JP2002221143A - 垂直軸型風力発電装置用の翼型及びその設計方法 - Google Patents
垂直軸型風力発電装置用の翼型及びその設計方法Info
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- F03D3/02—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor having a plurality of rotors
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- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
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Abstract
(57)【要約】
【課題】回転時の空気抵抗が少なくでき、回転効率を悪
化させることのない垂直軸型風力発電装置用の翼型及び
その設計方法を提案する。 【解決手段】発電機と連結する回転軸に取り付けられた
垂直軸型の翼３を風力により前記回転軸を中心に回転さ
せることで発電を行う垂直軸型風力発電装置において、
翼３の水平断面形状が前記回転軸を中心に回転する際に
描く軌跡の通過幅Ｐｓ2と翼３の水平断面形状の最大幅
とが等しくなる湾曲した非対称形状に前記翼の水平断面
形状を形成したことを特徴とする。
化させることのない垂直軸型風力発電装置用の翼型及び
その設計方法を提案する。 【解決手段】発電機と連結する回転軸に取り付けられた
垂直軸型の翼３を風力により前記回転軸を中心に回転さ
せることで発電を行う垂直軸型風力発電装置において、
翼３の水平断面形状が前記回転軸を中心に回転する際に
描く軌跡の通過幅Ｐｓ2と翼３の水平断面形状の最大幅
とが等しくなる湾曲した非対称形状に前記翼の水平断面
形状を形成したことを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発電機と連結する
回転軸に取り付けられた翼を風力により前記回転軸を中
心に回転させることで発電を行う垂直軸型風力発電装置
に関し、特に垂直軸型風力発電装置に用いられる翼型及
びその設計方法に関する。
回転軸に取り付けられた翼を風力により前記回転軸を中
心に回転させることで発電を行う垂直軸型風力発電装置
に関し、特に垂直軸型風力発電装置に用いられる翼型及
びその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、風力発電に使用される風車（風力
発電装置）は、風向きに対して垂直方向に設けた回転軸
を利用するもの（垂直軸型風車という）と、水平方向に
設けた回転軸を利用するもの（水平軸型風車という）と
がある。そして、垂直軸型風車としては、サボニウス型
風車、ダリウス型風車、直線翼型風車（ジャイロミル）
などが知られている。一方、水平軸型風車としては、プ
ロペラ型２枚羽根風車、アメリカ型多羽根風車が知られ
ている。
発電装置）は、風向きに対して垂直方向に設けた回転軸
を利用するもの（垂直軸型風車という）と、水平方向に
設けた回転軸を利用するもの（水平軸型風車という）と
がある。そして、垂直軸型風車としては、サボニウス型
風車、ダリウス型風車、直線翼型風車（ジャイロミル）
などが知られている。一方、水平軸型風車としては、プ
ロペラ型２枚羽根風車、アメリカ型多羽根風車が知られ
ている。
【０００３】垂直あるいは水平軸型の風力発電装置のう
ち、水平軸型のものは、垂直軸型のものに比して、出力
効率が良い一方で、風向きや風速に合わせて羽根の角度
を制御する機構が必要であり、構造が複雑でコストが高
い。そこで、一般家庭用に屋根やマンションの屋上等に
設置される風力発電装置は、構造が簡単で風向き変化に
依存しない垂直軸型のものが有利である。
ち、水平軸型のものは、垂直軸型のものに比して、出力
効率が良い一方で、風向きや風速に合わせて羽根の角度
を制御する機構が必要であり、構造が複雑でコストが高
い。そこで、一般家庭用に屋根やマンションの屋上等に
設置される風力発電装置は、構造が簡単で風向き変化に
依存しない垂直軸型のものが有利である。
【０００４】垂直軸型の風力発電装置は、発電機と、こ
の発電機と連結すると共に風向きに対して垂直方向に設
けた回転軸と、この回転軸を中心にして回転軸とほぼ平
行（すなわち、風向きに対して垂直方向）に設けた複数
の直線翼と、を具備し、風を複数の直線翼に受けると直
線翼のそれぞれの揚力で回転軸を回転させる構造のもの
である。そして、従来の垂直軸型風車の翼は、その水平
