(57)【要約】【課題】揚力風車を含む風力発電装置の発電効率をより向上させる。【解決手段】風力発電装置１は、複数のブレード２２を有する揚力風車２０と、当該揚力風車２０のブレード２２の内側に配置される回転体５０と、揚力風車２０に連結されるサンギヤ４１、回転体５０に連結されるリングギヤ４２、および回転不能に固定されるプラネタリキャリヤ４４を有する遊星歯車４０とを含み、揚力風車２０のブレード２２の内側で回転体５０を当該揚力風車２０とは逆方向に回転させることで、マグヌス効果によって揚力風車２０をより高速で回転させて発電効率をより向上させることができる。【選択図】図１
2013249758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
揚力風車と、該揚力風車に連結された発電機とを含む風力発電装置において、
前記揚力風車のブレードの内側に配置されると共に、該揚力風車とは逆方向に回転してマグヌス効果により周囲に循環を生じさせる回転体を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置において、
前記揚力風車と前記回転体とに連結されると共に、前記回転体を前記揚力風車とは逆方向かつ該揚力風車よりも低い回転速度で回転させるように構成された逆転機構を更に備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の風力発電装置において、
前記逆転機構は、前記揚力風車に連結される第１要素と、前記回転体に連結される第２要素と、回転不能に固定される第３要素とを有する遊星歯車であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の風力発電装置において、
前記回転体は、少なくとも前記揚力風車の回転停止時に抗力風車を形成すると共に回転速度の高まりに応じて円柱体を形成するように構成されていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の風力発電装置において、
前記回転体は、回転速度が所定回転速度未満である際に前記抗力風車を形成すると共に、回転速度が前記所定回転速度以上である際に前記円柱体を形成するように構成されていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の風力発電装置において、
前記回転体は、
オーバーラップ比が変化するように互いに逆方向に移動可能な２つの半円筒形ブレードと、
前記回転体の回転停止時に前記オーバーラップ比が最小になるように前記２つの半円筒形ブレードを移動させると共に、前記回転体の回転速度の高まりに応じて前記オーバーラップ比が値１になるように遠心力により前記２つの半円筒形ブレードを移動させるブレード移動機構とを含むことを特徴とする風力発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の風力発電装置において、
前記ブレード移動機構は、
前記２つの半円筒形ブレードのそれぞれを移動自在にガイドするガイド部材と、
前記２つの半円筒形ブレードを前記オーバーラップ比が最小になるように付勢する弾性体と、
前記２つの半円筒形ブレードのそれぞれに取り付けられた錘とを有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項８】
請求項２に記載の風力発電装置において、
前記逆転機構は、前記揚力風車に連結される第１要素と、前記回転体に連結される第２要素と、第３要素とを有する遊星歯車であり、
前記回転体は、
オーバーラップ比が変化するように互いに逆方向に移動可能な２つの半円筒形ブレードと、
前記遊星歯車の前記第３要素と連動し、前記回転体の回転停止時に前記オーバーラップ比が最小になるように前記２つの半円筒形ブレードを移動させると共に、前記揚力風車の回転トルクの増加に応じて前記オーバーラップ比が値１になるように前記２つの半円筒形ブレードを移動させると共に前記第３要素を回転不能に固定するブレード移動機構とを含む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、揚力風車と、当該揚力風車に連結された発電機とを含む風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の風力発電装置として、揚力風車を構成するダリウス翼と、抗力風車を構成するサボニウス翼と、ダリウス翼の回転に伴って軸線回りに回転するダリウス翼用出力回転体と、サボニウス翼の回転に伴って軸線回りに回転するサボニウス翼用出力回転体と、発電機と、ダリウス翼用出力回転体およびサボニウス翼用出力回転体と発電機とを作動連結する遊星伝動機構とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この風力発電装置において、ダリウス翼は、所定方向の風によってダリウス翼用出力回転体を軸線回りの第１方向へ回転させるように当該ダリウス翼用出力回転体に作動連結され、サボニウス翼は、上記所定方向の風によってサボニウス翼用出力回転体を軸線回りに第１方向とは反対の第２方向へ回転させるように当該サボニウス翼用出力回転体に作動連結される。また、遊星伝動機構を構成するインターナル部材、キャリヤ部材およびサン部材は、それぞれ、ダリウス翼用出力回転体、サボニウス翼用出力回転体および発電機に作動連結される。これにより、ダリウス翼の回転とサボニウス翼の回転とが加算されて発電機に入力されることから、ダリウス翼およびサボニウス翼の回転の有効利用により発電効率の向上が図られる。また、この風力発電装置では、ダリウス翼の回転始動時に、風速の如何に拘わらず当該ダリウス翼の回転を開始させるべく遊星伝動機構のサン部材に軸線回りの第２方向への起動トルクが付与される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１１３５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、サボニウス翼により構成される抗力風車の効率は、ダリウス翼により構成される揚力風車の効率に比べて低く、抗力風車による気流の乱れにより揚力風車の効率を低下させるおそれもあることから、両者を組み合わせても発電効率を充分に向上させることは困難である。
