JP2007107483A - Straight wing vertical axis windmill - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直線翼垂直軸風車に関するものである。 The present invention relates to a straight blade vertical axis wind turbine.
直線翼垂直軸風車(すなわち、直線翼が垂直軸に取り付けられている形態の風車)は、風向変化が激しい場合でもその影響を受けにくいといった特性があり、また、水平軸風車に比べて構造が簡素であるといった利点がある。しかし、直線翼垂直軸風車は、一般に起動性(自己起動性)に問題がある。すなわち、低風速の場合、風向によっては自己起動が困難なことがある。以下、この問題を、端板を有しない3枚翼1段型の直線翼垂直軸風車を例にとって説明する。 Straight-blade vertical axis wind turbines (that is, wind turbines with straight blades attached to the vertical shaft) have the characteristic that they are less susceptible to the effects of severe wind direction changes, and they are more structured than horizontal-axis wind turbines. There is an advantage such as simplicity. However, a straight blade vertical axis wind turbine generally has a problem in startability (self-startability). That is, when the wind speed is low, it may be difficult to start itself depending on the wind direction. Hereinafter, this problem will be described by taking a three-blade one-stage straight blade vertical axis wind turbine having no end plate as an example.
図6は、端板を有しない3枚翼1段型の直線翼垂直軸風車の斜視図である。図6に示すように、この従来の直線翼垂直軸風車W1(以下、略して「風車W1」という。)においては、3枚の直線翼101が、上アーム102a及び下アーム102bを介して、回転軸103に取り付けられている。ここで、回転軸103は回転軸支柱104によって回転自在に支持されている。
FIG. 6 is a perspective view of a three-blade one-stage linear blade vertical axis wind turbine having no end plate. As shown in FIG. 6, in this conventional linear blade vertical axis windmill W1 (hereinafter referred to as “windmill W1” for short), three
図7は、図6に示す従来の風車W1の静止トルクをロータ方位角に対してあらわしたグラフであり、併せて平均静止トルクも示している。なお、「平均静止トルク」とは、一定のロータ方位角範囲(−180度から180度までの間)において、風速3m/sの風が静止している翼にあたったときに発生する静止トルクの平均値である。図7から明らかなとおり、図6に示す従来の風車W1では、平均静止トルクは大きいものの、静止トルクがロータ方位角すなわち風向に依存しやすいといった欠点がある。これに対して、2つの改善策があげられる。すなわち、第1の改善策は翼の枚数を増やすことであり、第2の改善策は翼の位相に差異を持たせて段積みすること(例えば、特許文献1参照)である。
図8は、第1の改善策に係る6枚翼1段型の直線翼垂直軸風車の斜視図である。また、図9は、図8に示す直線翼垂直軸風車の静止トルクをロータ方位角に対してあらわしたグラフであり、併せて平均静止トルクも示している。図8に示すように、この従来の直線翼垂直軸風車W2(以下、略して「風車W2」という。)においては、6枚の直線翼101が、上アーム102a及び下アーム102bを介して、回転軸103に取り付けられている。そして、図9から明らかなとおり、図8に示す従来の風車W2では、ロータ方位角すなわち風向による静止トルクの変動は改善されているものの、平均静止トルクが低下するといった欠点がある。また、風車効率が低下するといった欠点もある。
FIG. 8 is a perspective view of a six-blade one-stage linear blade vertical axis wind turbine according to the first improvement measure. FIG. 9 is a graph showing the static torque of the straight blade vertical axis wind turbine shown in FIG. 8 with respect to the rotor azimuth, and also shows the average static torque. As shown in FIG. 8, in this conventional linear blade vertical axis windmill W2 (hereinafter referred to as “windmill W2” for short), six
また、例えば特許文献1に開示されている第2の改善策に係る直線翼垂直軸風車では、風向による静止トルクの変動及び平均静止トルクは改善されるものの、上側のロータと下側のロータとの間に架台を設置したり、支柱を設けて構造的強度を強化したりする必要があるので、構造が複雑化するといった欠点がある。したがって、起動性及び風車効率を考慮しつつ、簡素な構造の直線翼垂直軸風車を開発することが必要である。
Further, for example, in the straight blade vertical axis wind turbine according to the second improvement measure disclosed in
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、風車効率及び起動性が良好であり、かつ構造が簡素な直線翼垂直軸風車を提供することを目的ないしは解決すべき課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and it is an object or object of the present invention to provide a straight-blade vertical axis wind turbine having good wind turbine efficiency and good startability and a simple structure. Let it be an issue.
