風力発電用風車および風力発電装置
【課題】家屋の屋根等の上で常時回転する小型の風力発電用風車を提供する。
【解決手段】正方向に回転する回転台５と、回転台５に立てられた帆柱６と、帆柱６によって回転台５の上方に固定される第１固定点３１と、回転台５の外周部に固定される第２固定点３２と、前記回転台５に対して移動可能な自由点３３とによって張られる三角形の帆８と、自由点３３の移動範囲を制限する制限手段９とを有し、帆８が風を受けると、帆８の三角形の第２固定点３２に対向する自由辺３４は弧を描く。
【解決手段】正方向に回転する回転台５と、回転台５に立てられた帆柱６と、帆柱６によって回転台５の上方に固定される第１固定点３１と、回転台５の外周部に固定される第２固定点３２と、前記回転台５に対して移動可能な自由点３３とによって張られる三角形の帆８と、自由点３３の移動範囲を制限する制限手段９とを有し、帆８が風を受けると、帆８の三角形の第２固定点３２に対向する自由辺３４は弧を描く。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関し、特に、風力発電用風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、主力となっている風力発電装置は大型であり、この大型風力発電装置では、１００メートルもの高さの塔の上に、水平回転軸を持つ３枚翼の風車と、この風車に回転速度を高める歯車を介して連結した可変速同期発電機とが載せられている。（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】A.E.Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr.Stephen D.Umans, “ELECTRIC MACHINERY”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような、大型風力発電装置は、海外の広大な土地に何百機もまとめて設置することにより、数百ＭＷの大電力を供給できるだけでなく、建設単価を低くでき、高い塔上での歯車や可変速同期発電機のブラシなどの点検・保守管理などの維持費も低く抑えることができるので、低価格で電力を供給でき、高い経済競争力を獲得することができている。
【０００４】
しかしながら、日本では、大型風力発電装置を設置できる場所が、資材や大型建設機械の持ち込みが困難な狭い土地に限られ、数機ずつしか設置できず、建設単価と維持費が高くなりやすいので、経済競争力が得られにくい。
【０００５】
また、暴風時には、大型風力発電装置の塔と風車に大きな水平応力が作用するため壊れやすいと考えられる。さらに、風車の翼端は、塔の高さに加えて翼の長さ分だけ高所を通過するため、落雷によって破損しやすいと考えられる。また、風車の回転数が低くても翼の長さが長いので翼端の速度が大きくなり、大きな風切音が発生すると考えられる。
【０００６】
そこで、塔が不要な小型の風力発電装置が必要であると考えられる。小型化可能であれば、密集している家屋の屋根等に場所を選ばす無数に配置でき、建設単価と維持費を抑えることができる。また、小型化することで高さが低くできるので、落雷を避けることができ、暴風時にも大きな水平応力が作用せず壊れにくい。しかし、小型化すると翼の長さは短くなるが、翼の重量が軽くなり翼の回転速度が増し、風切音が発生しやすいと考えられる。風切音を小さくして静かにするには、回転速度を低速にすればよいが、発電量が低下してしまう。また、風力発電装置の小型化によっても発電量は低下してしまう。
【０００７】
そこで、発電量を多くするために、風力発電装置の台数を増やすことはもちろん、風車が常時回転し常時発電できるように、弱風や風の吹く方向の定まらない乱流でも、風を捉えて回転できることが必要であると考えられる。
【０００８】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、家屋の屋根等の上で常時回転する小型の風力発電用風車および風力発電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】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明では、正方向に回転する回転台と、前記回転台に立てられた帆柱と、前記帆柱によって前記回転台の上方に固定される第１固定点と、前記回転台の外周部に固定される第２固定点と、前記回転台に対して移動可能な自由点とによって張られる三角形の帆と、前記自由点の移動範囲を制限する制限手段とを有し、前記帆が風を受けると、前記帆の前記三角形の前記第２固定点に対向する自由辺は弧を描く風力発電風車であることを特徴とする。
【００１０】
この特徴によれば、帆は風を受けると、帆の前記自由辺は弧を描き、帆は風を捉えてはらみ、弱風も逃さないので、風力発電用風車は微風でも回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、帆の前記自由辺は弧を描き、帆は風を捉えてはらんでいるので、風向きに対して広角度に風を捉えることができ、風力発電用風車は止まることなく回転することができる。
【００１１】
前記帆は、風を受けてジャイブすることが好ましい。このことによれば、前記帆は、両面で交互に風を受けることができ、風向きに対して、より広角度に風を捉えることができる。また、前記回転台の回転に伴って、前記帆が回転し、前記帆の風向きに対する相対的な向きは変化するが、この相対的な向きの変化幅に対しても、広範囲にわたり、風を捉えることができる。
【００１２】
前記自由点は、前記制限手段によって、前記第２固定点より前記回転台上の前記正方向の位置に移動しないことが好ましい。このことによれば、前記帆が受けた風力を、効率的に前記回転台を回す力として利用することができる。
【００１３】
前記正方向の回転に伴い前記第２固定点が風下方向に移動するとき、前記帆は風を捉えることが好ましく、前記正方向の回転に伴い前記第２固定点が風上方向に移動するとき、前記帆は前記風を捉えるかまたは前記風になびくことが好ましい。このことによっても、前記帆が受けた風力を、効率的に前記回転台を回す力として利用することができる。
【００１４】
前記制限手段は、前記自由点に一端が固定され、他端が前記第２固定点の固定された前記外周部から前記正方向とは反対方向の前記外周部に一端が固定されたロープであり、前記ロープの前記一端の届く範囲によって前記移動範囲が制限されることが好ましい。このようなロープであれば、簡単な構造で、前記制限手段を構成することができる。
【００１５】
前記風力発電用風車は、固定端に前記第２固定点が固定され、自由端に前記自由点が固定され、前記第２固定点のまわりに回動自在である腕を有することが好ましい。このことによれば、前記第２固定点と前記自由点の間の、前記帆の一辺の長さを、風を受けても、縮まらないようにすることができるので、前記帆は、風を受ける面積を小さくすることなく大きいまま維持することができる。
【００１６】
前記帆は、前記三角形の辺を軸に巻かれることが好ましい。ヨットに用いられる帆は、軽量、柔軟かつ丈夫な布であり、この帆を風力発電用風車にも用いることができる。この帆は、容易に帆柱等に巻くことができ、暴風時に巻けば、帆は風を捉えないか捉える風量を減らせるので風力発電用風車に作用する水平応力を小さくできる。そして、暴風でも風力発電用風車が壊れることない。
【００１７】
前記風力発電用風車の回転によって発電した電圧の、設定された基準電圧に対する大小関係に応じて、前記帆を巻くことが好ましい。強風では、前記風力発電用風車が速く回転するので、前記風力発電用風車の回転によって発電される電圧は高くなる。したがって、発電される電圧をモニタすれば、現在吹いている風が強風か否か判定することができる。風が強風であると判定した場合には、前記帆を巻けば、風力発電用風車の回転速度を低速で静かに常時回すことができる。
【００１８】
前記帆柱が、前記回転台の回転軸の延長上に立っていることが好ましい。このことによれば、前記帆柱は、１本で良い。また、前記帆は、１枚以上用いることができ、好ましくは３枚以上用いることができる。前記帆を複数枚用いることにより、前記回転台の回転に伴って、それぞれの前記帆が回転し、前記帆の風向きに対する相対的な向きは変化し、いままで風を捉えていた帆が、風を捉えられなくなっても、いままで風を捉えていなかった別の帆が、風を捉えることができるので、風力発電用風車は止まることなく回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、いままで風を捉えていなかった別の帆が、風を捉えるので、風力発電用風車は止まることなく回転することができる。
【００１９】
前記腕は、前記固定端が前記帆柱に取り付けられ、前記帆柱のまわりに回動自在であり、前記帆柱が、前記第２固定点の近傍に立っていることが好ましい。このことによれば、前記帆柱は、前記回転台の外周部に配置でき、少なくとも２本以上で好ましくは３本以上用いることができる。また、前記帆は、前記帆柱毎に１枚ずつ用いることができる。前記帆は複数枚用いることになるので、前記回転台の回転に伴って、それぞれの前記帆が回転し、前記帆の風向きに対する相対的な向きは変化し、いままで風を捉えていた帆が、風を捉えられなくなっても、いままで風を捉えていなかった別の帆が、風を捉えることができるので、風力発電用風車は止まることなく回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、いままで風を捉えていなかった別の帆が、風を捉えるので、風力発電用風車は止まることなく回転することができる。
【００２０】
そして、風力発電装置は、以上のような特徴を有する風力発電用風車と、前記回転台の回転によりシャフトを回転させて発電する発電機とを有する。
【発明の効果】
【００２１】
このような風力発電用風車および風力発電装置によれば、家屋の屋根等の上で常時回転する小型の風力発電用風車および風力発電装置を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１に示すように、第１の実施形態に係る風力発電装置１は、風力発電用風車４と、風力発電用風車４の回転によりシャフト３を回転させて発電する発電機２とを有している。
【００２４】
風力発電用風車４は、シャフト３を回転軸として一体に回転する回転台５と、この回転台５の外周部に３本立てられた帆柱６と、この帆柱６によって前記回転台５の上方に固定される第１固定点３１と、前記回転台５の外周部に固定される第２固定点３２と、前記回転台５に対して移動可能な自由点３３とによって張られる三角形の帆８と、前記自由点３３の移動範囲を制限する制限手段９とを有している。帆柱６は、帆８の第２固定点３２の近傍に立てられることになる。そして、前記帆８が風を受けると、前記帆８の前記三角形の前記第２固定点３２に対向する自由辺３４は弧を描き、前記帆８は風をはらむことができる。帆柱６は、少なくとも２本で３本以上が好ましい。帆８は、帆柱６毎に１枚ずつ用いられる。帆８を複数枚用いることになるので、回転台５の回転に伴って、それぞれの帆８が回転し、帆８の風向きに対する相対的な向きが変化し、いままで風を捉えていた帆８が、風を捉えられなくなっても、いままで風を捉えていなかった別の帆８が、風を捉えることができるので、風力発電用風車４は止まることなく回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、いままで風を捉えていなかった別の帆８が、風を捉えるので、風力発電用風車４は止まることなく回転することができる。
【００２５】
また、風力発電用風車４は、固定端に前記第２固定点３２が固定され、自由端に前記自由点３３が固定され、前記第２固定点３２のまわりに回動自在である腕７を、前記帆柱６毎に有している。前記腕７は、固定端が前記帆柱６のそれぞれに取り付けられ、前記帆柱６のまわりに回動自在である。前記帆柱６は、前記第２固定点３２の近傍に立っている。帆８は、前記帆柱６と前記腕７とに張られ、制限手段９は、前記腕７の回動自在の回動角度の範囲を制限している。腕７を用いることで、帆８の第２固定点３２と自由点３３の間の帆８の一辺の長さを、風を受けても、縮まらないようにすることができるので、帆８は風を受ける面積を小さくすることなく大きいまま維持することができる。
