Technique on vertical shaft windmill utilizing wind power energy effectively by rotation of blade
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SOLUTION: Plural support arms 7 are extended horizontally in a radious direction on the upper end of the windmill main shaft 3 erected and supported turnably and plate shape blades 2 extending in a vertical direction are supported through a bearing on the outer ends of respective support arms 7. A wind direction indication tail wing 5 is integrally provided on the support shaft arranged on the same axis as the windmill main shaft 3 and a blade 2 is rotated by the transmission to a bevel gear 10 provided on the rotary shaft of the blade 2 through a main bevel gear 4, transmission bevel gear 9 and transmission shaft 8 on the lower end of the support shaft by the turning in response to the wind direction of the wind direction indication tail wing 5. Thereby, the utilization efficiency of the wind power energy is increased by pointing respective blades 2 to the angle by which the wind power is caught effectively.
COPYRIGHT: (C)1999,JPO，下面是Technique on vertical shaft windmill utilizing wind power energy effectively by rotation of blade专利的具体信息内容。
あるいは下端に独立に設置できる簡易、小型化された羽根の風向応答機構。 羽根回転軸端か、それに近い位置に、風向指示尾翼を、その軸が羽根軸と平行になるか、
同一線上になるように設置する。 二つの軸、羽根軸と風向指示尾翼軸は回転比が１：２になるように歯車などを使用して連結される。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は「羽根を自転させて風のエネルギーを有効利用する垂直軸風車」をより広く利用できるものにするための技術である。 この技術を使用することによって、この風車は風力発電などに広く利用できる。
【０００２】
【従来の技術】風車は、水平軸風車を中心に発展してきた。 風車は実用の段階に入ったが、自然エネルギー利用を本格的に拡大するためには、この技術だけという状態では、風車の多様性、適応性という点で不十分であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、出願人本人の出願の特願平９−２０９５９１、「羽根を自転させて風のエネルギーを有効利用する垂直軸風車」の技術的要素と安全性、応用性を確立し、この技術の本格的応用を図るものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】風向が変化する場合、水平軸風車のように垂直軸風車のロータ全体を風の方向に向けるか、羽根の向きだけを変えるかである。 この場合、羽根の向きを変化させて、風に適応させる。
【０００５】また、主傘歯車の設置位置を、風車主軸と切り離して、風車主軸頂部とし、傘歯車を主体とした羽根の風向応答機構を独立して考えることで、傘歯車の小型化、製作の簡略化を図ると同時に、風車主軸の設計、
