WO2006095396A1 - 垂直軸風車用ブレードとそれを備えた揚力型垂直軸風車 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な機械的構成で、高風速時に風車の回転速度が所定値以上に上昇したとき容易に回転速度の過度上昇を抑制することができる垂直軸風車用ブレード及びそれを備えた揚力型垂直軸風車を提供する。 【解決手段】 ブレード1にエアブレーキ2が設けられ、このエアブレーキ2の重心より後縁寄りの位置には軸受3を有し、エアブレーキ2は軸受3を介してブレード1に回動可能に装着される。また、エアブレーキ2の前部内側面には、ほぼS字形のバネ受板6が取付けられ、このバネ受板6はエアブレーキ2の前方に大きく突出し、風受室12の前部寄りに収容されているバネ材7により付勢されている。風車の回転速度が所定値以上に上昇したとき、エアブレーキ2の前縁側は遠心力により翼面から突出し、またエアブレーキ2の後縁側は翼面より内側に沈むことにより空気抵抗発生部を形成することで、風車の回転速度の上昇を抑制する。

Description

垂直軸風車用ブレードとそれを備えた揚力型垂直軸風車
技術分野
[0001] 本発明は、垂直軸風車の回転軸に支持アームを介して設けられて、向かい風を受 けて揚力を発生し、該揚力により回転軸を回転させる垂直軸風車用ブレード及びそ れを備えた揚力型垂直軸風車に関するもので、風車の具体的形式として直線翼ダリ ウス型風車、ダリウス型風車およびこれらの要素を有する垂直軸風車などに関する。 背景技術
[0002] 風力エネルギーを比較的高!、エネルギー変換効率で動力に変換できる風車として 、従来、水平軸プロペラ型風車と垂直回転軸を有するダリウス型風車や直線翼ダリウ ス型風車が知られている。このうち、水平軸プロペラ型風車は近年の大型風車の大 部分に採用されている。ダリウス型の風車については、弱風時の自己始動性が乏し い欠点があるものの、風向への追従制御が全く不要で東西南北どの方向にも等しく 性能を発揮する長所があるので、とくに都巿ゃ生活圏内での設置に適した小型風車 としてその発展と応用が期待される。
[0003] このようなダリウス型風車や直線翼ダリウス型風車において、ブレードが軸の周りを 回転する周速は風速の増大とともに高速になる。台風のような強風において風車の 安全を保っために、この形式の風車には回転を止めるブレーキ装置が必要とされ、 風車が制動不能となるような高速回転になる前の安全運転圏内で予め運転を止めて おくことが望ましい。
[0004] とくに直線翼ダリウス型風車にお!、ては、ブレードが垂直の状態で垂直回転軸を中 心に高速回転するのでブレードに遠心力が発生してブレードの固定点を中心に大き な曲げモーメントがかる。これによるブレードの破損を予防するために、所定の風速ま たは回転数に達したら風車を停止させるかそれに代わる対策を講じなければならな い。風車を完全停止させた場合、風車停止後は出力ゼロの状態となり、強風の有す る大きな保有エネルギーをその一部分すら全く利用できなくなる。
[0005] そこで、翼面に制御片を設けて、該制御片を開くことにより空気抵抗を発生させて 揚力を低減し、これにより回転数を制御する構成が提案されている (特許文献 1参照
) o
特許文献 1:特開昭 54— 17439号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] し力しながら、上記公報 (特許文献 1)の図 7と図 8に示されたスボイラーの構成では 、スペースの非常に限られたブレードにどのような構造で設けてどのような運転パラメ ータによって制御片を開いたり閉じたりできるの力まったく具体性がなく実現性がない
[0007] また、ある程度までの範囲の強風について、運転を継続できるように風車出力軸に 電磁ブレーキを設けて減速させる方法があるが、その場合作動させるための電力が 常時必要となったり、あるいは発生電流の受入れ負荷が必要となり、一方では出力 軸に依然として過大なトルクが力かり続けるなどの欠点がある。また、別の方法として 機械式ブレーキで減速させる方法も考えられるが、摩擦ディスクの発熱の除去と摩擦 面の耐久性の限界など困難な問題があり現実的に有効な解決策はない。
