(57)【要約】      （修正有）【課題】微風でも発電でき、しかも強風にも耐えるようにする。【解決手段】固定軸１とその周りを回転する回転軸２と該回転軸２と平行に配置される翼３とを有する揚力型風車において、翼３と回転軸２とを連結し回転軸２を中心に径方向へ翼３を伸縮可能に支持して平行移動させる翼支持アーム４と、翼３を常時径方向外側へ付勢して翼支持アーム４を径方向外側に伸展させる一方、翼３が回転するときの遠心力を利用して翼３を径方向内側へ付勢し翼３を径方向外側へ付勢する力より翼３を径方向内側へ付勢する力が上回ったときに翼支持アーム４を径方向内側に縮める付勢手段１３，１４とを備え、スタートアップ時には翼支持アーム４を径方向外側に伸展させて翼３の回転半径を最大半径に広げ、風車が回転を開始すると遠心力により翼支持アーム４を径方向内側に縮め、少なくとも翼３の回転半径が最小になるまでにカットイン風速に達するようにしている。【選択図】図１
2015197093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直に設置される固定軸とその周りを回転する回転軸と該回転軸と平行に配置される翼とを有する垂直軸型風力発電用揚力型風車において、
前記翼と前記回転軸とを連結し前記回転軸を中心に径方向へ前記翼を伸縮可能に支持して平行移動させる翼支持アームと、
前記翼を常時径方向外側へ付勢して前記翼支持アームを径方向外側に伸展させる一方、前記翼が回転するときの遠心力を利用して前記翼を径方向内側へ付勢し前記翼を径方向外側へ付勢する力より前記翼を径方向内側へ付勢する力が上回ったときに前記翼支持アームを径方向内側に縮める付勢手段とを備え、
前記付勢手段によって少なくともスタートアップ時には前記翼支持アームを径方向外側に伸展させて前記翼の回転半径を最大半径に広げて風車の半径を最大限とし、風車が回転を開始すると前記遠心力により前記翼支持アームを径方向内側に縮め、少なくとも前記翼の回転半径が最小になるまでにカットイン風速に達する
ことを特徴とする垂直軸型風力発電用揚力型風車。
【請求項２】
前記翼の回転半径は、少なくともカットイン風速時に最大半径であり、風速が前記カットイン風速よりも高速になるに従って前記遠心力の増大に伴って前記翼支持アームを径方向内側へ縮めて風車の半径を縮めることを特徴とする請求項１記載の垂直軸型風力発電用揚力型風車。
【請求項３】
前記付勢手段は、少なくとも定格風速に達するまでに前記翼の回転半径を最小にすることを特徴とする請求項２記載の垂直軸型風力発電用揚力型風車。
【請求項４】
前記翼は直線翼である請求項１から３のいずれか１つに記載の垂直軸型風力発電用揚力型風車。
【請求項５】
前記翼は、上下方向に３分割され、中央の翼を前記回転軸に固定して回転半径が固定された固定翼とする一方、上側の翼と下側の翼を前記中央の固定翼の上端縁と下端縁にそれぞれ回動自在に連結して前記上下の翼を前記回転軸側に傾斜可能とする可動翼とし、前記可動翼と前記回転軸との間に前記翼支持アームと前記付勢手段とを少なくとも１組づつ備え、前記付勢手段によって少なくともスタートアップ時には前記翼支持アームを径方向外側に伸展させて前記可動翼の回転半径を最大半径に広げて前記固定翼と前記可動翼とを一直線上に配置した直線翼とし、風車が回転を開始すると前記遠心力により前記翼支持アームを径方向内側に縮め、前記可動翼を内側に傾斜させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の垂直軸型風力発電用揚力型風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電用風車に関する。さらに詳述すると、本発明は風車の回転軸が地面に対して垂直となる垂直軸型風力発電用揚力型風車（以下、揚力型の垂直軸風車とも呼ぶ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
揚力型の垂直軸風車は、どの方向の風も利用可能で風向きに対する依存性がないことから、季節や時間帯で風向きが変動する、日本独特の風況に向いた風力発電用風車である。しかも、水平軸風車に比べて風向の影響を受けないため、風向に応じて特別に姿勢を制御する必要がないと共に、重量物を地上に設置できるので設置・メンテナンス時の扱いが容易で尚且つ小型化が可能で設置面積が狭くて済むことから、近年、都市型の発電用風車として着目されている。
【０００３】
この垂直軸風車は、鉛直に設置される回転軸に対し平行となるように翼がロッドで連結されて、風車の半径が固定されている（特許文献１）。このため、少なくともカットアウト風速を超える設計耐風速に耐える構造・強度にしなければならないことから、風車全体の重量や摩擦力が高風速下でのものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７１８５２号公報
