JP2009074447A

JP2009074447A - 垂直軸型風車

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Publication number: JP2009074447A
Application number: JP2007244426A
Authority: JP
Inventors: Seiji Yamada; 誠治山田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-04-09

Abstract

【課題】停止状態からの起動性と、周速比λが３よりも小さい低周速比領域（ただし、λ≧１）における効率を向上させ、従来の垂直軸型風車の性能を大幅に向上させることを目的とする。
【解決手段】本実施例の垂直軸型風車１は、風向に対して垂直に設置される回転軸２に断面が翼形状をなす３枚のブレード３が回転軸２を中心とする仮想の円周上にその円周の接線方向に対して所望の角度をなすように支持部材５を介して取り付けられており、断面がブレード３と同様に翼形状をなす補助翼４がブレード３の表面３ａに間隙ｃ_３を設けて設置された構造となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸が風に対して垂直に設置される、いわゆる垂直軸型の風力発電用風車に係り、特にブレードの他に補助翼をも備えた垂直軸型風車に関する。

風車は、回転軸が風向に対して水平に設置される水平軸型風車と、回転軸が風向に対して垂直に設置される垂直軸型風車に分けられる。垂直軸型風車は水平軸型風車と比較して風向に依存しないため、風向に応じて姿勢を制御する必要がなく、また、水平軸型風車ほど回転数が高くならないため、低騒音であるという特徴を有している。さらに、風の作用によりブレードには揚力や抗力が発生するが、どちらの力を主として利用するかによって垂直軸型風車は揚力型と抗力型に分けられる。抗力型の場合、原理的に周速比（ブレード先端速度／風速）λを１よりも大きくすることができないため、効率が良くない。一方、揚力型の場合、周速比λを１よりも大きくできるが、停止時からの起動性が悪い。また、揚力型において、周速比λが３よりも小さい場合には、ブレードの回転方向の位置（以下、位相という。）によりブレードの相対風速に対する迎角が２０°より大きくなる。その結果、ブレードが失速状態となって、効率が低下する。

ここで、垂直軸型風車の動作原理と上記問題点について図８を用いて具体的に説明する。
図８（ａ）は断面が翼形状をなす３枚のブレードを有する揚力型の垂直軸型風車の平面図であり、（ｂ）は風によってブレードに作用する力を示す図である。なお、図８（ａ）中の矢印Ｌ及び矢印Ｄは、風車の停止状態においてブレードに作用する揚力及び抗力をそれぞれ表している。
従来技術の垂直軸型風車１２は、例えば、図８（ａ）に示すように、風に対して垂直に設置される回転軸１３と、断面が翼形状をなす３枚のブレード１４と、回転軸１３を中心とする円周上に３枚のブレード１４をそれぞれ設置するための３本の支持具１５とを備えている。回転軸１３から３方に延設される支持具１５の一端にはブレード１４が所定の角度で取り付けられている。
ブレード１４は風速Ｖ_∞とブレード速度Ｖ_φによって相対風速Ｗの風を受ける。このとき、相対風速Ｗの風向と翼弦線１６（前縁１７と後縁１８とを結んだ線）とのなす角が迎角αとなり、ブレード１４には相対風速Ｗに対して垂直方向の揚力Ｌ及び水平方向の抗力Ｄが作用する。これら揚力Ｌと抗力Ｄの合力Ｆの回転方向成分Ｆｔが垂直軸型風車１２の回転に寄与する力となる。そして、垂直軸型風車１２が回転してブレード１４の位相φが変化した場合、迎角αも変化する。

次に、起動時と回転時における位相φに対する迎角αの変化について図９を用いて説明する。
図９は周速比λが０と１．５の場合における位相φと迎角αの関係を示す図である。
図９に示すように、起動時（周速比λ＝０）にはブレード１４の位相φによって迎角αは−１８０°〜１８０°の範囲で変化する。そのため、ブレード１４に作用する揚力Ｌと抗力Ｄは位相φによって大きく変化する。すなわち、図８（ａ）に示した複数枚のブレード１４には、回転に寄与する力が作用するものと、回転を妨げる力が作用するものとが存在することになる。このように、従来の垂直軸型風車１２においては、起動性が悪いという課題があった。

