JP2001065446A - 垂直軸型風車用翼列構造および垂直軸型風車 - Google Patents
垂直軸型風車用翼列構造および垂直軸型風車Info
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- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction
Abstract
(57)【要約】
【課題】 風力により自己起動可能な垂直軸型風車の翼
列構造とその翼列構造を用いた垂直軸型風車を提供す
る。 【解決手段】 垂直軸型風車１０の翼列は２組の翼群２
０で構成され、各翼群２０は上下２箇所で２本の支持腕
１４の一端に固定され、支持腕１４の他端は垂直回転軸
１２の上下部に固定され、垂直回転軸１２は支持部１５
で回動可能に軸着されている。垂直回転軸１２はエネル
ギー変換手段に接続され垂直回転軸１２の回転エネルギ
ーを電力等に変換している。翼群２０は、第１のブレー
ド２１、第２のブレード２２、第３のブレード２３の３
枚のブレードで構成され、それぞれのブレードは翼型を
形成し、各ブレードは円運動方向方向に直列に並んだ配
列であり、円運動方向に先行するブレードの回転半径が
後続するブレードの回転半径以下となっている。この場
合第１のブレード２１は他のブレードよりも小型となっ
ている。
列構造とその翼列構造を用いた垂直軸型風車を提供す
る。 【解決手段】 垂直軸型風車１０の翼列は２組の翼群２
０で構成され、各翼群２０は上下２箇所で２本の支持腕
１４の一端に固定され、支持腕１４の他端は垂直回転軸
１２の上下部に固定され、垂直回転軸１２は支持部１５
で回動可能に軸着されている。垂直回転軸１２はエネル
ギー変換手段に接続され垂直回転軸１２の回転エネルギ
ーを電力等に変換している。翼群２０は、第１のブレー
ド２１、第２のブレード２２、第３のブレード２３の３
枚のブレードで構成され、それぞれのブレードは翼型を
形成し、各ブレードは円運動方向方向に直列に並んだ配
列であり、円運動方向に先行するブレードの回転半径が
後続するブレードの回転半径以下となっている。この場
合第１のブレード２１は他のブレードよりも小型となっ
ている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は垂直軸型風車に関
し、特にその翼列構造に関する。
し、特にその翼列構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】自然風をエネルギー源として利用する風
車は古来世界各地で利用されていた。その殆どは、オラ
ンダの風車に見られるようなプロペラ型の水平軸型の風
車であり、近年エネルギー資源問題から国内でも風車の
活用が注目され、翼数、翼形状、尾翼の有無、翼の角度
の変化などエネルギー変換効率の向上のための工夫が行
われてきた。
車は古来世界各地で利用されていた。その殆どは、オラ
ンダの風車に見られるようなプロペラ型の水平軸型の風
車であり、近年エネルギー資源問題から国内でも風車の
活用が注目され、翼数、翼形状、尾翼の有無、翼の角度
の変化などエネルギー変換効率の向上のための工夫が行
われてきた。
【０００３】しかし、水平軸型の風車では、風車の方向
が風の流れの方向に向くように制御することが必要であ
り、また発電機などのエネルギー取り出し手段が通常地
面に近いところにあるため水平軸の回転を垂直軸の回転
に変換する機構を高い位置に設ける必要があり、さらに
翼がこの機構から片持ち状態で支持されるためそれらに
対応する複雑な構造が必要となるという問題点があっ
た。
が風の流れの方向に向くように制御することが必要であ
り、また発電機などのエネルギー取り出し手段が通常地
面に近いところにあるため水平軸の回転を垂直軸の回転
に変換する機構を高い位置に設ける必要があり、さらに
翼がこの機構から片持ち状態で支持されるためそれらに
対応する複雑な構造が必要となるという問題点があっ
た。
【０００４】この問題を解決するため、風の方向と関係
なく駆動でき、回転軸が垂直方向である垂直軸型の風車
が開発されており、特にダリウス型に代表されるような
翼の揚力を利用する高速型の垂直軸型風車がその優れた
特性から注目されている。
なく駆動でき、回転軸が垂直方向である垂直軸型の風車
が開発されており、特にダリウス型に代表されるような
翼の揚力を利用する高速型の垂直軸型風車がその優れた
特性から注目されている。
【０００５】図８は従来例の垂直軸型風車の模式的外形
図であり、（ａ）はφダリウス型風車、（ｂ）は東海大
型直線翼垂直軸風車である。これらの風車は、ブレード
の断面が翼型状となっていて揚力を発生し、その揚力か
ら回転力を得ることから、翼の受ける風圧により回転力
を得る抵抗型風車に対して揚力型風車に分類される。φ
ダリウス型風車６０は支持部６６に回動可能に支持され
た垂直回転軸６５の上下に２枚のブレード６１の先端が
直接保持されている。東海大型直線翼垂直軸風車７０は
支持部７６に回動可能に支持された垂直回転軸７５の上
下に支持腕７４を介して複数のブレード７１が保持され
ている。
図であり、（ａ）はφダリウス型風車、（ｂ）は東海大
型直線翼垂直軸風車である。これらの風車は、ブレード
の断面が翼型状となっていて揚力を発生し、その揚力か
ら回転力を得ることから、翼の受ける風圧により回転力
を得る抵抗型風車に対して揚力型風車に分類される。φ
ダリウス型風車６０は支持部６６に回動可能に支持され
た垂直回転軸６５の上下に２枚のブレード６１の先端が
直接保持されている。東海大型直線翼垂直軸風車７０は
支持部７６に回動可能に支持された垂直回転軸７５の上
下に支持腕７４を介して複数のブレード７１が保持され
ている。
【０００６】図９は従来例の垂直軸型風車の動作原理を
説明するための模式図である。ブレード８１は回転中心
