(57)【要約】【課題】比較的に簡易な構成で、風力が変化してもほぼ一定の電気エネルギが効率的に得られ、強風による羽根の破損も防止でき、保守・メンテナンスの手間も少なくて済む装置を提供する。【解決手段】保持台板上に支持された水平回転軸１０、水平回転軸に取着された翼車１２、小型発電機、伝動機構および方向舵の役割をなす尾翼５２を備える。翼車１２を、水平回転軸１０に固着された翼保持部材１４と、翼保持部材に放射状にかつ円周方向に等配して保持された複数枚の回転翼１６とから構成する。風力が大きいほど、風向きと直交する平面に対して回転翼１６のプラスチック薄板部２２のなす角度が大きくなるように回転翼がその枢軸部を回転中心として回動し、それに伴って可動部材５８が圧縮コイルばね６２の付勢力に抗して翼保持部材１４から遠ざかる方向へ移動する機構を備える。【選択図】図１
2015117584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
保持部材に水平姿勢でかつ回転自在に支持された回転軸と、
この回転軸に取着され風の力を受けて回転軸と一体的に回転する翼車と、
回転のエネルギを電気エネルギに変換する発電機と、
前記回転軸の回転動力を前記発電機の回転子に伝達する伝動機構と、
前記回転軸を風向に沿わせるように水平面内で回動させる向き調整機構と、
風力の変化に対して前記回転軸の回転数の変動を抑える回転数自動調整機構と、
を備えた風力発電装置において、
前記翼車を、
前記回転軸に固着され、それぞれ半径方向に穿設され円周方向に等配された複数の支持孔を有する翼保持部材と、
この翼保持部材の支持孔に回動自在に挿着され前記回転軸と直交する方向に延びる枢軸部、この枢軸部に一体的に固設されその枢軸部が同一面内に含まれるように平面状に形成され前記回転軸に沿った方向に流れる風に対して斜めに交差するように配置されるプラスチック薄板部、および、前記枢軸部の、前記回転軸に沿った方向に流れる風の下流側に垂直に突出するように枢軸部に一体的に連接した舵桿部からなり、翼保持部材に放射状にかつ円周方向に等配して保持された複数枚の回転翼と、
から構成するとともに、
前記回転数自動調整機構を、
前記回転軸の、前記翼保持部材の後方側に、翼保持部材と間隔を設け回転軸に対して摺動自在に取着された可動部材と、
この可動部材を前記翼保持部材に対して接近させるように付勢する弾発手段と、
一端部が前記各舵桿部の後端部にそれぞれピン接合されるとともに他端部が前記可動部材にピン接合され、円周方向に等配して設けられた複数本のリンク棒と、
から構成し、前記複数枚の回転翼が受ける風力が大きいほど、風向きと直交する平面に対して前記プラスチック薄板部のなす角度が大きくなるように前記各回転翼が前記枢軸部回りにそれぞれ回動し、それに伴って前記舵桿部およびリンク棒を介し前記可動部材が前記弾発手段の付勢力に抗して前記翼保持部材から遠ざかる方向へ移動するようにしたことを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風の力により翼車を回転させて、その回転のエネルギを電気エネルギに変換する小型の風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の風力発電装置としては、従来から様々な種類や各種型式のものが提案され製作されている。例えば、風力が大きくなっても翼車の回転数の増大を抑えることによって強風による羽根の破損を防止できるようにした小型の風力発電装置が提案されている。この風力発電装置は、水平回転軸、この水平回転軸に取着された翼車、水平回転軸の回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機、水平回転軸の回転動力を発電機の回転子に伝達する伝動機構および方向舵を備えており、水平回転軸に固定カラーを固着するとともに、水平回転軸に対し摺動自在に可動カラーを取着し、固定カラーに複数本の風上側取付棒を放射状に固着するとともに、可動カラーに複数本の風下側取付棒を放射状にかつ風上側取付棒と角度位置をずらして固着し、各風上側取付棒とそれに対応する各風下側取付棒との間にそれぞれ羽根を張設して、前記翼車が構成されている。