(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転用ハブと、前記回転用ハブの回転中心から半径方向に延びるように、前記回転用ハブに一端部側が保持される複数個のブレード軸と、前記ブレード軸のそれぞれの他端部に取り付けられるブレードとを有するダリウス型垂直軸風車であって、
前記ブレード軸が、前記ブレードの回転に伴う遠心力により前記半径方向に移動し得ると共に、前記半径方向を軸として自転することにより前記ブレードの実効的ピッチ角および受風面積を変えられるように取り付けられ、
前記ブレード軸の前記半径方向の移動と前記自転とを規制する規制構造体を前記回転用ハブに備えることを特徴とするダリウス型垂直軸風車。
【請求項２】
前記ブレードが所定の遠心力になるまで、前記ブレード軸は、前記ブレードの受風面積が所定の面積以上を維持するように前記半径方向に移動し、前記ブレードが前記所定の遠心力以上の遠心力になったら、前記ブレード軸は前記半径方向の移動と共に自転をし、受風面積を減少させ、実効的ピッチ角を増加させるように前記規制構造体が形成されている請求項１記載のダリウス型垂直軸風車。
【請求項３】
前記ブレードが所定の遠心力になるまで、前記ブレード軸は前記半径方向のみに移動し、前記ブレードが前記所定の遠心力以上の遠心力になったら前記ブレード軸は前記半径方向の移動と共に自転もするように前記規制構造体が形成されている請求項２記載のダリウス型垂直軸風車。
【請求項４】
前記規制構造体が、前記ブレード軸の前記半径方向への移動と、前記ブレード軸の自転とを案内し、前記ブレード軸および前記ブレード軸の周囲のいずれか一方に設けられたガイド部、および、前記ブレード軸および前記ブレード軸の周囲の他方に設けられ、前記ガイド部に係合する係合部とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のダリウス型垂直軸風車。
【請求項５】
前記ガイド部のうち、前記ブレード軸が前記半径方向のみに移動する部分は、前記半径方向に沿った直線状部であり、前記ブレード軸が前記半径方向の移動と自転の両方をする部分は、前記直線状部に連続して形成された螺旋状部により形成され、前記直線状部の前記半径方向に沿った長さが、前記垂直軸風車の発電機の定格の回転数に相当する回転数で前記ブレードが回転するときの、前記ブレードに作用する遠心力により前記ブレード軸が前記半径方向にスライドする距離の３０〜８０％である請求項４記載のダリウス型垂直軸風車。
【請求項６】
前記回転用ハブに取り付けられた複数個のブレード軸につき、それぞれの前記ブレード軸の自転による回転角が等しくなるような同調機構が設けられてなる請求項１〜５のいずれか１項に記載のダリウス型垂直軸風車。
【請求項７】
前記ブレード軸の一端部に自在継手が接続され、前記同調機構は、前記回転用ハブの回転中心と同軸で前記回転用ハブに対して独立して回転するように設けられる同調用円盤を備え、前記同調用円盤の中心から一定半径上に形成される第１ヒンジと、前記自在継ぎ手との間が、一定の長さのリンクにより接続される構造である請求項６記載のダリウス型垂直軸風車。
【請求項８】
前記自在継手と前記同調用円盤上に形成される前記第１ヒンジとの間を接続するリンクが、前記自在継手から鉛直方向に延びる第１のリンクと、該第１のリンクの先端部で第２ヒンジを介して前記同調用円盤上の前記第１ヒンジとの間を水平方向に延びる第２のリンクとにより形成されてなる請求項７記載のダリウス型垂直軸風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電機に用いられる垂直軸風車に関する。さらに詳しくは、突風などに伴う強風が吹いた場合でも過回転により発電機の故障を生じないようにする過回転制御機構が設けられた垂直軸風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型風車は系統電源のない場所における電源や災害時に系統電源が途絶えた場合の非常用電源として役立ち、設置場所の制限が少ないことから、分散型電源として有用である。しかし、強風時には容易に高速回転に至ることから安全面の配慮が重要であり、高コストになりやすく充分に普及していない。最近の多くの小型風車では、高速回転になると電気的ブレーキにより回転数を抑制する方法がとられているが、強風時には電気回路の故障が伴う可能性も高く、また、発電機の最大電流の制限から、最大風速は１２〜１４ｍ／ｓ程度になっている。強風が吹いた場合に機械的に回転数を抑制する方法は多数提案されているが、機構が複雑であったり、信頼性に問題があったりする方法も多く、充分に実用化に至っていない。しかし、一般的には高速回転になるにしたがって、ブレードのピッチ角を受動的に制御できるならば、強風状態でも回転数の抑制ができ安全性が向上される。また、風車の運転可能風速範囲が拡大する一方で、発電機の容量を小さくすることが可能であるため、発電単価の低減にもなり得る。
【０００３】
大型風車は水平軸風車が主流であるが、小型風車の場合は、設置場所が地表面に近く風向きが乱れている位置に設置されることが多いため、風向き依存性がなく（ヨー制御機構が不必要）、構造がシンプルになり得る垂直軸風車（または縦軸風車）がしばしば用いられる。多くの小型垂直軸風車は固定ピッチ方式であるが、例えば、特許文献１には、回転中心軸から離れた位置に設置された直線ブレード（両端は傾斜）の全体あるいは一部に作用する遠心力を利用して受動的にブレードをスイングさせてピッチ角を変える機構を提案している。また、特許文献２においても、直線ブレード垂直軸風車のブレードのピッチを、遠心力などを利用して変化する機構が提案されている。いずれの方法にしても、回転中心軸から離れた位置にヒンジなどの可動部やばねなどの弾性体を配置するものであり、それらの可動部をブレード内部に組み込むなど、加工において工夫が必要であり、場合によってはコストが高くなる可能性がある。また、それらがブレードの外部に設置される場合には、空力抵抗が増すので、風車の効率を減少させる可能性が存在する。ピッチ可変機構では、安定した風車の回転を実現するために、複数のブレードのピッチ角の変化を同調させる必要があるが、前述の垂直軸風車の過回転制御機構では、回転中心から離れた場所に可動部があるため、それらを同調させるための長尺なリンク機構などを使用する必要もあり、長期の運転においてその信頼性を確保することは難しいと予想される。
【０００４】
