JP2022108917A - 垂直軸風車 - Google Patents

Abstract

【課題】任意形状の主翼を持つ垂直軸風車に適用可能であり、耐久性が高く、シンプル構造であり、かつ、強風状態における風車回転数は定格回転数（最大回転数）よりも十分に低い状態に抑制される過回転抑制機構を備える垂直軸風車を提供すること。【解決手段】発電部を有する基部と、上記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、上記回転部にアーム２０を介して連結されて垂直軸周りに回転する複数の風車翼１０（主翼１２）と、を備える垂直軸風車であって、アーム２０は、上記回転部と風車翼１０（主翼１２）とを結ぶ回転軸２４の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動アーム２３を有し、可動アーム２３に、上記風車の回転時に生じる遠心力の作用によって可動アーム２３を回転軸周りに傾斜させ、上記風車の回転停止時には可動アーム２３を初期状態に戻す過回転抑制誘導体３０（錘３２）を設ける。【選択図】 図８

Description

この発明は、垂直軸風車に関するもので、更に詳細には、過回転抑制機構を備える垂直軸風車に関するものである。

従来、発電部を有する基部と、上記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、上記回転部にアームを介して連結されて垂直軸周りに回転する複数の風車翼（主翼）と、を備える垂直軸風車は、その性能が風向に依存しないため、構造がシンプルになり、低コスト化に向いているとされている。
また、最近では、小形垂直軸風車を密集配置することにより、単位設置面積当りの出力が、大型の水平軸風車の風力発電所（ウインドファーム）以上に高くなる可能性も示されており、再生可能エネルギーの導入促進において小形垂直軸風車のウインドファーム実現も期待されている。

一方、垂直軸風車は、性能が風向に依存しない特性であるがために、制動コントロールが難しいという一面も有する。すなわち、水平軸風車では尾翼（側翼）などを使用して、風車のロータ面（翼の回転する面）を風向に正対する向きからそらすこと（ファーリング）で、過回転を比較的容易に防止できるが、垂直軸風車では風向に依存しないため、ファーリングは不可能である。そのため、従来の垂直軸風車の制動機構として、主翼の一部あるいはアームの一部に、フラップ（可動部分翼）やスポイラー（突き出し板など）を設けて、それを液圧や空気圧などで駆動・制御して、空力ブレーキとして用いていた。しかし、このような方式は、機構が複雑となり、コストも高くなるため、小形の垂直軸風車に適用することは現実的ではなかった。

そこで、例えば、特許文献１では、垂直軸風車の回転軸と平行な可動翼軸周りに揺動可能な可動翼に錘を取り付け、錘に作用する遠心力によって主翼のピッチ角（揺動角）を変えて回転速度を制御する比較的簡易な方法を提案している。
また、特許文献２，３では、垂直軸風車の主翼の一部に可動翼あるいはスポイラーを取付け、その可動翼あるいはスポイラーに作用する遠心力の作用で可動翼あるいはスポイラーを開閉させて、回転数に依存する受動的空気ブレーキを提案している。

また、目的が過回転抑制機構ではなく、始動性の向上が目的となっているが、特許文献４では、垂直軸風車の主翼の下端に、鉛直下方に可動支持棒の先端に付けた錘を吊り下げ、その錘に働く遠心力の作用で錘と可動支持棒を振り上げ、その動作によって更に強く作用する遠心力の効果によって主翼の向き（ピッチ）を変えて、抗力型から揚力型に風車の特性を切り替える仕組みを提案している。この場合、うまく錘の質量を調整しておけば、ばねなどの弾性体による制限機構なしで特定の回転数以上になった場合に主翼のピッチ角を変えることが可能である。したがって、主翼の初期の向きを約９０度変えて、低回転数状態では揚力型となる配置とし、高回転数状態となって遠心力で動作機構が作動した場合に主翼が抗力型配置となるように設定すれば、特許文献４の提案方法で過回転抑制機構を構成することも可能である。

特開２００７－８５１８２号公報 特開２０１０－２６１４１５号公報 特開２０１１－２７０５４号公報 特開２０１３－２４５５６４号公報

しかし、特許文献１～４に記載の方法では、風車が低速回転している場合に風車の特性を損なわせないようにするため、すなわち、過回転抑制機構が作用しないようにするため、ばねなどの弾性体で、特定の回転数までは錘や可動翼の動作を制限する必要がある。
ただし、特許文献４に記載の方法では、高回転数状態から低回転数状態に戻る際に、錘に作用する重力が復元力となって働き、振りあがった錘自体は鉛直下方に戻るが、ばねなどの弾性体が無ければ、変化した主翼の向きは変化後の向きのままであり、初期の状態には戻らない。

結局、特許文献１～４に記載の方法においては、ばねなどの弾性体で、可動翼あるいはスポイラーなどを元の状態に戻す機構が必要となる。また、いずれも風車の主翼に相当する直線翼を想定した機構であり、円形翼などその他の任意形状の主翼に対しては適用が不可能である。また、ばねなどの弾性体は経年変化によって特性が変わり、耐久性にも問題がある。

