TW201923218A - 垂直軸型水力發電裝置、垂直軸型水力發電單元、垂直軸型水力發電用葉片 - Google Patents

Abstract

本發明係藉由謀求構成葉片之翼型形狀之最佳化而獲得如下翼型形狀：即便在用於自水流接收較大之負重之水力發電之情形時，亦會消除後緣之強度不足且維持可獲得高輸出之翼性能。

垂直軸型水力發電裝置10係如下發電裝置，其具備：發電機50，其接收來自水流之旋轉驅動力而產生電力；垂直旋轉軸20，其旋轉自如地連結於發電機50，並且沿鉛垂方向下垂設置；及複數個葉片13，其等沿著圓周方向以大致等角度間隔配設於垂直旋轉軸20之周圍；複數個葉片13形成為直線翼，該直線翼係於鉛垂方向上延伸而形成並且橫剖面形狀包含翼型形狀X；翼型形狀X之後緣係由具有曲率之圓弧形狀13a形成。

Description

垂直軸型水力發電裝置、垂直軸型水力發電單元、垂直軸型水力發電用葉片

本發明係關於一種垂直軸型水力發電裝置、垂直軸型水力發電單元及垂直軸型水力發電用葉片。

習知以來，已知有一種水力發電裝置，其係利用水流使水車所具備之葉片旋轉運動，且將該旋轉運動傳遞至發電機，藉此產生電力。習知之小型水力發電裝置多數情況下使用阻塞水路而進行發電之「落差式」，或利用水流之阻力進行發電之「薩沃尼斯型(savonius)」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既有水路之情形時，為了不使水自水路溢出，需要大規模之水路改造工程等，因此水力發電裝置之設置場所存在較多限制。又，就水車之特性而言，由於流過水路之污物會堆積於水車，故而亦需要除塵裝置及高額之維護費用。亦即，習知之水力發電裝置存在需要極大之初期成本及維持成本等自經濟合理性之觀點來看阻礙其普及之主要因素。

作為解決上述習知之水力發電裝置中存在之課題之方法，近年來，研究了利用升力特性之垂直軸型水力發電裝置之實現。該垂直軸型水力發電裝置係具備如下構件之裝置，即：發電機，其接收來自水流之旋轉驅動力而產生電力；垂直旋轉軸，其旋轉自 如地連結於發電機，且沿鉛垂方向下垂設置；及複數個葉片，其等沿著圓周方向以大致等角度間隔配設於該垂直旋轉軸之周圍；且該垂直軸型水力發電裝置具有複數個葉片配置於與水流垂直之方向之形式，故而具備無需習知技術中所需之除塵裝置或高額之維護費用之優點。

[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，現狀為，配置於垂直軸型水力發電裝置假定之垂直方向上之習知之葉片多數情況下用於風力發電，對水力發電裝置之普及並未推進。其原因在於，與風車中所利用之風(空氣)不同，水車中所利用之水流(水)具有空氣之約800倍之密度，故而存在來自恆定地施加至葉片之水流之負重非常大之課題，根據發明者等人之驗證研究，亦確認到當將習知以來用於風力發電之由翼型形狀構成之葉片單純地用於水力發電時，會產生葉片之破損。

尤其是，習知以來用於風力發電之翼型形狀係為了獲得高輸出而其後緣具有尖銳之銳緣形狀者，當將此種具有由銳緣形狀構成之後緣之翼型形狀之葉片用於水力發電時，存在後緣部分之強度不足而產生破損，反而會降低輸出效率之虞。另一方面，當為了應對水力發電而欲以單純地增厚等方式變更翼型形狀之後緣部分之形狀，並獲得可承受來自水流之負重之強度時，翼性能會發生 變化，於此情形時亦可能導致反而降低輸出效率。

本發明係鑒於上述習知技術中存在之課題而完成者，其目的在於提供一種垂直軸型水力發電裝置、垂直軸型水力發電單元及垂直軸型水力發電用葉片，該等係藉由謀求構成葉片之翼型形狀之最佳化而創造出如下翼型形狀，並可高效率且穩定地利用於水力發電，該翼型形狀係即便在用於自水流接收較大之負重之水力發電之情形時，亦會消除後緣之強度不足且維持可獲得高輸出之翼性能。

本發明之垂直軸型水力發電裝置具備：發電機，其接收來自水流之旋轉驅動力而產生電力；垂直旋轉軸，其旋轉自如地連結於上述發電機，且沿鉛垂方向下垂設置；及複數個葉片，其等沿著圓周方向以大致等角度間隔配設於上述垂直旋轉軸之周圍；上述複數個葉片形成為直線翼，該直線翼係於鉛垂方向上延伸而形成並且橫剖面形狀包含翼型形狀；該垂直軸型水力發電裝置之特徵在於：上述翼型形狀之後緣係由具有曲率之圓弧形狀形成。

