JP3996945B1 - 垂直軸型風車 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードの回転状態に応じて、そのブレードに生じる抗力を調整することにより、広範囲の風速域で風力を無駄なく回転力に変換できるようにした垂直軸型風車を提供する。
【解決手段】垂直回転軸に直交する面内で、該垂直回転軸を中心として等角度間隔に複数のブレードが設けられた垂直軸型風車において、ブレードが、１．０以上の揚力係数を有する流線形の翼型であり、かつ、前端部がブレードの裏面に軸支され、後端部がブレードに対して開閉する開閉部材と、ブレードの回転速度と風速の比に応じて、開閉部材の開閉動作を制御する開閉制御手段とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電などに使用される垂直軸型風車に関し、より詳細には、風車の回転運動に応じて空気力学特性を変えられるようにブレードを改良したものである。

一般に、風力発電用の風車には、回転軸が風の方向に対して水平になっている水平軸型風車（プロペラ型風車）と、回転軸が風の方向に対して垂直になっている垂直軸型風車とが知られている。水平軸型風車は、回転静止状態から回転運動を開始する回転力（起動力）を得やすいという特徴を有し、垂直軸型風車は、風の方向に関係なく回転することができるという特徴を有する。

このうち、垂直軸型風車には、風車の空気力を発生させる部位（ブレード）に働く抗力を風車の主たる回転力とするサボニウス型、パドル型などの抗力型と、ブレードに働く揚力の回転方向成分を風車の主たる回転力とするダリウス型、ジャイロミル型などの揚力型とが知られている。

抗力型の風車は、回転静止状態および回転状態で風を受けることにより、ブレードに抗力が生じ、この抗力による回転力によって回転運動を開始（起動）し、回転を継続するようになっている。このような効果は、一般的にサボニウス効果と呼ばれている。

一方、揚力型の風車は、回転状態で風を受けることにより、ブレードに揚力の回転方向成分が生じ、この揚力の回転方向成分による回転力によって回転を継続するようになっている。このような効果は、一般的にジャイロミル効果と呼ばれている。

特開２００６−４６３０６号公報 特許第３４５１０８５号公報

ところが、抗力型の垂直軸型風車の場合、周速比（ブレードの回転速度と風速の比）が１となると、風車をそれ以上に回すモーメントが発生せず、風速が上がっても、それ以上の回転数が得られず、発電効率が悪いという問題があった。

一方、揚力型の垂直軸型風車の場合、周速比が１以上では、風車の空力特性が良くなり、上述したジャイロミル効果により回転数を増大することができるが、周速比が１以下では、風車の空力特性が悪くなり、風車を回すモーメント（回転力）が小さくなってしまい、特に、回転静止状態では風を受けてもブレードに働く揚力の回転方向成分が生じないため、回転力が得られない、という問題があった。

そこで、このような問題点を改善するために、揚力型の垂直軸型風車に抗力型の垂直軸型風車を機械的に組み込むことにより、微風速域（１〜２ｍ／ｓｅｃ）での起動を可能にした風車（例えば特許文献１）や、ブレードに切欠き部などを形成し、後方からの風による抗力と前方からの抗力との差を生じる形状にすることにより、空気力学的にサボニウス効果を得て、微風速域での起動を可能にし、低風速域（２〜６ｍ／ｓｅｃ）での発電効率を高めることを可能にした風車などが考案されている（例えば、特許文献２）。サボニウス効果は、抗力が働くブレード形状の空力特性とその面積（風向に直角な平面積）に比例し、この面積が大きくなればサボニウス効果が高くなり、起動力および回転力を増大することができる。

しかしながら、このような垂直軸型風車では、中・高風速域（６ｍ／ｓｅｃ以上）で回転する場合に、ジャイロミル効果を最大限に引き出すことができない、という問題があった。ジャイロミル効果は、揚力が働くブレード面の空力特性とその面積（ブレード面積）、回転速度に依存する。特に、ブレードに働く抗力を減少することによってジャイロミル効果は高くなり、回転力を増大することができる。したがって、抗力を得るために設けられた抗力発生部位（切欠き部など）は、中・高風速域で回転する場合のジャイロミル効果を低減させてしまう虞があった。

このため、垂直軸型風車には、サボニウス効果をこれまで以上に高めて、風車が起動する風速をさらに低くし、低風速域での回転力を増大するとともに、中・高風速域ではブレードの抗力を極力低減させてジャイロミル効果を高めることによって、使用可能風速範囲を拡大して、発電効率をより一層向上させることが求められていた。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ブレードの回転状態に応じて、そのブレードに生じる抗力を調整することにより、広範囲の風速域で風力を無駄なく回転力に変換できるようにした垂直軸型風車を提供することにある。

