WO2022202488A1 - 風車及び風力発電装置 - Google Patents

Abstract

風車（１０）は、軸（１１）と、翼（１２）と、支持材（１３）とを備えている。風車は、軸の中心軸（Ａ）回りに回転可能である。翼は、中心軸の方向である軸方向に沿って延在している翼本体部（１２ａ）を有する。翼本体部は、軸方向に直交している断面視において、風車の回転方向の前方側の端である前縁（１２ａａ）と、回転方向の後方側の端である後縁（１２ａｂ）とを含む。支持材は、軸方向に直交し、かつ中心軸を通る径方向に沿って延在することにより軸と翼本体部とを接続している。支持材は、翼本体部に隣接している第１部分（１３ｃ）と、翼本体部とは反対側から第１部分に隣接している第２部分（１３ｄ）とを有する。支持材は、回転方向の後方側の端である後端（１３ｂ）を有する。前縁と後縁とを結んだ翼弦線の方向である翼弦方向において、後端の位置は、翼本体部に近づくにつれて、後縁の位置に近づく。

Description

風車及び風力発電装置

　本発明は、風車及び風力発電装置に関する。

　特開２０１１－１６９２９２号公報（特許文献１）には、風力発電用の縦型風車が記載されている。特許文献１に記載の縦型風車は、回転体と、ブレード（翼）と、水平支持腕（支持材）とを有している。回転体は、中心軸回りに回転可能になっている。翼は、回転体の中心軸の方向（軸方向）に沿って延在している主部を有している。支持材は、軸方向に直交し、かつ回転体の中心軸を通る方向（径方向）に沿って延在することにより、ブレードの主部と回転体とを接続している。支持材は、径方向に直交している断面において、略魚形である。

　特許第５５２７７８３号公報（特許文献２）には、風力発電用のロータが記載されている。特許文献１に記載のロータは、回転軸と、ブレード（翼）と、支持台（支持材）とを有している。回転軸は、中心軸回りに回転可能になっている。翼は、回転軸の中心軸の方向（軸方向）に沿って延在している。支持材は、軸方向に直交し、かつ回転軸の中心軸を通る方向（径方向）に沿って延在することにより、ブレードと回転軸とを接続している。支持材は、径方向に直交している断面において、流線形である。

特開２０１１－１６９２９２号公報 特許第５５２７７８３号公報

　特許文献１に記載の風車及び特許文献２に記載のロータでは、径方向に直交している支持材の断面形状が略魚形又は流線形とされることにより、支持材自体の空気抵抗を低減して回転エネルギー変換効率が改善されている。しかしながら、特許文献１に記載の風車及び特許文献２に記載のロータでは、支持材と翼との接続部における気流の乱れには着眼されていない。そのため、特許文献１に記載の風車及び特許文献２に記載のロータは、回転エネルギー変換効率に改善の余地がある。

　本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、回転エネルギー変換効率を改善可能な風車及び風力発電装置を提供する。

　本発明の第１の態様に係る風車は、軸と、翼と、支持材とを備えている。風車は、軸の中心軸回りに回転可能である。翼は、中心軸の方向である軸方向に沿って延在している翼本体部を有する。翼本体部は、軸方向に直交している断面視において、風車の回転方向の前方側の端である前縁と、回転方向の後方側の端である後縁とを含む。支持材は、軸方向に直交し、かつ中心軸を通る径方向に沿って延在することにより、軸と翼本体部とを接続している。支持材は、翼本体部に隣接している第１部分と、翼本体部とは反対側から第１部分に隣接している第２部分とを有する。支持材は、回転方向の後方側の端である後端を有する。前縁と後縁とを結んだ翼弦線の方向である翼弦方向において、後端の位置は、翼本体部に近づくにつれて、後縁の位置に近づく。

　本発明の第１の態様に係る風車では、支持材が、径方向に延在することにより軸と翼本体部とを接続している第１部材と、第１部材の翼本体部側の端部を軸方向において挟み込んでいる一対の板状の第２部材とを有していてもよい。

　本発明の第１の態様に係る風車では、径方向における第１部分の長さが、翼弦方向における前縁と後縁との間の距離である翼弦長以下であってもよい。

　本発明の第１の態様に係る風車では、軸方向における第１部分の厚さが、軸方向における第２部分の厚さよりも小さくてもよい。

　本発明の第２の態様に係る風車は、軸と、翼と、支持材とを備えている。風車は、軸の中心軸回りに回転可能である。翼は、中心軸の方向である軸方向に沿って延在している翼本体部を有する。支持材は、軸方向に直交し、かつ中心軸を通る径方向に沿って延在することにより、軸と翼本体部とを接続している。支持材は、翼本体部に隣接している第１部分と、翼本体部とは反対側から第１部分に隣接している第２部分とを有している。軸方向における第１部分の厚さは、軸方向における第２部分の厚さよりも小さい。

