WO2021033419A1 - 風力発電用の羽根車、及び、風力発電システム - Google Patents

風力発電用の羽根車、及び、風力発電システム Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an impeller for wind power generation, which can increase power generation efficiency and is excellent in quietness, and a wind power generation system equipped with an impeller for wind power generation.
  • a wind power generator is a device that rotates an impeller with wind power and converts the rotational energy obtained by the rotation of the impeller into electrical energy.
  • Patent Document 1 proposes a wind power generation device provided with a wind tunnel for collecting wind in an impeller in order to increase the amount of power generation.
  • an object of the present invention is to provide an impeller and a wind power generation system capable of efficiently generating power from the entire area even if it is installed in a limited narrow area.
  • Another object of the present invention is to provide an impeller capable of reducing noise generated by rotation of the impeller during wind power generation, and a wind power generation system.
  • An impeller for wind power generation comprising a plurality of blades and a hub having a rotation shaft provided at the center and arranging the plurality of blades at substantially equal intervals in the circumferential direction. Is formed so as to extend toward the outer circumference of the impeller while widening, and the line segment connecting the front edge and the trailing edge of the vane is approximately 10 degrees or more with respect to the plane perpendicular to the rotation axis of the impeller.
  • the plurality of blades are inclined so as to be approximately 20 degrees or less, and the plurality of blades are used in a part of the trailing edge of the blade in the front in the rotation direction of the impeller and the front edge of the blade in the rear in the rotation direction.
  • Impellers for wind power generation that overlap in front view of [2]
  • the plurality of blades are five, and the blades in front of the impeller in the rotation direction and the blades in the rear in the rotation direction do not overlap on the outer peripheral portion of the impeller in the front view of the impeller, [1].
  • the impeller for wind power generation described; [3] The blade for wind power generation according to [1] or [2], wherein the blade is made of a plate-like material formed to have substantially equal thickness, and the surface on the side receiving wind is flat. Impeller; [4] The wind tunnel formed so that the vertical cross section cut along the central axis forms a substantially streamlined shape, the impeller according to any one of [1] to [3] arranged in the wind tunnel, and the impeller.
  • a wind power generation system equipped with a wind power generator having at least a generator that generates electricity by the rotation of.
  • an impeller and a wind power generation system capable of efficiently generating power from the entire area even if they are installed in a limited narrow area. Further, according to the present invention, it is possible to provide an impeller capable of reducing noise generated by rotation of the impeller during wind power generation, and a wind power generation system.
  • FIG. 1 is an example of a front view of an impeller according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an example of a side view of the impeller according to the embodiment of the present invention.
  • the impeller 11 shown in FIGS. 1 and 2 includes at least a hub 12 and a plurality of blades 13.
  • the impeller 11 is formed so that each of the blades 13a to 13e extends from the side surface of the hub 12 toward the outer periphery of the impeller 11 while increasing the width of the blades. Further, the blades 13a to 13e are arranged so as to surround the hub 12 by arranging them at substantially equal intervals in the circumferential direction of the hub 12. Also, the hub 12 is centered a rotation center P 0 of the impeller 11, the rotation center P 0 is the rotation shaft for transmitting a rotational force of the impeller 11 to the generator is configured to be connectable There is.
  • FIG. 2 is an example of a side view of the impeller according to the embodiment of the present invention.
  • the blade 13 is inclined so that the rear edge (rear edge) is located on the leeward side of the front edge (front edge) when viewed from the rotation direction of the blade 13. Then, it is attached to the hub 12. Further, the width of the blade 13 has a substantially fan shape in which the width of the edge in the outer peripheral direction of the impeller 11 is wider than the width in the vicinity of the portion where the blade 13 and the hub 12 are connected. There is.
  • the number of blades 13 of the impeller 11 is not particularly limited, but is preferably 3 to 5, for example. If the number of blades 13 is less than 3, the amount of wind received by the blades 13 as a whole becomes small, and the power generation efficiency decreases. Further, since the number of blades for transmitting wind energy to the hub is too small, the torque required for driving the generator cannot be sufficiently obtained, and the power generation efficiency is lowered. On the other hand, when the number of blades 13 is 6 or more, the number of wind vortices generated by the friction between the blades 13 and the air increases, and the noise increases. Further, although a larger torque can be obtained as compared with the case of 3 to 5 pieces, the rotation speed of the impeller tends to decrease rapidly.
  • the number of blades 13 is particularly preferably five. When the number of blades 13 is 5, a larger torque sufficient for driving the generator can be obtained as compared with the case of 4 blades. Further, although the area of each blade that receives the wind is small, the area of the impeller as a whole can be large. Therefore, it is possible to convert wind power into rotational force with high efficiency. If the number of blades is 4 or less and the same wind receiving area as when the number of blades is 5, the width of the blades is widened to increase the mass of the blades, or the diameter of the blades is increased. Must be designed to be long. If the blade width is widened to increase the mass of the blades, the structural load on the hub 12 also increases, which adversely affects the durability of the impeller 11. If the blades are designed to have a long diameter, the number of installed wind power generators will be small, and as a result, the amount of power generated from the entire area will be small.
  • each blade 13 including the blade 13a in the present embodiment has a rear end edge (rear edge 15b) from the front end edge (front edge 15a) when viewed from the rotation direction of the blade 13a. Is attached to the hub 12 at an angle so as to be located on the leeward side.
