JP2021161964A - 風力発電用の風車構造 - Google Patents

Abstract

【課題】自然風に対して効率よく風を風車に誘導することができる風力発電用の風車構造を提供する。【解決手段】垂直軸揚力型の風車１００と、集風装置２００とを有する風力発電用の風車構造であって、風車１００はフレーム１０と、そのフレームに支持される羽根車２０とを備え、集風装置２００は、風車１００に対して風の上流に配置されることによって風を風車１００へ誘導する風向板２１０を備え、風向板２１０は、風車１００の軸心周りに回転可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電用の風車構造に関する。

近年、環境問題や安全性の問題から風力発電への関心が高まっている。このような風力発電用の風車として、垂直軸垂直翼型の風車が知られている。例えば、特許文献１には、垂直軸垂直翼型の風車の羽根支持構造が開示されている。
この垂直軸垂直翼型の風車は、風向きに応じて風車の方向を制御する必要がなく風向きに関係なく回転させることができる。また、重さのある発電機等を地上近くに設けても回転エネルギーの伝達機構を簡単な構造にできるという利点を有している。一方、垂直軸垂直翼型の風車は、水平軸型の風車に比べて回転を始動させるのに大きなエネルギーを必要とするという課題がある。

そこで垂直軸垂直翼型の風車へ風を効率よく集める集風機構の研究が進められている。
特許文献２には、垂直軸型風車の上側に設けられた上側集風板と、垂直軸型風車の下側に設けられた下側集風板と、垂直軸型風車の外周に設けられた外周側集風板とを備えている集風装置が開示されている。上側集風板および下側集風板は、その間隙が風車の外側から内側に向けて縮小するように上下に傾斜させている。また外周側集風板は、風車から等間隔に放射状に設けられている。つまり、隣り合う外周側集風板の間隙が風車の外側から内側に向けて縮小するように配置されている。このように特許文献１には、インレットで風を集め、アウトレットで風を拡散する風レンズ型の集風機構が９０度間隔で放射状に設けられた集風装置が開示されている。
非特許文献１には、鉛直方向に延びる平板形状の付加物を風車の上流側に設置したとき、いわゆる風レンズ型の集風機構に比べて、大きな出力を得られることができたとの報告がある。

国際公開ＷＯ２００３／０６７０７９ 特開２０１７−１５０９４号公報

「周辺付加物による垂直軸型風車の発電性能向上に関する研究」/渡邉 康一、九州大学学術情報リポジトリ、平成２９年１月（http://doi.org/10.15017/1807033）

しかし、特許文献２の集風装置は、風レンズ型の集風機構を９０度間隔に放射状に設けているが、自然風はあらゆる方向から吹いてくるものである。この場合、各集風機構が真正面から風を受ける場合と、それ以外とでは効率は変わってくる。非特許文献１は、一方向からの風について集風効果を検討するものである。
本発明は、あらゆる方向から吹かれる風を効率良く受けることができる風力発電用の風車構造を提供することを目的としている。

本発明の風力発電用の風車構造は、垂直軸垂直翼の風車と、集風装置とを有し、前記集風装置は、前記風車に対して風の上流に配置されることによって前記風を前記風車へ誘導する風向板を備え、前記風向板は、前記風車の軸心周りに回転可能であることを特徴としている。
このように風を風車に誘導する風向板を風車の軸心周りに回転自在とすることにより、あらゆる方向から吹かれる風を効率よく風車に誘導することができる。

本発明の風力発電用の風車構造であって、前記風向板は、鉛直方向に延びる平板であり、前記風向板は、枠体と、その枠体内に収容される板本体とを備え、前記板本体は、ソーラーパネルであるものが好ましい。
本発明の風力発電用の風車構造であって、前記風向板は、鉛直方向に延びる平板であり、前記風向板は、枠体と、その枠体内に収容される板本体とを備え、前記板本体は、回転可能であるものが好ましい。

本発明の風力発電用の風車構造であって、前記集風装置は、前記風向板と前記風車とを連結する支持部材を備え、前記支持部材は、前記風車に回転支持される回転部と、前記回転部から風向板に延びる連結アームとを備えたものが好ましい。

