(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッチを介して垂直に連結される主従複数のロータの内、主ロータの主ロータ軸が支持枠体内に配設された発電機の上に連結され、前記主従ロータの主従ロータ軸の周囲には、先端に軸方向に傾斜する傾斜部を備えた縦長の揚力型ブレードを備え、予め定めたカットイン風速以下の時には、前記主ロータ軸と従ロータ軸間に介在する前記クラッチを切断して、前記従ロータ軸を揚力型ブレードに受ける気流により空転させ続け、風速が高まり、このロータが風力により加速回転可能な特定の周速または回転速度に達したとき、前記クラッチを接続して前記空転している従ロータ軸を回転させ、前記発電機により発電するようにし、風速が、前記カットイン風速以下となったとき、前記クラッチを再度切断して、前記従ロータ軸をこのロータが風力により加速回転可能な特定の周速または回転速度に達するまで空転させ続け、再度風速が高まり、このロータが風力により加速回転可能な特定の周速または回転速度に達したときは、前記クラッチを接続して前記従ロータ軸を回転させて発電することを繰返させることを特徴とする多段縦軸風車における風力発電方法。
【請求項２】
前記クラッチは電磁クラッチとし、前記支持枠体に、風速計を備えた平均風速判定部、回転速度センサを備えたロータ周速判定部、電磁クラッチ切替判定部、中央処理装置とを備えた制御手段を備え、予め定めたカットイン風速以下を前記平均風速判定部が判定したときは、前記制御手段により前記電磁クラッチを切断して、前記従ロータ軸を揚力型ブレードに受ける気流により空転させ続け、風速が高まり、このロータが風力により加速回転可能な特定の周速または回転速度に達したと前記ロータ周速判定部が判定したときは、前記制御手段により前記電磁クラッチを接続し、前記空転している従ロータ軸を回転させて、前記発電機により発電するようにし、風速が、前記予め定めた風速のカットイン風速以下と前記平均風速判定部が判定したとき、前記制御手段により前記電磁クラッチを再度切断して、前記従ロータ軸を、このロータが風力により加速回転可能な特定の周速または回転速度に達するまで空転させ続け、再度風速が高まり、このロータが風力により加速回転可能な特定の周速または回転速度に達したと前記ロータ周速判定部が判定したときは、前記制御手段により前記電磁クラッチを接続して前記従ロータ軸を回転させて発電することを繰返させることを特徴とする請求項1に記載の多段縦軸風車における風力発電方法。
【請求項３】
前記クラッチを、遠心力がかかるとウェイトがロータ軸の遠心方向へ移動する態様の遠心クラッチとし、風速が前記予め定めたカットイン風速である２ｍ／ｓ以下の時はウェイトが移動せず、前記特定の周速または回転速度である５ｍ／ｓに達するとウェイトが移動して遠心クラッチの従動ドラムの内壁面に接触するようにして、該遠心クラッチの上下のロータ軸の接触を、風速の高低差により断続するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の多段縦軸風車における風力発電方法。
【請求項４】
前記複数の従ロータの内、最上段の副従ロータとその下部の従ロータは１本の回転軸に配設され、共動させることを特徴とする請求項１に記載の多段縦軸風車における風力発電方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、縦主軸に上下複数段のロータを設けた多段縦軸風車における風力発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の縦長の揚力型ブレードを有するロータを備える一般的な縦軸風車は、発電機のコギングトルクや発電負荷の影響により、低風速下ではロータが効率よく回転せず、発電効率は低い。
この問題を解決するために、本願の発明者は、揚力型ブレードの上下の端部に、縦主軸方向へ向かって傾斜する傾斜部を形成し、ブレードの内側面に沿って上下方向に拡散する気流を、傾斜部で受止めて回転力を高めるとともに、揚力(推力)を増大させ、ロータが効率よく回転しうるようにした縦軸風車を開発している(例えば特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４５８４６３８号公報(図３)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の縦軸風車は、ロータの回転効率が高いので、発電が開始されるカットイン風速を低く設定しうるとともに、ロータの周速が例えば５ｍ／ｓに達すると、ブレードの上下両端部の傾斜部の作用とコアンダ効果により、ブレードに生じる揚力(推力)が増大し、ロータは風速を超える周速度に加速しながら回転するようになるため、コギングトルクや発電負荷による失速が起きにくくなり、発電効率が高まるという特徴を有している。
【０００５】
また、特許文献１の図３等に記載されているように、上下複数のロータを、１本の縦主軸に多段状に取付けると、縦主軸の回転駆動トルクが増大するので、発電効率を高めることができる。
また、縦主軸の回転駆動トルクが増大するので、縦主軸に発電容量の大きな発電機を接続して、発電効率をさらに高めることが可能となる。しかし、発電容量の大きな発電機を使用すると、そのコギングトルクや発電負荷も大となるので、弱い風速のときに、ロータの回転始動に時間を要したり、ロータが失速を起こし易くなったりすることが考えられる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、低風速下においても、複数のロータが失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電しうるようにした多段縦軸風車における風力発電方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の風力発電方法によると、上記課題は、次のようにして解決される。
