TW201710597A - 垂直軸型水力發電裝置、垂直軸型水力發電單元 - Google Patents

Abstract

本發明之課題，在於提供過去所沒有之垂直軸型水力發電裝置，其可一邊確保充分之輸出特性一邊將水流之影響所產生之激振力(疲勞荷重)抑制為較小，而且可將構造體之質量及裝置整體之設置成本抑制至最小限度。本發明之垂直軸型水力發電裝置100具備有：發電機50，其承受來自水流之旋轉驅動力而產生電力；垂直旋轉軸20，其可旋轉自如地被連結於發電機50，並且朝鉛垂方向被懸垂設置；及複數片輪葉13，其係於垂直旋轉軸20之周圍沿著圓周方向以大致等角度間隔被配置。複數片輪葉13，係朝鉛垂方向延伸而形成並且形成為橫截面形狀由翼型形狀所構成之直翼(straight wing)，且自底面側觀察該複數片輪葉13時，由5片以下之輪葉數所構成。

Description

垂直軸型水力發電裝置、垂直軸型水力發電單元

本發明係關於垂直軸型水力發電裝置及垂直軸型水力發電單元。

過去，已知有一種水力發電裝置，其藉由水流使水車所具備之輪葉旋轉運動，並藉由將該旋轉運動傳遞至發電機使其產生電力。習知之小型水力發電裝置，大多採用築堤而攔阻水道來進行發電之「落差式」、或利用水流之阻力進行發電之「桶形轉子(Savonius)型」之水車(例如，參照下述專利文獻1)。然而，於欲將該等水車設置於現有之水道之情形時，由於為了不使水自水道溢出而需要進行大規模之水道改造工程等，因此水力發電裝置之設置場所存在有許多的限制。又，由於在水車之特性上，流動於水道之垃圾會堆積在水車上，因此是需要除塵裝置及高額之維修保養費。亦即，習知之水力發電裝置，存在有需要龐大之初期成本及維持成本等，從經濟合理性之觀點而言會阻礙其普及之重要因素。

作為解決前述習知之水力發電裝置所存在問題之方法，近年來，對利用升力特性之垂直軸型水力發電裝置之實現進行研究。該垂直軸型水力發電裝置係具備有如下構成之裝置：發電機，其承受來自水流之旋轉驅動力而產生電力；垂直旋轉軸，其可旋轉自如地被連結於發電機，並且朝鉛垂方向被懸垂設置；及複數片輪葉，其 係於該垂直旋轉軸之周圍沿著圓周方向以大致等角度間隔被配置；且由於具有將複數片輪葉相對於水流朝垂直方向配置之形式，因此具備有不需要習知技術所必須之除塵裝置與高額之維修保養費之優點。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本專利特開2003-106247號公報

然而，就現狀而言，垂直軸型水力發電裝置所假設之垂直方向被配置之輪葉，雖然，多使用於風力發電，但尚未普及於水力發電裝置。原因在於存在有以下之問題：不同於風車所利用之風(空氣)，水車所利用之水流(水)具有空氣之約800倍之密度，因此，穩定而持續地施加於輪葉之來自水流之荷重非常大。亦即，若為了提高發電效率而欲增大輪葉之輸出，則即便為自一定流速之流水承受力之情形，仍會對水車整體施加非常大之荷重，且基於振動之疲勞荷重之影響也很大。尤其，垂直軸型水力發電裝置之情形時，被配置在流動於水道之流水中之輪葉，由於為單懸臂之構造，因此為了能承受來自水流之大荷重及因「激振所產生」之疲勞荷重，便需要有堅固之構造體。亦即，現有之垂直軸型水力發電裝置，雖具有習知之其他形式之水力發電裝置所不存在之形式上的優點，但作為垂直軸型水力發電單元，存在有依規格使設置成本增大之可能性。

本發明係鑑於可能性在前述之習知技術所存在之問題的存在而完成者，其目的在於提供一種過去沒有之垂直軸型水力發電 裝置，其可一邊確保充分之輸出特性一邊將水流之影響所產生之激振力(疲勞荷重)抑制為較小，而且可將構造體之質量及裝置整體之設置成本抑制至最小限度。

本發明之垂直軸型水力發電裝置，其具備有：發電機，其承受來自水流之旋轉驅動力而產生電力；垂直旋轉軸，其可旋轉自如地被連結於上述發電機，並且朝鉛垂方向被懸垂設置；及複數片輪葉，其係於上述垂直旋轉軸之周圍沿著圓周方向以大致等角度間隔被配置；其特徵在於：上述複數片輪葉，係朝鉛垂方向延伸而形成並且形成為橫截面形狀由翼型形狀所構成之直翼，且自底面側觀察該複數片輪葉時，由5片以下之輪葉數所構成。

根據本發明，可提供一種過去沒有之垂直軸型水力發電裝置，其可一邊確保充分之輸出特性一邊將水流之影響所產生之激振力(疲勞荷重)抑制為較小，而且可將構造體之質量及裝置整體之設置成本抑制至最小限度。

