JP2011032918A

JP2011032918A - 風車

Info

Publication number: JP2011032918A
Application number: JP2009179146A
Authority: JP
Inventors: Haruhisa Sugiyama; 治久杉山
Original assignee: TOKYO OOTOMAKKU KK
Current assignee: TOKYO OOTOMAKKU KK
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】翼に作用する揚力を最大限活用して回転する風車を提供する。
【解決手段】風車３０は、水平方向の回転軸３１と、水平回転軸３１の一端に連結された第１翼群４０と、もう一方の端部に連結された第２翼群５０とを備える。各翼群４０、５０は、水平回転軸３１に対して放射状に伸びる４枚の翼４１、５１からなる。翼４１、５１はを半径方向に沿ってネジレのない翼形であり、翼４１、５１の前縁と後縁とを結ぶ翼弦が、風向とほぼ平行であるので、翼４１、５１に作用する揚力の方向と、翼４１、５１の回転方向とが一致する。これにより、翼４１、５１にかかる揚力をほぼ１００％水平軸３１の回転トルクに変換できるので、高い風力転換効率を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水平軸風車に関する。特には、翼に作用する揚力を活用して回転する風車に関する。

風力発電機に用いられる風車としては、風向、すなわち、水平方向の回転軸を有し、この回転軸に複数枚の翼を放射状に連結した水平軸型（プロペラ型）のものがある。

図５は、水平軸型風車を備えた風力発電機の構造の一例を示す図であり、図５（Ａ）は風力発電機全体の側面図、図５（Ｂ）は風車の正面図、図５（Ｃ）は翼の断面図である。
風力発電機２０１は、図５（Ａ）に示すように、地面に設置された支柱２１０と、支柱２１０の上端に固定されたナセル２２０と、ナセル２２０に取り付けられた風車２３０などを備える。風車２３０は、図５（Ｂ）に示すように、水平方向の回転軸２３１と、同回転軸２３１に放射状に連結された３枚の翼２３２（ブレード、羽根）を備える。回転軸２３１はナセル２２０内に配置された増速機を介して発電機に接続している。

図５（Ｃ）に示すように、翼２３２の断面形状は、飛行機の翼などと同様の翼型で、風上側と風下側の湾曲翼面２３２ａ、２３２ｂを有し、両面は曲線的な端部２３２ｃと、鋭くとがった端部２３２ｄとで接続している。風上側の面２３２ａに風向Ｕから風が当たると、風上側では流速が遅く、風下側では流速が速くなり、その結果、風上側で圧力が高くなり、風下側では圧力が低くなる。そして、翼２３２に風下側へ向かう揚力Ｌが発生する。この揚力Ｌの、風向Ｕに対して垂直な方向への分力Ｐにより翼が回転する。

本発明は、翼に作用する揚力を最大限活用して回転する風車を提供することを目的とする。

本発明の第１の風車は、回転軸の周りに配した翼を風力で回して動力を得る風車であって、前記翼を半径方向に沿ってネジレのない翼形とするとともに、前記軸方向の風が前記翼に当たって生じる揚力の方向と、該翼の回転方向とを一致させて、前記揚力により前記風車の回転トルクを得ることを特徴とする。

上記第１の風車によれば、翼の前縁と後縁とを結ぶ翼弦が、風向とほぼ平行であるので、翼に作用する揚力の方向と、翼の回転方向とが一致する。揚力の大きさは抗力の大きさの数倍以上程度であり、翼にかかる揚力をほぼ１００％水平軸の回転トルクに変換するので、高い風力転換効率を得ることができる。

本発明の第２の風車は、回転軸の周りに配した翼を風力で回して動力を得る風車であって、前記翼の回転領域に向けて風を集める集風フードを設けたことを特徴とする。

上記第２の風車によれば、集風フードを設けることにより、翼に向かう風の量が増え、翼に高速の風を当てることができる。翼に働く力（主に揚力）は風速の三乗に比例するので、風車の回転動力を数段高めることができる。

本発明の第３の風車は、回転軸の周りに配した翼を風力で回して動力を得る風車であって、前記回転軸の一端に第１翼群、他端に第２翼群、中間に前記回転軸を回転可能に支持する支柱を配し、前記第１翼群及び第２翼群が、風力による抗力モーメントに差が生じる構造を有することを特徴とする。

上記第３の風車によれば、風見鶏効果により回転軸が水平面内で回転して風向に向く。この際、第１翼群に働く抗力による前記支柱周りのトルクと第２翼群の抗力による前記支柱周りのトルクとに差を設けておくと、抗力トルクの大きい方の翼群が風下に位置し、小さい方の翼群が風上に位置するように回転軸が水平面内で回転する。これにより、無動力・無制御で風車を風上に向けることができる。

