JP3451085B1 - 風力発電用の風車 - Google Patents

風力発電用の風車

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Abstract

【要約】 【課題】揚力型の垂直軸型風車のブレードを改善して、
起動時や低風速域でも、風車を効率よく回すことができ
るようにし、高効率な風力発電用の風車を提供すること
にある。 【解決手段】垂直回転軸に直交する面内で、該回転軸を
中心として一定角度ごとに複数のブレードが回転軸に平
行に設けられた風力発電用の風車において、前記ブレー
ドは、低いレイノルズ数で高い揚力係数を備えた翼型で
あって、該翼下面の後縁部に切欠部が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、風力発電に使用さ
れる風車のブレード形状の改良に関する。 【０００２】 【従来の技術】一般に、風力発電用の風車には、オラン
ダ型風車に代表されるような風に対して回転軸が水平に
なっている水平軸型風車と、風に対して回転軸が垂直に
なっている垂直軸型風車が知られている。 【０００３】このうち、垂直軸型風車には、パドル型や
サボニウス型などのようにブレードに発生する抗力で風
車を回す抗力型と、ダリウス型やジャイロミル型などの
ようにブレードに発生する揚力で風車を回す揚力型とが
知られている。すなわち、前者は、風上に向かうブレー
ドの抵抗を小さくして、抗力差によって風車を回転させ
るのに対し、後者は、ブレードに発生する揚力によって
風車を回転させるようになっている（例えば特許文献１
参照）。 【０００４】 【特許文献１】特開昭５４−１５３９４４号公報 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ところが、垂直軸型の
前者（抗力型）の場合、周速比（ブレ−ドの翼端速度／
風速）が１となると、風車をそれ以上に回すモーメント
が発生せず、風速が上がっても、それ以上の回転数を得
ることもできず、発電効率が悪いという問題があった。
一方、後者（揚力型）の場合、周速比が１以上では、風
車の空力特性が良くなり、風車を効率良く回すことがで
きるが、周速比が１以下では、風車の空力特性が悪くな
り、風車を回すモーメントが小さくなる。また、起動モ
ーメントが小さく、停止状態からの起動が非常に困難と
なる欠点があった。 【０００６】そこで、ブレード形状を改良して発電効率
を高めるものとして、例えば特許文献２などが知られて
いる。この公報では、水平軸型のプロペラ型（揚力型）
の風車が開示され、図７に示すように、回転軸５１に直
交する面内で回転軸５１からロータ５２を介して一定角
度ごとに複数の風車ブレード５３を設けるとともに、各
風車ブレード５３内に、それぞれ先端に向かって出退自
在に内蔵された補助ブレード５４を備え、低風速域で、
図７矢印方向に、補助ブレード５４を風車ブレード５３
内の二点鎖線位置から図７上方に突出させ、揚力を増や
して回転トルクを増大させるようにしたものが開示され
ている。 【０００７】ところが、この風車は、水平軸型の風車で
あり、発電効率が向上しても、部品点数が増大して、コ
スト高になるという問題があった。そのため、同一の発
電能力を得るのに、装置のコストが上昇してしまう欠点
があった。 【０００８】 【特許文献２】特開２００１−１３２６１５号公報ちな
みに、特許文献１には、図８に示すように、車軸６１に
翼固定板６２が取り付けられ、該翼固定板６２の間に、
湾曲した翼（ブレード）６３が車軸６１に対して迎角０
度で取り付けられた垂直軸型風車が示されている。しか
し、この特許文献１では、翼（ブレード）６３が湾曲し
ている例が示されるだけで、具体的な翼（ブレード）６
３の構造について何ら開示されていない。 【０００９】そこで、本発明の目的は、垂直軸型風車の
ブレード形状を改善して、広範囲の風速域で、風車を発
電効率よく回すことができるようにし、発電効率の高い
風力発電用の風車を提供することにある。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、垂
直回転軸に直交する面内で、該回転軸を中心として一定
角度ごとに複数のブレードが設けられた風力発電用の風
車において、前記ブレードは、１．０〜１．４の範囲の
