JP2015232306A - Wind turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、風力により旋回翼を回転させて動力を得ることができる風車に関するものである。 The present invention relates to a windmill that can obtain power by rotating swirl vanes with wind power.
風車による動力は、以前から水の汲み上げや粉挽きに活用されているが、近年では風力発電に活用されている。
風力発電は、太陽光発電と同様に、自然エネルギーを利用することで、化石燃料を使用しないため二酸化炭素を排出しないため、資源の枯渇の心配が無く、地球温暖化の心配もない。また、風力発電は、放射線の漏れが心配される原子力発電と異なり、安全で安心である。
Power from windmills has been used for pumping water and grinding for some time, but in recent years it has been used for wind power generation.
Wind power generation, like solar power generation, uses natural energy and does not use fossil fuels and therefore does not emit carbon dioxide, so there is no fear of resource depletion and no concern about global warming. In addition, wind power generation is safe and secure, unlike nuclear power generation where radiation leakage is a concern.
このような風力発電に用いられる風車は、回転軸が風向に対して平行に配置される平行型と、垂直に配置される垂直型とに大別される。
垂直型の風車は、平行型と異なり、どの方向から風が吹いても旋回翼に風を受けさせることができる。このような垂直型の風車として、特許文献1〜3に記載されたものが知られている。
Wind turbines used for such wind power generation are roughly classified into a parallel type in which the rotation axis is arranged in parallel to the wind direction and a vertical type in which the rotation axis is arranged vertically.
Unlike the parallel type, the vertical wind turbine can cause the swirl blade to receive wind from any direction. As such a vertical type windmill, those described in Patent Documents 1 to 3 are known.
特許文献1に記載のバーチカル2段風車は、同軸の支柱に、右回転する風車と左回転する風車を二段に設け、二つの境界線上で歯車を回すことで大きなトルクを引きだすと同時に逆向きに回転する羽の動きも逆となり、ほぼ同じタイミングで風下側の羽が加速され外側に開くのも逆となり、振動の原因を打ち消し合うというものである。 The vertical two-stage windmill described in Patent Document 1 is provided with a two-stage wind turbine that rotates clockwise and a wind turbine that rotates counterclockwise on a coaxial column, and at the same time pulling out a large torque by rotating a gear on two boundary lines. The movement of the rotating wings is also reversed, and the wings on the leeward side are accelerated and opened outwards at almost the same timing, and the causes of the vibrations cancel each other.
また、特許文献2に記載の風車は、円環状のラックと接するように、風車本体の側面の周方向に間隔を置いて複数のピニオンが取り付けられ、ピニオンと一体となるように、第一の回転部材である三日月形状の原動車が設けられ、原動車と接するように、第二の回転部材である従動車が取り付けられている。原動車の連続回転運動は従動車の断続回転運動に変換され、羽根は回転軸を回転中心として風車本体に対する角度を断続的に変化させながら、風車本体の周方向に回転する。
In addition, the windmill described in
更に、特許文献3に記載の垂直軸風車は、垂直に延びる回転軸と、回転軸に固定された支持アームと、支持アームに回動可能に支持された受風板と、回転軸の回転位置に応じて受風板を支持アームに対して回動させる回動手段とを備え、回動手段は、回転軸を取り囲むように配置された非円形環状の誘導レールと、受風板に固定され、回転軸の回転により誘導レールに沿って移動するガイド部材とを備えて構成される。 Furthermore, the vertical axis windmill described in Patent Document 3 includes a rotating shaft that extends vertically, a support arm that is fixed to the rotating shaft, a wind receiving plate that is rotatably supported by the support arm, and a rotational position of the rotating shaft. And a rotating means for rotating the wind receiving plate with respect to the support arm in accordance with the non-circular annular guide rail disposed so as to surround the rotating shaft, and fixed to the wind receiving plate. And a guide member that moves along the guide rail by the rotation of the rotation shaft.