　本発明の第２の態様に係る風車では、翼本体部が、軸方向に直交している断面視において、風車の回転方向の前方側の端である前縁と回転方向の後方側の端である後縁とを含んでいてもよい。径方向における第１部分の長さが、前縁と後縁とを結んだ翼弦線の方向である翼弦方向における前縁と後縁との間の距離である翼弦長以下であってもよい。

　本発明に係る風力発電装置は、本発明の第１の態様又は第２の態様に係る風車と、風車の中心軸回りの回転により発電を行う発電機とを備えている。

　本発明の第１の態様に係る風車、本発明の第２の態様に係る風車及び本発明に係る風力発電装置によると、回転エネルギー変換効率を改善することができる。

風力発電装置１００の正面図である。 図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。 風力発電装置２００の断面図である。 変形例に係る風力発電装置１００の断面図である。 風力発電装置３００の斜視図である。 風力発電装置３００の断面図である。 風力発電装置４００の断面図である。 風力発電装置４００の拡大側面図である。 風力発電装置５００の斜視図である。 風力発電装置５００の断面図である。

　本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さない。

　（第１実施形態）
　第１実施形態に係る風力発電装置（以下においては「風力発電装置１００」とする）を説明する。

　＜風力発電装置１００の構成＞
　以下に、風力発電装置１００の構成を説明する。

　図１は、風力発電装置１００の正面図である。図１に示されるように、風力発電装置１００は、風車１０と、発電機２０とを有している。発電機２０は、風車１０が後述する中心軸Ａ回りに回転することにより、発電を行う。

　風車１０は、垂直軸風車（縦型風車）である。風車１０は、軸１１と、翼１２と、支持材１３とを有している。軸１１の中心軸を、中心軸Ａとする。中心軸Ａの方向を、軸方向とする。軸方向に直交し、かつ中心軸Ａを通る方向を、径方向とする。風車１０は、中心軸Ａ回りに回転可能である。

　軸１１は、軸方向に延在している。軸１１は、中心軸Ａ回りに回転可能である。翼１２は、翼本体部１２ａと、翼端傾斜部１２ｂと、翼端傾斜部１２ｃとを有している。翼本体部１２ａは、軸方向に沿って延在している。図２は、図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図２に示されるように、翼本体部１２ａは、例えば、軸方向に直交している断面視において、揚力形である。

　軸方向に直交している断面視において、翼本体部１２ａは、前縁１２ａａと、後縁１２ａｂとを有している。前縁１２ａａは、風車１０の回転方向（図２中に矢印で示されている）の前方側にある翼本体部１２ａの端である。後縁１２ａｂは、風車１０の回転方向の後方側にある翼本体部１２ａの端である。前縁１２ａａと後縁１２ａｂとを結んだ可能線を、翼弦線１２ａｃとする。翼弦線１２ａｃの方向を、翼弦方向とする。

　図１に示されるように、翼端傾斜部１２ｂは、翼本体部１２ａの軸方向における一方端（上端）に接続されている。翼端傾斜部１２ｂは、径方向内側に向かって傾斜しながら、翼本体部１２ａの上端から上方に延在している。翼端傾斜部１２ｃは、翼本体部１２ａの軸方向における他方端（下端）に接続されている。翼端傾斜部１２ｃは、径方向内側に傾斜しながら、翼本体部１２ａの下端から下方に延在している。

　支持材１３は、径方向に沿って延在している。支持材１３が径方向に沿って延在していることにより、軸１１と翼１２（翼本体部１２ａ）とが接続されている。図２に示されるように、支持材１３は、平面視において（軸方向に沿って見た際に）、前端１３ａと、後端１３ｂとを有している。前端１３ａは、風車１０の回転方向の前方側にある支持材１３の端である。後端１３ｂは、風車１０の回転方向の後方側にある支持材１３の端である。

　支持材１３は、第１部分１３ｃと、第２部分１３ｄとを有している。第１部分１３ｃは翼本体部１２ａに隣接している支持材１３の部分であり、第２部分１３ｄは翼本体部１２ａと反対側から第１部分１３ｃに隣接している支持材１３の部分である。

