(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚のブレードを有するロータユニットが連結部材及び従動部材を介しメインシャフト上に実装されている風力エネルギ変換システム（ＷＥＣＳ）用複合ロータシステムであって、パイロットロータユニット及びメインロータユニットを併せ二種類のロータユニットと、それらロータユニットのうち少なくとも一方を実装先のメインシャフトに連結するクラッチ装置と、を備え、ロータユニット相互間及びロータユニット・メインシャフト間に可制御的且つ回転可分離的な伝達関係が形成され、
そのクラッチ装置が、パイロットロータユニットをメインシャフトに連結するパイロットロータクラッチと、それとは独立してメインロータユニットをメインシャフトに連結するメインロータクラッチと、を有し、上記二種類のロータユニットに係る可制御的且つ回転可分離的な伝達関係として、パイロットロータからパイロットロータクラッチを介しメインシャフトに至るもの、並びにメインロータからメインロータクラッチを介しメインシャフトに至るものが形成される、
ことを特徴とするＷＥＣＳ用複合ロータシステム。
【請求項２】
請求項１記載のＷＥＣＳ用複合ロータシステムであって、そのクラッチ装置が、負荷性の係合モード及び無負荷性の分離モードを併せ二種類の動作モードを有するオーバランニングクラッチであることを特徴とするＷＥＣＳ用複合ロータシステム。
【請求項３】
請求項１または２記載のＷＥＣＳ用複合ロータシステムであって、ロータユニット相互間及びロータユニット・メインシャフト間に、オーバランニングクラッチを介し、
メインロータユニットよりパイロットロータユニットの方が回転角速度が高いため、パイロットロータクラッチが負荷性の係合モード、メインロータクラッチが無負荷性の分離モードとなっていて、メインシャフトに対するトルク供給がパイロットロータユニットに担われる一方より低速なメインロータユニットによるメインシャフト駆動効果が喪失されている関係１と、
パイロットロータユニットの回転角速度がメインロータユニットの回転角速度と等しいため、パイロットロータクラッチ及びメインロータクラッチが共に係合分離間境界状態となっていて、メインシャフトがパイロットロータユニット及びメインロータユニットの協働で駆動される関係２と、
メインロータユニットよりパイロットロータユニットの方が回転角速度が低いため、パイロットロータクラッチが無負荷性の分離モード、メインロータクラッチが負荷性の係合モードとなっていて、メインシャフトに対するトルク供給がメインロータユニットに担われる一方より低速なパイロットロータユニットによるメインシャフト駆動効果が喪失されている関係３と、
を含む可制御的且つ回転可分離的な伝達関係が形成されることを特徴とするＷＥＣＳ用複合ロータシステム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項記載のＷＥＣＳ用複合ロータシステムであって、そのメインロータユニットのブレードが１８°未満の迎え角を呈する一方、パイロットロータユニットが少なくとも４枚のブレードを有する低風速ロータであることを特徴とするＷＥＣＳ用複合ロータシステム。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一項記載のＷＥＣＳ用複合ロータシステムであって、そのクラッチ装置がラチェット型オーバランニングクラッチであることを特徴とするＷＥＣＳ用複合ロータシステム。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか一項記載のＷＥＣＳ用複合ロータシステムであって、そのクラッチ装置がフリクション型オーバランニングクラッチであることを特徴とするＷＥＣＳ用複合ロータシステム。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれか一項記載のＷＥＣＳ用複合ロータシステムであって、先行して受風できるようそのメインロータユニットがパイロットロータユニットより風上に常在することを特徴とするＷＥＣＳ用複合ロータシステム。
【請求項８】
請求項７記載のＷＥＣＳ用複合ロータシステムであって、そのメインロータユニット及びパイロットロータユニットが発電機から見て同じ側にあることを特徴とするＷＥＣＳ用複合ロータシステム。
【請求項９】
請求項７記載のＷＥＣＳ用複合ロータシステムであって、そのメインシャフトが発電機の軸部を通じて延び、その発電機から見てメインロータユニットが風上、パイロットロータユニットが風下にあることを特徴とするＷＥＣＳ用複合ロータシステム。
【請求項１０】