本発明の上記目的は、垂直回転軸に直交する面内で、該垂直回転軸を中心として等角度間隔に複数のブレードが設けられた垂直軸型風車において、前記ブレードが、１．０以上の揚力係数を有する流線形の翼型であり、かつ、前端部が前記ブレードの翼弦長の前縁から６５〜７５％の裏面に軸支され、後端部が前記ブレードに対して開閉する開閉部材と、前記開閉部材の前端部から前記ブレードの内部方向に立設されたアーム部材と、該アーム部材の先端部と前記ブレードの内壁に固設されたスプリング支持部材とを連結するスプリング・アクチュエータと、前記アーム部材の先端部の可動域を制限するストッパー部材とを備え、前記アーム部材を介して前記スプリング・アクチュエータに伝達される前記開閉部材の遠心力と前記スプリング・アクチュエータが有する弾性力とのバランスによって、前記開閉部材の開閉動作が前記ブレードの回転速度と風速の比に応じて制御されることにより、達成される。

また、上記目的は、前記開閉制御手段が、前記ブレードの回転速度と風速の比が０．８未満の場合には前記開閉部材を開状態にし、前記ブレードの回転速度と風速の比が０．８〜１を超えた時点で、前記開閉部材を閉状態にすることにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記開閉部材が前記ブレードに対して開く最大角が、３０〜４０°であることにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記ブレードが、アルミニウム合金、チタニウム合金などの軽金属、あるいは繊維強化プラスチックなどの複合材によって成形されたことにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記スプリング・アクチュエータのばね定数が、前記ブレードの回転速度と風速の比が０．８〜１．０を超えると、前記開閉部材の質量により生じる遠心力がスプリング・アクチュエータの弾性力より大きくなるように設定されたことにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記開閉部材が、前記ブレードに対向する面の後部に開閉動作を調整するための重りを備えていることにより、効果的に達成される。

本発明に係る垂直軸型風車によると、１．０以上の揚力係数を有する流線形翼型のブレードの裏面に、該ブレードに対して開閉可能に軸支される開閉部材を設け、該開閉部材を開閉することによって空気力学的特性を変えられるようにした。これにより、開閉部材を閉状態から開状態にすることによって、ブレードに生じる抗力を８〜１５倍にすることができる。この結果、回転静止状態を含む低風速域（ブレードの回転速度と風速の比が０．８〜１を超えていない回転状態）では、開閉部材を開状態にすることで、ブレードの後方から受ける風により生じる抗力を増大して、サボニウス効果の向上を図ることができ、一方、中・高風速域（ブレードの回転速度と風速の比が０．８〜１を超えている回転状態）では、開閉部材を閉状態にすることで、ブレードに生じる抗力を低減して、ブレードに働く揚力の回転方向成分によるジャイロミル効果の向上を図ることができる。すなわち、本発明に係る垂直軸型風車は、抗力型の垂直軸型風車と揚力型の垂直軸型風車の長所を併せ持つことにより、サボニウス効果とジャイロミル効果とを最大限に引き出すことができる。

例えば、本発明に係る垂直軸型風車と特許文献１に開示される風車と比較すると、同一条件下において、開閉部材を開状態にすることにより、サボニウス効果を２〜３倍に向上することができ、より低い風速でも静止回転状態の風車を起動することが可能である。また、開閉部材を閉状態にすることにより、ブレードの空力特性（特に抗力係数）を１０〜２０％低減することができ、ジャイロミル効果を大きいく向上することができる。よって、垂直軸型風車の起動風速（回転静止状態から起動するのに必要な風速）を従来の垂直軸型風車よりもさらに低くすることができるとともに、低風速域（２〜６ｍ／ｓｅｃ）における回転力を大幅に増大することができ、かつ、中・高風速域（６ｍ／ｓｅｃ以上）での回転数をさらに増大させることができる。すなわち、広範囲の風速域において、風車の効率（風力を回転力に変換する効率）を大幅に向上させ、発電効率などの向上を図ることができる。

また、ブレードの翼弦長（ブレードの断面の長手方向幅）の前縁から６５〜７５％の位置の裏面に開閉部材の前端部を軸支するとともに、開閉部材をブレードに対して最大で３０〜４０°開くようにしたことにより、特に風速１〜２０ｍ／ｓｅｃの範囲における風車の効率を大幅に向上させることができる。