８２を中心として回転方向８３で回転している。ブレー
ド８１は回転基準線８７に対して３６０度回転するが回
転角φの状態について説明する。ここで、Ｖ∞は空気の
流速と方向を示すベクトルでここでは流体は一様流であ
るものとする。ｒはブレード８１の回転半径、ωはブレ
ード８１の回転角速度、従ってｒωはブレード速度のベ
クトル、ＶR はブレード８１への相対流入風のベクト
ル、αはブレード８１への相対流入風ＶR の流入角、Ｌ
はブレード８１に作用する揚力のベクトル、Ｄはブレー
ド８１に作用する抗力のベクトル、Ｆｂは揚力Ｌと抗力
Ｄとが合成されてブレードに作用する力のベクトル、Ｆ
ｔはＦｂによりブレード８１に加わる回転方向への力の
ベクトル、φはブレード８１の回転基準線８７からの回
転角である。
説明するための模式図である。ブレード８１は回転中心
８２を中心として回転方向８３で回転している。ブレー
ド８１は回転基準線８７に対して３６０度回転するが回
転角φの状態について説明する。ここで、Ｖ∞は空気の
流速と方向を示すベクトルでここでは流体は一様流であ
るものとする。ｒはブレード８１の回転半径、ωはブレ
ード８１の回転角速度、従ってｒωはブレード速度のベ
クトル、ＶR はブレード８１への相対流入風のベクト
ル、αはブレード８１への相対流入風ＶR の流入角、Ｌ
はブレード８１に作用する揚力のベクトル、Ｄはブレー
ド８１に作用する抗力のベクトル、Ｆｂは揚力Ｌと抗力
Ｄとが合成されてブレードに作用する力のベクトル、Ｆ
ｔはＦｂによりブレード８１に加わる回転方向への力の
ベクトル、φはブレード８１の回転基準線８７からの回
転角である。
【０００７】図９を参照して垂直軸型風車の動作原理を
説明する。ブレード８１は一様流Ｖ∞の中を回転中心８
２を中心として半径ｒ、角速度ωで回転方向８３に回転
しているとする。ブレード８１に流入する空気流は、ブ
レード８１から見ると一様流Ｖ∞とブレード速度ｒωを
合成したものであるから、ブレード８１の進行方向に流
入角αを有する図９中のブレードへの相対流入風ＶR と
なる。このとき、流入角αを有するブレードへの相対流
入風ＶR により、ブレード８１にはその翼型から決まる
揚力Ｌと抗力Ｄが発生し、ブレード８１にはその合成力
Ｆｂが作用する。この合成力Ｆｂはブレード８１を支持
腕をを介して回転中心８２方向に押圧する分力と回転方
向８３に向けて押圧する分力Ｆｔとに分かれ、この分力
Ｆｔを全周にわたり積分したものがこのブレード８１の
トルクとなる。
説明する。ブレード８１は一様流Ｖ∞の中を回転中心８
２を中心として半径ｒ、角速度ωで回転方向８３に回転
しているとする。ブレード８１に流入する空気流は、ブ
レード８１から見ると一様流Ｖ∞とブレード速度ｒωを
合成したものであるから、ブレード８１の進行方向に流
入角αを有する図９中のブレードへの相対流入風ＶR と
なる。このとき、流入角αを有するブレードへの相対流
入風ＶR により、ブレード８１にはその翼型から決まる
揚力Ｌと抗力Ｄが発生し、ブレード８１にはその合成力
Ｆｂが作用する。この合成力Ｆｂはブレード８１を支持
腕をを介して回転中心８２方向に押圧する分力と回転方
向８３に向けて押圧する分力Ｆｔとに分かれ、この分力
Ｆｔを全周にわたり積分したものがこのブレード８１の
トルクとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ブレード速度
ｒωが減少すると図９から理解できるように同じ回転角
φであっても流入角αが次第に増大する。流入角αが翼
型によって決まる所定の値を超えるとブレード（翼）５
１は失速状態になる。翼が失速すると抗力Ｄが大きくな
り、揚力Ｌは小さくなる。従って回転方向への力Ｆｔは
負となる。従ってこれまで翼に回転方向のトルクを与え
ていた回転角φにおいてもトルクが得られなくなり全て
の回転角におけるトルクの積分が減少し、さらには負の
トルクとなる。
ｒωが減少すると図９から理解できるように同じ回転角
φであっても流入角αが次第に増大する。流入角αが翼
型によって決まる所定の値を超えるとブレード（翼）５
１は失速状態になる。翼が失速すると抗力Ｄが大きくな
り、揚力Ｌは小さくなる。従って回転方向への力Ｆｔは
負となる。従ってこれまで翼に回転方向のトルクを与え
ていた回転角φにおいてもトルクが得られなくなり全て
の回転角におけるトルクの積分が減少し、さらには負の
トルクとなる。
【０００９】φダリウス型、東海大直線翼垂直軸型と
も、一様流Ｖ∞に対するブレード速度ｒωの比率（周速
比β＝ｒω／Ｖ∞）が約２以下の場合は、即ち空気流の
流速に対しブレード速度が２倍以下となると、全周にわ
たり積分したブレード５１のトルクが負となる。
も、一様流Ｖ∞に対するブレード速度ｒωの比率（周速
比β＝ｒω／Ｖ∞）が約２以下の場合は、即ち空気流の
流速に対しブレード速度が２倍以下となると、全周にわ
たり積分したブレード５１のトルクが負となる。
【００１０】図１０は文献（「直線型垂直軸風車の性
能」関和市他、日本太陽エネルギー学会誌 Ｖｏｌ．１
６、Ｎｏ．３、ｐ．３１〜３８）から引用した従来例の
垂直軸型風車の周速比βと風車効率ＣP との関係を示す
模式的グラフである。図１０に示されるように風車効率
ＣP は周速比２では負となっている。風車は通常最も風
車効率ＣP の高くなる周速比βが４前後となるように回
転速度を制御されるが、低速側で風車効率ＣP が一定値
以下となると制御が困難となる。
能」関和市他、日本太陽エネルギー学会誌 Ｖｏｌ．１
６、Ｎｏ．３、ｐ．３１〜３８）から引用した従来例の
垂直軸型風車の周速比βと風車効率ＣP との関係を示す
模式的グラフである。図１０に示されるように風車効率
ＣP は周速比２では負となっている。風車は通常最も風
車効率ＣP の高くなる周速比βが４前後となるように回
転速度を制御されるが、低速側で風車効率ＣP が一定値
以下となると制御が困難となる。