10‧‧‧垂直軸型水力發電裝置

11‧‧‧水車

13‧‧‧輪葉

13a‧‧‧輪葉直線部

13b‧‧‧圓隅角部

13c‧‧‧輪葉臂部

20‧‧‧垂直旋轉軸

30‧‧‧軸承支撐部

50‧‧‧發電機

60‧‧‧支撐體

61‧‧‧橋部

62‧‧‧基礎部

100‧‧‧垂直軸型水力發電單元

圖1為顯示本實施形態之垂直軸型水力發電單元之整體構成之外觀立體圖。

圖2(a)及(b)為例示可應用於本實施形態之垂直軸型水力發電裝置之翼型形狀之圖。

圖3為顯示相對於水車所具有之複數片輪葉的位置角(deg)之激振力(N)之狀況之曲線圖，圖3(a)顯示輪葉片數為2片之情形之結果，圖 3(b)顯示輪葉片數為5片之情形之結果。

圖4為顯示在使輪葉片數於2片至9片之間1次增加1片時，作為作用於垂直旋轉軸之疲勞特性之彎曲力矩(N．m)之變化之曲線圖。

圖5(a)至(d)為顯示對在使輪葉片數於2片至9片之間1次增加1片時之設置成本之影響進行驗證之結果之曲線圖。

圖6為顯示在輪葉片數為偶數之情形與奇數之情形時，作為作用於垂直旋轉軸之疲勞特性之彎曲力矩(N．m)所呈現不同變化傾向之曲線圖。

圖7為顯示本實施形態之垂直軸型水力發電裝置可採用之外觀形狀之具體構成例之圖。

圖8為顯示本實施形態之垂直軸型水力發電裝置可採用之外觀形狀之具體構成例之圖。

圖9為顯示本實施形態之垂直軸型水力發電裝置可採用之外觀形狀之具體構成例之圖。

圖10為顯示本實施形態之垂直軸型水力發電裝置可採用之外觀形狀之具體構成例之圖。

圖11為顯示本實施形態之垂直軸型水力發電裝置可採用之外觀形狀之具體構成例之圖。

圖12為顯示本實施形態之垂直軸型水力發電裝置可採用之外觀形狀之具體構成例之圖。

圖13為顯示本實施形態之輪葉單體之詳細構造之圖，圖13(a)顯示1片輪葉之側視，圖13(b)顯示1片輪葉之俯視。

圖14為顯示1片輪葉旋轉一圈時所作用之荷重之變動狀況之圖。

圖15為顯示對在輪葉之角落部所產生應力之疲勞限度之安全率、 及輸出利用率之曲線圖，橫軸表示圓隅角部相對於輪葉全長之比例，左縱軸表示相對於疲勞限度之安全率，而右縱軸則表示輸出利用率。

圖16為將圖15所示之曲線圖放大之曲線圖，其顯示圖15之左縱軸之相對於疲勞限度之安全率為0至4之範圍之情況。

以下，使用圖式對用以實施本發明之較佳實施形態進行說明。再者，以下之實施形態，並非限制各請求項之發明者，而且，實施形態中所說明特徵之所有組合，未必是發明之解決手段所必須。

首先，對本實施形態之垂直軸型水力發電單元100之整體構成例進行說明。此處，圖1為顯示本實施形態之垂直軸型水力發電單元之整體構成之外觀立體圖，圖2為例示可應用於本實施形態之垂直軸型水力發電裝置之翼型形狀之圖。

本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10，係利用水流使由輪葉13所構成之水車11旋轉運動，而藉由將該旋轉運動傳遞至發電機50來產生電力之裝置。作為具體之構成，如圖1所示，本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10，具備有：水車11，其利用水流進行旋轉；垂直旋轉軸20，其設置有水車11；軸承支撐部30，其具備可旋轉地支撐垂直旋轉軸20之軸承；及發電機50，其藉由垂直旋轉軸20之旋轉驅動力來產生電力。而且，本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10，例如被設置在引水道。

又，作為垂直軸型水力發電單元100，係設置為使支撐體60圍繞垂直旋轉軸20與軸承支撐部30，該支撐體60係用以支撐作為旋轉構件之水車11與垂直旋轉軸20，並進行垂直軸型水力發電裝置10之固定設置，且於該支撐體60連接有被跨架於引水道等之橋部61。 支撐體60與橋部61，藉由被固定設置於例如在引水道之兩岸所設置之基礎部62，而進行本實施形態之垂直軸型水力發電單元100之設置。

