WO2017141501A1

WO2017141501A1 - 垂直軸型風力発電装置

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Publication number: WO2017141501A1
Application number: PCT/JP2016/082662
Authority: WO
Inventors: 一馬竹内; 和之川合
Original assignee: 株式会社Ｌｉｘｉｌ
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2017-08-24
Also published as: JP2017145791A

Abstract

垂直軸型風力発電装置の効率を向上させる。　垂直軸型風力発電装置（１）では、ブレード（１１）の外側面（１１Ａ）には、回転軸（９）と略平行な方向、すなわち、略垂直方向に延びる複数の溝（１１Ｃ）（本発明の凹凸部（縦溝）に相当）が形成されている。溝（１１Ｃ）の間隔は略等間隔であり、各溝（１１Ｃ）は、略平行に配されている。各溝（１１Ｃ）は、ブレード（１１）の上端から下端まで延びるように形成されている。このような構成では、揚力が大きくなり、ブレード（１１）の回転速度が上昇して発電効率が向上する。

Description

垂直軸型風力発電装置

　本発明は垂直軸型風力発電装置に関するものである。

　従来、この種の風力発電装置の羽根（ブレード（ｂｌａｄｅ））として特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１では、気体の当たるブレード面及び反対側のブレード面に溝を形成している。このようにすると、気体の当たるブレード面に溝を付けてブレードの面積が多くなるからブレードが回転しやすく、しかも、反対側のブレード面に溝を付けて、気体が反対側のブレード面を通る時に渦などが巻かないようになってブレードが回転しやすく、双方の効果により、発電量が多くなると記載されている。

　また、特許文献２には、ブレードの背面および／またはブレードの腹面にブレード回転軌跡と並行な複数条の連続した凹凸部を配設したブレードが提案されている。このものでは、風車の回転特性の改善と風車回転に伴う騒音が抑制されるとされている。

特開２０１５－１５８１６８号公報特開２００８－８２４８号公報

　しかしながら、これらの文献のブレードを用いた風力発電装置の効率は必ずしも十分とは言えず、さらなる改良が望まれていた。

　本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、垂直軸型風力発電装置の効率を向上させることを解決すべき課題としている。

　本発明の垂直軸型風力発電装置は、
　垂直方向に延びる回転軸と、
　前記回転軸から所定距離離れた位置に配置されるとともに、垂直方向に向かって延びる形態のブレードと、
　前記回転軸と前記ブレードとを連結する連結部材と、
　前記回転軸に接続された発電機と、を備え、
　前記ブレードの外側面には、空気の流れの抵抗となり、空気の剥がれを抑制する凹凸部が設けられていることを特徴とする。

　本発明に係る垂直軸型風力発電装置は、ブレードの外側面には、空気の流れの抵抗となり、空気の剥がれを抑制する凹凸部が設けられているから、以下の作用効果を奏する。すなわち、このような構成とすると、ブレードの外側面の空気の流速が遅くなり、内側面との差をより大きくすることができる。よって、揚力が大きくなり、ブレードの回転速度が上昇して発電効率が向上する。
　なお、本発明における「空気の剥がれ」とは、ブレードの外側面を流れる空気の流れがブレードの形についていけなくなることをいう。これを「空気の剥離」ともいう。空気の剥がれは、ブレードの外側面を流れる空気の流れが急激な速度変化についていけなくなったときに起きる。空気の剥がれが起きると揚力は急激に低下する。

実施例１の垂直軸型風力発電装置を概念的に例示する斜視図である。実施例１の垂直軸型風力発電装置を概念的に例示する平面図である。実施例１のブレードの断面図である。実施例１のブレードを内側からみた斜視図である。実施例１のブレードを外側からみた斜視図である。実施例１のブレードの外側の部分の断面図である。実施例１の試験結果を示すグラフである。比較例１の試験結果を示すグラフである。実施例２のブレードの断面図である。実施例２のブレードを内側からみた斜視図である。実施例２のブレードを外側からみた斜視図である。実施例２のブレードを用いた場合の作用を推測した説明図である。

　本発明における好ましい実施の形態を説明する。
　本発明の垂直軸型風力発電装置において、前記ブレードの外側面のみに凹凸部が設けられている。このようにすると、発電効率が向上する。

