JPWO2018194105A1 - 垂直軸型タービン - Google Patents

Abstract

ブレードの揚力を更に増加させて、風力エネルギー等の利用効率を更に向上するとともに、初動が容易かつ確実な垂直軸型タービンを実現する。本願の一態様として、回転軸１１に連結され、回転軸１１方向の翼幅と回転軸１１の回転方向の翼弦長とを有し、回転軸１１との間隔が翼端９１から翼根元９２にかけて対数螺旋状に変化して形成された複数のブレード２０と、ブレード表面に配置された小さないわゆるボルテックスジェネレータ５０と、翼端にいわゆるウィングレット６０とを備え、またブレード２０と回転軸１１とを接続する腕部３０Ｂも螺旋状あるいは対数螺旋状とし、かつエアロフォイル形状を有することで副翼効果を持たせる構成とした。

Description

本発明は、風力発電等に使用するための垂直軸型タービンに関する。

風力発電等に使用されるタービンは、風向きに対して回転軸が平行となる水平軸型タービンと風向きに対して回転軸が垂直になる垂直軸型タービンとに大別される。水平軸型タービンは、風力エネルギーの変換効率が高いとされているが、受風面が風向に対し直交となるように回転軸の方向を合わせて変えなければならず、方向制御機構が必要とであると同時に風向きが変わるたびに損失を生じる。また、発電機などを格納するナセルを高所に配置せざるを得ないためメンテナンスもしづらく、高い重心を支える構造や安全性確保のための制御機構による一定の配慮が必要となる。つまり、水平軸型タービンは風向が変わりやすい地域では不利であり、かつ広い設置面積が必要であり、機構そのものが複雑かつ高コストになりやすいという点が短所となる。

それに対し、垂直軸型タービンは、地面に対して垂直に固定することで回転軸が風向に対して常に垂直になるようにすることができる。回転軸に直接ブレードが取り付けられるのではなく、円板状の台座や水平方向に伸ばした腕などで一定の半径を保ち、回転軸と平行になる方向を翼幅とするのが一般的な形状である。風向きに対する依存性がないため方向制御装置は不要となる他、発電機などの重量物を地面近くの下方に配置できる。よって、水平軸型タービンに比べて、シンプルかつ安定性の高い構造とすることができる。また、翼幅を伸ばしても回転半径が拡大されないので、設置面積を小さくすることができる。

こうした垂直軸型タービンは、自己起動性の低さを改善するための様々な取り組みが行われてきたが、自己起動性の改善のためだけに別の機構を用いるものが多く、その分コストが嵩む結果となるもの、高速時に安定的な出力を得られなくなるものが多かった。そうした中、垂直軸型タービンの中で風力エネルギーの変換効率が最も高いとされる直線翼型タービンに対して、翼に後退角を持たせることで翼の回転軌道上に傾斜させた（ブレードをヘリカル螺旋状とした）垂直軸型タービン（ヘリカルタービン）が開発された（特許文献１）。

かかるヘリカルタービンは翼型の断面を有し、主として揚力によって回転を得るように構成されているが、ヘリカル形状によって、すべての回転角位相においてブレードの断面のいずれかが常時流体の流れに対して最適な迎角を持つことが保証される。また、同様にすべての回転角位相において、抗力によって回転モーメントを得られる断面を持つことが保証される。これによりタービンの自己起動を容易にし、回転を安定させるとされている。

また、上記ヘリカルタービンに対して、その翼幅の中心となる位置を最大回転半径とし、翼端を最小回転半径になるようにブレードを傾斜変形させ、さらに輪状体にて複数のブレードを連結させて樽型状とすることで、主にその構造上の強度など高める改善を施された垂直軸型タービンも開発された（特許文献２）。

特表平１１−５０６１８０号公報 特許第５６５１６８０号公報

上述のように、設置面積やメンテナンス性などにおいて有利な垂直軸型タービンであるが、より高い風力エネルギー等の変換効率と、自己起動性の更なる容易性と確実性とが求められている。そこで本発明者は、垂直軸型タービンのブレードが生じる揚力／抗力による回転モーメントをより増加させて、風力エネルギー等の利用効率を更に向上させることができ、また自己起動が容易且つ確実となることを見出し、本発明の垂直軸型タービンを実現したものである。

