(57)【要約】      （修正有）【課題】小型風力発電機は、強風時ブレーキを掛けることによって安全を確保していたため、強風時には発電能力がなくなっていた。これに対し強風時でも回転を維持し、発電総量を多くすることができるプロペラ型風力発電機を提供する。【解決手段】複数の翼１、２を有し、複数の翼１，２はその回転面と並行方向に回動可能なように取り付けられ、翼１，２とともに回転し翼の数と同じ数の錘７，８を有し、軸の回転に伴い錘７，８が受ける遠心力で翼７，８をその回転面と並行方向に回動させるようにした。また翼１，２の回動角度が同一となるように連動機構を設けた。翼１，２の回転数が上がると錘７，８の遠心力によって、翼１，２がその回転面と並行方向に互いに同一角度で回動し、翼１，２の回転面投影面積が減少する。これによって、翼１，２のバランスを維持しながら、その回転数が危険領域に入る事を防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、マイクロ風車や小型風車に用いるプロペラ型風力発電機に関するもので、従来の翼固定ハブに可変翼機構を組み込み既存の風車に取り付けることで過回転防止と運転風速域の拡張を図り、風車の安全性と効率を高めるプロペラ型風力発電機を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、数１００ｗから数Ｋｗ程度の出力の風力発電装置などに用いられるマイクロ風車や小型風車は、風速が所定値よりも速くなった場合に、ローターの回転数が設計値を超えないようにブレーキを掛けるようにしていた。大型の風力発電機ではコストに余裕があるため、ローターのブレードの角度（仰角）を、風速に応じて油圧などを用いて変えるようにしているが、小型のものにあっては、コストの余裕がなく最も安価なブレーキを用いている。【０００３】  このようにブレーキを用いるものである場合、風速がある程度速い場合に効率よく発電するように設計する。すると、風速が遅い状態でも風速が速い場合でもブレードの角度が一定であるため、特に風速が遅い場合の効率が極めて悪くなる。このような観点から、ローターの有効径を風速に応じて変化させるものが開発された。【０００４】  このようなものの例として特許文献１に開示されたものは、サポニウス型風力発電機である。この発電機は、羽根とともに回転する錘を設け、この錘の受ける遠心力を用いて、羽根の角度を変化させるようにしている。つまり風速が速くなって、羽根の回転数が高くなると、錘が動いて羽根の角度を変化させるようにしている。このため、風速が速くなっても羽根の回転数は危険な領域まで上がらず、ブレーキを掛ける必要がない。【０００５】  このため風速が高い場合にもブレーキを掛けることなく、羽根は有効な発電が可能な回転数で回転するため、強風時でも効率的に発電することができる。しかしながら、特許文献１に記載のものは、サポニウス型の風力発電機であり、騒音が少ないという利点があるが、効率の点ではプロペラ型に劣る。本件発明は、プロペラ型の風力発電機であって羽根の径を風力に応じて可変としたものである。
【先行技術文献】
【特許文献１】特開２００８−３０９１３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  本願発明は、プロペラ型風力発電機に関するもので、強風時に羽根の径を変化するようにし、風の持つエネルギーを効率良く電力へ変換可能なものを提供する。つまり、翼ピッチ角の制御機構を組み込めるハブ空間を持つ大形風車は、その仰角を変化させることで揚力を加減し、ローターの過回転を防ぎ、安全で効率的な発電が行える。しかし、数Ｋｗ以下の小型風車にあっては、このような翼ピッチ角の制御機構を組み込むスペースがなく、さらに製造コストも上がってしまう。【０００７】  このため、回転制御機構が組み込めない固定ハブの風車では、過回転防止に発電機の出力をショートし、発電機に掛かる制動力を利用してローターの過回転を防いでいる。しかし、時としてプロペラの駆動力がこの制動力を上回り、過回転状態となる。すると翼の飛散や発電機コイル焼損などを伴い危険性が残る。【０００８】  このような小型風力発電機は、上記のように制動が十分でないため、限界風速は、１３ｍ／ｓ付近と可変ピッチ機構を有する大型風力発電機の半分程度である。このため、発電高率に大きな差がある。本願発明では、小型で簡単な機構を用いあることで、発電可能な風速を大型風力発電機並に拡大し、発電量を大幅に増やすと共に、過回転を防ぎ風車の安全性向上を図る。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  発電機軸と連動する軸に複数の翼を取り付け、複数の翼はその回転面と並行方向に回動可能なように取り付けられ、翼とともに回転し翼の数と同じ数の錘を有し、軸の回転に伴い錘が受ける遠心力で錘が移動するとともに翼をその回転面と並行方向に回動させるようにし、さらに複数の翼の回動角度が同一となるように連動機構を設けた。これによって、翼の回転数が上がると錘の遠心力によって錘が移動し、翼がその回転面と並行方向に回動する。すると翼の前面投影面積が小さくなり、翼の回転数が危険な値まで上昇することがない。さらに複数の翼の回動角度が互いに同一となるため、バランスが崩れることもない。
