(57)【要約】【課題】簡単な構成で風速の変化が生じても適正に対応して定格運転が可能な風車装置を提供する。【解決手段】翼１を放射状に配置した複数個の翼を周方向に配列して翼群３をなし、この翼群３が回転軸２に連結されて、風を受けて各翼１で発生する揚力により回転軸２が回転し、これにより発電機４を駆動する。このとき、翼群３の中心位置に設けられている回転軸２に翼１の一端を揺動自在に連結するとともに、翼１の中間部を揺動支持部材８を介して回転軸２に装着されたジョイント６と揺動自在に連結する。ジョイント６を上下動させることにより、翼１と回転軸２とのなす角度を調整して翼の回転半径を調整できるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射状に配置した複数個の翼を回転軸の周りに配列して翼群をなし、この翼群が回転軸に連結されて、風を受けて各翼で発生する揚力により前記回転軸が回転する風車装置において、
前記翼が前記回転軸とのなす角度を可変にする翼角度調整手段を備えたことを特徴とする風車装置。
【請求項２】
前記翼角度調整手段は、
前記回転軸に装着されて、当該回転軸の軸方向に移動可能に設けたジョイントと、
前記回転軸に固定されて、前記翼の一端を揺動自在に連結する固定支持部材と、
一端が前記ジョイントに揺動自在に連結され、他端が前記翼に揺動可能に連結された揺動支持部材と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の風車装置。
【請求項３】
前記翼角度調整手段は、
前記回転軸に固定されて、前記翼の一端を揺動自在に連結する固定支持部材と、
前記回転軸に装着されるとともに端部が前記翼に揺動自在に連結され、伸縮することにより前記翼と前記回転軸とのなす角度を可変とする伸縮部材と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の風車装置。
【請求項４】
前記翼群が、前記回転軸の軸方向に複数段設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の風車装置。
【請求項５】
前記回転軸は鉛直方向を向いていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の風車装置。
【請求項６】
放射状に配置した複数個の翼を回転軸の周りに配列して翼群をなし、この翼群が回転軸に連結されて、風を受けて各翼で発生する揚力により前記回転軸が回転し、前記翼が前記回転軸とのなす角度を可変にする翼角度調整手段を備えた風車装置と、
前記風車装置の回転軸と連結されて、当該回転軸が回転することにより駆動されて発電を行なう発電機と、
を備えることを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風を受けることにより揚力を発生する翼により回転する風車装置およびそれを用いた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、地球温暖化問題をはじめとして環境問題が大きくなる中、クリーンな風力発電が注目されている。
【０００３】
このような風力発電は、プロペラ型風車が一般的であるが、プロペラ型を代表とする水平軸風車は、風向きに合わせる制御（風向制御）が必要であるとともに、その構造上から発電機等を地表から数ｍ上、大型の場合は数十ｍ上に設置する必要があり、技術面・保守点検面で多くの課題を持っている。
【０００４】
これに対して鉛直軸型の風車は、無指向性であるため、風向制御が不要であるとともに、発電機等を地表に容易に装着可能である特徴がある。
【０００５】
このような垂直軸風車としては、大きな起動トルクを容易に得ることができるパドル風車やサポニウス風車に代表される抗力型と、高い風速比が得やすいダリウス型風車に代表される揚力型があり、高効率の垂直軸風力発電風車として揚力型の風車が有力とされている。
【０００６】
このようなダリウス型風車の代表例として、直線ダリウス型風車があり、当該風車においては、複数の直線状の翼が支持棒により、回転軸に対して平行になるように回転軸に支持されて、風を受けて翼が回転することにより、回転軸に取り付けられた発電機が回転して発電するようになっている（特許文献１参照）。
【０００７】
通常の風力発電では、発電機は所定の定格出力が設定されたものが利用され、風速と発電出力とが所定の関係をなすように運転される。
【０００８】
すなわち、風速がカットイン風速に達すると、風車が回転を開始して発電が始まる。このカットイン風速から定格風速までは、最大の出力が得られるように運転され、定格出力を超えるとこの定格値に保つように定格運転に移行する。
【０００９】
この定格運転は、風速が高速になると失速させることで発電出力を一定に保つように制御するか、または翼のピッチを可変して発電出力を一定に保つように制御する場合が多い。
【００１０】
さらに、風速が増大してカットアウト風速に達すると、強風による発電機の破壊等を防止するため発電を中止する。
【特許文献１】特開平６−３３０８４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述したように風速が大きい時には、翼の回転を失速させたり、翼のピッチ角を可変することにより定格運転を行なう場合には、風速の微妙な変化による適正な運転制御が難しいという問題があった。
【００１２】