【００２６】
図２に示すように、回転台５は、垂直軸１０を回転軸に回転可能になっている。帆柱６は、回転台５の外周部に立てられている。それぞれの帆柱６と垂直軸１０とを結んだ複数の直線がなす角度が均一になるように、帆柱６は配置されている。図２に示すように帆柱６が３本であれば、１２０°間隔で配置される。帆８は風を受けると、帆８の自由辺３４は弧を描き、帆８は風を捉えてはらみ、弱風も逃さないので、風力発電用風車４は微風でも回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、帆８の自由辺３４は弧を描き、帆８は風を捉えてはらんでいるので、風向きに対して広角度に風を捉えることができ、風力発電用風車４は止まることなく回転することができる。
【００２７】
前記制限手段９には、ロープを用いることができる。ロープは、前記自由点３３に一端が固定され、他端が前記第２固定点３２の固定された前記回転台５の外周部から時計回りの方向の外周部に固定されている。このロープの前記一端の届く範囲によって前記自由点３３の移動範囲１１が制限されている。具体的には、ロープは、前記回転台５の前記帆柱６の立てられた位置から時計回りの方向の地点に一端が固定され、他端が腕７の固定端から離れた地点の腕７に固定されている。できるだけ離れている方がロープに掛かる張力が小さくなるので、図２に示すように、ロープは腕７の固定端の反対側の自由端に接続することが好ましい。ロープは、繰り返し、曲がったり、ピンと張ったりすることができる。ロープが曲がればロープの両端間の距離は短くなり、張ればロープはそれ以上伸びずロープの両端間の距離は一定に保たれる。このことにより、腕７は帆柱６の回りを回動自在であるが、ロープによって、ロープの前記他端の届く範囲に限られ、腕７の回転できる回動角度が移動範囲１１に制限されている。移動範囲１１は、帆柱６を回転軸とするほぼ半回転分にしている。
【００２８】
なお、図２では、全てのロープの一端は、前記回転台５のそれぞれ対応する前記帆柱６の立てられた位置から時計回りの方向の地点に固定したが、この方向に固定すれば、風力発電用風車４が風を受けると、回転台５は、反時計回りの方向に回転する。全てのロープの一端を、前記回転台５のそれぞれ対応する前記帆柱６の立てられた位置から反時計回りの方向の地点に固定してもよく、この方向に固定すれば、風力発電用風車４が風を受けると、回転台５は、時計回りの方向に回転する。
【００２９】
図３（ａ）と（ｂ）に示すように、腕７は、腕保持部１２によって、帆柱６のまわりを回動自在に保持されている。腕保持部１２としては、具体的には、回転ベアリングを用いることができる。帆８は三角形をしており、一辺は、帆柱６に固定されている。その固定された一辺に対向する自由点３３には帆牽引索１５が取り付けられている。帆牽引索１５は、腕７の先端に取り付けられた滑車１６に引き回されて、腕７の下に配置された帆展開機構部１４に接続している。帆柱６の根元には、帆巻き機構部１３が、配置されている。
【００３０】
図４（ａ）と（ｂ）に示すように、帆巻き機構部１３は、帆柱６を回転させて帆柱６の外周に帆８を巻くことができる。帆８は、帆８の三角形の一辺を軸に巻かれる。帆８が帆柱６の外周に巻かれると、帆牽引索１５は、帆８を牽引しながら、帆展開機構部１４から引き出される。このことにより、帆８は、巻かれながらもピンと張られた状態を維持できる。また、帆展開機構部１４は、巻かれた前記帆８の反対側の端から前記帆８を引き出して展開することにより、帆８を帆柱６と腕７とに張ることができる。帆８が帆柱６から引き出されると、帆巻き機構部１３は、帆８に張りを持たせながら巻き戻す。
【００３１】
図５に示すように、風力発電用風車４は、さらに、風力発電用風車４の回転によって発電した出力電圧を検出する出力電圧検出部２１と、出力電圧判定部２４と、巻き・展開指示部２６とを有している。
【００３２】
出力電圧判定部２４は、検出された出力電圧を表す信号を入力し、所定の基準電圧との大小関係を判定する。出力電圧が基準電圧以上であれば、巻き・展開指示部２６に巻き指示が出力される。巻き・展開指示部２６は、巻き指示を受信すると、帆巻き機構部１３、さらには、帆展開機構部１４に、帆８をピンと張ったまま帆８を帆柱６に巻くような制御信号を出力する。一方、出力電圧が基準電圧未満であれば、巻き・展開指示部２６に展開指示が出力される。巻き・展開指示部２６は、展開指示を受信すると、帆展開機構部１４、さらには、帆巻き機構部１３に、帆８をピンと張ったまま帆８を帆柱６から引き戻して展開するような制御信号を出力する。回転台５の回転により発電した電力の出力電圧は、回転台５の回転速度と相関関係があると考えられるので、回転台５の回転速度に応じて、帆８を帆柱６に巻いたり、巻かれた帆８を帆柱６から展開したりすることができることになる。回転速度に合わせて帆８を帆柱６に巻き込むことにより、帆８の有効面積が調節できるので広い風速領域での低速回転での運転が可能である。
【００３３】
例えば、微風であれば、この微風を捉えるために大きく帆８を張って低速回転可能にし、強風であれば、帆８を小さく張って低速回転可能にする。さらに、暴風時には、帆８を完全に帆柱６に巻き込み、風力発電用風車４の損傷を防ぐことができる。また、帆８が帆柱６に巻かれているので、暴風時には、帆柱６と帆８を取り除くことも容易にできる。なお、回転台５の回転速度としては、毎分１回転から２回転する程度でよく、風切音が発生しない範囲で基準回転速度を設定することで、回転速度が基準回転速度になるように、帆８の有効面積を調節することができる。風がはらんだ帆８は美しいものであるが、この美しい帆を静かに優雅に低速回転させて、弱風でも風力発電ができるようになる。帆の有効面積を制御して強風でも発電できるようになる。また、回転速度が増加すれば帆を巻き、回転速度が減少すれば帆を展開することにより、回転速度を低速のまま一定にすることができる。
【００３４】
次に、風力発電用風車４が、風を受けて回転する機構を説明する。
【００３５】
図６に示すように、風が方向３１ａのみから吹いているとする。回転台５の回転中心となる垂直軸１０から、風上方向に引いた直線を風基線２７とする。風基線２７を基準として垂直軸１０の回りの反時計回りの方向を正（＋）方向とする。帆柱６１と垂直軸１０とを結んだ直線が風基線２７となす帆柱角θ１が、０°以上１８０°以下の範囲内にある場合を考える。帆８１の自由点３３は、制限手段９１ａによって、第２固定点３２より回転台５上の正方向の位置に移動できなくなっている。帆８１は風になびき風下方向を向こうとするが、帆８１を張った腕７１ａが、制限手段９１ａに引かれて風下方向を向けないので、帆８１は風下方向を向けず風をはらんで風を捉える。このように、帆８１の第２固定点３２が風下方向に移動するとき、帆８１は風を捉え、帆８１の三角形の第２固定点３２に対向する自由辺３４は弧を描く。
【００３６】
帆柱６１と垂直軸１０とを結んだ直線が腕７１ａとなす帆角θ１１は、略０°になり、腕７１ａの自由端は、垂直軸１０の方向を向き、垂直軸１０に最も近くなる。帆８１が風を捉えると、帆８１は風下方向に力を受ける。この力は、帆柱６１と制限手段９１ａを介して回転台５に伝達され、回転台５は、反時計回りに回転する。回転台５上の反時計回りの回転において、帆柱６が風下方向に回転移動するとき、帆８１は風を捉えることができる。
【００３７】
一方、帆柱６２と垂直軸１０とを結んだ直線が風基線２７となす帆柱角θ２が、１８０°を超え３６０°未満の範囲内である場合を考える。帆８２の第２固定点３２が風上方向に移動するとき、帆８２は風になびく。すなわち、帆８２が風になびき風下方向を向こうとすると、帆８２と腕７２ａとは制限手段９１ａに引かれることなく風下方向を向けるので、帆８２は風にたなびき風を捉えることはできない。帆８２は風を捉えないので、帆８２は風から力を受けず、したがって、帆柱６２、制限手段９２ａと回転台５も風から力を受けることはない。回転台５上の反時計回りの回転において、帆柱６が風上方向に回転移動するとき、帆８２は風になびく。帆８２が風になびくとき、すなわち、帆柱角θ２が１８０°を超え３６０°未満の範囲内であれば、腕７２ａと風基線２７とは平行になるので、帆柱６２と垂直軸１０とを結んだ直線が腕７２ａとなす帆角θ１２は、３６０°から帆柱角θ２を引いた角度に等しくなる。
【００３８】
帆柱６１乃至６３が３本以上あれば、少なくとも１本以上は、風基線２７となす帆柱角θ１、θ２、θ３が、０°以上１８０°以下の範囲内に入るので、少なくとも１枚以上の帆８１、８２、８３ａ１は風を捉えて、回転台５を回すことができる。
【００３９】
なお、帆柱６３において、帆８３ａ１が風を捉えながら回転台５が回転し、帆柱６３と垂直軸１０とを結んだ直線が風基線２７となす帆柱角θ３が、１８０°前後を通過する場合を考える。帆８３ａ１は、今まで風を受けていた面とは反対の面から風を受けるので、帆８３ａ１と腕７３ａ１は、帆８３ａ２と腕７３ａ２の位置まで帆柱６３を回転中心として回動する、いわゆる、帆８３ａ１と腕７３ａ１は風を受けてジャイブする。このジャイブ（回動）の後、帆８３ａ２は風にたなびくようになる。帆柱角が１８０°になると腕７３ａ１と帆８３ａ１が帆柱６３を軸としてほぼ半回転し、腕７３ａ２と帆８３ａ２の位置に移動し、帆尾が最も風下になる。帆角θ１３は０°から１８０°となる。帆柱角が１８０°から３６０°に至る回転台５の風に向かって右側半分では帆角θ１３、θ１２は１８０°から徐々に減少してゆき、帆柱角θ１乃至θ３が３６０°（０°）で帆角θ１１乃至θ１３は０°となる。右側半分では帆尾は帆柱６２の風下直下に位置し無駄な抵抗を生み出さない。
【００４０】
このように、風に向かって回転台５の左側半分にある帆柱６１に張られた帆８１で風を捉えて、風の抗力で回転台５を回転させ、一方で、風に向かって右側半分にある帆柱６２に張られた帆８２に働くその回転を押し戻す方向の風の抗力は、セールヨットの帆の原理を利用し、帆８２を風になびかせることで、極力小さくしている。風に向かって左側半分にある帆柱６１に張られた帆８１では、「風と捉える帆」として機能させ、風に向かって右側半分にある帆柱６２に張られた帆８２では、「風になびく帆」として機能させ、風に対する回転台５上の位置関係により帆８１、８２等の機能を変化させている。そして、「風と捉える帆」から「風になびく帆」への機能の切り替えに帆８にジャイブを起こさせている。
【００４１】
次に、風が、風の方向３１ａから吹いた後に、風向きが変わり、風の方向３１ｂから吹き始めたとする。風の方向３１ｂに向かって右側に位置する帆柱６１と６３では、帆柱６１と６３の風下方向の腕７１ｂと７３ｂで示す位置に腕が移動し、帆８１、８３ａ２は風になびくようになる。一方、風の方向３１ｂに向かって左側に位置する帆柱６２では、制限手段９２ｂで示す位置に移動した制限手段よって、腕が腕７２ｂで示す位置に保持され、帆８２が風を捉えることができる。乱流により風向きが変わり、風が、風の方向３１ｂから吹いても、回転台５は、常に反時計回りに回り続けることができる。
【００４２】
次に、風が、風の方向３１ａから吹いた後に、風向きが変わり、風の方向３１ｃから吹き始めたとする。風の方向３１ｃに向かって右側に位置する帆柱６１では、帆柱６１の風下方向の腕７１ｃで示す位置に腕が移動し、帆８１は風になびくようになる。一方、風の方向３１ｃに向かって左側に位置する帆柱６２と６３では、制限手段９２ｃと９３ｃで示す位置に移動した制限手段よって、腕が腕７２ｃと７３ｃで示す位置に保持され、帆８２と８３ａ２が風を捉えることができる。ここで、注目すべきは、垂直軸１０から腕７３ｃまでの距離が、垂直軸１０から帆柱６３までの距離より、大きくなっている点である。風の抗力に起因する回転モーメントを大きくすることができ、弱い風でも回転台５を回転させることができるようになる。そして、乱流により風向きが変わり、風が、風の方向３１ｃから吹いても、回転台５は、常に反時計回りに回り続けることができる。
【００４３】
以上、第１の実施形態によれば、美しい帆８を静かに優雅に低速回転させて、弱風乱流でも風力発電ができるようになる。また、帆８の有効面積を制御して、強風等の風速によらず、低速回転させて、発電できるようになる。暴風時には帆８を帆柱に巻き込み損傷を防ぐことが可能になる。小型なので大量生産による経済効果を求めることが可能である。また、小型で機械的構造が簡単なので設置が容易で、屋根の上にも設置でき、建設単価を低くすることができる。
