JP5924125B2 - 垂直軸風車用ブレード及び垂直軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、垂直軸風車の回転軸に支持アームを介して設けられる垂直軸風車用ブレード及び該垂直軸風車用ブレードを備えた垂直軸風車に関する。

従来から風力発電用の風車としては、回転軸が風向に対して平行に設置される水平軸風車と、回転軸が風向に対して垂直に設置される垂直軸風車とが一般的に知られている。

垂直軸風車では、水平軸風車に比べて風向の影響を受けないため、風向に応じて特別に姿勢を制御する必要がないとともに、小型化が可能で設置面積が狭くて済むことから、近年、都市型の発電用風車として利用されてきている。

垂直軸風車としては、主にサボニウス型やパドル型等のようにブレードに作用する抗力によって風車を回転させる抗力型と、ダリウス型やジャイロミル型等のようにブレードに作用する揚力によって風車を回転させる揚力型とがある。抗力型の垂直軸風車の場合には、低風速で回転することができるが、原理的に周速比（ブレード先端速度／風速）を１より大きくすることはできないため、周速比が１になると、風車を回転させるそれ以上のモーメントは発生しない。そのため、風速が上がったとしても、それ以上の回転数を得ることができないので、高風速下では発電効率が良くないという問題がある。一方、揚力型の垂直軸風車の場合には、周速比を１よりも大きくすることができるので、高速回転することができるが、低風速下では、風車ブレードが発生する空気力が小さくなることから風車を回転させるモーメントが小さくなってしまうため、発電効率が低くなる。また、低風速下では、同様の理由により風車の起動に必要なトルクを得にくく、起動できない場合が多いという問題がある。

そこで、広範囲の風速域における発電効率の向上を図るために、特許文献１には、図１４に示すように、翼外面１０１を翼内面１０２に比べて大きく外側に湾曲させ、１．０以上の揚力係数を有する流線形非対称翼型に形成するとともに、翼内面１０２に、所定の位置Ｐを起点として後縁まで切り欠くことによって切欠部１０３を形成し、最大翼厚Ｔを翼弦長Ｃに対して２２％〜３０％とし、かつ、所定の位置Ｐを翼弦長Ｃに対して前縁から４５％の位置より後ろで６５％の位置より前にした形状のブレード１００を、垂直回転軸を中心として等角度間隔に複数設けた垂直軸型風車が開示されている。

また、特許文献２には、図１５に示すように、前部ブレード２０１と、該前部ブレード２０１に端縁が回動軸２０２により回動可能に軸支された後部ブレード２０３とから構成され、風速に応じて後部ブレード２０３が回動して、起動時または微風下ではサボニウス型の抗力型として機能し、高速時にはジャイロ型の揚力型として機能するブレード２００を鉛直回転軸のまわりに複数設けた垂直軸型風車が開示されている。

国際公開ＷＯ２００９／０９３３３７号公報 特開２００７−１４６８５１号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２の垂直軸型風車のブレードでは、広範囲の風速域において発電効率を向上させるために、翼内面に所定の位置を起点として後縁まで切り欠く切欠部を形成する等の加工を施したり、前部ブレードに対して後部ブレードを回動可能に設けるために回動軸等の機構を設けたりする必要があるため、ブレード自体の構造が複雑になり、効率良く生産することが難しい。また、特許文献１及び特許文献２のブレードの形状は、従来の揚力型のブレードと同様に航空機用翼型を基本として用いているものであるため、ブレードの前縁から吹く風に対しては最適化されているが、それ以外の方向から吹く風に対しては必ずしも効率の良いものではないという問題がある。

本発明は、上記のような種々の課題に鑑みてなされたものであって、ブレード自体に特別な機構等を設けることなく、設置角度を変更させるだけで、抗力型としても揚力型としても作動することができるとともに、あらゆる方向からの風に対しても比較的効率良く風車を回転させることができる垂直軸風車用ブレードを提供することを目的する。また、低風速時には抗力型として作動させ、高風速時には揚力型として作動させることにより広い風速範囲で風車を効率良く回転させることができる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に、請求項１記載の垂直軸風車ブレードは、垂直に立設される垂直回転軸を中心とする円周上を回転するように前記垂直回転軸に取り付けられた支持アームを介して設けられる垂直軸風車用ブレードであって、主として揚力によって垂直軸風車を回転させる揚力型配置の際の前記垂直回転軸に直交する水平断面形状が、前記円周上の回転方向側へ突出する所定半径の円弧を有する前縁部と、該前縁部より小径で且つ前記回転方向の逆側へ突出する円弧を有する後縁部と、前記垂直回転軸を中心とする前記円周の半径より小さな曲率半径で且つ翼外面側へ窪むように湾曲して前記前縁部と前記後縁部の翼内面側の端部を結ぶ円弧状の翼内面側円弧部と、該翼内面側円弧部より大きな曲率半径で且つ外側へ膨らむように湾曲して前記前縁部と前記後縁部の前記翼外面側の端部を結ぶ円弧状の翼外面側円弧部とにより形成されることを特徴としている。

