WO2018168705A1

WO2018168705A1 - 垂直軸風車および風力発電装置

Info

Publication number: WO2018168705A1
Application number: PCT/JP2018/009294
Authority: WO
Inventors: 充赤川
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2018-09-20

Abstract

主軸（５）と、上下方向に延びる翼（９）と、この翼（９）の上下方向複数箇所の結合部（１１）にそれぞれ一端が結合されて他端が主軸（５）に結合された複数本のアーム（８ａ，８ｂ）とを備える垂直軸風車において、翼（９）の内側面に沿って翼長手方向に延びる補剛用のアーム補助材（１２）が、翼（９）に設けられたくぼみ部（１５）内に設けられ、アーム補助材（１２）を覆って窪み部（１５）を閉じるアームカバー（１６）が設けられる。前記アーム補助材（１２）は前記翼内側面に対して非突出状態で設けられていてもよい。

Description

垂直軸風車および風力発電装置

関連出願

　本出願は、２０１７年３月１３日出願の特願２０１７－０４７２４４および特願２０１７－０４７２４５の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　この発明は、小型風力発電装置等の風力発電装置に用いられる垂直軸風車、特に翼の耐風力性能の向上に係る技術、およびその垂直軸風車を用いた風力発電装置に関する。

　風力発電装置は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車、回転エネルギーを電気エネルギーに変える発電機、および発電機を制御する制御装置により主に構成され、必要に応じて、風車の回転速度を増速して発電機に伝達する増速機が設けられる。前記風車は、翼、および翼と主軸を連結するアームで構成されており、アームの先端部と翼とはボルト等で締結される。

特許第５５６１８３７号公報特許第５２９６６３４号公報

　従来技術では、翼と主アームおよびサブアームの先端部とをボルト等で締結する構造となるが、風速が速くなって回転数が上がると、翼やアームの剛性が不十分となって、遠心力で翼が撓み、風力を回転に変換する機能の低下や、翼の損傷、耐久性の低下等の問題が生じる。翼の耐風力性能、つまり風速が速くなった場合の翼耐荷重性能を付与するためには、翼、主アーム、サブアームの大型化、肉厚増などの対応が必要となる。その結果として、重量増、およびコスト増となる。風車の重量増は、風車の主軸を支持する構成の大型化に繋がる。また翼から突出した部材による補強は、風車が回転した場合の空気抵抗となって、風車の回転を阻害し、発電量の低下に繋がる。

　この発明の目的は、翼の軽量化、剛性向上、および抵抗増回避を共に図ることができ、耐風力性能を向上させることができる垂直軸風車、および優れた発電性能が得られる風力発電装置を提供することである。

　この発明の垂直軸風車は、立ち姿勢で回転自在に設置された主軸と、上下方向に延びる翼と、前記翼の上下方向複数箇所の結合部にそれぞれ一端が結合されて他端が前記主軸に結合された複数本のアームとを備える垂直軸風車であって、
　前記翼の旋回中心側を向く翼内側面に翼長手方向に延びるくぼみ部を有し、このくぼみ部内に、前記翼長手方向に延び前記翼の前記複数の結合部に結合された補剛用のアーム補助材を有し、このアーム補助材を覆って前記くぼみ部を閉じるアームカバーを有する。

　この構成によると、翼を補剛するアーム補助材を有し、このアーム補助材は、翼が各アームと結合される翼長手方向の複数箇所の結合部を互いに結ぶ。そのため、各アームとアーム補助材とが組まれたフレーム構造で翼を補剛することができ、翼を効果的に補剛できて、翼の支持剛性が向上し、少ない材料で翼の剛性を高めることができる。そのため、風速が速くなって回転数が上がった場合の翼およびアームの剛性を確保しながら、翼を構成する部材やアームの薄肉化、小断面化等による重量減、コスト低減が図れる。前記アーム補助材が翼表面から突出していると、翼回転時に空気が流れ込むことで、乱流が生じ、空気抵抗の増加による翼の回転阻害となって、発電量の低下に繋がる。また、風切り音などの原因となる。しかし、上記のように翼にくぼみ部を設けてアーム補助材を収め、アームカバーを設けたため、翼とアーム補助材の隙間や段差を無くすことができ、風車が回転した場合の空気抵抗とならず、風車の回転を阻害しない。また、風切り音の発生が回避できる。

