JP4982733B2 - 空力的調速機構を備える縦軸型直線翼風車 - Google Patents

Description

本発明は、可動翼を備える縦軸型直線翼風車に関し、詳しくは、過回転問題および始動性能の低さを改善するために風車の回転を空力的に調速する機構を備える縦軸型直線翼風車に関する。

一般に、風力発電用の風車は、オランダ型風車に代表されるような、風に対して回転軸が水平になっている水平軸型風車と、風に対して回転軸が垂直になっている垂直軸型風車（即ち縦軸型風車）が知られている。また、縦軸型風車は、サボニウス型に代表される効力型と、直線翼風車（すなわち縦軸型直線翼風車）に代表される揚力型に分類される。

このうち、縦軸型直線翼風車は、回転始動性が水平軸型風車に比べて劣るものの、ひとたび回転し始めると、風を受けている限り回転トルクを発生し続け、回転が加速度的に上昇する特徴がある。このことから、縦軸型直線翼風車は小型で高い発電能力を得られる発電用風車として有望視されており、今後、始動性の改善により普及が更に広がるものと考えられる。

しかし、その反面、縦軸型直線翼風車の加速度的な回転上昇は、故障、破壊につながる過回転を招くため、その抑制手段が必要とされている。

縦軸型直線翼風車の過回転を抑制する手段は、既にいくつか知られており、たとえば、風車の回転軸に摩擦力を加え、機械的に減速、静止する方法や、風車に接続される発電機を制御し、渦電流により減速、静止する方法が実用化されている。
上記の方法は、風を受けて発生する回転トルクに対し、摩擦力や渦電流ブレーキといった制動力を加え、回転を制動力と回転力のつり合いにより抑制する原理である。この原理は、風を受け続けることにより回転トルクが発生し続けた場合、制動力の限界に対して回転力が大きく上回り、回転の抑制ができなくなるおそれがある。このため、極強風時には、風車の回転を停止する措置をとられることがあった。

また、制動力と回転力のつり合いを利用しない縦軸型直線翼風車の過回転抑制手段として、翼を可動翼とし、可動翼のピッチ角を変更することにより、風により発生する回転トルクを減らす方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法は、制動力を加えないことから、制動力の限界を考慮する必要がないため、強風時の風車の停止、すなわち発電の停止を極力避けることができる利点がある。また、可動翼のピッチ角の変更は、強風時に限らず可能なため、始動時においても回転トルクの制御ができる利点がある。

従来技術において縦軸型直線翼風車の可動翼のピッチ角を変更する手段は、例えば、特許文献１に提案されるように、モーター等、電動機の動力を必要とするものが知られている。これは、ピッチ角を変更するための電動機を、商用電源や電源の補助である蓄電池により作動させる必要があり、商用電源の停電や蓄電池の電圧不足によっては、制御不能となるおそれがある。また、停電となる確率は、強風や暴風雨などの悪天候時が高く、また、天候悪化時にメンテナンスをすることは容易ではない。このため、安全を保ち、管理面を向上する、新たな縦軸型直線翼風車が求められていた。

特開平１１−１４１４５３号公報

本発明者は、上記課題を実現するために研究した結果、可動翼の角度を風車の回転動作により自律的に制御する技術に到達した。すなわち、本発明の目的は、可動翼のピッチ角を変更して風車の回転を空力的に調速する縦軸型直線翼風車において、モーター等の電動機の動力を用いずにピッチ角を調節し、かつ、回転の状況により、ピッチ角が自律的に制御される縦軸型直線翼風車を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、縦軸型直線翼風車において、翼の少なくとも１部分に可動翼を備えることを特徴とする縦軸型直線翼風車を提供する。
上記第１の観点による縦軸型直線翼風車では、図１に示すように、可動翼１０が、可動翼軸１１を支点に可動である。可動翼１０は、風車の回転に応じて可動翼軸１１を支点にピッチ角を変更する。また、可動翼は、翼において全ての部分を占めるとは限らず、飛行機のフラップのように部分的なものであってもよい。また、翼の枚数は、図１に示す３枚に限定されるものではなく、かつ、可動翼と可動でない翼が混在する構成であってもよい。

第２の観点では、本発明は、第１の観点による縦軸型直線翼風車において、可動翼が風車の過回転を抑制するピッチ角に作動可能であることを特徴とする縦軸型直線翼風車を提供する。
上記第２の観点による縦軸型直線翼風車では、図１において、回転方向側の可動翼端を前端部、その逆方向の可動翼端を後端部１２とすると、図２に示すように、過回転時に可動翼の後端部１２が、回転軸中心の接線と平行な方向より回転軸の中心と逆の方向に向く。

第３の観点では、本発明は、第１〜２のいずれかの観点による縦軸型直線翼風車において、可動翼が風車の始動性を向上するピッチ角に作動可能であることを特徴とする縦軸型直線翼風車を提供する。
上記第３の観点による縦軸型直線翼風車では、図３に示すように、静止または低速回転時に可動翼の後端部１２が、回転軸中心の接線と平行な方向より回転軸の中心の方向に向く。

