CN101622448A - 垂直轴型风车 - Google Patents

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Abstract

一种垂直轴型风车，该垂直轴型风车在与垂直旋转轴正交的平面内，以该垂直旋转轴为中心间隔相等角度地设有多个叶片，其中，叶片是具有1.0以上的升力系数的流线形的翼型叶片，且该垂直轴型风车具有：开闭部件，其前端部被轴支承在所述叶片的背面，其后端部相对于所述叶片开闭；和开闭控制装置，其根据所述叶片的旋转速度与风速的比值来控制所述开闭部件的开闭动作。

Description

垂直轴型风车
技术领域
本发明涉及一种风力发电等中所使用的垂直轴型风车，更为详细来说，是涉及将叶片改良成为能够根据风车的旋转运动而改变空气动力特性的垂直轴型风车。
背景技术
一般来说，作为风力发电用风车，公知有旋转轴相对于风的方向平行的水平轴型风车(螺旋桨型风车)和旋转轴相对于风的方向垂直的垂直轴型风车。水平轴型风车具有容易得到从旋转静止状态开始旋转运动的旋转力(起动力)的特征，而垂直轴型风车具有能够与风向无关地进行旋转的特征。
其中，作为垂直轴型风车，已知有如下类型：以作用于风车的产生空气力的部位(叶片)上的阻力为风车的主要旋转力的萨沃纽斯(Savonius)型、桨(paddle)型等的阻力型；和以作用于叶片上的升力的旋转方向分量作为风车的主要旋转力的达里厄(Darrieus)型、旋翼(Giromill)型等的升力型。
阻力型风车通过在旋转静止状态和旋转状态下受到风的作用，在叶片上产生阻力，并在该阻力所形成的旋转力的作用下开始旋转运动(起动)，从而继续旋转。这样的效应一般被称作萨沃纽斯效应。
另一方面，升力型风车通过在旋转状态下受到风的作用，在叶片上产生升力的旋转方向分量，并在该升力的旋转方向分量所形成的旋转力的作用下继续旋转。这样的效应一般被称作旋翼效应。
然而，在阻力型的垂直轴型风车的情况下，当周向速度比(叶片的旋转速度与风速的比值)为1时，风车不会产生更高的转动力矩，即使风速提高也不能够得到更高的转速，有着发电效率差的问题。
另一方面，在升力型的垂直轴型风车的情况下，当周向速度比大于1时，风车的空气动力特性更好，能够通过上述的旋翼效应增加转速，但是当周向速度比小于1时，有着如下问题：风车的空气动力特性变差，导致风车旋转的力矩(旋转力)减小，特别是在旋转静止状态下即使受到风的作用也不会产生作用于叶片上的升力的旋转方向分量，从而无法得到旋转力。
因此，为了改善上述问题点，设计了如下风车等：通过将阻力型的垂直轴型风车机械式地组装到升力型的垂直轴型风车上，从而能够在微风速范围(1～2m/sec)内起动的风车(例如，日本国特开2006-46306号公报)；通过在叶片上形成缺口部等，使缺口部形成为来自后方的风所形成的阻力和来自前方的风所形成的阻力产生差的形状，从而得到空气动力上的萨沃纽斯效应，能够在微风速范围内起动，并且能够在低风速范围(2～6m/sec)内提高发电效率的风车(例如，日本国专利第3451085号公报)。萨沃纽斯效应与有阻力作用的叶片形状的空气动力特性及其面积(与风向垂直的平面面积)成比例，该面积越大的话萨沃纽斯效应越明显，能够增大起动力和旋转力。
然而，这样的垂直轴型风车有着在中、高风速范围(6m/sec以上)内旋转时，不能够最大限度地发挥旋翼效应的问题。旋翼效果依赖于有升力作用的叶片表面的空气动力特性及其面积(叶片面积)和旋转速度。特别是通过减少作用于叶片上的阻力能够提高旋翼效应，增大旋转力。因此，为了得到阻力而设置的阻力产生部位(缺口部等)有可能降低在中、高风速范围内旋转时的旋翼效应。
