JP4151940B2

JP4151940B2 - Vertical axis windmill

Info

Publication number: JP4151940B2
Application number: JP2002066092A
Authority: JP
Inventors: 明哲水野
Original assignee: TAMA-TLO, LTD.
Current assignee: TAMA-TLO, LTD.
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2022-02-05
Also published as: JP2003227453A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、風力発電、揚水用動力などの使途に好適な垂直軸風車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境問題は今日の人類社会が解決すべき大きなテーマとなっており、例えば１９９７年１２月に開催された地球温暖化防止京都国際会議の議定書に提案されたような、具体的な改善目標が地球的規模で設定されるに至っている。
このような状況のもとで風力をはじめとする自然エネルギーを利用することは、地球環境を改善する上で極めて有効な手段であるといえる。風力エネルギーはいうまでもなく自然界に存在する風の力学的エネルギーであり、具体的には、発電機を介して電気エネルギーに変換して利用されたり、あるいはそのまま直接機械エネルギーとして揚水用動力などとして利用される。
【０００３】
ところで、風力エネルギーを利用するための風車は水平軸風車と垂直軸風車の２方式に大別される。水平軸風車はよく知られているように風車の回転軸が地面にほぼ水平に保たれる方式であり、垂直軸風車は図１に示すように風車の回転軸が地面にほぼ垂直に保たれる方式である。このうち水平軸風車は古くから蓄積された航空機のプロペラ理論を基礎にして進歩したため、例えば「風力発電技術」（１９９２年２月改訂パワー社）に開示されるようにすでに実用域に達した技術であるといえる。
【０００４】
一方、垂直軸風車はその回転軸が地面にほぼ垂直に設置された方式の風車であって、未だその技術は十分に確立されてはいないのが実情である。しかし、この垂直軸風車は水平軸風車に比較して以下のような特徴を有していることから、発電用などとして今後の発展が大いに期待される方式である。
（１）風向の変化に対する方向制御（首振りのメカニズム）が不要であるので構造を簡単にできる。また、翼のねじれがないので構造が簡単であり、制作費も安くできる。
（２）風向が変化してもジャイロ効果による振動が発生しない。また、ジャイロモーメントによる強度上の負担もない。
（３）風向の変化に対する遅れが生じない。
（４）周速比すなわち旋回速度と流入風速の比に対する性能の安定性がよいので、高さ方向の風速分布や時間的変動があっても高性能を維持できる。
（５）発電機が地面に固定できるので、大きさや重量の制約が少なく、低回転数での直接発電も可能である。
ここに、垂直軸風車が回転する機構は、詳細については後述するが、いったん風車がいずれかの方向に回転し始めると、ブレードに働く揚力によって回転のためのトルクが発生し、このトルクによって風車の回転が持続するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
発明者は、このような利点を有する垂直軸風車を実用化すべく、実験研究を推し進めることとした。しかしながら、その過程で、発明者は従来型の垂直軸風車では必ずしも安定した出力が得られないこと、また効率がいまだ十分とはいえないことなどの問題に直面した。
そこで、本発明は、上述した従来の垂直軸風車が抱えていた問題に鑑み、より安定した運転と高効率の発電を行いうる垂直軸風車を提案することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者は、対称翼型のブレードを用いた風洞実験などから、ブレード近傍の気流を詳細に観察・検討を行った結果、回転を効率よく行なうためにはブレードの迎え角を大きくすることが効果的であるが、迎え角を大きくするとブレード表面における境界層剥離の発生が大きく、逆に悪影響を及ぼすこと、またこの境界層剥離を抑制するにはブレードの前縁近傍の表面に凹凸を付与することにより、ブレード背面の気流境界層が早く乱流に移行するため剥離が遅れ、ブレード性能を著しく改善するということを知見した。