【発明の効果】
【００１０】  本発明のプロペラ型風力発電機は、翼とともに回転し翼の数と同じ数の錘を有し、軸の回転に伴い錘が受ける遠心力で錘が移動するとともに翼をその回転面と並行方向に回動させるようにしているため、強風によって翼の回転数が上がると、錘が受ける遠心力で翼が回転面と並行に回動し、翼の回転径が小さくなって、翼の前面投影面積すなわち風の受ける面積が小さくなる。さらに翼の前面投影面積だけでなく、翼が回転方向に対して傾斜することで、翼の断面形状が変化する。これによって、翼の発生する揚力が変化するため、翼の回転力を抑制することができる。【００１１】  これによって、強風時にブレーキを掛けることなく、安全な回転数で翼を回転させることができる。このため、従来であったら回転を停止していたような風速の時にも回転を維持することができ、発電量が増加する。
さらに翼を回動させるために、モーターや油圧などの駆動手段を用いていないため、回転体に対して外部から駆動力を伝える手段が不要である。このため過回転防止手段を、軸に翼を取り付ける手段に設けることができ、すでに設置されているプロペラ型風力発電機にも設置することが可能である。また、このような過回転防止手段を有するプロペラ型風力発電機と有していないプロペラ型風力発電機との両方を、ほとんど共通の部品で構成することができ、市場の要請に応じて販売することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のプロペラ型風力発電機の正面図である。
【図２】本発明のプロペラ型風力発電機の部分側面図である。
【図３】本発明のプロペラ型風力発電機の部分拡大断面図（図２のＣ−Ｃ断面）である。
【図４】本発明のプロペラ型風力発電機の部分拡大断面図（図３のＣ−Ｃ断面）である。
【図５】本発明のプロペラ型風力発電機の風力の変化に対する出力を示す特性図である。
【図６】本発明のプロペラ型風力発電機の翼の回転数による翼の断面形状の変化を示す正面図である。
【図７】本発明のプロペラ型風力発電機の翼の断面形状の変化による揚力の変化を示す特性図である。
【図８】本発明のプロペラ型風力発電機の翼の断面形状を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１３】  図１及び図２において、１及び２は翼であり、それぞれスピンナー３に回動自在に取り付けられている。つまり翼１、２はそれぞれボルト４、５によって、ボルト４，５を中心に回動できるように取り付けられている。スピンナー３は、発電機（図示せず）の軸６に結合している。【００１４】  ７，８はそれぞれ錘であり、アーム９，１０を介して翼１，２を回動自在に取り付けているボルト４，５に取り付けられ、翼１，２と共に回動可能である。また錘のアーム９，１０と翼７，８とは互いに直角の関係である。つまり、翼１とボルト４とアーム９及び錘７とはスピンナー３に対し、一体に回動するもので、同様に翼２とボルト５とアーム１０及び錘８とは一体に回動する。【００１５】  １１，１２はそれぞれボルト４，５に結合したピニオンギヤであり、それぞれボルト４，５とともに回動する。ピニオンギヤ１１，１２はそれぞれ同じ直径であり同じ数の歯数を有しており、共通の平ギヤ１３に噛み合っている。平ギヤ１３は、スピンナー３に対し回動自在であり、内側がくり抜かれた形状である。これによって、翼１及び錘７のアーム９の回動と、翼２及び錘８のアーム１０の回動の角度は、それぞれ同一となる。つまり翼１と翼２の回動角度は常に一致する。【００１６】  １４は平ギヤ１３のくり抜かれた内側に設けられた渦巻ばねであり、平ギヤ１３が回動したら、戻す方向に弾力が働いている。つまり翼１，２がその回転方向に対し直角からずれた場合に戻すような弾性力が働くようになっている。なお、この例では渦巻ばね１４を示したが、これ以外にねじりコイルばねを用いてもよい。【００１７】  本発明のプロペラ型風力発電機の実施例のものは以上のような構造であり、以下その動作を説明する。風速が所定値以下の場合にあっては、翼１，２はその回転方向に対して直角で、図１の状態で回転する。この状態は、例えば図５の風速１３ｍ／秒（以下「ｍ／ｓ」と表記する）までの状態である。