JP2008075487A - 風車、発電装置および風車を用いた発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自起動が可能であると共に、翼の回転位相の全周で回転力を発生することにより、高い効率を得る。
【解決手段】一方向に延びた軸ＣＬ１を中心にして回転するアーム部３と、軸ＣＬ１から離れた所定の位置で軸ＣＬ１と平行に延びた軸ＣＬ５を中心にしてアーム部３に回動自在に設けられた翼５と、風のみによって翼５が受ける風速度ベクトルとアーム部３の回転のみによって翼５が受ける翼回転速度ベクトルとの合ベクトルの方向と、翼５の幅方向とが互いにほぼ一致するように、翼５の回動角度Ａを調整する翼回動角度調整手段９とを有する風車である。
【選択図】図１

Description

本発明は、風車、発電装置および風車を用いた発電方法に係り、特に、翼の回動角度を調整するものに関する。

従来、抗力式の垂直軸型風車、揚力式の垂直軸型風車、揚力式の水平軸型風車が知られているが、発電などのエネルギーを取り出す風車には効率の高い揚力式が用いられている。

なお、従来の風車に関する文献として、たとえば、特許文献１、特許文献２を掲げることができる。
特開２００１−７３９２５号公報 特開２００６−１５２９２２号公報

ところで、従来の水平軸型の揚力式風車は、プロペラの表面を３次元曲面で作る必要が有り、製作が困難である。また、従来の揚力式垂直軸型風車は、翼の表面が２次元曲面であるので製作が容易であるが、回転するために必要な風速と翼の周速度との偏差の許容幅が小さいことが原因となり、自起動しないものが多い。このため、抗力式との併用や起動用モーターを併用するなどの追加施策が不可欠であるという問題がある。

また、特許文献１に記載の従来の揚力式垂直軸型風車では、翼の取り付け角度（アーム部に対する翼の角度）が一定であるので、回転力を得るための揚力が発生しない回転位相が、アーム部のやや広い回転角度範囲にわたって存在し、効率が低いという問題がある。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、自起動が可能であると共に、翼の回転位相のほぼ全周で回転力を発生することにより、高い効率を得ることができる風車、発電装置および風車を用いた発電方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、一方向に延びた第１の軸を中心にして回転する翼支持部材と、前記第１の軸から離れた所定の位置で前記一方向と平行な第２の軸を中心にして、前記翼支持部材に回動自在に設けられた翼と、風のみによって前記翼が受ける風速度ベクトルと前記翼支持部材の回転のみによって前記翼が受ける翼回転速度ベクトルとの合ベクトルの方向と、前記翼の幅方向とが互いにほぼ一致するように、前記翼の回動角度を調整する翼回動角度調整手段とを有する風車である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の風車において、前記翼回動角度調整手段は、風上側における風速度ベクトルと風下側における風速度ベクトルとが互いに異なるものとして、前記翼の回動角度を調整する手段である風車である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の風車において、前記翼回動角度調整手段は、厚さ方向が前記一方向となるようにして設置され、厚さ方向に延びた所定の軸を中心にして回動すると共に、厚さ方向でカムプロフィールが変化している板カムと、風向に応じて前記板カムの回動角度を調整するカム回動角度調整機構と、前記板カムの従動節と前記翼とを互いにつなぐためのリンク機構と、前記板カムを上下方向に移動するための移動用アクチュエータとを備えて構成されている風車である。

請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の風車において、前記翼回動角度調整手段は、厚さ方向が前記一方向となるようにして設置され、厚さ方向に延びた所定の軸を中心にして回動すると共に、厚さ方向でカムプロフィールが変化している板カムと、前記板カムの従動節と前記翼とを互いにつなぐためのリンク機構と、前記板カムを回動するための回動用アクチュエータと、前記板カムを上下方向に移動するための移動用アクチュエータと、風向に応じて前記板カムの回動角度を調整し、風速に応じて前記板カムの上下方向の位置を調整するように、前記各アクチュエータを制御する制御手段とを備えて構成されている風車である。

請求項５に記載の発明は、請求項３または請求項４に記載の風車において、前記翼回動角度調整手段は、前記翼支持部材の回転速度に応じて、前記風速度ベクトルのスカラー量に対する前記翼回転速度ベクトルのスカラー量が変化するように、前記板カムを移動する構成である風車である。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の風車と、前記風車の前記翼支持部材の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを有する発電装置である。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の風車の前記翼支持部材の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する発電方法である。

本発明によれば、自起動が可能であると共に、翼の回転位相の全周で回転力を発生することにより、高い効率を得ることができるという効果を奏する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る風車１の概略構成を示す平面図であり、図６は、風車１の断面図であり図５は、風車１の平面図である。なお、図５や図６では、図１よりも具体的に風車１を示してある。

風車１は、揚力式の垂直軸型風車であって、たとえば、風力発電に使用されるものであり、軸（上下方向に延びている軸）ＣＬ１を中心にして回転するアーム部（翼支持部材）３と、このアーム部３に設けられた翼５とを備えている。そして、翼５が受けた風（矢印ＡＲ３で示す風）によって、アーム部３が矢印ＡＲ１の方向に回転し、アーム部３の回転力で発電機７を稼動し（アーム部３の回転エネルギーを発電機７で電気エネルギーに変換し）発電をすることができるようになっている。したがって、風車１と発電機７とで発電装置を構成している。なお、風車の直径Ｄ（図６参照）は、たとえば５ｍ〜３０ｍ程度であり、その場合、回転数は、上限が５ｒｅｖ／ｍｉｎ〜１ｒｅｖ／ｍｉｎ程度である。

