WO2019194180A1 - 垂直軸型風力発電機 - Google Patents

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智紀 米澤
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智紀 米澤
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    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
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    • 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 type wind power generator having a rotation axis perpendicular to the wind.
  • a horizontal axis wind power generator whose rotation axis is horizontal to the wind and a vertical axis wind power generator whose rotation axis is perpendicular to the wind are known.
  • various vertical axis type wind power generators such as a Savonius type, a paddle type, a gyromill type, and a Darius type are known.
  • this vertical axis wind power generator has a drag type (Savonius type, paddle type, etc.) that uses the drag acting on the blade, which is the part that generates the aerodynamic force of the wind turbine, and the rotational direction of the lift acting on the blade. It can be divided into lift types (gyromill type, Darius type, etc.) whose components are the main rotational force.
  • Patent Document 1 discloses that a gyromill-type wind power generator An improved shape is disclosed.
  • a conventional vertical axis type wind power generator (gyromill type wind power generator) as shown in Patent Document 1 has a hard blade shape, and the shape of the blade is complicated. Fixing metal fittings and the like are complicated and robust, and there is a problem that they cannot be easily manufactured.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and provides a vertical axis wind power generator having a blade that is lightweight and has a simple shape and that can efficiently obtain a rotational force. For the purpose.
  • a vertical axis wind power generator in which a plurality of blades are provided around the vertical rotation axis at equal angular intervals around the vertical rotation axis. Is a V-shaped shape, and a wing made of a soft material is attached to a hard frame provided so that the tip portion of the V-shape is the tip in the rotation direction, and the frame has the V-shape. Hard struts are provided at the uppermost part of the blade and at the lowermost part of the blade, and connect the V-shaped tip parts of the uppermost V-shape and the lowermost V-shape in the vertical direction.
  • the wing is composed of two pieces of isosceles trapezoidal shape with one side having the same length as the column support part of the frame as an upper base and a lower base that is a longer side on the opposite side. It is a shape where the upper bases are joined together
  • the upper base portion is attached to the strut portion of said frame, said isosceles trapezoid leg portion and being attached to the V-shaped portion of the frame.
  • the blade shape is devised and the blade blades are deformed.
  • the blade blades are recessed inward, so that a rotational force can be obtained regardless of the peripheral speed ratio. Therefore, the blade has a light and simple shape, and the rotational force can be efficiently obtained.
  • FIG. 3 is a schematic explanatory diagram illustrating an example of a frame of a blade of the vertical axis wind power generator according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a schematic explanatory diagram illustrating an example of a blade of a vertical axis wind power generator according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic explanatory view showing a blade having a blade attached to a frame in the vertical axis wind power generator in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic explanatory diagram illustrating another example of a blade frame of the vertical axis wind power generator according to the first embodiment.
  • the present invention relates to a vertical axis wind power generator in which a plurality of blades are provided at equal angular intervals around a vertical rotation axis.
  • FIG. 1 is a schematic top view showing an example of an external appearance of a vertical axis wind power generator 1 according to Embodiment 1 of the present invention as viewed from above.
  • the vertical shaft type wind power generator 1 includes a vertical rotating shaft 2, a plurality of support members 3, and a plurality of blades 4.
  • the vertical rotating shaft 2 is provided around the vertical rotating shaft 2 provided at the center.
  • a plurality of blades 4 are provided at equiangular intervals.
  • the vertical axis wind power generator 1 will be described as rotating in the direction of the broken arrow in FIG.
  • a generator or the like (not shown) is connected to the lower end of the vertical rotating shaft 2, and the generator or the like can be moved by the rotation of the vertical axis wind power generator 1.
  • the illustration of the attachment member and the support for attaching the blade 4 to the support member 3 is omitted for the sake of simplicity, the attachment member and the support for fixing the support member 3 and the blade 4 are omitted. Needless to say, there exists.
  • the first embodiment as shown in FIG. 1, four support members 3 are provided radially around the vertical rotation axis 2 at intervals of 90 degrees, and the tip of the support member 3 is parallel to the vertical rotation axis 2.
  • An example in which the blade 4 attached to is provided will be described. That is, the number of blades 4 is the same as the number of support members 3, and the vertical axis wind power generator 1 according to the first embodiment includes four blades 4.
