JP4361063B2

JP4361063B2 - 風力発電装置

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Publication number: JP4361063B2
Application number: JP2006055366A
Authority: JP
Inventors: 隆信福岡
Original assignee: 隆信福岡
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2026-03-01
Also published as: JP2007009898A

Description

本発明は風力発電装置に関する。特に、遠心力を利用して羽根（ブレード）のピッチ（傾き）が変化する機構を備えた風力発電装置に関する。

風力発電装置は自然エネルギーを利用する、環境面で非常に優れた装置であるが、現在運用あるいは計画されている装置は、維持運営費を含んだ建設費が高価である。従って、発電によって得られる利益が経済的に見合うようにするために、年間風力エネルギー密度が特別に大きな地域でのみ使用されている。

このため、風力発電装置は、国土の非常に限られた狭い地域でのみ運用されて、残る大半の風力エネルギー密度の低い地域では、地域全体では大きな風力エネルギーが得られるにも拘らず経済的に釣り合わないため、運用されるにいたっていない。

風力発電装置が高価となっている主要因として、羽根車の強風対策としての回転速度調整装置の構造が複雑であることが挙げられる。

回転速度調整装置としては、風向方向に対して羽根の傾きを変化させる可変ピッチ方式が一般的に採用されている。

現代の風力発電装置の回転速度調整を行なうための可変ピッチ機構は、羽根車のハブの中に電気制御装置や油圧制御装置が組み込まれており、構造が複雑で高度な精度と強度が要求されるため、装置の製作や維持運営の費用は高価である。

これに対し、羽根車が回転する時に羽根に発生する遠心力を羽根のピッチ変化の駆動力として用いる可変ピッチ方式が従来から提案されている。この手法の一つとしてヘリカル・フェザリング方式がある。

図１はヘリカル・フェザリング方式の概略構成を示した説明図である（例えば非特許文献１参照）。羽根車のハブ１１から放射状に円柱状の支持軸９が伸びている。この支持軸９の外面に、円筒状のスパー４が、支持軸９に対して摺動可能に差し込まれている。支持軸９の外周面に形成されたピン４ａが、スパー４に形成された螺旋状の溝７に嵌入している。スパー４には羽根２が接続されている。羽根２は遠心力対抗用バネ６によりハブ１１の向きに付勢されている。

風５を受けると羽根車が羽根車軸１０を中心として矢印８方向に回転する。このとき、羽根２には遠心力３が発生する。ハブ１１の回転速度が大きくなると、羽根２に発生する遠心力３も大きくなる。遠心力３が遠心力対抗用バネ６の付勢力を越えると、バネ６が伸ばされ、スパー４が支持軸９に対して遠心力３の方向に移動する。この際、ピン４ａが溝７に沿って移動するので、羽根２のピッチが矢印１の方向に変化する。羽根車の回転数が増加すると、遠心力３が大きくなり、羽根２はハブ１１から遠ざかり、羽根２のピッチ変化量が増加する。このようにして、強風時には羽根２の向きと風５の向きとがなす角度を小さくして、羽根２に作用する風圧が過大になるのを防止する。
牛山泉、三野正洋共著、「小型風車ハンドブック」、第２版第２刷、株式会社パワー社、昭和５６年６月３０日、１４６〜１４７頁

このように、ヘリカル・フェザリング方式は簡単な構造を有するが、羽根２に風圧が加えられた状態で支持軸９の外面とスパー４の内面とがスムーズに摺動しながら回転するためには、両者の接触部分に高い精度と強度とが必要であり製作は容易ではなかった。従って、十分に信頼性を有し、実用レベルのヘリカル・フェザリング方式は現在に至るまで実現されていない。

本発明はこのような状況を鑑み、羽根の可変ピッチ機構を備え、安価で製作が容易な風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の風力発電装置は、回転中心軸軸芯線を中心として回転可能なハブと、前記ハブに放射状に設けられた複数の支持アームと、前記複数の支持アームのそれぞれに設けられた複数の羽根と、前記支持アームと前記羽根とをそれぞれ連結する複数の傾斜ヒンジ機構とを備える。

前記支持アームは、前記回転中心軸軸芯線に対して傾斜した傾斜面を有する。前記複数の傾斜ヒンジ機構のそれぞれは、第１ヒンジジョイント及び第２ヒンジジョイントからなり、前記第１ヒンジジョイントの一方の回動部材は前記傾斜面に接続され、前記第１ヒンジジョイントの他方の回動部材は前記第２ヒンジジョイントの一方の回動部材に接続され、前記第２ヒンジジョイントの他方の回動部材は前記羽根に接続されている。