【００４４】
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。図７（ａ）と（ｂ）に示すように、第１の実施形態との相違点は、帆８は、帆柱６に巻かれるのではなく、腕７の外周に巻かれている点である。この相違点により、帆８の一辺は、腕７に固定されている。固定された一辺に対向する頂点の第１固定点３１には帆牽引索１５が取り付けられているが、この帆牽引索１５は、帆柱６の先端に取り付けられた滑車１６に引き回されて、帆柱６の側面に配置された帆展開機構部１４に接続している。腕７の固定端の近傍には、帆巻き機構部１３が、配置されている。帆巻き機構部１３は、腕７を回転させて腕７に帆８を巻くことができる。帆８が腕７に巻かれると、帆牽引索１５は、帆８を牽引しながら、帆展開機構部１４から引き出される。また、帆展開機構部１４は、巻かれた前記帆８の反対側の端から前記帆８を引き出して展開することにより、帆８を帆柱６と腕７とに張ることができる。第１の実施形態の変形例によっても、第１の実施形態と同様に、帆８の有効面積を制御できるので、強風等の風速によらず、低速回転させて、発電することができる。
【００４５】
（第２の実施形態）
図８に示すように、第２の実施形態に係る風力発電装置１は、風力発電用風車４と、風力発電用風車４の回転によりシャフト３を回転させて発電する発電機２とを有している。
【００４６】
風力発電用風車４は、シャフト３を回転軸として一体に回転する回転台５と、この回転台５の回転軸の延長上に１本立てられた帆柱６と、この帆柱６によって前記回転台５の上方に固定される第１固定点３１と、前記回転台５の外周部に固定される第２固定点３２と、前記回転台５に対して移動可能な自由点３３とによって張られる三角形の４枚の帆８と、前記自由点３３の移動範囲を制限する制限手段９とを有している。そして、前記帆８が風を受けると、前記帆８の前記三角形の前記第２固定点３２に対向する自由辺３４は弧を描き、前記帆８は風をはらむことができる。固定手段３５は、第１固定点３１を帆柱６の上方に固定し、第２固定点３２を回転台５の外周部に固定している。帆８は風を受けると、帆８の自由辺３４は弧を描き、帆８は風を捉えてはらみ、弱風も逃さないので、風力発電用風車４は微風でも回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、帆８の自由辺３４は弧を描き、帆８は風を捉えてはらんでいるので、風向きに対して広角度に風を捉えることができ、風力発電用風車４は止まることなく回転することができる。帆８は４枚に限らず、１枚以上であればよい。
【００４７】
図９に示すように、帆柱６は、回転台５の回転軸上に立てられている。回転台５は、帆柱６上の回転軸の回りを回転可能になっている。図９は４枚帆の例を示しており、帆柱６の上部から回転台５の外周部へ、４本のワイヤ状の固定手段３５が張られている。隣接する固定手段３５とのなす角度が均一になるように、固定手段３５は配置されている。図９に示すように固定手段３５が４本であれば、９０°間隔で配置される。
【００４８】
前記制限手段９には、第１の実施形態と同様に、ロープを用いることができる。ロープは、前記自由点３３に一端が固定され、他端が前記第２固定点３２の固定された前記回転台５の外周部から時計回りの方向の回転台５の外周部に固定されている。このロープの前記一端の届く範囲によって前記自由点３３の移動範囲１１が制限されている。
【００４９】
なお、図９では、全てのロープの回転台５の外周部に固定される一端は、前記回転台５のそれぞれ対応する前記固定手段３５が固定された位置から時計回りの方向の地点に固定している。この方向に固定することにより、風力発電用風車４が風を受けると、回転台５は、反時計回りの方向に回転する。全てのロープの回転台５の外周部に固定される一端を、前記回転台５のそれぞれ対応する前記固定手段３５が固定された位置から反時計回りの方向の地点に固定してもよく、この方向に固定すれば、風力発電用風車４が風を受けると、回転台５は、時計回りの方向に回転する。
【００５０】
次に、風力発電用風車４が、風を受けて回転する機構を説明する。なお、説明を容易にするために、まずは、図１０に示すように、帆８が１枚の場合について説明する。
【００５１】
図１１の（ａ）から（ｉ）の９個の図は、帆８が１枚の場合の風力発電用風車４の上面図であり、帆８が紙面上方から風を受けてはらみ、回転台５と帆８が反時計回りに回転する様子を示している。帆底が第２固定点３２と自由点３３の間に描く孤と、制限手段９、回転台５、帆柱６を示して、回転台５と帆８が、順次回転してゆく様子を表している。回転台５は、反時計回りに回転している。
【００５２】
図１１（ａ）では、第２固定点３２が最も風上に位置しているときをとらえている。帆８の自由点３３は、制限手段９によって、第２固定点３２より回転台５上の反時計回りの方向の位置に移動できなくなっている。帆８は風に押され風下方向に移動しようとするが、帆８は制限手段９に引かれて移動できずに、帆８は風をはらんで風を捉える。そして、帆８の三角形の第２固定点３２に対向する自由辺３４（図1０参照）は弧を描く。このとき、図１１（ａ）に示すように、帆底の描く孤の第２固定点３２における接線は風向とほぼ平行になっていることから、紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の右方向へ方向を変えて流れる。このように風向きを変えることで、帆８には紙面左方向への力が働き、第２固定点３２が帆柱６の風上に位置しているので、回転台５には反時計回りの加速トルクが発生する。回転台５は、反時計回りに回転することになる。
【００５３】
図１１（ｂ）では、図１１（ａ）のときから、回転台５が反時計回りに少し回転して、自由点３３を基点として第２固定点３２へ向かう方向と風上に向かう方向とを見込んだ角度が鋭角をなすときをとらえている。図１１（ａ）の状態と同様に紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の右方向へ方向を変えて流れるので帆８には紙面左方向への力が働き、回転台５には反時計回りの加速トルクが発生する。回転台５は、反時計回りに加速しながら回転する。
【００５４】
図１１（ｃ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、第２固定点３２と自由点３３を結ぶ直線が風向と直角になるときをとらえている。紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の左右両方向へ向きを変えて分流する際に風は帆８を紙面下方の方向に押すので帆８には紙面下方の方向への力が働き、第２固定点３２が帆柱６の紙面の左側に位置しているので、回転台５には反時計回りの加速トルクが発生する。帆８に働く力の回転台５の円周接線成分が大きいので、このとき発生する加速トルクは大きい。回転台５は、反時計回りに加速しながら回転する。
【００５５】
図１１（ｄ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、帆底の描く孤の自由点３３における接線が風向とほぼ平行となっているときをとらえている。図１１（ｃ）の直後から、図１１（ｄ）のときまでは、紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の左方向へ方向を変えて流れるので、帆８には紙面右下方向への力が働き、第２固定点３２が帆柱６の左側に位置しているので、反時計回りの加速トルクが発生する。回転台５は、反時計回りに加速しながら回転する。
【００５６】
図１１（ｅ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転する間に帆８が風に流されてジャイブしたのち、図１１（ｄ）のときとは異なった面で風を受けているときをとらえている。風を受ける帆面が表面から裏面へ変わっている。紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の右方向へ方向を変えて流れるので帆８には紙面左下方向への力が働き、第２固定点３２が帆柱６の左側に位置しているので、反時計回りの加速トルクが発生する。回転台５は、反時計回りに加速しながら回転する。なお、帆８は、ジャイブすることにより、両面で交互に風を受けることができ、回転台５の回転に伴って、帆８が回転し、帆８の風向きに対する相対的な向きが変化しても、広範囲にわたり風を捉えることができる。また、風向きそのものの変化に対してもより広角度に風を捉えることができる。
【００５７】
図１１（ｆ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、第２固定点３２と自由点３３を結ぶ直線が再度風向と直角になるときをとらえている。図１１（e）のときから、図１１（ｆ）の直前までは、紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の右方向へ方向を変えて流れるので帆８には紙面左下方向への力が働き反時計回りの加速トルクが発生する。この間、帆底の描く孤が回転台５の円周に沿うので、帆８に働く力の回転台５の円周接線成分が小さく、発生する加速トルクは小さいが、回転台５は、反時計回りに加速しながら回転する。
【００５８】
図１１（ｆ）のときには、紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の左右両方向へ向きを変えて分流するので帆８には紙面下方向への力が働くが、回転台５の径方向の成分が大きく円周接線成分が小さいので回転台５には回転トルクはほとんど発生しない。回転台５は、慣性により継続して反時計回りに回転する。
【００５９】
図１１（ｇ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、帆底の描く孤の第２固定点３２における接線が紙面上方から吹く風の風向とほぼ平行となっているときをとらえている。図１１（ｆ）の直後から、図１１（ｇ）のときまでは、紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の左方向へ方向を変えて流れるので帆８には紙面右下方向への力が働き、第２固定点３２が帆柱６の右側に位置しているので、時計回りの回転台５を減速させる回転トルクが発生する。この間、帆底の描く孤が回転台５の円周に沿うので、帆８に働く力の回転台５の円周接線成分が小さく、発生する回転トルクは小さい。回転台５は、慣性により継続して反時計回りに回転する。
【００６０】
図１１（ｈ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、第２固定点３２の風下の方向に、自由点３３が位置しているときをとらえている。このときには、制限手段９がたるみ、紙面上方からの風は帆８をはらませることができず、帆８は風にたなびく。回転台５に回転トルクはほとんど発生しない。回転台５は、慣性により継続して反時計回りに回転する。
【００６１】
図１１（ｉ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、固定点３２が最も風上に位置しているときをとらえている。図１１（ｇ）の直後から、図１１（ｉ）の直前までは、図１１（ｈ）のときと同様に固定点３２の風下の方向に、自由点３３が位置しているので、制限手段９がたるみ、紙面上方からの風は帆をはらませることができず、帆は風にたなびく。トルクはほとんど発生しない。回転台５は、慣性により継続して反時計回りに回転する。
【００６２】
図１１（ｉ）のときになって、帆底の描く孤の第２固定点３２における接線は風向とほぼ平行となり、帆は風をはらむ。風の当たる帆面が、裏面から表面へ変わっている。図１１（ｉ）のときは図１１（ａ）のときと同じなので、回転台５は１回転したことになる。回転台５は風が吹くあいだこの回転を繰り返すことができる。
【００６３】
回転台５には、１回転の間に、反時計回り方向の加速トルクと時計回りの方向の回転トルクが発生するが、それでも、回転台５が反時計回りするのは、１回転の間において、減速トルクによる仕事量より、加速トルクによる仕事量の方がはるかに大きいからである。そして、帆８が１枚であっても、この風力発電用風車４は反時計回りの方向に回転し続けることがわかる。