請求項１乃至３のいずれか一項記載のＷＥＣＳ用複合ロータシステムであって、そのメインロータユニット及びパイロットロータユニットのうち一方又は双方が、減速機構を介しメインシャフトに連結されていることを特徴とするＷＥＣＳ用複合ロータシステム。
【請求項１１】
請求項１乃至９のいずれか一項記載のＷＥＣＳ用複合ロータシステムを備えるＷＥＣＳ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力エネルギ変換システム（ＷＥＣＳ）用ロータシステム、特にその可制御的な双ロータ複合システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＷＥＣＳの分野では、低風速条件下での風力エネルギ捕捉効率が低いため限られた範囲でしかＷＥＣＳを利用できないことが深刻な問題となっている。低風速条件下で風力エネルギを捕捉できないのは始動に足るトルクが得られないからであり、水平軸ロータを使用するＷＥＣＳでは一般に風速３〜４ｍ／ｓが限界と見なされている。
【０００３】
それ未満の風速は、風力エネルギを効率よく捕捉できず発電機等を駆動可能な回転トルクが得られないため放擲されるのが一般的である。
【０００４】
しかしながら、統計によれば、開発容易地域に占める風速４ｍ／ｓ未満地域の割合は８５％を上回っている。そのため、低風速条件下で効率よく風力エネルギを捕捉できるようにすることが、ＷＥＣＳ業界における共通した技術的課題となっている。
【０００５】
次に、背景となる理論及び技術に関して説明する。本願では、そうした理論及び技術を説明するため「翼断面(airfoil)」「揚力(lift)」「抗力(drag)」「揚抗比(ratio of lift coefficient and drag coefficient)」「迎え角(attack angle)」「旋回速度(turning speed)」「周速比(tip-speed ratio)」「周速比と風力エネルギ変換効率(wind energy conversion efficiency)の関係」「風力エネルギ捕捉効率(wind energy capturing efficiency)」等の用語を多用するが、それらはいずれも空気力学及び風力発電の分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）にとり周知なものであるので詳細には説明しないこととする。
【０００６】
代表的な参考文献としては非特許文献１及び２がある。
【０００７】
まず、翼断面及び揚力に関する一般的な空気力学的原理によれば、所与風速条件下で所与翼断面のブレードに現れる揚抗比及びトルクは、そのブレードの迎え角を変化させるにつれ変化するほか、そのブレードの旋回速度にも依存する。
【０００８】
その迎え角が大きな値に保たれているブレードでは、低風速条件下や低旋回速度条件下でも割合に大きな回転トルクが発生する。反面、抗力が速度の自乗に正比例することから、高風速条件下や高旋回速度条件下では非常に大きなトルクが発生し、実際、ダンピングが生じてロータが回転しなくなるほどである。
【０００９】
その迎え角が小さな値に保たれているブレードでは、高風速条件下や高旋回速度条件下で非常に大きな揚力トルクと比較的小さな抗力トルクが発生する。しかしながら、低風速条件下で発生する回転トルクが非常に小さく、そのことがロータ始動条件を制約している。
【００１０】
総じて、単一のロータで低風速条件下始動の容易化と高旋回速度条件時効率の向上とを両立させることは難しいことである。
【００１１】
そこで、縦列的に連なるよう高速ロータ及び低速ロータをメインシャフト上に堅固に実装することで、低風速条件下始動の容易化と高旋回速度条件時効率の向上とを実現する実験を行ってみた。しかしながら、その実験で明らかになったのは、次のような理由で、そのやり方が理論的にも現実的にも通用しないことであった。まず、低風速条件下始動の容易化に資する手段としては、自明な通り、迎え角増大、ブレード追加、風上部分面積拡張等の手段がある。これらの手段を採ることで、確かにトルクが増して始動が容易になるが、ロータの回転が速まるたりそこで生じる空気力学的抗力が大きくなってしまう。そうなると、速度自体が制約されるに留まらず、より重要なことにメインロータの旋回速度も悪影響を受けてしまう。即ち、高風速条件下や高旋回速度条件下での捕捉効率が低下し割に合わないほどになってしまう。従って、二種類のロータを一体的な機構内に組み込むことは非現実的なことである。
【００１２】