前記第１ヒンジジョイントの第１回動軸軸芯線が前記支持アームの長手方向に対して傾斜しており、前記第１ヒンジジョイントの前記第１回動軸軸芯線と前記第２ヒンジジョイントの第２回動軸軸芯線とはねじれの位置関係にある。
そして、前記第１ヒンジジョイントの前記他方の回動部材と前記第２ヒンジジョイントの前記一方の回動部材とが相互に回動可能に接続されている。または、前記第２ヒンジジョイントの前記他方の回動部材と前記羽根とが相互に回動可能に接続されている。または、前記第１ヒンジジョイントの前記一方の回動部材と前記傾斜面とが相互に回動可能に接続されている。

本発明の第２の風力発電装置は、回転中心軸軸芯線を中心として回転可能なハブと、前記ハブに放射状に設けられた複数の支持アームと、前記複数の支持アームのそれぞれに設けられた複数の羽根と、前記支持アームと前記羽根とをそれぞれ連結する複数の連結機構とを備える。

前記複数の連結機構のそれぞれは、第１回動部材及び第２回動部材を備える。前記第１回動部材は第１回動軸軸芯線を中心として前記支持アームに対して回動可能に前記支持アームに接続されており、前記第２回動部材は第２回動軸軸芯線を中心として前記羽根に対して回動可能に前記羽根に接続されている。前記第１回動部材と前記第２回動部材とが接続されている。

前記第１回動軸軸芯線と前記回転中心軸軸芯線とはねじれの位置関係にあり、前記第１回動軸軸芯線と前記第２回動軸軸芯線とはねじれの位置関係にある。
そして、前記第１回動部材と前記第２回動部材とが相互に回動可能に接続されている。または、前記第２回動軸軸芯線が、前記羽根に対して回動可能である。または、前記第１回動軸軸芯線が、前記支持アームの長手方向と略平行で且つ前記回転中心軸軸芯線に対して傾斜した面内で、前記支持アームに対して回動可能である。

本発明では、支持アームと羽根とを連結する、２つのヒンジジョイントが組み合わされた傾斜ヒンジ機構又は２つの回動部材が組み合わされた連結機構が、羽根に加わる遠心力を駆動力として羽根が支持アームの長手方向に移動する際に、羽根を支持アームの回りに回転させる。これにより、羽根のピッチが遠心力の大きさ（即ち、羽根車の回転速度）に応じてスムーズに変化する。従って、本発明によれば、羽根の可変ピッチ機構を備え、安価で製作が容易な風力発電装置を実現できる。

本発明の風力発電装置は、風上側に対向して、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する、複数枚の羽根を有するプロペラ型羽根車（風車）を備える。図２及び図３は本発明の一実施形態に係る風力発電装置の羽根車の正面図であり、図２は羽根が初期ピッチ状態にある場合を示し、図３は羽根が停止ピッチ状態にある場合を示す。ここで、「初期ピッチ状態」とは、羽根車の回転中心軸軸芯線１０Ａ方向の風に対して羽根が受ける風圧が最大となる状態をいい、「停止ピッチ状態」とは、羽根車の回転中心軸軸芯線１０Ａ方向の風に対して羽根が受ける風圧が最小となる状態をいう。

図示したように、回転中心軸軸芯線１０Ａを中心として矢印８の方向に回転可能なハブ１１に、放射状に等角度間隔で複数の支持アーム１４が設けられている。各支持アーム１４には、２組の傾斜ヒンジ機構５０を介して、羽根１３が連結されている。

図４は図２の支持アーム１４の長手方向に対して垂直なIV−IV線での矢視断面図、図５は図３の支持アーム１４の長手方向に対して垂直なＶ−Ｖ線での矢視断面図である。また、図６は図２の部分VIを回転中心軸軸芯線１０Ａと平行な方向から見た拡大図、図７は図３の部分VIIを回転中心軸軸芯線１０Ａと平行な方向から見た拡大図である。図４及び図６は初期ピッチ状態を示した図であり、図５及び図７は停止ピッチ状態を示した図である。各図には、方向の理解を容易にするために、回転中心軸軸芯線１０Ａと平行で、通常の使用状態において風上となる側を正の側とするＺ軸を併せて示している。

ハブ１１は、回転中心軸軸芯線１０Ａに沿った羽根車軸１０により回転可能に支持されている。風を受けてハブ１１が回転すると、その回転は羽根車軸１０を介してナセル（図示せず）内に設置された増速機で増速され、発電機に伝えられて電気エネルギーが生成される。

支持アーム１４は略短冊形状であり、支持アーム１４の長手方向と略平行で且つ回転中心軸軸芯線１０Ａに対して傾斜した（即ち、垂直でも平行でもない）傾斜面１４ａを有している。

傾斜ヒンジ機構５０は、第１及び第２のヒンジジョイントからなる。第１ヒンジジョイントは、第１回動軸軸芯線５２Ａ上に設けられた一対の第１回動軸５２を介して連結され、第１回動軸軸芯線５２Ａの回りにそれぞれ独立して回動自在な２つのコ字状ブラケット（回動部材）５１，５３を備える。第２ヒンジジョイントは、第２回動軸軸芯線５６Ａ上に設けられた一対の第２回動軸５６を介して連結され、第２回動軸軸芯線５６Ａの回りにそれぞれ独立して回動自在な２つのコ字状ブラケット（回動部材）５５，５７を備える。