【特許文献２】特開２００８−２６１２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このため、従来の揚力型の垂直軸風車は、高速回転することができるが、低風速下では、風車ブレードが発生する空気力が小さくなることから風車を回転させるモーメントが小さくなってしまう。また、低風速下では、同様の理由により風車の起動に必要なトルクを得にくく、起動できない場合が多いという問題がある。
【０００６】
即ち、垂直軸型風車において風車の半径即ち翼の回転半径が小さいと、風車を回転させるモーメントが小さくなってしまい、発電機のゴギングがあるため、回り難い。したがって、カットイン風速を低くして微風でも発電させるには、風車の回転半径を大きくしてトルクを大きくする必要がある。一方、回転半径を大きくすると、トルクが大きくなるため、発電機のゴギングを乗り超えて回り易くなるが、風速が高くなってくるに従って周速が早くなる。揚力型翼は、風速の２乗で回転速度を高めるので、低風速では回転数が少ないが、高速風では高い回転数を示す。このため、機械的剛性を高めておかないと高速回転時に翼の破損を惹起するなどの危険を招くこととなる。しかし、機械強度を増すことによって風車全体の重量が増すと、摩擦力が増えて回転し難くなるため、微風でも発電させるために風車の半径を大きくした意味がなくなる。つまり、垂直軸型風車においては、微風でも風車を回転させるために風車の回転半径を大きくしようとすると、風速が高くなった場合に備えて機械的強度を高める必要が生ずることから、風車全体の重量が増して摩擦力が増えるため、微風での回転が起き難くなるという二律相反の関係にある。
【０００７】
このため、一般には、垂直軸型風車においては、翼の回転半径を小さくして周速を低くして設計する方が有利と考えられており、カットイン風速を低くしながら尚且つ定格風速を高くすること、即ち微風でも発電でき、しかも強風にも耐え広範囲の風速域において風車を回転させることは難しいものである。
【０００８】
本発明は、微風でも発電でき、しかも強風にも耐える垂直軸型風力発電用風車を提供することを目的とする。つまり、本発明は、カットイン風速を低くしながらもカットアウト風速を高くでき、広範囲の風速域において風車を回転させられる垂直軸型風力発電用揚力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】
【０００９】
かかる目的を達成するために請求項１記載の発明は、鉛直に設置される固定軸とその周りを回転する回転軸と該回転軸と平行に配置される翼とを有する垂直軸型風力発電用揚力型風車において、翼と回転軸とを連結し回転軸を中心に径方向へ翼を伸縮可能に支持して平行移動させる翼支持アームと、翼を常時径方向外側へ付勢して翼支持アームを径方向外側に伸展させる一方、翼が回転するときの遠心力を利用して翼を径方向内側へ付勢し翼を径方向外側へ付勢する力より翼を径方向内側へ付勢する力が上回ったときに翼支持アームを径方向内側に縮める付勢手段とを備え、付勢手段によって少なくともスタートアップ時には翼支持アームを径方向外側に伸展させて翼の回転半径を最大半径に広げて風車の半径を最大限とし、風車が回転を開始すると遠心力により翼支持アームを径方向内側に縮め、少なくとも翼の回転半径が最小になるまでにカットイン風速に達するようにしている。
【００１０】
ここで、本発明の垂直軸型風力発電用揚力型風車において、翼の回転半径は、少なくともカットイン風速時に最大半径であり、風速が前記カットイン風速よりも高速になるに従って遠心力の増大に伴って翼支持アームを径方向内側へ縮めて風車の半径を縮めることが好ましく、さらに好ましくは少なくとも定格風速に達するまでに翼の回転半径を最小にすることである。
【００１１】
また、本発明の垂直軸型風力発電用揚力型風車において、翼は、直線翼であることが好ましいが、これに特に限られるものではなく、風車の回転速度に応じて翼形状が変化するようにしても良い。