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特開2024-126799過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法、プログラム、及び過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置
(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】P2024126799
(43)【公開日】2024-09-20
(54)【発明の名称】過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法、プログラム、及び過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置
(51)【国際特許分類】
F03D 17/00 20160101AFI20240912BHJP
【ＦＩ】
F03D17/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023035441
(22)【出願日】2023-03-08
(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
(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
(74)【代理人】
【識別番号】100098545
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 伸一
(74)【代理人】
【識別番号】100189717
【弁理士】
【氏名又は名称】太田 貴章
(72)【発明者】
【氏名】原 豊
(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】小野 猛
【テーマコード（参考）】
3H178
【Ｆターム（参考）】
3H178AA16
3H178AA40
3H178AA43
3H178BB08
3H178BB56
3H178CC05
3H178DD54Z
3H178EE05
3H178EE07
3H178EE14
3H178EE27
(57)【要約】
【課題】過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車の特性評価方法、プログラム、及び過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置を提供すること。
【解決手段】本発明の過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車の特性評価方法は、風車本体部分１０の回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、過回転抑制部分の回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、第１回転トルクと第２回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップとを有することを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車の特性評価方法は、風車本体部分１０の回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、過回転抑制部分の回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、第１回転トルクと第２回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップとを有することを特徴とする。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
風車本体部分と、過回転抑制部分とから構成され、
前記風車本体部分は、
発電部を有する基部と、
前記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、
前記回転部にアームを介して連結されて前記垂直軸周りに回転する複数の風車翼と
を備え、
前記過回転抑制部分は、
前記アームに設けられ、前記回転部と前記風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部と、
前記可動部に設けられ、前記風車翼の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部を前記アーム軸周りに傾斜させ、前記風車翼の回転停止時には前記可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体と
を備える
過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法であって、
前記風車本体部分の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、
前記過回転抑制部分の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、
前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップと
を有することを特徴とする過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
前記風車本体部分は、
発電部を有する基部と、
前記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、
前記回転部にアームを介して連結されて前記垂直軸周りに回転する複数の風車翼と
を備え、
前記過回転抑制部分は、
前記アームに設けられ、前記回転部と前記風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部と、
前記可動部に設けられ、前記風車翼の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部を前記アーム軸周りに傾斜させ、前記風車翼の回転停止時には前記可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体と
を備える
過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法であって、
前記風車本体部分の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、
前記過回転抑制部分の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、
前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップと
を有することを特徴とする過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
【請求項2】
前記風車本体部分及び前記過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、
前記第１回転トルク算出ステップで算出される前記第１回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第１構造データを変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
前記第１回転トルク算出ステップで算出される前記第１回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第１構造データを変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
【請求項3】
前記風車本体部分及び前記過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、
前記第２回転トルク算出ステップで算出される前記第２回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第２構造データを変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
前記第２回転トルク算出ステップで算出される前記第２回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第２構造データを変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
【請求項4】
前記風車本体部分及び前記過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、
前記風車全体回転トルク算出ステップで算出される前記風車全体回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データの少なくともいずれかを変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
前記風車全体回転トルク算出ステップで算出される前記風車全体回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データの少なくともいずれかを変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
【請求項5】
風車本体部分と、過回転抑制部分とから構成され、
前記風車本体部分は、
発電部を有する基部と、
前記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、
前記回転部にアームを介して連結されて前記垂直軸周りに回転する複数の風車翼と
を備え、
前記過回転抑制部分は、
前記アームに設けられ、前記回転部と前記風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部と、
前記可動部に設けられ、前記風車翼の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部を前記アーム軸周りに傾斜させ、前記風車翼の回転停止時には前記可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体と
を備える
過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法を行うプログラムであって、
コンピュータに、
前記風車本体部分の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、
前記過回転抑制部分の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、
前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップと
を実行させるためのプログラム。
前記風車本体部分は、
発電部を有する基部と、
前記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、
