JP6081406B2 - 風車 - Google Patents

Description

本発明は、風力により旋回翼を回転させて動力を得ることができる風車に関するものである。

風車による動力は、以前から水の汲み上げや粉挽きに活用されているが、近年では風力発電に活用されている。
風力発電は、太陽光発電と同様に、自然エネルギーを利用することで、化石燃料を使用しないため二酸化炭素を排出しないため、資源の枯渇の心配が無く、地球温暖化の心配もない。また、風力発電は、放射線の漏れが心配される原子力発電と異なり、安全で安心である。

このような風力発電に用いられる風車は、回転軸が風向に対して平行に配置される平行型と、垂直に配置される垂直型とに大別される。
垂直型の風車は、平行型と異なり、どの方向から風が吹いても旋回翼に風を受けさせることができる。このような垂直型の風車として、特許文献１〜３に記載されたものが知られている。

特許文献１に記載のバーチカル２段風車は、同軸の支柱に、右回転する風車と左回転する風車を二段に設け、二つの境界線上で歯車を回すことで大きなトルクを引きだすと同時に逆向きに回転する羽の動きも逆となり、ほぼ同じタイミングで風下側の羽が加速され外側に開くのも逆となり、振動の原因を打ち消し合うというものである。

また、特許文献２に記載の風車は、円環状のラックと接するように、風車本体の側面の周方向に間隔を置いて複数のピニオンが取り付けられ、ピニオンと一体となるように、第一の回転部材である三日月形状の原動車が設けられ、原動車と接するように、第二の回転部材である従動車が取り付けられている。原動車の連続回転運動は従動車の断続回転運動に変換され、羽根は回転軸を回転中心として風車本体に対する角度を断続的に変化させながら、風車本体の周方向に回転する。

更に、特許文献３に記載の垂直軸風車は、垂直に延びる回転軸と、回転軸に固定された支持アームと、支持アームに回動可能に支持された受風板と、回転軸の回転位置に応じて受風板を支持アームに対して回動させる回動手段とを備え、回動手段は、回転軸を取り囲むように配置された非円形環状の誘導レールと、受風板に固定され、回転軸の回転により誘導レールに沿って移動するガイド部材とを備えて構成される。

特開２０１１−１３２９３８号公報 特開２０１２−１６７５８０号公報 特開２０１３−２９０２８号公報

しかし、特許文献１に記載のバーチカル２段風車では、羽（可動翼）が支持アームから開いて風を受けるときに、風の抵抗を受けながら開くことになる。従って、特許文献１に記載のバーチカル２段風車は、可動翼を効率良く旋回させることができない。

また、特許文献２に記載の風車では、ラックとピニオンにより羽根の角度を変化させながら回転させているため、機械的な摩擦による抵抗を受ける。従って、特許文献２に記載の風車は、羽根を効率良く旋回させることができない。

更に、特許文献３に記載の垂直軸風車では、誘導レールに沿ってガイド部材が移動しながら受風板を開いたり閉じたりさせている。従って、特許文献３に記載の垂直軸風車は、ガイド部材が誘導レールに摺動しながら移動する際の抵抗を受けるため、受風板を効率良く旋回させることができない。

そこで本発明は、旋回翼を効率良く旋回させることができることで、高出力が得られる風車を提供することを目的とする。

本発明の風車は、風向と交差する方向に配置される回転軸と、前記回転軸を中心に回転する旋回部とを備え、前記旋回部は、前記回転軸に軸回動自在に設けられ、前記回転軸を中心に旋回する旋回軸と、前記回転軸を挟んで前記旋回軸に一対設けられ、一方が風上に向かって前方に傾斜すると共に、他方が風下に向かって後方に傾斜した旋回翼とを備えたことを特徴とする。