更に、遠心力のみによって動作する過回転抑制機構の場合、３０～４０m/sの強風状態あるいは６０m/s近い５０年に１回経験する程度の確率である極値風状態においても、遠心力の作用で風車の過回転が制動される特定の最大回転数までは回転数が増加することになる。一定の回転数以上に風車が至らないという過回転抑制機構の動作が可能であったとしても、非常に高い風速の中で、高回転数で回転する状態が繰り返し発生することは、風車の構造的強度を考えた場合に好ましくなく、一般的には設計時において、風車の強度を高める必要性からコスト増になってしまう。

例えば、図１８に示すように、発電性能的には、強風状態においても高い発電性能が維持されることは好ましく思えるが、現実的には、強風状態にある風車の回転数は、定格回転数（最大回転数）よりも十分に低い状態になるように抑制されることが、過回転抑制機構の理想動作となる。なお、図１８には、過回転制御の有る場合Ｒと無い場合Ｓの２つの風車のパワーカーブが示されている。計算の便宜のため、過回転制御の場合Ｒは、風速１８ｍ／ｓにおいて発電電力Ｐが一定値（９８０．８Ｗ）になると仮定している。また、風速３１ｍ／ｓ以上においては実質的に風速出現率を０とみなせるため、３１ｍ／ｓ以上の発電は行わないと仮定している。

特許文献１～４に記載の方法も、基本的に遠心力のみで錘が駆動されるため、それらを装着した風力発電機の風速依存性は、図１８と同様の特性になると想定され、強風状態の中において高回転数で回転することが予想される。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、任意形状の主翼を持つ垂直軸風車に適用可能であり、耐久性が高く、シンプル構造であり、かつ、強風状態における風車回転数は定格回転数（最大回転数）よりも十分に低い状態に抑制される過回転抑制機構を備える垂直軸風車を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、この発明は、発電部を有する基部と、上記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、上記回転部にアームを介して連結されて垂直軸周りに回転する複数の風車翼と、を備える垂直軸風車であって、上記アームは、上記回転部と上記風車翼とを結ぶ回転軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部を有し、上記可動部に、上記風車の回転時に生じる遠心力の作用によって該可動部を上記回転軸の軸周りに傾斜させ、上記風車の回転停止時には上記可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体が設けられている、ことを特徴とする（請求項１）。

このように構成することにより、風車の回転時に過回転抑制誘導体に働く遠心力の回転方向成分によって過回転抑制誘導体と鉛直方向との間の角度（以下に傾角という）変化に伴ってアームに設けられた可動部が回転軸周りに傾斜し、可動部に空気力による制動力が作用する。また、風車の回転停止時には、可動部が自動的に元の初期状態に戻る。更に、経年変化により特性の変化の虞があるばねなどの弾性体を不要にすることができる。

この発明において、上記アーム及び上記風車翼の取付位置と上記可動部の上記回転軸の取付位置は同一線上に設けられているのが好ましい（請求項２）。
このように構成することにより、アームに働く引っ張りや圧縮に抗するアームの構造的強度が向上する。

また、この発明において、上記過回転抑制誘導体は、上記可動部の下部における上記回転軸に対して回転方向の前縁側又は後縁側の偏倚位置に設けられているのが好ましい（請求項３）。
このように構成することにより、過回転抑制誘導体と鉛直方向との間の傾角が増大し、可動部に空気力による大きな制動力が作用する。

また、この発明において、上記風車翼と上記可動部を含む上記アームのうちの少なくとも上記可動部は、同形状の中空部を有する翼型断面形状に形成されているのが好ましい（請求項４）。
このように構成することにより、風車翼と可動部を構成する部材を共通化することができると共に、可動部を有するアームと風車翼の軽量化が図れる。

また、この発明において、上記過回転抑制誘導体は、上記可動部の下部に連結される支持棒と、該支持棒の先端部に装着される錘とで構成されるか（請求項５）、上記風車翼と同形状の中空部を有する翼型断面形状に形成されているが好ましい（請求項６）。

この場合、過回転抑制誘導体を、風車翼と同形状の中空部を有する翼型断面形状に形成することにより、空気力すなわち水平方向を向く揚力による回転方向成分が発生し、風車の推進力を高めることができる。また、可動部を風車翼と同形状に形成した場合、過回転抑制誘導体が可動部と同形状に形成されることにより、可動部と同形状の過回転抑制誘導体を用いることができる。

また、この発明において、上記アームは、上記回転部に連結される第１固定部と、上記風車翼に連結される第２固定部及び上記第１固定部と上記第２固定部との間に配設される上記可動部とからなり、上記可動部と少なくとも上記第１固定部とは、いずれか一方に突設された回転軸と他方に設けられた軸受とで上記可動部が回転可能に連結されているのが好ましい（請求項７）。

