JP2022047136A - 垂直軸風車および垂直軸風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】翼を回転中心部材に連結する支持材がロータ中央部から翼端へと斜めに延びる形式の垂直軸風車において、翼端付近への気流の流入量が増えて、最大回転トルクが改善され、また支持材の曲げモーメントに対する剛性が向上するようにする。【解決手段】回転中心部材２の上下方向に延びる回転軸心Oと平行な複数の翼３を有し、翼３と回転中心部材２とが支持材４で連結される。回転中心部材２はロータ５の上下方向の中心であるロータ中央部にある。翼３は揚力型の断面形状である。支持材４は回転中心部材２から翼端付近へ斜めに延びる。支持材４の回転軸心４と垂直な断面の形状が、回転軸心に対向する向きに凸に湾曲した板状の形状である。【選択図】図１

Description

この発明は、垂直軸風車およびこれを用いた垂直軸風力発電装置に関する。

垂直軸を有する風力発電装置の風車は、風向に依存せず、静粛であるという特長を有する。垂直軸を有する風車では、回転軸心に平行な方向に延びる翼が軸まわりを回転するため、翼と主軸などの回転中心部材を連結するための支持材が必要である。この支持材は回転中心部材から回転遠心方向に伸びて形成され、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。

翼を支持する支持材の形状により回転エネルギー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、水平方向に延びる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、回転エネルギーの変換効率を改善した風車を提案している。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。
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を記載している。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ものである。

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、翼から回転軸へ作用する曲げモーメントを小さくするために、風車の回転翼であるロータの上下方向の中央部（以下、ロータ中央部と称す）に発電機を配置する形式がある。
このようにロータの中央部に発電機を配置する形式とする場合、図９に示すように、支持材４Ａは、翼３の翼端付近を支持するために、ロータ中央部から翼端付近に向けて斜め方向に延びる形状となる。また、支持材４Ａの断面形状として、図９～図１３に示すように、細長い平板状としたものがある。平板状であると、特許文献１のように略魚形とする場合に比べて形状が簡素であって、かつ丸棒状である場合に比べて、翼回転方向から見た投影面積が小さいため、翼３の進行の空気抵抗が少ない。

しかし、支持材４Ａがロータ中央部から翼端付近に向けて斜めに延びる形状であると、支持材４Ａが翼端の接合部に向かうにつれ、支持材４Ａと翼３の間の距離がｓ１からｓ２（図１０）と次第に短くなって、翼３と支持材４Ａが形成する空間が次第に小さくなる。そのため、支持材４Ａと翼３の接合部付近Ａでは、支持材４Ａに影響を与える気流と翼３に影響を与える気流が相互に干渉し合うことで、翼３への気流の流入を阻害する。
すなわち、図１３に示すように、相対流入角度を持って流入する気流が、回転軌道ｃで回転する支持材４Ａにぶつかることで気流が淀み、翼３へ流入する気流も減少する。
このように翼端部の気流の流れが阻害されると、翼端付近では翼の能力を十分に発揮できず、最大回転トルクが低下し、風力発電装置に適用した場合に発電効率が低下する。

この発明の目的は、翼を回転中心部材に連結する支持材がロータ中央部から翼端へと斜めに延びる形式の垂直軸風車において、翼端への気流の流入量が増えて、最大回転トルクが改善され、また支持材を簡素な形状としながら、支持材の曲げモーメントに対する剛性が向上するようにすることである。

この発明の他の目的は、翼を回転中心部材に連結する支持材がロータ中央部から翼端へと斜めに延びる形式の垂直軸風車を用いた風力発電装置において、翼端付近への気流の流入量が増えて、発電効率が改善され、また支持材の曲げモーメントに対する剛性が向上するようにすることである。

この発明の垂直軸風車は、回転中心部材の上下方向に延びる回転軸心と平行な方向に延びる複数の翼を有し、各翼と前記回転中心部材とが支持材で連結されて前記複数の翼と前記回転中心部材と前記支持材とでロータを構成し、前記回転中心部材は前記ロータの上下方向の中心であるロータ中央部にあり、前記各翼は揚力型の断面形状であり、前記支持材は前記回転中心部材から前記翼の翼端付近へ斜めに延びて設けられた垂直軸風車であって、
前記支持材の前記回転軸心と垂直な断面の形状が、前記回転軸心に対向する向きに凸に湾曲した板状の形状である。

この構成によると、支持材の回転軸心と垂直な断面の形状が、前記回転軸心に対向する向きに凸に湾曲する板状の形状であるため、前記支持材がロータ中央部の回転中心部材から翼端付近へ斜めに延びて設けられていても、翼端付近へ流入する気流を阻害することが緩和される。そのため、翼端付近への気流の流入量を増やし、翼端付近でも翼の性能を十分に発揮することができて、最大回転トルクが改善される。
また、支持材の断面形状が湾曲形状であるため、平板状である場合に比べて、
支持材の曲げモーメントに対する剛性、つまり強度に優れる。支持材の断面形状は湾曲形状とするが板状であるため、略魚形とする場合に比べて形状が簡素で製造が簡単となり、低コストとなる。
支持材はロータ中央部の回転中心部材から翼端付近へ斜めに延びて設けられているため、支持材が水平に設けられる場合に比べて、各翼から回転中心部材へ作用する曲げモーメントが小さい。