例えば、上下方向に３分割され、中央の翼を回転軸に固定して回転半径が固定された固定翼とする一方、上側の翼と下側の翼を中央の固定翼の上端縁と下端縁にそれぞれ回動自在に連結して上下の翼を回転軸側に傾斜可能とする可動翼とし、可動翼と回転軸との間に翼支持アームと付勢手段とを少なくとも１組づつ備え、付勢手段によって少なくともスタートアップ時には翼支持アームを径方向外側に伸展させて可動翼の回転半径を最大半径に広げて固定翼と可動翼とを一直線上に配置した直線翼とし、風車が回転を開始すると遠心力により翼支持アームを径方向内側に縮め、可動翼を内側に傾斜させるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の垂直軸型風力発電用揚力型風車によれば、少なくともスタートアップ時には翼支持アームを径方向外側に伸展させて翼の回転半径を最大半径に広げて風車の半径を最大限とし、風車が回転を開始すると遠心力により翼支持アームを径方向内側に縮め、少なくとも翼の回転半径が最小になるまでにカットイン風速に達するようにしているので、定格運転時における翼の回転半径が同等の従来の揚力型の垂直軸風車よりもカットイン風速を低速にすることができる。そして、カットイン風速時には回転半径が大きくされているため、発電体のトルクを上げて発電性能を高め得る。しかも、カットイン後には回転半径を縮めてトルクを低下させるので、風車全体に加わる機械的負荷を減少させ、機械的剛性を必要以上に高めずに済む。
【００１３】
特に、請求項２記載の垂直軸型風力発電用揚力型風車によれば、少なくともカットイン風速時に最大半径であり、風速がカットイン風速よりも高速になるに従って遠心力の増大に伴って翼支持アームを径方向内側へ縮めて風車の半径を縮めるようにしているので、カットイン風速をさらに低速にすることができると共に、発電体のトルクを上げて発電性能を高めることができる。
【００１４】
さらに、請求項３記載の垂直軸型風力発電用揚力型風車によれば、少なくとも定格風速に達するまでに翼の回転半径を最小にするようにしているので、カットイン風速時の風車の半径に比して部分負荷運転時から定格運転時にかけての風車の半径を小さくして風車全体に加わる機械的負荷を大幅に減少させ得るので、カットイン風速をより低くして微風でもカットインでき、しかも、カットアウト風速を上げることができるので、従来の揚力型の垂直軸風車より広範囲で運転できる。しかも、風速が高くなってくるに従って回転半径を縮めて、トルクを小さくすることで風車全体に加わる機械的負荷が減少することから、回転半径を最小にした状態で設計耐風速に耐える構造・強度とすれば足り、機械的剛性を必要以上に高めずに済む。したがって、設備コストを下げ易く、微風から幅広い風速に対応出来る風力発電機が提供できる。
【００１５】
さらに、風車の回転速度に応じて翼形状が変化するようにした請求項５記載の風車によれば、少なくともスタートアップ風速からカットイン風速の間の低風速時には、翼の回転半径が最大となり、カットイン風速を超えて少なくとも定格風速に達するまでの風速のときには、可動翼の傾斜を遠心力に比例して大きくすることにより回転半径を小さくすることから、風切りが少なくトルクが減少するため、風車全体に加わる機械的負荷が減少してより高速に耐えられる。このため、カットアウト風速を上げられると共に、低速時の翼の回転半径を大きくすることでカットイン風速をより低くすることができるので、広い風速範囲で発電できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の垂直軸型風力発電用揚力型風車を２枚翼タイプのジャイロミル風車に適用した実施形態の一例を示す図で、（Ａ）は翼の最大回転半径時を示す平面図、（Ｂ）はその正面図である。
【図２】図１のジャイロミル風車の最小回転半径時を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図３】本発明の垂直軸型風力発電用揚力型風車を３枚翼タイプのジャイロミル風車に適用した実施形態の一例を示す図で、（Ａ）は翼の最大回転半径時を示す平面図、（Ｂ）はその正面図である。
【図４】図３のジャイロミル風車の最小回転半径時を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図５】本発明の他の実施形態として、風車の回転速度に応じて翼形状が変化する２枚翼タイプの垂直軸風車を示す図で、（Ａ）は風車の最大回転半径時の平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図６】図５の風車の最小回転半径時を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図７】本発明の他の実施形態として、風車の回転速度に応じて翼形状が変化する３枚翼タイプの垂直軸風車を示す図で、（Ａ）は風車の最大回転半径時の平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図８】図７の風車の最小回転半径時を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図である。
