JP7492770B2 - 垂直軸風車の過回転防止構造 - Google Patents

Description

本発明は垂直軸風車の過回転防止構造に関する。

風力発電用の風車の形式として、垂直回転軸から放射方向に延びる複数の水平フレームを形成し、その先端に直線翼式の揚力ブレードを取付けた垂直軸風車がある。揚力ブレードに働く揚力の回転方向成分を回転力とし、エネルギー変換効率が良いという利点がある。

しかしこのタイプの風車は、ひとたび回転を始めると、風を受けている限り回転トルクを発生し続け、回転が加速度的に上昇する。そのため台風等の強風時に、風車が安全回転数を超える過回転状態となってしまい、風車の故障・破壊を招くおそれがある。そのため垂直軸風車の回転を安全回転数以内に抑える過回転防止構造が必要とされる。

従来は過回転防止構造として、揚力ブレードを支持する水平フレームを断面翼形状にして、その水平フレームの角度を電動機で変更することにより空気抵抗を発生させ、風車の過回転を防止していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５－６１３１９号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、風車の過回転を防止するために、電動機で翼形の水平フレームの角度を変更しているため、何らかの原因で電気系トラブルが生じた場合に風車の回転抑制ができなくなる。また揚力ブレード自体でなく、それを支持する水平フレームの角度を変更する方式のため、過回転防止効果に限界がある。

本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、電動機を用いずに機械的に制御でき且つ揚力ブレードの角度を直接変更する垂直軸風車の過回転防止構造を提供することを目的としている。

本発明の第１の技術的側面によれば、垂直回転軸の上下方向複数位置にそれぞれ同一の上下位置から放射方向に延びる複数の水平フレームを形成し、各水平フレームの先端に該先端を中心に直線翼式の揚力ブレードを水平方向で回転自在に支持した垂直軸風車の過回転防止構造であって、前記垂直回転軸に水平な支持板を一体的に形成し、該支持板に垂直回転軸に対して回転自在で且つ垂直回転軸を中心に放射方向に延びる直線状のカム溝が形成されたカムプレートを設け、該カムプレートと少なくとも１以上の揚力ブレードとの間を両端が回転自在な剛性シャフトにて連結し、支持板とカムプレートとの間にカムプレートを一方向に回転させる付勢手段を設け、先端にウェイトを有し且つ途中にカム溝内を移動自在なカムピンを有する少なくとも１以上のリンクバーをその基端で支持板に対して回転自在に取付け、垂直回転軸が所定の安全回転数以内で回転している時は、付勢手段によりカムプレートが一方向に回転してリンクバーのカムピンがカム溝の基端に位置して、リンクバーがカム溝と直交状態になると共にその状態で揚力ブレードが最適角度となり、垂直回転軸が安全回転数を超えようとする際は、遠心力によりリンクバーが基端を中心に回転し、カムピンがカム溝を押しながら円弧方向に移動することでカムプレートを他方向へ回転させ、該カムプレートの回転力が剛性シャフトにより揚力ブレードに伝達されることで、揚力ブレードが不適切角度となることを特徴とする。

本発明の第２の技術的側面によれば、２つのリンクバーが支持板に対して垂直回転軸を中心とした対称位置に設けられ、互いが連動して回転することを特徴とする。

本発明の第１の技術的側面によれば、通常の風力で垂直回転軸が安全回転数以内で回転している時は、付勢手段によりカムプレートが一方向に回転してリンクバーのカムピンがカム溝の基端に位置して、リンクバーがカム溝と直交状態になる。そのため最適角度に支持された揚力ブレードから剛性シャフトを介して押引力がカムプレートに加わっても、カム溝に対してカムピンがストッパーとなり、カムプレートが回転しない。従って、揚力ブレードの最適角度は維持され垂直軸風車は確実に回転することができる。

また垂直回転軸が安全回転数を超えようとする際は、ウェイトの遠心力によりリンクバーが基端を中心に回転し、それによりカムピンがカム溝を押しながら円弧方向に移動することでカムプレートを他方向へ回転させる。そしてカムプレートの回転力が剛性シャフトにより揚力ブレードに伝達されることで、揚力ブレードが風に対して不適切角度となり、垂直軸風車に回転トルクが発生しなくなって、垂直軸風車の回転数が抑えられ、垂直軸風車の過回転が防止される。垂直回転軸が安全回転数内に戻ったら、付勢手段によりカムプレートが一方向へ回転し、元の通常回転状態に戻る。

