JP2015031227A

JP2015031227A - 風車

Info

Publication number: JP2015031227A
Application number: JP2013162628A
Authority: JP
Inventors: 山内　雅和; Masakazu Yamauchi; 雅和山内; 黒田　賢一; Kenichi Kuroda; 賢一黒田; 道久蔦原; Michihisa Tsutahara; 智也中嶋; Tomoya Nakajima
Original assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-16

Abstract

【課題】低風速域における始動性に優れ、かつ高風速域において高い効率が得られる風車を提供する。【解決手段】垂直軸風車１は、地面に対して垂直に設けられた支軸２と、支軸２に沿って設けられ、風力を受けて支軸２の周りを回転する回転翼３と、回転翼３の回転軌跡の外側に、回転翼３に沿って隣接かつ固定して設けられた固定翼５とを具える。回転翼３は、翼本体３１と、可撓性を有し、翼本体３１の回転方向後縁に固着されている可撓部３２とからなる。【選択図】図１

Description

本発明は、風車に関する。

従来から、風力発電等に用いられる風車においては、回転翼を支持する支軸が水平に配設された水平軸風車と、支軸が地面に対して垂直に配設された垂直軸風車とが知られている。水平軸風車は、風向きの変化に応じて風車の方向を転換制御する必要があるため、構造が複雑であり、導入に際して相応のコストを要する。一方、垂直軸風車は、風向きの変化に応じて風車の方向を転換制御する必要がないため、簡素な構成とすることができ、幅広い用途で普及が期待されている。

垂直軸風車は、例えば、ジャイロミル型と称される揚力型風車と、例えば、サポニウス型、ロビンソン型と称される抗力型風車とに分類される。揚力型風車は、主として回転翼に生ずる揚力から回転力を得る風車であり、抗力型風車は、主として回転翼に生ずる抗力から回転力を得る風車である。

揚力型風車は、低風速域における起動トルクを確保することが困難であり、２〜４ｍ／ｓの低風速では起動できなかった。これは、低風速時に翼に発生する揚力が不足するためである。揚力型風車は、垂直軸風車の中では比較的良好なエネルギー変換効率（以下、単に効率と記すこともある。）を有しているが、水平軸風車と比較すると効率が低く、実用化に向けてさらなる改良が望まれている。

一方、抗力型風車は、低風速域において良好な起動性を有するものの、高風速域において損失が大きく、十分な効率を得ることができないという欠点を有する。

下記特許文献１では、揚力型風車の一例として、回転翼の回転軌跡の外側に設けられた集風翼と、集風翼の上下方向の外側に設けられた拡散防止部によって効率を高めた垂直軸風車が開示されている。

下記特許文献２では、回転翼の後縁に可撓性を有する後縁ヒレが設けられることにより、騒音を低減した風車が開示されている。

特開２０１０−１９６６００号公報

特開２０１１−６４０８４号公報

しかしながら、揚力型風車に上記特許文献１に示された拡散防止面を適用しても、依然として低風速域における起動トルクが不十分で、始動性を高めるのは困難であった。さらに、上記特許文献１に示された集風翼は、風向きが変化するとその集風機能を十分に発揮できないという問題がある。かかる揚力型風車に上記特許文献２に示された騒音を低減するための後縁ヒレに関する技術を組み合わせても、事情は変わらない。

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、低風速域における始動性に優れ、かつ高風速域において高い効率が得られる風車を提供することを主たる目的としている。

本発明は、支軸と、前記支軸に沿って設けられ、風力を受けて前記支軸の周りを回転する回転翼と、前記回転翼の回転軌跡の外側に、該回転翼に沿って隣接かつ固定して設けられた固定翼とを具えた風車であって、前記回転翼は、翼本体と、可撓性を有し、前記翼本体の回転方向後縁に固着されている可撓部とを有することを特徴とする。

