JP2002242816A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 風力発電システムを安価に製造し、かつ扱い
やすくするために風速に応じてブレードを風下側に倒す
ことで回転数の制御をする装置を提供する。 【解決手段】 捩れに関して柔軟な構造をもつブレード
１をフラップ角βのみが自由に動くようにボス部７に取
付け、かつブレード１先端部の前縁あるいは後縁に制御
用の小型風車２を取付けることで、風速に応じてブレ−
ド１が広いフラップ角度範囲で風下側に倒れ回転を制御
できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のブレード翼
を放射状に取り付けたローターの回転によるプロペラ型
の風力発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、クリーンな自然エネルギーの利用
が見直されつつあり、その代表例にエネルギー・コスト
が最も安いと言われる風力発電がある。しかし、本格的
に風力発電を普及させようとする観点からは風車の製造
・組立てコストを抜本的に低減することが求められてい
る。従来のプロペラ型風力発電装置のブレード翼根部に
はピッチ角可変装置が取付けられ強風に対する過回転の
防止の役割を果たしているが、基本的に剛構造であるた
めブレード翼根部でのボス部との結合部分にはブレード
の回転による遠心力だけでなく、突風等による大きな曲
げ荷重が作用するという問題があった。木目の細かい工
夫を尽くした設計を実施し軽量化を図りつつ強度を増す
ことが求められる所以であるが、これは抜本的に単純か
つ安価な構造のブレードの存在を許容しない理由ともな
っていた。また、然るべき質量をもつブレードのピッチ
角を可変とする装置は必然的に高強度で精度の高いもの
でなくてはならず、これも風力発電装置の重量、コスト
を増加させる大きな要因となっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のプ
ロペラ型風力発電装置においては、高強度で精密なピッ
チ角可変装置を備えねばならぬ上にブレードは大きな曲
げ荷重と遠心力荷重に耐える必要があったため製造コス
トのみならず輸送・組立てに関わる費用まで大きくなっ
てしまうという問題があった。本発明は上記課題を解決
するもので、風力発電装置のブレード部分を柔軟構造に
することにより、軽量かつ簡素な構造を可能として装置
の製造および輸送・組立てに関わるコストを大幅に低減
することを目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記課題を
解決するために、柔軟性のあるブレードをフラップ角方
向すなわち翼の上下面方向にのみ自由に回転できるよう
ボス部に取付け、その翼端近傍に制御用風車を取付ける
ことで、従来の剛性の高い翼やピッチ角制御装置を必要
とせず、フラップ角を変化させることによって定格以上
の風速による過回転を防止し得ることを見出した。

【０００５】この発明の風力発電装置は、請求項１の発
明がその骨格をなすもので、図１に示すようにプロペラ
型の風力発電装置におけるローターのボス部に、弾性捩
れ変形によってスパン方向にピッチ角を変え得るブレー
ドがその翼断面の上下方向への動きを自由にとれるよう
に取付金具ならびにフラップ・ヒンジを介して取付けら
れ、ブレードの翼端を含む翼端近傍の前縁または後縁部
にブレードの進行方向に概ね正対するような回転面をも
つ小型の制御用風車が取付けられていることを特徴とし
ている。

【０００６】請求項２記載の発明は、図２に示すように
請求項１に記載された発明に調整機能を付与するための
手段であり、ブレードの翼端部に付加質量体が取付けら
れていることを特徴としている。請求項３以下に記載の
発明は、請求項１あるいは２に述べられた発明の基本原
理を実用化するために必要な発明である。請求項３記載
の発明は、図３に示すようにブレードとボス部にそれぞ
れＳ字状板バネＡとほぼ直線状の板バネＢを固定して取
付け、それらを一つの取付金具のヒンジで結合して無風
時にブレードが倒れず、かつ起動時にブレードが風下側
に流されないようにすることを特徴としている。

