JP2011047330A - ハイブリッド型垂直軸風車 - Google Patents

Abstract

【課題】風車の周速比が零近傍から高い値まで連続して風のエネルギーを取り出すことが出来るハイブリッド風車の構造を提供するとともに、変動する風力に対して、当該ハイブリッド風車のブレードが曲げ応力を受け疲労破壊を起こし難い構造を提供する。
【解決手段】サボニウス風車とジャイロミル風車のブレードを改変複合してハイブリッド風車とすることにより、風の揚力と抗力を同時に取り出すことができ、幅広い周速比に対して安定して風のエネルギーを取り出す。当該ハイブリッド風車のブレードの垂直軸方向の形状をダリュウス風車の懸垂曲線と成し、上下のアーム１３でブレード１８，１９の両端を支持することにより、ブレード１８，１９に曲げ応力が生じ難い構造を形成する。
【選択図】図９

Description

風力エネルギーを利用する風車の効率向上を図るハイブリッド構造の垂直軸風車に関する。

特開平11-294313 号公報

特許第3368537号公報

書物名：垂直軸風車 パワー社出版 関和一、牛山泉共著 2008年1月発行

風車の周速比が零近傍から高い値まで連続して風のエネルギーを取り出すことが出来るハイブリッド風車の構造を提供するとともに、変動する風力に対して、当該ハイブリッド風車のブレードが曲げ応力を受け疲労破壊を起こし難い構造を提供する。

サボニウス風車とジャイロミル風車のブレードを改変複合してハイブリッド風車とすることにより、風の揚力と抗力を同時に取り出すことができ、幅広い周速比に対して安定して風のエネルギーを取り出す。当該ハイブリッド風車のブレードの垂直軸方向の形状をダリュウス風車の懸垂曲線と成し、上下のアームでブレードの両端を支持することにより、ブレードに曲げ応力が生じ難い構造を形成する。

風車には風の抗力を利用して回転するものと、ブレードによる揚力を利用して回転するものの二種類がある。また回転軸が風の方向に一致する水平軸風車と、風の方向に垂直な回転軸を持つ垂直軸風車の二種類がある。垂直軸風車は風の方向に影響を受けない特徴があり、簡便な風力発電装置に多く利用されている。

ここで提案する発明は垂直軸風車に関するものである。代表的な垂直軸風車は三種類あり、風の抗力を利用して回転するサボニウス風車、ブレードによる揚力を利用して回転するものにはダリウス風車やジャイロミル風車、別名真直ダリユウス風車がある。
参考文献；非特許文献１のページ１０９

サボニウス風車の概念図を図１に示す。二つの半円筒３および４がその中心O1およびO2を半径方向にずらせ、仕切り版６で固定されている。二つの半円筒の円中心O1およびO2を通る直線の真ん中の点Ｏｓを通り垂直な回転軸２を持つ。気流１は水平に半円筒３および４に入り、風の抗力を半円筒３および４に与え、回転方向５に回転する。

次にサボニウス風車の作動原理を図２にしたがって説明する。気流７，８および９はサボニウス風車に流れ、気流７と８は合流し気流１０となって半円筒３および４で方向を曲げられ、風車に抗力を与える。気流１０は気流９と同じ方向に通過する。すなわち気流７，８，１０はＳ字を描く。
半円筒に与える抗力と中心軸１１からの距離の積の総和を見ると、
気流８，９の半円筒４に与える抗力Ｋ２、中心軸１１からの距離Ｌ２
気流１０の半円筒３にあたえる抗力Ｋ１，中心軸１１からの距離Ｌ１、
気流１０の半円筒４にあたえる抗力Ｋ３，中心軸１１からの距離Ｌ３、
とすると、回転軸Ｏｓに対する回転方向５の回転トルクＴsは次の式で示される。
Ｔs＝Ｋ１・Ｌ１−Ｋ２・Ｌ２＋Ｋ３・Ｌ３
このＴは一般にＴ＞０であり、風の方向が逆になっても、回転方向は一定である。このサボニウス風車では風の流路がＳ字型になっていることが大きな特徴である。以下、Ｓ字型気流路と呼称する。

一方、Ｋ１・Ｌ１のみならず、Ｋ３・Ｌ３の要素が回転トルクＴｓに加味されていることは、微周速比でも大きな回転力を得られることを示している。

しかし、抗力形風車の形態からして、回転周速度は風速以上には大きくならない。このことは風力発電用風車として、十分な能力を持たないことを意味する。参考文献；非特許文献１のページ９７