【図９】本発明の付勢手段の他の実施形態の例を示す概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１及び図２に、本発明の垂直軸型風力発電用揚力型風車の実施形態の一例を示す。この実施形態の直線翼縦軸風車は、飛行機翼の揚力を応用した断面を持つ板状の真っ直ぐな翼（所謂ストレートブレード）３を回転軸２に平行に取り付け、翼３を持ち上げる風の揚力で回るジャイロミル風車（Ｈダリウス風車あるいは直線ダリウス風車とも呼ばれる）である。本実施形態の風車は、２枚翼のタイプであり、地面に対して垂直に設置される支柱（本明細書では固定軸と呼ぶ）１と、その周りを回転する回転軸２と、回転軸２と平行に配置される翼３と、該翼３と回転軸２とを連結し回転軸２を中心に径方向へ翼３を伸縮可能に支持して平行移動させる翼支持アーム４と、翼３を常時径方向外側へ付勢して翼支持アーム４を径方向外側に伸展させる一方、翼３が回転するときの遠心力を利用して翼３を径方向内側へ付勢し翼３を径方向外側へ付勢する力より翼３を径方向内側へ付勢する力が上回ったときに翼支持アーム４を径方向内側に縮める付勢手段とを備え、翼３を水平スライドさせることにより、風車としての回転半径を適宜変化させ得るように設けられている。
【００１９】
ここで、翼３の回転半径は、少なくともスタートアップ時には翼支持アーム４を径方向外側に伸展させて翼３の回転半径を最大半径に広げ、風車が回転を開始すると遠心力により翼支持アーム４を径方向内側に縮め、少なくとも翼３の回転半径が最小になるまでにカットイン風速に達するように付勢手段によって調整されている。翼３の回転半径は、好ましくは、少なくともカットイン風速時に最大半径であり、風速がカットイン風速よりも高速になるに従って遠心力の増大に伴って翼支持アーム４を径方向内側へ縮めて風車の半径を縮めること、より好ましくは少なくとも定格風速に達するまでに翼３の回転半径を最小にすることである。尚、本実施形態において、付勢手段は、翼３を常時径方向外側へ付勢する外向き付勢手段１３と、翼３が回転したときに発生する遠心力と比例する径方向内側への力を翼３に付勢する内向き付勢手段１４とを別々に備えている。
【００２０】
翼支持アーム４は、回転軸２を中心に径方向へ翼３を平行移動させる平行運動機構を構成している。例えば、本実施形態では、翼３と４本の単リンク４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと回転軸２とを、６つの回り対偶（滑節）４ｇ，４ｈ，４ｉ，４ｊ，４ｋ，４ｌで順に環状に連結した６節回転連鎖機構（拘束連鎖）によって構成されている。具体的には、回転軸２には、その周りに固定されたフランジ１５を利用して２本のリンク４ｃ，４ｄが回転自在に連結されている。フランジ１５上の２本のリンク４ｃ，４ｄの連結点はそれぞれ回り対偶４ｋ，４ｌを成し、その間が固定リンク４ｆとして機能する。他方、翼３の裏面側のブラケット１６には、リンク４ａ，４ｂが回転自在に連結されている。ブラケット１６上の２本のリンク４ａ，４ｂの連結点はそれぞれ回り対偶４ｋ，４ｌを成し、その間が固定リンク４ｅとして機能する。そして、リンク４ａと４ｃ並びに４ｂと４ｄとが相互に回転自在に連結されて、それぞれ回り対偶４ｉ，４ｊを構成している。
【００２１】
さらに、１８０°間隔で点対称に配置された２組の翼支持アーム４に跨がるように、２本の単リンク１２ａ，１２ｂを回り対偶１２ｃで連結して屈伸可能にしてから配置して、各リンク１２ａ，１２ｂを一方の翼支持アーム４の回り対偶４ｉ及び他方の翼支持アーム４の回り対偶４ｊにそれぞれ連結して、２組の翼支持アーム４同士が連結されている。そして、リンク１２ａ，１２ｂと一方の翼支持アーム４のリンク４ｃと他方の翼支持アームのリンク４ｄ並びにフランジ１５上の一方の翼支持アーム４の回り対偶４ｋと他方の翼支持アーム４の回り対偶４ｌとの間の固定リンク１２ｄとで、ウェイト支持アーム１２が構成されている。このウェイト支持アーム１２は、長さの等しい４本の単リンク１２ａ，１２ｂ，４ｃ，４ｄと固定リンク１２ｄとを回り対偶１２ｃ，４ｉ，４ｋ，４ｌ，４ｊで順に環状に連結した５節回転連鎖機構を構成している。
【００２２】
そして、ウェイト支持アーム１２の２組の翼支持アーム４に跨がるリンク１２ａ，１２ｂの中央の回り対偶１２ｃ部分には、ウェイト５が備えられている。即ち、回転軸２の中心を通過し且つ２組の翼支持アーム４の伸縮方向と直交する線上に位置する５節回転連鎖機構の回り対偶１２ｃにウェィト５が備えられている。このウェイト５とウェイト支持アーム１２とによって、遠心力を利用して翼３を径方向内側へ付勢する内向き付勢手段１４が構成されている。
【００２３】
