JP2006152922A - 風車 - Google Patents

Abstract

【課題】 自己起動が容易であると共に回転数の制御が行え、かつ過大風力に対しても対応を容易に行えるようにした風車を得る。
【解決手段】 回転軸１と、回転軸１と一体に回転する平行な公転軸２を有し、公転軸２に自転可能にされるようにし回転軸１の周りを公転する複数のブレード３とからなる回転体と、ブレード３の公転角度が第１の公転角度付近では最大自転角度となり、ブレード３の公転角度が第１の公転角度とほぼ直交する第２の公転角度付近では自転角度が０度となるように制御されるブレード角度制御手段と、第１の公転角度付近においてブレード３の自転角度を制御するピッチ制御手段とを備えた。
【選択図】 図４

Description

本発明は、風力を利用して高効率に電力の発電などを行うための風車に関し、詳しくは、自己起動が容易であると共に回転数の制御が行え、かつ過大風力に対しても対応を容易に行えるようにしたものである。

一般に風車は水平軸型と垂直軸型とに大別される。現在、実用化されている大型発電用の風車は、水平軸のプロペラ型が多いが、プロペラ型は大きなプロペラの回転面を常に風向きに合わせることが必要であることや、発電機、伝達装置、制御装置などの重量物を支持塔の上部に設置する必要がある。などの問題がある。

これに対して垂直軸型の中で最近注目されているダリウス型は、どの方向からの風も利用できる風向きに依存しないこと、プロペラ型と同様の高い効率が得られること、発電機や伝達装置、制御装置などの重量物を地上に設置できること、また、ブレードの製造がプロペラ型に比較して簡単であるなどの利点を有する。

従来、上述したような垂直軸型の風車は種々の技術が開示されている。（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献１の技術は、複数枚の対称翼型ブレードが、回転軸周りに配設され、回転軸を中心に回転する垂直軸風車であって、ブレードがその前縁に乱流形成促進部を有しているものがある。

また、特許文献２の技術は、ブレードと、ブレードを支持する支持手段と、回転軸と、回転軸の回転を他のエネルギーに変換するエネルギー変換手段を有とを有し、流入風速が定格値以上となると風速以上の場合に風車効率を減少させる風車効率減少機構が設けられているものである。
特開２００３−２２７４５３号公報 特開２００３−２１４３２３号公報

しかし、上述した垂直軸型の風車は、自己起動が容易でないことや、回転数の制御ができないこと、また、過大風力の対応が容易でないなどの欠点が挙げられる。

本発明は、上述したような課題を解消するためになされたもので、自己起動が容易であると共に回転数の制御が行え、かつ過大風力に対しても対応を容易に行えるようにした風車を得ることを目的とする。

上記の課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明による請求項１に記載の風車は、回転軸と、回転軸と一体に回転する平行な軸を有し、軸に自転可能にされるようにし回転軸周りを公転する複数枚のブレードとからなる回転体と、ブレードの公転角度が所定の第１の公転角度付近では最大自転角度となり、ブレードの公転角度が第１の公転角度と直交する第２の公転角度付近では自転角度が０度となるように制御されるブレード角度制御手段と、第１の公転角度付近においてブレードの自転角度を制御するピッチ制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の風車は、ブレード角度制御手段は、回転軸にベアリングを介して偏芯して回転する回転センター軸を有するガイドロッドと、ガイドロッドに支持されて公転するブレードとから構成したことを特徴とする。

また、請求項３に記載の風車は、ガイドロッドの重心が上記回転センター軸に合わせられていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の風車は、風速に応じてブレードの回転が適正回転数になるように、ブレードのピッチ角度が制御されることを特徴とする。

また、請求項５に記載の風車は、強風下で停止させるには、上記ブレードを翼として失速させる方向にピッチ制御することを特徴とする。

また、請求項６に記載の風車は、ベアリングが直線ガイドに沿って移動することでブレードのピッチ制御が可能であり、直線ガイドにフラップを備え、フラップが風向き方向に回動する動作に伴って直線ガイドが風向き方向に保たれることを特徴とする。

