WO2011136353A1

WO2011136353A1 - 風力発電用の垂直軸型風車

Info

Publication number: WO2011136353A1
Application number: PCT/JP2011/060420
Authority: WO
Inventors: 笹令
Original assignee: Sasa Satoru
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2011-11-03

Abstract

　風車の翼の特殊な形状及び配置により、翼の軽量化と剛性及び風車の回転半径を抑えて安全性を確保し、風車の起動性及び回転効率のよい、設置場所の限定されない垂直軸型風車の提供を可能にする。垂直回転軸１と、この垂直回転軸１の上下に取り付けられた円形状端板２を介して、翼３をその曲面部Ｘ側を垂直回転軸１側に向けて配置するとともに、前記翼３の曲面部Ｘ側に、それぞれ前縁３ａ側に広い開口を有し、後縁３ｂに向かって狭くなるよう形成されている第１の凹状部４，第２の凹状部５，第３の凹状部６及び第４の凹状部７を形成し、前縁３ａから流入する風を、この第１の凹状部４乃至第４の凹状部７を通過させることによって風速を増加させる。

Description

風力発電用の垂直軸型風車

　本発明は、垂直軸型の風力発電用の風車のうち、揚力型の垂直軸型風車に係り、特に低風速域において、起動性と回転効率が高く、風向に対する適応性に優れているだけでなく、安全で省スペースである小型の垂直軸型風車に関する。
背景技術

　風力発電用の風車には、一般的に、風向に対して回転軸が水平になっている水平軸型風車と、風向に対して回転軸が垂直になっている垂直軸型風車が知られている。

　このうち、垂直軸型風車としてよく知られたものとして、風車の翼に発生する抗力により垂直回転軸を回転させるサボニウス型，パドル型等の抗力型の風車と、風車の翼に発生する揚力により垂直回転軸を回転させるダリウス型やジャイロミル型の風車がある。

　抗力型の風車は、低風速域からでも回転する特徴を有しているが、周速比（翼の翼端速度／風速）が１になると、それ以上の風車に対する回転モーメントが発生せず、風速が上昇してもそれ以上の垂直回転軸の回転数を得ることが出来ず発電効率が悪いのに対して、揚力型の風車は、周速比が１以上でも、風車を効率よく回転させることが可能であり、風速に応じて回転数が上昇し発電効率も上がるという利点を有しているので、一般的に、風力発電用としては、揚力型の垂直軸型風車が使用されている。

　そして、このような揚力型の垂直軸型風車の翼は、飛行機の主翼をモデルにした航空力学に基づいて製作されている場合がほとんどであるが、周速比が１以下になると、風車を回転させるモーメントが小さくなる欠点があり、また、起動モーメントが小さく停止状態からの自律的な起動が困難であるという欠点を有していた。そこで、起動性を高めるために、翼の軽量化を図るとともに、低風速域においては翼に発生する抗力を利用するような発明が提案されている。

　また、このような揚力型の垂直軸型風車は、垂直回転軸を中心とする一定の距離の円周上に、この垂直回転軸から延びた支持部材を介して、翼が複数枚配置された構成となっている。したがって、これらの支持部材自体や支持部材の連結や補強に必要な部材によって、軽量化にも限界があった。更に、風車自体の回転半径が大きくなり、高速回転する場合には危険性が増大し安全面での問題もあって、設置スペースについても十分な確保が必要であり、設置場所についても限定されているのが現状である。

　例えば、特許第３４５１０８５号公報には、３０，０００～３，０００，０００の範囲の低いレイノルズ数の風に対しても、発電可能な風力発電用の垂直軸型風車が開示されている。この特許第３４５１０８５号公報に記載されている発明は、垂直回転軸と、該垂直回転軸から放射状に延びる支持ストラットを介して４枚の翼（ブレード）が、該垂直回転軸に平行に配置されており、翼（ブレード）は、一枚構造のアルミ合金やプラスチックなどの材質からなる薄板状の素材を曲げて、１．０～１．４の範囲の揚力係数を有する飛行機に使用される流線型の翼型に形成されるとともに、垂直回転軸側の翼下面が、翼弦長に対して前縁より３５％～４５％の位置から後縁に亘って、切欠部が形成されていることを特徴としている。すなわち、アルミ合金等を使用することにより、翼（ブレード）の軽量化をはかりつつ、低風速域においても、この翼（ブレード）の翼下面に形成された切欠部に風を受けることによって、空気抵抗による回転モーメントを発生させて風車の起動性を高めるようにしている。

　また特開２００８－１０１５３６号公報には、垂直回転軸と、該垂直回転軸に固定された支持具を介して垂直回転軸から所定の間隔を有して翼（ブレード）が配置されており、該翼（ブレード）は、金属板を加工することにより中空の翼型に形成されたシェル部材と、このシェル部材の中空部に充填された発泡剤からなる中詰部材とから構成され、回転軸側の翼の下面が、翼弦長に対して前縁から４５％以上５５％以下の位置を起点として後縁まで流線型に形成された凹部を有してなる風力発電機用の翼（ブレード）を特徴とする垂直軸型風車が開示されている。これは、従来以上に、翼（ブレード）の軽量化を図るとともに、低風速域においては、前記凹部で風を受けることによって、空気抵抗を発生させて風車の起動性を高め、風車の回転の効率化と翼（ブレード）の強化を図ろうとしたものである。

