JP4917010B2 - 風車及び風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風車及び風力発電装置に関する。

従来の風車としては、回転（動力）軸が水平方向に延びる水平回転軸型の風車と、回転軸が垂直（鉛直）方向に延びる垂直回転軸型の風車とが知られている。一般的に、風力発電においては、水平回転軸型の風車が用いられることが多い。これは、垂直回転軸型の風車と比較して、羽根に生じる揚力を回転力とする水平回転軸型の風車は、風力をより効率的にエネルギーに変換することができるためである。

ところが、水平回転軸型の風車は、回転軸及び羽根が風向方向に対して対向していなければ、十分な回転力を得ることができず、また、風向方向に対応して回転軸及び羽根を風向に対向させるためには、装置全体を回転させるような大がかりな装置が必要となる。また、効率的な発電用動力を得るためには、装置（羽根）の大型化が必要であるが、大型化に伴い、回転軸を地上からかなり離れた位置（少なくとも羽根の回転半径分だけ地上から離れた位置）に設置しなければならない。加えて、回転軸から発電用動力を得る発電機自体も回転軸付近に設置することが好ましいため、装置全体の重心が比較的高くなってしまうおそれがある。そのため、耐強風性の低下を招いてしまう等、不安定な設置状態となってしまうことが懸念される。また、大型化された羽根の先端は、速い速度（風速の５倍程度）で回転し得るため、風切り音が発生してしまい、騒音問題を招いてしまうおそれがある。

これに対して、羽根に生じる抗力を回転力とする垂直回転軸型の風車（例えば、パドル型風車、サボニウス型風車、クロスフロー型風車等）は、風向に左右されることなく回転することができ、また、発電機を高所に配置する必要がないため、安定した設置状態を実現することができる。加えて、羽根の回転速度は風速を上回ることがないため、風切り音の発生を防止することができる。

しかしながら、垂直回転軸型の風車においては、回転軸を挟んで一方側に位置する羽根は追い風を受けるため、十分な回転力を得ることができるが、他方の羽根は向かい風を受けることになってしまう。その結果、回転効率が低下してしまうおそれがある。

そこで、垂直方向に延びる回転支持軸によって羽根を回転可能に支持するとともに、当該回転支持軸を前記垂直回転軸の回転に対して、反対方向に、かつ、半分の回転量で回転させる技術が提案されている（例えば、特許文献１等参照）。これにより、垂直回転軸を挟んで一方に位置する羽根は風向と対向し、十分な回転力を得ることができるとともに、他方の羽根は向かい風に対して平行な向きとなり、向かい風の影響を最小限に抑えることができる。その結果、回転効率の向上を図ることができる。
特開２００２−２４２８１５号公報

しかしながら、上記技術を採用した場合であっても、風車の回転始動のために必要な風速（カットイン速度）は依然として大きい。そのため、動作可能な風速帯域もおのずと狭いものとなってしまい（すなわち、低風速の風力はエネルギーとして得ることができず）、風力の有効的な利用を図ることができないおそれがある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的小さなカットイン速度であっても始動可能とすることで、動作可能な風速帯域を拡大することができ、風力の効率的なエネルギー変換を図ることができる風車及び当該風車を備えた抗力型風力発電装置を提供することにある。

以下、上記目的を解決するのに適した各手段につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。

手段１．鉛直方向に延びる動力軸と、
当該動力軸の外周方向に延び、前記動力軸とともに回転する回転支持手段と、
鉛直方向に延びるとともに、前記回転支持手段に対して相対回転可能に支持される複数の回転支持軸と、
前記各回転支持軸に対応して一対ずつ設けられ、当該回転支持軸を挟むようにして各回転支持軸に支持される風受け板とを備える風車において、
前記動力軸の回転方向と反対方向に、前記動力軸の回転量の半分の回転量で前記回転支持軸を回転させるとともに、風向及び前記回転支持軸の前記動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、前記風受け板を風向に対して直交させる板向調節機構と、
前記回転支持軸から一方の風受け板までの水平距離、及び、前記回転支持軸から他方の風受け板までの水平距離を相違させることで、前記回転支持軸に回転モーメントを発生させるべく、前記一対の風受け板を前記回転支持軸に対して水平方向に相対移動させる板位置調節機構と、
前記回転支持軸の回転モーメントを前記動力軸の回転力に変換可能な回転力変換機構とを備えることを特徴とする風車。

尚、「板向調節機構」としては、例えば、動力軸の回転方向と反対方向に、動力軸の回転量の半分の回転量で回転支持軸を回転させ、かつ、風向及び回転支持軸の動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置で、風受け板を風向に対して直交させるように動力軸の回転に同期して回転支持軸を回転させるサーボモータ及び同期制御装置からなる装置等を挙げることができる。また、「板位置調節機構」としては、動力軸の回転に同期して制御されるラック・アンド・ピニオン等で、水平方向に摺動可能に支持された風受け板を移動（摺動）させること等によって実現することができる。また、「回転力変換機構」としては、回転支持軸の回転モーメントを動力軸に対して伝達可能なベルトやチェーン等を挙げることができる。加えて、「風受け板」とあるのは、厳密に板状のものに限られるものではなく、例えば、フレームに布等を張ったもの等、風を受けることが可能なものであればよい。

上記手段１の風車は、垂直回転軸型の風車であるため、水平回転軸型の風車によって生じ得る設置状態の不安定化等の不具合が発生しないものとなる。また、風向に対応すべく装置全体を回転させるような装置を設ける必要がない。一方で、垂直回転軸型の風車は、水平回転軸型の風車と比較して回転効率が低下してしまうおそれがある。

この点、本手段１によれば、装置全体を動かすことなく風向及び回転支持軸の動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、風受け板を風向に対して直交（対向）させることができる。すなわち、風受け板が風向と同方向に回転（公転）し、風から最も大きな力を得ることができる位置（「最大受風位置」という）において、風受け板の正面（背面）を風に対向させることができ、大きな回転力を得ることができる。

一方で、前記最大受風位置から、風向及び回転支持軸の動力軸を回転軸とする回転方向が逆方向となる箇所、すなわち風受け板に対して向かい風が当たり、最も大きな抵抗力が加えられる位置（以下「最大抵抗位置」という）に至るまでの間に、風受け板は動力軸の回転量（１８０度）の半分（９０度）だけ回転（自転）させられる。このため、最大抵抗位置においては、風受け板の側面が風と対向することとなる。これにより、向かい風の影響を極力抑制し、動力軸に生じる回転力が減少してしまうことを抑制することができる。

さらに、板向調節機構によって、風受け板は、動力軸の回転方向と反対方向に、動力軸の回転量の半分の回転量で回転（自転）するが、同時に風受け板は、動力軸を回転軸として回転（公転）するため、結果として、風受け板は、動力軸の回転方向と同一方向に動力軸の回転量の半分の回転量で回転する。そのため、最大受風位置及び最大抵抗位置間において、風受け板は、板面に生じる反力及び揚力によって、動力軸回りの回転力を生じさせることが可能な向きに傾くこととなる。

以上のように、板向調節機構を設けることによって、回転効率の低下を効果的に抑制することができるとともに、風力を効率的に動力軸の回転力として得ることができる。

さらに、本手段１によれば、板位置調節機構によって、回転支持軸から一方の風受け板までの水平距離、及び、回転支持軸から他方の風受け板までの水平距離を相違させることができる。その結果、一方の風受け板によって回転支持軸回りに発生する回転モーメントと、他方の風受け板によって回転支持軸回りに発生する回転モーメントとの間に差を生じさせることができ、ひいては回転支持軸自体に回転モーメントを発生させることができる。併せて、回転力変換機構によって、当該回転支持軸に生じた回転モーメントを動力軸の回転力に変換することができる。これにより、比較的小さな風速であっても、動力軸の回転に十分な回転力を発生させることができ、カットイン速度の低下を図ることができる。その結果、動作可能な風速帯域の拡大を図ることができる。

以上、板向調節機構と、板位置調節機構及び回転力変換機構とが組み合わされることによって、風力を効率的に動力軸の回転力とすることができるとともに、利用可能な風速帯域の拡大を図ることができる。その結果、極めて効率的な風力のエネルギー変換を図ることができる。

手段２．前記一対の風受け板間の間隙に対応して設けられ、当該間隙における風の通過を抑制する風遮蔽板を具備することを特徴とする手段１に記載の風車。

前記板位置調節機構によって、回転支持軸と風受け板との水平距離を変更させた場合、両風受け板の間には間隙が生じてしまい、風からの力を十分に得ることができないおそれがある。

