(57)【要約】【課題】本発明の課題は、1つは、翼の重量を補って、実質的に軽くして弱い風でも持ち上がるようにして風力発電電力を効率を上げること、2つ目は、翼のリード・ラグ角度を風速に対応して調整し、過度な強風を逃がすことが可能とした羽ばたき型風力発電機を提供することである。【解決手段】本発明による羽ばたき型風力発電機では、羽ばたく翼を含む翼手段と、ピッチ角を正負に反転させるピッチ角反転手段と、往復運動を回転運動に変えて発電機に伝える伝達手段と、回転により発電する発電手段と、翼のリード・ラグ角調整手段とを有し、翼手段には、カウンタバランス、ダンパを行うガススプリングを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けて羽ばたく翼を含む翼手段と、前記翼の向きの変化点で翼のピッチ角を正負に反転させるピッチ角反転手段と、その羽ばたきの往復運動を回転運動に変えて発電手段に伝える伝達手段と、回転により発電する前記発電手段と、前記風を受けてその風速に応じて前記翼のリード・ラグ角調整するリード・ラグ角調整手段とを有し、前記翼手段には、前記翼手段をカウンタバランスするか又は及び前記翼手段の回転往復運動が激しくなることを防ぐダンパ機能を行うガススプリングを備えたことを特徴とする羽ばたき型風力発電機。
【請求項２】
前記リード・ラグ角調整手段は、前記風を受けるフェザーベーンと前記フェザーベーンの動きを受けるベーンレバーと前記ベーンレバーの動きを前記翼手段にリード・ラグ角変化として伝えるケーブルとを備えたことを特徴とする請求項１記載の羽ばたき型風力発電機。
【請求項３】
前記翼手段は、前記ケーブルによる前記翼手段のリード・ラグ角変化を容易にするカウンタバランスのために第二のガススプリングを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の羽ばたき型風力発電機。
【請求項４】
前記ベーンレバーを手動にて操作して、前記風を逃がすラグ状態に前記翼手段をたたみ強風に対する安全状態を可能とすることを特徴とする請求２又は請求項３記載の羽ばたき型風力発電機。
【請求項５】
前記ピッチ角反転手段は、前記翼の伸びる方向の軸の回りに回転可能な回転部と、前記翼の回転を止めるピッチ角規定ツメとを前記翼手段が有し、前記翼の慣性力により前記ピッチ角を所望の角度で反転可能としたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の羽ばたき型風力発電機。
【請求項６】
前記翼手段の回転往復運動の角度を前記伝達手段の機械的寸法と配置により、
６０°±１０°に設定したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の羽ばたき型風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽ばたき型の風力発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、風力発電機としては、翼が風力を受けて回転し、その回転により発電手段を稼動する回転型風力発電機が主流であり、多くの場所で目にすることが出来、特許文献１、特許文献２のような多くの文献に見ることが出来る。図６は従来の風力発電機と本発明による風力発電機を比較する図である。６−Ａでは従来の風力発電機の外観を示している。風を受けて回転する翼６０１の回転をそのまま発電手段に伝えることが出来るので、パワー伝達効率がよい。然しながら、電力を取る発電機では、翼６０１の大きさも大きくなって、回転による翼先端が描く円６０２の面積分の空間を他のものと干渉することなく占有させなければならない。そのためにその空間を上空に支える大掛かりな支柱６０３が必要となって、製作、設置工事、メンテナンスの空間、規模が大きくなり、コストのかさむ要因となっている。
【特許文献１】特開平１１−３４３９５９
【特許文献２】特開２０００−１６１１９７
【０００３】
上記のような事情から、解決しようとする課題は、６−Ｂで示すように翼６０１先端が描く面積分の空間を極力少なく（略上半円以下）することで、大掛かりな支柱を必須のものから除外し、製作、設置工事、メンテナンスの空間、規模を小規模にでき、陸屋根のような平面屋根の上にも設置でき、回転翼とは違った美観を与える風力発電機を提供するものとして、本発明者は、特許文献３に見るように羽ばたき型風力発電機を提案してきた。