（１）  クラッチを介して垂直に連結される主従複数のロータの内、主ロータの主ロータ軸が支持枠体内に配設された発電機の上に連結され、前記主従ロータの主従ロータ軸の周囲には、先端に軸方向に傾斜する傾斜部を備えた縦長の揚力型ブレードを備え、予め定めたカットイン風速以下の時には、前記主ロータ軸と従ロータ軸間に介在する前記クラッチを切断して、前記従ロータ軸を揚力型ブレードに受ける気流により空転させ続け、風速が高まり、このロータが風力により加速回転可能な特定の周速または回転速度に達したとき、前記クラッチを接続して前記空転している従ロータ軸を回転をさせ、前記発電機により発電するようにし、風速が、前記カットイン風速以下となったとき、前記クラッチを再度切断して、前記従ロータ軸をこのロータが風力により加速回転可能な、特定の周速または回転速度に達するまで空転させ続け、再度風速が高まり、このロータが風力により加速回転可能な特定の周速または回転速度に達したときは、前記クラッチを接続して前記従ロータ軸を回転させて発電することを繰返させる。
【０００８】
この方法によると、複数段のロータが予め定めた平均風速以下で回転しているときに、クラッチを切断して少なくとも一つの従ロータを空転させ、この従ロータが加速しながら効率よく回転しうる特定の平均周速または回転速度に達したときに、クラッチを接続して、常時発電機に連結されている主ロータを増速させながら、全てのロータの回転により発電することができ、かつ複数段のロータが再度予め定めた平均風速以下で回転するようになったときに、クラッチを再度切断して、少なくとも一つの従ロータが加速しながら効率よく回転しうる周速または回転速度に達するまで空転させたのち、クラッチを再度接続して、常時発電機に連結された主ロータを増速させて発電することを繰返すので、低風速下においても、主従複数のロータがコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電することができる。
【０００９】
また、複数段のロータのうちの少なくとも一つは、発電機に連係された主従ロータ軸からなる縦主軸に常時連結されているので、他のロータを空転させている間も、縦主軸に常時連結されているロータが回転している限り、発電が停止されることはない。
【００１０】
さらに、クラッチを切断すると、クラッチを介して縦主軸に連結されたロータには、発電機によるコギングトルクや発電負荷が作用しなくなり、ロータは慣性で円滑に空転し続けるので、その間に風況が少しでもよくなれば、ロータは、特定の平均周速または回転速度まで速やかに加速して効率よく回転する。
【００１１】
(２)  前記(１)項において、前記クラッチは電磁クラッチとし、前記支持枠体に、風速計を備えた平均風速判定部、回転速度センサを備えたロータ周速判定部、電磁クラッチ切替判定部、中央処理装置とを備えた制御手段を備え、予め定めたカットイン風速以下を前記平均風速判定部が判定したときは、前記制御手段により前記電磁クラッチを切断して、前記従ロータ軸を揚力型ブレードに受ける気流により空転させ続け、風速が高まり、このロータが風力により加速回転可能な特定の周速または回転速度に達したと前記ロータ周速判定部が判定したときは、前記制御手段により前記電磁クラッチを接続し、前記空転している従ロータ軸を回転させて、前記発電機により発電するようにし、風速が、前記予め定めた風速のカットイン風速以下と前記平均風速判定部が判定したとき、前記制御手段により前記電磁クラッチを再度切断して、前記従ロータ軸を、このロータが風力により加速回転可能な特定の周速または回転速度に達するまで空転させ続け、再度風速が高まり、このロータが風力により加速回転可能な特定の周速または回転速度に達したと前記ロータ周速判定部が判定したときは、前記制御手段により前記電磁クラッチを接続して前記従ロータ軸を回転させて発電することを繰返させるものとする。
【００１２】
このような構成によると、上下の端部に縦主軸方向に傾斜する傾斜部を有する揚力型ブレードは、ブレードの内面に当って上下方向へ拡散する気流を傾斜部で受け止めることにより、回転力を高めて揚力(推力)を増大させることができるので、風速が速くなるほど、コアンダ効果によりブレードに生じる揚力(推力)は増大し、ロータは加速されて効率よく回転する。そのため、このような揚力型ブレードを使用すると、空転させたロータが特定の平均周速または回転速度まで速やかに加速して回転するとともに、クラッチを接続して全てのロータの回転駆動力により発電しているときの発電効率を大幅に高めることができる。
【００１３】
また、空転しているロータが特定の平均周速または回転速度に達するまでの時間が短くなるため、発電機に常時連結されているロータを速やかに増速させて発電することができる。
【００１４】
(３) 前記(１)項において、前記クラッチを、遠心力がかかるとウェイトがロータ軸の遠心方向へ移動する態様の遠心クラッチとし、風速が前記予め定めたカットイン風速である２ｍ／ｓ以下の時はウェイトが移動せず、前記特定の周速または回転速度である５ｍ／ｓに達するとウェイトが移動して遠心クラッチの従動ドラムの内壁面に接触するようにして、該遠心クラッチの上下のロータ軸の接触を、風速の高低差により断続するようにした。
【００１５】
このような構成によると、風速の変化にともなって遠心クラッチが断続作用をするので、電磁クラッチのように、風速を検知して制御手段でクラッチを制御する必要がなく、クラッチを制御する電気的な制御手段も必要としない。
【００１６】
(４) 前記(１)〜(３)項のいずれかにおいて、前記複数の従ロータの内、最上段の従ロータとその下部の従ロータは１本の回転軸に配設され、共動させるようにする。
