WO2018168744A1 - 垂直軸風車、その翼、および風力発電装置 - Google Patents

垂直軸風車、その翼、および風力発電装置 Download PDF

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WO2018168744A1
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rotation
vertical
vertical axis
wind turbine
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伊藤 健
真人 吉野
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Ntn株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D3/00Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06Rotors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a vertical axis wind turbine having a vertical main shaft, its blades, and a wind power generator equipped with the vertical axis wind turbine.
  • the wind turbines used in the wind turbine generator include a horizontal axis wind turbine in which horizontal blades around the axis of the main shaft provided horizontally rotate, and a vertical axis wind turbine in which vertical blades rotate around the axis of the main shaft provided vertically.
  • a horizontal axis wind turbine in which horizontal blades around the axis of the main shaft provided horizontally rotate
  • a vertical axis wind turbine in which vertical blades rotate around the axis of the main shaft provided vertically.
  • the separation of the air current adversely affects the rotational energy conversion efficiency for converting the wind energy into the rotational energy of the blades.
  • the airflow tends to peel off at the trailing edge of the blade at a low wind speed with a slow relative inflow speed, at a low rotation speed, or at startup. For this reason, even if the wind blows, it takes time until the rotational speed reaches a predetermined rotational speed for generating torque, resulting in poor rotational energy conversion efficiency.
  • An object of the present invention is to provide a vertical axis windmill with good rotational energy conversion efficiency by suppressing separation of airflow on the rotating inner peripheral surface of a blade in order to solve the above-mentioned problems peculiar to the vertical axis windmill. That is.
  • Another object of the present invention is to provide a blade of a vertical axis wind turbine that improves the rotational energy conversion efficiency when used in a vertical axis wind turbine by suppressing the occurrence of air flow separation.
  • Still another object of the present invention is to provide a wind power generator having good power generation efficiency.
  • a vertical axis wind turbine includes a vertical main shaft that is rotatably provided, a support provided on the vertical main shaft, and an axial center of the vertical main shaft that is connected to the vertical main shaft via the support and receives wind.
  • wings rotating around A cross-sectional shape of the blade is such that at least one of an outer surface and an inner surface in the radial direction with respect to the rotation center of the blade gradually bulges outward and / or inward in the radial direction from both front and rear ends in the rotation direction of the blade.
  • the amount of bulge is the largest shape at a location closer to the front end than the center in the direction of rotation, On the trailing edge of the blade in the direction of rotation of the wings, there are serrations in which crests protruding from the rear side of the direction of rotation and troughs retreating are alternately arranged in a direction parallel to the axis of the vertical main axis. Is formed.
  • the wing since the wing has the above-described cross-sectional shape, lift occurs when the wing receives wind, and the wing rotates around the axis of the vertical main shaft by this lift.
  • one of the causes of the stalling of rotation is separation of the airflow from the blade surface.
  • the serration is formed at the trailing edge of the blade rotation direction, the radial airflow is faster than the inner surface along the outer surface at the rear end of the blade in the radial direction with respect to the rotation center of the blade. The flow of the airflow along the inner surface is attracted, and the separation of the airflow along the inner surface is suppressed. Thereby, the section where the rotation of the blade is stalled is shortened, and the rotational energy conversion efficiency in one rotation is improved.
  • the serration may be formed in a wave shape in which the top side of the peak portion narrows when viewed from the radial direction with respect to the rotation center of the blade.
  • the wave shape that narrows the top side of the mountain portion increases the width in the direction along the axis of the vertical main axis of the valley portion as it goes backward, so the action of attracting airflow along the inner surface in the radial direction is strong Become.
  • the serration may be a curved shape having a convex curve at the peak as viewed from the radial direction with respect to the rotation center of the blade. If the ridge has a convex curved shape, the rear end of the ridge has a roundness, so that it is difficult to be damaged, and the effect of the airflow on the outer surface is more easily exhibited.
  • the peak portion of the serration may increase in width along the axis of the vertical main shaft as it goes from the outside in the radial direction with respect to the rotation center of the blade to the inside.
  • the side surface of the mountain portion becomes an R surface inclined so that the width of the valley portion becomes narrower as it goes inward. Thereby, the airflow along the outer surface in the radial direction is smoothly guided to the trough.
  • the wing when the wing has a main wing portion extending in parallel with the vertical main shaft, and a wing tip inclined portion extending obliquely from both ends of the main wing portion to the vertical main shaft side,
  • the serration may be formed at a rear end in the rotation traveling direction. Further, serrations may be formed only on the main wing part.
  • the blade of the vertical axis wind turbine of the present invention is for a vertical axis wind turbine having a vertical main axis
  • the cross-sectional shape is such that at least one of the radially outer surface and the inner surface with respect to the center of rotation gradually bulges outward and / or inward from the front and rear ends in the direction of rotation, and the amount of bulge is the center in the direction of rotation Is the largest shape near the front edge,
  • a serration is formed at the trailing edge of the rotational direction in which the crests protruding from the rear side of the rotational direction and the troughs retreating are alternately arranged in a direction parallel to the rotational axis.
