(57)【要約】【課題】微風であっても発電することができ、かつ高価な材料や複雑な部品を必要とすることなく強風に耐え得る安価な風力発電装置を提供する。【解決手段】風力発電装置１は、水平方向に延びる回転軸４０と、回転軸４０に固定された受風部５０と、受風部５０に当たる風の力により回転軸４０が回転できるように回転軸４０を支持する支持ブロック３０と、受風部５０に当たる風の力により回転軸４０とともに支持ブロック３０が水平面内で旋回できるように支持ブロック３０を支持する支軸２０と、駆動軸６２を有する風圧変動発電機６０と、回転軸４０の反時計回りの回転を風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達する爪車機構８０と、駆動軸７２を有する風向変動発電機７０と、支持ブロック３０の時計回りの旋回を風向変動発電機７０の駆動軸７２に伝達する爪車機構９０とを備える。【選択図】図１
2011149413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向に延びる回転軸と、
前記回転軸に固定された受風部と、
前記受風部に当たる風の力により前記回転軸が回転できるように前記回転軸を支持する支持部と、
前記受風部に当たる風の力により前記回転軸とともに前記支持部が水平面内で旋回できるように前記支持部を支持する支軸と、
駆動軸を有する第１の風圧変動発電機と、
前記回転軸の回転のうち第１回転方向の回転を前記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第１の回転伝達機構と、
を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記受風部の重心は、水平面内で前記支軸の中心とは異なる位置にあり、
前記受風部は、前記支軸の中心と前記受風部の重心とを結ぶ線に関して対称となるように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記回転軸の回転角に応じて伝達比を変化させて前記回転軸の回転を前記第１の回転伝達機構に伝達する伝達比制御機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記伝達比制御機構は、半径の異なる複数の扇形歯車を備え、
前記第１の回転伝達機構は、前記伝達比制御機構の複数の扇形歯車に対応して設けられた複数の回転伝達部であって、該対応する扇形歯車と係合することにより前記回転軸の第１回転方向の回転を前記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する複数の回転伝達部を備えた
ことを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
【請求項５】
駆動軸を有する第２の風圧変動発電機と、
前記回転軸の回転のうち第２回転方向の回転を前記第２の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第２の回転伝達機構と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記第１の回転伝達機構の作動領域で前記第１の回転伝達機構と係合することにより前記回転軸の第１回転方向の回転を前記第１の回転伝達機構に伝達し、前記第２の回転伝達機構の作動領域で前記第２の回転伝達機構と係合することにより前記回転軸の第２回転方向の回転を前記第２の回転伝達機構に伝達する中間伝達機構であって、
前記回転軸が初期位置から前記第１回転方向に回転した状態においては、前記第２の回転伝達機構の作動領域の外部に位置するとともに、その一部が前記第１の回転伝達機構の作動領域に位置し、
前記回転軸が前記初期位置から前記第２回転方向に回転した状態においては、前記第１の回転伝達機構の作動領域の外部に位置するとともに、その一部が前記第２の回転伝達機構の作動領域に位置する、
中間伝達機構をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記中間伝達機構は、前記回転軸を中心とする半円形の歯車により構成されることを特徴とする請求項６に記載の風力発電装置。
【請求項８】
駆動軸を有する風向変動発電機と、
前記支持部の旋回のうち第１旋回方向の旋回を前記風向変動発電機の駆動軸に伝達する旋回伝達機構と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の風力発電装置。
【請求項９】
前記受風部は、
風を受ける帆布と、
前記回転軸に取り付けられたフレームと、
前記帆布を前記フレームに連結する複数の連結部であって、所定の大きさの力より大きな力が加わると前記帆布を前記フレームから切り離す連結部と、
を備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然風の力を利用して発電を行う風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護に対する意識が高まっており、自然の力を利用した発電装置が注目されている。そのようなクリーンエネルギーの一つとして風力が挙げられる。従来の風力発電装置は、発電機にプロペラの回転軸を直接あるいはギアを介して取り付け、風力でプロペラを回転させて発電機を駆動し、風力を電気エネルギーに変換している。
【０００３】
しかしながら、従来の風力発電装置を建設するためには莫大なコストがかかる。自然風はその風力の変動の幅が大きく、台風などの非常に強い風にも耐え得る構造の風力発電装置とする必要がある。したがって、頑丈なプロペラが必要であり、このようなプロペラを支える支軸なども頑丈にする必要がある。このため、高価な材料が必要となり、風力発電装置を建設するためのコストが非常に高くなってしまう。例えば、５００ｋＷ以下の小型の風力発電装置を建設するためのコストは約３０万円／ｋＷ〜約６５万円／ｋＷ、２００００ｋＷ以上の大型の風力発電装置を建設するためのコストは約２０万円／ｋＷと言われている。
【０００４】
また、このような従来の風力発電装置では、建設コストが高くなってしまうことによりその発電コストも高くなってしまう。石炭火力発電の発電コストが約５円／ｋＷｈであるのに対し、風力発電の発電コストは、約２０円／ｋＷｈと４倍にもなっている。このような発電コストの高さが風力発電の普及を妨げる要因となっている。
【０００５】
さらに、従来の風力発電装置は、微風では発電することができない。上述したように、従来の風力発電装置においては、プロペラに強度が要求されるため、プロペラの材料として高強度の重い材料が用いられる。このため、プロペラが重くなってしまい、微風ではプロペラを回転させることができず、発電を行うことができない。したがって、従来の風力発電装置は、風速の低い場所には設置することができなかった。
【０００６】
また、従来のプロペラを利用した風力発電装置は、長さ数十メートルにもなるプロペラを有しているが、このプロペラは分解することできないため、運搬することが難しいという問題がある。さらに、巨大なプロペラが回転することによって騒音も生じる。さらにまた、野鳥などの動物がプロペラに衝突して死傷することもある。
【０００７】
近年では、上述したプロペラを利用した風力発電装置に代えて、圧電素子を利用して風力を直接に電気エネルギーに変換する風力発電装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、現在の圧電素子は発電効率が低いため、これらの圧電素子を用いて実用的な風力発電装置を構成することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００６／０４３６００号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、微風であっても発電することができ、かつ高価な材料や複雑な部品を必要とすることなく強風に耐え得る安価な風力発電装置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】
【００１０】
