JPH11141453A

JPH11141453A - 風力装置

Info

Publication number: JPH11141453A
Application number: JP9307062A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Nishimura; 薫西村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 1999-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で翼ピッチの変更が容易なクロスフ
ロー形の風力装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明では、リンクピン２８の中心ホは、
偏芯カム１８の中心Ｏ’を中心にして翼７の回転と同期
して回転する。したがって、ピッチ変更ピン３４の中心
ハは、リンク３０により、点チ−リ間を移動し、翼７の
回転円板２３の接線に沿って角度を1 回転中に１往復変
更することができる。また、この偏芯中心は、偏芯軸１
７を風向きに関係して回転することにより、固定点Ｏを
中心にして変更することが可能となる。例えば図３の偏
芯位置では、翼が図の軸１５の右側にあるときは、翼７
の中心線はロ−リの状態にあり、翼が図の真上または真
下にあるときは、翼７の中心線はロ−ハの状態にあり、
翼が図の左側にあるときは、翼７の中心線はロ−チの状
態になる。したがって、風が図の左側より吹いている場
合には、翼７が固定軸１５の左側では、上向きの力を発
生し、翼７が固定軸１５の右側では、下向きの力を発生
して回転力となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高効率で可変速度
制御機能を有し、低騒音で設置が簡単な風力を利用した
風力装置に関するものである。本発明の風力装置は、風
力発電装置、ポンプなどに利用できる。

【０００２】

【従来の技術】従来、風力発電などに使用されてきた風
車の形態の代表的なものを図６に示す。図６（ａ）は、
プロペラ形風車、（ｂ）はクロスフロー風車、（ｃ）は
垂直ダリウス形風車である。この内、クロスフロー風車
に代表される垂直軸形の各種の風車は、プロペラ形に比
較して変換効率が低く、最も多用されているのがプロペ
ラ形に代表される水平軸形であり、数ｋＷ〜数百ｋＷの
風力発電などに利用されている。また、その他にも多翼
式のオランダ風車、サボニウム形などの多くの形式があ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、垂直軸
形（以下クロスフロー形という）の風車は、回転中の翼
が一定であるために、翼が風車の軸の風上側にあるとき
の変換効率を向上させようとすると、風下側では、変換
効率が低下するという原理的に大きな欠点などを有して
いた。その主なる欠点は、１）変換効率が比較的に低
い、２）中心軸が１本で片持支持が多く、強風時の強度
が弱い、３）翼ピッチの変更が困難で強風時にブレーキ
が必要である、４）風速に応じた翼ピッチの変更が困難
なため、利用できる風速の範囲が狭い、５）構造上大型
化が困難である、などである。

【０００４】他方、プロペラ形に代表される水平軸形の
風車は、構造上、すべての翼が常時回転力を発生するこ
とができ、変換効率が高いが、１）プロペラの形状が複
雑で高価となる、２）風向に応じて方向を変える必要が
あり、回転面のジャイロモーメントが大きいため、その
駆動動力が大きい、３）翼ピッチの変更のための機構が
複雑である、４）翼ピッチの変更のない小型では、強風
時にブレーキが必要である、５）大形では、支柱が太
く、翼との干渉音および駆動軸の方向を水平より垂直に
変換するための機構部の騒音が大きく、さらに支柱で共
鳴を起こして騒音が増幅されることがある、６）高さが
高く支柱および基礎の強度を大きくする必要があり、ま
た航空法などにより高さの制限を受ける、などの欠陥を
有していた。

【０００５】そこで、本発明は、簡単な構成で翼ピッチ
の変更が容易なクロスフロー形の風力装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、中心軸部の上下端に円板を配置し、該円板
の同心上に回転可能な複数の翼を配設するとともに、該
翼により発生した動力を該中心軸部を通じて取り出す風
力装置において、前記翼の回転中に風方向に応じて翼の
仰角を変更する仰角変更機構を設けたことを特徴とす
る。

【０００７】ここで、翼の仰角を変更する仰角変更機構
は、例えば翼の回転中心より離れた点と、中心軸部に設
けた偏芯軸とをリンクする機構により構成できるが、こ
れに限定されず、他の方式のリンク機構などで制御して
もよい。前記リンク機構により制御する場合は、詳しく
は、翼を揚力中心で回転可能なように回転軸で支持し、
この回転軸より離れた他の点に設けた回転軸と、中心軸
部に設けた位相角を可変にできる偏芯カムとをリンクで
連結することにより、回転中に翼を軸の風上側と風下側
とで回転方向に対する翼の方向（仰角）を逆にできる機
構とすることにより、常時複数枚の翼が回転力を発生す
ることができ、変換効率の向上を可能にする。

