(57)【要約】      （修正有）【課題】風力発電用ブレードは揚力型と抗力型がある。揚力型の特性として起動時の風速が高いこと、落雷、騒音、風向変動等の課題がある。また、抗力方式は固定ブレードのため、相対するブレードの風圧抵抗が発生してしまう欠点があった。【解決手段】本発明は、ブレード面の迎角を回転位置毎に重力と風の力のみで０度〜９０度の範囲で可動させることを特徴とする。抗力が最大となるアーム位置３時方向ではブレード面を垂直に保ち風力係数を最大化させる。一方、風上に向かうブレード面を水平に保ち風圧抵抗を減らす。風上の０時方向のアーム１にはブレードのフラップ８による揚力で軸トルクを助長させる。このように、抗力と揚力を兼ね備えた可変ブレード２、３により解決を図る。【選択図】図３
2015014201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けるブレード面中央部のやや上側に軸受を介してアームを接続し、アームを軸にブレードが自由に回転出来る状態とし、そのアームを境に上部を樋状（風力係数の高い形状ならこれに限らない）にして受風面の抗力を高め、下部面は、飛行機の翼に近い流線的フラップ構造を有し、これらを上下に組み合わせることで１枚ブレードが構成される。ブレードは停止時に垂直に近い位置にバランスするよう下部をやや重くしており、これにより、アームのそれぞれの回転位置（風を受けるブレード面の方向が異なる位置）に応じて取り付けられたブレードの迎角は重力と風の力のみで０度〜９０度の範囲で可変し、軸トルクを高め、高効率発電を可能とした可変ブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電用ブレードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電用ブレードにはプロペラ式、ダリウス式、クロスフロー式、等様々な方式のものがある。プロペラ方式やダリウス方式はブレードのねじれ角度によって得られる流体力学的な揚力により回転し、その回転トルクにより発電機を回し発電を行う。一方クロスフロー式やローター、パドル式などは抗力による直接正面からの風圧力により得られる回転トルクにより発電する方式であり、前者は主に大型の風力発電用として、また、後者は小規模な風力発電用として実用に供されている。
【０００３】
揚力型のプロペラ方式やダリウス方式のブレードの特性として、起動時には高い風速が必要とされる。また、稼働時の風速も少なくとも１０ｍ／ｓｅｃ以上を必要とし、低速での効率を上げるにはブレードの幅を増やす必要があるが、特に大型になると構造強度上の制約があり現実的でない。また、落雷やプロペラの風切騒音、突風、風向変動に対応しきれない等の課題もある。一方、抗力方式のクロスフローやローター方式は放射状に配置されたアームブレードの抗力差で回転する構造であるため、回転トルクを高めるにはブレードの形状の工夫又は受風面積の大型化を図る必要がある。しかし、形状に関してはもはや優位な改良の余地は無く、また、受風面積を大型化すれば強風時の制御が困難となり、小規模設備に限られている。
【０００４】
抗力方式は風向を選ばないため、回転方向に受ける風力係数を大きく取れ、低速でも回転トルクが得られるメリットがあるが、一方、同時に相対する片方のブレードは風上に向かって回転するため、回転トルクを減ずる力が発生してしまう欠点があった。
【０００５】
この改善策として、抗力方式ではブレードの形状を半球型や円錐状、樋状の形のものを左右対称に配置し、回転トルクを大きくしようとする工夫が行わられているが、何れの方法も基本的には相対するアームのブレードは固定方式であり、形状の差による若干の風力係数の差はあるにせよ大きな有意差は認められない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許：第3905121号  発明の名称：風車用の羽根、風車、及び、風力発電機
【特許文献２】出願番号：特願平７−２６４８３６発明の名称：垂直全面積利用型「風力発電」