上記課題を解決するためになされた本発明に係る直線翼垂直軸風車は、回転軸に取り付けられた直線翼を有するロータが回転軸の伸びる方向に複数段配置され、直線翼の回転軸円周方向の取り付け位置がロータ毎に互いに異なっている直線翼垂直軸風車において、各ロータの直線翼が1つの共通な回転軸に取り付けられ、回転軸の伸びる方向に隣り合うロータ同士が、両ロータ間に位置し一方のロータの直線翼と他方のロータの直線翼とを連結するリング状端板によって一体化されていることを特徴とするものである。 A straight blade vertical axis wind turbine according to the present invention made to solve the above-described problem is a rotor having a straight blade attached to a rotating shaft, arranged in multiple stages in the direction in which the rotating shaft extends, and the rotating shaft circumference of the straight blade In a linear blade vertical axis wind turbine in which the mounting position in each direction is different for each rotor, the linear blades of each rotor are attached to one common rotating shaft, and the rotors adjacent to each other in the direction in which the rotating shaft extends are And is integrated by a ring-shaped end plate that connects the straight blades of one rotor and the straight blades of the other rotor.
本発明に係る直線翼垂直軸風車においては、回転軸の伸びる方向にみて、両端に位置する各ロータの直線翼の終端側の翼端に、それぞれ、リング状端板が取り付けられているのが好ましい。 In the straight blade vertical axis wind turbine according to the present invention, the ring-shaped end plates are respectively attached to the blade ends on the terminal end side of the straight blades of the rotors located at both ends in the extending direction of the rotating shaft. preferable.
本発明に係る直線翼垂直軸風車では、複数のロータが1つの共通な回転軸によって支持され、かつ隣り合うロータ同士がリング状端板によって一体化され、実質的にはすべてのロータが1つのロータを形成していることになるので、複数のロータを連結ないしは支持するための複雑な機構、例えばロータ間の架台、構造的強度を強化するための支柱等を必要としない。このため、直線翼垂直軸風車の構造が簡素なものとなる。また、直線翼の回転軸円周方向の取り付け位置がロータ毎に互いに異なっているので、風車効率及び起動性(自己起動性)が良好なものとなる。 In the straight blade vertical axis wind turbine according to the present invention, a plurality of rotors are supported by one common rotating shaft, and adjacent rotors are integrated by a ring-shaped end plate, and substantially all the rotors are one. Since the rotor is formed, a complicated mechanism for connecting or supporting a plurality of rotors, for example, a frame between the rotors, a support column for enhancing structural strength, or the like is not required. For this reason, the structure of the straight blade vertical axis wind turbine is simplified. Further, since the attachment positions of the straight blades in the circumferential direction of the rotation axis are different for each rotor, the wind turbine efficiency and startability (self-startability) are good.
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態(発明を実施するための最良の形態)を具体的に説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る、2つのロータをリング状端板で結合した直線翼垂直軸風車の構成を示す斜視図である。また、図2(a)及び図(b)は、それぞれ、図1に示す直線翼垂直軸風車を用いた風力発電装置の平面図及び正面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention (best mode for carrying out the invention) will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a straight blade vertical axis wind turbine in which two rotors are coupled by a ring-shaped end plate according to an embodiment of the present invention. 2 (a) and 2 (b) are a plan view and a front view of a wind turbine generator using the straight blade vertical axis wind turbine shown in FIG. 1, respectively.
図1及び図2(a)、(b)に示すように、この直線翼垂直軸風車W(以下、略して「風車W」という。)ないしは風力発電装置においては、3枚の上段直線翼1aがそれぞれ上アーム2aを介して回転軸3に取り付けられている。さらに、3枚の下段直線翼1bがそれぞれ下アーム2bを介して回転軸3に取り付けられている。ここで、回転軸3は回転軸支柱4によって回転自在に支持されている。回転軸3は、回転軸支柱4を通り抜けて発電部6に連結され、発電部6内の回転子(図示せず)を回転させて電力を生成する。なお、発電部6は、装置支柱7によって支持されている。
As shown in FIGS. 1 and 2 (a) and 2 (b), in this straight blade vertical axis windmill W (hereinafter referred to as "windmill W") or a wind power generator, three upper
