JP5619123B2 - 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ものである。

再生可能エネルギーの重要性が叫ばれる中、従来から、我が国では低速風又は微風でも回転し得る風車、あるいはその風車を利用した風力発電装置の開発が進められてきた。大規模な風力発電装置又はシステムの配置が困難な都市部においても、低速風又は微風（以下、総称して「微風」という。）で回転する風車を利用することにより、風力の有効利用の範囲を格段に広げることになる。

本願発明者も、これまでに多くの試行錯誤を繰り返しながら風力利用、特に微風の利用を実現する風車及び風力発電機を研究し開発してきた。その中でも、パドル型風車と呼ばれる抗力型多翼風車を用いた微風利用の実現に注力し、羽根車に特徴的な構造上を備える風車の提案を行ってきた（非特許文献１）。その結果、出力係数（いわば、風力から風車の回転動力へのエネルギー変換効率）の高い風力発電機が発明者によって提案されている。

しかしながら、風車の羽根車の回転数は単に高ければよいということではない。換言すれば、異常に高速に風車が回転することが好ましくない場合がある。例えば、台風等の自然災害時の急激な風速変化によって風車の羽根車が変形又は破損するという問題が生じ得る。そのような状況への対策として、締付けねじを用いて、羽根車が風向き方向に対して最も風の抵抗を受けない姿勢を選択することにより、台風等の異常な強風時において風をいなす方法が開示されている（特許文献１）。また、遠心力で重りが中心より離れていきスイッチを押すことによって回転制御機構を働かせる方法が開示されている（特許文献２）。

特開２００３−１９３９５５号公報 特開２００５−１３３５５０号公報

福田芳行，他１名，"都市型風力発電システムの実用化に関する研究（第１報）"，２０１１年，産業技術短期大学誌，第４５巻，ｐ．１−５

一般的に、微風によって回転し得る風車を実現するためには、羽根車の軽量化が図られる。従って、その軽量化により、強風時においては、風車がより高速に回転し得ることになる。そうすると、強風時の遠心力により羽根車が変形や破損してしまう可能性が高まる。また、例えば微風で回転し得る風車を伴う風力発電装置が都市部に配置された場合、あまりに風車の回転数が高いと、風車又は風力発電装置の近くを行き交う一般市民に恐怖感を与えてしまうことにもなり得る。従って、羽根車の回転数を適切に制御することが、設置場所を選ばず、安全性に優れ、かつメンテナンスフリーな風車又は風力発電装置の実現に大きく貢献することになる。

ところで、特許文献１の方法によれば、締付けねじを用いて羽根車が風向き方向に対して最も風の抵抗を受けない姿勢を選択するという、人間による作業を要することになる。また、特許文献２の制御機構は、スイッチによって制御機構を駆動するための電源を要する。

上述のとおり、従来技術において、人為的又は電気的な制御を全く用いることなく風車の回転制御を実現した風力発電装置は未だ確認されていない。しかしながら、人為的あるいは電気的な制御手段を用いれば、風車又は風力発電装置の設置場所が限定されてしまうため、風車又は風力発電装置の利用の拡大を妨げることになる。

本発明は、上述の技術課題を解決することにより、人為的あるいは電気的な制御手段を用いることのない風車又は風力発電装置の実現に大きく貢献する。

上述のとおり、本願発明者は、人為的又は電気的な制御を全く用いることなく風車の回転速度を過度に高速に回転させないように制御することが、風車又は風力発電装置の利用範囲の拡大及びメンテナンス性の向上（代表的には、メンテナンスフリー）に寄与すると考え、鋭意研究を進めた。その結果、比較的弱い風の果たす役割と比較的強い風の果たす役割とを異ならせた２種類の風車を工夫して用いることにより、発明者は、風以外の動力を用いることのない、いわば「風を以って風を制する」ことを具現化し得る風車及び風力発電装置を創出した。