  • the radius to the outer peripheral edge located closest to the outer periphery of the impeller 11 is defined as R, of the circle of radius 1 / 4R the circumferential, and each P 2, P 3 the intersection of the leading edge 15a and trailing edge 15b of the blade 13a.
  • the inclination angle of the line segment P 2 P 3 connecting P 2 and P 3 with respect to the plane perpendicular to the rotation axis 2a is defined as ⁇
  • the inclination angle ⁇ is preferably 10 degrees or more, preferably 12 degrees or more. Is more preferable.
  • the inclination angle ⁇ is preferably 20 degrees or less, and more preferably 18 degrees or less.
  • the wind power can be most efficiently converted into rotational force when the blades receive the wind.
  • the inclination angle ⁇ is larger than 20 degrees, the vibration of the blades when receiving the wind becomes large, the noise increases, and at the same time, it causes eddy.
  • the inclination angle ⁇ is smaller than 10 degrees, the blade itself becomes a resistance that obstructs the flow of wind, and the wind speed is greatly reduced. Therefore, the rotation speed of the blade is sharply reduced and the power generation efficiency is also reduced.
  • Each blade 13 including the blade 13a in the present embodiment has an inclination of a line segment P 2 P 3 so that the rear edge (rear edge 15b) is located on the leeward side of the front edge (front edge 15a).
  • the line segments P 2 P 3 may be positioned so that the inclination angle ⁇ is inverted by 180 degrees. In that case, the rotation direction of the impeller is opposite to the rotation direction of the impeller 11 in the present embodiment.
  • each of the blades 13 of the impeller 11 in the present embodiment adopts a configuration in which the area of the blades required to generate a predetermined electric power is gradually increased toward the outer circumference of the impeller 11. It is secured by doing.
  • the width of each blade 13 is formed so that the width of the edge in the outer peripheral direction of the impeller 11 is wider than the width in the vicinity of the portion where the blade 13 and the hub 12 are connected. It is shaped like a fan. Further, the shape of the blades 13 is not particularly limited, as shown in FIG.
  • FIG. 3 is an example of a front view of the blade and a side view on the outer peripheral side according to the embodiment of the present invention.
  • the blade 13a preferably has a single plate shape obtained by processing a thin plate-shaped member into a flat surface and having a substantially uniform thickness. That is, when the blade 13a is viewed from the side of the outer peripheral edge 15d of the blade 13a, it is preferable that the blade 13a is formed so as to have a uniform thickness as a whole as shown in the outer peripheral side side view 15e of the outer peripheral edge 15d. Further, the shape of the portion of the blade 13a that receives the wind (the region surrounded by the front edge 15a, the trailing edge 15b, and the outer peripheral edge 15d) is preferably flat.
  • the material of the blade 13a is not particularly limited as long as it is a thin plate-shaped member, but it is preferably FRP because it is easy to process, lightweight, and has strength.
  • the material of the blade 13a in the present embodiment is a thin plate-like member, the air resistance during rotation is small, and the wind is less likely to be turbulent when the wind passes through the blade 13a. Therefore, the rotation efficiency of the impeller 11 is improved. Can be raised. Further, since the shapes of the blades 13a to 13e are plate shapes having substantially equal thickness over the entire blade, it is easier to process at the time of manufacturing than the conventional blades having a streamlined shape or a curved shape toward the outer peripheral direction. At the same time, the manufacturing cost of each blade can be suppressed.
  • the impeller 11 preferably has a configuration in which the blades 13a in front of the impeller 11 in the rotation direction and the blades 13b in the rear in the rotation direction do not overlap with each other in the outer peripheral portion of the impeller 11 in the front view of the impeller 11. .. That is, in the relationship between two adjacent blades, it is preferable that a predetermined space is secured between the trailing edge 15b of the blade 13a and the front edge 15c of the blade 13b.
  • the adjacent blades 13a and 13b are in front of the impeller at a part of the trailing edge 15b of the blade 13a located in front of the impeller 11 in the rotation direction and the front edge 15c of the blade 13b located in the rear of the impeller 11. It is preferable to configure them so that they overlap visually.
  • the area where the blades receive the wind can be increased as a whole of the impeller 11, so that the wind power can be efficiently converted into the rotational energy of the impeller without increasing the diameter of the blade 13. Can be done.
  • the region 14 where the trailing edge 15b of the blade 13a of the impeller 11 and the front edge 15c of the blade 13b overlap is preferably a portion close to the hub 12.
  • Region 14 where two blades overlap, in a plane perpendicular to the rotation axis, from the rotation center P 0 of the impeller 11, the radius to the outer peripheral edge located closest to the outer periphery of the impeller 11 when defined as R It is preferable that it is included in the region surrounded by a circle having a radius of 1 / 3R, and more preferably it is included in the region surrounded by a circle having a radius of 1 / 3R.
  • FIG. 4 is an example of a cross-sectional view of the upper surface of the wind power generator using the impeller 11 according to the embodiment of the present invention.
  • the wind power generator 5 using the impeller 11 includes an impeller 11, a rotating shaft 2, a orthogonal gear 3, a planetary gear 4, and a generator 8.
  • the impeller 11 of the present invention is connected to one end of the rotating shaft 2 so that its center of rotation overlaps the center of rotation of the rotating shaft 2.
