JP2022051055A - 垂直軸風車および垂直軸風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】翼面を流れる気流を阻害することのなく翼と支持材の連結が行えて翼本来の性能を十分に発揮できると共に、翼端損失を低減できるようにする。【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、例えば２枚の翼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。支持材４の翼側の端部に、翼３の端面を覆って翼３の外周に張り出す翼端板部８が設けられる。支持材４と翼３との連結が。翼端板部８で行われる。【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、回転軸等の回転中心部材に平行な方向に伸びる翼が軸まわりを回転するため、翼と回転中心部材を連結するための支持材が必要である。この支持材はロータ中心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、この支持材が翼とともに回転するため、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や翼と支持材を含むロータ部の重量が大きく影響し、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。

従来、風車の性能を向上させるために様々な対策が行われている。
特許文献１，２では翼の材質に発泡材を用いている。翼の質量を軽くし風車の性能向上となる対策である。
翼と回転軸を連結し翼の駆動力を回転軸へ伝えるための支持材に関して、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分かっている。特許文献３では支持材の抵抗を下げ、かつ、支持材の質量を軽くするために、ワイヤーを利用している。
また、特許文献４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。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特許である。

特開２０１８－１６８７８９号公報 特開２０１８－００３６５０号公報 特開２０１８－１３５８７５号公報 特開２０１７－０６６８７８号公報 特開２０１８－１５０８６３号公報 特開２００４－２９３４０９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中心部材を連結する必要がある。支持材により翼を固定する場合、翼と支持材の連結部位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。
例えば、図１９～２１に示す垂直軸風車では、支持材の端部に連結板３１を設け、補強板３２と連結板３１とで翼３を挟み、補強板３２と連結板３１に渡って貫通するボルト・ナットで支持材４を翼３に連結している。この構成の場合、補強板３２および連結板３１が翼表面からの突起部となり、前記のように風車の回転力を低下させることになる。

また、翼端渦を制御するために、例えば図２２のように翼端に傾斜部３３を設けたり（例えば特許文献５）、図２３のように翼端板３４を設けたりする場合（例えば特許文献６）、傾斜部３３や翼端板３４が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。

この発明の目的は、翼面を流れる気流を阻害することのなく翼と支持材の連結が行えて翼本来の性能を十分に発揮できると共に、翼端損失を低減することができる垂直軸風車および垂直軸風力発電装置を提供することである。

この発明の第１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、前記各翼が揚力型の断面形状である垂直軸風車であって、
前記支持材の翼側の端部に、前記翼の端面を覆って前記翼の外周に張り出す翼端板部が設けられ、前記支持材と前記翼との連結が前記翼端板部で行われている。

この構成によると、翼の端面を覆う翼端板部に支持材が連結されているため、翼と支持材との連結部に表面からの突起部が生じなくて、連結を行うための部位で翼面を流れる気流を阻害することのなく翼と支持材の連結が行え、翼本来の性能を十分に発揮できる。また、翼端板部は翼の端面を覆って前記翼の外周に張り出すため、翼端渦が抑制され、翼端板の効果を発揮することが可能となる。これにより風力発電装置の発電性能を上げることができる。
このように、翼と支持材との連結部で気流を阻害することが防止できるうえ、翼端渦の抑制の抑制まで行えるという相乗効果が得られる。

この発明において、前記翼が、中実または中空で外周面が前記翼の形状に形成された翼形状部材と、この翼形状部材の長手方向の一部または全体に埋め込まれて前記翼形状部材の端面から突出する芯材とを有し、この芯材と前記翼端板部とが接合されていてもよい。
このように翼に芯材を設け、芯材を支持材と連結することで、回転時の遠心力に対して、硬質な芯材が風車翼の強度を上げることができる。また、これにより翼と支持材との連結が容易となり、この構成によっても、発電性能の妨げとなっていた翼面の凸部を減らし、支持材の形状変更、及び部品点数を減らすことが可能となり、風車内側の抵抗を減らすことができる。