[0008] そこで、本発明は、このような問題点を考慮してなされたもので、自身の遠心力作用 と信頼性の高い簡単な機械的構成のみによって、ブレードの回転速度が所定値以 上に上昇したとき発生する遠心力により翼面から自動的に突出して空気抵抗を発生 して回転速度の上昇を強く抑制することで、風車を止めることなく熱エネルギーの蓄 積もなく減速してある程度以上の発電を継続することができる垂直軸風車用ブレード 及びそれを備えた揚力型垂直軸風車を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0009] 上記課題を解決するため、請求項 1に係る垂直軸風車用ブレードは、垂直軸風車 の回転軸に支持アームを介して設けられ、風を受けて揚力を発生し、該揚力により前 記回転軸を回転させる垂直軸風車用ブレードであって、前記回転軸から遠い側の翼 面に設けられて、ブレードの回転速度が所定値以上に上昇したとき発生する遠心力 により前記翼面から自動的に突出することによって空気抵抗を発生するとともに空気 の流線を乱し翼面が生む揚力を低下せしめることで回転速度の上昇を抑制するエア ブレーキと、前記エアブレーキに加わる遠心力が所定値以下においては当該エアブ レーキを閉止状態に維持する突出抑制部とを備えたことを特徴とするものである。
[0010] これにより、風速が一定値を超えると、その風速に応じてエアブレーキが自動的に 翼面から突出し、空気抵抗を発生することで、簡単な構成で効率的に回転速度の制 御が可能になる。
[0011] また、請求項 2に係る発明は、前記エアブレーキが閉止状態では、当該エアブレー キの外面が前記ブレードの正規翼型の一部をなすことを特徴とするものである。
[0012] これにより、エアブレーキの閉止時 (通常発電時)には、当該エアブレーキが翼の一 部として機能して揚力発生に寄与するので、発電能力の低下を防止することが可能 となる。
[0013] また、請求項 3に係る発明は、前記エアブレーキの自重重心より後縁寄りの位置に 軸装着部をブレードの長さ方向と並行に設けて、前記エアブレーキは前記軸装着部 を介してブレードに回動可能に装着され、該エアブレーキは、ブレードの回転速度が 所定値以上に上昇したとき、翼前縁に近い側のエアブレーキ端が高速回転時の遠 心力によって翼面力 突出することによってエアブレーキ前縁側に空気抵抗を発生 するとともに空気の流線を乱し翼の発生揚力を低下せしめることで回転速度の上昇 を抑制するようになされ、前記突出抑制部は、前記エアブレーキに加わる遠心力が 所定値以下においては、当該エアブレーキの突出を抑制する抑制力が遠心力に打 ち勝つことによって当該エアブレーキの外面をブレード翼外面と同一平面上に維持 するようになされることを特徴とするものである。
これにより、エアブレーキが作動した際には前縁側に空気抵抗と流線の乱れを発生 させるので、ブレーキ力を生成することになる。
[0014] また、請求項 4に係る発明は、前記エアブレーキの自重重心より後縁寄りで且つェ アブレーキの形状的な中心に近い位置に軸装着部をブレードの長さ方向と並行に設 けて、前記軸装着部を介してブレードに回動可能に装着され、前記エアブレーキは、 前記ブレードの回転速度が所定値以上に上昇したとき、翼前縁に近い側のェアブレ ーキ端が高速回転時の遠心力によって翼面力 突出すると同時に、翼後縁に近 、 側のエアブレーキ端が翼面より内側に凹むことによって、エアブレーキ前縁側に第 1 の空気抵抗と流線の乱れを生ぜしめエアブレーキ後縁に隣接するブレード断面がェ アブレーキの凹みによって生じる空気流露出部分に第 2の空気抵抗と流線の乱れを 発生することで回転速度の上昇を抑制するようになされ、前記突出抑制部は、前記 エアブレーキに加わる遠心力が所定値以下においては、当該エアブレーキの突出を 抑制する抑制力が遠心力に打ち勝つことによって当該エアブレーキがエアブレーキ 全体の外面をブレード翼外面と同一平面上に維持するようになされることを特徴とす るものである。
これにより、エアブレーキが作動した際には前後 2箇所に空気抵抗と流線の乱れを 発生させるので、ブレーキ力を倍増することになる。
[0015] また、請求項 5に係る揚力型垂直軸風車は、上述した垂直軸風車用ブレードを備 免たことを特徴とするものである。
発明の効果
