JP2008175176A - Vertical axis drag type windmill - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自然エネルギーを利用した風力発電などに用いる垂直軸抗力型風車において、起動特性の向上ならびに強風時に風車の回転数上昇を抑制して機器を保護する構成に関するものである。 The present invention relates to a configuration for protecting a device in a vertical axis drag type wind turbine used for wind power generation using natural energy by improving start-up characteristics and suppressing an increase in the rotational speed of the wind turbine during a strong wind.
近年、独立分散型のエネルギー源として期待される小型風力発電機の開発が進む中、垂直軸抗力型風車は風向による影響が少なく、回転数が上昇しても低騒音であるという利点によって市街地での使用にも適している風車であり、代表的なものとしてサボニウス形風車がある。 In recent years, as the development of small wind power generators, which are expected as an independent and distributed energy source, has progressed, vertical axis drag type wind turbines are less affected by the wind direction and have low noise even when the rotational speed increases. This is a windmill that is suitable for use with a Savonius type windmill.
この種のサボニウス形風車は、低風速時における起動特性の向上、また強風時における回転数上昇を抑制するために各種の改良が提案されている。低風速時における起動特性の向上について、例えば特許文献1に開示されている。このサボニウス形風車ではブレードの外周側に回転方向トルクを大きくする小片ブレードを備えることで風車の起動力を増加させるという特徴がある。
Various improvements have been proposed for this type of Savonius-type wind turbine in order to improve the start-up characteristics at low wind speeds and to suppress the increase in the rotational speed during strong winds. For example,
強風時における回転数上昇の抑制については、例えば特許文献2に開示されている。このサボニウス形風車では風車に配置される翼の弧長のほぼ中央部を枢軸により回動するように取り付けることで、翼が風圧を受ける面積が変化して作用、強風時でも軸の回転が極端に速くなることはなく、風車の回転速度制御が可能となるという特徴がある。また、特許文献3のサボニウス形風車では羽根の外側端部が旋回軸に支持され、内側端に風車軸からの距離を調整する距離調整部材が装着されて風速変化に対応して風圧面積を増減させることで、風車の回転速度を制御するものもある。
このような従来のサボニウス形風車では、起動時においては風車外周側に回転方向トルクを大きくする作用が働き風車の起動力は増加するが、風速が増加して発電動作を行う回転数範囲においては、ブレード面を小片ブレードが分割してしまうことで、風を受けて隣り合うブレードに流れをスムーズに誘導できる風圧面が減少、軸中心からの回転力の中心距離も短くなるため、回転トルクも減少することになり発電効率が低下するという課題がある。 In such a conventional Savonius type windmill, at the time of start-up, the action of increasing the rotational direction torque acts on the outer periphery of the windmill and the windmill starting force increases, but in the rotational speed range where the wind speed increases and the power generation operation is performed. By dividing the blade surface into small blades, the wind pressure surface that can receive wind and smoothly guide the flow to the adjacent blade is reduced, and the center distance of the rotational force from the shaft center is shortened, so the rotational torque is also reduced. There is a problem that the power generation efficiency decreases due to a decrease.
また従来のサボニウス形風車では、風車の回転数が増加すると遠心力の作用によって風圧を受ける面積が変化して回転数の上昇を抑制するが、翼のほぼ中央部を枢軸により回転可能としているため、翼によって形成される風車外径が小さくなる。サボニウス形風車における風速と回転数の関係はその風車外径に依存しており、同じ風速のときの回転数は風車外径が小さいほど大きくなることが一般的に知られている。このため、風圧を受ける面積が変化するときに回転数が上昇する現象が発生するという課題がある。また、従来のサボニウス形風車では、羽根の外周端部が旋回軸に支持されているものの、羽根の風圧面積の変化が距離調整部材の長さに依存していることからその変化範囲が小さく起動時から定格回転を超えるまでの範囲は最適化できないという課題がある。また、風圧面積の増減量を大きくするために距離調整部材としてドラムにワイヤー等を用いる例が示されているが、装置全体としての構造が複雑になるという課題がある。 In addition, in the conventional Savonius type windmill, when the rotation speed of the windmill increases, the area receiving wind pressure changes due to the action of centrifugal force and suppresses the increase in the rotation speed, but the central part of the wing can be rotated by the pivot. The outer diameter of the wind turbine formed by the blades is reduced. It is generally known that the relationship between the wind speed and the rotational speed of a Savonius wind turbine depends on the wind turbine outer diameter, and that the rotational speed at the same wind speed increases as the wind turbine outer diameter decreases. For this reason, there is a problem that a phenomenon in which the rotational speed increases when the area receiving the wind pressure changes occurs. Moreover, in the conventional Savonius type windmill, although the outer peripheral end of the blade is supported by the swivel shaft, the change range of the blade wind pressure area depends on the length of the distance adjustment member, so that the change range is small and starts. There is a problem that the range from time to time exceeding the rated rotation cannot be optimized. In addition, an example in which a wire or the like is used for the drum as the distance adjusting member in order to increase the increase / decrease amount of the wind pressure area is shown, but there is a problem that the structure of the entire apparatus becomes complicated.