本発明の１つの風車は、鉛直回転軸の周りに複数の縦方向の第１ブレードを配置した第１風車と、その第１ブレードの上下端を挟んでその第１風車を回動可能に固定する天板及び底板と、第２風車と、その第２風車と一体となって回転する、第１風車の回転に対する制動力を発生させる制動部を備える。ここで、前述の第２風車は、前述の天板の上方に配置されるとともに、前述の第１風車とは独立し、前述の第１ブレードが回転し始める風速よりも速い風速によって回転し始める。加えて、この第２風車は、前述の回転軸を有する第２ブレードと、その第２ブレードと一体となって回転するとともに、その回転軸に対して径方向に設けられ、かつその第２ブレードの回転によって生じる遠心力によって前述の回転軸から離れる方向に移動する錘を案内するガイド部と、その錘の移動を止めるストッパーを設けた底面の少なくとも一部がその回転軸から離れるにしたがって上方に傾斜することにより、その回転軸から離れるにしたがって前述の底面との距離が短くなる上部内壁を設けた通路体とを備える。さらに、前述の制動部は、前述の錘が前述の通路体内を前述の回転軸の中心から離れる方向に動くと、前述の上部内壁の上側からのその錘への押圧により、前述の底面に連動する弾性体の付勢力に抗して押し下げられるとともに前述の天板を押圧する圧力を増加させることによって前述の第１風車の回転に対する制動力を増加させ、かつ、その錘がその通路体内をその回転軸の中心に向けて動くと、前述の弾性体によってその天板を押圧する圧力を低下させる。

この風車によれば、第２ブレードの回転によって生じる遠心力により、通路体内をその回転軸から離れる方向に錘が移動することに伴う制動部の作用により、第１風車が過度に高速に回転することを防止し得る。より具体的には、この風車は、その遠心力によって上述の回転軸から離れる方向に移動する錘がその通路体の上部内壁によって押圧されることに伴う、上述の天板を押圧するその制動部の圧力の増加によって、第１風車の回転を制動する。そして特筆すべきは、第１風車の回転を制動する第２風車も、風以外の動力を要しない点である。従って、この風車によれば、人為的又は電気的な制御を用いることなく、風車の回転速度の制御を実現し得る。そのため、この風車は、従来と比較して、設置場所の自由度と安全性が格段に高まるとともに、メンテナンス性にも極めて優れている。

また、本発明のもう１つの風車は、鉛直回転軸の周りに複数の縦方向の第１ブレードを略等間隔に配置した第１風車と、その第１ブレードの上下端を挟んでその第１風車を回動可能に固定する天板及び底板と、第２風車と、その記第２風車と一体となって回転する、第１風車の回転に対する制動力を発生させる制動部を備える。ここで、前述の第２風車は、前述の天板の上方に配置されるとともに、前述の第１風車とは独立し、前述の第１ブレードが回転し始める風速よりも速い風速によって回転し始める。加えて、この第２風車は、前述の回転軸を有する第２ブレードと、前述の第２ブレードと一体となって回転するとともに、その回転軸に対して径方向に設けられ、かつその第２ブレードの回転によって生じる遠心力によってその回転軸から離れる方向に移動する錘を案内するガイド部と、その錘の移動を止めるストッパーを設けた底面の少なくとも一部が前述の回転軸から離れるにしたがって上方に傾斜することにより、その回転軸から離れるにしたがってその底面との距離が短くなる上部内壁を設けた通路体とを備える。さらに、前述の制動部は、前述の錘が前述の通路体内の前述の回転軸から最も離れた位置にいるときに、前述の上部内壁の上側からのその錘への押圧により、前述の底面に連動する弾性体の付勢力に抗して押し下げられるとともに前述の天板を押圧することによって前述の第１風車の回転に対する制動力を発生させ、かつ、その錘がその通路体内の前述の回転軸から最も離れた位置にいないときに前述の弾性体によってその天板から離れさせる。

この風車によれば、第２ブレードの回転によって生じる遠心力により、通路体内をその回転軸から離れる方向に錘が移動することに伴う制動部の作用により、第１風車が過度に高速に回転することを防止し得る。より具体的には、この風車は、その遠心力によって上述の回転軸から離れる方向に移動する錘がその通路体内のその回転軸から最も離れた位置にいるときに、錘がその通路体の上部内壁によって押圧されることに伴う、その制動部による天板の押圧によって、第１風車の回転を制動する。そして特筆すべきは、第１風車の回転を制動する第２風車も、風以外の動力を要しない点である。従って、この風車によれば、人為的又は電気的な制御を用いることなく、風車の回転速度の制御を実現し得る。そのため、この風車は、従来と比較して、設置場所の自由度と安全性が格段に高まるとともに、メンテナンス性にも極めて優れている。