圖1所例示之水車11，係於垂直旋轉軸20之周圍沿圓周方向以大致等角度間隔配設構成該水車之複數片輪葉13者，圖1係例示有設置3片輪葉13之情形。該等3片輪葉13分別具有由大致字形所構成之外觀形狀，且設置為使大致字形之開放部面向垂直旋轉軸20。又，大致字形之縱桿部係沿著鉛垂方向延伸而形成，並且作為其橫截面形狀由翼型形狀所構成之直翼而形成。如此作為直翼而形成之朝鉛垂方向延伸之大致字形之縱桿部，係作為水車11之葉片部而發揮功能。亦即，如圖1所示，本實施形態之水車11係構成為藉由將3片輪葉13配置於水中而承受來自水流之力(水之推力)，使由翼型形狀所構成之作為直翼之輪葉13承受水流而產生升力，從而以水車11之中心(垂直旋轉軸20)為中心軸進行旋轉。

再者，關於輪葉13所具有橫截面形狀之翼型形狀，如圖2所例示，可採用任意形式之翼型形狀。例如，既可採用如圖2(a)所示，由NASA(國家航空暨太空總署：National Aeronautics and Space Administration)前身之NACA(國家航空諮詢委員會：National Advisory Committee for Aeronautics)所定義「NACA0018」之翼型，也可採用如圖2(b)所示之、由日本東海大學所開發「TWT12013-05-BA642」之翼型。

如前所述，垂直旋轉軸20係於其下端側設置有3片輪葉13，且為藉由承受利用輪葉13之作用所產生之旋轉力而進行旋轉運動之構件。垂直旋轉軸20及3片輪葉13，藉由例如螺絲及螺帽等周知之緊固手段，被確實地緊固而固定。而且，垂直旋轉軸20係藉由軸承支撐部30所具備之軸承而可旋轉地被支撐。

垂直旋轉軸20之旋轉，係由軸承支撐部30所支撐，並被傳遞至發電機50，而由發電機50產生電力。再者，本實施形態之發電機50，係將發電機50所具備之未圖示之輸入軸，設置為與垂直旋轉軸20同軸。然而，於發電機50與垂直旋轉軸20係使用行星齒輪或減速器進行所連接之形態之情形時，發電機50所具備之未圖示之輸入軸，也可不與垂直旋轉軸20同軸配置。而且，發電所產生之電力，係藉由未圖示之送電手段，被送電至電力消費場所或蓄電手段等。

以上，已對本實施形態之垂直軸型水力發電單元100之整體構成例進行說明。其次，根據前述之垂直軸型水力發電單元100，對發明者等所進行之實驗結果進行說明。以下所說明之實驗結果，係發明者等為了獲得過去沒有之可一邊確保充分之輸出特性一邊將水流之影響所產生之激振力(疲勞荷重)抑制為較小，而且可將構造體之質量及裝置整體之設置成本抑制至最小限度之垂直軸型水力發電裝置10及垂直軸型水力發電單元100，才著手構想及研究而得到之成果。

首先，發明者等著眼於垂直軸型水力發電裝置10及垂直軸型水力發電單元100之問題的影響中，因水流之推力而於水車11之輪葉13所產生之激振力(疲勞荷重)的影響。而且，發明者等根據單一流管理論，對具有由直翼所構成之輪葉13之水車11之轉子特性(疲勞荷重特性)進行解析，而獲得圖3所示之結果。此處，圖3為顯示相對於水車11所具有之複數片輪葉13之位置角(deg)之激振力(N)之狀況之曲線圖，圖3(a)顯示輪葉片數為2片之情形之結果，圖3(b)顯示輪葉片數為5片之情形之結果。

如圖3(a)所示，於輪葉片數為2片之情形時，施加於各輪葉13之激振力(N)之變動非常大，而且，關於施加在該等2片輪葉 13之激振力(N)之合計值，如以符號α所示之箭頭寬度，也具有非常大之振幅變動。

另一方面，經確認到於輪葉片數為5片之情形時，如圖3(b)所示，施加於各輪葉13之激振力(N)之變動較小，而且，關於施加在該等5片輪葉13之激振力(N)之合計值，因激振力(N)會彼此抵消，而如以符號β所示之箭頭寬度，也具有非常小之振幅變動。

根據以上結果可知，於輪葉片數為2片之水車11之情形時，相對於水車每旋轉一圈之荷重振幅略大於350N，而於輪葉片數為5片之水車11之情形時，水車每旋轉一圈之荷重振幅則略小於50N，兩者之荷重振幅相差約7倍。因此，可得到如下之假設：於垂直軸型水力發電裝置10中，輪葉13之片數越多，於水車11之輪葉13所產生之激振力(疲勞荷重)似乎越小。

因此，發明者等接著進行如下的驗證：輪葉片數之差異，會對作為作用於垂直旋轉軸20之疲勞特性之彎曲力矩(N．m)帶來什麼差異。將其結果顯示於圖4。此處，圖4為顯示在使輪葉片數於2片至9片之間1次增加1片時，作為作用於垂直旋轉軸20之疲勞特性之彎曲力矩(N．m)之變化之曲線圖。

