JP2008106622A

JP2008106622A - 風力発電用羽根回転装置及び該回転装置を備えた風力発電装置

Info

Publication number: JP2008106622A
Application number: JP2006287568A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Sakoda; 収一佐古田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】低風速性能を向上させると共に、低コストで実現可能な風力発電用羽根回転装置を提供すること。
【解決手段】羽根Ａは、中心軸４の上下からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク５、６及び該上下スポーク５、６の端部を連結する連結スポーク７とからなる枠体８とを備え、該枠体８の連結スポーク７側には外風圧体９が、また該枠体８の中心軸４側には内風圧体１０を張設している。更に、枠体８の連結スポーク７に近傍した上下スポーク５、６に上下副軸受１１、１２を設けて回動軸１３を支承し、該回動軸１３には風圧枠体１４と該風圧枠体１４に張設された風孕体１５からなる風受部材１６を固設している。そして、風受部材１６は羽根Ａが順風を受けるときはストッパー１８に当接した状態で閉じ、逆風を受けるときはストッパー１８から離れて開くように形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、風力によって羽根を回転させ、風の運動エネルギーを機械的エネルギーに変換する風力発電用羽根回転装置及び該回転装置を備えた風力発電装置に関し、更に詳しくは、風力を効率的に回転エネルギーに変換すると共に、構造が簡単で低コストで実現できる風力発電用羽根回転装置及び発電とブレーキング機能を兼有して過回転の防止機能を有する風力発電装置に関する。

安全でクリーンな発電システムとして風力を利用して発電するプロペラ型風車が実用化されてから合い久しい。このプロペラ型風車は風力発電機としては最もポピュラーな存在であり、また水平軸風車を代表するものであるが、これ以外にも垂直軸風車として、ダリウス型風車、サボニウス型風車、さらに直線翼垂直軸型風車などの数多くの風力発電システムが開発されている。
本発明の風力発電用羽根回転装置は、直線翼垂直軸型風車のジャンルに入るものであるが、発電規模からいうとプロペラ型風車が大型高出力発電システム向きであるのに対して、低風速環境にも対応した小型低出力発電システムに向いている。

従来のこの種の風力発電用羽根回転装置としては、主回転軸の中心に固定ギアを設置し、この固定ギアはギアの一方向が風向きに回転できるようにすることで、どの風向でも対応できるようにしたシステムがあり、具体的には、固定ギアから翼の回転軸の中心に固定ギアの２倍の枚数のギアを取り付けた物にタイミングベルトを張り、各翼を理想の角度へ調整したのち、翼の回転軸同志をタイミングギアとタイミングベルトを使用し、同じ１対１の減速比でリンクするようにした風力発電用ファンがある( 例えば、特許文献１、図１参照) 。

また、発電システムあるいは発電装置は、一般的には例えば、台風時のような強風発生の状況下での運転に備えて、羽根回転装置が所定回転数を超えると、自動的にこれを抑制するためのブレーキが作用し、羽根回転装置の過回転を防止すると共に過電力発生を制御し発電装置を保護している。そして、この過回転を防止するブレーキの種類としては種々あるが、その中でもディスクをパッドによって挟持し回転軸の回転を規制する油圧式のディスクブレーキ等が良く知られている。
特開２００２- ２４２８１５号公報

しかしながら、上記従来の風力発電用ファンは、主回転軸の中心に設置された固定ギアと主回転軸の周囲に配設された固定ギアの２倍の枚数のギアとは、この間に張設されたタイミングベルトを介して回転力が伝達されるように形成されるとともに、主回転軸の周囲に複数個配設された固定ギアの２倍の枚数のギアの隣りあう翼シャフトタイミングプーリー間にはタイミクグベルトが張られた構成であり、また、翼シャフトタイミングプーリーやタイミクグベルトが主回転軸から離れた円周上に配設されるという形態であって、その全体構成は複雑になりやすい。

また、特にタイミングプーリー、タイミングベルト等が回転外周上に配置されているため、回転時の慣性モーメントが大きくなり、したがって低風速時には回転しにくいので初動特性が低く、また、風力エネルギーが主回転軸に伝達されるまでにこれらの伝達機構によるエネルギーロスが生じ、主回転軸から得られるエネルギー効率を高くできないという課題があり、さらに、全体構成が複雑なことから安価に実現できにくいという課題を孕んでいる。
また、風力発電装置の上記従来のような油圧式のディスクブレーキの場合には、折角得られた回転エネルギーを熱エネルギーに変換しては放散させるというエネルギー損失が伴い、また、パッドが磨耗するために一定期間毎に必ず交換しなければならないという煩わしさがあった。

本発明は上記課題に鑑み、羽根回転装置としては構造を簡単にして低風速性能を向上させると共に、強風時には羽根回転のオーバーランを防止する一方、更に、発電装置としては過回転の際には発電兼有のブレーキが作動して過回転を防止すると共に、風力エネルギーの変換効率をアップし、且つ低コストで実現可能な風力発電用羽根回転装置及び風力発電装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の第１は、軸受を有する支持盤と、該支持盤に設けられ前記軸受によって回転自在に支承される中心軸と、該中心軸に設けた複数の羽根とからなり、該羽根は、前記中心軸の上下からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク及び該上下スポークの端部を連結する連結スポークとからなる枠体と、該枠体に張設した風孕体とからなり、前記枠体の連結スポークに近傍した前記上下スポークに上下副軸受を設けたうえ該上下副軸受に支承される回動軸を設け、前記羽根が順風を受けるときは閉じ、逆風を受けるときは開く風受部材を前記回動軸に固設したことを特徴とする風力発電用羽根回転装置を内容とする（請求項１）。