【００１７】
このような構成によると、最下段の主ロータを除く上位の全ての従ロータを特定の周速または回転速度に達するまで空転させて、クラッチを接続すると、上位の全ての従ロータの回転駆動力が、常時発電機に連結された最下段の主ロータに伝達される。従って、低風速下においても、最下段の主ロータを、上位の全ての従ロータによる大きな回転駆動トルクにより速やかに増速して発電することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の風力発電方法によると、低風速下においても、複数のロータが失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の方法の実施に用いられる多段縦軸風力発電装置の第１の実施形態の正面図である。
【図２】図１のII−II線における拡大横断平面図である。
【図３】図１のIII−III線における上段のロータの拡大横断平面図である。
【図４】第１の実施形態の多段縦軸風力発電装置を用いて本発明の方法を実施する際のフローチャートである。
【図５】本発明の方法の実施に用いられる多段縦軸風力発電装置の第２の実施形態の正面図である。
【図６】本発明の方法の実施に用いられる多段縦軸風力発電装置の第３の実施形態の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態においては、ブレードの回転半径１ｍ、ブレードの翼長１．２ｍのロータを備える多段縦軸風力発電装置を使用した風力発電方法について説明するが、ロータは、これに限定されないことは勿論である。
【００２１】
図１〜図３は、本発明の方法を実施するようになっている多段縦軸風力発電装置(以下、風力発電装置と略称する)の第１の実施形態を示し、この実施形態の風力発電装置１は、多段縦軸風車を構成する上下２段の縦軸型ロータ、すなわち下段の主ロータ２Ａ及び上段の従ロータ２Ｂと、発電機４と、制御手段５とを備えている。
【００２２】
主ロータ２Ａと従ロータ２Ｂは、それぞれ、水平面上において外側方を向き、かつ一直線上に並ぶ支持アーム６、６と、両支持アーム６の外端部に上下方向の中央部の内面が固着され、後述する縦主軸１４周りに回転する縦長の揚力型ブレード(以下ブレードと略称する)７、７と、外周面が両支持アーム６の内端部に固着された円筒形のハブ８、８とを備えている。支持アーム６及びブレード７は、例えば繊維強化合成樹脂により形成されている。なお、支持アーム６とブレード７とは、一体成形が可能である。
【００２３】
基礎９の上面には、平面視方形に枠組みされた上下複数(実施例では３個)の軸部支持枠１０を有する支持枠体１１が立設され、各軸部支持枠１０の内部の平面視十字形をなす軸支持杆１２の中心に圧嵌された軸受１３には、縦主軸１４の上下３箇所が、回転自在に支持されている。
【００２４】
支持枠体１１の内部に配置された主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂのハブ８、８は、縦主軸１４の上下部に、セレーション等により、相対回転不能に結合されている。なお、図２に示すように、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂにおけるブレード７の平面位相は、上下のブレード７が重ならないように、例えば円周方向(回転方向)に９０度異ならせてある。このようにすると、変化する風向きに上下のブレード７が対応して回転するので、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂは効率よく回転する。
【００２５】
主ロータ２Ａは、その回転により発電機４を駆動させうるように、主ロータ軸１４Ａに常時連結されている。主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂ間において主ロータ軸１４Ａと従ロータ軸１４Ｂとの対向間には、電磁クラッチ１５が設けられ、従ロータ２Ｂは、電磁クラッチ１５を介して、主ロータ軸１４Ａに断続可能に連結されている。
なお、電磁クラッチ１５が接続されるタイミングは、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂのブレード７の位相が９０度異なったときに行われる。この際の主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂのブレード７の回転方向の相対位相は、例えば図示しない非接触式の位置検知センサ等により検知することができる。
【００２６】
電磁クラッチ１５としては、例えば、若干滑りながら、すなわち半クラッチ状態を経て接続される公知の摩擦式のものを使用するのが好ましい。この電磁クラッチ１５により、接続時の衝撃トルクが緩和されるので、従ロータ２Ｂの回転駆動力を主ロータ軸１４Ａにスムーズに伝達することができる。
電磁クラッチ１５へは、後述する蓄電池１８に接続された給電器１６を介して給電されるようになっている。なお、蓄電池１８の電力が不足している場合には、他の電源、例えば交流１００Ｖ電源を直流に変換するなどして、電磁クラッチ１５を作動させることができる。
【００２７】
主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂのブレード７の形状は、本願の発明者が開発した、特許第４９０７０７３号公報、特開２０１１−１６９２９２号公報に記載されているブレードと実質的に同形をなしている。
すなわち、ブレード７の弦長は、ブレード７の回転半径の２０％〜５０％とされ、翼面積は大きく設定されている。
【００２８】
ブレード７における上下両端部を除く主部７Ａの横断面の形状は、図３に拡大して示すように、主部７Ａの翼厚中心線Ｃの内方と外方における翼厚を、互いに対称的にほぼ等寸とし、かつ翼厚中心線Ｃは、ブレード７の翼厚中心の回転軌跡Ｏとほぼ重なるように設定してある。