为此，要求垂直轴型风车的萨沃纽斯效应提高到现有水平之上，进一步降低风车起动的风速，增大低风速范围内的旋转力，并且尽量降低在中、高风速范围内的叶片的阻力来提高旋翼效果，从而使可使用风速范围扩大，进一步提高发电效率。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而作出的，其目的在于提供一种垂直轴型风车，该垂直轴型风车根据叶片的旋转状态来调节在该叶片上产生的阻力，从而能够在较大范围的风速范围内将风力不浪费地变换成旋转力。
本发明的上述目的可以通过下述方式达成，在与垂直旋转轴正交的平面内以该垂直旋转轴为中心间隔相等角度地设有多个叶片的垂直轴型风车中，所述叶片是具有1.0以上的升力系数的流线形的翼型叶片，且该垂直轴型风车具有：开闭部件，其前端部轴支承在所述叶片的背面，并且后端部相对于所述叶片开闭；和开闭控制装置，其根据所述叶片的旋转速度与风速的比值来控制所述开闭部件的开闭动作。
此外，上述目的也可以通过下述方式有效地达成，在所述叶片的旋转速度与风速的比值不足0.8时，所述开闭控制装置使所述开闭部件成为打开状态；在所述叶片的旋转速度与风速的比值超过0.8～1的时候，所述开闭控制装置使所述开闭部件形成为闭合状态。
此外，上述目的也可以通过下述方式有效地达成，所述开闭部件的前端部进行轴支承的位置位于在叶片背面距叶片的前缘部为翼弦长度的65％～75％的位置，且所述开闭部件相对于所述叶片打开的最大角为30°～40°。
此外，上述目的也可以通过下述方式有效地达成，所述叶片由铝合金、钛合金等轻金属、或者纤维强化塑料等复合材料成形而成。
此外，上述目的也可以通过下述方式有效地达成，所述叶片的翼形采用的是在非对称翼的轻型飞机(起飞重量在5700kgf以下的飞机)的主翼中所使用的形状。
此外，上述目的也可以通过下述方式有效地达成，所述开闭控制装置具有：臂部件，其从所述开闭部件的前端部向所述叶片的内部方向立起设置；弹簧致动器，其将所述臂部件的顶端部和固定设置在所述叶片的内壁上的弹簧支撑部件连结起来；和止动部件，其限制所述臂部件的顶端部的可动区域，通过经由所述臂部件传递来的、由所述开闭部件的质量所产生的离心力和所述弹簧致动器的弹力，来控制所述开闭部件的开闭动作。
此外，上述目的也可以通过下述方式有效地达成，所述弹簧致动器的弹簧常数设定为：当所述叶片的旋转速度与风速的比值超过0.8～1.0时，由所述开闭部件的质量所产生的离心力大于弹簧致动器的弹力。
此外，上述目的也可以通过下述方式有效地达成，所述开闭部件在与所述叶片相对的面的后部具有用于对开闭动作进行微调的配重。
此外，上述目的也可以通过下述方式有效地达成，所述开闭控制装置具有：开闭判断部，其根据所述叶片的旋转速度与风速的比值来判断所述开闭部件的打开/闭合；和致动器，其根据从该开闭判断部输出的打开/闭合信号使所述开闭部件成为打开状态/闭合状态。
进而，上述目的也可以通过下述方式有效地达成，所述致动器为电动式、液压式、或者空气压力式致动器中的任一种。
如上所述，根据本发明所述的垂直轴型风车，在具有1.0以上的升力系数的流线形翼型叶片的背面设置被轴支承为能够相对该叶片开闭的开闭部件，通过开闭该开闭部件能够改变空气动力特性。由此，通过使开闭部件从闭合状态变为打开状态，能够使叶片上产生的阻力达到原来的8～15倍。其结果是，在包括旋转静止状态在内的低风速范围(叶片的旋转速度与风速的比值不超过0.8～1的旋转状态)内，通过使开闭部件成为打开状态，从而增大了叶片受到来自后方的风而产生的阻力，能够实现萨沃纽斯效应的提高，另一方面，在中、高风速范围(叶片的旋转速度与风速的比值超过0.8～1的旋转状态)内，通过使开闭部件成为闭合状态，从而降低了在叶片上产生的阻力，能够实现由作用在叶片上的升力的旋转方向分量所产生的旋翼效应的提高。即，本发明所述的垂直轴型风车兼具阻力型的垂直轴型风车和升力型的垂直轴型风车的长处，能够最大限度地发挥萨沃纽斯效应和旋翼效应。
