(57)【要約】  始動性が優れ、トルク係数の高い垂直軸風車並びに風車用ブレードを提供することを目的とする。  風を受ける面と開閉可能な支点４２とを備え、揚力を発生するブレード１８の回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板４０と、受風板４０が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段（バネ４４等）とを備えたので、ブレード１８の回転数が低い場合には受風板４０が開いて抗力形の風車として機能するので揚力形風車の始動性が向上し、ブレード１８の回転数が高い場合には受風板４０が自動で閉じて揚力形の風車として機能することが可能となる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、
前記受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段とを備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項２】
風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、
前記受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段とを備えたことを特徴とする風車用ブレード。
【請求項３】
風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、
前記受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段と、
前記受風板を所定の開度に維持する係止部、又は係止部材とを備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項４】
風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、
前記受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段と、
前記受風板を所定の開度に維持する係止部、又は係止部材とを備えたことを特徴とする風車用ブレード。
【請求項５】
揚力を発生するブレードの周速が所定の周速よりも低い領域で開くとともに、所定の周速以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項６】
揚力を発生するブレードの周速が所定の周速よりも低い領域で開くとともに、所定の周速以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする風車用ブレード。
【請求項７】
揚力を発生するブレードの回転数が所定の回転数よりも低い領域で開くとともに、所定の回転数以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項８】
揚力を発生するブレードの回転数が所定の回転数よりも低い領域で開くとともに、所定の回転数以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする風車用ブレード。
【請求項９】
弾性体やアクチュエータ、又は重力による力を作用させて開く力を与えるとともに、揚力を発生するブレードの回転による遠心力を作用させて、ブレードの回転数が所定の回転数以上の領域で閉じる力を与える受風板を備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項１０】
弾性体やアクチュエータ、又は重力による力を作用させて開く力を与えるとともに、揚力を発生するブレードの回転による遠心力を作用させて、ブレードの回転数が所定の回転数以上の領域で閉じる力を与える受風板を備えたことを特徴とする風車用ブレード。
【請求項１１】
主流の風速が所定の風速よりも低い領域で開くとともに、所定の風速以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項１２】
主流の風速が所定の風速よりも低い領域で開くとともに、所定の風速以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする風車用ブレード。
【請求項１３】
揚力を発生するブレードの周速比が所定の周速比よりも低い領域で開くとともに、所定の周速比以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項１４】
揚力を発生するブレードの周速比が所定の周速比よりも低い領域で開くとともに、所定の周速比以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする風車用ブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揚力形風車の始動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
直線翼型垂直軸風車は、水平軸プロペラ型風車およびダリウス型風車と同じく原理的にはエネルギー効率の優れた揚力形で作動する風車であるが、その形状的な違いによって定格出力百ワットから数十ｋW程度の小型風力発電装置に適した長所をいくつか有する。しかしその一方、１〜３m/s程度の微風における自己始動能力が乏しいという欠点がある。【０００３】
自己始動能力が優れた風車として、サボニウス風車に代表される抗力形原理の翼を採用した風車が存在するが、風によって押されて動く原理の抗力形風車では、一般に風力から得られるエネルギーの変換効率が非常に低いために、発電装置としての実用的な価値が低い傾向にある。【０００４】
