JP2011169267A

JP2011169267A - 縦軸風車

Info

Publication number: JP2011169267A
Application number: JP2010034866A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Suzuki; 政彦鈴木
Original assignee: Global Energy Co Ltd
Current assignee: Global Energy Co Ltd
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】本願発明は、翼支持腕とブレードの改良により、縦軸風車のブレードの回転効率を、特に低風速でも高めることの出来る縦軸風車を提供することを目的としている。
【解決手段】発電機に連結された縦主軸３の周囲に、支持腕５を介して縦長ブレード６を垂直に配設し、支持腕５は、縦主軸３を支点とし、遠心部に定めた力点にブレード６を配してなる縦軸風車１において、前記発電機のコギングトルクに抗して、前記支持腕５を回転させるために必要な力点における回転力が、目標とする風速における回転力値の最小として計測される位置を力点として、ブレード６が配設されてなる縦軸風車１。
【選択図】図１

Description

本願発明は、風力発電用の縦軸風車に係り、特に低風速でもブレードの回転効率が高い縦軸風車に関する。

小型風力発電用の縦軸風車には、様々な型式のものが開発され、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００６−１１８３８４号公報

従来の縦軸風車においては、縦主軸に支持腕を介してブレードを装着しているが、回転効率については、風車の受風面積や風速についてのみしか検討されていない。また支持腕の形状や、翼弦長が、回転効率を高めるという点に関する詳細な研究報告は見られない。
本発明は、ブレードの位置が、縦軸風車における回転効率と大きく関わることを認識し、ブレードの位置決め理論、翼弦長の割出し理論を確立し、更にブレードの支持腕の構造の改良により、縦軸風車のブレードの回転効率を高め、特に、低風速でも、効果的に発電し得るようにした縦軸風車を提供することを目的としている。

本発明の具体的な内容は次の通りである。

（１）発電機に連結された縦主軸の周囲に、支持腕を介して縦長ブレードを垂直に配設し、支持腕は、縦主軸を支点とし、遠心部に定めた力点にブレードを配してなる縦軸風車において、前記発電機のコギングトルクに抗して、前記支持腕を回転させるために必要な力点における回転力が、目標とする風速における回転力値の最小として計測される位置を力点として定め、ブレードが配設されてなる縦軸風車。

（２）前記ブレードの弦長を、回転半径をブレード数で割った数値相当に設定し、その横断平面形を、前縁部が厚く、後縁部へかけて次第に薄くした略魚形とし、かつ翼弦中心線が、ブレードの回転円弧上に重なる形状とし、翼弦中心線を境とした内外形を対称形としてなる前記（１）に記載の縦軸風車。

（３）前記支持腕の縦断面を、前縁部を厚くし後縁部へかけて次第に薄くした略魚形とし、水平とした厚さ中心線を挾んで、上下対称形に形成され、支持腕の最大厚は、基部から先端部へかけて、次第に薄く設定されてなる前記（１）又は（２）に記載の縦軸風車。

（４）前記支持腕を、平面視で基部から遠心方向へ次第に弦長を大とし、基部の厚さを厚く、遠心方向へ次第に薄く形成してなる前記（１）〜（３）のいずれかに記載の縦軸風車。

（５）前記支持腕は、縦主軸に装着される回転体の周囲に、放射方向へ向いて配設され、かつ同一方向において上下対称の一対の傾斜支持腕とし、その各先端部は、上下で相反する方向へ離反する傾斜状とされてブレードに固定されてなる前記（１）〜（４）のいずれかに記載の縦軸風車。

