(57)【要約】【課題】風車におけるブレードの角度制御機構を公転軸から切り離すと共に、公転速度に応じてシンプルな機構でブレードの角度を制御し、風のエネルギーを効率的に取り出すことのできる垂直型風車を提供する。【解決手段】垂直な回転軸と一体的に回転する一対のハブに軸支された複数の垂直なブレードにより該回転軸を駆動する垂直型風車であって、回転軸の回転速度を検出して速度信号を出力する信号出力手段と、ブレードそれぞれと同軸に軸支され、ブレードの回動を弾性部材の布勢力で制限する回動制限手段と、弾性部材の布勢力を増減する布勢力調整手段と、速度信号に応じて前記布勢力の増減を制御する制御手段と、を備えた。【選択図】図１
2019019781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直な回転軸と一体的に回転する一対のハブに軸支された複数の垂直なブレードにより該回転軸を駆動する垂直型風車であって、
前記回転軸の回転速度を検出して速度信号を出力する信号出力手段と、
前記ブレードそれぞれと同軸に軸支され、弾性部材の布勢力で前記ブレードの回動を制限する回動制限手段と、
前記弾性部材の布勢力を増減する布勢力調整手段と、
前記速度信号に応じて前記布勢力の増減を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする垂直型風車。
【請求項２】
前記回動制限手段は、前記ブレードが軸支された自転軸と一体的に回動し、該自転軸に対して対称な位置それぞれに掛止部が形成された回動部材と、該掛止部に一端が掛止され、他端が前記布勢力調整手段に係止された一対の弦巻ばねを有するものとすることを特徴とする請求項１記載の垂直軸風車。
【請求項３】
前記布勢力調整手段は、モータの回転運動を直線運動に転換する転換機構を有し、
前記制御手段は、前記速度信号に対応する閾値と前記モータの回転数との対応表とを備え、前記速度信号が前記閾値を超えたときは、前記モータを所定回数だけ正回転させ、該速度信号が該閾値を下回ったときは、該モータを所定回数だけ逆回転させる制御を行うことを特徴とする請求項１記載の垂直型風車。
【請求項４】
前記ハブそれぞれは、下部外面が平ら若しくは流線形で、上部外面が流線形の中空のフレームを少なくとも３本有し、
前記回動制限手段、前記布勢力加減手段及び前記制御手段は、前記フレームそれぞれに内蔵されたものであることを特徴とする請求項１記載の垂直型風車。
【請求項５】
前記弦巻ばねは、前記ブレードが所定の風を受けたとき、前記自転軸と前記回転軸とを結んだ線に直交する線と前記ブレードの前縁と後縁とを結んだ弦長線とがなすブレード角が１７度以下となり、微風を受けたとき、該ブレード角が０度になるようにばね定数が設定されることを特徴とする請求項２記載の垂直軸風車。
【請求項６】
前記転換機構は、前記モータの回転軸に結合された駆動歯車に係合する一対の平歯車と、該平歯車それぞれの中心に形成された貫通孔に螺合し、該平歯車の回転により、該貫通孔を自在に移動する一対の棒体とを有し、該棒体それぞれに前記弦巻ばねそれぞれが係止されたことを特徴とする請求項３記載の垂直軸風車。
【請求項７】
前記制御手段は、前記速度信号が第1閾値以下のときは前記モータを所定回数だけ逆回転させて前記布勢力を減じ、該速度信号が第１閾値を超えたときは、該モータを停止し、該速度信号が第２閾値を超えたときは、該モータを所定回数だけ正回転させる制御を行うことを特徴とする請求項３記載の垂直軸風車。
【請求項８】
