(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の回転軸から放射状に張り出した複数のロッドと、
隣接したロッドの間であって、回転方向の前側の前記ロッドに前縁を相対角度の変更可能に固定された翼体と、
前記回転軸の中空内で回転軸の軸長方向に伸縮範囲を有するコイルスプリングと、
前記翼体の後縁を索引し、回転方向後側の前記ロッドに懸架されて前記回転軸内に案内され、前記コイルスプリングの自由端にその他端を接続されたロープと、
入口からローターが固定される位置を越えた奥まで少なくとも中空の管を主軸とする発電機とを有し、
前記回転軸が発電機の主軸の中空に挿入され、前記コイルスプリングの伸縮範囲が前記ローターの固定される位置を含む範囲であることを特徴とした風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風のエネルギーを回転動力に変換する風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロペラ型風車は平均風速が毎秒３メートル以上の場所で効率的に作動するものであるが、そのような場所は我が国では多くない。一方、セイル型風車は平均風速が毎秒３メートル未満の比較的弱風の場所でも作動するため、設置可能場所はより多くなる。
風車には、弱風から強風に至る幅広い風速領域で、常に安定した回転動力を発生させると共に、風車の構成部材に対し強風による過大な力が付与されるのを阻止してその破損を防止するため、翼角（ピッチ角）を変更する機構が設けられている。
【０００３】
特許文献１に開示された風車は、プロペラ型風車ではあるが回転軸の軸方向に伸縮するバネを有し、これにカムを押し当てることにより、カムの回転に弾力性を与えて翼軸の回転角を調整するものが開示されている。しかしながら、プロペラ型であるゆえに風の弱い地域での使用はできない。
また、特許文献２及び３に開示された風車においては、セイル型風車の羽根を翼弾性体により支え、風が強くなると弾性体が引き伸ばされて、翼角を変更している。しかしながら、風車の回転が速くなると、弾性体自体が遠心力により外周側に追い出され、翼角制御の正確性が損なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１０６２７２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６５８２３号公報
【特許文献３】特開２０１１−４７２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セイル型風車では、特許文献２や３に示されるように、羽根の後縁とこれに隣接する翼軸との間の距離を変更して翼角を変更する。翼角が大きくなると羽根の後縁は、これに隣接する翼軸との間の距離が開いてゆくため、弾性体の伸縮長さもこれに対応したものでなければならない。例えば、羽根の外周側一辺の長さが１メートルであるとすると、翼角が９０度（羽根が風向きに対して平行の状態）を許容するには、最小でも１．４メートル（１×√２）の伸縮長さを有するコイルスプリングが必要である。伸縮長さに匹敵する自由長をもつコイルスプリングを使用すると、この１．４メートルの２倍程度となる３メートル程度の長さを、コイルスプリングとその伸縮のために確保しなければならない。
【０００６】
一方、長いコイルスプリングを使用すれば長い伸縮長さに対応できるが、長いコイルスプリングは羽根の後縁と翼軸との間に設置すると、羽根の面積が減少する。また、コイルスプリングの重量が大きくなり、風車の回転が速くなるとコイルスプリング自体が遠心力により外周側に追い出され、セイル型風車の場合、現実には設置が不可能である。また、翼軸に沿って放射状にコイルスプリングを配置しても、遠心力によりコイルスプリングが自重で外周に追い出され、翼角制御の正確性が損なわれる。
本発明は、風車の回転に伴う遠心力に対してコイルスプリングの自重が殆ど影響されることなく翼角を制御することのできるセイル型の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】
【０００７】