一方、小型水平軸風車においては、回転軸の近傍に機械的な過回転制御機構を組み込むことが可能であり、例えば、特許文献３の図１に示されているヘリカルフェザリング方式はシンプルな方法である。この特許文献３の図１の元になったものは、非特許文献１の１４６ページに、その他の方式の、ガバナ錘を使用した方式や風圧式（スライディング・ハブ方式）とともに紹介されているが、ヘリカルフェザリング方式は、ブレードに作用する遠心力を利用し、ブレードが遠心力方向（半径方向）に移動（スライド）するとともにブレードを支持する支持軸を中心に回転（自転）しピッチ角を変える機構として、螺旋状（ヘリカル）のガイド溝を利用している。しかし、複数のブレードが設けられた場合に、回転中心から各ブレードの重心までの長さを同じにするという同調機構を有していない。特許文献３では、ヘリカルフェザリング方式の欠点であるガイド溝における摺動に伴う不安定さを解決するために、特殊なヒンジジョイントを利用したピッチ可変機構と同調機構を提案しているが、機構が複雑になりすぎ、実用上は強度的な検討が困難であると考えられる。多数提案されているガバナ錘を使用した方式などでは、歯車やヒンジとリンクを使用した同調機構などが用いられているが、錘を付加する点ですでに機構は複雑といえる。以上に述べた水平軸風車のピッチ可変方式の過回転制御機構は、回転軸近傍に機構を配置できる点で望ましいが、ブレードに作用する重力が水平方向の風車回転軸と直交する方向に作用し、ブレードの回転に伴ってブレードが受ける半径方向の力が周期的に変化する。それゆえ、安定動作のためには同調機構は必須となる。また、以上に述べた方式ではブレードのピッチ角を変化させるだけであり、受風面積は変化しないため、過回転制御の結果として強風時に一定回転数になったとしても、低回転数状態と同じ面積に作用する大きなスラストに耐えるだけの強度を風車全体において持たせる必要がある。
【０００５】
また、風車のブレードの構造としては、種々のものが提案されている。例えば一般的な直線ブレードを備えたＨ型ダリウス風車や、非直線ブレードで、バタフライ型のものも知られている。さらに、非特許文献２で試作されているような、アルミ合金の押出と曲げ加工で製作された「アルミ円形翼バタフライ風車」のブレードはコスト・構造的強度などの面から優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１２７０７２号公報
【特許文献２】特開２００７−８５１８２号公報
【特許文献３】特開２００７−９８９８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】小型風車ハンドブック，牛山泉・三野正洋 共著，パワー社，第４版，１９９４年
【非特許文献２】アルミ円形翼バタフライ風車の実証実験と性能予測，日本風力エネルギー学会誌，Vol.38, No.1, (通巻１０９号), (２０１４年５月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、垂直軸風車において、ブレードの回転数が増加すると遠心力も大きくなる性質を利用してブレードの回転数を制御し、過回転を抑制する手段が種々提案されている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１および２に示される例では、ブレードを支持するブレード軸に対して、ブレードまたはその一部を回転させる機構であるため、製造が複雑で高価になると共に、ブレードが破損しやすいという問題がある。
【００１０】
また、特許文献３および非特許文献１は、水平軸風車に関しての過回転抑制例であるが、ブレードが支持軸に対して遠心力の方向に移動するように取り付けられ、遠心力の方向に移動する際にブレードを支持する支持軸が回転するように螺旋溝により規制することにより、強風時に風の向きとブレードの向きとのなす角度を小さくしている。しかし、水平軸風車の場合、ブレードの自重が回転軸と垂直の方向に作用するため、回転半径方向に作用する体積力（遠心力＋ブレード自重）が回転方向と共に変化し、本質的に力のアンバランスが存在する。一方、これを垂直軸風車に適用した場合、ブレードの自重は回転軸と平行な方向に作用するため、回転半径方向に作用する体積力は遠心力のみとなり、回転数が一定の場合に、回転方向に依らず、半径方向の体積力は本質的に一定となる。しかし、これまでに特許文献３および非特許文献１に記載のような方法を垂直軸風車に適用した例は報告が無い。また、この構成では、螺旋溝だけであるため、遠心力の作用と同時にブレードの向きと風の向きとのなす角度が減少するように作用する。その結果、風力の小さい状態でもブレードの向きと風の向きとのなす角度が小さくなり、風力を有効に利用することができないという問題がある。さらに、このように遠心力によりブレードの支持軸を遠心力の方向に移動させる構造では、特に、回転中心からブレード重心までの長さが複数個のブレードで同じ長さになっていないと、振動の問題が生じるが、複数のブレード間で、回転中心からブレード重心までの長さを一定にするための同調機構については何ら開示されていない。
【００１１】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、余分な制御部品を用いることなく、ブレードを支持するブレード軸の軸方向移動とブレード軸の自転を規制するだけの非常に簡単な構造で、安価に製造することができる過回転防止構造を有する垂直軸風車を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明の他の目的は、１個の風車に複数個のブレードを有する場合に、ブレードごとに遠心力によるブレード軸の規制を行っても、各ブレードの回転中心からブレード重心までの長さがばらついて、各ブレードが受ける力のアンバランスによって、風車としての性能安定化を害したり、寿命を低下させたりしないようにするため、各ブレード軸の移動量を一定にする同調機構を備えた垂直軸風車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の垂直軸風車は、回転用ハブと、前記回転用ハブの回転中心から半径方向に延びるように、前記回転用ハブに一端部側が保持されるブレード軸と、前記ブレード軸の他端部に取り付けられるブレードとを有する垂直軸風車であって、前記ブレード軸が、前記ブレードの回転に伴う遠心力により前記半径方向に移動し得ると共に、前記半径方向を軸として自転することにより前記ブレードの実効的ピッチ角（取付角）および受風面積を変えられるように取り付けられ、前記ブレード軸の前記半径方向の移動および前記自転とを規制する規制構造体を備える。
【００１４】
ここに実効的ピッチ角（取付角）とは、ブレード軸の自転角度（ツイスト角）に応じて変化する、ブレード軸に取付けられたブレードの各断面における相対風に対するブレード弦長線（ブレード断面の前縁と後縁を結ぶ直線）の設定角度を意味する。
【００１５】
前記ブレードが所定の遠心力になるまで、前記ブレード軸は、前記ブレードの受風面積が所定の面積以上を維持するように前記半径方向に移動し、前記ブレードが前記所定の遠心力以上の遠心力になったら、前記ブレード軸は前記半径方向の移動と共に自転をし、受風面積を減少させ、実効的ピッチ角を増加させるように前記規制構造体が形成されていることが、風の強さに応じて風力エネルギーを有効に利用することができるため好ましい。
