WO2021193555A1 - 垂直軸風車 - Google Patents

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WO2021193555A1
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Inventor
公美子 松永
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Ntn株式会社
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    • 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
    • F03D3/062—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D3/064—Fixing wind engaging parts to rest of rotor
    • 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
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    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/007—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations the wind motor being combined with means for converting solar radiation into useful energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/30—Retaining components in desired mutual position
    • F05B2260/301—Retaining bolts or nuts
    • 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 wind turbine used in a wind power generation device, and particularly relates to a structure in which wings are fastened to an arm.
  • a lighting facility that is equipped with a wind power generation device and a solar power generation device and serves as a street light that lights the lighting device with the electric power obtained by these (for example, Patent Document 1).
  • a wind power generation device used for this lighting equipment a vertical axis type wind power generation device that does not require control of the wind direction and is applied to a relatively small wind turbine is installed. This also applies to lighting equipment that does not have solar power generation and generates electricity only with wind power generation equipment.
  • Patent Document 2 has been proposed.
  • Patent Document 3 has been proposed, which is also an example of a horizontal axis wind turbine.
  • a stud is joined to the wing root portion of the wind turbine, and an embedded metal fitting with a female thread is joined to this stud. It is inserted into the joined embedded hardware, and the wing and the wind turbine rotor in the center are fastened with bolts, and the wing and the wind turbine rotor are more firmly joined.
  • the rotary blade of the vertical axis wind turbine is composed of a blade 105 and an arm 106 which is a metal support component, and a resin blade 105 and a metal arm 106 are fastened with a bolt 123.
  • the wing support component 121 at the tip of the arm 106 and the wing engaging member 122 are provided, sandwiched from both sides of the wing 105, and fastened with bolts 123.
  • Patent Documents 1 and 2 are all propeller-shaped horizontal axis wind turbine technologies, and have a configuration in which the roots of blades extending radially around the central wind turbine rotor or rotating shaft are connected to the center wind turbine rotor or rotating shaft. Therefore, it cannot be applied to the portion where the intermediate portion of the vertical wing in the vertical axis wind turbine is connected to the arm.
  • the coupling structure shown in FIG. 10 is an example of a vertical axis wind turbine, but has the following problems. Since the blade 105 applied to the vertical axis wind turbine is made of resin, it is flexible, and there is a concern that the strength in the vicinity of the fastening portion of the blade 105 may be insufficient due to overtightening of the bolt 123. Therefore, although the bolt 123 is tightened with a low torque, an appropriate axial force cannot be maintained. There is a concern that the bolt 123 may loosen due to this, or that the blade 105 may fall off from the blade support component 121 due to the loosening of the bolt 123.
  • Hard locknuts and double nuts may be used to prevent the bolt 123 from loosening when tightening with low torque, but whichever is used, a large convex portion is generated on the wing surface.
  • the convex portion of the wing surface hinders the rotation of the wind turbine and hinders the power generation performance of the wind turbine generator, and it is necessary to reduce or eliminate the convex portion.
  • Rainwater may enter through the bolt holes 118 for fastening the blade 105 and the support component 121.
  • the blade 105 is hollow, water entering the inside of the blade 105 may cause the weight balance of the wind turbine to be lost, which may adversely affect the strength of the generator and the vibration of the columns.
  • the present invention solves the above problems, and an object of the present invention is to maintain sufficient strength in a vertical axis wind turbine so that the blades of the wind turbine and the blade support parts can be fastened more easily and firmly. Is.
  • the vertical axis wind turbine of the present invention is a vertical axis wind turbine in which a plurality of vertical wings arranged around a vertical axis of rotation are attached to the axis of rotation via an arm and used for wind power generation.
  • the wing mounting means for mounting the wing to the arm A blade support component provided at the tip of the arm and overlapping the surface of the blade on the rotation center side, A cylindrical collar inserted into the mounting hole that penetrates the wing, A blade engaging body that is provided separately or integrally with the collar and overlaps the surface of the blade on the anti-rotation center side. It has a bolt that is inserted through the collar and exerts an axial force so as to sandwich the wing between the wing support component and the wing engaging body. The collar bears the axial force acting between the wing support component and the wing engaging body.
  • the cylindrical collar inserted into the wing mounting hole bears the axial force of the bolt that penetrates the wing and acts between the wing support component and the wing engaging body. Therefore, even if the blade is made of a flexible material such as resin, the bolt can be tightened with an appropriate axial force without fear of being deformed by the axial force of the bolt. As a result, sufficient strength can be maintained, the wing and the wing support component can be firmly fastened, and loosening of the bolt due to the easiness of deformation due to the material of the wing is prevented, and it is necessary to provide a loosening prevention means. It can be fastened more simply and without the portion protruding from the surface of the wing becoming large by preventing loosening. Further, by using a cylindrical collar, it is possible to obtain a waterproof effect on the wing from the fastening portion.
  • the collar may be configured to penetrate the wing support component and the wing engaging body.
  • the wing supporting component and the wing engaging body and both end faces of the collar serve as a seating surface, and bolts can be fastened. Therefore, the axial force can be held more firmly.
  • both end faces of the collar may be brought into contact with the surfaces of the wing support component and the wing engaging body on the overlapping side with the wing.
  • the blade in which the collar is fitted in the mounting hole can be sandwiched between the blade support component and the blade engaging body to fasten the bolt. In this case as well, the axial force can be firmly maintained.