前記回転部にアームを介して連結されて前記垂直軸周りに回転する複数の風車翼と
を備え、
前記過回転抑制部分は、
前記アームに設けられ、前記回転部と前記風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部と、
前記可動部に設けられ、前記風車翼の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部を前記アーム軸周りに傾斜させ、前記風車翼の回転停止時には前記可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体と
を備える
過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法を行うプログラムであって、
コンピュータに、
前記風車本体部分の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、
前記過回転抑制部分の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、
前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップと
を実行させるためのプログラム。
【請求項6】
前記コンピュータに、
前記風車本体部分及び前記過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップ
を実行させ、
前記入力ステップで受け付けた前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データを用いて、前記第１回転トルク算出ステップ及び前記第２回転トルク算出ステップを実行させるための請求項５に記載のプログラム。
前記風車本体部分及び前記過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップ
を実行させ、
前記入力ステップで受け付けた前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データを用いて、前記第１回転トルク算出ステップ及び前記第２回転トルク算出ステップを実行させるための請求項５に記載のプログラム。
【請求項7】
風車本体部分と、過回転抑制部分とから構成され、
前記風車本体部分は、
発電部を有する基部と、
前記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、
前記回転部にアームを介して連結されて前記垂直軸周りに回転する複数の風車翼と
を備え、
前記過回転抑制部分は、
前記アームに設けられ、前記回転部と前記風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部と、
前記可動部に設けられ、前記風車翼の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部を前記アーム軸周りに傾斜させ、前記風車翼の回転停止時には前記可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体と
を備える
過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置であって、
前記風車本体部分の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出手段と、
前記過回転抑制部分の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出手段と、
前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出手段と
を有することを特徴とする過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置。
前記風車本体部分は、
発電部を有する基部と、
前記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、
前記回転部にアームを介して連結されて前記垂直軸周りに回転する複数の風車翼と
を備え、
前記過回転抑制部分は、
前記アームに設けられ、前記回転部と前記風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部と、
前記可動部に設けられ、前記風車翼の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部を前記アーム軸周りに傾斜させ、前記風車翼の回転停止時には前記可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体と
を備える
過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置であって、
前記風車本体部分の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出手段と、
前記過回転抑制部分の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出手段と、
前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出手段と
を有することを特徴とする過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、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た垂直軸風車の特性評価方法、この特性評価方法を行うプログラム、及び過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装に関する。
【背景技術】
【0002】
水平軸風車は商業的理由から一般的に大型であり、強風に晒される海岸線、山岳地帯等に設置場所が限定される、一方、小型の垂直軸風車は平均風速3.7m/s程度の風でも発電可能であるため、日本中のほぼ全域で設置可能であり、地元で発電し地元で消費する地産地消型に適し、期待度の高い風車である。
出願人らは、水平軸風車に比べて低風速である垂直軸風車として、発電部を有する基部と、基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、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とを備え、アームは、回転部と風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部を有し、可動部に、風車の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって可動部をアーム軸周りに傾斜させ、風車の回転停止時には可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車を既に提案している（特許文献１）。
なお、特許文献２では、垂直軸風車（主にダリウス形風車）について、ブレードの自重を抑制でき、かつ、ブレードに発生する曲げモーメントがブレードスパン方向に変化しても、曲げ応力σ M A Xをある設定値以下に抑える垂直軸風車のブレード、垂直軸風車、垂直軸風車のブレードの設計装置および方法、並びに垂直軸風車のブレードの設計プログラムを提案している。
出願人らは、水平軸風車に比べて低風速である垂直軸風車として、発電部を有する基部と、基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、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とを備え、アームは、回転部と風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部を有し、可動部に、風車の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって可動部をアーム軸周りに傾斜させ、風車の回転停止時には可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車を既に提案している（特許文献１）。
なお、特許文献２では、垂直軸風車（主にダリウス形風車）について、ブレードの自重を抑制でき、かつ、ブレードに発生する曲げモーメントがブレードスパン方向に変化しても、曲げ応力σ M A Xをある設定値以下に抑える垂直軸風車のブレード、垂直軸風車、垂直軸風車のブレードの設計装置および方法、並びに垂直軸風車のブレードの設計プログラムを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２２-１０８９１７号公報
【特許文献2】特開２００４-３０８６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１で開示している過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車によれば、ばねなどの弾性体を不要にし、耐久性が高く、シンプル構造であり、かつ、強風状態における風車回転数は定格回転数（最大回転数）よりも十分に低い状態に抑制することができる。
しかし、このような過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車の特性を評価する方法を確立する必要がある。
なお、特許文献２では、ブレード及びブレード支持部材を設計対象としており、一つの動作体系である風車本体のみの設計であり、互いに動作体系が異なる部分を有する風車についての設計方法を提案していない。
しかし、このような過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車の特性を評価する方法を確立する必要がある。
なお、特許文献２では、ブレード及びブレード支持部材を設計対象としており、一つの動作体系である風車本体のみの設計であり、互いに動作体系が異なる部分を有する風車についての設計方法を提案していない。
【0005】
本発明は、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法、プログラム、及び過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
