JP2021032081A - 垂直軸風車および可変風防機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 パワー係数を向上する垂直軸風車および可変風防機構を提供すること。
【解決手段】 垂直方向の回転軸に対して羽根１１が回転する垂直軸風車１０であって、当該垂直軸風車の風上側に配置され、当該垂直軸風車の一部を覆う風防部２１を含む。また、風防部２１は、風受部２２と一体として構成され、垂直軸風車１０の回転軸を中心として回転することを特徴とする。さらに、風受部２２の風受面２２ａに風を受けると、当該風受面と風の進行方向とが平行になるように回転し、風防部２１が、当該垂直軸風車の風上側に移動するように構成されることを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、風車のパワー係数を改善する可変風防機構付き垂直軸風車および可変風防機構に関する。ここにパワー係数とは、単位時間に風車が風から得るエネルギーと単位時間に風車に当たる風が持つ運動エネルギーとの比である。

いわゆる「サボニウス型風車」のような垂直軸風車は、風向に関係なく回転することから、風力発電に応用されている。

垂直軸風車を構成する羽根が１回転する間に、風車の回転に寄与するトルクを発生する角度範囲と、風車の回転を妨げるトルクを発生させる角度範囲が存在する。後者の角度範囲が存在するために、パワー係数を低下させることとなる。

この点につき、特開２００５−７６６２４号公報（特許文献１）は、垂直軸風車の回転の抵抗を低減させる技術を開示している。特許文献１によれば、水平軸において可変する羽根が、風力に応じて可変することで、風を受ける抵抗を増減させることができ、効率の良い回転をする風車が提供される。

しかしながら、特許文献１に記載の垂直軸風車は、構造が複雑であり、製造コストを増大させるものであった。そのため、簡便な構成で風車の回転の抵抗を減じる技術が求められていた。

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものでありパワー係数を向上する垂直軸風車および可変風防機構を提供することを目的とする。

すなわち、本発明によれば、
垂直方向の回転軸に対して羽根が回転する垂直軸風車であって、
当該垂直軸風車の風上側に配置され、当該垂直軸風車の一部を覆う風防部を含む、
垂直軸風車が提供される。

本発明によれば、パワー係数を向上する垂直軸風車および可変風防機構が提供できる。

一般的な垂直軸風車の構成を示す図。 本実施形態の風防部を有する垂直軸風車の構成を示す図。 本実施形態の風防部の角度と垂直軸風車のパワー係数の関係を評価した図。 本実施形態の可変風防機構付き垂直軸風車の構成を示す斜視図。 本実施形態の可変風防機構付き垂直軸風車の風防部の動きを説明する図。 本実施形態の風防部を有する垂直軸風車において、羽根が偏在配置された種々の配置形態の例を示す図。

以下、本発明を、実施形態をもって説明するが、本発明は後述する実施形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜その説明を省略するものとする。

まず、サボニウス型風車のような一般的な垂直軸風車１０の構成について説明する。図１は、一般的な垂直軸風車１０の構成を示す図であり、図１（ａ）は、垂直軸風車１０の斜視図を、図１（ｂ）は、垂直軸風車１０を上面からみた断面図をそれぞれ示している。図１（ａ）に示されるように、垂直軸風車１０は、垂直方向に回転軸を有する風車であり、羽根１１と支持部材１２から構成される。

なお、以下に説明する実施形態においては、羽根１１の数が２枚である垂直軸風車１０を例示して説明するが、羽根１１の枚数を特に限定するものではない。また、以下に説明する実施形態では、垂直軸風車１０を構成する羽根の形状が湾曲した形状である場合を例に挙げるが、特に実施形態を限定するものではなく、これ以外の形状の羽根であってもよい。さらに、以下に説明する実施形態において、羽根１１ａ，１１ｂは、回転軸を中心点として点対称に配置される場合を例に説明しているが、非対称に配置されていてもよい。

垂直軸風車１０は、羽根１１ａ，１１ｂが風を受けることで、円周方向に回転する。具体的には、図１（ｂ）において破線の矢印で示される方向に風が流れると、図１（ｂ）において実線の矢印で示される方向（反時計回り）に回転トルクが発生し、垂直軸風車１０が回転する。したがって、垂直軸風車１０は、風を受けて図１（ｂ）に示す方向に連続的に回転することから、垂直軸風車１０と図示しない発電機とを接続することで、風力発電を行うことができる。