　本発明の垂直軸型風力発電装置において、前記ブレードの外側面の後方のみに凹凸部が設けられていてもよい。このようにすると、さらに発電効率が向上する。

　本発明の垂直軸型風力発電装置において、前記凹凸部は縦溝でもよい。このようにすると、ブレードを押し出し成形して製造する場合に容易に形成できる。

　次に、本発明の風力発電装置を具体化した実施例について、図面を参照しつつ説明する。
＜実施例１＞
　実施例１に係る垂直軸型風力発電装置１を、図１～図８を参照しつつ説明する。垂直軸型風力発電装置１は、風車３と、その下方に配された発電機５と、発電装置全体を支えるための支柱７とを備えている。この垂直軸型風力発電装置１は、いわゆるジャイロミル型（ｇｙｒｏ－ｍｉｌｌ－ｔｙｐｅ）の垂直軸型風力発電装置である。風車３は、垂直軸型であり、中心に垂直方向の回転軸９を備える。この回転軸９の周囲に複数のブレード１１が円周方向等間隔に配置されている。実施例では、３枚のブレード１１が回転軸９と平行に配置されている。ブレード１１は、回転軸９に直交する面内で同一半径の円周方向に沿って略等角度間隔に配置されている。実施例では、１２０度間隔とされている。回転軸９とブレード１１は、連結部材１２により連結されており、ブレード１１の回転に連動して回転軸９が回転するようにされている。

　ブレード１１は、アルミニウム合金等の軽金属の薄板状の素材から形成されている。３枚のブレード１１は、同一形状をしており、ともに、上下方向（垂直方向）に延びる縦長の形態である。また、ブレード１１の翼形は、流線形であり、特に、対称翼の軽飛行機の主翼に使用される形状が好ましい。翼型の膨らみが大きな面（外周側の面）が、ブレード１１の外側面１１Ａであり、翼型の膨らみが小さい面（内周側の面）が、ブレード１１の内側面１１Ｂである。内側面１１Ｂは、回転軸９側の面となっている。ブレード１１の表面形態は、本実施例の特徴であり、この点については後述する。

　各ブレード１１は、軽量化のために中空構造を有しており、アルミニウム合金の押し出しによって製造された複数の形材を組み付けて構成されている。

　風車３の下方には、発電機５が設置されている。発電機５は、風車３の回転軸９の回転によって得られる回転力を電気エネルギーに変換して電力を発電するものである。発電機５は、回転軸９の下端にカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）（軸継手）によって連結されている。この構成により、風車３が回転すると、風車３の回転軸９が回転し、その回転が直接、発電機５の回転軸を回転させることになる。発電機５には、風車３の回転軸９とともに回転するマグネットロータ（ｍａｇｎｅｔ　ｒｏｔｏｒ）と、マグネットロータの外周側を取り囲むように配設されたコイルステータ（ｃｏｉｌ　ｓｔａｔｏｒ）と、を備えている。このような構成により、風車３が風を受けて回転軸９を中心軸回りに回転すると、回転軸９に連結されたマグネットロータも中心軸回りに回転する。つまり、マグネットロータが風車３の回転軸９と同軸上で回転する。マグネットロータがコイルステータに対して中心軸回りに回転することにより、マグネットロータとコイルステータとの間で電磁誘導が発生して、電力が発電される。

　垂直軸型風力発電装置１の全体を支えるための支柱７は、４本備えられており、いずれも垂直方向に延びるように設置されている。これらの支柱７は四角形の４隅に位置するように配置されている。支柱７の中程には、水平な十字状のフレーム（ｆｒａｍｅ）１３が設けられており、十字状のフレーム１３の上に、上述の発電機５を収納した筐体１５が設置され、筐体１５の上方に風車３が回転可能に取り付けられている。
　十字状のフレーム１３の下方には垂直軸型風力発電装置１を制御する制御装置が備えられており、発電機５と電気的に接続されている。

　ここで、ブレード１１の表面形態を説明する。ブレード１１の外側面１１Ａには、図３、図５に示すように、回転軸９と略平行な方向、すなわち、略垂直方向に延びる複数の溝１１Ｃ（本発明の凹凸部（縦溝）に相当）が形成されている。溝１１Ｃは、外側面１１Ａのほぼ全面にわたって形成されている。溝１１Ｃの間隔は略等間隔であり、各溝１１Ｃは、略平行に配されている。各溝１１Ｃは、ブレード１１の上端から下端まで延びるように形成されている。各溝１１Ｃの断面は、図６に示されるように円弧状に凹んだ形状となっている。隣り合う溝１１Ｃの間には、平面部１１Ｄが存在している。