　更に特開２００９－１９１７４４号公報には、垂直回転軸と、この垂直回転軸を中心とする円周上に配置される翼（ブレード）と、この翼（ブレード）を垂直回転軸に取り付ける支持部材とを備え、該翼（ブレード）は一方の面が前縁から後縁の翼弦長方向の略全長に亘って凸状に形成されるとともに、翼（ブレード）の前縁から後縁に向かって翼弦長の３０％～７０％において翼厚の変化する部分を有し、この翼厚の変化する部分の最大翼厚が翼弦長の１５％以下であって、その翼厚の変化する部分の後端から前記後縁に亘って厚さが略一定の薄板状をなすことを特徴とする垂直軸型風車が開示されている。これによって、翼（ブレード）を非常に薄く構成して翼（ブレード）の空力特性を改善するとともに軽量化を図り、より風車の回転効率及び起動性の向上を図ろうとするものである。
発明の概要

　しかし、特許第３４５１０８５号公報に開示された発明は、確かに低風速域において、翼（ブレード）の翼下面に形成された切欠部に風を受けることによって、翼（ブレード）に抗力が発生し、この抗力によって風車に回転モーメントを発生させて風車の起動性を高めるものではあるが、一方、中・高速の風速域で回転する場合には、翼（ブレード）に揚力が発生することになるが、この揚力の回転力を充分に引き出すことが出来ないという問題があった。すなわち、揚力の働きは、その揚力が働く翼の空力特性とその面積及び回転速度に依存しているので、翼（ブレード）に働く抗力が減少することによって、揚力の働きが一層高くなり回転力が増加することになる。しかるに、抗力を得るために設けられた切欠部は、中・高速の風速域では揚力による回転力を阻害し、揚力本来の回転数を得ることが出来ないという問題があった。

　また、特開２００８－１０１５３６号公報に開示された発明も、翼（ブレード）の下面の後縁部に凹部が形成されており、低風速域において、翼（ブレード）の後方からの風力によって発生する抗力によって、風車の起動性を高めようとするものであるが、特許第３４５１０８５号公報の発明と同様の問題を生ずるものであり、中・高速の風速域において揚力による回転力を阻害し、期待以上の回転数を得ることが出来ないという問題がある。

　更に、特開２００９－１９１７４４号公報に開示された発明は、翼の空力特性と軽量化を図るために非常に薄板状に構成されてはいるが、翼（ブレード）における剛性については全く考慮されているものとは考えられない。

　また、特許第３４５１０８５号公報、特開２００８－１０１５３６号公報及び特開２００９－１９１７４４号公報はともに、低風速域での垂直軸型風車の起動性の向上のために、翼（ブレード）の軽量化については考慮しているものの、いずれの場合も、垂直回転軸から延びた翼（ブレード）を取り付けるための支持部材を、垂直軸型風車の構成要素としているために、風車全体としての軽量化に限界が有るという問題を有している。すなわち、支持部材自体の重量もさることながら、この支持部材を翼（ブレード）に固定するために、種々の連結部材や補強部材を必要とするからである。そしてその為に、部品点数が多くなり、作業効率においても問題があった。

　更に、特許第３４５１０８５号公報、特開２００８－１０１５３６号公報及び特開２００９－１９１７４４号公報はともに、垂直回転軸から延びた支持部材を介して翼（ブレード）が配置されているため、風車の回転半径が大きくなる傾向があるため、高速回転時における安全性の確保のためには、充分な設置スペースを必要とするために、特に都市部における設置場所が限定されるという問題があった。

　本発明は、上記のような事情を鑑みてなされたものであり、空気のような粘性を有する流体が物体の表面の曲面に沿って流れようとする性質（コアンダ効果）や、流体エネルギーの保存則（ベルヌーイの定理）或いは流体を噴出させることで物体を逆方向に推進させる作用を利用して、揚力型の垂直軸型風車であるにも係わらず、垂直軸と翼との間の取付用の支持部材を使用せずに、風車の回転半径を抑えて安全性を確保して、設置場所の拡大を図るだけでなく、翼の軽量化及び剛性の両立を図るとともに、翼の空力特性の向上を図るための翼の特殊の形状及び配置により、低風速域においても、翼に発生する抗力を利用することなく起動性を向上させ、回転効率を高めるための垂直軸型風車を提供することを目的とするものである。

　本発明はまた、かかる垂直軸型風車における翼の剛性、低風速域での翼の起動性、及び回転効率を更に高めることを目的とするものである。

　上記の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明は、横断面が半円形状であって、この半円形状の曲面側において、この曲面に沿って前縁側が広く開口し、後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では狭通路を形成してなる第１の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とする翼である。

　請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の翼において、該翼に形成された前記第１の凹状部の各間の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では狭通路を形成してなる第２の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とするものである。

　請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の翼において、該翼に形成された前記第２の凹状部の両側の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では狭通路を形成してなる第３の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とするものである。

　請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の翼において、該翼に形成された前記第３の凹状部の両側の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では狭通路を形成してなる第４の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とするものである。

　請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の翼において、前記第１の凹状部、前記第２の凹状部、前記第３の凹状部及び前記第４の凹状部のそれぞれの底面部に、複数条の蛇腹状凹凸部を形成すると共に、且つ当該蛇腹状凹凸部の間隔も、前縁側から後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなりつつ、前記各狭通路入口付近まで形成されていることを特徴とするものである。

　請求項６に記載の発明は、横断面が半円形状であって、この半円形状の曲面側において、この曲面に沿って前縁側が広く開口し、後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では曲面部の曲率に沿って上部を閉塞して貫通孔を形成すると共に、後縁上部に当該貫通孔に連接する排出口を形成してなる第１の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とする翼である。

