特開 2024-110177 揚力型垂直軸風車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024110177

(43)【公開日】2024-08-15

(54)【発明の名称】揚力型垂直軸風車

(51)【国際特許分類】

   F03D 3/06 20060101AFI20240807BHJP

   F03D 7/06 20060101ALI20240807BHJP

【ＦＩ】

F03D3/06 G

F03D7/06 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023014597

(22)【出願日】2023-02-02

(71)【出願人】

【識別番号】502444733

【氏名又は名称】日軽金アクト株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504150461

【氏名又は名称】国立大学法人鳥取大学

(74)【代理人】

【識別番号】100096644

【弁理士】

【氏名又は名称】中本 菊彦

(74)【代理人】

【識別番号】100083998

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 丈夫

(72)【発明者】

【氏名】樋上 博幸

(72)【発明者】

【氏名】石川 博光

(72)【発明者】

【氏名】小池 洋光

(72)【発明者】

【氏名】原 豊

(72)【発明者】

【氏名】小野 猛

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA16

3H178AA40

3H178BB08

3H178CC05

(57)【要約】

【課題】回転速度に応じて回動する可動翼の迎角の変動幅が過大となることを抑制する揚力型垂直軸風車を提供すること。
【解決手段】発電部と、発電部に一体化されかつ垂直軸周りに回転する回転軸と、回転軸にアーム１４を介して連結され垂直軸周りに回転する複数の風車翼と、回転軸と風車翼とを結ぶ軸線周りに回動可能な可動翼１５と、回転軸の回転速度に応じた遠心力の作用によって可動翼１５を軸線周りに傾斜させる過回転抑制誘導体とを備える揚力型垂直軸風車であって、アーム１４に一体化されかつ可動翼１５に相対回転可能に設けられた支持軸３０と、支持軸３０と可動翼１５とが相対回転するモーメントに対抗した反力トルクを発生させるダンパ機構４１とを備えている。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電部と、前記発電部に一体化されかつ垂直軸周りに回転する回転軸と、前記回転軸にアームを介して連結され前記垂直軸周りに回転する複数の風車翼と、前記回転軸と前記風車翼とを結ぶ軸線周りに回動可能な過回転抑制用の可動翼と、前記回転軸の回転速度に応じた遠心力の作用によって前記可動翼を前記軸線周りに傾斜させる過回転抑制誘導体とを備える揚力型垂直軸風車であって、
前記アームと前記可動翼とのいずれか一方の部材に一体化されかつ前記アームと前記可動翼との他方の部材に相対回転可能に設けられた支持軸と、
前記支持軸と前記他方の部材とを相対回転させるモーメントに対抗した反力トルクを発生させるダンパ機構とを備えている
ことを特徴とする揚力型垂直軸風車。

【請求項2】

請求項１に記載の揚力型垂直軸風車であって、
前記ダンパ機構は、前記支持軸と前記他方の部材とが相対回転する相対回転速度に応じて前記反力トルクが大きくなるオイルダンパを含む
ことを特徴とする揚力型垂直軸風車。

【請求項3】

請求項１に記載の揚力型垂直軸風車であって、
前記可動翼は、前縁が湾曲し後縁が尖った流線形の断面形状に形成され、かつ前記回転軸の停止時において前記前縁と前記後縁とを結ぶ弦と水平面とがなす角度である迎角が、予め定められた所定角度以上となるように配置されている
ことを特徴とする揚力型垂直軸風車。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の揚力型垂直軸風車であって、
前記風車翼により生じる空気力に応じて前記回転軸を回転させる空気力トルクと、前記可動翼が回動することによって前記回転軸の回転を低減させる方向に作用する抵抗トルクとの差に応じた駆動トルクによって前記回転軸が回転するように構成され、
前記ダンパ機構における前記反力トルクは、前記回転軸の回転速度が前記発電部の定格回転速度であり、かつ予め定められた風速の条件下において、前記駆動トルクが、前記発電部が発電することによって生じる発電トルクに釣り合う大きさとなる前記抵抗トルクに応じて定められている
ことを特徴とする揚力型垂直軸風車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、鉛直方向に配置された風車翼で発生する揚力により回転することで発電する揚力型垂直軸風車に関するもので、更に詳細には、過回転抑制機構を備える揚力型垂直軸風車に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、発電部を有する基部と、上記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、上記回転部にアームを介して連結されて垂直軸周りに回転する複数の風車翼（主翼）と、を備える垂直軸風車は、その性能が風向に依存しないため、構造がシンプルになり、低コスト化に向いているとされている。
また、最近では、小形垂直軸風車を密集配置することにより、単位設置面積当りの出力が、大型の水平軸風車の風力発電所（ウインドファーム）以上になる可能性も示されており、再生可能エネルギーの導入促進において小形垂直軸風車のウインドファーム実現も期待されている。

【0003】

一方、垂直軸風車は、性能が風向に依存しない特性であるがために、制動コントロールが難しいという一面も有する。すなわち、水平軸風車では尾翼（側翼）などを使用して、風車のロータ面（翼の回転する面）を風向に正対する向きからそらすこと（ファーリング）で、過回転を比較的容易に防止できるが、垂直軸風車では風向に依存しないため、ファーリングは不可能である。

【0004】

そこで、垂直軸風車の回転速度に応じて垂直軸風車の回転方向に対抗する空力ブレーキトルクを発生させる過回転抑制機構が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載された過回転抑制機構は、回転部と主翼とに連結されたアームの長手方向を回転軸中心として回動する可動翼と、その可動翼の前縁側、または後縁側から鉛直方向に垂下した過回転抑制誘導体とによって構成されている。

【0005】

したがって、垂直軸風車の回転速度に応じて過回転抑制誘導体に作用する遠心力は、可動翼の前縁を鉛直方向における上側または下側に回動させる方向のモーメントとして可動翼に作用する。また、可動翼には、可動翼に作用する空気力によるモーメント、可動翼の自重に応じたモーメント、過回転抑制誘導体に作用する空気力によるモーメント、過回転抑制誘導体の重量に応じたモーメント、及び可動翼に作用する遠心力に応じたモーメントが可動翼の迎角を変更するように作用する。

【0006】

すなわち、特許文献１に記載された垂直軸風車は、可動翼に作用するモーメントの大小関係に応じて可動翼の迎角が変化して、垂直軸風車を回転させるトルクに対抗した抵抗トルクを発生させ垂直軸風車の過回転を抑制するように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０２２－１０８９１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１に記載された揚力型垂直軸風車は、その近傍を流れる空気流によって回転するものであるから、揚力型垂直軸風車を回転させるためのトルクは、風向に対する揚力型垂直軸風車の回転角（アジマス角）に応じて変動する。同様に、可動翼や過回転抑制機構に作用する空気力もアジマス角に応じて変動する。したがって、可動翼に作用する空気力によるモーメント、及び過回転抑制誘導体に作用する空気力によるモーメントの大きさがアジマス角に応じて変動し、それに伴って、可動翼の迎角が変動する。すなわち、揚力型垂直軸風車が１回転する間に、可動翼の迎角が大小に変動する。特に、揚力型垂直軸風車の回転速度が速い場合には、可動翼が大きく回動するため、可動翼の迎角の変動幅が大きくなる。そのような可動翼の過剰な回動を抑制するために、初期の可動翼の迎角を定めるための位置決めとしてのストッパに加えて、可動翼の最大迎角を制限するストッパを設けるなど、複数のストッパを設けるとすると、可動翼とストッパとが繰り返し衝突することになり、衝突に伴う振動や異音が発生する可能性がある。