羽根支持腕への羽根の風向応答機構の内蔵化などを図ることができる。
【０００６】また、主傘歯車を４個に分割し、それぞれを、各羽根の近くに持ってくると考えることによって、
羽根風向応答機構の簡略化を図ることができる。
【０００７】また、風車の回転速度をコントロールする簡潔な方法は、回転力を発生させる風車の羽根の初期設定をずらすことである。 ずらしたものを元に戻せば回転状態が元に戻るので、この原理を利用すれば、風車の回転を調整することができる。
【０００８】また、羽根をフリーにして風と平行にすることで、受風圧面積を最少にし、回転を停止させることができる。
【０００９】また、風車の出力を大きくする方法は風車を大型化することであるが、他の一つは風車を集合的に使用することである。 超大型風車には様々な制約があり、そのために建設コストも高くなる。 それを回避するために、適切な規模の風車を一定の空間に集合的に組み合わせて建設することで、出力の大型化とコストの低減を図る。 重転式垂直軸風車は、複数の風車の組合せに適している。
【００１０】
【作用】主傘歯車に風向指示尾翼を取り付けると、風向が指定され、傘歯車はその状態に静止する。 それで、各羽根の姿勢を回転力発生の最適状態にセットする。 これが羽根の初期設定である。 これで回転力が作用し風車が起動する。 同一風向の回転中、この羽根の最適初期状は維持される。
【００１１】風の向きが変化すると、風向指示尾翼が新たな風向を指定するので、主傘歯車がその分回転し、各羽根を回転させて新たな風の向きに対応させる。 新たな風の向きと羽根の姿勢の関係は初期設定と同じである。
したがって、風向が変化しても風車の回転はそのまま維持される。 主傘歯車が回転した場合、風車ロータを回転させる作用も発生するが、羽根に比べてはるかに風車ロータの回転慣性を大きく製作していれば、ほとんど風車の回転への影響はない。 風向の変化は羽根姿勢の変化としてだけ現れる。 羽根は、対称形をしていて軽量かつ風車の２分１の低速回転であるため、回転させるために必要なトルクは小さい。 この機構では羽根トルクが小さくなるように設計する。 それで、羽根風向応答機構は小さい歯車を使用して運動を伝達できるがが、もし主傘歯車を風車主軸に設置すれば、主軸直径の制約のために、歯車の小型化ができない。 それで、主傘歯車を風車主軸の上に乗せる形で設置すれば、制約がなくなり小型にできる。 そして、風に対する風車の羽根の応答性能も向上する。 同時に、主傘歯車を風車主軸から分離したことで主軸設計の制約もなくなり設計がしやすい。
【００１２】また、羽根の風向応答機構を羽根回転軸の上部に個別に設置し、この機能を実行させることができる。 この形でも、各風向指定尾翼が風向を指定し羽根の姿勢を制御することができる。 この場合、各風向指定尾翼は風車回転の影響を受ける。 風車回転速度の円周方向に発生する風が加算されるためである。 これは、風車回転面で最風上と最風下で、回転方向と反対方向に最大になり、中間では０になる横風である。 これで、羽根は風に対する傾斜が変化させ、クロスフローで風を切る羽根ピッチを小さくする形に姿勢を修正する。 これは羽根の回転速度を上げるように作用する。 風速が強くなって回転速度が上がり、風車の円周速度が風速を上回り、風の流れと風車の回転周速とが平行する場所で、風向の逆転が起こる。 これで、尾翼が逆方向を向き、その結果として、羽根が９０度回転し、この位置で、風の流れに直交していた羽根が平行した状態になる。 こうして、風車は風速以上の高速回転が可能になる。
【００１３】風車の円周上に配列された各羽根は初期設定の状態を維持しながら回転力を発生し続ける。 この初期の羽根姿勢の最適配列は風向を基準として行なわれる。 もし、この設定基準が実際の風向からずれると、羽根の風に対する最適姿勢がずれるために、風が作るトルクが減少して、風車の回転が落ちる。 この原理を利用して風車の速度調整が可能である。 羽根の初期設定をずらす簡潔な方法は、風向指定尾翼の軸下部で、すでに設定されている羽根と連動した主傘歯車の軸を回転させることである。 この方法は、羽根の最適な初期設定を外す簡潔な方法である。 軸の適度な回転とその復元という機構は構成しやすく、連続的な風車の速度調整を可能にする。
【００１４】また、風車の回転機能は、歯車の伝達機構を通して風向という一定性をもった基準に羽根の姿勢を拘束しているために発生している。 したがって、歯車の拘束を外せば、羽根の制御が失われ、連続して風車を回転させる機能は消失する。 拘束を外された羽根が風の流線に平行になれば、風車が受ける風圧が最少になる。 主傘歯車を噛み合せから外せば、ワンタッチで全羽根が拘束から解除される。 また、この機構は、いったん羽根を拘束から解除して、各羽根向きを調整、主傘歯車をセット、羽根の設定を済ませるのに便利である。