揚力係数を有する翼型であって、翼弦に対して前記回転
軸側が、翼弦長に対して前縁から３５％〜４５％の位置
を起点として、後縁まで切り欠かれていて、３０，００
０〜３，０００，０００の範囲の低いレイノルズ数の風
に対しても発電可能であることにより、効果的に達成さ
れる。 【００１１】また、上記目的は、前記レイノルズ数を、
３０,０００〜３,０００,０００の範囲にあるようにし
たことにより、効果的に達成される。 【００１２】また、上記目的は、前記揚力係数を、１．
０〜１．４の範囲にあるようにしたことにより、効果的
に達成される。 【００１３】さらに、上記目的は、切欠部を、翼弦長に
対して前縁から３５％〜４５％の位置から後縁に亘って
形成したことにより、より効果的に達成される。 【００１４】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施形態を説明する。 【００１５】図１は、本発明の実施例に係る風力発電用
の風車Ａの外観を示す。この風車Ａは、垂直軸型風車で
あり、風力による風車の回転力を利用して、発電するよ
うになっている。この風車Ａには、図１および図２に示
すように、垂直方向に延びる回転軸１に直交する面内で
同一半径の円周方向に沿って、アルミ合金やプラスチッ
ク（ＦＲＰを含む）などからなる４枚の翼型のブレード
２,２・・・が回転軸に平行に配されている。このブレ
ード２の外皮は、図３に示すように、１枚構造のアルミ
合金やプラスチック（ＦＲＰを含む）などの材質からな
る薄板状の素材を曲げて流線形の翼型に形成される。 【００１６】また、ブレード２内には、図３および図４
に示すように、断面略コ字状の支持桁３が嵌挿され、該
支持桁３は、ブレード２の上,下面でそれぞれリベット
や接着剤などによって取り付けられ、回転時のブレード
２の変形を防止するようになっている。この支持桁３に
は、ストラット支持金具４が装着され、該ストラット支
持金具４により、回転軸１から放射状に延びる支持スト
ラット５の端部を固定するようになっている。その結
果、ブレード２の回転は、支持ストラット５を介して回
転軸１に伝達されるようになっている。 【００１７】そして、このブレード２は、４字系翼型,
ＲＡＦ翼型,ゲッチンゲン翼型などに代表されるような
飛行機に使用される流線形の翼型に形成され、ブレード
２の一部、すなわち翼弦に対して回転軸側（以下、翼下
面という）の後縁部に切欠部Ｂが形成されている。この
翼下面は、翼の空力特性によって、前縁ａより３５％〜
４５％の間の位置から後縁ｂに亘って切り欠かれてい
る。その結果、ブレード２は、低いレイノルズ数で高い
揚力係数になるような翼型に形成される。また、ブレー
ド２に対する風向き（図４矢印方向）に対して、図４に
示すように、ブレード２の翼弦ｃは、０度〜５度の角度
で取り付けられるようになっている。 【００１８】また、ブレード２の周囲には、図５に示す
ように、前方（図５矢印方向）からの風に対して圧力分
布が形成される。すなわち、ブレード２に使用されてい
る翼型の圧力分布は、翼下面の前部に外気圧より高い圧
力が分布し、後部にはほぼ外気圧と同じ圧力となり、上
面には前端の翼形状によって流速が加速されるため、圧
力が小さくなる。よって、ブレード２の下面の後部に切
欠部Ｂを設けても、翼の空力特性には影響が小さい。 【００１９】よって、ブレード２は、図６に示すよう
に、前方（同図Ａ１矢印方向）から風を受けると、揚力
が同図Ｌ矢印方向に発生する。そのため、このブレード
２に発生する揚力の回転方向分力（Ｌ１）によって風車
は、反時計方向に回転する。 【００２０】また、起動時のように低風速域では、ブレ
ード２には、後方（同図Ａ２矢印方向）から風を受けて
回転すると、ブレード２の翼下面の切欠部Ｂによって、
ブレード２に大きな空気抵抗が生じる。これによって、
サボニウス型風車効果、すなわち、空気抵抗によってブ
レード２に回転モーメントが発生して、風車の起動トル
クが発生することになる。 【００２１】その結果、ブレード２には、翼下面に切欠
部Ｂが形成されているので、図６のＡ２矢印方向からの
風に対して、周速比１以下の低風速域では、空気抵抗に
よって回転モーメントが生じ、これが図６のＡ１矢印方
向からの風を受けるブレード２に発生する揚力の回転方
向分力（Ｌ１）に加わって回転し、周速比１以上の高風