本発明の一態様によれば、微風であっても発電することができ、かつ高価な材料や複雑な部品を必要とすることなく強風に耐え得る安価な風力発電装置が提供される。上記風力発電装置は、水平方向に延びる回転軸と、上記回転軸に固定された受風部と、上記受風部に当たる風の力により上記回転軸が回転できるように上記回転軸を支持する支持部と、上記受風部に当たる風の力により上記回転軸とともに上記支持部が水平面内で旋回できるように上記支持部を支持する支軸と、駆動軸を有する第１の風圧変動発電機と、上記回転軸の回転のうち第１回転方向の回転を上記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第１の回転伝達機構とを備えている。
【００１１】
本発明によれば、風圧の変動によって受風部を介して回転軸を回転させ、この回転軸の回転によって第１の風圧変動発電機を駆動して発電を行う。このように、本発明に係る風力発電装置は、風の強さを利用するのではなく、風圧の変動を利用するものであるため、微風であっても受風部を動かして発電することができる。したがって、風速の低い場所であっても風力発電装置を設置することができる。
【００１２】
また、強風の場合には、受風部が吹き上げられることにより、風の当たる受風部の面積が自動的に小さくなるため、回転軸にはそれほど大きな力がかからない。したがって、高価な材料や複雑な部品を必要としない。この結果、建設コストおよび発電コストを大幅に低減することができる。
【００１３】
さらに、本発明によれば、プロペラのような回転翼を必要としないため、運搬する上での問題もなく、大きな騒音が生じることもない。また、野鳥などが衝突して死傷することもなく、自然環境への影響が少ない。
【００１４】
ここで、上記受風部の重心は、水平面内で上記支軸の中心とは異なる位置にあり、上記受風部は、上記支軸の中心と上記受風部の重心とを結ぶ線に関して対称となるように構成されていることが好ましい。このような構成により、受風部を風が吹く方向に自動的に正対させることが可能となる。
【００１５】
さらに、上記風力発電装置は、上記回転軸の回転角に応じて伝達比を変化させて上記回転軸の回転を上記第１の回転伝達機構に伝達する伝達比制御機構をさらに備えていることが好ましい。このように、回転軸の回転角に応じて第１の風圧変動発電機の駆動軸への伝達比を変化させることで、駆動軸にかかる回転トルクおよびその回転速度を最適に制御することができる。
【００１６】
ここで、上記伝達比制御機構は、半径の異なる複数の扇形歯車により構成することができる。また、上記第１の回転伝達機構は、上記伝達比制御機構の複数の扇形歯車に対応して設けられた複数の回転伝達部により構成することができる。この複数の回転伝達部は、上記対応する扇形歯車と係合することにより上記回転軸の第１回転方向の回転を上記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する。
【００１７】
上記複数の扇形歯車のうち半径の小さな扇形歯車は、上記回転軸の回転角が小さいときに上記対応する回転伝達部に係合するように構成されていることが好ましい。また、上記複数の扇形歯車のうち半径の大きな扇形歯車は、上記回転軸の回転角が大きいときに上記対応する回転伝達部に係合するように構成されていることが好ましい。
【００１８】
また、上記風力発電装置は、駆動軸を有する第２の風圧変動発電機と、上記回転軸の回転のうち第２回転方向の回転を上記第２の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第２の回転伝達機構とをさらに備えていてもよい。このような構成により、回転軸の第１回転方向と第２回転方向の両方向の回転を発電に利用することができるので、発電効率が向上する。
【００１９】
さらに、上記風力発電装置は、上記第１の回転伝達機構の作動領域で上記第１の回転伝達機構と係合することにより上記回転軸の第１回転方向の回転を上記第１の回転伝達機構に伝達し、上記第２の回転伝達機構の作動領域で上記第２の回転伝達機構と係合することにより上記回転軸の第２回転方向の回転を上記第１の回転伝達機構に伝達する中間伝達機構を備えていてもよい。この中間伝達機構は、上記回転軸が初期位置から上記第１回転方向に回転した状態においては、上記第２の回転伝達機構の作動領域の外部に位置するとともに、その一部が上記第１の回転伝達機構の作動領域に位置する。また、中間伝達機構は、上記回転軸が上記初期位置から上記第２回転方向に回転した状態においては、上記第１の回転伝達機構の作動領域の外部に位置するとともに、その一部が上記第２の回転伝達機構の作動領域に位置する。この上記中間伝達機構は、上記回転軸を中心とする半円形の歯車により構成することができる。このような中間伝達機構により、受風部が軽くても、風により吹き上げられた受風部をその自重によって初期位置に戻すことが可能となる。
【００２０】
また、上記風力発電装置は、上記第２の風圧変動発電機に代えて、上記回転軸の回転のうち第２回転方向の回転を反転させて上記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第３の回転伝達機構をさらに備えていてもよい。この場合には、１つの風圧変動発電機で回転軸の両方向の回転を利用して発電することが可能となる。
【００２１】
さらに、上記風力発電装置は、駆動軸を有する第１の風向変動発電機と、上記支持部の旋回のうち第１旋回方向の旋回を上記第１の風向変動発電機の駆動軸に伝達する第１の旋回伝達機構とをさらに備えていてもよい。このような構成により、風向の変動を利用して発電することが可能となる。
【００２２】
また、上記風力発電装置は、駆動軸を有する第２の風向変動発電機と、上記支持部の旋回のうち第２旋回方向の旋回を上記第２の風向変動発電機の駆動軸に伝達する第２の旋回伝達機構とをさらに備えていてもよい。このような構成により、支持部の第１旋回方向と第２旋回方向の両方向の旋回を発電に利用することができるので、発電効率が向上する。
【００２３】
また、上記第２の風向変動発電機に代えて、上記支持部の旋回のうち第２旋回方向の旋回を反転させて上記第１の風向変動発電機の駆動軸に伝達する第３の旋回伝達機構を設けてもよい。この場合には、１つの風向変動発電機で支持部の両方向の回転を利用して発電することが可能となる。
【００２４】
また、上記受風部は、風を受ける帆布と、上記回転軸に取り付けられたフレームと、上記帆布を上記フレームに連結する複数の連結部とを有していてもよい。この場合において、上記複数の連結部は、所定の大きさの力より大きな力が加わると上記帆布を上記フレームから切り離すように構成されていることが好ましい。このような構成とすることで、例えば、瞬間的に強い突風が吹いたときなどには、帆布がフレームから切り離されるので、突風により風力発電装置全体が破壊されてしまうことを防止することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、風圧の変動を利用して発電を行うので、微風であっても発電することができる。したがって、風速の低い場所にも風力発電装置を設置することができる。また、高価な材料や複雑な部品を必要とすることなく強風に耐え得る構造となっているので、風力発電装置の建設コストおよび発電コストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態における風力発電装置を示す斜視図である。
【図２Ａ】図１の風力発電装置における受風部と風圧（弱風）との関係を説明する図である。
【図２Ｂ】図１の風力発電装置における受風部と風圧（中風）との関係を説明する図である。
【図２Ｃ】図１の風力発電装置における受風部と風圧（強風）との関係を説明する図である。
【図３Ａ】図１の風力発電装置における受風部と風向との関係を説明する図である。
【図３Ｂ】図１の風力発電装置における受風部と風向との関係を説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における風力発電装置の変形例を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における風力発電装置を示す斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施形態における風力発電装置を示す斜視図である。