例如，将本发明所述的垂直轴型风车与专利文献1中公开的风车进行比较的话，在相同条件下，通过使开闭部件成为打开状态，能够将萨沃纽斯效应提高至原来的2～3倍，即使是较低的风速也能够使旋转静止状态下的风车起动。此外，通过使开闭部件成为闭合状态，能够将叶片的空气动力特性(特别是阻力系数)降低10～20％，能够大幅度地提高旋翼效应。因此，能够使垂直轴型风车的起动风速(从旋转静止状态开始起动所需的风速)比现有的垂直轴型风车还要低，并且能够大幅度地增大低风速范围(2～6m/sec)内的旋转力，并且能够进一步增大中、高风速范围(6m/sec以上)内的转速。即，在较大范围的风速范围内，能够大幅度地提高风车效率(将风力转换为旋转力的效率)，实现发电效率等的提高。
此外，在叶片背面距离叶片的前缘部为翼弦长度(叶片截面的长边方向宽度)的65％～75％的位置轴支承开闭部件的前端部，且开闭部件相对于叶片最大打开至30°～40°，由此，特别是在风速在1～20m/sec范围内能够大幅度地提高风车效率。
此外，设置开闭控制装置，该开闭控制装置由以下部件构成：臂部件，其从开闭部件的前端部向叶片的内部方向立起设置；弹簧致动器，其将该臂部件的顶端部和固定设置在叶片的内壁上的弹簧支撑部件连结起来；和止动部件，其限制臂部件的顶端部的可动区域，通过设置所述开闭控制装置，并且通过经由臂部件传递来的、由开闭部件的质量所产生的离心力和弹簧致动器的弹力，从而能够自动地控制开闭部件的开闭动作。特别是当弹簧致动器的弹簧常数被设定为：当叶片的旋转速度与风速的比值超过0.8～1.0时，由开闭部件的质量所产生的离心力大于弹簧致动器的弹力，从而能够根据旋转状态将风力不浪费地变换成旋转力。
此外，在开闭部件的与叶片相对的面的后部安装配重，通过对该配重进行微调，能够对施加到弹簧致动器上的离心力进行微调，因此能够在不改变配设于叶片内部的弹簧致动器的情况下对开闭部件的开闭动作进行微调。
进而，开闭控制装置由如下部件构成：开闭判断部，其根据叶片的旋转速度与风速的比值来判断开闭部件的打开/闭合；和致动器，其根据从该开闭判断部输出的打开/闭合信号使开闭部件成为打开状态/闭合状态，该致动器采用电动式、液压式、或者空气压力式致动器中的任一种，由此，在大型垂直轴型风车中也能够采用叶片的开闭机构。
附图说明
图1是概要地示出本发明的第一实施方式所述的垂直轴型风车的俯视图。
图2是概要地示出从图1中的II箭头方向观察到的垂直轴型风车的局部剖切主视图。
图3是概要地示出第一实施方式所述的垂直轴型风车的叶片的立体图。
图4是概要地示出第一实施方式所述的垂直轴型风车的叶片的内部结构的主要部分剖视图。
图5是概要地示出图4的叶片的开闭部件处于闭合状态下的主要部分剖视图。
图6是用于说明第一实施方式所述的垂直轴型风车的开闭部件处于打开状态下的旋转动作的图。
图7是用于说明第一实施方式所述的垂直轴型风车的开闭部件处于闭合状态下的旋转动作的图。
图8是示出本发明的第二实施方式所述的垂直轴型风车的概要结构的机构图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(第一实施方式)
图1是概要地示出本发明的第一实施方式所述的垂直轴型风车的俯视图，图2是概要地示出从图1中的II箭头方向观察到的垂直轴型风车的局部剖开主视图。