  • the collar may have a female threaded portion on the inner circumference, and the bolt may be screwed into the female threaded portion of the collar.
  • the fastening becomes stronger, the hard lock nut and double nut of the locking parts are not required, and the protruding part of the wind turbine blade surface can be reduced. ..
  • the collar may have a flange portion at least at the end opposite to the wing support component, and this flange portion may serve as the wing engaging body.
  • a wing engaging body of an independent component is used by superimposing it on the wing.
  • the axial force of the bolt can be borne by the collar as described above, and it is not necessary to increase the contact area for the purpose of reducing the surface pressure applied to the blade, and the flange portion provided on the collar Axial force can be sufficiently received with a contact area of about.
  • a nut is not required.
  • the flange portion of the collar can be used as the blade engaging body, the blade engaging body of an independent component is not required, and it is not necessary to provide a nut protruding from the blade surface, and the portion protruding from the blade surface can be reduced. .. Therefore, the wing engaging body protruding from the wing surface and the convex portion of the nut can be replaced with the wing engaging body composed of the flange portion of the collar, and the convex portion protruding from the wing surface can be reduced to reduce the rotational resistance. It will improve the power generation performance. In addition, the number of parts can be reduced and the cost can be reduced by eliminating the need for independent blade engaging bodies and nuts.
  • the bolt may be a low head type bolt. If the bolt is a low-head type, the part protruding from the wing surface becomes small due to the connection between the wing and the wing support part, the rotational resistance of the wind turbine becomes small, and the rotational resistance due to the protruding part reduces the power generation performance. Is prevented.
  • the "low head type” includes bolts that are commercially available as a low head type, as well as bolts that become a low head type depending on the shape of the bolt head, for example, a pan-shaped or flat-headed bolt head.
  • a solar power generation device may be provided. If a solar power generation device is provided, a large amount of power can be obtained in a compact configuration by using wind power generation and solar power generation in combination, and power can be generated even when there is no wind in the sunshine.
  • a generator that generates electricity by the rotation of the rotating shaft to which the wings are attached is provided, and lighting equipment that is lit by the electric power generated by the generator and lighting equipment that is driven by the electric power generated by the generator. It may be equipped with any one or both of the electric devices other than the above. In the case of a vertical axis windmill equipped with lighting equipment, lighting can be performed without wiring commercial power, and street lights and the like can be installed even in areas and places where commercial power wiring is not provided.
  • the vertical axis wind turbine 2 includes a rotary blade 5A, a support column 4 that supports the rotary blade 5A at the upper end, and a generator 3, and constitutes a wind power generator 1.
  • a plurality of vertical wings 5 are attached to the vertical rotating shaft 3a by the arms 6a and 6b.
  • the rotary blade 5A is composed of the plurality of blades 5 and the arms 6a and 6b.
  • Each of the columns 4 is a cylindrical large-diameter portion 4a on the lower side and a small-diameter portion 4b on the upper side, and a generator 3 is attached to an upper end portion protruding from the upper end of the small-diameter portion 4b.
  • the arm 6a is a main arm and extends horizontally.
  • the arm 6b is a sub-arm, which is provided above and below the main arm 6a, and the base end is joined to the base end of the main arm 6a or the rotation shaft 3a, and extends diagonally upward or diagonally downward so that the tip thereof becomes a wing 5. It is combined.
  • the generator 3 is composed of a permanent magnet synchronous generator or the like, and a stator is installed at the upper end of the support column 4.
  • the rotating shaft 3a is a rotating shaft of a rotor (not shown) of the generator 3, or a shaft connected to the rotor, via a bearing (not shown) in the small diameter portion 4b of the support column 4. It is rotatably supported.
  • the panel-shaped solar power generation device 11 and the lighting equipment 12 are installed on the upper part of the support column 4, and the storage battery 13 is provided inside or outside the large diameter portion 4a of the support column 4. , Used as street lights, etc. Both the wind power generated by the generator 3 and the photovoltaic power generated by the photovoltaic power generation device 11 are stored in the storage battery 13 and used for lighting the lighting equipment 12 at night.
  • the lighting equipment 12 has a light source (not shown) such as an LED, and may be of a type of lighting by direct current or a type of lighting by alternating current. In the case of a type that lights up by alternating current, an inverter (not shown) that converts the DC power of the storage battery 13 into alternating current is provided.
  • the support column 4 is provided with electrical equipment other than the lighting equipment driven by the stored power of the storage battery 13.
  • the lighting equipment 12 and the electric equipment other than the lighting equipment may be installed, or both of them may not be installed.
  • the wind power generation device 1 is used, for example, for supplying electric power to peripheral equipment, selling electric power, or the like.
  • the wing 5 has a main wing portion 5a extending in the vertical direction, and a pair of wing tip portions 5b, 5b extending from the upper and lower ends of the main wing portion 5a and inclined so that the tip approaches the rotation center side of the main wing portion 5a.
  • the cross-sectional shape of the main wing portion 5a is a lift shape as shown in FIG. 2, and has the same cross-sectional shape over the entire longitudinal direction.
  • the main wing portion 5a has a substantially fish shape in which the bulge on the front side in the rotational direction (arrow direction) is larger than that in the center in the wingspan direction, and the rear side gradually becomes thinner.
  • the rotation direction of the blade 5 is fixed.
