JP6465783B2 - 風力発電用の翼部材 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電用の翼部材に関するものである。

特許文献１で開示される垂直軸型風力発電装置は、風略発電の動力を生み出すための羽根１０３が回転軸１０２の周囲に複数個配置されており、羽根１０３の上下端には、風の流れを整える整流板１０５が設けられている。

特開２００５−６１２１８号公報

特許文献１では、整流板の板面が羽根の水平断面の外形を相似的に大きくした形状となっており、このような形状の整流板により、羽根の端から逃げる風を均等に受け、羽根に向かう風の流れを整流している。しかしながら、羽根の上下端では、翼端渦が周方向で均等に生じるわけではないため、特許文献１のように羽根の水平断面の外形を相似的に大きくした形で整流板を構成してしまうと、翼端渦の影響が小さい部分と影響が大きい部分とが同程度の形状となってしまうという問題がある。

例えば、特許文献１の思想に基づいて整流板を構成する場合、翼端渦の影響が最も大きい部分に合わせた広い幅で張り出すように整流板を相似的に大きくしてしまうと、翼端渦の影響が小さい部分が過剰な幅となってしまい、これに起因する諸問題（例えば、空気抵抗増、遠心力の負担増、降雪の影響増など）を招いてしまう。逆に、翼端渦の影響が最も小さい部分に合わせた狭い幅で張り出すように整流板を相似的に小さくしてしまうと、翼端渦の影響が大きい部分において張り出し幅が足りず、翼端渦の影響を十分に抑えきれなくなる。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、翼端渦の影響が大きくなる領域では整流板によって効果的に翼端渦の影響を抑えることができ、翼端渦の影響が比較的小さい領域では整流板を縮小又は省略して構成の簡素化を図り得る風力発電用の翼部材を提供することを解決すべき課題としている。

第１の発明は、所定方向の回転軸を中心として回転する回転部材に連結されるとともに、前記回転軸と交差する放射方向において前記回転軸から離れた位置に配置される風力発電用の翼部材であって、
前記回転軸の方向に沿った上下方向に延びる翼本体部と、
前記翼本体部の上方側の端部及び下方側の端部の少なくとも一方側に配置される整流板と、
を備え、
前記整流板は、前記翼本体部から前記回転軸側及び前記回転軸とは反対側にそれぞれ張り出して配置され、前記翼本体部から前記回転軸側に張り出す内側配置部のほうが前記翼本体部から前記回転軸とは反対側に張り出す外側配置部よりも最大幅が大きい構成である。

第２の発明は、所定方向の回転軸を中心として回転する回転部材に連結されるとともに、前記回転軸と交差する放射方向において前記回転軸から離れた位置に配置される風力発電用の翼部材であって、
前記回転軸の方向に沿った上下方向に延びる翼本体部と、
前記翼本体部の上方側の端部及び下方側の端部の少なくとも一方側に配置される整流板と、
を備え、
前記整流板は、翼厚方向において翼弦線よりも前記回転軸側の領域のみに張り出す構成である。

第１の発明では、整流板において、翼本体部から回転軸側に張り出す内側配置部のほうが翼本体部から回転軸とは反対側に張り出す外側配置部よりも最大幅が大きい構成となっている。大きな揚力が発生する内側（翼本体部よりも回転軸側）では風速が大きくなりやすいため、翼端渦の影響が特に懸念されるが、本発明では、翼端渦の影響が大きくなりやすい内側において整流板の最大幅を大きくしているため、翼端渦の影響をより効果的に抑えることができる。逆に、翼端渦の影響が小さくなりやすい外側では内側と比べて整流板を小さく構成することができるため、整流板の小型化及び軽量化の面で有利になる。

第２の発明では、整流板は、翼厚方向において翼弦線よりも前記回転軸側の領域のみに張り出す構成となっている。この構成では、翼端渦の影響が大きくなりやすい内側に整流板が集中的に配置されるため、翼端渦の影響をより効果的に抑えることができる。逆に、翼端渦の影響が小さくなりやすい外側では整流板が省略されるため、整流板の小型化及び軽量化の面で有利になる。