  • the rotating shaft 2 is connected to the orthogonal gear 3 for transmitting the rotational force to the generator 8 on the other end side.
  • the impeller 11 receives the wind, the rotating shaft 2 rotates together with the impeller 11, and the rotational energy is transmitted to the generator 8.
  • the rotational energy is converted into electrical energy in the generator 8 and collected in the current collector by a current collector cable or the like connected to the generator 8.
  • the planetary gear 4 is provided on the rotating shaft 2 and plays a role of generating a large torque necessary and sufficient for power generation even at high speed rotation by an impeller having a small diameter. With such a configuration, wind power is efficiently converted into the rotational energy of the impeller, and more efficient power generation becomes possible.
  • a torque limiter is connected to the generator 8 and has a function of decelerating the rotation speed when the load of the wind power generator 5 exceeds a predetermined value. That is, it has a function of preventing over-rotation of the rotating shaft 2 and the impeller 11 connected to the rotating shaft 2. If the wind force is strong and the rotating shaft 2 exceeds a predetermined rotation speed, an excessive load is applied to the generator 8 connected to the orthogonal gear 3, and the dynamo provided inside the generator 8 may be damaged. Although it tends to be higher, the possibility that the generator 8 is damaged can be reduced by providing the torque limiter. Further, by preventing over-rotation, friction between the air and the blade 13 can be reduced and noise can be suppressed.
  • the impeller 11 of the present invention is used for the wind power generation device 5 provided with the torque limiter, but it may be used for the power generation device not provided with the torque limiter.
  • the wind power generation device 5 using the impeller 11 according to the embodiment of the present invention is installed in a predetermined wind tunnel.
  • FIG. 5 is an example of a partial cross-sectional view of the wind power generator 5 using the impeller 11 according to the embodiment of the present invention.
  • substantially streamlined means that the shape of the inner peripheral side edge portion in the vertical cross section of the wall body of the wind tunnel is disturbed inside the wind tunnel by the wind flowing into the inside from the intake port side of the wind tunnel. It refers to a shape that is deformed within the scope of the purpose of increasing the speed without speeding up.
  • the "substantially streamlined” includes a shape in which the shape of the outer peripheral side edge portion in the vertical cross section of the wall body of the wind tunnel is deformed within the purpose of preventing the generation of vortices on the outer peripheral surface.
  • deformation is a case where the shape of the outer peripheral side edge portion in the vertical cross section of the wall body of the wind tunnel is streamlined in a part from the front end portion to the rear end portion of the wind tunnel.
  • substantially streamlined also includes a shape in which the shape of the outer peripheral side edge portion in the vertical cross section of the wall body of the wind tunnel is made linear.
  • the wind tunnel 6 includes at least a front end portion 61 that forms an intake port, a minimum inner diameter portion 62 that minimizes the inner diameter of the wind tunnel 6, and a rear end portion 63 that forms an exhaust port.
  • the inner diameter of the wind tunnel 6 is configured to gradually decrease from the front end portion 61 to the minimum inner diameter portion 62 and gradually increase from the minimum inner diameter portion 62 to the rear end portion 63. That is, a part of the inner wall of the wind tunnel 6 bulges toward the central axis 64 of the wind tunnel, and a minimum inner diameter portion 62 that minimizes the inner diameter of the wind tunnel is formed between the intake port and the exhaust port.
  • the wind tunnel 6 is configured so that the vertical cross section along the central axis 64 is substantially streamlined, the wind flowing into the wind tunnel from the intake port of the wind tunnel 6 can be accelerated. , It becomes possible to improve the amount of power generation and the power generation efficiency.
  • the wind inside the wind tunnel is accelerating, it is not necessary to obtain lift from the blades of the impeller itself, so the blades are not streamlined or curved toward the outer circumference as in the past. However, sufficient power generation performance can be obtained.
  • the wind power generator 5 is fixed to the upper part of the support column 7, and the support column 7 is fixed to a support plate (not shown).
  • the support plate is a plate for supporting the wind tunnel 6 and the support column 7, and is embedded in the vicinity of the bottom of the wind tunnel 6 so as to be integrated with the wind tunnel 6. Further, the support plate is provided with legs (not shown) provided so as to penetrate the bottom of the wind tunnel from the support plate and face downward, and by fixing the legs to a predetermined installation surface, the wind tunnel 6 and wind power generation are generated. Fix the device 5.
  • the impeller 11 is provided so as to be located on the intake port side of the support column 7. With such a configuration, the turbulence of the wind flow caused by the support columns 7 can be generated at a position sufficiently distant from the impeller 11, so that the decrease in the acceleration effect in the vicinity of the impeller 11 can be suppressed. Becomes possible.
  • the speed of the wind other than the traveling direction Components may be generated and the wind flow may be slowed behind the impeller inside the wind tunnel.
  • wind turbulence occurs, even if the cross-sectional shape of the wind tunnel is substantially streamlined, the wind that has flowed into the wind tunnel 6 from the intake port cannot be sufficiently accelerated, which is expected. There is a risk that high power generation efficiency will not be obtained. Therefore, it is preferable to minimize the influence of such wind turbulence on the power generation efficiency.
  • the impeller 11 is provided so that the surface of the blade 13 that receives the wind faces the direction of the front end portion 61 on the intake port side. With such a configuration, the impeller 11 can efficiently receive the wind that has flowed into the wind tunnel from the intake port and has increased speed, and it is possible to improve the amount of power generation and the power generation efficiency.