【００２９】
主部７Ａ全体の平面形は、図３に示すように、翼厚中心の回転軌跡Ｏに沿うように円弧状に湾曲され、その内側面は、前縁７Ｃの膨らみ部分から後縁７Ｄにかけて、遠心方向へ傾斜しており、後方から内側面に風が当たると、前方へ押されるようになっている。
【００３０】
前記ブレード７の主部７Ａの横断面の形状は、回転方向である前側の翼厚が厚く、後方に向かって漸次薄くなる標準翼型に近いものとされている。
【００３１】
ブレード７が、その前縁７Ｃ方向を前として回転すると、ブレード７の内外の回転半径の差によって、内側面に比して外側面の周速度が大となり、外側面に沿って後方へ通過する気流の方が、内側面におけるそれよりも高速となる。
【００３２】
そのため、ブレード７の後縁７Ｄにおいて、外側面を通過する気流の圧力は、内側面を通過する気流のそれよりも小となり、外側面におけるコアンダ効果によって、ブレード７の後縁７Ｄの外側面が、後方から前縁７Ｃ方向に押されて、ブレード７に回転方向の推力が作用し、ブレード７の回転は促進される。
【００３３】
図１及び図２に示すように、ブレード７の上下両端部には、内方、すなわち縦主軸１４方向に向かって、円弧状に傾斜する内向き傾斜部７Ｂ、７Ｂが形成されているため、ブレード７の回転に伴い、主部７Ａの内側面に沿って上下方向に拡散する気流は、内向傾斜部７Ｂにより受止めて回転力を高めることとなる。
【００３４】
また、ブレード７の主部７Ａの内外の側面に沿って上下方向へ流れる気流は、コアンダ効果により、上下の内向き傾斜部７Ｂ、７Ｂの内面及び外面に沿って、後方に向かって通過するようになるので、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂは、比較的低い風速下においても高い回転効率をもって回転する。
【００３５】
発電機４は、基礎９に設置され、その上下方向の出力軸(図示略)に縦主軸１４を構成する主ロータ軸１４Ａの下端部が連結されている。
発電機４としては、例えば、公知の単相交流発電機または三相交流発電機が使用され、発電機４により発電された電力は、整流器、電圧レギュレータ等(図示略)を有するコントローラ１７を介して、蓄電池１８に蓄電された後、蓄電池１８から外部の直流負荷電源に給電されるか、コントローラ１７から外部の交流負荷電力系統に直接給電される。
【００３６】
コントローラ１７は、発電機４からの出力発電量を調節して、蓄電池１８または直流負荷電源へ出力する電流や電圧を制御可能である。なお、発電機４は、蓄電池１８や直流負荷電源系統に直接電力を供給しうる直流発電機としてもよい。
【００３７】
制御手段５は、平均風速判定部１９と、ロータ周速判定部２０と、クラッチ切替判定部２１とを備えている。
平均風速判定部１９は、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂに向かう風の一定時間毎の平均風速を検知するための、風速検知手段である風速計２２に接続され、風速計２２により検出された平均風速は、平均風速判定部１９に入力され、制御手段５の中央処理装置(CPU)２３により演算処理される。風速が予め定めた平均風速以下であると判定された場合に、判定信号は、クラッチ切替判定部２１に出力される。なお、風速計２２による平均風速の検知時間は、例えば１０秒以下の比較的短い間隔で行うのが好ましい。
【００３８】
詳細な説明は後述するが、クラッチ切替判定部２１は、風速計２２が予め定めた平均風速以下、例えばカットイン風速である２ｍ/ｓ以下を検知した場合に、給電器１６に判定信号を出力し、給電器１６からの給電を停止して電磁クラッチ１５を切断する。これにより、従ロータ２Ｂの回転駆動力が縦ロータ軸１４Ｂに伝達されなくなるとともに、従ロータ２Ｂは空転するようになる。
また、クラッチ切替判定部２１へは、後述する回転速度検出センサ２５からロータ周速判定部２０に入力されるデータに基づいても、判定信号が出力される。
【００３９】
従ロータ２Ｂと電磁クラッチ１５との間の従ロータ軸１４Ｂには、従ロータ２Ｂの回転速度を測定するための平歯車２４が取付けられており、この平歯車２４の回転数を、回転速度検出センサ２５をもって検出することにより、従ロータ軸１４Ｂを介して従ロータ２Ｂの回転速度を検出しうるようになっている。なお、平歯車２４に代えて、縦主軸１４の外周面に、例えば１個または複数個の凸部を設けてもよい。
回転速度検出センサ２５としては、例えば磁気回転速度検出センサ、超音波回転速度検出センサ、ロータリエンコーダ等の非接触型センサが用いられる。
【００４０】
回転速度検出センサ２５により検出された縦主軸１４（１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ）の回転速度は、制御手段５のロータ周速判定部２０に入力され、入力された回転速度に基づいて、制御手段５の中央処理装置２３は従ロータ２Ｂの平均周速を演算する。すなわち、ブレード７の回転半径(ｒ)から、従ロータ２Ｂの外周の長さ(２πr)が確定されるので、その外周の長さ(２πr)に縦主軸１４の回転速度(ｒｐｍ)を乗じれば、周速(ｍ/ｓ)が得られる。上記の回転速度検出センサ２５とロータ周速判定部２０とにより、回転速度検知手段が構成される。
【００４１】
なお、従ロータ２Ｂの周速は、ブレード７の角速度を、センサにより検出することによっても求めることができる。すなわち、ブレード７の角速度(rad/s)に、その回転半径(ｒ)を乗じた値が、従ロータ２Ｂの周速となる。
【００４２】
