JP2018178917A - 垂直軸風車および風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率が良く、かつ騒音が少ない風力発電装置を提供する。【解決手段】垂直軸風車は、垂直主軸に支持体を介して連結された翼を備える。翼は、主翼部と翼端傾斜部とを有する。翼端傾斜部は、主翼部の両端部から垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びる。翼端傾斜部において水平方向での第１の位置を通り垂直主軸に沿った第１の断面と外側面との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径Ｒ１１を有する。翼端傾斜部において水平方向での第１の位置と異なる第２の位置を通り垂直主軸に沿った第２の断面と外側面との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径Ｒ１１とは異なる第２の曲率半径を有する。【選択図】図５

Description

この発明は、垂直主軸を持つ垂直軸風車、およびこの垂直軸風車を備えた風力発電装置に関する。

風力発電装置に用いられる風車は、水平軸式と垂直軸式とに大別される。垂直軸式は、風向を問わずに回転力が得られて、風向に対する制御が不要なことから、比較的小型の風車に用いられることが多い。垂直軸式の風車において、翼の形状によって発電量が左右することが知られており、効率の良い発電が可能な翼の開発が進められている。その一つとして、翼端に翼端傾斜部を設けた翼がある（例えば特許文献１）。翼端傾斜部は、先端側を垂直主軸に近づけるよう傾斜させた翼端板のことである。翼端傾斜部を設けることで、翼端での渦の発生が抑制される。これにより、風から受けるエネルギーを回転エネルギーに変換する回転エネルギー変換効率を向上させることができると共に、風切り音による騒音を低減することができる。

特開２０１１−１６９２９２号公報

上述の翼端傾斜部の効果は経験的には知られているが、翼端傾斜部をどのような形状にすれば最適な効果が得られるのかについて、まだ十分には研究されていない事項がある。たとえば、翼端傾斜部の形状と、前記回転エネルギー変換効率、空転時の抵抗、および騒音の程度との各関係が明確ではなかった。空転時の抵抗は、自然界の変動風下において回転が停止しやすいかの判断材料となり、発電効率に影響する。

この発明の目的は、回転エネルギー変換効率が良く、空転時の抵抗が小さく、騒音を抑えることができるように翼端傾斜部の形状を調整可能な垂直軸風車を提供することである。

この発明の他の目的は、発電効率が良く、かつ騒音が少ない風力発電装置を提供することである。

この発明に従った垂直軸風車は、回転自在に設けられる垂直主軸と、垂直主軸に接続された支持体と、垂直主軸に支持体を介して連結された翼とを備える。翼は風を受けて垂直主軸の軸心回りに回転可能である。翼は、主翼部と翼端傾斜部とを有する。主翼部は垂直主軸と平行に延びる。翼端傾斜部は、主翼部の両端部から垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びる。翼端傾斜部は、垂直主軸に面する内側面と、内側面とは反対側に位置する外側面とを有する。翼端傾斜部において水平方向での第１の位置を通り垂直主軸に沿った第１の断面と外側面との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径を有する。翼端傾斜部において水平方向での第１の位置と異なる第２の位置を通り垂直主軸に沿った第２の断面と外側面との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径とは異なる第２の曲率半径を有する。

上記によれば、第１の曲率半径と第２の曲率半径との値を適宜調整することで、翼端傾斜部の形状を回転エネルギー変換効率、空転時の抵抗、および騒音などを考慮して任意に設定できる。この結果、エネルギー変換効率が高く騒音の少ない垂直軸風車を得ることができる。

この発明の一実施形態に係る垂直軸風車を備えた風力発電装置の正面模式図である。 図１に示した風力発電装置の平面模式図である。 図１に示した垂直軸風車の翼を示す模式図である。 図３に示した翼の部分側面模式図である。 図４の線分Ｖ−Ｖにおける断面模式図である。 図４の線分ＶＩ−ＶＩにおける断面模式図である。 図４の線分ＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面模式図である。 図３に示した翼の部分斜視模式図である。 図３に示した翼の部分正面模式図である。 図１〜図９に示した翼の変形例を示す部分側面模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

＜風力発電装置および垂直軸風車の構成＞
図１はこの発明の一実施形態に係る垂直軸風車を備えた風力発電装置の正面図である。図２は図１に示した風力発電装置の平面図である。