断面形状が航空機に用いられている翼とほぼ同形状のも
のをそのまま用いていた。
の発電機と連結すると共に風向きに対して垂直方向に設
けた回転軸と、この回転軸を中心にして回転軸とほぼ平
行（すなわち、風向きに対して垂直方向）に設けた複数
の直線翼と、を具備し、風を複数の直線翼に受けると直
線翼のそれぞれの揚力で回転軸を回転させる構造のもの
である。そして、従来の垂直軸型風車の翼は、その水平
断面形状が航空機に用いられている翼とほぼ同形状のも
のをそのまま用いていた。
【０００５】かかる対称翼３０は、図５に示すように、
その水平断面形状が線対称の翼型である。この対称翼３
０の水平断面形状は略涙的形状であって、進行方向の前
縁側肉厚翼端３０ａが迎え角を増す形状であり前方から
の風により揚力を生じる形状である。そして、回転軸を
中心（回転中心Ｏ）にして対称翼３０を取り付けた場
合、対称翼断面の空力中心Ｆｃは肉厚翼端３０ａから翼
の中心線の長さＣの約２５％の位置に在る。
その水平断面形状が線対称の翼型である。この対称翼３
０の水平断面形状は略涙的形状であって、進行方向の前
縁側肉厚翼端３０ａが迎え角を増す形状であり前方から
の風により揚力を生じる形状である。そして、回転軸を
中心（回転中心Ｏ）にして対称翼３０を取り付けた場
合、対称翼断面の空力中心Ｆｃは肉厚翼端３０ａから翼
の中心線の長さＣの約２５％の位置に在る。
【０００６】ところで、風力発電装置は風力から回転力
を得ることで発電するものであるから、同じ風力に対し
て高い回転速度（回転力）が得られるような工夫がなさ
れている。例えば、空力中心Ｆｃの取付角が効率よく回
転する角度となるように、取り付けられている。なお、
空力中心Ｆｃの取付角とは、空力中心Ｆｃを通る対称翼
３０の中心線と、空力中心Ｆｃにおける回転円周の接線
と、が成す角度をいう。そして、通常の場合、空力中心
Ｆｃの取付角は風車の回転効率が最良となるように、対
称翼３０の中心線と回転円周の接線とが一致する取付角
０度に取付られている。また、低風速時に空気力が多く
得られるように、対称翼を相似形状のままスケールアッ
プし大きな対称翼を取り付けることも実施されている。
を得ることで発電するものであるから、同じ風力に対し
て高い回転速度（回転力）が得られるような工夫がなさ
れている。例えば、空力中心Ｆｃの取付角が効率よく回
転する角度となるように、取り付けられている。なお、
空力中心Ｆｃの取付角とは、空力中心Ｆｃを通る対称翼
３０の中心線と、空力中心Ｆｃにおける回転円周の接線
と、が成す角度をいう。そして、通常の場合、空力中心
Ｆｃの取付角は風車の回転効率が最良となるように、対
称翼３０の中心線と回転円周の接線とが一致する取付角
０度に取付られている。また、低風速時に空気力が多く
得られるように、対称翼を相似形状のままスケールアッ
プし大きな対称翼を取り付けることも実施されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、大きな
対称翼を取り付けた場合、翼が空気力を得て高速に回転
し始める際に、翼が大きい分だけ抵抗が大きくなり、結
果的には回転効率が下がる。回転効率が下がる原因は、
図５に示すように、空力中心Ｆｃの位置では、翼の回転
方向が回転軌道Ｒ0の接線になって回転効率が良い状態
になっているが、翼後部３０ｂの位置や翼後端３０ｃの
位置では、翼の回転による相対風向きが後端に行くほど
回転軌道Ｒ0の円周から離れていき、空気抵抗が発生し
て回転効率を悪化させる。すなわち、翼３０を回転させ
たときに翼後端３０ｃが通過する部分の断面積Ｐｓ1は
翼３０が直進する場合の断面積Ｄｓに比して大きくなる
（Ｐｓ1＞Ｄｓ）。このように、後端に行くほど回転時
の空気抵抗が大きくなり、翼が大きい分だけ回転効率が
悪化する。
対称翼を取り付けた場合、翼が空気力を得て高速に回転
し始める際に、翼が大きい分だけ抵抗が大きくなり、結
果的には回転効率が下がる。回転効率が下がる原因は、
図５に示すように、空力中心Ｆｃの位置では、翼の回転
方向が回転軌道Ｒ0の接線になって回転効率が良い状態
になっているが、翼後部３０ｂの位置や翼後端３０ｃの
位置では、翼の回転による相対風向きが後端に行くほど
回転軌道Ｒ0の円周から離れていき、空気抵抗が発生し
て回転効率を悪化させる。すなわち、翼３０を回転させ
たときに翼後端３０ｃが通過する部分の断面積Ｐｓ1は
翼３０が直進する場合の断面積Ｄｓに比して大きくなる
（Ｐｓ1＞Ｄｓ）。このように、後端に行くほど回転時
の空気抵抗が大きくなり、翼が大きい分だけ回転効率が
悪化する。
【０００８】そこで、翼を大きくしても回転時の抵抗を
