JP2011027098A - 自転羽根式垂直軸型風車 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直軸型自転羽根式風車の効率向上と、従来の垂直軸直線翼風車の起動性の改善。強風対策。いままで困難であった、効率の高い垂直軸型大型風車の実現とこれを利用した移動式洋上風力エネルギー蓄積設備の利用の提案。
【解決手段】
軽量で丈夫な帆布翼の利用。
【選択図】 図１４

Description

本発明は、垂直軸型風車に関するものである。

筆者は特許第４２８０７９８号において、自転羽根式垂直軸型風車の複数の縦長の帆枠内に左右に少したるみを設けた縦長の帆布を左右を張着し、上下を自由にすることで、帆布が翼として機能することにより、従来型のものより格段に効率の高い風車が実現できることを示した。図１は従来の自転羽根式垂直軸型風車の作動原理図である。図１は羽根が公転円上０度から３６０度右回りに回転するとき、４５度ごとの羽根の自転の様子を図式的に示している。図２は特許第４２８０７９８号の自転羽根式垂直軸型風車の作動原理図である。図１と異なるのは羽根に帆布を使用して左右にたるみを設け湾曲させて翼として機能させていることである。このことによって図１では公転角度１８０°から３６０°のところでは強い向かい風を受けて、回転力を阻害されるのに反し図２では帆布が翼として機能し、逆に強い回転力を生み出す。
以上が前回特許の中心的内容である。
今回はその後の実験研究で、先に発明した内容を更に発展させた。発展させた内容は（１）風車効率 （２）強風対策 （３）自転羽根式垂直軸型大型風車の提案である。

特許第４２８０７９８号 特開２０００−１４５６１１号公報 特開２００１−７３９２５ 号公報

自転羽根式垂直軸型風車の翼の仰角の調整について、これまで行ってきた方法を述べる。図２において風車が右回りに回転するとき、公転軸中心を通る風の流線が公転円と最初に交わる点をＡ(０度)とする。自転翼の自転中心が９０度の位置にあるときは自転翼は９０度に張って、最大の抗力を受けるようにする。各羽根に対してこのような調整を行うと、自転翼が２７０度の位置にあるときは、自転翼は０度となるので、真向かいの風に対して、翼を平行にする。自転翼が０度の位置にあるときは、自転翼は４５度となる。自転翼が１８０度の位置にあるときは、自転翼は−４５度となる。自転翼のこのような角度調整は羽根の仰角が風向と、翼の進行方向となす角の１/２に設定されて風車の起動時（周速による風が無いとき）に最もトルクを発生させる方法となる。

しかし一旦回転を始めると各帆は、回転による風を円周方向から受けるようになるのでより複雑になると予想され、この角度調整が最善かどうかという問題がある。

風車が回転しているときは、羽根に入射する風は真の風と回転によって生ずる円周方向の風の合成風である。この見かけの風の風向を感知して、この風向に対して、最適な仰角を得る方法は羽根の自転軸に近接して、風向軸をセットするのが良い。しかし周速比が１に近づくとき、追い風を受ける領域、すなわち４５°から１３５°の区間では風が極めて弱いので風向計が動かないまま公転するいう問題を生じる。１３５°から２７０°の間では急に風が強まるので、風向計の動きが急激になり、オーバーシュートするという現象が生じる。すなわち２，３回の風向軸のバウンドが生じる。このバウンド、リバウンドは回転力を著しく阻害する結果となる。この問題を解決しない限り風向計を自転軸に近接しておく方法は使用できない。

帆布翼を使用した自転羽根式垂直軸型風車の特徴のひとつに、翼面積が他の揚力形の垂直軸型風車に比較して、格段に大きいことである。強風時に、他の揚力形風車は、回転を止めるが、本発明の自転羽根式垂直軸型風車は、回転をとめると、大きな抗力がかかり、かえって風車が破壊される危険が生じる。そこで本風車の実用化には欠かせない強風対策について検討した。

