JP6544702B1

JP6544702B1 - 翼角度自律振幅制御式風車

Info

Publication number: JP6544702B1
Application number: JP2018152827A
Authority: JP
Inventors: 明久松園
Original assignee: 明久松園
Priority date: 2018-08-15
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2038-08-15
Also published as: JP2020026784A

Abstract

【課題】昼夜吹く涼風を災害時も活かせる地産エネルギーとする為、弱風から発電でき台風等暴風では過剰回転を抑え、風向速が激変するビル風、市街地風等でも優しく廻り２倍以上性能が優る事。【解決手段】流体力学の循環理論は定常状態の流体中の翼に迎角を与え揚力を計る概念だが、風向速が激変反転する悪条件も模せる新概念の振幅循環揚抗曲線を基に、翼弦線を予め回転掃過面と平行且つ柔軟に支え、抗力や揚力で起動し傾けば大きな揚力も得、逆風では抗力で翼迎角を反転して駆動方向の揃った揚力を得る、振幅循環方式を発案。更に翼の揚抗比を上げて剥離抑制振幅スリットを設け渦等抑えるスマート対称流線翼を開発、併せ翼角度自律振幅制御方式を発明。その結果、起動性に優れ風向急反転時も常に前縁方向に揚力が生じる為、横軸型風車では反転ヨー制御を不要化。また無指向性縦軸風車への適用試作評価で従来式固定翼型比１.９倍を達成した。【選択図】図２

Description

本発明は風力、水力発電等における流体力学の循環理論の概念から、弱風から暴風域で、且つ風向きが激変反転する厳しい自然環境下でも効率的発電を目指す風車技術に関するものである。

風力発電は昼夜、天候に関わらず、風さえあれば発電できるが、ビル風、ベランダ風など市街地では風向速が激変する為、風向き反転対応が不要で、軽風域(１.６〜３.３ｍ／秒：気象庁風力)から台風等迄の全風域で発電出来る効率と耐久性を備えた風力発電技術が求められている。

そこで、ブレードのピッチ角を変更できる公知の特許（特許文献１：本書類添付図８）請求項１で「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」と「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」とあるが、
本発明では、翼弦線（＝中心線）を予め平行に置き、これを傾き角度０度で初期設定角として、と、初期設定の有無から異なり、しかも受ける風により正負角に傾かせる、振幅方法と全く異なり、且つ、高速回転時は振れないよう、翼連動振幅制御菱形板（５１１）を固定する機構と、振幅動作を固定する機能も無く、全体でも大きく異なる。
また、公知の特許では「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」とあるが、本発明では、複数翼の後縁側が抗力で自律的に独立して傾くので、複雑で余計なリンク機構は無く、独自の自然な自律制御方式の発明と全く異なる。
更に、「回転によって発生する遠心力..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」と、あるが、本発明では、遠心力で振幅角度を段々と抑える構造と全く異なり、速度調整は振幅スリット（図５−５０４）と、反りの無い対称後縁部と翼角度自律振幅制御に加え、回転時の相対風（２１１、又は６１０）による風上面側揚力（２１０、又は６０６）と相対風自身の抗力をバランスさせて過剰回転抑止を行うため動作原理が全く異なる。

次に、自然風を利用して自律的ピッチ・コントロールしようとする特許（特許文献２：本書類添付図９）の請求項１で「．．反りを持つ翼型を反転させることを利用する風車ブレード形状の全てに特許範囲は及ぶ」と、請求項２でも「．．反りを持つ翼型の空力特性を利用し、これを反転させることを特徴」あるが、本出願発明の翼は反りのない対称流線形翼型で、請求範囲対称外である。更には「翼端に向かっては、翼型を、上方に反った形で入れ．．翼根に向かっては、翼型を下方に反った形で、つまり、翼型を反転した形で入れていくことを特徴とする」と途中で反りが変わる等、本出願発明の表裏均一な対称流線翼型とは全く異なる。