【０００５】
そこで、本発明は、揚力風車を含む風力発電装置の発電効率をより向上させることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による風力発電装置は、上記主目的を達成するために以下の手段を採っている。
【０００７】
本発明による風力発電装置は、
揚力風車と、該揚力風車に連結された発電機とを含む風力発電装置において、
前記揚力風車のブレードの内側に配置されると共に、該揚力風車とは逆方向に回転してマグヌス効果により周囲に循環を生じさせる回転体を備えることを特徴とする
【０００８】
この風力発電装置は、揚力風車のブレードの内側に配置されると共に当該揚力風車とは逆方向に回転してマグヌス効果により周囲に循環を生じさせる回転体を備える。すなわち、一様風中で回転体を回転させると、当該回転体の表面に接する空気が粘性によって引き摺られることで循環が発生し、風の流れと直交する方向における回転体の一側で風速が増加する。従って、揚力風車のブレードの内側で回転体を当該揚力風車とは逆方向に回転させることで、回転体の一側で揚力風車のブレードに向かう空気の風速をより高めることができる。そして、揚力風車から得られるパワーは風速の３乗に比例することから、この風力発電装置では、マグヌス効果によって揚力風車をより高速で回転させて発電効率をより向上させることが可能となる。
【０００９】
また、前記風力発電装置は、前記揚力風車と前記回転体とに連結されると共に、前記回転体を前記揚力風車とは逆方向かつ該揚力風車よりも低い回転速度で回転させるように構成された逆転機構を更に備えてもよい。すなわち、揚力風車の効率（パワー係数）は、一般に周速比（風車の周速／風速）が値４〜５程度である場合により高まり、マグヌス効果は、回転体の周速比（回転体の周速／風速）が値２程度である場合により良好に得ることができる。従って、マグヌス効果による風速の増加分を考慮すれば、回転体を揚力風車とは逆方向かつ当該揚力風車よりも低い回転速度で回転させることで、マグヌス効果をより良好に得ることが可能となる。
【００１０】
更に、前記逆転機構は、前記揚力風車に連結される第１要素と、前記回転体に連結される第２要素と、回転不能に固定される第３要素とを有する遊星歯車であってもよい。これにより、装置の構成を複雑化させることなく、回転体を揚力風車とは逆方向かつ当該揚力風車よりも低い回転速度で回転させると共に、揚力風車と回転体とを容易に同軸に配置することが可能となる。また、遊星歯車の第３要素を固定することで揚力風車の回転方向が自律的に定まることから、揚力風車に始動トルクを付与する必要がなくなる。更に、揚力風車のブレードの諸元に応じた最適な周速比やマグヌス効果による風速の増加分（増速比）に応じて、遊星歯車の第１要素と第２要素との間の変速比（減速比）を定めることで、広い風速域において発電効率を向上させることが可能となる。
【００１１】
また、前記回転体は、少なくとも前記揚力風車の回転停止時に抗力風車を形成すると共に回転速度の高まりに応じて円柱体を形成するように構成されてもよい。これにより、風速が揚力風車を回転させるのに充分ではない微風状態であっても、抗力風車を形成する回転体を回転させて発電機から電力を得ると共に、風力発電装置の始動性を向上させることが可能となる。そして、回転体は、回転速度が高まると円柱体（円筒体を含む）を形成することから、マグヌス効果によって揚力風車のブレードに向かう空気の風速を高めて発電効率をより向上させることができる。この結果、より広い風速域において発電効率を向上させることが可能となる。
【００１２】
更に、前記回転体は、回転速度が所定回転速度未満である際に前記抗力風車を形成すると共に、回転速度が前記所定回転速度以上である際に前記円柱体を形成するように構成されてもよい。
【００１３】
また、前記回転体は、オーバーラップ比が変化するように互いに逆方向に移動可能な２つの半円筒形ブレードと、前記回転体の回転停止時に前記オーバーラップ比が最小になるように前記２つの半円筒形ブレードを移動させると共に、前記回転体の回転速度の高まりに応じて前記オーバーラップ比が値１になるように遠心力により前記２つの半円筒形ブレードを移動させるブレード移動機構とを含むものであってもよい。これにより、２つの半円筒形ブレードを移動させるための駆動源を用いることなく、回転体を抗力風車および円柱体として機能させることが可能となる。
【００１４】
更に、前記ブレード移動機構は、前記２つの半円筒形ブレードのそれぞれを移動自在にガイドするガイド部材と、前記２つの半円筒形ブレードを前記オーバーラップ比が最小になるように付勢する弾性体と、前記２つの半円筒形ブレードのそれぞれに取り付けられた錘とを有するものであってもよい。これにより、弾性体の付勢力により２つの半円筒形ブレードをオーバーラップ比が最小になるように移動させると共に、錘に作用する遠心力により円柱体を形成するように２つの半円筒形ブレードを移動させることが可能となる。そして、弾性体による付勢力や錘の重量を調整することにより、より適正なタイミングで回転体を抗力風車から円柱体へと変形させることができる。
【００１５】
また、前記逆転機構は、前記揚力風車に連結される第１要素と、前記回転体に連結される第２要素と、第３要素とを有する遊星歯車であってもよく、前記回転体は、オーバーラップ比が変化するように互いに逆方向に移動可能な２つの半円筒形ブレードと、前記遊星歯車の前記第３要素と連動し、前記回転体の回転停止時に前記オーバーラップ比が最小になるように前記２つの半円筒形ブレードを移動させると共に、前記揚力風車の回転トルクの増加に応じて前記オーバーラップ比が値１になるように前記２つの半円筒形ブレードを移動させると共に前記第３要素を回転不能に固定するブレード移動機構とを含むものであってもよい。このような構成を採用しても、２つの半円筒形ブレードを移動させるための駆動源を用いることなく、回転体を抗力風車および円柱体として機能させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例に係る風力発電装置１の概略構成図である。
