JP2015224609A - 垂直軸型風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平行翼を用いて吹き上げ風もしくは吹き下ろし風の風車回転軸に平行な風速成分の運動エネルギーを効率良く垂直軸風車の回転エネルギーに変換しつつ、風下側の垂直翼に流入する風速の減衰量も低く抑えることで発電効率及び稼働率を高めた垂直軸型風力発電装置を提供する。【解決手段】回転軸21に支持アームを介して取り付けた複数の垂直翼22に生じる主に揚力に起因したトルクによって回転軸を回転させる揚力型垂直軸風車20と、回転軸の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機30とを備える垂直軸型風力発電装置10において、垂直翼に取り付けられることで回転軸の回転を補助する複数の平行翼23が以下の（１）及び（２）のうちの少なくともいずれか一方であることを特徴とする。（１）吹き上げ風用に前記垂直翼の上部に取り付けられる平行翼。（２）吹き下ろし風用に前記垂直翼の下部に取り付けられる平行翼【選択図】図１

Description

本発明は、吹き上げ風や吹き下ろし風等の風車回転軸と平行な風速成分を活用することで発電効率及び稼働率を高めた垂直軸型風力発電装置に関する。

近年、市街地空間に小形の風力発電装置を導入する需要が高まってきている。市街地空間の風速は、建築物等の抵抗を受け一般的に低いが、建築物の存在により風の流路が狭くなったり、吹き下ろし風が発生したりして、地表面近傍では強風が発生する場所が存在する（非特許文献１）。また、風速は高度とともに上昇する傾向があり、建築物屋上の高度の風速は比較的高い。さらに、建築物の屋上では、風上側の壁に衝突した風が上方に移流する為、吹き上げ風が発生し、風速の水平成分と鉛直成分が共に増大する場所が存在する（非特許文献２）。
風車は回転力を得るための翼に働く２種類の力の寄与度により、抗力形と揚力形に分類される。抗力形風車は起動性は高いが効率は低く、揚力形風車は起動性は低いが効率は高いという特徴がある。また、風車は回転軸の方向によっても分類することができ、回転軸が地面とほぼ垂直な風車を垂直軸風車、回転軸が地面とほぼ平行な風車を水平軸風車と呼ぶ。
上述の強風が発生する場所では、風の乱れが大きいという特徴がある（非特許文献１、２）。一般的な垂直軸風車は、風向に対する指向性が小さいため、風の乱れが大きい場所への設置にも適している。
また、洋上に設置する浮体式の風力発電装置に関しても、ナセルを下方に設置できることによるメンテナンス作業の容易さや安全性、そして重心が低くなることにより浮体構造物を小さくできる経済性の観点から、垂直軸風車の方が適している可能性が高い。垂直軸型浮体式風車の派生形の一つとして、浮体構造物に掛かるコストを更に削減するために、回転軸が水面に対して大きく傾いたまま運転させることを想定したFAST（Floating Axis Wind Turbine、非特許文献３）が提案されているが、FASTの周辺の風が、水面に対してほぼ平行な状況でも、FASTから見た風は相対的に吹き上げ風や吹きおろし風と同様の角度をもつことになる。

揚力形の垂直軸風車について、風車回転軸に垂直な風速成分の運動エネルギーに加え、風車回転軸に平行な風速成分の運動エネルギーも回転エネルギーに変換する手段として、垂直軸風車の回転軸に半径方向にのびる翼（水平翼）を取り付ける提案が特許文献１によりなされている。このタイプの風車は、同じく吹き上げ風や吹き下ろし風の風車回転軸と平行な風速成分の運動エネルギーをとらえることが可能な半円環状の翼を上端と下端で連結させたタイプの垂直軸風車（特許文献２）に比べて、回転軸に平行な方向にのびる翼（垂直翼）と回転軸の距離を一定に保つことができるため、水平方向や鉛直方向のローター投影面積が同じ場合には、より大きな回転トルクを得られる可能性がある。

特開２００５−０６１３１９号公報 特開２０１１−２３１７５９号公報

村上周三、CFDによる建築都市の環境設計工学、東京大学出版、pp. 252-278、2000. 河野孝昭ほか、建築物屋上における小形風車設置高さの風条件の数値シミュレーション解析（接近風の方位の影響）、風力エネルギー学会誌、pp. 126-133、2011. Hiromichi Akimoto et al., Floating axis wind turbines for offshore power generation - a conceptual study, Environmental Research Letters, Vol. 6, 044017, 2011.