第１ヒンジジョイントの一方のコ字状ブラケット５１は支持アーム１４の風上側に向いた傾斜面１４ａに強固に取り付けられており、他方のコ字状ブラケット（第１回動部材）５３は、第２ヒンジジョイントの一方のコ字状ブラケット（第２回動部材）５５と調整軸５４の回りに相互に回動自在に接続されている。第２ヒンジジョイントの他方のコ字状ブラケット５７は羽根１３の裏面（初期ピッチ状態において風を受ける面とは反対側の面）１３ｂに強固に取り付けられている。

ここで、第１ヒンジジョイントの第１回動軸軸芯線５２Ａは、図４及び図５に示すように支持アーム１４の長手方向から見たとき回転中心軸軸芯線１０Ａに対して傾斜しており（即ち、垂直でも平行でもない）、図６及び図７に示すように回転中心軸軸芯線１０Ａと平行な方向から見たとき支持アーム１４の長手方向に対して傾斜している。また、第１回動軸軸芯線５２Ａは支持アーム１４の傾斜面１４ａに平行である。即ち、第１回動軸軸芯線５２Ａと回転中心軸軸芯線１０Ａとはねじれの位置関係にある。

また、第１ヒンジジョイントの第１回動軸軸芯線５２Ａと、第２ヒンジジョイントの第２回動軸軸芯線５６Ａとは、ねじれの位置関係にある。但し、第１ヒンジジョイントと第２ヒンジジョイントとが調整軸５４を介して相互に回動可能に接続されているので、第１回動軸軸芯線５２Ａの方向と第２回動軸軸芯線５６Ａの方向との相対的関係は初期ピッチ状態（図２、図４、図６参照）と停止ピッチ状態（図３、図５、図７参照）との間で滑らかに変化する。

支持アーム１４と羽根１３とが上記のような２組の傾斜ヒンジ機構５０を介して接続されていることにより、回転中心軸軸芯線１０Ａから羽根１３までの距離は、図２に示すＤ０から図３に示すＤ１にまで変化し（Ｄ１＞Ｄ０）、この距離の変化の過程で羽根１３の表面（風を受ける面）１３ａのＺ軸に対する傾き（即ち、羽根１３のピッチ）は図４から図５にまで変化する。即ち、羽根１３は、支持アーム１４を中心として略螺旋状に移動する。

図８はハブ１１の周辺構成を示した正面図である。複数の羽根１３は、同期用羽根間リンク機構２９で相互に連結されている。同期用羽根間リンク機構２９は、回転中心軸軸芯線１０Ａを中心として矢印２８の方向に回転可能に保持された回動アーム２９ａと、回動アーム２９ａと各羽根１３とをそれぞれ連結する連結竿２９ｂとからなる。このため、複数の羽根１３の動きが連動し、全ての羽根１３のピッチが常に同一に保たれる。図８において、実線は初期ピッチ状態を示し、二点鎖線１６は停止ピッチ状態を示す。

回動アーム２９ａと１つの支持アーム１４とは、遠心力対抗用バネ６で接続されている。遠心力対抗用バネ６は、羽根１３を回転中心軸軸芯線１０Ａ側に引き寄せる向きの付勢力を発生する。遠心力対抗用バネ６は、１つのバネであっても良いし、バネ常数が異なる複数のバネを組み合わせたものであっても良い。

上記のように構成された本実施形態の風力発電装置の動作を以下に説明する。

羽根車が停止しており、風が吹き始めるのを待っている待機状態では、羽根１３は、遠心力対抗用バネ６の付勢力を受けて初期ピッチ状態（図２、図４、図６参照）にある。

風の状態は、ナセルの外壁上に設置された風向風速計（図示せず）で常時計測されている。風向風速計が風が吹き始めたのを感知すると、羽根車が風上に向くようナセルを回転させる。

羽根１３及び支持アーム１４が風を受けると、羽根車は回転し始める。羽根車が回転すると、羽根１３にはその回転速度に応じて図８の矢印３に示す方向の遠心力が発生する。風速が大きくなり、羽根車の回転速度が上昇すると、この遠心力３が、遂に遠心力対抗用バネ６による付勢力より大きくなる。これにより、羽根１３は、回転中心軸軸芯線１０Ａから徐々に遠ざかり、初期ピッチ状態（図２、図４、図６参照）から停止ピッチ状態（図３、図５、図７参照）へとスムーズに移動する。停止ピッチ状態では、羽根１３が受ける風圧は小さく、羽根車には回転トルクがほとんど発生しない。よって、強風下で羽根１３に異常な風圧が加えられたり、回転速度が異常上昇したりすることにより、羽根車が破壊されるのを防止することができる。