ロータ周速判定部２０により、空転している従ロータ２Ｂの平均周速が、該従ロータ２Ｂが自力で加速して回転する特定の値(例えば５ｍ/ｓ)に達したと判定された場合には、ロータ周速判定部２０からクラッチ切替判定部２１に出力される判定信号に基づいて、給電器１６から電磁クラッチ１５に給電され、電磁クラッチ１５がＯＮすることにより、従ロータ２Ｂの回転駆動力が従ロータ軸１４Ｂを介して主ロータ軸１４Ａに伝達される。これにより、速い周速で空転している従ロータ２Ｂの回転駆動力により主ロータ２Ａの回転速度が増速させられ、平均風速が２ｍ／ｓ以下の低風速下においても、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂの回転速度が共に上昇する。従って、発電機４のコギングトルクや発電負荷により、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂが失速を起こすのが未然に防止され、効率よく発電することが可能となる。
【００４３】
次に、上記第１の実施形態に係る風力発電装置１を用いた風力発電方法について、図４に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、主ロータ２Ａと従ロータ２Ｂの回転が主ロータ軸１４Ａに伝達されるように、電磁クラッチ１５を接続し、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂの回転駆動力により発電機４を作動させている状態で、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂの平均風速を、風速計２２により測定し(Ｓ１)、その計測値に基づいて、制御手段５の平均風速判定部１９及び中央処理装置２３が、平均風速がカットイン風速である２ｍ/ｓ以下(０を含む)であるか否かを判定する(Ｓ２)。
【００４４】
平均風速がカットイン風速である２ｍ/ｓ以下と判定された場合には、制御手段５の平均風速判定部１９からクラッチ切替判定部２１に判定信号が出力され、その判定信号により、給電器１６から電磁クラッチ１５への給電が停止されることにより、電磁クラッチ１５はＯＦＦとなる(Ｓ３)。これにより、従ロータ２Ｂの回転駆動力が主ロータ軸１４Ａに伝達されなくなるとともに、従ロータ２Ｂは空転する(Ｓ４)。
【００４５】
なお、平均風速が２ｍ/ｓ以下と判定された場合に、電磁クラッチ１５をＯＦＦとして従ロータ２Ｂを空転させるのは、２ｍ/ｓ以下の低風速では、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂが発電機４のコギングトルクや発電負荷の影響を受けて失速するおそれがあり、効率よく発電することができないからである。
【００４６】
電磁クラッチ１５をＯＦＦとして、従ロータ２Ｂの回転駆動力が主ロータ軸１４Ａに伝達されなくすると、従ロータ２Ｂは抵抗なく円滑に空転し、２ｍ/ｓ以下の低風速でも、従ロータ２Ｂは失速することなく慣性で回転し続ける。従って、従ロータ２Ｂが空転している時に風況が少しでもよくなると、従ロータ２Ｂはさらに加速されて空転するようになる。
【００４７】
従ロータ２Ｂが空転しているときの平均周速を、回転速度検出センサ２５から出力されるデータに基づいて、ロータ周速判定部２０及び中央処理装置２３が測定し(Ｓ５)、従ロータ２Ｂの平均周速が例えば５ｍ／ｓに達したか否かを判定する(Ｓ６)。
【００４８】
従ロータ２Ｂの平均周速が５ｍ／ｓに達した場合には、クラッチ切替判定部２１より給電器１６に出力される給電信号により、電磁クラッチ１５がＯＮとなり(Ｓ７)、速い周速で空転している従ロータ２Ｂの回転駆動力が主ロータ軸１４Ａに伝達されて、主ロータ２Ａの回転速度が増速される(Ｓ８)。これにより、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂが失速するのが防止され、回転速度が上昇された両ロータ２、３の回転駆動トルクにより発電機４が駆動されて、効率よく発電される(Ｓ９)。なお、従ロータ２Ｂの平均周速が５ｍ／ｓに達していないと判定された場合は、ステップＳ５に戻り、引き続き従ロータ２Ｂの平均周速を測定する。
【００４９】
従ロータ２Ｂの平均周速が５ｍ/ｓに達したか否かを判定する理由は、上述した形状の揚力型ブレード７を備える縦軸型ロータにおいては、従ロータ２Ｂの平均周速が５ｍ/ｓに達すると、ブレード７の上下両端部の内向傾斜部７Ｂの作用とコアンダ効果により、ブレード７に生じる揚力(推力)が増加し、従ロータ２Ｂは、風速を超える周速に自力で加速しながら効率よく空転するからである。
【００５０】
このように、従ロータ２Ｂの平均周速が５ｍ/ｓに達し、従ロータ２Ｂが自力で加速しながら効率よく空転しているときに、電磁クラッチ１５をＯＮとして従ロータ２Ｂの回転駆動力を主ロータ軸１４Ａに伝達し、主ロータ２Ａの回転速度を増速するようにすると、低風速下において、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂが、発電機４のコギングトルクや発電負荷によって失速するおそれがなくなるので、発電効率を高めることができる。
【００５１】
なお、周速が５ｍ/ｓの場合の従ロータ２Ｂの回転速度を例示すると、周速、回転速度及び外周の長さには、前述したような関係があるので、例えばブレード７の回転半径(ｒ)を１ｍとした場合、従ロータ２Ｂの外周の長さ(２πｒ)は６.２８ｍとなる。従って、周速５ｍ/ｓを、外周の長さ６.２８ｍで割り、６０を乗じて分速に換算すれば、従ロータ２Ｂの回転速度は約４８ｒｐｍとなる。
【００５２】
主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂの回転により発電しているときに、風速計２２により再度平均風速を測定し(Ｓ１０)、平均風速判定部１９が平均風速２ｍ/ｓ以下を再度検知した場合(Ｓ１１)には、ステップＳ３に戻り、前述と同様に、電磁クラッチ１５をＯＦＦとして、再度従ロータ２Ｂを空転させる(Ｓ４)。このステップＳ３〜Ｓ１１をループ状に繰り返すことにより、発電効率を大幅に高めることができる。
