(57)【要約】【課題】    本発明は、簡単な構造で、強風時に安全で、かつ風向きの変化に敏感に反応して正確な制動作用をすることのできる横軸風車を提供することを目的としている。【解決手段】  ナセル３の内部に、遠心力でブレード７の回転数をコントロールする回転数制御機構を設けた風車において、支柱２にナセル３の前部を旋回可能に支持し、かつナセル３の後部外周面に、放射方向を向く複数の方向舵１４を配設し、強風時に、回転数制御機構によってブレード７の回転数を制御させた状態で、方向舵１４により、ナセル３の前部を風上に向けて維持させるようにした横軸風車。【選択図】  図１
2011027055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナセルの内部に、遠心力でブレードの回転数をコントロールする回転数制御機構を設けた風車において、支柱にナセルの前部を旋回可能に支持し、かつナセルの後部外周面に、放射方向を向く複数の方向舵を配設し、強風時に、回転数制御機構によってブレードの回転数を制御させた状態で、方向舵により、ナセルの前部を風上に向けて維持させるようにしたことを特徴とする横軸風車。
【請求項２】
前記方向舵は、正面視Ｘ状となし、左右においてそれぞれの先端部に外側方向へ湾曲する湾曲部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載された横軸風車。
【請求項３】
前記方向舵は、前縁の厚さが厚く、後縁にかけて次第に薄く形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の横軸風車。
【請求項４】
前記方向舵の後縁は、主軸に対して直交し、かつ側面視において基部よりも先端部の幅が広く形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の横軸風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車に係り、特に風力発電機に使用され、高速風を受けると、風上を向くと共に、ブレードの回転数を遠心力でコントロールさせて、回転速度を一定に維持させるようにした横軸風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
横軸風車を使用した風力発電機におけるブレードのピッチ角は、一般に固定されているが、高速風の時には、風速を電子的に計測し、機械的にブレードのピッチ角度を変えて、ブレードに対する風圧による負荷を軽減させることが、例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３５３６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１に限らず、風速を計測し、その計測値に基づいてコンピュータ制御により、ブレードのピッチ角度を機械的に変えるようにしたものにおいては、風の向きが急激に変化した際、ブレードの向きが追従できず、風車がその性能を十分に発揮し得ないことがしばしばある。
これは、瞬時の風向変化に、機械的運動が即座に追従できないという構造上の問題によるもので、特に風車が大きければ、機械的なロスは大きく、この点の改善は大きな課題となっている。
本発明は、構造が簡単で、強風時に安全であり、かつ風向きの変化に敏感に反応して、正確な制動作用をすることのできる横軸風車を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の具体的な内容は次の通りである。
【０００６】
（１）  ナセルの内部に、遠心力でブレードの回転数をコントロールする回転数制御機構を設けた横軸風車において、支柱にナセルの前部を旋回可能に支持し、かつナセルの後部外周面に、放射方向を向く複数の方向舵を配設し、強風時に、回転数制御機構によりブレードの回転数を制御させた状態で、方向舵により、ナセルの前部を風上に向けて維持させるようにした横軸風車。
【０００７】
（２）  前記方向舵は、正面視Ｘ状となし、左右においてそれぞれの先端部に外側方向へ湾曲する湾曲部が形成されている前記（１）に記載の横軸風車。
【０００８】
（３）  前記方向舵は、前縁の厚さが厚く、後縁にかけて次第に薄く形成されている前記（１）又は（２）に記載の横軸風車。
【０００９】
（４）  前記方向舵の後縁は、主軸に対して直交し、かつ側面視において基部よりも先端部の幅が広く形成されている前記（１）〜（３）のいずれかに記載の横軸風車。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると次のような効果がある。
【００１１】