この発明において、前記翼の長さ方向の中間に、前記支持材が設けられ、この中間の支持材は、前記翼の長さ方向の一部で外周の全周を覆うカバー部が設けられ、前記カバー部で前記支持材と前記翼とが連結されていてもよい。
翼の長さ方向の中間に支持材が設けられることで、長い翼の支持が行える。例えば、複数の分割翼を長さ方向に連結して１枚の連続した翼とする多段式の垂直軸風車を構成することができる。
支持材と翼との連結に用いる部材であるカバー部は翼の長さ方向の一部で外周の全周を覆うため、局部的な連結板を翼に重ねる構成に比べて気流を阻害することが少なく、翼本来の性能を十分に発揮できる。

この発明の第２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、前記各翼が揚力型の断面形状である垂直軸風車であって、
前記支持材の翼側の端部に、前記翼の長さ方向の一部で外周の全周の全周を覆うカバー部が設けられ、このカバー部が外周の全周に渡り前記翼から突出する整流板部を有し、前記カバー部で前記支持材と前記翼とが連結される。
この構成の場合、支持材と翼との連結に用いるカバー部が、翼の長さ方向の一部で外周の全周を覆うため、全周に対する局部的な連結板を翼に重ねる構成に比べて気流を阻害することが少なく、翼本来の性能を十分に発揮できる。また、カバー部は外周の全周に渡り翼から突出する整流板部を有するため、翼端渦を抑制することが可能となり、翼端板の効果を発揮することができる。

この発明の垂直軸風力発電装置は、この発明の前記いずれかの構成の垂直軸風車と、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、垂直軸風車において、翼面を流れる気流を阻害することのなく翼と支持材の連結が行えて翼本来の性能を十分に発揮できると共に、翼端損失を低減することができ、発電効率が向上する。

この発明の第１の垂直軸風力発電装置は、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、前記各翼が揚力型の断面形状である垂直軸風車であって、前記支持材の翼側の端部に、前記翼の端面を覆って前記翼の外周に張り出す翼端板部が設けられ、前記支持材と前記翼との連結が前記翼端板部で行われるため、翼面を流れる気流を阻害することのなく翼と支持材の連結が行えて翼本来の性能を十分に発揮できると共に、翼端損失を低減することができる。

この発明の第２の垂直軸風力発電装置は、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、前記各翼が揚力型の断面形状である垂直軸風車であって、前記支持材の翼側の端部に、前記翼の長さ方向の一部で外周の全周の全周を覆うカバー部が設けられ、このカバー部が外周の全周に渡り前記翼から突出する整流板部を有し、前記カバー部で前記支持材と前記翼とが連結されたため、翼面を流れる気流を阻害することのなく翼と支持材の連結が行えて翼本来の性能を十分に発揮できると共に、翼端損失を低減することができる。

この発明の垂直軸風力発電装置は、この発明の前記いずれかの構成の垂直軸風車と、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、垂直軸風車において、翼面を流れる気流を阻害することのなく翼と支持材の連結が行えて翼本来の性能を十分に発揮できると共に、翼端損失を低減することができ、発電効率が向上する。

この発明の第１の実施形態に係る垂直軸風車の斜視図である。 同垂直軸風車の部分拡大分解斜視図である。 同垂直軸風車の翼形状部材と芯材の関係を示す分解斜視図である。 同垂直軸風車を備える垂直軸発電装置の一例の斜視図である。 この発明の第２の実施形態に係る垂直軸風車の斜視図である。 同垂直軸風車における支持材とカバー部を示す平面図である。 （Ａ）は同垂直軸風車のカバー部と分割翼との関係を示す分解斜視図、（Ｂ）は同部分の組み立て状態の斜視図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る垂直軸風車の斜視図である。 翼形状部材と芯材の関係を示す変形例の分解斜視図である。 翼形状部材と芯材の関係を示す他の変形例の分解斜視図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る垂直軸風車の斜視図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る垂直軸風車の斜視図およびその部分拡大分解斜視図である。 同垂直軸風車の芯材をボルト固定する場合の芯材端部の各種断面形状例を示す図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る垂直軸風車の斜視図である。 同垂直軸風車の部分拡大分解斜視図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る垂直軸風車の斜視図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る垂直軸風車の斜視図である。 この発明のさらに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一例を示す斜視図である。 図１９の部分拡大分解斜視図である。 同部分の組み立て状態の斜視図である。 従来の垂直軸風車の他の例を示す斜視図である。 従来の垂直軸風車のさらに他の例を示す斜視図である。