この点、上記手段２によれば、風受け板間の間隙に対応して風遮蔽板が設けられており、当該風遮蔽板によって、風受け板間の間隙における風の通過を抑制することができる。このため、風受け板及び風遮蔽板によって、風からの力を十分に得ることができるとともに、回転支持軸で生じる回転モーメントを一層大きなものとすることができる。これにより、動作可能な風速帯域を一層拡大することができるとともに、風力の一層効率的なエネルギー変換を図ることができる。

手段３．前記板位置調節機構は、風向及び前記回転支持軸の前記動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、前記回転支持軸から一方の風受け板までの水平距離を最大とする一方で、前記回転支持軸から他方の風受け板までの水平距離を最小とすることを特徴とする手段１又は２に記載の風車。

上記手段３によれば、最大受風位置において、回転支持軸から一方の風受け板までの水平距離が最大とされる一方で、回転支持軸から他方の風受け板までの水平距離が最小とされる。これにより、回転支持軸に生じる回転モーメントをより一層大きなものとすることができ、カットイン速度の低下を一層効果的に図ることができる。

手段４．前記一方の風受け板は、風向及び前記回転支持軸の前記動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、前記他方の風受け板よりも前記動力軸に近接した位置に存在していることを特徴とする手段３に記載の風車。

上記手段４によれば、基本的には上記手段３と同様の作用効果が奏されることとなる。加えて、本手段４では、最大受風位置において、回転支持軸から最も離れた一方の風受け板が、他方の風受け板よりも動力軸に近接した位置に存在している。これにより、風受け板が動力軸を回転軸として回転（公転）した際に必要となるスペースを必要最小限なものとすることができる。その結果、風力の効率的なエネルギー変換を図りつつ、装置の小型化を図ることができる。

手段５．前記板位置調節機構は、
前記動力軸の回転方向と反対方向に、前記動力軸の回転量と等しい回転量で回転可能であるとともに、鉛直方向に延びる直線部及び当該直線部から側方に向けて突設されたクランク部を有する板位置調節用回転軸と、
前記クランク部及び前記一対の風受け板の端部を連結する一対の連結棒と、
前記回転支持軸の回転力を前記板位置調節用回転軸の回転力として伝達する歯車機構とによって構成されることを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の風車。

板位置調節機構を構成するに際しては、上記手段１で例示した動力軸の回転に同期して制御されるラック・アンド・ピニオン等を用いることが考えられる。ところが、ラック・アンド・ピニオンを動作させるための動力源や同期制御装置等が必要となり、コストの増大を招いてしまうおそれがある。

この点、本手段５によれば、板位置調節機構は、クランク部を有する板位置調節用回転軸と、クランク部及び風受け板の端部を連結する連結棒と、回転支持軸の回転力を板位置調節用回転軸の回転力として伝達する歯車機構とから構成されている。ここで、歯車機構によって、別段の動力源を要することなく、動力軸の回転方向と反対方向に、動力軸の回転量と等しい回転量で板位置調節用回転軸を回転させることができる。併せて、ラック・アンド・ピニオンや同期制御装置等の複雑な装置を必要とすることなく、比較的簡易な構成で板位置調節機構を実現することができるため、コストの増大を効果的に抑制できる。

尚、板位置調節用回転軸、連結棒、及び、歯車機構の動作について説明すると、次のようになる。すなわち、歯車機構を介して回転軸の回転力が伝達されることで、動力軸の回転方向と反対方向に、動力軸の回転量と等しい回転量で板位置調節用回転軸が回転させられる。これにより、クランク部は常に同一の方向を向くこととなる。

一方で、当該クランク部に連結棒を介して連結された風受け板は、動力軸の回転に伴い、回転支持軸を回転軸として回転（自転）する。このため、風受け板とクランク部との水平距離は、動力軸の回転に伴い変化することとなる。より詳しくは、一方の風受け板が回転支持軸に接近していく一方で、他方の風受け板が回転支持軸から離間していき、動力軸が１回転すると、他方の風受け板が回転支持軸に接近していく一方で、一方の風受け板が回転支持軸から離間していくようにして風受け板とクランク部との水平距離が変化する（但し、動力軸が１回転しても、回転支持軸は半回転しかしないため、一対の風受け板を区別しなければ、動力軸の１回転中に風受け板は常に同じように動くこととなる）。以上のように、クランク部を有する板位置調節用回転軸、連結棒、及び、歯車機構によって、回転支持軸から一方の風受け板までの水平距離、及び、回転支持軸から他方の風受け板までの水平距離を相違させることができる。その結果、回転支持軸に回転モーメントを発生させる板位置調節機構としての機能が実現される。

尚、クランク部の向きを風向と直交する方向とすることで、風向及び回転支持軸の動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、回転支持軸から一方の風受け板までの水平距離が最大とされる一方で、回転支持軸から他方の風受け板までの水平距離が最小とされる。そのため、上記手段３と同様の作用効果が奏されることとなる。

手段６．前記板向調節機構及び前記回転力変換機構は、共通の構成により実現されていることを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載の風車。

上記手段６によれば、板向調節機構及び回転力変換機構が、共通の構成により実現されている。このため、装置の大型化及び複雑化を防止することができる。

尚、板向調節機構及び回転力変換機構を実現する共通の構成としては、例えば、次述する手段７の構成を挙げることができる。

手段７．前記板向調節機構及び前記回転力変換機構は、共通の構成としての、
前記動力軸の中心軸と同一の中心軸を有する第１の傘歯車と、
風向及び前記回転支持軸の前記動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、前記風受け板を風向に対して直交可能とすべく、風向に対応して前記第１の傘歯車を回転させるとともに、当該第１の傘歯車の回転動作を除いて、前記第１の傘歯車を不動状態とする風向調整手段と、
前記回転支持軸の中心軸と同一の中心軸を有し、前記回転支持軸に固定される第２の傘歯車と、
一端部に第３の傘歯車を具備するとともに、他端部に第４の傘歯車を具備し、当該第３の傘歯車及び第４の傘歯車を連結する棒状の転送軸を有する回転転送軸とで実現されており、
前記回転転送軸は、前記第１の傘歯車に対し前記第３の傘歯車を噛合させるとともに、前記第２の傘歯車に対し前記第４の傘歯車を噛合させることで、前記第１の傘歯車及び前記第２の傘歯車に対して相互に回転力を伝達可能であり、
前記第１の傘歯車に対して前記第３の傘歯車の上部又は下部が噛合される一方で、前記第２の傘歯車に対して前記第４の傘歯車の下部又は上部が噛合され、かつ、
前記第１の傘歯車の歯数及び前記第４の傘歯車の歯数を乗算して得た値と、前記第２の傘歯車の歯数及び前記第３の傘歯車の歯数を乗算して得た値との比が１：２とされていることを特徴とする手段１乃至６のいずれかに記載の風車。

尚、「風向調整手段」は、例えば、風向を測定する風向計と、自身のモータ軸に第１の傘歯車と噛合される歯車を有するサーボモータと、前記風向計の風向データから、風向及び回転支持軸の動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、風受け板を風向に対して直交させるために、第１の傘歯車の必要な回転量を演算し、当該演算結果に基づいて前記サーボモータを制御する演算装置（コントローラ）とから構成することができる。また、「風向調整手段」として、第１の傘歯車に連結され、風向に対応して当該第１の傘歯車を回転可能な風見鶏を用いることとしてもよい。加えて、「前記第１の傘歯車に対して前記第３の傘歯車の上部又は下部が噛合される一方で、前記第２の傘歯車に対して前記第４の傘歯車の下部又は上部が噛合され」とあるのは、例えば、第１の傘歯車に対して第３の傘歯車の上部が噛合されている場合には、第２の傘歯車に対して第４の傘歯車の下部が噛合されるという意味である。

上記手段７によれば、板向調節機構及び回転力変換機構が、第１の傘歯車、第２の傘歯車、第３、第４の傘歯車を有する回転転送軸、及び、風向調整手段という共通の構成によって実現されているため、上記手段６と同様の作用効果が奏される。

ここで、本手段７における板向調節機構及び回転力変換機構を実現する第１、第２の傘歯車、回転転送軸、及び、風向調整手段の動作について説明する。

まず、板向調節機構としての動作について説明すると、風向調整手段によって、風向に対応した回転量だけ第１の傘歯車が回転され、風向及び回転支持軸の動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置で、風受け板が風向に対して直交（対向）する状態とされる。また、第１の傘歯車を回転させた後（風向に対応させた後）、風向調整手段によって、前記第１の傘歯車が不動状態とされる。すなわち、第１の傘歯車は回転可能ではあるが、風向調整手段によってのみ回転可能であり、風向が一定であれば不動状態とされる。