前記（１）に記載の横軸風車は、ナセルに方向舵が装着されているので、風向きが瞬時に変化しても、方向舵によってナセルも瞬時に方向を追従させて、ナセルの前部を風上に向ける。
強風が吹くときは、主軸の回転に伴い回転数計測機が遠心力による移動量を回転数に変換して、一定以上の回転数になると、回転数制御機構によって自動的にブレードの向きが変って、回転速度は低下する。
その状態で風向きが変ると、方向舵の作用によって、瞬時にナセルの前部が風上方向へ向きを変えるので、ブレードの向きは風流に対して正面を向けない状態を維持し、ブレードが回転しても速度はあがらず、過回転の虞はない。また強風の当るブレードの面積は小さいので、ブレードが強風で破損する虞はない。主軸の回転数が減少すると、回転数制御機構によって自動的にブレードの向きが復元して、元のように回転する。
【００１２】
前記（２）に記載の横軸風車は、方向舵がナセルにおいて、正面視Ｘ状となっているので、横から当る風流は、上下の方向舵の面積の広い側面に当ることになり、かつ方向舵はナセルの後部に形成されているため、前方の支柱を支点として、ナセルの前部を容易に風上に向けて旋回させることになる。
また、方向舵の各先端部は外側方向へ湾曲した湾曲部が形成されているので、方向舵の側面方向から当る気流は、方向舵の先端部からの拡散が抑制され、舵取り性に優れている。
【００１３】
前記（３）に記載の横軸風車は、方向舵の前縁の板厚が厚く、後縁にかけて次第に薄く形成されているので、前方から方向舵に当る気流は、方向舵の表面に沿ってコアンダ効果により高速となって通過するので、後方に位置するブレードに対して障害になりにくい。
【００１４】
前記（４）に記載の横軸風車は、方向舵の後縁は主軸に対して直交し、かつ側面視において、基部よりも先端部の幅が広く形成されているので、斜め横からの気流にも、よく反応して向きを変えさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る横軸風車の実施例１の側面図である。
【図２】同じく横軸風車の背面図である。
【図３】同じく横軸風車の回転数制御機構部分拡大側面図である。
【図４】同じく図２におけるIVーIV線断面図である。
【図５】同じく図２におけるVーV線断面図である。
【図６】図２におけるブレードが変向した状態を示す平面図である。。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１６】
本発明の実施例を図面を参照して説明する。横軸風車１における支柱２の上端部に、ナセル３の前端部が旋回可能に配設されている。ナセル３の後端部から突出する主軸４には、可変ピッチプロペラ５が装着されている。
【００１７】
可変ピッチプロペラ５は、ハブ６の外側面に、放射方向を向いて複数（図では４枚）のブレード７の基部が、取付けピッチを変向可能に装着されているものである。
【００１８】
ナセル３の内部には、主軸４と連結された発電装置８が配設されている。また回転数計測機９Ａ、その計測値により、可変ピッチプロペラ５のブレード６の向きを変向させる、コンピュータ９Ｄを含む回転数制御機構９が内蔵されている。
【００１９】
これら可変ピッチプロペラ５の、ブレード７の向きを変える回転数制御機構９は、公知のどのような物でもよいが、その一例を図３に示す。
図３において、ナセル３内の軸受１０の外周に、笠歯車１１が回転可能に配設されている。笠歯車１１の前側には、平歯車１２が固定されている。
【００２０】
ハブ６に回転可能に支持されたブレード７の基端部に、笠歯車１３が固定され、前記笠歯車１１と噛合されている。
回転数計測機９Ａは、主軸４の回転に伴う遠心力により摺動体９Ｂが遠心方へ移動すると、近接センサ９Ｃにより移動量が検知され、回転数に変換される。
【００２１】
近接センサ９Ｃにより、あらかじめ設定してある一定以上の回転数が計測されると、コンピュータ９Ｄにより、サーボモータ９Ｅが制御されて、伝動歯車９Ｆが後退し、軸受１０上の平歯車１２と噛合すると共に、回転する。
【００２２】
これによって、笠歯車１１を介して各ブレード７の基端部の笠歯車１３が１度〜４５度回転する。これによって、正面を向いているブレード７は、横を向くことになり、正面に強風を受けることがないので、回転速度は低下する。
【００２３】
回転数は、摺動体９Ｂの移動量によって計測され、風速が低下してブレード７の回転数が低下すると、遠心力も弱まるので摺動体９Ｂは元の位置へ戻る。これによって、常にブレード７の回転数は遠心力計測によりコントロールされる。
【００２４】
図１，図２において、ナセル３の外周面の後部には、放射方向を向く複数の方向舵１４が装着されている。方向舵１４は、側面視で後縁は垂直であり、その前縁は径方向の外回りへ行くほど、前向きに傾斜して、基部の幅より先端の幅が長く形成されている。