  • each blade 4 is installed around the vertical rotation shaft 2 at intervals of 90 degrees, but four support members 3 are installed around the vertical rotation shaft 2 at equal angular intervals. It only has to be. That is, as shown in FIG. 1, the number is four at 90 degree intervals, but three at 120 degree intervals, five at 72 degree intervals, and other angles and numbers. Also good. Then, the rotation of each blade 4 by wind force is transmitted to the vertical rotation shaft 2 via the support member 3 and is transmitted to a generator (not shown) connected to the vertical rotation shaft 2.
  • FIG. 2 is a schematic explanatory diagram illustrating an example of a frame 41 of the blade 4 of the vertical axis wind power generator 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic explanatory diagram illustrating an example of the blades 42 of the blade 4 of the vertical axis wind power generator 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic explanatory view showing the blade 4 in which the blades 42 are attached to the frame 41 in the vertical axis wind power generator 1 according to the first embodiment.
  • the blade 4 is V-shaped when viewed from above, and a wing 42 made of a softening material such as cloth or fiber is provided on a hard frame 41 provided so that the tip of the V-shape is the tip in the rotation direction. It is attached.
  • the frame 41 is provided with V-shaped portions at the uppermost part of the blade 4 and the lowermost part of the blade 4, and the V-shaped tips of the uppermost V-shaped part and the lowermost V-shaped part, respectively. It consists of hard struts that connect the top and bottom (vertical direction).
  • the wing 42 has two sides of an isosceles trapezoidal shape with one side having the same length as the column part of the frame 41 as an upper base and a lower bottom that is a longer side on the opposite side. It is a shape that connects the bottoms together. Then, as shown in FIG. 4, the upper bottom portion of the wing 42 is attached to the support portion of the frame 41, and the isosceles trapezoidal leg portion of the wing 42 is attached and fixed to the V-shaped portion of the frame 41. Yes.
  • FIG. 5 is a view of the shape of the blade 4 when the wind is received from the direction of arrow A in FIG. 4 and the wind from the direction B in the vertical axis wind power generator 1 according to the first embodiment. It is a schematic explanatory drawing which shows the figure which looked at the shape of the blade 4 at the time of seeing from the B direction.
  • the wind enters the inside of the V shape, so that the wings 42 expand (swell outward) as shown in FIG. Receive the wind.
  • wind is received from the direction of arrow B in FIG. 4
  • wind is received from the V-shaped tip portion, so that the wing 42 is recessed inward as shown in FIG.
  • the rotational force is further increased in the direction of the broken arrow in FIG. 1, and power can be generated more efficiently.
  • the blade 41 of the blade 4 is deformed with a soft material after the frame 41 of the blade 4 is shaped as shown in FIG.
  • the blade 42 of the blade 4 bulges outward and receives more wind, and when the wind is received from the front, the blade 42 of the blade 4 sinks inward to resist wind resistance. Therefore, the rotational force can be applied regardless of the wind speed ratio (ratio between the rotational speed of the blade 4 and the wind speed), whether the blade 4 is fast or slow, and the wind speed is fast or slow. Obtainable.
  • the blade 4 having such a configuration is used, the overall weight is lighter than that of a hard plate-like blade, and the vertical axis wind power generator 1 as a whole is also lighter. .
  • the frame 41 is only a V-shaped frame formed on the uppermost part and the lowermost part of the blade 4, but in FIG. As shown, a frame 41 ′ covering the entire uppermost and lowermost V-shaped portions of the blade 4 may be used.
  • FIG. 6 is a schematic explanatory view showing another example (frame 41 ′) of the frame 41 of the blade 4 of the vertical axis wind power generator 1 according to the first embodiment. In this way, if the frame 41 ′ blocks the entire uppermost and lowermost V-shaped portions of the blade 4, a rotational force can be obtained more efficiently when the blade 4 receives wind.
  • the shape of the blade 4 is devised and the blades 42 of the blade 4 are deformed, so that the wind is When received, the blades of the blade 4 swell outward, and when receiving wind from the front, the blades 42 of the blade 4 are recessed inward so that a rotational force can be obtained regardless of the peripheral speed ratio. It is a shape and a rotational force can be obtained efficiently.
  • the present invention has been described as related to a wind power generator, it can be diverted to tidal power generation, wave power generation, small hydropower generation, and the like. That is, a tidal power generator, a wave power generator, and a small hydropower generator having the same configuration may be used.
  • any component of the embodiment can be modified or any component of the embodiment can be omitted within the scope of the invention.
  • the vertical axis wind power generator of the present invention is applied not only to a wind power generator whose rotation axis is perpendicular to the wind, but also to a tidal power generator, a wave power generator, a small hydraulic power generator, etc. having the same configuration. can do.

