JP2004197643A - 垂直軸型風車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で起動性の向上と利用風速範囲の拡大を図るとともに、台風などの強風対策を図ることができる垂直軸型風車装置を提供すること。
【解決手段】直線翼式のブレード１２を備えた垂直軸型風車１１で、風車１１の外周部に複数枚の案内板１４を設け、これら案内板１４にブレード１２に対する風の迎え角の調整およびブレード１２への風を閉鎖可能とする開閉調整機構を設けるようにする。
これにより、通常運転時には、案内板１４の角度を調整することで風向きに対する利用風速範囲を拡大するようにし、起動時には起動性の向上も図るようにし、強風時には、案内板１４を閉じるようにして風車１１の損傷などを防止できるようにしている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は垂直軸型風車装置に関し、起動性の向上と利用風速範囲の拡大を図るとともに、台風などの強風対策を図るようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
クリーンで枯渇のないエネルギである風力を利用する風車の一つに垂直軸風車があり、方位制御機構を必要とせず、風向きに無関係に回転する。
【０００３】
このような垂直軸風車は、その作動原理から抗力差動形と揚力利用形に分類することができる。
【０００４】
このような垂直軸揚力形の風車の一つに、例えば非特許文献１に開示されたジャイロミル形風車があり、垂直に取り付けられた対称翼形のブレード（３〜５枚）が自動的に風に対し最適な迎え角を得る構造としたものと、同様の形状でブレードの取り付けを固定式にしたものがある。
【０００５】
この直線翼式のブレードの取り付けを固定式とした垂直軸型風車では、風向きに無関係に回転し、風速以上の高い周速度を得ることができ、システム全体の構造が簡単でコストも安いが、起動性に問題がある。
【０００６】
この起動性に関して特許文献１の垂直軸型風力タービンには、タービンの回転軸の回転によって生じる遠心力で半径方向位置が変動する風盃を備えた制御用低速風車を設けて構成し、起動力を得るとともに、過回転時の制動力を得るようにすることが開示されている。
【０００７】
また、特許文献２の補助風車付き高速垂直軸風車には、負荷駆動用高速垂直軸風車と低速垂直軸風車とを直結し、両者の半径比及び面積比を適当に選定することで停止時より設計負荷回転数に至るまでの出力特性を所望のものにすることが開示されている。
【０００８】
さらに、特許文献３の風力制御装置には、風力発電装置の周りに円筒状の対風面を設け、この対風面を鉛直方向に移動させる通風調節手段を設けたり、複数のルーバ及びルーバの回動装置で通風調節手段を構成し、通風量乃至通風圧力を調整できるようにすることが開示されている。
【０００９】
【非特許文献１】
牛山 泉, 三野 正洋 共著 「小型風車ハンドブック」 パワー社
昭和５６年６月３０日 ２版２刷 ｐ．５９−６０
【特許文献１】
特公昭５６−４２７５２号公報
【特許文献２】
特開昭５８−１８７５８７号公報
【特許文献３】
特開２００１−１９３６２９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１や特許文献２のように本来の風車に加え制御用低速風車や低速垂直軸風車を設けることで起動性を向上するようにしているが、このような低速風車を組み合わせる場合には、構造が複雑になるとともに、回転部分が多く、保守点検などが繁雑になるという問題がある。
【００１１】
また、特許文献３では、通風調節手段によって風力発電装置における台風や強風時に風車が高速で回転して発電機のコイルを損傷したり、風車の垂直翼に大きな負荷が加わり損傷することを防止することができるものの、起動性の向上を図ることはできず、強風対策に加え起動性の向上を図るためには、例えば特許文献１，２のように別に低速風車を必要とするなど一層構造が複雑になるという問題がある。
【００１２】
