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特開2024-33642風力発電機、風力発電機の制御方法及び風力発電機の制御プログラム
(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】P2024033642
(43)【公開日】2024-03-13
(54)【発明の名称】風力発電機、風力発電機の制御方法及び風力発電機の制御プログラム
(51)【国際特許分類】
F03D 7/04 20060101AFI20240306BHJP
【ＦＩ】
F03D7/04 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022137355
(22)【出願日】2022-08-30
(71)【出願人】
【識別番号】516027247
【氏名又は名称】ＳＤグリーンエナジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098796
【弁理士】
【氏名又は名称】新井 全
(74)【代理人】
【識別番号】100121647
【弁理士】
【氏名又は名称】野口 和孝
(74)【代理人】
【識別番号】100187377
【弁理士】
【氏名又は名称】芳野 理之
(72)【発明者】
【氏名】漆谷 敏郎
【テーマコード（参考）】
3H178
【Ｆターム（参考）】
3H178AA03
3H178AA40
3H178AA43
3H178BB08
3H178BB35
3H178BB46
3H178BB71
3H178CC02
3H178DD37X
3H178DD54X
3H178EE02
3H178EE13
(57)【要約】
【課題】風車の小型化が可能であり、風の力が増加しても風の力に追従して、破損することなく発電を止めずに継続して安定して発電をすることができる風力発電機を提供すること。
【解決手段】風力発電機１の連結部材７０は、ブレード３１の基部３１Ｂ側に設けられて、風Ｗの力を受けるとブレード３１を連結部材７０に対して屈曲させて風Ｗの力の方向に対するブレード３１のピッチ角αを大きくさせる第１屈曲部７１と、中心部材５０側に設けられて、強い風Ｗの力を受けると連結部材７０を中心部材５０に対して屈曲させて風Ｗの力の方向に対するブレード３１のピッチ角αをさらに大きくさせる第２屈曲部７２を有し、連結部材７０には、ブレード３１が発電機４０側から風車３０の方向に風Ｗの力を受ける際に、中心部材５０からブレード３１にかけて生じようとする引っ張り力に抗する補強部材７６が設けられている。
【選択図】図８
【解決手段】風力発電機１の連結部材７０は、ブレード３１の基部３１Ｂ側に設けられて、風Ｗの力を受けるとブレード３１を連結部材７０に対して屈曲させて風Ｗの力の方向に対するブレード３１のピッチ角αを大きくさせる第１屈曲部７１と、中心部材５０側に設けられて、強い風Ｗの力を受けると連結部材７０を中心部材５０に対して屈曲させて風Ｗの力の方向に対するブレード３１のピッチ角αをさらに大きくさせる第２屈曲部７２を有し、連結部材７０には、ブレード３１が発電機４０側から風車３０の方向に風Ｗの力を受ける際に、中心部材５０からブレード３１にかけて生じようとする引っ張り力に抗する補強部材７６が設けられている。
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
風の力を利用して風車を回して、前記風車の回転運動を発電機に伝えて電気に変換する風力発電機であって、
タワーと、
前記タワーにおいて回転可能に支持されている本体と、を備え、
前記風車は前記本体の一端部に回転可能に保持され、前記発電機は前記本体の他端部に保持され、前記風車から前記発電機に前記回転運動を伝える水平軸部が前記本体に収容され、
前記風車は、
前記水平軸部に固定された中心部材と、
前記中心部材に対して間隔をおいて対面した状態で前記水平軸部に固定された固定部材と、
前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける複数の羽根部材と、
各前記羽根部材の基部と前記中心部材との間に配置されて、前記羽根部材の前記基部と前記中心部材とを連結する連結部材と、
前記羽根部材の前記基部側の前記連結部材の部分と前記固定部材との間に配置されて、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に前記風の力により生じる前記固定部材に対する前記羽根部材の移動を抑制する弾性機構部と、
を備え、
前記連結部材は、前記羽根部材の前記基部側に設けられて、前記風の力を受けると前記羽根部材を前記連結部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角を大きくさせる第１屈曲部と、前記中心部材側に設けられて、強い前記風の力を受けると前記連結部材を前記中心部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせる第２屈曲部と、を有し、
前記連結部材には、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に、前記中心部材から前記羽根部材にかけて生じようとする引っ張り力に抗する補強部材が設けられていることを特徴とする風力発電機。
タワーと、
前記タワーにおいて回転可能に支持されている本体と、を備え、
前記風車は前記本体の一端部に回転可能に保持され、前記発電機は前記本体の他端部に保持され、前記風車から前記発電機に前記回転運動を伝える水平軸部が前記本体に収容され、
前記風車は、
前記水平軸部に固定された中心部材と、
前記中心部材に対して間隔をおいて対面した状態で前記水平軸部に固定された固定部材と、
前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける複数の羽根部材と、
各前記羽根部材の基部と前記中心部材との間に配置されて、前記羽根部材の前記基部と前記中心部材とを連結する連結部材と、
前記羽根部材の前記基部側の前記連結部材の部分と前記固定部材との間に配置されて、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に前記風の力により生じる前記固定部材に対する前記羽根部材の移動を抑制する弾性機構部と、
を備え、
前記連結部材は、前記羽根部材の前記基部側に設けられて、前記風の力を受けると前記羽根部材を前記連結部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角を大きくさせる第１屈曲部と、前記中心部材側に設けられて、強い前記風の力を受けると前記連結部材を前記中心部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせる第２屈曲部と、を有し、
前記連結部材には、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に、前記中心部材から前記羽根部材にかけて生じようとする引っ張り力に抗する補強部材が設けられていることを特徴とする風力発電機。
【請求項2】
前記連結部材は、
樹脂により形成されている中心層と、
前記中心層に配置された前記補強部材と、
前記中心層の表裏面を被覆する金属層と、により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
樹脂により形成されている中心層と、
前記中心層に配置された前記補強部材と、
前記中心層の表裏面を被覆する金属層と、により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
【請求項3】
前記補強部材は、前記中心層に一体的に配置され、前記中心部材から前記羽根部材の前記基部に向けて配置されている部材であることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電機。
【請求項4】
前記補強部材は、前記中心部材から前記羽根部材の前記基部に向けて、連続してらせん状に往復して配置されているひも状の部材であることを特徴とする請求項３に記載の風力発電機。
【請求項5】
前記連結部材は、前記第１屈曲部付近において、前記羽根部材の前記基部に対して、取付け具を用いて着脱可能に固定されており、前記連結部材は、前記第２屈曲部付近において、前記中心部材に対して、別の取付け具を用いて着脱可能に固定されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の風力発電機。
【請求項6】
前記取付け部材は、ボルトと前記ボルトにねじ込まれるナットとにより構成されていることを特徴とする請求項５に記載の風力発電機。
【請求項7】
前記羽根部材は、ガラス熱可塑性樹脂複合材により作られた板状の部材であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の風力発電機。
【請求項8】
前記第２屈曲部において前記連結部材を前記中心部材に対して屈曲させた後により強い前記風の力を受けると前記風の力を逃がすために前記第１屈曲部をさらに屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせる構成となることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の風力発電機。
【請求項9】
風の力を利用して風車を回して、前記風車の回転運動を発電機に伝えて電気に変換し、
タワーと、前記タワーにおいて回転可能に支持されている本体と、を備え、前記風車は前記本体の一端部に回転可能に保持され、前記発電機は前記本体の他端部に保持され、前記風車から前記発電機に前記回転運動を伝える水平軸部が前記本体に収容され、前記風車は、前記水平軸部に固定された中心部材と、前記中心部材に対して間隔をおいて対面した状態で前記水平軸部に固定された固定部材と、前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける複数の羽根部材と、各前記羽根部材の基部と前記中心部材との間に配置されて、前記羽根部材の前記基部と前記中心部材とを連結する連結部材と、を有する風力発電機の制御方法であって、
前記羽根部材の前記基部側の前記連結部材の部分と前記固定部材との間に配置される弾性機構部が、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に前記風の力により生じる前記固定部材に対する前記羽根部材の移動を抑制し、
前記連結部材の第１屈曲部は、前記羽根部材の前記基部側に設けられて、前記風の力を受けると前記羽根部材を前記連結部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角を大きくさせ、
前記連結部材の第２屈曲部は、前記中心部材側に設けられて、強い前記風の力を受けると前記連結部材を前記中心部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせ、
前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に、前記連結部材の補強部材が、前記中心部材から前記羽根部材にかけて生じる引っ張り力に抗する機能を発揮する構成となっていることを特徴とする風力発電機の制御方法。
タワーと、前記タワーにおいて回転可能に支持されている本体と、を備え、前記風車は前記本体の一端部に回転可能に保持され、前記発電機は前記本体の他端部に保持され、前記風車から前記発電機に前記回転運動を伝える水平軸部が前記本体に収容され、前記風車は、前記水平軸部に固定された中心部材と、前記中心部材に対して間隔をおいて対面した状態で前記水平軸部に固定された固定部材と、前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける複数の羽根部材と、各前記羽根部材の基部と前記中心部材との間に配置されて、前記羽根部材の前記基部と前記中心部材とを連結する連結部材と、を有する風力発電機の制御方法であって、