本発明の風車によれば、一方の旋回翼が風上に向かって前方に傾斜すると共に、他方の旋回翼が風下に向かって後方に傾斜しているため、一方の旋回翼が風を受けると一方の旋回翼が後方へ旋回軸を中心に回動しながら回転する。この一方の旋回翼の回動により旋回軸が回動して、他方の旋回翼が更に後方へ旋回軸を中心に風を受け流す方向に回動しながら回転する。そして、一方の旋回翼が風の流れと平行になると、一方の旋回翼と共に、他方の旋回翼も元の姿勢に戻る。そして、他方の旋回翼が風を受け始めると、他方の旋回翼が一方の旋回翼となって風を受け、回転し始める。このように、旋回軸が軸回動して、旋回翼が揺動しながら回転することができるので、効率良く回転することができる。

前記旋回軸が軸回動したときに、前記一方の旋回翼を、風を受ける角度に設定すると共に、前記他方の旋回翼を、風を逃がす角度に設定するストッパが、前記旋回軸に設けられていることが望ましい。ストッパが、旋回翼の揺動範囲を規制することで、旋回翼を、最も風を受ける角度に調整して回転させることができるので、回転効率を向上させることができる。

前記旋回軸には、前記旋回部の重心を上下方向に移動させるバランサーが設けられていることが望ましい。前記旋回部の重心を上げると、微弱な風でも旋回翼が揺動しやくなるため風が弱いときでも回転させることができる。また、前記旋回部の重心を下げると、強い風の際には揺動の抵抗になるため、旋回翼が回り過ぎることを抑止することができる。

前記旋回翼は、前記回転軸とは反対側の側縁部が風向に向かって傾斜していると、この傾斜面に、旋回翼の中心寄りから外側方向に流れる風を受け止めさせることができるため、更に回転効率を向上させることができる。

前記旋回翼は、下端部が風向に向かって傾斜していると、この傾斜面に、旋回翼の上部から下方に流れる風を受け止めさせることができるため、更に回転効率を向上させることができる。

前記旋回翼は、前記回転軸側である内側から外側に向かって翼幅が幅広く形成されていることが望ましい。旋回翼の内側部分に風を受けても回転軸に近いため、回転に寄与し難い。また、旋回翼の外側部分で風を受ければ、旋回翼の内側部分で風を受けるより軽く回転させることができる。また、旋回翼の内側部分の翼幅を狭くすることで、旋回翼の軽量化を図ることができる。従って、旋回翼の内側部分の翼幅を狭く旋回翼の外側部分の翼幅を広くすることで、旋回翼を一層効率的に回転させることができる。

前記一対の旋回翼は、互いのなす角度が９０度に形成されていると、一方の旋回翼が風に対して面直角で受け、回るときには、他方の旋回翼は風に対して平行になるため、風の影響を最小限に抑えることができるので、最も効率良く旋回翼を回転させることができる。

本発明の風車は、旋回軸が軸回動して、旋回翼が揺動しながら回転させることができるので、効率良く回転させることができることで、高出力が得られる。

本発明の実施の形態に係る風車の斜視図である。 図１に示す風車の旋回部を側面方向から見た概略図である。 図１に示す風車の旋回部の平面図であり、（Ａ）を風を受ける前の状態の図、（Ｂ）は風を受けて旋回翼が揺動した状態の図である。

本発明の実施の形態に係る風車を、図面に基づいて説明する。なお、本明細書では、回転軸を中心に、風上側を前、風下側を後として説明する。また、本明細書では、回転軸を中心にして、回転軸側を内側、その反対側となる回転軸から離れる側を外側として説明する。

図１に示す風車１は、風力発電装置に用いられるものである。風車１は、風向と交差する方向に配置される回転軸２と、回転軸２を中心に回転する旋回部３と、旋回部３に設けられたバランサー４と、回転軸２に設けられたストッパ５と、回転軸２を支持する基台部６とを備えている。