速域では、ブレード２に発生する揚力によって回転する
ことになる。すなわち、ブレード２は、低レイノルズ数
で高い揚力係数になるような翼型で形成されているの
で、いかなる風速でも、ブレード２を回転させることが
でき、効率よく発電することができる。 【００２２】また、ブレード２は、アルミ合金などの軽
量の部材を利用しているため、ブレード２全体の重量が
小さくなって、プレード２に生じる遠心力による荷重が
減少する。 【００２３】従って、上記実施例では、ブレード２の翼
下面の後縁部に切欠部Ｂを形成しているが、低レイノル
ズ数で高い揚力係数を有するような翼型を使用している
ため、ブレード２には、風によって空気抵抗と揚力が発
生し、これらの力によってブレード２を回転させる。よ
って、いかなる風向および風速でも、ブレード２には発
電に必要な回転モーメントを発生させることができる。
その結果、広範囲の風速域に亘って、ブレード２を回転
させることができる。 【００２４】また、この風車Ａでは、回転軸１の周囲に
４枚のブレード２を配して、あらゆる方向からの風に対
してブレード２を効率よく回転させることができるの
で、風向きに関係なくあらゆる風向きでも発電すること
ができる。 【００２５】また、ブレード２は、支持ストラット５に
よって上下２点で支持する構造であり、風車全体の軽量
化が容易であるとともに、コンパクトな構造が可能であ
る。そのため、一般家庭用やビル用としてだけでなく、
海上に設置されたブイなどに設けることができる。 【００２６】なお、上記実施例では、垂直軸型風車に４
枚のブレード２を配したが、これに限らず、複数枚のブ
レードを用いればよく、上記実施例と同様の作用および
効果を奏することができる。 【００２７】また、ブレード２には、両先端に空気抵抗
を減少させるための先端カバーを取り付けたり、必要に
応じてブレード２の誘導効力を減少させるためのウィン
グレットを取り付けることも可能である。 【００２８】 【発明の効果】以上のように、本発明に係る風力発電用
の風車では、垂直回転軸に直交する面内で、該回転軸を
中心として一定角度ごとに複数のブレードが設けられた
風力発電用の風車において、ブレードは、低いレイノル
ズ数で高い揚力係数を有する流線形の翼型になるよう
に、該翼下面の後縁部を切り欠いて形成される。すなわ
ち、風の分力で空気抵抗や揚力によってブレードを回す
ため、いかなる風速および風向からの風でも、特に起動
時や、風の弱い低速風域でも、抗力型風車の特性と揚力
型風車の特性を効果的に組み合わせたことによって、ブ
レード、即ち風車を発電効率よく回転させることができ
る。また、垂直軸型風車で、翼下面の一部に切欠部を設
けただけであるので、簡単な構造であってコンパクトに
なり、小型や中型の風車を安価かつ容易に製造すること
ができ、海上に設置するブイや家庭用の発電機など、広
範囲の利用形態が可能になる。
【図面の簡単な説明】 【図１】本発明に係る風車の外観を示す斜視図である。 【図２】図１の風車を上方から眺めたブレードの配置を
説明する図である。 【図３】図１に示すブレードの斜視図である。 【図４】前記ブレードに支持ストラットを取り付ける構
造を示す図である。 【図５】前記ブレード回りの圧力分布を説明する図であ
る。 【図６】前記ブレードの回転動作を説明する図である。 【図７】従来のプロペラ型のブレード構造を説明する図
である。 【図８】従来の垂直軸型風車の斜視図である。 【符号の説明】 Ａ 風車 １ 回転軸 ２ ブレード ３ 支持桁 ４ ストラット支持金具 ５ 支持ストラット

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】垂直回転軸に直交する面内で、該回転軸を
    中心として一定角度ごとに複数のブレードが設けられた
    風力発電用の風車において、 前記ブレードは、１．０〜１．４の範囲の揚力係数を有
    する翼型であって、翼弦に対して前記回転軸側が、翼弦
    長に対して前縁から３５％〜４５％の位置を起点とし
    て、後縁まで切り欠かれていて、３０，０００〜３，０
    ００，０００の範囲の低いレイノルズ数の風に対しても
    発電可能であることを特徴とする風力発電用の風車。
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