JPWO2012073320A1 - 垂直軸型風車 - Google Patents

Abstract

【課題】、従来の垂直軸型風車は、強風速域において翼の回転速度が大きくなり過ぎてしまい、翼や軸、発電機などに故障や破損が発生しやいという問題があった。そこで、本発明は、強風速域において翼の回転速度が大きくなり過ぎないように抑制することが可能な垂直軸型風車を提案することを目的とする。【解決手段】以上の課題を解決するために、本発明は、円筒状回転軸と、円筒状回転軸に翼支持腕にて複数支持される翼と、からなる垂直軸型風車であって、前記複数の翼の回転方向の長さの総和は、前記翼の円周軌跡の長さの２０〜４０％である垂直軸型風車を提案する。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電などに用いられる垂直軸型風車に関する。

風車としては、回転軸が水平方向の水平軸型風車と、回転軸が垂直方向の垂直軸型風車が知られている。垂直軸型風車は、水平軸型風車と異なり、３６０度どちらの方向からの風についても回転駆動源とすることが可能であり、かつ、コンパクトなスペースに配置することができるという利点を有する。

また、垂直軸型風車は、翼に働く揚力と抗力を利用して回転力を得るものが一般的である。例えば、特許文献１に開示されている風力発電装置では、低風速域においては翼に作用する抗力を駆動源として回転力を得て、高風速域においては翼に作用する揚力を駆動源として回転力を得る構成となっている。

特開２００９−１８０２２８

しかしながら、従来の垂直軸型風車は、強風速域において翼の回転速度が大きくなり過ぎてしまい、翼や軸、発電機などに故障や破損が発生しやいという問題があった。そこで、本発明は、強風速域において翼の回転速度が大きくなり過ぎないように抑制することが可能な垂直軸型風車を提案することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明は、円筒状回転軸と、円筒状回転軸に翼支持腕にて複数支持される翼と、からなる垂直軸型風車であって、前記複数の翼の回転方向の長さの総和は、前記翼の円周軌跡の長さの２０〜４０％である垂直軸型風車を提案する。

複数の翼の回転方向の長さの総和を上記範囲とすることにより、強風速域において翼の円周軌跡の内側に流入する空気量が翼の側面幅によって制限されるため、翼の回転速度が大きくなり過ぎないように抑制することが可能になる。

実施形態１の垂直軸型風車の形状の一例を示す平面図 実施形態１の垂直軸型風車の形状の一例を示す正面図 実施形態１の垂直軸型風車の構造の一例を示す側面図 実施形態１の垂直軸型風車の構造の一例を示す平面図 実施形態１の垂直軸型風車の翼に働く力を示す図 実施形態２の垂直軸型風車の形状の一例を示す正面図 実施形態２の垂直軸型風車の構造の一例を示す側面図 実施形態３の垂直軸型風車の構造の一例を示す側面図 実施形態３の垂直軸型風車の構造の他の例を示す側面図 実施例１の垂直軸型風車の発電量と風速の関係を示す図

以下、本発明の実施形態について説明する。請求項と実施形態の対応関係は以下のとおりである。実施形態１は主に請求項１から請求項６に関し、実施形態２は主に請求項７と請求項８に関し、実施形態３は主に請求項９に関する。なお、本件発明は以下の実施形態の例に限定されるものではなく、種々なる態様で実施することが可能である。

＜＜実施形態１＞＞

＜概要＞
本実施形態の垂直軸型風車は、複数の翼の回転方向の長さの総和が翼の円周軌跡の長さの２０〜４０％であることを特徴とする。当該構成により、強風速域において翼の円周軌跡の内側に流入する空気量が翼の側面幅によって制限されるため、翼の回転速度が大きくなり過ぎないように抑制することが可能になる。

＜構成＞
図１と図２は、本実施形態の垂直軸型風車の形状の一例を示す平面図と正面図である。これらの図に示されているように、本実施形態の「垂直軸型風車」は、「円筒状回転軸」１と、「円筒状回転軸」に「翼支持腕」２にて支持される複数の「翼」３と、からなる。

