JP4041838B2 - 風力発電用の風車及び風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電に使用されるブレード構造の改良された風車と、これを用いた風力発電装置に関する。

従来から風力発電用の風車として、風に対して回転軸を水平に配置した水平軸型風車と風に対して回転軸を垂直に配置した垂直軸型風車が知られている。

このうち、垂直軸型風車は、風の方向に影響を受けない、静寂性に優れている、都市景観にマッチしている、などの長所を有するため都市型の発電用風車として注目されている。

垂直軸型風車としては、パドル型やサボニウス型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がある。

ところで、垂直軸型で抗力型の風車の場合、周速比（ブレードの翼端速度／風速）が１になると風車を回すそれ以上のモーメントは発生せず、このため風速が大きくなってもそれ以上の回転数を得ることはできず、高い風速下では発電効率が低いという問題があった。また、垂直軸型の揚力型の場合には、周速比が１より大きい状況下での空力特性がよく発電効率は向上するが、周速比が１以下では風車の空力特性が悪く風車を回す回転モーメントが小さくなって発電効率が低くなる上に、弱風下での空力特性が悪いため停止状態からの起動のためには別に動力を必要とするという問題があった。

このため、垂直軸型風車の回転軸に小さい風力でも駆動トルクを発生することのできるサボニウス構造の起動用風車を同軸的に連結して起動力を向上させたものも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、このような風車では、部品点数が増大し、構造も複雑になるため製造コストが増大するという問題があった。また、強風時には起動用風車による風の抵抗が大きくるという問題もあった。

さらに、垂直軸型風車のブレードの後側にサボニウス構造の凹曲面を埋め込むとともに、鉛直回転軸とブレード側の支持点をブレードの前後の中心より１０〜３０％ほど前方、又は後方に重心をずらしてブレードと支持杆の角度をバネ等により保持させるようにした風車も知られている（例えば、特許文献２参照。）。

しかし、この風車は、微風速では、サボニウス構造の凹曲面が抗力を発生させて風車の起動に寄与するが、高速時にはこの凹曲面が気流の渦を発生させて効率を低下させるという問題があった。

また、風車は風雨にさらされて使用されるため、ブレードと支持杆の角度を保持するバネは長期間にわたる使用中に劣化し破断する恐れがあり安全上の問題もあった。

またさらに、ブレード形状を改良して回転効率を高めるようにした風車も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

しかしこの風車は、回転軸側の翼面が、後縁まで切り欠かれたままとなっていてサボニウス構造の湾曲面がないため、起動時から、周速比（ブレードの翼端速度／風速）が１となるまでの抗力を効果的に取り出せないという問題があり、さらに、ブレードの上面後方からの弱風に対しては、抗力が得られないという難点もある。
特開平１１−３０１０３０号公報 特開２００６−４６３０６号公報 特許第３４５１０８５号明細書

前述したとおり、垂直軸型の抗力型の場合、周速比が１に達すると風車をそれ以上に回すモーメントが発生せず、風速が大きくなってもそれ以上回転数が上がらず発電効率が低いという問題があった。また、垂直軸型の揚力型の場合には、周速比が１より大きい範囲で風車の空力特性が良くなり効率が向上するが、周速比が１以下では、風車の空力特性が悪く風車を回すモーメントが小さい上に停止状態からの起動に別に動力が必要になるという問題があった。

さらに、垂直軸型風車の回転軸に小さい風力でも駆動トルクを発生することのできる起動用風車を同軸的に連結させた風車では、部品点数が増大し、構造も複雑になるため製造コストが増大する上に、強風時には、起動用風車に対する風の抵抗が大きくなるという問題があった。

さらに、垂直軸型風車のブレードの後側にサボニウス構造の凹曲面を埋め込むとともに、回転軸とブレード側の支持点ををずらしてブレードと支持杆の角度をバネ等により保持させるようにした風車では、高速回転時にこの凹曲面が気流の渦が発生して効率が低下する上に、ブレードと支持杆の角度を保持するバネが使用中に劣化し安全上問題があった。