【図２】風力発電装置１を示す概略構成図である。
【図３】風力発電装置１を示す部分断面図である。
【図４】風力発電装置１の動作を説明するための模式図である。
【図５】風力発電装置１の動作を説明するための模式図である。
【図６】風車の周速比と各種風車のパワー係数との関係を示す図表である。
【図７】変形例に係るブレード移動機構５５Ｂを示す概略構成図である。
【図８】ブレード移動機構５５Ｂを示す概略構成図である。
【図９】他の変形例に係るブレード移動機構５５Ｃを示す概略構成図である。
【図１０】変形例に係る風力発電装置１Ｂを示す概略構成図である。
【図１１】他の変形例に係る風力発電装置１Ｃを示す概略構成図である。
【図１２】更に他の変形例に係る風力発電装置１Ｄを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００１８】
図１は、本発明の実施例に係る風力発電装置１を示す概略構成図である。同図に示すように、実施例の風力発電装置１は、いわゆる縦型の風力発電装置として構成されており、設置箇所に固定される基台１０と、垂直軸型の揚力風車２０と、当該揚力風車に連結された発電機３０と、揚力風車２０に連結された遊星歯車４０と、揚力風車２０と同軸に配置されると共に遊星歯車４０に連結される回転体５０とを含むものである。
【００１９】
揚力風車２０は、実施例において例えばジャイロミル型の垂直軸型風車として構成されており、基台１０に対して垂直に延在する回転軸２１と、当該回転軸２１を中心とした同心円上に等間隔に配設される複数のブレード２２とを有する。ただし、揚力風車２０は、ダリウス型風車や直線翼型風車であってもよい。発電機３０は、実施例において、アウターロータ型の誘導発電機または同期発電機であり、揚力風車２０に連結（固定）されるロータ３１と、基台１０に固定されるステータ３２とを有する。
【００２０】
遊星歯車４０は、実施例においてシングルピニオン式の遊星歯車機構であり、揚力風車２０の回転軸２１に固定される外歯歯車であるサンギヤ（第１要素）４１と、当該サンギヤ４１と同心円上に配置されると共に回転体５０に固定される内歯歯車であるリングギヤ（第２要素）４２と、サンギヤ４１に噛合すると共にリングギヤ４２に噛合する複数のピニオンギヤ４３と、複数のピニオンギヤ４３を自転かつ公転自在に保持するプラネタリキャリヤ（第３要素）４４とを有する。遊星歯車４０のギヤ比（サンギヤ４１の歯数／リングギヤ４２の歯数）は、リングギヤ４２の回転速度がサンギヤ４１の回転速度よりも低くなるように（減速されるように）定められる。また、図１に示すように、遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４は、発電機３０のステータ３２と共に基台１０に回転不能に固定され、サンギヤ４１の回転に伴って、リングギヤ４２は、当該サンギヤ４１とは逆方向に回転することになる。すなわち、遊星歯車４０は、揚力風車２０と回転体５０とに連結されると共に、回転体５０を揚力風車２０とは逆方向かつ当該揚力風車２０よりも低い回転速度で回転させる逆転機構として機能する。なお、遊星歯車４０は、ダブルピニオン式といったシングルピニオン式以外の遊星歯車であってもよい。
【００２１】
回転体５０は、抗力風車であるサボニウス型風車を形成可能な同一サイズの２つの半円筒形ブレード５１を含む。各半円筒形ブレード５１は、半円弧状の断面形状を有するブレード部５２と、ブレード部５２の軸方向における両端（図１中上端および下端）に固定された略半円形状の端板５３とを有する。ブレード部５２の内周面５２ａは、半円筒状の凹曲面として形成されて受風面として機能し、各ブレード部５２の外周面は、半円筒状の凸曲面として形成されている。そして、２つの半円筒形ブレード５１の両側の縁部同士が対向すると共にそれぞれの内周面（受風面）５２ａ同士が対向した際、２つの半円筒形ブレード５１（ブレード部５２）の外周面は、実質的に円柱面を形成する。また、実施例において、各半円筒形ブレード５１（ブレード部５２）の外周面には、ブレード部５２の軸方向に延びる溝５２ｂが複数形成されている。
【００２２】
更に、回転体５０は、２つの半円筒形ブレード５１をオーバーラップ比ＯＬが変化するように互いに逆方向に移動させるブレード移動機構５５を含む。なお、２つの半円筒形ブレード５１のオーバーラップ比ＯＬは、図１に示すように、ブレード部５２の直径を“Ｄ”とし、２つの半円筒形ブレード５１の径方向における重なり量を“ｄ”としたときに、ＯＬ＝ｄ／Ｄとして表される。従って、オーバーラップ比ＯＬは、２つの半円筒形ブレード５１の両側の縁部同士が対向した際に値１となる。実施例のブレード移動機構５５は、図１に示すように、２つの半円筒形ブレード５１の図中上側および図中下側に各１体ずつ配置されて両者を移動自在にガイドする２つのガイド部材５６と、当該２つのガイド部材５６を連結する中空軸部５７とを有する。
【００２３】
２つのガイド部材５６は、略矩形状に形成されており、それぞれの長手方向中央部に固定される中空軸部５７により互いに連結される。また、２つのガイド部材５６のうち、図１において下側に配置されるガイド部材５６は、遊星歯車４０のリングギヤ４２に固定され、中空軸部５７内には、揚力風車２０の回転軸２１が回転自在に挿通される。そして、各ガイド部材５６には、図２に示すように、中空軸部５７の軸心に対して点対称に配置されると共にそれぞれガイド部材５６の長手方向に延在する２つの第１ガイドスリット５６ａと、中空軸部５７の軸心に対して点対称に配置されると共にそれぞれ第１ガイドスリット５６ａと平行に延在する２つの第２ガイドスリット５６ｂとが形成されている。
【００２４】
図２において右上側に位置する第１ガイドスリット５６ａには、一方の半円筒形ブレード５１の端板５３の一端（半円筒形ブレード５１すなわちブレード部５２の弦の延在方向における端部、図中右端）に固定された連結ピン５４ａが摺動自在に差し込まれ、図２において左上側に位置する第２ガイドスリット５６ｂには、当該一方の半円筒形ブレード５１の端板５３に固定されたガイドピン５４ｂが摺動自在に差し込まれる。また。図２において左下側に位置する第１ガイドスリット５６ａには、他方の半円筒形ブレード５１の端板５３の一端（弦の延在方向における端部、図中左端）に固定された連結ピン５４ａが摺動自在に差し込まれ、図２において右下側に位置する第２ガイドスリット５６ｂには、当該他方の半円筒形ブレード５１の端板５３に固定されたガイドピン５４ｂが摺動自在に差し込まれる。これにより、２つの半円筒形ブレード５１は、それぞれ対応する第１および第２ガイドスリット５６ａ，５６ｂの延在方向（ブレード部５２の弦の延在方向）に沿って移動自在となる。
