JP4280798B2 - 自転羽根式垂直軸型風車 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小電力発生装置として、自転羽式垂直軸型風車の羽根の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の発電は水平軸型としてはプロペラ式、垂直軸型としては直線翼ダリウス型風車が主流だが、どちらの風車も揚力タイプであり、その性能は、弱風では起動性が悪く、風速がおよそ６ｍ／ｓ以上でないと、充分発揮できるものではない。次に弱風でも起動性が良いといわれるサポニウス型風車、パドル風車、自転羽根式風車は抗力型であり、起動性はプロペラ式風車、直線翼ダリウス型風車などの揚力形風車に勝るものの、効率としては劣るので前者より普及するに至っていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の公知の自転羽式垂直軸風車は、全て抗力型であり、起動性は比較的良いものの効率としては、非常に悪く、その原因は［図５］で明らかなように、羽根の公転位置を風向を０°として左回りの回転角度で表した時に０°〜１８０°の位置では風の抗力が風車の回転力を生み出しているが、およそ公転位置が１９５度〜３４５度の位置においては、逆回転力が働く。そして回転を始めたときに［図６］で明らかなように回転に寄与する０度〜１８０度では回転が速くなるほど追い風となり羽根に当る風の相対速度が低下するので正回転として働く抗力は低下し逆に１９５度〜３４５度では向かい風となり、逆回転力として作用する風の相対速度は増加するので、回転トルクは回転が速くなるほど急速に低下し回転速度は上がらない。
他の抗力型の風車も全て同様な動作原理を持つので、起動時には回転トルクは最大で回転速度が上がるほど回転トルクが低下するので全く効率の悪い風車となっている。
本発明は抗力型風車の持つ起動性が良いという長所を生かしつつ、回転が速くなっても、回転トルクが低下せず逆に増加するという全く新しい風車を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
従来の自転羽根式垂直軸風車の羽根に風向に対して翼として機能する羽根をつける。翼として機能する羽根を形成するには、例えば、羽根の材料として帆布を用い左右の支柱にたるみを持たせて張り、上下は固定せず自在とする。こうした時帆は風を受けて膨らみ、翼弦長が支柱間距離、翼幅を帆の縦の長さとする、対象翼として機能する。このような自転羽根式風車の回転起動時の風力図を［図３］に示す。
風力Ｗは従来の自転羽根式風車と同じように作用するが、帆が膨らみ、支柱間の帆で風をためるので、抗力係数が従来のものより、２〜３割上昇するので帆の受ける抗力は２〜３割上昇する。そのうえ帆が翼としても機能するのでＡゾーン、Ｃゾーン、Ｄゾーン、Ｆゾーンでは風力Ｗは抗力とともに揚力（Ｌ）も生み出し、この揚力が回転力に寄与することとなる。
従来逆回転力を生み出していたＤゾーン、Ｆゾーンで積極的に回転力を生みだすのでその差は極めて大きく回転時における起動性を大幅に上昇すると予想された。
次に回転し始めたときの風力図を［図４］に示す。真の風Ｄと回転により生じる風の合力をＷで示す。従来追い風となって回転力が低下したＡゾーン、Ｃゾーンでも翼弦方向の風力成分が増大するので、回転力は低下するどころか逆に増大する。さらに従来逆回転力が増大したＤゾーン、Ｆゾーンでは翼弦に沿った強力な風力で大きな揚力が発生するので、ここでも強い回転力が得られる。
このようにして、従来の自転羽根式風車の羽に揚力を発生できる翼を用いれば、従来の小型風車に見られない回転起動性の良い風車を実現できる。更に回転し始めても羽根は翼として機能し回転角の広い範囲で回転力を生成するので、従来の小型風車に見られない高効率の風車が実現できる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