翼５は、アーム部３の先端部側（回転中心軸ＣＬ１から離れた所定の位置）に設けられており、図６において、上下方向に延びた軸ＣＬ３を回動中心にして、アーム部３に対して回動位置決め自在になっている。

また、風車１には、アーム部３の回転角度に応じて翼５の回動角度を調整するための翼回動角度調整手段９が設けられている。この翼回動角度調整手段９によって、風車１（アーム部３）が回転しているときのアーム部３の回転角度（翼５の公転角度位置）にかかわらず、風のみによって翼５が受ける風速度ベクトルとアーム部３の回転のみによって翼５が受ける翼回転速度ベクトルとの合ベクトルの方向と、翼５の幅の方向とが、互いにほぼ一致するようになっている。換言すれば、前記合ベクトルの方向と、翼５の厚さの方向とが互いに直交するようになっている。なお、風は、水平方向（図６において左右方向）に吹くものとして説明するが、風向が水平方向の速度成分のみでなく上下方向の速度成分を含む場合には、水平方向の速度成分に係るもののみを風速度ベクトルとして考えるものとする。

翼回動角度調整手段９は、詳しくは後述するが、たとえば、風上側における風速度ベクトルと風下側における風速度ベクトルとが互いに異なるものとして（たとえば、風下側における風速度ベクトルのスカラー量が、風上側における風速度ベクトルのスカラー量よりも小さくなるものとして）、翼５の回動角度（自転角度）を調整している。

また、翼回動角度調整手段９は、板カム１１とカム回動角度調整機構１３とリンク機構１５と移動用アクチュエータ（たとえば、サーボモータ）１６とを備えて構成されている。板カム１１は、この厚さ方向が上下方向となるようにして設けられており、また、アーム部３の回転中心軸ＣＬ１を回転中心にして、アーム部３とは別個に回動するようになっている。さらに、板カム１１は、この厚さ方向でカムプロフィールが変化している。このカムプロフィールの変化の詳細については後述する。

カム回動角度調整機構１３は、風向に応じて板カム１１の回動角度を調整する機構であり、たとえば、板カム１１の上部に一体的に設けられた風見板１９を用いて、板カム１１の回動角度を調整するようになっている。リンク機構１５は、従動節２１の変位によって翼５が回動するように、板カム１１の従動節２１と翼５とを互いにつないでいる。また、サーボモータ１６によって、板カム１１が上下方向に移動し位置決めされるようになっている。

そして、図９（風車１の制御系の概略構成を示すブロック図）に示す制御装置（風車コントローラ）２３の制御の下、たとえば、アーム部３の回転速度に応じて（図示しない回転速度計から送られてくる電気的な信号に応じて）、板カム１１を上下方向に移動し、風速度ベクトルのスカラー量に対する翼回転速度ベクトルのスカラー量（後述するＢ値）を変化させるべく、板カム１１を移動するように構成されている。なお、風速度ベクトルや翼回転速度ベクトルについての詳細は後述する。

また、風車１には、風速検出手段の例である風速計２５（図９参照）が設けられており、制御装置２３は、風速計２５の検出結果に応じ（風速計２５から送られてくる電気的な信号に応じ）、アクチュエータドライバ２７を介してサーボモータ１６を適宜制御し、板カム１１の位置を調整し、風速度ベクトルのスカラー量に対する翼回転速度ベクトルのスカラー量を変化させるようになっている。

風車１についてより詳しく説明する。

図６において、風車１のアーム部３は、この基端部側が円筒状の支持部材２９に一体的に設けられている。支持部材２９は、ベアリング３１を介して、軸部材３３の中間部（軸ＣＬ１の延伸方向の中間部）３３Ｂに回転自在に設けられている。このように構成されていることにより、アーム部３は、軸部材３３に対して軸（軸部材３３の中心軸）ＣＬ１の延伸方向には移動せず、軸ＣＬ１を中心にして回転のみするようになっている。なお、軸部材３３が建物の屋上等に一体的に設置されることにより、風車１が前記建物等に設置されるものである。

アーム部３は、たとえば、水平方向であって軸ＣＬ１と直交する方向に延びている。また、アーム部３は、支持部材２９から円周を等分配した位置で複数本（図５では４本）放射状に延びて設けられているが、必ずしも４本である必要はなく、２本以上であればよい。

軸部材３３は、軸ＣＬ１の延伸方向の基端部側（図６の下側）に位置しているベース部（基端部）３３Ａと、前述した中間部（ベアリング３１が設けられている部位）３３Ｂと、軸ＣＬ１の延伸方向の先端部側（図６の上側）に位置している先端部３３Ｃとによって構成されている。ベース部３３Ａは板状に形成されており、中間部３３Ｂの外形は、軸ＣＬ１を中心とする円柱状に形成されており、先端部３３Ｃの外形も、軸ＣＬを中心とする円柱状に形成されている。なお、先端部３３Ｃの外径は、中間部３３Ｂの外径よりも小さくなっている。