第４の観点では、本発明は、第１〜３のいずれかの観点による縦軸型直線翼風車において、可動翼の作動に風車の回転により生じる遠心力を用いることを特徴とする縦軸型直線翼風車を提供する。
上記第４の観点による縦軸型直線翼風車では、この可動翼の作動に、風車の回転により生じる遠心力、例えば、可動翼の後端部１２にかかる遠心力を利用することができる。また、可動翼の後端部におもりを内蔵することや、図４に示すように、可動翼の後端部１２の翼延長上におもり４０を取り付けることにより、可動翼に作用する遠心力を強くすることができる。

第５の観点では、本発明は、第１〜４のいずれかの観点による縦軸型直線翼風車において、可動翼の作動に弾性体の復元力が作用する機構を有することを特徴とする縦軸型直線翼風車を提供する。
上記第５の観点による縦軸型直線翼風車では、たとえば、図５に示すように、可動翼の後端部１２が回転中心の方向に引っ張られるようにバネ等の弾性体３０を設置する。また、弾性体は、風車の回転の始動時に作用する弾性体と、風車の回転が過速度であるときに作用する弾性体を個別に設置することもできる。

第６の観点では、本発明は、第１〜５のいずれかの観点による縦軸型直線翼風車において、可動翼のピッチ角が風車の回転動作により自律的に変化する機構を有することを特徴とする縦軸型直線翼風車を提供する。
上記第６の観点による縦軸型直線翼風車では、たとえば、風車の回転により可動翼に生じる遠心力と、弾性体の復元力と、可動翼が受ける風力のつり合いにより、可動翼軸を支点にする可動翼のピッチ角が自律的に決定される。

第７の観点では、本発明は、第１〜６のいずれかの観点による縦軸型直線翼風車において、複数の可動翼が連動して作動する機構を有することを特徴とする縦軸型直線翼風車を提供する。
上記第７の観点による縦軸型直線翼風車では、例えば、図６に示すように、複数の可動翼端と回転軸に外接するリング２１がシャフト２２によりリンクされ、複数の可動翼の作動がリング２１の回転を介して連動する。

第８の観点では、本発明は、第７の観点による縦軸型直線翼風車において、複数の可動翼が連動して作動する機構が、全ての可動翼を回転軸の中心対称に作動可能であることを特徴とする縦軸型直線翼風車を提供する。
上記第８の観点による縦軸型直線翼風車では、全ての可動翼の角度が、回転軸を中心対称として等しくなるようにリング２１と可動翼がリンクされる。

第９の観点では、本発明は、第１〜８のいずれかの観点による縦軸型直線翼風車を、発電の動力源に用いることを特徴とする発電装置を提供する。
上記第９の観点による発電装置では、例えば、大規模な水平軸型風車の補助電源や、架線が困難な地域の電源とすることができる。

第１０の観点では、本発明は、第１〜８のいずれかの観点による縦軸型直線翼風車を、水汲みの動力源に用いることを特徴とするポンプ装置を提供する。
上記第１０の観点によるポンプ装置では、例えば、井戸の水汲みや、田畑の給水に用いることができる。

本発明の縦軸型直線翼風車によれば、制御のための電源を必要とせず、過回転を風車自身の機構により自律的に抑制できるため、停電時においても風車を安全に運転することができる。また、自律的な過回転抑制機構は、天候が強風に急変した際に、停止、格納等の人手をたよる作業を必要としないため、人件費からくる風車の運用コストを下げることができる。このため、作業が容易でない山間部、ビルの壁面や鉄塔等の高所への設置が有効である。また、本発明の過回転抑制機構は、摩擦力による機械的な制動ではなく、風車の絶対要素である翼による空力的な機構であるため、構造がシンプルであり、コンパクトにすることができる。このことは製造コストの低下にもつながる。加え、本発明の可動翼の作動は、過回転の抑制に限らず、始動性を向上することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
図７に、第１の実施の形態に係る縦軸型直線翼風車の概略図を示す。これは、回転軸２０の上部と下部に、円板５０を固定し、二枚の円板５０で、回転軸に平行に可動翼１０を挟み込む形の縦軸型直線翼風車である。この風車は回転軸２０に外接する軸受け（図示しない）により回転する。また、円板５０には、可動翼軸１１を差し込む孔が設けられ、この孔を支点に可動翼１０は作動する。可動翼１０の作動範囲は、可動翼の後端部（回転方向と逆側の可動翼端）の延長軸１３が、円板５０に設けるガイド５１に内接することにより制限される。なお、可動翼１０は、可動翼軸１１に対し、後端部の重量が、前端部（回転方向側の可動翼端）に比べ大きいため、回転の際に生じる遠心力は、後端部が遠心方向にはらむ作動となる。図８に、図７の上部からみた概略図を示す。

