JP5110550B1 - 小型発電機用プロペラ風車 - Google Patents

Abstract

低風速時においても効率良く発電を行うことができるとともに、強風時においても風車が破壊してしまうことがなく、更には、基本ブレードの風見方向性を安定的に確保することが出来ると共に環境負荷の少ない優れた小型プロペラ風車を提供する。コルゲート翼形状を有するブレードを弾性体を介して片持支持すると共に、ブレードおよび弾性体の材料を紙あるいはプラスチックとする。更には、基本ブレードの風見方向性を安定的に確保するために風見安定機構を基本ブレードの後方に配設した。
【選択図】図１１Ａ

Description

本発明は、小型発電機用プロペラ風車に関し、より詳細には小規模発電小型プロペラ風車に関する。

（１）一般に、風力発電に使用される風車は強大な自然のエネルギーを利用して電力を獲得することを可能とするものであるが、かかる風車には自然環境において強風に耐えたり風をやり過ごしたりするための構造や装置を付加する対策が必要とされている。そこで、従来知られるプロペラ風車に対しては、次のような様々な強風対策が施されてきた。

例えば、特許文献１には、プロペラ風車のハブ内に設けられた機械的機構により当該風車に複数設けられたブレードのピッチ角を各独立に変更制御する発明が開示されている（特許文献１参照。）。

他方、小型プロペラ風車においては、地表近くに設置されるものであるため、上記のような複雑なピッチ角変更制御機構を内蔵することができない。そのため風車のブレードおよびブレード取付部の強度を増すことにより強風対策やウインドシア対策が採られてきた。

しかしながら、かかる強風対策においては、低風速時に風車の起動性および発電効率が損なわれるという欠陥があった。

そこで、低風速時から強風時に至るまで、効率良く発電をおこなうことができ、かつ強風時にも風車の破壊を生じないようにした小型プロペラ風車、すなわちＰＲＯＶＥＮ風車が開発された。（特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６参照。）

（２）また、ダウンウインド型小型風車、すなわち、ヨー軸となる縦支柱よりも下流側に発電機や風車ブレードを配置した風車にあっては、ヨー回転モーメントを発生させるような風見安定方策をとり、ダウンウインド位置にブレードが常に変位するようにしている。

ところが、ダウンウインド型小型風車の場合には、かかる構造では風見安定性が不十分であることがわかった。

一般に、ダウンウインド型風車においては、風車ブレード回転面をヨー方向の回転軸となる縦支柱よりも風下側に置きさえすれば、概ねブレード回転面中心に位置する風圧中心とヨー回転軸との位置関係により風車ブレードの回転正面は常に風下側に流されると考えられていたが、実際に実験してみると、回転直径が約５０ｃｍの小型風車においては５ｍ以下の風速の場合でも必ずしも風車ブレードの回転正面が常に風下側に変位することにはならず、風に正対する元のアップウインド位置に戻ってしまうことが分かった。

かかる現象を図１２に基づいて論理的に説明する。符号１００は風車ブレードを示す。すなわち、図１２はダウンウインド型風車がアップウインド位置で安定してしまう現象を説明するものであり、ブレード回転面１２０が風に正対せずヨー軸Ｚ１回りに若干のヨー角度を持つと、ブレード回転面１２０は円板翼のように作用して、ブレード回転面１２０の風上側のブレード翼端域１１０の裏側に渦Ｖが生じて負圧が増し、それがブレード回転面１２０を風に正対する方向に戻すモーメントＭ１を与えるのではないかと推定される。なお、図中Ｆ１は空気の流れを示す。

（３）また、従来マイクロ風力発電機は、強風時の風車ブレードへの負荷が大きく、ブレードそのものも強固な構造としなければならず、また、発電機の入力軸との連結も強固にする必要があり、風車ブレードの形態構造と発電機の発電容量との組合せは固定されて限定され、出力負荷に応じた風車ブレードの形態構造を変更することは不可能な構造であった。

一般に風車の設計では、風のパワーを最大に吸収することを目的に設計されるので、風車ブレードは異なるそれぞれの回転数において、然るべきトルクを出す時を最大効率とするように設計されている。従って、最大効率を発生する都合上、通常のマイクロ風力発電機は、得られた回転数毎に所定の抵抗トルクが風車に入るように発電機側の発電性能を同調させていることになる。

一方、発電機側としては負荷を流れる電流値が変わると、同じ回転数でも発生トルクが異なるため、出力負荷によっては自由に抵抗トルクを決める訳にはいかない事情があった。

特開２００３−５６４４８号公報 特公昭２５−３９６４号公報 特公昭２９−８６０８号公報 特開平４−１０３８８３号公報 特開平９−７９１２７号公報 特許３４３５５４０号公報

（１）しかし、このような従来知られているＰＲＯＶＥＮ風車では、風車のブレード取付部にヒンジを設けることにより風車のブレードにフラップ角を許容して風車のブレードが風になびくようにしたものであるが、風の低速時には発電効率のよい回転数やトルクを得ることが出来ない。