請求項２記載の垂直軸風車ブレードは、翼弦長が前記前縁部の円弧の半径の３倍以上１０倍以下であることを特徴としている。

請求項３記載の垂直軸風車ブレードは、前記前縁部の円弧の半径が前記後縁部の円弧の半径の１．５倍以上４倍以下であることを特徴としている。

請求項４記載の垂直軸風車は、請求項１乃至３のいずれかに記載の垂直軸風車用ブレードが、前記垂直回転軸を中心とする円周上に前記支持アームを介して所定角度間隔で複数設けられた垂直軸風車であって、前記翼外面側が前記円周上の回転方向側に位置し、前記翼内面側が前記回転方向の逆側に位置する抗力型配置から前記揚力型配置へと前記垂直軸風車用ブレードの設置角度を変更させる配置変換機構を備えることを特徴としている。

請求項５記載の垂直軸風車は、前記配置変換機構が、前記垂直軸風車用ブレードに設けられる錘であって、前記垂直軸風車用ブレードが前記円周上を回転する際の回転数の増加によって前記錘に生じる遠心力により前記抗力型配置から前記揚力型配置へ前記垂直軸風車用ブレードの設置角度を変更することを特徴としている。

請求項６記載の垂直軸風車は、前記錘が遠心力によって所定距離だけ上昇するように振り子状に前記垂直軸風車用ブレードに取り付けられており、遠心力によって前記錘が上昇することにより得られた位置エネルギーを前記揚力型配置から前記抗力型配置へと復元させる運動エネルギーとして利用することを特徴としている。

請求項７記載の垂直軸風車は、前記揚力型配置から前記抗力型配置へと復元させるための弾性部材を備えることを特徴としている。

請求項８記載の垂直軸風車は、前記配置変換機構が、風速を計測する風速センサと、該風速センサから得られる風速情報に基づいて、前記垂直軸風車用ブレードを前記抗力型配置から前記揚力型配置又は前記揚力型配置から前記抗力型配置へと変更させる駆動手段とを備えることを特徴としている。

請求項１記載の垂直軸風車用ブレードは、垂直に立設される垂直回転軸を中心とする円周上を回転するように支持アームを介して設けられており、翼内面側は前記円周の半径より小さな曲率半径で翼外面側へ窪むよう円弧状に湾曲し、翼外面側は翼内面側の円弧より大きな曲率半径で外側へ膨らむように円弧状に湾曲している。従って、垂直軸風車用ブレードは、翼外面側が前記円周上の回転方向側に位置し、翼内面側が回転方向の逆側に位置する角度に配置される抗力型配置の時には、翼内面側で風をはらむことができるので、抗力によって円周上を回転することができる。また、前縁部を大径にすることにより、前縁部の円弧が前記円周上の回転方向側に突出するように位置し、後縁部の円弧が回転方向の逆側に突出するように位置する角度に配置される揚力型配置の時には、前縁部によって失速を軽減することができるので、揚力によって効率良く円周上を回転することができる。このように、請求項１の垂直軸風車用ブレードでは、特別な機構等を設けることなく、設置角度を変更させるだけで、抗力型としても揚力型としても作動することができる。また、後縁部も、小径の円弧を有するように形成しているので、揚力型配置の場合に、円周上の位置により横風状態や追い風状態となった場合にも抵抗を軽減することができる。そのため、あらゆる方向からの風に対しても比較的効率良く風車を回転させることができる。

請求項２記載の垂直軸風車用ブレードによれば、翼弦長は、前縁部の円弧の半径の３倍以上１０倍以下であるので、揚力型配置の場合には大きな揚力を発生し、抗力型配置の場合には風を多くはらむことにより大きな抗力を発生するというバランスのとれたブレード断面となり、あらゆる風速で効率良く風車を回転させることができる。

請求項３記載の垂直軸風車用ブレードによれば、前縁部の円弧の半径は、後縁部の円弧の半径の１．５倍以上４倍以下であるので、揚力型配置の場合において失速の発生を低減しつつ、抗力型配置の場合に多くの風をはらむことができる。そのため、揚力型、抗力型両方の配置の際に効率良く風車を回転させることができる。

請求項４記載の垂直軸風車によれば、請求項１乃至３のいずれかに記載の垂直軸風車用ブレードを抗力型配置から揚力型配置へと設置角度を変更させる配置変換機構を備えているので、低風速時には抗力型として作動させ、高風速時には揚力型として作動させることにより広い風速範囲で風車を効率良く回転させることができる。