本発明に係る前記風車において、前記翼本体は、水平面に沿った断面において、その厚さの中心線に対して対称な翼型であることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、水平面に沿った断面において、前記可撓部は、厚さが一定の平板であることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、水平面に沿った断面において、前記可撓部の翼弦長は、前記翼本体の翼弦長の５０％〜１００％であることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、水平面に沿った断面において、前記可撓部の厚さは、前記翼本体の厚さの１％〜５０％であることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、前記可撓部が、ゴムを含んでいることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、前記ゴムの複素弾性率は、０．０２〜０．０７ＧPaであることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、前記ゴムの厚さは、０．５〜３．０mmであることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、前記可撓部が、樹脂を含んでいることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、前記樹脂の複素弾性率は、１．５〜４．５ＧPaであることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、前記樹脂の厚さは、０．１〜０．７mmであることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、水平面に沿った断面において、前記固定翼は、前記支軸の半径方向の外縁と内縁とを有し、前記外縁から前記内縁に向かって回転翼の回転方向の前方に向くように、傾斜していることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、前記回転翼の枚数と前記固定翼の枚数が異なることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、水平面に沿った断面において、前記固定翼の翼弦長が、前記回転翼の翼弦長の７０％〜２００％であることが望ましい。

本発明に係る前記風車において、前記回転翼のソリディティーが０．１〜０．３であることが望ましい。

本発明の風車によれば、固定翼と回転翼との間で生ずる翼翼干渉によって、回転翼の発生する揚力が増加し、風車の揚力型風車としての機能、すなわち高風速域における効率が高められる。低風速域にあっては、翼本体の回転方向後縁が風上側に位置したとき、可撓部が風力及び遠心力を受けて撓むことにより、抗力型風車としての機能が高められる。一方、翼本体の回転方向後縁が風下側に位置したとき、可撓部の撓み変形は減少し、可撓部の空気抵抗も減少する。さらには、回転翼が低速で回転している際に、翼本体の回転方向に垂直な方向から風を受けたとき、可撓部が風力を受けて撓むことにより、可撓部の表面の圧力差による力が翼前縁方向に傾き、回転翼に推力が生ずる。これにより、本発明の風車は、低風速域における優れた始動性と高風速域における高い効率とを両立しうる。

本発明の風車の一実施形態を示す斜視図である。図１の風車の断面図である。回転翼の構成を示す平面図である。図２の回転翼と固定翼との翼翼干渉を示す断面図である。風向きと回転翼の可撓部との関係を示す平面図である。風向きと回転翼の可撓部との関係を示す別の平面図である。風向きと回転翼の可撓部との関係を示すさらに別の平面図である。風向きと回転翼の可撓部との関係を示すさらに別の平面図である。図１の風車の変形例を示す斜視図である。本発明の比較例１における周速比とエネルギー変換効率との関係を示すグラフである。本発明の比較例２における周速比とエネルギー変換効率との関係を示すグラフである。本発明の実施例１における周速比とエネルギー変換効率との関係を示すグラフである。本発明の実施例２における周速比とエネルギー変換効率との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１は、本発明の風車の一実施形態である垂直軸風車１の構成を示す斜視図であり、図２は、その水平面に沿った断面図である。図２においては、垂直軸風車１の右側の風上から風Ｗが吹いている状態が示される。垂直軸風車１は、地面に対して垂直に設けられた支軸２と、風力を受けて回転する回転翼３と、回転翼３と支軸２とを連結するアーム４と、回転翼３の回転軌跡の外側に固定されている固定翼５と、支軸２を回転自在に支持する軸受部６と、固定翼５と軸受部６とを連結するアーム７とを具えている。

本実施形態の垂直軸風車１は、支軸２を水平又は斜めに傾けて設置することも可能である。例えば、水力発電に上記構成を適用する場合、海流の方向に応じて支軸２を水平等に設置してもよい。

支軸２は、アーム４を介して、回転翼３を支持すると共に、回転翼３と一体に矢印Ｒ方向に回転する。支軸２の回転力は、垂直軸風車１の出力として、発電装置（図示せず）等に伝達される。本実施形態においては、支軸２が回転翼３と共に回転するように構成されているが、例えば、固定された支軸の周りを円筒状の回転体が回転する形態であってもよい。この場合、回転体は、アーム４を介して回転翼３と一体に回転し、その回転力は発電装置等に伝達される。