　この発明において、前記アーム補助材は前記翼内側面に対して非突出状態で設けられていてもよい。この構成によれば、前記アーム補助材は、翼内側面に対して非突出状態に設けるので、風車が回転した場合の空気抵抗とならず、風車の回転を阻害しない。

　この発明において、前記アーム補助材が前記くぼみ部の内面と非接触であり、前記アームカバーの外周縁が前記くぼみ部の開口周縁に接するようにしてもよい。前記アーム補助材を構成する部材は、その補剛の目的のために、翼の表面を構成する外皮に比べて剛性の高い鋼材等の材質が好ましい。しかし、線膨張係数の違う部材が互いに接触していると、昼夜の大きな温度差による延び縮み等で擦れ合うことで、無用な応力が発生し、また、きしみ音等の騒音の原因や外皮損傷の原因となる。これにつき、上記のように翼のくぼみ部の内面とアーム補助材とを非接触とすることで、上記の無用な応力やきしみ音等の騒音の発生を防止することができる。

　この発明において、前記複数本のアームは、前記主軸側の端部が互いに結合されて前記主軸に結合され、前記複数本のアームのうちの２本以上のアームと前記アーム補助材とでトラス構造を成すようにしてもよい。このように、複数本のアームとアーム補助材とでトラス構造を成すようにすることで、翼と各アームとの組立品の剛性を高めることができる。

　この発明において、前記複数本のアームとして、１本の主アームと、この主アームの上下にそれぞれ位置する２本のサブアームとがあり、前記上下のサブアームは、前記主軸側の端部が前記主アームに結合されることで前記主軸に結合され、前記主アームおよびサブアームと前記アーム補助材とでトラス構造を成すようにしてもよい。翼を支持するアームとして、１本の主アームとその上下のサブアームとを設け、これらのアームを１箇所で主軸に結合する構成は、アームの主軸への結合位置が低くてなって、高所作業となる保守が容易になることから、一般に採用されている。この主アームとサブアームとを１箇所で結合する構成を利用し、前記アーム補助材で各アームを相互に結合することで、主アームおよびサブアームとアーム補助材とで簡単にトラス構造を構成でき、トラス構造の剛性に優れる作用を利用して、より効果的に、翼と各アームとの組立品を補剛することができる。また、上下のサブアームとアーム補助材でトラス構造とする構成としてもよい。

この発明において、前記翼の前記複数個所の結合部が、前記翼の長手方向の複数個所で前記翼の横断面に沿って設けられた各固定用プレートにおける前記翼内側面から突出する部分からなり、前記各アームは、先端に設けられた接続プレートが前記各固定用プレートの前記突出する部分からなる前記結合部に重なって結合されていてもよい。この構成とすることで、前述の各アームとアーム補助材とが組まれたフレーム構造で翼を補剛することが、効果的に実現できる。

　この発明の風力発電装置は、この発明の上記いずれか構成の垂直軸風車と、この垂直軸風車の前記主軸の回転によって発電する発電機とを備える。この構成によると、この発明の垂直軸風車による優れた耐風力性能により、優れた発電性能得ることができる。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の一実施形態に係る垂直軸風車を備えた風力発電装置の正面図である。同垂直軸風車の平面図である。同垂直軸風車の分解斜視図である。同垂直軸風車の翼および各アームを示す一部破断斜視図である。同垂直軸風車の翼の部分拡大横断面図である。同垂直軸風車のアーム補助材、アーム、翼の結合部の関係を示す部分拡大正面図である。

