WO2009141922A1 - 風車装置 - Google Patents

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WO2009141922A1
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horizontal
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晋 新宮
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有限会社新宮アトリエ
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/062—Rotors characterised by their construction elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/70—Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades
    • F05B2260/75—Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades the adjusting mechanism not using auxiliary power sources, e.g. servos
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/70—Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades
    • F05B2260/77—Adjusting of angle of incidence or attack of rotating blades the adjusting mechanism driven or triggered by centrifugal forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a windmill device. More specifically, it comprises a main shaft extending in the vertical direction, a plurality of horizontal shafts connected to the main shaft and swiveling in the same plane, and a wing provided so as to be able to swivel around the horizontal axis, and the width of the wing
  • the direction is the axial direction of the horizontal axis
  • the longitudinal direction of the blade is curved
  • the width direction of the blade extends linearly
  • airflow is applied to both surfaces of the blade to obtain a rotational force.
  • the present invention relates to a windmill device, wherein an area and a weight of a region below a horizontal axis of the blade are larger than an area and a weight of a region above the horizontal axis of the blade.
  • Windmills are broadly divided into vertical windmills and horizontal windmills. Currently, 95% of Japanese windmills are said to be horizontal.
  • a vertical wind turbine using lift requires a large torque at the time of self-starting, is difficult to start in a low-speed wind region, and is rarely used due to a problem that it does not rotate easily with a slight wind. Moreover, the wind of all directions cannot be used as starting force.
  • a windmill as shown in FIGS. 11A and 11B is known as a vertical axis type windmill.
  • the windmill shown in FIG. 11 (a) is a vertical axis type windmill that rotates by using a drag force.
  • the windmill receives the drag F11 in the same direction as the wind Wi, and the axis A Rotate clockwise around.
  • FIG. 11B is a vertical axis type windmill that rotates by using lift acting on the blade W12 of the windmill.
  • the blade W12 receives the wind Wi
  • the wind rear surface 12b side and the wind direction surface 12a side of the blade W12 are shown.
  • a difference in speed is generated in the air flow, and a lift F12 is generated due to a pressure difference accompanying the speed difference, and a rotational force can be obtained, which rotates counterclockwise about the axis A (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-336572).
  • the conventional windmill can rotate using either drag or lift, but cannot utilize both the drag and lift.
  • the conventional windmill has a problem that the stronger the wind, the higher the rotational speed of the windmill, and the windmill is damaged when the wind is strong.
  • the present invention can obtain a rotational force even with a slight wind, can convert both drag and lift into rotational force, and can keep the rotational speed of the windmill within a predetermined range even during strong winds.
  • the purpose is to provide a windmill device that is not easily damaged even in strong winds.
  • the windmill device of the present invention comprises a main shaft extending in the vertical direction, a plurality of horizontal shafts connected to the main shaft and swiveling in the same plane, and blades provided so as to be capable of swiveling around the horizontal axis,
  • the width direction of the blade is the axial direction of the horizontal axis
  • the longitudinal direction of the blade is curved
  • the width direction of the blade extends in a straight line
  • the airflow acts on both sides of the blade to rotate.
  • an area and a weight of a region below the horizontal axis of the wing are made larger than an area and a weight of a region above the horizontal axis of the wing.
  • the wing is disposed on the horizontal axis via a horizontal aggregate extending substantially parallel to the horizontal axis and a vertical aggregate extending substantially perpendicular to the horizontal axis. It is preferable to be made.
  • a weight for adjusting the weight of the lower region of the wing and the weight of the upper region of the wing is provided on the aggregate.
  • either the horizontal aggregate or the vertical aggregate is rotatably supported on the horizontal axis.
  • FIG. 1 It is a perspective view of the windmill device of the present invention. It is a figure which shows the blade
  • (A)-(c) is a conceptual diagram for demonstrating rotation of the windmill apparatus of this invention.
  • (A)-(c) is a conceptual diagram for demonstrating rotation of the windmill apparatus of this invention. It is a figure which shows rotation of the windmill apparatus of this invention. It is a figure which shows rotation of the windmill apparatus of this invention. It is a graph which shows the relationship between the wind speed of the windmill apparatus of this invention, and an average rotation speed.
  • (A) And (b) is a figure which shows the conventional windmill apparatus.