実施例１の翼部材を備えた風力発電装置を概略的に例示する斜視図である。 実施例１の翼部材の断面図である。 比較例のシミュレーション結果を説明する説明図である。 実施例２の翼部材の断面図である。 （Ａ）は、実施例３の翼部材の断面図であり、（Ｂ）は、実施例４の翼部材の断面図である。

本発明における好ましい実施の形態を説明する。
上述した第１、第２のいずれの発明も、整流板は、翼弦方向において翼本体部の前端部から後端部までの間に配置されていてもよい。

このように翼本体部の前側及び後ろ側に整流板を配置しない構成とすれば、翼部材をより軽量化することができる。

上述した第１、第２のいずれの発明も、整流板は、翼本体部よりも回転軸側において翼本体部の翼弦方向中央位置よりも前側に最大幅部が設けられ、最大幅部よりも翼弦方向の後方側となるにつれて幅が狭くなる構成であってもよい。

このようにすれば、翼端渦の影響が大きくなりやすい前側領域（翼弦方向中央位置よりも前の領域）において翼端渦の影響を効果的に抑えることができる。また、翼端渦の影響が比較的小さくなりやすい後ろ側の領域では整流板の張出幅を抑えることができるため、翼部材をより軽量化することができる。

＜実施例１＞
次に、本発明を具体化した実施例１について、図面を参照しつつ説明する。
実施例１の翼部材６０は、図１で示す垂直軸型風車１の一部として用いられる。この垂直軸型風車１は、図１で示すように、フレーム３、回転軸部材１０、アーム３０、連結部材５０、及び翼部材６０を備えている。

フレーム３は、垂直軸型風車１の設置場所に載置されて固定される部分である。図１の例では、フレーム３において４本の軸部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄが略平行に配置されており、例えばこれらの軸部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの軸方向を鉛直方向とする形で設置されている。軸部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの上端部付近は上枠部３Ｅにそれぞれ連結されており、軸部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの下端部付近は下枠部３Ｆにそれぞれ連結されている。

フレーム３には、回転軸部材１０と複数のアーム３０と複数の連結部材５０と複数の翼部材６０とを一体的に連結した構成の回転体２が回転可能に保持されている。この回転体２は、上下に長く構成されており、フレーム３に保持されつつ所定方向の回転軸Ｃを中心として回転する構造となっている。なお、回転軸Ｃは、回転体２の回転中心となる仮想的な軸線であり、図１では、回転軸Ｃの位置を一点鎖線にて仮想的に示している。

以下の説明では、回転体２の回転軸Ｃの方向と平行な方向を上下方向とし、回転軸Ｃを通りこの回転軸Ｃと直交する方向（回転半径方向）を放射方向とする。更に、図２（Ａ）のように、翼部材６０の進行方向前端部と後端部とを通り且つ上下方向と直交する方向の直線Ｌが翼弦であり、この直線Ｌと平行な方向が翼弦方向である。この翼弦方向を前後方向とし、翼部材６０の進行側を前方、それとは反対側を後方とする。更に、上下方向及び翼弦方向と直交する方向が翼厚方向である。この翼厚方向を左右方向とする。図２は、最も下の段のアーム３０よりもやや上の位置で翼部材６０を上下方向と直交する平面方向に切断した切断面を示しており、この切断面での長手方向が翼弦方向となっており、この方向と直交する短手方向が翼厚方向となっている。

回転軸部材１０は、円筒状に構成され、回転軸Ｃの方向を軸方向とする配置で回転軸Ｃの方向に延びている。回転軸部材１０は下方に配置された図示しない発電機の回転軸部に図示しない接続部品を介して連結され、この発電機の回転軸部とともに回転自在となっている。この回転軸部材１０の外周面には、等間隔で４個の円環状のフランジ１５が固定されている。各フランジ１５は４個の貫通孔を等間隔に離れた３か所に設けている。