ウェイト５は、翼３と共に回転軸２回りに回転し、翼支持アーム４の伸縮方向と直交する線上を遠心力で径方向外側に移動することにより、ウェイト支持アーム１２を径方向外側へ拡げる力を発生させるものである。そして、このウェイト支持アーム１２の動きは、同時に、翼支持アーム４を縮める方向に翼支持アーム４の途中の回り対偶４ｉ，４ｊ部分を引っ張ることとなる。これにより、ウェイト支持アーム１２は遠心力に比例した内向きの付勢力を翼支持アーム４に与えることとなり、かつ翼支持アーム４には死点や思案点を構成させない。したがって、ウェイト５の大きさは、少なくとも外向き付勢手段１３たる押しばねの付勢力並びに翼３自体に働く遠心力に抗して翼支持アーム４を縮めるに十分な重量が少なくとも求められる。このウェイト５は、同時に回転時の風車の半径（翼３の回転半径）を決定することから、重くし過ぎると、風車全体の重量が増して回転し難くなるため、微風でも発電させようと風車の半径を大きくした意味がなくなるし、高速回転時に必要以上の内向きの付勢力を付与することにもなる。そこで、少なくとも翼３の回転半径が最小になるまでにカットイン風速に達する重量、好ましくは定格風速に達するまでに最小半径になるような重量とすることが好ましい。
【００２４】
因みに、本実施形態において、ウェイト支持アーム１２は、５節回転連鎖機構によって構成されているが、これに特に限られるものではない。例えば、図示していないが、左右の翼支持アーム４がフランジ１５上の共通する滑節連結点、即ち回転軸２のフランジ１５上で１８０°間隔に配置されて構成される２箇所の回り対偶で連結される場合には、ウェイト支持アーム１２は、フランジ１５上の１つの回り対偶を含む４箇所の回り対偶と４本の単リンクとで構成される４節回転連鎖機構となる。この場合においても、左右の翼支持アーム４のリンクと回り対偶とを含むため、拘束連鎖として機能することとなる。
【００２５】
また、本実施形態では、翼３と回転軸２との間には、翼３を径方向外側（放射方向）へ押し拡げるための外向き付勢手段１３が備えられている。この外向き付勢手段１３は、本実施形態の場合、例えば押しばね（圧縮コイルばね）であり、翼３の裏面側に設けられているブラケット１３ａと回転軸２に設けられているブラケット１３ｂとにそれぞれ端部が取り付けられて支持され、翼３を径方向外側へ常時付勢するように設けられている。この外向き付勢手段１３としては、本実施形態の場合、押しばねが採用されているが、これに特に限定されるものではなく、場合によってはガススプリング等のその他の付勢手段でも良い。本実施形態の外向き付勢手段１３は、翼３の上方と下方の２点で付勢するように２箇所配置されている。また、外向き付勢手段１３たる押しばねは、縮んだときに場所を取らないように斜めに配置され、翼支持アーム４を縮めるときの妨げとならないように配慮されている。尚、本実施形態では外向き付勢手段１３を２箇所に配置して付勢するようにしているが、場合によっては翼３の中央部分に１箇所だけ配置するようにしても良い。
【００２６】
押しばね１３の強さとウェイト５の重さとの関係は、特定のものに限られるものではないが、例えば本実施形態の場合、翼３が無回転のときを含めて、少なくともスタートアップ風速（翼３が回転を開始する風速）からカットイン風速（発電を開始する風速）の間、例えば風速が５ｍ／ｓ以下のときには図１に示すように翼３の回転半径を最大値に保つように設定されている。他方、カットイン風速を超えて少なくとも定格風速に達するまで、例えば風速が５ｍ／ｓ超のときには、ウェイトが径方向外側へ遠心力によって移動しながら押しばねを押し縮めて翼３の回転半径を小さくして行き、例えば図２に示すように、最小となるように設定されている。ここで、翼３の回転半径が最小半径となる、図２に示す状態では、必ずしも定格風速に達している必要はなく、カットイン風速から定格風速に至るまでの間の部分負荷運転に相当する風速であっても良い。要は、カットイン風速に達した時点では、翼３の回転半径が最大値に保たれていることが好ましいが、これに特に限定されるものではなく、少なくとも翼３の回転半径が最小になるまでにカットイン風速に達していれば、カットイン風速をより低速にするという効果は発揮される。そこで、本実施形態の場合、スタートアップ風速からカットイン風速に達しても、例えば風速が５ｍ／ｓ以下のときには、翼３の回転半径は最大値付近に維持され、カットインの後風速が増え始めるに従ってウェイト５が径方向外側に移動し、少なくとも定格風速に達する前に図２に示すように、翼３の回転半径が最小となってその状態が維持されるように設けられている。
【００２７】
