TWI665386B

TWI665386B - 垂直軸型風力發電機用風車葉片

Info

Publication number: TWI665386B
Application number: TW105142505A
Authority: TW
Inventors: 根本豊
Original assignee: 根本豊
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2019-07-11
Also published as: WO2017188250A1; TW201738459A; JP6031208B1; JP2017198172A

Abstract

有效地活用順風來使風車旋轉加速，來貢獻於風力發電。

在流線型葉片的後部，形成有：由豎立於橫斷方向之鉛直的後壁、凸圓弧狀的外壁面、於中心軸側豎立的內側面所包圍的空洞，該空洞，係形成有前述外壁面與內側面之間的間隔為最窄的狹隘部，該狹隘部的後側係朝向後方變寬，且打開使順風容易從後端流入。因此，當風車旋繞使本發明的葉片順風時，前述狹隘部被風壓按壓而旋繞。且，前述狹隘部的前側，係隨著往前而使間隔逐漸擴張，在靠前述後壁成為最大，故空洞內部的空氣壓力逐漸降低，在靠後壁成為最低，故噴流所受到的空氣抵抗逐漸降低，而以最高速來按壓前述後壁，使風車進一步高速旋繞。

Description

垂直軸型風力發電機用風車葉片

本發明係關於垂直軸型風力發電機用風車葉片的形狀。

如牛山泉所著作之「風力發電之書」的第74頁所記載般，若沒有對使葉片寬度變廣特別下功夫的話，在風速為2m/s水準以下時將無法轉起來。使風車開始旋轉的風速，係起動風速或起始風速，將開始發電的風速稱之為切入風速。在東北的震災中福島縣的核能發電廠受到損傷，以核能發電廠的安全性降低為契機，期望著使用可再生能源之發電裝置的效率化。

垂直軸型的風車，已知有專利文獻1等。專利文獻1係盡可能不犧牲簡易構造之桶形風車的特徵，為了在低轉數域產生高轉矩，而在風車葉片之靠外端的位置，使葉片的外端相對於受風凹曲面側錯開，而成為逆Z字狀或Z字狀之以階段狀彎曲的構造，階段狀之段差板的外面所受到的風力，係作用來輔助本來之凹曲面所受到的風力。其結果，在低轉數域亦可產生高轉矩。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第5251458號

[專利文獻2]日本專利第5731048號

但是，桶形風車，其2片曲板葉片之中的1片，係相對於風向受到倒回方向的力，故因為該抵抗力而有著無法避免轉矩或輸出減少的問題。

為了解決該問題，如專利文獻2般，為了使與旋轉方向相反方向作用的力變少，提案有如圖4般於旋轉方向有效作用之葉片形狀的改良。一般的風力發電機用風車(葉片)，係利用[阻力]或、[升力]之任一者的作用來使風車(葉片)旋轉，如圖1般，專利文獻2的垂直軸型風力發電機用風車(葉片)，當然係有利用以葉片1的表面2所承受之氣流之進行方向之抵接於物體的力亦即[阻力的力]，且該風車(葉片)還具有：亦將由此產生之上下壓力差導致之垂直方向的力亦即[升力的力]同時活用來利用之特別的特徵。亦即，半徑比表面2的凸曲面還要小的凹曲面3係形成在裏側亦即葉片1的旋繞中心軸6側。

其特徵之一亦即與[阻力]同時產生[升力]的方法，係使(a)葉片、(b)圖2所示之支杆4各自的裏側形狀設成凹彎曲3、5，藉此成為以一次的風力來產生二倍的風力之斬新的垂直軸型風力發電機用風車(葉片)。

如上述般，本發明的垂直軸型風力發電機用風車(葉片)，係在風車(葉片)表面產生[阻力]使風車(葉片)旋轉，利用葉片1與支杆4之裏側的凹彎曲形狀3、5產生[升力]，藉此得到效率良好的發電量。亦即，成功以一次的風來產生二倍的力，與通常的風力發電機不同，可以微弱的風來開始旋轉，在產生可發電的強風時，可以短時間差瞬時地開始發電，故可高效率發電。

進一步詳述的話，本發明之垂直軸型風力發電機用風車(葉片)的特徵之一亦即使葉片1的裏側成為凹彎曲形狀3的整形開始位置，係從圖4所示之前頭部21~45%的部位為最佳。

且，關於亦為專利文獻2之垂直軸型風力發電機用風車(葉片)的特徵之一亦即風車(葉片)的製造，材質係使用輕量且有強度的鋁合金(AL-5025)，且如圖4般從整體的幾乎中心部以前後二分割的按壓工法或挖空，整形成管形狀的中空形狀。

又，開閉構造的翼M為板狀，其前端以鉸鏈H安裝在葉片1的外面。因此，(1).朝向風W使葉片1旋繞的情況，以風壓使開閉翼M成為關閉，但是(2).180度旋繞移動而成為使風W按壓後端凹曲面3的狀態時，開閉翼M會被風壓按壓打開且使開閉翼M之寬廣的面成為承受風壓的狀態，可更有效地利用按壓力。