一方で、図１に示す垂直軸風車１０が風を受けると、羽根１１ａ，１１ｂの一部が、回転方向とは逆方向のトルク（以下、「抵抗トルク」として参照する）を生じさせる。したがって、抵抗トルクが垂直軸風車１０の回転を妨げることになり、垂直軸風車１０のパワー係数が低下する。

そこで本実施形態では、垂直軸風車１０の一部を風防部２１で覆い、回転を妨げるトルクが生じない構成としている。図２は、本実施形態の風防部２１を有する垂直軸風車１０の構成を示す図である。

図２（ａ）は、本実施形態の風防部２１を有する垂直軸風車１０の斜視図である。なお、以下に説明する実施形態では、図２（ａ）に示すように、ｙ軸方向に風が流れる場合を例に説明するものとし、ｙ軸方向に沿う垂直軸風車１０の風上側と風下側を、それぞれ垂直軸風車１０の前方、後方として定義する。また、図２（ａ）に示すように、垂直軸風車１０の高さ方向、すなわち、回転軸方向をｚ軸として定義し、ｙ軸とｚ軸に直交する軸をｘ軸として定義する。

図２（ａ）に示すように、本実施形態の風防部２１は、垂直軸風車１０の風上側、すなわち前方に、垂直軸風車１０の一部を覆うようにして配置される。ここで、風防部２１の風が当たる面は、概略中心軸から回転半径に相当する長さを覆うように配置される。このように風防部２１を配置することで、羽根１１ａ，１１ｂの双方に風が当たるのを防ぐことができ、抵抗トルクの発生を抑制することができる。

図２（ｂ）は、本実施形態の風防部２１を有する垂直軸風車１０を上面からみた断面図である。図２（ｂ）に示すように、風防部２１の風が当たる面と、風の進行方向とが成す角度をθとする。ここで、風防部２１の角度と、垂直軸風車１０のパワー係数について考える。図３は、本実施形態の風防部２１の角度と垂直軸風車１０のパワー係数の関係を評価した図である。

垂直軸風車１０のパワー係数は、以下のような実験にて算出した。すなわち、図３（ａ）に示すように、回転軸に質量Ｍ［ｋｇ］の錘４０が付いた糸を巻き付け、垂直軸風車１０の回転によって錘４０が巻き上げられる速度Ｖを測定する実験装置を作製した。実験では、風速約５［ｍ／ｓ］で送風し、錘４０に与えられる仕事率（ＭｇＶ［Ｗ］）を算出し、垂直軸風車１０の前面の面積Ｓ［ｍ^２］の領域を通過する、単位時間当たりの風の運動エネルギー（ρＵ^３Ｓ／２［Ｗ］）との比を、パワー係数Ｃｐとして算出した。なお、ｇは重力加速度を、ρは空気密度を、Ｕは風速を、それぞれ示している。

図３（ｂ）の横軸は、風防部２１の風が当たる面の角度θを、縦軸は、垂直軸風車１０のパワー係数Ｃｐをそれぞれ示している。また、図３（ｂ）中の丸印のプロットは、風防部２１を設けた場合の各角度のパワー係数を示し、同図の実線は、風防部２１を設けない場合のパワー係数を示している。

図３（ｂ）に示すように、風防部２１を設けることで、風防部２１を設けない場合に比べて、垂直軸風車１０のパワー係数が約１００％向上している。すなわち、風防部２１が風を防ぎ、抵抗トルクの発生を抑制していることが示された。図３（ｂ）に示す評価の結果は、特に実施形態を限定するものではないが、θの値が６０°から１２０°と広範にわたっても風防部２１の効果があることを示している。また、θを７０°とすることで、パワー係数が最も高くなった。これは、風防部２１に当たった風が、回転トルクを発生させる羽根１１ａ，１１ｂ側に導かれ、垂直軸風車１０を回転させるトルクの増大に寄与するためである。したがって、θが鋭角（θ＜９０°）となるように風防部２１を配置することで、垂直軸風車１０の回転をより効率的にすることができる。

ところで、垂直軸風車１０への風向きは、一方向であるとは限らない。すなわち、実際に垂直軸風車１０を風力発電に用いるような環境下では、時間の経過とともに風向きが変化する。したがって、図２（ａ）のように風防部２１が固定されていると、風向きの変化に対応できず、風向きによっては垂直軸風車１０の回転方向とは逆方向の抵抗トルクが発生することとなる。