【0009】

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、回転速度に応じて回動する可動翼の迎角の変動幅が過大となることを抑制する揚力型垂直軸風車を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を達成するために、この発明は、発電部と、前記発電部に一体化されかつ垂直軸周りに回転する回転軸と、前記回転軸にアームを介して連結され前記垂直軸周りに回転する複数の風車翼と、前記回転軸と前記風車翼とを結ぶ軸線周りに回動可能な過回転抑制用の可動翼と、前記回転軸の回転速度に応じた遠心力の作用によって前記可動翼を前記軸線周りに傾斜させる過回転抑制誘導体とを備える揚力型垂直軸風車であって、前記アームと前記可動翼とのいずれか一方の部材に一体化されかつ前記アームと前記可動翼との他方の部材に相対回転可能に設けられた支持軸と、前記支持軸と前記他方の部材とを相対回転させるモーメントに対抗した反力トルクを発生させるダンパ機構とを備えていることを特徴とする（請求項１）。

【0011】

このように構成することにより、回転軸（すなわち、揚力型垂直軸風車）の回転速度の増加に伴って可動翼が回動する場合に、可動翼が回動する方向に対抗した反力が作用する。そのため、可動翼の回動量が過大になることを抑制でき、可動翼の回動量を制限するストッパを複数設ける必要がなく、あるいはそのようなストッパと可動翼とが接触することによる異音や振動が発生することを抑制できる。同様に、回転軸の回転速度が低下して可動翼の回動量が減少する場合に、可動翼が初期の位置に向けて回動する方向に対抗した反力が作用する。そのため、可動翼の回動量が急激に減少するなどによって、可動翼を初期の位置に位置決めするストッパと可動翼との接触時における異音や振動を抑制することができる。また、ダンパ機構を設けることにより、定格風速以下の低い風速状態では、可動翼の回動量（平均）を低下させることができる。そのため、可動翼が回動することによる揚力型垂直軸風車を回転させるトルクに対抗した抵抗トルクを低減させることができ、発電部に作用する駆動トルクが過度に低下することを抑制できる。その結果、揚力型垂直軸風車の発電効率を向上させることができる。

【0012】

この発明において、前記ダンパ機構は、前記支持軸と前記他方の部材とが相対回転する相対回転速度に応じて前記反力トルクが大きくなるオイルダンパを含んでよい（請求項２）。
このように構成することにより、回転軸の回転速度が小さい場合など、可動翼の回動量を変更するモーメントが小さい場合であっても、可動翼を回動させることができ、回転軸の過回転を抑制する機能が低下することを抑制できる。

【0013】

また、この発明において、前記可動翼は、前縁が湾曲し後縁が尖った流線形の断面形状に形成され、かつ前記回転軸の停止時において前記前縁と前記後縁とを結ぶ弦と水平面とがなす角度である迎角が、予め定められた所定角度以上となるように配置されていてよい（請求項３）。
このように構成することにより、揚力型垂直軸風車の回転軸の回転速度の増加時に可動翼の回動量を増加させる方向に作用するモーメントが過小となって、可動翼が適切に回動できなくなる事態を抑制できる。

【0014】

また、この発明において、前記風車翼により生じる揚力に応じて前記回転軸を回転させる揚力トルクと、前記可動翼が回動することによって前記回転軸の回転を低減させる方向に作用する抵抗トルクとの差に応じた駆動トルクによって前記回転軸が回転するように構成され、前記ダンパ機構における前記反力トルクは、前記回転軸の回転速度が前記発電部の定格回転速度であり、かつ予め定められた風速の条件下において、前記駆動トルクが、前記発電部が発電することによって生じる発電トルクに釣り合う大きさとなる前記抵抗トルクに応じて定められていてよい（請求項４）。
このように構成することにより、ダンパ機構によって生じる反力トルクが過不足するなどによって、揚力型垂直軸風車が所期の回転速度で回転している場合における発電効率が低下することを抑制できる。

【発明の効果】

【0015】

この発明によれば、上記のように構成されているので、可動翼を設けることによる揚力型垂直軸風車の過回転を抑制する機能に加えて、可動翼の回動量の変動幅が過大になることを抑制できる。その結果、可動翼の回動量を制限するストッパを複数設ける必要がなく、あるいはそのようなストッパと可動翼との接触による異音や振動の発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】この発明に係る揚力型垂直軸風車の一例を示す概略側面図である。

【図1A】上記揚力型垂直軸風車の翼固定部の一部を断面で示す側面図である。

【図1B】上記揚力型垂直軸風車の翼固定部の平面図である。

【図2】この発明における風車翼の断面図である。

【図3】この発明における固定アームと可動翼との取付構造、及びダンパ機構の構成を説明するための一部破断した平面図である。

【図4】固定アームに設けられた固定側ブラケットの構成を説明するための、図３におけるIV-IV線に沿う断面図である。

【図5】保持側ブラケットの構成を説明するための断面図である。

【図6】この発明における主翼と可動翼との取付構造、及びダンパ機構の構成を説明するための一部破断した平面図である。

【図7】主翼に設けられた固定側ブラケットの構成を説明するための断面図である。

【図8A】補助翼を可動翼に取り付けるための可動翼に設けられたブラケットの構成を説明するための可動翼の平面図である。

【図8B】図８ＡにおけるVIII-VIII線に沿う断面図である。

【図9】補助翼を可動翼に取り付けるための補助翼に設けられたブラケットの構成を説明するための図であり、（ａ）は補助翼の側面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるIX-IX線に沿う断面図である。

【図10】可動翼に補助翼を取り付けた状態を示す側面図である。

【図11】可動翼に作用するモーメントを説明するための模式図である。

【図12】迎角と可動翼に作用するモーメントの大きさとの関係であるモーメント係数、揚力係数、抗力係数を示すグラフである。

【図13】ダンパ機構の特性を説明するためのグラフである。

【図14】ダンパ機構の有無に迎角の変化の違いを示すグラフであり、（ａ）はダンパ機構を設けていない場合の迎角の変化を示すグラフであり、（ｂ）はダンパ機構を設けている場合の迎角の変化を示すグラフである。

【図15】オイルダンパを２つ設けた場合における迎角の変化を示すグラフである。

【図16】オイルダンパを８つ設けた場合における迎角の変化を示すグラフである。

【図17】予め定められた条件下での迎角の変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に、この発明を実施するための形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。

【0018】

この発明に係る揚力型垂直軸風車１（以下に、単に風車１という）は、図１に示すように、風を受ける方向に対して垂直な軸Ｚ（以下に、垂直軸Ｚという）周りに回転する回転軸２と、回転軸２に連結される発電部６と、回転軸２に連結されて垂直軸Ｚ周りに回転する複数（例えば、３枚）の風車翼１０（以下に翼１０という）とを備えている。

【0019】

図１Ａに示すように、回転軸２の下端側は、ハウジング３の内部に、軸受３ａを介して回転自在に保持されている。そのハウジングの下端に発電部６が連結されている。なお、発電部６は、回転軸２の回転速度を増速させる増速機６ａと、発電機６ｂとによって構成されている。また、ハウジング３には、ハウジング受け材３ｂと支持脚受け材３ｃを介して、風車１の翼１０を設置面４から所定の高さに位置させるための支持脚５が連結されている。

【0020】

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、回転軸２の上端側には、第１取付用ブラケット２１が取り付けられている。この第１取付用ブラケット２１は、回転軸２の外周面の１／３を包囲する三つのブラケット部材２２によって構成されている。このブラケット部材２２における回転軸２に対向する円弧面には凸条２２ａが形成され、その凸条２２ａに係合する凹条２ａが回転軸２の外周面に形成され、凸条２２ａを凹条２ａに嵌合することにより、ブラケット部材２２が回転軸２に取り付けられる。

