(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力を受けて所定の回転軸周りを一定回転方向に回転する風力発電装置の風車であって、
前記回転軸の回転軸線方向からの風力を受けて回転するよう該回転軸周りに２以上設けられ、該回転軸に対し径方向外向きに延出する翼と、
前記翼を、前記風力を受けた場合にその受風面の幅方向が風平行寄りとなるよう押圧力を受ける形で、なおかつその受風面の幅方向と前記回転軸の回転軸線方向とのなす角度が可変可能となる形で、前記回転軸に対し固定される翼固定部と、
前記風力が所定の微風レベルを下回る場合に、その風力を受ける前記翼を前記幅方向が最も風平行寄りとなる所定の初期回転用角度位置側へと付勢する付勢手段と、前記風力が前記微風レベルを上回った場合に、遠心力が前記翼に加わるその風力による前記押圧力と前記付勢手段の付勢力とに打ち勝つことにより自らを外方に変位させつつ前記翼が風直交寄りに可変するようリンク機構を介して前記翼に連結する錘部材と、を備え、前記風力が所定の強風レベルに達した場合には、前記翼を前記幅方向が前記初期回転用角度位置よりも風直交寄りとなる所定の高速回転用角度位置に到達させるとともに、前記風力がその強風レベルをさらに上回った場合には、その風力による前記押圧力と前記付勢手段の付勢力とが前記遠心力に打ち勝って前記錘部材を内方に押し戻すことにより、前記翼を前記幅方向が風平行寄りとなるよう押し戻す翼角度調整機構と、
を備えることを特徴とする風力発電装置の風車。
【請求項２】
前記翼固定部は、前記翼の延出方向に延びる回転支軸と、該回転支軸の軸線周りにおいて互いのなす角度を可変可能とされた２つの固定板部とを有した蝶番部材であり、一方の固定板部が前記翼に固定され、他方の固定板部が前記回転軸側と一体回転可能に固定され、前記回転支軸は、前記翼が前記幅方向における第一側の端部側を中心に他方の第二側の端部側が回転するよう、前記第一側の端部側に設けられている請求項１に記載の風力発電装置の風車。
【請求項３】
前記錘部材は、前記翼の前記幅方向における外周側の端部側に対しリンク結合されている請求項２に記載の風力発電装置の風車。
【請求項４】
前記錘部材は、複数ある前記翼ごとに設けられ、それぞれが前記回転軸と一体回転可能に設けられる一方で、それら錘部材は、内外への変位に応じて前記回転軸に対しスライド移動するよう前記リンク機構を介して共通の連結部材に対し連結することにより、各前記翼の前記角度は、それら錘部材の内外への移動に伴いスライド移動する前記連結部材の前記回転軸上の位置に応じて、互いに同期して同角度となる形で変化するようになっている請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の風力発電装置の風車。
【請求項５】
各前記翼固定部は、前記回転軸と一体回転可能に固定された共通の固定部材を介して前記回転軸に対し固定されており、前記付勢手段は、前記固定部材と前記連結部材との間で前記回転軸線方向に付勢力を生じさせるよう設けられている請求項４に記載の風力発電装置の風車。
【請求項６】
前記翼角度調整機構は、前記風力が前記微風レベルを下回る場合に、その風力を受けて、受風面の幅方向が前記風平行寄り側へ押し付けられる前記翼を含む、該翼の前記角度の変化に連動して動作する可動構造体に対し、当接部材を当接させてその動作を止める初期位置保持手段により、前記初期回転用角度位置に位置保持するものである請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の風力発電装置の風車。
【請求項７】
前記当接部材及び前記可動構造体の当接面のうち少なくとも一方には、弾性部材が設けられている請求項６に記載の風力発電装置の風車。
【請求項８】
請求項４に記載の要件を備え、
各前記翼固定部は、前記回転軸と一体回転可能に固定された共通の固定部材を介して前記回転軸に対し固定され、前記当接部材として機能する一方、前記連結部材は、前記翼の前記幅方向が風平行寄りとなるに従い前記固定部材に接近するよう前記リンク機構と接続し、前記可動構造体として機能し、前記固定部材及び前記連結部材のいずれか又は双方には他方の部材に向けて延出する延出部が形成され、その延出部における前記他方の部材側の先端がその他方の部材に対し当接することにより、前記翼が前記初期回転用角度位置に位置保持される請求項６又は請求項７に記載の風力発電装置の風車。
【請求項９】
前記翼角度調整機構は、前記風力が所定の微風レベルを下回る場合に、その風力を受ける前記翼を、その受風面の幅方向が最も風平行寄りとなる前記初期回転用角度位置に保持されるよう前記付勢手段によって付勢される一方、前記風力が所定の強風レベルに達した場合には、前記錘部材が最外位置に到達して、前記翼を、前記幅方向が最も風直交寄りとなる前記高速回転用角度位置に到達させるとともに、前記風力が前記強風レベルをさらに上回った場合には、その風力と前記付勢手段の付勢力が、前記最外位置に到達している錘部材の遠心力に打ち勝って、前記翼を、前記可動構造体が前記当接部材に当接する前記初期回転用角度位置側に移動させることにより、回転を減速させるものである請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の風力発電装置の風車。
【請求項１０】
前記付勢手段は、前記翼の受風面の幅方向が前記初期回転用角度位置と前記高速回転用角度位置との間に位置する間、一定の付勢力で前記翼を前記初期回転用角度位置側へと付勢するものである請求項９に記載の風力発電装置の風車。
【請求項１１】
請求項６に記載の要件を備え、
前記付勢手段は、ばね部材であり、一端が前記可動構造体に固定され、他端が前記翼の角度変化に非連動となる、前記回転軸に一体固定された固定構造体に固定される形で配置されている請求項１０に記載の風力発電装置の風車。
【請求項１２】
前記翼角度調整機構は、前記風力が所定の微風レベルを下回る場合に、その風力により、前記翼を、その受風面の幅方向が最も風平行寄りとなる前記初期回転用角度位置に保持させる一方、前記風力が所定の強風レベルに達した場合には、前記翼を、前記幅方向が前記初期回転用角度位置よりも風直交寄りで、なおかつ前記回転軸線方向からの風力を受けて前記一定回転方向とは逆方向の回転力が生じない前記高速回転用角度位置に到達させるとともに、前記風力が前記強風レベルをさらに上回った場合には、前記翼を、前記幅方向が前記高速回転用角度位置に対し前記初期回転用角度位置とは逆側となる、前記逆方向の回転力が生ずる回転減速用角度範囲へと到達させ、当該逆方向の回転力によって前記翼の回転速度を減じて前記錘部材の前記遠心力を減じることにより、前記翼を再度前記高速回転用角度位置側へと押し戻すものである請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の風力発電装置の風車。
【請求項１３】
前記付勢手段は、前記翼に対し、前記初期回転用角度位置から離間するほど、前記受風面の幅方向が前記初期回転用角度位置側となるよう付勢する付勢力が増大するものであり、前記回転減速用角度範囲内においては、前記遠心力の減少と共に、前記高速回転用角度位置のときよりも増大した前記付勢力が作用して、前記翼を再度前記高速回転用角度位置側へと押し戻すものである請求項１２に記載の風力発電装置の風車。
【請求項１４】
請求項６に記載の要件を備え、
前記付勢手段は、磁性部材であり、前記可動構造体に固定される磁性部材と、前記翼の角度変化に非連動となる、回転軸２に一体固定された固定構造体に固定される磁性部材とを、互いが対向する形で配置されている請求項１３に記載の風力発電装置の風車。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の風車と、
前記回転軸と同軸をなし、かつ前記一定回転方向において、前記回転軸が増速している場合には該回転軸と一体回転状態となって自身も増速回転し、前記回転軸が減速している場合には該回転軸から切り離されて慣性回転するように１方向クラッチを介して配置されるフライホイールと、
前記フライホイールと同軸をなして一体回転するよう配置されたロータを有し、前記フライホイールの回転に伴う該ロータの回転により電力を生成する発電手段と、
前記発電手段により生成された双方又はいずれかの電力を外部出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項１６】
前記発電手段を第２の発電手段とし、
前記風車の回転軸と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータを有し、前記回転軸の回転に伴う該ロータの回転により電力を生成する前記第２の発電手段とは異なる第１の発電手段を備え、
前記出力手段は、前記第１の発電手段と前記第２の発電手段により生成された双方又はいずれかの電力を外部出力するものである請求項１５に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置の風車及びその風車を備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の保全のため、再生可能エネルギーを用いた発電方法として、二酸化炭素等の温室効果ガスを排出しない風力発電に注目が集まっている（例えば特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２３９１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、風力発電は、風速が増した時の過剰な回転上昇は、風車の故障・破壊につながる可能性があるため、これを抑制する手段が必要となる。例えばブレーキ等を用いて減速させる技術等が既に存在している。しかしながら、この場合はブレーキ機構のみならずそれを制御する制御装置も必要となり、コスト面に課題が残る。また、停電時に備えた構成を採用する必要もあるので、より一層の高コスト化は避けられない。
【０００５】
一方で、過剰な回転に達した場合とは逆に、風車の回転の開始時においても課題がある。風車の回転が停止あるいはほぼ停止した状態においては、風車を回転させるための必要トルクが大きいため、近年では、その始動性の改善についても求められている。例えば、回転開始時のギアを低速ギアとし、回転が増すに従い高速ギアへと切り替えていく制御によって改善することは容易ではあるが、過剰回転を抑制する場合と同様、ギア機構およびその制御装置、さらには停電時に備えた構成も必要となるため、コスト面に課題が残る。
【０００６】
本発明の課題は、電気制御を必要とせず、風速に応じて自律的に回転速度が制御されるとともに、その自律的な回転速度制御によって、始動性に優れ、なおかつ過剰回転を抑制できる風力発電装置の風車及びそれを備えた風力発電装置を低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の風力発電装置の風車は、
風力を受けて所定の回転軸周りを一定回転方向に回転する風力発電装置の風車であって、
回転軸の回転軸線方向からの風力を受けて回転するよう該回転軸周りに２以上設けられ、該回転軸に対し径方向外向きに延出する翼と、
翼を、風力を受けた場合にその受風面の幅方向が風平行寄りとなるよう押圧力を受ける形で、なおかつその受風面の幅方向と回転軸の回転軸線方向とのなす角度が可変可能となる形で、回転軸に対し固定される翼固定部と、