如圖4所示，經確認到隨著輪葉片數自2片增加至3片、4片、5片，作為作用於垂直旋轉軸20之疲勞特性之彎曲力矩(N．m)會暫時逐漸減少。然而，於輪葉片數為6片時，經確認到相較於與5片之情形彎曲力矩(N．m)會略微地增加。此外，若輪葉片數為6片以上，經確認到作為作用於垂直旋轉軸20之疲勞特性之彎曲力矩(N．m)不大會產生變化，因輪葉片數之增加而對彎曲力矩(N．m)所產生之影響會逐漸減少。然而，經確認到輪葉片數為6片以上之情形時之彎曲力矩 (N．m)，相較於輪葉片數為2片時，彎曲力矩(N．m)亦被大幅地抑制，且藉由將輪葉片數設為至少3片以上，可大幅地減少作為作用於垂直旋轉軸20之疲勞特性之彎曲力矩(N．m)。

接著，發明者等驗證作為阻礙垂直軸型水力發電裝置10及垂直軸型水力發電單元100之普及之另一重要因素之設置成本之影響。將其結果顯示於圖5。此處，圖5為顯示對在使輪葉片數於2片至9片之間1次增加1片時之設置成本之影響進行驗證之結果之曲線圖。再者，為方便說明，於圖5所示之曲線圖還一併記載有顯示作為作用於圖4所示之垂直旋轉軸20之疲勞特性之彎曲力矩(N．m)之變化之曲線。

首先，發明者等係根據藉由將輪葉片數設為至少3片以上便可使作為作用於垂直旋轉軸20之疲勞特性之彎曲力矩(N．m)減少之見解，而得到藉由彎曲力矩(N．m)之減少，可使垂直軸型水力發電裝置10整體之水車機械質量減少之假設。此處，所謂「水車機械質量」，係表示圖1所示之構件中，除了輪葉部分(11、13)與橋部分(60、61)之外的垂直軸型水力發電裝置單體之質量。由於伴隨輪葉片數之增加，可減小作為垂直旋轉軸20之軸之直徑，因此能以單體的質量來顯示。而且，在考量作為疲勞特性之彎曲力矩(N．m)，而對垂直軸型水力發電裝置單體之質量進行設計檢討之結果，如圖5(a)所示，得到每種輪葉片數之水車機械質量之值。此處，於圖5(a)中，水車機械質量雖以絕對值之質量比來顯示，由該圖可明顯得知，於輪葉片數為3片以上之情形時，相較於輪葉片數為2片時，可大幅地減少水車機械質量。該水車機械質量之質量比傾向，係與作為疲勞特性之彎曲力矩(N．m)之數值傾向非常一致，符合發明者等所假設之結果。

得到上述之結果，發明者等便對以橋部分(60、61)定義之「橋質量」也進行研究。而且，考量作為疲勞特性之彎曲力矩(N．m)，而對以橋部分(60、61)定義之「橋質量」進行設計檢討之結果，如圖5(b)所示，得到每種輪葉片數之橋質量之值。此處，於圖5(b)中，橋質量係以絕對值之質量比來顯示，由該圖可明顯得知，「橋質量」也與「水車機械質量」之情形相同，於輪葉片數為3片以上之情形時，相較於輪葉片數為2片時，可大幅地減少橋質量。該橋質量之質量比傾向，也與作為疲勞特性之彎曲力矩(N．m)之數值傾向非常一致，符合發明者等所假設之結果。

如以上所說明，明顯得知在輪葉片數為3片以上之情形時，相較於輪葉片數為2片時，可大幅地減少「水車機械質量」與「橋質量」。藉由大幅地減少該等「水車機械質量」與「橋質量」，當然應可得到削減設置成本之效果。然而，使輪葉片數增加，也會招致輪葉製作成本之增加。因此，發明者等對在使輪葉片數於2片至9片之間1次增加1片時輪葉製造成本之增加影響進行驗證。圖5(c)為顯示該結果之曲線圖。

此處，由於構成水車11之輪葉13，係採用CFRP(碳纖維強化塑膠：carbon-fiber-reinforced plastic)等非常昂貴之材料來製造，因此，輪葉片數的增加會直接成比例地反映在製造成本的增加。其結果，如圖5(c)所示，輪葉片數之增加，明顯會使加上輪葉後之水車整體之成本成比例地增加。

將由根據前述之「水車機械質量」與「橋質量」之成本影響、與根據輪葉片數之增加之成本影響合計所得到裝置整體之成本影響顯示於圖5(d)。由圖5(d)可明顯得知，對輪葉部分(11、13)與水車 機械部分(20、30、50)、及橋部分(60、61)之合計成本進行確認之結果，於輪葉片數為3片、4片、5片之情形時，得以抑制成本，只要能以該設置成本導入垂直軸型水力發電單元100，就經濟合理性之觀點而言便能符合效益，而可將本實施形態之垂直軸型水力發電單元100導入至今尚無法導入之周遭之水道。另一方面，於輪葉片數為2片、6片至9片之情形時，成本會大幅地上升，就設置成本而言，明顯不符經濟合理性。再者，於輪葉片數為10片以上之情形時，與6片至9片之情形相同，由於輪葉製造成本明顯增加，因此就設置成本而言，10片以上之情形也不符經濟合理性。