　溝１１Ｃの幅は特に限定されず、ブレード１１の形状、大きさ等に応じて適宜選択できる。例えば２～１０ｍｍを採用することができる。溝１１Ｃの深さは特に限定されず、ブレード１１の形状、大きさ等に応じて適宜選択できる。例えば、０．１～７ｍｍを採用することができる。平面部１１Ｄが存在する場合に、その幅は特に限定されず、ブレード１１の形状、大きさ等に応じて適宜選択できる。例えば、０．１～１０ｍｍを採用することができる。

　ブレード１１は、前述のように、複数の形材を組み合わせることにより構成されている。本実施例では、先端側の先端部１６、それに続く中間部２０、後端側の後端部２２の３つの形材から構成されている。

　先端部１６、中間部２０、後端部２２は、図３に示すように、それぞれ中空部１６Ａ、２０Ａ、２２Ａが形成されており、軽量化が図られている。また、中空部１６Ａ、２０Ａ、２２Ａ内には、それぞれの中空の形態を維持して変形を防止するための支持壁部１６Ｂ、２０Ｂ、２２Ｂが形成されている。

　先端部１６、中間部２０、後端部２２を接続した場合に、溝１１Ｃが連続して規則的な波形状を形成するようにされている。すなわち、先端部１６と中間部２０の外側面１１Ａの継ぎ目、及び中間部２０と後端部２２の外側面１１Ａの継ぎ目の部分は、波形状が連続形状になるようにされている。

　各形材（先端部１６、中間部２０、後端部２２）において、ブレード１１の外側面１１Ａに相当する部分に溝１１Ｃができるように、アルミニウムやアルミニウム合金等の材料が押出加工される。本実施例では、押出加工によりブレード１１の形状と共に溝１１Ｃを形成しているため、溝１１Ｃの形成が容易である。

　一方、ブレード１１の内側面１１Ｂには、図３～図４に示すように、凹凸部としての溝は設けられていない。

＜試験＞
　洋上にて実施例１の垂直軸型風力発電装置１を用いて、効率（Ｃｐ）を求めた。試験条件は以下のようにした。なお、比較例として、ブレード１１の外側面１１Ａ及び内側面１１Ｂのいずれにも溝が形成されていない垂直軸型風力発電装置を用いて同様の測定をした。
（試験条件）
（１）風速が一定になるようにボートの速度を変化させて調整をする。
（２）電子負荷装置で電圧を変え、風車の回転数を徐々に落としていき、もっとも発電効率が良い周速比を計測する。
　なお、ここで、周速比とは、風速と回転速度の比率を意味する。

　また、実施例１では、具体的には、以下の構成の垂直軸型風力発電装置１を用いた。
（風車ロータ部の寸法）
　翼型　　　　NACA6521
　翼弦長　　　３４０ｍｍ
　翼長　　　　１０００ｍｍ
　材質　　　　アルミ
　翼枚数　　　３枚
　ロータ直径　１２５０ｍｍ

（使用電気機器）
　発電機：中西金属製　永久磁石外転コアレス式同期発電機（NKC-1000-200）
　風速計：EKO製　プロペラ式風向風速計（MA-110）
　電子負荷装置：菊水製　多機能・高電圧電子負荷装置（PLZ1004WH）
　データロガー：NEC製　　リモートスキャナ（ＤＣ６１００）

＜試験結果＞
　結果を図７～図８に示す。両者を比較すると、図７の実施例１の方が図８の比較例よりも、ピーク時の効率（Ｃｐ）が高いことが確認された。実施例１では、比較例に比べて、ブレード１１の外側面１１Ａの空気の流速が遅くなり、内側面１１Ｂとの差が大きくなったものと推測される。その結果、揚力が大きくなり、ブレードの回転速度が上昇してＣｐが高くなったものと推測される。

