JP5368539B2

JP5368539B2 - 垂直軸型風車

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Publication number: JP5368539B2
Application number: JP2011278500A
Authority: JP
Inventors: 明福本; 浩之福本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: JP2013130071A

Description

本発明は、風力発電用の垂直軸型風車に関する。

風力発電用の風車は、風車の回転軸が地面に対して水平に設けられた水平軸型風車と、垂直に設けられた垂直軸型風車に大別される。後者は、どのような風向であっても回転可能であることから、内陸部など風向が一方向に定まらない場所での使用に適している。

風向が一方向に定まらない場所では、風向が概ね一方向に定まっている海浜部等に比べ、風力が小さいことが多い。そこで従来より、風力が小さくても使用できるように、垂直軸型風車を効率よく回転させるための様々な工夫が成されている。
例えば、特許文献１及び２には、回転軸に４本のアームを十字状に固定し、各アームに開閉自在な羽根を取り付けるとともに、回転軸を挟んで対向する２枚の羽根の開閉状態が互いに逆になるようにするための連動機構を設けた垂直軸型風車が示されている。こうした従来の垂直軸型風車では、一方の羽根が風を受けて開くと他方の羽根が閉じて風の抵抗を小さくするため、効率よく風車を回転させることができる。

特開平3-976号公報特開2003-97412号公報

しかしながら、上述したような従来の垂直軸型風車では、回転軸を挟んで対向する２枚の羽根を連動させているため、それぞれの羽根が個別に開閉することができず、風向及び風力の変化を素早くとらえることが難しい。また、連動機構を有するため、構成が複雑になるだけでなく、風車全体が重量化してしまう。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、風向及び風力の変化を素早くとらえることができ、なお且つ構成が単純で、軽量な垂直軸型風車を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係る垂直軸型風車は、
重力方向に延びる回転軸と、
前記回転軸に固定された水平方向に延びる支持棒と、
前記回転軸に平行な第１回動軸を中心に回動可能な第１風受け板と前記回転軸に平行な第２回動軸を中心に回動可能な第２風受け板とから成り、該第１風受け板と該第２風受け板が前記回転軸に平行な連結軸により開閉可能に連結されており、該第１回動軸が前記支持棒の所定位置に固定され該第２回動軸が前記支持棒に摺動可能とされている羽根部と
を有し、
前記第１回動軸と第２回動軸に挟まれた部分の第１風受け板と第２風受け板の面積の和が、前記第１回動軸よりも外側の第１風受け板と前記第２回動軸よりも外側の第２風受け板の面積の和よりも小さくなるように設定されており、
前記回転軸側にある回動軸よりも外側の風受け板の面積が、他方の回動軸よりも外側の風受け板の面積よりも大きく又は等しく設定されていることを特徴とする。

第１回動軸と第２回動軸は、どちらが回転軸側にあってもよい。また、第１及び第２風受け板の形状は、矩形の他、楕円や円等であっても構わない。さらに、羽根部は１個だけであっても良いが、２個以上である方が、より多くの風力を利用することができ、また、回転がスムーズになるため、望ましい。羽根部を２個以上設ける場合は、回転軸回りのバランスを良くするため、それらを回転軸を中心に軸対称に配置することが望ましい。

本発明に係る垂直軸型風車の構成及び動作について説明する。
本発明に係る垂直軸型風車は、重力方向に設けられた回転軸に、水平方向に支持棒を固定するとともに、回転軸に平行な連結軸を介して第１風受け板と第２風受け板を開閉自在に連結して成る羽根部を支持棒に設けたものである。第１風受け板及び第２風受け板はそれぞれ回転軸に平行な第１回動軸及び第２回動軸を有し、第１回動軸は支持棒の所定位置に固定されるとともに、第２回動軸が支持棒に摺動可能となっている。従って、第１及び第２風受け板がそれぞれ第１及び第２回動軸を中心に回動するとともに、第２回動軸が支持棒に対して摺動することにより、第１風受け板と第２風受け板が連結軸を中心に開閉する。

