(57)【要約】【課題】風力を回転力に変換する効率の向上を図ることができる風車を提供すること。【解決手段】水平回転軸と、この水平回転軸の径方向に延びる断面が翼型のブレードと、を備えた風車であって、上記ブレードは、長手方向に複数のブレード分割片に分割されていると共に、当該ブレードの長手方向に沿って延びるブレード支持軸を備えている。そして、上記複数のブレード分割片は、所定の向きを向くよう復元力を付勢する復元力付勢手段を介して、ブレード支持軸に回転自在に軸支されている。【選択図】図２
2009156124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平回転軸と、この水平回転軸の径方向に延びる断面が翼型のブレードと、を備えた風車であって、
前記ブレードは、長手方向に複数のブレード分割片に分割されていると共に、当該ブレードの長手方向に沿って延びるブレード支持軸を備え、
前記複数のブレード分割片は、所定の向きを向くよう復元力を付勢する復元力付勢手段を介して、前記ブレード支持軸に回転自在に軸支されている、
ことを特徴とする風車。
【請求項２】
前記復元力付勢手段は、前記複数のブレード分割片が連続した１枚のブレード形状となるよう復元力を付勢する、
ことを特徴とする請求項１記載の風車。
【請求項３】
前記復元力付勢手段は、前記ブレードの前縁が前記水平回転軸の軸方向に向くよう復元力を付勢する、
ことを特徴とする請求項２記載の風車。
【請求項４】
前記ブレード支持軸は、前記ブレードの後縁側で前記複数のブレード分割片を回転自在に軸支する、
ことを特徴とする請求項３記載の風車。
【請求項５】
前記復元力付勢手段は、前記ブレード分割片の回転を所定の角度までに制限するよう構成されている、
ことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の風車。
【請求項６】
請求項１乃至５記載の風車を装備し、
前記水平回転軸の回転に応じて発電する発電手段を備えた、
ことを特徴とする風力発電機。
【請求項７】
風車の水平回転軸に連結し、当該水平回転軸の径方向に延びる断面が翼型のブレードであって、
長手方向に複数のブレード分割片に分割されていると共に、当該ブレードの長手方向に沿って延びるブレード支持軸を備え、
前記複数のブレード分割片は、所定の向きを向くよう復元力を付勢する復元力付勢手段を介して、前記ブレード支持軸に回転自在に軸支されている、
ことを特徴とするブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車にかかり、特に、水平回転軸にブレードを備えた風車に関する。また、本発明は、風車に用いるブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力によって回転する風車は、例えば、風力を電気に変換する風力発電機に用いられる。風車は、一般的に、特許文献１や図１の風力発電機に示すように、地面に垂直に立設された支柱１と、この支柱の上端部分に設けられた地面（水平方向）に対して平行な回転軸である平行回転軸３と、この回転軸３から軸方向に延びるブレード４と、を備えている。そして、上記ブレード４は、断面が翼型であり、前縁側を前方（回転軸３の軸方向）に向け、かつ、背側を回転方向に向けて、配設される。これにより、前方（図１の矢印Ｙ１）からの風を受けると、背側に揚力が発生し、当該背側に向かって回転することとなる（図１の矢印Ｙ２）。
【０００３】
ここで、風力発電機に用いる風車は、風力を受けて回転するブレードを長く形成する必要があるため、非常に大型な装置となる。これに対して、下記特許文献２，３では、風力発電機つまり風車の設置場所までブレードの搬送を容易とすべく、当該ブレードを分割可能に構成している。
【０００４】
【特許文献１】特公平８−１１６７号公報
【特許文献２】特開２００４−１１６１６号公報
【特許文献３】特開２０００−６４９４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した構成の風車は、ブレードの前縁側を前方に向けているため、風向きが前方からではない場合に、効率的な回転を実現することができない。仮に前方から風を受けた場合であっても、回転が始まった後は、回転するブレードに対する風の相対的な向き（見かけ上の風向）は、前方よりも回転方向よりに傾いた方向となるため、効率よく揚力を発生させることができない。つまり、風力を回転力に変換する効率の向上を図ることができない、という問題があった。
【０００６】
