JP6805298B1 - 小型風車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置環境に応じて、適切な周速比で、かつ高効率な小型風車装置を得る。【解決手段】小型風車装置は、回転中心部に固定され，複数の主ブレードを有する大径プロペラと、大径プロペラよりも風上側の位置で回転中心部に固定され，複数の副ブレードを有する小径プロペラとを備え、小径プロペラの直径は、大径プロペラの直径の０．２倍以上、１．０倍未満の範囲である。【選択図】図１

Description

本発明は、大径プロペラおよび小径プロペラを備えた小型風車装置に関する。

従来の発電機用の風車装置に関連する技術として、ハブと、スピナーと、少なくとも２枚の主ブレードとを備える風車ロータがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に係る風車ロータでは、隣り合う２枚の主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように、少なくとも一枚の副ブレードが設けられている。

このような副ブレードは、ハブまたはスピナーから風車ロータの径方向外方に延出し、主ブレードよりも翼長が短い構成を備えている。また、副ブレードのコード長は、羽根側からはね先端側へ向けて単調減少している。

さらに、特許文献１に係る副ブレードは、下式（１）の関係を有している。
Ｃｏｐｔ−Ｃｍａｉｎ≦Ｃｓ≦０．５Ｃｏｐｔ （１）

ここで、上式（１）におけるＣｏｐｔ、Ｃｍａｉｎ、Ｃｓのそれぞれは、以下の内容を意味している。
Ｃｏｐｔ：翼長方向位置ｘに対応する風車ロータの半径位置ｒにおける主ブレードの最適コード長
Ｃｍａｉｎ：半径位置ｒにおける主ブレードのコード長
Ｃｓ：コード長

そして、主ブレードの最適コード長Ｃｏｐｔは、下式（２）で表される。

ここで、「コード長」および「最適コード長」は、以下のように定義される。
コード長：主ブレードの翼型部において、前縁と後縁とを結ぶコード（翼弦線）の長さ。
最適コード長：上式（２）によって、それぞれの半径医位置ｒに応じて規定されるコード長。

その結果、特許文献１に係る風車ロータは、風車ロータ全体としての内側セクションにおける空力性能を向上させることができ、風車ロータにおける翼効率の効果的な改善を図ることができる。

特開２０１５−８６８２２号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。一般に、大型の風車は、プロペラの直径が数十メートルと大きい。このため、強度などの構造的制約から、主ブレードのコード長を最適コード長よりも小さくせざるを得ない。そこで、主ブレードのコード長が最適コード長よりも小さくなってしまう欠点を補うために、副ブレードを設けることで、最適コード長に近づけている。

また、大型風車の特許文献１に係る風車ロータの羽根形状は、主ブレード、副ブレードともに、比較的周速比が高く、ある程度の高回転で性能を発揮するタイプのものである。従って、特許文献１に係る風車ロータのブレードは、低風速、低回転時に大きなトルクを発生し、カットイン風速を大きく改善できるようなブレードではなかった。

その一方で、設置環境によっては、低風速、低回転時において、所望のトルクを発生し、適切な発電量を得ることが要求される。特に、出力が２０ｋＷ以下、プロペラの直径が１６ｍ以下の小型風車装置、あるいは、小型風車の中でも特に出力が１ｋＷ以下、プロペラの直径が２ｍ以下のマイクロ風車装置においては、上述した適切な発電量を得ることが、より要求される。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、設置環境に応じて、適切な周速比で、かつ高効率な小型風車装置を得ることを目的とする。

本発明に係る小型風車装置は、回転中心部に固定され、複数の主ブレードを有する大径プロペラと、大径プロペラよりも風上側の位置で回転中心部に固定され、複数の副ブレードを有する小径プロペラとを備え、回転中心部に固定された大径プロペラと小径プロペラとを組み合わせ、大径プロペラと小径プロペラとが互いに同じ回転数で同じ方向に回転するハイブリッドプロペラとして構成された小型風車装置であって、大径プロペラの直径は、７ｍ以下であり、小径プロペラの直径は、大径プロペラの直径の０．２倍以上、１．０倍未満の範囲であり、小径プロペラは、回転中心部に対して脱着可能な構造を有しており、脱着可能な構造を有する小径プロペラの径を変更することで、ハイブリッドプロペラとしての周速比を設置環境に応じて変更できるものである。