また、上述の風車を備えた風力発電装置は、第１風車及び第１風車の回転を制動する第２風車が風以外の動力を要しないため、従来と比較して、設置場所の自由度と安全性が格段に高まるとともに、メンテナンス性も極めて優れている。

本発明の１つの風車又は風力発電装置によれば、風以外の動力を用いずに風車の回転速度の制御を実現し得る。そのため、この風車又は風力発電装置は、従来と比較して、設置場所の自由度と安全性が格段に高まるとともに、メンテナンス性にも極めて優れている。

本発明の第１の実施形態における風力発電装置の概要構成図である。 図１のうち第１風車のＸ−Ｘ断面図である。 本発明の第１の実施形態における第２風車の平面図である。 本発明の第１の実施形態における、第２風車の斜視図である。 本発明の第１の実施形態における、第２風車の一部の斜視図である。 本発明の第１の実施形態における、第２風車が未回転時の風力発電装置の一部の側面断面図（図３のＹ−Ｙ断面に相当する図面）である。 本発明の第１の実施形態における、第２風車の回転時の図６に相当する側面断面図である。 本発明の第１の実施形態における錘の側面図である。 本発明の第１の実施形態における錘の斜視図である。 本発明の第１の実施形態における発電機の発電特性を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態における発電機の発電特性を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態の変形例における、第２風車の回転時の図７に相当する側面断面図である。 本発明の第２の実施形態における風力発電装置の概要構成図である。 本発明の第２の実施形態における、第２風車の回転時の図４に相当する側面断面図である。 本発明の第２の実施形態における図６に相当する斜視図である。 本発明の他の実施形態における図２に相当する斜視図である。

本発明の実施形態を、添付する図面に基づいて詳細に述べる。なお、この説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分には共通する参照符号が付されている。また、図中、本実施形態の要素は必ずしも互いの縮尺を保って記載されるものではない。さらに、各図面を見やすくするために、一部の符号を省略する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態における風力発電装置１００の概要構成図である。また、図２は、図１のうち第１風車１８のＸ−Ｘ断面図である。図３は、本実施形態における第２風車８０の平面図であり、図４は、本実施形態における第２風車８０の斜視図である。また、図５は、本実施形態における第２風車８０のうち第２回転体３１を表す斜視図である。

本実施形態の風力発電装置１００は、風力を用いて複数のブレードを回転させることによって発電する、いわゆる縦軸型の風力発電装置である。図１に示すように、この本実施形態の風力発電装置１００は、大きく２つの領域に分類される。その１つは、第１ブレード１４（１４ａ，１４ｂ）を有する第１風車１８と第２ブレード２４を有する第２風車８０とを備える風車である。そしてもう１つは、第１風車１８の回転によって発電する発電機６０である。

なお、本実施形態においては、第１風車１８と第２風車８０は、回転軸Ｒを共有するとともに、上部支持板１６、支持棒１１、及び下部支持板１７によって支持されている。また、微風による回転を実現するために、本実施形態の第１ブレード１４の材質はアルミニウム合金である。なお、図１等におけるＡは回転軸Ｒの中心を示す。また、アルミニウム合金以外にも、公知の軽金属材料が第１ブレード１４の材質として採用され得る。

最初に、風車について説明する。本実施形態の風車は、縦方向の第１ブレード１４（１４ａ，１４ｂ）を有し、発電のための回転動力の発生に直接寄与する第１風車１８と、第２ブレード２４を有し、第１風車の回転速度を制御する第２風車８０とを備えている。すなわち、第１風車１８の回転速度を過度に高速に回転させないように制御するための第２風車８０が設けられているため、本実施形態の風車は役割の異なる２種類の風車を備えている。

より具体的に見ると、本実施形態の第１風車１８は、図２に示すように、１６枚の略半円筒状の第１ブレード１４が、鉛直回転軸Ｒの周りに略等間隔、換言すれば略等角度（図２の各第１ブレード間の角度βが略同じ）の間隔に配置した第１風車１８と、第１ブレード１４の上下端を挟んで第１風車１８を軸受け６０ｃによって回動可能に固定する天板１２及び底板１５とを備えている。なお、本実施形態の第１ブレード１４は、上段の第１ブレード１４ａと下段の第１ブレード１４ｂが、各ブレードの位置や向きを一致させるように、縦方向に僅かな隙間を介して重ねられている。また、上段の第１ブレード１４ａと下段の第１ブレード１４ｂとが一体となって回転（図１のＷ）するように形成されている。加えて、本実施形態の第１ブレード１４の外径（図１のＬ１）と内径（図１のＬ２）との比率は、外径（Ｌ１）が１に対して内径（Ｌ２）が０．６５である。