前記羽根部材の前記基部側の前記連結部材の部分と前記固定部材との間に配置される弾性機構部が、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に前記風の力により生じる前記固定部材に対する前記羽根部材の移動を抑制し、
前記連結部材の第１屈曲部は、前記羽根部材の前記基部側に設けられて、前記風の力を受けると前記羽根部材を前記連結部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角を大きくさせ、
前記連結部材の第２屈曲部は、前記中心部材側に設けられて、強い前記風の力を受けると前記連結部材を前記中心部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせ、
前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に、前記連結部材の補強部材が、前記中心部材から前記羽根部材にかけて生じる引っ張り力に抗する機能を発揮する構成となっていることを特徴とする風力発電機の制御方法。
【請求項10】
風の力を利用して風車を回して、前記風車の回転運動を発電機に伝えて電気に変換し、タワーと、前記タワーにおいて回転可能に支持されている本体と、を備え、前記風車は前記本体の一端部に回転可能に保持され、前記発電機は前記本体の他端部に保持され、前記風車から前記発電機に前記回転運動を伝える水平軸部が前記本体に収容され、前記風車は、前記水平軸部に固定された中心部材と、前記中心部材に対して間隔をおいて対面した状態で前記水平軸部に固定された固定部材と、前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける複数の羽根部材と、各前記羽根部材の基部と前記中心部材との間に配置されて、前記羽根部材の前記基部と前記中心部材とを連結する連結部材と、を有する風力発電機に、
前記羽根部材の前記基部側の前記連結部材の部分と前記固定部材との間に配置される弾性機構部が、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に前記風の力により生じる前記固定部材に対する前記羽根部材の移動を抑制する機能、
前記連結部材の第１屈曲部は、前記羽根部材の前記基部側に設けられて、前記風の力を受けると前記羽根部材を前記連結部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角を大きくさせる機能、
前記連結部材の第２屈曲部は、前記中心部材側に設けられて、強い前記風の力を受けると前記連結部材を前記中心部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせる機能、
前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に、前記連結部材の補強部材が、前記中心部材から前記羽根部材にかけて生じる引っ張り力に抗する機能、を実現させるための風力発電機の制御プログラム。
前記羽根部材の前記基部側の前記連結部材の部分と前記固定部材との間に配置される弾性機構部が、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に前記風の力により生じる前記固定部材に対する前記羽根部材の移動を抑制する機能、
前記連結部材の第１屈曲部は、前記羽根部材の前記基部側に設けられて、前記風の力を受けると前記羽根部材を前記連結部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角を大きくさせる機能、
前記連結部材の第２屈曲部は、前記中心部材側に設けられて、強い前記風の力を受けると前記連結部材を前記中心部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせる機能、
前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に、前記連結部材の補強部材が、前記中心部材から前記羽根部材にかけて生じる引っ張り力に抗する機能、を実現させるための風力発電機の制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、風力を用いて羽根を回すことで発電を行う風力発電機、風力発電機の制御方法及び風力発電機の制御プログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
風力発電機は、風の力を利用して風車を回し、風車の回転運動を発電機に伝えて発電機により電気を起こす。
特許文献１には、３枚の羽根と、支柱と、管状ハウジングを備える風力発電機が開示されている。この風力発電機の支柱の上部には管状ハウジングが取り付けられており、管状ハウジングには、シャフトが回転可能に支持されている。シャフトの先端には三角形平板が固定されている。一方、各羽根の根本は、各平板を介して主ハブ部材に連結されている。各羽根の根本と各平板の一端部とは機械的な連結構造の第１蝶番で連結され、主ハブ部材の端部と各平板の他端部とは機械的な連結構造の第２蝶番で連結されている。三角形平板と各平板は、コイルバネで連結されている。
特許文献１には、３枚の羽根と、支柱と、管状ハウジングを備える風力発電機が開示されている。この風力発電機の支柱の上部には管状ハウジングが取り付けられており、管状ハウジングには、シャフトが回転可能に支持されている。シャフトの先端には三角形平板が固定されている。一方、各羽根の根本は、各平板を介して主ハブ部材に連結されている。各羽根の根本と各平板の一端部とは機械的な連結構造の第１蝶番で連結され、主ハブ部材の端部と各平板の他端部とは機械的な連結構造の第２蝶番で連結されている。三角形平板と各平板は、コイルバネで連結されている。
【0003】
このような風力発電機の構造により、第１蝶番と第２蝶番は、主ハブ部材に対して、各羽根の折り目の役割を果たし、しかもコイルバネの弾性力が各平板を三角形平板側に引き寄せているので、各羽根は三角形平板側に片寄らせた形で静止位置に位置される。すなわち、各羽根の先端は、風の力で羽根が押されて羽根が回転すると、羽根の長手方向沿いに作用する遠心力が、コイルバネの弾性力に抗して働いて、風速が回転して発電を行う。増加するにつれて羽根のピッチ角が徐々に減少していくようにすることで、羽根の回転速度を一定に保持する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特表平５－５０３５５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、従来の風力発電機の構造であると、各羽根の根本と各平板の一端部とは第１蝶番で連結され、主ハブ部材の端部と各平板の他端部とは第２蝶番で連結されていて、スプリングで各羽根の動きを抑制しているだけである。このため、風の力、特に強風や暴風が吹いて各羽根にかかる風の力がある一定以上増加すると、羽根や平板の第１蝶番と第２蝶番が耐えられずに破損してしまい、継続して安定して発電をすることができなくなる恐れがある。
【0006】
また、別の種類の従来の風力発電機には、風の力に応じて羽根の向きを機械的に変える可変ピッチ機構を備える風力発電機もある。しかし、この可変ピッチ機構を備える風力発電機は、構造が複雑であり大型化と重量増が避けられず、風力発電機の設置が容易ではない。
【0007】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、風車の小型化が可能であり、風の力が増加しても風の力に追従して、破損することなく発電を止めずに継続して安定して発電をすることができる風力発電機、風力発電機の制御方法及び風力発電機の制御プログラム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】
【0008】
前記目的は、本発明によれば、風の力を利用して風車を回して、前記風車の回転運動を発電機に伝えて電気に変換する風力発電機であって、タワーと、前記タワーにおいて回転可能に支持されている本体と、を備え、前記風車は前記本体の一端部に回転可能に保持され、前記発電機は前記本体の他端部に保持され、前記風車から前記発電機に前記回転運動を伝える水平軸部が前記本体に収容され、前記風車は、前記水平軸部に固定された中心部材と、前記中心部材に対して間隔をおいて対面した状態で前記水平軸部に固定された固定部材と、前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける複数の羽根部材と、各前記羽根部材の基部と前記中心部材との間に配置されて、前記羽根部材の前記基部と前記中心部材とを連結する連結部材と、前記羽根部材の前記基部側の前記連結部材の部分と前記固定部材との間に配置されて、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に前記風の力により生じる前記固定部材に対する前記羽根部材の移動を抑制する弾性機構部と、を備え、前記連結部材は、前記羽根部材の前記基部側に設けられて、前記風の力を受けると前記羽根部材を前記連結部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角を大きくさせる第１屈曲部と、前記中心部材側に設けられて、強い前記風の力を受けると前記連結部材を前記中心部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせる第２屈曲部と、を有し、前記連結部材には、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に、前記中心部材から前記羽根部材にかけて生じようとする引っ張り力に抗する補強部材が設けられていることを特徴とする本発明の風力発電機により、達成される。
【0009】
本発明によれば、連結部材は、羽根部材の基部側に設けられて、風の力を受けると羽根部材を連結部材に対して屈曲させて風の力の方向に対する羽根部材のピッチ角を大きくさせる第１屈曲部と、中心部材側に設けられて、強い風の力を受けると連結部材を中心部材に対して屈曲させて風の力の方向に対する羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせる第２屈曲部を有する。連結部材には、羽根部材が発電機側から風車の方向に風の力を受ける際に、中心部材から羽根部材にかけて生じようとする引っ張り力に抗する補強部材が設けられている。連結部材には、羽根部材が発電機側から風車の方向に風の力を受ける際に、中心部材から羽根部材にかけて生じようとする引っ張り力に抗する補強部材が設けられている。このため、風車の羽根部材が風の力を受けて、連結部材が、第１屈曲部と第２屈曲部において屈曲され、風の力が急激に増加しても、連結部材は補強部材により補強されているので、連結部材が破損することがなく、風車は長期間使用できる。従って、連結部材は大きくて厚みのある丈夫な金属製の部材を用いて強度の確保をする必要が無く、羽根部材は連結部材を用いて中心部材に連結されているだけであるので、風車の小型化が可能であり、風の力が増加しても風の力に追従して、破損することなく発電を止めずに継続して安定して発電をすることができる。
【0010】