【００１１】このように、周速比０から約２までの領域
ではトルクが負になるため、風が吹いても風車を停止状
態から自己起動させることができない。このため従来の
垂直軸型風車では周速比が自己回転可能な周速比となる
までモータなどの補助動力で駆動する必要があり、起動
のための動力や、風速を監視して起動を制御するシステ
ムが必要となり、それらの初期コストとメンテナンス費
用とを必要とするという問題点があった。
ではトルクが負になるため、風が吹いても風車を停止状
態から自己起動させることができない。このため従来の
垂直軸型風車では周速比が自己回転可能な周速比となる
までモータなどの補助動力で駆動する必要があり、起動
のための動力や、風速を監視して起動を制御するシステ
ムが必要となり、それらの初期コストとメンテナンス費
用とを必要とするという問題点があった。
【００１２】本発明の目的は、風力により自己起動可能
な垂直軸型風車の翼列構造とその翼列構造を用いた垂直
軸型風車を提供することにある。
な垂直軸型風車の翼列構造とその翼列構造を用いた垂直
軸型風車を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の垂直軸型風車の
翼列構造は、垂直回転軸を回転中心として同心円運動が
可能な翼列を有する垂直軸型風車の翼列構造であって、
翼列が複数の翼群から構成され、各翼群は所定の関係に
配列された所定の翼型の複数のブレードから構成され
る。
翼列構造は、垂直回転軸を回転中心として同心円運動が
可能な翼列を有する垂直軸型風車の翼列構造であって、
翼列が複数の翼群から構成され、各翼群は所定の関係に
配列された所定の翼型の複数のブレードから構成され
る。
【００１４】各翼群を構成する複数のブレードの所定の
配列が、円運動方向に直列に並んだ配列であり、円運動
方向に先行するブレードの回転半径が後続するブレード
の回転半径以下であることが好ましく、各翼群を構成す
る複数のブレードの所定の配列が、円運動方向に先行す
るブレードが後続するブレードの半径方向内側に位置
し、先行するブレードの後端が後続するブレードの先端
部と半径方向に間隙をおいて重なるような雁行状態の配
列であってもよい。
配列が、円運動方向に直列に並んだ配列であり、円運動
方向に先行するブレードの回転半径が後続するブレード
の回転半径以下であることが好ましく、各翼群を構成す
る複数のブレードの所定の配列が、円運動方向に先行す
るブレードが後続するブレードの半径方向内側に位置
し、先行するブレードの後端が後続するブレードの先端
部と半径方向に間隙をおいて重なるような雁行状態の配
列であってもよい。
【００１５】円運動方向の最先端のブレードが、独立し
た小型のブレードであってもよく、後続するブレードに
対してスロットを有するスラットの形状をなすブレード
であってもよい。
た小型のブレードであってもよく、後続するブレードに
対してスロットを有するスラットの形状をなすブレード
であってもよい。
【００１６】本発明の垂直軸型風車は、垂直回転軸を回
転中心として同心円運動が可能な翼列が、複数の翼群か
ら構成される垂直軸型風車であって、所定の関係に配列
された所定の翼型の複数のブレードから構成される複数
の翼群と、翼群の同心円運動の中心となる垂直回転軸
と、各翼群を垂直回転軸に固定する１個以上の支持腕
と、垂直回転軸を回動可能に軸着する支持部と、垂直回
転軸の回転トルクを、利用可能なエネルギーに変換する
エネルギー変換手段とを備える。
転中心として同心円運動が可能な翼列が、複数の翼群か
ら構成される垂直軸型風車であって、所定の関係に配列
された所定の翼型の複数のブレードから構成される複数
の翼群と、翼群の同心円運動の中心となる垂直回転軸
と、各翼群を垂直回転軸に固定する１個以上の支持腕
と、垂直回転軸を回動可能に軸着する支持部と、垂直回
転軸の回転トルクを、利用可能なエネルギーに変換する
エネルギー変換手段とを備える。
【００１７】各翼群を構成する複数のブレードの所定の
配列が、円運動方向に直列に並んだ配列であり、円運動
方向に先行するブレードの回転半径が後続するブレード
の回転半径以下であることが好ましく、各翼群を構成す
る複数のブレードの所定の配列が、円運動方向に先行す
るブレードが後続するブレードの半径方向内側に位置
し、先行するブレードの後端が後続するブレードの先端
部と半径方向に間隙をおいて重なるような雁行状態の配
列であってもよい。
配列が、円運動方向に直列に並んだ配列であり、円運動
方向に先行するブレードの回転半径が後続するブレード
の回転半径以下であることが好ましく、各翼群を構成す
る複数のブレードの所定の配列が、円運動方向に先行す
るブレードが後続するブレードの半径方向内側に位置
し、先行するブレードの後端が後続するブレードの先端
部と半径方向に間隙をおいて重なるような雁行状態の配
列であってもよい。
【００１８】円運動方向の最先端のブレードが、独立し
た小型のブレードであってもよく、後続するブレードに
対してスロットを有するスラットの形状をなすブレード
であってもよい。
た小型のブレードであってもよく、後続するブレードに
対してスロットを有するスラットの形状をなすブレード
であってもよい。
【００１９】本発明の翼列構造を有する垂直軸型風車で
は、前置された翼の空気流に与える影響により低周速回
転時において翼の失速範囲が抑えられるため、低周速回
転時においても大きなトルクを得ることができ、自己起
動させることが可能になる。従って起動のための動力や
起動制御が不要となりコストの低減がはかれる。
は、前置された翼の空気流に与える影響により低周速回
転時において翼の失速範囲が抑えられるため、低周速回
転時においても大きなトルクを得ることができ、自己起
動させることが可能になる。従って起動のための動力や
起動制御が不要となりコストの低減がはかれる。