すなわち、本発明の垂直軸型タービンは、垂直の回転軸と、前記回転軸の周りに配置され該回転軸に近い方の端部である翼根元から前記回転軸に遠い方の端部である翼端までの区間のうち少なくとも一部の区間において拡開するように形成され、かつ前記回転軸の延伸方向と略直交する断面である横断面において翼型を有し、前記横断面の前記回転軸からの水平距離が前記回転軸の軸方向に沿って対数螺旋状で変化するように形成されたブレードと、前記回転軸と前記ブレードとを連結する腕部と、を備えたことを特徴とする。

また、ブレードが、前記翼型の翼幅の方向に形成された１又は２以上のスリットを備えることが好ましい。

また、前記ブレードが、前記翼型の表面に流体渦を発生させるための流体渦発生機構としてのボルテックスジェネレータを備えることが好ましい。

また、前記ブレードが、前記翼型の前縁部に流体渦を発生させるための流体渦発生機構としてのドッグトゥース形状を備えることが好ましい。

また、前記ブレードが、前記翼型の翼端に流体による翼端渦を防止または利用するための翼端渦防止機構としての平面状あるいは立体的なウィングレットを備えることが好ましい。

また、前記回転軸と前記ブレードに係る翼弦中心との間隔が、前記回転軸の翼根元側から翼端側にかけて螺旋状で増加する中で、前記ブレードの翼型の翼弦長が縮小又は拡大するように形成されることが好ましい。

また、前記垂直軸型タービンが前記回転軸の軸方向に複数段連結された構成が好ましい。

また、前記連結型垂直軸型タービンにおいて、一方の垂直軸型タービンは円筒形回転軸、他方の垂直軸型タービンは前記円筒形回転軸に嵌挿される棒状回転軸を有し、かつ、それぞれの回転軸の回転方向が逆方向であり、一方の回転軸に二重反転式発電機の磁石、他方の回転軸にコイルがそれぞれ連結され、前記磁石とコイルが逆方向に回転するように構成されていることが好ましい。

また、前記連結型垂直軸型タービンにおいて、前記二重反転式発電機の上下に、該二重反転式発電機を挟むように前記垂直軸型タービンを、それぞれの回転軸の中心軸線が一致するように配置し、上下の前記回転軸を前記二重反転式発電機のコイル側又は磁石側のいずれか一方の回転子に連結し、上下の前記回転軸を逆回転させて、前記磁石とコイルが逆方向に回転するように構成されていることが好ましい。

また、前記垂直軸型タービンが隣接して複数台並列に設置され、それぞれの垂直軸型タービンにおける前記回転軸が、プーリ、ベルト、ギアなどを介して動力伝達されることが好ましい。

また、複数の垂直軸型螺旋タービンを同一円周上に配置できる一体型フレームを備え、該一体型フレームの回転軸と、該一体型フレームの外周脚部を支え、かつ、回転が可能となるような軌道溝とで、複数の垂直軸型タービン群体が設置されることが好ましい。

また、前記回転軸が伸縮自在に構成され、前記ブレードが、翼幅方向に分割されたスライド翼、または柔軟な素材からなる筋で形成された翼型の骨組みに帆を張った翼で構成され、前記回転軸を軸方向ヘ縮小することにより前記翼が折り畳まれように構成されていることが好ましい。

また、前記回転軸の設置方向が、流体の流れの方向と平行となるように設置することが好ましい。

本発明に係る垂直軸型タービンは、各ブレードで生じる揚力／抗力による回転モーメントをより増加させることで、風力エネルギー等の利用効率を更に向上させることができ、また自己起動が容易且つ確実となる。

