JP5342382B2 - 垂直軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、風力エネルギーを風力発電等に利用する垂直軸風車に関する。

垂直軸風車は、水平軸風車とは異なり風向きを考慮しなくて良いため、風向が一定せず、風が舞う地域に配置するのに適している。また、周速が遅いため発生音が低く、人家の近くでも設置できる。垂直軸風車としては、風車の回る原理において多種多様なものが存在しているが、例えば、特許文献１には、帆布の前縁部をブレード枠に固定し、帆布の後縁部に弾性体を装備した垂直軸セイルウィング風車が開示されている。帆布は翼弦の長さが翼高より横長の翼を形成しており、風をはらんだ翼が弾性体を引き伸ばすことにより、その抗力を利用して回転動作をする。

特開平６−１７７４５号公報（第２頁、段落番号０００２、図１）

特許文献１では、翼が回転することにより、翼の前縁部で発生する乱流を抑止するために、ブレード枠の前側の形状をロケット型にして風車効率を高めている。特許文献１の例では、横長の翼となっているが、翼の上下から回り込む風か乱流を引き起こし、風車効率は高まらない。翼を垂直方向に長くすれば、翼の上下から回り込む風による乱流の影響は低減するが、逆に前縁部における乱流が増加することになる。

本発明は、乱流による風車効率の低下を抑制した垂直軸風車を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は 縦長状の複数の翼を備えた垂直軸風車において、縦長状の複数の翼を備えた垂直軸風車において、垂直軸風車の縦回転中心軸に上下に間隔をおいて固設された一対の支持アーム部材と、水平断面外周形状が流線形状である翼前縁と前記翼前縁に連続した翼後縁とを有し、前記一対の支持アーム部材に上下端部を縦線回りの回動自在に支承された複数の翼と、前記翼後縁よりも前記縦回転中心軸を中心とした正回転方向の後側に間隔を置き、かつ上下方向へ離間した複数位置に設けられ前記縦回転中心軸に回転力を与える作用点となる止着部と、上下方向に離間した前記翼後縁の複数位置とその後側に位置する複数の線止着部とをそれぞれ結合する線部材とを備え、前記翼前縁は、前記一対の支持アーム部材に上下端部を縦線回りの回動自在に支承された縦梁と、縦梁に被され、前記翼後縁に連続した筒状の膜で構成された直筒部とから形成され、かつ前記直筒部は前記縦梁よりも大きい内周を有することを特徴とする。

本発明によれば、翼の翼前縁が流線形状をしており、かつ翼の変形と合わせて向きを変えることができるため、風上、風下とも効率良く回転力を発生する。また、乱流によるロスを低減することができる。また、一対の支持アーム部材の間隔を大きくすることにより、翼高が大きくとることができるため、上下からの風の回りこみの影響も低減される。
さらに、翼前縁は、一対の支持アーム部材に上下端部を縦線回りの回動自在に支承された縦梁と、縦梁に被され、翼後縁に連続した筒状の膜で構成されている。この構成によれば、極めて安価に翼を作ることができ、かつ軽量であるために運搬の便の悪い山間部での設置が容易であり、またメンテナンスも簡単である。

本発明に係る垂直軸風車を使用した風力発電装置を示す斜視図である。 上記風力発電装置からセイル１０を除去した状態を示す斜視図である。 上記垂直軸風車の一部を部分的に切除し拡大して示す斜視図である。 平面状に展開されたセイル１０を示す図である。 翼５の翼前縁５ａの断面図である。 上記垂直軸風車の回転開始時の各翼の状態を示す平面視説明図である。 他の実施例による、風車１０３を示した図である。 縦回転中心軸１を上下に延長した場合の実施例を示す図である。 他の実施例によるセイル１０’を示した図である。

図１には、本発明の一実施例である垂直軸風車を使用した風力発電装置を示している。
この風力発電装置は、図示しない基礎台から起立された支柱１００と、支柱１００の上端に固定された発電部１０１と、この発電部１０１の上部に装設された垂直軸風車（以下、単に「風車」という。）１０２とからなっている。

図２には一部分が省略された上記風力発電装置を示している。
垂直軸風車１０２は、縦回転中心軸１、上下一対の支持アーム部材２ａ、２ｂ、中間アーム部材３及び３本の縦梁４を備えると共に支持棒部材４ごとに図１に斜線を付して示すように縦長の翼５が形成されている。

縦回転中心軸１は、発電部１０１内に設置された発電機７の回転軸に直結している。図２中６ａ、６ｂは軸受である。上下一対の支持アーム部材２ａ、２ｂは縦回転中心軸１の上下に間隔を隔てて同体状に固定されている。各支持アーム部材２ａ、２ｂは等角度間隔にそれぞれに放射状の略三角環状の横桁部ａ１、ａ２、ａ３が形成されている。上側の支持アーム部材２ａの横桁部ａ１、ａ２、ａ３と、下側の支持アーム部材２ａの横桁部ａ１、ａ２、ａ３とは上下方向で正対するように配置されている。

