(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の直線翼から構成される垂直型ブレードと、前記直線翼を保持するアームと、前記アームの回転を支持するシャフトユニットと、前記シャフトユニットと連動し、前記垂直型ブレードの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記垂直型ブレードと前記アームと前記シャフトユニットを保持するポールと、前記ポールが前記シャフトユニットを回動自在に保持するためのシャフトユニット保持部と、前記アームに対する前記直線翼の相対角度をそれぞれ独立して回動させる回動手段と、前記回動手段により前記相対角度を調整する回転角制御手段と、前記垂直型ブレードの回転中心を基準とした平面座標系における基準角度からの前記垂直型ブレードまたは個々の前記直線翼のブレード回転角度と、前記ブレード回転角度から演算した前記相対角度の回転角度テーブルとを有し、前記回転角度テーブルをもとに前記回転角制御手段を用い、前記ブレード回転角度に応じて前記直線翼の前記相対角度を可変とする構成において、
前記回転角度テーブルは、前記相対角度変化による回転エネルギー変換効率の改善量（ΔＣｐ）の演算値を有し、前記垂直型ブレードが１回転する間の前記相対角度の変化量を必要最小限とするために、前記改善量（ΔＣｐ）があらかじめ設定した値より低い前記回転角度テーブルにおける前記ブレード回転角度では、前記相対角度の調整を行わないことを特徴とする垂直型風力発電システム。
【請求項２】
複数の直線翼から構成される垂直型ブレードと、前記直線翼を保持するアームと、前記アームの回転を支持するシャフトユニットと、前記シャフトユニットと連動し、前記垂直型ブレードの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記垂直型ブレードと前記アームと前記シャフトユニットを保持するポールと、前記ポールが前記シャフトユニットを回動自在に保持するためのシャフトユニット保持部と、前記アームに対する前記直線翼の相対角度をそれぞれ独立して回動させる回動手段と、前記回動手段により前記相対角度を調整する回転角制御手段と、前記垂直型ブレードの回転中心を基準とした平面座標系における基準角度からの前記垂直型ブレードまたは個々の前記直線翼のブレード回転角度と、前記ブレード回転角度から演算した前記相対角度の回転角度テーブルとを有し、前記回転角度テーブルをもとに前記回転角制御手段を用い、前記ブレード回転角度に応じて前記直線翼の前記相対角度を可変とする構成において、
回転角度テーブルにおける前記ブレード回転角度は、一周を複数のゾーンに分割して、それぞれの前記ゾーンでは同一の前記相対角度とし、
前記回転角度テーブルは、前記相対角度変化による回転エネルギー変換効率の改善量（ΔＣｐ）の演算値を有し、前記垂直型ブレードが１回転する間の前記相対角度の変化量を必要最小限とするために、一つ前の前記ゾーンの前記相対角度の差となる相対角度変化量が必要最小限となるよう、前記改善量（ΔＣｐ）に対し前記相対角度変化量を優先して前記回転角度テーブルを設定したことを特徴とする垂直型風力発電システム。
【請求項３】
複数の直線翼から構成される垂直型ブレードと、前記直線翼を保持するアームと、前記アームの回転を支持するシャフトユニットと、前記シャフトユニットと連動する発電機とを少なくとも有して、風力によって回転する前記垂直型ブレードの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する垂直型風力発電システムにおける前記直線翼の制御方法において、
前記アームに対する前記直線翼の相対角度をそれぞれ独立して回動可能に構成し、
前記垂直型ブレードの回転中心を基準した平面座標系における基準角度からの前記垂直型ブレードまたは個々の前記直線翼のブレード回転角度と、前記ブレード回転角度から演算した前記相対角度の回転角度テーブルとを有し、
前記回転角度テーブルをもとに前記ブレード回転角度に応じて前記直線翼の前記相対角度を変化させる構成において、
前記回転角度テーブルは、前記相対角度変化による回転エネルギー変換効率の改善量（ΔＣｐ）の演算値を有し、前記垂直型ブレードが１回転する間の前記相対角度の変化量を必要最小限とするために、前記改善量（ΔＣｐ）があらかじめ設定した値より低い前記回転角度テーブルにおける前記ブレード回転角度では、前記相対角度の調整を行わないこと特徴とする垂直型風力発電システムにおける制御方法。
【請求項４】
複数の直線翼から構成される垂直型ブレードと、前記直線翼を保持するアームと、前記アームの回転を支持するシャフトユニットと、前記シャフトユニットと連動する発電機とを少なくとも有して、風力によって回転する前記垂直型ブレードの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する垂直型風力発電システムにおける前記直線翼の制御方法において、
前記アームに対する前記直線翼の相対角度をそれぞれ独立して回動可能に構成し、
前記垂直型ブレードの回転中心を基準した平面座標系における基準角度からの前記垂直型ブレードまたは個々の前記直線翼のブレード回転角度と、前記ブレード回転角度から演算した前記相対角度の回転角度テーブルとを有し、
前記回転角度テーブルをもとに前記ブレード回転角度に応じて前記直線翼の前記相対角度を変化させる構成において、
回転角度テーブルにおける前記ブレード回転角度は、一周を複数のゾーンに分割して、それぞれの前記ゾーンでは同一の前記相対角度とし、
前記回転角度テーブルは、前記相対角度変化による回転エネルギー変換効率の改善量（ΔＣｐ）の演算値を有し、前記垂直型ブレードが１回転する間の前記相対角度の変化量を必要最小限とするために、一つ前の前記ゾーンの前記相対角度の差となる相対角度変化量が必要最小限となるよう、前記改善量（ΔＣｐ）に対し前記相対角度変化量を優先して前記回転角度テーブルを設定したことを特徴とする垂直型風力発電システムにおける制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風のエネルギーをブレードの回転エネルギーに変換し、その回転エネルギーを電気エネルギーに変換する垂直型風力発電システムと垂直型風力発電システムにおける制御方法に関するものであり、特に垂直型風力発電システムにおけるブレードの回転エネルギーの大幅な向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、有害排出ガス削減による自然環境保護、自然エネルギー活用の観点から、世界各国で自然風のエネルギーを利用した風力発電システムの開発が進められ、多数のシステムが設置され、稼働している。
【０００３】
風力発電システムには水平型と垂直型があり、水平型はブレードの回転数が高く風切音が発生したり、発電可能な風向が限られるため、常に風の方向に追従する機構が必要になるなどの課題を有している。一方垂直型は、比較的回転数が低く騒音の心配が低く、かつ風の方向を考慮する必要はないが、比較的回転エネルギーへの変換効率が低いことが知られている。
【０００４】
垂直型風力発電システムにおいて、風のエネルギーから電力エネルギーへの回転エネルギー変換効率を上げるには、比較的出現率が高い平均風速における回転エネルギー変換効率を高くするとともに、微風から強風までの環境条件全域において可能な限り常時発電することが必要となる。ここで、回転エネルギー変換効率は、ブレード受風面積を単位時間あたりに通過する風の運動エネルギーをブレードの回転エネルギーに変換する変換効率（％）のことで回転エネルギー変換効率としてＣｐと定義する。また、この回転エネルギー（Ｗ）を角速度ω（ｒａｄ／ｓ）で除した値が円筒形回転体となる垂直型ブレード全体の接線方向の回転力で回転トルク（Ｎｍ）となる。上記の風のエネルギーは１／２ρＡＶ3で表され、Ａは垂直型ブレードの受風面積（直径×翼長）（ｍ2）、Ｖは風速（ｍ／ｓ）、ρは空気密度（ｋｇ／ｍ3）で表すことができる。
【０００５】
微風から発電するには、微風時からスムーズに風の運動エネルギーをブレードの回転エネルギーに変換できる自己起動性が必要となり、強風時で可能な限り発電するには、過度な回転エネルギーに対しても機械的かつ電気的に損傷しないような垂直型風力発電システムを構築する必要がある。
【０００６】
そこで、起動特性を改善する構成として、翼型の一部を切り欠いて抗力を増加させる構成や、カムやリンク機構を用いブレードを自転させる構成を有した垂直型風力発電システムが提案されている（特許文献１、特許文献２）。
具体的には、特許文献１の図５および[００２２]に示すように、後縁部に切欠部２２が形成されているのでブレード２０が後方から風を受けて回転すると、切欠部２２によってブレード２０に大きな空気抵抗が生じ、半円筒型片寄カップ型の風車効果によってブレード２０に回転モーメントが発生して、風車の起動トルクが発生する構成としている。
また、特許文献２では、特許文献２の図６に示されるように、カムやリンク機構を用いブレード３の角度を変化させることで揚力の大きさを変え、低速時の揚力を増加させたり、強風時に発生する揚力を低減させた構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４５１４５０２号公報
【特許文献２】特開２００６−１５２９２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来の垂直型風力発電システムは、どのような条件にすれば回転トルクが大きくなるのか、周速比や翼性能およびレイノルズ数がどのように関係してくるのか、翼型が変わればどうなるのか等といった最も本質となるところの考察や開示がなされていない。したがって、どのような相対角度にすればどの程度回転トルクまたは発電効率が上がるのかが不明である。また、空気力学的な最適解には至っていないため、２ｍ／ｓ程度の微風時にはブレードの回転トルクをほとんど得ることができず、ブレードが回転するにはさらに大きな風速が必要となる。また、出現頻度が最も高い平均風速（たとえば６ｍ／ｓあたり）付近では、逆にブレードの翼型の影響および揚力が最大となる最適な迎角のずれにより発電効率が低下する。したがって、発電効率の高い垂直型風力発電システムを提供することが困難となる。
【０００９】
さらには、強風時の過大風力への対応としてもわずかにブレードの回転トルクを低減できる程度であり、実際の強風に対して精度よくブレードの回転制御を行うことは困難であり、強度的に長時間の運転には適さないという問題が発生し、垂直型風力発電システムの寿命や信頼性が大きな課題となる。
【００１０】
また、カムやリンクでは、特定の風向きしか効果が無く、風向きが変わった場合は逆に回転エネルギー変換効率が悪化してしまう点や、調整範囲が狭い、さらにはどういう角度調整を行うか、またその効果がどの程度あるのかという点が全く考慮されていないなどの課題を有していた。
【００１１】
さらに特許文献１の後縁部に切欠部２２については、起動特性はわずかには改善されるものの、起動時にマイナストルクを発生している要因を改善しない限り大きな起動性の改善は見込めないし、切り欠きにより、逆に本来の翼特性が失われ揚力の大幅な減少により通常回転時の発電量が大幅に低下するという課題がある。
【００１２】
このように、先行文献に開示されている垂直型風力発電システムでは、微風時におけるブレードの回転起動ができない、平均風速での発電効率が低下する、強風時の回転数の制御が困難であり長時間の運転に適さないという問題がある。
【００１３】
また、風速、風向およびブレードの回転数（周速比）に応じた効率的な発電効率の改善には至っていないため、実際の風況下における発電効率の向上にはほとんど貢献していない状況となっている。
【００１４】
発電効率を向上させるためには、風の運動エネルギーをブレードの回転エネルギーに変換する回転エネルギー変換効率（Ｃｐ）を向上させるとともに、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する電気エネルギー変換において、様々な風況において可能な限り常時電気エネルギー変換を行うことが重要となる。したがって、できる限り風速の大きな状況でも風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し発電することが望ましい。
【００１５】
従って、発電効率の高い垂直型風力発電システムの課題は、低風速（微風）時からのブレードの起動性と、低風速時から強風時の風況における回転エネルギー変換効率の大幅な向上と、強風時の過大な風のエネルギーの条件下での発電である。
【００１６】
ブレードの起動に関しては、ブレードの枚数を増やす（ソリディティーを上げる）、切り欠きを入れる、スタータを設けるなどの手段があるが、いずれも微風時から効率的に回転し効率的な発電をするような自己起動性を満足するには至っていない。
【００１７】
また、低風速時から強風時の風況における回転エネルギー変換効率の向上に対して、出現頻度の高い風況化でできる限り発電効率を高める狙いがあり、様々な翼型や翼構成の垂直型風力発電システムが提案されているが、空力特性の本質的な課題の解決には至っておらず、いずれも一定の割合の回転エネルギー変換効率を超えるのは困難な状況となっている。
【００１８】
