JP2014058964A - 方向自動制御式カバー付抗力型風車 - Google Patents

Abstract

【課題】 カバー体自体に方向制御機能を付与し、構造の簡素化・軽量化が実現できる方向自動制御式カバー付抗力型風車を提供する。
【解決手段】 方向自動制御式カバー付抗力型風車１０は、複数の受風体２３Ａ〜２３Ｄの下方に配置され、鉛直軸周りに回転可能なフロート１３と、フロート１３の上面に固定され、風向きに対する所定の相対位置にて、逆風を受ける側の受風体２３Ａを覆うカバー体２６と、を有する。カバー体２６は、風によりカバー体２６に作用する流体力の作用線がフロート１３の中心軸Ｃ１上に通ることによって所定の相対位置に停留する一方、風向きが変わったときは、作用線がフロート１３の中心軸Ｃ１から外れて回転モーメントが生ずることにより、フロート１３と一体的に回転して所定の相対位置に戻る。
【選択図】 図３

Description

本発明は、抗力型風車に関し、より詳細には、鉛直方向に延びる風車軸と、この風車軸の周りに放射状に設けられる複数の受風体とを有する方向自動制御式カバー付抗力型風車に関する。

鉛直方向に延びる風車軸の周りに複数の受風体を設けた抗力型風車が知られている。この種の抗力型風車では、風向きに対する方向制御が不要である反面、逆風を受ける側の受風体が抵抗を受けるため、特に風力発電に用いる場合、逆風を受ける側の防風対策が求められる。従来、逆風を受ける側の受風体をカバー体で覆い、エネルギーの変換効率を高める各種の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、旋回基板の旋回中心に垂直中心軸を立設し、この垂直中心軸に複数枚の羽根を設け、各羽根の風受け面として帆布を張設し、垂直中心軸を境として風車の片側半分を覆う遮風カバーを設け、風の向きに対応して装置全体の向きを調節する風向追従手段を設けた風力発電装置が開示されている。

この特許文献１の風力発電装置によれば、風向追従手段により旋回基板を回転させ、風車の逆風側半部分を遮風カバーで覆うことにより、順風側半部分のみに順風を当てることができる。しかしながら、この風力発電装置では、遮風カバーの位置を制御するために、風向センサや駆動モータ等を必要とする。このため、装置が大掛かりなものになり、コストも高くなる。

この点、特許文献２に開示される風力−回転力変換装置では、垂直尾翼付きのフードで、風に抗する側のタービン翼が風の抵抗を受けないようにしており、風向センサや駆動モータ等が不要であり、装置も比較的に簡素なものになる。

また、特許文献３では、羽根車の回転軸を発電機に連結し、回転軸の周りに回転可能な防風カバーを設け、風向きにより搖動する風圧板を防風カバーに連結した風力発電装置が提案されている。この特許文献３に記載される技術においても、風圧板に応動する防風カバーが、羽根車の上流側前面半部を風向きに合わせて覆うため、風向センサや駆動モータ等が不要である。

また、特許文献４では、回転ブレードの逆風側を風量調節ガイドで覆い、回転ブレードを挟んで風量調節ガイドの対面にバランス調節ガイドを設けた低抵抗風力発電装置が提案されている。この特許文献４に記載される技術においても、風向が急に変化した場合、回転ブレードの逆風側を覆うように風量調節ガイドの位置が風向きに合わせて変わるため、風向センサや駆動モータ等が不要である。

ところで、自然エネルギーの有効利用が期待される中、より簡便な風力発電装置が求められている。このため、抗力型風車においても、より簡素で軽い構造が求められている。

特開２０１０−７７９４６公報 実開昭５８−１１４８８２号公報 実開昭６０−１５９８８７号公報 特開２００９−２９３６１０号公報

しかしながら、特許文献２〜４のいずれの技術においても、逆風を受ける側の受風体を覆うカバー体を方向制御するための部品（特許文献２では垂直尾翼、特許文献３では風圧板、特許文献４ではバランス調節ガイド）が別途必要であるため、構造の簡素化・軽量化には限界があった。このため、垂直尾翼等の部品を用いずに、カバー体を方向制御できる技術が望まれている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、カバー体自体に方向制御機能を付与し、構造の簡素化・軽量化が実現できる方向自動制御式カバー付抗力型風車を提供することにある。