【０００７】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり垂直方向に延びる回転軸回りに配設され、該回転軸を中心に回転し、前記回転軸に沿って延び、前記回転に応答して風向に対してそれぞれ異なる迎え角を形成して揚力を生成させることで前記回転軸を中心とした回転力を生成する複数枚の対称翼型ブレードと、前記対称翼型ブレードの前縁の最先端部に翼長方向に沿って形成され、前記風向に向かって前記迎え角を持って回転する場合に前記風向に向く前記回転力を生成させるため、均一な間隔に形成された点状分布の凹形状、連続する突条、均一な間隔に形成された点状分布の凸形状、または均一な間隔に形成された点状の凹凸形状を有する乱流形成促進部とを備え、前記乱流形成促進部は、前記凹形状の場合は谷深さ、前記凸形状の場合は山高さ、または前記凹凸形状の場合には山谷深さの合計が、前記対称翼型ブレードの翼弦長の０．１％以上でかつ１０％以下とされることが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
垂直軸型風車は図１に例示するように、回転軸２が鉛直に設置され、回転軸２には支柱３を介して対称ないし対称に近い翼型ブレード１（図１ではブレード数が３枚）が固定されている。また、回転軸２には発電機４が直接的に固定されるか伝達機構を介して回転可能としてある。ここで、各ブレードは図２に示すように、対称翼型ブレードである。すなわち、これらのブレードは柱状をなしており、柱体の軸に垂直な断面が長軸ａに対してほぼ対称であるとともに、ブレードの断面形状は流線型をなしている。なお、実機ではブレーキやクラッチなども必要になるが、本発明に直接関係のない機器については記述を省略する。
【０００９】
垂直軸型風車の回転機構について、図３により詳細に説明する。図３において、左方から右方に向かう風向の気流中で、ブレードが時計方向に回転している状態にあるとする。風速Ｕとブレード周速Ｖとの合速度として相対速度Ｗが形成され、この合速度Ｗに基づいてＷに垂直に揚力Ｌが発生する。このため、ブレードにはこの揚力Ｌの回転方向（ｔ方向）成分Ｌ_ｔが発生することとなり、このＬ_ｔが駆動力となって、回転軸を中心にしてブレードの回転が持続する。
ブレードは対称翼型またはそれに近い形状であるので、ブレードがどの回転軸位置にあっても、揚力Ｌの回転方向成分が存在し、風車の回転が持続可能となる。なお、図１や図３で示した風車は回転軸周りに３枚の対称翼型ブレードを具えた場合であったが、上述した回転の機構はブレード数が２枚以上であれば同様に成り立つ。
表面の凹凸が境界層制御に役立つことは、たとえばゴルフボールのディンプルなど広く経験されていることである。本発明は前縁に乱流促進装置を置くことで、ブレードの必要な面のみに乱流促進効果が有効に働くことを特徴とする。
【００１０】
さて、発明者の研究によれば、こうした従来の対称翼型ブレードを具えた垂直軸風車の効率が未だ十分に発揮されないのは、回転中のブレードが例えば図４（ａ）の位置にあるときに、ブレードの背面側（図４では上面側）で境界層（層流境界層）剥離が生じるからである。発明者はこうした境界層剥離が垂直軸風車の効率を低下させていることを確認した。
そこで、発明者は、こうした境界層剥離を生じさせないための対称翼型ブレードの形状について鋭意検討を行った。その結果、図４（ｂ）の１ａに例示するように、対称翼型ブレードの前縁に凹凸部（正確には凹部および／または凸部）の乱流形成促進部を形成しておくと、前縁近傍の層流気流が乱流となり、境界層剥離のタイミングが遅れブレードの後方にずれることがわかった。
【００１１】
なお、対称翼型ブレードが回転軸を中心に回転して、対称翼型ブレードの迎え角が図４の場合（α）と逆になる位置（−α）にきた場合には、境界層剥離はブレードの下面で生じる。この位置に対称翼型ブレードがあるときにも、前縁に形成した凹凸部による乱流形成促進の機能は同様に発揮されて、所期の効果が得られる。このようにして、本発明では、対称翼型ブレードの前縁に乱流形成促進部を設けるので、風に対する迎え角がいかなる場合であっても、背面側に形成されやすい境界層剥離を常に遅延させるという効果が得られる。
さらに、風向が正面（迎え角が０）からきている場合には、乱流形成促進部がよどみ点付近の流れの少ない部分に存在するため、乱流形成促進部がもたらす障害はほとんどなく、無視できる程度である。
【００１２】