さらに、強風時の過大な風のエネルギー条件下での発電を行うには、ブレードの回転数が上昇することでブレードを含む回転体の遠心力への強度的な対策が必要となるとともに回転エネルギーが増大するに従い、発電機への負荷が重くなってしまい、発電機のサイズ、重量、信頼性などへの影響が懸念される。
【００１９】
特に、ブレードおよびブレードを支持するアーム、アームを支持するシャフトユニットおよび発電機の回転部などは、回転数が増加するに従い遠心力が増大し、許容応力を超えてしまう。回転部分の信頼性を確保するためには補強する必要が生じるが、大きくかつ重くなるため、益々遠心力が増加してしまう。
【００２０】
また、発電機の電気的特性においても、発電機出力は回転数に応じ所定の電力が出力されるが、回転数が増加すると、耐圧仕様の大幅な改善や負荷変動時の発熱を含めたサイズアップが必要となり、大きくかつ重くなるとともに、コスト大幅に増加してしまうなどの課題がある。
【００２１】
従って、発電効率の高い垂直型風力発電システムの実現には、垂直型ブレードの空力特性の本質的な課題の解明や回転エネルギー変換効率（Ｃｐ）を大幅に向上させる方式の探索、ブレードの回転エネルギーを効果的に低減する方式、過度な回転を抑制する垂直型風力発電システムの構築が必須となる。
【００２２】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、様々な風況や風速における揚力および抗力の発生状況を効果的に制御し、効率的に垂直型ブレードの回転トルクに変換することで、従来に比べ微風時の起動特性が大幅に向上し、優れた自己起動性を実現し微風速からの効率的な発電を可能にするとともに、平均風速時での発電効率を大幅に向上させる構成を実現している。さらには、強風時におけるブレードの効率的な回転エネルギーの低減や精度の高いブレードの回転数制御を行うことができ、発電効率の大幅な向上と、信頼性および寿命の大幅な改善を実現することができる垂直型風力発電システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明に係る垂直型風力発電システムは、上記した課題を解決するために、複数の直線翼から構成される垂直型ブレードと、前記垂直型ブレードまたは前記直線翼を保持するアームと、前記アームと固定され前記アームの回転を支持するシャフトユニットと、前記シャフトユニットと連動し、前記垂直型ブレードの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記垂直型ブレードと前記アームと前記シャフトユニットを保持するポールと、ベアリング等から構成され前記シャフトユニットを前記ポールに回動固定するシャフトユニット保持部と、前記垂直型ブレードの回転面内において前記アームに対する前記直線翼の相対角度をそれぞれ独立して回動させる回動手段と、前記回動手段により前記相対角度を調整する回転角制御手段と、前記垂直型ブレードの回転中心を基準にした平面座標系における基準角度からの前記垂直型ブレードまたは個々の前記直線翼のブレード回転角度と、前記ブレード回転角度から演算した前記相対角度の回転角度テーブルとを有し、前記回転角度テーブルをもとに前記回転角制御手段を用い、前記ブレード回転角度に応じて前記直線翼の前記相対角度を可変とする構成を備えている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る垂直型風力発電システムは、以上に説明したように構成され、微風時から強風時における様々な風況や風速において、風速、風向およびブレードの回転数に応じた緻密かつ効果的なブレードの相対角度制御を行い、ブレードの揚力および抗力による回転力および回転抑止力を最適かつ高精度に制御しブレードの回転トルクに変換することで、微風時の起動特性が大幅に向上し、優れた自己起動性を実現し微風速からの効率的な発電を可能にするとともに、平均風速時での発電効率の大幅な向上を実現できる。
さらには、強風時においては、緻密かつ安全性に優れたブレードの相対角度制御を行い、ブレードの揚力および抗力による回転力および回転抑止力を最適かつ高精度に制御しブレードの回転トルクに変換することで、ブレードの効率的な回転エネルギーの低減や精度の高いブレードの回転数制御を行うことができ、発電機や回転体への負荷を減らし、発電効率の大幅な向上と、信頼性および寿命の大幅な改善を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの構成の一例を示した側面図の模式図である。
【図２Ａ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの構成の一例を示した上面図の模式図である。
【図２Ｂ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの構成の一例を示した上面図の模式図である。
【図２Ｃ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの構成の一例を示した上面図の模式図である。
【図３】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの回動手段の構成を示した模式図で
【図４】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの翼型断面の一例を示した模式図である。
【図５】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの翼型断面における翼型特性（揚力特性、抗力特性）の一例を示した図である。
【図６】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの周速比と相対速度の関係を示した図である。
【図７】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの回転角度テーブルの一例を示した図である。
【図８Ａ】実施形態１に係るピッチ角の回転角度テーブルを図示した一例を示した図である。
【図８Ｂ】実施形態１に係るピッチ角の回転角度テーブルを図示した一例を示した図である。
【図８Ｃ】実施形態１に係るピッチ角の回転角度テーブルを図示した一例を示した図である。
【図９Ａ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムのパワーカーブの一例を示した図である。
【図９Ｂ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムのパワーカーブの一例を示した図である。
【図９Ｃ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムのパワーカーブの一例を示した図である。
【図９Ｄ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムのパワーカーブの一例を示した図である。
【図１０】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの直線翼の回転角度制御および垂直型ブレードの回転数制御の構成の一例を示した図である。
【図１１】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの風速および回転数に対応した回転角度テーブルの一例を示した図である。
【図１２Ａ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムのピッチ角制御による揚力および抗力による接線方向回転力の一例を示した図である。
【図１２Ｂ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの揚力および抗力による接線方向回転力の一例を示した図である。
【図１２Ｃ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムのピッチ角制御によるＣｐ改善の一例を示した図である。
【図１２Ｄ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムのピッチ角制御によるトルク係数およびトルク改善の一例を示した図である。
【図１３】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの強風および微風時のパワーカーブ改善量の一例を示した図である。
【図１４】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの、対称翼および非対称翼における回転角度テーブルの一例を示した図である。
【図１５】実施形態１に係る垂直型風力発電システムの、回転角度テーブルの形状の一例を示した図である。
【図１６】実施形態２に係る垂直型風力発電システムの制御方法の一例を示した模式図である。
【図１７Ａ】実施形態２に係る垂直型風力発電システムのパワーカーブの一例を示した模式図である。
【図１７Ｂ】実施形態２に係る垂直型風力発電システムのパワーカーブの一例を示した模式図である。
【図１７Ｃ】実施形態２に係る垂直型風力発電システムのパワーカーブの一例を示した模式図である。
【図１７Ｄ】実施形態２に係る垂直型風力発電システムのパワーカーブの一例を示した模式図である。
【図１８】実施形態３に係る垂直型風力発電システムの回動手段および給電方法の一例を示した模式図である。
【図１９】二重アクチュエータ多流管モデルにおける流管の設定に係る説明図である。
【図２０】二重アクチュエータ多流管モデルにおける各パラメータの説明図である。
【図２１】二重アクチュエータ多流管モデルにおいて各流管におけるブレード回転駆動力の算出に係る説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明者は「背景技術」にて記載した従来の垂直型風力発電システムに関して鋭意研究したところ、従来の垂直型風力発電システムでは、本来回転エネルギー変換効率や発電効率を追求するために必要な、翼型特性、ブレードの直径、風速、回転数などと迎角との関係についての本質的な関係を見出していないし、検討もなされていないと考えた。
【００２７】
また、垂直型ブレードの発生する揚力および抗力において、回転トルクに対して正の力のみを検討しており、特に微風時に支配的な負の回転トルクについての検討がなされていない。さらに、推測や概念のみの試みが多く、回転エネルギー変換効率の改善量（ΔＣｐ）と迎角との関係が全く検討されていないし、示されていない。
【００２８】
また、もっとも重要な、ブレードの回転数（周速比）と迎角との関係についてはその関係について見出していないし、検討もなされていないなどの多くの問題があり、実際の垂直型風力発電システムの回転エネルギー変換効率の改善には効果が不明であり、効果を検証しようとしてもほとんど発電効率の向上という効果を得ることができないという大きな課題に直面した。
【００２９】
そこで、本発明者はこの問題点に関し、検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、垂直型ブレードの翼型、揚力や抗力と迎角とレイノルズ数との関係を示す翼型特性、直径やソリディティーなどの構成、垂直型ブレードの回転速度などの構成条件や、風速や風向などの環境変化に応じて回転エネルギー変換効率が最大となる相対角度を詳細に検証し、それぞれの構成条件や環境条件で回転エネルギー変換効率が規則的かつ大きく変化する相対角度があることを見出した。
【００３０】
さらに、回転エネルギー変換効率の改善において、特定の角度で大きな改善効果（ΔＣｐ）を見出すとともに、特定の角度変化のパターンで効果的に回転エネルギー変換効率を改善することを見出した。特に、周速比（ブレードの回転数）と最適な相対角度との緻密な関係および規則性の発見に至ったことで、回転エネルギー変換効率（Ｃｐ）の大幅改善を実現する制御方法を見出し本発明に至った。そして、本発明では以下に示す態様を提供する。
【００３１】
本発明の第１の態様に係る垂直型風力発電システムは、複数の直線翼から構成される垂直型ブレードと、前記垂直型ブレードまたは前記直線翼を保持するアームと、前記アームと固定され前記アームの回転を支持するシャフトユニットと、前記シャフトユニットと連動し、前記垂直型ブレードの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記垂直型ブレードと前記アームと前記シャフトユニットを保持するポールと、ベアリング等から構成され前記シャフトユニットを前記ポールに回動軸支するシャフトユニット保持部と、前記垂直型ブレードの回転面内において前記アームに対する前記直線翼の相対角度をそれぞれ独立して回動させる回動手段と、前記回動手段により前記相対角度を調整する回転角制御手段と、前記垂直型ブレードの回転中心を基準とした平面座標系における基準角度からの前記垂直型ブレードまたは個々の前記直線翼のブレード回転角度と、前記ブレード回転角度から演算した前記相対角度の回転角度テーブルとを有し、前記回転角度テーブルをもとに前記回転角制御手段とを備え、前記ブレード回転角度に応じて前記直線翼の前記相対角度を可変とする構成としている。
【００３２】
