JP4754316B2 - 直線翼垂直軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、直線翼垂直軸風車に関するものである。

直線翼垂直軸風車（すなわち、直線翼が垂直軸に取り付けられている形態の風車）は、風向変化が激しい場合でもその影響を受けにくいといった特性があり、また、水平軸風車に比べて構造が簡素であるといった利点がある。しかし、直線翼垂直軸風車は、一般に起動性（自己起動性）に問題がある。すなわち、低風速の場合、風向によっては自己起動が困難なことがある。以下、この問題を、端板を有しない３枚翼１段型の直線翼垂直軸風車を例にとって説明する。

図６は、端板を有しない３枚翼１段型の直線翼垂直軸風車の斜視図である。図６に示すように、この従来の直線翼垂直軸風車Ｗ１（以下、略して「風車Ｗ１」という。）においては、３枚の直線翼１０１が、上アーム１０２ａ及び下アーム１０２ｂを介して、回転軸１０３に取り付けられている。ここで、回転軸１０３は回転軸支柱１０４によって回転自在に支持されている。

図７は、図６に示す従来の風車Ｗ１の静止トルクをロータ方位角に対してあらわしたグラフであり、併せて平均静止トルクも示している。なお、「平均静止トルク」とは、一定のロータ方位角範囲（−１８０度から１８０度までの間）において、風速３ｍ／ｓの風が静止している翼にあたったときに発生する静止トルクの平均値である。図７から明らかなとおり、図６に示す従来の風車Ｗ１では、平均静止トルクは大きいものの、静止トルクがロータ方位角すなわち風向に依存しやすいといった欠点がある。これに対して、２つの改善策があげられる。すなわち、第１の改善策は翼の枚数を増やすことであり、第２の改善策は翼の位相に差異を持たせて段積みすること（例えば、特許文献１参照）である。
特開２００２−２３５６５６号公報（段落［００２２］、図１）

図８は、第１の改善策に係る６枚翼１段型の直線翼垂直軸風車の斜視図である。また、図９は、図８に示す直線翼垂直軸風車の静止トルクをロータ方位角に対してあらわしたグラフであり、併せて平均静止トルクも示している。図８に示すように、この従来の直線翼垂直軸風車Ｗ２（以下、略して「風車Ｗ２」という。）においては、６枚の直線翼１０１が、上アーム１０２ａ及び下アーム１０２ｂを介して、回転軸１０３に取り付けられている。そして、図９から明らかなとおり、図８に示す従来の風車Ｗ２では、ロータ方位角すなわち風向による静止トルクの変動は改善されているものの、平均静止トルクが低下するといった欠点がある。また、風車効率が低下するといった欠点もある。

また、例えば特許文献１に開示されている第２の改善策に係る直線翼垂直軸風車では、風向による静止トルクの変動及び平均静止トルクは改善されるものの、上側のロータと下側のロータとの間に架台を設置したり、支柱を設けて構造的強度を強化したりする必要があるので、構造が複雑化するといった欠点がある。したがって、起動性及び風車効率を考慮しつつ、簡素な構造の直線翼垂直軸風車を開発することが必要である。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、風車効率及び起動性が良好であり、かつ構造が簡素な直線翼垂直軸風車を提供することを目的ないしは解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る直線翼垂直軸風車は、回転軸に取り付けられた直線翼を有するロータが回転軸の伸びる方向に複数段配置され、直線翼の回転軸円周方向の取り付け位置がロータ毎に互いに異なっている直線翼垂直軸風車において、各ロータの直線翼が１つの共通な回転軸に取り付けられ、回転軸の伸びる方向に隣り合うロータ同士が、両ロータ間に位置し一方のロータの直線翼と他方のロータの直線翼とを連結するリング状端板によって一体化され、リング状端板の径方向の幅が、各直線翼のリング状端板径方向の寸法よりやや大きいことを特徴とするものである。

本発明に係る直線翼垂直軸風車においては、回転軸の伸びる方向にみて、両端に位置する各ロータの直線翼の終端側の翼端に、それぞれ、リング状端板が取り付けられているのが好ましい。

本発明に係る直線翼垂直軸風車では、複数のロータが１つの共通な回転軸によって支持され、かつ隣り合うロータ同士がリング状端板によって一体化され、実質的にはすべてのロータが１つのロータを形成していることになるので、複数のロータを連結ないしは支持するための複雑な機構、例えばロータ間の架台、構造的強度を強化するための支柱等を必要としない。このため、直線翼垂直軸風車の構造が簡素なものとなる。また、直線翼の回転軸円周方向の取り付け位置がロータ毎に互いに異なっているので、風車効率及び起動性（自己起動性）が良好なものとなる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態（発明を実施するための最良の形態）を具体的に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る、２つのロータをリング状端板で結合した直線翼垂直軸風車の構成を示す斜視図である。また、図２（ａ）及び図（ｂ）は、それぞれ、図１に示す直線翼垂直軸風車を用いた風力発電装置の平面図及び正面図である。