  • the impeller 11 is provided inside the wind tunnel 6 so that the rotating shaft 2 of the impeller 11 is along the central axis 64 of the wind tunnel 6.
  • the impeller 11 can efficiently receive the wind that has flowed into the wind tunnel from the intake port and has increased speed, and it is possible to improve the amount of power generation and the power generation efficiency.
  • the inner diameter of the minimum inner diameter portion 62 of the wind tunnel 6 is preferably 3R or less, more preferably 2.6R or less, as long as the turning radius of the blade 13 of the impeller 11 is not R. It is more preferably 2.2R or less.

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Abstract

限られた領域に複数の風力発電装置を設置して、領域の全体から効率よく発電することが可能で、風力発電時に羽根車の回転で生じる騒音を小さく抑制できる羽根車及び風力発電システムを提供することを目的とする。　複数枚の羽根と、中心に回転軸が設けられており、前記複数枚の羽根を周方向に略等間隔に配置するハブとを備える風力発電用の羽根車であって、前記羽根は、羽根車の外周に向かって幅を広げながら延びるように形成されており、羽根の前縁と後縁を結ぶ線分が羽根車の回転軸に垂直な面に対して、略１０度以上、略２０度以下となるように傾斜しており、前記複数枚の羽根は、羽根車の回転方向前方の羽根の後縁と、回転方向後方の羽根の前縁との一部において、羽根車の正面視で重なる、風力発電用の羽根車に関する。

Description

風力発電用の羽根車、及び、風力発電システム
　本発明は、発電効率を上げることができ、かつ、静粛性に優れた、風力発電用の羽根車、及び、風力発電用の羽根車を備えた風力発電システムに関する。
　近年、地球環境への配慮から、クリーンエネルギーを利用した発電装置への関心が高まってきている。このような発電装置の一つとして、風力発電装置が挙げられる。風力発電装置は、風力により羽根車を回転させ、羽根車の回転によって得られる回転エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。
　ところで、電力需要が増大していることなどから、風力発電装置の発電量を増加することが望まれている。例えば、特許文献１では、発電量を増加するために、羽根車に風を集めるための風洞を設けた風力発電装置が提案されている。
特開平１１－１８２４０５号公報
　一般的に、風を受ける羽根車の羽根の面積が大きいほど、また、羽根車の回転速度が速いほど、風力発電装置の発電量は増加する傾向にある。また、同じ径を持ち、羽根の枚数が異なる羽根車同士を比べた場合、羽根の枚数が少ないほうが羽根車の回転速度が速くなることが知られている。そこで、現在主流である３枚羽根の羽根車を備えた風力発電装置は、羽根の面積を大きく取るために羽根の径が長くなるように設計されていることが多い。しかし、限られた領域に複数の風力発電装置を設置しようとすると、羽根の径が長くなるほど、風力発電装置の設置台数は少なくなり、結果として、領域の全体から得られる発電量は少なくなる。さらに、羽根と空気の摩擦によって生じる騒音の問題も、風力発電装置を設置できる場所が限られてしまう理由の一つになっている。このような理由から、限られた領域に複数の風力発電装置を設置して、領域の全体から効率よく発電することが可能であり、かつ、静粛性に優れた羽根車及び風力発電システムが求められている。
　本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、限られた狭い領域に設置されていても、領域の全体から効率よく発電することが可能な羽根車及び風力発電システムを提供することである。また、本発明の目的は、風力発電時に羽根車の回転で生じる騒音を小さく抑制できる羽根車、及び、風力発電システムを提供することである。
　本発明は、以下の［１］～［４］のいずれかにより、上記課題を解決するものである。［１］複数枚の羽根と、中心に回転軸が設けられており、前記複数枚の羽根を周方向に略等間隔に配置するハブとを備える風力発電用の羽根車であって、前記羽根は、羽根車の外周に向かって幅を広げながら延びるように形成されており、羽根の前縁と後縁を結ぶ線分が羽根車の回転軸に垂直な面に対して、略１０度以上、略２０度以下となるように傾斜しており、前記複数枚の羽根は、羽根車の回転方向前方の羽根の後縁と、回転方向後方の羽根の前縁との一部において、羽根車の正面視で重なる、風力発電用の羽根車；
