(57)【要約】      （修正有）【課題】微風から強風までの広範囲の風速に対応し、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垂直型水力発電システムおよびその制御方法を提供する。【解決手段】垂直型風力発電システム１５は、垂直型ブレード１、複同心円状に配置された複数の直線翼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、回動手段９、回転角制御装置、回転角度テーブル１４、風速検出手段１７、回転数検出手段１８、風向検出手段１９、回転抑止トルク可変手段、発電機コントローラ（回転数制御手段）、パワーコントローラ、結合部２４、とを備えている。また、流速分布付加装置により発電効率の高い回転角度に流速を集中させて発電効率を大幅に向上させる。【選択図】図１
2017120050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心円状に少なくとも内周側と外周側の２列以上の円周上に配置された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またはフレームと、前記ポールまたは前記フレーム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を有し、
前記垂直型ブレードの最大出力を発生する時の回転数または周速比において、外周側に配置された前記垂直型ブレードの前記回転数または周速比に対して、内周側に配置された前記垂直型ブレードの前記回転数または周速比が段階的に小さくなる構成としたことを特徴とする垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項２】
前記垂直型ブレードは、内周側の円周上に配置された前記直線翼のソリディティー（翼直径における円周の長さと翼弦長×翼枚数の比率）に対して、外周側の円周上に配置された前記直線翼のソリディティーを段階的に大きくしたことを特徴とする請求項１記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項３】
風又は水の流速と、垂直型ブレードの回転速度である周速に対する向流速との合成となる相対流速と、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て、
前記垂直型ブレードの回転面内において、前記直線翼の前記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制御する回転角制御装置と、
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、前記流速を検出する流速検出手段と、
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、
前記流速、前記回転数または周速比、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直線翼の前記回転角制御装置を用い、同心円状に少なくとも内周側と外周側の２列以上の円周上に配置された複数の前記直線翼おいて、全ての前記直線翼または特定の同心円上の前記直線翼のみ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制御することを特徴とする垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項４】
２重または３重の同心円上に配置された複数の前記直線翼を有した前記垂直型ブレードにおいて、最内周または最外周以外の前記直線翼のみ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制御することを特徴とする請求項３に記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項５】
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またはフレームと、前記ポールまたは前記フレーム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、前記ポールまたは前記フレームに固定または前記垂直型ブレードの流入面側に個別に設置され、前記垂直型ブレードに流入する風又は水に所望の流速分布を生じさせる流速分布付加装置とを備えたことを特徴とする垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項６】
前記流速分布は、前記垂直型ブレードへの風または水の流入面と直交する長方形断面において、前記垂直型ブレードの直径の３０％〜８５％となる略中心部分の領域の流速または前記直線翼のブレード回転角度における１２０度から２５０度の領域の流速を上げ、それ以外の分割領域の流速を低下させるとともに、流束を上げた前記領域の中心位置と前記垂直型ブレードの回転中心との前記流入面と直交する方向のずれは、前記垂直型ブレードの直径の０％±３０％の範囲とすることを特徴とする請求項５記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項７】
前記垂直型ブレードへの風または水の流速を検出する流速検出手段および／または流入角度を検出する流入角度検出装置とを有し、前記流速分布付加装置は、複数の流速制御手段により構成され、風または水の流速および前記垂直型ブレードへの前記流入角度に応じて前記流速分布のパターンを可変とすることを特徴とした請求項５又は請求項６記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項８】
前記流速分布は、前記垂直型ブレードへの風または水の流入面と直交する長方形断面において、流量、流速、前記垂直型ブレードの回転数または周速比、流入角度のいずれか一つ以上の条件に応じて、前記垂直型ブレードの直径の３０％〜８５％となり、かつ略中心部に限定されない任意の断面の領域の流速を上げ、それ以外の領域の流速を低下させることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項９】
前記流速制御手段は、前記流速制御手段に対して回動またはスライドする流束分布制御部により前記流速分布を可変とすることを特徴とした請求項７又は請求項８のいずれかに記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項１０】
前記直線翼の前記相対角度、前記流速分布を、前記流速、前記流入角度、および前記周速比のいずれか一つ以上の条件に応じて可変とすることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項１１】
前記流速分布付加装置により、風または水の流れの方向における前記垂直型ブレードの投影面積に対して、前記垂直型ブレードに流入する風または水の流入面積を大きくしたことを特徴とする請求項５及び、請求項１から請求項１０のいずれかに記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項１２】
前記流速分布付加装置により、風または水を前記垂直型ブレードに流入させる前記流入面積を、風または水の流量または水の流速に応じて可変とすることを特徴とする請求項１１記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項１３】
２重または３重の同心円上に配置された複数の前記直線翼を有した前記垂直型ブレードにおいて、すべてまたは特定の同心円上の前記直線翼のみ、前記垂直型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回転トルクが低減する角度に制御することを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項１４】
相対角度調整モードを有し、前記流速、前記回転数または前記周速比、前記ブレード回転角度に応じた前記直線翼における前記相対角度の角度調整を行い、発電効率が最大となる前記相対角度の所定固定角度または前記回転角度テーブルを作成することを特徴とする請求１から請求項１３のいずれかに記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項１５】
風または水の前記流速検出手段と、前記垂直型ブレードの前記回転数検出手段を用い、前記相対角度調整モードにおいて、前記直線翼を１枚ごとに前記相対角度調整を行い、前記流速、前記回転数または前記周速比、前記発電効率または出力特性の関係を取得し、それぞれの前記直線翼を最大出力となる前記相対角度に自動的に調整することを特徴とする請求項１４記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項１６】
出力検査モードを有し、記憶された前回の前記発電効率または発電量などの出力特性と定期的に比較し発電状態を把握するとともに、予め設定した出力特性の変化量を超えた場合は前記相対角度調整モードを実施することで定期的に前記相対角度のメンテナンスを行うことを特徴とする請求項１４又は請求項１５記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項１７】
前記フレームに、前記垂直型ブレードに流入した風または水の前記流速を増加させる流速加速機構を備えたことを特徴とした請求項１から請求項１６のいずれかに記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項１８】
前記流速加速機構は、風または水の通過する流路幅を狭くすることを特徴とする請求項１７記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項１９】
前記フレームのそれぞれ独立した空間に前記垂直型ブレードを２機搭載し、それぞれの回転方向が逆回転となるように前記垂直型ブレードを構成する前記直線翼の前記前縁および前記後縁の方向および前記相対角度を設定したことを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれかに記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項２０】
前記垂直型ブレードの回転に伴い揚力および抗力より発生する水平面内のＸＹ平面におけるＸ方向の発生力とＹ方向の発生力により前記フレームに作用する力が、それぞれ相殺されて最小になるようにそれぞれの前記直線翼を配置した構成としたことを特徴とする請求項１９記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項２１】
前記垂直型ブレードに流入する風または水の前記流速または流量が必要以上に大きい場合は、前記相対角度を制御し発電効率を低下させるか、前記流速分布付加装置により前記垂直型ブレードに流入する前記流速または前記流量を低減させる構成としたことを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれかに記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システム。
【請求項２２】
風又は水の流速と、垂直型ブレードの回転速度である周速に対する向流速との合成となる相対流速と、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て、前記垂直型ブレードの回転面内において、前記直線翼の前記相対角度をそれぞれ独立して回動可能に構成し、
前記相対角度を制御する回転角制御装置と、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、前記流速を検出する流速検出手段と、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、前記流速、前記回転数または周速比、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用い、
前記回転角度テーブルをもとに前記直線翼の前記回転角制御装置を用い、同心円状に少なくとも内周側と外周側の２列以上の円周上に配置された複数の前記直線翼おいて、全ての前記直線翼または特定の同心円上の前記直線翼のみ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制御することを特徴とする垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムにおける制御方法。
【請求項２３】
前記請求項３に記載の垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムにおける、回転角制御装置。
【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風力発電システム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。
また、流体を風から水とすることにより、本技術の応用分野を水力発電の分野に拡大できるものである。
【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少なく、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（回転エネルギー変換効率）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（Ｎ−ｍ）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では、特許文献１の図５および０００７段落に示されるように、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。
【０００７】
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。
