JP2004108306A - 風力発電用風車 - Google Patents

Abstract

【課題】風速３ｍ／ｓ以下の低風速においても発電が可能な、小型から大型までの風力発電装置に適用することができる風力発電用風車を提供する。
【解決手段】風の力を受けて回転する羽根の回転力を回転軸から取出して発電する風力発電用風車において、回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形羽根又は支持杆と、該プロペラ形羽根又は支持杆の先端部に設けられた垂直軸風車より構成されている風力発電用風車としている。また、回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形羽根と、該プロペラ形羽根の先端部を連結するように設けられた円環と、該円環に放射状に設けられた複数の抗力型垂直軸風車より構成されている風力発電用風車としている。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風力発電に使用される風車に係り、より詳しくは、低風速（以下、風速３ｍ／ｓ以下の風速を低風速という）でも発電が可能な風力発電用風車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電は風を利用したクリーンエネルギーであるが、日本では山谷が多く一定の風力に恵まれていない。我が国の風速は、一般的に、その年間平均風速が１０ｍ／ｓ以下の領域が殆どである。風車の発電量については、発電量∝密度×受風面積×風速　の関係にあり、このためプロペラロータの直径を大きくして大型機を開発する傾向にある。従って、風力発電に利用される風車は、一般的には翼型断面を有する長さ２０ｍから３０ｍの複数の羽根を回転軸に軸支させ、風の強さに応じてピッチ角を変えることにより効率よく風力を利用できるように構成されている。しかしながら、このような翼型断面の羽根を利用したものは、風速、言い換えれば風力が弱い場合には必要な回転力を得にくいという欠点があり、プロペラ形風力発電装置は風速３ｍ／ｓ以下ではプロペラが回転せず、発電効率が悪いという欠点を有していた。
【０００３】
一方、従来、低風速でも発電が可能な小型風力発電装置として、発電機に連結連動された回転軸に取り付けられた直線翼型風車と、この回転軸に回転自在に設けられて小さい風力で駆動トルクを発生する起動用風車と、起動用風車と直線翼型風車との間に介在されて一方向にのみ回転力を伝達する連結手段とを具備し、この連結手段により起動用風車の低速回転時に起動用風車の駆動トルクを直線翼型風車に伝達し、直線翼型風車の回転速度が起動用風車の回転速度を越えたとき、直線翼型風車を起動用風車から切り離すように構成したものがある（例えば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２０１０２０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる小型風力発電装置は、民家の屋根やマンションの屋上等への設置に限定されるものであり、一般のプロペラ形風力発電装置等に適用することはできないという問題があった。
【０００６】
本発明は前記問題を解決するためになされたものであり、風速３ｍ／ｓ以下においても発電が可能な、小型から大型までの風力発電装置に適用することができる風力発電用風車を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の請求項１では、風の力を受けて回転する羽根の回転力を回転軸から取出して発電する風力発電用風車において、回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形羽根と、該プロペラ形羽根の先端部に設けられた抗力型垂直軸風車より構成されている風力発電用風車としている。これにより、低風速時でもプロペラ形羽根の先端部に設けられた抗力型垂直軸風車で回転力を得ることができるので発電が可能となる。
【０００８】
また、請求項２では、前記プロペラ形羽根に代えて支持杆を用いたことを特徴とする風力発電用風車としている。本構成では、放射状に多数の抗力型垂直軸風車を配置しているので、より大きな回転力により抗力型垂直軸風車に連結された支持杆を回転させるため、低風速時においても発電が可能となる。また、請求項３では、前記回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形羽根と、該プロペラ形羽根の先端部を連結するように設けられた円環と、該円環に放射状に設けられた複数の抗力型垂直軸風車より構成されている風力発電用風車としている。これにより、プロペラ形羽根の個数に制限されることなく、風車の直径に対応してプロペラ形羽根が的確な回転力を得るために必要な個数の抗力型垂直軸風車を設置することができるので、発電効率を向上させることができる。
