JP2002235656A

JP2002235656A - 垂直軸型風力発電装置の直線翼取付方法

Info

Publication number: JP2002235656A
Application number: JP2001032990A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Shimura; 正幸志村; Yusuke Maruyama; 勇祐丸山
Original assignee: Maeda Corp
Current assignee: Maeda Corp
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2002-08-23

Abstract

(57)【要約】【課題】低風速時でも自己起動が容易であり、かつ簡単
な構成で回転効率を向上させることができる垂直軸型風
力発電装置の直線翼取付方法を提案する。【解決手段】直線翼３Ａ，３Ｂを回転軸４ａ〜４ｃを中
心に組み付けたロータＨａ，Ｈｂと、ロータＨａ，Ｈｂ
と連結する発電機６とを備え、風力によりロータＨａ，
Ｈｂを回転軸４ａ〜４ｃ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１の直線翼取付方法におい
て、ロータＨａ，Ｈｂを少なくとも２段以上重ねて取り
付ける際、風により回転方向に抗力を受ける直線翼４ａ
〜４ｃの肉薄翼端をロータＨａ，Ｈｂの段毎に角度を変
えて取り付けることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【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
装置に関し、特に自己起動が容易となるような垂直軸型
風力発電装置の直線翼取付方法に関する。

【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（垂直軸型風車あるいは垂直軸型風力発
電装置という）と、水平方向に設けた回転軸を利用する
もの（水平軸型風車あるいは水平軸型風力発電装置とい
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。

【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）に複数の直線
翼を配置したロータと、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ロータを回転軸を中
心に回転させる構造のものである。そして、従来の垂直
軸型風車の直線翼は、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
る。

【０００５】そして、垂直軸型風車が風により自己起動
する原理は、次のようになっている。すなわち、ロータ
に複数配置された直線翼Ｗのうち、図７の直線翼水平断
面図に示すように、風を肉厚翼端Ｗａ側より受ける場合
（図７（ａ）参照）は直線翼Ｗに働く抗力が小さく、一
方、風を肉薄翼端Ｗｂ側より受ける場合（図７（ｂ）参
照）は働く抗力が大きい。それに加えて、それぞれの直
線翼Ｗが風を受ける位置の違いによって働く抗力に大小
差が生じロータが自己起動し、回転する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、垂直軸型風
車の自己起動は、風の向きによっては困難な場合があ
る。例えば、図６に示すロータの水平断面図では、直線
翼Ｗ１，Ｗ２が風に対してほぼ左右対称な位置（図６で
は中心振り分け６０°の位置）にあると、直線翼Ｗ１，
Ｗ２に働く抗力がほぼ等しくなってどちら方向へ回転す
るにしても同等の力を受け、ロータが安定した状態とな
り自己起動が困難になる。特に、低風速時には自己起動
が困難な状態が顕著に現れる。

【０００７】そこで、自己起動を容易にすることを目的
とした垂直軸型風車が、種々提案されている。例えば、
特開平１１−２０１０２０号公報の小型風力発電装置に
は、小さい風力でも駆動トルクを発生する自己起動風車
（ロビンソン型風車）をロータとは別に設けて起動時に
は自己起動風車の駆動トルクをロータに伝える構成が開
示されている。

【０００８】しかし、ロータの回転速度が自己起動風車
の回転速度を超えると、自己起動風車が回転効率を阻害
する要因となる。そのために、特開平１１−２０１０２
０号公報に記載された装置は、高速回転時に、自己起動
風車をロータから切り離す構成を設けている。従って、
特開平１１−２０１０２０号公報に記載された装置は、
自己起動用の風車を別途設けると共に、高速回転時には
ロータと切り離す構成を必要とし、構造が複雑でコスト
が高い。