さて現状の垂直軸型風車を見るに、大型風車を実現しているのはダリウス風車のみである。ダリウス風車の羽根の断面は翼形をしており、翼長の方向には、いわゆる縄跳びの縄の形状、すなわちトロコイド曲線をしている。この曲線形状は、翼に遠心力がかからない形状となっており、構造上極めて有利な形状である半面、回転力を生み出す部分は、半径の一番大きないわゆる縄跳びの先端部周辺に限られるので自己起動ができず、弱風における効率が非常に悪い。その他の垂直軸型風車には直線翼風車がある。直線翼風車は外周部分に回転力を生み出す翼が位置するので、ダリウス風車よりずっと効率は良いといえる。しかし大型化すると、周速があがったとき、外周に位置する翼の質量により、大きな遠心力がかかるという問題が生じる。現在においては、垂直軸型直線翼型のメガワットクラスの大型風車は実現していない。そこで、帆布翼を使用した自転羽根式垂直軸型風車は大型風車として実現できるかどうか検討した。

図２に示す風向軸が風車の回転軸中心に１個具備させるタイプでは段落（０００４）で述べたように風向軸に対して仰角を調整する。この風向計の位置を０°を基準位置とし、風向計の取り付け角度を±１０°、±２０°、±３０°と偏移させて（図３の場合は−２０度の偏移）風洞試験を行って出力係数（Ｃｐ値）を測定した。
風向計が基準角度のときのCp値の測定結果を図１５に示す。風向計が基準角度より−２０度偏移したのときのCp値の測定結果を図１６に示す。両者のCp値を比較すると、風向計を−２０度偏移させたほうがCp値は大幅に上がっている。更に風向計が基準角度より−２０度偏移したのときのCp値は風速４ｍ/ｓにおいて若干低いものの、風速に依存せずに同じ曲線上にのっていることがわかる。

次に風向計のオーバーシュート、リバウンドを防止するには、まず風向計感度を出来るだけ上げ、全体の重量を極力低減することが重要となる。そのためには尾翼を最も軽量な帆布を使用して作成する。そしてバランスウエイトで風向軸からのバランスをとる。

次の手段として風車直径を大きくして回転速度を遅くすれば尾翼の方向転換もゆっくり行えるので、オーバーシュートを防止する上で有利である。

更に固定翼と自転翼を組み合わせたら、自転翼で容易に自己起動し固定翼で回転を上げていくので、周速比１近辺をいっきに通過し、オーバーシュートの問題は回避できると予想された。

帆布翼を使用した垂直軸型大型風車は翼に帆布を使用するので、大型にしても重量はあまり重くならない。また抗力＋揚力型の風車であるので、回転はあまりあがらない。この二つの理由により遠心力は大きくならず垂直軸型の大型風車の実現は充分可能と思われる。

風向計の位置を０°の位置から−２０°偏移させたときの出力係数は、０°のときに比べ３０％も上昇した。出力係数も風速４ｍ/ｓで０．３２と極めて高い価を示した。

風車の風向計尾翼の素材を帆布で構成し、尾翼面積を比較的大きく帆布翼で製作し風車直径を３ｍと大きくしたら、風向計のオーバーシュートの問題は回避できた。

固定翼２枚と自転翼２枚を組み合わせ直径３ｍの風車を試作、自転翼で容易に自己起動し固定翼で回転を上げていき、周速比１近辺をいっきに通過して、オーバーシュートの問題は回避できた。

