(57)【要約】【課題】ダウンウインド式風車において支柱による乱流を抑止する整流板を軽量且つ安価な構造で取り付ける。【解決手段】ダウンウインド式風車１００は、頂上部にナセル１８を回転可能に支持した円筒状の支柱１と、支柱１の風下側に配置された整流板２５と、ナセル１８の下部であって、整流板２５の重心位置Ｇよりも風上側の位置に、風向方向と支柱の長さ方向を含む面内のみの回転を許容するように整流板２５を吊り支持するジョイント２６と、ジョイント２６により吊下げられた整流板２５が、ジョイント２６を回転中心として風向方向と支柱１の長さ方向を含む面内で回転したときに支柱１に当接する位置に設けられ、支柱１回りへナセル１８が旋回する際に支柱１周囲面を転動するローラ２７とを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼車の水平な回転中心軸を軸支するナセルと、
頂上部に前記ナセルを回転可能に支持した円筒状の支柱と、
前記支柱の風下側に配置され、該支柱のさらに風下側に概略三角形状の頂点を有する平面視断面形状である整流板と、
前記ナセルの下部であって、前記整流板の重心位置よりも風上側の位置に、風向方向と支柱の長さ方向を含む面内のみの回転を許容するように前記整流板を吊り支持するジョイントと、
前記ジョイントにより吊下げられた前記整流板が、前記ジョイントを回転中心として風向方向と支柱の長さ方向を含む面内で回転したときに前記支柱に当接する位置に設けられ、前記支柱回りへ前記ナセルが旋回する際に前記支柱周囲面を転動するローラとを備えたことを特徴とするダウンウインド式風車。
【請求項２】
前記ジョイントが弾性板からなり、該弾性板は水平向き溝状の切欠部を有することを特徴とする請求項１記載のダウンウインド式風車。
【請求項３】
前記整流板に、前記支柱を両側から間隔を開けて包囲するホルダアームが取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のダウンウインド式風車。
【請求項４】
前記支柱の途中位置に前記支柱の外周に固定的に勘合した筒状のブラケットと、水平方向に前記ブラケットから水平方向に張り出した複数の腕部と、腕部の各先端から当該ダウンウインド式風車の設置面に対して引張されたワイヤとを有し、前記引張されたワイヤの角度は、前記支柱の中心を通る線と回転中心軸の軸心を通る線との交点に前記ワイヤを上に延長した延長線が通る角度であることを特徴とするダウンウインド式風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平な回転中心軸を有する風車の支柱後方の空気流の乱れを抑制したダウンウインド式風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダウンウインド式風車とは、翼車を風下側に設けた風車であって，アップウインド式風車にみられる風向追従するための尾翼若しくは風向制御機構が不要で、コストダウンが図れる風車である。ダウンウインド式風車では、風車の支柱後方に空気流の乱れが発生し、翼車に至ることが問題となっており、これを解決するものとして、例えば特許文献１に開示されている技術がある。
【０００３】
特許文献１によれば、タワーの外周に流線型横断面形状を有する整流板を配置して、タワーに対して回転自在に装着することにより、翼車に向かう空気の流れを整流している。整流板は、タワーの高さ途中にリングベアリングを介して装着されたり、ナセルから吊下げられて装着される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６１−１５２７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リングベアリングを介して整流板を装着すると、リングベアリングの使用による構造の複雑化やコストが増大する。一方、ナセルから吊下げて装着する場合、整流板が流線型状をしているため、支柱と整流板の間に発生する負圧により風上側に吸込まれたり、風下側に押し流されたりして吊下げ部に負荷が掛かったり、またタワーとの隙間が狭いとタワーに衝突する恐れもある。
