JP2023115519A - Windmill and wind power generating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、風車及び風力発電装置に関する。 The present invention relates to wind turbines and wind turbine generators.
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。
Japanese Patent Laying-Open No. 2011-169292 (Patent Document 1) describes a vertical wind turbine for wind power generation. The vertical wind turbine described in
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。
Japanese Patent No. 5527783 (Patent Document 2) describes a rotor for wind power generation. The rotor described in
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。
In the wind turbine described in
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。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art as described above. More specifically, the present invention provides a wind turbine and a wind turbine generator capable of improving rotational energy conversion efficiency.
本発明の風車は、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、かつ支持材の延在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。支持材は、翼本体部側の端部である第1部分と、第1部分から中心軸側に向かって延在している第2部分とを有する。第1部分にある前端は、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。第1部分と第2部分との境界は、中心軸を中心とし、かつ翼本体部に接続されている前端を通る円よりも内側にある。 The wind turbine of the present invention comprises a shaft, blades and supports. The windmill is rotatable around the central axis of the shaft. The wing has a wing body extending along an axial direction, which is the direction of the central axis. In a cross-sectional view perpendicular to the axial direction, the blade main body includes a front edge that is the front end in the rotation direction of the wind turbine and a rear edge that is the rear end in the rotation direction. A support connects the shaft and the wing body. The support has a front end, which is the forward end in the rotational direction, and a rear end, which is the rearward end in the rotational direction. A straight line passing through the midpoint between the leading edge and the trailing edge and parallel to the direction of extension of the support material intersects the chord line on the trailing edge side of the midpoint of the chord line connecting the leading edge and the trailing edge. ing. The support member has a first portion that is an end on the wing main body side and a second portion that extends from the first portion toward the center axis side. The leading edge of the first portion is, in the direction of the chord line, on the trailing edge side of the distance from the trailing edge that is 2/3 of the length of the chord line. The boundary between the first portion and the second portion is inside a circle centered on the central axis and passing through the front end connected to the wing body.
上記の風車では、第1部分と第2部分との境界は前端と後端との中間位置を通り、かつ支持材の延在方向と平行な直線と直交していてもよい。 In the wind turbine described above, the boundary between the first portion and the second portion may pass through an intermediate position between the front end and the rear end and may be orthogonal to a straight line parallel to the extending direction of the support member.
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る。 A wind turbine generator according to the present invention includes the windmill described above and a generator that generates power by rotating the windmill about its central axis.
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することができる。 According to the windmill and wind power generator of the present invention, the rotational energy conversion efficiency can be improved.
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ものとする。実施形態に係る風力発電装置を、風力発電装置100とする。
Details of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings below, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description will not be repeated. The wind power generator according to the embodiment is referred to as a
(風力発電装置100の構成)
以下に、風力発電装置100の構成を説明する。
(Configuration of wind turbine generator 100)
The configuration of the
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。
FIG. 1 is a front view of the
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。
The
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。図1に示される例では、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。但し、翼12の端部形状は、翼端傾斜部12b及び翼端傾斜部12cに限られず、他の形状であってもよい。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。
The
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とを結んだ仮想線を、翼弦線12acとする。翼弦線12acの方向を、翼弦方向とする。
In a cross-sectional view perpendicular to the axial direction, the blade
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。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P1とする。位置P1は、翼弦方向において、中間位置MPよりも前縁12aa側にある。 A point on the chord line 12ac at an intermediate position between the leading edge 12aa and the trailing edge 12ab is defined as an intermediate position MP. The chordwise distance between the intermediate position MP and the leading edge 12aa is equal to the distance between the chordwise intermediate position MP and the trailing edge 12ab. A position P1 is a position where the distance from the trailing edge 12ab in the chord direction is 2/3 of the chord length (the length of the chord line 12ac). The position P1 is closer to the leading edge 12aa than the intermediate position MP in the chord direction.