サボニウス風車を改良して揚力を発生させると、風速以上に周速度を上げることができ回転力の効率、すなわちパワー係数を向上出来る。図３にしたがって説明する。
アーム１３にサボニウス風車を垂直にしかも直角に固定し、サボニウス風車の回転軸Ｏｓから距離Ｌ４はなれた位置Ｏαに垂直回転可能に結合する。サボニウス風車の回転トルクＴｓは垂直軸Ｏαを回転軸として作用することになる。

この構造はジャイロミル風車とサボニウス風車が複合した形であり、サボニウス風車がジャイロミル風車のブレードの作用をしている。当該ブレード断面の前方背部から、ブレードの後方腹部に通ずるＳ字型気流路を有するので、サボニウス風車の性能を合わせ持つ構造である。この形状のブレードをサボニウス型ブレードと呼ぼう。

ジャイロミル風車について図４に示す。垂直回転軸の同心円上に，翼型１５の直線ブレード複数枚を対象翼形で垂直（回転軸と平行）に取り付けた構造である。また、サボニウス風車とジャイロミル風車またはダリユウス風車を複合する例は特許文献１に示す。これらの複合構造では次に述べる利点を持つことができない。したがって、いまだ実用に供していない。ジャイロミル風車については特許文献２および非特許文献１の第７章に詳しい。

サボニウス風車とジャイロミル風車が複合した当該構造を持つことにより、従来のサボニウス風車にない利点を持つことが出来る。

まず、サボニウス風車とジャイロミル風車の風エネルギーの比較をしよう。
風車が受ける受風面積Ｓ（掃過面積）がより大きい方が風のエネルギーを取り出すのにより有利であることは論を待たない。
従来のサボニウス風車では図１より受風面積Ｓｓは次式で現される。
Ｓｓ＝Ｈ・Ｗ
Ｈは風車の高さ、Ｗは風車の横幅
一方、ジャイロミル風車では受風面積Ｓｈは次式で現される。
Ｓｈ＝Ｈ・２・Ｌ４
一般に構造上、
Ｓｈ＞Ｓｓ
に具体化することは容易である。したがって、ジャイロミル風車の方がより大きな風エネルギーを受けることが出来、サボニウス風車とジャイロミル風車とを複合する当該構造を持たせることの利点がはっきりする。

さらに大きな利点はアーム先端に固定されたサボニウス型ブレードはＯαを中心に回転し、大きな周速度を得て揚力を発生する。図５にアームに固定したサボニウス型ブレードが揚力を生じる状態を示した。
気流１６の半円筒４に与える揚力Ｙ１、中心軸１１からの距離ｍ１
気流１７の半円筒３に与える揚力Ｙ２，中心軸１１からの距離ｍ２、
気流１６と１６が半円筒３と４にあたえる抗力Ｋ４，
とすると、回転軸Ｏαに対する回転方向１２の回転トルクＴｙは次の式で示される。
Ｔｙ＝Ｙ１・ｍ１＋Ｙ２・ｍ２−Ｋ４・Ｌ４

以上より、総合回転トルクＴは次式で現される。
Ｔ＝Ｔs＋Ｔｙ
従来のサボニウス風車やジャイロミル風車単独では見られない、双方の性能を合わせ持つハイブリッド風車であることを示している。

Ｔｙは抗力Ｋ４による反対方向のトルクＫ４・Ｌ４を受けることを示している。Ｋ４・Ｌ４を小さくすることはより大きな回転トルクＴyを得ることにつながるので、Ｋ４・Ｌ４を小さくする改良構造を次に提案する。

アームに固定したサボニウス型ブレードの改良構造を図６に示す。サボニウス型ブレードにかかる抗力Ｋ４を減らすために、サボニウス型ブレードの断面高さを減らし、サボニウス型ブレード形状の先端を丸め、後方部を漸次細くして、全体をより流線型に近づける。また、Ｓ字型気流路も流線型にする。
従来の半円筒３，４を点線で示した。半円筒３は３aに、半円筒４は４aとなる。Ｓ字型気流路内の気流を水平に保つために、S字型気流路に複数の仕切板６aを水平方向に複数枚設ける。ブレードの強度アップにも繋がる。すなわち、新しいサボニウス型ブレード１８は半円筒３aと４aおよび仕切り版６aより構成される。