この提案においては、羽ばたき型風力発電機の基本的動作を持つものは提示できたが、効率を上げる構成としては、必ずしも十分ではなく、特に翼の重量を補って、実質的に軽くして弱い風でも持ち上がるようにして風力発電電力を効率よくえる手段が必要であり、この改善が必要になってきた。
【特許文献３】特願２００８−０３６８３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の羽ばたき型風力発電機の課題は、前述のように、1つは、翼の重量を補って、実質的に軽くして弱い風でも持ち上がるようにして風力発電機の発電効率を上げること、2つ目は、翼のリード・ラグ角度を風速に対応して調整し、過度な強風を逃がすことが可能としていることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するための手段として、本発明の羽ばたき型風力発電機では、風を受けて羽ばたく翼を含む翼手段と、前記翼の向きの変化点で翼のピッチ角を正負に反転させるピッチ角反転手段と、その羽ばたきの往復運動を回転運動に変えて発電手段に伝える伝達手段と、回転により発電する発電手段と、前記風を受けてその風速に応じて前記翼のリード・ラグ角調整するリード・ラグ角調整手段とを有し、前記翼手段には、前記翼手段をカウンタバランスするか又は及び前記翼手段の回転往復運動が激しくなることを防ぐダンパ機能を行うガススプリングを備えたことを特徴とする。
以下、請求項に沿って説明する。
【０００６】
請求項１記載の発明は、羽ばたき型風力発電機であって、風を受けて羽ばたく翼を含む翼手段と、前記翼の向きの変化点で翼のピッチ角を正負に反転させるピッチ角反転手段と、その羽ばたきの往復運動を回転運動に変えて発電手段に伝える伝達手段と、回転により発電する前記発電手段と、前記風を受けてその風速に応じて前記翼のリード・ラグ角調整するリード・ラグ角調整手段とを有し、前記翼手段には、前記翼手段をカウンタバランスするか又は及び前記翼手段の回転往復運動が激しくなることを防ぐダンパ機能を行うガススプリングを備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の羽ばたき型風力発電機において、前記リード・ラグ角調整手段は、前記風を受けるフェザーベーンと前記フェザーベーンの動きを受けるベーンレバーと前記ベーンレバーの動きを前記翼手段にリード・ラグ角変化として伝えるケーブルとを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の羽ばたき型風力発電機において、前記翼手段は、前記ケーブルによる前記翼手段のリード・ラグ角変化を容易にするカウンタバランスのために第二のガススプリングを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求２又は請求項３記載の羽ばたき型風力発電機において、前記ベーンレバーを手動にて操作して、前記風を逃がすラグ状態に前記翼手段をたたみ強風に対する安全状態を可能とすることを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の羽ばたき型風力発電機において、前記ピッチ角反転手段は、前記翼の伸びる方向の軸の回りに回転可能な回転部と、前記翼の回転を止めるピッチ角規定ツメとを前記翼手段が有し、前記翼の慣性力により前記ピッチ角を所望の角度で反転可能としたことを特徴とする。
【００１１】
請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の羽ばたき型風力発電機において、前記翼手段の回転往復運動の角度を前記伝達手段の機械的寸法と配置により、６０°±１０°に設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように構成されているので、本発明による羽ばたき型風力発電機では、翼手段のカウンタバランスとダンパ機能、風速対応のリード・ラグ角の調整機能、リード・ラグ角の調整機能でのカウンタバランス機能、ピッチ角反転機能、所望角度の回転往復運動を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による羽ばたき型風力発電機は、風を受けて羽ばたく翼を含む翼手段と、前記翼の向きの変化点で翼のピッチ角を正負に反転させるピッチ角反転手段と、その羽ばたきの往復運動を回転運動に変えて発電手段に伝える伝達手段と、回転により発電する発電手段と、前記風を受けてその風速に応じて前記翼のリード・ラグ角調整するリード・ラグ角調整手段とを有し、前記翼手段には、前記翼手段をカウンタバランスするか又は及び前記翼手段の回転往復運動が激しくなることを防ぐダンパを行うガススプリングを備えている。
