JP2014031735A - 翼体、風車及び風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低風速域における良好な起動性と、中風速域における高いエネルギ変換効率とを得ることができ、高風速域における速度の過大化を防止できる翼体、風車及び風力発電装置を提供する。
【解決手段】翼体１０は、第１の翼面部１１と、第１の翼面部１１の裏面を形成する第２の翼面部１２と、第１の翼面部１１の前端から第２の翼面部１２とは離れる方向に突出し、後端面が進行方向の前側に対して凹となる曲面状に形成されている段差部と、段差部の前端と第２の翼面部の前端とに連続し、進行方向に向かって凸となる曲面状に形成されている前縁部１３と、第１の翼面部１１の後端と第２の翼面部の後端１２とに連続し、進行方向の後側に向かって鋭角状に形成され、第２の翼面部側１２に湾曲した後縁部１４と、第１の翼面部１１に形成され、第２の翼面部１２とは離れる方向に突出した複数の山部１６ａと、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、翼体、風車及び風力発電装置に関する。

風力発電用の風車には、回転軸が地面と水平に配置されている水平軸型風車と、回転軸が地面に対して垂直に配置されている垂直軸型風車とがある。また、垂直軸型風車は、翼体に作用する揚力により風車を回転させる揚力型と、翼体に作用する抗力により風車を回転させる抗力型と、に大別される。従来の抗力型の風車として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。

特開２００６−４６３０６号公報

従来の抗力型の風車は、風速に比例するように回転速度が定まるので、台風などの強風速域では、回転速度が過大になり、変形するおそれがあった。また、そのような事態を回避するために、全風速域において風車の回転数を抑制した場合には、弱風速域における起動性や中風速域における効率が損なわれてしまうという問題があった。

本発明は、以上のような課題を鑑みてなされたものであり、低風速域における良好な起動性と、中風速域における高いエネルギ変換効率とを得ることができるとともに、高風速域における速度の過大化を防止することができる翼体、風車及び風力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る翼体は、
風から抗力を受けて進行方向に進行する、一方の翼端から他方の翼端まで真っ直ぐ延びる翼体であって、
第１の翼面部と、
前記第１の翼面部の裏面を形成する第２の翼面部と、
前記第１の翼面部の前端から前記第２の翼面部とは離れる方向に突出し、後端面が前記進行方向の前側に対して凹となる曲面状に形成されている段差部と、
前記段差部の前端と前記第２の翼面部の前端とに連続し、前記進行方向に向かって凸となる曲面状に形成されている前縁部と、
前記第１の翼面部の後端と前記第２の翼面部の後端とに連続し、前記進行方向の後側に向かって鋭角状に形成され、前記第２の翼面部側に湾曲した後縁部と、
前記第１の翼面部に形成され、前記第２の翼面部とは離れる方向に突出した複数の山部と、
を備えることを特徴とする。

前記前縁部の先端から前記第１の翼面部を経て前記後縁部の後端に達するまでの風の道程は、前記前縁部の前端から前記第２の翼面部を経て前記後縁部の後端に達するまでの風の道程よりも長くてもよい。

前記山部は、鋸刃状に形成されており、前記後縁部側に傾いていてもよい。

前記山部は、前記後端部側にあるものほど小さくてもよい。

本発明の第２の観点に係る風車は、上記第１の観点に係る翼体を前記第１の翼面部が外側を向くようにして備えることを特徴とする。

本発明の第３の観点に係る風力発電装置は、上記第２の観点に係る風車を備えることを特徴とする。

本発明によれば、低風速域における良好な起動性と、中風速域における高いエネルギ変換効率とを得ることができるとともに、高風速域における速度の過大化を防止することができる。

本発明の実施形態に係る風力発電装置を示す斜視図である。 風力発電装置を示す平面図である。 翼体を示す斜視図である。 翼体を図３に示すＡ−Ａ方向から見た断面図である。 翼体の第１の受風部及び第２の受風部の拡大図である。 翼体に作用する揚力を説明するための図である。 サボニウス型風車を模式的に示す平面図である。 風力発電装置の角速度の時間経過に伴う推移を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る風力発電装置のトルクと時間の関係を示す図である。 サボニウス型風車の角速度と時間の関係を示す図である。 サボニウス型風車のトルクと時間の関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る翼体１０、風車２０及び風力発電装置３０について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、風力発電装置３０の全体斜視図であり、図２は、風力発電装置３０を上方から見た平面図である。風力発電装置３０は、風力により回転する風車２０の回転力を利用して、発電を行うものであり、風車２０と、駆体３１と、発電機３２と、回転軸受３３とを備えている。

