WO2018193998A1 - 垂直軸風車および風力発電装置 - Google Patents

垂直軸風車および風力発電装置 Download PDF

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WO2018193998A1
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cross
blade tip
inclined portion
tip inclined
vertical
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PCT/JP2018/015601
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伊藤　健
真人 吉野
達夫 川瀬
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Ntn株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a vertical axis windmill having a vertical main axis, and a wind power generator equipped with the vertical axis windmill.
  • Wind turbines used in wind power generators are roughly classified into horizontal axis types and vertical axis types.
  • the vertical axis type is often used for a relatively small windmill because a rotational force can be obtained regardless of the wind direction and control over the wind direction is unnecessary.
  • the amount of power generation depends on the shape of the blades, and the development of blades capable of efficient power generation is underway.
  • the blade tip inclined portion is a blade tip plate that is inclined so that the tip side approaches the vertical main axis.
  • the effects of the blade tip slopes described above are empirically known, there are not yet well-studied matters regarding the shape of the blade tip slopes to obtain the optimum effect. is there.
  • the relationship between the shape of the blade tip inclined portion, the rotational energy conversion efficiency, the resistance during idling, and the level of noise has not been clear.
  • the resistance at the time of idling is a material for determining whether the rotation is likely to stop in the natural fluctuation fluctuating wind, and affects the power generation efficiency.
  • An object of the present invention is to provide a vertical axis wind turbine that has high rotational energy conversion efficiency, low resistance during idling, and can adjust the shape of the blade tip inclined portion so as to suppress noise.
  • Another object of the present invention is to provide a wind power generator having good power generation efficiency and low noise.
  • a vertical axis wind turbine includes a vertical main shaft that is rotatably provided, a support body connected to the vertical main shaft, and a blade connected to the vertical main shaft via the support body.
  • the wing can receive wind and rotate about the axis of the vertical main shaft.
  • the wing has a main wing portion and a wing tip inclined portion.
  • the main wing extends parallel to the vertical main axis.
  • the blade tip inclined portion extends obliquely from the both end portions of the main wing portion to the vertical main shaft side.
  • the blade tip inclined portion has an inner surface facing the vertical main axis and an outer surface located on the opposite side of the inner surface.
  • At least a part of an intersection line between the first cross section and the outer surface along the vertical main axis passing through the first position in the horizontal direction in the blade tip inclined portion has a first radius of curvature. At least a part of the line of intersection between the second cross section and the outer surface along the vertical main axis passing through a second position different from the first position in the horizontal direction in the blade tip inclined portion is different from the first radius of curvature. Having a second radius of curvature;
  • the shape of the blade tip inclined portion is considered in consideration of rotational energy conversion efficiency, idling resistance, noise, and the like. Can be set arbitrarily. As a result, a vertical axis wind turbine with high energy conversion efficiency and low noise can be obtained.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along line VV in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG. 4.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view taken along line VII-VII in FIG. 4.
  • FIG. 4 is a partial perspective schematic view of the wing shown in FIG. 3.
  • FIG. 10 is a partial side schematic view showing a modification of the wing shown in FIGS. 1 to 9; It is a partial schematic diagram of the wing
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view taken along line XIII-XIII in FIG.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view taken along line XIV-XIV in FIG. 11. It is a schematic diagram for demonstrating the extension direction of the line segment which connects the gravity center in the cross section of the blade
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a modification of the method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a modification of the method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a modification of the method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a modification of the method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a modification of the method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a modification of the method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a modification of the method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3;
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a modification of the method for determining the shape of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIGS. 1 to 3; It is a partial front schematic diagram of the blade tip inclined portion of the blade shown in FIG.
  • 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 of the wind turbine generator shown in FIG.
  • the wind power generator 3 is installed on a steel tower 2 constructed on a foundation 1 built on the ground.
  • the wind turbine generator 3 mainly includes a vertical axis wind turbine 4, a generator 6, and a control unit.
  • the control unit includes, for example, a power distribution device or a control device.
  • the vertical axis wind turbine 4 mainly includes a vertical main shaft 5, a support 8, and a blade 9.
  • the generator 6 is connected to the vertical main shaft 5 of the vertical axis wind turbine 4.
  • the generator 6 generates electricity by the rotation of the vertical main shaft 5.
  • the vertical main shaft 5 is an axis extending along the vertical direction.
  • the vertical main shaft 5 is rotatably supported by a bearing or the like.
  • the upper part of the vertical main shaft 5 is connected to the support 8.
  • a lower part of the vertical main shaft 5 is connected to a generator 6.
  • the vertical main shaft 5, the generator 6, and at least some devices of the control unit are covered with a cover 7.
  • a plurality of blades 9 are attached to the vertical main shaft 5 via the support body 8.
  • the number of wings 9 is two. Each blade 9 is arranged at a position having a phase difference of 180 ° around the vertical main shaft 5.
  • the number of wings 9 may be three or more.
  • the support 8 includes at least one horizontal arm 8a and at least one oblique arm 8b.
  • the horizontal arm 8 a is fixed horizontally to the upper end of the vertical main shaft 5.
  • four oblique arms 8b are shown. One end of the oblique arm 8b is connected to the vicinity of the central portion of the horizontal arm 8a.
  • Each diagonal arm 8b is arranged so as to extend obliquely upward or obliquely downward from the center of the horizontal arm 8a toward the left and right sides of FIG.
  • the left wing 9 is coupled to the left end of the horizontal arm 8a and the tip of the two left oblique arms 8b.
  • the right wing 9 is coupled to the right end of the horizontal arm 8a and the tip of the two right oblique arms 8b.
  • FIG. 3 shows a schematic side view, a schematic front view, and a schematic bottom view of the wing 9.
  • a schematic side view of the wing 9 is shown on the upper left side of FIG.
  • a lower surface schematic diagram of the wing 9 is shown below the side surface schematic diagram.
  • a schematic front view of the wing 9 is shown on the right side of the schematic side view.
  • 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 wings extending obliquely from the upper and lower ends of the main wing portion 10 to the vertical main shaft 5 side. It consists of the end inclined part 11.
  • the blade tip inclined portion 11 may extend linearly or may extend curvedly. When it is curved, the curve may be arcuate or a combination of arcs with different curvatures.
  • the upper and lower blade tip inclined portions 11 may be 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”.
  • 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”.
  • the side on which the blades 9 travel when the vertical axis wind turbine 4 rotates as indicated by the arrow 40 in FIG. The direction in which the blade 9 rotates is determined by the cross-sectional shape of the blade 9.
  • the cross-sectional shape and cross-sectional dimensions of the main wing part 10 are constant over the entire upper and lower regions.
  • the blade tip inclined portion 11 becomes thinner as going to the tip side.
  • the 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.
  • the thickness of the blade tip inclined portion 11 described above means the thickness of the maximum thickness portion in the rotation traveling direction.
  • FIG. 3 as an example, the positions of the maximum thickness portions of the main wing portion 10 and the wing tip inclined portion 11 are indicated by a line A1.
  • a line A1 indicating the maximum thickness part of the main wing part 10 and the blade tip inclined part 11 is a substantially straight line.
  • a vertex position P which is the most advanced position in the vertical direction of the blade tip inclined portion 11, is arranged on the line A ⁇ b> 1 indicating the maximum thickness portion of the blade tip inclined portion 11.
  • the line indicating the maximum thickness portion of the blade tip inclined portion 11 is the maximum of the main wing portion 10. It exists on the extension line
  • the line indicating the maximum thickness portion of the blade tip inclined portion 11 is a line indicating the maximum thickness portion of the main wing portion 10. It becomes a curved line with respect to A1.
  • the line indicating the maximum thickness portion of the blade tip inclined portion 11 may be a curved line or a straight line, but in either case, the base end of the line indicating the maximum thickness portion of the blade tip inclined portion 11 and It is desirable that the connecting portion is smoothly connected to the tip of the line A1.
  • a boundary portion 21 between the inner side surface 17 of the main wing portion 10 and the inner side surface 18 of the blade tip inclined portion 11 is a corner portion extending linearly.
  • the boundary portion 21 is formed to be orthogonal to the line A1.
  • a boundary portion between the outer surface 15 of the main wing portion 10 and the outer surface 16 of the blade tip inclined portion 11 has a curved surface.