また、本発明の第２は、軸受を有する支持盤と、該支持盤に設けられ前記軸受によって回転自在に支承される中心軸と、該中心軸に設けた複数の羽根とからなり、該羽根は、前記中心軸の上下からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク及び該上下スポークの端部を連結する連結スポークとからなる主枠体と、前記上下スポークの先端からL 字状に曲折して設けた上下外周スポークと、該上下外周スポークの端部を連結する第２の連結スポークと、前記上下外周スポークのそれぞれの端部と前記中心軸とを連結する第２の上下スポークとからなる補助枠体とからなり、前記主枠体の中心軸に近傍する側には前記上下スポークを連結する第３の連結スポークを設け、且つ前記主枠体の連結スポークに近傍する前記上下スポークに上下副軸受を設けたうえ該上下副軸受に支承される回動軸を設けると共に、前記羽根の外周側の上下スポーク、上下外周スポーク、連結スポーク及び第２の連結スポークから形成される枠体に風孕体を張設して形成された外風孕体と、前記中心軸と該中心軸に近傍する前記上下スポーク及び第３の連結スポークから形成される枠体に風孕体を張設して形成された内風孕体を設け、前記羽根が順風を受けるときは閉じ、逆風を受けるときは開く風受部材を前記回動軸に固設したことを特徴とする風力発電用羽根回転装置を内容とする（請求項２）。

また、好ましい態様としての請求項３は、上下スポーク、上下外周スポーク及び第２の上下スポークから形成される枠体の上面下面のそれぞれに風圧を受ける風孕体を張設したことを特徴とする請求項２記載の風力発電用羽根回転装置を内容とする。

また、好ましい態様としての請求項４は、風受部材は、回動軸に連結して形成される風圧枠体と、該風圧枠体の内側の空間部を覆う風孕体とからなり、前記風孕体の一端縁は前記回動軸と対向する側の前記風圧枠体の一辺である対向枠に固着されるとともに、これ以外の前記回動軸側の風孕体は前記風圧枠体と着脱自在に形成され、前記風受部材が順風を受け、該順風の風圧が所定圧力を超えた場合には、前記風孕体は前記風圧枠体から離脱する着脱自在手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置を内容とする。

また、好ましい態様としての請求項５は、風受部材は、羽根が風圧を受けていないときはバネ部材によって所定位置に戻るように形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置。

また、好ましい態様としての請求項６は、着脱自在手段は、回動軸と風圧枠体の材質は磁性体で形成すると共に、前記風圧枠体の対向枠に固着された風孕体の一端縁以外の端縁に、マグネットを設けたことを特徴とする請求項４記載の風力発電用羽根回転装置を内容とする。

また、好ましい態様としての請求項７は、着脱自在手段は、風圧枠体の対向枠に固着された風孕体の一端縁以外の端縁に、前記風圧枠体と風孕体のそれぞれに一対になって機能する留め具としてのホックを備えたことを特徴とする請求項４記載の風力発電用羽根回転装置を内容とする。

また、好ましい態様としての請求項８は、着脱自在手段は、風圧枠体の対向枠に固着された風孕体の一端縁以外の端縁に、前記風圧枠体と風孕体のそれぞれに一対になって機能する留め具としての面ファスナーを備えたことを特徴とする請求項４記載の風力発電用羽根回転装置を内容とする。

また、好ましい態様としての請求項９は、風孕体が帆布からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置を内容とする。

また、好ましい態様としての請求項１０は、連結スポークの下部に設けられ案内孔を有するロッドガイドと、該ロッドガイドの案内孔を摺動するロッドと、該ロッドの一端に設けられた移動体と、支持盤に設けられ前記移動体を支承する誘導路と、前記ロッドを中心軸側に引っ張るように作用するスプリング材とを備え、前記中心軸に設けられた羽根が所定回転数を超えた場合には、前記移動体が前記誘導路に導かれて半径方向外側に移動し、回転の安定性を増大することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置を内容とする。

また、本発明の第３は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置と、回転する出力軸に連結される回転軸と、該回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受と、前記摺動軸受に嵌通する摺動軸と、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設され永久磁石を有するローターと、該ローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターと、前記回転軸に近い側の前記摺動軸の他端と前記回転軸とを連結するように設けた伸縮部材とを備え、該伸縮部材は、前記回転軸が回転して前記ローターに遠心力が作用した際、該遠心力の大きさに比例して前記ステーターに接近する前記ローターを前記回転軸側に引き寄せるように作用すると共に、前記遠心力と均衡を保つように機能する発電装置とからなり、前記発電装置の回転軸に前記風力発電用羽根回転装置の中心軸を出力軸として連結したことを特徴とする風力発電装置を内容とする（請求項１１）。

