JP2005127210A - 垂直軸型風力発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】曲げモーメントを低減可能な、軽量の垂直軸型風力発電装置を提供する。
【解決手段】回転軸の先端にロータを設け、羽根の縦方向の上下２か所を支持する２本の上下アームを前記ロータに対して下向き又は上向きの斜めになるように取り付け、前記羽根の前記上下２か所の間に位置する中間２か所を支持する２本の中間アームを前記ロータ又は前記上下アームに取り付ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直軸型風力発電装置に関するものである。
従来の垂直軸型風車は、特許文献１に開示されているように、グラスファイバ製の羽根を、直立した金属製の中空なアウタロータからなる回転軸から水平に伸びた上下２本のグラスファイバ製のアームにて支持してなる。
特許第３３６８５３７号
また、従来の垂直軸型風車においては、羽根を中央１本のアームにて支持するものや、羽根を上方、下方、中央の３本のアームにて支持するものが知られており、回転軸の上方に取り付けられた円板から斜め上方に伸びたアームと、円板から斜め下方に伸びたアームによって、羽根を上下に支持するものも知られている。
しかしながら、これらの構成では、アームと羽根との接合部或いは羽根中央に生じる、遠心力による曲げモーメントを十分に抑えられない。この曲げモーメントは羽根の高速回転においては、大変大きな値となり、結果、羽根が破損する恐れがある。この曲げモーメントを抑えるために、アームを太くしたり、羽根の強度を上げたりするといった措置を取らねばならず、垂直軸型風車の重量化を招いていた。
本発明は上記問題を鑑みなされたものであって、その目的とするところは、曲げモーメントを低減可能な、軽量の垂直軸型風力発電装置を提供することである。
課題を解決するための手段及び効果
本発明の垂直軸型風力発電装置は、垂直に設けられた回転軸と、この回転軸の周方向に複数枚配設された縦向きの羽根とを有する垂直軸型風力発電装置であって、前記回転軸の先端にロータを設け、前記羽根の縦方向の上下２か所を支持する２本の上下アームを前記ロータに対して下向き又は上向きの斜めになるように取り付け、前記羽根の前記上下２か所の間に位置する中間２か所を支持する２本の中間アームを前記ロータ又は前記上下アームに取り付けたことを特徴とする。
本発明によると、羽根は２本の中間アームによって支持されるため、遠心力により羽根の中央に生じる曲げモーメントを抑えることができると共に、垂直軸型風力発電装置の重心位置であるロータの重心位置から近傍の位置であるロータ外面に取り付けられた上下アームによって、羽根の縦方向の上下２か所が斜め方向から支持されるため、羽根の縦方向の上下２か所に生じる曲げモーメントも抑えることができる。
本発明においては、前記羽根の縦方向の長さをｃとし、前記羽根の上下端から前記上下２か所の支持点までの距離をａとし、前記上下２か所の支持点から前記中間２か所までの距離をｂとすると、前記上下２か所の支持点は、ａ／ｃが０．０２〜０．１６の範囲に位置し、前記中間２か所の支持点は、ｂ／ｃが０．１８〜０．３７の範囲に位置することが好ましい。
これによると、上下２か所の支持点及び中間２か所の支持点の位置を、垂直軸型風力発電装置の重心位置であるロータの重心位置に対して上下対称に均衡させて配置することで、各支持点間に作用する曲げモーメントの均衡を図ることが可能となり、更に、各支持点間距離を最適化することで、曲げモーメントを最小化することができる。
本発明においては、前記ロータとして、筒状のロータが使用され、前記上下アームは前記ロータの上下端に取り付けられることが好ましい。これによると、ロータから伸びる上下アームを短くできるため、２本の中間アームも短くできる。よって、コストダウンが可能なだけでなく、アーム自体が軽量となり、曲げモーメントや風損を低減できる。
本発明においては、前記２本の上下アーム及び前記２本の中間アームは、断面が中空となった中空アームにより形成されていることが好ましい。これによると、４本のアームを軽量化できるため、曲げモーメントを低減でき、垂直軸型風力発電装置を軽量化できる。