このように構成することにより、可動部の回転を円滑にすることができ、風車の回転による遠心力で軸周りに傾斜した過回転抑制誘導体が、遠心力が小さくなって元の位置に戻るのを円滑にすることができる。

加えて、この発明において、上記可動部又は上記アームの上記可動部側にストッパを設け、上記ストッパによって上記可動部を初期状態において水平姿勢又は風車の回転方向の前縁側が上向き姿勢に支持するのが好ましい（請求項８）。

このように構成することにより、過回転抑制誘導体が回転軸に対して回転方向の前縁側に設けられた場合の初期状態における可動部の前傾を防止し、また、過回転抑制誘導体が回転軸に対して回転方向の後縁側に設けられた場合の初期状態における可動部の後傾を防止することができる。

この発明によれば、上記のように構成されているので、任意形状の主翼を持つ垂直軸風車に適用可能であり、ばねなどの弾性体を不要にし、耐久性が高く、シンプル構造であり、かつ、強風状態における風車回転数は定格回転数（最大回転数）よりも十分に低い状態に抑制することができる。

この発明に係る垂直軸風車の第１実施形態の使用状態を示す概略側面図（ａ）及び（ａ）のＩ部拡大断面図（ｂ）である。 この発明における風車翼と回転部との固定状態を示す斜視図である。 図２ＡのII－II線に沿う断面図である。 この発明における風車翼、アーム、可動部の断面図である。 この発明におけるアーム、可動部、過回転抑制誘導体を構成する錘及び風車翼を示す概略平面図である。 図４のIII部拡大断面図（ａ）及び図４のIV－IV線に沿う拡大断面図（ｂ）である。 風車の低回転数状態の可動部と錘を示す斜視図である。 風車の高回転数状態の可動部と錘を示す斜視図である。 可動部と錘の取付状態を示す断面図である。 可動部と錘の別の取付状態を示す断面図である。 錘を使用した過回転抑制機構の力の作用関係を示す概略平面図（ａ）及び概略側面図（ｂ）である。 この発明に係る垂直軸風車の第２実施形態における風車の低回転数状態の可動部と過回転抑制誘導体を構成する補助翼を示す斜視図である。 風車の高回転数状態の可動部と補助翼を示す斜視図である。 第２実施形態における可動部と補助翼の取付状態の一例を示す断面図である。 この発明に係る垂直軸風車の別の形態を示す概略側面図である。 第１実施形態の錘を使用した実施例１の風車の具体例を示す概略平面図である。 実施例１の風車のトルク特性を示すグラフである。 実施例１の風車の回転数と可動部傾角の風速依存を示すグラフである。 第２実施形態の補助翼を使用した実施例２の風車のトルク特性を示すグラフである。 実施例２の風車の回転数と可動部傾角の風速依存を示すグラフである。 従来の過回転制御が有る場合と無い場合のパワーカーブを示すグラフである。

以下に、この発明を実施するための形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
この発明に係る垂直軸風車１（以下に、単に風車１という）は、図１に示すように、発電部を有する基部２と、基部２に対して垂直軸Ｚ周りに回転する回転部３と、回転部３にアーム２０を介して連結されて垂直軸Ｚ周りに回転する複数（例えば、３枚）の風車翼１０とを備えている。

基部２は、風車１の土台となる部分である。基部２は、風車１の風車翼１０を設置面４から所定の高さに位置させるために所定の高さに形成される脚部２ａと、図示しない発電部を収容する収容部２ｂとを備えている。

回転部３は、風車翼１０が受風したときに基部２に対して垂直軸Ｚ周りに回転する。回転部３は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、風車翼１０が取り付けられて回転する回転ハブ３ａと、回転ハブ３ａの回転軸となり、基部２の収容部２ｂ内に回転可能に支承される軸部３ｂとを備えている。

風車翼１０は、回転部３の回転ハブ３ａに支持されて水平方向に延びるアーム基部５に連結されるアーム２０を介して取り付けられて、回転部３と共に回転する。本実施形態では、風車翼１０は、垂直軸Ｚ周りに等間隔で複数（例えば３枚）設けられている。なお、風車翼１０の枚数はこれに限定されるものではない。

この場合、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、回転ハブ３ａの上下のフランジ３ａ１，３ａ２とアーム基部５を貫通する固定ボルト６とナット(図示せず)をねじ結合して、アーム基部５が固定される。
一方、アーム２０は、後述する風車翼１０を形成する延在部１１、主翼１２及び湾曲部１３と同じ断面形状の中空部１０ａ～１０ｇを有するアルミニウム製の押出形材にて形成されており、図３に示すように、前縁が湾曲し後縁が尖った流線形の断面を有し、複数のリブ１０ｈによって中空部１０ａ～１０ｇが区画されている。また、図２Ｂに示すように、一端の開口側のリブ１０ｈが切り欠かれており、この切欠部１０ｉ内にアーム基部５の他端部が挿入され、アーム２０とアーム基部５に設けられた貫通孔５ａに貫通される連結ボルト６ａにナット（図示せず）をねじ結合して、アーム基部５とアーム２０が連結される。