【図７Ａ】図６の風力発電装置における半円形歯車の動作を説明する図である。
【図７Ｂ】図６の風力発電装置における半円形歯車の動作を説明する図である。
【図７Ｃ】図６の風力発電装置における半円形歯車の動作を説明する図である。
【図７Ｄ】図６の風力発電装置における半円形歯車の動作を説明する図である。
【図７Ｅ】図６の風力発電装置における半円形歯車の動作を説明する図である。
【図８】本発明の第４の実施形態における風力発電装置の一部を示す側面図である。
【図９】図８の平面図である。
【図１０】図８に示す風力発電装置の動作を説明するための図である。
【図１１】図８に示す風力発電装置の動作を説明するための図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態における風力発電装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る風力発電装置の実施形態について図１から図１２を参照して詳細に説明する。概して、本発明に係る風力発電装置は、従来の自然風の風力を直接利用する風力発電装置と異なり、自然風の強さ（風圧）の変動と風向の変動を利用する新規な風力発電装置である。なお、図１から図１２において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施形態における風力発電装置１を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態における風力発電装置１は、地面２に設置されたベース１０と、ベース１０から略垂直方向に延びる中空の支軸２０と、支軸２０の上部に設置された支持ブロック３０と、支持ブロック３０を貫通して略水平方向に延びる回転軸４０と、回転軸４０の下方に固定された２つの受風部５０とを備えている。
【００２９】
支持ブロック３０内には軸受（図示せず）が設けられており、回転軸４０はこの軸受を介して支持ブロック３０に保持されている。これにより、回転軸４０は支持ブロック３０内で回転できるようになっている。このため、回転軸４０に固定された受風部５０に風が当たって受風部５０に力が加わると、回転軸４０が支持ブロック３０内で回転するようになっている。このように、本実施形態における支持ブロック３０は、受風部５０に当たる風の力により回転軸４０が回転できるように回転軸４０を保持する支持部として機能する。
【００３０】
さらに、支持ブロック３０内には別の軸受（図示せず）が設けられており、支持ブロック３０はこの軸受を介して支軸２０に支持されている。これにより、支持ブロック３０は支軸２０を中心として水平面内で旋回できるようになっている。このため、受風部５０に当たる風の向きが変わると、支持ブロック３０に支軸２０周りのトルクが発生し、回転軸４０とともに支持ブロック３０が支軸２０を中心として旋回するようになっている。この支持ブロック３０の旋回により支軸２０は支持ブロック３０に対して相対的に回転することとなる。
【００３１】
図１に示すように、本実施形態における風力発電装置１は、支持ブロック３０に設置された２つの発電機６０，７０を有している。発電機６０は風圧の変動を利用して発電を行う風圧変動発電機であり、発電機７０は風向の変動を利用して発電を行う風向変動発電機である。これら２つの発電機６０，７０からそれぞれ延びるリード線（図示せず）は、支軸２０の中空部を通って支軸２０の内部に設けられた結合器（図示せず）を介して外部に接続される。
【００３２】
風圧変動発電機６０は、回転軸４０と平行に延びる駆動軸６２を有しており、この駆動軸６２には爪車機構８０が取り付けられている。回転軸４０にはこの爪車機構８０に対応して歯車４２が設けられている。回転軸４０は、歯車４２および爪車機構８０を介して風圧変動発電機６０の駆動軸６２に連結されている。
【００３３】
爪車機構８０は、回転軸４０の回転のうち一方の向き（第１回転方向）の回転に対しては歯車４２と噛合して回転軸４０の回転を駆動軸６２に伝達するが、他方の向き（第２回転方向）の回転に対しては歯車４２を空回転させ回転軸４０の回転を駆動軸６２に伝達しないように（駆動軸６２から切り離すように）構成されている。本実施形態においては、爪車機構８０は、回転軸４０の反時計回りの回転（図１で矢印Ａ１で示す）を駆動軸６２に伝達し、回転軸４０の時計回りの回転（図１で矢印Ａ２で示す）を駆動軸６２に伝達しないように構成されている。このような爪車機構８０の構造は、例えば自転車の後輪に用いられるラチェット歯車と略同一である。このように、爪車機構８０は、回転軸４０の回転のうち第１回転方向（反時計回り）の回転を風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達する回転伝達機構（第１の回転伝達機構）として機能する。
【００３４】
図１に示すように、風向変動発電機７０は、支軸２０と平行に延びる駆動軸７２を有しており、この駆動軸７２には爪車機構９０が取り付けられている。支軸２０にはこの爪車機構９０に対応して歯車２２が設けられている。このように、支軸２０は、歯車２２および爪車機構９０を介して風向変動発電機７０の駆動軸７２に連結されている。
【００３５】
爪車機構９０は、上述した爪車機構８０と同様に、支持ブロック３０の旋回のうち一方の向き（第１旋回方向）の旋回に対しては歯車２２と噛合して支軸２０の相対回転を駆動軸７２に伝達するが、他方の向き（第２旋回方向）の旋回に対しては歯車２２を空回転させて支軸２０の相対回転を駆動軸７２に伝達しないように（駆動軸７２から切り離すように）構成されている。本実施形態における爪車機構９０は、支持ブロック３０の時計回りの旋回（図１で矢印Ｂ１で示す）によって生じる支軸２０の相対回転を駆動軸７２に伝達し、支持ブロック３０の反時計回りの旋回（図１で矢印Ｂ２で示す）によって生じる支軸２０の相対回転を駆動軸７２に伝達しないように構成されている。このような爪車機構９０の構造は、例えば自転車の後輪に用いられるラチェット歯車と略同一である。このように、爪車機構９０は、支持ブロック３０の旋回のうち第１旋回方向（時計回り）の旋回（支軸２０の反時計回りの相対回転）を風向変動発電機７０の駆動軸７２に伝達する旋回伝達機構（第１の旋回伝達機構）として機能する。
【００３６】
図１に示すように、受風部５０は、支軸２０を中心として左右対称に設けられている。それぞれの受風部５０は、風を受ける帆布５２と、回転軸４０の下方に固定されたフレーム５４と、帆布５２の四隅をフレーム５４に連結する４つの連結部５６とを含んでいる。フレーム５４は、アルミニウムなどの軽量金属から形成されている。
【００３７】
このような構成の風力発電装置１において、受風部５０の帆布５２に当たる風の風圧が変動すると、受風部５０が回転軸４０を中心として前後に揺れ、これに伴い回転軸４０は時計回りおよび反時計回りに反復回転運動をする。そして、上述した爪車機構８０によって、回転軸４０の反復回転運動のうち、回転軸４０の反時計回りの回転のみが風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達され、風圧変動発電機６０が駆動されて発電が行われる。
【００３８】
また、受風部５０の帆布５２に当たる風の向きが変動すると、帆布５２に当たった風の力により支持ブロック３０に支軸２０周りのトルクが発生し、回転軸４０および支持ブロック３０が一体となって支軸２０を中心として水平面内で時計回りまたは反時計回りに旋回する。この支持ブロック３０の旋回によって支軸２０の相対回転が生じる。そして、上述した爪車機構９０によって、支持ブロック３０の旋回のうち、支持ブロック３０の時計回りの旋回のみ（支軸２０の反時計回りの相対回転のみ）が風向変動発電機７０の駆動軸７２に伝達され、風向変動発電機７０が駆動されて発電が行われる。
【００３９】
上述したように、本実施形態では受風部５０に軽量の帆布５２と軽量のフレーム５４を用いている。これにより、受風部５０の軽量化を図ることができる。したがって、微風の際に、より効果的に受風部５０を動かして発電することができる。
【００４０】