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、風車の回転数によってブレードの内周側端の位置を変化させることによって、起動時には起動特性を向上し、回転時には発電効率を向上し、強風時には回転数の上昇を抑制して機器を保護することができる垂直軸抗力型風車を提供することを目的としている。 The present invention solves such a conventional problem, and by changing the position of the inner peripheral end of the blade according to the rotational speed of the windmill, the startup characteristics are improved at the time of startup, and the power generation efficiency is improved at the time of rotation. The object of the present invention is to provide a vertical axis drag type wind turbine that can protect the equipment by suppressing an increase in the number of revolutions in a strong wind.
本発明の垂直軸抗力型風車は、上記目的を達成するために、風車回転軸に対し対称に配置した複数のブレードを備え、前記ブレードの外周側端と前記風車回転軸は連結手段で連結されており、風車の回転数によって前記ブレードの内周側端の位置が変位して、停止状態から起動する時には起動特性が向上する形状となり、回転時には発電効率が向上する形状となるようにしたことを特徴としたものである。 In order to achieve the above object, the vertical axis drag type wind turbine according to the present invention includes a plurality of blades arranged symmetrically with respect to the wind turbine rotating shaft, and the outer peripheral side end of the blade and the wind turbine rotating shaft are connected by a connecting means. The position of the inner peripheral edge of the blade is displaced depending on the number of rotations of the windmill, so that the startup characteristics are improved when starting from a stopped state, and the power generation efficiency is improved during rotation. It is characterized by.
この手段により、市街地など風の弱い地域に設置しても低風速から起動することができ、回転時には発電効率を向上して動作することが可能となる。ここでブレードの外周側端とは、風車停止時において風車回転軸から半径方向に遠い位置にある端部、ブレードの内周側端は、風車回転軸から半径方向に近い位置にある端部のことを言う。 By this means, even if it is installed in a weak wind area such as an urban area, it can be started from a low wind speed, and at the time of rotation, it can operate with improved power generation efficiency. Here, the outer peripheral side end of the blade is an end portion that is far from the wind turbine rotation axis in the radial direction when the wind turbine is stopped, and the inner peripheral side end of the blade is an end portion that is close to the radial direction from the wind turbine rotation axis. Say that.
また、風車の回転数が定格回転を超える時には、前記ブレードの内周側端の位置が変位して、回転数の上昇を抑制する形状となるようにしたことにより、強風時において風車の回転数が上昇しなくなり、風車や発電機などの機器が保護できる。 In addition, when the rotational speed of the windmill exceeds the rated speed, the position of the inner peripheral side end of the blade is displaced so as to suppress the increase in the rotational speed. Can no longer rise and protect equipment such as windmills and generators.
また、風車の起動特性を向上する手段として、停止状態から起動時にはパドル形、起動から定格回転時にはサボニウス形となるようにしたことで、低風速での起動特性を向上維持しながら、回転時にはサボニウス形がもつ回転数上昇作用によって発電効率を向上できる。 In addition, as a means to improve the start-up characteristics of the windmill, it has become a paddle type at the start from the stop state, and a Savonius type from the start to the rated rotation, so that the start-up characteristic at low wind speed is maintained and the Savonius at the time of rotation. The power generation efficiency can be improved by increasing the rotational speed of the shape.
また、風車の回転数が定格回転を超える時には、配置された前記ブレードによって形成される前記風車回転軸方向からみた断面形状が円筒形となるようにしたことで、ブレード内周側端の位置が変位し、風車回転軸からの半径方向距離がブレード外周側端との値と一致してブレード風圧面が風車の内側を向くため、外からの風を受けて発生する回転力が減少し回転数が上昇しなくなり風車や発電機などの機器が保護できる。 In addition, when the rotational speed of the windmill exceeds the rated speed, the cross-sectional shape viewed from the windmill rotation axis direction formed by the disposed blade is cylindrical, so that the position of the blade inner peripheral end is Displacement, the radial distance from the windmill rotation axis coincides with the value on the blade outer peripheral side and the blade wind pressure surface faces the inside of the windmill, so the rotational force generated by receiving wind from the outside decreases and the rotation speed The wind turbines and generators can be protected.