【００１６】
ここで、所定の面積とは、最大受風面積と同程度の受風面積を維持する範囲内の面積であり、ブレードの回転数を維持する範囲内の面積をいう。所定の面積は、たとえば最大受風面積の９５〜１００％の範囲内、より好ましくは９８〜１００％の範囲内をいう。
【００１７】
前記ブレードが所定の遠心力になるまで、前記ブレード軸は前記半径方向のみに移動し、前記ブレードが前記所定の遠心力以上の遠心力になったら前記ブレード軸は前記半径方向の移動と共に自転もするように前記規制構造体が形成されていることが、風の強さに応じて風力エネルギーを有効に利用することができるため好ましい。
【００１８】
なお、本明細書において、ブレード軸が「半径方向のみ」に移動するとは、「半径方向の移動と共に自転もする」という用語との対比として用いられるものであり、ブレード軸が実質的に半径方向のみに移動する部分をいい、所定の遠心力まで風車の回転数がほとんど低下しない範囲でブレード軸がわずかに自転するものも含まれる。また、後述する実施形態では、半径方向のみに移動する部分は、直線状部として示されているが、直線状に限定されるものではなく、例えば緩やかに湾曲したもの等、本発明の目的を達成できる範囲内で他の構成を有していても構わない。
【００１９】
前記規制構造体が、前記ブレード軸の前記半径方向への移動と、前記ブレード軸の自転とを案内し、前記ブレード軸および前記ブレード軸の周囲のいずれか一方に設けられたガイド部、および、前記ブレード軸および前記ブレード軸の周囲の他方に設けられ、前記ガイド部に係合する係合部とを備えることにより、簡単な構成で規制構造体を構成することができる。
【００２０】
前記ガイド部のうち、前記ブレード軸が前記半径方向のみに移動する部分は、前記半径方向に沿った直線状部であり、前記ブレード軸が前記半径方向の移動と自転の両方をする部分は、前記直線状部に連続して形成された螺旋状部により形成され、前記直線状部の前記半径方向に沿った長さが、前記垂直軸風車の発電機の定格の回転数に相当する回転数で前記ブレードが回転するときの、前記ブレードに作用する遠心力により前記ブレード軸が前記半径方向にスライドする距離の３０〜８０％であることにより、風速の小さい場合は、ブレード軸をツイストさせることなく最大受風面積に流入する風力を利用しながら、風速が大きくなったら、ツイスト角を大きくして受風面積を小さくして風力を弱くするとともに実効的ピッチ角（取付角）を増加して失速状態に至らしめることによりブレードの過回転を抑制することができる。
【００２１】
前記回転用ハブに、前記ブレードを有するブレード軸が複数個取り付けられ、それぞれの前記ブレード軸の自転による回転角が等しくなるような同調機構が設けられていることが、ブレード軸のスライド長さが異なり、回転半径が異なることによる各ブレードのアンバランスを防止することができ、故障などを未然に防止することができるため好ましい。
【００２２】
前記ブレード軸の一端部に自在継手が接続され、前記同調機構は、前記回転用ハブの回転中心と同軸で前記回転用ハブに対して独立して回転するように設けられる同調用円盤を備え、前記同調用円盤に前記同調用円盤の中心から一定半径上に形成される第１ヒンジと、前記自在継手との間が、一定の長さのリンクにより接続される構造に形成することができる。
【００２３】
前記自在継手と前記同調用円盤上に形成される前記第１ヒンジとの間を接続するリンクが、前記自在継手から鉛直方向に延びる第１のリンクと、該第１のリンクの先端部で第２ヒンジを介して前記同調用円盤上の前記第１ヒンジとの間を水平方向に延びる第２のリンクとにより形成されることにより、前記ブレード軸の前記半径方向の短い移動に対して大きなリンク角度変化を許容できるため、場所を取らず、コンパクトに形成することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ブレードが受ける遠心力を利用してブレード軸をその軸方向に移動させながら、風力が大きくなってブレードの回転数が増すと、ブレード軸ごとブレードが自転（ツイスト）して実効的ピッチ角（取付角）が増加および受風面積が減少する構成にされると共に、風力がそれほど大きくない場合には、ブレード軸が軸方向に移動しても、ブレード軸自身は自転しない（ツイストしない）構成になっている。そのため、風力が小さい場合は、ブレード軸が遠心力によりブレード軸の軸方向に移動しても、ブレードが傾いて実効的ピッチ角（取付角）が増加してブレードの一部が失速状態に至ったり、受風面積を小さくすることなく、最大受風面積に流入する風力を効率よく利用することができる。すなわち、過回転となる回転数近くになるまでのブレードの回転数の増加に対しては、最大受風面積に流入する風を受風して効率よく風車を回転させて発電することができる。一方、過回転に近い一定の遠心力が生じたときには、例えばブレード軸とその周囲に設けられるカバーとの規制構造体によりブレード軸を自転させることができ、ブレード軸の自転と共にブレード自身も自転（ツイスト）するため、実効的ピッチ角（取付角）が増加してブレードの一部が失速状態に至り、受風面積も小さくなる。その結果、ブレードの回転数の増加はなくなり、遠心力も増加しない。そのため、従来の風車が過回転になるような強い風の場合でも、過回転の手前で安定したブレードの回転数を得ることができる。
【００２５】
換言すると、所定の風力までは、ブレード軸はその軸方向のみに移動して最大受風面積に流入する風力を受け止め、所定の風力より風力が強くなって従来過回転になるような状況になるとブレードが傾いて実効的ピッチ角（取付角）が増加してブレードの一部が失速状態に至ると同時に受風面積が小さくなり、適切な回転数で自己整合的に安定する。また、さらに一段と風力が強くなった場合は、ブレードの傾斜（ツイスト）がさらに大きくなり、極端な場合、ブレードが９０度傾斜（ツイスト）することにより、いくら強い風でも殆ど風力を受けることが無くなり、その手前で安定したブレードの回転を維持することができる。
【００２６】
請求項４に示されるような、ガイド部と係合部とで構成される規制構造体を採用すれば、ガイド部のブレード軸の軸方向の移動のみの移動長さを調整するだけで、どのような発電能力を有する発電機に対しても適用することができる。その結果、設置場所とか地形による風の強さなどに応じて、最適な風力発電機を安価に製造することができる。すなわち、発電機は出力が大きくなると急激にコストが上昇するが、ブレードは、例えば前述の非特許文献２に示されるように、アルミニウムの押出等で形成すると非常に安価に製造することができるため、風がそれ程強くない場所では、発電能力の小さい発電機で、半径の大きな風車を用いて効率良く発電することができる。また、このような発電能力の小さい発電機を数多く設置することにより、トータル的な発電コストを下げることができる。一方、強風の多い場所では、発電能力の高い発電機を用いて、できるだけ強い風を多く利用して発電することが効率的である。いずれの場合でも本発明のブレード軸の軸方向のみの移動とブレード軸の自転とを組み合せることにより、発電能力を害することなく過回転を防止することができる。