このように電動機式でなく機械的に揚力ブレードの角度を直接変化させるため、電気系トラブルの影響を受けずに回転数を確実に抑制することができる。

本発明の第２の技術的側面によれば、２つのリンクバーが互いに連動して回転するため、垂直回転軸が安全回転数を超えようとする際に、カムプレートを回転させるための遠心力がより確実に発生し、垂直軸風車の過回転を更に確実に防止することができる。

外枠体に収納された垂直軸風車を示す斜視図。 垂直軸風車の斜視図。 垂直軸風車の平面図。 垂直軸風車の一部断面の側面図。 揚力ブレードの最適角度状態を示す垂直軸風車の要部説明図。 揚力ブレードの不適切角度状態を示す垂直軸風車の要部説明図。 カムプレートとリンクバーとの関係を示す説明図。

図１～図７は本発明の好適な実施形態を示す図である。

本実施形態に係る垂直軸風車１は外枠体２内に収納されている。外枠体２は全体として各辺が金属フレームにて形成された直方体で、側面は４本の支柱３のみで形成される。従って、この外枠体２は水平方向で全方向からの風が通過可能である。外枠体２の上下には中央部に四角形の支持部４が形成されている。

外枠体２内には垂直軸風車１が収納されている。外枠体２の支持部４にはそれぞれ垂直回転軸５の上下端がベアリング６により回転自在に支持されている。垂直回転軸５には上下にボックス７、８が一体形成されており、垂直回転軸５と一緒に回転する。このボックス７、８からは放射方向に延びる４本の水平フレーム９がそれぞれ形成されている。水平フレーム９の先端１０には、直線翼式の揚力ブレード１１がそれぞれ先端１０を中心に水平方向で回転自在に支持されている。

下側のボックス８の底面は水平な支持板１２として形成され、そのボックス８の内部における支持板１２の上に垂直回転軸５に対して回転自在なカムプレート１３が設けられている。このカムプレート１３の垂直回転軸５を挟む対向位置には、それぞれ垂直回転軸５を中心に放射方向に延びる直線状のカム溝１４が形成されている。

カムプレート１３の４箇所には、水平フレーム９と平行な剛性シャフト１５の一端が回動自在に取付けられている。その剛性シャフト１５の他端は、図５及び図６に示されるように、ボックス８から外に出て、揚力ブレード１１に対して回動自在に取付けられている。尚、図５及び図６はボックス８内の構造を分かりやすくするため、ボックス８内の構造を揚力ブレード１１及び水平フレーム９に比べて大きく図示している。

カムプレート１３と支持板１２との間には、カムプレート１３を一方向（図中反時計方向）に回転させる２つの引張バネ（付勢手段）１６が垂直回転軸５を中心とした対称位置に設けられている。

そして、ボックス８の上部には２本のリンクバー１７が垂直回転軸５を中心にした対称位置に位置しており、このリンクバー１７の先端にはウェイトＷが取付けられている。リンクバー１７の基端１８はボックス８の上面部に形成された図示せぬ円孔からボックス８内に入り込み、支持板１２に対して回動自在に支持されている。またリンクバー１７には途中にカムピン１９が形成され、このカムピン１９もボックス８の上面部に形成された図示せぬ円弧孔からボックス８内に入り込み、カムプレート１３のカム溝１４内において移動自在に係合されている。

ボックス８内におけるリンクバー１７の基端１８には延長方向に延びるレバー２０が形成され、レバー２０の先端ともう一方のリンクバー１７の一部とは互いに平行な連結バー２１により連結されている。従って、２本のリンクバー１７と２本の連結バー２１により平行四辺形が形成され、互いに連動する。

この実施形態に係る垂直軸風車１は以上のような構造をしており、通常の風力の場合（台風等の強風時でない場合）、揚力ブレード１１は最適角度に維持されて揚力を発生させ、その発生揚力の回転方向成分により、垂直軸風車１はＲ方向（図３参照）に回転する。垂直回転軸５は所定の安全回転数内で回転し、その回転力を発電機に伝達して発電できるようになっている。