風車２０は、いわゆる垂直軸型の風車であり、風力発電装置３０の駆体３１に、駆体３１の底面及び天井面に対して回転軸２１が垂直になるように配置されている。

風車２０は、回転軸２１と、２つのリング２２と、スポーク２３と、３つの翼体１０と、を備えている。リング２２は、回転軸２１から放射状に延びる細長い丸棒である３本のスポーク２３を介して、回転軸２１と連結されている。スポーク２３は、翼体１０に形成され翼体１０の厚さ方向に貫通する孔（図示せず）を挿通している。各翼体１０は、後述する第１の翼面部１１（図４参照）が外側を向いた状態で、リング２２の内面に固定されている。風車２０の半径Ｒは、例えば９８０ｍｍである。

図２に示すように、回転軸２１の上端側から風車２０を見ると、３つの翼体１０はいずれも、回転軸２１の軸線を中心として、後述する前縁部１３（図４参照）が反時計方向を向いている。なお、詳しくは後述するが、風車２０は、図２の白抜き矢印に示すとおり、反時計方向に回転するように構成されている。

駆体３１は、角パイプやアングル材などの鋼材からなる、直方形に形成されたフレームである。駆体３１の高さは、例えば２８００ｍｍであり、駆体３１の幅及び奥行きは、例えば２３００ｍｍである。

駆体３１の底部には、角パイプが十字形に交差して配置され、その交差部の上面に発電機３２が固定されている。駆体３１の天井部には、角パイプが、対向する天井面の角部同士を結ぶようにＸ字形に交差して配置され、その交差部の下面に回転軸受３３が取り付けられている。回転軸受３３は、風車２０の回転軸２１の上端部を、回転自在に支持している。駆体３１の底面の四隅には、脚板が溶接されている。脚板に形成された孔は、駆体３１を地面や構造物に固定するためのものであり、この孔にアンカーボルトを打ち込む。

発電機３２は、ステータ（図示せず）と、ステータに対して回転自在に支持された磁極を有するロータ（図示せず）と、を備えている。ステータは、駆体３１の底面に固定されており、ロータは、風車２０の回転軸２１の下端部に連結されている。

次に、翼体１０の構成について、図３及び図４を参照しながら説明する。

翼体１０は、矩形の翼平面形を有し、翼端板１０ａ、第１の翼面部１１、第２の翼面部１２、前縁部１３、後縁部１４、第１の受風部１５及び第２の受風部１６を備えている。翼体１０の翼端間距離Ｗ（図４における奥行き方向の長さ）は、例えば２５００ｍｍであり、翼体１０の前後方向の長さＬ（図４における左右方向の長さ）は、例えば７２３ｍｍであり、翼体１０の厚さＴ（図４における上下方向の長さ）は、例えば１２０ｍｍである。翼体１０は、例えばアルミニウムから構成されており、内部が空洞で、その中に補強材（図示せず）が設けられている。翼体１０の重量は、例えば１４ｋｇである。

翼体板１０ａは、平板であり、翼体１０の両端面を塞ぐように設けられている。翼端板１０ａの輪郭形状は、翼体１０の本体の断面形状を外側に拡げた輪郭形状に形成されている。

前縁部１３は、翼体１０の外側に向かって凸の曲面により、断面形状が流線形に形成されており、前端部の曲率が最も大きくなっている。また、前縁部１３の前後方向の長さＭは、前縁部１３の厚さＴの約２倍で形成され、翼体１０の前後方向の長さＬの約４分の１で形成されている。

後縁部１４は、鋭角状に形成されており、第１の翼面部１１側が凸となるように、第２の翼面部１２側に一定の曲率で反っている。

前縁部１３と第１の翼面部１１との間には、後縁部１４側を向き前縁部１３側に向かって放物線状に湾曲する湾曲面を有する段差部が設けられている。段差部の湾曲面は、風からの抗力を受ける第１の受風部１５として機能する。この第１の受風部１５は、翼体１０の長手方向全体、すなわち一方の翼端から他方の翼端まで設けられている。第１の受風部１５の高さ（図４における上下方向の長さ）は、第１の翼面部１１と第２の翼面部１２との距離よりも若干小さくなっている。

第１の翼面部１１は、翼弦（前縁部１３の前端と後縁部１４の後端とを結ぶ線）ＣＬに沿って延びており、第１の翼面部１１上には、翼体１０の前後方向に並ぶ鋸刃状の６つの山部１６ａが形成されている。６つの山部１６ａは後縁部１４側に傾いており、山部１６ａの高さ及び前後方向の長さは、後縁部１４側にあるものほど小さくなっている。６つの山部１６ａは、風からの抗力を受ける第２の受風部１６として機能する。

