JP2007170234A - 可変翼式風力変換機構 - Google Patents

Abstract

【課題】風車の通常運転時の作動効率を向上させる。
【解決手段】可変翼式風力変換機Ａは、垂直方向に支持される回転軸１１ｘの上下に一対の保持板１０ａ、１０ｂを設け、保持板１０ａ、１０ｂの半径方向所定位置に、周方向の所定角度間隔で複数個所保持板に対して回転自在に設けた垂直な支持軸１３ｘにそれぞれ風を受ける可変翼１４を取り付け、支持軸の延長軸１３ｘｅに対してその半径方向に延びる連結部材のアーム１７の端に錘１８を取り付け、上記支持軸１３ｘ又は連結部材のいずれかに弾性部材１３ｂを取り付けてその弾性力で所定風速までは可変翼１４を全開状に保持し、所定以上の風速による回転では錘１８の遠心力が弾性部材１３ｂの弾性力に打ち勝って可変翼１４をその風速の大きさに応じて閉じるように可変翼１４を開閉自在に設けて構成している。
【選択図】図１

Description

この発明は、微風から強風まで全ての方位に吹く風を電力や回転力などのエネルギに変換する可変翼式風力変換機構に関する。

風力を回転力に変換してそのエネルギを電力等のエネルギとして利用する風車の研究が古くから行われている。風力を回転力に変換して電力等のエネルギを取り出す機構としての所謂風車は、大別すると水平軸型及び垂直軸型の２つに分類され、それぞれに長所と短所がある。垂直軸型は、風の吹く方向に対して垂直方向に設置され、水平軸型のように風の吹く方向に平行に風車を回転させる必要がなく、このような回転機構が必要でないという点で全体の機構が簡単となるという利点がある。

垂直軸型の風車は、周速比（ブレードの周速度/風速）の高いダリウス型と、周速比の低いサポニウス型が知られている。ダリウス型等の風車は、周速比が高く変換効率が高い半面、風切り音が高く、ブレードの高い工作精度を必要とされる。サポニウス型は、風切り音は低いが、周速が低いため風速を回転トルクに変換する高い変換効率が得られない。しかし、他の形式の風車に比べると、設置場所が限定されず、小型でどこにでも風力発電装置として容易に設置することが出来るという利点がある。

サポニウス型の風力発電機構の一例として、特許文献１の「サポ二ウス風力発電装置」が知られている。この風力発電装置は、複数のブレードを放射状に固定した鉛直軸に発電機を連接し、複数のブレードは鉛直軸に固定された上下回転板間に固定され、各ブレードに風抜き穴を形成すると共に、上下回転板間の外周に突設羽根を設けたというものである。この発電装置は、サポニウス型の利点に着目し、かつ大きな回転力（回転速度）を得られるように複数のブレード間で圧縮される気流の流れを改善して多くの発電量を得られるようにしたものである。

このため、各ブレードの回転時に互いに対面する複数のブレード間で圧縮される気流を各ブレードに形成した風抜き穴から逃がすことによりブレード面に負荷される空気圧の抵抗を減らして高速に回転を容易とし、かつ上下回転板間の外周に突設羽根を設けることにより、より高速に回転させるようにしている。

他の例として特許文献２の「風力発電用の風車」が公知である。この風車も垂直軸型で、かつ揚力型、抗力型の利点を活かして発生トルクの増強、広範囲の風速域での利用を可能とするため、垂直回転軸の半径方向に延びる翼支持軸の端に設けられたＵ字型の雨樋状の受風樋と、Ｕ字型のほぼ中心付近から風車回転の円周方向に延びた円弧状の主羽根と、Ｕ字型の中心線を対称軸に主羽根とほぼ対称に配置した副羽根とを備えたというものである。この装置では、風の流れの中に置かれた回転翼に作用する風力により、受風樋に働く力のうち平行に働く抗力と、主羽根と副羽根に働く力のうち流れに垂直方向に働く揚力とによりトルクが発生する。