通常の風力で垂直回転軸５が安全回転数以内で回転している時は、引張バネ１６によりカムプレート１３が一方向に回転してリンクバー１７のカムピン１９がカム溝１４の基端に位置して、リンクバー１７がカム溝１４と直交状態になる。そのため、最適角度に支持された揚力ブレード１１が風力から受ける不規則な外力により先端１０を中心に回転しようとして、揚力ブレード１１からの押引力Ｆが剛性シャフト１５を介してカムプレート１３に伝達されたとしても、カム溝１４に対して直交するカムピン１９がストッパーとなり、カムプレート１３の回転は阻止される。従って、揚力ブレード１１の最適角度は維持され垂直軸風車１は確実に回転して発電することができる。

そして台風等の強風時において垂直回転軸５が安全回転数を超えようとする場合は、ウェイトＷの遠心力によりリンクバー１７が基端１８を中心に回転し、それによりカムピン１９がカム溝１４を押しながら円弧方向に移動し、カムプレート１３を他方向（時計方向）へ回転させる。この時のカムプレート１３の回転力が剛性シャフト１５により揚力ブレード１１に伝達されて、揚力ブレード１１が水平フレーム９の先端１０を中心に回転し、風に対して不適切角度となる。従って、揚力ブレード１１に回転トルクが発生しなくなり、垂直軸風車１の回転数が抑えられ、垂直軸風車１の過回転は防止されて、適切な回転数で発電を継続することができる。

２つのリンクバー１７が互いに連動して回転するため、垂直回転軸５が安全回転数を超えた際に、リンクバー１７の遠心力がより確実に発生し、垂直軸風車１の過回転を更に確実に防止することができる。垂直回転軸５が安全回転数内に戻ったら、引張バネ１６によりカムプレート１３が一方向へ回転し、元の通常回転状態に戻る。

このように電動機式でなく機械的に可動式揚力ブレード１１の角度を直接変化させるため、電気系トラブルの影響を受けずに回転数を確実に抑制することができる。

１ 垂直軸風車
５ 垂直回転軸
９ 水平フレーム
１０ 先端
１１ 揚力ブレード
１２ 支持板
１３ カムプレート
１４ カム溝
１５ 剛性シャフト
１６ 引張バネ（付勢手段）
１７ リンクバー
１８ 基端
１９ カムピン
Ｒ 回転方向
Ｆ 押引力
Ｗ ウェイト

Claims (2)

1. 垂直回転軸の上下方向複数位置にそれぞれ同一の上下位置から放射方向に延びる複数の水平フレームを形成し、各水平フレームの先端に該先端を中心に直線翼式の揚力ブレードを水平方向で回転自在に支持した垂直軸風車の過回転防止構造であって、
   前記垂直回転軸に水平な支持板を一体的に形成し、該支持板に支持板と垂直回転軸の両方に対して回転自在で且つ垂直回転軸を中心に放射方向に延びる直線状のカム溝が形成されたカムプレートを設け、該カムプレートと少なくとも１以上の揚力ブレードとの間を両端が回転自在な剛性シャフトにて連結し、支持板とカムプレートとの間にカムプレートを一方向に回転させる付勢手段を設け、先端にウェイトを有し且つ途中にカム溝内を移動自在なカムピンを有する少なくとも１以上のリンクバーをその基端で支持板に対して回転自在に取付け、
   垂直回転軸が所定の安全回転数以内で回転している時は、付勢手段によりカムプレートが一方向に回転してリンクバーのカムピンがカム溝の基端に位置して、リンクバーがカム溝と直交状態になると共にその状態で揚力ブレードが最適角度となり、
   垂直回転軸が安全回転数を超えようとする際は、遠心力によりリンクバーが基端を中心に回転し、カムピンがカム溝を押しながら円弧方向に移動することでカムプレートを他方向へ回転させ、該カムプレートの回転力が剛性シャフトにより揚力ブレードに伝達されることで、揚力ブレードが不適切角度となることを特徴とする垂直軸風車の過回転防止構造。
2. ２つのリンクバーが支持板に対して垂直回転軸を中心とした対称位置に設けられ、互いが連動して回転することを特徴とする請求項１記載の垂直軸風車の過回転防止構造。

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