本発明の風力発電用の風車構造であって、前記風車は、フレームと、そのフレームに支持される羽根車とを有し、前記風向板は、前記フレームに回転支持されるものが好ましい。

本発明の風車構造は、自然風に対して効率よく風を風車に誘導することができるため、回転効率が高い。

図１ａから図１ｃは、それぞれ本発明の風力発電用の風車構造の実施形態を示す正面図、側面図、平面図である。 図２ａ、ｂはぞれぞれ風車構造の風車を示す平面図、側面図であり、図２ｃ、ｄ、ｅはそれぞれ風車のフレームを示す正面図、平面図、Ａ−Ａ線断面図であり、図２ｆ、ｇ、ｈはそれぞれ風車の羽根車を示す平面図、側面図、回転面の概略図である。 図３ａから図３ｃはそれぞれ風車構造の集風装置の正面図、側面図、平面図である。 図４ａから図４ｃは、それぞれ集風装置の風向板のソーラーパネルを９０度回転させたときの状態を示す正面図、側面図、平面図である。 図５ａから図５ｅは、それぞれ他の実施形態を示す図面である。 図６ａ、ｂはそれぞれ他の実施形態を示す側面図、平面図であり、図６ｃ、ｄはそれぞれ他の実施形態を示す平面図である。

図１ａ、ｂ、ｃの風車構造１は、垂直軸揚力型の風車１００と、集風装置２００とを有し、風車１００はフレーム１０に支持される羽根車２０を備え、集風装置２００は風車１００に対して風の上流に配置されることによって風を風車１００へ誘導する風向板２１０を備えている。風向板２１０は、風車１００と、風車１００の軸心周りに回転自在に連結されている。この風車構造１を発電機と連結することにより風力発電装置として使用できる。

風車１００は、図２ａ、ｂに示すように、フレーム１０と、そのフレームに回転自在に取り付けられる羽根車２０とを有する。

フレーム１０は、図２ｃ、ｄ、ｅに示すように、上下方向に延びる３本の柱１１と、それらの柱を円周方向等間隔に連結する２つの環状の連結部材１２とを備えている。
連結部材１２は、ボス１３と、そのボス１３から放射状に延びる３本のスポーク１４と、それらのスポーク１４の端部をつなぐリング１５とを備えている。ボス１３には、羽根車２０を回転自在に支持する軸受け１３ａが設けられている。この連結部材１２は、軸受け１３ａが相対するように柱１１の上端および中部に配置されている。つまり、羽根車２０は、上方が解放されつつ、２つの連結部材１２の間に収容される。また上側の連結部材１２のボス１３の上面には、後述する集風装置２００を回転自在に支持する支軸５０が設けられている。

羽根車２０は、図２ｆ、ｇ、ｈに示すように、上下に延びる回転軸２１と、その回転軸２１から放射状に延びる支持アーム２２と、その支持アームの先端に固定される縦ブレード２３とを備えている。回転軸２１、支持アーム２２、縦ブレード２３は一体化されている。回転軸２１は、フレーム１０の軸受け１３ａに支持させることによってフレーム１０に回転自在に取付けられる。この回転軸２１の回転力を発電機（図示せず）に伝えることにより、風力発電装置となる。

支持アーム２２は、回転軸２１の上部および下部から３本ずつ放射状に延びている。しかし、その本数は特に限定されるものではない。
縦ブレード２３は、上下の支持アーム２２によって支持されており、回転軸２１と平行に３本設けられている。この縦ブレード２３の数は、特に限定されるものではないが、例えば、２個から６個が好ましく、特に、２個から３個が好ましい。縦ブレードの形状は、風車が風車の軸に対して垂直な風を受けたときに、円周方向等間隔に設けられた複数の縦ブレードに生ずる力の合力が上から見たときに時計方向（図２ｈのＭ方向）または反時計方向のモーメントを生じるようなものであれば、その形状は特に限定されるものではない。
本明細書において、羽根車の幅Ｄは、この縦ブレードの回転面の直径をいい、羽根車の高さＨは、縦ブレードの高さをいう。

集風装置２００は、図３ａ、ｂ、ｃに示すように、平板状の風向板２１０と、その風向板２１０をフレームに対して回転自在に支持する支持部材２２０とを有する。そして、風車１００の上方を開放している。