そこで、基本的には揚力形原理である直線翼型垂直軸風車において、本来の欠点である自己始動性を改善し実用に供するために種々の装置が提案されている。【０００５】
従来、垂直回転軸に直交する面内で、該回転軸を中心として一定角度ごとに複数のブレードが設けられた風力発電用の風車において、前記ブレードは、１．０〜１．４の範囲の揚力係数を有する翼型であって、翼弦に対して前記回転軸側が、翼弦長に対して前縁から３５％〜４５％の位置を起点として、後縁まで切り欠かれていて、３０，０００〜３，０００，０００の範囲の低いレイノルズ数の風に対しても発電可能であることを特徴とする風力発電用の風車が知られている（例えば、特許文献１参照。)。【０００６】
また従来、垂直軸回転型のサボニウス型風車においてその上端および下端の回転面上でかつ、同風車の受風面に沿って回転軸を通る支持ルームとサボニウス翼と十分離れた位置にその支持フレームによって上下を支持された揚力利用の翼とで構成され、回転軸には発電機設置したことを特徴とする風車が知られている（例えば、特許文献２参照。)。【０００７】
また従来、発電機に連結連動される回転軸に取付けられた直線翼型風車と、この回転軸に回転自在に取付けられて小さい風力で駆動トルクを発生する起動用風車と、起動用風車と直線翼型風車との間に介在されて起動用風車の回転を一方向にのみ直線翼型風車に伝達する連結手段とを具備し、この連結手段により、低速回転時に起動風車の駆動トルクを直線翼型風車に伝達し、直線翼型風車の回転速度が起動用風車を越えた時に直線翼型風車を起動用風車から切り離すように構成したことを特徴とする小型風力発電装置が知られている（例えば、特許文献３参照。)。【０００８】
上記特許文献３に記載の構成によれば、風力の小さい起動時に、起動用風車から駆動トルクが伝達されて直線翼型風車が回転され、直線翼型風車の自己起動力を補完できるので、低風力時から効率よく直線翼型風車を回転させることができ、また高速回転時には連結手段により起動用風車が切り離されるので、高速回転の障害となることが無く、効率のよい発電が可能となる旨の記載がなされている。【０００９】
また従来、自然力、例えば風力により駆動される自然力を利用した原動機としての風車に結合される誘導発電機と、誘導発電機の出力を直流電力に変換する順逆両方向変換可能な第１の交直変換回路と、該変換された直流電力を交流電力に変換して、所定の交流電源に接続される負荷装置に接続する順逆両方向変換可能な第２の交直変換回路と、上記交直変換回路を直接的又は間接的に制御する制御機能と、当該誘導発電機の始動時と発電時における前記原動機回転速度に対応して設定される上記制御機能の指令信号記録装置とを備えるようにした発電装置が知られている（例えば、特許文献４参照。)。【００１０】
上記特許文献４に記載の発電装置では、自然力、例えば、風力の強さに対応して自動的に発電機機能と電動機機能とが切替え制御され、弱い風力等の自然力においてもこの発電装置は始動し、始動すると自動的に運転を継続し連続して発電動作に移行する旨の記載がなされている。【００１１】
また従来、鉛直軸芯回りに回転自在に立設された回転シャフトの上部に垂直軸型風車を一体的に設け、該回転シャフトの基端側適所に、当該回転シャフトの回転力を受けて発電可能な発電機を接続すると共に、該発電機から出力される電力およびソーラーを含むその他の外部電力を併用蓄電可能とし、且つ外部出力可能とするようにしたバッテリーを付設する一方、当該バッテリーに充電された電力の供給を受けて、垂直軸型風車の起動に必要とされる少なくとも最低限度の回転力を回転シャフトに与え続ける補助モータを設けてなる構成とした風力発電機が知られている（例えば、特許文献５参照。)。
【特許文献１】特許第３４５１０８５公報  （第１−３ページ、第１図）
【特許文献２】特開平１１−２９４３１３号公報  （第１−２ページ、第１図）
【特許文献３】特開平１１−２０１０２０号公報  （第１−３ページ、第２図）
【特許文献４】実開平６−９４００号公報  （第１−２ページ、第１図）
【特許文献５】特開２００３−３１４４２９号公報  （第１−３ページ、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載の風力発電用の風車では、起動時のように低風速域では、後方から風を受けて回転すると、ブレードの翼下面の切欠部によって、ブレードに大きな空気抵抗が生じ、これによって、サボニウス型風車効果、すなわち、空気抵抗によってブレード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旨の記載がなされている。そして、周速比１以下の低風速域では、空気抵抗によって回転モーメントが生じ、周速比１以上の高風速域では、ブレードに発生する揚力によって回転し、ブレードは、低レイノルズ数で高い揚力係数になるような翼型で形成されているので、いかなる風速でも、ブレードを回転させることができ、効率よく発電することができる旨の記載がなされている。【００１３】
また、特許文献１に記載の風車では、レイノルズ数を、３０，０００〜３，０００，０００の範囲にあるようにしたことにより、効果的に達成され、揚力係数を、１．０〜１．４の範囲にあるようにしたことにより、効果的に達成され、切欠部を翼弦長に対して前縁から３５％〜４５％の位置から後縁に亘って形成したことにより、より効果的に達成される旨の記載がなされている。【００１４】
しかし、特許文献１に記載の発明では、先端速度比１以下の低風速域でブレードの翼下面の切欠部による空気抵抗によってブレードに回転モーメントが発生する構造であるので、翼厚程度の空気抵抗しか得ることができないために、さほど大きな回転モーメントを得ることができないという不具合を生じていた。【００１５】