［２］前記複数の羽根は５枚であり、羽根車の回転方向前方の羽根と回転方向後方の羽根とが、羽根車の外周部分において、羽根車の正面視で重ならない、［１］に記載の風力発電用の羽根車；
［３］前記羽根は、略均等の厚さに形成された板状素材で形成され、かつ、風を受ける側の面が平面である、［１］または［２］に記載の風力発電用の羽根車；
［４］中心軸に沿って切断した縦断面が略流線形をなすように形成された風洞、風洞内に配置された［１］～［３］のいずれかに記載の羽根車、及び羽根車の回転によって発電する発電機を少なくとも有する風力発電装置を備える風力発電システム。
　本発明によれば、限られた狭い領域に設置されていても、領域の全体から効率よく発電することが可能な羽根車、及び、風力発電システムを提供することが可能である。また、本発明によれば、風力発電時に羽根車の回転で生じる騒音を小さく抑制できる羽根車、及び、風力発電システムを提供することが可能である。
本発明の実施の形態にかかる、羽根車の正面図の一例である。 本発明の実施の形態にかかる、羽根車の側面図の一例である。 本発明の実施の形態にかかる、羽根の正面図、及び、外周側側面図の一例である。 本発明の実施の形態にかかる、風力発電装置の上面部分断面図の一例である。 本発明の実施の形態にかかる、風力発電システムの構成の一例を示す部分断面図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明するが、本発明は図面及び実施の形態に限定されるものではない。また、本発明は、以下に記載する好ましい数値や構成に限定されるものではない。
　図１は、本発明の実施の形態にかかる、羽根車の正面図の一例である。また、図２は、本発明の実施の形態にかかる、羽根車の側面図の一例である。図１及び図２に示す羽根車１１は、ハブ１２と複数枚の羽根１３とを少なくとも備えている。
　羽根車１１は、図１に示すように、各羽根１３ａ～１３ｅが、ハブ１２の側面から、羽根車１１の外周方向に向かって、羽根の幅を拡げながら延びるように形成されている。また、各羽根１３ａ～１３ｅは、ハブ１２の周方向に略等間隔に並べることで、ハブ１２を取り囲むように配置されている。また、ハブ１２は、中心が羽根車１１の回転中心Ｐ０であり、回転中心Ｐ０には、発電機に羽根車１１の回転力を伝達するための回転軸が接続できるように構成されている。
　図２は、本発明の実施の形態にかかる、羽根車の側面図の一例である。図１及び図２に示すように、羽根１３は、羽根１３の回転方向から見て、後方の端縁（後縁）が前方の端縁（前縁）よりも風下側に位置するように傾斜して、ハブ１２に取り付けられている。また、羽根１３の幅は、羽根１３とハブ１２とが接続された部位の近傍の幅よりも、羽根車１１の外周方向の端縁の幅の方が大きく広がった、略扇形形状をしている。
　羽根車１１の羽根１３の枚数は、特に制限されないが、例えば、３～５枚であることが好ましい。羽根１３の枚数が３枚未満であると、羽根１３が全体として受ける風の量が小さくなり、発電効率が低下する。また、風のエネルギーをハブに伝達するための羽根の枚数が少な過ぎるため、発電機の駆動に必要なトルクが十分に得られず、発電効率が低下する。一方、羽根１３の枚数が６枚以上であると、羽根１３と空気の摩擦によって発生する風の渦が多くなり、騒音が増大する。また、３～５枚である場合と比べて、より大きなトルクが得られるものの、羽根車の回転速度については、急速に低下する傾向にある。よって、風力を羽根車１１の回転力に変換する効率も悪くなるため、発電効率が低下する。さらに、羽根車全体の質量も重くなるため、ハブ１２及び回転軸２への構造負荷も大きくなり、羽根車１１の耐久性に悪影響を与える。
　羽根１３の枚数としては、５枚であることが特に好ましい。羽根１３の枚数が５枚である場合、４枚の場合と比較して、発電機の駆動に十分な、より大きなトルクを得ることができる。また、各羽根の風を受ける面積は小さくなるが、羽根車全体としては、受風面積を大きく取ることができる。よって、風力を高い効率で回転力に変換することが可能である。羽根の枚数が４枚以下の構成で、羽根の枚数が５枚の場合と同様の受風面積を確保しようとした場合、羽根幅を広げて羽根の質量を重くするか、もしくは、羽根の径が長くなるように設計する必要がある。羽根幅を広げて羽根の質量を重くすると、ハブ１２への構造負荷も大きくなり、羽根車１１の耐久性に悪影響を与える。羽根の径が長くなるように設計すると、風力発電装置の設置台数は少なくなり、結果として、領域の全体から得られる発電量は小さくなってしまう。
　羽根１３の枚数が５枚である場合、羽根が６枚以上のときと比較しても、高い発電効率を得ることができる。羽根が５枚である場合、羽根が６枚以上の場合と比べて、各羽根の風を受ける面積を大きくすることができる。また、逆に、風を羽根車の正面から後方へと通過させるために、羽根と羽根の間に空間を確保する際にも、６枚以上の場合と比べて十分な空間を確保することができる。隣接する２枚の羽根の間の空間が狭い場合、羽根車そのものが空気の流れを遮ったり、羽根車と空気の摩擦で生じた風の渦を長くその場に滞留させたりする原因となるため、羽根車前方から流入する風の流れを失速させ、羽根車の回転効率が低下してしまう可能性がある。その結果、発電効率の低下に繋がる。