上記した構成によると、垂直型ブレードの回転面内において、ブレード回転角度から演算した相対角度の回転角度テーブルをもとに、回動手段と回転角制御手段により、ブレード回転角度に応じて前記直線翼の相対角度を可変とすることにより、搭載している直線翼の翼型断面の翼型特性に応じて、常にブレード回転角度に応じた最適な揚力および抗力の値を設定することが可能となり、垂直型風力発電システムの大幅な起動特性の改善および回転エネルギー変換効率および発電効率の向上を実現することが可能となるという優れた効果を奏する。
【００３３】
特に、起動時はできる限り抗力による回転トルクが向上する相対角度とし、通常回転時は揚力による回転力が大きくなるように相対角度を設定するか、揚抗比が大きくなるような相対角度に設定することが望ましい。
【００３４】
また、本発明の第２の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記直線翼の翼型断面形状は、いわゆる対称翼または非対称翼を備えている。
【００３５】
上記した構成により、比較的優れた揚力特性および抗力特性を有する対称翼または非対称翼の翼型断面の翼型を直線翼として搭載することにより、翼型断面による揚力係数および抗力係数の特性において、回転エネルギー変換効率および発電効率の向上に適した翼型を搭載することで、垂直型風力発電システムの発電効率の向上を実現することが可能となるという優れた効果を奏する。さらに、ブレード回転角度に応じて相対角度を変化させることで大幅に回転エネルギー変換効率を向上させた垂直型風力発電システムを実現することができる。
【００３６】
また、本発明の第３の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１または第２の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルは、予め演算した値もしくは、一部またはすべてをリアルタイムで演算した値を用いる構成としている。
【００３７】
この構成により、回転角度テーブルをあらかじめ演算しておきメモリに保存して必要な時に取り出す構成とすることにより、相対角度の調整時には演算時間が不要となるとともに都度演算するエネルギーや時間が不要となり、制御時間遅れがなく、且つエネルギー効率の高い垂直型風力発電システムを実現することができる。一方、リアルタイムで計算する構成では、回転角度テーブルを保存するメモリ等のシステムが不要となるため、比較的低コストかつ小型の垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００３８】
また、本発明の第４の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第３の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、風速と前記垂直型ブレードの回転速度である周速に対する向周速との合成となる相対風速と、前記直線翼の前縁と後縁とを結んだ線分となる翼弦とのなす角度である、いわゆる迎角において、接線方向の回転力が大きくなるような迎角にするために前記相対角度を変化させることを目的として、前記相対角度は前記翼弦と前記アームとの角度、または前記翼弦と前記直線翼の保持位置における接線方向との角度とした構成としている。この時、相対角度が前記翼弦と前記アームとの角度の場合は、前記相対角度から９０度引いた値をピッチ角度と定義する。
ここで、前記相対角度は、前記迎角と、風速、周速、ブレード回転角度から演算が可能である。
【００３９】
翼型特性を表す揚力係数および抗力係数は、迎角との関係で示しており、回転角度テーブルを演算する基となる翼型特性を精度よく取り入れることが可能となるため、精度の優れた回転角度テーブルおよび相対角度を導きだすことが可能となり、回転エネルギー変換効率および発電効率の優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００４０】
また、本発明の第５の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第４の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記平面座標系において前記垂直型ブレードに流入する風の風速または前記垂直型ブレードの周辺の風速を検出する風速検出手段と、前記垂直型ブレードの回転数を検出する回転数検出手段とを有し、前記回転角度テーブルは、前記風速、前記垂直型ブレードの翼直径、前記翼型の前記風速またはレイノルズ数および前記迎角に対する揚力特性および抗力からなる翼型特性、前記回転数または周速比、前記翼弦の長さとなる翼弦長、前記垂直型ブレードの全長となる翼長、前記直線翼の翼枚数および前記垂直型ブレードの翼直径から演算されたソリディティー、および前記ブレード回転角度のすべての数値またはいずれか一つ以上の数値から演算した前記ブレード回転角度と前記相対角度の関係を表す前記回転角度テーブルとを有した構成としている。
【００４１】
この構成により、風速またはレイノルズ数、垂直型ブレードの翼直径、回転数または周速比、ソリディティー、ブレード回転角度、翼型およびその翼型特性など、回転エネルギー変換効率を向上させるために必要な要素をすべて考慮し、最適かつより精度の高い相対角度および回転角度テーブルを算出することが可能となり、回転エネルギー変換効率および発電効率の優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００４２】
また、第６の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第５の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルは、前記迎角または前記相対角度、前記ブレード回転角度、前記周速比および前記風速との関係を表したもので、一方の軸を前記ブレード回転角度、もう一方の軸を前記相対角度、前記ピッチ角度または前記迎角として、前記周速比および／または前記風速毎の複数の情報を有したデータの構成としている。
【００４３】
この構成により、回転エネルギー変換効率を高めるためのブレード回転角度、風速、回転数または周速比に応じた迎角または相対角度の情報を簡素に取り出すことが可能となり、精度の高い回転角度テーブル、回転エネルギー変換効率および発電効率の優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００４４】
また、第７の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第６の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルの前記風速は０ｍ／ｓから最大１００ｍ／ｓの範囲とし、前記相対角度は±１８０度とした構成としている。
【００４５】
この構成により、風速は微風から強風域をカバーし、相対角度は±１８０度全域を調整範囲としているため、あらゆる風況および構成仕様を想定した上で、最適な相対角度を選択することができ、優れた回転エネルギー変換効率および発電効率を実現した垂直型風力発電システムが可能となる。
【００４６】
また、第８の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第７の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記平面座標系における風向角度を検出する風向検出手段を有し、前記相対角度は、前記回転角度テーブルより、前記風速、前記回転数または周速比、および前記ブレード回転角度をもとに参照した前記相対角度に、前記風向検知手段より検出した前記風向角度を加算した風向加算相対角度とする構成としている。
【００４７】
この構成により、あらゆる風向に対応した回転角度テーブルおよび相対角度を実現することができ、一層精度の高い回転角度テーブルおよび相対角度と、回転エネルギー変換効率および発電効率の優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００４８】
さらに、回転角度テーブルを事前に算出し、リアルタイムで風向を加算する構成とすることで、演算時間を大幅に短縮できるとともに、事前に算出する回転角度テーブルの演算に十分時間を費やすことができるため、より高精度な回転角度テーブルを実現することができ、より精度の高い回転角度テーブルおよび相対角度と、回転エネルギー変換効率および発電効率の優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００４９】
また、第９の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第８の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記風速に応じて発生する前記垂直型ブレードの回転エネルギーによる回転トルクと、前記発電機の負荷による回転抑止トルクを釣り合わせることにより前記垂直型ブレードの前記回転数を一定回転数に制御する前記垂直型ブレードの回転数制御手段を有し、前記回転数制御手段は前記発電機の前記回転数に応じて発生する回転抑止トルクに対して、前記発電機の回転数に応じて発生する電力、電圧、電流または前記発電機に付加する抵抗値を変化させる回転抑止トルク可変手段を有した構成としている。
【００５０】
この構成により、相対角度の可変により制御した回転エネルギーと発電機側の回転抑止トルクを精度よく釣合わせることが可能となり、垂直型ブレードの回転数を精度よく制御することができる。特に、回転数を回転エネルギー変換効率のピーク付近で一定とすることで回転エネルギー変換効率および発電効率の優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００５１】
また、第１０の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第９の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルは回転エネルギー変換効率を向上させることを目的として、前記風速の風速レベルにより前記相対角度を変化させた値とし、前記風速レベルが微風の時は前記直線翼から発生する力のうち比較的前記抗力による前記接線方向の回転トルクが大きくなる前記相対角度または前記回転エネルギー変換効率が大きくなる前記相対角度とし、前記風速レベルが微風の領域を超えた場合は前記直線翼から発生する力のうち比較的前記揚力による前記接線方向の回転トルクが大きくなる前記相対角度、前記揚力と前記抗力の比となる揚抗比が比較的大きくなる前記相対角度、または前記回転エネルギー変換効率が大きくなる前記相対角度としとした構成としている。
【００５２】
この構成により、風速に応じた最適な相対角度を選択することが可能となり、回転エネルギー変換効率および発電効率の優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００５３】
また、第１１の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第１０の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記風速レベルは、４ｍ／ｓ以下の前記風速を微風とし、８ｍ／ｓを超える前記風速を強風とする構成としている。
【００５４】
この構成により、回転角度テーブルより、風速に応じた相対角度を選択することが可能となり、精度の高い回転エネルギーへの変換ができ、回転エネルギー変換効率および発電効率の優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００５５】
また、第１２の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第１１の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルは、前記回転エネルギー変換効率を向上させることを目的として、前記垂直型ブレードの前記周速比の周速比レベルにより前記相対角度を変化させた値とし、前記周速比レベルが低速の時は前記直線翼から発生する力のうち比較的前記抗力による前記接線方向の力が大きくなる前記相対角度とし、前記周速比レベルが低速の領域を超えた場合は前記直線翼から発生する力のうち比較的前記揚力による前記接線方向の力が大きくなる前記相対角度または前記揚力と前記抗力の比となる揚抗比が比較的大きくなる前記相対角度とした構成としている。
【００５６】
この構成により、周速比に応じた最適な相対角度を選択することが可能となり、回転エネルギー変換効率および発電効率の優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００５７】
また、第１３の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第１２の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記周速比レベルは、前記周速比が１以下の前記回転数は低速とし、前記周速比が１を超える前記前記回転数は高速とする構成としている。
【００５８】
