垂直軸風車及び発電システム
【課題】風力エネルギを利用した発電システムのエネルギ変換効率を向上させる。
【解決手段】本発明の風車は、少なくとも１つの羽根４と、羽根４を風車回転軸Ａｗを中心に公転可能に支持する支持部材と、を含む風車本体１を備える。羽根４は、羽根回転軸回りに自転可能に支持部材に支持されている。風車本体１は、風向に対して風車回転軸Ａｗを挟んだ一側では、羽根４の角度を、それに発生する抗力が風車本体１の回転力となる角度にする角度制御手段と、他側では、羽根４の角度を、それに発生する揚力が風車本体１の回転力となる角度にする角度制御手段３１、５１をさらに含む。
【解決手段】本発明の風車は、少なくとも１つの羽根４と、羽根４を風車回転軸Ａｗを中心に公転可能に支持する支持部材と、を含む風車本体１を備える。羽根４は、羽根回転軸回りに自転可能に支持部材に支持されている。風車本体１は、風向に対して風車回転軸Ａｗを挟んだ一側では、羽根４の角度を、それに発生する抗力が風車本体１の回転力となる角度にする角度制御手段と、他側では、羽根４の角度を、それに発生する揚力が風車本体１の回転力となる角度にする角度制御手段３１、５１をさらに含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸風車及びそれを備えた発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、風力発電用の風車として、回転軸が垂直方向に延びる垂直軸風車や、回転軸が水平方向に延びる水平軸風車が知られている。また、垂直軸風車には、羽根に発生する抗力が風車の回転力となる抗力型（例えば、特許文献１参照）、羽根に発生する揚力が風車の回転力となる揚力型が含まれる。サポニウス型風車や自転羽根式風車などの抗力型の風車は、構造が簡単で、発電機部分などの機械部分が低位置にあるため点検や修理がしやすく、低風速から始動可能であるなどの特性を持つ。
【特許文献１】特開平２００４−２１１５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような抗力型の風車では、風向に対して風車の回転軸を挟んだ一側では、羽根に発生する抗力によって回転力が生じるが、上記回転軸を挟んだ他側では、羽根に発生する抗力が回転力にならない上に、風車の回転力を減少させる力が働いてしまうことになり、このような抗力型の風車を備えた発電システムは、風力エネルギのエネルギ変換効率が悪いという問題がある。
【０００４】
そこで、特許文献１の風車では、羽根に向かって進行する風を増速させる増速部設けて、風力エネルギのエネルギ変換効率の向上を図っている。これは、上記増速部によって、羽根に発生する抗力を大きくし、通常よりも大きな回転力を得て、風力エネルギのエネルギ変換効率を向上させようとしている。
【０００５】
しかしながら、このように増速部を設け回転力を大きくした風車であっても、依然として、回転力を生み出さず、回転力を減少させる力が働く部分が残されたままである、という問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、風力エネルギを利用した発電システムのエネルギ変換効率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の垂直軸風車は、少なくとも１つの羽根と、垂直方向に延びる風車回転軸回りに回転可能な軸部材を有すると共に、上記羽根を、上記軸部材の回転と同期して上記風車回転軸を中心に公転可能に支持する支持部材と、を含む風車本体を備える。
【０００８】
上記羽根は、略垂直方向に延びる羽根回転軸回りに自転可能に上記支持部材に支持されており、上記風車本体は、上記羽根の公転に伴い該羽根の風向に対する角度を所定の角度に制御する角度制御手段をさらに含む。
【０００９】
そして、上記角度制御手段は、風向に対して上記風車回転軸を挟んだ一側では、上記羽根の角度を、それに発生する抗力が風車本体の回転力となる角度にする一方、上記風車回転軸を挟んだ他側では、上記羽根の角度を、それに発生する揚力が風車本体の回転力となる角度にする。
【００１０】
上記の構成によると、羽根を羽根回転軸回りに自転可能にすると共に、角度制御手段によって、風向に対して風車回転軸を挟んだ一側では、羽根に発生する抗力が風車本体の回転力となるように羽根の角度を制御し、風車回転軸を挟んだ他側では、羽根に発生する揚力が風車本体の回転力となるように羽根の角度を制御する。つまり、従来の抗力型の風車では、羽根の抗力が風車の回転力を減少させることになる側が、本発明においては、羽根の揚力によって回転力が得られる側になる。そのため、風車本体の回転力を減少させることがなく、エネルギ変換効率が向上する。
【００１１】
また、上記羽根は、その横断面を翼型とし、該羽根の羽根回転軸を、その翼弦方向の中心に対して前縁側にずれて設定して、上記羽根を、その前縁が風上側となるように風力によって付勢されるようにし、上記角度制御手段は、風向に対して上記風車回転軸を挟んだ一側において、上記風力によって付勢される羽根と係合することにより、上記羽根の角度を、それに発生する抗力が風車本体の回転力となる角度に規制する抗力用規制部材と、上記風車回転軸を挟んだ他側において上記風力によって付勢される羽根と係合することにより、上記羽根の角度を、それに発生する揚力が風車本体の回転力となる角度に規制する揚力用規制部材と、を含む、としてもよい。
【００１２】
こうすることで、羽根の角度は、翼弦方向の中央に対してずれた羽根回転軸と、抗力用規制部材と、揚力用規制部材とによって、羽根の公転に伴い自動的に制御されることになる。そのため、羽根の公転位置を電気的に検出したり、羽根を電気的に回転させたりする必要がなくなり、発電システムにおいて余分なエネルギを消費することが抑制される。
【００１３】
また、羽根の横断面が翼型であることによって、羽根に発生する揚力が大きくなるため、風車本体のトルク向上が図られる。
【００１４】
上記揚力用規制部材は、上記風車回転軸を挟んだ他側における風下側で、上記風車本体の径方向に対する羽根の角度を公転に対して一定にする第１の規制部材と、上記風車回転軸を挟んだ他側における風上側で、上記風車本体の径方向に対する羽根の角度を公転に伴い変更させる第２の規制部材と、を含む、としてもよい。
【００１５】
このことにより、風車回転軸を挟んだ他側においては、その風下側と風上側との双方で、羽根の揚力を風車本体の回転力とすることができ、エネルギ変換効率のさらなる向上が図られる。
【００１６】
上記第２の規制部材は、上記羽根と係合することによって該羽根を公転に伴い自転させるガイドレールとし、上記ガイドレールを、上記風車回転軸回りに回動可能に設け、上記風車本体は、上記ガイドレールを、風向に応じて上記風車回転軸を挟んだ他側における風上側の所定位置に位置づける移動手段をさらに含む、としてもよい。
【００１７】
風向に応じて移動手段がガイドレールを所定位置に移動させることによって、風向の変化に対応して、羽根に発生する抗力が風車本体の回転力となる側と、羽根に発生する揚力が風車本体の回転力となる側とが、それぞれ設定されることになる、従って、風車が風向に対し無指向性となる結果、風車の稼働率が高まる。
【００１８】
ここで、上記移動手段は、例えばガイドレールに連結された尾翼とすることができ、この場合、ガイドレールは風向に対し自動的に移動することになり、風向を検出してガイドレールを移動させるといった、電気的な制御が不要になる。
【００１９】
本発明の発電システムは、上記の垂直軸風車と、上記軸部材に連結されかつ、該軸部材の回転によって駆動される発電機と、を備える。
【００２０】
このことにより、上記のエネルギ変換効率の高い垂直軸風車を、風力発電システムの風車として機能させることで、風力エネルギを利用した発電システムのエネルギ変換効率が向上する。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明の垂直軸風車によると、風向に対して風車回転軸を挟んだ一側では抗力が、他側では揚力が風車本体の回転力となるように、羽根の角度を規制することによって、風車本体の回転力を減少させることがなく、エネルギ変換効率の向上を図ることができる。
【００２２】
また、本発明の発電システムによると、上記垂直軸風車を備えることによって、風力エネルギから電気エネルギへの変換を、エネルギ変換効率の高い風車によってすることが可能になり、風力エネルギを利用した発電システムのエネルギ変換効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
本実施形態に係る発電システムは、風力エネルギと太陽熱エネルギとのそれぞれを電気エネルギに変換するハイブリッドシステムであり、風車と発電機とを備えている。この風車は風力によって回転する形態（風力発電モード）と、羽根を太陽光を集光するための反射板として利用することにより太陽光を集光する形態（太陽熱発電モード）とに切り替えることが可能にされている。
【００２５】
（風車の構成）
図１は、本発電システムに用いられる風車Ｗの全体を概略的に示した図であり、この風車Ｗは、軸部材２１及び、この軸部材２１の周囲に周方向に等間隔に配置された３つの羽根４を含む風車本体１と、風車本体１を回転可能に支持する台座９１及び支柱９２と、を備える。
【００２６】
上記台座９１は、放射状に延びる３つの脚部９１ａを有し、上記支柱９２は、この台座９１の中央位置に固定されて垂直上方に延びている。
【００２７】
上記支柱９２の上端部には、上記台座９１の脚部９１ａと同様に放射状に延びる３つの腕部９３が固定されており、各腕部９３の先端部と、上記台座９１の各脚部９１ａとの間にワイヤ（虎綱）９４が張られて、上記支柱９２を支持している。
【００２８】
上記軸部材２１は、図２に示すように（尚、図２は、図１にＡで示す矢印の方向に沿って見た風車本体１の図である）、内筒２１ａと外筒２１ｂとからなる二重構造であり、内筒２１ａが上記支柱９２に外挿されることによって、この軸部材２１は垂直方向に延びる軸、つまり風車回転軸Ａｗ回りに回転する。尚、上記内筒２１ａと外筒２１ｂとは一体的に回転する。
【００２９】
上記外筒２１ｂには、図１，２に示すように、その上端部に、周方向に等間隔を空けてそれぞれ径方向の外方に延びる３つの上側アーム２２が取り付けられると共に、その下端部に、各上側アーム２２と同じ周方向位置でそれぞれ径方向の外方に延びる３つの下側アーム２３が取り付けられている。各上側アーム２２と各下側アーム２３とは、上記軸部材２１の回転と一体的に風車回転軸Ａｗ回りに回転する。この各上側アーム２２及び各下側アーム２３と、上記軸部材２１とによって、羽根４を支持する支持部材が構成され、この支持部材と羽根４とによって風車本体１が構成される。
【００３０】
上記外筒２１ｂにはまた、上記上側アーム２２よりも下側位置に、ガイドレール３１を備えた案内部材３２が取り付けられており、この案内部材３２は、風車回転軸Ａｗ回りに上記軸部材２１（外筒２１ｂ）に対して相対的に回転可能にされている。
【００３１】
そして、上記各羽根４は、上記各上側アーム２２の先端部と各下側アーム２３の先端部とを互いに連結するように縦向きに配置されていた状態で、各上側アーム２２及び各下側アーム２３によって支持される。これによって、各羽根４は、上記軸部材２１の回転と同期して、風車回転軸Ａｗを中心として回転（公転）する。
【００３２】
各羽根４は、図３〜５に示すように、所定の間隔を空けて平行に並んだ２つの桁４１と、その２つの桁４１の間で長手方向に所定の間隔を空けて配設されて、両桁４１，４１を互いに連結する複数の（図例では６個の）リブ４２とからなるフレームに対して、その一側面側（後述するように、リブ４２において円弧状となっている側）に外板としての布材４４をはり付けることによって構成されている。