また、この第１ブレード１４は、図１及び図２に示すように、天板１２及び底板１５上に固定された金属製で半円板状の支持部１３の外周面に沿って取り付けられる。

なお、本実施形態においては、第１ブレード１４（１４ａ，１４ｂ）は、支持部１３の外周面の全てを覆うように取り付けられておらず、一様に一部の欠損部分が存在する。この構造を採用することにより、風が第１風車１８に向かって吹き込んだときに第１ブレード１４の後方（風の下流側）へその風を滞らせることなく逃がす効果が奏される。ところで、本実施形態では、図２における第１ブレード１４の欠損部分を示す角度（中心角）αが３０°であるが、本実施形態はこの角度に限定されない。例えば、実質的に欠損部分がない第１ブレード１４も採用し得る他の一態様である。但し、風が第１風車１８に吹き込んだときに第１ブレード１４の後方へその風を滞らせることなく逃がす効果を高め、極めて微弱な風（例えば、風速１ｍ／秒以下の風）であってもより高い起動トルクを得る観点から言えば、上記欠損部分を設けることが好ましく、その角度αが、２０°以上４０°以下であることが特に好ましい。

次に、第２風車８０について説明する。図６は、本実施形態における第２風車８０が未回転時の風力発電装置１００の一部の側面断面図（図３のＹ−Ｙ断面に相当する図面）である。また、図７は、本実施形態における第２風車８０の回転時の図６に相当する側面断面図である。また、図８は、本実施形態における錘７０の側面図であり、図９は、本実施形態における錘７０の斜視図である。

本実施形態の第２風車８０は、図３乃至図７に示すように、第２ブレード２４を有する第１回転体２１と、軸受け６０ａ，６０ｂを利用して第１回転体２１と一体となって回転する第２回転体３１とを備えている。また、本実施形態の第２回転体３１は、第２ブレード２４（第１回転体２１）の回転によって生じる遠心力によって回転軸Ｒから離れる方向に移動する錘７０を案内するガイド部３３と、錘７０の移動を止めるストッパー３４とを含む通路体３２を備えている。また、本実施形態の第２ブレード２４は、平面視において台形状の風杯（カップ）を備えている。なお、本実施形態の第２ブレード２４の材質はＳＵＳ３０４である。

また、第１回転体２１と第２回転体３１とを備える第２風車８０は、枠体上部４３、枠体下部４４、及び枠体上部４３と枠体下部４４とを一体化する柱部４２によって形成される枠体内に配置されている。枠体上部４３は、上部支持板１６に設けられた貫通孔から突出させた凸部４６を備えている。加えて、凸部４６の周囲であって、凸部４６の上端に固設された当接部４７と上部支持板１６との間に配設された弾性体の一例であるコイルばね４０の付勢力によって、前述の枠体が支えられている。

また、図１、図６、及び図７に示すように、第２風車８０が配置される枠体の枠体下部４４は、下方に突出する制動パッド５１を備えている。本実施形態においては、代表的には摩擦係数を高めるため、金属製の制動パッド５１の下面が、合成ゴム（例えば、
クロロプレンゴム）製で円板状の樹脂パッド５２を備えている。本実施形態においては、第１風車１８の回転速度を制御する制動部９０は、前述の枠体、第２風車８０、樹脂パッド５２を備えた制動パッド５１、及びコイルばね４０によって構成される。

ここで、第１風車１８の回転を制動する方法について説明する。本実施形態においては、第２風車８０は、第１風車１８とは独立しており、第１ブレード１４が回転し始める風速よりも速い風速によって回転（図１のＳ）し始める。これは、例えば、第２ブレード２４を、第１ブレード１４の材質よりも比重の重い材質を用いて形成したり、第２風車８０の受風面積を第１風車１８のそれよりも小さくしたりすることにより実現し得る。

第２ブレード２４がある風速以上の風を受けて回転すると、その回転によって生じる遠心力により、錘７０が回転軸Ｒに対して径方向に設けられた通路体３２内を、ガイド部３３に案内されて回転軸Ｒから離れる方向（図７のＰ方向）に移動する。