本願発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（１）に記載の発明において、ブレードの位置決めに際して、発電機のコギングトルク及び増速負荷に、ブレードの回転が抑制されないことが必要になる。発電機は構造によって、コギングトルクも差がある。
発電機に連結した縦主軸に固定された回転体に、仮の長い支持腕を装着して、縦主軸を支点とし、支持腕の力点にフレードを配設するものとして、支持腕に対して、例えばバネ秤で回転方向へ引いて負荷をかける。例えば支持腕を動かすために、２００ｇの負荷を要したときは、その位置にブレードを配設すると、ブレードは２００ｇ以上のトルクを出せなければ風車を起動することが出来ない。
更に遠心方向へ移動して、その位置で支持腕を動かすために例えば５０ｇの負荷を要したときは、その位置にブレードを配設すると、ブレードに対して５０ｇ以上の風のトルクを得なければ、ブレードは回転しない。
この負荷が１０ｇの時には、風速により１０ｇ以上のトルクがあれば起動する。従って、例えば風速０．５ｍ／ｓでも、縦軸風車を回転させることが可能である。これにより力点を探り、起動風速、及びブレードの面積が決まってくるが、低風速で起動させるには、半径が小さいほど効率が悪いことは言うまでもない。
半径をブレードの枚数で割って翼弦長を決めると、１０ｇ以下の負荷で支持腕を動かすことのできる位置に、大きなブレードを取付けると良いことになる。この位置では、起動させるために、ほとんどトルクを要しないことになり、そこへ風力エネルギーがかかり、翼面積×風速の３乗というトルクが得られるため、半径の大きな風車ほど低風速で起動できることになり、風速があがれば更に３乗でブレードのトルクは大きくなる。
従って、例えば風速０．５ｍ／ｓでも、縦軸風車は起動することができることになり、いったん回転すると、ほとんど失速を起さなくなる。
すなわち、発電機のコギングトルク及び増速負荷に対しては、ブレードの位置が発電機の主軸に近ければ、回転させるための負荷が大きく、主軸から遠ざかれば、梃子の原理の作用により、ブレードに当る風力は小さくても容易に回転する。
一般的に、５ｋｗ／ｈの発電機の増速負荷では、ブレードが主軸から２ｍ以上離れれば回転させることが可能である。これにより、発電機の大きさから、ブレードの回転半径を検討し、設置場所における風況から、ブレードの好ましい受風面積を容易に検討することができる。

前記（２）に記載の発明においては、ブレードの現長を、回転半径をブレードの数で割った数値相当としているので、例えば２枚であれば、現長は半径の半分となる。
このように、受風面積の広いブレードが、発電機のコギングトルク及び増速負荷の抑止力の影響を受けにくい位置にあるので、風速の低い風によっても、容易に回転をして、発電効率を高める。
ブレードの横断平面形が、前縁部が厚く、後縁部へかけて次第に薄くした略魚形とし、最大翼厚を、例えば弦長の２０％〜３０％とすると、従来では抵抗になるとされていたが、ブレードの内外面に沿って通過する気流は、コアンダ効果によって、前縁に負圧を生じさせ、かつ、後縁部に通過した高速気流が、後域の気圧を高めて気圧の差を造り、後方へ流動した気流による反作用により、ブレードの回転効率は高められる。
かつ翼弦中心線が、ブレードの回転トラック上に重なる形状として、ない外形を、翼弦中心を境とする対称形としてあるので、回転時の抵抗は小さい。

前記（３）に記載の発明においては、支持腕の縦断面が、前縁部を厚く、後縁へかけて次第に薄く形成し、かつ翼弦中心線の上下で対称形に形成してあるので、風車の回転時に、翼支持腕に当る気流は、コアンダ効果により、支持腕の前縁部においては負圧が生じ、後縁部においては、高速で通過した気流が、後方の気流密度を高めて気圧を高めるので、支持腕の前後の気圧差によって、支持腕は回転する前方向へ押されて、ブレードの回転効率は高められる。
この場合、支持腕の縦断面が、翼弦中心線の上下で対称形に形成されているので、支持腕の片面方向へ、飛行機の翼のような揚力が生じることがなく、回転方向への前進力が生じる。

前記（４）に記載の発明においては、支持腕の平面形は、基部から先端部へかけて次第に弦長を大として、基部を厚く、先端部へかけて次第に薄くしてあるため、支持腕を長くしたときに、基部の剛性が高くなる。