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４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４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、上下方向に延びる回転軸からなり、図４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。回転中心部材２は、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、増速機や機械式のブレーキ等（いずれも図示せず）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。

支持材４は、翼３側の端部に、翼３の端面を覆って翼の外周の全周に張り出す翼端板部８が設けられ、支持材４と翼３との連結が翼端板部８で行われている。翼端板部８の外周形状は、例えば翼３の断面形状と相似形とされ、または翼３の外周から全周に渡って同じ張り出し幅だけ張り出す形状とされている。支持材４は金属板等からなり、翼端板部８に渡って平板状とされている。本実施例では、平板状で形成されているが、支持材4の翼端板部８以外は流線形等の他の形状であってもよい。
前記複数枚の翼３の支持材４は、基端で共通の基端側連結部９に連結されている。基端側連結部９は、軸状の回転中心部材２の端面に連結されている。

図３に示すように、翼３は、外周面が翼３の形状に形成された翼形状部材１３と、この翼形状部材１３の長手方向の一部または全体に埋め込まれて前記翼形状部材１３の端面から突出する芯材１４とを有し、この芯材１４と翼端板部８とが接合されることで、翼３と支持材４とが連結されている。
翼形状部材１３は、樹脂材などで中実に形成され、前記芯材１４を通す相通孔１５が軸方向に延びて設けられている。翼形状部材１３は、中空であってもよい。中空とする場合、翼３の断面形状を構成する複数枚のリブが、翼長さ方向に延びる梁状部材に取付られ、翼表面を構成ずる面材（いずれも図示せず）が前記リブに取付られる。前記相通孔１５は各リブに設けられる。芯材１４は金属棒等からなり、翼形状部材１３にその全長に渡って相通されている。

芯材１４は金属棒など、翼形状部材１３よりも硬質の材料で構成される。芯材１４は、１本であっても複数本であってもよいが、この例では２本とされている。芯材１４と翼端板部８との連結は、翼端板部８に設けられた連結孔１６に芯材１４の端部を差し込み、芯材１４の端部を拡径状態に塑性変形することなどで行ってもよく、またねじ部材や適宜の止め具（図示せず）を用いて行ってもよい。芯材１４は、必ずしも翼形状部材１３の全長に渡って設けられていなくてもよく、翼形状部材１３の長さ方向の一部のみに埋められていてもよい。

この構成によると、回転中心部材２から風車回転遠心方向に延びる支持材４と翼３との接合を翼端部において行い、支持材４に翼端板部８を設けることで、その翼端接合部における支持材４の形状が、翼３の断面より大きい面積を有し、かつ翼断面からはみ出る板状の形状とされている。
このように接合することにより、翼３の翼面上に凹凸を設けることなく支持材４と翼３を連結することが可能となる。また、板状の翼端板部８は、翼断面より大きい面積を有しており、翼断面からはみ出している。このような翼端板部８を翼３の端部に設けることにより、翼端渦を抑制することが可能となり、翼端板の効果を付随して得ることが可能となる。

このように翼表面の凹凸をなくすことにより翼本来の性能を十分に発揮できて、回転エネルギーの変換効率の低下を抑制し、翼端における支持材４の形状を、翼端形状より大きくすることにより、翼端損失を低減することができる。