  • FIG. 1 is a perspective view of the wind turbine apparatus of the present invention
  • FIG. 2a is a view showing the blades of the wind turbine apparatus of the present invention
  • FIG. 2b is a cross-sectional view showing the structure of the wind turbine apparatus of the present invention
  • FIG. 2d is a diagram for explaining the weight used in the wind turbine apparatus of the present invention
  • FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the shaft of the wind turbine apparatus of the present invention
  • FIG. b) is a diagram for explaining the force applied to the blades of the wind turbine apparatus of the present invention
  • FIGS. 5 (a) to (c) are conceptual diagrams for explaining the rotation of the wind turbine apparatus of the present invention, and FIG. 6 (a).
  • FIGS. 7A to 7C are conceptual diagrams for explaining the rotation of the windmill device of the present invention
  • FIGS. 7A to 7C are conceptual diagrams for explaining the rotation of the windmill device of the present invention
  • FIG. 9 is a diagram showing the rotation of the windmill device of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the wind speed and the average rotational speed of the wind turbine apparatus of the present invention (however, it is experimental data based on a model of 1/10 of the assumed scale).
  • FIGS. 11A and 11B are diagrams showing a conventional wind turbine apparatus.
  • a windmill device 1 includes a main shaft 2 extending in the vertical direction, and a plurality of horizontal shafts 3 connected to the main shaft 2 and swirling in the same plane, and provided with a blade that can swivel around the horizontal shaft 3.
  • a wing W which is curved in the longitudinal direction D1 of the wing, is pivotally supported by a horizontal axis through an aggregate 4 extending in parallel to the horizontal axis 3, and the axis of the horizontal axis 3 is
  • a wind turbine apparatus 1 that obtains rotational force by applying an air flow to a blade W that extends in the width direction D2 of the blade W and the longitudinal direction D1 of the blade is curved, and the horizontal axis of the blade W
  • the area and weight of the region below 3 are larger than the area and weight of the region above the horizontal axis 3 of the wing W, and the weight of the region below the wing W and the weight of the region above the wing W are adjusted.
  • a weight 5 for the purpose is provided on the aggregate 4.
  • a main shaft 2 extending in a vertical direction is inserted into a cylindrical column 6 provided at an upper end of a base B.
  • the lower end portion of the main shaft 2 is connected to a generator (not shown) through, for example, bevel gears G1, G2 and the like, and can generate electric power by rotating around the main shaft 2.
  • a known power generation mechanism can be used as the generator, and is not particularly limited.
  • Connected to the upper end of the main shaft 2 are a plurality of horizontal shafts 3 that rotate in the same plane.
  • the connecting means for connecting the main shaft 2 and the horizontal shaft 3 can be known connecting means such as welding and screwing, and is not particularly limited.
  • the main shaft 2 is rotatably supported by a bearing B2 provided on the support column 6, and the rotation of the main shaft 2 causes the three or four horizontal shafts 3 to turn in the same plane.
  • the bearing B2 is provided on the support 6 side in the present embodiment, but may be provided on the main shaft 2 side.
  • the number of horizontal axes 3 is three in the present embodiment, but may be two, four, or five, and the number is not particularly limited.
  • a wing W having a longitudinal direction D1 curved in a curved shape is pivotally supported on the slewing bearing B1 via an aggregate 4 extending parallel to the horizontal axis 3 on the horizontal shaft 3.
  • the connection means between the wing W and the aggregate 4 can be a known connection means such as welding or screwing, and is not particularly limited.
  • the aggregate 4 is pivotally supported by inserting a horizontal shaft 3 into a pivot bearing B1 provided on the aggregate 4, and the pivot bearing B1 is provided on either the aggregate 4 side or the horizontal shaft 3 side. May be.
  • the material of the aggregate 4 is preferably a metal such as iron or stainless steel from the viewpoint of strength or the like, but is not particularly limited.
  • the axis of the swirl axis of the blade W extends in the blade width direction D2 of the blade W, and the blade W is supported so as to be rotatable about the horizontal shaft 3. Accordingly, the blade W of the wind turbine apparatus of the present invention rotates about the main shaft 2 in the vertical direction and further rotates about the horizontal shaft 3.
  • the shape of the wing W is such that the longitudinal direction D1 of the wing is curved, and one surface has a concave surface Wa and the other surface has a convex surface Wb.
  • the three blades W in the wind turbine apparatus 1 of the present embodiment all have the same shape and are curved in the same direction.