【００２０】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態
の垂直軸型風車の模式的外形図であり（ａ）は斜視図、
（ｂ）は上面図である。本発明の実施の形態の垂直軸型
風車１０は翼列として２組の翼群２０を有し、各翼群２
０は上下２箇所で２本の支持腕１４の一端に固定され、
支持腕１４の他端は垂直回転軸１５の上下部に固定さ
れ、垂直回転軸１５は支持部１６で回動可能に軸着され
ている。垂直回転軸１５は支持部１６内で不図示の発電
機などのエネルギー変換手段に接続され風力による垂直
回転軸１５の回転エネルギーを電力等の利用可能なエネ
ルギーに変換している。
て図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態
の垂直軸型風車の模式的外形図であり（ａ）は斜視図、
（ｂ）は上面図である。本発明の実施の形態の垂直軸型
風車１０は翼列として２組の翼群２０を有し、各翼群２
０は上下２箇所で２本の支持腕１４の一端に固定され、
支持腕１４の他端は垂直回転軸１５の上下部に固定さ
れ、垂直回転軸１５は支持部１６で回動可能に軸着され
ている。垂直回転軸１５は支持部１６内で不図示の発電
機などのエネルギー変換手段に接続され風力による垂直
回転軸１５の回転エネルギーを電力等の利用可能なエネ
ルギーに変換している。
【００２１】翼群２０は、第１のブレード２１、第２の
ブレード２２、第３のブレード２３の３枚のブレードで
構成され、それぞれのブレードは翼型を形成し、各ブレ
ードはそれぞれ前のブレードの回転半径が後のブレード
の回転半径以下で回転方向に並んで配列されている。こ
の場合第１のブレード２１は他のブレードよりも小型と
なっている。ここでは前のブレードの回転半径が後のブ
レードの回転半径以下で回転方向に並んで配列されてい
るととしたが、前のブレードの後端が後のブレードの前
端の下側に重なるように回転方向および半径方向にずら
した雁行状態で配置されていてもよい。
ブレード２２、第３のブレード２３の３枚のブレードで
構成され、それぞれのブレードは翼型を形成し、各ブレ
ードはそれぞれ前のブレードの回転半径が後のブレード
の回転半径以下で回転方向に並んで配列されている。こ
の場合第１のブレード２１は他のブレードよりも小型と
なっている。ここでは前のブレードの回転半径が後のブ
レードの回転半径以下で回転方向に並んで配列されてい
るととしたが、前のブレードの後端が後のブレードの前
端の下側に重なるように回転方向および半径方向にずら
した雁行状態で配置されていてもよい。
【００２２】このように複数の翼を配置することで前段
のブレードの翼型で加速された空気流が後段のブレード
の翼型に流入して見掛け上後段のブレードのブレード速
度ｒωを上昇させたと同様の効果をもたらし、結果とし
て流入角αを減少させ、回転中の翼の失速の範囲を抑制
する。
のブレードの翼型で加速された空気流が後段のブレード
の翼型に流入して見掛け上後段のブレードのブレード速
度ｒωを上昇させたと同様の効果をもたらし、結果とし
て流入角αを減少させ、回転中の翼の失速の範囲を抑制
する。
【００２３】図２は本発明の実施の形態の垂直軸型風車
の動作原理を説明するための模式図である。ここでは第
２のブレード２２について説明する。第２のブレード２
２は回転中心１２を中心として回転方向１３で回転して
いる。ここで、Ｖ∞は空気の流速と方向を示すベクトル
でここでは流体は一様流であるものとする。ｒは第２の
ブレード２２の回転半径、ωは第２のブレード２２の回
転角速度、従ってｒωは第２のブレード２２のブレード
速度のベクトル、Ｖb は第１のブレード２１が空気流に
与えた速度のベクトル、ＶR は第２のブレード２２への
相対流入風のベクトル、αは第２のブレード２２への相
対流入風ＶR の流入角である。
の動作原理を説明するための模式図である。ここでは第
２のブレード２２について説明する。第２のブレード２
２は回転中心１２を中心として回転方向１３で回転して
いる。ここで、Ｖ∞は空気の流速と方向を示すベクトル
でここでは流体は一様流であるものとする。ｒは第２の
ブレード２２の回転半径、ωは第２のブレード２２の回
転角速度、従ってｒωは第２のブレード２２のブレード
速度のベクトル、Ｖb は第１のブレード２１が空気流に
与えた速度のベクトル、ＶR は第２のブレード２２への
相対流入風のベクトル、αは第２のブレード２２への相
対流入風ＶR の流入角である。
【００２４】図２を参照して本発明の実施の形態の垂直
軸型風車の動作原理を説明する。第２のブレード２２は
一様流Ｖ∞の中を、回転中心１２を中心として半径ｒ、
角速度ωで回転方向１３に回転しているものとする。ま
た第１のブレード２１および第３のブレード２３も同様
に同じ角速度ωで回転方向１３に回転している。そのた
め第１のブレード２１は翼型として空気流に作用し、第
１のブレード２１が作用した空気流により第２のブレー
ド２２にはＶｂのベクトルが作用する。もし、第１のブ
レード２１がない場合には従来例で図９を参照して説明
したように、一様流のベクトルＶ∞とブレード速度のベ
クトルｒωは図中の点線のように合成される。しかし、
本発明の実施の形態では第１のブレード２１が空気流に
与えたベクトルＶｂが加わるので、ベクトルＶ∞とベク
トルＶｂとが合成されてベクトルＶ’∞となり、ベクト
ルＶ’∞とブレード速度のベクトルｒωとが合成されて
ブレードの相対流入風のベクトルＶＲとなる。このよう
に第１のブレード２１を設けたことにより、流入角αが
減少するので失速しない回転位置の範囲が広くなり、全
体としての揚力が増大しブレード２２のトルクが増大す
る。
軸型風車の動作原理を説明する。第２のブレード２２は
一様流Ｖ∞の中を、回転中心１２を中心として半径ｒ、
角速度ωで回転方向１３に回転しているものとする。ま
た第１のブレード２１および第３のブレード２３も同様