【００２７】
また、同調機構が設けられることにより、風車の回転方位角に依存するブレード表面に作用する空気力（面積力）の変動や、風車に用いられる部材の製造誤差に基づく空気力のアンバランスがあっても、ブレード軸の軸方向の移動量およびブレードの傾斜角（ツイスト角）が同調される。すなわち、複数個のブレードの１つに強い空気力を受けてブレードを傾けようとしても、他のブレードがそのような強い空気力を受けていなければ変化することは無く、全体として遠心力は変わらず、ブレードによってアンバランスな動きをすることが無い。その結果、安定した回転を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態の過回転制御部の説明図である。
【図２】本発明の風車の一実施形態の平面説明図で、４枚のブレード用の取り付け部のみが示され、１個のブレード軸はその周囲のカバー（ガイド部）を除去してツイスト無しの場合と約３７度のツイストした場合を示す図である。
【図３】図２の風車のブレードを１枚としたときの正面側から見た斜視図である。
【図４】図２の風車の受風面積を説明する図である。
【図５】実効的ピッチ角を説明する図である。
【図５Ａ】ツイスト角に対する実効的ピッチ角の関係を示す図である。
【図６】図１〜４に示される風車の風速に対するブレード回転数の関係と、その回転数に対する遠心力・ツイスト角・ブレード軸移動量の関係を示す図である。
【図７】図１〜４に示される風車のブレード部分の平面図である。
【図８】本発明に用いられるブレード形状の例示である。
【図９】バタフライ型ブレードを用いた時のツイスト角を変えた時の形状である。
【図１０】図９と同様の正面および平面説明図である。
【図１１】本発明により形成された風車の風速およびツイスト角に対する回転数の関係を示す図である（ただし、ツイスト角が０度となる直線移動部分は含まない）。
【図１２】ツイスト角と受風面積の回転数依存性を示す図である。
【図１３】過回転制御機構無しの風車（直径：３.１ｍ）の発電特性［カットアウト：１５ｍ／ｓ］を示す図である。
【図１４】過回転制御機構有りの風車（直径：３.１ｍ）の発電特性［カットアウト：７０ｍ／ｓ以上］を示す図である。
【図１５】過回転制御が有る場合と無い場合のパワーカーブの比較を示す図である。
【図１６】風速出現率をレイリー分布に従うと仮定した場合の年間発電量予測する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の垂直軸風車の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明の垂直軸風車は、図１にその要部である過回転制御部の模式化した説明図が示されるように、回転用ハブ１１（図２〜３参照）の回転中心（軸Ｃ）から半径方向に延びるように、回転用ハブ１１にブレード軸２１の一端部側が保持され、そのブレード軸２１の他端部にブレード２２（図３参照）が取り付けられている。本発明では、このブレード軸２１が、ブレード２２の回転に伴う遠心力により回転用ハブ１１の半径方向に移動し得ると共に、半径方向を軸として自転する（ツイストする）ことによりブレード２２の受風面積および実効的ピッチ角を変えられるように取り付けられている。すなわち、本発明の垂直軸風車は、ブレード軸２１の、回転用ハブ１１の半径方向への移動と自転を規制する規制構造体が設けられ、この規制構造体によりブレード軸２１の半径方向の移動および自転（ツイスト）が規制されている。図１に示される例では、ブレード２２が所定の遠心力になるまでは、ブレード軸２１は半径方向のみに移動し、ブレード２２が所定の遠心力以上の遠心力になったらブレード軸２１は半径方向の移動と共に自転もするように規制構造体が形成されている。なお、本明細書における「半径方向」とは、回転用ハブ１１の回転面における、回転用ハブ１１の回転中心から離れる方向または回転中心に近付く方向を意味する。
【００３０】
本発明の風車全体の構成が、図２に４枚のブレード２２が取り付けられるように形成された回転用ハブ１１の部分（ブレード２２は省略され、ブレード取付部２２ａのみが示されている）の平面説明図で、図３にブレード２２を１枚にした斜視説明図で、それぞれブレード軸２１が自転していない（ツイスト角が０）状態と、ブレード軸２１が約３７度自転した（以下、ツイスト角３７度という）状態で示されているように、回転用ハブ１１が、発電機３１に固定され、その回転用ハブ１１にブレード２２が適当な個数のブレード軸２１を介して取り付けられている。そして、ブレード２２が風を受けて回転することにより回転用ハブ１１が回転させられ、それにより発電機３１の中心軸が回転して発電する仕組みになっている。
【００３１】
ここに示される例では、この回転用ハブ１１に固定された２枚のフレーム１２（図１では、回転用ハブ１１が省略されているが、２枚のフレーム１２の図の下側が回転用ハブ１１に固定されている）の貫通孔１２ａ内にブレード軸２１が、回転用ハブ１１の半径方向に摺動し、かつ、半径方向を軸として回転（自転）するように保持されており、ブレード２２が風を受けると回転用ハブ１１自体が軸Ｃを中心として回転するようになっている。
【００３２】
また、上述した規制構造体は、ブレード軸２１の半径方向への移動と、ブレード軸２１の自転とを案内し、ブレード軸２１およびブレード軸２１の周囲のいずれか一方に設けられたガイド部、および、ブレード軸２１およびブレード軸２１の周囲の他方に設けられ、ガイド部に係合する係合部とを備えている。なお、ここでいうブレード軸２１の周囲とは、ブレード軸２１の周囲を完全に覆うものに限られず、ブレード軸２１の周囲の周方向、軸方向の少なくとも一部であってもよい。本実施形態では、ガイド部は、ブレード軸２１の周囲で、２枚のフレーム１２の間に設けられた、例えば円筒状に形成されたカバー１３（図１では二点鎖線で示されている）に形成されたガイド溝１３ａ（図１では、二点鎖線で外形だけ示され、ガイド溝１３ａが平面的に投影された図で示され、図２〜３では１個だけカバー１３を除去し、カバー１３の中が見えるように描かれている）として示され、係合部は、カバー１３のガイド溝１３ａに係合する、ブレード軸２１の外周から外側に突出したピン２４として示されている。
【００３３】
