JP4907073B2

JP4907073B2 - 縦軸風車

Info

Publication number: JP4907073B2
Application number: JP2004305014A
Authority: JP
Inventors: 政彦鈴木
Original assignee: Global Energy Co Ltd
Current assignee: Global Energy Co Ltd
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2024-10-20
Also published as: JP2006118384A

Description

本発明は、縦軸風車に係り、特に受風効率、および回転効率が高く、低速風でも発電効率の良い、風力発電に適した縦軸風車に関する。

従来、揚力型羽根を備える縦軸風車は、縦主軸の回りに、縦長直状羽根を配設して構成されている。受風面積を大きくするために、羽根は５枚程度設けられている。

揚力型羽根を備える縦軸風車においては、正面視において、例えば縦主軸の左方の羽根に風を受けて回転するとき、縦主軸の右方の羽根は、乱気流の影響を受ける。従って、羽根の弦長（前後幅）は短い方がよく、受風面積を広くするためには、羽根の上下寸法を大としたり、羽根の枚数を多くしたりする等の手段が講じられる。

本発明は、揚力型羽根の弦長を大として、揚力型羽根の枚数を減少させ、更に受風ロスを減少させるために、揚力型羽根の上下端部に傾斜部を形成した。更にトルクを増大させる為に、１本の縦主軸に揚力型羽根を多段に複数配設したものである。本発明の具体的な内容は次の通りである。

（１）平面視で方形をなす独立体の横支持体を複数、複数の支柱により多段状に枠組みした支持枠体と、その内部に形成した上下複数の軸配設部と、基台から上端の横支持体にかけて、各軸配設部を貫通して垂直に配設した１本の縦主軸と、上下１対の水平の複数の支持アームを介して上下端部を縦主軸方向へ傾斜させた傾斜部を備え１本の縦主軸に垂直に装着された揚力型羽根を、上下の軸配設部毎に複数と、揚力型羽根が位置する段毎の横支持体に配設された発電機と、各発電機を風速の変動に伴い、１本の縦主軸で個別に駆動させる自動制御装置とを備えてなる縦軸風車。

（２）前記各発電機には自動負荷開閉装置を設け、１本の縦主軸における回転速度の検知数値に基づき自動制御装置の作動により、自動負荷開閉装置を開閉制御して、各発電機の作動を個別に制御するようにした前記（1）に記載の縦軸風車。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載の縦軸風車においては、１本の縦主軸に、上下複数段に揚力型羽根が配設され、上下の各軸配設部毎にそれぞれ発電機が配設され、１本の縦主軸の回転力で上下の複数の発電機が、それぞ個別に発電するように構成されているので、各発電機を小型のものにして、風速の高低に伴い回転させる発電機の数の選定をし、発電機の磁力が主軸回転に及ぼす負荷負担を、軽減させることが出来、回転効率を向上させることができる。

前記（2）に記載の縦軸風車においては、各発電機に自動負荷開閉装置が配設されているので、自動負荷開閉装置が自動クラッチ装置である場合には、風速の検知数値に基づき自動制御装置が作動して、発電機に対する縦主軸の回転力伝動が、自動コントロールされる。
風速が低速風で、縦軸風車の回転速度が上がらない時には、その風速に合う数の発電機以外の発電機の作動をさせないようにすることができ、低風速時は、低風速で可能な発電容量の発電をすることが出来るため、低速風の風力を無駄にしないで発電し、また高速風に対しては、それに見合う発電をする。更にまた低速風での始動が容易である。
また、自動負荷開閉装置が、負荷器への切換えスイッチである場合には、複数の負荷器へスイッチオンさせると、風車にブレーキをかけることができる。

本発明の縦軸風車は、揚力型羽根の上下端部に傾斜部を形成して、受風のロスを減少させたこと、また、縦主軸１本に揚力型羽根を多段状に配設して受風面積を増加したことに特徴があり、更に１本の縦主軸に発電機を複数段状に配設して、１本の縦主軸の回転で個別に発電することができるようにした。

本発明の実施例を、図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る縦軸風車の実施例の概略を示す要部平面図、図２は、同じく概略を示す要部正面図である。図において、縦軸風車(1)は、複数の支柱(2)と複数の横支持体(3)とで形成された支持枠体(4)を備えている。