軸部材３３の基端部３３Ａの端面から中間部（中間部３３Ｂと先端部３３Ｃとの境界よりも基端部３３Ａ側に位置している部位）にかけては、軸ＣＬを中心とする円柱状の孔（内径が、中間部３３Ｂの外径よりも小さく先端部３３Ｃの外径よりも大きい孔）３３Ｄが設けられている。また、軸部材３３の先端部３３Ｃの端面から前記中間部にかけては、軸ＣＬ１を中心とする円柱状の孔（内径が、先端部３３Ｃの外径よりも小さい孔）３３Ｅが設けられている。このように各孔３３Ｄ、３３Ｅが設けられていることによって、各孔３３Ｄ、３３Ｅは、軸部材３３の中心部を軸ＣＬ１に沿って貫通している。

各孔３３Ｄ、３３Ｅ内には、円柱状の回転軸部材３７が設けられている。回転軸部材３７の外径は孔３３Ｅの内径よりも僅かに小さくなっている。また、回転軸部材３７は、この基端部側がカップリング３９を介してサーボモータ（筐体がベース部３３Ａに一体的に設けられたサーボモータ）１６の回転出力軸に係合しており、先端部側が、孔３３Ｅから突出している。サーボモータ１６の回転出力軸と回転軸部材３７とは、軸ＣＬ１を中心にして回転するようになっている。

また、孔３３Ｄ内には、ナット３５が設けられており、このナット３５の内側の雌ネジ部が、回転軸部材３７の軸方向の中間部に設けられた雄ネジ部に螺合している。回転軸部材３７の先端部は、ベアリング４１を介して板カム１１に回転自在に支持されている。板カム１１は、ベアリング４３を介して軸部材３３に支持されている。そして、板カム１１は、軸部材３３に対して回動し、また、軸部材３３に対して軸ＣＬ１の延伸方向で移動することができるようになっている。

ナット３５は、図示しない回り止め部材によって軸部材３３に対して回転しないようになっているが、軸部材３３に対して軸ＣＬ１の延伸方向では適宜移動することができるようになっている。ただし、ナット３５に外力が加わっていない状態では、弾性体の例である各圧縮コイルバネ４５、４７で付勢されていることによって、ナット３５は、軸ＣＬ１の延伸方向において所定の位置にとどまるようになっている。

カップリング３９で連結されていることにより、回転軸部材３７は、サーボモータ１６の回転出力軸といっしょに回転するようになっているが、回転軸部材３７は、軸ＣＬ１の延伸方向に適宜移動することができるようになっている。

このように構成されていることによって、サーボモータ１６の回転出力軸を適宜回転すると、回転軸部材３７が軸ＣＬ１の延伸方向（図６の上下方向）に移動し、回転軸部材３７の移動に伴って、板カム１１が上下方向で移動位置決めされるようになっている。

なお、板カム１１が上下方向で移動する際、従動節２１によって板カム１１に過大な負荷がかかる場合がある。すなわち、板カム１１は、図７に示すように、この厚さ方向でカムプロフィールが連続的に変化しているわけであるが、たとえば、板カム１１が上下方向で移動しようとした場合、アーム部３の回転速度が遅いがゆえに、従動節２１によって板カム１１に過大な負荷がかかる場合がある。

このように板カム１１に、上下方向の過大な負荷がかかった場合に、板カム１１の移動を制限すると共に、過大な負荷が除去されたときには前記移動の制限を解除し、前記過大な負荷がかからなかったと仮定した場合おける位置であってアクチュエータ１６の回転出力軸の回転角度に応じた位置に、板カム１１を位置させる制限・解除機構が設けられている。この制限・解除機構は、たとえば、前述した各圧縮コイルバネ４５、４７を備えて構成されており、板カム１１に過大な負荷がかかった場合、各圧縮コイルバネ４５、４７が適宜圧縮され、板カム１１が移動を停止し、従動節２１やリンク機構１５が破損することを回避することができるようになっている。

より詳しく説明すると、孔３５Ｄの上下方向の中間部の内壁には、円環状の鍔部１０１が軸部材３３に一体的に設けられている。また、孔３５Ｄの上部側には、円筒状のカラー部材１０３が設けられている。このカラー部材１０３の内壁の下部には、円環状の鍔部１０５が形成されている。カラー部材１０３は、孔３５Ｄ内で上下方向に移動可能になっている。カラー部材１０３と鍔部１０１との間には、圧縮コイルバネ４５が設けられており、常態（板カム１１に上下方向の過大な力がかかっていない状態）では、圧縮コイルバネ４５によって、カラー部材１０３は上方向に付勢されており、カラー部材１０３が、孔３５Ｄの底面（上側の端面）に当接している。

カラー部材１０３の内部には、ナット３５が設けられている。ナット３５は、カラー部材１０３の内部で上下方向に移動可能になっている。ナット３５と孔３５Ｄの底面との間には、圧縮コイルバネ４５よりもバネ定数が小さい圧縮コイルバネ４７が設けられており、常態では、圧縮コイルバネ４７によって、ナット３５は下方向に付勢されており、ナット３５が鍔部１０１に当接している。