本発明に係る小型風車装置によれば、設置環境に応じて、適切な周速比で、かつ高効率な小型風車装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る小型風車装置を示す正面図である。 本発明の実施の形態１に係る図１の小型風車装置を示す側面図である。 本発明の実施の形態１におけるハイブリッドプロペラを使用した際の回転数−トルク特性を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る小型風車装置において、４種類のプロペラ形状に関する、回転中心からブレード先端までの距離とコード長との関係を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る小型風車装置において、カットイン風速時のトルクと、Ｄ２／Ｄ１との関係を示した図である。 本発明の実施の形態３におけるハイブリッドプロペラを使用した際の回転数−トルク特性を示した図である。

本発明では、風車装置のうち、出力が５０ｋＷ以下、プロペラの直径が７ｍ以下の小型風車装置を対象としている。小型風車装置は、大型風車装置ほどブレードが大きな力を受けないため、主ブレードのコード長を最適値近くに設計することができ、主ブレードの周速比を高く設計することができる。この場合、副ブレードのコード長と主ブレードのコード長とを足し合わせると、主ブレードの最適コード長より長くなる。

そこで、本発明による小型風車装置においては、主ブレードの周速比を高く設計しておき、副ブレードを設置して部分的にコード長を長くすることで、設置環境に応じて周速比を低くできることを技術的特徴としている。この結果、設置環境に応じた最適な周速比の風車を、相似形のブレード長を変えるだけで、ブレード形状の再設計などの手間なく、容易に実現できる。そこで、本発明に係る小型風車装置の具体的な実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る小型風車装置を示す正面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１に係る図１の小型風車装置を示す側面図である。

発電機用の小型風車装置は、流体の流れのエネルギーを回転エネルギーに変換する。流体としては、空気、水などが挙げられる。発電機用の小型風車装置は、回転可能に設けられた大径プロペラと、大径プロペラ１に対して上流側に設置された小径プロペラ２を備えている。大径プロペラ１と小径プロペラ２とは、図示しない発電機の回転軸に接続される。

大径プロペラ１は、円柱形状の回転中心部３と、回転中心部３に設けられた複数の主ブレード１ａとを有している。なお、以下の説明において、径方向とは、回転中心部３についての径方向とする。また、周方向とは、回転中心部３についての周方向とする。さらに、軸方向とは、回転中心部３についての軸方向とする。

主ブレード１ａは、回転中心部３から径方向外側に向かって延びるように、回転中心部３に固定されている。図１においては、３枚の主ブレード１ａが、周方向に等間隔に並べて配置されている。さらに、３枚の主ブレード１ａのそれぞれは、径方向における回転中心部３から先端までの長さが、図１に示すようにＤ１となっている。Ｄ１のことを、以下の説明では、大径プロペラ１の径Ｄ１と称することとする。ここで、本発明では、プロペラの直径が７ｍ以下のものを小型風車装置と定義しており、径Ｄ１は、３．５ｍ以下となる。

このような構成を有する大径プロペラ１は、周方向に回転する。大径プロペラ１が回転することによって、発電機の回転軸が回転する。発電機の回転軸は、水平方向に延びて配置されている。言い換えれば、小型風車装置に用いられる発電機は、水平軸発電機として構成されている。

一方、小径プロペラ２は、大径プロペラ１と同様に、円柱形状の回転中心部３と、回転中心部３に設けられた複数の副ブレード２ａとを有している。小径プロペラ２は、回転中心部３から径方向外側に向かって延びるように、かつ、大径プロペラよりも風上側の位置で、回転中心部３に固定されている。図１においては、３枚の副ブレード２ａが、周方向に等間隔に並べて配置されている。

さらに、３枚の副ブレード２ａのそれぞれは、径方向における回転中心部３から先端までの長さが、図１に示すようにＤ２となっている。Ｄ２のことを、以下の説明では、小径プロペラ２の径Ｄ２と称することとする。

そして、径Ｄ１と径Ｄ２とは、
Ｄ１＞Ｄ２
の関係となっている。すなわち、大径プロペラ１の直径は、小径プロペラ２の直径よりも大きくなるように構成されている。ここで、径Ｄ２と径Ｄ１との比であるＤ２／Ｄ１は、大径プロペラ１の直径に対する小径プロペラ２の直径の比と等価である。

さらに、小径プロペラ２は、円柱形状の回転中心部３に対して、脱着可能な構造になっており、設置環境等に応じて副ブレード２ａの形状が異なる小径プロペラに、比較的簡単に脱着が可能な構造になっている。すなわち、小径プロペラ２は、設置環境に応じて、直径が異なる別のものに交換可能な構成となっている。

大径プロペラ１および小径プロペラ２は、それぞれのプロペラの持つ周速比で回転した際に、最も効率よく出力を取り出すことができる。周速比を、下式（３）に示す。
周速比＝Ｖｒ／Ｖｆ （３）
ただし、Ｖｆ：風速（ｍ／ｓ）
Ｖｒ：周速（ｍ／ｓ） プロペラ最外周の移動速度