しかし、上記従来技術では以下のような問題がある。
すなわち、特許文献１の風車では、回転する水平翼に吹き上げ風もしくは吹き下ろし風が衝突することにより、その周辺の気圧が上昇するため、風が風車の内部に吹き込んでいくのが阻害されてしまい、その結果、風下側の垂直翼に流入する風速が大きく減衰してしまう懸念がある。特に、揚力形垂直軸風車の欠点である起動力の低さを改善する為に、ソリディティ（風車の掃過面積に対する翼の全投影面積の比）の高い抗力形の水平翼を取り付けた場合には、気圧の上昇だけでなく、水平翼の占める大きな面積によって、水平翼ローター面を通過し風下側の垂直翼に流入する吹き上げ風もしくは吹き下ろし風の風速は減衰量が大きくなるものと考えられる。

本発明は、上記の問題を解決する為になされたものであって、平行翼を用いて吹き上げ風もしくは吹き下ろし風等の風車回転軸に平行な風速成分の運動エネルギーを効率良く垂直軸風車の回転エネルギーに変換しつつ、風下側の垂直翼に流入する風速の減衰量も低く抑えることで発電効率及び稼働率を高めた垂直軸型風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明の垂直軸型風力発電装置は、回転軸に支持アームを介して取り付けた複数の垂直翼に生じる揚力を主な駆動源として前記回転軸を回転させる揚力型垂直軸風車と、前記回転軸の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを備える垂直軸型風力発電装置において、前記垂直翼に取り付けられることで前記回転軸の回転を補助する複数の平行翼が以下の（１）及び（２）のうちの少なくともいずれか一方であることを特徴とする。
（１）吹き上げ風用に前記垂直翼の上部に取り付けられる平行翼
（２）吹き下ろし風用に前記垂直翼の下部に取り付けられる平行翼
また、以下の（３）及び（４）のうち、いずれか一方の特徴を有する。
（３）前記平行翼が、前記垂直翼の側面に直接取り付けられると共に前記回転軸に平行な風速成分により主に揚力に起因するトルクを発生させる
（４）前記複数の垂直翼の上部又は下部同士を連結する連結環を備えており、前記平行翼が、当該連結環の内周面側と外周面側の少なくともいずれか一方に取り付けられると共に前記回転軸に平行な風速成分により主に抗力に起因するトルクを発生させる

本発明では平行翼を、吹き上げ風用の場合には垂直翼の上部に取り付け、吹き下ろし風用の場合には垂直翼の下部に取り付ける。
したがって、風車を吹き上げ風（吹き下ろし風）が多く吹く環境に設置する場合において、平行翼を垂直翼の上部（下部）に取り付けると、吹き上げ風（吹き下ろし風）の大半が平行翼に進路を遮られることなく風車の内部まで侵入するため、風下側の垂直翼に流入する吹き上げ風（吹き下ろし風）の速度の減衰量を低く抑えることができる。これにより風下側の垂直翼にも大きな揚力が生じるため、垂直軸型風力発電装置の発電効率及び稼働率を高めることができる。

なお、本発明において平行翼の「平行」及び垂直翼の「垂直」とは、回転軸に直交する平面との相対的位置関係に基づいて規定されるものとする。すなわち、平行翼の「平行」とはその長手方向が回転軸に直交する平面に対して平行であることを意味し、垂直翼の「垂直」とはその長手方向が回転軸に直交する平面に対して垂直であることを意味する。したがって、回転軸が水平面に対して垂直にのびる場合には、平行翼はその長手方向が水平方向にのび（回転軸に直交する平面（水平面）と平行）、垂直翼はその長手方向が水平面に対して垂直にのびる（回転軸に直交する平面に対して垂直）。一方、回転軸が水平面に対して傾斜している場合には、平行翼はその長手方向が水平面に対して傾斜し（回転軸に直交する平面と平行）、垂直翼もその長手方向が水平面に対して傾斜する（回転軸に直交する平面に対して垂直）。
また、平行翼は必ずしもその長手方向が回転軸に直交する平面に対して厳密な意味での平行である必要はなく、当該平面に対して−30度〜＋30度程度の範囲内で傾斜していてもよい。
また、垂直翼も必ずしもその長手方向が回転軸に直交する平面に対して厳密な意味での垂直である必要はなく、当該平面に対して−30度〜＋30度程度の範囲内で傾斜していてもよく、更にはその長手方向に沿って角度が変化していくことで半円弧状に湾曲していてもよい。

また、回転軸に平行な風速成分により平行翼が主に揚力に起因するトルクを発生させるものとすれば、風車が起動した後の段階において風の運動エネルギーを効率良く垂直軸風車の回転エネルギーに変換して、発電機で電気エネルギーに変換できる。
また、回転軸に平行な風速成分により平行翼が主に抗力に起因するトルクを発生させるものとすれば、風車の起動力を高めることができ、風の運動エネルギーを効率良く垂直軸風車の回転エネルギーに変換して、発電機で電気エネルギーに変換できる。
また、連結環を備えることにすれば、連結環の外周面側のみならず内周面側にも多数の平行翼を取り付けることができる。

