JP2022146321A - 風車及び風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転エネルギー変換効率を改善可能な風車を提供する。【解決手段】実施形態に係る風車は、軸と、翼と、支持材とを備える。風車は、軸の中心軸回りに回転可能である。翼は、中心軸の方向である軸方向に沿って延在している翼本体部を有する。翼本体部は、軸方向に直交している断面視において、風車の回転方向の前方側の端である前縁と、回転方向の後方側の端である後縁とを含む。支持材は、軸方向に直交し、かつ中心軸を通る径方向に沿って延在することにより、軸と翼本体部とを接続している。支持材は、回転方向の前方側の端である前端と、回転方向の後方側の端である後端とを有する。前端と後端との中間位置を通り、かつ径方向に平行な直線は、前縁と後縁とを結んだ翼弦線の中点よりも後縁側において翼弦線と交差している。【選択図】図２

Description

本発明は、風車及び風力発電装置に関する。

特開２０１１－１６９２９２号公報（特許文献１）には、風力発電用の縦型風車が記載されている。特許文献１に記載の縦型風車は、回転体と、ブレード（翼）と、水平支持腕（支持材）とを有している。回転体は、中心軸回りに回転可能になっている。翼は、回転体の中心軸の方向（軸方向）に沿って延在している主部を有している。支持材は、軸方向に直交し、かつ回転体の中心軸を通る方向（径方向）に沿って延在することにより、ブレードの主部と回転体とを接続している。支持材は、径方向に直交している断面において、略魚形である。

特許第５５２７７８３号公報（特許文献２）には、風力発電用のロータが記載されている。特許文献１に記載のロータは、回転軸と、ブレード（翼）と、支持台（支持材）とを有している。回転軸は、中心軸回りに回転可能になっている。翼は、回転軸の中心軸の方向（軸方向）に沿って延在している。支持材は、軸方向に直交し、かつ回転軸の中心軸を通る方向（径方向）に沿って延在することにより、ブレードと回転軸とを接続している。支持材は、径方向に直交している断面において、流線形である。

特開２０１１－１６９２９２号公報 特許第５５２７７８３号公報

特許文献１に記載の風車及び特許文献２に記載のロータでは、径方向に直交している支持材の断面形状が略魚形又は流線形とされることにより、支持材自体の空気抵抗を低減して回転エネルギー変換効率が改善されている。しかしながら、特許文献１に記載の風車及び特許文献２に記載のロータでは、支持材と翼との接続部における気流の乱れには着眼されていない。そのため、特許文献１に記載の風車及び特許文献２に記載のロータは、回転エネルギー変換効率に改善の余地がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、回転エネルギー変換効率を改善可能な風車及び風力発電装置を提供する。

本発明の風車は、軸と、翼と、支持材とを備えている。風車は、軸の中心軸回りに回転可能である。翼は、中心軸の方向である軸方向に沿って延在している翼本体部を有する。翼本体部は、軸方向に直交している断面視において、風車の回転方向の前方側の端である前縁と、回転方向の後方側の端である後縁とを含む。支持材は、軸方向に直交し、かつ中心軸を通る径方向に沿って延在することにより、軸と翼本体部とを接続している。支持材は、回転方向の前方側の端である前端と、回転方向の後方側の端である後端とを有する。前端と後端との中間位置を通り、かつ径方向に平行な直線は、前縁と後縁とを結んだ翼弦線の中点よりも後縁側において翼弦線と交差している。

上記の風車では、翼本体部側の端部にある前端が、翼弦線の方向において、後縁からの距離が翼弦線の長さの２／３となる位置よりも後縁側にある。

上記の風車では、前端と後端との中間位置を通り、かつ径方向に平行な直線が、翼弦線と９０°未満の角度をなしていてもよい。

上記の風車では、翼本体部側の端部にある前端が、翼弦線の方向において、翼本体部の重心位置よりも後縁側にあってもよい。

本発明の風力発電装置は、上記の風車と、風車の中心軸回りの回転により発電を行う発電機とを備えている。

本発明の風車及び風力発電装置によると、回転エネルギー変換効率を改善可能である。

風力発電装置１００の正面図である。 図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。 翼本体部１２ａのアジマス角と風向との関係を示す模式図である。 翼１２が２枚である場合の風車１０の回転時間と風車１０に加わる回転トルクとの関係を示す模式的なグラフである。 風力発電装置２００の断面図である。