回転翼３は、上下に配設された一対のアーム４によって、支軸２に沿って支軸２と平行に設けられている。回転翼３は、風力を受けて揚力及び抗力を発生し、支軸２の周りを回転する。本実施形態においては、３枚の回転翼３がそれぞれ等間隔に設けられている。それぞれの回転翼３は、支軸２の径方向から視て矩形状に形成されている。回転翼３は、支軸２の径方向又は回転翼３の回転方向に、弓形に湾曲して形成されていてもよい。すなわち回転翼３は、そりが支軸２の径方向の外側又は内側に膨らんだ形状であってもよく、そりが回転方向の前方側又は後方側に膨らんだ形状であってもよい。

回転翼３は、翼本体３１と、可撓部３２とを有している。翼本体３１は、アーム４と連結されている。翼本体３１は、水平面に沿った断面において、その厚さの中心線ＣＬに対して対称な翼型に形成されている。本実施形態においては、例えば、ＮＡＣＡ（National Advisory Committee for Aeronautics）００１５に準拠する形状が、翼型に採用されている。ＮＡＣＡ００１５は、翼弦長の１５％の厚さを有する翼型である。このような厚さを有し中心線ＣＬに対して対称な翼型の翼本体３１は、高風速域における空気抵抗の減少に寄与し、垂直軸風車１の効率が高められる。

翼本体３１は、非対称な翼型を有していてもよい。例えば、中心線ＣＬに対して、上下で厚みの分布が異なるものや、中心線ＣＬが円弧等の曲線を描くものであってもよい。このような非対称な翼型の翼本体３１は、回転翼３が発生する揚力の増大に寄与する。

翼本体３１には、例えば、アルミニウム等の軽量金属や、繊維等によって強化された強化樹脂等の実質的に剛体とみなされる材料が用いられるが、ウレタン樹脂等のある程度の変形を許容する材料が用いられていてもよい。

可撓部３２は、翼本体３１の回転方向後縁に固着されている。可撓部３２には、例えば、板状のゴムやフイルム状の樹脂等の可撓性を有する弾性体が用いられている。可撓部３２は、風力の他、回転翼３に生ずる遠心力を受けて、撓み変形する。

アーム４は、回転翼３と共に支軸２の周りを回転しながら、回転翼３が発生した揚力を支軸２に伝達する。

固定翼５は、回転翼３に沿って回転翼３と平行にかつ隣接して設けられている。固定翼５には、例えば、金属や樹脂等の材料が用いられている。図２に示す水平面に沿った断面において、固定翼５は、支軸２の半径方向の外縁５ａと内縁５ｂとを有する。固定翼５の内縁５ｂは、回転翼３の回転軌跡に隣接するように配置されている。固定翼５は、アーム７を介して軸受部６と連結されている。固定翼５は、垂直軸風車１の架台又は地面等に直接固定されていてもよい。本実施形態においては、４枚の固定翼５がそれぞれ等間隔に設けられている。固定翼５は、水平面に沿った断面において、厚みが一定の平板によって構成されているが、翼型に形成されていてもよい。

軸受部６は、地面に対して垂直な起立姿勢で固定されている。軸受部６によって、支軸２が地面に対して垂直かつ回転自在に支持される。さらには、軸受部６によって、アーム７を介して固定翼５が支持される。

図３は、回転翼３の平面図を示している。翼本体３１の後端部には、可撓部３２が挿入されるスリット３１ｓが形成されている。スリット３１ｓは、中心線ＣＬに対して対称に形成されている。可撓部３２の前縁部３２ａは、翼本体３１のスリット３１ｓに挿入され、翼本体３１の後端部に固着されている。

図４は、固定翼５の近傍を通過した直後の回転翼３を示している。（ａ）においては、図２における右上に位置する固定翼５Ａが示され、（ｂ）においては、図２における右下に位置する固定翼５Ｂが示される。一方の翼が他方の翼の近傍を通過する直後に、各翼の相互干渉により各翼に発生する揚力が増す翼翼干渉と称される現象が知られている。本発明にあっては、回転翼３が固定翼５の近傍を通過し翼翼干渉の直後に翼周りの循環が増加することにより、回転翼３の揚力が増すことを利用して、風車の効率が高められる。

