JP5116040B2

JP5116040B2 - 風力発電用風車

Info

Publication number: JP5116040B2
Application number: JP2009000148A
Authority: JP
Inventors: 豊嗣近藤
Original assignee: Tatsumi Corp
Current assignee: Tatsumi Corp
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2029-01-05
Also published as: JP2010156305A

Description

本発明は、風力発電装置における垂直軸型の風力発電用風車に関するものである。

風力発電装置に用いられる風力発電用風車には、一般的に、プロペラ型風車に代表される回転軸が風に対して水平をなす水平軸型風車と、回転軸が風に対して垂直をなす垂直軸型風車が知られている。
このうち、後者の垂直軸型風車には、さらに、パドル型やサボニウス型などのようにブレードに発生する抗力で風車を回す「抗力型」と、ダリウス型やジャイロミル型などのようにブレードに発生する揚力で風車を回す「揚力型」とが知られている。
前者は、ブレードに発生する抗力を利用して風車を回転させるのに対し、後者は、ブレードに発生する揚力によって風車を回転させるようになっている（特許文献１参照）。

ここで、垂直軸型風車における「抗力型」の場合では、周速比（ブレ−ドの翼端速度／風速）が１となると、風車をそれ以上に回すモーメントが発生せず、風速が上がっても、それ以上の回転数を得ることもできず、発電効率が悪いという課題が存在している。
また、後者の「揚力型」の場合は周速比（ブレ−ドの翼端速度／風速）が１以上でも、風車を効率よく回転でき、発電効率が上がるという利点を有しているが、その反面、周速比（ブレ−ドの翼端速度／風速）が１以下では、風車を回転させるモーメントが小さく、風車の停止した状態からの起動が困難であるという課題が生じていた。
このため風車のブレードを流線型の翼型に形成し、下面後縁部に切り欠きを設けることで空気抵抗と揚力を発生させ、回転モーメントを発生させる風力発電機用ブレードが開示させている（特許文献１参照）。

特開２００４−１０８３３０号公報

ところが、前記従来の風力発電機用ブレードは例えば０．４m/s前後の微風ではブレードが起動が困難であり、充分な回転モーメントが得られないため、やはり使用できる風速域が制限され、例えば都心部等の風の弱い場所には採用できないという設置条件においての課題を有していた。
かくして、本発明は、前記従来からの各種提案にさらに思考、改良を加えて創案されたものであって、揚力型の垂直軸型風車を改良したものである。
具体的には、流線型の翼型ブレードに「抗力」を発生させるべく、該ブレードの内側に風集サポート部材を取り付けることで、０．４m/s前後の微風でも羽根の起動が可能で回転モーメントが得られ、従来より広範囲の風速域において風車を発電効率よく回転でき、発電効率の高い、かつ強風にも耐える高強度の風力発電用風車を提供することを目的とする。

本発明による風力発電用風車は、回転享受装置の軸方向上方に、前記回転享受装置と連通して設けられた回転軸部と、
該回転軸部より放射状に突設された複数の支持杆と、
前記複数の支持杆先端に、前記回転軸部と裏面部が対向する様取り付けられた回転翼のブレードと、
前記回転翼のブレード裏面部に取り付けられた集風サポート部材と、
を有し、
前記回転翼のブレードは、前記回転軸部と対向する裏面部が、回転進行方向の先端部を残して切り欠かれ、
集風サポート部材は、前記切り欠かれた裏面部に対向する表面部の裏面に、回転進行方向先端側から後端側に向かって略ハ字状に広がり、
前記表面部の裏面から前記回転軸部に向かって突設する一対の集風壁を有して構成された、
ことを特徴とし、
または、
回転享受装置の軸方向上方に、前記回転享受装置と連通して設けられた回転軸部と、
該回転軸部より放射状に突設された複数の支持杆と、
前記複数の支持杆先端に、前記回転軸部と裏面部が対向する様に取り付けられた回転翼のブレードと、
前記回転翼のブレード裏面部に取り付けられた集風サポート部材と、
を有し、
前記回転翼のブレードは、前記回転軸部と対向する裏面側が、回転進行方向先端側から後端側に向かって略ハ字状に切り欠かれ、
集風サポート部材は、前記切り欠かれたブレード裏面部のハ字状をなす切欠き部に、該切欠き部を塞ぐ集風壁を形成した、
ことを特徴とするものである。