【００６４】
図１１では、紙面上方から風が吹いて来るとしたが、回転台５と帆８は、３６０°回転するので、紙面上方に限らずどの方向から風が吹いても、紙面上方から吹くのと同様に帆８は風を捉え回転台５と帆８は回転する。
【００６５】
帆８の形とその大きさや制限手段９を変えることにより風車のトルク特性を変えることが出来る。
【００６６】
次に、図８と図９に示すように、帆８が４枚の場合に戻って、風力発電用風車４が、風を受けて回転する機構を説明する。帆８が複数枚になると、帆８の少なくとも１枚は、風上に向かって帆柱６（回転台５の中心）の左側に位置しているので、その帆８によって回転台５には反時計回りの方向の回転トルクが作用し、回転台５は、反時計回りに回転することになる。なお、複数の帆８のなかの、風上に向かって帆柱６（回転台５の中心）の右側に位置している帆８のなかには、回転台５に時計回りの方向の回転トルクを作用させるものがあるが、複数の帆８から回転台５に作用する回転トルクの総和としては、常に、反時計回りの回転トルクが時計回りの回転トルクより大きくなり、回転台５は反時計回りに回転する。
【００６７】
次に、第２の実施形態の変形例について図１２、図１３、図１４、図１５を用いて説明する。図１２は、第２の実施形態の変形例に係る風力発電装置の上面図であり、図１３は、図１２のＢ−Ｂ方向の断面図であり、図１４は、図１２のＡ−Ａ方向の断面図であり、図１５は、図１４のＣ−Ｃ方向の断面図である。第２の実施形態との相違点は、第１の実施形態と同様の帆巻き機構部１３と帆展開機構部１４を有している点である。
【００６８】
帆巻き機構部１３は、第２固定点３２の近傍の回転台５に配置されている。帆巻き機構部１３は、帆巻き機構部１３に連結された第２ギヤ４６とローラ３９に連結された第１ギヤ４５を介して、ローラ３９を回転させてローラ３９の外周に帆８を巻くことができる。ローラ３９は、上端と下端を軸受け４１によって回動自在に固定手段３５に固定されている。固定手段３５の１つは帆柱６の上端に固定され、固定手段３５のもう１つは第２固定点３２の近傍の回転台５に固定されている。
【００６９】
帆８は、帆８の三角形の一辺を軸にローラ３９の外周に巻かれると、制限手段９は帆牽引索１５として、帆８を牽引しながら、巻き込まれた帆８の長さと同じ長さだけ、帆展開機構部１４から引き出される。三角形の帆８のローラ３９に固定され巻かれる一辺に対向する自由点３３に帆牽引索１５（制限手段９）が取り付けられている。帆牽引索１５（制限手段９）は、回転台５の外周部に設けられた貫通孔４７を通り、貫通孔４７の直下に設けられた滑車１６に引き回されて向きを変え、回転台５の裏面に配置された帆展開機構部１４に接続している。帆展開機構部１４が帆牽引索１５（制限手段９）を引っ張りながら繰り出すことにより、帆８は、巻かれながらもピンと張られた状態を維持できる。所定の長さの巻き込みが完了したら帆巻き機構部１３と帆展開機構部１４とをロックする。
【００７０】
また、帆展開機構部１４は、巻かれた帆８の反対側の端である自由点３３から帆８を引き出して展開することにより、帆８を張ることができる。帆８がローラ３９から引き出されると、帆巻き機構部１３は、帆８に張りを持たせながら帆８を繰り出し巻き戻す。詳細には、まず、帆展開機構部１４が、所定の張力になるまで帆牽引索１５（制限手段９）を引き込み、帆８を所定の張力で張る。この所定の張力を維持したまま、帆展開機構部１４が帆８を引き出し、帆巻き機構部１３が帆８を送り出す。所定の長さの帆８の引き出しが完了したら、帆巻き機構部１３は帆８の送り出しをロックする。帆展開機構部１４は、維持されてきた所定の張力を緩め、帆８が風をはらみやすいように所定の長さだけ帆８を繰り出して、その後、繰り出しをロックする。このことにより、帆８が風をはらんだときの弧の形状を調整することができる。
【００７１】
図１５に示すように、ローラ３９の円周上に、帆８の自由点３３に対向する辺が固定されている。ローラ３９は、時計回りと反時計回りのどちらの方向にも回転可能であり、帆８を巻き取ったり展開したりすることができる。ローラ３９を覆うように円筒状のケーシング３８が設けられている。帆８がケーシング３８の貫通溝を通る。ケーシング３８によれば、帆８が巻かれる際に他のものも一緒に巻き込まれるのを防止することができる。
【００７２】
そして、第２の実施形態の変形例によっても、第１の実施形態と同様に、図５の出力電圧検出部２１と、出力電圧判定部２４と、巻き・展開指示部２６とを有することにより、帆８の有効面積を制御できるので、強風等の風速によらず、低速回転させて、発電することができる。
【００７３】
以上、第２の実施形態によれば、美しい帆８を優雅に回転させて、弱風乱流でも風力発電ができるようになる。また、帆８の有効面積を制御して、強風等の風速によらず、低速回転させて、発電できるようになる。暴風時には帆８を帆柱に巻き込み損傷を防ぐことが可能になる。小型なので大量生産による経済効果を求めることが可能である。また、小型で機械的構造が簡単なので設置が容易で、屋根の上にも設置でき、建設単価を低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】第１の実施形態に係る風力発電装置の斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る風力発電装置の上面図である。
【図３】（ａ）は展開された帆の周辺の詳細な上面図であり、（ｂ）は展開された帆の周辺の詳細な正面図である。
【図４】（ａ）は巻かれた帆の周辺の詳細な上面図であり、（ｂ）は巻かれた帆の周辺の詳細な正面図である。
【図５】第１の実施形態に係る風力発電用風車の制御部周りの構成図である。
【図６】風を受けて回転する風力発電用風車の上面図である。
【図７】（ａ）は第１の実施形態の変形例に係る風力発電装置の展開された帆の周辺の詳細な上面図であり、（ｂ）は第１の実施形態の変形例に係る風力発電装置の巻かれた帆の周辺の詳細な上面図である。
【図８】第２の実施形態に係る風力発電装置（４枚帆）の斜視図である。
【図９】第２の実施形態に係る風力発電装置（４枚帆）の上面図である。
【図１０】第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の斜視図である。
【図１１】（ａ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、第２固定点が最も風上に位置しているとき）であり、 （ｂ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、自由点を基点として第２固定点へ向かう方向と風上に向かう方向とを見込んだ角度が鋭角をなすとき）であり、 （ｃ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、第２固定点と自由点を結ぶ直線が風向と直角になるとき）であり、 （ｄ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、帆底の描く孤の自由点における接線が風向とほぼ平行となっているとき）であり、 （ｅ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（ジャイブしたのち）であり、 （ｆ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、第２固定点と自由点を結ぶ直線が再度風向と直角になるとき）であり、 （ｇ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、帆底の描く孤の第２固定点における接線が紙面上方から吹く風の風向とほぼ平行となっているとき）であり、 （ｈ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、第２固定点の風下の方向に、自由点が位置しているとき）であり、 （ｉ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（１回転して（ａ）に戻ってきたとき）である。
【図１２】第２の実施形態の変形例に係る風力発電装置の上面図である。
【図１３】図１２のＢ−Ｂ方向の断面図である。
【図１４】図１２のＡ−Ａ方向の断面図である。
【図１５】図１４のＣ−Ｃ方向の断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 風力発電装置
２ 発電機
３ シャフト
４ 風力発電用風車
５ 回転台
６ 帆柱
７ 腕
８ 帆
９ 制限手段（ロープ）
１０ 垂直軸
１１ 回動角度範囲
１２ 腕保持部（回転ベアリング）
１３ 帆巻き機構部
１４ 帆展開機構部
３１ 第１固定点
３２ 第２固定点
３３ 自由点
３４ 自由辺
３５ 固定手段
３８ ケーシング
３９ ローラ
４１ 軸受け
４５ 第１ギヤ
４６ 第２ギヤ
４７ 貫通孔
６１、６２、６３ 帆柱
７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ 腕
７３ａ１、７３ａ２、７３ｂ、７３ｃ 腕
８１、８２、８３、８３ａ１、８３ａ２、８４ 帆
９１ａ、９１ｂ、９１ｃ 制限手段（ロープ）
９２ａ、９２ｂ、９２ｃ 制限手段（ロープ）
９３ａ１、９３ａ２、９３ｂ、９３ｃ 制限手段（ロープ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関し、特に、風力発電用風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、主力となっている風力発電装置は大型であり、この大型風力発電装置では、１００メートルもの高さの塔の上に、水平回転軸を持つ３枚翼の風車と、この風車に回転速度を高める歯車を介して連結した可変速同期発電機とが載せられている。（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】A.E.Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr.Stephen D.Umans, “ELECTRIC MACHINERY”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような、大型風力発電装置は、海外の広大な土地に何百機もまとめて設置することにより、数百ＭＷの大電力を供給できるだけでなく、建設単価を低くでき、高い塔上での歯車や可変速同期発電機のブラシなどの点検・保守管理などの維持費も低く抑えることができるので、低価格で電力を供給でき、高い経済競争力を獲得することができている。
【０００４】
しかしながら、日本では、大型風力発電装置を設置できる場所が、資材や大型建設機械の持ち込みが困難な狭い土地に限られ、数機ずつしか設置できず、建設単価と維持費が高くなりやすいので、経済競争力が得られにくい。
【０００５】
また、暴風時には、大型風力発電装置の塔と風車に大きな水平応力が作用するため壊れやすいと考えられる。さらに、風車の翼端は、塔の高さに加えて翼の長さ分だけ高所を通過するため、落雷によって破損しやすいと考えられる。また、風車の回転数が低くても翼の長さが長いので翼端の速度が大きくなり、大きな風切音が発生すると考えられる。
【０００６】
そこで、塔が不要な小型の風力発電装置が必要であると考えられる。小型化可能であれば、密集している家屋の屋根等に場所を選ばす無数に配置でき、建設単価と維持費を抑えることができる。また、小型化することで高さが低くできるので、落雷を避けることができ、暴風時にも大きな水平応力が作用せず壊れにくい。しかし、小型化すると翼の長さは短くなるが、翼の重量が軽くなり翼の回転速度が増し、風切音が発生しやすいと考えられる。風切音を小さくして静かにするには、回転速度を低速にすればよいが、発電量が低下してしまう。また、風力発電装置の小型化によっても発電量は低下してしまう。
【０００７】
そこで、発電量を多くするために、風力発電装置の台数を増やすことはもちろん、風車が常時回転し常時発電できるように、弱風や風の吹く方向の定まらない乱流でも、風を捉えて回転できることが必要であると考えられる。