発明者は、その後、さらに詳細な調査・検討を行ったところ、前縁に形成する乱流形成促進部の形態は、図５（ａ）に例示するように凸状の突起が柱体の軸方向に連続したもの、図５（ｂ）に示すように凸状の突起が点状に分布したもの、図５（ｃ）に示すように凹状のへこみからなるものなどのほか、凹部と凸部が混在したもの、またこれら配列の如何を問わず、乱流形成を促進する形状のもであれば同様な効果が得られることがわかった。また、乱流形成促進部のサイズは高さ（凸部の場合は山高さ、凹部の場合には谷深さ、凹凸混在の場合には山高さと谷深さの合計）が翼弦長の０．１％以上でかつ１０％以下の長さであることが好ましいこともわかった。翼弦長の０．１％以下では剥離の遅れは観察されず効果が見られない。また１０％を越えると流れに対する抵抗が大きくなり効率が低下する。ここで、翼弦長とはブレードの進行方向（図２中ａの方向）の長さであり、前縁とはブレードの最先端部を意味するものとする。
垂直軸風車の対称翼型ブレードが上述したような乱流形成促進のための凹凸部を具備すれば、その乱流発生機能によってブレードの背面側に形成されやすい境界層剥離が抑制され、結果的に風車の効率が改善されるのである。
さらに、本発明の凹凸をつけることで、ブレード周りの流れに回り込みが発生するので容易に回転が起動され、従来困難とされた自己起動特性にも有利となる。これは、真横から流れがぶつかった場合にも凹凸のためにブレードの背面で剥離の少ない流れとなるために推進力が発生することによるものである。
【００１３】
【実施例】
厚み４５ｍｍ、翼弦長２５０ｍｍ、長さ２４００ｍｍの寸法からなる対称翼型ブレードを硬質塩化ビニルの材料を用いて作製した。半径１８００ｍｍ、３枚翼の構成とした。ブレードの前縁には高さが２．５ｍｍの点状の凹凸を付与したブレード（発明例）と、このような凹凸を形成しないもの（比較例）をそれぞれ３枚使用して図１に示す風車を製作した。このようにして製作した風車を、風速５ｍ／ｓおよび８ｍ／ｓの気流中におき、出力性能を測定した。得られた結果を表１に示す。周速比や負荷条件などにより異なるものではあるが、典型的な測定例を示す。またそのときの出力係数の比較結果を表２に示す。本発明による凹凸を負荷することで１５％程度の性能向上が計られていることがわかった。
【００１４】
【表１】

【００１５】
【表２】

【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、対称翼型ブレードの前縁に乱流形成促進部を有しているので、以下の効果が期待できるのである。
１）安定した運転と高効率の発電を行いうる垂直軸風車を提供することが可能となる。
２）周速比を低く設定できるので、低速回転で高性能を発揮でき、騒音問題回避が図られる上、遠心力が軽減されるので強度設計上の自由度が増加する。
３）厚いブレードでも高性能を発揮できるため、強度設計が容易となる。
４）ブレード周りの流れに回り込みが発生し、従来困難とされた自己起動特性に有利となる。
５）風力エネルギーの利用による地球環境改善に大いに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】垂直軸風車の１例を示す斜視図である。
【図２】垂直軸風車に用いる対称翼型ブレードを示す斜視図および平面図である。
【図３】垂直軸風車の回転機構を説明するための模式図である。
【図４】対称軸翼型ブレードの近傍における気流の状態を示す模式図である。
【図５】対称翼型ブレードの前縁に形成される乱流形成促進部の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１：対称翼型ブレード
２：回転軸
３：支柱
４：発電機
１ａ：乱流形成促進部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vertical axis wind turbine suitable for use such as wind power generation and pumping power.
[0002]
[Prior art]
Global environmental problems have become a major theme that human society today must solve. For example, there are concrete improvement targets proposed in the Protocol of the Kyoto International Conference on Global Warming Prevention held in December 1997. It has been set on a global scale.