停止ピッチ状態において、風速が小さくなり、羽根車の回転速度が低下すると、羽根１３に発生する遠心力３が遠心力対抗用バネ６による付勢力より小さくなるので、羽根１３は上記とは逆に移動し、風が止むと初期ピッチ状態に戻る。

このように、遠心力３に対抗して羽根１３を回転中心軸軸芯線１０Ａ側に引き寄せるように作用する遠心力対抗用バネ６を設けることにより、羽根車の回転数に応じて変化する遠心力３と遠心力対抗用バネ６による付勢力とがバランスするように、羽根１３が支持アーム１４の長手方向に移動するので、これに応じて羽根１３のピッチが変化する。

以上のように、本発明の風力発電装置は、外部からの油圧駆動力や電気的な駆動力を必要とせずに、羽根１３に発生する遠心力を主要な駆動力源として羽根１３のピッチを変化させることができる。

本発明では、図８に示すように、遠心力対抗用バネ６にバネ張力調整器３０が直列に接続されていても良い。バネ張力調整器３０としては、例えば油圧式又は電動式の伸縮シリンダのような長さが変化する直動アクチュエータを用いることができる。バネ張力調整器３０の長さを制御するための制御装置は、ハブ１１又はナセル内に設置されていても良く、あるいは地上に設置されていても良い。

更に、回動アーム２９ａと１つの支持アーム１４とが、非常停止用バネ３１で接続されていても良い。非常停止用バネ３１は、上記の遠心力対抗用バネ６とは逆に、羽根１３を回転中心軸軸芯線１０Ａから遠ざける向きの付勢力を発生する。

羽根車が静止した状態では、回動アーム２９ａの回転中心軸軸芯線１０Ａ回りの挙動は、遠心力対抗用バネ６による付勢力と、これと逆向きの、非常停止用バネ３１による付勢力とのバランス点により決定される。このとき、バネ張力調整器３０の長さを変化させれば、このバランス点を任意に変化させることができる。

全ての羽根１３が同期用羽根間リンク機構２９で連結されているので、遠心力対抗用バネ６、バネ張力調整器３０、及び非常停止用バネ３１を個々の羽根１３ごとに設ける必要がない。もちろん、同期用羽根間リンク機構２９を用いずに、個々の羽根１３ごとにこれらを設けても良い。

上記のように、非常停止用バネ３１及びバネ張力調整器３０が更に設けられている場合、以下のような動作を行わせることができる。

羽根車が停止しており、風が吹き始めるのを待っている待機状態では、遠心力対抗用バネ６による付勢力と非常停止用バネ３１による付勢力とのバランス点により、羽根１３のピッチが決定される。このとき、バネ張力調整器３０の長さを変化させれば、このバランス点を任意に変化させることができる。例えば、バネ張力調整器３０の長さを調整し、羽根１３の傾きを始動ピッチ状態としても良い。始動ピッチ状態とは、初期ピッチ状態（図２、図４、図６参照）と停止ピッチ状態（図３、図５、図７参照）との間の状態であって、羽根車の始動トルク（羽根車が回転を始めるために必要なトルク）を最も得られやすい状態をいう。これにより、羽根車の回転を容易に始動させることができる。

羽根車が回転状態に移行すると、バネ張力調整器３０を縮小させて、羽根１３の傾きを初期ピッチ状態としても良い。

また、羽根１３が停止ピッチ状態にあるときに、バネ張力調整器３０を縮小させて、羽根１３が風圧を受けやすい状態に変化させることもできる。

このように、バネ張力調整器３０の長さを調整することにより、羽根車が回転している状態において、羽根１３に発生する遠心力及び非常停止用バネ３１による付勢力の合力と、遠心力対抗用バネ６による付勢力とのバランス点を調整することができるので、羽根１３のピッチを任意に調整することができる。従って、風速とは独立して、羽根車の回転速度を自由に調整することができる。また、羽根車が停止しており、遠心力３が発生していない状態においても、羽根１３のピッチを任意に調整することができる。

これを応用して、例えば、風速、羽根車の回転数、羽根に印加される風圧、発電装置の発電量などを常時検知し、これらの情報をもとにバネ張力調整器３０の長さを調整して羽根１３のピッチを調整することにより、羽根車の回転速度を増加又は減少させても良い。このような制御を行うことにより、最適な状態で風力発電装置を運転することができる。

羽根車が回転中に、何らかの理由により回転を急停止させる必要がある場合には、バネ張力調整器３０を手動により又は自動的に伸長させて、遠心力対抗用バネ６による付勢力を急激にゼロ又は実質的にゼロとすればよい。これにより、羽根１３は非常停止用バネ３１の力を受けて、停止ピッチ状態に急激に移動する。バネ張力調整器３０を伸長させるのではなく、遠心力対抗用バネ６の架張状態を解除することでも、同様の効果が得られる。これにより、台風襲来時、地震発生時、あるいは羽根車の不釣合いによる異常振動発生時等に、風力発電装置の羽根車の回転を任意にまたは自動的に停止させることが可能となる。