そして、風力が大きいほど風上側取付棒から風下側取付棒が離間しかつ風上側取付棒と風下側取付棒との角度位置のずれが小さくなるように、固定カラーに対して可動カラーが移動および回動する機構となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４５０９６３３号公報（第３−５頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された風力発電装置は、簡易な構成であり、強風による羽根の破損を防止することができ、また、風力が変化してもほぼ一定の電気エネルギを効率的に得ることができる、といった利点を有している。一方、この風力発電装置では、ポリエステル、ポリビニルアセタール等の布帛で製作された羽根を、固定カラーに固着された各風上側取付棒と可動カラーに固着された各風下側取付棒との間にそれぞれ張設して翼車が構成されており、屋外における太陽光、温度、湿度、降雨などの様々な自然環境変化の中で羽根が劣化するため、例えば４〜６年程度に１回の割合で羽根を張り替える必要がある、といった問題点がある。
【０００５】
この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、比較的に簡易な構成であり、風力が変化してもほぼ一定の電気エネルギが効率的に得られ、強風による羽根の破損も防止することができ、保守・メンテナンスの手間も比較的少なくて済む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】
【０００６】
この発明は、保持部材に水平姿勢でかつ回転自在に支持された回転軸と、この回転軸に取着され風の力を受けて回転軸と一体的に回転する翼車と、回転のエネルギを電気エネルギに変換する発電機と、前記回転軸の回転動力を前記発電機の回転子に伝達する伝動機構と、前記回転軸を風向に沿わせるように水平面内で回動させる向き調整機構と、風力の変化に対して前記回転軸の回転数の変動を抑える回転数自動調整機構とを備えた風力発電装置において、前記翼車および前記回転数自動調整機構のそれぞれの構成に特徴を有する。
すなわち、この発明に係る風力発電装置における翼車は、前記回転軸に固着されていてそれぞれ半径方向に穿設され円周方向に等配された複数の支持孔を有する翼保持部材と、この翼保持部材に放射状にかつ円周方向に等配して保持された複数枚の回転翼とから構成されており、前記回転翼が、前記翼保持部材の支持孔に回動自在に挿着され前記回転軸と直交する方向に延びる枢軸部と、この枢軸部に一体的に固設されその枢軸部が同一面内に含まれるように平面状に形成され前記回転軸に沿った方向に流れる風に対して斜めに交差するように配置されるプラスチック薄板部と、前記枢軸部の、前記回転軸に沿った方向に流れる風の下流側に垂直に突出するように枢軸部に一体的に連接した舵桿部とから構成されている。
また、この発明に係る風力発電装置における回転数自動調整機構は、前記回転軸の、前記翼保持部材の後方側に翼保持部材と間隔を設けて取着され回転軸に対して摺動自在とされた可動部材と、この可動部材を前記翼保持部材に対して接近させるように付勢する弾発手段と、一端部が前記各舵桿部の後端部にそれぞれピン接合されるとともに他端部が前記可動部材にピン接合され円周方向に等配して設けられた複数本のリンク棒とから構成されていて、前記複数枚の回転翼が受ける風力が大きいほど、風向きと直交する平面に対して前記プラスチック薄板部のなす角度が大きくなるように前記各回転翼が前記枢軸部回りにそれぞれ回動し、それに伴って前記舵桿部およびリンク棒を介し前記可動部材が前記弾発手段の付勢力に抗して前記翼保持部材から遠ざかる方向へ移動するようになっている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る風力発電装置においては、風力が大きくなると、翼車の回転翼の受ける力が大きくなり、その力によって回転翼が、その枢軸部の軸心線（翼保持部材の支持孔の軸心線）を中心として回動し、回転翼の枢軸部に一体的に連接した舵桿部が回動する。これにより、風の進行方向から見える回転翼の見掛け上の面積が小さくなる。また、舵桿部が回動することにより、舵桿部の後端部に一端部がピン接合され他端部が可動部材にピン接合されたリンク棒を介して可動部材が後方側への押力を受け、可動部材が弾発手段の付勢力に抗して翼保持部材から遠ざかる方向へ回転軸に沿って摺動する。この結果、風から回転翼の受ける力が小さくなる。このため、風力が大きくなっても、翼車の回転数、したがって回転軸の回転数の増大が抑えられる。そして、風力の大きさに応じて回転翼の回動角度および可動部材の移動距離が変化し、風の進行方向から見える回転翼の見掛け上の面積が変化するので、風力が変化しても、回転軸の回転数の変動が抑えられる。また、回転軸の回転数の増大が抑えられるので、強風による回転翼の破損が防止される。一方、風力が小さくなって回転翼の受ける力が小さくなると、可動部材は、弾発手段の付勢力が羽根の受ける力に打ち克ち、翼保持部材に近づくように回転軸に沿って摺動する。これにより、可動部材にピン接合されたリンク棒を介して回転翼の舵桿部が力を受け、舵桿部が回動し、舵桿部に枢軸部が一体的に連接した回転翼が、その枢軸部の軸心線を中心として前記とは逆方向に回動する。この結果、風の進行方向から見える回転翼の見掛け上の面積が大きくなる。
