JP2021063469A - 揚力型垂直軸風水車 - Google Patents
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Abstract
Description
風車は、翼車の回転軸が地面に対して水平な水平軸風車と、翼車の回転軸が地面に対して垂直な垂直軸風車とに大別される。
さらに、それぞれの風車において、抗力により翼車を回転させる抗力型と揚力により翼車を回転させる揚力型とに大別されている。
一方、垂直軸風車は風向きに対する指向性を有さないため、風向き追従機構を有する必要が無く、装置構成を簡略化できる。
一方、揚力型の風車は、周速比が高い領域において風車効率が高くなるという特徴がある。
このような揚力型の垂直軸風車として、断面形状が流線形で略長方形の板状をした複数の回転翼と、発電機の回転子に連結されて垂直方向に配置された回転軸と、回転軸に固定される第一の回転軸貫入部材と、この第一の回転軸貫入部材と離れた位置で回転軸に固定される第二の回転軸貫入部材を有している風車が知られている(例えば、特許文献1)。
この風車は、さらに、一端が第一の回転軸貫入部材に固着されると共に他端が複数の回転翼の回転軸側の面のいずれかに取り付けられている第一の支持部材と、一端が第二の回転軸貫入部材に固着されると共に他端が複数の回転翼の回転軸側の面のいずれかに取り付けられている複数の第二の支持部材とを有している。
そして、複数の回転翼のそれぞれを支持する一対の第一の支持部材および第二の支持部材は、回転軸の軸方向から見たとき、所定角度の開度を有して配置されている。
したがって、回転軸に加わるモーメントや軸力が回転軸の角度により周期的に変化するため、回転軸がこの周期的なモーメントや軸力の付加により疲労破壊される恐れがある。
また、回転軸の延びる方向から見て、回転軸を中心とする単一の仮想円環の全周上に複数の翼が投影され、鉛直方向における翼の長さが、全周に亘って等しいことにより、側面視における翼の受風面積が回転軸の回転位置に依らずにほぼ一定となるため、翼の回転方向と直交する方向から受ける風に起因するアームからの軸力やモーメントがほぼ一定となり、回転軸を疲労破壊されにくくすることができる。
したがって、回転軸に加わる力が一様化され、回転軸を支持する軸受の疲労が抑制され、風水車の寿命を延ばすことができる。
換言すれば、迎角調整機構により翼に加わる遠心力に応じて翼の迎角が調整されるため、ある程度回転軸の回転数が高くなると、翼の迎角が変わり、回転数が増加しなくなる。
また、翼の断面形状は、揚力を発生されるものであれば、その形状は限定されるものではない。
あるいは、空気や液体などの圧力を加えることで翼形状が形成され、圧力を抜くことで翼形状が失われるような変形可能なゴム製、布製、フィルム製、などであってもよい。
このような圧力による形状可変翼の場合は、圧力を抜くことにより、強風時の迎角調整機能を実現することができる。
なお、以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。
まず、図1および図2に基づいて、本発明の第1実施例である風車100について説明する。
図1は本発明の第1実施例である風車の斜視図であり、図2は図1に示す風車の平面図である。
この風車100は、翼130に生じる揚力により、回転軸110が一方向に回転する。
すなわち、風車100は、揚力によって回転する揚力型の風車であるとともに、回転軸が垂直を向く垂直軸型の風車である。
すなわち、隣り合うアーム120の間隔は、60度となっている。
また、アーム120の半径方向と直交する面の断面形状は、矩形状になっている。
アーム120の先端には、鉛直上方に延びる円柱状の上部連結部121と、鉛直下方に延びる円柱状の下部連結部122が設けられている。
次に、図1乃至図3に基づいて、翼について詳細に説明する。
図3は、図1に示す風車の側面図である。
より具体的には、翼130は、重心から少し離れたところで、アーム120と連結されている。
なお、本実施例において、アーム120と翼130との連結点は、翼130の側面視の中心と翼130の先端部との中間地点付近に設けられており、重心よりも翼の先端側に位置するが、この連結点は翼の形状によって異なる。
すなわち、本実施例における翼130の最大翼厚は、コード長の12%となっている。
このように翼130が形成されていることにより、翼130に発生する揚力は鉛直方向でほぼ一定となる。
すなわち、翼130が、アーム120より上方に向かって延びると共に回転方向Rと逆方向に延びる上方翼131と、アーム120より下方に向かって延びると共に回転方向Rと逆方向に延びる下方翼132とからなる。
この上方翼131と下方翼132とは、水平方向に延びる翼130の中心線Lに対して対称となっている。
すなわち、図2のような回転軸110の延びる方向から見た平面視において、回転軸110を中心とする単一の仮想円環Cの全周上に複数の翼130が投影される。
したがって、翼130のキャンパー(翼130の断面において、前端と後端とを結ぶ翼の中心線と、コード(翼の前端と後端とを結ぶ直線)との差)も仮想円環C上に位置することになる。
このように翼130が形成されていることにより、翼130に発生する揚力は回転軸110の回転位置にかかわらず等しくなる。