  • the wind power generator of the present invention includes the vertical axis wind turbine and a generator that generates electric power by rotation of the vertical main shaft of the vertical axis wind turbine.
  • the vertical axis windmill used in this wind power generator has good rotational energy conversion efficiency. For this reason, this wind power generator has good power generation efficiency.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
  • FIG. 3B It is a perspective view of a part of the wing. It is a partial top view of an example of the same wing.
  • FIG. 6B is a side view of the wing of FIG. 6A. It is a partial top view of the example from which the wing
  • FIG. 7B is a side view of the wing of FIG. 7A. It is a fragmentary top view of a further different example of the wing.
  • FIG. 8B is a side view of the wing of FIG. 8A.
  • FIG. 8B is a VIIIC-VIIIC sectional view of the wing of FIG. 8A. It is a fragmentary top view of a further different example of the wing.
  • FIG. 9B is a partial plan view of the wing of FIG.
  • FIG. 9A It is a fragmentary top view of a further different example of the wing.
  • FIG. 10B is a side view of the wing of FIG. 10A. It is a fragmentary top view of a further different example of the wing.
  • FIG. 11B is a side view of the wing of FIG. 11A. It is explanatory drawing which shows the relationship between the rotation position of a wing
  • FIG. 1 is a front view of a wind turbine generator having a vertical axis wind turbine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view thereof.
  • a steel tower 2 is constructed on a foundation 1 built on the ground, and a wind power generator 3 is installed on the steel tower 2.
  • the wind power generator 3 includes a vertical axis windmill 4, a generator 6 that generates electric power by rotation of the vertical main shaft 5 of the vertical axis windmill 4, and other devices for power distribution and control.
  • the vertical main shaft 5 extends in the vertical direction, is rotatably supported by a bearing, and the lower portion is connected to the generator 6.
  • the vertical main shaft 5, the generator 6, and other equipment are covered with a cover 7.
  • a plurality of blades 9 are attached to the vertical main shaft 5 via a support 8.
  • the number of blades 9 is two, and each blade 9 is provided at a position with a 180 ° phase difference around the vertical main axis 5.
  • the number of wings 9 may be three or more.
  • the support 8 has one horizontal arm 8a that is horizontally fixed to the upper end of the vertical main shaft 5, and an upward oblique direction and a downward oblique direction from the vicinity of the central portion of the horizontal arm 8a toward the left and right sides of the figure. It consists of a total of four diagonal arms 8b.
  • the left wing 9 is coupled to the left end of the horizontal arm 8a and the left two oblique arms 8b, and the right wing 9 is coupled to the right end of the horizontal arm 8a and the two oblique arms 8b on the right side.
  • the vertical axis wind turbine 4 receives wind, the vertical axis wind turbine 4 rotates around the axis O of the vertical main shaft 5 in the direction of the arrow in FIG.
  • the rotation direction indicated by the arrow in FIG. 2 is referred to as a “rotational direction R”.
  • 3A and 3B are a front view and a side view of the wing 9, respectively.
  • the wings 9 are parallel to the vertical main shaft 5 (see FIG. 1), that is, a main wing portion 10 extending in the vertical direction, and upper and lower portions extending obliquely from the upper and lower end portions of the main wing portion 10 to the vertical main shaft 5 side. It consists of a blade tip inclined portion 11.
  • the blade tip inclined portion 11 may extend linearly or may extend curvedly. In the case of a curved shape, the curved line may be an arc shape or a combination of a plurality of arcs having different curvatures.
  • the upper and lower blade tip inclined portions 11 are formed in the same shape that is line-symmetric with respect to the center line CL of the intermediate portion in the longitudinal direction of the main wing portion 10.
  • the axial center direction of the vertical main shaft 5 is referred to as “vertical direction”. Further, the outer diameter side in the radial direction around the axis O of the vertical main shaft 5 is defined as “outer side”, and the inner diameter side is defined as “inner side”. Further, when the vertical axis wind turbine 4 rotates in the direction of the arrow in FIG.
  • the thickness of the main wing part 10 is constant over the entire upper and lower parts, and the wing tip inclined part 11 becomes thinner in the radial direction toward the tip side.
  • the radial thickness of each of the main wing part 10 and the blade tip inclined part 11 is different depending on the position in the rotation traveling direction R.
  • the thicknesses of the main wing part 10 and the blade tip inclined part 11 described above are about the thickness of the maximum thickness part in the rotation traveling direction R.
  • the width of the main wing portion 10 is constant in the rotation direction R, and the width of the rotation direction R of the blade tip inclined portion 11 is gradually narrowed gradually toward the tip side.
  • the apex position P which is the most up-and-down position in the vertical direction of the blade tip inclined portion 11, is closer to the front than the center of the rotation traveling direction R.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 3B.
  • the cross-sectional shape of the main wing part 10 is such that the radially outer surface 12 and the inner surface 13 gradually bulge radially outward and inward from both front and rear ends in the rotational traveling direction R. It is the largest shape at a location closer to the front end than the center in the rotation traveling direction R.
  • only one of the outer side surface 12 and the inner side surface 13 in the radial direction may gradually bulge outward or inward in the radial direction from both front and rear ends in the rotation traveling direction.
