JP4894400B2

JP4894400B2 - サボニウス形風車

Info

Publication number: JP4894400B2
Application number: JP2006215318A
Authority: JP
Inventors: 弘成小方; 理伊波
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2026-08-08
Also published as: JP2008038792A

Description

本発明は、自然エネルギーを利用した風力発電に用いるサボニウス形風車において安定して効率よく回転させる構成に関するものである。

近年、独立分散型のエネルギー源として期待される小型風力発電機の開発が進む中、サボニウス形風車は風向による影響が少ない垂直軸であり、また、抗力型の風車であるため回転数が上昇しても低騒音であるという利点によって市街地での使用にも適している風車である。

従来、この種のサボニウス形風車は強風時でも安定して回転させるために羽根車の垂直方向両側端面から近接した位置で回転軸を両持ち支持している構成が主流である。（例えば特許文献１参照）これは風車の許容回転数が回転軸の危険速度（１次の曲げ固有振動数）に依存しているためで、風車の片側端だけを片持ち支持している構成とした場合は風車の重心位置が回転軸の支持位置から遠く離れることになり、風車の質量が危険速度を決定する際の質量の効果として大きく作用して回転軸の危険速度を大きく低下させ、そのことで風車の許容回転数が低下する。また、サボニウス形風車ではない垂直軸型風車において片持ち支持の構成でありながら軸受支持位置から軸方向の両側にブレードを延長しているものも多数見受けられるが、このブレードを延長したことによる不安定な回転状態を解消するためにブレードの最下端に軸受を追加しているものもある（例えば特許文献２参照）。
特開２００１−２９５７５０号公報国際公開第０３／０７４８６８号パンフレット

このような従来のサボニウス形風車では、回転軸の危険速度を高め強風時でも安定して回転させるために、風車の垂直方向から両持ち支持する構成をとるが、そのためには風車の両端部を支持するための頑強な取付けフレームが必要となり、風車全体として大掛かりな構成となり、地面や構造体への設置、取付けにも制約が多くなるという課題がある。また、ブレードの端部に支持を追加することは、構造が複雑となるばかりでなく軸心調整も難しくなり回転抵抗が増加して効率が低下するという課題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、屋外への簡単な設置を実現しながら、起動時から強風時に至るまで安定して効率よく風車を回転させることができるサボニウス形風車を提供することを目的としている。

本発明のサボニウス形風車は、上記目的を達成するために、風を受けて回転する羽根車の垂直方向の中間位置で回転軸を片持ち支持し、回転中心に対して対称に配置した２または３枚のブレードと前記ブレード同士を垂直方向の重心位置で連結したハブを備える前記羽根車と前記ハブの回転中心に連結されて配置した回転軸と前記ハブの下側の近接した位置に前記回転軸を支持する軸受と前記軸受の下に前記回転軸と連結した発電機と前記軸受と発電機を収納かつ固定するケーシングを備え、前記ケーシングは円筒状で前記羽根車と接触せず、前記発電機を前記ハブと近接した位置に配置し、前記回転軸と前記軸受に替わって前記発電機が内部に備える発電機軸と発電機軸用軸受を用いることを特徴としたものである。

この手段により、片持ち支持構造でありながら支持位置からのオーバーハング質量が低減されるため、回転軸の危険速度を著しく高められることから風車の許容回転数が高くなり強風時でも安定した回転を維持できる。また、前記ケーシングは円筒状で前記羽根車と接触しないようにすることで、回転軸や軸受、発電機がケーシングに収納されて一体化された支持機構として羽根車の重心位置に配置できることから、サボニウス風車の設置性を向上し、強風時でも安定した回転を維持できる。ここで近接とはお互いの構成部品が接触しない程度から回転軸径と同一程度の距離の隙間を保って配置される状態とする。また、この手段により、構成部品が減ることから羽根車が発電機を直接駆動できるため、回転損失が低減する。