また、特許文献１に記載の発明では、翼下面を切り欠いているために本来の翼型と異なる形状になっている。揚力形の風車では、ブレードは風速の３倍ないし１０倍程度の速度で回転する可能性があるので、周速比（先端速度比）が高い場合に切欠き部近傍における流れの乱れが増大し、翼の揚力性能が低下して、風車のトルク係数がさほど増大せず、風速が高い場合であっても発電量が少ないという不具合を生じていた。【００１６】
また、翼下面を切り欠いているために本来の翼型に対して揚力も減少するので、トルク係数がさほど増大せず、風速が高い場合であっても発電量が少ないという不具合を生じていた。これらの不具合による影響は低風速域では小さいが、高風速、高回転速度域では影響が増大し、高い揚力性能が発揮できず十分な出力性能を期待しにくい。また、翼下面の空気の乱れによって渦が発生し、騒音が発生する可能性もある。【００１７】
また特許文献２に記載のハイブリッド風車発電方式では、比較的低い高さのサボニウス型風車を中心に、その上端および下端の回転面上に回転軸を通り受風面に沿って左右対称に伸びた二本の支持フレームを設置しており、２本の支持フレームの両端にプロペラ型の揚力利用の翼を回転軸と並行に垂直に設置し、翼は回転円の外側に曲面、内側に平面が向くように配置している。前記支持フレームは、サボニウス型風車に固定されており、プロペラ型翼とともにサボニウス型風車が回転するハイブリッド型を採用している。【００１８】
ところが特許文献２に記載の発明では、揚力形プロペラ翼に流入する風の流路の中央部に、大きな面積の障害物たる抗力形のサボニウス翼があるために、エネルギー回収を本格的に行ないたい風速増大時において風の流れが大きく乱れ、プロペラ翼の性能が損なわれるために発電量が少ないという不具合を生ずる。また、構造的にも形式の全く異なる翼を組合せているために、実現しようとすると構造が複雑となり、製造面でも問題が生じるという不具合を生じていた。【００１９】
また特許文献３に記載の発明では、独立した起動用風車と独立した直線翼型風車とが必要となるとともに、低速時には起動用風車と直線翼風車とを連結し、高速時には自動離脱させるための連結装置が必要となり、構造が複雑になるという不具合を生じていた。【００２０】
また、特許文献４に記載の発電装置では、弱風の場合には電気回路を操作して発電機をモータモードに切替えて起動させているので、弱風の状態が長時間継続したときには電力消費量が大きくなるという不具合を生ずる。【００２１】
また、特許文献５に記載の風力発電機の補助モータは、バッテリーからの電力供給を受けて、垂直軸型風車の起動に必要な回転力を連続的に出力して、無風または垂直軸型風車が安定的に回転作動できない程度の微風状態にあるときにも、垂直軸型風車を起動させて発電可能とする機能を果たすものである。【００２２】
したがって、弱風の状態が長時間継続したときにはバッテリーの電力を消耗し、バッテリーの寿命を損なう可能性が高い。また、もしバッテリーの電圧維持のため始動できない事態になれば、長期間風車が回転不能の状態が続き、顧客の期待を損なうという不具合を生ずるとともに、風車を設置した意義を失うこととなる。【００２３】
また特許文献５に記載の風力発電機では、補助モータと歯車機構とが必要であり、装置の複雑さとともに騒音が増すという不具合を生ずる。【００２４】
そこで  本発明は上記従来の状況に鑑み、モータや始動電力を必要とせずに１〜２m/s程度の弱風時から自己始動性を有するとともに、高風速域でも揚力形風車本来の優れた定格性能を発揮することが可能なトルク係数の高い垂直軸風車並びに風車用ブレードを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するため、本発明に係る垂直軸風車は、風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段とを備えたことを特徴とする。【００２６】
また本発明に係る揚力形風車のブレードは、風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段とを備えたことを特徴とする。【００２７】
また本発明は、受風板を所定の開度に維持する係止部、又は係止部材を備えたことを特徴とする。【００２８】
また本発明は、揚力を発生するブレードの周速が所定の周速よりも低い領域で開くとともに、所定の周速以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする。【００２９】
また本発明に係る垂直軸風車は、揚力を発生するブレードの回転数が所定の回転数よりも低い領域で開くとともに、所定の回転数以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする。【００３０】
また本発明に係る揚力形風車のブレードは、揚力を発生するブレードの回転数が所定の回転数よりも低い領域で開くとともに、所定の回転数以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする。【００３１】
また本発明に係る垂直軸風車は、弾性体やアクチュエータ、又は重力による力を作用させて開く力を与えるとともに、揚力を発生するブレードの回転による遠心力を作用させて、ブレードの回転数が所定の回転数以上の領域で閉じる力を与える受風板を備えたことを特徴とする。【００３２】
また本発明に係る揚力形風車のブレードは、弾性体やアクチュエータ、又は重力による力を作用させて開く力を与えるとともに、揚力を発生するブレードの回転による遠心力を作用させて、ブレードの回転数が所定の回転数以上の領域で閉じる力を与える受風板を備えたことを特徴とする。【００３３】
また本発明に係る垂直軸風車は、風の主流の風速が所定の風速よりも低い領域で開くとともに、所定の風速以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする。【００３４】