この構成により、回転角度テーブルより、周速比に応じた相対角度を選択することが可能となり、精度の高い回転エネルギーへの変換ができ、回転エネルギー変換効率および発電効率の優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００５９】
また、第１４の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第１３の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルは、前記エネルギー変換効率を向上させることを目的として、前記風速および前記周速比により前記相対角度を導いた値とし、前記風速レベルが微風でかつ前記周速比レベルが低速の場合は前記直線翼から発生する力のうち比較的前記抗力による前記接線方向の力が大きくなる前記相対角度とし、前記風速レベルが強風でかつ前記周速比レベルが高速の場合は前記直線翼から発生する力のうち比較的前記揚力による前記接線方向の力が大きくなる前記相対角度または前記揚抗比が比較的大きくなる前記相対角度とし、前記風速レベルが強風でかつ前記周速比レベルが低速の場合は前記直線翼から発生する力のうち比較的前記抗力による前記接線方向の力が大きくなる前記相対角度とし、前記風速レベルが微風でかつ前記周速比レベルが高速の場合は前記直線翼から発生する力のうち比較的前記揚力による前記接線方向の力が大きくなる前記相対角度または前記揚抗比が比較的大きくなる前記相対角度とし、それ以外の前記風速レベルおよび前記周速比レベルの領域では前記揚抗比が大きくなる前記相対角度とした構成としている。
【００６０】
この構成により、回転角度テーブルから、風速および周速比に応じた相対角度を選択することが可能となり、精度の高い回転エネルギーへの変換ができ、回転エネルギー変換効率および発電効率の優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００６１】
また、第１５の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第１４の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルは、前記回転エネルギー変換効率を低下させることを目的として、前記風速レベルおよび前記回転数または前記周速比の大小により前記回転角を変化させた値とし、前記風速レベルが強風の場合は前記直線翼から発生する力のうち比較的揚力が小さくなる前記相対角度とする、または前記風速が強風の場合は前記直線翼から発生する力のうち比較的揚抗比が小さくなる前記相対角度とする構成としている。
【００６２】
この構成により、風速レベルが強風の時、外部ブレーキにより垂直型ブレードの回転トルクの制御による回転数の増加を防止する頻度を低減できるため、信頼性が高く、発電効率に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００６３】
また、回転数の増大を防ぐことが可能となるため、遠心力の増加による垂直型ブレード、アーム、シャフトユニットおよび発電機などの回転部分の機械的強度を維持することができ、耐久性、信頼性および機械的強度に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００６４】
さらに、発電機は高速回転になるに従い、発生する電流および電圧が増大するため、回転数が一定の領域を超えると発生する電流および電圧に耐えられないという発電機自体の耐圧の問題が発生する。また発生する電流および電圧を保証しようとすると大型かつ高価になるなどの課題が発生するが、回転数が必要以上に上がらない構成とすることで、小型、低コスト、高信頼性の垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００６５】
また、第１６の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第１５の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルは、前記風速レベルが強風で変動した場合でも、前記回転数制御手段により前記回転数を一定に制御することを目的として前記相対角度を制御する構成としている。
【００６６】
この構成により、強風の状態で風速が変化した場合でも垂直型ブレードの回転数を一定に保つことができるため、強風の場合でも垂直型ブレードを回転させて発電することが可能となり、発電量を大幅に増加させることが可能となり、発電効率に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００６７】
また、遠心力による機械的強度の悪化および発電機の電流および電圧の上昇を防ぐことができ、信頼性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００６８】
また、第１７の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第１６の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記周速比レベルが低速の場合は前記直線翼から発生する力のうち比較的前記抗力による前記接線方向の回転トルクが大きくなる前記相対角度とし、前記周速比レベルが高速の場合は前記直線翼から発生する力のうち比較的前記揚力による前記接線方向の回転トルクが小さくなる前記相対角度または前記揚抗比が比較的小さくなる前記相対角度とし、前記周速比レベルが低位から高速の間では前記直線翼から発生する力のうち比較的前記揚力による前記接線方向の回転トルクが大きくなる前記相対角度または前記揚抗比が比較的大きくなる前記相対角度とする構成としている。
【００６９】
この構成により、周速比レベルにより垂直型ブレードの回転エネルギーを最適に選択することができ、発電効率と信頼性に優れた垂直型風力発電システムを実現できる。特に、周速比レベルが高速になるまでは、起動しやすくかつ回転エネルギー変換効率の高い相対角度を選択し、周速比レベルが高速からはできるだけ回転エネルギー変換効率を選択することで、信頼性および発電効率に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００７０】
また、第１８の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第１７の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルにおける前記ブレード回転角度は、一周を複数のゾーンに分割して、それぞれの前記ゾーンでは同一の前記相対角度とし、前記ゾーンは１から３６００の分割範囲である構成としている。
【００７１】
この構成により、ゾーンごとに回転角度テーブルおよび相対角度を設定することができ、垂直翼の回転角度の調整精度を選択することができ、使用用途に合った回転角度テーブルを作成することが可能となり、発電効率と信頼性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００７２】
特に、ゾーンを細かくすることで最適な相対角度の精度は向上するが、回転調整が頻繁に行われるため、データのやり取りに時間を要したり、摺動部の機械的な摩耗が進むことになる。また、回転調整に使用される電力が増加するため、使用状況に合わせたゾーン分けが必要となり、周速比や風速に応じて、ゾーン分けのレベルを変えることにより、一層発電効率と信頼性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００７３】
また、第１９の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第１８の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記ブレード回転角度、前記周速比、前記風速および前記相対速度との関係を示す前記回転角度テーブルの特徴は、横軸を前記ブレード回転角度、縦軸を前記相対角度、前記迎角または前記ピッチ角とし、前記周速比および／または前記風速毎の複数の線分を有し、それぞれがＳＩＮ波型、のこぎり刃型、階段型、台形型等の形状をしている構成としている。
【００７４】
この構成により、翼型、翼型特性、ソリディティー、周速比、風速、垂直型ブレードの翼直径から演算される回転角度テーブルにおいて、最適な形状を選択することができ、信頼性および発電効率に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００７５】
また、第２０の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第１９の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルは、前記相対角度変化による前記回転エネルギー変換効率の改善量の演算値を有し、前記垂直型ブレードが１回転する間の前記相対角度の変化量を必要最小限とするために、前記改善量が所定の値より低い前記回転角度テーブルにおける前記ブレード回転角度または前記ゾーンでは、前記相対角度の調整を行わない構成としている。
【００７６】
この構成により、必要最小限の回転調整のエネルギー使用量となり、エネルギーバランスに優れ、かつ発電効率と信頼性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００７７】
また、第２１の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第２０の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルは、前記相対角度変化による前記回転エネルギー変換効率の改善量の演算値を有し、前記垂直型ブレードが１回転する間の前記相対角度の変化量を必要最小限とするために、一つ前の前記ゾーンの前記相対角度と差となる相対角度変化量が必要最小限となるよう、前記改善量に対し前記相対角度変化量を優先した前記回転角度テーブルとした構成としている。
【００７８】
この構成により、必要最小限の回転調整のエネルギー使用量となり、エネルギーバランスに優れ、かつ発電効率と信頼性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００７９】
また、第２２の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第２１の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記周速比が１以下の場合、前記平面座標系における基準角度からの個々の前記直線翼の前記ブレード回転角度が、第一象限または第二象限で指定角度または指定の前記ゾーンのみ抗力による回転トルクの低減（マイナストルク）を減少させ、第３象限から第４象限の指定角度または指定の前記ゾーンのみ抗力による回転トルクを増加させる前記相対角度とする構成としている。
【００８０】
この構成により、必要最小限の回転調整のエネルギー使用量となり、エネルギーバランスに優れ、かつ発電効率と信頼性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。この時、風向はＸ軸と一致するような平面座標系としているが、実際の風向を別途加算する必要がある。
【００８１】
また、第２３の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第２２の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記周速比レベルが低速を超える場合は、前記平面座標系における基準角度からの個々の前記直線翼のブレード回転角度が第１象限から第４象限の特定角度のみ、前記直線翼から発生する力のうち比較的前記揚力による前記接線方向の力が大きくなる前記相対角度または前記揚抗比が比較的大きくなる前記相対角度となるよう前記回転角度テーブルとする構成としている。
【００８２】
この構成により、必要最小限の回転調整のエネルギー使用量となり、エネルギーバランスに優れ、かつ発電効率と信頼性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。この時、風向はＸ軸と一致するような平面座標系としているが、実際の風向を別途加算する必要がある。
【００８３】
また、第２４の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第２３の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記周速比レベルは、前記回転エネルギー変換効率を向上させることを目的として、前記周速比レベルが低速の場合と比較し、前記周速比レベルが高速の場合は、前記相対角度の変動量が小さくなるように前記回転角度テーブルを設定するとともに、前記周速比レベルが低速の場合から前記周速比レベルが高速の場合に変化するに従い、前記相対角度の変動量を順次小さくするように前記回転角度テーブルとし、前記周速比レベルが高速の場合から前記周速比レベルが低速の場合に変化するに従い、前記相対角度の変動量を順次大きくするように前記回転角度テーブルとした構成としている。