また、回転中心に対して対称に配置した２または３枚のブレードと前記ブレード同士を垂直方向の重心位置で連結したハブを備える前記羽根車と前記ハブの回転中心に連結されて配置した回転軸と前記ハブの下側の近接した位置に前記回転軸を支持する軸受と前記軸受の下に前記回転軸と連結した発電機と前記軸受と発電機を収納かつ固定するケーシングを備え、前記ケーシングは円筒状で前記羽根車と接触しないようにすることで、回転軸や軸受、発電機がケーシングに収納されて一体化された支持機構として羽根車の重心位置に配置できることから、サボニウス風車の設置性を向上し、強風時でも安定した回転を維持できる。ここで近接とはお互いの構成部品が接触しない程度から回転軸径と同一程度の距離の隙間を保って配置される状態とする。

また他の手段は、発電機をハブと近接した位置に配置し、回転軸と軸受に替わって前記発電機が内部に備える発電機軸と発電機軸用軸受を用いたものである。

この手段により、構成部品が減ることから羽根車が発電機を直接駆動できるため、回転損失が低減する。

また、本発明の羽根車は、羽根車がもつ固有振動数が、回転する可能性のある回転数範囲に存在しないようにしたことにより、風車の回転数に応答して羽根車が共振現象を励起することがないため、強風時でも安定した回転を維持できる。

また、ハブが羽根車の重心位置から垂直方向に対称の位置に２枚配置、さらに重心位置に１枚追加して３枚とすることで、アスペクト比が大きい羽根車においてもブレードの見かけ上の長さが短くなり、ブレードの剛性が向上するため、羽根車の固有振動数を効果的に高めることができる。

また、羽根車の端部にブレード同士を連結するプレートが配置され、前記プレートは回転軸ならびにケーシングに接触しない形状にすることで、ブレードの端部が他のブレードと連結されることで羽根車の剛性が向上して固有振動数を高めることができる。また、回転時の遠心力を受けて発生する変形量も小さくなるためブレードに発生する応力を低減できる。

また、プレートの外形が円板状であり外径は羽根車の外径と同じまたは大きくすることで、羽根車に流入する風の流れが改善され、風車の効率が向上する。

また、ハブならびにプレートに羽根車の強度を低下させないように穴が開けることで、羽根車を軽量化できることから、風車の起動性と低風速時における効率が向上する。

本発明によれば、構成を複雑にすることなく、風車の回転軸の危険速度と、ブレードの固有振動数を高めることで、起動から強風時に至るまで安定して回転するサボニウス風車を提供することができる。

また、羽根車に流入する風の流れを改善し、軸受による回転損失を取り除くことで効率よく回転するサボニウス風車を提供することができる。

本発明の請求項１記載のサボニウス形風車は、風を受けて回転する羽根車の垂直方向の中間位置で回転軸を片持ち支持したことを特徴としたものであり、片持ち支持構造でありながら支持位置からのオーバーハング質量が低減されるため、回転軸の危険速度を著しく高められることから風車の許容回転数が高くなり強風時でも安定した回転を維持できるという作用を有する。また、回転中心に対して対称に配置した２または３枚のブレードと前記ブレード同士を垂直方向の重心位置で連結したハブを備える前記羽根車と前記ハブの回転中心に連結されて配置した回転軸と前記ハブの下側の近接した位置に前記回転軸を支持する軸受と前記軸受の下に前記回転軸と連結した発電機と前記軸受と発電機を収納かつ固定するケーシングを備え、前記ケーシングは円筒状で前記羽根車と接触しないことを特徴としたものであり、回転軸や軸受、発電機がケーシングに収納されて一体化された支持機構として羽根車の重心位置に配置できることから、サボニウス風車の設置性を向上し、強風時でも安定した回転を維持する作用を有する。ここで近接とはお互いの構成部品が接触しない程度から回転軸径と同一程度の距離の隙間を保って配置される状態とする。また、前記発電機を前記ハブと近接した位置に配置し、前記回転軸と前記軸受に替わって前記発電機が内部に備える発電機軸と発電機軸用軸受を用いることを特徴としたものであり、構成部品が減ることから羽根車が発電機を直接駆動できるため、回転損失が低減する作用を有する。