風向板２１０は、風車に対して風の上流に配置されることによって風を風車へ誘導する平板状のものである。枠体２１１と、その枠体内に嵌め込まれるソーラーパネル２１２とから構成されている長方形状のものであり、中央に窓２１５を有する。この風向板２１０は、鉛直方向に延びるように配置される。
枠体２１１は、左側枠体２１１ａと、右側枠体２１１ｂと、上側枠体２１１ｃと、下側枠体２１１ｄと、それらの枠体によって囲まれる窓２１５とを有する。また下側枠体２１１ｄ以外の各枠体の左右枠の内側中心には、点線で示すように軸受け２１７が設けられている。なお下側枠体２１１ｄは、左右枠の内側下端に軸受け（図示せず）が設けられている。また下側枠体２１１ｄの下端には車輪２１８が設けられている。また図３ｃの想像線に示すように、円状のレール２５０を設けてもよい。
ソーラーパネル２１２は、左側枠体２１１ａに取り付けられる左側パネル２１２ａと、右側枠体２１１ｂに取り付けられる右側パネル２１２ｂと、上側枠体２１１ｃに取り付けられる上側パネル２１２ｃと、下側枠体２１１ｄに取り付けられる下側パネル２１２ｄとを有する。下側パネル２１２ｄ以外の各パネルの両側中心には、各枠体の軸受けに挿入される軸芯（図示せず）が突出して設けられている（図３ｄの左側枠体２１１ａ参照）。下側パネル２１２ｄは、両側の下端に軸心（図示せず）が設けられている。

このように風向板２１０のソーラーパネル２１２は構成されているため、図４ａ〜図４ｃに示すように、各パネル２１２ａ〜２１２ｄは、各枠体２１１ａ〜２１１ｄに対して水平軸と平行な各パネルの軸芯周りに回転可能となっている。図４ｂのＬ１、Ｌ２、Ｌ３は、それぞれパネル２１２ａ、２１２ｃ、２１２ｄの回転軌跡を示す。このように構成されているため、風が止んでいる、または、風が十分に吹いていないとき、各パネルが太陽に向くように回転させ、太陽エネルギーによる発電が可能である。さらに、暴風のときは、各パネルを水平にする（各パネルを風に対して垂直にする）ことにより、パネルが風に飛ばされたり、損傷したりすることから防止できる。なお、ここでは各パネルは水平軸の周りに回転可能としているが、上下軸周りに回転可能としてもよい。

図３に戻って、窓２１５の幅Ｘは、羽根車の幅Ｄに対して、Ｄ＜Ｘ＜１．２Ｄ、好ましくは、Ｄ＜Ｘ＜１．１Ｄであり、特に好ましくはＸ≒Ｄ（実質的に同じ）である。窓２０５の高さＹは、羽根車の高さＨに対して、Ｈ＜Ｙ＜１．２Ｈ、好ましくは、Ｈ＜Ｙ＜１．１Ｈであり、特に好ましくはＹ≒Ｈ（実質的に同じ）である。

枠体２１１の左側枠体２１１ａおよび右側枠体２１１ｂは、同じ幅Ｘ１を有している。その幅Ｘ１の下限は、０．５Ｄ以上、好ましくは、０．８Ｄ以上、特に好ましくはＤ以上である。これにより、効率よく風を窓２１５に誘導し、かつ、左右面に衝突して左面または右面の外側から流れ込む乱れた風が、風車へと流れていくことを防止する。なお、幅Ｘ１が２Ｄより大きい場合、風車に対して集風装置が大きくなりすぎるため、好ましくない。
枠体２１１の上側枠体２１１ｃの高さ位置は、上側枠体２１１ｃの下端と羽根車２０の上端とが実質的に同じあるいは上側枠体２１１ｃの下端が若干高い。上側枠体２１１ｃの高さ幅Ｙ１の下限は、０．５Ｄ以上、好ましくは、０．８Ｄ以上、特に好ましくはＤ以上である。これにより、効率よく風を窓２１５に誘導する。なお、幅Ｙ１が２Ｄより大きい場合、風車に対して集風装置が大きくなりすぎるため、好ましくない。
枠体２１１の下側枠体２１１ｄの高さ位置は、下側枠体２１１ｄの上端と羽根車２０の下端とが実質的に同じあるいは下側枠体２１１ｄの上端が若干低い。下側枠体２１１ｄの高さ幅Ｙ２の下限は、特に限定されるものではないが、０．５Ｄ以上、好ましくは、０．８Ｄ以上、特に好ましくはＤ以上である。そして、幅Ｙ２の上限は、２Ｄ以下である。なお、窓２１５の上側枠体２１１ｃおよび下側枠体２１１ｄの幅は同じが好ましい。

