JP2005054757A

JP2005054757A - ハイブリッド形風車

Info

Publication number: JP2005054757A
Application number: JP2003289162A
Authority: JP
Inventors: Goro Hisamatsu; 久松　　吾郎
Original assignee: Mizuno Technics Corp
Current assignee: Mizuno Technics Corp
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】単純構造で低コストを堅持しつつ、高速回転時の補助回転翼の抵抗を少なくし、回転時の垂直回転軸の振動および、垂直回転軸に加わる曲げ応力を減少させるハイブリッド形風車を提供する。
【解決手段】補助回転翼４１、４２は、両翼を凹曲内面の一部が垂直回転軸１を挟んで互いに向かい合うようにし、かつ、垂直回転軸１から互いに反対向きに偏心するようにして、補助回転翼４１と４２が回転対称な関係になるように支持腕部材２により垂直回転軸１に固着されており、前記補助回転翼４１、４２は、前記上部４０ａおよび底部４０ｂの形状を球状とした半球状部５を流線型形状とする事により、該半球状部５の上部頂点５ａおよび下部頂点５ｂを垂直回転軸１上に存在させている。
【選択図】図４

Description

本発明は、風力発電などに適用される風車に関し、特に風と垂直な回転軸を有するハイブリッド形風車に関するものである。

近年、省エネルギや自然環境保護等の観点から風のエネルギーを回転のエネルギーに変換する風力発電が見直されてきている。また、前記風力発電に適用することのできる各種タイプの風車には、プロペラ形風車のような回転軸を風に平行とする水平軸形と、ダリウス形、サボニウス形等の風と垂直な回転軸をもつ垂直軸形がある。

前記プロペラ形風車は、風のエネルギーを回転のエネルギーに変換する効率、すなわち風車効率が高く、すでに風力発電に多く用いられているが、重量物である発電器を含めた風車全体を、常に風の方向に向けるように回転する機構を設けなければならないため、コストの上昇を招く。また大型の風車になると、敏速に風車の向きをかえることは困難になるため、風向きの変化が頻繁な条件では風車効率も低下するという問題点がある。

前記ダリウス形、サボニウス形の垂直軸形の風車は、風向によって回転軸を動かす必要がないため、上記のような問題が無く、また発電器を風車の下部に置くことができるなど、構造上有利である。

前記ダリウス形風車は、揚力を利用しているため、風車効率が前記プロペラ形風車次いで高く、単純な構造で、低コストである。しかし、風を受けて自発的に回転を始めることができないために、風車を始動するために、他の風車や起動用のモータやモータを制御する制御装置等、種々の設備が必要となり、装置が大型化、高コスト化するといった問題があった。

また、前記サボニウス形風車は、抗力を利用する風車であるため、風車効率が低く実用的でないが、抗力型の風車は、比較的大きなトルクを発生することから、風速が小さくても発電するような用途に適しているといえる。

一方、単純構造（低コスト）、高効率を目指し、ダリウス形風車とサボニウス形風車を組み合わせたハイブリッド形風車が提案されている。

例えば、特開昭５１−１６６９５１号公報記載されているように、風力で駆動される主駆動回転子と、回転軸に連結した１対の力で駆動される始動回転子を備えることで、自動始動式で、高効率を達成させようとしている風力タービンがある。

しかし、前記特開昭５１−６６９５１号公報記載されている風力タービンでは、基本的に主駆動回転子と始動回転子をハイブリッドする場合、風受け抵抗が大きいので、回転軸上端部にも軸受けが必要になり、構造が複雑かつ高価になる。

また、従来のハイブリッド形風車においては、低風速域ではサボニウス形風車がダリウス形風車を駆動するが、高風速域ではダリウス形風車がサボニウス形風車を駆動する状態となるため、高風速域ではダリウス形風車単体の場合に比較してトルクロスが生じて効率が低下するなどの不具合がある。