【００２５】
更に、上記一方の半円筒形ブレード５１に固定された連結ピン５４ａには、引張バネ５８の一端が固定され、当該引張バネ５８の他端は、ガイド部材５６と中空軸部５７との固定部の近傍に固定される。同様に、上記他方の半円筒形ブレード５１に固定された連結ピン５４ａには、引張バネ５８の一端が固定され、当該引張バネ５８の他端は、ガイド部材５６と中空軸部５７との固定部の近傍に固定される。また、各半円筒形ブレード５１には、図３に示すように、上述のガイド部材５６、中空軸部５７および引張バネ５８と共にブレード移動機構５５を構成する錘５９が取り付けられる。実施例において、錘５９は、中空軸部５７の軸方向において対向する２つの連結ピン５４ａ同士の間（一端側）に位置するように各半円筒形ブレード５１に固定される。
【００２６】
半円筒形ブレード５１に固定された連結ピン５４ａは、引張バネ５８により中空軸部５７に向けて引っ張られ、それに伴って半円筒形ブレード５１に固定されたガイドピン５４ｂは、それぞれ対応する第２ガイドスリット５６ｂの外側端部（中空軸部５７から遠い側の端部）と当接する（図２における実線参照）。これにより、２つの半円筒形ブレード５１に外力が加えられない場合、当該２つの半円筒形ブレード５１は、図２において実線で示すように、第１および第２ガイドスリット５６ａ，５６ｂの延在方向（半円筒形ブレード５１の弦の延在方向）に沿って互いに離間し、両者のオーバーラップ比ＯＬが最小（実施例では、例えば値０．５程度）となる。すなわち、ブレード移動機構５５を構成する各引張バネ５８は、２つの半円筒形ブレード５１をオーバーラップ比が最小になるように、すなわち抗力風車であるサボニウス型風車を形成するように付勢する。
【００２７】
これに対して、各引張バネ５８の付勢力とは逆向きの外力が２つの半円筒形ブレード５１に作用すると、２つの半円筒形ブレード５１は、対応する引張バネ５８の付勢力に抗して第１および第２ガイドスリット５６ａ，５６ｂの延在方向に沿って互いに逆方向に移動する。そして、各半円筒形ブレード５１の移動に伴い、端板５３に固定されたガイドピン５４ｂは、それぞれ対応する第２ガイドスリット５６ｂの内側端部（中空軸部５７に近い側の端部）と当接する（図２における破線参照）。こうして各ガイドピン５４ｂが対応する第２ガイドスリット５６ｂの内側端部と当接した際、２つの半円筒形ブレード５１は、図２において二点鎖線で示すように正対する。これにより、２つの半円筒形ブレード５１のオーバーラップ比が値１となり、両者は、実質的に円柱体を形成することになる。
【００２８】
次に、上述のように構成される風力発電装置１の動作について説明する。
【００２９】
風力発電装置１の回転、すなわち揚力風車２０および回転体５０の回転が停止している際には、回転体５０を構成する２つの半円筒形ブレード５１に外力が加えられないことから、当該２つの半円筒形ブレード５１は、図４に示すように、ブレード移動機構５５の各引張バネ５８により付勢されて抗力風車であるサボニウス型風車を形成する。これにより、風力発電装置１の周囲で図４に示すような一様な風が吹いた場合には、風速が揚力風車２０を回転させるのに充分ではない微風状態であっても、抗力風車を形成する回転体５０を回転させると共に、遊星歯車４０の作用により揚力風車２０を回転体５０とは逆方向に回転させることができる。従って、微風状態であっても、抗力風車としての回転体５０と揚力風車２０との双方によりロータ３１を回転させて発電機３０から電力を得ることができる。そして、風力発電装置１の周囲で揚力風車２０を回転させるのに充分な風が吹き出した際には、抗力風車を構成する回転体５０と揚力風車２０との双方が速やかに回転を開始することから、風力発電装置１の始動性を向上させることが可能となる。
【００３０】
一方、風力発電装置１の周囲における風速が高まり、回転体５０（遊星歯車４０のリングギヤ４２）の回転速度が高まっていくと、各半円筒形ブレード５１に取り付けられた錘５９に作用する遠心力が増加する。従って、各半円筒形ブレード５１は、回転体５０の回転速度の高まりに応じて、対応する引張バネ５８の付勢力に抗してブレード移動機構５５のガイド部材５６の長手方向すなわち第１および第２ガイドスリット５６ａ，５６ｂの延在方向に沿って互いに離間するように移動し、それに伴って２つの半円筒形ブレード５１のオーバーラップ比ＯＬが値１に近づいていく。そして、回転体５０（遊星歯車４０のリングギヤ４２）の回転速度が引張バネ５８のバネ定数や錘５９の重量や取付半径等に応じた所定回転速度に達すると、図５に示すように、各半円筒形ブレード５１に固定されたガイドピン５４ｂが対応する第２ガイドスリット５６ｂの内側端部と当接し、２つの半円筒形ブレード５１は、実質的に円柱体を形成することになる。
【００３１】
これにより、揚力風車２０の複数のブレード２２の内側で円柱体を形成する回転体５０は、当該揚力風車２０とは逆方向に回転してマグヌス効果により周囲に循環を生じさせる円柱体として機能することになる。すなわち、一様風中で円柱体を形成する回転体５０が回転すると、当該回転体５０の表面に接する空気が粘性によって引き摺られることで循環が発生し、風の流れと直交する方向における回転体５０の一側（図５における下側）で風速が増加する。従って、揚力風車２０のブレード２２の内側で回転体５０を当該揚力風車２０とは逆方向に回転させることで、回転体５０の一側で揚力風車２０のブレード２２に向かう空気の風速をより高めることができる。そして、揚力風車２０から得られるパワーは風速の３乗に比例し、循環の発生に起因した回転体５０の他側（図５における上側）における風速低下の影響は比較的少ないことから、風力発電装置１では、マグヌス効果によって揚力風車２０をより高速で回転させ、より広い風速域において発電効率を向上させることが可能となる。また、上記実施例のように、回転体５０を構成する各半円筒形ブレード５１（ブレード部５２）の外周面に複数の溝５２ｂを形成することで円柱体を形成する回転体５０の表面で空気が粘性によって引き摺られ易くなるので、より良好に循環を発生させてマグヌス効果を増大化させることによって揚力風車２０の各ブレード２２に向かう空気の風速をより良好に高めることができる。