本発明においては、前記２本の上下アーム及び前記２本の中間アームは、断面が横向きに扁平となった形状に形成されていることが好ましい。これによると、横風によるアームへの抵抗を減らせるため、風損を低減することができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る垂直軸型風力発電装置の実施形態例について説明する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の構成を図１〜図８に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の構成を表した模式図である。図２は本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置を表した斜視図である。
垂直軸型風力発電装置１は、垂直に設けられた回転軸２と、回転軸２の周方向に複数枚配置された縦向きの羽根９と、回転軸２の先端に設けられたロータ１８，２０と、ロータ１８，２０に対して下向き又は上向きの斜めになるようにロータ１８，２０に取り付けられ、羽根９の縦方向の上下２か所を支持する２本の上下アーム４，６と、ロータ１８，２０又は上下アーム４，６に取り付けられ、羽根９の上下２か所の間に位置する中間２か所を支持する２本の中間アーム１１，１４と、で構成される。
羽根９は、図３に示すように、断面が翼状となっており、一方面は流線が長くなる凸状面２８となっており、他方面は流線が短くなるフラット状面２９となっている。このような羽根９は、軸方向の骨材１９と、骨材１９に所定間隔で装入された翼状板２６と、翼状板２６の外周を覆う外皮材２７とからなる中空構造で構成される。また、前記骨材１９、翼状板２６及び外皮材２７は、アルミニウム合金で形成され、羽根９の全体が軽量で強固に形成されている。
回転軸２の先端には筒状ロータ２０が挿設・接合されている。筒状ロータ２０の形状は、円形の筒状、多角形の筒状、骨組み構造など何でも良いが、ここでは円形の筒状である。筒状ロータ２０を軽量で強固なアルミニウム合金等で形成することで、垂直軸型風力発電装置１の軽量化を図っている。
筒状ロータ２０の軸方向の重心は、羽根９の縦方向の長さｃの中心であるｃ／２に位置し、周方向の重心は回転軸２と同軸の軸心である。よって、垂直軸型風力発電装置１の重心位置は筒状ロータ２０の重心位置となっている。また、筒状ロータ２０は重心位置に対して上下対称、左右対称の形状となっている。
筒状ロータ２０の重心位置より下方では、回転軸２が軸受２１ａ及び軸受２１及びスラスト軸受３０を介してハウジング２２に回転自在に支持されており、筒状ロータ２０は回転軸２と共に回転する。筒状ロータ２０の重心位置と軸受２１ａとの拒離ｍを最小にすることにより、横風等の横荷重に対する曲げ応力を低減させることができる。
上アーム４は、筒状ロータ２０に対して下向きの斜めに配設され、第１端部３が筒状ロータ２０の上部に取り付けられ、上接合部７が羽根９の骨材１９に接合されることで、羽根９の縦方向の上方を支持している。下アーム６は、筒状ロータ２０に対して上向きの斜めに配設され、第２端部５が筒状ロータ２０の下部に取り付けられ、下接合部８が羽根９の骨材１９に接合されることで、羽根９の縦方向の下方を支持している。
上アーム４と下アーム６が、垂直軸型風力発電装置の重心位置近傍、つまり筒状ロータ２０の上部と下部に取り付けられることで、上接合部７と下接合部８に生じる曲げモーメントを均衡させている。
上アーム４及び下アーム６は、図４に示すように、断面が扁平状の中空の筒であり、軽量で強固なアルミニウム合金等で形成される。よって、垂直軸型風力発電装置１の軽量化が図れると共に、その断面形状により、風損低減、慣性低減の効果が得られる。
第１中間アーム１１は、筒状ロータ２０の上部に第３端部１０が取り付けられ、水平に配設されて第１中間接合部１２が羽根９の骨材１９に接合されることで、羽根９の中間上方を支持する主軸である。第２中間アーム１４は、筒状ロータ２０の下部に第４端部１３が取り付けられ、水平に配設されて第２中間接合部１５が羽根９の骨材１９に接合されることで、羽根９の中間下方を支持する主軸である。
第１中間アーム１１と第２中間アーム１４が、垂直軸型風力発電装置の重心位置、つまり筒状ロータ２０の重心位置に対して上下対称に取り付けられることで、第１中間接合部１２と第２中間接合部１５に生じる曲げモーメントを均衡させている。