本発明では、好ましくは、前記連結部材は、樹脂により形成されている中心層と、前記中心層に配置された前記補強部材と、前記中心層の表裏面を被覆する金属層と、により構成されていることを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、連結部材の樹脂製の中心層に補強部材を配置しているので、樹脂製の中心層は補強部材により引っ張り力に抗するように補強できることから、連結部材の耐久性が向上する。中心層は金属層で被覆されているので、耐候性や水分や塩分に対する耐久性がする。このため、風力発電機は、発電を止めずに継続して安定して発電をすることができる。
【0012】
本発明では、好ましくは、前記補強部材は、前記中心層に一体的に配置され、前記中心部材から前記羽根部材の前記基部に向けて配置されている部材であることを特徴とする。
【0013】
本発明によれば、補強部材が中心層に一体的に配置され、しかも羽根部材の基部に向けて配置されているので、羽根部材が風の力を受けて連結部材の中心層に引っ張り力が生じても、補強部材はこの引っ張り力に対向できる。従って、連結部材の耐久性を向上でき、風力発電機は、発電を止めずに継続して安定して発電をすることができる。
【0014】
前記補強部材は、前記中心部材から前記羽根部材の前記基部に向けて、連続してらせん状に往復して配置されているひも状の部材であることを特徴とする。
【0015】
本発明によれば、補強部材は、単純なひも状の部材を採用することで、羽根部材が風の力を受けて連結部材の中心層に引っ張り力が生じても、補強部材はこの引っ張り力に対向でき、安価な補強部材を用いることでコストダウンが図れる。従って、連結部材の耐久性を向上でき、風力発電機は、発電を止めずに継続して安定して発電をすることができる。
【0016】
本発明では、好ましくは、前記連結部材は、前記第１屈曲部付近において、前記羽根部材の前記基部に対して、取付け具を用いて着脱可能に固定されており、前記連結部材は、前記第２屈曲部付近において、前記中心部材に対して、別の取付け具を用いて着脱可能に固定されていることを特徴とする。
【0017】
本発明によれば、連結部材は、取付け具により、羽根部材の基部と中心部材の両方について着脱可能に固定されているので、メンテナンス時に連結部材の交換を容易に行える。
【0018】
本発明では、好ましくは、前記取付け具は、ボルトと前記ボルトにねじ込まれるナットとにより構成されていることを特徴とする。
【0019】
本発明によれば、取付け具は、通常のボルトナットを用いているので、設置場所におけるメンテナンス時に連結部材の交換を容易に行える。
【0020】
本発明では、好ましくは、前記羽根部材は、ガラス熱可塑性樹脂複合材により作られた板状の部材であることを特徴とする。
【0021】
本発明によれば、羽根部材は、ガラス熱可塑性樹脂複合材により作られているので、風車の軽量化と耐久性の向上が図れる。
【0022】
本発明では、好ましくは、前記第２屈曲部において前記連結部材を前記中心部材に対して屈曲させた後により強い前記風の力を受けると前記風の力を逃がすために前記第１屈曲部をさらに屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせる構成となることを特徴とする。
【0023】
本発明によれば、第２屈曲部において連結部材を中心部材に対して屈曲させた後により強い風の力を受けると風の力を逃がすために第１屈曲部をさらに屈曲させて風の力の方向に対する羽根部材のピッチ角をさらに大きくできる。このため、強い風が吹いた場合には、羽根部材のピッチ角をさらに大きくして風の力を逃がせるので、風の力が急激に増加してより強い風の力を受けても破損することなく発電を止めずに継続して安定して発電をすることができる。
【0024】
前記目的は、本発明によれば、風の力を利用して風車を回して、前記風車の回転運動を発電機に伝えて電気に変換し、タワーと、前記タワーにおいて回転可能に支持されている本体と、を備え、前記風車は前記本体の一端部に回転可能に保持され、前記発電機は前記本体の他端部に保持され、前記風車から前記発電機に前記回転運動を伝える水平軸部が前記本体に収容され、前記風車は、前記水平軸部に固定された中心部材と、前記中心部材に対して間隔をおいて対面した状態で前記水平軸部に固定された固定部材と、前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける複数の羽根部材と、各前記羽根部材の基部と前記中心部材との間に配置されて、前記羽根部材の前記基部と前記中心部材とを連結する連結部材と、を有する風力発電機の制御方法であって、前記羽根部材の前記基部側の前記連結部材の部分と前記固定部材との間に配置される弾性機構部が、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に前記風の力により生じる前記固定部材に対する前記羽根部材の移動を抑制し、前記連結部材の第１屈曲部は、前記羽根部材の前記基部側に設けられて、前記風の力を受けると前記羽根部材を前記連結部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角を大きくさせ、前記連結部材の第２屈曲部は、前記中心部材側に設けられて、強い前記風の力を受けると前記連結部材を前記中心部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせ、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に、前記連結部材の補強部材が、前記中心部材から前記羽根部材にかけて生じる引っ張り力に抗する機能を発揮する構成となっていることを特徴とする風力発電機の制御方法により、達成される。
【0025】
前記目的は、本発明によれば、風の力を利用して風車を回して、前記風車の回転運動を発電機に伝えて電気に変換し、タワーと、前記タワーにおいて回転可能に支持されている本体と、を備え、前記風車は前記本体の一端部に回転可能に保持され、前記発電機は前記本体の他端部に保持され、前記風車から前記発電機に前記回転運動を伝える水平軸部が前記本体に収容され、前記風車は、前記水平軸部に固定された中心部材と、前記中心部材に対して間隔をおいて対面した状態で前記水平軸部に固定された固定部材と、前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける複数の羽根部材と、各前記羽根部材の基部と前記中心部材との間に配置されて、前記羽根部材の前記基部と前記中心部材とを連結する連結部材と、を有する風力発電機に、前記羽根部材の前記基部側の前記連結部材の部分と前記固定部材との間に配置される弾性機構部が、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に前記風の力により生じる前記固定部材に対する前記羽根部材の移動を抑制する機能、前記連結部材の第１屈曲部は、前記羽根部材の前記基部側に設けられて、前記風の力を受けると前記羽根部材を前記連結部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角を大きくさせる機能、前記連結部材の第２屈曲部は、前記中心部材側に設けられて、強い前記風の力を受けると前記連結部材を前記中心部材に対して屈曲させて前記風の力の方向に対する前記羽根部材のピッチ角をさらに大きくさせる機能、前記羽根部材が前記発電機側から前記風車の方向に前記風の力を受ける際に、前記連結部材の補強部材が、前記中心部材から前記羽根部材にかけて生じる引っ張り力に抗する機能、を実現させるための風力発電機の制御プログラムにより、達成される。
【発明の効果】
【0026】
本発明によれば、風車の小型化が可能であり、風の力が増加しても風の力に追従して、破損することなく発電を止めずに継続して安定して発電をすることができる風力発電機、風力発電機の制御方法及び風力発電機の制御プログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図4】は、風車の一部分と、本体の内部構造例と、発電機を示す斜視図である。
【図6】中心部材の形状例を示す平面図である。
【図7】中心部材と連結部材と３つのブレードの連結状態を示す平面図である。
【図8】風車を構成する中心部材と連結部材とブレードと弾性機構部の連結状態を示す斜視図である。
【図9】風車を構成する中心部材と連結部材とブレードと弾性機構部の連結状態を、別の角度から示す斜視図である。
【図10】連結部材の形状例を示す図である。
【図11】連結部材のＪ－Ｊ線における断面図である。
【図12】連結部材の主層内に配置されている補強部材の例を示す図である。
【図13】連結部材の着脱可能な連結構造例を示す図である。
【図15】風Ｗの力の力を受ける場合のブレードの状態を示す図である。
【図16】風の力を受ける場合のブレードの状態を示す斜視図である。
【図17】風の力を受ける場合のブレードの別の状態を示す斜視図である。
【図18】弾性機構部の第１弾性部材と第２弾性部材が引っ張り弾性力を発揮することによる第１弾性部材と第２弾性部材の変化例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【0029】
（発電機１の全体説明）
図１は、本発明の実施形態に係る風力発電機を示している。図１（Ａ）は、本発明に実施形態の風力発電機１の側面図であり、図１（Ｂ）は、風力発電機１の正面図である。図１に示す風力発電機１は、複数のブレード３１を有するプロペラ型の風車３０を有する風の力を利用して発電を行う風力発電機である。図１（Ａ）に示すように、この風力発電機１では、風車３０の回転軸が水平になっている水平軸２３を有する水平型の風力発電機である。
図１は、本発明の実施形態に係る風力発電機を示している。図１（Ａ）は、本発明に実施形態の風力発電機１の側面図であり、図１（Ｂ）は、風力発電機１の正面図である。図１に示す風力発電機１は、複数のブレード３１を有するプロペラ型の風車３０を有する風の力を利用して発電を行う風力発電機である。図１（Ａ）に示すように、この風力発電機１では、風車３０の回転軸が水平になっている水平軸２３を有する水平型の風力発電機である。
【0030】
風力発電機１は、自然エネルギを利用しており、発電時に二酸化炭素等を排出しないので、環境にやさしい。この風力発電機１は、風の弱い地域や風の強い地域、そして風の強弱が激しい地域であっても発電を停止することなく安定して連続発電でき、発電効率が良く、騒音が出にくく、離島やへき地等の多様な設置場所に設置できる。風力発電機１は、例えば一般家庭用発電、農業用発電、電気通信事業用発電、公共事業用発電、離島での発電等に使用可能である。通常用いられている風力発電機は、２５ｍ／ｓｅｃを超える強風では安全のために、風車の回転を止めて発電動作を停止する必要がある。しかし、本発明の実施形態の風力発電機１は、強力な低気圧や台風等が通過して２５ｍ／ｓｅｃを超える環境下であっても、風車３０の破損を防いで発電動作を中断することが無く連続して発電できる特徴がある。
【0031】
しかも、風力発電機１は、例えばクラス１の風速７０ｍ／ｓｅｃまたはこれを超える環境下でも連続して発電可能であり、強風により他の通常の風力発電機が停止を余儀なくされるような場合でも、発電動作を継続できる。特に、台風等の強風や暴風時であっても、風力発電機１は発電動作を中断せずに継続できるので、離島や南極等の極地や洋上、山頂等での電源確保が可能である。
この風力発電機１は、シンプルな構造を備えており故障を極力無くすことができる。図１（Ａ）に示すように、風力発電機１は、発電機４０側から後方より風Ｗの力を受ける、いわゆるダウンウインド型の風車３０を備えていることで、風車３０は自動的に主風向に正対して、通常の弱い風Ｗだけでなく強風や乱気流等のさらにより強い風Ｗであっても受け流して発電を継続できる。風力発電機１の風車３０は、例えば６．５ｋＷ程度の発電が可能なダウンウインド型の風車であり、防爆仕様である。