請求項１記載の本発明の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法は、風車本体部分１０と、過回転抑制部分２０とから構成され、前記風車本体部分１０は、発電部を有する基部１１と、前記基部１１に対して垂直軸Z周りに回転する回転部１２と、前記回転部１２にアーム１３を介して連結されて前記垂直軸Z周りに回転する複数の風車翼１４とを備え、前記過回転抑制部分２０は、前記アーム１３に設けられ、前記回転部１２と前記風車翼１４とを結ぶアーム軸１３ａの軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部２１と、前記可動部２１に設けられ、前記風車翼１４の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部２１を前記アーム軸１３ａ周りに傾斜させ、前記風車翼１４の回転停止時には前記可動部２１を初期状態に戻す過回転抑制誘導体２２とを備える過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法であって、前記風車本体部分１０の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、前記過回転抑制部分２０の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップとを有することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、前記第１回転トルク算出ステップで算出される前記第１回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第１構造データを変更することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、前記第２回転トルク算出ステップで算出される前記第２回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第２構造データを変更することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、前記風車全体回転トルク算出ステップで算出される前記風車全体回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データの少なくともいずれかを変更することを特徴とする。
請求項５記載の本発明のプログラムは、風車本体部分１０と、過回転抑制部分２０とから構成され、前記風車本体部分１０は、発電部を有する基部１１と、前記基部１１に対して垂直軸Z周りに回転する回転部１２と、前記回転部１２にアーム１３を介して連結されて前記垂直軸Z周りに回転する複数の風車翼１４とを備え、前記過回転抑制部分２０は、前記アーム１３に設けられ、前記回転部１２と前記風車翼１４とを結ぶアーム軸１３ａの軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部２１と、前記可動部２１に設けられ、前記風車翼１４の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部２１を前記アーム軸１３ａ周りに傾斜させ、前記風車翼１４の回転停止時には前記可動部２１を初期状態に戻す過回転抑制誘導体２２とを備える過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法を行うプログラムであって、コンピュータに、前記風車本体部分１０の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、前記過回転抑制部分２０の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップとを実行させることを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法のプログラムにおいて、前記コンピュータに、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを実行させ、前記入力ステップで受け付けた前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データを用いて、前記第１回転トルク算出ステップ及び前記第２回転トルク算出ステップを実行させることを特徴とする。
請求項７記載の本発明の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置は、風車本体部分１０と、過回転抑制部分２０とから構成され、前記風車本体部分１０は、発電部を有する基部１１と、前記基部１１に対して垂直軸Ｚ周りに回転する回転部１２と、前記回転部１２にアーム１３を介して連結されて前記垂直軸Ｚ周りに回転する複数の風車翼１４とを備え、前記過回転抑制部分２０は、前記アーム１３に設けられ、前記回転部１２と前記風車翼１４とを結ぶアーム軸１３ａの軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部２１と、前記可動部２１に設けられ、前記風車翼１４の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部２１を前記アーム軸１３ａ周りに傾斜させ、前記風車翼１４の回転停止時には前記可動部２１を初期状態に戻す過回転抑制誘導体２２とを備える過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置であって、前記風車本体部分１０の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出手段と、前記過回転抑制部分２０の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出手段と、前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出手段とを有することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、前記第１回転トルク算出ステップで算出される前記第１回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第１構造データを変更することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、前記第２回転トルク算出ステップで算出される前記第２回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第２構造データを変更することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、前記風車全体回転トルク算出ステップで算出される前記風車全体回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データの少なくともいずれかを変更することを特徴とする。
請求項５記載の本発明のプログラムは、風車本体部分１０と、過回転抑制部分２０とから構成され、前記風車本体部分１０は、発電部を有する基部１１と、前記基部１１に対して垂直軸Z周りに回転する回転部１２と、前記回転部１２にアーム１３を介して連結されて前記垂直軸Z周りに回転する複数の風車翼１４とを備え、前記過回転抑制部分２０は、前記アーム１３に設けられ、前記回転部１２と前記風車翼１４とを結ぶアーム軸１３ａの軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部２１と、前記可動部２１に設けられ、前記風車翼１４の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部２１を前記アーム軸１３ａ周りに傾斜させ、前記風車翼１４の回転停止時には前記可動部２１を初期状態に戻す過回転抑制誘導体２２とを備える過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法を行うプログラムであって、コンピュータに、前記風車本体部分１０の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、前記過回転抑制部分２０の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップとを実行させることを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法のプログラムにおいて、前記コンピュータに、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを実行させ、前記入力ステップで受け付けた前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データを用いて、前記第１回転トルク算出ステップ及び前記第２回転トルク算出ステップを実行させることを特徴とする。
請求項７記載の本発明の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置は、風車本体部分１０と、過回転抑制部分２０とから構成され、前記風車本体部分１０は、発電部を有する基部１１と、前記基部１１に対して垂直軸Ｚ周りに回転する回転部１２と、前記回転部１２にアーム１３を介して連結されて前記垂直軸Ｚ周りに回転する複数の風車翼１４とを備え、前記過回転抑制部分２０は、前記アーム１３に設けられ、前記回転部１２と前記風車翼１４とを結ぶアーム軸１３ａの軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部２１と、前記可動部２１に設けられ、前記風車翼１４の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部２１を前記アーム軸１３ａ周りに傾斜させ、前記風車翼１４の回転停止時には前記可動部２１を初期状態に戻す過回転抑制誘導体２２とを備える過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置であって、前記風車本体部分１０の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出手段と、前記過回転抑制部分２０の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出手段と、前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、風車本体部分の慣性モーメントと、過回転抑制部分の慣性モーメントとを、それぞれの運動方程式を使用して、風車本体部分の回転速度変化と過回転抑制部分の回転速度変化を、分離して求めるに際し、風車本体部分のトルクと過回転抑制部分のトルクとを分けて解析しているので、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の挙動を解析するシミュレーション解析を極めて簡単に行うことができる。このため、シミュレーション結果に基づく風車設計や風車の実測値に基づく風車設計を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の一実施例による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の全体構成図
【図2】同垂直軸風車の要部斜視図
【図3】同垂直軸風車の特性評価方法を示すフローチャート
【図4】空力データ準備ステップの説明図
【図5】第１構造データ入力ステップの説明図
【図6】風車本体部分の計算条件設定ステップの説明図
【図7】第１回転トルク算出ステップに用いる式
【図8】第１回転トルク算出ステップの説明図
【図9】第２構造データ入力ステップの説明図
【図10】第２回転トルク算出ステップに用いる式