また、前記ブレードの外周側端が可動軸中心となり回転可動して前記ブレード内周側端の位置が変化するようにしたことで、回転によってブレード重心位置に遠心力が作用したとき、ブレード外周側端を支点にブレード内周側端の位置が滑らかに変位することができるため、ブレード材質が金属など剛性の高い材質であっても回転数に応じて風車形態を簡単に変化できる。 In addition, since the outer peripheral side end of the blade is rotated about the movable shaft and the position of the inner peripheral end of the blade is changed, when the centrifugal force acts on the center of gravity of the blade by rotation, the outer peripheral side of the blade Since the position of the blade inner peripheral side end can be smoothly displaced with the end as a fulcrum, even if the blade material is a highly rigid material such as a metal, the wind turbine configuration can be easily changed according to the rotational speed.
また、前記ブレードの断面が1つの円弧で形成されており、その曲率半径が風車外径の半径と同じであることで、ブレードの重心が円弧形状の中央部となり、ブレード内周側端の位置が変位し、風車回転軸からの半径方向距離がブレード外周側端との値と一致してブレード風圧面が風車の内側を向いたときの円筒形が真円形状となる。そのため、ブレードが回転して発生する遠心力は風車回転方向の位相すべてにおいて均一となり、遠心力に対してブレード内周側端ならびにブレード外周側端に作用する固定点反力も等しくなることで、回転時の振動を低く抑えることができると同時にブレードならびに支持部材に発生する応力も均等にでき強度面でも有利な形状となる。 Further, the cross section of the blade is formed by one circular arc, and the radius of curvature thereof is the same as the radius of the wind turbine outer diameter, so that the center of gravity of the blade becomes the central portion of the circular arc shape, and the position of the inner peripheral edge of the blade Is displaced, the radial distance from the windmill rotating shaft coincides with the value of the blade outer peripheral side end, and the cylindrical shape when the blade wind pressure surface faces the inside of the windmill becomes a perfect circle. Therefore, the centrifugal force generated by the rotation of the blade is uniform in all phases in the windmill rotation direction, and the fixed point reaction force acting on the blade inner peripheral end and the blade outer peripheral end is equal to the centrifugal force. The vibration at the time can be kept low, and at the same time, the stress generated in the blade and the support member can be made uniform, and the shape is advantageous in terms of strength.
また、前記ブレードの断面が1つの円弧または複数の円弧が正接で連続した形状であり、前記ブレードの内周側端と外周側端を結ぶ直線距離が、前記風車回転軸と前記ブレード外周側端までの距離の1.2倍以上かつ、前記ブレードの外周側端を頂点として形成した多角形の辺の長さより短い範囲としたことで、ブレード外周側端を支点として内周側端の位置を変位させるだけで起動時にはパドル形、回転時にはサボニウス形が形成される。そのため低風速での起動特性を向上維持しながら回転時にはサボニウス形がもつ回転数上昇作用によって発電効率を向上できる。 The blade has a cross-section in which one arc or a plurality of arcs are tangentially continuous, and a linear distance connecting the inner peripheral side end and the outer peripheral side end of the blade is the wind turbine rotating shaft and the blade outer peripheral end. And the position of the inner peripheral side end with the outer peripheral end of the blade as a fulcrum is set to be a range shorter than the length of the polygonal side formed with the outer peripheral side end of the blade as a vertex. By simply displacing it, a paddle shape is formed at startup, and a Savonius shape is formed at rotation. Therefore, the power generation efficiency can be improved by increasing the rotational speed of the Savonius shape during rotation while maintaining and improving the starting characteristics at a low wind speed.
また、風車の形態を変化させる他の手段として、前記ブレードの材質に柔軟な弾性材料を用いて前記ブレードの外周側端を固定し、前記ブレードの曲率が回転数に応じて大きくなるように変形して内周側端の位置が変位するようにしたことで、遠心力が作用したときブレードの弾性変形によってブレードの内周側端の位置が滑らかに外周側に変位することができるため、ブレード外周側端にヒンジ機構などを設けない簡単な構造にすることができる。 Further, as another means for changing the shape of the windmill, the outer peripheral side end of the blade is fixed using a flexible elastic material as a material of the blade, and the curvature of the blade is deformed so as to increase according to the number of rotations. Since the position of the inner peripheral side end is displaced, when the centrifugal force is applied, the position of the inner peripheral side end of the blade can be smoothly displaced to the outer peripheral side by elastic deformation of the blade. A simple structure in which a hinge mechanism or the like is not provided at the outer peripheral side end can be achieved.
また、前記ブレードの翼弦長が、前記風車回転軸と前記ブレード外周側端までの距離の1.9倍以上かつ、風車外径の円周長を前記ブレードの枚数で除した値より短い範囲にしたことで、ブレードの曲率を変化させるだけで停止時にはパドル形、回転時にはサボニウス形を形成される。そのため低風速での起動特性を向上維持しながら回転時にはサボニウス形がもつ回転数上昇作用によって発電効率を向上できる。 Further, the chord length of the blade is not less than 1.9 times the distance from the windmill rotating shaft to the blade outer peripheral side and shorter than the value obtained by dividing the circumferential length of the windmill outer diameter by the number of blades. As a result, a paddle shape is formed when the blade is stopped, and a Savonius shape is formed when the blade is rotated simply by changing the curvature of the blade. Therefore, the power generation efficiency can be improved by increasing the rotational speed of the Savonius shape during rotation while maintaining and improving the starting characteristics at a low wind speed.