周速比は、プロペラの形状、およびブレードの枚数によって変わる。一般的に、細く受風面積が小さいブレードの周速比は大きく、逆に、太く受風面積が大きいブレードの周速比は小さい傾向にある。

今回の図１を例にとれば、大径プロペラ１は、周速比が約４．５程度であり、小径プロペラ２は、周速比が２程度である。

図１および図２に示すような、大径プロペラ１と小径プロペラ２とを組み合わせたハイブリッドプロペラを用いる場合には、Ｄ２／Ｄ１の値によって、回転数に対するトルクの変化を示す回転数−トルク特性が異なる。

図３は、本発明の実施の形態１におけるハイブリッドプロペラを使用した際の回転数−トルク特性を示した図である。図３に示した特性は、横軸が回転数（ｒｐｍ）であり、縦軸がトルク（Ｎ・ｍ）である。図３では、Ｄ２／Ｄ１として、次の３種の値を有するプロペラによる回転数−トルク特性の比較が示されている。
ケース１：Ｄ２／Ｄ１＝０（小径プロペラ２がない場合に相当）
ケース２：Ｄ２／Ｄ１＝０．４７
ケース３：Ｄ２／Ｄ１＝０．５９

図３に示すように、トルクのピークを示す回転数を比較すると、小径プロペラ２がなく大径プロペラ１のみのケース１（Ｄ２／Ｄ１＝０）のときが最も高い値を示し、ケース３（Ｄ２／Ｄ１＝０．５９）のときが最も低い値を示していることがわかる。換言すると、小径プロペラ２の径Ｄ２を大きくするほど、周速比が下がり、低回転対応のプロペラになる。一方、径Ｄ２を小さくするほど、周速比が上がり、高回転対応のプロペラになる。

このように小径プロペラ２の径Ｄ２を変更するだけで、ハイブリッドプロペラとしての周速比を変えることができる。従って、設置環境の風況条件に合わせて、適切なサイズの径Ｄ２を有する小径プロペラ２を用いることで、適切な周速比で、かつ高効率のハイブリッドプロペラを実現できる。

例えば、風が弱い住宅地にハイブリッドプロペラを設置する場合には、低風速でも高トルクの得られる、周速比の低いプロペラとなるように、適切なサイズの小径プロペラ２を用いることができる。また、市街地のような比較的強風の場所にハイブリッドプロペラを設置する場合には、高回転対応の、周速比の高いプロペラとなるように、適切なサイズの小径プロペラ２を用いることができる。

また、住宅街では、高回転時の風切音が問題となることがある。そのような問題に対しては、径Ｄ２が比較的大きい小径プロペラ２を使用することが考えられる。このような小径プロペラ２の採用により、周速比を下げ、低回転での発電を可能にできるため、騒音低減効果が期待できる。

また、周速比を下げることで、低回転でのトルクが大きくなる。このため、例えば、公園などでの耐環境性を意識づけるモニュメント的なものとしてハイブリッドプロペラを使用する場合にも、微風で回転開始することができる。この結果、耐環境意識を効果的に与えることができる。

さらに、本実施の形態１における小型風車装置では、主ブレード１ａのコード長を最適コード長の値の近くに設計することができ、主ブレードの周速比を高く設計することができる。この場合、副ブレード２ａのコード長と主ブレード１ａのコード長とを足し合わせた値は、主ブレード１ａの最適コード長よりも長くなる。

すなわち、本実施の形態１における小型風車装置では、主ブレード１ａの周速比を高く設計した上で、所望の形状を有する副ブレード２ａを取り付けて部分的にコード長を長くすることで、周速比を低くできることを技術的特徴としている。

この結果、設置環境に応じた所望の形状の副ブレード２ａを有する小径プロペラ２に交換することによって、設置環境に応じた最適な周速比を得ることができる小型風車装置を実現できる。特に、相似形状を有する複数の副ブレード２ａを用意しておけば、それらの中から適切な副ブレード２ａを選択することで、設置環境に応じた最適な周速比を得ることができる小型風車装置を実現できる。従って、ブレード形状の再設計の手間なく、容易に最適風車形状を実現できる。

図４は、本発明の実施の形態１に係る小型風車装置において、４種類のプロペラ形状に関する、回転中心からブレード先端までの距離とコード長との関係を示した図である。図４においては、以下のようなパターン１〜パターン４の４種類のプロペラ形状に関して図示している。

