WO2018194065A1

WO2018194065A1 - 垂直軸風車および風力発電装置

Info

Publication number: WO2018194065A1
Application number: PCT/JP2018/015897
Authority: WO
Inventors: 伊藤　健; 真人吉野; 達夫川瀬
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2018-10-25
Also published as: JP2018178902A

Abstract

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。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、垂直主軸（５）の延在方向に沿って延び、かつ支持体（８）に連結されている主翼部（１０）と、上記延在方向における主翼部（１０）の両端部に接続されており、垂直主軸（５）の側に斜めに折れ曲がって延びる第１および第２の翼端傾斜部（１１）と、第１および第２の翼端傾斜部（１１）を主翼部（１０）に対して固定している固定部材とを含む。固定部材は、第１および第２の翼端傾斜部（１１）が主翼部（１０）に固定されている状態と、第１および第２の翼端傾斜部（１１）が主翼部（１０）から分離された状態とを切替可能に設けられている。

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、垂直軸の延在方向に沿って延びる主翼部の両端部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

　しかしながら、従来の垂直軸風車では、翼端傾斜部が主翼部と一体として設けられている。垂直軸の延在方向に沿って延びる主翼部と、先端側を垂直主軸に近づけるように傾斜した構造を有している翼端傾斜部とを一体として製造することは、容易ではない。そのため、従来の垂直軸風車の製造コストは高い。

　本発明の主たる目的は、従来の垂直軸風車よりも製造コストが低く、エネルギー変換効率の良い垂直軸風車およびそれを備える風力発電装置を提供することにある。

　本発明に係る垂直軸風車は、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、垂直主軸の延在方向に沿って延び、かつ支持体に連結されている主翼部と、延在方向における主翼部の両端部に接続されており、垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びる第１および第２の翼端傾斜部と、第１および第２の翼端傾斜部を主翼部に対して固定している固定部材とを含む。固定部材は、第１および第２の翼端傾斜部が主翼部に固定されている状態と、第１および第２の翼端傾斜部が主翼部から分離された状態とを切替可能に設けられている。

　本発明によれば、従来の垂直軸風車よりも製造コストが低く、エネルギー変換効率の良い垂直軸風車およびそれを備える風力発電装置を提供することができる。

実施の形態１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。実施の形態１に係る垂直軸風車を備えた風力発電装置の平面図である。実施の形態１に係る垂直軸風車の斜視図である。（ａ）は実施の形態１に係る垂直軸風車の翼の正面図であり、（ｂ）はその側面図である。実施の形態１に係る垂直軸風車の分解斜視図である。実施の形態１に係る垂直軸風車の分解斜視図である。実施の形態２に係る垂直軸風車の斜視図である。実施の形態２に係る垂直軸風車の分解斜視図である。

　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。

　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。

　なお、説明の便宜上、垂直主軸５の軸心の延在方向を「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３は、垂直軸風車４の斜視図である。垂直軸風車４は、回転自在に設けられる垂直主軸５と、この垂直主軸５に設けられた支持体８と、垂直主軸５に支持体８を介して連結され、風を受けて垂直主軸５の軸心回りに回転する翼９とを備える。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。

　図３に示されるように、支持体８は、例えば垂直主軸５の上端に固定された１つの中央部８ａと、該中央部８ａと各翼９との間を接続する計２本の水平アーム８ｂとを含む。

　中央部８ａは、例えば円柱形状である。中央部８ａの上面および下面には、後述する斜めアーム１２の一端が接続されている。中央部８ａの側面には、各水平アーム８ｂの一端が嵌め合い等の着脱可能な手段で接続されている。例えば中央部８ａの側面に配置された端子８ｅは、各水平アーム８ｂの一端と嵌合可能である。