ところで、上記一般的な従来のダリウス型、サポニウス型の風車、あるいは特許文献１，２の風車のいずれも、所定の風速状態で風車の回転速度、回転力を大きくし、最も効率の良い状態で運転できることを前提として説明されている。しかし、実際に風が吹く状態は、風の向きが常に変動し、かつ風速も常に変化する。特に、台風や低気圧が近づくと風速は大きく変動し、２５〜３５ｍ/ｓのような強い風速で風車の翼（風受け板）を全開状態のままにして置くと、設置されている風車自体が倒壊する危険性がある。しかし、従来の風車では、通常運転時の作動効率を向上させることに重点があり、上記のような強風時に風車の安全をどのように守るかについてまで検討した例はない。

強風時に風車の翼（風受け板）を全開状態に固定して設置すると、強風が増大するその大きさに対応して翼の受ける風速、風力による風車の回転速度はますます大きくなるが、上記強風状態を超えると、風車自体を保持することが困難となり、結局そのような危険状態を予測すると風車を設置することが出来ず、その普及が阻害される要因となる。

この発明は、上記の問題に留意して、風車の通常運転時の作動効率を向上させると共に、強風時に風車の翼（風受け板）を全開状態に固定して設置すると、強風時に風車自体が倒壊する危険性が高くなるため、強風が増大するとその大きさに対応して翼の受ける風速、風力による風車の受風状態を減少させるように変化させ得る風車翼を備えた可変翼式風力変換機構を提供することを課題とする。

この発明は、上記の課題を解決する手段として、垂直方向に支持される回転軸の上下に一対の保持板を設け、保持板の半径方向所定位置に、周方向の所定角度間隔で複数個所保持板に対して回転自在に設けた垂直な支持軸にそれぞれ風を受ける可変翼を取り付け、支持軸の延長軸に対してその半径方向に延びる連結部材の端に錘を取り付け、上記支持軸又は連結部材のいずれかに弾性部材を取り付けてその弾性力で所定風速までは可変翼を全開状に保持し、所定以上の風速による回転では錘の遠心力が弾性部材の弾性力に打ち勝って可変翼をその風速の大きさに応じて閉じるように可変翼を開閉自在に設けた可変翼式風力変換機構の構成としたのである。

上記の構成としたこの発明の可変翼式風力変換機構は、保持板の半径方向所定位置に、周方向の所定角度間隔で複数個所保持板に対して回転自在に設けた垂直な支持軸にそれぞれ風を受ける複数の可変翼を取り付けたから、可変翼を全開状態に設定することにより通常時には高効率で全体が回転する。この場合、通常のサポニウス型の風車の翼は２枚であるが、この発明の可変翼式風力変換機構では通常以上の枚数、例えば３枚とすることにより、より多くの風を受ける状態を発生させ、高効率の受風状態を生じさせる。

この場合、可変翼をその翼先端が略半径方向へ開いた状態で、弾性部材による開放を阻止する回転停止手段を設け、この状態を全開状態として設定する。これは、弾性部材を収縮状又は引張り状態に設定し、これにより蓄積される弾性力が可変翼を開放する方向に付勢して可変翼を全開状に設定するようにした場合、その開放力で可変翼を所定の全開状態に停止させるためである。可変翼は、平面視断面が略円弧状で垂直な支持軸方向に上下の保持板間に対応する長さに設け、その翼外面に作用する抗力と揚力を回転力に変換して高回転数、高回転力の回転を回転軸に伝達する。

上記構成の可変翼式風力変換機構では、所定以上の風速の風が吹き始めると、可変翼は全開状態から閉じる方向に操作される。これは、支持軸の延長軸に対してその半径方向に延びる連結部材の端に錘を取り付け、上記支持軸又は連結部材のいずれかに弾性部材を取り付けてその弾性力で所定風速までは可変翼を全開状に保持し、所定以上の風速による回転では錘の遠心力が弾性部材の弾性力に打ち勝って可変翼をその風速の大きさに応じて閉じるように可変翼を開閉自在に設けたからであり、風速の大きさに応じて可変翼の開き状態が変化する。そして、例えば、風速３５ｍ/ｓ以上の風が吹く時には可変翼を全閉状態として可変翼が吹き飛ばされるのを防止し、可変翼式風力変換機構の全体が強風で倒壊する危険性を防止する。