そして、板カム１１が図６の上方向に移動しようとしているときに板カム１１に過大な負荷がかかった場合には、回転軸部材３７が上昇する代わりに、圧縮コイルバネ４５が縮みナット３５とカラー部材１０３とが下降しカラー部材１０３が孔３５Ｄの底面から離れ、回転軸部材３７（板カム１１）の無理な上昇が回避されるようになっている。一方、板カム１１が図６の下方向に移動しようとしているときに板カム１１に過大な負荷がかかった場合には、回転軸部材３７が下降する代わりに、圧縮コイルバネ４７が縮みナット３５が上昇しナット３５が鍔部１０５から離れ、回転軸部材３７（板カム１１）の無理な下降が回避されるようになっている。

なお、板カム１１に上下方向の過大な力がかかったときに、板カム１１の上昇を止める方式として、たとえばカップリング３９にトルクリミッターの機能を持たせてもよいが、トルクリミッターの機能を持たせた場合、一度トルクリミッターが作動すると、板カム１１の上下方向の原点位置がずれてしまう。すなわち、サーボモータ１６の回転出力軸の回転角度に対する板カム１１の上下方向の位置が当初の位置からずれてしまい、原点出しが必要になる。

これに対して、上述したような制限・解除機構を使用すれば、原点がずれるという事態を回避することができるのである。

ところで、図８に示すように、板カム１１のカムプロフィールを、板カム１１の厚さ方向で段階的に変化させるように形成してもよい。このように形成することで、従動節２１が当接する板カム１１の面を複雑な三次元形状に形成する必要がなくなり、板カム１１の加工工数を削減することが可能になり、板カム１１を安価に得ることができる。

また、軸部材３３には、発電機７の筐体が一体的に設けられており、発電機７の回転入力軸には、ギヤ５１が取り付けられている。このギヤ５１は、支持部材２９の下端部側の外周に形成されているギヤ４９と噛み合っている。そして風によりアーム部３（支持部材２９）が回転すると発電機７の回転入力軸が回転し、発電がなされるようになっている。

翼５は、図６に示すように、ベアリング５３を介して、各アーム部３の先端部に回動自在に設けられている。また、翼５は、アーム部３を間にして、図６の上下方向で対称に設けられている。すなわち、図５や図６では、翼５は８つ設けられていることになる。なお、上下方向に対称に設けられている２つの翼（１組の翼）５は、互いが同期して回動するようになっている。

翼５の外形形状は、図１や図４から理解されるように、翼５の長手方向（軸ＣＬ３の延伸方向）に垂直な平面（水平面）による断面が、翼５の幅方向の両端部で薄く翼５の幅方向の中央部に向かうほど厚くなっている。また、長手方向においては、翼５の形状は一定になっている。ただし、図６に示されているように、翼５の長手方向において、断面（水平面による断面）の大きさが、ほぼ相似形状で変化するように構成してもよい。

図５、図６において、アーム部３の基端部側（支持部材２９側）には、板カム１１の従動節２１が設けられている。従動節２１は、円板状の回動部材５５と、カムフォロア５７とを備えて構成されている。回動部材５５は、ベアリング６１を介してで支持され、軸ＣＬ１と平行に延びた軸ＣＬ５を中心にしてアーム部３に回動自在になっている。なお、回動部材５５の厚さ方向が上下方向になっている。

回動部材５５の周辺部には、カムフォロア５７が設けられている、カムフォロア５７の回転ローラは、軸ＣＬ５に対して平行な軸を中心にして回転するようになっている。

回動部材５５の他の周辺部には、リンク機構１５を構成するコネクティングロッド５９の一端部が、回動自在に係合しており、コネクティングロッド５９の他端部は、軸ＣＬ３から離れた部位で翼５に回動自在に係合している。コネクティングロッド５９の各端部における各回動中心軸は、軸ＣＬ１と同じ方向（上下方向）に延伸している。

また、コネクティングロッド５９は弾性体の例である引っ張りコイルバネ６３で付勢されている。そして、図５では、各回動部材５５が軸ＣＬ５を中心にして反時計回りに回動するように付勢されており、この付勢によってカムフォロア５７の回転ローラが、板カム１１に常に接触するようになっている。

図５では、板カム１１のほぼ円形状の外径が多重線で示されているが、これは、板カム１１のプロフィールが、板カム１１の厚さ方向（図５の紙面に垂直な方向）で変化していることを示している。より詳しく説明すると、風速度ベクトルのスカラー量に対する翼回転速度ベクトルのスカラー量の割合Ｂが、板カム１１の厚さ方向で変化するようになっている。たとえば、板カム１１が最も下方に位置している状態では、前記割合Ｂが「１」になるように、アーム部３の回転角度θ（図１、図２参照）に対する翼５の自転角度（回動角度）Ａ（図１、図２参照）が決められる。また、板カム１１が最も上方に位置している状態では、前記割合Ｂが「１０」になるように、アーム部３の回転角度θに対する翼５の自転角度Ａが決められる。さらに、板カム１１が最も下方の位置と最も上方の位置との中間に位置している状態では、前記割合Ｂが「１」〜「１０」の間の所定の値になるように、アーム部３の回転角度θに対する翼５の自転角度Ａが決められる。