アーム３０はフランジ１５に連結された状態で回転軸Ｃに平行な方向（上下方向）を板厚方向とする長方形状の平板材で形成されている。アーム３０は各フランジ１５から３本ずつ等角度（１２０度）間隔で回転軸Ｃと直交する半径方向（放射方向）にまっすぐ伸びている。アーム３０は基端部及び先端部の夫々に上下方向に貫通する４個の貫通孔が形成されている。これら４個の貫通孔はアーム３０の長辺又は短辺に平行な辺からなる所定の四角形の頂点に設けられている。アーム３０とフランジ１５とは、アーム３０の基端部の４個の貫通孔をフランジ１５の４個の貫通孔に重ね合わせてボルトを挿通し、挿通したボルトにナットを締め付けることによって、連結されている。

連結部材５０は、アーム３０と翼本体部７０とを連結する部材であり、アーム３０の先端部の４個の貫通孔を連結部材５０の４個の貫通孔に重ね合わせてボルトを挿通し、挿通したボルトにナットを締め付けることによって、アーム３０に連結されている。また、連結部材５０は、ねじ、ボルト等の連結部材によって翼部材６０に連結されており、アーム３０と翼部材６０とが所定の位置関係で保たれている。

翼部材６０は、回転軸Ｃを中心として回転する上述した回転部材（アーム３０等）に連結されるとともに、回転軸Ｃと交差する放射方向において回転軸Ｃから離れた位置に配置されるものである。この翼部材６０は、上下方向に延びる翼本体部７０と、翼本体部７０の上方側の端部及び下方側の端部にそれぞれ配置される整流板９０とを備える。

翼本体部７０は、流線型の翼形である。翼本体部７０は、回転軸Ｃに平行に伸びており、４個のアーム３０の先端部に設けられた連結部材５０にそれぞれ連結されている。翼本体部７０は、前側翼部材７１、中間翼部材７３、後側翼部材７５、カバー７７を有しており、これらが一体的に連結されている。

前側翼部材７１、中間翼部材７３、後側翼部材７５、及びカバー７７は、例えばアルミ合金を押出成形したものである。前側翼部材７１、中間翼部材７３、後側翼部材７５は、いずれも上下方向（翼幅方向）に貫通した内部空間を有している。カバー７７は、図１に示すように、翼本体部７０の内側面に開口する凹部７０Ａの開口部を塞ぐように翼本体部７０に取り付けられている。カバー７７は、凹部７０Ａの周囲の翼本体部７０の内側面と段差なく連続する。このように構成される翼本体部７０は、左右の外面部が対称形状となっており、左右両外面部が流線型で滑らかに湾曲している。

図１のように、翼本体部７０の上端部と下端部には整流板９０がそれぞれ固定されている。いずれの整流板９０も、金属板材などによって板状に構成されるとともに板厚方向を上下方向とする配置で翼本体部７０に固定されている。

図２のように、整流板９０は、翼本体部７０から回転軸Ｃ側（アーム３０が延びる側）及び回転軸Ｃとは反対側にそれぞれ張り出して配置されている。更に、翼本体部７０から翼弦方向前方側及び後方側にも張り出して配置されている。そして、整流板９０では、翼本体部７０から回転軸側に張り出す内側配置部９２のほうが翼本体部７０から回転軸とは反対側に張り出す外側配置部９４よりも最大幅が大きくなっている。

図２の例では、整流板９０において翼本体部７０から張り出す部分のうち、翼弦線Ｌよりも回転軸Ｃに近い領域ＡＲ１に配置される部分が内側配置部９２である。逆に、整流板９０において翼本体部７０から張り出す部分のうち、翼弦線Ｌよりも回転軸Ｃから遠い領域ＡＲ２に配置される部分が外側配置部９４である。なお、本構成では、翼厚方向を内側配置部９２及び外側配置部９４の幅方向としている。

内側配置部９２は、例えば、翼本体部７０の翼弦方向前端部から後端部までの範囲にわたって最大幅Ｗ１となっており、この最大幅Ｗ１は、例えば、翼本体部７０の幅（最大厚さ）の２倍以上４倍以下（望ましくは３倍程度）となっている。