本発明による風力発電用風車であれば、「抗力」を発生させる風集サポート部材を回転翼のブレードの内側に設けることで、従来では起動が困難であった低風速域の微風によっても風車が起動し、回転モーメントが得られ、従来よりも広範囲の風速域で、より発電効率よく回転でき、発電効率の高い風力発電用風車を提供でき、かつ強風にも耐える高強度の風力発電用風車を提供出来るとの優れた効果を奏する。

本発明に係る風力発電用風車の外観を示す斜視図である。図１に示す風力発電用風車の正面方向からの外観を説明図である。図１に示す風力発電用風車の平面方向からの外観を説明図である。本発明におけるブレード及び集風サポート部材の取り付け構造を示す図である（その１）。本発明におけるブレード及び集風サポート部材の取り付け構造を示す図である（その２）。本発明における集風サポート部材の構造を示す（ a ）側面図、( b )正面図及び( c )斜視図である。本発明におけるブレードの回転時（例として迎角αの風）の揚力、抗力及び軸に引かれる力を説明する参考図である。本発明におけるブレードの高風速域での回転時の揚力、抗力及び軸に引かれる力を説明する参考図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明における風力発電用風車１の外観を示す。
前記風力発電用風車１はいわゆる垂直軸型風車であり、回転翼であるブレードの回転を利用し、その回転力を発電機４に伝達して発電を行うためのものである。
まず、本発明の風力発電用風車１には、回転享受装置２の軸方向上方に、前記回転享受装置２と連通するよう回転軸部３が設けられている。該回転軸部３の詳細な形状については何ら限定されるものではないが、通常、回転享受装置２の上方延長上に連通するよう設けられるもので、円柱状あるいは円筒状をなして構成されている。

また、図１及び図２から理解されるように、前記回転享受装置２には略円柱状をなす発電機４が接続されており、風力による回転翼ブレードの回転を利用し、その回転力を前記回転軸部３を介して前記発電機４側に伝達して発電するものとしている。

次に、符号５は支持杆を示す。該支持杆５は前記回転軸部３より放射状に張り出して複数設けられている。ここで、前記支持杆５の詳細な形状、数量及び材質については何ら限定されるものではない。本実施例では、前記回転軸部３の上下端部の２箇所からそれぞれ放射状に突設されて構成されている。

また、図１乃至図３から理解されるように、前記支持杆５は回転軸部３の回転進行方向側の正面において、支持杆５長手方向に亘り、該支持杆５幅方向略中央部から上下端部側に向け傾斜面をなして切り欠く切欠き面６，６が形成される。該切欠き面６は、風力発電用風車１の回転時における前記支持杆５の空気抵抗を低減するために施されるものである。

また、前記支持杆５は軽量かつ一定強度を保つべく、アルミ合金によって形成するのが好ましい。

次に、符号７は回転翼のブレードを示す。該ブレード７は前記支持杆５の先端側に、前記回転軸部３とブレード７本体の裏面部８が対向する様に取り付けられる。前記ブレード７の詳細な形状、数量、取り付け方法及び材質については何ら限定されるものではない。本実施例では、前記回転軸部３に直交する水平面内で同一半径円周方向に沿って４枚のブレード７，７・・・が回転軸部３に平行に配置されている。

また、本実施例において、前記ブレード７の外皮は、図１、図３乃至図５に示すように、軽量かつ一定強度を保つべく、１枚構造のアルミ合金やプラスチック（ポリカーボネート、ＦＲＰを含む）などの材質からなる薄板状素材を曲げて流線形の翼型に形成される。