また、開閉部材の前端部からブレードの内部方向に立設されたアーム部材と、該アーム部材の先端部とブレードの内壁に固設されたスプリング支持部材とを連結するスプリング・アクチュエータと、アーム部材の先端部の可動域を制限するストッパー部材とからなる開閉制御手段を設けたことにより、アーム部材を介して伝達される開閉部材の質量により生じる遠心力とスプリング・アクチュエータの弾性力とによって、開閉部材の開閉動作を自動的に制御することができる。特に、スプリング・アクチュエータのばね定数を、周速比（ブレードの回転速度と風速の比）が０．８〜１．０を超えると、開閉部材の質量により生じる遠心力がスプリング・アクチュエータの弾性力より大きくなるように設定することにより、風力を回転状態に応じて無駄なく回転力に変換することができる。

また、開閉部材のブレードに対向する面の後部に重りを取り付け、該重りを微調整することによって、スプリング・アクチュエータに付与される遠心力を微調整することができるので、ブレードの内部に配設されたスプリング・アクチュエータを変更することなく、開閉部材の開閉動作を微調整することができる。

さらに、開閉制御手段を、ブレードの回転速度と風速の比に応じて開閉部材の開／閉を判断する開閉判断部と、該開閉判断部から出力された開／閉信号に応じて開閉部材を開状態／閉状態にするアクチュエータとから構成し、該アクチュエータに電動式、油圧式、あるいは空気圧式のものを用いることにより、大型の垂直軸型風車にも、ブレードの開閉機構を採用することができる。

以下、図面を参照にしながら本発明の実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風車を概略的に示す上面図であり、図２は、図１中のII矢印方向から見た垂直軸型風車を概略的に示す一部破断正面図である。

本実施形態に係る垂直軸型風車１は、下端部が発電機等（図示せず）に連結された垂直な回転軸２を備え、該回転軸２に直交する面内で同一半径の円周方向に沿って等角度間隔（本実施形態では９０°間隔）で４枚の翼型のブレード３，３・・・が回転軸２に平行に配されている。各ブレード３は、回転軸２から放射状に延びる支持ストラック４の端部に、該支持ストラックに対して所定の取付角（本実施形態では９０°）で固定されている。よって、風力によるブレード３の回転は、支持ストラック４を介して回転軸２に伝達される。

ブレード３の外皮は、アルミニウム合金やチタニウム合金などの軽金属、あるいは繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの複合材などの材質からなる薄板状の素材から形成されている。また、ブレード３の翼形は、１．０以上（好ましくは１．０〜１．４）の揚力係数を有する流線形であり、特に、非対称翼の軽飛行機（離陸重量５７００ｋｇｆ以下の飛行機）の主翼に使用されている形状（例えば４字系翼型、ＲＡＦ翼型、ゲッチンゲン翼型など）が好ましい。なお、本実施形態では、翼型の膨らみが大きい面（外周側の面）をブレード３の表面とし、翼型の膨らみが小さい面（内周側の面）をブレード３の裏面とする。

図３は、本実施形態に係る垂直軸型風車のブレードの外観を概略的に示す斜視図であり、図４は、そのブレードの内部構造を概略的に示す要部断面図である。

ブレード３の内部には、図４に示すように、断面略コ字状のブレード支持桁５が配設され、該ブレード支持桁５によって、回転時におけるブレード３の変形などを防止している。ブレード３は、ブレード支持桁５の基端部とブレード３の裏面前方部とに設けられたストラック支持金具６，６により、支持ストラック４の端部に固定される。このブレード３の裏面後方部の外皮は、前端部がブレード３の裏面にヒンジ７を介して軸支されるとともに、後端部がブレード３に対して開閉する開閉部材８になっている。この開閉部材８の前端部が軸支される位置は、ブレード３の翼弦長の前縁から６５〜７５％の裏面であることが望ましい。

また、ブレード３の内部には、この開閉部材８の前端部からブレード３の内部方向に立設されたアーム部材９と、該アーム部材９の先端部とブレードの内壁に固設されたスプリング支持部材１０とを連結するように配されたスプリング・アクチュエータ１１と、アーム部材９の先端部の可動域を制限するストッパー部材１２とからなる開閉制御手段１３が備えられている。この開閉制御手段１３は、アーム部材９を介して伝達される開閉部材８の質量により生じる遠心力とスプリング・アクチュエータ１１の弾性力とによって、開閉部材８の開閉動作を制御する。スプリング・アクチュエータ１１のばね定数は、周速比（ブレード３の回転速度と風速の比）が０．８〜１．０を超えると、開閉部材８の質量により生じる遠心力がスプリング・アクチュエータ１１の弾性力より大きくなるように設定されている。これにより、開状態だった開閉部材８は、上記所定の周速比を超えると、図５に示すように閉状態になる。すなわち、少なくとも周速比が１・０を超えている回転状態では、ブレード３は閉状態になっている。なお、開閉部材８がブレード３に対して開いている開状態時の最大角は、ストッパー部材１２を設ける位置によって設定され、その角度は３０〜４０°であることが望ましい。