【0021】

このブラケット部材２２は、円弧面の両端から該円弧面の仮想中心から法線方向に延在した当接片２２ｂと、当接片２２ｂの先端から当接片２２ｂに対して直角方向に延在する取付片２２ｃとを備えている。そして、隣り合うブラケット部材２２同士の当接片２２ｂが接触して、回転軸２に組み付けられている。

【0022】

その第１取付用ブラケット２１には、第２取付用ブラケット２３が取り付けられている。この第２取付用ブラケット２３は、第１取付用ブラケット２１に当接する面から起立する一対の起立片２３ａと、両起立片２３ａの先端から互いに近接する方向に所定の角度をもって延在する翼取付片２３ｂと、両翼取付片２３ｂの先端同士を連結する固定アーム取付片２３ｃとを備えている。そして、回転軸２に組み付けられた各ブラケット部材２２における取付片２２ｃに、第２取付用ブラケット２３を当接してボルトナット固定される。

【0023】

翼１０は、第１取付用ブラケット２１及び第２取付用ブラケット２３を介して回転軸２に固定されていて、図１に示す例では、風車１の垂直軸Ｚから離れるにつれて互いの間隔が広くなるように回転軸２から延びる一対の延在部１１と、垂直軸Ｚに略平行な方向に沿って延びる主翼１２と、延在部１１と主翼１２とを連結部材（図示せず）によって湾曲状に連結する湾曲部１３とによって構成されている。すなわち、翼１０は、側面視において水平軸Ｘに対して略対称に形成された略三角形状に形成されている。ここで、略三角形状とは、翼１０の全体形状が三角形に近い形状であることをいい、三角形の角部が湾曲したものに限らず、三辺のいずれかが湾曲したものも含む。なお、延在部１１は、中空状に形成されていて、その内部に、後述する前縁側ブラケット７１と同様に構成された翼ブラケット２４が固定され、その翼ブラケット２４と翼取付片２３ｂとがボルト固定されている。

【0024】

また、翼１０は、第１取付用ブラケット２１及び第２取付用ブラケット２２を介して一端が回転軸２に連結され、後述する可動翼１５を介して他端が主翼１２に連結される水平方向に延びる固定アーム１４を備えている。この固定アーム１４は、風車１の回転速度に応じた遠心力により主翼１２が湾曲するなどを抑制するように構成されている。すなわち、予め定められた上限速度で風車１が回転した場合であっても、翼１０が所期の形状を維持できるように固定アーム１４の剛性が定められている。なお、固定アーム１４は、中空状に形成されていて、その内部に、後述する前縁側ブラケット７１と同様に構成された翼ブラケット２４が固定され、その翼ブラケット２４と固定アーム取付片２３ｃとがボルト固定されている。

【0025】

固定アーム１４の主翼１２側の先端には、固定アーム１４の長手方向を中心軸線として固定アーム１４に対して回転可能に可動翼１５が連結されている。この可動翼１５の下面には、風車１の回転速度に応じた遠心力に基づくモーメント（トルク）を可動翼１５に作用させて、可動翼１５の迎角を増大させる補助翼１６が取り付けられている。この可動翼１５は、後述するように風車１（回転軸２）の回転速度に応じて迎角が変化することにより、風車１の過回転を抑制するように構成されている。この補助翼１６が、この発明の実施形態における「過回転抑制誘導体」に相当する。

【0026】

翼１０を形成する延在部１１、主翼１２、湾曲部１３、固定アーム１４、可動翼１５、及び補助翼１６の断面形状は、同様に形成されている。具体的には、前縁が湾曲し後縁が尖った流線形に形成され、その前縁と後縁とを結ぶ翼弦線を挟んで上下両側が対称形状に形成されている。

【0027】

また、延在部１１、主翼１２、湾曲部１３、固定アーム１４、可動翼１５、及び補助翼１６は、中空状に形成されたアルミニウム製の押出形材によって構成されている。図２は、その断面形状を示してあり、図２に示す例では、３つのリブ１０ｅによって中空部が４つに区画されている。以下、前縁側から第１中空部１０ａ、第２中空部１０ｂ、第３中空部１０ｃ、第４中空部１０ｄと記す。第２中空部１０ｂの上辺及び下辺が平坦に形成されていて、両リブ１０ｅとで矩形状に形成されている。なお、図２に示す翼１０は、３つのリブ１０ｅによって区画された４つの中空部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを有するが、中空部の形状や数は任意である。

【0028】

図３には、固定アーム１４と可動翼１５とを連結する構成を説明するための平面図を示し、図３におけるIV-IV線に沿う断面図を図４に示してある。図３に示すように固定アーム１４の端部と、可動翼１５の端部とには、所定の間隔が設けられていて、固定アーム１４に一体化された支持軸３０が、可動翼１５に相対回転可能に挿入されている。

【0029】

固定アーム１４には、支持軸３０が螺合する固定側ブラケット３１が取り付けられている。固定側ブラケット３１は、図３、図４に示すように第２中空部１０ｂに挿入される第１挿入部３１ａと、第３中空部１０ｃに挿入される第２挿入部３１ｂと、第１挿入部３１ａのうちの固定アーム１４から突出した端部と、第２挿入部３１ｂのうちの固定アーム１４から突出した端部とを連結する連結部３１ｃとを備えている。すなわち、第１挿入部３１ａ、第２挿入部３１ｂ、及び連結部３１ｃが一体に形成されている。その固定側ブラケット３１には、リブ１０ｅが嵌合するスリット３１ｄが形成され、そのスリット３１ｄによって第１挿入部３１ａと第２挿入部３１ｂとが区分けされている。

【0030】

第１挿入部３１ａは、第２中空部１０ｂにおける後縁側の部分に嵌合するように断面矩形状に形成されている。また、第1挿入部３１ａには、固定アーム１４の長手方向に向けて貫通した雌ねじ部３１ｅが所定の位置に形成され、かつ可動翼１５側に向けて突出したストッパ３１ｆが形成されている。そのストッパ３１ｆは、雌ねじ部３１ｅよりも固定アーム１４の前縁側に形成されていて、雌ねじ部３１ｅから前縁側に向かうに連れて上面高さが高くなるように傾斜して形成されている。この傾斜角度は、可動翼１５の予め定められた初期迎角に応じた角度に設定されている。さらに、第２挿入部３１ｂは、第３中空部１０ｃにおける前縁側の部分に嵌合する形状に形成されている。したがって、第１挿入部３１ａを第２中空部１０ｂに挿入するとともに、第２挿入部３１ｂを第３中空部１０ｃに挿入することにより連結部３１ｃがリブ１０ｅに当接するため、固定アーム１４に対する固定側ブラケット３１の位置決めがされる。

【0031】

第１挿入部３１ａと第２挿入部３１ｂとには、厚み方向に貫通した４つの貫通孔３１ｇが形成され、固定アーム１４の上面及び下面のうちのそれらの貫通孔３１ｇに対応した位置には、同様に貫通孔１４ａが形成されている。そして、固定アーム１４の下面側から固定側ブラケット３１を固定するためのボルト３１ｈが挿入され、固定アーム１４の上面側に突出したボルト３１ｈの先端にナット３１ｉが締め付けられている。なお、固定アーム１４の外周面は、固定アーム１４の弦方向における第２中空部１０ｂに対応する位置が水平面に形成されているため、ボルト３１ｈの頭部と固定アーム１４の上面との間、及びナット３１ｉと固定アーム１４の下面との間に平ワッシャ３１ｊを挟んでボルト３１ｈ及びナット３１ｉが取り付けられているのに対し、第３中空部１０ｃに対応する位置は、固定アーム１４の厚み方向に対して傾斜しているため、固定アーム１４に当接する面が傾斜したワッシャ３１ｋを挟んで、ボルト３１ｈ及びナット３１ｉが取り付けられている。