第１回動軸と第２回動軸に挟まれた部分の第１風受け板と第２風受け板の面積の和は、第１回動軸よりも外側の第１風受け板と第２回動軸よりも外側の第２風受け板の面積の和よりも小さくなるように設定されている。これにより、第１風受け板と第２風受け板が閉じている状態で両者の間に風が入ると、連結軸を中心として、第１風受け板と第２風受け板を開こうとするモーメントが両者を閉じようとするモーメントよりも大きくなり、第１風受け板と第２風受け板が開く。羽根部が全開すると風の力を全面に受け、回転軸を中心に支持棒を回転させる。これが、本風車の回転軸を回転させる動力（エネルギー）となる。

こうして第１風受け板と第２風受け板が開いた状態で羽根部が回転し、約半回転した時点で前記とは反対向きの風を受けると、連結軸を中心として前記とは逆のモーメントが働き、第１風受け板と第２風受け板が閉じる。こうして羽根部が閉じると羽根部の抵抗は最小となり、前記の位置で受けた風のエネルギーは大きな減衰を受けず、本風車の回転が維持される。
このようなサイクルを繰り返すことにより、本発明に係る垂直軸型風車は、風を受ける限り回転し続け、動力を発生させる。

なお、全開した羽根部が回転し、回転軸側にある風受け板が他方の風受け板よりも風上側に位置した状態になると、回転軸側にある風受け板が、全開する際とは反対の面で風を受けるようになる。この風の力によって羽根部が効率よく閉じるように、回転軸側にある回動軸よりも外側の風受け板の面積が他方の回動軸よりも外側の風受け板の面積よりも大きく設定されている。このように構成することにより、回転軸側にある風受け板を閉じようとするモーメントが、他方の風受け板を開こうとするモーメントを上回るため、第１風受け板と第２風受け板が閉じる。従って、全開した羽根部が回転し、全面で風を受けなくなると、羽根部が閉じるため、羽根部の抵抗が抑えられる。
また、回転軸側にある風受け板が他方の風受け板よりも風下側に位置した状態になると、回転軸側にある風受け板が、全開する際と同じ面で風を受けるようになる。このとき、各回動軸よりも外側の風受け板の面積を前記したように設定しておけば、回転軸側にある風受け板を開こうとするモーメントが、他方の風受け板を閉じようとするモーメントを上回るために、第１風受け板と第２風受け板が開く。これにより、閉じた羽根部が開くため、本風車の回転動力を効率よく発生させることができる。
回転軸側にある回動軸よりも外側の風受け板の面積が他方の回動軸よりも外側の風受け板の面積と等しく設定されている場合も、本風車を問題なく回転させることができる。

さらに、羽根部が閉じた際にかかる風の抵抗を少なくするために、連結軸から第１回動軸までの距離を、連結軸から第２回動軸までの距離と等しくすることが望ましい。このように構成することにより、羽根部が全閉することが可能となるため、閉じた状態の羽根部にかかる風の抵抗を最小限に抑えることができる。なお、ここでいう「等しい」とは、これらの距離が厳密に同一である場合のみを指すものではなく、これらの距離が多少相違する場合をも含むものとする。

また、前記支持棒は１本でも複数本でも良いが、２本であることが望ましい。この場合、２本の支持棒が前記回転軸に垂直方向に離間して固定されて水平方向に延びており、前記羽根部の第１及び第２回動軸が前記２本の支持棒によって支持されることが望ましい。このような構成では、羽根部の開閉動作が安定する。

このように、本発明に係る垂直軸型風車では、回転軸を挟んで対向する羽根部を連動機構によって連動させる従来の垂直軸型風車とは異なり、連動機構がなくても羽根部が効率よく開閉することができるように構成されている。従って、各羽根部による開閉動作のタイミングがそれぞれ個別に変化し得るため、本風車が風向及び風力の変化を素早くとらえることができる。
また、本発明に係る垂直軸型風車では、従来の垂直軸型風車に比較して構成がより単純になるとともに、全体を軽量化することができる。