この構成により、周速比レベルに応じたもっとも回転エネルギーへの変換効率の高い垂直型風力発電システムを実現できる。
【００８４】
また、第２５の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第２４の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記周速比レベルにおいて、前記回転エネルギー変換効率を向上させることを目的として、前記周速比レベルが低速の場合のみ前記相対角度の調整を行う前記回転角度テーブルとした構成としている。
【００８５】
この構成により、必要最小限の回転調整のエネルギー使用量となり、エネルギーバランスに優れ、かつ発電効率と信頼性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００８６】
また、第２６の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第２５の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記周速比レベルにおいて、前記回転エネルギー変換効率を低下させる、または前記垂直型ブレードの前記回転数を一定とすることを目的として、前記周速比レベルが高速の場合のみ前記相対角度の調整を行う前記回転角度テーブルとした構成としている。
【００８７】
この構成により、必要最小限の回転調整のエネルギー使用量となり、エネルギーバランスに優れ、かつ発電効率と信頼性に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００８８】
また、第２７の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第２６の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回転角度テーブルは、前記風速レベルが強風の時に、前記回転エネルギー変換効率を低下させるとともに前記回転数の増加を抑えるために、前記回転エネルギー変換効率を低減させるとともに最大回転トルクおよび最大回転エネルギーを発生する周速比または回転数の位置を低速側に移動させた前記相対角度の調整を行う前記回転角度テーブルとした構成としている。
【００８９】
この構成により、強風時に回転トルクを低減しさらに回転数を低い側に移動させることで、強風時でも低い回転数で回転数制御が可能となる。従って、理論上は、風速がどんどん速くなっても、一定の回転トルクでかつ一定の回転数での垂直型ブレードの出力および回転数制御が可能となることで、信頼性、耐久性、発電能力に優れた垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００９０】
また、第２８の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第２６の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記回動手段は、ステッピングモータやＤＣモータなど動力源と、前記動力源の回転力を前記直線翼に伝達するギヤなどの伝達機構と、前記動力源に電力を共有する電池などの電源より構成され、前記動力源、前記伝達機構は前記アームに格納され、前記電源は前記アームまたは前記ポールに格納される構成としている。
この構成により、小型、簡素かつ効率的に回動手段および動力源を構成することが可能となり、発電効率に優れ、小型かつ低コストの垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００９１】
また、第２９の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第２７の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記電源が前記アームに格納されている場合の前記電源への電力供給手段は、前記シャフトユニットの固定部と回転部における接触給電または非接触給電とし、前記電源が前記ポールに格納されている場合の前記駆動源への電力供給手段は、前記シャフトユニットの固定部と回転部における接触給電とした構成としている。
【００９２】
この構成により、電源に簡素かつ高信頼性の給電手段を実現することが可能となり、発電効率に優れ、小型かつ低コストの垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００９３】
また、第３０の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第２８の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、前記電源が前記アームに格納されている場合の前記電源への電力供給手段は、前記垂直型ブレードの回転が停止している場合のみ接触給電または非接触給電とした構成としている。
【００９４】
この構成により、電源に簡素かつ高信頼性の給電手段を実現することが可能となり、発電効率に優れ、小型かつ低コストの垂直型風力発電システムを実現することが可能となる。
【００９５】
また、第３１の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１〜第２９の態様に係る垂直型風力発電システムの構成において、電力源３５への電力の供給は、太陽光パネルをアーム３の表面に張り、太陽光パネルから電力源３５に電力を供給する構成としている。
この構成により電力源３５への電力の供給が簡素な構成で行うことができ、小型かつ低コストの垂直型風力発電システム１５を実現できる。
【００９６】
上記した構成により、回転角度テーブルの高精度化、垂直型風力発電システムの発電効率の向上、信頼性の向上および小型化が可能となるため、小型高性能、高効率かつ高信頼性の垂直型風力発電システムを実現できる。
【００９７】
また、本発明は、次のような制御方法として提供することもできる。すなわち、複数の直線翼から構成される垂直型ブレードと、前記直線翼を保持するアームと、前記アームの回転を支持するシャフトユニットと、前記シャフトユニットと連動する発電機とを少なくとも有して、風力によって回転する前記垂直型ブレードの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する垂直型風力発電システムにおける前記直線翼の制御方法において、前記アームに対する前記直線翼の相対角度をそれぞれ独立して回動可能に構成し、前記垂直型ブレードの回転中心を基準した平面座標系における基準角度からの前記垂直型ブレードまたは個々の前記直線翼のブレード回転角度と、前記ブレード回転角度から演算した前記相対角度の回転角度テーブルとを有し、前記回転角度テーブルをもとに前記ブレード回転角度に応じて前記直線翼の前記相対角度を変化させることを特徴とする。
【００９８】
さらに、上記の垂直型風力発電システムにおける回動手段を備えた垂直型ブレード、又は回転角制御手段の単独で提供してもよい。
【００９９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。
【０１００】
（実施形態１）
図１〜図１３を参照して実施の形態１に係る垂直型風力発電システムについて説明する。図１および図２Ａ〜Ｃは、実施の形態１に係る垂直型風力発電システムの構成の一例を示した模式図である。図１では、実施の形態１に係る垂直型風力発電システムを側方から見たときの構成を模式的に示している。図２Ａ〜Ｃでは、実施の形態１に係る風力発電システムを上方から見たときの構成を模式的に示している。図３は実施の形態１に係る風力発電システムに搭載する直線翼２の回動手段９の構成を示した略図である。
【０１０１】
図１および図２Ａ〜Ｃに示すように、垂直型風力発電システム１５は、垂直型ブレード１、直線翼２、アーム３、シャフトユニット４、発電機５、ポール６、シャフトユニット保持部７、相対角度８、回動手段９、回転角制御手段１０、平面座標系１１、基準角度１２、ブレード回転角度１３、回転角度テーブル１４、垂直型風力発電システム１５、風速１６、風速検出手段１７、回転数検出手段１８、風向検出手段１９、回転トルク２０（図１０に図示）、回転抑止トルク可変手段２１（図１０に図示）、発電機コントローラ２２（回転数制御手段）（図１０に図示）、パワーコントローラ２３（図１０に図示）、結合部２４、垂直型ブレードの取付け部２７、風向２８より構成されている。
【０１０２】
垂直型ブレード１は複数の直線翼２から構成され、アーム３により回動可能に保持される。シャフトユニット４はアーム３を固定し保持するとともにアームの回転を支持する。シャフトユニット４は前記垂直型ブレード１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機５の回転部分（ロータ、シャフトなど）と結合（または一体化）され連動し、垂直型ブレード１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。この際、結合部２４（詳細は図示せず）を介してシャフトユニット２４と発電機５の回転部分とを結合してもよく、結合部２４はカップリング、ギヤ、増速機、減速機などのいずれかから構成されている。この時、結合部２４の増速比または減速比により垂直型ブレード１の回転数―出力特性と、発電機５の回転数−出力特性をマッチングさせることが可能となる。
【０１０３】
ポール６は、ベアリングおよび保持部（詳細は図示せず）などから構成されているシャフトユニット保持部７により、垂直型ブレード１とアーム３とを固定したシャフトユニット４を保持し、シャフトユニット４をポール６に回動可能状態で保持する。
【０１０４】
一方、１個又は複数個備える風速検出手段１７は垂直型ブレード１の周辺の風速を検出し、回転数検出手段１８は垂直型ブレード１の回転数を検出し、風向検出手段１９は垂直型ブレード１９に流入する風の平面座標系１１の回転中心Ｏを中心とした基準角度１２に対する風向２８（角度）を検出する。
また、直線翼２はアーム３に回動手段９により回動可能に保持されている。
【０１０５】
図３（ａ）、（ｂ）は実施の形態１に係る風力発電システムに搭載する直線翼２の回動手段９（直線翼２、アーム３は含まない）の構成を示した略図である。回動手段９は回動軸部３３、ステッピングモータ、ＤＣモータ、超音波モータ、圧電素子などの駆動源３０、ギヤ、カップリング、シャフトなどから構成される動力伝達部３１、ベアリングなどを用いた軸支部３２、駆動源３０に電力を供給する電池などの電力源３５より構成され、直線翼２はアーム３に対して、最大で±１８０度の回動状態で保持される。
【０１０６】
この際、軸支部３２はベアリングに限らず摺動性を有した公知の軸支部材でも良い。また、動力伝達部３１は各種ギヤやカップリングを介しても良いし、駆動源３０と回動軸部３３を直接結合する構成でも良い。
【０１０７】
図３（ａ）、（ｂ）の差は駆動源３０および動力伝達部３１の一部を垂直または水平に配置したことである。図３（ｂ）の構成では、駆動源３０、動力伝達部３１および電源３５の水平部をアーム３の内部に収納することも可能である。駆動源３０、動力伝達源３１、電源３５をアーム３に格納することで、垂直型風力発電システム１５の小型化が可能であるとともに、風雨や紫外線の影響を抑えることができ、信頼性および耐久性に優れた垂直型風力発電システム１５を実現できる。
【０１０８】
図２Ａは平面座標系１１（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、原点Ｏ）における基準角度１２（０度）、垂直型ブレード１（直線翼２）の２種類のブレード回転角度１３（θ）、垂直型ブレード１の直径となる翼直径２６、アーム３と直線翼１の取付け部２７および２種類の相対角度８、風速１６、風向２８、翼直径２６をそれぞれ示している。直線翼２はアーム３に対して取付け部２７の位置に相対角度８の取付け角で回動可能状態にて保持されている。
【０１０９】
図２Ｂおよび図２Ｃはブレード回転角度１３と迎角３８との関係を示した図である。図２Ｂにおいて、直線翼２は説明を簡素にするため約１８０度の位置にあり、風速１６の条件で、垂直型ブレード１の回転数に応じた翼直径２６（外周）の回転速度で、周速３５で回転している。この時、周速３５はｍ／ｓの単位で表すものとする。
【０１１０】
図２Ｃは、図２Ｂにおける迎角３８を表した図で、翼型特性を表す際に用いられる迎角３８は、次のように求められる。すなわち、風速１６と垂直型ブレード１の翼直径２６（外周）での回転速度である周速３５に対する向周速３６との合成となるいわゆる相対風速３７と、直線翼２の翼弦２５とのなす角度である。
本発明の基本的な仕組みとして、接線方向の回転力（回転トルク）が大きくなるような迎角３８にするために相対角度８を変化させる。
【０１１１】
図４（ａ）は実施の形態１に係る風力発電システムに搭載する直線翼２の断面形状においていわゆる対称翼の一例を示した図で、図４（ｂ）はいわゆる非対称翼の一例を示した図である。直線翼１の前縁と後縁とを結んだ線分を翼弦２５とし、翼弦２５の長さを翼弦長２９としている。
【０１１２】
