JP2021017823A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】翼をロータに連結する支持材の翼への接合部によって翼表面を流れる気流を乱すことがなく、また翼端から発生する渦が抑制できて、風車の回転性能が上がり、発電効率が高められる風力発電装置を提供する。【解決手段】回転中心Ｏが鉛直姿勢のロータ４、および回転中心Ｏと平行に延びる翼５を有する垂直軸風車１と、発電機とを備える。翼５は断面形状が、前縁が丸く全体的に湾曲した揚力型である。翼５をロータ４に連結するアーム状の支持材６が遠心方向に延びる。翼５と支持材６とを接合する接合部８が翼５の翼端である。接合部８における支持材６の端縁の形状が、翼５の翼端の断面形状よりも大きくて翼端の断面形状からはみ出る形状である。【選択図】図２

Description

この発明は、垂直軸風車を備えた風力発電装置に関する。

垂直軸風車を有する風力発電装置は、風向に依存せず、静粛であるという特長を有する。垂直軸風車では、ロータの回転中心に平行な方向に伸びる翼が軸回りを回転するため、翼とロータを連結するための支持材が必要である。この支持材はアーム状に形成されてロータ中心から遠心方向に延び、駆動力を生み出す翼と連結される。垂直軸風車では、この支持材が翼と共に回転するため、風力エネルギーを回転エネルギーへ変換するエネルギー変換効率に支持材の空力特性が大きく影響し、風車の性能を左右する一因となっている。

また、垂直軸風車を有する風力発電装置は、翼の端部から発生する翼端渦や、翼表面を流れる気流の剥離によって、翼に発生する揚力もしくは抗力が変化し、風車の回転力が変化する。この、翼端渦や翼表面を流れる気流を制御することが、風車の性能を左右する要因となっている。

翼を支持する支持材の形状により回転エネルギーの変換効率が向上することがわかっている。特許文献１では、支持材の鉛直方向断面形状を略魚形とし、抵抗を小さくすることで、回転エネルギー変換効率をよくした風車を提供している。また、平面視で基部から遠心方向にかけて弦長を次第に大とすることで支持材の強度を向上した風車を提供している。 また、特許文献２では、翼端渦に関して翼端板による渦流の抑制方法に関して記載している。同文献の発明は、翼端の各部位における翼端渦の影響の大小で翼端板の形状を変更し、最適形状とすることを目的とした発明である。

特開２０１１−１６９２９２号公報 特開２０１７−０６６８７８号公報

垂直軸風車では、翼とともに回転する支持材により翼と回転軸等のロータを連結する必要がある。支持材により翼を固定する場合、翼と支持材の接合部は翼表面からの突起部となり、この突起部が翼表面を流れる気流を乱し、翼表面からの気流の剥離を誘発し、風車の回転力を低下させることになる。
翼端渦を制御するために翼端に傾斜部や翼端板を設ける場合、主翼部の翼形状とは別の形状となるため、製作工程を変更することで製作コストが増加し、また風車全体の高さを同じとすると、傾斜部の分だけ主翼部が短くなることで性能が低下するといった問題がある。

上記課題につき、図面と共に説明する。図１６〜図１８は、従来の一般的な垂直軸風車（翼端対策無し）を備えた風力発電装置を示す。この風力発電装置は、垂直軸風車１０１が鉄塔等からなる支柱１０２の上に回転自在に設置され、垂直軸風車１０１のロータ１０４が発電機１０３に連結されている。ロータ１０４は、回転中心が鉛直方向であり、垂直軸風車１０１は複数の翼１０５がロータ１０４の回転中心と平行に延び、各翼１０５が遠心方向に延びるアーム状の複数の支持材１０６でロータ１０４に連結されている。上下方向の中央の支持材１０６_１は水平に延びて翼１０５との接合箇所は翼１０５の上下方向の中央とされ、上下の支持材１０６_１は斜めに延びて翼１０５との接合部１０８が翼端１０５ｅから上下に若干に離れた箇所とされている。

支持材１０６は、図２１、図２２に示すように、水平に延びる上下２本とされる場合もある。この場合、ロータ１０４は上下方向に延びる回転軸とされる。

これら各例の垂直軸風車１０１では、いずれも、翼５は主翼部のみで構成されているため、翼端で渦が発生する。また、翼１０５の翼表面に支持材１０６との接合部１０８があるため、気流の乱れが生じ、翼本来の能力を発揮することができない。