風車Wにおいては、上段直線翼1a及び上アーム2aは上段ロータ10aを形成し、下段直線翼1b及び下アーム2bは下段ロータ10bを形成している。すなわち、風車Wは、基本的には、回転軸3の伸びる方向に互いに隣り合う上段ロータ10aと下段ロータ10bとが、2段積みで配置された3枚翼2段型の直線翼垂直軸風車である。
In the wind turbine W, the upper
上段直線翼1aの上側(終端側)の翼端には、ネジ等の留め具を用いてリング状端板5aが取り付けられている。同様に、下段直線翼1bの下側(終端側)の翼端にも、留め具を用いてリング状端板5bが取り付けられている。さらに、上段ロータ10aと下段ロータ10bとの間にリング状端板5cが配設されている。ここで、リング状端板5cは、ネジ等の留め具を用いて、上段直線翼1aの下側の翼端に連結ないしは結合されるとともに、下段直線翼1bの上側の翼端に連結ないしは結合されている。換言すれば、上段ロータ10aと下段ロータ10bとがリング状端板5cによって一体化されている。なお、各直線翼1a、1bと各リング状端板5a、5b、5cとを接着剤等で接着してもよい。
A ring-
このように、風車Wにおいて、上段ロータ10a及び下段ロータ10bは、1つの共通な回転軸3に取り付けられ、かつリング状端板5cによって一体化されているので一体的に回転(同期回転)する。したがって、上段ロータ10a及び下段ロータ10bは、実質的には1つのロータを形成ないしは構成しているといえる。
Thus, in the windmill W, since the
上段ロータ10aでは、3つの上段直線翼1a及び3つの上アーム2aは、回転軸円周方向の位置関係において、回転軸中心に対する中心角を120度ずつ隔てた位置に等角度間隔で配置されている。なお、各上アーム2aは、それぞれ、回転軸3に対して放射状に水平方向に伸びて、それぞれ上下方向に伸びる上段直線翼1aと回転軸3とを連結し、上段ロータ10aを支持している。下段ロータ10bでも、基本的には上段ロータ10aの場合と同様に、3つの下段直線翼1b及び3つの下アーム2bは中心角を120度ずつ隔てた位置に等角度間隔で配置され、下アーム2bは上下方向に伸びる下段直線翼1bと回転軸3とを連結して下段ロータ10bを支持している。
In the
しかしながら、上段ロータ10aと下段ロータ10bとでは、直線翼1a、1b及びアーム2a、2bの回転軸円周方向の取り付け位置(回転軸中心に対する中心角)の位相が互いに60度ずつずれている。つまり、上段ロータ10aで3つの上段直線翼1aが中心角0度、120度、240度の位置にある場合、下段ロータ10bでは、3つの下段直線翼1bは中心角60度、180度、300度の位置にあることになる。したがって、上段ロータ10aと下段ロータ10bとをリング状端板5cにより一体化する際には、各上段直線翼1aと各下段直線翼1bとを、交互に、回転軸中心に対する中心角を60度ずつずらせて、かつ上下の位置関係を反転させて、リング状端板5cに取り付けてゆけばよい。
However, in the
このように、本発明の実施の形態に係る風車Wないしは風力発電装置では、上段ロータ10aと下段ロータ10bとが1つの共通な回転軸3によって支持され、かつリング状端板5cによって一体化されているので、両ロータ10a、10bを連結ないしは支持するための複雑な機構、例えば特許文献1に係る垂直軸風力発電装置で必要とされるロータ間の架台、構造的強度を強化するための支柱等を必要としない。このため、風車Wないし風力発電装置の構造が簡素なものとなる。また、上段ロータ10aと下段ロータ10bとでは直線翼1a、1bの回転軸円周方向の取り付け位置が異なっているので、風車効率及び起動性(自己起動性)が良好なものとなる。
Thus, in the windmill W or the wind power generator according to the embodiment of the present invention, the
以下、本発明の実施の形態に係る風車Wの機能ないしは性能を説明する。
図3は、図1に示す3枚翼2段型の風車Wの静止トルクをロータ方位角に対してあらわしたグラフであり、併せて平均静止トルクも示している。図3に示すように、図1に示す風車Wの静止トルクは、図8に示す従来の6枚翼1段型の風車W2の静止トルクと同様に平滑化されている。したがって、実施の形態に係る風車Wは、風向の変動の影響を受けにくい。また、実施の形態に係る風車Wの平均静止トルクは0.090Nmであり、図6に示す従来の3枚翼1段型の風車W1の平均静止トルク(0.084Nm)より大きい。したがって、実施の形態に係る風車Wの起動性は良好であるといえる。
Hereinafter, the function or performance of the wind turbine W according to the embodiment of the present invention will be described.
FIG. 3 is a graph showing the static torque of the three-blade two-stage wind turbine W shown in FIG. 1 with respect to the rotor azimuth, and also shows the average static torque. As shown in FIG. 3, the static torque of the windmill W shown in FIG. 1 is smoothed similarly to the static torque of the conventional six-blade one-stage windmill W2 shown in FIG. Therefore, the windmill W according to the embodiment is not easily affected by fluctuations in the wind direction. The average static torque of the wind turbine W according to the embodiment is 0.090 Nm, which is larger than the average static torque (0.084 Nm) of the conventional three-blade one-stage
図4は、風速6m/sの条件で、図1に示す3枚翼2段型の風車Wと、図7に示す従来の3枚翼1段型の風車W1と、図9に示す従来の6枚翼1段型の風車W2とについて、出力特性を比較した結果を示すグラフである。本発明の実施の形態に係る3枚翼2段型の風車Wは、従来の3枚翼1段型の風車W1に比べて風車効率は多少劣るものの、従来の6枚翼1段型の風車W2に比較して、非常に高い風車効率を示すことがわかる。 4 shows a three-blade two-stage wind turbine W shown in FIG. 1, a conventional three-blade one-stage wind turbine W1 shown in FIG. 7, and a conventional one shown in FIG. 9 under a wind speed of 6 m / s. It is a graph which shows the result of having compared the output characteristic about the 6-blade 1-stage type windmill W2. The three-blade two-stage wind turbine W according to the embodiment of the present invention has a slightly lower wind turbine efficiency than the conventional three-blade one-stage wind turbine W1, but the conventional six-blade one-stage wind turbine W1. It can be seen that the wind turbine efficiency is very high compared to W2.