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Abstract

軽量で簡単な形状であり、かつ、効率よく回転力が得られるブレードを備えた垂直軸型風力発電機を提供する。ブレード４は、上面視がＶ字型の形状で、当該Ｖ字の先端部分が回転方向の先端になるように設けられた硬い枠４１に、柔らかい素材の翼４２が取り付けられたものであり、枠４１は、Ｖ字形状部分がブレードの最上部とブレードの最下部に設けられ、最上部のＶ字形状と最下部のＶ字形状それぞれのＶ字の先端部分を上下（垂直方向）に接続する硬い支柱部分とで構成されており、翼４２は、枠４１の支柱部分と同じ長さを有する一辺を上底とし、それより長い一辺である下底を対辺に有する等脚台形形状のもの２枚を上底同士つなぎ合わせた形状であり、上底部分が枠４１の支柱部分に取り付けられ、等脚台形の脚部分が枠のＶ字形状部分に取り付けられている。

Description

垂直軸型風力発電機
　この発明は、風に対して回転軸が垂直になっている垂直軸型風力発電機に関するものである。
　従来より、風力発電機としては、風に対して回転軸が水平になっている水平軸型風力発電機と、風に対して回転軸が垂直になっている垂直軸型風力発電機が知られている。このうち、垂直軸型風力発電機としては、サボニウス型、パドル型、ジャイロミル型、ダリウス型など様々なものが知られている。
　さらに、この垂直軸型風力発電機は、風車の空気力を発生させる部位であるブレードに働く抗力を主たる回転力とする抗力型（サボニウス型、パドル型など）と、ブレードに働く揚力の回転方向成分を主たる回転力とする揚力型（ジャイロミル型、ダリウス型など）にわけられる。
　そして、垂直軸型風力発電機はいずれも、水平軸型風力発電機と比較すると、風の方向に関係なく回転できる、という特徴があり、世界中で使用されているが、１つのブレードが追い風を受けているとき、対極に近いところにあるブレードは向かい風を受けてしまう、ということが弱点であるため、風速比（ブレードの回転速度と風速の比）によっては回転力が得られず、水平軸型風力発電機よりも効率が悪いと言われている。
　そこで、そのような問題に対処するためには、より追い風を受けるようにしたり、向かい風を受けないようにする必要があり、例えば特許文献１には、ジャイロミル型の風力発電機において、ブレードの形状を改良したものが開示されている。
特開２００６－４６３０６号公報
　しかしながら、例えば特許文献１に示すような従来の垂直軸型風力発電機（ジャイロミル型風力発電機）は、ブレードが硬い板状であるため、ブレードの形状も複雑となり、また、ブレードを軸に固定するための金具等も複雑で頑強なものを必要とし、簡単には作製できないという課題があった。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、軽量で簡単な形状であり、かつ、効率よく回転力が得られるブレードを備えた垂直軸型風力発電機を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、この発明は、垂直回転軸の周りに、当該垂直回転軸を中心として等角度間隔で複数のブレードが設けられた垂直軸型風力発電機において、前記ブレードは、上面視がＶ字型の形状で、当該Ｖ字の先端部分が回転方向の先端になるように設けられた硬い枠に、柔らかい素材の翼が取り付けられたものであり、前記枠は、前記Ｖ字形状部分が前記ブレードの最上部と前記ブレードの最下部に設けられ、前記最上部のＶ字形状と前記最下部のＶ字形状それぞれのＶ字の先端部分を上下（垂直方向）に接続する硬い支柱部分とで構成されており、前記翼は、前記枠の支柱部分と同じ長さを有する一辺を上底とし、それより長い一辺である下底を対辺に有する等脚台形形状のもの２枚を前記上底同士つなぎ合わせた形状であり、前記上底部分が前記枠の支柱部分に取り付けられ、前記等脚台形の脚部分が前記枠のＶ字形状部分に取り付けられていることを特徴とする。
　この発明の垂直軸型風力発電機によれば、ブレードの形状を工夫した上に、ブレードの翼が変形するようにしたことにより、風を後方から受けるとブレードの翼が外側にふくらみ、風を前方から受けるとブレードの翼が内側にへこむので、周速比に関係なく回転力を得ることができるため、ブレードが軽量で簡単な形状であり、かつ、効率よく回転力を得ることができる。