さらには、特許文献３では特許文献３の図１に示すように、ロータ４に複数のブレードを搭載することで起動特性を改善する構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４５１４５０２号公報
【特許文献２】特開２００６−１５２９２２号公報
【特許文献３】特開２００５−９０３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した従来の垂直型風力発電システムは、どのような設計条件（ソリディティー、迎角と揚力および抗力との関係、ブレードの取り付け角の条件、周速比との関係）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、同心円状に配置する場合の回転トルクとソリディティー、周速比、風速、迎角との関係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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
また、特許文献３では、同心円状に２重となるブレードを構成し起動特性を改善する提案がなされており、起動特性が改善するとともに高速回転時においても回転力を大きくすることができると述べている。しかしながら、どのような構成にすれば起動特性が改善するのか、あるいはなぜ起動特性が改善するかについては全く述べられておらず、ソリディティー、回転数、風速などとの関係による理論的な考察がされていない。
本来、起動特性を改善するためには、ブレードのソリディティー、配置、相対角度などが必須の検討要因となり、その要素を抜きに起動特性の改善は困難となる。また同様に、高速回転時に回転トルクを増すかどうかについてもブレードのソリディティー、配置、相対角度などが必須の検討要因となるが、この点に関する考察も一切述べられていない。
【００１５】
単に、同心円状に２重にブレードを構成してもソリディティーや周速比および風速を考慮しなければ顕著な起動特性および高速回転時の発電効率の改善は実現できない。起動特性および高速回転時の特性改善には、揚力および抗力などのブレードの翼型特性、ブレードのサイズ、ブレードの枚数、ソリディティーおよびブレードの相対角度が大きな要因であり、それらすべてを考慮したブレード構成が必須の要件となり、この点を考慮しなければ起動特性および発電効率の大幅な改善は実現できない。
特許文献３に述べられている構成では、起動特性がわずかに変化することはあっても、通常回転時や高速回転時には、内側のブレードが抵抗となり逆に発電効率が大幅に低下することになり、起動特性および発電効率の大幅な改善などの望んでいる効果は得られない。
【００１６】
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、平均風速において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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
ブレードの起動特性に関しては、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、同心円状に構成されたブレードとそれぞれのブレードを様々な風況や風速において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。
【００２６】
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。さらには、流入する風のエネルギーの強度分布を風速およびブレードの回転数により変化させることで一層エネルギー変換効率の高い垂直型風力発電システムの実現が可能となる。
また、風力発電システムの場合、上記のように流体は空気となるが、流体を水と置き換えて、水力発電システムとして、同様に考えることができる。
【００２７】
空気と水の主な流体物性値を比較すると、空気の密度は、１ａｔｍ、２０℃にて１．２０５(ｋｇ／ｍ３)、粘度は２５℃（粘度は圧力依存性無し）１．８２Ｅ−５（Ｐａｓ）、動粘度は（粘度）／（密度）＝１．５１０３７３Ｅ−５（ｍ２／ｓ）とし、水の密度は、１ａｔｍ、２５℃にて９９７．０４ｋｇ／ｍ３、粘度は１ａｔｍ、２５℃にて８．９Ｅ−４（Ｐａｓ、動粘度は（粘度）／（密度）＝８．９２６４２２Ｅ−７（ｍ２／ｓ）となる。
このことから、（空気の動粘度）／（水の動粘度）＝１６．９２０２５となる。
【００２８】
また、レイノルズ数ＲｅはＲｅ＝（速度）（代表長）／（動粘度）より、同じ翼型で相対速度が同じならレイノルズ数は、水が空気の１７倍ほど大きくなる。レイノルズ数が大きいほど翼型特性は良化していく（揚力係数が大きくなる）ため、流速が同じなら水中の風車のほうが空気中の風車よりも回転エネルギー変換効率（パワー係数）が大きくなる。
従って、水中と空気中のエネルギー変換効率は、密度、動粘度、レイノルズ数、流速（風速）を考慮した演算が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明に係る垂直型風力発電システムおよび水力発電システムは、上記した課題を解決するために、同心円状に配置された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を有し、外側の円周上に配置された前記垂直型ブレードの前記直線翼に対して内側側の円周上に配置された前記垂直型ブレードの前記垂直翼が最大出力を発生する回転数が段階的に小さくなる構成を備えている。あるいは、外側の円周上に配置された前記垂直型ブレードの前記直線翼に対して内側側の円周上に配置された前記垂直型ブレードの前記垂直翼が最大出力を発生する周速比が段階的に小さくなる構成を備えている。
【発明の効果】
【００３０】
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、同心円状に配置された垂直型ブレードの直線翼を外周部から内周部に向かって低回転速で最大出力を発生する翼構成、ソリディティー、迎角または相対角度とすることで、垂直型ブレードの外周部において垂直型ブレードの回転エネルギーに変換されずにそのまま内部を通過する風の流速エネルギーを再度回転エネルギーに変換することができ、起動時や２ｍ／ｓ前後の微風時は勿論のこと、６ｍ／ｓ程度の中速レベルや、１２ｍ／ｓ程度の強風速レベルにおいても垂直型風力発電システムの発電効率を大幅に向上させることが可能となる。
【００３１】
特に、同心円状に配置された垂直型ブレードの直線翼の外周部に対して内周部に向かうにつれて低回転速で最大出力を発生する翼構成、ソリディティーおよび迎角とすることで、起動時、微風時または低回転速時に外周部の垂直型ブレードを通過して垂直型ブレードの中心部分流れ込む空気の流れのエネルギーを再び回転エネルギーに変換することが可能となり、起動特性に優れ、１０ｒｐｍ程度から下の低回転時および３ｍ／ｓ以下の微風時の起動特性を大幅に改善することが可能となる。
【００３２】
また、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、中速レベルや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、ブレードに流入する風のエネルギーの分布を風速またはブレードの回転数に応じて変化させることにより一層の発電効率の向上を実現できる。
【００３３】
一方、強風速レベルにおいては、ブレードに流入する風の流量を減らしたり、緻密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、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。また、同心円状のブレードにおいて、特定の同心円上のブレードのみ逆向きの回転トルクを発生するように相対角度の調整を行うことで強風時のブレードの回転数増大または暴走を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【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２】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ある。
【図３Ａ】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３Ｂ】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３Ｃ】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５Ａ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムにおける垂直型ブレードの同心円状の配置構成を示した模式図である。
【図５Ｂ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムにおける垂直型ブレードの同心円状の配置構成を示した模式図である。
【図５Ｃ】実施形態１に係る垂直型風力発電システムにおける垂直型ブレードの同心円状の配置構成を示した模式図である。
【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７】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８】実施形態１に係る垂直型風力発電システムのブレード回転角度を定義するゾーンのおよび回転角度テーブルの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における回転角度調整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における回転角度調整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における回転角度調整の一例を示した図である。
【図１０】実施形態１に係るゾーン番号とＣＰとの関係の一例およびピッチ角調整における周速比とＣｐとの関係の一例を図示した図である。
【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１２Ａ】実施形態２に係る垂直型水力発電システムの構成を示した模式図である。
【図１２Ｂ】実施形態２に係る垂直型水力発電システムの構成を示した模式図である。
【図１２Ｃ】実施形態２に係る垂直型水力発電システムの構成を示した模式図である。
【図１２Ｄ】実施形態２に係る垂直型水力発電システムの構成を示した模式図である。
【図１３】実施形態２に係る垂直型水力発電システムの垂直型ブレードの構成を示した模式図である。
【図１４】実施形態２に係る流速分布付加条件を示した図である。
【図１５】実施形態２に係る、高速域での流速分布付加の効果を示した図である。
【図１６】実施形態２に係る、中速域での流速分布付加の効果を示した図である。
【図１７】実施形態２に係る、低速域での流速分布付加の効果を示した図である。
【図１８】実施形態２に係る、高速域での回転トルクの改善効果を示した図である。
【図１９】実施形態２に係る、低速域での回転トルクの改善効果を示した図である。
【図２０】実施形態３に係る垂直型水力発電システムの構成を示した模式図である。
【図２１Ａ】実施形態４に係る垂直型水力発電システムにおける低周速比での最適構成を示した図である。
【図２１Ｂ】実施形態４に係る垂直型水力発電システムにおける低周速比での最適構成を示した図である。
【図２１Ｃ】実施形態４に係る垂直型水力発電システムにおける低周速比での最適構成を示した図である。
【図２１Ｄ】実施形態４に係る垂直型水力発電システムにおける低周速比での最適構成を示した図である。
【図２２】実施形態４に係る垂直型水力発電システムの流速分布の効果を示した図である。
【図２３】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２４】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２５】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】
【００３５】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者が「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。
【００３６】
ブレードを同心円状に２重に配置するにしても、単に２重に並べただけで、起動特性および高速回転時の特性改善には、揚力および抗力などのブレードの翼型特性、ブレードのサイズ、ブレードの枚数、ソリディティーおよびブレードの相対角度が重要な構成要因であり、それらすべてを考慮したブレード構成が必須となる。この点を考慮しなければ起動特性および発電効率の大幅な改善は実現できないが、そのような構成に対する考察は全くなされていない。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
そこで、ブレードの迎角を可変とすることにより、起動特性と発電効率とを両立させるブレード構成があるのではないか、また、２重ないしは多重の同心円状のブレード構成についても、起動特性や発電効率になどの要望仕様に応じた最適な構成があるのではないか、さらにはブレードに流入する流体のエネルギー分布において、起動特性や発電効率を最大とするための最適なエネルギー分布があるのではないかという考えに至った。
【００４０】
また、ブレードの迎角の調整、多重の同心円状ブレード構成、流入するエネルギー分布の調整などを組み合わせることにより、起動特性や発電効率に大きな効果があるのではないかという考えに至った。
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。
【００４１】
起動時や微風速の低回転域ではブレードを素通りする風が多く、エネルギー変換効率が悪い。従って、起動特性および微風時の回転エネルギーの増加をはかるには、同心円状の垂直型ブレードの構成として、外周側から内周側に配置される直線翼に従い、ソリディティーを増加させるか、迎角を低い周速比に対応した構成とすることが必要である。特に、迎角については、各ブレード回転角度において周速比が大きい場合に最大出力を出す迎角に対し、周速比が小さい場合に最大出力を出す迎角が大きく変化することを見出した。従って、同心円状に垂直翼を配置した場合でも、起動特性、微風時の特性、中速レベルでの発電効率を大幅に向上させるにはソリディティーの設定と迎角の制御が必須であるとの考えに至った。