　請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の翼において、該翼に形成された前記第１の凹状部の各間の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では曲面部の曲率に沿って上部を閉塞して貫通孔を形成すると共に、後縁上部に当該貫通孔に連接する排出口を形成してなる第２の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とするものである。

　請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の翼において、該翼に形成された前記第２の凹状部の両側の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では曲面部の曲率に沿って上部を閉塞して貫通孔を形成すると共に、後縁上部に当該貫通孔に連接する排出口を形成してなる第３の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とするものである。

　請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の翼において、該翼に形成された前記第３の凹状部の両側の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では曲面部の曲率に沿って上部を閉塞して貫通孔を形成すると共に、後縁上部に当該貫通孔に連接する排出口を形成してなる第４の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とするものである。

　請求項１０に記載の発明は、請求項６乃至請求項９の何れか一項に記載の翼において、前記第１の凹状部、前記第２の凹状部、前記第３の凹状部及び前記第４の凹状部のそれぞれの底面部に、複数条の蛇腹状凹凸部を形成すると共に、且つ当該蛇腹状凹凸部の間隔も、前縁側から後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなりつつ、前記各貫通孔入口付近まで形成されていることを特徴とするものである。

　請求項１１に記載の発明は、垂直回転軸と、この垂直回転軸を中心に一定の半径を有し、前記垂直回転軸の上下端近傍に取付けられた円形状端板と、該上下の円形状端板の間に前記垂直回転軸と平行に、且つ前記曲面部側を前記垂直回転軸側に向けて複数枚配置された請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の翼とを備えていることを特徴とする垂直軸型風車である。

　請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の垂直軸型風車において、前記翼の最大翼厚が、前記翼の直径の３０％～５０％の長さであり、且つ前記翼の腹面側が直径に対して前縁から７０％～７５％の位置を起点として後縁まで曲面で形成されていることを特徴とするものである。

　請求項１３に記載の発明は、請求項１１に記載の垂直軸型風車において、前記翼のアスペクト比（翼幅の二乗／翼面積）が８～１５であることを特徴とするものである。

　請求項１４に記載の発明は、請求項１１に記載の垂直軸型風車において、前記翼の直径が、前記円形状の端板の直径の５０％～６０％であることを特徴とするものである。

　請求項１５に記載の発明は、請求項１１に記載の垂直軸型風車において、前記第１の凹状部乃至前記第４の凹状部を形成する側壁部が内側に傾斜していることを特徴とするものである。

　本発明の請求項１１に記載の垂直軸型風車であって請求項１に記載の翼を備えたものにおいては、翼を取付けるための支持部材が存在しないので、軽量化が図られると同時に、翼を薄板で覆われた、半円形状の曲面構造とするとともに、この曲面部に凹状部を形成することにより、剛性の高いいわゆるシェル構造を創り出し、軽量化と剛性を同時に達成することが可能になる。また、第１の凹状部の広く開口した前縁より風の流れが流入し、徐々に狭くなる凹状部を曲面に沿って流れることにより風の流速が増加して、狭通路に流れ込むときには最大限の流速となって、風の流れが後縁部より外に噴出するように排出されることになるので、狭通路の付近は負圧となって揚力が発生し、この翼に発生した揚力により垂直回転軸を回転させるばかりでなく、狭通路からの風の噴出による反作用によっても、垂直回転軸を回転させることになる。この時の風速は、第１の凹状部の広く開口した前縁から流れ込む風速より速い速度になるため、低風速域の場合であっても風速を速めることが可能になるため、起動性を高めると同時に回転効率を向上させる効果を有する。

　本発明の請求項１１に記載の垂直軸型風車であって請求項２乃至請求項４に記載の翼を備えたものにおいては、第１の凹状部での現象が、そのまま第２の凹状部、第３の凹状部及び第４の凹状部においても発生することになり、低風速域の場合であってもより一層風速を速めることが可能になるため、起動性と同時に回転効率を一層向上させる効果を有する。

　本発明の請求項１１に記載の垂直軸型風車であって請求項５に記載の翼を備えたものにおいては、前記第１の凹状部、前記第２の凹状部、前記第３の凹状部及び前記第４の凹状部のそれぞれの底面部に、複数条の蛇腹状凹凸部を形成することにより、各凹状部の底面部の面積が増加し、その分開口部から流入する風量が増加することになる。また、当該蛇腹状凹凸部の間隔自体も、前縁側から後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなりつつ、各狭通路入口付近まで形成されているので、この狭通路入口付近が、風の流速が最大になって狭通路を通過し、この狭通路の後縁側より、風の流れが外に噴出するように排出されることになるので、請求項１乃至請求項４に記載の翼の場合より一層風速を速めることが可能となるため、起動性及び回転効率が更に向上することになる。

　本発明の請求項１１に記載の垂直軸型風車であって請求項６に記載の翼を備えたものにおいては、請求項１に記載の翼を備えた垂直軸型風車と比較して、後縁近傍では曲面部の曲率に沿って上部を閉塞して貫通孔を形成すると共に、後縁上部に当該貫通孔に連接する排出口を形成したことにより、水平方向への撓みに対する剛性がより一層向上することになった。また、第１の凹状部の広く開口した前縁より風の流れが流入し、徐々に狭くなる凹状部を曲面に沿って流れることにより加速された風の流れが、貫通孔入口付近で風の流速が最大になって、貫通孔に流れ込むことにより途中で外部に排出されることなく、狭い貫通孔に連接された後縁上部に形成された狭い排出口より外に噴出するように排出されることになるので、請求項１に記載の狭通路に比べ流速が更に向上し、貫通孔内部はより一層負圧となって揚力が発生し、垂直回転軸を回転させるばかりでなく、低風速域の場合であっても風速を速めることが可能になるため、起動性を高めると同時に回転効率を向上させる効果を有する。