  • the inner side surface 13 in the radial direction has a curved shape in which the front end portion is smoothly connected to the outer side surface 12, and the rear portion is flatter than the front end portion.
  • the inner side surface 13 may have a shape that swells inward in the radial direction from the front end to the rear end, or may have a shape in which a central portion in the rotation traveling direction R is recessed.
  • the cross-sectional shape of the blade tip inclined portion 11 is the same as that of the main wing portion 10 although the radial direction and the rotational traveling direction R are different from those of the main wing portion 10.
  • the wings 9 are shown as solid. However, in some cases, the wings 9 may be formed in a hollow shape with a fiber reinforced resin or the like in order to reduce the weight.
  • a serration 15 is provided on the rear edge of the rotation direction R of the main wing portion 10.
  • the peak portions 16 projecting toward the rear side in the rotational traveling direction R and the valley portions 17 receding are alternately arranged in a direction parallel to the axis O (FIG. 1) of the vertical main shaft 5.
  • a portion that becomes the valley portion 17 at the rear end portion of the main wing portion 10 may be cut out, or another member or serration 15 that becomes the peak portion 16 is formed at the rear end edge of the main wing portion 10. Another formed member may be attached.
  • FIGS. 6A to 6B to 11A and 11B show various forms of serrations. Of these figures, the figure with B attached to the figure is drawn with the ratio of dimensions in the blade thickness direction increased.
  • serrations 15A shown in FIGS. 6A and 6B a series of peaks 16 has a triangular waveform when viewed from the radial direction. The top part of the peak part 16 and the bottom part of the valley part 17 have an acute angle when viewed from the radial direction.
  • serrations 15B shown in FIGS. 7A and 7B a series of peaks 16 has a trapezoidal waveform when viewed from the radial direction. The top of the peak 16 and the bottom of the trough 17 may be rounded by a curve.
  • a series of peak portions 16 is a peak convex waveform when viewed from the radial direction.
  • the peak convex curve waveform means that each peak 16 has a curved shape convex backward. If the peak portion 16 has a convex curved shape, the rear end of the peak portion 16 has a rounded shape and is not easily damaged.
  • the peak portion 16 is wider in the vertical direction as it goes from the outside to the inside.
  • the side surface 16a of the peak portion 16 is a tapered surface or an R surface inclined so that the width of the valley portion 17 becomes narrower as it goes inward.
  • the triangular waveform and trapezoidal waveform serrations 15A and 15B and the rectangular waveform serration 15D described later may be tapered or rounded.
  • Each of the serrations 15A, 15B, and 15C has a wave shape that narrows the top side of the peak portion 16 when viewed from the radial direction. With this wave shape, the width in the vertical direction of the valley portion 17 becomes wider toward the rear, so that the action of inducing the flow of airflow along the inner surface 13 in the radial direction becomes stronger.
  • a serration 15D shown in FIGS. 9A and 9B may not have a wave shape in which the top side of the mountain portion 16 is narrowed.
  • a series of peaks 16 has a rectangular waveform.
  • the serrations 15E shown in FIGS. 10A and 10B are formed on another member 18 attached to the rear edge of the main wing part 10.
  • FIG. In this example, the waveform of the crest 16 is similar to the serration 15A of FIGS. 6A and 6B, but the other serrations 15B, 15C, and 15D may be formed as separate members.
  • the serrations 15F shown in FIGS. 11A and 11B are formed by attaching another member that becomes the peak 16 to the rear edge of the main wing part 19.
  • a series of peaks 16 has a peak convex curve waveform, but the serrations of other waveforms also have peaks at the rear edge of the main wing 19.
  • a serration can be formed by attaching another member 16.
  • the vertical axis wind turbine 4 having this configuration will be described. If the blade 9 has the cross-sectional shape shown in FIG. 4, when the blade 9 receives the wind W, the airflow A2 is accelerated by the shape of the inner surface of the front edge of the blade 9, and lift is generated in the forward direction of the blade. It becomes a driving force. With this lift, the vertical axis wind turbine 4 rotates about the axis O of the vertical main shaft 5 in the direction of the arrow in FIG. By providing the blade tip inclined portions 11 at both ends of the blade 9, the generation of vortices near the blade tip is suppressed, and the generation of noise is suppressed.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing the relationship between the rotational position of the blade 9 and the direction and speed of the wind flowing into the blade 9. It is assumed that the wind at the wind speed V0 is blowing from the left to the right in the right diagram of FIG. The arrows in the figure indicate the relative direction and inflow speed of the wind received by the blade 9.
  • the left figure of FIG. 12 represents the state of the wing
  • the blade 9 When the blade 9 is at the position of the circled number 1, the blade 9 receives from the front in the rotational traveling direction R the wind of the inflow speed V1 obtained by adding the wind speed V0 and the traveling speed S of the blade 9. In this state, as shown in the left diagram of FIG. 12, the airflow A1 outside the blade 9 and the airflow A2 inside the wing 9 are attached flows along the outer surface 12 and the inner surface 13, respectively.
  • the blade 9 When the blade 9 is in the position of the circled number 2, the blade 9 receives the wind of the inflow velocity V2 that is a vector value of the wind velocity V0 and the traveling velocity S from the oblique outer diameter side in the rotational traveling direction R.
