JP2013029028A

JP2013029028A - 垂直軸風車

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Publication number: JP2013029028A
Application number: JP2011163756A
Authority: JP
Inventors: Junji Shimada; 純二嶋田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: JP4903293B1

Abstract

【課題】風力エネルギーを動力エネルギーに効率良く変換することができる垂直軸風車を提供する。
【解決手段】垂直に延びる回転軸１と、回転軸１に固定された支持アーム２と、支持アーム２に回動可能に支持された受風板１０と、回転軸の回転位置に応じて受風板１０を支持アーム２に対して回動させる回動手段２０とを備える垂直軸風車である。回動手段２０は、回転軸１を取り囲むように配置された非円形環状の誘導レール７と、受風板１０に固定され、回転軸１の回転により誘導レール７に沿って移動するガイド部材６とを備えて構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直軸風車に関する。

風のエネルギーを動力に変換する風車には、水平軸方式の風車と垂直軸方式の風車に分類される。水平軸方式の代表的なものはプロペラ型風車であり、垂直軸方式ではサボニウス型、ダリウス型などがある。水平軸方式の風車は常に風方向に向けなければならないが、回転軸が垂直に延びる垂直軸風車は、風向きに関係なく使用できるという利点がある。垂直軸風車としては、抗力型風車（サボニウス型など）や揚力型風車（ダリウス型）が存在する。

抗力型や揚力型の垂直軸風車は、上記のように風向きに関係なく風のエネルギーを動力に変換できる大きな特徴を有する一方で、水平軸方式の風車に比べ風のエネルギーを動力に変換する効率が低下し易いため、従来から効率向上が図られている。

例えば、特許文献１に開示された風車は、上下一対の折りたたみ翼が、風が当たることで自然に折りたたまれるように構成されている。また、特許文献２に開示された風車は、回転軸から放射状に延びる各支持アームに開閉可能に支持された風受け板の開閉角度が、ストッパーにより制限されるように構成されている。また、特許文献３に開示された風車は、可変羽根の水平軸が偏心しており、可変羽根が受ける風の抵抗が風力に応じて変化するように構成されている。

特開昭５４−５５２５３号公報特開２００３−１３８４０号公報特開２００５−７６６２４号公報

上記特許文献１から３に開示された従来の垂直軸風車は、いずれも風を受ける受風板の角度を可変できるように構成し、風に逆対するときの抵抗を低減することで効率の向上を図っている。ところが、従来の構成では、受風板の角度が、風の強さ・方向の変化や、垂直軸の回転数の変化等の影響を大きく受けるため、受風板の角度を所望の通りに制御することが困難であり、エネルギーロスが生じやすいという問題があった。

そこで、本発明は、風力エネルギーを動力エネルギーに効率良く変換することができる垂直軸風車の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、垂直に延びる回転軸と、前記回転軸に固定された支持アームと、前記支持アームに回動可能に支持された受風板と、前記回転軸の回転位置に応じて前記受風板を前記支持アームに対して回動させる回動手段とを備える垂直軸風車により達成される。

この垂直軸風車において、前記回動手段は、前記回転軸を取り囲むように配置された非円形環状の誘導レールと、前記受風板に固定され、前記回転軸の回転により前記誘導レールに沿って移動するガイド部材とを備えることが好ましい。この構成において、前記誘導レールは、前記回転軸と同心状に配置された揺動軸により、前記回転軸とは独立して揺動可能に支持されていることが好ましく、前記揺動軸を風向きに応じて揺動させて、前記誘導レールの向きを調整する方向舵を更に備えることが好ましい。また、前記回転軸の回転数が過大になると、前記回転軸と前記揺動軸とを連結して前記誘導レールの向きを変化させる遠心クラッチを更に備えることが好ましい。

また、前記受風板は、屈伸リンク部材により開閉可能に連結された一対の開閉板を備える構成にすることができる。

本発明によれば、風力エネルギーを動力エネルギーに効率良く変換することができる垂直軸風車を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る垂直軸風車の概略構成を示す斜視図である。上記垂直軸風車の受風板が開いた状態を示す平面図である。上記垂直軸風車の受風板が閉じた状態を示す平面図である。上記垂直軸風車において風向きと誘導レールの向きとの関係を示す平面図である。上記垂直軸風車において回転軸の回転位置と受風板の受風角度との関係を示す平面図である。上記垂直軸風車の回転によって受風板が開閉する様子を説明するための平面図である。上記垂直軸風車の遠心クラッチを示す概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る垂直軸風車の概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、垂直軸風車１００は、垂直に延びる回転軸１と、回転軸１に取り付けられた支持アーム２，２と、支持アーム２，２に回動可能に支持された受風板１０，１０と、受風板１０，１０を回動させる回動機構２０とを備えている。

回転軸１は、下端側が発電機５０に連結されて回転可能に支持されている。支持アーム２，２は、２つが上下に間隔をあけて水平に配置されており、中央部が回転軸１に固定されている。受風板１０，１０は、支持アーム２，２の両端部に取り付けられており、それぞれ一対の開閉板４，４を備えている。

