JP4098011B2 - 風車用羽根 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、風車の羽根に係り、特に垂直主軸に装着された回転体の、遠心部に配設される、向かい風の抵抗並びに回転時の空気抵抗の少ない、風車に適した羽根に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、風車は、縦軸と横軸とがある。風のエネルギー回収率は、縦軸で約３５％、横軸で約４５％といわれており、必然的に横軸風車が主流になっている。特に風力発電における風車は、横軸プロペラ式が主流となっている。
しかし横軸風車は、風の向きに対向しなければ、回転効率が落ちるという難点がある。また、風力発電においては風速４ｍ／ｓの風が年間２０００時間吹かなければ経済的に合わないといわれ、国内でその地理的条件に合う場所が限られ、大型化するプロペラ式風力発電機の実用性は困難となっている。
また縦軸風車は、微風でも回転するが、主軸の片側の羽根は、向かい風による抵抗を受けるとともに、回転時の空気抵抗を受けるという難点がある。
【０００３】
本願発明者は、梃子の原理と、フライホイルの回転慣性との利用により、風力回収率の高い垂直軸の風車（例えば特願２００１−３９７７５１号、特願２００１−０１３４６７号、特願２００２−０３７３０９号、２００２−５５２６８号、２００２−１０９５６７号等）を開発した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記垂直軸の風車も、回転慣性の高まりに伴って、羽根の受風面が大きければ、追風を受けて、回転推力を得られる反面、回転時の空気抵抗を受ける。
また軸の片側においては、向かい風に対して羽根が抵抗となって、回転にマイナスとなることから、羽根の形状について検討をする必要がある。
また、風車の羽根は、形状並びに取付位置が固定されているので、特定の位置で特定の向きに設定されている場合、風力の変化、回転速度の変化に適合することができない。
【０００５】
この発明は、向かい風に対しては、羽根の内側面より外側面に接して通過する風速が早くなって、回転体に遠心方向への回転推力が生じ、追風に対しては、羽根の後部を広げて風に靡かせることによって、受風力を最大にすることができるように、羽根の位置、形状が自然に変化し、風速と回転体の回転速度との間のバランスによって、自然にベストバランスに設定されるように構成された、産業動力用の垂直軸風車に適した羽根を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、前記課題を解決するために、次のような技術的手段を講じた。
すなわち、この発明においては、羽根の受風部が側面で略く字形状に形成されて、平面で、使用時における外側面を翼状に膨出させた。これを回転体の外周面に装着することによって、羽根は回転体の周面に沿う形となり、回転時における空気抵抗が小さくなった。
【０００７】
また羽根は横断面略翼状に形状されているので、風車が向かい風を受けると、羽根の内側面より外側面に接して通過する風速が早いため、飛行機における揚力と同じく羽根を外側へ押す推力が作用して、回転体を回転させる。また追風に対しては、羽根の後部が風になびいて、回転体を押す推力が生じる。
この発明の具体的な内容は次の通りである。
【０００８】
(1) 垂直軸風車の回転体外周面に垂直に装着される、弾力性ＦＲＰ製の羽根であって、側面において、横長な取付部の後部に、縦長の受風部が形成され、該受風部は、回転体外周部に羽根を装着したときに、外側となる外側面が、内側面よりも横断面が翼状に膨出して前部は厚く、後端方へ次第に薄く形成され、受風部の後端部は、回転時の風により左右側方へ屈曲可能に形成されている風車用羽根。
【０００９】
(2) 前記受風部は支持骨と受風膜板で構成され、前記取付部の後部から側面で後上下斜方向に支持骨が突設され、該支持骨は基部を幅広く、先端部にかけて細く、かつ回転体へ取付時の外面側が横断面翼状に膨出形成され、該上下の支持骨間に受風膜板が、側面略く字形状に張設されている、前記(1)に記載された風車用羽根。