少なくできる翼形状が提案されている。例えば、東海大
学の関和市教授がＴＷＴ翼型（Tokai University Wing
Section）を提案している。このＴＷＴ翼型は、翼の水
平断面形状が中心線を基準に前縁側で下側に凸、後縁側
で上側に凸となるような正弦波状に形成すると共に、翼
の前縁側を肉厚翼に形成して揚力を得られるようにして
いる。しかしながら、空気抵抗の発生は対称翼の場合よ
り一部解消されたが、このＴＷＴ翼型においても後端に
行くほど回転時の空気抵抗が大きくなる状態は根本的に
解消された訳ではない。従って、更に回転時の空気抵抗
が少なくでき、回転効率を悪化させない翼形状が待望さ
れている。
少なくできる翼形状が提案されている。例えば、東海大
学の関和市教授がＴＷＴ翼型（Tokai University Wing
Section）を提案している。このＴＷＴ翼型は、翼の水
平断面形状が中心線を基準に前縁側で下側に凸、後縁側
で上側に凸となるような正弦波状に形成すると共に、翼
の前縁側を肉厚翼に形成して揚力を得られるようにして
いる。しかしながら、空気抵抗の発生は対称翼の場合よ
り一部解消されたが、このＴＷＴ翼型においても後端に
行くほど回転時の空気抵抗が大きくなる状態は根本的に
解消された訳ではない。従って、更に回転時の空気抵抗
が少なくでき、回転効率を悪化させない翼形状が待望さ
れている。
【０００９】本発明は、前記課題に鑑みてなされたもの
であり、回転時の空気抵抗が少なくでき、回転効率を悪
化させることのない垂直軸型風力発電装置用の翼型及び
その設計方法を提案することを技術的課題とする。
であり、回転時の空気抵抗が少なくでき、回転効率を悪
化させることのない垂直軸型風力発電装置用の翼型及び
その設計方法を提案することを技術的課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の垂直軸型風力発電装置用の翼型は、以下の
手段を採用した。すなわち、本発明の垂直軸型風力発電
装置用の翼型は、発電機と連結する回転軸に取り付けら
れた直線翼を風力により前記回転軸を中心に回転させる
ことで発電を行う垂直軸型風力発電装置において、前記
回転軸を中心に回転する際に描く軌跡の通過幅と前記翼
の水平断面形状の最大幅とが等しくなる湾曲した非対称
形状に前記翼の水平断面形状を形成したことを特徴とす
る。
に、本発明の垂直軸型風力発電装置用の翼型は、以下の
手段を採用した。すなわち、本発明の垂直軸型風力発電
装置用の翼型は、発電機と連結する回転軸に取り付けら
れた直線翼を風力により前記回転軸を中心に回転させる
ことで発電を行う垂直軸型風力発電装置において、前記
回転軸を中心に回転する際に描く軌跡の通過幅と前記翼
の水平断面形状の最大幅とが等しくなる湾曲した非対称
形状に前記翼の水平断面形状を形成したことを特徴とす
る。
【００１１】この構成によれば、風力により従来の対称
翼と同等の揚力を発生させて回転軸を中心に回転を開始
し、翼が描く軌跡の通過幅と翼の最大幅とが等しくなる
湾曲した水平断面形状を形成したことで、翼後端に行っ
ても回転時の空気抵抗が極力少なくでき、従来の対称翼
のように回転効率を悪化させることはない。
翼と同等の揚力を発生させて回転軸を中心に回転を開始
し、翼が描く軌跡の通過幅と翼の最大幅とが等しくなる
湾曲した水平断面形状を形成したことで、翼後端に行っ
ても回転時の空気抵抗が極力少なくでき、従来の対称翼
のように回転効率を悪化させることはない。
【００１２】また、本発明の垂直軸型風力発電装置用の
翼型の設計方法は、発電機と連結する回転軸に取り付け
られた垂直軸型の翼を風力により前記回転軸を中心に回
転させることで発電を行う垂直軸型風力発電装置の翼型
の設計方法であって、直交座標系において前記翼の水平
断面形状が対称翼形状であるものを前記回転軸を座標中
心とした円柱座標系に座標変換を行って、湾曲した非対
称形状に前記翼の水平断面形状を形成することを特徴と
する。
翼型の設計方法は、発電機と連結する回転軸に取り付け
られた垂直軸型の翼を風力により前記回転軸を中心に回
転させることで発電を行う垂直軸型風力発電装置の翼型
の設計方法であって、直交座標系において前記翼の水平
断面形状が対称翼形状であるものを前記回転軸を座標中
心とした円柱座標系に座標変換を行って、湾曲した非対
称形状に前記翼の水平断面形状を形成することを特徴と
する。
【００１３】この構成によれば、直交座標系の対称翼を
回転軸を座標中心とした円柱座標系に座標変換を行っ
て、湾曲した非対称形状の翼としたことで、風力により
従来の対称翼型と同等の揚力を得て回転力が得られると