つまり、この例では６００ｗ出力の小型風力発電機で、風速が１３ｍ／ｓに達するまで次第に発電量が増加している状態をしめす。また図６（ａ）に示すように翼１，２は回転方向に直角であり、回転方向に対する断面形状は図７及び図８のＡで示す状態である。この状態での翼１，２の揚力が最も大きくなる設計にしておくと、所定の風速（この例の場合は１３ｍ／ｓ）までの発電量が最大となる。【００１８】  ここで風速が１３ｍ／ｓを超えた場合、風速の上昇に伴って翼１，２や軸６の回転数が上昇する。回転数が上昇し過ぎると翼１，２などの破損に繋がるため、従来のものはブレーキを掛け回転数を落とす。これが図５の実線で示す状態であり、急激に発電量が減少する。つまり強風で風のエネルギーが大きいにも関わらず、それを活用できずにブレーキを掛けている。【００１９】  一方、本件発明の場合、この所定風速を超えた場合には翼１，２の回転数が高まり、錘７，８が渦巻ばね１４の弾性力に抗して外方向に移動する。これに伴ってアーム９，１０が回動し、翼１，２は先端が回転方向に移動するように回動する。つまり翼１，２の先端の作る円の直径は、図１のＤ０からＤ１へと回転数に応じて小さくなる。これによって翼１，２が風より受ける力が減少し、翼１．���の回転数が危険領域に達することがない。つまり、図５の破線で示す状態であり、所定値以上の風速の強風時であってもブレーキを掛けることなく、発電が維持され発電量が増加する。【００２０】  さらに図６（ａ），図６（ｂ）及び図７、図８に示すように、翼１，２が回転方向に対して傾くため、翼１，２の回転方向で切った断面の形状が変化する。これによって翼１，２の揚力が変化する。翼１，２が回転方向に対して直角の場合に、揚力が最も大きくなるように設計しておくと、翼１，２が回転方向に対して傾くと揚力が減少し、翼１，２の発生するトルクが減少する。この現象でも翼１，２の回転数が危険領域に入るのを防止できる。【００２１】  翼１，２の回転数を制御する所定値は、渦巻ばね１４のばね定数を選定することや、錘７，８の質量を選定することでも設定することができ、翼７，８の強度に応じて容易に設定できる。また翼１，２はピニオンギヤ１１，１２と平ギヤ１３との作用によって、常に傾く角度が同じになるため、特に強風時に翼１，２の傾きが不均一になって回転バランスが崩れることがない。以上の実施例では、この翼１，２の傾く角度を一致させる手段として、ピニオンギヤ１１，１２と平ギヤ１３との組み合わせを示したが、これ以外に例えばリンクによって翼１，２の傾く角度を一致させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】  本発明によれば、強風時に翼１，２の回転数が危険な領域に入ることをブレーキを掛けずに回避できるため、強風時にあっても発電を維持することができ、小型風力発電の安全性向上と発電量の増加をはかることができる。またこの効果を極めて簡単で小型にできる手段で実現しているため、既に市販されているプロペラ型風力発電機にも応用が可能である。
【符号の説明】
【００２３】１、２      翼
３          スピンナー
４，５      ボルト
６          発電機の軸
７，８      錘
９，１０    アーム
１１，１２  ピニオンギヤ
１３        平ギヤ
１４        渦巻ばね
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年3月11日(2019.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機軸と連動する軸に複数の翼を取り付け、前記複数の翼はその回転面と並行方向に回動可能なように取り付けられ、前記翼とともに回転し翼の数と同じ数の錘を有し、前記軸の回転に伴い錘が受ける遠心力で錘が移動するとともに前記翼をその回転面と並行方向に回動させるようにし、さらに前記複数の翼の回動角度が同一となるように連動機構を設けたプロペラ型風力発電機。
【請求項２】
錘に遠心力が加わった時に翼は、その回転方向の前方に回動するようにした請求項１記載のプロペラ型風力発電機。
【請求項３】
複数の翼の回動角度が同一となるようにする連動機構は、各翼に設けた小ギヤと、錘の移動に伴って回動する大ギヤとによって構成される請求項１記載のプロペラ型風力発電機。
【請求項４】
複数の翼の回動角度が同一となるようにする連動機構は、各翼間を連結するリンクによって構成される請求項１記載のプロペラ型風力発電機。
【請求項５】
錘が受ける遠心力が所定値以下になった場合に翼の回動を戻すバネを有し、このバネがゼンマイバネである請求項１記載のプロペラ型風力発電機。