【００３３】
この布材４４は、風車Ｗにおいて風を受ける部分となる他に、後述するように、羽根４を反射板として用いる際にその反射面４４ａとなる部分である。そのため、少なくとも反射面４４ａとなる側の表面は、その反射率が高いことが望ましく、一例として樹脂コーティングをした布に、アルミ蒸着を施すことによって反射率を高めた布材４４を用いてもよい。尚、上記羽根４において反射面４４ａとなる側は、図３、５において図示される側である。
【００３４】
上記各桁４１は、図４に示すように、その長手方向に放物線状に湾曲している一方、上記各リブ４２は、図５に示すように、円弧状に形成されており、これにより、上記各羽根４は、縦断面形状が放物線形状でかつ、横断面形状が円弧翼型となっている。
【００３５】
尚、以下の説明では、図３において右上側となる側を羽根４の上側、左下側となる側を羽根４の下側と呼ぶと共に、図５において左側となる縁を羽根４の前縁、右側となる縁を羽根４の後縁として、その左右方向を翼弦方向と呼ぶ。また、図４において上向きとなる面側を羽根４の圧力面側、下向きとなる面側を羽根４の負圧面側と呼ぶ。
【００３６】
上記各羽根４の上端部には上部ブラケット４５が固定されており、この上部ブラケット４５には、上方に延びる上部回転軸４５ａが取り付けられている。この上部回転軸４５ａは、翼弦方向の中央位置から前縁側にずれた位置に設けられている。また、各羽根４の下端部には下部ブラケット４６が固定されており、この下部ブラケット４６には、下方に延びる下部回転軸４７が、上部回転軸４５ａと同様に翼弦方向の中央位置から前縁側にずれた位置に取り付けられている。ここで、上部回転軸４５ａは断面円形状の棒状であるのに対し、下部回転軸４７は、図３〜５，９に示すように、その軸方向の中間位置に位置する断面矩形状の矩形部４７ａと、その矩形部４７ａを挟んだ一側（下部ブラケット４６側）に位置する断面円形状の大径部４７ｂと、他側に位置する断面円形状の小径部４７ｃと、からなる。
【００３７】
上部回転軸４５ａは、図６，７に示すように、軸受部材２４を介して上側アーム２２の先端部に支持される。つまり、上記上側アーム２２の先端部には、その先端面に開口しかつアームの長手方向に基端側に向かって延びる凹溝２２ａが形成されており、上部回転軸４５ａの先端に取り付けられた上記軸受部材２４がこの凹溝２２ａ内に挿入されることによって、上部回転軸４５ａは上側アーム２２の先端部に支持される。
【００３８】
上記軸受部材２４は、横断面形状が正六角形状を有する柱状の部材であり、その内部には下端面に開口する挿入孔２４ａを有している。上部回転軸４５ａの先端部は、２つのベアリング２４ｂ，２４ｂを介して軸受部材２４の挿入孔２４ａに内挿されており、軸受部材２４は上部回転軸４５ａに対して相対的に回転可能となっている。そうして、上記軸受部材２４が上側アーム２２に設けられた凹溝２２ａ内に挿入されることによって、正六角の横断面形状を有する軸受部材２４は、上側アーム２２に対して回転が規制されることになるため、上部回転軸４５ａが、上側アーム２２に対して回転可能に支持されることになる。
【００３９】
上記上側アーム２２の先端部には、凹溝２２ａ内に挿入された軸受部材２４が凹溝２２ａの開口から抜けることを防止するロック部材２５が設けられている（図７参照、尚、図６ではロック部材２５の図示を省略している）。このロック部材２５は、凹溝２２ａ内に挿入された軸受部材２４よりも上側アーム２２の先端側位置でその凹溝２２ａを横切るように突出した状態（図７の一点鎖線参照）と、凹溝２２ａから退避させた状態（図７の破線参照）とに切り替わるロックピン２５ａを備える。ロックピン２５ａが突出した状態では、軸受部材２４とロックピン２５ａとの干渉によって軸受部材２４が凹溝２２ａから外れることが防止されるロック状態となり、ロックピン２５ａが退避した状態では、軸受部材２４が凹溝２２ａから外れることが許容されるアンロック状態となる。上記ロック部材２５は、風力発電モードにおいてはロック状態とされ、太陽熱発電モードにおいてはアンロック状態とされる。尚、ロックピン２５ａは手動で突出・待避状態が切り替わっても、例えばソレノイド等による電動で突出・待避状態が切り替わってもよい。また、ロック部材２５はロックピン２５ａを備えたものに限らず、軸受部材２４と干渉することによってその軸受部材２４が凹溝２２ａから外れることを防止するものであれば、どのようなものであってもよい。
【００４０】
下部回転軸４７は、図８，９に示すように、下側アーム２３の先端部に固定された軸支持部材２６に支持される。この軸支持部材２６は、下側アーム２３の長手方向に直交するヒンジ軸Ａｈ回りに回動するヒンジ部２７と、ヒンジ部２７に対して相対的に回転可能（後述するように、羽根回転軸Ａｂ回りに回転可能）に設けられた軸受部２８と、を有している。軸受部２８は下部回転軸４７が内挿される挿入孔２８ａを有していて、下部回転軸４７の大径部４７ｂ及び小径部４７ｃのそれぞれが、ベアリング２８ｂ，２８ｃを介して上記挿入孔２８ａに支持されている。これにより、上記下部回転軸４７が、軸支持部材２６ひいては下側アーム２３に対して回転可能に支持されることになる。
【００４１】
このように、上部回転軸４５ａが上側アーム２２の先端部に対して回転可能に支持される一方、下部回転軸４７が下側アーム２３の先端部に対して回転可能に支持されることにより、上記羽根４は、羽根回転軸Ａｂ回りに回転（自転）可能とされている。尚、羽根回転軸Ａｂは、図２に示すように、その上側の方が下側よりも径方向の外方となるように垂直方向に対して所定の角度だけ傾いていると共に、図５に示すように、翼弦方向の中心に対して前縁側に所定距離だけずれた位置に位置している。
【００４２】
上記風車Ｗが風力発電モードのときには、詳しくは後述するが、各羽根４は、風を受けて風車回転軸Ａｗを中心として公転するに伴い、風向に対する角度が所定の角度となるように、上記羽根回転軸Ａｂ回りに所定の回転角度範囲で自転する。
【００４３】
すなわち、羽根回転軸Ａｂが翼弦方向の中央に対して前縁側にずれていることで、羽根４はその前縁が風上側となるように風力によって付勢され、公転に伴い風車本体１の径方向に対する羽根４の角度は変化する。上記風車本体１には、風力によって付勢される羽根４の角度を、所定の角度に制御するために、揚力用規制部材と、抗力用規制部材６とが設けられている。この内、揚力用規制部材は、第１の規制部材５１と、第２の規制部材としてのガイドレール３１とを含む。
【００４４】
第１の規制部材５１は、図２，６，７に示すように、各上側アーム２２の所定位置に、下方に突出して設けられた片状の部材からなる。そして、各羽根４の上部ブラケット４５には、図３，５〜７に示すように、その前縁近傍で上方に突出して、上記第１の規制部材５１に係合する係合部材４５ｂが取り付けられている。第１の規制部材５１と係合部材４５ｂとが係合することによって（図６，７に一点鎖線で示す羽根の状態）、図１０に示すように、風向に対する羽根４の角度が所定の角度に規制される。具体的には、第１の規制部材５１は、上記風車回転軸Ａｗを挟んだ他側（図１０における左側）における風下側で、羽根４の揚力の方向Ｌ１が風車Ｗの接線方向に略一致するように、風向に対する羽根４の角度を規制する。そうすることによって、羽根４の揚力によって風車Ｗの回転力が得られるようにする。ここで、上記第１の規制部材５１は、上記風車本体１の径方向に対する羽根４の角度、換言すれば上側又は下側アーム２２，２３の長手方向に対する羽根４の角度を公転に対して一定にする。
【００４５】
ガイドレール３１を有する案内部材３２は、図１，２，１０に示すように、ガイドレール３１を風車回転軸Ａｗ回りに回転可能に支持するための上記軸部材２１に外挿されるリング３３及び該リング３３から径方向の外方に延びる複数のブラケット３４と、上記ガイドレール３１とは逆側において上記リング３３に対し固定され径方向の外方に延びる尾翼３５とを備えている。ガイドレール３１は、風車回転軸Ａｗに沿って見て、およそ風車本体１の１／４円の範囲を所定形状に湾曲して延びており、その径方向の外側の面がガイド面３１ａとされている。そして、各羽根４の上部ブラケット４５には、図３，５〜７に示すように、その後縁近傍に設けられて上記ガイド面３５ａ上を転動するガイドローラ４５ｃが取り付けられている。
【００４６】
上記案内部材３２は、尾翼３５を有することにより風向に応じて風車回転軸Ａｗ回りに回動し、それによって上記ガイドレール３１は、風向に対し風車回転軸Ａｗを挟んだ左側における風上側の所定位置に位置するようになる。そうして、風車回転軸Ａｗ回りに公転する各羽根４が上記ガイドレール３１の近傍に位置したときには、図６，７，１０に示すように（図６，７では二点鎖線で示す羽根の状態）、そのガイドローラ４５ｃがガイド面３１ａに当接し、各羽根４が公転するに伴いガイドローラ４５ｃがガイド面３１ａ上を転動する。そのことにより、羽根４は自転しながら公転する。つまり、案内部材３２は、上記風車回転軸Ａｗを挟んだ他側（図１０における左側）における風上側で、羽根４の揚力の方向Ｌ２が風車Ｗの接線方向に略一致するように、風向に対する羽根４の角度を規制し、そのことにより、羽根４の揚力によって風車Ｗの回転力が得られるようにする。ここで、上記案内部材３２は、第１の規制部材５１とは異なり、上記風車本体１の径方向に対する羽根４の角度、換言すれば上側又は下側アーム２２，２３の長手方向に対する羽根４の角度を公転に伴い変更させる。
【００４７】
抗力用規制部材６は、図８，９に示すように、各下側アーム２３の先端部に取り付けられた軸支持部材２６に対し固定されている。つまり、軸支持部材２６の軸受部２８には、下側アーム２３の長手方向にほぼ沿うように風車本体１の径方向内方に延びる支持アーム６１の基端が固定されており、抗力用規制部材６はこの支持アーム６１の先端部に取り付けられている。この抗力用規制部材６は、支持アーム６１に固定される収容部６３と、この収容部６３から上方に突出する突出状態（図８，９の実線参照）と収容部６３に収容される待避状態（図８，９の二点鎖線参照）とに切り替わる係止部６２と、を有している。係止部６２が突出状態にあるときには、係止部６２と羽根（図８では二点鎖線で示す羽根であり、図９では実線で示す羽根である）４の下端部とは干渉するようになり、その係止部６２と羽根４との干渉によって、図１０に示すように、風向に対する羽根４の角度は所定の角度に規制される。具体的には、抗力用規制部材６は、上記風車回転軸Ａｗを挟んだ一側（図１０における右側）で、羽根４の抗力の方向が風車Ｗの接線方向に略一致するように、風向に対する羽根４の角度を規制する。そうすることによって、羽根４の抗力によって風車Ｗの回転力が得られるようにする。ここで、上記抗力用規制部材６は、上記風車本体１の径方向に対する羽根４の角度、換言すれば上側又は下側アーム２２，２３の長手方向に対する羽根４の角度を公転に対して一定にする。
【００４８】
一方、係止部６２が待避状態にあるときには、係止部６２と羽根４の下端部とは干渉しないため、羽根４の角度は規制されない。このことにより、羽根４は羽根回転軸Ａｂ回りに自由に（３６０°）回転することが可能になる。これは、後述するように、風車Ｗを風力発電モードから太陽熱発電モードに切り替える際、及び太陽熱発電モードから風力発電モードに切り替える際に行われる。尚、係止部６２は、手動によって突出状態と待避状態とに切り替わってもよいし、例えばソレノイド等によって突出状態と待避状態とに切り替わるようにしてもよい。
【００４９】