共に、翼の水平断面形状が描く軌跡の通過幅と翼の水平
断面形状の最大幅とが等しくなる湾曲した翼の水平断面
形状が設計できる。すなわち、回転時における翼後端側
の空気抵抗が極力少なく、かつ回転効率のよい翼型が容
易に設計できる。
回転軸を座標中心とした円柱座標系に座標変換を行っ
て、湾曲した非対称形状の翼としたことで、風力により
従来の対称翼型と同等の揚力を得て回転力が得られると
共に、翼の水平断面形状が描く軌跡の通過幅と翼の水平
断面形状の最大幅とが等しくなる湾曲した翼の水平断面
形状が設計できる。すなわち、回転時における翼後端側
の空気抵抗が極力少なく、かつ回転効率のよい翼型が容
易に設計できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態にかか
る垂直軸型風力発電装置用の翼型及びその設計方法を図
１〜図４に基づき説明する。なお、この実施の形態で
は、民家の屋根やマンションの屋上等に設置可能な簡易
型の風力発電装置として説明する。
る垂直軸型風力発電装置用の翼型及びその設計方法を図
１〜図４に基づき説明する。なお、この実施の形態で
は、民家の屋根やマンションの屋上等に設置可能な簡易
型の風力発電装置として説明する。
【００１５】風力発電装置１は、図１に示すように、風
力で回転する上下２個のロータ部Ｈａ，Ｈｂとこのロー
タ部Ｈａ，Ｈｂを回転自在に支える枠体Ｂと枠体Ｂ内に
収納された発電部Ｔとから構成される。
力で回転する上下２個のロータ部Ｈａ，Ｈｂとこのロー
タ部Ｈａ，Ｈｂを回転自在に支える枠体Ｂと枠体Ｂ内に
収納された発電部Ｔとから構成される。
【００１６】上部のロータ部Ｈａは上下の水平ガイド板
２ａ，２ｂと、この水平ガイド板２ａ，２ｂ間に３本垂
直に設置した翼３と、水平ガイド板２ｂの下面にあって
下方に垂設された軸部４ａとを具備する。また、下部の
ロータ部Ｈｂは上下の水平ガイド板２ｃ，２ｄと、この
水平ガイド板２ｃ，２ｄ間に３本垂直に設置した翼３
と、水平ガイド板２ｃの上面にあって上方に垂設された
軸部４ｂと、水平ガイド板２ｄの下面にあって下方に垂
設された軸部４ｃとを具備する。そして、上部のロータ
部Ｈａの軸部４ａと下部のロータ部Ｈｂの軸部４ｂは軸
継手により連結されており、枠体Ｂにより回転自在に支
えられ、上部のロータ部Ｈａと下部のロータ部Ｈｂは同
期して回転する。また、下部のロータ部Ｈｂの軸部４ｃ
は増速ギア５を介して発電部Ｔに連結されている。
２ａ，２ｂと、この水平ガイド板２ａ，２ｂ間に３本垂
直に設置した翼３と、水平ガイド板２ｂの下面にあって
下方に垂設された軸部４ａとを具備する。また、下部の
ロータ部Ｈｂは上下の水平ガイド板２ｃ，２ｄと、この
水平ガイド板２ｃ，２ｄ間に３本垂直に設置した翼３
と、水平ガイド板２ｃの上面にあって上方に垂設された
軸部４ｂと、水平ガイド板２ｄの下面にあって下方に垂
設された軸部４ｃとを具備する。そして、上部のロータ
部Ｈａの軸部４ａと下部のロータ部Ｈｂの軸部４ｂは軸
継手により連結されており、枠体Ｂにより回転自在に支
えられ、上部のロータ部Ｈａと下部のロータ部Ｈｂは同
期して回転する。また、下部のロータ部Ｈｂの軸部４ｃ
は増速ギア５を介して発電部Ｔに連結されている。
【００１７】上下の水平ガイド板２ａ〜２ｄは円板形状
を有し、円板形状の中心部と周縁部と翼３と連結する部
分とを除いて切り欠き穴が３カ所設けられている。この
切り欠き穴を設けることで、ロータ部自体が軽量化さ
れ、ロータ部の回転が容易となる。
を有し、円板形状の中心部と周縁部と翼３と連結する部
分とを除いて切り欠き穴が３カ所設けられている。この
切り欠き穴を設けることで、ロータ部自体が軽量化さ
れ、ロータ部の回転が容易となる。
【００１８】枠体Ｂは前記軸部４ａ，４ｂを回転自在に
支えると共に前記軸部４ａ，４ｂの連結部を覆う上部の
架台７ａと、軸部４ｃを回転自在に支えると共に発電部
Ｔを収納する下部の架台７ｂと、上部の架台７ａを下部
の架台７ｂより支える３本の支柱９と、３本の支柱９間
を環囲する４本の安全リング１０と、を具備する。上部
の架台７ａは円筒形状を有し、上面中央には軸部４ａを
回転自在に支える軸受８ａが設けられ、下面中央には軸
部４ｂを回転自在に支える軸受８ｂが設けられている。
また、下部の架台７ｂは筒形状を有し、上面中央には軸
部４ｃを回転自在に支える軸受８ｃが設けられている。
そして、３本の支柱９は丸棒状を成し、架台７ａ及び架
台７ｂの側面に円周均等割に設けられている。支柱９そ
れぞれの頂部はロータ部Ｈａの頂部よりやや高い位置に
ある。また、支柱９の頂部は互いに連結されている。安