一方、回転時（周速比λ＝１．５）にはブレード１４の位相φによって迎角αは−４２°〜４２°の範囲で変化する。このように、周速比λが３よりも小さい場合には、迎角αが大きな値をとるため、ブレード１４が失速状態となり、効率が低下する。また、ブレード１４が翼弦線１６に対して非対称な断面形状を有する場合には、負の迎角αに対して空力性能が極端に低下するため、注意が必要である。

以上のような課題があるものの、既に述べたように垂直軸型風車は水平軸型風車と比較して風向に依存しないため、風向に応じて姿勢を制御する必要がなく、また、水平軸型風車ほど回転数が高くならず、低騒音であることから、近年、風力発電用風車として注目されている。そして、前述の課題を解決するべく、様々な研究や開発が行われており、これまでに既にいくつもの発明が開示されている。

例えば、特許文献１には、「風力発電用の風車」という名称で、広範囲の風速域において高い発電効率を示す垂直軸型風車に関する発明が開示されている。
特許文献１に開示された発明は、垂直回転軸に直交する面内で回転軸を中心として一定角度ごとに、１．０〜１．４の範囲の揚力係数を有するとともに翼弦に対して回転軸側が翼弦長に対して前縁から３５％〜４５％の位置を基点として後縁まで切り欠かれた複数のブレードを設けたことを特徴としている。なお、揚力係数とは揚力を動圧と代表面積で除して無次元化した値のことである。
このような構造の風力発電用の風車においては、前方から吹く風によってブレードに揚力が発生するとともに、後方から吹く風に対してはブレードの切欠部の存在によって抗力が増加し、ブレードを前方へ押す推進力が増大するという作用を有する。これにより、起動性が向上するとともに、低速風域における発電効率も高まる。また、ブレードが簡単でコンパクトな構造であるため、小型や中型の風車を安価に、かつ容易に製造することができる。

また、特許文献２には、「直線翼垂直軸風車の起動性改善および強風対策」という名称で、低速風での起動と強風での退避を容易に行うことができるとともに経済性に優れる直線翼垂直軸風車に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明は、ダリウス型の直線翼垂直軸風車において翼型の後端の内周側にスプリッタ型フラップを設けるとともに、高回転数時に翼半径を縮めて遮風カバー内に退避させる構造としたことを特徴としている。
このような構造の直線翼垂直軸風車においては、低回転数時にはフラップが主翼と離れ、高回転数時にはフラップが遠心力によって主翼に接近するという作用を有する。これにより低回転数時には抗力が大きくなり、起動性が向上する。また、高回転数時にはダリウス型本来の回転トルクを生じるため、回転効率が高まる。なお、風速がさらに増した場合には、受風面積を狭くして翼の破壊を防ぐことが可能である。

さらに、特許文献３には、「風力発電用の風車及び発電機駆動方式」という名称で、弱風域から強風域において安定した発電状態を維持することが可能な揚力型垂直軸型風車に関する発明が開示されている。
特許文献３に開示された発明は、ジャイロミル型風車においてブレードの中心から後半分の上部又は下部にサボニウス構造の凹曲面を埋め込むとともにブレード重心と支持位置とをずらして遠心力によりブレード角度を可変としたことを特徴とするものである。
このような構造の風車においては、ブレードの後半分に埋め込んだ凹曲面によってブレードの後方や斜めからの風による抗力が回転力に利用できる。また、強風での高速回転時には遠心力によってブレードの角度が変わることで、揚力が低下し、暴走が抑制されるという作用を有する。すなわち、本発明の風車によれば、風向きや風速が絶えず変化する状況においても効率的に発電機を回すことができる。また、強風時に過大な電圧の発生を抑えることも可能である。