  • FIG. 4 is a partial side schematic view including the blade tip inclined portion 11 of the blade 9 shown in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view taken along line VV in FIG.
  • the cross section shown in FIG. 5 is a cross section that passes through the apex position P of the blade tip inclined portion 11 and extends in the extending direction of the main wing portion 10.
  • 6 is a schematic sectional view taken along line VI-VI in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic sectional view taken along line VII-VII in FIG.
  • intersection line between the cross section shown in FIG. 5 and the outer surface of the blade tip inclined portion 11 is a curve having a plurality of curvature radii R11, R12, and R13.
  • the intersection line between the cross section shown in FIG. 6 and the outer surface of the blade tip inclined portion 11 is a curve having a plurality of curvature radii R21, R22, and R23.
  • An intersection line between the cross section shown in FIG. 7 and the outer surface of the blade tip inclined portion 11 is a curve having a plurality of curvature radii R31, R32, and R33.
  • the curvature radii R11, R12, and R13 in FIG. 5 is larger than any of the curvature radii R21, R22, R23, R31, R32, and R33 shown in FIGS. It has become.
  • the curvature radii R11, R21, and R31 illustrated in FIGS. 5 to 7 are the curvature radii at the positions where the crossing angle with the horizontal direction is 50 °.
  • the curvature radii R12, R22, R32 are the curvature radii at the positions where the crossing angle with the horizontal direction is 60 °.
  • the curvature radii R13, R23, and R33 are the curvature radii at the positions where the intersection angle with the horizontal direction is 70 °.
  • the position where the radius of curvature is measured may be a position where the angle of intersection with the horizontal direction is other than the angle described above.
  • the radius of curvature in one cross section shown in each figure may be the same value.
  • the curvature radii R11, R12, and R13 may all be the same value.
  • the radii of curvature R21, R22, R23 may all be the same value.
  • the radii of curvature R31, R32, R33 may all be the same value.
  • the curvature radii in one cross section shown in each figure may have different values.
  • the curvature radius may be larger as the position is closer to the main wing.
  • R11> R12> R13 may be satisfied.
  • the relationship of R32> R33> R31 may be established.
  • the vertex position P is arranged on the intersection line by increasing the radius of curvature of the intersection line between the cross section along the vertical main axis and the outer surface of the blade tip inclined portion 11. be able to. For this reason, the structure which arrange
  • the radius of curvature at the line of intersection between the outer surface 16 and the cross section of the blade tip inclined portion 11 has been described.
  • the inner surface 18 of the blade tip inclined portion 11 is perpendicular to the inner surface 18 through different positions in the horizontal direction.
  • a similar relationship may be established for the radius of curvature at the line of intersection with each cross section along the main axis. That is, the blade tip inclined portion 11 may be configured such that the crossing line with the inner surface 18 has different radii of curvature in cross sections at different positions in the horizontal direction.
  • the intersection line between the cross section passing through the vertex position P and the inner side surface 18 may include a portion having a radius of curvature that is relatively larger than the intersection line between the inner side surface 18 and the cross section at another position.
  • FIG. 8 is a partial perspective schematic view of the wing shown in FIG. 3 and shows the blade tip inclined portion 11.
  • 9 is a partial schematic front view of the wing shown in FIG. 3, and corresponds to the schematic front view of the wing portion shown in FIG.
  • connection end 25 between the outer side surface 16 and the inner side surface 18 of the blade tip inclined portion 11 has a curved surface shape.
  • the radius of curvature on the surface of the connection end portion 25 may be larger as it is closer to the main wing portion 10.
  • the vertical axis wind turbine 4 includes a vertical main shaft 5 that is rotatably provided, a support 8 that is connected to the vertical main shaft 5, and a support 8 on the vertical main shaft 5. And the wings 9 connected via each other. At least one wing 9 is rotatable around the axis of the vertical main shaft 5 by receiving wind.
  • the wing 9 has a main wing portion 10 and a wing tip inclined portion 11.
  • the main wing portion 10 extends in parallel with the vertical main shaft 5.
  • the blade tip inclined part 11 extends obliquely from both ends of the main wing part 10 toward the vertical main shaft 5 side.
  • the blade tip inclined portion 11 has an inner surface 18 facing the vertical main shaft 5 and an outer surface 16 located on the opposite side of the inner surface 18. At least a part of the line of intersection between the first cross section shown in FIG. 5 and the outer surface 16 along the vertical main axis 5 passing through the first position in the horizontal direction in the blade tip inclined portion 11 has the first radius of curvature R11.
  • the portion has second curvature radii R21 to R23, R31 to R33 different from the first curvature radius R11.
  • the shape of the blade tip inclined portion 11 can be arbitrarily changed by appropriately adjusting the values of the first curvature radius R11 and the second curvature radius. Therefore, for example, the position in the horizontal direction of the apex position P that is the position farthest from the main wing part 10 in the wing tip inclined part 11 can be arbitrarily determined. For this reason, the shape of the blade tip inclined portion 11 can be arbitrarily set in consideration of rotational energy conversion efficiency, idling resistance, noise, and the like. As a result, the vertical axis wind turbine 4 having high energy conversion efficiency and low noise can be obtained.
  • the first cross section shown in FIG. 5 passes through the apex position P farthest from the main wing portion 10 in the blade tip inclined portion 11.
  • the first curvature radius R11 is larger than the second curvature radii R21 to R23 and R31 to R33.
  • the radius of curvature of the outer surface 16 of the blade tip inclined portion 11 in the vertical cross section at the first position which is the position of the line segment VV in FIG. 4, regardless of the cross-sectional shape at the end of the main wing portion 10.
  • the position of the vertex position P in the horizontal direction can be set to the first position.
  • the crossing line between each cross section shown in FIGS. 5 to 7 and the outer surface 16 includes a plurality of portions having different curvature radii R11 to R13, R21 to R23, and R31 to R33.
  • the degree of freedom of the shape of the outer surface 16 of the blade tip inclined portion 11 can be increased, the shape of the blade tip inclined portion 11 can be easily determined in consideration of energy efficiency, noise, and the like.
  • the connecting end portion 25 between the inner side surface 18 and the outer side surface 16 is curved as shown in FIGS. 8 and 9.
  • the strength of the connection end portion 25 can be improved as compared with the case where the connection end portion 25 between the inner surface 18 and the outer surface 16 is a corner portion.
  • the air flow at the connection end portion becomes smooth, and the air resistance at the blade tip inclined portion 11 increases. Can be suppressed.
  • a first region (for example, the connection end 25 or the connection end 25) that is relatively close to the main wing portion 10 near the connection end 25 or the connection end 25 between the inner surface 18 and the outer surface 16.
  • the radius of curvature in a region where the angle of intersection with the horizontal direction shown in FIG. 5 is 50 ° (the distance between the inner surface 18 and the outer surface 16 is perpendicular to the surface of the connection end 25 in the region)
  • the curvature radius of the surface of the connection end 25 in the minimum direction or the surface near the connection end 25 is farther from the main wing portion 10 than the first region.
  • connection end portion 25 in the first region close to the main wing portion 10 is larger than the radius of curvature in a region where the angle of intersection with the horizontal direction is 70 °.
  • the strength of the connection end portion 25 in the first region close to the main wing portion 10 can be relatively increased.
  • the connection end portion 25 at a position close to the vertex position P in the configuration in which the cross-sectional area in the direction perpendicular to the extending direction of the blade tip inclined portion 11 gradually decreases from the main wing portion 10 toward the vertex position P, the connection end portion 25 at a position close to the vertex position P. Therefore, the width of the connection end portion 25 at a position close to the apex position P can be made smaller than the width at a position close to the main wing portion 10.
  • a wind turbine generator 3 includes the vertical axis windmill 4 and a generator 6 as shown in FIG.
  • the generator 6 generates electricity by the rotation of the vertical main shaft 5 of the vertical axis wind turbine 4. In this way, it is possible to realize the wind power generator 3 with good power generation efficiency and low noise.
  • FIG. 10 is a partial side schematic view showing a modification of the wing shown in FIGS.
  • the vertical axis wind turbine and wind power generator having blades shown in FIG. 10 basically have the same configuration as the vertical axis wind turbine and wind power generator shown in FIGS.