根據以上說明之藉由發明者所進行之驗證，可清楚得知本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10，可藉由將構成水車11之輪葉13之片數以3片至5片之輪葉數來構成，即可獲得最佳之垂直軸型水力發電單元100。亦即，藉由導入構成水車11之輪葉13之片數為3片至5片之垂直軸型水力發電裝置10，可提供過去沒有之可一邊確保充分之輸出特性一邊將水流之影響所產生之激振力(疲勞荷重)抑制為較小，而且可將構造體之質量及裝置整體之設置成本抑制至最小限度之垂直軸型水力發電單元100。再者，根據使用圖3至圖5進行說明之發明者等使用單一流管理論所進行之驗證內容，係基於至少在垂直軸型水力發電裝置之領域中至今尚未出現之全新構想，且由發明者等新規進行而獲得之研究成果。

另外，得到上述新規之研究成果之發明者等，針對將構成水車11之輪葉13之片數設為3片至5片之條件，進一步檢討、驗證能否將其最佳化。此時，再次驗證顯示作為作用於圖4所示之各種輪葉片數之垂直旋轉軸20之疲勞特性之彎曲力矩(N．m)之變化的曲線 圖。其結果，如圖6所示，經確認到該各種輪葉片數之彎曲力矩(N．m)之變化點，輪葉片數為偶數之情形與奇數之情形會呈現不同之傾向。此處，圖6為顯示輪葉片數為偶數之情形與奇數之情形時，作為作用於垂直旋轉軸之疲勞特性之彎曲力矩(N．m)所呈現不同變化傾向之曲線圖。

亦即，可知如圖6中以符號x所示，若以假想線x連結輪葉片數為偶數之情形之彎曲力矩(N．m)值，則如圖6中以符號y所示，以假想線y連結輪葉片數為奇數之情形之彎曲力矩(N．m)值之情形相較於偶數之假想線x之情形彎曲力矩(N．m)之值有變小之傾向。雖然對於該事實尚無法充分地以明確的理論進行說明，但發明者等認為，由於在輪葉片數為偶數之情形時，各輪葉13係於垂直旋轉軸20之周圍對向地配置，因此會產生相對於水流輪葉會產生重疊之部位。其結果，或許因為發揮使輪葉之功能減少而抵銷輪葉片數增加之效果的作用，所以相較於輪葉片數為奇數之情形，輪葉片數為偶數之情形更具有彎曲力矩(N．m)會增加之傾向。

再者，圖6中以符號x及y所示之假想線，例如，可採用作為計算點序列之近似曲線之手段之最小平方法(least-squares method)等周知之方法來描繪。

根據使用以上所說明之圖6的假設，本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10，可藉由將構成水車11之輪葉13之片數以奇數片、即3片或5片之輪葉數來構成，而得到最佳之垂直軸型水力發電單元100。

以上，已對本發明之較佳實施形態進行說明。再者，圖7至圖12顯示前述之本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10，作為具 體例示之構成例。此處，圖7至圖12為顯示本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10可採用之外觀形狀之具體構成例之圖。再者，圖7及圖10顯示構成水車11之輪葉13之片數為3片之情形之垂直軸型水力發電置10，圖8及圖11顯示構成水車11之輪葉13之片數為4片之情形之垂直軸型水力發電裝置10，圖9及圖12顯示構成水車11之輪葉13之片數為5片之情形之垂直軸型水力發電裝置10。

而且，於圖7至圖12所示之垂直軸型水力發電裝置10中，由複數片輪葉13所構成之水車11之弦周比(solidity)，係構成為0.1~0.29。此處，所謂弦周比係指作為全翼面積相對於翼之旋轉面積之比而顯示之指標，可由以下之數式(1)所呈現。

弦周比(ρ)=n×C/(2πr)…(1)

其中，n=翼片數、C=翼弦長(m)、r=水車半徑。

上述事實亦顯示，藉由將弦周比構成為0.1~0.29，可得到本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10及垂直軸型水力發電單元100。亦即，藉由弦周比為0.1~0.29，且將輪葉13之片數設為3片至5片，可提供過去沒有之可一邊確保充分之輸出特性一邊將水流之影響所產生之激振力(疲勞荷重)抑制為較小，而且可將構造體之質量及裝置整體之設置成本抑制至最小限度之垂直軸型水力發電裝置10及垂直軸型水力發電單元100。

以上，使用圖3至圖6所說明之發明事項，係藉由著眼於因水流之推力而在水車11之輪葉13所產生激振力(疲勞荷重)之影響，並且考量，將由根據「水車機械質量」與「橋質量」之成本影響與根據輪葉片數之增加之成本影響合計所得到裝置整體之成本影響而導出者。發明者等根據上述發明事項，得到關於垂直軸型水力發電裝 置10之較佳之構成條件之新的見解。在該見解之基礎上，發明者等根據新觀點進行研究，成功地找出可進一步最佳化垂直軸型水力發電裝置的構成條件。因此，接著使用圖13至圖16，對本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10之其他新的構成條件進行說明。