  • the material of the wing W is preferably lightweight, and canvas, aluminum, geralumin and the like are used, but are not particularly limited as long as they can receive a drag force, and may be iron, stainless steel, or the like. In order to reduce the burden on the horizontal shaft 3, it is preferable to reduce the weight from the center to the upper part of the blade W and to apply the weight to the lower part.
  • the wing W is provided with a weight 5 in order to adjust the turning of the wing W around the horizontal axis 3.
  • the swirl of the blade W can be adjusted.
  • the weight of the lower region and the sum of the weight of the upper region and the weight 5 are substantially equal, it becomes easy to rotate around the horizontal axis 3 and the wind is easily released. If it is much heavier than this area and the weight 5, it will be difficult to rotate around the horizontal axis 3 and it will be difficult for the wind to escape. Further, the weight 5 can be omitted if the weight of the wing W is light.
  • the shape of the weight 5 is a shape like tweezers in the present embodiment, but the shape is not particularly limited as long as the turning of the wing W can be adjusted.
  • the material of the weight 5 is not particularly limited as long as the swirling of the blade W can be adjusted, but a material such as iron or stainless steel is preferable.
  • the term “weak wind” means, for example, a wind speed of 10 m / s or less, but the rotation of the blade W varies depending on the weight of the blade W, the weight, and the wind receiving area. It will never be done.
  • the windmill device 1 is completely stationary and receives wind in the direction of the wind Wi as shown in FIG. 4A, the concave surface Wa of the blade W receives the wind, and the drag F1 in the same direction as the wind direction Wi.
  • the main shaft 2 receives the rotational force in the R1 direction and rotates clockwise.
  • the wing W is oscillated and rotated in the R2 direction, and a force obtained by combining the drag force F1, the rotational force in the R1 direction, and the rotational force in the R2 direction acts on the wing W. .
  • the concave surfaces Wa of the three blades W of the wind turbine apparatus 1 receive the wind
  • the convex surface Wb receives the wind.
  • the concave surface Wa of the wing W receives the wind and rotates clockwise.
  • the wing W receives a rotational force around the horizontal axis 3 due to the wind.
  • the wind force can be effectively obtained in relation to the gravity of the wing W, and as the wind becomes stronger, the wind The rotation speed of the goes up. As shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c), as the wind becomes stronger, the turning of the blade W around the horizontal axis 3 easily (or the turning angle) increases.
  • strong winds mean winds of 15 m / s or more, for example, but the rotation of the blades W varies depending on the weight of the blades W, the weight, and the wind receiving area. 6), that is, when the wind becomes stronger from the state of FIG. 6, the concave surface Wa that is a surface that receives the wind when the wind is weak is the upper end of the blade W as shown in FIGS. 7 (a) to (c). And turn until the line connecting the bottom ends is horizontal. At this time, the drag received by the wing W is almost lost, and as shown in FIG. 4B, when the wind in the wind direction Wi is received, the lift force F2 works in the direction of the arrow.
  • the convex surface Wb receives the wind when the wind is weak, but when the wing W rotates about 45 degrees during the strong wind, the downward force (downward force) is applied in the same manner as the lift F2 shown in FIG. Since the negative lift) is applied, the convex surface Wb does not receive the wind and can receive the wind, and the drag in the same direction as the direction of the wind acts, so that the force is applied counterclockwise.
  • the concave surface Wa of the wing W receives wind, so that the wing W rotates clockwise around the main shaft 2 and the wing W rotates about the horizontal axis 3 as the wind becomes strong. Since it rotates by drag during wind and becomes strong wind, the generated lift can be converted into the rotation around the main axis of the wing W.
  • the lift allows the wind turbine to rotate slowly around the main shaft even in a strong wind.
  • the rotational speed is not only reduced when the wind is strong, but also continues to rotate by rotating in the reverse direction when the wind is weak, so that the rotational force can be converted into electric power by the generator.
  • the rotation speed can be kept within a predetermined range, there is no unevenness in power supply, and the rotation speed can be kept within a predetermined range, so that the windmill is not easily broken during strong winds and storms.
  • the blade W has a concave surface Wa and a convex surface Wb, and the blade W can rotate around the horizontal axis 3, it is possible to convert wind in all directions including the vertical direction into rotational force.
  • FIGS. 8 and 9 are diagrams showing the rotation of the wind turbine apparatus of the present invention.