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】松本文雄、西沢良史、牛山泉著  「垂直軸風車製作ガイドブック」パワー社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
固定方式のブレードは、風の流れ方向にブレードが抗力によって押されて回転力を生ずるが、同時に反対側アームのブレードは風上に向かって回転するため風の抵抗を受け、軸回転トルクは大きく阻害される。更に従来の抗力方式は０時方向（風上方向をを０時とした場合）の風上側に延びたアームのブレードは回転トルクに寄与しない点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、水平方向に放射状に延びたアーム２本〜6本（通常４本）にそれぞれ可変迎角のブレードを左右対称に配置し、ブレード面に風を受けてアームを水平回転させ、風力発電に供するものであるが、ブレード面の迎角を風の力のみで０度〜９０度の範囲で可動する構造を持つもので、アームの位置３時方向ではブレード面を風の流れに対し垂直状態に保つ作用が働き受風面の風力係数を最大化させる。一方、回転トルクを悪くする要因となる風上に向かうアームブレードに対しては、反対にブレード面の迎角を常に風の流れに対し平行状態に保つ作用が働く。更に、風上の０時方向の位置あるアームでもブレード下部のフラップの揚力によりトルクが加わり、軸回転トルクが高められる構造となっている。このように、抗力と揚力の両方を兼ね備えた可変ブレード機能を持つ風力発電機構を特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
ブレード面に風を受けてアームを水平回転させるが、この際、風上方向へ戻るブレードが風の抵抗により回転トルクを阻害する要因となるため、戻る際のブレード面の迎角を風の流れと並行状態（迎角０度）に風の力のみで変化させる構造としたことで従来の固定式と比べ、戻りアームのブレードの風力係数を極めて小さくすることが可能となる。  更に、ブレードのフラップにより０時方向に延びたアームのブレード側面から受ける風（ブレード面に平行に流れる風）にも揚力が発生するため、従来方式（アームが３時前後の位置のみトルク生ずる回転力）と比べ、本発明ではそれぞれのアームが０時〜３時までの広い範囲で回転トルクを生じさせることが出来るため、高効率な発電を可能とする。
特に、フラップの効果として、
１）アーム位置０時前後であってもフラップによる揚力を発生する。
２）３時〜９時のアーム位置までの間にブレード面が水平状態で滑空するため、風圧抵抗が最少となる。
３）アームが風上に移行する９時〜０時までの間に下部フラップが向かい風を受け、その
揚力によりブレードの迎角が直ちに垂直状態１に戻り、０時以降の揚力が最大になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は可変ブレード式風力発電装置の静止状態の図面代用写真である。（実施例）
【図２】図２は動作状態の可変ブレードの図面代用写真である。（実施例）
【図３】図３は可変ブレード式風力発電装置の概要図である。（実施例）
【図４】図４はブレード動作概念平面図である。
【図５】図５は各種既存のブレード概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ブレードは可能な限り軽量で強度の高い材質が好ましいが、本考案では性能評価用としてアルミの平板を使用した。実施形態は次のとおりである。
ブレード中心付近に水平にアーム１がベアリング軸受を介し取り付けられ、アーム軸を中心に風力以外の動力を一切使用せずブレードを０〜９０度の範囲で可変出来る構造としている。
【００１３】
アームとブレードの接合部を境にブレード上部２とブレード下部３はそれぞれ流体力学的に合理的な推進力を得られるよう異なる形状を有している。
ブレード上部の構造は横長の樋構造とし、凹側受風面の風圧係数を凸側より高め、高い回転トルクが得られるようにしてある。また、ブレード下部は飛行機の翼と同様な形態のフラップ８を有し、これにより風を受ける０時方向に延びるアームの位置であってもこのフラップ効果により軸回転の推力が得られる構造としている。
【００１４】