前記（５）に記載の発明においては、上下で１対の傾斜支持腕が、上下でそれぞれ先端部を相反する方へ離反する傾斜として、その先端部をブレードに固定してあるので、ブレードの長さが長くても上下２点で支持され、安定が良好であり、かつ剛性も高い。
支持腕は、中心線を中心として、上下が対称に形成され、前縁が厚く後縁にかけて、次第に薄く形成されているので、回転時に支持腕に当る気流は、コアンダ効果により高速で後縁を通過し、その反動として、支持腕を回転する前方向に押出すので、ブレードの回転効率は補助的に高められる。
また上下対称の１対の支持腕が、上下対称的に傾斜しているので、回転時に各支持腕に沿って基部から遠心方向へ移動する気流は、従来の水平な支持腕におけるよりも、高速となり、定時間内において高速となり、その結果水平な支持腕のそれよりも、定時間内における流量が増加する。増加した流量はブレードに当り、ブレードの後縁に沿って反回転方向へ通過し、その反動で、ブレードを回転する前方向へ押出し、回転効率は高められる。

本発明の縦軸風車におけるブレードの、支持腕の長さ設定に関する説明図である。本発明に係る縦軸風車の実施例１の正面図である。図１におけるIIーII線縦断面図である。本発明に係る縦軸風車の実施例１の平面図である。支持腕の説明用の要部正面図である。本発明に係る縦軸風車の実施例２の正面図である。

本発明の実施例を、図面を参照して説明する。図１は、縦軸風車におけるブレードの位置決め方法に関する説明図である。
縦軸風車１における発電筐体２には、図示しない発電機と、その付属の増速機、及びブレーキ等が配設され、発電機に連結して立設された縦主軸３の上部には、回転体４が装着されている。回転体４には放射方向を向く、複数の支持腕５が装着され、その先端部には、縦長のブレード６が垂直に配設されている。

上記の構成において、従来、支持腕５に対するブレード６の取付位置については、確たる理論的根據なく、任意に設定されている。ブレード６の大きさや形状については、十分に検討されているが、発電機を効果的に回転させるためには、発電機の有しているコギングトルク及び増速負荷を凌ぐ風力が、ブレード６に作用しなくてはならないことは言うまでもない。

一般的に、風力発電のためには、地上１０ｍの高さにおけるカットイン風速が３〜４ｍ／ｓであって、定格風速が１０ｍ／ｓ程度の風が、年間２０００時間（１日５．５時間）吹かなくては、企業採算に合わないとされている。
しかし、我国においては、風況のよい場所でも、風速７ｍ／ｓ以下のところが多く、かつその継続性も小さい。

従って、低風速域において、有効に発電することができる実用的な縦軸風車が求められている。ちなみに、従来の縦軸風車の風車効率は、一般に３０％以下であり、機械的ロスも大である。

本発明の発明者は、縦軸風車のブレードについて、鋭意研究と改良を重ねた結果、風車効率を驚異的に向上させることに成功しているが、その研究の過程で、縦主軸に対するブレードの最適取付位置の設定に関して、新規な理論を完成した。

図１において、縦主軸３を梃子における支点と仮定し、発電筐体２内の発電機のコギングトルクの作用点をＸとし、支持腕５の長さの特定位置を力点ａ、ｂ、ｃ、ｄとして、梃子の原理をあてはめ、作用点Ｘにおけるコギングトルクと、力点の釣り合いが取れる位置を探す。

図１において、支持腕５の力点ａを、バネ秤Ｍで回転方向（Ｒ矢示）へ引いて、２００ｇの牽引力を要した場合、この位置に縦長ブレード６を配設すると、ブレード６に２００ｇ以上の前向の風力が作用しなければ、ブレード６は回転しない。

力点ｂにおいて、バネ秤Ｍで支持腕５を回転方向（Ｒ矢示）へ引くのに、１００ｇの牽引力を要する場合、この位置にブレード６を配設すると、ブレード６に１００ｇ以上の風力が作用しなければ、ブレード６は回転しない。