特許第３４５１０８５号公報特開２００６−２５８０８３号公報特開２００６−４６３０６号公報

前述のとおり、垂直軸型風車では、風車が一回転する間に迎角が正負の値をとって変化する。そして、迎角が負の値をとる場合、上述の従来技術である特許文献１に開示された発明においては、切欠部において気流が剥離して失速状態となり、ブレードに発生する揚力が極端に低下するおそれがある。

特許文献２に開示された発明では、可動部分を設ける必要があるため、翼の構造が複雑になり、故障し易いという課題がある。

特許文献３に開示された発明では、迎角が負になる場合に、凹曲面が形成された箇所で気流が剥離し、ブレードに発生する揚力が極端に低下してしまうおそれがある。また、ブレードの中心から後半分の上部にサボニウス構造の埋め込み形小凹曲面を設ける場合、ブレードの形状が複雑となるため、翼の製作が困難になる。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、停止状態からの起動性と、周速比λが３よりも小さい低周速比領域（ただし、λ≧１）における回転効率を向上させ、従来の垂直軸型風車の性能を大幅に向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である垂直軸型風車は、風向に対して垂直に設置される回転軸と、この回転軸を中心とする仮想の円周上にその接線方向と所望の角度をなすように設置される複数のブレードと、このブレードを回転軸に取り付ける支持部材と、ブレードの円周の半径方向の内外の少なくともいずれか一方の側に間隙を設けて設置される補助翼とを備え、補助翼は前傾して設置され、補助翼の翼弦線（以下、補助翼弦線という。）とブレードの翼弦線（以下、主翼弦線という。）は０〜１５°の角度をなすことを特徴とするものである。
このような構造の垂直軸型風車においては、迎角が約０°となるような状態でブレードが前方から風を受けた場合には補助翼による抗力の増加はほとんどなく、迎角が約１８０°となるような状態でブレードが後方から風を受けた場合には補助翼によって抗力が増加するという作用を有する。また、ブレードが前方から風を受けるとき、迎角が大きい場合には、補助翼がブレード表面からの気流の剥離を防いで失速し難くするという作用を有する。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の垂直軸型風車において、補助翼弦線の長さ（以下、補助翼弦長という。）は主翼弦線の長さ（以下、主翼弦長という。）の５〜４０％であることを特徴とするものである。
このような構造の垂直軸型風車においては、補助翼弦長を主翼弦長の５％以上とすることにより、補助翼による抗力の増加という請求項１に記載された発明の作用が確実に発揮される。また、補助翼弦長を主翼弦長の４０％以下とすることにより、ブレードに前方から吹き付ける風に対して補助翼の抵抗の増加が抑えられるという作用を有する。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の垂直軸型風車において、補助翼とブレードとの間隙は主翼弦線の長さ（主翼弦長）の４〜２０％であることを特徴とするものである。
このような構造の垂直軸型風車においては、ブレードに前方から吹き付ける風に対して、ブレード表面の剥離防止に有効な高速の気流を補助翼とブレードとの間隙に流入させるという作用を有する。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の垂直軸型風車において、補助翼は、その後縁が回転軸を中心とする円周の半径方向に見てブレードの前縁と後縁の間に位置するように設置されることを特徴とするものである。
このような構造の垂直軸型風車においては、前縁から後縁の間においてブレード表面からの気流の剥離が補助翼によって防止されるという作用を有する。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の垂直軸型風車において、補助翼は、その後縁が回転軸を中心とする円周の半径方向に見てブレードの前縁よりも前方に位置するように設置されることを特徴とするものである。
このような構造の垂直軸型風車においては、ブレードの前縁近傍において表面からの気流の剥離が補助翼によって防止されるという作用を有する。