全リング１０は丸棒をリング状に形成したものであり、
その環状径はロータ部Ｈａの外周径よりやや大きく形成
されている。そして、安全リング１０は、上部のロータ
部Ｈａ側に２カ所、下部のロータ部Ｈｂ側に２カ所設け
られ、回転するロータ部Ｈａ，Ｈｂに手などが巻き込ま
れないように防ぐ役割をしている。
支えると共に前記軸部４ａ，４ｂの連結部を覆う上部の
架台７ａと、軸部４ｃを回転自在に支えると共に発電部
Ｔを収納する下部の架台７ｂと、上部の架台７ａを下部
の架台７ｂより支える３本の支柱９と、３本の支柱９間
を環囲する４本の安全リング１０と、を具備する。上部
の架台７ａは円筒形状を有し、上面中央には軸部４ａを
回転自在に支える軸受８ａが設けられ、下面中央には軸
部４ｂを回転自在に支える軸受８ｂが設けられている。
また、下部の架台７ｂは筒形状を有し、上面中央には軸
部４ｃを回転自在に支える軸受８ｃが設けられている。
そして、３本の支柱９は丸棒状を成し、架台７ａ及び架
台７ｂの側面に円周均等割に設けられている。支柱９そ
れぞれの頂部はロータ部Ｈａの頂部よりやや高い位置に
ある。また、支柱９の頂部は互いに連結されている。安
全リング１０は丸棒をリング状に形成したものであり、
その環状径はロータ部Ｈａの外周径よりやや大きく形成
されている。そして、安全リング１０は、上部のロータ
部Ｈａ側に２カ所、下部のロータ部Ｈｂ側に２カ所設け
られ、回転するロータ部Ｈａ，Ｈｂに手などが巻き込ま
れないように防ぐ役割をしている。
【００１９】発電部Ｔは、増速ギア５と、発電機６と、
蓄電池１１と、を具備しており、いわゆる蓄電利用シス
テムを形成している。増速ギア５はロータ部Ｈｂの軸部
４ｃ先端に固設された大径ギア５ａと、この大径ギア５
ａより小径であって発電機６の回転軸先端に固設された
小径ギア５ｂとから構成される。そして、大径ギア５ａ
と小径ギア５ｂとが歯合するように配置されることで、
ロータ部Ｈｂ側（軸部４ｃ）の回転を増速して発電機６
に伝える。また、発電機６は回転力を電気に変換する装
置である。発電機６は電力系統と蓄電池１１に並列に結
線されている。更に、蓄電池１１は発電機６と結線され
ており、発電機６が発電した電気を蓄える。蓄電池１１
に蓄えられた電気は必要に応じて消費される。なお、発
電機６から直接電力系統にのみ結線して利用する直接利
用システムの場合、蓄電池１１は設けない。
蓄電池１１と、を具備しており、いわゆる蓄電利用シス
テムを形成している。増速ギア５はロータ部Ｈｂの軸部
４ｃ先端に固設された大径ギア５ａと、この大径ギア５
ａより小径であって発電機６の回転軸先端に固設された
小径ギア５ｂとから構成される。そして、大径ギア５ａ
と小径ギア５ｂとが歯合するように配置されることで、
ロータ部Ｈｂ側（軸部４ｃ）の回転を増速して発電機６
に伝える。また、発電機６は回転力を電気に変換する装
置である。発電機６は電力系統と蓄電池１１に並列に結
線されている。更に、蓄電池１１は発電機６と結線され
ており、発電機６が発電した電気を蓄える。蓄電池１１
に蓄えられた電気は必要に応じて消費される。なお、発
電機６から直接電力系統にのみ結線して利用する直接利
用システムの場合、蓄電池１１は設けない。
【００２０】翼３は、図２に示すように、水平断面形状
が前端側３ａで大きな略涙滴形状を有し、進行方向の前
縁側肉厚翼端３ａが迎え角を増す形状であり前方からの
風により揚力を生じる形状である。また、翼３の水平断
面形状は、翼３の回転中心（回転軸４ａ〜４ｃの中心）
Ｏに翼３が回転して描く軌跡の通過幅Ｐs2と翼３の前縁
側肉厚翼端３ａの最大幅とがほぼ等しくなるように湾曲
した非対称形状に形成されている。すなわち、翼３の翼
中央部３ｂあるいは後端３ｃは、回転軌跡の通過幅Ｐs2
内に収まるように翼３の水平断面形状が湾曲している。
そして、回転軸４ａ〜４ｃを中心にして翼３を取り付け
た場合、肉厚翼端３ａから翼断面の空力中心Ｆｃまでの
長さは翼の中心線の長さＣの約２５％の位置に在る。
が前端側３ａで大きな略涙滴形状を有し、進行方向の前
縁側肉厚翼端３ａが迎え角を増す形状であり前方からの
風により揚力を生じる形状である。また、翼３の水平断
面形状は、翼３の回転中心（回転軸４ａ〜４ｃの中心）
Ｏに翼３が回転して描く軌跡の通過幅Ｐs2と翼３の前縁
側肉厚翼端３ａの最大幅とがほぼ等しくなるように湾曲
した非対称形状に形成されている。すなわち、翼３の翼
中央部３ｂあるいは後端３ｃは、回転軌跡の通過幅Ｐs2
内に収まるように翼３の水平断面形状が湾曲している。
そして、回転軸４ａ〜４ｃを中心にして翼３を取り付け
た場合、肉厚翼端３ａから翼断面の空力中心Ｆｃまでの