６つの山部１６ａは、前縁部１３と第１の受風部１５との接続部Ｂを通り、後縁部１４に接する直線（図４の２点鎖線）よりも低くなるように形成されている。これにより、第２の受風部１６は、後縁部１４側から吹く風のみを受け、前縁部１３側から吹く風を受けない。

第１の受風部１５の受風面積と第２の受風部１６の受風面積の合計は、例えば４．９ｍ^２である。

第２の翼面部１２は、翼弦ＣＬに沿って延びており、翼体１０の外側に向かって凸の曲面からなる。

次に、翼体１０の周辺における風の流れ及び翼体１０に作用する揚力について説明する。以下の説明において、前縁部１３から後縁部１４に向かう方向を「順流れ方向」といい、後縁部１４から前縁部１３に向かう方向を「逆流れ方向」という。なお、上述したとおり、風力発電装置３０は、３つの翼体１０を備えているが、説明を簡単にするため、１つの翼体１０の周辺における風の流れ及び翼体１０に作用する揚力について説明する。

図５は、風の流れ方向に沿うように配置された翼体１０の第１の受風部１５及び第２の受風部１６の拡大図である。図５に示すように、逆流れ方向の風（実線で図示）が吹くと、翼体１０は、第１の受風部１５及び第２の受風部１６に風が当たり、風から抗力を受ける。翼体１０に対して逆流れ方向の抗力が作用すると、翼体１０は、前縁部１３で空気を切り裂きながら、逆流れ方向に進行する。切り裂かれた空気は、翼体１０の表面を順流れ方向に流れる。

図６に示すように、第１の翼面部１１に沿って流れる空気の道程は、第２の翼面部１２に沿って流れる空気の道程よりも若干長い。その道程差により、翼体１０に、第２の翼面部１２から第１の翼面部１１に向かう方向（図６における上方向）への揚力ＦＬが作用する。揚力ＦＬの水平成分Ｖａは、逆流れ方向に作用し、その大きさは、順流れ方向に作用する空気抵抗Ｕａよりも大きい。それにより、翼体１０の速度に応じた推進力（＝Ｖａ−Ｕａ）が発生する。なお、道程差が小さいので、翼体１０に作用する揚力ＦＬの大きさは、抗力の大きさと比較して小さい。

上述の構成の風力発電装置３０では、第１の受風部１５及び第２の受風部１６に風が当たると、翼体１０に抗力が作用し、風車２０が回転軸２１を中心として図２の反時計方向に回転し始める。風車２０の回転速度が高まると、翼体１０の速度に応じた揚力が翼体１０に作用する。風車２０は、翼体１０に作用する反力を回転エネルギに変換して、回転する。

また、風車２０が回転すると、風車２０と一体の発電機３２のロータも回転するので、ステータとロータとの間の磁場が変化し、電磁誘導の原理により電力が発生する。発生した電力は、バッテリ（図示せず）に送られる。

以上のように、本実施形態の風力発電装置３０によれば、翼体１０が第１の受風部１５及び第２に受風部１６を備えているので、逆流れ方向の風を受けて、抗力を受けることができる。それにより、弱風速域における良好な起動性を得ることができる。

翼体１０は、前縁部１３の後方に第２の受風部１６を備えているので、投影面積を増加させることなく、逆流れ方向の風に対しての受風面積を大きくすることができる。それにより、翼体１０に作用する空気抵抗を抑制することができる。

第２の受風部１６は、後縁部１４側に傾く鋸刃状に形成されているので、逆流れ方向の風を確実に捉えて、より大きな抗力を受けることができる。

第２の受風部１６の山部１６ａの高さ及び幅は、後縁部１４側にあるものほど小さいので、全ての山部１６ａに風を当てることができる。

前縁部１３の断面形状は、流線形に形成されているので、前縁部１３周辺における乱流の発生を抑制でき、翼体１０に作用する空気抵抗を抑制することができる。

翼体１０が前方に移動すると、翼体１０に揚力ＦＬが作用するので、中風速域におけるエネルギ変換率を高めることができ、翼体１０に作用する推進力を大きくすることができる。それにより、中風速域において、風車２０の回転速度を高めることができる。ただし、揚力ＦＬの大きさは、抗力の大きさと比較して小さいので、風車２０の回転速度が大きくなりすぎることはない。具体的には、周速比（＝翼体１０の速度／風速）は１程度に収束する。