【０００７】請求項４記載の発明は、図４に示すように
ブレードとボス部をフラップ・ヒンジと同軸にあるコイ
ル状のバネでつなぎ無風時にブレードが倒れず、かつ起
動時にブレードが風下側に流されないようにすることを
特徴としている。請求項５記載の発明は、図５に示すよ
うにブレードあるいはボス部にコマ状の突起あるいは板
バネＣによるストッパーを設け、そのストッパーとブレ
ードあるいはボス部７の干渉によってブレードが完全に
風下側に流されないようにして回転力を保持することを
特徴としている。請求項６記載の発明は、図６に示すよ
うにボス部に板バネＤを取付け、その板バネＤとブレー
ドの干渉によって、ブレードの凹側断面方向の動きを拘
束し、ローターに風見安定を与えることを特徴としてい
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の風力発電装置について、
以下、具体的に説明する。基本手段を図１に示す。ブレ
ード１は弾性捩れ変形によってスパン方向にピッチ角θ
を変え得るもの、例えば円弧翼状の一枚構造の薄翼が用
いられる。そのブレード１をボス部７に対してブレード
１のフラップ方向にのみ回転自由に取付ける（図１ｂ，
図１ｃ）。ここで、フラップ軸は必ずしも回転面内にあ
る必要はない。風速の増加と共にブレード１が風下方向
に傾きを増すことによって回転数を制御するように、ブ
レード１の翼端近傍の前縁あるいは後縁部にブレ−ド１
の進行方向に概ね正対して回転する小型の制御用風車２
を設ける。

【０００９】回転作動中にブレード１に対して所要の弾
性捩れ変形を与えることが本発明の要点の一つであるの
で、ブレード１の材料は強靭・軽量でかつ弾性変形範囲
の広いアルミ合金やＦＲＰ等の複合材が望ましい。本発
明におけるブレード１は、全長に亘り中空あるいは中実
構造をもつ従来型風車のブレード１よりも遥かに捩れや
すい性質をもたねばならぬが、捩れ剛さ（こわさ）に上
下限を有する。本発明の機能を発揮させるためにブレー
ド１が満足すべき捩れ剛さの条件は、ブレード１固有の
捩り剛性、総質量、質量分布、ブレード１および制御用
風車２の発生する空気力さらには回転数等によって異な
ってくるため絶対値として定めることは困難であるが、
これら諸要因の相互関係の結果として現われる現象を用
いて以下のように記述できる。

【００１０】取付け状態でのブレード１の翼端ピッチ角
θすなわち回転面と翼弦が成す角を正にとると、ブレー
ド１の捩れ剛さの上限はブレード１各要素に発生する遠
心力によるモーメントおよびブレード１ならびに制御用
風車２によって発生する空気力によって発生する捩りモ
ーメントによって定格風速以上、設計最大風速以下の範
囲で翼端ピッチ角θが少なくとも負の値（逆回転の起動
トルクを与えるピッチ角）にまで変化できなくてはなら
ないという条件から定められる。また、捩れ剛さの下限
は翼根部の片持ち梁支持状況において重力あるいは起動
風速以下の風圧に抗して自己の形状を維持出来なければ
ならぬ条件から定められる。条件を満たし得る典型例
が、自重で撓むことの無い程度にまで板厚をそいだ薄い
一枚構造の円弧翼である。

【００１１】なお、本発明が適用できるブレード１は図
１ｂに示されるようなスパン方向全体に薄い断面を持つ
翼に限定されるものではない。弾性捩れ変形に関する条
件は、通常の翼型であれば略確実に失速に陥る迎え角に
相当する３０度程度を先端で捩っても弾性範囲内にある
ことだけであるから、スパン方向すなわち半径方向の断
面が一様に薄板構造である必要はなく図１ｃに示すよう
に、例えば略１／２半径の外側は通常の閉じた断面を持
った翼型とし、残り略１／２半径の内側を薄板構造にし
て、捩りを薄板構造部分で受け持たせても良い。また、
捩れを分担する薄翼部分においても断面は必ずしも円弧
翼である必要は無く、空力特性に優れかつ捩れやすい断
面であれば良い。

【００１２】さて、ブレード１はフラップ方向に回転自
由な取付けなので、無風状態において回転軸上方にある
ブレード１が倒れないように、かつ風が吹いた時に回転
を始める前に下流側に流されてしまわないように、図
３、図４に示すようにブレード１の翼根部を板バネＢ、
あるいは板バネＤなどで支える。ここで、板バネＡをＳ
字形状にしておくと、この板バネＡは、最も変形の大き
い、ブレード１が完全に風下側に流される時でもＳ字が
押しつぶされたような形状を保つので、ブレード１への
接合面には概ね圧縮力として作用し、ブレード１との接
合部の強度設計上好ましい効果を持つ。