第１中間アーム１１及び第２中間アーム１４は、図４で示した上アーム４及び下アーム６と同様に、断面が扁平状の中空の筒であるが、羽根９を強固に支持する主軸であるために、上アーム４及び下アーム６に比して太くなっている。第１中間アーム１１及び第２中間アーム１４もまた、軽量で強固なアルミニウム合金等で形成される。よって、垂直軸型風力発電装置１の軽量化が図れると共に、その断面形状により、風損低減、慣性低減の効果が得られる。
なお、図１において、筒状ロータ２０への２本の中間アームと上下アームの取り付け個所は別個所となっているが、第１中間アーム１１と上アーム４の筒状ロータ２０への取り付け個所を同じにし、第２中間アーム１４と下アーム６の筒状ロータ２０への取り付け個所を同じにすることも可能であることはいうまでもない。
ハウジング２２は、ベース２３を有し、ベース２３は図示されない基礎に対して適宜の固定手段で固定される。また、回転軸２の下方には、適宜の変速機構２４を介して発電機２５が連結されている。なお、回転軸２に発電機２５が直結した構成でも良い。
次に、本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の作動を説明する。
横風を受けた羽根９は回転軸２の周方向に回転し、それに伴い筒状ロータ２０が回転する。筒状ロータ２０の回転力が、軸受２１，２１ａによって垂直に支持され、軸方向の荷重を受けるスラスト軸受３０によって水平に支持された回転軸２に作用して、回転軸２が回転し、その回転力が回転軸２の下方の変速機構２４に伝導して発電機２５に作用することで、垂直軸型風力発電装置は発電する。
次に、上記の構成における垂直軸型風力発電装置の羽根とアームとの最適な位置関係を得るため、下記の試験を行った。
まず、図１及び図５で模式的に示すように、羽根の縦方向の長さをｃとし、羽根の上端１６から上接合部７までの距離をａとし、上接合部７から第１中間接合部１２までの距離をｂとする。同様に、羽根の下端１７から下接合部８までの距離をａとし、下接合部８から第２中間接合部１５までの距離をｂとする。
次に、図５のように、上接合部７及び下接合部８に発生する曲げモーメントをＭ1、第１中間接合部１２及び第２中間接合部１５に発生する曲げモーメントをＭ2、羽根中央に発生する曲げモーメントをＭ3、拒離ｂ間に発生する曲げモーメントをＭ4とする。
次に、有限要素法により、各曲げモーメントの絶対値｜Ｍ1｜〜｜Ｍ4｜（以下｜Ｍi｜）が描く等高線を求めた。その結果を図６に示す。ここで、縦軸はｂ／ｃであり、横軸はａ／ｃである。図６より、ａ／ｃ＝０．１１、ｂ／ｃ＝０．２８付近に各曲げモーメントの絶対値｜Ｍi｜の最小値が存在することがわかった。
次に、ａ／ｃを０．１１付近に固定して、横軸をｂ／ｃとし、縦軸を｜Ｍi｜／｜Ｍ0｜として、ｂ／ｃを変化させた時の｜Ｍi｜／｜Ｍ0｜の大きさを測定した。ここで、｜Ｍ0｜は、羽根を中央一点で支持した場合の曲げモーメントの絶対値である。その結果を図７に示す。図７より、ｂ／ｃ＝０．１８〜０．３７で｜Ｍi｜を｜Ｍ0｜の１０％以下に抑えることができることが分かった。
次に、ｂ／ｃを０．２８付近に固定して、横軸をａ／ｃとし、縦軸を｜Ｍi｜／｜Ｍ0｜として、ａ／ｃを変化させた時の｜Ｍi｜／｜Ｍ0｜の大きさを測定した。その結果を図８に示す。図８より、ａ／ｃ＝０．０２〜０．１６で｜Ｍi｜を｜Ｍ0｜の１０％以下に抑えることができることが分かった。
以上のように、第１実施形態の垂直軸型風力発電装置１は、ｂ／ｃ＝０．１８〜０．３７、ａ／ｃ＝０．０２〜０．１６とすることで、遠心力による各曲げモーメントＭ1〜Ｍ4を最小化できる構成となっている。
これにより、４本のアームを細く、短く、軽くしても、曲げモーメントに対する十分な耐久性を羽根に付加できるため、軽量の垂直軸型風力発電装置を提供できる。
次に、本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の効果を説明する。