【００３２】
また、回転体５０が円柱体を形成している状態で風速が低下すると、各半円筒形ブレード５１に取り付けられた錘５９に作用する遠心力が減少する。従って、各半円筒形ブレード５１は、回転体５０の回転速度の低下に応じて、対応する引張バネ５８の付勢力によりブレード移動機構５５のガイド部材５６の長手方向すなわち第１および第２ガイドスリット５６ａ，５６ｂの延在方向に沿って互いに接近するように移動する。これにより、２つの半円筒形ブレード５１のオーバーラップ比ＯＬが小さくなり、両者は、再度サボニウス型風車を形成することになる。
【００３３】
ここで、風速を“Ｖ”とし、揚力風車２０の角速度を“ωｏ”とし、揚力風車２０の回転半径を“ｒｏ（図４参照）”とし、揚力風車２０の周速比を“λｏ”とし、抗力風車を形成する際の回転体５０の角速度を“ωｉ”とし、抗力風車を形成する際の回転体５０の回転半径を“ｒｉ（図４参照、最大でＤ−ｄ／２、）”とし、抗力風車を形成する際の回転体５０の周速比を“λｉ”とし、揚力風車２０の回転により抗力風車を形成する回転体５０への風速Ｖ’がＶ′＝ ηＶ（ただし、“η”は値１未満の係数である）に減少すると仮定すれば、
ｒｉ・ωｉ／Ｖ′：ｒｏ・ωｏ／Ｖ＝λｉ：λｏ  …（１）
という関係が成立し、式（１）を整理することにより、揚力風車２０と抗力風車を形成する際の回転体５０との回転比｜ωｏ／ωｉ｜は、
｜ωｏ／ωｉ｜＝λｏ／λｉ／η・ｒｉ／ｒｏ  …（２）
と表すことができる。
【００３４】
また、図６に、風車の周速比（風車の周速／風速）と揚力風車や抗力風車のパワー係数（効率）との関係を示す。同図に示すように、抗力風車であるサボニウス型風車のパワー係数は、周速比（λｉ）が値１程度である場合により高まり、ジャイロミル型風車やダリウス風車といった揚力風車のパワー係数は、周速比（λｏ）が値４〜５程度である場合により高まる。従って、図６に示す揚力風車や抗力風車の特性と式（２）とから、揚力風車２０と抗力風車を形成する際の回転体５０との回転比｜ωｏ／ωｉ｜が、４・η・ｒｉ／ｒｏ〜５・η・ｒｉ／ｒｏ程度の値である場合に、揚力風車２０と抗力風車を形成する回転体５０とにより構成される複合風車の効率が最高効率により近づくと考えられる。
【００３５】
一方、マグヌス効果は、円柱体を形成する回転体５０の周速比（回転体５０の周速／風速Ｖ）が値２程度である場合（ｒｉ・ωｉ：Ｖ′＝２：１である場合）により良好に得らえることが知られている。従って、マグヌス効果が最も良好に得られる際の円柱体を形成する回転体５０の周速比を値２とし、マグヌス効果による風速の増速比を値２．０（Ｖ＝２・Ｖ）とすれば、
λｉ：λｏ＝ｒｉ・ωｉ／Ｖ′：ｒｏ・ωｏ／（２・Ｖ）
＝ｒｉ・ωｉ／（η・Ｖ）：ｒｏ・ωｏ／（２・Ｖ）＝２：λｏ  …（３）
という関係が成立し、式（１）を整理することにより、マグヌス効果が最も良好に得られる際の揚力風車２０と円柱体を形成する際の回転体５０との回転比｜ωｏ／ωｉ｜は、
｜ωｏ／ωｉ｜＝λｏ／η・ｒｉ／ｒｏ  …（４）
と表すことができる。従って、図６に示す揚力風車の特性と式（４）とから、揚力風車２０と抗力風車を形成する際の回転体５０との回転比｜ωｏ／ωｉ｜が、４・η・ｒｉ／ｒｏ〜５・η・ｒｉ／ｒｏ程度の値である場合に、マグヌス効果によって揚力風車２０の効率をより良好に高められると考えられる。
【００３６】
これらを踏まえれば、遊星歯車４０のギヤ比（サンギヤ４１の歯数／リングギヤ４２の歯数）は、揚力風車２０と回転体５０との回転比｜ωｏ／ωｉ｜が４・η・ｒｉ／ｒｏ〜５・η・ｒｉ／ｒｏ程度の値となるように定められるとよく、係数ηの値を考慮すれば、例えば揚力風車２０と回転体５０との回転比｜ωｏ／ωｉ｜が値４．５程度となるように定められると好ましい。
【００３７】
以上説明したように、実施例の風力発電装置１は、揚力風車２０のブレード２２の内側に配置されると共に当該揚力風車２０とは逆方向に回転してマグヌス効果により周囲に循環を生じさせる円柱体を形成する回転体５０を含む。すなわち、揚力風車２０のブレード２２の内側で円柱体を形成する回転体５０を当該揚力風車２０とは逆方向に回転させることで、回転体５０の一側で揚力風車２０のブレード２２に向かう空気の風速をより高めることができる。そして、揚力風車２０から得られるパワーは風速の３乗に比例することから、風力発電装置１では、マグヌス効果によって揚力風車２０をより高速で回転させて発電効率をより向上させることが可能となる。
【００３８】
また、実施例の風力発電装置１は、揚力風車２０と回転体５０とに連結されると共に、回転体５０を揚力風車２０とは逆方向かつ当該揚力風車２０よりも低い回転速度で回転させるように構成された逆転機構としての遊星歯車４０を更に含む。上述のように、揚力風車２０の効率（パワー係数）は、一般に周速比（λｏ）が値４〜５程度である場合により高まり、マグヌス効果は、回転体５０の周速比（λｉ）が値２程度である場合により良好に得ることができる。従って、マグヌス効果による風速の増加分を考慮すれば、回転体５０を揚力風車２０とは逆方向かつ当該揚力風車２０よりも低い回転速度で回転させることで、マグヌス効果をより良好に得ることが可能となる。
【００３９】
更に、上記実施例のように、逆転機構として、揚力風車２０に連結されるサンギヤ（第１要素）４１と、回転体５０に連結されるリングギヤ（第２要素）４２と、回転不能に固定されるプラネタリキャリヤ（第３要素）４４とを有する遊星歯車４０を用いれば、風力発電装置１の構成を複雑化させることなく、回転体５０を揚力風車２０とは逆方向かつ当該揚力風車２０よりも低い回転速度で回転させると共に、揚力風車２０と回転体５０とを容易に同軸に配置することが可能となる。また、遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４を固定することで揚力風車２０の回転方向が自律的に定まることから、揚力風車２０に始動トルクを付与する必要がなくなる。更に、揚力風車２０のブレード２２の諸元に応じた最適な周速比やマグヌス効果による風速の増加分（増速比）に応じて、遊星歯車４０のギヤ比（サンギヤ４１とリングギヤ４２の間の減速比）を定めることで、広い風速域において発電効率を向上させることが可能となる。