　羽根車１１の羽根１３の枚数は５枚であるという構成を採用することによって、発電に必要な十分なトルクを得ると同時に、羽根を通過する風の流れを失速させず、回転効率を高く維持したままで発電を行うことが可能である。また、空気の流れを妨げず、風の渦の発生も抑制できるため、騒音を小さく抑えることができる。また、羽根の枚数が５枚に限定されるため、羽根車１１全体の質量が回転軸２に掛ける負荷を軽減することができ、羽根車１１が破損しにくいという利点がある。さらに、羽根１３が６枚以上の場合よりも製造コストを抑えることができる。
　次に、図１及び図２を用いて、各羽根１３の傾斜角度について説明する。本実施の形態における羽根１３ａを含む各羽根１３は、図２に示すように、羽根１３ａの回転方向から見て、後方の端縁（後縁１５ｂ）が前方の端縁（前縁１５ａ）よりも風下側に位置するように傾斜して、ハブ１２に取り付けられている。ここで、回転軸２ａに垂直な面において、羽根車１１の回転中心Ｐ０から、羽根車１１の最も外周に位置する外周端縁までの半径をＲと定義し、半径１／４Ｒの円の円周と、羽根１３ａの前縁１５ａ及び後縁１５ｂとの交点をそれぞれＰ２、Ｐ３とする。そして、Ｐ２とＰ３を結ぶ線分Ｐ２Ｐ３の、回転軸２ａに垂直な面に対する傾斜角度をθと定義すると、傾斜角度θは、１０度以上であることが好ましく、１２度以上であることがより好ましい。また、傾斜角度θは、２０度以下であることが好ましく、１８度以下であることがより好ましい。傾斜角度θが１４．５度以上で、１５．５度以下の範囲にある場合には、羽根が風を受けたときに、風力を最も効率よく回転力に変換することができる。一方、傾斜角度θが２０度よりも大きいと、風を受ける際の羽根の振動が大きくなり、騒音が増大すると同時に、乱気流が発生する原因にもなる。また、傾斜角度θが１０度より小さいと、羽根そのものが風の流れを妨げる抵抗となり、風速が大きく低下するため、羽根の回転速度が急激に遅くなるとともに発電効率も低下する。
　本実施の形態における羽根１３ａを含む各羽根１３は、後方の端縁（後縁１５ｂ）が前方の端縁（前縁１５ａ）よりも風下側に位置するように線分Ｐ２Ｐ３の傾斜角度θを定義しているが、傾斜角度θが１８０度反転するように線分Ｐ２Ｐ３を位置付けるように構成してもよい。その場合、羽根車の回転方向は、本実施の形態における羽根車１１の回転方向とは逆になる。また、本実施の形態における点Ｐ２、Ｐ３の位置は、回転中心Ｐ０を中心とする半径１／４Ｒの円の円周と、羽根１３ａの前縁１５ａ及び後縁１５ｂとの交点と定義しているが、点Ｐ２、Ｐ３はそれぞれ、羽根１３ａの前縁１５ａ上、後縁１５ｂ上の点であれば、任意の点を選択できる。
　次に、図１及び図３を用いて、羽根車１１の各羽根１３の形状について説明する。本実施の形態における羽根車１１の各羽根１３は、所定の電力を発生させるために必要な羽根の面積を、羽根車１１の外周に向かうにつれて、羽根幅が徐々に拡大するような構成を採用することで確保している。図１において、各羽根１３の幅は、羽根１３とハブ１２とが接続された部位の近傍の幅よりも、羽根車１１の外周方向の端縁の幅の方が広くなるように形成されており、略扇形のような形状をしている。また、羽根１３の形状は特に制限はされないが、図１に示すように、羽根１３ａを正面から見たとき、羽根１３ａの前縁１５ａ及び後縁１５ｂをそれぞれ延長した直線の交点Ｐ１が、回転中心Ｐ０を挟んで羽根の外周縁１５ｄとは反対側の領域に属するように形成されていることが好ましい。このような構成にすることで、羽根１３ａとハブ１２とが接続された部位の近傍においても、羽根１３が風を受ける面積を広く確保することができる。そして、羽根車１１全体として風を受ける面積を大きくすることができ、発電効率をより高めることが可能である。
　図３は、本発明の実施の形態にかかる、羽根の正面図の及び、外周側側面図の一例である。図３に示すように、羽根１３ａは、薄板状部材を平面状に、かつ、略均等な厚さになるように加工した一枚のプレート形状であることが好ましい。すなわち、羽根１３ａを羽根１３ａの外周縁１５ｄの側から見たときに、外周縁１５ｄの外周側側面図１５ｅで示すように、全体に均等な厚みとなるように形成されていることが好ましい。また、羽根１３ａの風を受ける部分（前縁１５ａ、後縁１５ｂ、及び外周縁１５ｄで囲まれた領域）の形状は、平面であることが好ましい。羽根１３ａの素材は、薄板状部材であれば特に限定されないが、加工が容易であること、軽量であること、強度があること等から、ＦＲＰであることが好ましい。
　本実施の形態における羽根１３ａの素材は薄板状部材であることから、回転時の空気抵抗が少なく、風が羽根１３ａを通過する際に風の乱れも生じ難いため、羽根車１１の回転効率を上げることができる。また、羽根１３ａ～１３ｅの形状は羽根全体で略均等な厚さのプレート形状であるため、従来のような流線形や外周方向に向かって湾曲した形状の羽根に比べ、製造時における加工が容易であるとともに、各羽根の製造コストを抑えることができる。