また本発明に係る垂直軸風車は、揚力を発生するブレードの周速比が所定の周速比よりも低い領域で開くとともに、所定の周速比以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段とを備えたので、ブレードの回転数が低い場合には受風板が開いて抗力形の風車として機能するので揚力形風車の始動性が向上し、ブレードの回転数が高い場合には受風板が自動で閉じて揚力形の風車として機能することが可能となる。また、遠心力を用いて受風板を閉じる構成としたので、簡単な構造で抗力形風車と揚力形風車とを切り替えることが可能となる。【００３６】
また本発明によれば、風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段とを揚力形風車のブレードに備えたので、面積の大きな受風板を用いることが可能となり、揚力形風車の始動性を向上させることが可能となる。【００３７】
また本発明は、受風板を所定の開度に維持する係止部、又は係止部材を備えたので、ブレードの回転数が低い場合に開く受風板の角度を所定の角度に設定することが可能となる。【００３８】
また本発明は、揚力を発生するブレードの周速が所定の周速よりも低い領域で開くとともに、所定の周速以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたので、ブレードの周速に応じて抗力形風車としての機能と揚力形風車としての機能とを切り替えることが可能となる。【００３９】
また本発明は、揚力を発生するブレードの回転数が所定の回転数よりも低い領域で開くとともに、所定の回転数以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたので、所定の半径の位置に存在するブレードの回転数に応じて抗力形風車としての機能と揚力形風車としての機能とを切り替えることが可能となる。【００４０】
また本発明は、風の主流の風速が所定の風速よりも低い領域で開くとともに、所定の風速以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたので、ブレードの速度に応じて抗力形風車としての機能と揚力形風車としての機能とを切り替えることが可能となる。【００４１】
また本発明は、風速と、回転数又はブレードの周速とを測定することによって、揚力を発生するブレードの周速比が所定の周速比よりも低い領域で開くとともに、所定の周速比以上の領域で閉じる動作を行なう受風板を備えたので、周速比に応じて抗力形風車としての機能と揚力形風車としての機能とを切り替えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】垂直軸風車並びに風車用ブレードの外観斜視図である。
【図２】受風板の開閉機構を備えたブレードの断面図である。
【図３】受風板が閉じた状態におけるブレードの断面図である。
【図４】受風板の開閉機構を備えた他のブレードの実施例を示す断面図である。
【図５】受風板が閉じた状態におけるブレードの断面図を示す図である。
【図６】受風板の開閉機構と、リンクによる係止機構とを備えた他のブレードの実施例を示す断面図である。
【図７】受風板の開閉機構を備えた他のブレードの実施例を示す断面図である。
【図８】受風板の開閉機構を備えた他のブレードの実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
８ ポール
１０ 垂直軸風車
１２ 装着部
１４ 固定軸
１６ 発電機
１８ ブレード
２０ 支持アーム
２２ 外輪スリーブ
２４ トルク伝達キャップ
２６ 増速機
２８ カップリング
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 軸受
３６ ダストシール
４０ 受風板
４１ 受風板
４２ 支点
４４ バネ
４６ 係止部
４８ 係止部材
４９ 係止部材
５０ ロッド
５２ 案内部品
６０ ソレノイド
６４ バネ
６６ ヒンジ
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明に係る垂直軸風車並びに風車用ブレードの構造について説明する。図１は、垂直軸風車並びに風車用ブレードの外観斜視図である。
同図に示すように垂直軸風車１０には、電柱その他のポール８に装着する装着部１２と、装着部１２と固定されている固定軸１４と、固定軸１４の上端に設けた発電機１６と、風速を揚力に変換して回転トルクを生じるブレード１８と、ブレード１８を上下で支える流線形断面の支持アーム２０と、支持アーム２０を取り付ける外輪スリーブ２２と、外輪スリーブ２２の回転トルクを発電機１６に伝達するトルク伝達キャップ２４とを設けてある。【００４５】
同図に示す例では、発電機１６の入力軸に増速機２６を取り付けてあり、外輪スリーブ２２の回転を増速機２６で増速して発電機１６の入力軸へ伝えている。伝達キャップ２４と増速機２６の間には、外輪スリーブ２２の回転トルクを増速機２６に伝達する機能を有するとともに両軸間のずれや傾き、距離の変動を吸収するカップリング２８を設けてある。カップリンク２８は、ゴム、バネ等の弾性体やオルダム式、回し金式を用いた接触式のカップリングであってもよいし、磁力を用いた非接触式のカップリングであってもよい。【００４６】
固定軸１４と外輪スリーブ２２との間には、軸受３０ａ、３０ｂ、３０ｃを設け、固定軸１４は外輪スリーブ２２を回動可能に支持している。同図に示す例では、軸受３０ａ、３０ｂをラジアル加重とスラスト加重を支えることが可能なアンギュラ軸受を背面合わせで使用しているが、本発明はこの組合せに限定されるものではなく、円錐ころ軸受を用いてもよいし、ラジアル軸受及びスラスト軸受を独立して設けるようにしてもよい。また同図に示す例では、軸受３０ｃにラジアル加重を支えることが可能な玉軸受を使用しているが、本発明は玉軸受に限定するものではない。