  • the direction in which the inclined boundary portion 22 with the main wing portion extends is a direction that obliquely intersects with the extending direction of the vertical main shaft 5 (see FIG. 1) of the wind turbine indicated by the line segment 23 in FIGS. It differs from the vertical axis wind turbine and wind generator shown in
  • the vertical axis wind turbine and wind power generator having wings shown in FIG. 10 have the same effects as the vertical axis wind turbine and wind power generator having wings shown in FIGS. 1 to 9, and the inclined boundary portion 22 and the vertical main shaft.
  • the angle between the outer surface 16 and the inner surface 18 of the blade tip inclined portion 11 and the rotating direction of the blade 9 can be changed by changing the angle with the line segment 23 that is the extending direction of the blade 5. For this reason, the freedom degree of design about the shape of a blade tip inclination part can be enlarged further.
  • the wind turbine generator provided with the vertical axis wind turbine according to the present embodiment basically has the same configuration as the wind turbine generator according to the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 to 3 described above.
  • the configuration of the blade tip inclined portion 11 of the blade 9 in the vertical axis wind turbine is different from that of the wind turbine generator according to the first embodiment.
  • the configuration of the blade tip inclined portion 11 of the blade 9 according to the second embodiment will be specifically described.
  • FIG. 11 is a partial schematic view of the blades of the vertical axis wind turbine shown in FIG.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG. 13 is a schematic cross-sectional view taken along line XIII-XIII in FIG. 14 is a schematic cross-sectional view taken along line XIV-XIV in FIG.
  • the blade tip inclined portion 11 includes a cross-sectional shape of the cross-section 27c shown in FIG. 14 as the first cross-sectional shape and a cross-sectional shape of FIG. 12 or FIG.
  • the cross-sectional shape of the cross-section 27a or the cross-section 27b shown is similar.
  • the outer surface 16 and the inner surface 18 of the blade tip inclined portion 11 are formed in a curved surface shape or a planar shape.
  • the surface of the connection end part of the outer surface 16 and the inner surface 18 is formed in a curved surface shape.
  • the two connection end portions in the cross section 27a are curved surfaces having radii of curvature R1 and R2, respectively.
  • the two connection end portions in the cross section 27b are curved surfaces having curvature radii R3 and R4, respectively.
  • the two connecting end portions in the cross section 27a are curved surfaces having radii of curvature R5 and R6, respectively.
  • the blade tip inclined portion 11 has a similar cross-sectional shape in a direction perpendicular to the extending direction at an arbitrary position in the extending direction of the blade tip inclined portion 11.
  • FIG. 15 is a schematic diagram for explaining the extending direction of the line segment connecting the center of gravity in the cross section of the blade of the vertical axis wind turbine.
  • FIG. 16 is a schematic diagram for explaining the extending direction of a line segment connecting the centroids in the cross section of the blade according to the first modification of the vertical axis wind turbine.
  • FIG. 17 is a schematic diagram for explaining the extending direction of the line segment connecting the centroids in the cross section of the blade according to the second modification of the vertical axis wind turbine.
  • the line segment connecting the centers of gravity of the cross sections 27 a to 27 c is inclined to the front side in the rotation direction as the distance from the main wing part 10 is increased as shown in FIG. It becomes a state.
  • the line connecting the centroids may be linear as shown in FIGS. 15 to 17, but may have a bent portion or may be curved.
  • the line indicating the maximum thickness portion of the blade tip inclined portion 11 is: This is a curved line with respect to the line A1 indicating the maximum thickness part of the main wing part 10.
  • the line indicating the maximum thickness portion of the blade tip inclined portion 11 may be a curved line or a straight line, but in either case, the base end of the line indicating the maximum thickness portion of the blade tip inclined portion 11 and It is desirable that the connecting portion is smoothly connected to the tip of the line A1.
  • a boundary portion 21 between the inner side surface 17 of the main wing portion 10 and the inner side surface 18 of the blade tip inclined portion 11 is a corner portion extending linearly.
  • the boundary portion 21 is formed to be orthogonal to the line A1.
  • a boundary portion between the outer surface 15 of the main wing portion 10 and the outer surface 16 of the blade tip inclined portion 11 has a curved surface.
  • FIGS. 18A to 21A are schematic perspective views of the end portions of the blades 9, respectively.
  • FIGS. 18B to 21B are schematic views of the end of the blade 9 as viewed from the inner diameter side.
  • a method for determining the shape of the blade tip inclined portion will be described.
  • an outer peripheral line 31 that defines the contour of the blade tip inclined portion connecting the front side and the rear side in the rotation direction is defined at the end of the main wing portion of the blade 9. At this time, the vertex position is substantially determined.
  • the blade tip slope in a cross section perpendicular to the extension direction.
  • the cross-sectional line 32 that defines the cross-sectional shape is determined. This cross-sectional line 32 is the ratio of the distance d between the outer peripheral lines 31 in each cross section to the distance D between the outer peripheral lines 31 at the end of the main wing part (d). / D).
  • the cross-sectional shape of the base may be the cross-sectional shape at the end of the main wing.
  • the shape of the outer side surface 16 and the inner side surface 18 of the blade tip inclined portion 11 is determined by smoothly connecting the cross-sectional lines 32 in each of the cross sections described above. Moreover, the connection end part 25 where the surface shown in FIG. 20 is curved is obtained by making the area
  • the outer surface 16 of the blade tip inclined portion 11 is smoothly connected to the outer surface of the main wing portion 10 by a curved connecting portion 33. Further, the inner side surface 18 of the blade tip inclined portion 11 is connected to the inner side surface of the main wing portion 10 by the boundary portion 21 (see FIG. 3). In this way, the shape of the blade tip inclined portion 11 of the blade 9 shown in FIG. 3 can be determined. Moreover, the arrangement
  • FIGS. 22 to 29 are schematic diagrams for explaining modifications of the method for determining the shape of the blade tip inclined portion 11 of the blade 9 of the vertical axis wind turbine 4 shown in FIGS. 22 (A) to FIG. 28 (A) are perspective schematic views of the end portions of the blades 9, respectively.
  • FIGS. 22B to 28B are schematic views of the end portion of the blade 9 as viewed from the inner diameter side.
  • modifications of the method for determining the shape of the blade tip inclined portion will be described.
  • an outer peripheral line 31a that defines a part of the contour of the blade tip inclined portion connecting the front side and the rear side in the rotation direction is defined at the end of the main wing portion of the blade 9. At this time, the vertex position is substantially determined.
  • an outer peripheral line 31b that defines a part of the outline of the blade tip inclined portion is defined so as to extend along the outer peripheral line 31a defined earlier.
  • These outer peripheral lines 31a and 31b define a range of connection end portions that connect the outer side surface 16 and the inner side surface 18 of the blade tip inclined portion 11, for example.
  • the wing tip inclined portion in a cross section perpendicular to the extending direction.
  • a cross-sectional line 32a that defines the cross-sectional shape of the outer surface 16 (see FIG. 3) is determined.
  • the end of the cross section line 32a is connected to the outer peripheral line 31a.
  • the cross-sectional line 32a is determined based on the contour line on the outer surface side of the base cross-sectional shape that is the basis of the cross-sectional shape of the blade tip inclined portion 11 in the cross section.
  • the size of the contour line is reduced by a ratio (da / Da) of the distance da between the outer peripheral lines 31a in each cross section to the distance Da between the outer peripheral lines 31a at the end of the main wing part. It is obtained by.
  • the cross-sectional shape of the base may be the cross-sectional shape at the end of the main wing portion, as in the determination method shown in FIGS.
  • the shape of the outer surface 16 of the blade tip inclined portion 11 is determined by smoothly connecting the cross-sectional lines 32a in the above-described cross sections.
  • the cross-sectional shape of the inner side surface 18 (see FIG. 3) of the blade tip inclined portion in a cross section perpendicular to the extending direction is defined at a plurality of positions in the extending direction of the blade tip inclined portion.
  • the section line 32b is determined.
  • the end of the cross-sectional line 32b is connected to the outer peripheral line 31b.
  • the cross-sectional line 32b is determined based on the contour line on the inner surface side of the base cross-sectional shape that is the basis of the cross-sectional shape of the blade tip inclined portion 11 in the cross-section.
  • the size of the contour line is reduced by a ratio (db / Db) of the distance db between the outer peripheral lines 31b in each cross section to the distance Db between the outer peripheral lines 31b at the end of the main wing part. It is obtained by.