また、特許文献１にその設計思想が示されている風力発電用フレーム型多段ＷＥＣＳでは、その直径が異なるフレーム型多段ロータ複数個が順に同軸実装されており、そのロータそれぞれがギアボックスに連結されている。個々のロータの水平軸周り回転は、そのギアボックス内の鉛直シャフトで鉛直軸周り回転に変換された後、支持装置の下部へと伝達されていく。その支持装置は方位回転台に載っており、その方位回転台は回転装置を介し円形安定台に載っており、その円形安定台は土台に連結されている。方位回転台の主方位フレームは発電機の一端に位置しており、その発電機のシャフトは方位回転台の中心を指す水平シャフトに連結されており、その水平シャフトは一対のテーパ付ギアを介しギアボックス内の下向き鉛直シャフトに連結されている。このシステムは、多段ロータ群を用い風力エネルギを利用することを狙ったものであるが、パワー、旋回速度、トルク等の特性がロータ毎に異なるため個々のロータを個別に制御することができない、という大きな問題を孕んでいる。実際、このシステムでは、全てのロータを機械的に連結することで閉鎖的なシステムが形成され、それらの出力が単一のメインシャフトへと同時に伝達されるようになっている。そのため、現実に稼働させると次のような状況が発生する。まず、低速ロータが負担になるため、高速ロータを相応の高速で回転させることができず、目的とする出力パワーが得られない。低速ロータが他のロータによって駆動され高速で回転するため、過剰な空気力学的ダンピングが生じ、従って理想的な出力パワーを得ることができない。総じて、このようにロータ同士が悪影響を及ぼしあうのでは、風力エネルギを効率的に利用することができない。その構成が複雑且つ大型になるため、システムの経済性、信頼性及び利用可能性も損なわれてしまう。なお、特許文献１のそれと同じ発明者による特許文献２は、主として、特許文献１記載のシステムにおける伝達の最適化を狙ったものであり、本願にて指摘した他の諸問題に対する解決策は示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】中国実用新案第２８０２１１６号明細書
【特許文献２】中国特許出願公開第１０１００４１６８号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】"Wind Engineering and Industrial Aerodynamics," compiled by He Dexin et al., National Defense Industry Press, 1st edition in January 2006
【非特許文献２】"Wind Energy Handbook," written by Tony Burton et al., Science and Industry Press, 1st edition in September 2007
【非特許文献３】"Mechanical Design Handbook," China Machine Press, new edition,Volume 3 'Design of Mechanical Parts and Transmission,' Part 22 'Coupling, Clutch and Brake,' Chaptor 10, 'Overrunning Clutch'
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
まとめると、従来からある諸手法のいずれでも、低速条件下及び高速条件下の双方で、１個のＷＥＣＳにより風力エネルギを効率的に捕捉可能とする、といったことは実現されていない。
【００１６】
本発明の目的は、従来技術に係る諸問題を解決可能な可制御的複合ロータシステム及びそれを用いたＷＥＣＳを提供すること、特に低風速条件下や低旋回速度条件下で始動に適するトルクを発生させることができ、且つ高風速条件下や高旋回速度条件下でパイロットロータを分離させ支障なくメインロータを作動させ続けることができるものを提供することにある。即ち、本発明の目的は、低速条件下で大きなトルクが得られる一方、高速条件下で空気力学的抗力トルクによる妨げを受けることがないようにすることで、風力エネルギの利用可能範囲を拡げ風力エネルギ捕捉効率を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述した目的を達成するため本発明で採用した技術的解決策は、メインシャフト上に二種類のロータユニットを縦列実装し、そのロータユニットのうち一方又は双方をクラッチ装置によりメインシャフトと非堅固に連結することで、ロータユニット相互間及びロータユニット・メインシャフト間に可制御的且つ回転可分離的な伝達関係を形成する、という策である。より詳細には、それら二種類のロータユニットとして、次のような機能を有するメインロータユニット及びパイロットロータユニットを設ける。
【００１８】