図１は従来の自転羽根式風車で、公転角度４５°ごとの自転羽根の自転の様子を図式的に示している。１aは平板の自転羽根、４は自転羽根の自転軸、３は風向計２の自転軸である。 図２は図１の平板の羽根を帆布翼に変えたものである。（特許第４２８０７９８号）。１bは帆布翼である。 図３は図１に示す風向計の取り付け位置を基準として風向計を−２０°偏移させて取り付けた状態を示す。 図４は風向計を帆布翼の自転軸４に近接して設けた自立帆布翼の４５度ごとの公転位置における始動時の仰角を現した図である。始動時は図２の風向計を１個具備したものと、仰角は全く変わらない。しかし回転中は円周方向から来る風と真の風との合力を風向計は示すので仰角はより正確となり回転力もより高いものとなる。 図５は固定式直線翼６と自立翼（１ｂ＋３a）を組み合わせた風車の起動時または回り始めて周速比が１以下のときの上面図である。この図から従来の始動性の悪い固定翼６が自立翼と組み合わせることによりたやすく始動することがわかる。 図６は図５の固定式直線翼（６）と自立翼（１ｂ＋３a）を組み合わせた風車が周速比１を超えたときの図である。この図から周速比１を超えても、自立帆は最適な仰角を維持し回転力を生み出すことがわかる。 図７は請求項４に示す帆布翼の形成方法を示す上面図である。（ａ）、（ｂ）は翼形に張ったロープの外側に帆布翼２枚を張って製作する帆布翼の形成方法で、（ａ）は左右帆枠を包み込まない方法で（ｂ）左右帆枠を包み込む方法である。（ｃ）（ｄ）は、翼形形成のために張ったロープのかわり、軽量な発泡材を使用したものである。 図８は請求項２の風車の自立帆布翼を表す正面図である。１は帆布翼、８は左右帆枠、９、１０は上下帆枠、１１は帆布翼の自転軸、６は歯車、３は風向計で、４は風向尾翼を形成する帆布、７はバランス錘である。 図９は請求項８の強風対策を示す図である。（ａ）は通常時の帆布翼の上面図である。（ｂ）は強風時作動したときの上面図である。１４は翼型形成のためのロープ、１６は限時装置付巻き取りドラムで、強風のとき一旦巻き出された後、例えば５時間で巻き取るような限時装置をつける。１７は巻き取り側と反対方向に取り付けられたロープガイドである。１８は帆布翼端に設けられたストッパーである。１９は強風時に巻きだされるロープ又は細い紐である。 図10は請求項９の強風対策の方法を示した図である。下部自転軸２３はアーム１２に固定されている。下部自転軸は帆枠下部９とベアリングを介して回転自在に結合されている。この下部自転軸２３はクラッチを介して帆巻き取り棒２４と回転自在に結合されている。強風が来たときクラッチが入ると、帆巻き取り棒２４が作動し回転を始める。この回転は減速歯車で減速しても良い。すると帆は中心で巻き取られ左右帆枠８はリニアガイドで案内されて横幅が狭くなり安全な大きさになったとき巻き取り棒２４は回転を停止する。帆は安全な面積に縮小して回転を継続させる。強風が収まった時点で逆回転クラッチを働かせ巻き取り棒２４は巻き取った帆布を巻きだしていく。そのとき帆枠左右は引っ張りバネの力で元の位置に回復する。 図１1は請求項１０の強風対策を示す図である。強風時左右帆枠８のどちらか一方を引っ張りバネで引いて帆のたるみを無くすことによって揚力の発生を抑え強風対策を行う。 図１２は請求項１１の強風対策を示す図である。左右帆枠８の少なくとも一方はロールカーテン方式の巻き取りドラムである。強風時ロールカーテン側の巻き取りドラムが巻き取りを開始する。巻き取り側ドラムの上下は帆枠上１０、下９にリニアガイド方式で案内される。巻き取りドラムが作動すると左右帆幅は減少し安全な幅になったときストッパーなどで停止する。 図１３は請求項１２の強風対策を示す図である。２４は巻尺方式の巻取り箱で２５は強風で巻きだされた細紐である。巻き取りは限時装置を付けてある時間を経過後巻き取る。、 図１４は請求項６の大型風車の実現方法を示す図である。１は帆布翼で２は風向計、２２は帆布翼の自転軸で上部にタイミングプーリー２１を装着している。このものは、風向軸に取り付けられたタイミングプーリーとタイミングベルトで連結されている。この連結は歯車比２対１である。勿論タイミングプーリーとタイミングベルトを使用せず、ベベルギアと伝達軸を使用しても実現できる。 図１５は請求項１３の洋上移動体２の上に建設された複数個の垂直軸帆布翼型大型風車３である。１は洋上を示す。洋上移動体２は風車３の動力で移動しまた風車３で得られた電気エネルギーは例えば水の電気分解による水素を蓄積する。 図１６は風向計が基準角度０度のとき（図２）の周速比対出力係数の実験結果をグラフに表したものである。この図をみるとＣｐ値すなわちエネルギーの取得率はおよそ０．２２で風速が４ｍ/ｓ、６ｍ/ｓと比較的低い方が風速８ｍ/ｓ、１０ｍ/ｓと比較的高いときに比べてＣｐ値すなわちエネルギーの取得率が高くなっている。このことは当初予想したとおり基準角０度は周速が比較的小さい領域すなわち風速が比較的低い領域で効率が高い。 図１７は風向計が基準角度−２０度のとき（図３）の周速比対出力係数の実験結果をグラフに表したものである。Ｃｐ値はおよそ０．３２５で基準角度０°に比べて約１．５倍ほど高くなっている。そして図１６と比べると反対の傾向を示し、風速が高い方がよりエネルギー取得率は高くなっている。図１６、図１７の結果から風車が右回りに回転するとき風向計を基準角度より−２０度遷移させると風向計が基準角度に設定されたものに比較して、１．５倍ほど効率が上昇する。

