために、翼が
風車の風上側にあるときは回転力の発生に寄与するが、
風下側では逆方向トルクを発生し、全体的な変換効率を
低下せしめるためである。さらには、翼の取付角（翼ピ
ッチ）の変更が困難で強風時にブレーキが必要であるな
どの欠点も有する。そこで、本件発明者は、クロスフロ
ー形風車において、翼の回転中に風方向および風速に応
じて翼の仰角を変更する機構を備えた装置を提案してい
る（特開平１１−１４１４５３号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本件発
明者の提案した特開平１１−１４１４５３号では、いわ
ゆるリンク機構を用いて翼ピッチをサーボ制御により変
更しているので、小形機になるほど翼ピッチ変更機構が
装置全体の価格に占める割合が大きくなり、また得られ
た動力に対して制御に必要な電力の割合も大きくなり、
総合発電量が低下するなどの新たな課題が見つかった。
そこで、本件発明者は更なる改良を加え、より簡単な構
成で風力により風速および風向に応じて翼のピッチの変
更が可能な高変換効率のクロスフロー形風力装置を提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために、中央縦軸部の上下端に円板を配置し、
該円板の同心円上に回転可能な複数の翼を配置するとと
もに、該翼により発生した動力を該中央縦軸部を通じて
取り出す風力装置において、個々の翼を翼の揚力中心お
よび抗力中心より前で回転自由に円板の円周上に支持す
るとともに、該翼の公転円の接線方向に翼を保持する弾
性体を設けたことを特徴とする風力装置である。すなわ
ち、上記機構により、弾性体の力と揚力および抗力によ
り翼軸に発生する回転力とが平衡する角度まで翼を回転
させることにより仰角を発生することができる。これに
より、本発明は、翼が中央縦軸部の風上側にあるとき
も、風下側に有るときも回転力を発生する方向の仰角を
発生し、また風速に応じて翼の仰角を風力により変更す
ることができる。具体的には、回転中に翼が軸の風上側
と風下側とで回転方向に対する翼の傾き方向（仰角）が
逆になり、常時複数枚の翼が回転力（偶力）を発生する
ことができ、変換効率の向上を可能にする。なお、「弾
性体」は、例えば、ばねを挙げることができるが、これ
に限定されず、ゴムなどの弾力とダンピング機能を有す
るものならば何でもよい。

【０００６】本発明の原理を図１に示す。図１は、翼ｅ
が５枚（〜の位置）の場合を示し、図１（ａ）は、
無風状態時、（ｂ）は、風が図の上方から吹いている場
合（作動状態）を例として示している。図１において、
点Ｏは、後述する主軸（中央縦軸部）およびそれに支持
されている上下の円板の中心を示し、各翼ｅは、翼軸ａ
により回転自由に上下の円板に円周上に支持されてい
る。また、各翼の翼軸ａは、翼に発生する抗力および揚
力の作用中心（翼の中心）より前に取り付けられてお
り、さらにその前縁位置に復元ピンｂが設けられてお
り、該復元ピンｂは、円板上に翼軸ａの取付位置におけ
る公転円（図の1点鎖線で示す円）の接線上に設けられ
たばね固定ピンｃとの間に設けられたばねｄにより常に
接線方向に引っ張られ、無風時には、図１（ａ）に示す
ごとく各翼は、回転方向を前縁にして公転円の接線方向
を向いている。

【０００７】したがって、風が図１（ｂ）の上方より吹
くと、翼ｅには、抗力および揚力が発生し、翼ｅが、抗
力および揚力中心より前で支持されているために翼軸ａ
には回転力が発生し、各翼は、ばねｄによる復元力と平
衡する角度αまで翼の後縁が風下になる方向に回転す
る。これにより翼の位相約０〜１８０度では抗力および
揚力により、位相２７０度近辺（の位置）を除くその
他の翼の位相では、主として揚力により回転力を発生す
る。この場合、各翼の仰角は、風速が大きいほど小さく
なり円板に発生する回転力も大きくなるが、仰角が小さ
いために回転速度は風速に比例せず、さほど大きくなら
ない特長を有する。