（２）また、ダウンウインド型小型風車における風見安定度の増強策として、図１３に示すように風見安定板２１０を風車ブレード１００の回転軸１６０に取り付ける方法があるが、該風見安定板２１０が風車ブレード１００と同軸回転しないようにするためには構造が複雑となり小型風車のわりにはコストが高騰する。

また、風見安定板２１０を風車ブレード１００と同軸回転させる構造も考えられるが、風車ブレード１００の下流で回転する風見安定板２１０は空力的に好ましくない。

結局、ダウンウインド型の小型発電機用プロペラ風車においては、風車ブレードより下流に風見安定板を配置することは非現実的であり、発電機ケースを細長くして風圧中心を出来るだけヨー方向回転軸から離すか、発電機ケースの近辺に大きな方向安定板を設ける以外に風見安定性を向上させる方法はなかった。

ところで、かかる方向安定板を設ける構造以外に風車ブレードと同軸回転しながらも空力的悪影響を及ぼさず安定した風見効果を発揮する方法として風車ブレードの下流にシンプルで軽量な筒体を配設する方法が考えられる。

しかし、筒体は円形断面のため真横から風を受けた時に発生する抵抗が少ないため十分な風見安定性を確保することが出来ない。風見安定性を得るためには筒体の直径を大きくするか筒長を長くしなければならないが、直径を大きくすると全体の重量が重くなるだけでなくその後流渦の空力的悪影響が生じ、また、筒長を長くすれば同様に重量が重くなってしまうという問題があった。更には、筒体形状の特殊性から輸送効率も悪くなるという副次的問題も生じてしまう。

（３）また、従来のマイクロ風車システムでは、風車ブレードと発電機の入力軸とが一体の固定的なペアになっているため風車ブレードのピッチ角の変更が出来ない。そのため、発電機側の出力負荷に対応しないまま予め決められた。風車ブレードのピッチ角のままで使用しなければならないことになり、その組合せ上のロスは決して小さくはない。

このような課題の下で、発電機側の多様な出力負荷に対応出来るような小型発電機用プロペラ風車の技術革新が望まれていた。

この発明は上記の課題を解決するために次の構成を備える。即ち、この発明は、縦支柱に横支柱を回転自在に連設し、該横支柱には発電機を設けると共に該発電機の入力回転軸にはハブを介して薄板状のシートからなる回転軸対称形をもつ２翅プロペラ型のブレードを基本ブレードとして装着し、該基本ブレードは基端から先端方向に対して直角方向の断面形状をコルゲート形状としたコルゲート翼形状とし、しかも、該基本ブレードはピッチ角或いは先端方向の長さの異なる基本ブレードと取り換え可能とし、前記発電機の入力回転軸に前記発電機の後方に位置するように前記基本ブレードを装着し、該基本ブレードの後方に同軸上で風見安定機構を設けると共に、該風見安定機構は薄肉のシート状材料で構成した前部閉塞の筒体と該筒体の後端に連設した複数枚の横風受け翼とより構成し、しかも、前記発電機と前記基本ブレードと前記風見安定機構とは一体としてヨー回転可能に構成したことを特徴とする小型発電機用プロペラ風車を提供するものである。

また、前記基本ブレードは２枚のブレード本体からなり、前記ブレード本体は前記ハブに変形自在の弾性体を介して片持支持されていることにも特徴を有する。

また、前記ブレード本体および前記弾性体は紙またはプラスチックにより形成したことを特徴とする。

また、前記発電機の入力回転軸に回転軸対称に装着した前記基本ブレードは、複数枚を一定間隔を保持して重畳的に組み合わせたことにも特徴を有する。

また、この発明は、前記発電機の入力回転軸上にそれら基本ブレードを一定間隔に保持して複数個重畳して装着すると共に、それぞれの基本ブレードにおける前記ブレード本体の長手方向の軸線をアジマス方向に均等角度ずつずらして装着したことを特徴とする小型発電機用プロペラ風車を提供するものである。

また、前記ブレード本体のピッチ角を自由に構成できるようにしたことにも特徴を有する。

また、前記複数枚の横風受け翼は、断面卍形または断面鉤十字形としたことにも特徴を有する。

また、前記前部閉塞の筒体は前記発電機の入力回転軸後端に着脱自在に連設したことにも特徴を有する。

（１）本発明による小型発電機用プロペラ風車は、コルゲート翼形状を有するブレードを弾性体を介して片持支持して備える構成により、当該コルゲート翼形状を有するブレードの空気力学的特性に基づいて、低風速、低回転時すなわち低レイノルズ数領域における当該ブレードの空気力学的性能（揚抗比）を大幅に向上することができると共に極めて小型軽量に構成することが可能となる。