前記ブレードは、翼弦長の中央より前縁側で軸支され、前記回転速度及び前記回転軸を公転する位置に応じて前記ブレード角が変化することを特徴とする請求項５記載の垂直軸風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直な回転軸と一体的に回転する一対のハブに垂直に軸支された複数のブレードに作用する力によって回転する垂直型風車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から風のエネルギーを、風車の回転力に変換することによって取り出す方法が用いられているが、近年、省資源や地球環境保全の観点から風力や水力で発電等を行うことが世界的に見直されてきている。
風車には、水平軸型と垂直軸型とがあるが、水平軸型は、ブレードを飛行機のプロペラと同じ断面を持たせることで高速回転が可能なため、高出力が得られるという利点がある反面、風切音が大きい上に回転面を常に風向きにあわせる風向制御が必要であることや、重量の大きい発電機などを上部に設置する必要がある。それに対し、垂直軸型は、比較的回転数が低く、騒音の心配が少ない上、風向きには依存せずにどの方向の風も利用できること、発電機などの重量物は地上に設置できるという利点がある反面、回転エネルギーへの変換効率が低いとされている。そこで、変換効率を向上させる様々な提案がなされている。
例えば、公転軸の周りに一対のブレードを、回転自在な自転軸によって配設し、公転軸及び自転軸それぞれに歯車を設け、公転軸と自転軸相互間をタイミングベルトで結合することにより、ブレードが風上に向かうときは、ブレードの受風部分を徐々に風向きと平行になるようにし、風下に向かうときは、ブレードの受風部分を徐々に風向きと直角になるようにして空気抵抗の差による公転トルクを得るプラネタリー風車が提案されている（特許文献１）。
また、上記のブレードは平面状態のため、風力を効率的に利用できないことから、弛緩した状態で張着した帆を受風手段とした風車が提案されている（特許文献２）
さらに、従来の垂直型風車は、起動が容易ではないことや回転数の制御ができないこと、過大風力への対応が容易でないことから、中心となる回転軸にベアリングを介して偏芯して回転する軸を有するガイドロッドと、そのガイドロッドに支持されて公転するブレードとを有し、ブレードの公転角度が第１の公転角度付近で最大自転角度となり、第１の公転角度と直交する第２の公転角度付近では自転角度が０度となるようにブレードの自転角度を制御する風車が提案されている（特許文献３）
これらは、いずれもブレードの角度を変えて効率的に風力を活用するもので、中心の回転軸（公転軸）とブレードの自転軸との間を機械的につなぎ、両者を連動させる手段が必要である。従って、ブレードの公転半径を大きくして風車を大型化するのは限界がある。
そこで、ブレードを流線形にするとともに、翼弦長の前縁側は残し、後縁側は切り欠くことにより、大きな空気抵抗を生じさせ、ブレードの角度は変えずに効率を高める方法（特許文献４）、ブレードの後端部に遠心力とアクチュエータの弾性力のバランスで開閉動作する開閉部材を設け、低風域では、ブレードの後方から開閉部材が受ける抗力で回転力を得るサポニウス効果を活用し、高風域では開閉部材を閉じてブレードに作用する揚力の回転方向成分による回転力で回転をえるジャイロミル効果を活用する方法（特許文献５）が開示されている。
また、自転軸を公転軸とは切り離してブレードの角度を効率の良い方向に向けるブレードの角度制御装置を用いる方法が、出願人らによって提案されている。
例えば、風速と風向、及び公転軸の回転位置を計測し、ブレードの方向を風車で発電した電力でサーボモータを駆動して制御する風車（特許文献５）や、公転軸の周りを公転する風車の駆動力を直接利用して、風向計の向きに応じて油圧モータを回転させ、ブレードの角度を制御する方向制御装置（特許文献６）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５７−３７２号公報
【特許文献２】特開平１１−１１７８５０号公報
【特許文献３】特開２００６−１５２９２２号公報
【特許文献４】特許第４５１４５０２号公報
【特許文献５】特開２００１−１０７８３８号公報