図６及び図７に示すように、本実施形態の通路体３２内の底面の少なくとも一部は、回転軸Ｒから離れるにしたがって上方に傾斜している。また、本実施形態においては、第２ブレード２４の高速回転によって錘７０が通路体３２の外に飛び出さないように、第１回転体２１が備える金属製（例えば、ＳＵＳ３０４製）のカバー体２２が、実質的にその位置（高さ）が固定されるように第１回転体２１に取り付けられている。従って、本実施形態においては、回転軸Ｒから離れるにしたがって通路体３２の底面とカバー体２２の内壁との距離が短くなるため、錘７０が回転軸Ｒから離れるにしたがって、カバー体２２の内壁によって上側から錘７０を押圧する圧力が高まることになる。

そのため、第２ブレード２４が錘７０への遠心力を生じさせるために相当の回転速度（例えば、４００ｒｐｍ以上）で回転しなければ、錘７０は、傾斜に沿って回転軸Ｒから離れる方向、少なくとも最も回転軸Ｒから離れた位置までは移動しない。従って、本実施形態の第２風車８０によれば、弾性支持用のコイルばね４０のバネ定数をある程度大きく設定することにより、錘７０を備えた第２風車８０が機能し得る第２ブレード２４の回転数の下限値を上昇させることができる。なお、通路体３２における傾斜角度や錘７０の重さは、第２ブレード２４の回転速度の要求値によって適宜変更され得る。

なお、本実施形態においては、通路体３２の底面、ガイド部３３、ストッパー３４、及びカバー体２２によって区画された領域を通路体３２と定義することができる。従って、カバー体２２は、通路体３２の上部内壁を形成する通路体３２の一部と捉えることができる。

一方、錘７０は、第２ブレード２４が高速に回転した場合であっても、通路体３２が備えるストッパー３４によって進行が止められる。従って、錘７０が第２風車８０から径方向に飛び出すことを防止できる。

図７に示すように、第２風車８０の回転によって、錘７０が通路体３２内の回転軸Ｒから最も離れた位置、すなわちストッパー３４の位置まで移動すると、錘７０は、カバー体２２によって上側から押圧されることにより、通路体３２の底面に連動するコイルばね４０の付勢力に抗して通路体３２の底面（換言すれば、第２回転体３１）を押し下げる（図７のＺ方向）。その結果、第２回転体３１に伴って枠体が押し下げられるため（図７のＱ方向）、樹脂パッド５２を備えた制動パッド５１が天板１２を押圧する。上述のとおり、制動部９０は、第１風車１８の回転に対する制動力を発生させる。

その結果、第１風車１８の回転速度が低下するとともに第１風車１８の回転の制動のきっかけとなった第２風車８０の回転数も低下するため、第２ブレード２４によって錘７０に生じる遠心力が低減する。そうすると、錘７０は通路体３２の傾斜に沿って回転軸Ｒの中心Ａに向けて動くため、再びコイルばね４０の付勢力によって、前述の枠体が持ち上げられることになる。従って、樹脂パッド５２が、第１風車１８の天板１２から離れるため、制動部９０は第１風車１８に対する制動を行わなくなる。

なお、本実施形態においては、錘７０が回転軸Ｒから最も離れた位置から回転軸Ｒの中心Ａに向けて戻るときに、樹脂パッド５２が、第１風車１８の天板１２から離れるように、錘７０、第１回転体２１、及び第２回転体３１、及びコイルばね４０が構成又は調整されている。

上述のとおり、本実施形態の風車及び風力発電装置１００は、第１風車１８の回転速度を過度に高速に回転させないように制御するための第２風車８０を設けているため、風以外の動力を要せずに、第１風車１８が過度に高速に回転することを防止し得る。従って、本実施形態の風車及び風力発電装置１００によれば、従来と比較して、設置場所の自由度と安全性が格段に高まるとともに、メンテナンス性にも極めて優れている。

次に、錘７０について説明する。図８及び図９に示すように、本実施形態の錘７０は、移動の際に、カバー体２２に接する上方に配置された１つの円柱状回転体７２ａと、通路体３２の底面に接する下方に配置された２つの円柱状回転体７２ｂ，７２ｃとを備えている。なお、３つの円柱状回転体７２ａ，７２ｂ，７２ｃは、いずれも金属製（より具体的は、ＳＵＳ３０４製）である。