また、「翼を自動可変ピッチ翼とするための手段」特許（特許文献３：本書類添付図１０）があり、特許請求の範囲で「羽根の部分を平板状とし」とあるが、本出願発明の対称後縁翼（図１）と全く異なる。
また平板では後縁角が無いので循環の概念からもピッチ角度が０度では揚力が生まれず、駆動力も発生しないので本出願発明と基本原理が異なる。
更に「その一辺を、弾性体（３）を介して腕に取り付け（第２図）、あるいはピッチを変えられるように直接腕に取り付け」と、翼の曲がる部分２が腕１の後方と離れているが、本出願発明は、振らせる中心点は対称流線形状翼内で、翼弦線（＝中心線）を予め平行に置き、これを傾き角度０度で初期設定角として、初期設定の有無から異なり、しかも受ける風により正負角に傾かせる、振幅方法と全く異なり、且つ高速回転時は振れないよう、翼連動振幅制御菱形板（５１１）を固定する機構と、振幅動作を固定する機能も無く、しかも後縁が風下に傾けば、前縁が風上に傾くシーソ構造で全く異なる等、全体の形状、構造が異なる

特開２００７-８５１８２号公報特開２０１５−２１４９６２号公報昭６２−１５９７７４号公報

「飯塚尚彦発行「基礎流体力学」２０１０年４月８日産業図書株式会社出版Ｐ７２、Ｐ８５、Ｐ２６〜３０、Ｐ１２１〜１３５、Ｐ５９〜７５、Ｐ１３０〜１３４他「藤田勝久著書「基本を学ぶ流体力学」２００９年１１月１０日森北出版Ｐ８０〜Ｐ８６、Ｐ１３６他「東大・先端研河内啓二氏資料揚力と抗力」 https://ci.nii.ac.jp/els/contentscinii_20180626173144.pdf

昼夜吹く涼風も身近な補助ベース電源として活用し、地産エネルギーとして系統連系させることで社会の安全安心化に貢献でき、且つ、遠距離送電ロスを減らせて電力インフラ等の有効利用も図れるが、人家に近い風車運用環境では、風向速が激変反転するビル風や高層住居、市街地等でも安定した効率的運用が必要と成る為、新たな課題として、（１）起動及び弱風性能向上、（２）風向速激変反転対応、（３）暴風時の過上回転抑制と高速回転安定化及び騒音抑制、（４）人に優しく安全で緩やかに廻り、（５）メンテナンスフリーで長期安定稼働が図れる等の対応策が必要となる。

そこで必要と成る流体力学を深堀すれば、従来の循環理論、Kutta-Joukowski（K-J）の定理は、定常状態の流体中に正の迎角を与え、直角方向の揚力を計る静的概念であるため、本論課題の風向速が激変反転する実環境に対応可能なダイナミックな循環論の新概念が必要となった。

「課題解決手段」の説明に先立ち、以下文面における３桁の符号番号の付与ルールを述べると、頭３桁以上は図面番号で、下２桁がその図面内で出現する符合番号で、他の図面で再度現れた場合は、先に図面番号を付与する。
本発明の基本概念の振幅循環揚抗特性で必要となる基礎データは多種あるが、循環理論におけるジューコフスキー写像から算出される表裏面が等価な対称流線形状翼（対称ジューコフスキー翼型とも称す：非特許文献１−Ｐ１２４）と、迎角に敏感で制御しやすい大きな揚力の特性を、判り易く説明し公開されている揚抗変化曲線（非特許文献３の資料）等の資料を基に、現実の運用環境に倣い、その逆風抗力による迎角反転事象を想定して変化する揚力効果を知るべく、負〜正迎角抗力特性グラフに、正迎角揚力特性グラフを重ね、負迎角側に、先の正迎角側の揚力特性グラフをミラーして重畳し、
更に図２（翼傾き駆動後の迎角と急反転時の振幅動作）に於ける翼弦線迎角（２０８、２０９）と揚抗変化に対応させ、横軸中央を翼の中心線（＝翼弦線）即ち迎角０度で、右に翼弦線迎角(＋度)、左に翼弦線迎角(−度)を、縦軸値左側に抗力係数変化特性（３０３：点線）と、右側に揚力係数変化特性（３０１と３０３：太実線）で本論の動的振幅翼変化に対応させ表した新たな、振幅循環揚抗動作特性グラフ（図３）を開発し、負〜正迎角での揚抗特性が一目で見ることが出来る。