【特許文献６】特許第５００３９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、公転軸と自転軸とを切り離し、ブレードの角度を効率の良い方向に向ける方法は、揚力によって強力な回転力が得られるが、常時回転している風車に油圧装置を搭載する場合には、油漏れに対する対策が不可欠である。また、それらの装置をフレームに内蔵させるという物理的制約から、フレームの空気抵抗を少なくするには限界がある。また、風向や風速の検出が必要であり、そのための装置を搭載する必要もある。
本発明は、上記事情に鑑み、風車におけるブレードの角度制御機構を公転軸から切り離すと共に、公転速度に応じてシンプルな機構でブレードの角度を制御し、風のエネルギーを効率的に取り出すことのできる垂直型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】
【０００５】
本発明の垂直型風車は、垂直な回転軸と一体的に回転する一対のハブに軸支された複数の垂直なブレードにより該回転軸を駆動する垂直型風車であって、上記回転軸の回転速度を検出して速度信号を出力する信号出力手段と、上記ブレードそれぞれと同軸に軸支され、弾性部材の布勢力で上記ブレードの回動を制限する回動制限手段と、上記弾性部材の布勢力を増減する布勢力調整手段と、上記速度信号に応じて上記布勢力の増減を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
そして、上記ハブそれぞれは、下部外面が平ら若しくは流線形で、上部外面が流線形の中空のフレームを少なくとも３本有し、上記回動制限手段、上記布勢力加減手段及び上記制御手段は、上記フレームそれぞれに内蔵されたものとすることができる。
このように、回動自在に軸支されたブレードを弾性部材の布勢力で回動を制限するとともに、その布勢力の増減を制御すれば、ブレードの角度も制限され、風によるエネルギーを公転力に変換することができる。そして、ハブを構成するフレームを中空の流線形もしくはクラーク形にし、ブレードの角度を制限する各手段を内蔵させれば、空気抵抗を減らし、エネルギーの変換効率を高めることができる。
また、上記回動制限手段は、上記ブレードが軸支された自転軸と一体的に回動し、該自転軸に対して対称な位置それぞれに掛止部が形成された回動部材と、該掛止部に一端が掛止され、他端が上記布勢力調整手段に係止された一対の弦巻ばねを有するものとすることができる。その場合、上記弦巻ばねは、上記ブレードの風を受ける面が毎秒２０メートル程度の風を受けたとき、上記自転軸と上記回転軸とを結んだ線に直交する線と上記ブレードの前縁と後縁とを結んだ弦長線とがなすブレード角が１７度以下になり、微風を受けたとき、該ブレード角が０度になるようにばね定数を設定することができる。
このように、自転軸と同軸に軸支された回動部材を一対の弦巻ばねで牽引すれば
ブレードの回動を制限することができ、その場合、強風を受けたときと無風のときとのブレード角によって弦巻ばねのばね定数を設定することができる。
また、上記布勢力調整手段は、モータの回転運動を直線運動に転換する転換機構を有し、上記制御手段は、上記速度信号に対応する閾値と上記モータの回転数との対応表とを備え、上記速度信号が上記閾値を超えたときは、上記モータを所定回数だけ正回転させ、該速度信号が該閾値を下回ったときは、該モータを所定回数だけ逆回転させる制御を行うことができるし、上記制御手段は、上記速度信号が第1閾値以下のときは上記モータを所定回数だけ逆回転させて上記布勢力を減じ、該速度信号が第１閾値を超えたときは、該モータを停止し、該速度信号が第２閾値を超えたときは、該モータを所定回数だけ正回転させる制御を行うこともできる。その場合、上記転換機構は、上記モータの回転軸に結合された駆動歯車に係合する一対の平歯車と、該平歯車それぞれの中心に形成された貫通孔に螺合し、該平歯車の回転により、該貫通孔を自在に移動する一対の棒体とを有し、該棒体それぞれに上記弦巻ばねそれぞれが係止されたものとすることができる。