また、翼３は、中実または中空で外周面が翼３の形状に形成された翼形状部材１３と、この翼形状部材１３の長手方向の一部または全体に埋め込まれて翼形状部材１３の端面から突出する芯材１４とを有し、芯材１４と翼端板部８とが接合されている。
このように翼３に芯材１４を設け、芯材１４を支持材４と連結することで、回転時の遠心力に対して、翼３の強度を上げることができる。また、これにより翼３と支持材４との連結が容易となり、この構成によっても、発電性能の妨げとなっていた翼面の凸部を減らし、支持材４の形状変更や部品点数の低減が可能となり、風車内側の抵抗を減らすことができる。

次の表１は、前記翼端板部８で構成される翼端板面積を種々異ならせた例の組立性、翼端板効果、空気抵抗、および遠心力の解析結果等を比較して示す図である。
同表に示すように、組立性は翼端版面積を最も大きい２００％とした例の他は、いずれも良好である。翼端板効果は、同表の最低の翼端版面積（１２５％）以上であれば、いずれも良好にけられた。空気抵抗は、翼端版面積を１７５％以上とすると大きくなってやや好ましくない。遠心力は、翼端版面積を１７５％とすると大きくなってやや好ましくなく、２００％とすると好ましくなくなる。

以下、この発明の他の実施形態を示す。これらの実施形態は、特に説明した事項の他は、図１～図４と共に説明した第1の実施形態と同様である。

図５～図７に示す実施形態では、翼３の長さ方向の中間に、支持材４Ａが設けられ、この中間の支持材４Ａは、翼３の長さ方向の一部で外周の全周を覆うカバー部１７（図７参照）が設けられ、このカバー部１７で支持材４Ａと翼３とが連結されている。カバー部１７は、外周の全周に渡り翼３から突出する整流板部１９を有している。

この構成の場合、翼３の長さ方向の中間に支持材４Ａが設けられることで、長い翼３の支持が強度を確保して行える。例えば図５のように、翼３を、複数の分割翼３Ａを長さ方向に連結して１枚の連続した翼３とする多段式の垂直軸風車を構成することができる。
支持材４と翼３との連結に用いる部材であるカバー部１７は翼３の外周の全周を覆うため、従来の局部的な連結板３１（図２０参照）を翼３に重ねる構成に比べて気流を阻害することが少なく、翼３の本来の性能を十分に発揮できる。また、カバー部１７が外周の全周に渡り翼３から突出する整流板部１９を有しているため、整流板部１９が上下の分割翼３Ａ、３Ａ間の境界層板としての整流効果が期待できる。これらにより、風エネルギーから回転エネルギーへの変換の効率低下が抑制される。

図８の実施形態は、前記カバー部１７を有する支持材４Ａを、翼３の端部に連結した例である。この例では、支持材４Ａの翼３側の端部に、翼３の長さ方向の一部で外周の全周の全周を覆うカバー部１７が設けられ、このカバー部１７が外周の全周に渡り翼３から突出する整流板部１９を有し、カバー部１７で支持材４Ａと翼３とが連結されている。
この構成の場合、カバー部１７が翼３の外周の全周に渡るため、翼面を流れる気流を阻害することなく翼３と支持材４Ａとの連結が行えて翼本来の性能を十分に発揮できる。また、整流板部１９を有するため、翼端損失を低減することができる。

なお、前記のように翼３を翼形状部材１３（図３参照）と芯材１４とで構成する場合に、翼形状部材１３にある程度剛性の高い材料を用いる場合は、図９に示すように、芯材１４は翼長さの一部、例えば翼長さに対して１／３程度の長さの芯材１４を翼３の両端に設けてもよい。

また、図１０に示すように、芯材１４を翼３の表面に露出して設けてもよい。この場合、翼形状部材１３の外面に篏合溝２１を設け、芯材１４を翼形状部材１３の表面に露出した状態に埋め込む。芯材１４の断面形状は円形限らず、多角形であっても、その他任意の形状であってもよい。また芯材１４は中実であっても中空であってもよい。ただし、芯材１４を翼３の表面に露出して設ける場合、翼３の性能を妨げる凸部を減らすために、芯材１４の表面は翼３の表面に沿った形状とすることが好ましい。