本発明の一実施形態に係る垂直軸型タービンの概略構成を示す斜視図である。 図１に示す垂直軸型タービンのブレードの概略正面構成を示す図である。 図１に示す垂直軸型タービンのブレードの概略平面構成を示す図である。 ヘリカルタービン（従来型）でのブレードを通過する風の流れを示す図である。 本発明の一実施形態に係る垂直軸型タービンにおけるブレードを通過する風の流れを示す図である。 本発明の一実施形態に係る基本形状の変形例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る基本形状の別の変形例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る基本形状のまた別の変形例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るヘリカルタービンなどとの合成例の図である。 本発明の一実施形態に係るスリットの導入による効果を示す図である。 本発明の一実施形態に係るブレード表面に配置する、いわゆるボルテックスジェネレータの色々なバリエーション例（型）を示した図である。 本発明の一実施形態に係るブレード表面に楔状凸型のボルテックスジェネレータを設置した状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係るブレード側前縁にアウトフローが発生する様子を示した図である。 本発明の一実施形態に係るブレード側前縁にいわゆるドッグトゥース形状を施した状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る翼端渦の発生状態などを示す図である。 本発明の一実施形態に係る揚力低下を抑制するいくつかのウィングレットの例（型）を示す図である。 本発明の一実施形態に係る加速された気流と翼端渦を利用して推進力を得るウィングレットの例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る腕部を副翼化した例を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る垂直軸型タービンの概略構成を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る垂直軸型タービンの翼型断面を示す図である。 本発明のまた別の実施形態に係る垂直軸型タービンの、いわゆるウィングレットを示す図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る垂直軸型タービンの、また別のいわゆるウィングレットを示す図である。 本発明のまた別の実施形態に係る、いわゆるタンデム構造にした状態と気流の経路を示す図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る、いわゆるタンデム構造にした状態と気流の経路を示す図である。 本発明のまた別の実施形態に係る、いわゆるタンデム構造にした状態と気流の経路を示す図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る、いわゆるタンデム構造にした状態と気流の経路を示す図である。 二重発電機を取り付けた複数段構造の垂直軸型タービンの斜視図である。 二重発電機を取り付けた複数段構造の垂直軸型タービンの側面図である。 二重発電機を取り付けた複数段並列構造の垂直軸型タービンの側面図である。 二重発電機の別の実施形態を示す斜視図である。 二重発電機の縦断面図である。 折り畳み可能な第８の実施形態の垂直軸型タービンの斜視図である。 折り畳み時の第８の実施形態の斜視図である。 折り畳み可能な垂直軸型タービンの変形例である。 伸縮可能な回転軸の他の構造例を示す斜視図である。 伸縮可能な回転軸の他の構造例を示す斜視図である。 伸縮可能な回転軸の他の構造例を示す斜視図である。 マグヌス効果を利用する一体型フレームに組み込んだ構造の斜視図である。 垂直軸型タービンの水平設置を示す側面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る垂直軸型タービンについて説明する。

＜第１の実施形態：ブレードの基本形状＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る垂直軸型タービンの概略構成を示す斜視図、図２はそのブレード部分の概略正面図、図３は概略平面図である。図１に示すように、第１の実施形態は、回転軸１１に腕部３０により３枚のブレード２０が取り付けられて構成される。これらの構成のうち、ブレード２０はその延伸方向と略直交する断面（横断面）が図１及び図３に示されるように、翼型もしくは涙の雫を引き伸ばした形状をなし、こうした断面が上下方向（延伸方向）にいわば積層されて形成されている。各ブレード２０はその上下方向（延伸方向）の断面（縦断面）が、図２で示すように、上側の翼端９１から下側の翼根元９２に向かって、回転軸１１からの水平距離が、図３で示すように対数螺旋状に減少するように形成されている。

上記の構成を有する垂直軸型タービン１Ａの作用・動作について説明する。図１において、回転軸１１に直交する方向から風などの流体が流れてきて各ブレード２０がかかる流体によって押圧されると、その縦断面の中心線によって形成される線分が螺旋状に形成されていることから、ブレード２０面のいずれかの部分が常に最適な位置となり初期の回転を起動するトルクを発生する。更にブレード２０はその縦断面の中心線によって形成される線分が対数螺旋状に形成されていることから、従来のヘリカルタービンに比べてブレード１枚あたりの面積が拡張される効果を持ち、受風によるエネルギーをより多く獲得することとなる。これらの結果、回転時のトルクの増大、即ち回転数の増大につなげることが可能となる。

このように、第１の実施形態によれば、ブレード２０を複数枚（例えば３枚）、回転軸１１の周りに均等に配置し、各ブレードの翼端から翼根元にかけて回転軸１１を中心としたその縦断面を略対数螺旋状に形成したことから、より大きな揚力／トルクを発生させ、回転数の増加を実現することが可能となる。