そして、風見板１９で所定の姿勢になっている板カム１１（軸ＣＬを中心とした所定の回動角度に位置決めされている板カム１１）に、カムフォロア５７の回転ローラが接触しながらアーム部３が回転すると、板カム１１のプロフィール（板カム１１の上下方向の位置）に応じて回動部材５５が回動しこの回動で翼５が回動し、翼５の公転角度（アーム部３の回転角度）θに応じた翼５の回動角度Ａを調整することができるようになっている。

ここで、翼回動角度調整手段９による翼５の回動角度の調整ついてより詳しく説明する。

図１のほぼ中央部に示されている図は、風車１の平面図であり、軸ＣＬ１を中心にしてアーム部３が回転した場合における、アーム部３と翼５との状態を示している図である。図１の周辺に書かれている（ａ）〜（ｈ）の各図は、アーム部３や翼５の各回転位置における風等のベクトルを表している。なお、図１の中央部に示されているアーム部３と翼５との状態を示している各図は、図（ａ）〜図（ｈ）の各図に対応している。

ここで、アーム部３の回転角度について説明する。アーム部３の延伸方向（アーム部３の回転中心軸ＣＬ１と翼５の回動中心軸ＣＬ３とを互いに結ぶ方向）が、風の向きに対して直交する方向になるときのアーム部３の角度のうちで、所定の方向（図１では、矢印ＡＲ１の方向；反時計回りの方向）に回転するアーム部３が風上側に向かう側の角度を「０°」とする。図１では、風が上から下に吹いており、アーム部３が矢印ＡＲ１の方向に回転するので、図１の（ａ）のベクトルに対応した位置に存在しているアーム部３の回転角度が「０°」になる。

以下、図１の（ｂ）のベクトルに対応した位置に存在しているアーム部３の回転角度は「４５°」であり、（ｃ）は、「９０°」・・・（ｈ）は、「３１５°」ということになる。なお、アーム部３の回転角度は「３６０°」になったときには、「０°」に戻るものとする。

次に、図１の（ａ）〜（ｈ）のベクトルについて説明する。

なお、翼５の幅や厚さに対して、アーム部３の長さ（風車１の直径Ｄ）は、十分に大きいものとする。したがって、厳密に考えるとたとえば図１の（ｃ）では、翼５の幅方向の一端部５Ａの周速度と、他端部５Ｂの周速度とは互いに異なるが、前述したように、翼５の幅や厚さに対してアーム部３の長さが十分に長いので、各端部５Ａ、５Ｂにおける周速度は等しいものとすることができる。なお、翼５の周速度は、軸ＣＬ１と軸ＣＬ３とを互いに結ぶ線分の長さと、アーム部３の回転角速度との積である。

図１の（ａ）は、各ベクトルが互いに重なってわかりずらいので、図１の（ｂ）を例に掲げて説明する。

図１の（ｂ）に太線で示すベクトルは、風の方向と速さとを表すベクトル（風速度ベクトル）であり、矢印ＡＲ３で示す風によるので、図１の上下方向に延びている。図１の（ｂ）に実線で示すベクトルは、翼５の周速度とこの方向とを表すベクトル（翼回転速度ベクトル）なので、アーム部３の回転中心軸ＣＬ１と翼５の回動中心軸ＣＬ３とを互いに結ぶ方向に対して直交している。

図１の（ｂ）に破線で示すベクトルは、風速度ベクトルと翼回転速度ベクトルとの和である合ベクトルである。なお、図１の（ａ）〜（ｈ）の各図における各風速度ベクトルは互いに等しく、図１の（ａ）〜（ｈ）の各図における各翼回転速度ベクトルは、スカラー量のみが互いに等しく、方向が変化している。また、図１では、風速度ベクトルのスカラー量に対する翼回転速度ベクトルのスカラー量の割合Ｂ（前述したＢ値）を「２」にしてあるが、前記Ｂの値は、板カム１１を上下動することによって、前述したように、たとえば、「１」〜「１０」の範囲で変化するようになっている。

ここで、アーム部３の回転角度（軸ＣＬ１を中心にした回転角度）を「θ」とし、翼５のアーム部３に対する回動角度（軸ＣＬ３を中心にした自転角度）を「Ａ」とする。回転角度θは、回転角度が「０°」である位置から、アーム部３が、風上側に向かう方向（図１では矢印ＡＲ１の方向；反時計回りの方向）に回転したときの角度を示す。すでに理解されるように、回転角度θが９０°を超え２７０°に至るまでは、アーム部３は風下側に向かい、回転角度θが２７０°を超え０°の位置を通過して９０°に至るまでは、アーム部３は、風上側に向かうようになっている。

図１の（ａ）や（ｅ）に示すように、アーム部３の回転中心軸ＣＬ１と翼５の回動中心軸ＣＬ３とを互いに結ぶ方向と、翼５の幅の方向と、が互いに直交している場合における翼５の回動角度（鋭角の範囲で変化する回動角度；自転角度）Ａを「０°」とし、この「０°」の位置から時計回りに翼５が回動する方向をプラス方向とし、前記「０°」の位置から反時計回りに翼５が回動する方向をマイナス方向とする。換言すれば、回動角度Ａは、翼５が軸ＣＬ１を中心にして公転しているときにおける翼５の速度ベクトル（軸ＣＬ３の部分の速度ベクトル）の方向と、翼５の幅の方向との交差角度（鋭角のほうの交差角度）であるといえる。