従って、低風速時における当該風車の回転起動性を大幅に向上することができ、当該風車の低風速時における発電効率を大幅に向上することができる。

すなわち、本発明では当該コルゲート翼型を有するブレードを片持支持する弾性体が大きく弾性変形することができる構成であることにより、強風時に当該弾性体の弾性変形が当該コルゲート翼形状を有するブレードに大きなフラップ角を与えて強風時による風車の破壊を防止することができる。

（２）この発明によれば、ブレードは紙のように薄いプラスチック製にすることが可能なため安価に製作できるので、基本ブレードのモジュール化が可能となり、一つの発電機に対して、使用ブレードとしてピッチ角の異なるタイプを含め多数のモジュールを準備することが可能となる。

また、基本モジュールを左右対称２翅プロペラ型の基本ブレードとすると、発電機と同軸で基本モジュールを重ね、均等なアジマス角をもって発電機の入力回転軸に固定することで、環境に応じて風の方向や強さに対応した風車を構成することができ、更には発電機の出力負荷に応じて基本モジュールとしての基本ブレードの重畳枚数やアジマス角を変更することが可能となり、効率的な小型発電機用プロペラ風車を提供することが出来る効果がある。

例えば、一つの発電機に対して、ハブの部分のピッチ角１５度とピッチ角７．５度の２種類の捩りのない基本ブレードをそれぞれ４枚ずつ組み合わせると、発電機側の出力負荷の変化に対して極めて効率の良い風車となる。

また、ピッチ角を小さくしたり、ブレード本体の長さを短くして回転直径を小さくしたり、基本ブレードの枚数を減らすなどの選択をすることで風車の発生トルクは減少するものの風速に対する風車の回転数を上げることが出来、逆にピッチ角の深い基本ブレードの枚数を増せば、回転数は低くなるものの発生トルクを増すことが出来る。

このように、実際の発電機の出力負荷状態に応じて数種類のピッチ角や長さの異なるパターンの基本ブレードを組合せることにより、最も効率の良い各種基本ブレードの組合せを選択することができ、風車を利用した電力発生目的の従来の小型発電機用風車に対して出力負荷に応じた電圧や電流管理を要する小型発電機用プロペラ風車に適応を拡大することが出来る効果がある。

更には、例えば基本ブレードの1セットは直径を大きくピッチ角7.5度とし、他の1セットは直径の小さなピッチ角15度にして、ブレードの先端を切って7.5度の基本ブレードの約2／3の長さにし、風上側にピッチ角の深い基本ブレードを配設すると、風車のブレード作りで最も製造コストを要する捩りを設けることなく、捩り形成と同等の所定の回転数とトルクを得ることが出来る効果がある。

（３）この発明によれば、発電機の入力回転軸に発電機の後方に位置するように基本ブレードを装着し、しかも、発電機と基本ブレードと風見安定機構とは一体としてヨー回転可能に構成したので、基本ブレードよりなる風車に殆ど重量負担をかけない重さで小型発電機用のプロペラ風車を実現することが出来る効果を有する。

また、風見安定機構の筒体をこのように構成することにより、基本ブレードからの風の流れを乱すこともなく、更には、基本ブレードよりも下流の離れた位置で風見機能を果たす横風受け翼を支持する支持ブームとして機能することも出来る効果を有する。

また、上記のように構成することにより筒体自体も風見機能を有する効果がある。

また、断面略十字形の翼の翼幅、すなわち、断面略十字形の翼の回転軌跡の直径を筒体の直径以下とすれば筒体の風見安定機能に加えて全体的に優れた風見安定効果を示すことが出来る。

また、断面略十字形の翼の側縁部を折り曲げて断面卍形か断面鉤十字形としたので単なる断面略十字形の翼と比較して横風を受けた時の風の流れの様子と作用において異なる。すなわち、軸周りの運動量変化量が回転軸の両側で異なるため、回転軸周りに基本ブレードを正規方向に回転させようとするモーメントを発生する効果がある。

しかも、基本ブレードは横風に対して軸回転モーメントを持たないが断面略十字形の翼の側縁の折り曲げ加工を施した場合は、横風時の基本ブレードに回転起動トルクを与えることが出来る効果がある。

また、前部閉塞の筒体は発電機の入力回転軸後端、すなわち、基本ブレードのハブに着脱自在に連設したことにより、必要に応じて筒体を連設して風見効果を上げることが出来ると共に、基本ブレードのみで十分に風車機能を果たすことが出来る環境の時には筒体がない分基本ブレードの回転トルクが増大し、あるいは回転速度を上げることが出来る効果がある。