以上のように構成された垂直軸型風力発電装置においては、羽根９が、筒状ロータ２０の重心位置の近傍に取り付けられた、２本の上下アーム４，６及び、２本の中間アーム１１，１４によって上下及び中央２点で支持され、羽根９の支持点の位置を筒状ロータ２０の重心位置に対して上下対称に均衡させているため、遠心力により羽根９に生じる曲げモーメントを最小化できる。また、断面が横向きに扁平となった形状の軽量なアームで構成されるため、アームに負荷される抵抗を減らして、風損を低減できると共に、垂直軸型風力発電装置を軽量化できる。
また、本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１は、図９のように構成されていても良い。つまり、第１中間アーム１１及び第２中間アーム１４は斜めに配設されている。第１中間アーム１１の第３端部１０は筒状ロータ２０と上アーム４との接合部である第１端部３に接合されており、第２中間アーム１４の第４端部１３は筒状ロータ２０と下アーム６との接合部である第２端部５に接合されている。
なお、図９において、筒状ロータ２０への２本の中間アームと上下アームの取り付け個所を同個所としているが、２本の中間アームと上下アームを別々の個所に取り付けることも可能であることはいうまでもない。
また、本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１は、図１０のように構成されていても良い。つまり、第１中間アーム１１及び第２中間アーム１４は水平に配設されるが、第１中間アーム１１の第３端部１０は上アーム４に接合されており、第２中間アーム１４の第４端部１３は下アーム６に接合されている。これにより、２本の中間アームを短くすることができる。
なお、第１中間アーム１１と第２中間アーム１４は水平に配設される場合に限られず、斜めに配設されていても良い。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１００の構成を図１１に基づいて説明する。第２実施形態の構成が第１実施形態と異なる点は、回転軸２の上方には、筒状ロータ２０に代えて、円板１８が設けられている点である。
上アーム４は、円板１８に対して下向きの斜めに配設され、第１端部３が円板１８の上側指向折り曲げ部に取り付けられ、上接合部７が羽根９の骨材１９に接合されることで、羽根９の縦方向の上部を支持している。下アーム６は、円板１８に対して上向きの斜めに配設され、第２端部５が円板１８の下側指向折り曲げ部に取り付けられ、下接合部８が羽根９の骨材１９に接合されることで、羽根９の縦方向の下部を支持している。
第１中間アーム１１は、円板１８の上側指向折り曲げ部に第３端部１０が取り付けられ、斜めに配設されて第１中間接合部１２が羽根９の骨材１９に取り付けられることで、羽根９の中間上方を支持している。第２中間アーム１４は、円板１８の下側指向折り曲げ部に第４端部１３が取り付けられ、斜めに配設されて第２中間接合部１５が羽根９の骨材１９に取り付けられることで、羽根９の中間下方を支持している。
なお、図１１では、円板１８への２本の中間アームと上下アームの取り付け個所を同個所としているが、２本の中間アームと上下アームを別々の個所に取り付けることも可能であることはいうまでもない。
その他の点については第１実施形態と同じであり、作動、効果も同様であり、羽根とアームの位置関係を最適化することで曲げモーメントを最小化できる点も同様であるので、その説明を省略する。
また、本発明の第２実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１００は、図１２のように構成されていても良い。つまり、第１中間アーム１１及び第２中間アーム１４は水平に配設され、第１中間アーム１１の第３端部１０は上アーム４に接合されており、第２中間アーム１４の第４端部１３は下アーム６に接合されている。２本の中間アームを短くすることができる。
なお、第１中間アーム１１と第２中間アーム１４は水平に配設される場合に限られず、斜めに配設されていても良い。
また、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲において変更が可能である。即ち、図１で示した第１実施形態の垂直軸型風力発電装置１において、筒状ロータ２０に隣接する軸受２１ａの位置を軸方向の重心位置とすることで、横荷重による曲げモーメントをゼロにできる。