力点ｃにおいて、バネ秤Ｍで支持腕５を回転方向（Ｒ矢示）へ引くのに、５０ｇの牽引力を要する場合、この位置にブレード６を配設すると、ブレード６に５０ｇ以上の風力が作用しなければ、ブレード６は回転しない。

同様に力点ｄにおいて、バネ秤Ｍで支持腕５を回転方向（Ｒ矢示）へ引くのに、１０ｇの牽引力を要する場合、この位置にブレード６を配設すると、ブレード６に１０ｇ以上の風力が作用しなければ、ブレード６は回転しない。

しかし、実件によると、前記力点ｄにおいて、バネ秤Ｍの牽引力が１０ｇである時には、風速０．５ｍ／ｓでも、ブレード６を回転させることが可能であり、バネ秤Ｍの牽引力が１ｇ以下である時には、作用点Ｘにおけるコギングトルクは変らなくても、作用点Ｘから、力点ｄの位置が大きく離れているために、梃子の原理によって、限りなく微弱な力でも回転させることが可能となることが確かめられた。

従って、風速２ｍ／ｓ程度の風であれば通常的に吹いているという場所に、２ｋｗ／ｈの発電機を設置したい場合には、図１における発電筐体２内の発電機を２ｋｗ／ｈとし、支持腕５としては、長さの長い物を仮に配設して、コギングトルクＸに対して、力点における前記バネ秤Ｍの牽引力がゼロに近くなる位置、すなわち図１において点ｄより右側の部分を測定検出することによって、ブレード６の配設に最適な力点位置、すなわち好ましいブレードの回転半径を容易に設定することができる。

縦軸風車１の出力は、ブレード６の受風面積×ブレード６のパワー係数で決まり、風速の３乗に比例するから、同じ面積のブレード６でも、風速が大であれば、発電量も大となる。

縦軸風車１の回転時におけるブレード６の周速比が、例えば１．７〜２で、回転数毎分３００回転において、ブレード６の回転半径を０．７ｍ、ブレードの長さを５．５ｍとして、風速１２ｍ／ｓであれば、２．１ｋｗの出力をすることが可能であるが、低風速時には、縦軸風車１が自己起動をすることが困難である。

そこで、例えばブレード６の回転直径を５ｍとすると、同じ発電機で、５倍の増速機を介在させて、回転初期に大きな負荷をかけても、ブレード６に回転方向の小さな風力をかけるだけで、容易にブレード６を回転させることができる。

すなわち、梃子の原理に当てはめて、発電機のコギングトルクを作用点、縦主軸３を支点と見なし、支持腕５上の一点を力点と見なして、作用点の力（コギングトルク）に対して、力点における力がゼロで支持腕５を回転させることができる位置にブレード６を配設すると、息をかける程度の、力点に対する微弱な風力で、コギングトルクの抑止力を受けずに、ブレード６を回転させることができることがわかる。

ブレード６の回転半径と、回転に要する風力の関係は、実験によると、半径１ｍの位置に力点を置いた時、この力点で回転に要する負荷は１６０ｇであった。これは天秤秤が支点を中心にして、水平に釣り合うことと同じであり、この発電機におけるコギングトルクは、支点から力点までの距離１ｍにおいて、１６０ｇの力を負荷して釣り合うことになる。従って、回転半径１ｍの力点では、１６０ｇ以上の風力が作用しなければ、ブレード６は回転しない。

半径１．５ｍの位置に力点を置くと、この力点での回転に要する負荷は１１０ｇであった。力点が半径２ｍの位置では、この力点での回転に要する負荷は８０ｇであった。すなわち、半径２．５ｍで、これに要する負荷は６４ｇ程度である。これは、縦軸からブレードまでの距離が２．５ｍであれば、風速２．５ｍ／ｓ以上の風速で回転させることが可能であることを意味している。

我国において、風況の良い場所における風速は、一般に７ｍ／ｓ以下であるとされている。従って、風速６ｍ／ｓ〜７ｍ／ｓの風力で、１ｋｗ／ｈの出力を得るには、縦軸風車１におけるブレード６の回転半径が２ｍ以上あれば容易に可能となる。この場合、ブレード６の受風面積と発電機の出力と、平均的な風速値とが勘案される。