風力が所定の微風レベルを下回る場合に、その風力を受ける翼を、その幅方向が最も風平行寄りとなる所定の初期回転用角度位置側へと付勢する付勢手段と、風力が微風レベルを上回った場合に、遠心力が翼に加わるその風力による押圧力と付勢手段の付勢力とに打ち勝つことにより自らを外方に変位させつつ翼が風直交寄りに可変するようリンク機構を介して翼に連結する錘部材と、を備え、風力が所定の強風レベルに達した場合には、翼を幅方向が初期回転用角度位置よりも風直交寄りとなる所定の高速回転用角度位置に到達させるとともに、風力がその強風レベルをさらに上回った場合には、その風力による押圧力と付勢手段の付勢力とが遠心力に打ち勝って錘部材を内方に押し戻すことにより、翼を幅方向が風平行寄りとなるよう押し戻す翼角度調整機構と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
なお、本発明において、翼の受風面の幅方向が風平行寄りであるとは、翼の受風面の幅方向と、受風方向（即ち回転軸の軸線方向）とのなす角が小さい側に寄るという意味であり、翼の受風面の幅方向が風直交寄りであるとは、翼の受風面の幅方向と、受風方向に直交する面（即ち回転軸の軸線方向に対する直交面）とのなす角が小さい側に寄るという意味である。
【０００９】
上記本発明の構成によれば、翼の受風面の幅方向と回転軸の回転軸線方向とのなす角度変化を、モーター等の電動機の動力を用いることなく、翼の回転速度に応じて自律的に制御することができるため、例えば停電時等においても安全に発電を継続できる。
【００１０】
また、上記本発明の構成によれば、風車の回転速度が増すほどブレーキがかかって過剰回転が防止されるような簡易な自立的制御ではなく、風力に応じた最適な回転状態を得ることができる。即ち、風力が微風レベルの場合に風車が回転しやすいように翼の受風面の幅方向が風平行寄りとなって高トルク・低速回転状態となる第一段階（ローギア段階）と、そこから風力が増して錘部材が遠心力によって外方に変位することによって、リンク部材を介して付勢手段の付勢力に逆らい翼の受風面の幅方向が風直交寄りとなって、低トルク・高速回転状態となる第二段階（トップギア段階）と、さらに風力が増して各翼が受ける風圧が錘部材の遠心力に打ち勝ち、その風力がウエイト部材をある程度押し戻すことにより、翼の受風面の幅方向を風平行寄りに復帰させる第三段階とが存在する。これにより、第一段階の微風時には加速回転性能が高く、さらに微風時から強風時に至るまでの第二段階の時には、より回転しやすい状態、より回転速度を増すことができる状態へと変化していき、さらに所定の強風レベルを超えた第三段階の時には、翼の過剰回転を風量に応じて抑制していくことができる。なお、第三段階は、ウエイト部材に作用する遠心力により翼の受風面の幅方向を風直交寄りとする力と、風力により翼の受風面の幅方向を風平行寄りとする力とが釣り合った状態であり、その釣り合いにより、翼の受風面の幅方向と回転軸の回転軸線方向とのなす角度が自動的に決まる。
【００１１】
上記本発明における翼固定部は、翼の延出方向に延びる回転支軸と、該回転支軸の軸線周りにおいて互いのなす角度を可変可能とされた２つの固定部とを有した蝶番部材であり、一方の固定部が翼に固定され、他方の固定部が回転軸側と一体回転可能に固定される用に構成できる。この場合、回転支軸は、翼が幅方向における第一側の端部側を中心に他方の第二側の端部側が回転するよう、第一側の端部側に設けられているとよい。本発明においては、翼の幅方向を風平行寄りや風直交寄りに変更するために考慮される力として、翼の受風面が受ける風力が含まれる。回転支軸が翼の幅方向における一方の端部に偏って設けられていなければ、回転支軸に対し一方の端部側で受ける風力と他方の端部側で受ける風力とが打ち消しあうため、多くの無駄が生じてしまうが、端部側に設けられることでその無駄を無くすことができる。
【００１２】
上記本発明における錘部材は、翼の幅方向における外周側の端部側に対しリンク結合されるものとできる。これにより、錘部材による翼固定部の可動が容易となる。
【００１３】
上記本発明における錘部材は、複数ある翼毎に設けられ、それぞれが回転軸と一体回転可能に設けられる一方で、それら錘部材は、内外への変位に応じて回転軸に対しスライド移動するようリンク機構を介して共通の連結部材に対し連結することにより、各翼の角度は、それら錘部材の内外への移動に伴いスライド移動する連結部材の回転軸上の位置に応じて、互いに同期して同角度となる形で変化するように構成できる。この構成によると、全ての翼における受風面の幅方向と回転軸の回転軸線方向とのなす角度が、環状連結部材のスライド変位方向及びスライド変位量によって決まる構成となるので、複数ある翼による回転バランスを取りやすくなる。
【００１４】
上記本発明における各翼固定部は、回転軸と一体回転可能に固定された共通の固定部材を介して回転軸に対し固定されており、付勢手段は、固定部材と連結部材との間で回転軸線方向に付勢力を生じさせるよう設けることができる。これにより、各翼個々に対しそれぞれに付勢手段が付勢力を付与する構成とすると、各翼に付与される付勢力に偏りが生じる可能性があるが、各翼が共通の固定部材に固定され、その固定部材に対し付勢手段が設けられていれば、各翼に対し共通の付勢力を付与することができるため、各翼の上記角度を統一とすることができる。
【００１５】
上記本発明における翼角度調整機構は、風力が微風レベルを下回る場合に、その風力を受けて、受風面の幅方向が風平行寄り側へ押し付けられる翼を含む、該翼の角度の変化に連動して動作する可動構造体に対し、当接部材を当接させてその動作を止める初期位置保持手段により、初期回転用角度位置に位置保持するものとして構成できる。この構成によると、当接部材により風平行寄り側における翼の回転限度位置が物理的に定まるため、初期回転用角度位置がぶれる心配がない。また、この場合、当接部材及び可動構造体の当接面のうち少なくとも一方に弾性部材が設けられていれば、当接時の衝撃を吸収し、風車の長寿命化を図ることができる。
【００１６】
上記本発明において、上記した連結部材と固定部材との双方を備える場合に、各翼固定部は、回転軸と一体回転可能に固定された共通の固定部材を介して回転軸に対し固定されて上記の当接部材として機能する一方、連結部材は、翼の幅方向が風平行寄りとなるに従い固定部材に接近するようリンク機構と接続して上記の可動構造体として機能し、固定部材及び連結部材のいずれか又は双方には、他方の部材に向けて延出する延出部が形成され、その延出部における他方の部材側の先端が、その他方の部材に対し当接することにより、翼が初期回転用角度位置に位置保持されるよう構成できる。各翼個々に対し当接部材を設けるよりも、上記した連結部材や固定部材に設けることで、すべての翼の初期回転用角度位置を共通に定めることが容易となる。
【００１７】
上記本発明における翼角度調整機構は、風力が所定の微風レベルを下回る場合に、その風力を受ける翼を、その受風面の幅方向が最も風平行寄りとなる初期回転用角度位置に保持されるよう付勢手段によって付勢される一方、風力が所定の強風レベルに達した場合には、翼を、その受風面の幅方向が最も風直交寄りとなる高速回転用角度位置に到達させるとともに、風力が強風レベルをさらに上回った場合には、翼を、可動構造体が当接部材に当接する初期回転用角度位置まで位置復帰可能に構成できる。
【００１８】
さらにいえば、本発明の風力発電装置の風車は、風力を受けて所定の回転軸周りを一定回転方向に回転する風力発電装置の風車であって、
回転軸の回転軸線方向からの風力を受けて回転するよう該回転軸周りに２以上設けられ、該回転軸に対し径方向外向きに延出する翼と、
翼を、風力を受けた場合にその受風面の幅方向が風平行寄りとなるよう押圧力を受ける形で、なおかつその受風面の幅方向と回転軸の回転軸線方向とのなす角度が可変可能となる形で、回転軸に対し固定される翼固定部と、
風力が所定の微風レベルを下回る場合に、その風力を受ける翼を、その受風面の幅方向が最も風平行寄りとなる所定の初期回転用角度位置側へと付勢する付勢手段と、風力が微風レベルを上回った場合に、遠心力が、翼に加わるその風力による押圧力と付勢手段の付勢力とに打ち勝つことにより自らを外方に変位させつつ翼が風直交寄りに可変するようリンク機構を介して翼に連結する錘部材と、を備え、風力が所定の強風レベルに達した場合には、錘部材がリンク機構により定められた最外位置に達して遠心力が最大となって、翼を、その受風面の幅方向が初期回転用角度位置よりも風直交寄りとなる所定の高速回転用角度位置に到達させるとともに、風力がその強風レベルをさらに上回った場合には、その風力による押圧力と付勢手段の付勢力とが、その最大となった遠心力に打ち勝って錘部材を内方に押し戻すことにより、受風面の幅方向が風平行寄りとなるよう翼を押し戻して、翼の回転速度を減速させる翼角度調整機構と、
を備えることを特徴とすることができる。
【００１９】
この場合、付勢手段は、翼の受風面の幅方向が初期回転用角度位置と高速回転用角度位置との間に位置する間、当該幅方向が風平行寄り側となるよう一定の付勢力で翼を初期回転用角度位置側へと付勢するものとすることができる。この構成によれば、付勢手段は、例えばばね部材などを利用することができるから、構成がシンプルなものとなる。
【００２０】
また、この場合、翼は、その受風面の幅方向が初期回転用角度位置と高速回転用角度位置との間に位置する間、回転方向の逆側から見たときには常にその受風面を視認可能であり、回転方向側から見たときには常に受風面を視認不可となるよう形成できる。
【００２１】
一方で、本発明の風力発電装置の風車は、風力を受けて所定の回転軸周りを一定回転方向に回転する風力発電装置の風車であって、
回転軸の回転軸線方向からの風力を受けて回転するよう該回転軸周りに２以上設けられ、該回転軸に対し径方向外向きに延出する翼と、
翼を、風力を受けた場合にその受風面の幅方向が風平行寄りとなるよう押圧力を受ける形で、なおかつその受風面の幅方向と回転軸の回転軸線方向とのなす角度が可変可能となる形で、回転軸に対し固定される翼固定部と、
風力が所定の微風レベルを下回る場合に、その風力により、翼を、その受風面の幅方向が最も風平行寄りとなる初期回転用角度位置に保持させる一方、風力が所定の強風レベルに達した場合には、翼を、その受風面の幅方向が初期回転用角度位置よりも風直交寄りで、なおかつ回転軸線方向からの風力を受けて一定回転方向とは逆方向の回転力が生じない高速回転用角度位置に到達させるとともに、風力が強風レベルをさらに上回った場合には、翼を、その受風面の幅方向が高速回転用角度位置に対し初期回転用角度位置とは逆側となる、逆方向の回転力が生ずる回転減速用角度範囲へと到達させ、当該逆方向の回転力によって翼の回転速度を減じて錘部材の遠心力を減じることにより、翼を再度高速回転用角度位置側へと押し戻す翼角度調整機構と、
を備えることを特徴とすることができる。
【００２２】
この場合、付勢手段は、翼に対し、初期回転用角度位置から離間するほど、受風面の幅方向が初期回転用角度位置側となるよう付勢する付勢力が増大するものとすることができる。この構成によれば、翼には、回転減速用角度範囲内において、付勢手段によって高速回転用角度位置のときよりも増大した付勢力が作用して、遠心力の減少と共に、再度高速回転用角度位置側へと押し戻される。この場合、付勢手段には、例えば可動構造体と、該可動構造体に対し翼が回転減速用角度範囲に近づくほど接近する固定構造部との双方に、極性の同じマグネット等の磁性部材を対向配置するだけでよいから、構成がシンプルなものとなる。
【００２３】