【０００９】
本発明の請求項４では、風の力を受けて回転する羽根の回転力を回転軸から取出して発電する風力発電用風車において、回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形長径羽根と、回転軸を挟んで該プロペラ形長径羽根の対向側に設けられた短径厚翼羽根より構成されている風力発電用風車としている。これにより、短径厚翼羽根の翼面積部分では、プロペラ形長径羽根の根元側と対向側の短径厚翼羽根が短径・多翼型風車として作用するため、低風速でも起動力を得ることができ発電が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面に基づき説明するが、本発明はこれらに限定されるものではなく適宜変更して実施が可能である。また、同一部材は同一番号を付与している。図１は本発明の第一実施形態を示すもので、（ａ）正面図、（ｂ）はＡ−Ａ矢視図である。図１において、発電装置（図示しない）に連結される水平回転軸１に設けられたロータ２に、例えば、１２０°ごとに３枚のプロペラ形羽根３が半径方向に設けられており、該プロペラ形羽根３の先端部には垂直軸風車６が取り付けられている。前記プロペラ形羽根３は繊維強化樹脂等を用いて、航空機の翼と同様な流線形状の断面形状を有し、根元部から先端部にかけて順次細くなるテーパー状に形成されている。
【００１１】
垂直軸風車は、空気の流れに対して回転軸が垂直になっている風車をいい、揚力形（ダリウス形、ジャイロミル形など）と抗力形（パドル形、Ｓ字ロータ形、クロスフロー形、サポニウス形など）に分類できる。このうち、低風速でも容易に回転する風車は抗力形である。図２はその一例を示した斜視図であり、（ａ）はパドル形風車、（ｂ）はＳ形ロータ風車、（ｃ）はクロスフロー形風車、（ｄ）はサポニウス形風車である。本発明の実施形態ではＳ形ロータ風車としているが、これに限定されるものではなく抗力形であればどの形式の風車を用いてもよい。
【００１２】
図３は本発明の第二実施形態を示す正面図である。図３において、発電装置（図示しない）に連結される水平回転軸１に設けられたロータ２に１０本の支持杆４が等角度で半径方向に設けられており、該支持杆４の先端部には抗力型垂直軸風車６が取り付けられている。前記支持杆４は棒状または円筒状に形成されている。また、根元部から先端部にかけて順次細くなるようテーパー状に形成してもよい。また、前記支持杆４の先端部に設けられた抗力型垂直軸風車６は図２に示すものと同様である。なお、本実施形態では、プロペラ形羽根ほどの回転力は得られないため、高風速時での発電効率は劣るが、形状が簡単なため低コストで製作することができる。
【００１３】
図４は本発明の第三実施形態を示す正面図である。図４において、発電装置（図示しない）に連結される水平回転軸１に設けられたロータ２に１２０°ごとに３枚のプロペラ形羽根３が半径方向に設けられている。該プロペラ形羽根３の先端部には、該先端部を連結する同心円の円環５が取り付けられており、該円環５には１８個の垂直軸風車６が等角度で放射状に配置されている。前記プロペラ形羽根３は繊維強化樹脂等を用いて、航空機の翼と同様な流線形状の断面形状を有し、根元部から先端部にかけて順次細くなるテーパー状に形成されている。なお、プロペラ型羽根３に代えて前記第二実施形態に示す支持杆４を用いることも可能である。また、前記円環５に設けられた垂直軸風車６は図２に示すものと同様である。
【００１４】
本発明による風力発電用風車の作用について説明する。図６は垂直軸風車の動作原理図である。図６において、垂直軸風車の垂直軸と直交する方向から一様な風を受けると、２枚のロータが垂直軸と共に矢印に示す反時計回り方向に回転する。垂直軸が風の流れの中で回転すると、垂直軸の両側において、風の流れと垂直軸外周面の相対速度との関係から、風の流れと同一側（図６では下側）の流速が反対側（図６では上側）の流速より速くなる。このため、ベルヌーイの定理により垂直軸下部の圧力が小さく、垂直軸上部の圧力が大きくなることから、垂直軸の風の流れと同一側（図６では下側）に揚力Ｌが発生する。
【００１５】
図１に示す風力発電用風車では、風を受けて垂直軸風車６が図１（ｂ）に示す矢印方向（反時計回り方向）に回転すると、垂直軸に発生した揚力Ｌが、垂直軸風車６に連結されたプロペラ形羽根３を図１（ａ）の矢印方向（時計回り方向）に回転させる。
【００１６】
一般的に、プロペラ形風車は低風速では回転しない。これは、プロペラ形風車が翼の揚力を利用して回転するため、低風速では風に対する翼の迎角が大きくなるため翼が失速状態となり、大きな揚力が発生しないためである。これに対して垂直軸風車はその多くが抗力を利用して回転するため、低風速においても容易に回転する。そこで、回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形羽根と、該プロペラ形羽根の先端部に設けられた垂直軸風車より構成されている風力発電用風車とすることにより、低風速でも垂直軸風車が回転し、この回転力が垂直軸風車に連結されたプロペラ形羽根を回転させるため、低風速時においても発電が可能となる。
