JP2007247516A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低風速時における集風効率を更に高めると共に装置全体の小型化も達成可能な風力発電装置を提供する。
【解決手段】垂直に設定される回転軸芯Ｙと同軸に設けられる円筒体１と、この円筒体１の周囲に、円筒体１の外周面１ａに近接した状態で配置される複数の羽根３と、この複数の羽根３を回転軸芯Ｙに対して回転可能に支持する羽根支持プレート４と、複数の羽根３の回転に連動して発電する発電機２０とを備えた風力発電装置であって、各羽根３は風を受けるように凹面に形成された風受け面３ａと、この風受け面３ａの裏面側に形成される風逃がし面３ｂとを有し、複数の羽根３のうちの１つの羽根３Ａの風受け面３ａに対し、隣接する他の羽根３Ｂの風逃がし面３ｂ及び円筒体１の外周面１ａが、１つの羽根３Ａの風受け面３ａに対する集風機能を有するように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸芯と同軸に設けられる案内体と、この案内体の周囲に、案内体の外周面に近接した状態で配置される複数の羽根と、この複数の羽根を前記回転軸芯に対して回転可能に支持する羽根支持体と、複数の羽根の回転に連動して発電する発電機とを備えた風力発電装置に関するものである。

風力エネルギーを利用する風力発電装置は、石油・石炭を用いる火力発電に比べて二酸化炭素を排出することがなく、クリーンなエネルギーであることで注目をされている。また、風力エネルギーは、非枯渇性を有し、化石燃料に比べて半永久的エネルギーであることも大きな特徴である。

かかる風力発電装置には、大きく分けて水平軸型と垂直軸型があり、現在の主流は水平軸型のプロペラ型風車による大規模発電である。プロペラ型は、風切り音による騒音公害、景観公害などの問題の他、風向きにより発電が制限されることや、低風速時の発電効率が低く、風車単独での起動が困難などの問題点を有している。

これに対して垂直軸型の１つであるサボニウス型風車（例えば、下記特許文献１参照）は、一般的には半円筒形の２枚の羽根により構成され、低風速で起動しトルクを得ることができること、風向きによらず起動できること、小型化が可能で設置場所をとらない等の利点を有している。かかるサボニウス型風車は、比較的風が弱く、風向きも変動しやすい都市部や住宅地などに設置することが考えられ、実際にショッピングモールなどで実用化されている。しかし、実際には風があまり吹かないために、回転していない風車も多く、より低風速で起動できるような風力発電装置が望まれている。かかる点を考慮した先行技術として、例えば、下記特許文献２，３に開示される風力発電装置が知られている。

特許文献２に開示される風車は、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、円筒体と一体的に回転する羽根（ブレード）を有している。円筒体と羽根との距離は、円筒体の半径ｒの０．４倍から０．６倍程度の距離離れている。

特許文献３に開示される風車は、円筒の両端に取り付けた円形プレートの間に、プレートから適当な距離を開けて、湾曲させた複数枚の羽根を均等な間隔で円周方向に沿って設け、プレートの中心に回転軸を通した風車を、４面に風向制御板を取り付けた風車塔の中に垂直に設置した構造を有している。
特開２００５−３２０８６８号公報 特開２００６−２７２５号公報 実用新案登録第３１０２１５５号

しかしながら、特許文献２に開示される風車は、サボニウス型風車のような風受け面を有しない羽根（ブレード）を使用しており、低風速時における起動はいまだに困難な状況であると考えられる。特に、円筒体と羽根の間の間隔が比較的大きく設定されており、低風速時における発電効率は十分ではないと考えられる。

特許文献３に開示される風車は、複数枚の羽根の周囲を囲むように風向制御板が配置されている。従って、風力発電装置全体の大きさが大型化するという問題がある。また、円筒体と羽根の間に形成される間隔が比較的大きく設定されており、集風性能の面では効率が良くないものと考えられる。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、低風速時における集風効率を更に高めると共に装置全体の小型化も達成可能な風力発電装置を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る風力発電装置は、
垂直に設定される回転軸芯と同軸に設けられる案内体と、
この案内体の周囲に、案内体の外周面に近接した状態で配置される複数の羽根と、
この複数の羽根を前記回転軸芯に対して回転可能に支持する羽根支持体と、
複数の羽根の回転に連動して発電する発電機とを備えた風力発電装置であって、
各羽根は風を受けるように凹面に形成された風受け面と、この風受け面の裏面側に形成される風逃がし面とを有し、
複数の羽根のうちの１つの羽根の風受け面に対し、隣接する他の羽根の風逃がし面及び案内体の外周面が、前記１つの羽根の風受け面に対する集風機能を有するように配置されていることを特徴とするものである。