また、この場合、翼は、その受風面の幅方向が初期回転用角度位置と高速回転用角度位置との間に位置する間、回転方向の逆側から見たときには常にその受風面を視認可能であり、回転方向側から見たときにはその受風面を視認不可となるよう形成される一方で、その受風面の幅方向が回転減速用角度範囲に位置するときには、回転方向側から見たときに、その受風面が視認可能となるよう形成できる。さらにいえば、翼は、その受風面の幅方向が回転減速用角度範囲に位置するときには、回転方向側から見たときに、該翼の先端側から受風面が視認可能となり、高速回転用角度位置から離れていくほど、その受風面がより内周側にも視認可能となる形でその視認される面積が増大するよう形成することができる。
【００２４】
また、風力発電は、風速の変動に伴い発電出力が変動するため、安定しないという課題があり、風力発電における不安定な発電出力をより安定化できる風力発電装置の提供が求められている。
【００２５】
これに対し本発明の風力発電装置は、既に述べた構成を有する本発明の風車に加えて、
回転軸と同軸をなし、かつ一定回転方向において、回転軸が増速している場合には該回転軸と一体回転状態となって自身も増速回転し、回転軸が減速している場合には該回転軸から切り離されて慣性回転するように１方向クラッチを介して配置されるフライホイールと、
フライホイールと同軸をなして一体回転するよう配置されたロータを有し、フライホイールの回転に伴う該ロータの回転により電力を生成する発電手段と、
を備えることを特徴とする。
【００２６】
上記本発明の風力発電装置の構成によれば、発電手段によって発電される電力が、フライホイールに蓄積された安定的な回転エネルギーに基づいて生成されるものであるから出力が安定しているため、比較的安定な発電出力を得ることができる。
【００２７】
また、風車の減速時には、フライホイールと風車の回転軸が切り離されるため、フライホイールは慣性回転状態となる。つまり、フライホイール側の減速要素が大幅に減じられるため、より長時間の回転継続が可能となり、その間、発電手段からは、経時的になだらかな減衰は生じるものの安定した発電出力を得ることができる。
【００２８】
また、風車の増速時には、風車の回転軸とフライホイールとが一体回転状態となってフライホイールに回転エネルギーが蓄積されるので、その後、風車が減速したとしても、増速時に蓄積された回転エネルギーによって発電手段からは安定した発電出力を、蓄積した分だけ長く継続的に得続けることができる。
【００２９】
また、錘部材にも、フライホイールと同様、回転エネルギーが蓄積されることになるため、より長時間の回転継続が可能となる。
【００３０】
上記本発明の風力発電装置において、発電手段を第２の発電手段とし、第１の発電手段として、風車の回転軸と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータを有し、回転軸の回転に伴う該ロータの回転により電力を生成する第２の発電手段とは異なる発電手段と、第１の発電手段と第２の発電手段により生成された双方又はいずれかの電力を外部出力する出力手段とを備えるように構成できる。
【００３１】
上記本発明の風力発電装置の構成によれば、第１の発電手段によって発電される電力は、風車が受ける風力に応じて大きく変動するが、第２の発電手段によって発電される電力は、フライホイールに蓄積された安定的な回転エネルギーに基づいて生成されるものであるから出力が安定しており、例えばこれら第１の発電手段と第２の発電手段による双方の発電電力が重畳された形で出力されれば、第１の発電手段による発電電力の不安定さは緩和され、全体として比較的安定な発電出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態である風力発電装置であって、ブレード及びハブを受風方向上流側から見た図。
【図２】図１の部分拡大図と、それを平面視した図。
【図３】図１の風車を有した風力発電装置の部分断面図であって、錘部材が径方向内側に位置した状態を示す図。
【図４】図３の部分拡大図。
【図５】図１の風車を有した風力発電装置の部分断面図であって、錘部材が径方向外側に位置した状態を示す図。
【図６】図５の部分拡大図。
【図７】図４の状態を簡略的に示した模式図。
【図８】図４を平面視した状態を簡略的に示した模式図。
【図９】図６の状態を簡略的に示した模式図。
【図１０】図６を平面視した状態を簡略的に示した模式図。
【図１１】図１の実施形態におけるブレードの回転動作を簡略的に説明する模式図。
【図１２】図１の実施形態を適用可能な本発明の風力発電装置の一実施形態を簡略的に示す外観図。
【図１３】図１２の風力発電装置の電気的構成を簡略的に示すブロック図。
【図１４】図１２の風力発電装置の出力部の電気的構成の一例を簡略的に示すブロック図とその変形例を簡略的に示すブロック図。
【図１５】図１２の風力発電装置における風車部分を簡略的に示す拡大断面図。
【図１６】図１２の風力発電装置における支柱部分の拡大断面図。
【図１７】図１２の風力発電装置における発電ケース体内部を拡大した拡大断面図。
【図１８】本発明の風力発電装置の図１２とは異なる実施形態であり、その実施形態における発電ケース体内部を拡大した拡大断面図。
【図１９】本発明の別の実施例の側面図。
【図２０】図１９の正面図。
【図２１】図１９の背面図。
【図２２】図１９の後方側斜視図。
【図２３】図１９の前方側斜視図。
【図２４】図１９の側面断面図（側面透視図）。
【図２５】図１９の風導ケース部分の底面透視図。
【図２６】図１２とは異なる本発明の実施形態である風力発電装置を示す斜視図。
【図２７】図２６の風車のブレードの斜視図。
【図２８】図２７のブレードの背面図。
【図２９】図２７のブレードの正面図。
【図３０】図２８のブレードの左側面図。
【図３１】図２８のブレードの右側面図。
【図３２】図２８のブレードの平面図。
【図３３】図２８のブレードの底面図。
【図３４】図２６の風力発電装置の風車部分の側面図。
【図３５】図２６の正面図。
【図３６】図２６の背面図。
【図３７】図２６の後方側斜視図。
【図３８】図２６の前方側斜視図。
【図３９】図１とは異なる本発明の実施形態である風力発電装置であって、ブレード及びハブを背面側から見た図。
【図４０】図３９の部分拡大図と、それを平面視した図。
【図４１】図３９の風車を有した風力発電装置の部分断面図であって、錘部材が径方向内側に位置した状態を簡略的に示した模式図。
【図４２】図４１を平面視した状態を簡略的に示した模式図。
【図４３】図３９の風車を有した風力発電装置の部分断面図であって、錘部材が径方向外側に位置した状態を簡略的に示した模式図。
【図４４】図４３を平面視した状態を簡略的に示した模式図。
【図４５】図３９に示す実施形態におけるブレードの回転動作を簡略的に説明する模式図。
【図４６】図４５に続く図。
【図４７】図２７のブレードの変形例を示す平面図。
【図４８】図４７の底面図。
【図４９】図２及び図４０とは異なる角度変更機構を説明する図。
【図５０】図２、図４０及び図４９とは異なる角度変更機構を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の風力発電装置の風車、及びその風車を用いた風力発電装置の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００３４】
図１は、本実施形態の風力発電装置においてブレード及びハブを正面側から見た図であり、図２はその部分拡大図である。図３は、図１の風車３を有した本実施形態の風力発電装置の部分断面図であり、図４はその部分拡大図であり、双方とも、後述する錘部材３５が内方に位置している。図５は、図１の風車を有した本実施形態の風力発電装置の部分断面図であり、図６はその部分拡大図であり、双方とも、後述する錘部材３５が外方に位置している。
【００３５】
図１に示す本実施形態の風力発電装置１の風車３は、風力を受けて所定の回転軸２の周りを一定回転方向に回転するものであり、該回転軸２の周りに２以上設けられるブレード（翼）３０と、該ブレード３０を、その受風面３０ｗ（図１１参照）の幅方向Ｗと回転軸２の回転軸線２ｘの方向とのなす角度θが可変可能となる形で回転軸２に対し固定されるブレード固定部３３と、該ブレード３０の角度θを、風力が所定の微風レベルを下回る場合に最も風平行寄り（風平行方向Ｘ寄り：受風方向２ｗ寄り）となる所定の初期回転用角度位置Ａとして加速回転しやすいようにする第一段階（回転開始段階）と、風力が所定の微風レベルをこえた場合に風直交寄り（風直交面Ｙ寄り）に可変してより高速回転となりやすいようにする第二段階（高回転段階）と、風力が所定の強風レベルをこえた場合に過回転が防止されるようにする第三段階（過剰回転防止段階）という風力に応じた各段階を有し、それら各段階する形で、風力に応じて自立的に可変するよう調整する角度調整機構３００（図３及び図５参照）と、を備えて構成される。
【００３６】
本実施形態の風車３は、図３及び図５に示すように、受風方向２ｗが回転軸２の回転軸線２ｘの方向と一致している。風車３は、該受風方向２ｗから風力を受けることで一定方向に回転するように配置される複数のブレード３０と、それら複数のブレード３０を回転軸２と一体回転可能に連結（接続）するハブ２２と、を備えて構成される。
【００３７】
ブレード３０は、受風面３０ｗ（図１１参照）が受風方向２ｗに対し交差するように配置されており、回転軸２の回転軸線２ｘの方向からの風力を受けて回転する。ブレード３０は、回転軸線２ｘの周りに所定間隔おきに２以上設けられ（ここでは等間隔おきに３枚）、各々が回転軸２に対し径方向外向きに延出する。
【００３８】
ハブ２２は、図４及び図６に示すように、回転軸２に対し一体回転する形で固定される軸固定部（固定部材）２２１と、各ブレード３０を軸固定部２２１に固定するブレード固定部（翼固定部）３３と、を有する。これにより、各ブレード３０は、対応するブレード固定部３３によって軸固定部２２１（図１及び図２参照）に固定され、回転軸２と一体に回転する。
【００３９】
軸固定部２２１は、図４及び図６に示すように、円盤形状をなす環状の前端部２２１Ａと、その前端部２２１Ａの中心部が回転軸２の受風方向下流側に延出した筒状の後端部２２１Ｂとを有した形状をなす。軸固定部２２１は、受風方向上流側から回転軸２が挿通されており、それらが締結部材によって互いが一体に回転するよう固定されている。
【００４０】
ブレード固定部３３は、図４及び図６に示すように、複数あるブレード３０毎に設けられ、対応するブレード３０が風力を受けた場合にその受風面３０ｗの幅方向Ｗが風平行寄りとなるよう押圧力ＦＷ（図１１参照）を受ける形で、なおかつ該幅方向Ｗと回転軸線２ｘの方向とのなす角度θが可変可能な形で、共通の軸固定部（固定部材）２２１に固定される。これにより、各ブレード固定部３３は、回転軸２と一体回転可能に固定された共通の軸固定部（固定部材）２２１を介して回転軸２に対し一体に固定される。
【００４１】
本実施形態のブレード固定部３３は、ブレード３０の延出方向に延びる回転支軸３３Ｚと、該回転支軸３３Ｚの軸線３３ｚ（図２参照）周りにおいて互いのなす角度を可変可能とされた対をなす２つの固定部３３Ａ，３３Ｂとを有した蝶番部材である。一方の固定部３３Ａは、ブレード取付部材３３０を介した形で、ブレード３０（ブレード３０の内周側端部をなす固定部３０Ｕ）に対し締結部材によって一体に固定される。他方の固定部３３Ｂは回転軸２側の軸固定部２２１に対し同じく締結部材によって一体に固定され、これによりブレード固定部３３全体が軸固定部２２１と一体回転可能となる。
【００４２】