【００５３】
以上説明したように、上記第１の実施形態に係る風力発電装置１を用いた風力発電方法においては、発電機４に接続された主ロータ軸１４Ａに、主ロータ２Ａを常時連結するとともに、従ロータ軸１４Ｂを、電磁クラッチ１５を介して断続可能に連結し、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂがカットイン風速である平均風速２ｍ/ｓ以下の低風速下で回転している場合に、制御手段５により電磁クラッチ１５を切断して従ロータ２Ｂを空転させ、従ロータ２Ｂが自力で加速しながら効率よく回転しうる平均周速である５ｍ/ｓに達したときに、電磁クラッチ１５を接続して、空転している従ロータ２Ｂの回転駆動力により主ロータ軸１４Ａの回転を増速させて発電するように制御し、かつ主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂが再度平均風速２ｍ/ｓ以下の低風速で回転するようになったときに、制御手段５により電磁クラッチ１５を再度切断して、従ロータ２Ｂが自力で加速しながら効率よく回転しうる平均周速である５ｍ/ｓに達するまで空転させたのち、電磁クラッチ１５を再度接続して、空転させた従ロータ２Ｂの回転駆動力により主ロータ２Ａの回転を増速させながら、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂの回転駆動力により発電するように繰り返し制御するので、低風速下においても、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂが発電機４のコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電することができる。
【００５４】
また、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂの失速が防止されるので、発電容量の大きな発電機４を使用して、より発電効率を高めることが可能となる。
【００５５】
さらに、主ロータ２Ａは、発電機４に接続された主ロータ軸１４Ａに常時連結されているので、従ロータ２Ｂが空転している間も、主ロータ２Ａが回転している限り、発電が停止されることはない。
【００５６】
次に、図５を参照して、本発明の方法の実施に用いられる風力発電装置の第２の実施形態について説明する。なお、前記第１の実施形態の風力発電装置１と同様の部材には、同じ符号を付すに止めて、詳細な説明を省略する。
【００５７】
第２の実施形態の風力発電装置は、前記第１の実施形態の従ロータ２Ｂの上方に、副従ロータ２Ｃを追加し、上下３段の縦軸型風車を備えるものとしたものである。すなわち、支持枠体１１を上方に延長して高くするとともに、その上端部に設けた軸部支持枠１０の中央に設けた軸受１３より、上下寸法を大とした縦主軸１４の上端部を回転自在に支持し、従ロータ２Ｂよりも上方の副従ロータ軸１４Ｃに、副従ロータ２Ｃを相対回転不能として取付けてある。副従ロータ２Ｃのブレード７の平面位相は、従ロータ２Ｂのブレード７に対し６０度異ならせてある。
【００５８】
最下段の主ロータ２Ａは、第１の実施形態と同様に、主ロータ軸１４Ａが発電機４に常時連結されている。中段の従ロータ２Ｂの従ロータ軸１４Ｂと最下段の主ロータ軸１４Ａは、電磁クラッチ１５を介して断続可能に連結されている。
従ロータ２Ｂの従ロータ軸と、上部の副従ロータ２Ｃの副従ロータ軸１４Ｃの間においても電磁クラッチ１５を介して断続可能に連結されている。
なお、この実施形態のような上下３段の縦軸型風車を備える場合、電磁クラッチ１５が接続されるタイミングは、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂのブレード７の位相が６０度異なったときに行われる。
【００５９】
前記従ロータ軸１４Ｂには、従ロータ２Ｂと副従ロータ２Ｃの回転速度を測定するための平歯車２４が取付けられ、この平歯車２４の回転数を、回転速度検出センサ２５により検出し、制御手段５のロータ周速判定部２０に出力されるようになっている。
【００６０】
第２の実施形態に係る風力発電装置においては、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃがカットイン風速である平均風速２ｍ/ｓ以下の低風速下で回転している場合に、制御手段５により電磁クラッチ１５を切断して、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃを空転させ、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃが自力で加速しながら効率よく回転しうる平均周速である５ｍ/ｓに達したときに、電磁クラッチ１５を接続して、空転している従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの回転駆動力により主ロータ２Ａの回転速度を増速させて発電するように制御し、かつ主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃが再度平均風速２ｍ/ｓ以下の低風速で回転するようになったときに、制御手段５により電磁クラッチ１５を再度切断して、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃが自力で加速しながら効率よく回転しうる平均周速である５ｍ/ｓに達するまで空転させたのち、電磁クラッチ１５を再度接続して、空転させた従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの回転駆動力により主ロータ２Ａの回転速度を増速させながら、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの全てのロータの回転により主ロータ軸１４Ａを回転させて発電するように繰り返し制御するようになっている。