パターン１：主ブレード１ａが最適コード長を有するように設計された大径プロペラ１のみで構成された小型風車装置。
パターン２：最適コード長ではない主ブレード１ａを備えた大径プロペラ１のみで構成された小型風車装置。
パターン３：最適コード長を有する主ブレード１ａを備えた大径プロペラ１と、Ｄ２／Ｄ１＝０．４７の関係を有する副ブレード２ａを備えた小径プロペラ２とを組み合わせて構成された小型風車装置。
パターン４：最適コード長を有する主ブレード１ａを備えた大径プロペラ１と、Ｄ２／Ｄ１＝０．５９の関係を有する副ブレード２ａを備えた小径プロペラ２とを組み合わせて構成された小型風車装置。

パターン３およびパターン４が示しているように、主ブレード１ａの周速比を高く設計した上で、所望の形状を有する副ブレード２ａを取り付けることで、部分的にコード長を長くするが可能となる。そして、部分的にコード長を長くすることで、周速比を所望の値に低くすることができる。

図５は、本発明の実施の形態１に係る小型風車装置において、カットイン風速時のトルクと、Ｄ２／Ｄ１との関係を示した図である。図５から明らかなように、Ｄ２／Ｄ１の値を大きくするに従って、周速比を低くできるとともに、カットイン風速時のトルクを大きくすることが可能となる。

また、図５に示すように、Ｄ２／Ｄ１の値が０．２以下の範囲では、カットイン風速時のトルクがほとんど変化しない。従って、Ｄ２／Ｄ１の値を最低でも０．２以上とすることが実用的である。

以上のように、実施の形態１によれば、それぞれの設置環境に応じて、適切なサイズの小径プロペラに交換することにより、適切な周速比で、かつ高効率の小型風車装置を実現することができる。なお、適切なサイズとは、小径プロペラの直径を、大径プロペラの直径の０．２倍以上、１．０倍未満の範囲に設計することを意味する。

特に、主ブレードのコード長は最適コード長として設計した上で、適切なサイズの副ブレードを有する小径プロペラと組み合わせることで、設置環境に適したプロペラ周速比を実現できる小型風車装置を容易に得ることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、大径プロペラ１の径Ｄ１と、小径プロペラ２の径Ｄ２との比であるＤ２／Ｄ１の違いによる、小型風車装置の性能に関する検証結果をより詳細に説明する。

先の実施の形態１で説明したように、比率Ｄ２／Ｄ１の値を変えることで、ハイブリッドプロペラの特性は、図３に示すように変化する。

図３において、ケース１であるＤ２／Ｄ１＝０（すなわち、小径プロペラ２がなく大径プロペラ１のみの場合）のときの特性と、ケース２であるＤ２／Ｄ１＝０．４７のときの特性とを比較すると、以下のような傾向があることがわかる。
・１０００ｒｐｍ付近では、ケース１と比較してケース２の方が、トルクが大きく向上している。
・さらに、５５００ｒｐｍ付近までは、ケース１と比較してケース２の方が、大きなトルクを発生できている。
・なおかつ、５５００ｒｐｍ以上の回転数でも、ケース１と比較してケース２によるトルクの大幅なダウンまでは発生していない。

一方、小径プロペラの径Ｄ２をケース２よりもさらに大きくしたケース３のときの特性と、ケース１の特性とを比較すると、以下のような傾向があることがわかる。
・低回転では、ケース１と比較してケース３の方が、トルクアップしている。
・４０００ｒｐｍ以上の高回転時では、ケース１と比較してケース３の方が、トルクダウンが大きく、小径プロペラ２によって性能が劣化していることがわかる。

比率Ｄ２／Ｄ１に関して、ケース２およびケース３以外の場合も含めて詳細に検証した結果、以下の傾向が確認できた。
・Ｄ２／Ｄ１が０．５以下では、ケース２であるＤ２／Ｄ１＝０．４７の場合と同様の傾向が確認できた。
・Ｄ２／Ｄ１が０．５より大きいときには、ケース３であるＤ２／Ｄ１＝０．５９と同様の傾向があることが確認できた。

以上のように、実施の形態２によれば、比率Ｄ２／Ｄ１が０．５以下となるような小径プロペラを適用することで、低回転時のトルクを向上させることができるとともに、高回転でのトルク低下を極力抑えることができる。この結果、比率Ｄ２／Ｄ１が０．５以下となるようなサイズの小径プロペラ２に交換することにより、高効率で特性の良いプロペラを実現できる。従って、実施の形態２によれば、設置環境の風況、環境等に合わせた周速比になるように、小径プロペラの大きさを調整することができ、容易に設置環境に適した小型風車装置を供給することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、ケース３の場合よりも比率Ｄ２／Ｄ１がさらに大きな値を有するような小径プロペラ２を用いた場合の回転数−トルク特性について説明する。