しかし、特許文献1に記載のバーチカル2段風車では、羽(可動翼)が支持アームから開いて風を受けるときに、風の抵抗を受けながら開くことになる。従って、特許文献1に記載のバーチカル2段風車は、可動翼を効率良く旋回させることができない。 However, in the vertical two-stage windmill described in Patent Document 1, when the wing (movable blade) is opened from the support arm and receives wind, it is opened while receiving wind resistance. Therefore, the vertical two-stage windmill described in Patent Document 1 cannot turn the movable blades efficiently.
また、特許文献2に記載の風車では、ラックとピニオンにより羽根の角度を変化させながら回転させているため、機械的な摩擦による抵抗を受ける。従って、特許文献2に記載の風車は、羽根を効率良く旋回させることができない。
Moreover, in the windmill described in
更に、特許文献3に記載の垂直軸風車では、誘導レールに沿ってガイド部材が移動しながら受風板を開いたり閉じたりさせている。従って、特許文献3に記載の垂直軸風車は、ガイド部材が誘導レールに摺動しながら移動する際の抵抗を受けるため、受風板を効率良く旋回させることができない。 Furthermore, in the vertical axis windmill described in Patent Document 3, the wind receiving plate is opened and closed while the guide member moves along the guide rail. Therefore, the vertical axis windmill described in Patent Document 3 receives the resistance when the guide member moves while sliding on the guide rail, and thus the wind receiving plate cannot be efficiently turned.
そこで本発明は、旋回翼を効率良く旋回させることができることで、高出力が得られる風車を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the windmill which can obtain a high output by turning a turning blade efficiently.
本発明の風車は、風向と交差する方向に配置される回転軸と、前記回転軸を中心に回転する旋回部とを備え、前記旋回部は、前記回転軸に軸回動自在に設けられ、前記回転軸を中心に旋回する旋回軸と、前記回転軸を挟んで前記旋回軸に一対設けられ、一方が風上に向かって前方に傾斜すると共に、他方が風下に向かって後方に傾斜した旋回翼とを備えたことを特徴とする。 The windmill of the present invention includes a rotating shaft arranged in a direction intersecting with the wind direction, and a turning portion that rotates around the rotating shaft, and the turning portion is provided on the rotating shaft so as to be pivotable. A pair of swivel shafts that swivel around the rotating shaft and a swivel shaft that is sandwiched between the rotating shafts, one tilted forward toward the windward and the other tilted backward toward the leeward It is provided with wings.
本発明の風車によれば、一方の旋回翼が風上に向かって前方に傾斜すると共に、他方の旋回翼が風下に向かって後方に傾斜しているため、一方の旋回翼が風を受けると一方の旋回翼が後方へ旋回軸を中心に回動しながら回転する。この一方の旋回翼の回動により旋回軸が回動して、他方の旋回翼が更に後方へ旋回軸を中心に風を受け流す方向に回動しながら回転する。そして、一方の旋回翼が風の流れと平行になると、一方の旋回翼と共に、他方の旋回翼も元の姿勢に戻る。そして、他方の旋回翼が風を受け始めると、他方の旋回翼が一方の旋回翼となって風を受け、回転し始める。このように、旋回軸が軸回動して、旋回翼が揺動しながら回転することができるので、効率良く回転することができる。 According to the windmill of the present invention, one swirl blade is inclined forward toward the windward side, and the other swirl blade is inclined rearward toward the leeward side. One swirl vane rotates while rotating backward about the swivel axis. The turning shaft is rotated by the rotation of one of the swirling blades, and the other swirling blade is rotated while rotating further in the direction of receiving wind around the swirling shaft. When one swirl vane becomes parallel to the wind flow, the other swirl vane returns to its original posture together with the one swirl vane. When the other swirl vane begins to receive wind, the other swirl vane becomes one swirl vane and receives wind and begins to rotate. In this way, the swivel shaft can rotate and the swirl blade can rotate while swinging, so that it can rotate efficiently.
前記旋回軸が軸回動したときに、前記一方の旋回翼を、風を受ける角度に設定すると共に、前記他方の旋回翼を、風を逃がす角度に設定するストッパが、前記旋回軸に設けられていることが望ましい。ストッパが、旋回翼の揺動範囲を規制することで、旋回翼を、最も風を受ける角度に調整して回転させることができるので、回転効率を向上させることができる。 A stopper is provided on the swivel shaft for setting the one swirl blade at an angle for receiving wind when the swivel shaft is pivoted and setting the other swirl blade at an angle for releasing the wind. It is desirable that Since the stopper regulates the swing range of the swirl vane, the swirl vane can be adjusted and rotated to the angle that receives the most wind, so that the rotation efficiency can be improved.