Under such circumstances, using natural energy such as wind power is an extremely effective means for improving the global environment. Needless to say, wind energy is the mechanical energy of wind that exists in nature. Specifically, it is converted into electrical energy via a generator, or directly used as mechanical energy as pumping power. Used.
[0003]
By the way, wind turbines for utilizing wind energy are roughly classified into two types: horizontal axis wind turbines and vertical axis wind turbines. As is well known, the horizontal axis windmill is a system in which the rotation axis of the windmill is kept substantially horizontal on the ground, and the vertical axis windmill is maintained substantially perpendicular to the ground as shown in FIG. It is a method. Of these, horizontal axis windmills have advanced on the basis of aircraft propeller theory that has been accumulated for a long time. For example, as already disclosed in “Wind Power Generation Technology” (revised in February 1992, Power Company) You can say that.
[0004]
On the other hand, the vertical axis wind turbine is a wind turbine of which the rotation axis is installed almost perpendicularly to the ground, and the technology is not yet well established. However, since this vertical axis wind turbine has the following characteristics as compared with a horizontal axis wind turbine, it is a system that is expected to be developed in the future for power generation.
(1) Since the direction control (swing mechanism) with respect to the change in wind direction is unnecessary, the structure can be simplified. In addition, since there is no twist of the wing, the structure is simple and the production cost can be reduced.
(2) No vibration due to the gyro effect occurs even if the wind direction changes. In addition, there is no strength burden due to the gyro moment.
(3) There will be no delay against changes in wind direction.
(4) Since the stability of the performance with respect to the circumferential speed ratio, that is, the ratio of the turning speed and the inflow wind speed is good, high performance can be maintained even if there is a wind speed distribution in the height direction and temporal variations.
(5) Since the generator can be fixed to the ground, there are few restrictions on size and weight, and direct power generation at a low rotational speed is also possible.
The mechanism for rotating the vertical axis wind turbine will be described in detail later, but once the wind turbine starts to rotate in either direction, torque for rotation is generated by the lift acting on the blade, and this torque causes the wind turbine to rotate. The rotation of the is sustained.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The inventor decided to promote experimental research in order to put the vertical axis wind turbine having such advantages into practical use. However, in the process, the inventors faced problems such as that the conventional vertical axis wind turbine cannot always obtain a stable output and the efficiency is still not sufficient.
Therefore, in view of the problems of the conventional vertical axis wind turbine described above, an object of the present invention is to propose a vertical axis wind turbine that can perform more stable operation and high-efficiency power generation.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of detailed observation and examination of the airflow in the vicinity of the blade from a wind tunnel experiment using a symmetric wing blade, the inventors have found that increasing the angle of attack of the blade is effective for efficient rotation. However, if the angle of attack is increased, the occurrence of boundary layer peeling on the blade surface will increase and adversely affect the surface. To suppress this boundary layer peeling, the surface near the leading edge of the blade is uneven. As a result, it has been found that the air flow boundary layer on the back of the blade shifts to turbulence quickly, so that the separation is delayed and the blade performance is remarkably improved.
[0007]
The present invention has been made on the basis of the above knowledge, and is arranged around a rotation axis extending in the vertical direction, rotates about the rotation axis, extends along the rotation axis, and responds to the rotation in the wind direction. A plurality of symmetrical airfoil blades that generate rotational force about the rotational axis by forming different angles of attack with respect to each other and the leading edge of the front edge of the symmetrical airfoil blade In order to generate the rotational force that is formed along the blade length direction and rotates toward the wind direction with the angle of attack, the concave shape of the point distribution is formed at uniform intervals. , successive ridges, convex shape of the formed punctate distribution uniform intervals or Preparations give a turbulence-promoting unit having a uniform punctate uneven shape formed on the interval, the turbulence-promoting If the concave shape, the portion has a valley depth, the convex shape field Peak height is or the total peak to valley depth in the case of the irregularities, the at symmetrical airfoil blades than 0.1% of the wing chord length and is preferably set to 10% or less.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As illustrated in FIG. 1, the vertical axis type wind turbine has a rotary shaft 2 installed vertically, and the rotary shaft 2 has a symmetric or nearly symmetrical airfoil blade 1 via a support column 3 (the number of blades is three in FIG. 1). ) Is fixed. In addition, the generator 4 is fixed directly to the rotating shaft 2 or is rotatable through a transmission mechanism. Here, each blade is a symmetrical airfoil blade as shown in FIG. That is, these blades have a columnar shape, and the cross section perpendicular to the axis of the column body is substantially symmetric with respect to the long axis a, and the cross sectional shape of the blade is streamlined. In addition, although a brake, a clutch, etc. are needed in a real machine, description is abbreviate | omitted about the apparatus which is not directly related to this invention.