上記において、調整軸５４は、第１ヒンジジョイントの第１回動軸軸芯線５２Ａの方向と、第２ヒンジジョイントの第２回動軸軸芯線５６Ａの方向との相対的関係の変化を許容することにより、初期ピッチ状態（図２、図４、図６参照）と停止ピッチ状態（図３、図５、図７参照）との間での羽根１３のスムーズな移動を実現している。但し、羽根１３のスムーズな移動を実現するためには、調整軸５４の位置は上記に限定されない。

例えば、図９に示すように、第２ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５７と羽根１３とが調整軸５４を介して相互に回動可能に接続されていても良い。これにより、第２ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５７及び第２回動軸軸芯線５６Ａと羽根１３との間の相対的角度が調整軸５４を中心としてスムーズに変化する。

あるいは、図１０に示すように、第１ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５１と支持アーム１４とが調整軸５４を介して相互に回動可能に接続されていても良い。これにより、第１ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５１及び第１回動軸軸芯線５２Ａと支持アーム１４との間の相対的角度が調整軸５４を中心としてスムーズに変化する。

図９及び図１０の場合には、第１ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５３と、第２ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５５とは、第１回動軸軸芯線５２Ａと第２回動軸軸芯線５６Ａとが一定のねじれの位置関係を維持して、強固に結合され一体化されている。

図９及び図１０に示した構成でも、上記と同様の本発明の効果が得られる。

上記の実施形態では、支持アーム１４の風上側に向いた傾斜面１４ａに第１ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５１が取り付けられ、初期ピッチ状態において羽根１３の風下側に向く面（裏面）１３ｂに第２ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５７が取り付けられたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１１に示すように、支持アーム１４の風下側に向いた傾斜面１４ｂに第１ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５１が取り付けられ、初期ピッチ状態において羽根１３の風上側に向く面（表面）１３ａに第２ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５７が取り付けられても良い。傾斜面１４ｂは、回転中心軸軸芯線１０Ａに対して傾斜している（即ち、垂直でも平行でもない）。図１１において、実線は初期ピッチ状態を示し、二点鎖線１６は停止ピッチ状態にある羽根１３の位置を示す。このような構成でも、羽根１３は、初期ピッチ状態と停止ピッチ状態との間で、支持アーム１４を中心として矢印３２の方向に螺旋状に移動して、上記と同様の本発明の効果が得られる。

図１１では、調整軸５４を第１ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５３と第２ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５５との接続部分に設けているが、これに代えて、調整軸５４を、第２ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５７と羽根１３との接続部分に、又は、第１ヒンジジョイントのコ字状ブラケット５１と支持アーム１４との接続部分に設けても良いことは上述の通りである。

上記の構成は一例であって、本発明はこのような構成に限定されない。

図１２、図１３は、本発明の更に別の実施形態に係る風力発電装置の羽根車の、支持アーム１４の長手方向と平行な方向から見た断面図である。図１２は初期ピッチ状態を示し、図１３は停止ピッチ状態を示す。

図２〜図１１に示した実施形態では、第１回動軸軸芯線５２Ａ上に設けられた一対の第１回動軸５２は、コ字状ブラケット５１を介して支持アーム１４に接続されていた。また、第２回動軸軸芯線５６Ａ上に設けられた一対の第２回動軸５６は、コ字状ブラケット５７を介して羽根１３に接続されていた。これに対して、図１２、図１３に示す実施形態では、コ字状ブラケット５１が省略されて、第１回動軸軸芯線５２Ａ上に設けられた一対の第１回動軸５２は支持アーム１４に直接固定されている。また、コ字状ブラケット５７が省略されて、第２回動軸軸芯線５６Ａ上に設けられた一対の第２回動軸５６は羽根１３に直接固定されている。

即ち、図１２、図１３に示す実施形態では、支持アーム１４と羽根１３とは、コ字状ブラケット５３，５５からなる連結機構６０によって連結されている。コ字状ブラケット（第１回動部材）５３は第１回動軸軸芯線５２Ａを中心として支持アーム１４に対して回動可能に支持アーム１４に接続されており、コ字状ブラケット（第２回動部材）５５は第２回動軸軸芯線５６Ａを中心として羽根１３に対して回動可能に羽根１３に接続されている。支持アーム１４に設けられた切り込み５８はコ字状ブラケット５３の第１回動軸軸芯線５２Ａ回りの回動を可能にし、羽根１３に設けられた切り込み５９はコ字状ブラケット５５の第２回動軸軸芯線５６Ａ回りの回動を可能にしている。