  • the wind turbine when the wind turbine is weak, the concave surface of the blade W receives a drag and rotates clockwise (see the first to third in FIG. 8). Then, as the wind became strong, the wing W swung around the horizontal axis 3 swirled until the wing W became almost horizontal, received lift as described above, and the rotational force around the vertical axis was weakened and temporarily stopped.
  • the wind turbine started to rotate backward (counterclockwise) around the vertical axis, and when the wind became weaker, the wind turbine that was rotating in reverse stopped.
  • the principle of the wind turbine of the present invention can be rotated clockwise and counterclockwise by receiving both drag and lift from all directions including the vertical direction as described above. However, it can be seen that there are various movements depending on the wind direction and wind force.
  • Wind tunnel device Ashikaga Institute of Technology (open type, air outlet 1.04 x 1.04 (m), variable speed wind tunnel) Wind speed measurement: Betz-type manometer + Pitot tube test Wind speed: 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 (m / s) Test wind turbine: blade height 0.325 (m), blade width 0.36 (m), blade area 0.104 (m 2 ) Blade turning radius: 0.435 (m), blade weight 09 (kg) torque test: Inverter motor type
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the wind speed (m / s) and the average rotational speed (rpm) of the wind turbine of the present invention.
  • the rotational speed reaches a peak at a wind speed of 4 to 6 m / s.
  • each wind receiving surface has a minimum area, and the main shaft is stopped.
  • the main shaft slowly started to reverse at 7 m / s.
  • the main shaft stably rotated in the opposite direction, and the number of rotations did not increase extremely. This experiment proved the natural control characteristics of the wind turbine device of the present invention.