また、本発明の第４は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置と、回転する出力軸に連結される回転軸と、該回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受と、前記摺動軸受に嵌通する摺動軸と、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設され永久磁石を有するローターと、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設されコイルを有する第２のローターと、前記ローター及び第２のローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターと、前記回転軸に近い側の前記摺動軸の他端と前記回転軸とを連結するように設けた伸縮部材とを備え、該伸縮部材は、前記回転軸が回転して前記ローター及び第２のローターに遠心力が作用した際、該遠心力の大きさに比例して前記ステーターに接近する前記ローター及び第２のローターを前記回転軸側に引き寄せるように作用すると共に、前記遠心力と均衡を保つように機能する発電装置とからなり、前記発電装置の回転軸に前記風力発電用羽根回転装置の中心軸を出力軸として連結したことを特徴とする風力発電装置を内容とする（請求項１２）。

また、好ましい態様としての請求項１３は、伸縮部材が引張スプリングである請求項１１又は１２記載の発電装置を内容とする。

また、好ましい態様としての請求項１４は、発電部材としてのローターと、ステーターを複数対備え、対毎に引張スプリングのバネ定数を異なるように形成した請求項１３記載の発電装置を内容とする。

本発明の風力発電用羽根回転装置は、支持盤に設けられた軸受によって回転自在に支承される中心軸と、該中心軸に設けた複数枚の羽根とから形成され、そして、羽根は、中心軸の上下からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク及び該上下スポークの端部を連結する連結スポークとからなる枠体と、該枠体に張設した風孕体とからなり、枠体の連結スポークに近傍した上下スポークに上下副軸受を設けたうえ、該上下副軸受に支承される回動軸を設け、羽根が順風を受けるときは閉じ、逆風を受けるときは開く風受部材を回動軸に固設したことにより、風向きが変化した際にも回転方向は安定して一定方向に維持され、したがって、風向計などによって風向きを検知し装置全体の向きを調節する機構は必要がなく、安価にできるという効果が得られる。

また、上記構成に更に、上下スポークの先端からL 字状に曲折して設けた上下外周スポークの端部を連結する第２の連結スポークと、上下外周スポークのそれぞれの端部と中心軸とを連結する第２の上下スポークとからなる補助枠体を付加し、また上記枠体の中心軸に近傍する側には上下スポークを連結する第３の連結スポークを設け、且つ枠体の連結スポークに近傍する上下スポークに上下副軸受を設けたうえ該上下副軸受に支承される回動軸を設けると共に、羽根の外周側の上下スポーク、上下外周スポーク、連結スポーク及び第２の連結スポークから形成される枠体に外風孕体を張設し、且つ中心軸と該中心軸に近傍する上下スポーク及び第３の連結スポークから形成される枠体に内風孕体を張設し、さらに、上下スポーク、上下外周スポーク及び第２の上下スポークから形成される枠体の上面下面のそれぞれに風圧を受ける風孕体を張設したことにより、羽根が風を受けた際、風が羽根の表面に沿って横逃げする現象が抑制されるので羽根の受ける風圧はそれだけ高くなり、回転効率がアップする。

また、風受部材は、回動軸に連結して形成される風圧枠体と、該風圧枠体の内側の空間部を覆う風孕体とからなり、風孕体の一端縁は回動軸と対向する側の対向枠に固着させ、これ以外の回動軸側の風孕体は風圧枠体と着脱自在に形成したことにより、風受部材が順風を受け、該順風の風圧が所定圧力を超えた場合には、風孕体は風圧枠体から離脱し、羽根回転装置のオーバーランを防止することができる。

また、連結スポークの下部に設けられ案内孔を有するロッドガイドと、該ロッドガイドの案内孔を摺動するロッドと、該ロッドの一端に設けられた移動体と、支持盤に設けられ移動体を支承する誘導路と、ロッドを中心軸側に引っ張るように作用するスプリング材とを備えたことにより、羽根が所定回転数を超えた場合には、移動体が半径方向外側に移動し、誘導路に導かれ且つ支承されるので、羽根回転装置の安定性を向上することができる。尚、羽根回転装置は上部についても同様の誘導路を設けて安全性を図ってもよい。また、装置全体を通風性の良好なネットで囲ったり、格子状ケージ内に収容して安全性を図ることができる。

また、風力発電装置としては、回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受に摺動軸を嵌通させた上、該摺動軸の先端側に磁石を有するローター固設させ、またローターの外周には該ローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターを配設すると共に、摺動軸と回転軸とをスプリング等の伸縮部材によって連結して形成したことにより、回転軸が過回転した際、その遠心力によってローターがステーターに接近して発電を可能にすると共に、ローターがステーターに接近するほど回転抵抗が増大するので、ブレーキとしても作用する。したがって過回転時に際してのエネルギーを無駄にすることがなく且つ装置の故障、破壊などを未然に防止することが可能となる。

本発明の第１の風力発電用羽根回転装置は、軸受を有する支持盤と、該支持盤に設けられ前記軸受によって回転自在に支承される中心軸と、該中心軸に設けた複数の羽根とからなり、該羽根は、前記中心軸の上下からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク及び該上下スポークの端部を連結する連結スポークとからなる枠体と、該枠体に張設した風孕体とを備え、前記枠体の連結スポークに近傍した前記上下スポークに上下副軸受を設けたうえ該上下副軸受に支承される回動軸を設け、前記羽根が順風を受けるときは閉じ、逆風を受けるときは開く風受部材を前記回動軸に固設したことを特徴とする。

本発明の第２の風力発電用羽根回転装置は、軸受を有する支持盤と、該支持盤に設けられ軸受によって回転自在に支承される中心軸と、該中心軸に設けた複数の羽根とから形成されていて、該羽根は、中心軸の上下からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク及び該上下スポークの端部を連結する連結スポークとからなる主枠体と、上下スポークの先端からL 字状に曲折して設けた上下外周スポークと、該上下外周スポークの端部を連結する第２の連結スポークと、上下外周スポークのそれぞれの端部と中心軸とを連結する第２の上下スポークとからなる補助枠体とからなることを特徴とする。