【０００８】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、家屋の屋根等の上で常時回転する小型の風力発電用風車および風力発電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】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明では、正方向に回転する回転台と、前記回転台に立てられた帆柱と、前記帆柱によって前記回転台の上方に固定される第１固定点と、前記回転台の外周部に固定される第２固定点と、前記回転台に対して移動可能な自由点とによって張られる三角形の帆と、前記自由点の移動範囲を制限する制限手段とを有し、前記帆が風を受けると、前記帆の前記三角形の前記第２固定点に対向する自由辺は弧を描く風力発電風車であることを特徴とする。
【００１０】
この特徴によれば、帆は風を受けると、帆の前記自由辺は弧を描き、帆は風を捉えてはらみ、弱風も逃さないので、風力発電用風車は微風でも回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、帆の前記自由辺は弧を描き、帆は風を捉えてはらんでいるので、風向きに対して広角度に風を捉えることができ、風力発電用風車は止まることなく回転することができる。
【００１１】
前記帆は、風を受けてジャイブすることが好ましい。このことによれば、前記帆は、両面で交互に風を受けることができ、風向きに対して、より広角度に風を捉えることができる。また、前記回転台の回転に伴って、前記帆が回転し、前記帆の風向きに対する相対的な向きは変化するが、この相対的な向きの変化幅に対しても、広範囲にわたり、風を捉えることができる。
【００１２】
前記自由点は、前記制限手段によって、前記第２固定点より前記回転台上の前記正方向の位置に移動しないことが好ましい。このことによれば、前記帆が受けた風力を、効率的に前記回転台を回す力として利用することができる。
【００１３】
前記正方向の回転に伴い前記第２固定点が風下方向に移動するとき、前記帆は風を捉えることが好ましく、前記正方向の回転に伴い前記第２固定点が風上方向に移動するとき、前記帆は前記風を捉えるかまたは前記風になびくことが好ましい。このことによっても、前記帆が受けた風力を、効率的に前記回転台を回す力として利用することができる。
【００１４】
前記制限手段は、前記自由点に一端が固定され、他端が前記第２固定点の固定された前記外周部から前記正方向とは反対方向の前記外周部に一端が固定されたロープであり、前記ロープの前記一端の届く範囲によって前記移動範囲が制限されることが好ましい。このようなロープであれば、簡単な構造で、前記制限手段を構成することができる。
【００１５】
前記風力発電用風車は、固定端に前記第２固定点が固定され、自由端に前記自由点が固定され、前記第２固定点のまわりに回動自在である腕を有することが好ましい。このことによれば、前記第２固定点と前記自由点の間の、前記帆の一辺の長さを、風を受けても、縮まらないようにすることができるので、前記帆は、風を受ける面積を小さくすることなく大きいまま維持することができる。
【００１６】
前記帆は、前記三角形の辺を軸に巻かれることが好ましい。ヨットに用いられる帆は、軽量、柔軟かつ丈夫な布であり、この帆を風力発電用風車にも用いることができる。この帆は、容易に帆柱等に巻くことができ、暴風時に巻けば、帆は風を捉えないか捉える風量を減らせるので風力発電用風車に作用する水平応力を小さくできる。そして、暴風でも風力発電用風車が壊れることない。
【００１７】
前記風力発電用風車の回転によって発電した電圧の、設定された基準電圧に対する大小関係に応じて、前記帆を巻くことが好ましい。強風では、前記風力発電用風車が速く回転するので、前記風力発電用風車の回転によって発電される電圧は高くなる。したがって、発電される電圧をモニタすれば、現在吹いている風が強風か否か判定することができる。風が強風であると判定した場合には、前記帆を巻けば、風力発電用風車の回転速度を低速で静かに常時回すことができる。
【００１８】
前記帆柱が、前記回転台の回転軸の延長上に立っていることが好ましい。このことによれば、前記帆柱は、１本で良い。また、前記帆は、１枚以上用いることができ、好ましくは３枚以上用いることができる。前記帆を複数枚用いることにより、前記回転台の回転に伴って、それぞれの前記帆が回転し、前記帆の風向きに対する相対的な向きは変化し、いままで風を捉えていた帆が、風を捉えられなくなっても、いままで風を捉えていなかった別の帆が、風を捉えることができるので、風力発電用風車は止まることなく回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、いままで風を捉えていなかった別の帆が、風を捉えるので、風力発電用風車は止まることなく回転することができる。
【００１９】
前記腕は、前記固定端が前記帆柱に取り付けられ、前記帆柱のまわりに回動自在であり、前記帆柱が、前記第２固定点の近傍に立っていることが好ましい。このことによれば、前記帆柱は、前記回転台の外周部に配置でき、少なくとも２本以上で好ましくは３本以上用いることができる。また、前記帆は、前記帆柱毎に１枚ずつ用いることができる。前記帆は複数枚用いることになるので、前記回転台の回転に伴って、それぞれの前記帆が回転し、前記帆の風向きに対する相対的な向きは変化し、いままで風を捉えていた帆が、風を捉えられなくなっても、いままで風を捉えていなかった別の帆が、風を捉えることができるので、風力発電用風車は止まることなく回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、いままで風を捉えていなかった別の帆が、風を捉えるので、風力発電用風車は止まることなく回転することができる。
【００２０】
そして、風力発電装置は、以上のような特徴を有する風力発電用風車と、前記回転台の回転によりシャフトを回転させて発電する発電機とを有する。
【発明の効果】
【００２１】
このような風力発電用風車および風力発電装置によれば、家屋の屋根等の上で常時回転する小型の風力発電用風車および風力発電装置を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１に示すように、第１の実施形態に係る風力発電装置１は、風力発電用風車４と、風力発電用風車４の回転によりシャフト３を回転させて発電する発電機２とを有している。
【００２４】
風力発電用風車４は、シャフト３を回転軸として一体に回転する回転台５と、この回転台５の外周部に３本立てられた帆柱６と、この帆柱６によって前記回転台５の上方に固定される第１固定点３１と、前記回転台５の外周部に固定される第２固定点３２と、前記回転台５に対して移動可能な自由点３３とによって張られる三角形の帆８と、前記自由点３３の移動範囲を制限する制限手段９とを有している。帆柱６は、帆８の第２固定点３２の近傍に立てられることになる。そして、前記帆８が風を受けると、前記帆８の前記三角形の前記第２固定点３２に対向する自由辺３４は弧を描き、前記帆８は風をはらむことができる。帆柱６は、少なくとも２本で３本以上が好ましい。帆８は、帆柱６毎に１枚ずつ用いられる。帆８を複数枚用いることになるので、回転台５の回転に伴って、それぞれの帆８が回転し、帆８の風向きに対する相対的な向きが変化し、いままで風を捉えていた帆８が、風を捉えられなくなっても、いままで風を捉えていなかった別の帆８が、風を捉えることができるので、風力発電用風車４は止まることなく回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、いままで風を捉えていなかった別の帆８が、風を捉えるので、風力発電用風車４は止まることなく回転することができる。
【００２５】
また、風力発電用風車４は、固定端に前記第２固定点３２が固定され、自由端に前記自由点３３が固定され、前記第２固定点３２のまわりに回動自在である腕７を、前記帆柱６毎に有している。前記腕７は、固定端が前記帆柱６のそれぞれに取り付けられ、前記帆柱６のまわりに回動自在である。前記帆柱６は、前記第２固定点３２の近傍に立っている。帆８は、前記帆柱６と前記腕７とに張られ、制限手段９は、前記腕７の回動自在の回動角度の範囲を制限している。腕７を用いることで、帆８の第２固定点３２と自由点３３の間の帆８の一辺の長さを、風を受けても、縮まらないようにすることができるので、帆８は風を受ける面積を小さくすることなく大きいまま維持することができる。
【００２６】
図２に示すように、回転台５は、垂直軸１０を回転軸に回転可能になっている。帆柱６は、回転台５の外周部に立てられている。それぞれの帆柱６と垂直軸１０とを結んだ複数の直線がなす角度が均一になるように、帆柱６は配置されている。図２に示すように帆柱６が３本であれば、１２０°間隔で配置される。帆８は風を受けると、帆８の自由辺３４は弧を描き、帆８は風を捉えてはらみ、弱風も逃さないので、風力発電用風車４は微風でも回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、帆８の自由辺３４は弧を描き、帆８は風を捉えてはらんでいるので、風向きに対して広角度に風を捉えることができ、風力発電用風車４は止まることなく回転することができる。
【００２７】
前記制限手段９には、ロープを用いることができる。ロープは、前記自由点３３に一端が固定され、他端が前記第２固定点３２の固定された前記回転台５の外周部から時計回りの方向の外周部に固定されている。このロープの前記一端の届く範囲によって前記自由点３３の移動範囲１１が制限されている。具体的には、ロープは、前記回転台５の前記帆柱６の立てられた位置から時計回りの方向の地点に一端が固定され、他端が腕７の固定端から離れた地点の腕７に固定されている。できるだけ離れている方がロープに掛かる張力が小さくなるので、図２に示すように、ロープは腕７の固定端の反対側の自由端に接続することが好ましい。ロープは、繰り返し、曲がったり、ピンと張ったりすることができる。ロープが曲がればロープの両端間の距離は短くなり、張ればロープはそれ以上伸びずロープの両端間の距離は一定に保たれる。このことにより、腕７は帆柱６の回りを回動自在であるが、ロープによって、ロープの前記他端の届く範囲に限られ、腕７の回転できる回動角度が移動範囲１１に制限されている。移動範囲１１は、帆柱６を回転軸とするほぼ半回転分にしている。
【００２８】
なお、図２では、全てのロープの一端は、前記回転台５のそれぞれ対応する前記帆柱６の立てられた位置から時計回りの方向の地点に固定したが、この方向に固定すれば、風力発電用風車４が風を受けると、回転台５は、反時計回りの方向に回転する。全てのロープの一端を、前記回転台５のそれぞれ対応する前記帆柱６の立てられた位置から反時計回りの方向の地点に固定してもよく、この方向に固定すれば、風力発電用風車４が風を受けると、回転台５は、時計回りの方向に回転する。
【００２９】
図３（ａ）と（ｂ）に示すように、腕７は、腕保持部１２によって、帆柱６のまわりを回動自在に保持されている。腕保持部１２としては、具体的には、回転ベアリングを用いることができる。帆８は三角形をしており、一辺は、帆柱６に固定されている。その固定された一辺に対向する自由点３３には帆牽引索１５が取り付けられている。帆牽引索１５は、腕７の先端に取り付けられた滑車１６に引き回されて、腕７の下に配置された帆展開機構部１４に接続している。帆柱６の根元には、帆巻き機構部１３が、配置されている。
【００３０】
図４（ａ）と（ｂ）に示すように、帆巻き機構部１３は、帆柱６を回転させて帆柱６の外周に帆８を巻くことができる。帆８は、帆８の三角形の一辺を軸に巻かれる。帆８が帆柱６の外周に巻かれると、帆牽引索１５は、帆８を牽引しながら、帆展開機構部１４から引き出される。このことにより、帆８は、巻かれながらもピンと張られた状態を維持できる。また、帆展開機構部１４は、巻かれた前記帆８の反対側の端から前記帆８を引き出して展開することにより、帆８を帆柱６と腕７とに張ることができる。帆８が帆柱６から引き出されると、帆巻き機構部１３は、帆８に張りを持たせながら巻き戻す。
【００３１】
図５に示すように、風力発電用風車４は、さらに、風力発電用風車４の回転によって発電した出力電圧を検出する出力電圧検出部２１と、出力電圧判定部２４と、巻き・展開指示部２６とを有している。
【００３２】