【０００９】本発明は、前記課題に鑑みてなされたもの
であり、低風速時でも自己起動が容易であり、かつ簡単
な構成で回転効率を向上させることができる垂直軸型風
力発電装置の直線翼取付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の直線翼取付方法
は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、直線
翼を回転軸を中心に組み付けたロータと、前記ロータと
連結する発電機とを備え、風力により前記ロータを前記
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
力発電装置の直線翼取付方法において、前記ロータを少
なくとも２段以上重ねて取り付ける際、風により回転方
向に抗力を受ける前記直線翼の肉薄翼端を前記ロータの
段毎に角度を変えて取り付けることを特徴とする。

【００１１】この構成によれば、直線翼の肉薄翼端をロ
ータの段毎に角度を変えて取り付けることにより、一部
のロータの直線翼が自己起動しにくい風向きの状態にあ
っても、角度が異なる他のロータの直線翼が風を受けて
生じる大きな抗力により自己起動し始める。従って、風
がどの方向から吹いても何れかのロータにおいて直線翼
の肉薄翼端が抗力を受けて回転起動させることができる
から、風向きに関係なく自己起動が容易となる。また、
起動のための複雑な構造を持たない簡単な機構で低風速
での自己起動が可能となる。

【００１２】また、本発明は、前記直線翼の水平断面形
状が、直交座標系において前記直線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た非対称形状である構成の
ものも例示できる。この例示によれば、風力により肉薄
翼端側から受ける抗力は従来と同等であるが、円柱座標
系に座標変換を行って湾曲した非対称形状の直線翼とし
たことで、回転を開始してからは肉薄翼端側（翼後端
側）が受ける空気抵抗が極力少なく作用するので、回転
効率が向上し、結果的に低風速時の起動特性が良くな
り、低風速でも発電し易くなる。また、低風速からの起
動により、低風速での発電も可能となり、発電効率が上
がる。

【００１３】

【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の直線翼取付方法を図１〜図５
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。

【００１４】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段のロータＨａ，Ｈｂとこのロータ
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。

【００１５】上部のロータＨａは上下の水平ガイド板２
ａ，２ｂと、この水平ガイド板２ａ，２ｂ間に等間隔
（１２０°間隔）かつ垂直に設置した３本の翼３Ａ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
間に等間隔（１２０°間隔）かつ垂直に設置した３本の
翼３Ｂ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Ｈａの軸部４ａと下部のロータ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Ｈａと下部のロータＨｂは同期
して回転する。また、下部のロータ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。

【００１６】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３Ａ，３Ｂ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Ｈａ，Ｈｂ
自体が軽量化され、ロータＨａ，Ｈｂの回転が容易とな
る。

【００１７】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Ｈａ
側に２カ所、下部のロータＨｂ側に２カ所設けられ、回
転するロータ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。

【００１８】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Ｈｂの軸部４
ｃ先端に固設された大径ギア５ａと、この大径ギア５ａ
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。

【００１９】翼３Ａ，３Ｂは、図２に示すように、水平
断面形状が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、後端側より風を
受けた場合、後端側肉薄翼端３ｂから大きな抗力を受け
る形状である。更に、翼３Ａ，３Ｂの水平断面形状は、
翼３Ａ，３Ｂの回転中心（回転軸４ａ〜４ｃの中心）Ｏ
に翼３Ａ，３Ｂが回転して描く軌跡の通過幅と翼３Ａ，
３Ｂ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３Ａ，３Ｂの翼中央部あるいは後端側は、回転軌
跡の通過幅内に収まるように翼３Ａ，３Ｂの水平断面形
状が湾曲している。

【００２０】かかる翼３Ａ，３Ｂ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３Ａ，３Ｂ（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３０ｃの座標
はＸ座標が「０」でＹ座標が「Ｌ₃」、翼後端３０ｂ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。

【００２１】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３０ｃ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３ｃの位置に変換される。翼後端３０ｂ
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３ｂ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３Ａ，３Ｂに設計される。