本発明は、以下の構成によって把握される。
本発明の方向自動制御式カバー付抗力型風車は、鉛直方向に延びる風車軸と、前記風車軸の周りに放射状に設けられる複数の受風体と、前記複数の受風体の下方に配置され、鉛直軸周りに回転可能な回転体と、前記回転体の上面に固定され、風向きに対する所定の相対位置にて、逆風を受ける側の受風体を覆い且つ順風を受ける側の受風体を風に曝すカバー体と、を有し、前記カバー体は、風により前記カバー体に作用する流体力の作用線が前記回転体の中心軸上を通ることによって前記所定の相対位置に停留する一方、風向きが変わったときは、前記作用線が前記回転体の中心軸から外れて回転モーメントが生ずることにより、前記回転体と一体的に回転して前記所定の相対位置に戻ることを特徴とする。

この構成によれば、風向きに対する所定の相対位置にカバー体が位置するときは、流体力の作用線が回転体の中心軸上を通るため、カバー体には回転モーメントが生じない。これにより、所定の相対位置にカバー体を停留させ、逆風を受ける側の受風体をカバー体で覆うことができる。一方、風向きが変わったときは、カバー体に生ずる回転モーメントにより、カバー体を回転させて所定の相対位置に戻すことができる。このように、カバー体に作用する流体力の作用線の向きの変化を利用することにより、風向センサや駆動モータ、垂直尾翼等を用いずに、風向きの変化にカバー体を追従させることができる。結果、カバー体自体に方向制御機能を付与することができ、抗力型風車における構造の簡素化・軽量化を実現することができる。

上記の発明の方向自動制御式カバー付抗力型風車は、液体を貯留する液体貯留部と、前記液体貯留部の底部に設けられる垂直軸と、を有し、前記回転体は、前記液体の液面に浮かぶフロートであり、且つ、前記垂直軸に自在軸受を介して支持されることを特徴とする。

この構成によれば、フロートである回転体では重力と浮力が釣り合っている。このため、自在軸受には、回転体等の自重によるスラスト荷重がほとんど加わらないので、自在軸受の軸受抵抗が大幅に低減する。これにより、回転体が円滑に回転するため、風向きの変化に合わせてカバー体の向きを迅速に追従させることができ、しかも、垂直軸および自在軸受の耐久性を高めることができる。

上記の発明の方向自動制御式カバー付抗力型風車では、前記カバー体は、平面形状が半円状に形成される半円筒状の部材であり、前記所定の相対位置において、前記逆風を受ける側の受風体に凹曲面が向き、且つ、前記回転体の中心軸よりも風下側に曲率中心が偏心していることを特徴とする。

この構成によれば、簡素な半円筒状の部材でカバー体を構成できるので、より一層の構造の簡素化・軽量化を実現することができる。

また、カバー体が固定される側に回転体の重心が偏るため、カバー体側が下がるようにして回転体が傾斜する。これにより、回転体では、カバー体側が液体中に沈み込む。この沈み込んだ部分では、カバー体が外側に傾斜し、カバー体に作用する流体力が垂直に直立したカバー体が受ける流体力よりも小さくなるため、風向きが急に大きく変わった場合等にカバー体にかかる流体力等によって生ずる回転モーメントは外側に傾斜したカバー体の方が小さくなり、適正な位置に回転体が停留しやすくなる。したがって、逆風を受ける側の受風体をカバー体で安定的に覆うことができる。

上記の発明の方向自動制御式カバー付抗力型風車では、前記カバー体は、平面形状が半円状又は半楕円状に形成され、且つ、正面形状が半円錐台又は半漏斗状に形成された半円筒状の部材であり、前記所定の相対位置において、前記逆風を受ける側の受風体に凹曲面が向き、且つ、前記回転体の中心軸よりも風下側に曲率中心が偏心していることを特徴とする。

この構成によれば、フロートを用いた抗力型風車においては、フロートを傾斜させなくても、カバー体に作用する流体力が垂直に設置したカバー体に作用する流体力よりも小さくなるため、回転体が過度に回転することなくしっかりと停留し、逆風を受ける側の受風体をカバー体で安定的に覆うことができる。基盤を用いた抗力型風車においては、フロートのような傾斜状態を形成することができなくても、傾斜カバー体によって予め基盤を傾斜させた状態を形成することができるため、より安定的に回転体を停留することができる。

