JP2014163249A

JP2014163249A - 縦軸型風車

Info

Publication number: JP2014163249A
Application number: JP2013033127A
Authority: JP
Inventors: Shinya Fukuno; 慎也福埜
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】運転により軽量化するために、抵抗とならなく、高い回転速度が得られ、また、弱い部分に無理がかかることがなく、微風にも軽々に回転する効率的な縦軸型の風車を提供する。
【解決手段】風車の中心となる縦軸の回りに縦長で幅のある板羽根を等位に配列し、縦軸と各板羽根との間に少なくとも上下一対のアームを介在させてなり、各アームは、縦軸と板羽根との双方に連結される帯板状の支持板を主体としこれに湾曲した上面板が組み合わされた中空の揚力型であり、板羽根は、回転方向側の先端縁に、同方向両側が後退角に広がる流線型である内空の頭部片を取り付け、該内空が板羽根の先端縁部で左右に分けられることにより、その頭部片の後退面に内空が外ポケットと内ポケットとして別々に開口していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、風力発電等に用いるための縦軸型風車に関する。

風車を大別すれば、これには横軸型と縦軸（垂直軸）型とがあり、横軸形は、横軸の回転軸に羽根を放射状に取り付けたもので、この分野ではプロペラ型が現在発電用に主流をなし多用されている。これに対して、縦軸型は、縦軸の回転軸の周囲にアームを介して羽根を配列したものである。

現在、大型風力発電装置では、ほゞ１００％が横軸（水平軸）のプロペラ型の３枚ブレード風車である。これに関連して、縦軸（垂直軸）の風車がなぜ使われなかったのかといえば、横軸型風車は技術的優位性があるということではなく、開発が先行し莫大な開発投資により成功を収めているに過ぎないとされる。つまり縦軸型の分野では、開発の余地が多く残されて未開であるという。

縦軸型の風車は、縦軸を中心に羽根が回転する関係で、構造的に上に伸ばし制限なく風を取り入れることができ、横に拡張する必要がないため、特に、日本のような複雑地形で、風向変化の激しい国土では、小型化にも適し、何処からの風も受け入れる風向対応性がある縦軸型風車が有利であると考えられる。

縦軸型の風車は、縦軸の周りに縦長の羽根を配列することにより多大の風力を取り入れることができるが、縦長の羽根の総重量が多くなると、それが運転中に軸受等で負荷がかかり、その結果として、風力に対して相応の回転速度や耐力を得るために装置がコスト高となるという問題があった。

この発明は、上記のような実情に鑑みて、運転により軽量化するために、抵抗とならなく、高い回転速度が得られ、また、弱い部分に無理がかかることがなく、微風にも軽々に回転する効率的な縦軸型の風車を提供することを課題とした。

上記の課題を解決するために、この発明は、風車の中心となる縦軸の回りに縦長で幅のある板羽根を等位に配列し、縦軸と各板羽根との間に少なくとも上下一対のアームを介在させてなり、各アームは、縦軸と板羽根との双方に連結される帯板状の支持板を主体としこれに湾曲した上面板が組み合わされた中空の揚力型であり、板羽根は、回転方向側の先端縁に、同方向両側が後退角に広がる流線型である内空の頭部片を取り付け、該内空が板羽根の先端縁部で左右に分けられることにより、その頭部片の後退面に内空が外ポケットと内ポケットとして別々に開口していることを特徴とする縦軸型風車を提供する。

縦軸型風車は上記のように構成したから、微風であっても、それによりアームが揚力を受けることで持ち上げられ、軽量化により抵抗が減じられて回転する。また、強力な風を受けると、風車の回転速度によりアームがさらに強く浮揚する力で抵抗を和らげる結果、無理なく回転速度が速まる。さらに、板羽根やアームを構成する材料に、３〜４ｍｍ厚のアルミニウム複合板を使用することにより、コストや重量の面において、より好ましい結果が得られる。

以上説明したように、この発明の縦軸型風車によれば、運転により軽量化するために、抵抗とならなく、高い回転速度が得られ、また、弱い部分に無理がかかることがないために製造およびメンテナンスにつきコスト安に適し、微風にも軽々に回転するため、発電用としては効率的に電力が得られ、一定の安定した風が得られがたい日本の風土や地形に適するという優れた効果がある。

この発明に係る縦軸型風車の一部断面した正面図である。同縦軸型風車を平面から見た断面説明図である。図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。アームの取付部分の正面図である。アームと板羽根の連結部分の平面断面図である。他の実施態様を示す上から見た板羽根の断面図である。

この発明において、縦軸１を中心に配列される板羽根３の枚数については特に限定するものではないが、逆回転に働く枚数よりも正回転に働く枚数が常時多いことになるので、奇数枚であって、少数の３枚羽根又は５枚羽根であることが望ましい。

図１ないし図５は、一実施の形態を示したもので、その縦軸型風車は、縦軸１の回りに縦長の板羽根３，３，・・を配列し、支柱１と各板羽根３との間に上下一対のアーム５，５を介在させ、各アーム５，５、・・が揚力型に形成される。且つ、板羽根や各アームを構成する材料には、厚さ３〜４ｍｍのアルミニウム複合板が使用される。この構成材料により、コスト及び重量の両面において好結果が得られる。