【００１０】
(3) 前記受風部の受風膜板は側面において、後端部の上下中間部に後端部から前部方へ水平に向く細い切欠が形成され、使用時に該切欠を境として、上下の受風膜板面が、風圧によってそれぞれ変位可能に構成されている、前記(1)(2)のいずれかに記載された風車用羽根。
【００１１】
(4) 前記羽根の取付部は、その横長の後部が、左右側面方向に可曲性に構成されている、前記(1)〜(3)のいずれかに記載された風車用羽根。
【００１２】
(5) 前記羽根の取付部と受風部は、平面で内側面が、取付けられる回転体の外周面に沿うように、湾曲形成されている、前記(1)〜(4)のいずれかに記載された風車用羽根。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は風車用羽根（以下単に羽根という）の右側面図、図２は羽根の左側面、図３は羽根の正面図、図４は図１におけるＡ−Ａ線断面図、図５は回転体に取付けた羽根の平面図である。
【００１４】
羽根(1)は、横長な取付部(2)の後部に、平面略翼状の受風部(3)が形成されている。該受風部(3)は上下の支持骨(4)を介して受風膜板(5)が張設されている。
該支持骨(4)は、前記受風膜板(5)と別体の物とすることができるが、一枚膜板のその部分を太くし、あるいは、膜板の端部を半巻き状に膨らませる形態のものでもかまわない。
【００１５】
前記取付部(2)は、直径４ｍの回転体に使用するものとして、図示するように、例えば長さ約３０センチ程度の横長なもので、頭部の高さ約７センチ程度で、頭部から尾部へかけて幅広く、また頭部の厚みを８センチ程度に厚くもたせて、軟質弾性合成樹脂を使用したＦＲＰ（繊維強化樹脂）で形成されている。
【００１６】
前記受風部(3)における上下の支持骨(4)は、取付部(2)の後部から、上下斜め後方に向けて長く突出され、後方へ、例えば約８０センチ、上下高さは約１７５センチに設定されて、回転体への取付時における内側面側より外側面側の表面長さが長くなるように、外側面側が横断面翼形状に膨出されている。
【００１７】
前記上下の支持骨(4)の間で外側面側に、受風膜板(5)が一体に張設されている。該受風膜板(5)は、例えば０．２〜１ミリ程度の、例えばビニロンシートなど、軟質弾性合成樹脂シート（布または布に樹脂皮膜を形成したものも含む）が選択され、後端面から前方へ向けて、三角形の深い切込部(5a)が形成されて、受風膜板 (5) の側面は略く字形状に形成されている。該シートは膜板厚が薄く均一で、軟質でかつ弾力性があるので既製品を使用しているが、型成形でもかまわない。
【００１８】
前記図１に示す受風膜板(5)における切込部(5a)の端面角度(5b)は、上下とも水平に対して約４５度に設定されているが、受風部(3)の高さと長さによって、３０度〜８５度の範囲で設定することができる。
【００１９】
また、取付部(2)の後端面から後方に向けて、リブ(6)が突設されて受風膜板(5)と接着され、これを支持している。該リブ(6)に代えて支持骨を使用することができる。図中符号(7)は、図５に示す回転体(13)に対する固定部である。
該固定部(7)は、図３に示すように、略コ字形に構成されているので、外部から回転体(13)に固定部(7)を外嵌させてネジ止めするだけなので、作業性に優れて、大きさの異なる羽根に取替えたり、メンテナンス性に優れている。取付部(2)と固定部(7)を一体成形とすることによって、耐久性が向上する。
【００２０】
羽根(1)の取付部(2)と支持骨(4)は、軟質弾性のある繊維強化樹脂（ＦＲＰ）で形成されている。マトリックスとしては、弾性熱硬化性樹脂、例えば不飽和ポリエステル樹脂、ビニールエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂の中から選択される。その樹脂単体は、常温での引張伸率が、破断時に３５％以上である。
【００２１】
前記弾性熱硬化性樹脂の配合率は、常温での引張伸率が、破断時に３５％以上となる範囲で適宜組合わせることができる。