請求項５記載の垂直軸風車によれば、垂直軸風車用ブレードが円周上を回転する際の回転数の増加によって錘に生じる遠心力を利用して垂直軸風車用ブレードの設置角度を変更させているので、簡易な構成で抗力型配置から揚力型配置へと変更させることができる。また、モータ等のアクチュエータを使用することなく、抗力型配置から揚力型配置へと変更させることができるので、メンテナンスが容易になるとともに軽量化を図ることができる。

請求項６記載の垂直軸風車によれば、錘が遠心力によって所定距離だけ上昇するように振り子状に垂直軸風車用ブレードに取り付けられているので、簡易な構造で揚力型配置及び抗力型配置への設置角度の変更を錘に働く遠心力と重力に応じて行うことができる。

請求項７記載の垂直軸風車によれば、揚力型配置から抗力型配置へと復元させるための弾性部材を備えているので、揚力型配置になっている垂直軸風車用ブレードの錘に働く遠心力が弾性部材の復元力よりも小さくなった場合には、垂直軸風車用ブレードを抗力型配置へと確実に復元することができる。

請求項８記載の垂直軸風車によれば、風速センサから得られる風速情報に基づいて、垂直軸風車用ブレードを抗力型配置から揚力型配置又は揚力型配置から抗力型配置へと変更させる駆動手段を備えているので、低風速時には抗力型として作動させ、高風速時には揚力型として作動するように確実に垂直軸風車用ブレードの設置角度を変更させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る垂直軸風車の一例を示す概略外観斜視図である。 抗力型配置における垂直軸風車の一例を示す概略平面図である。 揚力型配置における垂直軸風車の一例を示す概略平面図である。 図２に示す垂直軸風車を矢印Ａ方向から見た概略正面図である。 垂直軸風車用ブレードの水平断面形状の一例について説明するための概略説明図である。 図５の一部拡大図である。 風によってブレードに作用する空気力ベクトルを示す概略模式図であって、（ａ）は抗力型配置の場合の空気力ベクトルを示しており、（ｂ）は揚力型配置の場合の空気力ベクトルを示している。 風速６ｍ／ｓの場合の抗力型配置における回転角度毎の発生トルクを示すグラフである。 風速６ｍ／ｓの場合の揚力型配置における回転角度毎の発生トルクを示すグラフである。 垂直軸風車用ブレードの迎角と圧力分布の関係のシミュレーション結果を示す図である。 振り子状の錘を設けた垂直軸風車用ブレードの一例を示す概略模式図である。 振り子状の錘の動作について説明するための概略説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る垂直軸風車の一例を示す概略正面図である。 特許文献１の垂直軸風車のブレード形状を示す概略模式図である。 特許文献２の垂直軸風車のブレード形状を示す概略模式図である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る垂直軸風車１について、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る垂直軸風車１は、図１から図４に示すように、風向に対して垂直に立設される垂直回転軸２に垂直軸風車用ブレード（以下、ブレードという）３が、垂直回転軸２から放射状に延設する支持アーム４を介して設けられたものである。本実施形態では、３枚のブレード３が、それぞれ支持アーム４を介して垂直回転軸２を中心とする円周Ｃ上に等角度間隔（１２０°間隔）で垂直回転軸２と平行に配設されている。尚、本実施形態に係る垂直軸風車１では、３枚のブレード３が設けられているが、ブレード３の枚数はこれに限定されるものではなく、垂直軸風車１のサイズ等に応じて枚数を変更しても良い。

垂直回転軸２は、下端が発電機等（不図示）に連結されており、風力によって得られるブレード３の回転力が、支持アーム４を介して垂直回転軸２へと伝達されるようになっている。支持アーム４の一端には、ブレード３が回動軸５を中心に所定角度だけ回動可能に取り付けられており、他端は円盤状の固定具６によって垂直回転軸２に固定されている。このようにブレード３は、支持アーム４の一端側に回動軸５を介して回動可能に取り付けられているので、図２に示すような主として抗力によって垂直軸風車１を回転させる抗力型配置から図３に示すような主として揚力によって垂直軸風車１を回転させる揚力型配置へと支持アーム４上での設置角度を変更することができる。

図２に示すように、抗力型配置の場合にはブレード３は、前縁部３１が垂直回転軸２側を向き、後縁部３２が外側を向くようになっている。また、図３に示す揚力型配置において翼外面側に位置する円弧状の部分（以下、翼外面側円弧部という）３３は、垂直回転軸２を中心とする垂直軸風車１の回転方向側に位置し、揚力型配置において翼内面側に位置する円弧状の部分（以下、翼内面側円弧部という）３４は、回転方向の逆側に位置するようになっている。一方、揚力型配置の場合には、図３に示すように、ブレード３は、前縁部３１が回転方向側に突出するように位置し、後縁部３２が回転方向の逆側に突出するように位置している。