かかる構成を有する風力発電装置の作用・効果を説明する。この風力発電装置は、垂直に設定される回転軸芯を有し、この回転軸芯と同軸に設けられる案内体と、この案内体の周囲に、案内体の外周面に近接した状態で配置される複数の羽根を備えている。この複数の羽根は、羽根支持体により支持され、案内体と同じ回転軸芯を中心として回転可能に軸支される。複数の羽根の回転に連動して発電する発電機が設けられている。各羽根は、風受け面と風逃がし面を有しており、風受け面は風を受けることができるように凹面に形成される。従って、風逃がし面は凸面に形成されることになる。更に、複数の羽根のうちの１つの羽根の風受け面に対して、隣接する他の羽根の風逃がし面と、案内体の外周面が受けた風が、前記１つの羽根の風受け面に対して集風できるように配置されている。これにより、１つの風受け面が受けることができる集風能力を高めることができる。特に、案内体の外周面に羽根が近接配置されるため、より効率よく集風することができる。従って、例えば、特許文献３のように風向制御板を用いる必要もなく、装置全体の小型化を達成することができる。その結果、低風速時における集風効率を更に高めると共に装置全体の小型化も達成可能な風力発電装置を提供することができる。

本発明に係る案内体は、前記回転軸芯に対して、前記複数の羽根と独立して回転可能に軸支されていることが好ましい。

特許文献２，３に開示される風車は、いずれも案内体と羽根が一体的に回転する構成を採用しているが、本発明においては、案内体は、複数の羽根とは独立して回転可能に軸支されている。従って、自由度を有する状態で案内体が回転することができ、風の状態に柔軟に対応することができ、低風速時における集風効率を高めることができる。

本発明において、前記複数の羽根を円周方向に等間隔で配置したことが好ましい。

これにより、１つの羽根の風受け面に対する集風効率が高くなるようにすることができる。

本発明に係る風力発電装置の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、風力発電装置の好適な実施形態を示す図であり、（ａ）は水平断面図、（ｂ）は側面図である。

図１において、風力発電装置の回転軸芯Yは、垂直方向に設定されている。回転軸芯Yと同軸に中空の円筒体１（案内体に相当）が設けられ、この円筒体１は、筒本体１ａと筒本体１ａの上下両端部に設けられる支持プレート１ｂにより構成される。回転軸芯Ｙに沿って回転軸２が垂直方向に設けられており、円筒体１はこの回転軸２に対して軸受により軸支され回転自在に取り付けられている。

円筒体１の周囲には３枚の羽根３Ａ，３Ｂ，３Ｃが円周方向に沿って等間隔（１２０゜間隔）で配置されている。各羽根３は、水平方向の断面形状が同一であり、垂直方向に沿って伸びる形状を有している。従って、基本的には、どの水平断面も同じ形状を有している。また、各羽根３は、風受け面３ａと風逃がし面３ｂを有しており、風受け面３ａは集風機能を発揮するために凹面形状を有している。凹面の具体的な形状については、円弧面、楕円形状、サイクロイド曲線、その他の任意の曲線を採用することができ、特定の形状に限定されるものではない。

羽根３の上下両端部には羽根支持プレート４（羽根支持体に相当）が設けられており、羽根３の上端部と下端部を支持する。従って、羽根３は羽根支持プレート４と共に回転することができる。羽根支持プレート４と円筒体１１の上下の支持プレート１ｂとの間には、所定の間隔が形成されている。羽根３の半径方向の内側端面３ｃは、円筒体１の外周面１ａに近接して配置されており、所定の隙間でもって配置される。羽根３の半径方向の外側端面３ｄは、羽根支持プレート４の円周方向外側の端面位置とほぼ同じ位置にある。