「円筒状回転軸」１は、翼の回転軸としての機能を有する。さらに、水平方向から吹いてくる風をその側面で受け止めて、軸周りの空気の流れを形成する機能を有する。円筒状回転軸の直径は、風を受け止める抵抗体としての機能を鑑みて、翼の円周軌跡の直径の２０〜４０％とすることが好ましい。

図３と図４は、本実施形態の垂直軸型風車の内部構造の一例を示す側面図と平面図である。図３に示すように、「円筒状回転軸」１は、「支柱部材」１１と、支柱部材と翼支持腕の部材を連結する「連結部材」１２と、支柱部材などを覆うための「円筒カバー部材」１３などからなる構成が考えられる。ここで、支柱部材についてはステンレス等の金属やカーボンファイバーなどの強度の高い素材を用い、連結部材や円筒カバー部材についてはアルミニウム等の金属やカーボンファイバー、プラスチック樹脂などの耐久性が高く軽量な素材を用いることが好ましい。なお、円筒カバー部材において強度が要求されない部分については、アクリル樹脂、ABS樹脂等の加工しやすく軽量なプラスチック素材を用いることも考えられる。

「翼支持腕」２は、翼と円筒状回転軸をつなぎ、翼による回転力を円筒状回転軸に伝達する機能を有する。「翼支持腕」は、例えば図３及び図４に示すように、円筒状回転軸に連結される二本の「アーム部材」２１Ａ・２１Ｂと、アーム部材を覆う一組の「アームカバー部材」２２Ａ・２２Ｂなどからなる構成が考えられる。ここで、アーム部材についてはアルミニウム、カーボンファイバー等の耐久性が高く軽量な素材を用いることが好ましく、アームカバー部材についてはアクリル樹脂、ABS樹脂等の加工しやすく軽量なプラスチック素材を用いることが好ましい。

ここで、「翼から円筒状回転軸までの長さ」４１は、円筒状回転軸にて受け止める流量を鑑みて、円筒状回転軸の直径と同程度とすることが好ましい。翼から円筒状回転軸までの長さを円筒状回転軸の直径の半分未満とした場合は空気の流路が狭くなるため、軸周りの流量を十分確保することができなくなる。また、翼から円筒状回転軸までの長さを円筒状回転軸の直径の２倍以上とした場合は翼と円筒状回転軸の間を流れる空気の圧縮率を高くすることができなくなる。

また、「翼支持腕の水平幅」４２は、翼支持腕の側面を流れる空気を水平方向に整流する観点から、円筒状回転軸の直径の３０％以上とすることが好ましい。なお、軽量性の観点から、翼支持腕は円筒状回転軸の直径の５０％未満とすることが好ましい。

また、翼支持腕のいずれかの位置に穴部を設けて、鉛直方向の流路を確保することが好ましい。当該構成とすることにより、翼支持腕が回転した状態においても鉛直方向に流路が確保されるため、翼の円周軌跡の内側に対する空気の出入りがスムーズになる。具体的には、図４に示すように、二本の「アーム部材」２１Ａ・２１Ｂを所定の間隔をあけて配置し、翼から円筒状回転軸までの領域の略中央では「アーム部材」を「アームカバー部材」２２Ａ・２２Ｂで覆わない構成とすることが考えられる。これにより、翼から円筒状回転軸までの領域の略中央に鉛直方向の流路となる「穴部」２５が形成される。

なお、図２と図３では翼支持腕により鉛直方向の略中央の位置一か所で翼を支持する構成を示したが、翼支持腕により上下二か所で翼を支持する構成も可能であるし、それ以上の箇所で支持する構成も可能である。また、支持点についても種々考えられる。

「翼」３は、揚力により回転方向にトルクを発生させる機能を有する。ここで、翼は、繊維強化プラスチック、カーボンファイバー等の軽量で強度の高い素材を用いることが好ましい。また、複数の翼は、水平方向の風が吹いてくる方向に関係なく均等にトルクを発生させる観点から、回転方向にて等間隔に支持されることが好ましい。