このため、本発明の目的は、上述した課題である、風力を回転力に変換する効率の向上を図ることができる風車を提供する、ことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一形態である風車は、水平回転軸と、この水平回転軸の径方向に延びる断面が翼型のブレードと、を備え、当該ブレードは、長手方向に複数のブレード分割片に分割されていると共に、当該ブレードの長手方向に沿って延びるブレード支持軸を備え、上記複数のブレード分割片は、所定の向きを向くよう復元力を付勢する復元力付勢手段を介して、ブレード支持軸に回転自在に軸支されている、という構成を採る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、以上のように構成されているため、低コストにて、効率よく風力を回転力に変換する風車を提供することできる。特に、本発明の風車を発電機に適用した場合には、発電効率の向上を図ることができる、という優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の一形態である風車は、水平回転軸と、この水平回転軸の径方向に延びる断面が翼型のブレードと、を備えている。そして、上記ブレードは、長手方向に複数のブレード分割片に分割されていると共に、当該ブレードの長手方向に沿って延びるブレード支持軸を備えている。さらに、上記複数のブレード分割片は、所定の向きを向くよう復元力を付勢する復元力付勢手段を介して、ブレード支持軸に回転自在に軸支されている、という構成を採る。
【００１０】
また、上記復元力付勢手段は、複数のブレード分割片が連続した１枚のブレード形状となるよう復元力を付勢する、という構成を採る。また、上記復元力付勢手段は、ブレードの前縁が水平回転軸の軸方向に向くよう復元力を付勢する、という構成を採る。また、上記ブレード支持軸は、ブレードの後縁側で複数のブレード分割片を回転自在に軸支する、という構成を採る。さらに、上記復元力付勢手段は、ブレード分割片の回転を所定の角度までに制限するよう構成されている。
【００１１】
また、本発明の他の形態は、風力発電機であって、上述した風車を装備し、水平回転軸の回転に応じて発電する発電手段を備えた、という構成を採る。
【００１２】
さらに、本発明の他の形態では、風車のブレードであって、長手方向に複数のブレード分割片に分割されていると共に、当該ブレードの長手方向に沿って延びるブレード支持軸を備え、複数のブレード分割片は、所定の向きを向くよう復元力を付勢する復元力付勢手段を介して、ブレード支持軸に回転自在に軸支されている、という構成を採る。
【００１３】
上記発明によると、まず、風力発電などに用いられる風車のブレードは、その断面が翼型に形成されているため、所定方向から風力を受けると、揚力が発生し、この揚力が回転力となり風車が回転する。このとき、ブレードは、回転軸からの距離が離れる位置ほど回転方向への回転速度が速くなるため、ブレードに入射する風向及び風力が変化する。例えば、回転軸と平行に風の入射を受けると、回転速度との合成によって、回転軸からの距離が離れた位置ほど見かけ上の風向が回転方向に傾いた向きとなり、また、風力が強くなる。これに対応すべく、本発明では、ブレードを分割し、かつ、回転自在に軸支した構成であるため、ブレード分割片毎に発生する揚力によって当該ブレード分割片が回転しうる。すると、各ブレード分割片の位置毎における風の入射方向に、各ブレード分割片の前縁が向くよう回転し、当該各ブレード分割片がそれぞれ効率よく風力を受けることとなる。特に、回転軸からの距離が離れるほど、入射する風の向きが回転方向により傾き、かつ、強くなるため、これに応じてブレード分割片も大きく回転し、風向きに対応した角度に回転し、各ブレード分割片の前縁が風上に向くこととなる。
【００１４】
以上より、ブレード全体に効率よく風が入射するため、風力が小さい場合であっても効率よく回転し、発電を実現できる。また、風向きの変化に対しても、自動的に各ブレード分割片の向きが変化するため、効率的な発電を実現できる。さらに、上述した機能を有するブレードを簡易な構成にて実現できる。その結果、低コストにて、効率よく風力を回転力に変換する風車を提供することでき、発電機に応用した場合には、発電効率の向上を図ることができる。
【００１５】
以下、実施形態では、本発明の特徴となる風車を、風力発電機に用いた場合を説明する。但し、本発明の風車は、風力発電機に用いられることに限定されず、風力を回転力に変換して利用する装置に用いてもよい。
【００１６】
＜実施形態１＞
本発明の第１の実施形態を、図１乃至図５を参照して説明する。図１は、風力発電機の全体構成を示す概略図である。図２は、ブレードの構成を示す模式図である。図３は、ブレードの詳細な構成を示す概略図である。図４は、ブレードの回転速度と風向との関係を説明するための説明図である。図５は、ブレードの回転の様子を示す説明図である。
【００１７】
［構成］