なお、図４に示す前記ブレード７においては、前記回転軸部３と対向する裏面部８が、回転進行方向の先端部１７を残して切り欠かれて形成されたタイプのブレード７が示される。

図５に示す前記ブレード７においては、前記回転軸部３と対向する前記裏面部８における前記支持杆５先端との接続箇所が、回転進行方向先端側から後端側に向かって略ハ字状に切り欠かれた切欠き部９（図示せず）が形成されたタイプのブレード７が示される。そして、図５には後記する集風サポート部材１０が前記切り欠かれた裏面部８のハ字状をなす切欠き部９に、該切欠き部９を塞ぐ集風壁１３，１３を形成したものが示される。

ここで、上述の如く、薄板状素材を曲げて流線形の翼型に形成したタイプの前記ブレード７においては、該ブレード７の開口した上下面にキャップ部材１７，１７・・・で蓋をしても構わない（図５参照）。開口した上下面を塞ぐことで前記ブレードの耐久性の強化を図るためである。上記したとおり、前記ブレード７の詳細な形状については何ら限定されるものではない。

さらに、図１乃至図５に示すように、前記ブレード７の内皮側には断面略コ字状の支持材１１がブレード７の高さ方向に亘り、取り付けられている。該支持材１１は前記ブレード７の変形防止及び強度を保つべく施されるものである。

また、図１乃至図５に示すとおり、前記支持材１１に支持杆５先端が連結金具等で連結され、もって、前記ブレード７を支持杆５に取り付ける。なお、前記支持材１１の詳細な形状、数量、取り付け方法及び材質については何ら限定されるものではない。

次に、図１乃至図５に示す、符号１０は集風サポート部材を示す。該集風サポート部材１０は図６に示すとおり、略台形状をなす表面部１２の裏面端部より垂直方向に片をなして立ち上がる一対の集風壁１３，１３及び取付面部１４を有して一体形成される。なお、図より理解されるように、前記略台形状をなす表面部１２の裏面においては、前記取付面部１４の対向側の端部を開口状にして形成される。

また、図６から理解されるとおり、前記一対をなす集風壁１３の形状は取付面部１４一方側端部から、該取付面１４より垂直方向に張り出した前記表面部１２の延出方向側端部にかけ、傾斜状をなして形成される。すなわち、図６に示すとおり、前記集風壁１３，１３は略三角形の形状をなして形成される。

そして、前記集風サポート部材１０は、前記回転軸部３と対するブレード７本体裏面の外皮に取り付けられる。具体的には、図１、図２、図４及び図５に示されるように前記ブレード７本体裏面外皮の支持杆５接続位置で、該支持杆５及び前記支持材１１間に取付面部１４を介して前記集風サポート部材１０が取り付けられる。

すなわち、図４に示される前記回転軸部３と対向する裏面部８が回転進行方向の先端部を残して切り欠かれたタイプの前記ブレード７には、前記集風サポート部材１０が、切り欠かれた前記裏面部８に対向する表面部１２の裏面に、回転進行方向先端側から後端側に向かって略ハ字状に広がり、前記表面部１２の裏面から前記回転軸部３に向かって突設する一対の集風壁１３，１３を有して構成される。

あるいは、図５に示される前記回転軸部３と対向する前記裏面部８におけ前記支持杆５先端との接続箇所が、回転進行方向先端側から後端側に向かって略ハ字状に切り欠かれたタイプの前記ブレード７には、前記集風サポート部材１０が前記切り欠かれたブレード７裏面部８のハ字状をなす切欠き部９に、該切欠き部９を塞ぐよう集風壁１３、１３を形成して構成される。

なお、本実施例では前記集風サポート部材１０は、図１、図２、図4及び図5に示されるとおり、前記ブレード７本体裏面外皮の2箇所の支持杆５接続位置に前記集風サポート部材１０，１０・・・が各々取り付けられる。