またさらに、ブレードの回転軸側の翼面を、後縁まで切り欠かれたままとした風車では、ブレードの上下の縁が閉じていないため、起動時から、周速比が１となるまでの抗力を効果的に取り出せず、また、ブレードの上面後方からの弱風に対しては抗力が得られないという問題があった。

本発明は、かかる従来の問題を解消すべくなされたもので、揚力型垂直軸型風車の起動困難さを解消し高速回転時には発電効率を高めた、起動しやすく、多様に変化する弱風域から強風以上の過酷な自然条件下でも発電可能な弱風時でも発電できる構造が簡単な、垂直軸型風力発電用の風車と、この風車を用いた風力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の垂直軸型風力発電用の風車は、鉛直回転軸のまわりに、複数の縦方向のブレードをほぼ等間隔で配設した揚力型の風力発電用風車において、 前記各ブレードを前部ブレードと後部ブレードに縦方向に二分して、前記後部ブレードを前記前部ブレードに対して分割線を回転軸に回動可能に軸支し、前記各前部ブレードを、下端を前記鉛直回転軸を中心とする第１の円周に沿って等間隔で配置し、上端を第１の円周より小径でかつ同心の第２の円周に沿って等間隔で配置するとともに、これらのブレードをそれぞれ支持杆を介して前記鉛直回転軸に固定してなり、前部ブレードの鉛直回転軸に対する傾斜角及び／又は後部ブレードの重心は、無風時又は微風時に後部ブレードがその合成された自重により前記鉛直回転軸方向に回動し得るように構成され、強風時には、主として前記各ブレードに作用する揚力によって前記鉛直回転軸方向に回動し得るように構成されていることを特徴とする。

本発明の風車のブレードは、低いレイノルズ数で高い揚力係数を有する流線型の翼型を基本とする。具体的には、前部ブレードの先端は流線型翼型の頭部と同型とされ、後部ブレードはこれに続く流線型の後半部とされている。

上記ブレードの前部ブレードと後部ブレードの分割部は、ブレードの翼弦長に対し前部ブレードの前縁から５０〜７０％後縁側とされている。

本発明の風車には、後部ブレードの鉛直回転軸と反対側への回動を規制するとともに、後方からの風によって抗力を発生させるために、前部ブレードの外側面が後部ブレード側に延長されて後部ブレードの前端部分を覆う後方カバーを形成することが望ましい。

この後方カバーは、後部ブレードが鉛直回転軸側(内側)に回動している状態、すなわち起動時又は微風時において、後方から風力が加わるとサボニウス型の曲面に風が当たって抗力を発生し回転モーメントとなって風車を回転させる。

後方カバーは、風車の回転が周速比１を越えたときに、遠心力が抗力に打ち克って後部ブレードが後方カバーに接触するまで外側に回動可能とする程度まで抗力を制限するため、後部ブレードの先端から５０〜１００％、好ましくは６０〜７０％の範囲を覆うだけのものとする。

本発明においては、ブレード全体が鉛直回転軸側に傾斜しており、かつ後部ブレードの重心が回動軸の後方にあるため、後部ブレードは無風又は微風状態では、鉛直回転軸側(内側)に折れ曲がった状態になっており、風速が早くなると周速が大きくなって後部ブレードは遠心力や前方からの風圧等により徐々に後方カバーに近づいて全体が流線型をなすようになる。

この動作を確実にするため、後部ブレードは後方カバーに対して、例えば２０〜６０°、好ましくは３０〜４５°程度、鉛直回転軸側に屈曲可能に構成されている。

後部ブレードが高速回転の時に全体として流線型を安定的に維持するために、後部ブレードの先端近傍又はそれより上部よりにストッパーを設けるとともに、前部ブレードの高速回転時このストッパーが当接可能な位置に、このストッパーを抑止する抑止部材を配置することが望ましい。ストッパーは、後部ブレードによる後方カバーに対する過度の衝撃を回避又は緩和させる。