また同図に示す例では、軸受３０ａの上方にダストシール３６を設け、軸受３０ａに対する塵埃の混入や水分の混入を防止している。【００４７】
また本発明では、外輪スリーブ２２の低回転時又はブレード１８の周速が低い場合に開いて、ブレード１８の後方から当たる追い風を受けて抗力形の風車として外輪スリーブ２２を回転させる開閉可能な受風板４０をブレード１８に設けている。【００４８】
揚力形の風車の場合は、風速が低く外輪スリーブ２２が低回転の時（例えばブレード１８の周速比（先端速度比）が１以下の場合）には、ブレード１８が発生する揚力は少ないので、外輪スリーブ２２の回転トルクも少なく風車が始動しにくい。本発明によれば、外輪スリーブ２２が低回転の際、又はブレード１８の周速が所定の周速よりも低い領域に存在する場合には、風を受ける面を有する受風板４０を開いて、ブレード１８の後方から当たる追い風を受けるので、ブレード１８の周速比が低い場合であっても始動が容易になる。【００４９】
また、ブレード１８の周速比が上昇すると、ブレード１８が発生する揚力が増えるので、外輪スリーブ２２の回転トルクも上昇してくるが、受風板４０が開いたままであるとブレード１８が所定の揚力を得ることができないとともに、抗力が著しく増大する。そこで本発明では、外輪スリーブ２２の回転数の上昇や、外輪スリーブ２２の回転数上昇にともなう遠心力の増加、ブレード１８の周速が所定の周速以上になったとき、主流の風速が速くなったとき、ブレード１８の周速比が所定の値以上に上昇したときに、受風板４０を閉じる開閉機構を設けて、ブレード１８の揚力を増大させるとともに抗力を減少させて風車の回転トルクを増大させ、発電量を増すことを可能としている。【００５０】
図２は、本発明に係る受風板の開閉機構を備えたブレードの断面図である。
同図に示す例では、ブレード１８の翼下面に、風を受ける面と開閉可能な支点４２とを有する受風板４０を設け、外輪スリーブ２２の回転速度が遅い場合には、付勢手段の一形態であるバネ４４の力で受風板４０を開くようにしている。外輪スリーブ２２の回転数が上昇した場合や、ブレード１８の周速が所定の周速以上に上昇したとき、受風板４０に作用する遠心力（揚力を発生するブレード１８の回転数に応じて生ずる遠心力）がバネ４４の開く力を上回って、受風板４０を閉じる方向に作用する構造になっている。【００５１】
また、風速計などにより風の主流の風速を測定して、主流の風速が所定の風速よりも速くなったと判断した場合に、受風板４０を閉じる指令を出力する制御手段を備え、該制御手段の指令に基づいてアクチュエータなどにより受風板を閉じる構成にしてもよい。また、風速計などにより風の主流の風速を測定するとともに、外輪スリーブ２２の回転数又はブレード１８の周速を測定して、主流の風速と外輪スリーブ２２の回転数又はブレード１８の周速との比が、所定の周速比以上になったと判断した場合に、受風板４０を閉じる指令を出力する制御手段を備え、該制御手段の指令に基づいてアクチュエータなどにより受風板を閉じる構成にしてもよい。【００５２】
同図に示すように、支持アーム２０に取り付けたブレード１８には、受風板４０を回動可能に支持するヒンジ又はピンなどによる支点４２と、受風板４０を開く方向に力を付勢するバネ４４（同図に示す例ではヘアピンバネ）と、受風板４０の開度を所定の開度に維持する係止部４６とを設けてある。【００５３】
同図に示す例では、支点４２にヒンジ又はピンを用いた例を示したが、ヘアピンバネ自体を支点として用いてもよいし、板バネその他の弾性支点を用いても本発明の目的を達成することが可能である。【００５４】
また同図では、受風板４０が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段として、ヘアピン形のバネ４４を用いた例を示したが、本発明はヘアピンバネに限定されるものではなく、引張バネ、圧縮バネ、板バネ等の弾性体を用いてもよい。また、材質も金属に限定されるものではなく、ゴムや樹脂その他の弾性体を用いてもよいし、ボイスコイル形のモータやソレノイド等のアクチュエータ、又は重力による力を作用させて受風板４０に開く力を与えるようにしてもよい。【００５５】
例えば回転半径Ｒのブレード１８の先端速度ωＲが風速Ｖよりもはるかに遅い場合には、外輪スリーブ２２の回転速度が遅いので受風板４０に働く遠心力は少なく、バネ４４により受風板４０を開く方向に付勢する力（開トルクＴｋ）が勝っている。したがって、受風板４０は開いた状態となっている。この場合には、ブレード１８の先端速度ωＲよりも風速Ｖの方が速度が大きいので、受風板４０には風速Ｖによる抗力が働き、外輪スリーブ２２を加速する方向にトルクが発生する。【００５６】
風速Ｖによってブレード１８の先端速度ωＲが上昇し、ブレード１８の先端速度ωＲが風速Ｖに近づくと、抗力によるトルク係数が低下するので、ブレード１８の揚力によるトルクを発生させるために、受風板４０を閉じるように設計する。同図に示す例では、受風板４０の質量Ｍにかかる遠心力（Ｍ×Ｒ×ω×ω）による閉トルクＴｈが、ブレード１８の周速が所定の風速以上の領域で、バネ４４による開トルクＴｋを上回るように、受風板４０の質量と、バネ４４による開トルクＴｋとを設定する。【００５７】
受風板４０が半開き状態となる回転速度範囲が広いと、外輪スリーブ２２の加速が悪くなる場合には、なるべく支点４２の摩擦抵抗を少なくする設計を行なうとともに、バネ４４のばね定数が低くなるように設計するとよい。【００５８】
更に外輪スリーブ２２の回転速度が上昇して遠心力が増大すると、受風板４０が完全に閉じるので、ブレード１８は通常の翼型に戻り、抗力が所定の値に減少するとともに揚力が所定の値に上昇して、外輪スリーブ２２を加速するためのトルクを発生する。図３に、受風板４０が閉じた状態におけるブレード１８の断面図を示す。【００５９】