したがって、この発明に係る風力発電装置を使用すると、風力が変化してもほぼ一定の電気エネルギを効率的に得ることができ、強風による回転翼の破損も防止することができる。そして、この風力発電装置は、比較的に簡易な構成を有しており、また、回転翼の主要部が、従来の風力発電装置のように翼車の羽根が布帛で製作されたものに比べて耐候性のあるプラスチック薄板部で形成されているので、保守・メンテナンスの手間も比較的少なくて済む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施形態の１例を示し、風力発電装置の側面図である。
【図２】図１に示した風力発電装置を風上側から見た正面図である。
【図３】図１に示した風力発電装置の一部である小型発電機および伝動機構を示す側面図である。
【図４】図１に示した風力発電装置の一部である尾翼部分を示す平面図である。
【図５】図１に示した風力発電装置の一部を示す側面図であって、風力が小さいときの装置動作を説明するための図である。
【図６】図１に示した風力発電装置の一部を示す平面図であって、風力が小さいときの装置動作を説明するための図である。
【図７】図１に示した風力発電装置の一部を示す側面図であって、風力が大きいときの装置動作を説明するための図である。
【図８】図１に示した風力発電装置の一部を示す平面図であって、風力が大きいときの装置動作を説明するための図である。
【図９】図１に示した風力発電装置を風上側から見た正面図であって、風力が大きいときの翼車の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の最良の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１に側面図を示すように、この風力発電装置は、作動時に風の方向に沿う水平回転軸１０を備えた水平軸型の装置であって、水平回転軸１０に翼車１２が取着されており、翼車１２は、風を受けて水平回転軸１０と一体的に回転するようになっている。
【００１０】
翼車１２は、水平回転軸１０に固着された主翼保持部材１４、および、この主翼保持部材１４に放射状にかつ円周方向に等配して保持された複数枚、図示例のものでは８枚の回転翼１６から構成されている。主翼保持部材１４には、図５および図７に示すように、回転翼１６に対応して８個の支持孔１８（図５および図７には２個だけ図示している）が、円周方向に等配されてそれぞれ半径方向に穿設されている。回転翼１６は、主翼保持部材１４の支持孔１８に回動自在に挿着されて水平回転軸１０と直交する方向に延びる枢軸部２０、この枢軸部２０に一体的に固設されたプラスチック薄板部２２、および、枢軸部２０に一体的に連接した舵桿部２４から構成されている。プラスチック薄板部２２は、枢軸部２０が同一面内に含まれるように平面状に形成されており、裏面側に補強材２６が装着されている。このプラスチック薄板部２２は、水平回転軸１０に沿った方向に流れる風に対して斜めに交差するように配置される。また、舵桿部２４は、枢軸部２０の、水平回転軸１０に沿った方向に流れる風の下流側に垂直に突出するように固設されている。
【００１１】
水平回転軸１０は、図３に示すように、保持台板２８の上面に固設された一対の軸受３０、３０によって回転自在に支持され、保持台板２８により軸受３０を介して片持ち式に水平姿勢で保持されている。保持台板２８は、下面側に回転支軸３２が一体的に垂設されており、回転支軸３２は、支柱３４の軸心部に形設された支持孔３６に回動自在に嵌挿されている。そして、保持台板２８は、支柱３４の上端部に水平姿勢で保持され、鉛直軸周りに自由回転するようになっている。
【００１２】