【図11】過回転抑制部分が存在しない場合の出力係数（Cp）（Without MA）と、過回転抑制部分が存在する場合の出力係数（Cp）（With MA）の比較を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【0009】
本発明の第１の実施の形態による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法は、風車本体部分の回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、過回転抑制部分の回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、第１回転トルクと第２回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップとを有するものである。
本実施の形態によれば、風車本体部分のトルクと過回転抑制部分のトルクとを分けて解析しているので、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の挙動を解析するシミュレーション解析を極めて簡単に行うことができる。
本実施の形態によれば、風車本体部分のトルクと過回転抑制部分のトルクとを分けて解析しているので、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の挙動を解析するシミュレーション解析を極めて簡単に行うことができる。
【0010】
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、風車本体部分及び過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、第１回転トルク算出ステップで算出される第１回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、入力ステップでの第１構造データを変更するものである。
本実施の形態によれば、風車本体部分の最適設計を行いやすい。
本実施の形態によれば、風車本体部分の最適設計を行いやすい。
【0011】
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、風車本体部分及び過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、第２回転トルク算出ステップで算出される第２回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、入力ステップでの第２構造データを変更するものである。
本実施の形態によれば、過回転抑制部分の最適設計を行いやすい。
本実施の形態によれば、過回転抑制部分の最適設計を行いやすい。
【0012】
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、風車本体部分及び過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、風車全体回転トルク算出ステップで算出される風車全体回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、入力ステップでの空力データ、第１構造データ、及び第２構造データの少なくともいずれかを変更するものである。
本実施の形態によれば、風車本体部分や過回転抑制部分の最適設計を行いやすい。
本実施の形態によれば、風車本体部分や過回転抑制部分の最適設計を行いやすい。
【0013】
本発明の第５の実施の形態による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法を行うプログラムは、コンピュータに、風車本体部分の回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、過回転抑制部分の回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、第１回転トルクと第２回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップとを実行させるものである。
本実施の形態によれば、風車本体部分のトルクと過回転抑制部分のトルクとを分けて解析しているので、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の挙動を解析するシミュレーション解析を極めて簡単に行うことができる。
本実施の形態によれば、風車本体部分のトルクと過回転抑制部分のトルクとを分けて解析しているので、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の挙動を解析するシミュレーション解析を極めて簡単に行うことができる。
【0014】
本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法を行うプログラムにおいて、コンピュータに、風車本体部分及び過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを実行させ、入力ステップで受け付けた空力データ、第１構造データ、及び第２構造データを用いて、第１回転トルク算出ステップ及び第２回転トルク算出ステップを実行させるものである。
本実施の形態によれば、風車本体部分の最適設計を行いやすい。
本実施の形態によれば、風車本体部分の最適設計を行いやすい。
【0015】
本発明の第７の実施の形態による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置は、風車本体部分の回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出手段と、過回転抑制部分の回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出手段と、第１回転トルクと第２回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出手段とを有するものである。
本実施の形態によれば、風車本体部分のトルクと過回転抑制部分のトルクとを分けて解析しているので、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の挙動を解析するシミュレーション解析を極めて簡単に行うことができる。
本実施の形態によれば、風車本体部分のトルクと過回転抑制部分のトルクとを分けて解析しているので、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の挙動を解析するシミュレーション解析を極めて簡単に行うことができる。
【実施例0016】
以下本発明の一実施例による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法について説明する。
図１は本実施例による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の全体構成図、図２は同垂直軸風車の要部斜視図である。
本実施例による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車は、風車本体部分１０と、過回転抑制部分２０とから構成されている。
風車本体部分１０は、発電部（図示せず）を有する基部１１と、基部１１に対して垂直軸Ｚ周りに回転する回転部１２と、回転部１２にアーム１３を介して連結されて垂直軸Ｚ周りに回転する複数の風車翼１４とを備えている。本実施例では、風車翼１４を3枚としている。
基部１１は、同垂直軸風車の土台となる部分である。基部１１は、所定の高さに形成される脚部１１ａと、発電部を収容する収容部１１ｂとを備えている。風車翼１４は、脚部１１ａによって設置面から所定の高さに配置される。
風車翼１４は、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部１２から延びる一対の斜翼１４ｂと、垂直軸Ｚに平行な方向に沿って延びる主翼１４ａとを有する。風車翼１４は、側面視で、水平軸Ｘに対して対称に略三角形状に形成されている。なお、ここでいう略三角形状とは、風車翼１４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や、三辺のいずれかが湾曲したものを含む。風車翼１４は、前縁が湾曲し後縁が尖った流線形の翼断面で形成している。
図１は本実施例による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の全体構成図、図２は同垂直軸風車の要部斜視図である。
本実施例による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車は、風車本体部分１０と、過回転抑制部分２０とから構成されている。
風車本体部分１０は、発電部（図示せず）を有する基部１１と、基部１１に対して垂直軸Ｚ周りに回転する回転部１２と、回転部１２にアーム１３を介して連結されて垂直軸Ｚ周りに回転する複数の風車翼１４とを備えている。本実施例では、風車翼１４を3枚としている。
基部１１は、同垂直軸風車の土台となる部分である。基部１１は、所定の高さに形成される脚部１１ａと、発電部を収容する収容部１１ｂとを備えている。風車翼１４は、脚部１１ａによって設置面から所定の高さに配置される。
風車翼１４は、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部１２から延びる一対の斜翼１４ｂと、垂直軸Ｚに平行な方向に沿って延びる主翼１４ａとを有する。風車翼１４は、側面視で、水平軸Ｘに対して対称に略三角形状に形成されている。なお、ここでいう略三角形状とは、風車翼１４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や、三辺のいずれかが湾曲したものを含む。風車翼１４は、前縁が湾曲し後縁が尖った流線形の翼断面で形成している。
【0017】
過回転抑制部分２０は、過回転抑制用の可動部２１と、過回転抑制誘導体２２とを備えている。
可動部２１は、アーム１３の一部に設けられている。可動部２１は、回転部１２と風車翼１４とを結ぶアーム軸１３ａの軸周りに回転可能である。
過回転抑制誘導体２２は、可動部２１に設けられている。過回転抑制誘導体２２は、風車翼１４の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって可動部２１をアーム軸１３ａ周りに傾斜させ、風車翼１４の回転停止時には可動部２１を初期状態に戻す。
本実施例では、可動部２１及び過回転抑制誘導体２２は、風車翼１４と同一形状とした翼断面で形成しているが、風車翼１４と異なる形状とした翼断面で形成してもよい。
可動部２１は、アーム１３の一部に設けられている。可動部２１は、回転部１２と風車翼１４とを結ぶアーム軸１３ａの軸周りに回転可能である。
過回転抑制誘導体２２は、可動部２１に設けられている。過回転抑制誘導体２２は、風車翼１４の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって可動部２１をアーム軸１３ａ周りに傾斜させ、風車翼１４の回転停止時には可動部２１を初期状態に戻す。