また、主枠体の中心軸に近傍する側には上下スポークを連結する第３の連結スポークを設け、且つ主枠体の連結スポークに近傍する上下スポークに上下副軸受を設けたうえ該上下副軸受に支承される回動軸を設けると共に、羽根の外周側の上下スポーク、上下外周スポーク、連結スポーク及び第２の連結スポークから形成される枠体には外風孕体を、中心軸と該中心軸に近傍する上下スポーク及び第３の連結スポークから形成される枠体には内風孕体を張設している。

さらに、上下スポーク、上下外周スポーク及び第２の上下スポークから形成される枠体の上面下面のそれぞれに張設した風圧を受ける風孕体を設け、羽根が順風を受けるときは閉じ、逆風を受けるときは開き、又風圧を受けていないときはバネ部材によって所定位置に戻る風受部材を回動軸に固設している。

そして、風受部材は、回動軸に連結して形成される風圧枠体と、該風圧枠体の内側の空間部を覆う風孕体とからなり、風孕体の一端縁は回動軸と対向する対向枠に固着されるとともに、これ以外の回動軸側の風孕体は風圧枠体と着脱自在に形成され、風受部材が順風を受け、該順風の風圧が所定圧力を超えた場合には、風孕体は風圧枠体から離脱するマグネットやフック等を活用した着脱自在手段を備えている。

また、本発明の風力発電装置は、上記記載の風力発電用羽根回転装置と、該回転装置の出力軸である中心軸に連結される回転軸を有した発電装置とからなり、該発電装置は、その回転軸の周囲に、内部に摺動軸を嵌通した摺動軸受が放射状に設けられ、また、回転軸から離れた側の摺動軸の一端には永久磁石を有するローターを固設すると共に、このローターの外周にはローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターが配設され、さらに、回転軸に近い側の摺動軸の他端と回転軸とを引張スプリングなどの伸縮部材で連結されている。そして、回転軸が過回転してローターに所定値以上の遠心力が作用した際は、その遠心力の大きさに比例して引張スプリングが伸び、該引張スプリングの引張り強さと遠心力とがバランスするまでステーターに接近するように形成されている。

以下、本発明の風力発電用羽根回転装置及び風力発電装置を図面に基づいて説明するが、本発明はこれらにより何等限定されるものではない。
尚、本発明を構成する軸受や摺動部、その他の摺動する部分にはラジアル方向、スラスト方向を問わずベアリングを採用したり、また、これらの部分の材質に樹脂製軸受を採用するなど機械工学関連の公知技術を適宜利用することができる。

（実施の形態１）
本発明の風力発電用羽根回転装置の基本構成を実施の形態１として図１〜図３を参照して説明する。
図１は、本発明の風力発電用羽根回転装置を構成する図２に示した羽根Ａ、Ｂそれぞれの正面図( 矢視Ｘ、Ｙからから見た図) を展開して示した部分断面図、図２は同装置の上面図、図３は羽根の構成を示す部分斜視図である。

図１〜図３に示すように、本発明の風力発電用羽根回転装置１の基本構成は、ラジアル方向、スラスト方向の荷重を受ける軸受２を備えた支持盤３を基台とし、該支持盤３には軸受２によって回転自在に支承される中心軸４が設けられ、また該中心軸４には風Ｗをうける３枚の羽根Ａ、Ｂ、Ｃが設けられている。

そして、これらの羽根Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれは、中心軸４の上下からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク５、６及び該上下スポーク５、６の端部を連結する連結スポーク７とからなる枠体８とを備え、該枠体８の連結スポーク７側には金属、プラスチックなどの平板からなる外風圧体９が、また該枠体８の中心軸４側には同形態の内風圧体１０を張設している。更に、枠体８の連結スポーク７に近傍した上下スポーク５、６に上下副軸受１１、１２を設けて回動軸１３を支承し、該回動軸１３には矩形状の風圧枠体１４と該風圧枠体１４に張設された帆布などの可撓性シートの風孕体１５からなる風受部材１６を固設している。

そして、風受部材１６は羽根Ａ( Ｂ、Ｃ) が順風を受けるときはストッパー１８に当接した状態で閉じ、逆風を受けるときはストッパー１８から離れて開き、又風圧を受けていないときはバネ部材１７によってストッパー１８に当接して所定位置に戻るように形成されている。

上記構成によれば、風向きＷが変化した際にも羽根の回転方向は一定方向に維持されるので、風向計などによって風向きＷを検知し装置全体の向きを調節するという機構は必要がなく、安価にできるという効果が得られる。
なお、羽根の枚数を３枚として説明したが、基本的には３枚以上でもよく、最終的には主として、枠体８の縦横比や、上下スポーク５、６に対する回動軸１３の位置などによって決定される。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について図４を参照して説明する。
前述の実施の形態１においては、風受部材１６は、回動軸１３に固定された矩形状の風圧枠体１４に、帆布などの可撓性シートの風孕体１５が固定的に張設された形態である。