振幅循環揚抗動作特性グラフ（図３）から、静的循環理論で、複数ある翼全ての迎角度ゼロ状態は寧ろ自然な運用環境では少なく、実際には風向きが定まらない弱風域や、揺らぎ、風向きが激変する状況に於いては、翼厚のある対称流線形状翼（１０１）後方で対称後縁角（１０７）を持つ対称後縁部（１０６）の表裏２面の広い静的受風能力が、活かせることに着目し、具体的手段として、対称流線形状翼（１０１）を、回転掃過面（１０３）を基準に翼弦線（１０２）と予め平行（回転による相対風に対して迎角０度の中立的角度）にして待機状態に置き、この位置を中心に、バネやゴムのいずれかで柔軟に傾け易い構造で支えることにより、風向が激変しても、その風圧抗力を活用して対称後縁部（１０６）をどちらにでも傾け振らせ、翼の＋傾斜（２―２０２）、−傾斜（図２−２０１）と、振幅動作可能な構造となり、風向きが定まらない軽風域の風力でも揚力で起動性も良く、
また、風が強まれば、翼にあたる風圧抗力（１０９、１１１）で自律的に振らせ、振幅させる構造により、最適な迎角で揚力として得れば、振幅循環揚抗特性（図３）の両縦軸揚抗力係数値比から、抗力の最大約１００倍の揚力が得られる。

更に対称後縁部（１０６）の翼弦長を伸ばし、表裏両法面を拡げる（１０６）ことにより（レイノルズ数＝翼弦長×対気速度1 ×動粘性係数）から、レイノルズ数＝揚力が増え、（１）起動及び弱風性能が向上する。しかし、逆に渦が残り易く乱流の発生を抑えるため、対称後縁部の剥離抑制振幅スリット（４０３）により風車回転時に翼の境界層流れ（図4−４０１、４０２）を前縁側から吸入し、後縁側から振幅スリット（４０３）抜けて排出するため減圧抵抗を減らし、よどみ点での逆流による剥離を抑えると共に、流体のレイノルズ数を位置的に変化させて翼の後端のカルマン渦の相殺効果（４０４）で前記課題（２）高速安定化と騒音抑制を図り、また反りの無い対称後縁部と翼角度自律振幅制御に加え、回転時の相対風（２１１、又は６１０）による風上面側揚力（２１０又は６０６）と相対風自身の抗力がバランスして、前記課題（３）過剰回転抑止を図ったスマート対称流線形状翼（詳細後述）を開発。そしてこれを３枚以上組み込んだ縦軸型風車では複数翼の複数受風角度により、全体で水平方向の完全無指向性を実現している。

更に、スマート対称流線形状翼により、翼の回転による周期的位置変化により繰り返す風向きと風圧による振幅運動で、後縁部が過上迎角となれば循環流のまわりこみによる抗力により自律的に翼を戻す力が働き、翼を前記課題（３）安定化させている。
なお、翼支えアーム（５０５）を長くすれば回転速度は遅くなるが駆動力が増し、多極発電機（本機は２４極３相２００Ｗ）等が駆動出来、前記課題（４）優しく優雅に廻るので、横軸風車に比べ回転数が低く抑えられ異音も出ず、回転軸受ベアリングの磨耗も減り、前記課題（５）耐久性も格段に向上する。

発明の効果として、風向速の激変や風向き反転が頻繁な自然運用環境に対応すべくダイナッミックな循環論的発想による、翼角度自律振幅制御方式の発明により、対称流線形状翼（１０１）を、回転掃過面（１０３）を基準に翼弦線（１０２）と予め平行にして待機状態に置き、この位置を中心に、翼を図２の＋傾斜（２０２）、−傾斜（２０１）と、どちらにでも振幅動作可能な構造にして置くことにより、対称流線翼の後縁角（１０７）の効果で表裏面のどちらかで連続的に揚力が得られる構造になり、図５の縦軸回転型風車では、複数枚の翼（１０１）の対称後縁角の表裏２面（１０６）で、翼枚数×２倍ある傾き角度翼の、適度な迎角度にある複数の翼の合成駆動力で、大きい揚力が得られ、且つ、風向きに対し無指向性機能が保持される。
また、図６の横軸型風車では、翼（６１７）が円盤状の回転掃過面（６０３）と予め平行にあっても、対称流線翼（６１８）の後縁角（１０７）の効果で、正面風（６０４）と、急な逆風（６０８）でも、表裏２面方向のどちらかの風で揚力が得られ、
更に風向きが急に逆転したり風力が増せば、横軸型風車用片持ち振幅対称流線形状翼（６１８）を、左正面風時の迎角（６０５）、右逆風時の迎角（６０９）と振らせて更に大きな揚力が得られ、且つ、逆風時も常に一定方向（６０７）に連続的に回転するため、横軸型風車が最も苦手な瞬間的な反転ヨー制御が不要（小角度のヨー制御は容易）で、翼枚数倍の大きな回転駆動力が得られる。