【００６１】
第２の実施形態に係る風力発電装置においては、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの上下２段のロータを空転させるので、主ロータ２Ａを増速させる際の回転駆動トルクが増大し、主ロータ２Ａを速やかに増速させることができる。
【００６２】
なお、図５の２点鎖線で示すように、従ロータ２Ｂと副従ロータ２Ｃ間において従ロータ軸１４Ｂと副従ロータ軸１４Ｃの間にも、電磁クラッチ１５を設け、上下の電磁クラッチ１５、１５を同期して断続させるようにしてもよい。
【００６３】
このようにすると、上下の電磁クラッチ１５を切断したとき、従ロータ２Ｂと副従ロータ２Ｃとが、風速に対応して独立して抵抗なく空転するとともに、一般に地上からの高さが高いほど風速が速くなる傾向があるので、最上段の副従ロータ２Ｃは、予め定めた周速まで速やかに空転する。従って、電磁クラッチ１５を接続すると、副従ロータ２Ｃの回転駆動力が従ロータ２Ｂに伝達され、互いに加速し合って回転するので、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの回転駆動力により、最下段の主ロータ軸１４Ａを効率よく、かつ速やかに増速させて発電することができる。
【００６４】
また、上記したように、地上からの高さが高いほど風速が速く、最上段の副従ロータ２Ｃは効率よく回転するので、従ロータ２Ｂと副従ロータ２Ｃ間の従ロータ軸１４Ｂと副従ロータ軸１４Ｃ間に電磁クラッチ１５を設けて、副従ロータ２Ｃのみが空転するようにし、この副従ロータ２Ｃの回転駆動力により、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂを増速させて発電するようにしてもよい。
【００６５】
次に、図６を参照して、本発明の方法の実施に用いられる風力発電装置の第３の実施形態について説明する。なお、前記第２の実施形態の風力発電装置と同様の部材には、同じ符号を付すに止めて、詳細な説明を省略する。
【００６６】
第３の実施形態の風力発電装置においては、第２の実施形態の風力発電装置の電磁クラッチ１５に代えて、遠心クラッチ２６を用いている。図６に略示する遠心クラッチ２６は、例えば次のように構成されている。
【００６７】
すなわち、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂ間において、従ロータ２Ｂ側の従ロータ軸１４Ｂに、外周面に摩擦材を固着した複数のウエイト２７、２７を、遠心力によって半径方向外側に移動しうるように取付けるとともに、発電機４に常時連結された主ロータ２Ａ側の主ロータ軸１４Ａに、上面が閉塞された円筒形の従動ドラム２８を、内部にウエイト２７が収容されるように固着してある。
【００６８】
第３の実施形態の風力発電装置を用いて発電を行う場合、次のようにして行われる。
遠心クラッチ２６は、ウエイト２７に作用する遠心力が小さい場合、すなわち主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃがカットイン風速である平均風速２ｍ／ｓ以下の低風速で回転している場合に、ウエイト２８は従動ドラム２９の内面から離間するように設定されている。従って、平均風速が２ｍ／ｓ以下の場合には、遠心クラッチ２６は自動的に切れ、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの回転駆動力が主ロータ軸１４Ａ及び主ロータ２Ａに伝達されなくなるとともに、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃは空転することとなる。
【００６９】
また、空転している従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの平均周速が例えば５ｍ／ｓに達した場合、すなわち、５ｍ／ｓの平均周速のときの縦主軸１４の回転速度が、予め定めた値に達した場合には、ウエイト２７が遠心力により従動ドラム２８の内面に接触し、遠心クラッチ２６が自動的に接続されるように設定されている。従って、空転している従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの平均周速が例えば５ｍ／ｓに達すると、それらの回転駆動力が主ロータ２Ａ側の主ロータ軸１４Ａに伝達されて、主ロータ２Ａの回転が増速されるようになる。
【００７０】
第３の実施形態の風力発電装置においても、平均風速が２ｍ／ｓ以下の低風速になると、遠心クラッチ２６が自動的に切断されて従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃが空転し、平均周速が５ｍ/ｓに達して従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃが自力で加速しながら回転するようになると、遠心クラッチ２６が自動的に接続されて、空転している従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの回転駆動力により、主ロータ２Ａの回転が増速され、主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの全てのロータにより発電機４を駆動して発電されるようになっているので、上記実施形態と同様に、低風速下において主ロータ２Ａ、従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃが発電機４のコギングトルクや発電負荷により失速するのを未然に防止しながら、効率よく発電することができる。