長さは翼の中心線の長さＣの約２５％の位置に在る。
【００２１】かかる翼型の設計方法は、図３に示すよう
に、Ｘ−Ｙ直交座標系において翼３０（図３（ａ）参
照）の水平断面形状が対称翼形状であるものを、回転軸
を座標中心Ｏとした円柱座標系（以下、円筒座標系とい
う）に座標変換を行って、湾曲した非対称形状の翼３
（図３（ｂ）参照）にする。なお、Ｘ−Ｙ直交座標系に
おいて翼３０の水平断面形状が対称翼形状であるもの
（以下、対称翼３０という）は、図３（ａ）では、回転
軸の中心とＸ軸の「０」座標とを一致させた時（Ｘ軸を
基準とした時）、対称翼３０の翼の中心線はＸ軸と平行
であり、翼の中心線の長さは「Ｃ」で表される。そし
て、肉厚翼端３０ａの座標はＸ座標が「Ｃ1」でＹ座標
が「Ｌ1」、空力中心Ｆｃの座標はＸ座標が「Ｃ2」でＹ
座標が「Ｌ2」、翼中央部３０ｂの座標はＸ座標が
「０」でＹ座標が「Ｌ3」、翼後端３０ｃの座標はＸ座
標が「Ｃ4」でＹ座標が「Ｌ4」である。また、円筒座標
系は水平断面（平面）では回転中心Ｏからの距離ｒと定
半直線（図３（ａ）の直線Ｏ→ｒ）からの偏角θとから
なる極座標として表される。
に、Ｘ−Ｙ直交座標系において翼３０（図３（ａ）参
照）の水平断面形状が対称翼形状であるものを、回転軸
を座標中心Ｏとした円柱座標系（以下、円筒座標系とい
う）に座標変換を行って、湾曲した非対称形状の翼３
（図３（ｂ）参照）にする。なお、Ｘ−Ｙ直交座標系に
おいて翼３０の水平断面形状が対称翼形状であるもの
（以下、対称翼３０という）は、図３（ａ）では、回転
軸の中心とＸ軸の「０」座標とを一致させた時（Ｘ軸を
基準とした時）、対称翼３０の翼の中心線はＸ軸と平行
であり、翼の中心線の長さは「Ｃ」で表される。そし
て、肉厚翼端３０ａの座標はＸ座標が「Ｃ1」でＹ座標
が「Ｌ1」、空力中心Ｆｃの座標はＸ座標が「Ｃ2」でＹ
座標が「Ｌ2」、翼中央部３０ｂの座標はＸ座標が
「０」でＹ座標が「Ｌ3」、翼後端３０ｃの座標はＸ座
標が「Ｃ4」でＹ座標が「Ｌ4」である。また、円筒座標
系は水平断面（平面）では回転中心Ｏからの距離ｒと定
半直線（図３（ａ）の直線Ｏ→ｒ）からの偏角θとから
なる極座標として表される。
【００２２】従って、対称翼３０のＸ−Ｙ直交座標系か
ら円筒座標系への座標変換は、回転軸４ａ〜４ｃの芯を
座標中心（回転中心）Ｏ、定半直線を「Ｏ→ｒ」とする
時、次のように行われる。すなわち、肉厚翼端３０ａの
直交座標「Ｃ1，Ｌ1」は回転中心Ｏからの距離が
「Ｌ1」、中心線長さ「Ｃ1」を中心Ｏの円弧とした時の
偏角を「θ1」とする極座標「Ｌ1、θ1」にて示す肉厚
翼端３ａの位置に変換される。空力中心Ｆｃの直交座標
「Ｃ2，Ｌ2」は回転中心Ｏからの距離が「Ｌ2」、長さ
「Ｃ2」を中心Ｏの円弧とした時の偏角を「θ2」とする
極座標「Ｌ2、θ2」にて示す空力中心Ｆｃの位置に変換
される。翼中央部３０ｂの直交座標「０，Ｌ3」は回転
中心Ｏからの距離が「Ｌ3」とする極座標「Ｌ3、０」に
て示す翼中央部３ｂの位置に変換される。翼後端３０ｃ
の直交座標「Ｃ4，Ｌ4」は回転中心Ｏからの距離が「Ｌ
4」、長さ「Ｃ4」を中心Ｏの円弧とした時の偏角を「θ
4」とする極座標「Ｌ4、θ4」にて示す翼後端３ｃの位
置に変換される。このように、対称翼３０の外周が直交
座標系から円筒座標系への座標変換されて、湾曲した非
対称形状の翼３に設計される。
ら円筒座標系への座標変換は、回転軸４ａ〜４ｃの芯を
座標中心（回転中心）Ｏ、定半直線を「Ｏ→ｒ」とする
時、次のように行われる。すなわち、肉厚翼端３０ａの
直交座標「Ｃ1，Ｌ1」は回転中心Ｏからの距離が
「Ｌ1」、中心線長さ「Ｃ1」を中心Ｏの円弧とした時の
偏角を「θ1」とする極座標「Ｌ1、θ1」にて示す肉厚
翼端３ａの位置に変換される。空力中心Ｆｃの直交座標
「Ｃ2，Ｌ2」は回転中心Ｏからの距離が「Ｌ2」、長さ
「Ｃ2」を中心Ｏの円弧とした時の偏角を「θ2」とする
極座標「Ｌ2、θ2」にて示す空力中心Ｆｃの位置に変換
される。翼中央部３０ｂの直交座標「０，Ｌ3」は回転
中心Ｏからの距離が「Ｌ3」とする極座標「Ｌ3、０」に
て示す翼中央部３ｂの位置に変換される。翼後端３０ｃ
の直交座標「Ｃ4，Ｌ4」は回転中心Ｏからの距離が「Ｌ
4」、長さ「Ｃ4」を中心Ｏの円弧とした時の偏角を「θ
4」とする極座標「Ｌ4、θ4」にて示す翼後端３ｃの位
置に変換される。このように、対称翼３０の外周が直交
座標系から円筒座標系への座標変換されて、湾曲した非
対称形状の翼３に設計される。
【００２３】この実施の形態によれば、翼３の水平断面
形状が大きな略涙滴形状を有することで、肉厚翼端３ａ
が迎え角を増して揚力を上げ、風力による回転が回転軸