図４に示すように、翼の上面は前縁から後縁にかけて緩やかに湾曲し、翼の下面は前縁から後縁にかけて平面的になっている。また、翼の前縁部分は丸みを帯びた形状であり、後縁部分はとがった形状となっている。これらの特徴は飛行機の主翼と同様である。翼厚は、高い揚力を発生させる観点から、もっとも厚い部分で円筒状回転軸の直径の５〜３０％とすることが好ましい。

図５は、水平方向の風が吹いたときに翼に作用する力を示す図である。この図に示すように、「翼」３は、「水平方向からの風」５１を受けることによって「揚力」５２を発生させる。当該揚力は翼に作用する「抗力」５３と垂直な方向に作用し、「回転方向」５４の成分を有する。当該回転方向の成分を駆動源として翼は回転する。

ここで、複数の翼の回転方向の長さの総和は翼の円周軌跡の長さの２０．０〜４０．０％となっている。なお、翼の回転方向の長さとは、翼を円周軌跡に投影したときの円弧の長さをいう。例えば、二枚翼である場合は各翼の回転方向の長さは１０．０〜２０．０％であり、三枚翼である場合は６．７〜１３．３％であり、四枚翼である場合は５．０〜１０．０％である。

当該構成とすることによって、強風速域にて翼の円周軌跡の内側に対して空気の流入が制限されるため、翼の回転速度の上昇が抑制される。一方、低風速域から高風速域においては翼の回転速度はそれ程速くならないため、翼の円周軌跡の内側に対して空気の流入がそれ程制限されず、翼の回転速度が不必要に抑えられることはない。

なお、複数の翼の回転方向の長さの総和が翼の円周軌跡長の２０％未満である場合は、強風速域になった場合において翼の回転軌跡の内側に入る空気の流量が多くなってしまい、回転速度上昇の抑制作用が弱くなる。また、総和が翼の円周軌跡長の４０％以上である場合は、低風速域から高風速域において、翼の回転軌跡の内側に入り込む空気量が不十分となり、低風速域から高風速域においても回転速度の上昇が抑制されてしまう。

また、各翼の鉛直方向の長さは、翼の円周軌跡の直径と略同程度とすることが好ましい。当該構成とすることにより、垂直軸型風車が占める空間の水平方向と鉛直方向のスケールが同程度になり、垂直軸型風車の安定性が高くなる。

＜効果＞
本実施形態の垂直軸型風車は、強風速域において翼の円周軌跡に内側に対して空気流入量が制限されるため、回転数が大きくなり過ぎないように抑制することができる。

＜＜実施形態２＞＞

＜概要＞
本実施形態の垂直軸型風車は、実施形態１の特徴に加えて、翼支持腕が上下二か所で翼を支持することで、翼支持腕と円筒状回転軸と翼とによって囲まれる整流窓が形成されることを特徴とする。翼の円周軌跡の内側に入り込んだ空気は整流窓によって圧縮されるため、外側で微風であっても円筒状回転軸の軸周りでは風速が速くなり、効率的に翼を回転させることが可能になる。

＜構成＞
図６は、本実施形態の垂直軸型風車の形状の一例を示す正面図である。基本的な構成は、実施形態１と同様であるが、本実施形態の垂直軸型風車は、「翼支持腕」２Ａ・２Ｂが上下二か所で「翼」３を支持することで、「翼支持腕」２Ａ・２Ｂと「円筒状回転軸」１と「翼」３とによって囲まれる「整流窓」４が形成されることを特徴とする。

「整流窓」は、翼支持腕と円筒状回転軸と翼の間の空間に流れ込む空気の流速や方向を整える機能を有する。整流窓に流れ込む空気は圧縮されて流速が速くなり、翼に働く揚力が大きくなって高い回転力を得ることが可能になる。

図７は本実施形態の垂直軸型風車の構造の一例を示す側面図である。この図に示すように、「翼支持腕」２Ａ（２Ｂ）が二本の「アーム部材」２１Ａ・２１Ｂ（２１Ｃ・２１Ｄ）と「アームカバー部材」２２Ａ・２２Ｂ（２２Ｃ・２２Ｄ）とからなる場合は、アームカバー部材を双曲面とし、整流窓を正面から見た場合に略０字型になるようにすることが考えられる。なお、アームカバー部材は、円錐台や、半球面などの形状とすることも可能である。