【0032】

したがって、固定側ブラケット３１を固定アーム１４に取り付け、その後に、支持軸３０を固定側ブラケット３１に形成された雌ねじ部３１ｅに螺合させるとともに、支持軸３０にナット３２を螺合させることによって、支持軸３０と固定アーム１４とが一体化される。

【0033】

可動翼１５には、保持側ブラケット３３が取り付けられている。保持側ブラケット３３は、図５に示すように断面形状が略台形状に形成されていて、第３中空部１０ｃと第４中空部１０ｄとに跨がって可動翼１５に嵌合する。すなわち、可動翼１５における第３中空部１０ｃと第４中空部１０ｄとを隔てるリブ１０ｅは、保持側ブラケット３３が設けられる位置では、上面から内側に向けて僅かに突出した上側リブ１０ｆと、下面から内側に向けて僅かに突出した下側リブ１０ｇとによって構成され、それらのリブ１０ｆ，１０ｇが嵌合する溝３３ａが保持側ブラケット３３に形成されている。

【0034】

また、保持側ブラケット３３には、支持軸３０が挿入される貫通孔３３ｂが、可動翼１５の長手方向に沿って形成されている。すなわち、固定アーム１４には、第２中空部１０ｂに支持軸３０が挿入されるのに対して、可動翼１５には、第３中空部１０ｃに支持軸３０が挿入されている。したがって、固定アーム１４と可動翼１５との弦方向の長さは同一であるから、可動翼１５は、固定アーム１４よりも風車１の回転方向で突出して配置されることになる。

【0035】

保持側ブラケット３３には、更に、固定アーム１４側に向けて突出したストッパ３３ｃが形成されている。このストッパ３３ｃは、貫通孔３３ｂよりも可動翼１５の前縁側に形成されていて、貫通孔３３ｂから前縁側に向かうに連れて下面の高さが高くなるように傾斜して形成されている。したがって、可動翼１５の迎角が初期の迎角である場合に、固定側ブラケット３１に形成されたストッパ３１ｆと接触する。なお、保持側ブラケット３３を可動翼１５に挿入することにより、保持側ブラケット３３に形成された溝３３ａの端部と、第３中空部１０ｃと第４中空部１０ｄとを隔てるリブ１０ｅの端部とが当接するため、可動翼１５に対する保持側ブラケット３３の位置決めがされる。

【0036】

保持側ブラケット３３には、厚み方向に貫通した４つの貫通孔が形成され、可動翼１５の上面及び下面のうちのそれらの貫通孔に対応した位置に、同様に貫通孔が形成されている。そして、可動翼１５の下面側から保持側ブラケット３３を固定するためのボルトが挿入され、可動翼１５の上面側に突出したボルトの先端にナット３３ｄが締め付けられている。なお、可動翼１５の外周面のうちの第３中空部１０ｃ及び第４中空部１０ｄに対応する位置は、可動翼１５の厚み方向に対して傾斜しているため、可動翼１５に当接する面が傾斜したワッシャ３３ｅを挟んで、ボルト及びナット３３ｄが取り付けられている。

【0037】

保持側ブラケット３３に形成された貫通孔３３ｂは、固定アーム１４側の開口端が比較的大径に形成され後述する第１ラジアル軸受３４ａを収容する第１収容部３３ｆと、支持軸３０の外径よりも内径が大きく形成された挿入部３３ｇと、第１収容部３３ｆと同一の内径に形成されるとともに、後述する第２ラジアル軸受３４ｂを収容する第２収容部３３ｈと、第２収容部３３ｈよりも内径が大きく形成され、後述する第２スラスト軸受３５ｂ、ワッシャ３６、及びナット３７を収容する大径部３３ｉとによって構成されている。

【0038】

上記の第１収容部３３ｆには、支持軸３０のラジアル荷重を受ける第１ラジアル軸受３４ａが挿入されている。ここに示す第１ラジアル軸受３４ａは、ニードルベアリングによって構成されている。この第１ラジアル軸受３４ａを保持側ブラケット３３に組み付け、保持側ブラケット３３からの脱落を防止するためのナット３８が支持軸３０に螺合していて、ナット３８を締め付けることによって第１ラジアル軸受３４ａが第１収容部に保持されるように構成されている。そのため、ナット３８と第１ラジアル軸受３４ａとの相対回転を許容するためのワッシャ３９及び第１スラスト軸受３５ａが、第１ラジアル軸受３４ａとナット３８との間に挟み込まれている。ここに示す第１スラスト軸受３５ａは、ボールベアリングによって構成されている。

【0039】

同様に、第２収容部３３ｈには、支持軸３０のラジアル荷重を受ける第２ラジアル軸受３４ｂが挿入されている。この第２ラジアル軸受３４ｂも、第１ラジアル軸受３４ａと同様に、ニードルベアリングによって構成されている。この第２ラジアル軸受３４ｂを保持側ブラケット３３に組み付け、保持側ブラケット３３からの脱落を防止するためのナット３７が支持軸３０に螺合していて、ナット３７を締め付けることによって第２ラジアル軸受３４ｂが第２収容部３３ｈに保持されるように構成されている。そのため、ナット３７と第２ラジアル軸受３４ｂとの相対回転を許容するためのワッシャ３６及び第２スラスト軸受３５ｂが、第２ラジアル軸受３４ｂとナット３７との間に挟み込まれている。ここに示す第２スラスト軸受３５ｂは、ボールベアリングによって構成されている。なお、ナット３７、ワッシャ３６、及び第２スラスト軸受３５ｂは、大径部３３ｉに収容されている。

【0040】

上記のように第１スラスト軸受３５ａや第２スラスト軸受３５ｂを組み付けるために、支持軸３０には、ナット３７，３８が螺合する雄ねじ部４０が形成されている。また、支持軸３０の先端は、それらの雄ねじ部４０が形成された箇所よりも小径に形成され、その部分にダンパ機構４１が連結されている。

【0041】

このダンパ機構４１は、可動翼１５を回動させるトルクに対抗したダンパトルク（反力トルク）を発生させるためのものであり、ここに示す例では、オイルダンパ４２が採用されている。すなわち、所定の粘性を有するオイルを収容するためのハウジング４２ａと、ハウジング４２ａに収容されるとともにハウジング４２ａと相対回転可能に設けられた回転体４２ｂとによってオイルダンパ４２が構成され、回転体４２ｂが回転することによるオイルの流動抵抗によって、回転体４２ｂを回動させるトルクに対抗したダンパトルクを発生させるように構成されている。したがって、オイルダンパ４２における回転体４２ｂが、支持軸３０と一体回転可能に連結され、ハウジング４２ａが保持側ブラケット３３に連結されている。

【0042】

具体的には、環状の底部４２ｃと、中心に貫通孔が形成された有底円筒状のカバー部４２ｄとによってハウジング４２ａが形成され、その底部４２ｃには、外周側に突出した２つの取り付け部４２ｅが一体化されている。この取り付け部４２ｅには、貫通孔が形成されていて、ボルト４３によって保持側ブラケット３３に固定される。また、回転体４２ｂは、例えば、中心に円筒部が一体化された長丸または楕円状などの板部材によって構成されている。すなわち、回転体４２ｂをハウジング４２ａに組み付けることにより、底部４２ｃと、カバー部４２ｄと、回転体４２ｂに形成された円筒部とによって、ハウジング４２ａ内のオイルが液密状に封止される。この円筒部と支持軸３０とが一体化されている。