実施の形態１における垂直軸型風力発電機を上面から見た外観の一例を示す概略上面図である。 実施の形態１における垂直軸型風力発電機のブレードの枠の一例を示す模式説明図である。 実施の形態１における垂直軸型風力発電機のブレードの翼の一例を示す模式説明図である。 実施の形態１における垂直軸型風力発電機において、枠に翼が取り付けられたブレードを示す模式説明図である。 実施の形態１における垂直軸型風力発電機において、図４の矢印Ａ方向から風を受けた場合のブレードの形状をＡ方向から見た図と、Ｂ方向から風を受けた場合のブレードの形状をＢ方向から見た図を示す模式説明図である。 実施の形態１における垂直軸型風力発電機のブレードの枠の別の例を示す模式説明図である。
　この発明は、垂直回転軸の周りに、当該垂直回転軸を中心として等角度間隔で複数のブレードが設けられた垂直軸型風力発電機に関するものである。
　以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１における垂直軸型風力発電機１を上面から見た外観の一例を示す概略上面図である。この垂直軸型風力発電機１は、垂直回転軸２、複数の支持部材３、複数のブレード４を備えており、中心に設けられた垂直回転軸２の周りに、その垂直回転軸２を中心として等角度間隔で複数のブレード４が設けられている。また、ここでは、この垂直軸型風力発電機１は、図１の破線の矢印の方向に回転するものとして説明する。
　垂直回転軸２の下端には、発電機等（図示せず）が接続されており、この垂直軸型風力発電機１の回転により、その発電機等を動かすことができる。また、支持部材３にブレード４を取り付けるための取り付け部材や支柱などについても説明を簡単にするために図示を省略しているが、支持部材３とブレード４とを固定するための取り付け部材や支柱が存在していることは言うまでもない。
　この実施の形態１では、図１に示すように、垂直回転軸２の周りに９０度間隔で放射状に４本の支持部材３を備え、その支持部材３の先端に、垂直回転軸２と平行に取り付けられたブレード４を備えている場合を例に説明する。つまり、ブレード４の数は支持部材３と同数であり、この実施の形態１における垂直軸型風力発電機１は、４枚のブレード４を備えている。
　なお、この実施の形態１では、支持部材３は垂直回転軸２のまわりに９０度間隔で設置されるものとしているので４本であるが、垂直回転軸２のまわりに等角度間隔で設置されていればよい。すなわち、図１に示すように９０度間隔であれば４本であるが、１２０度間隔であれば３本、７２度間隔であれば５本、のように、他の角度および本数であってもよい。
　そして、各ブレード４の風力による回転は、支持部材３を介して垂直回転軸２に伝えられ、垂直回転軸２に接続された発電機（図示せず）に伝達される。
　図２は、実施の形態１における垂直軸型風力発電機１のブレード４の枠４１の一例を示す模式説明図である。図３は、実施の形態１における垂直軸型風力発電機１のブレード４の翼４２の一例を示す模式説明図である。図４は、実施の形態１における垂直軸型風力発電機１において、枠４１に翼４２が取り付けられたブレード４を示す模式説明図である。
　ブレード４は、上面視がＶ字型の形状で、当該Ｖ字の先端部分が回転方向の先端になるように設けられた硬い枠４１に、布または繊維等の柔らかくしなる素材の翼４２が取り付けられたものである。
　枠４１は、図２に示すように、Ｖ字形状部分がブレード４の最上部とブレード４の最下部に設けられ、最上部のＶ字形状と最下部のＶ字形状それぞれのＶ字の先端部分を上下（垂直方向）に接続する硬い支柱部分とで構成されている。
　翼４２は、図３に示すように、枠４１の支柱部分と同じ長さを有する一辺を上底とし、それより長い一辺である下底を対辺に有する等脚台形形状のもの２枚を上底同士つなぎ合わせた形状である。そして、図４に示すように、この翼４２の上底部分が枠４１の支柱部分に取り付けられ、翼４２の等脚台形の脚部分が枠４１のＶ字形状部分に取り付けられて固定されている。