に同じ角速度ωで回転方向１３に回転している。そのた
め第１のブレード２１は翼型として空気流に作用し、第
１のブレード２１が作用した空気流により第２のブレー
ド２２にはＶｂのベクトルが作用する。もし、第１のブ
レード２１がない場合には従来例で図９を参照して説明
したように、一様流のベクトルＶ∞とブレード速度のベ
クトルｒωは図中の点線のように合成される。しかし、
本発明の実施の形態では第１のブレード２１が空気流に
与えたベクトルＶｂが加わるので、ベクトルＶ∞とベク
トルＶｂとが合成されてベクトルＶ’∞となり、ベクト
ルＶ’∞とブレード速度のベクトルｒωとが合成されて
ブレードの相対流入風のベクトルＶＲとなる。このよう
に第１のブレード２１を設けたことにより、流入角αが
減少するので失速しない回転位置の範囲が広くなり、全
体としての揚力が増大しブレード２２のトルクが増大す
る。
【００２５】翼にスラットを付加すると最大揚力係数
（ＣＬMAX ）が約０．５％増加し、最大揚力が発生する
仰角（流入角）αが８°大きくなる（「ＴＨＥＯＲＹ
ＯＦＷＩＮＧ ＳＥＣＴＩＯＮＳ」 ＩＲＡ Ｈ．ＡＢ
ＢＯＴＴ他著、ＮＥＷ ＹＯＲＫ ＤＯＢＥＲ ＰＵＢ
ＬＩＣＡＴＩＯＮＳ発行、２２５ページ、Ｆｉｇ．１３
１、２２６ページ、Ｆｉｇ．１３２参照）。ここでは翼
にスラットを付加した場合を例として説明するが前方に
独立翼を設けた場合でも同様の効果が得られる。
（ＣＬMAX ）が約０．５％増加し、最大揚力が発生する
仰角（流入角）αが８°大きくなる（「ＴＨＥＯＲＹ
ＯＦＷＩＮＧ ＳＥＣＴＩＯＮＳ」 ＩＲＡ Ｈ．ＡＢ
ＢＯＴＴ他著、ＮＥＷ ＹＯＲＫ ＤＯＢＥＲ ＰＵＢ
ＬＩＣＡＴＩＯＮＳ発行、２２５ページ、Ｆｉｇ．１３
１、２２６ページ、Ｆｉｇ．１３２参照）。ここでは翼
にスラットを付加した場合を例として説明するが前方に
独立翼を設けた場合でも同様の効果が得られる。
【００２６】図３はこの条件により翼型がＮＡＣＡ００
１２の翼のみの時と同じ翼にスラットを付加した時との
揚力係数ＣL を試算したグラフである。図中実線で示さ
れるスラット付の翼の揚力係数ＣL は流入角１５°〜２
５°近傍で点線で示される翼のみの時の揚力係数ＣL よ
りも高くなっている。
１２の翼のみの時と同じ翼にスラットを付加した時との
揚力係数ＣL を試算したグラフである。図中実線で示さ
れるスラット付の翼の揚力係数ＣL は流入角１５°〜２
５°近傍で点線で示される翼のみの時の揚力係数ＣL よ
りも高くなっている。
【００２７】図４は図３の特性に基づいて単一流管モデ
ルを用いてシュミレーションを行ったＮＡＣＡ００１２
の翼のみの時と同じ翼にスラットを付加した時との風車
の特性を示すグラフである。図に示すように、スラット
を付加したことにより周速比βが３以下で風車効率ＣP
が改善されており、従ってトルク係数も改善されてい
る。ここでトルク係数ＴC は一枚のブレードに発生する
実際のトルクの理論的な最大トルクに対する比率であ
り、次のように定義される。
ルを用いてシュミレーションを行ったＮＡＣＡ００１２
の翼のみの時と同じ翼にスラットを付加した時との風車
の特性を示すグラフである。図に示すように、スラット
を付加したことにより周速比βが３以下で風車効率ＣP
が改善されており、従ってトルク係数も改善されてい
る。ここでトルク係数ＴC は一枚のブレードに発生する
実際のトルクの理論的な最大トルクに対する比率であ
り、次のように定義される。
【００２８】ＴC ＝２・ＴB ／ρ・Ｖ∞2 ・ＳU ・Ｒ ここで、ＴB ：ブレードに発生するトルク（ｋｇ・ｍ2
／ｓｅｃ2 ） ρ ：空気の比重（ｋｇ／ｍ3 ） Ｖ∞：一様流風速（ｍ／ｓｅｃ） ＳU ：風車受風面積（ｍ2 ） Ｒ ：風車回転半径（ｍ） 図５および図６は、ＮＡＣＡ００１２の翼のみの時と同
じ翼にスラットを付加した時との各周速比における回転
角とトルク係数との関係を示す模式的グラフであり、図
５（ａ）は周速比０．５の場合、図５（ｂ）は周速比
１．０の場合、図５（ｃ）は周速比１．５の場合、図６
（ａ）は周速比２．０の場合、図６（ｂ）は周速比２．
５の場合、図６（ｃ）は周速比３．０の場合である。
／ｓｅｃ2 ） ρ ：空気の比重（ｋｇ／ｍ3 ） Ｖ∞：一様流風速（ｍ／ｓｅｃ） ＳU ：風車受風面積（ｍ2 ） Ｒ ：風車回転半径（ｍ） 図５および図６は、ＮＡＣＡ００１２の翼のみの時と同
じ翼にスラットを付加した時との各周速比における回転
角とトルク係数との関係を示す模式的グラフであり、図
５（ａ）は周速比０．５の場合、図５（ｂ）は周速比
１．０の場合、図５（ｃ）は周速比１．５の場合、図６
（ａ）は周速比２．０の場合、図６（ｂ）は周速比２．
５の場合、図６（ｃ）は周速比３．０の場合である。
【００２９】図に見られるように、周速比０．５から
２．５までの範囲ではスラットを付加した翼でトルクが
増加している。しかし、周速比３．０以上ではスラット
のない場合でも翼への流入角が小さくなるのでスラット
による影響は殆ど見られない。
２．５までの範囲ではスラットを付加した翼でトルクが
増加している。しかし、周速比３．０以上ではスラット
のない場合でも翼への流入角が小さくなるのでスラット
による影響は殆ど見られない。
【００３０】また、第３のブレード２３に対しても第２
のブレード２２が同様の作用を及ぼすので第３のブレー
ドのトルクも増大する。一枚目の翼は前置する翼がない
ので失速する回転範囲が広いのでその際の抗力の増加を
抑えるため小さな翼を使用することが望ましい。
のブレード２２が同様の作用を及ぼすので第３のブレー
ドのトルクも増大する。一枚目の翼は前置する翼がない
ので失速する回転範囲が広いのでその際の抗力の増加を
抑えるため小さな翼を使用することが望ましい。
【００３１】このように回転方向前方に翼やスラットを
設けることによって、回転方向前方の翼が空気流に及ぼ
した力によって後方の翼への流入角が小さくなるという