以上の説明から明らかなように、上記第１の風車によれば、翼に当たって生じる揚力の方向と、翼の回転方向とがほぼ一致するので、翼にかかる揚力をほぼ１００％水平軸の回転トルクに変換でき、高い風力転換効率を得ることができる。上記第２の風車によれば、翼に高速の風を当てることができるので、風車の回転動力を高めることができる。上記第３の風車によれば、抗力トルクの大きい方の翼群が風下に位置し、小さい方の翼群が風上に位置するように回転軸が水平面内で回転するので、無動力・無制御で風車を風上に向けることができる。

本発明の第１及び第３の実施の形態に係る風車を備えた風力発電機の構造を模式的に示す図であり、図１（Ａ）は全体構造を示す斜視図、図１（Ｂ）は翼の斜視図である。図１の風力発電機の風車の変形例を示す斜視図である。図１の風力発電機の支柱の基部の構造を模式的に示す斜視図である。本発明の第２及び第３の実施の形態に係る風車を備えた風力発電機の構造を模式的に示す図であり、図４（Ａ）は全体構造を示す側面図、図４（Ｂ）は風車の正面図、図４（Ｃ）は風車の後面図である。従来より知られている水平軸型風車の構造の一例を示す図であり、図５（Ａ）は側面図、図５（Ｂ）は風車の正面図、図５（Ｃ）は翼の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１を参照して、本発明の第１及び第３の実施の形態に係る風車を使用した風力発電機について説明する。
風力発電機１は、地面に設置された支柱１０と、支柱１０内に支持された、支柱１０の軸周りに回転可能な垂直回転支柱１１と、垂直回転支柱１１の上端に取り付けられたナセル２０と、ナセル２０に回転可能に取り付けられた風車３０を備える。

風車３０は、水平方向の回転軸３１と、同水平回転軸３１の一端に固定されたハブ３２に連結された第１翼群４０と、もう一方の端部に固定されたハブ３３に連結された第２翼群５０とを備える。各翼群４０、５０は、水平回転軸３１に対して放射状に伸びる４枚の翼４１、５１（ブレード、羽根）からなる。水平回転軸３１は、中間部で軸受によってナセル２０に回転可能に支持されている。ナセル２０内には、増速器や発電機などが収容されている。水平回転軸３１は、ナセル２０内において増幅器などを介して発電機に接続している。図１に示すように、第１翼群４０と垂直回転支柱１１までの距離Ｌ１は、第２翼群５０と垂直回転支柱１１までの距離Ｌ２よりも短い。

第１の実施の形態に係る風車の作用を説明する。各翼群４０、５０の翼４１、５１は同じ形状であり、図１（Ｂ）に示すように、半径方向に沿ってネジレのない翼形であって、風上側の曲線的な前縁４１ａと、風下側の鋭く尖った後縁４１ｂと、両縁間の湾曲面４１ｃ、４１ｄを有する。前縁４１ａと後縁４１ｂとを結ぶ翼弦Ｃは、風向Ｕ（平均的には水平方向）とほぼ平行であり、同方向に対して角度αだけ傾いている。風上側の前縁４１ａに風が当たると、図１（Ｂ）の上側の湾曲面４１ｃ側の流速が速く、図１（Ｂ）の下側の湾曲面側４１ｄでは流速が遅くなり、その結果、両側面間で圧力の差が発生し、翼４１に、図に示すような合力Ｒが作用する。この合力Ｒは、風向Ｕと垂直な方向の揚力Ｌと、風向Ｕと同じ方向の抗力Ｄに分解される。図に示すように、揚力Ｌの大きさは抗力Ｄの大きさの数倍程度である。翼４１、５１が受ける揚力Ｌの方向は、図１（Ａ）における翼４１の回転方向Ｓと同じであり、翼４１、５１は、この揚力Ｌにより回転する。

これに対して、図５に示した前述の従来例の場合は、翼が受ける揚力Ｌの一部（風向Ｕに対して垂直な方向への分力Ｐ）で翼が回転するものである。本発明の風車においては、翼にかかる揚力Ｌをほぼ１００％水平軸３１の回転トルクに変換するので、高い風力転換効率を得ることができる。