　本発明の請求項１１に記載の垂直軸型風車であって請求項７乃至請求項９に記載の翼を備えたものにおいては、第１の凹状部での現象が、そのまま第２の凹状部、第３の凹状部及び第４の凹状部においても発生することになり、低風速域の場合であってもより一層風速を速めることが可能になるため、起動性と同時に回転効率を一層向上させる効果を有する。

　本発明の請求項１１に記載の垂直軸型風車であって請求項１０に記載の翼を備えたものにおいては、前記第１の凹状部、前記第２の凹状部、前記第３の凹状部及び前記第４の凹状部のそれぞれの底面部に、複数条の蛇腹状凹凸部を形成することにより、各凹状部の底面部の面積が増加し、その分開口部から流入する風量が増加することになる。また、当該蛇腹状凹凸部の間隔自体も、前縁側から後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなりつつ、各貫通孔入口付近まで形成されているので、この貫通孔入口付近が、風の流速が最大になって貫通孔を通過し、この狭い貫通孔に連接された後縁上部に形成された狭い排出口より、風の流れが外に噴出するように排出されることになるので、請求項６乃至請求項９に記載の翼の場合より一層風速を速めることが可能となるため、起動性及び回転効率が更に向上することになる。

　本発明の請求項１２に記載の垂直軸型風車においては、翼の最大翼厚が、翼直径の３０％以下であることによる翼の剛性の低下を防止するとともに、コアンダ効果が薄れることを防止する効果を有する。一方、翼の最大翼厚が、翼直径の５０％以上になってくることによる抗力の増加を防止することによって、翼の回転数が上昇しづらくなることを防止する効果を有する。また腹面側の後縁側に曲面を形成することによりコアンダ効果を発生させて翼の起動性の向上を図る効果を有するものである。

　本発明の請求項１３に記載の垂直軸型風車においては、アスペクト比が７以下である場合の揚抗比の悪化を防ぎ、低風速域での翼の空力特性を維持し回転効率の向上を図る効果と、またアスペクト比１６以上である場合の翼の剛性の低下を防止する効果を有する。

　本発明の請求項１４に記載の垂直軸型風車においては、翼の直径が、円形状端板の直径の５０％以下によるソリディティ（翼面積／受風面積）の低下によって、垂直回転軸の回転トルクの低下を防止し、回転効率を向上させる効果を有する。一方、前記翼の直径が、円形状端板の直径の６０％以上によるソリディティの上昇による垂直回転軸の回転数が上昇し難くなることを防止し、回転効率の低下を防止する効果を有する。

　本発明の請求項１５に記載の垂直軸型風車においては、第１の凹状部乃至第４の凹状部の広く開口した前縁より流入した風の流れを、より一層前記翼の曲面に沿わせて、出来るだけ途中で外部に風の流れを流出しないようにさせて、風の流速を高めより強い揚力と反作用を得られるようにして、回転効率を向上させる効果を有する。

本発明に係る風車の外観を示す斜視図である。図１の風車を上方から見た翼の配置を説明する図である。図１に示す翼の曲面部側を示す一部拡大平面図である。翼の第１の凹状部を示す図２のＡ－Ａ線断面図。翼の第２の凹状部を示す図２のＢ－Ｂ線断面図。翼の第３の凹状部を示す図２のＣ－Ｃ線断面図。翼の第４の凹状部を示す図２のＤ－Ｄ線断面図。本発明の実施例２を示す風車を上方から見た翼の配置を説明する図である。本発明の実施例３を示す風車の外観を示す斜視図である。図９に示す翼の曲面部側を示す一部拡大平面図である。翼の第１の凹状部を示す図１０のＡ－Ａ線断面図。翼の第２の凹状部を示す図１０のＢ－Ｂ線断面図。翼の第３の凹状部を示す図１０のＣ－Ｃ線断面図。翼の第４の凹状部を示す図１０のＤ－Ｄ線断面図。本発明の実施例４を示す翼の曲面部側を示す一部拡大平面図である。

発明の詳細な説明

　本発明の実施の形態に係る垂直軸型風車の実施例について、以下、図１乃至図１５に基づいて説明する。

　図１は、本発明の実施例に係る揚力型の垂直軸型風車の外観を示す斜視図である。この垂直軸型風車は、風力による風車の回転力を利用し発電するものであり、垂直回転軸１が、発電機（図示しない）に接続されるようになっている。図１及び図２に示すように、この垂直軸型風車は、垂直方向に延びる垂直回転軸１と、これの上下端に直交するように取り付けられた上下の円形状端板２と、アルミ合金やポリカーボネイトなどの材質からなる薄板で形成された３枚の翼３とから構成されている。この翼３は、図２に示されるように、それぞれの曲面部Ｘを垂直回転軸１側に向けて配置されている。

　この翼３は、その最大翼厚が、翼の直径の３０％の長さ（厚さ）で形成されており、また翼の腹面側が直径に対して前縁３ａから７０％の位置付近を起点として後縁３ｂに向けて曲面Ｒを形成している。

　一方、この翼３の曲面部Ｘ側には、図１及び図２に示されるように、前縁３ａ側に広い開口部を有する第１の凹状部４が形成されている。また図３に示されるように、この第１の凹状部４は、底面部４ａと側壁部４ｂと後縁３ｂ近傍側の狭通路４ｃとによって構成されている。底面部４ａは、前縁３ａ側において、広く開口して形成されており、後縁３ｂに向かうにつれて徐々に狭くなるように形成されており、後縁３ｂ近傍側の狭通路４ｃへと連接している。そして、図４に示されるように、底面部４ａは、この狭通路４ｃから後縁３ｂへと向けて、翼３の曲率に合わせて下方へと湾曲して形成されている。また側壁部４ｂは、前縁３ａ側から後縁３ｂ側に亘りやや内側に傾斜して形成されている。