この風力発電機１は、シンプルな構造を備えており故障を極力無くすことができる。図１（Ａ）に示すように、風力発電機１は、発電機４０側から後方より風Ｗの力を受ける、いわゆるダウンウインド型の風車３０を備えていることで、風車３０は自動的に主風向に正対して、通常の弱い風Ｗだけでなく強風や乱気流等のさらにより強い風Ｗであっても受け流して発電を継続できる。風力発電機１の風車３０は、例えば６．５ｋＷ程度の発電が可能なダウンウインド型の風車であり、防爆仕様である。
【0032】
風力発電機１は、シンプルな構造であり小型で軽量化されているので、設置作業やメンテナンス作業、撤去作業が容易である。風力発電機１は、地産地消の再生エネルギの創出ができ、低炭素で循環型の社会に貢献できる。風力発電機１は、導入する用途として、例えば通信基地用、産業用や鉄道用、電気自動車給電気用、淡水化施設用、軍事用等多方面に用いることができる。
【0033】
図１に示す風力発電機１は、風Ｗの力を利用して風車３０を回して、風車３０の回転運動を発電機４０に伝えて電気に変換する。風力発電機１は、概略的には、支柱であるタワー１０と、本体２０と、ロータである風車３０と、発電機４０を備える。
風車３０は、複数のブレード３１（図示例では、３つの風車３０）を有している。風車３０が受けることができる風Ｗの風力エネルギは、ブレード３１における風Ｗの受風面積に比例し、すなわちロータである風車３０の直径の２乗に比例し、風Ｗの風速の３乗に比例することが知られている。このため、風車３０は、少しでも強い風Ｗを安定して受けることができる設置場所に設置されることが重要である。
風車３０は、複数のブレード３１（図示例では、３つの風車３０）を有している。風車３０が受けることができる風Ｗの風力エネルギは、ブレード３１における風Ｗの受風面積に比例し、すなわちロータである風車３０の直径の２乗に比例し、風Ｗの風速の３乗に比例することが知られている。このため、風車３０は、少しでも強い風Ｗを安定して受けることができる設置場所に設置されることが重要である。
【0034】
＜タワー１０＞
図１に示すタワー１０は、鉄等の金属で作られていて、設置場所として、例えば地盤に設けられた基礎である設置部１１に対して、垂直軸Ｌを中心として、垂直に立てて設けられている。タワー１０は、下部１２が最も太く、上部１４に行くに従って徐々に細くなるように先細りに作られている。これにより、タワー１０における風Ｗの抵抗を低減し、軽量化を図っている。
設置部１１とタワー１０の下部１２との間には、タワー駆動操作部１３が設けられている。タワー駆動操作部１３は、タワー１０の設置部１１に対して直立状態から図１（Ｂ）に示すようにＱ方向に沿って地盤側に倒すことができるので、本体２０や風車３０や発電機４０等をメンテナンスするためのメンテナンス状態に、容易に移行できる。
図１に示すタワー１０は、鉄等の金属で作られていて、設置場所として、例えば地盤に設けられた基礎である設置部１１に対して、垂直軸Ｌを中心として、垂直に立てて設けられている。タワー１０は、下部１２が最も太く、上部１４に行くに従って徐々に細くなるように先細りに作られている。これにより、タワー１０における風Ｗの抵抗を低減し、軽量化を図っている。
設置部１１とタワー１０の下部１２との間には、タワー駆動操作部１３が設けられている。タワー駆動操作部１３は、タワー１０の設置部１１に対して直立状態から図１（Ｂ）に示すようにＱ方向に沿って地盤側に倒すことができるので、本体２０や風車３０や発電機４０等をメンテナンスするためのメンテナンス状態に、容易に移行できる。
【0035】
具体的には、図１（Ｂ）に示すように、タワー駆動操作部１３は、ヒンジ部１３Ａと、油圧シリンダ等のアクチュエータ１３Ｂとを備えている。図示しない制御部からの指令により油圧シリンダ１３Ｂのロッド１３Ｃが収縮作動すると、タワー１０の下部１２は、タワー基部１２Ｒに対して、Ｑ方向で示すように傾けることができる。油圧式のアクチュエータ１３Ｂを採用していることで、風車３０や発電機４０等の高さ位置を下げることができる。このため、タワー駆動操作部１３は、メンテナンス時に、本体２０と風車３０と発電機４０を、メンテナンス状態に移行できるので、メンテナンスが容易に行える。風力発電機１を設置する場合の設置作業が短期に行え、風車３０や発電機４０等のメンテナンス作業が容易にでき、短期のメンテナンス作業ができる。
【0036】
＜風向案内部１５＞
図２は、図１に示す本体２０と風車３０と発電機４０を示す斜視図である。図１と図２に示すように、タワー１０の上部１４には、風向案内部１５が垂直軸Ｌを中心にして着脱可能でしかも回転可能に保持されており、風向案内部１５の上には本体２０が着脱可能に固定されている。図２に示す風向案内部１５の形状例では、発電機４０側の風向案内部１５の厚みｔ１は、風車３０側の風向案内部１５の厚みｔ２に比べて大きく設定されており、厚みｔ１から厚みｔ２にかけて、すなわち風Ｗを受ける方向に沿って徐々に薄くなるように先細りに形成されている。
図２は、図１に示す本体２０と風車３０と発電機４０を示す斜視図である。図１と図２に示すように、タワー１０の上部１４には、風向案内部１５が垂直軸Ｌを中心にして着脱可能でしかも回転可能に保持されており、風向案内部１５の上には本体２０が着脱可能に固定されている。図２に示す風向案内部１５の形状例では、発電機４０側の風向案内部１５の厚みｔ１は、風車３０側の風向案内部１５の厚みｔ２に比べて大きく設定されており、厚みｔ１から厚みｔ２にかけて、すなわち風Ｗを受ける方向に沿って徐々に薄くなるように先細りに形成されている。
【0037】
このように、風向案内部１５の先細りの構造を採用することで、風向案内部１５は、風Ｗの向きに応じて本体２０を、垂直軸Ｌを中心にして回転させる。従って、本体２０の向きは、発電機４０側から風車３０の方向にうまく風Ｗの力を受けられるように、風Ｗの方向に正対させることができる。これにより、本体２０の風車３０は、後方からの風Ｗを受けるようにして、自動的に主風向に正対して、通常の弱い風Ｗだけでなく強風や乱気流等のより強い風Ｗをも受け流して発電を継続できる。しかも、従来用いられている複雑な構造を有するヨー制御装置を別途設ける必要としないので、風力発電機１の軽量化と構造の簡単化が図れ、コストダウンも図れる。
【0038】
＜本体２０＞
一方、図１（Ａ）と図２に示すように、風車３０は本体２０の一端部２０Ａにおいて回転可能に保持され、発電機４０は本体２０の他端部２０Ｂに保持されている。風車３０は、例えば３つの同じサイズで同じ構造のブレード３１を備えており、図２に示すように、各ブレード３１は回転中心Ｃを中心として、１２０度ごとに半径方向に延びている。寸法例を挙げれば、図１（Ｂ）に示す風車３０の直径Ｄは、例えば５．６ｍである。風車３０を含めた風力発電機１の全高Ｈは、例えば１７．８ｍである。図１（Ａ）に示す本体２０の中心までの高さＨ１は、例えば１５ｍである。
一方、図１（Ａ）と図２に示すように、風車３０は本体２０の一端部２０Ａにおいて回転可能に保持され、発電機４０は本体２０の他端部２０Ｂに保持されている。風車３０は、例えば３つの同じサイズで同じ構造のブレード３１を備えており、図２に示すように、各ブレード３１は回転中心Ｃを中心として、１２０度ごとに半径方向に延びている。寸法例を挙げれば、図１（Ｂ）に示す風車３０の直径Ｄは、例えば５．６ｍである。風車３０を含めた風力発電機１の全高Ｈは、例えば１７．８ｍである。図１（Ａ）に示す本体２０の中心までの高さＨ１は、例えば１５ｍである。
【0039】
次に、本体２０と風車３０について、図２から図５を参照してさらに説明する。
図３は、図２のＶ方向から見た発電機４０等を示す図である。図４は、風車３０の一部分と、本体２０の内部構造例と、発電機４０を示す斜視図である。図４では、本体２０のケーシングの図示は省略している。図５は、図４のＶ１方向から見た風車２０の一部分と、本体２０の内部構造例と、発電機４０を示す図である。
図３は、図２のＶ方向から見た発電機４０等を示す図である。図４は、風車３０の一部分と、本体２０の内部構造例と、発電機４０を示す斜視図である。図４では、本体２０のケーシングの図示は省略している。図５は、図４のＶ１方向から見た風車２０の一部分と、本体２０の内部構造例と、発電機４０を示す図である。
【0040】
図１（Ａ）と図２に示す本体２０は、別名でナセルとも言い、鉄やステンレス等の耐候性に優れた金属で筒状に作られていている。図５に示すように、好ましくは、本体２０の一端部２０Ａの直径は、他端部２０Ｂの直径に比べて、小さく設定されており、他端部２０Ｂから一端部２０Ａにかけて少しずつ先細りになるように形成されている。これにより、本体２０の外周面に沿って、風Ｗを風車３０の各ブレード３１側に案内し易く、一端部２０Ａ側の風車３０は、自動的に主風向に正対させることができる。これにより、本体２０の風車３０は、自動的に主風向に正対して、通常の弱い風の風Ｗだけでなく、強風や乱気流等のより強い風Ｗでも風の力を受け流して発電を継続できる。
【0041】
これにより、本体２０の風車３０は、後方からの風Ｗを受けるようにして、自動的に主風向に正対して、通常の弱い風Ｗだけでなく強風や乱気流等のより強い風Ｗをも受け流して発電を継続できる。本体２０の先細りの特徴的な構造と、上述した風向案内部１５の先細りの特徴的な構造の両方あるいはいずれか一方を採用することで、従来用いられている複雑な構造を有する大きなヨー制御装置を別途設ける必要がないので、風力発電機１の軽量化と構造の簡単化が図れ、コストダウンも図れる。
【0042】
＜水平軸２３＞
図２と図４と図５に示すように、水平軸２３が、本体２０の中心を通っていて、図５に示すように、２つの軸受け２１，２２により水平にしかも回転可能に支持されている。水平軸２３の一端部には、風車３０が着脱可能に固定されている。水平軸２３の他端部には、発電機４０のロータ４１が着脱可能に設けられている。
図２と図４と図５に示すように、水平軸２３が、本体２０の中心を通っていて、図５に示すように、２つの軸受け２１，２２により水平にしかも回転可能に支持されている。水平軸２３の一端部には、風車３０が着脱可能に固定されている。水平軸２３の他端部には、発電機４０のロータ４１が着脱可能に設けられている。
【0043】
＜発電機４０＞
次に、発電機４０について説明する。
図３から図５に示すように、発電機４０は、例えばブラシレスダイレクトドライブ永久磁石型のものであり、定格出力は例えば６．５ｋＷである。図５に示すように、発電機４０は、ロータ４１とステータ４２を有し、好ましくは樹脂で封止することで、塩害や水害から保護されている。ロータ４１は、マグネットを有し、ステータ４２は、コイルを有する。ロータ４１は、水平軸２３の他端部に着脱可能に固定されている。ステータ４２は、通常の弱い風Ｗあるいはより強い風Ｗにより生じる風車３０の回転に同期してロータ４１が回転することにより、例えば３００Ｖで３相の交流の起電力を発生して、発電を行う。
発電機４０のロータ４１は、水平軸２３を介して風車３０に対して、ギアボックスを用いずに直接接続されているダイレクトドライブ方式を採用している。風車３０は、例えば風Ｗの力により好ましくは２００ｒｐｍ～２５０ｒｐｍ程度までの回転範囲で回転するので、風車３０と回転軸２３との間にはギアボックスは不要である。これにより、通常のギアボックスを用いる風力発電機の場合に比べて、風力発電機１の本体２０内における機構部の構成の簡略化と、軽量化が図れる。
次に、発電機４０について説明する。
図３から図５に示すように、発電機４０は、例えばブラシレスダイレクトドライブ永久磁石型のものであり、定格出力は例えば６．５ｋＷである。図５に示すように、発電機４０は、ロータ４１とステータ４２を有し、好ましくは樹脂で封止することで、塩害や水害から保護されている。ロータ４１は、マグネットを有し、ステータ４２は、コイルを有する。ロータ４１は、水平軸２３の他端部に着脱可能に固定されている。ステータ４２は、通常の弱い風Ｗあるいはより強い風Ｗにより生じる風車３０の回転に同期してロータ４１が回転することにより、例えば３００Ｖで３相の交流の起電力を発生して、発電を行う。