この発明の可変翼式風力変換機構は、垂直方向に支持される回転軸に保持板を設け、保持板の半径方向所定位置に複数個所保持板に対して回転自在に設けた垂直な支持軸に風を受ける可変翼を取り付け、支持軸の延長軸に対して錘を取り付け、上記支持軸に弾性部材を取り付けてその弾性力で所定風速までは可変翼を開放状に保持し、所定以上の風速による回転では錘の遠心力が弾性部材の弾性力に打ち勝って可変翼をその風速の大きさに応じて閉じるように可変翼を開閉自在としたから、２０ｍ/ｓ以下の通常の風では可変翼が全開状態で作用し、２５ｍ/ｓ以上の強風時には可変翼をその風速に応じて閉じるように錘の遠心力で回転するように操作し、３５ｍ/ｓ以上の強風時には可変翼を全閉とすることにより可変翼式風力変換機構の全体が倒壊する危険性を防止することが出来るという利点が得られる。

以下、この発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態の可変翼式風力変換機構の外観斜視図である。図示のように、この可変翼式風力変換機Ａは、上下に所定間隔に設けた保持板１０ａ、１０ｂの中心を貫通して設けた垂直軸１１ｘの下方に延長した延長軸１１ｘｅを支持板１２で回転自在に支持し、上記保持板１０ａ、１０ｂの間に垂直軸１１ｘに対して半径方向の所定距離位置で、かつその周方向に所定の角度間隔で複数個所に可変翼１４（図示の例では３箇所、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）を設けている。支持板１２は、支持基部のケースＣの頂部に回転自在に取り付けられている。１２ｆはフライホイールであり、支持板１２とは別途に、かつ一体に連結して設けている（両部材を一体に設けても良い）。

上記可変翼１４は、保持板１０ａ、１０ｂの間でその半径方向の所定距離位置に垂直方向に取り付けた支持軸１３ｘに対して固定され、支持軸１３ｘの回転と共に回転する。支持軸１３ｘは、保持板１０ａ、１０ｂに対して軸受け１３ａにより回転自在に支持され、かつその下方への延長軸を支持板１２に対し軸受け１３ａにより回転自在に取り付けている。可変翼１４は、平面視断面が略半円弧状であり、かつ垂直方向に半円筒状に延びる翼部材に対しその長さ方向の複数段（図示の例では３段）にブラケット１４ｓを設けて形成されている。

支持軸１３ｘは、その下方の延長軸部にアーム１７が取り付けられ、このアーム１７の先端には錘１８が取り付けられている。支持軸１３ｘは、この例では中空軸が用いられ、その内部にコイルばねを用いた弾性部材１３ｂが挿入されている。コイルばねの一端は支持板１２に固定され、他端は支持軸１３ｘの上端に固定され、この弾性部材１３ｂにより、通常は可変翼１４が最も半径方向に開いた状態でアーム１７と錘１８が保持板１０ａ、１０ｂの接線方向と略平行な方向に向けて設定している。弾性部材１３ｂのコイルばねは、図２に示す可変翼１４が最も開放された位置に設定されるに十分な弾性力で自然巻き状態より収縮状に取り付けられ、この収縮状態から開放する反時計方向への回転力により可変翼１４を開放する方向の力が作用している。

そして、下方の保持板１０ｂ上に設けた凸部材１５ａに対し、支持軸１３ｘに設けたピン１５ｂが図示の位置で当接して可変翼１４が支持軸１３ｘを中心として反時計方向に回転する力を阻止する回転停止手段１５を備え、この手段により可変翼１４を最も開放した位置に保持している。なお、図示の例では、可変翼１４の回転方向は、可変翼式風力変換機Ａの全体が反時計方向に回転するように設定されていることが前提である。ただし、支持軸１３ｘを中実軸とし、その外周に弾性部材１３ｂのコイルばねを巻き付けるように設けてもよい。また、弾性部材１３ｂは、そのコイルばねの線径や材質を適切に設定することにより弾性係数ｋを所定の状態に設定するものとする。