本発明の実施例１の正面図である図２において、縦軸風車１は、基台９上に立設された支柱１０の上端に固定された発電筐体２を備えている。発電筐体２の中央部には、縦主軸３が、上部を上方へ突出されて立設され、その周囲に複数の発電コイル８が配設されている。

前記縦主軸３の上部には、発電筐体２を覆うように回転体４が、縦主軸３周りを回転可能に装着されている。回転体４の内部には、復数の磁石７が、前記発電筐体２内の発電コイル８と対応させて配設されている。図中の符号４Ａはベアリング、４Ｂは回転体４の蓋体である。

回転体４の外周部には、２枚の縦長のブレード６、６が、傾斜支持腕５１、５１を介して装着されている。ブレード６の弦長は、ブレード６の回転半径を、装着するブレード６の枚数で割った長さ相当に設定されている。

すなわち、縦主軸３とブレード６との距離、すなわち半径が２００ｃｍで、ブレード６が２枚であると、ブレード６の弦長は１００ｃｍとされる。ブレード６が５枚であると、その弦長は４０ｃｍとなる。

これにより、各ブレード６は、回転体４の周囲を、それぞれの弦長の２倍以上の間隔を開けて配設されることとなり、回転時に、各ブレード６によって生じる気流の干渉などの影響を受けることが小さくなっている。

ブレード６の枚数が増えると、ブレード１枚あたりの翼弦長は小とされ、翼厚が小さくなるため、ブレード６の内外面に沿う気流の速度差は小さくなる。従って、ブレード６の枚数を可能な限り減少させて、１枚当りの翼面積を増加させることで、最大翼厚を大として、回転時における、ブレード６の内外面に沿う流速の差を大きくすることにより、コアンダ効果によりブレード６を回転する前方向へ押出す力を、大きくすることができる。

従来の縦軸風車では、翼弦長の小さなブレードの方が効率が良いとされているが、この場合、ブレードの表面積は小さいため、高速回転をしても回転トルクは小さい。
また、ブレードの翼弦長が小さいと、高速回転をするので、大きな力を得られるとしているが、発電量は、風車の回転数とトルクの積であるから、回転トルクの小さなブレードが高速回転をしても、必ずしも大きな出力は得られない。

本発明におけるブレード６は、翼弦長を回転半径をブレード６の数で割った値に相当する広幅のものとしてあるから、この広い受風面積を有する広幅のブレード６が、大きな半径を描いて回転すれば、小さなブレードが回転するよりも、圧倒的に大きな出力を得ることができる。
しかも、ブレード６が配設される位置は、発電機におけるコギングトルクの抑制を受けにくい個処であるので、回転効率を大にすることができる。

ブレード６の枚数が増え、例えば５枚を超えると、傾斜支持腕５１、５１による回転時の抵抗が増加するので、回転効率は低下する。ブレード６の枚数が１枚である場合には、回転時における縦主軸３を中心とした、左右のバランスが取りにくいため、１本の縦主軸３に対して、ブレード６を多段に１枚づつ配設し、各段ごとのブレード６の位相を、３６０度でバランスよく上下に割振りして、１回転することで、全体のバランスをとるようにされる。

ブレード６の横断面は、図４に示すように、ブレード６の翼厚中心線（平均線）Ｃの内外面における翼厚が、対称的になるようにされている。図４においては、ブレード６の翼厚中心線Ｃが、回転円弧Ｔに重なっており、いわゆるキャンバーは０である。ブレード６の翼厚中心線Ｃは、この回転円弧Ｔに重なるように設定されているので、回転時の抵抗は小さい。

図４において、ブレード６の主部６Ａは、平面視において、全体が回転円弧Ｔの曲線に沿って湾曲している。従って、一般の縦長ブレードのように、回転方向に対する迎角を持たないので、回転方向の迎角を有する従来のブレードのようにブレーキ作用を受けることはなく、抵抗も極めて小である。

