JP2006002725A - Windmill with rotary cylindrical body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は回転円筒体付き風車に係り、特に低風速時に効率良く回転する回転円筒体付き風車に関する。 The present invention relates to a wind turbine with a rotating cylindrical body, and more particularly to a wind turbine with a rotating cylindrical body that efficiently rotates at a low wind speed.
近年、石炭,石油等の化石燃料に代わる代替エネルギーとして太陽光,波力,風力等によるクリーンエネルギーの技術開発が行われている。なかでも風力による発電に利用されている風車は水平軸型と垂直軸型とに大別され実用化されている。水平軸型には水平軸プロペラ風車,多翼型風車等があり、特にプロペラ風車は最も多く発電に利用されている。水平軸型は回転軸中心が風向に向くように方向制御が必要となる。 In recent years, clean energy technology development using sunlight, wave power, wind power, etc. has been carried out as alternative energy to replace fossil fuels such as coal and oil. In particular, wind turbines used for wind power generation are roughly divided into horizontal axis types and vertical axis types and are put into practical use. The horizontal axis type includes a horizontal axis propeller wind turbine, a multi-blade type wind turbine, and the like. Particularly, the propeller wind turbine is most frequently used for power generation. The horizontal axis type requires direction control so that the center of the rotation axis faces the wind direction.
一方、垂直型は3枚〜5枚のブレード(回転翼)を垂直な細い回転軸周りに動径方向へ等距離に配置し、ブレードに作用する空力の接線方向成分の力によって発生するトルクによって、ブレードを回転軸回りに回転させるものがある。したがって、垂直型は、水平軸プロペラ風車のように風向に依存しないため、あらゆる方向の風向に対して回転可能である。このような垂直型風車として特許文献1には、回転体2に複数枚のブレード3を取り付けた風車が開示されている。この風車は、図5に示したように、細い支持軸1の回りを回転体2とともに翼形状のブレード3が回転するようになっている。ブレード3の方向制御を行うことにより回転体2の回転数を規定の範囲に制御して一定に保持することができる。
上記特許文献1に記載の風車は、風によってブレード3に生じる揚力によって回転する。そして、本発明者は垂直型風車の鋭意研究を重ねた結果、風車の回転が円筒体とブレードとの間の距離に影響するという重要な関係があることを見出した。しかしながら、特許文献1による風力発電用風車は風車を細い支持軸1に取り付け、回転体2に形成したブレード3とともに回転させているが、回転体2とブレード3との間の距離について何ら規定されておらず、十分な回転効率が得られない。また、ブレード3の方向制御に複雑な機構とパワーが必要である。
本発明は上記従来技術の問題点に着目し、回転効率が高く、低風速時にも回転する回転円筒体付き風車を提供することを目的としている。
The windmill described in
The present invention pays attention to the problems of the prior art described above, and an object of the present invention is to provide a wind turbine with a rotating cylindrical body that has high rotational efficiency and rotates even at low wind speeds.
本発明に係る回転円筒体付き風車によれば、支持軸に回転自在に装着した円筒体と、この円筒体に、半径方向に離間して取り付けられ、前記円筒体と一体に回転するブレードとを有し、前記円筒体の半径をrとしたときに、前記円筒体と前記ブレードとの距離を0.4r以上0.6r以下としたことを特徴としている。 According to the wind turbine with a rotating cylindrical body according to the present invention, a cylindrical body that is rotatably mounted on a support shaft, and a blade that is attached to the cylindrical body so as to be spaced apart in the radial direction and rotates integrally with the cylindrical body. And the distance between the cylindrical body and the blade is 0.4r or more and 0.6r or less, where r is the radius of the cylindrical body.