上記の発明の方向自動制御式カバー付抗力型風車は、前記風車軸に連結される発電機と、前記発電機を支持すると共に前記回転体の外側に配置されて海面に浮かぶ環状のフロートと、前記環状のフロートの下部に取り付けられ前記液体貯留部を海水から隔離する隔離体と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、構造の簡素化・軽量化が実現できる洋上風力発電装置を得ることができる。本発明者は、本発明の抗力型風車を用いることで、カバー体の無い発電装置に比べ、格段に大きな電力が得られることを実験により確認した。また、液体貯留部が海水から隔離されることで、液体がダンパーとして機能するため、抗力型風車が受ける衝撃（波などから受ける外力）から回転体およびカバー体を保護することができる。ただし、隔離体には通水孔があり、内外における大きな水位差を生じないようになっている。

本発明によれば、カバー体自体に方向制御機能を付与することができ、構造の簡素化・軽量化を実現できる方向自動制御式カバー付抗力型風車を提供することができる。

本発明に係る実施形態の方向自動制御式カバー付抗力型風車の正面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 方向自動制御式カバー付抗力型風車の平面図である。 停留位置におけるカバー体の作用図である。 風向きが変わったときのカバー体の動作例を示す図であり、（ａ）はカバー体の回転前の状態を示す図、（ｂ）はカバー体の回転後の状態を示す図である。 風向きが変わったときのカバー体の他の動作例を示す図であり、（ａ）はカバー体の回転前の状態を示す図、（ｂ）はカバー体の回転後の状態を示す図である。 回転体の重心の偏りによる作用を説明する図であり、（ａ）は回転体の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 重錘による作用を説明する図であり、（ａ）は回転体の平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 図８のＤ矢視図であり、リブの構成を説明する図である。 （ａ）は風速と電力の関係を示すグラフ、（ｂ）は経過時間と電力との関係を示すグラフである。 方向自動制御式カバー付抗力型風車の他の例を示す図であり、図２に対応させて描いた図である。 カバー体２６の傾きとカバー体２６に作用する流体力との関係を示した概念図であり、（ａ）はカバー体が内側に傾斜している際に作用する流体力の大きさを示し、（ｂ）はカバー体が外側に傾斜している際に作用する流体力の大きさを示す図である。 カバー体の他の例を示す図であり、（ａ）はカバー体及びその周辺の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 カバー体の他の例を示す図であり、（ａ）はカバー体及びその周辺の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称する。）について詳細に説明する。なお、実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。

まず、実施形態の方向自動制御式カバー付抗力型風車（以下、単に「抗力型風車」と称する。）の全体構成を図１に基づいて説明する。
図１に示すように、抗力型風車１０は、海面１１ａに浮かぶ洋上風力発電装置に本発明を適用した例である。抗力型風車１０は、同心円状に配置される第１フロート１２および第２フロート（回転体に相当）１３を有する。第１フロート１２の下面には、隔離体１５が設けられ、隔離体１５の中心部には、垂直軸１６が設けられる。第１フロート１２の上面には、複数の支柱１７が設けられ、複数の支柱１７の上端には、天板１８が支持される。天板１８には、発電機２１、風車軸２２、複数の受風体２３Ａ〜２３Ｄが吊り下げられて支持される。さらに、第２フロート１３の内部には、自在軸受２５が設けられ、第２フロート１３の上面には、カバー体２６が設けられる。

次に、抗力型風車１０の構成要素を図２、図３に基づいて詳しく説明する。
図２に示すように、第１フロート１２は、円環状に形成されると共に第２フロート１３の外側に配置され、上面を露出させて海面１１ａに浮かぶ。なお、係留手段（図示省略）を用いて、第１フロート１２あるいは隔離体１５を海底基礎に固定・係留させてもよい。

隔離体１５は、有底円筒状を呈しており、第１フロート１２の下面（環状のフロートの下部に相当）に取り付けられる。この隔離体１５により、第１フロート１２の内径側には、液体貯留部２７が形成される。この液体貯留部２７は、隔離体１５によって、海水１１と隔離されており、任意の液体（例えば、海水や真水等）２８を貯留する。

垂直軸１６は、鉛直方向に沿って液体貯留部２７内を延びる。垂直軸１６の下端部は、隔離体１５の中心部（液体貯留部の底部に相当）に固定部材３１を介して設けられる。垂直軸１６の上端部には、自在軸受２５の内輪となる球体状の球体部１６ａが取り付けられる。

支柱１７は、複数（この例では３本）設けられる。各支柱１７は、第１フロート１２の上面に固定されると共に鉛直方向に沿って上方に延びる。天板１８は、これら複数の支柱１７に支持され、第１フロート１２および第２フロート１３のそれぞれの上面に対向する。発電機２１は、天板１８の中央部に取り付けられ、風車軸２２に連結される。