この発明の垂直軸風車において、前記支持材の両端が、前記ロータの径方向に延びる折れ曲り部を介して前記翼に連結されていてもよい。支持材の折れ曲がり部と各翼の翼端部を連結する場合、翼と支持材の接合部における折れ曲がり部の形状が、平板状であり、翼の回転軸心に垂直な断面形状より大きくなることが望ましい。
この構成の場合、翼と支持材の間の距離が端部で零とならずにある程度は保たれる。そのため、支持材の翼端側の端部における気流の淀みがより緩和され、最大回転トルクがより一層改善される。
さらに、翼と支持材の接合部における折れ曲がり部の形状が、翼の断面形状より大きいことで、翼端板としての効果が期待でき、翼端渦が抑制されることで、最大回転トルクがより一層改善される。

この発明の垂直軸風力発電装置は、この発明の垂直軸風車と、この垂直軸風車の回転によって発電する発電機とを備える。
この発明の垂直軸風車は、前記のように垂直軸風車の最大回転トルクが改善されるため、発電効率が改善され、かつ垂直軸風車の支持材の剛性に優れる。
また、支持材が回転中心部材の上下方向の中央部から翼端付近へ斜めに延びて設けられているため、風車中央部に発電機を設置できて、風車から回転中心部材に作用する曲げモーメントを小さくすることができる。

この発明の垂直軸風車は、回転中心部材の上下方向に延びる回転軸心と平行な方向に延びる複数の翼を有し、各翼と前記回転中心部材とが支持材で連結されて前記複数の翼と前記回転中心部材と前記支持材とでロータを構成し、前記回転中心部材は前記ロータの上下方向の中心であるロータ中央部にあり、前記各翼は揚力型の断面形状であり、前記支持材は前記回転中心部材から前記翼の翼端付近へ斜めに延びて設けられた垂直軸風車であって、前記支持材の前記回転軸心と垂直な断面の形状が、前記回転軸心に対向する向きに凸に湾曲した板状の形状であるため、翼を回転中心部材に連結する支持材が回転中心部材中央部から翼端へと斜めに延びる形式でありながら、翼端付近への気流の流入量が増えて、最大回転トルクが改善され、また支持材を簡素な形状としながら、支持材の曲げモーメントに対する剛性が向上する。

この発明の垂直軸風力発電装置は、この発明の垂直軸風車と、この垂直軸風車の回転によって発電する発電機とを備えるため、翼を回転中心部材に連結する支持材がロータ中央部から翼端へと斜めに延びる形式の垂直軸風車を用いながら、翼端への気流の流入量が増えて、発電効率が改善され、また支持材の曲げモーメントに対する剛性が向上する。

この発明の第１の実施形態に係る垂直軸風車の斜視図にその支持材の断面形状を示す図を組み合わせた説明図である。 同垂直軸風車の正面図である。 図２のIII-III線断面図である。 図２のIＶ－ＩＶ線断面図である。 同垂直軸風車における断面図で作用を示す作用説明図である。 従来風車と実施例に係る風車の最大回転トルクを比較して示すグラフである。 同垂直軸風車を用いた風力発電装置の一例の正面図である。 この発明の他の実施形態に係る垂直軸風車の斜視図である。 従来の垂直軸風車の斜視図である。 同従来の垂直軸風車の翼と支持材により形成される空間に対する模式図である。 同従来の垂直軸風車の正面図である。 図１２のXII-XII線断面図である。 翼端部付近の空間で支持材へ流入する気流の流れを示し、気流の流入を阻害する要因を示す説明図である。

この発明の第１の実施形態に係る垂直軸風車および垂直軸発電装置を、図１～図７と共に説明する。
この垂直軸風車１は、回転中心部材２の上下方向に延びる回転軸心Ｏと平行な方向に延びる複数の翼３を有し、各翼３と前記回転中心部材２とが支持材４で連結されて前記複数の翼３と前記回転中心部材２と前記支持材４とで、回転翼であるロータ５を構成する。ロータ５と、このロータ５を支持する部材、例えば後に図７と共に説明する支柱６とで、前記垂直軸風車１を構成する。翼３は、この実施形態では2枚であるが、３枚以上が回転方向に並んで設けられていてもよい。

回転中心部材２は、ロータ５の上下方向の中心であるロータ中央部にあり、図７に示すように、支柱６の上端に軸受（図示せず）を介して回転自在に支持されている。また、回転中心部材２は、ロータ中央部にある発電機７の回転入力部に連結され、または回転入力部と一体化されている。前記垂直軸風車１と発電機７とで、垂直軸発電装置が構成される。回転中心部材２と発電機７との間に、増速機（図示せず）が設けられていてもよい。前記支柱６は、例えば同図のようにポール状に構成され、または鉄塔として構成される。

