JP2004108330A - 風力発電用の風車 - Google Patents
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Abstract
【課題】揚力型の垂直軸型風車のブレードを改善して、起動時や低風速域でも、風車を効率よく回すことができるようにし、高効率な風力発電用の風車を提供することにある。
【解決手段】垂直回転軸に直交する面内で、該回転軸を中心として一定角度ごとに複数のブレードが回転軸に平行に設けられた風力発電用の風車において、前記ブレードは、低いレイノルズ数で高い揚力係数を備えた翼型であって、該翼下面の後縁部に切欠部が形成される。
【選択図】 図１
【解決手段】垂直回転軸に直交する面内で、該回転軸を中心として一定角度ごとに複数のブレードが回転軸に平行に設けられた風力発電用の風車において、前記ブレードは、低いレイノルズ数で高い揚力係数を備えた翼型であって、該翼下面の後縁部に切欠部が形成される。
【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のブレード形状の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、風力発電用の風車には、オランダ型風車に代表されるような風に対して回転軸が水平になっている水平軸型風車と、風に対して回転軸が垂直になっている垂直軸型風車が知られている。
【０００３】
このうち、垂直軸型風車には、パドル型やサボニウス型などのようにブレードに発生する抗力で風車を回す抗力型と、ダリウス型やジャイロミル型などのようにブレードに発生する揚力で風車を回す揚力型とが知られている。すなわち、前者は、風上に向かうブレードの抵抗を小さくして、抗力差によって風車を回転させるのに対し、後者は、ブレードに発生する揚力によって風車を回転させるようになっている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５４−１５３９４４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、垂直軸型の前者（抗力型）の場合、周速比（ブレ−ドの翼端速度／風速）が１となると、風車をそれ以上に回すモーメントが発生せず、風速が上がっても、それ以上の回転数を得ることもできず、発電効率が悪いという問題があった。一方、後者（揚力型）の場合、周速比が１以上では、風車の空力特性が良くなり、風車を効率良く回すことができるが、周速比が１以下では、風車の空力特性が悪くなり、風車を回すモーメントが小さくなる。また、起動モーメントが小さく、停止状態からの起動が非常に困難となる欠点があった。
【０００６】
そこで、ブレード形状を改良して発電効率を高めるものとして、例えば特許文献２などが知られている。この公報では、水平軸型のプロペラ型（揚力型）の風車が開示され、図７に示すように、回転軸５１に直交する面内で回転軸５１からロータ５２を介して一定角度ごとに複数の風車ブレード５３を設けるとともに、各風車ブレード５３内に、それぞれ先端に向かって出退自在に内蔵された補助ブレード５４を備え、低風速域で、図７矢印方向に、補助ブレード５４を風車ブレード５３内の二点鎖線位置から図７上方に突出させ、揚力を増やして回転トルクを増大させるようにしたものが開示されている。
【０００７】
ところが、この風車は、水平軸型の風車であり、発電効率が向上しても、部品点数が増大して、コスト高になるという問題があった。そのため、同一の発電能力を得るのに、装置のコストが上昇してしまう欠点があった。
【０００８】
【特許文献２】
特開２００１−１３２６１５号公報
ちなみに、特許文献１には、図８に示すように、車軸６１に翼固定板６２が取り付けられ、該翼固定板６２の間に、湾曲した翼（ブレード）６３が車軸６１に対して迎角０度で取り付けられた垂直軸型風車が示されている。しかし、この特許文献１では、翼（ブレード）６３が湾曲している例が示されるだけで、具体的な翼（ブレード）６３の構造について何ら開示されていない。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、垂直軸型風車のブレード形状を改善して、広範囲の風速域で、風車を発電効率よく回すことができるようにし、発電効率の高い風力発電用の風車を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、垂直回転軸に直交する面内で、該回転軸を中心として一定角度ごとに複数のブレードが回転軸に平行に設けられた風力発電用の風車において、前記ブレードは、低いレイノルズ数で高い揚力係数を有する翼型であって、該翼下面の後縁部を切り欠いて形成されることにより、達成される。
【００１１】