出力電圧判定部２４は、検出された出力電圧を表す信号を入力し、所定の基準電圧との大小関係を判定する。出力電圧が基準電圧以上であれば、巻き・展開指示部２６に巻き指示が出力される。巻き・展開指示部２６は、巻き指示を受信すると、帆巻き機構部１３、さらには、帆展開機構部１４に、帆８をピンと張ったまま帆８を帆柱６に巻くような制御信号を出力する。一方、出力電圧が基準電圧未満であれば、巻き・展開指示部２６に展開指示が出力される。巻き・展開指示部２６は、展開指示を受信すると、帆展開機構部１４、さらには、帆巻き機構部１３に、帆８をピンと張ったまま帆８を帆柱６から引き戻して展開するような制御信号を出力する。回転台５の回転により発電した電力の出力電圧は、回転台５の回転速度と相関関係があると考えられるので、回転台５の回転速度に応じて、帆８を帆柱６に巻いたり、巻かれた帆８を帆柱６から展開したりすることができることになる。回転速度に合わせて帆８を帆柱６に巻き込むことにより、帆８の有効面積が調節できるので広い風速領域での低速回転での運転が可能である。
【００３３】
例えば、微風であれば、この微風を捉えるために大きく帆８を張って低速回転可能にし、強風であれば、帆８を小さく張って低速回転可能にする。さらに、暴風時には、帆８を完全に帆柱６に巻き込み、風力発電用風車４の損傷を防ぐことができる。また、帆８が帆柱６に巻かれているので、暴風時には、帆柱６と帆８を取り除くことも容易にできる。なお、回転台５の回転速度としては、毎分１回転から２回転する程度でよく、風切音が発生しない範囲で基準回転速度を設定することで、回転速度が基準回転速度になるように、帆８の有効面積を調節することができる。風がはらんだ帆８は美しいものであるが、この美しい帆を静かに優雅に低速回転させて、弱風でも風力発電ができるようになる。帆の有効面積を制御して強風でも発電できるようになる。また、回転速度が増加すれば帆を巻き、回転速度が減少すれば帆を展開することにより、回転速度を低速のまま一定にすることができる。
【００３４】
次に、風力発電用風車４が、風を受けて回転する機構を説明する。
【００３５】
図６に示すように、風が方向３１ａのみから吹いているとする。回転台５の回転中心となる垂直軸１０から、風上方向に引いた直線を風基線２７とする。風基線２７を基準として垂直軸１０の回りの反時計回りの方向を正（＋）方向とする。帆柱６１と垂直軸１０とを結んだ直線が風基線２７となす帆柱角θ１が、０°以上１８０°以下の範囲内にある場合を考える。帆８１の自由点３３は、制限手段９１ａによって、第２固定点３２より回転台５上の正方向の位置に移動できなくなっている。帆８１は風になびき風下方向を向こうとするが、帆８１を張った腕７１ａが、制限手段９１ａに引かれて風下方向を向けないので、帆８１は風下方向を向けず風をはらんで風を捉える。このように、帆８１の第２固定点３２が風下方向に移動するとき、帆８１は風を捉え、帆８１の三角形の第２固定点３２に対向する自由辺３４は弧を描く。
【００３６】
帆柱６１と垂直軸１０とを結んだ直線が腕７１ａとなす帆角θ１１は、略０°になり、腕７１ａの自由端は、垂直軸１０の方向を向き、垂直軸１０に最も近くなる。帆８１が風を捉えると、帆８１は風下方向に力を受ける。この力は、帆柱６１と制限手段９１ａを介して回転台５に伝達され、回転台５は、反時計回りに回転する。回転台５上の反時計回りの回転において、帆柱６が風下方向に回転移動するとき、帆８１は風を捉えることができる。
【００３７】
一方、帆柱６２と垂直軸１０とを結んだ直線が風基線２７となす帆柱角θ２が、１８０°を超え３６０°未満の範囲内である場合を考える。帆８２の第２固定点３２が風上方向に移動するとき、帆８２は風になびく。すなわち、帆８２が風になびき風下方向を向こうとすると、帆８２と腕７２ａとは制限手段９１ａに引かれることなく風下方向を向けるので、帆８２は風にたなびき風を捉えることはできない。帆８２は風を捉えないので、帆８２は風から力を受けず、したがって、帆柱６２、制限手段９２ａと回転台５も風から力を受けることはない。回転台５上の反時計回りの回転において、帆柱６が風上方向に回転移動するとき、帆８２は風になびく。帆８２が風になびくとき、すなわち、帆柱角θ２が１８０°を超え３６０°未満の範囲内であれば、腕７２ａと風基線２７とは平行になるので、帆柱６２と垂直軸１０とを結んだ直線が腕７２ａとなす帆角θ１２は、３６０°から帆柱角θ２を引いた角度に等しくなる。
【００３８】
帆柱６１乃至６３が３本以上あれば、少なくとも１本以上は、風基線２７となす帆柱角θ１、θ２、θ３が、０°以上１８０°以下の範囲内に入るので、少なくとも１枚以上の帆８１、８２、８３ａ１は風を捉えて、回転台５を回すことができる。
【００３９】
なお、帆柱６３において、帆８３ａ１が風を捉えながら回転台５が回転し、帆柱６３と垂直軸１０とを結んだ直線が風基線２７となす帆柱角θ３が、１８０°前後を通過する場合を考える。帆８３ａ１は、今まで風を受けていた面とは反対の面から風を受けるので、帆８３ａ１と腕７３ａ１は、帆８３ａ２と腕７３ａ２の位置まで帆柱６３を回転中心として回動する、いわゆる、帆８３ａ１と腕７３ａ１は風を受けてジャイブする。このジャイブ（回動）の後、帆８３ａ２は風にたなびくようになる。帆柱角が１８０°になると腕７３ａ１と帆８３ａ１が帆柱６３を軸としてほぼ半回転し、腕７３ａ２と帆８３ａ２の位置に移動し、帆尾が最も風下になる。帆角θ１３は０°から１８０°となる。帆柱角が１８０°から３６０°に至る回転台５の風に向かって右側半分では帆角θ１３、θ１２は１８０°から徐々に減少してゆき、帆柱角θ１乃至θ３が３６０°（０°）で帆角θ１１乃至θ１３は０°となる。右側半分では帆尾は帆柱６２の風下直下に位置し無駄な抵抗を生み出さない。
【００４０】
このように、風に向かって回転台５の左側半分にある帆柱６１に張られた帆８１で風を捉えて、風の抗力で回転台５を回転させ、一方で、風に向かって右側半分にある帆柱６２に張られた帆８２に働くその回転を押し戻す方向の風の抗力は、セールヨットの帆の原理を利用し、帆８２を風になびかせることで、極力小さくしている。風に向かって左側半分にある帆柱６１に張られた帆８１では、「風と捉える帆」として機能させ、風に向かって右側半分にある帆柱６２に張られた帆８２では、「風になびく帆」として機能させ、風に対する回転台５上の位置関係により帆８１、８２等の機能を変化させている。そして、「風と捉える帆」から「風になびく帆」への機能の切り替えに帆８にジャイブを起こさせている。
【００４１】
次に、風が、風の方向３１ａから吹いた後に、風向きが変わり、風の方向３１ｂから吹き始めたとする。風の方向３１ｂに向かって右側に位置する帆柱６１と６３では、帆柱６１と６３の風下方向の腕７１ｂと７３ｂで示す位置に腕が移動し、帆８１、８３ａ２は風になびくようになる。一方、風の方向３１ｂに向かって左側に位置する帆柱６２では、制限手段９２ｂで示す位置に移動した制限手段よって、腕が腕７２ｂで示す位置に保持され、帆８２が風を捉えることができる。乱流により風向きが変わり、風が、風の方向３１ｂから吹いても、回転台５は、常に反時計回りに回り続けることができる。
【００４２】
次に、風が、風の方向３１ａから吹いた後に、風向きが変わり、風の方向３１ｃから吹き始めたとする。風の方向３１ｃに向かって右側に位置する帆柱６１では、帆柱６１の風下方向の腕７１ｃで示す位置に腕が移動し、帆８１は風になびくようになる。一方、風の方向３１ｃに向かって左側に位置する帆柱６２と６３では、制限手段９２ｃと９３ｃで示す位置に移動した制限手段よって、腕が腕７２ｃと７３ｃで示す位置に保持され、帆８２と８３ａ２が風を捉えることができる。ここで、注目すべきは、垂直軸１０から腕７３ｃまでの距離が、垂直軸１０から帆柱６３までの距離より、大きくなっている点である。風の抗力に起因する回転モーメントを大きくすることができ、弱い風でも回転台５を回転させることができるようになる。そして、乱流により風向きが変わり、風が、風の方向３１ｃから吹いても、回転台５は、常に反時計回りに回り続けることができる。
【００４３】
以上、第１の実施形態によれば、美しい帆８を静かに優雅に低速回転させて、弱風乱流でも風力発電ができるようになる。また、帆８の有効面積を制御して、強風等の風速によらず、低速回転させて、発電できるようになる。暴風時には帆８を帆柱に巻き込み損傷を防ぐことが可能になる。小型なので大量生産による経済効果を求めることが可能である。また、小型で機械的構造が簡単なので設置が容易で、屋根の上にも設置でき、建設単価を低くすることができる。
【００４４】
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。図７（ａ）と（ｂ）に示すように、第１の実施形態との相違点は、帆８は、帆柱６に巻かれるのではなく、腕７の外周に巻かれている点である。この相違点により、帆８の一辺は、腕７に固定されている。固定された一辺に対向する頂点の第１固定点３１には帆牽引索１５が取り付けられているが、この帆牽引索１５は、帆柱６の先端に取り付けられた滑車１６に引き回されて、帆柱６の側面に配置された帆展開機構部１４に接続している。腕７の固定端の近傍には、帆巻き機構部１３が、配置されている。帆巻き機構部１３は、腕７を回転させて腕７に帆８を巻くことができる。帆８が腕７に巻かれると、帆牽引索１５は、帆８を牽引しながら、帆展開機構部１４から引き出される。また、帆展開機構部１４は、巻かれた前記帆８の反対側の端から前記帆８を引き出して展開することにより、帆８を帆柱６と腕７とに張ることができる。第１の実施形態の変形例によっても、第１の実施形態と同様に、帆８の有効面積を制御できるので、強風等の風速によらず、低速回転させて、発電することができる。
【００４５】
（第２の実施形態）
図８に示すように、第２の実施形態に係る風力発電装置１は、風力発電用風車４と、風力発電用風車４の回転によりシャフト３を回転させて発電する発電機２とを有している。
【００４６】
風力発電用風車４は、シャフト３を回転軸として一体に回転する回転台５と、この回転台５の回転軸の延長上に１本立てられた帆柱６と、この帆柱６によって前記回転台５の上方に固定される第１固定点３１と、前記回転台５の外周部に固定される第２固定点３２と、前記回転台５に対して移動可能な自由点３３とによって張られる三角形の４枚の帆８と、前記自由点３３の移動範囲を制限する制限手段９とを有している。そして、前記帆８が風を受けると、前記帆８の前記三角形の前記第２固定点３２に対向する自由辺３４は弧を描き、前記帆８は風をはらむことができる。固定手段３５は、第１固定点３１を帆柱６の上方に固定し、第２固定点３２を回転台５の外周部に固定している。帆８は風を受けると、帆８の自由辺３４は弧を描き、帆８は風を捉えてはらみ、弱風も逃さないので、風力発電用風車４は微風でも回転することができる。また、乱流により風向きが変わっても、帆８の自由辺３４は弧を描き、帆８は風を捉えてはらんでいるので、風向きに対して広角度に風を捉えることができ、風力発電用風車４は止まることなく回転することができる。帆８は４枚に限らず、１枚以上であればよい。
【００４７】
図９に示すように、帆柱６は、回転台５の回転軸上に立てられている。回転台５は、帆柱６上の回転軸の回りを回転可能になっている。図９は４枚帆の例を示しており、帆柱６の上部から回転台５の外周部へ、４本のワイヤ状の固定手段３５が張られている。隣接する固定手段３５とのなす角度が均一になるように、固定手段３５は配置されている。図９に示すように固定手段３５が４本であれば、９０°間隔で配置される。
【００４８】
前記制限手段９には、第１の実施形態と同様に、ロープを用いることができる。ロープは、前記自由点３３に一端が固定され、他端が前記第２固定点３２の固定された前記回転台５の外周部から時計回りの方向の回転台５の外周部に固定されている。このロープの前記一端の届く範囲によって前記自由点３３の移動範囲１１が制限されている。
【００４９】
なお、図９では、全てのロープの回転台５の外周部に固定される一端は、前記回転台５のそれぞれ対応する前記固定手段３５が固定された位置から時計回りの方向の地点に固定している。この方向に固定することにより、風力発電用風車４が風を受けると、回転台５は、反時計回りの方向に回転する。全てのロープの回転台５の外周部に固定される一端を、前記回転台５のそれぞれ対応する前記固定手段３５が固定された位置から反時計回りの方向の地点に固定してもよく、この方向に固定すれば、風力発電用風車４が風を受けると、回転台５は、時計回りの方向に回転する。
【００５０】