上述のとおり、前記集風サポート部材１０の集風壁１３，１３の形状は、取付面部１４一方側端部から、該取付面１４より垂直方向に張り出した前記表面部１２の延出方向側端部にかけ、傾斜状をなして形成され、図６に示すとおり、前記集風壁１３，１３は略三角形の形状をなして形成される。
そして、図４及び図５より示されるとおり、前記集風壁１３，１３は回転進行方向先端側から後端側に向かって略ハ字状に広がった形状をなすため、該形状をもって、上下方向から吹く風１５を捕らえるよう構成される。
その結果、前記集風サポート部材１０に「抗力」が生じ、ブレード７に回転モーメントが得られ、風車が容易に起動するよう構成されるのである。

さらに、雨天時においては雨粒１６が前記集風壁１３，１３に当り、上記同様に前記集風サポート部材１０に「抗力」が生じ、ブレード７に回転モーメントが得られ、風車が容易に起動できるよう構成される。

また、前記集風サポート部材１０の表面部１２の裏面おいても、上記と同様、風１５を捕らえ、あるいは雨天時には雨粒１６が当たることで、前記集風サポート部材１０に「抗力」が生じ、ブレード７に回転モーメントを得られるよう構成される。

ここで、前記集風サポート部材１０は軽量かつ高強度を保つべく、プラスチック（ポリカーボネート、ＦＲＰを含む）などの材質から形成されるものであり、予め工場で型押しにより一体形成で製造されるものである。

次に、図面を参照しながら、本発明における風力発電用風車１の実施例について説明する。

まず、図１に示すように、風力発電用風車１の回転翼のブレード７，７・・・には、「抗力」を利用した回転モーメントを得るべく前記集風サポート部材１０，１０・・・が各々取り付けられた状態で設置されるものとする。
すなわち、前記風力発電用風車１は上述した垂直軸型風車における、いわゆるサボニウス型の「抗力型」風車を形成する。

なお、図１には一実施例として、図４に示される前記裏面部８が、回転進行方向の先端部１７を残して切り欠かれて形成されたタイプのブレード７を用いて構成される。

したがって、風力発電用風車１は停止状態からの起動時においては、前記集風サポート部材１０，１０・・・に発生する「抗力」を利用して回転モーメントを得ることで風車を起動させ、回転させるものとする。

具体的には、図４に示すように、前記集風サポート部材１０，１０・・・に後方より風１５を受けると、前記集風壁１３，１３あるいは前記表面部１２に大きな空気抵抗が生じて、「抗力」が発生する。
そのため、前記集風壁１３，１３あるいは前記表面部１２に発生する抗力によって回転モーメントを得ることができ、反時計回りの風車回転方向（矢印A方向）に回転する。

なお、図４に示す前記ブレード７は前述のとおり、前記裏面部８が、回転進行方向の先端部を残して切り欠かれて形成されるため、前記ブレード７についても後方より風１５を受けることによって抵抗が発生する。
よって、前記ブレード７の抗力によっても風車を回転させることができるため、上記の集風サポート部材１０の抗力の作用と相俟って、より強力な抗力による回転モーメントを得ることができる。

このように起動時においては、例えば０．４m/s前後の微風の低風速域でも、前記集風サポート部材１０及びブレード７が後方から風１５を受けると、大きな空気抵抗が生じ、これによってサボニウス型風車の効果、すなわち、抵抗による回転モーメントを得ることができ、風車が起動回転することになる。

さらに、前記ブレード７は１枚構造のアルミ合金やプラスチック（ポリカーボネート、ＦＲＰを含む）などの材質からなる薄板状素材を曲げて流線形の翼型に形成されているため、「揚力」によっても回転モーメントが得られる（図７及び図８参照）。
なお、図７には例として、風１５を迎角αより受けた場合の前記ブレード７に生じる揚力B、抗力C及び回転時に軸に引かれる力Dが参考として示されている。
また、図８には、前記ブレード７が高風速域での回転時に生じる揚力B、抗力C及び軸に引かれる力Dが参考として示されている。