また、風車の回転数が最大回転数となるとき、前記ブレードの内周側端の位置と隣り合うブレードの外周側端との間に形成される隙間を埋める板状の小片を取り付けたことで、ブレードによって形成される円筒形に隙間をなくすことができるため、内側を向いているブレード風圧面に外からの風が当たるのを防ぐため、回転数の上昇を抑止する効果を高めることができる。 In addition, when the rotational speed of the wind turbine reaches the maximum rotational speed, a small plate-like piece that fills a gap formed between the position of the inner peripheral side end of the blade and the outer peripheral side end of the adjacent blade is attached. Since the gap formed in the cylindrical shape formed by the blade can be eliminated, it is possible to prevent the wind from the outside from hitting the blade wind pressure surface facing inward, thereby enhancing the effect of suppressing the increase in the rotational speed. .
また、風車が停止状態から起動時に前記ブレード内周側端と隣り合うブレードとが接触する部分の通気を抑制する手段を備えたことで、ブレードで形成されるパドル形の風圧を受ける面での空気漏れをなくせるため、自然風の風圧を最大限受け止めることができ起動特性を向上できる。 In addition, since the wind turbine is provided with a means for suppressing the ventilation of the portion where the blade inner peripheral side contact with the adjacent blade at the time of start-up from the stop state, the surface receiving the paddle-shaped wind pressure formed by the blade Since air leakage can be eliminated, the wind pressure of natural wind can be received to the maximum and the starting characteristics can be improved.
また、通気を抑制する手段として前記ブレード内周側端と隣り合うブレードとが接触する部分に前記ブレード内周側端がはまり込む形状のくぼみを備えることで、起動してからも回転が上昇するまでの低風速範囲において空気漏れをなくすことができる。 Further, as a means for suppressing ventilation, the blade inner peripheral side end is provided in a portion where the blade inner peripheral end contacts the adjacent blade, so that the rotation increases even after starting. Air leakage can be eliminated in the low wind speed range.
また、通気を抑制する手段として前記ブレード内周側端に柔軟材を備えることで、起動してからも回転が上昇するまでの低風速範囲において空気漏れをなくせることに加えて風がやんで回転数が低下して停止する際にブレード内周側端の位置が変位して隣り合うブレードに接触するときの衝撃を低減することができる。 In addition, by providing a flexible material at the inner peripheral side edge of the blade as a means for suppressing ventilation, in addition to eliminating air leakage in the low wind speed range from the start up until the rotation increases, the wind stops. When the rotation speed is lowered and stopped, the impact when the position of the end on the inner peripheral side of the blade is displaced to contact the adjacent blade can be reduced.
また、前記ブレードの風車回転軸方向の片側または両側端面に円形プレートを設け、前記円形プレートの外径が風車外径よりも大きく、かつ中心が前記風車軸と結合されており、前記風車回転軸と前記ブレード外周側端との連結手段を兼ねていることで、ブレード内周位置に関係なく常時ブレード軸方向の端部から風が逃げることを防止できるため発生する抗力が増加し、起動特性ならびに発電効率ともに向上できる。 In addition, a circular plate is provided on one or both end faces of the blade in the windmill rotation axis direction, the outer diameter of the circular plate is larger than the windmill outer diameter, and the center is coupled to the windmill axis, and the windmill rotation axis And also serves as a connecting means between the blade outer peripheral end and the wind force can be prevented from always escaping from the blade axial end regardless of the blade inner peripheral position. Both power generation efficiency can be improved.
また、前記風車回転軸と配置したすべての前記ブレードの内周側端との半径方向距離が同一となるようしたブレード連結部材を備えることで、それぞれのブレードが受ける風圧と遠心力のばらつきを平均化することができるため、回転数の変動ばらつきを抑制して安定した回転を維持することができる。 In addition, by providing a blade connecting member in which the radial distance between the windmill rotating shaft and the inner peripheral side ends of all the blades arranged is the same, variation in wind pressure and centrifugal force received by each blade is averaged. Therefore, it is possible to suppress a variation in the number of rotations and maintain stable rotation.
また、ブレード連結部材として、半径方向の内側から外側に渦状のガイド溝を備える円板であり、前記ブレードの内周側端に設けた突起部が前記ガイド溝にはまり回転可動な状態でブレード内周側端の位置が変位することで、簡単な構造でブレード内周側位置の可動範囲を大きくすることができる。 Further, the blade connecting member is a disc having a spiral guide groove from the inner side to the outer side in the radial direction, and a protrusion provided on the inner peripheral side end of the blade fits into the guide groove and is rotatable inside the blade. Since the position of the peripheral end is displaced, the movable range of the blade inner peripheral position can be increased with a simple structure.