【００４２】
さらに、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条件、垂直型ブレードの回転速度などの動作条件の影響や、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の値を詳細に検証し、それぞれの構成条件、動作条件や環境条件下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。特に、ソリディティーが大きいほど最大効率を出す回転数が低く、かつ回転数が低いほど一回転の中で最大効率を出す相対角度の変化が大きいという法則があることを見出した。
【００４３】
一方、回転エネルギー変換効率の改善において、特定のブレード回転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た。このとき、特定のブレード回転角度や相対角度および垂直型ブレードに流入するエネルギーを特定のブレード回転角度に集中させることで一層回転エネルギーへの変換効率の高い垂直型ブレードを創出した。
【００４４】
微風時に風のエネルギーを無駄にせずかつ中速レベルでの定格回転時に発電効率を向上させるブレード構成および相対角度制御を考え、さらにはブレードに流入するエネルギー分布を変化させ大幅に発電効率を向上させる流速分布付加装置やその効果を大幅に増加させるブレード構成およびブレード制御構成を創出し本発明に至った。
【００４５】
また、垂直型ブレードの一回転における接線方向の回転トルクの詳細な検討を行うことによりに、垂直型ブレードの一回転内で大きな回転トルク変動があり、特定のブレード回転角度で負の回転トルクを発生すること、比較的狭いブレード回転角度で一回転の累積回転トルクの大部分を発生していることを見出した。
【００４６】
従って、回転エネルギー変換効率を上げるためには、垂直型ブレードに流入する流速エネルギーにおいて、負の回転トルクを発生するブレード回転角度の領域の流速を下げ、大きな回転トルクを発生するブレード回転角度の領域の流速を上げることが必要であると考えた。流速や回転数に応じた流速分布をつけることで回転エネルギー変換効率を上げるとともに、迎角を最適にコントロールすることを合わせ、より一層回転エネルギー変換効率を上げる構成を創出するに至った。
そして、本発明では以下に示す態様を提供する。
【００４７】
本発明の第１の態様に係る垂直型風力発電システムは、同心円状に少なくとも内周側と外周側の２列以上の円周上に配置された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を有し、外側側の円周上に配置された前記垂直型ブレードに対して内側側の円周状に配置された前記垂直型ブレードの最大出力を発生する回転数または周速比が段階的に小さくなる構成としている。
【００４８】
上記した構成により、同心円状に配置された垂直型ブレードの直線翼を外周部から内周部に向かって低回転速で最大出力を発生する翼構成や迎角とすることで、垂直型ブレードの外周部において垂直型ブレードの回転エネルギーに変換されずにそのまま内部を通過する風の流速エネルギーを再度回転エネルギーに変換することができ、微風時や低風速時のみではなく、６ｍ／ｓ程度の中速レベルや、１２ｍ／ｓ程度の強風速レベルにおいても垂直型風力発電システムの発電効率を大幅に向上させることが可能となる。一般的に、同一の翼型、翼直径および相対角度において、風速が速くなるに従い最大出力を出す回転数は大きくなり、ソリディティーが大きくなるほど、最大出力を出す回転数は小さくなる。
【００４９】
同一の垂直型ブレードに取り付けられた各々の直線翼は、内周に行くに従い周速比が低下する。従って、同心円状に配置された垂直型ブレードの直線翼の外周部から内周部に向かって低回転速で最大出力を発生する翼構成や迎角または相対角度とすることで、起動時または低回転速時に外周部の垂直型ブレードを通過して垂直型ブレードの中心部分流れ込む空気の流れのエネルギーを再び効率よく回転エネルギーに変換することが可能となり、起動特性に優れ、数十ｒｐｍ程度から下の低回転時および３ｍ／ｓ以下の微風時の発電効率を大幅に改善した垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００５０】
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、前記垂直型ブレードは、内周側の円周上に配置された前記直線翼のソリディティーを外周側の円周上に配置された前記直線翼のソリディティーに対して段階的に大きくした構成としている。
【００５１】
上記した構成により、同心円状に配置された垂直型ブレードの直線翼のソリディティーを外周部から内周部に向かって段階的に大きくすることで、内周側に配置されるに従い前記垂直型ブレードの周速比が大きくなることに対応した前記直線翼の構成となり、周速比に対応したソリディティーを有したブレード構成とすることで効率よく回転エネルギー変換効率を向上させて発電効率を最大にする前記垂直型ブレードを実現することがでる。このように、周速比とソリディティーとのマッチング精度を大幅に向上させたことにより一層発電効率の高い垂直型ブレードを実現することが可能となる。
【００５２】
さらに、起動時から強風速レベルの幅広い領域または、微風レベル、中速レベル、強風速レベルなど特定の風速レベルの発電効率を大幅に向上させる垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００５３】
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、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風速との合成となる相対風速または相対流速と、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となるいわゆる迎角を定義する。
【００５４】
そして、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て、前記垂直型ブレードの回転面内において、前記直線翼の前記相対角度をそれぞれ独立して回動させる回動手段を備える。
この回動手段により前記相対角度を制御する回転角制御装置と、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、風または水の流速を検出する流速検出手段と、前記垂直型ブレードの前記回転数を検出する回転数検出手段と、前記流速、前記回転数または周速比、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する。
以上により、前記回転角度テーブルをもとに前記直線翼の前記回転角制御装置を用い、同心円状に配置された複数の前記直線翼において、全ての前記直線翼または特定の同心円上の前記直線翼のみ前記垂直型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制御する構成としている。
【００５５】
上記した構成により、風速（流速）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、相対角度、翼型およびその翼型特性などの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考慮し、状況に応じた特定の同心円上の直線翼のみあるいはすべての直線翼の相対角度を調整することで、最適かつより精度の高い相対角度の制御が可能となり、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または垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
なおこの時、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。
【００５６】
また、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、回転角度テーブルにおける演算の基となる翼型特性を精度よく演算に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。
【００５７】
さらに、回転角度テーブルは、風速、垂直型ブレードの翼直径、翼型の風速またはレイノルズ数および迎角に対する揚力特性および抗力からなる翼型特性、回転数または周速比、翼弦の長さとなる翼弦長、垂直型ブレードの全長となる翼長、直線翼の翼枚数および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ブレード回転角度と相対角度の関係を表したものである。
【００５８】
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。
【００５９】
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、２重または３重の同心円上に配置された複数の前記直線翼を有した前記垂直型ブレードにおいて、最内周または最外周以外の前記直線翼のみ前記垂直型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制御する構成としている。
【００６０】
上記した構成によると、同心円状に前記直線翼が配置された前記垂直型ブレードでは、外周に位置するに従い周速比が速くなる。また、風速（流速）が速くなるほど最大出力となる回転数（周速比）は高くなる。従って、外周に位置する前記直線翼ほど大きな周速比に対応し、且つ強風時の比較的高速に回転した時に最大効率を出力する垂直型ブレードの構成とする必要がある。また、前記相対角度は周速比（回転数）が小さいほうが、前記発電効率に対する前記相対角度の調整の影響の効果は大きくなる傾向にある。
【００６１】
従って、比較的に周速比が小さくなり比較的相対角度の角度調整の影響が大きい内周部の前記直線翼のみ前記相対角度の角度調整を行うことで、発電効率の向上と設備コストの低減との両立をはかることができ、回転エネルギー変換効率および発電効率に優れ、かつ低コストの垂直型風力発電システムおよび垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００６２】
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、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またはフレームと、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またはフレームに回動軸支するシャフトユニット保持部と、前記ポールまたは前記フレームに固定または前記垂直型ブレードの流入面側に個別に設置され、前記垂直型ブレードに流入する空気または水に流速分布を付加する流速分布付加装置とを備えた構成としている。
【００６３】
上記した構成により、前記垂直型ブレードに流入する空気または水に流速分布をつけることで、前記垂直型ブレードの前記ブレード回転角度において最も発電効率が高くなる前記ブレード回転角度あるいは、揚力および効力による接線方向への回転力が高い前記ブレード回転角度またはあらかじめ設定した角度範囲となるゾーンに流速を集中させることができ、回転エネルギー変換効率および発電効率に優れ、発電量の多い垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００６４】
また、本発明の第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、前記流速分布は、前記垂直型ブレードへの空気または水の流入面と直交する長方形断面において、前記垂直型ブレードの直径の３０％〜８５％となる略中心部分の領域の流速または前記ブレード回転角度における１２０度から２５０度の領域の流速を上げ、それ以外の分割領域の流速を低下させる構成としている。
【００６５】
上記した構成により、前記垂直型ブレードに流入する空気または水に流入する水または空気の流速エネルギーにおいて、前記垂直型ブレードの発生する接線方向の回転力が最も高くなる前記ブレード回転角度の付近に水または空気の流速エネルギーを集中させることで、前記垂直型ブレードの前記ブレード回転角度において最も発電効率が高くなる前記ブレード回転角度あるいは、揚力および効力による接線方向への回転力が高い前記ブレード回転角度の付近に流速を集中させることができ、回転エネルギー変換効率および発電効率に優れ、発電量の多い垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００６６】
また、本発明の第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、前記垂直型ブレードへの空気または水の流速を検出する流速検出手段および／または流入角度を検出する流入角度検出装置を有し、前記流速分布付加装置は、複数の流速制御手段により構成され、空気または水の流速および前記垂直型ブレードへの前記流入角度に応じて前記流速分布のパターンを可変とする構成としている。
【００６７】
上記した構成により、前記流入角度検出装置および前記流入速度検出装置からの情報を基に複数の前記制御板の角度を調整し、前記垂直型ブレードの流入面と直交する流入面に流速分布を付加することで、さまざまな流速、流入角度においても発電効率が最も高くなる前記流速分布を形成することが可能となる。
【００６８】
そして、前記垂直型ブレードの発生する接線方向の回転力が最も高くなる前記ブレード回転角度の付近に水または空気の流速エネルギーを集中させることで、前記垂直型ブレードの発電効率が最も高くなる前記ブレード回転角度あるいは、揚力および効力による接線方向への回転力が高い前記ブレード回転角度の付近に流速を集中させることができ、回転エネルギー変換効率および発電効率に優れ、発電量の多い垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００６９】