また、請求項７に記載の風車は、回転軸に発電装置を備えたことを特徴とする。

また、請求項８に記載の風車は、ブレードの断面形状は、ブレードの自転角度を０度としたとき、ブレード断面の中心が公転中心を中心とした円弧とほぼ一致している形状であることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の風車によれば、自起動が可能となり、風速に応じてブレードの回転が適正回転数に制御可能であると共に、強風時にも過剰回転を防止でき、ダリウス型などの風車に比較して優れた特徴を持つことができる。

また、請求項２に記載の風車によれば、微風の状態でもブレードの自己起動を可能にすることができる。

また、請求項３に記載の風車によれば、ガイドロッドの偏芯回転において振動要素をなくすことができ、振動に伴う騒音も回避できる。

また、請求項４に記載の風車によれば、微風から強風時においてもブレードの回転を適正回転数に制御することができる。

また、請求項５に記載の風車によれば、過大な風速に対してはブレードを失速させ停止させることができる。

また、請求項６に記載の風車によれば、風向き方向に常に対峙させ、いかなる方向からの風も効果的に利用することができる。

また、請求項７に記載の風車によれば、常に効率のよい発電を可能にすることができる。

また、請求項８に記載の風車によれば、ブレードの先端部の迎え角がマイナスの揚力を受けることもなく失速状態を回避することができる。

以下、本発明による風車の最良の実施の形態を垂直型風車を例にとって図面に基づいて説明する。

始めに、垂直型の風車の概念を図１について説明する。
この風車は、回転軸１に直交した一方向の風の流れを利用してブレードを回転させ、ブレードに直結した回転軸を回転させることで、発電機を駆動し電力を生成できるようにしたものであって、回転軸１の周りに一体に公転する平行な複数の公転軸２を有し、この公転軸２に自転可能にされるようにしたブレード３を備え、風の流れにより所定の公転角度に回動したブレード３に揚力が発生し回転トルクを得るというものである。

ここで、図１において、ブレード３に発生する揚力は下記の式より定義される。

（数１）
揚力＝Ｃｌ・０．５・ρｖ^２
但し、Ｃｌ：ブレードの傾き
ρ：密度
ｖ：体積

また、ブレード３は対象形状翼なので、

（数２）
Ｃｌ＝ａ・α
但し、ａ：係数
α：迎え角
であり、迎え角αとして、翼先端速度：風速＝１：１とした場合の各翼位置における揚力ベクトルを示す。

これによれば、図１に示すように、ａは風力発電などのエネルギー源になる風ベクトル、ｂはブレード３が公転することでブレードが受ける風ベクトル、ｃは二つの風ベクトルａ,ｂを合成した風ベクトル、ｄは風ベクトルｃによりブレード３に生ずる揚力ベクトルで、ブレード公転中心から見てラジアル方向成分を除いた成分が風車の回転力となる。

すなわち、図１の風ベクトルから理解されるように、翼先端速度：風速＝１：１程度で回転数が低いため、取り出せるエネルギーは低いが揚力の回転方向成分が大きいので回転トルクが大きく自己起動時に適している。また、強風時にもこの状態であれば翼先端速度はほぼ風速と同じであるので過剰回転を防止することができる。

図２はブレードの角度が固定された状態で、翼先端速度：風速＝１０：１とした場合で、これが既存のダリウス型風車の回転原理である。ダリウス型風車は通常のプロペラ方風車に近い効率を持つといわれており、優秀な風車であるが対称翼ゆえにこれ以上翼先端速度を上げると迎え角αの減少で揚力がそのまま減少してしまうので効率向上にも限界があった。

そこで上述したようにブレードの角度が自転可能に設定できるようにした場合の出力は著しい効率の向上が見込まれる。図３にこの効率の向上が見込まれる場合の翼角度と各ベクトルを示す。ダリウス型の回転原理も直感的には理解し得ないが、本発明による翼角度は直感的には全く逆のように感じるが、図３では翼先端速度：風速＝１０：１によって５度程度になってしまった迎え角を５度増加させるようにブレードを自転させているので倍の揚力が発生し、倍の回転トルクを得ていることを示している。