　この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１はこの発明の一実施形態に係る垂直軸風車を備えた風力発電装置の正面図、図２はその平面図、図３はその垂直軸風車を主に示す一部分解斜視図である。図１において、地面に築かれた基礎１に鉄塔２が構築され、この鉄塔２の上に風力発電装置３が設置されている。風力発電装置３は、垂直軸風車４と、この垂直軸風車４の主軸５の回転で発電する発電機６と、その他に配電用、制御用等の機器とを備える。主軸５は上下方向に沿って延びる軸であって、軸受（図示せず）によって回転自在に支持され、下部が発電機６に連結されている。主軸５、発電機６、および他の機器は、カバー７によって覆われている。

　垂直軸風車４は、前記主軸５に支持体８を介して、複数の翼９が取り付けられている。図の例では、翼９の数が２つであり、それぞれの翼９は主軸５を中心として１８０°位相の異なる位置に設けられている。翼９の数は３つ以上であってもよい。

　翼９は、上下方向に沿って延びる主翼部９ａと、この主翼部９ａから旋回中心側へ折れ曲がって延びるウィングレット９ｂとを有する。翼９の断面形状は、揚力を発生する形状であり、図２に示すように、翼旋回中心に対する外方となる外側面が膨らみ、その最膨部分が翼幅方向の片側に偏った形状とされている。ウィングレット９ｂは、翼端渦の発生を抑制する部位である。ウィングレット９ｂは必ずしも設けられていなくてもよい。

　図３に示すように、前記支持体８は、翼９の上下方向複数箇所の結合部１１にそれぞれ一端が結合されて他端が前記主軸５に結合された複数本のアームを有する。この例では、支持体８を構成する複数本のアームは、具体的には１本の水平な主アーム８ａと、この主アーム８ａの上下にそれぞれ位置して傾斜した２本のサブアーム８ｂとからなる。サブアーム８ｂは、主軸５側の端部が主アーム８ａに結合されている。両側の主アーム８ａ，８ａは、１本の鋼管等の鋼材の半部または一本の鋼管または鋼材で構成され、主軸５の上端に結合部材（図示せず）を介して接合されている。

　上記構成の垂直軸風車４において、各翼９の旋回中心側を向く翼内側面に沿って、翼長手方向に延びる補剛用のアーム補助材１２が設けられ、翼９の前記複数の結合部１１で結合されている。アーム補助材１２が上記のように結合されることで、主アーム８ａおよびサブアーム８ｂとアーム補助材１２とでトラス構造を成している。アーム補助材１２は、図示の例では上下に並ぶ全ての結合部１１に渡って連続する１本であるが、主アーム８ａの上側と下側とに分割されていてもよい。

　アーム補助材１２は、翼９に設けられたくぼみ部内に配置するか、または翼９に対し埋め込み状態とすることなどで、翼９の内側面に対して非突出状態に設けられる。具体的には、図５に翼断面の一部を拡大して示すように、翼９の外皮１４に設けられた翼長手方向に延びる溝状のくぼみ部１５内にアーム補助材１２が配置され、アーム補助材１２を覆ってくぼみ部１５を閉じるアームカバー１６が設けられている。アーム補助材１２は、形鋼等からなり、この例では２本のＬ形鋼を背合わせに接合したＴ字形断面の部材とされている。このようなアーム補助材１２のＴ字の脚部がくぼみ部１５の溝底側に向くように設置されている。くぼみ部１５の断面形状は、アーム補助材１２の断面の縁部がくぼみ部１５の内面との間に若干の隙間が生じる程度の大きさの円弧状とされている。くぼみ部１５の断面形状は、この例に限定されず、例えば、三角形や四角形などの多角形であっても、また楕円などの任意の曲線形状であってもよい。