更に、ブレードの長尺方向の長さに応じて複数個所に振幅スリット窓（図４−４０３）を設けた構造により、部分的にレイノルズ数が下がり、カルマン渦位置がずれることによる相殺効果で渦が抑えられ排出能力も維持され、高速回転時の乱流と流体騒音を抑え、また、振幅スリットによる風抜きで突風等に対す風の抵抗を減じる強風対策ともなり、回転安定化が図られる。

実際の効果結果として、図７（翼角度自律振幅制御式風車対ＶＳ.従来式完全固定翼型風車での実測性能結果）は本発明の翼角度自律振幅制御方式を無指向性縦軸型風車に適用試作した出力性能線（７０１）と、従来式固定翼型の出力性能線（７０２）を実環境で複数回比較評価した結果で、横軸に風速、縦軸に出力を自動ログ収集し、各、約１００件のデータをエクセルで集計して最小二乗法（直線）でプロットした結果、本発明の翼角度自律振幅制御方式が傾き比の通り、１．９倍（複数回測定値では１.６〜２．４倍）優れた性能値を得た。

余談だが、更に、縦軸型風車で従来使われている、返りのある非対称流線形状翼を固定させた方式との性能評価では、揚力が片面だけとなるため弱風域では駆動力が不足して廻らず、本発明のスマート対称流線形状翼の性能差も再確認した。

上下の弱風でも広い対称後縁角で起動力を得易い基本説明図である。翼傾き駆動後の迎角と急な風向き反転時の基本振幅動作図である。図２を例にした翼弦線迎角と揚抗変化を表す振幅循環揚抗動作特性グラフである。スマート対称流線形状翼の基本流体図（振幅スリット効果）である。縦軸型風車概観と傾角振幅抑制ストッパー構造部拡大図である。反転ヨー制御を不要化した横軸型風車における振幅迎角動作図である。本発明の翼角度自律振幅制御式風車対ＶＳ.従来式固定翼型風車での試作版実測性能結果グラフ（最小二乗法：直線）である。特許文献１の小型風力発電装置の風車本体を示す斜視図である。特許文献２の図面名称不明な図１である。特許文献３内でまとめられた第1〜第３図である。

実施形態の説明順として、先ず基本概念となる振幅循環揚抗曲線（図３）を実施例１で行い、
請求項３で述べた風車を構成するスマート対称流線形状翼（１０１）を実施例２で、
請求項１で述べた、縦軸型風車（図５）を実施例３で、
請求項２で述べた、横軸型風車（図６）を実施例４で、それぞれ説明する。

この振幅循環揚抗特性グラフ（図３）に対応して実施例を述べれば、仮に軽風（気象庁風力階級１．６〜３．３ｍ／ｓ）程度の風（中間値の２．４５≒抗力）が翼に対して前縁方向から１５度の向かい風で来れば、表裏の対称後縁部（１０６）の対称後縁角（１０７）の迎角（２０度の半分）約１０度の広範な静的受風能力がある為、翼弦線（１０２）に１０度少なく、揚抗特性グラフ（図３）の横軸中央０度を中心に、左右＋／−角、５度の位置で、風（抗力）が当たり、左右の縦軸揚抗特性比の値が示すように、抗力（３０３）が０．００７５でも、揚力（３０１又は３０２）が０．５で、その比は、抗力の６７倍の揚力を得られ、０．５（６７×0.0075）×２．４５＝１．２２５の起動力が得られ、
更に、風向速が激変しても、その風圧の抗力度に応じて、翼弦線（１０２）は回転掃過面（１０３）に対し並行に且つ、形状記憶材料やバネ、ゴム等で柔軟に振幅する構造により、対称流線形状翼（１０１）を（２０１）から（２０２）と可変に傾け振らせることで、短時間でも最適な角度になれば、風力、即ち抗力に対し直角方向に、抗力の最大約１００倍（図３：振幅循環揚抗特性の右左縦軸揚抗力係数値比）の揚力が得られ、横軸風車では、翼枚数倍の大きな合成駆動力で回転し、逆風時でも、振幅角度の反転により常に一定方向（６０７）に連続的に回転するため、最も苦手な瞬間的な反転ヨー制御が不要（小角度のヨー制御は容易）となり、前記課題（２）風向速激変反転対策も含んだ振幅翼が構成される。