風車軸２２は、発電機２１から鉛直方向に沿って下方に延びる。複数の受風体２３Ａ〜２３Ｄは、風車軸２２の周りに放射状に設けられる。この例では、９０°間隔で配置された４個の受風体２３Ａ〜２３Ｄを風車軸２２に上下に２段設ける。なお、受風体２３Ａ〜２３Ｄとして、ここでは、いわゆるパドル（風杯）と呼ばれる半球殻状あるいは半円錐状のものを用いたが、受風体２３Ａ〜２３Ｄの種類は任意である。また、受風体２３Ａ〜２３Ｄの個数や配置は、抗力型風車１０に求められる能力に応じて、任意に変更可能である。

第２フロート１３は、第１フロート１２の内径よりも小さい外径で円環状に形成される。第２フロート１３は、複数の受風体２３Ａ〜２３Ｄの下方近傍に位置する。第２フロート１３は、第１フロート１２の内径部に隙間３２を有して嵌合され、液体２８の液面２８ａに浮かぶ。第２フロート１３の内径部には、円筒部３３が嵌合される。なお、第２フロート１３の内径部を塞ぐため、あるいは、第２フロート１３上面の平滑性を確保するために、第２フロート１３の上面に円板１３ａを設けてもよい。

自在軸受２５は、第２フロート１３の内径部および円筒部３３に埋め込まれる基部２５ａと、基部２５ａから垂直軸１６の先端部に向けて延びる腕部２５ｂと、腕部２５ｂの先端に設けられる軸受け部２５ｃとで構成される。軸受け部２５ｃの内面は、球面状に形成される。軸受け部２５ｃは、垂直軸１６の球体部１６ａに回転自在に嵌合される。

このように軸受け部２５ｃが球体部１６ａに嵌合されることで、第２フロート１３は、自在軸受２５を介して垂直軸１６に支持される。これにより、第２フロート１３は、鉛直軸周りに回転可能になると共に、隙間３２があるため、垂直軸１６に対して傾斜可能である。なお、受風体２３Ａ〜２３Ｄとカバー体２６が接触しないように、第２フロート１３の傾きは制限されるようになっている。

図３に示すように、カバー体２６は、第２フロート１３の上面に固定される。カバー体２６は、風向きＷに対する所定の相対位置（以下、単に「所定の相対位置」と称する。）において、逆風を受ける側の受風体２３Ａを覆い、且つ、順風を受ける側の受風体２３Ｃを風に曝す。

カバー体２６は、平面形状が半円状に形成される半円筒状の部材で構成される。カバー体２６の凹曲面２６ａの半径Ｒ１は、第２フロート１３の半径Ｒ２よりも小さく、且つ、受風体２３Ａ〜２３Ｄの円運動の半径Ｒ３よりも大きく設定される。半円筒状のカバー体２６は、所定の相対位置において、逆風を受ける側の受風体２３Ａに凹曲面２６ａが向き、且つ、第２フロート１３の中心軸Ｃ１よりも風下側に曲率中心Ｃ２が距離δ１だけ偏心している。

そして、このカバー体２６においては、風向きが変化しても所定の相対位置が維持されるように、カバー体２６に作用する流体力の作用線の向きが設定される。

ここで、作用線の向きを設定することによるカバー体２６の動作例を図４〜図６に基づいて説明する。なお、図４〜図６においては、カバー体２６の動作を分かり易くするため、図３に示される抗力型風車１０から第２フロート１３とカバー体２６を抜き出して示す。

図４では、カバー体２６は、逆風を受ける側の受風体２３Ａを覆い且つ順風を受ける側の受風体２３Ｃを風に曝すように、所定の相対位置に位置している。このとき、カバー体２６には、風向きＷに沿う方向の抗力Ｆ１と、風向きＷに直角な方向の揚力Ｆ２が働く。すなわち、カバー体２６には、抗力Ｆ１と揚力Ｆ２の合力である流体力が作用する。所定の相対位置では、カバー体２６に作用する流体力の作用線Ｅが第２フロート１３の中心軸Ｃ１上を通るように設定される。このため、カバー体２６には回転モーメントが生じない。結果、カバー体２６が所定の相対位置に停留する。

図４に示す風向きＷから、例えば、図５（ａ）に示すように、凸曲面２６ｂに風が強く当たる向きに風向きＷが変わる場合、作用線Ｅが第２フロート１３の中心軸Ｃ１から距離Ｌ１だけ外れるように設定される。これにより、カバー体２６には、回転モーメントＭ１が生ずるため、カバー体２６は、図５（ｂ）に示すように、平面視で時計回りに、第２フロート１３と一体的に回転して所定の相対位置に戻る。