図１９、図２０に、翼端対策を施した垂直軸風車の例を示す。この例では、翼１０５の翼端には翼端傾斜部１０５ｂが設けられている。
この例では、翼端傾斜部１０５ｂを設けたことで、翼端から発生する渦を制御することができる。しかし、翼端傾斜部１０５ｂを形成するために、風車サイズを同じにする場合、主翼部１０５ａを短くする必要があり、翼１０５の強度および性能に影響がある。また、この例においても、翼１０５の支持材１０６の突起部のために、気流の乱れが生じ、翼本来の能力を発揮することができない。

この発明は、上記の課題を解消するものであり、その目的は、翼をロータに連結する支持材の翼への接合部によって翼表面を流れる気流を乱すことがなく、また翼端から発生する渦が抑制できて、風車の回転性能が上がり、発電効率が高められる風力発電装置を提供することである。

この発明の風力発電装置は、回転中心が垂直姿勢のロータ、および前記回転中心と平行に延びる翼を有する垂直軸風車と、前記回転軸の回転により発電する発電機とを備えた風力発電装置であって、
前記翼は断面形状が、前縁が丸く全体的に湾曲した揚力型であり、前記翼を前記ロータに連結するアーム状の支持材が前記回転中心回りの遠心方向に延び、前記翼と前記支持材とを接合する接合部が前記翼の翼端であり、前記接合部における前記支持材の端縁の形状が、前記翼の前記翼端の断面形状よりも大きくて前記翼端の断面形状からはみ出る形状である。
なお、前記「支持材の形状」は、支持材の寸法を含む形状を言う。

この構成によると、翼と支持材を接合する接合部が翼端に配置されている。そのため、翼表面の突起部が無くなり、翼表面を流れる気流を乱すことなく、本来の翼の性能を発揮することができる。また、支持材の翼を連結する接合部の形状が、翼の翼断面形状より大きい形状であり、支持材で翼端を覆うことになるため、支持材の翼からはみ出る部分に翼端板の効果が期待でき、そのため翼端から発生する翼端渦を制御することができる。
このように、翼への支持材の接合部によって翼表面を流れる気流を乱すことがなく、また翼端から発生する渦が抑制できて、風車の回転性能が上がり、発電効率が高められる。

この発明において、前記支持材は、前記翼から前記回転中心側へ略水平に延び、前記翼から前記回転中心側へ前記翼の最大厚み以上離れた位置で、前記回転中心側の端部が前記翼の上下方向の中央付近の高さ位置となるように屈曲して前記ロータまで延びていてもよい。
このように、翼端から延びる支持材を、ロータ上下方向の中央へ向かうように屈曲する形状とすることで、ロータと発電機とを連結するロータにかかる応力を緩和することができ、強度に優れた風車を提供することができる。

この発明において、前記支持材の前記翼側の端縁の平面形状が、曲率が異なる複数の曲線により形成された流線形であってもよい。
支持材の端縁が前記流線形であると、支持材の空気抵抗が軽減され、渦の発生も抑制され、より効率良く垂直軸風車が回転し、発電効率が向上する。

この発明において、前記支持材の前記遠心方向外側の端部の平面形状が、前記翼の遠心方向外側の断面形状と相似形状であってもよい。
前記支持材の前記遠心方向外側の端部の平面形状は、前記のように翼の翼端の断面形状よりも大きくて翼端の断面形状からはみ出る形状であるが、前記相似形状であると、支持材が翼端からはみ出る各部のはみ出し量が、翼端の断面形状に応じた形状となり、はみ出し部分で生じる翼端板の効果がより効果的に得られる。

この発明において、前記支持材の平面形状が、前記回転中心から前記翼側へ曲線状に湾曲して延びる形状であってもよい。
このように支持材を曲線形状とすることで、気流との干渉による回転抵抗を小さくすることができる。

この発明において、前記支持材の平面形状が、前記翼の回転進行方向の後方が凸となる曲線形状であってもよい。
支持材を回転方向後方が凸となる曲線形状とすることで、翼から発生した渦を誘導し、渦による回転抵抗の影響をより小さくすることができる。

この発明の風力発電装置は、回転中心が鉛直姿勢のロータ、および前記回転中心と平行に延びる翼を有する垂直軸風車と、前記回転軸の回転により発電する発電機とを備えた風力発電装置であって、前記翼は断面形状が、前縁が丸く全体的に湾曲した揚力型であり、前記翼を前記ロータに連結するアーム状の支持材が前記回転中心回りの遠心方向に延び、前記翼と前記支持材とを接合する接合部が前記翼の翼端であり、前記接合部における前記支持材の端縁の形状が、前記翼の前記翼端の断面形状よりも大きくて前記翼端の断面形状からはみ出る形状であるため、翼への支持材の接合部に沿って翼表面を流れる気流を乱すことがなく、また翼端から発生する渦が抑制できて、風車の回転性能が上がり、発電効率が高められる。