又，於本發明中，可實現一種垂直軸型水力發電單元，其特徵在於具有：上述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；及橋接部，其連接於上述支撐體；上述橋接部係藉由固定設置於在設置部位設置之基礎部而進行安裝。

進而，本發明之垂直軸型水力發電用葉片係用於垂直軸型水力發電裝置者，該垂直軸型水力發電裝置具備：發電機，其接收來自水流之旋轉驅動力而產生電力；垂直旋轉軸，其旋轉自如 地連結於上述發電機，且沿鉛垂方向下垂設置；及複數個葉片，其等沿著圓周方向以大致等角度間隔配設於上述垂直旋轉軸之周圍；上述複數個葉片形成為直線翼，該直線翼係於鉛垂方向上延伸而形成並且橫剖面形狀包含翼型形狀；該垂直軸型水力發電用葉片之特徵在於：上述翼型形狀之後緣係由具有曲率之圓弧形狀形成。

根據本發明，可提供一種新穎之垂直軸型水力發電裝置、垂直軸型水力發電單元及垂直軸型水力發電用葉片，該等係藉由謀求構成葉片之翼型形狀之最佳化而創造出如下翼型形狀，並可高效率且穩定地利用於水力發電，該翼型形狀係即便在用於自水流接收較大之負重之水力發電之情形時，亦會消除後緣之強度不足且維持可獲得高輸出之翼性能。

10‧‧‧垂直軸型水力發電裝置

11‧‧‧水車

13‧‧‧葉片

13a‧‧‧圓弧形狀

13b‧‧‧上方連接線段

13c‧‧‧下方連接線段

20‧‧‧垂直旋轉軸

30‧‧‧軸承支撐部

50‧‧‧發電機

60‧‧‧支撐體

61‧‧‧橋接部

62‧‧‧基礎部

100‧‧‧垂直軸型水力發電單元

C‧‧‧翼弦長

R‧‧‧曲率

X‧‧‧(本實施形態之)翼型形狀

Y‧‧‧基準翼型形狀(習知技術之翼型形狀)

Ya‧‧‧(基準翼型形狀之)後緣

Yb、Yc‧‧‧曲線

圖1係表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)係例示習知以來用於風力發電等之翼型形狀之圖。

圖3係表示構成可有效地應用於本實施形態之垂直軸型水力發電裝置之葉片之橫剖面形狀的翼型形狀之圖。

圖4係用以說明圖3所示之本實施形態之翼型形狀之設計思想的圖，圖中之分圖(a)表示本實施形態之翼型形狀之整體之剖面形狀，分圖(b)表示將分圖(a)中符號α所示之由二點鏈線包圍之部位放大所得之主要部分放大剖面。

以下，使用圖式對用以實施本發明之較佳之實施形態進行說明。再者，以下之實施形態並非限定各請求項之發明者，又，實施形態中所說明之特徵之組合未必全部為發明之解決手段所必需。

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係表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。

本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10係如下裝置：利用水流使由葉片13構成之水車11旋轉運動且將該旋轉運動傳遞至發電機50，藉此產生電力。作為具體構成，如圖1所示，本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10構成為具有：水車11，其藉由水流而旋轉；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，其利用垂直旋轉軸20之旋轉驅動力產生電力。而且，本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10例如設置於引水道。

又，作為垂直軸型水力發電單元100，其係以支撐體60包圍垂直旋轉軸20或軸承支撐部30之方式設置，該支撐體60支撐作為旋轉構件之水車11或垂直旋轉軸20，且用以進行垂直軸型水力發電裝置10之固定設置，於該支撐體60連接有架設於引水道等之橋接部61。藉由將支撐體60及橋接部61固定設置於例如設置在引水道之兩岸之基礎部62，而設置本實施形態之垂直軸型水力發電單元100。

圖1中所例示之水車11係構成該水車之複數個葉片13沿著圓周方向以大致等角度間隔配設於垂直旋轉軸20之周圍 者，圖1中例示了設置有3片葉片13之情形。該等3片葉片13構成為分別具有包含大致字形之外觀形狀，且以大致字形之開放部朝向垂直旋轉軸20之方式設置。又，大致字形之縱棒部於鉛垂方向上延伸而形成，並且形成為其橫剖面形狀包含翼型形狀之直線翼。如此形成為直線翼且於鉛垂方向上延伸之大致字形之縱棒部作為水車11之扇葉部發揮功能。即，如圖1所示，本實施形態之水車11係將3片葉片13配置於水中並接收來自水流之力(水之推力)，藉此，作為包含翼型形狀之直線翼之葉片13接收水流並產生升力，以水車11之中心(垂直旋轉軸20)為中心軸旋轉。