本発明による小型発電機用プロペラ風車の側面説明図である。 本発明による小型発電機用プロペラ風車のブレードが有するコルゲート翼形状を示す説明図である。 本発明による小型発電機用プロペラ風車のブレードに作用する力の釣合いを示す説明図である。 本発明による小型発電機用プロペラ風車のブレードに作用する力の釣合いを示す説明図である。 本発明による小型発電機用プロペラ風車の側面からの拡大説明図である。 本発明による小型発電機用プロペラ風車の風洞実験結果の側面からの説明図である。 本発明による小型発電機用プロペラ風車の風下側からの説明図である。 本発明による小型発電機用プロペラ風車の側面からの拡大説明図である。 本発明による小型発電機用プロペラ風車のブレードの金属ブラケット取付部の説明図である。 本発明による風見安定機構が取り付けられた小型発電機用プロペラ風車の側面説明図である。 本発明による風見安定機構の横風受け翼の横風効果に関する説明図である。 本発明による風見安定機構の横風受け翼の横風効果に関する説明図である。 本発明による風見安定装置としての円筒が取り付けられた小型発電機用プロペラ風車の側面説明図である。 図１１ＡにおけるＡ−Ａ矢視図である。 従来型ダウンウインド方式の好ましくない風見安定点の説明図である。 従来型ダウンウインド方式の風見安定装置例の説明図である。

この発明は、縦支柱に横支柱を回転自在に連設し、該横支柱には発電機を設けると共に該発電機の入力回転軸にはハブを介して薄板状のシートからなるブレードを回転軸対称に装着し、該ブレードはコルゲート翼形状とし、しかも、該ブレードはピッチ角或いは先端方向の長さの異なるブレードと取り換え可能としたことを特徴とする小型発電機用プロペラ風車に関する。

そして、コルゲート翼形状を有するブレードはハブに変形自在の弾性体を介して片持支持されており、前記コルゲート翼形状を有するブレードおよび前記弾性体は紙またはプラスチックにより形成している。

また、発電機の回転入力軸に軸対称に装着してコルゲート翼形状を有するブレードは、複数枚を一定間隔を保持して重畳的に組み合わせている。

しかも、回転軸対称形をもつ２翅プロペラ型のブレードを基本ブレードとしており、小型発電機の入力回転軸上にそれら基本ブレードを一定間隔に保持して複数個重畳して装着すると共に、それぞれの基本ブレードにおけるブレード本体の長手方向の軸線をアジマス方向に均等角度ずつずらして装着している。

このブレード本体のピッチ角は基本ブレードを取りかえることにより自由に構成できるようにしている。

更には、基本ブレードは、発電機の入力回転軸に発電機の後方に位置するように装着しており、発電機の入力回転軸後端、すなわち、基本ブレードのハブ背面には風見安定機構を着脱自在に設け、風見安定機構は薄肉のシート状材料で構成した前部閉塞の筒体と筒体の後端に複数枚突設した横風受け翼とより構成し、しかも、発電機と基本ブレードと筒体とは一体として縦支柱を中心にヨー回転可能に構成している。

しかも、横風受け翼は、断面卍形または断面鉤十字形に形成している。

更に、前部閉塞の筒体はＰＥＴボトルの筒体の注ぎ口を発電機の入力回転軸後端、詳細にはハブの背面に固定したＰＥＴボトルの蓋体に螺合自在とすることによりＰＥＴボトルの注ぎ口を介して着脱自在に連設している。

以下、本発明の実施の形態について詳述する。

図１は、ブレードの回転直径が最大で２２ｃｍとなるダウンウインド型の小型発電機用プロペラ風車の側面説明図である。

図１に示すコルゲート翼形状を有する２枚のケント紙製のブレード１は、２枚のケント紙製の薄板（弾性体２）にそれぞれ接着固定されている。当該ケント紙製の薄板である弾性体２は同じくそれぞれケント紙製のハブ３に接着固定された状態、すなわち、ブレード１がケント紙製の薄板である弾性体２により片持支持された状態でハブ３に固定されている。図１に示すケント紙製のハブ３は、超小型発電機である発電機４の入力回転軸４ａに直結固定されている。発電機４は、鋼製の円柱棒形状の横支柱６の一端に接続固定されて設けられている。横支柱６は鋼製の円柱棒形状の縦支柱７の先端にベアリングよりなる回転支持部８を介して水平回動自在に取り付けられている。また、横支柱６の側面には、伸延方向に風見安定板５が取り付けられている。このようにして全体としてダウンウインド型の風車が構成されている。

本実施の形態において示す小型発電機用プロペラ風車のブレード１は、図２に示すようにコルゲート翼形状を有する。

本発明の発明者は低レイノルズ数領域を飛行するトンボの翅の翼型を詳細に研究することにより、コルゲート翼形状の空気力学的性能（揚抗比）を発見した。すなわち、コルゲート翼形状は弦長レイノルズ数にして１０の３乗のオーダー以下の領域においては他の翼型を凌ぐ空気力学的性能（揚抗比）を示す一方で、弦長レイノルズ数にして１０の４乗を超える領域においては、空気力学的性能（揚抗比）が急激に低下する傾向を有することを発見した。かかる傾向は任意の凹凸形状を有する全てのコルゲート翼形状に共通するものといえる。このため本実施の形態に示す小型発電機用プロペラ風車は、当該コルゲート翼型の低レイノルズ数領域における優れた空気力学的性能（揚抗比）に基づいて構成され、また、図１に示す軽量なケント紙よりなるブレード１、弾性体２、およびハブ３により慣性モーメントを大幅に低減することが出来るという効果に基づいて構成されている。