以上説明したように、本発明の請求項１記載の垂直軸型風車においては、ブレードに後方から吹き付ける風を捉えて有効に回転力に利用することで、停止状態からの起動性を向上させることが可能である。また、ブレードに前方から吹き付ける風に対しては高迎角であっても失速し難くして、揚力係数の最大値を増大させるとともに、失速状態に陥る迎角の値を大きくすることが可能である。これにより、風車の回転効率が向上する。さらに、起動のための動力や起動状態を制御するための装置を別個に取り付ける必要がなく、また、簡単な構造であり、可動部もないため、製造コストの削減を図ることが可能である。そして、故障も発生し難い。

本発明の請求項２記載の垂直軸型風車においては、請求項１に記載された発明の効果を確実に発揮させることができる。

本発明の請求項３記載の垂直軸型風車においては、高迎角のブレードに対して失速状態になることを防ぐという請求項１又は請求項２に記載された発明の効果が確実に発揮される。

本発明の請求項４記載の垂直軸型風車においては、ブレードの前縁から後縁の間において表面から気流が剥離し難いことによって請求項１乃至請求項３に記載された発明の効果が発揮される。

本発明の請求項５記載の垂直軸型風車によれば、ブレードの前縁近傍において表面から気流が剥離し難いことによって請求項１乃至請求項３に記載された発明の効果が発揮される。

本発明の最良の実施の形態に係る垂直軸型風車の実施例について説明する。

実施例１の垂直軸型風車について図１乃至図６を用いて説明する（特に請求項１乃至請求項４に対応）。
図１は本発明の実施の形態に係る垂直軸型風車１の実施例１の外観斜視図である。
図１に示すように、本実施例の垂直軸型風車１は、風向に対して垂直に設置される回転軸２に断面が翼形状をなす３枚のブレード（主翼）３が支持部材５を介して取り付けられており、ブレード３の表面３ａに補助翼４が間隙を設けて設置された構造となっている。なお、補助翼４の断面もブレード３と同様に翼形状をなしている。そして、３枚のブレード３は、回転軸２を中心とする仮想の円周上にその接線方向と所望の角度をなすように取り付けられている。また、支持部材５は、回転軸２から３方に延設されるとともに一端にブレード３が取り付けられるアーム５ａと、アーム５ａの他端を回転軸２に固定するための円板状の固定具５ｂによって構成されている。

図２（ａ）は実施例１の垂直軸型風車１を構成するブレード３と補助翼４の外観斜視図であり、（ｂ）は同図(ａ)のＹ−Ｙ線矢視断面図である。なお、図２（ｂ）では、便宜上断面のハッチングを省略している。
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、補助翼４は前縁９が後縁１０より主翼弦線８に近づくように前傾して設置され、主翼弦線８と補助翼弦線１１は０〜１５°の角度をなしている。さらに、補助翼４の表面４ａとブレード３の表面３ａとの間隙（表面４ａと表面３ａの最短距離を意味する。）ｃ_３はブレード３の翼弦長ｃ_１（主翼弦線８の長さ）の４〜２０％であり、補助翼４の翼弦長ｃ_２（補助翼弦線１１の長さ）は短すぎると後述の作用が発揮されず、また、長すぎると空気抵抗が増大することから、ブレード３の翼弦長ｃ_１の５〜４０％となっている。なお、補助翼４は、これを取り付けない場合に前方からの風に対してブレード３の表面３ａから気流が剥離し始める位置よりも前方側に取り付けられている。また、図１及び図２では補助翼４の前縁９及び後縁１０がともに回転軸２を中心とする前述の円周の半径方向に見てブレード３の前縁６及び後縁７の間に位置しているが、本実施例には補助翼４の後縁１０のみがブレード３の前縁６及び後縁７の間に位置する場合も含まれる。なお、本願において、回転軸２を中心とする円周の半径方向に見るとは、回転軸２に視点を置き、ブレード３及び補助翼４側を見ることを意味している。