　次に、図１を用いて、羽根車１１の各羽根１３ａ～１３ｅのうち、隣接する２枚の羽根１３ａ及び羽根１３ｂについて説明する。羽根車１１は、羽根車１１の回転方向前方の羽根１３ａと回転方向後方の羽根１３ｂとが、羽根車１１の外周部分において、羽根車１１の正面視で重ならないような構成であることが好ましい。すなわち、隣り合う２枚の羽根の関係において、羽根１３ａの後縁１５ｂと羽根１３ｂの前縁１５ｃの間には、所定の空間が確保されているほうが好ましい。羽根車１１が風を受け回転するとき、各羽根１３の間には、羽根と空気の摩擦により風の渦が生じ、回転方向前方の羽根１３ａで生じた風の渦が、後からやってくる羽根１３ｂの回転運動に干渉し、羽根車１１自体の回転効率が低下する原因となることがある。そこで、隣接する各羽根の相互に所定の空間を設けることによって、羽根と羽根の間に生じる風の渦や乱気流を風下方向へ逃がすことが容易になり、羽根車の回転方向における、隣り合う羽根同士の相互の干渉を抑えることができるからである。また、羽根車１１の各羽根１３同士において相互に所定の空間を確保することで、羽根車１１を通過した風の流れが乱れて空気が後方に滞留し、羽根車１１に流入する風量の減少により風が失速することを防ぐこともできるため、羽根車１１全体としての回転効率を上げることができる。
　しかし一方で、隣り合う羽根１３ａと羽根１３ｂの間の空間を広げるばかりでは、羽根車１１全体として風を受ける面積は狭くなり、風力を羽根車の回転エネルギーに変換する効率が低下してしまう。そこで、隣り合う羽根１３ａ及び１３ｂは、羽根車１１の回転方向前方に位置する羽根１３ａの後縁１５ｂと、回転方向後方に位置する羽根１３ｂの前縁１５ｃとの一部において、羽根車の正面視で重なるように構成することが好ましい。このような構成を採用することで、羽根車１１全体として、羽根が風を受ける面積を大きくできるため、羽根１３の径を長くせずとも、風力を羽根車の回転エネルギーに効率よく変換することができる。
　羽根車１１の羽根１３ａの後縁１５ｂと、羽根１３ｂの前縁１５ｃとが重なる領域１４は、ハブ１２に近接する部分であることが好ましい。２枚の羽根が重なる領域１４は、回転軸に垂直な面において、羽根車１１の回転中心Ｐ０から、羽根車１１の最も外周に位置する外周端縁までの半径をＲと定義した場合に、半径１／２Ｒの円で囲まれる領域に含まれていることが好ましく、半径１／３Ｒの円で囲まれる領域に含まれていることがより好ましい。このような構成にすることで、隣り合う羽根同士の相互の干渉を抑え、羽根車１１に流入する風が失速すること防止しながら、同時に、羽根車１１全体として、受風面積を大きく取ることができるため、風力を羽根車の回転エネルギーに効率よく変換することができる。また、このような構成により、風の渦の発生を抑え騒音を抑制しながら、同時に、効率的な発電が可能である。
　図４は、本発明の実施の形態にかかる、羽根車１１を用いた風力発電装置の上面部分断面図の一例である。羽根車１１を用いた風力発電装置５は、図４に示すように、羽根車１１、回転軸２、直行ギヤ３、遊星ギヤ４及び発電機８を備える。本発明の羽根車１１は、その回転中心が、回転軸２の回転中心と重なるように、回転軸２の一端に接続されている。ここで、回転軸２は、その他端側において、回転力を発電機８に伝達するための直行ギヤ３に接続されている。そして、羽根車１１が風を受けると、羽根車１１と共に回転軸２が回転し、回転エネルギーが発電機８に伝達される。そして、発電機８において回転エネルギーが電気エネルギーに変換され、発電機８に接続された集電ケーブル等により集電装置に集電される。
　遊星ギヤ４は、回転軸２上に設けられており、小さな直径の羽根車による高速回転であっても、発電に必要十分なだけの大きなトルクを生み出すための役割を担っている。このような構成により、風力を羽根車の回転エネルギーに効率よく変換し、より効率的な発電が可能になる。
　発電機８にはトルクリミッタが接続されており、風力発電装置５に係る荷重が所定の値以上になると、回転速度を減速させる機能を有する。つまり、回転軸２及びこれに接続された羽根車１１の過回転を防止するための機能を有する。風力が強く、回転軸２が所定の回転速度を超えると、直行ギヤ３と接続された発電機８にも過剰な負荷がかかり、発電機８の内部に設けられたダイナモが破損する可能性が高くなる傾向にあるが、トルクリミッタを備えることで、発電機８が破損する可能性を少なくすることができる。また、過回転を防止することで、空気と羽根１３との摩擦を減らし、騒音を抑制することができる。なお、本実施の形態においては、本発明の羽根車１１を、トルクリミッタを備えた風力発電装置５に用いたが、トルクリミッタを備えない発電装置に用いても良い。
　本発明の実施の形態にかかる、羽根車１１を用いた風力発電装置５は、所定の風洞の中に設置されることが好ましい。
　図５は、本発明の実施の形態にかかる、羽根車１１を用いた風力発電装置５の部分断面図の一例である。本明細書において、「略流線形」とは、風洞の壁体の縦断面における内周側縁部の形状を、風洞の吸気口側から内部に流れ込んだ風を風洞の内部で乱れを生じさせずに増速する、という目的の範囲内で変形した形状のことをいう。また、「略流線形」には、風洞の壁体の縦断面における外周側縁部の形状を、外周面における渦の発生を防止するという目的の範囲内で変形した形状も含まれる。このような変形の例として、風洞の壁体の縦断面における外周側縁部の形状が、風洞の前端部から後端部に達するまでの一部において流線形をなしている場合が挙げられる。また、「略流線形」には、風洞の壁体の縦断面における外周側縁部の形状を直線状にした形状も含まれる。