如上所述，垂直旋轉軸20係藉由於其下端側設置3片葉片13且接收藉由葉片13之作用產生之旋轉力而進行旋轉運動之構件。垂直旋轉軸20與3片葉片13例如由螺栓及螺帽等公知之緊固手段確實地進行緊固固定。而且，垂直旋轉軸20係藉由配備於軸承支撐部30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支撐且傳遞至發電機50，從而使發電機50產生電力。再者，本實施形態之發電機50係以發電機50所具備之未圖示之輸入軸與垂直旋轉軸20同軸之方式設置。但是，於使用行星齒輪或減速器將發電機50與垂直旋轉軸20連接之形態之情形時，發電機50所具備之未圖示之輸入軸亦可不與垂直旋轉軸20同軸地配置。而且，發出之電力係由未圖示之送電手段輸送至耗電場所或蓄電手段等。

以上，對本實施形態之垂直軸型水力發電單元100之整體構成例進行了說明。其次，基於上述垂直軸型水力發電單元100，對發明者等人新創之翼型形狀進行說明。再者，以下說明之 發明者等人之首創發明之內容係為了獲得可確保充分之輸出特性且可承受來自恆定地施加至葉片13之水流之非常大之負重的、習知不存在之垂直軸型水力發電裝置10及垂直軸型水力發電單元100，由發明者等人首次構思並進行研究所得之成果。

首先，圖2係例示習知以來用於風力發電等之翼型形狀之圖。圖2中之分圖(a)之翼型形狀係表示由NASA(美國太空總署：National Aeronautics and Space Administration)之前身即NACA(美國航空顧問委員會：National Advisory Committee for Aeronautics)所定義之「NACA0018」翼型，圖2中之分圖(b)之翼形形狀係表示由東海大學開發之「TWT12013-05-BA642」翼型。該等習知之翼型形狀係於風力發電中可發揮高效率之升力特性者。而且，該等圖2所示之習知之翼型形狀均為後緣端部具有尖銳之銳緣形狀者，採用此種銳緣形狀之原因在於確保噪音之減小及較高之升阻比。又，作為風力發電中之習知之見解，根據經驗可知，若為了增強翼型形狀之強度而輕易地增加後緣之厚度，則輸出會大幅度地降低。因此，於此種技術領域中，通常使用如圖2所示之後緣端部具有尖銳之銳緣形狀之翼型形狀。

然而，根據本發明者等人所進行之驗證實驗等研究，確認到於將如圖2所示之後緣端部具有尖銳之銳緣形狀之翼型形狀用於水力發電之情形時，包含銳緣形狀之翼型形狀之後緣部分會破損。基於此種見解，發明者等人進行水力發電中亦可有效地使用之新穎之翼型形狀之開發，創造出如下翼型形狀並具體地實現，該翼型形狀係即便在用於自水流接收較大之負重之水力發電之情形時，亦會消除後緣之強度不足且維持可獲得高輸出之翼性能。將由 本發明者等人完成之新穎之翼型形狀示於圖3。此處，圖3係表示構成可有效地應用於本實施形態之垂直軸型水力發電裝置10之葉片13之橫剖面形狀的翼型形狀X之圖。

如圖3所示，構成本實施形態之葉片13之橫剖面形狀之翼型形狀X係以該翼型形狀X之後緣具有曲率之圓弧形狀13a形成。準備複數個包含將此種翼型形狀X作為橫剖面形狀之直線翼之葉片13，利用包含此種複數個葉片13之水車11構成垂直軸型水力發電裝置10，藉此，根據發明者等人之驗證實驗確認到可獲得葉片13未破損且與習知之翼型形狀相比不會降低輸出特性之水力發電裝置。

於是，其次使用圖4對圖3所示之本實施形態之翼型形狀X之設計思想進行說明。此處，圖4係用以對圖3所示之本實施形態之翼型形狀之設計思想進行說明之圖，圖中之分圖(a)表示本實施形態之翼型形狀之整體之剖面形狀，分圖(b)表示將分圖(a)中符號α所示之由二點鏈線包圍之部位放大所得之主要部分放大剖面。