支持部材２２０は、図３ｃに示すように、フレームの支軸５０に対して回転する回転部２２１と、その回転部２２１から風向板２１０の枠体２１１に延びる連結アーム２２２とを有する。この実施形態は、連結アーム２２２を計４本有する。
この支持部材２２０によって、風向板２１０の幅の中心Ｏは、フレームの連結部材１２の外周を回転する。つまり、風向板２１０を回転させることにより、風向板２１０を常に風車１００より風の上流側に位置することができる。距離Ｚは風向板２１０の回転に邪魔にならなければ、近いほどよい（図３ｃ参照）。一方、距離Ｚが離れすぎていると、風向板２１０の窓の効果が薄れる。例えば、風向板２１０とフレームとの距離Ｚは、０＜Ｚ＜０．５Ｄ、０＜Ｚ＜０．２Ｄ、特に０＜Ｚ＜０．１Ｄ、実質的にＺ＝０とするのが好ましい。

このように構成された風車構造１は、風が吹いているとき、風向板２１０を平板状にして使用する。つまり、風向板２１０は受けた風を窓２１５に集める。これにより風車を効率よく回転させることができる。特に、集風装置２００は、風の向きに応じて風向板をフレームに対して回転させることができ、風向板を風車に対して風の上流側に配置させることができる。よって、様々な風に対応して風エネルギーを効率よく利用することができる。
一方、風が止んでいるとき、あるいは、風が十分に吹いていないとき、風向板２１０は、各ソーラーパネルが太陽へと向くように、図３ｃのように風向板２１０を風車の軸心周りに回転させ、かつ、図４ｂのようにソーラーパネル２１２の各パネルを枠体２１１の各枠体の軸心周りに回転させることによって、太陽エネルギーを効率よく取得することができる。
さらに、暴風のときは、各パネルを水平にする（各パネルを風に対して垂直にする）ことにより、全体のシステムを停止させ、パネルが風に飛ばされたり、損傷したりすることから防止できる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
風車は、垂直軸垂直翼型のものであれば、その構造は特に限定されるものではない。例えば、フレームを備えず、固定された回転軸と、その周りに回転する羽根車とから構成されていてもよい。

風車のフレームについて、上記の実施形態のフレームは、３本の柱１１と、２個の連結部材１２とから構成されているが、羽根車２０の上方が解放されており、羽根車２０を回転自在に支持するものであれば、その構造は特に限定されるものではない。一方、複数本の柱と、それらの柱を円周方向等間隔に連結するものは、強度が保てて好ましい。例えば、図５ａに示すように、３本の柱１１と、１個の連結部材１２と、下端に軸受け１３ａとを有するフレーム１０や、図５ｂに示すように、柱１１と連結する補強リング７０を風車の高さに応じて１個または複数個設けてもよい。さらに、図５ｃに示すように、複数個の羽根車２０を上下に収容できるようにしてもよい。その場合、上下端の連結部材以外の連結部材１２ａは、上下面に軸受けを設けるのが好ましい。また例えば、連結部材１２のリング１５は、環状であれば、円形でなくても、正多角形であってもよい。

風車の羽根車について、回転軸と縦ブレードとの間を支持アーム２２で連結していたが、支持アーム２２の代わりに、羽根車２０が回転したときに上向きの揚力が働くような横ブレードを用いてもよい。また羽根車２０は、回転軸２１を回転させているが、フレームに固定された軸の周りを回転する構造としてもよい。

集風装置の風向板について、風車に対して風の上流に配置されることによって風を風車へ誘導するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、図６ａ、図６ｂの風車構造１Ａのように、集風装置２００Ａの風向板２１０Ａは、風車１００の上方および下方に設けず、左側板２１０Ａ１および右側板２１０Ａ２からなっている。この場合、左側板２１０Ａ１および右側板２１０Ａ２は支持部材２２０によって連結されている。しかし、左側板２１０Ａ１および右側板２１０Ａ２との間に連結部を設けてもよい。また、図５ｄに示すように、風車の下方のみ板を設けない風向板２１０Ｃであってもよい。そして、図５ｃのように上下に羽根車２０が設けられた多段式の風車に対しては、図５ｅに示すように、風向板２１０も多段式にするのが好ましい。しかし、一番上の風車のみに風向板の上面を設け、下側の風車に対しては左右面だけとなるようにしてもよい。さらに、図６ｃの風車構造１Ｂおよび図６ｄの風車構造１Ｃのように、上流から風車に向かう風の密度を高めるように、風の向きに対して傾斜させた一対の平板（２１０Ｂ１および２１０Ｂ２）または湾曲板（２１０Ｃ１および２１０Ｃ２）からなる風向板２１０Ｂ、２１０Ｃであってもよい。