図４に示す風向きＷから、例えば、図６（ａ）に示すように、凹曲面２６ａに風が強く当たる向きに風向きＷが変わる場合、作用線Ｅが第２フロート１３の中心軸Ｃ１から距離Ｌ２だけ外れるように設定される。この場合、カバー体２６には、平面視で反時計回りの回転モーメントＭ２が生ずるため、カバー体２６は、図６（ｂ）に示すように、反時計回りに、第２フロート１３と一体的に回転して所定の相対位置に戻る。

このように、本実施形態では、風向きＷが変わっても、カバー体２６が回転して所定の相対位置を維持することにより、逆風を受ける側の受風体２３Ａをカバー体２６で常時覆い、順風を受ける側の受風体２３Ｃを風に常時曝すように、カバー体２６に働く流体力の作用線Ｅの向きが設定される。流体力の作用線Ｅと第２フロート１３の中心軸Ｃ１との関係をみるため、簡易な風洞天秤を使用して計測を行ったところ、風速６ｍ／ｓに対し、以下のような数値が得られた。なお、計測に用いたカバー体２６の模型は半径１００ｍｍ、高さ１５０ｍｍのものである。
・カバー体２６の凸曲面２６ｂを風上に向けた場合、抗力Ｆ１が０．１６Ｎ、揚力Ｆ２が０．１０Ｎ、その合力である流体力が０．１９Ｎであった。
・カバー体２６の凸曲面を風下に向けた場合、抗力Ｆ１が０．４０Ｎ、揚力Ｆ２が０．３４Ｎ、その合力である流体力が０．５２Ｎであった。
・カバー体２６の凸曲面を風向きに対し真横すなわち所定の相対位置に向けた場合、抗力Ｆ１が０．２２Ｎ、揚力Ｆ２が０．１０Ｎ、その合力である流体力が０．２４Ｎであった。

続いて、第２フロート１３の重心Ｇの偏りによる作用を図７〜図９に基づいて説明する。図７（ａ）に示すように、第２フロート１３では、カバー体２６側に距離δ２だけ重心Ｇが偏る。このため、図７（ｂ）に示すように、第２フロート１３は、軸受け部２５ｃを中心に回転し、カバー体２６側を下げるようにして角度θ１で傾斜する。これにより、第２フロート１３のカバー体２６側が液体２８中に沈み込む。この沈み込んだ部分では、第２フロート１３がしっかりと停留する。したがって、逆風を受ける側の受風体２３Ａをカバー体２６で安定的に覆うことができる。

また、図８（ａ）に示すように、第２フロート１３の上面に重錘３６を設けてもよい。ここでは、風向きＷに沿う中心線Ｃ３および風向きＷと直角な方向の中心線Ｃ４により第２フロート１３の上面を４等分した扇状の領域であって、第２フロート１３の重心Ｇが位置する領域（斜線で模式的に示す領域）３５に重錘３６を設ける。この重錘３６により、図８（ｂ）に示すように、第２フロート１３の重心Ｇの偏りがさらに増加するため、停留位置において、第２フロート１３がさらに大きな角度θ２で傾斜する。

これに対して、中心軸Ｃ１を挟んで領域３５と対角方向の扇状の領域内（例えば、図８（ａ）において符号Ｐ１で示す位置）に重錘を設けると、第２フロート１３の重心Ｇの偏りが小さくなるので、第２フロート１３の傾斜が緩和されてしまい、第２フロート１３の停留位置が安定しなくなる。また、中心線Ｃ４を挟んで領域３５とは反対側の扇状の領域内（例えば、図８（ａ）において符号Ｐ２で示す位置）に重錘を設けると、第２フロート１３の停留位置が不安定になる傾向がある。

この点、領域３５に重錘３６を設ける場合、重心Ｇの偏りが確実に増加するため、第２フロート１３の停留位置がより安定的に維持される。また、重錘３６を設けることは、抗力型風車１０の特性を調整するうえで有効な手段でもある。なお、重錘３６の大きさ、形状、質量、個数および配置は、抗力型風車１０に求められる特性に応じて、任意に設定可能である。また、抗力型風車１０の特性を容易に調整可能とするため、第２フロート１３に対して重錘３６を着脱可能に構成することが好ましい。

