JP2011064202A - 風車 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電などに利用可能であり、風向きに関係なく全方向に対応して回転でき、通常の風から台風などの強風時においても安定した回転を実現できる風車を実現することを課題とする。
【解決手段】鉛直方向の支持軸の周囲に螺旋状に回転羽根が設けられてなることを特徴とし、この回転羽根は、支持軸の取り付け位置を起点として、外周側になるにつれて、傘状に徐々に垂下する湾曲した形状となっており、回転羽根の表面に複数の風受け板が設けられていることを特徴とし、また、風を捕集して内部に風を取り込むための湾曲したカバー型の補助翼が設けられ、該補助翼内に流入した風を回転羽根の反対面側に流出させるための開口部が設けられていることを特徴とする風車としたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風力発電などの動力源となる風車に関し、特に強風時にも安定した動力を確保できる風車に関する。

従来より、風力発電装置用として、各種の風車が開発されている。従来公知の風力発電用の風車として、回転軸の設定により、水平軸型と垂直軸型がある。

また、回転力の発生形態により、風の流れの中におかれた羽根に働く力の中で、風の流れに垂直方向に働く力を利用する揚力型と、風の流れに平行方向に働く力を利用する抗力型がある。

現在、広く使用されている風車の大部分は、水平軸型で、かつ、揚力型のプロペラ型がある。この風車は、大型構造でありながら発生トルクが小さく、また、風向制御を必要とする。

日本の場合には、海外と比べて、風の条件が大きく異なり、風の方向が年間を通じて大きく変化し、その方向は３６０度、全方向に対応した構造の風車が必要である。

また、このプロペラ型は、さらに支持物上部に動力伝達装置や発電機等がある為、振動が起こり易く騒音も大きい。さらにそれらの保守点検が困難である等の問題もある。

次に、垂直軸型、かつ、揚力型のダリウス型は、自己起動が不可能である為、補助手段を必要とし、また風速変動に対する制御が困難であり、振動も多く、さらに発生トルクが小さい等の問題が指摘されている。

また、小型用として一部で使用されている垂直型、かつ、抗力型のサボニウス型は、風速変動に対する制御が困難で、風の受圧面積が大きい割には低効率であり、出力当りの装置重量が大で、余り経済的ではない等の問題がある。

たとえば、特開２００５−２４８９３５号公報では、風の流れの中におかれた主羽根と副羽根に働く力のうち、流れに垂直方向の揚力と、流れの中におかれた受風といに平行に働く抗力とを併せ利用できるように、受風といと、主羽根と、副羽根の３個を併設して１組とした回転翼を翼支持軸により風車の垂直回転軸と結合している風力発電用の風車が開示されている。

また、特開平９−６８１５２号公報では、風向きに関係なく回転運動を生じる風力原動機として、螺旋状の回転羽根を縦式の回転軸に取り付け、これをベアリング等を利用した、軸受けに保持する縦型の支持枠に取り付けた風力原動機が開示されている。

特開２００５−２４８９３５号公報 特開平９−６８１５２号公報

現在使用されている風力発電用の風車は、欧州製が主流であるが、欧州と日本では、風の条件が大きく異なるため、そのまま導入すると、種々の問題が発生する。

特に、日本では、風の方向が１年を通して大きく変化し、季節により、逆方向の風向きとなる。欧州では、年間を通して大きな風向きの変化はない。

欧州製のプロペラ型の風車は、風向きが大きく変化する場合は、想定されておらず、３６０度、全方向に対応できない構造となっている。

前記の特開２００５−２４８９３５号公報では、風向きに関係なく、全方向対応であるが、もうひとつの日本の風の特徴である、台風のような強風での安定した回転の問題がある。

このタイプの風車では、台風はおろか、風速１５ｍ程度が限界と思われる。日本では、台風時には、風車は止めているのが現状であるが、台風のときにも使用でき、安定した回転力を得られる風車が求められている。

本発明の課題は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、風向きに関係なく、回転でき、台風などの強風時においても安定した回転を実現できる風車を実現することである。

