革命的な風力タービンⅥ

 

  

　　　２４　　一陽来復　　／　　地雷復（ちらいふく）

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　 

 
　　　　※　破壊のあとに建設が始まる。復興である。「復」は冬至を示す。
　　　　　　陰の気（--）がたれこめている中に、陽の気（－）が萌し始め、
　　　　　　徐々に春が立ち復（かえ）るのだ。卦の形も、地中（坤）深い
　　　　　　所に春機が発動（震）していることを示している。長かった苦
　　　　　　しみも、もう一息だ。しかし焦って今すぐ飛び出すようなこと
　　　　　　をしてはいけない。あわてて芽を出そうとすれば、晩霜に遇っ
　　　　　　てたちまちくじかれる。じりくりと将来の大計を樹てるべきと
　　　　　　きである。易占では、復縁、仲直り、失せ物によいとされる卦
　　　　　　である。

 

  

【ＲＥ１００倶楽部：スマート風力タービンの開発 ２４】 

●　事例研究：特開2017-031920 垂直型風力発電システム、
　　　　　　　及び垂直型風力発電システムにおける制御方法Ⅲ  

●　第３１の態様

また、第３１の態様に係る垂直型風力発電システムは、第１～第２９の態様に係る垂直
型風力発電システムの構成において、電力源３５への電力の供給は、太陽光パネルをア
ーム３の表面に張り、太陽光パネルから電力源３５に電力を供給する構成としている。
この構成により電力源３５への電力の供給が簡素な構成で行うことができ、小型かつ低
コストの垂直型風力発電システム１５を実現できる※。

※　第３１項は、ハイブリッド化であるが、わたし（たち）なら、現在進行中の「全国
　　無電柱化」にあわせ、信号機や防犯カメラ、拡声機、防犯灯などの機能を融合させ「
　　道路構造令に建築限界」を配慮し、高さ６メートル程度の「マルチ・タウン電柱」
　　として刷新し、意匠性と機能性を調和させた、"Think Globally Act Locally"で革命的
　　な「風力タービンポール」として世界展開する絵を描く。


上記した構成により、回転角度テーブルの高精度化、垂直型風力発電システムの発電効
率の向上、信頼性の向上および小型化が可能となるため、小型高性能、高効率かつ高信
頼性の垂直型風力発電システムを実現できる。

また、次のような制御方法として提供することもできる。

複数の直線翼から構成される垂直型ブレードと、直線翼を保持するアームと、アームの
回転を支持するシャフトユニットと、シャフトユニットと連動する発電機とを有し、風
力によって回転する垂直型ブレードの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する①垂
直型風力発電システムの直線翼の制御方法で、アームに対する②直線翼の相対角度をそ
れぞれ独立して回動可能に構成し、垂直型ブレードの回転中心を基準した平面座標系に
おける基準角度からの垂直型ブレードまたは個々の直線翼のブレード回転角度と、ブレ
ード回転角度から演算した相対角度の回転角度テーブルとを有し、回転角度テーブルを
もとに、ブレード回転角度に応じて直線翼の相対角度を変化させることを特徴とする。
さらに、上記の垂直型風力発電システムにおける回動手段を備えた垂直型ブレード、ま
たは回転角制御手段の単独で提供してもよしとする。 

【符号の説明】

１ 垂直型ブレード　２ 直線翼　３ アーム　４ シャフトユニット　５ 発電機　６ ポ
ール　７ シャフトユニット保持部　８ 相対角度　９ 回動手段　１０ 回転角制御手段
１１ 平面座標系　１２ 基準角度　１３ ブレード回転角度　１４ 回転角度テーブル　
１５ 垂直型風力発電システム　１６ 風速　１７ 風速検出手段　１８ 回転数検出手段　
１９ 風向検出手段　２０ 回転トルク　２１ 回転抑止トルク可変手段　２２ 発電機コ
ントローラ（回転数制御手段）　２３ パワーコントローラ　２４ 結合部　２５ 翼弦　
２６ 翼直径　２７ 取付け部　２８ 風向　２９ 翼弦長　３０ 駆動源　３１ 動力伝達
部　３２ 軸支部　３３回動軸部　３４ 翼長　３５ 電力源　３６ 向周速　３７ 相対
風速　３８ 迎角　３９ ピッチ角度　４０ 揚力　４１ 抗力　４２ 揚力による回転トル
ク　４３ 抗力による回転トルク　