ここで、図１,２,３のブレードの自転状況を連続的に制御すると、「図１の状態で自起動」、「自起動した後、風速に合わせた適正回転数になるように徐々にブレード時点角度の最大値を図１〜図２〜図３と変化」、「風速が強すぎ過大回転数になる場合には図３〜図１の方向に変化させ適正回転数になるように制御」、「強風下で停止させたい場合には図１の状態から急速に図３の状態（ブレードを翼として失速させる）にすることで実現できるため、ダリウス型など垂直方の風車と比較して高効率、自起動可能、回転数制御可能、失速制御可能などの優れた特長を持つことができる。

上述した概念を実現する手段として、ブレード３の角度を制御する機構について説明する。
ブレードの角度制御とは、ブレード３の公転に合わせてブレードの自転角度を制御するということである。この制御はブレード３が例えば、公転角度が９０度と２７０度付近に現れるブレードの最大自転角度と、公転角度が０度と１８０度付近に現れるブレードの自転角度０度を連続的に繋ぐ制御の意味と、公転角度が９０度と２７０度付近に現れるブレードの最大自転角度そのものの制御の意味がある。ここでは、前者をブレード角度制御といい、後者をピッチ制御といい、ブレード角度制御はその総称である。

次に、ブレード角度制御機構の幾つかの手段について説明する。
〔偏芯円運動ガイドロッド方式〕
構造上簡単に実現できる方法であり、図４にそのイメージ図を示す。この図では１枚のブレード３が公転角度０度、９０度、１８０度、２７０度の角度に位置したときのブレード３の自転角度の姿勢を示している。

これによれば、回転軸１に対して偏芯状態にベアリング４を介してガイドロッド５が取付けられ、ガイドロッド５の先端部のアーム６が公転軸２から後方側にずれたブレード３の部分を軸７により支持している構造である。ここで、最も傾いているブレード３ａが、ベアリング４の回転中心がＯ_１の位置にある場合のブレードを示している。これがブレード角度制御機構の基本である。また、他の傾きをもったブレード３ｂはピッチ制御をしたときのブレードの傾きであり、このブレード３ｂの傾きのときのガイドロッド５の回転中心はＯ_２であり、ブレード３ｃの傾きのときのベアリング４の回転中心はＯ_３であり、ブレード３ｄの傾きのときのガイドロッド５の回転中心はＯ_４である。

ブレード３ａが最大自転角度のときが図１の自転角度で、風車が自己起動される角度位置であり、ブレード３ｃの角度位置が図２の自転角度、ブレード３ｄの角度位置が図３の自転角度である。このブレード３ａの角度位置からブレード３ｄの角度位置の間をラインＬに沿ってピッチ制御させることによって風車の回転が制御可能である。

ブレード３ａの最大自転角度からブレード３ｄの角度位置の間を可変させる手段としては、ここでは図示しないがベアリング４と共にガイドロッド５の回転中心をＯ_１からＯ_４の間を移動機構によって直線的に移動させることによって可能である。

このように構成したことで、ガイドロッド５の回転中心は偏芯しているが、この偏芯した回転中心に対して単純に回転するだけなので、ガイドロッド５の重心を回転軸の中心に合わせることによって振動要素を無くすことができる。

上述したピッチ制御は回転軸１が貫通している内径が回転軸外形より大きなベアリング４が図４で示すように移動することで簡単に実現可能である。なお、図４ではベアリング４の移動を直線移動として表しているが、点Ｐを中心にした円軌道で動かすことで合成風力が最大になる０度でのブレードの迎え角が常に０度になるようにすることもできる。

〔ブレード角度ガイドウェイ方式〕
図５にガイドウェイ方式のイメージ図を示し、図４の場合と同様に１枚のブレードが公転角度０度、９０度、１８０度、２７０度の位置に位置したときのブレードの姿勢を示している。

これによれば、環状体８の間に形成した溝がガイドウェイ９を形成しており、このガイドウェイ９にブレード３に接続されたカムフォロア１０が係合され、ブレードの角度制御が行われるようにされている。なお、図５ではピッチ制御されたブレードは示さないが、上述した偏芯円運動ガイドロッド方式と同様に環状体８と共にガイドウェイ９の回転中心Ｏ_１〜Ｏ_４を移動することでブレードのピッチ制御も実現できる。