本発明によれば、構成を複雑にすることなく、風車の回転数によってブレードの内周側端の位置を変化させることによって、起動時には起動特性を向上し、回転時には発電効率を向上し、強風時には回転数の上昇を抑制して機器を保護することができる垂直軸抗力型風車を提供することができる。 According to the present invention, without changing the configuration, the position of the inner peripheral side end of the blade is changed according to the rotation speed of the windmill, thereby improving the start-up characteristics at start-up, improving the power generation efficiency at the time of rotation, In some cases, it is possible to provide a vertical axis drag type wind turbine that can protect the device by suppressing an increase in the rotational speed.
本発明の請求項1記載の垂直軸抗力型風車は、風車回転軸に対し対称に配置した複数のブレードを備え、前記ブレードの外周側端と前記風車回転軸は連結手段で連結されており、風車の回転数によって前記ブレードの内周側端の位置が変位して、停止状態から起動する時には起動特性が向上する形状となり、回転時には発電効率が向上する形状となるようにしたことを特徴としたものであり、市街地など風の弱い地域に設置しても低風速から起動することができ、回転時には発電効率を向上して動作することが可能となる。ここでブレードの外周側端とは、風車停止時において風車回転軸から半径方向に遠い位置にある端部、ブレードの内周側端は、風車回転軸から半径方向に近い位置にある端部のことを言う。
The vertical axis drag type wind turbine according to
本発明の請求項2記載の垂直軸抗力型風車は、請求項1の垂直軸抗力型風車において、風車の回転数が定格回転を超える時には、前記ブレードの内周側端の位置が変位して、回転数の上昇を抑制する形状となるようにしたものであり、強風時において風車の回転数が上昇しなくなり、風車や発電機などの機器が保護できるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to
本発明の請求項3記載の垂直軸抗力型風車は、請求項1記載の垂直軸抗力型風車において、停止状態から起動時にはパドル形、起動から定格回転時にはサボニウス形となるようにしたものであり、低風速での起動特性を向上維持しながら、回転時にはサボニウス形がもつ回転数上昇作用によって発電効率を向上できるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to
本発明の請求項4記載の垂直軸抗力型風車は、請求項2記載の垂直軸抗力型風車において、風車の回転数が定格回転を超える時には、配置された前記ブレードによって形成される前記風車回転軸方向からみた断面形状が円筒形となるようにしたものであり、ブレード内周側端の位置が変位し、風車回転軸からの半径方向距離がブレード外周側端との値と一致してブレード風圧面が風車の内側を向くため、外からの風を受けて発生する回転力が減少し回転数が上昇しなくなり風車や発電機などの機器が保護できるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to claim 4 of the present invention is the vertical axis drag type wind turbine according to
本発明の請求項5記載の垂直軸抗力型風車は、請求項3または4記載の垂直軸抗力型風車において、前記ブレードの外周側端が可動軸中心となり回転可動して前記ブレード内周側端の位置が変位するようにしたものであり、回転によってブレード重心位置に遠心力が作用したとき、ブレード外周側端を支点にブレード内周側端の位置が滑らかに変位することができるため、ブレード材質が金属など剛性の高い材質であっても回転数に応じて風車形態を簡単に変化できるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to
本発明の請求項6記載の垂直軸抗力型風車は、請求項5記載の垂直軸抗力型風車において、前記ブレードの断面が1つの円弧で形成されており、その曲率半径が風車外径の半径と同じであるようにしたものであり、ブレードの重心が円弧形状の中央部となり、ブレード内周側端の位置が変位し、風車回転軸からの半径方向距離がブレード外周側端との値と一致してブレード風圧面が風車の内側を向いたときの円筒形が真円形状となる。
The vertical axis drag type wind turbine according to
そのため、ブレードが回転して発生する遠心力は風車回転方向の位相すべてにおいて均一となり、遠心力に対してブレード内周側端ならびにブレード外周側端に作用する固定点反力も等しくなることで、回転時の振動を低く抑えることができると同時にブレードならびに支持部材に発生する応力も均等にでき強度面でも有利な形状となるという作用を有する。 Therefore, the centrifugal force generated by the rotation of the blade is uniform in all phases in the windmill rotation direction, and the fixed point reaction force acting on the blade inner peripheral end and the blade outer peripheral end is equal to the centrifugal force. The vibration at the time can be suppressed to a low level, and at the same time, the stress generated in the blade and the support member can be made uniform and the strength can be advantageously improved.