そして、風を受けた風受け板が動力軸を回転軸として回転（公転）する（動力軸が回転する）ことによって、不動状態の第１の傘歯車に噛合された第３の傘歯車が第１の傘歯車の外周に沿って回転するとともに、第３の傘歯車が自身の中心軸を回転軸として回転する。第３の傘歯車の回転力は、転送軸を介して第４の傘歯車に伝達され、第４の傘歯車が回転する。そして、当該第４の傘歯車が回転することで、第４の傘歯車に噛合された第２の傘歯車が回転する。

このとき、第１の傘歯車に対して第３の傘歯車の上部（下部）が噛合される一方で、第２の傘歯車に対して前記第４の傘歯車の下部（上部）が噛合されているため、第２の傘歯車は、動力軸の回転方向と反対方向に回転（自転）し、ひいては回転支持軸が動力軸と反対方向に回転（自転）する。

また、第１の傘歯車の歯数及び第４の傘歯車の歯数を乗算して得た値と、第２の傘歯車及び第３の傘歯車の歯数を乗算して得た値との比が１：２となっているため、第２の傘歯車（回転支持軸）は、動力軸の回転量の半分の回転量だけ回転（自転）する（但し、風受け板が動力軸を回転軸として回転（公転）するため、結果として、風受け板は動力軸の回転方向と同一の回転方向であって、動力軸の回転量の半分の回転量で回転することとなる）。以上のように、上記手段７によって、動力軸の回転方向と反対方向に、動力軸の回転量の半分の回転量で回転支持軸を回転させることができるとともに、風向及び回転支持軸の動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、風受け板を風向に対して直交（対向）させる板向調節機構が実現される。

次いで、回転力変換機構としての動作について説明すると、回転支持軸に回転モーメントが発生することで、当該回転支持軸に固定される第２の傘歯車に回転モーメントが発生する。第２の傘歯車に発生した回転モーメントは、第４の傘歯車及び転送軸を介して、第３の傘歯車に回転力を生じさせる。第３の傘歯車は、その伝達された回転力によって、不動状態にある第１の傘歯車の外周を回転する。その結果、動力軸に回転力が発生することとなり、回転力変換機構としての機能が実現されることとなる。

また、本手段７では、板向調節機構及び回転力変換機構は、第１、第２の傘歯車、第３、第４の傘歯車を有する回転転送軸、及び、風向調整手段という比較的簡易な構成から実現することができる。従って、コストの増大をより一層抑制することができる。

尚、第１の傘歯車に代えて、動力軸に対して歯車を外嵌するとともに、第２の傘歯車に代えて、回転支持軸に対して歯車を外嵌し、さらに、回転転送軸に代えて、両歯車同士を連結するタイミングベルトやチェーンベルト等を設けることによって板向調節機構及び回転力変換機構を実現することも考えられる。

ところが、風からより大きな力を得るために装置（特に、風受け板）の大型化を図る場合には、動力軸を回転軸とした風受け板の回転半径の増大を図る必要があるが、装置の大型化を図ると、ベルトを長くせざるを得ず、ベルトの弛みが懸念される。ベルトの弛みを防止するためには、高頻度でのメンテナンスが必要となるため、メンテナンスコストが増大してしまい、また、ベルトが弛んでしまうと、動作の不安定化を招いてしまうおそれがある。

さらに、複数組の風受け板を設けようとすると、上下方向に複数段のベルトや歯車を設ける必要があるため、装置が上下方向に大型化してしまい、ひいては設置状態の不安定化等の不具合を招いてしまうおそれがある。

これに対して、本手段７によれば、回転力の伝達は棒状の転送軸を介して行われるため、装置の大型化を図った場合であっても、ベルトを介して行った場合に生じ得るベルトの弛み等の問題が発生しない。このため、動作の不安定化やメンテナンスコストの増大を招くことなく、比較的容易に装置の大型化を図ることができる。

また、複数組の風受け板を設ける場合には、第１の傘歯車を中心として複数の回転転送軸を放射状に配置すればよく、装置の上下方向への大型化を防止することができ、設置状態の安定化を図ることができる。

手段８．鉛直方向に延びる動力軸と、
当該動力軸の外周方向に延び、前記動力軸とともに回転する回転支持手段と、
鉛直方向に延びるとともに、前記回転支持手段に対して相対回転可能に支持される複数の回転支持軸と、
前記各回転支持軸に対応して一対ずつ設けられ、当該回転支持軸を挟むようにして各回転支持軸に支持される風受け板とを備える風車であって、
前記一対の風受け板間の間隙に対応して設けられる風遮蔽板と、
前記動力軸の中心軸と同一の中心軸を有する第１の傘歯車と、
風向及び前記回転支持軸の前記動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、前記風受け板を風向に対して直交可能とすべく、風向に対応して前記第１の傘歯車を回転させるとともに、当該第１の傘歯車の回転動作を除いて、前記第１の傘歯車を不動状態とする風向調整手段と、
前記回転支持軸の中心軸と同一の中心軸を有し、前記回転支持軸に固定される第２の傘歯車と、
一端部に第３の傘歯車を具備するとともに、他端部に第４の傘歯車を具備し、さらに、当該第３の傘歯車及び第４の傘歯車を連結する転送軸を有し、前記第１の傘歯車に対し前記第３の傘歯車を噛合させるとともに、前記第２の傘歯車に対し前記第４の傘歯車を噛合させることで、前記第１の傘歯車及び前記第２の傘歯車に対して相互に回転力を伝達可能な回転転送軸と、
前記動力軸の回転量と等しい回転量で、前記動力軸の回転方向と反対方向に回転可能であるとともに、鉛直方向に延びる直線部及び当該直線部から側方に向けて突設されたクランク部を有する板位置調節用回転軸と、
前記クランク部及び前記一対の風受け板の前記回転支持軸側の端部を連結する一対の連結棒と、
前記第２の傘歯車に連結され、前記回転支持軸の回転力を前記板位置調節用回転軸の回転力として伝達する歯車機構とを備え、
前記第１の傘歯車に対して前記第３の傘歯車の上部又は下部が噛合される一方で、前記第２の傘歯車に対して前記第４の傘歯車の下部又は上部が噛合されるとともに、
前記第１の傘歯車の歯数及び前記第４の傘歯車の歯数を乗算して得た値と、前記第２の傘歯車の歯数及び前記第３の傘歯車の歯数を乗算して得た値との比が１：２とされていることを特徴とする風車。

上記手段８によれば、上記手段１等と同様の作用効果が一挙に奏されることとなる。

手段９．上記手段１乃至８のいずれかに記載の風車を具備することを特徴とする風力発電装置。

上記手段９によれば、発電機を具備する風力発電装置において上記手段１〜８の思想を適用される。すなわち、風力発電装置として使用された場合に、上記各手段の作用効果が奏されることとなる。

以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１，２，３，４に示すように、本実施形態における風力発電装置１は、発電機２と、当該発電機２の発電用動力を発生可能な風車３と、当該風車３を地上に支持するための支持フレーム４とを備える。

発電機２は、例えば、地上に設置されており、後述する風車３の動力軸１１からの回転力に基づいて発電可能なものである。当該発電機２の構成は、公知のものであるため、ここでのこれ以上の説明を省略する。

風車３は、前記発電機２から鉛直上方に延びる軸線Ｃを中心軸とする動力軸１１、及び、当該動力軸１１からその外周方向に向けて設けられた回転支持手段としての回転支持台１２等を備えるものである（詳細については後述する）。

支持フレーム４は、板状の上支持部５及び下支持部６を備えている。当該上支持部５及び下支持部６の四隅は、地上から延びる複数本（本実施形態では、４本）の支持柱７に対してそれぞれ固定されており（図４参照）、上支持部５及び下支持部６は共に水平な状態で、互いに平行に配設固定されている。また、上支持部５の中心部分及び下支持部６の中心部分には軸線Ｃ方向に貫通する孔部１７，１８が形成されており（図２，３参照）、当該孔部１７，１８にはベアリング８，９を介して、動力軸１１が相対回転可能に支持されている。これにより、動力軸１１ひいては風車３が支持フレーム４に対し、相対回転可能となっている。