[0009]
The rotation mechanism of the vertical axis wind turbine will be described in detail with reference to FIG. In FIG. 3, it is assumed that the blade is rotating clockwise in the airflow in the direction of the wind from the left to the right. A relative speed W is formed as a combined speed of the wind speed U and the blade peripheral speed V, and a lift L is generated perpendicular to W based on the combined speed W. For this reason, a rotational direction (t direction) component L _t of this lift L is generated in the blade, and this L _t becomes a driving force, and the rotation of the blade is maintained around the rotational axis.
Since the blade has a symmetrical airfoil shape or a shape close thereto, a rotational direction component of the lift L is present regardless of the rotational axis position of the blade, and the rotation of the windmill can be sustained. The windmills shown in FIGS. 1 and 3 were provided with three symmetrical wing-shaped blades around the rotation axis, but the above-described rotation mechanism is similarly established if the number of blades is two or more. .
The fact that the unevenness on the surface is useful for controlling the boundary layer is that it has been widely experienced, for example, dimples on golf balls. The present invention is characterized in that the turbulence promoting effect works effectively only on the necessary surface of the blade by placing the turbulence promoting device at the leading edge.
[0010]
According to the inventor's research, the efficiency of the vertical axis wind turbine provided with such a conventional symmetric airfoil blade is not sufficiently exhibited when the rotating blade is at the position shown in FIG. In addition, boundary layer (laminar flow boundary layer) separation occurs on the back side of the blade (upper side in FIG. 4). The inventor has confirmed that such boundary layer separation reduces the efficiency of the vertical axis wind turbine.
Therefore, the inventor has intensively studied the shape of the symmetrical airfoil blade so as not to cause such boundary layer separation. As a result, as illustrated in 1a of FIG. 4 (b), when a turbulent flow formation promoting portion of a concavo-convex portion (exactly a concave portion and / or a convex portion) is formed on the front edge of the symmetrical wing blade, It was found that the laminar airflow near the leading edge became turbulent, and the boundary layer separation timing was delayed and shifted to the rear of the blade.
[0011]
When the symmetric airfoil blade rotates about the rotation axis and the angle of attack of the symmetric airfoil blade reaches a position (-α) opposite to (α) in FIG. Occurs on the lower surface of the blade. Even when there is a symmetrical airfoil blade at this position, the function of promoting the formation of turbulent flow by the concavo-convex portion formed at the leading edge is similarly exhibited, and the desired effect is obtained. In this way, in the present invention, since the turbulent flow formation promoting portion is provided at the leading edge of the symmetric wing blade, boundary layer separation that tends to be formed on the back side is always delayed regardless of the angle of attack against the wind. The effect of letting it is obtained.
In addition, when the wind direction is from the front (attack angle is 0), the turbulence formation promoting part is present in the part where there is little flow near the stagnation point, so there is almost no obstacle caused by the turbulence formation promoting part. It is possible.