なお、この規制構造体は、ガイド部と係合部とが係合して、ブレード２２の回転に伴う遠心力により、ブレード軸２１が半径方向に移動し、かつ、自転するように構成されていれば、その構造は図１に示される実施形態に限定されない。したがって、例えばガイド溝がブレード軸２１側に設けられ、ピンがカバー１３の内面に設けられる構造でも良いし、また、ガイド溝とピンの嵌め合せでなくても、例えば突起部同士が接触しながらずれる構造など、種々の構造を採用することができる。図１に示される例では、ブレード軸２１にフランジ部２３が形成され、そのフランジ部２３の外周面にピン２４が形成されている。また、本実施形態では、ブレード軸２１の少なくとも一部の周囲を被覆するように、回転用ハブ１１に固定されたカバー１３が設けられているが、カバー１３は本発明においては任意であり、ガイド部または係合部を有するものであれば、カバー１３以外の他の構造であってもよい。
【００３４】
図１に示される例では、フランジ部２３と一方のフレーム１２との間でブレード軸２１を巻回するようにバネ部材のような弾性体２５が介在されている。そして、この弾性体２５のさらに周囲を被覆するように前述のカバー１３が、例えば円筒状の筒体で設けられ、このカバー１３に前述のガイド溝１３ａが形成されている。なお、図１に示される例では、その弾性体２５の他端とフレーム１２の間に、スラスト軸受２６が挿入されている。この弾性体２５は、ブレード２２の回転中心（軸Ｃ）まわりの速い回転により遠心力が大きくなってブレード軸２１が回転用ハブ１１の半径方向にスライドした後に、風力が弱くなってブレード２２の回転力が落ちたときにブレード軸２１を自動的に元に復帰させるためのものである。そのため、この弾性体２５は、図１に示されるように、圧縮バネで形成する必要は無く、中心部を刳り抜いた単なる円柱状のゴム等の弾性体でも良く、また、例えばフランジ部２３をブレード軸２１の一端側から引っ張る引張バネなど、他の形式のものでも良く、要は大きな遠心力により半径方向にスライドしたブレード軸２１が大きな遠心力が解消されたときに元に戻るような弾性体であればよい。このような弾性体２５が挿入されていることによりブレード軸２１の半径方向へのスライドは、遠心力Ｆと弾性体２５の復元力Ｑの大小関係により支配される。すなわち、遠心力Ｆが弾性体２５の復元力Ｑよりも大きな状態（Ｆ−Ｑ＞０）では、ブレード軸２１は回転中心（軸Ｃ）からの距離が大きくなるように半径方向にスライドし、逆に、遠心力Ｆが弾性体２５の復元力Ｑよりも小さい状態（Ｆ−Ｑ＜０）では、ブレード軸２１は回転中心（軸Ｃ）からの距離が小さくなるように半径方向にスライドして、遠心力Ｆと弾性体２５の復元力Ｑが同じ状態（Ｆ＝Ｑ）となった時に半径方向の移動が止まる。
【００３５】
本発明では、この規制構造体によるブレード軸２１の動きが、ガイド溝１３ａの直線部分１３ａ１と螺旋部分１３ａ２（図１では斜めの直線状に描かれているが、投影図的に描かれているためで、実際には円筒状のカバー１３に円周方向で回転すると共に軸方向にも進むようにガイド溝１３ａが形成されているため、螺旋状のガイド溝になっている）とで構成されていることに特徴がある。この直線部分１３ａ１に嵌合されるピン２４は、ブレード２２が強い風力で速く回転すると、ブレード２２が受ける遠心力も大きくなり、その遠心力によりブレード軸２１が回転用ハブ１１の半径方向にスライドするように案内されている。そして、一定の遠心力（例えば、図６では、風速１０ｍ／ｓにおける回転数１９０ｒｐｍに相当する遠心力の約４，５００Ｎ）よりも大きくなり、前述の遠心力Ｆが弾性体２５の復元力Ｑよりも大きな状態（Ｆ−Ｑ＞０）になるとピン２４は螺旋部分のガイド溝１３ａ２に進み、ブレード軸２１は半径方向に移動するのみならず、ブレード軸２１の軸中心に回転（自転）する。ブレード軸２１が自転（ツイスト）すると、ブレード２２による受風面積が小さくなるとともに実効的ピッチ角が大きくなり、強い風が吹いてもブレード２２が発生する回転力は弱くなる。その結果、遠心力Ｆと弾性体２５の復元力Ｑのバランスがとれた状態（Ｆ＝Ｑ）に至り、風速に応じて適度な回転数を維持する。
【００３６】
このブレード軸２１が自転する（ツイストする）と、受風面積が小さくなり、それに伴い実効的ピッチ角は大きくなる。ブレード軸２１がツイストすると、回転力が弱くなる理由について説明する。まず、図４（ａ）に４枚のブレード２２を有する風車の正面図（図３の手前からみた図）が示されるように、両側のブレード２２で囲まれた面積（ドットで示された部分）Ａ0が、ツイスト角０度のときの受風面積（最大状態）となる。この受風面積は、４枚のブレード２２に限らず、１枚のブレードでも軸Ｃの回りに一回転したときに掃過する部分の投影面積すなわち掃過面積で定義されている。ブレード２２はブレード軸２１に図４に示されるような構造で固定されているため、ブレード軸２１が、例えば手前に自転（ツイスト）すると、正面から見ると円形が楕円形になる。約３７度ブレード軸２１が自転したとき（ツイスト角３７度）の同様の風車の正面図が図４（ｂ）に示されている。図４（ｂ）から明らかなように、正面から見ると、ブレード２２の形が円形から楕円形になり、その分だけ風車が回転したときの投影面積も小さくなり、その面積をＡとする。この受風面積Ａは、ブレード軸２１のツイスト角をηとすると、Ａ＝Ａ0ｃｏｓηとなり、図４（ｃ）に示されるように、ツイスト角ηに応じて受風面積Ａが変わる。
【００３７】
また、ブレード軸２１がツイストすると、実効的ピッチ角θも変わり、風車の回転力を弱くする。実効的ピッチ角は、ブレード２２の各断面における相対風に対するブレード弦長線（ブレード断面の前縁と後縁を結ぶ直線）の設定角度を意味し、本発明では角度ηのツイストをしたブレード２２のある断面における前記ブレード弦長線を、その断面が回転中心軸Ｃのまわりに回転して描く軌道円を含む平面に投影した直線と前記軌道円の接線とが成す角度と定義する。例えば図５（ｃ）に示されるように、ブレード軸２１の中心からからブレード２２のある断面までの距離をｚとし、ブレード２２が角度ηだけツイストしたとすると、実効的ピッチ角θは、
【００３８】
【数１】
0006505990.tif 000002
【００３９】
で与えられる。一方、この実効的ピッチ角θが大きくなると、回転力が弱くなる理由は、例えば図５（ａ）、図５（ｂ）に、ブレード２２の一部断面が風の向きに対してその弦長線の向きを変えた状態で示されるように、図５（ａ）のように、ブレード２２の傾きが小さく、実効的ピッチ角θが小さいときは、ブレード２２は風から殆ど空力抵抗を受けることなく進むのに対して、図５（ｂ）に示されるように、ブレード２２の傾きが大きくなって、実効的ピッチ角θが大きくなると、ブレード２２から風の流れが剥離し、空力抵抗が大きくなって風車の回転力が弱くなる。その結果、ブレード２２がツイストすると、受風面積の減少と、この実効的ピッチ角θの増加との両方により、出力（回転数）が抑制される。実効的ピッチ角θは、ツイスト角に対する実効的ピッチ角の前述の式（１）に示されるように、ツイスト角ηが大きくなると、実効的ピッチ角θも大きくなるが、ｚ＝０.２７５ｍ、ｒ＝１.３８９ｍ（ｚ／ｒ＝０.２）の位置にあるブレード２２の断面が、ツイスト角ηの傾斜をしたときに形成する実効的ピッチ角をグラフ化したものが図５Ａに示されている。