此外，旋繞移動而(1).從前端受到使開閉翼M關閉之方向的風壓時，開閉翼M關閉，係將葉片1推回之方向的力成為最小。

但是，如專利文獻2般，若為於葉片1藉由鉸鏈H來設置開閉構造之翼M的構造時，有著開閉翼M無法確實開閉之虞，且，雖然亦可如支杆後端般形成袋狀，但由於入口狹窄故無法充分活用風壓。

本發明的技術性課題，係著眼於上述問題，其課題在於：有效利用順風來使風車的旋繞加速，來貢獻於風力發電。

請求項1，係一種垂直軸型風力發電機用風車葉片，係在鉛直的中心軸呈放射狀安裝之複數根水平臂的外端，鉛直地豎立的葉片，其特徵為，該水平剖面形狀為流線形狀，於後部由鉛直地於橫斷方向豎立的後壁、凸圓弧狀的外壁面、於前述中心軸側豎立的內側面所包圍的空洞，係從前述外壁面與內側面之間的間隔為最窄的狹隘部朝向後側逐漸變寬，而且開有開口使風從後端被導引流入，前述狹隘部的前側，係隨著往前而使間隔逐漸擴張，在靠前述後壁成為最大，而且，使前述空洞與外氣連通的孔，至少被開在內側面且靠前述後壁。

請求項2，係請求項1所述之垂直軸型風力發電機用風車葉片，其中，於前述水平臂鉛直地固定的按壓槽，其接受順風的背面為凹槽狀，且前面為凸形狀。

如請求項1所述般，垂直軸型風力發電機用風車，係在鉛直的中心軸呈放射狀安裝之複數根水平臂的外端，具有鉛直地豎立的葉片，其水平剖面形狀為流線形狀。如上述般在葉片的後部，形成有空洞，該空洞係由鉛直地於橫斷方向豎立的後壁、凸圓弧狀的外壁面、於前述中心軸側豎立的內側面所包圍。該空洞，係形成有前述外壁面與內側面之間的間隔為最窄的狹隘部，從該狹隘部朝向後側逐漸變寬，而且開有開口使順風容易從後端被導引流入。因此，當風車旋繞使本發明的葉片順風時，前述狹隘部被風壓按壓而旋繞。且，前述狹隘部的前側，係隨著往前而使間隔逐漸擴張，在靠前述後壁成為最大，故空洞內部的空氣壓力逐漸降低，在靠前述後壁成為最低。因此，通過前述狹隘部的噴流所受到的空氣抵抗逐漸降低，且在靠前述後壁成為最低，故以最高速來按壓前述後壁，且進一步按壓風車來旋繞。如上述般，可有效活用順風來貢獻於風車的旋繞。此外，使前述空洞與外氣連通的孔，至少被開在內側面且靠前述後壁，故前述空洞的空氣壓力降低而接近外氣壓力，使得通過前述狹隘部而噴入的風與前述後壁衝突而成為使葉片前進的力，更有效地使風車旋繞。

如請求項2所記載般，於前述水平臂鉛直地固定的按壓槽，其接受順風的背面為凹槽狀，且前面為凸形狀，故使風車前進時空氣抵抗較小，相對於此，接受順風的背面為凹槽狀，故空氣抵抗較大，而使風車有效地旋繞。

1‧‧‧葉片

2‧‧‧表面

21‧‧‧前頭部

22‧‧‧葉片的後部

3‧‧‧凹曲面

4‧‧‧支杆

5‧‧‧凹彎曲

23‧‧‧後方較薄的部分

6‧‧‧中心軸

M‧‧‧開閉翼

H‧‧‧鉸鏈

7‧‧‧前半部

8‧‧‧後壁

9‧‧‧外壁面

10‧‧‧內側面

C‧‧‧空洞

11‧‧‧狹隘部

D‧‧‧打開的後側

h‧‧‧孔

12‧‧‧按壓槽

13‧‧‧凸形狀的前面

14‧‧‧阻礙板

15、16‧‧‧鉛直軸

圖1為本發明之風車的俯視圖。

圖2中，(1)為將圖1之風車的一部分予以擴大表示的立體圖、(2)為1片葉片的組裝圖、(3)為1片葉片的外觀圖。

圖3為表示圖1之風車所承受的風向與輸出的俯視圖。

圖4為表示以往之開閉翼之詳細的水平剖面圖。

圖5為表示本發明之1片葉片之全貌的立體圖。

圖6為將本發明的葉片與順風翼安裝於支杆的俯視圖。

圖7為本發明之葉片的分解俯視圖。

圖8為本發明之葉片的組裝俯視圖。

接著對於本發明之垂直軸型風力發電機用風車葉片在實際上係以何種方式來具體化，以實施形態進行說明。圖5為表示本發明之垂直軸型風力發電機用風車之1片葉片之全貌的示意立體圖，與專利文獻2所示的圖4相異，後部之水平剖面方向的形狀完全不同。亦即，葉片1的前半部7係呈流線形狀，但後壁8之後側的構造，係形成有空洞C，該空洞係由該後壁8、凸圓弧狀的外壁面9與豎立於前述中心軸6側的內側面10所包圍。亦即，如圖所示般，外壁面9與內側面10雖然相對向，但間隔係緩緩變化著。