　翼弦方向において、第１部分１３ｃの後端１３ｂの位置は、翼本体部１２ａに近づくにしたがって、後縁１２ａｂの位置に近づいている。このことを別の観点から言えば、第１部分１３ｃの後端１３ｂの位置を示す直線は、第２部分１３ｄの後端１３ｂの位置を示す直線に対して鈍角をなしている。このことをさらに別の観点から言えば、第１部分１３ｃの翼弦方向における幅は、翼本体部１２ａに近づくにしたがって大きくなっている。

　なお、第１部分１３ｃの前端１３ａの位置を示す直線は、第２部分１３ｄの前端１３ａの位置を示す直線は、例えば、同一直線上にある。翼本体部１２ａ側の端における第１部分１３ｃの後端１３ｂの位置は、後縁１２ａｂの位置に一致していることが好ましい。また、第１部分１３ｃの後端１３ｂの位置は、翼弦方向において、後縁１２ａｂの位置から張り出していないことが好ましい。

　径方向における第１部分１３ｃの長さは、好ましくは、翼弦線１２ａｃの長さ（すなわち、翼弦長）以下である。翼弦方向における第２部分１３ｄの幅は、翼弦方向における第１部分１３ｃの幅よりも小さい。但し、第１部分１３ｃと第２部分１３ｄとの境界では、翼弦方向における第２部分１３ｄの幅が、翼弦方向における第１部分１３ｃの幅と等しくなっている。

　＜風力発電装置１００の効果＞
　以下に、風力発電装置１００の効果を比較例に係る風力発電装置（以下においては「風力発電装置２００」とする）と対比しながら説明する。風力発電装置２００の構成は、支持材１３の詳細を除いて、風力発電装置１００の構成と同一である。

　図３は、風力発電装置２００の断面図である。図３には、図１中のＩＩ－ＩＩに対応する位置の断面が示されている。図３に示されているように、風力発電装置２００では、支持材１３が、第１部分１３ｃと第２部分１３ｄとに区分されていない。すなわち、支持材１３では、前端１３ａの位置を示す直線が１つの直線により構成されており、後端１３ｂの位置を示す直線が１つの直線により構成されている。このことを別の観点から言えば、風力発電装置２００では、翼弦方向における支持材１３の幅が、径方向にわたって一定になっている。

　本発明者らが見出した知見によると、風力発電装置２００では、支持材１３と翼本体部１２ａとの接続部よりも回転方向の後方側の位置（図３中の点線で示される領域）に、気流の乱れが発生することがある。この気流の乱れは、翼面（すなわち、翼本体部１２ａの表面）と干渉して翼面を流れる気流の剥離を誘発する。

　他方で、風力発電装置１００では、翼弦方向において、翼本体部１２ａに近づくにしたがって第１部分１３ｃの後端１３ｂの位置が後縁１２ａｂの位置に近づいているため、支持材１３が、図３中の点線で示される領域にも存在していることになる。その結果、風力発電装置１００では、気流の乱れが発生する位置が、回転方向のさらに後方側に移動し、気流の乱れが翼面と干渉しにくくなる。このように、風力発電装置１００によると、翼面を流れる気流の剥離が誘発されにくくなる結果、回転エネルギー変換効率が改善される。

　風力発電装置１００では、第１部分１３ｃの後端１３ｂ側が後縁１２ａｂに向かって張り出しているため、風力発電装置２００と比較して、支持材１３の重量が増加し、風車１０の回転時に支持材１３に加わる遠心力が大きくなる。第１部分１３ｃの径方向における長さが翼本体部１２ａの翼弦長以下である場合には、上記の重量増加を抑制しつつ回転エネルギー変換効率を改善することができる。

　＜変形例＞
　図４は、変形例に係る風力発電装置１００の断面図である。図４には、図１中のＩＩ－ＩＩに対応する位置の断面が示されている。図４に示されるように、第１部分１３ｃの後端１３ｂは、曲線状であってもよい。

　（第２実施形態）
　第２実施形態に係る風力発電装置（以下においては「風力発電装置３００」とする）を説明する。ここでは、風力発電装置１００と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。

　風力発電装置３００は、風車１０と、発電機２０とを有している。風車１０は、軸１１と、翼１２と、支持材１３とを有している。支持材１３は、第１部分１３ｃと、第２部分１３ｄとを有している。これらの点に関して、風力発電装置３００の構成は、風力発電装置１００の構成と共通している。