図４において、回転翼３には、回転翼３の速度ｕと風Ｗの速度とが合成された、回転翼３を基準とした空気の相対的な流れＶが生ずる。この回転翼３を基準とした空気の相対的な流れＶは、回転翼３に揚力Ｌを生じさせる。ここで、揚力Ｌは、空気の相対的な流れＶに垂直な方向に発生する。一方、回転翼３と固定翼５の周りの空気には、矢印Ｃ１、Ｃ２にて示す循環が生じている。この循環とは、翼の後に残った渦と反対方向に、翼周りに回転する空気の流れである。回転翼３が固定翼５の近傍を通過した直後、回転翼３と固定翼５との相互作用により、回転翼３の循環Ｃ１が増幅され、回転翼３に発生する揚力Ｌが増加する。回転翼３が発生する揚力Ｌは、アーム４を介して支軸２に伝達され、回転翼３の回転方向（速度ｕの方向、すなわち、回転翼３の回転円の接線方向）の成分が支軸２の回転力を増加させ、垂直軸風車１の効率を高める。このような循環の増幅により揚力が増加する作用は、翼翼干渉と称される。翼翼干渉については、例えば、学術論文：蔦原道久，木村雄吉，「Ｗｅｉｓ−Ｆｏｇｈメカニズムの2次元モデルにおける流れ」，流れの可視化，６−２２，３０１−３０６（１９８６）等において、説明されている。

図１に示されるように、固定翼５は、矩形状に形成されている。固定翼５のスパンは、翼翼干渉を回転翼３のスパン全域にわたって有効に発生させるために、回転翼３のスパンと同等以上であることが望ましい。

回転翼３と固定翼５とは、共振を防止するため、互いに異なる枚数であるのが望ましい。図１及び２に示されるように、本実施形態においては、３枚の回転翼３と４枚の固定翼５とが適用されている。固定翼５の枚数は、４〜１６枚が好ましい。固定翼５の枚数が４枚未満である場合、回転翼３の回転軌跡の全域にわたって、回転翼３と固定翼５との翼翼干渉を発生させることが困難となる。一方、固定翼５の枚数が１６枚を超える場合、回転翼３に十分な風があたらなくなり、回転翼３の発生する揚力が低下するおそれがある。

図２に示す水平面に沿った断面において、固定翼５の翼弦長ｃｄ２は、回転翼３の翼弦長ｃｄ１の７０％〜２００％であるのが望ましい。固定翼５の翼弦長ｃｄ２が回転翼３の翼弦長ｃｄ１の７０％未満である場合、回転翼３と固定翼５との間で翼翼干渉が発生しづらくなり、固定翼５が単なる角柱状の障害物となり、回転翼３の揚力を十分に高めることができないおそれがある。一方、固定翼５の翼弦長ｃｄ２が回転翼３の翼弦長ｃｄ１の２００％を超える場合、固定翼５が、特定の方向からの風の流れを阻害する風防板として働くため、全方位からの風に対して同様な回転力を得ることが困難となり、垂直軸風車の長所が阻害されるおそれがある。

図２に示すように、本実施形態においては、全ての固定翼５は、その外縁５ａから内縁５ｂに向かって回転翼３の回転方向Ｒの前方に向くように、傾斜している。このため、回転翼３と固定翼５との間で翼翼干渉が生じ易くなり、回転翼３に発生する揚力Ｌが増加する。支軸２の半径方向に対する固定翼５の内縁５ｂにおける傾斜角θ（図２参照）は、０度〜４５度であるのが望ましい。支軸２の半径方向に対する固定翼５の内縁５ｂにおける傾斜角θが０度未満である場合、回転翼３に流入する風が回転翼３の回転方向Ｒとは逆方向となり、回転翼３の回転を妨げる。支軸２の半径方向に対する固定翼５の内縁５ｂにおける傾斜角θが４５度を超える場合、風が風車内に流入又は風車内から流出する際に、固定翼５が大きな障害となる。