ブレード３は、図１及び図４に示すように、垂直回転軸２と平行になるように縦長に設けられており、垂直回転軸２に直交する水平断面形状は前後非対称の湾曲断面形状に形成されている。このブレード３の水平断面形状は、図５及び図６に示すように、揚力型配置において、前方側（回転方向側）へと突出する円弧を有する前縁部３１と、後方側（回転方向逆側）へと突出する円弧を有する後縁部３２と、外側へ膨らむように湾曲して前縁部３１の翼外面側の端部３１ａと後縁部３２の翼外面側の端部３２ａとを結ぶ円弧状の翼外面側円弧部３３と、翼外面側に窪むように湾曲して前縁部３１の翼内面側の端部３１ｂと後縁部３２の翼内面側の端部３２ｂとを結ぶ円弧状の翼内面側円弧部３４とにより形成されている。

前縁部３１は、例えば図５に示すように、中心Ｏ１が、ブレード３の回転軌道であるＯを中心とする半径ｒの円周Ｃ上に位置する所定半径Ｒ１の円弧を有するように形成されている。尚、図５中のＯは、垂直回転軸２の回転中心を示している。後縁部３２は、中心Ｏ２が円周Ｃ上に位置し、半径が前縁部３１の円弧の半径Ｒ１よりも小径の半径Ｒ２の円弧を有するように形成されている。このように、前縁部３１の円弧及び後縁部３２の円弧の中心をそれぞれ円周Ｃ上に位置するように形成することにより容易に設計を行うことができるので、生産効率を向上させることができる。尚、図５に示すブレード３の設計の仕方は一例であり、必ずしも前縁部３１の円弧及び後縁部３２の円弧の中心Ｏ１、Ｏ２は、円周Ｃ上に位置させる必要はなく、揚力型配置において、前縁部３１の円弧は回転方向側へ突出するように位置し、後縁部３２の円弧は回転方向の逆側へ突出するように位置するものであれば良い。

揚力型配置の状態において、前縁部３１は、回転方向側に位置するため、風は後縁部３２よりも前縁部３１側に向かって吹く割合の方が多いので、前縁部３１の円弧の半径Ｒ１を大径にすることにより、失速域を軽減するように構成している。この前縁部３１の円弧の半径Ｒ１は、後縁部３２の円弧の半径Ｒ２の１．５倍以上４倍以下となるように形成することが好ましい。このように、前縁部３１だけでなく、後縁部３２も円弧を有するように形成することにより、あらゆる方向からの風に対しても比較的効率良くブレード３を回転させることができる。

翼内面側円弧部３４は、翼外面側へと窪むように湾曲して円弧状に形成されており、この翼内面側円弧部３４の円弧の曲率半径Ｒ４は、図５に示すように、円周Ｃの半径ｒよりも小径になっている。また、翼内面側円弧部３４の円弧の中心Ｏ４は、円周Ｃの中心Ｏを図５に示すように、ＸＹ平面の原点と仮定した場合に、Ｘ軸の正方向及びＹ軸の正方向に位置することになる。

翼外面側円弧部３３は、外側へ膨らむように湾曲して円弧状に形成されており、この翼外面側円弧部３３の円弧の曲率半径Ｒ３は、図５に示すように、翼内面側円弧部３４の円弧の半径Ｒ４よりも大径になるように形成されている。また、この翼外面側円弧部３３の円弧の中心Ｏ３は、翼内面側円弧部３４の円弧の中心Ｏ４よりもＸ軸及びＹ軸ともに負の方向に位置することになる。

このようにブレード３では、翼内面側円弧部３４を円周Ｃの半径ｒよりも小径の円弧で翼外面側へと窪むように湾曲して形成しているので、図２に示すような抗力型配置において、翼内面側円弧部３４によって風をはらむことにより、ブレード３に働く抗力によって垂直軸風車１を回転させることができる。また、ブレード３の翼弦長Ｌは、前縁部３１の円弧の半径Ｒ１の３倍以上１０倍以下となるように形成することが好ましい。このように前縁部３１の円弧に対して翼弦長Ｌをあまり長く形成しないことにより、揚力型配置の場合には大きな揚力を発生し、抗力型配置の場合には風を多くはらむことにより大きな抗力を発生するというバランスのとれたブレード断面となり、あらゆる風速で、より効率良く垂直軸風車１を回転させることができる。