　アームカバー１６は、アーム補助材１２に沿って延びる短冊状である。アームカバー１６は、その両側縁がくぼみ部１５の両側の開口縁１５ａ，１５ａに接して取付けられている。アームカバー１６は、中央の結合部１１の箇所で上下の分割カバー１６ａ，１６ａに分割されている。図４において、アームカバー１６は、アーム補助材１２に対して固定であっても、非固定であってもよい。アームカバー１６の材料は、前記外皮１４と同程度の線膨張係数を持ち、また剛性は外皮と同等もしくは低い材料とすることが好ましい。

　翼９は、図６に分解斜視図で示すように、翼幅方向に延びる複数本（図の例では３本）の桁材１７と、外面側外皮１４ａおよび内面側外皮１４ｂの２枚で構成される外皮１４とで主に構成されている。翼９の長手方向の複数箇所、この例では３ヵ所に固定用プレート１８が設けられている。固定用プレート１８は、鋼板等で形成されている。固定用プレート１８は、翼断面に沿う外形を有し、かつ一部に、翼内面から突出して前記結合部１１を構成する。

　材質例を説明すると、桁材１７、外側外皮１４ａ、内側外皮１４ｂ、固定用プレート１８のいずれも、プラスチック、繊維強化プラスチック、木材、金属、発泡体等、およびこれらの複数素材で構成される。アーム補助材１２は、桁材１７と同等か、これよりも硬い材質が好ましく、例えば鋼材等が用いられる。アームカバー１６は、前述のように、内側外皮１４ｂと線膨張係数が同じ材質であることが好ましく、内側外皮１４ｂと同じ材質としてもよい。また剛性は外皮１４ｂと同等もしくは低い材質が好ましい。

　図３，図４に示すように、結合部１１における各アーム８ａ，８ｂの結合は、各アーム８ａ，８ｂの先端に溶接等で固定された接合プレート１９を、前記固定用プレート１８の一部で構成される結合部１１に重ね、この重なり部分に設けられた接合孔に挿通されるボルトおよびナット等の固着具を締めつけることなどで行われる。

　図６は、アーム補助材１２と、各アーム８ａ，８ｂと、翼９の前記結合部１１との関係を示す。翼９の前記複数個所の結合部１１が、翼９の長手方向の複数個所で翼９の横断面に沿って設けられた各固定用プレート１８における前記翼内側面から突出する部分からなり、前記各アーム８ａ，８ｂは、先端に設けられた接続プレート１９が前記各固定用プレート１８の前記突出する部分からなる前記結合部１１に重なって結合されていてもよい。この構成とすることで、前述の各アーム８ａ，８ｂとアーム補助材１２とが組まれたフレーム構造で翼９を補剛することが、効果的に実現できる。

　この構成によると、任意方向の風を受けることで、翼９が主軸５と回転する。回転方向は翼９の断面形状によって定まり、図２の矢印ａ方向となる。上記のように風を受けて回転するとき、風速が速いと、翼９に大きな遠心力が作用するため、翼９を撓ませようとする応力が発生する。そのため、翼９に剛性を持たせる必要がある。これにつき、上記構成によると、翼９を補剛するアーム補助材１２を有し、このアーム補助材１２は、翼９が各アーム８ａ，８ｂと結合される翼長手方向の複数箇所の結合部１１を互いに結ぶ。そのため、各アーム９ａ，９ｂとアーム補助材１２とが組まれたトラス状のフレーム構造で翼９を補剛することができ、翼９を効果的に補剛できる。これにより翼９の支持剛性が向上し、少ない材料で翼９の剛性を高めることができる。そのため、風速が速くなって回転数が上がった場合の翼９およびアーム９ａ，９ｂの剛性を確保しながら、翼９を構成する各部材やアーム８ａ，８ｂの薄肉化、この薄肉化による小断面化等による重量減、コスト低減が図れる。なお、翼９と主軸５とを繋ぐアームを、上記サブアーム８ｂのような傾斜したアームだけとし、その傾斜したアームとアーム補助材１２とでトラス構造を成すようにしてもよい。