発電機４０のロータ４１は、水平軸２３を介して風車３０に対して、ギアボックスを用いずに直接接続されているダイレクトドライブ方式を採用している。風車３０は、例えば風Ｗの力により好ましくは２００ｒｐｍ～２５０ｒｐｍ程度までの回転範囲で回転するので、風車３０と回転軸２３との間にはギアボックスは不要である。これにより、通常のギアボックスを用いる風力発電機の場合に比べて、風力発電機１の本体２０内における機構部の構成の簡略化と、軽量化が図れる。
【0044】
図１（Ａ）に示すように、発電機４０により発電した電力は、整流機１５１に送られ、インバータ１５２を介してバッテリ（蓄電池）１５３に蓄電され、蓄電された電力は、電力供給対象１５４に供給される。発電機４０により発電した電力は、例えば３相の３００Ｖであり、整流機１５１は、発電した電力を整流して、インバータ１５２は、例えば３相２００Ｖに変換した後に、バッテリ１５３に蓄電する。電力供給対象１５４としては、例えば離島に風力発電機１が設置された場合には、離島に設けられている公共施設等であるが、特に限定されない。
【0045】
図５に示すように、発電機４０の水平軸２３の軸方向ＲＴに沿った厚みＮは、できる限り薄くしてある。軸方向ＲＴとタワー１０の垂直軸Ｌとは、直交している。タワー１０の上端部１４の上には、延長軸１４Ｂが取り付けられており、延長軸１４Ｂの上端部には、本体２０の基部２０Ｆが着脱可能に固定されている。この基部２０Ｆには、上述した２つの軸受け２１，２２が固定されている。軸受け２１は、風車３０寄りの位置に固定され、軸受け２２は、発電機４０寄りの位置に固定されている。なお、図４と図５に示すように、風向案内部１５を構成する骨組みとして、部材１５Ｂと部材１５Ｃを備えている。
【0046】
このように、発電機４０の厚みＮが薄く形成されている薄型の発電機４０を用い、しかも本体２０における発電機４０の搭載位置は、垂直軸Ｌにできる限り近づけてある。発電機４０のステータ４２の外面から垂直軸Ｌまでの距離Ｋ１は、風車３０の中心位置から垂直軸Ｌまでの距離Ｋ２に比べて短くなっている。本体２０と風車３０と発電機４０から成る構造体において、風車３０と本体２０と、風車３０の重量に比べると重い発電機４０との重心Ｇは、タワー１０の垂直軸Ｌに一致させている。これにより、本体２０と風車３０と発電機４０から成る構造体は、垂直軸Ｌを中心とする重量バランスを最適化でき、垂直軸Ｌを中心として、風Ｗの向きに応じてスムーズに回転できる。発電機４０と垂直軸Ｌとの距離Ｋ１を距離Ｋ２に比べて小さくできるので、風力発電機１の小型化が図れる。本体２０は、垂直軸Ｌを中心として回転し、風車３０に対して、後方からの風Ｗに対して、自動的に主風向に正対して、通常の弱風の風Ｗだけでなく強風や乱気流等野より強い風Ｗをも受け流して発電を継続できる。
【0047】
＜風車３０の構造例＞
次に、風車３０の好ましい構造例を説明する。
図２と図４に示すように、風車３０は、すでに説明したように、発電機４０側の前方からの風Ｗを受けるダウンウインド型の風車であり、風車３０は自動的に主風向に正対することができる。
次に、風車３０の好ましい構造例を説明する。
図２と図４に示すように、風車３０は、すでに説明したように、発電機４０側の前方からの風Ｗを受けるダウンウインド型の風車であり、風車３０は自動的に主風向に正対することができる。
【0048】
＜風車３０のブレード３１＞
図２から図４に示すように、風車３０は、３つのブレード３１を有している。各ブレード３１は、例えばガラス熱可塑性樹脂複合材により作られていて、例えば７０ｍ／ｓｅｃよりもより強い風Ｗを受けても風Ｗより変形をせずに形状を保って折れない板状の部材である。すなわち、ブレード３１は、ｃｌａｓｓ１（７０ｍ／ｓｅｃ）の耐風速対応になっていて、７０ｍ／ｓｅｃを超えても、発電を中止することなく連続稼働できる。図４に示すように、ブレード３１は、基部３１Ｂと、先端部３１Ｃと、中間部３１Ｄを有しており、基部３１Ｂは最も幅が広く、中間部３１Ｄから先端部３１Ｃに向っていくと、徐々に幅が狭くなっている。各ブレード３１の厚みは、例えば基部３１Ｂから先端部３１Ｃに至るまで均一になっているか、あるいは基部３１Ｂから先端部３１Ｃに至るまで徐々に薄く形成されているが、特に限定されない。これにより、風車３０が破損することがなく、風力発電機１は連続発電をすることができる。
図２から図４に示すように、風車３０は、３つのブレード３１を有している。各ブレード３１は、例えばガラス熱可塑性樹脂複合材により作られていて、例えば７０ｍ／ｓｅｃよりもより強い風Ｗを受けても風Ｗより変形をせずに形状を保って折れない板状の部材である。すなわち、ブレード３１は、ｃｌａｓｓ１（７０ｍ／ｓｅｃ）の耐風速対応になっていて、７０ｍ／ｓｅｃを超えても、発電を中止することなく連続稼働できる。図４に示すように、ブレード３１は、基部３１Ｂと、先端部３１Ｃと、中間部３１Ｄを有しており、基部３１Ｂは最も幅が広く、中間部３１Ｄから先端部３１Ｃに向っていくと、徐々に幅が狭くなっている。各ブレード３１の厚みは、例えば基部３１Ｂから先端部３１Ｃに至るまで均一になっているか、あるいは基部３１Ｂから先端部３１Ｃに至るまで徐々に薄く形成されているが、特に限定されない。これにより、風車３０が破損することがなく、風力発電機１は連続発電をすることができる。
【0049】
図４には、ブレード３１のピッチ角αを示している。ブレード３１の「ピッチ角α」とは、風Ｗの方向に対して直交している風車３０の水平軸２３を中心とする回転平面ＰＬに対するブレード３１の面の成す角度である。
ブレード３１は、弱い風Ｗの力を受けてもピッチ角αは変わらないが、より強い風Ｗの力を受けると、より強い風Ｗの力を逃がすために風Ｗの力の方向に対するブレード３１のピッチ角αを徐々に大きくさせるようになっている。ブレード３１は、低気圧や台風のようなより強い風Ｗが当たっても、破損することはない。このブレード３１のピッチ角αの変化動作例については、後で説明する。図４に例示するように、ピッチ角αの角度範囲としては、例えば好ましくは初期設定角度６度から最大角度１７度の範囲で変化できる。初期設定角度６度は、予めせってされているブレード３１に対して風Ｗが当たっていない場合であり、最大角度１７度は、例えば７０ｍ／ｓｅｃかそれ以上のより強い風Ｗが当たっている場合の角度である。
ブレード３１は、弱い風Ｗの力を受けてもピッチ角αは変わらないが、より強い風Ｗの力を受けると、より強い風Ｗの力を逃がすために風Ｗの力の方向に対するブレード３１のピッチ角αを徐々に大きくさせるようになっている。ブレード３１は、低気圧や台風のようなより強い風Ｗが当たっても、破損することはない。このブレード３１のピッチ角αの変化動作例については、後で説明する。図４に例示するように、ピッチ角αの角度範囲としては、例えば好ましくは初期設定角度６度から最大角度１７度の範囲で変化できる。初期設定角度６度は、予めせってされているブレード３１に対して風Ｗが当たっていない場合であり、最大角度１７度は、例えば７０ｍ／ｓｅｃかそれ以上のより強い風Ｗが当たっている場合の角度である。
【0050】
＜中心部材５０と固定部材６０＞
図２から図５に示すように、風車３０は、３つの羽根部材の一例であるブレード３１と、１つのデルタ型の中心部材５０と、もう１つのデルタ型の固定部材６０と、３つの連結部材７０と、３組の弾性機構部１００と、を有する。
図６は、中心部材５０の形状例を示す平面図である。図７は、中心部材５０と連結部材７０と３つのブレード３１の連結状態を示す平面図である。図８は、風車３０を構成する中心部材５０と連結部材７０とブレード３１と弾性機構部１００の連結状態を示す斜視図である。図９は、風車３０を構成する中心部材５０と連結部材７０とブレード３１と弾性機構部１００の連結状態を、別の角度から示す斜視図である。なお、図４、図５、図７から図９において、図面の簡単化のために、風車３０の一部分を図示している。
図２から図５に示すように、風車３０は、３つの羽根部材の一例であるブレード３１と、１つのデルタ型の中心部材５０と、もう１つのデルタ型の固定部材６０と、３つの連結部材７０と、３組の弾性機構部１００と、を有する。
図６は、中心部材５０の形状例を示す平面図である。図７は、中心部材５０と連結部材７０と３つのブレード３１の連結状態を示す平面図である。図８は、風車３０を構成する中心部材５０と連結部材７０とブレード３１と弾性機構部１００の連結状態を示す斜視図である。図９は、風車３０を構成する中心部材５０と連結部材７０とブレード３１と弾性機構部１００の連結状態を、別の角度から示す斜視図である。なお、図４、図５、図７から図９において、図面の簡単化のために、風車３０の一部分を図示している。
【0051】
図６から図９に示す中心部材５０は、風車３０の回転ハブであり、鉄等の金属板によりほぼ正三角形状に作られている。図８と図９に示すように、中心部材５０は、水平軸２３の先端位置に固定されている。中心部材５０は、連結用の複数の孔５０Ｈと、１つの中心孔５０Ｒを有する。中心孔５０Ｒには、水平軸２３が通っているが、水平軸２３と中心部材５０は固定されている。複数の孔５０Ｈは、中心部材５０の３つの直線状に形成された辺部５０Ｓに沿って、それぞれ直列に配列されている。
【0052】
一方、固定部材６０は、図８と図９に示すように、中心部材５０と同様にして、鉄等の金属板により例えば正三角形状に作られており、固定部材６０は、水平軸２３の途中であって、中心部材５０に対面するようにして水平軸２３の途中の位置に固定されている。ただし、固定部材６０の各頂点６０Ｓは、中心部材５０の１つの辺部５０Ｓの中央位置に対応した位置にある。図５に示すように、中心部材５０と固定部材６０は、本体２０において、２つの軸受け２１，２２を用いて、水平軸２３ととも一体となって水平軸２３の軸方向ＲＴを中心として回転可能になっている。なお、中心部材５０と固定部材６０との間には、補強のための補強部材６０Ｊが設けられていて、強い風Ｗが吹いたとしても、中心部材５０と固定部材６０との相対位置と間隔を保持し、中心部材５０と固定部材６０が変形するのを防いでいる。
【0053】
＜連結部材７０＞
次に、連結部材７０について、図７から図１３を参照して説明する。
図１０は、連結部材７０の形状例を示す正面図であり、図１１は、連結部材７０のＪ－Ｊ線における断面図である。図１０に示すように、連結部材７０は、ほぼ直角三角形状を有する板状の部材であり、弾性変形可能である。図７と図８に示すように、連結部材７０は、各ブレード３１の基部３１Ｂと中心部材５０の各辺部５０Ｓとの間に配置されて、各ブレード３１の基部３１Ｂと中心部材５０の各辺部５０Ｓと、を着脱可能に連結している。
次に、連結部材７０について、図７から図１３を参照して説明する。
図１０は、連結部材７０の形状例を示す正面図であり、図１１は、連結部材７０のＪ－Ｊ線における断面図である。図１０に示すように、連結部材７０は、ほぼ直角三角形状を有する板状の部材であり、弾性変形可能である。図７と図８に示すように、連結部材７０は、各ブレード３１の基部３１Ｂと中心部材５０の各辺部５０Ｓとの間に配置されて、各ブレード３１の基部３１Ｂと中心部材５０の各辺部５０Ｓと、を着脱可能に連結している。
【0054】