本発明の風車のブレードの前部ブレード、後部ブレードは、それぞれアルミ又はプラスチック製のリブとビームを組み立てた骨格上に例えばアルミ合金板を当ててリベット又はビスで固定して構成される。前部ブレード、後部ブレードの上張りは、それぞれ１枚のアルミ合金板で構成してもよく、表裏２枚づつ、若しくは前部ブレードの先端を別の１枚のアルミ合金板で構成して、さらに前部ブレード、後部ブレードの表裏をそれぞれ２枚のアルミ合金板で構成するようにしてもよい。

また、アルミ合金板に限らず、アルミ以外の軽金属、プラスチック、ＦＲＰ等、多様な素材を使用することができる。

前部ブレードと後部ブレードの連結は、例えば、前部ブレードの骨格を構成するリブの後部と後部ブレードの骨格を構成するリブの前部を、幅方向に重なる位置関係に配置し、各リブに共通の軸孔をあけ、この軸穴に、直接又はボールベアリング等を介して回動軸を挿通させることにより行う。

このように組立てられた各ブレードは、前部ブレードの内側に適当な間隔で突設した二本のブレード支持杆を、ハブを介して、鉛直回転軸に、下端が同心の第１の円周上に等間隔、等角度で配置し、上端が同心の第１の円周より小径の第２の円周上に配置して固定することにより風車となる。ちなみに、前部ブレードは、風が吹いたとき外側の翼面を通過する気流と内側の翼面を通過する気流の径路長の差で揚力が生じ、この揚力が推力を発生させるように、接線に対してやや内側へ向くようにする。

この風車は、鉛直回転軸の下端を、直接又は減速機を介して連結することにより風力発電装置として使用される。

本発明の風車は、鉛直回転軸のまわりに、複数の縦方向のブレードをほぼ等間隔で設けた揚力型の風力発電用風車において、各ブレードを前部ブレードと後部ブレードに縦方向に二分して、各ブレードを鉛直回転軸側に傾斜させるとともに、後部ブレードを前部ブレードに対して分割線を回転軸に回動可能に軸支したので、風力に応じた後部ブレード自体の重量と遠心力とのバランスによる自律的な動作により、起動時及び低風速時においては、後部ブレードが鉛直回転軸側(内側)に折れ曲がった状態の低風速に有効な抗力型サボニウス型となり、高速時には後部ブレードが遠心力により外側に回動して高速風に適した揚力型（ジャイロミル型）風車として機能する。

したがって、周速比が１以下の風に対しても、１より大きい風に対しても高い効率で発電することができる。

本発明によれば、風速に応じて、前方からの風の揚力による回転モーメントとブレードの後方や後方斜め方向からの風の抗力による回転モーメントが発生するので、風向きや風速が絶えず変化する状況においても、効率的に発電機を回転させることができる。したがって、本発明の風車は、多様に変化する自然風の中でも発電効率を発揮するコンパクトな風力発電機を提供することができる。
また、構造が簡単なので、小型や中型の風車を安価に製造することができ、管理メンテナンスも容易である。

したがって、本発明による風力発電装置は、簡単にどこにでも設置可能で、環境への影響もないから、家庭用から、学校、工場、事業所等のビルへの給電用として、さらには公園、草原、山間、離島などの電力供給コストの比率が高い地域において有利に使用することができる。

以下、本発明の実施形態を図１〜１４に基づいて説明する。
なお、これらの図の中で、同一部分については同一符合を付す。

図１は、本発明の風力発電用の風車全体の外観を示した図。図２は図１に示した風車の上面図、図３は図１に示した風車のブレードの正面図、図４は図３のIV−IV線に沿う断面図、図５は図３のV−V線に沿う断面図である。