一対の開閉板４，４は、互いに同じ大きさ・形状を有する平板状部材であり、上下の支持アーム２，２間に設けられた支持軸３にそれぞれの側端部が取り付けられて、水平方向に回動可能となるように構成されている。一対の開閉板４，４は、同じ長さの２つのリンクアームが中折れ可能に連結された屈伸リンク部材５により上端中央部同士が互いに接続されており、図２に示すように屈伸リンク部材５が伸長することにより、一対の開閉板４，４が開いて受風面積（風向に垂直な平面に投影した面積）が大きくなる一方、図３に示すように屈伸リンク部材５が屈曲することにより、一対の開閉板４，４が閉じて受風面積が小さくなるように構成されている。支持軸３の上下両端部は、回転軸１の回転に伴い、図１に示す一点鎖線の円周に沿って移動する。

回転軸１の上端部には、有蓋無底の円筒状に形成された揺動軸９が装着されている。揺動軸９の上部には、方向舵８が取り付けられており、方向舵８が受ける風向きの変化により回転軸１の回転とは独立して揺動軸９が揺動可能となるように、揺動軸９がラジアル軸受およびスラスト軸受（図示せず）を介して回転軸１に支持されている。揺動軸９の内部には、後に詳述する遠心クラッチが設けられており、回転軸１の回転数が過大になって所定値を超えると、回転軸１と揺動軸９とが連結されるように構成されている。

回動機構２０は、回動軸１を取り囲むように配置された誘導レール７と、受風板１０に固定されて誘導レール７に沿って移動するガイド部材６とを備えている。

誘導レール７は、揺動軸９から放射状に延びる複数の取付アーム７１により略水平に支持されており、ガイド部材６を収容して誘導する溝部を有している。この誘導レール７は、図４に平面図で示すように非円形環状に形成されており、方向舵８が受ける風の向きが変化すると、揺動軸９の揺動により誘導レール７が風向きに対して所定の向きになるように調整される。なお、垂直軸風車１００の設置場所における風向が安定している場合には、誘導レール７を所定の向きに固定して配置することも可能である。

ガイド部材６は、誘導レール７の溝部に沿って摺動するベアリング等から構成され、受風板１０を構成する一方の開閉板４の上部角部に取り付けられている。ガイド部材６は、回転軸１の回転と共に誘導レール７に沿って移動することで、一方の開閉板４を強制的に回動させて受風角度を制御することができる。他方の開閉板４は、風から受ける力によって回動するが、その動きは屈伸リンク部材５によって制限される。誘導レール７は、図５に平面図で示すように支持レール２が風向きに対して垂直となる位置で、一方の受風板１０が開いた状態となり他方の受風板１０が閉じた状態となるように、非円形環状の形状設計がなされている。

上記の構成を備える垂直軸風車１００によれば、図６に示すように誘導レール７が風向きに対して所定の向きに設定されることで、回転軸１に取り付けられた支持アーム２が半回転する間に、一方の受風板１０Ａが開状態から閉状態になる一方、他方の受風板１０Ｂが閉状態から開状態になる。すなわち、矢示Ａ１で示すように、回転軸の回転位置が、風向きに対して支持アーム２が直交する位置にあるときには、一方の受風板１０Ａが開き、他方の受風板１０Ｂが閉じる。この状態では、一方の受風板１０Ａの受風面積が他方の受風板１０Ｂよりも大きくなるため、支持アーム２は矢印で示すように時計回りに回転する。

一方の受風板１０Ａは、矢示Ａ２で示すように、誘導レール７の誘導によって回転軸が回転しても暫くは開状態のまま風を受け続けた後、矢示Ａ３で示すように、回転軸の回転位置が風向きに対して支持アーム２が平行な位置で閉じた状態になる。これに対し、他方の受風板１０Ｂは、矢示Ａ２およびＡ３に示すように、風上に向けて回転する間は、風の抵抗をなるべく受けないように、誘導レール７の誘導によって閉じた状態が維持される。そして、支持アーム２が風向きに対して平行な位置から更に回転すると、矢示Ａ４に示すように、他方の受風板１０Ｂは開いた状態になって、風を受けて回転する。

このように、２つの受風板１０，１０は、回転軸１の回転に伴い、追い風の時に開き、向かい風で閉じるように、それぞれ開閉動作が制御される。誘導レール７は、受風板１０，１０の開閉が所定の回転位置でスムーズに行われるように、直線部と湾曲部との組み合わせから構成されている。

本実施形態の垂直軸風車１００によれば、上述した２つの受風板１０，１０の開閉動作が、ガイド部材６および誘導レール７を備える回動機構２０によって強制的に行われるため、回転軸１の回転位置に応じた受風板１０，１０の開閉を確実に行うことができ、風力エネルギーを動力エネルギーに効率良く変換することができる。本実施形態では、得られた動力エネルギーを発電機５０に伝えて電気エネルギーに変換しているが、他のエネルギーとして利用することも可能である。