本実施の形態２における風受部材１６は、回動軸１３に連結して形成される風圧枠体１４と、該風圧枠体１４の内側の空間部を覆うように張設される風孕体１５とは着脱自在に形成された形態であって、その具体的構成は、風孕体１５の一端縁は回動軸１３と対向する側の風圧枠体１４の一辺である対向枠１９に固着されるとともに、これ以外の回動軸１３側の風孕体１５には、風圧枠体１４と吸着したり離脱したりできるように着脱自在手段２０を備えている。そして、風受部材１６が順風を受け、該順風の風圧が所定圧力を超えた場合には、風孕体１５は風圧枠体１４から離脱するように形成されている。

着脱自在手段２０としては、風圧枠体１４の材質を磁性体で形成すると共に、風圧枠体１４の対向枠１９に固着された風孕体１５の一端縁以外の端縁に、マグネット２０ａを設けて形成している。また、対向枠１９に固着された風孕体１５の一端縁以外の端縁に、風圧枠体１４と風孕体１５のそれぞれに一対になって機能する留め具としてのホック２０ｂや面ファスナー２０ｃを設けて形成することもできる。

上記構成によって、順風の風圧が所定圧力を超えた場合には、風孕体１５は風圧枠体１４から離脱し羽根の上限回転数を限定することにより風力発電用羽根回転装置１としての不要な故障発生を防止するという効果を奏する。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について図５及び図６を参照して説明する。
本発明の実施の形態３は基本形態である前述の実施の形態１、２に、補助枠体などの構成要素を追設した形態である。

即ち、図５、６に示した本実施の形態３は、図４に示した前述の実施の形態２の構成要素に、更に上下スポーク５、６の先端からL 字状に曲折して設けた上下外周スポーク２１、２２と、該上下外周スポーク２１、２２の端部を連結する第２の連結スポーク２３と、上下外周スポーク２１、２２のそれぞれの端部と中心軸４とを連結する第２の上下スポーク２４、２５とからなる補助枠体２６を追設した形態であって、更に、主枠体８の中心軸４に近傍する側には上下スポーク５、６を連結する第３の連結スポーク２７を設け、且つ主枠体８の連結スポーク７に近傍する上下スポーク５、６に上下副軸受１１、１２を設けたうえ該上下副軸受１１、１２に支承される回動軸１３を設けると共に、羽根の外周側の上下スポーク５、６、上下外周スポーク２１、２２、連結スポーク７及び第２の連結スポーク２３から形成される枠体には帆布などの可撓性シートの外風孕体２８を、また中心軸４と該中心軸４に近傍する上下スポーク５、６及び第３の連結スポーク２７から形成される枠体には帆布などの可撓性シートの内風孕体２９を張設し、さらに、上下スポーク５、６、上下外周スポーク２１、２２及び第２の上下スポーク２４、２５から形成される枠体の上面下面のそれぞれにも、帆布などの可撓性シートの上部風孕体３０と下部風孕体３１を張設したことを特徴としている。

そして、羽根が順風を受けるときは閉じ、逆風を受けるときは開き、又風圧を受けていないときはバネ部材１７によって所定位置に戻る風受部材１６を回動軸１３に固設した点、及び風受部材１６が順風を受け、該順風の風圧が所定圧力を超えた場合には、風孕体１５は風圧枠体１４から離脱するように形成されている点についても、前述記載の実施の形態２の図４に示した場合と同様に設けられている。

本実施の形態３の上記構成によれば、順風の風圧が所定圧力を超えた場合には、風孕体１５は風圧枠体１４から離脱するので、風力発電用羽根回転装置１のオーバーランは回避され、不要な故障発生を防止できることは勿論のこと、補助枠体２６を追設して外風孕体２８、内風孕体２９、上部風孕体３０及び下部風孕体３１を設けたことにより、風圧を受けた際、風の持つエネルギーを有効に利用できるため変換効率がアップするという効果が得られる。

（実施の形態４）
前述した風力発電用羽根回転装置１の軸受２は羽根Ａ、Ｂ、Ｃの下部位置にあって片持形式で支承されている。万一に備え強風時における中心軸４の軸振れを減少する手段として、これに回転安定部３２を設けた形態について以下に説明する。

図７に示すように、連結スポーク７の下部に案内孔３３を有するロッドガイド３４と、該ロッドガイド３４の案内孔３３を摺動するロッド３５が設けられ、また該ロッド３５の一端には移動体としてベアリングを活用した転用ベアリング体３６が設けられ、この転用ベアリング体３６は、支持盤３に設けられた断面コの字形の円形誘導路３７によって羽根回転装置１の円周方向と半径方向に誘導され支承される。さらにまた、ロッド３５の他端には受座３８が設けられ、該受座３８とロッドガイド３４との間には、ロッド３５を中心軸４側に移動するように作用する圧縮スプリング３９が介挿されている。

上記構成によれば、中心軸４に設けられた羽根が所定回転数を超えた場合には、転用ベアリング体３６が圧縮スプリング３９の力とバランスしながら円形誘導路３７に導かれて半径方向外側に移動すると共に、円形誘導路３７によって羽根の上下方向の移動が規制される。よって、羽根回転装置１の中心軸４の軸受２を片側だけに設けた形式であっても、中心軸４の振れを防止することが可能となり、強風時の回転安定性が増大するという効果がある。