そこで、本実施形態の垂直軸風車１０は、風向きの変化に応じて風防部２１の位置が変動する可変風防機構２０を備える。図４は、本実施形態の可変風防機構付き垂直軸風車１の構成を示す斜視図である。本実施形態の可変風防機構付き垂直軸風車１は、図４に示すように、垂直軸風車１０と、可変風防機構２０と、フレーム３０とを含んで構成される。垂直軸風車１０は、図１において説明した一般的な構成の風車とすることができる。可変風防機構２０は、風防部２１と、風受部２２とから構成される。フレーム３０は、垂直軸風車１０と、可変風防機構２０とを回転可能に支持する。なお、図４に示したフレーム３０の形状は、一例であって、これ以外の形状としてもよい。

可変風防機構２０の詳細について説明する。本実施形態の可変風防機構２０は、風防部２１および風受部２２が所定の位置関係を維持するように接続されて構成され、垂直軸風車１０と同じ回転軸を有し、風向に応じてｘｙ平面を回転する構成である。風受部２２は、風を受ける面（以下、「風受面２２ａ」として参照する）を有して構成され、当該風受面２２ａに風が当たることで、風から受ける抗力を回転トルクに変換し、回転軸を中心に回転する。風受部２２の回転は、風受面２２ａに当たる風を受け流すように回転するものである。したがって、例えば、ｙ軸に沿う方向の風が流れた場合には、風受部２２は、風受面２２ａがｙ軸と平行になるように回転し、ｘ軸に沿う方向の風が流れた場合には、風受部２２は、風受面２２ａがｘ軸と平行になるように回転する。なお、可変風防機構２０は、風防部２１と風受部２２が一体として構成されているため、風受部２２の回転に伴い、風防部２１も回転する。なお、説明する実施形態における風受部２２は、風受部２２ａが平面形状である板状の部材から構成される例を示したが、特に実施形態を限定するものではなく、風受部２２の形状は、図４などに示したもの以外の形状であってもよい。

本実施形態の可変風防機構２０における、風防部２１と風受部２２との位置関係について説明する。図２を以て説明したように、風防部２１は、風向に対して図２（ｂ）で示したような位置にあることが好ましい。すなわち、上述したように、風受部２２は、風受面２２ａが風を受け流すように回転するものであることから、可変風防機構２０は、風受部２２が垂直軸風車１０の後方に位置するときに、風防部２１の風が当たる面が垂直軸風車１０の前方に位置するように構成される。

次に、本実施形態の可変風防機構２０の動作について説明する。図５は、本実施形態の可変風防機構付き垂直軸風車１の風防部２１の動きを説明する図である。図５は、可変風防機構付き垂直軸風車１を上面からみた断面図であり、図５（ａ）〜（ｃ）は、可変風防機構２０が風を受けて経時的に回転する様子を示している。なお、図５（ａ）〜（ｃ）は、図面の見やすさの観点から、可変風防機構付き垂直軸風車１の一部の構成を省略している点に留意されたい。

図５（ａ）は、可変風防機構付き垂直軸風車１の初期状態の一例を示している。図５（ａ）に示す例の初期状態では、本実施形態の可変風防機構２０の風受部２２の風受面２２ａがｘ軸に沿う方向に配置され、可変風防機構付き垂直軸風車１に向かってｙ軸方向から風が流れている。このような場合、垂直軸風車１０は、前方の全面から風を受けるため、反時計回りに回転する一方で、抵抗トルクが生じ、効率的な回転とはならない。また、図５（ａ）に示すように、可変風防機構２０の風受部２２の風受面２２ａにも風が当たることから、可変風防機構２０は、回転軸を中心として同図の実線で描かれる矢印の方向に回転する。可変風防機構２０が図５（ａ）の状態から回転すると、風受部２２が後方に移動するため、図５（ｂ）に示すような状態となる。

図５（ｂ）は、風を受けた可変風防機構２０が回転している途中の例を示す図である。図５（ｂ）に示すように、風受部２２の風受面２２ａは、ｙ軸方向と角度を成すことから、ｙ軸方向から流れる風が当たる。したがって、可変風防機構２０は、回転軸を中心にさらに実線で示す矢印の方向に回転する。可変風防機構２０が図５（ｂ）の状態から回転すると、風受部２２がさらに後方に移動するため、図５（ｃ）に示すような状態となる。なお、図５（ｂ）の垂直軸風車１０は、図５（ａ）と同様に、回転方向とは逆方向のトルクを受けながら、反時計回りに回転する。