１．“メインロータユニット”は、具備する複数枚のブレードが１８°未満の迎え角を呈するユニットであり、周速比が２を上回る高周速比（高風速又は高旋回速度）条件下で高い風力エネルギ捕捉効率を呈し大きな回転トルクを発生させる。反面、周速比が２を下回る低周速比（低風速又は低旋回速度）条件下では小さな回転トルクしか発生させることができない。
【００１９】
２．“パイロットロータユニット”は、少なくとも４枚のブレードを有する低風速ロータであり、周速比が２を下回る低周速比（低風速又は低旋回速度）条件下で大きな回転トルクを発生させる。
【００２０】
自明な通り、パイロットロータユニットは、メインロータユニットでは捕捉困難な低風速風力エネルギを捕捉するために使用されており、それによりもたらされる主回転トルクで直接に始動される。周速比が２を上回る高周速比条件下では、メインロータユニットが風力エネルギ捕捉の責を一身に担いメインシャフトを回転駆動する。
【００２１】
また、クラッチ装置はオーバランニングクラッチとするのが望ましい。これは次に示す二形態で実装することができる。
【００２２】
第１の形態は、パイロットロータユニット・メインシャフト間とメインロータユニット・メインシャフト間にクラッチを各１個実装する形態である。第２の形態は、パイロットロータユニット・メインシャフト間にクラッチを１個実装する形態である。メインロータユニット、パイロットロータユニット及びそれらの間に介在するクラッチ装置をこうした形態でメインシャフト上に実装することで、それらロータユニット相互間及びロータユニット・メインシャフト間に可制御的且つ回転可分離的な伝達関係が形成されることとなる。その伝達関係は次のような論理関係を包含している。
【００２３】
関係１．パイロットロータユニットの回転角速度がメインロータユニットのそれより高い場合、クラッチ装置が係合モードとなるためパイロットロータユニットによってメインシャフトが駆動される。
【００２４】
関係２．パイロットロータユニットの回転角速度がメインロータユニットのそれと等しい場合、クラッチ装置が係合分離間境界状態となるためパイロットロータユニット及びメインロータユニットの双方によってメインシャフトが駆動される。
【００２５】
関係３．パイロットロータユニットの回転角速度がメインロータユニットのそれより低い場合、クラッチ装置が分離モードとなるためパイロットロータユニットに代わりメインロータユニットによってメインシャフトが駆動される。
【００２６】
本発明に係る技術策は、こうした構成のＷＥＣＳ用複合ロータシステムを使用しＷＥＣＳを構成する、というものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明には以下のような効果がある。まず、クラッチ装置が適宜スイッチングされる結果、パイロットロータユニットが低速条件下、メインロータユニットが高速条件下で稼働するため、低風速条件下で風力エネルギを捕捉して始動に足る大きなトルクを発生させるだけでなく、その低風速風力エネルギを始動後も引き続き利用することができる。更に、高風速条件下で秀逸な風捕捉能力を呈するというメインロータユニットの長所を、全面的に発揮させることができる。従って、低風速条件下及び高風速条件下の双方で風力エネルギを捕捉し利用することが可能なＷＥＣＳを実現し、ＷＥＣＳを利用可能な速度範囲及び地理的範囲を大きく拡げその広範な利用を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明におけるパイロットロータユニットの好適例を示す模式的概略構造図である。
【図２】本発明におけるメインロータユニットの好適例を示す模式的概略構造図である。
【図３】本発明におけるフリクション型オーバランニングクラッチの好適例を示す模式的断面構造図である。
【図４】本発明におけるラチェット型オーバランニングクラッチの好適例を示す模式的断面構造図である。
【図５】本発明に係り、メインロータユニット・メインシャフト間及びパイロットロータユニット・メインシャフト間にクラッチが各１個実装されているシステムを示す模式的断面図である。
【図６】パイロットロータユニット・メインシャフト間のみにクラッチが実装されているシステムを示す模式的断面図である。
【図７】パイロットロータユニット及びメインロータユニットからなる複合ロータシステムの例を示す概略構造図である。
【図８】本発明に係り、発電機から見て一方の側にメインロータユニット、他方の側にパイロットロータユニットが実装されている例を示す模式図である。
【図９】本発明に係り、各ロータユニットが発電機から見て同じ側に実装されている例を示す模式図である。
【図１０】本発明に係り、各ロータユニットが発電機から見て同じ側に実装されている例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、別紙図面に記載の実施形態を参照しつつ本発明についてより詳細に説明する。