本实施方式所述的垂直轴型风车1具有下端部与发电机等(未图示)连接的垂直的旋转轴2，与旋转轴2平行地配设有四枚翼型叶片3、3…，所述四枚翼型叶片3、3…在与该旋转轴2正交的平面内沿同一半径的圆周方向以相等的角度间隔(在本实施方式中为90°的间隔)配置。各叶片3相对于从旋转轴2放射状地延伸出来的支撑杆4以预定的安装角(在本实施方式中为90°)固定在该支撑杆4的端部上。由此，叶片3在风力作用下的旋转经由支撑杆4传递到旋转轴2。
叶片3的外皮由铝合金或钛合金等轻金属、或者纤维强化塑料(FRP)等复合材料等材质构成的薄板状的坯料形成。此外，叶片3的翼形为具有1.0以上(优选为1.0～1.4)的升力系数的流线形，特别优选采用在非对称翼的轻型飞机(起飞重量在5700kgf以下的飞机)的主翼中使用的形状(例如4字类翼型、RAF翼型、哥廷根翼型等)。另外，在本实施方式中，以翼型的鼓出程度较大的面(外周侧的面)为叶片3的表面，以翼型的鼓出程度较小的面(内周侧的面)为叶片3的背面。
图3是概要地示出第一实施方式所述的垂直轴型风车的叶片的外观的立体图，图4是概要地示出该叶片的内部结构的主要部分剖视图。
如图4所示，在叶片3的内部配设有截面为大致コ字形状的叶片支撑梁5，通过该叶片支撑梁5防止叶片3旋转时变形等。叶片3通过设于叶片支撑梁5的基端部和叶片3的背面前方部的杆支撑配件6、6被固定在支撑杆4的端部。该叶片3的背面后方部的外皮形成为开闭部件8，该开闭部件8的前端部经由铰链7被轴支承在叶片3的背面，并且其后端部可相对于叶片3开闭。优选的是，该开闭部件8的前端部被轴支承的位置位于在叶片3的背面距叶片3的前缘部为翼弦长度的65％～75％的位置。
此外，在叶片3的内部具有开闭控制装置13，该开闭控制装置13由如下部件构成：臂部件9，其从所述开闭部件8的前端部向叶片3的内部方向立起设置；弹簧致动器11，其将臂部件9的顶端部和固定设置在叶片3的内壁上的弹簧支撑部件10连结起来；和止动部件12，其限制臂部件9的顶端部的可动区域。该开闭控制装置13通过经由臂部件9传递来的由开闭部件8的质量所产生的离心力和弹簧致动器11的弹力来控制开闭部件8的开闭动作。弹簧致动器11的弹簧常数被设定为：当周向速度比(叶片3的旋转速度与风速的比值)超过0.8～1.0时，由开闭部件8的质量所产生的离心力大于弹簧致动器11的弹力。由此，在超过上述预定周向速度比时，打开状态下的开闭部件8如图5所示成为闭合状态。即，至少在周向速度比超过1.0的旋转状态下，叶片3成为闭合状态。另外，开闭部件8处于相对叶片3打开的打开状态时的最大角通过止动部件12的设置位置而设定，优选该角度为30°～40°。
此外，在开闭部件8的与叶片3相对的面的后部安装有配重14。该配重14用于对施加给弹簧致动器11的离心力进行微调。通过该配重14的微调，能够在不改变在叶片3内部配设于的弹簧致动器11的状态下，对开闭部件8的开闭动作进行微调，即改变开闭部件8从打开状态变为闭合状态的周向速度比的设定。
另外，在本实施方式所述的垂直轴型风车1中，以叶片3的背面后方部的外皮自身作为开闭部件8，然而本发明并不限定于此，例如也可以是将另外的板状部件的前端部以旋转自如的方式安装在叶片3的背面，并使其后端部相对于叶片3开闭，以该板状部件作为开闭部件8。
此外，如图2所示，在各叶片3的内部沿长边方向等间隔地配设有三个开闭控制装置13(臂部件9)，然而本发明并不限定于此，能够根据需要改变所配设的开闭控制装置13的数目和位置。
接着，参照图6和图7对本实施方式所述的垂直轴型风车的旋转动作进行说明。