[0016] 本発明によれば、非常に強い風が吹き始めて風車の回転速度が機械的安全上の 限界近くに上昇したときにエアブレーキに掛カる遠心力が一定値を超えると、ェアブ レーキ押さえの抑制力に杭してエアブレーキが翼面から(外径側に)突出して大きな 空気抵抗を発生するとともに空気の流れを大きく乱して翼本来の正常な揚力発生を 著しく損なうので、簡単な構成にもかかわらず容易に回転速度の過度上昇を抑制す ることがでさる。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1]本発明に係る垂直軸風車用ブレードを実施するための最良の形態の断面図で ある。
[図 2]本発明に係る垂直軸風車用ブレードが用いられる風車の例を示す一部切断し た斜視図である。
[図 3]図 1中の X矢方向力 見たブレード 1の一部切欠した側面図である。
[図 4]エアブレーキ 2が突出した場合、風車の上力も見た図である。
[図 5]エアブレーキ 2が突出した場合、ブレード 1の A— A断面図である。
符号の説明
[0018] 1 ブレード 2 エアブレーキ
3 軸受
4 軸
6 バネ受板
7 ノネ材
8 ストッパー
9 取付ネジ
12 風受室
13 背面
14 軸受座
発明を実施するための最良の形態
[0019] 本発明に係る垂直軸風車用ブレードを実施するための最良の形態を、図を参照し て説明する。図 1は本発明にかかる垂直軸風車用ブレードを用いた直線翼型垂直軸 風車の部分破断斜視図である。図 2は本発明に係る垂直軸風車用ブレードを実施す るための最良の形態の A— A断面図である。
[0020] 図 1に示すように、当該直線翼型垂直軸風車は、電柱等のポール形の設置台 Aに 装着される筒形の装着部 B、該装着部 Bに固定され軸線が垂直に配設された丸棒形 の固定軸 C、該固定軸 Cの外周に装着された軸受E、該軸受 Eの外周に装着され固 定軸の周りを回転できる筒型の外輪スリーブ D、外輪スリーブ Dと一体で回転する円 筒状のトルク伝達チューブ F、トルク伝達チューブ Fの出力トルクを伝達するカップリン グ I、および発電機 G等を備えている。
[0021] また、この直線翼型垂直軸風車には、固定軸 Cの上端部に搭載された発電機 Gが トルク伝達キャップ Fの内部に収容され、トルク伝達キャップ Fの回転トルクが増速機 H,カップリング Iを介して発電機 Gの入力軸に伝達されるようになっている。
[0022] ブレード 1は 1本ずつ、ブレード 1の回転軸を中心に等角度で位置を変えて配置さ れ、ストラット Jを介して 外輪スリーブ Dに接合 ·固定され、外輪スリーブはさらにトルク 伝達キャップ Fに連結し、回転トルクを増速機および発電機に伝える。なお、本発明 は、ブレード 1の数に限定をカ卩えるものではなぐふつう 2枚、 3枚、 4枚および 5枚の 中から選択される。
[0023] また、ブレード 1の回転運動を発電機へ伝える機構は、前記構造に限定されるもの ではなぐブレード 1をストラット Jを介して回転軸に接合し、回転軸を延長して軸の外 周に設けた 2箇以上の軸受によって軸延長部分を支持する構造も多く採用される。こ の場合、発電機は延長回転軸の軸端部分に設置される。
[0024] 図 2に示すように、ブレード 1は軽量ィ匕を目的として内部が肉抜きされてなる空洞部 11が形成されている。なお、後縁寄りの空洞部 11は、後述するように風の侵入を予 定した風受室 12となっている。
[0025] この風受室 12は回転軸力も遠い側の翼面である背面 13に開放され、この開放面を エアブレーキ 2が覆うようになっている。図 3は、図 1中の X矢方向から見たブレード 1 の一部切欠した側面図である。図 3に示すように、当該風受室 12内には、ブレード 1 の長さ方向に延びた軸受座 14が設けられて 、る。
[0026] また、図 2に示すように、エアブレーキ 2は、ブレード 1の背面 13の一部をなして僅 力に湾曲した板状態で、そのほぼ中央部 (エアブレーキ 2の自重重心より後縁寄り) の位置に軸装着部としての軸受 3がブレード 1の長さ方向と並行に設けられている。 エアブレーキ 2は、この軸受 3を介してブレード 1の軸受座 14に軸 4を中心に回動して ブレーキ 2の前縁側の端部がブレード 1の曲面の外側へ突出可能なように支持され ている。
[0027] エアブレーキ 2の前部内側面には、ほぼ S字形のバネ受板 6が取付けられている。