図３（ａ）乃至（ｃ）は実施例１の垂直軸型風車１におけるブレード３及び補助翼４の周囲の気流の状態を模式的に示した図であり、（ｄ）は従来の垂直軸型風車のブレードの周囲の気流の状態を模式的に示した図である。なお、図３（ａ）及び（ｂ）はブレード３及び補助翼４が後方及び前方からそれぞれ風を受けた状態を示している。
図８を用いて従来の垂直軸型風車の構造について述べたように、本実施例の垂直軸型風車１においても、起動時あるいは低回転数時に風車が一回転する間にブレード３は後方から相対風速Ｗの風を受ける状態となる（図３（ａ））。しかしながら、上記構造の垂直軸型風車１においては、補助翼４が抗力Ｄを増加させるように作用する。これにより、図８に図示した回転方向Ｘと同一方向の回転力が増加する。一方、図３（ｂ）に示すように、ブレード３が前方から相対風速Ｗの風を受ける場合、この風はブレード３の性能低下にほとんど影響しない。

図３（ｃ）及び（ｄ）は補助翼４を備えた本実施例のブレード３及び補助翼４を備えていない従来のブレードが前方から相対風速Ｗの風を受けた状態をそれぞれ示している。
図３（ｃ）及び（ｄ）に示すように、迎角が大きい場合、補助翼４を備えていないとブレード３の表面３ａから気流が剥離してしまうが、補助翼４を備えているとブレード３の表面３ａからの気流の剥離が補助翼４によって防止される。これにより、ブレード３は失速し難くなる。

なお、補助翼弦線１１と主翼弦線８のなす角度は本実施例に示す場合に限定されるものではない。また、補助翼４の表面４ａとブレード３の表面３ａとの距離あるいは補助翼弦長ｃ_２も本実施例に示す場合に限定されるものではなく、適宜変更可能である。ただし、主翼弦線８と補助翼弦線１１のなす角度が負の値をとる場合や１５°より大きい場合あるいは補助翼弦長ｃ_２が主翼弦長ｃ_１の４０％より長い場合には、補助翼４がブレード３に前方から吹いてくる風に対して大きな抵抗となり、風車の回転を妨げる方向（図８に示した回転方向Ｘと逆方向）の回転力が増加するおそれがある。
また、補助翼４の表面４ａとブレード３の表面３ａとの間隙が主翼弦長ｃ_１の４％よりも小さい場合又は２０％よりも大きい場合あるいは補助翼弦長ｃ_２が主翼弦長ｃ_１の５％より短い場合には、ブレード３が前方からの風を受ける際に、表面３ａからの剥離防止に有効な高速の気流が補助翼４の表面４ａとブレード３の表面３ａとの間隙に流入しないおそれがある。
さらに、補助翼弦長ｃ_２が主翼弦長ｃ_１の５％より短いと、ブレード３に対して後方から風が吹き付ける場合に補助翼４による抗力Ｄの増加という作用が発揮されないおそれがある。
すなわち、補助翼弦線１１と主翼弦線８のなす角度、補助翼４の表面４ａとブレード３の表面３ａの間隙及び補助翼弦長ｃ_２を本実施例に示した範囲から外れた値に設定する場合には、上述の点に注意しながら、風速、垂直軸型風車１の大きさ、ブレード３及び補助翼４の断面形状等の条件に即して各値を決定することが望ましい。