一方、強風時においては、弦長レイノルズ数の増大により本実施の形態に示す小型発電機用プロペラ風車はコルゲート翼形状を有するブレード１の空気力学的性能（揚抗比）が急激に低下する。

従って、図３Ａの本実施の形態におけるプロペラ風車で示すように、コルゲート翼形状を有するブレード１に作用する「揚力」が同じくブレード１に作用する「抗力」に比して小さなものとなり、結果的に風車の「回転力」を低下させることができる。

すなわち、強風時における風速と風車の回転数との比例関係を断ち切り風車の破壊を防止することができる。

また、強風時においては、図３Ａに示すコルゲート翼形状を有するブレード１に作用する揚力の増加率の低下に反して、ブレード１に作用するフラップ空気力の増加率が急激に大きなものとなることから、図３Ｂに示すように、ブレード１に作用する揚力によって回転力を得ていた状態が低下して当該ブレード１に作用する遠心力の増加率も低下する。

他方、ブレード１に作用するフラップ空気力の増加率は急激に大きなものとなり、ブレード１を片持支持する弾性体２には大きな曲げモーメントが作用することとなる。

このようにして、図４に示すようにブレード１を片持支持する本実施の形態においてケント紙により設けられた弾性体２が風下側にしなやかに弾性変形して撓むことにより、ブレード１にフラップ角を生じさせることができるから、効果的に風車の風受面積を減少して強風時の風を受け流し、本実施の形態における風車の破壊を防止することができる。

図５は、本実施の形態によるプロペラ風車を風洞内で回転させた風洞実験の結果を示す側面説明図である。プロペラ風車のブレード１の捻じり角は０度、ピッチ角はマイナス１５度である。

そして、風洞実験では、図５に示す風速６ｍ／ｓにおける回転状態において、本実施の形態による小型発電機用プロペラ風車はフラップ角を生じることがなく、風速に比例して風車の回転数が上昇していることが確認された。

また、当該風洞実験では、風速８ｍ／ｓまでの領域において、当該風速に比例して本実施の形態による小型プロペラ風車の回転数が上昇することが確認されている。

この風速と風車の回転数が比例する領域においては、本実施の形態による小型発電機用プロペラ風車は、コルゲート翼形状のブレード１の優れた空気力学的性能（揚抗比）に基づいて、極めて効率良く大きな揚力を発生することができることが確認された。

また、本実施の形態による小型発電機用プロペラ風車には極めて効率良く大きな回転力（回転トルク）を与えことができる。

従って、本実施の形態による小型発電機用プロペラ風車は、従来のプロペラ風車と比較して風力をより効率良く電力に変換して好適に風力発電をおこなうことができる。

一方、風速が８ｍ／ｓを超える場合には、ブレード１が有するコルゲート翼形状の空気力学的性能（揚抗比）が急激に低下するため風速と風車の回転数が比例して増加してしまうのを防止することができる。更には、図５に示す通り、ブレード１を片持支持するケント紙製の薄板である弾性体２が弾性変形して撓むことにより、風速１６ｍ／ｓで大きなフラップ角が付き始め、風速２８ｍ／ｓでフラップ角が４５度を超え、当該風洞の最大実験風速である風速４０ｍ／ｓでフラップ角が７５度に達するようにブレード１が風になびいて強風を受け流し、本実施の形態における小型発電機用プロペラ風車が破壊してしまうことがない。

なお、本実施の形態による小型発電機用プロペラ風車が備えるブレードの空気力学的性能（揚抗比）をより随意に調整するために、図６に示すように、ブレード１の先端後縁部には紙製の粘着テープである迎え角調整用の錘９を貼付けてそれぞれ重さを調整するようにしている。

錘９を貼付けることより、強風時におけるフラップ角を伴う回転において、当該フラップ角により生ずる風上方向分力成分によりブレード１の先端後縁部を風上側に引き下げることが出来るため、ブレード１に捻りを加えたと同じ機能を発揮することができると共に、ブレード１の迎え角をブレード１の先端部において増加させることもできる。

すなわち、ブレード１の翼面を捻って捻り上げ形成ができるため、強風時におけるブレード１の迎え角の変更や失速状態を自在に変更制御して風車の破損を防止することができる。

以上に示した本実施の形態による小型発電機用プロペラ風車は、小型軽量であるために場所を選ぶことがなくどこにでも容易に設置することができるとともに、従来においては風力発電に利用することができなかったような低風速時の風力も利用することができる。