  • the windmill device of the present invention can be used not only as a power generator, but also as a direct mechanical power source such as threshing, and the windmill blades do not rotate at high speed and can be rotated in reverse. It can also be sold as art.

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Abstract

　微風でも回転力を得ることができ、抗力、揚力をともに回転力に変換することが可能であり、強風時にも減速機構等を用いずに風車の回転速度を所定の範囲内に収めることが可能であり、強風時にも損傷しにくい風車装置の提供を目的とする。本発明は、垂直方向に延びる主軸と、該主軸に連結され、同一平面内を旋回する複数の水平軸と、該水平軸の回りに旋回可能に設けられた翼とからなり、前記翼の幅方向が前記水平軸の軸心方向であり、前記翼の長手方向が曲線状に湾曲し、前記翼の幅方向が直線状に延び、前記翼の両面に空気流を作用させて回転力を得る風車装置であって、前記翼の水平軸より下部の領域の面積および重量が、前記翼の水平軸より上部の領域の面積および重量より大きく、前記翼の下部領域の重量と前記翼の上部領域との重量を調整するための錘が前記骨材に設けられてなることを特徴とする風車装置に関する。

Description

風車装置
　本発明は風車装置に関する。さらに詳しくは、垂直方向に延びる主軸と、該主軸に連結され、同一平面内を旋回する複数の水平軸と、該水平軸の回りに旋回可能に設けられた翼とからなり、前記翼の幅方向が前記水平軸の軸心方向であり、前記翼の長手方向が曲線状に湾曲し、前記翼の幅方向が直線状に延び、前記翼の両面に空気流を作用させて回転力を得る風車装置であって、前記翼の水平軸より下部の領域の面積および重量が、前記翼の水平軸より上部の領域の面積および重量より大きくされてなる風車装置に関する。
　風車は、垂直型風車と、水平型風車とに大別されるが、現在、日本の風車は９５％が水平型風車といわれている。揚力利用の垂直型風車は、自己起動時に大きなトルクが必要であり、低速風域では起動しにくく、わずかな風ではなかなか回転しないという問題によりほとんど使用されていない。また、あらゆる方向の風を起動力にすることができない。
　また、垂直軸型風車として図１１（ａ）および（ｂ）に示されるような風車が知られている。図１１（ａ）に示される風車は、抗力を利用して回転する垂直軸型風車であり、翼Ｗ１１の凹面が風Ｗｉを受けることにより、風Ｗｉと同方向の抗力Ｆ１１を受け、軸Ａを中心に時計回りに回転する。
　図１１（ｂ）は、風車の翼Ｗ１２に働く揚力を利用して回転する垂直軸型風車であり、風Ｗｉを翼Ｗ１２が受けることにより、翼Ｗ１２における風背面１２ｂ側と風向面１２ａ側との気流に速度差が生じ、速度差に伴う圧力差によって揚力Ｆ１２が生じ、回転力を得ることができ、軸Ａを中心に反時計回りに回転する（特開２００３－３３６５７２号公報参照）。
　しかし、従来の風車は抗力、揚力のどちらかを利用して回転することはできるが、抗力と揚力の両方の力を活かすことができなかった。
　また、従来の風車は、強風になればなるほど、風車の回転速度が速くなり、強風時には風車が損傷してしまうという問題があった。
　そこで、本願発明は、微風でも回転力を得ることができ、抗力、揚力をともに回転力に変換することが可能であり、強風時にも風車の回転速度を所定の範囲内に収めることが可能であり、強風時にも損傷しにくい風車装置の提供を目的とする。
　本発明の風車装置は、垂直方向に延びる主軸と、該主軸に連結され、同一平面内を旋回する複数の水平軸と、該水平軸の回りに旋回可能に設けられた翼とからなり、前記翼の幅方向が前記水平軸の軸心方向であり、前記翼の長手方向が曲線状に湾曲し、前記翼の幅方向が直線状に延び、前記翼の両面に空気流を作用させて回転力を得る風車装置であって、前記翼の水平軸より下部の領域の面積および重量が、前記翼の水平軸より上部の領域の面積および重量より大きくされてなることを特徴とする。
　また、前記翼が、前記水平軸に対してほぼ平行に延設された水平骨材と、前記水平軸に対してほぼ垂直に延設された垂直骨材とを介して前記水平軸に配設されてなることが好ましい。
　また、前記翼の下部領域の重量と前記翼の上部領域の重量を調整するための錘が前記骨材に設けられてなることが好ましい。
　また、前記水平骨材または垂直骨材のいずれかが前記水平軸に回転自在に支持されてなることが好ましい。