このような転換機構によれば、モータの回転によって弾性部材の布勢力を増減することができ、そのモータの回転を公転速度の速度信号で制御すれば、風速や風向を計測することなくブレードの角度を制御できる。
以上により、上記ブレードは、翼弦長の中央より前縁側で軸支されているので、上記回転速度及び上記自転軸の公転位置に応じて上記ブレード角が変化する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の垂直軸風車によれば、ブレードの角度制御機構は、ブレードを軸支するハブを構成するフレームにそれぞれ内蔵されるので、公転半径を大きくすることができる。また、ブレードの角度は弦巻ばねなどの弾性部材の張力を、公転速度に応じて小型のモータで制御するというシンプルで、コンパクトな機構で行うことができるので、風のエネルギーを効率的に取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は本実施形態の垂直型風車を示す図である。
【図２】図２は上側又は下側のハブを示す図である。
【図３（ａ）】図３(a)は本実施形態のブレードの軸支位置を示す図である。
【図３（ｂ）】図３(b)は本実施形態のブレード角を示す図である。
【図４】図４は上面と下面とが対称な流線形の作図例である。
【図５】図５はクラーク形の作図例である。
【図６】図６は上側及び下側のハブを構成するフレームの内部を示す模式図である。
【図７】図７は本実施形態の制御手段の一例を示すブロック図である。
【図８】図８は一定の風が吹いたとき、ブレードの回転位置に応じてブレード角が変化する状況を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、本実施形態の垂直型風車を示す図である。
図１に示す本実施形態の垂直型風車１は、垂直な回転軸６と、垂直な回転軸６に軸支され、回転軸６と一体的に回転する上下一対のハブ７と、ハブ７に垂直に自転軸１１に軸支され、軸受３で軸止された３枚のブレード１０とを有する。
回転軸６は、中空の筒状部材で、下部側が円錐形の風車タワー２に収容され、スラスト軸受９で回転自在に支持されている。
なお、風車タワー２の下部には、ポンプや発電機などの負荷を回転駆動する歯車機構４が軸支されている。
そして回転軸６が風車タワー２のスラスト軸受９と接触する位置に、回転軸２の回転速度を検出し、速度信号を出力する速度センサ（本発明の「速度検出手段」に相当する。以下同じ。）５を設けてあり、出力された速度信号は、回転軸６の内部を通る配線５１により、ハブ７に内蔵された制御手段に送られる。
本実施形態の速度センサ５は、回転軸６が一回転する毎に接点が瞬間的に閉じるので、その時間間隔を計測することにより回転速度を検出することができるタイプのものを使用しているが、速度センサ５は必ずしもこのタイプに限定する必要はない。
そして、上下一対のハブ７のうち、上側のハブ７には、ブレード１０の前縁と後縁とを結んだ弦長線が、ブレード１０の自転軸１１とブレード１０が公転する回転軸６とを結んだ線との直交線となす角度（以下、「ブレード角」という。）を制御する制御部等及び配線が内蔵され、下側のハブ７には、速度センサ５や制御部等の電源となる電池及び配線が内蔵されている。
ここで、本実施形態の垂直軸風車１は、回転軸６が円錐形の風車タワー２に収容されているが、必ずしも円錐形の風車タワー２に収容する必要はなく、四本の柱で構成された矢倉に収容してもよい。垂直型風車１は、重心が回転軸６にあるので、バランスがよい上、負荷となる発電機などが下部に設置されるので、横軸型風車を支持するタワー等のような強度を必要としないので、設置場所の制約が緩和される。
【０００９】