翼３の枚数は特に図１及び図２に示す２枚に限られるものでは無く、１枚でも３枚でも、あるいはそれ以上でも良いことは言うまでもない。尚、図中の符号１０は発電体であり、９は電力出力線、８はステーターコイル、７はローターマグネット、６は固定軸１などを支える架台である。発電体１０を構成するローターマグネット７は回転軸２側に連結され、ステーターコイル８は固定軸１側に支持されている。また、回転軸２と固定軸１との間並びに発電体１０のローターマグネット７を保持するケースと架台６との間には、図示していないがラジアルベアリングやスラストベアリングなどが必要に応じて設けられ、摩擦力を軽減させて回転軸２の滑らかな回転を可能にするよう設けられている。
【００２８】
図３及び図４に３枚翼の直線翼縦軸風車の一実施形態を示す。この揚力型風車は、回転軸２の回りに１２０°置きに翼３を配置し、３組の伸縮可能な翼支持アーム４によって回転軸２と平行に支持するように設けられている。翼支持アーム４は、２枚翼の場合と基本構造は同じであり、１２０°置きに放射状に３組配置して成り、それぞれの間に跨がるようにウェイト支持アーム１２とウェイト５から成る内向き付勢手段１４が組み込まれ、相互に連結されている。
【００２９】
以上のように構成された直線翼型縦軸風車によれば、外向き付勢手段１３の付勢力と遠心力に比例した内向き付勢手段の付勢力との働きで翼支持翼の回転半径を変化させるので、回転が遅くなると押しばね１３で回転翼３の半径を大きくし、回転が速くなると遠心力が押しばね１３の力に勝って回転半径を小さくする。したがって、微風の低速回転時には回転半径を大きくすることにより、発電体１０のトルクを上げることができる。また、カットイン後の風速の上昇に対しては、風車の半径が最小となってトルクを低減するため、風車全体に加わる機械的負荷を減少させることができる。しかし、この状態は、元々定格運転に耐える設計仕様のものであるし、翼の回転速度も速いので安定的に運転・発電できる。
【００３０】
また、本発明は図１〜図４に示すような直線翼型垂直軸風車に限定されるものではない。風車の回転速度に応じて翼形状が変化するようにしても良い。例えば、図５〜図８に示すように、翼３を上下方向に３分割し、中央の翼を固定翼３ａ、上下の翼を内側即ち回転軸２側に傾斜可能とする可動翼３ｂとして、風車の回転速度が上がるに従って可動翼３ｂを傾斜させるようにしても良い。
【００３１】
図５及び図６に翼形状が変化する２枚翼タイプの垂直軸風車の実施形態を示す。この実施形態において、中央の固定翼３ａは、回転軸２に対して平行に配置されると共にＸ形に配置された２本のリンクから成る固定アーム１１で回転軸２に連結され、固定連鎖を構成している。したがって、中央の翼３の回転半径は固定となる。因みに、固定翼３ａの回転半径は、本実施形態の場合、例えばカットイン風速を超え定格風速に至るまでの中速域、例えば５ｍ／ｓ超から１５ｍ／ｓ未満の風速に対応させて設計されるが、勿論、この値に限定されるものでは無い。他方、上下の可動翼３ｂは、中央の固定翼３ａの上端縁並び下端縁に対してヒンジ３ｃを介して連結され、少なくとも径方向内側に揺動可能に支持されている。つまり、中央の固定翼３ａの上端縁と下端縁にそれぞれ上側の可動翼３ｂと下側の可動翼３ｂの縁が回動自在に連結されている。また、上側の可動翼３ｂと回転軸２との間並びに下側の可動翼３ｂと回転軸２との間には、図１及び図２に示す翼支持アーム４及びウェイト支持アーム１２とウェイト５とから成る内向き付勢手段１４とが１組づつ備えられている。そして、翼３の回転に伴ってウェイト５が遠心力で外側に移動するに従って、径方向外側に伸びるウェイト支持アーム１２によって翼支持アーム４が伸張方向と直交する方向に引っ張られて縮み可動翼３ｂを径方向内側に引っ張るように設けられている。これにより、可動翼３ｂと回転軸２との間に配置されている押しばね１３を縮めながら、可動翼３ｂは固定翼３ａの縁のヒンジ３ｃを中心に回転軸２側へ傾斜させられる。
【００３２】
また、可動翼３ｂと回転軸２との間には、可動翼３ｂを径方向外側へ押し拡げるための外向き付勢手段１３としての押しばねが備えられている。この押しばね１３は、翼３の裏面の上端側に設けられているブラケット１３ａと回転軸２に設けられているブラケット１３ｂとにそれぞれ端部が引っ掛けられて支持され、翼３を径方向外側へ常時付勢するように設けられている。本実施形態の場合、押しばね１３は、翼支持アーム４よりも自由端側に配置されているが、これに特に限られず、場合によってはヒンジ３ｃと翼支持アーム４との間に配置するようにしても良い。
【００３３】