保持台板２８上には、回転のエネルギを電気エネルギに変換する小型発電機３８、および、回転動力を伝達するためのギヤボックス４０が固設されており、小型発電機３８の回転子とギヤボックス４０の出力軸とが連結されている。保持台板２８上には、そのほか、ブレーキホイール４２、カップリング４４、連結軸４６、軸受４８などが設置されている。そして、保持台板２８の上面側はカバー５０で覆蓋され、保持台板２８とカバー５０からなるケーシング内に軸受３０、小型発電機３８、ギヤボックス４０などが収納される。
【００１３】
水平回転軸１０の後端部には、方向舵の役割をなす尾翼５２が取り付けられている。尾翼５２は、図４に平面図を示すように、上下にそれぞれ一対ずつ設けられており、一対の尾翼５２、５２が「く」の字形をなしその連接部側が前方を向くように配置されている。尾翼５２は尾翼保持部材５４に固着され、尾翼保持部材５４は、尾翼５２が水平回転軸１０と共回りしないように軸受部材５６を介し水平回転軸１０に対して自由回転可能に保持されている。したがって、尾翼５２の作用により、水平回転軸１０を風向に沿わせるように、支柱３４に対して保持台板２８が水平面内で回動するようになっている。
【００１４】
水平回転軸１０の、水平回転軸に固定された主翼保持部材１４の後方側に、主翼保持部材１４と間隔を設けて可動部材５８が取着されている。可動部材５８は、水平回転軸１０に対して摺動自在に保持されている。また、水平回転軸１０の、可動部材５８の後方側に、可動部材５８と間隔を設けてばね受け部材６０が固着されている。そして、可動部材５８とばね受け部材６０との間に、水平回転軸１０の外周側に巻回された圧縮コイルばね６２が介装され、圧縮コイルばね６２の両端部が可動部材５８およびばね受け部材にそれぞれ固着されている。したがって、可動部材５８は、圧縮コイルばね６２の弾発力により主翼保持部材１４に対して接近するように付勢される。また、翼車１２の回転翼１６の舵桿部２４には、その後端部にリンク棒（ターンバックル）６４の一端部がピン接合され、リンク棒６４の他端部が可動部材５８にピン接合されている。そして、各回転翼１６の舵桿部２４と可動部材５８をそれぞれ連結させる８本のリンク棒６４が、円周方向に等配して装着されている。
【００１５】
上記した可動部材５８、ばね受け部材６０、圧縮コイルばね６２および複数本のリンク棒６４により、風力の変化に対して水平回転軸１０の回転数の変動を抑えるように機能する回転数自動調整機構が構成されている。この機構を備えていることにより、風力の大きさに応じて回転翼１６の回動角度および可動部材５８の移動距離が変化し、風の進行方向から見える回転翼１６の見掛け上の面積が変化する。すなわち、複数枚の回転翼１６が受ける風力が大きいほど、風向きと直交する平面に対してプラスチック薄板部２２のなす角度が大きくなるように各回転翼１６が枢軸部２０回りにそれぞれ回動し、それに伴って舵桿部２４およびリンク棒６４を介し可動部材５８が圧縮コイルばね６２の付勢力に抗して主翼保持部材１４から遠ざかる方向へ移動する。
【００１６】
次に、上記したような構成を備えた風力発電装置における動作について説明する。
この風力発電装置の設置場所において風が吹くと、尾翼５２の作用により、保持台板２８が支柱３４に対して水平面内で回動し、水平回転軸１０の軸線方向を風の流れに沿わせ翼車１２の前面側が風上に向いた姿勢となる。そして、風力が小さいときは、図１に示すように、また、図５に部分側面図を示し図６に部分平面図を示す（図５および図６には、理解し易くするために１本の回転翼１６だけを図示している）ように、圧縮コイルばね６２が伸長して翼車１２の主翼保持部材１４と可動部材５８との間の距離が最小となり、図２に示すように、風上側から翼車１２を見たときの回転翼１６の見掛け上の面積が最大となる。このため、翼車１２の回転翼１６は、風から最大限の力を受けることとなる。このとき、圧縮コイルばね６２には特に負荷はかからない。そして、風の力によって翼車１２が水平回転軸１０と共に回転し、その回転動力がギヤボックス４０等を経て小型発電機３８の回転子に伝達され、小型発電機３８により回転のエネルギが電気エネルギに変換されて電力が発生する。得られた電力は、例えば、バッテリに一時的に蓄えられ、インバータを介して６０Ｈｚまたは５０Ｈｚの周波数および１００Ｖの電圧に変換されて一般家庭で使用されたり、インバータを介し回生インバータを通じて電力会社へ供給されたりする。
【００１７】