＜実施例２＞
　次に、実施例２に係る垂直軸型風力発電装置１を、図９～図１２を参照しつつ説明する。なお、実施例２の垂直軸型風力発電装置１において、上記実施例１の垂直軸型風力発電装置１と略同じ構成部位には同符号を付けて、構造、作用及び効果の説明は省略する。実施例２では、次の点が、実施例１と相違している。すなわち、実施例２では、図９～図１１に示すように、ブレード１１の外側面１１Ａのうち、後方のみに溝１１Ｃが形成されており、先端側には溝１１Ｃは形成されていない。このようにすると、さらに発電効率が向上する。

　後方のみに溝１１Ｃを設けた場合に発電効率が向上する理由は明らかではないが次のように推測される。すなわち、図１２のように、ブレード１１の外側面１１Ａには、空気の剥がれが発生する。後方のみに溝１１Ｃを設けると剥がれの発生する位置が後方へ移動するため、空気の剥がれ防止効果が高くなるものと推測される。その結果、さらに発電効率が向上するものと考えられる。

＜他の実施例＞
　本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例では、ブレード１１は、先端部１６、中間部２０、後端部２２の３つの部品から構成されているものとしたが、３つの部品で構成されているものに限定されない。例えば、一体ものであってもよいし、２つの部品や、４つ以上の部品を組み合わせて構成したものであってもよい。
（２）実施例では、ブレード１１の外側面１１Ａにのみ、空気の流れの抵抗となり、空気の剥がれを抑制する凹凸部としての溝１１Ｃが形成されているものを例示したが、ブレード１１の内側面１１Ｂに凹凸部が設けられていても、本発明の請求項１の技術的範囲に含まれる。例えば、外側面と内側面の両面それぞれ後方に溝を設けたものなどである。

（３）実施例では、ブレード１１に凹凸部としての溝１１Ｃが形成されているものとしたが、凹凸部の形状は特に限定されず、様々な形状を適宜選択できる。例えば、ディンプル（くぼみ）であってもよく、その大きさ、形状、数は特に限定されず、適宜選択できる。また、溝１１Ｃとディンプルを組み合わせて用いてもよい。
（４）実施例では、各溝１１Ｃは、ブレード１１の上端から下端まで延びるように形成されているものとしたが、溝１１Ｃの長さは特に限定されず、適宜変更できる。

（５）実施例では、各溝１１Ｃは、いずれも略同一形状としたが、異なる形状の溝が混在していてもよい。
（６）実施例では、溝１１Ｃの間隔は略等間隔としたが、必ずしも略等間隔である必要はなく、溝１１Ｃの間隔は適宜変更できる。

（７）実施例では、各溝１１Ｃは、略平行に配されていることとしたが、必ずしも略平行である必要はない。
（８）実施例では、隣り合う溝１１Ｃの間には、平面部１１Ｄが存在していることとしたが、平面部が存在しない形態であってもよい。

（９）実施例では、ブレード１１の数を３つとしたが、ブレード１１の数は限定されず、２つでも、４つ以上であってもよい。
（１０）実施例では、ブレード１１は、回転軸９に直交する面内で同一半径の円周方向に沿って１２０度の等角度間隔に配置されているものとしたが、ブレード１１の数に合わせて、その角度を適宜変更してもよい。例えば、ブレードの数をｎとした場合に、角度は３６０／ｎ度とすることができる。また、実施例では、等角度間隔としたが、必ずしも等角度間隔としなくてもよい。
（１１）実施例では、ブレード１１は、アルミニウム合金等の軽金属の薄板状の素材から形成されているものとしたが、チタニウム合金等の他の軽金属や、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の複合材を素材として用いてもよい。

　１…垂直軸型風力発電装置
　５…発電機
　９…回転軸
　１１…ブレード
　１１Ａ…外側面
　１１Ｃ…溝（凹凸部）
　１２…連結部材

Claims

　垂直方向に延びる回転軸と、
　前記回転軸から所定距離離れた位置に配置されるとともに、垂直方向に向かって延びる形態のブレードと、
　前記回転軸と前記ブレードとを連結する連結部材と、
　前記回転軸に接続された発電機と、を備え、
　前記ブレードの外側面には、空気の流れの抵抗となり、空気の剥がれを抑制する凹凸部が設けられていることを特徴とする垂直軸型風力発電装置。
　前記ブレードの外側面のみに凹凸部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の垂直軸型風力発電装置。
　前記ブレードの外側面の後方のみに凹凸部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直軸型風力発電装置。
　前記凹凸部は、縦溝であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の垂直軸型風力発電装置。