＜第２の実施形態：スリットの導入＞
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る垂直軸型タービンの概略構成を示す図であり、図１５はそのブレードの翼型断面を示した図である。第２の実施形態に係る垂直軸型対数螺旋状タービン２Ａにおいては、図１４に示されるように、各ブレード２０Ａは複数のスリット４１、４２を有するように複数のサブブレード（ブレード構成要素）２１、２２、２３を備えて構成される。これらのサブブレードは、図７で示されるように、各サブブレードの翼型形状が若干の重なりを持つように、すなわち、サブブレード２１の横断面における翼型もしくは涙滴型形状の尖端部とサブブレード２２の同様形状の円弧端部とが正面視で若干の重なりを帯び、サブブレード２２の横断面における翼型もしくは涙滴型形状の尖端部とサブブレード２３の同様形状の円弧端部とが正面視で若干の重なりを帯びるように、形成される。このように構成されることで、流体がそのスリットをスムーズに通り抜けることが可能となる。また、上記では１枚のブレードが３枚のサブブレードを有して構成される態様を例にとって説明したが、サブブレードの数は３に限らず、任意の自然数とすることができる。その場合には、スリットの数は（サブブレードの数）−１となる。

本発明の第２の実施形態によれば、スリット４１，４２を備えたことにより、回転軸１１に（略）直交する方向から風などの流体が流れてきて各ブレード２０Ｂがかかる流体からの押圧力を受けた場合、図７で示したように、スリットからかかる流体（たとえば風）が抜けることから当該流体（たとえば風）のブレードからの剥離を遅らせ、風などの流速を増大する効果を持たせることが可能となる。この結果、垂直軸型タービンで風の状態により発生するいわゆる失速状態を回避し、安定的に風のエネルギーを回転数に変換することが可能となる。

＜第３の実施形態：ボルテックスジェネレータの配置＞
本発明の第３の実施形態に係る垂直軸型タービンとして、図８Ｂに示すように各ブレード２１の表面に複数の小さな楔状凸型のボルテックスジェネレータ５０（図８Ａの（ａ））を配置することもできる。ボルテックスジェネレータの形状としては種々のパターンが可能であり、たとえば、板状凸型５１（図８Ａの（ｂ））、ブレードの翼幅方向に沿った縦溝状凹型５２（図８Ａの（ｃ））、ブレードの翼弦方向に沿った横溝状凹型５３（図８Ａの（ｄ））もしくは複数の小さな窪み状凹型５４（図８Ａの（ｅ））などを採用することもできる。これらブレード表面に凸型もしくは凹型のボルテックスジェネレータを備えることで、流体が各ブレードの表面を流れるときに小さな渦流が発生し、流体のブレードからの剥離を遅らせることを可能としている。その結果、風のエネルギーからより多くの揚力を発生させ、トルクの増加から回転数の増加につなげることができるようになる。

＜第４の実施形態：ドッグトゥース形状の導入＞
本発明の第４の実施形態に係る垂直軸型タービンとして、図９Ｂに示すように各ブレードの前縁にギザギザ形状のいわゆるドッグトゥース５０３を導入する機能を採用する。これによりブレードが回転するときに気流に作用し、図９Ａで示されるようなアウトフロー５０２を遮り、翼上面に帯状の乱流を発生させる。これらの作用により翼端側に極端にそれてしまう流れを翼上面に安定させ、揚力を安定させる機能を持つことが可能となる。

＜第５の実施形態：ウィングレットの導入＞
図１６及び図１７は、それぞれ本発明の第５−１の実施形態及び第５−２の実施形態に係る垂直軸型タービンとして、ブレードの翼端にウィングレットとして機能する部分を導入した状態を示す図である。ウィングレットとは、各ブレードの翼端を他の翼部とは異なる形状／角度に加工し、もしくは当該の異なる形状体を取り付けた翼端のことである。本発明の第５−１の実施形態に係る垂直軸型タービンの概略は、図１６に示されている。本発明の第５実施形態では、第２の実施形態のように各ブレードはサブブレードで構成されスリットを持っているが、各ブレードの翼端部には曲り型のウィングレット６１が導入されている。このようなウィングレットを持った構成を備えることで、ブレードが回転するときに気流に作用して翼端渦を発生、これにより揚力低減を抑止することや空気抵抗（誘導抗力）を減らす機能を持つことが可能となる。

本発明の第５−２の実施形態においては、図１７に示されるように、各ブレード２０の翼端部に先細り形状６２が与えられている。このように、各ブレードの翼端に、翼端翼機能相当部を設けることで、翼端（ブレード端）渦の発生を抑制する効果を持たせることができる。翼端翼の形状は図１１の（ａ）から同図（ｌ）に示されるように先端を細くする、先端を丸める、先端を細分化するなど様々な類型を用いることができる。図１７の場合は、各ブレードの翼端部に立体的な曲りを持ったウィングレット６２が導入されている。このウィングレット６２によって、ブレードが回転するときに気流に作用し、図１２で説明されたように翼端渦４０４と増大した翼表面の流れ５００とが合成されて、翼を進行方向に押し出す推進力（抗力）５０１を作り出す機能を持つことが可能となる。その結果、風のエネルギーからより多くのトルクを発生し、回転数の増加を実現することができる。