【０００８】なお、本発明は、上記に限定されず、翼の
すべてを偏心軸とリンク機構などで連結してすべての翼
の仰角の変化を相互に関係付けてもよい。すなわち、中
央縦軸部の軸中心より偏心した位置に偏心軸を設け、こ
の偏心軸中心と翼を翼の公転円の半径と同一長さのリン
クで連結してもよい。さらに、翼の長手方向端部の前面
側より後面側へ回る空気の流れを遮断し、効率の低下を
防止するために、翼の上下両端に翼断面より大きな平板
を取り付けてもよい。

【０００９】本発明の風力装置は、風力発生装置により
発生した動力により発電機を駆動した場合には風力発電
装置として、またポンプなどを直接駆動して、揚水装置
などに利用できる。また、上記の風力装置の上部に太陽
電池を搭載し、これの発生電力を風力装置による発生電
力に常時重畳することにより、とくに弱風時に負荷のイ
ンバータの稼働効率の向上を可能にしてもよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図２は、本発明に係る風力装置の概略図
で、（ａ）は側面、（ｂ）は上面外形図である。図中１
は動力を取り出すための主軸（中央縦軸部）、２は上部
円板、３は下部円板であり、これらは上下の軸受け部１
１および１２で回転自由に複数本（本実施例では４本）
の支柱１８にて支持される支持枠１０に取り付けられて
いる。上下の軸受け部１１および１２の詳細構造は後述
する。なお、主軸１は、前述した原理図（図１）の点Ｏ
に対応する。また、４は翼を示しており、翼４に発生し
た回転力は、上下の円板２、３を通じて主軸１に伝えら
れ、その下部に連結された増速機１９で増速され発電機
２０を駆動する。増速機１９の詳細は省略してあるが、
歯車の連結で構成されている。なお、９は翼下部軸受け
部を示すが、ここでの翼４の取付けの詳細は、後述する
図４で説明する。また、図２中のイ、ハは、翼４の回転
角度、ニは翼の公転円を示すが、これらについても後述
する図４で説明する。

【００１１】図３（ａ）は、下部軸受け部１１の詳細断
面図である。図２と同じものには同じ番号が付してあ
る。下部軸受け部１１は、下部軸受け１３にて主軸１が
回転自由に支持されており、主軸１の回転に伴い前述し
た増速機１９の一部を構成する増速歯車１７が回転す
る。増速歯車１７は、図示していないが、増速歯車１７
より径の大きい歯車と機械的に連結しており、この駆動
力で前述した発電機２０を駆動する。

【００１２】図３（ｂ）は、上部軸受け部１２の詳細図
で、上部軸受け部１２は支持枠１０に固定された主軸支
持ピン１５に取り付けられた上部軸受け１４により主軸
１が回転自由に支持されている。また、上部軸受け１４
は、固定ピン３２、保持金具３３により円板２を保持し
てなる。

【００１３】図４（ａ）は、翼４の一例を示す構造図で
ある。図２と同じものには同じ番号が付してある。図中
５は翼軸であり、翼４の上下両端はこの翼軸５に軸受け
２１により上部円板２および下部円板３の間に回転自由
に取付けられる。翼軸５の取付け位置は、翼の抗力およ
び揚力中心より前縁側で且つ翼が回転したときの遠心力
で翼に回転力が働かない様に質量的にバランスした位置
である。なお、翼４は、前縁桁２２および副桁２３より
なり，その外側を表皮２４および翼端板２５で覆われて
いる。副桁２３は、ねじ４１により翼端板２５に取付け
られている。この翼のＡ−Ａ矢視図が図４（ｂ）であ
る。