図１０に示すように、連結部材７０は、直線状の第１縁部６６と、直線状の第２縁部６７と、直線状の第１側部６８と、直線状の第２側部６９と、直線状の第１屈曲部７１と、直線状の第２屈曲部７２を有する。第１縁部６６は、第２縁部６７に対して、例えば最も好ましくは４５度程度の角度θで傾斜されている。この角度θは、好ましくは３０度から６０度の範囲で選択することで、各ブレード３１がより強い風Ｗを受けた時に、ブレード３１における風Ｗの受風面積を小さくすることで、より強い風Ｗを受ける時にはわざと風車Ｗの回転をある程度失速させる。このため、風車３０の回転を抑えながら、本体２０の水平軸２３に加わるスラスト力を低減できるので、本体２０からタワー１０自体に加わる力を小さくできる。これにより、非常に強い風Ｗが吹いても、タワー１０自体に加わる力を低減でき、タワー１０自体の太さを小さくでき、風力発電機１の小型化が図れる。もし、角度θが３０度よりも小さいか６０度よりも大きいと、風車３０の各ブレード３１が非常に強い風Ｗを受け易くなるので好ましくはない。
【0055】
図１０に示すように、第１側部６８と第２側部６９は平行であり、第１側部６８と第２側部６９は第２縁部６７に対して垂直になっている。第１屈曲部７１は、第１縁部６６に平行に形成され、第２屈曲部７２は、第２縁部６７に平行に形成されている。第１屈曲部７１と第２屈曲部７２は、例えば他の部分に比べて少し厚みを薄くすることで作られている。図８と図９に示すように、各第１縁部６６は、各ブレード３１の基部３１Ｂに対して着脱可能に固定されている。また、各第２縁部６７は、中心部材５０の各辺部５０Ｓに対して着脱可能に固定されている。これにより、第１屈曲部７１は、風Ｗの力を受けると図１０（Ａ）と図８に示すＣ１方向に関して、各ブレード３１の基部３１Ｂを連結部材７０に対して屈曲させ、図４に示すブレード３１のピッチ角αの変化させる機能を有する。同様にして、第２屈曲部７２は、強い風Ｗの力を受けると図１０（Ａ）と図８に示すＣ２方向に連結部材７０を中心部材５０に対して屈曲させる機能を有する。
【0056】
図１１に示すように、連結部材７０は、主層７５と、補強部材７６と、被覆層７７，７８により形成されている。主層７５は、樹脂のエラストマー等の柔軟性と成型性の高い材料により平板状に作られている。被覆層７７，７８は、薄いアルミニウムやステンレススチール等の金属板であり、主層７５の表裏を被覆していることで、主層７５の柔軟性と耐候性を確保している。
【0057】
図１２は、連結部材７０の主層７５内に配置されている補強部材７６の例を示しており、図１２（Ａ）では、連結部材７０には力が加わっていない状態を示し、図１２（Ｂ）では、第１屈曲部７１において連結部材７０がＣ１方向に屈曲している様子を示す。補強部材７６は、主層７５内に引張強度と曲げ強度の補強のために配置されており、例えばポリエステル等の樹脂製のロープである。
【0058】
＜連結部材７０の補強部材７６＞
図１２に示す例では、ロープ状の補強部材７６が、連結部材７０の主層７５の全体に渡ってらせん状に均一になるように配置されている。ロープ状の補強部材７６の配置のＺ方向（主方向）は、第１屈曲部７１から第２屈曲部７２に向かう方向であり、第１縁部６６と第２縁部６７で交互に折り曲げることで、第１縁部６６と第２縁部６７の間で繰り返して平行になるように配置されている。
また、補強部材７６は、第１屈曲部７１と第２屈曲部７２を交差するように配置されているので、連結部材７０の全体補強だけではなく、第１屈曲部７１と第２屈曲部７２の補強も兼ねている。補強部材７６は、特に第１屈曲部７１から第２屈曲部７２に向かうＺ方向の引張強度と曲げ強度を確保している。これにより、各ブレード３１が弱い風Ｗだけでなく、より強い風Ｗを受けても、連結部材７０が第１屈曲部７１から第２屈曲部７２に向かう方向に引っ張られたり、曲げられても、図１１に示す柔軟性に富んだ主層７５における亀裂の発生や断裂等を防止できる。従って、連結部材７０は、軽量であり、大きくて厚みのある丈夫な金属製の部材を用いて強度の確保をする必要が無く、ブレード３１は連結部材７０を用いて中心部材５０に連結されているだけであるので、風車３０自体の小型化と軽量化が可能であり、風の力が増加しても風の力に追従して、破損することなく発電を止めずに継続して安定して発電をすることができる。
図１２に示す例では、ロープ状の補強部材７６が、連結部材７０の主層７５の全体に渡ってらせん状に均一になるように配置されている。ロープ状の補強部材７６の配置のＺ方向（主方向）は、第１屈曲部７１から第２屈曲部７２に向かう方向であり、第１縁部６６と第２縁部６７で交互に折り曲げることで、第１縁部６６と第２縁部６７の間で繰り返して平行になるように配置されている。
また、補強部材７６は、第１屈曲部７１と第２屈曲部７２を交差するように配置されているので、連結部材７０の全体補強だけではなく、第１屈曲部７１と第２屈曲部７２の補強も兼ねている。補強部材７６は、特に第１屈曲部７１から第２屈曲部７２に向かうＺ方向の引張強度と曲げ強度を確保している。これにより、各ブレード３１が弱い風Ｗだけでなく、より強い風Ｗを受けても、連結部材７０が第１屈曲部７１から第２屈曲部７２に向かう方向に引っ張られたり、曲げられても、図１１に示す柔軟性に富んだ主層７５における亀裂の発生や断裂等を防止できる。従って、連結部材７０は、軽量であり、大きくて厚みのある丈夫な金属製の部材を用いて強度の確保をする必要が無く、ブレード３１は連結部材７０を用いて中心部材５０に連結されているだけであるので、風車３０自体の小型化と軽量化が可能であり、風の力が増加しても風の力に追従して、破損することなく発電を止めずに継続して安定して発電をすることができる。
【0059】
図１０に示すように、連結部材７０の直線状の第１縁部６６と直線状の第２縁部６７に沿って、それぞれ連結用の複数の孔６６Ｈ、６７Ｈが形成されている。
図１３は、連結部材７０の着脱可能な連結例を示す図である。図１３は、連結部材７０の第１縁部６６とブレード３１の基部３１Ｂとの着脱可能な連結例と、連結部材７０の第２縁部６７と中心部材５０の辺部５０Ｓとの着脱可能な連結例とを示してる。連結部材７０の第１縁部６６とブレード３１の基部３１Ｂとの連結と、連結部材７０の第２縁部６７と中心部材５０の辺部５０Ｓとの連結は、ともに例えば塩害等に強い耐候性を有するボルト８０とナット８１を用いて、着脱可能に固定されている。これにより、ブレード３１、連結部材７０、中心部材７０を、例えば５年ごとに定期メンテナンスを行う場合に、ボルト８０とナット８１を外すことで、容易に分解することができ、設置場所における風力発電機１の維持管理が容易になる。
図１３は、連結部材７０の着脱可能な連結例を示す図である。図１３は、連結部材７０の第１縁部６６とブレード３１の基部３１Ｂとの着脱可能な連結例と、連結部材７０の第２縁部６７と中心部材５０の辺部５０Ｓとの着脱可能な連結例とを示してる。連結部材７０の第１縁部６６とブレード３１の基部３１Ｂとの連結と、連結部材７０の第２縁部６７と中心部材５０の辺部５０Ｓとの連結は、ともに例えば塩害等に強い耐候性を有するボルト８０とナット８１を用いて、着脱可能に固定されている。これにより、ブレード３１、連結部材７０、中心部材７０を、例えば５年ごとに定期メンテナンスを行う場合に、ボルト８０とナット８１を外すことで、容易に分解することができ、設置場所における風力発電機１の維持管理が容易になる。
【0060】
＜弾性機構部１００＞
次に、図１４と図４と図８と図９を参照して、弾性機構部１００について説明する。
図１４（Ａ）は、弾性機構部１００の好ましい構造例を示す正面図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）におけるＡ－Ａ線における断面図である。
図１４に示す弾性機構部１００の一方の取付け基部１０３と他方の取付け基部１０４は、図８と図９に示すように、各ブレード３１側に固定されている連結部材７０が第１屈曲部７１付近と、固定部材６０にそれぞれ着脱可能に固定されている。ブレード３１が図２に示すように、発電機４０側から風車３０の方向に風Ｗの力を受ける際に、弾性機構部１００は、風Ｗの力により、中心部材５０と固定部材６０に対して、連結部材７０の第１屈曲部７１の付近部分が移動するのと、ブレード３１が移動するのを、弾発力により抑制する役割を有し、例えば７０ｍ／ｓｅｃよりも強い風Ｗの場合にはブレード３１のピッチ角αを最大にして、風Ｗを受け流すことができる。
次に、図１４と図４と図８と図９を参照して、弾性機構部１００について説明する。
図１４（Ａ）は、弾性機構部１００の好ましい構造例を示す正面図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）におけるＡ－Ａ線における断面図である。
図１４に示す弾性機構部１００の一方の取付け基部１０３と他方の取付け基部１０４は、図８と図９に示すように、各ブレード３１側に固定されている連結部材７０が第１屈曲部７１付近と、固定部材６０にそれぞれ着脱可能に固定されている。ブレード３１が図２に示すように、発電機４０側から風車３０の方向に風Ｗの力を受ける際に、弾性機構部１００は、風Ｗの力により、中心部材５０と固定部材６０に対して、連結部材７０の第１屈曲部７１の付近部分が移動するのと、ブレード３１が移動するのを、弾発力により抑制する役割を有し、例えば７０ｍ／ｓｅｃよりも強い風Ｗの場合にはブレード３１のピッチ角αを最大にして、風Ｗを受け流すことができる。
【0061】
図１４に示す弾性機構部１００の構成例では、弾性機構部１００は、２本の第１弾性部材１０１，１０１と、２本の第２弾性部材１０２，１０２と、２つの取付け基部１０３，１０４を有する。第１弾性部材１０１と第２弾性部材１０２は、ともに金属製あるいは樹脂製の圧縮コイルバネであり、第２弾性部材１０２は第１弾性部材１０１に比べて太く、第２弾性部材１０２のバネ常数は、第１弾性部材１０１のバネ常数よりも大きく設定されている。２本の第１弾性部材１０１は、図２に示す弱い風Ｗの力を受けて、図１０に示す連結部材７０の第１屈曲部７１とともに図４に示すブレード３１を連結部材７０に対して屈曲させると、単独で弾性力を発揮する。
【0062】
次に、２本の第２弾性部材１０２は、第１弾性部材１０１よりも引っ張りの弾性力が強い。このため、第２弾性部材１０２は、強い風Ｗの力を受けて、図１０に示す連結部材７０の第２屈曲部７２が連結部材７０を図４に示す中心部材５０に対して屈曲させる際に、第１弾性部材１０１とともに引っ張りの弾性力を発揮する。
【0063】
図示例では、２本の第１弾性部材１０１と２本の第２弾性部材１０２は、２つの取付け基部１０３，１０４の間で、同じ平面において並行に配列されている。２本の第１弾性部材１０１が、２本の第２弾性部材１０２の間の位置に配置されていて、各第２弾性部材１０２は、２本の第１弾性部材１０１の左右位置にそれぞれ配置されている。
図８に示すように、一方の取付け基部１０３は、連結部材７０の第１屈曲部７１側に着脱可能に固定され、他方の取付け基部１０４は、固定部材６０の縁部分６９に着脱可能に固定されている。一方の取付け基部１０３は、連結部材７０の第１屈曲部７１側に着脱可能に固定されていて、ブレード３１の基部３１Ｂには直接固定されていないのは、ブレード３１が比較的自由にピッチ角度αを確保できるようにするためである。
図８に示すように、一方の取付け基部１０３は、連結部材７０の第１屈曲部７１側に着脱可能に固定され、他方の取付け基部１０４は、固定部材６０の縁部分６９に着脱可能に固定されている。一方の取付け基部１０３は、連結部材７０の第１屈曲部７１側に着脱可能に固定されていて、ブレード３１の基部３１Ｂには直接固定されていないのは、ブレード３１が比較的自由にピッチ角度αを確保できるようにするためである。
【0064】
ところで、図１４に示す第１弾性部材１０１の両端部と、第２弾性部材１０２の両端部は、ともに取付け基部１０３，１０４に固定されている。２本の第１弾性部材１０１が図２に示す弱い風Ｗの力を受けて、図８に示す第１屈曲部７１がブレード３１の基部３１Ｂを７０に対して屈曲させるまでの間、単独で弾性力を発揮する際には、２本の第２弾性部材１０２は、引っ張り弾性力を発揮しない不感領域となっている。
【0065】