ところで、本実施形態の第２風車８０の回転速度の変化によって、錘７０が回転軸Ｒから遠ざかったり近づいたりする移動を何度も繰り返すことになる。仮に、第２風車８０の高速回転によって生じる遠心力によって勢いよく錘が回転軸Ｒから離れる方向に移動すると、錘の形状又は構造によっては、通路体３２の底面、ガイド部３３、及び／又はカバー体２２との接触後に錘が動かなってしまう場合が考えられる。

そこで、本願発明者は、その移動の障害となる要素を出来る限り排除することが、風車又は風力発電装置のメンテナンス性及び信頼性の向上に寄与すると考え、鋭意研究を行った。その結果、本願発明者は、錘が互いに独立して回転可能な複数の回転体を備えるとともに、それらの回転体の各々が通路体３２の内壁の少なくとも２箇所で接することにより上述の問題を解決し得ることを知見した。この知見に基づく錘の構成を採用すれば、いずれかの回転体が他の回転体に対して独立に回転し得るため、たとえ勢いよく錘が回転軸Ｒから離れる方向に移動したとしても、確度高くスムーズな錘の移動が実現される。従って、本実施形態の錘７０は、上述の技術思想を具現化した１つの例である。

最後に発電機６０について説明する。本実施形態においては、回転軸Ｒを共有する第１風車１８及び第２風車８０を備えた上述の風車の回転により、前記風車（直接的には回転軸Ｒ）に接続した発電機６０が発電する。

本実施形態の発電機６０は、２相ステッピングモータ（パナソニック株式会社製、ＫＰ３９ＨＭ４／１２Ｖ，０．０８Ａ）である。図１０及び図１１は、風力発電装置１００の発電機６０の発電特性を示すグラフである。本実施形態においては、風力発電装置１００の第１ブレード１４は風速０．６ｍ／秒という極めて微風であっても回転をし始めた。また、風速が約１．４ｍ／秒になり、第１ブレード１４の回転数が約７０ｒｐｍになると、図１０及び図１１に示すように、発電機６０による電力の発生が確認された。

＜第１の実施形態の変形例（１）＞
ところで、第１の実施形態では、錘７０が回転軸Ｒから最も離れた位置から回転軸Ｒに向けて動いたときに、樹脂パッド５２が、第１風車１８の天板１２から離れるが、第１の実施形態はそのような態様に限定されない。

例えば、７０が回転軸Ｒから最も離れた位置から回転軸Ｒに向けてある距離を動いたとしても、依然として樹脂パッド５２が、第１風車１８の天板１２を押圧し、第１風車１８の回転を制動し得ることも採用し得る他の一態様である。

図１２は、本変形例の具体的な一例としての、第２風車８０の回転時における風力発電装置１５０の図７に相当する側面断面図である。本変形例の制動部９０は、錘７０が通路体３２内を回転軸Ｒから離れる方向（図１０のＣ方向）に動くと、錘７０が、通路体３２の上部内壁（本実施形態では、カバー体２２の内壁）によって上側からより強く押圧される。そうすると、通路体３２の底面に連動する弾性体（本実施形態では、コイルばね４０）の付勢力に抗して枠体がより強く押し下げられるため、樹脂パッド５２を備えた制動パッド５１が天板１２を押圧する圧力が増加する。その結果、第１風車１８の回転に対する制動力が増加する。加えて、錘７０が通路体３２内を回転軸Ｒに向かう方向（図１０のＤ方向）に動くと、枠体を持ち上げる付勢力を有するコイルばね４０によって天板１２を押圧する圧力を低下させるか、又は制動部９０（直接的には、樹脂パッド５２）が天板１２から離れる。

本変形例においても、第１風車１８の回転速度を過度に高速に回転させないように制御するための第２風車８０を設けているため、風以外の動力を要せずに、第１風車１８が過度に高速に回転することを防止し得る。従って、本変形例の風車及び風力発電装置によれば、従来と比較して、設置場所の自由度と安全性が格段に高まるとともに、メンテナンス性にも極めて優れている。

＜第１の実施形態の変形例（２）＞
また、本実施形態の第１風車１８における天板１２及び底板１５はいずれも板状体であるが、天板１２及び底板１５はこの態様に限定されない。例えば、制動部が押圧する箇所以外の領域において、軽量化や第１風車１８の回転時のバランス確保等のために貫通孔が１つ又は複数形成された天板や底板も採用し得る他の一態様である。