【００４０】
また、上記実施例において、回転体５０は、少なくとも揚力風車２０の回転停止時すなわち回転速度が所定回転速度未満である際に抗力風車を形成すると共に、回転速度が高まって当該所定回転速度以上になると円柱体を形成するように構成されている。これにより、風速が揚力風車２０を回転させるのに充分ではない微風状態であっても、抗力風車を形成する回転体５０を回転させて発電機３０から電力を得ると共に、風力発電装置１の始動性を向上させることが可能となる。そして、回転体５０は、回転速度が高まると円柱体を形成することから、マグヌス効果によって揚力風車２０のブレード２２に向かう空気の風速を高めて発電効率をより向上させることができる。この結果、より広い風速域において発電効率を向上させることが可能となる。
【００４１】
更に、上記実施例において、回転体５０は、オーバーラップ比ＯＬが変化するように互いに逆方向に移動可能な２つの半円筒形ブレード５１と、回転体５０の回転停止時にオーバーラップ比ＯＬが最小になるように２つの半円筒形ブレード５１を移動させると共に、回転体５０の回転速度の高まりに応じてオーバーラップ比ＯＬが値１になるように遠心力により２つの半円筒形ブレード５１を移動させるブレード移動機構５５とを含む。これにより、２つの半円筒形ブレード５１を移動させるための駆動源を用いることなく、回転体５０を抗力風車および円柱体として機能させることが可能となる。
【００４２】
更に、ブレード移動機構５５は、２つの半円筒形ブレード５１のそれぞれを移動自在にガイドするガイド部材５６と、２つの半円筒形ブレード５１をオーバーラップ比ＯＬが最小になるように付勢する弾性体としての引張バネ５８と、２つの半円筒形ブレード５１のそれぞれに取り付けられた錘５９とを有する。これにより、引張バネ５８の付勢力により２つの半円筒形ブレード５１をオーバーラップ比ＯＬが最小になるように移動させると共に、錘５９に作用する遠心力により円柱体を形成するように２つの半円筒形ブレード５１を移動させることが可能となる。そして、引張バネ５８による付勢力や錘５９の重量を調整することにより、より適正なタイミングで回転体５０を抗力風車から円柱体へと変形させることができる。
【００４３】
なお、遠心力を利用して２つの半円筒形ブレード５１を移動させる上述のブレード移動機構５５の代わりに、風力発電装置１に対して、図７に示す変形例に係るブレード移動機構５５Ｂを適用してもよい。同図に示すブレード移動機構５５Ｂは、２つの半円筒形ブレード５１を介して互いに対向するように配置される２つの押圧リンク機構５５０を含むものである。各押圧リンク機構５５０は、基端同士が回動自在に連結（ピン結合）される２つのアーム部材５５１と、２つのアーム部材５５１を両者の遊端同士が離間するように付勢する圧縮バネ５５２と、各アーム部材５５１の遊端に回動自在に連結（ピン結合）されるローラ支持部材５５３と、同心円上に等間隔に並ぶようにローラ支持部材５５３により回転自在に支持される複数のローラ５５４と、一端が２つのアーム部材５５１の連結部に回動自在に連結（ピン結合）されると共に他端が遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４（第３要素）に回動自在に連結（ピン結合）される連結ロッド５５５とを有する。各押圧リンク機構５５０は、少なくとも１つのローラ５５４が対応する半円筒形ブレード５１の外周面と当接すると共に回転体５０の回転に連れ回らないように基台１０に対して回転不能に固定（対地固定）される。
【００４４】
また、ブレード移動機構５５Ｂも、上記ガイド部材５６と同様の構成を有して２つの半円筒形ブレード５１をオーバーラップ比ＯＬが変化するように移動自在にガイドする図示しないガイド部材と、２つの半円筒形ブレード５１をオーバーラップ比が最小になるように、すなわち抗力風車であるサボニウス型風車を形成するように付勢する上記引張バネ５８と同様の図示しない引張バネ（弾性体）とを有する。そして、このようなブレード移動機構５５Ｂの適用に際して、遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４は、基台１０に固定されず、サンギヤ４１またはリングギヤ４２の何れか一方に連れ回る。
【００４５】
上述のブレード移動機構５５Ｂが適用された風力発電装置１の回転、すなわち揚力風車２０および回転体５０の回転が停止している際、遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４には回転トルクが伝達されず、連結ロッド５５５にも力が作用しないことから、各押圧リンク機構５５０の各アーム部材５５１は、圧縮バネ５５２により遊端すなわちローラ支持部材５５３同士が離間するように付勢される。従って、２つの半円筒形ブレード５１は、図７に示すように、図示しない引張バネにより付勢されて抗力風車であるサボニウス型風車を形成する。これにより、風力発電装置１の周囲の風速が揚力風車２０を回転させるのに充分ではない微風状態であっても、抗力風車を形成する回転体５０を回転させて発電機３０から電力を得ると共に、風力発電装置１の始動性を向上させることが可能となる。
【００４６】
そして、抗力風車としての回転体５０の回転トルクが揚力風車２０の回転トルクよりも大きければ、遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４は、回転体５０、すなわち当該回転体５０に連結されたリングギヤ４２に連れ回る。従って、抗力風車としての回転体５０の回転トルクが揚力風車２０の回転トルクよりも大きければ、各押圧リンク機構５５０の２つのアーム部材５５１の基端は、連結ロッド５５５により回転体５０の中心に向けて引っ張られ、それにより、各アーム部材５５１は、圧縮バネ５５２により遊端すなわちローラ支持部材５５３同士が離間する状態に維持される。