翼の起動及び弱風性能向上を図る場合、設置環境に応じて表裏対称な流線形状翼の対称後縁部（１０６）の表裏両のり面積を拡げればレイノルズ数（＝翼弦長×対気速度1 ×動粘性係数）を高め、揚力を増やし、振幅傾斜時の揚抗比を向上させることが可能である。

次に、風向き激変対応として、先の振幅循環揚抗曲線（図３）に倣って具現化すべく、翼弦線（図１−１０２）を予め回転掃過面（１０３）に対し、並行（０度）に且つ、形状記憶材量やバネ、ゴム等で柔軟に傾けられ保持できる構造（１０８）にすることにより、風向が激変しても、その風圧抗力を活かして後縁角を表裏に傾け振らせる（図２―２０１，２０２）構造により、対称後縁側に迎角（２０８、２０９）が生まれ、常に駆動方向の揃った抗力の最大約１００倍（図３：振幅循環揚抗曲線の両縦軸揚抗力係数値比）の揚力（２１０）を得ることが可能となる。

更に、高速回転を安定化させる為、後縁（１０５）に至る途中に矩形で前縁側で片持ち、後縁側に片開きするよう窓状に切り抜き、風圧により後縁側が表裏に傾き開き、また真っ直ぐ（図4−１０２と並行）に戻るよう片持側を柔軟に支える構造の、剥離抑制用振幅スリット（図４−４０３）を、ブレードの長尺方向の長さに応じて複数個所（例として、図５−５０４、図6−６１２）設け、風車回転時に翼の境界層流れ（図4−４０１、４０２）を前縁側から吸入し、後縁側から振幅スリット（４０３）抜けて排出するため減圧抵抗を減らし、よどみ点での逆流による剥離を抑えると共に、流体のレイノルズ数を位置的に変化させて翼後端のカルマン渦の相殺効果（４０４）で高速安定化と流体騒音抑制を図っている。

次に請求項１で述べた縦軸型風車（図５）の実施形態を説明すれば、発電機（５０３）に連結された縦軸の風車回転軸（５０１）に、翼支えアーム（５０５：例は上下計８本）で４枚のスマート対称流線形状翼（図５−１０１）の上下の傾斜振幅中心点（５−１０８）を磨耗の少ないフランジブッシュ等の無給油翼振幅軸受（５０９）で翼を振れやすく支える。

更に、上側４本の翼支えアームの先端側の迎角振幅制御機構拡大部（５０６）に，引きバネ（５０８）で、少し重い振幅抑制スライドストッパー（５０７）を風車回転軸（５０１）側に引っ張り、翼連動振幅制御菱形板（５１１）の両端を挟むことにより、回転速度が上がれば遠心力で振幅抑制スライドストッパー（５０７）が挟む、両端位置が変わることにより最大振幅幅（５１０）が段々と狭くなり振れ幅を可変に抑え、高速回転時は振れないよう固定される構造となり、
このような縦軸型風車が回転することにより風車の円筒状（５０２）の回転掃過面を基準に、予め各回転する対称流線形状翼（図５−１０５）の翼弦線（１０２）を平行になり、傾き角度０度を初期設定迎角として、風があれば翼が自律的に独立して振れ、回転する構造となる

また、この様にスマート対称流線形状翼（図５−１０１）等を３枚以上組み込んだ縦軸型風車は、複数翼による受風角により、全体で水平方向の完全無指向性が確保されるが、１つの翼に着目して説明すれば、図１、２に戻り、上、又は下方向の風圧（１０９、１１１）により翼が傾き（２０２、２０１）、弱くなれば初期位置（図１）に戻り、また逆に、傾斜振幅中心点（図５−１０８）を中心に翼が振れながら回転する縦軸型振幅翼風車となっている為、受風範囲が更に広くなり、風があれば、拡張表裏対称後縁部（１０６）面への抗力と揚力を得て起動性に優れ、風が強くなれば複数翼の後縁側が抗力で自律的に独立して傾き、風向きに対する迎角（２０８、２０９）により、直角方向に抗力の最大約１００倍（図３：振幅循環揚抗曲線の両縦軸揚抗力係数値比）の揚力（２１０）を得、更に風向きが急に逆転（図２−２０５、２０６）しても風下側に傾く（図2−２０７）拡張対称後縁部（１０６）で常に前縁方向に揚力を得ることが出来る。