また、本発明の第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、前記流速分布は、前記垂直型ブレードへの空気または水の流入面と直交する長方形断面において、前記流速分布は、前記垂直型ブレードへの空気または水の流入面と直交する長方形断面において、流量、流速、前記垂直型ブレードの回転数または周速比、流入角度のいずれか一つ以上の条件に応じて、前記垂直型ブレードの直径の３０％〜８５％となり、かつ略中心部に限定されない任意の断面の領域の流速を上げ、それ以外の領域の流速を低下させる構成としている。
【００７０】
上記した構成により、前記垂直型ブレードに流入する空気または水に流入する水または空気の流速エネルギーにおいて、流量、流速、前記垂直型ブレードの回転数または周速比、流入角度などの様々な条件を考慮して、前記垂直型ブレードの発生する接線方向の回転力が最も高くなる前記ブレード回転角度の付近に水または空気の流速エネルギーを集中させることで、前記垂直型ブレードの前記ブレード回転角度において最も発電効率が高くなる前記ブレード回転角度あるいは、揚力および効力による接線方向への回転力が高い前記ブレード回転角度の付近に流速を集中させることができ、回転エネルギー変換効率および発電効率に優れ、発電量の多い垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００７１】
また、本発明の第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、前記流速制御部は、前記流速制御装置に対して回動またはスライドする流束分布制御部により前記流速分布を可変とする構成としている。
【００７２】
上記した構成によると、比較的簡単な構成で様々な流速分布を形成することができることに加え短時間に高精度な流速分布を形成することが可能となるため、簡素かつ安価で高精度な流速分布付加装置を実現でき、設備コストの低減をはかるとともに、回転エネルギー変換効率および発電効率に優れ、発電量が多く投資回収効率の高い垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００７３】
また、本発明の第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、前記直線翼の前記相対角度、前記流速分布を、前記流速、前記流入角度、および前記周速比のいずれか一つ以上の条件に応じて可変とする構成としている。
【００７４】
上記した構成により、前記流速、前記流入角度、および前記周速比などの条件を考慮して、前記ブレード回転角度に対して、もっとも接線方向の力である回転力が大きくなる前記流速分布および前記相対角度に調整（制御）することで、一層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または垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００７５】
また、前記垂直型ブレードへの流速、流入角度などの流入条件や流入状態変化、温度変化、周速比に対して常に最大の発電量を発生させることができ、同一の前記垂直型ブレードのサイズ（投影面積）および前記発電機により、一層発電出力の大きな垂直型風力発電システムおよび垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００７６】
また、本発明の第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、前記流速分布付加装置により、空気または水の流れの方向における前記垂直型ブレードの投影面積に対して、前記垂直型ブレードに流入する空気または水の流入面積を大きくした構成としている。
【００７７】
上記した構成によると、前記垂直型ブレードに流入する空気または水の投影面積を大きくすることが可能となり、流入エネルギーが増大することにより発電量を大幅に増加させることができ、同一の前記垂直型ブレードのサイズ（投影面積）で一層発電出力の大きな垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００７８】
また、本発明の第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、前記流速分布付加装置により、空気または水を前記垂直型ブレードに流入させる前記流入面積を、空気または水の流量または水の流速に応じて可変とする構成としている。
【００７９】
上記した構成により、設置する場所における最大風速（最大流速）や最大流量の条件や発電機の容量および河川の幅や深さなどにより、前記垂直型ブレードに流入する空気または水の流量を自在に変化させることができるとともに、風速や流速の時間的な変化にも対応させることができ、環境の状態変化に左右されることなく、常に最大の発電量を発生させることができ、同一サイズ（投影面積）の前記垂直型ブレードおよび発電機により、一層発電出力の大きな垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００８０】
また、本発明の第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、２重または３重の同心円上に配置された複数の前記直線翼を有した前記垂直型ブレードにおいて、すべてまたは特定の同心円上の前記直線翼のみ、前記垂直型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回転トルクが低減する角度に制御する構成としている。
【００８１】
この構成により、垂直型ブレードの精度の高い回転数調整が可能となるとともに、急激な流束または風速の変化にも対応して回転数制御をかけたり、垂直型ブレードの回転にブレーキをかけることができる。
【００８２】
また、垂直型ブレードに流入する空気または水の前記流速または流量が必要以上に大きい場合は、前記相対角度を制御し発電効率を低下させるか、前記流速分布付加装置により前記垂直型ブレードに流入する前記流速または前記流量を低減させる構成としている。
【００８３】
さらに、流束が必要以上に大きな場合、回転トルクを抑制することが可能となり、発電量の制御、メカ的な応力の低減、発電機の保護が可能となり、信頼性と発電能力に優れた垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００８４】
また、本発明の第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、相対角度調整モードを有し、前記流速、前記回転数または前記周速比、前記ブレード回転角度に応じた前記直線翼における前記相対角度の角度調整を行い、発電効率が最大となる前記相対角度の最適固定角度または前記回転角度テーブルを作成する構成としている。
【００８５】
上記した構成により、前記垂直型ブレードの回転面内において予め設定した前記ブレード回転角度の範囲（ゾーン）毎に最も発電効率が高くなるあるいは接線方向の回転トルクが最大になる前記相対角度に前記直線翼を調整することで、同一システムおよび同一の風況での発電効率を最大に引き上げることが可能となり、一層発電効率および発電量の大きな垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００８６】
このとき、前記回転角度テーブルを作成する際には、前記垂直型ブレードの発電状態において、予め設定した前記回転角度テーブルまたは前記相対角度調整モードで調整または更新した前記回転角度テーブルに基づいて前記相対角度の制御を行う構成とすることで、大幅に前記相対角度調整モードの調整時間を短縮することが可能となる。
【００８７】
一方、前記垂直型ブレードの発電状態での前記相対角度調整モードにおいて、前記回転角度テーブルを用いず、前記垂直型ブレードのブレード回転角度によらず常に一定の前記相対角度（固定角度）を用いた前記相対角度としてもよい。このときは、前記直線翼の前記相対角度を一枚ずつまたは複数枚同時に調整し、発電効率、接線方向の回転トルクおよび発電量のいずれかを確認して前記相対角度（固定角度の迎角）を設定することになる。
【００８８】
このような、前記相対角度調整モードを用いることにより、前記垂直型ブレードの個々の前記直線翼の組み立てばらつきや誤差、部品精度、経年劣化などを補正することができ、信頼性に優れ、発電量および発電効率の大きな垂直型風力発電システムおよび垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００８９】
また、本発明の第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、風または水の前記流速検出手段と、前記垂直型ブレードの前記回転数検出手段を用い、前記相対角度調整モードにおいて、前記直線翼を１枚ごとに前記相対角度調整を行い、前記風速または前記流速、前記回転数または前記周速比、前記発電効率または出力特性の関係を取得し、それぞれの前記直線翼を最大出力となる前記相対角度に自動的に調整する構成としている。
【００９０】
上記した構成によると、前記相対角度調整モードにおける前記相対角度の調整精度を一層向上させることが可能となり、高精度の前記相対角度の調整により、より一層前記垂直型ブレードの個々の直線翼の組み立てばらつきや誤差、部品精度、経年劣化などの補正が可能となり、信頼性に優れ、発電量および発電効率の大きな垂直型風力発電システムおよび垂直型垂直発電システムを実現することが可能となる。
【００９１】
また、本発明の第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、出力検査モードを有し、記憶された前回の前記発電効率または発電量などの出力特性と定期的に比較し発電状態を把握するとともに、予め設定した出力特性の変化量を超えた場合は前記相対角度調整モードを実施することで定期的に前記相対角度のメンテナンスを行う構成としている。
【００９２】
上記した構成により、前記出力検査モードにて、前記直線翼、前記垂直型ブレードおよび前記垂直型風力発電システムの経年劣化、前記アームや前記シャフトユニット、前記相対角度などの経年変化、アクシデントによる部分的な故障を高精度に検出することが可能となり、定期的なメンテナンスにより信頼性に優れ、発電量および発電効率の大きな垂直型風力発電システムおよび垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００９３】
また、本発明の第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、前記フレームに、前記垂直型ブレードに流入した空気または水の前記流速を増加させる流速加速機構を備えた構成としている。
【００９４】
上記した構成により、前記垂直型ブレードに流入する風速または流速を向上させることができ、速度の３乗で発電量を向上させることができるため、発電量および発電効率の大きな垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００９５】
また、本発明の第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、前記流速加速機構は、空気または水の通過する流路幅を狭くする構成としている。
【００９６】
上記した構成により、比較的簡単な構成かつ安価に前記流速加速機構を実現することができ、発電量および発電効率が大きく、設備コストの低減による経済性に優れた垂直型風力発電システムおよび垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００９７】
また、本発明の第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、前記フレームのそれぞれ独立した空間に前記垂直型ブレードを２機搭載し、それぞれの回転方向が逆回転となるように前記垂直型ブレードを構成する前記直線翼の前記前縁および前記後縁の方向および前記相対角度を設定した構成としている。
【００９８】
上記した構成により、それぞれの前記垂直型ブレードの回転により発生する半径方向の力を可能な限り互いにキャンセルさせることで半径方向の力を大幅に低減することが可能となり、前記フレームに発生する振動を大幅に低減することができ、信頼性および耐久性に優れた垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【００９９】
また、独立した空間にそれぞれ前記垂直型ブレードを配置することにより、前記垂直型ブレードに流れ込む空気および水の流束がお互いに干渉することがないため発電効率が低下することがなく、発電量の優れた垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【０１００】
また、本発明の第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、前記垂直型ブレードの回転に伴い揚力および抗力より発生する水平面内のＸＹ平面におけるＸ方向の発生力とＹ方向の発生力により前記フレームに作用する力が、それぞれ相殺されて最小になるようにそれぞれの前記垂直翼を配置した構成としている。
【０１０１】
上記した構成により、それぞれの前記直線翼の回転により発生するＸ方向およびＹ方向の半径方向の力を互いにキャンセルさせることでＸ方向およびＹ方向の力を大幅に低減することが可能となり、前記フレームに発生する振動を大幅に低減することができ、信頼性および耐久性に優れた垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【０１０２】
また、本発明の第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、前記垂直型ブレードに流入する空気または水の前記流速または流量が必要以上に大きい場合は、前記相対角度を制御し発電効率を低下させるか、前記流速分布付加装置により前記垂直型ブレードに流入する前記流速または前記流量を低減させる構成としている。