  • the cross-sectional shape of the main wing portion 5a may be a drag shape such as a flat plate.
  • the blade tips 5b and 5b are shaped so that the wingspan narrows as they approach the tip.
  • the cross-sectional shape of the blade tip portions 5b and 5b may be a fish-shaped cross-sectional shape similar to that of the main wing portion 5a, or may be a flat plate shape or the like.
  • the blade tip portions 5b and 5b have a fish-shaped cross-sectional shape similar to that of the main blade portion 5a, the blade tip portions 5b and 5b have a cross-sectional shape that becomes thinner as the blade width narrows.
  • the material of the wing 5 is a resin material such as fiber reinforced plastic.
  • the wing 5 is entirely solid in this embodiment, but may be hollow.
  • the blade mounting means 16a and 16b for mounting the blade 5 to the arms 6a and 6b in FIG. 1 have the configurations shown in FIGS. 3 to 6. Since the wing mounting means 16a attached to the arm 6a, which is the main arm, and the wing mounting means 16a attached to the arm 6b, which is the secondary arm, are similar to each other except that the dimensions are different, the wing mounting means 16a to the main arm 6a will be described. However, the description of the blade attaching means 16b to the sub-arm 6b will be omitted.
  • the blade mounting means 16a for attaching the blade 5 to the arm 6a includes a blade support component 21 provided at the tip of the arm 6a and overlapping the surface on the rotation center side of the blade, and a plurality of blade supporting parts 21 penetrating the blade 5 from the front and back.
  • the collar 19 bears the axial force acting between the wing support component 21 and the wing engaging body 22.
  • the wing support component 21 is provided as a separate member from the arm 6a and is fixed to the arm 6a by welding or bolts (not shown) even if the member is integrally attached to the tip of the arm 6a. It may be a welded part.
  • the wing support component 21 is provided in a plate shape as shown in FIG. 3, and a plurality of insertion holes 24 (see FIG. 5) are provided so as to be aligned with the mounting holes 18 of the wing 5.
  • the blade engaging body 22 is a member for increasing the contact area and reducing the surface pressure applied to the blade 5 in order to protect the blade 5 against the tightening axial force of the bolt 23, and is made of a plate material or the like.
  • the blade engaging body 22 may be provided separately for each mounting hole 18 of the blade 5, or may be a member having insertion holes 25 matching the plurality of mounting holes 18.
  • the color 19 may be made of metal such as stainless steel, carbon steel, or aluminum, or may be made of ceramics or resin, but a material harder than the material constituting the wing 5 is used.
  • the inner and outer diameters of the collar 19 are set so that the gap between the inner peripheral surface of the mounting hole 18 and the outer peripheral surface of the bolt 23 is minimized within the range in which the mounting hole 18 and the bolt 23 can be smoothly inserted and removed.
  • the collar 19 penetrates the wing support component 21 and the wing engaging body 22 as shown by enlarging the V portion of FIG. 4 in FIG.
  • the length of the collar 19 is the same as the overlapping thickness of the wing 5, the wing support component 21, and the wing engaging body 22. Since the thickness of the wing 5 is different in each part in the wingspan direction because the wing 5 is the fish shape, the length of the collar 19 is the overlapping thickness at the position where the mounting hole 18 of the wing 5 is formed. ..
  • the head 23a of the bolt 23 engages with the surface of the wing support component 21 via the washer 26.
  • the first nut 27 and the locking nut 28 are doubly screwed, and the first nut 27 is attached to the wing engaging body 22 via the washer 29.
  • the cylindrical collar 19 inserted into the mounting hole 18 of the blade 5 bears the axial force of the bolt acting between the blade 5, the blade support component 21, and the blade engaging body 22. Therefore, the bolt 23 can be tightened with an appropriate axial force without causing the resin blade 5 to be deformed by the axial force of the bolt 23. As a result, the wing 5 and the wing support component can be firmly fastened while maintaining sufficient strength. Further, even if the wing 5 is made of resin, loosening of the bolt 23 due to the deformability of the wing 5 is prevented, it is not necessary to provide a loosening prevention means, and the surface of the wing 5 is simpler. It can be fastened without the portion protruding from the loosening stopper becoming large. Further, by using the cylindrical collar 19, it is possible to obtain a waterproof effect on the wing 5 from the fastening portion.
  • the collar 19 penetrates the wing support component 21 and the wing engaging body 22, but in this configuration, the wing support component 21, the wing engaging body 22, and both end faces of the collar 19 are connected to each other. It becomes a seat surface and the bolt 23 can be fastened. Therefore, the axial force can be held more firmly.
  • ⁇ Other embodiments> 6 to 8 show the mounting means 16a in each embodiment in which the configuration of the blade mounting means 16a is different. These embodiments are the same as those of the first embodiment except for the matters described in particular.
  • the length of the collar 19 and the wing support component 21 and the wing are such that both end faces of the collar 19 abut on the surface of the wing support component 21 and the wing engaging body 22 on the overlapping side with the wing 5.
  • the insertion hole 25 of the engaging body 22 is configured. In the case of this configuration, the blade 5 in which the collar 19 is fitted in the mounting hole 18 can be sandwiched between the blade support component 21 and the blade engaging body 22 to fasten the bolt 23. Even in the case of this configuration, the axial force can be firmly maintained.
  • a female screw portion 32 is formed on the inner peripheral surface of the collar 19, and a pair of bolts 23, 23 are screwed into the collar 19 from both sides.