また、翼のピッチ角可変装置は複雑な構成であり、コストが高く、故障による影響も大きいという課題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、簡単な構成で安価に風速の変化が生じても適正、かつ、容易に対応して定格運転ができるようにした風車装置およびそれを用いた風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、本発明に係る風車装置は、放射状に配置した複数個の翼を周方向に配列して翼群をなし、この翼群が回転軸に連結されて、風を受けて各翼で発生する揚力により前記回転軸が回転する風車装置において、前記翼と前記回転軸とのなす角度を可変にする翼角度調整手段を設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る風力発電装置は、放射状に配置した複数個の翼を回転軸の周りに配列して翼群をなし、この翼群が回転軸に連結されて、風を受けて各翼で発生する揚力により前記回転軸が回転し、前記翼が前記回転軸とのなす角度を可変にする翼角度調整手段を備えた風車装置と、前記風車装置の回転軸と連結されて、当該回転軸が回転することにより駆動されて発電を行なう発電機と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、所望する発電力に応じて各翼と回転軸とのなす角度を変化させることができるため、簡易な構成で安価に風速の変化が生じても適正に発電を行なうことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る風車装置およびそれを用いた風力発電装置の種々の実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、相互に同一または類似の構成部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１８】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態の説明に適用される直線ダリウス型風車装置の概略構成を示す図である。図において、複数の翼１が鉛直方向の回転軸２の周りに放射状に配置されて翼群３が形成されている。各翼１の端部は、回転軸２の上部に取り付けられた固定支持部材７に搖動自在に連結されている。また、回転軸２には、回転軸２の軸方向に移動可能なジョイント６が装着されている。ジョイント６には揺動支持部材８が連結されており、搖動支持部材８の他端は翼１の中間部に揺動可能に連結されている。なお、回転軸２の下端は土台５等に回転可能に設置されている。
【００２０】
ここで、翼１の翼弦長方向（長手方向）に垂直な断面は、中央部が膨れた翼型をしており、この翼型に入射する風の角度によって揚力が発生する。この揚力により、放射状に配置された複数の翼１が回転軸２を回転させて、当該回転軸２に連結された発電機４が駆動される。
【００２１】
また、翼１は、図２に示すように、ジョイント６が回転軸２の軸方向に移動することにより回転軸２とのなす角度が調整され、ジョイント６が図の上方に動くと翼１と回転軸２とのなす角度は大きくなり、逆にジョイント６が下方に動くと翼１と回転軸２とのなす角度は小さくなる。
【００２２】
このような構成のダリウス型風車は、図３に示すような風速に対する発電出力が得られるように運転制御される。
【００２３】
すなわち、風速がカットイン風速（発電開始風速）に達すると、風車の回転が開始して発電が始まる。このカットイン風速から定格風速までは、最大の出力が得られるように翼１と回転軸２とのなす角度を大きくして（本実施形態では、ジョイント６が最も上方に位置した状態で）運転される。
【００２４】
そして、風速がさらに大きくなって定格出力を超えると、発電機４の容量に合わせて定格値に保つように、ジョイント６の上下方向の位置を適宜制御して翼１と回転軸２とのなす角度を調整することにより定格運転に移行する。
【００２５】
例えば、翼１と回転軸２とのなす角度を小さくすると、翼１の回転半径が小さくなる。この結果、回転モーメントが小さくなって回転数が落ち、発電出力が低下する。
【００２６】
逆に、翼１と回転軸２とのなす角度を大きくすると、翼１の回転半径が大きくなるので、この結果。回転モーメントが大きくなって回転数が上昇し、発電出力が増大する。
【００２７】
なお、ジョイント６の上下動の制御は、発電出力値を制御信号として、図示しないジョイント駆動装置にフィードバックさせて行なうことが可能である。
【００２８】
風速がカットオフ風速（発電停止風速）を超えるような強風時には、翼１と回転軸２とのなす角度を可能な限り小さくして、強風による発電機４の損傷等を防止するため発電を中止する。
【００２９】
以上説明したように、翼１と回転軸２とのなす角度を制御するだけで発電出力が制御可能になり、簡易な構成で、かつ、容易に微妙な出力制御を行なうことができるようになる。
【００３０】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、図４を参照して説明する。なお、第１、第２の実施形態と同一または類似の構成に関しては、同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００３１】
上記第１の実施形態の直線ダリウス型風車は、翼群３が回転軸２の周りに逆すり鉢状に配置される構成であるが、本発明の第２の実施形態として、図４に示すように、翼群３が回転軸２の周りにすり鉢状に配置される構成とすることもできる。
【００３２】