【００７１】
また、機械的な遠心クラッチ２６を用いると、第１、第２の実施形態のような、電磁クラッチ１４をＯＮ、ＯＦＦ制御するための制御手段５等が不要となるので、安価な風力発電装置を提供することができる。
【００７２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、例えば次のような種々の変形や変更を施すことが可能である。
【００７３】
上記第１、第２の実施形態では、平均風速が２ｍ/ｓ以下と判定された場合に、電磁クラッチ１５をＯＦＦとして、従ロータ２Ｂまたは従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃを空転させるようにしているが、平均風速が２ｍ/ｓ以下のときの縦主軸１４の平均回転速度、または全てのロータの平均周速が予め定めた値となったときに、電磁クラッチ１５をＯＦＦとするようにしてもよい。
【００７４】
また、空転させた従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの平均周速が５ｍ/ｓに達したとき、電磁クラッチ１５をＯＮとして、主ロータ２Ａの回転を増速するようにしたが、前述したように、ロータの周速は回転速度に換算できるため、平均周速が５ｍ/ｓに達したときの従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの回転速度を回転速度センサ２５が検出したときに、電磁クラッチ１５をＯＮとして、主ロータ２Ａの回転を増速するようにすることもできる。      
【００７５】
さらに、電磁クラッチ１５をＯＦＦとする平均風速を２ｍ/ｓ以下としたが、この際の平均風速の上限値は、ブレード７の回転半径の大小に対応して適切に設定される。
例えば、ブレード７の回転半径が上記実施形態の１ｍより小さい場合には、各ロータの回転トルクが小さくなって、コギングトルクや発電負荷の影響を受けやすくなるので、電磁クラッチ１５をＯＦＦとする平均風速の上限値を２ｍ／ｓ以上に設定すればよい。
【００７６】
また、ブレード７の回転半径が１ｍより大きい場合には、ロータの回転速度が低くても、回転トルクが大となってコギングトルクや発電負荷の影響を受けにくくなるので、電磁クラッチ１５をＯＦＦとする平均風速の上限値を２ｍ/ｓ以下に設定すればよい。
【００７７】
上記実施形態では、空転している従ロータ２Ｂ、副従ロータ２Ｃの平均周速が５ｍ/ｓに達したときに、電磁クラッチ１５をＯＮとするようにしたが、この場合の平均周速の値は、ブレード７の回転半径の大小に応じて適切に設定される。
【００７８】
上記第１、第２実施形態では、最下段と上段のロータの回転駆動力を断続するのに、電磁クラッチ１５を用いているが、例えば制御手段５によりＯＮ、ＯＦＦ制御可能な電動式のアクチュエータを備える摩擦クラッチや噛合クラッチ等を用いることもできる。
【００７９】
上記実施形態では、最下段の主ロータ２Ａの主ロータ軸１４Ａを常時発電機４の連結しているが、第１の実施形態の風力発電装置の場合には、従ロータ２Ｂが連結されている従ロータ軸１４Ｂの上端部を、支持枠体１１の上部等に設置した発電機に常時連結し、主ロータ軸１４Ａを電磁クラッチ１５を介して空転させうるようにしてもよい。
【００８０】
また、第２の実施形態の風力発電装置の場合には、最上段の副従ロータ２Ｃが連結されている副従ロータ軸１４Ｃの上端部を、支持枠体１１の上部等に設置した発電機に常時連結し、最下段の主ロータ軸１４Ａと中段の従ロータ軸１４Ｂとを、電磁クラッチ１５を介して空転させうるようにするか、または、中段の従ロータ２Ｂが連結されている従ロータ軸１４Ｂの適所に、プーリやスプロケットを取り付けて、それらに接続したベルトやチェーン等の伝動手段を介して、縦主軸１４の側方に配置した発電機を駆動するようにし、最下段の主ロータ２Ａと最上段の副従ロータ２Ｃとを、電磁クラッチ１５を介して空転させうるようにしてもよい。
【００８１】
さらに、第３の実施形態の風力発電装置の場合には、最上段の副従ロータ２Ｃが連結されている副従ロータ軸１４Ｃの上端部を、支持枠体１１の上部等に設置した発電機に常時連結し、最下段の主ロータ軸１４Ａと中段の従ロータ軸１４Ｂとを、遠心クラッチ２６を介して切断し主ロータ２Ａと従ロータ２Ｂを空転させうるようにしてもよい。
【００８２】
本発明は、３段以上のロータを備える風力発電装置にも適用しうることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００８３】
１  風力発電装置
２Ａ  主ロータ
２Ｂ  従ロータ
２Ｃ  副従ロータ
４  発電機
５  制御手段
６  支持アーム
７  揚力型ブレード
７Ａ  主部
７Ｂ  内向傾斜部
７Ｃ  前縁
７Ｄ  後縁
８  ハブ
９  基礎
１０  軸部支持枠
１１  支持枠体
１２  軸支持杆
１３  軸受
１４、縦主軸（主ロータ軸、従ロータ軸、副従ロータ軸）
１４Ａ  主ロータ軸
１４Ｂ  従ロータ軸
１４Ｃ  副従ロータ軸
１５  電磁クラッチ
１６  給電器
１７  コントローラ
１８  蓄電池
１９  平均風速判定部
２０  ロータ周速判定部
２１  クラッチ切替判定部
２２  風速計(風速検知手段)
２３  中央処理装置
２４  平歯車
２５  回転速度検出センサ
２６  遠心クラッチ
２７  ウエイト
２８  従動ドラム
Ｃ  翼厚中心線
Ｏ  回転軌跡
【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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