【００４０】
一方、風を受けることにより、ブレード２２を回転させようとする力は、風速が大きくなると、一般に例えば図６（ａ）の制御無しの曲線（破線）に示されるように、ブレード２２が受ける力が単調に大きくなり、回転周速度ｖ（ｍ／ｓ）が増加（回転数Ｎ（ｒｐｍ）が増加）する（回転数Ｎと回転周速度ｖは比例関係がある：ｖ＝２πrＮ／６０）。従って、そのブレード２２の回転周速度ｖあるいは回転数Ｎと、ブレード２２の質量ｍと、回転中心からブレード重心までの距離ｒとにより、遠心力Ｆが、Ｆ＝ｍｖ2／ｒ＝π2ｍｒＮ2／９００より求まる。従って、図６（ｂ）に示されるように、ブレード２２の回転数Ｎ（ｒｐｍ）に対して、遠心力Ｆの値が定まる。従って、発電機の仕様により回転数が一定の値以上にならないように制御される必要があるが、本発明の規制構造体により、例えば、図６（ａ）の制御有りの曲線（実線）のように、その回転数を遠心力により制御することができる。図６（ｂ）には、ブレード２２の回転数Ｎに対する遠心力Ｆのみならず、その遠心力の増大に伴うブレード軸２１の自転によるツイスト角ηの変化例、およびそのときのブレード軸２１の半径方向の移動量ｄの変化例も示されている。
【００４１】
本発明では、この遠心力Ｆを利用した前述の規制構造体によるブレード軸２１の移動を、半径方向の直線運動と、螺旋運動により制御していることに特徴がある。すなわち、本発明では、強風地域において、あるいは強い風を有効に利用する場合には、風速が１０〜１２ｍ／ｓ程度の時の回転数Ｎに相当する遠心力になるまで、ブレード軸２１の移動を半径方向の直線運動に規制し、一方、弱風地域において、あるいは弱い風を有効に利用し設備利用率を高めて、発電単価を減少させた風力発電機とする場合には、風速が５〜７ｍ／ｓ程度の時の回転数Ｎに相当する遠心力になるまで、ブレード軸２１の移動を半径方向の直線運動に規制する。換言すると、発電機により定まる許容回転数の定格に相当する遠心力の３０〜８０％、好ましくは４０〜７０％程度、さらに換言すれば、例えば発電機で定められる定格の回転数に相当する回転数でブレードが回転するときの、ブレードに作用する遠心力によりブレード軸が半径方向にスライドする距離の３０〜８０％、好ましくは４０〜７０％程度までの長さａ（図１（ｂ）参照）を直線部分として、その距離まで半径方向のみに移動するようにガイド溝１３ａの直線部分１３ａ１が形成され、それより遠心力が大きくなると、ブレード軸２１は軸方向の移動の他にブレード軸２１のピン２４が周方向、すなわち螺旋運動をしてガイド溝１３ａに案内されることにより、ブレード軸２１がブレード軸２１の軸周りに回転するように構成されている。要するに、本発明では、軸方向のみに移動するガイド溝１３ａの直線部分１３ａ１の長さａを本発明を適用する場所の風況（期待される平均風速）あるいは有効に利用する風速の範囲に合わせて調整する。遠心力Ｆが、前記の目的で決まる所定の風速に相当する回転数の時の遠心力に至った時点で、ガイド溝１３ａがブレード軸２１の周方向、すなわち図１に示されるガイド溝１３ａの投影図での斜めの溝１３ａ２にも移動するように形成されていることにより、風力が強くなり、前記の所定の遠心力よりも大きくなると、ブレード軸２１を回転（自転）させて、受風面積を小さくし、回転力を落とすように形成されている。このブレード軸２１が自転すると受風面積が小さくなり、かつ、前述のように、実効的ピッチ角が大きくなり、回転力が落ちる理由は、前述のとおりである。
【００４２】
図１には、このような見地から、ブレード２２の遠心力が徐々に大きくなったときのカバー１３のガイド溝１３ａとブレード軸２１との相互関係を規制する規制構造体によるブレード軸２１の移動の様子が示されている。すなわち、図１（ａ）は、ブレード２２の遠心力が小さくてブレード軸２１が殆ど移動しない状態、すなわち風車が停止しているか僅かなスピードで回転している状態が示されており、勿論ツイストもない状態である。
【００４３】
次に、風速が強まり、風車ロータの回転が中速回転状態になるにつれて、遠心力の増加で、ブレード軸２１が回転用ハブ１１の半径方向外向きに移動すると、ある回転数状態では、図１（ｂ）に示されるように、遠心力Ｆが大きくなり、ブレード軸２１が遠心力により、回転用ハブ１１（図２参照）の中心軸Ｃに関して半径方向、すなわちブレード軸２１の軸方向にブレード軸２１がスライドした状態が示されている。この状態では、カバー１３に形成されるガイド溝１３ａが直線部分１３ａ１であるため、ブレード軸２１は、その軸方向のみに移動し、ブレード軸２１の周方向には移動しないように規制されている。換言すると、ガイド溝１３ａに嵌合するピン２４がガイド溝１３ａの直線部分１３ａ１に規制されて、ブレード軸２１の軸方向のみに移動する。この際、ブレード軸２１に固定されたフランジ部２３により弾性体２５が圧縮されている。すなわち、この弾性体２５の復元力Ｑと遠心力Ｆが釣り合う（Ｆ＝Ｑ）位置までブレード軸２１が移動する。
【００４４】
さらに、遠心力Ｆが弾性体２５の復元力Ｑよりも大きい状態（Ｆ＞Ｑ）が続くと、図１（ｃ）に示されるように、ガイド溝１３ａの螺旋部分１３ａ２にガイドされてブレード軸２１がブレード軸２１の軸に関して回転（ツイスト）するように規制されている。そのため、ガイド溝１３ａの螺旋状の部分１３ａ２に沿ってピン２４が移動し、これによって、ブレード軸２１はその軸周りに回転しながら軸方向にスライドする。この軸周りの回転（ツイスト）は、ブレード軸２１に取付けられたブレード２２、またはアームを回転させ、ブレード２２のツイスト角ηおよび実効的ピッチ角θに変化をもたらす。このツイスト角ηおよび実効的ピッチ角θの変化がある場合においては、弾性体２５はその軸方向に収縮すると共にブレード軸２１の周りにも回転するため、その動きを滑らかにするために、前述のように、弾性体２５とフレーム１２との間にスラスト軸受２６が挿入されている。以上のような螺旋状のガイド溝１３ａ２にピン２４が沿って動く場合でも、後述する複数の水平リンク１７は各々に結合されているブレード軸２１の一定の運動に対して一定の動きとなるため、同調用円盤１９で各水平リンク１７が結合されている場合は、全てのブレード２２のツイスト角は同じ角度だけ変化することになり、バランスのとれたツイスト角度の変化（結果としての実効的ピッチ角の変化も均一になる）を実現する。なお、ツイスト角が大きくなり、ブレード２２による受風面積が減少し、同時に実効的ピッチ角が大きくなると、前述のように、ブレード２２を回転させる回転力が弱くなり、回転数が増加を止め、遠心力Ｆも増加を止める。その結果、風速は大きくても遠心力は抑制され、弾性体２５の復元力Ｑと釣り合った位置でブレード軸２１は停止する。このようなブレード２２が自転した（ツイストした）状態が図２〜４の（ｂ）にツイスト角約３７度の状態で示されている。