【００３０】
図１に、パイロットロータユニットの好適例としてブレードを６枚備えるものを示す。図示の通りブレード枚数、ブレード面積及び迎え角が大きなユニットでは、その風力エネルギ捕捉能力が高くなることが多い。この構成では、低風速条件下でも風力エネルギを容易に捕捉できる反面、ある旋回速度に達すると空気力学的抗力が顕著に増すため風力エネルギ利用効率が大きく低下する。この性質は、空気力学及び風力エネルギ技術の分野でいわゆる当業者にとり周知のものであるので、本願では詳細な説明を省略することとする。
【００３１】
図２に、メインロータユニットの好適例としてブレードを３枚備えるものを示す。図示の通り上掲のパイロットロータユニットに比べブレード枚数、ブレード面積及び迎え角が小さなユニットでは、低風速条件下での風力捕捉能力が低くなる。しかしながら、一旦ある始動速度に達した後は、高風速条件下及び高旋回速度条件下で傑出した風力捕捉能力及び風力エネルギ利用効率を呈する。これらの性質は、空気力学及び風力エネルギ技術の分野でいわゆる当業者にとり周知のものであるので、本願では詳細な説明を省略することとする。
【００３２】
図３に、フリクション型オーバランニングクラッチの断面を模式的に示す。
【００３３】
オーバランニングクラッチの構造的な原理は機械工学技術の分野でいわゆる当業者にとり周知なものであるので、本願では詳細な説明を省略することとする。
【００３４】
その詳細について触れている権威ある参考技術文献としては非特許文献３がある。
【００３５】
図４に、ラチェット型オーバランニングクラッチの断面を模式的に示す。
【００３６】
図５に、クラッチをメインロータユニット・メインシャフト間及びパイロットロータユニット・メインシャフト間に各１個実装した構成を模式的に示す。それら二種類のロータユニットは、可制御的且つ回転可分離的な伝達関係がロータユニット・メインシャフト間に都合二通り生じるよう、対応するクラッチを介しメインシャフトに連結されている。
【００３７】
即ち、パイロットロータユニットからパイロットロータクラッチを経てメインシャフトに至る関係と、メインロータユニットからメインロータクラッチを経てメインシャフトに至る関係が生じている。
【００３８】
これら二通りの伝達関係においては、自明な通り、メインロータユニット及びパイロットロータユニットのうち始動が早かった方又は旋回角速度が高い方のロータユニットに係るクラッチが負荷性の係合モードとなり、そのクラッチを介しそのロータユニットがメインシャフトを回転駆動する。当然、始動が遅かった方又は旋回角速度が低い方のロータユニットに係るクラッチは無負荷性の分離モードとなり、そのロータユニットはより低速となるのでメインシャフトの駆動に関わることができない。
【００３９】
低風速風力エネルギ捕捉能力に関してはメインロータユニットに比べパイロットロータユニットが勝っているので、自明な通り、先に始動するのは常にパイロットロータユニットであり、始動したパイロットロータユニットは負荷の慣性モーメント及び抗力トルクに抗し回転駆動されて仕事を行う。このとき、負荷の慣性モーメント及び抗力をパイロットロータユニットが引き受けているので、回転中のメインロータユニットに作用する負荷は非常に小さく、メインロータユニットは外から吹き付ける風による揚力で簡単に回転駆動されうる状態となっている。それにより回転が速まったメインロータユニットは、吹き付ける風のエネルギを強く捕捉及び吸収して更に速く回転するようになる。その継続によってメインロータユニットの角速度がパイロットロータユニットの角速度より高くなると、パイロットロータユニットによるメインシャフト駆動効果が喪失され、メインロータユニットのみでメインシャフトが駆動される状態となる。その後、風速が低域に落ちてメインロータユニットに対し十分な揚力トルクが作用しなくなると、負荷による抗力の許、メインロータユニットの回転が遅くなり又は停止する。すると、パイロットロータクラッチが負荷性の係合モードとなり、メインロータユニットがそれより低速となり、回転しているメインシャフトの負荷がパイロットロータユニットに再び作用し始める、といった具合に、絶え間なくスイッチングを挟む動作が継続される。従って、このＷＥＣＳでは有益な効果を享受することができる。即ち、低風速風力エネルギを容易に捕捉して利用することができるのに加え、高風速風力エネルギを効率的に捕捉することができるので、ＷＥＣＳの利用可能範囲が顕著に拡がりその利用価値が大きく高まる。
【００４０】
図６に、本発明に係りパイロットロータユニット・メインシャフト間のみにオーバランニングクラッチが実装されている構成の断面を模式的に示す。
【００４１】