このようなウィングレットは、好適には、図１２に示すように翼に対して、内側かつ回転方向後方に後退しながら先細りになるような形状として導入する。

＜第６の実施形態：ブレードの翼弦長の変化＞
図５Ａに示すように、翼根元から翼端に向かって翼弦長が大きくなる形状又は図５Ｂに示すように、後縁の後退角を小さくした形状、さらには図５Ｃに示すように、形状とするすることができる。

翼弦長や後退角の調整だけではなく、拡大角θ（図３参照）を翼幅の途中で変更することもできる。例えば、拡大角θを０度とした場合は、従来の直線翼型タービンやヘリカルタービンと同一形状となるが、これと対数螺旋状の形状とを組み合わせた形状は回転半径を一定程度に留めながら翼幅の長さを拡大させる手段として有効である。対数螺旋状の形状を翼根元側や翼端側、またはその両方として、従来の直線翼型タービンやヘリカルタービンと接合させることや、その逆パターン、接合を交互に繰り返すことが可能である。たとえば図６ではｅの部分がヘリカルタービンと同じθ＝０度となっている。

＜第７の実施形態：タービン連結構造＞
図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃ、図１８Ｄは、本発明の第７の実施形態に係る垂直軸型タービンの連結設置を示す図である。上記の第１〜第７の実施形態の垂直軸型タービンのユニットは、回転方向を同一にして複数組み合わせて同一軸に連結する、いわゆるタンデム構造としてもよい。この場合、各ブレードの回転半径を下部に向けて減少する型（Ａ型）と、下部に向けて増加する型（Ｂ型）との組み合わせは、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃ、図１８Ｄに示すように、Ａ＋Ａ、Ａ＋Ｂ、Ｂ＋Ａ、Ｂ＋Ｂなど、色々な組み合わせが可能であるが、設置場所や季節などの条件により好適な組合せを選ぶことが望ましい。また、同一軸に連結するのではなく、発電機などのエネルギー変換ユニットと一体化したものを一つの出力モジュールとして、同一垂直軸位置に積み上げる、いわゆるスタック構造としてもよい。これらのスタック構造を採用すれば少ない設置面積で総受風面積を増やすことになるので、より大きな運動エネルギーを得ることができる。このスタック構造は垂直軸タービンに特有な有効的方法である。

図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃ、図１８Ｄの各図に示すように、ブレードの一部または全部の回転半径が縦方向に減少又は増加するよう形成することができる。回転半径が縦方向に減少する構成の場合、即ち翼端がタービンの上部側になるように設置した場合は、気流の上昇成分の運動エネルギーを回転数増加につなげることができるので、ビルなどの建物の屋上や、山の稜線上など、気流の上昇成分が多くなる場所に設置する場合に好適ということができる。また、回転半径が縦方向に増加する構成の場合、即ち翼端をタービンの下部になるように設置した場合では、気流の下降成分や降雨、降雪が持つ運動エネルギーをも回転数増加につなげることができるので、高層ビルの下などのように気流の下降成分が多くなる場所や、降雨や降雪の多い地域に設置する場合に好適となるのである。

＜第８の実施形態：二重反転式発電機の取り付け＞
一般に、二重反転式発電機とは、従来の固定子と回転子による発電機における固定子を回転子とは逆方向に回転させることで、相対的に回転を２倍とし、発電能力を増すことができる発電機である。近年では風力発電、水力発電の分野などにおいて積極的に取り入れられている。本発明に於いても、遊星ギアシステムを応用したり、タービンを連結させたりすることでその利用が可能である。

図２３、図２４は、二重反転式発電機の構成例であり、互いに回転するマグネット板８０５とコイル板８０６とを備え、二重回転軸の回転軸１１にコイル板８０６が、回転軸１３にマグネット板８０５が各々固定され、回転軸１１と１３との間にはベアリング１５が介在されて両回転軸１１、１３は互いに逆回転するようになっている。

図１９は２段構造の垂直軸型タービンの斜視図であり、上方に位置する、翼上面が内側となる垂直軸型タービン５Ａと、下方に位置する、翼上面が内側となる垂直軸型タービン５Ｂとから構成される。