図４（ａ）乃至（ｃ）は実施例１の垂直軸型風車１の変形例を示した図である。なお、図４（ａ）は図２（ａ）に対応し、図４（ｂ）及び（ｃ）は図２（ｂ）に対応する。
本実施例ではブレード３の幅方向（翼断面と垂直な方向）の全長にわたり補助翼４を設置しているが、これに限定されるものではない。すなわち、図４（ａ）に示すように２つに分割した分割翼を設けることもできる。
ただし、この場合でもブレード３の幅方向の大半にわたって設置することが望ましい。なお、分割数は２つに限らず、３つ以上としても良い。さらに、図４（ｂ）に示すように、補助翼４を実施例１で示した場合と主翼弦線８を挟んで反対側に設置しても良い。この場合、ブレード３が前方からの風を受ける際に、ブレード３と補助翼４との間に、ブレード３の表面３ａからの剥離防止に有効な高速の気流を生じさせるという前述の作用が、実施例１の場合とは正負の符号が反対の迎角に対して発揮されることになる。加えて、図４（ｃ）に示すように、補助翼４をブレード３の両側に設置しても良い。この場合、迎角の符号によらず、補助翼４はブレード３に対して実施例１と同様の作用を発揮する。なお、本実施例では補助翼４が支柱を介してブレード３の表面３ａに取り付けられているが、補助翼４をブレード３との間に少なくとも間隙を設けて取り付ければよく、実施例１のように補助翼４を主翼弦線８に対して回転軸２と反対側に設置する場合にはアーム５ａを延長し、回転軸２と同じ側に設置する場合にはアーム５ａを利用して取り付けることもできる。また、補助翼４の断面形状はブレード３の断面形状とは必ずしも相似である必要は無く、ブレード３と異なる断面形状であっても良い。

次に、本実施例の垂直軸型風車１において揚力係数と抗力係数を求めた実験結果について説明する。
図５は一般的な翼型であるＮＡＣＡ００１２の断面形状を有するブレード３における１８０°付近の迎角αに対する抗力係数Ｃ_Ｄを示す実験データである。なお、抗力係数とは抗力を動圧と代表面積で除して無次元化した値のことである。
また、補助翼４は平板翼形状であり、補助翼弦長ｃ_２は主翼弦長ｃ_１の２０％である。さらに、補助翼４は、主翼弦線８の延長線に沿ったブレード３の前縁６から補助翼４の後縁１０までの距離が０．３ｃ_１となり、補助翼４の後縁１０からブレード３の表面３ａまでの距離が０．１４ｃ_１となるようにブレード３の片側あるいは両側に設置されている。このとき、補助翼４の表面４ａとブレード３の表面３ａとの距離は０．０４ｃ_１〜０．２ｃ_１の範囲内にある。また、ブレード３の両側に取り付けられた補助翼４は主翼弦線８に対して略対称となっている。
図５に示すように、補助翼４を設置した場合には１８０°付近の迎角αに対して抗力係数Ｃ_Ｄが増加している。すなわち、迎角αが約１８０°を示す状態でブレード３が後方から風を受けた場合に、補助翼４は抗力Ｄを増加させるように作用することがわかる。

図６はＮＡＣＡ００１２の断面形状を有するブレード３における−４５°〜４５°の迎角αに対する揚力係数Ｃ_Ｌを示す実験データである。なお、実験条件は図５の場合と同じである。また、図６において、迎角αの絶対値の増大に伴って、揚力係数Ｃ_Ｌの絶対値は増大した後、一旦、減少しているが、この落ち込んだ部分が失速状態を示している。
図６に示すように、迎角αが正の値を示す場合において、補助翼４の設置により揚力係数Ｃ_Ｌの最大値が増大するとともに、失速状態に陥る迎角αの値が大きくなっている。さらに、迎角αが負の値を示す場合においても、揚力係数Ｃ_Ｌの絶対値の低下がない。すなわち、本実施例に示した補助翼４を備えたブレード３は、揚力型の垂直軸型風車として望ましい特性を有していることがわかる。