【０１０３】
上記した構成により、空気または水の流速の増加による前記垂直型ブレードの回転数の必要以上の上昇を防ぎ、前記シャフトユニット、前記アームおよび前記垂直型ブレードが遠心力の増大により破壊に至ることを防止するとともに、前記発電機への入力エネルギーが増大し、前記発電機が破壊に至ることを防止することで、信頼性に優れた垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【０１０４】
上記した構成により、垂直型風力発電システムまたは垂直型水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または垂直型水力発電システムを実現できる。
【０１０５】
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。
【０１０６】
（実施形態１）
図１〜図１１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〜図４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部から見たときの構成を模式的に示している。図２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とその回動手段９の構成を示した略図である。図３は、実施の形態１に係る風力発電システムを上面から見たときの構成を模式的に示している。
【０１０７】
図１、図２および図３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、回転角制御装置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１１に図示）、回転抑止トルク可変手段２１（図１１に図示）、発電機コントローラ（回転数制御手段）２２（図１１に図示）、パワーコントローラ２３（図１１に図示）、結合部２４、垂直型ブレードの取付け部２７、図示角度である風向２８より構成されている。
【０１０８】
垂直型ブレード１は同心円状に配置された複数の直線翼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。
【０１０９】
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４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、又はその組み合わせ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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
一方、１個又は複数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。
【０１１２】
図２（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と、その回動手段９、アーム３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６０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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
図２（ａ）、（ｂ）の違いは駆動源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２（ｂ）の構成では、駆動源３０、動力伝達部３１および電力源６０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、動力伝達部３１、電力源６０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。
【０１１５】
図３Ａ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２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。
【０１１６】
図３Ｂおよび図３Ｃ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３Ｂ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（Ｖ）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。
【０１１７】
図３Ｃは、図３Ｂ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。
【０１１８】
図４は実施の形態１に係る垂直型風力発電システムに搭載する直線翼２の断面形状の略図であり、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２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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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１３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。
【０１２１】
図５Ａは、風力発電システム１５を上面から見たときの構成を模式的に示したもので、垂直型ブレード１を部分的に上面から見た模式図である。垂直型ブレード１は同心円状に配置された複数の直線翼２から構成され、アーム３およびシャフトユニット４により回動可能に保持される。また、同心円状に配置された複数の直線翼２はそれぞれ同一のアーム３に保持されるとともに、ブレード回転角度１３、垂直型ブレード１の回転数（または周速比）、風速１６などに応じて回動手段９により相対角度８を調整可能としている。
【０１２２】
このとき同一のアーム３上に配置されたそれぞれの直線翼２の周速比は、垂直型ブレード１の回転数が如何なる場合においても必然的に内周側が小さくなる。従って、内周側の同一の同心円上に位置する直線翼２のソリディティー（翼直径２６における円周の長さと翼弦長２９×翼枚数の比率）は内周側に位置する直線翼２のほうが外周側に位置する直線翼２のほうに対して大きくする構成としている。
【０１２３】
これは、ソリディティーを大きくすると比較的低い回転数で回転エネルギー変換効率を高くすることができ、逆にソリディティーを小さくすることで比較的高い回転数で回転エネルギー変換効率を高くすることとなる。従って、与えられた周速比の条件で最大出力または回転エネルギー変換効率を最大にすることで、起動特性から高風速に至る幅広い環境条件において常に最大発電効率を発揮するために、内周側の直線翼２のソリディティーを大きくすることは垂直型ブレード１の必須の構成条件となる。
【０１２４】
具体的には、風速と回転エネルギー変換効率が最大となる周速比との関係およびソリディティーと変換エネルギーが最大となる周速比との関係より、外周側の直線翼２のソリディティーおよび内周側の直線翼２のソリディティーを決定することとなる。
【０１２５】
内周側の同一の同心円上に位置する直線翼２（回転数が同じで周速比が小さくなる直線翼２）のソリディティーを大きくすることで、回転エネルギー変換効率が最大となる周速比は小さいほうへシフトする。また、言い換えると、周速比の低い側に最大効率がシフトすることにより、比較的低回転となる微風時および低風速時の回転エネルギー変換効率が向上する。したがって低回転速時、起動時および微数速時の回転トルクを大幅に向上させることが可能となり、垂直型ブレード１の起動特性、低回転時の発電効率および低風速時の発電効率および発電量を大幅に向上させることが可能となる。
【０１２６】
このとき、内周側の円周上に位置する直線翼２と外周側の円周上に位置する直線翼２はそれぞれ違う翼型でも構わないし、それぞれ異なった相対角度８の固定値としてもよい。
また、それぞれの直線翼２の相対角度８は回転角度テーブル１４に基づいて、角度調整を行う構成とする構成でもよい。
【０１２７】
垂直型ブレード１の回転面内において、ブレード回転角度１３から演算した相対角度８の回転角度テーブル１４をもとに、回動手段９と回転角制御装置１０により、ブレード回転角度１３に応じて直線翼２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２の翼型断面の翼型特性に応じて、常にブレード回転角度１３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。
【０１２８】
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８とし、通常回転時は揚力による回転トルクが大きくなるように相対角度８を設定するか、揚抗比が大きくなるような相対角度８に設定することが望ましい。
回転角度テーブル１４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。
【０１２９】
この構成により、回転角度テーブル１４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８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１４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。
【０１３０】
さらに、図５Ｂに示すように、外周側の同心円上に位置する直線翼２と内周側の同心円上に位置する直線翼２をそれぞれ異なるアーム３に取り付け、それぞれを異なる角度に配置する構成でもよい。
起動時、微風時および低風速時は回転エネルギーへの変換効率が低く、外周側の同心円上に配置された直線翼２により回転エネルギーに変換されずに通過する風または流束が多くなる。従って、この構成にすることで、外周側の同心円上に位置する直線翼２によって回転ネルギーに変換されずに通過した風または流束が再び内周側の同心円上に位置する直線翼２により再び回転エネルギーに変換されることとなり、起動時、微風時および低風速時における回転エネルギー変換効率を一層向上させることが可能となる。
【０１３１】
また、図５Ｃに示すように、同心円状に配置された直線翼２を２重ではなく３重とすることで一層、起動時、微風時および低風速時における垂直型ブレード１の回転エネルギー変換効率（風のエネルギーの回転エネルギーへの変換効率または回収効率）を向上させることが可能となる。
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の断面形状における、における翼型特性を示した図である。
【０１３２】
図６（ａ）は迎角３８（ATTACK ANGLE）と抗力係数（ＣＤ）との関係の一例（特定の風速、またはレイノルズ数における参考図）、図６（ｂ）は迎角３８（ATTACK ANGLE）と揚力係数（ＣＬ）との関係を示している。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。
【０１３３】
図７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。
【０１３４】
図７（ａ）および図７（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。
【０１３５】
また、図７の（ｃ）と図７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８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。従って、周速比の大小により、ブレード回転角度１３に対する迎角３８の値が大きく変化することがわかる。
【０１３６】
図８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８（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８（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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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（Ｎ−ｍ）と回転角速度ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）の積でありＰ＝Ｑωという関係がある。
【０１４０】
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(6)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）、直線翼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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
図９Ａ〜Ｃはそれぞれ、図８（ｂ）における周速比０．５（図９Ａ）、周速比１．５（図９Ｂ）、周速比３（図９Ｃ）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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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２３に示すような複数の流管を設定する。そして、図２４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２４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。