次いで、本発明の特徴である風車３について詳細に説明する。

風車３は、前述の通り、動力軸１１及び回転支持台１２を備えるものである。

動力軸１１は、風力発電装置１の平面視において、時計回りに回転可能に構成されている。

回転支持台１２は、動力軸１１の上部から外周方向に延びる上テーブル１３と、動力軸１１の下部から外周方向に延びる下テーブル１４と、両テーブル１３，１４の端部同士を連結する複数（本実施形態では、２本）のテーブル連結柱１５とを備えている。

また、両テーブル１３，１４の間には、第１風受け手段１０ａ，第２風受け手段１０ｂが、前記動力軸１１を挟むようにして対称位置に配設されている。第１風受け手段１０ａ，第２風受け手段１０ｂは、それぞれ鉛直方向に延びるとともに、両テーブル１３，１４に対して相対回転可能に支持される回転支持軸２１ａ，２１ｂを備えている。より詳しくは、両テーブル１３，１４の端部側には、鉛直方向に貫通する孔が形成されているとともに、各孔にベアリング１６ａ，１６ｂを介して、前記回転支持軸２１ａ，２１ｂを挿通させ、上下方向に位置決めすることで、回転支持軸２１ａ，２１ｂが両テーブル１３，１４に対して相対回転可能に支持されている。回転支持軸２１ａ，２１ｂは、それぞれ上テーブル１３に支持される上部回転支持軸２２ａ，２２ｂと、下テーブル１４に支持される下部回転支持軸２３ａ，２３ｂとから構成されている。より詳しくは、下部回転支持軸２３ａ，２３ｂの端部は、下テーブル１４に設けられたスラストベアリングによって軸受されており、その結果、回転支持軸２１ａ，２１ｂの抜け防止が図られている。また、回転支持軸２１ａ，２１ｂには、自身の中心軸方向に延びる貫通孔が形成されている。

さらに、第１風受け手段１０ａ，第２風受け手段１０ｂは、回転支持軸２１ａ，２１ｂから、水平方向に及び、断面略コ字状をなす支持アーム２４ａ，２４ｂを備えている。より詳しくは、第１風受け手段１０ａの支持アーム２４ａは、上部回転支持軸２２ａから水平方向に延びる上部支持アーム２５ａ、及び、下部回転支持軸２３ａから水平方向に延びる下部支持アーム２６ａから構成されている。また、第２風受け手段１０ｂの支持アーム２４ｂも、上部回転支持軸２２ｂから水平方向に延びる上部支持アーム２５ｂ、及び、下部回転支持軸２３ｂから水平方向に延びる下部支持アーム２６ｂから構成されている。加えて、第１風受け手段１０ａの上部支持アーム２５ａの四隅及び下部支持アーム２６ａの四隅同士は、鉛直方向に延びる複数（本実施形態では４本）の支持アーム支柱３０ａによって連結されている（図４参照）。また、第２風受け手段１０ｂの上部支持アーム２５ｂ及び下部支持アーム２６ｂについても、これらの四隅同士が鉛直方向に延びる複数の支持アーム支柱３０ｂによって連結されている。また、各支持アーム２４ａ，２４ｂの内側側面には、水平方向に延びる複数のスライド溝２９ａ１，２９ａ２，２９ｂ１，２９ｂ２が形成されている。

さらに、第１風受け手段１０ａの支持アーム２４ａには、一対の風受け板３１ａ，３２ａが支持アーム２４ａに沿って水平方向に摺動（スライド）可能に支持されている。また、第２風受け手段１０ｂの支持アーム２４ｂにも、一対の風受け板３１ｂ，３２ｂが支持アーム２４ｂに沿って水平方向に摺動可能に支持されている。より詳しくは、第１風受け手段１０ａの風受け板３１ａは、上端部分及び下端部分から回転支持軸２１ａに向けて水平方向に延びるガイドアーム３３ａを備えており、当該ガイドアーム３３ａが前記スライド溝２９ａ１に対して摺動可能に嵌め込まれている。また、第１風受け手段１０ａの風受け板３２ａは、上端部分及び下端部分から回転支持軸２１ａに向けて延びるガイドアーム３４ａを備えており、当該ガイドアーム３４ａが前記スライド溝２９ａ２に摺動可能に嵌め込まれている。同様に、第２風受け手段１０ｂについても、風受け板３１ｂ，３２ｂは、それぞれ上端部分及び下端部分から水平方向に延びるガイドアーム３３ｂ，３４ｂを備えており、ガイドアーム３３ｂが前記スライド溝２９ｂ１に、ガイドアーム３４ｂが前記スライド溝２９ｂ２に摺動可能に嵌め込まれている。

尚、本実施形態では、単に「摺動可能」と表記しているが、ローラやベアリング等を介設することで、より円滑なスライドを実現することとしてもよい。また、本実施形態では、前記ガイドアーム３３ａ，３４ａ及びガイドアーム３３ｂ，３４ｂは、上記のように、上下方向にずれた状態で嵌めこまれているため、ガイドアーム３３ａ，３４ａ同士及びガイドアーム３３ｂ，３４ｂ同士が接触してしまうことを防止できるようになっている。

このように風受け板３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂが、回転支持軸２１ａ，２１ｂ等を介して回転支持台１２に対して支持されているため、風受け板３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂが風を受けることによって、回転支持台１２ひいては動力軸１１を回転させることができるようになっている。

また、風受け板３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは、板状をなすとともに、風受け板３１ａ，３２ａの回転支持軸２１ａ側の端縁部の上下方向略中央，及び、風受け板３１ｂ，３２ｂの回転支持軸２１ｂ側の端縁部の上下方向略中央には、切り欠きが形成されている。また、当該切り欠きには、鉛直方向に延びる棒状部材３５ａ，３５ｂが設けられている。

加えて、第１風受け手段１０ａの一端側の支持アーム支柱３０ａから他端側の支持アーム支柱３０ａにかけて一対の風遮蔽板３６ａが設けられており、また同様に、前記風受け手段１０ｂの一端側の支持アーム支柱３０ｂから他端側の支持アーム支柱３０ｂにかけて一対の風遮蔽板３６ｂが設けられている。風遮蔽板３６ａは、風受け板３１ａ，３２ａ間に形成される間隙を覆うようにして設けられており、風遮蔽板３６ｂもまた、風受け板３１ｂ，３２ｂ間に形成される間隙を覆うようにして設けられている。さらに、風遮蔽板３６ａ，３６ｂには、後述するクランク部６５ａ，６５ｂ及び連結棒６３ａ，６３ｂの回転を妨げないように、クランク部６５ａ，６５ｂ及び連結棒６３ａ，６３ｂの回転経路に対応して切り欠き部３７ａ，３７ｂが形成されている。

さらに、風車３は、板向調節機構４１ａ，４１ｂを備えている。本実施形態において、板向調節機構４１ａ，４１ｂは、前記上支持部５に固定状態で設置された風向調整手段としての風向調整機１９と、前記軸線Ｃを中心軸とする動力軸歯車機構４２と、水平方向に延び、前記第１風受け手段１０ａ及び第２風受け手段１０ｂにそれぞれ対応する回転転送軸４３ａ，４３ｂと、前述した回転支持軸２１ａ，２１ｂに固定される第２の傘歯車４４ａ，４４ｂとから構成されている。尚、後に詳述するが、板向調節機構４１ａ，４１ｂは、回転支持軸２１ａ，２１ｂに生じる回転モーメントを動力軸１１の回転力に変換する回転力変換機構としての機能も備えている。すなわち、本実施形態において、板向調節機構４１ａ，４１ｂとしての機能、及び、回転力変換機構としての機能は共通の構成によって実現されている。

風向調整機１９は、風向を測定するための風向計と、後述する内蔵歯車を回転させるためのサーボモータと、前記風向計によって得られた風向データに基づいて前記サーボモータを制御するためのコントローラとを備える（それぞれ図示せず）。ここで、コントローラは、風向計から得られた風向を随時記憶できるようになっており、直前の風向と風向計から得られた現在の風向とを比較して、回転転送軸４３ａ，４３ｂを介して、風受け板３１ａ，３２ａ（或いは、風受け板３１ｂ，３２ｂ）が風向に対して直交（正対）するために必要なサーボモータの回転量を演算する。また、コントローラは、当該演算された回転量に基づいてサーボモータを制御する。加えて、コントローラは、風向に変化がない場合には、サーボモータが回転しないように制御する。