また、風車１では、翼回動角度調整手段９によって、前記合ベクトルの方向と、翼５の幅の方向とが互いにほぼ一致するようになっている。すなわち、アーム部３の回転角度θに応じて、翼５の回動角度Ａが適宜変化し、前記合ベクトルの方向と、翼５の幅の方向とが互いに平行になるものである。したがって、たとえば、図１の（ｂ）に示す位置では、翼５の回動角度Ａは、「＋１４．６°」であり、図１の（ｆ）に示す位置では、翼５の回動角度Ａは、マイナスの値になる。

ここで、翼５のアーム部３に対する回動角度Ａと、風速度ベクトルのスカラー量に対する翼回転速度ベクトルのスカラー量の割合Ｂと、アーム部３の回転角度θとの関係は、図２に示す（３）式「Ａ＝θ−ｔａｎ⁻¹（Ｂｓｉｎθ／（１＋Ｂｃｏｓθ））」、（４）式「Ａ＝θ−ｔａｎ⁻¹（Ｂｓｉｎθ／（１＋Ｂｃｏｓθ））−１８０°」、（５）式「Ａ＝θ−ｔａｎ⁻¹（Ｂｓｉｎθ／（１＋Ｂｃｏｓθ））−３６０°」で示すようになる。

なお、（３）式は、「１＋Ｂｃｏｓθ≧０」、かつ、「０°≦θ≦１８０°」の範囲内に回転角度θがあるときに成立し、（５）式は、「１＋Ｂｃｏｓθ≧０」、かつ、「１８０°＜θ＜３６０°」の範囲内に回転角度θがあるときに成立し、（４）式は、上記範囲以外の範囲に、回転角度θがあるときに成立する。すなわち、（４）式は、「１＋Ｂｃｏｓθ＜０」の範囲内に回転角度θがあるときに成立する。

Ｂ値をたとえば、「２」にすると、回転角度θが「０°≦θ≦１２０°」であるときに、図２の（３）式が成立し、回転角度θが「１２０°＜θ＜２４０°」であるときに、図２の（４）式が成立し、回転角度θが「２４０°≦θ＜３６０°」であるときに、図２の（５）式が成立する。

ここで、前記（３）式の求め方を、図２を用いて説明するが、前記（４）式、（５）式も、（３）式と同様に求めることができる。

まず、アーム部３の回転角度を「θ」とし、風のベクトル（風速度ベクトル）をＯ_２Ｏ_１の線分とし、翼５の周速度ベクトル（翼回転速度ベクトル）をＯ_１Ｏ_３の線分とすると、合ベクトルはＯ_２Ｏ_３の線分で表すことができる。説明の便宜のために風のベクトルのスカラー量は「１」としてあり、翼５の周速度ベクトルのスカラー量は「Ｂ」としてある。

線分Ｏ_２Ｏ_１をＯ_１側に延長した半直線と、点Ｏ_３を通りｘ軸に平行な直線との交点をＯ_４とし、直角三角形Ｏ_２Ｏ_３Ｏ_４と、直角三角形Ｏ_１Ｏ_３Ｏ_４とを仮に形成する。∠Ｏ_４Ｏ_１Ｏ_３の角度は「θ」であるから、線分Ｏ_３Ｏ_４の長さは、「Ｂｓｉｎθ」で表すことができ、線分Ｏ_１Ｏ_４の長さは、「Ｂｃｏｓθ」で表すことができる。

ここで、∠Ｏ_３Ｏ_２Ｏ_４の角度をαとすると、図２の（１）式「ｔａｎα＝Ｂｓｉｎθ／（１＋Ｂｃｏｓθ）」を得ることができる。さらに、∠Ｏ_２Ｏ_３Ｏ_１の角度を、角度Ａ（翼５のアーム部３に対する回動角度Ａ）とすると、（２）式「θ＝Ａ＋α」を得る。この（２）式に、（１）式を代入し、「Ａ＝」の形に整理すると（３）式を得る。

図３に、前記（３）式、（４）式、（５）式のグラフであって「Ｂ」の値を変化させた場合のグラフを示す。図３の横軸は、アーム部３の回転角度θであり、縦軸は、翼５の回動角度（自転角度）Ａを示す、図３のグラフＧ１は、「Ｂ」の値が「１」である場合における「θ」と「Ａ」との関係を示し、Ｇ２は、「Ｂ」の値が「１．５」である場合における「θ」と「Ａ」との関係を示し、グラフＧ３は、「Ｂ」の値が「２」である場合における「θ」と「Ａ」との関係を示し、グラフＧ４は、「Ｂ」の値が「３」である場合における「θ」と「Ａ」との関係を示し、グラフＧ５は、「Ｂ」の値が「５」である場合における「θ」と「Ａ」との関係を示している。

