JP2007332871A - 風車用羽根車 - Google Patents

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Abstract

【課題】
風力発電用の抗力型風車おいてサボニウス型羽根車より高性能の羽根車を提供すること。
【解決手段】
羽根の長手方向が回転軸と略平行で、数枚の羽根を回転軸に回転対称に配置した羽根車において、回転軸１と直交する断面における個々の羽根２の形状が二つの円弧で囲まれた弓形状で、その円弧の二つの交点を通る直線が概ね回転軸を通り、その交点のうち回転中心からの距離の大きい方をＣＰＡ、他方をＣＰＢ、線分ＣＰＡ−ＣＰＢの長さをＬ１、線分ＣＰＡ−ＣＰＢからの二つの円弧の高さをＨ１，Ｈ２、ＣＰＢと羽根車の回転中心の距離をＬ２とすると、Ｌ２／Ｌ１を０〜１０、Ｈ１／Ｌ１を０．１〜０．４、Ｈ２／Ｌ１を０．２〜０．６、羽根枚数を３〜６とした羽根断面形状を有する羽根車。
【効果】風向による回転力低下が少なく、風速レベルに適した羽根車を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風を受ける羽根部材と、この羽根部材を支持する回転軸を備え、羽根部材が回転軸を介して発電機を駆動し発電する風力発電用風車に関するものである。
従来風車用の羽根車には大別して、揚力式と抗力式があり、前者の代表例としてプロペラ型風車、後者の代表例としてサボニウス型風車がある。
揚力式は風速が概ね6ｍ/ｓ以上で、風向きが一定している場合に良好な性能を発揮する。他方抗力式のサボニウス型水車は比較的に風速が低く風向きが一定していない場合に適している。
ところでサボニウス型風車の基本形態は図２に示すように、回転軸1、これと平行に二枚の羽根2、そしてこの羽根を支持する支持円板３を備えている。各羽根の回転軸と直交する断面の形状は図３のように二つの半円弧より成り、一つの半円弧はその両端の点を結ぶ直線が羽根車の回転中心を通る。その半円弧の半径をＲＡ，半円弧の端点のうち回転中心から遠い方の点の回転中心から距離つまり半径をＲＢとすると、ＲＡ／ＲＢは２／３前後の値であって、羽根車はこの半円弧が回転対称に配置された形状となっている。
そこで凹面では風を受け止めやすく凸面では風が逃げやすいため回転力が発生する。
しかしながら図３のＡ又はＣの方向から風が吹き付ける場合には回転力を発生しやすいが、これと直交する図３のＢ又はＤの方向から風が吹き付ける場合には回転力が少ないという課題があった。
その対策として羽根枚数を３枚以上にする事例があるが、その羽根車の羽根の断面形状は厚さ一様円弧形状をしていることと、基本形状がサボニウス型に類似しているため、その性能もサボニウス型風車に近い特性となっていた。
またサボニウス型と同様に風速が低い場合に、サボニウス型より更に性能がよい風車として多翼型が知られているが、風向の変化に対応し難い事と製造コストが高いという問題があった。
特開２００４−２９３９２８ 特開２００４−０４４４７９
上記課題は羽根枚数が３枚以上であって、個々の羽根の断面が二つの円弧で囲まれた弓形状で、その二つの円弧の交点を結ぶ直線が略羽根車の回転中心を通る羽根車によって解決される。
一つの翼断面を構成する二つの円弧の交点のうち、羽根車の回転中心からの距離の大きい方をＣＰＡ、他方をＣＰＢと称することにして、ＣＰＡはこの羽根車の外半径に位置している。ＣＰＢはこの羽根車の内半径に位置しており、これが零に近い場合には各羽根は中心部で結合して一体化する。
一つの翼断面を構成する二つの円弧の線分ＣＰＡ−ＣＰＢの長さをＬ１とし、線分ＣＰＡ−ＣＰＢからの二つの円弧の高さをＨ１，Ｈ２とする。またＣＰＢと羽根車の回転中心の距離をＬ２とする。
羽根枚数を３〜６、Ｌ２／Ｌ１を０〜１０、Ｈ１／Ｌ１を０．１〜０．４、Ｈ２／Ｌ１を０．２〜０．６として系統的にこれらを組み合わせることにより、風速の大きさやその変化の度合に適した羽根車を選定することができる。
Ｌ２／Ｌ１が略０の場合の断面形状は、各羽根は中心部で繋がるので、回転中心付近での風の流れが滑らかになるように、隣り合う主円弧及び回転中心を中心とし半径をL3とする円に二つの小さい円弧で接する様に繋いだ一体型断面形状とする。
L３／L１は０．０５〜０．３、二つの小さいを円弧のうち、凹形の主円弧に接する小円弧の半径をＲ３、他方の小円弧の半径をＲ４として、Ｒ３／Ｌ１は０．２〜０．４、Ｒ４／Ｌ１は０．５〜１．０である。
半径L3の円は、羽根車の回転軸として羽根を支持する機能を有する。
羽根枚数、翼断面形状を決定する二つの円弧の大きさ、羽根車の内径を適正に選択することにより、風速の大きさやその変化の度合に適した羽根車を選定することができる。
その結果風速が低くかつ風向の変化が多い地域において、従来型の風車に比べ高性能又は低コストの風車を提供することができる。
図４に羽根枚数を４、Ｌ２／Ｌ１を１．０、Ｈ１／Ｌ１を０．３、Ｈ２／Ｌ１を０．５とした場合の羽根車断面形状を示す。
図５に羽根枚数を３、Ｌ２／Ｌ１を０、Ｈ１／Ｌ１を０．３、Ｈ２／Ｌ１を０．５とした場合の羽根車断面形状を示す。この例ではL３／L１は０．２、Ｒ３／Ｌ１は０．３、Ｒ４／Ｌ１は０．８としている。
羽根車断面形状が図５の形状で、各羽根がその両端で支持円板３に支持され、その支持円板に回転軸１が取り付けられ又は一体的構造として付属している例を図１に、同様に羽根車断面形状が図４の羽根車形状の例を図６に示す。
Ｌ２／Ｌ１が略零で各羽根が結合し一体化している羽根車において、その一端に回転軸１が付属し、回転軸１を軸受４で片持ち支持し、軸継ぎ手５を介して発電機６に結合している例を図７に示す。Ｌ２／Ｌ１が略零で各羽根が結合一体化している羽根車では、このように片持ち支持することが可能なので、風車装置全体をコンパクトで低コストに製造することができる。
羽根枚数３枚の場合の実施例 サボニウス型風車の形態 サボニウス型風車の羽根車断面形状 羽根枚数４枚の翼断面形状の例 羽根枚数３枚の翼断面形状の例 羽根枚数４枚の場合の実施例 羽根枚数３枚で片持ち支持の場合の実施例
符号の説明
１：回転軸
２：羽根
２a：羽根（一体型）
３：支持円板
４：軸受
５：軸継手
６：発電機