図２は、上側又は下側のハブを示す図である。
図２に示す本実施形態のハブ７は、中央で回転軸６に軸支され、例えば矢印K方向（時計回り）に回転するもので、軸支された中央から３本のフレーム８が延設され、フレーム８の先端には、ブレード１０が自転軸１１に軸支され、軸受３で軸止されている。
フレーム８は、例えばグラスファイバやカーボンファイバ、あるいはチタン合金やアルミハニカムのような軽量で高強度な素材を用いて中空に形成され、上面は流線形で、下面は概ね平面をなしたクラーク形である。
従って、翼厚は、後述するように、矢印K方向（時計回り）に移動する前縁側の方が後縁側よりも大きくなっており、回転に伴う空気抵抗が極力小さくなるようにしてある。
また、ハブ７の上側と下側とでは、流線形をなした上面が反対側を向くように配置してあるので、上下のハブ７に作用する揚力が相互に打ち消され、回転軸６及び自転軸１１を軸止している軸受３に過大な力が加わるのを防止することができる。
ここで、本実施形態のハブ７を構成するフレーム８は、断面がクラーク形をなしているが、必ずしもクラーク形に限定する必要はなく、流線形をなしていても、平面形をなしていてもよく、使用する素材やサイズ等に応じて選択することができる。
【００１０】
図３（a）及び図３（ｂ）は、本実施形態のブレード断面を一例として示す図であり、図３（a）は軸支位置を示す図であり、図３（ｂ）は、ブレード角を示す図である。
図３（a）に示す本実施形態のブレード１０は、例えばグラスファイバやカーボンファイバ、あるいはチタン合金やアルミハニカムのような軽量で高強度な素材を用いて中空に形成され、断面は流線形で、上面と下面とが対称形になっている。
そして、ブレードの軸支位置１２は、前縁１３と後縁１４とを結んだ翼弦線１６上にあり、前縁１３までの距離をa、後縁１４までの距離をｂとしたとき、a/(a+b)×１００が概ね３８（％）となるように設定してある。しかしながら軸支位置１２は、３８％の地点に限定する必要はなく、１５％乃至４０％の地点であれば、風を受けたときに生じるモーメントにより、回動し、ブレード角が生じ、回転軸６を中心にした公転方向の回転力が生じるので、風車を起動させることができる。
【００１１】
図３（ｂ）に示す本実施形態のブレード１０は、風を受けたときに生じるモーメントにより、回転軸６と自転軸１１とを結ぶ線に対して翼弦線１６が直交する位置から、回動し、ブレード角１５が生じている。ブレード角１５は、風の強さに応じて大きくなるが、強風を受け続けて前縁１３と後縁１４とを結ぶ翼弦線１６が風向とほぼ一致したときが最大になる。そのとき、ブレード１０が矢印K方向（時計回り）に公転する回転力は概ねゼロになり、風車は起動しない。そこで、本実施形態の垂直軸風車１は、風が強くなっても、ブレード角１５が一定範囲内に保持され、回転力を得ることができるようにしている。すなわち、弾性部材の布勢力によって、ブレード１０に作用するモーメントに対抗するモーメントが加わる機構を備え、その布勢力を、回転軸６の回転速度で増減する制御を行っている。
なお、本実施形態のブレード１０は、断面が流線形のものを用いているが、断面は流線形に限定する必要はなく、フレーム８と同様にクラーク形であってもよい。
【００１２】
図４及び図５は、ブレード若しくはフレームの断面を流線形あるいはクラーク形にする場合の作図例を示す図であり、図４は、上面と下面とが対称な流線形の作図例、図５はクラーク形の作図例である。
【００１３】
図６は、上側及び下側のハブを構成するフレームの内部を示す模式図である。
図６に示すように、各ブレード１０は上側のハブ７の各フレーム８と下側のハブ７の各フレーム８との間に自転軸１１で軸支されている。そして、風を受けたとき、ブレード１０に作用するモーメントでブレード１０が回動するのを一定範囲内に制限する機構が上側のフレーム８に内蔵されている。