垂直軸型タービン５Ａ及び５Ｂは、拡開側が同一方向かつ回転方向が逆になるように配置される。図１９では垂直軸型タービン５Ａが反時計回り、垂直軸型タービン５Ｂが時計周りとなる。

ここで、垂直軸型タービン５Ａは、回転軸１１を有しており、垂直軸型タービン５Ｂは、円筒形の回転軸１３を有しており、回転軸１３内に回転軸１１が嵌挿され、これにより回転軸１３が回転軸１１の軸受けにもなっている。

図１９に従えば、回転軸１１の回転は二重反転式発電機８００の内部回転子（例えばコイル）８０１を反時計回り７００に回転させ、回転軸１３の回転は外部回転子（例えば磁石）８０２を時計回り７０１に回転させることを示している。

図２０は、二重反転式発電機８００への回転伝達の別の構成例を示す。二重反転式発電機８００への回転伝達は、図１９に示すように同軸の回転軸を用いても良いが、図２０に示すように、二重反転式発電機を逆転する複数段構造のタービンの中央に配置し、二重反転式発電機の互いに逆転するシャフトを上下反対方向に伸ばして設置しても良い。すなわち、反転する２組以上の垂直軸型タービン（ブレードユニット）を二重反転式発電機８００に接続する方法として同軸回転軸を用いるのではなく、発電機８００内で同一の中心軸を持つ二つの回転軸１１０Ａ、１１０Ｂを上下に伸ばし、それぞれを逆回転させている。図２０では、下部の垂直軸型タービン５Ｅ、５Ｆは回転軸１１０Ｂを通じてコイル側回転子８０１に接続され、上部に位置する垂直軸型タービン５Ｇ、５Ｈは回転軸１１０Ａを通じてマグネット側回転子８０２に接続されている。この２つの回転子８０１、８０２は互いに反転し、発電機の相対的な回転を２倍にして発電効率を増すことができると共に、同軸シャフトを使うよりもコストを抑えることができる。なお、反転する垂直軸型タービンの個数は限定されない。

さらに、図２１は、２段連結の垂直軸型タービン５Ａ、５Ｂと垂直軸型タービン５Ｅ、５Ｆを並列に設置した構成である。このような構成でプーリー８５０、ベルト８５１などの伝導機器を介して二重反転式発電機と接続してもよい。あるいはギヤを利用して並列に設置した垂直軸型タービンの回転を互いに逆転するようにして、二重反転式発電機に接続することも可能である。

＜第９の実施形態：＜マグヌス効果の利用＞
一様流の中の回転する球体や円柱体、並びに円錐・円錐台には、移動方向または一様流に対して垂直の力（揚力）が発生することが知られている。これをマグヌス効果と言うが、垂直軸型螺旋タービンについても、各ブレードが回転しているときのタービン全体の形状は円柱形となるので、ブレードのみならずタービン自体にもマグヌス効果が働くことになる。垂直軸型タービンは水平軸型タービンのように重心が高くなることはなくタービン全体に風圧が均一にかかることになるので、強風時においても安全性の上では有利であるが、同一方向からの強風が一定時間吹くような環境にあるときには、このマグヌス効果によりタービン全体またはシャフト等には強い圧力がかかることになる。

このように強い風圧からタービンを守り、このマグヌス効果による揚力も回転エネルギーに変換するものとして、本発明の第９の実施形態を図２８に示す。同図に示されるように、本発明の第９の実施形態は、複数の垂直軸型タービンを同一円周上に配置できるような一体型フレーム７０と、その一体型フレーム７０の回転軸７１と、一体型フレーム７０の外周脚部を支え、かつ、回転が可能となるような軌道溝７２とで、複数の垂直軸型タービンすなわち垂直軸型タービン群体が設置される。

個々の垂直軸型タービンの回転８０が時計回りになるように設置されている場合には、一体型フレームの回転８１もマグナス効果が働き、時計回りとなる。この機構により、一体型フレームは、単独の垂直軸型タービンのフレームより頑強な構造にすることができ、かつ強風時の強いマグヌス効果による回転軸への圧力も回転運動に変換することで安全性が図れる。ここで得た回転エネルギーは個々の垂直軸型タービンの回転と同様に電力などに変換して利用することができる。個々の垂直軸型タービンの回転は、ベルトドライブなどで中央の回転軸に動力を伝えても良い。また、一体型フレームの回転エネルギーは中央の回転軸から伝達ではなく、軌道溝を移動する外周脚部からの伝達であっても良い。