ここで、受風部５０の連結部５６は、所定の力以上の力が帆布５２に加わると帆布５２をフレーム５４から切り離すように構成されていることが好ましい。例えば、所定の力以上の力が加わると切れてしまう紐を連結部５６として用いることができる。このような連結部５６を用いることで、例えば、瞬間的に強い突風が吹いたときなどには、帆布５２がフレーム５４から切り離されるので、突風により風力発電装置１全体が破壊されてしまうことを防止することができる。
【００４１】
本実施形態の風力発電装置１は、上述したように微風であっても発電することが可能である一方で、強風にも耐えられる構造を有している。図２Ａ〜図２Ｃは、風力発電装置１の模式的側面図であり、受風部５０と風圧との関係を示している。図２Ａは受風部５０に弱風が当たる場合、図２Ｂは中風が当たる場合、図２Ｃは強風が当たる場合を示している。図２Ａに示すように、受風部５０に当たる風が弱いときは、風を受ける面の鉛直面への投影面の面積Ｓ１が大きいため、弱風であっても受風部５０を動かすことができる。一方、図２Ｃに示すように、受風部５０に当たる風が強いときは、風を受ける面の鉛直面への投影面の面積Ｓ３が小さくなるため、回転軸４０にかかる力も小さくなる。したがって、本実施形態の風力発電装置１は、頑丈な支軸や支柱などを特に必要としない。この結果、風力発電装置を建設するためのコストを大幅に低減することができる。
【００４２】
ここで、本実施形態における風力発電装置１は、受風部５０を風が吹く方向に自動的に正対させる機能を有している。図３Ａおよび図３Ｂは、風力発電装置１の模式的平面図であり、受風部５０と風向との関係を示している。
【００４３】
図３Ａは、風の向きＤＷが受風部５０（回転軸４０）に対して斜行している状態を示している。図３Ａに示す状態において、受風部５０を風の向きＤＷと垂直な面に投影する。風の向きＤＷに沿って見たときに支軸２０の左側にある領域の投影面積をＳＬ、右側にある領域の投影面積をＳＲとすると、ＳＬ＜ＳＲである。支軸２０の左側の領域にかかる力ＦＬは投影面積ＳＬに比例し、右側の領域にかかる力ＦＲは投影面積ＳＲに比例する。したがって、ＦＬ＜ＦＲとなり、図３Ａの矢印で示すように、受風部５０は反時計回りに旋回する。
【００４４】
図３Ｂは、風の向きＤＷが受風部５０（回転軸４０）に正対している状態を示している。図３Ｂに示す状態においては、ＳＬ＝ＳＲであり、ＦＬ＝ＦＲとなる。したがって、図３Ａの状態から反時計回りに旋回した受風部５０は、図３Ｂに示す風の向きＤＷと正対する位置で自動的に停止することとなる。
【００４５】
すなわち、本実施形態において、２つの受風部５０は左右対称に設けられており、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、受風部５０全体としての重心Ｇは、回転軸４０の長手方向の中央に位置している。この重心Ｇは、水平面内で支軸２０の中心からずれた位置にある。そして、２つの受風部５０は、重心Ｇと支軸２０の中心とを結ぶ線Ｌに関して対称となるように構成されている。したがって、風の向きＤＷが受風部５０に正対していないときは、受風部５０に当たる風により支軸２０を中心とするモーメントが発生し、受風部５０が旋回する。そして、受風部５０が風の向きＤＷに正対する位置に移動すると、支軸２０を中心とするモーメントがなくなり、その位置で停止する。このように、受風部５０は、風が吹く方向に自動的に正対するようになっている。
【００４６】
なお、上述した自動正対機能に代えて、または上述した自動正対機能に加えて、図４に示すように、支持ブロック３０に風向舵３２を取り付けてもよい。風の向きが受風部５０に対して斜行しているとき、風が風向舵３２に当たり支軸２０を中心とするモーメントが発生する。これにより受風部５０が支軸２０を中心として旋回する。そして、受風部５０が風の向きに正対する位置に移動すると、風向舵３２が風の向きと平行になるため、風向舵３２に風による力がかからず支軸２０を中心とするモーメントもなくなり、その位置で停止する。このような風向舵３２を用いても、受風部５０を風が吹く方向に自動的に正対させることができる。
【００４７】
以上述べたように、本実施形態の風力発電装置１は、風の強さを利用するのではなく、風圧の変動を利用するものであるため、微風であっても受風部５０を動かして発電することができる。したがって、風速の低い場所であっても風力発電装置１を設置することができる。
【００４８】
従来のプロペラを利用する風力発電装置は、風が強いほど発電量が多いため、常に風の吹く場所に設置する必要がある。このため、従来の風力発電装置は、風速および風向が安定しているヨーロッパやアメリカには適しているが、日本のように風速と風向の変動が大きい場所にはあまり適していない。これに対して、本実施形態の風力発電装置１は風の強さを問題とせず、風圧の変化率と風向の変化率が大きいほどその発電量が多くなる。このように、本実施形態の風力発電装置１は、風圧と風向の変動を利用して発電することができるので、日本のように風速と風向の変動が大きい場所には好適なものである。
【００４９】
また、強風の場合には、受風部５０が吹き上げられることにより、風の当たる受風部５０の面積が自動的に小さくなるため、回転軸４０にはそれほど大きな力がかからない。したがって、高価な材料や複雑な部品を必要としない。この結果、建設コストおよび発電コストを大幅に低減することができる。
【００５０】
さらに、本実施形態の風力発電装置１は、従来のプロペラを利用した風力発電装置に比べて構造がシンプルである。このため、故障が発生しにくく、またメンテナンス性や信頼性が高い。さらに、本実施形態の風力発電装置１は、プロペラのような回転翼を必要としないため、小さな部品に分解して運搬することができ、大きな騒音が生じることもない。また、野鳥などが衝突して死傷することもなく、自然環境への影響が少ない。
【００５１】
本実施形態では、回転軸４０の回転のうち一方の向きの回転を風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達する回転伝達機構として爪車機構８０を用いたが、このような回転伝達機構を風圧変動発電機６０に組み込んでもよい。この場合には、爪車機構８０を省略することができ、回転軸４０の回転を直接利用することができる。
【００５２】
同様に、本実施形態では、支持ブロック３０の旋回のうち一方の向きの旋回を風向変動発電機７０の駆動軸７２に伝達する旋回伝達機構として爪車機構９０を用いたが、このような旋回伝達機構を風向変動発電機７０に組み込んでもよい。この場合には、爪車機構９０を省略することができ、支持ブロック３０の旋回を直接利用することができる。
【００５３】
図５は、本発明の第２の実施形態における風力発電装置１０１を示す斜視図である。上述した第１の実施形態では、爪車機構８０が回転軸４０の第１回転方向の回転を風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達し、爪車機構９０が支持ブロック３０の第１旋回方向の旋回を風向変動発電機７０の駆動軸７２に伝達している。このような構成は非常にシンプルであり、部品数も少ないため、安価に製造することができる。しかしながら、第１の実施形態では、回転軸４０の回転のうち一方の向きの回転のみが発電に利用され、支持ブロック３０の旋回のうち一方の向きの旋回のみが発電に利用されるものであるため、発電の効率が良くない。そこで、本実施形態では、回転軸４０の両方向の回転および支持ブロック３０の両方向の旋回を発電に利用するように構成している。
【００５４】
具体的には、風力発電装置１０１は、上述した風圧変動発電機６０（第１の風圧変動発電機）に加えて、さらに風圧変動発電機１６０（第２の風圧変動発電機）を備えている。この風圧変動発電機１６０は、回転軸４０と平行に延びる駆動軸１６２を有している。風圧変動発電機１６０は、風圧変動発電機６０と同様に支持ブロック３０に設置されており、風圧変動発電機６０と平行に配置されている。この風圧変動発電機１６０の駆動軸１６２には爪車機構１８０が取り付けられている。この爪車機構１８０は、回転軸４０の歯車４２に対応して設けられている。これにより、回転軸４０は、歯車４２および爪車機構８０を介して風圧変動発電機６０の駆動軸６２に連結され、歯車４２および爪車機構１８０を介して風圧変動発電機１６０の駆動軸１６２に連結される。
【００５５】