図１に、一般的な風力発電機の全体構成を示す。この図に示すように、風力発電機は、地面に対してほぼ垂直に立てられた支柱１と、その先端部に設けられた発電機（発電手段）を収容する収容部２と、発電機に回転力を印加する水平回転軸３と、この水平回転軸３に連結された３枚のブレード４と、を備えている。
【００１８】
上記水平回転軸３は、地面とほぼ平行な水平方向に軸方向を向けて配設されている。そして、この回転軸３は、その外周に、当該回転軸の径方向に延びるブレード４を３枚連結して装備している。具体的には、ブレード４を回転軸３の外周に等間隔に設けており、例えば、１２０度ごとに配置している。なお、ブレード４の枚数は、３枚であることに限定されない。
【００１９】
また、上記ブレード４は、図２、図３に示すように、断面が翼型である。そして、本実施形態では、ブレード４を、図２に示すように、長手方向に複数のブレード分割片４１，４２，４３，４４，４５に分割している。また、ブレード４の後縁側に、当該ブレード４の長手方向に沿って延びる棒状のブレード支持軸４０を備えている。このブレード支持軸４０は、各ブレード分割片４１〜４５に後縁側で挿通しており、当該ブレード分割片４１〜４５をそれぞれ回転自在に軸支している。さらに、ブレード支持軸４０は、復元バネ５１（復元力付勢手段）を介してブレード分割片４１等を軸支している。その構成の一例を図３に示す。
【００２０】
まず、図３（ａ）に示すように、ブレード支持軸４０は、ブレード分割片４１を後縁側で回転自在に軸支している。ここで、ブレード支持軸４０部分の拡大図を、図３（ｂ）に示す。この例では、ブレード支持軸４０の周囲に巻かれて装備された復元バネ５１を介して、ブレード分割片４１を装備している。具体的に、復元バネ５１は、ブレード支持軸４０に一端側が固定され、当該支持軸４０の周囲を１周程度巻かれて装備されている。そして、復元バネ５１は、その他端側にブレード分割片４１を固定している。この復元バネ５１によって、矢印に示すようブレード分割片４１を所定の角度の範囲で回転可能であり、また、ブレード分割片４１が回転されると、当該ブレード分割片４１を元の位置に戻るよう復元力を付勢する。このとき、復元バネ５１を、各ブレード分割片４１〜４５の各前縁が、風車の前方（図１（ｂ）の左方向）、つまり、水平回転軸３の軸方向を向くよう、復元力を付勢するよう設定する。従って、ブレード４に何ら外力が印加されていない場合には、復元バネ５１の復元力によって、図２（ａ）に示すように、全てのブレード分割片４１〜４５の前縁、後縁、が直線状に揃い、連続した一枚のブレード形状となる。そして、このとき、前縁が水平回転軸３と同一方向を向くようになる。
【００２１】
なお、上記復元バネ５１は、ある一定の角度までにブレード分割片４１の回転を制限するよう構成されている。例えば、一定の角度以上回転したら、それ以上は回転しないよう、バネの伸縮量、つまり、ブレード支持軸４０に対するバネの巻き状態を設定する。また、一定の角度以上は回転しないようなバネ定数のバネを用いる。例えば、図３（ｂ）の例では、ブレード分割片４１が下方向に回転した場合には、復元バネ５１がブレード支持軸４０に密着して巻きついた状態になると、それ以上の回転が制限される。また、ブレード分割片４１が図３（ｂ）の上方向に回転した場合には、復元バネ５１がブレード支持軸４０に対して開く状態となり、一定の角度で復元バネ５１の復元力が強くなり、それ以上の回転が制限される。なお、ブレード分割片４１の回転を制限すべく、一定の角度でブレード分割片４１の回転を係止するストッパを設けてもよい。
【００２２】
但し、復元バネ５１は、図３（ｂ）に示す形状のものに限定されない。また、ブレード分割片４１〜４５に復元力を付勢する手段は、バネであることに限定されず、他の部材にてブレード分割片に復元力を付勢する構成であれば、いかなる構成であってもよい。また、ブレード４の分割数は、図示した数に限定されない。
【００２３】
［動作］
次に、上記構成の風力発電機の動作、つまり、ブレード４の動作を、図４乃至図５、及び、図２を参照して説明する。
【００２４】
まず、図４を参照して、ブレード４の回転速度と風向きとの関係を説明する。図４（ａ）は、ブレード４とその回転軌跡Ｔと、ブレード４が回転したときの当該ブレード４上の各点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の周速Ｅ（円周上の速度）と、を示している。この図に示すように、ブレード４上の各点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、回転軸Ｐ０から離れるにつれて、周速Ｅが大きくなる。
【００２５】