すなわち、上記の「抗力」による回転モーメントの発生と同時に、抗力のみならず「揚力」によっても回転モーメントを得ることもできる。

次いで、図７に示すように、風力発電用風車１が周速比１以上の高風速域で、回転してくると、その回転時においては、前記風力発電用風車１は上述した垂直軸型風車における、いわゆるジャイロミル型の「揚力型」風車を形成する。
そのため、前記ブレード７の揚力によって風車は反時計方向（矢印A方向）に回転を維持する。

ここで、図４に示すように前記ブレード７が前記裏面部８が回転進行方向の先端部を残して切り欠かれて形成されるため、周速比１以上の高風速域や、強風時における前記ブレード７の耐久性について従来では懸念されていたが、前記集風サポート部材１０，１０・・・の取り付けにより、ブレード強度が増し、もって高強度をなす回転翼のブレード７が構成される。

よって、本発明に係る風力発電用風車１は前記集風サポート部材１０及びブレード７により、周速比１以下の低風速域においては、空気抵抗による「抗力」による回転モーメントを得て起動し、周速比１以上の高風速域でも、前記ブレード７の「揚力」により回転モーメントを維持できるため、効率よく発電することができ、かつ高強度の回転翼ブレードを有して構成されるものである。

なお、図１乃至図３に示される本発明の実施例には図４に示した前記裏面部８が回転進行方向の先端部を残して切り欠かれて形成されたタイプのブレード７が構成されるが、該ブレード７を図５に示す前記裏面部８における前記支持杆５先端との接続箇所が、回転進行方向先端側から後端側に向かって略ハ字状に切り欠かれた切欠き部９が形成されたタイプのブレード７を用いて構成しても構わない。

１風力発電用風車
２回転享受装置
３回転軸部
４発電機
５支持杆
６切欠き面
７ブレード
８裏面部
９切欠き部
１０集風サポート部材
１１支持材
１２表面部
１３集風壁
１４取付面部
１５風
１６雨粒
１７キャップ部材
A 風車回転方向
B ブレードの揚力
C ブレードの抗力
D 軸に引かれる力
E 集風サポート部材の抗力

Claims

回転享受装置の軸方向上方に、前記回転享受装置と連通して設けられた回転軸部と、
該回転軸部より放射状に突設された複数の支持杆と、
前記複数の支持杆先端に、前記回転軸部と裏面部が対向する様取り付けられた回転翼のブレードと、
前記回転翼のブレード裏面部に取り付けられた集風サポート部材と、
を有し、
前記回転翼のブレードは、前記回転軸部と対向する裏面部が、回転進行方向の先端部を残して切り欠かれ、
集風サポート部材は、前記切り欠かれた裏面部に対向する表面部の裏面に、回転進行方向先端側から後端側に向かって略ハ字状に広がり、前記表面部の裏面から前記回転軸部に向かって突設する一対の集風壁を有して構成された、
ことを特徴とする風力発電用風車。
回転享受装置の軸方向上方に、前記回転享受装置と連通して設けられた回転軸部と、
該回転軸部より放射状に突設された複数の支持杆と、
前記複数の支持杆先端に、前記回転軸部と裏面部が対向する様に取り付けられた回転翼のブレードと、
前記回転翼のブレード裏面部に取り付けられた集風サポート部材と、
を有し、
前記回転翼のブレードは、前記回転軸部と対向する裏面側が、回転進行方向先端側から後端側に向かって略ハ字状に切り欠かれ、
集風サポート部材は、前記切り欠かれたブレード裏面部のハ字状をなす切欠き部に、該切欠き部を塞ぐ集風壁を形成した、
ことを特徴とする風力発電用風車。