【0043】

上記のオイルダンパ４２は、オイルの粘性、オイル量、回転体４２ｂの角速度などに応じたダンパトルクを発生させるものであるから、発生するダンパトルクの大きさは、オイルダンパ４２の大きさや形状などの諸元に応じた大きさとなる。したがって、実験やシミュレーションなどにより支持軸３０に要求されるダンパトルクの大きさを求め、そのダンパトルクを発生し得る数のオイルダンパ４２を設けている。図３に示す例では、支持軸３０の軸線方向に並んで３つのオイルダンパ４２を設けている。このようにオイルダンパ４２を並んで配置するため、ハウジング４２ａの高さに応じた環状のスペーサ４４をオイルダンパ４２の間、より具体的には、底部４２ｃ同士の間に配置している。

【0044】

なお、図３に示す例では、保持側ブラケット３３には、可動翼１５の後縁側の側面から第１収容部３３ｆ及び第２収容部３３ｈに向けて貫通孔４５が形成されていて、その開口部にグリースニップル４６が取り付けられている。これは、第１ラジアル軸受３４ａや第２ラジアル軸受３４ｂに潤滑油を供給するためである。

【0045】

上述したように構成された支持軸３０、ダンパ機構４１、各軸受３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂなどを保持側ブラケット３３とともに可動翼１５に取り付け、その後に、支持軸３０を固定側ブラケット３１に螺合させてナット３２により固定することにより、固定アーム１４と可動翼１５とが連結される。その際に、可動翼１５の回動角度が初期位置となる状態でストッパ３１ｆ、３３ｃ同士が可動翼１５の回転方向で接触するように固定アーム１４と可動翼１５との位相を合わせる。

【0046】

図６には、主翼１２と可動翼１５とを連結する構成を説明するための平面図を示してある。図６に示すように主翼１２の端部と、可動翼１５の端部とには、所定の間隔が設けられていて、主翼１２と一体化された支持軸３０が、可動翼１５における第３中空部１０ｃに挿入されている。なお、図６に示すように可動翼１５は、主翼１２よりも風車１の回転方向に突出して配置されている。

【0047】

主翼１２には、支持軸３０が螺合する固定側ブラケット５０が取り付けられている。固定側ブラケット５０は、図７に示すように第２中空部１０ｂにおける左側辺と前後のリブ１０ｅの左端部に接触する左側接触部５０ａと、第２中空部１０ｂにおける右側辺と前後のリブ１０ｅの右端部に接触する右側接触部５０ｂと、左側接触部５０ａ及び右側接触部５０ｂのそれぞれに３つ形成された主翼１２の内側に隆起したねじ受け部５０ｃと、前縁側のねじ受け部５０ｃ同士を連結する前縁側連結部５０ｄと、後縁側のねじ受け部５０ｃ同士を連結する後縁側連結部５０ｅとによって構成されている。

【0048】

このねじ受け部５０ｃは、先端が円弧状に形成されるとともに、固定側ブラケット５０の長手方向に沿って断面円形の貫通孔５０ｆが形成されている。また、ねじ受け部５０ｃには、左右両側から貫通孔５０ｆに向かって雌ねじ部５０ｇが形成されている。さらに、固定側ブラケット５０の長手方向の所定の位置には、支持軸３０が螺合する雌ねじ部５０ｈが形成されている。またさらに、固定側ブラケット５０の一方の側面には、ストッパ５１を固定するためのボルト５２が螺合する雌ねじ部５０ｉが２つ形成されている。ここで、支持軸３０とストッパ５１との干渉を回避するために、ストッパ５１は主翼１２の前縁側が後縁側よりも鉛直方向における下側に向くように傾斜して取り付けられていて、それに伴って、雌ねじ部５０ｉも同様に前縁側が後縁側よりも鉛直方向における下側に形成されている。なお、主翼１２の側面が流線形状に形成されているため、ストッパ５１における主翼１２側の面には、主翼１２の側面形状に合わせて形成されたスペーサ５３が連結されている。

【0049】

上記のように構成された固定側ブラケット５０を主翼１２の所定位置に配置した場合における主翼１２の側面には、固定側ブラケット５０の雌ねじ部５０ｇに対応した位置に貫通孔１２ａが形成されていて、主翼１２の外面側から固定用のボルト５４がその貫通孔１２ａに挿入されて雌ねじ部５０ｇに螺合している。

【0050】

また、ストッパ５１は、直方形状に形成されていて、その一部に、保持側ブラケット３３に形成されたストッパ３３ｃの先端が差し込まれる切り欠き部５１ａが形成されている。この切り欠き部５１ａは、鉛直方向における下側の面が初期の可動翼１５の位置決めを行う載置面とされていて、可動翼１５の迎角が、初期の迎角である場合に、ストッパ３３ｃと接触するように傾斜して形成されている。また、その載置面から可動翼１５の回動方向に所定の隙間を空けて可動翼１５が上限角度回動した場合に接触する制限面とされていて載置面に対して略垂直に形成されている。

【0051】

したがって、固定側ブラケット５０を主翼１２に取り付け、その後に、支持軸３０を固定側ブラケット５０に形成された雌ねじ部５０ｈに螺合させるとともに、支持軸３０にナット５５を螺合させることによって、支持軸３０と主翼１２とが一体化される。

【0052】

なお、可動翼１５に設けられた保持側ブラケット３３及び種々の部材は、上述した固定アーム１４側に設けられた保持側ブラケット３３や支持軸３０を保持する各部材と同様に構成されているため、同一の符号を付してその説明を省略する。すなわち、上述したように構成された支持軸３０、ダンパ機構４１、各軸受３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂなどを保持側ブラケット３３とともに可動翼１５に取り付け、その後に、支持軸３０を固定側ブラケット５０に螺合させてナット５５により固定することにより、主翼１２と可動翼１５とが連結される。その際に、可動翼１５の回転角度が初期位置となる状態でストッパ３３ｃ，５１同士が可動翼１５の回転方向で接触するように主翼１２と可動翼１５との位相を合わせる。

【0053】

つぎに、可動翼１５と補助翼１６とを連結する構成について説明する。図８Ａ及び図８Ｂには、可動翼１５に補助翼１６を取り付けるためのブラケット６０の構成を示してある。図８Ａに示すように可動翼１５の長手方向における中央部分にブラケット６０が取り付けられている。このブラケット６０は、主翼１２に設けられた固定側ブラケット５０と同様に構成することができる。すなわち、可動翼１５の第２中空部１０ｂにおける上辺と前後のリブ１０ｅの上端部に接触する上側接触部６０ａと、第２中空部１０ｂにおける下側辺と前後のリブ１０ｅの下端部に接触する下側接触部６０ｂと、上側接触部６０ａ及び下側接触部６０ｂのそれぞれに３つ形成された可動翼１５の内側に隆起した隆起部６０ｃと、前縁側の隆起部６０ｃ同士を連結する前縁側連結部６０ｄと、後縁側の隆起部６０ｃ同士を連結する後縁側連結部６０ｅとによって構成されている。

【0054】

この隆起部６０ｃは、先端が円弧状に形成されるとともに、ブラケット６０の長手方向に沿って断面円形の貫通孔６０ｆを備えている。また、ブラケット６０の四隅に貫通孔６０ｇが形成され、かつ上側接触部６０ａおよび下側接触部６０ｂの中央部分に４つの貫通孔６０ｈが形成されている。そして、可動翼１５の上面及び下面におけるブラケット６０の四隅の貫通孔６０ｇに対応した位置には、貫通孔１５ａが形成されていて、それらの貫通孔１５ａ，６０ｇには、可動翼１５の下面側からボルト６１が挿入され、そのボルト６１における可動翼１５の上面側に突出した部分に、ナット６２が締め付けられて、可動翼１５にブラケット６０が固定されている。なお、可動翼１５の上面及び下面におけるブラケット６０の中央部分に形成された貫通孔６０ｈに対応した位置には、同様に貫通孔１５ｂが形成されている。