更には、強風時においても風車が破壊してしまうことがなく発電を継続することができるうえに、強風時の高回転状態においてもブレード等が紙でできているために周囲に危険を及ぼすことがなく、また風車の製造に必要とされる環境負担を極めて低く抑制することができる。

なお、図７において、符号１０は円柱形状によりなる鋼製のストッパーであり、発電機４の入力回転軸４ａと一体に固定されて設けられている。また、１１は、ウレタンゴム製のライナーである。

また、発電機の入力回転軸に軸対称に装着したコルゲート翼形状を有するブレードは、複数枚を一定間隔を保持して重畳的に組み合わせている。

また、回転軸対称形をもつ２翅プロペラ型のブレードを基本ブレードとし、小型発電機の入力回転軸上にそれら基本ブレードを一定間隔に保持して複数個重畳して装着すると共に、それぞれの基本ブレードにおけるブレード本体の長手方向の軸線をアジマス方向に均等角度ずつずらして装着している。そして、ブレード本体のピッチ角を自由に構成できるようにしている。

すなわち、図６に示すように、回転軸対称形をもつ２翅プロペラ型のブレードを基本ブレード３０としており、この基本ブレード３０は、２枚のブレード本体１ａ，１ｂよりなっている。つまり、図８に示すように、発電機の入力回転軸４ａに嵌着自在の２枚の金属ブラケット１２間に２枚のブレード本体１ａ，１ｂのそれぞれの基端部分を対峙するように挟み込みネジで螺着固定すると、回転軸対称形をもつ２翅プロペラ型の基本ブレード３０が完成する。なお、基本ブレード３０は、２枚のブレード本体１ａ，１ｂを組み合わせるのではなく、一体成形としても良い。

そして、この２翅プロペラ型の基本ブレード３０を複数枚一定間隔を保持して重畳的に組み合わせている。すなわち、２翅プロペラ型の基本ブレード３０中央の金属ブラケット１２を利用して発電機の入力回転軸に嵌着すると共に、金属ブラケット１２の厚みをスペーサとして複数枚一定間隔を保持して重畳的に組み合わせる。しかも、それぞれの基本ブレードにおけるブレード本体の長手方向の軸線をアジマス方向に均等角度ずつずらして重畳的に装着している。

なお、金属ブラケット１２間に挟み込むブレード本体のそれぞれの基端部分は一定の捩りを形成することにより基本ブレードのピッチ角を形成する。そして、所定の回転数とトルクを得るために、例えば15度と7.5度の二種類のピッチ角の基本ブレードを準備しておくことにより、枚数と重畳する順番などを変更することにより、風の方向や強さに応じた最適の基本ブレードの組み合わせを実現し、出力負荷の変化に対応した効率のよいプロペラ風車を構成することが出来る。このようにピッチ角を自由に変えられるように予めピッチ角の異なる数種類の基本ブレードを準備しておくと小型発電機の出力負荷に応じた最適の風車を構成することが出来る。

また、図９に示すように、ハブ３の後方には風見安定機構５０が着脱自在に取付けられている。風見安定機構５０は筒体１３とその後端に連設した複数枚の横風受け翼２０とより構成しており、筒体１３の断面積はハブ面積と略同程度としている。なお、符号４は発電機を示し、符号Ｚはヨー軸を示す。

筒体１３は薄肉のシート状材料からなるＰＥＴボトルの注ぎ口のネジを利用して基本ブレード３０中心のハブ３に固着したＰＥＴボトルの蓋体１８と螺着可能としている。

なお、風見安定機構５０としての筒体１３をこのように構成することにより、基本ブレード３０からの風の流れを乱すこともなく、更には、基本ブレード３０よりも下流の離れた位置にあって風見機能を果たす横風受け翼２０を後端で支持する支持ブームとして機能することも出来る。

その上、筒体１３自体も若干の風見効果を持つことからこの筒体形状は最も効率が良い風見構造となる。

筒体１３の後端に取り付けられる風見機能を有する複数の横風受け翼２０は、ＰＥＴボトルと同様の薄肉シート状材料を用いており、長方形翼を断面略十字形に放射状に取り付けた構造とすることにより十分な風見機能を発揮しつつ、軽量で強風に耐え、かつ基本ブレード３０の性能を犠牲にせず、状況によっては、以下に述べるように風車性能を向上させるような設計条件とする。

すなわち、この複数枚の横風受け翼２０からなる断面略十字形の翼１４の翼幅が前方の筒体１３の直径よりも大であると、基本ブレード３０の後流に断面略十字形の翼１４の先端部分が露出することになり、その空力干渉を考えると好ましくない。そこで断面略十字形の翼１４の翼幅、すなわち、断面略十字形の翼１４の回転軌跡の直径を筒体１３の直径以下とすることにより、少なくとも筒体１３だけに風見安定効果を期待するよりも優れた風見安定効果が得られる。