なお、この仮想円環Cの直径(仮想円環Cの中心から、仮想円環Cの半径方向の中心までの距離)φは、側面視(図3)における翼130の高さHとほぼ等しくなっている。
具体的には、鉛直方向において隣接する翼130と重複する位置P1における、翼130の鉛直方向の長さL1は、回転方向前方側の翼130の上方翼131の鉛直方向の長さL1aと、回転方向後方側の翼130の鉛直方向の長さL1bと、回転方向前方側の翼130の下方翼132の鉛直方向の長さL1cとの和である。
一方、鉛直方向において隣接する翼130と重複しない位置P2における、翼130鉛直方向の長さL2は、翼130の上方翼131の鉛直方向の長さL2aと、翼130の下方翼132の鉛直方向の長さL2bとの和である。
そして、この鉛直方向において隣接する翼130と重複する位置P1における、翼130鉛直方向の長さL1は、鉛直方向において隣接する翼130と重複しない位置P2における、翼130鉛直方向の長さL2と等しくなっている。
このように翼130が形成されていることにより、風車100が側方から受ける風の受圧面積が、回転軸110の回転位置にかかわらず等しくなる。
図4は、本発明の第2実施例である風車の構成図である。
第2実施例の風車200は、第1実施例の風車100におけるアーム120と翼130との接続形態を変更したものであり、多くの要素について第1実施例の風車100と共通するので、共通する事項については詳しい説明を省略し、下2桁が共通する200番台の符号を付すのみとする。
これにより、翼230は、アーム220に対して回動自在になっている。
なお、翼230は、軸支機構221の上端側に形成された上側連結部221aと、軸支機構221の下端側に形成された下側連結部221bとにより軸支機構221に連結されている。
そこで、第2実施例の風車200は、翼230の迎角を調整する迎角調整機構240をアーム220と翼230との間に備えている。
迎角調整機構240は、回転軸210の回転数が所定の回転数より小さい場合には翼230の迎角を変更せず、回転軸210の回転数が所定の回転数以上となった場合には翼230に発生する揚力を低減させるように翼230の迎角を変更する。
この迎角調整機構240は、例えば、サーボモーターのようなアクチュエーターであってもよいし、弾性要素や減衰要素であってもよい。
このとき、迎角調整機構240が単純なばねのような構造であっても、翼230の迎角が変更可能となり、回転軸210の回転数の上昇が一定に抑制される。
また、遠心力は回転数の2乗に比例することから、本実施例の風車200では、通常の風速域では翼230の迎角がほとんど変わらず、制限風速を超えるあたりから翼230の迎角が変わりはじめ、強風時においても定格回転数を超えることがなくなっている。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。
翼130を多段にした場合、各段の回転方向は全て同じに限定されることはなく、それぞれ別々な方向に回転してもよい。
110、210 ・・・ 回転軸
120、220 ・・・ アーム
121 ・・・ 上側連結部
122 ・・・ 下側連結部
221 ・・・ 軸支機構
221a・・・ 上側連結部
221b・・・ 下側連結部
130、230 ・・・ 翼
131 ・・・ 上方翼
132 ・・・ 下方翼
240 ・・・ 迎角調整機構
R ・・・ 回転方向
L ・・・ 上下方向の中心線
H ・・・ 翼の高さ
F ・・・ 最前端
E ・・・ 最後端
G ・・・ 上下端の前端
C ・・・ 仮想円環
φ ・・・ 仮想円環の直径
Claims (3)
- 鉛直方向に延びる回転軸と、該回転軸から水平方向に延びると共に回転方向に等間隔に形成される複数のアームと、該アームの先端に取り付けられて上下方向に延びる複数の翼とを備え、該翼に生じる揚力により前記回転軸が回転する揚力型垂直軸風水車であって、
前記翼の断面が、前記翼の上端から前記翼の下端まで均一形状かつ均一面積であり、
前記回転軸の延びる方向から見て、前記回転軸を中心とする単一の仮想円環の全周上に複数の前記翼が投影され、
鉛直方向における前記翼の長さが、全周に亘って等しいことを特徴とする揚力型垂直軸風水車。 - 前記翼が、前記アームより上方に延びると共に回転方向と逆方向に延びる上方翼と、前記アームより下方に延びると共に回転方向と逆方向に延びる下方翼とからなり、
前記翼の形状が、側面視でV字状であることを特徴とする請求項1に記載の揚力型垂直軸風水車。 - 前記アームが、鉛直方向を回動軸として回動自在に前記翼を保持する軸支機構を前記アームの先端に有し、
前記翼の迎角を調整する迎角調整機構が、前記アームと前記翼との間に設けられ、
前記迎角調整機構は、前記回転軸の回転数が所定の回転数より小さい場合には前記翼の迎角を変更せず、前記回転軸の回転数が前記所定の回転数以上となった場合には前記翼に発生する揚力を低減、または、抗力を増加させるように前記翼の迎角を変更することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の揚力型垂直軸風水車。
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