図５に示すブレード３では、前縁部３１の円弧及び後縁部３２の円弧のそれぞれが、翼外面側円弧部３３の円弧に内接する点をそれぞれ前縁部３１の端部３１ａ及び後縁部３２の端部３２ａとすることにより、前縁部３１、翼外面側円弧部３３、及び後縁部３２を滑らかな曲線として形成している。また、前縁部３１の円弧及び後縁部３２の円弧のそれぞれが、翼内面側円弧部３４の円弧と外接する点をそれぞれ前縁部３１の端部３１ｂ及び後縁部３２の端部３２ｂとすることにより、前縁部３１、翼内面側円弧部３４、及び後縁部３２を滑らかな曲線として形成している。尚、前縁部３１及び後縁部３２は、必ずしも円弧のみから形成されるものである必要はなく、前縁部３の端部３１ａ、３１ｂ側及び後縁部３２の端部３２ａ、３２ｂ側は、半径Ｒ１及び半径Ｒ２の円弧とは異なる曲線で形成し、翼外面側円弧部３３及び翼内面側円弧部３４に滑らかに結ばれるように形成しても良い。

ブレード３の内部は、詳しくは図示しないが、ブレード３を補強するための前後非対称の湾曲断面形状を有する薄板状の骨組み板が縦方向に所定間隔で複数設けられている。尚、この骨組み板の設置間隔及び枚数などは特に限定されるものではく、ブレード３の大きさ等に応じて適宜決められるものである。また、ブレード３の外皮としては、アルミニウム合金やチタニウム合金等の軽金属や強化プラスチック等の軽量且つ所定の強度を有する材質を用いて薄板状に形成することが好ましい。これにより、ブレード３全体の軽量化を図ることによって、より効率良く回転させることができる。

このように構成されるブレード３の下端側には、図１から図４に示すように、翼外面側円弧部３３の外側に位置するように先端に錘７が取り付けられているアーム８の基端が固定されている。この錘７は、ブレード３が円周Ｃ上を回転する際に生じる遠心力によってブレード３の支持アーム４上での設置角度を図２に示す抗力型配置から揚力型配置へと変更させるための配置変換機構として機能するものである。また、ブレード３を回動可能に軸支する回動軸５の下方の外周には、図４に示すように、例えばコイルばね等を用いた弾性部材９が設けられている。この弾性部材９は、下端が支持アーム３に固定され、上端がブレード３の底面３５に固定されており、風の影響を受けていない状態の場合には、図２に示す抗力型配置の状態を維持する復元力が作用するように設けられている。

また、回動軸５の上方には、図２から図４に示すように、支持アーム３の一端側に固定されたストッパ部材１０に当接する当接片１１が固定されている。ストッパ部材１０は、略直方体状に形成されたものであって、支持アーム３の一端側の回動軸５が軸支されている位置よりも垂直回転軸２側の底面に固定されている。当接片１１は、回動軸５の回動と共に回動するものであって、回動軸５を中心として両側に延設されている。

このストッパ部材１０及び当接片１１は、ブレード３の回動領域を抗力型配置から揚力型配置までの角度に制限するためのものであり、図２に示すように、抗力型配置の場合においては、当接片１１が支持アーム４に対して略平行な状態でストッパ部材１０に当接するようになっている。また、図３に示すように、揚力型配置の場合においては、当接片１１が支持アーム４に対して略直交する状態でストッパ部材１０に当接するようになっている。これにより、ブレード３が支持アーム４上で必要以上に回動することを制限することができる。

以下、垂直軸風車１の動作について図２から図４を参照しつつ説明する。まず、風の影響を受けていない状態では、図２に示すように、ブレード３は、抗力型配置の状態になっている。垂直軸風車１では、この状態から風を受けると、ブレード３に作用する抗力によって円周Ｃ上の矢印方向に回転する。このブレード３の回転に伴って、ブレード３の下端側からアーム８を介して取り付けられている錘７も垂直回転軸２を中心に回転することになる。これにより、錘７には、図２に示すように、垂直回転軸２から外側へ向かう矢印方向に遠心力が生じる。

また、風速の上昇に伴って、ブレード３の円周Ｃ上の回転数が増加すると、錘７に生じる遠心力も大きくなる。そして、この錘７に生じる遠心力によって回動軸５まわりに働くモーメントが、抗力型配置の状態を維持する方向に作用する弾性部材９の付勢力を上回ると、ブレード３は回動軸５まわりを図３に示す揚力型配置へと遷移するように回動する。