第１回動軸軸芯線５２Ａと回転中心軸軸芯線１０Ａとはねじれの位置関係にある。第１回動軸軸芯線５２Ａと第２回動軸軸芯線５６Ａとはねじれの位置関係にある。但し、コ字状ブラケット５３とコ字状ブラケット５５とは調整軸５４を介して相互に回動可能に接続されているので、第１回動軸軸芯線５２Ａの方向と第２回動軸軸芯線５６Ａの方向との相対的関係は初期ピッチ状態（図１２参照）と停止ピッチ状態（図１３参照）との間で滑らかに変化する。これらは、図２〜図７に示した実施形態と同じである。

コ字状ブラケット５１を省略し、一対の第１回動軸５２を支持アーム１４に直接固定する場合、支持アーム１４は略短冊形状で且つ回転中心軸軸芯線１０Ａに対して傾斜した傾斜面１４ａ，１４ｂを有している必要はない。例えば、図１４に示すように、支持アーム１４の長手方向に垂直な断面形状は円形であっても良い。もちろん、支持アーム１４の断面形状は、図１４に示す円形に限定されず、楕円形、四角形など任意の形状であっても良い。更に、支持アーム１４は、その断面積がハブ１１から離れるにしたがって小さくなる先細り形状であっても良い。支持アーム１４の形状によっては、図１４に示すように一対の第１回動軸５２を支持アーム１４から突出して設けることにより、図１２、図１３に示したような切り込み５８を支持アーム１４に設けなくても、コ字状ブラケット５３の第１回動軸軸芯線５２Ａ回りの回動を実現できる。同様に、図１４に示すように一対の第２回動軸５６を羽根１３から突出して設けることにより、図１２、図１３に示したような切り込み５９を羽根１３に設けなくても、コ字状ブラケット５５の第２回動軸軸芯線５６Ａ回りの回動を実現できる。

図１２〜図１４に示した実施形態において、一対の第２回動軸５６が図２〜図１１に示したようにコ字状ブラケット５７を介して羽根１３に接続されていても良い。この場合、調整軸５４は、図１２〜図１４に示したようにコ字状ブラケット５３とコ字状ブラケット５５との接続部分に設けても良いが、図９に示したようにコ字状ブラケット５７と羽根１３との接続部分に設けても良い。後者の場合、第２回動軸軸芯線５６Ａが羽根１３に対して調整軸５４を中心として滑らかに回動可能となる。

あるいは、図１２〜図１４に示した実施形態において、一対の第１回動軸５２が図２〜図１１に示したようにコ字状ブラケット５１を介して支持アーム１４に接続されていても良い。この場合、調整軸５４は、図１２〜図１４に示したようにコ字状ブラケット５３とコ字状ブラケット５５との接続部分に設けても良いが、図１０に示したようにコ字状ブラケット５１と支持アーム１４との接続部分に設けても良い。後者の場合、第１回動軸軸芯線５２Ａが、支持アーム１４の長手方向と略平行で且つ回転中心軸軸芯線１０Ａに対して傾斜した面内で、支持アーム１４に対して調整軸５４を中心として滑らかに回動可能となる。

図１２〜図１４に示した実施形態でも、上記と同様の本発明の効果が得られる。

上記の実施形態では、回動部材として、コ字状ブラケット５１，５３，５５，５７を示したが、回動部材の形状はこれに限定されず、回動軸軸芯線の回りに回動可能であれば良い。例えば、蝶番の如き平板状であってもよい。

また、一対の第１回動軸５２は連続する１本の回動軸であっても良い。同様に、一対の第２回動軸５６も連続する１本の回動軸であっても良い。

上記の実施形態では、１つの支持アーム１４と１つの羽根１３とは２つの傾斜ヒンジ機構５０又は２つの連結機構６０を介して連結されていたが、傾斜ヒンジ機構５０又は連結機構６０の数は、２つに限定されず、３つ以上であっても良い。

また、ハブ１１に設けられる支持アーム１４及び羽根１３の数は２つに限定されず、３つ以上であっても良い。

また、遠心力対抗用バネ６及び非常停止用バネ３１は、上記の実施形態で示したような引っ張りコイルバネである必要はない。羽根１３に対して同様の付勢力を付与することができれば、捩りコイルバネ、板ばねなど周知の弾性部材を用いることができる。

上記の実施形態では、羽根車がナセルに対して風上側となるアップウインド形の例を示したが、本発明の風力発電装置はこれに限定されず、羽根車がナセルに対して風下側となるダウンウインド形であっても良い。また、羽根車の回転方向は風上側から羽根車を見たとき、右回転（時計方向回転）形であっても、左回転（反時計方向回転）形であっても良い。

また、羽根車の回転中心軸軸芯線が常に風向きと略平行になるようにナセルを回転させる駆動力源として、アップウインド形の場合は飛行機の垂直尾翼形の尾翼をナセルに設けてその尾翼に加わる風圧を利用しても良いし、ダウンウインド形の場合は羽根車に加わる風圧を利用しても良い。