さらに、風向調整機１９は、その内部に図示しない内蔵歯車を備えており、当該内蔵歯車は、前記動力軸歯車機構４２のうち次述する上部歯車４５に対して噛合されている。尚、前記内蔵歯車は、サーボモータによってのみ回転可能となっている。換言すれば、コントローラによってサーボモータが回転しないように制御されている場合、すなわち、風向に変化がない場合には、内蔵歯車は不動状態とされる。

動力軸歯車機構４２は、前述の上部歯車４５と、第１の傘歯車としての下部傘歯車４６と、上部歯車４５及び下部傘歯車４６を連結する筒状部４７とから構成されている。上部歯車４５、下部傘歯車４６、及び、筒状部４７は軸線Ｃを中心軸としており、下部傘歯車４６及び筒状部４７は、軸線Ｃを中心軸として延びる挿通孔４８を有している。そして、当該挿通孔４８に対して、動力軸１１の上部が挿通されており、動力軸歯車機構４２は、動力軸１１の外周を、前記動力軸１１とは独立して回転可能となっている。但し、前述のように、前記内蔵歯車は、サーボモータによってのみ（すなわち、風向の変化があったときのみ）回転するように構成されている。そのため、風向に変化がなければ、前記内蔵歯車に噛合される上部歯車４５、ひいては動力軸歯車機構４２は回転することなく、風向調整機１９（支持フレーム４）に対して不動状態となる。

前記回転転送軸４３ａ，４３ｂは、水平方向に延びる棒状の転送軸４９ａ，４９ｂと、当該転送軸４９ａ，４９ｂの動力軸１１側端部に連結され、前記下部傘歯車４６に噛合される第３の傘歯車５０ａ，５０ｂと、前記転送軸４９ａ，４９ｂの回転支持軸２１ａ，２１ｂ側端部に連結される第４の傘歯車５１ａ，５１ｂとから構成されている。転送軸４９ａ，４９ｂは、前記上テーブル１３に立設された複数の軸支部５２ａ，５２ｂによって回転可能に支持されている。より詳しくは、軸支部５２ａ，５２ｂには、水平方向に延びるようにして形成された貫通孔にベアリング５３ａ，５３ｂが設けられており、当該ベアリング５３ａ，５３ｂを介して、転送軸４９ａ，４９ｂが回転可能に支持されている。加えて、本実施形態において、第３の傘歯車５０ａ，５０ｂ及び第４の傘歯車５１ａ，５１ｂは、同じ歯数を有するものとされている。

また、前記第２の傘歯車４４ａ，４４ｂは、回転支持軸２１ａ，２１ｂの中心軸と同一の中心軸を有するようにして回転支持軸２１ａ，２１ｂの上部に連結されている。当該第２の傘歯車４４ａ，４４ｂには、回転支持軸２１ａ，２１ｂに形成された貫通孔から連続し、当該貫通孔と同一内径を有する貫通孔が形成されている。さらに、第２の傘歯車４４ａ，４４ｂは、前記第４の傘歯車５１ａ，５１ｂに対して噛合されている。

加えて、本実施形態において、第２の傘歯車４４ａ，４４ｂの歯数は、前記下部傘歯車４６の歯数の２倍とされている。これにより、第２の傘歯車４４ａ，４４ｂは、下部傘歯車４６の回転量の半分の回転量だけ回転するようになっている。また、動力軸１１が回転した場合、当該回転に伴い不動状態にある下部傘歯車４６に対して第３の傘歯車５０ａ，５０ｂが噛合された回転転送軸４３ａ，４３ｂが自身の中心軸を回転軸として回転し、第２の傘歯車４４ａ，４４ｂは、動力軸１１の回転量の半分の回転量だけ回転することとなる。その結果、第２の傘歯車４４ａ，４４ｂに連結された回転支持軸２１ａ，２１ｂについても、第２の傘歯車４４ａ，４４ｂと同様の回転をすることとなり、ひいては回転支持軸２１ａ，２１ｂに支持された風受け板３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂについても第２の傘歯車４４ａ，４４ｂと同様の回転をすることとなる。すなわち、動力軸１１の回転量の半分の回転量だけ、風受け板３１ａ，３２ａが回転支持軸２１ａを回転軸として回転し、風受け板３１ｂ，３２ｂが回転支持軸２１ｂを回転軸として回転する。尚、風受け板３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの回転方向に関しては、下部傘歯車４６に対して第３の傘歯車５０ａ，５０ｂの上部が噛合されるとともに、第２の傘歯車４４ａ，４４ｂに対して第４の傘歯車５１ａ，５１ｂの下部が噛合されるため、風受け板３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは、動力軸１１の回転方向とは反対方向に回転する。

加えて、風車３は、風受け板３１ａ，３２ａと回転支持軸２１ａとの水平距離，及び、風受け板３１ｂ，３２ｂと回転支持軸２１ｂとの水平距離を変更するための板位置調節機構６１ａ，６１ｂを備えている。当該板位置調節機構６１ａ，６１ｂは、板位置調節用回転軸６２ａ，６２ｂと、連結棒６３ａ，６３ｂと、歯車機構としての風受け板歯車機構６４ａ，６４ｂとから構成されている。

板位置調節用回転軸６２ａ，６２ｂは、鉛直方向に延びる直線部６６ａ，６６ｂと、当該直線部から６６ａ，６６ｂから側方に向けて突設されたクランク部６５ａ，６５ｂとを有するものである。上側に位置する直線部６６ａ，６６ｂは、前記上部回転支持軸２２ａ，２２ｂ及び第２の傘歯車４４ａ，４４ｂに形成された貫通孔に挿通されている。また、下側に位置する直線部６６ａ，６６ｂは、前記下部回転支持軸２３ａ，２３ｂの貫通孔に挿通されている
連結棒６３ａは、前記クランク部６５ａ及び前記風受け板３１ａ，３２ａの棒状部材３５ａを連結するものであり、連結棒６３ｂは、前記クランク部６５ｂ及び風受け板３１ｂ，３２ｂの棒状部材３５ｂを連結するものである。より詳しくは、連結棒６３ａ，６３ｂは、その両端部に孔部を有しており、一端側の孔部に対して、クランク部６５ａ，６５ｂが挿通されており、他端側の孔部に対して、棒状部材３５ａ，３５ｂが挿通されている。

また、クランク部６５ａ，６５ｂは板位置調節用回転軸６２ａ，６２ｂの鉛直方向略中央部分に設けられている。そして、後述する風向調整機１９の作用によって、クランク部６５ａ，６５ｂは、風向と直交する向きであって、図９の水平方向（右方向）を向くようになっている。

尚、本実施形態において、回転支持軸２１ａ（２１ｂ）から風受け板３１ａ，３２ａ（３１ｂ，３２ｂ）までの水平距離は、常に前記支持アーム２４ａ（２４ｂ）の水平方向長さの半分よりも小さいものとされている。これにより、風受け板３１ａ，３２ａ（３１ｂ，３２ｂ）がスライド溝２９ａ１，２９ａ２（２９ｂ１，２９ｂ２）から脱落してしまうことを防止できるようになっている。

風受け板歯車機構６４ａ，６４ｂは、第１回転伝達歯車７１ａ，７１ｂと、回転方向変換歯車７２ａ，７２ｂと、第２回転伝達歯車７３ａ，７３ｂとを備えている。

第１回転伝達歯車７１ａ，７１ｂは、回転支持軸２１ａ，２１ｂの上部において、第２の傘歯車４４ａ，４４ｂよりも上方に配設され、前記回転支持軸２１ａ，２１ｂの中心軸と同一の中心軸を有するものである。また、第１回転伝達歯車７１ａ，７１ｂには、前記回転支持軸２１ａ，２１ｂ及び第２の傘歯車４４ａ，４４ｂが有する貫通孔から連続し、同一の内径を有する貫通孔が形成されている。また、当該貫通孔には、前記板位置調節用回転軸６２ａ，６２ｂの直線部６６ａ，６６ｂの上部が挿通されている。

前記回転方向変換歯車７２ａ，７２ｂは、上部歯車７４ａ，７４ｂと、下部歯車７５ａ，７５ｂと、上部歯車７４ａ，７４ｂ及び下部歯車７５ａ，７５ｂを連結するようにして鉛直方向に延びる軸部７６ａ，７６ｂとから構成されている。上部歯車７４ａ，７４ｂは、第２回転伝達歯車７３ａ，７３ｂに対して噛合されており、下部歯車７５ａ，７５ｂは、前記第１回転伝達歯車７１ａ，７１ｂに対して噛合されている。ここで、回転方向変換歯車７２ａ，７２ｂは、上テーブル１３から鉛直上方へ延びる縦面部７７ａ，７７ｂと、当該縦面部７７ａ，７７ｂの上端部から動力軸１１方向へと延びる横面部７８ａ，７８ｂとから構成される歯車支持アーム７９ａ，７９ｂによって回転可能に支持されている。より詳しくは、横面部７８ａ，７８ｂには、鉛直方向に向けて貫通形成された一対の孔にベアリング８１ａ，８１ｂ及びベアリング８２ａ，８２ｂが設けられており、前記軸部７６ａ，７６ｂがベアリング８１ａ，８１ｂを介して、回転可能に支持されている。また、板位置調節用回転軸６２ａ，６２ｂは、ベアリング８２ａ，８２ｂを介して、前記歯車支持アーム７９ａ，７９ｂに回転可能に支持されている。