図１２は、回転中心部材２が軸状ではなく、翼車であるロータ５の上下方向の中央に位置する構成である場合を示す。この場合、前記支持材４は、上下に斜め方向に延びて翼３の端部に、前記翼端板部８で連結される。
この発明は、このような形式の垂直軸風車にも適用することができる。

図１２は、図１１の構成の垂直軸風車において、支持材４と芯材１４とをボルトで締結する場合の例を示す。
同図のように、支持材４と芯材１４とをボルト２２で固定すると、より強固に固定することができる。芯材１４は中実であっても中空であってもよいが、芯材１４が中実の場合は、両端に螺合部を設け、ボルト２２で固定する。ボルト２２は低頭ボルトやボタンボルト、超極低頭ボルト等の頭部が滑らかなタイプのボルトが望ましい。芯材１４が中空の場合は、中実の場合と同様に両端に螺合部を設けるか、螺合部のあるアタッチメント（例えば、POPリベット、ナットリベット等）を用いて固定する。この時、芯材１４の形状は螺合部のあるアタッチメントを用いる場合は、円状が望ましい。

図１３（Ａ）～（Ｃ）は、芯材１４をボルト固定する場合の芯材１４の端部の各種断面形状の例を示す。
図１３（Ａ）は、芯材１４の端部にねじ穴２３を設けた例である。
図１３（Ｂ）は、芯材１４を中空として端部に雌ねじ部２４を設けた例である。
図１３（（Ｃ）は、芯材１４を中空として端部に雌ねじ部を有するアタッチメント２５を嵌め込んで固定した例である。

図１４は、図１１のように支持材4を斜めとした構成の垂直軸風車において、芯材１４を設けた例を示す。この場合、図１５に示すように支持材４に中実または中空の部品２６を取付け、芯材１４の内部または外周に通す。これにより支持材４と芯材１４の締結において支持材４に凸部を作らずに取付けることができる。

図１６、図１７に示すように、芯材１４を翼３のロータ外周に設けた場合は、翼３の外周に溝を作り、芯材１４と支持材４を取付ける。芯材１４と支持材４は、図１７のように締結しても良い。図１６の例は芯材１４が翼端板部８を貫通していないが、図１７の例は芯材１４が翼端板部８を貫通している。

また、回転中心部材２をロータの上下方向の中心に位置する構成とする場合に、図１８に示すように、水平な支持材４で回転中心部材２と翼３とを連結してもよい。

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
４Ａ…支持材
５…ロータ
６…支柱
７…発電機
８…翼端板部
１７…カバー部
１９…整流板部
Ｏ…回転軸心

Claims (5)

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、前記各翼が揚力型の断面形状である垂直軸風車であって、
   前記支持材の翼側の端部に、前記翼の端面を覆って前記翼の外周に張り出す翼端板部が設けられ、前記支持材と前記翼との連結が前記翼端板部で行われた垂直軸風車。
2. 請求項１に記載の垂直軸風車において、前記翼が、中実または中空で外周面が前記翼の形状に形成された翼形状部材と、この翼形状部材の長手方向の一部または全体に埋め込まれて前記翼形状部材の端面から突出する芯材とを有し、この芯材と前記翼端板部とが接合された垂直軸風車。
3. 請求項１または請求項２に記載の垂直軸風車において、前記翼の長さ方向の中間に、前記支持材が設けられ、この中間の支持材は、前記翼の長さ方向の一部で外周の全周を覆うカバー部が設けられ、前記カバー部で前記支持材と前記翼とが連結された直軸風車。
4. 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、前記各翼が揚力型の断面形状である垂直軸風車であって、
   前記支持材の翼側の端部に、前記翼の長さ方向の一部で外周の全周の全周を覆うカバー部が設けられ、このカバー部が外周の全周に渡り前記翼から突出する整流板部を有し、前記カバー部で前記支持材と前記翼とが連結された直軸風車。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項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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