図１に示すように、風力発電装置３は、地面に築かれた基礎１上に構築された鉄塔２の上に設置されている。風力発電装置３は、垂直軸風車４と、発電機６と、制御部とを主に備える。制御部には、たとえば配電用または制御用の機器が含まれる。垂直軸風車４は、垂直主軸５と支持体８と翼９とを主に含む。発電機６は、垂直軸風車４の垂直主軸５に接続されている。発電機６は垂直主軸５の回転により発電する。

垂直軸風車４において、垂直主軸５は上下方向に沿って延びる軸である。垂直主軸５は軸受等によって回転自在に支持される。垂直主軸５の上部は支持体８と接続されている。垂直主軸５の下部は発電機６に連結されている。垂直主軸５、発電機６、および制御部の少なくとも一部の機器は、カバー７によって覆われている。

垂直軸風車４では、垂直主軸５に支持体８を介して複数の翼９が取り付けられている。図１および図２に示した例では、翼９の数は２つである。それぞれの翼９は垂直主軸５を中心として１８０°位相の異なる位置に配置されている。なお、翼９の数は３つ以上であってもよい。支持体８は、少なくとも１つの水平アーム８ａと少なくとも１つの斜めアーム８ｂとを含む。水平アーム８ａは垂直主軸５の上端に水平に固定される。図１では、４本の斜めアーム８ｂが示されている。斜めアーム８ｂの一方の端部は、水平アーム８ａの中央部付近に接続される。それぞれの斜めアーム８ｂは、水平アーム８ａの中央部から図１の左右両側に向かって上向きの斜め方向または下向きの斜めに延びるように配置されている。図１では、水平アーム８ａの左端および左側の２本の斜めアーム８ｂの先端に左側の翼９が結合される。また、水平アーム８ａの右端および右側の２本の斜めアーム８ｂの先端に右側の翼９が結合されている。垂直軸風車４は、風を受けると、垂直主軸５の軸心Ｏの回りに図２の矢印方向に回転する。この場合、翼９は回転軌跡Ｃに沿って移動する。なお、翼９の回転軌跡Ｃは、翼９の前端および後端が通る軌跡である。

＜翼の構成＞
図３は翼９の側面模式図、正面模式図、および下面模式図を示している。図３の左側の上段に翼９の側面模式図が示されている。当該側面模式図の下側に翼９の下面模式図が示されている。側面模式図の右側に翼９の正面模式図が示されている。

翼９は、垂直主軸５（図１参照）と平行、すなわち上下方向に沿って延びる主翼部１０と、この主翼部１０の上下両端からそれぞれ垂直主軸５の側に斜めに折れ曲がって延びる上下の翼端傾斜部１１とからなる。翼端傾斜部１１は直線状に延びていてもよく、曲線状に延びていてもよい。曲線状である場合、その曲線は、円弧状であっても、曲率が異なる複数の円弧が組み合わされたものであってもよい。上下の翼端傾斜部１１は、主翼部１０の長手方向中間部の中心線ＣＬに対し、線対称となる同一形状に形成されていてもよい。

なお、以下の説明では、垂直主軸５の軸心方向を「上下方向」とする。また、垂直主軸５の軸心Ｏを中心として径方向の外径側を「外側」、内径側を「内側」とする。また、図３の矢印４０で示した、垂直軸風車４が回転するときに翼９が進行する側を「前側」、その反対側を「後側」とする。翼９の回転進行方向は、翼９の断面形状によって決まる。

図３に示すように、主翼部１０の断面形状および断面寸法は上下全域にわたって一定である。翼端傾斜部１１は先端側に行くに従って厚みが薄くなっている。但し、主翼部１０および翼端傾斜部１１のいずれについても、回転進行方向の位置によって厚みが異なっている。上述した翼端傾斜部１１の厚みとは、回転進行方向における最大厚み部の厚みを意味している。

図３では、一例として、主翼部１０および翼端傾斜部１１の最大厚み部の位置が線Ａ１で示されている。主翼部１０および翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線Ａ１は略直線である。図３では、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線Ａ１上に、翼端傾斜部１１の上下方向の最先端の位置である頂点位置Ｐが配置されている。図３に示す例のように、頂点位置Ｐが主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１の延長線上に位置する場合、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線は主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１の延長線上に存在する。