ただし、翼をこのような形状とすると、回転時に回転抵抗がかかるので、翼の形状や寸法、翼弦と水平面との角度などは、回転抵抗をできるだけ減らすように選択する。
この例を図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示す。
図２（Ａ）に示す翼４１は、後縁４１ｂの先端側が先細に傾斜しており、翼４１の幅が途中から先端に向かうほど狭くなっている。
図２（Ｂ）に示す翼４１は、図２（Ａ）と同様に、後縁４１ｂの先端側が先細に傾斜して、翼４１の幅が途中から先端に向かうほど狭くなっているとともに、傾斜した後縁４１ｂにヒレ部４２が形成されている。ヒレ部４２は、風車の回転方向と反対方向に折り曲げられている。ヒレ部４２は抗力を受け、この抗力が回転力に変換される。

第３の実施の形態に係る風車の作用を説明する。
両翼群４０、５０に風が当たると、水平回転軸３１は、風見鶏の原理と同様に風向Ｕに正対しようとする。前述のように、第２翼群５０と垂直回転支柱１１間の距離Ｌ２は、第１翼群４０と垂直回転支柱１１間の距離Ｌ１よりも長いので、風により第２翼群５０に働く抗力による垂直回転支柱１１周りのトルクは、第１翼群４０に働く抗力による垂直回転支柱１１周りのトルクよりも大きい。このトルクの差により、第２翼群５０が風下を向き、その反対側の第１翼群４０が風上を向いて姿勢が安定するように、水平回転軸３１が水平面内を公転して、同軸３１が風向Ｕを向く。つまり、第１翼群４０と第２翼群５０は自動的に風向Ｕに正対する。

図３に示すように、支柱１０の基部内において、垂直回転支柱１１の下端には導電性ブラシ１３が固定されている。また、支柱１０の基部には、三相電源が配置されている。導電ブラシ１３は、三相電源の導電部に接触している。

この例の風力発電機１の作用を説明する。
風車３０が図１のＵ方向から風を受けると、前述のように水平回転軸３１が風向Ｕに正対しようとする。水平回転軸３１は垂直回転支柱１１に固定されているので、水平回転軸３１は水平面内を回転し垂直回転支柱１１は支柱１０の軸周りを回転する。この際、前述のように、トルクの高い第２翼群５０が風下に位置し、第１翼群４０が風上に位置する。各翼群４０、５０の翼４１、５１は風を受けると揚力が発生する方向（図１の時計方向）に力を受け、水平回転軸３１が回転する。水平回転軸３１の回転力は、ナセル２０内において増幅器などを介して発電機に伝えられ、電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーは、支柱１０の基部において、垂直回転支柱１１の下部に固定されたブラシ１３から三相電源に供給される。

図４を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る風車を用いた風力発電機を説明する。
この例の風力発電機１０１も、図１の風力発電機１と同様に、地面に設置された支柱１１０と、支柱１１０内に支持された、支柱１１０の軸周りに回転可能な垂直回転支柱１１１と、垂直回転支柱１１１の上端に取り付けられたナセル１２０と、ナセル１２０に回転可能に取り付けられた風車１３０を備える。

風車１３０は、ナセル１２０の一体に設けられた外部分にアーム１４７で固定された集風フード１４３と、水平方向の回転軸１３１と、同水平回転軸１３１の一端に固定されたハブ１３２に連結された第１翼群１４０と、もう一方の端部に固定されたハブ１３３に連結された第２翼群１５０とを備える。この例でも、第１翼群１４０と垂直回転支柱１１１までの距離は、第２翼群１５０と垂直回転支柱１１１までの距離よりも短い。

第１翼群１４０は、図４（Ｂ）にも示すように、水平回転軸１３１（ハブ１３２）に対して放射状に伸びる４枚の翼１４１と、ナセル１２０にアーム１４７で回転不能に固定された集風フード１４３を有する。翼１４１の形状は、図１の風車と同じである。集風フード１４３は、風上側に向かって広がる円錐台状の前部１４４と、各翼１４１の周囲を取り囲む円筒状の後部１４５とを有する。集風フード１４３は、アーム１４７によってナセル１２０に固定されている。

集風フード１４３を設けることにより、翼群１４０に向かう風の量が増え、各翼１４１に高速の風を当てることができる。翼に働く力（主に揚力）は風速の三乗に比例するので、風車の回転動力を数段高めることができる。

第２翼群１５０も、図４（Ｃ）にも示すように、水平回転軸１３１（ハブ１３３）から放射状に延びる４枚の翼１５１と、集風フード１５３を有する。集風フード１５３は、風上側に向かって広がる円錐台状の形状であり、後側（風下側）の端部が、各翼１５１の前端に固定されている。第２翼群１５０に設けた集風フード１５３の前側開口の径は、第１翼群１４０に設けた第１翼群１４３の前側開口の径よりも大きい。第２翼群１５０も、集風フード１５３により風の量を増やし、各翼１５１に高速の風を当てることができるが、集風フード１５３を各翼１５１に固定しているので、構造はシンプルとなるが翼の重量が重くなる。