本実施形態のブレード取付部材３３０は、図２に示すように、ブレード３０を挟持するための対をなす平行板部３３０Ａ，３３０Ａと、これらを直交する形で結合する直交結合部３３０Ｂとを有して構成され、平行板部３３０Ａ，３３０Ａに挟まれたブレード３０（固定部３０Ｕ）が締結部材によって一体に固定される。図２の（ａ）は、図１における１つのプレート固定部を拡大した部分断面図であり、図２の（ｂ）及び（ｄ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面、図２（ｃ）及び（ｅ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ断面を簡略的に示した模式図である。ただし、図２の（ｂ）及び（ｄ）と、図２の（ｃ）及び（ｅ）とではブレード３０の幅方向Ｗと回転軸線２ｘの方向とのなす角度θが異なっており、図２の（ｂ）及び（ｄ）はブレード３０が風直交寄りの状態、図２の（ｃ）及び（ｅ）はブレード３０が風平行寄りの状態を示している。図２においては、ブレード固定部３３の固定部３３Ａが直交結合部３３０Ｂに対し締結固定され、ブレード３０が平行板部３３０Ａ，３３０Ａと共に回転支軸３３Ｚの軸線３３ｚ周りに回転可能とされている。他方、ブレード固定部３３の固定部３３Ｂは、軸固定部２２１に対し締結部材によって直接固定されている。
【００４３】
回転支軸３３Ｚは、図８及び図１０に示すように、ブレード３０が幅方向Ｗにおける第一側の端部３０Ａ側を中心にして、他方の第二側の端部３０Ｂ側が回転するよう、第一側の端部３０Ａ側に偏った位置に設けられている。本実施形態においては、第一側の端部３０Ａが軸線３３ｚに対し内周側となり、第二側の端部３０Ｂが外周側となっており、ここでの回転支軸３３Ｚは、第一側の端部３０Ａ側の端縁位置よりも外側に軸線３３ｚが位置している。
【００４４】
角度調整機構３００は、図１１に示すように、風力が所定の微風レベルを下回る場合に、その風力を受けるブレード３０を幅方向Ｗが最も風平行寄り（風平行方向Ｘ寄り）となる所定の初期回転用角度位置Ａに保持させる初期位置保持手段（ここでは後述する延出部３８０と当接部３９０）と、翼３０をその初期回転用角度位置Ａに付勢保持する付勢手段３４（図４及び図６参照）と、風力がその微風レベルを上回った場合に、遠心力ＦＡが、ブレード３０に加わるその風力による受風面３０ｗへの押圧力ＦＷと付勢手段３４の付勢力ＦＢとに打ち勝つことにより自らを外方に変位させつつブレード３０が風直交寄り（風直交面Ｙ寄り）に可変するようリンク機構３７（図４及び図６参照）を介してブレード３０に連結する錘部材３５（図４及び図６参照）と、を備え、風力が所定の強風レベルに達した場合には、ブレード３０を幅方向Ｗが最も風直交寄りとなる所定の高速回転用角度位置Ｂに到達させるとともに、風力がその強風レベルをさらに上回った場合には、その風力による押圧力ＦＷと付勢手段３４の付勢力ＦＢとが遠心力ＦＡに打ち勝って錘部材３５を内方に押し戻すことにより、ブレード３０をその幅方向Ｗが風平行寄りとなるよう復帰させる。
【００４５】
なお、本発明において、ブレード３０の受風面３０ｗの幅方向Ｗが風平行寄りであるとは、ブレード３０の受風面３０ｗの幅方向Ｗと、受風方向２ｗ（即ち回転軸２の回転軸線２ｘの方向、即ち風平行方向Ｘ）とのなす角が小さい側に寄るという意味であり、ブレード３０の受風面３０ｗの幅方向Ｗが風直交寄りであるとは、ブレード３０の受風面３０ｗの幅方向Ｗと、受風方向２ｗに直交する面Ｙ（即ち回転軸２の回転軸線２ｘの方向に対する直交面Ｙ）とのなす角が小さい側に寄るという意味である。
【００４６】
以下、本実施形態の角度調整機構３００の構成を、図７〜図１０を用いて説明する。なお、本発明の角度調整機構３００は、以下で述べる本実施形態の構成に限られるものではない。
【００４７】
錘部材３５は、複数あるブレード３０毎に設けられ、図７及び図９に示すように、それぞれが回転軸２に対し一体回転可能となるよう取り付けられる。これら錘部材３５は、回転軸２の回転に伴い自らも回転し、自らが受ける遠心力に応じて回転軸線２ｘに対する径方向内外に変位可能となるよう、リンク機構３７（図４及び図６参照）を介して回転軸２と一体にあるいは連動して回転可能に設けられている。ここでは軸固定部２２１に対し、その径方向（対応する錘部材３５が変位する径方向）と回転軸線２ｘとの双方に対し直交する回転軸線３７１ｙ周りに回転可能な形で連結固定される。一方で、リンク機構３７を介して共通の連結部材３６に対し連結し、これにより、連結部材３６は、錘部材３５の径方向における内外への変位に応じて、回転軸２上をスライド移動するように設けられる。
【００４８】
リンク機構３７は、回転軸２の回転速度が大きいほど大きく作用する遠心力ＦＡによって可動するものであり、遠心力ＦＡが大きくなるほど錘部材３５が外方に位置し、遠心力が小さくなるほど錘部材３５が内方に位置するよう、予め定められた径方向範囲の中で錘部材３５を変位させる。本実施形態においては、図７及び図９に示すように、互いがリンク結合する第一リンク部材３７１と第二リンク部材３７２とを有して構成される。Ｌ字形状に形成された第一リンク部材３７１には、一方の端部３７１Ａに錘部材３５が締結部材により一体に固定され、他方の端部３７１Ｂに第二リンク部材３７２の一方の端部３７２Ａが、回転軸線２ｘとその径方向（対応する錘部材３５が変位する径方向）との双方に直交する回転軸線３７２ｙを有する形で互いに回転可能に取り付けられる。第二リンク部材３７２の他方の端部３７２Ｂは、円盤形状をなした環状の連結部材３６の外周部に対し、回転軸線３７２ｙと平行な回転軸線３７３ｙを有する形で互いに回転可能に取り付けられる。また、Ｌ字形状に形成された第一リンク部材３７１の中間に位置する屈曲部３７１Ｃには、軸固定部２２１に対し同じく回転軸線３７２ｙと平行な回転軸線３７１ｙを有する形で回転可能に取り付けられる。軸固定部２２１は、回転軸２と一体に固定されており、錘部材３５の径方向の移動に伴い変位を生じることはなく、この軸固定部２２１を固定リンクとする形で、第一リンク部材３７１と第二リンク部材３７２とが可動する。
【００４９】
付勢手段３４は、ばね部材（引っ張りばね）であり、ブレード３０毎に設けられ、それら付勢手段３４は、図７及び図９に示すように、一方の端部が軸固定部２２１におけるブレード固定部３３とは逆の面側にて固定されるとともに、他方の端部が、回転軸線２ｘの方向にて対向する連結部材３６の対向面側にて固定される。本実施形態においては、軸固定部２２１の受風方向上流側の面に、ばね部材３４の一端を固定するばね固定部２２１ｃ（図２（ａ）参照）が設けられ、連結部材３６の受風方向下流側の面に、ばね部材３４の他端を固定するばね固定部３６ｃ（図４及び図６参照）が設けられている。このばね固定部２２１ｃ，３６ｃの対が予め複数個所（ここでは三箇所）に設けられていることで、ばね部材３４の数を増やす形での付勢力の調整が可能となっている。
【００５０】
連結部材３６は、リンク機構３７及び軸固定部２２１を介して回転軸２に対し一体回転可能とされるとともに、錘部材３５の径方向内方への変位により回転軸線２ｘの第一側にスライド移動し（図７及び図８参照）、錘部材３５の径方向外方への変位により回転軸線２ｘの第二側にスライド移動する（図９及び図１０参照）ように、中央部にて軸受装置を介して回転軸２に対し連結している。ここでは第一側が受風方向下流側（軸固定部２２１側）、第二側が受風方向上流側である。
【００５１】
連結部材３６には、対応するブレード３０を、錘部材３５の径方向内方への変位による回転軸線２ｘの第一側へのスライド移動によって角度θが風平行寄りとなるよう直接的又は間接的に押し付け、錘部材３５の径方向外方への変位による回転軸線２ｘの第二側へのスライド移動によって角度θが風直交寄りとなるよう直接的又は間接的に引き戻す押付部材３６２が、ブレード３０毎に設けられている。これにより、各ブレード３０の角度θは、それら錘部材３５の径方向における内外への移動に伴いスライド移動する連結部材３６の回転軸上の位置に応じて決定されるよう構成されており、これにより各ブレード３０の角度θが互いに同期して同角度となる形で変化する。
【００５２】
なお、図７〜図１０における各押付部材３６２は、対応するブレード３０を直接的に押し付ける、あるいは引き戻す構成として図示されているが、実際のところは図２に示すように、軸固定部２２１の円盤状の前端部２２１Ａに形成された貫通孔２２１ｈを貫通する形で延出し、その延出先端部が、対応するブレード３０に一体に固定される固定部３３Ａ（ここでは受風方向上流側の平行板部３３０Ａに設けられた回転固定部３３０ａ）に対し、回転支軸３３Ｚの軸線３３ｚと平行な軸線周りに回動可能な形で固定されている。なお、ここでの押付部材３６２は、固定部３３Ａの回転支軸３３Ｚから遠い側の第二側に対し回動可能に固定されている。
【００５３】
また、錘部材３５は、径方向における可動範囲があらかじめ規定されている。図９の状態は、錘部材３５が径方向の最外位置にある状態であり、リンク機構３７の構成上、これ以上径方向外側には変位できない。錘部材３５が、この最外位置に到達したときに、ブレード３０は、その受風面３０ｗの幅方向Ｗが最も風直交寄りとなる所定の高速回転用角度位置Ｂに到達する（図１１参照）。一方で、図７の状態は、錘部材３５が径方向の最内位置にある状態であり、これ以上径方向内側には変位できない。ただし、これはリンク機構３７の構成により規定される最内位置ではない。即ち、その最内位置は、ブレード３０を含むブレード３０の風平行寄りへの角度変更動作に連動して動作する可動構造体に対し、その動作方向に対向する位置に設けられた当接部材３８との当接位置として規定されている。図７及び図８、さらには図１１（ａ）の状態において、ブレード３０は、風力による押圧力ＦＷと付勢手段３４による付勢力ＦＢにより風平行寄りに付勢されるが、それらの力ＦＷ及びＦＢによるブレード３０の風平行寄りへの角度変更動作は、ブレード３０を含むブレード３０の角度変更動作に連動して動作する可動構造体に対し当接部材３８が当接する形で止まる。そして、その停止位置が、錘部材３５の径方向における最内位置であって、同時のそのときのブレード３０の位置が、初期回転用角度位置Ａとなっている。
【００５４】
本実施形態においては、各ブレード固定部３３が、回転軸２と一体回転可能に固定された共通の固定部材を介して回転軸２に対し固定され、その固定部材が当接部材３８として機能する。ここでは、軸固定部２２１が当接部材３８である。一方、連結部材３６は、ブレード３０の幅方向Ｗが風平行寄りとなるに従い上記固定部材に接近するようリンク機構３７と接続しており、上記の可動構造体３９として機能する。そして、当接部材３８である軸固定部２２１及び可動構造体３９である連結部材３６のいずれか又は双方には他方の部材に向けて延出する延出部３８０が形成されており、その延出部３８０における他方の部材側の先端がその他方の部材の当接部３９０に対し当接することにより、ブレード３０が初期回転用角度位置Ａに位置保持される。ここでは、連結部材３６に、その中央部から軸固定部２２１側に向けて延出形成された筒状部又は突起部が延出部３８０として形成されており、その先端と軸固定部２２１の当接部３９０とが当接することにより、ブレード３０は、初期回転用角度位置Ａに位置保持される。なお、当接部材３８の当接部及び可動構造体３９の当接部のうち少なくとも一方は、ゴム等の弾性部材として設けられている。ここでは、軸固定部２２１の当接部３９０が弾性部材として設けられている。
【００５５】
このような構成を有することにより、ブレード３０は、図１１に示すような形で動作することになる。
【００５６】