【００１４】また、翼軸５にはアーム３４が取り付けら
れ、アーム３４には復元ピン６が取り付けられている。
復元ピン６は、下部円板３に固定されたばね固定ピン８
との間をばね７により接続されており、１６はベアリン
グ、２６は前縁軸受けである。ばね固定ピン８は、下部
円板３上の翼の取付点における公転円の接線上の回転方
向の前側に固定されている。なお、図４の翼軸５は図１
のａに、復元ピン６は図１のｂに、ばね７は図１のｄ
に、ばね固定ピン８は図１のｃの点に各々対応してい
る。翼軸５、復元ピン６、ばね７、固定ピン８との関係
は図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）は、翼４の下部円板３
への取付部の下視詳細図（Ｃ−Ｃ矢視図）である。翼４
は、ばね固定ピン８との間のばね７により無風時には翼
４の中心線（翼弦）が公転円ニの接線方向イになるよう
に保持される。したがって、風を受けたときには翼に働
く抗力および揚力により翼軸５に発生する回転力によ
り、ばね７の復元力と平衡する角度（図４（ｃ）のロま
たはハ）まで翼の後縁が風下になる方向に回転し、風に
対して仰角（風上方向と翼の前縁とのなす角α）を形成
する。

【００１５】したがって、この回転方向（仰角α）は図
１（ｂ）に示すごとく、風力装置の風上側と風下側とで
は逆方向になり、主軸１には、風力に伴う偶力が発生す
る。また、上述の仰角は、風向・風速・回転速度および
負荷に応じて複雑に変化するが一例として、図５に風向
が一定の場合に図１の翼位置で静止させた時の風速−
仰角、風速−駆動力の揚力成分の変化を示す。仰角α
は、図５ト曲線に示すごとく風速に応じて小さくなり、
駆動力は図５チ曲線に示すごとく風速の増加の割合に比
して大きくならない。なお、図５リ曲線は、比較のため
風速に関係なく仰角を４５度に固定した場合の駆動力の
揚力成分の変化を示す。図５より、結果として、軽負荷
で低風速の場合は仰角が大きく、したがって比較的速度
が速く、駆動力は小さく、重負荷で高風速の場合は、仰
角が小さく、したがって風速の増加の割合に比して速度
が大きく成らず、駆動力が大きくなる。これにより、発
電機２０の回転速度は、風速の小さい時には軽負荷で早
い方向に、風速の大きい時には、回転速度を抑えて駆動
力を大きくする方向に働く。このことは、図示していな
いインバータなどの稼動効率を高め、強風時に過回転に
よる風車の破損を防止するのに効果がある。

【００１６】さらに、本発明の風力装置は、上述のごと
く複数本の支柱１８で支持されており、翼４も両端で支
持しており、据え付け基礎の単位面積当たりの加重が小
さく、また、支柱１８より図示していない張線を設ける
ことにより、安価で強度を高く設置できる。

【００１７】図６は、前述の仰角発生機構の変形例で、
図６（ａ）は、主軸に主軸の中心Ｏより距離ｒ（ただし
ｒ＜Ｒ）偏心して中心Ｏの周りを自由に回転出来るよう
な偏心点Ｏ’を設け、このＯ’点とすべての翼軸６５よ
り後縁側へＲ離れた点ヘとを翼の公転円の半径と同一長
さのリンク６９で結合することにより、偏心中心Ｏ’は
風力により常時下流（風の方向となす角θ１８０度近
辺）に押しやられることになり、すべての翼がリンク６
９で関係づけられるため、位置ととの間を移動する
時に発生する急激な仰角の反転を緩和できる。また図６
（ｂ）は、翼の前縁側で前述と同様のリンク機構で連結
したもので、前述と同様の効果が得られる。なお、図６
中、６４は翼、６５は翼軸、６６は復元ピン、６７はば
ね、６８はばね固定ピンを示し、これは図４中の翼４、
復元ピン６、ばね７、ばね固定ピン８に対応するもので
ある。