【００１７】
プロペラ型風車においては、直径が大きいほど出力が大きくなるが、翼面積が増大するために回転抵抗も大きくなる。さらに直径が大きくなるとプロペラ翼先端部での周速が大きくなり、特に低風速時には風の速度に対するプロペラ周速の比が非常に大きくなるため、低風速時の微小な風速変動に対して最適な流入角で作動するようにピッチ角調整を行うことが難しい。このため低風速時においては直径の小さいプロペラの方が回転抵抗が小さく、また風に対する周速の比が大きくないことからピッチ角調整が容易になり、その結果発電特性が良くなる。
【００１８】
また、プロペラ型風車においては、翼枚数が少ないほど回転数が高く出力が大きくなるが、風車が発生するトルクは小さくなる。これに対して翼枚数が多くなると回転数が小さく出力が小さくなるが、風車が発生するトルクは大きくなる。これは翼枚数が多いほど、翼が発生する揚力のプロペラ全体での総和が大きくなるため、トルクも大きくなるが、同時に回転抵抗も大きくなるため回転数が小さくなることによるものである。このため、低風速時には翼枚数が多い方が起動性が良くなり、発電効率が高くなる。逆に高風速時には翼枚数が少ない方が発電効率が高くなる。以上により、低風速時には小径・多翼型風車の発電効率が良く、高風速時には大径・少翼型風車の発電効率が良くなる。
【００１９】
図５は本発明の第四実施形態を示すもので、（ａ）は正面図であり、（ｂ）はＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）はＹ−Ｙ線断面図である。図５において、発電装置（図示しない）に連結される水平回転軸１に設けられたロータ２に１２０°ごとに３枚のプロペラ形長径羽根７が半径方向に設けられている。また、回転軸１を挟んで前記プロペラ型長径羽根７の対向側に短径厚翼羽根８を設けている。前記プロペラ形長径羽根７は航空機の翼と同様な流線形の形状をしたものであり、繊維強化樹脂等により形成されている。一方、短径厚翼羽根の長さは、前記プロペラ形長径羽根７の長さの１／２以下、より好ましくは１／２〜１／３の長さとしている。また、前記短径厚翼羽根８の断面は、図５（ｂ）に示すように、図５（ｃ）の断面より厚翼に形成されている。なお、厚翼とは、翼厚ｔが翼弦長ｗの２０％以上である羽根をいう。
【００２０】
上記のような構成とすることにより、受風面積Ｓ部分は小径・多翼型の風車として機能し、受風面積Ｗ部分は大径・少翼型型風車として機能する。また、厚翼を採用することにより、低風速時の風速変動によって引き起こされる羽根に対する流入風の迎角変化に対しても安定的に揚力を発生することができるので低風速時の発電効率を向上させることができる。
【００２１】
本発明の他の実施形態として、プロペラ形長径羽根と、回転軸１を挟んで該プロペラ形長径羽根の対向側に設けられた短径厚肉羽根を、それぞれ独立してピッチ角調整が可能とすることができる。風は羽根の長さ方向に風速、風向の分布を持っていることから、羽根先端部で最適な作動となるピッチ角でも、羽根根元部では最適なピッチ角になるとは限らない。そこで、プロペラ形長径羽根の先端部で最適な迎角となるピッチ角を与え、短径厚翼羽根には、前記プロペラ形長径羽根とは異なる、短径厚翼羽根に最適な迎角となるピッチ角を与えることにより、前記プロペラ形長径羽根のみの風車よりも大きな出力が実現できる。
【００２２】
さらに短径厚翼羽根のピッチ角を、プロペラ形長径羽根とは反対方向の回転力を発生させるように調整（切り替えを含む）することにより、台風等の暴風に対して風車の回転が過大になることを防止するための、空力ブレーキとして短径厚翼羽根を利用することも可能である。例えば、天気予報その他により台風や強風の到来を予知又は風速測定等により検知等した場合に、短径厚翼羽根とプロペラ形長径羽根とは反対方向の回転力を発生させるように短径厚翼羽根のピッチ角を調整する。また、風速計等により風速を測定し設定した所定の風速に達したら、短径厚翼羽根とプロペラ形長径羽根とは反対方向の回転力を発生させるように短径厚翼羽根のピッチ角を自動的に調整し、前記所定の風速を超えた後に風速が低下して設定した所定の風速まで低下したら、短径厚翼羽根とプロペラ形長径羽根とが同一方向の回転力を発生させるように短径厚翼羽根のピッチ角を自動的に調整するようにしてもよい。この場合、所定の風速は適宜設定変更することは可能であり、風速が増加する場合の所定の風速と低下する場合の所定の風速は同一ではなく、異なっていてもよい。また、前記風速計等の測定値により短径厚翼羽根のピッチ角を自動調整する場合において、短径厚翼羽根のピッチ角を短径厚翼羽根がプロペラ形長径羽根と反対方向の所定の回転力を発生させる角度まで、風速により連続又は不連続に適宜の角度に調整できるように制御できるようにしてもよい。