【０１４７】
質量保存則から図２４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】
2017120050.tif 000003
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】
2017120050.tif 000004
となり、数１から
【数３】
2017120050.tif 000005
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】
2017120050.tif 000006
と表される。
ベルヌーイの定理を図２４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】
2017120050.tif 000007
と、ベルヌーイの定理を図２４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】
2017120050.tif 000008
から算出されたp+uとp−uを数４に代入すれば
【数７】
2017120050.tif 000009
となる。数３と数７を等値して得られる関係
【数８】
2017120050.tif 000010
を数３に代入すれば、
【数９】
2017120050.tif 000011
となり、上流側減速率auを
【数１０】
2017120050.tif 000012
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】
2017120050.tif 000013
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】
2017120050.tif 000014
となる。
【０１４８】
上流側アクチュエータをよぎるブレードには、図２５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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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】
2017120050.tif 000015
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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）
【０１５３】
図９Ａ〜Ｃは同一円周上に配置された直線翼２のみの相対角度８またはピッチ角３９の回転角度制御の一例を示したが、この回転角度制御を図５Ａ〜Ｃに示す複数の同心円状に配置された垂直型ブレード１でそれぞれの同心円上の直線翼２で行うことで一層、発電効率、回転エネルギー変換効率、起動特性に優れた垂直型風力発電システム１５または垂直型水力発電システムを実現できる。
【０１５４】
また、図８（ｂ）のブレード回転角度１３とピッチ角度３９と周速比との関係より、周速比が小さいほうがピッチ角度１３の回転角度調整を大きくする必要があることがわかる。言い換えれば、周速比が大きい場合は回転角度調整の範囲が狭く、周速比が小さいほど回転角度調整の範囲が大きいこととなり、周速比が小さくなるに従い相対角度８の調整による発電効率の向上の効果が大きくなることがわかる。
【０１５５】
また、この際のＣｐを最大とする相対角度８の導出過程を図１０に示す。
図１０（ａ）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。
【０１５６】
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。  
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
図１０（ｂ）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０．５（低速回転域）、周速比１．５（中速回転域）および周速比３（高速回転域）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。周速比０．５、周速比１．５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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
図１１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。符号２０は回転トルク、符号２１は回転抑止トルク可変手段、符号２２は発電機コントローラ（回転数制御手段）、符号２３はパワーコントローラを示す。
【０１６２】
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装置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。
【０１６３】
一方、垂直型ブレード１の回転数制御に関しては、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を有する。
【０１６４】
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。
【０１６５】
この際、図１０（ｂ）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。発電機５の出力は回転数制御手段２２を経てパワーコントローラ２３に入り、外部に出力される。
【０１６６】
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。
【０１６７】
上記の結果より、図５Ａ〜Ｃにおける直線翼２の相対角度８の回転角度調整を行う場合、比較的に周速比の高い領域での相対角度８の回転角度調整の効果に対し、周速比の比較的低い領域における相対角度８の回転角度調整の回転エネルギー変換効率の向上への効果は数倍〜数１０倍大きくなる。
【０１６８】
このため、設備のコストと発電効率とのバランスを考慮し、最外周の同心円上に配置された直線翼２は固定の相対角度８とし、最外周の同心円上に位置する直線翼２以外の内周側の同心円上に位置する直線翼２または最内周の同心円上に位置する直線翼２の相対角度８の回転角度調整を行う構成としたほうが望ましい。
【０１６９】
また、複数の同心円状に配置された垂直型ブレード１において、すべての直線翼２の回転角度調整を行ってもよいし、必ず周速比が小さくなる内周側の同心円上に位置する直線翼２のみ相対角度調整を行ってもよいし、最外周の円周上に位置する直線翼２を除いた他の同心円上の直線翼２の回転角度調整を行ってもよい。また、最内周の円周上に位置する直線翼２の相対角度調整のみを行ってもよい。
【０１７０】
このように、同心円状に配置された垂直型ブレード１でそれぞれの同心円上の直線翼２において、最適な相対角度８の回転角度調整を行うことで一層、発電効率、回転エネルギー変換効率、起動特性に優れた垂直型風力発電システム１５または垂直型水力発電システムを実現できる。
【０１７１】
さらに、図５Ａ〜Ｃにおいて、外周側の同心円上に位置する直線翼２に対して内周側の同心円上に位置する直線翼２のソリディティーを同等あるいはそれ以下とした垂直型ブレード１の構成としてもよい。外周側の同心円上に位置する直線翼２に対して、内周側の同心円上に位置する直線翼２の周速比は必ず小さくなる。このとき、内周側と外周側の直線翼２のソリディティーが同じなら、内周側の同心円上に行くに従い、回転エネルギー変換効率が最大となる周速比は次第に低い周速比側へとシフトすることになる。
【０１７２】
従って、内周側に行くに従い、ソリディティーを増加させる場合は、起動特性および微風時及び低風速時の発電効率の向上に大幅寄与する。しかしながら、起動特性および微風時および低風速時の発電効率は比較的配慮せず、発電効率の最大値をさらに向上させるには、外周側から内周側の同心円上に位置するそれぞれの直線翼２のソリディティーを徐々に低下させ最大出力となる周速比を可能な限り近づけることが必須となる。
【０１７３】
このように、２重または３重の同心円状の直線翼２を有した垂直型ブレード１により、１重の垂直型ブレード１に対して最大出力を大幅に向上させるには、それぞれの同心円毎のソリディティーの設定が重要な構成要素であり、最大出力を出す回転数または周速比を可能な限り一致させることで、従来の垂直型垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムの発電効を大幅に向上させることが可能となる。
【０１７４】
一方、相対角度調整モードを有し、風速または流速、垂直型ブレード１の回転数または周速比に応じて、直線翼２の1枚ごとの相対角度８の回転角度調整を行い、最も回転エネルギー変換効率または発電効率が高くなる最適固定角度となる相対角度８の調整を行う構成としてもよい。
さらには回転角度テーブル１４およびブレード回転角度１３に応じた直線翼２の相対角度８の回転角度調整を行い、発電効率が最大となる相対角度８の回転角度テーブル１４を更新する構成としてもよい。
【０１７５】
このように、相対角度８を自動的に学習調整することで、一層回転エネルギー変換効率および発電効率が高く、起動特性に優れた垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを高精度かつ簡素な調整行程で実現することが可能となる。
【０１７６】
また、出力検査モードを有し、記憶された前回の発電効率または発電量などの出力特性または、回転角度テーブル１４と新たに測定したそれぞれの結果を定期的に比較し、垂直型風力発電システム１５または垂直型水力発電システムの発電状態を検証し把握するとともに、予め設定した出力特性の変化量を超えた場合は相対角度調整モードを実施する構成とする。この出力検査モードを定期的に実施し、相対角度８のメンテナンスを行うことで、安価な構成で垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムの信頼性を大幅に向上させることが可能となる。
【０１７７】
尚、実施形態１では図５Ａ〜Ｃにおいて、複数の同心円状に直線翼２を配置し、いずれかまたはすべての直線翼２の相対角度８の角度調整を行うとしたが、強風時にいずれかあるいはすべての同心円上の直線翼２を回転トルクを低減するように相対角度８の角度調整を行う構成としてもよい。この構成により、発電機への負荷を減らすとともに、垂直型ブレード１の回転数増加による遠心力の増大を低減することが可能となり、信頼性と発電効率に優れた垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【０１７８】
（実施形態２）
図１２および図１３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１２Ａは垂直型風力発電システム１５または垂直型水力発電システム１５の上面図の模式図を示したものであり、図１２Ｂは垂直型風力発電システム１５または垂直型水力発電システム１５の側面図の模式図を示したものである。図１３は垂直型風力発電システム１５または垂直型水力発電システム１５の上面図の模式図を示したものであり、直線翼２および垂直型ブレード１の回転方向を示している。
【０１７９】
図１２、図１３に示すように、垂直型風力発電システム１５または垂直型水力発電システム１５は、複数の直線翼２から構成される垂直型ブレード１と、垂直型ブレード１（直線翼２）を保持するアーム３と、アーム３と固定されアーム３の回転を支持するシャフトユニット４と、シャフトユニット４と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発電機５と、垂直型ブレード１とアーム３とシャフトユニット４を保持するフレーム５０と、ベアリング等から構成されシャフトユニット４をフレーム５０に回動軸支するシャフトユニット保持部７と、垂直型ブレード１に流入する空気または水の流速分布を付加する流速分布付加装置５２と、流速分布付加装置５２をフレーム５０に固定する固定部５３を備えた構成としている。
【０１８０】
垂直型ブレード１は２つ搭載され、互いに逆の回転方向をしている。逆向きの回転方向とすることで、Ｘ方向およびＹ方向へ発生する半径方向の力を互いにキャンセルすることが可能となり、フレーム５０に発生する振動を大幅に低減することが可能となる。
【０１８１】
流速分布付加装置５２は、複数の流速制御手段である流速制御板５７から構成され垂直型ブレード１に流入する空気または水に流速分布をつけることで、垂直型ブレード１のブレード回転角度１３において最も発電効率が高くなるブレード回転角度１３あるいは、揚力および効力による接線方向への回転力が高いブレード回転角度１３、またはあらかじめ設定した角度範囲となるゾーンに流速を集中させることができ、回転エネルギー変換効率および発電効率に優れ、発電量の多い垂直型風力発電システム１５または垂直型水力発電システム１５を実現することが可能となる。
【０１８２】
また、負の回転トルクを発生するブレード回転角度１３の流速を減少させるまたは流速をゼロとすることにより、負の回転トルクを低減し、接線方向の回転トルクを大幅に増加させ回転エネルギー変換効率および発電効率を大幅に向上させることが可能となる。
この時、流速分布付加装置５２は、垂直型ブレード１の投影面積より大きな領域の流速を集めることになるため、一層発電効率を向上させることが可能となる。
【０１８３】
また、フレーム５０は、天面５４、底面５５、仕切り部５１より構成され、天面５４および底面５５にそれぞれシャフトユニット保持部７を構成し、シャフトユニット４を精度よく回動状態に保持している。
【０１８４】
フレーム５０の仕切り部５１により、２つの垂直型ブレード１の回転により発生する流れの干渉を大幅に低減することができ、発電効率の低下を防止することが可能となる。
【０１８５】
符号５６は流速加速機構で、流路の幅を狭くすることで、垂直型ブレード１の流速を増加させる構成としている。この時、流速加速機構５６は垂直型ブレード１の中心線より下流側に構成し、フレーム５０の幅方向の小型化を図るとともに、効率の良い増速を実現している。また、符号１２は基準角度、符号１３はブレード回転角度、符号８は相対角度、符号１６は風速または流速をそれぞれ示している。