[0012]
The inventor then conducted further detailed investigations and examinations. As a result, the turbulent flow formation promoting portion formed on the leading edge has a convex protrusion as the axis of the column as illustrated in FIG. Consecutive direction, convex projections distributed as dots as shown in FIG. 5 (b), concave dents as shown in FIG. 5 (c), etc. It has been found that the same effect can be obtained if the shape has a shape that promotes the formation of turbulent flow regardless of the arrangement of these elements and the arrangement. The size of the turbulent flow promoting portion is 0 (the peak height for the convex portion, the valley depth for the concave portion, and the sum of the peak height and the valley depth for the uneven portion) of the chord length. It was also found that the length is preferably 1% or more and 10% or less. When the chord length is 0.1% or less, no delay is observed and no effect is observed. On the other hand, if it exceeds 10%, resistance to flow increases and efficiency decreases. Here, the chord length is the length of the blade in the traveling direction (direction a in FIG. 2), and the leading edge means the leading edge of the blade.
If the symmetric wing blade of the vertical axis wind turbine has the concavo-convex portion for promoting the turbulent flow as described above, the boundary layer separation that tends to be formed on the back side of the blade is suppressed by the turbulent flow generation function. In addition, the efficiency of the windmill is improved.
Further, by providing the unevenness of the present invention, the flow around the blade is generated, so that the rotation is easily started, which is advantageous for the self-starting characteristic which has been conventionally difficult. This is because, even when the flow collides from the side, a propulsive force is generated because the flow is less separated at the back of the blade due to the unevenness.
[0013]
【Example】
A symmetrical airfoil blade having a thickness of 45 mm, a chord length of 250 mm, and a length of 2400 mm was produced using a hard vinyl chloride material. A radius of 1800 mm and a three-blade configuration were used. The front edge of the blade is shown in FIG. 1 using three blades having a dot-like irregularity with a height of 2.5 mm (invention example) and those not forming such irregularities (comparative example). I made a windmill. The wind turbine manufactured in this way was placed in an air flow with a wind speed of 5 m / s and 8 m / s, and the output performance was measured. The obtained results are shown in Table 1. A typical measurement example is shown although it varies depending on the peripheral speed ratio and load conditions. Table 2 shows the comparison result of the output coefficients at that time. It was found that a performance improvement of about 15% was achieved by loading the unevenness according to the present invention.
[0014]
[Table 1]

[0015]
[Table 2]

[0016]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the turbulent flow formation promoting portion is provided at the leading edge of the symmetric wing blade, the following effects can be expected.
1) It is possible to provide a vertical axis wind turbine capable of performing stable operation and highly efficient power generation.
2) Since the peripheral speed ratio can be set low, high performance can be achieved at low speed rotation, noise problems can be avoided, and centrifugal force is reduced, so the degree of freedom in strength design increases.
3) Since high performance can be exhibited even with a thick blade, strength design is easy.
4) A flow around the blade occurs, which is advantageous for the self-starting characteristics that have been difficult in the past.
5) Greatly contributes to the improvement of the global environment through the use of wind energy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a vertical axis wind turbine.
FIG. 2 is a perspective view and a plan view showing a symmetric airfoil blade used in a vertical axis wind turbine.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a rotation mechanism of a vertical axis wind turbine.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of airflow in the vicinity of a symmetric axial blade.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a turbulent flow formation promoting portion formed on the leading edge of a symmetric airfoil blade.
[Explanation of symbols]
1: Symmetric airfoil blade 2: Rotating shaft 3: Strut 4: Generator 1a: Turbulence formation promoting part

Claims

It is arranged around a rotation axis extending in the vertical direction, rotates about the rotation axis, extends along the rotation axis, and generates lift by forming different attack angles with respect to the wind direction in response to the rotation. A plurality of symmetrical airfoil blades that generate a rotational force about the rotational axis ,
Uniformly formed in the leading edge portion of the leading edge of the symmetric airfoil blade along the blade length direction and generating the rotational force toward the wind direction when rotating at the angle of attack toward the wind direction. Turbulent flow formation having a concave shape of point distribution formed at a uniform interval, a continuous protrusion, a convex shape of a point distribution formed at a uniform interval, or a concavo-convex shape of dots formed at a uniform interval e Bei and promoting portion, the turbulence-promoting portion, said concave case of valley depth, the convex peak height in the case of, or the total peak to valley depth in the case of the irregularities, the A vertical axis wind turbine that is 0.1% or more and 10% or less of the chord length of the symmetric airfoil blade .