縦軸１は、基台７の上にスラスト型の下端軸受９を介して立設され、垂直を保持するために、基台７の上に風車を囲むように数本のフレーム１１，１１、・・（図示は一部のみ）を立設し、上端においてその中心に縦軸１の上端を支持するラジアル形の上端軸受１３が設けられる。また、基台７の上には、高い台状の軸受ケース１５が設置され、その上端にラジアル型の中間軸受１７が設けられる。したがって、縦軸１は、下端軸受９と、上端軸受１３と、中間軸受１７とで支持され、中間軸受１７より高い位置の範囲に前記アーム１１，１１、・・をねじ止めする上下鍔板１９，１９が突設される。なお、簡単には、下端軸受９と中間軸受１７だけで支持しても良い。

アーム５の構造は、鍔板１９と板羽根３の双方に掛け止めしてネジ止めされる帯状の支持板２１を主体とするもので（図３）、支持板２１に湾曲した上面板２３を組み合わせることにより、支持板２１の両端部２１ａ、２１ｂ（を除いた）間が飛行機の主翼に似た断面の揚力型に組立て形成される（図３）。

組み立てには、上面板２３の（進行方向）後端部が支持板２１の上面に重なる水平なネジ止縁部２５に形成され、その後端部から徐々に湾曲しながら高くなり前端部で円弧形に反転し、反転先端部が支持板２１の前端部の下面に重なる水平なねじ止縁部２７として形成される。したがって、縦軸１と板羽根３との連結が支持板２１でなされ、上面板２３が揚力のほか、リブしても作用する。

板羽根３は、縦長の矩形板状であって、その回転側の先端に設けられる流線形に湾曲した頭部片３１が、止金物３３で一体に組み付けられたもので（図５）、先端にやや鋭角にＬ字形に屈折した屈折部３５を設け、屈折部３５と頭部片３１の一側内面に止金物３３が添えられビス３６、３６、・・で止められる。そして、頭部片３１の外側に奥行が内側に曲がる深いポケット３７を、内側に浅いポケット３８が設けられる。また、羽根板３の内側には前記したようにアーム１１の支持板２１を掛け止める水平な取付片３９が突設される。

板羽根３は、頭部片３１を先頭に回転するが、方向性については、板羽根３の基端が通る位置に沿った回転仮想円Ｒを想定すると（図２）、その上の一点Ｐにおける接線Ｌに沿って先端が延びる向きとなっており、この向きでアーム5に連結される。

また、先端の頭部片３１は、同じ向きでもよいが、板羽根３に対して内向き傾斜となっている。これについては、頭部片３１の中心を通る仮想の回転円Ｒａを想定し、その位置における接線Ｌａの方向に変向して形成されている。次に側方から風Ｆを受けたとして回転状態を次に説明する。

５枚の板羽根３をＷ１、Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６で位置表示し、また、回転仮想円Ｒに対する板羽根３の基端が位置する接点Ｐを風力が掛かる支点と見る。

まず、板羽根Ｗ１については、接点Ｐよりも右全面で風Ｆを受けるばかりでなく、外ポケット３７で受けるために、接点Ｐを中心とする回転力が得られる。

Ｗ２については、傾斜外面で受けるためにわずかに力を受けるが外ポケット３７で強力に受けるために大きな回転力が得られる。

Ｗ３については、内面の傾斜面で受けるために、わずかな回転力となるが、内ポケット３８で受けるために、大きな回転力として作用することになる。

Ｗ４については、全体が風Ｆの抵抗となる体勢であり逆回転に働くが全体が逃げ角であるので、抵抗力は小さく、風車の正回転をほとんど妨げない。Ｗ５についても同様であって、全体が逃げ角の体勢であり、風車の正回転を妨げない。

上記のように、板羽根３，３、・・のうち、半数５より多い枚数３（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）で正回転力が得られ、残り枚数２（Ｗ４，Ｗ５）で微弱な抵抗となるので、３枚、５枚の奇数枚であると、大きな正回転力が確実に得られることから、その枚数が望ましいといえる。

なお、発電装置については、軸受ケース１５には、縦軸１に固着して傘歯車４１が内装され、側面に発電機４３が外付けされ、発電機には傘歯車４１と噛み合う従動歯車４５が取り付けられる。

図６は、板羽根３について、他の実施態様を示したもので、その板羽根３は、取付片３９付きであって、先端に台形の山形に屈折した内金物４４と止金物４５とを介して頭部片３１が取り付けられる。

１縦軸
３板羽根
５アーム
２１支持基板
２３上面板
２９主部板材
３１頭部片
３７外ポケット
３８内ポケット
Ｒ，Ｒａ仮想の回転円
Ｌ，Ｌａ接線

Claims

風車の中心となる縦軸の回りに縦長で幅のある板羽根を等位に配列し、縦軸と各板羽根との間に少なくとも上下一対のアームを介在させてなり、各アームは、縦軸と板羽根との双方に連結される帯板状の支持板を主体としこれに湾曲した上面板が組み合わされた中空の揚力型であり、板羽根は、回転方向側の先端縁に、同方向両側が後退角に広がる流線型である内空の頭部片を取り付け、該内空が板羽根の先端縁部で左右に分けられることにより、その頭部片の後退面に内空が外ポケットと内ポケットとして別々に開口していることを特徴とする縦軸型風車。
縦軸を中心に各板羽根の基端を通る仮想の回転円に、各板羽根がその基端で接するとともに、その接線方向またはほゞ接線方向に向う配置としてあることを特徴とする請求項１記載の縦軸型風車。
各板羽根について、先端の頭部片が前記接線とは別でその中心を通る仮想の回転円とほゞ平行方向に向くように内側に傾斜してなり、両ポケットがその傾斜に応じて後ろ斜めに開口されていることを特徴とする請求項１又は２記載の縦軸型風車。
各板羽根及び各アームを構成する材料が、厚み３〜４ｍｍのアルミニウム複合板であることを特徴とする請求項１，２又は３記載の縦軸型風車。