＜第１の実施形態の変形例（３）＞
さらに、本実施形態においては、第１ブレード１４の数は、上段の第１ブレード１４が１６枚及び下段の第１ブレード１４ｂが１６枚の計３２枚であったが、第１ブレード１４の数はこれらの数値及び態様に限定されない。例えば、上段のみ、又は下段のみの第１ブレード１４であっても、本実施形態の効果と同様の効果が奏され得る。また、３段に配置された第１ブレード１４も採用し得る他の一態様である。複数段の第１ブレードが採用される場合の例には、強度を確保する観点から採用される場合や、各段において異なる模様や色彩を施す意匠的な観点から採用される場合が挙げられる。また、第１ブレード１４の数は、例えば、上段のブレード数又は下段のブレード数が各１０枚、あるいは、各２０枚の場合であっても、本実施形態の効果の少なくとも一部が奏され得る。

＜第１の実施形態の変形例（４）＞
加えて、本実施形態においては、第２ブレード２４の数は６枚であったが、第２ブレード２４の数も、この数値に限定されない。例えば、第１ブレード２４の数が４枚、あるいは、１０枚の場合であっても、本実施形態の効果の少なくとも一部が奏され得る。

＜第１の実施形態の変形例（５）＞
さらに、本実施形態の第１ブレード１４は略半円筒状であり、第２ブレード２４は平面視において台形状の風杯（カップ）を備えているが、各ブレードの態様もそれらに限定されない。例えば、第１ブレード１４や第２ブレード２４が、正半円筒形、正楕円筒形、略半楕円筒形、あるいは、平面視においてＶ字状又はＵ字状の風杯を備えたブレードも採用し得る他の一態様である。但し、第１ブレード１４が微風による回転を主たる目的とする場合は、本実施形態の第１ブレード１４のように、略半円筒形又は正半円筒形が好ましい。

＜第２の実施形態＞
図１３は、本実施形態における風力発電装置２００の概要構成図である。また、図１４は、本実施形態における、第２風車２８０の回転時の図４に相当する側面断面図である。また、図１５は、本実施形態における図６に相当する斜視図である。

本実施形態の風車及び風力発電装置２００は、錘２７０が第１の実施形態の錘７０と異なっている点を除き、第１の実施形態の風車及び風力発電装置１００と同じである。従って、第１の実施形態と重複する説明は省略する。

図１３乃至図１５に示すように、本実施形態の錘２７０は金属製（例えば、ＳＵＳ３０４製）の球体である。また、この球体の直径は、錘２７０が通路体３２内から外に飛び出さないように、ガイド部３３の内壁間の距離にほぼ等しいか、該距離よりもやや短い。従って、錘２７０は、通路体２２を形成する空間の各内壁に対して実質的に点接触することになる。

本実施形態の風車及び風力発電装置２００を採用したときであっても、第１風車１８の回転速度を過度に高速に回転させないように制御するための第２風車２８０を設けているため、風以外の動力を要せずに、第１風車１８が過度に高速に回転することを防止し得る。従って、本実施形態の風車及び風力発電装置２００によれば、従来と比較して、設置場所の自由度と安全性が格段に高まるとともに、メンテナンス性にも極めて優れている。

但し、本実施形態の錘２７０は、第１の実施形態の錘７０のように、互いに独立して回転可能な複数の回転体を備えるとともに、それらの回転体の各々が通路体３２の内壁の少なくとも２箇所で接する構造を有していない。従って、勢いよく錘が回転軸Ｒから離れる方向に移動した際によりスムーズな錘の移動を実現させる観点から言えば、第１の実施形態の錘７０を採用することがより好適な態様である。

＜その他の実施形態＞
また、上述の各実施形態においては、第１風車の第１ブレード１４が、鉛直回転軸Ｒの周りに略等間隔、換言すれば略等角度の間隔に配置されているが、第１ブレード１４の配置はその態様に限定されない。例えば、図１６に示すように、略等角度に配置されていない第１ブレード１４が第１風車に採用された場合であっても、上述の各実施形態と同等の効果が奏され得る。なお、図１６に示すように、第１の実施形態の第１風車１８の第１ブレード１４から所定間隔ごとの第１ブレード１４を取り除いた配置を採用することにより、例えば、第１風車が回転する際に生じ得る共鳴音を低減することが可能な点、換言すれば、特に都市部における配置時の騒音対策が可能となる点は特筆に値する。