また、２本の中間アーム１１，１４を、羽根９を支持する主軸として捉えたが、上下アーム４，６を主軸としても良い。この場合、上下アーム４，６を２本の中間アーム１１，１４よりも太くし、羽根９を強固に支持するようにする。
また、縦向きの羽根は、回転軸の内周に複数枚配設される内周の羽根と、内周の羽根に連結して外周に配設される外周の羽根との二重構造となっていても良い。この場合には、内周の羽根を支持する４本のアームが、遠心力による曲げモーメントを最小化するように配設され、且つ、内周の羽根から延びて外周の羽根を連結・支持する４本のアームが、遠心力による曲げモーメントを最小化するように配設されることで、風に対する揚力を高めた垂直軸型風力発電装置とすることができる。
本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の構成を表した模式図である。 本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置を表した斜視図である。 本発明の垂直軸型風力発電装置の羽根を表した構造図である。 本発明の垂直軸型風力発電装置のアームを表した斜視図である。 本発明の垂直軸型風力発電装置の羽根に負荷される曲げモーメントを表した模式図である。 本発明の垂直軸型風力発電装置に負荷される各曲げモーメントの最大値の描く等高線を有限要素法により求めたグラフ図である。 本発明の垂直軸型風力発電装置に負荷される各曲げモーメントの変化をパラメータａ／ｃを固定して求めたグラフ図である。 本発明の垂直軸型風力発電装置に負荷される各曲げモーメントの変化をパラメータｂ／ｃを固定して求めたグラフ図である。 本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の変形例の一例の構成を表した模式図である。 本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の変形例の一例の構成を表した模式図である。 本発明の第２実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の構成を表した模式図である。 本発明の第２実施形態に係る垂直軸型風力発電装置の変形例の一例の構成を表した模式図である。
符号の説明
１ 垂直軸型風力発電装置
２ 回転軸
３ 第１端部
４ 上アーム
５ 第２端部
６ 下アーム
７ 上接合部
８ 下接合部
９ 羽根
１０ 第３端部
１１ 第１中間アーム
１２ 第１中間接合部
１３ 第４端部
１４ 第２中間アーム
１５ 第２中間接合部
１６ 上端
１７ 下端
１８ 円板
１９ 骨材
２０ 筒状ロータ
２１ 軸受
２１ａ 軸受
２２ ハウジング
２３ ベース
２４ 変速機構
２５ 発電機
３０ スラスト軸受

Claims (5)

  1. 垂直に設けられた回転軸と、この回転軸の周方向に複数枚配設された縦向きの羽根とを有する垂直軸型風力発電装置であって、
    前記回転軸の先端にロータを設け、前記羽根の縦方向の上下２か所を支持する２本の上下アームを前記ロータに対して下向き又は上向きの斜めになるように取り付け、前記羽根の前記上下２か所の間に位置する中間２か所を支持する２本の中間アームを前記ロータ又は前記上下アームに取り付けたことを特徴とする垂直軸型風力発電装置。
  2. 前記羽根の縦方向の長さをｃとし、前記羽根の上下端から前記上下２か所の支持点までの距離をａとし、前記上下２か所の支持点から前記中間２か所までの距離をｂとすると、前記上下２か所の支持点は、ａ／ｃが０．０２〜０．１６の範囲に位置し、前記中間２か所の支持点は、ｂ／ｃが０．１８〜０．３７の範囲に位置することを特徴とする請求項１に記載の垂直軸型風力発電装置。
  3. 前記ロータとして、筒状のロータが使用され、前記上下アームは前記ロータの上下端に取り付けられる請求項１又は２に記載の垂直軸型風力発電装置。
  4. 前記２本の上下アーム及び前記２本の中間アームは、断面が中空となった中空アームにより形成されている請求項１又は２に記載の垂直軸型風力発電装置。
  5. 前記２本の上下アーム及び前記２本の中間アームは、断面が横向きに扁平となった形状に形成されている請求項１又は２に記載の垂直軸型風力発電装置。
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