【００１５】風車の出力を増大させる場合、風車を大型化するが、適度な規模の複数の風車を組合せることで、
コスト低減を図って出力を大型化することができる。 特に、この垂直軸風車の場合、風車を重層的に構成しやすい。 風車の多重の支持構造の枠組みの中に、風車を設置しやすい。 各風車の回転軸を共通とし、羽根回転軸を共通にすれば、この重ねた複数の風車は１個の風車と見なすことができ、風向応答機構も共通化できる。 羽根回転軸を共通にしなければ、別個の風車の積み重ねであり、
風向応答機構は個別に必要になる。
【００１６】
【実施例】まず、羽根をフリーにして、風向支持尾翼の方向を基準に羽根の最適設定を済ませる。 次に、ある方向から風が吹いてくると、風向指示翼が動いて、その風向を指定、傘歯車と連動して回転、羽根は風をとらえる最適の姿勢になる。 風車が起動、回転する。 風向に羽根が応答する働きは非常に良好である。 風向きが変化しても、羽根が風に応答して、風車のトルクが滑らかに継続、回転は持続する。
【００１７】小型化、内蔵化された羽根の風向応答機構は風車の製作を容易にする。 また、小型化した風向応答機構は、風車の羽根の風向応答性能を良くし、風車の風エネルギー転換効率をアップしている。 各羽根に付属する形に分離された風向応答機構は、大幅に小型簡略化、
風向応答性を非常に良くしている。 機能を各羽根に個別化した結果、羽根の風に対する能力が拡大し、風車の高速回転にも対応できるようになった。 これはまた風車の製作コストを軽減している。
【００１８】羽根の設定を最適設定から外して、風車の回転速度を調整する方式により、ある風速以上の場合、
回転数を一定に保つ。 これで、発電用大型風車として直接に交流発電を行なって系統電流に接続送電する。 また、高速回転が風車を破壊する可能性がある場合には、
この機構を減速装置として機能させることができる。
【００１９】また、パイプ材などで、個々の風車を収納し風車主軸を支持する枠組みを作り、その枠組みの中に風車を設置することで、多層風車を構成した。 重ねる風車の主軸は連結し共通にする。 羽根風向応答機構は個々の風車に装着されるが、これを共通にする場合は多重風車は１個の風車のように機能する。 このような多層、多重風車を並列する場合、設置場所の年間の卓越風の流れを横断する形で並列するように風車支持構造、風車ハウスは構成されている。
【００２０】
【発明の効果】この風車すぐれている点は、風向が変化しても、風車回転面が同一で回転はそのまま継続することで、エネルギーロスがないことである。 風向への応答性能は非常に高く、軽快であり、どの風向にも対応する全方位形風車の性格を有している。 これは、風向によって回転面を常に変更、そのつどエネルギーを失っているプロペラ形風車に見られない特性である。 したがって、
この風車は変化の大きい風、地形や建物に影響される、
たとえば、ビル風などにも対応できる。 この優れた特性をつくっているのが、羽根風向応答機構である。
【００２１】そして、この性能をさらに高度化するのが、この機構を上部に乗せ、コンパクト化し支持腕に内蔵したことである。 また、この機構を各羽根に分離コンパクト化した方式が、トルクが大きく低風速で起動し、
低速から高速回転への対応を可能した点で、風車開発の最終目標とされてきたものを達成している。 さらに、速度を、コントロールする機構を備えていることはこの垂直軸風車を、あらゆる方面での応用性の高い実用風車としている。 また、風車の硬質性をやわらげ、親しみのある形にしているこの風車の形状や動態は、これからの風車の普及には欠かせないものである。
［図１］ は、風向応答機構正面図 ［図２］ は、風向応答機構平面図 ［図３］ は、羽根軸側風向応答機構正面図 ［図４］ は、羽根軸上風向応答機構正面図 ［図５］ は、速度調整機構原理図 ［図６］ は、羽根フリー機構原理図 １． 風向 ２． 羽根 ３． 風車主軸 ４． 主傘歯車 ５． 尾翼 ６． 羽根軸 ７． 支持腕 ８． 伝達軸 ９． 伝達傘歯車Ａ １０． 伝達傘歯車Ｂ １１． 羽根軸傘歯車 １２． 風向応答機構 １３． 羽根軸平歯車 １４． 尾翼軸平歯車 １５． 伝達平歯車 １６． 尾翼軸 １７． 円筒 １８． ガイド １９． 調整分銅 ２０． スプリング
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