また図４（ｃ）は、図４（ａ）、（ｂ）に示す翼型断面における取付け位置２７を中心として回転させた時の、相対風速３７と翼弦２５との角度となる迎角３８と翼型断面の表面で発生する揚力４０および抗力４１の関係を示している。風速１６、翼弦２５、取付け部２７、ブレード回転角度１３、相対角度８、相対風速３７、迎角３８、ピッチ角度３９、揚力４０、抗力４１、揚力４０による回転トルク４２、抗力４１による回転抑止トルク（マイナストルク）４３の関係を示した図である。相対角度８はアーム３と翼弦２５とのなす角の場合の図である。
この時、相対角度８を翼弦２５と取付け位置２７における接線方向との角度とした場合はピッチ角度３９が相対角度８となる。
【０１１３】
図４（ｃ）においてピッチ角度３９は（相対角度８）−９０度で表すことができる。また、抗力４１による回転抑止トルク４３は周速比が１以下でブレード回転角度１４が１８０度から３６０度の間では、正の回転トルクとなる場合がある。したがって、周速比が１以上の領域で回転エネルギー変換効率Ｃｐを上げるには、揚力４０による回転トルク４２を大きくし、抗力４１による回転抑止トルク４３を小さくすることが必要となる。また、周速比が１以下の領域で回転エネルギー変換効率Ｃｐを上げるには、揚力４０による回転トルク４２を大きくし、抗力４１による回転抑止トルク４３を小さくするとともに、抗力４１による回転トルク４３（第３および第４象限ではプラストルクが発生する）を大きくすることが必要となる。
【０１１４】
図５は実施の形態１に係る風力発電システムに搭載する直線翼２の断面形状における翼型特性を示した図である。
【０１１５】
図５（ａ）は迎角３８（ATTACK ANGLE）と揚力係数（ＣＬ）の関係を示し、図５（ｂ）は迎角３８（ATTACK ANGLE）と抗力係数（ＣＤ）との関係を示した一例（特定の風速、またはレイノルズ数における参考図）である。回転角度テーブル１４におけるピッチ角度３９の演算を行う場合、それぞれの風速またはレイノルズ数毎の翼型特性を考慮することは必須であり、この特性を考慮しない限りＣｐを最大とする回転角度テーブル１４の演算は困難となる。逆に、様々な風速またはレイノルズ数に対応した翼型特性があれば、精度よく回転角度テーブル１４を作成することが可能となる。
ここで、抗力係数および揚力係数は、ともに係数に１／２（ρＣＶ２）をかけることで力（Ｎ／ｍ）に換算できる。この時、ρは空気密度（ｋｇ／ｍ3）、Ｃは翼弦長２９（ｍ）、Ｖは風速（ｍ／ｓ）とする。
【０１１６】
図６は、実施の形態１に係る風力発電システムに搭載する直線翼２における周速比λと風速１６、向周速３６、相対速度３７とブレード回転角度（θ）１３との関係を示した模式図である。
【０１１７】
図６（ａ）および図６（ｂ）は周速比λが１以下の領域の場合と、周速比が１を超えた場合のブレード回転角度１３と相対速度３７の関係を示している。特に、周速比１以下ではピッチ角度３８の調整角度によっては、ブレード回転角度（θ）１３が１８０度〜３６０度の領域では抗力による回転トルク（プラストルク）を発生させることが可能となる。
【０１１８】
また、図６の（ｃ）と図６の（ｄ）は周速比と迎角３８の関係を示した図である。ピッチ角度３９を０度に固定した場合、周速比が１以下の領域では迎角３８は０度〜３６０度となるが、周速比が１を超えると迎角は大幅に小さくなることが分かる。また、全ての周速比において相対風速３７は垂直型ブレード１の平面座標系１１における下流側（０≦φ≦９０度、２７０度≦φ≦３６０度）では翼型の腹側から当たることになる。
【０１１９】
図７は、実施の形態１に係る垂直型風力発電システム１５に搭載する回転角度テーブル１４の一例を示した図である。図７（ａ）はブレード回転角度１３を分割した参考図であり、この場合３６０度を８等分し、それぞれのゾーンごとに最適な相対角度８の演算を行う。図７（ｂ）はゾーンの分割数を増やして相対角度８を演算した回転角度テーブル１４の一例を示した図であり、風速１６が１２ｍ／ｓとした時の各周速比におけるピッチ角度３９の回転角度テーブル１４の一例を示す。
【０１２０】
回転角度テーブル１４は、垂直型風力発電システム１５の回転エネルギー変換効率を向上させるために、迎角３８、相対角度８またはピッチ角度３９、ブレード回転角度１３、周速比および風速１６との関係を表したもので、横軸にブレード回転角度１３、縦軸に相対角度８、迎角３８またはピッチ角度３９を配して、周速比および／または風速毎の複数の情報をマッピングデータ化した、グラフ、表などのデータ情報を示したものである。
【０１２１】
比較的回転数が低い周速比０．５の状態では比較的回転数が高い周速比３の状態に比べて、回転エネルギー変換効率（Ｃｐ）が最大となるピッチ角度３９（相対角度８）の値は大きく変化させる必要がある。このように、Ｃｐを最大とする相対角度８、迎角３８およびピッチ角度３９は、周速比により大きく変化し、周速比が大きい場合と比較し、周速比が小さい場合の方が角度の変化量が大きくなる。
なお、風速は０ｍ／ｓから最大１００ｍ／ｓの範囲を想定し、相対角度８は９０度を基準に調整範囲を±１８０度としている。
【０１２２】
ここで、特に周速比０．５の場合の２７０度付近において、Ｃｐが最大となるピッチ角度３９は＋８０度から−８０度へ大きく変化するが、エネルギー変換効率変化量（ΔＣｐ）を定義して、ΔＣｐによるエネルギー改善効果と回転に必要となるエネルギーを考慮し、そのメリットがあればピッチ角度３９を調整してもよいし、ΔＣｐの改善効果が低いようであれば、ピッチ角度３９の変化量が小さくなる回転角度テーブル１４としても良い。
ここで、垂直型ブレード１のパワーＰ（出力  Ｗ）は、回転トルクＱ（Ｎｍ）と回転角速度ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）の積でありＰ＝Ｑωという関係がある。
【０１２３】
回転角度テーブル１４の算出は、平面座標系１１において垂直型ブレード１に流入する風の風速１６、垂直型ブレード１の翼直径２６、翼型の風速またはレイノルズ数および迎角３８に対する揚力特性および抗力からなる翼型特性（図５参照）、垂直型ブレード１の回転数または周速比、翼弦２５の長さとなる翼弦長２９、直線翼２の翼枚数および翼直径２６から演算されたソリディティー（翼直径２６における円周の長さと翼弦長２９×翼枚数の比率）、垂直翼２の全長となる翼長３４、および基準角度１２からの垂直型ブレード１または直線翼２の回転角度となるブレード回転角度１３のすべての数値またはいずれか一つ以上の数値から演算される。
【０１２４】
この時、上記の各々の情報がすべてあれば精度のよい回転角度テーブル１４を作成できるが、翼長３４は基準長さで代用（演算）すれば回転角度テーブル１４は算出可能であり、翼全体の回転エネルギーは計算できないが、相対的な値は算出可能となるため、回転角度テーブル１４の算出に翼長３４は必須ではない。
また、風速１６および周速比は平均的な値を代入することで、回転角度テーブル１４の大まかな形を算出することは可能である。
【０１２５】
回転角度テーブル１４はあらかじめ計算しておいても良いし、リアルタイムで計算する構成でもよい。あらかじめ計算しておく場合には、少なくとも迎角３８、相対角度８またはピッチ角度３９、ブレード回転角度１３、周速比および風速１６との関係をデータセットの形で備えておき、風速検出手段１７、回転数検出手段１８、風向検出手段１９による検出結果を参照して、ブレード回転角度１３に応じた迎角３８、相対角度８またはピッチ角度３９を読み出すことができる。具体的には、回転角度テーブル１４はコンピュータの記憶手段に格納し、各検出手段１７，１８，１９の検出結果をコンピュータに入力することで、読み出しが実現される。
【０１２６】
一方、リアルタイムで計算する構成では、翼直径２６や上記ソリディティーの値などは予め備えたものを用い、風速検出手段１７、回転数検出手段１８、風向検出手段１９による検出結果をコンピュータの演算手段に入力し、ブレード回転角度１３に応じた迎角３８、相対角度８またはピッチ角度３９を算出することができる。
【０１２７】
図８Ａ〜Ｃはそれぞれ、図７（ｂ）における周速比０．５（図８Ａ）、周速比１．５（図８Ｂ）、周速比３（図８Ｃ）における相対角度８またはピッチ角３９の回転角度テーブル１４を図示した一例である。この時、風向２８はｘ軸に平行とし、風速１６、翼直径２６、ソリディティー、翼型、翼特性は特定の値を用いているが、詳細な数値の提示はしないものとする。
【０１２８】
また、回転角度テーブル１４の演算は、Ｃｐの算出において、翼素運動量理論を多数の分割した領域で演算するいわゆる多流管モデルかつ風の流れの上流および下流でそれぞれ演算を行う多流管のダブルアクチュエータ法にて行ったものである。
【０１２９】
以下、図面および数式を用いて、その概要を説明する。
二重アクチュエータ多流管モデルによる風車特性計算の概要を説明する。二重アクチュエータ多流管モデルでは、図１９に示すような複数の流管を設定する。そして、図２０に示すようにブレード回転円と各流管が交差する上流側および下流側それぞれの位置にアクチュエータ面を仮想し、各流管に対して翼素運動量理論を適用する。
なお、図２０中において
p∞ : 垂直型風車上下流の一様流および風車内の圧力(大気圧)
R : アーム長(ブレード回転半径)
A∞ : 流管s 入口面積
V∞ : 流管s 入口の風速(一様流風速)
Au : 流管s の上流側アクチュエータ面における断面積
Vu : 流管s の上流側アクチュエータ面における風速
p+u : 流管s の上流側アクチュエータ面上流側における圧力
p-u : 流管s の上流側アクチュエータ面下流側における圧力
Aa : 流管s の風車内における断面積
Va : 流管s の風車内における風速
Ad : 流管s の下流側アクチュエータ面における断面積
Vd : 流管s の下流側アクチュエータ面における風速
p+d : 流管s の下流側アクチュエータ面上流側における圧力
p-d : 流管s の下流側アクチュエータ面下流側における圧力
AW : 流管s 出口面積
VW : 流管s 出口の風速
である。
【０１３０】
質量保存則から図２０の流管sの各断面における空気の質量流量は等しく
【数１】
0006574634.tif 000002
となる。流管sを上流側でよぎるブレードが受ける力Fu は、流管sを通る風が失う運動量に等しく
【数２】
0006574634.tif 000003
となり、数１から
【数３】
0006574634.tif 000004
となる。
一方、力Fuは上流側アクチュエータ面の風上側の圧力p＋uと風下側の圧力p−uによる力の差として
【数４】
0006574634.tif 000005
と表される。
ベルヌーイの定理を図２０の流管s入口と上流側アクチュエータ面の風上側に適用した
【数５】
0006574634.tif 000006
と、ベルヌーイの定理を図２０の流管sの風車内と上流側アクチュエータ面の風下側に適用した
【数６】
0006574634.tif 000007
から算出されたp＋uとp-uを数４に代入すれば
【数７】
0006574634.tif 000008
となる。数３と数７を等値して得られる関係
【数８】
0006574634.tif 000009
を数３に代入すれば、
【数９】
0006574634.tif 000010
となり、上流側減速率auを
【数１０】
0006574634.tif 000011
と定義すれば、Fuは未知の上流側減速率auの関数として
【数１１】
0006574634.tif 000012
と表される。
上流側アクチュエータにおける風速Vuは、数１０より
【数１２】
0006574634.tif 000013
となる。
【０１３１】
上流側アクチュエータをよぎるブレードには、図２１に示すようにブレード回転による向周速Vrと数１２の上流側アクチュエータにおける風速Vuの合成された相対速度Wの流れがあたることになる。
【０１３２】
二重アクチュエータ多流管モデルでは、この相対速度Wの一様流中に置かれたブレードに作用する力が、上流側アクチュエータ位置にあるブレードに作用すると考える。この上流側アクチュエータ位置にあるブレードに作用する力FBは、ブレード断面形状を持つ翼型が前記相対速度の一様流中に置かれた場合のレイノルズ数における迎角と揚力Lおよび迎角と抗力Dの関係の予め用意されたデータから算出される。
【０１３３】
前記ブレード作用力FBは、上流側アクチュエータにおける風速Vuの関数である。ここで風速Vuは数１２に示す上流側減速率auの関数であるため、前記ブレード作用力FBはauの関数FB(au) となる。そのx方向成分FBx(au) と数１２を等値して得られるauに対する方程式
【数１３】
0006574634.tif 000014
の解から前記ブレード作用力FBが求められる。そして、このブレード作用力FBの回転円接線方向成分がブレード回転駆動力となる。
【０１３４】
下流側アクチュエータに対しては、流管入口条件を風車内の風速Vaと流管断面積Aaとすることにより上流側アクチュエータと同様に処理され、下流側におけるブレード回転駆動力が算出される。以上の処理を各流管に対して行えば、流管ごとのブレード回転駆動力およびトルクが求まり、その総和から風車全体の出力（Ｐ）が計算される。
【０１３５】
このように計算された出力Ｐを用い、Ｃｐを次のように導出する。
Ｃｐ＝Ｐ／（１／２ρＡＶ3）
【０１３６】
Ｃｐを最大とする相対角度８の導出過程を図９Ａ〜Ｄに示す。