前記第２回転伝達歯車７３ａ，７３ｂは、前記板位置調節用回転軸６２ａ，６２ｂの直線部６６ａ，６６ｂの上部に連結されており、当該直線部６６ａ，６６ｂの中心軸と同一の中心軸を有するものである。

ここで、前記第１回転伝達歯車７１ａ，７１ｂの歯数、及び、前記下部歯車７５ａ，７５ｂの歯数は同数とされており、一方、第２回転伝達歯車７３ａ，７３ｂの歯数は、前記上部歯車７４ａ，７４ｂの歯数の半分となっている。従って、第２回転伝達歯車７３ａ，７３ｂは、前記第１回転伝達歯車７１ａ，７１ｂの２倍の回転数で回転することとなる。これにより、第１回転伝達歯車７１ａ，７１ｂに連結されている回転支持軸２１ａ，２１ｂの回転数の２倍の回転数で、第２の回転伝達歯車７３ａ，７３ｂに連結されている板位置調節用回転軸６２ａ，６２ｂが回転する。結果として、前述の通り、回転支持軸２１ａ，２１ｂは、動力軸１１の半分の回転量で回転（自転）するため、板位置調節用回転軸６２ａ，６２ｂは、動力軸１１と同じ回転量で回転（自転）することとなる。

また、第１回転伝達歯車７１ａ，７１ｂ及び第２回転伝達歯車７３ａ，７３ｂ間は、回転方向変換歯車７２ａ，７２ｂを介して回転力が伝達されるため、第１回転伝達歯車７１ａ，７１ｂの回転方向及び第２回転伝達歯車７３ａ，７３ｂの回転方向は同一方向となる。従って、板位置調節用回転軸６２ａ，６２ｂの回転方向は、回転支持軸２１ａ，２１ｂの回転方向と同一方向となり、ひいては動力軸１１の回転方向と反対方向となる。すなわち、板位置調節用回転軸６２ａ，６２ｂは、動力軸１１と反対方向に、動力軸１１と同一回転量で回転（自転）するようになっている。

次に、上述した風車３の動作について説明する。尚、便宜上、これまで第１風受け手段１０ａ、第２風受け手段１０ｂを区別するべく付してきたａ、ｂの符号を、これ以降では割愛して表示していくこととする。

初めに、風向及び回転支持軸２１の動力軸１１を回転軸とする回転方向が一致する位置において、風向に対して風受け板３１（３２）を直交（正対）させるための風向調整機１９の動作について、図５に示すように、図の下方向からの風（図中の黒矢印）が図の右方向からの風（図中の白抜き矢印）へと風向が変化した場合を例として説明する。尚、説明の便宜上、以下においては、動力軸１１、回転支持軸２１、及び、風受け板３１，３２等のみを図示する。

まず、前記風向計によって風向が測定され、当該風向に関する情報が前記コントローラに伝送される。コントローラは、直前の風向（下方向からの風）と伝送された風向（右方向からの風）とを比較する。このとき、風向は、動力軸１１の外周方向に反時計回りに９０度変化したこととなる。このため、コントローラは、前記下部傘歯車４６を反時計回りに９０度回転させるべく、前記サーボモータを所定の回転方向に所定の回転量だけ動作させる。これにより、前記板向調節機構４１を介して回転力が伝達され、図６に示すように、風受け板３１，３２等が反時計回りに４５度回転させられるとともに、板位置調節用回転軸６２（クランク部６５）が反時計回りに９０度回転させられる。この状態で、風受け板３１，３２が風を受けることにより、動力軸１１が時計回りに９０度回転すると、次述する板向調節機構４１の機能（動力軸１１の回転方向と反対方向であって、動力軸１１の回転量の半分の回転量だけ風受け板３１，３２等を回転させる機能）によって、図７に示すように、風受け板３１，３２は、結果的に、時計回りに４５度だけ回転し、風受け板３１，３２が風向に対して直交（正対）することとなる。

次いで、動力軸１１が回転しているときの板向調節機構４１の動作について説明する。尚、風向は一定方向となっており、ひいては動力軸歯車機構４２が不動状態とされているものとする。

まず、風受け板３１，３２が風の力を得ることによって、動力軸１１及び回転支持台１２が回転する。このとき、図８に示すように、不動状態にある動力軸歯車機構４２（下部傘歯車４６）に対して噛合されている第３の傘歯車５０が下部傘歯車４６の外周に沿って回転する。これにより、回転転送軸４３が回転することとなり、ひいては当該回転転送軸４３の第４の傘歯車５１に噛合されている第２の傘歯車４４が回転する。その結果、第２の傘歯車４４に連結された回転支持軸２１が回転するとともに、回転支持軸２１を回転軸として風受け板３１，３２が回転する。このとき、前述の通り、第２の傘歯車４４の回転量が動力軸１１の回転量の半分の回転量となっているため、風受け板３１，３２は、動力軸１１の回転量の半分の回転量だけ回転支持軸２１を回転軸として回転（自転）することとなる。加えて、風受け板３１，３２は動力軸１１の回転方向と反対方向に回転（自転）するが、それと同時に、風受け板３１，３２は、動力軸１１を回転軸として回転（公転）している。そのため、図９に示すように、風受け板３１，３２は、動力軸１１の回転方向と同一方向に半分の回転量で回転しているように動作することとなる。尚、図９のＡ点における風受け板３１，３２について鑑みると、動力軸１１が１回転することで、風受け板３１，３２は半回転するため、動力軸１１の１回転毎に、回転支持軸２１の回転経路Ｋの内側に位置する風受け板３１（３２）と、回転経路Ｋの外側に位置する風受け板３２（３１）とが交互に入れ替わることとなる。

次に、板位置調節機構６１の動作について説明する。風受け板３１，３２が風の力を得ることによって、動力軸１１及び回転支持台１２が回転する。このとき、前述の通り、回転支持軸２１は動力軸１１の半分の回転量で回転するが、風受け板歯車機構６４によって、板位置調節用回転軸６２は回転支持軸２１の２倍の回転量で回転する。このため、板位置調節用回転軸６２は動力軸１１と同じ回転量で反対方向に回転することとなり、ひいてはクランク部６５は常時風向と直交する方向（図９の右方向）を向くこととなる。一方で、風受け板３１（３２）は回転支持軸２１を回転軸として回転する。このため、風受け板３１，３２の動力軸１１回りの回転を省略（回転支持軸２１を固定）して鑑みると、図９のＡ点からＢ点までの経路においては、図１０（ａ）に示すように、一対の風受け板３１，３２のうち、図の左側に位置する風受け板３１（３２）が、回転支持軸２１から離間していくように移動し、図の右側に位置する風受け板３２（３１）が、回転支持軸２１に接近していくように移動する。また、Ｂ点からＡ点への経路においては、図１０（ｂ）に示すように、図の右側に位置する風受け板３１（３２）が、回転支持軸２１から離間していくように移動し、図の左側に位置する風受け板３２（３１）が、回転支持軸２１に接近するように移動する。尚、図９中のＡ点において、右側に位置する風受け板３２（３１）及び回転支持軸２１間の水平距離が最大となり、左側に位置する風受け板３１（３２）及び回転支持軸２１間の水平距離との差が最小となる。一方で、図９中のＢ点においては、両風受け板３１，３２及び回転支持軸２１間の水平距離が等しくなる。

上記のように構成されることで、Ｂ点を除いて、図９中の右側に位置する風受け板３２（３１）及び回転支持軸２１間の水平距離が、左側に位置する風受け板３１（３２）及び回転支持軸２１間の水平距離よりも常に大きなものとなる。その結果、右側に位置する風受け板３２（３１）が回転支持軸２１に対して生じさせる回転モーメントが、左側に位置する風受け板３１（３２）が回転支持軸２１に対して生じさせる回転モーメントよりも大きなものとなり、回転支持軸２１に対して、反時計回りの回転モーメントが生じることとなる。