　図５は、風力発電装置３００の斜視図である。図６は、風力発電装置３００の断面図である。図６には、図１中のＩＩ－ＩＩに対応する位置の断面が示されている。図５及び図６に示されるように、支持材１３は、第１部材１４と、一対の第２部材１５とにより構成されている。この点に関して、風力発電装置３００の構成は、風力発電装置１００の構成と異なっている。

　第１部材１４は、径方向に沿って延在している。これにより、軸１１と翼１２（翼本体部１２ａ）とは、第１部材１４により接続されている。一対の第２部材１５は、第１部材１４の翼本体部１２ａ側の端部を、軸方向において挟み込んでいる。第２部材１５は、板状の部材である。一対の第２部材１５及び一対の第２部材１５に挟み込まれている第１部材１４の端部は第１部分１３ｃを構成しており、一対の第２部材１５に挟み込まれていない第１部材１４の部分は第２部分１３ｄを構成している。

　風力発電装置３００は、第１部分１３ｃを有しているため、風力発電装置１００と同様に、翼面を流れる気流の剥離が誘発されにくくなる結果、回転エネルギー変換効率を改善することができる。なお、上記の例では、第１部材１４と一対の第２部材１５とが別部材であったが、１つの部材により同一の構造とすることによっても同一の効果が得られる。また、図６では、第２部材１５が一対の別部材として示されているが、１つの部材を折り曲げることにより同一の構造としてもよい。

　（第３実施形態）
　第３実施形態に係る風力発電装置（以下においては「風力発電装置４００」とする）を説明する。ここでは、風力発電装置１００と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。

　＜風力発電装置４００の構成＞
　以下に、風力発電装置４００の構成を説明する。

　風力発電装置４００は、風車１０と、発電機２０とを有している。風車１０は、軸１１と、翼１２と、支持材１３とを有している。支持材１３は、第１部分１３ｃと、第２部分１３ｄとを有している。これらの点に関して、風力発電装置４００の構成は、風力発電装置１００の構成と共通している。

　図７は、風力発電装置４００の断面図である。図７には、図１中のＩＩ－ＩＩに対応する位置の断面が示されている。図８は、風力発電装置４００の拡大側面図である。図７及び図８に示されるように、風力発電装置４００では、第１部分１３ｃの後端１３ｂが後縁１２ａｂ側に向かって張り出していない。すなわち、風力発電装置４００では、第１部分１３ｃの翼弦方向における幅が、径方向にわたって一定になっている。また、風力発電装置４００では、第１部分１３ｃの軸方向における厚さが、第２部分１３ｄの軸方向における厚さよりも小さくなっている。これらの点に関して、風力発電装置４００の構成は、風力発電装置１００の構成と異なっている。

　風力発電装置４００では、好ましくは、翼弦方向における第１部分１３ｃの幅が翼弦方向における第２部分１３ｄの幅よりも小さい。また、風力発電装置４００では、好ましくは、径方向における第１部分１３ｃの長さが、翼本体部１２ａの翼弦長以下である。

　＜風力発電装置４００の効果＞
　以下に、風力発電装置４００の効果を説明する。

　側方から見た際の支持材１３の投影面積（支持材１３の軸方向における厚さ）が大きくなるにしたがって、支持材１３から発生する気流の乱れが大きくなる。風力発電装置４００では、側方から見た際の投影面積が大きい支持材１３の部分（第２部分１３ｄ）が翼本体部１２ａから離れた位置にあるため、支持材１３が発生させた気流の乱れが翼本体部１２ａに干渉しにくくなる。

　また、風力発電装置４００では、側方から見た際の投影面積が小さい支持材１３の部分（第１部分１３ｃ）が翼本体部１２ａに隣接しているため、周速が大きくなる支持材１３の部分での支持材１３の回転抵抗を減らすことができ、第２部分１３ｄと比較して発生する気流の乱れを小さくすることができる。そのため、風力発電装置４００によると、回転エネルギー変換効率が改善される。

　風力発電装置４００では、第１部分１３ｃの断面積が小さくなっているが、第１部分１３ｃの径方向における長さを翼本体部１２ａの翼弦長以下にすることにより、支持材１３の剛性低下を抑制しつつ、回転エネルギー変換効率を改善することができる。

　（第４実施形態）
　第４実施形態に係る風力発電装置（以下においては「風力発電装置５００」とする）を説明する。ここでは、風力発電装置１００と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。