全体を符号１で示したこの実施例の風車は、ジャイロミル型の風車であり、鉛直回転軸２の周りに４枚のブレード３，３，‥‥３が縦方向に配置されている。

これらのブレード３は縦方向に２分割されて、前部ブレード３ａと、この前部ブレード３ａに端縁が回動軸４により回動可能に枢着された後部ブレード３ｂとから構成されている。

ブレード３の全体は、前部ブレード３ａにほぼ直角に固着されたブレード支持杆５，５，‥‥５によりハブ６，６を介して鉛直回転軸２に等角度（等間隔）で固着・保持されている。なお、前部ブレード３ａは上下翼面を通過する気流により揚力が発生するよう流線型とされている。

前部ブレード３ａと後部ブレード３ｂの分割部の位置は、ブレード３全体の翼弦長の前縁から５０〜７０％程度後縁側とされている。
前部ブレード３ａの外側の翼面の後縁部は後部ブレード３ｂの前縁部よりも後方に延長されて後方カバー３１ａとなり、後部ブレード３ｂの全幅の３０〜１００％、好ましくは５０〜７０％がこの後方カバー３１ａに覆われた状態になっている。なお、後方カバー３１ａの幅は、所定の風速以上になったとき、後部ブレードの翼端に発生する遠心力が抗力より大きくなるような幅とする。

これらのブレード３は、図２、図３示されるように、各前部ブレード３ａの基部が鉛直回転軸２を中心とする第１の円周Ｃ_１に沿って配置され、その上部は鉛直回転軸２の方向、すなわち内側に傾斜して鉛直回転軸２を中心とする第２の円周Ｃ_２に沿って配置されている。

したがって、各後部ブレード３ｂは、無風時又は微風時には、自重により垂直回転軸１の方向（内側）に最大限まで回動した状態、すなわち航空機がフラップを下げたような状態になっている。

各後部ブレード３が屈曲して後方カバー３１ａとなす開角は２０〜４５°である。
後部ブレード３ｂは、無風時又は微風時には、自重により、図１に示した状態となっており、前部ブレード３ａの後方カバー３１ａと後部ブレード３ｂがなすサボニウス構造の凹部に後方又は斜め方向からの風を受けて微風の状態でも効率よく抗力を発生しブレード支持杆５、ハブ６を介して回転モーメントを鉛直回転軸２に伝達する。

一方、強風時には、後部ブレード３ｂは、風車の回転によって発生する遠心力によって、後方カバー３１ａと平行状態になりブレード全体が流線型となって風が翼面を通過する際に揚力を発生しブレード支持杆５、ハブ６を介して回転モーメントを鉛直回転軸２に伝達する。

要するに、この実施例の風車は、低風速では後部ブレード３ａがサボニウス構造を形成するため、低風速においても起動することができ、そのときの風の状態に最も適した形態にブレードの形状が自動的に変化して効率のよい発電が行われる。

図６〜図１０は、ブレード３を説明するための図であり、図６は組立て後の状態を示す断面図、図７は骨格構造を示す斜視図、図８は前部ブレードの構造を概略的に示す図、図９，１０は後部ブレードの構造を概略的に示す図である。

これらの図において、前部ブレード３ａは、図８に示すように、断面を翼の断面形状に形成され後端寄りに透孔７を穿設したやや細長い小判型のリブ部材８，８，……８を、図7に示すように、ほぼ等間隔で並行配置し、これらのリブ部材８にアルミ合金板９をＵ字型に折り曲げながらリベット又はビスで固定することによって組み立てられる。なお、外側面側のアルミ合金板９の後縁は、後方に延長されて後方カバー３１ａとなっている。