【００４５】
図１に示される模式図では、さらに同調機構が示されている。この同調機構は、回転中心からブレード２２の重心までの長さが、例えばブレード２２が１つの風車で４枚ある場合に、それぞれのブレード軸２１の軸方向への伸び（移動）が同じになるようにする機構を意味している。すなわちブレード２２が複数個ある場合、風の向きに対する各ブレード２２の位置などの要因により、それぞれのブレード２２の受ける風が異なる場合がある。特に、垂直軸風車の場合には、水平軸風車と比べて、風の向きなどにより各ブレード間で受ける風が異なることが多い（例えば、一つのブレードが風上に位置するときに、風下に位置するブレードが存在する）。このように、強い風を受けたブレード２２は、瞬間的に回転力が大きくなり、その回転速度を増加させるように作用し、遠心力方向の力（ブレード表面に働く空気力による）も大きくなるが、同調機構により、他のブレード２２の回転中心からブレード２２の重心までの長さになるように同調させている。１個だけ回転中心からブレード２２の重心までの長さが長くなると、風車ロータ全体が受ける力がアンバランスになり、発電機への悪影響が大きくなるからである。
【００４６】
図１に示される例では、ブレード軸２１の一端側が自在継手１４により回転自在に保持され、その自在継手１４に垂直リンク１５が固定され、垂直リンク１５は、ヒンジ（リンク接続部）１６を介して水平リンク１７に接続され、回転用ハブ１１と同心で保持される同調用円盤１９の中心から一定の距離（同じ半径）のところに設けられる同調用円盤１９に設けられる第１ヒンジ（リンク接続部）１８に接続されている。すなわち、風車ロータ回転軸３２を回転中心軸Ｃとして、風車ロータとは独立に回転可能に同調用円盤１９が設けられ、水平リンク１７の垂直リンク１５に接続される第２ヒンジ１６までの長さは一定であり、垂直リンク１５は水平方向の位置には関係がなく、ブレード軸２１の一端部が保持される自在継手１４までの鉛直方向の長さは一定になっている（垂直リンクは常に鉛直状態を保つ）。そのため、ブレード軸２１がその軸方向にスライドすると、自在継手１４も回転用ハブ１１の半径方向に移動するが、同調用円盤１９が回転して、第２ヒンジ１６は常に自在継手の鉛直上方にある。同調用円盤１９の中心から第１ヒンジ１８までの距離と水平リンク１７の長さは一定であり、かつ同調用円盤１９の中心と第１ヒンジ１８を結ぶ直線と水平リンク１７の間の角度は同調用円盤１９の回転角で一意に決まる。したがって、回転中心軸Ｃと第２ヒンジ１６の水平距離、すなわち回転中心軸Ｃと自在継手１４の水平距離、さらには、回転中心軸Ｃからブレード２２の重心までの水平距離は同調用円盤１９の回転角で一意に決まる。
【００４７】
ブレード２２が複数枚あるならば、それと同じ数の同様な機構を用意して、それらの水平リンク１７の一端を、同一の同調用円盤１９にロータ回転軸に関して回転対称となるように結合しておけば、複数のブレード軸２１の個々に作用する遠心力に多少の相違があったとしても、同調用円盤１９の回転角は複数の機構において共通であるため、複数のブレード軸２１間で異なる動作が制限され、複数のブレード軸２１の移動量は同一となる。ブレード軸２１が軸周りに回転する場合でも、自在継手１４はブレード軸２１と同様な半径方向の移動と回転運動の両方が同時に生じるが、水平リンク１７に結合される側は、自在継手１４により回転運動が抑制されているため、この異なる２つの動きを滑らかに結合可能としている。この水平リンク１７の動きは図２（ａ）および（ｂ）から明らかなように、カバー１３を除去してあるブレード軸２１が半径方向の外向きにスライドするとき（図２（ａ））は同調用円盤１９との第１ヒンジ（リンク接続部）１８はほぼ図の真下に来ているのに対して、ツイスト角が約３７度のときの第１ヒンジ（リンク接続部）１８は、ブレード軸２１の方向に引き寄せられた位置になっている。しかも、４個のブレード軸２１に接続される水平リンク１７の全てが同じ位置関係になっており、同調が取れていることが分る。
【００４８】
次に、具体的な構造に基づいて、さらに説明する。図２〜３および図７は、４枚のブレード２２で風車が構成される例のそれぞれ、低風速状態（ツイストが無い状態）の図（ａ）と、高風速状態（約３７度のツイスト角の状態）のときの図（ｂ）で、図２は回転用ハブ１１の近傍、図３はブレード２２を１枚だけにした正面側からの斜視図であり、図７はブレード２２を主体とした平面図である。なお、図２〜３で、２２ａは、ブレード取付部を示す。
【００４９】
図８は、本発明の同調機構付過回転制御機構に適用可能な垂直軸風車のブレード形状の例を４種類示した。（ａ）は直線ブレードのスパン方向の中央部付近に水平アームを取り付けたものであり、通常Ｈ型ダリウス風車と呼ばれるものである。（ｂ）は非直線ブレードの場合であり、アームも複数本を仮定してあるが、ブレード軸との結合部が１つにまとまっていて、ブレード軸に結合できる構造であれば本過回転制御機構が適用可能となる。もちろんブレードの振動などが生じない構造であれば１本でも良い。（ｃ）はバタフライ型ブレードであるが、この場合は、アームは存在しないので、ブレードを直接ブレード軸に適当な接続部材で結合すればよい。（ｄ）はバタフライブレードの特殊な場合になるが、ブレードの概形がほとんど円形に近い場合であり、前述の非特許文献２の試作機の場合に相当する。いずれのブレード（およびアーム付構造）でも、その重心位置が、ブレード軸の延長線上にあるように取付けることが望ましい。また、いずれのブレード形状でも、ツイスト角度が生じることによって、受風面積が減少し出力の抑制効果が得られるが、加えて空力抵抗の増大効果が得られるためには、ツイスト角が０度の状態においては、ブレード型断面を持った部分が水平になっている割合が多い方が、ツイスト角が変化した場合に空力抵抗が急増するため、大きな過回転制御効果が得られやすい。この観点からは、（ｄ）の円形バタフライブレードは最適と考えられる。なお、（ａ）や（ｂ）のようなアーム部を持つ場合でも、アーム断面をブレード型としておけば、ツイスト角が０度の場合は抵抗が少なく、ツイスト角が大きくなった場合には、大きな過回転制御効果が期待できる。
【００５０】
このような円形のバタフライ型ブレードの実際の形状の例を図９〜１０に示す。すなわち、図９は、４枚のブレードが、それぞれツイスト角ηが０度、１５度、３０度、４５度の場合の斜視図であり、図１０は、それぞれ正面図（左側）と平面図（右側）で示したもので、いずれの図も（ａ）がツイスト角０度の場合、（ｂ）がツイスト角１５度、（ｃ）がツイスト角３０度、（ｄ）がツイスト角４５度の場合の形状である。
【００５１】
次に、４枚の円形バタフライ型ブレードを備えた直径約３.１ｍの垂直軸風車を想定して、本発明の同調機構付過回転制御機構が無い場合とある場合の予想出力特性の比較を行った結果を説明する。