前記旋回軸には、前記旋回部の重心を上下方向に移動させるバランサーが設けられていることが望ましい。前記旋回部の重心を上げると、微弱な風でも旋回翼が揺動しやくなるため風が弱いときでも回転させることができる。また、前記旋回部の重心を下げると、強い風の際には揺動の抵抗になるため、旋回翼が回り過ぎることを抑止することができる。 It is desirable that a balancer that moves the center of gravity of the swivel portion in the vertical direction is provided on the swivel shaft. When the center of gravity of the swivel unit is raised, the swirl blades can be easily swung even in a weak wind, so that the swirl can be rotated even when the wind is weak. In addition, when the center of gravity of the swivel portion is lowered, the swirl blades can be prevented from rotating too much because resistance to rocking occurs in strong winds.
前記旋回翼は、前記回転軸とは反対側の側縁部が風向に向かって傾斜していると、この傾斜面に、旋回翼の中心寄りから外側方向に流れる風を受け止めさせることができるため、更に回転効率を向上させることができる。 If the swirl vane has a side edge opposite to the rotation axis inclined toward the wind direction, this inclined surface can receive the wind flowing outward from the center of the swirl vane. Further, the rotation efficiency can be improved.
前記旋回翼は、下端部が風向に向かって傾斜していると、この傾斜面に、旋回翼の上部から下方に流れる風を受け止めさせることができるため、更に回転効率を向上させることができる。 When the lower end portion of the swirl vane is inclined toward the wind direction, the inclined surface can receive the wind flowing downward from the upper portion of the swirl vane, so that the rotation efficiency can be further improved.
前記旋回翼は、前記回転軸側である内側から外側に向かって翼幅が幅広く形成されていることが望ましい。旋回翼の内側部分に風を受けても回転軸に近いため、回転に寄与し難い。また、旋回翼の外側部分で風を受ければ、旋回翼の内側部分で風を受けるより軽く回転させることができる。また、旋回翼の内側部分の翼幅を狭くすることで、旋回翼の軽量化を図ることができる。従って、旋回翼の内側部分の翼幅を狭く旋回翼の外側部分の翼幅を広くすることで、旋回翼を一層効率的に回転させることができる。 It is desirable that the swirl vane has a wide blade width from the inner side which is the rotating shaft side toward the outer side. Even if wind is applied to the inner part of the swirl blade, it is difficult to contribute to rotation because it is close to the rotation axis. Further, if the wind is received at the outer portion of the swirl vane, it can be rotated more lightly than the wind is received at the inner portion of the swirl vane. Moreover, the weight of the swirl vane can be reduced by reducing the width of the inner portion of the swirl vane. Therefore, the swirl vane can be rotated more efficiently by narrowing the width of the inner portion of the swirl vane and increasing the width of the outer portion of the swirl vane.
前記一対の旋回翼は、互いのなす角度が90度に形成されていると、一方の旋回翼が風に対して面直角で受け、回るときには、他方の旋回翼は風に対して平行になるため、風の影響を最小限に抑えることができるので、最も効率良く旋回翼を回転させることができる。 When the pair of swirl vanes are formed at an angle of 90 degrees with each other, one swirl vane receives at a right angle to the wind and when it turns, the other swirl vane is parallel to the wind. Therefore, since the influence of wind can be minimized, the swirl blade can be rotated most efficiently.
本発明の風車は、旋回軸が軸回動して、旋回翼が揺動しながら回転させることができるので、効率良く回転させることができることで、高出力が得られる。 The windmill of the present invention can be rotated while the swivel shaft is pivoted and the swirl blades are swung. Therefore, the windmill can be efficiently rotated, thereby obtaining a high output.