本発明の請求項２記載のサボニウス形風車は、請求項１記載のサボニウス形風車において、前記羽根車がもつ固有振動数が、回転する可能性のある回転数範囲に存在しないようにしたことを特徴としたものであり、風車の回転数に応答して羽根車が共振現象を励起することがないため、強風時でも安定した回転を維持する作用を有する。

本発明の請求項３記載のサボニウス形風車は、請求項１または２記載のサボニウス形風車において、前記ハブが前記羽根車の重心位置から垂直方向に対称の位置に２枚配置されたことを特徴としたものであり、アスペクト比が大きい羽根車においてもハブを２枚配置することでブレードの見かけ上の長さを短くできるため、羽根車の固有振動数を効果的に高める作用を有する。

本発明の請求項４記載のサボニウス形風車は、請求項３記載のサボニウス形風車において、前記ハブが前記羽根車の重心位置に１枚追加されて３枚配置されたことを特徴としたものであり、ハブが３枚配置されることで、さらに大きなアスペクト比の羽根車でも固有振動数を効果的に高める作用を有する。

本発明の請求項５記載のサボニウス形風車は、請求項１〜４いずれか記載のサボニウス形風車において、前記羽根車の端部に前記ブレード同士を連結するプレートが配置され、前記プレートは前記回転軸ならびに前記ケーシングに接触しない形状であることを特徴としたものであり、ブレードの端部が他のブレードと連結されることで羽根車の剛性が向上して固有振動数を高める作用を有する。また、回転時の遠心力を受けて発生する変形量も小さくなるためブレードに発生する応力を低減する作用を有する。

本発明の請求項６記載のサボニウス形風車は、請求項７記載のサボニウス形風車において、前記プレートの外形が円板状であり外径は羽根車の外径と同じまたは大きいことを特徴としたものであり、羽根車に流入する風の流れが改善され、風車の効率が向上する作用を有する。

本発明の請求項７記載のサボニウス形風車は、請求項１〜５いずれか記載のサボニウス形風車において、前記ハブならびに前記プレートに羽根車の強度を低下させないように穴が開けられていることを特徴としたものであり、羽根車を軽量化できることから、風車の起動性と低風速時における効率が向上する作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（参考の形態１）
図１は参考の形態１の全体正面断面図、図２は羽根車の構成部分の斜視断面図である。

全体構成として図１に示すように、羽根車１と、回転軸２と、軸受３と、発電機４と、回転軸２と発電機４を連結するカップリング５を備え、風を受けて羽根車１が回転すると、回転エネルギーが発生して回転軸２、カップリング５を経由して発電機４に伝達、電気エネルギーに変換される。軸受３と発電機４はケーシング６に固定、収納されておりケーシング６には地上、建物などの壁面やポールなどに設置、固定するための取付け金具７が備えられており、風を受けて羽根車１が回転するように回転軸２が垂直方向を保つようにして、さらに強風を受けても転倒、脱落などしないように頑強に設置、固定して使用する。

図２に示すように羽根車１は３枚のブレード８とブレード８同士を重心位置となる羽根車１の垂直方向の中央に配置されたハブ９で連結され、さらに羽根車１の垂直方向端部には円板状の円板プレート１０が配置された構成となっている。羽根車１の材質は屋外での使用を考慮してポリカーボネート樹脂にガラス繊維を配合したものを使用しているが他の樹脂や金属材料を使用してもかまわない。例えばＦＲＰやＣＦＲＰ、またはアルミやチタンなどである。羽根車１はハブ９の中心部で回転軸２と連結されており、ハブ９と軸受３との距離は回転軸２の径以下となっている。また、羽根車１下端の円板プレート１０にはケーシング６に接触しないように丸い穴が開けられている。この穴の形状は丸でなく多角形などでもよいが、回転時にアンバランスを発生しないよう回転対称とすることが望ましい。また、ケーシング６との隙間が小さいほど風車の効率がよくなることが知られているため、部品の組立上必要な寸法公差を考慮して最低限の距離を維持することが望ましい。羽根車１の固有振動数はブレード８の曲率を、風車の性能に悪影響を与えないよう考慮して調整、回転する可能性のある回転数範囲に存在しないように設計している。離島を除く日本国内に設置して使用する場合、耐風速６０ｍ／ｓで設計されることが一般的であるため、羽根車が風速６０ｍ／ｓの風を受けたときの回転数を実験やシミュレーションで求め、その回転数範囲に固有振動数が存在しないようにする。回転軸２の危険速度についても同じく風速６０ｍ／ｓの回転数範囲とならないように設計している。