本願発明は上記の課題を解決するために、鉛直方向の支持軸の周囲に螺旋状に回転羽根が設けられてなることを特徴とする風車としたものである。

該螺旋状の回転羽根は、鉛直方向の支持軸に取り付けられ、全方向から風を受けることができるものである。

螺旋状の回転羽根は、たとえば、スクリュー形状の回転羽根などでもよく、その螺旋形状のピッチを狭くして、揚力、抗力を受けやすくすることが好ましい。

また、回転羽根の材質は、任意でよく、剛性の金属などでも良く、適度な弾力性を有する樹脂材などでも良い。

また、螺旋面の裏面は、抗力を受けやすいように、小さな風受け板などを取り付けても良い。また、整流板を設けても良い。

本願発明は、前記の回転羽根は、外周側になるにつれて、一旦上部側に盛り上がり、その後、傘状に徐々に垂下する湾曲した形状であることを特徴とする風車とするものである。

本螺旋羽根の湾曲面は、支持軸の取り付け位置付近では一旦盛り上がった状態から徐々に垂れ下がった形状に湾曲させたものである。

湾曲状に垂れ下がる形状とすることにより、風を受ける部分は、螺旋形状の上端部と、側面部となり、これらの部分が風の入り口となる。そして、螺旋形状の内側を順次下方へ風が流れることにより、上向きの揚力が発生し、羽根が回転することとなる。

螺旋形状であっても、その螺旋面が平坦である場合と、湾曲面である場合とでは、その揚力が大きく異なる。

また、湾曲面である場合には、風がその内面側を下方へ流れていくときに、風が外部へ逃げにくくなり、螺旋の巻き数を複数段もうけることで、揚力を効果的に回転力に変換できるが、平坦面の場合には、巻数には関係なく、直ちに外部へ風が逃げてしまい、揚力は期待できない。

尚、この螺旋羽根を複数段設けても良い。

本願発明は、湾曲した回転羽根の曲率半径は、支持軸に対して垂直方向の、支持軸から回転羽根の先端までの長さに対して１００〜５００％であることを特徴とする風車としたものである。

湾曲の回転羽根の曲面は、曲率が小さいと、風を十分に受けられず、揚力及び抗力が期待できなくなる。逆に大きすぎると、抵抗が大きすぎてスムーズに回転力が得られなくなる。好ましくは回転羽根の半径（支持軸に対して垂直方向の、支持軸から回転羽根の先端までの長さ）に対して１００〜２００％、さらに好ましくは１００〜１２０％が良い。

このような、垂直軸に螺旋羽根が設けられた場合に、一方から風が吹くと、支持軸を中心として、螺旋面の入り口端面がある側には風が吹き込み、揚力が発生して回転しようとするが、支持軸を中心として、入り口端面がない側では、螺旋羽根の外面に風が当たり、逆方向に回転しようとする力が働くことになるが、湾曲しているので抵抗は非常に小さくなり、逆回転力する力はほとんど働かない。

ここで単純な螺旋羽根の場合には、羽根に直接、風を受けることになり、支持軸を中心として、左右が対称に風を受けることになり、回転がスムーズとはならないので、風の誘導手段を設けたり、左右どちらかに風除けを設けるなどの対策が必要となる。

本願発明は、回転羽根の螺旋面の始端部と終端部とは、支持軸から同一方向であることを特徴とする風車である。

螺旋羽根の風の取り込み口となる始端部と、最終的な風の出口となる終端部とは、支持軸から同じ方向に設けることが好ましい。すなわち、支持軸から同一直線上となるものである。

たとえば、始端部を回転羽根の上部とすると、終端部は、回転羽根の下部となるが、始端部と、終端部との中心軸からの方向が一致していない場合には、回転羽根全体の重量及び抵抗のバランスが崩れてしまうため、回転がスムーズにならないという問題が生じてしまう。