すなわち、弱い風Ｗがブレード３１にかかった場合には、２本の第１弾性部材１０１だけが先に引っ張り弾性力を発揮するが、２本の第２弾性部材１０２にはその弱い風Ｗの力はかからないことから引っ張り力は発揮しないで待機状態にある。そして、より強い風Ｗの力以上の力がブレード３１にかかった場合には、２本の第１弾性部材１０１が引っ張り力を発揮するのに加えて、２本の第２弾性部材１０２もより強い引っ張り力を発揮するようになっている。弾性機構部１００は、２種類のバネ序数の異なる弾性部材１０１，１０２を用いることで、非線形な引っ張り弾性力を発揮できる。もし、バネ常数が一緒の弾性部材を用いると、線形の引っ張り弾性力しか発揮できない。
【0066】
本発明の実施形態において、弾性機構部１００が上述したように引っ張りの弾性力を非線形になるような構造を採用するのは、既に述べたように、風Ｗの風力エネルギは、ブレード３１における風Ｗの受風面積に比例し、すなわちロータである風車３０の直径の２乗に比例し、風Ｗの風速の３乗に比例するからである。これにより、弾性機構部１００は、３つのブレード３１を含む風車３０が、弱い風Ｗの力を受けても、急激に上昇したより強い風Ｗの力以上の力を受けても、風Ｗの風力エネルギの急激な変化に対応して風車３０が連続回転でき、風車３０の各ブレード３１と、連結部材７０が、中心部材５０が、破損しない。なお、弾性機構部１００の耐候性を高めるために、図示しないが弾性機構部１００を耐候性に優れた膜部材や板部材で覆うようにしても良い。
【0067】
（風力発電機１の動作例と作用効果の説明）
次に、図１５以降の図面を参照しながら、上述した風力発電機１の動作例と作用効果を説明する。
図１５は、風車３０が受ける風Ｗの力の強さにより風車３０の形態が変化する状態を示しており、図１５（Ａ）は、弱い風Ｗの力を受けている風車３０のブレード３１の状態例を示し、図１５（Ｂ）は、強い風Ｗの力を受けている風車３０のブレード３１の状態例を示している。
次に、図１５以降の図面を参照しながら、上述した風力発電機１の動作例と作用効果を説明する。
図１５は、風車３０が受ける風Ｗの力の強さにより風車３０の形態が変化する状態を示しており、図１５（Ａ）は、弱い風Ｗの力を受けている風車３０のブレード３１の状態例を示し、図１５（Ｂ）は、強い風Ｗの力を受けている風車３０のブレード３１の状態例を示している。
【0068】
図１６（Ａ）～図１６（Ｃ）と図１７（Ｄ）～図１７（Ｅ）は、無風の風Ｗの力から強い風Ｗとより強い風Ｗと非常に強い風Ｗの力を受ける場合のブレード３１の状態例を示す斜視図である。
なお、以下に説明する際に例示する風車３０が受ける風速例の範囲や、風Ｗの風速の値は、あくまでも説明を分かりやすくするための一例を示すものであり、限定されるものではない。
なお、以下に説明する際に例示する風車３０が受ける風速例の範囲や、風Ｗの風速の値は、あくまでも説明を分かりやすくするための一例を示すものであり、限定されるものではない。
【0069】
まず、図１５に示す本発明の実施形態の風力発電機１は、発電機４０から風車３０に向けた風Ｗであるダウンウインドを利用しており、風速７０ｍ／ｓｅｃのより強い風Ｗであっても風車３０は止まらずに、発電動作を継続することができる。一方、通常用いられている風力発電機は、２５ｍ程度の強風が吹くと、風車の回転を停止させて発電を中止して風車の破損を防ぐ必要がある。
【0070】
図１５（Ａ）に示すように、風力発電機１の本体２０は、発電機４０側から風車３０側にかけて先細りになっている風向案内部１５を有しているが、この風向案内部１５は、本体２０と、タワー１０の上部１４と、の間に配置されている。これにより、風向案内部１５は、本体２０の向きを、発電機４０側から風車３０の方向に風Ｗの力を受ける方向になるように、本体２を、垂直軸Ｌを中心として回転して、風車３０のブレード３１を風Ｗの方向に自動的に正対させることができる。
【0071】
しかも、管状あるいは筒状の本体２０は、発電機４０を保持している部分である他端部２０Ｂから、風車３０を保持している部分である一端部２０Ａに掛けて先細りに形成されている。これにより、本体２０の向きを、発電機４０側から風車３０の方向に風Ｗの力を受ける方向になるように、垂直軸Ｌを中心として回転して風Ｗの方向に自動的に正対させることができる。これらの風向案内部１５の先細り構造と本体２０の先細り構造は、両方を採用しても、少なくとも一方を設けるようにしても良い。
いずれにしても、風車３０は、風Ｗの方向に自動的に正対させることができる、いわゆるフリーヨー（ｆｒｅｅ ｙａｗ）の構造を採用している。このため、本発明の実施形態の風力発電機１は、通常用いられているヨー制御装置を別途必要としない。従って、風力発電機１の構造を簡単化でき、重量の軽減とコストダウンが図れる。
いずれにしても、風車３０は、風Ｗの方向に自動的に正対させることができる、いわゆるフリーヨー（ｆｒｅｅ ｙａｗ）の構造を採用している。このため、本発明の実施形態の風力発電機１は、通常用いられているヨー制御装置を別途必要としない。従って、風力発電機１の構造を簡単化でき、重量の軽減とコストダウンが図れる。
【0072】
＜第１段階ＳＴ１の風速の範囲における風車３０の挙動＞
図１６（Ａ）は、第１段階ＳＴ１の風速の範囲例における風車３０の挙動を示している。この場合における風車３０が受ける風速例の範囲としては、風Ｗの風速として無風０ｍ／ｓｅｃから弱い風１１ｍ／ｓｅｃ程度を挙げている。
図４に示すブレード３１自体は、低気圧や台風等でのより強い風Ｗを受けても変形や破損はしない。ブレードＷが無風の風から弱い風Ｗの力を受ける第１段階ＳＴ１においては、連結部材７０の第１屈曲部７１においても屈曲現象は発生しない。従って、各ブレード３１のピッチ角αは初期設定角度α０（６度）のままで変化がない。また、弾性機構部１００は引っ張り弾性力を発揮していない。これにより、ブレード３１は第１段階の比較的弱い風Ｗを受けながらブレード３１が破損しないようにして、風車３０を連続回転して、発電機４０は発電をすることができる。
図１６（Ａ）は、第１段階ＳＴ１の風速の範囲例における風車３０の挙動を示している。この場合における風車３０が受ける風速例の範囲としては、風Ｗの風速として無風０ｍ／ｓｅｃから弱い風１１ｍ／ｓｅｃ程度を挙げている。
図４に示すブレード３１自体は、低気圧や台風等でのより強い風Ｗを受けても変形や破損はしない。ブレードＷが無風の風から弱い風Ｗの力を受ける第１段階ＳＴ１においては、連結部材７０の第１屈曲部７１においても屈曲現象は発生しない。従って、各ブレード３１のピッチ角αは初期設定角度α０（６度）のままで変化がない。また、弾性機構部１００は引っ張り弾性力を発揮していない。これにより、ブレード３１は第１段階の比較的弱い風Ｗを受けながらブレード３１が破損しないようにして、風車３０を連続回転して、発電機４０は発電をすることができる。
【0073】
＜第２段階ＳＴ２の風速の範囲における風車３０の挙動＞
次に、図１６（Ｂ）は、第２段階ＳＴ２の風速の範囲例における風車３０の挙動に示している。この場合には、風車３０が受ける風速例の範囲としては、風Ｗの風速として弱い風１１ｍ／ｓｅｃからやや強い風２０ｍ／ｓｅｃ程度を挙げている。
ブレード３１が第２段階ＳＴ２の風Ｗの力を受けると、ブレード３１は、風Ｗの力を受けることで、連結部材７０の第１屈曲部７１が、中心部材５０と連結部材７０に対してＣ１方向に屈曲される。しかし、弾性機構部１００には力は全くかかっておらず、弾性機構部１００は引っ張り弾性力を発揮していない。これにより、ブレード３１のピッチ角αは、ピッチ角α１（α１＞α０）へ少し増加させることができる。各ブレード３１の姿勢が変わることで、風Ｗを受けるブレード３１の受風面積が減少するので、風車３０の回転数は第１段階ＳＴ１の場合と同程度になり、風車３０の回転が停止することはない。従って、ブレード３１が第２段階ＳＴ２の風Ｗを受けると、風車３０のブレード３１自体の姿勢に少し変化が生じた状態で、風車３０は連続回転して、発電機４０は発電をすることができる。この際に、ブレード３１自体の形状は全く変形していない。
次に、図１６（Ｂ）は、第２段階ＳＴ２の風速の範囲例における風車３０の挙動に示している。この場合には、風車３０が受ける風速例の範囲としては、風Ｗの風速として弱い風１１ｍ／ｓｅｃからやや強い風２０ｍ／ｓｅｃ程度を挙げている。
ブレード３１が第２段階ＳＴ２の風Ｗの力を受けると、ブレード３１は、風Ｗの力を受けることで、連結部材７０の第１屈曲部７１が、中心部材５０と連結部材７０に対してＣ１方向に屈曲される。しかし、弾性機構部１００には力は全くかかっておらず、弾性機構部１００は引っ張り弾性力を発揮していない。これにより、ブレード３１のピッチ角αは、ピッチ角α１（α１＞α０）へ少し増加させることができる。各ブレード３１の姿勢が変わることで、風Ｗを受けるブレード３１の受風面積が減少するので、風車３０の回転数は第１段階ＳＴ１の場合と同程度になり、風車３０の回転が停止することはない。従って、ブレード３１が第２段階ＳＴ２の風Ｗを受けると、風車３０のブレード３１自体の姿勢に少し変化が生じた状態で、風車３０は連続回転して、発電機４０は発電をすることができる。この際に、ブレード３１自体の形状は全く変形していない。
【0074】
＜第３段階ＳＴ３の風速の範囲における風車３０の挙動＞
次に、図１６（Ｃ）は、第３段階ＳＴ３の風速の範囲例における風車３０の挙動に示している。この場合には、風車３０が受ける風速例の範囲としては、風Ｗの風速としてやや強い風２０ｍ／ｓｅｃからより強い風５０ｍ／ｓｅｃ程度である。ブレード３１が次の第３段階ＳＴ３の強い風Ｗの力を受けると、強い風Ｗの力により、ブレード３１は、さらに弾性機構部１００の引っ張りの弾性力に抗して、連結部材７０の第２屈曲部７２が中心部材５０に対してＣ２方向に屈曲される。これにより、ブレード３１のピッチ角αは、ピッチ角α２（α２＞α１）へ増加させることができる。このため、ブレード３１のピッチ角α２は、風Ｗの方向に対して大きくなるので、ブレード３１は風Ｗを逃がすようにして風Ｗを受ける。各ブレード３１の姿勢が変わることで、さらに強い風Ｗを受けるブレード３１の受風面積が減少するので、風車３０の回転数は第２段階ＳＴ２の場合に比べて同じか少なくなるが、風車３０の回転が停止することはない。この際に、ブレード３１自体の形状は全く変形していない。従って、ブレード３１が第３段階ＳＴ３の風Ｗを受けると、風車３０のブレード３１の姿勢にさらに変化が生じた状態で、風車３０はスムーズに連続回転して、発電機４０は発電をすることができる。
次に、図１６（Ｃ）は、第３段階ＳＴ３の風速の範囲例における風車３０の挙動に示している。この場合には、風車３０が受ける風速例の範囲としては、風Ｗの風速としてやや強い風２０ｍ／ｓｅｃからより強い風５０ｍ／ｓｅｃ程度である。ブレード３１が次の第３段階ＳＴ３の強い風Ｗの力を受けると、強い風Ｗの力により、ブレード３１は、さらに弾性機構部１００の引っ張りの弾性力に抗して、連結部材７０の第２屈曲部７２が中心部材５０に対してＣ２方向に屈曲される。これにより、ブレード３１のピッチ角αは、ピッチ角α２（α２＞α１）へ増加させることができる。このため、ブレード３１のピッチ角α２は、風Ｗの方向に対して大きくなるので、ブレード３１は風Ｗを逃がすようにして風Ｗを受ける。各ブレード３１の姿勢が変わることで、さらに強い風Ｗを受けるブレード３１の受風面積が減少するので、風車３０の回転数は第２段階ＳＴ２の場合に比べて同じか少なくなるが、風車３０の回転が停止することはない。この際に、ブレード３１自体の形状は全く変形していない。従って、ブレード３１が第３段階ＳＴ３の風Ｗを受けると、風車３０のブレード３１の姿勢にさらに変化が生じた状態で、風車３０はスムーズに連続回転して、発電機４０は発電をすることができる。
【0075】
＜第４段階ＳＴ４の風速の範囲における風車３０の挙動＞