Claims (4)

  1. 風を受ける数枚の羽根とこの羽根を支持する回転軸を備え、羽根が回転軸を介して発電機を駆動する風力発電用の風車であって、羽根の長手方向が回転軸と略平行である羽根車で、数枚の羽根を回転軸に回転対称に配置した羽根車において、
    回転軸１と直交する断面における羽根２の個々の形状が、二つの円弧で囲まれた弓形状で、その円弧の二つの交点を通る直線が概ね回転軸を通り、
    二つの円弧の交点のうち羽根車の回転中心からの距離の大きい方をＣＰＡ、他方をＣＰＢ、線分ＣＰＡ−ＣＰＢの長さをＬ１、線分ＣＰＡ−ＣＰＢからの二つの円弧の高さをＨ１，Ｈ２、ＣＰＢと羽根車の回転中心の距離をＬ２とすると、Ｌ２／Ｌ１を０〜１０、Ｈ１／Ｌ１を０．１〜０．４、Ｈ２／Ｌ１を０．２〜０．６で、羽根枚数を３〜６とした羽根断面形状を有する羽根車。
  2. 各羽根２がその両端で支持円板３に支持され、その支持円板に回転軸１が取り付けられ又は一体的構造として付属している請求項１の風力発電用風車の羽根車。
  3. Ｌ２／Ｌ１が略零である請求項1の羽根車断面形状であって、羽根断面形状を構成する二つの主円弧と、回転中心を中心とし半径L3がL３／L１＝０．０５〜０．３の円、及び二つの小さい円弧で接する様に繋いだ一体型羽根車断面形状。二つの小さい円弧のうち、凹形の主円弧に接する小円弧の半径をＲ３、他方の小円弧の半径をＲ４として、Ｒ３／Ｌ１は０．２〜０．４、Ｒ４／Ｌ１は０．５〜１．０である。
  4. 請求項３の断面形状を有する羽根車において、その一端に回転軸１が付属し、回転軸１を軸受４で片持ち支持し、軸継ぎ手５を介して発電機６に結合している風車用羽根車。
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