【００１３】また、強風下で完全に風に流されてしまう
とブレード１は回転力を失い、遠心力による見かけの剛
性も消え、風圧の強い中で自己形状の保持が出来なくな
る。そこで、図５に示すように下流側へのブレード１の
倒れに対して制限する装置を設けることが望ましい。例
えば、ストッパー８や板バネＣを取りつける。さらに、
本発明の風力発電装置の風車を風見安定板のないダウン
・ウインド型として機能させるためには、確実な風見安
定効果がなければならないので、図６に示すような板バ
ネＤなどによるストッパーを設けることが望ましい。

【００１４】本発明を風力発電装置に適用した時の稼動
状況概要を図７に示す。風が吹くとブレード１は風圧に
よって板バネ等の弾性部材の拘束に逆らってフラップ軸
回りに回転し風下側に流されるが（図７−２）、各断面
は回転面に対してピッチ角θを持って取付けられている
ため、完全に風に流される前に自らが発生する空気力の
トルク成分によって回転を始める。回転を始めると遠心
力によって風上側にフラップ角βが戻り、安定した回転
を行う（図７−３）。この時、翼端の制御用風車２も回
転してブレ−ド回転の抵抗にはなるが、ピッチ角θを深
く設定することでローター・ブレード全体の空力性能を
大きく阻害しないように出来る。また、図５に示すよう
に本来の稼動状態での風向と逆向きに風が吹く場合に
は、ブレード１はストッパー８に当たり、傾きを変えな
い。従ってブレード１への空気抵抗は風車支柱軸１１ま
わりの回転モーメントとして作用するため、ブレード１
は風見安定を示す。

【００１５】風速が増すとローターは回転数を増すが、
回転数の増加に伴い板状のブレード１はその各部に作用
する遠心力によってブレード軸回りにピッチ角θをフラ
ットにするようなモーメントを発生する（図８−１）。
このモーメントによって翼端部は頭（前縁）上げの方向
に捩られるため、捩れやすい特性を有するブレード１は
翼端のピッチ角θを浅くするようになる。ピッチ角θが
浅くなると迎え角αが増し、ブレード１に作用する風圧
すなわち回転面に直角方向の力が増してフラップ角βを
大きくするように作用し、風に正対する回転面積を減少
させる。回転面積の減少は風から吸収するエネルギーの
減少につながり回転数の増え方の減少に寄与するので、
結果的に当該ローターは回転数を徐々にしか増さずにフ
ラップ角βの変化で風速の増加に対応することになる。

【００１６】図８−２に示すようにブレード１がある程
度以上捩れてくると、変形の大きいブレード１の翼端部
はゼロに近いピッチ角θあるいは負のピッチ角θに至
り、迎え角αが大きくなり過ぎて翼端部で失速を生ずる
ようになる。この失速はブレード１の回転を減速させる
ので、回転数の上昇は抑えられフラップ角βはさらに大
きくなる（図７−４）。さて、ブレード１の剛性を低く
したり、付加質量体３を翼端に取付けたりすることで、
捩れ角を大きくしフラップ角βをさらに増すための必要
条件を作ることはできるが、捩れ過ぎるとブレード１は
回転面内の動きに対する剛性を失うだけでなく、ブレー
ド１各軸回りの慣性モーメントの値を大きく変えるよう
にもなり、動的に不安定な動きを示すようになるため薄
翼のブレード１の場合無制限に捩れ角を大きくすること
は出来ない。翼端失速を利用した回転数の制御は一定の
風速までしか期待できないのである。以降、風速の増加
に対しては翼端の制御用風車２がフラップ角β増加機能
を分担するようになる。

【００１７】図９はフラップ角が大きい時の合成風の方
向と制御用風車との関係図である。フラップ角βが大き
くなると、ブレード１はあたかも後退翼のようにブレー
ド面に対して翼根側斜め前方から風を受けるようにな
り、翼端部に置かれた制御用風車２も斜めに風を受ける
ようになる（図９）。斜めの風を受ける制御用風車２
は、その回転面で出来た円盤翼のように、相対風に対し
て抗力だけでなくその直角方向に揚力（９−１）も発生
するので、その合成力は少なからぬものとなり、共にブ
レード１の回転にとって抵抗力（９−２）として作用す
るようになる。この場合のΩは回転角速度で、ｒはブレ
ードの半径である。その結果、風速が増してもブレード
１の回転数は上がらなくなり遠心力も増えなくなる。一
方ブレード１のフラップ角βを増やす力はブレード１に
発生する揚力と抗力の合成力に依存する。制御用風車２
はブレード１のフラップ方向には大きな力を発生しない
ので、フラップ角βを増そうとする力は減少せず、結果
的にブレード１は遠心力に打ち克ってさらにフラップ角
βを増すことになる（図７−５）。風車の位置は前縁部
にあっても、同様の機能を発揮する。