前記のとおり、本発明の実施の形態に係る風車Wでは、上段直線翼1aの上側の翼端にリング状端板5aが取り付けられる一方、下段直線翼1bの下側の翼端にリング状端板5bが取り付けられているが、これらのリング状端板5a、5bは、両直線翼1a、1bの翼端損失を低減するとともに、両ロータ10a、10bの構造的強度を高める。以下、これらのリング状端板5a、5bの機能ないしは作用・効果を説明する。
As described above, in the wind turbine W according to the embodiment of the present invention, the ring-shaped
図6に示す従来の3枚翼1段型の風車W1は、抗力型のサボニウス風車などとは異なり、主として揚力が回転力を発生させる。しかし、一般に直線翼101の翼端から渦が放出され、これが揚力を減少させて翼端損失を生じさせる。
Unlike the drag type Savonius wind turbine or the like, the conventional three-blade one-stage wind turbine W1 shown in FIG. 6 mainly generates a rotational force. However, in general, vortices are released from the tip of the
図5は、翼素運動量理論に基づいて、図6に示す従来の3枚翼1段型の風車W1の出力特性を、翼端損失がある場合と無い場合とについて計算した結果を示すグラフである。なお、計算条件は、次のとおりである。
(計算条件)
翼枚数:3枚
ロータ半径:0.4m
高さ:1.25m
受風面積:1m2
翼弦長:0.24m
ソリディティ:1.8(翼枚数×翼弦長/ロータ半径)
FIG. 5 is a graph showing the calculation results of the output characteristics of the conventional three-blade one-stage wind turbine W1 shown in FIG. 6 with and without the blade tip loss based on the blade element momentum theory. is there. The calculation conditions are as follows.
(Calculation condition)
Number of blades: 3 Rotor radius: 0.4m
Height: 1.25m
Wind receiving area: 1m 2
Chord length: 0.24m
Solidity: 1.8 (number of blades x chord length / rotor radius)
図5に示すように、出力係数がほぼ最大となる周速比が1.25の状態においては、約5%の翼端損失が生じている。しかしながら、図6に示す従来の3枚翼1段型の風車W1に、図1に示す風車Wの場合と同様のリング状端板5a、5bを取り付ければ、このような翼端損失を抑制することができ、風車効率を高めることができる。
As shown in FIG. 5, when the peripheral speed ratio at which the output coefficient is substantially maximum is 1.25, a tip loss of about 5% occurs. However, if the same ring-shaped
W 直線翼垂直軸風車、1a 上段直線翼(ブレード)、1b 下段直線翼(ブレード)、2a 上アーム、2b 下アーム、3 回転軸、4 回転軸支柱(ポール)、5a リング状端板、5b リング状端板、5c リング状端板、6 発電部、7 装置支柱(ポール)、10a 上段ロータ、10b 下段ロータ。 W Straight blade vertical axis wind turbine, 1a Upper straight blade (blade), 1b Lower straight blade (blade), 2a Upper arm, 2b Lower arm, 3 Rotating shaft, 4 Rotating shaft post (pole), 5a Ring-shaped end plate, 5b Ring-shaped end plate, 5c Ring-shaped end plate, 6 Power generation unit, 7 Device support (pole), 10a Upper rotor, 10b Lower rotor.
Claims (2)
各ロータの直線翼が1つの共通な回転軸に取り付けられ、
回転軸の伸びる方向に隣り合うロータ同士が、両ロータ間に位置し一方のロータの直線翼と他方のロータの直線翼とを連結するリング状端板によって一体化されていることを特徴とする直線翼垂直軸風車。 In a linear blade vertical axis wind turbine in which a rotor having straight blades attached to a rotating shaft is arranged in a plurality of stages in the direction in which the rotating shaft extends, and the mounting positions of the straight blades in the circumferential direction of the rotating shaft are different for each rotor,
The straight blades of each rotor are attached to one common rotating shaft,
Rotors adjacent to each other in the direction in which the rotation axis extends are integrated by a ring-shaped end plate that is located between the two rotors and connects the straight blades of one rotor and the straight blades of the other rotor. Straight wing vertical axis windmill.
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