本発明に係る風力発電装置は、中空の回転軸から放射状に張り出した複数のロッドと、隣接したロッドの間であって、回転方向の前側の前記ロッドに前縁を相対角度の変更可能に固定された翼体と、前記回転軸の中空内で回転軸の軸長方向に伸縮範囲を有するコイルスプリングと、前記翼体の後縁を索引し、回転方向後側の前記ロッドに懸架されて前記回転軸内に案内され、前記コイルスプリングの自由端にその他端を接続されたロープと、入口からローターが固定される位置を越えた奥まで少なくとも中空の管を主軸とする発電機とを有し、前記回転軸が発電機の主軸の中空に挿入され、前記コイルスプリングの伸縮範囲が前記ローターの固定される位置を含む範囲であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、風の無いときには懸架されているロッドに近く、風が強くなると当該ロッドから離れていく翼体の後縁とロッドとの間を長い伸縮長をもって支持するために、長さの長いコイルスプリングを発電機内の主軸に収め、かつこのコイルスプリングの伸縮方向は風車の回転により作用する遠心力の方向と直交させている。従って、風車と発電機の間が開くことなく長いコイルスプリングを利用でき、かつコイルスプリングの伸縮は遠心力の影響を受け難くなり、翼角を正確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】風車の斜視図である。
【図２】ロッドと翼体との結合構造を示す斜視図である。
【図３】回転軸の断面図である。
【図４】発電機と風車との接続関係を示す図である。
【図５】ロッドと翼体との他の結合構造を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、実施例であるセイル型の風車１００とこれを利用した風力発電装置２００を示している。
風車１００は、ボス１５から放射状に張り出した複数のロッド４と、ロッド４の間に展開された翼体５を備えている。風車１００は、支柱１上のナセル２に設置された発電機３００に接続されて風力発電装置２００を構成している。ナセル２は、図示しない方位制御機構により支柱1上で旋回し、風車１００が常に風上ｂ１に向かうように制御される。
【００１１】
ロッド４は中空の管であり、回転軸３の先端に位置するボス１５（図２）の外周から放射状に張り出されている。回転軸３は、発電機３００を貫通しその後方まで延びている。ロッド４は複数本設けられ、図示例では８本である。翼体５は、前縁５ａを回転方向ｂ２前側のロッド４に結合されている。
【００１２】
図２はロッド４の間に展開された翼体５を示している。翼体５は羽根６及び紐状部材７で形成されている。羽根６は概ね三角形であり、羽根６の頂点箇所には、ボス１５から反時計回り方向にそれぞれ紐通し用の円孔ｃ１、ｃ２、ｃ３が形成されている。羽根６としては、薄板状のポリカーボネイトを利用する。軽く粘りがあり割れにくく、風を受けてしなることにより翼形状をなすからであり、耐候性も期待出来るからである。
【００１３】
翼体５の前縁５ａは、羽根６の前辺６ａと紐状部材７とからなっている。前辺６ａは筒状に成形されており、紐状部材７がこれに通されている。ロッド４の外周面にはその長手方向に沿って断面Ｃ形の条部材８が固着されている。開口８ｂは、羽根６の板厚とほぼ同じ間隔であり、羽根６の前辺６ａを条部材８の内方にその外方側の開口８ａから挿通することにより、条部材８に固定される。また、ロッド４の元側（ボス１５側）及びロッド４の先端側の紐通し部材９ａ、９ｂと、羽根６の円孔ｃ１、ｃ２には、紐状部材７が挿通されて結び止められる。このようにして、翼体５の前縁５ａはロッド４に固定される。風圧を受けることにより、紐状部材７のねじり或いは、羽根６自体の柔軟性に加えてロープ１０が図示のように移動し、ロッド４に対して翼体５が後方に傾くことにより、翼角θを持つことができる。
【００１４】
翼体５の後縁５ｂにおいては、ロープ１０が各翼体５の後部の円孔ｃ３にその一端を止められ、翼体５を索引している。ロープ１０は、ロッド４の先部ｅ１に懸架され、ロッド４の中空内に案内される。ロッド４の先部ｅ１にはロープ１０の繰り出しに伴う摩擦力を減少させる第一摺動材１４ａが固定されている。第一摺動材１４ａは９０度曲がり状の筒部材であって全体がロッド４の材料に較べて摩擦係数の小さい素材（例えばポリテトラフルオロエチレンなど）で形成されている。
【００１５】
尚、図２において、ｄ１はロッド４の回転面を示し、ｄ２は翼体５が風下側に後退した状態を示している。また、ｄ３は風が強くなり翼体５が翼角９０度近くにまでしなって後退した状態を示している。翼角θは翼体５とロッド４の回転面とがなす角度である。
図３はボス１５及びこれに続く円筒状の軸体１６からなる回転軸３の断面構造を示しており、ボス１５は、軸体１６の前側に同心状に配置され、２つの環状板１５ａを介して一体状に結合されている。ボス１５の前端面にはボルトを介してカバー１５ｂが開放可能に装着されている。ボス１５の内側の空間は、ロッド４の中空と連通しており、ロッド４の元側に到達したロープ１０はボス１５の内部空間に導かれる。