なお、頂点位置Ｐが主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１の延長線からずれている場合、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線は、主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１に対して曲がった線となる。この場合、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線は曲線であっても直線であってもよいが、いずれの場合も、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線の基端と線Ａ１の先端とは、その繋がり部が滑らかに繋がっていることが望ましい。

図３に示すように、主翼部１０の内側面１７と翼端傾斜部１１の内側面１８との境界部２１は線状に延びる角部である。図３では、境界部２１は線Ａ１と直交するように形成されている。主翼部１０の外側面１５と翼端傾斜部１１の外側面１６との境界部は曲面状の表面を有している。

図４は図３に示した翼９の翼端傾斜部１１を含む部分側面模式図である。図５は図４の線分Ｖ−Ｖにおける断面模式図である。図５に示す断面は翼端傾斜部１１の頂点位置Ｐを通り主翼部１０の延在方向に沿った断面である。図６は図４の線分ＶＩ−ＶＩにおける断面模式図である。図７は図４の線分ＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面模式図である。

図５に示す第１の断面としての断面は、上述のように翼端傾斜部１１の頂点位置Ｐを通る。図５に示す断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線は、複数の曲率半径Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３を有する曲線となっている。図６に示す断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線は、複数の曲率半径Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３を有する曲線となっている。図７に示す断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線は、複数の曲率半径Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３を有する曲線となっている。図５に示される断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線は、図６および図７に示された断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線における曲率半径より大きな曲率半径を有する部分を含む。たとえば、図５における複数の曲率半径Ｒ１１、Ｒ１２，Ｒ１３のうちの少なくとも１つは、図６および図７に示された曲率半径Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３のいずれかよりも大きくなっている。なお、図５〜図７において例示された曲率半径Ｒ１１，Ｒ２１，Ｒ３１は水平方向との交差角度が５０°となっている位置での曲率半径となっている。また、曲率半径Ｒ１２，Ｒ２２，Ｒ３２は水平方向との交差角度が６０°となっている位置での曲率半径となっている。曲率半径Ｒ１３，Ｒ２３，Ｒ３３は水平方向との交差角度が７０°となっている位置での曲率半径となっている。曲率半径を測定する位置は、水平方向との交差角度が上述したような角度以外の位置としてもよい。

また、図５〜図７に示した曲率半径に関して、各図に示された１つの断面における曲率半径は同じ値となっていてもよい。たとえば、曲率半径Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３がすべて同じ値となっていてもよい。また、曲率半径Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３がすべて同じ値となっていてもよい。また、曲率半径Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３がすべて同じ値となっていてもよい。

また、図５〜図７に示した曲率半径に関して、各図に示された１つの断面における曲率半径はそれぞれ異なる値となっていてもよい。この場合、主翼部に近い位置ほど曲率半径が大きくなっていてもよい。たとえば、図５において、Ｒ１１＞Ｒ１２＞Ｒ１３となっていてもよい。また、各断面において曲率半径の大小関係を変更してもよい。たとえば、図７に示した断面においては、Ｒ３２＞Ｒ３３＞Ｒ３１という関係になっていてもよい。

図５〜図７に示した翼９では、垂直主軸に沿った断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線の曲率半径を大きくすることで、当該交線上に頂点位置Ｐを配置することができる。このため、翼端傾斜部１１における頂点位置Ｐを任意の位置に容易に配置した構成を実現できる。

また、上述した説明では、翼端傾斜部１１の外側面１６と断面との交線における曲率半径について説明したが、翼端傾斜部１１の内側面１８と、水平方向での異なる位置を通り垂直主軸に沿った各断面との交線における曲率半径について、同様の関係が成立するようにしてもよい。すなわち、水平方向の異なる位置での断面において、内側面１８との交線が異なる曲率半径を有するように翼端傾斜部１１が構成されていてもよい。また、頂点位置Ｐを通る断面と内側面１８との交線が、内側面１８と他の位置における断面との交線より相対的に大きな曲率半径を有する部分をふくんでいてもよい。

図８は、図３に示した翼の部分斜視模式図であって、翼端傾斜部１１を示している。図９は、図３に示した翼の部分正面模式図であって、図８に示した翼の部分の正面模式図に対応する。