一方、風力が大きくなると、翼車１２の回転翼１６の受ける力が大きくなり、その力によって回転翼１６が、その枢軸部２０の軸心線（主翼保持部材１４の支持孔１８の軸心線）を中心として回動する。これにより、図９に示すように、風上側から翼車１２を見たときの回転翼１６の見掛け上の面積が小さくなる。このため、翼車１２の回転翼１６が風から受ける力が低減することとなる。また、回転翼１６が回動することにより、回転翼１６の枢軸部２０に一体的に連接した舵桿部２４が回動するので、図７に部分側面図を示し図８に部分平面図を示す（図７および図８には、理解し易くするために１本の回転翼１６だけを図示している）ように、舵桿部２４の後端部に一端部がピン接合され他端部が可動部材５８にピン接合されたリンク棒６４を介して可動部材５８が後方側への押力を受け、可動部材５８が、圧縮コイルばね６２の弾発力（伸長力）に抗して翼車１２の翼保持部材１４から遠ざかる方向へ水平回転軸１０に沿って摺動する。そして、翼車１２の回転翼１６が受ける風の力と圧縮コイルばね６２の弾発力とが均衡した状態となる位置に可動部材５８が保持される。このように、風力が大きいときには、翼車１２の回転翼１６が風から受ける力を低減させるように動作するため、風力が大きくなっても、翼車１２の回転数、したがって水平回転軸１０の回転数の増大が抑えられる。そして、風力の大きさに応じて回転翼１６の回動角度および可動部材５８の移動距離が変化し、風の進行方向から見える翼車１２の回転翼１６の見掛け上の面積が変化するので、風力が変化しても、水平回転軸１０の回転数の変動が抑えられる。また、水平回転軸１０の回転数の増大が抑えられるので、強風によって回転翼１６が破損される、といったことが防止される。
【００１８】
そして、風力が次第に小さくなって翼車１２の回転翼１６の受ける力が次第に小さくなると、可動部材５８は、圧縮コイルばね６２の付勢力（復元力）により、翼車１２の翼保持部材１４に近づく方向へ水平回転軸１０に沿って摺動する。この動作に従って、可動部材５８にピン接合されたリンク棒６４を介して回転翼１６の舵桿部２４が力を受け、舵桿部２４が回動するので、舵桿部２４に枢軸部２０が一体的に連接した回転翼１６が、その枢軸部２０の軸心線を中心として、図６に示した角度方向へ回動する。この結果、風の進行方向から見える回転翼１６の見掛け上の面積が大きくなる。このため、翼車１２の回転翼１６は、風の力を効率良く受けることとなり、翼車１２は一定以上の回転数で回転する。
【００１９】
なお、上記した実施形態では、翼車１２の回転翼１６が受ける風の力と圧縮コイルばね６２の伸長力とを均衡させることにより、風上側から翼車１２を見たときの回転翼１６の見掛け上の面積が風力の大きさに応じて自動的に調整されるようにし、風力が変化しても水平回転軸１０および翼車１２の回転数がほぼ一定となるような構成としたが、風上側から翼車１２を見たときの回転翼１６の見掛け上の面積を自動的に調整する機構としては、上記実施形態のものに限定されない。また、水平回転軸１０の回転動力を小型発電機３８に伝達する伝動機構や方向舵の機構、小型発電機３８、ギヤボックス４０、軸受３０などを収納するケーシングの構造、ケーシングの鉛直軸周りの自由回転機構なども、上記した実施形態のものに限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
この発明に係る風力発電装置は、比較的に小規模の事業所や施設などで風力発電を行う場合に好適であり、場合によっては一般家庭における小出力発電にも利用される可能性がある。
【符号の説明】
【００２１】
１０  水平回転軸
１２  翼車
１４  主翼保持部材
１６  回転翼
１８  主翼保持部材の支持孔
２０  回転翼の枢軸部
２２  回転翼のプラスチック薄板部
２４  回転翼の舵桿部
２８  保持台板
３０  軸受
３２  回転支軸
３４  支柱
３６  支柱の支持孔
３８  小型発電機
５２  尾翼
５８  可動部材
６０  ばね受け部材
６２  圧縮コイルばね
６４  リンク棒
【図１】
2015117584.tif 000003
【図２】
2015117584.tif 000004
【図３】
2015117584.tif 000005
【図４】
2015117584.tif 000006
【図５】
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【図６】
2015117584.tif 000008
【図７】
2015117584.tif 000009
【図８】
2015117584.tif 000010
【図９】
2015117584.tif 000011