このブレード６が回転すると、ブレード６は、翼厚中心線Ｃに対して内外が対称の厚さになっているが、回転半径の差によって、回転時において、内側面側に比して、外側面側の回転周速が大となり、外側面に沿って後縁方向へ通過する気流の方が、内側のそれよりも高速となる。従って、後縁部において、内側面側よりも外側面側が負圧となり、後縁の外側面が後方から押されて、コアンダ効果によって負圧となる前縁方向へ、気圧の差によって押出される。

ブレード６の最大翼厚は、弦長の２０％〜３０％（図では２０％）に設定されている。数度における実験の結果、２０％以下では、ブレード６に当って後縁方向へ通過する気流の、コアンダ効果による加速度が小さく、弦長の３０％を超えると、ブレード６にかかる気流の抵抗が大きくなり、コアンダ効果による回転効率が低下することが確認された。従ってブレード６の最大翼厚は、弦長の２３％〜２７％であることが好ましい。

ブレード６の主部６Ａの上下端部に、縦主軸３方向へ向かって傾斜する内向き傾斜部６Ｂが形成されている。回転時にブレード６の主部６Ａの側面に沿って、上下方向へ拡散する気流は、コアンダ効果によって、内向き傾斜部６Ｂの内外面に沿って、後方、すなわち図４におけるＷ矢示方向へ通過して、ブレード６の回転効率を高める。

各ブレード６に対する傾斜支持腕５１、５１は、図２に示すように、縦方向に従って上下に展開傾斜する上下１対のものからなっている。各傾斜支持腕５１の縦主軸３に対する傾斜角度は、約４５度とされている。

この傾斜角度は、３０度や５０度でもよいが、傾斜支持腕５１、５１の上下面に沿って通過する気流の、上下のバランスから見て４０度〜４５度が好ましい。傾斜支持腕５１、５１の先端部のブレード６に対する取付位置は、ブレード６の上下翼端から、弦長に相当する距離だけ、ブレード６の中心方向に位置していることが好ましい。

各傾斜支持腕５１の縦断面形は、図３に示すように、翼弦線Ｃ¹の上下における翼厚が等しくなるように対称形に形成されている。
仮に傾斜支持腕５１が、上向き或いは下向きの迎角を持っていると、回転に伴って抵抗となり、ブレーキ作用が生じるが、または傾斜支持腕５１の上下面に気圧差が生じて、振動が生じる。

従って、回転時に、傾斜支持腕５１の上下面に沿って、前縁部から後縁部へかけて流れる気流の速度は、上下面において等しく、回転方向の後方向へ直進的に進み、その反動で、傾斜支持腕５１、５１は、回転方向の前方へ押出され、ブレード６の回転効率を補助的に高める。

傾斜支持腕５１、５１の最大厚さは、傾斜支持腕５１、５１の弦長の２０％〜３０％、好ましくは２５〜３０％に設定され、前縁は厚く、後縁は次第に薄く、断面略魚形状に形成されている。
実験の結果、最大厚さが弦長の２０％以下では、傾斜支持腕５１の前縁から後縁へかけて通過する気流による、コアンダ効果による加速度が上昇しにくく、３０％を超えると、傾斜支持腕５１、５１に作用する気流の抵抗が大きくなり、コアンダ効果は小となって回転力が低下する。

回転時に、傾斜支持腕５１の前縁に当る気流は、その上下面に分岐するため、前縁が負圧になり、後縁域では上下面の気流が合流して気圧が高まり、傾斜支持腕５１、５１は、気圧の差によって、回転する前方向へ押出されることになり、回転効率は高められる。

また図４において、傾斜支持腕５１、５１の回転速度は、その基部よりも遠心部の方が大である。すなわち気流が点Ｏから点Ｐに至る時、点Ｑから点Ｒに至っていることになる。そのため、傾斜支持腕５１、５１の基部の表面に沿って流れる気流よりも、その先端部に近い表面に沿って流れる気流の速度の方が大となる。