  • the wing engaging body 22A is a washer provided for each bolt hole 18.
  • the heads 23a and 23a of the bolts 23 and 23 are smooth low-head type bolt heads such as hexagon socket button bolt heads and ultra-low head bolts.
  • the female screw portion 32 may be provided over the entire length of the collar 19, or the length of the female screw portion 32 may be about 1/3 of the length of the collar 19.
  • a female screw portion 32 is provided on the inner circumference of the collar 19 over the entire length, and a flange portion 19a is provided on the outer periphery of the end portion of the collar 19 on the anti-bolt insertion side.
  • the flange portion 19a is in contact with a peripheral portion of the insertion hole 25 on the surface of the blade engaging body 22.
  • the end face of the collar 19 on the flange portion 19a side is closed by the bottom portion 19b.
  • the bolt 23 is screwed into the female threaded portion 32 of the collar 19, and the head portion 23a is in contact with the peripheral portion of the insertion hole 24 on the surface of the wing support component 21.
  • the head portion 23a of the bolt 23 is a low head type such as a pan shape.
  • the flange portion 19a of the collar 19 engages with the blade engaging body 22, and the nut does not protrude from the blade engaging body 22 side. Therefore, the convex portion protruding from the blade surface becomes small, and the rotational resistance of the blade 5 increases. As it becomes smaller, it leads to improvement of the power generation fence brain of the wind power generation device 1. In addition, the number of parts is reduced. Since the head portion 23a of the bolt 23 is a low head type, the rotational resistance of the wing 5 is reduced.
  • the female threaded portion 32 of the collar 10 is provided over the entire length of the collar 10, but the female threaded portion 32 may be about 1/3 of the total length.
  • the separate wing engaging body 22 may be omitted, and the flange portion 19a of the collar 19 may be used as the wing engaging body so as to hit the surface of the wing 5.
  • the axial force of the bolt can be borne by the collar 19 as in the above embodiment, and it is not necessary to increase the contact area for the purpose of reducing the surface pressure applied to the blade 5. Therefore, the axial force can be sufficiently received with the size of the flange portion 19a provided on the collar 19.

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Abstract