この例では、ガイドウェイ９は原理的に真円である必要はないため、特定の偏芯位置でブレードの角度変化パターンを任意に調整することができる。また、ピッチコントロールは移動させるものが大きくなるが、上記した偏芯円運動ガイドロッド方式と同様に行うことができる。

〔ガイドロッド方式とガイドウェイ方式との複合方式〕
この複合方式は、ガイドウェイ方式の角度パターンが任意設定可能なところと、偏芯円運動ガイドロッド方式のガイド面でのすべり速度の小ささ及びピッチコントロールのために動かす部分の小ささの両立を狙ったものである。図６にそのイメージを示し、図４の場合と同様に１枚のブレード３が公転角度０度、９０度、１８０度、２７０度の位置に位置したときのブレードの自転角度の姿勢を示している。

これによれば、回転軸１には同心円状に一体に公転するドーナッツ状の環状部材１１があり、この環状部材１１にはブレード３が支持されたレバー１２がラジアル方向（軸と直交方向）にのみ移動可能にされ、レバー１２の端部１２ａが環状部材１１の内側に配置された公転しない例えば、おにぎり状のカム部材１３の表面に常に接触するようにされている。レバー１２のカム部材１３への接触手段としては、例えば、図示しないが溝カムを利用しコイル部材で押し付ける方法がある。また、ブレード３はこれに設けた軸ピン１４をレバー１２に形成されているガイド孔１２ａに移動可能に支持されている。ブレード３のピッチ制御はカム部材１３を上下移動させることで実現できる。

なお、図示してないが、この方式は偏芯円運動ガイドロッド方式とは異なり、ロッドの回転中心からの位置変化による重心移動をキャンセルする機構を追加する必要がある。一例として、ラックアンドピ二オンやループベルトの利用によるカウンターウエイト移動がある。

〔サーボ制御方式〕
このサーボ制御方式は風力、風向き、目標回転数に合わせてブレード角度制御をサーボモータによって行う方式である。図７にそのイメージを示し、図４の場合と同様に１枚のブレード３が公転角度０度、９０度、１８０度、２７０度の位置に位置したときのブレードの自転角度の姿勢を示している。

これによれば、回転軸１に対して偏芯状態にベアリング４を介してガイドロッド５が取付けられ、ガイドロッド５の先端部のアーム６が公転軸２から後方側にずれたブレード３の部分を軸７により支持している構造については図４の場合と同様である。ここで、ベアリング４は２本の直線ガイド１５に支持されており、この直線ガイド１５に沿ってベアリング４と共にガイドロッド５が移動することでブレードをピッチ制御することができる。例えば、ガイドロッド５の移動機構についてはここでは図示しないが、ボールねじとサーボモータなどにより実現可能である。

このように構成した風車の特徴は、偏芯円運動ガイドロッドの偏芯量を変化させるガイドロッド回転中心移動機構が付いていること、ガイドロッド回転中心移動機構全体をブレードの公転中心と同心の軸受けに乗せ、偏芯方向を風の向きに合わせて回転できるようにした偏芯方向回転機能が付いていることである。

また、直線ガイド１５はブレードの公転中心を中心とするベアリング４に固定されているため、直線ガイド１５に飛行機の尾翼のようなフラップ１６を備えることによって、常に風向きに対して風車を自起動され易い方向に向かせることができる。さらに、大規模なものでは別に風向き検出機構を設け方向制御することも考えられる。

なお、図７に示したブレードの断面形状は対称翼形状ではなく、ブレード３の自転角度を０度としたとき、翼断面の中心線が公転中心を中心とした円弧とほぼ一致している形状である。このような形状にすることで、翼の先端部、中央部、後端部で見ても各部の向き（翼の中心線の接線方向）と各部の速度ベクトルとの角度差がほぼ同じになっているため、各部とも適切な迎え角を持つことができる。