効果があり、そのため翼の失速する範囲が少なくなり、
図５および図６に見られるように周速比βの低い領域、
即ち風車の回転速度の低い状態でもトルクが発生するの
で、自己起動が可能となる。それによって従来問題であ
った起動の動力が不要となり、起動制御の必要がなくな
る。
設けることによって、回転方向前方の翼が空気流に及ぼ
した力によって後方の翼への流入角が小さくなるという
効果があり、そのため翼の失速する範囲が少なくなり、
図５および図６に見られるように周速比βの低い領域、
即ち風車の回転速度の低い状態でもトルクが発生するの
で、自己起動が可能となる。それによって従来問題であ
った起動の動力が不要となり、起動制御の必要がなくな
る。
【００３２】本実施の形態では、翼群の中のブレードの
数を３枚として説明したが３枚に限られるものではな
い。また、第１のブレードを独立した小型のブレードと
して説明したが、第２のブレードに対しスロットを持っ
たスラットとしても同様の効果が得られる。また第１の
ブレードを他のブレードと同じ大きさとすることもでき
る。
数を３枚として説明したが３枚に限られるものではな
い。また、第１のブレードを独立した小型のブレードと
して説明したが、第２のブレードに対しスロットを持っ
たスラットとしても同様の効果が得られる。また第１の
ブレードを他のブレードと同じ大きさとすることもでき
る。
【００３３】図７は本発明の実施の形態の翼群の応用例
を示す模式的部分平面図であり、（ａ）は第１のブレー
ド３１と第２のブレード３２の２枚のブレードで前方の
第１のブレード３１が小型の独立翼型の場合、（ｂ）は
第１のブレード４１と第２のブレード４２の２枚のブレ
ードで前方の第１のブレード４１が後方の第２のブレー
ド４２に対しスロットを持ったスラットの役割をしてい
る場合、（ｃ）は第１のブレード５１と第２のブレード
５２と第３のブレード５３との３枚のブレードで前方の
第１のブレード５１が中央の第２のブレード５２に対し
スロットを持ったスラットの役割をし、中央の第２のブ
レード５２と後方の第３のブレード５３は独立の翼型の
場合である。本図は応用の一例であり更に色々の組合わ
せが可能である。
を示す模式的部分平面図であり、（ａ）は第１のブレー
ド３１と第２のブレード３２の２枚のブレードで前方の
第１のブレード３１が小型の独立翼型の場合、（ｂ）は
第１のブレード４１と第２のブレード４２の２枚のブレ
ードで前方の第１のブレード４１が後方の第２のブレー
ド４２に対しスロットを持ったスラットの役割をしてい
る場合、（ｃ）は第１のブレード５１と第２のブレード
５２と第３のブレード５３との３枚のブレードで前方の
第１のブレード５１が中央の第２のブレード５２に対し
スロットを持ったスラットの役割をし、中央の第２のブ
レード５２と後方の第３のブレード５３は独立の翼型の
場合である。本図は応用の一例であり更に色々の組合わ
せが可能である。
【００３４】また、実施の形態では、翼群を２組として
説明したがこれも２組に限定されるものではなく３組以
上としてもよい。
説明したがこれも２組に限定されるものではなく３組以
上としてもよい。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように本発明の翼群を有す
る垂直軸型風車では、低周速回転時において翼の失速が
抑えられるため、大きなトルクを得ることができ、自己
起動させることが可能になる。従って起動のための動力
や起動制御が不要となりコストの低減が図れるという効
果がある。
る垂直軸型風車では、低周速回転時において翼の失速が
抑えられるため、大きなトルクを得ることができ、自己
起動させることが可能になる。従って起動のための動力
や起動制御が不要となりコストの低減が図れるという効
果がある。
【００３６】低周速回転時においても大きなトルクを得
ることができるので低周速回転領域における回転数制御
も容易となる。
ることができるので低周速回転領域における回転数制御
も容易となる。
【００３７】また、従来の垂直軸型風車に比べ、低周速
比で高トルク、高効率型の垂直軸風車を設計できる。
比で高トルク、高効率型の垂直軸風車を設計できる。
【図１】本発明の実施の形態の垂直軸型風車の模式的外
形図である。（ａ）は斜視図である。（ｂ）は上面図で
ある。
形図である。（ａ）は斜視図である。（ｂ）は上面図で
ある。
【図２】本発明の実施の形態の垂直軸型風車の動作原理
を説明するための模式図である。
を説明するための模式図である。
【図３】翼型がＮＡＣＡ００１２の翼のみの時と同じ翼
にスラットを付加した時との揚力係数を試算したグラフ
である。
にスラットを付加した時との揚力係数を試算したグラフ
である。
【図４】図３の特性に基づいて単一流管モデルを用いて
シュミレーションを行ったＮＡＣＡ００１２の翼のみの
時と同じ翼にスラットを付加した時との風車の特性を示
すグラフである。
シュミレーションを行ったＮＡＣＡ００１２の翼のみの
時と同じ翼にスラットを付加した時との風車の特性を示
すグラフである。
【図５】ＮＡＣＡ００１２の翼のみの時と同じ翼にスラ
ットを付加した時との各周速比における回転角とトルク
係数との関係を示す模式的グラフである。（ａ）は周速
比０．５の場合である。（ｂ）は周速比１．０の場合で
ある。（ｃ）は周速比１．５の場合である。
ットを付加した時との各周速比における回転角とトルク
係数との関係を示す模式的グラフである。（ａ）は周速
比０．５の場合である。（ｂ）は周速比１．０の場合で
ある。（ｃ）は周速比１．５の場合である。
【図６】ＮＡＣＡ００１２の翼のみの時と同じ翼にスラ
ットを付加した時との各周速比における回転角とトルク
係数との関係を示す模式的グラフである。（ａ）は周速
比２．０の場合である。（ｂ）は周速比２．５の場合で
ある。（ｃ）は周速比３．０の場合である。
ットを付加した時との各周速比における回転角とトルク