垂直な回転軸の周囲に並ぶ垂直な翼５が、アームを介して回転軸に取付けられる垂直軸風車において、翼（５）をアームに取付ける翼取付手段（１６ａ）が、アームの先端に設けられ翼（５）の回転中心側の表面に重なる翼支持部品（２１）と、翼（５）を貫通する取付孔（１８）に挿通された円筒形のカラー（１９）と、このカラー（１９）とは別体または一体に設けられて翼（５）の反回転中心側の表面に重なる翼係合体（２２）とを備える。カラー（１９）に挿通されたボルト（２３）により、翼支持部品（２１）と翼係合体（２２）とで翼（５）を挟み付ける。カラー（１９）がボルト（２３）の軸力を負担する。

Description

垂直軸風車 関連出願
　本出願は、２０２０年３月２７日出願の特願２０２０－０５７５２２の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は、風力発電装置に用いられる垂直軸風車に関し、特に翼をアームに締結する構造に係る。
　風力発電装置と太陽光発電装置とを備え、これらにより得られる電力により照明装置を点灯させる街路灯となる照明設備がある（例えば、特許文献１）。この照明設備に用いられる風力発電装置として、風向きに対する制御が不要で比較的小型の風車に適用される垂直軸式の風力発電装置が装着されている。このことは、太陽光発電を有しておらず、風力発電装置のみで発電する照明設備についても言える。
　風車の翼は回転軸へ十分な強度で容易に取付けることが望まれる。この課題に対して、プロペラ形の水平軸風車に適用した例であるが、内部にねじ部を設けた埋込金物を風車翼の根部へ埋め込み、翼根部と回転軸外周の翼取付け板をボルトで締結する構成が提案されている（特許文献２）。また、風車の翼と風車ロータとをより強固に接合するという課題に対して、これも水平軸風車の例であるが、特許文献３が提案されている。同文献の例では、風車の翼根部にスタッドを接合し、且つ、このスタッドに雌ねじを切った埋込金物を接合する。接合された埋込金物に挿入し、ボルトで翼と中央の風車ロータを締結し、翼と風車ロータとをより強固に接合している。
　風力発電装置の垂直軸風車においては、図１０に示す構成が提案されている。垂直軸風車の回転翼は、翼１０５と金属の支持部品であるアーム１０６から成り、樹脂製の翼１０５と金属のアーム１０６をボルト１２３で締結している。この場合に、アーム１０６の先端の翼支持部品１２１と、翼係合部材１２２とを設け、翼１０５の両面から挟み込み、ボルト１２３で締結する。
特開２０１７－１９０７５１号公報 特開平１１－１８２４０８号公報 特開２００３―２９３９３５号公報
　特許文献１、２に開示された技術は、いずれも、プロペラ形の水平軸風車の技術であり、中央の風車ロータまたは回転軸に対して、その周囲に放射状に延びる翼の根部を結合する構成であるため、垂直軸風車における垂直な翼の中間部分をアームに結合する箇所には適用することができない。
　図１０に示した結合構造は垂直軸風車における例であるが、次の課題がある。垂直軸風車に適用される翼１０５は、樹脂製のために可撓性があり、ボルト１２３の締め過ぎるによる翼１０５の締結部付近の強度不足が懸念される。このため、低トルクでボルト１２３を締め付けるが、適正な軸力の保持ができない。これによるボルト１２３の緩みや、ボルト１２３の緩みによる翼１０５の翼支持部品１２１からの脱落の懸念がある。
　低トルクの締め付けに対するボルト１２３の緩み止めとして、ハードロックナットやダブルナットを使用することがあるが、どちらを使用しても翼面に大きな凸部が生じる。翼面の凸部は、風車の回転の妨げとなって、風力発電装置の発電性能の妨げとなり、凸部を小さくするか無くすことが必要である。なお、翼１０５と支持部品１２１の締結用のボルト孔１１８から雨水が浸入する可能性がある。例えば、翼１０５が中空の場合、水が翼１０５の内部へ入ることで、風車の重量バランスが崩れ、発電機の強度や支柱の振動へ悪影響を及ぼす可能性がある。
　この発明は上記課題を解消するものであり、その目的は、垂直軸風車において十分な強度を保ち、より簡易的に、且つ、強固に風車の翼と翼支持部品とを締結できるようにすることである。
　この発明の垂直軸風車は、垂直な回転軸の周囲に並ぶ複数枚の垂直な翼が、アームを介して前記回転軸に取付けられ、風力発電に用いられる垂直軸風車であって、
　前記翼を前記アームに取付ける翼取付手段が、
　前記アームの先端に設けられ前記翼の回転中心側の表面に重なる翼支持部品と、
　前記翼を貫通する取付孔に挿通された円筒形のカラーと、
　前記カラーとは別体または一体に設けられて前記翼の反回転中心側の表面に重なる翼係合体と、
　前記カラーに挿通され前記翼支持部品と前記翼係合体とで前記翼を挟み付けるように軸力を作用させるボルトとを有し、
　前記カラーが前記翼支持部品と前記翼係合体との間に作用する前記軸力を負担する。
　この構成によると、翼の取付孔に挿入された円筒状のカラーが、翼を貫通して翼支持部品と翼係合体との間に作用するボルトの軸力を負担する。そのため、翼が樹脂製等の可撓性を有する材質であっても、ボルトの軸力で変形する恐れを生じることなく、ボルトを適正な軸力で締め付けることができる。これにより、十分な強度を保ち、強固に翼と翼支持部品とを締結することができ、また翼の材質による変形し易さに起因するボルトの緩みが防止されて、緩み止め手段を設ける必要がなく、より簡易的に、かつ翼表面から突出する部分が緩み止めで大きくなることなく締結することができる。
　さらに、円筒状のカラーを用いることで、締結部からの翼への防水効果を得ることができる。
　この発明において、前記カラーが前記翼支持部品および前記翼係合体を貫通する構成であってもよい。
　カラーが翼支持部品および翼係合体を貫通することで、これら翼支持部品および翼係合体とカラーの両端面とが座面となり、ボルトを締結することができる。そのため、より強固に軸力を保持することができる。