図１及び図２（ａ）、（ｂ）に示すように、この直線翼垂直軸風車Ｗ（以下、略して「風車Ｗ」という。）ないしは風力発電装置においては、３枚の上段直線翼１ａがそれぞれ上アーム２ａを介して回転軸３に取り付けられている。さらに、３枚の下段直線翼１ｂがそれぞれ下アーム２ｂを介して回転軸３に取り付けられている。ここで、回転軸３は回転軸支柱４によって回転自在に支持されている。回転軸３は、回転軸支柱４を通り抜けて発電部６に連結され、発電部６内の回転子（図示せず）を回転させて電力を生成する。なお、発電部６は、装置支柱７によって支持されている。

風車Ｗにおいては、上段直線翼１ａ及び上アーム２ａは上段ロータ１０ａを形成し、下段直線翼１ｂ及び下アーム２ｂは下段ロータ１０ｂを形成している。すなわち、風車Ｗは、基本的には、回転軸３の伸びる方向に互いに隣り合う上段ロータ１０ａと下段ロータ１０ｂとが、２段積みで配置された３枚翼２段型の直線翼垂直軸風車である。

上段直線翼１ａの上側（終端側）の翼端には、ネジ等の留め具を用いてリング状端板５ａが取り付けられている。同様に、下段直線翼１ｂの下側（終端側）の翼端にも、留め具を用いてリング状端板５ｂが取り付けられている。さらに、上段ロータ１０ａと下段ロータ１０ｂとの間にリング状端板５ｃが配設されている。ここで、リング状端板５ｃは、ネジ等の留め具を用いて、上段直線翼１ａの下側の翼端に連結ないしは結合されるとともに、下段直線翼１ｂの上側の翼端に連結ないしは結合されている。換言すれば、上段ロータ１０ａと下段ロータ１０ｂとがリング状端板５ｃによって一体化されている。なお、各直線翼１ａ、１ｂと各リング状端板５ａ、５ｂ、５ｃとを接着剤等で接着してもよい。

このように、風車Ｗにおいて、上段ロータ１０ａ及び下段ロータ１０ｂは、１つの共通な回転軸３に取り付けられ、かつリング状端板５ｃによって一体化されているので一体的に回転（同期回転）する。したがって、上段ロータ１０ａ及び下段ロータ１０ｂは、実質的には１つのロータを形成ないしは構成しているといえる。

上段ロータ１０ａでは、３つの上段直線翼１ａ及び３つの上アーム２ａは、回転軸円周方向の位置関係において、回転軸中心に対する中心角を１２０度ずつ隔てた位置に等角度間隔で配置されている。なお、各上アーム２ａは、それぞれ、回転軸３に対して放射状に水平方向に伸びて、それぞれ上下方向に伸びる上段直線翼１ａと回転軸３とを連結し、上段ロータ１０ａを支持している。下段ロータ１０ｂでも、基本的には上段ロータ１０ａの場合と同様に、３つの下段直線翼１ｂ及び３つの下アーム２ｂは中心角を１２０度ずつ隔てた位置に等角度間隔で配置され、下アーム２ｂは上下方向に伸びる下段直線翼１ｂと回転軸３とを連結して下段ロータ１０ｂを支持している。

しかしながら、上段ロータ１０ａと下段ロータ１０ｂとでは、直線翼１ａ、１ｂ及びアーム２ａ、２ｂの回転軸円周方向の取り付け位置（回転軸中心に対する中心角）の位相が互いに６０度ずつずれている。つまり、上段ロータ１０ａで３つの上段直線翼１ａが中心角０度、１２０度、２４０度の位置にある場合、下段ロータ１０ｂでは、３つの下段直線翼１ｂは中心角６０度、１８０度、３００度の位置にあることになる。したがって、上段ロータ１０ａと下段ロータ１０ｂとをリング状端板５ｃにより一体化する際には、各上段直線翼１ａと各下段直線翼１ｂとを、交互に、回転軸中心に対する中心角を６０度ずつずらせて、かつ上下の位置関係を反転させて、リング状端板５ｃに取り付けてゆけばよい。

このように、本発明の実施の形態に係る風車Ｗないしは風力発電装置では、上段ロータ１０ａと下段ロータ１０ｂとが１つの共通な回転軸３によって支持され、かつリング状端板５ｃによって一体化されているので、両ロータ１０ａ、１０ｂを連結ないしは支持するための複雑な機構、例えば特許文献１に係る垂直軸風力発電装置で必要とされるロータ間の架台、構造的強度を強化するための支柱等を必要としない。このため、風車Ｗないし風力発電装置の構造が簡素なものとなる。また、上段ロータ１０ａと下段ロータ１０ｂとでは直線翼１ａ、１ｂの回転軸円周方向の取り付け位置が異なっているので、風車効率及び起動性（自己起動性）が良好なものとなる。

以下、本発明の実施の形態に係る風車Ｗの機能ないしは性能を説明する。
図３は、図１に示す３枚翼２段型の風車Ｗの静止トルクをロータ方位角に対してあらわしたグラフであり、併せて平均静止トルクも示している。図３に示すように、図１に示す風車Ｗの静止トルクは、図８に示す従来の６枚翼１段型の風車Ｗ２の静止トルクと同様に平滑化されている。したがって、実施の形態に係る風車Ｗは、風向の変動の影響を受けにくい。また、実施の形態に係る風車Ｗの平均静止トルクは０．０９０Ｎｍであり、図６に示す従来の３枚翼１段型の風車Ｗ１の平均静止トルク（０．０８４Ｎｍ）より大きい。したがって、実施の形態に係る風車Ｗの起動性は良好であるといえる。