　風力発電装置５００は、風車１０と、発電機２０とを有している。風車１０は、軸１１と、翼１２と、支持材１３とを有している。支持材１３は、第１部分１３ｃと、第２部分１３ｄとを有している。これらの点に関して、風力発電装置５００の構成は、風力発電装置１００の構成と共通している。

　図９は、風力発電装置５００の斜視図である。図１０は、風力発電装置５００の断面図である。図１０には、図１中のＩＩ－ＩＩに対応する位置の断面が示されている。図９及び図１０に示されるように、第１部分１３ｃの軸方向における厚さは、第２部分１３ｄの軸方向における厚さよりも小さくなっている。この点に関して、風力発電装置５００の構成は、風力発電装置１００の構成と異なっている。

　風力発電装置５００の構成は、風力発電装置１００の構成と風力発電装置４００の構成とを組み合わせた構成になっている。そのため、風力発電装置５００によると、風力発電装置１００又は風力発電装置４００と比較して、回転エネルギー変換効率をさらに改善することができる。

　以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

　上記の実施形態は、垂直軸風車及び垂直軸風車を有する風力発電装置に特に有利に適用される。

　１０　風車、１１　軸、１２　翼、１２ａ　翼本体部、１２ａａ　前縁、１２ａｂ　後縁、１２ａｃ　翼弦線、１２ｂ，１２ｃ　翼端傾斜部、１３　支持材、１３ａ　前端、１３ｂ　後端、１３ｃ　第１部分、１３ｄ　第２部分、１４　第１部材、１５　第２部材、２０　発電機、１００，２００，３００，４００，５００　風力発電装置、Ａ　中心軸。

Claims (7)

1. 　風車であって、
   　軸と、翼と、支持材とを備え、
   　前記風車は、前記軸の中心軸回りに回転可能であり、
   　前記翼は、前記中心軸の方向である軸方向に沿って延在している翼本体部を有し、
   　前記翼本体部は、前記軸方向に直交している断面視において、前記風車の回転方向の前方側の端である前縁と、前記回転方向の後方側の端である後縁とを含み、
   　前記支持材は、前記軸方向に直交し、かつ前記中心軸を通る径方向に沿って延在することにより、前記軸と前記翼本体部とを接続しており、
   　前記支持材は、前記翼本体部に隣接している第１部分と、前記翼本体部とは反対側から前記第１部分に隣接している第２部分とを有し、
   　前記支持材は、前記回転方向の後方側の端である後端を有し、
   　前記前縁と前記後縁とを結んだ翼弦線の方向である翼弦方向において、前記後端の位置は、前記翼本体部に近づくにつれて、前記翼本体部の前記後縁の位置に近づく、風車。
2. 　前記支持材は、前記径方向に延在することにより前記軸と前記翼本体部とを接続している第１部材と、前記第１部材の前記翼本体部側の端部を前記軸方向において挟み込んでいる一対の板状の第２部材とを有する、請求項１に記載の風車。
3. 　前記径方向における前記第１部分の長さは、前記翼弦方向における前記前縁と前記後縁との間の距離である翼弦長以下である、請求項１又は請求項２に記載の風車。
4. 　前記軸方向における前記第１部分の厚さは、前記軸方向における前記第２部分の厚さよりも小さい、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の風車。
5. 　風車であって、
   　軸と、翼と、支持材とを備え、
   　前記風車は、前記軸の中心軸回りに回転可能であり、
   　前記翼は、前記中心軸の方向である軸方向に沿って延在している翼本体部を有し、
   　前記支持材は、前記軸方向に直交し、かつ前記中心軸を通る径方向に沿って延在することにより、前記軸と前記翼本体部とを接続しており、
   　前記支持材は、前記翼本体部に隣接している第１部分と、前記翼本体部とは反対側から前記第１部分に隣接している第２部分とを有し、
   　前記軸方向における前記第１部分の厚さは、前記軸方向における前記第２部分の厚さよりも小さい、風車。
6. 　前記翼本体部は、前記軸方向に直交している断面視において、前記風車の回転方向の前方側の端である前縁と、前記回転方向の後方側の端である後縁とを含み、
   　前記径方向における前記第１部分の長さは、前記前縁と前記後縁とを結んだ翼弦線の方向である翼弦方向における前記前縁と前記後縁との間の距離である翼弦長以下である、請求項５に記載の風車。
7. 　請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の前記風車と、
   　前記風車の前記中心軸回りの回転により発電を行う発電機とを備える、風力発電装置。

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