　また図１及び図３に示されているように、第１の凹状部４どうしの間の曲面部Ｘには、さらに、第２の凹状部５が形成されている。この第２の凹状部５は、底面部５ａと側壁部５ｂと後縁３ｂ近傍側の狭通路５ｃとによって構成されている。底面部５ａは、前縁３ａ側において広く開口して形成されており、後縁３ｂ側に向かうにつれて徐々に狭くなるように形成されており、後縁３ｂ近傍側の狭通路５ｃへと連接している。そして、図５に示されるように、底面部５ａは、この狭通路５ｃから後縁３ｂへと向けて、翼３の曲率に合わせて下方へと湾曲して形成されている。また側壁部５ｂは、前縁３ａ側から後縁３ｂ側に亘りやや内側に傾斜して形成されている。

　さらに図３に示されているように、第２の凹状部５の両側の曲面部Ｘには、さらに第３の凹状部６が形成されている。この第３の凹状部は、底面部６ａと側壁部６ｂと後縁３ｂ近傍側の狭通路６ｃとによって構成されている。底面部６ａは、前縁３ａ側において広く開口して形成されており、後縁３ｂ側に向かうにつれて徐々に狭くなるように形成されており、後縁３ｂ近傍側の狭通路６ｃへと連接している。そして、図６に示されるように、底面部６ａは、この狭通路６ｃから後縁３ｂへと向けて、翼３の曲率に合わせるように下方へと湾曲して形成されている。また側壁部６ｂは、前縁３ａ側から後縁３ｂに亘りやや内側に傾斜して形成されている。

　図３に示されているように、それぞれの第３の凹状部６の両側の曲面部Ｘには、さらに第４の凹状部７が形成されている。この第４の凹状部７は、底面部７ａと側壁部７ｂと後縁３ｂの近傍側の狭通路７ｃとによって構成されている。底面部７ａは、前縁３ａ側において広く開口して形成されており、後縁３ｂに向かうにつれて徐々に狭くなるように形成されており、後縁３ｂ近傍側の狭通路７ｃと連接している。そして、図７に示されるように、底面部７ａは、この狭通路７ｃから後縁３ｂへと向けて、下方へと湾曲して傾斜し形成されている。また側壁部７ｂは、前縁３ａ側から後縁３ｂ側に亘りやや内側に傾斜して形成されている。

　よって、この垂直軸型風車は、図２に示すように、Ｗの矢印の方向から風を受けると、まず隣り合う翼３の曲面部Ｘによって構成される風の通り道が狭められているので、風が速度を増して、翼３の曲面部Ｘを通過することになる。そして、さらに第１の凹状部４の広く開口した前縁３ａより流入した風の流れは、第１の凹状部４の徐々に狭くなる底面部４ａを通過することにより、より一層流速を増して、狭通路４ｃに流れ込むときには最大限の流速となって狭通路４ｃ内を通過し、図４に示されるように、後縁３ｂ側の狭通路４ｃの出口より外に噴出するように、風の噴出Ｓ１となって排出されることになる。この時、狭通路４ｃを通過する風の速度は周囲の風の速度より速くなっているので、狭通路４ｃ付近は負圧となって揚力の回転方向成分がＦ１の方向に発生し、これにより、翼３を上下で固定支持している円形状端板２を介して垂直回転軸１を回転させることになる。また狭通路４ｃからの風の噴出Ｓ１による反作用によっても、垂直回転軸を回転させることになる。この時の風速は、第１の凹状部４の広く開口した前縁３ａから流れ込む風速より速い速度になっているため、低風速域の場合であっても風速を速めることが可能となる。

　以上のような風の流れが、上述した第２の凹状部５乃至第４の凹状部のそれぞれにおいて発生しており、図５乃至図７に示すように、それぞれの狭通路５ｃ乃至狭通路７ｃの出口より、それぞれ風の噴出Ｆ２乃至風の噴出Ｆ４となって排出されるので、揚力の回転方向成分Ｆ２乃至回転方向成分Ｆ４が発生し、これらの回転力が、翼３を上下で固定支持している円形状端板２を介して垂直回転軸１を一層強力に回転させることになる。そして、低風速域の場合であっても風速を速めることが可能となるため、垂直軸型風車の起動性を高めて回転効率の向上を図ることができるようになる。

　また、翼３は、この翼３を上下で固定支持している半径の短い円形状端板２内部に配置されており、非常にコンパクトな構造が可能であるため、安全面から見ても広い設置場所を必要とせず、都市部における一般家庭用やビルの屋上に設置することが非常に容易となる。

　図８は、他の実施例２を示す風車を上方から見た翼３の配置を説明する図である。この実施例２は、翼３の最大翼厚を、翼３の直径の５０％であることを特徴としたものである。このような構成の翼３にあっては、隣り合う翼３どうしの曲面部Ｘで仕切られる内部の空間が、前縁３ａ側より垂直回転軸側へ向かうにつれて非常に狭くなっているので、Ｗの矢印の方向から流入する風の風速は、一層速められることになる。また翼厚が大きい分回転トルクも増加しているので、一定方向より安定的な一定量の風が流入するような状態で使用すると発電効率の高い揚力型の垂直軸型風車として利用することが可能である。取り付け状態等に付いては図示及び説明は省略するが、自動車・二輪自動車や鉄道車両等のような一定方向より安定的な風量が見込まれるような場合には、非常にコンパクトで発電効率の良い風力発電用の風車としての提供が可能である。