【0055】

補助翼１６にも同様に、ブラケット７０が設けられている。図９は、そのブラケット７０の構成を説明するための図であって、ここに示す例では、補助翼１６における第２中空部１０ｂに挿入された前縁側ブラケット７１と、第３中空部１０ｃに挿入された後縁側ブラケット７２とによって構成されている。

【0056】

前縁側ブラケット７１は、可動翼１５に設けられたブラケット６０と同様に構成されている。すなわち、補助翼１６の第２中空部１０ｂにおける左辺と前後のリブ１０ｅの左端部に接触する左側接触部７１ａと、第２中空部１０ｂにおける右辺と前後のリブ１０ｅの右端部に接触する右側接触部７１ｂと、左側接触部７１ａおよび右側接触部７１ｂのそれぞれに３つ形成された補助翼１６の内側に隆起した隆起部７１ｃと、前縁側の隆起部７１ｃ同士を連結する前縁側連結部７１ｄと、後縁側の隆起部７１ｃ同士を連結する後縁側連結部７１ｅとによって構成されている。

【0057】

この隆起部７１ｃは、先端が円弧状に形成されている。また、隆起部７１ｃのうちの前縁側および中央の２対の隆起部７１ｃには、補助翼１６の長手方向に沿って断面円形の貫通孔７１ｆが形成され、後縁側の１対の隆起部７１ｃには、補助翼１６の長手方向に沿って雌ねじ部７１ｇが形成されている。さらに、前縁側ブラケット７１の四隅に貫通孔７１ｈが形成されている。

【0058】

そして、補助翼１６の左右の側面における前縁側ブラケット７１の四隅の貫通孔７１ｈに対応した位置には、貫通孔１６ａが形成されていて、それらの貫通孔７１ｈ，１６ａには、補助翼１６の右側からボルト７３が挿入され、そのボルト７３における補助翼１６の左側に突出した先端部分に、ナット７４が締め付けられて、補助翼１６に前縁側ブラケット７１が固定されている。

【0059】

後縁側ブラケット７２は、補助翼１６の第３中空部１０ｃにおける左辺と前側のリブ１０ｅの左端部に接触する左側接触部７２ａと、第３中空部１０ｃにおける右辺と前側のリブ１０ｅの右端部に接触する右側接触部７２ｂと、左側接触部７２ａ及び右側接触部７２ｂのそれぞれに形成された補助翼１６の内側に隆起した隆起部７２ｃと、その隆起部７２ｃ同士を連結する連結部７２ｄとによって構成されている。

【0060】

この隆起部７２は、先端が円弧状に形成されている。また、隆起部７２ｃには、補助翼１６の長手方向に沿って雌ねじ部７２ｅが形成されている。さらに、後縁側ブラケット７２には、補助翼１６の幅方向に並んで貫通孔７２ｆが形成されている。

【0061】

そして、補助翼１６の左右の側面における後縁側ブラケット７２の貫通孔７２ｆに対応した位置には、貫通孔１６ａが形成されていて、その貫通孔７２ｆ，１６ａには、補助翼１６の右側からボルト７５が挿入され、そのボルト７５における補助翼１６に突出した先端部分に、ナット７６が締め付けられ、補助翼１６に後縁側ブラケット７２が固定されている。

【0062】

上述したように可動翼１５にブラケット６０を固定し、補助翼１６に前縁側ブラケット７１及び後縁側ブラケット７２を固定する。その後、図１０に示すように、可動翼１５の下面に補助翼１６を当接させた状態で、可動翼１５の上部から貫通孔６０ｈに固定用ボルト７７を挿入して、前縁側ブラケット７１及び後縁側ブラケット７２に形成された雌ねじ部７１ｇ，７２ｅに固定用ボルト７７を螺合することにより、可動翼１５に補助翼１６が固定される。

【0063】

上述したように構成された揚力型垂直軸風車１は、主翼１２と補助翼１６で生じる揚力により風車１が回転する。その揚力は、主翼１２及び補助翼１６が空気流を受ける方向に応じて変動するが、上述したように複数の翼１０を備えることにより、少なくともいずれか一つの翼１０で生じる揚力によって風車１が回転する。言い換えると、風向によらずに風車１を回転させるためのトルクが発生する。

【0064】

また、風車１が回転すると、その回転速度に応じて可動翼１５の迎角を変動させるモーメントが発生する。可動翼１５に作用するモーメントを説明するための模式図を図１１に示してある。図１１に示すように固定アーム１４は、翼弦線が水平となるように配置されている。また、可動翼１５は、固定アーム１４に対して風車１の回転方向の前方側に突出するように設けられ、可動翼１５の回転中心、すなわち支持軸３０の中心軸線に対して、可動翼１５の重心位置Ｇ１が可動翼１５の前縁側となるように構成されている。したがって、可動翼１５の重心位置Ｇ１と支持軸３０の中心軸線との水平方向での距離Ｌ１と、可動翼１５の自重とを乗算した大きさのモーメントが、可動翼１５の前縁側が鉛直方向における下側を向く方向に作用する。

【0065】

また、風車１が回転することにより可動翼１５には遠心力が作用する。可動翼１５の重心位置Ｇ１は、回転軸２と主翼１２とを通る平面に対して風車１の回転方向における前方側に配置され、かつ可動翼１５の前縁が上側に向いて傾斜している。したがって、可動翼１５に作用する遠心力のうち、風車１の回転方向の接線成分が、可動翼１５の前縁側が鉛直方向における下側を向く方向のモーメントとして作用する。より正確には、可動翼１５を長手方向に分割して各分割要素に働く自重に起因するモーメントを積分して求められる。

【0066】

可動翼１５には、可動翼１５に作用する空気力によるモーメントが作用する。このモーメントは、水平面に対する翼弦線の傾斜角度である迎角αの大きさに基づいて変動する。図１２は、迎角αと可動翼１５に作用する可動翼１５の空力中心（翼前縁から翼弦長の１／４の位置）周りのモーメントの大きさとの関係であるモーメント係数（実線）ＣＭを示すグラフであって、前縁側が鉛直方向における上側を向いている場合（ただし、迎角αが所定角度よりも小さい場合は除く）には、可動翼１５の前縁側が鉛直方向における下側を向く方向にモーメントが作用する。なお、図１２には、迎角αと可動翼１５に作用する揚力の大きさとの関係である揚力係数ＣＬを破線で示し、迎角αと可動翼１５に作用する抗力の大きさとの関係である抗力係数ＣＤを一点鎖線で示してある。ここで、空力中心よりも翼後縁方向に位置する可動翼１５の回転軸（支持軸３０）周りのモーメントは、空力中心周りのモーメントと、空力中心に作用する揚力及び抗力によって可動翼１５の回転軸周りに発生するモーメントとの和となる。

【0067】

また、補助翼１６には、その補助翼１６に作用する空気力（揚力と抗力との合力）のうちの風車１の回転方向に射影した接線成分力（風車１の回転方向を正とする）が、主翼１２と同様に風車の回転方向に発生する。上記のように補助翼１６は、可動翼１５の下方側に取り付けられているため、風車１の回転方向に向けて補助翼１６に作用する空気力は、可動翼１５の前縁側が鉛直方向における上側を向く方向の支持軸３０周りのモーメントとして作用する。

【0068】

さらに、補助翼１６の自重に基づくモーメントが可動翼１５に作用する。すなわち、支持軸３０と補助翼１６の重心位置Ｇ２との水平方向の距離Ｌ２と、補助翼１６の自重とを乗算した大きさのモーメントが可動翼１５に作用する。より正確には、補助翼１６を長手方向に分割して各分割要素に働く自重に起因するモーメントを積分して求められる。