本実施例では、可動部２１及び過回転抑制誘導体２２は、風車翼１４と同一形状とした翼断面で形成しているが、風車翼１４と異なる形状とした翼断面で形成してもよい。
【0018】
図２（ａ）は過回転抑制を行っていない状態での同垂直軸風車の要部斜視図、図２（ｂ）は過回転抑制を行っている状態での同垂直軸風車の要部斜視図である。
風速が高くなり、風車翼１４が高回転数状態になってくると、過回転抑制誘導体２２に働く遠心力の回転方向成分Ｆ1が大きくなり、過回転抑制誘導体２２に働く遠心力の回転方向成分Ｆ1による頭上げのモーメントが大きくなれば、傾斜角θ２は増加する。
傾斜角θ２が増加することで、可動部２１の風車回転方向から見た投影面積が大きくなり、可動部２１には、空気力による大きな制動力Ｆ2が作用し、風車の過回転を抑制する。強風状態では、低い回転数状態においても、大きな制動力を生み出す。その結果として、強風状態では、風車翼１４は低い回転数に抑制される。
風速が高くなり、風車翼１４が高回転数状態になってくると、過回転抑制誘導体２２に働く遠心力の回転方向成分Ｆ1が大きくなり、過回転抑制誘導体２２に働く遠心力の回転方向成分Ｆ1による頭上げのモーメントが大きくなれば、傾斜角θ２は増加する。
傾斜角θ２が増加することで、可動部２１の風車回転方向から見た投影面積が大きくなり、可動部２１には、空気力による大きな制動力Ｆ2が作用し、風車の過回転を抑制する。強風状態では、低い回転数状態においても、大きな制動力を生み出す。その結果として、強風状態では、風車翼１４は低い回転数に抑制される。
【0019】
図３は本実施例による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法を示すフローチャートである。
本実施例による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法では、風車本体部分１０の回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップ３０と、過回転抑制部分２０の回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップ４０と、第１回転トルクと第２回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップ５０とからなる。
第１回転トルク算出ステップ３０は、風車本体部分１０の翼形状に関する空力データを準備し（Ｓ３１）、風車本体部分１０の構造に関する第１構造データが入力され（Ｓ３２）、風車本体部分１０の計算条件が設定されることで（Ｓ３３）、風車本体部分１０の回転部周りの第１回転トルクを算出する。
第２回転トルク算出ステップ４０は、過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データが入力されることで（Ｓ４１）、過回転抑制部分２０の回転部周りの第２回転トルクを算出する。なお、本実施例では、可動部２１及び過回転抑制誘導体２２を、風車翼１４と同一形状とした翼断面で形成しているため、空力データ準備ステップ３１での空力データを、第２回転トルク算出ステップ４０で用いることができる。
第１回転トルク算出ステップ３０で算出される第１回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、第１構造データ入力ステップ３２での構造データを変更する。
第２回転トルク算出ステップ４０で算出される第２回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、第２構造データ入力ステップ４１での構造データを変更する。
本実施例による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法では、風車本体部分１０の回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップ３０と、過回転抑制部分２０の回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップ４０と、第１回転トルクと第２回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップ５０とからなる。
第１回転トルク算出ステップ３０は、風車本体部分１０の翼形状に関する空力データを準備し（Ｓ３１）、風車本体部分１０の構造に関する第１構造データが入力され（Ｓ３２）、風車本体部分１０の計算条件が設定されることで（Ｓ３３）、風車本体部分１０の回転部周りの第１回転トルクを算出する。
第２回転トルク算出ステップ４０は、過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データが入力されることで（Ｓ４１）、過回転抑制部分２０の回転部周りの第２回転トルクを算出する。なお、本実施例では、可動部２１及び過回転抑制誘導体２２を、風車翼１４と同一形状とした翼断面で形成しているため、空力データ準備ステップ３１での空力データを、第２回転トルク算出ステップ４０で用いることができる。
第１回転トルク算出ステップ３０で算出される第１回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、第１構造データ入力ステップ３２での構造データを変更する。
第２回転トルク算出ステップ４０で算出される第２回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、第２構造データ入力ステップ４１での構造データを変更する。
【0020】
コンピュータは、第１回転トルク算出ステップ３０と、第２回転トルク算出ステップ４０と、風車全体回転トルク算出ステップ５０とを実行する。
また、コンピュータは、風車本体部分１０及び過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付け、受け付けた空力データ、第１構造データ、及び第２構造データを用いて、第１回転トルク算出ステップ３０及び第２回転トルク算出ステップ４０を実行する。
本実施例によるプログラムは、コンピュータに、風車本体部分１０の回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップ３０と、過回転抑制部分２０の回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップ４０と、第１回転トルクと第２回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップ５０とを実行させる。
また、本実施例によるプログラムは、コンピュータに、風車本体部分１０及び過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを実行させ、入力ステップで受け付けた空力データ、第１構造データ、及び第２構造データを用いて、第１回転トルク算出ステップ３０及び第２回転トルク算出ステップ４０を実行させる。
また、コンピュータは、風車本体部分１０及び過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付け、受け付けた空力データ、第１構造データ、及び第２構造データを用いて、第１回転トルク算出ステップ３０及び第２回転トルク算出ステップ４０を実行する。
本実施例によるプログラムは、コンピュータに、風車本体部分１０の回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップ３０と、過回転抑制部分２０の回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップ４０と、第１回転トルクと第２回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップ５０とを実行させる。
また、本実施例によるプログラムは、コンピュータに、風車本体部分１０及び過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを実行させ、入力ステップで受け付けた空力データ、第１構造データ、及び第２構造データを用いて、第１回転トルク算出ステップ３０及び第２回転トルク算出ステップ４０を実行させる。
【0021】
なお、コンピュータは、第１回転トルク算出ステップ３０で算出される第１回転トルクが、あらかじめ設定した設定回転トルクとならないと判断した場合には、入力ステップでの第１構造データを変更することを促すこともできる。
また、コンピュータは、第２回転トルク算出ステップ４０で算出される第２回転トルクが、あらかじめ設定した設定回転トルクとならないと判断した場合には、入力ステップでの第２構造データを変更することを促すこともできる。
また、コンピュータは、風車全体回転トルク算出ステップ５０で算出される風車全体回転トルクが、あらかじめ設定した設定回転トルクとならないと判断した場合には、入力ステップでの空力データ、第１構造データ、及び第２構造データの少なくともいずれかを変更することを促すこともできる。
また、コンピュータは、第２回転トルク算出ステップ４０で算出される第２回転トルクが、あらかじめ設定した設定回転トルクとならないと判断した場合には、入力ステップでの第２構造データを変更することを促すこともできる。
また、コンピュータは、風車全体回転トルク算出ステップ５０で算出される風車全体回転トルクが、あらかじめ設定した設定回転トルクとならないと判断した場合には、入力ステップでの空力データ、第１構造データ、及び第２構造データの少なくともいずれかを変更することを促すこともできる。
【0022】
また、本実施例によるプログラムは、コンピュータに、第１回転トルク算出ステップ３０で算出される第１回転トルクがあらかじめ設定した設定回転トルクを満たすか否かを判断させ、コンピュータが、算出される第１回転トルクがあらかじめ設定した設定回転トルクとならないと判断した場合には、入力ステップでの第１構造データの変更を促すことをコンピュータに実行させる。
また、本実施例によるプログラムは、コンピュータに、第２回転トルク算出ステップ４０で算出される第２回転トルクがあらかじめ設定した設定回転トルクを満たすか否かを判断させ、コンピュータが、算出される第２回転トルクがあらかじめ設定した設定回転トルクとならないと判断した場合には、入力ステップでの第２構造データの変更を促すことをコンピュータに実行させる。
また、本実施例によるプログラムは、コンピュータに、風車全体回転トルク算出ステップ５０で算出される風車全体回転トルクがあらかじめ設定した設定回転トルクを満たすか否かを判断させ、コンピュータが、算出される風車全体回転トルクがあらかじめ設定した設定回転トルクとならないと判断した場合には、入力ステップでの空力データ、第１構造データ、及び第２構造データの少なくともいずれかの変更を促すことをコンピュータに実行させる。
なお、このようなプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して用いられる他、コンピュータに記録されて、又はクラウドサーバからダウンロードして用いることができる。