　図９は、実施例３としての本発明の揚力型の垂直軸型風車の外観を示す斜視図である。この垂直軸型風車は、風力による風車の回転力を利用し発電するものであり、垂直回転軸１が、発電機（図示しない）に接続されるようになっている。図９に示すように、この垂直軸型風車は、垂直方向に延びる垂直回転軸１と、これの上下端に直交するように取り付けられた上下の円形状端板２と、アルミ合金やポリカーボネイトやカーボンファイバーなどの材質からなる薄板で形成された３枚の翼３とから構成されている。この翼３は、それぞれの曲面部Ｘを垂直回転軸１側に向けて配置されている。

　一方この翼３の曲面部Ｘ側には、図９及び図１０に示されるように、前縁３ａ側に広い開口部を有する第１の凹状部４が形成されている。また図１１に示されるように、この第１の凹状部４は、底面部４ａと側壁部４ｂと、後縁３ｂ近傍側の閉塞部４ｄによって閉塞されて形成された貫通孔４ｅとによって構成されている。底面部４ａは、前縁３ａ側において、広く開口して形成されており、後縁３ｂに向かうにつれて徐々に狭くなるように形成されており、後縁３ｂ近傍側の貫通孔４ｅへと続き、後縁３ｂ上部に形成された排出口４ｆへと連接している。また、底面部４ａは、この貫通孔４ｅから後縁３ｂ上部に形成された排出口４ｆへと向けて、翼３の曲率に合わせるように下方へと湾曲して形成されている。また側壁部４ｂは、前縁３ａ側から後縁３ｂ側に亘りやや内側に傾斜して形成されている。

　また図９及び図１０に示されているように、第１の凹状部４どうしの間の曲面部Ｘには、さらに、第２の凹状部５が形成されている。また図１２に示されるように、この第２の凹状部５は、底面部５ａと側壁部５ｂと、後縁３ｂ近傍側の閉塞部５ｄによって閉塞されて形成された貫通孔５ｅとによって構成されている。底面部５ａは、前縁３ａ側において広く開口して形成されており、後縁３ｂ側に向かうにつれて徐々に狭くなるように形成されており、後縁３ｂ近傍側の貫通孔５ｅへと続き、後縁３ｂ上部に形成された排出口５ｆへと連接している。また、底面部５ａは、この貫通孔５ｅから後縁３ｂへと向けて、翼３の曲率に合わせるように下方へと湾曲して形成されている。また側壁部５ｂは、前縁３ａ側から後縁３ｂ側に亘りやや内側に傾斜して形成されている。

　さらに図１０に示されているように、第２の凹状部５の両側の曲面部Ｘには、さらに第３の凹状部６が形成されている。また図１３に示されるように、この第３の凹状部６は、底面部６ａと側壁部６ｂと、後縁３ｂ近傍側の閉塞部６ｄによって閉塞されて形成された貫通孔６ｅとよって構成されている。底面部６ａは、前縁３ａ側において広く開口して形成されており、後縁３ｂ側に向かうにつれて徐々に狭くなるように形成されており、後縁３ｂ近傍側の貫通孔６ｅへと続き、後縁３ｂ上部に形成された排出口６ｆへと連接している。また、底面部６ａは、この貫通孔６ｅから後縁３ｂへと向けて、翼３の曲率に合わせるように下方へと湾曲して形成されている。また側壁部６ｂは、前縁３ａ側から後縁３ｂに亘りやや内側に傾斜して形成されている。

　図１０に示されているように、それぞれの第３の凹状部６の両側の曲面部Ｘには、さらに第４の凹状部７が形成されている。また図１４に示されるように、この第４の凹状部７は、底面部７ａと側壁部７ｂと、後縁３ｂの近傍側の閉塞部７ｄによって閉塞されて形成された貫通孔７ｅとによって構成されている。底面部７ａは、前縁３ａ側において広く開口して形成されており、後縁３ｂに向かうにつれて徐々に狭くなるように形成されており、後縁３ｂ近傍側の貫通孔７ｅへと続き、後縁３ｂ上部に形成された排出口７ｆへと連接している。また、底面部７ａは、この貫通孔７ｅから後縁３ｂへと向けて、下方へと湾曲して傾斜し形成されている。また側壁部７ｂは、前縁３ａ側から後縁３ｂ側に亘りやや内側に傾斜して形成されている。

　よって、この垂直軸型風車は、第１の凹状部４の広く開口した前縁３ａより流入した風の流れは、第１の凹状部４の徐々に狭くなる底面部４ａを通過することにより、より一層流速を増して、貫通孔４ｅに流れ込むときには最大限の流速となって貫通孔４ｅ内を通過し、図１１に示されるように、後縁３ｂ上部に形成された排出口４ｆより外に噴出するように、風の噴出Ｓ１となって排出されることになる。この時、貫通孔４ｅを通過する風の速度は周囲の風の速度より速くなっているので、貫通孔４ｅ付近は負圧となって揚力の回転方向成分がＦ１の方向に発生し、これにより、翼３を上下で固定支持している円形状端板２を介して垂直回転軸１を回転させることになる。また貫通孔４ｅからの風の噴出Ｓ１による反作用によっても、垂直回転軸を回転させることになる。この時の風速は、第１の凹状部４の広く開口した前縁３ａから流れ込む風速より速い速度になっているため、低風速域の場合であっても風速を速めることが可能となる。