以下、実施例を用い本発明の提案を説明する。
【００１４】
図１は、本発明による羽ばたき型風力発電機の全体構成の一実施態様を示す図である。
図２は、本発明による羽ばたき型風力発電機の翼とその往復運動手段の一実施態様を示す図である。図３は、本発明による羽ばたき型風力発電機の翼の往復運動を伝達する伝達手段と発電手段の一実施態様を示す図である。図４は、本発明による羽ばたき型風力発電機の翼のリード・ラグの角度調整を行う風速対応リード・ラグ角調整手段の一実施態様を示す図である。大きく分けて、各々の図を用い以下の４つの機能手段を説明する。一つ目は、風を受けて羽ばたきの往復運動をする翼とその往復運動手段、二つ目は、その往復運動をピストンを介して伝達しクランクで回転運動に変える伝達手段、三つ目は、その回転運動を増速して発電手段を回す発電手段、4つ目は、風速に応じて、翼のリード・ラグの角度調整を行う風速対応リード・ラグ角調整手段である。先ず、図1に沿って、本発明による羽ばたき型風力発電機の全体の動作を説明する。図に示された１００から１１１までの番号は、翼とその往復運動手段の構成手段に与えられたものである。１２０から１２６までの番号は伝達手段の構成手段に与えられたものである。１２７，１２８が発電手段の構成手段に与えられたものである。１３０から１３５までの番号は、風速対応リード・ラグ角調整手段の構成手段に与えられたものである。
【００１５】
番号１００から番号１０５Ａ、１０５Ｂまでの翼１００を含む部分は、回転軸を支持する軸支持体１０６Ａを基点に、この例では約６０度の風による回転往復運動をする。翼１００の往復運動は、風による浮力で浮き上がった後、最上部に達したら、風に対するピッチ角を変えて、下落しなければならないため、手漕ぎ船の櫓の運動をしている。図１と図２において、翼１００とこれを支持したステムブレード１０１と、ステムブレード１０１にリード・ラグ角度の調整のために回転可能に組み合わされたシャンクＡ１０２とこれに固定されたシャンクＢ１０３と、これをピッチ角変更のための回転可能に接続したブーツ１０４Ａ，Ｂとが示され、これらは、ブーツ支持体１０５Ａ、１０５Ｂに固定され、回転軸を介して、ベーステーブル１０６Ｂに固定されたピローボックス１０６Ａの回転穴の周りで回転する。これにより翼１００の回転往復運動を可能としている。
【００１６】
図１、図３において、番号１２０から番号１２６までのピストン１２２を含む伝達手段は、前記翼１００の回転往復運動を、翼１００の運動を伝える拡張アーム１０７とリンク受け具１２１の間にメインリンク１２０を介挿して、ピストン１２２の上下往復運動に変え、ピストン１２２の下端につけた連結具１２４と、連結バー１２５を介して、クランク１２６に回転運動をもたらしている。この回転運動は、増速器１２７で増速され、発電手段１２８を回して発電するようになっている。尚、ピストン１２２は、ピストンハウジング１２３の中を上下往復運動をする。
【００１７】
以上が羽ばたき型風力発電機の全体の動作であるが、次に、この動作を効率的に行うための本願の中心となる構成と動作を図を用いて説明する。発電動作を効率的に行う課題を列記すると、
１）翼が回転往復運動するときの力バランスを維持する効果的手段
２）翼が回転往復運動するときの急激な運動に対するダンパの効果的手段
３）翼の往復運動の上下端におけるピッチ角の効果的変更手段
４）風速に応じた翼のリード・ラグ角の効果的調整手段
５）翼を回転往復運動を約６０度で行う手段
がある。
【００１８】
１）の課題において、回転型の風力発電機と違って、羽ばたき型風力発電機では、翼を回転往復運動があることが特徴である。翼は、自重があるので、上下の向きで、翼の重量、従って揚力に違いがでる。上下端では、一旦停止する。停止状態から小さい風速でも容易に動かすことが効率を上げるポイントになる。そのため、重量を補うカウンタバランス手段を使用することがよい。エレベータなどで使用されるカウンタバランス手段としての錘は、翼に用いるには、どのような構成にするか難しい。
【００１９】