フラップ８によりアームが６時方向（風の流れ方向の真後ろにあるアーム）に位置するアームでは、このフラップに受ける風の揚力によりブレード下部を押し上げ、ブレード面は水平となり滑空し、やがて風の流れと対向流の位置となる９時の位置に達しても風の抵抗を最少の状態に保つことが出来る。９時を過ぎた段階で、今度は反対に向かい風を受けるようになりフラップ８にはブレードを押し下げる揚力が加わり、ブレードは直ちに垂直に戻され再び０時の状態となる。
【００１５】
これら一連の動作はすべてのアーム毎（アーム４本実施例では９０度間隔）で連続して作用するため、切れ目のない軸トルクが得られる。
【００１６】
静止状態から起動時させる際、初期の軸トルクを高めるため、常にブレード面の角度を垂直〜４５度の範囲にバランスするようややブレード下部を重く設定している。
【００１７】
起動時に迅速かつ安定に立ち上げるため、逆風（ブレードの凸面方向から受ける風）に向かって回転する９時の位置付近のブレードの抵抗を最少にするため、ブレード上下にかかる抗力をブレード上部よりも下部の方に僅かに高くなるように設定した。これにより、ブレードは受風後直ちに水平状態に押し上げられ、静止状態からの起動を迅速にした。
【００１８】
ブレードとアームはオーバースイング防止ピン７によりブレード迎角を０〜９０度の範囲内で可動するよう制限している。
【００１９】
その他、暴風や緊急停止等の実環境を想定し、その風圧によって自動的にアームが折り曲がるよう、バネによる折り畳み式構造となっている。
【実施例】
【００２０】
動作確認のため４本のアームの内、１本に着目して無負荷状態でテストした。微風状態（風速２ｍ／秒程度）での起動時において、最初９時の位置のアームのブレードの迎角は４５度程に傾斜し、回転が開始した。回転が増すにつれて、この位置のブレードの迎角が小さく（ほぼ水平）なり、それに伴い風圧係数も減少し、相乗効果的に回転を加速させることが出来た。
【００２１】
風速５ｍ／秒以上での動作確認では、９時のアームのブレードの迎角はいきなり０度まで傾斜し、素早く回転を開始した。オーバースイング防止ピンの効果により、ブレード迎角が０〜９０度の範囲を超えないよう制御され、安定した回転が確認出来た。
【００２２】
アームの回転位置による動作状況は、アーム位置が軸トルクの最大となる３時を過ぎた段階から徐々にブレードのフラップの凸側に風を受けるようになり、ブレード下部が押し上げられ、６時の位置から９時に至るまでブレードは水平のまま滑空し、風圧抵抗の少ない状態で風上に向かって回転した。９時を過ぎた段階で今度はフラップの凹側に風を受けるようになりアームが０時の位置に達するまでの間にブレード面の迎角は水平から垂直に移行し、この時、オーバースイング防止ピンによりブレードの迎角が９０度以上にならないよう維持され、これにより０時のアーム位置に於いても揚力を最大にすることが出来た。
【００２３】
強風時に停止させる機能として、ある一定以上の風速に達した場合、風の力で自動的にアームを折り曲げ、風を逃がす機構の動作確認を行った結果バネの強度を調整することにより、任意の風速に対応出来た。
【００２４】
本発明の主体は可変ブレードにあるので、発電機や増速機構系の説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
１．軸トルクが大きいため、増速ギアによりブレードの回転速度を低く設定でき、騒
音が少なく都市型として使用可能であり、特にビル風等に有効に活用できる。
２．水力発電用タービンでは対応が難しい水中でのゆっくりした流れに対する水力発  
電用として応用できる可能性がある。
【符号の説明】
【００２６】
１  水平アームジョイント
２  ブレード上部
３  ブレード下部
４  増速ギア及び発電機
５  支柱
６  ベアリングジョイント
７  オーバースイング防止ピン
８  ブレード下部フラップ
９  アームヘッダー
【図１】
2015014201.tif 000003
【図２】
2015014201.tif 000004
【図３】
2015014201.tif 000005
【図４】
2015014201.tif 000006
【図５】
2015014201.tif 000007