この発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたもので、簡単な構造で起動性の向上と利用風速範囲の拡大を図るとともに、台風などの強風対策を図ることができる垂直軸型風車装置を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術が有する課題を解決するため、この発明の請求項１記載の垂直軸型風車装置は、直線翼式のブレードを備えた垂直軸型風車装置で、前記風車の外周部に複数枚の案内板を設け、これら案内板に前記風車のブレードに対する風の迎え角の調整およびブレードへの風を閉鎖可能とする開閉調整機構を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
この垂直軸型風車装置によれば、直線翼式のブレードを備えた垂直軸型風車装置で、前記風車の外周部に複数枚の案内板を設け、これら案内板に前記風車のブレードに対する風の迎え角の調整およびブレードへの風を閉鎖可能とする開閉調整機構を設けるようにしている。従って、簡単な構造で通常運転時には、案内板の角度を調整することで風向きに対する利用風速範囲を拡大できるとともに、起動時にも起動性の向上も図ることができるようになる。一方、強風時には案内板を閉じるようにして風車の損傷などを防止できるようにしている。
【００１５】
また、この発明の請求項２記載の垂直軸型風車装置は、請求項１記載の構成に加え、前記複数枚の案内板の一端部をそれぞれ固定円板に回動可能に取り付けるとともに、この固定円板に沿って回動する回動板とこれら案内板の他端部とをロッドで連結する一方、この回動板を回動駆動する駆動機構を設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
この垂直軸型風車装置によれば、前記複数枚の案内板の一端部をそれぞれ固定円板に回動可能に取り付けるとともに、この固定円板に沿って回動する回動板とこれら案内板の他端部とをロッドで連結している。また、この回動板を回動駆動する駆動機構を設けるようにしており、更に複数の案内板の静止部分を回動駆動するようにしている。従って、簡単な構造で案内板の角度の調整と閉鎖状態にすることができるようになる。
【００１７】
さらに、この発明の請求項３記載の垂直軸型風車装置は、請求項２記載の構成に加え、前記駆動機構を、モータで駆動されるボールねじおよびボールナットと、このボールナットと前記回動板とを連結する連結リンクとで構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
この垂直軸型風車装置によれば、前記駆動機構を、モータで駆動されるボールねじおよびボールナットと、このボールナットと前記回動板とを連結する連結リンクとで構成しており、簡単な機構で回動駆動でき、信頼性の向上を図ることもできるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。
図１〜図４はこの発明の垂直軸型風車装置の一実施の形態にかかり、図１は概略横断面図、図２は案内板部分の概略斜視図および部分拡大図、図３は案内板の開閉調整機構の概略構成図、図４は案内板による風車の作動状態を従来と比較して示す概略説明図である。
【００２０】
この垂直軸型風車装置１０では、垂直軸型風車１１を備えており、例えば断面形状が翼型で一様な直線状のブレード１２が複数枚、図示例では、５枚等間隔に配置されて回転軸１３に垂直に取付けられている。
【００２１】
このような垂直軸型風車１１では、風の方向を一定とした場合に１枚のブレード１２が各回転位置に移動したときにブレード１２に作用する揚力Ｌと抗力Ｄは、例えば図４（ｂ）中に示すように変化し、風車の停止時からの起動トルクは回転直径の約１／２が正、残りは負となるので、起動性に難があるとともに、ブレード１２に対する迎え角が風の状態（風況）によって変化し、利用風速範囲が狭く制限されてしまう。
【００２２】
そこで、この垂直軸型風車装置１０では、垂直軸型風車１１の外周部に複数枚の案内板１４が配置され、ブレード１２への迎え角の調整とブレード１２への風を閉鎖できるように開閉調整機構２１が設けてある。
【００２３】
この案内板１４は略平板状の案内板本体１４ａの先端部に内側に曲がった湾曲部１４ｂが形成されて構成され、案内板本体１４ａの基端部の回動軸１４ｃがリング状の上下２枚の固定円板１５の内周側に回動可能に取付けてある。また、この案内板１４の先端部の上下にガイドピン１４ｄが取付けられ、案内板１４を回動軸１４ｃを中心に回動させたときのガイドピン１４ｄの軌跡に沿ってガイドスリット１５ａが固定円板１５に形成してあり、このガイドスリット１５ａ内に案内板１４のガイドピン１４ｄが位置し、案内板１４の回動がガイドされるようになっている。