それらの機構は、ブレード１０の回動を弾性部材の布勢力で制限する回動制限手段２０と、モータ３１に駆動されて弦巻ばねの布勢力を増減する布勢力調整手段３０と、速度センサ５から入力される速度信号に応じてモータ３１を回転させ、布勢力の増減を制御する制御手段４０である。また、モータ３１を駆動する電池５０は、下側のフレーム８に内蔵され、配線５１によって接続されている。
【００１４】
回動制限手段２０は、ブレード１０と同軸に軸支され、対称な位置に掛止部２２が形成された回動部材２１と、その掛止部２２に一端が掛止された一対の弦巻ばね２３，２４とを有する。
ここで、本実施形態では、回動部材２１の大きさや、弦巻ばね２３，２４のバネ定数は、ブレード１０が風をほとんど受けない微風時には、ブレード角１５が０度になり、風速２０ｍ/秒程度の風を受けたときには、ブレード角１５が例えば１７度程度に制限されるように設定されている。ただし、ブレード角１５の最大値は、必ずしもこの数値に限定されない。
布勢力増減手段３０は、回転軸に駆動歯車３２が結合されたモータ３１と、中心に、ネジ山を刻んだ貫通孔が形成され、駆動歯車３２に係合する一対の平歯車３３と、貫通孔に螺合し、平歯車３３の回転に伴って直線運動を行う一対の長ねじ（本発明の「棒体」に相当する。以下同じ。）３４と、を有し、長ねじ３４の先端には、回動制限手段２０を構成する弦巻ばね２３，２４の他端が係止されている。
一対の長ねじ３４は、軸受３５により移動自在に支持されており、モータ３１が例えば時計回りに正回転すると一対の平歯車３３が反時計回りに回転し、長ねじ３４はそれぞれ矢印L方向に移動するので、弦巻ばね２３，２４が牽引される。
従って、風が微風のときは、ブレード角１５は０度であるが、風速が少し速くなると、弦巻ばね２３、２４の一方は伸び、他方は縮んで、ばね定数に応じたブレード角１５が生じる。そして、風速が例えば２０ｍ/秒を越えて、回転速度が閾値を超えると危険になるので、モータを正回転させて、弦巻ばね２３，２４を牽引する。その結果、回動部材２１の回動を制限する力が大きくなるので、例えば風速３０ｍ/秒の風を受けたときでもブレード角１５が１７度程度に制限される。
【００１５】
次に、その状態から、モータ３１が反時計回りに逆回転すると、一対の平歯車３３は時計回りに回転し、長ねじ３４はそれぞれ矢印L方向とは反対方向に移動するので、弦巻ばね２３，２４は緩められる。その結果、回動部材２１の回動を制限する力が弱まり、例えば風速２０ｍ/秒の風を受けたときでも、ブレード角１５は１７度程度に制限される。
ここで、本実施形態の回動制限手段２０は、弦巻ばね２３，２４の布勢力で回動部材２１が回動するのを制限しているが、必ずしも弦巻ばね２３，２４に限定する必要はなく、例えばゴムであってもよい。また、回動部材２１は、対称な位置を一対の弦巻ばね２３，２４によって牽引し、回動を制限しているが、ブレード１０を軸支する位置が前縁１３の近傍にある場合は、一本の弦巻ばね２３，２４で牽引することにしてもよい。
また、回転運動を直線運動に転換する機構は、必ずしもここで説明した機構に限定する必要はなく、例えば「ロータリーライナー（旭精工株式会社の登録商標）」や「スライドクランク機構」などを用いてもよい。
【００１６】
図７は、本実施形態の制御手段の一例を示すブロック図である。
図７に示す制御手段４０は、速度センサ５から入力するON・OFF信号のタイミングを計測し、デジタル信号に変換する入力部４１と、入力部４１から出力されるデジタル速度信号に基づいて、弦巻ばね２３、２４が回動部材２１の各掛止部２２を引っ張る力を強めるべきか、弱めるべきかを判別し、指令信号を出力するマイクロコンピュータ４２と、マイクロコンピュータ４２から出力される指令信号に基づいて、モータ３１を所定方向に所定回数回転させる出力部４３と、モータの回転数及び回転方向を検出してモータ信号を出力するモータセンサ４６とを備えている。これらに必要な電源は、電圧を安定化する電源安定化装置４５を介して電池５０から給電される。また、入力部４１には、モータセンサ４６から出力されるモータ信号が入力され、その信号もデジタル化されて、マイクロコンピュータ４２に送られる。マイクロコンピュータ４２は、デジタル速度信号に基づいて、弦巻ばね２３、２４の引っ張る力を強めるべきか、弱めるべきかを判別する際に、モータセンサ４６から送られた情報を参酌して指令信号を出力する。