図９ＡはゾーンごとにＣｐが最大となる相対角度８（または迎角３８、ピッチ角３９）を演算する過程を示したもので、それぞれのゾーンでＣｐが最大になる相対角度８を演算し、変化させていった際のエネルギー変換効率改善量（ΔＣｐ）を示した一例である。
【０１３７】
このように、一つ前のゾーンとのＣｐとΔＣｐおよび相対角度８をとの関係を明確にすることで、相対角度８を調整することの効果および各ゾーンまたはブレード回転角度１３の変化に対する相対角度８の回転調整に対する必要なエネルギーを把握することができる。    
【０１３８】
たとえば、回転角度テーブル１４は、相対角度８による回転エネルギー変換効率（Ｃｐ）のΔＣｐの演算値を有し、垂直型ブレード１が１回転する間の相対角度８の変化量を必要最小限とするために、ΔＣｐがあらかじめ指定した値より低い相対角度８および回転角度テーブル１４のゾーンまたはブレード回転角度１３では相対角度８の調整を行わないまたは、ΔＣｐと相対角度８との変化量を比較し、ΔＣｐの改善量に見合う効果が無い場合は相対角度８の変化量を少なくするような回転角度テーブル１４とすることも可能となる。
この時、ΔＣｐと相対角度８の変化量とにより、その効果度合いで回転角度テーブル１４を作成しても良い。
【０１３９】
また、垂直型ブレードが１回転する間の相対角度８の変化量を必要最小限とするために、一つ前のゾーンの相対角度８が必要最小限となるよう、ΔＣｐに対し相対角度８の変化量を優先した回転角度テーブル（相対角度８の変化量最少の優先モード）としても良い。
【０１４０】
図９Ｂは、周速比とＣｐとの計算結果を示した一例で、相対角度８を９０度または９３度に固定した場合のＣｐと、周速比２および周速比３でそれぞれＣｐが最大になる回転角度テーブル１４でのＣｐのカーブを示している。
【０１４１】
この図は、周速比２および周速比３でそれぞれのＣｐの改善効果（ΔＣｐ）を示していることになり、それぞれの周速比および風速における最大の相対角度８の回転角度テーブル１４を網羅し、それぞれの条件における最大のＣｐとなる条件で垂直型ブレード１の回転数制御を行うことで、垂直型風力発電システム１５のいわゆるパワーカーブを最も回転エネルギー変換効率の高い状態で実現できる。
【０１４２】
この際、風向検出手段１９により検出した、平面座標系１１における風向２８の角度を、回転角度テーブル１４の相対角度８に加算または減算することで、あらゆる風向２８に対応した回転エネルギー変換効率に優れた垂直型風力発電システム１５を実現することができる。
【０１４３】
図９Ｃは図８（ａ）に示したゾーンごとのＣｐの改善量の計算過程の一例を示した図である。ピッチ角度３９を調整することで各ゾーン毎にＣｐが大きく改善することがわかる。またΔＣｐが大きいところは角度調整の効果が大きく、ΔＣｐの小さいところは、角度調整の効果が小さいといえる
【０１４４】
さらに、同様に図９Ｄはゾーン毎にピッチ角度３９を調整した時のＣｐへの影響度合い（ΔＣｐ）を示している。ピッチ角度調整３９によるゾーン毎のΔＣｐの演算結果と、ゾーン毎のピッチ角度３９の調整量によるΔＣｐの演算結果より、ΔＣｐを優先するかピッチ角度３９の調整量を優先するかを事前に検討し、回転角度テーブル１４に反映することで、一層回転エネルギー変換効率と発電効率に優れた垂直型風力発電システム１５を実現することができる。
図１０は直線翼２の回転角制御および垂直型ブレード１の回転数制御の動作を示した簡易的な動作図である。
【０１４５】
直線翼２の回転角度制御は、回転角度テーブル１４により相対角度８の情報が回転角制御手段１０に入り、相対角度８とするために必要な出力信号を回動手段９の駆動源３０に出力し、直線翼２をブレード回転角度１３に応じた相対角度８に設定する。
【０１４６】
一方、垂直型ブレード１の回転数制御は、風速１６に応じて発生する垂直型ブレード１の回転エネルギーによる回転トルク２０と、発電機５の負荷による回転抑止トルクを釣り合わせることにより垂直型ブレード１の回転数を一定回転数に制御する回転数制御手段２２を有し、回転トルク２０の情報と回転数検出手段１８の情報が回転数制御手段２２に入り、回転数制御手段２２は発電機５の回転数検出手段１８に応じて発生する回転トルク２０に対して、発電機５の回転数検出手段１８に応じて発生する電力、電圧、電流または発電機に付加する抵抗値を変化させる回転抑止トルク可変手段２１により垂直型ブレード１の回転トルクと発電機５の回転抑止トルクを釣合わせることで、回転数を一定に制御することが可能となる。
【０１４７】
この際、図９Ｂの周速比−Ｃｐカーブにおいて、パワーカーブにおけるピークの右側（回転数が高い側）の回転数で釣合わせることが必須となる。ピークの右側では回転抑止トルクを増やすことで回転数が下がるともに垂直型ブレード１の回転トルク２０が増えるため、再び回転数が増加する方向に垂直型ブレード１が回転し、回転数制御が可能となる。一方ピークの左側では発電機５の回転抑止トルクを増やすと垂直型ブレード１の回転トルクが低下するとともに回転数が急速に低下するため、垂直型ブレード１は回転数が増加することなく（回転数制御ができず）失速する。このためピークの左側の制御領域の場合は、回転抑止トルクを一時的に減らし、ピークの右側の制御領域の回転数の状態に復帰させることが必要となる。
【０１４８】
従って、Ｃｐが高くかつ安定した回転数制御を行うには、周速比に応じた回転角度テーブル１４を用い、Ｃｐが最大となるように常に相対角度８を角度制御する場合、周速比（回転数）の制御ポイントは、必ず周速比はＣｐ−周速比カーブにおいてピークの右側とすることが必要になる。
【０１４９】
図１１の左欄は、風速および周速比（TSR）の変化に対応したピッチ角度３９（PITCH ANGLE）および図１１の右欄は、その時のＣｐの改善効果（点線がピッチ角度を０度に固定した場合、実線が本発明に係る制御を行った場合）を示した一例であり、ピッチ角度３９を調整することで、あらゆる風速１６および周速比で最適なＣｐを大きく変化させていることがわかる。
【０１５０】
たとえば、風速は４ｍ／ｓ以下は微風とし、８ｍ／ｓを超える風速は強風と定義した時、周速比レベルは、周速比が１以下の回転数は低速とし、周速比が１を超える回転数は高速とすると、Ｃｐを最大とするピッチ角度８のパターンはそれぞれの風速１６および周速比で大きく変化している。
【０１５１】
この時、回転角度テーブル１４は、回転エネルギー変換効率Ｃｐを向上させることを目的として、風速１６および周速比によりピッチ角度８を導いた値とし、風速レベルが微風でかつ周速比レベルが低速の場合は直線翼２から発生する力のうち比較的抗力による接線方向の回転力が大きくなるピッチ角度３９とし、風速レベルが強風でかつ周速速レベルが高速の場合は直線翼から発生する力のうち比較的揚力４０による接線方向の回転力が大きくなるピッチ角度３９または揚抗比が比較的大きくなるピッチ角度３９とし、風速レベルが強風でかつ周速比レベルが低速の場合は直線翼から発生する力のうち比較的抗力４１による前記接線方向の回転力が大きくなるピッチ角度３９とし、風速レベルが微風でかつ周速比レベルが高速の場合は直線翼２から発生する力のうち比較的揚力４０による接線方向の回転力が大きくなるピッチ角度３９または揚抗比が比較的大きくなるピッチ角度３９とし、それ以外の風速レベルおよび周速比レベルの領域では揚抗比が大きくなるピッチ角度３９としている。
【０１５２】
この時、精度は落ちるが、周速比レベルのみで回転角度テーブル１４を構成しても良いし、風速１６のみで回転角度テーブル１４を構成しても良い。
【０１５３】
特に、図１１では、ピッチ角度３９のパターンが周速比レベルに依存していることが分かり、周速比レベルでピッチ角度３９を定義する構成が、Ｃｐを改善するうえで、最も効果的である。
【０１５４】
周速比が１以下の場合（起動時を含む）、また周速比が１以上の場合においても、平面座標系１１における第一または第二の象限の指定のブレード回転角度１３または指定のゾーンのみ抗力による回転トルクの低下を減らす、第３象限から第４象限の指定のブレード回転角度１３または指定のゾーンのみ抗力により回転トルクを増加させる、などの新たな相対角度８の調整を入れることでＣｐを大幅に改善することができることもわかる。
この時、風向はＸ軸と一致するような平面座標系としているが、実際の風向を別途加算する必要がある。
【０１５５】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、垂直型ブレード１全体におけるそれぞれ強風かつ高速時、微風かつ低速時のＣｐを最大にする相対角度８における、接線方向力（回転トルク）の揚力４０による寄与分と抗力４１による寄与分を示している。FIXED  PITCHはピッチ角度３９が固定で、VARIABLE PITCHはピッチ角度３９を調整した図である。また、AZIMUTH ANGLEはブレード回転角度１３でTANGENTIAL FORCEは接線方向の回転力（回転トルク）を示し、DRAGは抗力と、LIFTは揚力４０をそれぞれ示した図である。
【０１５６】
どちらの場合も、揚力４０の寄与度を低下させて、特定のAZIMUTH ANGLE（ブレード回転角度１３、またはゾーン）で抗力４１による悪化分（回転抑止トルク、マイナストルク）を低減しつつ、抗力４１による回転トルクを増加させて、結果として抗力４１のΔＣｐへの寄与度を増加させている。特に、微風かつ低速時は０度から１８０度のブレード回転角度１３の領域付近で抗力の回転抑止トルクを減少させることが効果的であることが分かる。
【０１５７】
図１２Ｃは、最適なピッチ角度３９の制御によるゾーンごとのΔＣｐ（CP DEFERENCE）を示しており、固定ピッチ（ピッチ角度３９は固定）におけるＣｐに対してピッチ角度３９をＣｐ最大値に制御することで、強風または微風、高速または低速などの様々な条件における全域で、揚力４０および抗力による回転トルクをコントロールすることで、回転エネルギー変換効率Ｃｐを大幅に向上させることができる。
【０１５８】
図１２Ｄは微風、低速時においてピッチ角度３９の調整を行った場合と、ピッチ角度３９を固定とした場合の回転トルクの改善量を示した一例である。ピッチ角度３９の調整により大きく回転トルクが増加していることが分かる。この結果、垂直型ブレード１の微風からの起動特性（自己起動性）が大きく改善されることがわかる。
【０１５９】
図１３は、強風および微風の条件での固定ピッチとそれぞれのＴＳＲごとのBEST PITCH（最適なピッチ角度３９）におけるＣｐの値を示している。図中の黒点がそれぞれの周速比における回転数の制御ポイントとなり、この黒点を結んだ線が、それぞれの風速でのいわゆるパワーカーブとなる。ピッチ角度３９を０度で固定した場合（図中のFIX 0 DEG）と、ピッチ角度３９を３度で固定した場合（図中のFIX 3 DEG）と比較して、ピッチ角度３９をＴＳＲ毎に調整した場合は大幅にＣｐが改善しており、ピッチ角度３９を調整可能とすることで大幅に回転エネルギー変換効率Ｃｐを向上させることが可能となることが分かる。
【０１６０】
図１４は、対称翼、非対称翼における周速比が低速および高速の時のブレード回転角度１３とピッチ角度３９との関係を示した図で、非対称翼Ａ（図４（ｂ）の状態）と非対称翼Ｂは図４（ｂ）の断面形状に背側と腹側を反転させて搭載している。
【０１６１】
この際、対称翼、非対称翼ともにピッチ角度３９のブレード回転角度１３との形状が大きく変化なく、非常に似た形状となっている。したがって、本発明の回転角度テーブル１４があれば、様々な翼型に展開できると推測できる。
【０１６２】
図１１？では、ブレード回転角１３とピッチ角度３９との関係は、比較的ジグザグ状ののこぎりの刃の形状としているが、図１５に示すようにＳＩＮ波型、台形型、ステップ型でもよいし、階段型でもよい。
【０１６３】
さらに、図７Ｂに示すように、それぞれのブレード回転角１３とピッチ角度３９の関係（形状）において、周速比が小さくなるに従い、ピッチ角度３９の変動量を大きくした回転角度テーブル１４の構成でもよい。
【０１６４】
実施の形態１では、回転エネルギー変換効率を向上させるために周速比、風速、大きさ、ソリディティー、消費電力、信頼性などの観点よりピッチ角度３９とブレード回転角度１３との関係である回転角度テーブル１４を構成した。この構成により、回転エネルギー変換効率Ｃｐおよび発電効率に優れた垂直型風力発電システム１５を実現できるとともに、信頼性の高い垂直型風力発電システム１５を実現できる。
【０１６５】
尚、実施の形態１では、周速比、風速の状態で揚力４０または抗力４１による寄与分を考慮した（分類した）が、全ての周速比および風速で、揚抗比が大きくなるピッチ角度３９またはＣｐが最大となるピッチ角度３９を選択した回転角度テーブル１４としても問題ないことは言うまでもない。この際、起動時のみ抗力型（抗力４１による回転トルクが増加する構成）とすることが望ましい。
【０１６６】
また、実施の形態１では、Ｃｐを最大にするために図７の（ｂ）、図１２に示すピッチ角度３９が一つ前のゾーンと部分的に大きく変化するゾーンが発生する。この場合、Ｃｐを犠牲にしてピッチ角度３９の変化を小さくする制御方法を選択して回転角度テーブル１４を構成してもよい。その場合は、予め定めたΔＣｐとピッチ角度３９の変化量においてどちらを優先するかの判断となる。
【０１６７】
（実施形態２）
図１６を参照して実施の形態２に係る垂直型風力発電システムについて説明する。図１６は、実施の形態２に係る垂直型風力発電システムの相対角度８および垂直型ブレード１の回転数制御方法の一例を示した模式図である。