（実施の形態５）
次に、本発明の風力発電用羽根回転装置１を搭載した風力発電装置４０について説明する。

図８は風力発電装置４０の基本的構成形態を示す模式図であるが、図に示すように、本発明の風力発電用羽根回転装置１においても、従来の風力発電装置の構成形態と同様、支持盤３の上部に設けられた風力発電用羽根回転装置１と支持盤３の下部に設けられた発電装置１０１とがギァボックス( 又はカプリング) ４１を介して連結される。すなわち、風力発電用羽根回転装置１の中心軸４を出力軸とし、これに発電装置１０１の回転軸１０２が連結して風力発電装置４０を形成している。
続いて、本発明の発電装置１０１について、図９及び図１０を参照して詳述する。図９は本発明の実施の形態５における発電装置の部分断面上面図、図１０は同装置の部分断面側面図である。

図９、１０に示すように、本発明の発電装置１０１は、回転する出力軸に回転軸１０２を連結させ、また、この回転軸１０２の略中央の周囲には、内部に摺動軸１０３を嵌通した摺動軸受１０４を放射状に設けている。そして、回転軸１０２から離れた側の摺動軸１０３の一端には断面コの字状の永久磁石を有するローター１０５を固設すると共に、このローター１０５の外周にはローターが過回転した際、珪素鋼板やコイルなどから形成され、ローター１０５の作用を受けて電力を誘発するステーター１０６及び１０６Ａが取付片１０７を介してハウジング１０８に固定されている。

また、回転軸１０２の両端は段付き形状に形成され、ハウジング１０８の上下に配設した上下のベアリング１０９によって支承され、さらに、回転軸１０２に近い側の摺動軸１０３の他端と回転軸１０２とは引張スプリング１１０で連結され、回転軸１０２が予め定められた所定の回転数を超えて過回転領域になると、引張スプリング１１０に抗してローター１０５と一体の摺動軸１０３が摺動軸受１０４に沿って半径外側方向に移動し、最大ストロークＳの範囲内で且つ遠心力とバランスしながらステーターに接近するように形成している。

摺動軸１０３が摺動軸受１０４に沿って外周方向に移動する最大ストロークＳは、摺動軸１０３に設けたストッパー１１１が、摺動軸受１０４に設けた長孔状の切欠部１１２によって規制されると共に、これによってローター１０５の摺動軸周りの回転も規制している。即ち、ローター１０５が最大ストロークＳ前進したきにはステーター１０６の高さ寸法に断面コの字状のローター１０５が丁度所定間隙をもって係合した形となる。

また、図９には、上下左右に４個ずつ、計二対のステーター１０６、ローター１０５と、上下左右の中間の位置に４個のステーター１０６Ａの配置状態を示しているが、図９の左右に配設された一対の構成要素Ａ1 、Ａ２と、上下に配設された一対の構成要素Ｂ１、Ｂ２の引張スプリング１１０のバネ定数は対毎に異なるように形成されている。
図９に示したように、構成要素Ｂ１、Ｂ２の引張スプリング１１０のバネ定数は、構成要素Ａ1 、Ａ２より小さいく設定されており、したがって、同一の遠心力が作用した場合、一対の構成要素Ｂ１、Ｂ２の方が、引張スプリング１１０が早く延長して早く発電を開始すると共に、逆に早くブレーキング作用を開始することになる。そして、さらに遠心力が増大すれば、構成要素Ａ1 、Ａ２の引張スプリング１１０も延長し、同様に発電を開始すると共に、ブレーキング作用をすることになる。

また、図９、図１０には引張スプリング１１０を除いて、同一の発電部材を二対配設した場合を示しているが、二対以上の構成要素を設けても良く、例えば、引張スプリング１１０のバネ定数を順次弱めて、一対の構成要素Ａ1 、Ａ２と他の一対の構成要素Ｂ１、Ｂ２との間に即ち、図９で示したステーター１０６Ａの位置に、構成要素Ｃ１、Ｃ２( 図示せず) と構成要素Ｄ１、Ｄ２( 図示せず) を増設して計四対の発電部材で形成しても良い。
さらにまた、これらそれぞれ構成要素の間に、図９に示したステーター１０６Ａのみを配設して、過回転時の電力とブレーキングの能力を更に増大することも可能である。
なお、前述では対毎に引張スプリング１１０のバネ定数を順次弱めて設ける場合を説明したが、用途によっては、引張スプリング１１０のバネ定数を全て同一にしても良く、この場合には、急ブレーキがかかるという作用がある。
さらになお、前述では発電ブレーキの作用を段階的に動作させる手段として、発電部材には、対毎に異なるバネ定数を有する引張スプリングを取り付けた場合について説明したが、他の手段としては、一定のバネ定数を有する引張スプリングを用いてその長さを変え、短くして取り付けた側を堅い方( 構成要素Ａ1 、Ａ２側) のスプリング材１１０として利用することも可能である。

（実施の形態６）
本発明の実施の形態６について図９及び図１１を参照して説明する。図１１は前述の実施の形態５に示した発電の構成要素Ａ1 、Ａ２側の永久磁石を有するローター１０５に代わって、コイルを有する第２のローター１０５Ａとした形態( 発電の構成要素Ｋ1 、Ｋ２と呼称する) を示す部分断面側面図である。なお、これを除いた他の発電に係る構成要素及びその動作、作用などは実施の形態５の場合と同様である。
この構成要素Ｋ1 、Ｋ２の第２のローター１０５Ａのコイルには、バッテリー１１３から回転軸１０２に設けた整流子・ブラシ１１４を介して所定の電力が供給され、実施の形態５に示した発電の構成要素Ａ1 、Ａ２側の永久磁石を有するローター１０５と同様の作用をするものであり、バッテリー１１３への電力の供給が、図９に示した発電が最初に開始する側の構成要素Ｂ１、Ｂ２からできるように電気回路等を構成しておけば、より合理的である。