【００２２】［直線翼の取付方法］この実施の形態で
は、図１及び図２に示すように、上部のロータＨａ側の
翼３Ａ（実線にて示す）の取付位置と下部のロータＨｂ
側の翼３Ｂ（斜線にて示す）の取付位置が、角度６０°
異なる位置に取り付けられている。すなわち、上部のロ
ータＨａの軸部４ａと下部のロータＨｂの軸部４ｂとを
軸継手を用いて連結する際に、翼３Ａの肉薄翼端３ｂの
位置と翼３Ｂの肉薄翼端３ｂの位置が、角度６０°異な
る位置となるように取り付ける。すると、図２によれ
ば、上部のロータＨａ側の３本の翼３Ａがそれぞれ回転
中心に対して０°，１２０°，２４０°の位置にある場
合、下部のロータＨｂ側の３本の翼３Ｂはそれぞれ回転
中心に対して６０°，１８０°，３００°の位置にあ
る。そして、上部のロータＨａは軸部４ａに回転自在に
支えられると共に、下部のロータＨｂは軸部４ｂ，４ｃ
に回転自在に支えられて、軸部４ａと軸部４ｂが軸継手
で連結されることで、この実施の形態では、上部のロー
タＨａと下部のロータＨｂが同期回転するように組み付
けられる。

【００２３】［直線翼の取付方法の作用］次に、この実
施の形態の作用を説明する。起動時に、上部のロータＨ
ａが風向きに対して、図４（ａ）に示す安定状態となる
位置にあった場合、３本の翼３Ａに働く抗力が小さくて
上部のロータＨａとしては自己起動しにくい。しかし、
図４（ｂ）に示すように、上部のロータＨａに対して６
０°ずれて取り付けられた下部のロータＨｂ側の翼Ｂ
は、３本のうち少なくとも１本の翼３Ｂの肉薄翼端３ｂ
に働く抗力が大きくなり易い位置にあるので、下部のロ
ータＨｂは風により自己起動する。すると、下部のロー
タＨｂと連結した上部のロータＨａが同期して回転起動
し、図４（ｃ）に示すように、今度は上部のロータＨａ
側の翼３Ａのうち少なくとも１本の翼３Ａの肉薄翼端３
ｂに働く抗力が大きくなる位置に翼３Ａがきて、上部の
ロータＨａが風により自己起動し、風力発電装置１の自
己起動を確実なものにすることができる。そして、回転
起動後は、上部、下部のそれぞれの翼３Ａ，３Ｂの肉厚
翼端３ａが風を受けて揚力を発生させ、ロータＨａ，Ｈ
ｂは高速回転が可能となる。

【００２４】このように、この実施の形態によれば、風
がどの方向から吹いても何れかのロータＨａ，Ｈｂにお
いて翼が風から抗力を受けやすい位置にあるので回転す
ることができ、風向きに関係なく自己起動が容易とな
る。また、この実施の形態の翼を、円柱座標系に座標変
換を行って湾曲した非対称形状の直線翼としたことで、
風力により肉薄翼端３ｂ側から受ける抗力は従来と同等
であるが、回転を開始してからは肉薄翼端３ｂ側（翼後
端側）が受ける空気抵抗が極力少なく作用するので、回
転効率が向上し、結果的に低風速時の起動特性が良くな
り、低風速でも発電し易くなる。

【００２５】例えば、図５は２段のロータを有する垂直
軸風力発電装置において２段を同位相に取り付けた場合
（黒丸印あるいは黒角印にて示す）と、上述の実施の形
態のように２段のロータを角度を変えて（逆対称に）取
り付けた場合（白丸印あるいは白角印にて示す）との回
転起動時間を比較した実験結果を示す。なお、図５にお
いて、黒丸印または白丸印は風力６．５ｍ（ｖ＝６．５
ｍ／ｓ：低風速）の風が吹いていた時測定したものであ
り、黒角印または白角印は風力８．２ｍ（ｖ＝８．２ｍ
／ｓ：高風速）の風が吹いていた時測定したものであ
る。また、図５の縦軸は回転速度（ｍ／ｓ）を示し、横
軸は時間（秒）を示している。