【0069】

またさらに、風車１が回転することにより補助翼１６には遠心力が作用する。補助翼１６の重心位置Ｇ２は、回転軸２と主翼１２とを通る平面に対して風車１の回転方向における前方側に配置されている。したがって、補助翼１６に作用する遠心力のうち、風車１の回転方向の接線成分が、可動翼１５の前縁側が鉛直方向における上側を向く方向のモーメントとして作用する。より正確には、補助翼１６を長手方向に分割して各分割要素に働く遠心力に起因するモーメントを積分して求められる。

【0070】

上述した可動翼１５に作用する空気力によるモーメント、可動翼１５の遠心力に応じたモーメント、補助翼１６の空気力に応じたモーメント、及び補助翼１６の遠心力に応じたモーメントは、風車１の回転速度に応じて変動し、また可動翼１５に作用する空気力によるモーメント、及び補助翼１６の空気力に応じたモーメントは、風向に対する風車１の回転方位角であるアジマス角に応じて変動する。すなわち、風速及び風車１の回転速度が一定であったとしても、風車１が一回転する間に可動翼１５に作用するモーメントの大きさは変動する。したがって、モーメントの大きさの変動に伴って可動翼１５の迎角αが大小に大きく変動することを抑制するために、ダンパ機構４１が設けられている。すなわち、可動翼１５を回動させるモーメント（またはトルク）に対抗したモーメント（またはトルク）を発生させるようにダンパ機構４１が設けられている。

【0071】

図１３は、可動翼１５を回動させるトルクに対抗したダンパ機構４１により生じるトルク（以下、ダンパトルクと記す）の大きさと、可動翼１５が支持軸３０周りに回転する際の回転角速度（相対回転速度）との理論上の関係を示す図であり、可動翼１５の左右両側に１つずつオイルダンパ４２を設けた例を破線で示し、可動翼１５の左右両側に４つずつオイルダンパ４２を設けた例を実線で示してある。図１３に示すように可動翼１５の回転角速度が速くなるほど、ダンパトルクが大きくなり、また配置するオイルダンパ４２の数量に比例してダンパトルクが大きくなることが分かる。

【0072】

可動翼１５に使用するオイルダンパ４２は、その回転軸（回転体４２ｂ）の右回りと左回りとで、図１３に示す例と同じトルク特性を有するものとする。したがって、可動翼１５の迎角αが増加するようにモーメントが作用した場合には、その迎角αの変化量を低減するようにダンパトルクが生じ、それとは反対に、迎角αが減少する場合には、その迎角αの変化量を低減するようにダンパトルクが生じる。すなわち、可動翼１５が回動することを抑制できる。

【0073】

図１４には、ダンパ機構４１を設けることによる可動翼１５の揺動抑制の効果を説明するためのシミュレーション結果を示している。図１４における横軸には、風車１の回転回数を採り、縦軸には、可動翼１５の迎角αを採ってあり、図１４（ａ）には、ダンパ機構４１を設けていない場合における可動翼１５の迎角αの変化を示し、図１４（ｂ）には、ダンパ機構４１を設けている場合における可動翼１５の迎角αの変化を示してある。なお、ここでは、ダンパ機構４１は、可動翼１５の左右にそれぞれ４つずつ（計８つ）オイルダンパ４２を設けた場合を例に挙げて示してある。

【0074】

図１４におけるシミュレーションは、風速Ｖ＝７m/s、可動翼１５の先端周速比λ＝４の条件下での可動翼１５の迎角αの変化を求めた。ここで、先端周速比λは、主流風速に対する翼の周速度の比であり、回転軸２から可動翼１５までの距離であるロータ半径をＲ、風車１の回転軸２の角速度をωとした場合に、λ＝（Ｒω）／Ｖで求めることができる。ここでは、風車１の回転速度Ｎ（毎分回転数）は、７７．３ｒｐｍとなっている。

【0075】

図１４（ａ）に示すようにダンパ機構４１を設けていない場合には、風車１が１回転する間に、可動翼１５の迎角αが初期迎角から約９０°まで増加した後に、再度、初期迎角まで低下している。したがって、可動翼１５の迎角αが初期迎角に低下した時点で、ストッパ３１ｆとストッパ３３ｃとが接触し、またストッパ３３ｃとストッパ５１とが接触する。さらに、最大迎角αを９０°に設定している場合には、可動翼１５の迎角αが増加した時点でストッパ３３ｃとストッパ５１とが接触する。そのため、ダンパ機構４１を設けていない場合には、可動翼１５の迎角αが大小に大きく変動し、それに伴って、風車１が振動する可能性がある。さらに、ストッパ３３ｃとストッパ５１との接触や、ストッパ３３ｃとストッパ５１との接触に伴って、固定アーム１４や主翼１２が振動することにより、風車１全体が振動し、また異音が発生する可能性がある。

【0076】

それに対して、図１４（ｂ）に示すようにダンパ機構４１を設けた場合には、風車１が回転し始めることにより、可動翼１５の迎角αが約６０°まで増加した後は、可動翼１５の迎角αが約５０°から６０°の間で変動する。すなわち、ダンパ機構４１を設けていない場合と比較して、可動翼１５の迎角αの変動幅（振幅）を低減することができる。これは、可動翼１５の迎角αが増加するように可動翼１５にモーメントが発生した場合に、そのモーメントに抗する方向のダンパトルクがダンパ機構４１によって発生し、また可動翼１５の迎角αが減少するように可動翼１５にモーメントが発生した場合、言い換えると、アジマス角の変化によって迎角αを増加させる方向に可動翼１５に作用する空気力に基づくモーメントや、補助翼１６に作用する空気力に基づくモーメントが低下した場合に、可動翼１５の迎角αを減少させるモーメントに抗する方向のダンパトルクがダンパ機構４１によって発生するためである。

【0077】

したがって、可動翼１５の迎角αが初期迎角まで低下し、あるいは最大迎角まで増加することを抑制することができる。その結果、可動翼１５の迎角αの変動に伴って、風車１が振動することを抑制でき、さらに、ストッパ３３ｃとストッパ５１との接触や、ストッパ３３ｃとストッパ５１との接触に伴って固定アーム１４や主翼１２が振動すること、ひいては風車１全体が振動することを抑制でき、また異音が発生することを抑制することができる。

【0078】

また、可動翼１５に作用する空気力によるモーメント、および補助翼１６に作用する遠心力に起因するモーメントは、可動翼１５の迎角αが９０°に近い程大きくなる。一方、ダンパ機構４１によるダンパトルクは、可動翼１５の迎角αには依存しない。したがって、可動翼１５の初期迎角αが小さい場合には、ダンパ機構４１のダンパトルクが大きいと、可動翼１５が回動せずに過回転を抑制する機能を発揮することができず、またはその効果が小さくなる可能性がある。図１５及び図１６には、初期迎角毎の可動翼１５の迎角αの変化を検証したシミュレーション結果を示してある。

【0079】

なお、図１５及び図１６におけるシミュレーションは、風速Ｖ＝８m/s、可動翼１５の先端周速比λ＝４の条件下、すなわち、風車１の回転速度Ｎが４３．７ｒｐｍでの可動翼１５の迎角αの変化を求めた。

【0080】

図１５は、ダンパ機構４１として可動翼１５の左右にそれぞれ１つずつ（計２つ）オイルダンパ４２を設けた場合のシミュレーション結果を示し、初期迎角が０°（二点鎖線）、４°（一点鎖線）、８°（破線）、及び１２°（実線）に設定した例を示してあり、図１６は、ダンパ機構４１として可動翼１５の左右にそれぞれ４つずつ（計８つ）オイルダンパ４２を設けた場合のシミュレーション結果を示し、初期迎角が０°（二点鎖線）、４°（一点鎖線）、８°（破線）、及び１２°（実線）に設定した例を示してある。