回転円筒体付き風車は上記に示すように円筒体とブレードとの距離を規定した構成にしている。ブレードに風が当たることによってブレードに揚力および推力が発生する。さらに本発明は、円筒体とブレードとの間の距離を0.4r〜0.6r(rは円筒体の半径)としたことにより、ブレードと円筒体との間を流れる気流によって地面効果が生じる。このため、ブレードの誘導抗力が減少して相対的に揚力および推力が大きくなる。したがって、ブレードの回転効率が向上し、ひいてはエネルギー変換効率が上昇する。この地面効果による揚抗比の向上により推力が増加し、例えば3m/s〜5m/sのような低風速であっても風車を回転させることができる。 The wind turbine with a rotating cylinder has a configuration in which the distance between the cylinder and the blade is defined as described above. When the blade hits the wind, lift and thrust are generated on the blade. Further, according to the present invention, the distance between the cylindrical body and the blade is set to 0.4r to 0.6r (r is the radius of the cylindrical body), so that the ground effect is generated by the airflow flowing between the blade and the cylindrical body. . For this reason, the induced drag of the blade is reduced and the lift and thrust are relatively increased. Therefore, the rotation efficiency of the blade is improved, and consequently the energy conversion efficiency is increased. The thrust increases due to the improvement of the lift-drag ratio due to the ground effect, and the windmill can be rotated even at a low wind speed such as 3 m / s to 5 m / s.
以下、本発明に係る回転円筒体付き風車の実施形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図1は実施形態に係る回転円筒体付き風車の構成概略を示す図である。(1)は回転円筒体付き風車の側面を示す図である。(2)は回転円筒体付き風車の側面の断面図を示す。図2は図1の回転円筒体付き風車のA−A断面を示す図である。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a wind turbine with a rotating cylindrical body according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a wind turbine with a rotating cylindrical body according to the embodiment. (1) is a figure which shows the side of a windmill with a rotating cylindrical body. (2) shows a sectional view of the side surface of the wind turbine with a rotating cylindrical body. FIG. 2 is a view showing an AA cross section of the wind turbine with a rotating cylindrical body of FIG.
図1に示すように、回転円筒体付き風車10は、支持軸12の回りを回転する円筒体14と、円筒体14の外側に形成し円筒体14と一体に回転可能なブレード16とを基本構成としている。支持軸12は垂直方向に直立した軸である。また、支持軸12は直径が従来に比較して太く、例えば電柱や煙突等の既存の構造物を用いることができる。円筒体14は支持軸12の外側を取り巻く円筒状であって、材質に例えばアルミ等の金属あるいはプラスチック樹脂等を用いて軽量化を図るようにするとよい。支持軸12と円筒体14との間にはベアリング部22が設けてある。ベアリング部22は円筒部14の両端部に支持軸12の外側を覆うリング状に形成してある。これにより、円筒体14が支持軸12周りを回転する際に発生する摩擦抵抗を低減することができる。
As shown in FIG. 1, a
円筒体14の上下開口両端部にはフランジ部18が形成してある。フランジ部18はドーナツ状の平板であって、円筒体14と直交して形成してある。フランジ部18は前述同様に軽量化を図るため円筒体14と同質材料を用いるとよい。フランジ部18は後述するブレード16の両端部を支持軸12中心から規定した間隔をおいて支持軸12の軸心と平行に固定保持する。
上下のフランジ部18の間にはブレード16を設置してある。図2に示すように、ブレード16は断面形状が空気抵抗を低減しかつ、推力を発生しやすくした翼形状であって、ブレード16の翼幅上下方向の長さは円筒体14と同じ長さに形成してある。ブレード16は翼弦長の方向が円筒体14の接線方向と一致している。ブレード16は円筒体14の外表面に2〜5枚の複数枚設置することができ、本実施形態では2枚のブレードを円筒体14の直径方向に設置してある。ここで、円筒体14に設置するブレード16と円筒体14との関係は円筒体半径に依存している。本実施形態では図2に示すように、円筒体14の半径をrとした場合、ブレード16に地面効果が生ずるように、円筒体14とブレード16外表面との距離aを0.4r〜0.6rに設定してある。