なお、本発明の「翼角度自律振幅制御式風車」を直径１ｍ、高さ６５ｃｍ、翼幅３０ｃｍの縦軸型４枚翼で、２００Ｗコアレス３層発電機風車駆動風車を試作し、従来式縦軸固定翼型風車と数回の性能比較を自然実環境評価により、１.６〜２．４倍の性能向上を確認した（図７）。
更に、台風等、暴風迄耐える必要がある場合は、材質は出来るだけ薄く、軽く、柔軟で撓り易く曲がり易く、身近な運用での重要条件は、静かに廻る縦軸型が望ましい。

請求項２で述べた横軸型風車（図６）の実施形態を説明すれば、横軸型風車の回転掃過面（６０３）を基準に、予め各位置で回転する対称流線形状の、複数の横軸型風車用片持ち振幅対称流線形状翼（６１８）の傾斜振幅中心軸（１０８）を翼の中心より前縁側に定め、横軸型風車回転軸（６０１）に連結して中央で回るハブ（６０２）に、片持ち振幅対称流線形状翼（６１８）が円盤状の回転掃過面（６０３）と平行となる保持位置（６１７）に置き、これを回転掃過面に対する初期設定角として振幅動作できるようハブ（６０２）に複数枚、放射状に拡げて差し込み、片持ち側で纏めて連結した構造にし、
一方、そのハブ内に複数翼枚分ある、１翼分を図示した、ハブ内振幅構造（６１４）で動作原理を説明すれば、翼傾き連動フックとバネ連結ピン（６１６）で、ピン両側の振幅復元バネ（６１５）の中央で、回転掃過面（６０３）と翼弦線（１０２）とが、平行になる保持位置（６１７）の翼角度に、横軸型風車用片持ち振幅対称流線形状翼（６１８）を連結し、この回転掃過面と翼弦線とが平行な保持位置（６１７）を中心に、＋角度（６０５）又は、−角度（６０９）となるように、翼振幅連動フック角（６１３）の振幅制御を行う仕組みを、翼（６１８）枚数分構成した構造に置く。

この構造により、風向きが定まらない弱風域において、翼が円盤状の回転掃過面（６０３）と平行になる、保持位置（６１７）にあっても、拡張表裏対称後縁部（１０６）にあたる風圧（６１９又は６２０）の上向き揚力（６０６）により、（６０７）方向に回転し、
また、正面から風圧（６０４）を受けると翼の後縁部（１０６）が、風の強さに応じて可変に、この時の風下側に傾き（６０５）、また、逆風時（６０８）には、右逆風時の迎角（６０９）に傾くことで、
従来の横軸型風車の弱点だった、風向きが急に反転（６０８）しても風下側（前記と反対の左側）に傾く迎角（６０９）での拡張対称後縁部（１０６）の表裏２面のどちらかで常に前縁方向に揚力（６０６）を得て、同一回転方向（６０７）に、翼枚数分の大きな合成駆動力を得て連続して回転するため効率も良い構造となる。

なおブレードの材質としては電波や光を反射せず、出来るだけ軽くて薄くて曲がり易く且つ、撓り易く、威圧感が無い空に溶け込む色で、ＦＲＰ、炭素繊維、ポリカーボネイト、等柔軟素材の多様で安価な材質が利用でき、構造が簡単で小型や中型の風車を安価に製造できれば、素材生成から廃棄までの製品ライフサイクルにおける総エネルギーコストも小さい。更に、台風等、暴風迄耐える必要がある場合は、材質は更に、柔軟で撓り易く曲がり易いことが望ましい。
また、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド）車等に搭載すれば走行スピードに応じた大きな風力で効率良く発電出来、下り坂での回生ブレーキ発電に加え、登り坂では充放電ロスの無い効率良い補助電源により更なる燃費向上や、停車中でも風さえあればエコで有用な移動電源車にも成る。