図６は、本発明の実施の形態３におけるハイブリッドプロペラを使用した際の回転数−トルク特性を示した図である。図６に示した特性は、横軸が回転数（ｒｐｍ）であり、縦軸がトルク（Ｎ・ｍ）である。図６では、Ｄ２／Ｄ１として、次の２種の値を有するプロペラによる回転数−トルク特性の比較を示している。
ケース１：Ｄ２／Ｄ１＝０（小径プロペラ２がない場合に相当）
ケース４：Ｄ２／Ｄ１＝０．７１

ケース４であるＤ２／Ｄ１＝０．７１のように、ケース３であるＤ２／Ｄ１＝０．５９よりもさらに周速比が低くなることによって、低回転でのトルクがさらに大きくなっている。この結果、プロペラの回転開始風速、および発電を開始するカットイン風速を大幅に低減させることができる。

さらに、高回転側では、ケース４の場合には、トルク低下が非常に大きくなり、図６の場合には、回転数５５００ｒｐｍ以上において、大径プロペラ１だけのケース１の場合と比較して、よりトルクが低くなっている。これによって、プロペラが高回転しにくくなる。このため、高回転域において回転を抑制でき、風切り音などの騒音を抑制できるとともに、高回転によるブレードの破損を抑制する効果を得ることができる。

なお、比率Ｄ２／Ｄ１を０．７以上に設定した場合には、Ｄ２／Ｄ１＝０．７１とした場合と同様の効果を検証できた。

以上のように、実施の形態３によれば、比率Ｄ２／Ｄ１が０．７以上となるような小径プロペラを適用することで、プロペラの回転開始風速、および発電を開始するカットイン風速を下げることができる。さらに、高回転域においては回転が抑制され、騒音低減、およびブレードの破損防止を図ることができる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、交換前と交換後における小径プロペラ２の形状について説明する。小径プロペラ２の径Ｄ２を変更するに当たり、交換前後における小径プロペラ２の形状が相似形状の関係を有するように設計することが考えられる。このような相似形状を採用することで、小径プロペラの設計および製造が容易となり、設計時間の短縮および製造コストの削減を実現できる。

実施の形態５．
本実施の形態５では、大径プロペラ１および小径プロペラ２の形状について説明する。大径プロペラ１を構成する主ブレード１ａの枚数と、小径プロペラ２を構成する副ブレード２ａの枚数とを同数とし、かつ、主ブレード１ａおよび副ブレード２ａのそれぞれを、ともに等ピッチで配置することが考えられる。

このような形状を採用することで、大径プロペラ１と小径プロペラ２とのバランスを合わせやすく、アンバランスを改善できる。また、大径プロペラ１のそれぞれの主ブレード１ａの間に、小径プロペラ２のそれぞれの副ブレード２ａを均等に配置することができる。このため、風を受けやすく効率の良い小型風車装置を実現できる。

１ 大径プロペラ、１ａ 主ブレード、２ 小径プロペラ、２ａ 副ブレード、３ 回転中心部。

Claims (4)

1. 回転中心部に固定され、複数の主ブレードを有する大径プロペラと、
   前記大径プロペラよりも風上側の位置で前記回転中心部に固定され、複数の副ブレードを有する小径プロペラと
   を備え、前記回転中心部に固定された前記大径プロペラと前記小径プロペラとを組み合わせ、前記大径プロペラと前記小径プロペラとが互いに同じ回転数で同じ方向に回転するハイブリッドプロペラとして構成された小型風車装置であって、
   前記大径プロペラの直径は、７ｍ以下であり、
   前記小径プロペラの直径は、前記大径プロペラの直径の０．２倍以上、１．０倍未満の範囲であり、
   前記小径プロペラは、前記回転中心部に対して脱着可能な構造を有しており、
   脱着可能な構造を有する前記小径プロペラの径を変更することで、前記ハイブリッドプロペラとしての周速比を設置環境に応じて変更できる
   小型風車装置。
2. 前記小径プロペラの直径は、前記大径プロペラの直径の０．５倍以下である
   請求項１に記載の小型風車装置。
3. 前記小径プロペラの直径は、前記大径プロペラの直径の０．７倍以上である
   請求項１に記載の小型風車装置。
4. 前記複数の主ブレードは、最適コード長を有する
   請求項１から３のいずれか１項に記載の小型風車装置。

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