A
また、回転円筒体付き風車10は支持軸12に取り付けた止具20で支持してある。止具20aは支持軸12の直径とほぼ同径の内径を有するリング状に形成してある。止具20aはボルト等の固着手段によって支持軸12に固定してある。風車10は支持軸12の上方から円筒体14の内部を貫通させて装入し止具20aの上に配置し、支持軸12に装着する。また、回転円筒体付き風車10の上端部に風車の位置ずれを防止するため止具20bを配置する。したがって、回転円筒体付き風車10は止具20の取付位置を調節することにより、支持軸12の上下方向の任意の位置に設置できる。また、回転円筒体付き風車10の上端部に止具20bを配置した後、さらに支持軸12上部から回転円筒体付き風車10を挿入する。風車の上端部に止具20を配置することにより、回転円筒体付き風車10を支持軸12の垂直方向に容易に多段に装着することができる。
Further, the
上記構成による回転円筒体付き風車10は以下に示すように作用する。支持軸12の任意に設定した箇所に止具20aを固定する。そして、支持軸12の上方から回転円筒体付き風車10の円筒体14開口部を挿入して、止具20a上に配置し、支持軸12に装着する。風車を装着した後、回転円筒体付き風車10の上端部に止具20bを配置する。これにより、回転円筒体付き風車10は、支持軸12に着脱自在に装着され、円筒体14両端部のベアリング部22を介して摩擦抵抗が低減されて、支持軸12の軸回りを回転自在となる。なお、回転円筒体付き風車10を支持軸12の垂直方向に多段に設置する場合には、前述のように回転円筒体付き風車10上端部に止具20bを配置した後、さらに支持軸12上部から回転円筒体付き風車10を挿入して上端部に止具20を配置するとよい。
The
回転円筒体付き風車10は、ブレード16に風が当たると揚力および推力を生じ、ブレード16が円筒体14と一体に回転する。そして、回転円筒体付き風車10は円筒体14の半径をrとしたときに、円筒体14とブレード16との間隔aを0.4r〜0.6rにしてあるため、円筒体14とブレード16との間を流れる空気(気流)によって地面効果が生じ、ブレード16の誘導抗力が減少する。このため、ブレード16に作用する揚力および推力が抗力に対して相対的に大きくなり、回転効率が向上して風速3m/s程度であっても容易に回転し、エネルギー変換効率を高めることができる。
The
図3は実施形態に係る回転円筒体付き風車のパワー係数の比較を示す図である。図中の曲線(1)は本実施形態に係る回転円筒体付き風車であり、円筒体14の半径をrとしたときに、円筒体14とブレード16との間隔を0.4rにしてある。曲線(2)は円筒体を固定しその回りをブレードだけが回転する例であって、固定された円筒体とブレードとの間の距離が(1)と同じになるように設置してある。曲線(3)は円筒体とブレードとの距離を0.3rとした回転円筒体付き風車である。また、図3の横軸は翼端周速と風速との比となる周速比λ、縦軸はパワー係数(Cp)である。なお、いずれも翼弦長は円筒体14の半径をrとしたときに、0.4rにしてある。
FIG. 3 is a diagram showing a comparison of power coefficients of the wind turbine with a rotating cylindrical body according to the embodiment. Curve (1) in the figure is a wind turbine with a rotating cylinder according to the present embodiment. When the radius of the
図示のように曲線(1)の円筒体とブレードとの距離を0.4rとした風車の場合には、周速比λが2.5程度においてパワー係数が最大となる約0.3を示した。パワー係数が大きいほど、風車の回転効率が大きく、出力が増大する。曲線(1)のパワー係数(Cp)が大きいのは、回転円筒体付き風車に風が当たるとブレード自身に発生する揚力に加えて、さらに円筒体の影響によりブレードと円筒体との間の気流が変化する地面効果によってブレードの揚抗比が向上し、揚力および推力が抗力に対して相対的に大きくなることによる。 As shown in the figure, in the case of a wind turbine in which the distance between the cylindrical body of the curve (1) and the blade is 0.4 r, the power coefficient is about 0.3 when the peripheral speed ratio λ is about 2.5. It was. The larger the power coefficient, the greater the rotational efficiency of the windmill and the higher the output. The power coefficient (Cp) of the curve (1) is large because, in addition to the lift generated in the blade itself when the wind hits the wind turbine with the rotating cylinder, the air current between the blade and the cylinder is further influenced by the cylinder. This is because the lift-drag ratio of the blade is improved by the ground effect that changes, and the lift and thrust become relatively large with respect to the drag.