【００１８】この制御用風車２による回転減速効果はフ
ラップ角βに応じて大きくなるが、それが回転している
限りフラップ角βが大きくなっても回転面の揚力発生効
果によって衰えず、フラップ角βが９０度近くになるま
で有効である所に特徴がある。すなわち、傘で言えば完
全に折畳まれた状態に至る直前まで、風車ブレードは回
転を継続しつつフラップ角βを増し続けることになる。
高風速下においては、回転を継続させる方がブレード形
状を維持させやすいので、ブレード１の動きはフラップ
角βが９０度近いところで図４に示すストッパー８によ
って止められる。

【００１９】以上のように、弾性捩れ変形によってスパ
ン方向にピッチ角θを変え得るブレード１を用いること
で、自身の発生する回転慣性力による自身への捩りモー
メントと、前縁または後縁部にブレード１の進行方向に
概ね正対する回転面を持つように取付けられた制御用風
車２の空力特性を併用することにより、大きな角度範囲
にわたって風速に応じてフラップ角βを増して回転数の
上昇を抑えかつ安定した回転を継続できるローター・ブ
レードを実現することが出来ることになる。制御用風車
２の回転方向は任意であるが、翼端渦を拡散させる方向
の回転が翼端渦による誘導抵抗減少上および騒音緩和上
望ましい（図１０）。制御用風車２のサイズは小さいほ
ど風車全体の効率は向上する。

【００２０】さて、軽量化と低コスト化を図るために
は、ブレード１は一枚構造の単純な断面形状をもつ薄翼
であることが望ましい。例えば円弧翼は、ボス部７に対
するフラップ・ヒンジ結合が容易である。しかも閉じた
断面を持たないので捩れやすい特徴をもち本発明の適用
に好都合である。また、性能上レイノルズ数の影響を受
けないので、従来型小型風力発電装置の本質的な問題と
されていた性能の劣化対策として有用であるという別の
メリットももつ。しかし、円弧翼に比剛性の高い材料を
用いる場合には、如何に薄くしても回転に基づく慣性力
だけではブレ−ド自身に必要十分な捩りモーメントを与
えられない可能性がある。

【００２１】この場合には、図２に示すように付加質量
体３をブレード１翼端の例えば後縁に取付けて、その慣
性力によって積極的に捩りモーメントを発生させること
が必要となってくる。ブレード１に取付けられた付加質
量体３は遠心力によって常にフラップ軸を通る回転面に
近づこうとする成分力を発生するので、後縁部分に置か
れた付加質量体３はブレード１の前縁を上げようとする
モーメントを発生し、ブレード１単体では不足する慣性
力を補う。この付加質量体３はブレード１に対して単純
な形状の選択を許すだけでなく、質量の大きさを調整す
ることで適切な捩れ角を容易に実現するメリットも与え
る。

【００２２】

【実施例】図１１に風力発電機の風車に本発明の風力発
電装置のブレード機構を適用した例を示す。ブレード１
は円弧状のブレード１の薄翼で翼端部後縁に棒状の付加
質量体３が取付けられ、その端部にはブレード１前縁か
ら見て反時計回りに回転する小型の制御用風車２が取付
けられている。風車ブレード１はフラップ角β（ブレ−
ドの風下方向への流され角度）のみが自由に回転できる
ように、かつ起動トルクを発生できるようにフラップ軸
は回転面に対して約２０度のピッチ角θをもって取付け
られている。また、ブレード１のフラップ運動を許容す
るとともに、正負両側に過大に動かぬように板バネＡ、
Ｂが結合ヒンジ５を介してブレード１とボス部７に取付
けられている。なお、ブレード１にはブレード１が一定
角以上流されるとボス部７に突き当るようにストッパー
が取付けられている）。実施例ではフラップ角β８０度
を上限としている。