ところで、第２フロート１３に重錘３６を設けると、回転する第２フロート１３に生ずる慣性力が増し、第２フロート１３が停留しづらくなることが考えられる。この対策として、例えば、空気抵抗を受けて第２フロート１３を制動する抵抗体３７を第２フロート１３の上面に設けたり、図９に示すように、液体２８（図２参照）から抵抗を受けて第２フロート１３を制動する複数のリブ３８を第２フロート１３の下面に放射状に設けたりすることが有効である。

以上、説明した抗力型風車１０の効果について述べる。
抗力型風車１０によれば、所定の相対位置を維持するように、カバー体２６に作用する流体力の作用線Ｅの向きを設定することにより、風向センサや駆動モータ、垂直尾翼等を用いずに、風向きＷの変化にカバー体２６を追従させることができる。結果、カバー体２６自体に方向制御機能を付与することができ、洋上風力発電装置である抗力型風車１０において、構造の簡素化・軽量化を実現することができる。

また、液体貯留部２７が海水１１から隔離されることから、液体２８がダンパーとして機能するため、抗力型風車１０が受ける衝撃（波などによる外力）から第２フロート１３およびカバー体２６を保護することができる。

また、第２フロート１３では重力と浮力が釣り合っている。このため、自在軸受２５には、第２フロート１３等の自重によるスラスト荷重（垂直軸１６の軸方向の荷重）がほとんど加わらない。このため、自在軸受２５の軸受抵抗が大幅に低減する。これにより、第２フロート１３が円滑に回転するため、風向きＷの変化にカバー体２６の向きを迅速に追従させることができ、しかも、垂直軸１６および自在軸受２５の耐久性を高めることができる。

続いて、逆風を受ける側の受風体２３Ａに対する防風効果を確認するための実験例について説明する。なお、本発明は、実験例に限定されるものではない。

（実験例１）
○試験品
試験品には、図２に示される第１フロート１２および隔離体１５の代わりに有底円筒状の水槽を準備し、この水槽に貯留した水に第２フロート１３を浮かべた模型を用いた。模型は、直径３２ｍｍの受風体２３Ａ〜２３Ｄを４個１組で上下２段に計８個組み付けたものであり、風車軸２２の周りに受風体２３Ａ〜２３Ｄが回転する外径は１２０ｍｍ、第２フロート１３の外径は２５０ｍｍである。カバー体２６は半径１００ｍｍ、高さ１５０ｍｍのものである。
○対照品
対照品には、試験品からカバー体２６（図２参照）を取り外した模型を用いた。
○方法
風洞実験設備を用い、受風体２３Ａ〜２３Ｄ（図２参照）に向けて風を発生させ、風速を徐々に上げていき、風速が４（ｍ／ｓ）、６（ｍ／ｓ）、８（ｍ／ｓ）、１０（ｍ／ｓ）のときに、発電機２１（図２参照）で得られる電力を測定した。

○結果
実験例１の結果を図１０（ａ）に示す。
図１０（ａ）に示すように、風速４〜１０（ｍ／ｓ）の全範囲において、カバー体２６（図２参照）の付いた試験品では、カバー体の無い対照品に比べ、約３倍の電力が得られることが示された。

（実験例２）
○試験品
試験品には、実験例１の試験品と同じ模型を用いた。
○対照品
対照品には、実験例１の対照品と同じ模型を用いた。
○方法
風洞実験設備を用い、受風体２３Ａ〜２３Ｄ（図２参照）に向けて風を発生させ、風速を６（ｍ／ｓ）に保ち、発電機２１（図２参照）で得られる電力を経時的に測定した。

○結果
実験例２の結果を図１０（ｂ）に示す。
図１０（ｂ）に示すように、カバー体２６（図２参照）の付いた試験品では、カバー体の無い対照品に比べ、約５倍の電力が得られることが示された。なお、実験例１と実験例２では、試験品で得られる電力と対照品で得られる電力との比率が異なる結果であったが、これは、発電機２１（図２参照）に対する負荷条件の設定の違いが影響していると推察される。

以上の実験例１，２の結果から、カバー体２６を有する抗力型風車１０では、逆風を受ける側の受風体２３Ａに対して高い防風効果が得られ、カバー体の無い発電装置に比べ、少なくとも３倍以上の電力が得られることが確認された。

続いて、本発明に係る抗力型風車の他の例を図１１に基づいて説明する。なお、前述した抗力型風車１０と共通する要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。