【０１８６】
垂直型ブレード１は同心円状に配置された複数の直線翼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。
【０１８７】
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４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。
また、直線翼２はアーム３に回動手段９（図示せず）により回動可能に保持されている。回動手段９の詳細は図２（ａ）または（ｂ）と同様の構成である。
【０１８８】
また、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または直線翼２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２の取付け部２７および相対角度８、風速１６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の取付け角で回転可能状態にて保持されている。
【０１８９】
上記した構成により、前記垂直型ブレード１に流入する空気または水の流速エネルギーにおいて、垂直型ブレード１の発生する接線方向の回転力が最も高くなるブレード回転角度１３の回転角度付近に水または空気の流速エネルギーを集中させることで、垂直型ブレード１のブレード回転角度１３において最も発電効率が高くなるブレード回転角度１３あるいは、揚力および効力による接線方向への回転力が高い前記ブレード回転角度１３の回転角度付近に流速を集中させることができ、回転エネルギー変換効率および発電効率に優れ、発電量の多い垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。また、負の回転トルクを発生するブレード回転角度１３の流速を減少させるまたは流速をゼロとすることにより、負の回転トルクを低減し、接線方向の回転トルクを大幅に増加させ回転エネルギー変換効率および発電効率を大幅に向上させることが可能となる。
【０１９０】
図１４〜図１８は、実施形態２における流速分布付加装置５２による流速分布の付加およびピッチ角３９の角度制御をそれぞれ行った場合のＣｐ改善量と、流速分布の付加とピッチ角３９の角度制御を同時に行った場合との効果を示した図である。
【０１９１】
それぞれの風速および周速比（回転数）で、Ｃｐ（回転エネルギー変換効率）が最大となるピッチ角３９の探索を行い、風速と周速比とＣｐの関係の解析結果の関係の一例を示した図であり、Ｃｐの大幅な向上効果をあらわしている。
【０１９２】
図１４（ａ）において、垂直型ブレード１の上流側の受風面積を風向と直角方向に３等分し、３段階の風速分布を設定した場合の最適なピッチ角３９の分布を探索した結果である。風速分布は、受風面を通過する運動エネルギー流量が一様流の場合と一致する設定とする。この時、運動エネルギー流量一定とする風速分布の設定は、以下の考えを基に設定している。
【０１９３】
図１４（ｂ）に示すように、高速域（基準風速１２ｍ／ｓ）では、３段階の風速のうち中速ＶＭを基準流速ＶＭ＝１２ｍ／ｓ、高速ＶＨをＶＨ＝１４ｍ／ｓとした場合、低速ＶＬは運動エネルギー流量一定の条件（数１４）に、それぞれＶＨおよびＶＭを代入し、数１５に示すＶＬ＝８．９３ｍ／ｓを得る。
【数１４】
2017120050.tif 000016
【数１５】
2017120050.tif 000017
【０１９４】
また、中速域（基準風速６ｍ／ｓ）では、３段階の風速のうち中速ＶＭを基準流速ＶＭ＝６ｍ／ｓ、高速ＶＨをＶＨ＝７ｍ／ｓとした場合、低速ＶＬは運動エネルギー流量一定の条件（数１４）に、それぞれＶＨおよびＶＭを代入し、数１６に示すＶＬ＝４．４６ｍ／ｓを得る。
【数１６】
2017120050.tif 000018
【０１９５】
同様に低速域（基準風速３ｍ／ｓ）では、３段階の風速のうち中速ＶＭを基準流速ＶＭ＝３ｍ／ｓ、高速ＶＨをＶＨ＝３．５ｍ／ｓとした場合、低速ＶＬは運動エネルギー流量一定の条件（数１４）に、それぞれＶＨおよびＶＭを代入し、数１７に示すＶＬ＝２．２３ｍ／ｓを得る。
【数１７】
2017120050.tif 000019
【０１９６】
一方、Ｃｐを算出は上記数１〜数１３に示すいわゆる多流管のダブルアクチュエータ法にて行い、垂直型ブレード１の計算条件は、翼型データとして特定の対象翼の揚力係数及び抗力係数と迎角の関係を用い、風速は上記のデータを設定し、翼直径は４ｍ、翼弦長２９は３０ｃｍ、直線翼２の長さは４ｍ、直線翼２の枚数は３枚とし同心円は１重としている。
【０１９７】
Ｃｐを最大とする最適なピッチ角３９の探索は、図１４（ａ）に示すｘ軸正の方向を基準としたブレード回転角度１３（θ）を１０度刻みとして、一回転３６０度を３６ゾーンに等分割し、順番に１〜３６ゾーンとしている。最適なピッチ角３９の探索の一例を図１５〜１７に示す。横軸はゾーン１９（ブレード回転角度１３が１８０度〜１９０度）におけるピッチ角３９（PITCH ANGLE）、縦軸はＣｐ（ＣＰと表す）を示す。
【０１９８】
図１５（ａ）は高速域（基準風速１２ｍ／ｓ）における周速比３の条件の結果を、図１５（ｂ）は高速域（基準風速１２ｍ／ｓ）における周速比０．５の条件の結果をそれぞれ示している。
【０１９９】
また、図１６（ａ）は中速域（基準風速６ｍ／ｓ）における周速比３の条件の結果を、図１６（ｂ）は中速域（基準風速６ｍ／ｓ）における周速比０．５の条件の結果をそれぞれ示している。
【０２００】
さらに、図１７（ａ）は低速域（基準風速３ｍ／ｓ）における周速比３の条件の結果を、図１７（ｂ）は低速域（基準風速３ｍ／ｓ）における周速比０．５の条件の結果をそれぞれ示している。
【０２０１】
図１５〜図１７では、条件１〜条件４の４つの条件におけるＣＰの結果を示しており、条件１における固定ピッチ／風速分布無しに対する風速分布（流速分布）を付加した効果、ピッチ角３９の調整の効果、風速分布を付加しさらにピッチ角３９を調整した効果をそれぞれ示している。
【０２０２】
図１５に示す高速域では、周速比３の時、固定ピッチ／風速分布無しに対して風速分布を付加した結果約２０％ＣＰが上昇し、一方ピッチ角３９の調整の結果約１０％ＣＰが上昇し、風速分布を付加しさらにピッチ角３９を調整した結果約３０％ＣＰが上昇している。
【０２０３】
また、周速比０．５の条件では、固定ピッチ／風速分布無しに対して風速分布を付加した結果ほぼ０から０．１程度へとＣＰが大幅に上昇し、ピッチ角３９の調整の効果はあまりないことがわかる。
【０２０４】
同様に、図１６に示す中速域では、周速比３の条件では、固定ピッチ／風速分布無しに対して風速分布を付加した結果約１５％ＣＰが上昇し、一方ピッチ角３９の調整の結果約１０％ＣＰが上昇し、風速分布を付加しさらにピッチ角３９を調整した結果約２５％ＣＰが上昇している。
【０２０５】
また、周速比０．５の条件では、固定ピッチ／風速分布無しに対して風速分布を付加した結果ほぼ０から０．１程度へとＣＰが大幅に上昇し、ピッチ角３９の調整の効果がないことがわかる。
【０２０６】
同様に、図１７に示す低速域では、周速比３の条件では、固定ピッチ／風速分布無しに対して風速分布を付加した結果約５％ＣＰが上昇し、一方ピッチ角３９の調整の結果約２０％ＣＰが上昇し、風速分布を付加しさらにピッチ角３９を調整した結果約３０％ＣＰが上昇している。
【０２０７】
また、周速比０．５の条件では、固定ピッチ／風速分布無しに対して風速分布を付加した結果ほぼ０から０．０８程度へとＣＰが大幅に上昇し、ピッチ角３９の調整の効果は小さいことがわかる。
【０２０８】
以上のように、周速比が大きいときは、高速域および中速域の場合、ピッチ角３９の調整および流速分布の付加は効果が大きく、低速域ではピッチ角３９の調整の効果が大きい。
また、周速比が小さいときは、高速域、中速域、低速域ともにピッチ角３９の調整の効果が大きい。
【０２０９】
このように、それぞれの風速、周速比においてＣＰの改善効果に差はあるが、流速分布の付加、ピッチ角３９の角度調整、流速分布の付加とピッチ角３９の調整はいずれも大きな効果があることがわかる。
【０２１０】
尚、この計算においては流速分布の付加とピッチ角の調整の効果を算出するために上記の計算方法で行ったが、実際の垂直型風力発電システム１５または垂直型水力発電システム１５における流速分布および圧力分布とは差が生じるため、ＣＰ改善効果には誤差を含むものとする。
【０２１１】
尚、この流速分布は圧力を一定とした前提のもと、運動エネルギー流量一定の条件を用いた計算により算出している。したがって、現実的には垂直型ブレード１と同等の受風面積の一様流から、同一の流速分布を精度よく実現することは困難となる。
【０２１２】
しかしながら、上記のような流速分布を作成し、上記のようなＣｐ改善効果を得るという方向性は問題ない。また、一様流と流速分布の関係を、圧力分布や風車の回転や効率を考慮して、精度よく検証するには、ＣＦＤなどの熱流体解析を別途行うことが必要となる。
図１８（ａ）および（ｂ）は、図１４（ｂ）の高速域の回転トルクの発生量をさらに詳しく示した図である。
【０２１３】
図１８（ａ）は条件１（風速分布無し）および条件２（風速分布有り）に対しての周速比とＣｐの関係を示し、図１８（ｂ）は図１８(a)でもっともＣＰの差が大きな周速比３．５における周速比３．５における垂直型ブレード１が一回転する間の、ブレード回転角度１３とトルク係数（torque coefficient）を示した図である。この条件では、ブレード回転角度１３が１８０度付近で最も発生トルクが大きくなっていることがわかる。
【０２１４】
従って、垂直型ブレード１の発生する接線方向の回転力が最も高くなるブレード回転角度１３の特定の領域に水または空気の流速エネルギーを集中させることで、垂直型ブレード１の発電効率が最も高くなるブレード回転角度１３あるいは、揚力および効力による接線方向への回転力が高いブレード回転角度１３の付近に流速を集中させることができ、回転エネルギー変換効率および発電効率に優れ、発電量の多い垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【０２１５】
図１８（ｂ）の垂直型ブレード１の1回転あたり回転トルクの出力特性より、９０度〜２７０度の間となり、１８０度がピークとなっている。従って、垂直型ブレード１の翼直径２６に対して、流束(または流速)と直交する面内において、前記垂直型ブレード１の直径の３０％〜８５％となる略中心部分の領域の流速または、前記ブレード回転角度１３における１１０度から２５０度の領域の流速を上げ、それ以外の分割領域の流速を低下させる構成とすることで、Ｃｐを大幅に向上させることが可能となる。
図１９（ａ）および（ｂ）は、図１４（ｂ）の低速域の発生トルク特性をさらに詳しく示した図である。
【０２１６】
図１９（ａ）は条件１（風速分布無し）および条件２（風速分布有り）に対しての周速比とＣｐ（ＣＰ）の関係を示し、図１９（ｂ）は図１９(a)で低周速比の領域となる周速比が０．５における垂直型ブレード１が一回転する間の、ブレード回転角度１３とトルク係数を示した図である。この条件では、ブレード回転角度１３が９０度付近で発生トルクが負の回転トルクとなっており、この負の回転トルクが風速分布を付加することにより大きく低減していることがわかる。
【０２１７】
従って、特に低速域で低周速比の条件においては、垂直型ブレード１の発生する回転トルクを抑制する負の回転トルクを、ブレード回転角度１３の特定の領域に水または空気の流速エネルギーを集中させることで、大幅に低減することが可能となり、起動特性に優れた垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムを実現することが可能となる。
【０２１８】
尚、実施形態２では流速分布付加装置５２は、垂直型ブレード１への空気または水の流入面において、水平方向（Ｙ方向）に３つ以上の分割領域を想定した長方形断面において、略中心部分の分割領域の流速を上げ、それ以外の分割領域の流速を低下させた構成としてもよいし、最も発生トルクが高いブレード回転角度１３のゾーン付近に、流速分布を構成としてもよい。
【０２１９】
尚、実施形態２では、垂直型ブレード１は２重の同心円構成としたが、１重でもよいし、３重でもよい。また、相対角度８の回転調整は特定の同心円上の直線翼２のみ行ってもよいし、相対角度８の角度調整をすべての直線翼２で行わない構成でもよい。
【０２２０】
さらに、流速分布付加装置５２は、垂直型ブレード１の投影面積より大きな領域の流速を集めることとしたが、垂直型ブレード１と同程度の投影面積の領域の流速を集める構成でもよいし、スライドさせて流速を集める領域を調整できる構成でもよいし、流速分布付加装置５２の取り付け角度を可変とする構成でもよい。
【０２２１】
尚、実施形態２では、流速分布付加装置５２はフレーム５０に対して回動またはスライド可能な状態で固定され、流速、流量に応じて流速分布のパターンを可変とする構成としてもよいし、垂直型ブレード１に流入する上流側の流体の投影面積を調整できる構成としてもよい。
この構成により、比較的簡単な構成で様々な流速分布を形成することができることに加え短時間に高精度な流速分布を形成することが可能となるため、簡素かつ安価で高精度な流速分布付加装置５２を実現でき、設備コストの低減をはかるとともに、回転エネルギー変換効率および発電効率に優れ、発電量が多く投資回収効率の高い垂直型風力発電システム１５または垂直型水力発電システム１５を実現することが可能となる。
尚、実施形態２では仕切り部５１を設けたが、流束の干渉により発電効率が低下することを考慮して、仕切り部５１を無くする構成でもよい。
【０２２２】
また、フレーム５０の、天面５４、底面５５、仕切り部５１などの構成面は、軽量化および流速抵抗を減らすため、図１２に示すような板でもよいし、枠だけの中空やシャフトユニット保持部７などの中心部を部分的に残しそれ以外はくりぬいた構成でもよいし、側壁は中心部だけくりぬいた構成でもよい。この場合、フレームの内部を流束が流れるため、流束(流速)の抵抗は大きく低減されるし、大幅な軽量化も可能となる。
さらに、流速加速機構５６は、サイズ、コストの観点より無くする構成でもよい。
【０２２３】