このトルクロスを解消するために、特開平９−２８７５４９号に開示されているように、ダリウス形風力タービンとサボニウス形風力タービンとの各タービン軸が互いに連結されて回転するハイブリッド形風力タービンにおける上記両タービン軸の間に一方向クラッチが介装し、風速が高速度の場合は、サボニウス形風力タービンを切り離してダリウス形タービンのみで被駆動物を駆動することにより、特に高風速度域において高いトルクを得ることができるように改良している。
特開昭５１−６６９５１号公報特開平９−２８７５４９号公報

前記特開平９−２８７５４９号に開示されているような、ハイブリッド形風力タービンでは、風速が高速度の場合のサボニウス形風力タービンを切り離すために、クラッチや制御装置等、種々の設備が必要となり、コストの上昇を招くといった問題があった。

また、ハブリッド形風車は、そもそもサボニウス形翼の受風面積が大きく、垂直回転軸および、回転軸の支持部に高い強度が必要である。一般的には、垂直回転軸下部の軸受け支持部のほかに、垂直回転軸上部にも軸受け支持部を設けなければ、垂直回転軸に振動が発生し、応力集中する垂直回転軸の軸受け部で軸が破壊することがある。そのため、従来は軸受け支持部を上部にも設けるか、垂直回転軸の強度を高くするためにコスト増を招いていた。

そこで、本発明の目的は、前記問題解決し、単純構造で低コストを堅持しつつ、高速回転時の補助回転翼の抵抗を少なくし、回転時の垂直回転軸の振動および、垂直回転軸に加わる曲げ応力を減少させるハイブリッド形風車を提供することを目的としている。

上記目的を達成する為に、本発明の請求項１に係るハイブリッド形風車は、垂直回転軸と、該垂直回転軸に連結された主回転翼と補助回転翼からなるハイブリッド形風車であって、前記補助回転翼は、２枚の半円筒形翼からなり、前記補助回転翼の上部及び底部の形状を球状に形成し、該球状の上部頂点および下部頂点を前記垂直回転軸上に存在させていることを特徴とするハイブリット形風車である。

本発明の請求項２に係るハイブリッド形風車は、請求項１に係るハイブリッド形風車であって、前記主回転翼および補助回転翼は、回転進行方向前方に２０°〜５０°／ｍのねじれ角をもって斜め縦方向に傾斜状態で配置されていることを特徴とするハイブリット形風車である。

以上のように、本発明のハイブリッド形風車は、補助回転翼の上部およびは底部の形状を球状に形成することで、抗力係数が小さなり、補助回転翼に駆動される状態で高速回転する際の、空気抵抗効力が小さくなる。

また、主回転翼および補助回転翼は、回転進行方向前方に所定のねじれ角をもって斜め縦方向に傾斜状態で配置されていてために、垂直回転軸に発生する振動と垂直回転軸に加わる曲げモーメントとを抑制することができる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して具体的に説明する。
図１は本発明のハイブリッド形風車の正面側の全体説明図であり、図２は、図１のハイブリッド形風車を上側から見た全体説明図、図３は、補助回転翼を示す説明図、図４、図５は、図１のハイブリッド形風車を側面側からみた全体説明図、図６は、主回転翼の回転進行方向を示す説明図である。

図１に示すように、本発明のハイブリッド形風車１０は、垂直回転軸１と、該垂直回転軸１に連結された高速風力で駆動される主回転翼３０、低速風力により駆動される補助回転翼４０からなり、これら回転翼３０、４０は縦方向になるように支持腕部材２により前記垂直回転軸1に固定され、前記垂直回転軸１は、回動可能に固定台に軸着されおり、該固定台の下端で図示しない発電機などのエネルギー変換手段に接続され風力による垂直回転軸１の回転エネルギーを電力等の利用可能なエネルギーに変換している。