　図５は、実施の形態１における垂直軸型風力発電機１において、図４の矢印Ａ方向から風を受けた場合のブレード４の形状をＡ方向から見た図と、Ｂ方向から風を受けた場合のブレード４の形状をＢ方向から見た図を示す模式説明図である。ブレード４は、図４の矢印Ａ方向から風を受けると、Ｖ字形状の内側に風が入るため、図５（ａ）に示すとおり、その翼４２は広がって（外側にふくらんで）さらに多くの風を受ける。また、図４の矢印Ｂ方向から風を受けると、Ｖ字形状の先端部分から風を受けるため、図５（ｂ）に示すように、翼４２は内側にへこむ。この結果、図１の破線の矢印の方向に、より回転力が高まり、より効率よく発電することができる。
　このように、この実施の形態１における垂直軸型風力発電機１は、ブレード４の枠４１を図２のような形状にした上で、ブレード４の翼４２を柔らかい素材で変形するようにした、という２段階の工夫により、風を後方から受けるとブレード４の翼４２が外側にふくらんでさらに多くの風を受け、風を前方から受けるとブレード４の翼４２が内側にへこんで風の抵抗が少なくなるので、ブレード４の回転速度が速いときでも遅いときでも、また、風速が速いときでも遅いときでも、すなわち、風速比（ブレード４の回転速度と風速の比）に関係なく回転力を得ることができる。
　また、このような構成のブレード４にしたことにより、従来のような全体が硬い板状のブレードに比べると軽量であり、垂直軸型風力発電機１全体としても軽量になる、というメリットもある。
　なお、この実施の形態１では、図２に示すように、枠４１は、ブレード４の最上部と最下部に形成されているＶ字形状部分がＶ字の枠のみであるが、図６に示すように、ブレード４の最上部と最下部のＶ字部分全体を塞いだ枠４１’のようにしてもよい。図６は、この実施の形態１における垂直軸型風力発電機１のブレード４の枠４１の別の例（枠４１’）を示す模式説明図である。このように、ブレード４の最上部と最下部のＶ字部分全体を塞ぐような枠４１’にすれば、ブレード４が風を受けた際にさらに効率よく回転力を得ることができる。
　以上のように、この実施の形態１の垂直軸型風力発電機１によれば、ブレード４の形状を工夫した上に、ブレード４の翼４２が変形するようにしたことにより、風を後方から受けるとブレード４の翼が外側にふくらみ、風を前方から受けるとブレード４の翼４２が内側にへこむので、周速比に関係なく回転力を得ることができるため、ブレード４が軽量で簡単な形状であり、かつ、効率よく回転力を得ることができる。
　また、この発明は風力発電機に関するものとして説明したが、潮力発電、波力発電、小水力発電などに転用することも可能である。すなわち、同じ構成の潮力発電機、波力発電機、小水力発電機としてもよい。
　なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
　この発明の垂直軸型風力発電機は、風に対して回転軸が垂直になっている風力発電機だけでなく、同じ構成の潮力発電機、波力発電機、小水力発電機などに適用することができる。
１　垂直軸型風力発電機
２　垂直回転軸
３　支持部材
４　ブレード
４１，４１’　枠
４２　翼
 

Claims (1)

  1. 　垂直回転軸の周りに、当該垂直回転軸を中心として等角度間隔で複数のブレードが設けられた垂直軸型風力発電機において、
    　前記ブレードは、上面視がＶ字型の形状で、当該Ｖ字の先端部分が回転方向の先端になるように設けられた硬い枠に、柔らかい素材の翼が取り付けられたものであり、
    　前記枠は、前記Ｖ字形状部分が前記ブレードの最上部と前記ブレードの最下部に設けられ、前記最上部のＶ字形状と前記最下部のＶ字形状それぞれのＶ字の先端部分を上下（垂直方向）に接続する硬い支柱部分とで構成されており、
    　前記翼は、前記枠の支柱部分と同じ長さを有する一辺を上底とし、それより長い一辺である下底を対辺に有する等脚台形形状のもの２枚を前記上底同士つなぎ合わせた形状であり、前記上底部分が前記枠の支柱部分に取り付けられ、前記等脚台形の脚部分が前記枠のＶ字形状部分に取り付けられている
    　ことを特徴とする垂直軸型風力発電機。
     
PCT/JP2019/014634 2018-04-06 2019-04-02 垂直軸型風力発電機 WO2019194180A1 (ja)

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