本発明の利用分野は特に限定はなく、年間風力エネルギー密度の高い地域は勿論、低い地域でも建設可能な風力発電装置として広く利用できる。

ヘリカル・フェザリング方式の概略構成を示した説明図本発明の一実施形態に係る風力発電装置において、初期ピッチ状態にある羽根車の正面図である。本発明の一実施形態に係る風力発電装置において、停止ピッチ状態にある羽根車の正面図である。図２のIV−IV線での矢視断面図である。図３のＶ−Ｖ線での矢視断面図である。図２の部分VIの拡大図である。図３の部分VIIの拡大図である。本発明の一実施形態に係る風力発電装置において、遠心力対抗用バネ、同期用羽根間リンク機構、非常停止用バネ、バネ張力調整器の概略構成を示した羽根車の正面図である。本発明の別の実施形態に係る風力発電装置において、図２のIV−IV線に相当する位置での矢視断面図である。本発明の更に別の実施形態に係る風力発電装置において、図２のIV−IV線に相当する位置での矢視断面図である。本発明の更に別の実施形態に係る風力発電装置において、図２のIV−IV線に相当する位置での矢視断面図である。本発明の更に別の実施形態に係る風力発電装置において、初期ピッチ状態にある羽根車の、支持アームの長手方向と平行な方向から見た断面図である。本発明の更に別の実施形態に係る風力発電装置において、停止ピッチ状態にある羽根車の、支持アームの長手方向と平行な方向から見た断面図である。本発明の更に別の実施形態に係る風力発電装置において、初期ピッチ状態にある羽根車の、支持アームの長手方向と平行な方向から見た断面図である。

符号の説明

１ピッチの角度が変わる方向
２羽根
３遠心力
４スパー
４ａピン
５風
６遠心力対抗用バネ
７螺旋状の溝
８羽根車の回転方向
９支持軸
１０羽根車軸
１０Ａ回転中心軸軸芯線
１１ハブ
１３羽根
１３ａ羽根の表面
１３ｂ羽根の裏面
１４支持アーム
１４ａ，１４ｂ傾斜面
１６停止ピッチ状態
２８リンク機構の動き
２９同期用羽根間リンク機構
２９ａ回動アーム
２９ｂ連結竿
３０バネ張力調整器
３１非常停止用バネ
３２遠心力の強さの変化により羽根が移動する方向
５０傾斜ヒンジ機構
５１コ字状ブラケット（回動部材）
５２第１回動軸
５２Ａ第１回動軸軸芯線
５３コ字状ブラケット（第１回動部材）
５４調整軸
５５コ字状ブラケット（第２回動部材）
５６第２回動軸
５６Ａ第２回動軸軸芯線
５７コ字状ブラケット（回動部材）
５８，５９切り込み
６０連結機構