【００２３】実施例では、正規の設置形態で無風状態で
は最高所にあるブレード１がフラップ角３０度程度にな
るように、そしてローター面が仮に水平になったときに
ブレード１のフラップ角βが０度を維持できる程度に板
バネの形状と強さが調整されている。また、尾翼なしで
風見安定を得るため稼動状態でローター面が風下側にな
るようにブレード１が取付けられている。無風の設置状
態では、ブレード１は上述のスプリングによってフラッ
プ角３０度から０度の範囲に収まっている（図７−
１）。ブレード１の凸面側からの風、すなわち風車でい
えば風下側からの風に対しては、ブレード１はフラップ
角βを小さくしようとするがスプリングによって動きを
拘束されているので、通常のダウン・ウインド方式のプ
ロペラ型風車と同様の風見安定を示す。

【００２４】ブレード１の凹面側からの風に対しては、
ブレード１はフラップ角３０度程度であったものが風圧
によって一時４５度程度にまでフラップ角βを増すが、
各ブレード１がピッチ角θをもって取付けられているた
め空力的なトルクを発生し回転を始めるようになる（図
７−２）。回転を始めると、遠心力によってフラップ角
βを減じ始め、釣合い状態で回転を続ける（図７−
３）。以下先に説明した通り、風速の増加に対して、回
転数を大きく増すことなくフラップ角βを大きくしなが
ら当該風車は回転を継続する。ブレード１の失速が始ま
り、さらに制御用風車２の減速効果が出てくる大きなフ
ラップ角領域では回転数は低下の傾向を持ち始める。

【００２５】風速がさらに増してくるとブレード１はフ
ラップ角β上限のストッパーに当たったまま回転を維持
することになる。フラップ角βの上限を８０度にすると
ローターの前面面積はフラップ角βゼロの時の約１／３
６となり、受け止める動圧も１／３６になる。これは１
０ｍ／ｓを定格風速とすると、６０ｍ／ｓの強風下でも
定格運転時に受ける風圧と同程度であることを意味し、
通常しかるべき安全率をもって強度設計をすることを考
えると実用上如何なる風速に対しても回転を停止するこ
となく稼動できるように設計することが可能となる。

【００２６】

【発明の効果】本発明の風力発電装置は、従来の風車に
は装備が必須とされているブレードのピッチ角制御装置
を設けることなく強風に対して過回転にならない方法が
実現可能となった。また、本発明のコンセプトはブレー
ドの構造をシンプルにするので、在来の風車にくらべて
著しいコスト低減を可能とし、なおかつ可搬性および組
立ての容易性についても格段の向上が期待できる。

【００２７】また、ブレードには薄板構造も許容される
ので品質の確保が容易となり、かつ曲げ負荷が従来方式
のブレードに比して大幅に軽減される上、ブレードに作
用する応力も一様性を有するようになるので疲労強度を
確保する上でも従来型に比較して優位になるという大き
なメリットを与える。本発明を応用した風車にはカット
・アウトすなわちブレードを停止するという概念が存在
しないので、強風中でも常に定格に近い発電を継続でき
るという特徴を持つ。また、円弧翼等の薄翼ブレードは
流線形状の翼断面を持つ風車ブレードの必然であった低
レイノルズ数における性能の極端な低下がないので、こ
れを用いる場合には直径１０ｍ以下の風車の性能を格段
に向上させることが可能となり用途拡大の道を拓く。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の風力発電装置の１個のブレードの１実
施の形態の説明図である。（ａ）は斜視図である。
（ｂ）は図１のスパン方向断面説明図である。（ｃ）は
図１の他の実施の形態のスパン方向断面説明図である。
（ｄ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ線及び図１（ｃ）のＢ−Ｂ
線断面図である。（ｅ）は図１（ｃ）のＣ−Ｃ線断面図
である。

【図２】本発明の風力発電装置の１個のブレードの他の
実施の形態を示す説明図である。（図２−１）はブレー
ド側端に付加質量体を介して制御用風車を取り付けた斜
視図である。（図２−２）はブレードの両面に付加質量
体を取り付けた実施の形態の説明用の断面図である。