　各水平アーム８ｂは、上記径方向に延びている。各水平アーム８ｂの一端は中央部８ａに接続されている。各水平アーム８ｂの他端は後述する翼９の主翼部１０に接続されている。各水平アーム８ｂの当該他端は、主翼部１０の内部に配置されている拡径部８ｃと接続されている。拡径部８ｃは、主翼部１０の内部に配置されており、かつ外側部１０ａに固定されている対向部８ｄと接続されている。水平アーム８ｂは拡径部８ｃと一体として設けられている。拡径部８ｃは、対向部８ｄと例えばネジなどの着脱可能な手段により接続されている。拡径部８ｃの上記径方向に垂直な断面寸法は、上記水平アーム８ｂの上記径方向に垂直な断面寸法、および後述する内側部１０ｂの貫通孔１０ｆの平面寸法よりも大きい。つまり、拡径部８ｃは、後述する内側部１０ｂの貫通孔１０ｆに挿通され得ない。水平アーム８ｂの上記径方向に垂直な断面形状は、例えば流線形状である。拡径部８ｃの上記径方向に垂直な断面形状は、例えば矩形状である。なお、支持体８と翼９との接続関係については、後述する。

　図３に示されるように、１つの翼９は、主翼部１０と、第１および第２の翼端傾斜部１１と、斜交部としての第１および第２の斜めアーム１２とを含む。

　主翼部１０は、垂直主軸５の延在方向に沿って延びている。主翼部１０の上記延在方向に垂直な断面形状は翼形状である。主翼部１０は、一部または全てが中空状に設けられている。主翼部１０は、主翼部１０の前側に位置する前側端部および後側に位置する後側端部よりも外側に位置する外側面１５と、該前側端部および後側端部よりも内側に位置する内側面１７とを有している。主翼部１０は、該前側端部および後側端部よりも外側に位置する外側部１０ａと、外側部１０ａとは別体として設けられておりかつ内側に位置する内側部１０ｂとを有している。外側部１０ａは主翼部１０の外側面１５を有している。内側部１０ｂは主翼部１０の内側面１７を有している。外側部１０ａおよび内側部１０ｂは、例えば板状部材である。外側部１０ａは、内側部１０ｂと着脱可能に接続されている。

　内側部１０ｂの上記延在方向の中央部には、貫通孔１０ｆが配置されている。貫通孔１０ｆには、水平アーム８ｂが挿通されている。貫通孔１０ｆの平面形状は、水平アーム８ｂが挿通できる形状である。内側部１０ｂの上記延在方向の上端部に近い部分および下端部に近い部分には、それぞれ貫通孔１０ｅが配置されている。各貫通孔１０ｅには、第１または第２の斜めアーム１２が挿通されている。貫通孔１０ｅの平面形状は、例えば第１または第２の斜めアーム１２が挿通できる形状である。

　外側部１０ａの前側端部は内側部１０ｂの前側端部と接続されており、外側部１０ａの後側端部は内側部１０ｂの後側端部と接続されている。外側部１０ａの前側端部と後側端部との間に位置する部分は、内側部１０ｂの前側端部と後側端部との間に位置する部分と上記径方向において間隔を隔てて配置されている。外側部１０ａの上記延在方向の上端部１０ｃ、および内側部１０ｂの上記延在方向の上端部１０ｄは、第１の翼端傾斜部１１と接続されている。外側部１０ａの上記延在方向の下端部、および内側部１０ｂの上記延在方向の下端部は、第２の翼端傾斜部１１と接続されている。

　第１および第２の翼端傾斜部１１は、主翼部１０の上記延在方向の両端部に接続されている。第１および第２の翼端傾斜部１１は、翼９において表出しており、主翼部１０よりも上方または下方に配置されている第１部１１ａと、第１部１１ａと一体に設けられておりかつ主翼部１０内に配置されている第２部１１ｂとを有している。

　第１部１１ａは、主翼部１０の上記延在方向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ている。第１部１１ａ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。第１および第２の翼端傾斜部１１の各第１部１１ａは、主翼部１０の長手方向中間部の中心線ＣＬに対し、線対称となる略同一形状に形成されている。

　第１部１１ａの前側端部は主翼部１０の前側端部と滑らかに接続されている。第１部１１ａの後側端部は主翼部１０の後側端部と滑らかに接続されている。第１部１１ａの前側端部および後側端部よりも外側に位置する外側面１６は、主翼部１０の外側面１５と滑らかに接続されている。図４（ａ）に示されるように、外側面１６は正面視において例えば略円弧状に設けられている。第１部１１ａの該前側端部および後側端部よりも内側に位置する内側面１８は、主翼部１０の内側面１７と滑らかに接続されている。