图6是用于说明本实施方式所述的垂直轴型风车的开闭部件处于打开状态下的旋转动作的图，图7是用于说明本实施方式所述的垂直轴型风车的开闭部件处于闭合状态下的旋转动作的图。
本实施方式所述的垂直轴型风车1的各叶片3的开闭部件8在周向速度比低的旋转静止状态和低速旋转状态下，如图6所示，在弹簧致动器11的弹力作用下处于打开状态。在该开闭部件8处于打开状态的叶片3受到风的作用的情况下，从叶片3后方受到的风所产生的阻力(图6下侧的叶片)大于从叶片3前方受到的风所产生的阻力(图6上侧的叶片)。在旋转静止状态和低速旋转状态下，该阻力差作为旋转力使风车1起动，从而通过萨沃纽斯效应来维持风车1旋转。
另一方面，如图7所示，在周向速度比超过0.8～1.0(优选为1.0)且叶片3处于中、高速旋转状态时，作用于开闭部件8上的离心力大于弹簧致动器11的弹力，各叶片3的开闭部件8成为闭合状态。在旋转中的叶片3上作用有旋转速度与风的合成风力，并且在叶片3上产生升力。该升力的旋转方向分量成为叶片3的前进力，从而通过旋翼效应维持风车1旋转。
总而言之，在本实施方式所述的垂直轴型风车1中，在如图6所示的阻力型叶片3的情况下，周向速度比超过1时，风车1不会产生更大的旋转力矩，即使风速上升也不能得到更高的转速，因此在周向速度比超过0.8～1.0的时候使开闭部件8成为闭合状态，从而将阻力型叶片3变换为升力型叶片3。
如上所述，在本实施方式所述的垂直轴型风车1中，在流线形翼型的叶片3的背面设有被轴支撑为相对于该叶片3能够开闭的开闭部件8，通过弹簧致动器11的弹力和作用于开闭部件8的离心力来进行控制该开闭部件8的开闭状态，从而能够使叶片3的空气动力特性自动地变为与其旋转状态相适应的形状。由此，在包括旋转静止状态在内的低风速范围(周向速度比不超过0.8～1的旋转状态)内，通过使开闭部件8成为打开状态，从而增大了从叶片后方受到的风所产生的阻力，能够实现萨沃纽斯效应的提高，另一方面，在中、高风速度范围(周向速度比超过0.8～1的旋转状态)内，通过使开闭部件8成为闭合状态，从而降低了在叶片3上产生的阻力，能够实现由作用在叶片3上的升力的旋转方向分量所产生的旋翼效应的提高。
(第二实施方式)
图8是示出本发明的第二实施方式所述的垂直轴型风车的概要结构的机构图。另外，本实施方式所述的垂直轴型风车1A除了开闭控制装置13A的结构与第一实施方式的开闭控制装置13不同以外，与上述的第一实施方式的垂直轴型风车1的结构都是相同的。因此，在本实施方式中，对与上述第一实施方式相同的部件标以相同符号，并省略重复说明。
在该图中，控制开闭部件8的开闭动作的开闭控制部13A具有：检测叶片3A的旋转速度的旋转速度传感器15；检测垂直轴型风车1受到的风的速度的风速传感器16；开闭判断部17，其基于旋转速度传感器15和风速传感器16的检测值计算出周向速度比(叶片3A的旋转速度与风速的比值)，并判断该算出的周向速度比是否超过预定值；和致动器11A，其基于从该开闭判断部17输出的打开/闭合信号使开闭部件8成为打开状态/闭合状态。
开闭控制装置13A的开闭判断部17判断打开/闭合状态的标准与上述第一实施方式相同，为周向速度比是否超过0.8～1.0，并且至少在周向速度比在1.0以上的旋转状态下，叶片3成为闭合状态。
此外，卡合控制装置13A的致动器11A根据由开闭判断部输出的打开/闭合信号进行直线运动，由此使开闭部件8成为打开/闭合状态，其采用电动、液压、或者空气压力进行驱动。
根据如上所述的结构，本实施方式所述的垂直轴型风车1A能够得到与上述的第一实施方式相同的作用效果，这是不言自明的，并且开闭控制部13A的致动器11A可以采用电动式、液压式、或者空气压力式的致动器，因此在大型垂直轴型风车中也能够采用叶片3A的开闭机构。