本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さない。

（実施形態に係る風力発電装置の構成）
第１実施形態に係る風力発電装置（以下においては、「風力発電装置１００」とする）の構成を説明する。

図１は、風力発電装置１００の正面図である。図１に示されるように、風力発電装置１００は、風車１０と、発電機２０とを有している。発電機２０は、風車１０が後述する中心軸Ａ回りに回転することにより、発電を行う。風力発電装置１００は、図示しない支柱上に取り付けられることにより、高所に設置される。

風車１０は、垂直軸風車（縦型風車）である。風車１０は、軸１１と、翼１２と、支持材１３とを有している。軸１１の中心軸を、中心軸Ａとする。中心軸Ａの方向を、軸方向とする。軸方向に直交し、かつ中心軸Ａを通る方向を、径方向とする。風車１０は、中心軸Ａ回りに回転可能である。図１に示される例では、風車１０は、中心軸Ａに関して対称な位置に配置されている２つの翼１２を有している。但し、翼１２の数は、これに限られない。

軸１１は、軸方向に延在している。軸１１は、中心軸Ａ回りに回転可能である。翼１２は、翼本体部１２ａと、翼端傾斜部１２ｂと、翼端傾斜部１２ｃとを有している。翼本体部１２ａは、軸方向に沿って延在している。図２は、図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図２に示されるように、翼本体部１２ａは、例えば、軸方向に直交している断面視において、揚力形である。

軸方向に直交している断面視において、翼本体部１２ａは、前縁１２ａａと、後縁１２ａｂとを有している。前縁１２ａａは、風車１０の回転方向（図２中に矢印で示されている）の前方側にある翼本体部１２ａの端である。後縁１２ａｂは、風車１０の回転方向の後方側にある翼本体部１２ａの端である。前縁１２ａａと後縁１２ａｂとを結んだ可能線を、翼弦線１２ａｃとする。翼弦線１２ａｃの方向を、翼弦方向とする。

前縁１２ａａと後縁１２ａｂとの中間位置にある翼弦線１２ａｃ上の点を、中間位置ＭＰとする。翼弦方向における中間位置ＭＰと前縁１２ａａとの間の距離は、翼弦方向における中間位置ＭＰと後縁１２ａｂとの間の距離に等しい。

軸方向に直交している断面視における翼本体部１２ａの重心位置を、重心位置ＧＰとする。翼弦方向に直交している方向における翼本体部１２ａの幅は、前縁１２ａａ側で最大となり、そこから後縁１２ａｂ側に向かうにしたがって小さくなる。そのため、重心位置ＧＰは、翼弦方向において中間位置ＭＰよりも前縁１２ａａ側にある。重心位置ＧＰは、翼弦線１２ａｃ上にあってもよく、翼弦線１２ａｃ上になくてもよい。なお、図２には、重心位置ＧＰが翼弦線１２ａｃ上にある場合の例が示されている。

翼弦方向における後縁１２ａｂからの距離が翼弦長（翼弦線１２ａｃの長さ）の２／３になる位置を、位置Ｐとする。位置Ｐは、翼弦方向において、中間位置ＭＰ及び重心位置ＧＰよりも前縁１２ａａ側にある。

翼本体部１２ａは、内側面１２ａｄと、外側面１２ａｅとを有している。内側面１２ａｄは、翼本体部１２ａの表面のうちの中心軸Ａ側（径方向内側）を向いている面である。外側面１２ａｅは、翼本体部１２ａの表面のうちの中心軸Ａとは反対側（径方向外側）を向いている面である。このことを別の観点から言えば、外側面１２ａｅは、径方向における内側面１２ａｄの反対面である。