ここで、爪車機構１８０は、回転軸４０の第２回転方向（時計回り）の回転（図５で矢印Ａ２で示す）に対して歯車４２と噛合して回転軸４０の回転を駆動軸１６２に伝達するが、第１回転方向（反時計回り）の回転（図５で矢印Ａ１で示す）に対しては歯車４２を空回転させ回転軸４０の回転を駆動軸１６２に伝達しないように（駆動軸１６２から切り離すように）構成されている。このような爪車機構１８０の構造は、例えば自転車の後輪に用いられるラチェット歯車と略同一である。このように、爪車機構１８０は、回転軸４０の回転のうち第２回転方向（時計回り）の回転を風圧変動発電機１６０の駆動軸１６２に伝達する回転伝達機構（第２の回転伝達機構）として機能する。
【００５６】
また、風力発電装置１０１は、上述した風向変動発電機７０（第１の風向変動発電機）に加えて、さらに風向変動発電機１７０（第２の風向変動発電機）を備えている。この風向変動発電機１７０は、支軸２０と平行に延びる駆動軸１７２を有している。風向変動発電機１７０は、風向変動発電機７０と同様に支持ブロック３０に設置されており、風向変動発電機７０と平行に配置されている。この風向変動発電機１７０の駆動軸１７２には爪車機構１９０が取り付けられている。この爪車機構１９０は、支軸２０の歯車２２に対応して設けられている。これにより、支軸２０は、歯車２２および爪車機構９０を介して風向変動発電機７０の駆動軸７２に連結され、歯車２２および爪車機構１９０を介して風向変動発電機１７０の駆動軸１７２に連結される。
【００５７】
ここで、爪車機構１９０は、支持ブロック３０の第２旋回方向（反時計回り）の旋回（図５で矢印Ｂ２で示す）に対しては歯車２２と噛合して支軸２０の相対回転を駆動軸１７２に伝達するが、第１旋回方向（時計回り）の旋回（図５で矢印Ｂ１で示す）に対しては歯車２２を空回転させて支軸２０の相対回転を駆動軸１７２に伝達しないように（駆動軸１７２から切り離すように）構成されている。このような爪車機構１９０の構造は、例えば自転車の後輪に用いられるラチェット歯車と略同一である。このように、爪車機構１９０は、支持ブロック３０の旋回のうち第２旋回方向（反時計回り）の旋回（支軸２０の時計回りの相対回転）を風向変動発電機１７０の駆動軸１７２に伝達する旋回伝達機構（第２の旋回伝達機構）として機能する。
【００５８】
このような構成の風力発電装置１０１において、受風部５０の帆布５２に風が当たることによって生じた回転軸４０の反復回転運動のうち、回転軸４０の反時計回りの回転は、歯車４２および爪車機構８０を介して風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達され、風圧変動発電機６０が駆動されて発電が行われる。一方、回転軸４０の時計回りの回転は、歯車４２および爪車機構１８０を介して風圧変動発電機１６０の駆動軸１６２に伝達され、風圧変動発電機１６０が駆動されて発電が行われる。このように、本実施形態では、回転軸４０の両方向の回転が発電に利用されるため、上述した第１の実施形態に比べ発電効率が向上する。
【００５９】
また、受風部５０の帆布５２に風が当たることによって生じた支持ブロック３０の旋回のうち、支持ブロック３０の時計回りの旋回は、歯車２２および爪車機構９０を介して風向変動発電機７０の駆動軸７２に伝達され、風向変動発電機７０が駆動されて発電が行われる。一方、支持ブロック３０の反時計回りの旋回は、歯車２２および爪車機構１９０を介して風向変動発電機１７０の駆動軸１７２に伝達され、風向変動発電機１７０が駆動されて発電が行われる。このように、本実施形態では、支持ブロック３０の両方向の旋回が発電に利用されるため、上述した第１の実施形態に比べ発電効率が向上する。
【００６０】
なお、本実施形態では、風圧変動発電機として２つの発電機６０，１６０を設けたが、これらを１つの発電機に統合することもできる。例えば、回転軸４０のうち第２回転方向（時計回り）の回転を反転させて風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達する回転伝達機構（第３の回転伝達機構）を設ければ、風圧変動発電機１６０をなくすことができる。このような回転伝達機構は、例えば複数の歯車を組み合わせることにより構成することができる。この場合には、回転軸４０の反時計回りの回転は、歯車４２および爪車機構８０を介して風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達され、回転軸４０の時計回りの回転は、歯車４２および上記回転伝達機構を介して反転されて風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達される。したがって、回転軸４０の両方向の回転が発電に利用される。ただし、このように風圧変動発電機を１つに統合する場合には、上記回転伝達機構として複雑な機構が必要となり、動力伝動のロスが比較的大きくなる。したがって、図５に示す風力発電装置１０１に比べて発電効率は低くなると考えられる。
【００６１】
また、風向変動発電機として２つの発電機７０，１７０を設けたが、風圧変動発電機と同様に、これらを１つの発電機に統合することもできる。例えば、支持ブロック３０の旋回のうち第２旋回方向（反時計回り）の旋回を反転させて風向変動発電機７０の駆動軸７２に伝達する旋回伝達機構（第３の旋回伝達機構）を設ければ、風向変動発電機１７０をなくすことができる。このような旋回伝達機構は、例えば複数の歯車を組み合わせることにより構成することができる。この場合には、支持ブロック３０の時計回りの旋回は、歯車２２および爪車機構９０を介して風向変動発電機７０の駆動軸７２に伝達され、支持ブロック３０の反時計回りの旋回は、歯車２２および上記旋回伝達機構を介して反転されて風向変動発電機７０の駆動軸７２に伝達される。したがって、支持ブロック３０の両方向の旋回が発電に利用される。ただし、このように風向変動発電機を１つに統合する場合には、上記旋回伝達機構として複雑な機構が必要となり、動力伝動のロスが比較的大きくなる。したがって、図５に示す風力発電装置１０１に比べて発電効率は低くなると考えられる。
【００６２】
ところで、上述したような風力発電装置の発電効率は受風部５０の重量に関係している。すなわち、受風部５０が風により上方に吹き上げられるときに風の力の一部が電気に変換されるので、受風部５０がより上方に吹き上げられやすいほど、すなわち受風部５０が軽ければ軽いほど、発電効率が良くなる。
【００６３】
一方で、受風部５０が軽いと、以下のような問題が生じる。風が止むと、受風部５０は、その自重により初期位置（回転軸４０の垂直下方の静止位置）に戻ろうとする。このとき、受風部５０には風圧変動発電機６０または１６０の回転トルクがかかる。受風部５０が重ければ、自重による回転トルクが風圧変動発電機６０または１６０の回転トルクよりも大きくなるので、受風部５０は初期位置に戻ることができる。しかしながら、受風部５０が軽いと、受風部５０の自重による回転トルクが風圧変動発電機６０または１６０の回転トルクに打ち勝つことができない場合も考えられる。このような場合には、受風部５０が一度上方に吹き上がってしまうと初期位置に戻ることができないことになる。
【００６４】
本発明の第３の実施形態における風力発電装置は、受風部５０が軽くても、風により吹き上げられた後にその自重によって初期位置に戻ることが可能な構造を有している。図６は、本発明の第３の実施形態における風力発電装置２０１を示す斜視図である。
【００６５】
図６に示すように、本実施形態における風力発電装置２０１は、第１の実施形態における風圧変動発電機６０（第１の風圧変動発電機）に加えて、さらに風圧変動発電機２６０（第２の風圧変動発電機）を備えている。この風圧変動発電機２６０は、回転軸４０と平行に延びる駆動軸２６２を有している。風圧変動発電機２６０は、支持ブロック３０に風圧変動発電機６０と平行に設置されており、回転軸４０を挟んで風圧変動発電機６０の反対側に配置されている。この風圧変動発電機２６０の駆動軸２６２には爪車機構２８０が取り付けられている。風圧変動発電機２６０、駆動軸２６２、および爪車機構２８０は、上述した第２の実施形態における風圧変動発電機１６０、駆動軸１６２、および爪車機構１８０とそれぞれ同一の構造を有しており、これらについての詳細な説明は省略する。
【００６６】