図２のごとき帆布翼を３枚で風車を構成し風向計の取り付け角度を今まで実施してきた基準角度（０°）の位置から−２０°偏移させたときの出力係数は、０°のときに比べて３０％も上昇した（図１５、図１６参照）。出力係数も風速４ｍ/ｓで０．３２と極めて高い価を示した。

図４のごとき帆布翼を３枚で風車を構成し、風向計の回転軸を帆布翼の自転軸に近接して置き、尾翼の素材を帆布で構成し、尾翼面積を比較的大きくして帆布翼で製作し風車直径を３ｍと大きくしたら、風向計のオーバーシュートの問題は回避できた。

図５のごとく垂直軸型直線翼を２枚と自立帆布翼２枚で風車を構成し風車直径１ｍの風車を試作した。起動は図５のように簡単に起動し速度を上げて簡単に周速比１を超えて、図６のごとく回転した。

図７の（a）（b）（c）（d）ような帆布翼を使用して、直径１ｍ、帆布翼３枚構成で風車を試作した。この風車は回転時帆布を１枚使用するのと比較して反転時の音はなかった。

図９のような強風対策をした帆布翼を風洞試験でテストしたら、風速１５ｍ/ｓで動作し風は帆枠内を通り抜けた。

図１１のように帆枠左右の片側をストッパーを介して、強いバネで引く構造とし、強風時ストッパーがはずれて、帆をぴんと張ったら、風速４０ｍ/ｓまで風車は回転し続けた。

垂直軸型自転羽根式帆布翼風車は、風洞試験結果から、（１）低風速域での効率が他に類がないほど高く、しかも中、高風速域でも充分高い効率をもつ。（２）低回転速度型なので、他の揚力型風車に比較し安全性が高い。（３）翼に帆布またはそれに類したものを使用するので、風車の製造費が低く抑えられる。（４）風車製作において、特に高度の技術を必要としない。（５）小さい風車から大型風車まで、製作が可能で、開発期間も短くてすみ、開発コストも余りかからない。（６）低回転高トルクなので揚水用風車としても最適である。などの特徴があり、今後のエネルギー問題を再生可能エネルギーに託する流れは、世界中の流れとなっており、利用可能性は無限に広がっているといえる。

垂直軸型自転羽根式大型風車が実現すれば、低風速で効率の高い大型風車が実現できるので、今まで風速が低く不適地とされた場所も適地となることが予想される。さらにこの大型風車は現地組み立てが可能なので、大型水平軸風車より、建設の自由度がはるかに大きい。さらに大型水平軸風車に必要なタワーも基本的に必要ない。翼も帆布なので、風車の制作費が安価である。したがって発展途上国の緊急性のある電力需要を満たすものとしても最適なシステムを提供できると思われる。

移動式洋上風力発電または移動式洋上風力エネルギー蓄積設備において、従来水平軸大型風車が予定されている。水平軸風車は、風車半径以上のタワー長さが必要条件となるのに反し、垂直軸風車では、それが必要ない。その分風車が低く建設できるし、総重量も軽減できるので、設備建設総経費も大きく節減できると予想される。さらに低風速域でも効率よく発電できるので年間設備利用率も大きくなる。

Claims (13)

1. 垂直軸型自転羽根式帆布翼風車において、右回りの回転としたとき風向計の位置を正規の基準取り付け角度より左回りに２０°±１０°回転した角度に取り付けることを特徴とした風車。ただし左回りの回転の風車においては、風向計の基準取り付け角度より右回りに２０°±１０°回転した角度に取り付けることを特徴とする風車。
2. 垂直軸型自転羽根式風車において、羽根は左右をたるませた帆布翼を用い、もしくは（請求項４）の羽根を用い、風向軸を各羽根の自転軸に近接して設置し、羽根の自転軸と風向軸の伝導は公知の２対１で結合した自立帆布翼を１個または複数個使用した風車。
3. 垂直軸型風車において、図５に示された自立翼（１b+3a）の少なくとも一個以上の自転翼もしくは本出願の（請求項２）または（請求項４）の少なくとも一個以上の自転翼と、従来公知の固定式の少なくても一個以上の直線翼の羽根を併せ持つことを特徴とする風車。
   