【００２４】
そして、各案内板１４が固定円板１５のほぼ半径方向に沿うように位置させた開位置からほぼ円周方向に沿うように位置させた閉位置の間でほぼ９０度回動できるようにガイドスリット１５ａが形成してあり、各案内板１４を閉位置とした状態では、湾曲部１４ｂが隣接する案内板本体１４ａの基端部と重なるようになり、ブレード１２への風を閉鎖できるようにしてある。
【００２５】
ここでは、案内板１４を円周等間隔に１６枚設けることで、迎え角度の調整 （案内板１４の回動位置の調整）と閉鎖状態（案内板１４の閉位置の状態）とを行うようにしているが、これらの動作ができれば案内板１４の枚数をさらに増加したり、減少するようにしても良い。
【００２６】
このような案内板１４を連動させて同時に回動させ、回動位置を調整したり、閉鎖状態とする開閉調整機構２１は、例えば図３に示すように、上下２枚の固定円板１５の一方、例えば上方の固定円板１５の内周面に沿って回動する回動板２２が設けられ、各案内板１４のガイドスリット１５ａから突き出したガイドピン１４ｄにロッド２３の一端部が回動可能に連結されるとともに、各ロッド２３が回動板２２の半径方向に対し一定の角度をなすようにしてその他端部がそれぞれ回動板２２に回動可能に連結してある。
【００２７】
したがって、回動板２２を固定円板１５の内周面に沿って円周方向に往復動するよう回動することで、１６本のロッド２３で連結された１６枚の案内板１４をそれぞれの回動軸１４ｃを中心にガイドスリット１５ａに沿って回動させることで開閉でき、所定の回動位置で固定することで垂直軸型風車１１のブレード１２に対する迎え角を調整することができる。
【００２８】
このような開閉調整機構２１の回動板２２の駆動機構２４は、ボールねじ２５がカップリング２６を介してモータ２７と連結されて回転駆動され、このボールねじ２５にねじ結合されて往復駆動されるボールナット２８に連結リンク２９の一端部が回動可能に連結されるとともに、連結リンク２９の他端部が回動板２２の１か所に連結してあり、ボールナット２８の直線上の往復動を回動板２２の円周方向の往復動に変換して駆動できるようにしてある。
【００２９】
そして、この開閉調整機構２１では、ボールねじ２５とボールナット２８とで往復駆動するので、ボールナット２８が所定位置になるようにモータ２７を停止することで、その位置を保持することができ、案内板１４を垂直軸型風車１１のブレード１２に対して所定の迎え角に調整し、固定状態にすることができるとともに、案内板１４を固定円板１５の円周方向に沿うように位置させた閉状態にすることで、垂直軸型風車１１のブレード１２に風が入らない状態（風の閉鎖状態）にすることができる。
【００３０】
また、この垂直軸型風車装置１０では、風の状態（風況）に対し垂直軸型風車１１のブレード１２が最適な迎え角を得るように案内板１４の回動角度（ピッチ）を制御するため、風速計が設置され、その検出信号に基づき制御装置で最適な迎え角を得るための案内板１４の回動角度が演算等で求められ、開閉調整機構２１のモータ２７に制御信号が送られて、案内板１４の迎え角の制御（ピッチ制御）が行われるようにしてある。
【００３１】
このように構成した垂直軸型風車装置１０では、ブレード１２の外側に案内板１４を設けるようにしたので、風の方向を一定とした場合に１枚のブレード１２が各回転位置に移動したときにブレード１２に作用する揚力Ｌと抗力Ｄは、例えば図４（ａ）中に示すように、案内板１２のところではほとんど変化がなく、風車の停止時からの起動トルクを十分得ることができ、起動性が向上するとともに、ブレード１２に対する迎え角が風の状態（風況）によらず最適にできるので、利用風速範囲も広くなり効率向上を図ることができる。
【００３２】
また、この垂直軸型風車装置１０では、案内板１４を閉じるようにすることで、風車１１の周りを閉鎖することができ、これによって風の進入が防止され、風車１１のブレード１２などに台風時や強風時の大きな力が作用せず損傷や破損を防止して信頼性を向上することができる。
【００３３】