この発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の正面図である。 同風力発電装置における垂直軸風車の斜視図である。 同垂直軸風車の正面図である。 図３の1V −1V線断面図である。 図４のＶ部の拡大断面図である。 この発明の他の実施形態に係る風力発電装置における垂直軸風車の斜視図である。 同垂直軸風車の正面図である。 図７のVIII-VIII 線断面図である。 垂直軸風車の空転時の回転抵抗につき図１〜５に示した第１の実施形態および図６〜８に示した第２の実施形態と従来例とを比較したグラフである。 この発明のさらに他の実施形態に係る風力発電装置における垂直軸風車の斜視図である。 同垂直軸風車の一部の水平断面図である。 図１０、図１１の実施形態における渦の発生を示す説明図である。同垂直軸風車の正面図である。 図２１、図２２に示した従来例における渦の発生を示す説明図である。 垂直軸風車の空転時の回転抵抗につき図１０〜図１２に示した第３の実施形態と従来例とを比較したグラフである。 参考提案例に係る垂直軸風車の斜視図である。 従来の一般的な風力発電装置の一例を示す正面図である。 同風力発電装置の垂直軸風車の斜視図である。 同垂直軸風車の正面図である。 従来の垂直軸風車の他の例の斜視図である。 同垂直軸風車の正面図である。 従来の垂直軸風車のさらに他の例の斜視図である。 同垂直軸風車の正面図である。

この発明の第１の実施形態を図１〜図５と共に説明する。この風力発電装置は、垂直軸風車１が支柱２の上端に回転自在に設置され、支柱２の上部に、垂直軸風車１の回転によって発電する発電機３が設置されている。垂直軸風車１と発電機３との間に、垂直軸風車１の回転を増速して発電機３に伝達する増速機（図示せず）が設けられていてもよい。支柱２は、図示の例では鉄塔とされているが、１本のパイプ等からなるポールであってもよい。発電機３は、同期発電機等の交流発電機である。

垂直軸風車１は、回転中心Ｏが鉛直、つまり垂直姿勢のロータ４と、このロータ４の周囲で前記回転中心Ｏと平行に延びる複数枚（図示の例では２枚）の翼５と、これらの翼５をロータ４に連結するアーム状の支持材６とで構成される。ロータ４は、この例では上下方向に延びる回転軸からなり、下部が軸受装置７を介して前記支柱２に回転自在に支持されている。

翼５は、図２に示すように、上下方向に延びる矩形の板状であって、その断面形状は、図４および図５に示すように、前縁が丸く全体的に湾曲した揚力型であり、いわゆる魚形とされている。翼５の断面形状は、より詳しくは、最大厚みの部分が中央よりも前側にあり、かつ回転中心Ｏ回りの回転の遠心方向の外側の翼表面の方が内側の翼表面よりも曲率が大きい形状とされている。翼５は、上記断面形状で、全長にわたり同じ断面形状とされている。なお、翼５は揚力型であるため、風を受けて回転する回転方向が定まっている。
翼５は、中空であっても、また中実であってもよく、翼５の材質は、例えば全体が合成樹脂製とされ、また骨組み（図示せず）や支持材６との接合部に金属材を併用した金属と合成樹脂の併用構成とされている。翼５は、アルミ合金等の金属製であってもよい。

支持材６は、図２に示すように１枚の翼５に対し上下端に位置するように２つ設けられ、それぞれ、基端がロータ４に接合され、前記遠心方向の外側端である先端が翼５に接合されている。支持材６は、この例では板面が上下に向いて水平に延びる平板状とされ、基端側が幅狭で先端側が広がるテーパ形状とされている。支持材６の材質は、鋼板、ステンレス鋼板等も金属製、またはアルミ合金、繊維強化プラスチック等の樹脂製とされている。

上下の支持材６を翼５に接合する接合部８は、翼５の上下の翼端であり、詳しくは、支持材６の端部６ｅが翼５の翼端面に被さって翼５に固定されている。支持材６の翼５への接合は、ボルト接合であっても、また接着剤による接着であってもよい。
支持材６の前記接合部８における形状、つまり端縁６ｅａの形状は、図５に一例を示すように、翼５の翼端の断面形状よりも大きくて翼端の表面を成す曲線５ｅの断面形状からはみ出る形状とされている。