また、本実施の形態６においても、構成要素Ｂ１、Ｂ２と構成要素Ｋ1 、Ｋ２の二対の発電部材による発電装置以外に、バネ定数を適宜考慮した上、構成要素Ａ1 、Ａ２や構成要素Ｂ１、Ｂ２と組み合わせて、例えば、計三対、四対のようにその数を増やすことにより、さらに広い用途に応じた合理的な発電装置を実現することが可能である。

（実施の形態７）
本発明の実施の形態７について図１２を参照して説明する。
前述までの発電装置１０１では、回転軸１０２は、ハウジング１０８の上面からのみ突設して他の装置の出力軸と連結した形態であったが、図１２に示すように、回転軸１０２をハウジング１０８の上、下面の両面から突設させて形成した別の発電装置１０１Ａを新たに設けて、回転軸１０２どうしを継ぎ手１１５によって連結し発電装置を二層に形成すれば、発電装置及びブレーキの容量を更に増大して利用することができる。したがって、前述した発電の構成要素を回転軸の周囲に放射状に設けた形態の発電装置と組み合わせれば、要求仕様にあった種々の発電装置を容易に実現することが可能である。
尚、二層の発電装置の間に電動クラッチ機構１１６を設け、例えば、微風のときはいずれか一層のみ（図では上層のみ）を作動させ、一定以上の強風の場合は上下二層を作動させるようにしてもよい。

如上のとおり、本発明の風力発電用羽根回転装置は、羽根が順風を受けるときは閉じ、逆風を受けるときは開く風受部材を備えたことにより、風向きが変化しても回転方向は一定で継続される。したがって、風向計などによって風向きを検知し装置全体の向きを調節する機構は必要がなく、さらに、風圧が所定圧力を超えた場合には、風受部材の風孕体は風圧枠体から離脱するので羽根回転装置のオーバーランを防止することができるという特徴がある。

さらに、風力発電装置を構成する発電装置は、強風の時などに回転数がオーバーするような際には、その回転エネルギーを電力に変換すると共に、そのブレーキング作用によって過回転が抑制される。したがって、エネルギーの有効活用を図ると共に、上記羽根回転装置のオーバーラン防止機能とあわせ、二重に装置・機械の故障、破損を防止するという機能を備えている。

本発明の実施の形態１における風力発電用羽根回転装置の構成を示し、図２の羽根Ａ、Ｂそれぞれの正面図( 矢視Ｘ、Ｙからから見た図) を展開して示した部分断面図である。同装置の上面図である。同装置の羽根の構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態２における風力発電用羽根回転装置の羽根の構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態３における風力発電用羽根回転装置の羽根の構成を示す斜視図である。同装置の上面図である。本発明の実施の形態４における風力発電用羽根回転装置の構成を示し、図１の形態に回転安定部を設けた部分断面図である。本発明の実施の形態５における風力発電装置の構成を示す側面図である。同装置に搭載される発電装置を上方から見た平面部分断面図である。同発電装置を側方から見た側面部分断面図である。本発明の実施の形態６における発電装置の側面部分断面図である。本発明の実施の形態７における発電装置の側面部分断面図である。

符号の説明

１風力発電用羽根回転装置
２軸受
３支持盤
４中心軸
５上スポーク
６下スポーク
７連結スポーク
８枠体
９外風圧体
１０内風圧体
１１上副軸受
１２下副軸受
１３回動軸
１４風圧枠体
１５風孕体
１６風受部材
１７バネ部材
１８ストッパー
１９対向枠
２０着脱自在手段
２０ａマグネット
２０ｂホック
２０ｃ面ファスナー
２１上外周スポーク
２２下外周スポーク
２３第２の連結スポーク
２４第２の上スポーク
２５第２の下スポーク
２６補助枠体
２７第３の連結スポーク
２８外風孕体
２９内風孕体
３０上部風孕体
３１下部風孕体
３２回転安定部
３３案内孔
３４ロッドガイド
３５ロッド
３６転用ベアリング体
３７断面コの字形の円形誘導路
３８受座
３９圧縮スプリング
４０風力発電装置
４１ギァボックス( 又はカプリング)
１０１、１０１Ａ発電装置
１０２回転軸
１０３摺動軸
１０４摺動軸受
１０５永久磁石を有するローター
１０５Ａコイルを有するローター
１０６、１０６Ａステーター
１０７取付片
１０８ハウジング
１０９ベアリング
１１０引張スプリング( 伸縮部材)
１１１ストッパー
１１２切欠部
１１３バッテリー
１１４整流子・ブラシ
１１５継ぎ手
１１６電動クラッチ機構
Ａ、Ｂ、Ｃ羽根