　風洞６は、吸気口を形成する前端部６１、風洞６の内径が最小となる最小内径部６２、及び排気口を形成する後端部６３を少なくとも備えている。風洞６の内径は、前端部６１から最小内径部６２にかけて徐々に小さくなり、最小内径部６２から後端部６３にかけて徐々に大きくなるように構成されている。すなわち、風洞６の内壁の一部が、風洞の中心軸６４に向かって膨出し、吸気口と排気口との間に、風洞の内径が最小となる最小内径部６２が形成されている。このように、風洞６が、中心軸６４に沿った縦断面が略流線形をなすように構成されていることにより、風洞６の吸気口から風洞内部に流れ込んだ風を増速することができ、発電量及び発電効率を向上させることが可能になる。また、風洞内部の風が増速していることにより、羽根車の羽根自体で揚力を得る必要がなくなるため、従来のような流線形形状や外周方向に向かって湾曲した形状の羽根でなくても、十分な発電性能を得られる。
　風力発電装置５は、支柱７の上部に固定されており、支柱７は、支持板（図示せず）に固定されている。支持板は、風洞６、及び支柱７を支持するための板であり、風洞６と一体となるように、風洞６の底部近傍に埋め込まれている。また、支持板は、支持板から風洞の底部を突き抜け下方に向かうように設けられた脚部（図示せず）を備え、脚部を所定の設置面に固定することで、風洞６及び風力発電装置５を固定する。
　羽根車１１は、支柱７よりも吸気口側に位置するよう設けられている。このような構成により、支柱７により生じる風の流れの乱れを、羽根車１１よりも十分に離れた位置において発生させることができるため、羽根車１１の近傍における増速効果の低下を抑制することが可能になる。
　羽根１３、もしくは支柱７の後方で生ずる後流、又は、支柱表面から風が剥離することにより生じるカルマン渦などによって、羽根車を通過後の風の流れが乱れると、風に進行方向以外の速度成分が生じてしまい、風洞内部の羽根車の後方において、風の流れが遅くなることがある。このような風の乱れが生じた場合、風洞の断面形状が略流線形であっても、吸気口から風洞６の内部に流れ込んだ風を十分に増速することができず、期待されるほどの高い発電効率を得られない恐れがある。従って、このような風の乱れによる発電効率への影響は、できる限り少なくすることが好ましい。
　また、羽根車１１は、羽根１３の風を受ける面が、吸気口側である前端部６１の方向を向くように設けられていることが好ましい。このような構成により、吸気口から風洞内部に流れ込んで増速した風を羽根車１１で効率よく受けることができ、発電量及び発電効率を向上させることが可能になる。
　また、羽根車１１は、羽根車１１の回転軸２が風洞６の中心軸６４に沿うように、風洞６の内部に設けられていることが好ましい。このような構成により、吸気口から風洞内部に流れ込んで増速した風を羽根車１１で効率よく受けることができ、発電量及び発電効率を向上させることが可能になる。
　さらに、風洞６の最小内径部６２の内径は、羽根車１１の羽根１３の回転半径をＲとするとき、２Ｒ以下にならない範囲において、３Ｒ以下が好ましく、２．６Ｒ以下であることがより好ましく、２．２Ｒ以下であることがさらに好ましい。このような構成にすることで、吸気口から風洞内部に流れ込んできた風を、羽根車１１付近において最も効率よく逓倍化・増速することができ、発電量及び発電効率を向上させることが可能になる。
１１　　　羽根車
１２　　　ハブ
１３　　　羽根
　２　　　回転軸
　３　　　直行ギヤ
３１　　　シャフト
　４　　　遊星ギヤ
　５　　　風力発電装置
　６　　　風洞
６１　　　前端縁
６２　　　最小内径部
６３　　　後端部
６４　　　風洞中心軸
６５　　　集電ケーブル
　７　　　支柱
　８　　　発電機
　９　　　トルクリミッタ

Claims (4)

  1. 複数枚の羽根と、
    中心に回転軸が設けられており、前記複数枚の羽根を周方向に略等間隔に配置するハブと
    を備える風力発電用の羽根車であって、
    前記羽根は、
    羽根車の外周に向かって幅を広げながら延びるように形成されており、
    羽根の前縁と後縁を結ぶ線分が、羽根車の回転軸の垂直な面に対して、略１０度以上、略２０度以下となるように傾斜しており、
    前記複数枚の羽根は、羽根車の回転方向前方の羽根の後縁と、回転方向後方の羽根の前縁との一部において、羽根車の正面視で重なる、
    風力発電用の羽根車。
  2. 前記複数の羽根は５枚であり、
    羽根車の回転方向前方の羽根と回転方向後方の羽根とが、羽根車の外周部分において、羽根車の正面視で重ならない、
    請求項１に記載の風力発電用の羽根車。
  3. 前記羽根は、略均等の厚さに形成された板状素材で形成され、かつ、風を受ける側の面が平面である、
    請求項１または２に記載の風力発電用の羽根車。
  4. 中心軸に沿って切断した縦断面が略流線形をなすように形成された風洞、風洞内に配置された請求項１～３のいずれかに記載の羽根車、及び羽根車の回転によって発電する発電機を少なくとも有する風力発電装置を備える風力発電システム。
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