後部ブレード３ｂは、図９に示す、先端寄りに透孔１０を穿設しやや細長い涙滴型のリブ部材１１，１１と、図１０に示す涙滴型のリブ部材１１，１１をの後半分を切落した形状のリブ部材１２，１２とを、図７に示すように、涙滴型のリブ部材１１，１１が両側となるようにほぼ等間隔で並行配置し、これらののリブ部材１１，１２にアルミ合金板１０を深いＵ字型に折り曲げながらリベット又はビスで固定することによって組み立てられる。なお、リブ部材１１，１２の前部上方には後部ブレード３ｂの回動の開角を規制するストッパー１３が設けられており、このストッパー１３が当接する前部ブレード3ａの内面には、図示を省略した抑止部材が配設されている。抑止部材は、アルミ合金板１０の内側に別の板状部材を張設して形成することが望ましいが、ストッパー１３の抑止部材に当接する部分の面積が十分大きければ、アルミ合金板１０自体を抑止部材として用いてもよい。なお、各リブ部材は、アルミ又はプラスチックから形成される。

これらの前部ブレード3ａと後部ブレード３ｂは、それぞれのリブ部材８、１１，１２の後端と前端とを各リブ部材の透孔７，１０が見透せるように配置し、これらの透孔７，１０に回動軸１４を挿通させてブレード３に組み立てられる。なお、後部ブレード３ｂの透孔１０は後部ブレード３ｂの前後の重心より２０〜３０％前側に穿設されている。

なお、以上は、リブ部材を用いて前部ブレーと後部ブレードを形成した例であるが、ＦＲＰ（繊維強化プラスチックにより前部ブレーと後部ブレードを一体成形することも可能である。

このように組立てられたブレード３は、図６、図８に示されるように、ブレード支持杆5の先端に、ボルト１５によって内側の翼面がブレード支持杆5に対してわずかに前傾するように固着され、この鉛直回転軸の下部に同軸的に直接または変速機を介して発電機が接続されて風力発電装置として用いられる。

図１１〜１３は、本発明の風車が起動状態から高速回転するまでの状態の変化を説明するための図である。

この実施例の風車のブレード３は、静止時には、図１１に示すように、後部ブレード３ｂが、ブレード３の鉛直回転軸側へ傾斜し、重心が回動軸４の後方にあることから、自重Ｗにより、後方カバー３１ａから２０〜４５°開いてサボニウス構造をなしている。

この状態で、サボニウス構造の部分に後方からの風ａａａを受けると風圧による抗力が生じてブレード支持杆5に回転モーメントを与え風車を起動させる。

風車が回転を始めると、図１２に示すように、前方からの気流（翼面に沿う矢印で示す）により上下翼面の翼弦長の差から揚力が発生し、これにサボニウス構造の抗力による推力が加わり、風の強弱、方向が変化しても、ブレード３は安定した回転を行うようになる。この回転により後部ブレード３ｂには遠心力が生じて自重Ｗに抗して後部ブレード３ｂを押し上げようとする力Ｌ１が加わる。

そして、風力がさらに強まると風車の回転数もこれに伴って上昇し、図１３に示すように、後部ブレード３ｂには遠心力の他に気流が通過するとき発生する揚力Ｌ２も働くようになり、後部ブレード３ｂは後方カバー３１ａに当接してブレード３全体がジャイロ型（揚力型）となり効率のよい回転を行うようになる。

図１４は、この実施例の風車の後方及び斜め後方から受ける風により抗力が発生する状況を説明する図である。

後部ブレード３ｂが自重により最大限度まで開いた状態のブレード３に、斜め後方（ａ）、（ｃ）又は後方（ｂ）から風ａａａが吹くと、いずれの場合も後部ブレード３ｂと後方カバー３１ａがなすＶ字状のサボニウス構造がこの風ａａａを受けて抗力を生じる。

一方、斜め後方（ａ）、（ｃ）又は後方（ｂ）からの風は、後部ブレード３ｂを拡開する方向の分力も生じるため、回転による遠心力がこの分力より大きくなるまでブレード支持杆５に回転モーメントを生じさせることになる。

図１４に示したブレード３と反対側では、風ａａａはブレード（図示せず）と正対するため、ブレードに、ジャイロミル型による揚力を発生させ、揚力による回転モーメントをブレード支持杆５に発生させる。