次に、図１７（Ｄ）は、第３段階ＳＴ４の風速の範囲例における風車３０の挙動に示している。この場合には、風車３０が受ける風速例の範囲としては、風Ｗの風速として非常に強い風５０ｍ／ｓｅｃ以上である。ブレード３１が次の第４段階ＳＴ４のさらに強い風Ｗの力を受けると、ブレード３１は、風Ｗの力により、連結部材７０の第１屈曲部７１が、連結部材７０と中心部材５０に対して、さらにＣ１方向に屈曲される。これにより、ブレード３１自体の形は変わらないが、ブレード３１の姿勢は、連結部材７０と中心部材５０に対してさらに変わり、ブレード３１のピッチ角αは、最大角度α３（α３＝１７度＞α２）となる。従って、ブレード３１は、風Ｗを積極的に逃がすようにして風Ｗを受けることができる。この際に、ブレード３１自体の形状は全く変形していない。各ブレード３１の姿勢が変わることで、さらに強い風Ｗを受けるブレード３１の受風面積が減少するので、風車３０の回転数は第３段階ＳＴ３と同じか少なくなるが、風車３０の回転が停止することはなく、次の風Ｗの状態の変化に備えることができる。
次に、図１７（Ｄ）は、第３段階ＳＴ４の風速の範囲例における風車３０の挙動に示している。この場合には、風車３０が受ける風速例の範囲としては、風Ｗの風速として非常に強い風５０ｍ／ｓｅｃ以上である。ブレード３１が次の第４段階ＳＴ４のさらに強い風Ｗの力を受けると、ブレード３１は、風Ｗの力により、連結部材７０の第１屈曲部７１が、連結部材７０と中心部材５０に対して、さらにＣ１方向に屈曲される。これにより、ブレード３１自体の形は変わらないが、ブレード３１の姿勢は、連結部材７０と中心部材５０に対してさらに変わり、ブレード３１のピッチ角αは、最大角度α３（α３＝１７度＞α２）となる。従って、ブレード３１は、風Ｗを積極的に逃がすようにして風Ｗを受けることができる。この際に、ブレード３１自体の形状は全く変形していない。各ブレード３１の姿勢が変わることで、さらに強い風Ｗを受けるブレード３１の受風面積が減少するので、風車３０の回転数は第３段階ＳＴ３と同じか少なくなるが、風車３０の回転が停止することはなく、次の風Ｗの状態の変化に備えることができる。
【0076】
そして、例えば、風Ｗが、再び図１７（Ａ）に示す第１段階ＳＴ１の範囲に戻れば、風車３０の状態は、図１７（Ａ）に示す状態に戻る。また、風Ｗが、再び図１７（Ｂ）に示す第２段階ＳＴ２の範囲に戻れば、風車３０の状態は、図１７（Ｂ）に示す状態に戻る。さらに、風Ｗが、図１７（Ｃ）の範囲に戻れば、風車３０の状態は、図１７（Ｃ）に示す状態に戻る。
【0077】
このように、３つのブレード３１を含む風車３０は、風Ｗの力の大小にかかわらずに、長期間破損せずに、スムーズに回転し続けながら絶え間なく発電することができる。強風時には、ブレード３１が風Ｗの方向に押されてはいるが、風速の大きさに応じて各ブレード３１における風Ｗの受風面積を減少させることで風Ｗの力を積極的に逃がしており、しかもブレード３１自体の変形や破損が生じない。これにより、風力発電機１は、通常の弱い風Ｗは勿論のこと、２５ｍ／ｓｅｃ以上の強い風Ｗであっても、発電を続けることができる。ブレード３１が、好ましくはガラス熱可塑性樹脂複合材により作られていて剛体であり、２５ｍ／ｓｅｃを超える強風であって、７０ｍ／ｓｅｃに達っして超えるようなよりさらにより強い強風であっても、変形や破損が生じない。従って、風力発電機１は、発電を中止することなく、発電動作を続けることができる。
【0078】
図１８は、風の力を受けて図８と図１４に示す弾性機構部１００の第１弾性部材１０１と第２弾性部材１０２が引っ張り弾性力を発揮する際に生じる第１弾性部材１０１と第２弾性部材１０２の変化例を示している。図１８の横軸は、第１弾性部材１０１と第２弾性部材１０２の伸びを示し、縦軸は、第１弾性部材１０１と第２弾性部材１０２にかかる荷重を示している。
【0079】
図１８に示すように、直線領域Ｓ０は、通常用いられている１種類のバネ常数を有する単一のスプリングを用いた場合を示しており、荷重に対する伸びは、荷重の全域にわたって正比例で単純増加している。
これに対して、本発明の実施形態の弾性機構部１００を用いると、風の力が弱い場合に細い第１弾性部材１０１が引っ張り弾性力を発揮する直線領域Ｓ１では、荷重に対する伸びは、比較的小さい傾きであって正比例で増加し、その後風の力が増加して、細い第１弾性部材１０１に加えて太い第２弾性部材１０２が引っ張り弾性力を発揮する直線領域Ｓ２では、傾きが急激に増加してその後直線領域Ｓ３になる。これにより、通常の常に同じ直線領域Ｓ０で変化する荷重に対する伸びとは異なり、弾性機構部１００は、直線領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の複数段階で、非線形の引っ張り弾性力を発揮できる。このような弾性機構部１００を採用するのは、風Ｗの力は、風速の３乗で上昇する特性に対応して、風Ｗの力の上昇が非線形であることにできるだけ合わせて、ブレード３１のピッチ角αを風速の大小に合わせて変えて、発電効率を上げるためである。
これに対して、本発明の実施形態の弾性機構部１００を用いると、風の力が弱い場合に細い第１弾性部材１０１が引っ張り弾性力を発揮する直線領域Ｓ１では、荷重に対する伸びは、比較的小さい傾きであって正比例で増加し、その後風の力が増加して、細い第１弾性部材１０１に加えて太い第２弾性部材１０２が引っ張り弾性力を発揮する直線領域Ｓ２では、傾きが急激に増加してその後直線領域Ｓ３になる。これにより、通常の常に同じ直線領域Ｓ０で変化する荷重に対する伸びとは異なり、弾性機構部１００は、直線領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の複数段階で、非線形の引っ張り弾性力を発揮できる。このような弾性機構部１００を採用するのは、風Ｗの力は、風速の３乗で上昇する特性に対応して、風Ｗの力の上昇が非線形であることにできるだけ合わせて、ブレード３１のピッチ角αを風速の大小に合わせて変えて、発電効率を上げるためである。
【0080】
図１９（Ａ）は、本発明の実施形態の風力発電機１の風力発電出力と風速の関係例を示し、図１９（Ｂ）は、比較例の風力発電機の風力発電出力と風速の関係例を示している。
図１９（Ａ）に示すように、発電機４０の定格出力が例えば６．５ｋＷである場合に、例えばカットイン風速が２．５ｍ／ｓｅｃであると、発電機４０の風力発電出力は、カットイン風速から開始して最大の定格出力で発電できる。しかも、カットアウト風速はないので、風車３０は回転を停止しないことから、カットアウト風速で風力発電出力が出力減少もしくは出力消滅をすることなく追加発電分ＢＴを確保できる。ブレード３１は、回転による遠心力と、向心力と、揚力とのバランスを取りながら、風速の大きさによらず追加で発電をし続けることができる。風車３０は、最小回転可能風速であるカットイン風速が、例えば２．５ｍ／ｓｅｃであり、最大受容風速であるカットアウト風速は、無制限であり、カットアウト風速が風車３０に加わっても破損せずに、継続して回転稼働して、発電を継続することができる。
これに対して、図１９（Ｂ）の比較例では、カットイン風速が３～５ｍ／ｓｅｃである。カットアウト風速が２４～２５ｍ／ｓｅｃに達すると、風車の回転は強制的に止められて、風力発電出力がゼロになるので、図１９（Ａ）の本発明の実施形態に比べると、追加発電分Ｖだけ出力減少もしくは出力消滅をする。
図１９（Ａ）に示すように、発電機４０の定格出力が例えば６．５ｋＷである場合に、例えばカットイン風速が２．５ｍ／ｓｅｃであると、発電機４０の風力発電出力は、カットイン風速から開始して最大の定格出力で発電できる。しかも、カットアウト風速はないので、風車３０は回転を停止しないことから、カットアウト風速で風力発電出力が出力減少もしくは出力消滅をすることなく追加発電分ＢＴを確保できる。ブレード３１は、回転による遠心力と、向心力と、揚力とのバランスを取りながら、風速の大きさによらず追加で発電をし続けることができる。風車３０は、最小回転可能風速であるカットイン風速が、例えば２．５ｍ／ｓｅｃであり、最大受容風速であるカットアウト風速は、無制限であり、カットアウト風速が風車３０に加わっても破損せずに、継続して回転稼働して、発電を継続することができる。
これに対して、図１９（Ｂ）の比較例では、カットイン風速が３～５ｍ／ｓｅｃである。カットアウト風速が２４～２５ｍ／ｓｅｃに達すると、風車の回転は強制的に止められて、風力発電出力がゼロになるので、図１９（Ａ）の本発明の実施形態に比べると、追加発電分Ｖだけ出力減少もしくは出力消滅をする。
【0081】
上述した風力発電機１の風車３０は、各ブレード３１にかかる遠心力と揚力と向心力のバランスを取りながら回転をし、各ブレード３１は、風Ｗの力の強さに応じて、ブレード３１自体の受風面積を変えていくことで風Ｗの力を逃がしながら、風車３０は例えば２００ｒｐｍ～２５０ｒｐｍの回転数を維持しながら、強風や暴風であっても発電を中止することなく継続できる。また、各ブレード３１は、風Ｗの力の強さに応じてピッチ角を変えて、ブレード３１自体の受風面積を減らしていくことで風Ｗの力を逃がすので、「ブーン」という風切り音の発生を抑制でき、風力発電機１の静音化が図れる。
【0082】
風力発電機１は、従来用いられている大がかりなヨー制御装置等が不要であり、構造がシンプルであり故障が生じにくい。風力発電機１は、強風や暴風下であっても、発電を継続することができ、離島や無人島等のあらゆる厳しい設置環境であっても設置できる。風力発電機１の用途の例としては、電気通信事業、軍事目的、工業や鉄道事業、国際支援事業、海水の脱塩事業等であるが、現場での保守管理や整備管理の必要性が低く、国内の電力網に依存しないでスタンドアローンで発電できる。また、この風力発電機１は、従来用いられているディーゼル発電機の代替になり、環境に優しい。風力発電機１は、構造が簡単であり、小型化が図れるので、トラックにより輸送でき、人力のみで設置ができる。
【0083】
以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。
例えば、風車３０は、３つのブレードを用いているが、２つまたは４つのブレードを用いても良い。発電機４０は、マグネットロータとコイルステータを有しているが、コイルロータと、マグネットステータを用いても良い。なお、補強部材７６は、ロープ状でなくても例えば網状であっても良い。
例えば、風車３０は、３つのブレードを用いているが、２つまたは４つのブレードを用いても良い。発電機４０は、マグネットロータとコイルステータを有しているが、コイルロータと、マグネットステータを用いても良い。なお、補強部材７６は、ロープ状でなくても例えば網状であっても良い。
【符号の説明】
【0084】
１・・・風力発電機、１０・・・タワー、１１・・・設置部、１２・・・タワーの下部、１３・・・タワー駆動操作部、１４・・・タワーの上部、１５・・・風向案内部、２０・・・本体、２３・・・水平軸、３０・・・風車、３１・・・ブレード（羽根部材の例）、３１Ｂ・・・ブレードの基部、４０・・・発電機、４１・・・ロータ、４２・・・ステータ、５０・・・中心部材、６０・・・固定部材、７０・・・連結部材、７１・・・連結部材の第１屈曲部、７２・・・連結部材の第２屈曲部、７５・・・主層、７６・・・補強部材、７７，７８・・・被覆層、１００・・・弾性機構部、１０１・・・第１弾性部材、１０２・・・第２弾性部材、１５１・・・整流機、１５２・・・インバータ、１５３・・・バッテリ（蓄電池）、１５４・・・電力供給対象、Ｌ・・・垂直軸、ＲＴ・・・軸方向、ＳＴ１・・・第１段階、ＳＴ２・・・第２段階、ＳＴ３・・・第３段階、ＳＴ４・・・第４段階、α、α０～α３・・・ブレードのピッチ角、Ｇ・・・重心、Ｋ１，Ｋ２・・・距離、ＰＬ・・・回転平面、Ｗ・・・風
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】