このバネ受板 6は、エアブレーキ 2の前方に大きく突出し、風受室 12の前部寄りに収 容されている突出抑制部をなすバネ材 7により付勢されている。
[0028] このようなバネ材 7は、コイルスプリング等力 形成され、風受室 12に突出して固定 された円柱形のストッパー 8に卷装されてガイドされている。このバネ材 7は、バネ受 板 6を介してエアブレーキ 2を倒伏するように付勢して 、る。
[0029] なお、突出抑制力は、風車の回転数が予め設定された回転数に達した時のエアブ レーキ 2に掛力る遠心力とバランスする値に設定されている。従って、この値に達する まではエアブレーキ 2は動かず、当該値を超えると外径側へ突出し始めて空気抵抗 を発生し、回転数が抑制されるようになる。かかる値は、ブレード 1の強度など風車全 体の強度設計に応じて適宜設定されるものである。
[0030] ストッパー 8は、エアブレーキ 2が突出した際にバネ受板 6が当接するもので、背面 1 3から貫通された取付ネジ 9で交換可能に取付け固定されている。
[0031] このストッパー 8は、ばね材 7の圧縮長さに制限を与えることによって、ばね材 7がェ アブレーキ 2によって過度に押されて材料が降伏してしまうリスクを排除している。
[0032] このような構成で、通常 (風車の回転速度が所定値以下)においては、図 2に示す ように、バネ材 7の抑制力によってエアブレーキ 2が常用位置(閉止状態)に保たれて 、エアブレーキ 2の外面はブレード 1翼外面と同一平面上に維持され、そのときのェ アブレーキ 2は翼面の一部として作用して揚力を発生させる。
[0033] そして、風速が増して風車の回転速度が上昇することにより、所定値以上の遠心力 がエアブレーキ 2に掛かると、エアブレーキ 2はバネ材 7の抑制力に杭して外径側へ 突出するようになる。図 4は、エアブレーキ 2が突出した場合、風車の上から見た図で ある。この図 4においては、一つのブレード 1に対して周辺空気の流れ様子を示して いる。また、図 5は、エアブレーキ 2が突出した場合、ブレード 1の A— A断面図である
[0034] 図 4に示すように、突出したエアブレーキ 2は、向力 、風 (風速 V)に対し大きな空気 抵抗を発生するとともに空気の流れを大きく乱して翼本来の正常な揚力発生を著しく 損なうので、回転速度の自律調整が行われるようになる。また、図 5に示すように、ェ アブレーキ 2は突出する際に、ストッパー 8に当接することによってエアブレーキ 2の 突出を一定範囲に制限することができ、またバネ材 7の過度変形を防止することがで きる。
[0035] 従って、力なり強い風速においても風車運転を全面中止する必要がなくなり、運転 を継続して一定量以上の発電を継続できるようになる。し力も、バネ材 7の抑制力とェ アブレーキ 2に掛力る遠心力とを利用して 、るため、エアブレーキ 2を作用させるため の動力を別途設ける必要が無ぐ簡単な構成で回転数の制御が行えるようになる。
[0036] なお、ストッパー 8を弹性材で形成しておくと、バネ受板 6の S字形の弾性との相乗 でバネ受板 6,ストッパー 8の当接の衝撃を減衰することができる。
[0037] また、エアブレーキ 2の風受室 12側における内縁端にリブを延設して、強度の補強 を行っても良い。
また、上述した実施例において、エアブレーキ 2はブレード 1とほぼ同様の長さを有 するものであるが、これに限定されるものではなぐエアブレーキを短くしたりブレード 全数のうちの一部に設けることによってエアブレーキの影響度を任意に設定したりす ることがでさる。

Claims

請求の範囲
[1] 垂直軸風車の回転軸に支持アームを介して設けられ、風を受けて揚力を発生し、 該揚力により前記回転軸を回転させる垂直軸風車用ブレードであって、
前記回転軸力 遠い側の翼面に設けられて、ブレードの回転速度が所定値以上に 上昇したとき発生する遠心力により前記翼面力 自動的に突出することによって空気 抵抗を発生するとともに空気の流線を乱し翼面が生む揚力を低下せしめることで回 転速度の上昇を抑制するエアブレーキと、
前記エアブレーキに加わる遠心力が所定値以下においては当該エアブレーキを閉 止状態に維持する突出抑制部とを備えたことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