風速が弱まって外輪スリーブ２２の回転速度が低下すると、遠心力が弱くなり、受風板４０の閉トルクＴｈが減少する。更に外輪スリーブ２２の回転速度が低下して、開トルクＴｋが閉トルクＴｈを上回った場合には、再び受風板４０開いて抗力形の風車として機能するようになる。【００６０】
なお、上記の実施例では受風板４０をブレード１８の翼下面（外輪スリーブ２２側）に設けた実施例で説明したが、受風板をブレード１８の翼上面に設け、支点やリンク機構を介して遠心力を受風板４０に作用させ、受風板４０を閉じるように構成してもよい。
また上記の受風板４０は、ブレード１８の全面に設けてもよいし、ブレード１８の翼端側にのみ設けてもよいし、ブレード１８の中央部にのみ設けるようにしてもよい。【００６１】
図４は、受風板の開閉機構を備えた他のブレードの実施例を示す断面図である。同図に示す例では、ブレード１８の翼下面前縁付近に開閉可能な受風板４０を設けている。同図に示す受風板４０も、外輪スリーブ２２の回転速度が遅い場合にはバネ４４の力により開いており、例えば外輪スリーブ２２の回転数が上昇した場合や、ブレード１８の周速が所定の周速以上になった場合、周速比が所定の値以上になった場合、風の主流の風速が所定の風速以上になった場合には、受風板４０に働く遠心力がバネ４４による開く力を上回って、受風板４０が閉じる構造になっている。【００６２】
同図に示す例では、受風板４０の開度を決定するための構造に、係止部材４８を設けている。係止部材４８は、ワイヤー、鎖、ゴム、バネなどを用いてもよい。【００６３】
同図に示す例では、受風板４０をブレード１８の前縁付近に設けたので、外輪スリーブ２２の回転数が低い状態でブレード１８の後方且つ下方から風か当たる場合には、ブレード１８の下面に沿って流れる風が増速して受風板４０に当たることが考えられ、低回転時のトルク係数の向上が期待される。【００６４】
図５に、受風板が閉じた状態におけるブレードの断面図を示す。
外輪スリーブ２２の回転速度が上昇して遠心力が増大すると、受風板４０が完全に閉じるので、ブレード１８は通常の翼型に戻り、所定の抗力に減少するとともに所定の揚力を発生して外輪スリーブ２２を加速するトルクを発生する。【００６５】
図６は、受風板の開閉機構と、リンクによる係止機構とを備えた他のブレードの実施例を示す断面図である。同図に示す例では、ブレード１８の受風板４０が存在する部分の内側に空間を設け、その部分にリンクによる係止部材４９を設けることによって受風板４０の開度を設定する例を示している。【００６６】
図７は、受風板の開閉機構を備えた他のブレードの実施例を示す断面図である。同図に示す例では、ブレード１８の受風板４０が存在する部分の内側に空間を設け、その部分にロッド５０及び案内部品５２からなる係止部材を設けることによって受風板４０の開度を設定する例を示している。【００６７】
図８は、受風板の開閉機構を備えた他のブレードの実施例を示す断面図である。同図に示す例では、受風板４０、４１をブレード１８の後縁に設け、外輪スリーブ２２の回転速度が遅い場合には、圧縮型のバネ６４の力で受風板４０、４１が支点４２を軸に開くように構成している。【００６８】
例えば、外輪スリーブ２２の回転数が増加した場合、ブレードの周速が所定の周速を超えた場合、風の主流の風速が速くなったとき、又はブレードの周速比が所定の値以上になった場合には、抗力形の風車から揚力形の風車に切り替える場合ために、制御手段（図示せず）がソレノイド６０に電力を供給する。【００６９】
するとソレノイド６０のシャフトは、バネ６４の力に打ち勝って同図左側に移動し、リンクを介して接続されている受風板４０、４１を閉じる方向に回転する力を与える。受風板４０、４１を閉じる方向に力を付勢するアクチュエータは、上記のソレノイドに限定されるものではなく、エアーシリンダ等を用いてもよい。また同図に示す例は、受風板４０、４１を回動可能に軸支するヒンジ６６、６６を設けている。【００７０】
また上記の例では、ブレード１８に開閉可能な受風板４０、４１を設けた例を示したが、本発明はブレード１８に開閉可能な受風板４０、４１を設けることに限定するものではなく、支持アーム２０や外輪スリーブ２２等の他の回転部分に設けるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明に係る垂直軸風車並びに風車用ブレードによれば、ブレードの回転数が低い場合には受風板が開いて抗力形の風車として機能するので、風車の始動性が向上し、ブレードの回転数が高い場合には受風板が自動で閉じて揚力形の風車として機能することが可能となる。【００７２】
また、遠心力を用いて受風板を閉じる構成としたので、簡単な構造で抗力形風車と揚力形風車とを切り替えることが可能となる。したがって、始動用の動力源を別途使用せずに風力で始動することが可能となるとともに、ブレードの周速が高い領域では翼型断面を有するブレード本来の優れた揚抗比で、回転スリーブを回転させることが可能となる。【００７３】
また、本発明によれば、構造が簡単で安価な垂直軸風車並びに風車用ブレードを提供することが可能となる。【００７４】
また本発明によれば、トルク係数の良好な発電量の多い垂直軸風車を提供することが可能となる。
【図１】
2005095793.tif 000002
【図２】
2005095793.tif 000003
【図３】
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【図４】