図８および図９に示すように、翼端傾斜部１１の外側面１６と内側面１８との接続端部２５は曲面状となっている。接続端部２５では、主翼部１０に近いほど当該接続端部２５の表面における曲率半径が大きくなっていてもよい。

＜作用効果＞
上述した垂直軸風車の特徴的な構成を要約すれば、垂直軸風車４は、回転自在に設けられる垂直主軸５と、垂直主軸５に接続された支持体８と、垂直主軸５に支持体８を介して連結された翼９とを備える。少なくとも１つの翼９は風を受けて垂直主軸５の軸心回りに回転可能である。翼９は、主翼部１０と翼端傾斜部１１とを有する。主翼部１０は垂直主軸５と平行に延びる。翼端傾斜部１１は、主翼部１０の両端部から垂直主軸５の側に斜めに折れ曲がって延びる。翼端傾斜部１１は、垂直主軸５に面する内側面１８と、内側面１８とは反対側に位置する外側面１６とを有する。翼端傾斜部１１において水平方向での第１の位置を通り垂直主軸５に沿った図５に示す第１の断面と外側面１６との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径Ｒ１１を有する。翼端傾斜部１１において水平方向での第１の位置と異なる第２の位置を通り垂直主軸５に沿った図６または図７に示す第２の断面と外側面１６との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径Ｒ１１とは異なる第２の曲率半径Ｒ２１〜Ｒ２３、Ｒ３１〜Ｒ３３を有する。

このようにすれば、第１の曲率半径Ｒ１１と第２の曲率半径との値を適宜調整することで、翼端傾斜部１１の形状を任意に変更することができる。そのため、たとえば翼端傾斜部１１において主翼部１０から最も離れた位置である頂点位置Ｐの水平方向における位置を任意に決定することができる。このため、翼端傾斜部１１の形状を回転エネルギー変換効率、空転時の抵抗、および騒音などを考慮して任意に設定できる。この結果、エネルギー変換効率が高く騒音の少ない垂直軸風車４を得ることができる。

上記垂直軸風車４において、図５に示す第１の断面は、翼端傾斜部１１において主翼部１０から最も離れた頂点位置Ｐを通る。第１の曲率半径Ｒ１１は第２の曲率半径Ｒ２１〜Ｒ２３、Ｒ３１〜Ｒ３３より大きい。

この場合、主翼部１０の端部における断面形状に関わらず、図４の線分Ｖ−Ｖの位置である第１の位置における垂直方向断面での翼端傾斜部１１の外側面１６の曲率半径Ｒ１１を大きくすることで頂点位置Ｐの水平方向での位置を第１の位置にすることができる。

上記垂直軸風車４において、図５〜図７に示した各断面と外側面１６との交線は、異なる曲率半径Ｒ１１〜Ｒ１３、Ｒ２１〜Ｒ２３、Ｒ３１〜Ｒ３３を有する複数の部分を含む。この場合、翼端傾斜部１１の外側面１６の形状の自由度をより大きくできるので、エネルギー効率や騒音などを考慮して翼端傾斜部１１の形状を容易に決定できる。

上記垂直軸風車４では、翼端傾斜部１１において、図８および図９に示すように内側面１８と外側面１６との接続端部２５が曲面状となっている。この場合、内側面１８と外側面１６との接続端部２５が角部になっている場合より、当該接続端部２５の強度を向上させることができる。また、接続端部２５において内側面１８と外側面１６とが滑らかに曲面により接続されているので、当該接続端部での空気の流れがスムーズになり、翼端傾斜部１１における空気抵抗の増大を抑制できる。

上記垂直軸風車４において、内側面１８と外側面１６との接続端部２５または接続端部２５近傍では、主翼部１０に相対的に近い第１領域（たとえば接続端部２５または接続端部２５近傍において図５に示す水平方向との交差角度が５０°である領域）における曲率半径（当該領域において接続端部２５の表面に対して垂直かつ内側面１８と外側面１６との間の距離が最小となる方向における接続端部２５表面または接続端部２５近傍表面の曲率半径）が、主翼部１０から第１領域よりも遠い第２領域（たとえば接続端部２５または接続端部２５近傍において図５に示す水平方向との交差角度が７０°である領域）における曲率半径より大きい。この場合、主翼部１０に近い第１領域での接続端部２５の強度を相対的に大きくできる。また、翼端傾斜部１１の延在方向に垂直な方向における断面積が主翼部１０から頂点位置Ｐに向けて徐々に小さくなるような構成において、頂点位置Ｐに近い位置での接続端部２５の曲率半径を相対的に小さくできるので、当該頂点位置Ｐに近い位置での接続端部２５の幅を主翼部１０に近い位置での幅より小さくできる。