Claims

軸受を有する支持盤と、該支持盤に設けられ前記軸受によって回転自在に支承される中心軸と、該中心軸に設けた複数の羽根とからなり、該羽根は、前記中心軸の上下からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク及び該上下スポークの端部を連結する連結スポークとからなる枠体と、該枠体に張設した風孕体とを備え、前記枠体の連結スポークに近傍した前記上下スポークに上下副軸受を設けたうえ該上下副軸受に支承される回動軸を設け、前記羽根が順風を受けるときは閉じ、逆風を受けるときは開く風受部材を前記回動軸に固設したことを特徴とする風力発電用羽根回転装置。
軸受を有する支持盤と、該支持盤に設けられ前記軸受によって回転自在に支承される中心軸と、該中心軸に設けた複数の羽根とからなり、該羽根は、前記中心軸の上下からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク及び該上下スポークの端部を連結する連結スポークとからなる主枠体と、前記上下スポークの先端からL 字状に曲折して設けた上下外周スポークと、該上下外周スポークの端部を連結する第２の連結スポークと、前記上下外周スポークのそれぞれの端部と前記中心軸とを連結する第２の上下スポークとからなる補助枠体とからなり、前記主枠体の中心軸に近傍する側には前記上下スポークを連結する第３の連結スポークを設け、且つ前記主枠体の連結スポークに近傍する前記上下スポークに上下副軸受を設けたうえ該上下副軸受に支承される回動軸を設けると共に、前記羽根の外周側の上下スポーク、上下外周スポーク、連結スポーク及び第２の連結スポークから形成される枠体に風孕体を張設して形成された外風孕体と、前記中心軸と該中心軸に近傍する前記上下スポーク及び第３の連結スポークから形成される枠体に風孕体を張設して形成された内風孕体を設け、前記羽根が順風を受けるときは閉じ、逆風を受けるときは開く風受部材を前記回動軸に固設したことを特徴とする風力発電用羽根回転装置。
上下スポーク、上下外周スポーク及び第２の上下スポークから形成される枠体の上面下面のそれぞれに風圧を受ける上部下部風孕体を張設したことを特徴とする請求項２記載の風力発電用羽根回転装置。
風受部材は、回動軸に連結して形成される風圧枠体と、該風圧枠体の内側の空間部を覆う風孕体とからなり、前記風孕体の一端縁は前記回動軸と対向する側の前記風圧枠体の一辺である対向枠に固着されるとともに、これ以外の前記回動軸側の風孕体は前記風圧枠体と着脱自在に形成され、前記風受部材が順風を受け、該順風の風圧が所定圧力を超えた場合には、前記風孕体は前記風圧枠体から離脱する着脱自在手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置。
風受部材は、羽根が風圧を受けていないときはバネ部材によって所定位置に戻るように形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置。
着脱自在手段は、回動軸と風圧枠体の材質は磁性体で形成すると共に、前記風圧枠体の対向枠に固着された風孕体の一端縁以外の端縁に、マグネットを設けたことを特徴とする請求項４記載の風力発電用羽根回転装置。
着脱自在手段は、風圧枠体の対向枠に固着された風孕体の一端縁以外の端縁に、前記風圧枠体と風孕体のそれぞれに一対になって機能する留め具としてのホックを備えたことを特徴とする請求項４記載の風力発電用羽根回転装置。
着脱自在手段は、風圧枠体の対向枠に固着された風孕体の一端縁以外の端縁に、前記風圧枠体と風孕体のそれぞれに一対になって機能する留め具としての面ファスナーを備えたことを特徴とする請求項４記載の風力発電用羽根回転装置。
風孕体が帆布からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置。
連結スポークの下部に設けられ案内孔を有するロッドガイドと、該ロッドガイドの案内孔を摺動するロッドと、該ロッドの一端に設けられた移動体と、支持盤に設けられ前記移動体を支承する誘導路と、前記ロッドを中心軸側に引っ張るように作用するスプリング材とを備え、前記中心軸に設けられた羽根が所定回転数を超えた場合には、前記移動体が前記誘導路に導かれて半径方向外側に移動し、回転の安定性を増大することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置と、回転する出力軸に連結される回転軸と、該回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受と、前記摺動軸受に嵌通する摺動軸と、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設され永久磁石を有するローターと、該ローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターと、前記回転軸に近い側の前記摺動軸の他端と前記回転軸とを連結するように設けた伸縮部材とを備え、該伸縮部材は、前記回転軸が回転して前記ローターに遠心力が作用した際、該遠心力の大きさに比例して前記ステーターに接近する前記ローターを前記回転軸側に引き寄せるように作用すると共に、前記遠心力と均衡を保つように機能する発電装置とからなり、前記発電装置の回転軸に前記風力発電用羽根回転装置の中心軸を出力軸として連結したことを特徴とする風力発電装置。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風力発電用羽根回転装置と、回転する出力軸に連結される回転軸と、該回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受と、前記摺動軸受に嵌通する摺動軸と、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設され永久磁石を有するローターと、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設されコイルを有する第２のローターと、前記ローター及び第２のローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターと、前記回転軸に近い側の前記摺動軸の他端と前記回転軸とを連結するように設けた伸縮部材とを備え、該伸縮部材は、前記回転軸が回転して前記ローター及び第２のローターに遠心力が作用した際、該遠心力の大きさに比例して前記ステーターに接近する前記ローター及び第２のローターを前記回転軸側に引き寄せるように作用すると共に、前記遠心力と均衡を保つように機能する発電装置とからなり、前記発電装置の回転軸に前記風力発電用羽根回転装置の中心軸を出力軸として連結したことを特徴とする風力発電装置。
伸縮部材が引張スプリングである請求項１１又は１２記載の発電装置。
発電部材としてのローターと、ステーターを複数対備え、対毎に引張スプリングのバネ定数を異なるように形成した請求項１３記載の発電装置。