【００２５】
方向舵１４の断面形は、図４に示すように、前部の板厚は厚く、後端へかけて次第に薄く形成されている。また図２に示すように、方向舵１４の先端部１４Ａは、それぞれ外側方へ湾曲している。
【００２６】
図１においてＡ矢示気流がブレード７に当ると、気流は翼端方向へ拡散されるが、翼端部の湾曲部７Ａによって拡散が抑制され、弦長の広い翼端部に多量の気流があたり、回転力は高まる。
【００２７】
風向きが変って、図２におけるＢ矢示の側方気流が方向舵１４にあたると、ナセル３は、前部が支柱２で支持されているため、図２においてブレード７は支柱２を支点として左方へ旋回する。また、ブレード７に、反対方向のＣ矢示気流があたると、ブレード７は支柱２を支点として右方へ旋回する。
【００２８】
このようにして、風向きが変化しても、常にブレード７の正面は風上を向くこととなる。台風時の強風のときも、ブレード７の正面に強風があたり、ブレード７は高速回転をすることになる。
【００２９】
台風のような強風が吹いた時、図３に示す回転数計測機９Ａの摺動体９Ｂが、主軸４の回転に伴う遠心力で移動して、センサ９Ｃによって移動量が計測され回転数に変換される。
【００３０】
一定の回転数以上のとき、コンピュータ９Ｄによりサーボモータ９Ｅが制御されて、平歯車９Ｆは後退し、軸受１０上の平歯車１２と噛合して回転することによって、ブレード７の向きを横方向へ旋回させて、伝動歯車９Ｆは元の位置にもどる。
【００３１】
これによって、ナセル３の前部は風上を向いているが、ナセル３後部のブレード７は、その正面を横向きにしているので、回転速度は低下する。その強風の向きが変っても、方向舵１４によって、ナセル３は瞬時に前部を風上に向けるので、ブレード７の正面は風流に対して横向きになったままであり、過回転することはない。
【００３２】
すなわち、従来の風車では、強風に伴い、コンピュータ制御によりブレード７の向きを変えることができるが、風向きは一瞬にして変るので、その変化した風向きにコンピュータ制御が追従することができず、しかも回転しないブレード７の正面に強風を受けることになり、ブレード７の破損や、支柱の破損などが生じやすいが、本発明では、風向きの変化に対して、瞬時にナセル３の前部が風上を向くので、破損の虞れが小さい。
【００３３】
風速が低下すると主軸４の回転数が減少し、摺動体９Ｂが後退するので、そのことをセンサ９Ｃが検知し、コンピュータ９Ｄの制御によって伝動歯車９Ｅは逆回転し、ブレード７の向きを元の位置に復元する。
同時に、伝動歯車９Ｅが前進して、軸受１０上の平歯車１２から噛合が解かれるので、ブレード７は風力により回転し、発電装置８により発電される。 
【００３４】
ブレード７は、図２に示すように、翼根の弦長よりも翼端の弦長が広く形成され、最大弦長部７Ｂを境にして、先端をナセル３の方へ湾曲させて湾曲部７Ａが形成されている。また図５に示すようにブレード７全体の前縁７Ｃの翼厚を厚く、後縁７Ｄへかけて次第に薄く形成してある。湾曲部７Ａにおいても同様である。
【００３５】
またブレード７の前面における後縁７Ｄは、背面方向へ傾斜している。そのためブレード７が図５に示すＡ矢示気流を受けると、後縁７Ｄ方向へ移動する気流の反作用として、前縁７ＣはＢ矢示方向へ押される。
【００３６】
ブレード７が回転すると、ブレード７に当る相対流はコアンダ効果により、ブレード７の前縁７Ｃ部においては負圧となり、後縁７Ｄ域では高圧となる。そのためブレード７は気圧の差によって前方向へ押出されて、回転効率がたかまる。
【００３７】
このような回転効率のよいブレード７も、図６に示すように、Ａ矢示方向の気流に対して横向きになると回転しにくい。また回転しても、高速回転をすることはない。
【００３８】
しかし、方向舵１４は、低風速の時も風向きに敏感に追従して、ブレード７の正面を風上に向けるので、ブレード７は常に気流と正対して高い回転効率を示し、発電効果は高められる。
【符号の説明】
【００３９】
１．横軸風車
２．支柱
３．ナセル
４．主軸
５．可変ピッチプロペラ
６．ハブ
７．ブレード
７Ａ．湾曲部
８．発電装置
９．回転数制御機構
９Ａ．回転数計測機
９Ｂ．摺動体
９Ｃ．近接センサ
９Ｄ．コンピュータ
９Ｅ．サーボモータ
９Ｆ．伝動歯車
１０．軸受
１１．伝動歯車
１２．平歯車
１３．笠歯車
１４．方向舵
１４Ａ．湾曲部
【図１】
2011027055.tif 000003
【図２】
2011027055.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011027055.tif 000006
【図５】
2011027055.tif 000007
【図６】
2011027055.tif 000008