次に、風力発電用風車４が、風を受けて回転する機構を説明する。なお、説明を容易にするために、まずは、図１０に示すように、帆８が１枚の場合について説明する。
【００５１】
図１１の（ａ）から（ｉ）の９個の図は、帆８が１枚の場合の風力発電用風車４の上面図であり、帆８が紙面上方から風を受けてはらみ、回転台５と帆８が反時計回りに回転する様子を示している。帆底が第２固定点３２と自由点３３の間に描く孤と、制限手段９、回転台５、帆柱６を示して、回転台５と帆８が、順次回転してゆく様子を表している。回転台５は、反時計回りに回転している。
【００５２】
図１１（ａ）では、第２固定点３２が最も風上に位置しているときをとらえている。帆８の自由点３３は、制限手段９によって、第２固定点３２より回転台５上の反時計回りの方向の位置に移動できなくなっている。帆８は風に押され風下方向に移動しようとするが、帆８は制限手段９に引かれて移動できずに、帆８は風をはらんで風を捉える。そして、帆８の三角形の第２固定点３２に対向する自由辺３４（図1０参照）は弧を描く。このとき、図１１（ａ）に示すように、帆底の描く孤の第２固定点３２における接線は風向とほぼ平行になっていることから、紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の右方向へ方向を変えて流れる。このように風向きを変えることで、帆８には紙面左方向への力が働き、第２固定点３２が帆柱６の風上に位置しているので、回転台５には反時計回りの加速トルクが発生する。回転台５は、反時計回りに回転することになる。
【００５３】
図１１（ｂ）では、図１１（ａ）のときから、回転台５が反時計回りに少し回転して、自由点３３を基点として第２固定点３２へ向かう方向と風上に向かう方向とを見込んだ角度が鋭角をなすときをとらえている。図１１（ａ）の状態と同様に紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の右方向へ方向を変えて流れるので帆８には紙面左方向への力が働き、回転台５には反時計回りの加速トルクが発生する。回転台５は、反時計回りに加速しながら回転する。
【００５４】
図１１（ｃ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、第２固定点３２と自由点３３を結ぶ直線が風向と直角になるときをとらえている。紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の左右両方向へ向きを変えて分流する際に風は帆８を紙面下方の方向に押すので帆８には紙面下方の方向への力が働き、第２固定点３２が帆柱６の紙面の左側に位置しているので、回転台５には反時計回りの加速トルクが発生する。帆８に働く力の回転台５の円周接線成分が大きいので、このとき発生する加速トルクは大きい。回転台５は、反時計回りに加速しながら回転する。
【００５５】
図１１（ｄ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、帆底の描く孤の自由点３３における接線が風向とほぼ平行となっているときをとらえている。図１１（ｃ）の直後から、図１１（ｄ）のときまでは、紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の左方向へ方向を変えて流れるので、帆８には紙面右下方向への力が働き、第２固定点３２が帆柱６の左側に位置しているので、反時計回りの加速トルクが発生する。回転台５は、反時計回りに加速しながら回転する。
【００５６】
図１１（ｅ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転する間に帆８が風に流されてジャイブしたのち、図１１（ｄ）のときとは異なった面で風を受けているときをとらえている。風を受ける帆面が表面から裏面へ変わっている。紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の右方向へ方向を変えて流れるので帆８には紙面左下方向への力が働き、第２固定点３２が帆柱６の左側に位置しているので、反時計回りの加速トルクが発生する。回転台５は、反時計回りに加速しながら回転する。なお、帆８は、ジャイブすることにより、両面で交互に風を受けることができ、回転台５の回転に伴って、帆８が回転し、帆８の風向きに対する相対的な向きが変化しても、広範囲にわたり風を捉えることができる。また、風向きそのものの変化に対してもより広角度に風を捉えることができる。
【００５７】
図１１（ｆ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、第２固定点３２と自由点３３を結ぶ直線が再度風向と直角になるときをとらえている。図１１（e）のときから、図１１（ｆ）の直前までは、紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の右方向へ方向を変えて流れるので帆８には紙面左下方向への力が働き反時計回りの加速トルクが発生する。この間、帆底の描く孤が回転台５の円周に沿うので、帆８に働く力の回転台５の円周接線成分が小さく、発生する加速トルクは小さいが、回転台５は、反時計回りに加速しながら回転する。
【００５８】
図１１（ｆ）のときには、紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の左右両方向へ向きを変えて分流するので帆８には紙面下方向への力が働くが、回転台５の径方向の成分が大きく円周接線成分が小さいので回転台５には回転トルクはほとんど発生しない。回転台５は、慣性により継続して反時計回りに回転する。
【００５９】
図１１（ｇ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、帆底の描く孤の第２固定点３２における接線が紙面上方から吹く風の風向とほぼ平行となっているときをとらえている。図１１（ｆ）の直後から、図１１（ｇ）のときまでは、紙面上方から吹く風は帆８にあたり紙面の左方向へ方向を変えて流れるので帆８には紙面右下方向への力が働き、第２固定点３２が帆柱６の右側に位置しているので、時計回りの回転台５を減速させる回転トルクが発生する。この間、帆底の描く孤が回転台５の円周に沿うので、帆８に働く力の回転台５の円周接線成分が小さく、発生する回転トルクは小さい。回転台５は、慣性により継続して反時計回りに回転する。
【００６０】
図１１（ｈ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、第２固定点３２の風下の方向に、自由点３３が位置しているときをとらえている。このときには、制限手段９がたるみ、紙面上方からの風は帆８をはらませることができず、帆８は風にたなびく。回転台５に回転トルクはほとんど発生しない。回転台５は、慣性により継続して反時計回りに回転する。
【００６１】
図１１（ｉ）では、回転台５が反時計回りにさらに回転して、固定点３２が最も風上に位置しているときをとらえている。図１１（ｇ）の直後から、図１１（ｉ）の直前までは、図１１（ｈ）のときと同様に固定点３２の風下の方向に、自由点３３が位置しているので、制限手段９がたるみ、紙面上方からの風は帆をはらませることができず、帆は風にたなびく。トルクはほとんど発生しない。回転台５は、慣性により継続して反時計回りに回転する。
【００６２】
図１１（ｉ）のときになって、帆底の描く孤の第２固定点３２における接線は風向とほぼ平行となり、帆は風をはらむ。風の当たる帆面が、裏面から表面へ変わっている。図１１（ｉ）のときは図１１（ａ）のときと同じなので、回転台５は１回転したことになる。回転台５は風が吹くあいだこの回転を繰り返すことができる。
【００６３】
回転台５には、１回転の間に、反時計回り方向の加速トルクと時計回りの方向の回転トルクが発生するが、それでも、回転台５が反時計回りするのは、１回転の間において、減速トルクによる仕事量より、加速トルクによる仕事量の方がはるかに大きいからである。そして、帆８が１枚であっても、この風力発電用風車４は反時計回りの方向に回転し続けることがわかる。
【００６４】
図１１では、紙面上方から風が吹いて来るとしたが、回転台５と帆８は、３６０°回転するので、紙面上方に限らずどの方向から風が吹いても、紙面上方から吹くのと同様に帆８は風を捉え回転台５と帆８は回転する。
【００６５】
帆８の形とその大きさや制限手段９を変えることにより風車のトルク特性を変えることが出来る。
【００６６】
次に、図８と図９に示すように、帆８が４枚の場合に戻って、風力発電用風車４が、風を受けて回転する機構を説明する。帆８が複数枚になると、帆８の少なくとも１枚は、風上に向かって帆柱６（回転台５の中心）の左側に位置しているので、その帆８によって回転台５には反時計回りの方向の回転トルクが作用し、回転台５は、反時計回りに回転することになる。なお、複数の帆８のなかの、風上に向かって帆柱６（回転台５の中心）の右側に位置している帆８のなかには、回転台５に時計回りの方向の回転トルクを作用させるものがあるが、複数の帆８から回転台５に作用する回転トルクの総和としては、常に、反時計回りの回転トルクが時計回りの回転トルクより大きくなり、回転台５は反時計回りに回転する。
【００６７】
次に、第２の実施形態の変形例について図１２、図１３、図１４、図１５を用いて説明する。図１２は、第２の実施形態の変形例に係る風力発電装置の上面図であり、図１３は、図１２のＢ−Ｂ方向の断面図であり、図１４は、図１２のＡ−Ａ方向の断面図であり、図１５は、図１４のＣ−Ｃ方向の断面図である。第２の実施形態との相違点は、第１の実施形態と同様の帆巻き機構部１３と帆展開機構部１４を有している点である。
【００６８】
帆巻き機構部１３は、第２固定点３２の近傍の回転台５に配置されている。帆巻き機構部１３は、帆巻き機構部１３に連結された第２ギヤ４６とローラ３９に連結された第１ギヤ４５を介して、ローラ３９を回転させてローラ３９の外周に帆８を巻くことができる。ローラ３９は、上端と下端を軸受け４１によって回動自在に固定手段３５に固定されている。固定手段３５の１つは帆柱６の上端に固定され、固定手段３５のもう１つは第２固定点３２の近傍の回転台５に固定されている。
【００６９】
帆８は、帆８の三角形の一辺を軸にローラ３９の外周に巻かれると、制限手段９は帆牽引索１５として、帆８を牽引しながら、巻き込まれた帆８の長さと同じ長さだけ、帆展開機構部１４から引き出される。三角形の帆８のローラ３９に固定され巻かれる一辺に対向する自由点３３に帆牽引索１５（制限手段９）が取り付けられている。帆牽引索１５（制限手段９）は、回転台５の外周部に設けられた貫通孔４７を通り、貫通孔４７の直下に設けられた滑車１６に引き回されて向きを変え、回転台５の裏面に配置された帆展開機構部１４に接続している。帆展開機構部１４が帆牽引索１５（制限手段９）を引っ張りながら繰り出すことにより、帆８は、巻かれながらもピンと張られた状態を維持できる。所定の長さの巻き込みが完了したら帆巻き機構部１３と帆展開機構部１４とをロックする。
【００７０】
また、帆展開機構部１４は、巻かれた帆８の反対側の端である自由点３３から帆８を引き出して展開することにより、帆８を張ることができる。帆８がローラ３９から引き出されると、帆巻き機構部１３は、帆８に張りを持たせながら帆８を繰り出し巻き戻す。詳細には、まず、帆展開機構部１４が、所定の張力になるまで帆牽引索１５（制限手段９）を引き込み、帆８を所定の張力で張る。この所定の張力を維持したまま、帆展開機構部１４が帆８を引き出し、帆巻き機構部１３が帆８を送り出す。所定の長さの帆８の引き出しが完了したら、帆巻き機構部１３は帆８の送り出しをロックする。帆展開機構部１４は、維持されてきた所定の張力を緩め、帆８が風をはらみやすいように所定の長さだけ帆８を繰り出して、その後、繰り出しをロックする。このことにより、帆８が風をはらんだときの弧の形状を調整することができる。
【００７１】
図１５に示すように、ローラ３９の円周上に、帆８の自由点３３に対向する辺が固定されている。ローラ３９は、時計回りと反時計回りのどちらの方向にも回転可能であり、帆８を巻き取ったり展開したりすることができる。ローラ３９を覆うように円筒状のケーシング３８が設けられている。帆８がケーシング３８の貫通溝を通る。ケーシング３８によれば、帆８が巻かれる際に他のものも一緒に巻き込まれるのを防止することができる。