また、開閉部材８のブレード３に対向する面の後部には、重り１４が取り付けられている。この重り１４は、スプリング・アクチュエータ１１に付与される遠心力を微調整するためのものであり、この重り１４の微調整により、ブレード３の内部に配設されたスプリング・アクチュエータ１１を変更することなく、開閉部材８の開閉動作の微調整、すなわち、開閉部材８が開状態から閉状態になる周速比の設定を変更することができる。

なお、本実施形態に係る垂直軸型風車１では、ブレード３の裏面後方部の外皮自体を開閉部材８としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、別の板状部材の前端部をブレード３の裏面に回動自在に取り付けて、後端部がブレード３に対して開閉するようにしたものを開閉部材８として用いてもよい。

また、各ブレード３の内部には、図２に示すように、長手方向に沿って等間隔に３つの開閉制御手段１３（アーム部材９）が配設されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、必要に応じて配設される開閉制御手段１３の数および位置を変更することができる。

次に、本実施形態に係る垂直軸型風車の回転動作について、図６および図７を参照にしながら説明する。

図６は、本実施形態に係る垂直軸型風車の開閉部材が開いた状態の回転動作を説明する図であり、図７は、本実施形態に係る垂直軸型風車の開閉部材が閉じた状態の回転動作を説明する図である。

本実施形態に係る垂直軸型風車１の各ブレード３の開閉部材８は、周速比が低い回転静止状態や低速回転状態においては、図６に示すように、スプリング・アクチュエータ８の弾性力によって開状態になっている。この開閉部材８が開状態であるブレード３に風が当たった場合、ブレード３の前方から受ける風により生じる抗力（図６上側のブレード）よりも、ブレード３の後方から受ける風により生じる抗力（図６下側のブレード）の方が大きい。回転静止状態や低速回転状態では、この抗力差が回転力として風車１を起動させ、サボニウス効果によって風車１の回転を維持するようになっている。

一方、周速比が０．８〜１．０（好ましくは１．０）を超えてブレード３が中・高速回転状態になると、図７に示すように、開閉部材８に働く遠心力がスプリング・アクチュエータ８の弾性力より大きくなり、各ブレード３の開閉部材８が閉状態になる。回転中のブレード３には、回転速度と風の合成風力が働き、ブレード３には揚力が発生する。この揚力の回転方向成分がブレード３の前進力となり、ジャイロミル効果によって風車１の回転を維持するようになっている。

要するに、本実施形態に係る垂直軸型風車１では、図６に示すような抗力型のブレード３の場合、周速比が１を超えると、風車１をそれ以上に回すモーメントが発生せず、風速が上がってもそれ以上の回転数を得ることができないので、周速比が０．８〜１．０を超えた時点で開閉部材８を閉状態にして、揚力型のブレード３に変更するようになっている。

以上のように、本実施形態に係る垂直軸型風車１では、流線形翼型のブレード３の裏面に、該ブレード３に対して開閉可能に軸支される開閉部材８を設け、該開閉部材８の開閉状態を、スプリング・アクチュエータ１１の弾性力と開閉部材８に働く遠心力とによって制御することにより、ブレード３の空気力学的特性をその回転状態に適した形状に自動的に変えられるようにした。これにより、回転静止状態を含む低風速域（周速比が０．８〜１を超えていない回転状態）では、開閉部材８を開状態にすることで、ブレードの後方から受ける風により生じる抗力を増大して、サボニウス効果の向上を図ることができ、一方、中・高風速域（周速比が０．８〜１を超えている回転状態）では、開閉部材８を閉状態にすることで、ブレード３に生じる抗力を低減して、ブレード３に働く揚力の回転方向成分によるジャイロミル効果の向上を図ることができる。

［第２実施形態］
図８は、本発明の第２実施形態に係る垂直軸型風車の概略構成を示す機構図である。なお、本実施形態に係る垂直軸型風車１Ａは、開閉制御手段１３Ａの構成が第１実施形態の開閉制御手段１３Ａとは異なる以外は、上述した第１実施形態の垂直軸型風車１の構成と同一である。よって、本実施形態において、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