本発明は、整流板をナセルから吊下げる際に軽量且つ安価な構造を有するダウンウインド式風車を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のダウンウインド式風車は、翼車の水平な回転中心軸を軸支するナセルと、頂上部に前記ナセルを回転可能に支持した円筒状の支柱と、前記支柱の風下側に配置され、該支柱のさらに風下側に概略三角形状の頂点を有するような平面視断面形状である整流板と、前記ナセルの下部であって、前記整流板の重心位置よりも風上側の位置に、風向方向と支柱の長さ方向を含む面内のみの回転を許容するように前記整流板を吊り支持するジョイントと、前記ジョイントにより吊下げられた前記整流板が、前記ジョイントを回転中心として風向方向と支柱の長さ方向を含む面内で回転したときに前記支柱に当接する位置に設けられ、前記支柱回りへ前記ナセルが旋回する際に前記支柱周囲面を転動するローラとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、一方向のみに回転稼動するジョイントにより吊り支持された整流板は、重心位置がジョイントの下に無く風下側にずれているため、重力作用により常に支柱に受け止められる状態になり、装置全体としての必要な剛性が小さくなり、装置の軽量化や製造コストの低廉化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】整流板を有するダウンウインド式風車を示す全体図である。
【図２】整流板の要部を示す図である。
【図３】整流板の上部周辺を示す図である。
【図４】整流板の下部を下方から見た図である。
【図５】ワイヤの引張状態を示す図である。
【図６】スピナとナセルの内部を示す図である。
【図７】他の実施例を示す図である。
【図８】他の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１において、ダウンウインド式風車１００は、円筒管を起立させた支柱１の頂上部に、水平に配置された回転中心軸１５を有する翼車２が設置されている。
支柱１の途中には、筒状のブラケット５が支柱１の外周に固定的に勘合されている。ブラケット５からは４方向に夫々腕部５ａが水平に伸び、各先端からワイヤ１２がダウンウインド式風車１００の設置面（地面）に延設されている。ワイヤ１２は、支柱１の中心を通る線と回転中心軸１５の軸心を通る線との交点を、夫々のワイヤ１２を上に延長した延長線が通るように、地面等の設置面から斜めの角度に引張されている。
【００１０】
翼車２の直径は、３ｍ乃至２０ｍである。図中、風向きを矢印イ方向とすると、回転中心軸１５の風下側に、スピナ１３、支持棒１４、セイル１６が備えられる。スピナ１３の外周面の後部から放射状に複数（図示例では６本）の支持棒１４が等角度間隔に延設されている。セイル１６は各支持棒１４に対応して配置されるもので、帆布で概略三角形である。各セイル１６は前縁が対応する支持棒１４に支持され、後縁側の頂点からはセイル１６を展張するためのワイヤ１７を延出されている。各ワイヤ１７は、本願発明者による特願２０１１-２６３２２７号に示したように隣接する支持棒１４の先部を経て回転中心軸１５内に配置された図示しないスプリングの弾力を付与される構成となっている。セイル１６が強い風を受けたとき、風圧により、対応する引張ワイヤ１７が前記スプリングの弾力に抗して引き出されセイル１６に作用する風力をセイル１６の姿勢変更により減少させる。
【００１１】
プレート３はナセル１８を支柱１の頂上部に対して旋回可能に支持するものである。図２に示すように、プレート３は支柱１の頂上部に、縦軸１９を中心として旋回自在に装設されている。支柱１と縦軸１９との間にはリングベアリング２０が装着されている。このリングベアリング２０を風雨から守るため、例えば、プレート３の下面に支柱１の上端部の外周を相対回転可能に取り囲むリングカバー３ａが設けられる。
【００１２】
図１に戻り、プレート３の風上側の端部には避雷針柱２１が起立状に固設されている。風下側の乱流発生を抑制するために、避雷針柱２１は流線型の断面形状をしている。避雷針柱２１の上端には翼車２を覆う大きさの十字形部材２２が固定されており、十字形部材２２の４つの各端部に対応して避雷針２３が固定されている。避雷針柱２１の上端面にも避雷針２３が突設されている。
【００１３】
プレート３の風上側の端部からはバランスウエイト２４が風上側へ延出されている。バランスウエイト２４は風上側及び左右横方向に対し流線形をしており、バランスウエイト２４の先端と避雷針柱２１の上部との間にはバランスウエイト２４の位置保持を安定化させるためのワイヤ２４ａが張設されている。