また、本実施例によるプログラムは、コンピュータに、第２回転トルク算出ステップ４０で算出される第２回転トルクがあらかじめ設定した設定回転トルクを満たすか否かを判断させ、コンピュータが、算出される第２回転トルクがあらかじめ設定した設定回転トルクとならないと判断した場合には、入力ステップでの第２構造データの変更を促すことをコンピュータに実行させる。
また、本実施例によるプログラムは、コンピュータに、風車全体回転トルク算出ステップ５０で算出される風車全体回転トルクがあらかじめ設定した設定回転トルクを満たすか否かを判断させ、コンピュータが、算出される風車全体回転トルクがあらかじめ設定した設定回転トルクとならないと判断した場合には、入力ステップでの空力データ、第１構造データ、及び第２構造データの少なくともいずれかの変更を促すことをコンピュータに実行させる。
なお、このようなプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して用いられる他、コンピュータに記録されて、又はクラウドサーバからダウンロードして用いることができる。
【0023】
本実施例による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置は、風車本体部分１０の回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出手段と、過回転抑制部分２０の回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出手段と、第１回転トルクと第２回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出手段とを有する。
【0024】
図４は、空力データ準備ステップの説明図である。
空力データ準備ステップ３１では、風車翼１４の任意の迎角α（－１８０度～＋１８０度）での、レイノルズ数Ｒｅ毎の揚力係数Ｃｌ、抗力係数Ｃｄ、モーメント係数Ｃｍを準備する。
風車翼１４の空力データについては、NACA0018などの公開データを用いるか、計算で得たデータを用いることができる。
空力データ準備ステップ３１では、風車翼１４の任意の迎角α（－１８０度～＋１８０度）での、レイノルズ数Ｒｅ毎の揚力係数Ｃｌ、抗力係数Ｃｄ、モーメント係数Ｃｍを準備する。
風車翼１４の空力データについては、NACA0018などの公開データを用いるか、計算で得たデータを用いることができる。
【0025】
図５は、風車本体部分の第１構造データ入力ステップの説明図である。ここで、同図（a）は風車本体部分１０の断面形状を示し、同図（b）は風車本体部分の全体を示す図である。
風車本体部分の構造データ入力ステップ３２では、設計データとして、風車翼１４の翼弦長ｃ、垂直軸Ｚを中心として回転する風車翼１４の直径φｄ、及び風車翼１４のスパンとなる高さｈを入力する。
風車本体部分の構造データ入力ステップ３２では、設計データとして、風車翼１４の翼弦長ｃ、垂直軸Ｚを中心として回転する風車翼１４の直径φｄ、及び風車翼１４のスパンとなる高さｈを入力する。
【0026】
図６は、風車本体部分の計算条件設定ステップの説明図である。ここで、同図（a）は風車本体部分１０の風車翼１４を長さ方向に単位長さ（翼素長さ）ｄlに分割（翼素解析）する状態を示し、同図（b）は各翼素ｄlにおける入力の風速Ｖ０と風車翼１４との関係を模式図的に示す図である。
風車本体部分の計算条件設定ステップ３３の実施例では、3枚の風車翼１４を有するが、１枚の風車翼１４の単位長さ（翼素長さ）ｄlについて、この翼素長さｄlが、ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合の、抗力Ｄと揚力Ｌを計算し、翼素長さｄlを３６０°にわたって計算し、合算（積分）して、さらに、風車翼１４の高さ方向（スパン方向）にわたって合算（積分）して、１枚の風車翼１４が発生する第1回転トルクＱ１の平均値を求め、それに翼枚数Ｚ（本実施例では３）を乗じて、風車翼１４による第1回転トルクＱ１０を算出する。なお、アジマスΨ（方位角）、抗力Ｄと揚力Ｌの関係については図８及び対応の部分で説明する。
計算条件設定ステップ３３では、風速をＶ０、回転数をＮ、先端周速比をλとすると、
λ＝Ｒω１／Ｖ０
Ｎ＝３０ω１／π
と設定する。なお、Ｒは垂直軸Ｚから風車翼１４の翼素までの距離（回転半径）、ω１は風車翼１４の翼素の角速度である。
風車本体部分の計算条件設定ステップ３３の実施例では、3枚の風車翼１４を有するが、１枚の風車翼１４の単位長さ（翼素長さ）ｄlについて、この翼素長さｄlが、ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合の、抗力Ｄと揚力Ｌを計算し、翼素長さｄlを３６０°にわたって計算し、合算（積分）して、さらに、風車翼１４の高さ方向（スパン方向）にわたって合算（積分）して、１枚の風車翼１４が発生する第1回転トルクＱ１の平均値を求め、それに翼枚数Ｚ（本実施例では３）を乗じて、風車翼１４による第1回転トルクＱ１０を算出する。なお、アジマスΨ（方位角）、抗力Ｄと揚力Ｌの関係については図８及び対応の部分で説明する。
計算条件設定ステップ３３では、風速をＶ０、回転数をＮ、先端周速比をλとすると、
λ＝Ｒω１／Ｖ０
Ｎ＝３０ω１／π
と設定する。なお、Ｒは垂直軸Ｚから風車翼１４の翼素までの距離（回転半径）、ω１は風車翼１４の翼素の角速度である。
【0027】
図７は、第１回転トルク算出ステップ３０に用いる式である。
主翼１４ａによる垂直軸Ｚ周りのトルクをQ1ａ(Ψ)、斜翼１４ｂによる垂直軸Ｚ周りのトルクをQ1ｂ(Ψ)、アームによる垂直軸Ｚ周りのトルクをQ1ｃ(Ψ)とすると、1枚の風車翼１４についての第1回転トルクＱ１(Ψ)は次式で表される。
Ｑ１(Ψ)＝Q1ａ(Ψ)＋Q1ｂ(Ψ)＋Q1ｃ(Ψ)
主翼１４ａによる垂直軸Ｚ周りのトルクをQ1ａ(Ψ)、斜翼１４ｂによる垂直軸Ｚ周りのトルクをQ1ｂ(Ψ)、アームによる垂直軸Ｚ周りのトルクをQ1ｃ(Ψ)とすると、1枚の風車翼１４についての第1回転トルクＱ１(Ψ)は次式で表される。
Ｑ１(Ψ)＝Q1ａ(Ψ)＋Q1ｂ(Ψ)＋Q1ｃ(Ψ)
【0028】
主翼１４ａによる垂直軸Ｚ周りのトルク：Q1ａ(Ψ)
主翼１４ａのｊ番目の要素の翼断面内において、翼弦方向に作用する力をdF_cd(j)、これに垂直な方向の力をdF_nd(j)と定義し、この翼素断面に作用する揚力をdL、抗力をdD、迎角をαとすれば、翼要素断面内の力dF_cd(j)とdF_nd(j)は、それぞれ式（１）と（２）で表される。
主翼１４ａのｊ番目の要素の翼断面内において、翼弦方向に作用する力をdF_cd(j)、これに垂直な方向の力をdF_nd(j)と定義し、この翼素断面に作用する揚力をdL、抗力をdD、迎角をαとすれば、翼要素断面内の力dF_cd(j)とdF_nd(j)は、それぞれ式（１）と（２）で表される。
【0029】
主翼１４ａのｊ番目の要素の翼断面内に作用する空気力の主流方向成分をdF1(j)、主流と垂直で水平方向の成分をdF2(j)と定義すると、翼の取付角（ピッチ角）を0°とした場合には、dF1(j)とdF2(j)はアジマスΨの関数として、それぞれ式（３）と（４）で表される。
主翼１４ａのｊ番目の要素に働く軌道円の接線方向の力をdFY(j)と定義すると式（５）で表される。ただし、回転方向をプラスとする。
式（５）に式（３）と（４）を代入して整理すると次のように、接線方向の力dFY(j)は翼弦方向に作用する力dF_cd(j)と同じであることがわかる（式（６））。（翼の取付角を0°としている。）
主翼１４ａのｊ番目の要素に働く軌道円の接線方向の力をdFY(j)と定義すると式（５）で表される。ただし、回転方向をプラスとする。
式（５）に式（３）と（４）を代入して整理すると次のように、接線方向の力dFY(j)は翼弦方向に作用する力dF_cd(j)と同じであることがわかる（式（６））。（翼の取付角を0°としている。）
【0030】
垂直軸Ｚから主翼１４ａのｊ番目の要素までの距離をR1(j)とすれば、主翼１４ａのｊ番目の要素が、垂直軸Ｚ周りに発生する回転トルクdQ1ａ(j)は式（７）で表される。
あるいは、式（１）を用いると式（8）となる。
あるいは、式（１）を用いると式（8）となる。
【0031】
主翼１４ａの長手方向にあるすべての要素について、式（8）で与えられる回転トルクを足し合わせると、アジマスΨにおける主翼１４ａの垂直軸Ｚ周りのトルクQ1(Ψ)が式（９）のように求まる。
【0032】
斜翼１４ｂの垂直軸Ｚ周りのトルク：Q１ｂ(Ψ)
斜翼１４ｂのｊ番目の要素の翼断面内において、翼弦方向に作用する力をdF_cd(j)、これに垂直な方向の力をdF_nd(j)と定義し、この翼素断面に作用する揚力をdL、抗力をdD、迎角をαとすれば、翼要素断面内の力dF_cd(j)とdF_nd(j)は、それぞれ式（１０）と（１１）で表される。
斜翼１４ｂのｊ番目の要素の翼断面内において、翼弦方向に作用する力をdF_cd(j)、これに垂直な方向の力をdF_nd(j)と定義し、この翼素断面に作用する揚力をdL、抗力をdD、迎角をαとすれば、翼要素断面内の力dF_cd(j)とdF_nd(j)は、それぞれ式（１０）と（１１）で表される。
【0033】
斜翼１４ｂの鉛直方向からの傾き角をγとする。バタフライ風車の場合、上半分の斜翼１４ｂの傾き角は翼要素に依らず一定であり、それを正の値を取る傾き角γとすれば、ロータが上下対称であるため、下半分の傾き角は－γとなる。しかし、傾き角の余弦は傾き角の正負によらずcosγは一定の正の定数となる。
このとき、斜翼１４ｂのｊ番目の要素の翼断面内に作用する空気力の主流方向成分をdF1(j)、主流と垂直で水平方向の成分をdF2(j)と定義すると、翼の取付角（ピッチ角）を0°とした場合には、dF1(j)とdF2(j)はアジマスΨの関数として、それぞれ式（１２）と（１３）で表される。
斜翼１４ｂのｊ番目の要素に働く軌道円の接線方向の力をdFY(j)と定義すると式（１４）で表される。ただし、回転方向をプラスとする。
このとき、斜翼１４ｂのｊ番目の要素の翼断面内に作用する空気力の主流方向成分をdF1(j)、主流と垂直で水平方向の成分をdF2(j)と定義すると、翼の取付角（ピッチ角）を0°とした場合には、dF1(j)とdF2(j)はアジマスΨの関数として、それぞれ式（１２）と（１３）で表される。
斜翼１４ｂのｊ番目の要素に働く軌道円の接線方向の力をdFY(j)と定義すると式（１４）で表される。ただし、回転方向をプラスとする。
【0034】
式（１４）に式（１２）と（１３）を代入して整理すると式（１５）のように、接線方向の力dFY(j)は翼弦方向に作用する力dF_cd(j)と同じであることがわかる。（翼の取付角を0°としているため。）
【0035】
垂直軸Ｚから斜翼１４ｂのｊ番目の要素までの距離をR2(j)とすれば、斜翼１４ｂのｊ番目の要素が、垂直軸Ｚ周りに発生する回転トルクdQ１ｂ(j)は式（１６）で表される。
あるいは、式（１０）を用いると式（１７）となる。
あるいは、式（１０）を用いると式（１７）となる。
【0036】
斜翼１４ｂの長手方向にあるすべての要素について、式（１６）で与えられる回転トルクを足し合わせると、アジマスΨにおける斜翼１４ｂの垂直軸Ｚ周りのトルクQ１ｂ(Ψ)が式（１８）のように求まる。
【0037】
アーム１３の風車回転軸周りのトルク：Q１ｃ(Ψ)