風車翼１０は、風車１の垂直軸Ｚに近い側が固定部材７によってアーム２０に固定されている。垂直軸Ｚから離れるにつれて互いの間隔が広くなるように回転部３から延びる一対の延在部１１と、風車翼１０の垂直軸Ｚに略平行な方向に沿って延びる主翼１２と、延在部１１と主翼１２とを連結部材（図示せず）によって湾曲状に連結する湾曲部１３とを有する。具体的には、風車翼１０は、側面視で、水平軸Ｘに対して略対称に形成された略三角形状に形成されている。なお、ここでいう略三角形状とは、風車翼１０の全体形状が三角形に近い形状であることをいい、三角形の角部が湾曲したものや、三辺のいずれかが湾曲したものを含む。

風車翼１０を形成する延在部１１、主翼１２及び湾曲部１３は、同じ断面形状の中空部１０ａ～１０ｇを有するアルミニウム製の押出形材にて形成されており、図３に示すように、前縁が湾曲し後縁が尖った流線形の断面を有し、複数のリブ１０ｈによって中空部１０ａ～１０ｇが区画されている。なお、図３においては、６つのリブ１０ｈによって７つの中空部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇを有する場合が示されているが、中空部の形状や数は任意である。また、風車翼１０（延在部１１、主翼１２、湾曲部１３）は、具体的には前縁から後縁までの長さが約３８０mm、表裏面の最大高さが約９１mmに設定されているが、必ずしもこれに限定されるものではない。

風車翼１０を固定する固定部材７は、風車翼１０の延在部１１の基端側の外側面とアーム２０の上面又は下面に当接する当接片を有する鈍角屈曲状の一対の外側ブラケット７ａと、延在部１１の基端側の内側面とアーム２０の上面又は下面に当接する当接片を有する一対の鋭角屈曲状の内側ブラケット７ｂと、一対の外側ブラケット７ａと内側ブラケット７ｂによってそれぞれ延在部１１とアーム２０を挟んだ状態で、アーム２０に延在部１１を固定する固定ボルト７ｃ，固定ナット７ｄとを具備する。

この場合、外側ブラケット７ａと内側ブラケット７ｂは、アルミニウム製鋳物にて形成されており、外側ブラケット７ａの当接片と内側ブラケット７ｂの当接片の当接面は、延在部１１とアーム２０の外面流線形に相似する形状に形成されている。なお、当接片には固定ボルト７ｃが貫通する貫通孔（図示せず）が設けられている。また、アーム２０の中空部１０ｂ，１０ｄ，１０ｆの箇所の表裏面には固定ボルト７ｃが貫通する貫通孔（図示せず）が設けられている。

アーム２０は、回転部３と風車翼１０の主翼１２を結ぶ回転軸２４の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部２３を有し、可動部２３の下部に、風車１の回転時に生じる遠心力の作用によって可動部２３を回転軸２４周りに傾斜させ、風車１の回転停止時には可動部２３を初期状態に戻す過回転抑制誘導体３０が設けられている。

アーム２０は、回転部３に連結される第１固定部２１（以下に第１固定アーム２１という）と、主翼１２に連結部材２５を介して連結される第２固定部２２（以下に第２固定アーム２２という）及び第１固定アーム２１と第２固定アーム２２との間に配設される可動部２３（以下に可動アーム２３という）とで構成されており、可動アーム２３に設けられた水平方向に延在する回転軸２４が第１固定アーム２１と第２固定アーム２２に設けられた軸受２６（例えば転がり軸受）に嵌合されて、可動アーム２３が回転可能に連結されている。なお、アーム２０を構成する第１固定アーム２１、第２固定アーム２２及び可動アーム２３は、風車翼１０と同形状の中空部を有する翼型断面形状に形成されている（図３参照）。なお、以下の説明を分かりやすくするために、第１固定アーム２１、第２固定アーム２２及び可動アーム２３の中空部と風車翼１０の中空部を同一の符号を付してある。

主翼１２と第２固定アーム２２とを連結する連結部材２５は、図１（ｂ）に示すように、主翼１２の内側面と第２固定アーム２２の上面又は下面に当接する一対の直角ブラケット２５ａと、直角ブラケット２５ａの垂直当接片と主翼１２、水平当接片と第２固定アーム２２を貫通する連結ボルト２５ｂと、連結ボルト２５ｂにねじ結合するナット２５ｃとで構成されている。

この場合、回転軸２４は可動アーム２３の中空部１０ｅ内を貫通し、中空部１０ｅの両端部に嵌挿された座金２４ａによって固定され、その突出部が第１固定アーム２１と第２固定アーム２２に設けられた中空部１０ｅ内に挿入される座金２７によって固定された軸受２６によって回転可能に支承されている（図４Ａ（ａ）、図４Ａ（ｂ）参照）。