第1の実施の形態の垂直軸型風力発電装置の構造を示す斜視図 第1の実施の形態の垂直軸型風力発電装置の構造を示すブロック図 第1の実施の形態の垂直軸型風力発電装置の構造を示す平面図 第1の実施の形態の垂直軸型風力発電装置の他の構造例を示す斜視図 第2の実施の形態の垂直軸型風力発電装置の構造を示す斜視図

［第1の実施の形態］
本発明の第1の実施の形態について説明する。
図1〜図3に示すように、本実施の形態における垂直軸型風力発電装置10は、揚力型垂直軸風車20（以下、単に「風車」と表記する場合がある。）と発電機30から概略構成されている。
揚力型垂直軸風車20は回転軸21、垂直翼22及び平行翼23を備える。
回転軸21は、自身が軸回りに回転することによって生じる回転エネルギーを発電機30に伝達する円柱棒状の部材である。回転軸21はその軸回りに回転自在となるようにベアリング等の周知の支持手段によって支持されている。回転軸21の外周面には等角度間隔で半径方向にのびる支持アーム24が取り付けられている。
本実施の形態では回転軸21は水平面に対して垂直方向にのびるものとするが、これに限らず、水平面に対する回転軸21の傾斜角αを0度 ＜ α ＜90度の範囲で適宜変化させてもよい。また、本発明を上記FASTに適用する場合等、傾斜角αが0度 ＜ α ＜90度の範囲内で常に変化することにしてもよい。

垂直翼22は、その長手方向が回転軸21に直交する平面に対して垂直となるように支持アーム24の先端に取り付けられている。
本実施の形態では回転軸21を中心とした120度の等角度間隔で3枚の垂直翼22を取り付けているが、垂直翼22の枚数は適宜変更可能である。
垂直翼22が風を受けると、風の回転軸21に対して垂直な方向の風速成分によって主に揚力に起因するトルクが生じ、このトルクを駆動源として回転軸21を回転させる仕組みになっている。

平行翼23は垂直翼22に直接取り付けられることで回転軸21の回転を補助するための部材であり、本実施の形態では吹き上げ風用として各垂直翼22の上部に取り付けられている。
具体的には、各平行翼23はその長手方向が回転軸21に直交する平面に対して平行となるように且つ回転軸21の半径方向と一致するように各垂直翼の外側面に取り付けられている。
平行翼23が風を受けると、風の回転軸21に対して平行な方向の成分によって主に揚力に起因するトルクが生じ、このトルクを補助的な駆動源として回転軸21を回転させる仕組みになっている。
このように、本実施の形態では、垂直翼22が回転軸21に対して垂直な方向の風速成分によって主に揚力に起因するトルクを生じさせ、平行翼23が回転軸21に対して平行な方向の風速成分によって主に揚力に起因するトルクを生じさせるので、風車起動後において風の運動エネルギーを効率良く垂直軸風車の回転エネルギーに変換し、発電機30で電気エネルギーに変換できる。

なお、風車を吹き下ろし風が多く吹く環境に設置する場合には、図4に示すように、平行翼23を各垂直翼22の下部に取り付けるのが好ましい。この場合、吹き下ろし風の大半が風車の内部まで侵入するため、風下側の垂直翼22に流入する吹き下ろし風の速度の減衰量を低く抑えることができる。また、平行翼23を脱着自在な構造にしておき、風車の設置場所において吹き上げ風と吹き下ろし風のうち吹く割合が高い方の風に対応させて平行翼23を垂直翼22の上部又は下部に取り付けるようにしてもよい。
また、本実施の形態では、回転軸21に平行な風速成分により平行翼23が主に揚力に起因するトルクを発生させるものとしたが、主に抗力に起因するトルクを発生させるものにしてもよい。平行翼23に発生させるトルクを主に揚力に起因するものとするか抗力に起因するものとするかは平行翼23の断面形状や取付角度（仰俯角等）を適宜調節することで対応する。