【００４７】
これに対して、風速の増加に伴って揚力風車２０の回転トルクが回転体５０の回転トルクよりも大きくなると、遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４は、揚力風車２０すなわち当該揚力風車２０に連結されたサンギヤ４１に連れ回り、回転体５０とは逆方向に回転することになる。これにより、各押圧リンク機構５５０の２つのアーム部材５５１の基端は、連結ロッド５５５により回転体５０の中心から離間するように押し出され、各アーム部材５５１は、圧縮バネ５５２の付勢力に抗して遊端すなわちローラ支持部材５５３同士が接近するように基端の周りに回動する。この結果、各半円筒形ブレード５１は、対応するローラ支持部材５５３の移動に伴ってローラ５５４により押圧され、図示しないガイド部材５６の長手方向に沿って移動する。
【００４８】
そして、揚力風車２０の回転トルクと回転体５０の回転トルクとの差が所定値以上になると、２つの半円筒形ブレード５１は、図８に示すように、それぞれ２つのローラ支持部材５５３（ローラ５５４）により挟まれて実質的に円柱体を形成することになる。また、２つの半円筒形ブレード５１が図８に示すように実質的に円柱体を形成すると、ローラ支持部材５５３により回転自在に支持された複数のローラ５５４が各半円筒形ブレード５１の外周面上を転動するようになり、各連結ロッド５５５の移動が規制される。従って、回転体５０の回転は許容される一方で、各連結ロッド５５５の移動が規制されることで遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４が回転不能に固定（ロック）されることになる。これにより、揚力風車２０の複数のブレード２２の内側で円柱体を形成する回転体５０当該揚力風車２０とは逆方向に回転させ、マグヌス効果によって揚力風車２０のブレード２２に向かう空気の風速を高めて発電効率をより向上させることができる。
【００４９】
また、回転体５０が円柱体を形成している状態で風速が低下し、揚力風車２０の回転トルクが回転体５０の回転トルクよりも小さくなると、遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４は、回転体５０、すなわち当該回転体５０に連結されたリングギヤ４２に連れ回るようになる。従って、揚力風車２０の回転トルクが回転体５０の回転トルクよりも小さくなると、各押圧リンク機構５５０の２つのアーム部材５５１の基端は、連結ロッド５５５により回転体５０の中心に向けて引っ張られ、それにより、各アーム部材５５１は、圧縮バネ５５２により遊端すなわちローラ支持部材５５３同士が離間するように基端の周りに回動させられる。これにより、２つの半円筒形ブレード５１は、図示しない引張バネにより付勢されて再度サボニウス型風車を形成することになる。
【００５０】
このように、ブレード移動機構５５Ｂは、遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４と連動し、回転体５０の回転停止時にオーバーラップ比が最小になるように２つの半円筒形ブレード５１を移動させると共に、揚力風車２０の回転トルクの増加に応じてオーバーラップ比が値１になるように２つの半円筒形ブレード５１を移動させると共に遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４を回転不能に固定するものである。従って、ブレード移動機構５５Ｃを採用しても、２つの半円筒形ブレード５１を移動させるための駆動源を用いることなく、回転体５０を抗力風車および円柱体として機能させることが可能となる。
【００５１】
更に、上述のブレード移動機構５５，５５Ｂの代わりに、風力発電装置１に対して、図９に示す他の変形例に係るブレード移動機構５５Ｃを適用してもよい。同図に示すブレード移動機構５５Ｃは、上記ガイド部材５６と同様の構成を有して２つの半円筒形ブレード５１をオーバーラップ比ＯＬが変化するように移動自在にガイドする図示しないガイド部材と、当該ガイド部材によるガイド方向に沿って２つの半円筒形ブレード５１を接近離間（移動）させる電動式あるいは電磁式のアクチュエータ（直動アクチュエータ）５５６と、基台側に設置された送電ユニット５５７と直動アクチュエータ５５６に付設された受電ユニット５５８とを含む非接触式の給電装置５５９とを有するものである。このようなブレード移動機構５５Ｃを採用しても、回転体５０を抗力風車および円柱体として機能させることが可能となる。
【００５２】
図１０は、変形例に係る風力発電装置１Ｂを示す概略構成図である。なお、以下の説明において、上述の風力発電装置１に関連して説明した要素等と同一の要素等には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。図１０に示す風力発電装置１Ｂは、上述の風力発電装置１におけるアウターロータ型の発電機３０をインナーロータ型の発電機３０Ｂに置き換えたものに相当する。風力発電装置１Ｂにおいて、揚力風車２０の回転軸２１は、遊星歯車４０のサンギヤ（第１要素）４１に固定されると共に、発電機３０Ｂのロータ３１に固定される。また、遊星歯車４０は、図１０中上方に配置され、遊星歯車４０のリングギヤ（第２要素）４２は、ブレード移動機構５５を構成する２つのガイド部材５６のうちの図中上方に配置される一方に固定される。更に、遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４は、揚力風車２０を囲むように配置される固定部材４５を介して基台１０に固定される。
【００５３】
このように構成される風力発電装置１Ｂにおいても、回転体５０は、少なくとも揚力風車２０の回転停止時すなわち回転速度が所定回転速度未満である際に抗力風車を形成すると共に、回転速度が高まって所定回転速度以上になると円柱体を形成する。従って、風速が揚力風車２０を回転させるのに充分ではない微風状態であっても、抗力風車を形成する回転体５０を回転させて発電機３０Ｂから電力を得ると共に、風力発電装置１Ｂの始動性を向上させることが可能となる。そして、回転体５０は、回転速度が高まると円柱体を形成することから、マグヌス効果によって揚力風車２０のブレード２２に向かう空気の風速を高めて発電効率をより向上させることができる。この結果、より広い風速域において発電効率を向上させることが可能となる。また、風力発電装置１Ｂに対しても、上述のブレード移動機構５５Ｂやブレード移動機構５５Ｃを適用し得ることはいうまでもない。