即ち、風力が所定の微風レベルを下回る場合には、図１１（ａ）に示すように、その風力によるブレード３０の受風面３０ｗへの押圧力ＦＷと付勢手段３４の付勢力ＦＢとが遠心力ＦＡに打ち勝って錘部材３５を内方に押し付けて、ブレード３０は初期回転用角度位置Ａに付勢保持される。具体的にいえば、風力が所定の微風レベルを下回る場合、上述の可動構造体３９が当接部材３８に当接するよう上記の押圧力ＦＷと付勢力ＦＢとにより押し付けられ、その当接位置である初期回転用角度位置Ａにブレード３０が位置保持され、このときブレード３０は、その受風面の幅方向が最も風平行寄りとなる。この状態は、わずかな風力でも風車３が高いトルクを得やすい状態で、風車３が回転し易い状態である。ただし、高い回転数を得難い状態である。
【００５７】
風力が上記の微風レベルを上回った場合には、図１１（ｂ）に示すように、遠心力ＦＡが増大し始めて、受風面３０ｗへの押圧力ＦＷと付勢手段３４の付勢力ＦＢとに打ち勝ち、ＦＡと、ＦＷ及びＦＢとが釣り合う位置まで錘部材３５が外方へ変位するとともに、ブレード３０の角度θも初期回転用角度位置Ａを離れ、風直交寄りへと位置を変える。この状態は、風直交寄りとなるほど高いトルクは得にくくなるものの、より高速回転に適した状態へ遷移している途中の状態である。
【００５８】
ただし、錘部材３５は最外位置が規定されている。風力が上記の微風レベルを上回った所定の強風レベルに達すると、錘部材３５はその最外位置に到達し、それよりも外方へは変位できなくなる。このとき、ブレード３０は、その幅方向Ｗが最も風直交寄りとなる所定の高速回転用角度位置Ｂに到達した状態となる。この状態は、風車３が最も高速で回転可能な状態である。
【００５９】
風力がその強風レベルをさらに上回った場合には、図１１（ｃ）に示すように、その風力による受風面３０ｗへの押圧力ＦＷと付勢手段３４の付勢力ＦＢとが遠心力ＦＡに打ち勝って、今度は錘部材３５を内方に押し戻すことにより、ブレード３０を幅方向Ｗが風平行寄りとなるように復帰させる。この状態は、風車３が徐々に高い回転数を得難い状態へと遷移している途中の状態である。ここでのブレード３０は、上述の可動構造体３９が当接部材３８に当接する初期回転用角度位置Ａまで位置復帰可能とされている。
【００６０】
このように、本実施形態によれば、付勢手段３４と錘部材３５とリンク機構３７とを有することで、微風時に回転し易いようにブレード３０の角度θを風平行寄りとする第一段階と、風速が増した時に高回転となり易いようにブレード３０の角度θを風直交寄りとする第二段階と、強風時に過回転が防止されるように風直交寄りから風平行寄りにブレード３０が押し戻される第三段階という三段階にて、ブレード３０の角度θを可変させることが可能となり、この三段階のブレード３０の角度変更による自律的な回転速度制御によって、風車３は、始動性に優れ、高回転時の効率も高く、なおかつ強風時の過剰回転の抑制も可能となっている。
【００６１】
以下、上記した風車３を備える風力発電装置１の構成について説明する。なお、本発明の風力発電装置１は、以下で述べる本実施形態の構成に限られるものではない。
【００６２】
本実施形態の風力発電装置１は、上記のような構成を有することにより所定の受風方向２ｗからの風力を受けて所定の回転軸線２ｘの周りを一定回転方向に回転する風車３（図１，図１２及び図１３参照）と、上記一定回転方向において、回転軸２が増速している場合には該回転軸２と一体回転状態となって自身も増速回転し、回転軸２が減速している場合には該回転軸２から切り離されて慣性回転するように１方向クラッチ６（ワンウェイクラッチ：図１７参照）を介して配置されるフライホイール７（図１７参照）を備えて構成され、さらにここでは、フライホイール７と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータ９１（図１７参照）を有してフライホイール７の回転に伴う該ロータ９１の回転により電力を生成する発電機（発電手段）９（図１３参照）を備えて構成される。
【００６３】
さらにいえば、発電機９を第二の発電機とし、フライホイール７と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータ５１を有してフライホイール７の回転に伴う該ロータ５１の回転により電力を生成する、第２の発電機９とは異なる第１の発電機５を備えて構成されている。ここでは、図１７に示すように、フライホイール７に対する受風方向下流側に第一の発電機５が設けられ、受風方向上流側に第二の発電機９が設けられる。
【００６４】
そして、本実施形態の風力発電装置１は、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、第１の発電機５と第２の発電機９により生成された双方の電力入力を受け、それらを合わせて外部出力する出力部（出力手段）１０を備えて構成される。つまり、第１の発電機５及び第２の発電機９の発電電力の出力ラインを、外部出力に至るまでの間で接続し、１系統で外部出力する形で構成される。
【００６５】
出力部１０は、例えば図１４Ａに示すように、第１の発電機５と第２の発電機９により生成された双方の三相の交流電力を、それぞれ整流器１２に入力した上で、昇圧コントローラ１１に入力して所定の電圧で出力し、さらにそれをパワーコンディショナ１５にて入力して、入力された直流の電力を系統電力に変換し、出力するように構成できる。これにより、第１の発電機５と第２の発電機９により生成された双方の電力を合わせて外部の電源系統１９Ａに供給することができ、例えば売電等が可能となる。また、パワーコンディショナ１５にて、家庭内で使える交流電力に変換して出力してもよい。また、出力部１０は、図１４Ｂに示すように、第１の発電機５と第２の発電機９により生成された双方の電力をそれぞれ、整流器１２に入力した上で、昇圧コントローラ１３に入力し、所定電圧とされた直流の電力をバッテリー（蓄電手段）１９Ｂに供給して蓄電させてもよい。また、バッテリー（蓄電手段）１９Ｂに蓄電された電力を、パワーコンディショナ１５を介して外部の電源系統１９Ａに供給するようにしてもよい。
【００６６】
図１５は、本実施形態の風力発電装置１を簡略的に示した拡大断面図である。風車３は、回転軸２の回転軸線２ｘの方向に同軸をなす形で筒状に延出する筒状風洞部（ダクト）３１の内側に配置される。筒状風洞部３１は、風車３の受風方向２ｗの上流側から下流側に向けて開口面積が減少していく形で形成される。具体的にいえば、筒状風洞部３１は、受風方向２ｗの上流側の環状端部３１Ａから下流側の環状端部３１Ｂまでの間の区間において、径方向内向きに膨出した湾曲形状をなす。この筒状風洞部３１において取り込まれた風は、圧縮された形で下流に供給され、下流側のブレードがこれを受けることになるので、風車３が得る回転力を増すことができる。
【００６７】
筒状風洞部３１は、その内周面に、ナセル２１の外周面２１Ａから外向きに放射状に延出する複数の支持部材（ＦＲＰ）３２が固定されており、ナセル２１と共に回転軸２に対し非回転に設けられている。ナセル２１は、第１の発電機５とフライホイール７と第２の発電機９、さらに回転軸２を内部に収容し、ここではさらに角度調整機構３００を収容している。ハブ２２及びブレード３０は、受風方向２ｗにおいてナセル２１よりも下流側に設けられており、下流側のブレード３０で得た回転力が、回転軸２を介して受風方向２ｗの上流側に位置する発電機５，９側へと伝達される。
【００６８】
ナセル２１は、図１５に示すように、地表の基礎部１９０（図１２参照）から延びる支柱（タワー）１１０の上端部１１０Ｔと共に、支柱本体１１０Ｓに対し風向きに合わせて水平面内において向きを変えることが可能（支柱本体１１０Ｓの鉛直方向の軸線１１０ｘの周りに回転可能）に取り付けられている。本実施形態においては、各ブレード３０を外周側から被う筒状風洞部３１が、ナセル２１の受風方向２ｗの下流側に設けられているため、その筒状風洞部３１が、風車３の受風方向２ｗを可変する尾翼のような手段として機能する。即ち、筒状風洞部３１の筒状外周面３１Ｃ（特にその水平方向側の面：図１２参照）が風を受けると、支柱１１０の上端部１１０Ｔに対し回転し、風が来る向きに回転軸２の回転軸線２ｘを受風方向上流側に向ける。
【００６９】
図１６は、図１５のナセルを軸線２ｘ，１１０ｘを通過する平面で切断した断面図である。ナセル２１の内部には、フライホイール７と第１の発電機５と第２の発電機９とを、風車３の受風方向２ｗの上流側からこの順で収容した発電ケース体１００が配置され、ナセル２１に対し締結部材によって締結固定される。
【００７０】
図１７に示すように、発電ケース体１００は、その内部に、受風方向２ｗの上流側から順に、第２の発電機９を収容する上流側収容空間９Ｓと、フライホイール７を収容する中間収容空間７Ｓと、第１の発電機５を収容する下流側収容空間５Ｓとを有し、これらをひとつながりの空間とする形状をなす。このひとつながりの空間は、フライホイール７が中間収容空間７Ｓ内に配置されることで、上流側収容空間９Ｓと下流側収容空間５Ｓとに分断される。これら円筒状の上流側収容空間９Ｓ及び下流側収容空間５Ｓよりも、同じく円筒状の中間収容空間７Ｓの方が径大で、かつ収容されるフライホイール７自体も、径方向において中間収容空間７Ｓの円筒状外周壁に対し近接して位置するため、フライホイール７が配置されたときには、上流側収容空間９Ｓと下流側収容空間５Ｓとは、フライホイール７の外周側においてのみ連通するので、より確実な分離状態となっている。これにより、上流側収容空間９Ｓ及び下流側収容空間５Ｓのうち、一方の空間内での回転体（ロータ９１，５１）の回転に伴う気流の乱れの影響を、他方の空間が受けることがない。
【００７１】
回転軸２は、発電ケース体１００に対し自身の軸線方向に貫通し、なおかつ発電ケース体１００に対し円滑に相対回転するよう軸受装置６０を介して取り付けられる（図１７参照）。本実施形態の軸受装置６０は、例えばシール装置（Ｏリング等）やグリース等のような密閉機能付きの密閉型軸受装置であり、その密閉機能によって密閉状態としている。密閉された発電ケース体１００内部は、空気が大気圧で充填されている場合に、内部の回転体５１，９１，７等が受ける充填気体による抵抗（空気抵抗）が軽減されるよう、減圧状態等のような内部状態とされている。
【００７２】
第１の発電機５及び第２の発電機９は、回転軸２の周りを回転可能なロータ（発電機回転子）５１，９１の周方向に沿って所定間隔おきに複数の磁性部材５２，９２が配置されるとともに、それら磁性部材５２，９２に対しエアギャップを形成する形で対向し、かつ該ロータ５１，９１に対し非回転となるステータコイル５４，９４が配置されたステータ（発電機固定子）５３，９３を備えて構成され、それら磁性部材５２，９２とステータコイル５４，９４との相対回転により電力を生成する。生成される電力（発電電力）は、その相対回転速度が大きいほどが大となる。なお、本実施形態における磁性部材５２，９２は永久磁石であり、例えばネオジウム磁石等を用いることができる。また、本実施形態においては、磁性部材５２，９２とステータコイル５４，９４との数の比が３：４であり、ステータコイル５４，９４からは三相の交流電力が出力される。
【００７３】
支柱１１０の上端部１１０Ｔの上端軸部１１１Ｔには、図１６に示すように、スリップリング１１０ＳＡ，１１０ＳＢが設けられており、各スリップリング１１０ＳＡ，１１０ＳＢ上を摺動するブラシ１０２ＣＡ（図示有り），１０２ＣＢ（図示なし）を介し、ステータコイル５４，９４から発電出力を取り出すよう構成されている。取り出された発電出力は、筒状の支柱（タワー）１１０の内部空間を通る配線を介して、出力部１０に接続される。
【００７４】
なお、支柱１１０の上端部１１０Ｔの上端面には、回転軸２に回転可能に固定するために、図１６に示すように、軸受装置を内包した固定部１２０が締結部材により締結固定されている。発電ケース体１００は、それら固定部１２０よりも受風方向上流側に設けられている。なお、回転軸２の受風方向上流側では、回転軸２と、これを延長する回転軸延長部２’とが軸連結部１３０により一体回転可能に連結されている。発電ケース体１００内を挿通する回転軸２はその回転軸延長部２’である。