　第２部１１ｂは、主翼部１０の上記延在方向の両端部を含む部分内に配置されている。好ましくは、第２部１１ｂの内側に位置する面は、内側部１０ｂの内側面１７と反対側に位置する面と接触している。好ましくは、第２部１１ｂの外側に位置する面は、外側部１０ａの外側面１５と反対側に位置する面と接触している。第２部１１ｂは、主翼部１０の上端部１０ｃ、１０ｄの空間と「すきま」を設けず「締まりばめ」で接続することによって、強固に取付けることが可能となる。

　第２部１１ｂの主翼部１０側に位置する部分に、後述する第１および第２の斜めアーム１２の他端と接続される接続部１１ｃを有している。翼９において、接続部１１ｃは貫通孔１０ｅよりも上方に配置されている。

　第１および第２の翼端傾斜部１１を構成する材料は、主翼部１０を構成する材料と同一であってもよいが、異なっていてもよい。第１および第２の翼端傾斜部１１を構成する材料は、例えば主翼部１０を構成する材料よりも低比重であってもよい。

　第１および第２の斜めアーム１２は、上記延在方向に交差する方向に延びている。中央部８ａと１つの翼９との間を接続している第１および第２の斜めアーム１２は、中央部８ａおよび水平アーム８ｂを挟んで線対称に配置されている。

　第１および第２の斜めアーム１２の各一端は中央部８ａに接続されている。第１および第２の斜めアーム１２の各一端は、例えば中央部８ａにネジ等の手段により接続されている。

　第１および第２の斜めアーム１２の各他端１２ｂを含む部分１２ａは、主翼部１０の内側部１０ｂに配置された貫通孔１０ｅに挿通されて主翼部１０の内部に配置されている。第１および第２の斜めアーム１２の各他端１２ｂは主翼部１０の内部において第１または第２の翼端傾斜部１１の接続部１１ｃと、ネジなどの着脱可能な手段により接続されている。

　図４（ａ）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り、第１または第２の翼端傾斜部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および第１または第２の翼端傾斜部１１のいずれについても、後で説明するように回転進行方向の位置によって厚みが異なっている。先に述べた第１または第２の翼端傾斜部１１の厚みは、回転進行方向の最大厚み部の厚みについてである。

　図４（ｂ）に、主翼部１０の最大厚み部の位置が線Ａ１で示されている。主翼部１０の最大厚み部を示す線Ａ１は直線である。頂点位置Ｐは例えば線Ａ１上に位置する。

　上記垂直軸風車４では、支持体８の中央部８ａと、第１および第２の斜めアーム１２とが、第１および第２の翼端傾斜部１１を主翼部１０に対して固定している。すなわち、上記垂直軸風車４では、支持体８の中央部８ａと、第１および第２の斜めアーム１２とが、翼端傾斜部１１の固定部材を構成している。

　該固定部材は、第１および第２の翼端傾斜部１１が主翼部１０に固定されている状態（以下、固定状態という）と、第１および第２の翼端傾斜部１１が主翼部１０から分離された状態（以下、分離状態という）とを切替可能に設けられている。

　以下に、図４～図６を参照して、分離状態を実現するための方法について説明する。
　まず、図６に示されるように、主翼部１０の外側部１０ａと内側部１０ｂとが分離される。外側部１０ａと内側部１０ｂとの分離は、例えば中央部８ａと水平アーム８ｂとが分離されることにより、実現される。

　次に、図５に示されるように、第１および第２の翼端傾斜部１１の接続部１１ｃと斜めアーム１２とが分離される。このようにして、上記分離状態が容易に実現され得る。

　＜作用効果＞
　上記垂直軸風車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。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、垂直主軸５の延在方向に沿って延び、かつ支持体８に連結されている主翼部１０と、上記延在方向における主翼部１０の両端部に接続されており、垂直主軸５の側に斜めに折れ曲がって延びる第１および第２の翼端傾斜部１１と、第１および第２の翼端傾斜部１１を主翼部１０に対して固定している固定部材とを含む。固定部材は、第１および第２の翼端傾斜部１１が主翼部１０に固定されている状態と、第１および第２の翼端傾斜部１１が主翼部１０から分離された状態とを切替可能に設けられている。