中間アーム部材３は上下一対の支持アーム部材２ａ、２ｂ間の中央となる位置において縦回転中心軸１に固定されている。この中間アーム部材３も横桁部ａ１、ａ２、ａ３と同様な角度間隔で放射状に細長棒状の横桁部ｂ１、ｂ２、ｂ３が形成されている。この横桁部ｂ１、ｂ２、ｂ３は、横桁部ａ１、ａ２、ａ３の間に位置付けられるように配置されている。

横桁部ａ１、ａ２、ａ３及び、横桁部ｂ１、ｂ２、ｂ３には、線止着部ｆ１が設けられており、夫々は後述する線部材１１で結合される翼５の正回転方向の後側に間隔をおいて位置している。

図３は風車１０２の上部の一部を部分的に切除した状態を示している。各縦梁４は一様円形断面の直状棒であり、上下端のそれぞれに軸部４ａ、４ｂを上下向きに形成されている。

各縦梁４は上下一対の横桁部ａ１、ａ２、ａ３の正回転方向ｅ１前側の最外箇所の相互間に配置され、軸部４ａ、軸部４ｂを介して回動中心ｄ１回りの回動自在に結合されている。各軸部４ａ、４ｂとその対応する横桁部ａ１、ａ２、ａ３との間には各軸部４ａ、４ｂの回動を円滑にするための転がり軸受９ａが装着されており、また該転がり軸受９ａに雨水や塵埃が侵入するのを阻止するための遮蔽手段（例えばカバーやシール部材など）９ｂが設けられている。

翼５は縦梁４とこれに係着されるセイル１０とで形成されている。図４には平面状に展開されたセイル１０を示しておりＡは正面図でＢは拡大平面図である。セイル１０は織布又は不織布の布若しくは、弾性変形可能な合成樹脂を素材として形成された膜であって、直筒部ｃ１とこれに続く帆部ｃ２とからなる。翼５の翼前縁５ａはセイル１０の直筒部ｃ１とこれを支持した縦梁４とで形成され、翼５の翼後縁５ｂは帆部ｃ２で形成される。

帆部ｃ２は平面状に展張された状態では、前端縁１０ａと、上下一対の側端縁１０ｂ、１０ｃと、後端縁１０ｄを具備している。後端縁１０ｄは、上半分ｃ3と下半分ｃ4のそれぞれが上下方向中央寄り箇所を前側へ偏倚された状態の放物線状に屈曲されている。帆部ｃ２の水平方向には、直筒部１０ａの後端から後端縁１０ｄまでに渡って前後向き細長状の袋部１０ｅが多数、間隔を隔てて形成されている。袋部１０ｅ内には、弾性細長棒部材１０ｆが挿入される。

直筒部ｃ１には縦梁４が挿入される。後端縁１０ｄは、上端箇所を上側の支持アーム部材２ａの対応する横桁部ａ１、ａ２、ａ３の線止着部ｆ１に線部材１１を介して斜め後上方へ引張状に結合されると共に、下端箇所を下側の支持アーム部材２ｂの対応する横桁部ａ１、ａ２、ａ３の線止着部ｆ１に弾性を持つ線部材１１を介して斜め後下方へ引張状に結合され、また上下方向中間箇所ｃｎｔを中間アーム部材３の対応する横桁部ｂ１、ｂ２、ｂ３の先部からなる線止着部ｆ１に線部材１１を介して水平後方へ引張状に結合されている。こうして、各線部材１１の引張弾力がセイル１０に作用した状態では、セイル１０は全面が平面状に緊張した状態となり、直筒部ｃ１は内側の縦梁４を前後向きに安定的に保持した状態となる。後端縁１０ｄは放物線状曲がりが線部材１１の引張弾力により発生する応力線のそれと合致した状態となっており、その上下方向の全長範囲が緊張状態を維持されている。

図５は、セイル１０全面が平面状に緊張した状態における、翼５の翼前縁５ａの断面図を示している。翼前縁５ａの外形となる直筒部ｃ１は、縦梁４の円周よりも長い周長を持っているため、直筒部ｃ１は線部材１１の引張弾力により、縦梁４を先頭とした流線形状を呈し、帆部ｃ２に連続的に続いている。

次に上記した風力発電装置における風車１０２の作用について説明する。
ａ：風車１０２が回転を開始するとき
図６には風車１０２の回転開始時の各翼５の状態を平面視で示している。
無風状態の下で縦梁４回りの翼５の前進移動が停止しているときに、図６Ａ中の矢印で示す方向の風ｇ１が生じると、風の圧力で翼５は風下に押され、上方視で風下側へ凸形の円弧状に曲がり変形する。これにともない、翼弦の方向が変位する。翼５の翼前縁５ａの流線形状は翼弦の方向に倣おうと変位するが、縦梁４が軸部４ａ、４ｂを中心として回動するため、この変位は円滑に行われる。