集風装置の風向板の枠体について、上記実施形態では、上下左右に分割しているが、その分割形状は特に限定されない。また各枠体に、ソーラーパネルをはめ込んでいるが、枠体の少なくとも１個にソーラーパネルを回転可能に嵌め、他の枠体には通常のパネルを回転しないように固定してもよい。例えば、左右枠体にソーラーパネルをはめ込み、上下枠体には通常のパネルを固定してもよい。またソーラーパネルを用いずに、すべてを通常のパネルにしてもよい。この場合、通常のパネルは固定しても、回転可能にしてもよい。

集風装置の支持部材について、支持部材の構造は、風向板２１０をフレーム１０に対して回転自在に支持するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、回転部２２１は、フレーム１０の上端に設けられた支軸５０に支持されているが、フレーム１０の上側の連結部材１２の上面に回転自在に支持させてもよい。一例として、連結部材１２の上面に環状のレールを設け、回転部２２１の下面にそのレールと移動自在に係合する車輪を設けたりすることが考えられる。
また上記実施形態では、支持部材２２０をフレームの上端のみに設けていたが、上下風車を挟むように２個以上取り付けてもよい。また集風装置を独立して回転させてもよい。さらに、フレームと集風装置とを一体化させて、フレームと一体に回転するようにしてもよい。

上述したように、風車構造は、発電機に取り付けることにより、風力発電装置となる。またここでは図示していないが、風の向きに応じて風向板２１０の位置を計算する計算装置と、その計算に基づいて回転部２２１を回転させる駆動装置とを設けることにより、一層、効率よく風力発電装置として作動させることができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 風車構造
１０ フレーム
１１ 柱
１２、１２ａ 連結部材
１３ ボス
１３ａ 軸受け
１４ スポーク
１５ リング
２０ 羽根車
２１ 回転軸
２２ 支持アーム
２３ 縦ブレード
５０ 支軸
７０ 補強リング
１００ 風車
２００、２００Ａ 集風装置
２０５ 窓
２１０、２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ 風向板
２１０Ａ１、２１０Ｂ１、２１０Ｃ１ 左側板
２１０Ａ２、２１０Ｂ２、２１０Ｃ２ 右側板
２１１ 枠体
２１１ａ 左側枠体
２１１ｂ 右側枠体
２１１ｃ 上側枠体
２１１ｄ 下側枠体
２１２ ソーラーパネル
２１２ａ 左側パネル
２１２ｂ 右側パネル
２１２ｃ 上側パネル
２１２ｄ 下側パネル
２１５ 窓
２１８ 車輪
２２０ 支持部材
２２１ 回転部
２２２ 連結アーム
２５０ レール

Claims (5)

1. 垂直軸垂直翼の風車と、
   集風装置とを有し、
   前記集風装置は、前記風車に対して風の上流に配置されることによって前記風を前記風車へ誘導する風向板を備え、
   前記風向板は、前記風車の軸心周りに回転可能である、
   風力発電用の風車構造。
2. 前記風向板は、鉛直方向に延びる平板であり、
   前記風向板は、枠体と、その枠体内に収容される板本体とを備え、
   前記板本体は、ソーラーパネルである、
   請求項１記載の風車構造。
3. 前記風向板は、鉛直方向に延びる平板であり、
   前記風向板は、枠体と、その枠体内に収容される板本体とを備え、
   前記板本体は、回転可能である、
   請求項１または２記載の風車構造。
4. 前記集風装置は、前記風向板と前記風車とを連結する支持部材を備え、
   前記支持部材は、前記風車に回転支持される回転部と、前記回転部から風向板に延びる連結アームとを備えた、
   請求項１から３のいずれかに記載の風車構造。
5. 前記風車は、フレームと、そのフレームに支持される羽根車とを有し、
   前記風向板は、前記フレームに回転支持される、
   請求項１から４いずれかに記載の風車構造。

Images