  • the airflow A1 outside the wing 9 is an attached flow along the outer surface 12, but the airflow A2 inside the wing 9 is peeled from the rear side of the inner surface 13.
  • the serration 15 (FIG. 4) is formed at the trailing edge of the rotation direction R of the blade 9, the flow of the air flow A2 inside the blade 9 is attracted by the fast air flow A1 along the outer surface 12. The Thereby, peeling of the airflow A2 on the rear side of the inner side surface 13 is suppressed.
  • the blade 9 When the blade 9 is in the position of the circled number 3, the blade 9 receives the wind of the inflow velocity V3 that is a vector value of the wind velocity V0 and the traveling velocity S from the oblique outer diameter side. In this state, as shown in the left diagram of FIG. 12, the inner airflow A2 is completely separated from the inner side surface 13 at the blade rear end.
  • the serrations 15 are formed at the trailing edge of the rotation traveling direction R of the blade 9, the flow of the air flow along the radial inner surface 13 is caused by the high-speed air flow along the radial outer surface 12. Is attracted and the separation of the airflow along the inner side surface 13 is suppressed.
  • the section where the rotation of the blade 9 is stalled is shortened, and the rotational energy conversion efficiency in one rotation is improved.
  • FIG. 13A and 13B are diagrams showing the relationship between the torque generation region Z1 and the stall region Z2 during one rotation of the blade.
  • a case where the rotational speed is 90 min ⁇ 1 (FIG. 13A) and a case where the rotational speed is 50 min ⁇ 1 (FIG. 13B) are compared. Comparing both, it can be seen that the torque generation region Z1 is narrow when the rotational speed is low.
  • the torque generation region Z ⁇ b> 1 can be widened as shown by a thick arrow in FIG. 13B.
  • the torque generation region Z1 can be expanded to the position of the circled numeral 3.
  • the output of the blade increases, so the blade speed can be reduced to a predetermined rotational speed that generates efficient torque in a short time. 9 speed increases. Furthermore, even if the wind weakens, the wing 9 is difficult to stop rotating. Thereby, the torque generation region Z1 during one rotation of the blade is expanded, and the rotational energy conversion efficiency is further improved.
  • the vertical axis wind turbine 4 using the blades 9 formed with the serrations 15 has good rotational energy conversion efficiency. For this reason, the wind power generator 3 provided with this vertical axis windmill 4 has good power generation efficiency.