回転軸４０には、第１の実施形態における歯車４２に代えて、回転軸４０を中心とする半円形の歯車２４２（中間伝達機構）が設けられている。この半円形歯車２４２は上半分に歯２４４を有している。この半円形歯車２４２の歯２４４は、爪車機構８０の作動領域で爪車機構８０と噛合し、回転軸４０の第１回転方向（反時計回り）の回転を爪車機構８０に伝達するように構成され、また、爪車機構２８０の作動領域で爪車機構２８０と噛合し、回転軸４０の第２回転方向（時計回り）の回転を爪車機構２８０に伝達するように構成されている。
【００６７】
図７Ａは、風力発電装置２０１の半円形歯車２４２の近傍を示す模式的側面図である。図７Ａは、風が吹いておらず受風部５０に力がかかっていない状態（静止状態）を示している。この状態では、受風部５０はその自重により回転軸４０の垂直下方の初期位置に静止する。
【００６８】
図７Ａに示す状態で、例えば風が左から右に吹き受風部５０に当たったとすると、この風の力によって受風部５０は図７Ｂに示すように回転軸４０を中心として反時計回りに回転する。このとき、半円形歯車２４２も回転軸４０を中心として反時計回りに回転し、半円形歯車２４２の歯２４４の一部が爪車機構８０の作動領域８２で爪車機構８０と噛合する。これにより、回転軸４０の反時計回りの回転が風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達され、風圧変動発電機６０が駆動されて発電が行われる。
【００６９】
ここで、半円形歯車２４２は下半分に歯を有していないため、半円形歯車２４２が回転軸４０を中心として初期位置から反時計回りに回転した状態においては、半円形歯車２４２の歯２４４は爪車機構２８０の作動領域の外部に位置している。
【００７０】
図７Ｂに示す状態で風が止むと、図７Ｃに示すように、受風部５０は自重により時計回りに回転し始める。このとき、上述した爪車機構８０のラチェット構造により半円形歯車２４２は空回転し、風圧変動発電機６０の回転トルクは受風部５０にかからない。
【００７１】
ここで、上述した第２の実施形態のように円形の歯車を用いたとすると、爪車機構２８０の作動領域に歯車の歯が位置するため、受風部５０には風圧変動発電機２６０の回転トルクがかかることになる。これに対し、本実施形態では、半円形歯車２４２の歯２４４が爪車機構２８０の作動領域の外部に位置するため、風圧変動発電機２６０の回転トルクは受風部５０にかからない。
【００７２】
このように、受風部５０には風圧変動発電機６０および風圧変動発電機２６０のいずれからも回転トルクがかからないため、受風部５０は自重により自動的に初期位置（図７Ａに示す位置）に戻る。
【００７３】
一方、図７Ａに示す状態で、風が右から左に吹き受風部５０に当たったとすると、この風の力によって受風部５０は図７Ｄに示すように回転軸４０を中心として時計回りに回転する。このとき、半円形歯車２４２も回転軸４０を中心として時計回りに回転し、半円形歯車２４２の歯２４４の一部が爪車機構２８０の作動領域２８２で爪車機構２８０と噛合する。これにより、回転軸４０の時計回りの回転が風圧変動発電機２６０の駆動軸２６２に伝達され、風圧変動発電機２６０が駆動されて発電が行われる。このとき、半円形歯車２４２の歯２４４は爪車機構８０の作動領域の外部に位置している。
【００７４】
図７Ｄに示す状態で風が止むと、図７Ｅに示すように、受風部５０は自重により反時計回りに回転し始める。このとき、上述した爪車機構２８０のラチェット構造により半円形歯車２４２は空回転し、風圧変動発電機２６０の回転トルクは受風部５０にかからない。また、半円形歯車２４２の歯２４４が爪車機構８０の作動領域の外部に位置するため、風圧変動発電機６０の回転トルクも受風部５０にかからない。このように、受風部５０には風圧変動発電機６０および風圧変動発電機２６０のいずれからも回転トルクがかからないため、受風部５０は自重により自動的に初期位置（図７Ａに示す位置）に戻る。
【００７５】
本実施形態の半円形歯車２４２は、初期位置においてその上半分に歯２４４を有しているが、爪車機構８０と爪車機構２８０とを入れ替えることにより、下半分に歯を有する半円形歯車を用いることもできる。
【００７６】
また、本実施形態では、風圧変動発電機として２つの発電機６０，２６０を設けたが、これらを１つの発電機に統合することもできる。例えば、回転軸４０のうち第２回転方向（時計回り）の回転を反転させて風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達する回転伝達機構（第３の回転伝達機構）を設ければ、風圧変動発電機２６０をなくすことができる。このような回転伝達機構は、例えば複数の歯車を組み合わせることにより構成することができる。この場合には、回転軸４０の反時計回りの回転は、半円形歯車２４２および爪車機構８０を介して風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達され、回転軸４０の時計回りの回転は、半円形歯車２４２および上記回転伝達機構を介して反転されて風圧変動発電機６０の駆動軸６２に伝達される。
【００７７】
図８は、本発明の第４の実施形態における風力発電装置の回転軸４０の周辺を示す模式的側面図、図９は、図８の平面図である。本実施形態では、回転軸４０の回転角θに応じて風圧変動発電機６０の駆動軸６２への伝達比を変化させ、駆動軸６２にかかる回転トルクおよびその回転速度が最適になるように制御している。
【００７８】
図８に示すように、本実施形態における風力発電装置は、第１の実施形態における歯車４２に代えて、半径の異なる複数の扇形歯車を組み合わせた複合歯車３４２を備えている。本実施形態の複合歯車３４２は、３つの扇形歯車３４２ａ，３４２ｂ，３４２ｃを有しており、扇形歯車３４２ａの半径が一番小さく、扇形歯車３４２ｂの半径が二番目に小さく、扇形歯車３４２ｃの半径が一番大きくなっている。それぞれの扇形歯車３４２ａ，３４２ｂ，３４２ｃの外周部には歯が設けられている。
【００７９】
また、本実施形態における風力発電装置は、第１の実施形態における爪車機構８０に代えて、複数の爪車を組み合わせた複合爪車機構３８０を備えている。図９に示すように、複合爪車機構３８０は、上述した扇形歯車３４２ａ，３４２ｂ，３４２ｃに対応する３つの回転伝達部３８０ａ，３８０ｂ、３８０ｃを備えている。３つの爪車部のうち回転伝達部３８０ａは回転軸４０から最も近い位置に配置されており、回転伝達部３８０ｃは回転軸４０に最も遠い位置に配置されている。回転伝達部３８０ｂは、回転伝達部３８０ａと回転伝達部３８０ｃとの間に配置されている。
【００８０】
回転伝達部３８０ｃは、複合歯車３４２の扇形歯車３４２ｃに噛合可能な爪車３８４ｃと、爪車３８４ｃおよび風圧変動発電機６０の駆動軸６２に連結される軸３８６ｃと、軸３８６ｃに設けられた歯車３８８ｃとを有している。このような構成により、回転伝達部３８０ｃは、回転軸４０の第１回転方向の回転に対しては扇形歯車３４２ｃと噛合して回転軸４０の回転を駆動軸６２に伝達するが、第２回転方向の回転に対しては扇形歯車３４２ｃを空回転させ回転軸４０の回転を駆動軸６２に伝達しないようになっている。
【００８１】
回転伝達部３８０ｂは、複合歯車３４２の扇形歯車３４２ｂに噛合可能な爪車３８４ｂと、爪車３８４ｂに連結される軸３８６ｂと、軸３８６ｂに設けられ回転伝達部３８０ｃの歯車３８８ｃに噛合する歯車３８８ｂとを有している。このような構成により、回転伝達部３８０ｂは、回転軸４０の第１回転方向の回転に対しては扇形歯車３４２ｂと噛合して回転軸４０の回転を駆動軸６２に伝達するが、第２回転方向の回転に対しては扇形歯車３４２ｂを空回転させ回転軸４０の回転を駆動軸６２に伝達しないようになっている。
【００８２】
回転伝達部３８０ａは、複合歯車３４２の扇形歯車３４２ａに噛合可能な爪車３８４ａと、爪車３８４ａに連結される軸３８６ａと、軸３８６ａに設けられ回転伝達部３８０ｂの歯車３８８ｂに噛合する歯車３８８ａとを有している。このような構成により、回転伝達部３８０ａは、回転軸４０の第１回転方向の回転に対しては扇形歯車３４２ａと噛合して回転軸４０の回転を駆動軸６２に伝達するが、第２回転方向の回転に対しては扇形歯車３４２ａを空回転させ回転軸４０の回転を駆動軸６２に伝達しないようになっている。
【００８３】