本発明の実施の形態に係る風車を、図面に基づいて説明する。なお、本明細書では、回転軸を中心に、風上側を前、風下側を後として説明する。また、本明細書では、回転軸を中心にして、回転軸側を内側、その反対側となる回転軸から離れる側を外側として説明する。 A windmill according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present specification, the description will be made with the windward side as the front and the leeward side as the back, with the rotation axis as the center. Further, in this specification, the description will be made with the rotation axis side as the inner side and the side away from the opposite rotation axis as the outer side with the rotation axis as the center.
図1に示す風車1は、風力発電装置に用いられるものである。風車1は、風向と交差する方向に配置される回転軸2と、回転軸2を中心に回転する旋回部3と、旋回部3に設けられたバランサー4と、回転軸2に設けられたストッパ5と、回転軸2を支持する基台部6とを備えている。
A windmill 1 shown in FIG. 1 is used in a wind turbine generator. The windmill 1 includes a rotating
回転軸2は、図示しない発電機に接続されている。
旋回部3(3a,3b)は、回転軸2に沿って上下となる位置に2組設けられている。旋回部3は、回転軸2に軸回動自在に設けられている。旋回部3は、回転軸2を中心に旋回する旋回軸31と、回転軸2を挟んで旋回軸31に一対設けられた旋回翼32(一方の旋回翼321,他方の旋回翼322)とを備えている。
The rotating
Two sets of the swivel units 3 (3a, 3b) are provided at positions that are up and down along the
旋回翼32は、一方の旋回翼321が風上に向かって前方に傾斜すると共に、他方の旋回翼322が風下に向かって後方に傾斜するように、旋回軸31に設けられている。
本実施の形態では、回転軸2は、風向と直交するように配置され、旋回部3は、上段の旋回部3aの旋回軸31と,下段の旋回部3bの旋回軸31とが平面視して直交するように回転軸2に配置され、一方の旋回翼321と他方の旋回翼322とは、側面視して互いのなす角度が90度に配置されている。
The
In the present embodiment, the
このように旋回翼321,322が旋回軸31に設けられていることで、旋回部3を回転軸2に配置すると、回転軸2を中心に、旋回翼321が前方に45度、旋回翼322が後方に45度の角度で、やじろべえのように回転軸2を支点に旋回部3が安定する。
Since the
旋回翼32は、回転軸側である内側から外側に向かって翼幅が幅広く形成されている。また、旋回翼32は、回転軸2とは反対側の側縁部32aが風向に向かって傾斜する傾斜面となっている。また、旋回翼32は、下端部32bが風向に向かって傾斜する傾斜面となっている。
The
バランサー4は、旋回部3の重心を上下方向に移動させる機能を備えている。バランサー4は、軸部41と錘部42とを備えている。バランサー4は、図示しない進退手段により、軸部41を進出させたり後退させたりして、錘部42の高さ位置が変更される。進退手段は、回転軸2の回転速度により風力を判定して、旋回部3の重心を調整することができる。
The
ストッパ5は、旋回軸31が軸回動したときに、一方の旋回翼321を、風を受ける角度に設定すると共に、他方の旋回翼322を、風を逃がす角度に設定する機能を備えている。ストッパ5は、回転軸2から伸びる腕部51と、バランサー4の軸部41を受けるパッド部52とを備えている。
旋回翼32が風を受ける角度としては、旋回翼32の下端部32bが風上(前方)を向いた状態を0度として、0度より大きく、旋回翼32の下端部32bが下方を向いた状態の90度以下である。また、旋回翼322が風を逃がす角度としては、90度より大きく、旋回翼32の下端部32bが風下(後方)を向いた状態の90度以下である。
The
The angle at which the
旋回翼32の風受け面32sが風上に向かって真っ直ぐに向き、風向に対して面直角となる状態が風を最大で受けることができる。そのため、本実施の形態では、バランサー4の軸部41が45度の角度となったときに、パッド部52により軸部41の傾斜が止まるように、ストッパ5が形成されている。
バランサー4とストッパ5とは、図示しないカバーにより雨雪や塵埃から保護されている。
A state where the
The
以上のように構成された本発明の実施の形態に係る風車の動作および使用状態を図面に基づいて説明する。なお、図3においては、旋回部3aのみを図示して、旋回部3aが旋回する状態を説明するが、旋回部3bにおいても同様である。