【図３】本発明の風力発電装置のローターのボス部にブ
レード取付機構の実施の形態を示す要部説明図である。

【図４】図３の要部拡大正面図である。

【図５】本発明の風力発電装置のブレードの実施の形態
の取付機構を説明する要部拡大側面図である。

【図６】図５の無風状態の説明図である。

【図７】本発明の風力発電装置の稼動概要図である。
（図７−１）は無風状態を示す。（図７−２）は起動状
態を示す。（図７−３）は定格発電状態を示す。（図７
−４）は強風下発電状態を示す。（図７−５）は稀な強
風下での発電装置状態を示す。

【図８】本発明の風力発電装置の翼端におけるブレード
捩り角と失速および揚力、抗力の関係図を示し、（図８
−１）は失速のない捩り角状態のブレードに作用する揚
力、抗力の関係図である。（図８−２）は失速を生ずる
捩り角状態のブレードに作用する揚力、抗力の関係図で
ある。

【図９】本発明の風力発電装置におけるブレードのフラ
ップ角が大きい時の合成風と制御用風車の作用関係図を
示し、（図９−１）はブレード側面から見た説明図であ
る。（図９−２）はブレードの平面及び断面から見た説
明図である。

【図１０】本発明の風力発電装置におけるブレード翼端
渦と制御用風車の回転方向との関係図である。（図１０
−１）は翼端渦を持つブレードの説明図である。（図１
０−２）は後流に渦を曳く単体の制御用風車の説明図で
ある。（図１０−３）は翼端渦の弱いブレードの他の実
施の形態を説明する。

【図１１】本発明の風力発電装置の概要を示す実施の形
態の側面図である。

【図１２】本発明の風力発電装置のブレードの取付機構
を示す要部拡大説明図である。

【符号の説明】

１・・・ブレード ２・・・制御用風車 ３・・・付加質量体 ４・・・取付金具 ５・・・ヒンジ ６・・・ローター回転軸 ７・・・ボス部 ８・・・ストッパー １０・・・発電機 １１・・・風車支柱軸 θ ・・・ピッチ角 α ・・・抑え角 β ・・・フラップ角

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【手続補正書】

【提出日】平成１４年１月３１日（２００２．１．３
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項４】前記ブレードとボス部とにそれぞれＳ字状
板バネＡとほぼ直線状の板バネＢを固定して取付け、そ
れらを一つの取付金具で結合して無風時に前記ブレード
が倒れず、かつ起動時に前記ブレードが風下側に流され
ないようにすることを特徴とする請求項１乃至請求項３
に記載の風力発電装置。

【請求項５】 前記ブレードとボス部をフラップ・ヒン
ジと同軸にあるコイル状のバネでつなぎ無風時に前記ブ
レードが倒れず、かつ起動時に前記ブレードが風下側に
流されないようにすることを特徴とする請求項１乃至請
求項４に記載の風力発電装置。

【請求項６】 前記ブレードあるいはボス部にコマ状の
突起あるいは板バネＣによるストッパーを設け、そのス
トッパーと前記ブレードあるいはボス部の干渉によって
前記ブレードが完全に風下側に流されないようにして回
転力を保持することを特徴とする請求項１乃至請求項５
に記載の風力発電装置。