ブレード３は、図３に示す揚力型配置の状態まで回動軸５まわりを回動すると、回動軸５に固定されている当接片１１がストッパ部材１０と当接し、錘７に生じる遠心力によって回動軸５まわりに働くモーメントが弾性部材９の復元力を上回っている間は揚力型配置の状態で回転し続ける。また、ブレード３の円周Ｃ上での回転数が減少し、錘７に生じる遠心力によって回動軸５まわりに働くモーメントが弾性部材９の復元力を下回ると、この弾性部材９の復元力によりブレード３は、揚力型配置から抗力型配置へと遷移することになる。

尚、弾性部材９の弾性係数の値は、特に限定されるものではなく、垂直軸風車１の大きさや錘７の質量及び取り付け位置等に応じて適宜設定されるものであり、例えば、所定の風速を超えた場合には、錘７に生じる遠心力が弾性部材９の付勢力を上回るように設定しておけば良い。弾性部材９は、図４に示すようなコイルばね等に限定されるものではなく、ブレード３を揚力型配置から抗力型配置へと復元させるものであれば良い。また、錘７の取り付け位置は、図１から図４に示す位置に限定されるものではなく、錘７に生じる遠心力によってブレード３が抗力型配置から揚力型配置へ設置角度を変更できる力が作用する位置に取り付けられていれば良い。

また、本実施形態では、錘７をブレード３の下端側にアーム８を介して固定しているが、図１１及び図１２に示すように、錘７を遠心力によって最下点から所定距離ｈまで上昇することができるように振り子状にアーム８を介して垂直軸風車用ブレード３の下端側に取り付けても良い。図１２に示すように、アーム８の基端は、回転軸Ｑを中心に回転可能にプレート１２に取り付けられている。プレート１２には、錘７の回動角度を錘７が最下点となる角度から９０度の角度までに制限するようにストッパとして機能するブロック１３、１４が固定されている。これにより、ブレード３の垂直回転軸２を中心とする円周Ｃ上の回転数が増加して、一定以上の遠心力が錘７に生じると、錘７は図１２に示すように、回転軸Ｑを中心に回転して所定距離ｈ上昇する。この状態においても錘７には遠心力が働いているので、錘７が上昇した状態でブレード３は、抗力型配置から揚力型配置へと変更されることになる。

この状態の錘７では、質量をｍとした場合にｍｇｈ分の位置エネルギーを有することになる。従って、ブレード３の垂直回転軸２を中心とする円周Ｃ上の回転数が減少すると、この位置エネルギーを揚力型配置から抗力型配置へと復元させる運動エネルギーとして利用することができる。これにより、弾性部材９を用いることなく、錘７のみを用いてブレード３を抗力型配置と揚力型配置への設置角度の切り換えを行うことができる。尚、ここでは錘７が９０度まで回転する例を示しているが、垂直軸風車用ブレード３を揚力型配置から抗力型配置へと復元させることができる位置エネルギーが生じる高さまで上昇できる角度であれば良い。

次に、本発明に係る垂直軸風車１の抗力型配置時及び揚力型配置時における発生トルク及びブレード３に作用する圧力分布について図７から図１０を参照しつつ説明する。この図７から図１０に示す結果は、COSMOL Multiphysics（ＣＯＳＭＯＬ社）を用いてシミュレーションを行った結果示すものである。ここでは、ブレード３の形状として、ブレード３の前縁部３１の円弧の半径をＲ１を基準とした場合に、後縁部３２の半径Ｒ２≒０．５Ｒ１、翼外面側円弧部３３の曲率半径Ｒ３≒８．０Ｒ１、翼内面側円弧部３４の曲率半径Ｒ４＝５．０Ｒ１、翼弦長Ｌ≒６．０Ｒ１としたものを用いている。

図７は、左側から風が吹いている場合における空気力ベクトルを矢印で示すものであって、（ａ）は抗力型配置の場合を示しており、（ｂ）は揚力型配置の場合を示している。図７（ａ）に示す抗力型配置の状態において、ブレード３ａの位置では回転方向に対して若干ブレーキとなる空気力ベクトルが作用しているが、それ以外のブレード３ｂ及びブレード３ｃでは、回転方向への回転力となる空気力ベクトルが作用するので、垂直軸風車１は抗力型配置で回転することができる。また、図７（ｂ）に示す揚力型配置の状態においては、ブレード３ａの位置では回転方向と略直交する向きに空気力ベクトルが作用するため、回転力としては作用しないが、ブレード３ｂ及びブレード３ｃでは、回転方向への回転力となる空気力ベクトルが作用するので、垂直軸風車１は揚力型配置で回転することができる。