　アーム補助材１２が翼表面から突出していると、翼回転時に空気が流れ込むことで、乱流が生じ、空気抵抗の増加による翼の回転阻害となって、発電量の低下に繋がる。また、風切り音などの原因となる。しかし、上記のようにアーム補助材１２は、翼内側面に対して非突出状態に設けるので、風車が回転した場合の空気抵抗とならず、風車の回転４を阻害しない。また、風切り音の発生が回避できる。アームカバー１６を設けた場合は、翼９とアーム補助材１２間の隙間や段差を無くすことができ、より一層、風車４が回転した場合の空気抵抗を減らし、風車４の回転抵抗が小さくなる。また、翼９とアーム補助材１２の隙間からごみ等の侵入を防ぐ効果も期待できる。

　この場合に、アーム補助材１２は、これを収めるくぼみ部１５の内面と非接触であり、アームカバー１６の外周縁がくぼみ部１５の開口周縁に接するようにしているため、次の利点が得られる。すなわち、アーム補助材１２を構成する部材は、その補剛の目的のために、翼９の表面を構成する外皮１４に比べて剛性の高い鋼材等の材質が好ましい。しかし線膨張係数の違う部材が互いに接触していると、昼夜の大きな温度差による延び縮み等で擦れ合うことで、無用な応力が発生し外皮１４の損傷する要因となる、また、きしみ音等の騒音の原因となる。これにつき、上記のように翼９のくぼみ部１５の内面とアーム補助材１２とを非接触とすることで、上記の無用な応力やきしみ音等の騒音の発生を防止することができる。

　支持体８は、図示の例に限らず、例えば複数本のアームを梯子状に設けてもよい。もっとも、この例では主アーム８ａおよびサブアーム８ｂとアーム補助材１２とでトラス構造を構成しているため、トラス構造の剛性に優れる作用により、より効果的に、翼９と各アーム８ａ，８ｂとの組立品を補剛することができる。

　また、この風力発電装置は、上記構成の垂直軸風車４を備えるため、この垂直軸風車４による優れた耐風力性能により、優れた発電性能得ることができる。

　以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　次に、上記で説明した垂直軸風車において、翼に設けたくぼみ部およびこのくぼみ部を閉じるアームカバーを必須の構成要件としない、本発明の範囲に含まれない応用態様に係る垂直軸風車について説明する。この応用態様は、以下の態様１～６を含む。この応用形態に係る垂直軸風車によっても、翼を補剛するアーム補助材を有し、このアーム補助材は、翼が各アームと結合される翼長手方向の複数箇所の結合部を互いに結ぶ。そのため、各アームとアーム補助材とが組まれたフレーム構造で翼を補剛することができ、翼を効果的に補剛できて、翼の支持剛性が向上し、少ない材料で翼の剛性を高めることができる。そのため、風速が速くなって回転数が上がった場合の翼およびアームの剛性を確保しながら、翼を構成する部材やアームの薄肉化、この薄肉化による小断面化による重量減、コスト低減が図れる。前記アーム補助材は、翼内側面に対して非突出状態に設けるので、風車が回転した場合の空気抵抗とならず、風車の回転を阻害しない。
［態様１］
　立ち姿勢で回転自在に設置された主軸と、上下方向に延びる翼と、前記翼の上下方向複数箇所の結合部にそれぞれ一端が結合されて他端が前記主軸に結合された複数本のアームとを備える垂直軸風車であって、前記翼の旋回中心側を向く翼内側面に沿って翼長手方向に延び前記複数の結合部に結合された補剛用のアーム補助材を備え、このアーム補助材は前記翼内側面に対して非突出状態とされた垂直軸風車。
［態様２］
　態様１に記載の垂直軸風車において、前記アーム補助材が、前記翼の前記翼内側面に設けられたくぼみ部内に配置された垂直軸風車。
［態様３］
　態様１または態様２に記載の垂直軸風車において、前記複数本のアームは、前記主軸側の端部が互いに結合されて前記主軸に結合され、前記複数本のアームのうちの２本以上のアームと前記アーム補助材とでトラス構造を成す垂直軸風車。
［態様４］
　態様３に記載の垂直軸風車において、前記複数本のアームとして、１本の主アームと、この主アームの上下にそれぞれ位置する２本のサブアームとがあり、前記上下のサブアームは、前記主軸側の端部が前記主アームに結合されることで前記主軸に結合され、前記主アームおよびサブアームと前記アーム補助材とでトラス構造を成す垂直軸風車。
［態様５］
　態様１ないし態様４のいずれかに記載の垂直軸風車において、前記翼の前記複数個所の結合部が、前記翼の長手方向の複数個所で前記翼の横断面に沿って設けられた各固定用プレートにおける前記翼内側面から突出する部分からなり、前記各アームは、先端に設けられた接続プレートが前記各固定用プレートの前記突出する部分からなる前記結合部に重なって結合された垂直軸風車。
［態様６］
　態様１ないし態様５のいずれかに記載の垂直軸風車と、この垂直軸風車の前記主軸の回転によって発電する発電機とを備える風力発電装置。