この例でも、両翼群１４０、１５０に風が当たると、水平回転軸１３１は、風見鶏の原理と同様に風向に正対しようとする。前述のように、第２翼群１５０の集風フード１５３は各翼１５１に固定されているので、風により第２翼群１５０に働く抗力による垂直回転支柱１１１周りのトルクは、第１翼群１４０に働く抗力による垂直回転支柱１１１周りのトルクよりも大きい。また、第２翼群１５０の集風フード１５３の前側開口の径は第１翼群１４０の集風フード１４３の前側開口の径よりも大きいので、同様に、第２翼群１５０の垂直回転支柱１１１周りのトルクが第１翼群１４０の垂直回転支柱１１１周りのトルクよりも大きい。このトルクの差により、第２翼群１５０が風下を向き、その反対側の第１翼群１４０が風上を向いて姿勢が安定するように、水平回転軸１３１が水平面内を公転して、同軸１３１が風向を向く。つまり、第１翼群１４０と第２翼群１５０は自動的に風向に正対する。

水平回転軸１３１は、中間部で軸受によってナセル１２０に支持されている。水平回転軸１３１の中間部にはかさ歯車１３４が固定されている。このかさ歯車１３４は、ナセル１２０内において、垂直回転支柱１１１の上端に固定されたかさ歯車１１３と噛み合う。垂直回転支柱１１１は、支柱１１０内を下方に延びており、下端にはかさ歯車１１５が固定されている。このかさ歯車１１５は、支柱１１０の基部に配置された発電機１６０（又はヒートポンプ）の入力軸１６１に固定されたかさ歯車１６３に噛み合う。

この例の風力発電機１０１の作用を説明する。
風車１３０が図４（Ａ）のＵ方向から風を受けると、前述のように水平回転軸１３１が風向Ｕに正対しようとする。水平回転軸１３１は垂直回転支柱１１１に固定されているので、水平回転軸１３１は水平面内を回転し垂直回転支柱１１１は支柱１１０の軸周りを回転する。この際、トルクの高い第２翼群１５０が風下に位置し、第１翼群１４０が風上に位置する。各翼群１４０、１５０の翼１４１、１５１は風を受けると揚力が発生する方向に力を受け、水平回転軸１３１が回転する。この際、集風フード１４３、１５３を設けたことにより、より高い回転動力が得られる。水平回転軸１３１が回転すると、かさ歯車１３４、１１３を介して垂直回転支柱１１１が回転し、支柱１１０の基部においてかさ歯車１１５、１６３を介して発電機１６０の入力軸１６１が回転する。そして、発電機１６０内で回転エネルギーが電気エネルギーに変換される。

以上の説明から分かるように、小型であっても翼は回転軸の取付部から軸に平行に幅広くとれ、かつ、この幅広の翼を放射状に長く任意にとれるので、大型風車並みの揚力面積を得ることができ、高い回転動力を得られる。

１風力発電機１０支柱
１１垂直回転支柱１３導電ブラシ
２０ナセル
３０風車３１水平回転軸
３２、３３ハブ４０第１翼群
４１翼４２ヒレ部
５０第２翼群５１翼
１０１風力発電機１１０支柱
１１１垂直回転支柱１１３、１１５かさ歯車
１２０ナセル
１３０風車１３１水平回転支柱
１３２、１３３ハブ１３４かさ歯車
１４０第１翼群１４１翼
１４３集風フード１４４前部
１４５後部１４７アーム
１５０第２翼群１５１翼
１５３集風フード
１６０発電機１６１出力軸
１６３かさ歯車

Claims

回転軸の周りに配した翼を風力で回して動力を得る風車であって、
前記翼を半径方向に沿ってネジレのない翼形とするとともに、
前記軸方向の風が前記翼に当たって生じる揚力の方向と、該翼の回転方向とを一致させて、前記揚力で前記風車の回転トルクを得ることを特徴とする風車。
回転軸の周りに配した翼を風力で回して動力を得る風車であって、
前記翼の回転領域に向けて風を集める集風フードを設けたことを特徴とする風車。
回転軸の周りに配した翼を風力で回して動力を得る風車であって、
前記回転軸の一端に第１翼群、他端に第２翼群、中間に前記回転軸を回転可能に支持する支柱を配し、
前記第１翼群及び第２翼群が、風力による抗力モーメントに差が生じる構造を有することを特徴とする風車。