このようにすることにより、風速が増加しても風車を一定又は一定の範囲の回転数に制御することも可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の第一実施形態では、回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形羽根と、該プロペラ形羽根の先端部に設けられた垂直軸風車より構成されている風力発電用風車としているので、低風速時でもプロペラ形羽根の先端部に設けられた垂直軸風車で回転力を得ることができ発電効率が向上する。
【００２４】
本発明の第二実施形態では、前記プロペラ形羽根に代えて支持杆を用い、該支持杆の先端部に垂直軸風車を配置しているので、より大きな回転力により垂直軸風車に連結された支持杆を回転させるため、低風速時においても発電が可能となる。なお、本実施形態では、プロペラ形羽根ほどの回転力は得られないため、高風速時での発電効率は劣るが、形状が簡単なため低コストで製作することができる。
【００２５】
本発明の第三実施形態では、前記回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形羽根と、該プロペラ形羽根の先端部を連結するように設けられた円環と、該円環に放射状に設けられた複数の垂直軸風車より構成されている風力発電用風車としているので、プロペラ形羽根の個数に制限されることなく、風車の直径に対応してプロペラ形羽根が的確な回転力を得るために必要な個数の垂直軸風車を設置することができるので、発電効率を向上させることができる。
【００２６】
本発明の第四実施形態では、回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形長径羽根と、回転軸１を挟んで該プロペラ形長径羽根の対向側に設けられた短径厚翼羽根より構成されている風力発電用風車としているので、短径厚翼羽根の翼面積部分では、回転軸１を挟んでプロペラ形長径羽根の対向側の短径厚翼羽根が短径・多翼型風車として作用するため、低風速でも起動力を得ることができ発電効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態を示すもので、（ａ）正面図、（ｂ）はＡ−Ａ矢視図である。
【図２】抗力型垂直軸風車の一例を示す斜視図であり、（ａ）はパドル形風車、（ｂ）はＳ形ロータ風車、（ｃ）はクロスフロー形風車、（ｄ）はサポニウス形風車である。
【図３】本発明の第二実施形態を示す正面図である。
【図４】本発明の第三実施形態を示す正面図である。
【図５】本発明の第四実施形態を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）はＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）はＹ−Ｙ線断面図である。
【図６】抗力型垂直軸風車の動作原理図である。
【符号の説明】
１　　水平回転軸
２　　ロータ
３　　プロペラ形羽根
４　　支持杆
５　　円環
６　　抗力型垂直軸風車
７　　プロペラ形長径羽根
８　　短径厚翼羽根
Ｌ　　揚力
Ｌｔ　　回転力
Ｓ，Ｗ　　受風面積
ｔ　　翼厚
ｗ　　翼弦長

Claims (4)

1. 風の力を受けて回転する羽根の回転力を回転軸から取出して発電する風力発電用風車において、回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形羽根と、該プロペラ形羽根の先端部に設けられた抗力型垂直軸風車より構成されていることを特徴とする風力発電用風車。
2. 風の力を受けて回転する羽根の回転力を回転軸から取出して発電する風力発電用風車において、回転軸と直交する方向に取り付けられた複数の支持杆と、該支持杆の先端部に設けられた抗力型垂直軸風車より構成されていることを特徴とする風力発電用風車。
3. 風の力を受けて回転する羽根の回転力を回転軸から取出して発電する風力発電用風車において、回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形羽根と、該プロペラ形羽根の先端部を連結するように設けられた円環と、該円環に放射状に設けられた複数の抗力型垂直軸風車より構成されていることを特徴とする風力発電用風車。
4. 風の力を受けて回転する羽根の回転力を回転軸から取出して発電する風力発電用風車において、回転軸と直交する方向に取り付けられた複数のプロペラ形長径羽根と、回転軸を挟んで該プロペラ形長径羽根の対向側に設けられた短径厚翼羽根より構成されていることを特徴とする風力発電用風車。

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