【００１４】
整流板２５はプレート３の下方で、支柱１の中心と翼車２の間にのみ配置されている。整流板２５の上下方向長さは少なくとも翼車２の回転軌跡の外周まで到達している。整流板２５及び支柱１の双方により形成する形体の平面視断面形状は流線形である。
【００１５】
図３に示すように、平面視断面形状が円形状の支柱１の風下側には、整流板２５は配置されている。整流板２５は、頂点を支柱１のさらに風下側に有するように概略三角形の平面視断面形状を延ばしており、支柱１後側に発生する乱流を抑止する。ナセル１８の下部には、ナセル１８の下面のプレート３と整流板２５の上面２５ｃはジョイント２６により連結されている。ジョイント２６は整流板２５の重心位置Ｇよりも支柱１側に近い位置で吊り支持する。ジョイント２６は、水平向き溝状の切欠部ｃ１が形成され、上縁をプレート３の下面に溶接された鋼製平板からなる。ジョイント２６の下部は、整流板２５の上面２５ｃに溶接された鋼製平板２５ｅに固定されている。ジョイント２６の切欠部ｃ１は、この位置で弾性変形することにより、切欠部ｃ１を中心としてジョイント２６の上下を稼動させる。切欠部ｃ１の稼動する方向は一方向のみである。つまり、切欠部ｃ１は水平向き溝状であるので、切欠部ｃ１を中心とした整流板２５の稼動は風向方向（矢印イ）と支柱の長さ方向を含む面内の回転のみが許容される。
【００１６】
ジョイント２６は、重心位置Ｇがジョイント２６よりも風下側に位置するため、ジョイント２６の切欠部ｃ１が弾性変形することにより、切欠部ｃ１を中心として整流板２５の下部２５ｂを、重力により支柱１に対して押し付けるような方向（矢印ロ）に荷重をかける。
【００１７】
図４は整流板２５の下部を下方から見た図である。整流板２５の下端２５ｄには、縦軸ｄ１を介して回転自在に枢着されたローラ２７が具備されている。この位置において、整流板２５が切欠部ｃ１を回転中心として回転したときに支柱１に当接するように位置する。一方、支柱１の外周面にはローラ２７が転動する軌道２８を具備している。そして下端２５ｄは、さらに、２つのホルダアーム２９ａ、２９ｂを有している。２枚のホルダアーム２９ａ、２９ｂは、且つ通常作動状態で支柱１から距離を開けて支柱１を両側から包囲している。なお、軌道２８を省略し、ローラ２７が支柱１の外周面上に直接に接触して転動してもよい。
【００１８】
図５は、ワイヤ１２の引張の仕方を説明する図である。翼車２が風を受けると、支柱１の頂上部には風の向きに従った横方向の力を受ける。支柱１（支柱１の中心を模式的に図示した）をワイヤ１２により支える場合、通常、回転中心軸１５（回転中心軸１５の軸心を模式的に図示した）による水平向きの力（イ方向）が加わる点を頂点としてワイヤを引張して設置面、支柱１、ワイヤ１２との間で三角形を形成する（図５Ａ）。この結果、支柱１は、専ら長さ方向に対する圧縮力を受ける。この場合、長さ方向に変形するまで（図５Ａ、一点鎖線）の圧縮力がかかる風に耐えることができるため、支柱１単体よりも強度が増加する。しかしながら、翼車２（２点鎖線で図示した）がワイヤ１２と干渉することが避けられない。一方、図５Ｂのように、ワイヤ１２を引張する頂点位置を、翼車２が干渉しない位置に下げると、回転中心軸１５にかかる力により支柱１全体がしなり、ワイヤ１２による三角形状が容易に崩れてしまう。
【００１９】
本実施例においては、ワイヤ１２は、支柱１の中心を通る線と回転中心軸１５の軸心を通る線との交点に、ワイヤを上に仮想的に延長した延長線（一点鎖線で図示した）が通るように、腕部５ａからワイヤ１２を地面Ｂに対して引張する（図５Ｃ）。腕部５ａは、翼車２が干渉しない下側の位置に設けられている。支柱１の頂上部と腕部５ａの両端で形成される三角形が変形しなければ、図５Ａの場合と同じ強度を得ることができる。
【００２０】
実用的には、支柱１と腕部５ａの接合部が変形しないように十分な強度設計を行えば、腕部５ａと設置面との位置関係は安定し、回転中心軸１５にかかる力により変形をするのは腕部５ａの上側の支柱１の部分に限られる。この結果、腕部５ａの上側の長さの短い支柱が、この変形に耐える強度を有すればよくなるため、支柱１の頂上部を頂点としたワイヤ１２の引張と類似した強度が得られる。また、腕部５ａの上側にはワイヤ１２が引張されないため、翼車２に干渉することがない。本実施例においては、支柱１を金属管として、金属製のブラケット５の筒部５ｂを支柱１の外周に溶接し、筒部５ｂの長さ方向中央から腕部５ａを水平に張り出させる（図５Ｄ）。この結果、筒部５ｂは、腕部５ａの上下で支柱１に固着されることになる。これに代えて、筒部５ｂを腕部５ａの上側或いは下側の一方で支柱と固着しても良い。