上記説明では、可動アーム２３に回転軸２４を設け、第１固定アーム２１と第２固定アーム２２に軸受２６を設ける場合について説明したが、必ずしもこのような構造とする必要はない。例えば、第１固定アーム２１と第２固定アーム２２に回転軸２４を突設し、可動アーム２３に軸受２６を設けるようにしてもよい。あるいは、可動アーム２３と少なくとも第１固定アーム２１とは、いずれか一方に突設された回転軸２４と他方に設けられた軸受２６とで可動アーム２３を回転可能に連結してもよい。

上記のように構成することにより、第１固定アーム２１、第２固定アーム２２及び主翼１２の取付位置と可動アーム２３の回転軸２４の取付位置を同一線上に設けることができる。したがって、アーム２０に働く引っ張りや圧縮に抗するアーム２０の構造的強度を高めることができる。

過回転抑制誘導体３０は、可動アーム２３の下部における回転軸２４に対して回転方向の前縁側の偏倚位置に連結される支持棒３１と、該支持棒３１の先端部に装着される球形の錘３２とで構成されている。なお、錘３２は必ずしも球形である必要はなく、球形以外の任意の形状であってもよい。

過回転抑制誘導体３０の可動アーム２３への取付は、例えば、図７Ａに示すように、支持棒３１の基端部に雄ねじ部３１ａを設け、雄ねじ部３１ａを可動アーム２３の中空部１０ｃ内に挿入された座金２８に設けられたねじ孔２８ａにねじ結合することによって可動アーム２３に過回転抑制誘導体３０を取り付けることができる。
また、図７Ｂに示すように、支持棒３１を可動アーム２３の中空部１０ｃの上下部に設けられた貫通孔２３ａ，２３ｂ内を貫通させ、その突出部に設けられた雄ねじ部３１ａにスペーサ３３とワッシャ３４を介してナット３５をねじ結合することによって可動アーム２３に過回転抑制誘導体３０を取り付けるようにしてもよい。

なお、過回転抑制誘導体３０を可動アーム２３の下部における回転軸２４に対して回転方向の前縁側の偏倚位置に連結することで、初期状態において可動アーム２３が前傾姿勢となり、風車１の回転に支障を来す虞がある。これを回避するために可動アーム２３の風車回転方向から見た投影面積がほぼ最小状態となるように、例えば、第１固定アーム２１の可動アーム２３側端部にストッパ４０を突設して可動アーム２３を係止し、可動アーム２３の初期状態を水平姿勢、あるいは、支持棒３１と鉛直方向との間の角度α（傾角α）を微少な角度（１度～５度程度）の上向き姿勢に支持している。

次に、上記のように構成される錘３２を使用した過回転抑制機構を有する風車１の動作態様について、図５，図６，図８を参照して説明する。
風速が高くなり、風車１が高回転数状態になってくると、錘３２に働く遠心力Ｆｃの回転方向成分Ｆ1が大きくなる。この時、(1)可動アーム２３の回転軸周りの可動アーム２３に作用する空気力によるモーメント（抗力及び揚力ＦＬによる取付位置周りのモーメント）、(2)可動アーム２３の重力ＦＧ1によるモーメント、更に(3)錘３２，支持棒３１に作用する空気力によるモーメント（抗力Ｆｒ）、(4)錘３２，支持棒３１の重力ＦＧ2によるモーメントの総和{(1)＋(2)＋(3)＋(4)}による、可動アーム２３を頭下げの方向（前縁が下方に動く向き）に回転させる正味のモーメントが働く。この正味のモーメントに比較して、(5)錘３２に働く遠心力Ｆｃの回転方向成分Ｆ1による頭上げのモーメントが大きくなれば、傾角αは増加する。

その結果、図６及び図８（ｂ）に示すように傾角αが非常に大きくなって、可動アーム２３の風車回転方向から見た投影面積が大きくなり、可動アーム２３には、空気力による大きな制動力Ｆ2が作用し、風車１の過回転を抑制する。ただし、強風状態では、低い回転数状態においても、(1)の可動アーム２３に働く空気力のモーメントが頭上げの方向（前縁が上方に動く向き）に大きくなり、(5)の錘３２に働く遠心力Ｆｃによる頭上げ方向の回転モーメントに比べて支配的となり、大きな制動力Ｆ2を生み出す。その結果として、強風状態では、風車１は低い回転数に抑制される。

可動アーム２３の回転軸２４が風車回転軸（垂直軸Ｚ）と直角（あるいは多少の角度がついていてもよい）になっており、回転軸２４が軸受２６によって支承されているため、遠心力で持ち上げられた錘３２が、遠心力が小さくなって元の位置に戻るときに、可動アーム２３も元の状態に自然に戻ることができ、ばねなどの弾性体が不要である。