４ａ〜４ｃを中心に行える。また、翼３の水平断面形状
が描く軌跡の通過幅Ｐｓ2と翼３の水平断面形状の最大
幅２ａとがほぼ等しくなる。従って、この湾曲した非対
称形状の翼３は、従来の対称翼３０より空気力による回
転時の抵抗を極力少なくすることができる。このように
空気力による回転時の抵抗を極力少なくすることで高い
回転速度を得ることができる。例えば、図４は対称翼
（naca0018：黒角印にて示す）とこの対称翼の水平断面
形状を円柱座標変換（円筒座標変換）した翼（丸印にて
示す）とを垂直軸型風車に取り付けて風洞実験により翼
の性能を調べた結果を示す。なお、図４の縦軸は回転速
度（ｍ／ｓ）を示し、横軸は風速（ｍ／ｓ）を示してい
る。図４の結果によれば、風速が同一条件の場合、対称
翼（黒角印）よりこの実施の形態の翼（丸印）の方が装
置の回転速度が１０％程度向上しており、この実施の形
態で示した翼断面形状の変形の効果が出ているのが確認
される。
形状が大きな略涙滴形状を有することで、肉厚翼端３ａ
が迎え角を増して揚力を上げ、風力による回転が回転軸
４ａ〜４ｃを中心に行える。また、翼３の水平断面形状
が描く軌跡の通過幅Ｐｓ2と翼３の水平断面形状の最大
幅２ａとがほぼ等しくなる。従って、この湾曲した非対
称形状の翼３は、従来の対称翼３０より空気力による回
転時の抵抗を極力少なくすることができる。このように
空気力による回転時の抵抗を極力少なくすることで高い
回転速度を得ることができる。例えば、図４は対称翼
（naca0018：黒角印にて示す）とこの対称翼の水平断面
形状を円柱座標変換（円筒座標変換）した翼（丸印にて
示す）とを垂直軸型風車に取り付けて風洞実験により翼
の性能を調べた結果を示す。なお、図４の縦軸は回転速
度（ｍ／ｓ）を示し、横軸は風速（ｍ／ｓ）を示してい
る。図４の結果によれば、風速が同一条件の場合、対称
翼（黒角印）よりこの実施の形態の翼（丸印）の方が装
置の回転速度が１０％程度向上しており、この実施の形
態で示した翼断面形状の変形の効果が出ているのが確認
される。
【００２４】また、この実施の形態の設計方法によれ
ば、従来の対称翼の水平断面形状を回転軸を座標中心と
した円筒座標系に座標変換を行うことで、空気抵抗が少
ない湾曲した非対称形状の翼を容易に設計できる。
ば、従来の対称翼の水平断面形状を回転軸を座標中心と
した円筒座標系に座標変換を行うことで、空気抵抗が少
ない湾曲した非対称形状の翼を容易に設計できる。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
翼の水平断面形状が描く軌跡の通過幅と翼の水平断面形
状の最大幅とが等しくなる湾曲した非対称形状に翼の水
平断面形状を形成したことで、翼後端に行っても回転時
の空気抵抗を極力少なくでき、高い回転速度を得ること
ができる。
翼の水平断面形状が描く軌跡の通過幅と翼の水平断面形
状の最大幅とが等しくなる湾曲した非対称形状に翼の水
平断面形状を形成したことで、翼後端に行っても回転時
の空気抵抗を極力少なくでき、高い回転速度を得ること
ができる。
【００２６】また、本発明の翼型の設計方法によれば、
従来の対称翼の水平断面形状を回転軸を座標中心とした
円柱座標系（円筒座標系）に座標変換を行うことで、空
気抵抗が少ない湾曲した非対称形状の翼を容易に設計で
きる。
従来の対称翼の水平断面形状を回転軸を座標中心とした
円柱座標系（円筒座標系）に座標変換を行うことで、空
気抵抗が少ない湾曲した非対称形状の翼を容易に設計で
きる。
【図１】本発明の実施の形態にかかる翼型を有する垂直
軸型風力発電装置の斜視図である。
軸型風力発電装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる翼型の水平断面図
であり、回転軸を中心に設置した状態を示す。
であり、回転軸を中心に設置した状態を示す。
【図３】本発明の実施の形態にかかる翼型の設計方法の
説明図であり、図３（ａ）は直交座標系の対称翼を示
し、図３（ｂ）は円筒座標変換後の翼型を示す。
説明図であり、図３（ａ）は直交座標系の対称翼を示
し、図３（ｂ）は円筒座標変換後の翼型を示す。
【図４】従来の対称翼と本発明の翼型とを垂直軸型風車
に取り付けて風洞実験により翼の性能を調べた結果を示
す図である。
に取り付けて風洞実験により翼の性能を調べた結果を示
す図である。
【図５】従来の対称翼の水平断面図であり、回転軸を中
心に設置した状態を示す。
心に設置した状態を示す。