【００２１】
図６は、スピナ１３及びナセル１８の内部構造を示す図である。ナセル１８内には、発電機４が設置されている。発電機４は、中空の主軸４７、永久磁石４３を有する回転子４１、コイル４４が巻かれた固定子４２を有している。主軸４７はリングベアリング４６で枢支されており、中空の内部に回転中心軸１５が挿入され、固定されている。後縁側の頂点からはセイル１６を展張されたワイヤ１７は、隣接する支持棒１４の先部を経て回転中心軸１５の先端部１５ｅにおいて回転中心軸１５内の中空に進入し、揺動片１５ｄに結び付けられている。揺動片１５ｄは、一端が回転中心軸１５に固定されたスプリング１５ｃの弾力を付与される構成となっている。セイル１６が強い風を受けたとき、風圧により、対応するワイヤ１７がスプリング１５ｃの弾力に抗して引き出す。
【００２２】
図６Ｂは、主軸４７と回転中心軸１５とのＸ−Ｘ断面図である。回転中心軸１５は、絶縁体の管１５ａと金属の管１５ｂの２重構造となっている。全範囲において絶縁体の管１５ａが金属の管１５ｂと金属製の主軸４７の内周面との間に存在している。これは、翼車２を発電機４から絶縁するためであり、セイル１６が空気と摩擦することにより発生する静電気が、リングベアリング４６や発電機４本体に及ばないようにするためである。
【００２３】
上記した風車の作動について説明する。
風が方向イにダウンウインド式風車１００に吹き当たると、支柱１、整流板２５及び翼車２はこの順に風上側から風下側へ配列された状態となる。    
支柱１及び整流板２５の周辺を経て翼車２の下半分範囲に到達する風は、整流板２５に沿って流れ、支柱１の存在に起因した空気流の乱れが抑制される。一方、避雷針２３の避雷針柱２１の周辺を経て翼車２の上半分範囲に到達する風は、避雷針柱２１はその平面視断面形状を流線形となっているため、避雷針柱２１による空気流の乱れが抑制されている。翼車２は、その回転面の全体に比較的均等に風の空気流を受け、振動や回転むらが抑制された状態で回転する。  
【００２４】
整流板２５は自身の重心Ｇよりも支柱１側をジョイント２６により吊り支持されているため、重力作用により発生する力がロ方向に作用した状態となる。この結果、整流板２５に設けられたローラ２７は軌道２８に当接し、支柱１に押し付けられているので、風速が変化しても安定姿勢を保つ。
【００２５】
また、ジョイント２６によりナセル１８はプレート３を介して整流板２５と結合しているので、ナセル１８の支柱１回りへの旋回に従って、整流板２５も旋回する。整流板２５に外力が加わっても、ホルダアーム２９ａ、２９ｂが支柱１の外周面に干渉して下部が支柱１から離れるのを規制するように作用する。
【００２６】
図７は、他の実施例を示す。図１の実施例と相違して、ワイヤ１２の引張する角度を途中のビーム６により変更するものである（図７Ａ）。このように変更することにより、ワイヤ１２の地面側の引張範囲を狭くすることができる。図７Ｂのように、支柱１の下部に、ビーム６、脚部７及び桟９を付設する。支柱１は、４本の脚８を四角錐状に結合し、各脚８の下端箇所を桟９で結合し、各脚８の下端に基板１０が固着されている。各基板１０は例えば地面などにコンクリートで形成された基礎部にピン１１を介して固定される。各ワイヤ１２は長さ途中をビーム６の先端箇所に支持され下端を対応する基板１０に固着された突片１０ａに止着される。
【００２７】
図８はジョイント１６の変形例を示している。ジョイント２６として、上板部材２６ａと下板部材２６ｂを横向き軸２６ｃにより折れ曲がり自在に結合したヒンジを使用しても良い。
【符号の説明】
【００２８】
１  支柱
２  翼車
４  発電機
１５  回転中心軸
１８  ナセル
２５  整流板
２６  ジョイント
２７  ローラ
【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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