以上説明したように、垂直軸型風車１では、ブレード３が後方からの風を受ける際に発生する抗力Ｄが、前方からの風を受ける際に発生する抗力Ｄよりも大きい。そして、この２つの抗力の差は、補助翼４を設置しない場合よりも大きい。従って、この抗力差によって停止状態の起動が容易となる。すなわち、本実施例の垂直軸型風車１においては、ブレード３に対して後方から吹き付ける風を捉えて有効に回転力に利用することにより、停止状態からの起動性を向上させることが可能である。また、この抗力差の回転力への利用は周速比λが１よりも小さい低回転数時にも発揮させることが可能である。さらに、ブレード３が前方からの風を受ける場合には、高迎角であっても補助翼４によってブレード３の表面３ａからの気流の剥離が防止されるため、揚力係数Ｃ_Ｌの最大値が増大するとともに、失速状態に陥る迎角αの値が大きくなる。これにより、風車の回転効率が大幅に向上する。なお、この効果は、１≦λ＜３の低周速比の場合において顕著である。すなわち、本実施例の垂直軸型風車１は低風速な風況や風車が小型である場合に特に有効である。このように、本実施例の垂直軸型風車１においては、起動のための動力や起動状態を制御するための装置を別個に取り付ける必要がなく、また、構造も簡単であり、可動部をもたないため、製造コストを低減できるとともに、故障の発生を抑えることができる。

実施例２の垂直軸型風車について図７を用いて説明する（特に請求項５に対応）。
図７（ａ）は本発明の実施の形態に係る垂直軸型風車の実施例２を構成するブレード３及び補助翼４の断面図であり、（ｂ）及び（ｃ）はブレード３及び補助翼４の周囲の気流の状態を模式的に示した図である。なお、図７（ａ）では、便宜上断面のハッチングを省略している。また、図７（ａ）は実施例１の図２（ｂ）に対応し、図７（ｂ）及び（ｃ）は実施例１の図３に対応する。従って、図２及び図３に示した構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図７（ａ）に示すように、本実施例の垂直軸型風車は、実施例１において回転軸２を中心とする円周の半径方向に見て補助翼４の後縁１０がブレード３の前縁６と後縁７の間に位置する代わりに、補助翼４の後縁１０がブレード３の前縁６よりも前方に位置するように補助翼４が設置されたことを特徴とするものである。

このような構造の垂直軸型風車においても、起動時あるいは低回転数時に風車が一回転する間にブレード３は後方から相対風速Ｗの風を受ける状態となる（図７（ｂ））。しかしながら、上記構造の垂直軸型風車においては、実施例１の場合と同様に補助翼４によって抗力Ｄが増加するという作用を有する。これにより、図８に図示した回転方向Ｘと同一方向の回転力が増加する。一方、図７（ｃ）に示すように、ブレード３が前方から相対風速Ｗの風を受ける場合、この風はブレード３の性能低下にほとんど影響しない。そして、補助翼４がブレード３の表面３ａからの気流の剥離を防ぐように作用するため、失速状態になり難い。これにより、揚力係数Ｃ_Ｌの最大値を増大させるとともに、失速状態に陥る迎角αの値を大きくすることができる。従って、回転効率が向上する。なお、補助翼４の表面４ａとブレード３の表面３ａとの間隙ｃ_４が主翼弦長ｃ_１の４％より短い場合や主翼弦長ｃ_１の２０％より長い場合には、前方からの風に対して、ブレード３の表面３ａからの剥離防止に有効な高速の気流をブレード３と補助翼４との間に流入させるという補助翼４の作用が発揮されないおそれがある。従って、補助翼４の表面４ａとブレード３の表面３ａの距離を本実施例に示した範囲から外れた値に設定する場合には、この点に注意しながら、風速、垂直軸型風車の大きさ、ブレード３及び補助翼４の断面形状等の条件に即して各値を決定することが望ましい。本実施例２における間隙ｃ_４は、実施例１と同様に表面４ａと表面３ａの最短距離を意味するので、図７（ａ）に示される部分の距離となる。

なお、実施例１の場合には主としてブレード３の前縁６から後縁７の間において表面３ａからの気流の剥離が防止され、実施例２の場合には主としてブレード３の前縁６の近傍において表面３ａからの気流の剥離が防止される。そして、これ以外に、風速、風車の大きさ、ブレード３及び補助翼４の断面形状によって実施例１よりも実施例２の方が補助翼４の作用が十分に発揮される場合がある。従って、風車の実施条件に応じて実施例１及び実施例２をそれぞれ適宜、使い分けることが望ましい。