●　実施形態１

図１～図１３を参照して実施の形態１に係る垂直型風力発電システムについて説明する。
図１および図２Ａ～Ｃは、実施の形態１に係る垂直型風力発電システムの構成の一例を
示した模式図である。図１では、実施の形態１に係る垂直型風力発電システムを側方か
ら見たときの構成を模式的に示している。

図２Ａ～Ｃでは、実施の形態１に係る風力発電システムを上方から見たときの構成を模
式的に示している。図３は実施の形態１に係る風力発電システムに搭載する直線翼２の
回動手段９の構成を示した略図である。図１および図２Ａ～Ｃに示すように、垂直型風
力発電システム１５は、垂直型ブレード１、直線翼２、アーム３、シャフトユニット４、
発電機５、ポール６、シャフトユニット保持部７、相対角度８、回動手段９、回転角制
御手段１０、平面座標系１１、基準角度１２、ブレード回転角度１３、回転角度テーブ
ル１４、垂直型風力発電システム１５、風速１６、風速検出手段１７、回転数検出手段
１８、風向検出手段１９、回転トルク２０（図１０に図示）、回転抑止トルク可変手段
２１（図１０に図示）、発電機コントローラ２２（回転数制御手段）（図１０に図示）、
パワーコントローラ２３（図１０に図示）、結合部２４、垂直型ブレードの取付け部２
７、風向２８より構成されている。

垂直型ブレード１は複数の直線翼２から構成され、アーム３により回動可能に保持され
る。シャフトユニット４はアーム３を固定し保持するとともにアームの回転を支持する
。シャフトユニット４は前記垂直型ブレード１の回転エネルギーを電気エネルギーに変
換する発電機５の回転部分（ロータ、シャフトなど）と結合（または一体化）され連動
し、垂直型ブレード１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。

この際、結合部２４（詳細は図示せず）を介してシャフトユニット２４と発電機５の回
転部分とを結合してもよく、結合部２４はカップリング、ギヤ、増速機、減速機などの
いずれかから構成されている。この時、結合部２４の増速比または減速比により垂直型
ブレード１の回転数―出力特性と、発電機５の回転数－出力特性をマッチングさせるこ
とが可能となる。

ポール６は、ベアリングおよび保持部（詳細は図示せず）などから構成されているシャ
フトユニット保持部７により、垂直型ブレード１とアーム３とを固定したシャフトユニ
ット４を保持し、シャフトユニット４をポール６に回動可能状態で保持する。一方、
１個又は複数個備える風速検出手段１７は垂直型ブレード１の周辺の風速を検出し、回
転数検出手段１８は垂直型ブレード１の回転数を検出し、風向検出手段１９は垂直型ブ
レード１９に流入する風の平面座標系１１の回転中心Ｏを中心とした基準角度１２に対
する風向２８（角度）を検出する。

また、直線翼２はアーム３に回動手段９により回動可能に保持されている。図３（ａ）、（
ｂ）は実施の形態１に係る風力発電システムに搭載する直線翼２の回動手段９（直線翼
２、アーム３は含まない）の構成を示した略図である。回動手段９は回動軸部３３、ス
テッピングモータ、ＤＣモータ、超音波モータ、圧電素子などの駆動源３０、ギヤ、カ
ップリング、シャフトなどから構成される動力伝達部３１、ベアリングなどを用いた軸
支部３２、駆動源３０に電力を供給する電池などの電力源３５より構成され、直線翼２
はアーム３に対して、最大で±１８０度の回動状態で保持される。

この際、軸支部３２はベアリングに限らず摺動性を有した公知の軸支部材でも良い。ま
た、動力伝達部３１は各種ギヤやカップリングを介しても良いし、駆動源３０と回動軸
部３３を直接結合する構成でも良い。