１…垂直軸型風力発電装置 Ｈａ，Ｈｂ…ロータ部 Ｂ…枠体 Ｔ…発電部 ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…水平ガイド板 ３…翼 ４ａ，４ｂ，４ｃ…軸部 ５…増速ギア ６…発電機 ７ａ，７ｂ…架台 ８ａ，８ｂ，８ｃ…軸受 ９…支柱 １０…安全リング １１…蓄電池
Claims (2)
- 【請求項１】 発電機と連結する回転軸に取り付けられ
た翼を風力により前記回転軸を中心に回転させることで
発電を行う垂直軸型風力発電装置において、 前記回転軸を中心に回転する際に前記翼が描く軌跡の通
過幅と前記翼の水平断面形状の最大幅とが等しくなる湾
曲した非対称形状に前記翼の水平断面形状を形成したこ
とを特徴とする垂直軸型風力発電装置用の翼型。 - 【請求項２】 発電機と連結する回転軸に取り付けられ
た翼を風力により前記回転軸を中心に回転させることで
発電を行う垂直軸型風力発電装置の翼型の設計方法であ
って、 直交座標系において前記翼の水平断面形状が対称翼形状
であるものを前記回転軸を座標中心とした円柱座標系に
座標変換を行って、湾曲した非対称形状に前記翼の水平
断面形状を形成することを特徴とする垂直軸型風力発電
装置用の翼型の設計方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001015124A JP2002221143A (ja) | 2001-01-23 | 2001-01-23 | 垂直軸型風力発電装置用の翼型及びその設計方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001015124A JP2002221143A (ja) | 2001-01-23 | 2001-01-23 | 垂直軸型風力発電装置用の翼型及びその設計方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002221143A true JP2002221143A (ja) | 2002-08-09 |
Family
ID=18881728
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001015124A Pending JP2002221143A (ja) | 2001-01-23 | 2001-01-23 | 垂直軸型風力発電装置用の翼型及びその設計方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002221143A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005038251A1 (ja) * | 2003-10-22 | 2005-04-28 | Global Energy Co., Ltd. | 縦軸風車 |
| JP2006152922A (ja) * | 2004-11-29 | 2006-06-15 | Sony Corp | 風車 |
| JP2011185101A (ja) * | 2010-03-04 | 2011-09-22 | Gti:Kk | 風力発電装置及びこれを用いた風力発電装置アセンブリ |
| JP2012137070A (ja) * | 2010-12-27 | 2012-07-19 | Mie Univ | 風力発電装置 |
-
2001
- 2001-01-23 JP JP2001015124A patent/JP2002221143A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005038251A1 (ja) * | 2003-10-22 | 2005-04-28 | Global Energy Co., Ltd. | 縦軸風車 |
| JP2006152922A (ja) * | 2004-11-29 | 2006-06-15 | Sony Corp | 風車 |
| JP2011185101A (ja) * | 2010-03-04 | 2011-09-22 | Gti:Kk | 風力発電装置及びこれを用いた風力発電装置アセンブリ |
| JP2012137070A (ja) * | 2010-12-27 | 2012-07-19 | Mie Univ | 風力発電装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20041115 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20041207 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050426 |