以上説明したように、請求項１乃至請求項５に記載された発明は、風力発電に用いられる垂直軸型風車について利用可能である。

本発明の実施の形態に係る垂直軸型風車の実施例１の外観斜視図である。（ａ）は実施例１の垂直軸型風車を構成するブレードと補助翼の外観斜視図であり、（ｂ）は同図(ａ)のＹ−Ｙ線矢視断面図である。（ａ）乃至（ｃ）は実施例１の垂直軸型風車におけるブレード及び補助翼の周囲の気流の状態を模式的に示した図であり、（ｄ）は従来の垂直軸型風車のブレードの周囲の気流の状態を模式的に示した図である。（ａ）乃至（ｃ）は実施例１の垂直軸型風車の変形例を示した図である。一般的な翼型であるＮＡＣＡ００１２の断面形状を有するブレードについて１８０°付近の迎角αにおける抗力係数Ｃ_Ｄを示す実験データである。ＮＡＣＡ００１２の断面形状を有するブレードにおける−４５°〜４５°の迎角αに対する揚力係数Ｃ_Ｌを示す実験データである。（ａ）は本発明の実施の形態に係る垂直軸型風車の実施例２を構成するブレード及び補助翼の断面図であり、（ｂ）及び（ｃ）はブレード及び補助翼の周囲の気流の状態を模式的に示した図である。（ａ）は断面が翼形状をなす３枚のブレードを有する揚力型の垂直軸型風車の平面図であり、（ｂ）は風によってブレードに作用する力を示す図である。周速比λが０と１．５の場合における位相φと迎角αの関係を示す図である。

符号の説明

１…垂直軸型風車２…回転軸３…ブレード３ａ…表面４…補助翼４ａ…表面５…支持部材５ａ…アーム５ｂ…固定具６…前縁７…後縁８…主翼弦線９…前縁１０…後縁１１…補助翼弦線１２…垂直軸型風車１３…回転軸１４…ブレード１５…支持具１６…翼弦線１７…前縁１８…後縁 α…迎角 φ…位相ｃ_１…主翼弦長ｃ_２…補助翼弦長ｃ_３，ｃ_４…間隙Ｄ…抗力Ｆ…合力Ｆ_ｔ…合力Ｆの回転方向成分Ｌ…揚力Ｖ_φ…ブレード速度Ｖ_∞…風速Ｗ…相対風速Ｘ…回転方向

Claims

風向に対して垂直に設置される回転軸と、この回転軸を中心とする仮想の円周上にその接線方向と所望の角度をなすように設置される複数のブレードと、このブレードを前記回転軸に取り付ける支持部材と、前記ブレードの前記円周の半径方向の内外の少なくともいずれか一方の側に間隙を設けて設置される補助翼とを備え、前記補助翼は前傾して設置され、前記補助翼の翼弦線（以下、補助翼弦線という。）と前記ブレードの翼弦線（以下、主翼弦線という。）は０〜１５°の角度をなすことを特徴とする垂直軸型風車。
前記補助翼弦線の長さ（以下、補助翼弦長という。）は前記主翼弦線の長さ（以下、主翼弦長という。）の５〜４０％であることを特徴とする請求項１記載の垂直軸型風車。
前記補助翼と前記ブレードとの前記間隙は前記主翼弦線の長さ（主翼弦長）の４〜２０％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の垂直軸型風車。
前記補助翼は、その後縁が前記回転軸を中心とする前記円周の半径方向に見て前記ブレードの前縁と後縁の間に位置するように設置されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の垂直軸型風車。
前記補助翼は、その後縁が前記回転軸を中心とする前記円周の半径方向に見て前記ブレードの前縁よりも前方に位置するように設置されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の垂直軸型風車。