図８は、静止状態のブレード３に対して左側から風速６ｍ／ｓで風が吹いている場合の垂直軸風車１における３枚のブレード３が発生した力の合計（Ｎ）と円周Ｃ上での回転角度位置との関係を示している。尚、図７〜９では、回転軌道の半径ｒ（ｍ）としては、特定の値は採用していないので、力の合計（Ｎ）に回転軌道の半径ｒ（ｍ）を掛けたものが発生トルク（Ｎ・ｍ）となる。この図８では、図７（ａ）に示す垂直軸風車１の抗力型配置の状態を０度としている。図８に示すように、回転角度８０度付近で負のトルクが若干発生しているものの、ほとんどの回転角度において正のトルクが発生している。従って、垂直軸風車１は、抗力型配置の状態で回転することができることが示されている。

図９は、静止状態のブレード３に対して左側から風速６ｍ／ｓで風が吹いている場合の垂直軸風車１における３枚のブレード３が発生した力の合計（Ｎ）と円周Ｃ上での回転角度位置との関係を示しており、この力の合計（Ｎ）に回転軌道の半径ｒ（ｍ）を掛けた発生トルク（Ｎ・ｍ）となる。この図９では、図７（ｂ）に示す垂直軸風車１の揚力型配置の状態を０度としている。図９に示すように、ブレード３が揚力型配置の状態の場合には、全ての回転角度において正のトルクを発生しているので、効率的に垂直軸風車１を回転させることができる。つまり、このようにブレード３を用いた垂直回転軸１では、抗力型配置及び揚力型配置のいずれの場合にも回転することができるので、図１から図４に示すように遠心力を利用してブレード３を抗力型配置及び揚力型配置へと設置角度を変更させる錘７を設けることにより、低風速時には抗力型として作動させ、高風速時には揚力型として作動させることで広い風速範囲で効率良く回転させることができる。

図１０は、ブレード３を時計回り方向に３０度ずつ回転させた場合の圧力分布を示すものであり、左側から風が吹いている場合を示している。図１０に示す領域Ｓは、圧力が低くなっている失速域であり、領域Ｔは逆に圧力が高くなっている領域である。図１０（ｂ）に示すように、ブレード３が時計回りに３０度回転した状態では、前縁部の翼外面側に失速域Ｓが生じるが、前縁部の翼内面側には、圧力の高い領域Ｔが生じるので、ブレード３には、揚力が効率良く回転する回転力として作用することになる。また、図１０（ｆ）の状態においては、ブレード３の後縁部の翼外面側に失速域Ｓが生じるが、後縁部の翼内面側には、圧力の高い領域Ｔが生じるので、ブレード３には、揚力が効率良く回転する回転力として作用することになる。また、図１０（ｃ）〜図１０（ｅ）に示すように、このブレード３では、翼外面側に生じる失速域Ｓが大きく広がるのを抑制することができるので、あらゆる回転角度においても従来の航空機用翼型を用いたブレードに比べて効率良く回転することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る垂直軸風車１ａについて図１３を参照しつつ説明する。尚、第１の実施形態に係る垂直軸風車１と同様の構成等については、同一の符号を付し、その詳細な説明については省略する。

この垂直軸風車１ａは、錘７の遠心力を用いてブレード３を抗力型配置から揚力型配置へと変更させる代わりに、回動軸５を回転駆動させるためのモータ１５を用いたものである。図１３に示すように、垂直軸風車１ａは、風速を計測する風速センサ１６と、該風速センサ１６から得られる風速情報に基づいてモータ１５へと制御信号を送る制御部１７を備えている。

モータ１５は、例えば、図１３に示すように、回動軸５の下端に取り付けられており、この回動軸５を回転させることによりブレード３を抗力型配置から揚力型配置又は揚力型配置から抗力型配置へと変更させることができる。尚、モータ１５の取り付け位置は、回動軸５の下端に限定されるものではなく、回動軸５の上端に取り付けるようにしても良い。また、ギア等を介して回動軸５を回転駆動させるように構成しても良い。

風速センサ１６は、ブレード３へと流入する風速を計測するためのものである。この風速センサ１６によって計測された風速情報は、例えばマイクロコンピュータ等によって構成される制御部１７へと入力される。制御部１７では、例えば、風速センサ１６から得られた風速情報が、予めデータベース（不図示）等に記憶しておいた揚力型配置にて効率良く回転する所定の風速域以上であると判断した場合には、抗力型配置から揚力型配置へとそれぞれのブレード３の設置角度を変更するようにモータ１５を駆動させる。また、制御部１７は、揚力型配置の状態において、風速センサ１６から得られた風速情報が、抗力型配置にて効率良く回転する風速域であると判断した場合には、揚力型配置から抗力型配置へとそれぞれのブレード３の設置角度を変更するようにモータ１５を駆動させる。これにより、ブレード３を低風速時には抗力型として作動させ、高風速時には揚力型として確実に作動させることができるので、広い風速範囲で垂直軸風車１ａを効率良く回転させることができる。