於圖4中，虛線所示之部位表示後緣Ya之端部具有尖銳之銳緣形狀之習知之翼型形狀Y，實線所示之部位表示本實施形態之翼型形狀X。根據圖4中虛線所示之翼型形狀Y與實線所示之翼型形狀X之重疊亦可明瞭，本發明者等人除了習知之翼型形狀Y之後緣部分之附近部位以外不進行形狀變更，如分圖(b)所示，僅對習知之翼型形狀Y之後緣Ya部分之附近部位進行形狀變更。

作為本實施形態之翼型形狀X之具體設計思想，首先，本實施形態之翼型形狀X係藉由如下方式構成：於假定後緣 Ya具有尖銳形狀之基準翼型形狀Y(即，習知技術之翼型形狀，且為由東海大學開發之「TWT12013-05-BA642」翼型)之後，以與基準翼型形狀Y之尖銳後緣Ya相接之方式配置具有曲率之圓弧形狀13a，並配置將該圓弧形狀13a之圓弧端部與形成基準翼型形狀Y之後緣前方之曲線Yb、Yc相連之連接線段(上方連接線段13b及下方連接線段13c)。

圓弧形狀13a係以如下方式構成：本實施形態之翼型形狀X之後緣由圓弧形狀13a構成，該圓弧形狀13a包含固定之曲率R，並且於將翼型形狀之翼弦長作為C時，R≦1.5%C

之不等式成立。該圓弧形狀13a之設計條件係基於發明者等人進行努力研究後之結果所獲得之設計條件，藉由發明者等人之驗證實驗，確認到在用於水力發電之情形時，為消除後緣Ya之強度不足且維持可獲得高輸出之翼性能之翼型形狀X。即，當後緣之曲率R大於1.5%C時，因流過翼型形狀X之表面之水流產生漩渦或翼型形狀X後方之靜水區域擴大等理由而造成翼性能下降。

又，關於包括上方連接線段13b及下方連接線段13c之連接線段，連接線段之前方側即後緣相反側係以分別切線連接於形成基準翼型形狀Y之後緣Ya之前方之曲線Yb、Yc之方式構成。另一方面，包括上方連接線段13b及下方連接線段13c之連接線段之後方側係以與圓弧形狀13a之圓弧端部切線連接之方式構成。亦即，本實施形態之翼型形狀X係藉由針對習知技術之基準翼型形狀Y將由圓弧形狀13a與上方連接線段13b及下方連接線段13c包圍之區域加厚而構成，因該等圓弧形狀13a與上方連接線段13b及下 方連接線段13c、曲線Yb與上方連接線段13b、曲線Yc與下方連接線段13c具有各線段彼此於切線方向上相連之形狀，故而可於不擾亂流過翼型形狀X之後緣附近之水流之情況下滿足對葉片13要求之設計上之輸出特性。

進而，如圖4中之分圖(b)所示，包括上方連接線段13b及下方連接線段13c之連接線段係以如下方式構成：於將與形成基準翼型形狀Y之後緣Ya前方之曲線Yb、Yc切線連接之部位作為A點，將與圓弧形狀13a之圓弧端部切線連接之部位作為B點時，以組合有自A點朝向B點具有連續之曲率變化之曲線之線段之形式構成，並且連續之曲率變化自A點朝向B點由大曲率成為小曲率。藉由採用此種形狀，實現維持輸出特性且提高了強度之翼型形狀X。

於製成採用了基於以上說明之設計思想製成之本實施形態之翼型形狀X的葉片13，且進行設置於上述垂直軸型水力發電裝置10並進行實際發電之驗證實驗後，由發明者等人確認到翼型形狀X之後緣未破損，並且可發揮與習知技術之翼型形狀(基準翼型形狀Y)同等以上之輸出特性。即，根據本實施形態之翼型形狀X，可提供一種垂直軸型水力發電裝置10、垂直軸型水力發電單元100及垂直軸型水力發電用葉片13，該等即便在用於自水流接收較大之負重之水力發電之情形時，亦可消除後緣之強度不足且維持可獲得高輸出之翼性能，故而可高效率且穩定地用於水力發電。

再者，本實施形態之翼型形狀X係基於上述設計思想製造而製成者，於發明者等人使用精密測定儀對設置於上述垂直軸型水力發電裝置10後所進行之驗證實驗中所使用之翼型形狀X進 行形狀確認後，就製造上無法避免之製造誤差之關係而言，明瞭了包含固定之曲率R之本實施形態之圓弧形狀13a係以如下方式構成：於將翼型形狀之翼弦長作為C時，0.5%C≦R≦1.5%C