また、上記目的は、前記レイノルズ数を、３０，０００〜３，０００，０００の範囲にあるようにしたことにより、効果的に達成される。
【００１２】
また、上記目的は、前記揚力係数を、１．０〜１．４の範囲にあるようにしたことにより、効果的に達成される。
【００１３】
さらに、上記目的は、切欠部を、翼弦長に対して前縁から３５％〜４５％の位置から後縁に亘って形成したことにより、より効果的に達成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施例に係る風力発電用の風車Ａの外観を示す。この風車Ａは、垂直軸型風車であり、風力による風車の回転力を利用して、発電するようになっている。この風車Ａには、図１および図２に示すように、垂直方向に延びる回転軸１に直交する面内で同一半径の円周方向に沿って、アルミ合金やプラスチック（ＦＲＰを含む）などからなる４枚の翼型のブレード２，２・・・が回転軸に平行に配されている。このブレード２の外皮は、図３に示すように、１枚構造のアルミ合金やプラスチック（ＦＲＰを含む）などの材質からなる薄板状の素材を曲げて流線形の翼型に形成される。
【００１６】
また、ブレード２内には、図３および図４に示すように、断面略コ字状の支持桁３が嵌挿され、該支持桁３は、ブレード２の上，下面でそれぞれリベットや接着剤などによって取り付けられ、回転時のブレード２の変形を防止するようになっている。この支持桁３には、ストラット支持金具４が装着され、該ストラット支持金具４により、回転軸１から放射状に延びる支持ストラット５の端部を固定するようになっている。その結果、ブレード２の回転は、支持ストラット５を介して回転軸１に伝達されるようになっている。
【００１７】
そして、このブレード２は、４字系翼型，ＲＡＦ翼型，ゲッチンゲン翼型などに代表されるような飛行機に使用される流線形の翼型に形成され、翼下面の後縁部に切欠部Ｂが形成されている。この翼下面は、翼の空力特性によって、前縁ａより３５％〜４５％の間の位置から後縁ｂに亘って切り欠かれている。その結果、ブレード２は、低いレイノルズ数で高い揚力係数になるような翼型に形成される。また、ブレード２に対する風向き（図４矢印方向）に対して、図４に示すように、ブレード２の翼弦ｃは、０度〜５度の角度で取り付けられるようになっている。
【００１８】
また、ブレード２の周囲には、図５に示すように、前方（図５矢印方向）からの風に対して圧力分布が形成される。すなわち、ブレード２に使用されている翼型の圧力分布は、翼下面の前部に外気圧より高い圧力が分布し、後部にはほぼ外気圧と同じ圧力となり、上面には前端の翼形状によって流速が加速されるため、圧力が小さくなる。よって、ブレード２の下面の後部に切欠部Ｂを設けても、翼の空力特性には影響が小さい。
【００１９】
よって、ブレード２は、図６に示すように、前方（同図Ａ１矢印方向）から風を受けると、揚力が同図Ｌ矢印方向に発生する。そのため、このブレード２に発生する揚力の回転方向分力（Ｌ１）によって風車は、反時計方向に回転する。
【００２０】
また、起動時のように低風速域では、ブレード２には、後方（同図Ａ２矢印方向）から風を受けて回転すると、ブレード２の翼下面の切欠部Ｂによって、ブレード２に大きな空気抵抗が生じる。これによって、サボニウス型風車効果、すなわち、空気抵抗によってブレード２に回転モーメントが発生して、風車の起動トルクが発生することになる。
【００２１】
その結果、ブレード２には、翼下面に切欠部Ｂが形成されているので、図６のＡ２矢印方向からの風に対して、周速比１以下の低風速域では、空気抵抗によって回転モーメントが生じ、これが図６のＡ１矢印方向からの風を受けるブレード２に発生する揚力の回転方向分力（Ｌ１）に加わって回転し、周速比１以上の高風速域では、ブレード２に発生する揚力によって回転することになる。すなわち、ブレード２は、低レイノルズ数で高い揚力係数になるような翼型で形成されているので、いかなる風速でも、ブレード２を回転させることができ、効率よく発電することができる。
【００２２】
また、ブレード２は、アルミ合金などの軽量の部材を利用しているため、ブレード２全体の重量が小さくなって、プレード２に生じる遠心力による荷重が減少する。
【００２３】
従って、上記実施例では、ブレード２の翼下面の後縁部に切欠部Ｂを形成しているが、低レイノルズ数で高い揚力係数を有するような翼型を使用しているため、ブレード２には、風によって空気抵抗と揚力が発生し、これらの力によってブレード２を回転させる。よって、いかなる風向および風速でも、ブレード２には発電に必要な回転モーメントを発生させることができる。その結果、広範囲の風速域に亘って、ブレード２を回転させることができる。
【００２４】