【００５２】
ここで想定している風車の円形ブレード１つの直径は１．１ｍであり、ブレード重心は風車回転軸Ｃから約１ｍの位置にある。ブレードの材質は構造的な強度が確保できていれば特に制限はないが、ここではアルミ合金を使用することを想定し、１つのブレードの重量は１１.５ｋｇとする。図１に示されるように、ブレード軸２１の一部の周囲は円筒状のカバー１３（直径９０ｍｍ）で覆っている。図１には発電機は表示していないが、定格出力１３２０Ｗ、最大回転数（定格回転数）２７０ｒｐｍを仮定する。過回転制御機構の要素である弾性体２５としては、バネ定数が３００Ｎ／ｍｍの圧縮コイルばねとした。この場合、図６（ｂ）に示すように、回転数が２７０ｒｐｍになるとコイルばねの変位は約３０ｍｍとなり、これによるツイスト角度が約３７度になるように過回転制御機構のガイド溝１３ａの形状とした。ただし、直線部１３ａ１の長さａは１５ｍｍとしてあり、風速が約１０ｍ／ｓ以下ではピン２４は直線部にあってツイスト角度は０度のままである。風速が１０ｍ／ｓを超えた辺りからピン２４は螺旋状のガイド溝１３ａ２に沿って移動をし、ツイスト角度が生じて出力抑制が行われる仕様を想定している。
【００５３】
この規制構造体を採用してシミュレーションを行った結果、風速に対するブレード２２の回転数（ｒｐｍ）およびツイスト角η（°）に対する回転数の関係を図１１（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す。風速が大きくなって７０ｍ／ｓ近くになっても、回転数は増大せずに、定格内に収まり、風速が大きくなった場合に、発電機を停止させるという必要が無くなる。
【００５４】
図１２は特性予測に基づいて得られた、ツイスト角ηと風車の受風面積Ａの回転数依存である。回転数１９０ｒｐｍまでは、ツイスト角は０度を維持しており、それ以上の回転数になるとツイスト角度は回転数に比例して増加する。一方、受風面積はツイスト角度の増加に従って徐々に減少し、回転数２６０ｒｐｍの状態では、元の受風面積（Ａ0＝３.１５４ｍ2）に対して約１５％の減少（受風面積：Ａ＝２.６７５ｍ2）となっている。
【００５５】
図１３は過回転制御を実施しない場合の発電特性の予想である。風速１４ｍ／ｓを少し超えた風速で発電機の定格出力１３２０Ｗに到達する予測となっている。過回転制御機構が無い場合の風車は、発電機の最大回転数２７０ｒｐｍに至ると、電気ブレーキにより回転を抑制しブレードを一旦静止させることを想定している。なお、図１３において、Ｐは発電機の出力特性（発電特性）を示し、パラメータとして風速をとった曲線群は、その風速のときの風車の出力特性を示している。
【００５６】
図１４には、本発明の同調機構付過回転制御機構を動作させた場合の発電特性の予想を示す。ピン２４がガイド溝１３の直線部１３ａ１にある風速１０ｍ／ｓ以下では、風車の出力特性を示す曲線（特性曲線）は図１３の制御無しの場合とほとんど同一である。しかし、風速が１０ｍ／ｓを超えると過回転制御が機能し、各風速における風車の特性曲線の最大値は小さい値に抑制されており、風速が１５ｍ／ｓ以上になっても発電機の発電特性を示す曲線Ｐと交点（動作点）を持っている。理論予測によると、風速６７ｍ／ｓにおいても発電機の発電特性Ｐとの交点（動作点）は存在し、風車の構造的強度が強風に耐えられるならば発電を持続できる。なお、図１４には風速７０ｍ／ｓでツイスト角度が３５度の場合の風車の特性曲線を点線Ｑで示してある。この状態では風車は十分な回転力を発生できず、発電機の発電特性Ｐとの交点（動作点）は約２００ｒｐｍの低い回転数状態となっている。このことは圧縮コイルばねの特性やガイド溝の形状を調整してツイスト角度の最大値を３５度以上になるようにしておけば、７０ｍ／ｓ以上の強風状態でも過回転制御が可能であることを意味している。
【００５７】
図１５には、過回転制御のある場合Ｒと無い場合Ｓの２つの風車のパワーカーブを示す。計算の便宜のため、過回転制御有りの場合Ｒは、風速１８ｍ／ｓにおいて発電電力が一定値（９８０.８Ｗ）になると仮定した。また、風速３１ｍ／ｓ以上においては実質的に風速出現率を０とみなせるため、３１ｍ／ｓ以上の発電は行わない（Ｐ＝０）と仮定している。すなわちカットアウト風速は３１ｍ／ｓである。制御無しの場合のカットアウト風速は１５ｍ／ｓである。
【００５８】
図１６は、風速出現率がレイリー分布に従うと仮定した場合の、図１５に示したパワーカーブを有する２つの風車の年間発電量予測の比較である。年平均風速が６ｍ／ｓ以下では多少過回転制御無しＳの風車の発電量が多くなるが、その差はごくわずかである。しかし、風速７ｍ／ｓ以上では過回転制御有りＲの風車の発電量が制御無しの場合よりも多くなる。
【００５９】
したがって、例えば、極地方の平均風速が高い地域や山岳部、あるいは台風通過率の高い南方の離島などにおいては、本発明の同調機構付過回転制御機構は有効であるといえる。
【００６０】
なお、比較的穏やかな風況の場所でも、突然の強風は吹く可能性があるため、本風車を用いることは安全性の向上から安心して使用できることは言うまでもない。また、図１５のパワーカーブに見られるように、制御無しＳの風車の定格出力に対して、制御有りＲの風車は定格出力の小さい発電機の使用が可能になり、コストを低減できるメリットがある。強風対策と安全性の向上により、信頼性の高い小型風力発電機の提供が可能になると考えられる。
【符号の説明】
【００６１】
１１    回転用ハブ
１２    フレーム
１２ａ  貫通孔
１３    カバー
１４    自在継手
１５    垂直リンク
１６    第２ヒンジ
１７    水平リンク
１８    第１ヒンジ
１９    同調用円盤
２１    ブレード軸
２２    ブレード
２２ａ  ブレード取付部
２３    フランジ部
２４    ピン
２５    弾性体
２６    スラスト軸受
３１    発電機
３２    ロータ回転軸
【図１】
0006505990.tif 000003
【図２】
0006505990.tif 000004
【図３】
0006505990.tif 000005
【図４】
0006505990.tif 000006
【図５】
0006505990.tif 000007
【図５Ａ】
0006505990.tif 000008
【図６】
0006505990.tif 000009
【図７】
0006505990.tif 000010
【図８】
0006505990.tif 000011
【図９】
0006505990.tif 000012
【図１０】
0006505990.tif 000013
【図１１】
0006505990.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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