之不等式成立。亦即，可確認本實施形態之圓弧形狀13a之形狀條件只要滿足上述不等式之條件範圍即可。該內容表示於將本實施形態之具有翼型形狀X之葉片13量產化之方面亦為較佳之實驗結果，且由於在製造圓弧形狀13a方面之制約較少，故而本發明亦可有效利用於實際之產業上。

以上，對本發明之較佳之實施形態進行了說明，但本發明之技術範圍並不限定於上述實施形態中所記載之範圍。對於上述實施形態可施加多種變更或改良。

例如，於上述實施形態中，例示並說明了將由東海大學開發之「TWT12013-05-BA642」翼型作為基準翼型形狀Y而設計、製造本發明之翼型形狀之情形，但本發明之應用範圍並不限定於上述實施形態，亦可將所有公知之翼型作為基準翼型形狀進行設計。

又，於上述實施形態中，例示了翼型形狀X之後緣由圓弧形狀13a構成之情形，該圓弧形狀13a包含固定之曲率R，但可應用於本發明之圓弧形狀並不限定於具有固定之曲率R者，例如亦包含由橢圓形或長圓形等曲線形狀構成之圓弧形狀。根據本發明者等人之研究，確認到即便為具有採用了包含橢圓形或長圓形等曲線形狀之圓弧形狀之後緣之翼型形狀，亦會獲得與上述實施形態相同之作用效果。

根據申請專利範圍之記載可明瞭，施加了此種變更或改良之形態亦可包含於本發明之技術範圍。

Claims (7)

1. 一種垂直軸型水力發電裝置，其具備：發電機，其接收來自水流之旋轉驅動力而產生電力；垂直旋轉軸，其旋轉自如地連結於上述發電機，且於鉛垂方向下垂設置；及複數個葉片，其等沿著圓周方向以大致等角度間隔配設於上述垂直旋轉軸之周圍；上述複數個葉片形成為直線翼，該直線翼係於鉛垂方向上延伸而形成並且橫剖面形狀包含翼型形狀；該垂直軸型水力發電裝置之特徵在於：上述翼型形狀之後緣係由具有曲率之圓弧形狀形成。
2. 如請求項1之垂直軸型水力發電裝置，其中，上述翼型形狀係藉由如下方式構成：於假定後緣具有尖銳形狀之基準翼型形狀之後，以與上述基準翼型形狀之尖銳後緣相接之方式配置具有曲率之圓弧形狀，配置將上述圓弧形狀之圓弧端部與形成上述基準翼型形狀之後緣前方之曲線相連之連接線段。
3. 如請求項2之垂直軸型水力發電裝置，其中，上述連接線段係以如下方式構成：於將與形成上述基準翼型形狀之後緣前方之曲線切線連接之部位作為A點、將與上述圓弧形狀之圓弧端部切線連接之部位作為B點時，以組合有自A點朝向B點具有連續之曲率變化之曲線之線段的 形式構成，並且連續之曲率變化係自大曲率成為小曲率。
4. 如請求項1至3中任一項之垂直軸型水力發電裝置，其中，係以如下方式構成：上述翼型形狀之後緣由圓弧形狀構成，該圓弧形狀包含固定之曲率R，且於將上述翼型形狀之翼弦長作為C時，R≦1.5%C之不等式成立。
5. 如請求項1至3中任一項之垂直軸型水力發電裝置，其中，係以如下方式構成：上述翼型形狀之後緣由圓弧形狀構成，該圓弧形狀包含固定之曲率R，且於將上述翼型形狀之翼弦長作為C時，0.5%C≦R≦1.5%C之不等式成立。
6. 一種垂直軸型水力發電單元，其特徵在於具有：請求項1至3中任一項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；及橋接部，其連接於上述支撐體；上述橋接部係藉由固定設置於在設置部位設置之基礎部而進行安裝。
7. 一種垂直軸型水力發電用葉片，其係用於垂直軸型水力發電裝置者，該垂直軸型水力發電裝置具備： 發電機，其接收來自水流之旋轉驅動力而產生電力；垂直旋轉軸，其旋轉自如地連結於上述發電機，並且於鉛垂方向下垂設置；及複數個葉片，其等沿著圓周方向以大致等角度間隔配設於上述垂直旋轉軸之周圍；上述複數個葉片形成為直線翼，該直線翼係於鉛垂方向上延伸而形成並且橫剖面形狀包含翼型形狀；該垂直軸型水力發電用葉片之特徵在於：上述翼型形狀之後緣係由具有曲率之圓弧形狀形成。