整流の効果を高くするために、翼支持腕の水平幅は翼の回転方向長の３０％以上とすることが好ましい。なお、５０％以上としても整流の効果に大きく影響を与えないため、軽量化の観点において３０〜５０％とすることが好ましい。

また、上下二か所の翼支持腕の間隔は、翼の鉛直方向長の５０％以上とすることが好ましい。整流窓の領域をある程度大きくすることによって、所定量以上の空気を水平方向に整流することが可能になる。

＜効果＞
本実施形態の垂直軸型風車により、実施形態１の効果に加えて、微風域であっても円筒状回転軸の周りでは風速が速くなるため、効率的に翼を回転させることが可能になる。

＜＜実施形態３＞＞

＜概要＞

本実施形態の垂直軸型風車は、実施形態１又は２の構成に加えて、円筒状回転軸と軸を共有する発電機を有することを特徴とする。当該構成により、円筒状回転軸の回転をダイレクトに発電機に伝達することが可能になり、効率的に発電を行うことが可能になる。

＜構成＞
図８は、本実施形態の垂直軸型風車の構造の一例を示す図である。基本的な構成は、実施形態１又は２と同様であるが、本実施形態の垂直軸型風車は、「円筒状回転軸」１と「軸」１１を共有する「発電機」５を有することを特徴とする。

「発電機」は、円筒状回転軸の軸回転を電力に変換する機能を有する。本実施形態の発電機は円筒状回転軸と軸を共有しているため、円筒状回転軸の回転力を直接的に利用することができ、効率的に発電を行うことが可能になる。発電機の具体例としては、例えば永久磁石式の交流発電機などを用いることが考えられる。発電機により発電された電力は図示しない配線によって取り出される。当該電力は、照明器具などの電気機器にて消費されたり、バッテリーに充電されたりすることが考えられる。

図９は、本実施形態の垂直軸型風車の構造の他の例を示す図である。発電機は図８に示したように円筒状回転軸の内部に配置することも可能であるが、例えば発電機の形状が大きく、円筒状回転軸の内部に配置できない場合などは、図９に示すように円筒状回転軸の下方に配置する構成も可能である。また、発電機を円筒状回転軸の上方に配置する構成も同様に可能である。

なお、円筒状回転軸と軸を共有するギア、プーリーなどの変速機を配置し、当該変速機と連結される発電機を設けることによって、低回転高出力風力発電機を構成することも可能である。

また、上記発電機を垂直軸型風車の内部又は外部に設置される制御コントローラによって制御する構成も可能である。例えば、回転速度を一定速度域に制御したい場合は発電機に接続されるバッテリーの電力を利用して電気ブレーキをかけたり、加速させたりすることが考えられる。

＜効果＞
本実施形態の垂直軸型風車により、実施形態１の効果に加えて、円筒状回転軸の回転をダイレクトに発電機に伝達することができるため、効率的に発電を行うことが可能になる。

本実施例の垂直軸型風車は、円筒状回転軸と、翼を上下二か所で支持する翼支持腕と、回転方向にて等間隔に支持される三枚翼と、円筒状回転軸と軸を共有し円筒状回転軸の内部に配置される発電機と、から構成される。本実施形態の垂直軸型風車の形状は、図５及び図６に示す例と同様であり、構造は図８に示す例と同様である。

円筒状回転軸は、支柱部材と、支柱部材と翼支持腕を連結する連結部材と、支柱部材などを覆う中空の円筒カバー部材と、から構成される。ここで、支柱部材はステンレス素材であり、連結部材や円筒カバー部材はアルミニウム素材である。なお、円筒カバー部材の上部及び下部はアクリル樹脂素材のドームとなっている。円筒カバー部材の直径は翼の円周軌跡の直径の３０％であり、ドームを含めた円筒カバー部材の鉛直方向の長さは翼の円周軌跡の直径の１１５％となっている。なお、翼の円周軌跡の直径は１［ｍ］としている。