弾性係数ｋを所定の状態に設定するとは、風速が、例えば２５ｍ/ｓを超えた風速で高速回転するとその風速による回転数の増大する割合に応じて増大する遠心力が弾性部材１３ｂのコイルばねの弾性に打ち勝って錘１８とアーム１７とが外方向へ振られ、これにより可変翼１４が閉じる方向に回転を始め、風速が３０ｍ/ｓで可変翼１４は８０％閉じ、さらにそれを超えると完全に閉じるのに対応する弾性係数の値に設定することを意味する。このように弾性係数を設定すると共に上記所定以上の風速の風ではその風力で可変翼式風力変換機Ａ自体が倒壊する危険性が生じるため、このような風力で倒壊しない構造を前提としている。

支持板１２は、上述したように、支持基部のケースＣの頂部に回転自在に取り付けられているが、この場合支持板１２は垂直軸１１ｘに対しても軸受け１１ａにより回転自在に支持され、かつ図示していないが、支持板１２とケースＣとの間にスラスト軸受けが設けられており、風力で垂直軸１１ｘが倒れる方向の力に対しても保持できるようにしている。また、垂直軸１１ｘの延長軸１１ｘｅは、発電機Ｇの入力軸１９に軸継ぎ手１６を介して接続されている。Ｃｂは、出力線である。図２に上記可変翼式風力変換機Ａの平面図、図３にこの可変翼式風力変換機Ａの可変翼１４を完全に閉じた状態の外観斜視図を示す。

上記の構成としたこの実施形態の可変翼式風力変換機Ａは、所謂サポニウス型の風車であり、通常のサポニウス型の風車が２枚翼であるのに対して３枚翼とし、かつ各翼は可変翼１４として通常の状態では最も高効率で、かつ強風時には可変翼１４を閉じてその風力で可変翼式風力変換機Ａが倒壊する危険性が生じるのを防止している。可変翼式風力変換機Ａが作動を開始すると、風速３ｍ/ｓ程度の微風から２５ｍ/ｓの強風の直前までは通常の状態として可変翼１４が半径方向に最も開放された開放状態で図１に示す反時計方向に回転し、その回転力は可変翼１４から垂直軸１１ｘへと伝達され、その回転が発電機Ｇに伝達されてそれぞれの風を受ける状態での風速に応じた回転速度で回転する。

この通常状態では、支持軸１３ｘ内に設けられた弾性部材１３ｂのコイルばねの弾性力により可変翼１４が図４の（ａ）に示す最も開放された状態に設定されている。そして、図２に示すように、設置された可変翼式風力変換機Ａに対して、東西南北いずれの方向から風が吹いても、風車部はその風力、風速に対応して回転する。この場合、例えば図２の右下、即ち略南東から北西の方向に向けて風が吹いたとすると、この方向の風による回転力は、３枚の可変翼１４ａ、１４ｂ、１４ｃのうち可変翼１４ａには翼の表側（円弧表面側）と裏側に沿って流れる風の流速に速度差が生じ、この速度差に基づいて可変翼１４ａを反時計方向に向かわせる揚力が回転力に変換される。

２つ目の可変翼１４ｂは、その翼内側に直接作用する風力に抗して押される抗力が回転力となり、この回転力により風車部が回転する。３つ目の可変翼１４ｃは、翼表面に風力を受け、反時計方向の回転に対して回転を阻止する方向に作用する。しかし、その風の流れは翼表面に沿って流れて大きな反力とはならず、２つの可変翼１４ａ、１４ｂによる回転力が大きいため結局上記抗力と揚力により風車部が回転する。上記説明では南東から北西の方向への風による作用として説明したが、３つの可変翼１４ａ、１４ｂ、１４ｃを設けることにより風が吹く方向は東西南北いずれの方向からであっても同じように作用し、回転する。