なお、上述の各実施形態の開示は、それらの実施形態の説明のために記載したものであって、本発明を限定するために記載したものではない。加えて、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。

本発明の風車及び風力発電装置は、風のみを動力源として風車の回転速度を制御する自己制御型の風車及び風力発電装置である。従って、設置場所を選ばず、安全性に優れ、かつメンテナンスフリーが実現され得ることから、本発明の風車及び風力発電装置は風車及び風力発電装置の利用拡大に大きく貢献し得る。

１１ 支持棒
１２ 天板
１３ 支持部
１４，１４ａ，１４ｂ 第１ブレード
１５ 底板
１６ 上部支持板
１７ 下部支持板
１８ 第１風車
２１ 第１回転体
２２ カバー体
２４ 第２ブレード
３１ 第２回転体
３２ 通路体
３３ ガイド部
３４ ストッパー
４２ 柱部
４３ 枠体上部
４４ 枠体下部
４６ 凸部
４７ 当接部
５１ 制動パッド
５２ 樹脂パッド
６０ 発電機
７０，２７０ 錘
７２ａ，７２ｂ，７２ｃ 円柱状回転体
８０，２８０ 第２風車
９０，２９０ 制動部
１００，１５０，２００ 風力発電装置

Claims (5)

1. 鉛直回転軸の周りに複数の縦方向の第１ブレードを配置した第１風車と、
   前記第１ブレードの上下端を挟んで前記第１風車を回動可能に固定する天板及び底板と、
   前記天板の上方に配置されるとともに、前記第１風車とは独立し、前記第１ブレードが回転し始める風速よりも速い風速によって回転し始める、前記回転軸を有する第２ブレードと、前記第２ブレードと一体となって回転するとともに、前記回転軸に対して径方向に設けられ、かつ前記第２ブレードの回転によって生じる遠心力によって前記回転軸から離れる方向に移動する錘を案内するガイド部と、前記錘の移動を止めるストッパーを設けた底面の少なくとも一部が前記回転軸から離れるにしたがって上方に傾斜することにより、前記回転軸から離れるにしたがって前記底面との距離が短くなる上部内壁を設けた通路体とを備える第２風車と、
   前記錘が前記通路体内を前記回転軸の中心から離れる方向に動くと、前記上部内壁の上側からの前記錘への押圧により、前記底面に連動する弾性体の付勢力に抗して押し下げられるとともに前記天板を押圧する圧力を増加させることによって前記第１風車の回転に対する制動力を増加させ、かつ、前記錘が前記通路体内を前記回転軸の中心に向けて動くと、前記弾性体によって前記天板を押圧する圧力を低下させる制動部と、を備える、
   風車。
2. 鉛直回転軸の周りに複数の縦方向の第１ブレードを配置した第１風車と、
   前記第１ブレードの上下端を挟んで前記第１風車を回動可能に固定する天板及び底板と、
   前記天板の上方に配置されるとともに、前記第１風車とは独立し、前記第１ブレードが回転し始める風速よりも速い風速によって回転し始める、前記回転軸を有する第２ブレードと、前記第２ブレードと一体となって回転するとともに、前記回転軸に対して径方向に設けられ、かつ前記第２ブレードの回転によって生じる遠心力によって前記回転軸から離れる方向に移動する錘を案内するガイド部と、前記錘の移動を止めるストッパーを設けた底面の少なくとも一部が前記回転軸から離れるにしたがって上方に傾斜することにより、前記回転軸から離れるにしたがって前記底面との距離が短くなる上部内壁を設けた通路体とを備える第２風車と、
   前記錘が前記通路体内の前記回転軸から最も離れた位置にいるときに、前記上部内壁の上側からの前記錘への押圧により、前記底面に連動する弾性体の付勢力に抗して押し下げられるとともに前記天板を押圧することによって前記第１風車の回転に対する制動力を発生させ、かつ、前記錘が前記通路体内の前記回転軸から最も離れた位置にいないときに前記弾性体によって前記天板から離れさせる制動部と、を備える、
   風車。
3. 前記錘が互いに独立して回転可能な複数の回転体を備えるとともに、前記回転体のそれぞれが前記通路体の内壁の少なくとも２箇所で接する、
   請求項１又は請求項２に記載の風車。
4. 前記第１ブレードが、略半円筒形又は正半円筒形である、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の風車。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の風車を備えた、
   風力発電装置。

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