【請求項７】 ボス部に板バネＤを取付け、その板バネ
Ｄと前記ブレードの干渉によって、前記ブレードの凹側
断面方向の動きを拘束し、前記ローターに風見安定を与
えることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の風
力発電装置。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、前記課題を
解決するために、柔軟性のあるブレードをフラップ角方
向すなわち翼の上下面方向にのみ自由に回転できるよう
ボス部に取付け、その翼端近傍に遠心力あるいは空気力
を利用する制御部材を取付けることで、ピッチ角制御装
置を必要とせず、フラップ角を変化させることによって
定格以上の風速による過回転を防止し得ることを見出し
た。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】この発明の風力発電装置は、請求項１の発
明がその骨格をなすもので、図１、図２に示すようにプ
ロペラ型の風力発電装置におけるローターのボス部に、
弾性捩れ変形によってスパン方向にピッチ角を変え得る
ブレードがその翼断面の上下方向への動きを自由にとれ
るように取付金具ならびにフラップ・ヒンジを介して取
付けられ、ブレードの翼端を含む翼端近傍の前縁または
後縁部にブレードの進行方向に概ね正対するような回転
面をもつ小型の制御用風車が取付けられていることを特
徴としている。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】請求項２、請求項３記載の発明は、請求項
１に記載された発明の制御部材を示す手段の一つとし
て、ブレードの翼端部に制御用の風車が取り付けられ、
ブレードの翼端後縁部に付加質量体が取付けられている
ことを特徴としている。請求項４以下に記載の発明は、
請求項１乃至請求項３に述べられた発明の基本原理を実
用化するために必要な発明である。請求項４記載の発明
は、図３に示すようにブレードとボス部にそれぞれＳ字
状板バネＡとほぼ直線状の板バネＢを固定して取付け、
それらを一つの取付金具のヒンジで結合して無風時にブ
レードが倒れず、かつ起動時にブレードが風下側に流さ
れないようにすることを特徴としている。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】請求項５記載の発明は、図４に示すように
ブレードとボス部をフラップ・ヒンジと同軸にあるコイ
ル状のバネでつなぎ無風時にブレードが倒れず、かつ起
動時にブレードが風下側に流されないようにすることを
特徴としている。請求項６記載の発明は、図５に示すよ
うにブレードあるいはボス部にコマ状の突起あるいは板
バネＣによるストッパーを設け、そのストッパーとブレ
ードあるいはボス部７の干渉によってブレードが完全に
風下側に流されないようにして回転力を保持することを
特徴としている。請求項７記載の発明は、図６に示すよ
うにボス部に板バネＤを取付け、その板バネＤとブレー
ドの干渉によって、ブレードの凹側断面方向の動きを拘
束し、ローターに風見安定を与えることを特徴としてい
る。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の風力発電装置について、
以下、具体的に説明する。基本手段を図２に示す。ブレ
ード１は弾性捩れ変形によってスパン方向にピッチ角θ
を変え得るもの、例えば円弧翼状の一枚構造の薄翼が用
いられる。そのブレード１をボス部７に対してブレード
１のフラップ方向にのみ回転自由に取付ける（図１ｂ，
図１ｃ）。ここで、フラップ軸は必ずしも回転面内にあ
る必要はない。風速の増加と共にブレード１が風下方向
に傾きを増すことによって回転数を制御できるように、
ブレード１の翼端近傍の前縁あるいは後縁部に制御部材
としてのブレ−ド１の進行方向に概ね正対して回転する
小型の制御用風車２を設ける。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】本発明を風力発電装置に適用した時の稼動
状況概要を図７に示す。風が吹くとブレード１は風圧に
よって板バネ等の弾性部材の拘束に逆らってフラップ軸
回りに回転し風下側に流されるが（図７−２）、各断面
は回転面に対してピッチ角θを持って取付けられている
ため、完全に風に流される前に自らが発生する空気力の
トルク成分によって回転を始める。回転を始めると遠心
力によって風上側にフラップ角βが戻り、安定した回転
を行う（図７−３）。この時、ブレード回転の制御部材
として制御用風車２も回転してブレ−ド回転の抵抗には
なるが、ピッチ角θを深く設定することでローター・ブ
レード全体の空力性能を大きく阻害しないように出来
る。また、図５に示すように本来の稼動状態での風向と
逆向きに風が吹く場合には、ブレード１はストッパー８
に当たり、傾きを変えない。従ってブレード１への空気
抵抗は風車支柱軸１１まわりの回転モーメントとして作
用するため、ブレード１は風見安定を示す。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】風速が増すとローターは回転数を増すが、
回転数の増加に伴い板状のブレード１はその各部に作用
する遠心力によってブレード軸回りにピッチ角θをフラ
ットにするようなモーメントを発生する（図８−１）。