これはまた、傾斜支持腕５１、５１の基部よりも、その先端に近づくほど、表面に沿う気流の気圧が低いことを意味しており、その結果、傾斜支持腕５１、５１の基部から先端方向へ、気流が気圧の差により移動することを意味し、ブレード６に傾斜支持腕５１、５１に沿って大量の気流が吹き付けて、その後縁方向へ流れ、反動として、回転効率は高められる。

この場合、もし傾斜支持腕５１、５１が、回転体４とブレード６に対して水平であると、気流は、単に遠心方向へ滑ってブレード６に当ることになるが、傾斜支持腕５１、５１が傾斜しているため、その基部から遠心方向へ移動する気流は、傾斜支持腕５１、５１の表面で抵抗を受けながら、ブレード６に当る。

そのため、図５に示すように、ブレード６の回転に伴い、回転体４の方からブレード６の方へ遠心力Ｖが作用し、ブレード６の表面に沿って流れる気流は、遠心力Ｖにより、傾斜支持腕５１、５１の傾斜面をＳ矢示方向へ滑って流れる。

この場合、水平方向の遠心力Ｖ矢示は、傾斜支持腕５１、５１の傾斜面に当り、抵抗を受けるので、その遠心力は図３における右方、すなわち後方向へ滑り、結果として、傾斜支持腕５１、５１及びブレード６を回転する前方向へ押すことになり、回転効率は高められる。

傾斜支持腕５１、５１は、翼弦線Ｃ¹を挟んで、上下対称形に形成されているので、これの回転によっては、傾斜支持腕５１、５１に上方への揚力は生じない。
また、傾斜支持腕５１、５１は、上下対称の１対となっているので、上下の中間においては、遠心力により、傾斜支持腕５１、５１から離れて、ブレード６方向へ拡散され、ブレード６に当ると、図４におけるＷ矢示方向へ流れ、その反動として、ブレード６を回転する方向の前方向へ押す。

図５において、傾斜支持腕５１、５１の傾斜する外面を、ブレード６に向かって流動する気流Ｓ矢示は、回転体４からブレード６までの距離よりも長い傾斜面を滑るので、高速となり、ブレード６に当って、上下端部の内向傾斜部６Ｂに当り、図４におけるＷ矢示方へ流れて、反動としてブレード６を回転する前方向へ押す。

傾斜支持腕５１の基部の弦長は、ブレード６の回転の障害にならないように、ブレード６の弦長の５０％〜７０％の範囲で、約６０％であると好ましい。実験の結果、弦長の５０％以下であると、コアンダ効果が小さく、回転効率にプラスとならず、７０％を超えると回転抵抗が大きくなることが確かめられた。

このように、この縦軸風車１においては、ブレード６に風速２ｍ／ｓ以上程度の風を受けると、縦長のブレード６の特性として、図４において時計回り方向に回転する。ブレード６の翼弦中心線Ｃは、ブレード６の回転円弧Ｔと重なるように構成されているので、回転抵抗は小さい。

傾斜支持腕５１、５１は、遠心方向において、上下方向に傾斜し、かつ、その断面は、翼弦線Ｃ¹の上下に対称的に、丸みを有する前縁より、後縁方向に次第に薄く形成されているため、回転時に、傾斜支持腕５１、５１に当って、上下に分岐して流れる気流は、後縁で合流して気圧を高め、ブレード６を回転する前方向へ押して回転効率を高める。

また傾斜支持腕５１、５１は、ブレード６に対して傾斜しているため、傾斜支持腕５１、５１の長さを、回転体４からブレード６までの距離よりも長くすることができる。そのため、傾斜支持腕５１、５１の表面に沿って、基部から遠心方向へ拡散する気流は、水平な従来の支持腕に比して高速度となり、一定時間内に従来の水平な支持腕よりも、多量の気流をブレード６に当てることが出来、回転効率は高まる。

このように、傾斜支持腕５１、５１は、ブレード６を支持する役目のほかに、それ自体の形状に由来するコアンダ効果に伴う気流、並びに遠心力に伴う気流の作用で、従来の水平な支持腕に比して、ブレード６の回転効率を高めることができる。