以上は、風速が上述した強風２５ｍ/ｓまでの通常の風による作用であり、上記強風域を超えた場合は、次の通りに作用する。２５ｍ/ｓ以上の強風域を超えると可変翼１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）による回転速度が大きくなり、支持軸１３ｘの下方に延長された延長軸１３ｘｅ上に連結されているアーム１７の先端の錘１８の遠心力が大きくなる。従って、弾性部材１３ｂのコイルばねの弾性により可変翼１４ａ、１４ｂ、１４ｃを最大の開放状に保持している開放力より遠心力の方が大きくなり、このため図４の（ｂ）図に示すように、錘１８が通常状態より外方へ振り出される。錘１８が外方へ振り出されることにより可変翼１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、支持軸１３ｘを中心にしてその翼部分を閉じる方向に回転する。

可変翼１４ａ、１４ｂ、１４ｃの開放状態が縮小するとその受風面積が減少するが、風速の増大が受風面積の減少より大きくなるため益々回転速度が増大し、風速３５ｍ/ｓに近くなると可変翼１４ａ、１４ｂ、１４ｃはその開放状態が８０％閉じた状態となり、さらにこの風速以上になると、図４の（ｃ）図に示すように、完全に閉じるように作動する。このため、従来の風力発電装置では、台風や低気圧の接近により風速が増大してそのままでは倒壊する危険性があるような場合でも、この実施形態の可変翼式風力変換機Ａは、可変翼１４ａ、１４ｂ、１４ｃを閉じることにより、このような危険な状態から保護することが出来る。

次に、図５、図６に第２実施形態の可変翼式風力変換機Ａ’の側面図、平面図を示す。この実施形態では、可変翼１４の構成及び可変翼１４の開閉方法が第１実施形態と異なる。以下では主として異なる構成について説明し、同じ構成部材については第１実施形態の符号と同じ符号を付すことにより説明を省略する。可変翼１４は、支持軸１３ｘから少し中心側の位置で内端が終わり、固定翼１４ｋがその内端に続くように上下の保持板１０ａ、１０ｂに固定して設けられている。アーム１７、錘１８も第１実施形態と同様に備えているが、この実施形態では錘１８の遠心力による開閉力が不足の場合に、補助的に作用する補助手段として液圧シリンダー２１とワイヤー２３とから成る第２開閉手段２０を備えている。

この第２開閉手段２０は、下方の保持板１０ｂに設けられている。但し、上方の保持板１０ａに同じ手段を一対となるように設けてもよい。この第２開閉手段２０の液圧シリンダー２１へは、液圧配管２２から液圧が送られ、この液圧は垂直軸１１ｘの中心を通りその下部に延びる延長軸上の軸継ぎ手１６の上方にケースＣ内でその頂板に固定して設けた液圧ポンプ２４から垂直軸１１ｘの中心を通る液圧配管２２が、図示していない回転式の液圧継ぎ手により連結されている。そして、この液圧配管が上方に延びて液圧シリンダー２１に配設されている。

ワイヤー２３は、先端が弾性部材１３ｂのコイルばねにより通常は全開状態の可変翼１４の外端に連結され、途中に滑車を介して反転するように導かれ、移動滑車を経て他端が下方の保持板１０ｂに固定され、移動滑車を液圧シリンダー２１のピストンロッドの先端に連結し、移動滑車を液圧シリンダー２１により駆動して可変翼１４を開閉自在としている。なお、可変翼１４を閉じる時は、図６に点線で示すように、その外面が保持板１０ａ、１０ｂの外周に一致する位置に閉じられるものとする。

上記の構成としたこの実施形態の可変翼式風力変換機Ａ’は、その基本的な作用においては第１実施形態の可変翼式風力変換機Ａと同じであり、風速２５ｍ/ｓまでは可変翼１４が全開状で回転し、それ以上の風速では錘１８の遠心力で可変翼１４が閉じる方向に回転する。しかし、錘１８の遠心力だけでは、実際に強風が吹くときの風速変動に対応できない場合に第２開閉手段２０の液圧シリンダー２１を作動させて、遠心力により可変翼１４を閉鎖する動作を補助する。