アーム１３のｊ番目の要素に作用する抗力（水平方向でロータ回転と逆方向をプラスとする）をdD３(j)、風車回転軸からアーム１３のｊ番目の要素までの距離をR３(j)とすれば、アーム１３のｊ番目の要素が、風車回転軸周りに発生する回転トルクdQ１ｃ(j)は式（１９）で表される。
なお、アーム１３の抗力dD３(j)は、可動部２１の傾斜角θ２とその角速度ω２に依存せず、風車の回転角速度ω1には依存する。しかし、それは可動部２１や過回転抑制誘導体２２の抗力でも同様であり、明らかであることと表式が煩雑になることを避けるため、ω1への依存は明示していない。
アーム１３の長手方向にあるすべての要素について、式（１９）で与えられる回転トルクを足し合わせると、アジマスΨにおけるアーム１３の風車回転軸周りのトルクQ１ｃ(Ψ)が式（２０）のように求まる。
アーム１３のｊ番目の要素に作用する抗力（水平方向でロータ回転と逆方向をプラスとする）をdD３(j)、風車回転軸からアーム１３のｊ番目の要素までの距離をR３(j)とすれば、アーム１３のｊ番目の要素が、風車回転軸周りに発生する回転トルクdQ１ｃ(j)は式（１９）で表される。
なお、アーム１３の抗力dD３(j)は、可動部２１の傾斜角θ２とその角速度ω２に依存せず、風車の回転角速度ω1には依存する。しかし、それは可動部２１や過回転抑制誘導体２２の抗力でも同様であり、明らかであることと表式が煩雑になることを避けるため、ω1への依存は明示していない。
アーム１３の長手方向にあるすべての要素について、式（１９）で与えられる回転トルクを足し合わせると、アジマスΨにおけるアーム１３の風車回転軸周りのトルクQ１ｃ(Ψ)が式（２０）のように求まる。
【0038】
図８は、第１回転トルク算出ステップの説明図である。なお、ここでは主翼１４ａによる垂直軸Ｚ周りのトルクQ1ａの算出について説明する。
第１回転トルク算出ステップ３０では、翼素運動量複合理論（BEM）より、回転翼の風速uを算出し、算出した風速uと空力データからロータの回転トルクQ1ａを求める。
翼素運動量複合理論（BEM）は、未知の風速uを求めるために、誘導速度係数aを適当に想定して、運動量理論で求まるスラスト係数CTmと、翼素理論で求まるスラスト係数CTbの差がほぼ0になるまで、少しずつ誘導速度係数aを変えて繰り返し計算を行い、スラスト係数CTmとスラスト係数CTbとが同じ値となった場合の誘導速度係数aの値、すなわちu=(1-a)V∞の値を決定する方法である。
なお、翼素理論は、空力係数から空気力を求めるもので、翼素に流入する風速uの値が１つ与えられた場合に、揚力係数や抗力係数から、その翼素に働く力（スラスト係数CTbと出力係数CPb）が求まる方法である。
第１回転トルク算出ステップ３０では、翼素運動量複合理論（BEM）より、回転翼の風速uを算出し、算出した風速uと空力データからロータの回転トルクQ1ａを求める。
翼素運動量複合理論（BEM）は、未知の風速uを求めるために、誘導速度係数aを適当に想定して、運動量理論で求まるスラスト係数CTmと、翼素理論で求まるスラスト係数CTbの差がほぼ0になるまで、少しずつ誘導速度係数aを変えて繰り返し計算を行い、スラスト係数CTmとスラスト係数CTbとが同じ値となった場合の誘導速度係数aの値、すなわちu=(1-a)V∞の値を決定する方法である。
なお、翼素理論は、空力係数から空気力を求めるもので、翼素に流入する風速uの値が１つ与えられた場合に、揚力係数や抗力係数から、その翼素に働く力（スラスト係数CTbと出力係数CPb）が求まる方法である。
【0039】
式（２１）は、風車ロータの運動方程式である。
本実施例における特性予測は、定常状態(回転数一定)の予測であるため、式（２１）に示す風車ロータの運動方程式（２１）では左辺の加速度項は0となる。なお、式（２１）に示すＩ１は風車ロータの回転軸まわりの慣性モーメント、Ｑtotalは風車全体回転トルク、ＱＬは負荷トルク（発電機トルク）、ω１は風車ロータの回転角速度である。
各流管の中にあって、任意のアジマス方向にある翼素を通過する風速uが、図８（ｂ）に示すように、翼素運動量複合理論（BEM）の結果として決まったならば、仮定している一定回転数に相当する角速度ω１とロータ半径R１の積で与えられる移動速度と反対の相対風速R１ω１と風速uのベクトル的合成によって、翼素が見る相対風速Vrelが決まる。
また、相対風速Vrelから、翼弦長ｃに基づくレイノルズ数Re=Vrel×u／（μ／ρ）が決まる（ここでμは流体[空気]の粘性係数）。
従って、空力データ準備ステップ３１で準備している翼型の空力係数データを、図８（ｂ）の翼素における揚力係数CL(α, Re)と抗力係数CD(α, Re)とに用いることで、補間計算によって算出できる（簡単にするため、モーメント係数は省略）。
本実施例における特性予測は、定常状態(回転数一定)の予測であるため、式（２１）に示す風車ロータの運動方程式（２１）では左辺の加速度項は0となる。なお、式（２１）に示すＩ１は風車ロータの回転軸まわりの慣性モーメント、Ｑtotalは風車全体回転トルク、ＱＬは負荷トルク（発電機トルク）、ω１は風車ロータの回転角速度である。
各流管の中にあって、任意のアジマス方向にある翼素を通過する風速uが、図８（ｂ）に示すように、翼素運動量複合理論（BEM）の結果として決まったならば、仮定している一定回転数に相当する角速度ω１とロータ半径R１の積で与えられる移動速度と反対の相対風速R１ω１と風速uのベクトル的合成によって、翼素が見る相対風速Vrelが決まる。
また、相対風速Vrelから、翼弦長ｃに基づくレイノルズ数Re=Vrel×u／（μ／ρ）が決まる（ここでμは流体[空気]の粘性係数）。
従って、空力データ準備ステップ３１で準備している翼型の空力係数データを、図８（ｂ）の翼素における揚力係数CL(α, Re)と抗力係数CD(α, Re)とに用いることで、補間計算によって算出できる（簡単にするため、モーメント係数は省略）。
【0040】
風車翼１４を高さ方向にN分割して、各翼素のスパン長をｄlとするならば、式（２２）式（２３）から翼素に作用する揚力Lと抗力Dが求められる。
図８（ｃ）に示すように、この揚力Lと抗力Dを2辺とする長方形の対角線が合成された空気力となる。さらに、この合成空気力の接線方向の成分が、翼素をロータ回転方向に駆動させる回転力Ftとなる。
従って、この回転力Ftにロータ半径Ｒ１を掛け合わせると、それが、1つの翼素に作用する回転トルクdQ1ａi(Ψ)となる式（２４）。アジマス範囲Ψ～Ψ＋dΨにある翼素に作用する回転トルクは、アジマスΨの関数であり、１つの翼素がアジマス範囲Ψ～Ψ＋dΨにある確率（時間的滞在率）は、dΨ／2πとなる。
図８（ｃ）に示すように、この揚力Lと抗力Dを2辺とする長方形の対角線が合成された空気力となる。さらに、この合成空気力の接線方向の成分が、翼素をロータ回転方向に駆動させる回転力Ftとなる。
従って、この回転力Ftにロータ半径Ｒ１を掛け合わせると、それが、1つの翼素に作用する回転トルクdQ1ａi(Ψ)となる式（２４）。アジマス範囲Ψ～Ψ＋dΨにある翼素に作用する回転トルクは、アジマスΨの関数であり、１つの翼素がアジマス範囲Ψ～Ψ＋dΨにある確率（時間的滞在率）は、dΨ／2πとなる。
【0041】
風車翼１４を高さ方向にN分割した場合のi番目の翼素の回転トルクを下付きの添字iをつけて表し、高さ方向のN個の翼素を合算して得られる１枚の翼の回転トルクをdQ1ａ(Ψ)とすれば、アジマス範囲Ψ～Ψ＋dΨにある１枚の翼に作用するトルクは式（２５）で表される。
【0042】
１枚の風車翼１４がアジマス範囲Ψ～Ψ＋dΨにある確率（時間的滞在率）は、先に翼素について述べたことと同様に、dΨ／2πとなり、１つの風車翼１４が回転軸まわりに１回転する間のトルクの平均値（期待値）は、式（２５）に確率をかけて、１回転にわたって積分することで求まる。この１つの風車翼１４のトルクの平均値をQ1ａとするならば、式（２６）で算出できる。
主翼１４ａの回転トルクＱ1ａと同様に、斜翼１４ｂによる垂直軸Ｚ周りのトルクQ1ｂと、アームによる垂直軸Ｚ周りのトルクQ1ｃを算出し、翼数がZであれば、主翼１４ａの回転トルクＱ1ａ、斜翼１４ｂによる垂直軸Ｚ周りのトルクQ1ｂ、及びアームによる垂直軸Ｚ周りのトルクQ1ｃをZ倍すれば求まる。
従って、翼数がZである風車翼１４による第1回転トルクＱ１０は、式（２７）で求まる。
主翼１４ａの回転トルクＱ1ａと同様に、斜翼１４ｂによる垂直軸Ｚ周りのトルクQ1ｂと、アームによる垂直軸Ｚ周りのトルクQ1ｃを算出し、翼数がZであれば、主翼１４ａの回転トルクＱ1ａ、斜翼１４ｂによる垂直軸Ｚ周りのトルクQ1ｂ、及びアームによる垂直軸Ｚ周りのトルクQ1ｃをZ倍すれば求まる。
従って、翼数がZである風車翼１４による第1回転トルクＱ１０は、式（２７）で求まる。
【0043】
図９は、第２構造データ入力ステップの説明図である。
第２構造データ入力ステップ４１では、設計データとして、可動部２１の可動部長さＬ２１、及び過回転抑制誘導体２２の過回転抑制誘導体長さＬ２２を入力する。
可動部２１の風車回転軸周りのトルクをQ２１(Ψ)、過回転抑制誘導体２２の風車回転軸周りのトルクをQ２２(Ψ) とすると、1つの過回転抑制誘導体２２についての第２回転トルクＱ２(Ψ)は次式で表される。
Ｑ２(Ψ)＝Q２１(Ψ)＋Q２２(Ψ)
第２構造データ入力ステップ４１では、設計データとして、可動部２１の可動部長さＬ２１、及び過回転抑制誘導体２２の過回転抑制誘導体長さＬ２２を入力する。
可動部２１の風車回転軸周りのトルクをQ２１(Ψ)、過回転抑制誘導体２２の風車回転軸周りのトルクをQ２２(Ψ) とすると、1つの過回転抑制誘導体２２についての第２回転トルクＱ２(Ψ)は次式で表される。
Ｑ２(Ψ)＝Q２１(Ψ)＋Q２２(Ψ)
【0044】
図１０は第２回転トルク算出ステップに用いる式である。
可動部２１による垂直軸Ｚ周りのトルク：Q２１(Ψ)
可動部２１のｊ番目の要素に作用する抗力（水平方向でロータ回転と逆方向をプラスとする）をdD２１(j, θ2, ω2)、風車回転軸から可動部２１のｊ番目の要素までの距離をR２１(j)とすれば、可動部２１のｊ番目の要素が、風車回転軸周りに発生する回転トルクdQ２１(j)は式（２８）で表される。
抗力dD２１(j, θ2, ω2)は、可動部２１の傾斜角θ２とその角速度ω２に依存する。
可動部２１の長手方向にあるすべての要素について、式（２８）で与えられる回転トルクを足し合わせると、アジマスΨにおける可動部２１の風車回転軸周りのトルクQ２１(Ψ)が式（２９）のように求まる。
可動部２１による垂直軸Ｚ周りのトルク：Q２１(Ψ)
可動部２１のｊ番目の要素に作用する抗力（水平方向でロータ回転と逆方向をプラスとする）をdD２１(j, θ2, ω2)、風車回転軸から可動部２１のｊ番目の要素までの距離をR２１(j)とすれば、可動部２１のｊ番目の要素が、風車回転軸周りに発生する回転トルクdQ２１(j)は式（２８）で表される。
抗力dD２１(j, θ2, ω2)は、可動部２１の傾斜角θ２とその角速度ω２に依存する。
可動部２１の長手方向にあるすべての要素について、式（２８）で与えられる回転トルクを足し合わせると、アジマスΨにおける可動部２１の風車回転軸周りのトルクQ２１(Ψ)が式（２９）のように求まる。
【0045】
過回転抑制誘導体２２の風車回転軸周りのトルク：Q２２(Ψ)
過回転抑制誘導体２２のｊ番目の要素に作用する抗力（水平方向でロータ回転と逆方向をプラスとする）をdD２２(j, θ2, ω2)、風車回転軸から過回転抑制誘導体２２までの距離をR２２とすれば（この距離R２２は過回転抑制誘導体２２要素jに依存しなく共通）、過回転抑制誘導体２２のｊ番目の要素が、風車回転軸周りに発生する回転トルクdQ２２(j)は式（３０）で表される。