上記構成において、回転軸２の危険速度と羽根車１の固有振動数が回転する可能性のある範囲に存在しないことから、強風時でも安定した回転を維持できる。さらに羽根車１の垂直方向端部の円板状の円板プレート１０によって風の流れが改善されているため風車の効率が向上する。

（参考の形態２）
図３は参考の形態２の全体正面断面図、図４は羽根車の斜視図、図５は羽根車の上面断
面図である。なお、参考の形態１と同一部分については同一番号を付し、詳細な説明を省
略する。

図３に示すように羽根車１に対してケーシング６は上方に配置され、取付け金具を介して主に壁面やポールなどに吊り下げる形態で固定される。羽根車１は３枚のブレード８とブレード８同士を連結するハブ９を羽根車１の重心位置である垂直方向の中央から対称の位置に２枚配置した構成であり、回転軸２は２枚のハブ９両方に連結されている。このとき、上側に配置されたハブ９と軸受３との距離は回転軸２の径以下となっている。

図４に示すように、羽根車１の垂直方向端部にはプレート１１が配置されており、その形状はハブ９と類似のものである。また、ハブ９ならびにプレート１１には穴１２が開けられているが、この穴の形状は構造解析で最適化されており、穴１２を付加しても回転時に発生する羽根車１の応力は増加しないよう設計され、羽根車１の軽量化に寄与している。図５に穴の形状の一実施例を示す。穴形状は楕円であり、ブレードの曲率に楕円の長辺が沿う形をし、ハブ面積に対する穴の面積比は０．５程度としている。この穴形状にて羽根車の応力評価を行なったところ、ブレードの変形量ならびに最大応力に変化はないことを確認した。この羽根車１の寸法であるが、ブレード８の外径は３６０ｍｍ、内径は１１０ｍｍ、長さは５００ｍｍ、またケーシング６の外径は９０ｍｍであり、羽根車１のアスペクト比は１．３９、ブレード８の外径に対する内径の比は０．３０、ブレード８の内径に対するケーシング６の外径の比が０．８２となる。さらに、ブレード８には水平面の断面形状は維持しながらブレード８下端から上端まで回転方向にひねられており、そのひねり角度は６０°（４３°×１．３９）となっている。

上記構成において、羽根車１の固有振動数を効果的に高めることができる。また、羽根車１に流入したときの流れが円滑になり安定して効率よく回転する。さらに羽根車１を軽量化することで風車の起動性と低風速時における効率が向上する。

（参考の形態３）
図６は参考の形態３の羽根車の構成部分の斜視断面図である。なお、参考の形態１と同一部分については同一番号を付し、詳細な説明を省略する。

図６に示すように羽根車１は３枚のブレード８とブレード８同士を連結するハブ９を羽根車１の重心位置である垂直方向の中央に１枚、さらに対称の位置に２枚、合計３枚配置した構成であり、回転軸２は３枚のハブ９すべてに連結されている。このとき、下側に配置されたハブ９と軸受３との距離は回転軸２の径以下となっている。また、ケーシング６に近い側のハブ９にはケーシング６の外径を覆う径の円筒状のカバー１３が配置されている。カバー１３はハブ９の一部として一体成形されている。ハブ９と別の材質のカバー１３をあとから接着などで取り付けても同じ効果が出せるが、一体成形とすることで回転アンバランス量も低く抑えられ、製造コストも低減できる。