外側配置部９４は、例えば、翼本体部７０の翼弦方向前端部から後端部までの範囲にわたって最大幅Ｗ２となっており、この最大幅Ｗ２は、例えば、翼本体部７０の幅（最大厚さ）以下（望ましくは翼本体部７０の幅の１／２程度）となっている。整流板９０の前方側の外縁部は、頂部Ｐ１が前端部となっている。そして、整流板９０の前方側の外縁部において頂部Ｐ１よりも幅方向一方側（幅方向において回転軸Ｃに近づく側）の部分は、幅方向一方側（回転軸Ｃ側）となるにつれて次第に後ろの位置になるように、外縁部が傾斜しつつ湾曲している。また、整流板９０の前方側の外縁部において頂部Ｐ１よりも幅方向他方側（幅方向において回転軸Ｃから遠ざかる側）の部分は、幅方向他方側（回転軸Ｃとは反対側）となるにつれて次第に後ろの位置になるように、外縁部が傾斜しつつ湾曲している。つまり、頂部Ｐ１は、整流板９０の前方側の外縁部において傾斜状態が切り替わる位置（変曲点）となっており、このような頂部Ｐ１が翼厚方向（幅方向）において、翼弦線Ｌよりも回転軸Ｃ側の位置（より具体的には、翼本体部７０よりも回転軸Ｃ側の位置）になっている。同様に、整流板９０の後方側の外縁部は、頂部Ｐ２が後端部となっている。そして、整流板９０の後方側の外縁部において頂部Ｐ２よりも幅方向一方側（幅方向において回転軸Ｃに近づく側）の部分は、幅方向一方側（回転軸Ｃ側）となるにつれて次第に前位置になるように、外縁部が傾斜しつつ湾曲している。また、整流板９０の後方側の外縁部において頂部Ｐ２よりも幅方向他方側（幅方向において回転軸Ｃから遠ざかる側）の部分は、幅方向他方側（回転軸Ｃとは反対側）となるにつれて次第に前位置になるように、外縁部が傾斜しつつ湾曲している。つまり、頂部Ｐ２は、整流板９０の後方側の外縁部において傾斜状態が切り替わる位置（変曲点）となっており、このような頂部Ｐ２が翼厚方向（幅方向）において、翼弦線Ｌよりも回転軸Ｃ側の位置（より具体的には、翼本体部７０よりも回転軸Ｃ側の位置）になっている。

以上のように、本構成では、整流板９０において、翼本体部７０から回転軸Ｃ側に張り出す内側配置部９２のほうが翼本体部７０から回転軸Ｃとは反対側に張り出す外側配置部９４よりも最大幅が大きい構成となっている。大きな揚力が発生する内側（翼本体部７０よりも回転軸Ｃ側）では風速が大きくなりやすいため、翼端渦の影響が特に懸念されるが、本構成では、翼端渦の影響が大きくなりやすい内側において整流板９０の最大幅を大きくしているため、翼端渦の影響をより効果的に抑えることができる。逆に、翼端渦の影響が小さくなりやすい外側では内側と比べて整流板９０の張り出し量を小さくすることができるため、整流板９０の小型化及び軽量化を図る上で有利になる。

図３では、図１の構成から整流板９０を取り外した構成についてのシミュレーション結果を示している。図３は、矢印の方向に風速１０ｍの風が吹いている場合において、回転軸を中心として翼本体部７０が回転するときに生じる圧力分布を簡略的に示している。なお、図３の圧力分布図は、濃度が大きいほど揚力が大きいことを示す。

図３で明らかなように、横方向に風が吹く場合、図３の１５０°の位置のように回転エリアにおいて風上側を通るときに翼本体部７０の内側（回転軸側）に大きな揚力が生じることになる。このように、特に内側において流速が大きくなり、内側での翼端渦の影響が特に懸念されるため、図２のように整流板９０において内側の張り出し量を大きくすればより効果的である。また、図３の３０°の位置のように回転エリアにおいて風下側を通るときには、翼本体部７０の外側（回転軸とは反対側）にもある程度の揚力が生じることになる。よって、図２のように整流板９０をある程度外側にも張り出すようにすれば効果的である。