2005095793.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年8月25日(2005.8.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの前縁付近に設けられ、ブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、
前記受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段とを備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項２】
風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの前縁付近に設けられ、ブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、
前記受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段とを備えたことを特徴とする風車用ブレード。
【請求項３】
風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの前縁付近に設けられ、ブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、
前記受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段と、
前記受風板を所定の開度に維持する係止部、又は係止部材とを備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項４】
風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの前縁付近に設けられ、ブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、
前記受風板が風を受ける側に開く力を付勢する付勢手段と、
前記受風板を所定の開度に維持する係止部、又は係止部材とを備えたことを特徴とする風車用ブレード。
【請求項５】
ブレードの翼形表面の一部を削除して空間を設け、翼壁の代わりに開閉可能な受風板と、
前記受風板を開閉させる動作を行うアクチュエータと、
前記アクチュエータを介して前記受風板を開閉させる動作を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項６】
主流の風速を測定する風速測定手段をさらに備え、前記制御手段は、該風速測定手段により得られた風速測定値に基づいて、主流の風速が所定の風速よりも低い領域で開くとともに、所定の風速以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御することを特徴とする請求項５に記載の垂直軸風車。
【請求項７】
風車の回転数を測定する回転数測定手段をさらに備え、前記制御手段は、該回転数測定手段により得られた回転数測定値に基づいて、回転数が所定の回転数よりも低い領域で開くとともに、所定の回転数以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御することを特徴とする請求項５に記載の垂直軸風車。
【請求項８】
前記制御手段は、該回転数測定手段により得られた回転数測定値からブレードの周速を算出し、この周速が所定の周速よりも低い領域で開くとともに、所定の周速以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御することを特徴とする請求項７に記載の垂直軸風車。
【請求項９】
主流の風速を測定する風速測定手段と、風車の回転数を測定する回転数測定手段とをさらに備え、
前記制御手段は、該回転数測定手段により得られた回転数測定値からブレードの周速を算出し、風速測定値と前記ブレードの周速との比である周速比が所定の周速比よりも低い領域で開くとともに、所定の周速比以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御することを特徴とする請求項５に記載の垂直軸風車。
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月21日(2006.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】（削除）
【請求項２】（削除）
【請求項３】（削除）
【請求項４】風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの翼形表面の一部を削除して空間を設け、翼壁の代わりに開閉可能な受風板と、
前記空間に設置され、前記受風板を開閉させる動作を行うアクチュエータとを備えたことを特徴とする風車用ブレード。
【請求項５】ブレードの翼形表面の一部を削除して空間を設け、翼壁の代わりに開閉可能な受風板と、
前記空間に設置され、前記受風板を開閉させる動作を行うアクチュエータと、
前記アクチュエータを介して前記受風板を開閉させる動作を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項６】主流の風速を測定する風速測定手段をさらに備え、前記制御手段は、該風速測定手段により得られた風速測定値に基づいて、主流の風速が所定の風速よりも低い領域で開くとともに、所定の風速以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御することを特徴とする請求項５に記載の垂直軸風車。
【請求項７】風車の回転数を測定する回転数測定手段をさらに備え、前記制御手段は、該回転数測定手段により得られた回転数測定値に基づいて、回転数が所定の回転数よりも低い領域で開くとともに、所定の回転数以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御することを特徴とする請求項５に記載の垂直軸風車。