図４に示すように、横支持体（3）の上に支柱（2）、（2）を立設し、その上に横支持体（3）を載置し、支柱（2）、（2）を介して別の横支持体（3）を多段に積層する。横支持体（3）には、軸支腕（3ａ）を介して中央に軸受(6)が支持されている。

支持枠体(4)の内部には、複数の支柱（2）、（2）で囲まれた軸配設部(4a)が設けられている。軸配設部(4a)に１本の縦主軸(5)が、軸受(6)、（6）を介して回転自在に垂直に支持されている。

縦主軸（5）の下部は、軸配設部(4a)の中央に設けた基台（7）で支持され、基台（7）の内部には、図示しない軸受、発電機、変圧器、自動制御器、回転速度センサ、自動ブレーキ手段、その他必要な機器装置等が配設されている。

縦主軸(5)には、上下対をなす固定体(8)、(8)が固定されている。固定体(8)には上下１対の支持アーム(9)が、放射方向を向いて、水平に固定されている。固定体(8)は、必要に応じて回転慣性を維持させるフライホイルとして構成することができる。

各支持アーム(9)の先端部には、それぞれ縦長の揚力型羽根(10)が、垂直に配設されている。
支持アーム(9)が長い場合、あるいは揚力型羽根(10)の縦寸法が大きい場合には、固定体(8)を上下３個１組として、支持アーム(9)を上下３本設けることがある。

揚力型羽根(10)の高さは、例えば80ｃｍ、揚力型羽根(10)の回転半径は、例えば40ｃｍに設定されており、この倍率で大きくすることがある。この揚力型羽根(10)の縦方向の長さは、バランス的に回転直径の75％〜100％が好ましい。

揚力型羽根(10)の上下端部には、それぞれ縦主軸(5)方向へ傾斜する、傾斜部(10a)が形成されている。該傾斜部(10a)の傾斜角度は、好ましくは30度〜45度の範囲とし、傾斜部(10a)の長さは、揚力型羽根(10)の長さの10％程度としている。

揚力型羽根(10)の横断平面形は、図１に示すように、回転時の外側面が、揚力型羽根(10)の回転トラック(T)と一致する円曲面に形成されている。揚力型羽根(10)の内側面では、平面視で、回転方向の前部寄りに膨出部(10b)が形成されている。揚力型羽根(10)の弦長は、例えば20ｃｍで、これは揚力型羽根(10)の回転半径（40ｃｍ）の50％相当の寸法である。これらの寸法を同じ倍率で増減することができる。

図３は、揚力型羽根(10)の平面形（実線）と、正面形（仮想腺）を組合わせた説明用の概略図である。揚力型羽根(10)の、外側面は揚力型羽根(10)の回転トラック（Ｔ）に沿う円曲面になっており、縦軸風車(1)の回転時に、揚力型羽根(10)の外側面は、前部から後部にかけて、回転トラック(T)の円曲面に沿うようになっている。
従って、回転トラック（Ｔ）からはみ出す部分は無く、揚力型羽根(10)の遠心部での風による抵抗損は小さい。

また揚力型羽根(10)の内側面前部に、膨出部(10b)が形成されており、揚力型羽根（10）の内側面後部は、回転時に膨出部(10b)の回転トラック(Ta)よりも外側に位置するため、揚力型羽根(10)の内側面に沿って後部へ流れる気流は、膨出部(10b)の回転トラック(Ta)よりも、外側へ流れる。
そのため、図３において揚力型羽根(10)の正面に当る気流は、揚力型羽根(10)の内側面後部を外側へ押すことになる。

また、揚力型羽根(10)の内側面に、膨出部(10b)が形成されているので、正面から、揚力型羽根(10)の外側面に沿って流れる気流の速度よりも、内側面に沿って流れる気流の速度の方が早くなって、外側面よりも低圧になるため、揚力型羽根(10)は、気圧の差により外方から内側前方へ押されて、揚力（回転推力）を生じ、正面方向から吹く風にも自走回転力が生じる。

図３において、回転する揚力型羽根(10)の正面からその内側面に当り、揚力型羽根(10)の上下方向へ流れる気流は、揚力型羽根(10)の上下の傾斜部(10a)にあたる。傾斜部(10a)の先端（P）の回転トラック(Tb)は、膨出部(10b)の回転トラック(Ta)よりも内側にあるため、膨出部(10b)から後方へ通過する気流は、上下方向へ拡散せず、上下の傾斜部(10a)に抑えられ、風圧が高まった状態で、後方へ高速で通過するため、揚力型羽根(10)の内側面後部は、外側へ押されて、回転力は強められる。