該空洞C，係使前述外壁面9與內側面10之間的間隔成為最窄的狹隘部11變窄而成，在該狹隘部11的後側G，如圖示般朝後逐漸地擴展開放，具有使順風容易進入的導引功能，且具有開口而使風從後端流入。因此，當風車旋繞使本發明的葉片順風時，前述狹隘部11被風壓按壓而使風車進一步旋繞。且，前述狹隘部11的前側，係隨著往前而使間隔逐漸擴張，在靠前述後壁8成為最大，故空洞C內部的空氣壓力逐漸降低，在靠前述後壁8成為最低。

因此，通過前述狹隘部11的噴流所受到的空氣抵抗逐漸降低，且在靠前述後壁8成為最低，而以最高速來按壓前述後壁8，且進一步按壓風車來旋繞。因此，葉片1亦受到從後方按壓的風壓而圓滑地旋繞。

為了形成前述狹隘部11，至少內側面10成為彎曲的形狀，故外側面9不需要撓曲等之加工，加工的負擔變輕，而且由於外側面9完全沒有加工，故不用擔心風的流動被擾亂。

此外，使前述空洞C與外氣連通的孔h...至少被開在內側面10之靠前方亦即靠後壁8側，讓前述空洞C的空氣壓降低而接近外氣壓力，故通過前述狹隘部11的風成為噴流而與前述後壁8衝突，成為使葉片1進一步前進的力，進一步讓風車旋繞。

如圖6所示般，不只是前述般的葉片1，亦可對支杆亦即水平臂4加以改良來更加提高受風效果。亦即，以鉛直地豎立狀態被固定的按壓槽12，係將背面形成為V或U狀的凹槽狀，而容易承受順風，前面係變尖成為凸形狀13，故前述葉片1在前進時的空氣抵抗較小，相對於此，接受順風的背面係凹槽狀12，故空氣抵抗較大，而適合於葉片的前進旋繞。又，前述按壓槽12的上端與下端，係被外形為V狀或U狀的阻礙板14給塞住，故風難以從上端與下端逃出。

圖7為前述葉片1之實物的分解俯視圖、圖8為組裝狀態的俯視圖。1c、1c，係外側及內側的遮罩板，1r係補強用的肋組。前頭部fc係前頭部的遮罩板。後壁8，係兼用為肋來保持後端的外側面板9或內側板10。將該等組裝之後，如圖8般成為接受順風的1片葉片1。

將如此組裝的葉片1組裝於風車時，如圖6般，亦從後方接受順風，使風車旋繞。在將葉片1安裝於支杆4的外端時，係使用中央的鉛直軸15，且進一步透過靠後方的鉛直軸16，來支撐後方。又，在葉片1的內側，靠支杆4外端設置前述按壓槽12。亦即，將前端為凸形狀13的按壓槽12安裝在支杆4的靠外端，故如前述般，有效利用順風來更有效率地旋繞。

[產業上的可利用性]

如上述般，在鉛直的中心軸呈放射狀安裝之複數根水平臂的外端，具有鉛直地安裝的葉片，其水平剖面形狀為流線形狀，於上述般之葉片的後部，由鉛直地於橫斷方向豎立的後壁、凸圓弧狀的外壁面、於前述中心軸側豎立的內側面所包圍的空洞，係形成有前述外壁面與內側面之間的間隔為最窄的狹隘部，從該狹隘部的後側朝向後方逐漸變寬，而且以打開的狀態來開口，使順風容易從後端流入。因此，當風車旋繞使本發明的葉片順風時，前述狹隘部被風壓按壓而旋繞。且，前述狹隘部的前側，係隨著往前而使間隔逐漸擴張，在靠前述後壁成為最大，故空洞內部的壓力逐漸降低，在靠前述後壁成為最低。因此，通過前述狹隘部的噴流所受到的空氣抵抗逐漸降低，且在靠前述後壁成為最低，而以最高速來按壓前述後壁，而進一步按壓風車來旋繞。

Claims

一種垂直軸型風力發電機用風車葉片，係在鉛直的中心軸呈放射狀安裝之複數根水平臂的外端，鉛直地豎立的葉片，其特徵為，該水平剖面形狀為流線形狀，於後部由鉛直地於橫斷方向豎立的後壁、凸圓弧狀的外壁面、於前述中心軸側豎立的內側面所包圍的空洞，係從前述外壁面與內側面之間的間隔為最窄的狹隘部朝向後側逐漸變寬，並開口使順風從後端流入，前述狹隘部的前側，係隨著往前而使間隔逐漸擴張，在靠前述後壁成為最大，而且，使前述空洞與外氣連通的孔，至少被開在內側面且靠前述後壁。
如請求項1所述之垂直軸型風力發電機用風車葉片，其中，於前述水平臂鉛直地固定的按壓槽，其接受順風的背面為凹槽狀，且前面為凸形狀。