図１に示されるように、翼端傾斜部１２ｂは、翼本体部１２ａの軸方向における一方端（上端）に接続されている。翼端傾斜部１２ｂは、径方向内側に向かって傾斜しながら、翼本体部１２ａの上端から上方に延在している。翼端傾斜部１２ｃは、翼本体部１２ａの軸方向における他方端（下端）に接続されている。翼端傾斜部１２ｃは、径方向内側に傾斜しながら、翼本体部１２ａの下端から下方に延在している。

支持材１３は、径方向に沿って延在している。支持材１３が径方向に沿って延在していることにより、軸１１と翼１２（翼本体部１２ａ）とが接続されている。支持材１３は、翼本体部１２ａの内側面１２ａｄ側に接続されている。図２に示されるように、支持材１３は、平面視において（軸方向に沿って見た際に）、前端１３ａと、後端１３ｂとを有している。前端１３ａは、風車１０の回転方向の前方側にある支持材１３の端である。後端１３ｂは、風車１０の回転方向の後方側にある支持材１３の端である。

前端１３ａと後端１３ｂとの中間位置を通り、かつ径方向に平行な直線を、直線１３ｃとする。直線１３ｃ及び翼弦線１２ａｃは、交点ＣＰで交わっている。交点ＣＰは、翼弦方向において、中間位置ＭＰよりも後縁１２ａｂ側にある。直線１３ｃは、翼弦線１２ａｃとの間で角度θをなしている。角度θは、例えば、９０°未満である。

支持材１３の翼本体部１２ａ側の端部にある前端１３ａは、翼弦方向において、位置Ｐよりも後縁１２ａｂ側にある。好ましくは、支持材１３の翼本体部１２ａ側の端部にある前端１３ａは、翼弦方向において、重心位置ＧＰよりも後縁１２ａｂ側にある。

図示されていないが、径方向に直交している断面視において、支持材１３は、例えば、流線型、楕円等の滑らかな形状になっている。

図３は、翼本体部１２ａのアジマス角と風向との関係を示す模式図である。翼本体部１２ａのアジマス角は、風向が後縁１２ａｂから前縁１２ａａに向かう方向に対して９０°回転しているときに、０°となる。図３の例では、翼本体部１２ａのアジマス角は、風車１０が反時計回りに回転していくにしたがって翼本体部１２ａのアジマス角が増加し、風車１０が１周すると翼本体部１２ａのアジマス角は、０°に戻る。

図４は、翼１２が２枚である場合の風車１０の回転時間と風車１０に加わる回転トルクとの関係を示す模式的なグラフである。図４に示されるように、風車１０に加わる回転トルクは、翼本体部１２ａのアジマス角が０°付近になるときに、最大となる。

（実施形態に係る風力発電装置の効果）
以下に、風力発電装置１００の効果を、比較例に係る風力発電装置（以下においては、「風力発電装置２００」とする）と対比しながら説明する。

風力発電装置２００は、風車１０と、発電機２０とを有している。図５は、風力発電装置２００の断面図である。図５には、図１中のＩＩ－ＩＩに対応する位置の断面が示されている。図５に示されるように、風力発電装置２００では、風車１０が、軸１１（図５中において図示せず）と、翼１２と、支持材１３を有している。これらの点に関して、風力発電装置２００の構成は、風力発電装置１００の構成と共通している。

しかしながら、風力発電装置２００では、重心位置ＧＰが、直線１３ｃ上にある。すなわち、風力発電装置２００では、直線１３ｃと翼弦線１２ａｃとの交点ＣＰが、中間位置ＭＰよりも前縁１２ａａ側にある。この点に関して、風力発電装置２００の構成は、風力発電装置１００の構成と異なっている。なお、風力発電装置２００では、直線１３ｃと翼弦線１２ａｃとが、例えば直角をなしている。

風力発電装置２００では、重心位置ＧＰが直線１３ｃ上にあるため、翼１２（翼本体部１２ａ）に加わる遠心力を支持材１３により支持しやすい。しかしながら、風力発電装置２００では、回転エネルギー変換効率に改善の余地がある。