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Abstract

垂直軸風車は、回転自在に設けられる垂直主軸と、この垂直主軸に設けられた支持体と、垂直主軸に支持体を介して連結され風を受けて回転する翼(9)とを備える。翼(9)の横断面形状は、翼(9)の回転中心に対する径方向の外側面および/または内側面が回転進行方向(R)の前後両端から次第に前記径方向の外側および/または内側に膨らみ、その膨らみ量は回転進行方向(R)の中央よりも前端寄りの箇所で最も大きい形状である。翼(9)における回転進行方向の後縁に、回転進行方向の後方側に対して突出する山部(16)と後退する谷部(17)とが、前記垂直主軸の軸心に平行な方向交互に並ぶセレーション(15)が形成されている。

Description

垂直軸風車、その翼、および風力発電装置 関連出願
 本出願は、2017年3月14日出願の特願2017-048670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、垂直主軸を持つ垂直軸風車、その翼、および前記垂直軸風車を備えた風力発電装置に関する。
 風力発電装置に用いられる風車には、水平に設けられた主軸の軸心回りの水平翼が回転する水平軸風車と、垂直に設けられた主軸の軸心回りに垂直翼が回転する垂直軸風車(例えば特許文献1)とがある。どちらのタイプについても、揚力で翼を回転させる方式の場合、翼の断面形状は、図15に示すような翼型をしている。翼9が風を受けた場合、膨らみ面22に沿って流れる風の流速と、反対面23に沿って流れる風の流速とに差が生じ、この流速の差が圧力差となって揚力が発生する。
 しかし、上記流線型の翼では、反対面23の側で空気の流れが剥離し、渦が発生することが知られている。この渦は剥離渦と呼ばれ、失速の原因となる。なお、水平軸風車において、前記剥離渦の発生を防ぐことを目的として、翼の後縁に、山部と谷部とが並ぶセレーションを形成することが提案されている(例えば特許文献2)。
特開2004-204801号公報 特開2003-336572号公報
 垂直軸風車は、風向を問わずに回転力が得られて、風向に対する制御が不要なことから、比較的小型の風車として開発が進められている。しかし、垂直軸風車には、次のような解決すべき課題がある。
 一般的に、水平軸風車の場合、風速および風向が一定で、翼の回転速度が一定であれば、翼が1回転する間に翼への風の流入角および相対流入速度が変化しない。このため、翼に沿って流れる気流に変化がなく、回転エネルギー変換効率に影響しない。これに対し、垂直軸風車では、風速および風向が一定で、翼の回転速度が一定であっても、翼が1回転する間に翼への風の流入角および相対流入速度が大きく変化する。このため、一回転する間に、翼に沿って流れる気流が剥離と付着をすることになる。つまり、気流が剥離する事により、風エネルギーを翼の回転エネルギーに変換する回転エネルギー変換効率に悪影響を及ぼす。特に、相対流入速度の遅い低風速や、低回転時または起動時において、翼後端で気流が剥離しやすい。このため、風が吹いても、トルクを発生させる所定の回転速度に上がるまでの時間がかかるため、回転エネルギー変換効率が悪くなる。
 この発明の目的は、垂直軸風車に特有の上記課題を解決するために、翼の回転内周面での気流の剥離を抑制することで、回転エネルギー変換効率が良好な垂直軸風車を提供することである。
 この発明の他の目的は、気流の剥離の発生を抑制することで、垂直軸風車に用いた場合に回転エネルギー変換効率が良くなる垂直軸風車の翼を提供することである。
 この発明のさらに他の目的は、発電効率が良い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、回転自在に設けられる垂直主軸と、この垂直主軸に設けられた支持体と、前記垂直主軸に前記支持体を介して連結され風を受けて前記垂直主軸の軸心の回りに回転する翼とを備え、
 前記翼の横断面形状が、前記翼の回転中心に対する径方向の外側面および内側面の少なくとも一方が前記翼の回転進行方向の前後両端から次第に前記径方向の外側および/または内側に膨らみ、その膨らみ量は前記回転進行方向の中央よりも前端寄りの箇所で最も大きい形状であり、
 前記翼における前記回転進行方向の後縁に、前記回転進行方向の後方側に対して突出する山部と後退する谷部とが、前記垂直主軸の軸心に平行な方向に交互に並ぶセレーションが形成されている。
 この構成によると、翼が上記横断面形状であることにより、翼が風を受けると揚力が発生し、この揚力によって翼が垂直主軸の軸心回りに回転する。垂直軸風車の場合、回転が失速する原因の一つに、翼面からの気流の剥離がある。今回の構成では、翼の回転進行方向の後縁にセレーションが形成されているため、翼の回転中心に対する径方向の翼後端における外側面に沿う内側面より速度の速い気流によって、径方向の内側面に沿う気流の流れが誘引されて、内側面に沿う気流の剥離が抑制される。これにより、翼の回転の失速する区間が短くなり、一回転における回転エネルギー変換効率が向上する。
 また、相対速度が小さく、気流が剥離しやすい低回転または低風速時では、セレーション形状により気流が翼壁面に付着しやすくなるために、各風速において一番効率の良い所定の回転速度まで短時間で翼の回転速度が上がる。さらに、風が弱まっても、翼が回転停止しにくい。これにより、翼の1回転中におけるトルク発生領域が広がり、より一層回転エネルギー変換効率が向上する。
 この発明において、前記セレーションは、前記翼の回転中心に対する径方向から見て、前記山部の頂部側が狭まる波形状に形成されていてもよい。山部の頂部側が狭まる波形状であると、後方へ行くほど谷部の垂直主軸の軸心に沿う方向の幅が広くなるため、径方向の内側面に沿う気流の流れを誘引する作用が強くなる。
 また、前記セレーションは、前記翼の回転中心に対する径方向から見て、前記山部が凸曲線の湾曲形状であってもよい。山部が凸曲線の湾曲形状であると、山部の後端が丸みを持つため、損傷し難く、外側面の気流による作用をより発揮しやすい。