【０００８】また、風力装置の円板上に風向計を設け、
該風向計の信号に応じて仰角変更機構を制御してもよ
い。風向計としては、例えば、矢羽根の回転角を電気的
に検出する矢羽根式風向計などを用いることができる。

【０００９】本発明の風力装置は、発電装置として使用
でき、その場合は、風力装置により発生した動力により
発電させる発電機を備える必要がある。発電機として
は、例えば、多極の永久磁石式交流発電機を用いること
ができる。風力発電装置の電力は家庭用電力、配電遠隔
地用電力、都市の集中融雪装置、屋根の融雪装置、ロー
ドヒータ、海水淡水化用電源、農業用水の汲み上げ、農
業用ビニールハウスの暖房、換気に利用できる。また、
動力を魚類養殖池用攪拌機として利用できる。◎更に、
発電機の発電電圧により仰角変更機構を制御してもよ
い。

【００１０】本発明の原理を図１に示す。図１は翼が5
枚の場合を示し、図の上方から風が吹いている場合の作
動を例として示している。また、図の各翼に図示した矢
印方向は、発生する回転力の方向を示し、その大きさは
概念的な力の大きさを示す。

【００１１】図１において、点Ｏは、主回転軸およびそ
れに支持されている円板の中心を示し、点Ｏ’は、偏芯
軸の回転中心を示す。点ロは点Ｏを中心に回転する。ま
た、点Ｏ’と点ハとは長さの固定されたリングで連結さ
れている。〜は翼を示す。図１（ａ）のごとく、偏
芯軸中心Ｏ’が主回転軸Ｏと同軸の場合は、回転中に翼
の回転軸に対するピッチ角は一定であり、図１（ｂ）〜
（ｅ）のごとく偏芯軸中心Ｏ’が主回転軸Ｏより偏芯し
ている場合は、点ハは偏芯軸を中心に回転するために、
翼は回転位相により回転されてピッチ角を変更すること
ができる。

【００１２】図１（ａ）は、仰角が固定された偏芯のな
い従来の場合で、翼は、図示のごとく時計方向の回
転力を発生しているが、翼はほとんど回転力を発生せ
ず、翼は、逆の回転力を発生して効率を低下してい
る。

【００１３】図１（ｂ）および（ｃ）（ｅ）は、偏芯を
有し、かつ偏芯の方向（以下偏芯角という）が、（ｂ）
は風上より回転方向に１８０°遅れた場合、（ｃ）は同
じく２１０°遅れた場合、（ｅ）は風上より回転方向に
９０°遅れた場合を示す。この場合は、翼（９０°遅
れた場合のみ翼も）以外のすべての翼が、正の回転力
を発生する（すなわち全体としての回転力を発生する）
が、（ｃ）の方がやや大きい。

【００１４】図１（ｄ）は、偏芯角が２７０°の場合
で、非常に強風の状態を示し、翼は、ほとんど回転力
を発生せず、翼およびは、回転力を発生するが、翼
の発生する反対方向の回転力とほぼ同一であり、全体
としてはほとんど回転力を発生しない。したがって、風
の強さおよび負荷の状態に応じて偏芯角を約９０〜２７
０°の範囲で制御することにより、回転力または回転速
度を制御することが可能となる。なお、具体的には、風
向または風速に応じてあらかじめ設定された最適の偏芯
角に制御する。

【００１５】

【発明の実施の形態】図２は、本発明に係る風力装置の
側面外形図で、図中１は下部支持機構、２は上部支持機
構を示しており、これら支持機構は円板状をなしてい
る。７は翼であり、円板状の支持機構１、２の同心上に
5 枚等間隔に配置されており、後述するように図１に示
した回転とそれに同期した可変ピッチ作動が可能なよう
に支持されている。３は、下部支持機構１及び上部支持
機構２の中央軸部であり、翼７で発生した回転力は中央
軸部３を介して下部支持機構１に伝達される。