下方の羽根支持プレート４には、軸受ホルダ５が取り付けられており、軸受６が内部に取り付けられている。この軸受６により、回転軸２の下端部２ａを回転自在に軸支する。軸受ホルダ５の下部には羽根支持軸７が一体的に取り付けられており、この羽根支持軸７は、更に軸受８により回転自在に軸支されている。この軸受８は、不図示のフレームに対して取り付けられている。

上方の羽根支持プレート４にも、軸受ホルダ９が取り付けられており、この軸受ホルダ９の内部に軸受１０が取り付けられている。この軸受１０は、回転軸２の外周に設けられているので、回転軸２に対して相対的に回転できるように羽根３が支持されていることになる。

回転軸２の上端部２ｂは、不図示のフレームにより支持される。また、軸受１０の下部において、軸受１１により円筒体１が回転自在に軸支されている。この軸受１１は、円筒体１の上側の支持プレート１ｂに対して取り付けられている。更に、羽根支持プレート４の上方には、発電機２０が設置されており、羽根３が回転することで発電する機能を有する。

図１（ａ）を用いて、３枚の羽根３のうち特定の１枚の羽根３Ａの集風機能について説明する。羽根３Ａに隣接する羽根３Ｂの風逃がし面３ｂに当たった風は、羽根３Ａの風受け面３ａの方向に向かうように構成され、２つの羽根３Ａ，３Ｂにより挟まれる部分の円筒体１の外周面１ａに当たった風も、同様に羽根３Ａの風受け面３ａの方向に向かうように構成される。従って、効率よく風受け面３ａに集風することができ、低風速時においても、発電を行なうことが可能になる。

また、羽根３と円筒体１は、独立して回転されるように軸受により支持されており、円筒体１に当たった風により円筒体１は羽根３の回転に拘束されることなく自由に回転することができ、より集風効率を高めることができると考えられる。

＜実験結果＞
本発明による風力発電装置の効果を確認するための実験を行った。比較対象とする風力発電装置としてサボニウス型風車を用いた。図２は、実験に使用した風力発電装置を示す図であり（ａ）は比較例であるサボニウス型風力発電装置、（ｂ）は本発明による風力発電装置の羽根の構成を示す図である。

サボニウス型風車のタイプは、アスペクト＝４．０、オーバーラップ比＝０．２６７であり、２枚の羽根３０は０．５ｍｍ厚のアルミニウム板で半径７５ｍｍの半円形である。また、羽根３０の垂直方向の高さは６００ｍｍとした。羽根支持プレート４０は、１．５ｍｍ厚のアルミニウム板であり、直径は３００ｍｍの円板となっている。また、軸受支持構造は図１に示す構造を採用した。

一方、図２（ｂ）に示す風力発電装置は、同じく羽根３は０．５ｍｍ厚のアルミニウム板であり、垂直方向の高さは６００ｍｍとした。また、羽根３の断面形状は、１／４円弧形状としている。羽根支持プレート４は、１．５ｍｍ厚さのアルミニウム板であり、直径は３６０ｍｍの円板となっている。また、羽根３の内側端面３ｃと円筒体１の外周面１ａとの隙間寸法は、１０ｍｍに設定されている。

風車が起動する時の風速を測定するとサボニウス型が１．１２ｍ／ｓであり、本発明は０．９８ｍ／ｓであった。従って、風速１ｍ／ｓの低風速時においても起動できることが確認できた。

また、起動に最も影響を及ぼす低周速比（例えば、０．２）でのトルク係数Ｃｔについては、サボニウス型が０．４であり、本発明は０．６であった。従って、本発明による風力発電装置は、低風速時において大きなトルク特性を有している。ちなみに、周速比（λ）とは風速に対して風車がどの程度回転しているのかを示す指標である。風車半径ｒ（ｍ）、風速Ｖ（ｍ／ｓ）、各速度ω（ｒａｄ／ｓ）とすると、
λ＝ｒω／Ｖ
また、トルク特性Ｃｔは、風車の得るトルクを無次元化したものであり、トルクＴ（Ｎｍ）、空気密度ρ（ｋｇ／ｍ³）、受風面積Ａ（ｍ²）、風車半径ｒ（ｍ）、風速Ｖ（ｍ／ｓ）とすると、
Ｃｔ＝Ｔ／（０．５ρＡｒＶ²）となる。受風面積Ａはサボニウス型で０．１５６ｍ²、本発明は０．１７６ｍ²であった。