 前記セレーションの前記山部は、前記翼の回転中心に対する径方向の外側から内側へ行くに従い、前記垂直主軸の軸心に沿う幅が広くなっていてもよい。
 この場合、山部の側面が、内側に行くに従い谷部の幅が狭くなるように傾斜したR面となる。これにより、径方向の外側面に沿う気流が谷部に円滑に導かれる。
 この発明において、前記翼が、前記垂直主軸と平行に延びる主翼部と、この主翼部の両端部から前記垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びる翼端傾斜部とを有する場合、前記主翼部における前記回転進行方向の後端に前記セレーションが形成されているとよい。また、主翼部のみにセレーションが形成されていてもよい。
 この発明の垂直軸風車の翼は、垂直主軸を有する垂直軸風車用であって、
 横断面形状が、回転中心に対する径方向の外側面および内側面の少なくとも一方が回転進行方向の前後両端から次第に前記径方向の外側および/または内側に膨らみ、その膨らみ量は前記回転進行方向の中央よりも前端寄りの箇所で最も大きい形状であり、
 前記回転進行方向の後縁に、前記回転進行方向の後方側に対して突出する山部と後退する谷部とが、回転軸心に平行な方向に交互に並ぶセレーションが形成されている。
 上記横断面形状であると、前述したように、風を受けた場合に、径方向の内側面での気流の剥離を抑制する。このため、この翼を垂直軸風車に用いることにより、剥離による失速区間が短くなるため、垂直軸風車の回転エネルギー変換効率が向上する。
 この発明の風力発電装置は、前記垂直軸風車と、この垂直軸風車の前記垂直主軸の回転で発電する発電機とを備える。この風力発電装置に用いられる垂直軸風車は、上述したように、回転エネルギー変換効率が良い。このため、この風力発電装置は発電効率が良い。
 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。 同風力発電装置の平面図である。 同垂直軸風車の翼の正面図である。 図3Aの翼の側面図である。 図3BのIV-IV断面図である。 同翼の一部の斜視図である。 同翼の一例の部分平面図である。 図6Aの翼の側面図である。 同翼の異なる例の部分平面図である。 図7Aの翼の側面図である。 同翼のさらに異なる例の部分平面図である。 図8Aの翼の側面図である。 図8Aの翼のVIIIC-VIIIC断面図である。 同翼のさらに異なる例の部分平面図である。 図9Aの翼の部分平面図である。 同翼のさらに異なる例の部分平面図である。 図10Aの翼の側面図である。 同翼のさらに異なる例の部分平面図である。 図11Aの翼の側面図である。 翼の回転位置と翼に流入する風の向きおよび速度との関係を示す説明図である。 翼が1回転する間におけるトルク発生領域と失速領域の関係の一例を概念的に示す説明図である。 翼が1回転する間におけるトルク発生領域と失速領域の関係の他の例を概念的に示す説明図である。 翼の回転速度と翼が発生する出力との関係を示すグラフである。 従来の翼の一部を断面を表わした斜視図である。
 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はその平面図である。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の垂直主軸5の回転で発電する発電機6と、その他の配電用、制御用等の機器とを備える。垂直主軸5は上下方向に沿って延びる軸であって、軸受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。垂直主軸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、前記垂直主軸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は垂直主軸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。支持体8は、垂直主軸5の上端に水平に固定された1本の水平アーム8aと、この水平アーム8aの中央部付近からそれぞれ図の左右両側に向かって上向きの斜め方向および下向きの斜めに延びる計4本の斜めアーム8bとからなる。水平アーム8aの左端および左側の2本の斜めアーム8bの先端に左側の翼9が結合され、水平アーム8aの右端および右側の2本の斜めアーム8bの先端に右側の翼9が結合されている。垂直軸風車4は、風を受けると、垂直主軸5の軸心Oの回りに図2の矢印方向に回転する。以下、図2の矢印で示された回転方向を「回転進行方向R」と呼ぶ。
 図3A,3Bはそれぞれ翼9の正面図と側面図である。翼9は、垂直主軸5(図1参照)と平行、すなわち上下方向に沿って延びる主翼部10と、この主翼部10の上下両端部からそれぞれ垂直主軸5の側に斜めに折れ曲がって延びる上下の翼端傾斜部11とからなる。翼端傾斜部11は直線状に延びていてもよく、曲線状に延びていてもよい。曲線状である場合、その曲線は、円弧状であっても、曲率が異なる複数の円弧が組み合わされたものであってよい。上下の翼端傾斜部11は、主翼部10の長手方向中間部の中心線CLに対し、線対称となる同一形状に形成されている。
 なお、以下の説明では、垂直主軸5の軸心方向を「上下方向」とする。また、垂直主軸5の軸心Oを中心として径方向の外径側を「外側」、内径側を「内側」とする。また、垂直軸風車4が図2の矢印方向に回転するときに翼9が進行する側を「前側」、その反対側を「後側」とする。
 図3Aに示すように、主翼部10の厚みは上下全域にわたって一定であり、翼端傾斜部11は先端側に行くに従って径方向の厚みが薄くなっている。但し、主翼部10および翼端傾斜部11のいずれについても、回転進行方向Rの位置によって径方向の厚みが異なっている。先に述べた主翼部10および翼端傾斜部11の厚みは、回転進行方向Rの最大厚み部の厚みについてである。