　この発明において、前記カラーの両端面が前記翼支持部品および前記翼係合体の前記翼への重なり側の表面に当接するようにしてもよい。この構成の場合、カラーを取付孔に嵌め込んだ翼を、翼支持部品と翼係合体とで挟み込んでボルトを締結することができる。この場合も強固に軸力を保持することができる。
　この発明において、前記カラーが、内周に雌ねじ部を有し、前記ボルトは前記カラーの前記雌ねじ部に螺合する構成であってもよい。この構成の場合、カラー内部に雌ねじ部が形成されることで、締結がより強固になり、緩み止め部品のハードロックナットやダブルナットが必要なくなり、風車翼面の突出する部分を減らすことができる。
　この発明において、前記カラーが少なくとも前記翼支持部品とは反対側の端部にフランジ部を有し、このフランジ部が前記翼係合体となるようにしてもよい。従来は、翼を保護すべく、接触面積を増やして翼にかかる面圧を小さくするために、独立した部品の翼係合体を翼に重ねて使用していた。しかし、円筒形のカラーを用いることで、前記のようにカラーでボルトの軸力を負担できて、翼にかかる面圧の低下の目的で接触面積を増やす必要が無くなり、カラーに設けたフランジ部の程度の接触面積で軸力を十分に受けることができる。また、雌ねじ部を有するカラーを用いることで、ナットが不要となる。これらのため、カラーのフランジ部を翼係合体として利用できて、独立した部品の翼係合体が不要となり、かつ翼表面から突出するナットを設ける必要がなく、翼表面から突出する部分を小さくできる。そのため、従来、翼表面から突出していた翼係合体とナット分の凸部が、カラーのフランジ部からなる翼係合体で済み、翼表面から突出する凸部を小さくできて、回転抵抗の低減、発電性能の向上となる。また、独立した翼係合体およびナットが不要となって、部品点数が削減され、コスト低下可能となる。
　この発明において、前記ボルトが、低頭タイプのボルトであってもよい。ボルトが低頭タイプであると、翼と翼支持部品との結合のために翼表面から突出する部分が小さくなり、風車の回転抵抗が小さくなって、突出部分による回転抵抗で発電性能が低下することが防止される。なお、この明細書において「低頭タイプ」とは、低頭タイプとして市販されているボルトの他に、ボルト頭の形状により低頭タイプとなるボルト、例えば、なべ形、さら形等のボルト頭を含む。
　この発明において、太陽光発電装置を有していてもよい。太陽光発電装置を備えていると、風力発電と太陽光発電との併用により、コンパクトな構成で大きな発電電力が得られ、また日照時であれば無風時にも発電が行える。
　この発明において、前記翼が取付けられた前記回転軸の回転により発電する発電機を備え、この発電機で発電した電力により点灯される照明設備および前記発電機で発電した電力で駆動される照明設備以外の電気機器のいずれか一方または両方を備えていてもよい。照明設備を備えた垂直軸風車である場合、商用電力の配線を施すことなく照明が行え、街路灯等の設置が、商用電力配線を有しない地域や場所でも設置することができる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の第１の実施形態に係る垂直軸風車を備えた風力発電装置の斜視図である。 同垂直軸風車の翼の断面図である。 同翼とその取付用のボルトカラーの関係を示す分解斜視図である。 同垂直軸風車の翼とアームとの結合部分を示す断面である。 図４のＶ部の拡大断面図である。 同垂直軸風車の翼取付手段の変形例を示す断面図である。 同垂直軸風車の翼取付手段の他の変形例を示す断面図である。 同垂直軸風車の翼取付手段のさらに他の変形例を示す断面図である。 同翼取付手段におけるカラーの斜視図である。 垂直軸風車の翼取付手段の従来例を示す断面図である。
　　＜垂直軸風車の全体の構成＞
　この発明の第１の実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１において、垂直軸風車２は、回転翼５Ａと、この回転翼５Ａを上端に支持する支柱４と、発電機３を備え、風力発電装置１を構成する。
　垂直軸風車２は、複数枚（図示の例では２枚）の垂直な翼５がアーム６ａ，６ｂによって、垂直な回転軸３ａに取付けられている。前記複数枚の翼５と前記アーム６ａ，６ｂとで前記回転翼５Ａが構成される。支柱４は、それぞれ円筒状とされた下側の大径部４ａと上側の小径部４ｂとでなり、小径部４ｂの上端から突出した上端部に発電機３が取付けられている。前記アーム６ａは主アームであり、水平に延びている。前記アーム６ｂは副アームであり、主アーム６ａの上下にそれぞれ設けられて基端が主アーム６ａの基端または前記回転軸３ａに接合され、斜め上方または斜め下方に延びて先端が翼５に結合されている。
　前記発電機３は、永久磁石同期発電機等からなり、前記支柱４の上端にステータが設置されている。前記回転軸３ａは、発電機３のロータ（図示せず）の回転軸であり、または前記ロータに連結された軸であり、支柱４の小径部４ｂ内に軸受（図示せず）を介して回転自在に支持されている。
　　＜付属設備＞
　この実施形態の垂直軸風車２は、パネル状の太陽光発電装置１１と照明設備１２とが支柱４の上部に設置され、支柱４の大径部４ａの内部または外部には蓄電池１３が設けられ、街路灯等として用いられる。発電機３で発電された風力発電電力と太陽光発電装置１１で発電された太陽光発電電力とは、共に蓄電池１３に蓄電され、夜間に照明設備１２の点灯に使用される。照明設備１２は、ＬＥＤ等の光源（図示せず）を有し、直流で点灯する形式であっても、交流で点灯する形式であってもよい。交流で点灯する形式の場合は、蓄電池１３の直流電力を交流に変換するインバータ（図示せず）が設けてられる。
　支柱４には、この他に、蓄電池１３の蓄電電力で駆動される照明設備以外の電気機器が設けられている。なお、前記照明設備１２および照明設備以外の電気機器は、いずれか一方だけ設置してもよく、また両方とも設置しなくてもよい。両方とも設置しない場合、風力発電装置１は、例えば周辺設備への電力供給や、売電等に利用される。