　このような垂直軸風車４では、第１および第２の翼端傾斜部１１が主翼部１０から分離され得るため、第１および第２の翼端傾斜部１１が主翼部１０と別体として製造され得る。そのため、垂直軸風車４の翼９は、主翼部と翼端傾斜部とが一体として構成されている従来の垂直軸風車の翼と比べて、容易に製造され得る。その結果、垂直軸風車４は、従来の垂直軸風車と比べて、製造コストが低い。また、上記垂直軸風車４では、主翼部１０の上記延在方向に垂直な断面形状は上記延在方向において同一形状とされているため、主翼部１０の上記延在方向における長さは容易に変更可能である。

　上記垂直軸風車４では、固定部材は上記延在方向に交差する方向に延びている斜交部としての第１および第２の斜めアーム１２を有している。第１および第２の斜めアーム１２の一端は、支持体８の中央部８ａを介して垂直主軸５と接続されている。主翼部１０の垂直主軸５側に位置する内側面１７には、第１および第２の斜めアーム１２の他端を含む部分が挿通されている貫通孔１０ｅが配置されている。第１および第２の斜めアーム１２の他端は、主翼部１０の内部に配置されており、かつ第１の翼端傾斜部１１または第２の翼端傾斜部１１と着脱可能に設けられている。

　このような垂直軸風車４では、中央部８ａと、第１および第２の斜めアーム１２とが、第１および第２の翼端傾斜部１１を主翼部１０に対して固定している。すなわち、上記垂直軸風車４では、支持体８の中央部８ａと、第１および第２の斜めアーム１２とが、翼端傾斜部１１の固定部材を構成している。

　このようにしても、上記垂直軸風車４は、第１および第２の翼端傾斜部１１が主翼部１０から分離され得るため、第１および第２の翼端傾斜部１１は主翼部１０と別体として製造され得る。また、上記固定状態において、第１および第２の斜めアーム１２は、主翼部１０に形成されている貫通孔１０ｅの内周面と接触するように構成され得る。

　上記風力発電装置３は、上記垂直軸風車４と、垂直軸風車４の垂直主軸５の回転で発電する発電機６とを備える。このような風力発電装置３は、上記垂直軸風車４を備えているため、従来の垂直軸風車を備える風力発電装置と比べて、製造コストが低い。

　また、上記風力発電装置３は、翼９と支持体８とを接続する部材である拡径部８ｃ及び接続部１１ｃが翼９内部に収納されるため、翼９の表面を平滑にすることができるので、翼面を流れる気流を阻害しにくくなり、エネルギー変換効率が向上する。

　（実施の形態２）
　図７および図８に示されるように、実施の形態２に係る垂直軸風車は、基本的に実施の形態１に係る垂直軸風車４と同様の構成を備えるが、第１の翼端傾斜部１１が棒状部材１９を介して第２の翼端傾斜部１１と接続されており、かつ棒状部材１９が上記固定状態と上記分離状態とを切替可能に設けられている点で異なる。異なる観点から言えば、棒状部材１９が上記固定部材として構成されている点で異なる。さらに異なる観点から言えば、上記固定部材が主翼部１０の内部に配置されている点で異なる。

　棒状部材１９は、上記延在方向に沿って延びている。棒状部材１９の上記延在方向の一端１９ａは第１の翼端傾斜部１１と接続されており、棒状部材１９の上記延在方向の他端は第２の翼端傾斜部１１と接続されている。棒状部材１９の上記一端１９ａは、第１の翼端傾斜部１１と着脱可能に設けられている。上記一端１９ａは、例えばネジ部として設けられている。第１の翼端傾斜部１１には、上記一端１９ａと緊締可能なネジ部が設けられている。