図１６において、起動時から高速時のそれぞれの周速比の領域で下記のような垂直型風力発電システム１５を構成している。
【０１６８】
周速比レベルが起動時（ほぼゼロ付近）の場合は直線翼２から発生する力のうち比較的抗力による接線方向の回転力が大きくなる相対角度８とする。周速比レベルが低速の場合は直線翼２から発生する力のうち抗力４１による前記接線方向の回転力が大きくなる相対角度８とするとともに、接線方向の回転力が大きくなる揚抗比となる相対角度８とする。
【０１６９】
周速比レベルが高速の場合は、回転エネルギー変換効率Ｃｐを低下させることを目的として、直線翼２から発生する回転力のうち揚抗比による接線方向の回転力が小さくなる相対角度８または比較的揚力４０が小さくなる相対角度８とする。周速比レベルが低速から高速の間の中速では、直線翼２から発生する力のうち比較的揚力４０による接線方向の回転力が大きくなる相対角度８、または比較的接線方向の回転力が大きくなる揚抗比となる相対角度８とする。
【０１７０】
この構成により、周速比が高速域（強風の時）は、外部ブレーキにより垂直型ブレード１の回転トルクの制御による回転数の増加を防止する頻度を低減できるため、信頼性が高く、発電効率に優れた垂直型風力発電システム１５を実現することが可能となる。
【０１７１】
また、回転数の増大を防ぐことが可能となるため、遠心力の増加による垂直型ブレード１、アーム３、シャフトユニット４および発電機５などの回転部分の機械的強度を維持することができ、機械的強度に優れた垂直型風力発電システム１５を実現することが可能となる。
【０１７２】
さらに、発電機５は高速回転になるに従い、発生する電流および電圧が増大するため、回転数が一定の領域を超えると発生する電流および電圧に耐えられないという問題が発生する。また発生する電流および電圧を保証しようとすると大型かつ高価になるなどの課題が発生するが、回転数が必要以上に上がらない構成とすることで、小型、低コスト、高信頼性の垂直型風力発電システム１５を実現することが可能となる。
【０１７３】
この構成では、起動時から強風時まで、すべての領域の風速を、効率的に回転エネルギー変換効率の向上に利用することができるため、発電効率と信頼性の両立を実現できる。
【０１７４】
さらに、回転角度テーブル１４は、風速レベルが強風で変動した場合でも、回転数制御手段２２により垂直型ブレード１の回転数を一定に制御するために、相対角度８を制御する構成としている。なお、垂直型ブレード１の回転数を一定に保つには、制御したい回転数に応じた発電機５の回転抑止トルクを回転抑止トルク可変手段２１にて設定し、垂直型ブレード１のＣｐを相対角度８の調整で落とすことでそれぞれのトルクを一致させることで実現できる。この時、Ｃｐの低減方法は、ゾーン毎に一定割合のＣｐを等しい割合で減らしても良いし、特定のゾーンのみ大きく減らす構成でも良い
【０１７５】
図１６の構成により、強風の状態で風速が変化した場合でも垂直型ブレード１の回転数を一定に保つことができるため、強風の場合でも垂直型ブレード１を回転させて発電することが可能となり、発電量を大幅に増加させることが可能となり、発電効率に優れた垂直型風力発電システム１５を実現することが可能となる。
【０１７６】
また、遠心力による機械的強度の悪化および発電機の電流および電圧の上昇を防ぐことができ、信頼性に優れた垂直型風力発電システム１５を実現することが可能となる。
また、需給エネルギーのバランスより、特定の周速比レベルのみ相対角度８の調整を行う構成でも良い。
【０１７７】
図１７Ａは垂直型ブレード１の試行的な翼直径２６、翼型、ソリディティー、翼長３４、相対角度８（固定）における、回転数（または周速比）と回転トルク２０と風速との関係を示した一例である。また、図１７Ｂは回転トルク２０に角速度（ω）を乗じて回転エネルギーを算出した結果を示す。回転角度テーブル１４の演算にてＣｐと周速比の関係を導き出したのち、Ｃｐから回転エネルギーおよび回転トルクを導き出す。
【０１７８】
図１７Ａおよび図１７Ｂにおいて実線は相対角度８を固定した場合の回転エネルギーと周速比の関係を示し、破線はＣｐを２５％低下させた時の回転エネルギーと周速比の関係を示している。１４ｍ／ｓおよび１６ｍ／ｓでＣｐを落とし、回転数を８５ｒｐｍで制御することにより発電機５の容量を小さくすることができるため、発電機５のサイズ、質量、耐圧およびコストを大幅に低減することができる。この時のパワーカーブは黒丸をつないだ線となる。
【０１７９】
また図１７Ｃおよび図１７Ｄは強風時において、相対角度８の調整によりＣｐを低減するとともに周速比（回転数）のピーク位置を低い側に移動させ、遠心力の低減、発電機５の容量の低減、発電機５の耐圧の低減、強風時での発電による発電量の増加を実現する一例を示している。
【０１８０】
相対角度８を調整することにより回転エネルギーと周速比の曲線において、図中の破線で示すように、１６ｍ／ｓおよび１４ｍ／ｓの時Ｃｐを約６５％に低減して回転トルクを下げるとともに１２ｍ／ｓの曲線とほぼ一致させた例を示している。このように、相対角度８を調整することにより、パワーカーブのピークを下げるとともに周速比の低い側に移動させることが可能となり、実使用回転数をさらに小さくできるので一層遠心力、耐圧、サイズ、コスト、総発電量、信頼性に優れた垂直型風力発電システム１５を実現できる。
【０１８１】
尚、実施の形態２ではピークを低くし回転数を低い側に移動させたが、Ｃｐのピークを下げた場合、回転数が高い側に移動させたり、Ｃｐが減少する方向であれば任意の形状の回転数（または周速比）と回転トルク、回転エネルギーに変更することが可能なのは言うまでもない。
【０１８２】
尚、実施の形態２では周速比に応じて抗力型か揚力型かを選択するとしたが、抗力型とは平面座標系１１において風向がＸ軸の方向とした場合、周速比が１以下の条件において、０≦φ１８０度の領域では抗力４１による回転抑止トルクをできる限り低減し、１８０≦φ≦３６０度の領域では抗力による回転トルクをできる限り増加させるとともに、０≦φ≦３６０度の領域において、揚力４０により回転トルクをできる限り増加させる方式のことである。この時、周速比が小さいほうがより顕著にＣｐを増加させる効果がある
【０１８３】
また、揚力型とは、周速比が１を超えた条件において、０≦φ≦３６０度の領域において抗力４１により回転抑止トルクをできる限り低減し、揚力４０による回転トルクをできる限り増加させた方式のことである。
【０１８４】
尚、実施の形態２では起動時、低周速時、中速時、高速時のそれぞれにおいて相対角度８の調整を行ったが、特定の周速比のみで相対角度８の調整を行う構成でも効果があることは言うまでもない。
【０１８５】
（実施形態３）
図１８を参照して、実施の形態３に係る垂直型風力発電システムについて説明する。
図１８において、回動手段９は回動軸部３３、ステッピングモータ、ＤＣモータ、超音波モータ、圧電素子などの駆動源３０、ギヤ、カップリング、シャフトなどから構成される動力伝達部３１、ベアリングなどを用いた軸支部３２、動力源３５に電力を供給する電池などの電力源３５より構成され、直線翼２はアーム３に対して、最大で±１８０度の回動状態となる。このとき、駆動源３０、動力伝達部３１伝達機構はアーム３に格納され、電力弦３５はアーム３またはポール６に格納（図示せず）される構成としている。
【０１８６】
この構成により、駆動源３０および電源３５を風雨から保護することができるため、信頼性に優れた、回動手段９および垂直型風力発電システム１５を実現することが可能となる。
【０１８７】
また、電力源３５がアーム３に格納されている場合の電力源３５への電力供給手段は、図１におけるシャフトユニット保持部７の固定部と回転部における接触給電または非接触給電とし（詳細は図示せず）、電力源３５がポール６に格納されている場合の、駆動源３０への電力供給手段は、前記シャフトユニットの固定部と回転部における接触給電とした構成としている。非接触給電の一例としては、送電側コイルと受電側コイルを用い、電気を無線伝送する構成がある。
【０１８８】
この構成により、電力源３５に簡素かつ高信頼性の給電手段を実現することが可能となり、発電効率に優れ、小型かつ低コストの垂直型風力発電システム１５を実現することが可能となる。
【０１８９】
さらに、電力源３５がアーム３に格納されている場合の、電力源３５への電力供給手段は、垂直型ブレードの回転が停止している場合のみ接触給電または非接触給電とした構成としている。
【０１９０】
この構成により、電力源３５に簡素かつ高信頼性の給電手段を実現することが可能となり、発電効率に優れ、小型かつ低コストの垂直型風力発電システム１５を実現することが可能となる。
【０１９１】
尚、第３の実施の形態では、電力源３５への電力の供給は外部からの給電としたが、太陽光パネル（図示せず）をアーム３の表面に張り、太陽光パネルから電力源３５に電力を供給する構成でもよい。
【０１９２】
また、回転角制御手段１０および駆動源３０への回転角度テーブル１４またはピッチ角度３９の調整量の制御信号は、垂直型風力発電システム１５の固定部からの接触式の伝送でもいいし、垂直型風力発電システム１５の固定部または外部からの無線通信でもよい。
【０１９３】
また、第３の実施の形態では、相対角度８の調整はモータなどの駆動源３０、ギヤやカップリングおよびシャフトなどの動力伝達部３１にて行ったが、カムを用い、周速比に関係なく所定のゾーンまたはブレード回転角度１３のみ調整を行う構成でもよいことは言うまでもない。
【０１９４】
また、実施の形態１〜３ではすべて垂直型風力発電システムを本発明の適応範囲としたが、水力発電システムへ適応しても問題ない。この場合、翼素運動量理論を用いた回転角度テーブル１４の演算において、流体が空気から水に変わることにより密度ρ、粘性係数および翼型特性（揚力、抗力）の情報を変更することになる。
【０１９５】
上記説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】
本発明は、従来に比べ、最適かつ緻密な垂直翼の相対角度の回転角制御を行うことにより発電効率に優れ、信頼性に優れた垂直型風力発電システムを実現する。よって、本発明は、例えば、垂直型風力発電システムに利用できる。
【符号の説明】
【０１９７】
１  垂直型ブレード
２  直線翼
３  アーム
４  シャフトユニット
５  発電機
６  ポール
７  シャフトユニット保持部
８  相対角度
９  回動手段
１０  回転角制御手段
１１  平面座標系
１２  基準角度
１３  ブレード回転角度
１４  回転角度テーブル
１５  垂直型風力発電システム
１６  風速
１７  風速検出手段
１８  回転数検出手段
１９  風向検出手段
２０  回転トルク
２１  回転抑止トルク可変手段
２２  発電機コントローラ（回転数制御手段）
２３  パワーコントローラ
２４  結合部
２５  翼弦
２６  翼直径
２７  取付け部
２８  風向
２９  翼弦長
３０  駆動源
３１  動力伝達部
３２  軸支部
３３  回動軸部
３４  翼長
３５  電力源
３６  向周速
３７  相対風速
３８  迎角
３９  ピッチ角度
４０  揚力
４１  抗力
４２  揚力による回転トルク
４３  抗力による回転トルク
【図１】
0006574634.tif 000015
【図２Ａ】
0006574634.tif 000016
【図２Ｂ】
0006574634.tif 000017
【図２Ｃ】
0006574634.tif 000018
【図３】
0006574634.tif 000019
【図４】
0006574634.tif 000020
【図５】
0006574634.tif 000021
【図６】
0006574634.tif 000022
【図７】
0006574634.tif 000023
【図８Ａ】
0006574634.tif 000024
【図８Ｂ】
0006574634.tif 000025
【図８Ｃ】
0006574634.tif 000026
【図９Ａ】
0006574634.tif 000027
【図９Ｂ】
0006574634.tif 000028
【図９Ｃ】
0006574634.tif 000029
【図９Ｄ】
0006574634.tif 000030
【図１０】
0006574634.tif 000031
【図１１】
0006574634.tif 000032
【図１２Ａ】
0006574634.tif 000033
【図１２Ｂ】
0006574634.tif 000034
【図１２Ｃ】
0006574634.tif 000035
【図１２Ｄ】
0006574634.tif 000036
【図１３】
0006574634.tif 000037
【図１４】
0006574634.tif 000038
【図１５】
0006574634.tif 000039
【図１６】
0006574634.tif 000040
【図１７Ａ】
0006574634.tif 000041
【図１７Ｂ】
0006574634.tif 000042
【図１７Ｃ】
0006574634.tif 000043
【図１７Ｄ】
0006574634.tif 000044
【図１８】
0006574634.tif 000045
【図１９】
0006574634.tif 000046
【図２０】
0006574634.tif 000047
【図２１】
0006574634.tif 000048