上記実施形態では、過回転抑制誘導体３０を可動アーム２３の下部における回転軸２４に対して回転方向の前縁側の偏倚位置に連結した場合について説明したが、過回転抑制誘導体３０を回転軸２４に対して回転方向の後縁側の偏倚位置に連結してもよい。この場合、初期状態において可動アーム２３が後傾姿勢となり、風車１の回転に支障を来す虞がある。これを回避するために上記と同様にストッパ（図示せず）を設けて、可動アーム２３の初期状態を水平姿勢にすればよい。
なお、初期状態において可動アーム２３の頭上げ方向（前縁が上に動く向き）に傾斜する場合は、可動アーム２３が傾斜した際に、鉛直上向きに揚力が働き、風車翼１０やアーム２０（第１固定アーム２１、第２固定アーム２２、可動アーム２３）の重力を緩和するため望ましい。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の風車１は、第１実施形態の過回転抑制誘導体３０の錘３２に代えて、風車翼１０と第１固定アーム２１、第２固定アーム２２、可動アーム２３と同形状の中空部を有する翼型断面形状に形成される補助翼３６を具備する。

第２実施形態における補助翼３６は、風車翼１０と同形状の中空部を有する翼型断面形状に形成されているので、以下の説明において、補助翼３６と風車翼１０の中空部を同一の符号を付して説明する。
第２実施形態における過回転抑制誘導体３０Ａは、可動アーム２３の下部における回転軸２４に対して回転方向の前縁側の偏倚位置に取り付けられる連結棒３７を介して連結される補助翼３６にて構成されている。

過回転抑制誘導体３０Ａの可動アーム２３への取付は、例えば、図１１に示すように、連結棒３７の両端に雄ねじ部３７ａを設け、一端の雄ねじ部３７ａを補助翼３６の中空部１０ｃの上端側に嵌挿された座金３８のねじ孔３８ａにねじ結合して補助翼３６の上方へ突出させ、連結棒３７を可動アーム２３の中空部１０ｃの上下部に設けられた貫通孔２３ａ，２３ｂ内を貫通させ、その突出部に設けられた雄ねじ部３７ａにスペーサ３３とワッシャ３４を介してナット３５をねじ結合することによって可動アーム２３に過回転抑制誘導体３０Ａを取り付ける。ここでは、１本の連結棒３７を用いて可動アーム２３に過回転抑制誘導体３０Ａを取り付けているが、強度を持たせるためには、複数本の連結棒３７を用いて上記と同様に可動アーム２３に過回転抑制誘導体３０Ａを取り付ける方がよい。
なお、連結棒３７を用いずに、主翼１２と第２固定アーム２２を連結すると同様に、ブラケットを介して可動アーム２３の下面に補助翼３６を直接取り付けるようにしてもよい。

第２実施形態では、錘３２に代えて補助翼３６を用いているので、図９、図１０に示すように、錘３２の場合は空気力として抗力のみが作用するため多少の風車１の損失となっていたが、補助翼３６の場合は、風車翼１０の回転方位角（アジマス角）によっては、空気力Ｆａ（水平方向を向く揚力）による回転方向成分Ｆ1が発生し、風車１の推進力になる。したがって、低回転数状態では、風車１の性能向上に寄与する。また、錘３２と比べてデザイン性もよいという長所もある。補助翼３６の翼弦長や形状は、可動アーム２３と同じにする必要はないが、可動アーム２３と同じ形状を補助翼３６に用いることで、錘３２の製作に要するコストの低減にもなり得る。
なお、第２実施形態において、その他の部分は第１実施形態と同じであるので、同一部分には同一符号を付して説明は省略する。

上記のように構成される第２実施形態の風車１においても、風車１が高回転数状態時には、補助翼３６に働く遠心力の回転方向成分による頭上げモーメントが大きくなり、傾角αを増加する。その結果、可動アーム２３には空気力による大きな制動力が作用し、風車１の過回転を抑制する。ただし、強風状態では、低い回転数状態においても、可動アーム２３に働く空気力のモーメントが頭上げの方向（前縁が上方に動く方向）に大きくなり、補助翼３６に働く遠心力による頭上げの方向の回転モーメントに比べて支配的となり、大きな制動力を生み出す。その結果、強風状態では、風車１は低い回転数に抑制される。

＜その他の実施形態＞
（１）上記実施形態では、可動アーム２３の回転軸２４を第１固定アーム２１及び第２固定アーム２２と主翼１２の取付位置と同一線上に一致させたが、第１固定アーム２１及び第２固定アーム２２と主翼１２の取付位置と平行な位置に可動アーム２３の回転軸２４を配置してもよい。
また、可動アーム２３は板状のものであっても差し支えないが、風車翼１０と同形状の中空部を有する翼型断面形状に形成されているのが望ましい。なお、第１固定アーム２１及び第２固定アーム２２の形状は任意の形状であってもよい。