【００１６】下部支持機構１には、動力伝達用のタイミ
ングベルト４８、歯車５０、偏芯角検出器４９、発電機
９、制御用プーリ４５に連結したタイミングベルト４
８’と接続されている偏芯制御モータ１０、および極寒
地対策用のヒータ１２が内蔵され、これらは保護・保温
するためのカバー１１と共に下部支持枠５に搭載されて
いる。なお、歯車５０は、動力伝達用のタイミングベル
ト４８により伝達された動力を発電機９に伝えるもので
ある。

【００１７】また、下部支持枠５には、支持台１３が載
置され、支持台１３には、後述する固定軸が嵌め込まれ
ている。これら下部支持機構１の詳細は後述する図４に
て説明する。

【００１８】他方、上部支持機構２は、上部支持枠６に
支持されており、上部支持枠６は、複数本の支柱４によ
り基礎に固定されている。また、この支柱４の内の1 本
の上部に、偏芯角を制御するための風向を検知する風向
計８が設置されている。なお、５１は、風向計の風向セ
ンサ、１６は軸端金具を示す。なお、機械的動力のみを
利用する風力装置においては、プロペラ式風速計８’を
備え、風速の検出と制御電力源とする。

【００１９】図３は前述した上部支持機構２の詳細図で
あり、図３（ａ）は移動軌跡の上面図、（ｂ）は断面Ｏ
−Ｏ’−ホ−ハ−ロの詳細図、（ｃ）は断面ホ−ハ−ロ
の上断面図である。図中１５は回転部分の中心をなす固
定軸で、固定軸１５の中心をＯで示している。固定軸１
５は、下部で重量を支持するとともに、上部で軸端金具
１６で上部支持枠６に固定されている。１７は偏芯軸で
あり、偏芯軸１７には、上下に偏芯ベアリング１９が嵌
め込まれた偏芯量δを有する偏芯カム１８が一体化さ
れ、カム支持ベアリング２０により固定軸１５に回転自
由に取り付けられる。この偏芯カム１８の外周には、偏
芯ベアリング１９を介して回転リング２６が取り付けら
れている。

【００２０】さらに、偏芯軸１７の外側には、動力軸ベ
アリング２２に支持されている上下の回転円板２３を一
体化した動力軸２１が装備され、回転円板２３に取り付
けられた翼７に発生した動力を下部に伝えるとともに、
駆動ベアリング２５を有する偏芯カム駆動ピン２４によ
り回転リング２６の溝ニを摺動して（図３（ａ）の左右
矢印）、回転円板２３と同期してＯ’を中心に回転リン
グ２６を回転させる。さらにこの回転リング２６には翼
の枚数と同数のリンクピン２８を有するピンホルダ２７
が取り付けられている。なお、前記の固定軸１５、偏芯
軸１７、動力軸２１を総称して図２の中央軸部３と言っ
ている。

【００２１】翼７の両端には、翼端金具３３が固着さ
れ、翼支持ベアリング３１、ベアリングホルダ３２によ
り回転円板２３に取り付けられている。また翼端金具３
３にはピッチ変更ピン３４を備え、両端にベアリングを
有するリンク３０、リンクピン２８、ピンホルダ２７を
介して回転リング２６と連結されている。

【００２２】以上の機構により、リンクピン２８の中心
ホは、偏芯カム１８の中心Ｏ’を中心にして翼７の回転
と同期して回転する。したがって、ピッチ変更ピン３４
の中心ハは、リンク３０により、点チ−リ間を移動し、
翼７の回転円板２３の接線に沿って角度を1 回転中に１
往復変更することができる。また、この偏芯中心は、偏
芯軸１７を風向きに関係して回転することにより、固定
点Ｏを中心にして変更することが可能となる。例えば図
３の偏芯位置では、翼が図の軸１５の右側にあるとき
は、翼７の中心線はロ−リの状態にあり、翼が図の真上
または真下にあるときは、翼７の中心線はロ−ハの状態
にあり、翼が図の左側にあるときは、翼７の中心線はロ
−チの状態になる。したがって、風が図の左側より吹い
ている場合には、翼７が固定軸１５の左側では、上向き
の力を発生し、翼７が固定軸１５の右側では、下向きの
力を発生して回転力となる。

【００２３】なお、３５は前述したリンク機構を収容す
るカバーであり、スぺーサＡ３７、スぺーサＢ３８を介
してカバー取付け具３９により固定軸１５に連結されて
いる。また、３６はカバー支持ベアリングであり、これ
によりカバー３５もＯを中心にして回転する。