前記のように構成された縦軸風車(1)の回転性能につき、風洞実験を行った。
試験日、２００４年７月２６日、天候曇り、気温３２℃〜３４℃。
風洞装置、足利工業大学所有風洞（開放型、吹出口１．０４×１．０４ｍ、可変速）。
風速測定、ベッツ型マノメータ＋ピトー管。
試験風速、４、６、８、10、12、14（ｍ／ｓ）。
供試翼数、直状従来羽根弦長13、16、20、23（ｃｍ）。
本発明揚力型羽根弦長20ｃｍのみ。
供試風車、直径80ｃｍ、羽根高さ80ｃｍ×２枚（株式会社会社エフジェイシー製造）。
トルク試験、足利工業大学牛山研究室所有装置（インバータモータ型）

傾斜部(10a)のない従来型直状羽根についての風洞実験により、下記の風車効率（Ｃｐ）が得られた。
弦長13ｃｍ。風速４ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.06。風速14ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.26。
弦長16ｃｍ。風速４ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.05。風速14ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.27。
弦長20ｃｍ。風速４ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.17。風速14ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.28。
弦長23ｃｍ。風速４ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.10。風速14ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.29。

この実験結果から、弦長23ｃｍの羽根は、高速風で風車効率（Ｃｐ）が優れているが、風速４ｍ／ｓの低風速においては、弦長13ｃｍや16ｃｍのものよりもよいが、20ｃｍ幅のものと比較すると風車効率が劣ることが判った。
これに対して、回転半径の50％に当る弦長20ｃｍの羽根は、風速４ｍ／ｓの低風速でも風車効率（Ｃｐ）は0.17であり、他よりも著しく優れていることが確認出来た。

そこで、羽根(10)の上下端部に傾斜部(10a)を形成した本発明に係る揚力型羽根について、弦長20ｃｍの羽根の風洞実験結果を次に示す。
弦長20ｃｍ。風速４ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.25。
風速８ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.27。
風速１２ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.30。
風速１４ｍ／ｓ、Ｃｐ＝0.32。

この風洞実験結果から、本発明の揚力型羽根(10)と通常の直状羽根とを対比すると、本発明の揚力型羽根(10)は、その上下端部に傾斜部(10a)があることに特徴があるため、弦長が回転半径の50％に当る20ｃｍという幅広いものでありながら、風速僅か４ｍ／ｓの弱風速で、風車効率（Ｃｐ）は0.25を越えるという、効率の良さが証明された。
これは、弦長20ｃｍの直状羽根の、風速４ｍ／ｓにおける風車効率（Ｃｐ）0.17に対して、47％アップという驚異的な効率の良さを示している。

また、本発明に係る揚力型羽根(10)は、直状羽根に比して、低速風（４ｍ／ｓ）において47％、高速風（14ｍ／ｓ）においては14％以上、それぞれ風車効率（Ｃｐ）が良いことを示している。
このことは、本発明の縦軸風車(1)の揚力型羽根(10)が、低速風域から高速風域まで、回転効率が安定して効率がよいことを示している。

特に風力発電機は、風速４ｍ／ｓ以上の風が、年間2000時間以上吹かなければ、事業採算が合わないとされており、年間を通して高速風の吹かない日が多い我国の各地域において、本発明の縦軸風車(1)は、風力発電機用として、優れた適性を有していることが認められる。

また、この風洞実験では、揚力型羽根(10)の弦長は、回転半径の50％相当幅より短くても、長くても風車効率（Ｃｐ）が良くならないこと、特に低速風域での効率が良くないことが確認された。

従って、揚力型羽根(10)が２枚である場合の弦長は、揚力型羽根(10)の回転半径の45％〜55％相当の寸法とすることが好ましいことが確認出来た。
ただし揚力型羽根の大きさ、枚数、風速条件などの要素によっては、回転半径の40％〜60％まで変化させることができる。

図４は、本発明の揚力型羽根（10）を多段状に配設する状態を具体的に示す縦軸風車の要部正面図、図５はその要部平面図である。この図においては、中間の筋交材、固定アームなどを省略してある。