回転軸２は、図示しない発電機に接続されている。
旋回部３（３ａ，３ｂ）は、回転軸２に沿って上下となる位置に２組設けられている。旋回部３は、回転軸２に軸回動自在に設けられている。旋回部３は、回転軸２を中心に旋回する旋回軸３１と、回転軸２を挟んで旋回軸３１に一対設けられた旋回翼３２（一方の旋回翼３２１，他方の旋回翼３２２）とを備えている。

旋回翼３２は、一方の旋回翼３２１が風上に向かって前方に傾斜すると共に、他方の旋回翼３２２が風下に向かって後方に傾斜するように、旋回軸３１に設けられている。
本実施の形態では、回転軸２は、風向と直交するように配置され、旋回部３は、上段の旋回部３ａの旋回軸３１と，下段の旋回部３ｂの旋回軸３１とが平面視して直交するように回転軸２に配置され、一方の旋回翼３２１と他方の旋回翼３２２とは、側面視して互いのなす角度が９０度に配置されている。

このように旋回翼３２１，３２２が旋回軸３１に設けられていることで、旋回部３を回転軸２に配置すると、回転軸２を中心に、旋回翼３２１が前方に４５度、旋回翼３２２が後方に４５度の角度で、やじろべえのように回転軸２を支点に旋回部３が安定する。

旋回翼３２は、回転軸側である内側から外側に向かって翼幅が幅広く形成されている。また、旋回翼３２は、回転軸２とは反対側の側縁部３２ａが風向に向かって傾斜する傾斜面となっている。また、旋回翼３２は、下端部３２ｂが風向に向かって傾斜する傾斜面となっている。

バランサー４は、旋回部３の重心を上下方向に移動させる機能を備えている。バランサー４は、軸部４１と錘部４２とを備えている。バランサー４は、図示しない進退手段により、軸部４１を進出させたり後退させたりして、錘部４２の高さ位置が変更される。進退手段は、回転軸２の回転速度により風力を判定して、旋回部３の重心を調整することができる。

ストッパ５は、旋回軸３１が軸回動したときに、一方の旋回翼３２１を、風を受ける角度に設定すると共に、他方の旋回翼３２２を、風を逃がす角度に設定する機能を備えている。ストッパ５は、回転軸２から伸びる腕部５１と、バランサー４の軸部４１を受けるパッド部５２とを備えている。
旋回翼３２が風を受ける角度としては、旋回翼３２の下端部３２ｂが風上（前方）を向いた状態を０度として、０度より大きく、旋回翼３２の下端部３２ｂが下方を向いた状態の９０度以下である。また、旋回翼３２２が風を逃がす角度としては、９０度より大きく、旋回翼３２の下端部３２ｂが風下（後方）を向いた状態の９０度以下である。

旋回翼３２の風受け面３２ｓが風上に向かって真っ直ぐに向き、風向に対して面直角となる状態が風を最大で受けることができる。そのため、本実施の形態では、バランサー４の軸部４１が４５度の角度となったときに、パッド部５２により軸部４１の傾斜が止まるように、ストッパ５が形成されている。
バランサー４とストッパ５とは、図示しないカバーにより雨雪や塵埃から保護されている。

以上のように構成された本発明の実施の形態に係る風車の動作および使用状態を図面に基づいて説明する。なお、図３においては、旋回部３ａのみを図示して、旋回部３ａが旋回する状態を説明するが、旋回部３ｂにおいても同様である。
まず、初期状態では、図２および図３（Ａ）に示すように、一方の旋回翼３２１と、他方の旋回翼３２２と、旋回軸３１から直上に軸部４１が伸びるバランサー４とがバランスが取れて、一方の旋回翼３２１が旋回軸３１から前方に４５度、他方の旋回翼３２２が旋回軸３１から後方に４５度の角度で安定している（図２においては、実線で示す。）。