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。
The
図1の例では、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。
In the example of FIG. 1, the blade tip inclined
支持材13は、径方向に沿って延在している。支持材13は、軸方向に平行な方向から見た際に径方向に沿って延在していればよく、軸方向に直交する面に対して傾斜していてもよい。支持材13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。
The
前端13aと後端13bとの中間位置を通り、かつ支持材13の延在方向に平行な仮想直線を、直線13cとする。直線13c及び翼弦線12acは、交点CPにおいて交わっている。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。
An imaginary straight line passing through the intermediate position between the
支持材13は、第1部分13dと第2部分13eとを有している。第1部分13dは、翼本体部12aに接続されている支持材13の端部である。第2部分13eは、第1部分13dから中心軸Aに向かって延在している。支持材13の延在方向に直交する方向における第2部分13eの幅は、支持材13の延在方向に直交する方向における第1部分13dの幅よりも大きい。第1部分13dと第2部分13eとの境界を、境界13fとする。境界13fは、直線13cと直交していることが好ましい。
The
第1部分13dにある前端13aは、翼弦方向において、位置P1よりも後縁12ab側にある。翼本体部12aに接続されている前端13aの位置を、位置P2とする。風車10の回転に伴う位置P2の軌跡、すなわち、位置P2を通り、かつ中心軸Aを中心とする円を、円Cとする。境界13fは、円Cよりも内側にある。境界13fは、直線13cに直交していることが好ましい。
The
図示されていないが、支持材13の延在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ことが好ましい。
Although not shown, in a cross-sectional view perpendicular to the extending direction of the
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。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between the azimuth angle of the
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。
FIG. 4 is a schematic graph showing the relationship between the rotation time of the
(風力発電装置100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と対比しながら説明する。比較例に係る風力発電装置を、風力発電装置200とする。
(Effect of wind turbine generator 100)
The effect of the
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に対応する位置における風力発電装置200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、境界13fが、円Cよりも外側にある。この点を除いて、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。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
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(以下「負圧発生領域」とする)に発生する負圧である。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と、支持材13と翼本体部12aとの接続部に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。
What produces the rotational force of the
風力発電装置100及び風力発電装置200では、直線13cと翼弦線12acとの交点CPが中間位置MPよりも後縁12ab側にある。また、風力発電装置100及び風力発電装置200では、第1部分13dにある前端13aが、翼弦方向において、位置P1よりも後縁12ab側にある。そのため、風力発電装置100及び風力発電装置200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。
In the
しかしながら、風力発電装置200では、境界13fが円Cよりも外側にあるため、境界13fにおいて気流の剥離が生じやすい。他方で、風力発電装置100では、境界13fが円Cよりも内側にあるため、負の圧力勾配により気流の剥離が抑制され(気流の剥離位置が風力発電装置200と比較して後縁12ab側に移動し)、気流の乱れが負圧発生領域にさらに干渉しにくくなる。そのため、風力発電装置100によると、風力発電装置200と比較して、回転エネルギー変換効率を改善することができる。境界13fが直線13cに直交している場合、風車10の製造が容易になる。より具体的には、この場合、翼12の支持材13に対する角度の管理の容易化、風車10の組み立て性の向上、支持材13の翼12に対する溶接性の改善が可能となる。
However, in the
(実施例)
図6は、風力発電装置100における周速比と風車10の出力増加率との関係を示すグラフである。図6中における横軸は風車10の周速であり、図6中における縦軸は風力発電装置100における風車10の出力増加率である。風車10の周速比は、風車10の角速度をω(単位:s-1)、風車10の半径をR(単位:m)、風速をV(単位:m)とすると、ω×R/Vとなる。なお、風車10の回転数をn(単位:rps)とすると、風車10の周速比は、2π×R×n/Vとなる。
(Example)
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the circumferential speed ratio in the
風力発電装置100における風車10の出力増加率は、風力発電装置100における風車10の出力と風力発電装置200における風車10の出力との差を風力発電装置200における風車10の出力で除した上で100を乗じた値である。
The output increase rate of the
図6に示されるように、風力発電装置100における風車10の出力は、いずれの周速比においても、風力発電装置200における風車10の出力を上回っていた。このことから、風力発電装置100によると回転エネルギー変換効率を改善可能であることが、実験的にも明らかになった。
As shown in FIG. 6 , the output of the
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。 Although the embodiment of the present invention has been described as above, it is also possible to modify the above-described embodiment in various ways. Also, the scope of the present invention is not limited to the embodiments described above. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims, and is intended to include all changes within the meaning and scope of equivalence to the scope of claims.
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。 The above embodiments are particularly advantageously applied to vertical axis wind turbines and wind power installations with vertical axis wind turbines.
100 風力発電装置、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,12c 翼端傾斜部、13 支持材、13a 前端、13b 後端、13c 直線、13d 第1部分、13e 第2部分、13f 境界、20 発電機、200 風力発電装置、A 中心軸、C 円、CP 交点、MP 中間位置、P1,P2 位置。
100
Claims (3)
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、かつ前記支持材の延在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おり、
前記支持材は、前記翼本体部側の端部である第1部分と、前記第1部分から前記中心軸側に向かって延在している第2部分とを有し、
前記第1部分にある前記前端は、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り、
前記第1部分と前記第2部分との境界は、前記中心軸を中心とし、かつ前記翼本体部に接続されている前記前端を通る円よりも内側にある、風車。 a windmill,
comprising a shaft, wings and a support,
The windmill is rotatable around the central axis of the shaft,
The blade has a blade body extending along an axial direction that is the direction of the central axis,
In a cross-sectional view orthogonal to the axial direction, the blade main body includes a leading edge that is a front end in the rotation direction of the wind turbine and a rear edge that is a rear end in the rotation direction,
The support member connects the shaft and the blade body,
The support member has a front end that is a front end in the rotation direction and a rear end that is a rear end in the rotation direction,
A straight line passing through an intermediate position between the front end and the rear end and parallel to the extending direction of the support member is on the trailing edge side of the midpoint of the chord line connecting the leading edge and the trailing edge. intersecting the chord line,
The support member has a first portion that is an end on the wing main body side and a second portion that extends from the first portion toward the central axis,
the leading edge of the first portion being in the direction of the chord line, on the trailing edge side of a distance from the trailing edge of two-thirds of the length of the chord line;
A wind turbine in which a boundary between the first portion and the second portion is inside a circle centered on the central axis and passing through the front end connected to the blade main body.
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。 The wind turbine according to claim 1 or claim 2;
and a generator that generates power by rotating the wind turbine around the central axis.
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