係数との関係を示す模式的グラフである。（ａ）は周速
比２．０の場合である。（ｂ）は周速比２．５の場合で
ある。（ｃ）は周速比３．０の場合である。
【図７】本発明の実施の形態の翼群の例を示す模式的部
分平面図である。（ａ）は２枚のブレードで前方のブレ
ードが小型の独立翼型の場合である。（ｂ）は２枚のブ
レードで前方のブレードが後方のブレードに対しスロッ
トを持ったスラットの役割をしている場合である。
（ｃ）は３枚のブレードで前方のブレードが中央のブレ
ードに対しスロットを持ったスラットの役割をし、中央
と後方のブレードは独立翼型の場合である。
分平面図である。（ａ）は２枚のブレードで前方のブレ
ードが小型の独立翼型の場合である。（ｂ）は２枚のブ
レードで前方のブレードが後方のブレードに対しスロッ
トを持ったスラットの役割をしている場合である。
（ｃ）は３枚のブレードで前方のブレードが中央のブレ
ードに対しスロットを持ったスラットの役割をし、中央
と後方のブレードは独立翼型の場合である。
【図８】従来例の垂直軸型風車の模式的外形図である。
（ａ）はφダリウス型風車である。（ｂ）は東海大型直
線翼垂直軸風車である。
（ａ）はφダリウス型風車である。（ｂ）は東海大型直
線翼垂直軸風車である。
【図９】従来例の垂直軸型風車の動作原理を説明するた
めの模式図である。
めの模式図である。
【図１０】従来例の垂直軸型風車の周速比と風車効率と
の関係を示すグラフである。
の関係を示すグラフである。
１０ 垂直軸型風車 １２、８２ 回転中心 １３、８３ 回転方向 １４、３４、４４、５４、７４ 支持腕 １５、６５、７５ 垂直回転軸 １６、６６、７６ 支持部 １７、８７ 回転基準線 ２１ 第１のブレード ２２、３２、４２ 第２のブレード ２３、５３ 第３のブレード ３１ 第１のブレード（独立型） ４１、５１ 第１のブレード（スラット型） ６０ φダリウス風車 ６１、７１、８１ ブレード ７０ 東海大型直線翼垂直軸風車 ＣL 揚力係数 ＣP 風車効率 Ｄ ブレードに作用する抗力のベクトル Ｆｂ 揚力Ｌと抗力Ｄとが合成されてブレードに作用
する力のベクトル Ｆｔ Ｆｂによりブレードに加わる回転方向への力の
ベクトル Ｌ ブレードに作用する揚力のベクトル ＴC トルク係数 Ｖ∞、Ｖ’∞ 一様流の流速と方向を示すベクトル Ｖb 前のブレードが空気流に与えた速度のベクトル ＶR ブレードへの相対流入風のベクトル ｒ ブレードの回転半径 ｒω ブレード速度のベクトル α ブレードへの相対流入風ＶR の流入角 β 周速比 ω ブレードの回転角速度 φ ブレードの回転基準線からの回転角
する力のベクトル Ｆｔ Ｆｂによりブレードに加わる回転方向への力の
ベクトル Ｌ ブレードに作用する揚力のベクトル ＴC トルク係数 Ｖ∞、Ｖ’∞ 一様流の流速と方向を示すベクトル Ｖb 前のブレードが空気流に与えた速度のベクトル ＶR ブレードへの相対流入風のベクトル ｒ ブレードの回転半径 ｒω ブレード速度のベクトル α ブレードへの相対流入風ＶR の流入角 β 周速比 ω ブレードの回転角速度 φ ブレードの回転基準線からの回転角
Claims (10)
- 【請求項１】 垂直回転軸を回転中心として同心円運動
が可能な翼列を有する垂直軸型風車の翼列構造であっ
て、 前記翼列が複数の翼群から構成され、各翼群は所定の関
係に配列された所定の翼型の複数のブレードから構成さ
れることを特徴とする垂直軸型風車用翼列構造。 - 【請求項２】 各翼群を構成する前記複数のブレードの
所定の配列が、円運動方向に直列に並んだ配列であり、
円運動方向に先行するブレードの回転半径が後続するブ
レードの回転半径以下である請求項１に記載の垂直軸型
風車用翼列構造。 - 【請求項３】 各翼群を構成する前記複数のブレードの
所定の配列が、円運動方向に先行するブレードが後続す
るブレードの半径方向内側に位置し、先行するブレード
の後端が後続するブレードの先端部と半径方向に間隙を
おいて重なるような雁行状態の配列である請求項２に記
載の垂直軸型風車用翼列構造。 - 【請求項４】 円運動方向の最先端のブレードが、独立
した小型のブレードである請求項１から請求項３のいず
れか１項に記載の垂直軸型風車用翼列構造。 - 【請求項５】 円運動方向の最先端のブレードが、後続
するブレードに対してスロットを有するスラットの形状
をなすブレードである請求項１から請求項３のいずれか
１項に記載の垂直軸型風車用翼列構造。 - 【請求項６】 垂直回転軸を回転中心として同心円運動
が可能な翼列が、複数の翼群から構成される垂直軸型風
車であって、 所定の関係に配列された所定の翼型の複数のブレードか
ら構成される複数の前記翼群と、 前記翼群の同心円運動の中心となる垂直回転軸と、 各前記翼群を前記垂直回転軸に固定する１個以上の支持
腕と、 前記垂直回転軸を回動可能に軸着する支持部と、 前記垂直回転軸の回転トルクを、利用可能なエネルギー
に変換するエネルギー変換手段と、を備えたことを特徴
とする垂直軸型風車。 - 【請求項７】 各翼群を構成する前記複数のブレードの
所定の配列が、円運動方向に直列に並んだ配列であり、
円運動方向に先行するブレードの回転半径が後続するブ
レードの回転半径以下である請求項６に記載の垂直軸型
風車。 - 【請求項８】 各翼群を構成する前記複数のブレードの
所定の配列が、円運動方向に先行するブレードが後続す
るブレードの半径方向内側に位置し、先行するブレード
の後端が後続するブレードの先端部と半径方向に間隙を
おいて重なるような雁行状態の配列である請求項７に記
載の垂直軸型風車。 - 【請求項９】 円運動方向の最先端のブレードが、独立
した小型のブレードである請求項６から請求項８のいず
れか１項に記載の垂直軸型風車。 - 【請求項１０】 円運動方向の最先端のブレードが、後
続するブレードに対してスロットを有するスラットの形