  • the shape of the inner side surface 18 of the blade tip inclined portion 11 is determined by smoothly connecting the cross-sectional lines 32b in the respective cross sections described above. Further, the connection end 25 having a curved surface can be obtained by smoothly connecting the outer peripheral lines 31a and 31b with a curved surface.
  • the outer surface 16 of the blade tip inclined portion 11 is smoothly connected to the outer surface of the main wing portion 10 by a curved connecting portion 33. Further, the inner side surface 18 of the blade tip inclined portion 11 is connected to the inner side surface of the main wing portion 10 by the boundary portion 21 (see FIG. 3). In this way, the shape of the blade tip inclined portion 11 of the blade 9 shown in FIG. 3 can be determined. Also in this case, the arrangement of the apex position of the blade tip inclined portion 11 and the shape of the blade tip inclined portion 11 can be arbitrarily set by adjusting the shape of the outer peripheral line 31a shown in FIG.
  • the vertical axis wind turbine 4 includes a vertical main shaft 5 that is rotatably provided, a support 8 that is connected to the vertical main shaft 5, and a support that is provided on the vertical main shaft 5. And wings 9 connected to each other.
  • the wing 9 can receive a wind and rotate around the axis of the vertical main shaft 5.
  • the wing 9 has a main wing portion 10 and a wing tip inclined portion 11.
  • the main wing portion 10 extends in parallel with the vertical main shaft 5.
  • the blade tip inclined portion 11 extends from the both end portions of the main wing portion 10 so as to be bent obliquely by an angle ⁇ toward the vertical main shaft 5 side.
  • the blade tip inclined portion 11 is configured such that the first cross-sectional shape of the cross-section 27c shown in FIG. 14 and the second cross-sectional shape of the cross-sections 27a and 27b shown in FIG. ing.
  • the first cross-sectional shape is a cross-sectional shape of the blade tip inclined portion 11 in a cross section that passes through the first position in the direction in which the blade tip inclined portion 11 extends and is orthogonal to the direction in which the blade tip inclined portion 11 extends.
  • the second cross-sectional shape is a cross-section orthogonal to the extending direction of the blade tip inclined portion 11 through the second position located on the main wing portion 10 side from the first position in the extending direction of the blade tip inclined portion 11. It is a cross-sectional shape of the blade tip inclined portion 11.
  • the first cross-sectional shape and the second cross-sectional shape are similar to the third cross-sectional shape of the main wing portion 10.
  • the third cross-sectional shape is a cross-sectional shape in the horizontal plane of the end portion of the main wing portion 10 that is continuous with the wing tip inclined portion 11.
  • the energy conversion efficiency of the blade 9 as a whole can be improved by making the cross-sectional shape into a shape that suppresses noise and has high energy conversion efficiency in both the main wing part 10 and the blade tip inclined part 11.
  • the third cross-sectional shape may be a shape that bulges outward and inward so that the radial thickness becomes the thickest at a position closer to the front of the blade 9 in the rotation direction.
  • the first cross-sectional shape and the second cross-sectional shape may be similar.
  • the line segment connecting the center of gravity of the first cross-sectional shape and the center of gravity of the second cross-sectional shape extends along the vertical direction. Also good.
  • the cross-sectional shapes at different positions in the extending direction of the blade tip inclined portion 11 are made the same, and the thickest portion in the radial direction in the main wing portion 10 and the apex farthest from the main wing portion in the blade tip inclined portion 11
  • the wing shape may be such that the position P (see FIG. 3) is substantially aligned in the vertical direction.
  • the line segment connecting the centroid of the first cross-sectional shape and the centroid of the second cross-sectional shape intersects the vertical direction. You may extend in the direction to do.
  • the cross-sectional shapes at different positions in the extending direction of the blade tip inclined portion 11 are made the same, and the thickest portion in the radial direction in the main wing portion 10 and the apex farthest from the main wing portion in the blade tip inclined portion 11
  • the wing shape may be such that the position P is displaced in the horizontal direction.
  • the area of the first cross-sectional shape is smaller than the area of the second cross-sectional shape.