そして、図４（ｂ）は、上述したブレード４上の各点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２における風速と周速とによる見かけ上の風速である相対速度ｆを説明する図である。なお、「ｎ」は半径比であり、この半径比ｒは、回転軸である点Ｐ０から点Ｐ１の距離を基準半径ｒとし、ブレード４の位置Ｒと基準半径ｒとの比を表したものである。具体的には、ｎ＝Ｒ／ｒである。また、「ａ」は風速比であり、Ｅ＝ａ・ｎ・Ｖの関係となる。ここで、風は、回転軸３に対して平行に、ブレード４の前縁に向かって吹いていることとする。
【００２６】
すると、ａ＝０のときには、回転していないときであるため、各点Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２にかかる風速はＶのみである。一方、ａ＝１のときには、点Ｐ１及び点Ｐ２では、風速成分と回転速度成分との合成により、相対速度ｆの風向が回転方向に傾いた状態となり、また、風速が大きくなる。そして、特に、点Ｐ１及び点Ｐ２の相対速度ｆを見ると、回転軸Ｐ０から離れるほど、相対速度ｆの風向がより回転方向に傾き、また、風速が大きくなる。
【００２７】
続いて、図５は、ブレード４の回転時の様子を示している。まず、図５（ａ）の上段に示すように、ブレード分割片４５に風速Ｖの風が印加しているとすると、揚力Ｌが生じ、回転することとなる。そして、回転し始めたブレード分割片４５に対しては、上述したように、見かけ上の風速ｆの方向が回転方向に傾いた状態となるが、図５（ｂ）の下段に示すように、ブレード分割片４５も揚力Ｌによって所定角度だけ回転しているため、前縁が見かけ上の風速ｆの方向を向くこととなる。これにより、ブレード分割片４５は適切に前縁側から風を受けることができ、さらに揚力Ｌが発生して、回転力が大きくなる。一方、図５（ｂ）には、ブレード分割片１４５が回転しない場合を示しているが、この下段に示すように、見かけ上の風速ｆの方向が変化しているものの、ブレード分割片１４５の向きは変化しない。すると、見かけ上の風速ｆの角度が迎角を超えると、効率よく揚力が発生せず、回転効率が低下しうる。
【００２８】
以上のように構成することで、まず、ブレード４は、図２（ａ）に示すように、復元バネ５１によって、全てのブレード分割片４１〜４５が同一方向を向いていて、連続した一枚のブレードを形成している。この状態で、回転軸２に平行の風Ｙ１０を受けると、各ブレード分割片４１〜４５に揚力が発生し、ブレード４が回転軸２を中心に回転することとなる。
【００２９】
そして、一旦、回転し始めると、ブレード４の回転速度によって、見かけ上の風速及び風向が変化する。つまり、ブレードは、回転軸２からの距離が離れるほど回転方向への回転速度が速くなるため、各ブレード分割片４１〜４５に入射する風向及び風速が変化する。具体的には、図４を参照して説明したように、距離が離れるほど、見かけ上の風向が回転方向に傾き、さらに、風速が増す。これに応じて、各ブレード分割片４１〜４５は、回転軸２からの距離が離れた位置ほど、大きな揚力が発生して回転角度が大きくなり、各ブレード分割片４１〜４５の位置毎における風の入射方向に、当該各ブレード分割片４１〜４５の前縁が向くよう回転する。これによって、各ブレード分割片４１〜４５がそれぞれ効率よく風力を受けることとなる。
【００３０】
以上より、ブレード全体に効率よく風が入射する形状となるため、風力が小さい場合であっても効率よく風力を回転力に変換して、回転及び発電を実現できる。そして、回転開始後も、見かけ上の風速及び風向の変化に応じて、自動的に各ブレード分割片の角度が適切な角度に変化するため、効率的な発電を実現できる。さらに、上述した機能を有するブレードを簡易な構成にて実現できる。その結果、低コストにて、効率よく風力を回転力に変換する風車を提供することでき、発電機に応用した場合には、発電効率の向上を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の風車及びブレードは、風力発電機など、風力を回転力に変換する装置に利用することができ、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】風力発電機の構成を示す正面図と側面図である。
【図２】ブレードの構成を示す図である。
【図３】ブレードを指示するブレード支持軸の構成を示す図である。
【図４】ブレードに対する見かけ上の風速を説明する図である。
【図５】ブレードの動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  支柱
２  発電機
３  回転軸
４  ブレード
４０  ブレード支持軸
４１，４２，４３，４４，４５  ブレード分割片
５１  復元バネ
【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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