より具体的には、風車１０の回転力を生み出しているのは、主として前縁１２ａａ近傍にある内側面１２ａｄの周囲（図５中において点線で示されている領域、以下「負圧発生領域」とする）に発生する負圧である。風力発電装置２００では、直線１３ｃ上に重心位置ＧＰがあるように支持材１３が翼本体部１２ａに接続されているため、支持材１３と翼本体部１２ａとの接続部の位置が負圧発生領域に近くなる。支持材１３と翼本体部１２ａとの接続部には、気流の乱れが発生しやすい。この気流の乱れが負圧発生領域を流れている気流に干渉する結果、負圧発生領域を流れる気流を内側面１２ａｄから剥離させ、風車１０の回転力を低下させる。

他方で、風力発電装置１００では、直線１３ｃと翼弦線１２ａｃとの交点ＣＰが中間位置ＭＰよりも後縁１２ａｂ側にあるため、風力発電装置１００では、支持材１３と翼本体部１２ａとの接続部を負圧発生領域から離すことができ、支持材１３と翼本体部１２ａとの接続部で発生する気流の乱れが負圧発生領域に干渉しにくくなる。このように、風力発電装置１００によると、支持材１３と翼本体部１２ａとの接続部で発生する気流の乱れによる風車１０の回転力低下を抑制することができるため、回転エネルギー変換効率を改善することができる。

風力発電装置１００において翼本体部１２ａ側の支持材１３の端部にある前端１３ａが翼弦方向において位置Ｐ（又は重心位置ＧＰ）よりも後縁１２ａｂ側にある場合、支持材１３と翼本体部１２ａとの接続部を負圧発生領域からさらに離すことができるため、回転エネルギー変換効率をさらに改善することができる。

風力発電装置１００において直線１３ｃと翼弦線１２ａｃとがなす角度（角度θ）が９０°未満である場合、前縁１２ａａ及び後縁１２ａｂの回転軌跡を同一径上に配置することが可能となるため、翼本体部１２ａの側方から見た際の投影面積が小さくなる。そのため、この場合には、風車１０の回転抵抗を減らし、回転エネルギー変換効率を改善することができる。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、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及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

上記の実施形態は、垂直軸風車及び垂直軸風車を有する風力発電装置に特に有利に適用される。

１０ 風車、１１ 軸、１２ 翼、１２ａ 翼本体部、１２ａａ 前縁、１２ａｂ 後縁、１２ａｄ 内側面、１２ａｅ 外側面、１２ｂ 翼端傾斜部、１２ｃ 翼端傾斜部、１３ 支持材、１３ａ 前端、１３ｂ 後端、１３ｃ 直線、２０ 発電機、１００，２００ 風力発電装置、Ａ 中心軸、ＣＰ 交点、ＧＰ 重心位置、ＭＰ 中間位置、Ｐ 位置。

Claims (5)

1. 風車であって、
   軸と、翼と、支持材とを備え、
   前記風車は、前記軸の中心軸回りに回転可能であり、
   前記翼は、前記中心軸の方向である軸方向に沿って延在している翼本体部を有し、
   前記翼本体部は、前記軸方向に直交している断面視において、前記風車の回転方向の前方側の端である前縁と、前記回転方向の後方側の端である後縁とを含み、
   前記支持材は、前記軸方向に直交し、かつ前記中心軸を通る径方向に沿って延在することにより、前記軸と前記翼本体部とを接続しており、
   前記支持材は、前記回転方向の前方側の端である前端と、前記回転方向の後方側の端である後端とを有し、
   前記前端と前記後端との中間位置を通り、かつ前記径方向に平行な直線は、前記前縁と前記後縁とを結んだ翼弦線の中点よりも前記後縁側において前記翼弦線と交差している、風車。
2. 前記翼本体部側の端部にある前記前端は、前記翼弦線の方向において、前記後縁からの距離が前記翼弦線の長さの２／３となる位置よりも前記後縁側にある、請求項１に記載の風車。
3. 前記直線は、前記翼弦線と９０°未満の角度をなしている、請求項１又は請求項２に記載の風車。
4. 前記翼本体部側の端部にある前記前端は、前記翼弦線の方向において、前記翼本体部の重心位置よりも前記後縁側にある、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の風車。
5. 請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の前記風車と、
   前記風車の前記中心軸回りの回転により発電を行う発電機とを備える、風力発電装置。

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