【請求項８】前記制御手段は、該回転数測定手段により得られた回転数測定値からブレードの周速を算出し、この周速が所定の周速よりも低い領域で開くとともに、所定の周速以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御することを特徴とする請求項７に記載の垂直軸風車。
【請求項９】主流の風速を測定する風速測定手段と、風車の回転数を測定する回転数測定手段とをさらに備え、
前記制御手段は、該回転数測定手段により得られた回転数測定値からブレードの周速を算出し、風速測定値と前記ブレードの周速との比である周速比が所定の周速比よりも低い領域で開くとともに、所定の周速比以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御することを特徴とする請求項５に記載の垂直軸風車。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
は自動離脱させるための連結装置が必要となり、構造が複雑になるという不具合を生じていた。
［００２０］  また、特許文献４に記載の発電装置では、弱風の場合には電気回路を操作して発電機をモータモードに切替えて起動させているので、弱風の状態が長時間継続したときには電力消費量が大きくなるという不具合を生ずる。
［００２１］  また、特許文献５に記載の風力発電機の補助モータは、バッテリーからの電力供給を受けて、垂直軸型風車の起動に必要な回転力を連続的に出力して、無風または垂直軸型風車が安定的に回転作動できない程度の微風状態にあるときにも、垂直軸型風車を起動させて発電可能とする機能を果たすものである。
［００２２］  したがって、弱風の状態が長時間継続したときにはバッテリーの電力を消耗し、バッテリーの寿命を損なう可能性が高い。また、もしバッテリーの電圧維持のため始動できない事態になれば、長期間風車が回転不能の状態が続き、顧客の期待を損なうという不具合を生ずるとともに、風車を設置した意義を失うこととなる。
［００２３］  また、特許文献５に記載の風力発電機は、補助モータと歯車機構とが必要であり、装置の複雑さとともに騒音が増すという不具合を生ずる。
［００２４］  そこで、本発明は上記従来の状況に鑑み、モータや始動電力を必要とせずに１〜２ｍ／ｓ程度の弱風時から自己始動性を有するとともに、高風速域でも揚力形風車本来の優れた定格性能を発揮することが可能なトルク係数の高い垂直軸風車並びに風車用ブレードを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
［００２５］  上記課題を解決するため、本発明に係る風車用ブレードは、風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの翼形表面の一部を削除して空間を設け、翼壁の代わりに開閉可能な受風板と、前記空間に設置され、前記受風板を開閉させる動作を行うアクチュエータとを備えたことを特徴とする。
［００２６］  また、本発明に係る垂直軸風車は、ブレードの翼形表面の一部を削除して空間を設け、翼壁の代わりに開閉可能な受風板と、前記空間に設置され、前記受風板を開閉させる動作を行うアクチュエータと、前記アクチュエータを介して前記受風板を開閉させる動作を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
５
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
［００２７］  また、本発明に係る垂直軸風車は、主流の風速を測定する風速測定手段をさらに備え、前記制御手段は、該風速測定手段により得られた風速測定値に基づいて、主流の風速が所定の風速よりも低い領域で開くとともに、所定の風速以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御する。
［００２８］  また、本発明に係る垂直軸風車は、風車の回転数を測定する回転数測定手段をさらに備え、前記制御手段は、該回転数測定手段により得られた回転数測定値に基づいて、回転数が所定の回転数よりも低い領域で開くとともに、所定の回転数以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御することを特徴とする。
［００２９］  また、本発明に係る垂直軸風車は、前記制御手段は、該回転数測定手段により得られた回転数測定値からブレードの周速を算出し、この周速が所定の周速よりも低い領域で開くとともに、所定の周速以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御することを特徴とする。
［００３０］  また、本発明に係る垂直軸風車は、主流の風速を測定する風速測定手段と、風車の回転数を測定する回転数測定手段とをさらに備え、前記制御手段は、該回転数測定手段により得られた回転数測定値からブレードの周速を算出し、風速測定値と前記ブレードの周速との比である周速比が所定の周速比よりも低い領域で開くとともに、所定の周速比以上の領域で閉じるように前記受風板の開閉を制御することを特徴とする。
［００３１］
［００３２］
［００３３］
［００３４］
【発明の効果】
［００３５］  本発明によれば、風を受ける面と開閉可能な支点とを備え、揚力を発生するブレードの回転数に応じて生ずる遠心力が閉じる方向に作用する受風板と、受風板が風を
６
【国際調査報告】
2005095793.tif 000010
2005095793.tif 000011
2005095793.tif 000012
2005095793.tif 000013