図５は、翼本体３１の前縁３１ａの側から風Ｗが吹く場合、すなわち、翼本体３１の前縁３１ａが風上側に向く（翼本体３１の後縁３１ｂが風下側に位置する）場合における可撓部３２の状態を示している。回転翼３の回転に伴い、可撓部３２は、支軸２の径方向外側に遠心力を受ける。ところが、回転翼３の周囲を流れる空気によって、可撓部３２は矯正され、略直線状の形状をとる。このような可撓部３２は、高風速域における空気抵抗の減少に寄与し、垂直軸風車１の効率が高められる。

図６は、翼本体３１の後縁３１ｂの側から風Ｗが吹く場合、すなわち、翼本体３１の後縁３１ｂが風上側に位置する場合における可撓部３２の状態を示している。回転翼３の回転に伴い、可撓部３２は、支軸２の径方向外側に遠心力を受ける。かかる遠心力によって湾曲された可撓部３２に後方から風Ｗが吹くと、抗力により可撓部３２の変形は助長され、さらに抗力が増加する。このような可撓部３２は、支軸２の回転力を増加させ、垂直軸風車１の効率を高める。なお、回転翼３が停止している場合、可撓部３２に遠心力は作用しないが、かかる場合であっても、風Ｗが可撓部３２の斜め後方から吹いた場合は、上記と同様に可撓部３２が変形し、抗力が増加する。

可撓部３２の撓みの程度は、可撓部３２の翼弦長、弾性率、厚さ等に依存する。例えば、可撓部３２の翼弦長が短すぎる場合、弾性率が高すぎる場合又は厚さが大きすぎる場合にあっては、図６において一点鎖線にて示すように、可撓部３２の撓みが不足し、抗力が低下する。一方、可撓部３２の翼弦長が長すぎる場合、弾性率が低すぎる場合又は厚さが小さすぎる場合にあっては、図６において破線にて示すように、可撓部３２は過度に撓み、抗力が低下する。

図７は、アーム４と平行に翼本体３１の外側から支軸２に向かって風Ｗが吹く場合、すなわち、翼本体３１の外側が風上側に位置する場合における可撓部３２の状態を示している。この状態にあっては、可撓部３２は、風Ｗを受けて内方に撓み、可撓部３２の表面に生じた圧力差による力Ｆは、撓んだ可撓部３２により翼前縁方向に傾く。すなわち、可撓部３２の外側の圧力が、内側の圧力よりも高くなり、可撓部３２は、翼前縁方向に力Ｆを受ける。この力Ｆの回転方向Ｒの成分は、推力Ｔｈとして作用し、回転翼３の回転を推進する。

図８は、アーム４と平行に支軸２から翼本体３１の内側に向かって風Ｗが吹く場合、すなわち、翼本体３１の内側が風上側に位置する場合における可撓部３２の状態を示している。上記と同様に、可撓部３２は、風Ｗを受けて外方に撓み、可撓部３２の表面に生じた圧力差による力Ｆは、撓んだ可撓部３２により翼前縁方向に傾く。すなわち、可撓部３２の内側の圧力が、外側の圧力よりも高くなり、可撓部３２は、翼前縁方向に力Ｆを受ける。この力Ｆの回転方向Ｒの成分は、推力Ｔｈとして作用し、回転翼３の回転を推進する。

本実施形態においては、可撓部３２が適度に撓むように、可撓部３２は、ゴム、樹脂又は金属等の弾性体を含む材料によって構成されている。可撓部３２が、ゴム又は樹脂を含む材料によって構成されている場合は、上記弾性率として複素弾性率が適用される。そして、以下に示すとおり、可撓部３２の翼弦長、弾性率、厚さ等の仕様が設定されている。可撓部３２の撓みは、風力によって異なるので、可撓部３２の各仕様は、垂直軸風車１を設置する場所の風況に応じて設定される。

図３に示されるように、可撓部３２のうち、翼本体３１の後縁３１ｂから突出された部分の長さを可撓部３２の翼弦長ｃｄ４とすると、可撓部３２の翼弦長ｃｄ４は、翼本体３１の翼弦長ｃｄ３の５０％〜１００％であるのが望ましい。可撓部３２の翼弦長ｃｄ４が翼本体３１の翼弦長ｃｄ３の５０％未満である場合、可撓部３２の撓みが不足し、抗力が低下する。一方、可撓部３２の翼弦長ｃｄ４が翼本体３１の翼弦長ｃｄ３の１００％を超える場合、可撓部３２は過度に撓み、抗力が低下する。ここで、翼本体３１の翼弦長ｃｄ３と可撓部３２の翼弦長ｃｄ４との和ｃｄ３＋ｃｄ４は、回転翼３の翼弦長ｃｄ１（図２参照）と等しい。