＜実施例２＞
次に、図４を参照して実施例２について説明する。
実施例２は、整流板の構成のみが実施例１と異なり、それ以外は実施例１と同様である。よって、実施例１と同様の部分については実施例１と同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

実施例２の翼部材２６０も整流板２９０以外の基本構造は実施例１の翼部材６０と同様である。この翼部材２６０は、図１の構成において、翼部材６０に代えて適用できるものであり、この例でも、翼部材２６０は、回転軸Ｃを中心として回転する回転部材（アーム３０等）に連結されるとともに、回転軸Ｃと交差する放射方向において回転軸Ｃから離れた位置に配置されることになる。この翼部材２６０は、実施例１と同様の翼本体部７０を備えており、この翼本体部７０が上下方向に延びている。

翼部材２６０でも、翼本体部７０の上方側の端部及び下方側の端部の少なくとも一方側に整流板２９０が配置され、望ましくは翼本体部７０の上端部と下端部のそれぞれに配置されている。但し、整流板２９０は、翼本体部７０よりも回転軸Ｃに近い内側領域（翼厚方向において翼弦線Ｌよりも回転軸側の領域）及び翼本体部７０よりも回転軸Ｃから遠い外側領域（翼厚方向において翼弦線Ｌよりも回転軸から遠い側の領域）のうち、内側領域のみに張り出している。図４の例では、整流板２９０の幅が、前端部から後端部に亘って均一の幅で構成されている。なお、整流板２９０の幅は、翼本体部７０のよりもやや小さくてもよく、翼本体部７０よりも大きい幅（例えば、２〜４倍の幅）であってもよい。

この構成では、翼端渦の影響が大きくなりやすい内側領域に整流板２９０が集中的に配置されるため、翼端渦の影響をより効果的に抑えることができる。逆に、翼端渦の影響が小さくなりやすい外側領域では整流板が省略されるため、整流板の小型化及び軽量化の面で有利になる。

また、整流板２９０は、翼弦方向において翼本体部７０の前端部７０Ａから後端部７０Ｂまでの間に配置されている。このように翼本体部の前側及び後ろ側に整流板を配置しない構成とすれば、翼部材をより軽量化することができる。

＜実施例３＞
次に、図５（Ａ）を参照して実施例３について説明する。
実施例３は、整流板の構成のみが実施例１と異なり、それ以外は実施例１と同様である。よって、実施例１と同様の部分については実施例１と同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

実施例３の翼部材３６０も整流板３９０以外の基本構造は実施例１の翼部材６０と同様である。この翼部材３６０は、図１の構成において、翼部材６０に代えて適用できるものであり、この例でも、翼部材３６０は、回転軸Ｃを中心として回転する回転部材（アーム３０等）に連結されるとともに、回転軸Ｃと交差する放射方向において回転軸Ｃから離れた位置に配置されることになる。この翼部材３６０は、実施例１と同様の翼本体部７０を備えており、この翼本体部７０が上下方向に延びている。なお、図５（Ａ）では、整流板３９０に連結される翼本体部７０を二点鎖線にて仮想的に示している。

翼部材３６０でも、翼本体部７０の上方側の端部及び下方側の端部の少なくとも一方側に整流板３９０が配置され、望ましくは翼本体部７０の上端部と下端部のそれぞれに配置されている。但し、整流板３９０は、翼弦方向において翼本体部７０の前端部７０Ａから後端部７０Ｂまでの間に配置されている。このように翼本体部７０の前側及び後ろ側に整流板を配置しない構成とすれば、翼部材をより軽量化することができる。

＜実施例４＞
次に、図５（Ｂ）を参照して実施例４について説明する。
実施例４は、整流板の構成のみが実施例１と異なり、それ以外は実施例１と同様である。よって、実施例１と同様の部分については実施例１と同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