なお、ON・OFF信号は、図１で説明した速度センサ５で検出され、配線５１を経由して入力部４１に入力される。そして、電源は、図４で説明した下側フレーム８に内蔵されている電池５０から配線５１を経由して電源安定化装置４５に給電される。
マイクロコンピュータ４２は、例えば回転速度がｔ１（秒/１回転）を超えたとき、出力部４３にモータ３１を右に１０回転するよう指示する一方、その旨をメモリに記録する。そして、回転速度がｔ１（秒/１回転）以下に落ちたときは、メモリに記録された情報に基づいて、出力部４３にモータを左に１０回転するよう指示する。また、回転速度がｔ２（秒/１回転）を超えたときは、メモリ４５に記録された情報に基づいて、出力部４３にモータ３１の回転数は右に、更に１０回転するよう指示する。
【００１７】
図８は、一定の風が吹いたとき、ブレードの回転位置に応じてブレード角が変化する状況を示す図である。
図８に示すブレードの軸支位置は、前縁１３から後縁１４までの翼弦長１７を１００としたとき、前縁１３から１５％乃至４０％の地点に設定されている。
従って、ブレード１０が風Wを受けたとき、ブレード１０にはモーメントが作用して、図のB、C、Dの地点では後縁１４が自転軸の公転円の内側になる方向に回動し、図のF、G、Hの各地点では、後縁１４が回転軸６を中心とする公転円の外側になる方向に回動する。そして、C地点及びG地点では風を真正面から受けるのでモーメントは最も大きくなり、B、Dの地点及びH、Fの地点では、風を斜めに受けるのでモーメントは小さくなり、A地点及びE地点ではモーメントがほぼ0になる。
一方、本実施形態のブレード１０は、ブレード１０に作用するモーメントでブレード１０が回動するのを一定範囲内に制限する機構が備えられている。
すなわち、一対の弦巻ばね２３，２４によってブレード１０に作用するモーメントに対抗する力が加えられている。従って、一対の弦巻ばね２３，２４の作用により、風がブレード１０に作用するモーメントとは逆向きのモーメントが加わるので、ブレード１０は、両方のモーメントが釣り合う位置で回動を停止する。
その結果、ほとんど風を受けない微風のときは、ブレード角１５が０度になり、風速２０ｍ/秒程度の強い風を受けたときは、ブレード角１５が概ね１７度程度になる。
そして、風Wが吹いたとき、ブレード１０は、破線で示した位置（ブレード角が０度の位置）から、実線で示した位置に回動し、矢印K方向（時計回り）に公転する回転力が生じるので、風車は起動する。
【００１８】
次に、ブレード１０が公転する際に、回動を制限する機構との関係においてどのように挙動するかについて詳細に説明する。
図８において、向かい風を受けるのは、G地点から始まり、H、A、B、C地点であり、追い風を受けるのはC地点から始まり、D、E、F、Gである。C地点及びG地点を境にして、ブレード１０の相対的な動作は、向かい風では反時計回り、追い風では時計回りに回動する。そして、A地点では、前縁を先頭に風に向って進行し、E地点では後縁に風を受けて進行する。
回転軸６の回転速度（ブレード１０の公転速度）が閾値以下のとき、弦巻ばね２３，２４は、当初から設定されている同じ力で回動部材２１の各掛止部を引っ張っている。
ブレード１０が、B地点に来ると風を受けてある角度傾斜するが、そのとき前縁１３側を引っ張っている一方の弦巻ばね２４は伸び、後縁１４側を引っ張っている他方Aの弦巻ばね２３は縮む。そしてC地点に来ると一方の弦巻ばね２４はB地点のときよりも更に伸び、他方の弦巻ばね２３は更に縮むが、他方の弦巻ばね２３は、縮んでもなお引っ張られている状態となるように、ばねの巻き数等が調整されている。