屋根(13)の上面には、図示しない太陽光発電パネルを配設することが出来る。太陽光発電パネルによって起電された電気は、基台(7)内外の図示しない蓄電池に蓄電され、自動制御装置や始動用モータ、その他の機器装置などに使用される。

このように上下複数の支柱(2)と上下複数の横支持体(3)とにより、支持枠体(4)が横支持体（3）を多段状に構成され、軸配設部(4a)に１本の縦主軸(5)が、中間軸受(66)及び軸受(6)を介して、回転可能に垂直に支持されている。
また軸配設部(4a)は、軸支腕（3ａ）で支持された中間軸受(66)を介して上下４段区に区画され、各段区毎に揚力型羽根(10)が多段状に配設されている。

揚力型羽根(10)を、垂直に支持する水平の支持アーム(9)の基端部は、縦主軸(5)に固定された固定体(8)に固定されている。支持アーム(9)は、３本が、平面視で等間隔で、放射方向へ突設され、その先端部に、それぞれ垂直の揚力型羽根(10)が配設されている。

揚力型羽根(10)の平面的位相は、上下の段区で60度ほど回転方向へ違差されている。各揚力型羽根(10)の弦長は、回転半径の50％相当の長さに設定されているが、同一水準段において３枚羽根であるので、弦長を回転半径の43％〜47％程度に、短くする方が好ましい。

本縦軸風車(1)では、１本の縦主軸(5)に、複数の揚力型羽根(10)が４段区状に配設されているので、揚力型羽根(10)全体の受風面積が大となり、縦主軸(5)の軸トルクを、飛躍的に大きなものとすることができる。従って、大容量の発電機を効率良く駆動させることができる。

図４においては、各段区毎に小型の発電機（11）が配設されており、基台(7)の中には、図示しない集電器、変圧器、自動制御装置、回転速度センサ、風速計、自動ブレーキ手段、その他の機器装置などが配設されている。
縦主軸(5)の回転力を、伝動手段(12) を介して発電機（11）に伝動させて、縦主軸(5)の回転力により、それぞれの発電機(11)を、個別に発電させるように構成されている。

各発電機(11)には、図示しない自動負荷開閉装置が配設されている。自動負荷開閉装置としては、例えば自動クラッチ装置が介在される。
基台(7)の中に配設される、図示しない回転速度センサ（風速計、回転数センサ、トルク計）等の検知数値に基づき、図示しない自動制御装置によって、自動負荷開閉装置としてのクラッチ装置の開閉が、自動コントロールされる。

例えば、４ｍ／ｓ以下の低速風により、４台の発電機で発電させるには、負荷が大きく回転速度が上がらない時には、各発電機(11)の中から、選択的に自動クラッチ装置を作動させて、縦主軸との関連を解除し、その発電機(11)の作動を停止させると、その分、縦主軸(5)の回転負担が軽くなる。

例えば４台の発電機(11)のうち、風速に合わせて、任意のものを、開閉自動コントロールすることによって、縦主軸（5）と連結し、４ｍ／ｓ以下の風速時でも、継続して効率良く発電をさせることができる。

弱風における始動時には、４台の発電機(11)の１っだけを、縦主軸(5)の回転と連結させると、微弱風でも容易に回転し発電する。従って、４台の発電機(11)のうち１台だけは、他の発電機(11)の発電容量よりも小さいものを設定することができる。

各発電機(11)によって発電された電気は、基台(7)の中の集電器に集電され、変圧されて、回収される。図４における縦主軸(5)の下部の基台(7)内に、発電機を配設する場合、４段に配設された揚力型羽根(10)の、受風面積に合う大きな発電機とされる。大きな発電機の磁力は大きく、回転子に対する磁束の吸引力は、軸回転の負担となる。

これに対して、各段区毎に小型の発電機(11)を配設すると、各小型の発電機(11)における磁力は、少なくとも４分の１に小さくなる。その結果、縦主軸(5)の回転力に対する、磁力の負荷負担は軽減される。

前記自動負荷開閉装置の別の例としては、例えば複数の蓄電池、複数の電磁コイル等負荷器に対する自動切換えスイッチ装置がある。風速における発電力よりも大きな負荷を発電機にかけると、縦軸風車の回転が抑制されブレーキとなる。

すなわち台風など一定の風速を超える風が吹くときは、風速計などの数値信号により、自動制御装置により、負荷器に対する自動切換えスイッチ装置を開閉させることにより、縦軸風車（1）を止めたり回転させたりすることができる。