強風下では、風の回転数が大きくなり、遠心力が後部ブレードの重量による応力を上回るようになるため、図１４のサボニウス構造は消失し、周速比１以上の効率のよい回転が行われる。

なお、実施例の風車は、４枚のブレードを用いた例であるが、本発明は、かかる実施例に限定されるものではなく、３枚又は５枚以上の枚数のブレードにより封を構成することも可能である。

本発明の風力発電用の風車の全体外観を示す斜視図。 図１に示した風車の上面図。 図１に示した風車のブレードの正面図。 図３のIV−IV線に沿う断面図。 図３のV−V線に沿う断面図。 本発明の風車のブレードの拡大断面図。 本発明の風車のブレードの骨格構造を示す斜視。 図７の前部ブレードのリブ部材の部分の構造を説明するための図。 図７の後部ブレードのリブ部材の部分の構造を説明するための図。 図７の後部ブレードの他のリブ部材の部分の構造を説明するための図。 本発明の静止状態にある風車のブレードに後方から風を受けたときの抗力が発生する状況を説明するための図。 図１１に示した風車が回転を始めて揚力が発生する状況を説明するための図。 図１１の風車の回転数が大きくなって遠心力により後部ブレードが後方カバーに当接した状態を示す図。 本発明の風車のブレードに後方から風が吹いた場合に抗力が発生する状況を説明するための図。

符号の説明

１…………風車
２…………鉛直回転軸
３…………ブレード
３ａ…………前部ブレード
３１ａ…………後方カバー
３ｂ…………後部ブレード
４…………回動軸
５…………ブレード支持杆
６…………ハブ
７、１０…………透孔
８、１１，１２…………リブ部材
９…………アルミ合金板
１３…………ストッパー

Claims (8)

1. 鉛直回転軸のまわりに、複数の縦方向のブレードをほぼ等間隔で配設した揚力型の風力発電用風車において、
   前記各ブレードを前部ブレードと後部ブレードに縦方向に二分して、前記後部ブレードを前記前部ブレードに対して分割線を回転軸に回動可能に軸支し、前記各前部ブレードを、下端を前記鉛直回転軸を中心とする第１の円周に沿って等間隔で配置し、上端を第１の円周より小径でかつ同心の第２の円周に沿って等間隔で配置するとともに、これらのブレードをそれぞれ支持杆を介して前記鉛直回転軸に固定してなり、
   前部ブレードの鉛直回転軸に対する傾斜角及び／又は後部ブレードの重心は、無風時又は微風時に後部ブレードがその合成された自重により前記鉛直回転軸方向に回動し得るように構成され、強風時には、主として前記各ブレードに作用する揚力によって前記鉛直回転軸方向に回動し得るように構成されていることを特徴とする風力発電用の風車。
2. 前部ブレードと後部ブレードの分割部の位置は、ブレードの翼弦長の前縁から５０〜７０％後縁側であることを特徴とする請求項１記載の風力発電用の風車。
3. 前部ブレードの外側面の後縁は、前部ブレードの外側面から後方に延長されて後部ブレ
   ードの外側面の一部を覆う後方カバーとされていることを特徴とする請求項１又は２項記載の風力発電用の風車。
4. 後方カバーは、後部ブレードの翼幅の前縁から３０〜１００％の領域を覆うだけの幅とされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の風力発電用の風車。
5. 後部ブレードの前縁部には、後部ブレードの回動を規制するストッパーが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の風力発電用の風車。
6. 後部ブレードの後方カバーに対する開角は、２０〜４５°とされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の風力発電用の風車。
7. 前記ブレードは、後部ブレードがストッパーに規制された状態で流線型をなすように形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の風力発電用の風車。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項記載の風車の垂直回転軸の下方に、発電機の回転軸を同
   軸的に取り付けてなることを特徴とする風力発電装置。

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