此處，圖13為顯示本實施形態之輪葉單體之詳細構造之圖，圖13(a)顯示1片輪葉之側視，圖13(b)顯示1片輪葉之俯視。又，圖14為顯示1片輪葉旋轉一圈時所作用之荷重之變動狀況之圖。此外，圖15為顯示對在輪葉之角落部(圓隅角部)所產生應力之疲勞限度之安全率、及輸出利用率之曲線圖，橫軸表示圓隅角部相對於輪葉全長之比例，左縱軸表示相對於疲勞限度之安全率，右縱軸則表示輸出利用率。而且，圖16為將圖15所示之曲線圖放大之曲線圖，其顯示圖15之左縱軸之相對於疲勞限度之安全率為0至4之範圍之情況。再者，於圖15及圖16中，橫軸所表示之圓隅角部13b相對於輪葉全長L之比例，係根據一片輪葉所具有之上下一對之圓隅角部13b中，任一者之圓隅角部13b之曲率半徑之尺寸R所算出之比例。

發明者等滿足使用圖3至圖6所說明之發明事項，並且如圖7至圖12所示，在實際於水流中運用水車11之弦周比成為0.1~0.29之垂直軸型水力發電裝置10後，重新認知到水流作用於輪葉13之力非常大，而必須要有考量到輪葉強度之輪葉設計。尤其，關於本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10，如圖13所示，1片之輪葉13係由朝鉛垂方向延伸而形成之輪葉直線部13a、自垂直旋轉軸20朝水平方向延伸而形成之上下一對之輪葉臂部13c、及形成於一個輪葉直線部13a與2個輪葉臂部13c之連接部之上下一對之圓隅角部13b所構成。亦即，藉由來自水流之力作用於輪葉直線部13a及上下一對之圓 隅角部13b，而可進行水車11之旋轉運動。而且在此時，已知1片之輪葉13中應力最大之部位，為圓隅角部13b。亦即，若圓隅角部13b較小或沒有圓隅角部，輪葉13之強度便會降低，且在最壞之情況下水車11會被破壞，另一方面，若圓隅角部13b較大，產生升力之輪葉直線部13a之長度便會變小，而使發電效率降低。因此，只要能就輪葉13之強度之觀點、及發電效率之觀點提出最佳化之輪葉形狀，即可獲得更佳之垂直軸型水力發電裝置10。

根據以上之構想，發明者等已進行用以得到最佳輪葉形狀之研究。首先，若使於水車11之弦周比為0.1~0.29之範圍內所構成水車11之輪葉13之片數增加，由於每一片輪葉之翼弦長、翼厚會變小，因此輪葉13之強度會降低。此處，如圖14所示，於水車11旋轉時，在轉一圈之中會對構成水車11之1片之輪葉13作用複雜地變動之荷重。尤其，可知相較於切線方向荷重Ft，半徑方向荷重Fn會在輪葉13轉1圈中大幅地變動。又，應力集中係數，係根據圓隅角部13b之曲率半徑R之尺寸而變化。因此，發明者等鑽研之結果，藉由數值解析，而於各種翼片數(2片~10片)中，計算出於使圓隅角部13b之大小產生變化之情形時，在輪葉13所產生之應力振幅，而計算出對疲勞強度之安全率。再者，於該數值解析中，作為構成輪葉13之材料，假定為強度、製造性優異之球墨鑄鐵(ductile cast iron)、合金、複合樹脂等，假設重覆次數為10⁹次，而計算出疲勞強度為75~180MPa。又，如前所述，若增大圓隅角部13b，輪葉13有效之作為直線部分之輪葉直線部13a便會減少，而使輪葉之性能降低，進而造成發電效率降低。因此，發明者等計算出，根據在各種翼片數(2片~10片)之圓隅角部13b之曲率半徑R之尺寸而變化之輪葉13之輸出利用率。圖15及圖 16係匯整上述算出結果。再者，於本實施形態中，假設形成於輪葉13之上下一對之圓隅角部13b之各曲率半徑R之尺寸均為相同值。因此，形成於輪葉13之上下一對之圓隅角部13b之各曲率半徑均為「R」，而於圖15及圖16中，關於橫軸所表示之圓隅角部13b相對於輪葉13全長L之比例，係顯示根據1片輪葉所具有之上下一對之圓隅角部13b中任一者之一個圓隅角部13b之曲率半徑之尺寸R所算出之比例。

自圖15及圖16中，首先，對圓隅角部13b之曲率半徑R之下限值進行驗證。如圖16所示，可知於2片至10片之任一翼片數中，若一個圓隅角部13b相對於輪葉全長所佔之比例接近0%左右，安全率便會因應力集中而極端地降低。因此，可判斷為一個圓隅角部13b相對於輪葉全長所佔之比例，必須為1%以上。藉此，若將一個圓隅角部13b之曲率半徑設為R，並將包含上下一對之圓隅角部13b之輪葉13整體之長度設為L時，就確保最低限度所需之安全率之觀點而言，必須滿足以下之不等式(2)。