 図3Bに示すように、主翼部10は回転進行方向Rの幅が一定で、翼端傾斜部11は先端側へ行くに従い回転進行方向Rの幅は連続的に徐々に狭くなっている。翼端傾斜部11の上下方向の最先端の位置である頂点位置Pは、回転進行方向Rの中央よりも前寄りにある。
 図4は図3BのIV-IV断面図である。同図に示すように、主翼部10の横断面形状は、径方向の外側面12および内側面13が、回転進行方向Rの前後両端から次第に径方向外側および内側にそれぞれ膨らみ、その膨らみ量は回転進行方向Rの中央よりも前端寄りの箇所で最も大きい形状である。なお、主翼部10の横断面形状は、径方向の外側面12および内側面13の一方のみが回転進行方向の前後両端から次第に径方向の外側または内側に膨らんでいてもよい。径方向の内側面13は、この例では、前端部は外側面12と滑らかに繋がる曲面状で前端部よりも後方部分は平面状とされている。内側面13は、前端から後端にかけて全体が径方向内側に膨らんだ形状であってもよく、また回転進行方向Rの中央部分が凹んだ形状であってもよい。図示は省略するが、翼端傾斜部11の横断面形状も、主翼部10とは径方向および回転進行方向Rの寸法が異なるが、主翼部10と同様の形状である。なお、図4では、翼9が中実で示されているが、実際には軽量化のために、繊維強化樹脂等により中空状に形成されている場合もある。
 図3B、図4、および図5に示すように、主翼部10の回転進行方向Rの後縁には、セレーション15が設けられている。セレーション15は、回転進行方向Rの後方側に対して突出する山部16と後退する谷部17とが、垂直主軸5の軸心O(図1)に平行な方向に交互に並ぶ。セレーション15の形成方法としては、主翼部10の後端部における谷部17となる箇所を切除してもよく、あるいは主翼部10の後端縁に、山部16となる別部材またはセレーション15が形成された別部材を取り付けてもよい。
 図6A,6B~図11A,11Bに、セレーションの各種形態を示す。これらの各図のうち図番にBが付された図面では、翼厚み方向の寸法の比率を大きくして描いている。
 図6A,6Bに示すセレーション15Aは、径方向から見て、各山部16の連なりが三角波形とされている。山部16の頂部および谷部17の底部は、径方向から見て鋭角になっている。
 図7A,7Bに示すセレーション15Bは、径方向から見て、各山部16の連なりが台形波形とされている。山部16の頂部および谷部17の底部は、曲線によって丸みが付けられていてもよい。
 図8A,8Bに示すセレーション15Cは、径方向から見て、各山部16の連なりが山部凸曲線波形とされている。山部凸曲線波形とは、各山部16が後方に凸の湾曲形状であることを指す。山部16が凸曲線の湾曲形状であると、山部16の後端が丸みを持つため、損傷し難い。
 図8A,8Bの例では、図8Cの断面図に示すように、山部16は、外側から内側へ行くに従い、上下方向の幅が広くなっている。言い換えると、山部16の側面16aが、内側に行くに従い谷部17の幅が狭くなるように傾斜したテーパ面ないしR面となっている。これにより、径方向の外側面12に沿う気流が谷部17に円滑に導かれる。前記三角波形や台形波形のセレーション15A,15B、および後記矩形波形のセレーション15Dにも、テーパ状ないしRの面取りを施してよい。
 上記各セレーション15A,15B,15Cは、径方向から見て、山部16の頂部側が狭まる波形状である。この波形状であると、後方へ行くほど谷部17の上下方向の幅が広くなるため、径方向の内側面13に沿う気流の流れを誘引する作用が強くなる。
 図9A,9Bに示すセレーション15Dのように、山部16の頂部側が狭まる波形状でなくてもよい。このセレーション15Dは、各山部16の連なりが矩形波形とされている。
 図10A,10Bに示すセレーション15Eは、主翼部10の後縁に取り付けた別部材18に形成されている。この例は、山部16の波形が図6A,6Bのセレーション15Aと近似したものとされているが、他のセレーション15B,15C,15Dも別部材に形成してよい。
 図11A,11Bに示すセレーション15Fは、主翼部19の後縁に山部16となる別部材を取り付けて形成されている。この例は、図8A,8Bのセレーション15Cと同様に、各山部16の連なりが山部凸曲線波形とされているが、他の波形のセレーションについても、主翼部19の後縁に山部16となる別部材を取り付けてセレーションを形成することができる。
 この構成の垂直軸風車4の作用を説明する。翼9が図4に示す横断面形状であると、翼9が風Wを受けた場合、翼9の前縁の内側面の形状により、気流A2が加速され翼進行方向前方に揚力が発生し推進力となる。この揚力によって、垂直軸風車4が垂直主軸5の軸心O回りに図2の矢印方向に回転する。翼9の両端に翼端傾斜部11を設けたことにより、翼端付近に渦の発生を抑制し、騒音の発生が抑えられる。
 図12は、翼9の回転位置と、翼9に流入する風の向きおよび速度との関係を示す説明図である。図12の右図における左から右に向かって風速V0の風が吹いているものとし、翼9の回転進行速度はSとする。図中の矢印は、翼9が受ける風の相対的な方向と流入速度とを表わしている。図12の左図は、翼9が各回転位置にあるときの翼9の状態を表わしている。
 翼9が丸付き数字1の位置にあるとき、翼9は回転進行方向Rの正面から、風速V0と翼9の進行速度Sを加算した流入速度V1の風を受ける。この状態では、図12の左図に示すように、翼9の外側の気流A1、および内側の気流A2は、それぞれ外側面12および内側面13に沿った付着流れとなる。
 翼9が丸付き数字2の位置にあるとき、翼9は、風速V0と進行速度Sのベクトル値となる流入速度V2の風を、回転進行方向Rの斜め外径側から受ける。この状態では、図12の左図に示すように、翼9の外側の気流A1は外側面12に沿った付着流れであるが、内側内の気流A2は内側面13の後側から剥離気味となる。しかし、翼9の回転進行方向Rの後縁にセレーション15(図4)が形成されていると、外側面12に沿う速度の速い気流A1によって、翼9の内側の気流A2の流れが誘引される。これにより、内側面13の後側での気流A2の剥離が抑制される。