  • the shape of the blade tip inclined portion 11 having a smaller cross-sectional area as it approaches the apex position P can be realized.
  • the blade tip inclined portion 11 of the blade 9 shown in FIG. 1 to FIG. 10 has the first sectional shape of the section at the position (third position) of the line segment XIV-XIV in FIG.
  • the second cross-sectional shape of the cross section at the position (fourth position) of the segment XII-XII or the line segment XIII-XIII may be similar.
  • the first cross-sectional shape may be the cross-sectional shape of the blade tip inclined portion 11 in a cross section that passes through the third position in the direction in which the blade tip inclined portion 11 extends and is orthogonal to the direction in which the blade tip inclined portion 11 extends.
  • the second cross-sectional shape is a cross-section orthogonal to the direction in which the blade tip inclined portion 11 extends through the fourth position located on the main wing portion 10 side from the third position in the direction in which the blade tip inclined portion 11 extends.
  • the cross-sectional shape of the blade tip inclined portion 11 may be used.
  • a wind turbine generator 3 includes the vertical axis windmill 4 and a generator 6 as shown in FIG.
  • the generator 6 generates electricity by the rotation of the vertical main shaft 5 of the vertical axis wind turbine 4. In this way, it is possible to realize the wind power generator 3 with good power generation efficiency and low noise.

Abstract

発電効率が良く、かつ騒音が少ない風力発電装置を提供する。垂直軸風車は、垂直主軸に支持体を介して連結された翼を備える。翼は、主翼部と翼端傾斜部とを有する。翼端傾斜部は、主翼部の両端部から垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びる。翼端傾斜部において水平方向での第１の位置を通り垂直主軸に沿った第１の断面と外側面との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径（Ｒ１１）を有する。翼端傾斜部において水平方向での第１の位置と異なる第２の位置を通り垂直主軸に沿った第２の断面と外側面との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径（Ｒ１１）とは異なる第２の曲率半径を有する。

Description

垂直軸風車および風力発電装置
　この発明は、垂直主軸を持つ垂直軸風車、およびこの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は、水平軸式と垂直軸式とに大別される。垂直軸式は、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、比較的小型の風車に用いられることが多い。垂直軸式の風車において、翼の形状によって発電量が左右することが知られており、効率の良い発電が可能な翼の開発が進められている。その一つとして、翼端に翼端傾斜部を設けた翼がある（例えば特許文献１）。翼端傾斜部は、先端側を垂直主軸に近づけるよう傾斜させた翼端板のことである。翼端傾斜部を設けることで、翼端での渦の発生が抑制される。これにより、風から受けるエネルギーを回転エネルギーに変換する回転エネルギー変換効率を向上させることができると共に、風切り音による騒音を低減することができる。
特開２０１１－１６９２９２号公報
　上述の翼端傾斜部の効果は経験的には知られているが、翼端傾斜部をどのような形状にすれば最適な効果が得られるのかについて、まだ十分には研究されていない事項がある。たとえば、翼端傾斜部の形状と、前記回転エネルギー変換効率、空転時の抵抗、および騒音の程度との各関係が明確ではなかった。空転時の抵抗は、自然界の変動風下において回転が停止しやすいかの判断材料となり、発電効率に影響する。
　この発明の目的は、回転エネルギー変換効率が良く、空転時の抵抗が小さく、騒音を抑えることができるように翼端傾斜部の形状を調整可能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、発電効率が良く、かつ騒音が少ない風力発電装置を提供することである。
　この発明に従った垂直軸風車は、回転自在に設けられる垂直主軸と、垂直主軸に接続された支持体と、垂直主軸に支持体を介して連結された翼とを備える。翼は風を受けて垂直主軸の軸心回りに回転可能である。翼は、主翼部と翼端傾斜部とを有する。主翼部は垂直主軸と平行に延びる。翼端傾斜部は、主翼部の両端部から垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びる。翼端傾斜部は、垂直主軸に面する内側面と、内側面とは反対側に位置する外側面とを有する。翼端傾斜部において水平方向での第１の位置を通り垂直主軸に沿った第１の断面と外側面との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径を有する。翼端傾斜部において水平方向での第１の位置と異なる第２の位置を通り垂直主軸に沿った第２の断面と外側面との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径とは異なる第２の曲率半径を有する。
　上記によれば、第１の曲率半径と第２の曲率半径との値を適宜調整することで、翼端傾斜部の形状を回転エネルギー変換効率、空転時の抵抗、および騒音などを考慮して任意に設定できる。この結果、エネルギー変換効率が高く騒音の少ない垂直軸風車を得ることができる。
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模式図である。 図１に示した風力発電装置の平面模式図である。 図１に示した垂直軸風車の翼を示す模式図である。 図３に示した翼の部分側面模式図である。 図４の線分Ｖ－Ｖにおける断面模式図である。 図４の線分ＶＩ－ＶＩにおける断面模式図である。 図４の線分ＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面模式図である。 図３に示した翼の部分斜視模式図である。 図３に示した翼の部分正面模式図である。 図１～図９に示した翼の変形例を示す部分側面模式図である。 図１に示した垂直軸風車の翼の部分模式図である。 図１１の線分ＸＩＩ－ＸＩＩにおける断面模式図である。 図１１の線分ＸＩＩＩ－ＸＩＩＩにおける断面模式図である。 図１１の線分ＸＩＶ－ＸＩＶにおける断面模式図である。 垂直軸風車の翼の断面における重心を結ぶ線分の延在方向を説明するための模式図である。 垂直軸風車の第１の変形例に係る翼の断面における重心を結ぶ線分の延在方向を説明するための模式図である。 垂直軸風車の第２の変形例に係る翼の断面における重心を結ぶ線分の延在方向を説明するための模式図である。 図１～図３に示した翼の翼端傾斜部の形状の決定方法を説明するための模式図である。 図１～図３に示した翼の翼端傾斜部の形状の決定方法を説明するための模式図である。 図１～図３に示した翼の翼端傾斜部の形状の決定方法を説明するための模式図である。 図１～図３に示した翼の翼端傾斜部の形状の決定方法を説明するための模式図である。 図１～図３に示した翼の翼端傾斜部の形状の決定方法の変形例を説明するための模式図である。 図１～図３に示した翼の翼端傾斜部の形状の決定方法の変形例を説明するための模式図である。 図１～図３に示した翼の翼端傾斜部の形状の決定方法の変形例を説明するための模式図である。 図１～図３に示した翼の翼端傾斜部の形状の決定方法の変形例を説明するための模式図である。 図１～図３に示した翼の翼端傾斜部の形状の決定方法の変形例を説明するための模式図である。 図１～図３に示した翼の翼端傾斜部の形状の決定方法の変形例を説明するための模式図である。 図１～図３に示した翼の翼端傾斜部の形状の決定方法の変形例を説明するための模式図である。 図２８に示した翼の翼端傾斜部の部分正面模式図である。
　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
　（実施の形態１）
　＜風力発電装置および垂直軸風車の構成＞
　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である。図２は図１に示した風力発電装置の平面図である。
　図１に示すように、風力発電装置３は、地面に築かれた基礎１上に構築された鉄塔２の上に設置されている。風力発電装置３は、垂直軸風車４と、発電機６と、制御部とを主に備える。制御部には、たとえば配電用または制御用の機器が含まれる。垂直軸風車４は、垂直主軸５と支持体８と翼９とを主に含む。発電機６は、垂直軸風車４の垂直主軸５に接続されている。発電機６は垂直主軸５の回転により発電する。