図４に示す構成の場合は、ジョイント６が図の下方に移動すると翼１と回転軸２とのなす角度が大きくなり、上方に移動すると翼１と回転軸２とのなす角度が小さくなるため、図１に示す構成の場合とジョイント６の移動方向と翼１と回転軸とのなす角度の増減関係が逆となっている。
【００３３】
このような構成にすると、図１に示す構成の場合と同様の作用効果を奏することが可能となる。
【００３４】
さらに、第２の実施形態では、翼１の上方ほど回転半径が大きいので周速度が大きくなる。一方、一般に風速は地上（設置底面）近くでは小さく、地上高さが高くなるほど風速が大きくなる。したがって、第２の実施形態の構成が、第１の実施形態（図１）より効率的に発電を行なうことが可能になる利点がある。
【００３５】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について、図５を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一または類似の構成に関しては、同一符号を用いて重複説明を省略する。
【００３６】
先に説明した第１または第２の実施形態においては、翼１が回転軸２とのなす角度の調整は、ジョイント６を上下動させることによって行なった。これに対して、第３の実施形態では図５に示すように、揺動支持部材８に替えて伸縮制御が可能な伸縮部材９を設けて、この伸縮部材９の一端を回転軸２に装着し、他端を翼１に揺動可能に連結したものである。
【００３７】
そして、翼１と回転軸２とのなす角度を大きくするときは伸縮部材９を伸ばし、翼１と回転軸２とのなす角度を小さくするときは伸縮部材９を縮めることで、発電出力を調整する。
【００３８】
なお、第３の実施形態の変形例として、第２の実施形態（図４）のように翼群３をすり鉢状に配置する構成も可能であることはいうまでもない。
【００３９】
これにより、翼１と回転軸2とのなす角度を調整するだけで発電出力が制御可能となり、簡易な構成で、かつ、容易に微妙な出力制御を行なうことができるようになる。
【００４０】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について図６を参照して説明する。なお、第１〜第３の実施形態と同一または類似の構成に関しては、同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００４１】
これまで説明した実施形態においては、回転軸２の周りに複数の翼１を放射状に配置して翼１と回転軸２とのなす角度を調整する構成であった。
【００４２】
しかし、風車の設置状況により、風力が小さい場合もあり、このような場合に複数の風車を地上に並べて設置すると大きな設置スペースが必要となる。
【００４３】
このような場合に対応すべく、本実施形態においては、第１〜第３の実施形態の風車装置における翼群３を回転軸２の軸方向に複数段設けたものである。
【００４４】
図６はその一例で、第１の実施形態（図１）の翼群３を回転軸２の軸方向に２段取り付けたものである。このような構成にすると、風車の設置面積を替えることなく、単純に発電出力を２倍にすることが可能になる。さらに、風は地表より上方の方が速いとすれば、２倍を越える発電能力が達成される。
【００４５】
［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態について図７を参照して説明する。なお、第１〜第４の実施形態と同一または類似の構成に関しては、同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００４６】
この実施形態は、第１の実施形態（図１）の構成と第２の実施形態（図４）の構成とにおける翼群３を連結翼１０（３）で連結したものである。
【００４７】
このような構成では、連結翼１０でも回転モーメントが発生するため、風車の設置面積を替えることなく発電能力をさらに向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態の説明に適用される直線ダリウス型風車の概念構成を示す立面図である。
【図２】図１に示す直線ダリウス型風車における翼群の動きを示す立面図である。
【図３】図１に示す直線ダリウス型風車における発電出力と風速との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態の説明に適用される直線ダリウス型風車の概念構成を示す立面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の説明に適用される直線ダリウス型風車の概念構成を示す立面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態の説明に適用される直線ダリウス型風車の概念構成を示す立面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態の説明に適用される直線ダリウス型風車の概念構成を示す立面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…翼
２…回転軸
３…翼群
４…発電機
５…土台
６…ジョイント
７…固定支持部材
８…揺動支持部材
９…伸縮部材
１０…連結翼
【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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