以上对本发明的实施方式进行了具体说明，然而本发明并不限定于此，在不脱离其主旨的范围内能够进行适当变更。
产业上的可利用性
本发明所述的垂直轴型风车在从低风速范围到高风速范围的较大范围的风速范围内，能够有效地将风力转换为旋转力，特别是具有能够大幅度提高风速在1～20m/sec范围内的风车的效率的效果，因此例如作为风力发电用风车是有用的。

Claims (10)

1.一种垂直轴型风车，该垂直轴型风车在与垂直旋转轴正交的平面内，以该垂直旋转轴为中心间隔相等角度地设有多个叶片，其特征在于，
所述叶片是具有1.0以上的升力系数的流线形的翼型叶片，并且
该垂直轴型风车具有：
开闭部件，其前端部轴支承在所述叶片的背面，并且后端部相对于所述叶片开闭；和
开闭控制装置，其根据所述叶片的旋转速度与风速的比值来控制所述开闭部件的开闭动作。
2.根据权利要求1所述的垂直轴型风车，其特征在于，
在所述叶片的旋转速度与风速的比值不足0.8的情况下，所述开闭控制装置使所述开闭部件成为打开状态；在所述叶片的旋转速度与风速的比值超过0.8～1的时候，所述开闭控制装置使所述开闭部件成为闭合状态。
3.根据权利要求1或2所述的垂直轴型风车，其特征在于，
所述开闭部件的前端部被轴支承的位置位于在叶片背面距叶片的前缘部为翼弦长度的65％～75％的位置，并且
所述开闭部件相对于所述叶片打开的最大角为30°～40°。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的垂直轴型风车，其特征在于，
所述叶片由铝合金、钛合金等轻金属、或者纤维强化塑料等复合材料成形而成。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的垂直轴型风车，其特征在于，
所述叶片的翼形采用的是在非对称翼的轻型飞机的主翼中所使用的形状、即起飞重量在5700kgf以下的飞机的主翼中所使用的形状。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的垂直轴型风车，其特征在于，
所述开闭控制装置具有：
臂部件，其从所述开闭部件的前端部向所述叶片的内部方向立起设置；
弹簧致动器，其将所述臂部件的顶端部和固定设置在所述叶片的内壁上的弹簧支撑部件连结起来；和
止动部件，其限制所述臂部件的顶端部的可动区域，
通过经由所述臂部件传递来的、由所述开闭部件的质量所产生的离心力和所述弹簧致动器的弹力，来控制所述开闭部件的开闭动作。
7.根据权利要求6所述的垂直轴型风车，其特征在于，
所述弹簧致动器的弹簧常数设定为：当所述叶片的旋转速度与风速的比值超过0.8～1.0时，由所述开闭部件的质量所产生的离心力大于弹簧致动器的弹力。
8.根据权利要求6或7所述的垂直轴型风车，其特征在于，
所述开闭部件在与所述叶片相对的面的后部具有用于对开闭动作进行微调的配重。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的垂直轴型风车，其特征在于，
所述开闭控制装置具有：
开闭判断部，其根据所述叶片的旋转速度与风速的比值来判断所述开闭部件的打开/闭合；和
致动器，其根据从该开闭判断部输出的打开/闭合信号使所述开闭部件成为打开状态/闭合状态。
10.根据权利要求9所述的垂直轴型风车，其特征在于，
所述致动器为电动式、液压式或者空气压力式致动器中的任一种。
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