例えば不飽和ポリエステル樹脂３０％〜６０％、ビニールエステル樹脂、エポキシ樹脂５％〜２５％、ウレタン樹脂１０％〜３０％、エポキシアクリレート樹脂５％〜２０％、ウレタンアクリレート樹脂１０％〜２０％等任意に選択することができる。
この樹脂の硬化は、硬化促進剤複種類と硬化剤複種類との組合わせで、常温加熱硬化が可能である。
【００２２】
使用される繊維強化材として、無機質繊維、例えばガラス繊維、カーボン繊維、金属繊維等からなるマット、一方向材、織物など。有機質繊維として、例えばアラミド繊維、ビニロン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、など弾力性のある強靱な繊維である。これら複合材の引張伸率は、破断時に３０％以上備えるように設定される。
【００２３】
前記無機質繊維は３０重量％〜５０重量％、有機質繊維は１０重量％〜４０重量％の範囲で選択される。また無機質繊維と有機質繊維の複合材にすることで、屈曲部分の屈曲硬度を変化させることができる。
【００２４】
前記有機質繊維は、単体よりは２種類以上の混合体の方が、それぞれの持つ欠点をカバーすることが出来る。従って、それぞれ２５重量％〜５０重量％の範囲で、組合わせることが出来る。
この弾力性のある繊維の選択によって、羽根成形体の弾力性、屈曲性がより向上する。これら繊維強化材のコンテントは１０％〜５０％である。
【００２５】
図５において、符号(8)は風車、(9)は垂直主軸、(10)は回転主体、(11)は支持アーム、(12)は環状の重錘、(13)は回転体である。
本文において、回転体(13)の外周という場合は、該重錘(12)の外周を指す。
該環状の重錘(12)の直径は、例えば４ｍで、芯体として金属を使用し、表面にＦＲＰの皮膜が形成されている。
この重錘(12)は風車(8)においてフライホイルの作用をし、風車(8)の回転慣性を高め、変化する風速の中で安定した回転を維持させる。
【００２６】
羽根(1)は、環状の重錘(12)の周面に、所望の間隔で所望の複数（図では５個の設定）が、外周面に沿って配設される。この場合、羽根(1)は、平面において回転体(13)の周面接線に並行に取付けられる取付部の取付面に対して、受風部 (3) は、前部が外向きとなるよう、傾斜０度ないし２０度の範囲で取付けられる。 このように構成された風車(8)は、垂直主軸(9)なので、全方向の風に対応して回転することができる。
【００２７】
図５において、Ａ矢示の風が吹いている時、左側の羽根(1a)には、取付部(2)の前部から受風部(3)全面に風を受ける。
この場合、受風部(3)の横断面は略飛行機の翼状に形成されて、主軸(9)に近い羽根(1)の内側面よりも外側面の方が、表面長さが長いので、羽根(1)の内側面側を通る風よりも外側面側を通る風の速度が早くなって、外側面側が気圧が低くなるため、羽根(1)の内側方向から外側方向へ押す気圧力が生じ、受風部(3)が外方向へ押されることから、回転体(13)が回転する。
【００２８】
図５における手前の羽根(1b)(1c)は、受風部(3)に追風を受けて、受風部(3)の後端部が風に押されて撓みながら回転体(13)に回転推力を与える。
また図５における先方の羽根(1d)(1e)は、図３に示す羽根(1)の右側から向かい風を受けることになり、羽根(1d)(1e)の受風部(3)の上下先端部は、風に靡いて受風面積を減少させるので、風の抵抗を減少させることができる。
【００２９】
一般に羽根(1)が風に押されて回転することは、逆に、回転している羽根(1)は前方の空気抵抗を受けることになる。
すなわち、図１において、受風部(3)に切込部(5a)が形成されていない三角形の場合は、羽根(1)の受風部(3)後端部が幅広くて風を受ける面積が広く、図５における手前の羽根(1b)の位置では、回転推力として効率のよい受風ができる。
【００３０】
また、図５で羽根(1b)の受風部(3)に強い風を受けると、受風部(3)の上下端部が外側へ反るので、反った分だけ受風部(3)の後端部が、主軸(9)から外方へ遠ざかることになり、主軸(9)の回転に対して、梃子の原理の回転力を与えることができる。