次に、図４を用いて、風車１（アーム部３）の回転速度と、翼５の回動角度とについて説明する。

なお、図４では風は一定の速さで一定の方向から吹いており、また、Ｂ値は一定になっているものとする。図４（ａ）では、翼５の公転角度位置（アーム部３の回転角度θ）にかかわらず、合ベクトルと翼５の幅の方向とが互いに一致している。したがって、合ベクトルによっては、翼５には、揚力が発生しないようになっている。一方、何らかの要因（たとえば、発電機７の負荷）によって、翼５の周速度が低下すると、図４（ｂ）に示すように、合ベクトルの方向と翼５の幅の方向とが不一致になり、翼５に矢印ＡＲ５で示すような揚力が発生し、さらにこの揚力の分力（矢印ＡＲ７で示す分力）により、翼５に回転力が加わるようになっている。また、何らかの要因によって、翼５の周速度が増加すると、図４（ｃ）に示すように、合ベクトルの方向と翼５の幅の方向とが不一致になり、翼５の矢印ＡＲ９で示すような揚力が発生し、さらにこの揚力の分力（矢印ＡＲ１１で示す分力）により、翼５に負の回転力が加わるようになっている。

なお、図４の説明では、翼５の回転速度（アーム部３の回転速度）を変えているが、翼５の回転速度が一定の場合であって風速が変化した場合にも同様に考えることができる。

次に、制御装置２３が行う制御について、例を掲げて説明する。

まず、風車１が停止している状態（アーム部３が回転しないで止まっている状態）では、サーボモータ（板カム１１の昇降用アクチュエータ）１６を適宜制御して板カム１１を上下方向で位置決めし、Ｂの値を小さく（たとえば、「１」程度）して、風車１を起動しやすくしておく（アーム部３容易に回転を始めることができるようにしておく）。

風車１が回転を開始し、アーム部３の回転数（アーム部３の回転速度）がある程度上昇したら、効率が良い状態で風車１を運転すべく、サーボモータ１６を適宜制御して板カム１１を移動し、Ｂ値を徐々にたとえば「４」くらいまで上昇する。

風車の効率に関しては、たとえば、［平成１８年８月１０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｒｒｉ.Ｋｙｏｔｏ−ｕ.ａｃ.ｊｐ／ＮＳＲＧ／ｋｏｕｅｎｉｎｄｅｘ.ｈｔｍｌ＞ 第８４回（２００１年１０月２３日）原子力安全問題ゼミ「風力発電：日本の現状と問題点」の図２３等に記載されている。

ところで、Ｂ値を「４」程度にした状態で風車１を回転し発電をすることができることが望ましいが、発電をするためには風車１の回転数を適切な範囲内にする必要がある。そこで、制御装置２３でＢ値を適宜制御している。そして、風速の変化や負荷（発電機７による風車１の負荷）にかかわらず、風車１が所定の範囲内に回転数で回転するように制御している。

たとえば、風速が大きくなったときにはＢ値を小さくし、風速が小さくなったときにはＢ値を大きくし、また、風車１の負荷が大きくなったときにはＢの値を大きくし、風車１の負荷が小さくなったときにはＢ値を小さくするように制御している。

なお、図９に示す例では、制御装置２３による制御を、風速計２５が検出した値に応じて行っているが、風速に代えてまたは加えて、回転数検出手段（図示せず）で風車１の回転数を検出し、また、風車の負荷を検出し、これらの検出結果に応じて、Ｂ値の制御を行うようにしてもよい。

風車１によれば、風速度ベクトルと翼回転速度ベクトルとの合ベクトルの方向と、翼５の幅の方向とが互いにほぼ一致するように、翼５の回動角度Ａを調整するので、風のエネルギーを効率よく風車１の回転エネルギーに変換することができる。

すなわち、図１や図４に示すように、翼５の回転位相のほぼ全周（翼５の公転角度のほぼ全周）にわたり、効率良く翼５が揚力を発生しアーム部３が回転するので、風のエネルギーを高い効率で風車１の回転力に変換することができる。また、風速（風速度ベクトル）と翼５の周速度（翼回転速度ベクトル）との偏差毎に適宜な翼５の自転角度Ａを調整することで、すなわち、Ｂ値を調整することで、風速と翼５の周速度の許容偏差幅を広げ、これらにより風車１が自起動することができるようになっている。

さらに、風のエネルギーの一部が風車１の回転力になるので、風車１の風下側における風速が風上側における風速よりも小さくなるが、前述したように、風下側における風速度ベクトルが、風上側における風速度ベクトルよりも小さくなるものとして、翼５の回動角度Ａを調整するようになっている。

すなわち、図１における回転角度θが０°〜１８０°の間におけるＢ値に対して、図１における回転角度θが１８０°〜３６０°の間におけるＢ値を、１０％〜３３％（より好ましくは１９％程度）大きくなるように、板カム１１を形成してある。このように板カム１１を構成してあるので、翼５の公転角度のほぼ全周にわたって一層効率良く風車１を回転させることができる。なお、角度θが０°〜３６０°の全周においてＢ値を一定にした構成であってもよい。

また、風車１によれば、サーボモータ１６を用い、風速や風車１の回転数や風車１の負荷に応じて、「Ｂ」の値を適宜変えているので、風車１の自起動を一層確実に行えると共に、風速と負荷の変動に対しても効率良く風力エネルギーを回転エネルギーに変換することができる。