風が吹くと、前方に傾斜する旋回翼３２１が風を受け、旋回軸３１を中心に後方に向かって回動しながら、回転軸２を中心に旋回部３が回転し始める。
この旋回翼３２１が回動することで、旋回軸３１が軸回動すると、バランサー４の軸部４１がストッパ５のパッド部５２に当たるまで、軸部４１が直上方向から倒れる。
バランサー４の軸部４１がストッパ５のパッド部５２に当たり、旋回軸３１の軸回動が止まると、旋回翼３２１の風受け面３２ｓに沿った方向が下方に向き、風受け面３２ｓが風向に対して面直角となるため、風を最も大きく受け止めることができる。

旋回翼３２１は、回転軸２とは反対側の側縁部３２ａが風向に向かって傾斜していため、この側縁部３２ａの傾斜面に、旋回翼３２１の中心寄りから外側方向に流れる風を受け止めさせることができる。従って、側縁部３２ａが傾斜面に形成されていることで、更に回転効率を向上させることができる。

旋回翼３２１は、下端部３２ｂが風向に向かって傾斜しているため、この下端部３２ｂの傾斜面に、旋回翼３２の上部から下方に流れる風を受け止めさせることができる。従って、下端部３２ｂが傾斜面に形成されていることで、更に、回転効率を向上させることができる。

また、旋回翼３２１は、回転軸２側である内側から外側に向かって翼幅が幅広く形成されているため、回転に寄与し難い内側は、切り欠いて旋回翼３２１の軽量化を図り、旋回翼３２１の外側部分で多くの風を受けることで、旋回翼３２１の内側部分で風を受けるより軽く回転させることができる。

このとき、他方の旋回翼３２２は、旋回軸３１が軸回動することで、風下に向かって後方に傾斜していた初期状態から、下端部３２ｂが持ち上がり、水平状態になるように回動する（図２では、点線にて示す。）。
他方の旋回翼３２２が水平状態となることで、回転軸２を中心として後方から前方に回るときに、他方の旋回翼３２２の風上側から見た投影面積（受け風面積）が最小になるため、少ない抵抗で他方の旋回翼３２２を、後方から前方に、風を逃がす位置から風を受ける位置まで、スムーズに回転させることができる。

例えば、強風のときに、他方の旋回翼３２２が強風の中を後方から前方に回転することになるが、このとき、例えば、他方の旋回翼に下端部の折れ曲がり無く、他方の旋回翼が旋回軸３１から斜め下方に垂れ下がると、風の流れによる揚力により、他方の旋回翼が浮き上がってしまうおそれがある。
しかし、他方の旋回翼３２２が水平状態になったときに、他方の旋回翼３２２の下端部３２ｂが斜め上方を向いているため、飛行機が下降するときの主翼や尾翼のフラップのように、他方の旋回翼３２２の浮き上がりを抑えることができる。
また、他方の旋回翼３２２の下端部３２ｂの折れ曲がりにより、他方の旋回翼３２２に下向きの揚力が作用して、他方の旋回翼３２２が回動すると、旋回軸３１の反対側に位置する一方の旋回翼３２１が旋回軸３１を中心として前方に回動するため、風を受ける風上側から見た投影面積（受け風面積）が減少するので、更に、旋回部３の回転速度を落とすことができる。

このようにして、他方の旋回翼３２２が前方まで回ると、他方の旋回翼３２２が一方の旋回翼３２１となり、一方の旋回翼３２１が後方まで回り、一方の旋回翼３２１が他方の旋回翼３２２となって回り続ける。

以上のように本実施の形態に係る風車１によれば、旋回軸３１が軸回動することで、旋回翼３２が揺動しながら回転することができるので、効率良く回転することができる。従って、風車１は、旋回翼３２を効率良く旋回させることができるので、高出力が得られる。また、風車１は、回転軸２が、風向と直交する方向に配置されているため、風車１の周囲３６０度のいずれから風が吹いても、また、急に風向が変化しても、回転軸２を中心として旋回部３を旋回させることができる。また、旋回部３ａ，３ｂの旋回軸３１が、直交するように回転軸２に配置され、回転軸２に沿って上下となる位置に設けられているため、９０度ごとに旋回翼３２が位置するので、風車１の周囲３６０度のいずれから吹く風が微風であっても、旋回部３ａ，３ｂのそれぞれの旋回翼３２に風を受けさせることができ、回転を開始させることができる。