この構成によると、翼５における支持材６との接合部８を翼端としたため、翼５の表面部に凹凸部がなくなり、翼表面を流れる気流を乱すことがなくなる。そのため、気流の剥離を抑制することができ、翼本来の性能を発揮することができ、垂直軸風車１の性能が向上する。
また、翼５における支持材６との接合部８を翼端とし、かつ、接合部８における支持材６の橋縁６ｅａの形状を翼５の断面を成す曲線５ｓより大きくて翼端の断面形状からはみ出る形状としたため、支持材６の翼端からのはみ出し部分により、翼端板の効果を得ることができて、翼端から発生する渦を抑制することができ、これにより誘導抵抗が小さくなり、風車の性能がさらに向上する。そのため、発電効率が向上する。

支持材６の遠心方向側端の端縁６ｅａの平面形状、つまり翼５側の端部６ｅの平面形状は、空力性能を考慮し、曲線形状、例えば曲率が互いに異なる複数の曲線により形成された流線形とされていることが好ましい。特に、支持材６の翼５側の端部６ｅの平面形状は、翼５の遠心方向外側の表面の断面形状を成す曲線５ｓと相似形状であってもよい。

図６〜図８は、支持材６の形状を変えた垂直軸風車１の例を示す。この実施形態では、支持材６の翼５との接合部８の形状は、図１〜図５と共に説明した例と同じであるが、支持材６の他の部分の形状が異なっている。この例では、支持材６は、翼５から回転中心Ｏ側へ略水平に延び、翼５から回転中心Ｏ側へ翼５の最大厚み以上離れた箇所Ａで屈曲し、この箇所Ａである屈曲点を起点としてロータ４の側の端部６ｂが翼５の上下方向の中央の高さ位置となるよう延びている。前記屈曲点は、翼５から回転中心Ｏ側へ翼５の最大厚み以上離れた箇所であればよいが、この範囲で翼５にできるだけ近い位置してもよい。

支持材６の形状をこのように屈曲した形状とすることで、垂直軸風車１の上下方向の中心付近に発電機３を配置することが可能となり、垂直軸風車１と発電機３とを接合する回転軸に作用する応力を小さくすることができる。そのため、強度に優れた風力発電装置１となる。

図９は、垂直軸風車の空転時の回転抵抗につき、一般的な垂直軸風車と、第１の実施形態に係る風力発電装置１と、第２の実施形態に係る風力発電装置とを比較して示すグラフである。縦軸は空転時の回転モーメント（比較値）として示す。一般的な垂直軸風車は、回転モーメントが−１．６程度であるのに対して、第１の実施形態では−０．９程度あり、４７％に改善している。第２の実施形態では、回転モーメントが−１．１程度であり、第２の実施形態においても、従来例に比較して空転時の回転抵抗が大きく改善されていることがわかる。

図１０，１１は、この発明の第３の実施形態を示す。この実施形態は、図１〜図５と共に説明した第１の実施形態において、支持材６の平面形状が、垂直軸風車１のロータ４から翼５側へ曲線状に湾曲して延びる形状とされている。ロータ４から翼５側へ向かう曲線のパターンとして、回転進行方向後方が凸となる曲線に形成される場合と、回転進行方向の前方が凸となる曲線により形成される場合の２つのパターンが採用できるが、この実施形態では、支持材６の平面形状が、翼５の回転進行方向の後方が凸となる曲線形状とされている。この曲線形状は、円弧状ないし放物線等の二次曲線等の曲線形状とされている。前記曲線形状は、支持材６の幅方向の中心の形状であるが、支持材６の前縁および後縁が共に前記曲線形状となっている。支持材６におけるロータ４側の幅に対して翼５側の幅が次第に広がっていることに関しては、第１の実施形態と同様である。

この構成の場合、翼５とロータ４とを連結する支持材６の形状が、回転方向に出入りする曲線に形成されているため、回転進行方向からの気流を正面から受けることが少なくなり、支持材６の回転進行方向の前方で気流が淀むことなく流れる。そのため、支持材６の抵抗力が小さくなり、垂直軸風車１の性能が向上する。
上記のように曲線状に形成した支持材６を翼５の翼端と連結することにより、翼端から発生する翼端渦の発生を抑制する作用を、翼端板を設けた場合と同様に得ることができる。また、支持材６を回転進行方向と反対側が凸となるような曲線に形成した場合、支持材６の回転進行方向とは反対側に沿って、翼端で発生した翼端渦が誘導され、翼端渦が回転遠心方向の中心側に向かう方向へ移動し、通常発生する回転半径より小さい形で翼端渦の影響が発生する。そのため、回転抵抗が小さくなり、垂直軸風車１の性能が向上する。

