JP2003042055A

JP2003042055A - 垂直軸型の風車

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Publication number: JP2003042055A
Application number: JP2001233509A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Odajima; 泰雄小田島
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2003-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】垂直軸周りに回転するローターで風を受ける
方式の風車の、ローターが回転するときのバケットの抗
風領域における抵抗を低減し、同時に受風領域における
風力を向上することにより、ローターの回転力を向上す
る。【解決手段】ローター３のバケット１７は、回転中心
を通る風向中心線Ｐで２分される受風領域Ｑと抗風領域
Ｒとを交互に通過する。抗風領域Ｒを通過しようとする
風を遮って受風領域Ｑの側へ流動案内する導風板５を、
抗風領域Ｒの風上側に臨んで配置する。以て、抗風領域
Ｒにおける抵抗を低減し、同時に受風領域Ｑにおける風
力を向上することによりローター３の回転力を高める。
ローター３の風下側には、風向きに従ってローター３の
回りを周回移動する風見翼４を配置する。導風板５は風
見翼４と連動可能に連結して、風向きの変化に対応して
常に適正な位置へ回転変位させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、垂直軸周りに回
転するローターで風を受ける方式の風車に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の風力発電装置の一例として、サ
ボニウス型のローターを備えた風力発電装置が周知であ
る。その殆どは、複数個のバケットを備えたローター
と、ローターを回転自在に軸支するフレームと、ロータ
ーの回転動力で駆動される発電機などで構成されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】サボニウス型のロータ
ーにおいては、ローターの回転中心を通り風向と平行な
風向中心線で１８０度ずつに２分された受風領域と抗風
領域とをバケットが交互に通過し、バケットが受風領域
を回転するときに回転モーメントを生じ、バケットが抗
風領域を回転するときに抵抗モーメントを生じる。回転
モーメントと抵抗モーメントは、いずれも風力と、風に
対するバケットの開口面の向きによって異なる抗力係数
と、モーメントアームとの積となるが、バケットの開口
面が風上側に向いているとき（受風時）の抗力係数は、
バケットの開口面が風下側に向いているとき（抗風時）
の抗力係数より大きく、バケットの形や構造にもよるが
概ね４倍ほどの差があるとされている。従って、抗風時
の風力を低減し、あるいは受風時の風力を向上し、さら
に機械的なロスを減少すると風力発電装置の効率を高め
ることができることとなる。なお、風力は風の動圧に比
例し、動圧はバケットの受風面積と風速および空気密度
に比例する。

【０００４】この発明は、上記のような観点から提案さ
れたものであって、その目的は、ローターが回転すると
きの、バケットの抗風領域における抵抗を低減し、同時
に受風領域における風力を向上することにより、ロータ
ーの回転力を高め、例えば発電効率を向上することにあ
る。この発明の他の目的は、抗風領域を通過しようとす
る風を遮って受風領域の側へ流動案内できるようにし、
以てローターが回転するときの、バケットの抗風領域に
おける抵抗を低減し、同時に受風領域における風力を向
上できる風力発電装置を提供することにある。この発明
の他の目的は、抗風領域を通過しようとする風を遮って
受風領域の側へ流動案内するための導風板を、風向きの
変化に対応して常に適正な位置へ回転変位でき、従っ
て、風向きが頻繁に変化する状況下にあってもローター
を効果的に回転させて、例えば発電効率を向上できる風
力発電装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の風力発電装置
は、フレーム１で軸支されて垂直の回転軸芯回りに回転
できる受風用のローター３と、ローター３の回転動力で
回転駆動される発電機２と、ローター３の風下側に配置
されて、風向きに従ってローター３の回りを周回移動す
る風見翼４とを備えている。ローター３の回転中心を通
り風向と平行な風向中心線Ｐで２分される受風領域Ｑと
抗風領域Ｒを想定するとき、抗風領域Ｒを通過しようと
する風を遮って受風領域Ｑの側へ流動案内する導風板５
を、抗風領域Ｒの風上側に臨んで配置する。導風板５は
風見翼４と連動可能に連結して、ローター３の周りを回
転変位できるように支持する。以て、導風板５が風向き
の変化に自動的に追随して回転変位できることを特徴と
する。