　　＜翼５の構成＞
　翼５は、垂直方向に延びる主翼部５ａと、この主翼部５ａの上下端から延びて主翼部５ａの回転中心側に先端が近づくように傾斜した一対の翼先端部５ｂ，５ｂとを有する。主翼部５ａの断面形状は、図２に示すように揚力形とされ、長手方向の全体に渡って同じ断面形状である。詳しくは、主翼部５ａは、翼幅方向の中央よりも回転方向（矢印方向）の前側の膨らみが大きく、後側が次第に薄くなる略魚形とされている。揚力形の場合、翼５の回転方向は定まっている。主翼部５ａの断面形状は、平板状等の抗力形としてもよい。
　翼先端部５ｂ，５ｂは、先端に近づくに従って翼幅が狭まる形状とされている。翼先端部５ｂ，５ｂの断面形状は、主翼部５ａと同様な魚形の断面形状であっても、平板状等とされていてもよい。翼先端部５ｂ，５ｂは、主翼部５ａと同様な魚形の断面形状とする場合、翼幅が狭まるに従って薄くなる断面形状とされる。
　翼５の材質は、繊維強化プラスチック等の樹脂材料とされている。翼５は、この実施形態では全体が中実とされているが、中空であってもよい。
　　＜翼５をアーム６ａ，６ｂに取付ける翼取付手段１６ａ，１６ｂ＞
　図１における翼５をアーム６ａ，６ｂに取付ける翼取付手段１６ａ，１６ｂは、図３～図６に示す構成とされる。主アームであるアーム６ａに取付ける翼取付手段１６ａと副アームであるアーム６ｂに取付ける翼取付手段１６ａとは、寸法が異なる他は互いに同様であるため、主アーム６ａへの翼取付手段１６ａを説明し、副アーム６ｂへの翼取付手段１６ｂは説明を省略する。
　図４に示すように、翼５をアーム６ａに取付ける翼取付手段１６ａは、アーム６ａの先端に設けられ翼の回転中心側の表面に重なる翼支持部品２１と、翼５を表裏に貫通する複数の取付孔１８にそれぞれ挿通された複数の円筒形のカラー１９と、前記カラー１９とは別体設けられて翼５の反回転中心側の表面に重なる翼係合体２２と、前記カラー１９に挿通され前記翼支持部品２１と前記翼係合体２２とで翼５を挟み付けるように軸力を作用させるボルト２３とを有している。カラー１９が翼支持部品２１と翼係合体２２との間に作用する前記軸力を負担する。
　翼支持部品２１は、アーム６ａの先端にこのアーム６ａと一体に取付けられた部材であっても、アーム６ａとは別部材として設けられてアーム６ａに溶接またはボルト（図示せず）で固定された部品であってもよい。翼支持部品２１は、図３に示すように板状に設けられ、翼５の前記取付孔１８と整合するように、複数の挿通孔２４（図５参照）が設けられている。
　翼係合体２２は、ボルト２３の締め付け軸力に対して翼５を保護すべく、接触面積を増やし翼５にかかる面圧を小さくするための部材であり、板材等で構成されている。翼係合体２２は、翼５の取付孔１８毎に別個に設けても、また複数の取付孔１８に整合する挿通孔２５を有する部材としてもよい。
　カラー１９は、ステンレス鋼や炭素鋼、またはアルミニウム等の金属製であっても、またセラミックス製や樹脂製であってもよいが、翼５を構成する材料よりも硬質の材料が用いられてる。カラー１９の内外の径は、取付孔１８やボルト２３の挿脱が円滑に行える範囲で、取付孔１８の内周面およびボルト２３の外周面との隙間が最小となる径とされている。
　カラー１９は、この実施形態では、図４のＶ部を図５に拡大して示すように、翼支持部品２１および翼係合体２２を貫通する。カラー１９の長さは、翼５、翼支持部品２１および翼係合体２２の重なり厚さと同じ長さとされる。翼５の厚さは、翼５が前記魚形であって翼幅方向の各部で異なるため、カラー１９の長さは、翼５の取付孔１８が形成された位置における前記重なり厚さとされる。
　ボルト２３の頭部２３ａは、座金２６を介して翼支持部品２１の表面に係合する。ボルト２３の軸部２３ｂの先端側の端部は、第１のナット２７と緩み止め用のナット２８が二重に螺合し、第１のナット２７が座金２９を介して翼係合体２２に係合する。カラー１９の長さが前記のように翼５、翼支持部品２１および翼係合体２１の重なり厚さと同じ厚さとされているため、前記座金２６，２９は、それぞれカラー１９の端面から翼支持部品２１および翼係合体２２の表面に渡って接する。
　　＜作用＞
　この構成によると、翼５の取付孔１８に挿入された円筒状のカラー１９が、翼５と翼支持部品２１と翼係合体２２との間に作用するボルトの軸力を負担する。そのため、樹脂製の翼５がボルト２３の軸力で変形する恐れを生じることなく、ボルト２３を適正な軸力で締め付けることができる。これにより、十分な強度を保ち、強固に翼５と翼支持部品と２１を締結することができる。また、翼５が樹脂製であっても、翼５の変形し易さに起因するボルト２３の緩みが防止されて、緩み止め手段を設ける必要がなく、より簡易的に、かつ翼５の表面から突出する部分が緩み止めで大きくなることなく締結することができる。さらに、円筒状のカラー１９を用いることで、締結部からの翼５への防水効果を得ることができる
　また、この実施形態の場合、カラー１９が翼支持部品２１および翼係合体２２を貫通する構成であるが、この構成の場合、翼支持部品２１および翼係合体２２とカラー１９の両端面とが座面となり、ボルト２３を締結することができる。そのため、より強固に軸力を保持することができる。
　　＜他の実施形態＞
　図６～図８は、翼取付手段１６ａの構成が異なる各実施形態における取付手段１６ａを示す。これらの実施形態において、特に説明した事項の他は、第１の実施形態と同様である。
　図６の実施形態は、カラー１９の両端面が、翼支持部品２１および翼係合体２２の翼５への重なり側の表面に当接するように、カラー１９の長さと、翼支持部品２１および翼係合体２２の挿通孔２５が構成されている。この構成の場合、カラー１９が取付孔１８に嵌め込まれた翼５を、翼支持部品２１と翼係合体２２とで挟み込んでボルト２３を締結することができる。この構成の場合も強固に軸力を保持することができる。