更に、かかる断面略十字形の翼１４を加工して十字翼の側端縁を略直角に折り曲げる。

折り曲げ方向は、風車が横風を受けた時にこの折り曲げ部分が横風を受け基本ブレード３０の所定の回転方向に回転モーメントを与えるような方向とする。

結果的には、かかる折り曲げ加工をすると断面略十字形の翼１４の形状は断面卍形か断面鉤十字形となる。

上記のような断面略十字形の翼１４の側端縁の折り曲げ加工を施したものと折り曲げ加工をしていない翼との比較をすると、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、両者は横風を受けた時の空気の流れＦの様子と作用において異なる。

横風に対する抵抗は、折り曲げ加工をしていない断面十字形の翼１４ａの方が堰き止め空気量が少ないため小さく、当然に横風に対して風に流されるモーメントの発生量も少ない。

他方、断面略十字形の翼１４の側端縁の折り曲げ加工を施し、翼の形状を断面卍形あるいは断面鉤十字形としたものは、軸周りの運動変化量が回転軸１６の両側で異なるため、回転軸１６の周りに基本ブレード３０を正規方向に回転させようとする回転軸周りのモーメントＭが発生する。なお、図１０Ｂは、断面卍形の翼１４ｂとした場合における横風の空気の流れ、および発生するモーメントＭを示している。

このように回転軸１６周りのモーメントＭは小さいが基本ブレード３０の正規回転方向に作用するので、基本ブレード３０が極端に軽い場合には基本ブレード３０の回転にも貢献する。

基本ブレード３０は横風に対して原則的に回転軸周りのモーメントＭを持たないので、断面略十字形の翼１４の側端縁の折り曲げ加工を施したものは横風時の基本ブレード３０の回転起動トルクを与える唯一の技術となる。

従って、無風静止状態で突然横から風を受けた時、断面略十字形の翼１４の側縁の折り曲げ加工を施し断面卍形あるいは断面鉤十字形としている場合には、基本ブレード３０が正規回転方向に回る回転軸周りのモーメントＭを受けるので、基本ブレード３０が正規のダウンウインド方向になる時には、基本ブレード３０のみの場合や単なる断面十字形の翼１４ａを付加した場合に比べて、基本ブレード３０の軸回転はある程度立ち上がっている。従って、風向の変動が著しくて頻繁にヨー回転しても基本ブレード３０の軸回転の立ち上がりの遅れを可及的に少なくすることが出来る。

なお、断面略十字形の翼１４の先端が基本ブレード３０の中心のハブ３の外周をはみ出している構成の場合（翼幅が前方の筒体１３の直径よりも大の場合）、基本ブレード３０の後流で断面略十字形の翼１４が同軸回転しているときの空力的作用について考察する。

すなわち、断面略十字形の翼１４の翼幅が前方の筒体１３の直径よりも大であると、基本ブレード３０の後流に断面略十字形の翼１４の先端軌跡部分が露出することになり、その空力干渉が生じ好ましくない。

そこで断面略十字形の翼１４の翼幅、すなわち、断面略十字形の翼１４の回転軌跡の直径を筒体１３の直径、すなわち、ハブ３の直径以下とすれば、少なくとも筒体１３だけに風見安定効果を期待するよりも優れた風見安定効果を示す。

しかし、頻繁な風向の変化があって、基本ブレード３０の起動応答特性に遅れが目立つ場合には、筒体１３の外周にまで断面卍形あるいは断面鉤十字形とした翼の翼幅を広げることにより基本ブレード３０の起動応答特性を改善することが出来る。

本発明における断面略十字形の翼１４に折り曲げ加工をした翼の翼幅、すなわち、断面略十字形の翼１４の回転直径は、風車全体の起動応答特性とヨー回転の応答特性と風向変化の頻度等の関数によって定められるべきものである。

勿論、折り曲げ加工をした断面略十字形の翼１４の翼幅を筒体１３の直径以下にすれば、基本ブレード３０後流部分での効率低下は無視できる。

なぜならば、ダウンウインド状態で稼働中の筒体１３の背後の領域では、そのままでは乱れた流れ領域となるが、その周囲の流れは基本ブレード３０の回転の影響で僅かに同方向回転しているため、筒体１３の直後にある断面略十字形の翼１４の部分は乱れた流れを周囲の流れに同調させて整える機能を持つことになり、かかる特性に従えば、必ずしも基本ブレード３０の後流部分での効率低下は生じないものと考えてよいからである。

図１１Ａは直径４２ｃｍのダウンウインド型風車に本件発明の実施例を適用した例の側面構成図である。

基本ブレード３０のハブ３の背面には、中心部を貫通した入力回転軸４ａの端部に位置するようにＰＥＴボトルの蓋体１８を連設固定し、その蓋には底部を切削して底部開放状とした筒体１３としてのＰＥＴボトルの注ぎ口が着脱自在にねじ込まれている。ＰＥＴボトルはハブ３と概ね同等の回転半径を有するように構成する。筒体１３としてのＰＥＴボトルの底部の切削開放部には断面略十字形の翼１４が連設されている。必要に応じて断面略十字形の翼１４の側縁部を折り曲げて断面卍形あるいは断面鉤十字形とする。