【００１６】
軸体１６の中空は、ボス１５の内側空間と連通している。軸体１６の前端箇所ｅ２はロッド４の根元の位置に位置決めされている。各ロッド４の中空を経てボス１５内に達したロープ１０は軸体１６前端箇所ｅ２に導かれた後、９０度曲げられて軸体１６の中空へ導かれる。前端箇所ｅ２はロープ１０を曲がり状に案内しており、ロープ１０の摺動に伴う摩擦力を減少させるための第二摺動材１４ｂが固定されている。第二摺動材１４ｂは前半部外面の断面形状を円弧状であり、全体が金属よりも摩擦係数の小さい素材（例えばポリテトラフルオロエチレンなど）で形成されている。
【００１７】
軸体１６内には、同心状に弾性体であるコイルスプリング１２が軸長に沿って配置されている。コイルスプリング１２は後端を軸体１６の奥部に止められており、前端（ボス１５側）が自由端となっている。
【００１８】
コイルスプリング１２の自由端には円板体１３が固定されている。円板体１３には同心状に８個のロープ止着孔ｇ１が形成されており、各ロープ止着孔ｇ１にはコイルスプリング１２の内側を通じて自由端側まで導かれたロープ１０の他端が止着されている。軸体１６の中空内には環状突条部ｆ１が形成されており、円板体１３が衝接するようになっている。コイルスプリングの自由長及び伸縮長を合計した伸縮範囲Ｈは、軸体１６の奥部から環状突条部ｆ１までの範囲であり、この伸縮範囲Ｈにおいてコイルスプリングが伸び縮みする。各ロープ１０は翼体５が風を受けていなくてもコイルスプリング１２の初期圧縮による弾力に基づく比較的小さい引張力で第二摺動材１４ｂに接触するように調整するのがロープ１０の位置の安定化にとって好ましい。
【００１９】
翼体５が翼角９０度となっても良いように長い伸縮長さを持たせるため、コイルスプリング１２の長さも長くなり、これを収容する軸体１６の長さも長くなる。仮に軸体１６の後に発電機を配置すると風車１００から発電機３００までの回転軸が長いものになってしまうため、本実施例においては、発電機３００の主軸１１を中空の管で構成して、その中に軸体１６を挿入することにより、風車１００と発電機３００との間を狭くする。
【００２０】
図４に、発電機３００とボス１５及び軸体１６の接続の様子を示す。発電機３００は、どのような発電機でも良いが、先端１１ａからローター３０１が固定される位置３０１ａを超えて奥まで続く範囲において、主軸１１が少なくとも中空となっている（実施例では、主軸１１は管であるって、入口から出口まで貫通した中空を有する管である。）。この主軸１１に軸体１６を挿入して固定する（図４Ｂ）。
【００２１】
主軸１１を中空の管とすることにより、風車１００の組立てが容易になる。また、ローター３０１の固定位置３０１ａを通過して軸体１６が配置されることにより、コイルスプリング１２の伸縮範囲Ｈ及び軸体１６が、ローター３０１の固定される位置３０１ａを含む範囲となる。このため、回転を伝達するのに別途の接続軸を必要としない。尚、実施例では、軸体１６は主軸１１を貫通して、発電機３００の後側に伸びている。
【００２２】
このような発電機としては、例えば、本出願人による特願２０１１−２３６６０１号に開示された発電機が利用できる。この発電機は、ローター３０１の複数の永久磁石３０２を主軸方向に向けて配置したアキシャルギャップ型の発電機であり、主軸方向にステータポール３０３を配置しており、ステータポール３０３を長くして巻線量を増やすことにより主軸方向の長さが長くなる発電機である。このため、長いコイルスプリング１２を主軸内に収容できる。
【００２３】
次に上記した本実施例の風車の作動について説明する。
無風状態の下では、この状態では、各ロープ１０はコイルスプリング１２の初期張力による弾力に基づく比較的小さい引張力を付与されるのみであり、各翼体５はその後部をロープ１０により第一摺動材１４ａの位置においてロッド４に引張懸架されるため、図２に示すように翼角θがほぼゼロの展開状態に保持される。
【００２４】
風車が風を受けると、図示しない方位制御機構の作用により、風上に向かうようにナセル２が旋回される。これにより各翼体５は風を常に前方から受けるようになり、風のエネルギーにより各翼体５は後部が後側へ後退する力を付与される。この力は対応するロープ１０に伝達された後、円板体１３を介してコイルスプリング１２に伝達される。その結果、コイルスプリング１２が弾性変形され、この弾性変形量だけ各ロープ１０が第一摺動材１４ａから繰り出され、各翼体５は翼角θを増加する。風車１００は、風のエネルギーにより回転し、ナセル２内の負荷装置に伝達する。この際、遠心力がコイルスプリング１２に作用するが、コイルスプリングの弾性変形の方向と遠心力の働く方向は直角であるため、コイルスプリング１２の弾性変形に対して与える影響は殆ど無い。