まず、初期状態では、図2および図3(A)に示すように、一方の旋回翼321と、他方の旋回翼322と、旋回軸31から直上に軸部41が伸びるバランサー4とがバランスが取れて、一方の旋回翼321が旋回軸31から前方に45度、他方の旋回翼322が旋回軸31から後方に45度の角度で安定している(図2においては、実線で示す。)。
The operation and use state of the wind turbine according to the embodiment of the present invention configured as described above will be described with reference to the drawings. In FIG. 3, only the
First, in the initial state, as shown in FIG. 2 and FIG. 3A, the balance between the one
風が吹くと、前方に傾斜する旋回翼321が風を受け、旋回軸31を中心に後方に向かって回動しながら、回転軸2を中心に旋回部3が回転し始める。
この旋回翼321が回動することで、旋回軸31が軸回動すると、バランサー4の軸部41がストッパ5のパッド部52に当たるまで、軸部41が直上方向から倒れる。
バランサー4の軸部41がストッパ5のパッド部52に当たり、旋回軸31の軸回動が止まると、旋回翼321の風受け面32sに沿った方向が下方に向き、風受け面32sが風向に対して面直角となるため、風を最も大きく受け止めることができる。
When the wind blows, the
When the
When the
旋回翼321は、回転軸2とは反対側の側縁部32aが風向に向かって傾斜していため、この側縁部32aの傾斜面に、旋回翼321の中心寄りから外側方向に流れる風を受け止めさせることができる。従って、側縁部32aが傾斜面に形成されていることで、更に回転効率を向上させることができる。
In the
旋回翼321は、下端部32bが風向に向かって傾斜しているため、この下端部32bの傾斜面に、旋回翼32の上部から下方に流れる風を受け止めさせることができる。従って、下端部32bが傾斜面に形成されていることで、更に、回転効率を向上させることができる。
Since the
また、旋回翼321は、回転軸2側である内側から外側に向かって翼幅が幅広く形成されているため、回転に寄与し難い内側は、切り欠いて旋回翼321の軽量化を図り、旋回翼321の外側部分で多くの風を受けることで、旋回翼321の内側部分で風を受けるより軽く回転させることができる。
Further, since the
このとき、他方の旋回翼322は、旋回軸31が軸回動することで、風下に向かって後方に傾斜していた初期状態から、下端部32bが持ち上がり、水平状態になるように回動する(図2では、点線にて示す。)。
他方の旋回翼322が水平状態となることで、回転軸2を中心として後方から前方に回るときに、他方の旋回翼322の風上側から見た投影面積(受け風面積)が最小になるため、少ない抵抗で他方の旋回翼322を、後方から前方に、風を逃がす位置から風を受ける位置まで、スムーズに回転させることができる。
At this time, the
When the
例えば、強風のときに、他方の旋回翼322が強風の中を後方から前方に回転することになるが、このとき、例えば、他方の旋回翼に下端部の折れ曲がり無く、他方の旋回翼が旋回軸31から斜め下方に垂れ下がると、風の流れによる揚力により、他方の旋回翼が浮き上がってしまうおそれがある。
しかし、他方の旋回翼322が水平状態になったときに、他方の旋回翼322の下端部32bが斜め上方を向いているため、飛行機が下降するときの主翼や尾翼のフラップのように、他方の旋回翼322の浮き上がりを抑えることができる。
また、他方の旋回翼322の下端部32bの折れ曲がりにより、他方の旋回翼322に下向きの揚力が作用して、他方の旋回翼322が回動すると、旋回軸31の反対側に位置する一方の旋回翼321が旋回軸31を中心として前方に回動するため、風を受ける風上側から見た投影面積(受け風面積)が減少するので、更に、旋回部3の回転速度を落とすことができる。
For example, in the case of a strong wind, the
However, when the
Further, when the
このようにして、他方の旋回翼322が前方まで回ると、他方の旋回翼322が一方の旋回翼321となり、一方の旋回翼321が後方まで回り、一方の旋回翼321が他方の旋回翼322となって回り続ける。
Thus, when the
以上のように本実施の形態に係る風車1によれば、旋回軸31が軸回動することで、旋回翼32が揺動しながら回転することができるので、効率良く回転することができる。従って、風車1は、旋回翼32を効率良く旋回させることができるので、高出力が得られる。また、風車1は、回転軸2が、風向と直交する方向に配置されているため、風車1の周囲360度のいずれから風が吹いても、また、急に風向が変化しても、回転軸2を中心として旋回部3を旋回させることができる。また、旋回部3a,3bの旋回軸31が、直交するように回転軸2に配置され、回転軸2に沿って上下となる位置に設けられているため、90度ごとに旋回翼32が位置するので、風車1の周囲360度のいずれから吹く風が微風であっても、旋回部3a,3bのそれぞれの旋回翼32に風を受けさせることができ、回転を開始させることができる。
As described above, according to the wind turbine 1 according to the present embodiment, the