図５（ｃ）は、風を受けて可変風防機構２０が回転したことで、風受部２２が、垂直軸風車１０の後方、すなわち風下側に移動し、風受面２２ａが風の流れる方向（ｙ軸）と平行になった場合を示す図である。図５（ｃ）に示すように、風受部２２の風受面２２ａは、ｙ軸方向と平行であることから、最早ｙ軸方向に沿って流れる風は当たらない。すなわち、風受部２２の風受面２２ａは、ｙ軸方向に沿って流れる風を受け流すことから、可変風防機構２０は、それ以上回転しない。そして、可変風防機構２０が回転した結果、図５（ｃ）のような位置関係になると、風防部２１は、垂直軸風車１０の前方に位置することとなるため、羽根１１ａまたは羽根１１ｂの抵抗トルクを生じさせる部分へ当たる風を防ぐことができる。したがって、垂直軸風車１０は、回転方向とは逆方向の抵抗トルクの発生を抑制できる。したがって、垂直軸風車１０のパワー係数を向上することができる。

なお、ここまでに説明した実施形態では、垂直軸風車１０を構成する羽根１１が対称に配置された例を示した。しかしながら、これは実施形態を限定するものではなく、羽根１１が偏在して配置されたり、羽根１１の数が１枚であったりしてもよい（以下、これらのような羽根１１の配置を総称して「偏在配置」とする）。羽根１１が偏在配置される場合であっても、本実施形態のように垂直軸風車１０の前方に風防部２１を設けることで、抵抗トルクの発生を抑制できることから、垂直軸風車１０を連続的に回転させることができる。図６は、本実施形態の風防部２１を有する垂直軸風車１０において、羽根１１が偏在配置された種々の配置形態の例を示す図である。

図６（ａ）は、３枚の羽根１１が偏在して配置された垂直軸風車１０の例を示し、図６（ｂ）は、羽根１１が１枚である垂直軸風車１０の例を示している。図６（ａ）に示すように、３枚の羽根１１が偏在配置されている場合であっても、垂直軸風車１０の前方に風防部２１を設けることで、抵抗トルクの発生を抑制でき、垂直軸風車１０を効率的に回転させることができる。また、図６（ｂ）に示すように、羽根１１が１枚である場合であっても、垂直軸風車１０の前方に風防部２１を設けることで、抵抗トルクの発生を抑制できるため、慣性によって羽根１１が回転し、垂直軸風車１０を連続的に回転させることができ、垂直軸風車１０の回転を効率化することができる。

なお、説明した実施形態では、風受部２２が風を受けることで、可変風防機構２０が回転し、風防部２１が垂直軸風車１０の前方に移動する例を示したが、特に実施形態を限定するものではない。したがって、例えば、可変風防機構２０は、風向を取得するセンサと、風防部２１の位置を可変するモータを備え、センサが取得した風向に応じてモータを駆動させ、風防部２１を垂直軸風車１０の前方に移動させる構成としてもよい。

以上、説明した本発明の実施形態によれば、パワー係数を向上する垂直軸風車および可変風防機構を提供することができる。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１…可変風防機構付き垂直軸風車、
１０…垂直軸風車、
１１…羽根、
１２…支持部材、
２０…可変風防機構、
２１…風防部
２２…風受部、
２２ａ…風受面、
３０…フレーム、
４０…錘

特開２００５−７６６２４号公報

Claims (5)

1. 垂直方向の回転軸に対して羽根が回転する垂直軸風車であって、
   当該垂直軸風車の風上側に配置され、当該垂直軸風車の一部を覆う風防部を含む、
   垂直軸風車。
2. 前記風防部は、風受部と一体として構成され、前記回転軸を中心として回転することを特徴とする、請求項１に記載の垂直軸風車。
3. 前記風受部の風受面に風を受けると、当該風受面と風の進行方向とが平行になるように回転し、
   前記風防部が、当該垂直軸風車の風上側に移動するように構成されることを特徴とする、請求項２に記載の垂直軸風車。
4. 風向きを取得するセンサと、
   前記風防部を回転させるモータと
   をさらに含み、
   前記センサが取得した前記移動方向に応じて、前記モータを駆動させ、前記風防部を当該垂直軸風車の上流側に移動させることを特徴とする、
   請求項１に記載の垂直軸風車。
5. 垂直方向の回転軸を中心として回転可能に構成され、風防部と風受部とを含む、可変風防機構。