【００２５】
このような作動状態の下で、風車が受ける風のエネルギーが増大したときは、各翼体５は翼角θをさらに増大して、風のエネルギーを後方側へ流下させるようになる。これにより、風車１００の回転数が上がり過ぎることを抑制する。これとは逆に、風車が受ける風の速度が減少してそのエネルギーが減少したときは、各翼体５は翼角θを減少して風のエネルギーの活用を促進させるようになる。
【００２６】
ロープ１０は軽量であるため、その発生する遠心力の大きさは比較的小さい。一方、コイルスプリング１２は回転軸３の軸長方向に伸縮するものであるため、遠心力が働く方向とは異なっている。従って、風車１００が受ける風の速度が大きくなっても、翼角θの制御は遠心力の影響を受けずに安定化する。
【００２７】
また、コイルスプリング１２及び円板体１３は回転軸３の内側に同心に位置しているため、回転軸３の回転による遠心力の影響が抑制される。コイルスプリング１２や円板体１３が風雨に晒されるのを防止でき、翼角制御の機能を長期に亘って良好に維持させることができる。また、ロープ１０はロッド４の内側及び回転軸３の内側を経て円板体１３に結合しているため、ロープ１０を翼体５に干渉し難くすることができる。
【００２８】
ロッド４及び回転軸３のうちロープ１０を曲がり状に案内する箇所に、摩擦力を減少化させ得る材料からなる第一摺動材１４ａ及び第二摺動材１４ｂが固定され、ロープ１０がこれら摺動材１４ａ、１４ｂの円弧状表面に受け止められることにより曲がり状に変形され摺動する。このため、ロープ１０を滑車で案内する場合よりも、騒音少なくできる。
【００２９】
本実施例では翼体５としてポリカーボネイト板を使用したが、他種のプラスチック薄板を使用することも差し支えない。或いは、ポリカーボネイトの代わりに帆布を利用しても良い。また、翼体５とロッド４との接続は、図５に示すように、羽根６の円孔ｃ１、ｃ２側の辺を筒状に形成或いは縫合して筒状の前縁５ａを形成し、ロッド４をその中に通すようにしてもよい。このようにすれば、前縁５ａの形状が流線型となるため、空気抵抗が減少する。
【００３０】
また、第一摺動材１４ａ及び第二摺動材１４ｂをそれぞれ回転自在な滑車として、これら案内輪の回転によりワイヤーロープを案内させるようにしても良い。
さらに、実施例においては、コイルスプリング１２を伸張することにより翼角θを増加したが、圧縮することにより翼角θを増加させても良い。この場合は、コイルスプリング１２の前端を軸体１６の環状突条部ｆ１で受け止め、後端を自由端とする。円板体１３はコイルスプリング１２の後端に衝接されるように配置する。円板体１３にはロープ１０の他端を止着する点は、先の実施例と同じであるが、ロープ１０はコイルスプリング１２の中を通って第二摺動材１４ｂに向けて配置する。
【００３１】
本実施例においては、ロッド４は中空管を用いたが、中空でなくとも良い。この場合、ロープ１０はロッド４に沿って配置される。しかしながら、例えば図５の実施例において、回転方向で後ろ側に位置した翼体５の筒状の前縁５ａが流線型となったときに、当該筒の中に入るロッド４の後ろ側にできる空間５ｃ内にロープ１０を配置しても良く、この場合はロープ１０の周囲を、筒状の前縁５ａで囲うことができる。
本実施例においては、風車１００を発電機３００の風上側に配置したが、風下側に配置しても良い（ダウンウインド型）。
【００３２】
本実施例においては、８本のロープ１０に対して、1本のコイルスプリング１２を用いたが、複数のコイルスプリングを用いて、夫々のロープ１０に対して個別に、或いは数本ずつに対してコイルスプリングを割り当てるようにしても良い。各翼部５の位置によって翼角θが夫々異なり、ロープ１０の伸張の程度が変わることを許容できるようになる。
【符号の説明】
【００３３】
３  回転軸
４  ロッド
５  翼体
５ａ  前縁
１０  ロープ
１２  コイルスプリング
１４ａ  第一摺動材
１４ｂ  第二摺動材
【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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