発明の実施例１について［図１］に従って説明する。
帆布（５）を縦長形状とし帆枠を横４００ｍｍ縦１０００ｍｍとし帆の横幅を４４０ｍｍとし１０％のたるみを設けた。帆枠の上下方向で帆を固定せず自在になっている。このような帆枠を直径１０００ｍｍの円周上に当分割に３組配置した。さらに３組の帆枠は固定された中心軸（７）の周りにベアリングを介して取り付けられたアーム（８）にベアリングを介して回転自在に取り付けられて風車を構成している。風車の効率を測定するために、２００Ｗの発電機（１０）で３相交流発電出力を直流に整流し抵抗負荷をかけて発電電力を測定した。
【０００６】
［０００５］記載の風力発電機のローター軸下端に回転センサーを取り付け、ブレーキ装置を設けて強風対策をした。
【０００７】
［０００５］記載の風力発電機でタイミングプーリーとタイミングベルトの代わりに自転制御を風向軸２に取り付けられた角度センサーと連動した帆自転制御用モーター（１１）で行った。
【０００８】
【発明の効果】
帆布を主として縦長形状にして帆布（５）の横幅を帆布枠（６）の幅よりも少し長くしてたるみを設けて帆布枠（６）に固定し、帆布の上下は固定しない。このようにして帆布を形成すると、帆布は斜め前方からの風に対して、横方向に膨らみ翼として働くようになり帆布翼を形成する。このような帆布翼で形成された風車は、従来の自転羽式風車が強い向かい風を受けるとき逆抗力を受けて、回転を阻害されるのに対して、帆布翼で発生した揚力が回転力を生み出し、回転を加速するので、従来の自転羽式風車よりも３〜４倍受風効率の高い帆布翼を形成することが出来た。
【０００９】
ローター軸下端にローターの回転センサーとブレーキを取り付け、帆布枠の自転制御を制御用モーターで行った実施例では、強風時にブレーキをかけてロータの回転を停止し更に、風向に対して帆布翼を平行にする強風安全対策が電子制御で可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例（請求項１、２）の図面の平面図を示す。
【図２】 本発明の別の実施例（請求項３）の図面の平面図を示す。
【図３】 本発明の風車の回転始動時の風力図を示す。
【図４】 本発明の風車の回転後の風力図を示す。
【図５】 従来の風車の回転始動時の風力図を示す。
【図６】 従来の風車の回転後の風力図を示す。
【符号の説明】
１ 風向翼
２ 風向軸タイミングプーリー
３ 帆自転軸タイミングプーリー
４ 帆自転制御タイミングベルト
５ 帆布
６ 帆布枠左右支柱
７ 中心軸
８ アーム
９ スプロケット
１０ 発電機
１１ 帆自転制御用モーター
Ｗ 真の風と回転によって生じたの風の合力
Ｌ Ｗによって生じる揚力
Ｄ 真の風の抗力
Ａゾーン、Ｂゾーン、Ｃゾーン 主として風の順風が作用する領域で抗力が回転力に寄与する領域、特に回転始動時に大きなトルクを発生する。
Ｄゾーン、Ｅゾーン、Ｆゾーン 風車の主軸が回転したとき真の風と回転によって生じた風が合算され強い逆風が作用する領域。

Claims (3)

1. 自転羽根式垂直軸型風車において、複数の自転する帆布枠支柱（６）内に帆布（５）を枠幅より長くしてたるみを設け、各帆布枠左右の支柱（６）の両側縁に固定し、上下両側縁を自由にした帆布をもつ自転羽根式風車または自転羽根式風力発電機。
2. 請求項１の自転羽根式風車または自転羽根式風力発電機においてローター軸下端に回転センサーを取り付け、ブレーキ装置もしくはブレーキ装置付発電機を取り付けて強風安全対策を講じたもの。
3. 請求項１の自転羽根式風車または自転羽根式風力発電機における帆布枠の自転制御を、タイミングプーリー（２）、（３）タイミングベルト（４）で行う代わりに帆布枠の自転軸の下部に自転制御モーター（１１）を取り付けて自転制御を行わせ、更に強風時には、風に対して帆布翼を平行にしてしまう強風安全対策を行わせた、自転羽根式風車、または自転羽根式風力発電機。

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