上記軸支持部材２６の軸受部２８にはまた、図８，９に示すように、下部回転軸４７のに対し直交する方向に相対する２つの固定ボルト２８ｄ，２８ｄが、それぞれ下部回転軸４７に向かってねじ込まれるように取り付けられており、この２つの固定ボルト２８ｄ，２８ｄがねじ込まれることにより、上記下部回転軸４７の矩形部４７ａがその２つの固定ボルト２８ｄ，２８ｄによって挟持される。尚、図９は、２つの固定ボルトによって矩形部４７ａが挟持されている状態を示す。この状態では、下部回転軸４７が軸受部２８に対して相対的に回転することが規制される。このように下部回転軸４７の回転を規制することは、後述するように、風車Ｗが太陽熱発電モードのときに行われる。つまり、太陽熱発電モードのときには、各羽根４を、その圧力面側を風車本体１の内側にその負圧面側を風車本体１の外側にすると共に、その翼弦方向をヒンジ軸Ａｈの方向と略一致する向きにした状態（図９に二点鎖線で示す状態）で、下部回転軸４７の回転を規制する。
【００５０】
尚、ここでは各固定ボルト２８ｄを手動で締め付けることによって下部回転軸４７の回転を規制するようにしているが、下部回転軸４７の回転を規制する機構はこれに限らず、種々の機構を採用することが可能である。例えば固定ボルト２８ｄの代わりにソレノイド等によって駆動されるピンを設け、そのピンによって下部回転軸４７の矩形部４７ａを挟持する、といった電動制御によって下部回転軸４７の回転を規制する機構を採用してもよい。また、２つの固定ボルト２８ｄ，２８ｄ（又はソレノイド駆動のピン）によって矩形部４７ａを挟持する構成に限らず、下部回転軸４７に径方向に貫通する貫通孔を設けておき、ボルト（又はピン）をその貫通孔内に挿入することによっても、下部回転軸４７の回転を規制することは可能であり、そうした構成を採用してもよい。さらに、下部回転軸４７を回転させるモータ等の駆動源をさらに含むことによって、そのモータによって下部回転軸４７を回転させて各羽根４を所定の向きにした状態にすることも可能である。
【００５１】
上述したように、本風車Ｗは、太陽熱発電モードにおいては、各羽根４を反射板とすることによって太陽熱を集熱する。換言すれば、上記風車Ｗは、太陽熱発電モードにおいては、３つの集熱手段２（図１１参照）を有することになる。
【００５２】
上記各集熱手段２は、上記羽根４と、その羽根４に対応して設けられた吸熱部７とからなる。吸熱部７は、熱搬送媒体を集光された太陽光によって加熱するものであり、羽根４（羽根４は、その圧力面側を風車本体１の内側にその負圧面側を風車本体１の外側にすると共に、その翼弦方向をヒンジ軸Ａｈの方向と略一致する向きにした状態である）に対し、その反射面４４ａに相対すると共に、放物線形状を有する羽根４の長手方向に対してはその焦点に相当する位置で（図２，８参照）かつ、羽根４の翼弦方向に対してはその中央に相当する位置に（図９参照）位置づけられる。つまり、この吸熱部７は、図８，９に示すように、上記軸支持部材２６の軸受部２８に固定された支持パイプ７１に支持されており、この支持パイプ７１は、上記軸受部２８から上記支持アーム６１に沿って風車本体１の内方に延びると共に、上記抗力用規制部材６よりも風車本体１の内側位置で上方に延びて設けられている。尚、上記支持パイプ７１は熱搬送媒体の経路１４（図１１参照）の一部を構成する。
【００５３】
上記軸受部２８はまた、上記羽根回転軸Ａｂと同軸となるように設けられたウォームホイール２９ａとウォーム２９ｂとからなるウォームギヤ２９を有しており、ウォーム２９ｂに取り付けられたハンドル２９ｃを回転操作することによって、軸受部２８は羽根回転軸Ａｂ回りに、ヒンジ部２７に対して相対的に回転する。そうして、軸受部２８が羽根回転軸Ａｂ回りに回転するに伴い、固定ボルト２８ｄによって回転が規制された状態の羽根４と吸熱部７とが共に羽根回転軸Ａｂ回りに回転するようになる。このように、羽根４と吸熱部７とからなる集熱手段２を羽根回転軸Ａｂ回りに回転させたときに、羽根４と吸熱部７との相対的な位置は常に一定であり、吸熱部７は羽根４の焦点の相当する位置に位置する。
【００５４】
図１，２に示すように、上記各上側アーム２２には、その先端部に第１プーリ８１が取り付けられると共に、その基端部に第２プーリ８２が取り付けられている。また、各下側アーム２３には、その基端部に第３プーリ８３が取り付けられていると共に、その中間部にワイヤ８５が巻き付けられたウィンチ８４が取り付けられている。このウィンチ８４は電動駆動であってもよいし、手動駆動であってもよい。そして、このウィンチ８４から下側アーム２３に沿って引き出されたワイヤ８５は、第３プーリ８３によってその引き出し方向が上方に変換されて、二重構造の軸部材２１の内筒２１ａと外筒２１ｂとの間の空間内を上方に向かって配設される。そして、上記ワイヤ８５は、第２プーリ８２によってその引き出し方向が水平方向に変換されて上側アーム２２の先端部に向かって配設される。そうして、ワイヤ８５の先端は上記第１プーリ８１を介して、上記羽根４の上部回転軸４５ａを軸支する軸受部材２４に固定される。上記ウィンチ８４を、ワイヤ８５の繰り出し方向に駆動したときには（尚、このときロック部材２５はアンロック状態である）、羽根回転軸Ａｂが垂直方向に対して傾斜していることにより、羽根４は、その自重によってヒンジ軸Ａｈを中心として回動し、その反射面４４ａが上方を臨むように倒伏する（図２の二点鎖線参照）。一方、上記ウィンチ８４を、ワイヤ８５の巻き取り方向に駆動したときには、羽根４はヒンジ軸Ａｈを中心として回動し、羽根４の長手方向が略垂直方向となるように起立する（図２の実線参照）。このように、このように、各羽根４は、下側アーム２３に設けたウィンチ８４の駆動によって、起立姿勢（図２の実線で示す状態）と倒伏姿勢（図２の二点鎖線で示す状態）との間で、任意にその姿勢（傾倒角度）を変更することができる。
【００５５】
ここで、上記吸熱部７は軸支持部材２６の軸受部２８に対して固定されているため、図２に二点鎖線で示すように、軸支持部材２６のヒンジ部２７がヒンジ軸Ａｈ回りに回動して羽根４が倒伏するに伴い、吸熱部７もヒンジ軸Ａｈ回りに回動する。このように、羽根４と吸熱部７とからなる集熱手段２をヒンジ軸Ａｈ回りに回動させたときに、羽根４と吸熱部７との相対的な位置は常に一定であり、吸熱部７は羽根４の焦点の相当する位置に位置する。
【００５６】
そうして後述するように、羽根４の反射面４４ａで反射した太陽光は、羽根４のヒンジ軸Ａｈ回りの姿勢、及び羽根回転軸Ａｂ回りの向きに拘わらず、常に吸熱部７に集光されるようになる。
【００５７】
（風力発電モード）
次に、上記風車Ｗの、風力発電モードにおける動作について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、風車回転軸Ａｗに沿って風車本体１を上方から見た図であり、図１０では、風車回転軸Ａｗ回りの公転に伴う風向に対する羽根４の角度の変化を、１つの羽根４について示している。尚、図１０において風車Ｗは時計回りに回転し、風向は紙面上側から下側に向かう方向とする。また、同図に示す白丸は羽根回転軸Ａｂを示しており、径方向外方の白丸は、上側アーム２２と羽根回転軸Ａｂとの交点を、径方向内方の白丸は下側アーム２３と羽根回転軸Ａｂとの交点をそれぞれ示す。
【００５８】
風力発電モードにおいては、各羽根４は起立姿勢にされると共に、各羽根４の向きは、その圧力面側が風車本体１の外方に、その負圧面側が風車本体１の内方となるようにされる。また、抗力用規制部材６の係止部６２は突出状態にされる。これにより、各羽根４は、羽根回転軸Ａｂ回りに、抗力用規制部材６に干渉する角度（図１０のＲ１参照）から、揚力用規制部材（第１の規制部材５１）と係合する角度（図１０のＲ６参照）まで回転することが可能にされている。
【００５９】
上述したように、案内部材３２は、風向に応じて風車回転軸Ａｗ回りに回転することによって、ガイドレール３１は、図１０に示すように、風向に対し風車回転軸Ａｗを挟んだ左側における風上側に位置する。
【００６０】
一方、羽根回転軸Ａｂは、上述したように、羽根４に対し、その翼弦方向の中央位置に対して前縁側にずれて設定されているため、羽根４は、風力によってその前縁が風上側に、その後縁が風下側になるように付勢される。
【００６１】
ここで、図１０においてＲ１で示す公転角度位置においては、風力によって付勢される羽根４は抗力用規制部材６（係止部６２）と干渉することになり、それによって、羽根４は、その翼弦方向が風車本体１の径方向にほぼ一致する向きとなる（図８では二点鎖線で示し、図９では実線で示す羽根の状態）。この状態では、羽根４の抗力の方向（図１０の矢印Ｄ参照）が風車本体１の接線方向に略一致する。そうして、羽根４の抗力が風車Ｗの回転力となり、羽根４はＲ１の公転角度位置からＲ４の公転角度位置へと移動する。尚、この移動の間、羽根４と風車本体１の径方向との成す角度は、抗力用規制部材６によって一定にされる。
【００６２】
次に、Ｒ４の公転角度位置からＲ５の公転角度位置に羽根４が移動する間に、その前縁が風上側に、その後縁が風下側になるように、羽根４は風力によって図１０における時計回りに自転する。そして、Ｒ６の公転角度位置において揚力用規制部材（第１の規制部材５１）と羽根４の係合部材４５ｂとが互いに係合し（図６，７の一点鎖線で示す羽根の状態）、羽根４は風向に対して所定の角度を有する向きとなる。これにより、羽根４の揚力の方向（図１０の矢印Ｌ１参照）が風車本体１の接線方向に略一致し、羽根４の揚力が風車Ｗの回転力となる。そうして、羽根４はＲ６の公転角度位置からＲ９の公転角度位置へと移動する。尚、この移動の間、羽根４と風車本体１の径方向との成す角度は、第１の規制部材５１によって一定にされる。
【００６３】
Ｒ９の公転角度位置においては、風向に対する羽根４の角度が略０°となるため、風車Ｗの回転力はほとんど得られないものの、風車Ｗの回転に対する抵抗もほとんどない。
【００６４】
そして、Ｒ１０の公転角度位置からＲ１１の角度位置に羽根４が移動する間に、羽根４の後縁近傍に設けられたガイドローラ４５ｃがガイドレール３１のガイド面３１ａ上を転動するようになり（図６，７の二点鎖線で示す羽根の状態）、羽根４は自転しながら公転する。これにより、羽根４の揚力の方向（図１０の矢印Ｌ２参照）が風車本体１の接線方向に略一致し、羽根４の揚力が風車Ｗの回転力となる。そうして、羽根４はＲ１１の公転角度位置からＲ１２の公転角度位置へと移動する。尚、この移動の間、羽根４と風車本体１の径方向との成す角度は変化する。
【００６５】
Ｒ１２の公転角度位置からＲ１の公転角度位置に羽根４が移動する間に、ガイドローラ４５ｃがガイドレール３１から外れ、上記風力によって付勢される羽根４は、再び抗力用規制部材６と干渉する。このようにして羽根４は公転を繰り返し、その公転によって上記軸部材２１が風車回転軸Ａｗ回りに回転する。
【００６６】
従って、本実施形態に係る風車Ｗは、風車回転軸Ａｗを挟んだ一側（図１０では右側）においては、羽根４の抗力により風車Ｗの回転力が得られ、その他側（図１０では左側）においては、羽根４の揚力により風車Ｗの回転力が得られる。このことにより、風車Ｗの回転力を減少させることがなくなり、エネルギ変換効率が向上する。
【００６７】
つまり、従来の抗力型風車では、風向に対して風車回転軸を挟んだ一側では、羽根の抗力によって風車本体１の回転力が得られるものの、風車回転軸を挟んだ他側では、羽根の抗力が風車本体１の回転力にならない上に、風車本体１の回転力を減少させることになり、エネルギ変換効率が低下していた。
【００６８】
これに対し、上記風車Ｗは、従来の抗力型風車において風車本体１の回転力を減少させていた側、つまり図１０における左側においても回転力が得られることになるのである。
【００６９】
特に第１の規制部材５１と、ガイドレール３１（第２の規制部材）とを備えることによって、風車回転軸Ａｗを挟んだ他側において、その風上側と風下側とのそれぞれにおいて、羽根４の揚力を風車Ｗの回転力とすることができる。その結果、エネルギ変換効率をさらに向上させることができる。