【０００６】ローター３は、フレーム１で垂直に軸支し
たローター軸９と、ローター軸９に固定した複数のバケ
ット１７とで構成されており、導風板５は、バケット１
７の回転周面に臨んで配置されて、風向中心線Ｐに対し
て所定の角度αで傾斜しているようにすることができ
る。

【０００７】風見翼４の回転モーメントと、導風板５の
回転モーメントとが釣合う状態において、導風板５の出
口側端縁５ａが風向中心線Ｐから抗風領域Ｒ内へ偏寄し
た位置に位置保持されるように構成することができる。

【０００８】風見翼４の回転モーメントと、導風板５の
回転モーメントとが釣合う状態において、導風板５の出
口側端縁５ａが風向中心線Ｐの近傍に位置保持されるよ
うに構成することができる。

【０００９】

【発明の作用効果】この発明では、風向中心線Ｐで区分
される抗風領域Ｒの風上側に導風板５を配置して、抗風
領域Ｒを通過しようとする風を導風板５で遮って受風領
域Ｑの側へ流動案内できるようにするので、導風板５が
なかった場合に比べて、抗風領域Ｒを通過するバケット
１７の回転抵抗を小さくできるうえ、受風領域Ｑを通過
するバケット１７に作用する風力を向上でき、全体とし
てローター３の回転力を高めることができる。導風板５
を風見翼４と連動可能に連結するので、風向きが変化す
るのに合わせて導風板５を常に適正な位置へ回転変位で
き、従って、風向きが頻繁に変化する状況下にあって
も、導風板５を風向きの変化に追随して自動的に回転さ
せてローター３の回転力を効果的に増加できる。

【００１０】垂直のローター軸９と、ローター軸９に固
定した複数のバケット１７とでローター３を構成し、バ
ケット１７の回転周面に臨んで配置した導風板５を、風
向中心線Ｐに対して所定の角度αで傾斜させた風力発電
装置によれば、導風板５によってローター３より上流側
の風を受風領域Ｑの側へ確実に流動案内して、受風領域
Ｑを通過するバケット１７に作用する風力を向上し、ロ
ーター３の回転力をさらに高めることができる。

【００１１】風見翼４と導風板５との回転モーメントが
釣合う状態において、導風板５の出口側端縁５ａを風向
中心線Ｐから抗風領域Ｒ内へ偏寄した位置に位置保持で
きるようにすると、導風板５で案内される風の一部を、
側端縁５ａと風向中心線Ｐとの間の抗風領域Ｒを通過す
るバケット１７に作用させて、回転モーメントを生じさ
せることができ、ローター３の回転力をさらに向上でき
る。

【００１２】風見翼４と導風板５との回転モーメントが
釣合う状態において、導風板５の出口側端縁５ａを風向
中心線Ｐの近傍に位置保持すると、導風板５で遮った風
の全てを受風領域Ｑへ流動案内できるので、受風領域Ｑ
を通過する風の量および速度を高めて、受風領域Ｑで発
生されるローター３の回転力を向上できる。

【００１３】

【実施例】（実施例１）図１ないし図５は、この発明に
係る風車を風力発電装置に適用した実施例を示す。図２
および図３において風力発電装置は、フレーム１と、フ
レーム１に一体的に組み付けられた軸受構造および発電
機２と、受風用のローター３と、風向きに従ってロータ
ー３の回りを周回移動する風見翼４と、ローター３の回
転効率を高めるための導風板５などで構成する。

【００１４】フレーム１は四角形状のベース７と、ベー
ス７上に組まれた軸受フレーム８とからなり、軸受フレ
ーム８の上部中央にローター軸９を垂直姿勢で軸支する
ための軸受ユニット１０が固定してある。発電機２はベ
ース７に固定したブラケット１１に固定されて、その入
力軸１２がカップリング１３を介してローター軸９に接
続されている。図５に示すように軸受ユニット１０に
は、ローター軸９を回転自在に軸支するスラストベアリ
ング１４、およびラジアルベアリング１５が組み込んで
ある。