この例では、オーバランニングクラッチの駆動ポートがパイロットロータユニットに対し、また被駆動ポートがメインシャフトに対し堅固に連結される一方、メインロータユニットがメインシャフトに対し堅固に連結されている。先に示した例に対する相違点は、メインロータユニットが堅固に、またオーバランニングクラッチを介さずメインシャフト上に実装され、そのメインシャフトを通じパイロットロータユニット側に連結されていることである。こうした構成では、パイロットロータユニット・メインシャフト間の可制御的且つ回転可分離的な伝達関係として、パイロットロータユニットから対応するクラッチを経てメインシャフト及びメインロータユニットに至る関係が形成される。従って、パイロットロータユニットが風力エネルギを捕捉し先行して始動したとき、その出力でメインシャフトだけが直接駆動されるのではなく、メインロータユニットの始動に応じメインシャフトが回転し始めるようメインシャフトとメインロータユニットが共に駆動される。トルクは、負荷性の係合モードとなったオーバランニングクラッチを介し伝達され、そのトルクによってメインロータユニットが回転駆動される。この回転に伴い、メインロータユニットで吸収される風力エネルギの量が増し、揚力が増して実効的なトルクが発生する。メインロータユニットはそのトルクによって駆動され、負荷の慣性モーメント及び抗力トルクに抗して仕事を行う。このとき、負荷の慣性モーメント及び抗力をパイロットロータユニットが引き受けているので、回転中のメインロータユニットに作用する負荷は非常に小さく、メインロータユニットは外から吹き付ける風による揚力で簡単に回転駆動されうる状態となっている。それにより回転が速まったメインロータユニットは、吹き付ける風のエネルギを強く捕捉及び吸収して更に速く回転するようになる。
【００４２】
この効果が強まると、いずれメインロータユニットの角速度がパイロットロータユニットの角速度を上回る。ある水準以上の風速になるとメインロータユニットは更に速く回転する。
【００４３】
メインロータユニットの旋回速度がパイロットロータユニットの旋回速度より高くなると、オーバランニングクラッチが無負荷性の分離モードへと自動的にスイッチングされるため、パイロットロータユニットはより低速な状態となりメインシャフト駆動効果を喪失する。この動作は上述したものと同様の動作である。その後、風速が低域に落ちてメインロータユニットに対し十分な揚力トルクが作用しなくなると、負荷による抗力の許、メインロータユニットの回転が遅くなり又は停止する。すると、パイロットロータクラッチが負荷性の係合モードとなり、メインロータユニットがそれより低速となり、回転しているメインシャフトの負荷がパイロットロータユニットに再び作用し始める、といった具合に動作が継続されていく。そのため、このロータシステムは、常に、低風速条件下で始動させることができ、また高旋回速度条件下で抗力を抑え高い効率を実現することができる。
【００４４】
図７に、パイロットロータユニット及びメインロータユニットからなる複合ロータシステム全体の概略構造を示す。この例は、先行して受風できるようメインロータユニットを風上に実装した構成であり、風力エネルギを効率よく捕捉できることが実験的に確認されている。理論的に裏付けることも難しくない。まず、メインロータユニットが静止、パイロットロータユニットが回転している状態では、メインロータユニットにて攪乱された風がパイロットロータユニットに吹き付けることとなるが、その攪乱は無視しうる程度のものであるので、パイロットロータユニットの風力捕捉能力はほとんど影響を受けない。また、メインロータユニットが回転している状態では、ほとんど全ての風力エネルギがその高速回転によって吸収され、僅かな風力エネルギだけが後逸されることとなる。この状態ではパイロットロータユニットがより低速となっていてメインシャフト駆動効果を喪失しているので、後逸された僅かな風力エネルギが（吸収こそできないが）これに影響を及ぼすようなこともない。
【００４５】
対するに、パイロットロータユニットを風上、メインロータユニットを風下に実装した場合、メインロータユニットは常に攪乱の影響を受けることとなる。不規則な流場がパイロットロータユニットの直径域を超え遠心方向に散開するため、メインロータユニットではほんの僅かなエネルギしか吸収することができず、結果として高速条件下でメインロータユニットにより捕捉される風力エネルギの量がかなり少なくなる。従って、配置の順番を逆にすることはできない。
【００４６】
加えて、従来のＷＥＣＳは風速が３．５ｍ／ｓ未満だと始動させることができなかったが、本発明の技術であれば風速が１．６〜１．８ｍ／ｓまで低下しても始動可能であることが、多数回の実験で確かめられている。更に、メインロータブレードの迎え角を、高風速条件や高旋回速度条件に適する角度に設定しておくことができるので、高速条件下での性能を理想に近づけ効率を約１９％超も高めることができる。