【００３１】
逆に図５における前方の羽根(1d)の位置では、切込部(5a)がない場合は、向かい風の抵抗が大きいことになり、回転率を低下させることになる。
しかし、この羽根(1)において受風部(3)の後部に、切込部(5a)が形成されているために、向かい風を受ける面積は減少して、風抵抗を小さくすることができる。
【００３２】
また受風部(3)は屈曲性に構成されているために、羽根(1d)の受風部(3)に向かい風を受けると、受風部(3)の上下先端部が、図５における主軸(9)方向に屈曲するため、受風部(3)の総面積が減少して、風の抵抗を減少させる。
【００３３】
羽根(1)の受風部(3)の後端部が、弾力性に富み、屈曲が可能なので、台風などの強風にも、屈曲することによって破損しない。また高速回転をしている時には、羽根(1)は回転体(13)の外周面に沿う形になって、受風部(3)の後端部を風圧にゆだねて移動しているので、破損しにくい。
【００３４】
図５における風車(8)で、回転体(13)の直径４ｍ、重錘の重量２００ｋｇで、前記数値設定の羽根(1)を使用して実験すると、この重量のものが、わずか１．８ｍ／ｓの風速で回転した。
また、１．８ｍ／ｓ〜５．２ｍ／ｓの範囲で吹く風の中で、回転速度が安定していた。このことは、風車を回転させるための風力回収率は、大幅に向上することを示している。
【００３５】
例えば風力発電機は、地理的条件をあらかじめ調査してから、設置するものであるが、風は二度同じ条件で吹くことがないので、発電器が設置された後に、その位置での条件に合わないことが生じる。
すなわち、発電容量に対して、羽根の大きさ、数が不適なことがあっても、従来の風力発電機は変更することができない。
しかしこの羽根(1)の固定部(7)は、回転体(13)に着脱自在なため、羽根(1)の大きさ、数、面積などを変化させ、その場で容易に取替えて、実地に合うように実地検査をすることができる。
【００３６】
図６は、第２実施例を示す羽根(1)の右側面図で、図７は平面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して、説明を省略する。
この実施例は、図示するように、取付部(2)の長さが比較的長く設定されている。これによって、受風部(3)に強い風を受けた時には、取付部(2)の後部も魚体のように可曲性に形成されている。
【００３７】
従って、最初は、使用時における羽根(1)の内側面は、回転体(13)の外周面に沿うように配設されているが、風力が強くなってくると、受風部(3)の後部が回転体(13)の接線近くまで反り、あるいはそれを越える状態にまでなって、受風部(3)の後端部が、回転体(13)の主軸(9)から遠ざかるために、梃子の原理が大きく作用して、回転力に対する風力の回収率を大きくすることができる。又、台風などにおける強風には、羽根(1)が取付部(2)後部から風に靡いて、折損が生じにくい。
【００３８】
図８は第３実施例を示す羽根の右側面図、図９は平面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。
この実施例においては、上下二叉状に形成された受風部(3)の受風膜板(5)の、上下中間に、図示するように、後部から前部に向けて切欠(5c)が水平に形成され、切欠(5c)に対向する受風膜板(5)の端部に、先の細い支持骨(4)が配設されている。
【００３９】
図９に示す羽根(1)の平面図のように、この実施例では、取付部(2)後部の板厚を薄くし、また取付部(2)の内側面側に支持突体(2a)が突設されている。
これを取付ける回転体(13)は直径４ｍ程度のもので、取付部(2)の長さは例えば１ｍ程度、支持突体(2a)の突出度は３０〜５０センチ程度である。
【００４０】
上記のように構成されたこの羽根(1)は、支持突体(2a)により、羽根(1)を回転体(13)の主軸(9)から遠くすることができる。
また、回転体(13)の周面で接線に対して、羽根(1)の前部を外向きとして、後部を２０度まで傾斜させることが出来て、羽根(1)後部を回転体(13)の周面に近づけることができる。