２）の課題において、風速が増した場合、翼の回転往復運動が激しくなることを防ぐことも安全な運転には必要であり、ダンパ機能が翼の往復運動に対して必要である。油圧ダンパを用いてもよいが、１）の課題を考慮すると、翼の回転往復運動手段にガススプリングを使用すると、１）と２）の課題が同時に解決できて簡単且つ軽量の構成が可能となり、極めて都合がよい。ガススプリングは、気体を封じた閉じられた空間を小さな穴の開いたピストンが往復する構造で、ピストンが移動するときに位置にかかわらずほぼ同じ力で移動することができ、翼のどの位置でも同じ力で動くように出来る。更に気体が穴を通じて移動する場合に空気抵抗が急激な動きに対してダンパ機能をするので、ひとつのもので１）と２）に対応した動きをすることができ、羽ばたき型発電機の回転往復運動手段の動作の課題に最適な手段を提供することができる。このガススプリングが図１と図３に示されるガススプリングＡ１０８である。ガススプリングＡ１０８は、ベーステーブル１０６Ｂに一端が設置され、他端は、翼１００の運動を継承する拡張アーム１０７に接続されているので、翼１００の運動のカウンタバランス機能とダンパ機能の両者を兼ねて効果的に回転往復運動をすることができる。
【００２０】
４）の翼のリード・ラグ角の効果的調整手段の課題について述べる。図１と図４において、フェザーベーン１３０は風速に応じて下向きの揚力を受けて、ベーン支持枠１３１を通じて、ベーンレバー１３２を押し下げ、ベーンレバー１３２のレバー先端手段１３３に結合したケーブル１３４、リード・ラグ調整ノブ１３５を通じて、翼１００をラグ側に移動させる。図１、図２に示すリード・ラグ調整ノブ１３５をケーブル１３４が引けば、シャンクＡ１０２対して、ステムブレード１０１が回転し、翼１００がラグ側（風下側）に移動し、風を逃がすフェザー状態にすることになる。従って、強風になるとうまく風を逃がしながら運転が可能である。更に危険な強風に対して運転を止めたい場合は、手動でベーンレバー１３２を押し下げて、完全に最大のラグ状態として、風を逃がしてしまうことが可能である。このリード・ラグの変化を小さい力で容易に行い、風速に追従しやすくするため、ガススプリングＢ１１１が、ステムブレード１０１と、シャンクＢ１０３に固定されたガススプリング支持アーム１１０の間に設置されている。ガススプリングＢ１１１は、ここではカウンタバランス機能を主に果たしている。尚、シャンクＢ１０３は、シャンクＡ１０２に固定され、ガススプリング支持アーム１１０はシャンクＢ１０３に固定されている。
【００２１】
次に、３）のピッチ角の効果的変更手段について述べる。図１、図２、図３において、翼１００とステムブレード１０１、シャンクＡ１０２、シャンクＢ１０３とシャンクＢ１０３に回転可能に接続したブーツ１０４Ａとこれに接続したブーツ支持体１０５Ａ、１０５Ｂは、回転軸を介して、ベーステーブル１０６Ｂに固定されたピローボックス１０６Ａの回転穴の周りで回転することを前述した。回転角度は任意であるが、この例では、６０度にしてある。翼１００が風を受けて上昇し上端に達すると、翼が止まると慣性力により、翼１００からシャンクＢ１０３が、ブーツ１０４Ａの周りに回転し、ガススプリング支持アーム１１０が拡張アーム１０７の先端に付いたピッチ角規定ツメ１０９Ｂに止められたところで回転は止まり、以後、それで規定されるピッチ角を維持する。上端で変わった後のピッチ角では、風により下向きの揚力を受ける翼の向きになり、翼１００の回転運動の下端では、慣性力により翼１００は逆に回転して、拡張アーム１０７の先端に付いたピッチ角規定ツメ１０９Ａに止められ、そこでは、風により上向きの揚力を受けることになる、このように、翼１００を含めた回転運動する部分の慣性力とピッチ角規定ツメ１０９Ａ、１０９Ｂによりピッチ角が変更され、櫓運動が達成される。このピッチ角の変更は、本発明者が先に提案した特許文献３にボブウェイトと呼ばれる錘を付ける例を示したが、慣性力を用いてピッチ角規定ツメ１０９Ａ、１０９Ｂを用いた方が構成が簡単であり、軽量化を図れる利点がある。勿論、ピッチ角の変更は、特許文献３に示したように、他の手段でも可能である。
【００２２】
回転往復運動の角度は、０°から９０°の範囲で適宜決められるが、次に５）の翼を回転往復運動の角度を約６０度にする手段を述べる。図７は、本発明による羽ばたき型風力発電機の伝達手段の諸量を決める関係を示す図である。図中の式（１）のｐと式（２）のＬの関係式から伝達手段の諸量が決められる。
例えば、Ｌ＝３０ｃｍ、Ｄ＝６ｃｍ、γ＝１５°とすると、ｐ＝６．２５５ｃｍとなり、ｒ＝２０ｃｍ、α＝β＝１５°、ｓ＝１４ｃｍとすると、