図４は、風速６ｍ/ｓの条件で、図１に示す３枚翼２段型の風車Ｗと、図７に示す従来の３枚翼１段型の風車Ｗ１と、図９に示す従来の６枚翼１段型の風車Ｗ２とについて、出力特性を比較した結果を示すグラフである。本発明の実施の形態に係る３枚翼２段型の風車Ｗは、従来の３枚翼１段型の風車Ｗ１に比べて風車効率は多少劣るものの、従来の６枚翼１段型の風車Ｗ２に比較して、非常に高い風車効率を示すことがわかる。

前記のとおり、本発明の実施の形態に係る風車Ｗでは、上段直線翼１ａの上側の翼端にリング状端板５ａが取り付けられる一方、下段直線翼１ｂの下側の翼端にリング状端板５ｂが取り付けられているが、これらのリング状端板５ａ、５ｂは、両直線翼１ａ、１ｂの翼端損失を低減するとともに、両ロータ１０ａ、１０ｂの構造的強度を高める。以下、これらのリング状端板５ａ、５ｂの機能ないしは作用・効果を説明する。

図６に示す従来の３枚翼１段型の風車Ｗ１は、抗力型のサボニウス風車などとは異なり、主として揚力が回転力を発生させる。しかし、一般に直線翼１０１の翼端から渦が放出され、これが揚力を減少させて翼端損失を生じさせる。

図５は、翼素運動量理論に基づいて、図６に示す従来の３枚翼１段型の風車Ｗ１の出力特性を、翼端損失がある場合と無い場合とについて計算した結果を示すグラフである。なお、計算条件は、次のとおりである。
（計算条件）
翼枚数：３枚
ロータ半径：０．４ｍ
高さ：１．２５ｍ
受風面積：１ｍ^２
翼弦長：０．２４ｍ
ソリディティ：１．８（翼枚数×翼弦長／ロータ半径）

図５に示すように、出力係数がほぼ最大となる周速比が１．２５の状態においては、約５％の翼端損失が生じている。しかしながら、図６に示す従来の３枚翼１段型の風車Ｗ１に、図１に示す風車Ｗの場合と同様のリング状端板５ａ、５ｂを取り付ければ、このような翼端損失を抑制することができ、風車効率を高めることができる。

本発明の実施の形態に係る、２つのロータをリング状端板で結合した直線翼垂直軸風車の構成を示す斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、図１に示す直線翼垂直軸風車を用いた風力発電装置の平面図及び正面図である。 図１に示す３枚翼２段型の直線翼垂直軸風車の静止トルクをロータ方位角に対してあらわしたグラフであり、併せて平均静止トルクも示している。 本発明の実施の形態に係る３枚翼２段型の直線翼垂直軸風車と、従来の３枚翼１段型及び６枚翼１段型の直線翼垂直軸風車とについて、出力特性を比較した結果を示すグラフである。 図６に示す従来の３枚翼１段型の直線翼垂直軸風車の出力特性を、翼端損失がある場合と無い場合とについて計算した結果を示すグラフである。 従来の３枚翼１段型の直線翼垂直軸風車の斜視図である。 図６に示す直線翼垂直軸風車の静止トルクをロータ方位角に対してあらわしたグラフであり、併せて平均静止トルクも示している。 従来の６枚翼１段型の直線翼垂直軸風車の斜視図である。 図８に示す直線翼垂直軸風車の静止トルクをロータ方位角に対してあらわしたグラフであり、併せて平均静止トルクも示している。

符号の説明

Ｗ 直線翼垂直軸風車、１ａ 上段直線翼（ブレード）、１ｂ 下段直線翼（ブレード）、２ａ 上アーム、２ｂ 下アーム、３ 回転軸、４ 回転軸支柱（ポール）、５ａ リング状端板、５ｂ リング状端板、５ｃ リング状端板、６ 発電部、７ 装置支柱（ポール）、１０ａ 上段ロータ、１０ｂ 下段ロータ。

Claims (2)

1. 回転軸に取り付けられた直線翼を有するロータが、回転軸の伸びる方向に複数段配置され、直線翼の回転軸円周方向の取り付け位置がロータ毎に互いに異なっている直線翼垂直軸風車において、
   各ロータの直線翼が１つの共通な回転軸に取り付けられ、
   回転軸の伸びる方向に隣り合うロータ同士が、両ロータ間に位置し一方のロータの直線翼と他方のロータの直線翼とを連結するリング状端板によって一体化され、
   リング状端板の径方向の幅が、各直線翼のリング状端板径方向の寸法よりやや大きいことを特徴とする直線翼垂直軸風車。
2. 回転軸の伸びる方向にみて、両端に位置する各ロータの直線翼の終端側の翼端に、それぞれリング状端板が取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載の直線翼垂直軸風車。

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