【００７０】
また、各羽根４は、その横断面形状が円弧翼型であることにより羽根４の揚力が大きくなるため、風車Ｗのトルク向上が図られる。
【００７１】
さらに、上記風車Ｗでは、羽根回転軸Ａｂを羽根４の翼弦方向中央に対してずらして設定すると共に、羽根４の公転に伴う、その羽根４の風向に対する角度の制御を、抗力用規制部材６及び揚力用規制部材（第１の規制部材５１及びガイドレール３１）によって行うため、羽根４の角度制御が自動的に行われることになる。そのため、羽根４の角度制御のためのエネルギが不要である。
【００７２】
加えて、上記案内部材３２が風向に対し所定の位置に移動することにより、風向が変化したときにも、その変化に対応して、羽根４の抗力が風車Ｗの回転力となる側と、羽根４の揚力が風車Ｗの回転力となる側とが、それぞれ設定される。つまり、風車Ｗが風向に対し無指向性となる結果、風車Ｗの稼働率が高まる。ここで、上記案内部材３２は、その尾翼３５によって風向に対し自動的に所定の位置に移動するため、風向を検出してガイドレールを移動させるといった、電気的な制御は不要である。
【００７３】
（太陽熱発電モード）
次に、上記風車Ｗの、太陽熱発電モードにおける動作について説明する。太陽熱発電モードにおいては、上記風車Ｗは太陽熱を集熱する集熱装置として機能する。
【００７４】
太陽熱発電モードにおいては、各羽根４は、その圧力面側が風車本体１の内方に、その負圧面側が風車本体１の外方にされかつ、その翼弦方向がヒンジ軸Ａｈの方向と略一致する向きにされる。ここで、上述した風力発電モードから太陽熱発電モードへの移行の際には、抗力用規制部材６の係止部６２を待避状態とすることによって、風力発電モードにおいては圧力面側が風車本体１の外方に、その負圧面側が風車本体１の内方にされていた各羽根４を、羽根回転軸Ａｂ回りに回転（自転）させて、圧力面側を風車本体１の内方に、負圧面側を風車本体１の外方にすることが可能になる。
【００７５】
その状態において、２つの固定ボルト２８ｄ，２８ｄをねじ込むことによって、下部回転軸４７の回転を規制する。これによって、吸熱部７は、羽根４の反射面４４ａに相対して、その焦点に相当する位置に位置づけられる。
【００７６】
そして、上記各羽根４の向きを、太陽光の照射方向に応じて調整する。つまり、方角に対する各羽根４の向きの調整は、風車回転軸Ａｗ回りに風車Ｗを回転させて３つの羽根４の位置を調整することと、軸支持部材２６に設けられたハンドル２９ｃを操作して、その軸受部２８を羽根回転軸Ａｂ回りに回転させて、各羽根４の反射面の向きを調整することと、によって行う。また、仰角に対する各羽根４の向き（姿勢）の調整は、各下側アーム２３に設けたウィンチ８４を駆動することによって、各羽根４の傾斜角度を調整することによって行う（図２参照）。そうして各羽根４の反射面４４ａが太陽を臨むように、各羽根４の姿勢及び向きを調整し、各吸熱部７に太陽光を集光する。それにより、各吸熱部７において熱搬送媒体が加熱されることになる。
【００７７】
このように、羽根４と吸熱部７とからなる集熱手段２は、風車回転軸Ａｗ、羽根回転軸Ａｂ、及びヒンジ軸Ａｈの３つの軸によってその位置を変えることが可能になり、反射面４４ａを太陽の照射方向に向ける自由度が高まり、太陽熱の集熱効率が向上する。
【００７８】
尚、上記風車Ｗ、ウォームギヤ２９及びウィンチ８４をそれぞれ電動駆動に構成して、それらを太陽追尾システムによって制御するようにすることによって、太陽の照射方向に応じて各羽根４の向きを自動的に調整することも可能である。
【００７９】
以上説明したように、本実施形態に係る風車Ｗは、風力発電システムの風車として機能させることと、太陽熱発電システムの集熱装置として機能させることとが、切り替え可能であるため、自然エネルギを利用した発電システムの稼働率を高めることができる。
【００８０】
また、上記風車Ｗのみを設置すればよいため、例えば風力発電システムの風車と、太陽熱発電システムの集熱装置との双方を設置する場合に比べて設置面積が小さくなり、設置効率の向上が図られる。
【００８１】
（発電システムの構成）
次に、上記風車Ｗを含む発電システムの構成例について、図１１を参照しながら説明する。
【００８２】
上述したように、上記風車Ｗは、風力発電モードにおいて回転する軸部材２１と、太陽熱発電モードにおいて太陽熱を集熱する３つの集熱手段２と、を備えており、上記軸部材２１は、切替機構１１を介して発電機１２に連結される。また、上記各集熱手段２は、媒体経路１４（上記支持パイプ７１を含む）を介して熱・動力変換手段１３に接続される。この熱・動力変換手段１３は、吸熱部７において加熱される熱搬送媒体が搬送する熱エネルギを、機械動力に変換する手段であり、例えばスターリングエンジンや蒸気タービン等の、公知の、種々の構成を採用することが可能である。この熱・動力変換手段１３の出力軸１３ａも上記切替機構１１を介して発電機１２に連結される。
【００８３】
上記切替機構１１は、上記風車Ｗ（軸部材２１）及び熱・動力変換手段１３（出力軸１３ａ）を選択的に上記発電機１２に連結させるものであり、この発電機１２は、切替機構１１の切替に応じて上記風車Ｗ、又は熱・動力変換手段１３によって駆動されるようになっている。つまり、風力発電モードにおいては、上記発電機１２が軸部材２１の回転によって駆動され、太陽熱発電モードにおいては、上記発電機１２が熱・動力変換手段１３によって駆動されることになる。
【００８４】
このように、本発電システムは、風力及び太陽熱の双方のエネルギを電気エネルギに変換することが可能になり、稼働率を向上させることができる。
【００８５】
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【００８６】
すなわち、上記実施形態では、風車本体１が備える羽根４を３枚としたが、羽根４の枚数はこれに限られず、１枚であってもよく、任意に設定することが可能である。
【００８７】
また、上記各羽根４は、その横断面形状が円弧翼型であったが、羽根の横断面形状はこれに限らず、適宜設定することが可能である。
【００８８】
さらに、上記実施形態では、羽根４の角度を規制する手段として、羽根４や、羽根４に設けた部材４５ｂ、４５ｃと係合する部材（第１の規制部材５１，ガイドレール３１、係止部６２）を設けたが、羽根４の角度を規制する手段はこれに限らず、例えば羽根４の回転軸４５ａ、４７に係合する部材としてもよい。また、上記実施形態とは異なり、各羽根４の角度をその公転角度位置に応じて逐次変更するようにしてもよい。
【００８９】
さらに、上記実施形態では、抗力用規制部材６の係止部６２を待避可能にしているが、これに代えて揚力用規制部材である第１の規制部材５１を待避可能にしてもよいし、係止部６２及び第１の規制部材５１をそれぞれ待避可能にしてもよい。
【００９０】
さらに、上記実施形態では、各羽根４の姿勢（傾倒角度）の調整を、ワイヤ８５及びウィンチ８４によって行っているが、各羽根４の姿勢を調整する構成はこれに限るものではない。
【００９１】
さらに、上記実施形態における発電システムでは、風力発電モードと太陽熱発電モードとに切り替え可能となっているが、太陽熱発電モードに切り替え可能でなくてもよい。つまり、吸熱部７やウィンチ８４、ワイヤ８５等は省略可能である。その場合、発電システムとしては、軸部材２１を直接的に発電機１２に連結すればよい。
【００９２】
加えて、上記実施形態における発電システムは一例であり、本風車Ｗを含む発電システムは種々の形態を採用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
以上説明したように、本発明は、風力エネルギを利用した発電システムに有用であり、特にそのエネルギ変換効率を高める上で有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本実施形態に係る風車の全体を示す概略斜視図である。
【図２】図１の矢印Ａ方向に見た、一部破断の矢視図である。
【図３】羽根の斜視図である。
【図４】羽根の縦断面図である。
【図５】羽根の正面図である。
【図６】羽根と上側アームとの支持部分を拡大して示す一部破断の正面説明図である。
【図７】羽根と上側アームとの支持部分を拡大して示す平面説明図である。
【図８】羽根と下側アームとの支持部分を拡大して示す正面説明図である。
【図９】羽根と下側アームとの支持部分を拡大して示す一部破断の側面説明図である
【図１０】羽根の公転に伴う羽根の自転の様子を示す平面
【図１１】風車を備えた発電システムの構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９５】
１ 風車本体
４ 羽根
６ 抗力用規制部材
２１ 軸部材（支持部材）
２２ 上側アーム（支持部材）
２３ 下側アーム（支持部材）
３１ ガイドレール（揚力用規制部材、第２の規制部材、角度制御手段）
３２ 案内部材
３５ 尾翼（移動手段）
５１ 第１の規制部材（揚力用規制部材、角度制御手段）
Ａｂ 羽根回転軸
Ａｗ 風車回転軸
Ｗ 風車
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸風車及びそれを備えた発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、風力発電用の風車として、回転軸が垂直方向に延びる垂直軸風車や、回転軸が水平方向に延びる水平軸風車が知られている。また、垂直軸風車には、羽根に発生する抗力が風車の回転力となる抗力型（例えば、特許文献１参照）、羽根に発生する揚力が風車の回転力となる揚力型が含まれる。サポニウス型風車や自転羽根式風車などの抗力型の風車は、構造が簡単で、発電機部分などの機械部分が低位置にあるため点検や修理がしやすく、低風速から始動可能であるなどの特性を持つ。
【特許文献１】特開平２００４−２１１５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような抗力型の風車では、風向に対して風車の回転軸を挟んだ一側では、羽根に発生する抗力によって回転力が生じるが、上記回転軸を挟んだ他側では、羽根に発生する抗力が回転力にならない上に、風車の回転力を減少させる力が働いてしまうことになり、このような抗力型の風車を備えた発電システムは、風力エネルギのエネルギ変換効率が悪いという問題がある。
【０００４】
そこで、特許文献１の風車では、羽根に向かって進行する風を増速させる増速部設けて、風力エネルギのエネルギ変換効率の向上を図っている。これは、上記増速部によって、羽根に発生する抗力を大きくし、通常よりも大きな回転力を得て、風力エネルギのエネルギ変換効率を向上させようとしている。
【０００５】
しかしながら、このように増速部を設け回転力を大きくした風車であっても、依然として、回転力を生み出さず、回転力を減少させる力が働く部分が残されたままである、という問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、風力エネルギを利用した発電システムのエネルギ変換効率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の垂直軸風車は、少なくとも１つの羽根と、垂直方向に延びる風車回転軸回りに回転可能な軸部材を有すると共に、上記羽根を、上記軸部材の回転と同期して上記風車回転軸を中心に公転可能に支持する支持部材と、を含む風車本体を備える。
【０００８】
上記羽根は、略垂直方向に延びる羽根回転軸回りに自転可能に上記支持部材に支持されており、上記風車本体は、上記羽根の公転に伴い該羽根の風向に対する角度を所定の角度に制御する角度制御手段をさらに含む。
【０００９】