このｐに対応するＷの値は、Ｗ＝１４．８ｃｍ、約１５ｃｍとなる。
メインリンク１２０の長さをこのように調整することができる。又、相似の関係から、サイズに適当な係数を掛けたものも等価となる。この例のほかにもこの式に基づいて諸量の値を適当に決めることができる。尚、図７では、増速器のシャフトの中心がピストン軸の延長上にある場合も示した。この場合は、γ＝０
とおいて計算すればよい。
【００２３】
尚、発電手段のついたベーステーブル１０６Ｂに対して、翼とその往復運動手段の構成手段の回転ヨー角を可能にするヨー角回転手段とがある。これによって、風向きに応じた動作を可能としている。尚、発電手段の出力は、図示しないインバータを介して、商用電源との連係運転に供される。又、風向きに応じた動作は、左右の翼１００が受ける風による力のバランスする向きに常に向くようになっている。
【００２４】
尚、特許文献３でも示したように、翼１００の数は、２枚又は４枚と複数が基本であり、左右の翼では対称の動作、４枚では、前後の動作で上下に反対方向動作が、機械的強度、振動音、風の活用面の効率化の面で最も重要である。対称でないと、翼の非対称による力のアンバランスを強度的に受けるからである。又、翼の反転音も大きくなる。前後の翼が上下に同一方向では、前の翼の陰になって、有効に風の力を生かせない。又、翼をずらせても上下に同一方向では、風による揚力が翼の間で相手の翼の運動を阻害する方向に働いて効果が低減する。従って、翼同士は、一箇所のみで交差する上下に反対方向動作が重要である。図１の例は、２枚翼のものを示している。これと左右対称に動くものが、右側にあるが、左側のみ示されている。右側のものは、ブーツのみ示されている。
【００２５】
図５には、本願による羽ばたき型風力発電気の正面と側面の外観を示す図である。
番号は、以上の説明で使用した番号に対応している。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上の様に、本発明による羽ばたき型風力発電機は、翼が回転往復運動するときの力バランスを維持する効果的手段、翼が回転往復運動するときの急激な運動に対するダンパの効果的手段、翼の往復運動の上下端におけるピッチ角の効果的変更手段、風速に応じた翼のリード・ラグ角の効果的調整手段、翼の回転往復運動を約６０度で行う手段などを備えて、発電動作を効率的行うことが可能となるので、極めて好都合であり、産業上大きな利用性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による羽ばたき型風力発電機の全体構成の一実施態様を示す図である。
【図２】本発明による羽ばたき型風力発電機の翼とその往復運動手段の一実施態様を示す図である。
【図３】本発明による羽ばたき型風力発電機の翼の往復運動を伝達する伝達手段と発電手段の一実施態様を示す図である。
【図４】本発明による羽ばたき型風力発電機の翼のリード・ラグの角度調整を行う風速対応リード・ラグ角調整手段の一実施態様を示す図である。
【図５】本願による羽ばたき型風力発電気の正面と側面の外観を示す図である。
【図６】従来の風力発電機と本発明による風力発電機を比較する図である。
【図７】本発明による羽ばたき型風力発電機の伝達手段の諸量を決める関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１００、６０１  翼
１０１  ステムブレード
１０２  シャンクＡ
１０３  シャンクＢ
１０４Ａ、１０４Ｂ  ブーツ
１０５Ａ、１０５Ｂ  ブーツ支持体
１０６Ａ  ピローボックス
１０６Ｂ  ベーステーブル
１０７  拡張アーム
１０８  ガススプリングＡ
１０９Ａ、１０９Ｂ  ピッチ角規定ツメ
１１０  ガススプリング支持アーム
１１１  ガススプリングＢ
１２０  メインリンク
１２１  リンク受け具
１２２  ピストン
１２３  ピストンハウジング
１２４  連結具
１２５  連結バー
１２６  クランク
１２７  増速器
１２８  発電手段
１３０  フェザーベーン
１３１  ベーン支持枠
１３２  ベーンレバー
１３３  レバー先端手段
１３４  ケーブル
１３５  リード・ラグ調整ノブ
６０２  円
６０３  支柱
【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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