【００４１】
そのことから、回転体(13)の回転時に、羽根(1)の外側面部に負圧を容易に生起させることができ、回転推力を容易に得ることができる。
また図１０に示すＡ矢示方向から風を受けたときは、切欠(5c)部の受風膜板(5)は、図示するように外側へ変位して、通過する風をＢ矢示方向へ逃がすことから、回転推力が生じる。
【００４２】
図１１に示すＡ矢示方向から風を受けたときは、切欠(5c)部の受風膜板(5)は、内側方向へ変位してＢ矢示方向へ風を逃がすことから、向かい風の抵抗を減少させる。
すなわち、風の抵抗があったとしても、受風部(3)の一部が風に逆らわずに逃げることによって、風の抵抗を交わし、風の抵抗を軽減させることができる。
【００４３】
また、風は秒単位で風速並びに方向を変化させている。従って、風車(8)が回転している時にも、風の向きと速度は変化しており、時には向かい風となって抵抗力に変る。
そのような場合にも、切欠(5c)部分は、上下の受風膜板(5)の変動の自由範囲を広げ、そして風圧がかかると逃げるので、不測の風の抵抗を交わし、風の抵抗を軽減させることができる。
【００４４】
特に、回転体(13)の周囲にある、他の羽根の回転による乱気流が生じたとしても、切欠(5c)部分の受風膜板(5)の変位により、受風部(3)の上下がそれぞれ異なった風圧に対して変位して、容易に自然に風の抵抗を交わすことができる。
【００４５】
なお、図８において受風部(3)の後端部は、三角状の切込部(5a)が形成されているが、必要に応じて、該切込部(5a)を形成せずに、受風部(3)の後端部から切欠(5c)を前部に向けて長く形成することで、目的に合うようにすることができる。
【００４６】
この発明は、前記形態例に限定されるものではなく、目的に添って適宜設計変更をすることができる。受風部(3)は、図では二叉状のものが示されているが、三叉状にし、あるいは、受風部の上下いずれかを長くすることができる。
また用途も、風車だけに限定されず、水車に利用することができる。更に、船に配設し、取付部の後部を機械的に揺動させることにより、船の推進に利用することが可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明は、次のような優れた効果を有している。
【００４８】
(1) 請求項１に記載された発明の羽根は、取付部の後部にしなやかに屈曲する受風部が翼状に形成され、左右側方へ屈曲するので、取付部を回転体の外周面に固定していても、受風部に向かい風を受けると、羽根の内側面より外側面に沿って通過する風の速度が速くなり、羽根の外側が気圧が低くなることから、気圧差によって羽根の内側の方から外方へ押す力が生じて、受風部の後端部が外側に押されることから、回転体に回転推力を与えるので、向かい風を回転力にすることができる効果がある。
受風量が増加すると共に、受風部の後端部は屈曲して回転体の主軸から、より遠くで受風することになり、風力による梃子の原理の作用を主軸に及ぼすことができ、風力回収率が向上する効果がある。
また受風部側面に向かい風を風上で受けるとき、受風部上下端部が回転体の外周面より内方へ屈曲し、受風面積を減少させて風を逃すため、向い風の抵抗による影響が小さいという効果がある。
受風部側面に向かい風を風下で受ける時、受風部の上下先端部が風下に靡くことから、受風部の後部を押す推力となって、回転体に回転力を与える効果がある。
このように、風力の強弱によって、羽根の形状が屈曲変化することによって変形し、同時に位置を自然に変化させて風に順応することができる効果がある。
【００４９】
(2) 請求項２に記載された発明の羽根は、受風部が取付部後部から後上下斜方向に支持骨が突設され、該支持骨は、基部を幅広く、先端部にかけて細く、かつ回転体へ取付時の外面側が翼状に膨出形成され、該支持骨には受風膜板が張設されているので、軽量で、かつ、しなやかな屈曲性を有している効果がある。
また受風膜板は、後端面から前方にかけて、三角形状に切込部が形成されているので、向い風を受ける面積が小さく、風抵抗を減少させることができる。また風による屈曲性に優れている効果がある。