そして、上記角度制御手段は、風向に対して上記風車回転軸を挟んだ一側では、上記羽根の角度を、それに発生する抗力が風車本体の回転力となる角度にする一方、上記風車回転軸を挟んだ他側では、上記羽根の角度を、それに発生する揚力が風車本体の回転力となる角度にする。
【００１０】
上記の構成によると、羽根を羽根回転軸回りに自転可能にすると共に、角度制御手段によって、風向に対して風車回転軸を挟んだ一側では、羽根に発生する抗力が風車本体の回転力となるように羽根の角度を制御し、風車回転軸を挟んだ他側では、羽根に発生する揚力が風車本体の回転力となるように羽根の角度を制御する。つまり、従来の抗力型の風車では、羽根の抗力が風車の回転力を減少させることになる側が、本発明においては、羽根の揚力によって回転力が得られる側になる。そのため、風車本体の回転力を減少させることがなく、エネルギ変換効率が向上する。
【００１１】
また、上記羽根は、その横断面を翼型とし、該羽根の羽根回転軸を、その翼弦方向の中心に対して前縁側にずれて設定して、上記羽根を、その前縁が風上側となるように風力によって付勢されるようにし、上記角度制御手段は、風向に対して上記風車回転軸を挟んだ一側において、上記風力によって付勢される羽根と係合することにより、上記羽根の角度を、それに発生する抗力が風車本体の回転力となる角度に規制する抗力用規制部材と、上記風車回転軸を挟んだ他側において上記風力によって付勢される羽根と係合することにより、上記羽根の角度を、それに発生する揚力が風車本体の回転力となる角度に規制する揚力用規制部材と、を含む、としてもよい。
【００１２】
こうすることで、羽根の角度は、翼弦方向の中央に対してずれた羽根回転軸と、抗力用規制部材と、揚力用規制部材とによって、羽根の公転に伴い自動的に制御されることになる。そのため、羽根の公転位置を電気的に検出したり、羽根を電気的に回転させたりする必要がなくなり、発電システムにおいて余分なエネルギを消費することが抑制される。
【００１３】
また、羽根の横断面が翼型であることによって、羽根に発生する揚力が大きくなるため、風車本体のトルク向上が図られる。
【００１４】
上記揚力用規制部材は、上記風車回転軸を挟んだ他側における風下側で、上記風車本体の径方向に対する羽根の角度を公転に対して一定にする第１の規制部材と、上記風車回転軸を挟んだ他側における風上側で、上記風車本体の径方向に対する羽根の角度を公転に伴い変更させる第２の規制部材と、を含む、としてもよい。
【００１５】
このことにより、風車回転軸を挟んだ他側においては、その風下側と風上側との双方で、羽根の揚力を風車本体の回転力とすることができ、エネルギ変換効率のさらなる向上が図られる。
【００１６】
上記第２の規制部材は、上記羽根と係合することによって該羽根を公転に伴い自転させるガイドレールとし、上記ガイドレールを、上記風車回転軸回りに回動可能に設け、上記風車本体は、上記ガイドレールを、風向に応じて上記風車回転軸を挟んだ他側における風上側の所定位置に位置づける移動手段をさらに含む、としてもよい。
【００１７】
風向に応じて移動手段がガイドレールを所定位置に移動させることによって、風向の変化に対応して、羽根に発生する抗力が風車本体の回転力となる側と、羽根に発生する揚力が風車本体の回転力となる側とが、それぞれ設定されることになる、従って、風車が風向に対し無指向性となる結果、風車の稼働率が高まる。
【００１８】
ここで、上記移動手段は、例えばガイドレールに連結された尾翼とすることができ、この場合、ガイドレールは風向に対し自動的に移動することになり、風向を検出してガイドレールを移動させるといった、電気的な制御が不要になる。
【００１９】
本発明の発電システムは、上記の垂直軸風車と、上記軸部材に連結されかつ、該軸部材の回転によって駆動される発電機と、を備える。
【００２０】
このことにより、上記のエネルギ変換効率の高い垂直軸風車を、風力発電システムの風車として機能させることで、風力エネルギを利用した発電システムのエネルギ変換効率が向上する。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明の垂直軸風車によると、風向に対して風車回転軸を挟んだ一側では抗力が、他側では揚力が風車本体の回転力となるように、羽根の角度を規制することによって、風車本体の回転力を減少させることがなく、エネルギ変換効率の向上を図ることができる。
【００２２】
また、本発明の発電システムによると、上記垂直軸風車を備えることによって、風力エネルギから電気エネルギへの変換を、エネルギ変換効率の高い風車によってすることが可能になり、風力エネルギを利用した発電システムのエネルギ変換効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
本実施形態に係る発電システムは、風力エネルギと太陽熱エネルギとのそれぞれを電気エネルギに変換するハイブリッドシステムであり、風車と発電機とを備えている。この風車は風力によって回転する形態（風力発電モード）と、羽根を太陽光を集光するための反射板として利用することにより太陽光を集光する形態（太陽熱発電モード）とに切り替えることが可能にされている。
【００２５】
（風車の構成）
図１は、本発電システムに用いられる風車Ｗの全体を概略的に示した図であり、この風車Ｗは、軸部材２１及び、この軸部材２１の周囲に周方向に等間隔に配置された３つの羽根４を含む風車本体１と、風車本体１を回転可能に支持する台座９１及び支柱９２と、を備える。
【００２６】
上記台座９１は、放射状に延びる３つの脚部９１ａを有し、上記支柱９２は、この台座９１の中央位置に固定されて垂直上方に延びている。
【００２７】
上記支柱９２の上端部には、上記台座９１の脚部９１ａと同様に放射状に延びる３つの腕部９３が固定されており、各腕部９３の先端部と、上記台座９１の各脚部９１ａとの間にワイヤ（虎綱）９４が張られて、上記支柱９２を支持している。
【００２８】
上記軸部材２１は、図２に示すように（尚、図２は、図１にＡで示す矢印の方向に沿って見た風車本体１の図である）、内筒２１ａと外筒２１ｂとからなる二重構造であり、内筒２１ａが上記支柱９２に外挿されることによって、この軸部材２１は垂直方向に延びる軸、つまり風車回転軸Ａｗ回りに回転する。尚、上記内筒２１ａと外筒２１ｂとは一体的に回転する。
【００２９】
上記外筒２１ｂには、図１，２に示すように、その上端部に、周方向に等間隔を空けてそれぞれ径方向の外方に延びる３つの上側アーム２２が取り付けられると共に、その下端部に、各上側アーム２２と同じ周方向位置でそれぞれ径方向の外方に延びる３つの下側アーム２３が取り付けられている。各上側アーム２２と各下側アーム２３とは、上記軸部材２１の回転と一体的に風車回転軸Ａｗ回りに回転する。この各上側アーム２２及び各下側アーム２３と、上記軸部材２１とによって、羽根４を支持する支持部材が構成され、この支持部材と羽根４とによって風車本体１が構成される。
【００３０】
上記外筒２１ｂにはまた、上記上側アーム２２よりも下側位置に、ガイドレール３１を備えた案内部材３２が取り付けられており、この案内部材３２は、風車回転軸Ａｗ回りに上記軸部材２１（外筒２１ｂ）に対して相対的に回転可能にされている。
【００３１】
そして、上記各羽根４は、上記各上側アーム２２の先端部と各下側アーム２３の先端部とを互いに連結するように縦向きに配置されていた状態で、各上側アーム２２及び各下側アーム２３によって支持される。これによって、各羽根４は、上記軸部材２１の回転と同期して、風車回転軸Ａｗを中心として回転（公転）する。
【００３２】
各羽根４は、図３〜５に示すように、所定の間隔を空けて平行に並んだ２つの桁４１と、その２つの桁４１の間で長手方向に所定の間隔を空けて配設されて、両桁４１，４１を互いに連結する複数の（図例では６個の）リブ４２とからなるフレームに対して、その一側面側（後述するように、リブ４２において円弧状となっている側）に外板としての布材４４をはり付けることによって構成されている。
【００３３】
この布材４４は、風車Ｗにおいて風を受ける部分となる他に、後述するように、羽根４を反射板として用いる際にその反射面４４ａとなる部分である。そのため、少なくとも反射面４４ａとなる側の表面は、その反射率が高いことが望ましく、一例として樹脂コーティングをした布に、アルミ蒸着を施すことによって反射率を高めた布材４４を用いてもよい。尚、上記羽根４において反射面４４ａとなる側は、図３、５において図示される側である。
【００３４】
上記各桁４１は、図４に示すように、その長手方向に放物線状に湾曲している一方、上記各リブ４２は、図５に示すように、円弧状に形成されており、これにより、上記各羽根４は、縦断面形状が放物線形状でかつ、横断面形状が円弧翼型となっている。
【００３５】
尚、以下の説明では、図３において右上側となる側を羽根４の上側、左下側となる側を羽根４の下側と呼ぶと共に、図５において左側となる縁を羽根４の前縁、右側となる縁を羽根４の後縁として、その左右方向を翼弦方向と呼ぶ。また、図４において上向きとなる面側を羽根４の圧力面側、下向きとなる面側を羽根４の負圧面側と呼ぶ。
【００３６】
上記各羽根４の上端部には上部ブラケット４５が固定されており、この上部ブラケット４５には、上方に延びる上部回転軸４５ａが取り付けられている。この上部回転軸４５ａは、翼弦方向の中央位置から前縁側にずれた位置に設けられている。また、各羽根４の下端部には下部ブラケット４６が固定されており、この下部ブラケット４６には、下方に延びる下部回転軸４７が、上部回転軸４５ａと同様に翼弦方向の中央位置から前縁側にずれた位置に取り付けられている。ここで、上部回転軸４５ａは断面円形状の棒状であるのに対し、下部回転軸４７は、図３〜５，９に示すように、その軸方向の中間位置に位置する断面矩形状の矩形部４７ａと、その矩形部４７ａを挟んだ一側（下部ブラケット４６側）に位置する断面円形状の大径部４７ｂと、他側に位置する断面円形状の小径部４７ｃと、からなる。
【００３７】
上部回転軸４５ａは、図６，７に示すように、軸受部材２４を介して上側アーム２２の先端部に支持される。つまり、上記上側アーム２２の先端部には、その先端面に開口しかつアームの長手方向に基端側に向かって延びる凹溝２２ａが形成されており、上部回転軸４５ａの先端に取り付けられた上記軸受部材２４がこの凹溝２２ａ内に挿入されることによって、上部回転軸４５ａは上側アーム２２の先端部に支持される。
【００３８】
上記軸受部材２４は、横断面形状が正六角形状を有する柱状の部材であり、その内部には下端面に開口する挿入孔２４ａを有している。上部回転軸４５ａの先端部は、２つのベアリング２４ｂ，２４ｂを介して軸受部材２４の挿入孔２４ａに内挿されており、軸受部材２４は上部回転軸４５ａに対して相対的に回転可能となっている。そうして、上記軸受部材２４が上側アーム２２に設けられた凹溝２２ａ内に挿入されることによって、正六角の横断面形状を有する軸受部材２４は、上側アーム２２に対して回転が規制されることになるため、上部回転軸４５ａが、上側アーム２２に対して回転可能に支持されることになる。
【００３９】
上記上側アーム２２の先端部には、凹溝２２ａ内に挿入された軸受部材２４が凹溝２２ａの開口から抜けることを防止するロック部材２５が設けられている（図７参照、尚、図６ではロック部材２５の図示を省略している）。このロック部材２５は、凹溝２２ａ内に挿入された軸受部材２４よりも上側アーム２２の先端側位置でその凹溝２２ａを横切るように突出した状態（図７の一点鎖線参照）と、凹溝２２ａから退避させた状態（図７の破線参照）とに切り替わるロックピン２５ａを備える。ロックピン２５ａが突出した状態では、軸受部材２４とロックピン２５ａとの干渉によって軸受部材２４が凹溝２２ａから外れることが防止されるロック状態となり、ロックピン２５ａが退避した状態では、軸受部材２４が凹溝２２ａから外れることが許容されるアンロック状態となる。上記ロック部材２５は、風力発電モードにおいてはロック状態とされ、太陽熱発電モードにおいてはアンロック状態とされる。尚、ロックピン２５ａは手動で突出・待避状態が切り替わっても、例えばソレノイド等による電動で突出・待避状態が切り替わってもよい。また、ロック部材２５はロックピン２５ａを備えたものに限らず、軸受部材２４と干渉することによってその軸受部材２４が凹溝２２ａから外れることを防止するものであれば、どのようなものであってもよい。