【００７２】
そして、第２の実施形態の変形例によっても、第１の実施形態と同様に、図５の出力電圧検出部２１と、出力電圧判定部２４と、巻き・展開指示部２６とを有することにより、帆８の有効面積を制御できるので、強風等の風速によらず、低速回転させて、発電することができる。
【００７３】
以上、第２の実施形態によれば、美しい帆８を優雅に回転させて、弱風乱流でも風力発電ができるようになる。また、帆８の有効面積を制御して、強風等の風速によらず、低速回転させて、発電できるようになる。暴風時には帆８を帆柱に巻き込み損傷を防ぐことが可能になる。小型なので大量生産による経済効果を求めることが可能である。また、小型で機械的構造が簡単なので設置が容易で、屋根の上にも設置でき、建設単価を低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】第１の実施形態に係る風力発電装置の斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る風力発電装置の上面図である。
【図３】（ａ）は展開された帆の周辺の詳細な上面図であり、（ｂ）は展開された帆の周辺の詳細な正面図である。
【図４】（ａ）は巻かれた帆の周辺の詳細な上面図であり、（ｂ）は巻かれた帆の周辺の詳細な正面図である。
【図５】第１の実施形態に係る風力発電用風車の制御部周りの構成図である。
【図６】風を受けて回転する風力発電用風車の上面図である。
【図７】（ａ）は第１の実施形態の変形例に係る風力発電装置の展開された帆の周辺の詳細な上面図であり、（ｂ）は第１の実施形態の変形例に係る風力発電装置の巻かれた帆の周辺の詳細な上面図である。
【図８】第２の実施形態に係る風力発電装置（４枚帆）の斜視図である。
【図９】第２の実施形態に係る風力発電装置（４枚帆）の上面図である。
【図１０】第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の斜視図である。
【図１１】（ａ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、第２固定点が最も風上に位置しているとき）であり、 （ｂ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、自由点を基点として第２固定点へ向かう方向と風上に向かう方向とを見込んだ角度が鋭角をなすとき）であり、 （ｃ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、第２固定点と自由点を結ぶ直線が風向と直角になるとき）であり、 （ｄ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、帆底の描く孤の自由点における接線が風向とほぼ平行となっているとき）であり、 （ｅ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（ジャイブしたのち）であり、 （ｆ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、第２固定点と自由点を結ぶ直線が再度風向と直角になるとき）であり、 （ｇ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、帆底の描く孤の第２固定点における接線が紙面上方から吹く風の風向とほぼ平行となっているとき）であり、 （ｈ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（風が紙面上方から吹いているところ、第２固定点の風下の方向に、自由点が位置しているとき）であり、 （ｉ）は、風を受けて回転する第２の実施形態に係る風力発電装置（１枚帆）の上面図（１回転して（ａ）に戻ってきたとき）である。
【図１２】第２の実施形態の変形例に係る風力発電装置の上面図である。
【図１３】図１２のＢ−Ｂ方向の断面図である。
【図１４】図１２のＡ−Ａ方向の断面図である。
【図１５】図１４のＣ−Ｃ方向の断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 風力発電装置
２ 発電機
３ シャフト
４ 風力発電用風車
５ 回転台
６ 帆柱
７ 腕
８ 帆
９ 制限手段（ロープ）
１０ 垂直軸
１１ 回動角度範囲
１２ 腕保持部（回転ベアリング）
１３ 帆巻き機構部
１４ 帆展開機構部
３１ 第１固定点
３２ 第２固定点
３３ 自由点
３４ 自由辺
３５ 固定手段
３８ ケーシング
３９ ローラ
４１ 軸受け
４５ 第１ギヤ
４６ 第２ギヤ
４７ 貫通孔
６１、６２、６３ 帆柱
７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ 腕
７３ａ１、７３ａ２、７３ｂ、７３ｃ 腕
８１、８２、８３、８３ａ１、８３ａ２、８４ 帆
９１ａ、９１ｂ、９１ｃ 制限手段（ロープ）
９２ａ、９２ｂ、９２ｃ 制限手段（ロープ）
９３ａ１、９３ａ２、９３ｂ、９３ｃ 制限手段（ロープ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正方向に回転する回転台と、
前記回転台に立てられた帆柱と、
前記帆柱によって前記回転台の上方に固定される第１固定点と、前記回転台の外周部に固定される第２固定点と、前記回転台に対して移動可能な自由点とによって張られる三角形の帆と、
前記自由点の移動範囲を制限する制限手段とを有し、
前記帆が風を受けると、前記帆の前記三角形の前記第２固定点に対向する自由辺は弧を描くことを特徴とする風力発電風車。
【請求項２】
前記帆は、前記風を受けてジャイブすることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用風車。
【請求項３】
前記帆は、両面で交互に前記風を受けることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電用風車。
【請求項４】
前記自由点は、前記制限手段によって、前記第２固定点より前記回転台上の前記正方向の位置に移動しないことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項５】
前記正方向の回転に伴い前記第２固定点が風下方向に移動するとき、前記帆は風を捉え、
前記正方向の回転に伴い前記第２固定点が風上方向に移動するとき、前記帆は前記風を捉えるかまたは前記風になびくことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項６】
前記制限手段は、前記自由点に一端が固定され、他端が前記第２固定点の固定された前記外周部から前記正方向とは反対方向の前記外周部に固定されたロープであり、前記ロープの前記一端の届く範囲によって前記移動範囲が制限されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項７】
固定端に前記第２固定点が固定され、自由端に前記自由点が固定され、前記第２固定点のまわりに回動自在である腕を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の風力発電風車。
【請求項８】
前記帆は、前記三角形の辺を軸に巻かれることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項９】
前記風力発電用風車の回転によって発電した電圧の、設定された基準電圧に対する大小関係に応じて、前記帆を巻くことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項１０】
前記帆柱が、前記回転台の回転軸の延長上に立っていることを特徴とする請求項１乃至請求項９にいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項１１】
前記腕は、前記固定端が前記帆柱に取り付けられ、前記帆柱のまわりに回動自在であり、
前記帆柱が、前記第２固定点の近傍に立っていることを特徴とする請求項３乃至請求項７にいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の風力発電用風車と、
前記回転台の回転によりシャフトを回転させて発電する発電機とを有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項１】
正方向に回転する回転台と、
前記回転台に立てられた帆柱と、
前記帆柱によって前記回転台の上方に固定される第１固定点と、前記回転台の外周部に固定される第２固定点と、前記回転台に対して移動可能な自由点とによって張られる三角形の帆と、
前記自由点の移動範囲を制限する制限手段とを有し、
前記帆が風を受けると、前記帆の前記三角形の前記第２固定点に対向する自由辺は弧を描くことを特徴とする風力発電風車。
【請求項２】
前記帆は、前記風を受けてジャイブすることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用風車。
【請求項３】
前記帆は、両面で交互に前記風を受けることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電用風車。
【請求項４】
前記自由点は、前記制限手段によって、前記第２固定点より前記回転台上の前記正方向の位置に移動しないことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項５】
前記正方向の回転に伴い前記第２固定点が風下方向に移動するとき、前記帆は風を捉え、
前記正方向の回転に伴い前記第２固定点が風上方向に移動するとき、前記帆は前記風を捉えるかまたは前記風になびくことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項６】
前記制限手段は、前記自由点に一端が固定され、他端が前記第２固定点の固定された前記外周部から前記正方向とは反対方向の前記外周部に固定されたロープであり、前記ロープの前記一端の届く範囲によって前記移動範囲が制限されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項７】
固定端に前記第２固定点が固定され、自由端に前記自由点が固定され、前記第２固定点のまわりに回動自在である腕を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の風力発電風車。
【請求項８】
前記帆は、前記三角形の辺を軸に巻かれることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項９】
前記風力発電用風車の回転によって発電した電圧の、設定された基準電圧に対する大小関係に応じて、前記帆を巻くことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項１０】
前記帆柱が、前記回転台の回転軸の延長上に立っていることを特徴とする請求項１乃至請求項９にいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項１１】
前記腕は、前記固定端が前記帆柱に取り付けられ、前記帆柱のまわりに回動自在であり、
前記帆柱が、前記第２固定点の近傍に立っていることを特徴とする請求項３乃至請求項７にいずれか１項に記載の風力発電用風車。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の風力発電用風車と、
前記回転台の回転によりシャフトを回転させて発電する発電機とを有することを特徴とする風力発電装置。
【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】
【公開番号】特開２００８−１５７０４２（Ｐ２００８−１５７０４２Ａ）
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４３７９１（Ｐ２００６−３４３７９１）
【出願日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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