4. 垂直軸型風車における帆布翼の新たな形成方法として、左右帆枠の支柱、またはロープに２枚の帆布を装着し、上下帆枠に翼形に配列された複数本のロープを張り、その外側に前記上下２枚の帆布をセットして製作する軽い帆布翼を形成する方法。または翼形に配列したロープの変わりに翼形に成型された発砲スチロール樹脂のごとき軽量な構造物を帆布の中にセットしても良い。
5. 帆布を主として使用して作成された自転羽根式垂直軸型風車の風向尾翼。
6. 自転羽根式垂直軸型風車において、帆布翼もしくは（請求項４）記載の翼形構造の帆布翼を風車の公転半径方向に複数配列する。そして自転軸どうしの結合は１対１、公転軸上の風向軸と自転軸の結合は１対２の結合である。そしてこの半径方向に複数配列された帆布翼のアームを円周方向に複数配列する。このものを１段目とし、複数段積層して製作する垂直軸型帆布翼大型風車。ただし段ごとの自転軸の結合は１対１である。
7. （請求項６）の帆布翼を請求項２の自立帆布翼に置き換え風車公転軸上の風向軸を無くした垂直軸型自立帆布翼型大型風車。
8. 帆枠の左右にロールカーテン方式のばねが装着され強風時に巻き取り力に抗して細紐が両側より巻き出される。帆布は上下の帆枠中心部で細紐などでゆるく拘束しておくので強風は両サイドより逃げてゆく。帆布は回転しているので帆布面に垂直にかかる風圧は強、弱が繰り返されるのであるが、巻き取り時間を例えばテンプなどを使用して長くとれば、振動を防止できるので、風速が弱まったときに徐々に復帰することが出来る。このようなメカニズムを組み込んだ帆布の強風対策装置。
9. 帆枠の下部の自転軸をアーム側に固定し帆枠下部に自転軸を受けるベアリングを装着すれば、この自転軸は風車の回転に比例する強力な動力源となる。この動力源をクラッチを介して帆枠中心部に帆布巻き取り棒をセットする。この巻き取り棒は帆を間隔を開けて挟む形をとり、翼形に整形する。強風を感知したとき、クラッチが入り巻き取り棒が作動し帆布を中心部で巻き取る。数回巻き取ったところで停止させれば、帆布は左右に縮小して張られることになる。帆布の他端は（請求項８）のロールカーテン方式でも左右帆枠の上下部分にリニアガイドを装着させても良い。復帰は限時装置を介して、クラッチを解除させ、ばねの力で復帰させる。以上のような強風対策装置。
10. 強風時に左右の帆枠の一方をばねなどで引いてたるみを無くせば揚力がなくなるので、風車の構造体に強い応力はかからないで、強風をやりすごすことができる。このように強風時帆をぴんと張ることによる強風対策。
11. 左右の帆枠の少なくても一方にロールカーテン方式の巻き取りドラムを装着し、この巻取りドラムは上下帆枠とリニアガイド方式で案内されている。強風時に帆を巻き取り帆幅を縮小することによって行う強風対策。
12. 左右の帆枠の少なくても一方に巻尺方式の巻き取り箱を上下帆枠に装着し、この巻取り箱内にバネによって巻かれている細紐の一端は帆枠左右の少なくても一方の上部および下部と結合されている。強風時に帆布に加わる圧力により巻き取り箱から細いロープが巻きだされることによって強風の圧力を逃がすことができる。また強風がおさまた時は細いロープは自動的に巻き取られる。そのとき限時装置を付加して、巻きだし巻き取りの振動を防止することができる。このようにして行う強風対策。
13. 洋上移動体の上に（請求項６）もしくは（請求項７）の大型風車を複数個設置して移動の動力を主として風車の動力源を利用する移動式洋上エネルギー蓄積設備。
    
    

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