本発明の風車装置の斜視図である。 本発明の風車装置の翼を示す図である。 本発明の風車装置の構造を示す断面図である。 本発明の風車装置の翼を示す断面図である。 本発明の風車装置に用いられる錘を説明するための図である。 本発明の風車装置の軸を説明するための概念図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明の風車装置の翼にかかる力を説明するための図である。 （ａ）～（ｃ）は本発明の風車装置の回転を説明するための概念図である。 （ａ）～（ｃ）は本発明の風車装置の回転を説明するための概念図である。 （ａ）～（ｃ）は本発明の風車装置の回転を説明するための概念図である。 本発明の風車装置の回転を示す図である。 本発明の風車装置の回転を示す図である。 本発明の風車装置の風速と平均回転数との関係を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は従来の風車装置を示す図である。
符号の説明
　１　風車装置
　２　主軸
　３　水平軸
　４　骨材
　５　錘
　６　支柱
　Ａ　軸
　Ｂ　基台
　Ｂ１、Ｂ２　軸受
　Ｄ１　長手方向
　Ｄ２　幅方向
　Ｆ１、Ｆ１１　抗力
　Ｆ２、Ｆ１２　揚力
　Ｇ１、Ｇ２　傘歯車
　Ｗ、Ｗ１１、Ｗ１２　翼
　Ｗａ　凹面
　Ｗｂ　凸面
　Ｗｉ　風
　以下、添付図面を参照し、本発明の風車装置を詳細に説明する。図１は本発明の風車装置の斜視図、図２ａは本発明の風車装置の翼を示す図、図２ｂは本発明の風車装置の構造を示す断面図、図２ｃは本発明の風車装置の翼を示す断面図、図２ｄは本発明の風車装置に用いられる錘を説明するための図、図３は本発明の風車装置の軸を説明するための概念図、図４（ａ）および（ｂ）は本発明の風車装置の翼にかかる力を説明するための図、図５（ａ）～（ｃ）は本発明の風車装置の回転を説明するための概念図、図６（ａ）～（ｃ）は本発明の風車装置の回転を説明するための概念図、図７（ａ）～（ｃ）は本発明の風車装置の回転を説明するための概念図、図８は本発明の風車装置の回転を示す図、図９は本発明の風車装置の回転を示す図である。図１０は本発明の風車装置の風速と平均回転数との関係を示すグラフである（ただし想定されるスケールの１／１０の模型による実験データである）。図１１（ａ）および（ｂ）は従来の風車装置を示す図である。
　本発明の風車装置１は、垂直方向に延びる主軸２と、該主軸２に連結され、同一面内を旋回する複数の水平軸３に、当該水平軸３の回りに旋回可能に設けられた翼Ｗとからなり、当該水平軸３に対して平行に延びた骨材４を介して翼の長手方向Ｄ１が曲線状に湾曲した翼Ｗが水平軸に軸支され、前記水平軸３の軸線が該翼Ｗの翼の幅方向Ｄ２に延び、前記翼の長手方向Ｄ１が曲線状に湾曲した翼Ｗに空気流を作用させて回転力を得る風車装置１であって、前記翼Ｗの水平軸３より下部の領域の面積および重量が、前記翼Ｗの水平軸３より上部の領域の面積および重量より大きく、前記翼Ｗの下部の領域の重量と前記翼Ｗの上部の領域の重量を調整するための錘５が前記骨材４に設けられてなることを特徴とする。
　図１～３を参照すると、本発明の風車装置１は、基台Ｂの上端に設けられた円筒状の支柱６に、垂直方向に延びる主軸２が挿通されている。主軸２の下端部は、たとえば傘歯車Ｇ１、Ｇ２等を介して発電機（図示せず）に連結されており、主軸２回りの回転により発電をすることができる。発電機としては、公知の発電機構を用いることができ、特に限定されることはない。主軸２の上端には、同一面内を旋回する複数の水平軸３が連結されている。主軸２と水平軸３との連結手段は、たとえば溶接、螺着等の公知の連結手段を用いることができ、特に限定されることはない。
　主軸２は、支柱６に設けられた軸受Ｂ２により回転可能に支持されており、主軸２の回転により３または４の水平軸３が同一面内を旋回する。なお、軸受Ｂ２は、本実施の形態においては、支柱６側に設けられているが、主軸２側に設けられてもよい。水平軸３の本数は、本実施の形態においては３本であるが、２本、４本または５本でも構わず、特に本数は限定されることはない。
　さらに、水平軸３には、水平軸３に対して平行に延びた骨材４を介して翼の長手方向Ｄ１が曲線状に湾曲した翼Ｗが旋回軸受Ｂ１に軸支されている。翼Ｗと骨材４との接続手段は、溶接、螺着等公知の接続手段を用いることができ、特に限定されることはない。また、骨材４は、骨材４に設けられた旋回軸受Ｂ１に水平軸３が挿入され軸支されているが、旋回軸受Ｂ１は、骨材４側、水平軸３側のどちらに設けられてもよい。また、骨材４の材質は、強度等の観点から鉄、ステンレスなどの金属であることが好ましいが、特に限定されるものではない。