図１１Ｂは図１１ＡにおけるＡ−Ａ矢視図であり、断面略十字形の翼１４を断面鉤十字形とした場合の断面鉤十字形の翼１４ｃを示している。図１１Ｂの場合、断面略十字形の翼１４の側縁部の折り曲げ方向は下流側から見て鉤十字形であり、これは下流側から見てダウンウインド位置で基本ブレード３０が右ネジ方向に回転するように設計されている場合に対応する。当然に基本ブレード３０の回転方向が逆だと断面略十字形の翼１４の側縁部の折り曲げ方向は図１１Ｂの場合とは逆の断面略卍形になる。

なお断面略十字形の翼１４は、必ずしも厳密な十文字形状をなす必要はなく、矢視Ａ−Ａ断面図から分かるように、平板をアングル材状に直角に折り曲げ、折り曲げ部を含む長方形を接着して略十字形とし、その後に翼の側縁部をアングル材状に折り曲げることでもよい。

本実施例においてはハブ３の直径が約６０ｍｍ、ＰＥＴボトルの直径は約６５ｍｍで概ね風車のハブ３の陰に隠れ、ＰＥＴボトル取付け部であるＰＥＴボトルの蓋体１８から横風受け翼２０の後端まで約３５ｃｍであり、断面略十字形の翼１４の長さは約１５ｃｍで風見安定機構だけの質量は３０グラム以下に抑制出来ている。

１：ブレード
１ａ，１ｂ：ブレード本体
２：弾性体
３：ハブ
４：発電機
４ａ：入力回転軸
５：風見安定板
６：横支柱
７：縦支柱
８：回転支持部
９：錘
１０：ストッパー
１１：ライナー
１２：金属ブラケット
１３：筒体
１４：断面略十字形の翼
１４ａ：断面十字形の翼
１４ｂ：断面卍形の翼
１４ｃ：断面鉤十字形の翼
１６：回転軸
１８：ＰＥＴボトルの蓋体
２０：横風受け翼
３０：基本ブレード
Ｆ：空気の流れ
Ｍ：モーメント
Ｚ：ヨー軸

Claims (8)

1. 縦支柱に横支柱を回転自在に連設し、該横支柱には発電機を設けると共に該発電機の入力回転軸にはハブを介して薄板状のシートからなる回転軸対称形をもつ２翅プロペラ型のブレードを基本ブレードとして装着し、該基本ブレードは基端から先端方向に対して直角方向の断面形状をコルゲート状としたコルゲート翼形状とし、しかも、該基本ブレードはピッチ角或いは先端方向の長さの異なる基本ブレードと取り換え可能とし、
   前記発電機の入力回転軸に前記発電機の後方に位置するように前記基本ブレードを装着し、該基本ブレードの後方に同軸上で風見安定機構を設けると共に、該風見安定機構は薄肉のシート状材料で構成した前部閉塞の筒体と該筒体の後端に連設した複数枚の横風受け翼とより構成し、しかも、前記発電機と前記基本ブレードと前記風見安定機構とは一体としてヨー回転可能に構成したことを特徴とする小型発電機用プロペラ風車。
2. 前記基本ブレードは２枚のブレード本体からなり、
   前記ブレード本体は前記ハブに変形自在の弾性体を介して片持支持されていることを特徴とする請求項１に記載の小型発電機用プロペラ風車。
3. 前記ブレード本体および前記弾性体は、紙またはプラスチックにより形成したことを特徴とする請求項２に記載の小型発電機用プロペラ風車。
4. 前記発電機の入力回転軸に回転軸対称に装着した前記基本ブレードは、複数枚を一定間隔を保持して重畳的に組み合わせたことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の小型発電機用プロペラ風車。
5. 前記発電機の入力回転軸上に前記基本ブレードを一定間隔に保持して複数個重畳して装着すると共に、それぞれの基本ブレードにおける前記ブレード本体の長手方向の軸線をアジマス方向に均等角度ずつずらして装着したことを特徴とする請求項２乃至請求項４に記載の小型発電機用プロペラ風車。
6. 前記ブレード本体のピッチ角を自由に構成できるようにしたことを特徴とする請求項２乃至請求項５に記載の小型発電機用プロペラ風車。
7. 前記複数枚の横風受け翼は、断面卍形または断面鉤十字形としたことを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の小型発電機用プロペラ風車。
8. 前記前部閉塞の筒体は前記発電機の入力回転軸後端に着脱自在に連設したことを特徴とする請求項１乃至請求項７に記載の小型発電機用プロペラ風車。

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