後縁部１４が第２の翼面部１２側に反っているので、順流れ方向に空気が流れると、後縁部１４における第２の翼面部１２側の面に、乱流が発生する。発生した乱流は、翼体１０に対して、順流れ方向に作用する抵抗となる。また、乱流の大きさは、翼体１０の移動速度が速いほど、より大きくなる。発生した乱流は、順流れ方向の抵抗力を発生し、逆流れ方向の抗力の一部を打ち消す。それにより、強風速域における風車２０の回転速度の過大化を防止することができる。

次に、図８〜図１１のグラフを参照しながら、風車２０の特性を、図７に示すサボニウス型風車の特性と比較する。図８及び図１０は、停止状態にあった風車２０及びサボニウス型風車のそれぞれに、所定の中風速域の風を当てて起動させた場合における、角速度ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）の時間ｔ（ｓｅｃ）の経過に伴う変化を示すグラフであり、図９及び図１１は、その際に回転軸２１に作用するトルクＴ（Ｎ．ｍ）の変化を示すグラフである。

図８〜図１１において、横軸は時間ｔを表し、図８及び図１０において、縦軸は角速度ωを表し、図９及び図１１において、縦軸はトルクＴを表す。各グラフには、相互の比較を行うための目盛りを付している。なお、図８〜図１１のグラフは、風車２０を発電機３２に接続しない状態（無負荷状態）での計測結果を表す。

図８及び図９の風車２０のグラフに示すように、角速度ωの曲線が下側凸の範囲では、トルクＴが増加し、角速度ωの曲線が上側凸の範囲では、トルクＴが減少する。そして、角速度ωが一定になると、トルクＴが０になる。

図１０及び図１１のサボニウス型風車のグラフに示すように、トルクＴの曲線が上側凸の範囲では、トルクＴが減少する。そして、角速度ωが一定になると、トルクＴが０になる。

図８及び図１０に示すように、角速度ωが収束した値（最大値）は、風車２０の方がサボニウス型風車よりも大きい。このように、風車２０は、サボニウス型風車よりも回転速度が速い。すなわち、風車２０は、サボニウス型風車と比較して、中風速域において風から受けるエネルギを風車２０の回転エネルギに変換する効率が高い。

なお、本発明の風力発電装置３０は、説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、翼体１０を構成する素材はアルミニウムであるが、軽量かつ高強度な素材であればよく、他の適当な素材、例えば、炭素繊維や樹脂でもよく、単一の素材でなくてもよい。また、実施形態では、翼体１０の内部は空洞であるが、空洞でなくてもよい。

実施形態では、風車２０に取り付けられた翼体１０の数量は３であるが、数量は３に限られるものではなく、２や４でもよい。その場合には、翼体１０の枚数に応じて、風車２０の特性が変化する。

１０ 翼体
１０ａ 翼端板
１１ 第１の翼面部
１２ 第２の翼面部
１３ 前縁部
１４ 後縁部
１５ 第１の受風部
１６ 第２の受風部
１６ａ 山部
２０ 風車
２１ 回転軸
２２ リング
２３ スポーク
３０ 風力発電装置
３１ 駆体
３２ 発電機

Claims (6)

1. 風から抗力を受けて進行方向に進行する、一方の翼端から他方の翼端まで真っ直ぐ延びる翼体であって、
   第１の翼面部と、
   前記第１の翼面部の裏面を形成する第２の翼面部と、
   前記第１の翼面部の前端から前記第２の翼面部とは離れる方向に突出し、後端面が前記進行方向の前側に対して凹となる曲面状に形成されている段差部と、
   前記段差部の前端と前記第２の翼面部の前端とに連続し、前記進行方向に向かって凸となる曲面状に形成されている前縁部と、
   前記第１の翼面部の後端と前記第２の翼面部の後端とに連続し、前記進行方向の後側に向かって鋭角状に形成され、前記第２の翼面部側に湾曲した後縁部と、
   前記第１の翼面部に形成され、前記第２の翼面部とは離れる方向に突出した複数の山部と、
   を備えることを特徴とする翼体。
2. 前記前縁部の先端から前記第１の翼面部を経て前記後縁部の後端に達するまでの風の道程は、前記前縁部の前端から前記第２の翼面部を経て前記後縁部の後端に達するまでの風の道程よりも長い、
   ことを特徴とする請求項１に記載の翼体。
3. 前記山部は、鋸刃状に形成されており、前記後縁部側に傾いている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の翼体。
4. 前記山部は、前記後端部側にあるものほど小さい、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の翼体。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の翼体を、前記第１の翼面部が外側を向くようにして備える、
   ことを特徴とする風車。
6. 請求項５に記載の風車を備える、
   ことを特徴とする風力発電装置。

Images