図中、各翼５において、翼弦の方向が変位する角度がθ１として示されている。翼５の翼後縁５ｂが、矢印Ｄで示したように移動すると、線部材１１はＬの如く引張される。作用点としての線止着部ｆ１に対して、各位置の線部材１１の引張が作用し、矢印方向ｅ１の正回転力を生じさる。

図６Ｂは、風車１０２が図６Ｂよりも６０度ずれた位置で停止している状態を示している。図６Ａの場合と同様に風ｇ１が生じると、風の圧力で翼５は風下に押され、上方視で風下側へ凸形の円弧状に曲がり変形する。翼５の翼後縁５ｂが、矢印Ｄで示したように移動すると、線部材１１はＬの如く引張される。各位置の線部材１１の引張により、矢印方向ｅ１の正回転力を生じさせる。

ｂ：風車１０２が風を受けて回転しているときの翼５の動作
風車１０２が風を受けて回転を継続しているとき、各翼５は回転軌跡ｋ１上の風上側の半分範囲では風圧で翼後縁５ｂを回転半径方向内側（縦回転中心軸１に近づく側）へ押され該側に凸状に湾曲されて変位した状態となり、また回転軌跡ｋ１上の風下側の半分範囲では風圧で翼後縁５ｂを回転半径方向外側（縦回転中心軸１から離れる側）へ押され該側に凸状に湾曲されて変位した状態となる。したがって、セイル１０は風車１０２の回転位置により内外に逆の曲がりとなるように屈曲される。また、翼５の翼前縁５ａの流線形状は、縦梁４が軸部４ａ、４ｂを中心として回動するため、翼弦の方向に倣って向きを変え、翼後縁５ｂへと続く円滑な形状を保つため、乱流によるロスを低減する。また、翼高が大きくとられているため、上下からの風の回りこみの影響も低減されている。

各翼５は曲がりの一方の反転位置ｍ１では風方向の上流側へ進行し、他方の反転位置ｍ２では風方向の下流側へ進行するようになる。この反転位置ｍ１、ｍ２では、セイル１０に風圧が安定的に作用しない状態となり、セイル１０は風圧による緊張力が得られず風で煽られてバタツキ現象が発生しようとする。しかし、線部材１１の引張弾力がセイル１０を緊張させるため、このようなバタツキ現象は積極的に抑制される。この結果、セイル１０は翼５が回転軌跡ｋ１上を周回移動するときも急激な変形を繰り返すものとならず、その耐久性が向上する。

またセイル１０の翼後縁５ｂが線部材１１による複数の引張箇所間を放物線状とされていることは、線部材１１の引張弾力によって緊張状態とならない移動自由なセイル部分を生成させない上で寄与し、セイル１０をバタつかせない。

ｃ：高さ方向で風力が異なるとき
各翼５は、セイル１０の後端縁１０ｄを線部材１１で引張されて任意方向へ屈曲可能であることから、高さ方向の任意位置でピッチ角θ１が変化するように捩り変形することができる。高さ方向の任意位置で風ｇ１、ｇ２の強さが異なる場合、翼５の各高さ箇所はその高さの風力に対応して縦梁４回りへ回動され、該風力に見合ったピッチ角θ１となるように変形される。例えば自然風においては、一般に、上層で風力が強く、下層で弱いが、このような場合にも、各翼５は上下方向各位置で異なる適当なピッチ角θ１となり、風のエネルギーによって効率的に縦回転中心軸１回りの回転力を生成させるものとなる。このように風車１０２は、高さ方向で風ｇ１、ｇ２の強さや方向が任意に異なる場合にも、風車１０２は風エネルギーを効率的に回転エネルギーに変換することができる。

ｄ：強風が継続的に当たるとき
各翼５に強風が継続的に当たるときは、風車１０２は過大な速度で回転するようになるが、このときは各翼５に大きな遠心力が作用し、各翼５は縦梁４回りで縦回転中心軸１から離れる側へ働く。この結果、風上側の各翼５の後縁５ｂは、遠心力による作用と風圧による作用とが互いに打ち消し合い、ピッチ角θ１がゼロの位置に近づき、さらには縦回転中心軸１から離れる側へ変位された状態となる。この結果、風上の翼５においては正回転方向ｅ１へ回転力を付与するピッチ角θ１から、正回転方向ｅ１の逆側へ回転力を付与するようなピッチ角θ１に変更された状態となり、風車１０２の回転速度を減殺される方向に作用される。このように、縦回転中心軸１の軸受け強度に対して、許容限度を超えた大きな回転速度での回転を阻止することができ、破壊を防止される。