尚、本実施形態では、風速センサ１６の風速情報のみに基づいて、モータ１５の駆動タイミングを制御している例を示しているが、ブレード３の回転速度を検出する回転速度センサ等を更に備え、制御部１７は、この回転速度センサと風速センサ１６の検出値からブレード３の周速比を算出し、この算出した周速比に基づいてモータ１５を駆動させるように構成しても良い。

また、垂直軸風車１、１ａでは、抗力型配置から揚力型配置へとブレード３の設置角度を変更させるために、それぞれ錘７とモータ１５を用いているが、配置変換機構はこれに限定されるものではなく、抗力型配置から揚力型配置へとブレード３の設置角度を変更させることができるものであれば良い。また、垂直軸風車１、１ａでは、錘７とモータ１５をそれぞれ単独で配置変換機構として利用しているが、錘７とモータ１５を組み合わせるように構成しても良く、どちらか一方を補助的に利用しても良い。

尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

１ 垂直軸風車
２ 垂直回転軸
３ ブレード（垂直軸風車用ブレード）
３１ 前縁部
３１ａ 翼外面側の端部
３１ｂ 翼内面側の端部
３２ 後縁部
３２ａ 翼外面側の端部
３２ｂ 翼内面側の端部
３３ 翼外面側円弧部
３４ 翼内面側円弧部
４ 支持アーム
７ 錘
９ 弾性部材
１５ モータ（駆動手段）
１６ 風速センサ
Ｃ 円周（ブレード３の回転軌道）
Ｒ 円周の半径
Ｒ１ 前縁部の円弧の半径
Ｒ２ 後縁部の円弧の半径
Ｒ３ 翼外面側円弧部の曲率半径
Ｒ４ 翼内面側円弧部の曲率半径

Claims (8)

1. 垂直に立設される垂直回転軸を中心とする円周上を回転するように前記垂直回転軸に取り付けられた支持アームを介して設けられる垂直軸風車用ブレードであって、
   主として揚力によって垂直軸風車を回転させる揚力型配置の際の前記垂直回転軸に直交する水平断面形状が、
   前記円周上の回転方向側へ突出する所定半径の円弧を有する前縁部と、
   該前縁部より小径で且つ前記回転方向の逆側へ突出する円弧を有する後縁部と、
   前記垂直回転軸を中心とする前記円周の半径より小さな曲率半径で且つ翼外面側へ窪むように湾曲して前記前縁部と前記後縁部の翼内面側の端部を結ぶ円弧状の翼内面側円弧部と、
   該翼内面側円弧部より大きな曲率半径で且つ外側へ膨らむように湾曲して前記前縁部と前記後縁部の前記翼外面側の端部を結ぶ円弧状の翼外面側円弧部とにより形成されることを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
2. 翼弦長は、前記前縁部の円弧の半径の３倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の垂直軸風車用ブレード。
3. 前記前縁部の円弧の半径は、前記後縁部の円弧の半径の１．５倍以上４倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直軸風車用ブレード。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の垂直軸風車用ブレードが、前記垂直回転軸を中心とする円周上に前記支持アームを介して所定角度間隔で複数設けられた垂直軸風車であって、
   前記翼外面側が前記円周上の回転方向側に位置し、前記翼内面側が前記回転方向の逆側に位置する抗力型配置から前記揚力型配置へと前記垂直軸風車用ブレードの設置角度を変更させる配置変換機構を備えることを特徴とする垂直軸風車。
5. 前記配置変換機構は、前記垂直軸風車用ブレードに設けられる錘であって、前記垂直軸風車用ブレードが前記円周上を回転する際の回転数の増加によって前記錘に生じる遠心力により前記抗力型配置から前記揚力型配置へ前記垂直軸風車用ブレードの設置角度を変更することを特徴とする請求項４に記載の垂直軸風車。
6. 前記錘は、遠心力によって所定距離だけ上昇するように振り子状に前記垂直軸風車用ブレードに取り付けられており、遠心力によって前記錘が上昇することにより得られた位置エネルギーを前記揚力型配置から前記抗力型配置へと復元させる運動エネルギーとして利用することを特徴とする請求項５に記載の垂直軸風車。
7. 前記揚力型配置から前記抗力型配置へと復元させるための弾性部材を備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の垂直軸風車。
8. 前記配置変換機構は、風速を計測する風速センサと、該風速センサから得られる風速情報に基づいて、前記垂直軸風車用ブレードを前記抗力型配置から前記揚力型配置又は前記揚力型配置から前記抗力型配置へと変更させる駆動手段とを備えることを特徴とする請求項４に記載の垂直軸風車。

Images