【００４０】
下部回転軸４７は、図８，９に示すように、下側アーム２３の先端部に固定された軸支持部材２６に支持される。この軸支持部材２６は、下側アーム２３の長手方向に直交するヒンジ軸Ａｈ回りに回動するヒンジ部２７と、ヒンジ部２７に対して相対的に回転可能（後述するように、羽根回転軸Ａｂ回りに回転可能）に設けられた軸受部２８と、を有している。軸受部２８は下部回転軸４７が内挿される挿入孔２８ａを有していて、下部回転軸４７の大径部４７ｂ及び小径部４７ｃのそれぞれが、ベアリング２８ｂ，２８ｃを介して上記挿入孔２８ａに支持されている。これにより、上記下部回転軸４７が、軸支持部材２６ひいては下側アーム２３に対して回転可能に支持されることになる。
【００４１】
このように、上部回転軸４５ａが上側アーム２２の先端部に対して回転可能に支持される一方、下部回転軸４７が下側アーム２３の先端部に対して回転可能に支持されることにより、上記羽根４は、羽根回転軸Ａｂ回りに回転（自転）可能とされている。尚、羽根回転軸Ａｂは、図２に示すように、その上側の方が下側よりも径方向の外方となるように垂直方向に対して所定の角度だけ傾いていると共に、図５に示すように、翼弦方向の中心に対して前縁側に所定距離だけずれた位置に位置している。
【００４２】
上記風車Ｗが風力発電モードのときには、詳しくは後述するが、各羽根４は、風を受けて風車回転軸Ａｗを中心として公転するに伴い、風向に対する角度が所定の角度となるように、上記羽根回転軸Ａｂ回りに所定の回転角度範囲で自転する。
【００４３】
すなわち、羽根回転軸Ａｂが翼弦方向の中央に対して前縁側にずれていることで、羽根４はその前縁が風上側となるように風力によって付勢され、公転に伴い風車本体１の径方向に対する羽根４の角度は変化する。上記風車本体１には、風力によって付勢される羽根４の角度を、所定の角度に制御するために、揚力用規制部材と、抗力用規制部材６とが設けられている。この内、揚力用規制部材は、第１の規制部材５１と、第２の規制部材としてのガイドレール３１とを含む。
【００４４】
第１の規制部材５１は、図２，６，７に示すように、各上側アーム２２の所定位置に、下方に突出して設けられた片状の部材からなる。そして、各羽根４の上部ブラケット４５には、図３，５〜７に示すように、その前縁近傍で上方に突出して、上記第１の規制部材５１に係合する係合部材４５ｂが取り付けられている。第１の規制部材５１と係合部材４５ｂとが係合することによって（図６，７に一点鎖線で示す羽根の状態）、図１０に示すように、風向に対する羽根４の角度が所定の角度に規制される。具体的には、第１の規制部材５１は、上記風車回転軸Ａｗを挟んだ他側（図１０における左側）における風下側で、羽根４の揚力の方向Ｌ１が風車Ｗの接線方向に略一致するように、風向に対する羽根４の角度を規制する。そうすることによって、羽根４の揚力によって風車Ｗの回転力が得られるようにする。ここで、上記第１の規制部材５１は、上記風車本体１の径方向に対する羽根４の角度、換言すれば上側又は下側アーム２２，２３の長手方向に対する羽根４の角度を公転に対して一定にする。
【００４５】
ガイドレール３１を有する案内部材３２は、図１，２，１０に示すように、ガイドレール３１を風車回転軸Ａｗ回りに回転可能に支持するための上記軸部材２１に外挿されるリング３３及び該リング３３から径方向の外方に延びる複数のブラケット３４と、上記ガイドレール３１とは逆側において上記リング３３に対し固定され径方向の外方に延びる尾翼３５とを備えている。ガイドレール３１は、風車回転軸Ａｗに沿って見て、およそ風車本体１の１／４円の範囲を所定形状に湾曲して延びており、その径方向の外側の面がガイド面３１ａとされている。そして、各羽根４の上部ブラケット４５には、図３，５〜７に示すように、その後縁近傍に設けられて上記ガイド面３５ａ上を転動するガイドローラ４５ｃが取り付けられている。
【００４６】
上記案内部材３２は、尾翼３５を有することにより風向に応じて風車回転軸Ａｗ回りに回動し、それによって上記ガイドレール３１は、風向に対し風車回転軸Ａｗを挟んだ左側における風上側の所定位置に位置するようになる。そうして、風車回転軸Ａｗ回りに公転する各羽根４が上記ガイドレール３１の近傍に位置したときには、図６，７，１０に示すように（図６，７では二点鎖線で示す羽根の状態）、そのガイドローラ４５ｃがガイド面３１ａに当接し、各羽根４が公転するに伴いガイドローラ４５ｃがガイド面３１ａ上を転動する。そのことにより、羽根４は自転しながら公転する。つまり、案内部材３２は、上記風車回転軸Ａｗを挟んだ他側（図１０における左側）における風上側で、羽根４の揚力の方向Ｌ２が風車Ｗの接線方向に略一致するように、風向に対する羽根４の角度を規制し、そのことにより、羽根４の揚力によって風車Ｗの回転力が得られるようにする。ここで、上記案内部材３２は、第１の規制部材５１とは異なり、上記風車本体１の径方向に対する羽根４の角度、換言すれば上側又は下側アーム２２，２３の長手方向に対する羽根４の角度を公転に伴い変更させる。
【００４７】
抗力用規制部材６は、図８，９に示すように、各下側アーム２３の先端部に取り付けられた軸支持部材２６に対し固定されている。つまり、軸支持部材２６の軸受部２８には、下側アーム２３の長手方向にほぼ沿うように風車本体１の径方向内方に延びる支持アーム６１の基端が固定されており、抗力用規制部材６はこの支持アーム６１の先端部に取り付けられている。この抗力用規制部材６は、支持アーム６１に固定される収容部６３と、この収容部６３から上方に突出する突出状態（図８，９の実線参照）と収容部６３に収容される待避状態（図８，９の二点鎖線参照）とに切り替わる係止部６２と、を有している。係止部６２が突出状態にあるときには、係止部６２と羽根（図８では二点鎖線で示す羽根であり、図９では実線で示す羽根である）４の下端部とは干渉するようになり、その係止部６２と羽根４との干渉によって、図１０に示すように、風向に対する羽根４の角度は所定の角度に規制される。具体的には、抗力用規制部材６は、上記風車回転軸Ａｗを挟んだ一側（図１０における右側）で、羽根４の抗力の方向が風車Ｗの接線方向に略一致するように、風向に対する羽根４の角度を規制する。そうすることによって、羽根４の抗力によって風車Ｗの回転力が得られるようにする。ここで、上記抗力用規制部材６は、上記風車本体１の径方向に対する羽根４の角度、換言すれば上側又は下側アーム２２，２３の長手方向に対する羽根４の角度を公転に対して一定にする。
【００４８】
一方、係止部６２が待避状態にあるときには、係止部６２と羽根４の下端部とは干渉しないため、羽根４の角度は規制されない。このことにより、羽根４は羽根回転軸Ａｂ回りに自由に（３６０°）回転することが可能になる。これは、後述するように、風車Ｗを風力発電モードから太陽熱発電モードに切り替える際、及び太陽熱発電モードから風力発電モードに切り替える際に行われる。尚、係止部６２は、手動によって突出状態と待避状態とに切り替わってもよいし、例えばソレノイド等によって突出状態と待避状態とに切り替わるようにしてもよい。
【００４９】
上記軸支持部材２６の軸受部２８にはまた、図８，９に示すように、下部回転軸４７のに対し直交する方向に相対する２つの固定ボルト２８ｄ，２８ｄが、それぞれ下部回転軸４７に向かってねじ込まれるように取り付けられており、この２つの固定ボルト２８ｄ，２８ｄがねじ込まれることにより、上記下部回転軸４７の矩形部４７ａがその２つの固定ボルト２８ｄ，２８ｄによって挟持される。尚、図９は、２つの固定ボルトによって矩形部４７ａが挟持されている状態を示す。この状態では、下部回転軸４７が軸受部２８に対して相対的に回転することが規制される。このように下部回転軸４７の回転を規制することは、後述するように、風車Ｗが太陽熱発電モードのときに行われる。つまり、太陽熱発電モードのときには、各羽根４を、その圧力面側を風車本体１の内側にその負圧面側を風車本体１の外側にすると共に、その翼弦方向をヒンジ軸Ａｈの方向と略一致する向きにした状態（図９に二点鎖線で示す状態）で、下部回転軸４７の回転を規制する。
【００５０】
尚、ここでは各固定ボルト２８ｄを手動で締め付けることによって下部回転軸４７の回転を規制するようにしているが、下部回転軸４７の回転を規制する機構はこれに限らず、種々の機構を採用することが可能である。例えば固定ボルト２８ｄの代わりにソレノイド等によって駆動されるピンを設け、そのピンによって下部回転軸４７の矩形部４７ａを挟持する、といった電動制御によって下部回転軸４７の回転を規制する機構を採用してもよい。また、２つの固定ボルト２８ｄ，２８ｄ（又はソレノイド駆動のピン）によって矩形部４７ａを挟持する構成に限らず、下部回転軸４７に径方向に貫通する貫通孔を設けておき、ボルト（又はピン）をその貫通孔内に挿入することによっても、下部回転軸４７の回転を規制することは可能であり、そうした構成を採用してもよい。さらに、下部回転軸４７を回転させるモータ等の駆動源をさらに含むことによって、そのモータによって下部回転軸４７を回転させて各羽根４を所定の向きにした状態にすることも可能である。
【００５１】
上述したように、本風車Ｗは、太陽熱発電モードにおいては、各羽根４を反射板とすることによって太陽熱を集熱する。換言すれば、上記風車Ｗは、太陽熱発電モードにおいては、３つの集熱手段２（図１１参照）を有することになる。
【００５２】
上記各集熱手段２は、上記羽根４と、その羽根４に対応して設けられた吸熱部７とからなる。吸熱部７は、熱搬送媒体を集光された太陽光によって加熱するものであり、羽根４（羽根４は、その圧力面側を風車本体１の内側にその負圧面側を風車本体１の外側にすると共に、その翼弦方向をヒンジ軸Ａｈの方向と略一致する向きにした状態である）に対し、その反射面４４ａに相対すると共に、放物線形状を有する羽根４の長手方向に対してはその焦点に相当する位置で（図２，８参照）かつ、羽根４の翼弦方向に対してはその中央に相当する位置に（図９参照）位置づけられる。つまり、この吸熱部７は、図８，９に示すように、上記軸支持部材２６の軸受部２８に固定された支持パイプ７１に支持されており、この支持パイプ７１は、上記軸受部２８から上記支持アーム６１に沿って風車本体１の内方に延びると共に、上記抗力用規制部材６よりも風車本体１の内側位置で上方に延びて設けられている。尚、上記支持パイプ７１は熱搬送媒体の経路１４（図１１参照）の一部を構成する。
【００５３】
上記軸受部２８はまた、上記羽根回転軸Ａｂと同軸となるように設けられたウォームホイール２９ａとウォーム２９ｂとからなるウォームギヤ２９を有しており、ウォーム２９ｂに取り付けられたハンドル２９ｃを回転操作することによって、軸受部２８は羽根回転軸Ａｂ回りに、ヒンジ部２７に対して相対的に回転する。そうして、軸受部２８が羽根回転軸Ａｂ回りに回転するに伴い、固定ボルト２８ｄによって回転が規制された状態の羽根４と吸熱部７とが共に羽根回転軸Ａｂ回りに回転するようになる。このように、羽根４と吸熱部７とからなる集熱手段２を羽根回転軸Ａｂ回りに回転させたときに、羽根４と吸熱部７との相対的な位置は常に一定であり、吸熱部７は羽根４の焦点の相当する位置に位置する。
【００５４】