【００２４】図４は、下部支持機構２の詳細断面図であ
り、図３（ｂ）と同一の断面を示しており、図２、３と
同じものには同じ番号が付してある。図４において、固
定軸１５の下端は支持台１３の穴に嵌め込まれており、
下部ベアリング４２で偏芯軸１７を支持し、さらにその
外側にプーリベアリング４１で出力用プーリ４４を支持
している。また、この出力用プーリ４４は、上部支持機
構の偏芯カム駆動ピン２４の先端を延長した下部偏芯カ
ム駆動ピン４６により下部回転円板４０の回転力を受け
て駆動される。出力用プーリ４４は、図２で示したタイ
ミングベルト４８と連結しており、発電機９（図４では
図示せず）に伝達する。

【００２５】なお、翼７のピッチ角を制御する原理は、
上部支持機構と同一である。したがって、制御プーリ４
５の回転位置により翼７のピッチ角が制御され、発生し
た動力は、下部偏芯カム駆動ピン４６より出力用プーリ
４４を経由して発電機９に伝えられる。

【００２６】図５に上記した風力装置の電気回路図を示
す。図２の風向センサ５１で検出した風向信号は、信号
増幅器５７に送られ、予め最適値に設定された偏芯角バ
イアス設定器５９の信号と演算されて最適偏芯角θに相
当する信号で図２の偏芯制御モータ１０を駆動する。そ
うして、その偏芯角は図２の偏芯角検出器４９で検出さ
れて信号増幅器５７にフィードバックされ、最適偏芯角
θに相当する偏芯角で偏芯制御モータ１０が停止し、保
持されるサーボ回路を形成する。また、強風または低負
荷などの原因で発電電圧が異常に高くなった場合には、
発電電圧信号が偏芯角バイアス信号に加算されて図１
（ｄ）に示す状態にして発生回転力を低下させる。

【００２７】また、電圧検出器５５と電圧リレー６０お
よび電流検出器６２と電流リレー６１は、冷寒地で発生
電圧が負荷の駆動で不足した場合および負荷電流に余裕
のできた場合などに図２のヒータ１２に給電して下部支
持機構の凍結を防止する。

【００２８】なお、５８は電力増幅器、６３は分流器を
示す。

【００２９】これらの電気制御系は、下部支持機構１の
下部支持枠に載置されている。

【００３０】さらに本風力装置を機械的動力源としての
み使用する場合には、風向計８にプロペラ式風速計８’
を追備し、この風速信号で偏芯角を制御するとともに発
電機９の代わりに制御用電源として利用する。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、風上と風下とで常時複
数枚の翼が最適のピッチ角で回転力を発生することが可
能となり、効率の高い風力装置を実現することができ
る。

【００３２】しかも、風速に無関係に常時最高の発電効
率になるよう制御でき、暴風時には翼の効率を低下させ
過回転による破損を防げる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を表す図

【図２】本発明の側面外形図

【図３】本発明の上部支持機構の詳細図

【図４】本発明の下部支持機構の詳細図

【図５】本発明装置の電気回路図

【図６】従来の風力装置の説明図

【符号の説明】

１：下部支持機構２：上部支持機構３：中央軸部９：発電機１５：固定軸１７：偏芯軸１８：偏芯カム１９：偏芯ベアリング２０：カム支持ベアリング２１：動力軸２３：回転円板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中央軸部の上下端に円板を配置し、該円
板の同心上に回転可能な複数の翼を配設するとともに、
該翼により発生した動力を該中央軸部を通じて取り出す
風力装置において、前記翼の回転中に風方向および風速
に応じて翼の仰角を変更する仰角変更機構を設けたこと
を特徴とする風力装置。
【請求項２】翼の仰角を変更する仰角変更機構が、翼
の回転中心より離れた点と、中央軸部に設けた偏芯軸と
をリンクする機構からなる請求項１記載の風力装置。
【請求項３】請求項１記載の風力装置の円板上に風向
計を設け、該風向計の信号に応じて仰角変更機構を制御
する請求項1 記載の風力装置。
【請求項４】請求項１記載の風力装置により発生した
動力により発電させる発電機を備えた風力発電装置。
【請求項５】発電機の発電電圧により仰角変更機構を
制御する請求項４記載の風力発電装置。