図３において、可撓部３２の厚さｔｎ２は、翼本体３１の厚さｔｎ１の１％〜５０％であることが望ましい。可撓部３２の厚さｔｎ２が、翼本体３１の厚さｔｎ１の１％未満である場合、可撓部３２は過度に撓み、抗力が低下する。一方、可撓部３２の厚さｔｎ２が、翼本体３１の厚さｔｎ１の５０％を超える場合、可撓部３２の撓みが不足し、抗力が低下する。

可撓部３２がゴムからなる場合、その複素弾性率は、０．０２〜０．０７ＧPaであることが望ましい。ゴムの複素弾性率が、０．０２ＧPa未満である場合、可撓部３２は過度に撓み、抗力が低下する。一方、ゴムの複素弾性率が、０．０７ＧPaを超える場合、可撓部３２の撓みが不足し、抗力が低下する。さらには、ゴムの厚さは、０．５〜３．０mmであることが望ましい。ゴムの厚さが、０．５mm未満である場合、可撓部３２は過度に撓み、抗力が低下する。一方、ゴムの厚さが、３．０mmを超える場合、可撓部３２の撓みが不足し、抗力が低下する。

なお、本明細書において前記複素弾性率は、ＪＩＳ−Ｋ６３９４の規定に準じ、下記の条件で（株）岩本製作所製の粘弾性スペクトロメータを用いて測定された値である。
初期歪：１０％
振幅：±１％
周波数：１０Ｈｚ
変形モード：引張
測定温度：２０°Ｃ

可撓部３２が樹脂からなる場合、その複素弾性率は、１．５〜４．５ＧPaであることが望ましい。樹脂の複素弾性率が、１．５ＧPa未満である場合、可撓部３２は過度に撓み、抗力が低下する。一方、樹脂の複素弾性率が、４．５ＧPaを超える場合、可撓部３２の撓みが不足し、抗力が低下する。さらには、樹脂の厚さは、０．１〜０．７mmであることが望ましい。樹脂の厚さが、０．１mm未満である場合、可撓部３２は過度に撓み、抗力が低下する。一方、樹脂の厚さが、０．７mmを超える場合、可撓部３２の撓みが不足し、抗力が低下する。

図３に示す断面において、可撓部３２は、厚さが一定の平板であるのが望ましい。このような可撓部３２は、製造が容易で、垂直軸風車１の製造コストを低減しうる。。このような可撓部３２は、前縁から後縁にかけて厚さが漸減する可撓部と比較すると、後縁の質量が大きいため、後縁に発生する遠心力が大きくなる。これにより、翼本体３１の後縁３１ｂの側から風Ｗが吹く場合、図６において、実線にて示されるように、可撓部３２が適度に撓みやすくなり、抗力が増大する。

回転翼３のソリディティーは、０．１〜０．３であることが望ましい。ソリディティとは、回転翼の翼面積／受風面積で定義される風車諸元であり、本実施形態のような垂直軸風車１にあっては、回転翼３の翼弦長ｃｄ１×回転翼３の枚数／回転翼３の回転円の周長で表される。回転翼３のソリディティーが、０．１未満である場合、高速回転に適する回転翼３が得られるものの、回転力が低下し、これに伴い垂直軸風車１の出力が十分に高められないおそれがある。一方、回転翼３のソリディティーが、０．３を超える場合、低風速域で大きな回転力が得られる反面、支軸２、回転翼３及びアーム４等によって構成される回転体の支軸２周りの慣性モーメントが増大し、回転翼３の停止状態からの始動性が悪化するおそれがある。