指示材６の翼５との連結が翼端ではなく、図１５の提案例のように翼５の長さ方向の中間である場合、翼５と支持材６との接合部で気流が乱れ、翼面から気流が脱離し、渦が発生するが、支持材６を回転進行方向と反対側が凸となるように曲線形成した場合、先に述べたような効果を期待できる。また、第１の実施形態と同様に、翼５と支持材６の接合部における支持材６の形状を翼５の断面形状より大きくすることにより、整流板の効果を記載することができ、高性能の垂直軸風車１となる。

図１２、図１３は、それぞれこの実施形態に係る垂直軸風車１および図２１〜２２の一般的な例における気流の流れを示す。一般的な支持材１０６の場合、翼端もしくは翼後縁からの渦が風車回転径の最外径で発生するため渦による回転抵抗の影響が大きくなるが、支持材５を第３の実施形態のように曲線形状とすることで、翼端もしくは翼後縁からの渦が風車回転径の内側へ誘導することができるため、結果として回転の抵抗が小さくなる。

図１４は、垂直軸風車の空転時の回転抵抗につき、一般的な垂直軸風車と、図１０〜図１２に示す第３の実施形態に係る風力発電装置１とを比較して示すグラフである。縦軸は空転時の回転モーメント（比較値）として示す。一般的な垂直軸風車は、回転モーメントが−１．６程度であるのに対して、第３の実施形態では−０．９弱であり、４５％に改善している。これは、第３の実施形態における曲線形状の支持材６の場合、翼５から発生した渦を誘導できる効果が記載でき、また遠心方向内側で渦の影響が作用するために、回転抵抗を小さくすることができることによる。加えてこの実施形態では、第１、第２の実施形態と同様に、支持材６の接合箇所が翼端であり、かつ支持材６の端縁の形状が翼５の断面形状よりも大きくことに起因していることによる。

図１５は参考提案例に係る垂直軸風車を示す。この例では支持材６を第３の実施形態図１１、図１２）と同様な曲線形状としているが、支持材６を翼５に接合する接合部８′は翼端とせず、翼端近傍とし、翼端に翼端板１０を設けている。
この例の場合、第１の実施形態における支持材６の接合箇所が翼端であり、かつ支持材６の端縁の形状が翼５の断面形状よりも大きいことによる効果は得られないが、支持材６が曲線形状であることによる回転抵抗の低減効果が得られる。

以上、実施形態に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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が含まれることが意図される。

１…垂直軸風車
２…支柱
３…発電機
４…ロータ
５…翼
６…支持材
６ｅａ…端縁
７…軸受装置
８…接合部
１０…翼端版
Ａ…箇所
Ｏ…回転中心

Claims (5)

1. 回転中心が鉛直姿勢のロータ、および前記回転中心と平行に延びる翼を有する垂直軸風車と、前記回転軸の回転により発電する発電機とを備えた風力発電装置であって、
   前記翼は断面形状が、前縁が丸く全体的に湾曲した揚力型であり、前記翼を前記ロータに連結するアーム状の支持材が前記回転中心回りの遠心方向に延び、前記翼と前記支持材とを接合する接合部が前記翼の翼端であり、前記接合部における前記支持材の端縁の形状が、前記翼の前記翼端の断面形状よりも大きくて前記翼端の断面形状からはみ出る形状である風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置において、前記支持材は、前記翼から前記回転中心側へ略水平に延び、かつ前記翼から前記回転中心側へ前記翼の最大厚み以上離れた箇所で、前記回転中心側の端部が、前記翼の上下方向の中央付近の高さ位置となるように屈曲して前記ロータまで延びる風力発電装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の風力発電装置において、前記支持材の前記遠心方向外側の端縁の平面形状が、曲率が互いに異なる複数の曲線により形成された流線形である風力発電装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の風力発電装置において、前記支持材の平面形状が、前記回転中心から前記翼側へ曲線状に湾曲して延びる形状である風力発電装置。
5. 請求項４に記載の風力発電装置において、前記支持材の平面形状が、前記翼の回転進行方向の後方が凸となる曲線形状である風力発電装置。

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