　翼Ｗの旋回軸の軸線は、翼Ｗの翼の幅方向Ｄ２に延びており、翼Ｗは、水平軸３を中心に回転可能に支持されている。したがって、本発明の風車装置の翼Ｗは、垂直方向の主軸２を中心に回転し、さらに水平軸３を中心にしても回転する。
　翼Ｗの形状は、翼の長手方向Ｄ１が曲線状に湾曲しており、一方の面が凹面Ｗａ、他方の面が凸面Ｗｂを呈している。本実施の形態の風車装置１における３枚の翼Ｗはいずれも同形状を呈しており、かつ同方向に湾曲している。翼Ｗの材質は、軽量であることが好ましく、帆布、アルミ、ジェラルミン等が用いられるが、抗力を受けることができれば特に限定されることはなく、鉄、ステンレス等でも構わない。また、水平軸３への負担を少なくするために、翼Ｗの中心部から上部にかけては軽量にし、下部に重量をかけることが好ましい。
　翼Ｗには翼Ｗの水平軸３の軸線回りの旋回を調整するために、錘５が設けられている。旋回軸の軸線より下部の領域と上部の領域の重さを錘５により調整することにより、翼Ｗの旋回を調整することができる。たとえば下部の領域の重量と、上部の領域と錘５の重さの合計がほぼ等しい場合には、水平軸３回りに回転しやすくなり、風を逃がしやすくなり、下部の領域の重量が、上部の領域と錘５の重量よりはるかに重ければ、水平軸３回りに回転しにくくなり、風を逃がしにくくなる。また、錘５は、翼Ｗの重量が軽ければ省略することも可能である。
　錘５の形状は、本実施の形態では、ピンセットのような形状であるが、翼Ｗの旋回を調整することができればよく、特に形状は限られることはない。錘５の材質は、翼Ｗの旋回を調整することができればよく、特に限定されないが、鉄、ステンレスなどの材質が好ましい。
　次に図４～７を用いて本発明の風車装置の動作を説明する。
　まず弱風時について、本発明の風車装置の動作を説明する。なお、本明細書において、弱風時とは、たとえば１０ｍ／ｓ以下の風速をいうが、翼Ｗの重量、錘の重量、受風面積により翼Ｗの回転は変動するので、この範囲に限定されることはない。風車装置１が完全に静止している状態から図４（ａ）に示されるように風向きＷｉの向きの風を受けると、翼Ｗの凹面Ｗａが風を受け、風向きＷｉと同方向の抗力Ｆ１を受けることにより、主軸２はＲ１方向の回転力を受け、時計回りに回転する。厳密にいうと、風Ｗｉを受けることにより、翼ＷはＲ２方向に揺動回転し、翼Ｗには抗力Ｆ１とＲ１方向の回転力とＲ２方向の回転力を合成した力が働くことになる。本実施の形態においては、風車装置１の３つの翼Ｗの凹面Ｗａが風を受け、凸面Ｗｂが風を受け流すことにより、弱風時は図５（ａ）～（ｃ）に示されるように、どの向きから風が吹いたとしても翼Ｗの凹面Ｗａが風を受け、時計回りに回転することになる。また、翼Ｗは、風により水平軸３回りの回転力も受けることになるが、翼Ｗの重力との関係で、有効に風力を得ることができ、風が強くなるにつれ、翼Ｗの主軸回りの回転速度は上がる。なお、図６（ａ）～（ｃ）に示されるように風が強くなるにつれ、翼Ｗの水平軸３回りの旋回は容易に（あるいは旋回の角度は）大きくなる。
　強風時（なお、本明細書において強風時とは、たとえば１５ｍ／ｓ以上の風をいうが、翼Ｗの重量、錘の重量、受風面積により翼Ｗの回転は変動するので、この範囲に限定されることはない。）、すなわち図６の状態からさらに風が強くなると、弱風時に風を受ける面である凹面Ｗａは図７（ａ）～（ｃ）に示すように翼Ｗの上端および下端を結ぶ線が水平になるまで旋回する。このとき、翼Ｗが受ける抗力はほとんど無くなり、図４（ｂ）に示されるように、風向きＷｉの風を受けると、揚力Ｆ２が矢印の方向に働くことになる。すると、弱風時には、翼Ｗの凹面Ｗａが受ける抗力により時計回りに働いていた力が、揚力Ｆ２により反時計回りへの力に変わる。したがって、主軸２に対して時計回りに回転していた翼Ｗは、図７（ａ）～（ｃ）に示されるように、揚力Ｆ２の反時計回りの力により、しだいに時計回り方向の回転力を弱め（図７（ａ））、一時的に回転速度が０になる（図７（ｂ））。そして、さらに強風時の状態が続くと揚力Ｆ２により翼Ｗは弱風時とは逆の回転（反時計回り）を始める（図７（ｃ））。また、凸面Ｗｂは、弱風時は風を受け流しているが、強風時には、翼Ｗは、４５度程度回転すると、図４（ｂ）に示す揚力Ｆ２が働く原理と同様に下方にダウンフォース（負の揚力）がかかるので、凸面Ｗｂは風を受け流さず、風を受け止めることができ、風向きと同方向の抗力が働くので、反時計回りに力がかかる。