【００５０】
(3) 請求項３に記載された発明の羽根は、前記受風膜板の切込部において、上下の中間部に、水平前方へ向く切欠が形成されているので、羽根の側面に風を受けたとき、切欠部分の受風膜板が、風下に膨らみ、風を逃がすと共に、向かい風に羽根が直面する直前において、外側方へ膨らむので、羽根の外側面方に負圧を造りながら回転する効果がある。
また受風部の上下が自由に変位することができるので、微妙に変化する風に敏感に対応して、風の抵抗を自然に、より小さくすることができる効果がある。
【００５１】
(4) 請求項４に記載された羽根は、前記取付部は、その後部が側面方向に可曲性に構成されているので、羽根に風を受けた時に、取付部の後部から受風部全体が屈曲して、風の力に順応して、風の抵抗損を軽減させることができる効果がある。
【００５２】
(5) 請求項５に記載された羽根は、前記取付部と受風部は、内側面が、取付けられる回転体の外周面に沿うように、湾曲形成されているので、回転時における空気抵抗が小さいという効果がある。
【００５３】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明羽根の第１実施例の外側面図である。
【図２】 本発明羽根の第１実施例の内側面図である。
【図３】 本発明羽根の第１実施例の正面図である。
【図４】 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図５】 多大１実施例の羽根を装着した風車の平面図である。
【図６】 本発明の第２実施例を示す羽根の右側面図である。
【図７】 本発明の第２実施例を示す羽根の平面図である。
【図８】 本発明の第３実施例を示す羽根の右側面図である。
【図９】 本発明の第３実施例を示す羽根の平面図である。
【図１０】 本発明第３実施例の羽根の内側に風を受けた平面図である。
【図１１】 本発明第３実施例の羽根の外側に風を受けた平面図である。
【符号の説明】
(1)羽根
(1a)〜(1e)羽根
(2) 取付部
(2a)支持突体
(3)受風部
(4)支持骨
(5)受風膜板
(5a)切込部
(5b)切込角度
(5c)切欠
(6)リブ
(7)固定部
(8)風車
(9)垂直主軸
(10)回転主体
(11)支持アーム
(12)重錘
(13)回転体

Claims (5)

1. 垂直軸風車の回転体外周面に垂直に装着される、弾力性ＦＲＰ製の羽根であって、側面において、横長な取付部の後部に、縦長の受風部が形成され、該受風部は、回転体外周部に羽根を装着したときに、外側となる外側面が、内側面よりも横断面が翼状に膨出して前部は厚く、後端方へ次第に薄く形成され、受風部の後端部は、回転時の風により左右側方へ屈曲可能に形成されていることを特徴とする風車用羽根。
2. 前記受風部は支持骨と受風膜板で構成され、前記取付部の後部から側面で後上下斜方向に支持骨が突設され、該支持骨は基部を幅広く、先端部にかけて細く、かつ回転体へ取付時の外面側が横断面翼状に膨出形成され、該上下の支持骨間に受風膜板が、側面略く字形状に張設されていることを特徴とする、請求項１に記載された風車用羽根。
3. 前記受風部の受風膜板は側面において、後端部の上下中間部に後端部から前部方へ水平に向く細い切欠が形成され、使用時に該切欠を境として、上下の受風膜板面が、風圧によってそれぞれ変位可能に構成されていることを特徴とする、請求項１．２のいずれかに記載された風車用羽根。
4. 前記羽根の取付部は、その横長の後部が、左右側面方向に可曲性に構成されていること、を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された風車用羽根。
5. 前記羽根の取付部と受風部は、平面で内側面が、取付けられる回転体の外周面に沿うように、湾曲形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載された風車用羽根。

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