状をなすブレードである請求項６から請求項８のいずれ
か１項に記載の垂直軸型風車。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23692799A JP2001065446A (ja) | 1999-08-24 | 1999-08-24 | 垂直軸型風車用翼列構造および垂直軸型風車 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23692799A JP2001065446A (ja) | 1999-08-24 | 1999-08-24 | 垂直軸型風車用翼列構造および垂直軸型風車 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001065446A true JP2001065446A (ja) | 2001-03-16 |
Family
ID=17007824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23692799A Pending JP2001065446A (ja) | 1999-08-24 | 1999-08-24 | 垂直軸型風車用翼列構造および垂直軸型風車 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001065446A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004092578A1 (ja) * | 2003-04-18 | 2004-10-28 | Tokai University Educational System | サボニウスタービン |
| JP2005127188A (ja) * | 2003-10-22 | 2005-05-19 | Fjc:Kk | 縦軸風車 |
| WO2006063380A1 (en) * | 2004-10-20 | 2006-06-22 | Vortech Energy & Power Pty Limited | Vertical axis wind turbine with twisted blade or auxiliary blade |
| WO2010125599A3 (en) * | 2009-04-27 | 2011-06-03 | Leonardo Valentini | Rotor blade with aerodynamic flow static diverter for vertical axis wind turbine |
| CN102305182A (zh) * | 2011-08-08 | 2012-01-04 | 河海大学常州校区 | 一种支撑杆带变桨距角叶片的垂直轴风力发电机 |
| WO2012139583A1 (en) * | 2011-04-12 | 2012-10-18 | Compoenergy Aps | Device and system for harvesting the energy of a fluid stream |
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| DE102014002078A1 (de) * | 2014-02-14 | 2015-08-20 | Thorsten RATH | Vertikal-Windgenerator |
| JP2015151921A (ja) * | 2014-02-14 | 2015-08-24 | 上野 康男 | 動力装置 |
| CN106050576A (zh) * | 2016-08-09 | 2016-10-26 | 江苏乃尔风电技术开发有限公司 | 一种阵列式风叶风力发电机 |
| NO20190404A1 (no) * | 2019-03-25 | 2020-09-28 | Erling Magnar Haug | Energifanger.Energifanger brukt i en vindmølle. |
| EP3951164A4 (en) * | 2019-04-22 | 2022-12-28 | Vladimir Stepanovich Suhin | ORTHOGONAL TYPE WIND ELECTRICAL INSTALLATION |
-
1999
- 1999-08-24 JP JP23692799A patent/JP2001065446A/ja active Pending
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004092578A1 (ja) * | 2003-04-18 | 2004-10-28 | Tokai University Educational System | サボニウスタービン |
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| DE102014002078A1 (de) * | 2014-02-14 | 2015-08-20 | Thorsten RATH | Vertikal-Windgenerator |
| JP2015151921A (ja) * | 2014-02-14 | 2015-08-24 | 上野 康男 | 動力装置 |
| DE102014002078B4 (de) * | 2014-02-14 | 2017-08-31 | Thorsten RATH | Vertikal-Windgenerator |
| US9932965B2 (en) | 2014-02-14 | 2018-04-03 | Thorsten Rath | Vertical wind generator |
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