本発明の実施形態に従った風力発電装置３は、図１に示すように、上記垂直軸風車４と、発電機６とを備える。発電機６は、垂直軸風車４の垂直主軸５の回転で発電する。このようにすれば、発電効率が良く、かつ騒音が少ない風力発電装置３を実現できる。

＜変形例の構成および作用効果＞
図１０は図１〜図９に示した翼の変形例を示す部分側面模式図である。図１０に示した翼を有する垂直軸風車および風力発電機は、基本的には図１〜図９に示した垂直軸風車および風力発電機と同様の構成を備えるが、翼端傾斜部１１と主翼部との傾斜境界部２２が伸びる方向が、線分２３で示される風車の垂直主軸５（図１参照）の延在方向と斜めに交差する方向となっている点が図１〜図９に示した垂直軸風車および風力発電機と異なっている。

図１０に示した翼を有する垂直軸風車および風力発電機は、図１〜図９に示した翼を有する垂直軸風車および風力発電機と同様の効果を奏するとともに、傾斜境界部２２と垂直主軸５の延在方向である線分２３との角度を変更することで、翼端傾斜部１１の外側面１６および内側面１８と翼９の周回方向との間の角度を変更することができる。このため、翼端傾斜部の形状について設計の自由度をさらに大きくできる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

１ 基礎、 ２ 鉄塔、３ 風力発電装置、４ 垂直軸風車、５ 垂直主軸、６ 発電機、７ カバー、８ 支持体、８ａ 水平アーム、８ｂ 斜めアーム、９ 翼、１０ 主翼部、１１ 翼端傾斜部、１５ 主翼部の外側面、１６ 翼端傾斜部の外側面、１７ 主翼部の内側面、１８ 翼端傾斜部の内側面、２１，２２ 境界部、２３ 線分、２５ 接続端部、４０ 矢印。

Claims (7)

1. 回転自在に設けられる垂直主軸と、
   前記垂直主軸に接続された支持体と、
   前記垂直主軸に前記支持体を介して連結された翼とを備え、
   前記翼は風を受けて前記垂直主軸の軸心回りに回転可能であり、
   前記翼は、
   前記垂直主軸と平行に延びる主翼部と、
   前記主翼部の両端部から前記垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びる翼端傾斜部とを有し、
   前記翼端傾斜部は、前記垂直主軸に面する内側面と、前記内側面とは反対側に位置する外側面とを有し、
   前記翼端傾斜部において水平方向での第１の位置を通り前記垂直主軸に沿った第１の断面と前記外側面との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径を有し、
   前記翼端傾斜部において水平方向での前記第１の位置と異なる第２の位置を通り前記垂直主軸に沿った第２の断面と前記外側面との交線の少なくとも一部は前記第１の曲率半径とは異なる第２の曲率半径を有する、垂直軸風車。
2. 前記第１の断面は、前記翼端傾斜部において前記主翼部から最も離れた頂点位置を通り、
   前記第１の曲率半径は前記第２の曲率半径より大きい、請求項１に記載の垂直軸風車。
3. 前記交線は異なる曲率半径を有する複数の部分を含む、請求項１または２に記載の垂直軸風車。
4. 前記翼端傾斜部と前記主翼部との境界部は、前記垂直主軸の延在方向と斜めに交差する方向に延びる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の垂直軸風車。
5. 前記翼端傾斜部において、前記内側面と前記外側面との接続端部は曲面状となっている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の垂直軸風車。
6. 前記内側面と前記外側面との前記接続端部では、前記主翼部に相対的に近い第１領域における曲率半径が前記主翼部から前記第１領域よりも遠い第２領域における曲率半径より大きい、請求項５に記載の垂直軸風車。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の垂直軸風車と、
   前記垂直軸風車の前記垂直主軸の回転で発電する発電機とを備える風力発電装置。