図１において、各翼３は揚力型の断面形状である。すなわち、各翼３は、回転軸心Ｏに垂直な断面形状が、回転方向の前縁が丸く全体的に湾曲した魚形などの翼型で代表される揚力型の形状である。各翼３の回転軌道径方向の内側の面である裏面は、平坦面であっても凸または凹形状の曲面であってもよい。

支持材４は、各翼３に対し、回転中心部材２から翼３の上下の翼端付近へ斜めに延びて設けられている。支持材４の回転軸Oと垂直な断面の形状は、回転軸心Oに対向する向きに凸に湾曲した板状の形状とされている。
図１の例では、各支持材４の翼側端は、ロータ径方向に延びて回転軸Oと垂直な方向に沿う板状の折れ曲り部８とされ、この折れ曲り部８を介して翼３の翼端に連結されている。折れ曲り部８は、支持材４の他の部分と同様に湾曲した板状であっても、平板状であってもよく、また棒状等であってもよいが、より好ましくは平板状が望ましく、各翼３の回転軸心Oに垂直な断面形状より大きな形状である事が望ましい。

上記構成の作用を説明する。
図５は、支持材４に流入する気流の流れを示す。垂直軸風車１の回転により、同図に矢印ｂで示すように、気流は支持材４に対して支持材４が進行する回転方向ａに対して斜めに流入する。このとき、支持材４が回転軸心Oに対向する向きに凸に湾曲した板状の形状であり、気流が流入する面が凹曲面となっているため、流入する気流が回転方向ａの後方へ受け流され、気流の淀みが少なくなる。このため、翼３へ流入する気流の量を増やすことができる。
これにより、支持材４がロータ中央部の回転中心部材２から翼端付近へ斜めに延びて設けられていても、翼端付近へ流入する気流を阻害することなく、翼端付近への気流の流入量を増やし、翼端付近でも翼の性能を十分に発揮することができる。そのため、最大回転トルクが改善され、垂直軸風車１の発電効率が改善される。

図６に、従来風車と実施例に係る垂直軸風車の流体解析による最大回転トルクの比較を示す。実施例に係る垂直軸風車は、図１～図５に示した実施形態の垂直軸風車１であり、従来風車は実施例の垂直軸風車に対して、支持材４が平坦形状であることのみが異なる風車である。
同図に示すように、この実施例の垂直軸風車は、最大回転トルクが４％改善している。

また、支持材４は、断面形状が湾曲形状であるため、平板状である場合に比べて、支持材４の曲げモーメントに対する剛性、つまり強度に優れる。支持材は湾曲形状とするが板状であるため、従来の略魚形とする場合に比べて形状が簡素で製造が簡単となり、低コストとなる。
支持材４はロータ中央部の回転中心部材２から翼端付近へ斜めに延びて設けられているため、支持材４が水平に設けられる場合に比べて、各翼３から回転中心部材２へ作用する曲げモーメントも小さい。

支持材４の両端は、傾斜状態で翼３に連結されずにロータ径方向に延びる折れ曲り部８を介して翼３に連結されているため、翼３と支持材４の間の距離が端部で零とならずにある程度保たれる。そのため、支持材４の翼端側の端部における気流の淀みが緩和され、最大回転トルクがより一層改善される。さらに、各翼３と支持材４の接合部における折れ曲り部８の形状が、各翼３の回転軸心Oに垂直な断面形状より大きいことで、翼端板としての効果が期待でき、翼端渦が抑制されることで、最大回転トルクがより一層改善される。

図８は他の実施形態を示す。この実施形態は、翼３の端部に、回転軸心O側に延びる翼端板９を設けている。
このように翼端板９を設けた場合、従来と同様に、翼端で生じる渦流が緩和される。翼端板９を設ける場合、支持材４は同図のように翼端板９の付け根よりも中央側で翼３に接続することが望ましい。
なお、その他の構成、効果は、第1の実施形態と同様である。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示され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。この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…回転中心部材
３…翼
４…支持材
５…ロータ
６…支柱
７…発電機
８…折れ曲り部
９…翼端板
Ｏ…回転軸心

Claims (3)

1. 回転中心部材の上下方向に延びる回転軸心と平行な方向に延びる複数の翼を有し、各翼と前記回転中心部材とが支持材で連結されて前記複数の翼と前記回転中心部材と前記支持材とでロータを構成し、前記回転中心部材は前記ロータの上下方向の中心であるロータ中央部にあり、前記各翼は揚力型の断面形状であり、前記支持材は前記回転中心部材から前記翼の翼端付近へ斜めに延びて設けられた垂直軸風車であって、
   前記支持材の前記回転軸心と垂直な断面の形状が、前記回転軸心に対向する向きに凸に湾曲した板状の形状である垂直軸風車。
2. 請求項１に記載の垂直軸風車において、前記支持材の両端が、前記ロータの径方向に延びる折れ曲り部を介して前記翼に連結されている垂直軸風車。
3. 請求項１または請求項２に記載の垂直軸風車と、この垂直軸風車の回転によって発電する発電機とを備える垂直軸風力発電装置。
   
   

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