図４において、揚力型羽根(10)の配設段数は４段に限定されず、８段でも１６段でも、支持枠体(4)の大きさに合わせて任意である。
なお、この実施例において発電機(11)を、縦主軸(5)に回転子を直接固定して、発電する形式のものとすることができる。

以上のように、この発明の縦軸風車（1）は、揚力型羽根(10)の上下端部に、傾斜部(10a)を形成したことによって、受風のロスが減少し、回転効率が向上した。揚力型羽根(10)の弦長を長くすることによって、揚力型羽根(10)の高さを低くし、揚力型羽根(10)の枚数を少なくしても、受風面積を大とすることができ、回転効率を高めることができる。

縦主軸(5)に揚力型羽根(10)を、多段に複数配設することにより、一定の設置面積当りの受風面積を圧倒的に増大させることができる。
縦主軸１本に多段に羽根を設け、各段区毎に小型の発電機(11)を配設することにより、発電機(11)の磁力による主軸回転に対する負荷負担を減少させることができる。

また低風速の時には、自動クラッチ装置の作動によって、発電機(11)を選択的に発電させないようにすることにより、低風速に合った、いずれかの発電機(11)が発電するようにし、多数の発電機では発電出来ない弱風の時でも、その弱風に合う数の発電機で発電することが出来、弱風力を活用することが出来る。

これらの総合による相乗作用により、従来の縦軸風車では考えられなかった高い軸トルク並びに、優れた風車効率を得ることが出来る縦軸風車を提供することができる。
これによって、狭い設置面積で、市街地において低速風でも、飛躍的に大きな発電容量の風力発電機を得ることが可能になった。

なお、図４では軸配設部(4a)は１個であるが、支持枠体(4)を水平方向に広くして、軸配設部(4a)を、横方向に多数形成することは当然にできる。
自動制御装置による制御方法としては、回転速度センサーにより、縦主軸の回転速度の測定を行い、台風などで一定速度を超えると、自動ブレーキ手段を制御して回転速度を減退させることができる。

自動ブレーキ手段としては、機械的ブレーキ装置の他に、電気的負荷回路の切換えで行う。回転速度が一定速度を下回る時は、回転補助モータの稼動によって、一定速度まで回転をあげることができる。

本発明は、弱風でも回転効率がよいこと、一定の設置面積当りの受風効率がよいこと、多方向の風を利用できること、構築コストが低廉であること、メンテナンスが容易であること等から、家庭用、工業用などの風力発電機に適用することが出来る。

本発明の縦軸風車の実施例１の概略を示す平面図である。本発明の縦軸風車の実施例１の概略を示す要部正面図である。羽根の形状を示す平面と正面の組合せ概略図である。羽根を多段とした本発明縦軸風車の要部正面図である。羽根の配置を示す本発明縦軸風車の要部平面図である。

(1)縦軸風車
(2)支柱
(3)横支持体
(3a)軸支腕
(4)支持枠体
(4a)軸配設部
(5)縦主軸
(6)軸受
(66)中間軸受
(7)基台
(8)固定体
(9)支持アーム
(10)揚力型羽根
(10a)傾斜部
(10b)膨出部
(11)発電機
(12)伝動手段
(13)屋根
(Ｔ)羽根の回転トラック
(Ｔａ)羽根膨出部の回転トラック
(Ｔｂ)羽根傾斜部の回転トラック
(Ｂ)基盤

Claims

平面視で方形をなす独立体の横支持体を複数、複数の支柱により多段状に枠組みした支持枠体と、その内部に形成した上下複数の軸配設部と、基台から上端の横支持体にかけて、各軸配設部を貫通して垂直に配設した１本の縦主軸と、上下１対の水平の複数の支持アームを介して上下端部を縦主軸方向へ傾斜させた傾斜部を備え１本の縦主軸に垂直に装着された揚力型羽根を、上下の軸配設部毎に複数と、揚力型羽根が位置する段毎の横支持体に配設された発電機と、各発電機を風速の変動に伴い、１本の縦主軸で個別に駆動させる自動制御装置とを備えてなることを特徴とする縦軸風車。
前記各発電機には自動負荷開閉装置を設け、１本の縦主軸における回転速度の検知数値に基づき自動制御装置の作動により、自動負荷開閉装置を開閉制御して、各発電機の作動を個別に制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の縦軸風車。