図１，２に示すように、上記各上側アーム２２には、その先端部に第１プーリ８１が取り付けられると共に、その基端部に第２プーリ８２が取り付けられている。また、各下側アーム２３には、その基端部に第３プーリ８３が取り付けられていると共に、その中間部にワイヤ８５が巻き付けられたウィンチ８４が取り付けられている。このウィンチ８４は電動駆動であってもよいし、手動駆動であってもよい。そして、このウィンチ８４から下側アーム２３に沿って引き出されたワイヤ８５は、第３プーリ８３によってその引き出し方向が上方に変換されて、二重構造の軸部材２１の内筒２１ａと外筒２１ｂとの間の空間内を上方に向かって配設される。そして、上記ワイヤ８５は、第２プーリ８２によってその引き出し方向が水平方向に変換されて上側アーム２２の先端部に向かって配設される。そうして、ワイヤ８５の先端は上記第１プーリ８１を介して、上記羽根４の上部回転軸４５ａを軸支する軸受部材２４に固定される。上記ウィンチ８４を、ワイヤ８５の繰り出し方向に駆動したときには（尚、このときロック部材２５はアンロック状態である）、羽根回転軸Ａｂが垂直方向に対して傾斜していることにより、羽根４は、その自重によってヒンジ軸Ａｈを中心として回動し、その反射面４４ａが上方を臨むように倒伏する（図２の二点鎖線参照）。一方、上記ウィンチ８４を、ワイヤ８５の巻き取り方向に駆動したときには、羽根４はヒンジ軸Ａｈを中心として回動し、羽根４の長手方向が略垂直方向となるように起立する（図２の実線参照）。このように、このように、各羽根４は、下側アーム２３に設けたウィンチ８４の駆動によって、起立姿勢（図２の実線で示す状態）と倒伏姿勢（図２の二点鎖線で示す状態）との間で、任意にその姿勢（傾倒角度）を変更することができる。
【００５５】
ここで、上記吸熱部７は軸支持部材２６の軸受部２８に対して固定されているため、図２に二点鎖線で示すように、軸支持部材２６のヒンジ部２７がヒンジ軸Ａｈ回りに回動して羽根４が倒伏するに伴い、吸熱部７もヒンジ軸Ａｈ回りに回動する。このように、羽根４と吸熱部７とからなる集熱手段２をヒンジ軸Ａｈ回りに回動させたときに、羽根４と吸熱部７との相対的な位置は常に一定であり、吸熱部７は羽根４の焦点の相当する位置に位置する。
【００５６】
そうして後述するように、羽根４の反射面４４ａで反射した太陽光は、羽根４のヒンジ軸Ａｈ回りの姿勢、及び羽根回転軸Ａｂ回りの向きに拘わらず、常に吸熱部７に集光されるようになる。
【００５７】
（風力発電モード）
次に、上記風車Ｗの、風力発電モードにおける動作について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、風車回転軸Ａｗに沿って風車本体１を上方から見た図であり、図１０では、風車回転軸Ａｗ回りの公転に伴う風向に対する羽根４の角度の変化を、１つの羽根４について示している。尚、図１０において風車Ｗは時計回りに回転し、風向は紙面上側から下側に向かう方向とする。また、同図に示す白丸は羽根回転軸Ａｂを示しており、径方向外方の白丸は、上側アーム２２と羽根回転軸Ａｂとの交点を、径方向内方の白丸は下側アーム２３と羽根回転軸Ａｂとの交点をそれぞれ示す。
【００５８】
風力発電モードにおいては、各羽根４は起立姿勢にされると共に、各羽根４の向きは、その圧力面側が風車本体１の外方に、その負圧面側が風車本体１の内方となるようにされる。また、抗力用規制部材６の係止部６２は突出状態にされる。これにより、各羽根４は、羽根回転軸Ａｂ回りに、抗力用規制部材６に干渉する角度（図１０のＲ１参照）から、揚力用規制部材（第１の規制部材５１）と係合する角度（図１０のＲ６参照）まで回転することが可能にされている。
【００５９】
上述したように、案内部材３２は、風向に応じて風車回転軸Ａｗ回りに回転することによって、ガイドレール３１は、図１０に示すように、風向に対し風車回転軸Ａｗを挟んだ左側における風上側に位置する。
【００６０】
一方、羽根回転軸Ａｂは、上述したように、羽根４に対し、その翼弦方向の中央位置に対して前縁側にずれて設定されているため、羽根４は、風力によってその前縁が風上側に、その後縁が風下側になるように付勢される。
【００６１】
ここで、図１０においてＲ１で示す公転角度位置においては、風力によって付勢される羽根４は抗力用規制部材６（係止部６２）と干渉することになり、それによって、羽根４は、その翼弦方向が風車本体１の径方向にほぼ一致する向きとなる（図８では二点鎖線で示し、図９では実線で示す羽根の状態）。この状態では、羽根４の抗力の方向（図１０の矢印Ｄ参照）が風車本体１の接線方向に略一致する。そうして、羽根４の抗力が風車Ｗの回転力となり、羽根４はＲ１の公転角度位置からＲ４の公転角度位置へと移動する。尚、この移動の間、羽根４と風車本体１の径方向との成す角度は、抗力用規制部材６によって一定にされる。
【００６２】
次に、Ｒ４の公転角度位置からＲ５の公転角度位置に羽根４が移動する間に、その前縁が風上側に、その後縁が風下側になるように、羽根４は風力によって図１０における時計回りに自転する。そして、Ｒ６の公転角度位置において揚力用規制部材（第１の規制部材５１）と羽根４の係合部材４５ｂとが互いに係合し（図６，７の一点鎖線で示す羽根の状態）、羽根４は風向に対して所定の角度を有する向きとなる。これにより、羽根４の揚力の方向（図１０の矢印Ｌ１参照）が風車本体１の接線方向に略一致し、羽根４の揚力が風車Ｗの回転力となる。そうして、羽根４はＲ６の公転角度位置からＲ９の公転角度位置へと移動する。尚、この移動の間、羽根４と風車本体１の径方向との成す角度は、第１の規制部材５１によって一定にされる。
【００６３】
Ｒ９の公転角度位置においては、風向に対する羽根４の角度が略０°となるため、風車Ｗの回転力はほとんど得られないものの、風車Ｗの回転に対する抵抗もほとんどない。
【００６４】
そして、Ｒ１０の公転角度位置からＲ１１の角度位置に羽根４が移動する間に、羽根４の後縁近傍に設けられたガイドローラ４５ｃがガイドレール３１のガイド面３１ａ上を転動するようになり（図６，７の二点鎖線で示す羽根の状態）、羽根４は自転しながら公転する。これにより、羽根４の揚力の方向（図１０の矢印Ｌ２参照）が風車本体１の接線方向に略一致し、羽根４の揚力が風車Ｗの回転力となる。そうして、羽根４はＲ１１の公転角度位置からＲ１２の公転角度位置へと移動する。尚、この移動の間、羽根４と風車本体１の径方向との成す角度は変化する。
【００６５】
Ｒ１２の公転角度位置からＲ１の公転角度位置に羽根４が移動する間に、ガイドローラ４５ｃがガイドレール３１から外れ、上記風力によって付勢される羽根４は、再び抗力用規制部材６と干渉する。このようにして羽根４は公転を繰り返し、その公転によって上記軸部材２１が風車回転軸Ａｗ回りに回転する。
【００６６】
従って、本実施形態に係る風車Ｗは、風車回転軸Ａｗを挟んだ一側（図１０では右側）においては、羽根４の抗力により風車Ｗの回転力が得られ、その他側（図１０では左側）においては、羽根４の揚力により風車Ｗの回転力が得られる。このことにより、風車Ｗの回転力を減少させることがなくなり、エネルギ変換効率が向上する。
【００６７】
つまり、従来の抗力型風車では、風向に対して風車回転軸を挟んだ一側では、羽根の抗力によって風車本体１の回転力が得られるものの、風車回転軸を挟んだ他側では、羽根の抗力が風車本体１の回転力にならない上に、風車本体１の回転力を減少させることになり、エネルギ変換効率が低下していた。
【００６８】
これに対し、上記風車Ｗは、従来の抗力型風車において風車本体１の回転力を減少させていた側、つまり図１０における左側においても回転力が得られることになるのである。
【００６９】
特に第１の規制部材５１と、ガイドレール３１（第２の規制部材）とを備えることによって、風車回転軸Ａｗを挟んだ他側において、その風上側と風下側とのそれぞれにおいて、羽根４の揚力を風車Ｗの回転力とすることができる。その結果、エネルギ変換効率をさらに向上させることができる。
【００７０】
また、各羽根４は、その横断面形状が円弧翼型であることにより羽根４の揚力が大きくなるため、風車Ｗのトルク向上が図られる。
【００７１】
さらに、上記風車Ｗでは、羽根回転軸Ａｂを羽根４の翼弦方向中央に対してずらして設定すると共に、羽根４の公転に伴う、その羽根４の風向に対する角度の制御を、抗力用規制部材６及び揚力用規制部材（第１の規制部材５１及びガイドレール３１）によって行うため、羽根４の角度制御が自動的に行われることになる。そのため、羽根４の角度制御のためのエネルギが不要である。
【００７２】
加えて、上記案内部材３２が風向に対し所定の位置に移動することにより、風向が変化したときにも、その変化に対応して、羽根４の抗力が風車Ｗの回転力となる側と、羽根４の揚力が風車Ｗの回転力となる側とが、それぞれ設定される。つまり、風車Ｗが風向に対し無指向性となる結果、風車Ｗの稼働率が高まる。ここで、上記案内部材３２は、その尾翼３５によって風向に対し自動的に所定の位置に移動するため、風向を検出してガイドレールを移動させるといった、電気的な制御は不要である。
【００７３】
（太陽熱発電モード）
次に、上記風車Ｗの、太陽熱発電モードにおける動作について説明する。太陽熱発電モードにおいては、上記風車Ｗは太陽熱を集熱する集熱装置として機能する。
【００７４】
太陽熱発電モードにおいては、各羽根４は、その圧力面側が風車本体１の内方に、その負圧面側が風車本体１の外方にされかつ、その翼弦方向がヒンジ軸Ａｈの方向と略一致する向きにされる。ここで、上述した風力発電モードから太陽熱発電モードへの移行の際には、抗力用規制部材６の係止部６２を待避状態とすることによって、風力発電モードにおいては圧力面側が風車本体１の外方に、その負圧面側が風車本体１の内方にされていた各羽根４を、羽根回転軸Ａｂ回りに回転（自転）させて、圧力面側を風車本体１の内方に、負圧面側を風車本体１の外方にすることが可能になる。
【００７５】
その状態において、２つの固定ボルト２８ｄ，２８ｄをねじ込むことによって、下部回転軸４７の回転を規制する。これによって、吸熱部７は、羽根４の反射面４４ａに相対して、その焦点に相当する位置に位置づけられる。
【００７６】
そして、上記各羽根４の向きを、太陽光の照射方向に応じて調整する。つまり、方角に対する各羽根４の向きの調整は、風車回転軸Ａｗ回りに風車Ｗを回転させて３つの羽根４の位置を調整することと、軸支持部材２６に設けられたハンドル２９ｃを操作して、その軸受部２８を羽根回転軸Ａｂ回りに回転させて、各羽根４の反射面の向きを調整することと、によって行う。また、仰角に対する各羽根４の向き（姿勢）の調整は、各下側アーム２３に設けたウィンチ８４を駆動することによって、各羽根４の傾斜角度を調整することによって行う（図２参照）。そうして各羽根４の反射面４４ａが太陽を臨むように、各羽根４の姿勢及び向きを調整し、各吸熱部７に太陽光を集光する。それにより、各吸熱部７において熱搬送媒体が加熱されることになる。
【００７７】
このように、羽根４と吸熱部７とからなる集熱手段２は、風車回転軸Ａｗ、羽根回転軸Ａｂ、及びヒンジ軸Ａｈの３つの軸によってその位置を変えることが可能になり、反射面４４ａを太陽の照射方向に向ける自由度が高まり、太陽熱の集熱効率が向上する。
【００７８】
尚、上記風車Ｗ、ウォームギヤ２９及びウィンチ８４をそれぞれ電動駆動に構成して、それらを太陽追尾システムによって制御するようにすることによって、太陽の照射方向に応じて各羽根４の向きを自動的に調整することも可能である。
【００７９】
以上説明したように、本実施形態に係る風車Ｗは、風力発電システムの風車として機能させることと、太陽熱発電システムの集熱装置として機能させることとが、切り替え可能であるため、自然エネルギを利用した発電システムの稼働率を高めることができる。
【００８０】