以上の通り、本発明による風力発電装置によれば、羽根３だけでなく、円筒体１に当たった風も羽根３の方向に集風することができ、更に、他の羽根３に当たった風をも円筒体１の外周面１ａを利用して集風することができる。更に、円筒体１と羽根３の間の隙間を利用すれば、コアンダ効果による円筒表面の流れの剥離が押えられることを利用して、本来トルクの発生に寄与しない下流側の羽根の効果も利用できるようになる。すなわち、羽根３Ａ、羽根３Ｂの間に集められた風の一部は、円筒体１と羽根３Ａの間の僅かの隙間を抜けて円筒体１の外周面１ａに沿って速い速度で噴出するため、更に下流に位置する羽根３Ｃのトルク発生にも寄与することができる。このような集風効果により、羽根３の受ける力を増大させ、例えば風速１ｍ／ｓ未満の低風速時でも羽根３を回転できるようになる。

＜別実施形態＞
次に、別実施形態に係る風力発電装置の構成を図３により説明する。図１では、羽根３の枚数は３枚であったが、図３に示すように４枚を等間隔に配置して構成してもよい。枚数は、更に増やしてもよい。

円筒体１の直径の大きさ（比率）は、本実施形態に説明したものに限定されるものではなく、例えば、羽根支持プレート４（あるいは、羽根３の端面３ｄにより描かれる円）の直径の１／２程度以上にすることができる。また、円筒体１の外周面１ｃと羽根３の内側端面３ｃとの距離についても本発明の効果が得られる範囲で適宜変更可能であり、翼弦長の２０％以下にすることが好ましい。

次に、軸受支持構造に関して別実施形態を図４により説明する。図４（ａ）において、羽根３の垂直方向の両端部は羽根支持プレート４により指示されている。回転軸芯に沿って配置される回転軸１５が上側の羽根支持プレート４に取り付けられており、この回転軸１５の下端側に発電機２０が配置される。円筒体１の上側の支持プレート１ｂに軸受１６が設けられており、回転軸１５に対して相対的に回転自在に軸支される。回転軸１５と同軸に固定された固定軸１７が設けられており、この固定軸１７の上端部に発電機２０が設置される。下側の羽根支持プレート４は軸受１８により固定軸１７に対して軸支され、更に、円筒体１の下側の支持プレート１ｂも軸受１９により固定軸１７に対して軸支される。かかる構成により、円筒体１と羽根３を別個独立して回転できるように軸支することができる。

図４（ｂ）は更に別の軸受支持構造を示す図である。基本的には、図４（ａ）と同じ構造であるが、発電機２０の配置が異なっている。すなわち、円筒体１の上側の軸受１６の更に上側に発電機２０が設置されている。なお、その他にも種々の軸受支持構造例が考えられる。

本実施形態において、案内体の例として円筒体をあげているが、例えば、樽型や糸巻き形を採用してもよい。

実施形態に係る風力発電装置の構成を示す図 実験に使用した風力発電装置の断面形状を示す図 別実施形態にかかる風力発電装置の構成を示す断面図 別実施形態にかかる風力発電装置の軸受支持構造を示す図

符号の説明

１ 円筒体
２ 回転軸
３ 羽根
３ａ 風受け面
３ｂ 風逃がし面
４ 羽根支持プレート
Ｙ 回転軸芯

Claims (3)

1. 垂直に設定される回転軸芯と同軸に設けられる案内体と、
   この案内体の周囲に、案内体の外周面に近接した状態で配置される複数の羽根と、
   この複数の羽根を前記回転軸芯に対して回転可能に支持する羽根支持体と、
   複数の羽根の回転に連動して発電する発電機とを備えた風力発電装置であって、
   各羽根は風を受けるように凹面に形成された風受け面と、この風受け面の裏面側に形成される風逃がし面とを有し、
   複数の羽根のうちの１つの羽根の風受け面に対し、隣接する他の羽根の風逃がし面及び案内体の外周面が、前記１つの羽根の風受け面に対する集風機能を有するように配置されていることを特徴とする風力発電装置。
2. 案内体は、前記回転軸芯に対して、前記複数の羽根と独立して回転可能に軸支されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記複数の羽根を円周方向に等間隔で配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。

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