本発明の一実施例に係る垂直軸型風車の側面全体図。本実施例に係る垂直軸型風車が有する羽根部の側面全体図。本実施例に係る垂直軸型風車において、羽根部の開閉動作を示す模式図。本実施例に係る垂直軸型風車を拡大して示す水平面図。本実施例の変形例に係る垂直軸型風車が有する羽根部の側面全体図。本実施例の他の変形例に係る垂直軸型風車が有する羽根部の側面全体図。

本発明の一実施例に係る垂直軸型風車の構成について、図１及び図２を参照しながら以下に説明する。

本実施例に係る垂直軸型風車１は、地面に対して垂直に設けられた回転軸２０と、十字状に配置された４組の羽根体２から成る。本実施例では、回転軸２０を挟んで両側に位置する２組の羽根体２が一体的に構成されている。即ち、回転軸２０には、互いに平行な一対の上アーム３１及び下アーム３２と一対の縦枠３３から成る矩形状のフレーム３０が固定されており、このフレーム３０と該フレーム３０の回転軸２０を挟んで両側に３枚ずつそれぞれ取り付けられた計６枚の羽根部１０から２組の羽根体２が構成されている。なお、上アーム３１及び下アーム３２は本発明における支持棒に相当する。

羽根部１０は、上アーム３１と下アーム３２の間に取り付けられた第１風受け板１１と第２風受け板１２と、これらを連結する連結軸１３とから構成されている。
第１風受け板１１及び第２風受け板１２はいずれも同じ高さの矩形板状の部材からなり、第１風受け板１１の一方の端部と第２風受け板１２の一方の端部が、回転軸２０に対して平行に設けられた連結軸１３を介して回動可能に連結されている。
第１風受け板１１の一方の面の幅方向中央には、回転軸２０に対して平行な第１回動軸１４が取り付けられており、該第１回動軸１４の上下端がそれぞれ上アーム３１の下面及び下アーム３２の上面の所定位置に回動自在に支持されている。

上アーム３１の下面のうち第１回動軸１４が支持されている部位よりも回転軸２０側には、該上アーム３１の長手方向に沿って延びる上溝部３１１が設けられている。また、下アーム３２の上面のうち上溝部３１１と対向する部位には、該上溝部３１１と同一形状の下溝部３１２が設けられている。
第２風受け板１２の一方の面には、回転軸２０に対して平行な第２回動軸１５が取り付けられており、該第２回動軸１５の上下端がそれぞれフレーム３０の上溝部３１１及び下溝部３１２に回動自在且つ摺動自在に支持されている。

図２及び図３を参照しながら、第１及び第２風受け板１１、１２における各部の大きさについて説明する。いま、第１回動軸１４よりも外側の第１風受け板１１の面積をＡ、第１回動軸１４と連結軸１３に挟まれた第１風受け板１１の面積をＢ、連結軸１３と第２回動軸１５に挟まれた第２風受け板１２の面積をＣ、第２回動軸１５よりも外側の第２風受け板１２の面積をＤとすると、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、下記の式（１）を満たす。

これにより、第１風受け板１１と第２風受け板１２が閉じている状態で両者の間に風が入ると、連結軸を中心として、第１風受け板１１と第２風受け板１２を開こうとするモーメントが両者を閉じようとするモーメントよりも大きくなり、第２回動軸１５が上下溝部３１１、３１２を摺動して、第１風受け板１１と第２風受け板１２が開く（図３中の（１）の状態）。羽根部１０が全開すると風の力を全面に受け、回転軸２０を中心に上下アーム３１、３２を回転させる。これが、本風車１の回転軸２０を回転させる動力（エネルギー）となる。
こうして第１風受け板１１と第２風受け板１２が開いた状態で羽根部１０が回転し、約半回転した時点で前記とは反対向きの風を受けると、連結軸１３を中心として前記とは逆のモーメントが働き、第２回動軸１５が上述とは逆方向に上下溝部３１１、３１２を摺動して、第１風受け板１１と第２風受け板１２が閉じる（図３中の（２）の状態）。こうして羽根部１０が閉じると羽根部１０の抵抗は最小となり、前記の位置で受けた風のエネルギーは大きな減衰を受けず、本風車１の回転が維持される。