　図７の実施形態は、カラー１９の内周面に雌ねじ部３２が形成され、カラー１９に両側から一対のボルト２３，２３がねじ込まれる。翼係合体２２Ａは、個々のボルト孔１８毎に設けられた座金とされている。各ボルト２３，２３の頭部２３ａ，２３ａとして、六角穴付きボタンボルト頭や、極低頭ボルト等の滑らかな低頭タイプのボルト頭としている。
　この構成の場合、カラー１９に雌ねじ部３２を設け、ボルト２３の締結に用いるため、通常のナットを用い構成に比べて締結がより強固になる。また、カラー１９がナットを兼ねるため、別途にナットを設けて翼表面から突出させる必要がない。このため、翼面の凸部を減らすことができ、さらにボルト２３の頭部２３ａに前記のような低頭タイプのボルト頭を用いることができる。これらにより、翼面の凸部を減らすことができて、翼５の回転抵抗が小さくなり、風力発電装置１の発電性能の向上に繋がる。なお、この実施形態において、図示の例ではカラー１９の全長に渡って雌ねじ部３２を設けているか、雌ねじ部３２の長さはカラー１９の長さの１／３程度あればよい。
　図８および図９に示す実施形態は、カラー１９の内周に全長に渡り雌ねじ部３２を設け、カラー１９の反ボルト挿入側の端部の外周にフランジ部１９ａを設けている。フランジ部１９ａは、翼係合体２２の表面における挿入孔２５の周辺部分に接している。カラー１９のフランジ部１９ａ側の端面は、底部１９ｂで閉鎖されている。ボルト２３はカラー１９の雌ねじ部３２にねじ込まれ、頭部２３ａが翼支持部品２１の表面における挿入孔２４の周辺部分に接している。ボルト２３の頭部２３ａは、なべ形等の低頭タイプとしてされている。
　この構成の場合、カラー１９のフランジ部１９ａが翼係合体２２に係合し、翼係合体２２側からナットが突出しないため、翼表面から突出する凸部が小さくなり、翼５の回転抵抗が小さくなりって、風力発電装置１の発電塀脳の向上に繋がる。また、部品点数が削減される。ボルト２３の頭部２３ａが低頭タイプであることからも、翼５の回転抵抗が低減する。
　この実施形態において、カラー１０の雌ねじ部３２はカラー１０の全長に渡って設けたが、雌ねじ部３２は全長の１／３程度あればよい。
　また、この実施形態において、別体の翼係合体２２を省略し、カラー１９のフランジ部１９ａを翼係合体として用いて翼５の表面に当たるようにしてもよい。円筒形のカラー１９を用いたことで、前記実施形態のようにカラー１９でボルトの軸力を負担できて、翼５にかかる面圧の低下の目的で接触面積を増やす必要が無くなる。そのため、カラー１９に設けたフランジ部１９ａ程度の大きさで軸力を十分に受けることができる。別体の翼係合体２２を省略したことで、翼係合体２２の突出分だけ、翼表面から突出する凸部が小さくなり、翼５の回転抵抗が削減される。
　以上、実施形態に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１…風力発電装置
２…垂直軸風車
３…発電機
４…支柱
５…翼
５Ａ…回転翼
５ａ…主翼部
５ｂ…傾斜部
６ａ，６ｂ…アーム
１１…太陽光発電装置
１２…照明設備
１３…蓄電池
１６ａ，１６ｂ…翼取付手段
１８…取付孔
１９…カラー
１９ａ…フランジ部
１９ｂ…底部
２１…翼支持部品
２２,２２Ａ…翼係合体
２３…ボルト
２３ａ…頭部
２３ｂ…軸部
２４，２５…挿通孔２６…座金
２７，２８…ナット
２９…座金
３２…雌ねじ部
１０５…翼
１０６…アーム
１１８…ボルト穴
１２１…翼支持部品
１２２…翼係合部材
１２３…ボルト

Claims (8)

  1. 　垂直な回転軸の周囲に並ぶ複数枚の垂直な翼が、アームを介して前記回転軸に取付けられ、風力発電に用いられる垂直軸風車であって、
    　前記翼を前記アームに取付ける翼取付手段が、
    　前記アームの先端に設けられ前記翼の回転中心側の表面に重なる翼支持部品と、
    　前記翼を貫通する取付孔に挿通された円筒形のカラーと、
    　前記カラーとは別体または一体に設けられて前記翼の反回転中心側の表面に重なる翼係合体と、
    　前記カラーに挿通され前記翼支持部品と前記翼係合体とで前記翼を挟み付けるように軸力を作用させるボルトとを有し、
    　前記カラーが前記翼支持部品と前記翼係合体との間に作用する前記軸力を負担する
    　垂直軸風車。
  2. 　請求項１に記載の垂直軸風車において、前記カラーが前記翼支持部品および前記翼係合体を貫通する垂直軸風車。
  3. 　請求項１に記載の垂直軸風車において、前記カラーの両端面が前記翼支持部品および前記翼係合体の前記翼への重なり側の表面に当接する垂直軸風車。
  4. 　請求項１に記載の垂直軸風車において、前記カラーが、内周に雌ねじ部を有し、前記ボルトは前記カラーの前記雌ねじ部に螺合する垂直軸風車。
  5. 　請求項４に記載の垂直軸風車において、前記カラーが少なくとも前記翼支持部品とは反対側の端部にフランジ部を有し、このフランジ部が前記翼係合体となる垂直軸風車。
  6. 　請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の垂直軸風車において、前記ボルトが、低頭タイプのボルトである垂直軸風車。
  7. 　請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の垂直軸風車において、太陽光発電装置を有する垂直軸風車。
  8. 　請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の垂直軸風車において、前記翼が取付けられた前記回転軸の回転により発電する発電機を備え、この発電機で発電した電力により点灯される照明設備および前記発電機で発電した電力で駆動される通信機器のいずれか一方または両方を備える垂直軸風車。
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