0.01L≦R…(2)

接著，對圓隅角部13b之曲率半徑R之上限值進行驗證。若著眼於圖15及圖16之右縱軸所表示之輸出利用率，本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10，係一升力式之水車11，其相較於過去以來使用於小型水力發電裝置之「桶形轉子型」等以水流之阻力來發電之形式之水車，需要更高之發電效率。因此，考量到水車11應確保一定之設備能力，本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10之輸出利用率，最低也必須確保輸出利用率60%以上之性能。而且，若自圖16之曲線圖中讀取輸出利用率60%之情形之一個圓隅角部13b相對於輪葉全長所佔之比例，則可判斷該比例為20%。藉此，於將一個圓隅角部 13b之曲率半徑設為R，並將包含上下一對之圓隅角部13b之輪葉13整體之長度設為L時，就最低限度應確保之輸出利用率之觀點所觀察之情形之一個圓隅角部13b之曲率半徑R之上限值，必須滿足以下之不等式(3)。

R≦0.20L…(3)

因此，滿足上述2個不等式(2)及(3)之一個圓隅角部13b之曲率半徑R之條件，可作為以下之不等式(4)而顯示。

0.01L≦R≦0.20L…(4)

再者，於上述驗證中，作為最低限度應確保之垂直軸型水力發電裝置10之輸出利用率，雖以確保60%以上之性能為條件，但實際上需考量有時須要求更高之輸出利用率。因此，發明者等在考量經濟效益性或顧客之要求規格等後，將輸出利用率70%設定為性能確保之目標值。然後，若自圖16之曲線圖中讀取輸出利用率70%之情形之一個圓隅角部13b相對於輪葉全長所佔之比例，則可判斷該比例為15%。藉此，於將一個圓隅角部13b之曲率半徑設為R，並將包含上下一對之圓隅角部13b之輪葉13整體之長度設為L時，就最低限度應確保之輸出利用率之觀點所觀察之情形之一個圓隅角部13b之曲率半徑R之上限值，必須滿足以下之不等式(5)。

R≦0.15L…(5)

因此，滿足不等式(2)及(5)之一個圓隅角部13b之曲率半徑R之條件，可作為以下之不等式(6)而顯示。

0.01L≦R≦0.15L…(6)

亦即，作為本發明所可採取之條件範圍，雖可採用上述不等式(4)，但若考量到會被要求更高之輸出利用率，則構成採用上述 不等式(6)之條件之垂直軸型水力發電裝置10更佳。

以上，已對圓隅角部13b之曲率半徑R之上下限值進行探討。其次，發明者等進一步導入其他之觀點，而對輪葉之片數進行探討。亦即，材料對於疲勞限度之安全率，可知根據具有與水車同等之設計要件之風力發電之安全規格即IEC61400-2之規定，安全率最低也要確保在1.25以上。於圖15及圖16中顯示有表示該安全率1.25之線。而且，可判斷一邊滿足安全率在1.25以上同時滿足上述不等式(4)及(6)之輪葉之片數，為6片以下。但於輪葉片數為6片之情形時，根據圖16也可清楚得知，自一個圓隅角部13b相對於輪葉全長所佔之比例低於10%左右開始，顯示安全率極端地降低。因此，可得出輪葉片數較佳為5片以下之結論。再者，該結論係著眼於使用圖3至圖6所說明之發明事項、即藉由因水流之推力而在水車11之輪葉13所產生之激振力(疲勞荷重)之影響，並且與考量到將基於「水車機械質量」與「橋質量」之成本影響與基於輪葉片數增加之成本影響合計所得之裝置整體之成本影響所導出之輪葉片數(3片至5片)吻合者，而可再次證實該驗證實驗之正確性。

以上，將使用圖3至圖16所說明之藉由發明者等之研究而得到的見解匯整，使得到如下的結果。

亦即，本發明之垂直軸型水力發電裝置具備有：發電機，其承受來自水流之旋轉驅動力而產生電力；垂直旋轉軸，其可旋轉自如地被連結於發電機，並且朝鉛垂方向被懸垂設置；及複數片輪葉，其係於垂直旋轉軸之周圍沿著圓周方向以大致等角度間隔被配置；其特徵在於：複數片輪葉，係朝鉛垂方向延伸而形成並且形成為橫截面形狀由翼型形狀所構成之直翼，且自底面側觀察該複數片輪葉 時，由5片以下之輪葉數所構成。

又，較佳為，於本發明之垂直軸型水力發電裝置中，於自底面側觀察複數片輪葉時，由3片至5片之輪葉數所構成。

又，於本發明之垂直軸型水力發電裝置中，複數片輪葉係於朝鉛垂方向延伸之任一端部具備有由曲線形狀所構成之圓隅角部，且構成為於將圓隅角部之曲率半徑設為R，並將包含圓隅角部之輪葉整體之長度設為L時，滿足以下之不等式：0.01L≦R≦0.20L。