また本実施例では、上記Ａ及びＤは、下記の式（２）をさらに満たす。

Ａ及びＤの大小関係をこのように設定した理由は下記の通りである。
第１風受け板１１と第２風受け板１２が開いた状態で羽根体２が回転し、第２風受け板１２が第１風受け板１１よりも風上側に位置した状態になると、第２風受け板１２が、前記した羽根部１０が全開する際とは反対の面で風を受けるようになる。このとき、Ａ及びＤの大小関係を前記したように設定したことにより、第２風受け板１２を閉じようとするモーメントが、第１風受け板１１を開こうとするモーメントを上回るため、第１風受け板１１と第２風受け板１２が閉じる。従って、全開した羽根部が回転し、全面で風を受けなくなると、羽根部が閉じるため、羽根部の抵抗が抑えられる。

また逆に、第２風受け板１２が第１風受け板１１よりも風下側に位置した状態になると、第２風受け板１２が、全開する際と同じ面で風を受けるようになる。このとき、Ａ及びＤの大小関係を前記したように設定しておけば、第２風受け板１２を開こうとするモーメントが、第１風受け板１１を閉じようとするモーメントを上回るために、第１風受け板１１と第２風受け板１２が開く。これにより、閉じた羽根部１０が開くため、本風車の回転動力を効率よく発生させることができる。

なお、第１風受け板１１における第１回動軸１４から連結軸１３までの距離は、第２風受け板１２における第２回動軸１５から連結軸１３までの距離と等しい。これにより、羽根部１０が全閉可能となり、閉じた状態の羽根部１０にかかる風の抵抗を最小限に抑えることができる。ただし本実施例では、第２回動軸１５が上下溝部３１１、３１２の第１回動軸１４側の端部にまで摺動した状態であっても第１風受け板１１と第２風受け板１２の間に隙間が生じる。また、上下溝部３１１、３１２の回転軸２０側の端部により第２回動軸１５の摺動が阻止されるため、羽根部１０が反転することはない。

垂直軸型風車１のフレーム３０、回転軸２０、連結軸１３、第１回動軸１４及び第２回動軸１５は、いずれも軽量合金を用いて作製されているが、グラスファイバー等の軽量且つ強度の大きな他の素材を用いて作製してもよい。
第１及び第２風受け板１１、１２は、防水性の帆布やカーボン繊維等を用いて作製されている。

続いて、図４を参照しながら垂直軸型風車１の回転時における羽根部１０の開閉動作について説明する。以下の説明では、図３の羽根部１０において羽根部１０が閉じた際に内側にくる面を表（おもて）面、その反対側の面を裏面という。
図４は、回転中の垂直軸型風車１を上から見た図である。図４において、下から上に向かって風が吹いている状態では、図４中の（１）の位置の羽根体２では、羽根部１０が全開している。これにより、羽根部１０は表面の全面で風を受け、垂直軸型風車１を回転軸２０を中心に上から見て時計回りに回転させる。
一方、図４中の（２）の位置の羽根体２では、第２風受け板１２の裏面が風を受けて羽根部１０が閉じつつあり、図４中の（３）の位置では完全に閉じている。この状態では、羽根部１０が受ける風の抵抗は最も小さい。
さらに、図４中の（４）の位置の羽根体２では、第２風受け板１２の表面及び第１風受け板１１の裏面が風を受けることにより、羽根部１０が開きつつあり、羽根体２が図４中の（１）に到達するまでに羽根部１０が全開する。