また、この風車Ａでは、回転軸１の周囲に４枚のブレード２を配して、あらゆる方向からの風に対してブレード２を効率よく回転させることができるので、風向きに関係なくあらゆる風向きでも発電することができる。
【００２５】
また、ブレード２は、支持ストラット５によって上下２点で支持する構造であり、風車全体の軽量化が容易であるとともに、コンパクトな構造が可能である。そのため、一般家庭用やビル用としてだけでなく、海上に設置されたブイなどに設けることができる。
【００２６】
なお、上記実施例では、垂直軸型風車に４枚のブレード２を配したが、これに限らず、複数枚のブレードを用いればよく、上記実施例と同様の作用および効果を奏することができる。
【００２７】
また、ブレード２には、両先端に空気抵抗を減少させるための先端カバーを取り付けたり、必要に応じてブレード２の誘導効力を減少させるためのウィングレットを取り付けることも可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る風力発電用の風車では、垂直回転軸に直交する面内で、該回転軸を中心として一定角度ごとに複数のブレードが設けられた風力発電用の風車において、ブレードは、低いレイノルズ数で高い揚力係数を有する流線形の翼型になるように、該翼下面の後縁部を切り欠いて形成される。すなわち、風の分力で空気抵抗や揚力によってブレードを回すため、いかなる風速および風向からの風でも、特に起動時や、風の弱い低速風域でも、抗力型風車の特性と揚力型風車の特性を効果的に組み合わせたことによって、ブレード、即ち風車を発電効率よく回転させることができる。また、垂直軸型風車で、翼下面の一部に切欠部を設けただけであるので、簡単な構造であってコンパクトになり、小型や中型の風車を安価かつ容易に製造することができ、海上に設置するブイや家庭用の発電機など、広範囲の利用形態が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る風車の外観を示す斜視図である。
【図２】図１の風車を上方から眺めたブレードの配置を説明する図である。
【図３】図１に示すブレードの斜視図である。
【図４】前記ブレードに支持ストラットを取り付ける構造を示す図である。
【図５】前記ブレード回りの圧力分布を説明する図である。
【図６】前記ブレードの回転動作を説明する図である。
【図７】従来のプロペラ型のブレード構造を説明する図である。
【図８】従来の垂直軸型風車の斜視図である。
【符号の説明】
Ａ 風車
１ 回転軸
２ ブレード
３ 支持桁
４ ストラット支持金具
５ 支持ストラット
【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のブレード形状の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、風力発電用の風車には、オランダ型風車に代表されるような風に対して回転軸が水平になっている水平軸型風車と、風に対して回転軸が垂直になっている垂直軸型風車が知られている。
【０００３】
このうち、垂直軸型風車には、パドル型やサボニウス型などのようにブレードに発生する抗力で風車を回す抗力型と、ダリウス型やジャイロミル型などのようにブレードに発生する揚力で風車を回す揚力型とが知られている。すなわち、前者は、風上に向かうブレードの抵抗を小さくして、抗力差によって風車を回転させるのに対し、後者は、ブレードに発生する揚力によって風車を回転させるようになっている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５４−１５３９４４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、垂直軸型の前者（抗力型）の場合、周速比（ブレ−ドの翼端速度／風速）が１となると、風車をそれ以上に回すモーメントが発生せず、風速が上がっても、それ以上の回転数を得ることもできず、発電効率が悪いという問題があった。一方、後者（揚力型）の場合、周速比が１以上では、風車の空力特性が良くなり、風車を効率良く回すことができるが、周速比が１以下では、風車の空力特性が悪くなり、風車を回すモーメントが小さくなる。また、起動モーメントが小さく、停止状態からの起動が非常に困難となる欠点があった。
【０００６】
そこで、ブレード形状を改良して発電効率を高めるものとして、例えば特許文献２などが知られている。この公報では、水平軸型のプロペラ型（揚力型）の風車が開示され、図７に示すように、回転軸５１に直交する面内で回転軸５１からロータ５２を介して一定角度ごとに複数の風車ブレード５３を設けるとともに、各風車ブレード５３内に、それぞれ先端に向かって出退自在に内蔵された補助ブレード５４を備え、低風速域で、図７矢印方向に、補助ブレード５４を風車ブレード５３内の二点鎖線位置から図７上方に突出させ、揚力を増やして回転トルクを増大させるようにしたものが開示されている。