【００１８】また、図７の構成のようにしてもよい。図
７（ｂ）は、図４の翼の一部（Ｂ−Ｂ断面）の縦断面を
示し、風力装置が大形になり、主軸の上下の円板が過大
になり円板の代わりに回転部を型鋼または鋼管などで構
成する場合、図７（ａ）の矢印で示すごとく、風に対す
る翼の前面より翼の長手方向の端面を巡る空気流ホが発
生して抗力及び揚力を減少させ変換効率の低下を招くこ
とがある。これを防止する手段として図７（ｃ）に示す
ように翼断面より大きな翼端板２５を設けた例である。

【００１９】図８は、本発明の風力装置に太陽電池を搭
載した場合の例である。図２と同じものには同じ番号が
付してある。支柱１８の上部空間に支柱８１、８２をつ
ないで、小形の太陽電池２８を搭載している。図９は、
太陽電池を搭載した場合の電気回路図で、２９は整流
器、３０はダイオードである。この電気回路は図示しな
いが、発電機２０の近傍に設置されている。このような
構成にすることにより、別途に太陽電池の設置場所を必
要とせず、また、出力電圧の切り替え装置を使用せずに
太陽電池２８の出力を風力装置の発電機２０の出力に簡
単に重畳することができる。とくに風速が低い晴天の場
合など発電機２０の出力電圧がインバータなどの負荷を
作動させるには低すぎる場合には、発電機２０の直流出
力に、太陽電池２８の発生電圧を重畳できるので、イン
バータなどの稼働時間を増加できる。また、雨天の時な
ど、太陽電池２８の発生電圧が低い場合には、風力発電
装置の出力を切り替えることなく整流器２９およびダイ
オード３０通じて直接負荷へ供給できる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な機構で風力装置
の風上側と風下側とで、常時複数枚の翼が回転力を発生
することが可能になり、安価で変換効率の高い風力装置
を実現することができる。しかも、強風時に過回転によ
る破損を防止できる。さらに、本風力装置に上部に太陽
電池を搭載し、その発生電力と、風力による発生電力と
切替なしに重畳することができるので利用可能な総合発
電量を増加出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図

【図２】本発明の風力装置の側面および上面外形図

【図３】上部、下部軸受け部詳細図

【図４】翼の構造例図

【図５】風速と仰角および駆動力との関係例図

【図６】仰角発生機構の変形例原理図

【図７】翼端板の変形例

【図８】複合発電装置外形図

【図９】複合発電装置基本電気回路図

【符号の説明】

１：主軸２：上部円板３：下部円板４：翼５：
翼軸６：復元ピン７：ばね８：ばね固定ピン９：翼下部軸受け部１
０：支持枠１１：下部軸受け部１２：上部軸受け部１３：下部
軸受け１４：上部軸受け１５：主軸支持ピン１６：ベアリ
ング１７：増速歯車１８：支柱１９：増速機２０：発電機２１：軸受
け２２：前縁桁２３：副桁２４：表皮２５：翼端板２６：前縁軸
受け２８：太陽電池２９：整流器３０：ダイオード３１：負荷

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中央縦軸部の上下端に円板を配置し、該円
板の同心円上に回転可能な複数の翼を配置するととも
に、該翼により発生した動力を該中央縦軸部を通じて取
り出す風力装置において、個々の翼を翼の揚力中心およ
び抗力中心より前で回転自由に円板の円周上に支持する
とともに、該翼の公転円の接線方向に翼を保持する弾性
体を設けたことを特徴とする風力装置。
【請求項２】中央縦軸部の軸中心より偏心した位置に偏
心軸を設け、この偏心軸中心と翼を翼の公転円の半径と
同一長さのリンクで連結してなる請求項１記載の風力装
置。
【請求項３】翼の上下両端に翼断面より大きな平板を取
り付けた翼を有する請求項１記載の風力装置。
【請求項４】請求項１〜３記載のいずれかの風力装置に
より発生した動力により発電させる発電機を備えるとと
もに、風力装置の上部に太陽電池を搭載し、該太陽電池
の発生電力を前記発電機による発生電力に常時重畳する
電気回路を備えた複合発電装置。