同図において、開閉部材８の開閉動作を制御する開閉制御部１３Ａは、ブレード３Ａの回転速度を検出する回転速度センサ１５と、垂直軸型風車１が受けている風の速度を検出する風速センサ１６と、回転速度センサ１５および風速センサ１６の検出値に基づいて周速比（ブレード３Ａの回転速度と風速との比）を算出し、その算出された周速比が所定値を超えているか否かを判断する開閉判断部１７と、該開閉判断部１７から出力された開／閉信号に応じて開閉部材８を開状態／閉状態にするアクチュエータ１１Ａとを備えている。

開閉制御手段１３Ａの開閉判断部１７が開／閉状態を判断する基準は、上述した第１実施形態と同様、周速比が０．８〜１．０を超えているか否かであり、少なくとも周速比が１．０以上の回転状態では、ブレード３は閉状態になっている。

また、開閉制御手段１３Ａのアクチュエータ１１Ａは、開閉判断部から出力された開／閉信号に応じて直線運動することにより、開閉部材８を開／閉状態にするものであり、その駆動には電気、油圧、または空気圧が用いられる。

以上のような構成により、本実施形態に係る垂直軸型風車１Ａは、上述した第１実施形態と同様の作用効果が得られることはもとより、開閉制御部１３Ａのアクチュエータ１１Ａとして、電気式、油圧式、あるいは空気圧のものが用いられているので、大型の垂直軸型風車にも、ブレード３Ａの開閉機構を採用することができる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の第１実施形態に係る垂直軸型風車を概略的に示す上面図である。 図１中のII矢印方向から見た垂直軸型風車を概略的に示す一部破断正面図である。 第１実施形態に係る垂直軸型風車のブレードを概略的に示す斜視図である。 第１実施形態に係る垂直軸型風車のブレードの内部構造を概略的に示す要部断面図である。 図４のブレードの開閉部材が閉じた状態を概略的に示す要部断面図である。 第１実施形態に係る垂直軸型風車の開閉部材が開いた状態の回転動作を説明する図である。 第１実施形態に係る垂直軸型風車の開閉部材が閉じた状態の回転動作を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る垂直軸型風車の概略構成を示す機構図である。

符号の説明

１，１Ａ 垂直軸型風車
２ 回転軸
３，３Ａ ブレード
７ ヒンジ
８ 開閉部材
９ アーム部材
１０ スプリング支持部材
１１ スプリング・アクチュエータ
１１Ａ アクチュエータ
１２ ストッパー部材
１３，１３Ａ 開閉制御手段
１４ 重り
１７ 開閉判断部

Claims (6)

1. 垂直回転軸に直交する面内で、該垂直回転軸を中心として等角度間隔に複数のブレードが設けられた垂直軸型風車であって、
   前記ブレードは、１．０以上の揚力係数を有する流線形の翼型であり、かつ、
   前端部が前記ブレードの翼弦長の前縁から６５〜７５％の裏面に軸支され、後端部が前記ブレードに対して開閉する開閉部材と、
   前記開閉部材の前端部から前記ブレードの内部方向に立設されたアーム部材と、
   該アーム部材の先端部と前記ブレードの内壁に固設されたスプリング支持部材とを連結するスプリング・アクチュエータと、
   前記アーム部材の先端部の可動域を制限するストッパー部材と
   を備え、
   前記アーム部材を介して前記スプリング・アクチュエータに伝達される前記開閉部材の遠心力と前記スプリング・アクチュエータが有する弾性力とのバランスによって、前記開閉部材の開閉動作が前記ブレードの回転速度と風速の比に応じて制御されることをことを特徴とする垂直軸型風車。
2. 前記開閉制御手段は、前記ブレードの回転速度と風速の比が０．８未満の場合には前記開閉部材を開状態にし、前記ブレードの回転速度と風速の比が０．８〜１を超えた時点で、前記開閉部材を閉状態にする請求項１に記載の垂直軸型風車。
3. 前記開閉部材が前記ブレードに対して開く最大角は、３０〜４０°である請求項１または２に記載の垂直軸型風車。
4. 前記ブレードは、アルミニウム合金、チタニウム合金などの軽金属、あるいは繊維強化プラスチックなどの複合材によって成形された請求項１ないし３のいずれかに記載の垂直軸型風車。
5. 前記スプリング・アクチュエータのばね定数は、前記ブレードの回転速度と風速の比が０．８〜１．０を超えると、前記開閉部材の質量により生じる遠心力がスプリング・アクチュエータの弾性力より大きくなるように設定された請求項１ないし４のいずれかに記載の垂直軸型風車。
6. 前記開閉部材は、前記ブレードに対向する面の後部に開閉動作を微調整するための重りを備えている請求項１ないし５のいずれかに記載の垂直軸型風車。
   

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