　以上のように、弱風時には翼Ｗの凹面Ｗａが風を受けることにより、主軸２の回りを時計回りに回転し、強風になるにつれて、翼Ｗが水平軸３回りに回転することにより、弱風時には抗力により回転し、強風になるにつれて、発生する揚力を翼Ｗの主軸回りの回転力に変換することができるので、抗力と揚力をともに風車の回転力に用いることができるだけでなく、その揚力により、強風になっても、風車の主軸回りの回転を緩やかにすることができる。また、強風時にはただ回転速度が減速するだけでなく、弱風時とは逆回転をすることにより回り続けるので、回転力を発電機により電力に変換することができる。また、回転速度を所定の範囲内に収めることができるので、電力供給にムラがなく、安定し、さらに回転速度を所定の範囲内に収めることができるので、強風、暴風時に風車が壊れにくい。また、翼Ｗが凹面Ｗａおよび凸面Ｗｂを有しており、翼Ｗは水平軸３回りに回転可能であるので、上下方向を含む全方向の風を回転力に変換することが可能である。
　図８および図９は本発明の風車装置の回転を示す図である。図８および図９を参照すると、風車は弱風時には翼Ｗの凹面が抗力を受け、時計回りに回転した（図８の１つ目～３つ目参照）。そして強風になるにつれ、翼Ｗが水平軸３回りに旋回すると、翼Ｗがほぼ水平になるまで旋回し、上述のとおり揚力を受け、垂直軸回りの回転力が弱まり、一時的に停止した。さらに風が強くなるか、風力が一定であると、垂直軸回りに逆回転（反時計回り）を始め、風が弱くなると、逆回転していた風車は停止した。図８および図９からわかるように、本発明の風車は、原理は上述したように上下方向を含む全方向から抗力、揚力をともに受けることにより、時計回り、反時計回りに回転することができるが、風向き、風力により様々な動きをすることがわかる。
　次に、図１～３のような風車装置を用いて、風洞実験を行なった。その結果を図１０に示す。
試験日：晴天、気温２７～２８℃
風洞装置：足利工業大学所有装置（開放型、吹出口１．０４×１．０４（ｍ）、可変速風洞）
風速測定：ベッツ型マノメータ＋ピトー管
試験風速：３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２（ｍ／ｓ）
供試風車：翼高さ０．３２５（ｍ）、翼幅０．３６（ｍ）、翼面積０．１０４（ｍ2）翼の旋回半径：０．４３５（ｍ）、翼の重さ２．０９（ｋｇ）トルク試験：インバータモータ型
　上記試験条件で、風車の回転数（ｒｐｍ）と出力（Ｗ）の値を求め、周速比λとパワー係数Ｃｐを算出した。周速比λは、λ＝Ｒ×Ω／Ｖ（Ｒ：風車の翼の回転半径、Ω：風車の回転角速度、Ｖ：風速）で定義され、パワー係数Ｃｐは、Ｃｐ＝Ｐ／(１／２ρＳＶ3)（Ｐ：風力パワー、ρ：空気密度、Ｓ：回転面面積、Ｖ：風速）で定義される。
　図１０は、本発明の風車における風速（ｍ／ｓ）と風車の平均回転数（ｒｐｍ）との関係を示すグラフである。図１０に示されるように、風速４～６ｍ／ｓで回転数はピークに達するが、風速がそれ以上になると、各受風面が最小限の面積になり、主軸は停止状態になった。さらに風速が増すと、７ｍ／ｓで主軸はゆっくり逆回転を始めた。さらに風速が増すと、主軸は安定して逆方向に回転し、その回転数が極端に上がることはなかった。この実験により、本発明の風車装置の自然制御の特性が実証された。
　本発明の風車装置によれば、発電装置として用いるだけでなく、脱穀等などの直接的な機械動力源にも用いることもでき、かつ風車の翼が高速回転することがなく、逆回転も可能であり、美術品として販売することも可能である。

Claims (4)

  1. 　垂直方向に延びる主軸と、
    該主軸に連結され、同一平面内を旋回する複数の水平軸と、
    該水平軸の回りに旋回可能に設けられた翼とからなり、
    前記翼の幅方向が前記水平軸の軸心方向であり、
    前記翼の長手方向が曲線状に湾曲し、前記翼の幅方向が直線状に延び、
    前記翼の両面に空気流を作用させて回転力を得る風車装置であって、
    前記翼の水平軸より下部の領域の面積および重量が、前記翼の水平軸より上部の領域の面積および重量より大きくされてなる風車装置。
  2. 　前記翼が、前記水平軸に対してほぼ平行に延設された水平骨材と、前記水平軸に対してほぼ垂直に延設された垂直骨材とを介して前記水平軸に配設されてなる請求の範囲第１項記載の風車装置。
  3. 　前記翼の下部領域の重量と前記翼の上部領域の重量を調整するための錘が前記骨材に設けられてなる請求の範囲第１項または第２項記載の風車装置。
  4. 　前記水平骨材または垂直骨材のいずれかが前記水平軸に回転自在に支持されてなる請求の範囲第１項～第３項のいずれか１項に記載の風車装置。
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