さらに、図７及び図８に翼形状が変化する３枚翼タイプの垂直軸風車の実施形態を示す。この実施形態の揚力型風車は、回転軸２の回りに１２０°置きに翼３を配置し、３組の伸縮可能な翼支持アーム４によって回転軸２と平行に支持されている。翼３の構造は図５及び図６の実施形態のものと同様であり、中央の固定翼３ａに対し、ヒンジ３ｃを介して揺動自在に連結された上下の可動翼３ｂが翼支持アーム４と外向き付勢手段１３とによって回転軸２側に傾斜可能に設けられている。また、翼支持アーム４は、２枚翼の場合と基本構造は同じであり、１２０°置きに放射状に３組配置して成り、それぞれの間に跨がるようにウェイト支持アーム１２とウェイト５から成る内向き付勢手段１４が組み込まれ、相互に連結されている。
【００３４】
以上のように構成された翼形状が変化する垂直軸型風車によれば、翼３が無回転のときは勿論のこと、少なくともスタートアップ風速時あるいはカットイン風速の間例えば風速が５ｍ／ｓ以下の低風速時には、図５あるいは図７に示すように、翼３の回転半径が最大となり、固定翼３ａに対し可動翼３ｂが同一平面となって直線状に配置されたものとなってる。つまり、直線翼型垂直軸風車となる。そして、カットイン風速を超えて少なくとも定格風速に達するまで、例えば風速が５ｍ／ｓ超の風速となったときには、ウェイトが径方向外側へ遠心力によって移動しながら押しばねを押し縮めて翼３を固定翼３ａの縁のヒンジを中心に径方向内側に傾斜し始める。そして、図６あるいは図８に示すように、中央の固定翼３ａに対して上下の可動翼３ｂを内向きに傾斜させて回転半径を小さくする。ここで、翼３の回転半径が最小半径となる、図６あるいは図８に示す状態では、必ずしも定格風速に達している必要はなく、カットイン風速から定格風速に至るまでの間の風速であっても良い。要は、カットイン風速に達した時点では、上下の可動翼３ｂが起立して固定翼３ａと一直線上に配置される直線翼を構成して翼３の回転半径を最大値に保つことが好ましいが、これに特に限定されるものではなく、上下の可動翼３ｂが内側に寝て翼３の回転半径が最小になるまでに少なくともカットイン風速に達していれば、カットイン風速をより低速にするという効果は発揮されるといえる。
【００３５】
この実施形態の風車によれば、風速が上がってくるに従って、中央の固定翼３ａに対し、上下の可動翼３ｂの内側への傾斜を大きくして、風切りが少なくトルクが減少するため、風車全体に加わる機械的負荷が減少することから、より高速に耐えられる。このため、カットアウト風速を上げられる。しかも、微風や低速時には翼３の回転半径を大きくすることで、カットイン風速をより低くすることができる。
【００３６】
いずれの実施形態の垂直軸型風車においても、最小半径において耐風強度(設計耐風速)を満たせば良く、最大半径時に耐風強度を満たす必要が無いので、設備コストが安く抑えながらカットイン風速を微風の低速に設定できる。しかも、風速が上がるに従って翼３の回転半径が小さくなり、風車全体に加わる機械的負荷を減少させることから、幅広い範囲の風速に対応出来る風力発電機が提供できる。
【００３７】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態では、翼支持アーム４の間にそれぞれウェイト５を配置しているが、これに特に限定されるものではなく、例えば少なくとも１つのウェイト支持アーム１２にのみウェイト５を設けるようにしても良い。この場合でも、全ての翼支持アーム４がウェイト支持アーム１２によって相互に連結されているので、１つのウェイト支持アーム１２に設けられた１つのウェイトに働く遠心力で全ての翼支持アーム４が連動して伸縮するため、全ての翼３を水平移動させることができる。勿論、図２や図４に示すような３枚翼の場合においても同様であり、少なくともいずれか１つの連結アームにウェイトを設ければ、その他の連結アーム並びに翼支持アーム４も拘束連鎖を構成しているので連動して動く。もっとも、ウェイトが片寄って配置されることによって重心の偏りが起こり、回転時の振動発生の原因となるので何らかの振動抑制対策を採らなければならないことから、左右対称あるいは均等にウェイトが配置された方が回転の釣り合いをとる上で好ましいことは言うまでもない。
【００３８】
また、上述の実施形態では、翼支持アーム４を伸ばす外向き付勢手段１３は翼３に直接付勢力が作用するように、翼支持アーム４の伸縮方向に配置されて備えられているが、これに特に限られるものでは無く、図示していないが、例えばウェイト支持アーム１２側に配置しても良い。ウェイト５が取り付けられている回り対偶１２ｃと該回り対偶１２ｃに対向する位置の回転軸２側のフランジ１５との間に外向き付勢手段１３としての引っ張りばねを設けるようにしても良い。これにより、無風時あるいは少なくともカットイン風速に達するまでの微風時には、外向き付勢手段１３としての引っ張りばねの力でウェイト支持アーム１２が径方向内側へ縮められる一方、翼支持アーム４を伸ばして翼３の回転半径を増加させ最大値にする。そして、風車の回転スピードが上がるに従ってウェイト５に発生する遠心力で外向き付勢手段１３としての引っ張りばねに抗してウェイト支持アーム１２を半径方向外側に伸ばすと共に、翼支持アーム４を縮めて、翼３の回転軸２からの距離即ち風車の回転半径を縮める。そして、少なくとも定格風速に達するまでには、最小半径となり、トルクを減少させる。