なお、式（３０）では、過回転抑制誘導体２２のｊ番目の要素の空力中心（過回転抑制誘導体２２前縁から過回転抑制誘導体２２の翼弦長の1/4の位置）まわりの空力に起因するモーメントの効果dM２２ (j, θ2, ω2)を加えている。
抗力dD２２ (j, θ2, ω2)は、過回転抑制誘導体２２の傾斜角θ２とその角速度ω２に依存する。なお、モーメントの効果dM２２ (j, θ2, ω2)も過回転抑制誘導体２２の傾斜角θ２とその角速度ω２に依存する。抗力と同様に、モーメントを算出する際に用いる相対風速の計算に傾斜角θ２とその角速度ω２が関係しているためであり詳細は省略する。
過回転抑制誘導体２２の長手方向にあるすべての要素について、式（３０）で与えられる回転トルクを足し合わせると、アジマスΨにおける過回転抑制誘導体２２の風車回転軸周りのトルクQ２２ (Ψ)が式（３１）のように求まる。
過回転抑制部分２０の個数がZであれば、1つの過回転抑制部分２０の第２回転トルクＱ２をZ倍すれば求まる。
従って、過回転抑制部分２０の個数がZである場合、第２回転トルクＱ２０は、式（３２）で求まる。
過回転抑制誘導体２２のｊ番目の要素に作用する抗力（水平方向でロータ回転と逆方向をプラスとする）をdD２２(j, θ2, ω2)、風車回転軸から過回転抑制誘導体２２までの距離をR２２とすれば（この距離R２２は過回転抑制誘導体２２要素jに依存しなく共通）、過回転抑制誘導体２２のｊ番目の要素が、風車回転軸周りに発生する回転トルクdQ２２(j)は式（３０）で表される。
なお、式（３０）では、過回転抑制誘導体２２のｊ番目の要素の空力中心（過回転抑制誘導体２２前縁から過回転抑制誘導体２２の翼弦長の1/4の位置）まわりの空力に起因するモーメントの効果dM２２ (j, θ2, ω2)を加えている。
抗力dD２２ (j, θ2, ω2)は、過回転抑制誘導体２２の傾斜角θ２とその角速度ω２に依存する。なお、モーメントの効果dM２２ (j, θ2, ω2)も過回転抑制誘導体２２の傾斜角θ２とその角速度ω２に依存する。抗力と同様に、モーメントを算出する際に用いる相対風速の計算に傾斜角θ２とその角速度ω２が関係しているためであり詳細は省略する。
過回転抑制誘導体２２の長手方向にあるすべての要素について、式（３０）で与えられる回転トルクを足し合わせると、アジマスΨにおける過回転抑制誘導体２２の風車回転軸周りのトルクQ２２ (Ψ)が式（３１）のように求まる。
過回転抑制部分２０の個数がZであれば、1つの過回転抑制部分２０の第２回転トルクＱ２をZ倍すれば求まる。
従って、過回転抑制部分２０の個数がZである場合、第２回転トルクＱ２０は、式（３２）で求まる。
【0046】
風車全体回転トルク算出ステップ５０では、式（２７）で示す翼数がZの風車翼１４の第１回転トルクＱ１０と、式（３２）に示す過回転抑制部分２０がZである第２回転トルクＱ２０から垂直軸風車の風車全体回転トルクＱtotalを算出する。
Ｑtotal＝Ｑ１０＋Ｑ２０
Ｑtotal＝Ｑ１０＋Ｑ２０
【0047】
なお、風車全体回転トルクＱtotalは下記の方法でも求まる。
今注目しているアジマス角Ψにおける１つの風車翼１４（1つの過回転抑制部分２０も含む）が発生する回転軸周りのトルクＱtは、式（３３）となり、トルクＱtの平均トルクは、式（３４）に示すように全アジマスにわたって平均すれば得られる。従って、風車翼１４（1つの過回転抑制部分２０も含む）がＺ枚である風車全体回転トルクＱtotalは、式(３４)をＺ倍して、式（３５）で求まる。
今注目しているアジマス角Ψにおける１つの風車翼１４（1つの過回転抑制部分２０も含む）が発生する回転軸周りのトルクＱtは、式（３３）となり、トルクＱtの平均トルクは、式（３４）に示すように全アジマスにわたって平均すれば得られる。従って、風車翼１４（1つの過回転抑制部分２０も含む）がＺ枚である風車全体回転トルクＱtotalは、式(３４)をＺ倍して、式（３５）で求まる。
【0048】
図１１は過回転抑制部分が存在しない場合の出力係数（Cp）（Without MA）と、過回転抑制部分が存在する場合の出力係数（Cp）（With MA）の比較を示すグラフである。風速はV∞= 8 m/sとしている。
グラフの縦軸は出力係数（Cp）、グラフの横軸は先端周速比（λ）である。
なお、出力係数（Cp）は、式（３６）で表される。
ここで、風車ロータのトルクをＱ、風車翼１４の回転角速度をω１、風速をV∞、風車の受風面積をＡとしている。
先端周速比（λ）は、Ｒω１／V∞であり、Ｒはロータ回転軸（Ｚ）から主翼１４ａまでの距離（図５では風車翼１４の半径φｄ／２）、ω１は風車翼１４の回転角速度、V∞は風速である。
過回転抑制部分が存在しない場合（Without MA）の出力係数（Cp）では、風車翼１４のトルクＱを第１回転トルクQ１０とし、過回転抑制部分が存在する場合（With MA）の出力係数（Cp）では、風車翼１４のトルクＱを風車全体回転トルクＱtotalとしている。
グラフの縦軸は出力係数（Cp）、グラフの横軸は先端周速比（λ）である。
なお、出力係数（Cp）は、式（３６）で表される。
ここで、風車ロータのトルクをＱ、風車翼１４の回転角速度をω１、風速をV∞、風車の受風面積をＡとしている。
先端周速比（λ）は、Ｒω１／V∞であり、Ｒはロータ回転軸（Ｚ）から主翼１４ａまでの距離（図５では風車翼１４の半径φｄ／２）、ω１は風車翼１４の回転角速度、V∞は風速である。
過回転抑制部分が存在しない場合（Without MA）の出力係数（Cp）では、風車翼１４のトルクＱを第１回転トルクQ１０とし、過回転抑制部分が存在する場合（With MA）の出力係数（Cp）では、風車翼１４のトルクＱを風車全体回転トルクＱtotalとしている。
【0049】
図１１の過回転抑制部分が存在しない場合（Without MA）に示すように、可動部２１が存在しない場合には，最大先端周速比λＭＡＸは8以上が予測される。
しかし、図１１の過回転抑制部分が存在する場合（With MA）に示すように、先端周速比（λ）が３．３に達すると、可動部２１が傾斜を始め、先端周速比（λ）が増加すると、可動部２１の傾斜角θ２が大きくなり、可動部２１の空力抵抗が大きくなり、出力係数は大きく減少し、最大先端周速比λＭＡＸは4以下となることが予想される。
なお、計算プログラムにおいては、計算条件として設定された特定の先端周速比(λ)の条件下で、可動部２１と過回転抑制誘導体２２を一体とした場合の運動方程式を数値積分することによって、各アジマス角における傾斜角θ２とその角速度ω２の値を算出し、その状態における空気力や遠心力から風車特性を算出した。
しかし、図１１の過回転抑制部分が存在する場合（With MA）に示すように、先端周速比（λ）が３．３に達すると、可動部２１が傾斜を始め、先端周速比（λ）が増加すると、可動部２１の傾斜角θ２が大きくなり、可動部２１の空力抵抗が大きくなり、出力係数は大きく減少し、最大先端周速比λＭＡＸは4以下となることが予想される。
なお、計算プログラムにおいては、計算条件として設定された特定の先端周速比(λ)の条件下で、可動部２１と過回転抑制誘導体２２を一体とした場合の運動方程式を数値積分することによって、各アジマス角における傾斜角θ２とその角速度ω２の値を算出し、その状態における空気力や遠心力から風車特性を算出した。
【産業上の利用可能性】
【0050】
本発明の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法、プログラム、及び過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置によれば、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の性能評価を行えるとともに、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の最適設計に利用することができる。
【符号の説明】
【0051】
１０ 風車本体部分
１１ 基部
１１ａ 脚部
１１ｂ 収容部
１２ 回転部
１３ アーム
１３ａ アーム軸
１４ 風車翼
１４ａ 主翼
１４ｂ 斜翼
１４ｃ 湾曲部
２０ 過回転抑制部分
２１ 可動部
２２ 過回転抑制誘導体
Ｘ 水平軸
Z 垂直軸
Ｑ１０ 翼数がZである風車翼１４による第1回転トルク
Ｑ１ 1枚の風車翼１４についての第1回転トルク
Q1ａ(Ψ) ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合の主翼１４ａによる垂直軸Ｚ周りのトルク
Q1ｂ(Ψ) ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合の斜翼１４ｂによる垂直軸Ｚ周りのトルク
Q1ｃ(Ψ) ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合のアームによる垂直軸Ｚ周りのトルク
Ｑ２０ 過回転抑制部分２０の個数がZである過回転抑制部分２０による第２回転トルク
Ｑ２ 1つの過回転抑制部分２０の第２回転トルク
Q２１(Ψ) ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合の可動部２１の風車回転軸周りのトルク
Q２２(Ψ) ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合の過回転抑制誘導体２２の風車回転軸周りのトルク
Ｑt 1つの過回転抑制部分２０を含む１つの風車翼１４の全体回転トルク
Ｑtotal 風車全体回転トルク
１１ 基部
１１ａ 脚部
１１ｂ 収容部
１２ 回転部
１３ アーム
１３ａ アーム軸
１４ 風車翼
１４ａ 主翼
１４ｂ 斜翼
１４ｃ 湾曲部
２０ 過回転抑制部分
２１ 可動部
２２ 過回転抑制誘導体
Ｘ 水平軸
Z 垂直軸
Ｑ１０ 翼数がZである風車翼１４による第1回転トルク
Ｑ１ 1枚の風車翼１４についての第1回転トルク
Q1ａ(Ψ) ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合の主翼１４ａによる垂直軸Ｚ周りのトルク
Q1ｂ(Ψ) ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合の斜翼１４ｂによる垂直軸Ｚ周りのトルク
Q1ｃ(Ψ) ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合のアームによる垂直軸Ｚ周りのトルク
Ｑ２０ 過回転抑制部分２０の個数がZである過回転抑制部分２０による第２回転トルク
Ｑ２ 1つの過回転抑制部分２０の第２回転トルク
Q２１(Ψ) ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合の可動部２１の風車回転軸周りのトルク
Q２２(Ψ) ある微小なアジマスΨ（方位角）の範囲（ΔΨ＝１度と設定）にある場合の過回転抑制誘導体２２の風車回転軸周りのトルク
Ｑt 1つの過回転抑制部分２０を含む１つの風車翼１４の全体回転トルク
Ｑtotal 風車全体回転トルク
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