さらに、案内板１４を基端部の回動軸１４ｃを中心に回動させ、先端部のガイドピン１４ｄにロッド２３を連結して開閉駆動するようにしているので、先端の静止部分を駆動することで回動部分を回動する場合に比べ機構を簡素化することができるとともに、回動軸１４ｃから最も離れた先端部のガイドピン１４ｄ部分を回動することで、小さな回動力で回動させることができ、風による力も簡単に支持することができる。
【００３４】
また、駆動機構２４をモータ２７で駆動するボールねじ２５及びボールナット２８で構成したので、簡単に案内板１４を所定の回動位置に回動することができるとともに、その位置に停止・保持することも特別な機構を必要とせずに簡単となる。
【００３５】
なお、上記実施の形態では、案内板の駆動をモータで駆動するボールねじとボールナットの往復動を連結リンクで円周方向の往復動に変換して駆動する機構としたが、ボールねじに替え他の往復動機構を用いたり、回動板に流体圧シリンダや電動シリンダ等を連結して直接往復動するなど、種々の機構を用いることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上、一実施の形態とともに具体的に説明したようにこの発明の請求項１記載の垂直軸型風車装置によれば、直線翼式のブレードを備えた垂直軸型風車装置で、前記風車の外周部に複数枚の案内板を設け、これら案内板に前記風車のブレードに対する風の迎え角の調整およびブレードへの風を閉鎖可能とする開閉調整機構を設けるようにしたので、簡単な構造で通常運転時には、案内板の角度を調整することで風向きに対する利用風速範囲を拡大できるとともに、起動時にも大きな軌道トルクを得て起動性の向上も図ることができ、強風時には案内板を閉じるようにして風車の損傷などを防止することができる。
【００３７】
また、この発明の請求項２記載の垂直軸型風車装置によれば、前記複数枚の案内板の一端部をそれぞれ固定円板に回動可能に取り付けるとともに、この固定円板に沿って回動する回動板とこれら案内板の他端部とをロッドで連結する一方、この回動板を回動駆動する駆動機構を設けるようにしたので、複数の案内板の静止部分を回動駆動することで簡単な構造で案内板の角度の調整と閉鎖状態にすることができる。
【００３８】
さらに、この発明の請求項３記載の垂直軸型風車装置によれば、前記駆動機構を、モータで駆動されるボールねじおよびボールナットと、このボールナットと前記回動板とを連結する連結リンクとで構成したので、簡単な機構で回動駆動でき、信頼性の向上を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の垂直軸型風車装置の一実施の形態にかかる概略横断面図である。
【図２】この発明の垂直軸型風車装置の一実施の形態にかかる案内板部分の概略斜視図および部分拡大図である。
【図３】この発明の垂直軸型風車装置の一実施の形態にかかる案内板の開閉調整機構の概略構成図である。
【図４】この発明の垂直軸型風車装置の一実施の形態にかかる案内板による風車の作動状態を従来と比較して示す概略説明図である。
【符号の説明】
１０ 垂直軸型風車装置
１１ 垂直軸型風車
１２ ブレード
１３ 回転軸
１４ 案内板
１４ａ 案内板本体
１４ｂ 湾曲部
１４ｃ 回動軸
１４ｄ ガイドピン
１５ 固定円板
１５ａ ガイドスリット
２１ 開閉調整機構
２２ 回動板
２３ ロッド
２４ 駆動機構
２５ ボールねじ
２６ カップリング
２７ モータ
２８ ボールナット
２９ 連結リンク

Claims (3)

1. 直線翼式のブレードを備えた垂直軸型風車装置で、前記風車の外周部に複数枚の案内板を設け、これら案内板に前記風車のブレードに対する風の迎え角の調整およびブレードへの風を閉鎖可能とする開閉調整機構を設けたことを特徴とする垂直軸型風車装置。
2. 前記複数枚の案内板の一端部をそれぞれ固定円板に回動可能に取り付けるとともに、この固定円板に沿って回動する回動板とこれら案内板の他端部とをロッドで連結する一方、この回動板を回動駆動する駆動機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の垂直軸型風車装置。
3. 前記駆動機構を、モータで駆動されるボールねじおよびボールナットと、このボールナットと前記回動板とを連結する連結リンクとで構成したことを特徴とする請求項２記載の垂直軸型風車装置。

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