JP2017067059A - 風車の翼 - Google Patents

Abstract

【課題】水平軸多翼式の風力原動機において、風エネルギーを高効率で回転トルクに変換するような翼構造とし、従来のものより効率の良い小型風力発電機として普及を図る。【解決手段】回転方向に幅の広い翼とし、その翼表面に風案内仕切板を立てる等、翼表面の風の流れをコントロールし整流して翼回転の後方へ流す風の案内を設けた翼構造とした。【選択図】 図７

Description

本発明は、風力原動機の翼構造に関するものである。

風力原動機の方式は各種現存しており、それぞれの特徴に応じて用いられている。本願発明は水平軸方式において風エネルギーを最大限に受け取り、且つ効率よく回転トルクに変換するような翼構造とすべく発明したものである。

特開２００５−２８２３８９ 特開２００６−１５２８９８ 特開２０１０−１０６６６７

特許文献３は翼幅の狭いプロペラ式の高速回転型で、主に大型の発電機に用いられている。
特許文献２は多翼式の８枚翼の例であり翼が回転して描く円のほぼ全面積をカバーする翼となっている。これは吹いてくる風を極力多く受けとめるためであるが、このように翼面積が大きい場合は強風時の安全を確保するために風圧を逃す為に翼の角度を変えられるようにしている。
特許文献１は特許文献２に対し翼の枚数を４枚としたものであり、翼が回転して描く円の７０％程度の面積をカバーする翼となっている。翼の回転方向の幅を大きくすることで吹き付けた風の流れを簡単には通過させず風圧を高めて翼を押圧するようにし、風のエネルギーをより多く回転力に変換させるものである。

本願発明は風のエネルギーをさらに効率良く回転力に変換する翼構造を提供するものであり、翼の表面に風の流れを整流して回転後方へ案内する構造を付加した。

風車の回転力は、風から受けた翼の各点の圧力と風車回転軸中心からの距離の積がその各点の回転力として働き、その各点の回転力の全面積分を積分したものがトータルの回転力であるが、翼表面に風の流れの案内を設けたことにより、流れを滞らせることなく風圧を高めて翼を押圧して風のエネルギーをより効率よく回転力に変換できるようになる。

従来の風車翼の例である。 図１の１枚毎の翼に対する風の流れを示している。 図１をA方向から見た図であり、風の流れを示している。 本願発明の第１の例であり、翼表面に翼の支持軸に直角な風案内仕切板を立てたものである。 図４をB方向から見た図である。 図４の１枚毎の翼に対する風の流れを示している。 本願発明の第２の例であり、翼表面の幅方向にカーブした風の案内板を立てたものである。 本願発明の第３の例であり、翼の保持軸を回転の前方方向にオフセットして翼幅を広くしたものである。 図８の１枚毎の翼に対する風の流れを示している。 本願発明の第３の例の効果を説明するための図である。

以下、本発明について図を参照して説明する。
図１図２図３は従来の風車の翼の例であり、またその風の流れを示す。各翼は風下側にθの角度をつけてあり風圧で翼面にかかる力の回転方向分力により風車の回転力が生じる。図３で示すa、b、c、dの風の全ては本来、図２で示すイの方向に流れてエネルギーを風車の回転力に転換するのが理想である。しかしながら風の流れの案内がないと、風は最も通り抜けやすい方向つまり距離の短いロやハの方に抜けてしまい効率の良いエネルギー置換はなされない。
尚、図３で分かるように翼の幅を広くする効果は、例えばaの風は翼の幅全体にわたってエネルギー置換し、ｂの風は翼の幅の３／４にわたってエネルギー置換するためである。図示はしていないが幅が狭く枚数の多い翼では風はその狭い幅だけのエネルギー置換で通過してしまい充分な仕事はなされない。ただ特許文献３のプロペラ式は翼幅を小さくし回転の空気抵抗を小さくして徐々に回転エネルギーに変換して高速回転で利用するものであり、当然ながら風の案内板当も不要である。

図４本願発明の第１の例であり、翼１の表面に風車回転軸２から放射状に配した支持軸３に対して直角方向に風案内仕切板５を設けている。
図５は図４をB方向から見た図である。
図６は図４の１枚毎の翼１に対する風の流れを示している。風は風案内仕切板５により流れを制御され、その風の多くは翼１のイの方向へ流れ風の持つエネルギーを充分に回転力へエネルギー転換が行われる。
翼ヒンジ４にねじりバネを内蔵するなどにより風の強さに応じてエネルギー転換が最大効率となるように翼１の角度θが変化するようにし、また暴風の場合には支持軸３に対する翼１の回転方向の保持力を解除して翼１の角度θが９０度となる、つまり風圧を受けないような機構とすることは任意である。

図７は本願発明の第２の例で、風車の回転と空気の粘性を考慮したものであり翼１の風案内仕切板５に曲率をつけて効率をさらに向上したものである。
図８は本願発明の第３の例で、各翼１の保持軸３を回転前方側にオフセットすることで翼１の幅をさらに広くしたものである。
図９は図８の１枚毎の翼１に対する風の流れを示した図である。翼１の中心付近の受風面積は減るものの、保持軸３をオフセットした分翼１の回転方向の幅が広くなり、そうなることでエネルギー変換の効率が上がることは前述のとおりである。
図１０は本願発明の第３の例の更なる効果を説明する図である。風車を回転させる力は翼１にかかる各点の圧力Pと風車回転軸２からの距離Lの積で作用し、全面積分を総合したものが風車の回転力となるが、第３の例は風車回転軸２からの距離Lの大きい外側に近い部分が広くなるためエネルギー変換はさらに高まり効果は相乗される。

尚、本願発明は、広い翼で極力多く風を捉え、それを効率良く回転エネルギーに変換させるものであり、翼１の総面積は翼１が回転して描く円の少なくとも５０％以上をカバーするのが望ましく、また風の案内構造は風案内仕切板に限らずサメの鱗肌を大きくしたような翼表面としたものなど風の流れを整流制御する機能のものであればよい。

本願発明は、弱風でも風を捉え風のエネルギーを効率よく回転力に変換するものであり、特に家庭用など小型の発電装置等への利用が期待される。

１ 翼
２ 風車回転軸
３ 支持軸
４ 翼ヒンジ
５ 風案内仕切板

Claims (1)

1. 水平軸多翼式の風力原動機であって、回転方向に幅の広い翼とし、その翼表面に風案内仕切板を立てる等、翼表面の風の流れをコントロールし整流して翼回転の後方へ流す風の案内を設けた翼構造。