　棒状部材１９の上記他端は、例えば第２の翼端傾斜部１１と着脱可能に設けられている。上記他端は、例えばネジ部として設けられている。第２の翼端傾斜部１１には、上記他端と緊締可能なネジ部が設けられている。棒状部材１９は、上記延在方向を中心とする周方向の１方向に回転されたときに、第１および第２の翼端傾斜部１１と固定されるように設けられている。

　図８に示されるように、主翼部１０の内側に位置する面には、開口部１０ｈが配置されている。図７に示されるように、翼９が水平アーム８ｂと接続されている状態において、開口部１０ｈは水平アーム８ｂにより塞がれている。水平アーム８ｂは、主翼部１０の内側部１０ｂの内側面１７にネジなどの着脱可能な手段により接続されている。水平アーム８ｂが主翼部１０から取り外され、かつ上記固定状態にある翼９の開口部１０ｈを平面視したときに、棒状部材１９の一部が開口部１０ｈ内に配置されている。異なる観点から言えば、水平アーム８ｂが主翼部１０から取り外され、かつ上記固定状態にある翼９において、棒状部材１９は、開口部１０ｈによって翼９の外部からアクセス可能に設けられており、翼端傾斜部１１を着脱可能としている。棒状部材１９によって翼端傾斜部１１を接続する場合は、翼端傾斜部１１を挿入する主翼部１０の上端部及び下端部とに「すきま」を設けて、翼端傾斜部１１を着脱容易に取付けることが可能となる。

　このようにしても、棒状部材１９が上記固定部材として作用し得るため、実施の形態２に係る垂直軸風車は、実施の形態１に係る垂直軸風車４と同様の効果を奏することができる。

　今回開示され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と考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態ではなく、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修正と変形を含むものであることが意図される。

　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　中央部、８ｂ　水平アーム、８ｃ　拡径部、８ｄ　対向部、８ｅ　端子、９　翼、１０　主翼部、１０ａ　外側部、１０ｂ　内側部、１０ｃ，１０ｄ　上端部、１０ｅ，１０ｆ　貫通孔、１０ｈ　開口部、１１　第１の翼端傾斜部，第２の翼端傾斜部、１１ａ　第１部、１１ｂ　第２部、１１ｃ　接続部、１２　第１の斜めアーム，第２の斜めアーム、１９　棒状部材、１９ａ　一端。

Claims

　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、
　前記垂直主軸の延在方向に沿って延び、かつ前記支持体に連結されている主翼部と、
　前記延在方向における前記主翼部の両端部に接続されており、前記垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びる第１および第２の翼端傾斜部と、
　前記第１および第２の翼端傾斜部を前記主翼部に対して固定している固定部材とを含み、
　前記固定部材は、前記第１および第２の翼端傾斜部が前記主翼部に固定されている状態と、前記第１および第２の翼端傾斜部が前記主翼部から分離された状態とを切替可能に設けられている、垂直軸風車。
　前記固定部材は、前記延在方向に交差する方向に延びている斜交部を有し、
　前記斜交部の一端は前記垂直主軸と接続されており、
　前記主翼部の前記垂直主軸側に位置する内側面には、前記斜交部の他端を含む部分が挿通されている貫通孔が配置されており、
　前記斜交部の前記他端は、前記主翼部の内部に配置されており、かつ前記第１の翼端傾斜部または前記第２の翼端傾斜部と着脱可能に設けられている、請求項１に記載の垂直軸風車。
　前記固定部材は、前記主翼部の内部に配置されており、
　前記固定部材の一端は前記第１の翼端傾斜部と接続されており、前記固定部材の他端は前記第２の翼端傾斜部と接続されている、請求項１に記載の垂直軸風車。
　前記主翼部の内側に位置する面には、開口部が配置されており、
　前記開口部を平面視したときに、前記固定部材の一部が前記開口部内に配置されている、請求項３に記載の垂直軸風車。
　前記固定部材は、前記延在方向に沿って延びている棒状部材である、請求項３または４に記載の垂直軸風車。
　前記第１および第２の翼端傾斜部を構成する材料は、前記主翼部を構成する材料と異なる、請求項１～５のいずれか１項に記載の垂直軸風車。
　請求項１～請求項６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。