＜第１０の実施形態：タービンの折り畳み＞
図２４は、本発明の第８の実施形態に係る垂直軸型タービンの斜視図である。回転軸が、スライド回転軸１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅを備えて構成される。合わせて、翼幅方向に分割された、例えば粗相似形のスライド翼９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ、９０Ｄ、９０Ｅを備えて構成される。回転軸を軸方向ヘスライドさせることで、スライド回転軸とスライド翼が折りたたまれた状態になり、携帯性の向上が期待できる。スライド回転軸１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅを軸方向へ最大に伸長し、合わせてスライド翼が最大限に伸長された状態で、例えば、回転軸をロックすることで、タービンとしての使用状態となる。スライド回転軸の数とスライド翼の数は５に限らず、２以上の任意の自然数とすることができる。さらにスライド翼は相似形に限定しない。

図２５は、第１０の実施形態における垂直軸型タービンを収縮し折りたたんだ斜視図、図２６は、翼を柔軟な素材を用いて構成した垂直軸型タービンを伸長した状態の斜視図である。

翼型を形成する筋１０００を腕部３０及び固定輪３２、固定輪３３、固定輪３６、固定輪３７、固定輪３９によってスライド回転軸１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｅに固定する。例えばロープやフイヤーや樹脂材など柔軟な素材からなる筋１１００により立体的な翼型を形成する。上記筋で形成された翼型の骨組みに帆１２００を張ることで翼を構成する。筋１１００と帆１２００は柔軟な素材で構成されているので、回転軸を軸方向ヘスライドし収縮することで、翼を簡単に折りたたむことができる。なお、固定輪を用いないで、筋１０００と腕部３０を直接固定しても良い。

図２７Ａ〜図２７Ｃは、伸縮自在の回転軸をコイルばねで構成する例であり、大径部１１ａ、中径部１１ｂ、小径部１１ｃからなり、図２７Ａが伸張状態、図２７Ｂが収縮途中の状態、図２７Ｃが縮小状態を示している。このコイルばねからなる回転軸では、縮小時の長さが図２７Ｃに示すように、スライド回転軸より小さい最小限とすることができ、折り畳み時の垂直軸型タービンをより小さくすることができる。

＜第１１の実施形態：設置方向を水平とする＞
図２９は垂直軸型タービンの水平設置を示す図である。すなわち、垂直軸型タービンを、回転軸１１が水平で、かつ、その延伸方向が図中の流れの方向（図中に矢印で示す）と同一方向（平行）となるように設置する。

このようにすると、河川など流れが一定方向にしか発生しない環境において、垂直軸型タービンを横に寝かせて設置することが可能であるが、そればかりでなく、水平方向（流れと回転軸１１が平行となる）に設置しても十分その性能を発揮することができる。水平に設置することで、例えば自動車の屋上やエンジンルームなどに搭載するほか、鉄道車両や船舶などへの搭載も可能となり、垂直軸型タービンの応用を拡大することができる。

以上、本発明に係る垂直軸型タービンについて説明したが、本発明に係る垂直軸型タービンは、各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を変更することなく、適宜変形・拡大・縮小して、或いは部分的に代替させて実施することができるが、これらはすべて本発明の技術思想の範囲内のものである。例えば、ブレードの枚数や各ブレードを構成するサブブレード枚数などに限定はない。もちろん本発明に係る垂直軸型タービンは、気体の運動エネルギーで回転するものに限定されず、流体（例えば水）の運動エネルギーで回転するものであればよい。

本発明に係る垂直軸型タービンは、上記で詳述したような効果を奏することができるから、本発明は造電業を始めとする各種産業における経済的価値及び利用可能性を有するものである。

１Ａ、２Ａ 垂直軸型タービン
１０ 軸心
１１、１１Ｂ、１３ 回転軸
２０ ブレード
２０Ｂ ブレード（スリットあり）
２０Ｃ ブレードの変形例
２０Ｄ ブレードの別の変形例
２０Ｅ ブレードのまた別の変形例
２０Ｆ ブレードのヘリカルタービンとの合成例（一部が対数螺旋状）
２１ 第１サブブレード
２２ 第２サブブレード
２３ 第３サブブレード
３０ 腕部
３０Ｂ 腕部（螺旋状または対数螺旋状）
３０Ｃ 腕部（斜め直線状）
４１ 第１のスリット
４２ 第２のスリット
５０ ボルテックスジェネレータ（楔状凸型）
５１ ボルテックスジェネレータ（板状凸型）
５２ ボルテックスジェネレータ（縦溝状凹型）
５３ ボルテックスジェネレータ（横溝状凹型）
５４ ボルテックスジェネレータ（窪み状凹型）
６０ ウィングレット（先端割れ型）
６１ ウィングレット（先端曲り型）
６２ ウィングレット（立体的先端曲り型）
６３ ウィングレット（先端丸形）
７０ 一体型フレーム
７１ 回転軸
７２ 軌道溝
８００ 二重発電機
８０１ 回転子（コイル又は磁石）
８０２ 回転子（磁石又はコイル）