本実施例の垂直軸型風車においては、三枚翼を上下二か所で支持するため、全部で６つの翼支持腕が存在する。各翼支持腕は、隙間を開けて配置される二本のアーム部材と、一組のアームカバー部材と、から構成される。アーム部材はアルミニウム素材であり、アームカバー部材はアクリル樹脂素材である。円筒状回転軸から翼までの長さは円筒状回転軸の直径と同一になっており、翼支持腕の水平幅（アームカバー部材の水平幅）は、円筒状回転軸の直径の４０％となっている。また、アームカバー部材は双曲面となっており、アームカバー部材と円筒カバー部材と翼とによって囲まれる整流窓は水平方向から見て略０字形状となっている。

翼の外側部分は回転方向に緩やかに湾曲した形状となっており、内側部分は平面的な形状となっている。また、翼の前縁部は滑らかな曲面形状であり、後縁部分はとがった形状となっている。翼の鉛直方向の長さは翼の円周軌跡の直径と同一であり、翼のもっとも厚い部分は円筒状回転軸の直径の１５％となっている。また、翼を円周軌跡に投影した円弧の長さは翼の円周軌跡の長さの１０％であり、三枚翼を円周軌跡に投影した円弧の長さの総和は翼の円周軌跡の長さの３０％となっている。なお、各翼の重さは３［ｋｇ］となっている。

発電機は永久磁石式の三相交流発電機であり、円筒状回転軸の内部に配置されている。ここで、発電機のボディと翼支持腕はアルミニウムの連結部材で連結されている。

図１０は、本実施例の垂直軸型風車の発電量と風速の関係を示した図である。この図に示すように、本実施例の垂直軸型風車は、風速４［ｍ／ｓ］において１１［Ｗ］の電力を発電し、風速１２［ｍ／ｓ］において３０５［Ｗ］の電力を発電することが可能である。また、この図には示されていないが、強風速域において翼の回転速度の上昇が抑制された。

１…円筒状回転軸、２…翼支持腕、３…翼、４…整流窓、５…発電機、１１…支柱部材、１２…連結部材、１３…円筒カバー部材、２１Ａ〜Ｄ…アーム部材、２２Ａ〜Ｄ…アームカバー部材、２５…穴部、４１…翼から円筒状回転軸までの長さ、４２…翼支持腕の水平幅、５１…水平方向の風、５２…翼に作用する揚力、５３…翼に作用する抗力、５４…翼の回転方向

Claims (9)

1. 円筒状回転軸と、
   円筒状回転軸に翼支持腕にて複数支持される翼と、
   からなる垂直軸型風車であって、
   前記複数の翼の回転方向の長さの総和は、前記翼の円周軌跡の長さの２０〜４０％である垂直軸型風車。
2. 円筒状回転軸の直径は、前記翼の円周軌跡の直径の２０〜４０％である請求項１に記載の垂直軸型風車。
3. 前記複数の翼は、回転方向にて等間隔に支持される三枚翼である請求項１又は２に記載の垂直軸型風車。
4. 前記翼と前記円筒状回転軸の間隔は、前記円筒状回転軸の直径と略同一である請求項１から３のいずれか一に記載の垂直軸型風車。
5. 前記翼支持腕の水平幅は、前記翼の回転方向の長さの３０〜５０％である請求項１から４のいずれか一に記載の垂直軸型風車。
6. 前記翼の鉛直方向の長さは、前記翼の円周軌跡の直径と略同一である請求項１から５のいずれか一に記載の垂直軸型風車。
7. 前記翼支持腕が上下二か所で翼を支持することで、翼支持腕と円筒状回転軸と翼とによって囲まれる整流窓が形成される請求項１から６のいずれか一に記載の垂直軸型風車。
8. 上下二か所の翼支持腕の間隔は、前記翼の鉛直方向長の５０％以上である請求項７に記載の垂直軸型風車。
9. 前記円筒状回転軸と軸を共有する発電機をさらに有する請求項１から８のいずれか一に記載の垂直軸型風車。

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