【００７５】
第１の発電機５及び第２の発電機９における双方のステータ５３，９３は、発電ケース体１００からケース内部に向けて回転軸２の軸線方向に沿って突出形成された筒状部材として設けられる。それら筒状部材５３，９３には、径方向に貫通する開口部が周方向に沿って所定間隔おきに形成される。これらの開口部は、周方向に設けられた回転軸２の軸線方向に延びる各柱部により区画されており、各柱部にはステータコイル５４，９４が巻き付けられている。本実施形態においては、隣接する柱部で巻き方向が逆向きとなっている。
【００７６】
本実施形態の第１の発電機５及び第２の発電機９は、ロータ５１，９１として、回転軸２と同軸をなしフライホイール７と共に互いに一体回転する第１ロータ部５１Ａ，９１Ａと第２ロータ部５１Ｂ，９１Ｂとを有する。それら双方のロータ部５１Ａ，９１Ａと５１Ｂ，９１Ｂは、エアギャップを介して互いに対向（対面）する対向面を有し、それら双方の対向面上には、周方向において複数の磁性部材９２が所定間隔おきに同数配置され、締結部材により固定されている。ただし、一方のロータ部５１Ａ，９１Ａの磁性部材５２Ａ（５２），９２Ａ（９２）と他方のロータ部５１Ｂ，９１Ｂの磁性部材５２Ｂ（５２），９２Ｂ（９２）とは、互いに異なる極性（磁極）の着磁面同士にて対面している。さらに、それら第１ロータ部５１Ａ，９１Ａと第２ロータ部５２Ａ，９２Ａとの間の空隙にステータ５３，９３のステータコイル５４，９４が位置する。ステータコイル５４，９４は、回転するそれら双方のロータ５１Ａ，５１Ｂと９１Ａ，９１Ｂの磁性部材間５２，５２と９２，９２に挟まれるステータ５３，９３上の環状の対向領域に、その周方向に沿って所定間隔おきに複数配置される。
【００７７】
また、第１の発電機５及び第２の発電機９において、第１ロータ部５１Ａ，９１Ａ及び第２ロータ部５１Ｂ，９１Ｂは、回転軸２の回転軸線２ｘに対する径方向に対向して配置される。第１ロータ部５１Ａ，９１Ａは、フライホイール７の固定部７０Ａの外周側に形成される固定部５０Ａ，９０Ａに対し、フライホイール７に対し同軸をなして一体回転するよう固定されている。第２ロータ部をなす円筒状部５１Ｂ，９１Ｂは、フライホイール７の固定部７０Ａの内周側に形成される固定部５０Ｂ，９０Ｂに対し、フライホイール７に対し同軸をなして一体回転するよう固定されている。
【００７８】
なお、本実施形態のフライホイール７は、回転軸２に対し１方向クラッチ（ワンウェイクラッチ）６を介して固定される軸固定部７０Ｃと、軸固定部７０Ｃから径方向外側に延出する円盤状の中間部７０Ｂと、中間部７０Ｂの径方向外側にて第１ロータ部５１Ａ，９１Ａ及び第２ロータ部５１Ｂ，９１Ｂが一体に固定される固定部７０Ａとを有する。さらに本実施形態では、固定部７０Ａから径方向外側に延出する外端部７０Ｄを有する。
【００７９】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、これはあくまでも例示にすぎず、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。
【００８０】
例えば上記実施形態を、以下のように変更することができる。
【００８１】
図１８に示す実施形態の風力発電装置１は、所定の受風方向２ｗからの風力を受けて所定の回転軸線２ｘの周りを一定回転方向に回転する風車３と、風車３の回転軸２と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータ５１を有して回転軸２の回転に伴う該ロータ５１の回転により電力を生成する第１の発電機（発電手段）５と、回転軸２と同軸をなし、かつ上記一定回転方向において、回転軸２が増速している場合には該回転軸２と一体回転状態となって自身も増速回転し、回転軸２が減速している場合には該回転軸２から切り離されて慣性回転するように１方向クラッチ（ワンウェイクラッチ）６を介して配置されるフライホイール７と、フライホイール７と同軸をなして一体回転するよう配置されたロータ９１を有してフライホイール７の回転に伴う該ロータ９１の回転により電力を生成する、第１の発電機５とは異なる第２の発電機（発電手段）９と、を備えて構成される。
【００８２】
さらに、図１８の風力発電装置１の場合は、第１の発電機５と第２の発電機９により生成された双方の電力入力を受け、それらを合わせて外部出力する出力部（出力手段）１０を備えて構成される。つまり、第１の発電機５及び第２の発電機９で発電された互いに位相の異なる発電電力を、１系統で外部出力する形で構成される。なお、この場合の出力部１０の構成は図１４Ａ及び図１４Ｂと同様とすることができる。
【００８３】
図１８の第１の発電機５は、ロータ５１として、回転軸２と同軸をなし互いに一体回転する第１ロータ部５１Ａと第２ロータ部５１Ｂとを有する。それら双方のロータ部５１Ａ，５１Ｂは、エアギャップを介して互いに対向（対面）する対向面を有し、それら双方の対向面上には、周方向において複数の磁性部材５２が所定間隔おきに同数配置され、締結部材により固定されている。ただし、それら双方のロータ部５１Ａ，５１Ｂのうち、一方のロータ部５１Ａの磁性部材５２Ａ（５２）と他方のロータ部５１Ｂの磁性部材５２Ｂ（５２）とは、互いに異なる極性（磁極）の着磁面同士にて対面している。さらに、それら第１ロータ部５１Ａと第２ロータ部５１Ｂとの間の空隙にステータ５３のステータコイル５４が位置し、ステータコイル５４は、回転するそれら双方のロータ部５１Ａ，５１Ｂの磁性部材５２，５２間に挟まれるステータ５３上の環状の対向領域に、その周方向に沿って所定間隔おきに複数配置される。
【００８４】
また、第１の発電機５において、第１ロータ部５１Ａ及び第２ロータ部５１Ｂは、回転軸２の軸線２ｘに対する径方向（ラジアル方向）に対向して配置される。本実施形態においては、ロータ５１の本体部として、回転軸２と一体回転するよう固定される軸固定部５０Ｃと、軸固定部５０Ｃから径方向外側に延出する円盤状の中間部５０Ｂと、中間部５０Ｂの径方向外側の外端部５０Ａと、を有したロータ本体部５０を備える。ただし、ロータ本体部５０は、外周側に大重量を有するフライホイール７よりも軽く、小径である。第１ロータ部をなす円筒状部５１Ａと、第２ロータ部をなす、円筒状部５１Ａよりも径大の円筒状部５１Ｂとは、ロータ本体部５０に対し同軸をなす形で一体回転するよう双方とも、ロータ本体部５０の外端部５０Ａに固定されている。
【００８５】
図１８の第２の発電機９は、ロータ９１として、回転軸２と同軸をなしフライホイール７と共に互いに一体回転する第１ロータ部９１Ａと第２ロータ部９１Ｂとを有する。それら双方のロータ部９１Ａ，９１Ｂは、エアギャップを介して互いに対向（対面）する対向面を有し、それら双方の対向面上には、周方向において複数の磁性部材９２が所定間隔おきに同数配置され、締結部材により固定されている。ただし、それら双方のロータ９１Ａ，９１Ｂのうち、一方のロータ部９１Ａの磁性部材９２Ａ（９２）と他方のロータ部９１Ｂの磁性部材９２Ｂ（９２）とは、互いに異なる極性（磁極）の着磁面同士にて対面している。さらに、それら第１ロータ部９１Ａと第２ロータ部９１Ｂとの間の空隙にステータ９３のステータコイル９４が位置する。ステータコイル９４は、回転するそれら双方のロータ９１Ａ，９１Ｂの磁性部材間９２，９２に挟まれるステータ９３上の環状の対向領域に、その周方向に沿って所定間隔おきに複数配置される。
【００８６】
また、第２の発電機９において、第１ロータ部９１Ａ及び第２ロータ部９１Ｂは、回転軸２の軸線２ｘに対する径方向に対向して配置される。第１ロータ部９１Ａは、フライホイール７に対し、第１ロータ部をなす円筒状部９１Ａと、第２ロータ部をなす、円筒状部９１Ａよりも径大の円筒状部９１Ｂとが、フライホイール７に対し同軸をなして共に一体回転するよう固定されている。
【００８７】
なお、本実施形態のフライホイール７は、回転軸２に対し１方向クラッチ（ワンウェイクラッチ）６を介して固定される軸固定部７０Ｃと、軸固定部７０Ｃから径方向外側に延出する円盤状の中間部７０Ｂと、中間部７０Ｂの径方向外側にて第１ロータ部をなす円筒状部９１Ａと第２ロータ部をなす円筒状部９１Ｂを固定する固定部７０Ａとを有し、本実施形態ではさらに、固定部７０Ａから径方向外側に延出する外端部７０Ｄを有する。
【００８８】
ここで、上記実施形態とは異なる風導ケース（ナセル）２００について説明する。
【００８９】
図１９〜図２３に示すように、風車３（ブレード３０）の風上側に、発電部ケース(ハウジング)を兼ねる風導ケース（ナセル）２００を設け、このケース２００の内部に発電部を格納するとともに、その風導ケース２００（ケース本体２０１でもある）の外部に風向フィン（風向板部）２０２を一体的に形成することができる。この例では、風車３の外側に図１２、図１５に示したような筒状風洞部（ダクト）３１は存在せず、風車３がむき出し（露出状態）で風を受ける。風導ケース２００のケース本体２０１は風車３の軸方向に直角な断面が、縦長楕円状又は円形状等をなす滑らかな外周面を有し、そのケース本体２０１の風上側の端部は先端側ほど滑らかに細くなり、先端が曲率の小さい円弧状の縦断面を有している。
【００９０】
ケース本体２０１の外周面には、上述の風向フィン２０２が、風車３の軸方向に沿う方向において、そのケース本体２０１（風導ケース２００）の外周面から外方に（例えば上向きに）突出するように形成され、風向フィン２０２は風車３の回転面と直角な位置関係を占める。風向フィン２０２はケース本体２０１の軸方向長さと同等か少し短い長さを有し、かつケース本体２０１の風上側先端近傍から漸次高さが円弧状（又は直線状）に増加する斜辺２０３を備えて、ケース本体２０１の風下側の端部近傍で最大高さとなり、その頂部から風上側へ円弧状（湾曲状）に食い込む（えぐれる）ように降下する後端部２０４を備え（風下側に円弧状に膨出する後端部、あるいは直線状に垂下する後端部でもよいが）、その下端がケース本体２０１の上部面に連続する。また風向フィン２０２は、その斜辺２０３がナイフエッジ状に先鋭に形成され、また中間部から後端部２０４に向かっても後端ほど先鋭となる曲面を有して、風向フィン２０２の風向き方向の中間部が最も厚く形成され、風上からみて、図２０に示すように先鋭な三角形状をなしている。
【００９１】
このような風向フィン２０２とはケース本体２０１の軸線をはさんで反対側（下側）には、風車３を所定の高さに維持する支柱（ポール）２０６と接続する支柱接続部２０８が形成され、ここに支柱２０６が接続される。この支柱接続部２０８はケース本体２０１の下面から下方に突出するとともに、滑らかに先細りとなり、下端部が円筒状になるように形成されて、その円筒状部に支柱２０６の円形断面の上端部が嵌合され、かつ、図１９に示すように軸受（ベアリング）２１０を介して、風導ケース２００及び風車３が、支柱２０６の軸線（垂直軸）の周りに回転自在に支持されている。その結果、風導ケース２００に形成された風向フィン２０２が風向きに沿うように、言い換えれば風車３の回転面が常に風向きと正対するように、風車３及び風導ケース２００がフリーな状態に保持されることとなる。
【００９２】
図２４は風車３と風導ケース２００を含む部分の側面断面図（透視図）であり、風導ケース２００の内部に、風車３の回転軸２が風導ケース２００の中心線と同心的に配置され、また図１７又は図１８に示した発電ケース体１００がその回転軸２に同心的に組み付けられる。さらに、図２〜図１１で説明した風車３の角度調整機構３００もこの風導ケース２００内に収容される。
【００９３】