風速２５ｍ/ｓ以上の強風時には、支持軸１３ｘの回転が所定以上の回転数となり、このような回転が行われると、その回転力により液圧ポンプ２４が所定以上の液圧を発生し、その所定以上の液圧により液圧シリンダー２１が作動してワイヤー２３を引き込み、これにより可変翼１４が閉鎖する方向に操作される。そして、風速が３５ｍ/ｓに近づくと８０％閉鎖する方向に駆動され、可変翼１４を確実に閉鎖できることとなる。

なお、可変翼１４の閉鎖状態を図６の点線状態としたのは、強風時には隣接する可変翼１４と可変翼１４との間に吹き抜けできる空間を設けておくほうが、前閉するより風に対して抵抗が少なくなることを考慮したからである。又、図６の可変翼１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）に対して、一点鎖線で示すように、円弧状の翼表面と反対側の面に下面板１４ｓａ、１４ｓｂ、１４ｓｃを設けて平面視断面が完全に閉じた翼断面として形成することも出来る。閉じた断面の可変翼１４は、より揚力が大きくなり、回転力が大きくなるからである。

この発明の可変翼式風力変換機構は、サポニウス型の風車機構の翼を可変翼とし、大き過ぎる風速のため危険な状態のときは、錘の遠心力で全閉状とすることが出来るようにしたものであり、高効率でかつ強風時には可変翼式風力変換機構の全体の倒壊を防止することが出来るから、風力発電装置の風車機構として広く利用できる。

第１実施形態の可変翼式風力変換機の外観斜視図 同上機の平面図 同上機の可変翼を閉じた状態の外観斜視図 同上機の作用の説明図 第２実施形態の可変翼式風力変換機の側面図 同上機の平面図

符号の説明

１０ａ、１０ｂ 保持板
１１ｘ 垂直軸
１１ｘｅ 延長軸
１２ 支持板
１３ｘ 支持軸
１３ａ 軸受け
１３ｂ 弾性部材
１３ｘｅ 延長軸
１４ 可変翼
１６ 軸継ぎ手
１７ アーム
１８ 錘
１９ 入力軸
Ａ 可変翼式風力変換機

Claims (5)

1. 垂直方向に支持される回転軸１１ｘの上下に一対の保持板１０ａ、１０ｂを設け、支持板１０ａ、１０ｂの半径方向所定位置に、周方向の所定角度間隔で複数個所保持板１０ａ、１０ｂに対して回転自在に設けた垂直な支持軸１３ｘにそれぞれ風を受ける可変翼１４を取り付け、支持軸１３ｘの延長軸１３ｘｅに対してその半径方向に延びる連結部材の端に錘１８を取り付け、上記支持軸１３ｘ又は連結部材のいずれかに弾性部材１３ｂを取り付けてその弾性力で所定風速までは可変翼１４を全開状に保持し、所定以上の風速による回転では錘１８の遠心力が弾性部材１３ｂの弾性力に打ち勝って可変翼１４をその風速の大きさに応じて閉じるように可変翼１４を開閉自在に設けた可変翼式風力変換機構。
2. 前記可変翼１４を平面視断面が略円弧状で垂直な支持軸方向に上下の保持板１０ａ、１０ｂ間に対応する長さに設けたことを特徴とする請求項１に記載の可変翼式風力変換機構。
3. 前記弾性部材１３ｂを収縮状又は引張り状態に設定し、これにより蓄積される弾性力が可変翼１４を開放する方向に付勢して可変翼１４を全開状に設定するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の可変翼式風力変換機構。
4. 前記可変翼１４をその翼先端が略半径方向へ開いた状態で、弾性部材１３ｂによる開放を阻止する回転停止手段１５を設け、この状態を全開状態として設定したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の可変翼式風力変換機構。
5. 前記可変翼１４を錘１８の遠心力で全閉状態に閉じたとき、可変翼１４の外周が保持板１０ａ，１０ｂの外周と重なり、かつ可変翼１４の外周が互いに連続した全閉状となる形状としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の可変翼式風力変換機構。

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