前述した抗力型風車１０（図２参照）においては、本発明に係る回転体をフロートで構成して液体に浮かべたが、この他、ターンテーブルで回転体を構成してもよい。

図１１に示すように、抗力型風車４０では、前述した第１フロート１２（図２参照）の代わりに基盤４１を用いる。この基盤４１には、上方に開放した凹部４２が設けられる。凹部４２の中心部には、垂直軸４３が設けられる。凹部４２には、ターンテーブル（回転体に相当）４５が隙間３２を有して嵌合される。ターンテーブル４５は、凹部４２の底面を転動可能なボールベアリング４６に支持されており、垂直軸４３を中心に回転可能である。

カバー体２６は、抗力型風車１０（図２参照）の場合と同様に、所定の相対位置において、逆風を受ける側の受風体２３Ａを覆い且つ順風を受ける側の受風体２３Ｃを風に曝す。このとき、風によりカバー体２６に作用する流体力の作用線がターンテーブル４５の中心軸Ｃ１上を通ることで、所定の相対位置に停留する。一方、風向きが変わったときは、作用線がターンテーブル４５の中心軸Ｃ１から外れてカバー体２６に回転モーメントが生ずることで、ターンテーブル４５と一体的に回転して所定の相対位置を維持する。

この抗力型風車４０によれば、前述した抗力型風車１０（図２参照）と同様に、カバー体２６に作用する流体力の作用線の向きを設定することにより、風向センサや駆動モータ、垂直尾翼等を用いずに、風向きの変化にカバー体２６を追従させることができる。結果、カバー体２６自体に方向制御機能を付与することができ、構造の簡素化・軽量化が実現できる抗力型風車４０を提供することができる。

なお、抗力型風車４０では、ターンテーブル４５を支持する手段として、基盤４１、凹部４２、垂直軸４３およびボールベアリング４６を用いたが、ターンテーブル４５を支持する支持手段は、この他、ターンテーブル４５を支持する軸部材および軸受手段（例えば、図２に示される垂直軸１６および自在軸受２５）をターンテーブル４５の中心に配置した構成などでもよく、ターンテーブル４５を回転可能に支持できる手段であれば、任意である。また、抗力型風車４０においても、より安定的にターンテーブル４５の停留位置を維持するため、抗力型風車１０（図２参照）と同様に、ターンテーブル４５に重錘を設けてもよい。

図１２（ａ）及び（ｂ）は、カバー体２６の傾きとカバー体２６に作用する流体力との関係を示した概念図である。理解を容易にするため、カバー体２６、フロート１３及び垂直軸１６を簡略的に示すのみとしている。

図１２（ａ）に示すように、フロート１３が図面右側に沈み込んだ状態の場合、フロート１３と共にカバー体２６も垂直軸１６に対して内側に傾斜する。この状態で図面右側から左側に向かう風Ｗを受けると、カバー体２６の内壁に沿ってカバー体２６の解放上部に風Ｗが抜ける。このときカバー体２６に作用する流体力Ｆが大きくなり、カバー体２６には強い回転力が生じる。そのため、カバー体２６が停留せず回転し続けることがある。

一方、図１２（ｂ）に示すように、フロート１３が図面左側に沈み込んだ状態の場合、フロート１３と共にカバー体２６も垂直軸１６に対して外側に傾斜する。この状態で図面右側から左側に向かう風Ｗを受けると、カバー体２６に作用する流体力Ｆが（ａ）の場合に比べて小さくなり、カバー体２６の回転力の上昇が抑制される。そのため、カバー体２６の回転が風により押し戻され、所定の位置に停留する。

このような原理を利用して、カバー体２６の構造を適宜変更することができる。例えば、図１３及び図１４は、カバー体の他の形態を図示したものである。これまで説明した抗力型風車１０，４０は、カバー体２６が半円筒状に形成され、第２フロート１３又はターンテーブル４５に対して垂直に設置したものを使用したが、これに代えて、第２フロート１３又はターンテーブル４５の垂直軸１６に対して外側に傾斜するように、平面形状が半円状又は半楕円状に形成され、且つ、正面形状が半円錐台状に形成された傾斜カバー体５０又は正面形状が半漏斗状に形成された傾斜カバー体５１を使用してもよい。

傾斜カバー体５０又は５１の傾斜角は、抗力型風車の設置場所や環境条件等によって適宜設定することができる。傾斜カバー体５０又は５１においては傾斜角が大きいほど強風に対する過度な回転を抑制する効果が高いため、例えば、比較的風が強い場所に抗力型風車を設置する場合は傾斜角を大きくとり、比較的風が弱い場所に抗力型風車を設置する場合は傾斜角を小さくとるなどの変更が可能である。