自起動可能、回転数制御可能、過大風力対応可能な風車は次のように操作される。
ａ、微風から強風までの起動は図１の状態で行う。
ｂ、微風から順風では機械的損失や発電機の特性に合わせて少しずつピッチと負荷トルクを変えてその風速に対する最適回転数で運転する。この場合、原理的には図３の状態で最大出力が得られる。
ｃ、過風速になってきた場合には、回転数を抑えるべく図３の状態から図２の状態にブレードのピッチを変えて回転数を制御する。
ｄ、上記の方法でも過回転数になるような場合などは、図１の状態からいきなり図３の状態にブレードピッチを変化させる。こうすることで、ブレードの迎え角が過大になり失速状態となり回転数は失われブレードは停止する。

図８にブレードが４枚翼の場合の垂直型の発電用風車のイメージ図を示す。
４枚のブレード３は上下のブラケット１７,１８に支持され、ブラケット１７,１８の中心には回転軸１がある。下方のブラケット１８内には回転軸１の周りにブレード３を偏芯して公転するための偏芯円運動ガイドロッド機構１９が配置されている。回転軸１は下方のブラケット１８を貫通し、回転軸端に回転伝達機構２０を介して発電機２１が設置されている。

本発明は、上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。

本発明の風車は実施の形態では、ブレードを４枚翼の場合について説明したが、３枚翼さらには多翼の羽根を備えた風車にも広く適用可能である。

また、風車は実施の形態では、垂直型にしたものについて示したが、これに限定されるものでなく、水平向きに配置して使用することであっても同様の作用を得ることができる。

本発明における風車の概念図で、起動時に適しブレード自転角度が最大角度の状態の図である。 同じくブレード自転角度が０度の状態の図である。 同じく過風速時に適しブレード自転角度がマイナスの状態の図である。 偏芯円運動ガイドロッド方式の送風ファンの原理図である。 ガイドウェイ方式の原理図である。 ガイドロッド方式とガイドウェイ方式との複合方式の原理図である。 サーボ制御方式の原理図である。 本発明による垂直型の風車発電機のイメージ図である。

符号の説明

１…回転軸、２…公転軸、３…ブレード、４…ベアリング、５…ガイドロッド、６…アーム、７…軸、８…環状体、９…ガイドウェイ、１０…カムフォロア、１１…環状部材、１２…レバー、１３…カム部材、１４…軸ピン、１５…直線ガイド、１６…フラップ、１７,１８…ブラケット、１９…偏芯円運動ガイドロッド機構、２０…回転伝達機構、２１…発電機

Claims (8)

1. 回転軸と、上記回転軸と一体に回転する平行な軸を有し、上記軸に自転可能にされるようにし上記回転軸周りを公転する複数枚のブレードとからなる回転体と、
   上記ブレードの公転角度が所定の第１の公転角度付近では最大自転角度となり、上記ブレードの公転角度が上記第１の公転角度と直交する第２の公転角度付近では自転角度が０度となるように制御されるブレード角度制御手段と、上記第１の公転角度付近において上記ブレードの自転角度を制御するピッチ制御手段と
   を備えたことを特徴とする風車。
2. 上記ブレード角度制御手段は、上記回転軸にベアリングを介して偏芯して回転する回転センター軸を有するガイドロッドと、上記ガイドロッドに支持されて公転する上記ブレードとから構成したことを特徴とする請求項１に記載の風車。
3. 上記ガイドロッドの重心が上記回転センター軸に合わせられていることを特徴とする請求項２に記載の風車。
4. 風速に応じて上記ブレードの回転が適正回転数になるように、上記ブレードのピッチ角度が制御されることを特徴とする請求項１に記載の風車。
5. 強風下で停止させるには、上記ブレードを翼として失速させる方向にピッチ制御することを特徴とする請求項１に記載の風車。
6. 上記ベアリングが直線ガイドに沿って移動することでブレードのピッチ制御が可能であり、上記直線ガイドにフラップを備え、上記フラップが風向き方向に回動する動作に伴って上記直線ガイドが風向き方向に保たれることを特徴とする風車。
7. 上記回転軸に発電装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の風車。
8. 上記ブレードの断面形状は、ブレードの自転角度を０度としたとき、ブレード断面の中心が公転中心を中心とした円弧とほぼ一致している形状であることを特徴とする請求項１に記載の風車。
   

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