　垂直軸風車４において、垂直主軸５は上下方向に沿って延びる軸である。垂直主軸５は軸受等によって回転自在に支持される。垂直主軸５の上部は支持体８と接続されている。垂直主軸５の下部は発電機６に連結されている。垂直主軸５、発電機６、および制御部の少なくとも一部の機器は、カバー７によって覆われている。
　垂直軸風車４では、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１および図２に示した例では、翼９の数は２つである。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配置されている。なお、翼９の数は３つ以上であってもよい。支持体８は、少なくとも１つの水平アーム８ａと少なくとも１つの斜めアーム８ｂとを含む。水平アーム８ａは垂直主軸５の上端に水平に固定される。図１では、４本の斜めアーム８ｂが示されている。斜めアーム８ｂの一方の端部は、水平アーム８ａの中央部付近に接続される。それぞれの斜めアーム８ｂは、水平アーム８ａの中央部から図１の左右両側に向かって上向きの斜め方向または下向きの斜めに延びるように配置されている。図１では、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が結合される。また、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。この場合、翼９は回転軌跡Ｃに沿って移動する。なお、翼９の回転軌跡Ｃは、翼９の前端および後端が通る軌跡である。
　＜翼の構成＞
　図３は翼９の側面模式図、正面模式図、および下面模式図を示している。図３の左側の上段に翼９の側面模式図が示されている。当該側面模式図の下側に翼９の下面模式図が示されている。側面模式図の右側に翼９の正面模式図が示されている。
　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もよい。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てもよい。
　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、図３の矢印４０で示した、垂直軸風車４が回転するときに翼９が進行する側を「前側」、その反対側を「後側」とする。翼９の回転進行方向は、翼９の断面形状によって決まる。
　図３に示すように、主翼部１０の断面形状および断面寸法は上下全域にわたって一定である。翼端傾斜部１１は先端側に行くに従って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、回転進行方向の位置によって厚みが異なっている。上述した翼端傾斜部１１の厚みとは、回転進行方向における最大厚み部の厚みを意味している。
　図３では、一例として、主翼部１０および翼端傾斜部１１の最大厚み部の位置が線Ａ１で示されている。主翼部１０および翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線Ａ１は略直線である。図３では、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線Ａ１上に、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が配置されている。図３に示す例のように、頂点位置Ｐが主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１の延長線上に位置する場合、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線は主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１の延長線上に存在する。
　なお、頂点位置Ｐが主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１の延長線からずれている場合、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線は、主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１に対して曲がった線となる。この場合、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線は曲線であっても直線であってもよいが、いずれの場合も、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線の基端と線Ａ１の先端とは、その繋がり部が滑らかに繋がっていることが望ましい。
　図３に示すように、主翼部１０の内側面１７と翼端傾斜部１１の内側面１８との境界部２１は線状に延びる角部である。図３では、境界部２１は線Ａ１と直交するように形成されている。主翼部１０の外側面１５と翼端傾斜部１１の外側面１６との境界部は曲面状の表面を有している。
　図４は図３に示した翼９の翼端傾斜部１１を含む部分側面模式図である。図５は図４の線分Ｖ－Ｖにおける断面模式図である。図５に示す断面は翼端傾斜部１１の頂点位置Ｐを通り主翼部１０の延在方向に沿った断面である。図６は図４の線分ＶＩ－ＶＩにおける断面模式図である。図７は図４の線分ＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面模式図である。
　図５に示す第１の断面としての断面は、上述のように翼端傾斜部１１の頂点位置Ｐを通る。図５に示す断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線は、複数の曲率半径Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３を有する曲線となっている。図６に示す断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線は、複数の曲率半径Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３を有する曲線となっている。図７に示す断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線は、複数の曲率半径Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３を有する曲線となっている。図５に示される断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線は、図６および図７に示された断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線における曲率半径より大きな曲率半径を有する部分を含む。たとえば、図５における複数の曲率半径Ｒ１１、Ｒ１２，Ｒ１３のうちの少なくとも１つは、図６および図７に示された曲率半径Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３のいずれかよりも大きくなっている。なお、図５～図７において例示された曲率半径Ｒ１１，Ｒ２１，Ｒ３１は水平方向との交差角度が５０°となっている位置での曲率半径となっている。また、曲率半径Ｒ１２，Ｒ２２，Ｒ３２は水平方向との交差角度が６０°となっている位置での曲率半径となっている。曲率半径Ｒ１３，Ｒ２３，Ｒ３３は水平方向との交差角度が７０°となっている位置での曲率半径となっている。曲率半径を測定する位置は、水平方向との交差角度が上述したような角度以外の位置としてもよい。
　また、図５～図７に示した曲率半径に関して、各図に示された１つの断面における曲率半径は同じ値となっていてもよい。たとえば、曲率半径Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３がすべて同じ値となっていてもよい。また、曲率半径Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３がすべて同じ値となっていてもよい。また、曲率半径Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ３３がすべて同じ値となっていてもよい。
　また、図５～図７に示した曲率半径に関して、各図に示された１つの断面における曲率半径はそれぞれ異なる値となっていてもよい。この場合、主翼部に近い位置ほど曲率半径が大きくなっていてもよい。たとえば、図５において、Ｒ１１＞Ｒ１２＞Ｒ１３となっていてもよい。また、各断面において曲率半径の大小関係を変更してもよい。たとえば、図７に示した断面においては、Ｒ３２＞Ｒ３３＞Ｒ３１という関係になっていてもよい。
　図５～図７に示した翼９では、垂直主軸に沿った断面と翼端傾斜部１１の外側面との交線の曲率半径を大きくすることで、当該交線上に頂点位置Ｐを配置することができる。このため、翼端傾斜部１１における頂点位置Ｐを任意の位置に容易に配置した構成を実現できる。
　また、上述した説明では、翼端傾斜部１１の外側面１６と断面との交線における曲率半径について説明したが、翼端傾斜部１１の内側面１８と、水平方向での異なる位置を通り垂直主軸に沿った各断面との交線における曲率半径について、同様の関係が成立するようにしてもよい。すなわち、水平方向の異なる位置での断面において、内側面１８との交線が異なる曲率半径を有するように翼端傾斜部１１が構成されていてもよい。また、頂点位置Ｐを通る断面と内側面１８との交線が、内側面１８と他の位置における断面との交線より相対的に大きな曲率半径を有する部分をふくんでいてもよい。
　図８は、図３に示した翼の部分斜視模式図であって、翼端傾斜部１１を示している。図９は、図３に示した翼の部分正面模式図であって、図８に示した翼の部分の正面模式図に対応する。
　図８および図９に示すように、翼端傾斜部１１の外側面１６と内側面１８との接続端部２５は曲面状となっている。接続端部２５では、主翼部１０に近いほど当該接続端部２５の表面における曲率半径が大きくなっていてもよい。
　＜作用効果＞
　上述した垂直軸風車の特徴的な構成を要約すれば、垂直軸風車４は、回転自在に設けられる垂直主軸５と、垂直主軸５に接続された支持体８と、垂直主軸５に支持体８を介して連結された翼９とを備える。少なくとも１つの翼９は風を受けて垂直主軸５の軸心回りに回転可能である。翼９は、主翼部１０と翼端傾斜部１１とを有する。主翼部１０は垂直主軸５と平行に延びる。翼端傾斜部１１は、主翼部１０の両端部から垂直主軸５の側に斜めに折れ曲がって延びる。翼端傾斜部１１は、垂直主軸５に面する内側面１８と、内側面１８とは反対側に位置する外側面１６とを有する。翼端傾斜部１１において水平方向での第１の位置を通り垂直主軸５に沿った図５に示す第１の断面と外側面１６との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径Ｒ１１を有する。翼端傾斜部１１において水平方向での第１の位置と異なる第２の位置を通り垂直主軸５に沿った図６または図７に示す第２の断面と外側面１６との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径Ｒ１１とは異なる第２の曲率半径Ｒ２１～Ｒ２３、Ｒ３１～Ｒ３３を有する。