図７に他の実施例による、風車１０３を示している。同一の機能を有するものには、同一の符号が付してある。先の実施例の風車１０２との相違点は、翼５の数を増加したことに加えて、縦回転中心軸１を中心とした正回転方向の後側に位置する翼５の翼前縁ｃ１（或いは、縦梁４）に対して前側の翼５に対する線止着部ｆ１を設けている点である。隣同士の翼５の翼前縁５ａと翼後縁５ｃが線部材１１により連結される。翼前縁５ａは、先の実施例と同様に一対の支持アーム部材２ａ、２ｂに対して縦線回りに回転自在に取付けられている。

風車１０３においては、翼前縁ｃ１が支持アーム部材２ａ、２ｂに対して回転自在に支承されている。従って、風車１０２では、縦回転中心軸１に対して線止着部ｆ１が同体状に固定されていたのに対して、風車１０３では翼前縁５ａの回転により線止着部ｆ１の位置が変化する。このような風車１０３の構成であっても、風を受けた翼５からの力を線部材１１により支持アーム部材２ａ、２ｂに対して伝達させることができる。

風車１０３では、線止着部ｆ１を縦回転中心軸１の回転と同体状に回転するようにすることで、風力を回転力にすることができる。本実施例では、翼前縁５ａに線止着部ｆ１を設けるので、風車１０２のような中間アーム部材３は有さなくても良いという効果がある。

上記実施例において、さらに図8に示すように、縦回転中心軸１を上下に延長し、この延長された上下の縦回転中心軸１に設けられた支持点ｆ2と、支持アーム部材２ａ、２ｂの線止着部ｆ１をワイヤ１２により結んで、支持アーム部材２ａ、２ｂを支えても良い。尚、図８において図１と同一の構成要素については同一符号が付されている。

また、上記実施例においては、翼５の翼前縁５ａを断面円形の縦梁４と直筒部ｃ１とにより構成した。この構成によれば、円形の断面の棒と、布により極めて安価に翼を作ることができ、かつ軽量であるために運搬の便の悪い山間部での設置が容易であり、またメンテナンスも簡単である。しかし、この構成で得られる流線形状は、円形の断面の棒による流線形である。これをさらに最適な流線形状とするためには、コストを要することになるが、縦梁４自体の断面を予めそのような流線形状にしておき、直筒部ｃ１を被せても良い。

上記実施例においては、線部材１１を弾性体としたが、翼５自体が弾性変形するものであれば、必ずしも線部材１１は弾性体である必要は無い。

図９は、他の実施例におけるセイル１０’の全面が平面状に緊張した状態における、翼５を示している。このセイル１０’は、直筒部ｃ１のみから構成されており、帆部ｃ２は存在していない。従って、セイル１０のように、直筒部ｃ１が翼前縁５ａ、帆部ｃ２が翼後縁５ａというように、明確な対応付けはできない。セイル１０’は、翼後縁５ｂの部分において直筒部ｃ１を構成する膜が２重に重なった形態となっている。

１０２ 垂直軸風車
１ 縦回転中心軸
２ａ 支持アーム部材
２ｂ 支持アーム部材
４ 縦梁
５ 翼
５ａ 前縁
５ｂ 後縁
９ａ 転がり軸受
９ｂ 遮蔽手段
１０ セイル
１０ａ 前端縁
１０ｄ 後端縁
１１ 線部材
ｃ１ 直筒部
ｄ１ 縦線（回動中心）
ｅ１ 正回転方向
ｆ１ 線止着部

Claims (2)

1. 縦長状の複数の翼を備えた垂直軸風車において、
   垂直軸風車の縦回転中心軸に上下に間隔をおいて固設された一対の支持アーム部材と、
   水平断面外周形状が流線形状である翼前縁と前記翼前縁に連続した翼後縁とを有し、前記一対の支持アーム部材に上下端部を縦線回りの回動自在に支承された複数の翼と、
   前記翼後縁よりも前記縦回転中心軸を中心とした正回転方向の後側に間隔を置き、かつ上下方向へ離間した複数位置に設けられ前記縦回転中心軸に回転力を与える作用点となる止着部と、
   上下方向に離間した前記翼後縁の複数位置とその後側に位置する複数の線止着部とをそれぞれ結合する線部材とを備え、
   前記翼前縁は、前記一対の支持アーム部材に上下端部を縦線回りの回動自在に支承された縦梁と、縦梁に被され、前記翼後縁に連続した筒状の膜で構成された直筒部とから形成され、かつ前記直筒部は前記縦梁よりも大きい内周を有することを特徴とする垂直軸風車。
2. 前記縦梁は断面円形であることを特徴とする請求項１記載の垂直軸風車。