ここで、バランサー4の機能について詳細に説明する。
図1に示すように、微風のときには旋回翼32の自重により、旋回翼32を前方への傾斜から下方向きに揺動させることが難しい場合がある。
このようなときに、バランサー4が旋回部3の重心を上下方向に移動させる機能を備えているため、微風でも旋回翼32を揺動させることができる。
Here, the function of the
As shown in FIG. 1, when the wind is light, it may be difficult to swing the
In such a case, since the
バランサー4の軸部41が進出すれば、錘部42が高くなるため重心が上がり、少しの風でも旋回翼32を揺動させやすくなる。また、強風で、旋回翼32の反応を鈍くしても支障が無いときは、軸部41を後退させる。そうすることで、錘部42が低くなるため重心が下がり、少しの風では旋回翼32が反応しなくなる。本実施の形態では、軸部41を進退させているが、錘部42を軸部41に沿って上下に移動させるようにしてもよい。
When the
この軸部41の上下の移動や錘部42の上下の移動は、回転軸2の回転速度により風力の度合いを判定して、回転数が低ければ、バランサー4により重心を上げ、回転数が高ければ、バランサー4により重心を下げる。
このようにして、風車1は、微風時でも効率良く、旋回部3を旋回させることができる。
For the vertical movement of the
In this way, the windmill 1 can turn the turning unit 3 efficiently even in a light wind.
以上のように本実施の形態に係る風車を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本実施の形態では、旋回部3a,3bが上下となる位置に2組配置されているが、旋回部3は1組でも、3組以上でもよい。旋回部3が2組以上ある場合には、旋回部3のそれぞれの旋回翼を、平面視して等角度ごと配置されるようにするのが、各旋回部3を均等に回転させることができるので望ましい。
Although the windmill according to the present embodiment has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment. In the present embodiment, two sets of the
本発明は、微風時でもスムーズに効率よく回転させて動力を得ることができるので、回転機械の動力源として、特に、風力発電用装置の風車に好適であり、個人用の風力発電に最適である。 Since the present invention can obtain power by smoothly and efficiently rotating even in light winds, the present invention is particularly suitable as a power source for a rotating machine, particularly for wind turbines of wind power generation devices, and optimal for personal wind power generation. is there.
1 風車
2 回転軸
3,3a,3b 旋回部
31 旋回軸
32,321,322 旋回翼
32a 側縁部
32b 下端部
32s 風受け面
4 バランサー
41 軸部
42 錘部
5 ストッパ
51 腕部
52 パッド部
6 基台部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (7)
前記回転軸を中心に回転する旋回部とを備え、
前記旋回部は、
前記回転軸に軸回動自在に設けられ、前記回転軸を中心に旋回する旋回軸と、
前記回転軸を挟んで前記旋回軸に一対設けられ、一方が風上に向かって前方に傾斜すると共に、他方が風下に向かって後方に傾斜した旋回翼とを備えた風車。 A rotation axis arranged in a direction intersecting the wind direction;
A revolving part that rotates about the rotation axis,
The swivel part is
A pivot shaft provided on the rotary shaft so as to be pivotable, and pivoting about the rotary shaft;
A wind turbine comprising a pair of swirl blades provided on the swivel shaft with the rotation shaft interposed therebetween, one inclined forward toward the windward side and the other inclined backward toward the leeward side.
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2014
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