このように、本発明に係る垂直軸型風車１では、回転軸を挟んで対向する羽根部を連動機構によって連動させる従来の垂直軸型風車とは異なり、連動機構がなくても羽根部１０が効率よく開閉することができるように構成されている。従って、各羽根部による開閉動作のタイミングがそれぞれ個別に変化し得るため、本風車が風向及び風力の変化を素早くとらえることができる。
また、本発明に係る垂直軸型風車では、従来の垂直軸型風車に比較して構成がより単純になる。従って、羽根体２や羽根部１０等の個数変更といった設計上の変更を容易に行うことが可能となる。また、全体が軽量化するため、大型化を容易に行うこともできる。

なお、上述した実施例では、第２回動軸１５は第１回動軸１４よりも回転軸２０側に配置されているが、これらの位置関係は逆であっても構わない。ただしその場合は、第１回動軸１４よりも外側の第１風受け板１１の面積を、第２回動軸１５よりも外側の第２風受け板１２の面積よりも大きく設定する。
また、上述した実施例では、第１及び第２風受け板１１、１２のうち、面積の大きい方の風受け板に設けられた回動軸を摺動可能としたが、面積の小さい方の風受け板に設けられた回動軸を摺動可能とすることが望ましい。面積の小さい風受け板は他方の風受け板に比べ重量が小さいため、このように構成することによって、摺動可能な回動軸と支持棒との摩擦を抑え、羽根部１０をより開閉しやすくすることができる。

本発明は種々の変更が可能である。
図５に示す羽根部１０’は、第１回動軸１４よりも外側の第１風受け板１１の面積Ａが、第２回動軸１５よりも外側の第２風受け板１２の面積Ｄと等しくなるように設計されている。この場合、上述した実施例と比べて羽根部１０’の開閉のタイミングが遅れるものの、垂直軸型風車１を問題なく回転させることができる。また、第１風受け板１１と第２風受け板１２の形状を同一とすることができるため、より容易に羽根部１０を作製することができる。
また、図６に示すように、羽根部１０’’の第１及び第２風受け板１１、１２は円形など矩形以外の形状であっても構わない。

１…垂直軸型風車
２…羽根体
１０、１０’、１０’’…羽根部
１１…第１風受け板
１２…第２風受け板
１３…連結軸
１４…第１回動軸
１５…第２回動軸
２０…回転軸
３０…フレーム
３１…上アーム（支持棒）
３２…下アーム（支持棒）
３３…縦枠
３１１…上溝部
３１２…下溝部

Claims

重力方向に延びる回転軸と、
前記回転軸に固定された水平方向に延びる支持棒と、
前記回転軸に平行な第１回動軸を中心に回動可能な第１風受け板と前記回転軸に平行な第２回動軸を中心に回動可能な第２風受け板とから成り、該第１風受け板と該第２風受け板が前記回転軸に平行な連結軸により開閉可能に連結されており、該第１回動軸が前記支持棒の所定位置に固定され該第２回動軸が前記支持棒に摺動可能とされている羽根部と
を有し、
前記第１回動軸と第２回動軸に挟まれた部分の第１風受け板と第２風受け板の面積の和が、前記第１回動軸よりも外側の第１風受け板と前記第２回動軸よりも外側の第２風受け板の面積の和よりも小さくなるように設定されており、
前記回転軸側にある回動軸よりも外側の風受け板の面積が、他方の回動軸よりも外側の風受け板の面積よりも大きく又は等しく設定されていることを特徴とする垂直軸型風車。
前記連結軸から前記第１回動軸までの距離が、前記連結軸から前記第２回動軸までの距離と等しいことを特徴とする、請求項１に記載の垂直軸型風車。
前記支持棒は２本設けられ、２本の支持棒が前記回転軸に垂直方向に離間して固定されて水平方向に延びており、前記羽根部の第１及び第２回動軸が前記２本の支持棒によって支持されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の垂直軸型風車。
請求項１〜３のいずれかに記載の垂直軸型風車を備えた風力発電装置。