一方、曲線(2)の場合には、周速比λが1.8くらいでパワー係数(Cp)が最大の0.07程度となるがパワー係数は低下している。これは円筒体が固定されているためであり、円筒体がブレードと一体となって回転しないと円筒体とブレードの間の距離が最適でも効率向上は見込めない。また、円筒体とブレードの間の距離が0.7r以上に離れた場合にも、曲線(2)と同様な性能を示した。曲線(3)の場合には、曲線(2)よりもさらにパワー係数は低い値を示した。これは、ブレードと円筒体との間の距離が短いためにブレードに当たる気流が円筒体の影響を受けて十分な推力を発生できず、ブレードを支持する円筒体を回転させることによるエネルギーロスが生じることによるものと考えられる。 On the other hand, in the case of the curve (2), the peripheral speed ratio λ is about 1.8 and the power coefficient (Cp) is about 0.07 which is the maximum, but the power coefficient is lowered. This is because the cylindrical body is fixed. If the cylindrical body does not rotate integrally with the blade, the efficiency cannot be expected even if the distance between the cylindrical body and the blade is optimal. In addition, when the distance between the cylindrical body and the blade was 0.7 r or more, the same performance as the curve (2) was exhibited. In the case of the curve (3), the power coefficient was lower than that of the curve (2). This is because the distance between the blade and the cylindrical body is short, and the airflow hitting the blade is not affected by the cylindrical body to generate sufficient thrust, resulting in energy loss due to rotation of the cylindrical body supporting the blade. This is probably due to this.
なお、実施形態の回転円筒体付き風車10は、円筒体とブレードとの距離を0.5rとし、翼弦長lを0.8rとした場合、パワー係数は前述の曲線(1)と同様のパワー係数を示し、翼弦長lを長くしてもパワー係数に大きな変化は見られなかった。よって、前述の地面効果は円筒体とブレードの間の距離に影響して、翼弦長lには影響していないものと考えられる。
In the
このように本発明に係る円筒付き垂直軸風車は、円筒体の影響によりブレードと円筒体との間の気流が変化する地面効果によってブレードの揚抗比が向上し、例えば3m/s〜5m/sのような低風速であっても風車を高効率で回転させることが可能となる。 As described above, the vertical axis wind turbine with a cylinder according to the present invention improves the lift-drag ratio of the blade by the ground effect in which the airflow between the blade and the cylinder changes due to the influence of the cylinder, for example, 3 m / s to 5 m / Even at a low wind speed such as s, the windmill can be rotated with high efficiency.
図4は実施形態に係る回転円筒体付き風車の設置状態を示す図である。図示のように回転円筒体付き風車10は支持軸12の垂直方向に多段に設置している。これにより大電力を発電することができる。また、回転円筒体付き風車10の下方の支持軸12に駆動力を電力に変換する発電ユニット30を設置している。発電ユニット30は回転円筒体付き風車10の回転によって得られる動力を内部に設置した発電機の駆動に伝達されて発電可能に形成してある。また、円筒体14の内径を任意に設計変更することによって、電柱、煙突等の既存の構造物に設置することができる。よって、設置場所の確保や支持軸の新設にともなうコストの低減を図ることができる。さらに、ブレード16が回転する際発生する音はプロペラに比べ風切音が小さいため、市街地等に設置し発電することができる。
FIG. 4 is a diagram illustrating an installation state of the wind turbine with a rotating cylindrical body according to the embodiment. As shown in the figure, the
1………支持軸、2………回転体、3………ブレード、10………回転円筒体付き風車、12………支持軸、14………円筒体、16………ブレード、18………フランジ部、20………止具、22………ベアリング部、30………発電ユニット。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
A cylindrical body rotatably mounted on a support shaft, and a blade that is attached to the cylindrical body and spaced apart in the radial direction and rotates integrally with the cylindrical body, where r is the radius of the cylindrical body And a distance between the cylindrical body and the blade is 0.4 r or more and 0.6 r or less.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004182316A JP2006002725A (en) | 2004-06-21 | 2004-06-21 | Windmill with rotary cylindrical body |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2004182316A JP2006002725A (en) | 2004-06-21 | 2004-06-21 | Windmill with rotary cylindrical body |
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Family Applications (1)
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Cited By (3)
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JP2008106700A (en) * | 2006-10-26 | 2008-05-08 | Fueroo:Kk | Wind power generating device |
JP2010520414A (en) * | 2007-03-06 | 2010-06-10 | セント ルイス ユニバーシティ | Hubless windmill |
JP2013221494A (en) * | 2012-04-14 | 2013-10-28 | Kenichi Suzuki | Straight blade vertical axis wind turbine generator |
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2004
- 2004-06-21 JP JP2004182316A patent/JP2006002725A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010520414A (en) * | 2007-03-06 | 2010-06-10 | セント ルイス ユニバーシティ | Hubless windmill |
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