本発明の請求項7記載の垂直軸抗力型風車は、請求項5または6記載の垂直軸抗力型風車において、前記ブレードの断面が1つの円弧または複数の円弧が正接で連続した形状であり、前記ブレードの内周側端と外周側端を結ぶ直線距離が、前記風車回転軸と前記ブレード外周側端までの距離の1.2倍以上かつ、前記ブレードの外周側端を頂点として形成した多角形の辺の長さより短い範囲であるようにしたものであり、ブレード外周側端を支点として内周側端の位置を変位させるだけで起動時にはパドル形、回転時にはサボニウス形が形成される。そのため低風速での起動特性を向上維持しながら回転時にはサボニウス形がもつ回転数上昇作用によって発電効率を向上できるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to
本発明の請求項8記載の垂直軸抗力型風車は、請求項3または4記載の垂直軸抗力型風車において、前記ブレードの材質に柔軟な弾性材料を用いて前記ブレードの外周側端を固定し、前記ブレードの曲率が回転数に応じて大きくなるように変形して内周側端の位置が変位するようにしたものであり、遠心力が作用したときブレードの弾性変形によってブレードの内周側端の位置が滑らかに外周側に変位することができるため、ブレード外周側端にヒンジ機構などを設けない簡単な構造にすることができるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to claim 8 of the present invention is the vertical axis drag type wind turbine according to
本発明の請求項9記載の垂直軸抗力型風車は、請求項8記載の垂直軸抗力型風車において、前記ブレードの翼弦長が、前記風車回転軸と前記ブレード外周側端までの距離の1.9倍以上かつ、風車外径の円周長を前記ブレードの枚数で除した値より短い範囲であるようにしたものであり、ブレードの曲率を変化させるだけで停止時にはパドル形、回転時にはサボニウス形を形成される。そのため低風速での起動特性を向上維持しながら回転時にはサボニウス形がもつ回転数上昇作用によって発電効率を向上できるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to
本発明の請求項10記載の垂直軸抗力型風車は、請求項5〜9いずれか記載の垂直軸抗力型風車において、風車の回転数が最大回転数となるとき、前記ブレードの内周側端の位置と隣り合うブレードの外周側端との間に形成される隙間を埋める板状の小片を取り付けるようにしたものであり、ブレードによって形成される円筒形に隙間をなくすことができるため、内側を向いているブレード風圧面に外からの風が当たるのを防ぐため、回転数の上昇を抑止する効果を高めることができるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to claim 10 of the present invention is the vertical axis drag type wind turbine according to any one of
本発明の請求項11記載の垂直軸抗力型風車は、請求項5〜10のいずれか記載の垂直軸抗力型風車において、風車が停止状態から起動時に前記ブレード内周側端と隣り合うブレードとが接触する部分の通気を抑制する手段を備えるようにしたものであり、ブレードで形成されるパドル形の風圧を受ける面での空気漏れをなくせるため、自然風の風圧を最大限受け止めることができ起動特性を向上できるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to claim 11 of the present invention is the vertical axis drag type wind turbine according to any one of
本発明の請求項12記載の垂直軸抗力型風車は、請求項11記載の垂直軸抗力型風車において、通気を抑制する手段として前記ブレード内周側端と隣り合うブレードとが接触する部分に前記ブレード内周側端がはまり込む形状のくぼみを備えるようにしたものであり、起動してからも回転が上昇するまでの低風速範囲において空気漏れをなくすことができるという作用を有する。
The vertical axis drag type windmill according to claim 12 of the present invention is the vertical axis drag type windmill according to
本発明の請求項13記載の垂直軸抗力型風車は、請求項11記載の垂直軸抗力型風車において、通気を抑制する手段として前記ブレード内周側端に柔軟材を備えるようにしたものであり、起動してからも回転が上昇するまでの低風速範囲において空気漏れをなくせることに加えて風がやんで回転数が低下して停止する際にブレード内周側端の位置が変位して隣り合うブレードに接触するときの衝撃を低減することができる。
The vertical axis drag type wind turbine according to claim 13 of the present invention is the vertical axis drag type wind turbine according to
本発明の請求項14記載の垂直軸抗力型風車は、請求項5〜13記載の垂直軸抗力型風車において、前記ブレードの風車回転軸方向の片側または両側端面に円形プレートを設け、前記円形プレートの外径が風車外径よりも大きく、かつ中心が前記風車軸と結合されており、前記風車回転軸と前記ブレード外周側端との連結手段を兼ねているようにしたものであり、ブレード内周位置に関係なく常時ブレード軸方向の端部から風が逃げることを防止できるため発生する抗力が増加し、起動特性ならびに発電効率ともに向上できるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to claim 14 of the present invention is the vertical axis drag type wind turbine according to