　このようにすれば、第１の曲率半径Ｒ１１と第２の曲率半径との値を適宜調整することで、翼端傾斜部１１の形状を任意に変更することができる。そのため、たとえば翼端傾斜部１１において主翼部１０から最も離れた位置である頂点位置Ｐの水平方向における位置を任意に決定することができる。このため、翼端傾斜部１１の形状を回転エネルギー変換効率、空転時の抵抗、および騒音などを考慮して任意に設定できる。この結果、エネルギー変換効率が高く騒音の少ない垂直軸風車４を得ることができる。
　上記垂直軸風車４において、図５に示す第１の断面は、翼端傾斜部１１において主翼部１０から最も離れた頂点位置Ｐを通る。第１の曲率半径Ｒ１１は第２の曲率半径Ｒ２１～Ｒ２３、Ｒ３１～Ｒ３３より大きい。
　この場合、主翼部１０の端部における断面形状に関わらず、図４の線分Ｖ－Ｖの位置である第１の位置における垂直方向断面での翼端傾斜部１１の外側面１６の曲率半径Ｒ１１を大きくすることで頂点位置Ｐの水平方向での位置を第１の位置にすることができる。
　上記垂直軸風車４において、図５～図７に示した各断面と外側面１６との交線は、異なる曲率半径Ｒ１１～Ｒ１３、Ｒ２１～Ｒ２３、Ｒ３１～Ｒ３３を有する複数の部分を含む。この場合、翼端傾斜部１１の外側面１６の形状の自由度をより大きくできるので、エネルギー効率や騒音などを考慮して翼端傾斜部１１の形状を容易に決定できる。
　上記垂直軸風車４では、翼端傾斜部１１において、図８および図９に示すように内側面１８と外側面１６との接続端部２５が曲面状となっている。この場合、内側面１８と外側面１６との接続端部２５が角部になっている場合より、当該接続端部２５の強度を向上させることができる。また、接続端部２５において内側面１８と外側面１６とが滑らかに曲面により接続されているので、当該接続端部での空気の流れがスムーズになり、翼端傾斜部１１における空気抵抗の増大を抑制できる。
　上記垂直軸風車４において、内側面１８と外側面１６との接続端部２５または接続端部２５近傍では、主翼部１０に相対的に近い第１領域（たとえば接続端部２５または接続端部２５近傍において図５に示す水平方向との交差角度が５０°である領域）における曲率半径（当該領域において接続端部２５の表面に対して垂直かつ内側面１８と外側面１６との間の距離が最小となる方向における接続端部２５表面または接続端部２５近傍表面の曲率半径）が、主翼部１０から第１領域よりも遠い第２領域（たとえば接続端部２５または接続端部２５近傍において図５に示す水平方向との交差角度が７０°である領域）における曲率半径より大きい。この場合、主翼部１０に近い第１領域での接続端部２５の強度を相対的に大きくできる。また、翼端傾斜部１１の延在方向に垂直な方向における断面積が主翼部１０から頂点位置Ｐに向けて徐々に小さくなるような構成において、頂点位置Ｐに近い位置での接続端部２５の曲率半径を相対的に小さくできるので、当該頂点位置Ｐに近い位置での接続端部２５の幅を主翼部１０に近い位置での幅より小さくできる。
　本発明の実施形態に従った風力発電装置３は、図１に示すように、上記垂直軸風車４と、発電機６とを備える。発電機６は、垂直軸風車４の垂直主軸５の回転で発電する。このようにすれば、発電効率が良く、かつ騒音が少ない風力発電装置３を実現できる。
　＜変形例の構成および作用効果＞
　図１０は図１～図９に示した翼の変形例を示す部分側面模式図である。図１０に示した翼を有する垂直軸風車および風力発電機は、基本的には図１～図９に示した垂直軸風車および風力発電機と同様の構成を備えるが、翼端傾斜部１１と主翼部との傾斜境界部２２が伸びる方向が、線分２３で示される風車の垂直主軸５（図１参照）の延在方向と斜めに交差する方向となっている点が図１～図９に示した垂直軸風車および風力発電機と異なっている。
　図１０に示した翼を有する垂直軸風車および風力発電機は、図１～図９に示した翼を有する垂直軸風車および風力発電機と同様の効果を奏するとともに、傾斜境界部２２と垂直主軸５の延在方向である線分２３との角度を変更することで、翼端傾斜部１１の外側面１６および内側面１８と翼９の周回方向との間の角度を変更することができる。このため、翼端傾斜部の形状について設計の自由度をさらに大きくできる。
　（実施の形態２）
　＜風力発電装置および垂直軸風車の構成＞
　本実施形態に係る垂直軸風車を備えた風力発電装置は、基本的には上述した図１～図３に示した本発明の実施の形態１に係る風力発電装置と同様の構成を備えるが、垂直軸風車における翼９の翼端傾斜部１１の構成が実施の形態１に係る風力発電装置と異なる。以下、具体的に実施の形態２に係る翼９の翼端傾斜部１１の構成を説明する。
　図１１は、図１に示した垂直軸風車の翼の部分模式図である。図１２は、図１１の線分ＸＩＩ－ＸＩＩにおける断面模式図である。図１３は、図１１の線分ＸＩＩＩ－ＸＩＩＩにおける断面模式図である。図１４は、図１１の線分ＸＩＶ－ＸＩＶにおける断面模式図である。
　図１１～図１４に示すように、翼端傾斜部１１は、第１の断面形状としての図１４に示された断面２７ｃの断面形状と、第２の断面形状としての図１２または図１３に示された断面２７ａまたは断面２７ｂの断面形状とが相似形となるように構成されている。断面２７ａ～２７ｃでは、翼端傾斜部１１の外側面１６および内側面１８は曲面形状あるいは平面形状に形成されている。また、各断面２７ａ、２７ｃでは、外側面１６と内側面１８との接続端部の表面が曲面状に形成されている。断面２７ａにおける２つの接続端部は、それぞれ曲率半径Ｒ１、Ｒ２を有する曲面状になっている。断面２７ｂにおける２つの接続端部は、それぞれ曲率半径Ｒ３、Ｒ４を有する曲面状になっている。断面２７ａにおける２つの接続端部は、それぞれ曲率半径Ｒ５、Ｒ６を有する曲面状になっている。また、異なる観点から言えば、翼端傾斜部１１は、翼端傾斜部１１の延びる方向における任意の位置での当該延びる方向に対する垂直方向での断面形状が相似形になっている。
　図１５は、垂直軸風車の翼の断面における重心を結ぶ線分の延在方向を説明するための模式図である。図１６は、垂直軸風車の第１の変形例に係る翼の断面における重心を結ぶ線分の延在方向を説明するための模式図である。図１７は、垂直軸風車の第２の変形例に係る翼の断面における重心を結ぶ線分の延在方向を説明するための模式図である。
　図３に示すように、頂点位置Ｐが主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１の延長線上に位置する場合、図１５に示すように、翼端傾斜部の各断面２７ａ～２７ｃの重心を結ぶ線分は主翼部１０の延びる方向である垂直方向に沿って延びるように配置される。一方、頂点位置Ｐをたとえば翼９の回転方向の後側にずらす場合、図１６に示すように各断面２７ａ～２７ｃの重心を結ぶ線分は主翼部１０から離れるにしたがって回転方向の後側へ傾いた状態になる。また、頂点位置Ｐをたとえば翼９の回転方向の前側にずらす場合、図１７に示すように各断面２７ａ～２７ｃの重心を結ぶ線分は主翼部１０から離れるにしたがって回転方向の前側へ傾いた状態になる。上記重心を結ぶ線は、図１５～図１７に示すように直線状になっていてもよいが、屈曲部を有していてもよく、曲線状になっていてもよい。
　また異なる観点から言えば、頂点位置Ｐが主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１（図３参照）の延長線からずれている場合、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線は、主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１に対して曲がった線となる。この場合、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線は曲線であっても直線であってもよいが、いずれの場合も、翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線の基端と線Ａ１の先端とは、その繋がり部が滑らかに繋がっていることが望ましい。
　図３に示すように、主翼部１０の内側面１７と翼端傾斜部１１の内側面１８との境界部２１は線状に延びる角部である。図３では、境界部２１は線Ａ１と直交するように形成されている。主翼部１０の外側面１５と翼端傾斜部１１の外側面１６との境界部は曲面状の表面を有している。
　＜翼の翼端傾斜部の形状の決定方法＞
　図１８～図２１は、図１～図３に示した垂直軸風車４の翼９の翼端傾斜部１１の形状の決定方法を説明するための模式図である。図１８（Ａ）～図２１（Ａ）は、それぞれ翼９の端部の斜視模式図を示している。図１８（Ｂ）～図２１（Ｂ）は、それぞれ翼９の端部を内径側から見た模式図である。以下、翼端傾斜部の形状の決定方法を説明する。
　図１８に示すように、翼９の主翼部の端部において、回転方向の前側と後側とを繋いだ翼端傾斜部の輪郭を形成する外周線３１を規定する。このとき、実質的に頂点位置が決定される。
　次に、図１９に示すように、外周線３１が主翼部の端部から延びる方向（つまり翼端傾斜部の延びる方向）の複数の位置において、当該延びる方向に垂直な断面における翼端傾斜部の断面形状を規定する断面線３２を決定する。この断面線３２は、断面形状の基本となるベース断面形状のサイズを、主翼部の端部における外周線３１の間の距離Ｄ対する、各断面における外周線３１の間の距離ｄの比率（ｄ／Ｄ）だけ縮小することで得られる。なお、ベース断面形状は、主翼部の端部における断面形状としてもよい。
　次に、図２０に示すように、上述した各断面における断面線３２を滑らかに接続することで、翼端傾斜部１１の外側面１６および内側面１８の形状が決定される。また、上述した各断面線３２の外周線３１に接する領域を曲面形状としておくことで、図２０に示す表面が曲面状の接続端部２５が得られる。
　次に、図２１に示すように、翼端傾斜部１１の外側面１６を、主翼部１０の外側面と曲面状の接続部３３により滑らかに接続する。また、翼端傾斜部１１の内側面１８を主翼部１０の内側面と境界部２１（図３参照）により接続する。このようにして、図３に示した翼９の翼端傾斜部１１の形状を決定することができる。また、図１８に示した外周線３１の形状を調整することで、翼端傾斜部１１の頂点位置の配置を任意に設定することができる。
　図２２～図２９は、図１～図３に示した垂直軸風車４の翼９の翼端傾斜部１１の形状の決定方法の変形例を説明するための模式図である。図２２（Ａ）～図２８（Ａ）は、それぞれ翼９の端部の斜視模式図を示している。図２２（Ｂ）～図２８（Ｂ）は、それぞれ翼９の端部を内径側から見た模式図である。以下、翼端傾斜部の形状の決定方法の変形例を説明する。