［第２の実施形態］
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る風車１ａの概略構成を示す断面図であり、図６に対応した図である。また、図１１は、風車１ａの制御系の概略構成を示すブロック図である。

第２の実施形態に係る風車１ａは、風向を検出した結果に応じ、アクチュエータを用いて板カム１１の姿勢を調節する点が第１の実施形態に係る風車１とは異なり、その他の点は、第１の実施形態に係る風車とほぼ同様に構成されほぼ同様の効果を奏する。

すなわち、第２の実施形態に係る風車１ａの翼回動角度調整手段９は、たとえば、板カム１１と、板カム１１の従動節２１と翼５とを互いにつなぐためのリンク機構１５と、たとえば風見板とこの風見板の向きを検出するセンサとを用いて風向を検出する風向検出手段７３と、風速を検出する風速検出手段２５と、板カム１１を回動し位置決めするための回動用アクチュエータ７１と、板カム１１を上下方向に移動し位置決めするための移動用アクチュエータ１６と、風向検出手段７３の検出結果に応じて（風向検出手段７３から送られてくる電気的な信号に応じて）板カム１１の回動角度Ａを調整し、風速検出手段２５の検出結果に応じて板カム１１の位置を調整するように、各アクチュエータ１６、７１を制御する制御装置手段２３ａとを備えて構成されている。

風車１ａによれば、回動用アクチュエータ７１を用いて、板カム１１を回動させているので、風車の大型化に伴って板カム１１等が大型化しても、板カム１１を確実に回動させることができ、効率のよい運転を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る風車の概略構成を示す平面図である。 風車の翼の回動角度を求める式を示す図である。 アーム部の回転角度と翼の回動角度との関係を示す図である。 アーム部の回転速度と翼の回動角度とについて説明する。 風車の平面図である。 風車の断面図である。 板カムの拡大図である。 変形した板カムの拡大図である。 風車の制御系の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る風車の概略構成を示す断面図であり、図６に対応した図である。 本発明の第２の実施形態に係る風車の制御系の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、１ａ 風車
３ アーム部
５ 翼
７ 発電機
９ 回動角度調整手段
１１ 板カム
１３ カム回動角度調整手段
１５ リンク機構
１６ サーボモータ
２１ 従動節
２３ 制御装置
２５ 風速検出手段
７３ 風向検出手段
ＣＬ１ 回転中心軸
ＣＬ３ 回動中心軸
θ アーム部の回転角度
Ａ 翼の回動角度
Ｂ 風速度ベクトルのスカラー量に対する翼回転速度ベクトルのスカラー量の割合

Claims (7)

1. 一方向に延びた第１の軸を中心にして回転する翼支持部材と；
   前記第１の軸から離れた所定の位置で前記一方向と平行な第２の軸を中心にして、前記翼支持部材に回動自在に設けられた翼と；
   風のみによって前記翼が受ける風速度ベクトルと前記翼支持部材の回転のみによって前記翼が受ける翼回転速度ベクトルとの合ベクトルの方向と、前記翼の幅方向とが互いにほぼ一致するように、前記翼の回動角度を調整する翼回動角度調整手段と；
   を有することを特徴とする風車。
2. 請求項１に記載の風車において、
   前記翼回動角度調整手段は、風上側における風速度ベクトルと風下側における風速度ベクトルとが互いに異なるものとして、前記翼の回動角度を調整する手段であることを特徴とする風車。
3. 請求項１または請求項２に記載の風車において、
   前記翼回動角度調整手段は、
   厚さ方向が前記一方向となるようにして設置され、厚さ方向に延びた所定の軸を中心にして回動すると共に、厚さ方向でカムプロフィールが変化している板カムと；
   風向に応じて前記板カムの回動角度を調整するカム回動角度調整機構と；
   前記板カムの従動節と前記翼とを互いにつなぐためのリンク機構と；
   前記板カムを上下方向に移動するための移動用アクチュエータと；
   を備えて構成されていることを特徴とする風車。
4. 請求項１または請求項２に記載の風車において、
   前記翼回動角度調整手段は、
   厚さ方向が前記一方向となるようにして設置され、厚さ方向に延びた所定の軸を中心にして回動すると共に、厚さ方向でカムプロフィールが変化している板カムと；
   前記板カムの従動節と前記翼とを互いにつなぐためのリンク機構と；
   前記板カムを回動するための回動用アクチュエータと；
   前記板カムを上下方向に移動するための移動用アクチュエータと；
   風向に応じて前記板カムの回動角度を調整し、風速に応じて前記板カムの上下方向の位置を調整するように、前記各アクチュエータを制御する制御手段と；
   を備えて構成されていることを特徴とする風車。
5. 請求項３または請求項４に記載の風車において、
   前記翼回動角度調整手段は、
   前記翼支持部材の回転速度に応じて、前記風速度ベクトルのスカラー量に対する前記翼回転速度ベクトルのスカラー量が変化するように、前記板カムを移動する構成であることを特徴とする風車。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の風車と；
   前記風車の前記翼支持部材の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と；
   を有することを特徴とする発電装置。
7. 請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の風車の前記翼支持部材の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して発電することを特徴とする発電方法。

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