１０１スマート対称流線形状翼
１０２翼弦線（中心線：一点鎖線）
１０３回転掃過面（二点鎖線）
１０４前縁
１０５後縁
１０６拡張表裏対称後縁部
１０７対称後縁角
１０８傾斜振幅中心点
１０９下向き風（抗力）
１１０上面揚力
１１１上向き風（抗力）
１１２下面揚力
１１３駆動力
２０１ −傾斜中心線
２０２＋傾斜中心線
２０３振幅角（〜５０°）
２０４対称後縁振幅角（〜４０°）
２０５急な下向き逆風
２０６急な上向き逆風
２０７急な逆風圧で傾きが反転
２０８迎角（＋）
２０９迎角（−）
２１０揚力（駆動力）
２１１大気速度（回転による相対風）
２１２抗力
３０１＋迎角での揚力変化（実線）
３０２ −迎角での揚力変化（実線）
３０３抗力変化（点線）
３０４＋抗力が増せば傾きが戻る
３０５ −抗力が増せば傾きが戻る
３０６対称後縁角
３０７振幅角
３０８対称後縁角で失速角内に収まる
３０９失速角度内
４０１迎角（＋）時の境界層流れ
４０２迎角（−）時の境界層流れ
４０３振幅スリット窓
４０４振幅スリットにより境界層の流入と流出がよどみ点を減らして乖離を抑え、カルマン渦の非対称化や発生位置のズレによる相殺効果で流を安定化

５０１縦軸型風車回転軸
５０２回転掃過面（円筒面状：二点鎖線）
５０３発電機（２４極２００Ｗ３相コアレス等）
５０４振幅スリット窓（本図例では１６か所：４箇所×４枚）
５０５翼支えアーム（本図例では８本：４箇所×上下２本）
５０６迎角振幅制御機構拡大部（本図例では４ケ所の１例部）
５０７振幅抑制スライドストッパー（重め）
５０８引バネ
５０９無給油翼振幅軸受
５１０振幅幅（しんぷくはば）
５１１翼連動振幅制御菱形板
６０１横軸型風車回転軸
６０２ハブ
６０３回転掃過面（円盤面状：二点鎖線）
６０４正面風
６０５左正面風時の迎角
６０６上向き揚力
６０７回転方向
６０８急な逆風
６０９右逆風時の迎角
６１０回転による相対風（正面風時）
６１１相対風による風下面揚力
６１２振幅スリット（３枚で計６ケ所）
６１３翼振幅連動フック角
６１４ハブ内振幅構造（例では３翼の１翼分のみ表示）
６１５振幅復元バネ（３翼の１翼分のみ表示）
６１６翼傾き連動フックとバネ連結ピン（３翼の１翼分のみ表示）
６１７回転掃過面と平行な保持位置
６１８横軸型風車用片持ち振幅対称流線形状翼
６１９正面からの風の流れ
６２０反対からの風の流れ
７０１本発明式風車の出力性能線
７０２従来式固定翼型の出力性能線