【００１５】ローター３は、ローター軸９と３個のバケ
ット１７とからなり、周方向へ等間隔おきに配置した各
バケット１７をローター軸９に固定して構成する。バケ
ット１７は横断面が半円形の樋状体からなり、その上下
端面は水平の端壁で塞がれている。図３および図５に示
すように、ローター軸９は軸受ユニット１０で軸支され
る第１軸部９ａと、第１軸部９ａの上端に連結される第
２軸部９ｂとで構成されている。両軸部９ａ・９ｂでロ
ーター軸９を構成することによって、ローター３の交換
やメンテナンスを容易に行えるようにするためである。
バケット１７は第２軸部９ｂに固定されている。

【００１６】風見翼４は、第２軸部９ｂの上端で回転自
在に支持されるハブ部２０と、飛行機の垂直尾翼と同様
の翼本体２１と、ハブ部２０に固定されて翼本体２１を
支持するアーム枠２２とからなる。ハブ部２０はベアリ
ング２３を介して回転自在に支持されている。翼本体２
１は、ローター３の回転半径の外へ突出するアーム枠２
２の突端上面に固定されて、ローター３の回転領域より
上方の風を受けて風向きの変化に追随できるようにして
ある。翼本体２１には、導風板５の回転モーメントとの
平衡状態を調整するための補助翼２４が設けてある。

【００１７】図１において、ローター３の各バケット１
７は、その回転中心を通り風向と平行な風向中心線Ｐで
２分される受風領域Ｑと抗風領域Ｒを交互に通過する。
このとき、抗風領域Ｒを通過しようとする風を遮って受
風領域Ｑの側へ流動案内し、ローター３の回転効率を高
めるために、抗風領域Ｒの風上側に臨み、かつローター
３の回転周面の近傍に導風板５を配置する。導風板５は
縦に長い長方形状の板体からなり、その上下縁が先のハ
ブ部２０に固定した上腕２６と、第１軸部９ａで回転自
在に支持した下腕２７とで垂直に支持されて、風見翼４
と連動してバケット１７の回転周面の周りに回転変位で
きる。下腕２７と第１軸部９ａとの間には、スラストベ
アリング２８が介装してある（図５参照）。

【００１８】導風板５は、風見翼４の回転モーメント
と、導風板５の回転モーメントとが釣合う状態におい
て、風向中心線Ｐに対して所定の角度αで傾斜するよう
に配置され、導風板５の出口側端縁５ａが風向中心線Ｐ
から抗風領域Ｒ内へ偏寄する位置に位置保持されるよう
にする。このときの風見翼４は、風向中心線Ｐに対して
角度βで傾いておりβ＜αの関係にある。但し角度αは
４５度以下とする。この実施例では、αは３０度とし、
βは１０度とした。このように、導風板５を風見翼４と
連動して回転移動できるようにすると、風向きの変化に
対応して、導風板５を常に適正な位置へ回転変位でき、
従って、風向きが頻繁に変化する状況下にあっても、ロ
ーター３を効果的に回転させて発電効率を向上できる。

【００１９】上記のように回転モーメントが釣合った状
態では、導風板５は抗風領域Ｒへ流れ込もうとする風を
遮って、受風領域Ｑの側へ流動案内する。従って、抗風
領域Ｒを通過するバケット１７の回転抵抗は、導風板５
が省略された場合に比べて小さくなるうえ、受風領域Ｑ
を通過するバケット１７に作用する風の風力を向上でき
る。その結果、ローター３の回転力を高めて発電機２の
発電効率を向上できる。また、図１に示すように導風板
５の出口（風下）側端縁５ａは、風向中心線Ｐから抗風
領域Ｒ内へ偏寄した位置に位置しているので、導風板５
で案内される風の一部を、側端縁５ａと風向中心線Ｐと
の間を通過するバケット１７に作用させて、回転モーメ
ントを生じさせることができる。換言すると、導風板５
の出口側端縁５ａが抗風領域Ｒ内へ偏寄している角度分
だけ、受風領域Ｑを拡大できることとなる。図４に想像
線で示すように、風見翼４に設けた補助翼２４を翼本体
２１から側方へ突出して固定することにより、風見翼４
と導風板５の回転モーメントが釣合う位置を調整でき、
出口側端縁５ａの位置を調整してローター３の回転力を
変更することができる。また、風見翼４と導風板５とが
ばたつくのを抑止できる。