ここで、バランサー４の機能について詳細に説明する。
図１に示すように、微風のときには旋回翼３２の自重により、旋回翼３２を前方への傾斜から下方向きに揺動させることが難しい場合がある。
このようなときに、バランサー４が旋回部３の重心を上下方向に移動させる機能を備えているため、微風でも旋回翼３２を揺動させることができる。

バランサー４の軸部４１が進出すれば、錘部４２が高くなるため重心が上がり、少しの風でも旋回翼３２を揺動させやすくなる。また、強風で、旋回翼３２の反応を鈍くしても支障が無いときは、軸部４１を後退させる。そうすることで、錘部４２が低くなるため重心が下がり、少しの風では旋回翼３２が反応しなくなる。本実施の形態では、軸部４１を進退させているが、錘部４２を軸部４１に沿って上下に移動させるようにしてもよい。

この軸部４１の上下の移動や錘部４２の上下の移動は、回転軸２の回転速度により風力の度合いを判定して、回転数が低ければ、バランサー４により重心を上げ、回転数が高ければ、バランサー４により重心を下げる。
このようにして、風車１は、微風時でも効率良く、旋回部３を旋回させることができる。

以上のように本実施の形態に係る風車を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本実施の形態では、旋回部３ａ，３ｂが上下となる位置に２組配置されているが、旋回部３は１組でも、３組以上でもよい。旋回部３が２組以上ある場合には、旋回部３のそれぞれの旋回翼を、平面視して等角度ごと配置されるようにするのが、各旋回部３を均等に回転させることができるので望ましい。

本発明は、微風時でもスムーズに効率よく回転させて動力を得ることができるので、回転機械の動力源として、特に、風力発電用装置の風車に好適であり、個人用の風力発電に最適である。

１ 風車
２ 回転軸
３，３ａ，３ｂ 旋回部
３１ 旋回軸
３２，３２１，３２２ 旋回翼
３２ａ 側縁部
３２ｂ 下端部
３２ｓ 風受け面
４ バランサー
４１ 軸部
４２ 錘部
５ ストッパ
５１ 腕部
５２ パッド部
６ 基台部

Claims (6)

1. 風向と交差する方向に配置される回転軸と、
   前記回転軸を中心に回転する旋回部とを備え、
   前記旋回部は、
   前記回転軸に軸回動自在に設けられ、前記回転軸を中心に旋回する旋回軸と、
   前記回転軸を挟んで前記旋回軸に一対設けられ、一方が風上に向かって前方に傾斜すると共に、他方が風下に向かって後方に傾斜した旋回翼とを備え、
   前記旋回軸には、前記旋回部の重心を上下方向に移動させるバランサーが設けられた風車。
2. 前記旋回軸が軸回動したときに、前記一方の旋回翼を、風を受ける角度に設定すると共に、前記他方の旋回翼を、風を逃がす角度に設定するストッパが、前記回転軸に設けられている請求項１記載の風車。
3. 前記旋回翼は、前記回転軸とは反対側の側縁部が風向に向かって傾斜している請求項１または２記載の風車。
4. 前記旋回翼は、前記風受け面における前記旋回軸と反対側の端部が風向に向かって傾斜している請求項１から３のいずれかの項に記載の風車。
5. 前記旋回翼は、前記回転軸側である内側から外側に向かって翼幅が幅広く形成された請求項１から４のいずれかの項に記載の風車。
6. 前記一対の旋回翼は、互いのなす角度が９０度に配置された請求項１から５のいずれかの項に記載の風車。

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