ブレード１０がC地点からD地点に向って公転するとき、ブレード１０はC地点で最大の風圧を受け、ブレード角１５が最大になる。そして、一方の弦巻ばね２４は伸び、他方の弦巻ばね２３は縮んだままの状態でブレード１０は時計回りに回動し、D地点近くまで公転する。
D地点を通り、E地点に来ると、A地点と反対に、後縁に風を受けるので、一方の弦巻ばね２４と他方の弦巻ばね２３は同じ長さに戻る。
そして、ブレード１０がF地点に来ると、追い風を少し受けるので、ブレード１０が時計回りに回動する。そのとき、他方の弦巻ばね２３が伸び、一方の弦巻ばね２４は縮む。次に、G地点に来ると追い風を最大に受けてブレード角は最大となり、他方の弦巻ばね２３はさらに伸び、一方の弦巻ばね２４はさらに縮む。そして、ブレード１０がH地点に来ると、ブレード１０が受ける風圧が少し弱まるので弦巻ばね２３が縮み、弦巻ばね２４が伸び、ブレード１０は反時計回りに回動する。そして、A地点に戻ると弦巻ばね２３及び弦巻ばね２４は再び同じ長さに戻る。
【００１９】
このように、ハブ７を構成する各フレーム８の向きが風の向きと同じになるC地点とG地点では、ブレード１０は風の影響を最も強く受け、ブレード角１５は最も大きくなるが、最大17度程度に制限されている。一方、各フレーム８の向きが風の向きと直交するA地点とE地点では、風の影響はほとんど受けないので、ブレード角１５はほぼ０度になる。
起動後、公転する回転速度が次第に上昇すると、ブレード１０には、進行方向から受ける風が加わり、それらと自然の風Wとを合成した相対的な風が作用する。その結果、揚力の作用により回転速度は上昇する。
また、風速が２０ｍ/秒程度を超えると、ブレード角１５はさらに大きくなり、回転速度がさらに上昇する恐れがある。そこで、回転速度が閾値を超えた場合は、制御手段４０がモータ３１を回転させ、弦巻ばね２３，２４が回動部材２１の各掛止部を引っ張る力を強める。その結果、風によってブレード１０が回動しようとするのを阻止する力が強まるので、ブレード角１５は設定された最大値を超えることがない。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
一般家庭あるいは工場等の発電用、浄水場や養殖場等のポンプ駆動用、ビルや地下空間の排気ファン駆動用などとして活用できる。
【符号の説明】
【００２１】
１    垂直軸風車
２    風車タワー
３    軸受
４    歯車機構
５    速度センサ
６    回転軸
７    ハブ
８    フレーム
９    スラスト軸受
１０    ブレード
１１    自転軸
１２    軸支位置
１３    前縁
１４    後縁
１５    ブレード角
１６    翼弦線
１７    翼弦長
１８    中央線
２０    回動制限手段
２１    回動部材
２２    掛止部
２３、２４    弦巻ばね
３０    布勢力調整手段
３１    モータ
３２    駆動歯車
３３    平歯車
３４    長ねじ
３５    軸受
４０    制御手段
４１    入力部
４２    マイクロコンピュータ
４３    出力部
４５     電圧安定化装置
５０    電池  
５１    配線  
【図１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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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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