本願発明は、前記の回転羽根は、複数組み合わせて構成されていることを特徴とする風車とするものである。

複数の羽根部品を組み合わせて、湾曲面を有する螺旋羽根を形成できるものであれば、いずれでも良い。

螺旋の１回転づつの部品としても良く、１回転を複数の部品で構成したものでも良い。

たとえば、垂直軸に、湾曲面を有する扇形の羽根を複数組み合わせて、取り付け、螺旋羽根を形成したものでも良い。

本願発明は、前記の回転羽根は、表面若しくは裏面のいずれか一方、または両面に、風を捕集して内部に風を取り込むための湾曲したカバー型の補助翼が設けられ、該補助翼内に流入した風を回転羽根の反対面側に流出させるための開口部が設けられていることを特徴とする風車とするものである。

該補助翼は、三日月又は半月型に湾曲したカバー型の形状となっており、回転羽根と補助翼との間に風が吹き込み、その奥の回転羽根に設けられた開口部を通過して回転羽根の反対面にスムーズに流出する。

この時の補助翼に吹き込まれた時の抗力と、補助翼の奥側が狭くなっており圧力が高められ、回転羽根に設けられた開口部を通過するときの抗力により、回転羽根の回転力を高めることができるものである。

補助翼は、回転羽根の表面又は裏面のいずれでも良いが、両面に対称的に設け、開口部を共通に活用できるようにすると、効率的であり、抗力が効果的に高まり、回転力がよりアップする。

また、補助翼の取り付け数は、取り付け間隔を均等にし、３か所あるいは５か所など奇数箇所とすることが好ましい。２か所あるいは４か所など偶数箇所に取り付けた場合には、風の向きによっては、風に対する抗力が左右均等となってしまう場合があり、回転を抑制することとなるので好ましくない。

本発明は以下の効果を奏する。
１）すべての方向からの風を受けて回転させることができる。

２）螺旋羽根に横方向から風が当たるため、強風においても、適時、風を逃がしながら回転するので、台風などの強風においても安定した回転運動が得られる。

３）螺旋面は湾曲しているので、風を受ける部分と風を逃がす部分がバランスよく形成されるので、効果的に揚力、抗力が得ら、安定した回転が得られる。

４）回転羽根の始端部と終端部を同じ方向とすることで、全体のバランスが保たれ、スムーズに回転させることができる。

５）螺旋形状を複数の部品で形成することで、製作しやすくなり、螺旋の巻き数を増やした複数段の回転羽根を実現できる。

６）羽根が比較的小型であり、発電装置としてトラックなどに搭載できるので、災害時などに非常用の発電機として活用できる。

７）カバー型の補助翼を取り付けることにより、回転力を高めることができる。

本発明による湾曲面を有する螺旋羽根による風車の実施例を示す概略図である。 本発明による湾曲面を有する螺旋羽根による風車の底面図である。 本発明による螺旋羽根の鉄線フレーム部分が風を受けた状態における風の流れを示す図である。 本発明による組み合わせ構成による湾曲面を有する螺旋羽根の実施例を示す写真である。 本発明による補助翼が設けられた螺旋羽根による風車の実施例を示す写真である。 本発明による補助翼が設けられた螺旋羽根の上部から見た平面写真である。 本発明による補助翼が設けられた螺旋羽根の下部から見た底面写真である。 本発明による補助翼が設けられた螺旋羽根による風車のＡ、Ｂ方向から見た側面写真である。 本発明による補助翼が設けられた螺旋羽根による風車のＣ、Ｄ方向から見た側面写真である。 本発明による補助翼が設けられた螺旋羽根による風車のＥ、Ｆ方向から見た側面写真である。 本発明による補助翼が設けられた螺旋羽根による風車のＧ、Ｈ方向から見た側面写真である。 本発明による補助翼が設けられた螺旋羽根の補助翼部の断面図である。 本発明による湾曲面を有する螺旋羽根の風車特性試験結果を示す表である。

本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は、本発明による湾曲面を有する螺旋羽根による風車の実施例を示す概略図である。図２は、底面から見た概略図であり、鉄線フレーム６を示す図である。

本実施例は、風の流れに平行方向に働く力である抗力と、風の流れに垂直方向に働く力である揚力との両方の力を有効に活用し、台風などの強風時においても安定して回転力を発揮できる、抗・揚力型ハイブリット風車である。