当該回転支持軸２１に生じた回転モーメントは、前記板向調節機構４１を介して動力軸１１の回転モーメントとして変換される。すなわち、図８に示すように、回転支持軸２１に反時計回りの回転モーメントが生じることで、第２の傘歯車４４についても、反時計回りの回転モーメントが生じる。第２の傘歯車４４に生じた回転モーメントは、回転転送軸４３を介して、不動状態にある下部傘歯車４６の外周を第３の傘歯車５０が回転するための回転力となる。これにより、回転転送軸４３を支持する回転支持台１２に回転力が加わり、ひいては動力軸１１の回転力に変換される。すなわち、前記板向調節機構４１は、回転支持軸２１の回転モーメントを動力軸１１の回転力として変換可能な回転力変換機構としての機能も有しており、板向調節機構４１としての機能及び回転力変換機構としての機能は共通の構成により実現されている。

以上詳述したように、本実施形態の風力発電装置１（風車３）によれば、垂直回転軸型の風車であるため、水平回転軸型の風車によって生じ得る設置状態の不安定化等の不具合が発生しないものとなる。

さらに、風向及び回転支持軸２１の動力軸１１を回転軸とする回転方向が一致する位置において、風受け板３１，３２を風向に対して直交（対向）させることができる。すなわち、風受け板３１，３２が風向と同方向に回転（公転）し、風から最も大きな力を得ることができる位置（図９のＡ点）において、風受け板３１，３２の正面（背面）を風に対向させることができ、大きな回転力を得ることができる。

一方で、前記Ａ点から、風向及び回転支持軸２１の動力軸１１を回転軸とする回転方向が逆方向となる箇所、すなわち風受け板３１，３２に対して向かい風が当たり、最も大きな抵抗力が加えられる位置（図９のＢ点）に至るまでの間に、風受け板３１，３２は動力軸１１の回転量（１８０度）の半分（９０度）だけ回転（自転）させられる。このため、前記Ｂ点においては、風受け板３１，３２の側面が風と対向することとなる。これにより、向かい風の影響を極力抑制し、動力軸１１に生じる回転力が減少してしまうことを抑制することができる。

さらに、板向調節機構４１によって、風受け板３１，３２は、動力軸１１の回転方向と反対方向に、動力軸１１の回転量の半分の回転量で回転（自転）するが、同時に風受け板３１，３２は動力軸を回転軸として回転（公転）するため、結果として、風受け板３１，３２は、動力軸の回転方向と同一方向に動力軸の回転量の半分の回転量で回転することとなる。そのため、Ａ点及びＢ点間において、風受け板３１，３２は、板面に生じる反力及び揚力によって、動力軸１１回りの回転力を生じさせることが可能な向きに傾くこととなる。

以上のように、板向調節機構４１を設けることによって、回転効率の低下を効果的に抑制することができるとともに、風力を効率的に動力軸１１の回転力として得ることができる。

さらに、板位置調節機構６１によって、回転支持軸２１から一方の風受け板３１（３２）までの水平距離、及び、回転支持軸２１から他方の風受け板３２（３１）までの水平距離を相違させることができる。その結果、一方の風受け板３１（３２）によって回転支持軸２１回りに発生する回転モーメントと、他方の風受け板３２（３１）によって回転支持軸２１回りに発生する回転モーメントとの間に差を生じさせることができ、ひいては回転支持軸２１自体に回転モーメントを発生させることができる。併せて、回転力変換機構としての機能を有する板向調節機構４１によって、当該回転支持軸２１に生じた回転モーメントを動力軸１１の回転力に変換することができる。これにより、比較的小さな風速であっても、動力軸１１の回転に十分な回転力を発生させることができ、カットイン速度の低下を図ることができる。その結果、動作可能な風速帯域の拡大を図ることができる。

以上、板向調節機構４１及び板位置調節機構６１が組み合わされることによって、風力を効率的に動力軸１１の回転力とすることができるとともに、利用可能な風速帯域の拡大を図ることができる。その結果、極めて効率的な風力のエネルギー変換を図ることができる。

さらに、風受け板３１，３２間の間隙に対応して風遮蔽板３６が設けられており、当該風遮蔽板３６によって、風受け板３１，３２間の間隙における風の通過を抑制することができる。このため、風受け板３１，３２及び風遮蔽板３６によって、風からの力を十分に得ることができるとともに、回転支持軸２１で生じる回転モーメントを一層大きなものとすることができる。これにより、動作可能な風速帯域を一層拡大することができるとともに、風力の一層効率的なエネルギー変換を図ることができる。

加えて、風から最も大きな力を受けることができる位置（Ａ点）において、回転支持軸２１から一方の風受け板３１（３２）までの水平距離が最大とされる一方で、回転支持軸２１から他方の風受け板３２（３１）までの水平距離が最小とされる。これにより、回転支持軸２１で生じる回転モーメントをより一層大きなものとすることができ、カットイン速度の低下を一層効果的に図ることができる。

併せて、Ａ点において、回転支持軸２１から最も離れた一方の風受け板３２（３１）が、他方の風受け板３１（３２）よりも動力軸１１に近接した位置に存在している。これにより、風受け板３１，３２が動力軸１１を回転軸として回転（公転）した際に必要となるスペースを必要最小限なものとすることができる。その結果、風力の効率的なエネルギー変換を図りつつ、風力発電装置１の小型化を図ることができる。

また、板位置調節機構６１は、板位置調節用回転軸６２と、連結棒６３と、風受け板歯車機構６４とから構成されており、風受け板歯車機構６４によって、別段の動力源を要することなく、動力軸１１の回転方向と反対方向に、動力軸１１の回転量と等しい回転量で板位置調節用回転軸６２を回転させることができる。併せて、サーボモータや同期制御装置等の複雑な装置を必要とすることなく、比較的簡易な構成で板位置調節機構６１を実現することができるため、コストの増大を効果的に抑制できる。

さらに、板向調節機構４１としての機能と回転力変換機構としての機能とは共通の構成によって実現されている。このため、風力発電装置１の大型化及び複雑化を防止することができる。

加えて、板向調節機構４１は、動力軸歯車機構４２、第２の傘歯車４４、第３、第４の傘歯車５０，５１を有する回転転送軸４３、及び、風向調整機１９という比較的簡易な構成から実現することができる。従って、コストの増大をより一層抑制することができる。

併せて、回転力の伝達は棒状の転送軸４９を介して行われるため、装置の大型化を図った場合であっても、ベルトを介して行った場合に生じ得るベルトの弛み等の問題が発生しない。このため、動作の不安定化やメンテナンスコストの増大を招くことなく、比較的容易に装置の大型化を図ることができる。また、複数組の風受け板３１，３２を設ける場合には、下部傘歯車４６を中心として複数の回転転送軸４３を放射状に配置すればよく、装置の上下方向への大型化を防止することができ、設置状態の安定化を図ることができる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）上記実施形態では、２組の風受け板３１，３２が設けられているが、３組以上の風受け板３１，３２を設けるように構成することとしてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、風向調整手段として風向調整機１９が設けられているが、上部歯車４５に代えて風見鶏等のように、風向に合わせて下部傘歯車４６を回転させる手段を設け、当該風見鶏等を風向調整手段として用いることとしてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、第２の傘歯車４４の回転量を、動力軸１１の回転数の半分の回転量とすべく、第２の傘歯車４４の歯数が下部傘歯車４６の歯数の２倍とされるとともに、第３の傘歯車５０の歯数及び第４の傘歯車５１の歯数が同数とされているが、当該構成に限定されるものではない。例えば、第２の傘歯車４４の歯数と下部傘歯車４６の歯数とを同数とするとともに、第３の傘歯車５０の歯数を第４の傘歯車５１の歯数の２倍とすることとしてもよい。すなわち、第２の傘歯車４４の回転量を、動力軸１１の回転数の半分の回転量とすべく、下部傘歯車４６の歯数及び第４の傘歯車５１ａ，５１の歯数を乗算して得た値と、第２の傘歯車４４ａ，４４ｂの歯数及び第３の傘歯車５０ａ，５０ｂの歯数を乗算して得た値との比が、１：２とされていればよい。