（実施の形態１）
図７は実施の形態１の羽根車の構成部分の斜視断面図である。なお、参考の形態１と同一部分については同一番号を付し、詳細な説明を省略する。

図７に示すように、羽根車１は発電機４に直接連結されている。構成部品が減ることから回転損失が最小限となり、風車の効率が向上するだけでなく、製造コストも低減できる。羽根車１が羽根車１から発電機の羽根車１には羽根車１の端部までの長さでケーシング６と同一径の円筒１４がハブ９に一体成形で配置されている。ハブ９と別の材質の円筒１４をあとから接着などで取り付けても同じ効果が出せるが、一体成形とすることで回転アンバランス量も低く抑えられ、製造コストも低減できる。

（参考の形態４）
図８は参考の形態４の羽根車の斜視図である。なお、参考の形態１と同一部分については同一番号を付し、詳細な説明を省略する。

図８に示すように、羽根車１において、外径がブレードの上端から下端に至るまでの区間で垂直方向に変化しており、ケーシングが配置される側の端部の外径が最大値の４６０ｍｍ、その値から連続的に減少させていき、反対側の端部での値は３５０ｍｍとしている。変化は直線的としたが、２次曲線や指数曲線上での変化であっても効果は同一である。このときの羽根車の外径の最大値と最小値の比は１．３１となる。また、合わせてブレード８には水平面の断面形状は維持しながらブレード８下端から上端まで回転方向にひねられており、そのひねり角度は６０°（４３°×１．３９）となっている。

上記構成において、羽根車の軸方向でハブをはさんでケーシングのある側とない側での回転トルクの差を小さくできることから、回転トルクの差による回転損失を低減できる。

本発明の参考の形態１の全体正面断面図本発明の参考の形態１の羽根車の構成部分の斜視断面図本発明の参考の形態２の全体正面断面図本発明の参考の形態２の羽根車の斜視図本発明の参考の形態２の羽根車の上面断面図本発明の参考の形態３の羽根車の構成部分の斜視断面図本発明の実施の形態１の羽根車の構成部分の斜視断面図本発明の参考の形態４の羽根車の斜視図全体正面断面図

符号の説明

１羽根車
２回転軸
３軸受
４発電機
５カップリング
６ケーシング
７取付け金具
８ブレード
９ハブ
１０円板プレート
１１プレート
１２穴
１３カバー
１４円筒

Claims

風を受けて回転する羽根車の垂直方向の中間位置で回転軸を片持ち支持し、
回転中心に対して対称に配置した２または３枚のブレードと前記ブレード同士を垂直方向の重心位置で連結したハブを備える前記羽根車と前記ハブの回転中心に連結されて配置した回転軸と前記ハブの下側の近接した位置に前記回転軸を支持する軸受と前記軸受の下に前記回転軸と連結した発電機と前記軸受と発電機を収納かつ固定するケーシングを備え、前記ケーシングは円筒状で前記羽根車と接触せず、
前記発電機を前記ハブと近接した位置に配置し、前記回転軸と前記軸受としては前記発電機が内部に備える発電機軸と発電機軸用軸受を用いることを特徴としたサボニウス形風車。
前記羽根車がもつ固有振動数が、回転する可能性のある回転数範囲に存在しないようにしたことを特徴とする請求項１記載のサボニウス形風車。
前記ハブが前記羽根車の重心位置から垂直方向に対称の位置に２枚配置されたことを特徴とする請求項１または２記載のサボニウス形風車。
前記ハブが前記羽根車の重心位置に１枚追加されて３枚配置されたことを特徴とする請求項３記載のサボニウス形風車。
前記羽根車の端部に前記ブレード同士を連結するプレートが配置され、前記プレートは前記回転軸ならびに前記ケーシングに接触しない形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載のサボニウス形風車。
前記プレートの外形が円板状であり外径は羽根車の外径と同じまたは大きいことを特徴とする請求項５記載のサボニウス形風車。
前記ハブならびに前記プレートに羽根車の強度を低下させないように穴が開けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載のサボニウス形風車。