本発明の請求項15記載の垂直軸抗力型風車は、請求項5〜14記載の垂直軸抗力型風車において、前記風車回転軸と配置したすべての前記ブレードの内周側端との半径方向距離が同一となるようしたブレード連結部材を備えるようにしたものであり、それぞれのブレードが受ける風圧と遠心力のばらつきを平均化することができるため、回転数の変動ばらつきを抑制して安定した回転を維持することができるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to claim 15 of the present invention is the vertical axis drag type wind turbine according to
本発明の請求項16記載の垂直軸抗力型風車は、請求項15記載の垂直軸抗力型風車において、ブレード連結部材として、半径方向の内側から外側に渦状のガイド溝を備える円板であり、前記ブレードの内周側端に設けた突起部が前記ガイド溝にはまり回転可動な状態でブレード内周側端の位置が変位するようにしたものであり、簡単な構造でブレード内周側位置の可動範囲を大きくすることができるという作用を有する。
The vertical axis drag type wind turbine according to claim 16 of the present invention is the vertical axis drag type wind turbine according to
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1の全体斜視断面図、図2は軸方向断面図、図3は起動時のブレード位置を示す軸方向断面図、図4は回転時のブレード位置を示す軸方向断面図、図5は定格回転を越えたときのブレード位置を示す軸方向断面図である。
(Embodiment 1)
1 is an overall perspective sectional view of
全体構成として図1に示すように、垂直軸抗力型風車1は、風車回転軸2と、ブレード3と、円形プレート4と、ガイド溝12を備えた円板形状のブレード連結部材5と、板状の小片6を備えている。図2に示すように、ブレード3は外周側端7にヒンジ穴8を備え、円形プレート4のブレード支持棒9に差し込まれて回転可動な状態で支持されている。ブレード3の内周側端10には、軸方向に突出した突起部11が形成され、連結手段としてのブレード連結部材5のガイド溝12にはめ込まれ、3枚すべてのブレード3の内周側端10の位置が同じとなるようにブレード連結部材5は円周方向に回転することが可能である。
As shown in FIG. 1, the vertical axis drag
ここでブレード3の外周側端7とは、風車停止時において風車回転軸2から半径方向に遠い位置にある端部、ブレード3の内周側端10は、風車回転軸2から半径方向に近い位置にある端部のことと定義している。ブレード3の内周側端10には風車の停止状態から起動時に隣り合うブレード3と接触する部分の通気を抑制する手段としてウレタンゴム製の柔軟材13を貼り付けてある。
Here, the outer
柔軟材の材質としてウレタンゴムを使用しているが、他のゴムやスポンジを使用してもかまわない。連結手段としてのブレード連結部材5には円周方向に抵抗力を発生するバネ材14が取り付けられており、その抵抗力によって風車が回転していない停止状態では、ブレード3の内周側端10が最も内側に位置し、隣り合うブレード3の風圧面15に接触し柔軟材13によって密着され、パドル形の受風面が形成されている。ブレード3の曲率半径はひとつの円弧で形成され、風車外径の半径と同じ100mmである。また、ブレード3の外周側端7と内周側端10の直線距離は135mmで、風車回転軸2とブレード3の外周側端7までの距離100mmの1.2倍以上かつ3枚のブレード3の外周側端7を結んだ3角形の辺の長さ175mmよりも短くなっている。
Urethane rubber is used as the material for the flexible material, but other rubbers and sponges may be used. A
また、ブレード3の外周側端7には風車外径の半径と同じ100mmの曲率半径をもつ板状の小片6が上下の円形プレート4間に固定されている。ブレード3の材質はポリカーボネート樹脂にガラス繊維を配合したものを使用しているが他の樹脂や金属材料を使用してもかまわない。例えばFRPやCFRP、またはアルミなど風圧を受けてもブレード3の曲率が変化しない剛性の高い材質が適している。
A plate-shaped
上記構成において、図3に示すとおり風が吹くと垂直軸抗力型風車1はパドル形の受風面で風を受けて概ね 1.0m/s〜1.5m/s の低い風速で起動する。起動して回転を開始すると、図4に示すとおり、その回転数に応じてブレード3に作用する遠心力とバネ材の抵抗力のバランスによってブレード3の外周側端7が回転可動し、ブレード3の曲率は維持したままブレード3の内周側端10の位置が外側に変位する。接触していたブレード3の内周側端と隣り合うブレード3の風圧面15は離れてサボニウス形の受風面が形成される。
In the above configuration, when the wind blows as shown in FIG. 3, the vertical axis drag
パドル形よりもサボニウス形のほうが同じ風速で発生する回転力が大きいため、起動時よりも発電効率は向上されて発電している。本実施例において発電が効率よく行なわれる風速は 5m/s 〜15m/s であり、回転数は300min-1〜1000min-1程度の範囲である。さらに風速が高くなり、回転数が増加するとブレード3に作用する遠心力が増加し、ブレード3の内周側端10の位置はさらに外周側端7に近い外側に変位する。
Since the Savonius type produces a greater rotational force at the same wind speed than the paddle type, the power generation efficiency is improved compared with that at the time of startup. In this embodiment, the wind speed at which power generation is performed efficiently is 5 m / s to 15 m / s, and the rotational speed is in the range of about 300 min −1 to 1000 min −1 . When the wind speed is further increased and the rotational speed is increased, the centrifugal force acting on the