この効果はテニス・ラケット効果としてよく知られ、モ
ーメントによって翼端部は頭（前縁）上げの方向に捩ら
れるため、捩れやすい特性を有するブレード１は翼端の
ピッチ角θを浅くするようになる。ピッチ角θが浅くな
ると迎え角αが増し、ブレード１に作用する風圧すなわ
ち回転面に直角方向の力が増してフラップ角βを大きく
するように作用し、風に正対する回転面積を減少させ
る。回転面積の減少は風から吸収するエネルギーの減少
につながり回転数の増え方の減少に寄与するので、結果
的に当該ローターは回転数を徐々にしか増さずにフラッ
プ角βの変化で風速の増加に対応することになる。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】図８−２に示すようにブレード１がある程
度以上捩れてくると、変形の大きいブレード１の翼端部
はゼロに近いピッチ角θあるいは負のピッチ角θに至
り、迎え角αが大きくなり過ぎて翼端部で失速を生ずる
ようになる。この失速はブレード１の回転を減速させる
ので、回転数の上昇は抑えられフラップ角βはさらに大
きくなる（図７−４）。さて、ブレード１の剛性を低く
して、付加質量体３を翼端に取付けると、風速増による
回転数増に応じて捩れ角を大きくなり、失速領域が増
す。失速領域が増すとブレードの回転抵抗は増し、回転
数は元に近い値に下がり、遠心力も大きく変わらない。
一方回転軸方向に受ける風圧は風速増および失速によっ
て増しているから、遠心力と回転軸方向風圧の釣り合い
で決まるブレードの下流への傾き角、すなわちフラップ
角は増加する。風速が増すと回転数は余り変わらず、フ
ラップ角βが増したところで釣り合うことになる。それ
で充分フラップ角制御が可能なときもある。捩れ過ぎる
とブレード１は回転面内の動きに対する剛性を失うこと
によって折れ曲がってしまう可能性がある。このような
場合には動的に不安定な動きを示すようになるため、一
定以上の捩れ角あるいはフラップ角においてはブレード
の捩じり変形以外の方法で回転数を制御できることが望
ましい。この機能を果たすのが制御用風車２である。フ
ラップ角が大きくなると、この制御用風車２は空力的な
特性のみによってフラップ角βの増加機能を果たすので
ある。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】以上のように、弾性捩れ変形によってスパ
ン方向にピッチ角θを変え得るブレード１を用いること
で、自身の発生する回転慣性力による自身への捩りモー
メントを利用し、翼端部後縁に設けた付加質量体３によ
る付加的モ−メントあるいは前縁または後縁部にブレー
ド１の進行方向に概ね正対する回転面を持つように取付
けられた制御用風車２の空力特性を制御部材として使用
または併用することにより、大きな角度範囲にわたって
風速に応じてフラップ角βを増して回転数の上昇を抑え
かつ安定した回転を継続できるローター・ブレードを実
現することが出来ることになる。制御用風車２の回転方
向は任意であるが、翼端渦を拡散させる方向の回転が翼
端渦による誘導抵抗減少上および騒音緩和上望ましい
（図１０）。制御用風車２のサイズは小さいほど風車全
体の効率は向上する。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のブレード翼を等間隔で、ローター
   のボス部に一端を取り付け、このローターの回転軸に発
   電装置を連結したプロペラ型の風力発電装置において、 弾性捩れ変形によってスパン方向にピッチ角を変え得る
   ブレードがその翼断面の上下方向への回転を自由にとれ
   るようにローターのボス部に取付けられ、前記ブレード
   の翼端を含む翼端近傍の前縁または後縁部にこのブレー
   ドの進行方向に概ね正対するような回転面をもつ小型の
   制御用風車が取付けられていることを特徴とする風力発
   電装置。
2. 【請求項２】前記ブレードの翼端部に付加質量体が取付
   けられていることを特徴とする請求項１に記載の風力発
   電装置。
3. 【請求項３】前記ブレードとボス部とにそれぞれＳ字状
   板バネＡとほぼ直線状の板バネＢを固定して取付け、そ
   れらを一つの取付金具で結合して無風時に前記ブレード
   が倒れず、かつ起動時に前記ブレードが風下側に流され
   ないようにすることを特徴とする請求項１または請求項
   ２に記載の風力発電装置。
4. 【請求項４】 前記ブレードとボス部をフラップ・ヒン
   ジと同軸にあるコイル状のバネでつなぎ無風時に前記ブ
   レードが倒れず、かつ起動時に前記ブレードが風下側に
   流されないようにすることを特徴とする請求項１または
   請求項２に記載の風力発電装置。
5. 【請求項５】 前記ブレードあるいはボス部にコマ状の
   突起あるいは板バネＣによるストッパーを設け、そのス
   トッパーと前記ブレードあるいはボス部の干渉によって
   前記ブレードが完全に風下側に流されないようにして回
   転力を保持することを特徴とした、請求項１乃至請求項
   ４に記載の風力発電装置。
6. 【請求項６】 ボス部に板バネＤを取付け、その板バネ
   Ｄと前記ブレードの干渉によって、前記ブレードの凹側
   断面方向の動きを拘束し、前記ローターに風見安定を与
   えることを特徴とした、請求項１乃至請求項５に記載の
   風力発電装置。