（第２の実施の形態）
図９に、第２の実施の形態に係る縦軸型直線翼風車の概略図を示す。これは、第１の実施の形態に係る縦軸型直線翼風車の円板５０の上部に、可動翼の作動を自律的に制御する機構を組み込むものである。可動翼軸１１と可動翼の後端部の延長軸１３を結ぶ形で、作用棒１４を固定し、その作用棒１４の、可動翼の後端部側端におもり４０を固定する。また、回転軸２０にリング２１を外接し、作用棒１４とリング２１をシャフト２２によりリンクする。それぞれの可動翼に対し、上記リンクを行うことにより、複数の可動翼の作動をリング２１の回転を介して連動することができる。
リング２１には、一端を円板５０上に固定する弾性体３１を接続する。弾性体３１は縮みの復元力を生じるバネであり、作用棒１４がシャフト２２を介して内側に引っ張られるように、リング２１に復元力を伝達する。リング２１は、遠心力の発生していない風車の静止状態で、延長軸１３がガイド５１の内側方向の限界となる位置にて静止する。この位置で静止することにより、可動翼は風の力を回転力として受けやすい方向となる。

風車が風を受けて回転し始めると、おもり４０と可動翼に遠心力が生じ、可動翼軸１１を支点にして、外側にはらます力となる。この遠心力と弾性体３１の縮もうとする復元力との釣り合いにより、可動翼の角度が自律的に決定する。可動翼が外側にはらみ、作用棒１４が弾性体３２と接している状態図を図１０に示す。弾性体３２は、伸びの復元力を生じるばねであり、風車の外側方向の端が円板５０上に固定される。なお、図９および図１０に示す状態が、弾性体３２の自然長の状態である。

図１０の状態から更に回転が上昇すると、おもり４０と可動翼に生じる遠心力が増大し、弾性体３２を縮めながら可動翼を外側にはらます。可動翼が外側にはらむ様子を図１１に示す。可動翼は、外側にはらむことにより、風の力を回転力として受けにくい状態となるため、回転上昇が抑えられる。

本発明に係る縦軸型直線翼風車の説明図である。 本発明に係る縦軸型直線翼風車の説明図である。 本発明に係る縦軸型直線翼風車の説明図である。 本発明に係る縦軸型直線翼風車の説明図である。 本発明に係る縦軸型直線翼風車の説明図である。 本発明に係る縦軸型直線翼風車の説明図である。 第１の実施の形態に係る縦軸型直線翼風車の概略図である。 第１の実施の形態に係る縦軸型直線翼風車の概略図である。 第２の実施の形態に係る縦軸型直線翼風車の概略図である。 第２の実施の形態に係る縦軸型直線翼風車の概略図である。 第２の実施の形態に係る縦軸型直線翼風車の概略図である。

１０・・・可動翼
１１・・・可動翼軸
１２・・・可動翼の後端部
１３・・・可動翼の後端部の延長軸
１４・・・作用棒
２０・・・回転軸
２１・・・リング
２２・・・シャフト
３０・・・弾性体
３１・・・弾性体（始動時用）
３２・・・弾性体（過回転時用）
４０・・・おもり
５０・・・円板
５１・・・ガイド

Claims (4)

1. 揚力によって駆動する縦軸型直線翼風車であって、
   該風車の回転軸と平行な可動翼軸周りに揺動可能に設けられた複数枚の可動翼と、
   該可動翼の揺動角を調整する揺動角調整機構と、を備えており、
   該揺動角調整機構は、
   該風車が回転した際に、前記可動翼に、該可動翼の可動翼軸に対して回転方向の前方部分に加わる遠心力よりも回転方向の後方部分に加わる遠心力が大きくなるように調整し、該風車の回転によって発生する遠心力を利用して該遠心力に対応した角度に前記可動翼を揺動させて、該風車の回転速度を調整する回転速度制御機構と、
   該風車の回転軸と同軸かつ該回転軸に対してその中心軸周りに回転可能に設けられたリングと、該リングと全ての前記可動翼とをそれぞれ連結する連結部材を有するリンク機構を備えており、該リンク機構によって該風車が停止している状態における各可動翼の基準姿勢に対して同じ角度だけ揺動させる揺動角同期機構と、を備えており、
   前記回転速度制御機構は、
   該風車の回転速度が増大すると、該風車の回転速度を低下させるように前記可動翼のピッチ角を変化させて、該可動翼に発生する揚力の大きさおよび揚力の作用方向を変化させる
   ものである
   ことを特徴とする縦軸型直線翼風車。
2. 前記揺動角同期機構は、
   各可動翼に発生する遠心力が所定の遠心力となるまで、前記可動翼を前記基準姿勢に維持する姿勢維持機構を備えており、
   該姿勢維持機構は、
   前記可動翼における該可動翼の可動翼軸に対して回転方向の後方部分が該風車の回転軸方向に揺動するように付勢する付勢手段である
   ことを特徴とする請求項１記載の縦軸型直線翼風車。
3. 前記付勢手段が、前記弾性体である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の縦軸型直線翼風車。
4. 請求項１、２または３記載の縦軸型直線翼風車を、発電の動力源に用いる
   ことを特徴とする発電装置。