また、前記支持腕部材２は、垂直回転軸１の上下に支持腕部材２ａ、２ｂが固定されており、図２に示すように、支持腕部材２ａと支持腕部材２ｂは、垂直回転軸１を中心に所定角度回転して、垂直回転軸１に固定されている。

本発明に係る補助回転翼４０は、図３示すように、半球状有底の半円筒形翼からなり、上部４０ａ及び底部４０ｂの形状を球状とした半球状部５が形成され、実施例では２枚の補助回転翼４１、４２を備えた構成としている。

前記補助回転翼４１、４２は、図４、図５に示すように、両翼を凹曲内面の一部が垂直回転軸１を挟んで互いに向かい合うようにし、かつ、垂直回転軸１から互いに反対向きに偏心するようにして、補助回転翼４１と４２が回転対称な関係になるように支持腕部材２により垂直回転軸１に固着されている。
そして、補助回転翼４１、４２は、前記上部４０ａおよび底部４０ｂの形状を球状とした半球状部５を流線型形状とする事により、該半球状部５の上部頂点５ａおよび下部頂点５ｂを垂直回転軸１上に存在させている。

前記補助回転翼４０は、上部４０ａおよびは底部４０ｂの形状を半球状部５に形成することで、抗力係数が小さなり、補助回転翼４０に駆動される状態で高速回転する際の、空気抵抗効力が小さくなる。従って、トルクロスが減少し，効率が増加する。また、さらに風速が高くなった場合、補助回転翼４０は高速回転し、１つの円柱状態を形作り、この円柱を風が横切る状態になる。半球状部５の上部頂点５ａ、下部頂点５ｂが垂直回転軸１に存在しているため、高速回転する１つの円柱状態は、上下端部が半球状であり、横切る風に対する抵抗が、一般的サボニウス形状（端部は平面）より減少する。前記抗力係数の低減は、補助回転翼４０の凸方向から風を受ける場合で、自ら駆動する凹曲内面からの風には、大きな抗力係数を保ったままである。

また、本発明に係る補助回転翼４１は、垂直回転軸１から所定距離だけ偏心した前記補助回転翼の回転中心軸が垂直回転軸１表面上をスパイラル状に変曲したねじり形状、すなわち、補助回転翼４１は回転進行方向前方に所定のねじれ角をもって斜め縦方向に傾斜状態で配置されていて、補助回転翼４１の凹曲面端部の垂直回転軸１に対して遠方の側の上方支持位置４１ａで支持腕部材２ａに、下方支持位置４１ｂで支持腕部材２ｂにより垂直回転軸１に固定され、前記凹曲面端部の垂直回転軸１に対して近い側の上方支持位置４１ａで支持腕部材２ａに、下方支持位置４１ｂで支持腕部材２ｂにより垂直回転軸１に固定されている。

同様に補助回転翼４２は補助回転翼４１と同形で、かつ、回転対称な関係になるように配置され、補助回転翼４２の凹曲面端部の垂直回転軸１に対して遠方の側の上方支持位置４２ａで支持腕部材２ａに、下方支持位置４２ｂで支持腕部材２ｂにより垂直回転軸１に固定され、前記凹曲面端部の垂直回転軸１に対して近い側の上方支持位置４２ａで支持腕部材２ａに、下方支持位置４２ｂで支持腕部材２ｂにより垂直回転軸１に固定されている。

次に、主回転翼３０について説明する
本発明に係る主回転翼３０は複数の細長い翼からなり、本実施例では、図４、図５に示すように２枚の翼３１、３２を備えた構成としている。

前記主回転翼３１は、垂直回転軸１に平行のストレート翼ではなく、前記主回転翼の回転経路円柱曲面上をスパイラル状に変曲した形状、すなわち、主回転翼３１は回転進行方向前方に所定のねじれ角をもって斜め縦方向に傾斜状態で配置されていて、全長を約１対２．５対１に分割した位置の上方支持位置３１ａで支持腕部材２ａにより垂直回転軸１と固定され、下方支持位置３１ｂで支持腕部材２ｂにより垂直回転軸１に固定されている。