　図２２に示すように、翼９の主翼部の端部において、回転方向の前側と後側とを繋いだ翼端傾斜部の輪郭の一部を形成する外周線３１ａを規定する。このとき、実質的に頂点位置が決定される。
　次に、図２３に示すように、先に規定した外周線３１ａに沿って延びるように、翼端傾斜部の輪郭の一部を形成する外周線３１ｂを規定する。この外周線３１ａ、３１ｂは、たとえば翼端傾斜部１１の外側面１６と内側面１８とを接続する接続端部の範囲を規定する。
　次に、図２４に示すように、外周線３１ａが主翼部の端部から延びる方向（つまり翼端傾斜部の延びる方向）の複数の位置において、当該延びる方向に垂直な断面における翼端傾斜部の外側面１６（図３参照）の断面形状を規定する断面線３２ａを決定する。この断面線３２ａの端部は、外周線３１ａに接続される。断面線３２ａは、翼端傾斜部１１の上記断面における断面形状の基本となるベース断面形状の外側面側の輪郭線に基づき決定される。具体的には、当該輪郭線のサイズを、主翼部の端部における外周線３１ａの間の距離Ｄａ対する、各断面における外周線３１ａの間の距離ｄａの比率（ｄａ／Ｄａ）だけ縮小することで得られる。なお、ベース断面形状は、図１８～図２１に示した決定方法と同様に、主翼部の端部における断面形状としてもよい。
　次に、図２５に示すように、上述した各断面における断面線３２ａを滑らかに接続することで、翼端傾斜部１１の外側面１６の形状が決定される。
　次に、図２６に示すように、翼端傾斜部の延びる方向の複数の位置において、当該延びる方向に垂直な断面における翼端傾斜部の内側面１８（図３参照）の断面形状を規定する断面線３２ｂを決定する。この断面線３２ｂの端部は、外周線３１ｂに接続される。断面線３２ｂは、翼端傾斜部１１の上記断面における断面形状の基本となるベース断面形状の内側面側の輪郭線に基づき決定される。具体的には、当該輪郭線のサイズを、主翼部の端部における外周線３１ｂの間の距離Ｄｂ対する、各断面における外周線３１ｂの間の距離ｄｂの比率（ｄｂ／Ｄｂ）だけ縮小することで得られる。
　次に、図２７に示すように、上述した各断面における断面線３２ｂを滑らかに接続することで、翼端傾斜部１１の内側面１８の形状が決定される。また、上述した外周線３１ａ、３１ｂ間を曲面で滑らかにつなぐことにより、表面が曲面状の接続端部２５が得られる。
　次に、図２８および図２９に示すように、翼端傾斜部１１の外側面１６を、主翼部１０の外側面と曲面状の接続部３３により滑らかに接続する。また、翼端傾斜部１１の内側面１８を主翼部１０の内側面と境界部２１（図３参照）により接続する。このようにして、図３に示した翼９の翼端傾斜部１１の形状を決定することができる。また、この場合も図２２に示した外周線３１ａの形状を調整することで、翼端傾斜部１１の頂点位置の配置及び翼端傾斜部１１の形状を任意に設定することができる。
　＜作用効果＞
　上述した垂直軸風車の特徴的な構成を要約すれば、垂直軸風車４は、回転自在に設けられる垂直主軸５と、垂直主軸５に接続された支持体８と、垂直主軸５に支持体を介して連結された翼９とを備える。翼９は風を受けて垂直主軸５の軸心回りに回転可能である。翼９は、主翼部１０と翼端傾斜部１１とを有する。主翼部１０は垂直主軸５と平行に延びる。翼端傾斜部１１は、主翼部１０の両端部から垂直主軸５の側に角度θだけ斜めに折れ曲がって延びる。翼端傾斜部１１は、図１４に示される断面２７ｃの第１の断面形状と、図１２または図１３に示される断面２７ａ、２７ｂの第２の断面形状とが相似形となるように構成されている。第１の断面形状は、翼端傾斜部１１の延びる方向における第１の位置を通り、翼端傾斜部１１の延びる方向に直交する断面での当該翼端傾斜部１１の断面形状である。第２の断面形状は、翼端傾斜部１１の延びる方向において上記第１の位置より主翼部１０側に位置する第２の位置を通り、翼端傾斜部１１の延びる方向に直交する断面での翼端傾斜部１１の断面形状である。
　このようにすれば、翼端傾斜部１１の第１の断面２７ｃおよび第２の断面２７ａ，２７ｂといった当該翼端傾斜部１１の延びる方向に垂直な面での断面形状を相似形としているので、当該断面形状を騒音や抵抗を低減するように適宜調整することで、翼端傾斜部１１全体として騒音を抑制し、エネルギー変換効率を高めることができる。
　上記垂直軸風車４において、第１の断面形状および第２の断面形状は、主翼部１０の第３の断面形状と相似形となっている。第３の断面形状は、図１８に示すように主翼部１０において翼端傾斜部１１に連なる端部の水平面での断面形状である。この場合、主翼部１０および翼端傾斜部１１の両方において、断面形状を騒音の抑制およびエネルギー変換効率の高い形状とすることで、翼９全体でのエネルギー変換効率の向上を図ることができる。たとえば、上記第３の断面形状を、翼９の回転進行方向の前寄りの箇所で径方向の厚みが最も厚くなるように、外側および内側に膨らんでいる形状としてもよい。また、第１の断面形状および第２の断面形状を、同様の形状としてもよい。
　上記垂直軸風車４において、垂直主軸５から見たときに、図１５に示すように第１の断面形状の重心と第２の断面形状の重心とを結ぶ線分は垂直方向に沿って延びてもよい。この場合、翼端傾斜部１１の延在方向において異なる位置の断面形状を同じにするとともに、主翼部１０において径方向に最も厚みの厚い部分と翼端傾斜部１１において最も主翼部から離れた頂点位置Ｐ（図３参照）とが垂直方向に実質的に並ぶような翼形状とすることができる。
　上記垂直軸風車４において、垂直主軸から見たときに、図１６または図１７に示すように、第１の断面形状の重心と第２の断面形状の重心とを結ぶ線分は垂直方向と交差する方向に延びてもよい。この場合、翼端傾斜部１１の延在方向において異なる位置の断面形状を同じにするとともに、主翼部１０において径方向に最も厚みの厚い部分と翼端傾斜部１１において最も主翼部から離れた頂点位置Ｐとが水平方向においてずれたような翼形状とすることができる。
　上記垂直軸風車４において、図１１～図１７に示すように、第１の断面形状の面積は、第２の断面形状の面積より小さい。この場合、頂点位置Ｐに近いほど断面積を小さくした翼端傾斜部１１の形状を実現できる。
　なお、上述した本実施の形態１に係る翼９の翼端傾斜部１１に対して、上述した本実施の形態２に係る翼９の翼端傾斜部１１の特徴を追加してもよい。すなわち、図１～図１０に示した翼９の翼端傾斜部１１は、図１１において線分ＸＩＶ－ＸＩＶの位置（第３の位置）における断面の第１の断面形状と、図１１において線分ＸＩＩ－ＸＩＩまたは線分ＸＩＩＩ－ＸＩＩＩの位置（第４の位置）における断面の第２の断面形状とが相似形となるように構成されていてもよい。第１の断面形状は、翼端傾斜部１１の延びる方向における第３の位置を通り、翼端傾斜部１１の延びる方向に直交する断面での当該翼端傾斜部１１の断面形状であってもよい。第２の断面形状は、翼端傾斜部１１の延びる方向において上記第３の位置より主翼部１０側に位置する第４の位置を通り、翼端傾斜部１１の延びる方向に直交する断面での翼端傾斜部１１の断面形状であってもよい。
　本発明の実施形態に従った風力発電装置３は、図１に示すように、上記垂直軸風車４と、発電機６とを備える。発電機６は、垂直軸風車４の垂直主軸５の回転で発電する。このようにすれば、発電効率が良く、かつ騒音が少ない風力発電装置３を実現できる。
　以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、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を含むことが意図される。
　１　基礎、　２　鉄塔、３　風力発電装置、４　垂直軸風車、５　垂直主軸、６　発電機、７　カバー、８　支持体、８ａ　水平アーム、８ｂ　斜めアーム、９　翼、１０　主翼部、１１　翼端傾斜部、１５　主翼部の外側面、１６　翼端傾斜部の外側面、１７　主翼部の内側面、１８　翼端傾斜部の内側面、２１，２２　境界部、２３　線分、２５　接続端部、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ　断面、３１，３１ａ，３１ｂ　外周線、３２，３２ａ，３２ｂ　断面線、３３　接続部、４０　矢印。

Claims (8)

  1. 　回転自在に設けられる垂直主軸と、
    　前記垂直主軸に接続された支持体と、
    　前記垂直主軸に前記支持体を介して連結された翼とを備え、
    　前記翼は風を受けて前記垂直主軸の軸心回りに回転可能であり、
    　前記翼は、
    　前記垂直主軸と平行に延びる主翼部と、
    　前記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、
    　前記翼端傾斜部は、前記垂直主軸に面する内側面と、前記内側面とは反対側に位置する外側面とを有し、
    　前記翼端傾斜部において水平方向での第１の位置を通り前記垂直主軸に沿った第１の断面と前記外側面との交線の少なくとも一部は第１の曲率半径を有し、
    　前記翼端傾斜部において前記水平方向での前記第１の位置と異なる第２の位置を通り前記垂直主軸に沿った第２の断面と前記外側面との交線の少なくとも一部は前記第１の曲率半径とは異なる第２の曲率半径を有する、垂直軸風車。
  2. 　前記第１の断面は、前記翼端傾斜部において前記主翼部から最も離れた頂点位置を通り、
    　前記第１の曲率半径は前記第２の曲率半径より大きい、請求項１に記載の垂直軸風車。
  3. 　前記交線は異なる曲率半径を有する複数の部分を含む、請求項１または２に記載の垂直軸風車。
  4. 　前記翼端傾斜部と前記主翼部との境界部は、前記垂直主軸の延在方向と斜めに交差する方向に延びる、請求項１～３のいずれか１項に記載の垂直軸風車。
  5. 　前記翼端傾斜部において、前記内側面と前記外側面との接続端部は曲面状となっている、請求項１～４のいずれか１項に記載の垂直軸風車。
  6. 　前記内側面と前記外側面との前記接続端部では、前記主翼部に相対的に近い第１領域における曲率半径が前記主翼部から前記第１領域よりも遠い第２領域における曲率半径より大きい、請求項５に記載の垂直軸風車。
  7. 　前記翼端傾斜部は、前記翼端傾斜部の延びる方向における第３の位置を通り、前記延びる方向に直交する断面での第１の断面形状と、前記延びる方向において前記第３の位置より前記主翼部側に位置する第４の位置を通り、前記延びる方向に直交する断面での第２の断面形状とが相似形となるように構成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の垂直軸風車。
  8. 　請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の垂直軸風車と、
    　前記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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