　以上のような風の流れが、上述した第２の凹状部５乃至第４の凹状部７のそれぞれにおいて発生しており、図１２乃至図１４に示すように、それぞれの貫通孔５ｅ乃至貫通孔７ｅに連接した排出口５ｆ乃至７ｆより、それぞれ風の噴出Ｆ２乃至風の噴出Ｆ４となって排出されるので、揚力の回転方向成分Ｆ２乃至回転方向成分Ｆ４が発生し、これらの総和する回転力が、翼３を上下で固定支持している円形状端板２を介して垂直回転軸１を一層強力に回転させることになる。そして、低風速域の場合であっても風速を速めることが可能となるため、垂直軸型風車の起動性を高めて回転効率の向上を図ることができるようになる。また実験の結果では、該実施例３の場合には、上記実施例１の場合と比較しても、同一風速において１０％程度の回転数の増加がみられた。特に、低風速域においては１５％以上の回転数の増加があり、起動性の向上に更なる改善がみられた。

　また、翼３は、この翼３を上下で固定支持している半径の短い円形状端板２内部に配置されており、風車として非常にコンパクトな構造が可能である。すなわち、本発明のような構成からなる場合には、ロータ直径が短くても回転トルクが大きいため、受風面積（ロータ直径×翼幅）が非常に狭くても、回転効率が高く、またパワー係数も非常に高いものになっている。そのため、安全面から見ても広い設置場所を必要とせず、都市部における一般家庭用やビルの屋上に設置することが非常に容易となるばかりでなく、小型の垂直軸型風車としては、極めて高い設備利用率（発電機の定格出力に対する実発電量の割合）を達成することが可能となっている。

　図１５は、他の実施例４を示す風車の翼の曲面部側を示す一部拡大平面図であり、図１５に示されるように、この実施例４は、前記第１の凹状部４の底面部４ａには、複数条の凹部４ｇ及び凸部４ｈから構成される蛇腹状凹凸部を、前記第２の凹状部５の底面部５ａには、複数条の凹部５ｇ及び凸部５ｈから構成される蛇腹状凹凸部を、前記第３の凹状部６の底面部６ａには、複数条の凹部６ｇ及び凸部６ｈから構成される蛇腹状凹凸部を、前記第４の凹部７の底面部７ａには、複数条の凹部７ｇ及び凸部７ｈから構成される蛇腹状凹凸部を、それぞれ形成してなるものである。

　そして、これらの各底面部に形成された蛇腹状凹凸部の、それぞれの凹部４ｇ及び凸部４ｈ、凹部５ｇ及び凸部５ｈ、凹部６ｇ及び凸部６ｈ並び凹部７ｇ及び凸部７ｈの間隔も、各底面部の形状に沿って、前縁側から後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなりつつ、それぞれの貫通孔入口付近まで形成されている。

　以上のように、各底面部に前記のような蛇腹状凹凸部を形成することによって、各底面部の面積が拡大増加され、その分開口部から流入する風量が増加することになる。また、前記蛇腹状凹凸部の、それぞれの凹部４ｇ及び凸部４ｈ、凹部５ｇ及び凸部５ｈ、凹部６ｇ及び凸部６ｈ並び凹部７ｇ及び凸部７ｈの間隔自体も、前縁３ａ側から後縁３ｂ側へ向かうにつれて徐々に狭くなりつつ、各貫通孔４ｅ、５ｅ、６ｅ及び７ｅの入口付近まで形成されているので、増加された風の流れが、これらの貫通孔４ｅ、５ｅ、６ｅ及び７ｅの入口付近で風の流速が最大になって貫通孔を通過し、それぞれの排出口４ｆ、５ｆ、６ｆ及び７ｆから排出されることになる。

　その結果、貫通孔４ｅ、５ｅ、６ｅ及び７ｅ内部がより一層負圧となって、より強い揚力が発生しこれがより回転力及び回転数を向上させることになる。また実験の結果では、該実施例４の場合には、上記実施例１の場合と比較しても、同一風速において２０％程度の回転数の増加がみられた。また、低風速域においては２５％近い回転数の増加があり、起動性の向上に更に大きな改善がみられた。また、各底面部に前記のような蛇腹状凹凸部を形成することによって、各底面部が平坦であるときよりも、翼の剛性が高まるものであり、高速回転においても充分に耐え得るものとなるものである。

　なお、該実施例４は、実施例３の風車における翼の第１乃至第４の凹状部４乃至７のそれぞれの底面部４ａ乃至７ａに複数条の蛇腹状凹凸部４ｇ,４ｈ乃至７ｇ,７ｈを形成したものであるが、実施例１の風車における翼の第１乃至第４の凹状部４乃至７のそれぞれの底面部４ａ乃至７ａに複数条の蛇腹状凹凸部（図示せず）を形成すると共に、且つ当該蛇腹状凹凸部の間隔を、前縁側から後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなりつつ、前記各狭通路入口付近まで形成することも可能であり、かかる実施例もまた、実施例１と比較した場合に、風車の起動性、風車の回転効率、及び翼の剛性が大きく改善されるものとなる。