【００５４】
図１１は、他の変形例に係る風力発電装置１Ｃを示す概略構成図である。同図に示す風力発電装置１Ｃは、図１等に示す風力発電装置１の回転体５０を軸方向に延びる複数の溝５２ｂを外周面に有する円柱体（円筒体を含む）５０Ｃに置き換えたものに相当する。また、図１２は、図１０に示す風力発電装置１Ｂの回転体５０を軸方向に延びる複数の溝５２ｂを外周面に有する円柱体（円筒体を含む）５０Ｄに置き換えたものに相当する。これらの風力発電装置１Ｃ，１Ｄにおいても、揚力風車２０のブレード２２の内側で回転体５０Ｃまたは５０Ｄを当該揚力風車２０とは逆方向に回転させることで、回転体５０Ｃまたは５０Ｄの一側で揚力風車２０のブレード２２に向かう空気の風速をより高めることができる。そして、揚力風車２０から得られるパワーは風速の３乗に比例することから、風力発電装置１Ｃ，１Ｄにおいても、マグヌス効果によって揚力風車２０をより高速で回転させて発電効率をより向上させることが可能となる。
【００５５】
また、風力発電装置１Ｃ，１Ｄも、揚力風車２０と回転体５０Ｃまたは５０Ｄとに連結されると共に、回転体５０Ｃまたは５０Ｄを揚力風車２０とは逆方向かつ当該揚力風車２０よりも低い回転速度で回転させるように構成された逆転機構としての遊星歯車４０を含むので、回転体５０Ｃまたは５０Ｄを揚力風車２０とは逆方向かつ当該揚力風車２０よりも低い回転速度で回転させることで、マグヌス効果をより良好に得ることが可能となる。更に、風力発電装置１Ｃ，１Ｄにおいても、逆転機構として、揚力風車２０に連結されるサンギヤ（第１要素）４１と、回転体５０に連結されるリングギヤ（第２要素）４２と、回転不能に固定されるプラネタリキャリヤ（第３要素）４４とを有する遊星歯車４０が用いられるので、風力発電装置１の構成を複雑化させることなく、回転体５０Ｃまたは５０Ｄを揚力風車２０とは逆方向かつ当該揚力風車２０よりも低い回転速度で回転させると共に、揚力風車２０と回転体５０Ｃまたは５０Ｄとを容易に同軸に配置することが可能となる。また、遊星歯車４０のプラネタリキャリヤ４４を固定することで揚力風車２０の回転方向が自律的に定まることから、揚力風車２０に始動トルクを付与する必要がなくなる。更に、揚力風車２０のブレード２２の諸元に応じた最適な周速比やマグヌス効果による風速の増加分（増速比）に応じて、遊星歯車４０のギヤ比（サンギヤ４１とリングギヤ４２の間の減速比）を定めることで、広い風速域において発電効率を向上させることが可能となる。
【００５６】
ここで、実施例や変形例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。すなわち、上記実施例等では、揚力風車２０と当該揚力風車に連結された発電機３０，３０Ｂとを含む風力発電装置１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄが「風力発電装置」に相当し、揚力風車２０のブレード２２の内側に配置されると共に当該揚力風車２０とは逆方向に回転してマグヌス効果により周囲に循環を生じさせる回転体５０，５０Ｃ，５０Ｄが「回転体」に相当し、遊星歯車４０が「逆転機構」および「遊星歯車」に相当し、オーバーラップ比が変化するように互いに逆方向に移動可能な２つの半円筒形ブレード５１が「半円筒形ブレード」に相当し、ブレード移動機構５５，５５Ｂ，５５Ｃが「ブレード移動機構」に相当する。
【００５７】
ただし、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載された発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載された発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。すなわち、実施例はあくまで課題を解決するための手段の欄に記載された発明の具体的な一例に過ぎず、課題を解決するための手段の欄に記載された発明の解釈は、その欄の記載に基づいて行なわれるべきものである。
【００５８】
以上、実施例を用いて本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施例に何ら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において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、風力発電装置の製造産業において利用可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ  風力発電装置、１０  基台、２０  揚力風車、２１  回転軸、２２  ブレード、３０，３０Ｂ  発電機、３１  ロータ、３２  ステータ、４０  遊星歯車、４１  サンギヤ、４２  リングギヤ、４３  ピニオンギヤ、４４  プラネタリキャリヤ、４５  固定部材、５０，５０Ｃ，５０Ｄ  回転体、５１  半円筒形ブレード、５２  ブレード部、５２ａ  内周面、５２ｂ  溝、５３  端板、５４ａ  連結ピン、５４ｂ  ガイドピン、５４ｂ  各ガイドピン、５５，５５Ｂ，５５Ｃ  ブレード移動機構、５６  ガイド部材、５６ａ  第１ガイドスリット、５６ｂ  第２ガイドスリット、５７  中空軸部、５８  引張バネ、５９  錘、５５０  押圧リンク機構、５５１  アーム部材、５５２  圧縮バネ、５５３  ローラ支持部材、５５４  ローラ、５５５  連結ロッド、５５６  直動アクチュエータ、５５７  送電ユニット、５５８  受電ユニット、５５９  給電装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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