【００４７】
図８に、本発明に係るロータシステムの発電機にメインシャフトを直接通し、その発電機から見て一方の側にメインロータユニット、他方の側にパイロットロータユニットを配した構造を示す。この構造もまた本発明の好適な実施形態の一つである。有益なことに、発電機を挟みロータユニットが配置されているのでバランスをとりやすく、その機械的構造が良好なものになる。更に、ロータユニット間隔を十分に拡げ、ロータユニット間での流場攪乱を防ぎ、それを通じ渦の影響を抑えることができる。
【００４８】
図９及び図１０に、メインロータユニット及びパイロットロータユニットが発電機から見て同じ側にある構成を示す。まず、図９に示したのは両ロータユニットが発電機から見て風上側に位置している状態であり、この状態では高い効率で風力エネルギを吸収することができる。また、図１０に示したのは両ロータユニットが発電機から見て風下側に位置している状態であり、この状態では両ロータユニットの働きでＷＥＣＳ全体の向きが調整されるため、従来と違い尾翼を設ける必要がない。この例は、特に小型ＷＥＣＳにて実用的なものである。
【００４９】
なお、本発明では、そのメインシャフトをリジッドな単体とする必要はなく、複数本のシャフトをカップリング等で相互連結したアセンブリを使用することもできる。そのような構成も本発明の総合的な技術的範囲内に収まる好適な実施形態の一つであり、本発明の発明性と違背するものではない。
【００５０】
また、メインロータユニット及びパイロットロータユニットのうち一方又は双方を、メインシャフトに対し減速機構経由で連結してもよい。こうするとトーション（捩れ）が増す。特にパイロットロータユニットの場合、静止状態から発電機を始動させること（大きなトーションを発生させること）が求められるのでこうするのが望ましい。
【００５１】
更に、減速機構を設けることでトーションが増した分、そのロータユニットのブレードを短くすることができる。減速機構としては、機械的、流体的又は電磁的な減速機等を使用することができる。
【００５２】
本発明は、更に、上述したＷＥＣＳ用複合ロータシステムを備えるＷＥＣＳとして実現することができる。
【００５３】
上掲の例から理解できるように、本発明に係るＷＥＣＳによれば、低風速条件下で始動に足る大きなトルクを発生させること及び始動後もその低風速風力エネルギを捕捉して利用することができるだけでなく、高風速条件下や高旋回速度条件下で秀逸な風力捕捉効率を呈するというメインロータの長所を全面的に発揮させることができる。即ち、このＷＥＣＳでは低風速条件か高風速条件かを問わず風力エネルギを捕捉して利用することができるので、ＷＥＣＳを利用可能な速度範囲及び地理的範囲がかなり拡がりその広範な利用が実現されることとなる。
【００５４】
以上、幾つかの実施形態を具体的に示しつつ本発明について詳細に説明したが、いわゆる当業者には自明な通り、それらに対しては本発明の技術的範囲内で様々な変形乃至改良を施すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明により提供される可制御的なＷＥＣＳ用双ロータ複合システムでは、低風速条件下ではパイロットロータユニット、高風速条件下ではメインロータユニットが稼働するよう、オーバランニングクラッチが随時スイッチングする。従って、これを使用したＷＥＣＳでは、低風速条件下で始動に足る大きなトルクを発生させること及び始動後にその低風速風力エネルギを捕捉して利用することができるのみならず、高風速条件下や高旋回速度条件下で秀逸な風捕捉効率を呈するというメインロータの長所を全面的に発揮させることができる。即ち、このＷＥＣＳでは低風速条件か高風速条件かを問わず風力エネルギを捕捉して利用することができるので、ＷＥＣＳを利用可能な速度範囲及び地理的範囲がかなり拡がり、その広範な利用が実現されることとなる。
【符号の説明】
【００５６】
１  パイロットロータブレード、２  メインロータブレード、３  メインシャフト、４  メインロータクラッチ、５  パイロットロータクラッチ、５ａ  クラッチ内駆動ポート、５ｂ  クラッチ内被駆動ポート、６  ラチェットクロー、７  連結キー、１２  発電機本体。
【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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【図９】
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【図１０】
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