図９には、垂直軸風車１の変形例である垂直軸風車１０が示される。垂直軸風車１０においては、回転翼３の可撓部３３及び固定翼５３の形態が変形されている。すなわち、可撓部３３は、支軸２の軸方向において、部分的に形成されている。さらには、可撓部３３が遠心力及び風力を受けて支軸２の半径方向の外側に撓んだとき、可撓部３３の後縁との当接を回避しうるように、固定翼５３の内縁５３ｂには退避部５３ｃが設けられている。退避部５３ｃは、可撓部３３の位置、大きさ、形状に対応して形成されている。かかる可撓部３３及び固定翼５３によって、両者の当接に伴う音の発生が防止され、垂直軸風車１０の動作音が低減される。

以上のような構成を有する本実施形態の垂直軸風車１によれば、固定翼５と回転翼３との間で生ずる翼翼干渉によって、回転翼３の発生する揚力が増加し、垂直軸風車１の揚力型風車としての機能、すなわち高風速域における効率が高められる。低風速域にあっては、翼本体３１の後縁３１ｂが風上側に位置したとき、可撓部３２が風力及び遠心力を受けて撓むことにより、抗力型風車としての機能が高められる。一方、翼本体３１の後縁３１ｂが風下側に位置したとき、可撓部３２の撓み変形は減少し、可撓部３２の空気抵抗も減少する。さらには、回転翼３が低速で回転している際に、翼本体３１の回転方向に垂直な方向から風Ｗを受けたとき、可撓部３２が風力を受けて撓むことにより、可撓部３２の表面の圧力差による力が翼前縁方向に傾き、回転翼３に推力が生ずる。これにより、本発明の垂直軸風車１は、低風速域における優れた始動性と高風速域における高い効率とを両立しうる。

以上、本発明の垂直軸風車１等が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。

図１の基本構造をなす垂直軸風車が、表１の仕様に基づき試作され、ゲッチンゲン型の風洞に持ち込まれて、風の運動エネルギーから風車の回転エネルギーへのエネルギー変換効率Ｃｐがテストされた。比較例２及び実施例１、２においては、厚さ０．３５mmの平板状のＰＥＴ（Polyethylene terephthalate）樹脂からなる可撓部が回転翼の後縁に設けられている。垂直軸風車の支軸には発電機が連結されており、この発電機をモーターとして機能させることにより、支軸の回転がアシストされ、周速比が高められる。

テスト方法は、以下の通りである。

＜エネルギー変換効率＞
各垂直軸風車について、回転翼の周速比を変更しながらエネルギー変換効率Ｃｐが測定された。ここで、周速比及びエネルギー変換効率Ｃｐは、以下の数式で定義される。
周速比＝回転翼の翼端の速度／風速
＝２πｒＲ／Ｖ
Ｃｐ＝風車の回転エネルギー／風の運動エネルギー
＝２πＲＴ／（１／２）ρＳＶ^３
ただし、符号は次の通りである。
Ｒ：風車の回転速度
Ｔ：風車の軸トルク
ρ：空気の密度
Ｓ：風車の投影面積（回転直径×翼スパン）
Ｖ：風速
ｒ：風車の回転半径
結果は、図１０乃至図１３に示されるように、周速比を横軸に、エネルギー変換効率Ｃｐを縦軸にとったグラフ上にプロットされた。各図において、エネルギー変換効率Ｃｐが負値をとる周速比の領域では、発電機がモーターとして機能し、支軸の回転をアシストしている。

図１０は、比較例１に係る垂直軸風車のテスト結果である。この比較例１においては、回転翼の可撓部及び固定翼が省略されている。そのため、抗力型風車としての機能が不十分であり、低周速比域（周速比が０．３〜０．６の領域）においてエネルギー変換効率Ｃｐのピークが存在しない。

図１１は、比較例２に係る垂直軸風車のテスト結果である。この比較例２においては、回転翼に可撓部が装着されている。そのため、回転翼に装着された可撓部によって抗力型風車としての機能が発揮され、低周速比域におけるエネルギー変換効率Ｃｐのピークが存在する。図７、図８で示される可撓部の撓みによる推力も、抗力と同様にエネルギー変換効率Ｃｐの向上に寄与している。しかしながら、固定翼が省略されているので、揚力型風車としての機能が不十分であり、高周速比域（周速比が１．０〜１．２の領域）におけるエネルギー変換効率Ｃｐのピークは期待されるほどには得られない。