本実施例の抗・揚力型ハイブリット風車は、回転軸２に鉄線６をフレームとして、グラスファイバー樹脂で螺旋羽根１を形成したものである。

本実施例である抗・揚力型ハイブリット風車の回転羽根１は、回転軸２に対して左回転する。

３は、螺旋羽根１の上部の端面である、始端部であり、４は回転羽根１の下部の端面である終端部である。

ここで、風は、上記の始端部３から吹き込み、回転羽根１の下面に流れる。このときに揚力が働き、回転羽根１が上部に押し上げられ、左回転するものである。

そしてさらに、螺旋羽根１の各段の隙間５から風が入り込む。この場合には、フレームとなる、鉄線６が回転軸２を中心として、図２に示すように、放射状に配置されており、かつ、先端側が右側に湾曲している。すなわち、回転方向とは逆方向に湾曲している。

この鉄線６が螺旋羽根１の格段の隙間５及び下部側から入り込んだ風を受けることになる。すなわち、風受け面として有効に機能し、効果的な抗力を発揮するものである。

図３は、螺旋羽根の鉄線フレーム部分が風を受けた状態における風の流れを示す図である。

Ｗは風の方向を示し、６Ａ、６Ｂは、鉄線フレームを示し、Ａ、Ｂは、鉄線フレーム付近の風の流れを示す。

図のように、螺旋羽根１が湾曲していることにより、この螺旋羽根１に当たる風のうち、回転軸２に対して、右側は、この鉄線６Ａが風を受けて大きな抗力となり、矢印Ａのように流れ、回転力を増強する。

一方、左側の鉄線６Ｂは、風を受け流すため、抗力は小さいので、回転の妨げとはならない。

さらにまた、回転軸２を中心として、右側へ吹き込んだ風は、螺旋形状の下がり面を流れるので、揚力が働き、左回転を補強する。

回転軸２の左側に吹き込んだ風は、螺旋形状の上がり面を流れるので、揚力は小さく、逆回転するほどの力はなく、そのまま外部に流れて出て行くことになる。

本例では、回転羽根１は２段のものである。回転羽根１は、傘形状に下部側に湾曲している。

このように、下部側に湾曲していることにより、単純な螺旋形状ではないことにより、側方からの風に対して、回転軸２の右側と左側での風の受け方、揚力及び抗力の力が異なり、効果的な回転力を発揮し、かつ、風を効果的に逃がしながら回転し、バランスよく安定した回転を実現できるものである。

〔実験例１〕
本実施例の回転羽根を用いて作動試験を行った。工場用扇風機を用いて、作動試験を実施した。

本発明による螺旋羽根の風車を回転軸受け台に設置し、２ｍ離れた位置から工場用扇風機で送風を行った。風力は、中程度でおこなった。

本風車は、送風とともに、ゆっくりと回転を開始し、毎分６０〜１００回転程度まで回転数が上昇した。

〔実験例２〕
台風時に屋外で作動試験を実施した。

台風接近時に、屋外に、本発明の螺旋羽根の風車を回転軸受け台に設置した。

風が強くなってくるともに、回転数が高くなった。毎分２００〜３００回転程度であった。

暴風域になった状態においても、回転数は高くなっていたが、安定して回転していることが確認できた。
図４は、本発明による組み合わせ式の湾曲面を有する螺旋羽根による風車の実施例を示す概略図である。