同様に、相対する主回転翼３２も回転進行方向前方に主回転翼３１と同じ角度のねじれ角をもって斜め縦方向に傾斜状態で配置されていて、全長を約１対２．５対１に分割した位置の上方支持位置３２ａで支持腕部材２ａにより垂直回転軸１と固定され、下方支持位置３２ｂで支持腕部材２ｂにより垂直回転軸１固定されている。

また、主回転翼３０の回転進行方向（回転軸垂直）の断面形状は、図６に示すように翼型をし、前記主回転翼３０の断面形状の翼弦線２０（前縁と後縁を結ぶ線）を中心線として対称形が、全ての位置で回転進行方向を向くような形状である。

前記主回転翼３０を回転面垂直方向に対して所定のねじり角を有するように取り付けたことで、前記主回転翼３０に生じる揚力が、垂直回転軸１を軸に多方位に生じることから、垂直回転軸１に平行のストレートの主回転翼より、回転バランスが取り易くなる。また、本実施例では、２枚の翼を備えた構成としているが、２枚の翼より３枚の翼の方が回転バランスが更に取り易いこととなる。

また、前記主回転翼３０および補助回転翼４０が、回転進行方向前方に所定のねじれ角をもって斜め縦方向に傾斜状態で配置されていてために、両種翼に加わる効力（回転進行方向に対する抵抗）は、回転逆方向の一方向ではなく、上方向（翼前衛に垂直な方向）にも成分が生じることになる。つまり、従来効力は回転に抗するのみの成分であったが、翼の上方を回転方向前方へ傾けることにより、垂直回転軸１を上方に持ち上げる力を発生させることになる。この力は、垂直回転軸に発生する振動と垂直回転軸に加わる曲げモーメントとを抑制することができる。

なお、前記主回転翼３０および補助回転翼４０の回転進行方向前方に配置するねじり角としては、２０°〜５０°／ｍが好適である。前記ねじり角が２０°／ｍ以下であると、両種翼に生じる揚力が小さなり、揚力が小さい割には、ねじれた翼を作るためのコスト増が大きくなる。一方、ねじり角度が５０°／ｍ以上であると、高速回転時の抵抗が減少し、抵抗の上方向成分が増えるので好都合であるが、同一風受け面積に対して翼長さが長くなり質量増を招くことが問題となる。

ハイブリッド形風車の正面側の全体説明図。図１のハイブリッド形風車を上側から見た全体説明図。補助回転翼を示す説明図。図１のハイブリッド形風車を側面側からみた全体説明図。図１のハイブリッド形風車を側面側からみた全体説明図。主回転翼の回転進行方向を示す説明図。

符号の説明

１垂直回転軸
２支持腕部材
２ａ支持腕部材
２ｂ支持腕部材
５半球状部
５ａ上部頂点
５ｂ下部頂点
２０翼弦線
３０主回転翼
３１主回転翼
３１ａ上方支持位置
３１ｂ下方支持位置
３２主回転翼
３２ａ上方支持位置
３２ｂ下方支持位置
４０補助回転翼
４０ａ上部
４０ｂ底部
４１補助回転翼
４１ａ上方支持位置
４１ｂ下方支持位置
４２補助回転翼
４２ａ上方支持位置
４２ｂ下方支持位置

Claims

垂直回転軸と、該垂直回転軸に連結された主回転翼と補助回転翼からなるハイブリッド形風車であって、前記補助回転翼は、２枚の半円筒形翼からなり、前記補助回転翼の上部及び底部の形状を球状に形成し、該球状の上部頂点および下部頂点を前記垂直回転軸上に存在させていることを特徴とするハイブリット形風車。
前記主回転翼および補助回転翼は、回転進行方向前方に２０°〜５０°／ｍのねじれ角をもって斜め縦方向に傾斜状態で配置されていることを特徴とする請求項１記載のハイブリット形風車。