（ｄ）上記実施形態では、切り欠け部３７ａ，３７ｂ、クランク部６５ａ，６５ｂ、及び、連結棒６３ａ，６３ｂ等は、回転支持軸２１ａ，２１ｂの上下方向略中央に設けられているが、切り欠け部３７ａ，３７ｂ等の配設位置はこれに限定されるものではない。例えば、切り欠け部３７ａ，３７ｂ等を上方側（上テーブル１３側）に設けることとしてもよいし、下方側（下テーブル１４側）に設けることとしてもよい。この場合において、風遮蔽板３６ａ，３６ｂは風をより一層受けることができ、より大きな回転力を発生させることができる。

（ｅ）上記実施形態では、風力発電装置１の平面視において、動力軸１１が時計回りに回転可能に構成されているが、動力軸１１を、反時計回りに回転可能に構成することとしてもよい。

本実施形態における風力発電装置の正面図である。 本実施形態における風力発電装置の断面図である。 本実施形態における風力発電装置の部分拡大断面図である。 本実施形態における風力発電装置の平面断面図である。 風向調整機による風受け板等の動作を示す模式図である。 風向調整機による風受け板等の動作を示す模式図である。 風向調整機による風受け板等の動作を示す模式図である。 板向調節機構としての機能及び回転力変換機構としての機能を説明するための部分拡大平面図である。 本実施形態における風受け板等の回転動作を示す模式図である。 （ａ），（ｂ）は、板位置調節機構の動作を示すための模式図である。

１…風力発電装置、３…風車、１１…動力軸、１２…回転支持手段としての回転支持台、１９…風向調整手段としての風向調整機、２１ａ，２１ｂ…回転支持軸、３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ…風受け板、３６ａ，３６ｂ…風遮蔽板、４１ａ，４１ｂ…板向調節機構及び回転力変換機構としての板向調節機構、４３ａ，４３ｂ…回転転送軸、４４ａ，４４ｂ…第２の傘歯車、４６…第１の傘歯車としての下部傘歯車、４９ａ，４９ｂ…転送軸、５０ａ，５０ｂ…第３の傘歯車、５１ａ，５１ｂ…第４の傘歯車、６１ａ，６１ｂ…板位置調節機構、６２ａ，６２ｂ…板位置調節用回転軸、６３ａ，６３ｂ…連結棒、６４ａ，６４ｂ…歯車機構としての風受け板歯車機構、６５ａ，６５ｂ…クランク部、６６ａ，６６ｂ…直線部。

Claims (9)

1. 鉛直方向に延びる動力軸と、
   当該動力軸の外周方向に延び、前記動力軸とともに回転する回転支持手段と、
   鉛直方向に延びるとともに、前記回転支持手段に対して相対回転可能に支持される複数の回転支持軸と、
   前記各回転支持軸に対応して一対ずつ設けられ、当該回転支持軸を挟むようにして各回転支持軸に支持される風受け板とを備える風車において、
   前記動力軸の回転方向と反対方向に、前記動力軸の回転量の半分の回転量で前記回転支持軸を回転させるとともに、風向及び前記回転支持軸の前記動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、前記風受け板を風向に対して直交させる板向調節機構と、
   前記回転支持軸から一方の風受け板までの水平距離、及び、前記回転支持軸から他方の風受け板までの水平距離を相違させることで、前記回転支持軸に回転モーメントを発生させるべく、前記一対の風受け板を前記回転支持軸に対して水平方向に相対移動させる板位置調節機構と、
   前記回転支持軸の回転モーメントを前記動力軸の回転力に変換可能な回転力変換機構とを備えることを特徴とする風車。
2. 前記一対の風受け板間の間隙に対応して設けられ、当該間隙における風の通過を抑制する風遮蔽板を具備することを特徴とする請求項１に記載の風車。
3. 前記板位置調節機構は、風向及び前記回転支持軸の前記動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、前記回転支持軸から一方の風受け板までの水平距離を最大とする一方で、前記回転支持軸から他方の風受け板までの水平距離を最小とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の風車。
4. 前記一方の風受け板は、風向及び前記回転支持軸の前記動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、前記他方の風受け板よりも前記動力軸に近接した位置に存在していることを特徴とする請求項３に記載の風車。
5. 前記板位置調節機構は、
   前記動力軸の回転方向と反対方向に、前記動力軸の回転量と等しい回転量で回転可能であるとともに、鉛直方向に延びる直線部及び当該直線部から側方に向けて突設されたクランク部を有する板位置調節用回転軸と、
   前記クランク部及び前記一対の風受け板の端部を連結する一対の連結棒と、
   前記回転支持軸の回転力を前記板位置調節用回転軸の回転力として伝達する歯車機構とによって構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風車。
6. 前記板向調節機構及び前記回転力変換機構は、共通の構成により実現されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の風車。
7. 前記板向調節機構及び前記回転力変換機構は、共通の構成としての、
   前記動力軸の中心軸と同一の中心軸を有する第１の傘歯車と、
   風向及び前記回転支持軸の前記動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、前記風受け板を風向に対して直交可能とすべく、風向に対応して前記第１の傘歯車を回転させるとともに、当該第１の傘歯車の回転動作を除いて、前記第１の傘歯車を不動状態とする風向調整手段と、
   前記回転支持軸の中心軸と同一の中心軸を有し、前記回転支持軸に固定される第２の傘歯車と、
   一端部に第３の傘歯車を具備するとともに、他端部に第４の傘歯車を具備し、当該第３の傘歯車及び第４の傘歯車を連結する棒状の転送軸を有する回転転送軸とで実現されており、
   前記回転転送軸は、前記第１の傘歯車に対し前記第３の傘歯車を噛合させるとともに、前記第２の傘歯車に対し前記第４の傘歯車を噛合させることで、前記第１の傘歯車及び前記第２の傘歯車に対して相互に回転力を伝達可能であり、
   前記第１の傘歯車に対して前記第３の傘歯車の上部又は下部が噛合される一方で、前記第２の傘歯車に対して前記第４の傘歯車の下部又は上部が噛合され、かつ、
   前記第１の傘歯車の歯数及び前記第４の傘歯車の歯数を乗算して得た値と、前記第２の傘歯車の歯数及び前記第３の傘歯車の歯数を乗算して得た値との比が１：２とされていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の風車。
8. 鉛直方向に延びる動力軸と、
   当該動力軸の外周方向に延び、前記動力軸とともに回転する回転支持手段と、
   鉛直方向に延びるとともに、前記回転支持手段に対して相対回転可能に支持される複数の回転支持軸と、
   前記各回転支持軸に対応して一対ずつ設けられ、当該回転支持軸を挟むようにして各回転支持軸に支持される風受け板とを備える風車であって、
   前記一対の風受け板間の間隙に対応して設けられる風遮蔽板と、
   前記動力軸の中心軸と同一の中心軸を有する第１の傘歯車と、
   風向及び前記回転支持軸の前記動力軸を回転軸とする回転方向が一致する位置において、前記風受け板を風向に対して直交可能とすべく、風向に対応して前記第１の傘歯車を回転させるとともに、当該第１の傘歯車の回転動作を除いて、前記第１の傘歯車を不動状態とする風向調整手段と、
   前記回転支持軸の中心軸と同一の中心軸を有し、前記回転支持軸に固定される第２の傘歯車と、
   一端部に第３の傘歯車を具備するとともに、他端部に第４の傘歯車を具備し、さらに、当該第３の傘歯車及び第４の傘歯車を連結する転送軸を有し、前記第１の傘歯車に対し前記第３の傘歯車を噛合させるとともに、前記第２の傘歯車に対し前記第４の傘歯車を噛合させることで、前記第１の傘歯車及び前記第２の傘歯車に対して相互に回転力を伝達可能な回転転送軸と、
   前記動力軸の回転量と等しい回転量で、前記動力軸の回転方向と反対方向に回転可能であるとともに、鉛直方向に延びる直線部及び当該直線部から側方に向けて突設されたクランク部を有する板位置調節用回転軸と、
   前記クランク部及び前記一対の風受け板の前記回転支持軸側の端部を連結する一対の連結棒と、
   前記第２の傘歯車に連結され、前記回転支持軸の回転力を前記板位置調節用回転軸の回転力として伝達する歯車機構とを備え、
   前記第１の傘歯車に対して前記第３の傘歯車の上部又は下部が噛合される一方で、前記第２の傘歯車に対して前記第４の傘歯車の下部又は上部が噛合されるとともに、
   前記第１の傘歯車の歯数及び前記第４の傘歯車の歯数を乗算して得た値と、前記第２の傘歯車の歯数及び前記第３の傘歯車の歯数を乗算して得た値との比が１：２とされていることを特徴とする風車。
9. 上記請求項１乃至８のいずれか１項に記載の風車を具備することを特徴とする風力発電装置。

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