Claims (13)

1. 垂直の回転軸の周りに腕部を介してブレードが配置された垂直軸型タービンにおいて、
   前記ブレードは、前記回転軸に近い方の端部である翼根元から前記回転軸に遠い方の端部である翼端までの区間のうち少なくとも一部の区間において拡開するように形成され、かつ前記回転軸の延伸方向と略直交する断面である横断面において翼型を有し、前記横断面の前記回転軸からの水平距離が前記回転軸の軸方向に沿って対数螺旋状で変化するように形成されていることを特徴とする垂直軸型タービン。
2. 前記ブレードが、前記翼型の翼幅の方向に形成された１又は２以上のスリットを備えたことを特徴とする請求項１記載の垂直軸型タービン。
3. 前記ブレードが、前記翼型の表面に流体渦を発生させるためのボルテックスジェネレータを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の垂直軸型タービン。
4. 前記ブレードが、前記翼型の前縁部に流体渦を発生させるためのドッグトゥース形状を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の垂直軸型タービン。
5. 前記ブレードが、前記翼型の翼端に流体による翼端渦を防止または利用するための平面状あるいは立体的なウィングレットを備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の垂直軸型タービン。
6. 前記回転軸と前記ブレードに係る翼弦中心との間隔が、前記回転軸の翼根元側から翼端側にかけて螺旋状で増加する中で、前記ブレードの翼型の翼弦長が縮小又は拡大するように形成されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の垂直軸型タービン。
7. 前記請求項１ないし６のいずれか１項記載の垂直軸型タービンが前記回転軸の軸方向に複数段連結されたことを特徴とする連結型垂直軸型タービン。
8. 前記連結型垂直軸型タービンにおいて、一方の垂直軸型タービンは円筒形回転軸、他方の垂直軸型タービンは前記円筒形回転軸に嵌挿される棒状回転軸を有し、かつ、それぞれの回転軸の回転方向が逆方向であり、一方の回転軸に二重反転式発電機の磁石、他方の回転軸にコイルがそれぞれ連結され、前記磁石とコイルが逆方向に回転するように構成されていることを特徴とする請求項７記載の連結型垂直軸型タービン。
9. 前記連結型垂直軸型タービンにおいて、前記二重反転式発電機の上下に、該二重反転式発電機を挟むように前記垂直軸型タービンを、それぞれの回転軸の中心軸線が一致するように配置し、上下の前記回転軸を前記二重反転式発電機のコイル側又は磁石側のいずれか一方の回転子に連結し、上下の前記回転軸を逆回転させて、前記磁石とコイルが逆方向に回転するように構成されていることを特徴とする請求項７記載の垂直軸型タービン。
10. 前記請求項１ないし７のいずれか１項記載の垂直軸型タービンが隣接して複数台並列に設置され、それぞれの垂直軸型タービンにおける前記回転軸が、プーリ、ベルト、ギアなどを介して動力伝達されることを特徴とする連結型垂直軸型タービン。
11. 複数の垂直軸型螺旋タービンを同一円周上に配置できる一体型フレームを備え、該一体型フレームの回転軸と、該一体型フレームの外周脚部を支え、かつ、回転が可能となるような軌道溝とで、複数の垂直軸型タービン群体が設置されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項記載の垂直軸型タービン。
12. 前記回転軸が伸縮自在に構成され、前記ブレードが、翼幅方向に分割されたスライド翼、または柔軟な素材からなる筋で形成された翼型の骨組みに帆を張った翼で構成され、前記回転軸を軸方向ヘ縮小することにより前記翼が折り畳まれように構成されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項記載の垂直軸型タービン。
13. 前記回転軸の設置方向が、流体の流れの方向と平行となるように設置することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項記載の垂直軸型タービン。

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