また、上記風車Ｗのみを設置すればよいため、例えば風力発電システムの風車と、太陽熱発電システムの集熱装置との双方を設置する場合に比べて設置面積が小さくなり、設置効率の向上が図られる。
【００８１】
（発電システムの構成）
次に、上記風車Ｗを含む発電システムの構成例について、図１１を参照しながら説明する。
【００８２】
上述したように、上記風車Ｗは、風力発電モードにおいて回転する軸部材２１と、太陽熱発電モードにおいて太陽熱を集熱する３つの集熱手段２と、を備えており、上記軸部材２１は、切替機構１１を介して発電機１２に連結される。また、上記各集熱手段２は、媒体経路１４（上記支持パイプ７１を含む）を介して熱・動力変換手段１３に接続される。この熱・動力変換手段１３は、吸熱部７において加熱される熱搬送媒体が搬送する熱エネルギを、機械動力に変換する手段であり、例えばスターリングエンジンや蒸気タービン等の、公知の、種々の構成を採用することが可能である。この熱・動力変換手段１３の出力軸１３ａも上記切替機構１１を介して発電機１２に連結される。
【００８３】
上記切替機構１１は、上記風車Ｗ（軸部材２１）及び熱・動力変換手段１３（出力軸１３ａ）を選択的に上記発電機１２に連結させるものであり、この発電機１２は、切替機構１１の切替に応じて上記風車Ｗ、又は熱・動力変換手段１３によって駆動されるようになっている。つまり、風力発電モードにおいては、上記発電機１２が軸部材２１の回転によって駆動され、太陽熱発電モードにおいては、上記発電機１２が熱・動力変換手段１３によって駆動されることになる。
【００８４】
このように、本発電システムは、風力及び太陽熱の双方のエネルギを電気エネルギに変換することが可能になり、稼働率を向上させることができる。
【００８５】
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【００８６】
すなわち、上記実施形態では、風車本体１が備える羽根４を３枚としたが、羽根４の枚数はこれに限られず、１枚であってもよく、任意に設定することが可能である。
【００８７】
また、上記各羽根４は、その横断面形状が円弧翼型であったが、羽根の横断面形状はこれに限らず、適宜設定することが可能である。
【００８８】
さらに、上記実施形態では、羽根４の角度を規制する手段として、羽根４や、羽根４に設けた部材４５ｂ、４５ｃと係合する部材（第１の規制部材５１，ガイドレール３１、係止部６２）を設けたが、羽根４の角度を規制する手段はこれに限らず、例えば羽根４の回転軸４５ａ、４７に係合する部材としてもよい。また、上記実施形態とは異なり、各羽根４の角度をその公転角度位置に応じて逐次変更するようにしてもよい。
【００８９】
さらに、上記実施形態では、抗力用規制部材６の係止部６２を待避可能にしているが、これに代えて揚力用規制部材である第１の規制部材５１を待避可能にしてもよいし、係止部６２及び第１の規制部材５１をそれぞれ待避可能にしてもよい。
【００９０】
さらに、上記実施形態では、各羽根４の姿勢（傾倒角度）の調整を、ワイヤ８５及びウィンチ８４によって行っているが、各羽根４の姿勢を調整する構成はこれに限るものではない。
【００９１】
さらに、上記実施形態における発電システムでは、風力発電モードと太陽熱発電モードとに切り替え可能となっているが、太陽熱発電モードに切り替え可能でなくてもよい。つまり、吸熱部７やウィンチ８４、ワイヤ８５等は省略可能である。その場合、発電システムとしては、軸部材２１を直接的に発電機１２に連結すればよい。
【００９２】
加えて、上記実施形態における発電システムは一例であり、本風車Ｗを含む発電システムは種々の形態を採用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
以上説明したように、本発明は、風力エネルギを利用した発電システムに有用であり、特にそのエネルギ変換効率を高める上で有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本実施形態に係る風車の全体を示す概略斜視図である。
【図２】図１の矢印Ａ方向に見た、一部破断の矢視図である。
【図３】羽根の斜視図である。
【図４】羽根の縦断面図である。
【図５】羽根の正面図である。
【図６】羽根と上側アームとの支持部分を拡大して示す一部破断の正面説明図である。
【図７】羽根と上側アームとの支持部分を拡大して示す平面説明図である。
【図８】羽根と下側アームとの支持部分を拡大して示す正面説明図である。
【図９】羽根と下側アームとの支持部分を拡大して示す一部破断の側面説明図である
【図１０】羽根の公転に伴う羽根の自転の様子を示す平面
【図１１】風車を備えた発電システムの構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９５】
１ 風車本体
４ 羽根
６ 抗力用規制部材
２１ 軸部材（支持部材）
２２ 上側アーム（支持部材）
２３ 下側アーム（支持部材）
３１ ガイドレール（揚力用規制部材、第２の規制部材、角度制御手段）
３２ 案内部材
３５ 尾翼（移動手段）
５１ 第１の規制部材（揚力用規制部材、角度制御手段）
Ａｂ 羽根回転軸
Ａｗ 風車回転軸
Ｗ 風車
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの羽根と、
垂直方向に延びる風車回転軸回りに回転可能な軸部材を有すると共に、上記羽根を、上記軸部材の回転と同期して上記風車回転軸を中心に公転可能に支持する支持部材と、を含む風車本体を備え、
上記羽根は、略垂直方向に延びる羽根回転軸回りに自転可能に上記支持部材に支持されており、
上記風車本体は、上記羽根の公転に伴い該羽根の風向に対する角度を所定の角度に制御する角度制御手段をさらに含み、
上記角度制御手段は、風向に対して上記風車回転軸を挟んだ一側では、上記羽根の角度を、それに発生する抗力が風車本体の回転力となる角度にする一方、上記風車回転軸を挟んだ他側では、上記羽根の角度を、それに発生する揚力が風車本体の回転力となる角度にする垂直軸風車。
【請求項２】
請求項１に記載の垂直軸風車において、
上記羽根は、その横断面が翼型であり、該羽根の羽根回転軸は、その翼弦方向の中心に対して前縁側にずれて設定されており、上記羽根は、その前縁が風上側となるように風力によって付勢され、
上記角度制御手段は、
風向に対して上記風車回転軸を挟んだ一側において上記風力によって付勢される羽根と係合することにより、上記羽根の角度を、それに発生する抗力が風車本体の回転力となる角度に規制する抗力用規制部材と、
上記風車回転軸を挟んだ他側において上記風力によって付勢される羽根と係合することにより、上記羽根の角度を、それに発生する揚力が風車本体の回転力となる角度に規制する揚力用規制部材と、を含む垂直軸風車。
【請求項３】
請求項２に記載の垂直軸風車において、
上記揚力用規制部材は、
上記風車回転軸を挟んだ他側における風下側で、上記風車本体の径方向に対する羽根の角度を公転に対して一定にする第１の規制部材と、
上記風車回転軸を挟んだ他側における風上側で、上記風車本体の径方向に対する羽根の角度を公転に伴い変更させる第２の規制部材と、を含む垂直軸風車。
【請求項４】
請求項３に記載の垂直軸風車において、
上記第２の規制部材は、上記羽根と係合することによって該羽根を公転に伴い自転させるガイドレールであり、
上記ガイドレールは、上記風車回転軸回りに回動可能に設けられており、
上記風車本体は、上記ガイドレールを、風向に応じて上記風車回転軸を挟んだ他側における風上側の所定位置に位置づける移動手段をさらに含む垂直軸風車。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の垂直軸風車と、
上記軸部材に連結されかつ、該軸部材の回転によって駆動される発電機とを備えた発電システム。
【請求項１】
少なくとも１つの羽根と、
垂直方向に延びる風車回転軸回りに回転可能な軸部材を有すると共に、上記羽根を、上記軸部材の回転と同期して上記風車回転軸を中心に公転可能に支持する支持部材と、を含む風車本体を備え、
上記羽根は、略垂直方向に延びる羽根回転軸回りに自転可能に上記支持部材に支持されており、
上記風車本体は、上記羽根の公転に伴い該羽根の風向に対する角度を所定の角度に制御する角度制御手段をさらに含み、
上記角度制御手段は、風向に対して上記風車回転軸を挟んだ一側では、上記羽根の角度を、それに発生する抗力が風車本体の回転力となる角度にする一方、上記風車回転軸を挟んだ他側では、上記羽根の角度を、それに発生する揚力が風車本体の回転力となる角度にする垂直軸風車。
【請求項２】
請求項１に記載の垂直軸風車において、
上記羽根は、その横断面が翼型であり、該羽根の羽根回転軸は、その翼弦方向の中心に対して前縁側にずれて設定されており、上記羽根は、その前縁が風上側となるように風力によって付勢され、
上記角度制御手段は、
風向に対して上記風車回転軸を挟んだ一側において上記風力によって付勢される羽根と係合することにより、上記羽根の角度を、それに発生する抗力が風車本体の回転力となる角度に規制する抗力用規制部材と、
上記風車回転軸を挟んだ他側において上記風力によって付勢される羽根と係合することにより、上記羽根の角度を、それに発生する揚力が風車本体の回転力となる角度に規制する揚力用規制部材と、を含む垂直軸風車。
【請求項３】
請求項２に記載の垂直軸風車において、
上記揚力用規制部材は、
上記風車回転軸を挟んだ他側における風下側で、上記風車本体の径方向に対する羽根の角度を公転に対して一定にする第１の規制部材と、
上記風車回転軸を挟んだ他側における風上側で、上記風車本体の径方向に対する羽根の角度を公転に伴い変更させる第２の規制部材と、を含む垂直軸風車。
【請求項４】
請求項３に記載の垂直軸風車において、
上記第２の規制部材は、上記羽根と係合することによって該羽根を公転に伴い自転させるガイドレールであり、
上記ガイドレールは、上記風車回転軸回りに回動可能に設けられており、
上記風車本体は、上記ガイドレールを、風向に応じて上記風車回転軸を挟んだ他側における風上側の所定位置に位置づける移動手段をさらに含む垂直軸風車。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の垂直軸風車と、
上記軸部材に連結されかつ、該軸部材の回転によって駆動される発電機とを備えた発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−２７４９６５（Ｐ２００６−２７４９６５Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９７４３９（Ｐ２００５−９７４３９）
【出願日】平成１７年３月３０日（２００５．３．３０）
【出願人】（５０５１１７０５４）白浜町 (3)
【出願人】（０００２０４１９２）太陽工業株式会社 (174)
【出願人】（３９００３６５１５）株式会社鴻池組 (41)
【出願人】（５０５１１５７０６）高田機工株式会社 (7)
【出願人】（５０５１１７３３１）
【出願人】（５０５１１５６７０）
【出願人】（５０５１１７１０２）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３０日（２００５．３．３０）
【出願人】（５０５１１７０５４）白浜町 (3)
【出願人】（０００２０４１９２）太陽工業株式会社 (174)
【出願人】（３９００３６５１５）株式会社鴻池組 (41)
【出願人】（５０５１１５７０６）高田機工株式会社 (7)
【出願人】（５０５１１７３３１）
【出願人】（５０５１１５６７０）
【出願人】（５０５１１７１０２）
【Ｆターム（参考）】
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