なお、図１９、図２２及び図２４に示すように、風車３の中心部（ブレード３０の基端部）は、円形断面の筒状部２１２が占めるようにされ、この筒状部２１２の中心部から前記風導ケース２００とは反対側（風下側）へコーン状に突出するコーン状中心部２１４が形成され、このコーン状中心部２１４と筒状部２１２（風下側へややテーパ状に縮径されたほぼ円筒部）との間には、円環状でかつ底部側ほど幅が狭くなるコーン付き環状凹部２１６が形成され、それらの内部にハブ２２やブレード固定部３３が配置されている。仮に、風向きが大きく変わって、風導ケース２００の後方から風が吹くようになっても、そのコーン付き環状凹部２１６が後方からの風を受けて回転モーメントを生じ、その結果、フリー状態の風導ケース２００及び風車３が姿勢（向き）を例えば１８０度近く変え、風導ケース２００の先端が風上を向く（風に正対する）ように姿勢変更することができる。
【００９４】
ここで、上記実施形態におけるブレード３０の変形例について、以下で説明する。
【００９５】
図２６は、上記実施形態とはブレード３０の形状が異なる風車を備えた風力発電装置１の実施形態を示す斜視図である。図２６に示す風力発電装置１の風車３には、回転軸２の軸線方向２ｘ（図１参照）からの風力を受けて該回転軸２の周りを一定回転方向に回転するよう形成されたブレード３０が、回転軸２の周りに２以上設けられている。ブレード３０は、回転軸線２ｘ周りに所定間隔おきに配置され、互いに同形状をなして形成される。
【００９６】
ブレード３０は、既に述べた実施形態と同様であるが、回転軸２側と先端３０ｓ側で流れの速度に差が生ずるように、受風面３０ｗにねじりを設けた形で形成されている。具体的にいえば、ブレード３０は、先端３０ｓ側ほどピッチが浅くなる形で形成されている。
【００９７】
さらに、本発明のブレード３０は、回転軸２に対し径方向外向きに延出するブレード本体部３０Ｔと、ブレード本体部３０Ｔの外側から一定回転方向とは逆側に延出するブレード先端部３０Ｓと、を備える。つまり、ブレード３０は、その外側の先端部が一定回転方向とは逆側に曲がった形状をなしており、ブレード３０の回転に対し尾を引くような形状を有している。
【００９８】
ブレード先端部３０Ｓは、正面視（図２９）及び背面視（図２８）において、直線状に延出するブレード本体部３０Ｔから湾曲して続くように見える形状をなす。ここでのブレード先端部３０Ｓは、ブレード本体部３０Ｔの外周側から滑らかに連続して続く形で形成されており、正面視（図２９）及び背面視（図２８）において、直線状に延びて見えるブレード本体部３０Ｔの外周側から、弧状を描く形で湾曲したフック状に見えるように形成されている。
【００９９】
また、ブレード先端部３０Ｓは、正面視（図２９）及び背面視（図２８）において、ブレード本体部３０Ｔとは逆に位置する先端３０ｓが直線状に見える形状をなす。つまり、ブレード３０において湾曲する先端が直線状にカットされたような形状をなす。そのカット面は、上記一定回転方向とは逆向きを臨むよう形成されている。ここでは、ブレード先端部３０Ｓの先端３０ｓが、正面視（図２９）及び背面視（図２８）において、回転軸２に対する径方向に直線状に延出するブレード本体部３０Ｔの、上記一定回転方向側の端面（端縁部）３０ａと略平行に見える形で形成されている。
【０１００】
ブレード３０の背面３０ｖ（受風面３０ｗとは逆側の面）には、ブレード本体部３０Ｔからブレード先端部３０Ｓにかけてブレード延出方向に沿った稜線３０ｐを有するよう幅方向中央部に山型の凸部３０Ｐが形成されている。また、この凸部３０Ｐは、背面３０ｖの幅方向Ｗにおいて、上記稜線３０ｐが後述するブレード固定部３３の回転支軸３３Ｚ（図２参照）側に偏った位置に設けられている。即ち、ここでの凸部３０Ｐは、図２８に示すように、上記稜線３０ｐが背面３０ｖの幅方向Ｗにおいて一定回転方向側（図２８の上側）に偏った位置となるよう形成され、一定回転方向側（図２８の上側）の面３０ｐ１の面幅のほうが、その逆側（図２８の下側）の面３０ｐ２の面幅よりも短い。
【０１０１】
ブレード先端部３０Ｓは、上記したブレード３０の一定回転方向側を上側とした場合、その上面視（図３２）及び下面視（図３３）において、ブレード本体部３０Ｔの延出方向に対し、ブレード本体部３０の受風面側（受風方向とは逆向き）に曲がった形状とされている。この屈曲形状により、ブレード３０は、その屈曲部分において風を受け止めやすくなっている。このため、受け止めた風によって効率的に回転できる。また、ブレード３０の先端側（外周側）に加わる応力に対しては、ブレード先端側が受風方向にしなる形で抗することができ、高い強度を有した構造となっている。また、既に述べたように、ブレード３０の先端側（外周側）が回転方向逆側に屈曲していることにより、上記応力に対し、ブレード先端側が弾性的にねじれる形でも風力に対し抗することができるから、より高い強度を有した構造となっている。
【０１０２】
また、図３２及び図３３に示すように、ブレード本体部３０Ｔの受風面３０ｗは、外周側（ブレード先端部側）に向かうに従い受風方向にわずかに反った形状となっており、その外周側に、受風方向逆向き（受風面側）に屈曲するブレード先端部３０Ｓが設けられている。さらに、図３０及び図３１に示すように、翼先端部３０Ｓの先端３０ｓの外周側端縁位置は、翼本体部３０Ｔの受風面３０ｗよりも、受風方向逆向き（受風面側）に突出して位置している。
【０１０３】
ブレード３０は、内周側（根元側）の端部３０ｔに向かうに従い厚みが増し、なおかつ外周側（先端）に向かうに従い受風面３０ｗの面幅が減少する先細りの全体形状を有する。端部３０ｔのさらに内周側には、ブレード固定部３３により固定される固定部３０Ｕを有する。
【０１０４】
図３４〜図３８は、図１９〜図２３に示す実施形態の風車３のブレード３０を、上記した図２７〜図３３のブレードに置き換えた図である。
【０１０５】
また、上記実施形態における角度調整機構３００の変形例について、以下で説明する。
【０１０６】
上記実施形態における角度調整機構３００では、付勢手段３４として、ブレード３０の受風面３０ｗの幅方向Ｗが初期回転用角度位置Ａと高速回転用角度位置Ｂとの間に位置する間、その幅方向Ｗが風平行寄り側となるようブレード３０を初期回転用角度位置Ａ側へと一定の付勢力で付勢するばね部材３４を使用しているが、ブレード３０に対し、その受風面３０ｗの幅方向Ｗを初期回転用角度位置Ａ側へと付勢する付勢力が、初期回転用角度位置Ａから離間するほど増大するものに変更してもよい。以下、図３９〜図４６を用いて、上記実施形態とは異なる角度調整機構３００’及び風車３’について説明する。
【０１０７】
図３９は、上記実施形態の風車３とは異なる角度調整機構３００’を備える風車３’を示すものである。また、図４０の（ａ）は、図３９における１つのプレート固定部を拡大した部分断面図であり、図４０の（ｂ）及び（ｄ）は図４０（ａ）のＡ−Ａ断面、図４０（ｃ）及び（ｅ）は図４０（ａ）のＢ−Ｂ断面を簡略的に示した模式図である。ただし、図４０の（ｂ）及び（ｄ）と、図４０の（ｃ）及び（ｅ）とではブレード３０の幅方向Ｗと回転軸線２ｘの方向とのなす角度θが異なっており、図４０の（ｂ）及び（ｄ）はブレード３０が風直交寄りの状態、図４０の（ｃ）及び（ｅ）はブレード３０が風平行寄りの状態を示している。
【０１０８】
図３９に示す風車３’の角度調整機構３００’は、図４０〜図４４に示すように、図１の実施形態において付勢手段として使用したばね部材３４に代わって、ネオジム磁石等のマグネット（磁性部材）３４０ａ，３４０ｂを使用している点が異なる。マグネット３４０ｂは、受風面３０ｗ（図４５及び図４６参照）の幅方向Ｗと回転軸２の回転軸線２ｘの方向とのなす角度θが可変可能なブレード（可動構造体）３０の、受風方向上流側に取り付けられる。具体的に言えば、ブレード３０を取り付けるためのブレード取付部材（可動構造体）３３０をなす平行板部３３０Ａ，３３０Ａのうち受風方向上流側の平行板部３３０Ａに締結部材によって直接固定される。他方、マグネット３４０ａは、マグネット３４０ｂが取り付けられた平行板部３３０Ａ（ブレード３０）が風直交寄りとなるほど接近してくる軸固定部（固定構造部）２２１に、マグネット３４０ｂと対向する形で取り付けられる。具体的に言えば、軸固定部（固定構造部）２２１の受風方向下流側に締結部材によって直接固定される。対向するマグネット（磁性部材）３４０ａ，３４０ｂは互いの極性が同じであり、接近時には互いの接近を妨げる反発力ＦＭ（図４５及び図４６参照）を生ずる。この反発力ＦＭは、対向するマグネット（磁性部材）３４０ａ，３４０ｂの対向間距離が小さくなるほど増大する。
【０１０９】
このような構成を有することにより、ブレード３０は、図４５及び図４６に示すような形で動作することになる。
【０１１０】
即ち、風力が所定の微風レベルを下回る場合には、図４５（ａ）に示すように、その風力によるブレード３０の受風面３０ｗへの押圧力ＦＷと付勢手段３４０ａ，３４０ｂの付勢力ＦＭとが遠心力ＦＡに打ち勝って錘部材３５を内方に押し付けて、ブレード３０は初期回転用角度位置Ａに付勢保持される。具体的にいえば、風力が所定の微風レベルを下回る場合、上述の可動構造体３９が当接部材３８に当接するよう上記の押圧力ＦＷと付勢力ＦＢとにより押し付けられ、その当接位置である初期回転用角度位置Ａにブレード３０が位置保持され、このときブレード３０は、その受風面の幅方向が最も風平行寄りとなる。この状態は、図１１（ａ）と同様の状態であるが、ここでは付勢力ＦＭがマグネット３４０ａ，３４０ｂの反発力であり、ここではマグネット３４０ａ，３４０ｂの対向間距離が長いことから、付勢力ＦＭは図１１（ａ）のときの付勢力ＦＢよりもはるかに小さく、極めて小さい力として作用している。
【０１１１】
風力が上記の微風レベルを上回った場合には、図４５（ｂ）に示すように、遠心力ＦＡが増大し始めて、受風面３０ｗへの押圧力ＦＷと付勢手段３４０ａ，３４０ｂの付勢力ＦＭとに打ち勝ち、錘部材３５が、ＦＡと、ＦＷ及びＦＭとが釣り合う位置まで外方へと変位するとともに、ブレード３０の角度θも初期回転用角度位置Ａを離れ、風直交寄りへと位置を変える。この状態は、図１１（ｂ）と同様の状態であるが、ここでの付勢力ＦＭは依然として付勢力ＦＢよりもはるかに小さい。
【０１１２】
風力が上記の微風レベルを上回った所定の強風レベルに達した場合には、図４５（ｃ）に示すように、ブレード３０は、その幅方向Ｗが、初期回転用角度位置Ａよりも風直交寄りとなる所定の高速回転用角度位置Ｂに到達した状態となる。この状態は、風車３が最も高速で回転可能な状態である。
この段階となると、対向するマグネット（磁性部材）３４０ａ，３４０ｂの対向間距離が小さくなってくるため、付勢力ＦＭは、徐々に付勢力としての機能を有する程度に大きくなってくる。
【０１１３】
風力が所定の強風レベルをさらに上回った場合には、図４６（ｄ）に示すように、遠心力ＦＡがさらに増大し、ブレード３０の角度θは、高速回転用角度位置Ｂを超えた状態、風直交面Ｙ側の位置となる。高速回転用角度位置Ｂを超えたブレード３０の角度θの範囲（以下、回転減速用角度範囲という）Ｑでは、これまでプラスピッチであったブレード３０がマイナスピッチとなり、ブレード３０には、これまでとは逆の回転力が生じる。即ち、ブレード３０は、受風方向２ｗからの風力を受けて回転する予め定められた一定回転方向に回転するよう構成されているが、ブレード３０の角度θの変化によって高速回転用角度位置Ｂを超えると、その一定回転方向とは逆方向に回転しようとする逆方向回転力が生じる。この逆方向回転力は、回転減速用角度範囲Ｑ内において高速回転用角度位置Ｂから離れるほど強まる。このため、回転減速用角度範囲Ｑ内に位置するブレード３０は、上記一定回転方向への回転にブレーキがかかった状態となり、回転速度が減じられ、これに伴い錘部材３５の遠心力ＦＡも低下する。一方で、付勢手段３４０ａ，３４０ｂの付勢力ＦＭは、回転減速用角度範囲Ｑ内に位置するブレード３０が、高速回転用角度位置Ｂから離れていくほど増大する。このため、回転減速用角度範囲Ｑ内に位置するブレード３０は、再び高速回転用角度位置Ｂへと押し戻され、その時点におけるＦＡと、ＦＷ及びＦＭとが釣り合った位置となる。