図３（ａ）、（ｂ）の差は駆動源３０および動力伝達部３１の一部を垂直または水平に
配置したことである。図３（ｂ）の構成では、駆動源３０、動力伝達部３１および電源
３５の水平部をアーム３の内部に収納することも可能である。駆動源３０、動力伝達源
３１、電源３５をアーム３に格納することで、垂直型風力発電システム１５の小型化が
可能であるとともに、風雨や紫外線の影響を抑えることができ、信頼性および耐久性に
優れた垂直型風力発電システム１５を実現できる。

図２Ａは平面座標系１１（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、原点Ｏ）における基準角度１２（０度）、
垂直型ブレード１（直線翼２）の２種類のブレード回転角度１３（θ）、垂直型ブレー
ド１の直径となる翼直径２６、アーム３と直線翼１の取付け部２７および２種類の相対
角度８、風速１６、風向２８、翼直径２６をそれぞれ示している。直線翼２はアーム
３に対して取付け部２７の位置に相対角度８の取付け角で回動可能状態にて保持されて
いる。

図２Ｂおよび図２Ｃはブレード回転角度１３と迎角３８との関係を示した図である。図
２Ｂにおいて、直線翼２は説明を簡素にするため約１８０度の位置にあり、風速１６の
条件で、垂直型ブレード１の回転数に応じた翼直径２６（外周）の回転速度で周速３５
で回転している。この時、周速３５は「ｍ／ｓ」の単位で表すものとする。

図２Ｃは、図２Ｂにおける迎角３８を表した図で、翼型特性を表す際に用いられる迎角
３８は、次のように求められる。すなわち、風速１６と垂直型ブレード１の翼直径２６
（外周）での回転速度である周速３５に対する向周速３６との合成となるいわゆる相対
風速３７と、直線翼２の翼弦２５とのなす角度である。

基本的な仕組みとして、接線方向の回転力（回転トルク）が大きくなるような迎角３８
にするために相対角度８を変化させる。図４（ａ）は実施の形態１に係る風力発電シス
テムに搭載する直線翼２の断面形状においていわゆる対称翼の一例を示した図で、図４
（ｂ）はいわゆる非対称翼の一例を示した図である。直線翼１の前縁と後縁とを結んだ
線分を翼弦２５とし、翼弦２５の長さを翼弦長２９としている。

また図４（ｃ）は、図４（ａ）、（ｂ）に示す翼型断面における取付け位置２７を中心
として回転させた時の、相対風速３７と翼弦２５との角度となる迎角３８と翼型断面の
表面で発生する揚力４０および抗力４１の関係を示している。風速１６、翼弦２５、取
付け部２７、ブレード回転角度１３、相対角度８、相対風速３７、迎角３８、ピッチ角
度３９、揚力４０、抗力４１、揚力４０による回転トルク４２、抗力４１による回転抑
止トルク（マイナストルク）４３の関係を示した図である。相対角度８はアーム３と翼
弦２５とのなす角の場合の図である。 この時、相対角度８を翼弦２５と取付け位置２７
における接線方向との角度とした場合はピッチ角度３９が相対角度８となる。

図４（ｃ）においてピッチ角度３９は（相対角度８）－９０度で表すことができる。ま
た、抗力４１による回転抑止トルク４３は周速比が１以下でブレード回転角度１４が
１８０度から３６０度の間では、正の回転トルクとなる場合がある。したがって、周速
比が１以上の領域で回転エネルギー変換効率Ｃｐを上げるには、揚力４０による回転ト
ルク４２を大きくし、抗力４１による回転抑止トルク４３を小さくすることが必要とな
る。また、周速比が１以下の領域で回転エネルギー変換効率Ｃｐを上げるには、揚力
４０による回転トルク４２を大きくし、抗力４１による回転抑止トルク４３を小さく
するとともに、抗力４１による回転トルク４３（第３および第４象限ではプラストルク
が発生する）を大きくすることが必要となる。