Claims

回転中心軸軸芯線を中心として回転可能なハブと、前記ハブに放射状に設けられた複数の支持アームと、前記複数の支持アームのそれぞれに設けられた複数の羽根と、前記支持アームと前記羽根とをそれぞれ連結する複数の傾斜ヒンジ機構とを備えた風力発電装置であって、
前記支持アームは、前記回転中心軸軸芯線に対して傾斜した傾斜面を有し、
前記複数の傾斜ヒンジ機構のそれぞれは、第１ヒンジジョイント及び第２ヒンジジョイントからなり、前記第１ヒンジジョイントの一方の回動部材は前記傾斜面に接続され、前記第１ヒンジジョイントの他方の回動部材は前記第２ヒンジジョイントの一方の回動部材に接続され、前記第２ヒンジジョイントの他方の回動部材は前記羽根に接続され、
前記第１ヒンジジョイントの第１回動軸軸芯線が前記支持アームの長手方向に対して傾斜しており、
前記第１ヒンジジョイントの前記第１回動軸軸芯線と前記第２ヒンジジョイントの第２回動軸軸芯線とはねじれの位置関係にあり、
前記第１ヒンジジョイントの前記他方の回動部材と前記第２ヒンジジョイントの前記一方の回動部材とが相互に回動可能に接続されていることを特徴とする風力発電装置。
回転中心軸軸芯線を中心として回転可能なハブと、前記ハブに放射状に設けられた複数の支持アームと、前記複数の支持アームのそれぞれに設けられた複数の羽根と、前記支持アームと前記羽根とをそれぞれ連結する複数の傾斜ヒンジ機構とを備えた風力発電装置であって、
前記支持アームは、前記回転中心軸軸芯線に対して傾斜した傾斜面を有し、
前記複数の傾斜ヒンジ機構のそれぞれは、第１ヒンジジョイント及び第２ヒンジジョイントからなり、前記第１ヒンジジョイントの一方の回動部材は前記傾斜面に接続され、前記第１ヒンジジョイントの他方の回動部材は前記第２ヒンジジョイントの一方の回動部材に接続され、前記第２ヒンジジョイントの他方の回動部材は前記羽根に接続され、
前記第１ヒンジジョイントの第１回動軸軸芯線が前記支持アームの長手方向に対して傾斜しており、
前記第１ヒンジジョイントの前記第１回動軸軸芯線と前記第２ヒンジジョイントの第２回動軸軸芯線とはねじれの位置関係にあり、
前記第２ヒンジジョイントの前記他方の回動部材と前記羽根とが相互に回動可能に接続されていることを特徴とする風力発電装置。
回転中心軸軸芯線を中心として回転可能なハブと、前記ハブに放射状に設けられた複数の支持アームと、前記複数の支持アームのそれぞれに設けられた複数の羽根と、前記支持アームと前記羽根とをそれぞれ連結する複数の傾斜ヒンジ機構とを備えた風力発電装置であって、
前記支持アームは、前記回転中心軸軸芯線に対して傾斜した傾斜面を有し、
前記複数の傾斜ヒンジ機構のそれぞれは、第１ヒンジジョイント及び第２ヒンジジョイントからなり、前記第１ヒンジジョイントの一方の回動部材は前記傾斜面に接続され、前記第１ヒンジジョイントの他方の回動部材は前記第２ヒンジジョイントの一方の回動部材に接続され、前記第２ヒンジジョイントの他方の回動部材は前記羽根に接続され、
前記第１ヒンジジョイントの第１回動軸軸芯線が前記支持アームの長手方向に対して傾斜しており、
前記第１ヒンジジョイントの前記第１回動軸軸芯線と前記第２ヒンジジョイントの第２回動軸軸芯線とはねじれの位置関係にあり、
前記第１ヒンジジョイントの前記一方の回動部材と前記傾斜面とが相互に回動可能に接続されていることを特徴とする風力発電装置。
回転中心軸軸芯線を中心として回転可能なハブと、前記ハブに放射状に設けられた複数の支持アームと、前記複数の支持アームのそれぞれに設けられた複数の羽根と、前記支持アームと前記羽根とをそれぞれ連結する複数の連結機構とを備えた風力発電装置であって、
前記複数の連結機構のそれぞれは、第１回動部材及び第２回動部材を備え、
前記第１回動部材は第１回動軸軸芯線を中心として前記支持アームに対して回動可能に前記支持アームに接続されており、
前記第２回動部材は第２回動軸軸芯線を中心として前記羽根に対して回動可能に前記羽根に接続されており、
前記第１回動部材と前記第２回動部材とが接続されており、
前記第１回動軸軸芯線と前記回転中心軸軸芯線とはねじれの位置関係にあり、
前記第１回動軸軸芯線と前記第２回動軸軸芯線とはねじれの位置関係にあり、
前記第１回動部材と前記第２回動部材とが相互に回動可能に接続されていることを特徴とする風力発電装置。
回転中心軸軸芯線を中心として回転可能なハブと、前記ハブに放射状に設けられた複数の支持アームと、前記複数の支持アームのそれぞれに設けられた複数の羽根と、前記支持アームと前記羽根とをそれぞれ連結する複数の連結機構とを備えた風力発電装置であって、
前記複数の連結機構のそれぞれは、第１回動部材及び第２回動部材を備え、
前記第１回動部材は第１回動軸軸芯線を中心として前記支持アームに対して回動可能に前記支持アームに接続されており、
前記第２回動部材は第２回動軸軸芯線を中心として前記羽根に対して回動可能に前記羽根に接続されており、
前記第１回動部材と前記第２回動部材とが接続されており、
前記第１回動軸軸芯線と前記回転中心軸軸芯線とはねじれの位置関係にあり、
前記第１回動軸軸芯線と前記第２回動軸軸芯線とはねじれの位置関係にあり、
前記第２回動軸軸芯線が、前記羽根に対して回動可能であることを特徴とする風力発電装置。
回転中心軸軸芯線を中心として回転可能なハブと、前記ハブに放射状に設けられた複数の支持アームと、前記複数の支持アームのそれぞれに設けられた複数の羽根と、前記支持アームと前記羽根とをそれぞれ連結する複数の連結機構とを備えた風力発電装置であって、
前記複数の連結機構のそれぞれは、第１回動部材及び第２回動部材を備え、
前記第１回動部材は第１回動軸軸芯線を中心として前記支持アームに対して回動可能に前記支持アームに接続されており、
前記第２回動部材は第２回動軸軸芯線を中心として前記羽根に対して回動可能に前記羽根に接続されており、
前記第１回動部材と前記第２回動部材とが接続されており、
前記第１回動軸軸芯線と前記回転中心軸軸芯線とはねじれの位置関係にあり、
前記第１回動軸軸芯線と前記第２回動軸軸芯線とはねじれの位置関係にあり、
前記第１回動軸軸芯線が、前記支持アームの長手方向と略平行で且つ前記回転中心軸軸芯線に対して傾斜した面内で、前記支持アームに対して回動可能であることを特徴とする風力発電装置。