【００３９】
さらに、上述の実施形態では、付勢手段は、翼支持アーム４を伸ばす外向き付勢手段１３と翼支持アーム４を縮める内向き付勢手段１４とを別々の手段（押しばねとウェイト）で構成するようにしているが、これに特に限られるものでは無く、両付勢手段１３，１４を兼用するようにしても良い。例えば、図９に示すように、変向機構としてのベルクランク１９と１つのウェイト２２及びベルクランク１９と翼３とを連結するリンク２０とで、遠心力と重力とを利用して翼３に対して径方向内側ないし外側への力を選択的に付与する兼用付勢手段１７を構成するようにしても良い。具体的には、回転軸２の周面に接線方向でかつ水平方向に配置される軸１８を中心に揺動するベルクランク１９を備え、該ベルクランク１９の鉛直方向下向きに配置された一方のレバー１９ａの先端にウェイト５を備えると共に、ベルクランク１９の水平方向外向き（径方向外側向き）に配置された他方のレバー１９ｂに単リンク２０を介して翼支持アーム４によって支持されている翼３を連結することによって、ウェイト５にかかる遠心力と重力とを利用して翼３に対して径方向内側ないし外側への力を同時に付与するようにしても良い。また、リンク２０とベルクランク１９の他方のレバー１９ｂとは連結ピンで回転自在に連結されて回り対偶２２を構成している。つまり、一対の翼支持アーム４によって径方向に伸縮自在に支持された翼３をスライダとして、ベルクランク１９の他方のレバー１９ｂと単リンク２０とで往復スライダクランク機構を構成して成る。尚、図中の符号２１はブラケットである。
【００４０】
したがって、この兼用付勢手段１７によれば、風車が回転を始める前には、ウェイト５の位置エネルギーで、ウェイト５が軸（支点）１８の真下に移動することによって、ベルクランク１９が図上反時計回転方向に回動して、翼３が連結されたベルクランク１９の他方のレバー１９ｂが降りて翼３が径方向外側へ水平に押し出される。そして、風車が回転を始めると、ウェイト５にかかる遠心力でウェイト５が径方向外側へ押し出されることによって、ベルクランク１９が図上時計回転方向に回動して、翼３が連結されたベルクランク１９の他方のレバー１９ｂが引き上げられ、翼３が径方向内側へ水平に引き寄せられる。そして、風車の半径を小さくする。風車の半径は、ウェイト５に作用する遠心力及び翼３に作用する遠心力並びに揚力と、ウェイト５の位置エネルギとがバランスする位置で決定される。即ち、この兼用付勢手段１７は、翼３を常時径方向外側へ付勢して翼支持アーム４を径方向外側に伸展させる外向き付勢手段と、翼３が回転するときの遠心力を利用して翼３を径方向内側へ付勢し翼３を径方向外側へ付勢する力より翼３を径方向内側へ付勢する力が上回ったときに翼支持アーム４を径方向内側に縮める内向きの付勢手段とを兼ねるものである。この場合には、ベルクランク１９とウェイト５で径方向外側並びに内側に翼３を直接駆動するため、翼支持アーム４同士を連結するリンク１２ａ，１２ｂで構成されるウェイト支持アーム１２は必要ない。
【００４１】
また、上述の実施形態では、翼支持アーム４は６節回転連鎖機構によって構成しているがこれに特に限定されるものではなく、例えばパンタグラフやテレスコピック機構などのその他の伸縮機構を用いても良い。また、翼支持アーム４としてガススプリングを用いる場合には、内蔵するガス圧で常時伸張方向へ付勢されるため、翼３を径方向外側へ向けて常時付勢する外向き付勢手段を兼ねることができる。
【００４２】
さらに、風車の回転速度に応じて翼形状が変化させる図５〜図８の直線翼型垂直軸風車において、３分割された翼のうち、中央の固定翼３ａは上下の可動翼３ａよりも短い長さとしているが、これに特に限られるものではなく、可動翼３ａと同程度あるいはそれよりも長くしても良いし、場合によってはヒンジ３ｃを固定支持するためだけの存在となるように極端に短くしても良い。
【符号の説明】
【００４３】
１  固定軸
２  回転軸
３  翼
３ａ  固定翼
３ｂ  可動翼
３ｃ  ヒンジ
４  翼支持アーム
５  ウェイト
１１  固定アーム
１２  ウェイト支持アーム
１３  外向き付勢手段
１４  内向き付勢手段
１７  兼用付勢手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図９】
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