図５は実施の形態１に係る風力発電システムに搭載する直線翼２の断面形状における翼
型特性を示した図である。図５（ａ）は迎角３８（ATTACK ANGLE）と揚力係数（Ｃ
Ｌ）の関係を示し、図５（ｂ）は迎角３８（ATTACK ANGLE）と抗力係数（ＣＤ）と
の関係を示した一例（特定の風速、またはレイノルズ数における参考図）である。回転
角度テーブル１４におけるピッチ角度３９の演算を行う場合、それぞれの風速またはレ
イノルズ数毎の翼型特性を考慮することは必須であり、この特性を考慮しない限りＣｐ
を最大とする回転角度テーブル１４の演算は困難となる。逆に、様々な風速またはレイ
ノルズ数に対応した翼型特性があれば、精度よく回転角度テーブル１４を作成すること
が可能となる。

ここで、抗力係数および揚力係数は、ともに係数に１／２（ρＣＶ²）をかけることで
力（Ｎ／ｍ）に換算できる。この時、ρは空気密度（ｋｇ／ｍ³）、Ｃは翼弦長２９（
ｍ）、Ｖは風速（ｍ／ｓ）とする。図６は、実施の形態１に係る風力発電システムに搭
載する直線翼２における周速比λと風速１６、向周速３６、相対速度３７とブレード回
転角度（θ）１３との関係を示した模式図である。

図６（ａ）および図６（ｂ）は周速比λが１以下の領域の場合と、周速比が１を超えた
場合のブレード回転角度１３と相対速度３７の関係を示している。特に、周速比１以下
ではピッチ角度３８の調整角度によっては、ブレード回転角度（θ）１３が１８０度～
３６０度の領域では抗力による回転トルク（プラストルク）を発生させることが可能と
なる。

また、図６の（ｃ）と図６の（ｄ）は周速比と迎角３８の関係を示した図である。ピッ
チ角度３９を０度に固定した場合、周速比が１以下の領域では迎角３８は０度～３６０
度となるが、周速比が１を超えると迎角は大幅に小さくなることが分かる。また、全て
の周速比において相対風速３７は垂直型ブレード１の平面座標系１１における下流側（
０≦φ≦９０度、２７０度≦φ≦３６０度）では翼型の腹側から当たることになる。

                                                                 この項つづく

　●　今夜の一曲

 

デル・シャノン（Del Shannon、1934年12月30日 - 1990年2月8日）は、米国のシンガー
ソングライター。1961年のデビューシングル「悲しき街角（Runaway）」がビルボード
１位を獲得する。ミシガン州グランドラピッズに生まれ、その近くのクーパースヴィル
で育つ。本名は、Charles Weedon Westover。１４歳の時にギターを手にしたのきっかけ
にミュージシャンを決意。高校時代にバンドも結成し、ナイトクラブにも出入りし活動
を開始。一時期軍隊に入隊、除隊後と地元ミシガンでオルガニストのマックス・クルッ
クと共にバンドを結成。1961年に「悲しき街角」が大ヒット、ここからシャノンの運命
が大きく変わる。その後ヒットを何曲か飛ばし、1963年にイギリスに上陸した際にはビ
ートルズとも面識があったという。1964年にピーター&ゴードンが歌った「アイ・ゴー・
トゥ・ピーセス」（シャノン自身のパージョンは翌1965年に発表）がヒット。

しかし、1960年代の半ば頃から徐々に精神的バランスを崩し、アルコールにも手を出す。
ヒットも「さすらいの街角（街角のストレンジャー）」を最後に長い低迷時代を向え、
1982年にフィル・フィリップスの1959年のヒット曲「シー・オブ・ラブ」をカヴァーを
し、全米トップチャートで40位にランクイン。1985年には「ミュージックフェア」にも
出演を果たす。テレビ朝日のオールディー番組に出演するが、その日は番組開始10分過
ぎ位に入った御巣鷹山の日航機事故特別臨時ニュースのためカットされる。1990年2月8
日、自宅で猟銃自殺を遂げる５５歳没。ポスト６０年安保の頃、僕たちの青春と共にあ
った。

　Del Shannon greatest hits