（２）上記実施形態では、固定アームが第１固定アーム２１と第２固定アーム２２の場合について説明したが、固定アームを第１固定アーム２１のみとし、主翼１２に固定（突設）された回転軸２４と可動アーム２３に設けられた軸受２６とで可動アーム２３を回転可能に連結してもよい。また、固定アームを第２固定アーム２２のみとし、可動アーム２３と第２固定アーム２２のいずれか一方に突設された回転軸２４と他方に設けられた軸受２６とで可動アーム２３を回転可能に連結してもよい。

（３）上記実施形態では、可動アーム２３を第１固定アーム２１と第２固定アーム２２の間に配設した場合について説明したが、アーム全体を可動アームとしてもよい。

（４）上記実施形態では風車翼の形状が回転部３から延びる一対の延在部１１と、風車翼１０の垂直軸Ｚに略平行な方向に沿って延びる主翼１２と、延在部１１と主翼１２とを連結部材（図示せず）によって湾曲状に連結する湾曲部１３とを有する略三角形状に形成されたバタフライ型風車について説明した。この発明に係る風車はこれに限定されるものではなく、図１２（ａ）に示すように、水平アーム２０の先端に垂直状主翼１２を取り付けたＨ型ダリウス風車１Ａ（この場合、第１固定アームと第２固定アームは何等かの方法で互いに拘束してあるものとする。）、図１２（ｂ）に示すように、斜めアーム２０の先端に垂直状主翼１２を取り付けたＨ型ダリウス風車１Ｂ（斜めアーム）、あるいは、図１２（ｃ）に示すように、水平アーム２０の先端に円弧状主翼１２を取り付けたダリウス風車１Ｃにも適用できる。

次に、上記錘３２を使用した過回転抑制機構と補助翼３６を使用した過回転抑制機構を備えた風車の実施例（特性計算例）について説明する。

＜実施例１＞
実施例１は、第１実施形態の錘使用の可動アーム式過回転抑制機構を備えた風車の特性計算例である。
図５、図６に示した、第１実施形態の錘使用の可動アーム式過回転抑制機構を、図１３に示すように、直径１４ｍ、高さ１４．２ｍの大きさを持つ、バタフライ型風車に適用した場合の風車特性の計算例を以下に示す。

計算は翼素運動量複合理論（Blade Element Momentum method: BEM）に基づいて行った。翼型は対称翼のアメリカ航空諮問委員会の NACA0018を仮定し、その空力データ（揚力係数・抗力係数・モーメント係数）を用いている。風車翼の形状は図１と同様であり、主翼として三角形状のループを構成し、その中央部に補強材としての水平アームを仮定した。ただし、水平アーム（固定アーム及び可動アーム）の断面も、主翼と同じNACA 0018翼型とし、翼弦長も同じ長さ（３７５mm）を想定した。なお、翼数は３枚を仮定している。発電機は定格１０kWの永久磁石式多極発電機を想定し、増速機として7.5倍速を取り付けることも仮定している。

図１４と図１５は計算結果の一例であるが、想定している増速機付き発電機の負荷トルクを条件として、大きな年間発電量（計算結果では、年平均風速３．７m/sにおいて２１，９８７ kWh）が得られた場合の結果である。この時、可動アーム２３は、水平アーム２０の一部として、風車回転中心から半径方向の５．５ｍから６．８ｍにわたって設置されている（すなわち、可動アーム２３の長さは１．３ｍ）。錘３２は、風車の回転中心Ｃから半径方向の６．１５ｍの位置（すなわち可動アーム２３のスパンの中央位置）にある。錘３２の質量は５ kg (直径１０６ mmのステンレス球)であり、錘支持棒３１の長さは０．５ｍであって、可動アーム２３の前縁から翼弦長の３０％の位置に吊り下げられていると仮定している。主翼１２及び水平アーム２０（第１，第２固定アーム２１，２２＋可動アーム２３）は、その翼弦長の５８％に、図４で示した半径方向に伸びる一点鎖線で示した基準線が一致するように、風車の回転中心Ｃにあるハブ（図示せず）に取り付けられている。なお、水平アーム２０は初期状態において多少頭上げ配置となるように、予め、初期傾角２度が設けられている。

図１４のトルク特性に示されるように、どのような風速（Ｖ）においても、風車のトルク曲線は、増速機付き発電機の負荷トルク曲線と、最大回転数４１．７rpm以下で交点を持つことが予想されている。また、図１５に示す予想動作点における平均回転数と平均傾角の風速依存性に示されるように、風速が増加すると可動アームの平均傾角は増加し、風車の回転数は減少する。

＜実施例２＞
実施例２は、第２実施形態の補助翼使用の可動アーム式過回転抑制機構を備えた風車の特性計算例である。
図１６と図１７は、図９、図１０に示した、補助翼３６を使用した可動アーム式過回転抑制機構を、直径１４ｍ、高さ１４．２ｍの大きさを持つ、バタフライ型風車に適用した場合の風車特性の計算例である。計算方法や想定している発電機・増速機などは、錘が補助翼に変わったこと以外は、図１４及び図１５の計算で仮定した内容と同じである。