 丸付き数字3の位置に翼9があるとき、翼9は、風速V0と進行速度Sとのベクトル値となる流入速度V3の風を、さらに斜め外径側から受ける。この状態では、図12の左図に示すように、内側の気流A2は翼後端で内側面13から完全に剥離する。
 上述したように、翼9の回転進行方向Rの後縁にセレーション15が形成されているため、径方向の外側面12に沿う速度の速い気流によって、径方向の内側面13に沿う気流の流れが誘引されて、内側面13に沿う気流の剥離が抑制される。例えば、セレーション15が無い場合、翼9が丸付き数字2の位置にある時点で気流2の剥離が発生する可能性があるが、セレーション15があると、同時点での気流2の剥離を無くすことができる。これにより、翼9の回転の失速する区間が短くなり、一回転における回転エネルギー変換効率が向上する。
 図13A,13Bは、翼が1回転する間におけるトルク発生領域Z1と失速領域Z2の関係を示す図である。一例として、ロータ直径2mの垂直軸風車における、回転速度が90min-1である場合(図13A)と、回転速度が50min-1である場合(図13B)とを比較して示す。両者を比較して、回転速度が遅いとトルク発生領域Z1が狭いことが判る。これは、特に、相対流入速度の遅い低風速や、低回転時では、気流の相対速度が小さいため翼壁面を流れる気流が失速し、翼壁面後端における剥離のタイミングが早くなるからである。
 しかし、翼9にセレーション15が形成されていると、低風速や低回転時でも気流の剥離が抑制されるので、図13Bに太い矢印で示すように、トルク発生領域Z1を広げることができる。例えば、図13Aに示す場合と同様に、丸付き数字3の位置のあたりまでトルク発生領域Z1を広げることができる。
 また、気流の剥離が抑制されるので、低回転状態または回転停止状態で風が吹いた場合、翼の出力が増加するために、効率の良いトルクを発生させる所定の回転速度まで短時間で翼9の回転速度が上がる。さらに、風が弱まっても、翼9が回転停止しにくい。これにより、翼の1回転中におけるトルク発生領域Z1が広がり、より一層回転エネルギー変換効率が向上する。
 このように、翼が1回転する間に翼への風の流入角が大きく変化するという垂直軸風車に特有の状況に対し、翼9にセレーション15を形成することが有効である。セレーションがある場合と無い場合について、風によって翼9が発生する出力を流体解析により計算した。その結果を図14に示す。これにより、どの回転速度でも、セレーションがある場合の方が無い場合よりも大きな出力が発生することが判る。また、特に低速域で効果が大きいことが判る。
 以上に説明したように、セレーション15が形成された翼9を用いた垂直軸風車4は、回転エネルギー変換効率が良い。このため、この垂直軸風車4を備える風力発電装置3は発電効率が良い。
 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。
3…風力発電装置
4…垂直軸風車
5…垂直主軸
6…発電機
8…支持体
9…翼
10…主翼部
11…翼端傾斜部
12…外側面
13…内側面
15,15A,15B,15C,15D,15E,15F…セレーション
16…山部
17…谷部
O…軸心
R…回転進行方向

Claims (7)

  1.  回転自在に設けられる垂直主軸と、
     前記垂直主軸に設けられた支持体と、
     前記垂直主軸に前記支持体を介して連結され風を受けて前記垂直主軸の軸心の回りに回転する翼と、
    を備えた垂直軸風車であって、
     前記翼の横断面形状が、前記翼の回転中心に対する径方向の外側面および内側面の少なくとも一方が前記翼の回転進行方向の前後両端から次第に前記径方向の外側および/または内側に膨らみ、その膨らみ量は前記回転進行方向の中央よりも前端寄りの箇所で最も大きい形状であり、
     前記翼における前記回転進行方向の後縁に、前記回転進行方向の後方側に対して突出する山部と後退する谷部とが、前記垂直主軸の軸心に平行な方向に交互に並ぶセレーションが形成されている垂直軸風車。
  2.  請求項1に記載の垂直軸風車において、前記セレーションは、前記翼の回転中心に対する径方向から見て、前記山部の頂部側が狭まる波形状に形成されている垂直軸風車。
  3.  請求項1または請求項2に記載の垂直軸風車において、前記セレーションは、前記翼の回転中心に対する径方向から見て、前記山部が凸曲線の湾曲形状である垂直軸風車。
  4.  請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の垂直軸風車において、前記セレーションの前記山部は、前記翼の回転中心に対する径方向の外側から内側へ行くに従い、前記垂直主軸の軸心に沿う幅が広くなっている垂直軸風車。
  5.  請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の垂直軸風車において、前記翼は、前記垂直主軸と平行に延びる主翼部と、この主翼部の両端部から前記垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びる翼端傾斜部とを有し、前記主翼部における前記回転進行方向の後端に前記セレーションが形成されている垂直軸風車。
  6.  垂直主軸を有する垂直軸風車の翼であって、
     横断面形状が、回転中心に対する径方向の外側面および内側面の少なくとも一方が回転進行方向の前後両端から次第に前記径方向の外側および/または内側に膨らみ、その膨らみ量は前記回転進行方向の中央よりも前端寄りの箇所で最も大きい形状であり、
     前記回転進行方向の後縁に、前記回転進行方向の後方側に対して突出する山部と後退する谷部とが、回転軸心に平行な方向に交互に並ぶセレーションが形成されている垂直軸風車の翼。
  7.  請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の垂直軸風車と、この垂直軸風車の前記垂直主軸の回転で発電する発電機とを備える風力発電装置。
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