新しいサボニウス型ブレード１８で構成されたハイブリッド風車は始動性を高め、高い周速比まで高能率な風車として作動する。

次に、ジャイロミル風車のブレードの曲げ応力変動について検討する。すなわちブレードの垂直方向の構造について新しい提案をする。
ジャイロミル風車の欠点のひとつに、曲げ応力変動が多く、往々にして疲労破壊に繋がる。風は常に変動している場合が多く、特に日本や山間部では多く見られている。図７にブレードにかかる曲げ応力の代表的な事例を模式図で示した。ブレード１５が支柱１４を中心に回転すると、遠心力と気流による揚力、抗力により、曲げ応力が生じ曲げ歪１６を生じる。
この曲げ歪１６が蓄積すると疲労破壊を起こし、突風や竜巻等の予想を超えた応力には破壊に繋がりやすい。

この曲げ応力歪１６を軽減するために懸垂曲線を検討する。ロープや電線などの両端を持って垂らしたときにできる曲線を懸垂曲線と言い、カテナリー（catenary）曲線とも呼ばれる。また風車の世界ではトロポスキエンとも呼ばれている。(参考文献１のＰ110)

縄跳びのとき縄が形作る曲線でもある。縄のどの位置を見ても同一の張力が引き合ってつり合っている。すなわち、曲げ応力は生じていないのである。この曲線をブレードに用いるならば、ブレードに曲げ応力が生じないことから、引っ張り応力に耐える設計をすればよいことを示している。

懸垂曲線の標準的なモデルは双曲線関数であり、

と書くことができる。またこのモデルは、y 軸を対称の軸とし、このｙ軸と頂点 (0, a) で直交する。aは縄の重量や張力から決まる定数である。

垂直軸風車の場合、y軸は水平方向であり、x軸は垂直軸方向である。ｙ軸方向に働く力は回転に伴う遠心力と風の気流による揚力と抗力である。

この形状のブレードが回転すると、ブレードの垂直軸方向にそって任意の点で接線方向に同じ引っ張り応力が生じ、曲げ応力が生じない特徴がある。ブレードは直線翼より強度上強くなるので、風力変動の多い風車ブレードにとって最適な形状といえる。また、回転周速度が最大になる頂点 (0, a)近傍で揚力が最大になる。

この曲線を採用した例に図８に示すダリユウス風車がある。翼形ブレード１５は高い支柱の上部から懸垂曲線を描いて支柱の下部に至る。このブレードは通常複数枚取り付けられる。構造上ジャイロミル風車より受風面積を大きく取ることができ効率が高く、多くのエネルギーを取り出すことが出来る。

しかし、高い回転支柱１４が必要であり、ブレード１５の断面が翼形であることから始動性が悪く、実用化されていないのが実情である。

懸垂曲線を当該ハイブリッド風車に組み込むことを提案する。図９を用いて説明する。周速度が最大になり、揚力による回転トルクが最大になる頂点 (0, a)近傍を回転支柱１４から水平に伸びた二本のアーム１３で支持する。ブレード１８は懸垂曲線１９を描く。高い回転支柱を無くするとともに、ブレードを曲げ応力から開放することが出来る。図９の（イ）は側面図であり、（ロ）は側面図に指示したＡ-Ａ断面図である。

図９の（ロ）ではブレードの断面形状を新しいサボニウス型ブレード１８の形状で示しているが、上に述べた曲げ応力が生じないという性質はブレードの断面形状に無関係であるという特徴を持っており、懸垂曲線１９を描くブレードの構造は広範囲に利用できる。

サボニウス風車の概念図 サボニウス風車の作動原理 アームに固定したサボニウス風車 ジャイロミル風車 アームに固定したサボニウス型ブレードの揚力 アームに固定したサボニウス型ブレードの改良構造 ブレードにかかる曲げ応力 ダリユウス風車 ブレードが懸垂曲線を持つハイブリッド風車

１ 気流
２ 垂直回転軸
３ 半円筒
５ 回転方向
６ 仕切り版
１１ 中心線
１３ アーム
１４ 回転支柱
１５ 翼型ブレード
１７ 気流
１８ 新しいサボニウス型ブレード
１９ 懸垂曲線

Claims (2)

1. ブレード断面の前方背部から、ブレードの後方腹部に通じ、仕切り版６aで区切られたＳ字型気流路を有する垂直軸風車のブレード１８。
2. 回転する垂直軸に結合されて水平に伸びた上下二本のアーム１３にブレード１８の両端が固定され、さらに垂直方向の形状が懸垂曲線１９を成すブレード１８をもって構成される垂直軸風車。