図１２は、実施例１に係る垂直軸風車のテスト結果である。この実施例１においては、回転翼に可撓部が装着されているのに加えて、回転翼の外側に固定翼が設けられている。これにより、低周速比域のみならず高周速比域においても十分なエネルギー変換効率Ｃｐのピークが存在する。これは、回転翼と固定翼との間に発生する翼翼干渉によって回転翼の揚力が増大し、すなわち揚力型風車としての機能が増大したためであると考えられる。

図１３は、実施例２に係る垂直軸風車のテスト結果である。この実施例２においては、上記実施例１の構成に加えて、回転翼の傾斜角θが４５度に設定されている。これにより、実施例１と比較すると、低周速比域から高周速比域の略全域にわたって、回転翼の揚力が増大しエネルギー変換効率Ｃｐが高められている。これは、回転翼に適切な傾斜角θが付与されたことにより、回転翼と固定翼との間に発生する翼翼干渉効果が増強され、揚力型風車としての機能がより一層高められたためであると考えられる。

実施例２においては、周速比が１．３未満の領域で、特に高いエネルギー変換効率Ｃｐが得られている。この周速比が１．３未満の領域は、水平軸プロペラ風車において高いエネルギー変換効率Ｃｐが得られる領域と比較すると低い。このため、実施例２に係る垂直軸風車によれば、小さいサイズの風車を低回転で運用しても、十分な軸トルクと高いエネルギー変換効率Ｃｐが得られることとなり、風車の製造コストが低減されると共に、設置の自由度が高められる。

表１及び図１０乃至１３から明らかなように、実施例の垂直軸風車は、比較例に比べて、低周速比域から高周速比域の略全域にわたって、エネルギー変換効率が有意に向上していることが確認できた。

１垂直軸風車
２支軸
３回転翼
５固定翼
３１翼本体
３２可撓部

Claims

支軸と、前記支軸に沿って設けられ、風力を受けて前記支軸の周りを回転する回転翼と、前記回転翼の回転軌跡の外側に、該回転翼に沿って隣接かつ固定して設けられた固定翼とを具えた風車であって、
前記回転翼は、翼本体と、可撓性を有し、前記翼本体の回転方向後縁に固着されている可撓部とを有することを特徴とする風車。
前記翼本体は、水平面に沿った断面において、その厚さの中心線に対して対称な翼型である請求項１記載の風車。
水平面に沿った断面において、前記可撓部は、厚さが一定の平板である請求項１又は２に記載の風車。
水平面に沿った断面において、前記可撓部の翼弦長は、前記翼本体の翼弦長の５０％〜１００％である請求項１乃至３のいずれかに記載の風車。
水平面に沿った断面において、前記可撓部の厚さは、前記翼本体の厚さの１％〜５０％である請求項１乃至４のいずれかに記載の風車。
前記可撓部が、ゴムを含んでいる請求項１乃至５のいずれかに記載の風車。
前記ゴムの複素弾性率は、０．０２〜０．０７ＧPaである請求項６記載の風車。
前記ゴムの厚さは、０．５〜３．０mmである請求項６又は７に記載の風車。
前記可撓部が、樹脂を含んでいる請求項１乃至５のいずれかに記載の風車。
前記樹脂の複素弾性率は、１．５〜４．５ＧPaである請求項９記載の風車。
前記樹脂の厚さは、０．１〜０．７mmである請求項９又は１０に記載の風車。
水平面に沿った断面において、前記固定翼は、前記支軸の半径方向の外縁と内縁とを有し、前記外縁から前記内縁に向かって回転翼の回転方向の前方に向くように、傾斜している請求項１乃至１１のいずれかに記載の風車。
前記回転翼の枚数と前記固定翼の枚数が異なる請求項１乃至１２のいずれかに記載の風車。
水平面に沿った断面において、前記固定翼の翼弦長が、前記回転翼の翼弦長の７０％〜２００％である請求項１乃至１３のいずれかに記載の風車。
前記回転翼のソリディティーが０．１〜０．３である請求項１乃至１４のいずれかに記載の風車。