このような傾斜カバー体５０又は５１を用いることにより、フロートを用いた抗力型風車１０においては、第２フロート１３を傾斜させなくても、カバー体に作用する流体力が垂直に設置したカバー体に作用する流体力よりも小さくなるため、回転体が過度に回転することなくしっかりと停留し、逆風を受ける側の受風体をカバー体で安定的に覆うことができる。基盤を用いた抗力型風車４０においては、フロートのような傾斜状態を形成することができなくても、傾斜カバー体５０又は５１によって予め基盤を傾斜させた状態を形成することができるため、より安定的に回転体を停留することができる。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、前述した実施形態では、抗力型風車１０，４０を示したが、本発明の抗力型風車は、抗力型風車１０，４０を適宜組み合わせたものであってもよい。

また、実施形態では、本発明の抗力型風車をパドル型風車に用いた例を示したが、本発明は、パドル型風車の他、サボニウス型風車、クロスフロー型風車など、作動時に受風体が逆風を受ける様々な種類の抗力型風車に適用可能である。

１０ 抗力型風車（方向自動制御式カバー付抗力型風車）
１１ 海水
１１ａ 海面
１２ 第１フロート（環状のフロート）
１３ 第２フロート（回転体）
１５ 隔離体
１６ 垂直軸
２１ 発電機
２２ 風車軸
２３Ａ〜２３Ｄ 受風体
２５ 自在軸受
２６ カバー体
２６ａ 凹曲面
２７ 液体貯留部
２８ 液体
２８ａ 液面
３５ 領域
３６ 重錘
４０ 抗力型風車（方向自動制御式カバー付抗力型風車）
４３ 垂直軸
４５ ターンテーブル（回転体）
５０ 傾斜カバー体（半円錐台状）
５１ 傾斜カバー体（半漏斗状）
Ｃ１ 中心軸
Ｃ２ 曲率中心
Ｃ３ 中心線
Ｃ４ 中心線
Ｅ 作用線
Ｇ 重心
Ｍ１ 回転モーメント
Ｍ２ 回転モーメント
Ｗ 風向き

Claims (5)

1. 鉛直方向に延びる風車軸と、
   前記風車軸の周りに放射状に設けられる複数の受風体と、
   前記複数の受風体の下方に配置され、鉛直軸周りに回転可能な回転体と、
   前記回転体の上面に固定され、風向きに対する所定の相対位置にて、逆風を受ける側の受風体を覆い且つ順風を受ける側の受風体を風に曝すカバー体と、
   を有し、
   前記カバー体は、風により前記カバー体に作用する流体力の作用線が前記回転体の中心軸上を通ることによって前記所定の相対位置に停留する一方、風向きが変わったときは、前記作用線が前記回転体の中心軸から外れて回転モーメントが生ずることにより、前記回転体と一体的に回転して前記所定の相対位置に戻ることを特徴とする方向自動制御式カバー付抗力型風車。
2. 液体を貯留する液体貯留部と、
   前記液体貯留部の底部に設けられる垂直軸と、を有し、
   前記回転体は、前記液体の液面に浮かぶフロートであり、且つ、前記垂直軸に自在軸受を介して支持されることを特徴とする請求項１に記載の方向自動制御式カバー付抗力型風車。
3. 前記カバー体は、平面形状が半円状に形成される半円筒状の部材であり、前記所定の相対位置において、前記逆風を受ける側の受風体に凹曲面が向き、且つ、前記回転体の中心軸よりも風下側に曲率中心が偏心していることを特徴とする請求項１又は２に記載の方向自動制御式カバー付抗力型風車。
4. 前記カバー体は、平面形状が半円状又は半楕円状に形成され、且つ、正面形状が半円錐台又は半漏斗状に形成された半円筒状の部材であり、前記所定の相対位置において、前記逆風を受ける側の受風体に凹曲面が向き、且つ、前記回転体の中心軸よりも風下側に曲率中心が偏心していることを特徴とする請求項１又は２に記載の方向自動制御式カバー付抗力型風車。
5. 前記風車軸に連結される発電機と、
   前記発電機を支持すると共に前記回転体の外側に配置されて海面に浮かぶ環状のフロートと、
   前記環状のフロートの下部に取り付けられ前記液体貯留部を海水から隔離する隔離体と、を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方向自動制御式カバー付抗力型風車。

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