［第２の実施の形態］
次に本発明の第２の実施の形態について説明するが、上記第１の実施の形態と同一の構成となる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図5に示すように、本実施の形態の垂直軸型風力発電装置40は連結環50を備える点に特徴を有する。
連結環50は各垂直翼22の上部同士を連結する部材であり、本実施の形態ではその外周面側に複数の平行翼60を取り付けている。
平行翼60は連結環50を介して垂直翼22に取り付けられることで回転軸21の回転を補助するための部材であり、本実施の形態では吹き上げ風用として、各垂直翼22の上部に取り付けた連結環50に平行翼60を取り付けている。
具体的には、各平行翼60はその長手方向が回転軸21に直交する平面に対して平行となるように且つ回転軸21の半径方向と一致するように連結環50の外周面側に取り付けられている。本実施の形態では各平行翼60を回転軸21を中心とした40度の等角度間隔で9枚取り付けているが、平行翼60の枚数は適宜変更可能である。
平行翼60が風を受けると、回転軸21に対して平行な方向の風速成分によって主に抗力に起因するトルクが生じ、このトルクを補助的な駆動源として回転軸21を回転させる仕組みになっている。

このように、本実施の形態では、垂直翼22が回転軸21に対して垂直な方向の風速成分によって主に揚力に起因するトルクを生じさせ、平行翼60が回転軸21に対して平行な方向の風速成分によって主に抗力に起因するトルクを生じさせる。上述の通り、一般的に揚力形垂直軸風車は起動力の低さが問題になるが、本実施の形態では抗力形の平行翼60を取り付けるので起動力を高めることができ、風の運動エネルギーを効率良く垂直軸風車の回転エネルギーに変換できる。
また、上述の通り一般的にソリディティの高い抗力形の平行翼を取り付けた場合には、風下側の垂直翼に流入する風速の減衰量が大きくなるが、本実施の形態のように、風車を吹き上げ風が多く吹く環境に設置する場合には連結環50及び平行翼60を垂直翼22の上部に取り付けるので、吹き上げ風の大半が風車の内部まで侵入し、風下側の垂直翼22に流入する吹き上げ風の速度の減衰量を低く抑えることができる。したがって、風下側の垂直翼22にも主に揚力に起因する大きなトルクが生じ、垂直軸型風力発電装置40の発電効率及び稼働率を高めることができる。

なお、平行翼60を連結環50の内周面側に取り付けてもよく、或いは内周面側と外周面側の両方に取り付けてもよい。この場合、連結環50の内周面側であって、垂直翼22との接合箇所近傍以外であれば、支持アーム24が邪魔になることがなく平行翼60を多数取り付けることができる。
また、風車を吹き下ろし風が多く吹く環境に設置する場合には連結環50及び平行翼60を垂直翼22の下部に取り付けるのが好ましい。また、連結環50及び平行翼60を脱着自在な構造にしておき、風車の設置場所において吹き上げ風と吹き下ろし風のうち吹く割合が高い方の風に対応させて連結環50及び平行翼60を垂直翼22の上部又は下部に取り付けるようにしてもよい。
また、本実施の形態では、風の回転軸21に平行な成分により平行翼60が主に抗力に起因するトルクを発生させるものとしたが、主に揚力に起因するトルクを発生させるものにしてもよい。

本発明は、平行翼を用いて吹き上げ風もしくは吹き下ろし風等の風車回転軸に平行な風速成分の運動エネルギーを効率良く垂直軸風車の回転エネルギーに変換しつつ、風下側の垂直翼に流入する風速の減衰量も低く抑えることで発電効率及び稼働率を高めた垂直軸型風力発電装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。

10 垂直軸型風力発電装置
20 揚力型垂直軸風車
21 回転軸
22 垂直翼
23 平行翼
24 支持アーム
30 発電機
40 垂直軸型風力発電装置
50 連結環
60 平行翼

Claims (3)

1. 回転軸に支持アームを介して取り付けた複数の垂直翼に生じる主に揚力に起因するトルクを駆動源として前記回転軸を回転させる揚力型垂直軸風車と、前記回転軸の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを備える垂直軸型風力発電装置において、
   前記垂直翼に取り付けられることで前記回転軸の回転を補助する複数の平行翼が以下の（１）及び（２）のうちの少なくともいずれか一方であることを特徴とする垂直軸型風力発電装置。
   （１）吹き上げ風用に前記垂直翼の上部に取り付けられる平行翼
   （２）吹き下ろし風用に前記垂直翼の下部に取り付けられる平行翼
   
2. 前記平行翼が、前記垂直翼の側面に直接取り付けられると共に前記回転軸に平行な風速成分により主に揚力に起因するトルクを発生させることを特徴とする請求項１に記載の垂直軸型風力発電装置。
   
3. 前記複数の垂直翼の上部又は下部同士を連結する連結環を備えており、
   前記平行翼が、当該連結環の内周面側と外周面側の少なくともいずれか一方に取り付けられると共に前記回転軸に平行な風速成分により主に抗力に起因するトルクを発生させることを特徴とする請求項１に記載の垂直軸型風力発電装置。
   

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