[2] 前記エアブレーキの自重重心より後縁寄りの位置に軸装着部をブレードの長さ方 向と並行に設けて、前記エアブレーキは前記軸装着部を介してブレードに回動可能 に装着され、
該エアブレーキは、ブレードの回転速度が所定値以上に上昇したとき、翼前縁に近 い側のエアブレーキ端が高速回転時の遠心力によって翼面力 突出することによつ てエアブレーキ前縁側に空気抵抗を発生するとともに空気の流線を乱し翼の発生揚 力を低下せしめることで回転速度の上昇を抑制するようになされ、
前記突出抑制部は、前記エアブレーキに加わる遠心力が所定値以下においては、 当該エアブレーキの突出を抑制する抑制力が遠心力に打ち勝つことによって当該ェ アブレーキの外面をブレード翼外面と同一平面上に維持するようになされることを特 徴とする請求項 1に記載の垂直軸風車用ブレード。
[3] 前記エアブレーキの自重重心より後縁寄りで且つエアブレーキの形状的な中心に 近い位置に軸装着部をブレードの長さ方向と並行に設けて、前記軸装着部を介して ブレードに回動可能に装着され、
前記エアブレーキは、前記ブレードの回転速度が所定値以上に上昇したとき、翼 前縁に近 、側のエアブレーキ端が高速回転時の遠心力によって翼面力 突出すると 同時に、翼後縁に近い側のエアブレーキ端が翼面より内側に凹むことによって、エア ブレーキ前縁側に第 1の空気抵抗と流線の乱れを生ぜしめエアブレーキ後縁に隣接 するブレード断面がエアブレーキの凹みによって生じる空気流露出部分に第 2の空 気抵抗と流線の乱れを発生することで回転速度の上昇を抑制するようになされ、 前記突出抑制部は、前記エアブレーキに加わる遠心力が所定値以下においては、 当該エアブレーキの突出を抑制する抑制力が遠心力に打ち勝つことによって当該ェ アブレーキがエアブレーキ全体の外面をブレード翼外面と同一平面上に維持するよ うになされることを特徴とする請求項 1に記載の垂直風車用ブレード。
[4] 前記エアブレーキが閉止状態では、当該エアブレーキの外面が前記ブレードの正 規翼型の一部をなすことを特徴とする請求項 1に記載の垂直軸風車用ブレード。
[5] 前記エアブレーキの自重重心より後縁寄りの位置に軸装着部をブレードの長さ方 向と並行に設けて、前記エアブレーキは前記軸装着部を介してブレードに回動可能 に装着され、
該エアブレーキは、ブレードの回転速度が所定値以上に上昇したとき、翼前縁に近 い側のエアブレーキ端が高速回転時の遠心力によって翼面力 突出することによつ てエアブレーキ前縁側に空気抵抗を発生するとともに空気の流線を乱し翼の発生揚 力を低下せしめることで回転速度の上昇を抑制するようになされ、
前記突出抑制部は、前記エアブレーキに加わる遠心力が所定値以下においては、 当該エアブレーキの突出を抑制する抑制力が遠心力に打ち勝つことによって当該ェ アブレーキの外面をブレード翼外面と同一平面上に維持するようになされることを特 徴とする請求項 4に記載の垂直軸風車用ブレード。
[6] 前記エアブレーキの自重重心より後縁寄りで且つエアブレーキの形状的な中心に 近い位置に軸装着部をブレードの長さ方向と並行に設けて、前記軸装着部を介して ブレードに回動可能に装着され、
前記エアブレーキは、前記ブレードの回転速度が所定値以上に上昇したとき、翼 前縁に近 、側のエアブレーキ端が高速回転時の遠心力によって翼面力 突出すると 同時に、翼後縁に近い側のエアブレーキ端が翼面より内側に凹むことによって、エア ブレーキ前縁側に第 1の空気抵抗と流線の乱れを生ぜしめエアブレーキ後縁に隣接 するブレード断面がエアブレーキの凹みによって生じる空気流露出部分に第 2の空 気抵抗と流線の乱れを発生することで回転速度の上昇を抑制するようになされ、 前記突出抑制部は、前記エアブレーキに加わる遠心力が所定値以下においては、 当該エアブレーキの突出を抑制する抑制力が遠心力に打ち勝つことによって当該ェ アブレーキがエアブレーキ全体の外面をブレード翼外面と同一平面上に維持するよ うになされることを特徴とする請求項 4に記載の垂直風車用ブレード。
請求項 1乃至 6のいずれかに記載の垂直風車用ブレードを備えたことを特徴とする 揚力型垂直軸風車。
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