【０１１４】
このように、角度調整機構３００’は、付勢手段３４０ａ，３４０ｂと錘部材３５とリンク機構３７とを有することで、微風時に回転し易いようにブレード３０の角度θを風平行寄りとする第一段階と、風速が増した時に高回転となり易いようにブレード３０の角度θを風直交寄りとする第二段階と、強風時に過回転が防止されるようにブレード３０の角度θが回転減速用角度範囲に到達する第三段階という三段階にて、ブレード３０の角度θを可変させることが可能となり、この三段階のブレード３０の角度変更による自律的な回転速度制御によって、風車３’は、始動性に優れ、高回転時の効率も高く、なおかつ強風時の過剰回転の抑制も可能となっている。
【０１１５】
なお、既に述べた図１１におけるブレード３０の高速回転用角度位置Ｂは、風直交面Ｙに達する手前に位置しているが、これは遠心力ＦＡの最大値や一定の付勢力ＦＢの大きさによって規定される可動限界角度位置であり、風車が最も高速で回転可能な状態となる真の高速回転用角度位置は、その可動限界位置よりもさらに風直交面Ｙ側にあってもよい。ただし、図１１に示すように、遠心力ＦＡの最大値や一定の付勢力ＦＢの大きさによって規定されるブレード３０の可動限界角度位置を、風直交面Ｙと一致する位置Ｄとし、この位置Ｄを高速回転用角度位置とすることが、回転性能上、最も望ましい。一方で、図４５及び図４６で述べた実施形態においては、図４６（ｄ）のようにブレード３０の角度位置が位置Ｂを越えていても、ＦＡが最大とならないよう構成されている。ここでは、マグネット３４０ａ，３４０ｂの磁力（磁気的反発力）の大きさにより規定される形で、風直交面Ｙよりも奥側となる位置に、ブレード３０の可動限界角度位置が存在している。
【０１１６】
なお、この実施形態（マグネット仕様）において採用されるブレード３０は、上記実施形態（ばね仕様）における図２７〜図３３の形状のものを採用してもよいが、ここでは図２７〜図３３の形状のものとは異なる形状をなす。具体的に言えば、図３２及び図３３に示したブレード３０の上面視（平面図）及び下面視（底面図）が、図４７及び図４８のように視認されるように変更される。なお、図４７及び図４８のように変更した場合、図２７〜図３１と同様の視点から翼を見たときにその見た目に違いが現れるが、その違いは微妙な違いにすぎず、図２７〜図３１とほぼ同様に視認されるため、図示を省略する。
【０１１７】
本発明における風力発電装置の風車に採用されるブレード３０は、受風方向２ｗからの風力を受けて一定回転方向に回転するように、回転軸２側と先端側で流れの速度に差が生ずるよう、回転軸２側から先端側にかけてねじりを付ける形で受風面３０ｗが形成される。既に述べた実施形態においては、図２７〜図３３に示したように、受風面３０ｗは、ブレード３０の幅方向Ｗが風直交面Ｙ上に位置した状態でブレード３０を回転方向逆側から見たときに（図３３参照）、回転軸２側から先端側にかけて面幅が減少していきながらも視認することができ、逆に、ブレード３０の幅方向Ｗが風直交面Ｙ上に位置した状態でブレード３０を回転方向側から見たときには（図３２参照）視認できないようなねじり形状となっていた。この場合、ブレード３０は、その角度位置が位置Ａから位置Ｂの間で変化したとしても、ブレード３０を回転方向の逆側から見たときには常に受風面３０ｗを視認でき、回転方向側から見たときには常に受風面３０ｗを視認できない（プラスピッチ）。したがって、ブレード３０は、受風方向２ｗから風力を受けると、その風力が、回転方向逆側から視認される受風面３０ｗを押し付ける形で作用して、常に一定回転方向への回転力を得て回転する。
【０１１８】
これに対し、この実施形態において採用されるブレード３０は、その幅方向Ｗが風直交面Ｙ上に位置した状態で回転方向逆側から見たときに（図４８参照）、受風面３０ｗが回転軸２側から先端側にむかう途中の中間位置までしか視認できない形状となっており、その中間位置から外側では、今度は、同じ状態でブレード３０を回転方向側から見たときに（図４７参照）受風面３０ｗがブレード３０の先端側で視認できるようなねじり形状となっている。この場合、ブレード３０は、その幅方向Ｗが位置Ａから風直交面Ｙ上に位置する少し手前の位置Ｂに位置した状態において、ブレード３０を、回転方向逆側から見たときに受風面３０ｗが視認され、回転方向側から見たときには受風面３０ｗが視認されないが（プラスピッチ）、位置Ｂを越えると、回転方向側から見たときにも受風面３０ｗが先端側に視認されるようになる（マイナスピッチ）。このため、ブレード３０は、その位置Ｂに位置した状態において、風車３’が最も高速で回転可能な状態となるが、その位置Ｂを越えた角度範囲（回転減速用角度範囲）Ｑ内に達すると、受風方向２ｗから風力を受けたときに、その風力が、ブレード３０を回転方向逆側から見たときに視認される受風面３０ｗを押し付ける形で作用して、上記一定回転方向への回転力を得て回転するだけでなく、その風力は、ブレード３０を回転方向側から見たときに視認される受風面３０ｗも押し付ける形で作用するので、上記一定回転方向とは逆向きの回転力も得る。これにより、ブレード３０は、ブレーキが作用しているような減速回転状態となる。ブレード３０は、位置Ｂを越えると、回転方向側から見たときに、その先端側から受風面３０ｗが視認できるようになり、位置Ｂを越えて離れていくほど、より内周側にも受風面３０ｗが視認できるようになる形でその面積が増大し、上記の逆向きの回転力が増大していく。
【０１１９】
また、上記実施形態における角度調整機構３００，３００’は、図４９及び図５０に示すような形に変形することができる。
【０１２０】
図４９は、図１〜図１１にて説明した角度調整機構３００の変形例である。図１〜図１１において、ばね部材をなす付勢手段３４は、一方の端部が、ブレード３０の角度変化に連動して動作する可動構造体（ここでは連結部材）３６に固定され、他方の端部が、ブレード３０の角度変化に連動して動作せず、回転軸２に一体固定された固定構造体（ここでは軸固定部）２２１に固定された引っ張りばねであり、ブレード３０が初期回転用角度位置Ａから風直交よりに変位するに伴い固定構造体２２１から離間していく可動構造体３６を引っ張る形で作用している。これに対し、図４９の角度調整機構３００では、ばね部材をなす付勢手段３４’は、一方の端部が、上記と同様の可動構造体（ここではブレード取付部材）３３０に固定され、他方の端部が、同じく上記と同様の固定構造体（ここでは軸固定部）２２１に固定された圧縮ばねであり、ブレード３０が初期回転用角度位置Ａから風直交よりに変位するに伴い固定構造体２２１に接近していく可動構造体３６を押し返す形で作用している。
【０１２１】
図５０は、図３９〜図４６にて説明した角度調整機構３００の変形例である。図３９〜図４６において、マグネットをなす付勢手段３４０ａ，３４０ｂのうち、一方のマグネット３４０ｂが、ブレード３０の角度変化に連動して動作する可動構造体（ここではブレード取付部材）３３０に固定され、他方のマグネット３４０ａが、ブレード３０の角度変化に連動して動作せず、回転軸２に一体固定された固定構造体（ここでは軸固定部）２２１に固定されるとともに、それらマグネット３４０ａ，３４０ｂは、同極のもの同士が対向する形で配置されており、ブレード３０が初期回転用角度位置Ａから風直交よりに変位するに伴い固定構造体２２１に接近していく可動構造体３３０に対し反発力を生じ、その接近を妨げる形で作用している。これに対し、図５０の角度調整機構３００では、マグネットをなす付勢手段３４０ａ’，３４０ｂ’のうち、一方のマグネット３４０ｂ’が、上記と同様の可動構造体（ここでは連結部材）３６に固定され、他方のマグネット３４０ｂが、同じく上記と同様の固定構造体（ここでは軸固定部）２２１に固定されるとともに、それらマグネット３４０ａ，３４０ｂは、異なる極のもの同士が対向する形で配置されており、ブレード３０が初期回転用角度位置Ａから風直交よりに変位するに伴い固定構造体２２１から離間していく可動構造体３３０に対し吸引力を生じ、その離間を妨げる形で作用している。
【符号の説明】
【０１２２】
１  風力発電装置
２  回転軸
２１，２００  ナセル
２２１Ａ  軸固定部の前端部
２２１Ｂ  軸固定部の後端部
２２１ｈ  貫通孔
２２  ハブ
２２１  軸固定部
２ｘ  回転軸線
２ｗ  受風方向
３  風車
３０  ブレード（翼）
３０ｗ  受風面
３１  筒状風洞部（ダクト）
３００  角度調整機構（翼角度調整機構）
３３  ブレード固定部（翼固定部）
３３Ａ，３３Ｂ  固定部
３３Ｚ  回転支軸
３４  付勢手段
３５  錘部材
３６  連結部材
３６２  押付部材
３７  リンク機構
３７１  第一リンク部材
３７１Ａ  第一リンク部材の一方の端部
３７１Ｂ  第一リンク部材の他方の端部
３７１Ｃ  第一リンク部材の屈曲部
３７１ｙ  回転軸線
３７２  第二リンク部材
３７２Ａ  第二リンク部材の一方の端部
３７２Ｂ  第二リンク部材の他方の端部
３７２ｙ  回転軸線
３７３ｙ  回転軸線
３８  当接部材
３９  可動構造体
５１，９１  ロータ（発電機回転子）
５２，９２  磁性部材
５３，９３  ステータ（発電機固定子）
５４，９４  ステータコイル
１００  発電ケース体
Ｗ  ブレードの幅方向
θ  ブレードの幅方向と回転軸の軸線方向とのなす角度
Ｘ  風平行方向
Ｙ  風直交面
Ａ  初期回転用角度位置
Ｂ  高速回転用角度位置
ＦＷ  風力によりブレードに加えられる押圧力
ＦＡ  遠心力（リンク機構３７により遠心力を回転軸線２ｘ方向に変換させた力）
ＦＢ  付勢手段（ばね部材）の付勢力
ＦＭ  付勢手段（磁性部材）の付勢力
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005689360.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
0005689360.tif 000031
【図３１】
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【図３２】
0005689360.tif 000033
【図３３】
0005689360.tif 000034
【図３４】
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【図３５】
0005689360.tif 000036
【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
0005689360.tif 000039
【図３９】
0005689360.tif 000040
【図４０】
0005689360.tif 000041
【図４１】
0005689360.tif 000042
【図４２】
0005689360.tif 000043
【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
0005689360.tif 000048
【図４８】
0005689360.tif 000049
【図４９】
0005689360.tif 000050
【図５０】
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