Claims

風向速が激変反転する厳しい自然運用環境でも静かに効率良く廻る風車を構成する為、風向き激変エネルギーも翼の振幅による新たな風力エネルギーとして活用するため、対象流線形状翼（１０１）の翼弦線（１０２）と回転掃過面（１０３）が並行になる状態を待ち受け位置の基準とし、この位置を中心に翼の迎角の傾き動作を、＋傾斜中心線（２０２）、−傾斜中心線（２０１）、即ち、正／負角度に振幅させられるよう、翼の前後の中心より前縁側に傾斜振幅中心点（１０８）を置き、軸で振れやすく支える構造により、翼にあたる風圧抗力（１０９、１１１）で自律的に振幅動作する独自の３形態可変振幅基本機能とし、
これを縦軸型風車で具現化する仕組みとして、風車の円筒状の回転掃過面（５０２）を基準に、回転する複数枚で構成される対称流線形状翼（１０１）の中心線でもある翼弦線を予め、回転掃過面（５０２）と平行に置いて、この傾きを持たない迎角０度状態を初期設定角として風を待ち受ければ、各回転翼の異なる位置での外周側からの風圧（１０９）又は、反対の中心軸側からの風圧（１１１）で生じた抗力により、各回転翼の風下方向（２０２、又は２０１）に傾き、その翼の迎角による揚力により風車が駆動回転し、風圧が止めば迎角０度の初期設定位置に戻る振幅基本動作構造が構成され、
更に縦軸型風車では回転速度が上がれば、段々とこの振幅の幅を狭め固定していく振幅幅（５１０）の抑制機能を持たせるため、翼枚数の対称流線形状翼（１０１）と翼連動振幅制御菱形板（５１１）を連結し連動して振れる構造にして、翼枚数分の翼支えアーム（５０５）の先端に設けた迎角振幅制御機構（５０６）の振幅角抑制スライドストッパー（５０７）で、翼連動振幅制御菱形板（５１１）の菱形部との間隔を空けて挟み、引きバネ（５０８）やゴムのいずれかで回転軸（５０１）側に引っ張った構造にすることにより、風車の回転速度が上がれば、遠心力で振幅角抑制スライドストッパー（５０７）が外周側に移動するため、翼連動振幅制御菱形板（５１１）の菱形部を挟む間隔が段々狭くなるに伴い、振れ幅も段々と小さくなり、高速回転時は菱形部を挟む間隔が塞がり振れなくなる、この振幅角抑制スライドストッパー（５０７）を組み合わせた構造により、翼が固定されて回転が安定して更に加速され、回転方向に大きな合成駆動力を得る機能を有したことを特徴とする「翼角度自律振幅制御式風車」。
前記「請求項１記載の独自の３形態可変振幅基本機能」を横軸型風車方式で具現化するため、円盤状の回転掃過面（６０３）を基準に、各位置で回転する横軸型風車用片持ち振幅対称流線形状翼（６１８）の中心線でもある翼弦線（１０２）を予め平行に置いて傾きを持たない、迎角０度状態を初期設定位置として待ち受ければ、正面からの風圧（６０４）があれば翼が傾き（６０５）、風がなくなれば、迎角０度となる回転掃過面（６０３）と平行な初期設定位置に戻り、また、逆風（６０８）では反対に傾く（６０９）動作時の傾斜振幅中心点（１０８）を翼の前後の中心より前縁側に定めた１翼の基本構成で複数翼分、回転横軸(６０１)に連結して纏めるハブ内（６１４）に、翼傾き連動フックとバネ連結ピン（６１６）と、両側の振幅復元バネ（６１５）より成る振幅制御機能で翼振幅角（６１３）幅の振幅制御機構により、正面風（６０４）では、各翼の拡張表裏対称後縁部（１０６）への抗力を受けて風下に傾き、風向きに対する迎角（６０５）が最適になり上向き揚力（６０６）が増加して、大きな合成駆動力となり回転し、更に、風が突然反対方向の流れ（６０８）に急激に変化する場合の風向きが不安定な状況においても、翼の拡張対称後縁部（１０６）だけが風下に振れるため、常に前縁方向に上向き揚力（６０６）を得て同一方向に連続して回転することで効率良く、且つ、反転ヨー制御が不要となる自律振幅制御機能の特徴を有した「翼角度自律振幅制御式風車」。
表裏対称な流線形状翼で後縁角（１０７）を有する対称ジューコフスキー翼型をベースに更に、高速回転を安定化させる為、後縁（１０５）に至る途中に矩形で前縁側に片持ち、後縁側に片開きする窓状に剥離抑制用振幅スリット（４０３）を切り抜き、風圧により後縁側が表裏に傾き開き、また、真っ直ぐ（１０２）、並行に戻り閉じられるよう片持側を柔軟に支える構造に作り、ブレードの長尺方向の長さに応じて設定された数の、
縦軸型風車方式用振幅スリット（５０４）又は、横軸型風車方式用振幅スリット（６１２）を設けた構造的特徴を有する、スマート対称流線形状翼と仮称する改良翼を、「請求項１記載の縦軸型風車又は、請求項２記載の横軸型風車」方式に組み込むことにより、風車回転時に翼の境界層流れ（４０１、４０２）を前縁側から吸入し、後縁側から剥離抑制用振幅スリット（４０３）を抜けて排出する流体と、抜けない流体とで表裏の圧力がバランスして、よどみ点（４０４）の発生を減らし、且つ、発生時の逆流による剥離を抑えると共に、流体のレイノルズ数が位置的に変化して翼の後端渦（４０４）がずれることによる相殺効果で高速回転時の乱流と、その乱流による流体騒音を抑え、安定した高速回転が得られる自律的渦抑制機能を付加したことを特徴とする、「請求項１または請求項２」記載の「翼角度自律振幅制御式風車」。