此外，於本發明之垂直軸型水力發電裝置中，不等式可構成為：0.01L≦R≦0.15L。

此外，於本發明之垂直軸型水力發電裝置中，輪葉可設為於朝鉛垂方向延伸之上下兩端部分別具備有由曲線形狀所構成之2個圓隅角部，且該2個圓隅角部係由相同之尺寸所形成。

此外，於本發明之垂直軸型水力發電裝置中，複數片輪葉之弦周比可構成為0.1至0.29。

以上，雖已對本發明之較佳實施形態進行說明，但本發明之技術範疇，並不限於上述實施形態所記載之範圍。上述實施形態亦可追加各種變更或改良。

例如，於前述之實施形態中，被設置於垂直旋轉軸20周圍之複數片輪葉13，分別被構成為朝水車11之鉛垂方向之全長延伸而形成之直翼。然而，本發明之複數片輪葉，只要為朝鉛垂方向延伸而形成並且形成為橫截面形狀由翼型形狀所構成之直翼，且於自底面側觀察該複數片輪葉時由5片以下之輪葉數所構成者即可。亦即，也 可為如下形式之水車：例如先將輪葉之長度設為相對於水車11之鉛垂方向之全長約一半之長度，並設置上下二段之輪葉。然而，於自底面側觀察複數片輪葉時，當然必須由5片以下之輪葉數所構成。

又，例如，於說明本實施形態之圖14至圖16中，已說明將形成於輪葉13之上下一對之圓隅角部13b各曲率半徑R之尺寸設成上下為相同之值。然而，本發明之範圍，並不限於前述之本實施形態之範圍。亦即，於本發明之輪葉中，也可構成為根據垂直軸型水力發電裝置之設置環境，使圓隅角部各曲率半徑R之尺寸在輪葉之上下為不同尺寸。例如，於水道之水面側之流速快，且水道之底面側流速因與水道底面之阻力而較慢之情形時，可採用將用以提高輪葉上方側之強度之上側之圓隅角部之曲率半徑R之尺寸增大，且將輪葉下側之圓隅角部之曲率半徑R之尺寸設為較上側更小之構成。再者，由於此種垂直軸型水力發電裝置之設置環境會根據水道之材質(例如，混凝土或土等)或水道內之表面狀態等設置環境而變化，因此只要依照設置環境來決定圓隅角部之尺寸條件即可。

根據申請專利範圍之記載，可清楚得知施以上述變更或改良之形態，也可包含於本發明之技術範圍內。

10‧‧‧垂直軸型水力發電裝置

11‧‧‧水車

13‧‧‧輪葉

20‧‧‧垂直旋轉軸

30‧‧‧軸承支撐部

50‧‧‧發電機

60‧‧‧支撐體

61‧‧‧橋部

62‧‧‧基礎部

100‧‧‧垂直軸型水力發電單元

Claims (7)

1. 一種垂直軸型水力發電裝置，其具備有：發電機，其承受來自水流之旋轉驅動力而產生電力；垂直旋轉軸，其可旋轉自如地被連結於上述發電機，並且朝鉛垂方向被懸垂設置；及複數片輪葉，其係於上述垂直旋轉軸之周圍沿著圓周方向以大致等角度間隔被配置；其特徵在於：上述複數片輪葉，係朝鉛垂方向延伸而形成並且形成為橫截面形狀由翼型形狀所構成之直翼，且自底面側觀察該複數片輪葉時，由5片以下之輪葉數所構成。
2. 如請求項1之垂直軸型水力發電裝置，其中，於自底面側觀察上述複數片輪葉時，由3片至5片之輪葉數所構成。
3. 如請求項1或2之垂直軸型水力發電裝置，其中，上述複數片輪葉係於朝鉛垂方向延伸之任一端部具備有由曲線形狀所構成之圓隅角部，且構成為於將上述圓隅角部之曲率半徑設為R，並將包含上述圓隅角部之上述輪葉整體之長度設為L時，滿足以下之不等式：0.01L≦R≦0.20L。
4. 如請求項3之垂直軸型水力發電裝置，其中，上述不等式係構成為：0.01L≦R≦0.15L。
5. 如請求項1或2之垂直軸型水力發電裝置，其中，上述輪葉係於朝鉛垂方向延伸之上下兩端部分別具備有由曲線形狀所構成之2個圓隅角部，且該2個圓隅角部係由相同之尺寸所形成。
6. 如請求項1或2之垂直軸型水力發電裝置，其中，上述複數片輪葉之弦周比為0.1至0.29。
7. 一種垂直軸型水力發電單元，其特徵在於，其具有：請求項1或2所記載之垂直軸型水力發電裝置；支撐體，其於上述垂直軸型水力發電裝置之固定設置時進行支撐；及橋部，其係連接於上述支撐體；且上述橋部係相對在設置部位所設置之基礎部以固定設置之方式來進行安裝。