本例では、回転軸１１は、硬質樹脂性であり、該回転軸１１に回転羽根単体１０を取り付ける固定金具１２を設けて、回転羽根１０を５枚取り付けた状態を示す。

この回転羽根単体１０は、組み合わせることで、外面は、平坦になるが、内部は、図に示すように、各々内側に湾曲した羽根が飛び出している。

この飛び出した羽根が形成されていることで、螺旋羽根の下部側から吹き込んだ風を受けて、回転力を高めるようになっているものである。

図５は、本発明による補助翼が設けられた螺旋羽根による風車の実施例を示す写真である。

螺旋羽根２０の外周部の上下両面に、１２０度位相ごとに、三日月型に湾曲したカバー型の補助翼２１が設けられている。

この写真は、箱形の架台２２上に、本発明の風車の軸２３を３本のパイプ枠２４に取り付けて固定したものであり、風洞実験を行うために、設置したものである。

図６は、本発明による補助翼２１が設けられた螺旋羽根２０を上部から見た平面写真である。

補助翼２１の入口部分は三日月状に湾曲させ、螺旋状の回転羽根２０をカバーするように設けられている。

図７は、本発明による補助翼が設けられた螺旋羽根を下部から見た平面写真である。

補助翼２１に流入した風は、図に示す回転羽根の開口部２５から下部側に流出することになる。

本発明の補助翼２１の取り付け状況は、解りにくいので、図６の平面写真に示すＡ〜Ｈの８方向から見た側面写真を図８〜図１１に示す。

本実施例では、螺旋は２回巻きであり、補助翼２１は、１２０度位相ごとに、２段で上下に６か所づつ設けられており、上下の補助翼２１は対称的に設けられ、回転羽根２０の開口部２５は、上下の補助翼２１が共通となるように設けられている。

図１２は、本発明による補助翼が設けられた螺旋羽根の補助翼部の断面図である。

本実施例の補助翼部２１は、三日月型に湾曲したカバー型の形状であり、螺旋状の回転羽根２０の上面と下面の両方に相対するように対称に取り付けられており、その補助翼２１の奥部の回転羽根２０に上面と下面とを連通する開口部２５が設けられている。

これにより、上部の補助翼２１ａの入口部２１ｃから流入した風は、補助翼２１ａ内部を矢印のように流れ、奥に行くに従って圧縮され、開口部２５を通過して下部の補助翼２１ｂから流出する。

この時に大きな抗力により、回転力が増強されることとなるものである。

この補助翼２１は、湾曲したカバー形状であるため、入口と反対側からの風は抵抗なく流れる。また、取り付け位置が１２０度位相ごとに設けられているため、風の向きにより、風車の左右の抗力が釣り合ってしまうことはなく、スムーズに回転できるものである。

図１３は、本発明による湾曲面を有する螺旋羽根の風車特性試験結果を示す表である。

本発明の湾曲面を有する螺旋羽根の風車について、台風などの強風時での実証試験として、琉球大学の風洞実験装置を用いて風速５ｍ／ｓ〜５０ｍ／ｓまでの風洞実験を行った。

図１３の表は、その実験結果を示す一覧表である。Ｔｙｐｅ２は、本発明の湾曲面を有する螺旋羽根の風車（図１のタイプ）であり、Ｔｙｐｅ３は、補助翼付きの螺旋羽根の風車（図５のタイプ）を用いた。

Ｔｙｐｅ２は、風速３５ｍ／ｓ、Ｔｙｐｅ３は、風速５０ｍ／ｓでの確実な回転実績が得られ、台風時においても問題なく発電を可能とする風車であることが確認された。

無付加での回転数は、４５０ｒｐｍを超える回転数が得られ、回転力、トルク共に良好な結果が得られた。

風力又は水力を動力として利用するものであればいずれにも使用可能である。また、風車が小型になるので、災害時の移動式発電装置として活用することもできる。

１、２０ 回転羽根
２、１１、２３ 回転軸
３ 始端部
４ 終端部
５ 各段の隙間
６ 鉄線（フレーム）
１０ 回転羽根単体
１２ 固定金具
２１ 補助翼
２２ 架台
２４ パイプ枠
２５ 開口部

Claims (5)

1. 鉛直方向の支持軸の周囲に螺旋状に設けられた回転羽根が、外周側になるにつれて、一旦上部側に盛り上がり、その後、傘状に徐々に垂下する湾曲した形状をなしていることを特徴とする風車。
2. 湾曲した回転羽根の曲率半径は、支持軸に対して垂直方向の、支持軸から回転羽根の先端までの長さに対して１００〜５００％であることを特徴とする請求項１に記載の風車。
3. 前記の回転羽根の螺旋面の始端部と終端部とは、支持軸から同一方向であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風車。
4. 前記の回転羽根は、複数組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の風車。
5. 前記の回転羽根は、表面若しくは裏面のいずれか一方、または両面に、風を捕集して内部に風を取り込むための湾曲したカバー型の補助翼が設けられ、該補助翼内に流入した風を回転羽根の反対面側に流出させるための開口部が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の風車。