尚、実施形態２では、流速分布付加装置５２は固定部５３を介しフレーム５０に固定する構成としたが、垂直型ブレード１およびフレーム５０とは別体で構成し、垂直型ブレード１または垂直型風力発電システムまたは垂直型水力発電システムの上流側に配置する構成としてもよい。
また、実施形態２では垂直型ブレード１は２機搭載する構成としたが、振動抑制機能は低下するが、垂直型ブレード１を１機のみ搭載する構成でも問題ない。
【０２２４】
さらに、流速分布付加装置５２の構成要素となる板状の流速制御板５７は、板状ではない形状でもよいことは言うまでもなく、流速分布を付加する機能があればよく、流速制御部５７としてもよい。
【０２２５】
また、流速分布付加装置５２の構成要素となる板状の流速制御板５７または流速制御部５７は、斜め状の構成要素ではなく、図１２ＣおよびＤに示すように、開門式の構成でもよい。
【０２２６】
図１２Ｃおよび図１２Ｄは、河川および水路に流速分布付加装置５２と、垂直型水力発電システム１５を構成した図であり、垂直型水力発電システム１５の垂直型ブレード１およびフレーム５０と流速分布付加装置５２とは別体としている。
【０２２７】
図１２Ｃにおいて、流速分布付加装置５２はボルトあるいは基礎工事などで垂直型ブレード１の上流側に固定され、流速分布付加装置５２には固定部５３を介して流速制御部５７が構成されている。流速制御部５７の開口サイズ５８は垂直型ブレード１の直径φＤ（直直径２６）の３０％〜８５％またはブレード回転角度１３の１２０度〜２５０度の任意の値とし、その流入方向と直交する方向の開口位置５９は垂直型ブレード１の回転中心にこだわらず、前記垂直型ブレード１の回転中心に対して開口位置５９の中心位置のずれは前記翼直径２６の０％から±３０％の範囲内で設定値は翼直径２６、周速比、流速、ソリディティー、ピッチ角度３９に応じて任意とする。
【０２２８】
この時、この開口サイズ５８の範囲はブレード回転角度１３の１回転におけるトルク係数または発生トルクの最大値の範囲があらかじめ定められた値（スレッショルド）より大きな値とすることで決定する。また、開口位置５９は、垂直型ブレード１の回転中心と開口サイズ５８の中心とのＹ方向の距離と定義する。
【０２２９】
さらに開口部の開口サイズ５８および開口位置５９は、垂直型ブレード１の構成、流速、周速比の条件下における垂直型ブレード１のブレード回転角度１３に対する発生トルクの関係より、Ｃｐが最大となる開口サイズ５８および開口位置５９を演算して決定することとなる。
【０２３０】
尚、この時、流速制御部５７は流速および周速比によりリアルタイムで開口サイズ５８をおよび開口位置５９を調整する構成でもよいし、固定部５３により完全に流速分布付加装置５２に流速制御部５７が固定されている構成でもよい。
【０２３１】
垂直型ブレード１に流入する流体（水）の流速分布は開口部の開口サイズ５８および開口位置５９により決定されるが、開口部を外れたＹ方向位置での流速は大きく低下する構成でも良いし、比較的流速差が緩和される構成でもよい。
【０２３２】
流速制御部５７が短く、開口部と垂直型ブレード１の流れ方向の距離が近づいている場合は、垂直型ブレード１に流入する開口部の領域と開口部以外の領域でのＹ方向位置で流速分布の差は比較的大きいが、流速制御部５７が比較的長く、開口部と垂直型ブレード１の流れ方向の距離が離れている場合は、垂直型ブレード１に流入する開口部の領域と開口部以外の領域でのＹ方向位置での流速分布の差は比較的小さくなる。また、流速制御部５７を流れの方向に対して斜めに配置することで、流れの乱れ（乱流度合い）が小さくなり、渦も発生しにくくなるため、比較的乱れの少ない位相の揃った流速が垂直型ブレード１に流入するため、斜めの構成となる流速制御部５７の構成は発電効率を維持するために大きな構成要素となる。
尚、実施形態２における流速分布付加装置５２と、フレーム５０および垂直型ブレード１とは一体でも良いし別体でもよい。
【０２３３】
また、流速制御部５７は流速方向に対して斜めの構成でも良いし、平行でもよいし、発電効率は下がるが、コスト低減効果があるため無くして単なる開口部としてもよい。
【０２３４】
尚、図１２Ｃにおける垂直型水力発電システム１５の水路または河川への固定は、コンクリートなどへのボルト固定でもよいし、基礎工事などを行い、金属部品などで固定する方法でもよい。
【０２３５】
図１２Ｄは、河川および水路に流速分布付加装置５２と、垂直型水力発電システム１５を構成した図である。図１２Ｃとの違いは、流速制御部５７を斜めの角度を有した案内板ではなく、流速と略直交する面に構成された流速制御部５７を上下に移動させて、開口部を形成する構成としている。この時、流速制御部５７の上下方向への移動は、流速および周速比応じてリアルタイムで開口サイズ５８をおよび開口位置５９を調整する構成でもよいし、固定式でも良い。固定方法としてはネジ式で移動させても良いし、ボルトまたはピンなどのとめ具で固定してもよい。
【０２３６】
また、開口部の開口サイズ５８および開口位置５９が固定なら、流速制御部５７はなくして、単に流速分布付加装置５２に開口部（穴）があいているだけでもよい。
尚、図１２Ｄにおいて、開口部は連続して構成されているが、一定の距離を離して、開口部を形成してもよい。
【０２３７】
（実施形態３）
図２０（ａ）、（ｂ）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。実施形態１および２との差は、風向検出手段１９を用い、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）を検出する構成とする。また、流速分布付加装置５２を垂直型ブレード１の４隅に配置するとともに、固定部５３の下部に回動手段９を設置し流速分布付加装置５２を回動可能な状態で保持し、風向２８に応じて流速分布付加装置５２を回動させ、あらゆる風向（または流れの向き）に応じて常にＣｐを最大にする構成としたことである。
【０２３８】
この構成により、あらゆる風向、流れの向き、潮の流れの向きに応じて、常に最大のＣＰを維持することができ、発電効率に優れた垂直型風力発電システム１５、垂直型水力発電システム１５、または洋上風力発電における海中に配した垂直型水力発電システム１５を実現できる。
【０２３９】
尚、実施形態３において垂直型ブレード１への空気または水の流速を検出する流速検出手段１７と流入角度を検出する風向検出手段１９と回動手段９とを用い、流速分布付加装置５２は、複数配置され、空気または水の流速および垂直型ブレード１への風向２８（流入角度）に応じて流速分布のパターンを可変とする構成としてもよい。
【０２４０】
また、実施の形態１〜３では主に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し洋上の風力発電システムまたは潮力発電システムに適応してもよい。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。
【０２４１】
(実施形態４)
図２１Ａ、図２１Ｂ、図２１Ｃ、図２１Ｄおよび図２２を参照して実施形態４に係わる垂直型水力発電システム１５について説明する。
実施形態１〜３との違いは、ピッチ角度３９の角度制御を行った場合において、中周速比および高周速比における開口位置５９と、低周速比における開口位置５９が大きく異なるという点である。
【０２４２】
図２１Ａは、流速方向に対して直交する断面において、流速分布を３つの長方形断面に分割した状態を示している。数１４の運動エネルギー流量一定の条件より算出した流速分布を示しており、ＣＡＳＥ２は中心部分が最大流速の３．５ｍ／ｓとなり、それぞれ両側に３ｍ／ｓと２．２３ｍ／ｓの流速分布を形成している。この場合、Ｙ軸方向の中心（垂直型ブレード１の回転中心）と流速分布の最大値のＹ軸方向の中心はほぼ一致している。
【０２４３】
一方ＣＡＳＥ３は、図中において、図の下側（ブレード回転角度１３が２００度から３４０度付近）の領域の流速を最大流速と設定し、中心付近の領域を３ｍ／ｓ、上側を２．２３ｍ／ｓとそれぞれ設定している。
【０２４４】
図２１Ｂ、図２１Ｃは、図２１Ａの流速分布を用い、Ｃｐと周速比の関係を示した図で、条件３、条件４および条件５は条件１および条件２に対してＣｐの改善効果は大きい。これはピッチ角３９の角度調整の効果が大きいといえる。
【０２４５】
また、条件３、条件４および条件５のＣｐ改善効果に有意差が無い。条件４（ＣＡＳＥ２）および条件５（ＣＡＳＥ３）のＣｐ改善効果に有意差があまりないという結果になっている。
【０２４６】
これは図２１Ｄに示すように、トルク係数（発生トルク）を縦軸に取り、ブレード回転角度１３を横軸にしたとき条件３ではブレード回転角度１３が１５０度付近から２４０度にかけてトルク係数が大きく増加する。したがってその角度領域の流速をあげれば、条件４および条件５以上にトルク係数が増加することが容易に推察される。
【０２４７】
条件４および条件５は、２００度付近で最大流速が入れ替わっているため、その効果が低下しているが１５０度付近から２４０度付近の風速を上げることで、条件３に対してさらに流速分布を付加した効果が発揮できＣｐが増加することとなる。
【０２４８】
この時、条件３で最大トルクを発生するブレード回転角度１３は約２００度付近となっており、その最大トルクを発生するブレード回転角度は１８０度から大きくずれることとなる。従って、開口位置５９は周速比により大きく変化し、周速比が１以下の領域では、１５０度付近から２４０度付近の流速をあげることが重要となる。
【０２４９】
図２２は、実施形態４における水力発電システム１５の構成例を示したもので、図１２Ｃにおける開口位置５９を大きくＹ軸のマイナス側にずらし、ブレード回転角度１３の２００度付近に開口サイズ５８の中心を配置し、ブレード回転角度１３の１５０度〜２４０度付近の流速を上げる構成としている。
この構成により、低周速比および低流速の条件下において、垂直型水力発電システム１５の発電効率を大幅に向上させることが可能となる。
【０２５０】
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】
【０２５１】
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または水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や垂直型水力発電システムに利用できる。
【符号の説明】
【０２５２】
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  回転角制御装置
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（水力発電システム）
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  周速
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
５０  フレーム
５１  仕切り部
５２  流速分布付加装置
５３  固定部
５４  天面
５５  底面
５６  流速加速機構
５７  流束制御部（流速制御板）
５８  開口サイズ
５９  開口位置
６０  電力源
【図１】
2017120050.tif 000020
【図２】
2017120050.tif 000021
【図３Ａ】
2017120050.tif 000022
【図３Ｂ】
2017120050.tif 000023
【図３Ｃ】
2017120050.tif 000024
【図４】
2017120050.tif 000025
【図５Ａ】
2017120050.tif 000026
【図５Ｂ】
2017120050.tif 000027
【図５Ｃ】
2017120050.tif 000028
【図６】
2017120050.tif 000029
【図７】
2017120050.tif 000030
【図８】
2017120050.tif 000031
【図９Ａ】
2017120050.tif 000032
【図９Ｂ】
2017120050.tif 000033
【図９Ｃ】
2017120050.tif 000034
【図１０】
2017120050.tif 000035
【図１１】
2017120050.tif 000036
【図１２Ａ】
2017120050.tif 000037
【図１２Ｂ】
2017120050.tif 000038
【図１２Ｃ】
2017120050.tif 000039
【図１２Ｄ】
2017120050.tif 000040
【図１３】
2017120050.tif 000041
【図１４】
2017120050.tif 000042
【図１５】
2017120050.tif 000043
【図１６】
2017120050.tif 000044
【図１７】
2017120050.tif 000045
【図１８】
2017120050.tif 000046
【図１９】
2017120050.tif 000047
【図２０】
2017120050.tif 000048
【図２１Ａ】
2017120050.tif 000049
【図２１Ｂ】
2017120050.tif 000050
【図２１Ｃ】
2017120050.tif 000051
【図２１Ｄ】
2017120050.tif 000052
【図２２】
2017120050.tif 000053
【図２３】
2017120050.tif 000054
【図２４】
2017120050.tif 000055
【図２５】
2017120050.tif 000056
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月14日(2016.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２１Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２１Ｂ】
2017120050.tif 000057
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２１Ｄ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２１Ｄ】
2017120050.tif 000058