【０００７】
ところが、この風車は、水平軸型の風車であり、発電効率が向上しても、部品点数が増大して、コスト高になるという問題があった。そのため、同一の発電能力を得るのに、装置のコストが上昇してしまう欠点があった。
【０００８】
【特許文献２】
特開２００１−１３２６１５号公報
ちなみに、特許文献１には、図８に示すように、車軸６１に翼固定板６２が取り付けられ、該翼固定板６２の間に、湾曲した翼（ブレード）６３が車軸６１に対して迎角０度で取り付けられた垂直軸型風車が示されている。しかし、この特許文献１では、翼（ブレード）６３が湾曲している例が示されるだけで、具体的な翼（ブレード）６３の構造について何ら開示されていない。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、垂直軸型風車のブレード形状を改善して、広範囲の風速域で、風車を発電効率よく回すことができるようにし、発電効率の高い風力発電用の風車を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、垂直回転軸に直交する面内で、該回転軸を中心として一定角度ごとに複数のブレードが回転軸に平行に設けられた風力発電用の風車において、前記ブレードは、低いレイノルズ数で高い揚力係数を有する翼型であって、該翼下面の後縁部を切り欠いて形成されることにより、達成される。
【００１１】
また、上記目的は、前記レイノルズ数を、３０，０００〜３，０００，０００の範囲にあるようにしたことにより、効果的に達成される。
【００１２】
また、上記目的は、前記揚力係数を、１．０〜１．４の範囲にあるようにしたことにより、効果的に達成される。
【００１３】
さらに、上記目的は、切欠部を、翼弦長に対して前縁から３５％〜４５％の位置から後縁に亘って形成したことにより、より効果的に達成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施例に係る風力発電用の風車Ａの外観を示す。この風車Ａは、垂直軸型風車であり、風力による風車の回転力を利用して、発電するようになっている。この風車Ａには、図１および図２に示すように、垂直方向に延びる回転軸１に直交する面内で同一半径の円周方向に沿って、アルミ合金やプラスチック（ＦＲＰを含む）などからなる４枚の翼型のブレード２，２・・・が回転軸に平行に配されている。このブレード２の外皮は、図３に示すように、１枚構造のアルミ合金やプラスチック（ＦＲＰを含む）などの材質からなる薄板状の素材を曲げて流線形の翼型に形成される。
【００１６】
また、ブレード２内には、図３および図４に示すように、断面略コ字状の支持桁３が嵌挿され、該支持桁３は、ブレード２の上，下面でそれぞれリベットや接着剤などによって取り付けられ、回転時のブレード２の変形を防止するようになっている。この支持桁３には、ストラット支持金具４が装着され、該ストラット支持金具４により、回転軸１から放射状に延びる支持ストラット５の端部を固定するようになっている。その結果、ブレード２の回転は、支持ストラット５を介して回転軸１に伝達されるようになっている。
【００１７】
そして、このブレード２は、４字系翼型，ＲＡＦ翼型，ゲッチンゲン翼型などに代表されるような飛行機に使用される流線形の翼型に形成され、翼下面の後縁部に切欠部Ｂが形成されている。この翼下面は、翼の空力特性によって、前縁ａより３５％〜４５％の間の位置から後縁ｂに亘って切り欠かれている。その結果、ブレード２は、低いレイノルズ数で高い揚力係数になるような翼型に形成される。また、ブレード２に対する風向き（図４矢印方向）に対して、図４に示すように、ブレード２の翼弦ｃは、０度〜５度の角度で取り付けられるようになっている。
【００１８】
また、ブレード２の周囲には、図５に示すように、前方（図５矢印方向）からの風に対して圧力分布が形成される。すなわち、ブレード２に使用されている翼型の圧力分布は、翼下面の前部に外気圧より高い圧力が分布し、後部にはほぼ外気圧と同じ圧力となり、上面には前端の翼形状によって流速が加速されるため、圧力が小さくなる。よって、ブレード２の下面の後部に切欠部Ｂを設けても、翼の空力特性には影響が小さい。
【００１９】
よって、ブレード２は、図６に示すように、前方（同図Ａ１矢印方向）から風を受けると、揚力が同図Ｌ矢印方向に発生する。そのため、このブレード２に発生する揚力の回転方向分力（Ｌ１）によって風車は、反時計方向に回転する。
【００２０】
また、起動時のように低風速域では、ブレード２には、後方（同図Ａ２矢印方向）から風を受けて回転すると、ブレード２の翼下面の切欠部Ｂによって、ブレード２に大きな空気抵抗が生じる。これによって、サボニウス型風車効果、すなわち、空気抵抗によってブレード２に回転モーメントが発生して、風車の起動トルクが発生することになる。