　１　垂直回転軸
　２　円形状端板
　３　翼
　３ａ　翼の前縁
　３ｂ　翼の後縁
　４　第１の凹状部
　４ａ　第１の凹状部の底面部
　４ｂ　第１の凹状部の側壁部
　４ｃ　第１の凹状部の狭通路
　４ｄ　第１の凹状部の閉塞部
　４ｅ　第１の凹状部の貫通孔
　４ｆ　第１の凹状部の排出口
　４ｇ　第１の凹状部の底面部の蛇腹状凹部
　４ｈ　第１の凹状部の底面部の蛇腹状凸部
　５　第２の凹状部
　５ａ　第２の凹状部の底面部
　５ｂ　第２の凹状部の側壁部
　５ｃ　第２の凹状部の狭通路
　５ｄ　第２の凹状部の閉塞部
　５ｅ　第２の凹状部の貫通孔
　５ｆ　第２の凹状部の排出口
　５ｇ　第２の凹状部の底面部の蛇腹状凹部
　５ｈ　第２の凹状部の底面部の蛇腹状凸部
　６　第３の凹状部
　６ａ　第３の凹状部の底面部
　６ｂ　第３の凹状部の側壁部
　６ｃ　第３の凹状部の狭通路
　６ｄ　第３の凹状部の閉塞部
　６ｅ　第３の凹状部の貫通孔
　６ｆ　第３の凹状部の排出口
　６ｇ　第３の凹状部の底面部の蛇腹状凹部
　６ｈ　第３の凹状部の底面部の蛇腹状凸部
　７　第４の凹状部
　７ａ　第４の凹状部の底面図
　７ｂ　第４の凹状部の側壁部
　７ｃ　第４の凹状部の狭通路
　７ｄ　第４の凹状部の閉塞部
　７ｅ　第４の凹状部の貫通孔
　７ｆ　第４の凹状部の排出口
　７ｇ　第４の凹状部の底面部の蛇腹状凹部
　７ｈ　第４の凹状部の底面部の蛇腹状凸部
　Ｘ　翼の曲面部
　Ｒ　翼の腹面部における曲面
　Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４　揚力の回転方向成分
　Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４　風の噴出

Claims

　横断面が半円形状であって、この半円形状の曲面部側において、この曲面部に沿って前縁側が広く開口し、後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では狭通路を形成してなる第１の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とする翼。
　請求項１に記載の翼において、該翼に形成された前記第１の凹状部の各間の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では狭通路を形成してなる第２の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とする翼。
　請求項２に記載の翼において、該翼に形成された前記第２の凹状部の両側の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では狭通路を形成してなる第３の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とする翼。
　請求項３に記載の翼において、該翼に形成された前記第３の凹状部の両側の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では狭通路を形成してなる第４の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とする翼。
　請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の翼において、前記第１の凹状部、前記第２の凹状部、前記第３の凹状部及び前記第４の凹状部のそれぞれの底面部に、複数条の蛇腹状凹凸部を形成すると共に、且つ当該蛇腹状凹凸部の間隔も、前縁側から後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなりつつ、前記各狭通路入口付近まで形成されていることを特徴とする翼。
　横断面が半円形状であって、この半円形状の曲面部側において、この曲面部に沿って前縁側が広く開口し、後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では曲面部の曲率に沿って上部を閉塞して貫通孔を形成すると共に、後縁上部に当該貫通孔に連接する排出口を形成してなる第１の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とする翼。
　請求項６に記載の翼において、該翼に形成された前記第１の凹状部の各間の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では曲面部の曲率に沿って上部を閉塞して貫通孔を形成すると共に、後縁上部に当該貫通孔に連接する排出口を形成してなる第２の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とする翼。
　請求項７に記載の翼において、該翼に形成された前記第２の凹状部の両側の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では曲面部の曲率に沿って上部を閉塞して貫通孔を形成すると共に、後縁上部に当該貫通孔に連接する排出口を形成してなる第３の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とする翼。
　請求項８に記載の翼において、該翼に形成された前記第３の凹状部の両側の曲面部に、さらに、前縁側が広く開口し、後縁側に向かうにつれて徐々に狭くなり、後縁近傍では曲面部の曲率に沿って上部を閉塞して貫通孔を形成すると共に、後縁上部に当該貫通孔に連接する排出口を形成してなる第４の凹状部が、翼幅方向に沿って複数個形成されたことを特徴とする翼。
　請求項６乃至請求項９の何れか一項に記載の翼において、前記第１の凹状部、前記第２の凹状部、前記第３の凹状部及び前記第４の凹状部のそれぞれの底面部に、複数条の蛇腹状凹凸部を形成すると共に、且つ当該蛇腹状凹凸部の間隔も、前縁側から後縁側へ向かうにつれて徐々に狭くなりつつ、前記各貫通孔入口付近まで形成されていることを特徴とする翼。
　垂直回転軸と、この垂直回転軸を中心に一定の半径を有し、前記垂直回転軸の上下端近傍に取付けられた円形状端板と、該上下の円形状端板の間に前記垂直回転軸と平行に、且つ前記曲面部側を前記垂直回転軸側に向けて複数枚配置された請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の翼とを備えていることを特徴とする垂直軸型風車。
　請求項１１に記載の垂直軸型風車において、前記翼の最大翼厚が、前記翼の直径の３０％～５０％の長さであり、且つ前記翼の腹面側が直径に対して前縁から７０％～７５％の位置を起点として後縁まで曲面で形成されていることを特徴とする垂直軸型風車。
　請求項１１に記載の垂直軸型風車において、前記翼のアスペクト比（翼幅の二乗／翼面積）が８～１５であることを特徴とする垂直軸型風車。
　請求項１１に記載の垂直軸型風車において、前記翼の直径が、前記円形状端板の直径の５０％～６０％であることを特徴とする垂直軸型風車。
　請求項１１に記載の垂直軸型風車において、前記第１の凹状部乃至前記第４の凹状部を形成する側壁部が内側に傾斜していることを特徴とする垂直軸型風車。