３…風力発電装置
４…垂直軸風車
５…主軸
６…発電機
８…支持体
８ａ…主アーム
８ｂ…サブアーム
９…翼
９ａ…主翼部
９ｂ…ウィングレット
１１…結合部
１２…アーム補助材
１４…外皮
１５…くぼみ部
１６…アームカバー
１６ａ，１６ｂ…分割カバー
１８…固定用プレート

Claims

　立ち姿勢で回転自在に設置された主軸と、
　上下方向に延びる翼と、
　前記翼の上下方向複数箇所の結合部にそれぞれ一端が結合されて他端が前記主軸に結合された複数本のアームと、
　前記翼の旋回中心側を向く翼内側面に形成された、翼長手方向に延びるくぼみ部と、
　前記くぼみ部内に配置され、前記翼長手方向に延び前記翼の前記複数の結合部に結合された補剛用のアーム補助材と、
　前記アーム補助材を覆って前記くぼみ部を閉じるアームカバーと、
を備える垂直軸風車。
　請求項１に記載の垂直軸風車において、前記アーム補助材は前記翼内側面に対して非突出状態で設けられている垂直軸風車。
　請求項１または請求項２に記載の垂直軸風車において、前記アーム補助材が前記くぼみ部の内面と非接触であり、前記アームカバーの外周縁が前記くぼみ部の開口周縁に接する垂直軸風車。
　請求項１から３のいずれか一項に記載の垂直軸風車において、前記複数本のアームは、前記主軸側の端部が互いに結合されて前記主軸に結合され、前記複数本のアームのうちの２本以上のアームと前記アーム補助材とでトラス構造を成す垂直軸風車。
　請求項４に記載の垂直軸風車において、前記複数本のアームとして、１本の主アームと、この主アームの上下にそれぞれ位置する２本のサブアームとがあり、前記上下のサブアームは、前記主軸側の端部が前記主アームに結合されることで前記主軸に結合され、前記主アームおよびサブアームと前記アーム補助材とでトラス構造を成す垂直軸風車。
　請求項１から５のいずれか一項に記載の垂直軸風車において、前記翼の前記複数個所の結合部が、前記翼の長手方向の複数個所で前記翼の横断面に沿って設けられた各固定用プレートにおける前記翼内側面から突出する部分からなり、前記各アームは、先端に設けられた接続プレートが前記各固定用プレートの前記突出する部分からなる前記結合部に重なって結合されている垂直軸風車。
　請求項１から６のいずれか一項に記載の垂直軸風車と、この垂直軸風車の前記主軸の回転によって発電する発電機とを備える風力発電装置。