ここで、扇形歯車３４２ａ，３４２ｂ，３４２ｃの中心角はそれぞれ３０°となっており、半径が一番小さい扇形歯車３４２ａは、回転軸４０の回転角θが０°から３０°であるときに爪車３８４ａと噛合できるように構成されている。また、半径が二番目に小さい扇形歯車３４２ｂは、回転軸４０の回転角θが３０°から６０°であるときに爪車３８４ｂと噛合できるように構成されている。半径が一番大きい扇形歯車３４２ｃは、回転軸４０の回転角θが６０°から９０°であるときに爪車３８４ｃと噛合できるように構成されている。
【００８４】
本実施形態の複合歯車３４２は、回転軸４０の回転角θに応じて伝達比を変化させて回転軸の回転を複合爪車機構３８０に伝達する伝達比制御機構として機能する。この機能について図８、図１０、および図１１を参照して説明する。なお、以下では、回転軸４０が第１回転方向（反時計回り）に回転するものとして説明する。
【００８５】
回転軸４０の回転角θが０°から３０°であるときは、図８に示すように、扇形歯車３４２ａが爪車３８４ａと噛合する。回転軸４０がさらに回転し、回転角θが３０°から６０°になると、図１０に示すように、扇形歯車３４２ｂが爪車３８４ｂと噛合する。このとき、扇形歯車３４２ｂの半径は扇形歯車３４２ａの半径よりも大きいため、爪車３８４ｂの回転速度は、回転角θが０°から３０°の場合に比べて速くなる。したがって、風圧変動発電機６０の駆動軸６２の回転速度も速くなり発電量が増える。
【００８６】
回転軸４０がさらに回転し、回転角θが６０°から９０°になると、図１１に示すように、扇形歯車３４２ｃが爪車３８４ｃと噛合する。このとき、扇形歯車３４２ｃの半径は扇形歯車３４２ｂの半径よりも大きいため、爪車３８４ｃの回転速度は、回転角θが３０°から６０°の場合に比べてさらに速くなる。したがって、風圧変動発電機６０の駆動軸６２の回転速度も速くなり発電量がさらに増える。
【００８７】
このように、本実施形態によれば、回転軸４０の回転角θに応じて風圧変動発電機６０の駆動軸６２への伝達比を変化させることができる。したがって、駆動軸６２にかかる回転トルクおよび回転速度を最適化することができ、風圧変動発電機６０の発電効率を向上させることができる。
【００８８】
なお、本実施形態では、風圧変動発電機として１つの発電機６０のみを設けた例について説明したが、上述した第２の実施形態や第３の実施形態のように２つの発電機を設けてもよい。その場合においては、追加する発電機に対応させて上述した複合歯車３４２の形状を設計するとともに上述した複合爪車機構３８０と同様の機構を追加すればよい。また、この場合においても、上述した第３の実施形態のように、受風部５０が自重により自動的に初期位置が戻るように風力発電装置を構成することができる。
【００８９】
図１２は、本発明の第５の実施形態における風力発電装置４０１を示す斜視図である。本実施形態においては、受風部４５０が回転軸４０の上方に固定されている。この受風部４５０に対応して、回転軸４０の下方には受風部４５０のバランスをとるための錘４５８が固定されている。その他の構造は上述した第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００９０】
一般的に地面から高い位置になればなるほど風が強くなるため、本実施形態のように受風部４５０を回転軸４０の上方に設けることで、より効率的に風の力を利用して発電を行うことができる。なお、この受風部４５０を回転軸４０の上方に設ける構造は、上述した第１の実施形態から第４の実施形態のいずれにも適用できるものである。
【００９１】
なお、上述した各実施形態においては、１つまたは２つの風向変動発電機が設けられているが、これらの風向変動発電機および風向変動発電機に関連する伝達機構を省略して風力発電装置の構造を簡略化してもよい。
【００９２】
また、上述した各実施形態においては、支軸２０が地面２に固定され、支持ブロック３０が支軸２０に対して旋回するものとして説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、回転軸４０とともに支持ブロック３０（支持部）が水平面内で旋回できればよい。例えば、支軸２０を回転可能に支持するようにベース１０を構成し、支軸２０と支持ブロック３０とを固定してもよい。
【００９３】
上述した各実施形態の回転伝達機構、旋回伝達機構、中間伝達機構、および伝達比制御機構は、歯車の噛合を用いて回転ないし旋回を伝達しているが、本発明はこれに限られるものではなく、何らかの係合により回転ないし旋回を伝達するものであればよい。
【００９４】
また、発条や重力などを利用したエネルギー貯蔵装置を設け、上述した各実施形態における発電機によって発電された電気エネルギーをこのエネルギー貯蔵装置に蓄積しておくことも可能である。
【００９５】
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００９６】
１，１０１，２０１，４０１    風力発電装置
２    地面
１０    ベース
２０    支軸
２２    歯車
３０    支持ブロック（支持部）
３２    風向舵
４０    回転軸
４２    歯車
５０，４５０    受風部
５２    帆布
５４    フレーム
５６    連結部
６０，１６０，２６０    風圧変動発電機
６２，７２，１６２，１７２，２６２    駆動軸
７０，１７０    風向変動発電機
８０，１８０，２８０    爪車機構（回転伝達機構）
９０，１９０    爪車機構（旋回伝達機構）
２４２    半円形歯車（中間伝達機構）
３４２    複合歯車
３４２ａ，３４２ｂ、３４２ｃ    扇形歯車
３８０    複合爪車機構
３８０ａ，３８０ｂ，３８０ｃ    回転伝達部
３８４ａ，３８４ｂ，３８４ｃ    爪車
３８６ａ，３８６ｂ，３８６ｃ    軸
３８８ａ，３８８ｂ，３８８ｃ    歯車
４５８    錘
【図１】
2011149413.tif 000003
【図２Ａ】
2011149413.tif 000004
【図２Ｂ】
2011149413.tif 000005
【図２Ｃ】
2011149413.tif 000006
【図３Ａ】
2011149413.tif 000007
【図３Ｂ】
2011149413.tif 000008
【図４】
2011149413.tif 000009
【図５】
2011149413.tif 000010
【図６】
2011149413.tif 000011
【図７Ａ】
2011149413.tif 000012
【図７Ｂ】
2011149413.tif 000013
【図７Ｃ】
2011149413.tif 000014
【図７Ｄ】
2011149413.tif 000015
【図７Ｅ】
2011149413.tif 000016
【図８】
2011149413.tif 000017
【図９】
2011149413.tif 000018
【図１０】
2011149413.tif 000019
【図１１】
2011149413.tif 000020
【図１２】
2011149413.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月6日(2010.8.6)
【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】
水平方向に延びる回転軸と、
前記回転軸に固定された受風部と、
前記受風部に当たる風の力により前記回転軸が回転できるように前記回転軸を支持する支持部と、
前記受風部に当たる風の力により前記回転軸とともに前記支持部が水平面内で旋回できるように前記支持部を支持する支軸と、
駆動軸を有する第１の風圧変動発電機と、
前記回転軸の回転のうち第１回転方向の回転を前記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第１の回転伝達機構と、
前記回転軸の回転角に応じて伝達比を変化させて前記回転軸の回転を前記第１の回転伝達機構に伝達する伝達比制御機構と、
を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記伝達比制御機構は、半径の異なる複数の扇形歯車を備え、