【００２１】
その結果、ブレード２には、翼下面に切欠部Ｂが形成されているので、図６のＡ２矢印方向からの風に対して、周速比１以下の低風速域では、空気抵抗によって回転モーメントが生じ、これが図６のＡ１矢印方向からの風を受けるブレード２に発生する揚力の回転方向分力（Ｌ１）に加わって回転し、周速比１以上の高風速域では、ブレード２に発生する揚力によって回転することになる。すなわち、ブレード２は、低レイノルズ数で高い揚力係数になるような翼型で形成されているので、いかなる風速でも、ブレード２を回転させることができ、効率よく発電することができる。
【００２２】
また、ブレード２は、アルミ合金などの軽量の部材を利用しているため、ブレード２全体の重量が小さくなって、プレード２に生じる遠心力による荷重が減少する。
【００２３】
従って、上記実施例では、ブレード２の翼下面の後縁部に切欠部Ｂを形成しているが、低レイノルズ数で高い揚力係数を有するような翼型を使用しているため、ブレード２には、風によって空気抵抗と揚力が発生し、これらの力によってブレード２を回転させる。よって、いかなる風向および風速でも、ブレード２には発電に必要な回転モーメントを発生させることができる。その結果、広範囲の風速域に亘って、ブレード２を回転させることができる。
【００２４】
また、この風車Ａでは、回転軸１の周囲に４枚のブレード２を配して、あらゆる方向からの風に対してブレード２を効率よく回転させることができるので、風向きに関係なくあらゆる風向きでも発電することができる。
【００２５】
また、ブレード２は、支持ストラット５によって上下２点で支持する構造であり、風車全体の軽量化が容易であるとともに、コンパクトな構造が可能である。そのため、一般家庭用やビル用としてだけでなく、海上に設置されたブイなどに設けることができる。
【００２６】
なお、上記実施例では、垂直軸型風車に４枚のブレード２を配したが、これに限らず、複数枚のブレードを用いればよく、上記実施例と同様の作用および効果を奏することができる。
【００２７】
また、ブレード２には、両先端に空気抵抗を減少させるための先端カバーを取り付けたり、必要に応じてブレード２の誘導効力を減少させるためのウィングレットを取り付けることも可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る風力発電用の風車では、垂直回転軸に直交する面内で、該回転軸を中心として一定角度ごとに複数のブレードが設けられた風力発電用の風車において、ブレードは、低いレイノルズ数で高い揚力係数を有する流線形の翼型になるように、該翼下面の後縁部を切り欠いて形成される。すなわち、風の分力で空気抵抗や揚力によってブレードを回すため、いかなる風速および風向からの風でも、特に起動時や、風の弱い低速風域でも、抗力型風車の特性と揚力型風車の特性を効果的に組み合わせたことによって、ブレード、即ち風車を発電効率よく回転させることができる。また、垂直軸型風車で、翼下面の一部に切欠部を設けただけであるので、簡単な構造であってコンパクトになり、小型や中型の風車を安価かつ容易に製造することができ、海上に設置するブイや家庭用の発電機など、広範囲の利用形態が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る風車の外観を示す斜視図である。
【図２】図１の風車を上方から眺めたブレードの配置を説明する図である。
【図３】図１に示すブレードの斜視図である。
【図４】前記ブレードに支持ストラットを取り付ける構造を示す図である。
【図５】前記ブレード回りの圧力分布を説明する図である。
【図６】前記ブレードの回転動作を説明する図である。
【図７】従来のプロペラ型のブレード構造を説明する図である。
【図８】従来の垂直軸型風車の斜視図である。
【符号の説明】
Ａ 風車
１ 回転軸
２ ブレード
３ 支持桁
４ ストラット支持金具
５ 支持ストラット
Claims (4)
- 垂直回転軸に直交する面内で、該回転軸を中心として一定角度ごとに複数のブレードが設けられた風力発電用の風車において、
前記ブレードは、低いレイノルズ数で高い揚力係数を有する翼型であって、該翼下面の後縁部に切欠部が形成されることを特徴とする風力発電用の風車。 - 前記レイノルズ数は、３０，０００〜３，０００，０００の範囲にある請求項１に記載の風力発電用の風車。
- 前記揚力係数は、１．０〜１．４の範囲にある請求項１に記載の風力発電用の風車。
- 前記切欠部は、翼弦長に対して前縁から３５％〜４５％の位置から後縁に亘って形成されている請求項１に記載の風力発電用の風車
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