図１６と図１７に示す結果は、年間発電量として、年平均風速３．７ m/sにおいて２１，７８７kWhが得られた場合の結果である。この時、可動アーム２３は、風車回転中心から半径方向の５．５ｍから６．８ｍにわたって設置されている（すなわち、可動アーム２３の長さは１．３ｍ）。補助翼３６は、風車の回転中心から半径方向の６．１５ｍの位置（すなわち可動アーム２３のスパン中央位置）にある。補助翼３６は、可動アーム２３の中心から鉛直下方の５０mmから７００mmの長さにわたってあり（補助翼長さは６５０mm）、その質量は４．８７２ kg (アルミニウム製押出形材を仮定)である。補助翼断面内の重心位置(前縁から４２．９３％)は、可動アーム２３の前縁から翼弦長の３０％の位置（１１２．５ mm）に合わせて吊り下げられていると仮定している。主翼１２及び水平アーム２０（第１，第２固定アーム２１，２２＋可動アーム２３）は、その翼弦長の５８％に、図４で示した半径方向に伸びる一点鎖線で示した基準線が一致するように、風車の回転中心Ｃにあるハブ（図示なし）に取り付けられている。なお、水平アーム２０は初期状態において多少頭上げ配置となるように、予め１．２度の傾角が設けられていると仮定している。

図１４の錘使用の場合とほぼ同様に、図１６のトルク特性に示されるように、どのような風速においても、風車のトルク曲線は、増速機付き発電機の負荷トルク曲線と、最大回転数４２．３ rpm以下で交点を持つことが予想されている。また、図１５の錘使用の場合と同様に、図１７に示す予想動作点における平均回転数と平均傾角の風速依存性においても、風速が増加すると可動アーム２３の平均傾角は増加し、風車の回転数は減少することが予想されている。

図１５及び図１７より、錘３２、補助翼３６のいずれの場合でも、風速４０ m/s 以上、あるいは６０ m/s程度の極値風の中でも、風車は最大回転数（約４２ rpm）の半分以下の低い回転数で回転することが予想されている。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 風車
２ 基部
３ 回転部
１０ 風車翼
１１ 延在部
１２ 主翼
１３ 湾曲部
２０ アーム
２１ 第１固定アーム（第１固定部）
２２ 第２固定アーム（第２固定部）
２３ 可動アーム（可動部）
２４ 回転軸
２６ 軸受
３０，３０Ａ 過回転抑制誘導体
３１ 支持棒
３２ 錘
３６ 補助翼
３７ 連結棒
４０ ストッパ
α 傾角
Ｆａ 空気力
Ｆ1 回転方向成分
Ｆ2 制動力
Ｃ 回転中心
Ｘ 水平軸
Ｚ 垂直軸

Claims (8)

1. 発電部を有する基部と、上記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、上記回転部にアームを介して連結されて垂直軸周りに回転する複数の風車翼と、を備える垂直軸風車であって、
   上記アームは、上記回転部と上記風車翼とを結ぶ回転軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部を有し、上記可動部に、上記風車の回転時に生じる遠心力の作用によって該可動部を上記回転軸の軸周りに傾斜させ、上記風車の回転停止時には上記可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体が設けられている、
   ことを特徴とする垂直軸風車。
2. 請求項１に記載の垂直軸風車において、
   上記アーム及び上記風車翼の取付位置と上記可動部の上記回転軸の取付位置は同一線上に設けられている、ことを特徴とする垂直軸風車。
3. 請求項１又は２に記載の垂直軸風車において、
   上記過回転抑制誘導体は、上記可動部の下部における上記回転軸に対して回転方向の前縁側又は後縁側の偏倚位置に設けられている、ことを特徴とする垂直軸風車。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の垂直軸風車において、
   上記風車翼と上記可動部を含む上記アームのうちの少なくとも上記可動部は、同形状の中空部を有する翼型断面形状に形成されている、ことを特徴とする垂直軸風車。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の垂直軸風車において、
   上記過回転抑制誘導体は、上記可動部の下部に連結される支持棒と、該支持棒の先端部に装着される錘とで構成されている、ことを特徴とする垂直軸風車。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載の垂直軸風車において、
   上記過回転抑制誘導体は、上記風車翼と同形状の中空部を有する翼型断面形状に形成されている、ことを特徴とする垂直軸風車。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の垂直軸風車において、
   上記アームは、上記回転部に連結される第１固定部と、上記風車翼に連結される第２固定部及び上記第１固定部と上記第２固定部との間に配設される上記可動部とからなり、上記可動部と少なくとも上記第１固定部とは、いずれか一方に突設された回転軸と他方に設けられた軸受とで上記可動部が回転可能に連結されている、ことを特徴とする垂直軸風車。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の垂直軸風車において、
   上記可動部又は上記アームの上記可動部側にストッパを設け、上記ストッパによって上記可動部を初期状態において水平姿勢又は風車の回転方向の前縁側が上向き姿勢に支持してなる、ことを特徴とする垂直軸風車。

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