強風時において回転軸１の回転数が所定値以上になると、揺動軸９内の遠心クラッチを介して、回転軸１と揺動軸９とが連結される。図７（ａ）に示すように、遠心クラッチ３０，３０は、基端側が回転軸１の外周面に固定された可撓変形可能な部材であり、筒状に形成された揺動軸９の内周面との間に隙間をあけて配置されている。この遠心クラッチ３０，３０は、回転軸１の回転に伴い先端側が遠心力によって径方向外方に拡がるように構成されており、回転軸１の回転数が所定値以上になると、図７（ｂ）に示すように、遠心クラッチ３０，３０の先端側が揺動軸９の内周面と接触する。

この結果、回転軸１と揺動軸９との間に摩擦が生じて揺動軸９が回転し、誘導レール７の向きが変化するため、風向きに対する２つの受風板１０，１０の開閉タイミングにずれが生じ、効率が低下して回転軸１の回転数が低下する。すると、遠心クラッチ３０，３０を介した回転軸１と揺動軸９との連結が解除され、誘導レール７は、方向舵８の作用により再び最適な向きとなるように揺動する。

このように、強風等で回転軸１の回転数が過大になった場合に、遠心クラッチ３０，３０の作用により回転軸１と揺動軸９とが一時的に連結されて、回転軸１の回転数が自動的に抑制されるため、垂直軸風車１００の損傷等を確実に防止することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態には限定されない。例えば、本実施形態においては、受風板１０を屈伸リンク部材５により連結された一対の開閉板４，４から構成し、一方の開閉板４を回動手段２０により回動させるように構成しているが、受風板は、支持アーム２に対して回動可能な単一の平板等であってもよい。この場合、支持アーム２が風向きに対して直交する回転軸１の回転位置において、２つの受風板の一方が風向きに対して直交し他方が風向きと平行になるように、各受風板を支持アームに対して回動させることにより、本実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、本実施形態では、支持アーム２の両端部に２つの受風板１０，１０を備える構成としているが、受風板１０は１つだけであってもよく、或いは、３つ以上であってもよい。支持アーム２の形状や配置は、受風板を回動自在に支持することができる限り、特に限定されるものではなく、例えば、上下に配置した円板状の支持アームの間に受風板を挟持した構成であってもよい。

また、回動機構２０を構成する誘導レール７は、受風板１０のスムーズな開閉を促すために水平に配置されることが好ましいが、水平以外の配置にすることも可能である。回動機構２０の構成は、回転軸１の回転位置に応じて受風板１０を強制的に回動可能であれば、カム機構など他の構成であってもよい。

１００垂直軸風車
１回転軸
２支持アーム
４開閉板
５屈伸リンク部材
６ガイド部材
７誘導レール
８方向舵
９揺動軸
１０受風板
２０回動機構
３０遠心クラッチ

本発明の前記目的は、垂直に延びる回転軸と、前記回転軸に固定された支持アームと、前記支持アームに回動可能に支持された受風板と、前記回転軸の回転位置に応じて前記受風板を前記支持アームに対して回動させる回動手段とを備え、前記回動手段は、前記回転軸を取り囲むように配置された非円形環状の誘導レールと、前記受風板に固定され、前記回転軸の回転により前記誘導レールに沿って移動するガイド部材とを備え、前記誘導レールは、前記回転軸と同心状に配置された揺動軸により、前記回転軸とは独立して揺動可能に支持されており、前記揺動軸を風向きに応じて揺動させて、前記誘導レールの向きを調整する方向舵を更に備え、前記回転軸の回転数が過大になると、前記回転軸と前記揺動軸とを連結して前記誘導レールの向きを変化させる遠心クラッチを更に備える垂直軸風車により達成される。

また、垂直に延びる回転軸と、前記回転軸に固定された支持アームと、前記支持アームに回動可能に支持された受風板と、前記回転軸の回転位置に応じて前記受風板を前記支持アームに対して回動させる回動手段とを備える垂直軸風車において、前記受風板は、屈伸リンク部材により開閉可能に連結された一対の開閉板を備える構成にすることができる。

Claims

垂直に延びる回転軸と、
前記回転軸に固定された支持アームと、
前記支持アームに回動可能に支持された受風板と、
前記回転軸の回転位置に応じて前記受風板を前記支持アームに対して回動させる回動手段とを備える垂直軸風車。
前記回動手段は、
前記回転軸を取り囲むように配置された非円形環状の誘導レールと、
前記受風板に固定され、前記回転軸の回転により前記誘導レールに沿って移動するガイド部材とを備える請求項１に記載の垂直軸風車。
前記誘導レールは、前記回転軸と同心状に配置された揺動軸により、前記回転軸とは独立して揺動可能に支持されており、
前記揺動軸を風向きに応じて揺動させて、前記誘導レールの向きを調整する方向舵を更に備える請求項２に記載の垂直軸風車。
前記回転軸の回転数が過大になると、前記回転軸と前記揺動軸とを連結して前記誘導レールの向きを変化させる遠心クラッチを更に備える請求項３に記載の垂直軸風車。
前記受風板は、屈伸リンク部材により開閉可能に連結された一対の開閉板を備える請求項１から４のいずれかに記載の垂直軸風車。