【００２６】図５の結果で回転速度を比較すると、高風
速の場合と低風速の場合とでは顕著な差が生じる。すな
わち、風力６．５ｍ（低風速）の場合、起動から回転速
度１０ｍ／ｓまで立ち上がるまで、上述の実施の形態の
ように角度を変えて取り付けた場合は約１００秒かか
り、同位相に取り付けた場合は約２５０秒かかる。従っ
て、上述の実施形態に示した角度を変えて取り付けた場
合の方が２倍以上立ち上がり時間が早いことが確認され
る。

【００２７】なお、上述の実施の形態では、１個のロー
タに３本の直線翼を配置した場合で説明したが、本発明
は直線翼を３本配置したものに限定されるものではな
く、何本配置してもよい。また、同様に、ロータの段数
も何段であってもよい。更に、ロータ間でずらす角度は
６０°に限定されるものではなく、風車の設置場所や風
向きに応じて取付時に適宜決めてよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
直線翼の肉薄翼端をロータの段毎に角度を変えて取り付
けることにより、一部のロータの直線翼が自己起動しに
くい風向きの状態にあっても、角度が異なる他のロータ
の直線翼が風を受けて生じる大きな抗力により自己起動
し始める。従って、風がどの方向から吹いても何れかの
ロータにおいて直線翼の肉薄翼端が抗力を受けて回転起
動させることができるから、風向きに関係なく自己起動
が容易となる。また、起動のための複雑な構造を持たな
い簡単な機構で低風速での自己起動が可能となる。

【００２９】また、本発明によれば、風力により肉薄翼
端側から受ける抗力は従来と同等であるが、円柱座標系
に座標変換を行って湾曲した非対称形状の直線翼とした
ことで、回転を開始してからは肉薄翼端側（翼後端側）
が受ける空気抵抗が極力少なく作用するので、回転効率
が向上し、結果的に低風速時の起動特性が良くなり、低
風速でも発電し易くなる。また、低風速からの起動によ
り、低風速での発電も可能となり、発電効率が上がる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる直線翼取付方法を
用いた垂直軸型風力発電装置の斜視図である。

【図２】図１の垂直軸型風力発電装置のロータの水平断
面図である。

【図３】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。

【図４】本発明の実施の形態にかかるロータの水平断面
図であり、図４（ａ）及び図４（ｃ）は上部ロータの翼
配置を示し、図４（ｂ）は下部ロータの翼配置を示す。

【図５】本発明の実施の形態にかかる直線翼取付方法の
性能を調べた結果を示す図である。

【図６】従来の直線翼取付方法の説明図である。

【図７】風向きと翼に対し働く抗力の大きさの関係図で
あり、図７（ａ）は風向きが翼前方の場合を示し、図７
（ｂ）は風向きが翼後方の場合を示す。

【符号の説明】

１…垂直軸型風力発電装置Ｈａ，Ｈｂ…ロータＢ…枠体Ｔ…発電部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…水平ガイド板３（３Ａ，３Ｂ）…翼３ａ…肉厚翼端３ｂ…肉薄翼端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

【特許請求の範囲】

【請求項１】直線翼を回転軸を中心に組み付けたロー
タと、前記ロータと連結する発電機とを備え、風力によ
り前記ロータを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直線翼取付方法におい
て、前記ロータを少なくとも２段以上重ねて取り付ける際、
風により回転方向に抗力を受ける前記直線翼の肉薄翼端
を前記ロータの段毎に角度を変えて取り付けることを特
徴とする垂直軸型風力発電装置の直線翼取付方法。
【請求項２】前記直線翼の水平断面形状は、直交座標
系において前記直線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
標変換を行った非対称形状であることを特徴とする請求
項１記載の垂直軸型風力発電装置の直線翼取付方法。