実施例４の翼部材４６０も整流板４９０以外の基本構造は実施例１の翼部材６０と同様である。この翼部材４６０は、図１の構成において、翼部材６０に代えて適用できるものであり、この例でも、翼部材４６０は、回転軸Ｃを中心として回転する回転部材（アーム３０等）に連結されるとともに、回転軸Ｃと交差する放射方向において回転軸Ｃから離れた位置に配置されることになる。この翼部材４６０は、実施例１と同様の翼本体部７０を備えており、この翼本体部７０が上下方向に延びている。なお、図５（Ｂ）では、整流板４９０に連結される翼本体部７０を二点鎖線にて仮想的に示している。

翼部材４６０でも、翼本体部７０の上方側の端部及び下方側の端部の少なくとも一方側に整流板４９０が配置され、望ましくは翼本体部７０の上端部と下端部のそれぞれに配置されている。但し、整流板４９０は、翼本体部７０よりも回転軸側において翼本体部７０の翼弦方向中央位置よりも前側に最大幅部４９０Ａが設けられ、最大幅部４９０Ａよりも翼弦方向の後方側となるにつれて幅が狭くなる構成となっている。このようにすれば、翼端渦の影響が大きくなりやすい前側領域（翼弦方向中央位置よりも前の領域）において翼端渦の影響を効果的に抑えることができる。また、翼端渦の影響が比較的小さくなりやすい後ろ側の領域では整流板の張出幅を抑えることができるため、翼部材をより軽量化することができる。

また、整流板４９０は、翼弦方向において翼本体部７０の前端部７０Ａから後端部７０Ｂまでの間に配置されている。このように翼本体部７０の前側及び後ろ側に整流板を配置しない構成とすれば、翼部材をより軽量化することができる。

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１では、翼部材を連結する回転部材の例として、回転軸部材１０、アーム３０、連結部材５０が一体的に構成された例を示したが、一体的に回転する回転体であればこの構造に限定されない。
（２）実施例１では、翼本体部を前側翼部材、中間翼部材、後側翼部材によって形成したが、翼全体を一体に形成してもよい。また、翼本体部を２部材、又は４部材以上から形成してもよい。
（３）実施例１では、連結部材や翼本体部７０を構成する各部材をアルミ合金で形成したが、他の金属材料によって形成してもよい。

１…垂直軸型風車
３０…アーム（回転部材）
６０…翼部材
７０…翼本体部
９０，２９０，３９０，４９０…整流板
９２，３９２…内側配置部
９４，３９４…外側配置部
Ｃ…回転軸

Claims (4)

1. 所定方向の回転軸を中心として回転する回転部材に連結されるとともに、前記回転軸と交差する放射方向において前記回転軸から離れた位置に配置される風力発電用の翼部材であって、
   前記回転軸の方向に沿った上下方向に延びる翼本体部と、
   前記翼本体部の上方側の端部及び下方側の端部の少なくとも一方側に配置される整流板と、
   を備え、
   前記整流板は、前記翼本体部から前記回転軸側及び前記回転軸とは反対側にそれぞれ張り出して配置され、前記翼本体部から前記回転軸側に張り出す内側配置部のほうが前記翼本体部から前記回転軸とは反対側に張り出す外側配置部よりも最大幅が大きい構成である風力発電用の翼部材。
2. 所定方向の回転軸を中心として回転する回転部材に連結されるとともに、前記回転軸と交差する放射方向において前記回転軸から離れた位置に配置される風力発電用の翼部材であって、
   前記回転軸の方向に沿った上下方向に延びる翼本体部と、
   前記翼本体部の上方側の端部及び下方側の端部の少なくとも一方側に配置される整流板と、
   を備え、
   前記整流板は、翼厚方向において翼弦線よりも前記回転軸側の領域のみに張り出す構成である風力発電用の翼部材。
3. 前記整流板は、翼弦方向において前記翼本体部の前端部から後端部までの間に配置されている請求項１又は請求項２に記載の風力発電用の翼部材。
4. 前記整流板は、前記翼本体部よりも前記回転軸側において前記翼本体部の翼弦方向中央位置よりも前側に最大幅部が設けられ、前記最大幅部よりも翼弦方向の後方側となるにつれて幅が狭くなる構成である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の風力発電用の翼部材。