【0081】

図１５に示すように、ダンパ個数が少ない場合は、風車１が１～２回転した後は、いずれの初期角度（初期迎角）においても同様の迎角変化を示し、比較的大きな平均迎角（約５５°）のまわりで変動する挙動を示している。一方、図１６に示すように、ダンパ個数が多く、初期迎角が小さい場合（図１６では初期迎角が０°の場合）には、可動翼１５の迎角αが初期迎角からほぼ変化しないことが分かる。それに対して、初期迎角を所定角度以上大きく設定した場合には、初期迎角の大きさに依存することなく、可動翼１５が同様の挙動を示すことが分かる。これらの結果から、可動翼１５を回動させるモーメントに対抗したダンパトルクを発生させるダンパ機構４１を設けた場合には、そのダンパ機構４１によるダンパトルクの大きさに応じて初期迎角の下限値を設定する必要があることが分かる。したがって、風車１の最大回転速度、及び想定される最大風速の条件下において可動翼１５が回動可能な初期迎角をシミュレーションなどによって求め、ストッパ３１ｆ、ストッパ３３ｃ、及びストッパ５１の傾斜角が、上記のように求められた初期迎角に基づいて形成されている。

【0082】

このようにストッパ３１ｆ、ストッパ３３ｃ、及びストッパ５１の傾斜角を形成することにより、可動翼１５を適切に回動させることができるため、過回転を抑制する機能が発揮できなくなることを抑制できる。

【0083】

また、風車１の発電電力（損失を無視した場合）は、回転軸２の回転速度と、回転軸２を停止させる方向に作用する発電部６の発電トルクとを乗算した大きさとなる。この発電部６の発電トルクは、例えば、永久磁石式の直流発電機を採用した場合には、ほぼ一定であり、印加する電圧などによって発電トルクを制御することができる発電機を採用した場合には、発電機の定格トルクが定められている。

【0084】

この発電部６の発電トルクと回転軸２を回転させる駆動トルクとが釣り合うことにより、回転軸２がほぼ一定で回転して安定した電力を発電する。また、発電トルクが駆動トルクよりも大きい場合には、回転軸２の回転速度が次第に低下して、発電部６の発電電力が低下し、それとは反対に、発電トルクが駆動トルクよりも小さい場合には、回転軸２の回転速度が次第に増加する。

【0085】

また、駆動トルクは、主に主翼１２によって発生する空気力に応じて回転軸２を回転させる空気力トルクと、そのトルクに対抗する可動翼１５の迎角に応じた抵抗トルクとの差から求められる大きさとなる。すなわち、可動翼１５の迎角αの増加に伴って抵抗トルクが大きくなるほど駆動トルクが低下して発電電力が低下することになる。

【0086】

したがって、この発明に係る風車１は、予め定められた風速の環境下において、発電部６（風車１）の回転速度が定格回転速度で回転した場合における駆動トルクが、発電部６の定格トルクと釣り合う大きさとなるように可動翼１５で生じる抵抗トルクを定めている。具体的には、上記の条件下での駆動トルクや抵抗トルクを、ダンパ機構４１のダンパトルクの大きさ、すなわちオイルダンパ４２の数量毎にシミュレーションによって求め、適切な駆動トルクとなるダンパ機構４１のダンパトルクを求め、その求められたダンパトルクを発生させるようにダンパ機構４１を構成している。

【0087】

図１７には、風速Ｖ＝８m/s、可動翼１５の先端周速比λ＝３（風車回転速度３２．７ｒｐｍ）の条件下での可動翼１５の迎角αの変化をシミュレーションした結果を示してある。ここに示す例では、可動翼１５の初期の迎角αを８°に設定している。またさらに、図１７に示す例では、可動翼１５の左右にそれぞれ４つずつ（計８つ）オイルダンパ４２を設けた場合における結果を実線で示し、可動翼１５の左右にそれぞれ１つずつ（計２つ）オイルダンパ４２を設けた場合における結果を破線で示し、ダンパ機構４１を設けていない場合における結果を一点鎖線で示してある。

【0088】

図１７に示すようにオイルダンパ４２を２つ設けた場合には、可動翼１５を回動させるモーメントに対するダンパトルクが小さいことにより、オイルダンパ４２を８つ設けた場合と比較して可動翼１５の迎角αが大きく変動している。

【0089】

表１には、上記のシミュレーション結果における迎角α、駆動トルク、及び抵抗トルクの平均値を示してある。

【表1】

【0090】

表１に示すように駆動トルクと抵抗トルクとを求めることにより、ダンパ機構４１を設け、さらにそのダンパ機構４１を設ける数量を増加させることにより、平均迎角αが小さくなり、抵抗トルクが小さくなる。すなわち、駆動トルクが大きくなる。

【0091】

したがって、図１７に示すようにシミュレーションを行い、表１に示すように駆動トルクや抵抗トルクを求めることにより、適切な駆動トルクの大きさとなるオイルダンパ４２の数量を求めることができる。

【0092】

上記のようにオイルダンパ４２の数量、すなわち、ダンパ機構４１によって発生させるダンパトルクの大きさを定めることにより、予め定められた風車１の定格風速以下の状態（風速が小さい場合）において、駆動トルクが不足するなどによって風車１の発電電力が低下することを抑制できる。ここで、定格風速は、風車１の最大発電電力に到達する最小の風速値であり、したがって、その定格風速の環境下での駆動トルクが発電トルクと同等となるようにダンパトルクの大きさを定めている。

【0093】

また、ダンパ機構４１を設けることにより、傾斜角（迎角）の平均値を、表１に示すように低下させることができ、ダンパ機構４１を設けていない場合と比較して抵抗トルクを低下させることができる。その結果、駆動トルクが過度に低下することを抑制でき、風車１の発電効率を向上させることができる。

【0094】

なお、上述したようにダンパ機構４１をオイルダンパ４２によって構成することにより可動翼１５の回転角速度に応じてダンパトルクが変動するため、可動翼１５の急激な回動を抑制できるが、この発明におけるダンパ機構４１は、可動翼１５の回動を抑制するようにダンパトルクを発生させるように構成されていればよい。したがって、オイルダンパ４２に代えて、複数の摩擦板を接触させた摩擦ブレーキなどの他の構成のダンパ機構４１を採用してもよい。また、ダンパ機構４１は、可動翼１５に設けたものに限らず、支持軸３０を可動翼１５と一体化させ、その支持軸３０の回転を抑制するように固定アーム１４や主翼１２にダンパ機構４１を設けてもよい。

【0095】

また、この発明における過回転抑制誘導体は、遠心力によって可動翼１５の迎角を増大させるモーメントを発生させるものであればよく、補助翼１６に代えて可動翼１５から垂下した錘によって構成してもよく、可動翼１５の後縁側から垂下して設けてもよい。

【符号の説明】

【0096】

１ 揚力型垂直軸風車
２ 回転軸
５ 支持脚
６ 発電部
１０ 風車翼（翼）
１１ 延在部
１２ 主翼
１４ 固定アーム
１５ 可動翼
１６ 補助翼
３０ 支持軸
３１，５０ 固定側ブラケット
３３ 保持側ブラケット
３４ａ，３４ｂ ラジアル軸受
３５ａ．３５ｂ スラスト軸受
４１ ダンパ機構
４２ オイルダンパ
Ｇ１，Ｇ２ 重心位置
Ｘ 水平軸
Ｚ 垂直軸

【図1】

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】