【００２０】先に述べたように、ローター軸９を第１・
第２の両軸部９ａ・９ｂに分割することによって、ロー
ター３の交換やメンテナンスを容易に行えるようにした
が、図５に示すように、導風板５を上腕２６と下腕２７
に対して、分離可能な連結具２９で連結しておくと、導
風板５を分解し、さらに風見翼４の全体をハブ部２０ご
と第２軸部９ｂから分解することができ、ローター３、
風見翼４、導風板５等の組み立て、交換、あるいはメン
テナンスなどを簡単に行える。

【００２１】図６は導風板５の配置形態を変更した別実
施例を示す。先の実施例では、導風板５の出口側端縁５
ａを、風向中心線Ｐから抗風領域Ｒ内へ偏寄させたが、
この実施例では、風見翼４の回転モーメントと、導風板
５の回転モーメントとが釣合う状態において、導風板５
の出口側端縁５ａを風向中心線Ｐの近傍に位置保持させ
た。このように、出口側端縁５ａの位置を風向中心線Ｐ
の近傍に位置させると、抗風領域Ｒへ流れ込もうとする
風を導風板５で遮って、受風領域Ｑ内へ確実に流動案内
できる。従って、受風領域Ｑを通過するバケット１７に
作用する風の風力を向上して、ローター３の回転力を高
め、発電機２の発電効率を向上できる。

【００２２】上記以外に、バケット１７の断面形状は断
面半円上である必要はない。バケット１７の個数は少な
くとも２個あればよく、ローター３は上下多段状に配置
することができる。３個のバケット１７の上下端を円形
の端壁で同時に塞ぐことができる。この発明の風車は発
電用として使用する以外に、揚水用の動力源として使用
でき、あるいは摩擦熱を発生させて温水を生成する際の
動力源として使用できる。また、風車の動力で船舶のス
クリューを駆動でき、その場合には、風向きとは無関係
に常に動力を発生できるので、帆船のような帆の操作を
行う必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】風力発電装置の横断平面図である。

【図２】風力発電装置の斜視図である。

【図３】風力発電装置の側面図である。

【図４】風力発電装置の平面図である。

【図５】ローターの軸受構造を示す説明図である。

【図６】風力発電装置の別実施例を示す平面図である。

【符号の説明】

１フレーム２発電機３ローター４風見翼５導風板５ａ導風板の出口側端縁９ローター軸１７バケットＰ風向中心線Ｑ受風領域Ｒ抗風領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フレーム１で軸支されて垂直の回転軸芯
回りに回転できる受風用のローター３と、ローター３の
風下側に配置されて、風向きに従ってローター３の回り
を周回移動する風見翼４とを備えており、ローター３の回転中心を通り風向と平行な風向中心線Ｐ
で２分される受風領域Ｑと抗風領域Ｒを想定するとき、抗風領域Ｒを通過しようとする風を遮って受風領域Ｑの
側へ流動案内する導風板５が、抗風領域Ｒの風上側に臨
んで配置されており、導風板５は風見翼４と連動可能に連結されて、ローター
３の周りを回転変位できるように支持されており、導風板５が風向きの変化に自動的に追随して回転変位で
きることを特徴とする垂直軸型の風車。
【請求項２】ローター３が、フレーム１で垂直に軸支
したローター軸９と、ローター軸９に固定した複数のバ
ケット１７とで構成されており、導風板５が、バケット１７の回転周面に臨んで配置され
て、風向中心線Ｐに対して所定の角度αで傾斜している
請求項１記載の垂直軸型の風車。
【請求項３】風見翼４の回転モーメントと、導風板５
の回転モーメントとが釣合う状態において、導風板５の
出口側端縁５ａが風向中心線Ｐから抗風領域Ｒ内へ偏寄
した位置に位置保持されるように構成してある請求項１
または２記載の垂直軸型の風車。
【請求項４】風見翼４の回転モーメントと、導風板５
の回転モーメントとが釣合う状態において、導風板５の
出口側端縁５ａが風向中心線Ｐの近傍に位置保持される
ように構成してある請求項１または２記載の垂直軸型の
風車。