実験によると、傾斜支持腕５１、５１の最大厚さを、縦軸風車の直径が０．８ｍの物において、その弦長の２０％としたとき、従来型と比較して、平均風速約７．８ｍ／ｓの時、１０分間の平均回転数は、９．８％の増加を示した。
弦長の２５％では、１０．６％の増加を示し、弦長の３０％では、１０．２％の増加、弦長の３５％では、９．７であった。
従って、傾斜支持腕５１、５１の最大厚さは、その弦長の２５％〜３０％であることが好ましい。

図６は、縦軸風車の実施例２を示す正面図である。前例と同じ部位には、同じ符号を付して説明を省略する。
この実施例２は、ブレード６の上下方向の長さが長いときに、ブレード６の中間部が、遠心力によって外方へ湾曲することを防止するために、この中間部に水平支持腕５２を配設したものである。

この水平支持腕５２の縦断面形は、前記傾斜支持腕５１、５１のように、翼厚中心線Ｃの上下が対称な、前縁の厚いものが好ましい。弦長は小さなものでもよい。これによって、ブレード６が長い物であっても、ブレード６が湾曲するなどの虞は解消される。

なお、回転体４は、発電筐体２の上に配設されているが、縦主軸３を発電筐体２の上に立設し、その上部に回転体４を支持する型式としてもかまわない。

発電機のコギングトルク及び増速負荷の最も小さくなる位置に、ブレードを配設してあるので、回転効率が高まり、低風速でも発電することの出来る風力発電機を得ることができる。

１．縦軸風車
２．発電筐体
３．縦主軸
４．回転体
４Ａ．ベアリング
４Ｂ．蓋体
５．支持腕
５１．傾斜支持腕
５２．水平支持腕
６．ブレード
６Ａ．主部
６Ｂ．内向傾斜部
７．磁石
８．発電コイル
９．基台
１０．支柱
１０Ａ．ベアリング
１１．支柱
１２．横枠
１２Ａ．ベアリング
１３．支持枠体
ａ、ｂ、ｃ、ｄ．力点
Ｃ．ブレードの翼弦中心線
Ｃ¹．支持腕の翼弦線
Ｍ．ばね秤
Ｒ．回転方向
Ｓ．支持腕における気流
Ｔ．回転円弧
Ｖ．遠心力
Ｘコギングトルクリの作用点

Claims

発電機に連結された縦主軸の周囲に、支持腕を介して縦長ブレードを垂直に配設し、支持腕は、縦主軸を支点とし、遠心部に定めた力点にブレードを配してなる縦軸風車において、前記発電機のコギングトルクに抗して、前記支持腕を回転させるために必要な力点における回転力が、目標とする風速における回転力値の最小として計測される位置を力点として定め、ブレードが配設されてなることを特徴とする縦軸風車。
前記ブレードの弦長を、回転半径をブレード数で割った数値相当に設定し、その横断平面形を、前縁部が厚く、後縁部へかけて次第に薄くした略魚形とし、かつ翼弦中心線が、ブレードの回転円弧上に重なる形状とし、翼弦中心線を境とした内外形を対称形としてなることを特徴とする、請求項１に記載の縦軸風車。
前記支持腕の縦断面を、前縁部を厚くし後縁部へかけて次第に薄くした略魚形とし、水平とした厚さ中心線を挾んで、上下対称形に形成し、支持腕の最大厚は、基部から先端部へかけて、次第に薄く設定してなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の縦軸風車。
前記支持腕は、平面視で基部から遠心方向へ次第に弦長を大として、基部の厚さを厚く、遠心方向へ次第に薄く形成してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の縦軸風車。
前記支持腕を、縦主軸に装着される回転体の周囲に、放射方向へ向けて配設され、かつ同一方向において上下対称の１対の傾斜支持腕とし、その各先端部を、上下で相反する方向へ離反する傾斜状として、ブレードに固定してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の縦軸風車。