前記第１の回転伝達機構は、前記伝達比制御機構の複数の扇形歯車に対応して設けられた複数の回転伝達部であって、該対応する扇形歯車と係合することにより前記回転軸の第１回転方向の回転を前記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する複数の回転伝達部を備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
水平方向に延びる回転軸と、
前記回転軸に固定された受風部と、
前記受風部に当たる風の力により前記回転軸が回転できるように前記回転軸を支持する支持部と、
前記受風部に当たる風の力により前記回転軸とともに前記支持部が水平面内で旋回できるように前記支持部を支持する支軸と、
駆動軸を有する第１の風圧変動発電機と、
前記回転軸の回転のうち第１回転方向の回転を前記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第１の回転伝達機構と、
駆動軸を有する第２の風圧変動発電機と、
前記回転軸の回転のうち第２回転方向の回転を前記第２の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第２の回転伝達機構と、
前記第１の回転伝達機構の作動領域で前記第１の回転伝達機構と係合することにより前記回転軸の第１回転方向の回転を前記第１の回転伝達機構に伝達し、前記第２の回転伝達機構の作動領域で前記第２の回転伝達機構と係合することにより前記回転軸の第２回転方向の回転を前記第２の回転伝達機構に伝達する中間伝達機構であって、
前記回転軸が初期位置から前記第１回転方向に回転した状態においては、前記第２の回転伝達機構の作動領域の外部に位置するとともに、その一部が前記第１の回転伝達機構の作動領域に位置し、
前記回転軸が前記初期位置から前記第２回転方向に回転した状態においては、前記第１の回転伝達機構の作動領域の外部に位置するとともに、その一部が前記第２の回転伝達機構の作動領域に位置する、中間伝達機構と、
を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
前記中間伝達機構は、前記回転軸を中心とする半円形の歯車により構成されることを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。
【請求項５】
水平方向に延びる回転軸と、
前記回転軸に固定された受風部と、
前記受風部に当たる風の力により前記回転軸が回転できるように前記回転軸を支持する支持部と、
前記受風部に当たる風の力により前記回転軸とともに前記支持部が水平面内で旋回できるように前記支持部を支持する支軸と、
駆動軸を有する第１の風圧変動発電機と、
前記回転軸の回転のうち第１回転方向の回転を前記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第１の回転伝達機構と、
駆動軸を有する風向変動発電機と、
前記支持部の旋回のうち第１旋回方向の旋回を前記風向変動発電機の駆動軸に伝達する旋回伝達機構と、
を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
前記受風部の重心は、水平面内で前記支軸の中心とは異なる位置にあり、
前記受風部は、前記支軸の中心と前記受風部の重心とを結ぶ線に関して対称となるように構成されている
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記受風部は、
風を受ける帆布と、
前記回転軸に取り付けられたフレームと、
前記帆布を前記フレームに連結する複数の連結部であって、所定の大きさの力より大きな力が加わると前記帆布を前記フレームから切り離す連結部と、
を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の風力発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の一態様によれば、微風であっても発電することができ、かつ高価な材料や複雑な部品を必要とすることなく強風に耐え得る安価な風力発電装置が提供される。上記風力発電装置は、水平方向に延びる回転軸と、上記回転軸に固定された受風部と、上記受風部に当たる風の力により上記回転軸が回転できるように上記回転軸を支持する支持部と、上記受風部に当たる風の力により上記回転軸とともに上記支持部が水平面内で旋回できるように上記支持部を支持する支軸と、駆動軸を有する第１の風圧変動発電機と、上記回転軸の回転のうち第１回転方向の回転を上記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第１の回転伝達機構と、上記回転軸の回転角に応じて伝達比を変化させて上記回転軸の回転を上記第１の回転伝達機構に伝達する伝達比制御機構とを備えている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
また、回転軸の回転角に応じて第１の風圧変動発電機の駆動軸への伝達比を変化させることで、駆動軸にかかる回転トルクおよびその回転速度を最適に制御することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
また、本発明の他の態様による風力発電装置は、水平方向に延びる回転軸と、上記回転軸に固定された受風部と、上記受風部に当たる風の力により上記回転軸が回転できるように上記回転軸を支持する支持部と、上記受風部に当たる風の力により上記回転軸とともに上記支持部が水平面内で旋回できるように上記支持部を支持する支軸と、駆動軸を有する第１の風圧変動発電機と、上記回転軸の回転のうち第１回転方向の回転を上記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第１の回転伝達機構と、駆動軸を有する第２の風圧変動発電機と、上記回転軸の回転のうち第２回転方向の回転を上記第２の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第２の回転伝達機構とを備えている。このような構成により、回転軸の第１回転方向と第２回転方向の両方向の回転を発電に利用することができるので、発電効率が向上する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
さらに、上記風力発電装置は、上記第１の回転伝達機構の作動領域で上記第１の回転伝達機構と係合することにより上記回転軸の第１回転方向の回転を上記第１の回転伝達機構に伝達し、上記第２の回転伝達機構の作動領域で上記第２の回転伝達機構と係合することにより上記回転軸の第２回転方向の回転を上記第１の回転伝達機構に伝達する中間伝達機構を備えている。この中間伝達機構は、上記回転軸が初期位置から上記第１回転方向に回転した状態においては、上記第２の回転伝達機構の作動領域の外部に位置するとともに、その一部が上記第１の回転伝達機構の作動領域に位置する。また、中間伝達機構は、上記回転軸が上記初期位置から上記第２回転方向に回転した状態においては、上記第１の回転伝達機構の作動領域の外部に位置するとともに、その一部が上記第２の回転伝達機構の作動領域に位置する。この上記中間伝達機構は、上記回転軸を中心とする半円形の歯車により構成することができる。このような中間伝達機構により、受風部が軽くても、風により吹き上げられた受風部をその自重によって初期位置に戻すことが可能となる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
さらに、本発明の他の態様による風力発電装置は、水平方向に延びる回転軸と、前記回転軸に固定された受風部と、前記受風部に当たる風の力により前記回転軸が回転できるように前記回転軸を支持する支持部と、前記受風部に当たる風の力により前記回転軸とともに前記支持部が水平面内で旋回できるように前記支持部を支持する支軸と、駆動軸を有する第１の風圧変動発電機と、前記回転軸の回転のうち第１回転方向の回転を前記第１の風圧変動発電機の駆動軸に伝達する第１の回転伝達機構と、駆動軸を有する第１の風向変動発電機と、上記支持部の旋回のうち第１旋回方向の旋回を上記第１の風向変動発電機の駆動軸に伝達する第１の旋回伝達機構とを備えている。このような構成により、風向の変動を利用して発電することが可能となる。