図5に示すとおり、定格回転数を超えるようになると、遠心力も非常に大きくなってブレード3の内周側端10の位置は、外周側端7と同じ位置まで外側に変位し、ブレード3によって形成される断面形状は円筒形になる。このとき、板状の小片6が円筒形の隙間をふさぐ作用をする。断面形状が円筒形になると、風圧面が風を受けにくくなり、回転数が上昇しなくなる。
As shown in FIG. 5, when the rated rotational speed is exceeded, the centrifugal force becomes very large, and the position of the inner
その後、風速が弱くなると、ブレード3に作用する遠心力とバネ材14の抵抗力のバランスによってサボニウス形の受風面となり、さらに風速が低くなると、風車が停止し、ブレード3の内周側端が隣り合うブレード3の風圧面に接触してパドル形の受風面となる。このとき、風が強風から急激にやんだとしても柔軟材13の緩衝効果によってブレード3同士が接触するときの衝撃は回避できる。
After that, when the wind speed becomes weak, a Savonius-type wind receiving surface is obtained due to the balance between the centrifugal force acting on the
(実施の形態2)
図6は起動時のブレード位置を示す軸方向断面図、図7は回転時のブレード位置を示す軸方向断面図、図8は定格回転を越えたときのブレード位置を示す軸方向である。なお、実施の形態1と同一部分については同一番号を付し、詳細な説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is an axial sectional view showing the blade position at startup, FIG. 7 is an axial sectional view showing the blade position during rotation, and FIG. 8 is an axial direction showing the blade position when the rated rotation is exceeded. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図6に示すように、ブレード3は外周側端を、円形プレート4に備えた固定用レール16に差し込まれて固定されている。風車が回転していない停止状態では、ブレード3の内周側端10が最も内側に位置し、隣り合うブレード3の風圧面15に加工されたくぼみ17にはまりこんで、パドル形の受風面が形成されている。くぼみ17は風車の停止状態から起動時に隣り合うブレード3と接触する部分の通気を抑制する手段として機能している。ブレード3の停止時における曲率半径はひとつの円弧で形成され、例えば、56mmである。
As shown in FIG. 6, the
また、ブレード3の翼弦長は200mmであり、風車外径の半径100mmの1.9倍以上かつ円周長をブレード枚数の3で除した値209mmより短くなっている。翼弦長が規定した範囲から外れると、起動時にパドル形状を形成できないと同時に定格回転数を超えたときに隣りあうブレードと干渉してしまう。ブレード3の材質は弾性材料であるウレタンスポンジを用いており、自立して剛性を維持できるよう板厚を大きくしているが、薄いウレタンゴムなどに周囲を金属や樹脂による枠を備えて、枠の剛性で自立させる構成でもよい。また、0.3mm程度の薄板の金属材料を用いても同じ作用を得ることができる。
The chord length of the
上記構成において、風が吹くと垂直軸抗力型風車1はパドル形の受風面で風を受けて起動する。起動して回転を開始すると、図7に示すとおり、その回転数に応じてブレード3に作用する遠心力によってブレード3の曲率が大きくなるように変化してブレード3の内周側端10の位置が外側に変位する。
In the above configuration, when the wind blows, the vertical axis drag
接触していたブレード3の内周側端10と隣り合うブレード3のくぼみ17は離れてサボニウス形の受風面が形成される。さらに風速が高くなり、回転数が増加するとブレード3に作用する遠心力が増加し、ブレード3の曲率半径が大きくなってブレード3の内周側端10の位置は外側に変位する。図8に示すとおり、定格回転数を超えるようになると、遠心力も非常に大きくなってブレード3の内周側端の位置は、外周側端7と同じ位置まで外側に変位し、ブレード3の曲率半径は風車外径の半径100mmと同じとなり、ブレード3によって形成される断面形状は円筒形になる。そのときの軸方向断面図を図8に示す。断面形状が円筒形になると、風圧面が風を受けにくくなり、回転数が上昇しなくなる。
The
1 垂直軸抗力型風車
2 風車回転軸
3 ブレード
4 円形プレート
5 ブレード連結部材
6 板状の小片
7 外周側端
8 ヒンジ穴
9 ブレード支持棒
10 内周側端
11 突起部
12 ガイド溝
13 柔軟材
14 バネ材
15 風圧面
16 固定用レール
17 くぼみ
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3093194A (en) * | 1959-05-05 | 1963-06-11 | Rusconi Fausto | Aeromotor |
JPS59126084A (en) * | 1982-12-30 | 1984-07-20 | Tadao Totsuka | Wind mill |
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