(57)【要約】【課題】従来の垂直軸型風車では微風速域において揚力よりも抗力が強く作用するため、高い回転起動性を得ることが難しかった。そこで、本発明は、微風速域においても効率的に回転させることが可能な垂直軸型風車を提案することを目的とする。【解決手段】以上の課題を解決するために、本発明は、円筒状回転軸と、円筒状回転軸に翼支持腕にて複数支持される翼と、からなる垂直軸型風車であって、前記翼と前記円筒状回転軸の間隔は、前記翼の鉛直方向の長さ以下である垂直軸型風車を提案する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状回転軸と、
円筒状回転軸に翼支持腕にて複数支持される翼と、
からなる垂直軸型風車であって、
前記翼と前記円筒状回転軸の間隔は、前記翼の鉛直方向の長さ以下である垂直軸型風車。
【請求項２】
前記翼と前記円筒状回転軸の間隔は、前記翼の鉛直方向の長さの半分以下である請求項１に記載の垂直軸型風車。
【請求項３】
前記円筒状回転軸の直径は、前記翼の翼弦長と略同一である請求項１又は２に記載の垂直軸型風車。
【請求項４】
前記円筒状回転軸の鉛直方向の長さは、前記翼の鉛直方向の長さと略同一である請求項１から３のいずれか一に記載の垂直軸型風車。
【請求項５】
前記翼支持腕の水平幅は、前記翼の回転方向の長さの３０〜５０％である請求項１から４のいずれか一に記載の垂直軸型風車。
【請求項６】
前記翼支持腕が上下二か所で翼を支持することで、翼支持腕と円筒状回転軸と翼とによって囲まれる整流窓が形成される請求項１から５のいずれか一に記載の垂直軸型風車。
【請求項７】
前記翼と前記円筒状回転軸の間隔は、前記上下二か所の翼支持腕の間隔の略半分である請求項６に記載の垂直軸型風車。
【請求項８】
前記円筒状回転軸と軸を共有する発電機をさらに有する請求項１から７のいずれか一に記載の垂直軸型風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電などに用いられる垂直軸型風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
風車としては、回転軸が水平方向の水平軸型風車と、回転軸が垂直方向の垂直軸型風車が知られている。垂直軸型風車は、水平軸型風車と異なり、３６０度どちらの方向からの風についても回転駆動源とすることが可能であり、かつ、コンパクトなスペースに配置することができるという利点を有する。【０００３】
垂直軸型風車としては、細い回転軸を中心とした円周上に複数の翼を設置する構造のものが一般的に知られている。例えば、特許文献１では、垂直軸型風車の翼厚を調整することによって翼の空力特性を改善し、回転効率を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９１７４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の垂直軸型風車では微風速域において揚力よりも抗力が強く作用するため、高い回転起動性を得ることが難しかった。そこで、本発明は、微風速域においても効率的に回転させることが可能な垂直軸型風車を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するために、本発明は、円筒状回転軸と、円筒状回転軸に翼支持腕にて複数支持される翼と、からなる垂直軸型風車であって、前記翼と前記円筒状回転軸の間隔は、前記円筒状回転軸の直径と略同一である垂直軸型風車を提案する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、翼を後縁側に引きずる力（誘導抗力）が弱くなり、抗力に対する揚力の比率が大きくなるため、微風速域であっても効率的に翼を回転させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１の垂直軸型風車の形状の一例を示す平面図
【図２】実施形態１の垂直軸型風車の形状の一例を示す正面図
【図３】実施形態１の垂直軸型風車の構造の一例を示す側面図
【図４】実施形態１の垂直軸型風車の構造の一例を示す平面図
【図５】従来の垂直軸型風車の翼に作用する誘導抗力の様子を示す図
【図６】実施形態１の垂直軸型風車の翼に作用する誘導抗力の様子を示す図
【図７】実施形態１の垂直軸型風車の翼に作用する揚力と抗力を示す図
【図８】実施形態２の垂直軸型風車の形状の一例を示す正面図
【図９】実施形態２の垂直軸型風車の構造の一例を示す側面図
【図１０】実施形態３の垂直軸型風車の構造の一例を示す側面図
【図１１】実施形態３の垂直軸型風車の構造の他の例を示す側面図
【図１２】実施例１の垂直軸型風車の発電量と風速の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について説明する。請求項と実施形態の対応関係は以下のとおりである。実施形態１は主に請求項１から請求項５に関し、実施形態２は主に請求項６と請求項７に関し、実施形態３は主に請求項９に関する。なお、本件発明は以下の実施形態の例に限定されるものではなく、種々なる態様で実施することが可能である。
【００１０】
＜＜実施形態１＞＞
【００１１】
＜概要＞
本実施形態の垂直軸型風車は、翼と円筒状回転軸の間隔が、翼の鉛直方向の長さ以下であることを特徴とする。当該構成とすることにより、翼を後縁側に引きずる力（誘導抗力）が減少し、抗力に対する揚力の比率が大きくなるため、翼の回転起動性が高くなる。
【００１２】
＜構成＞
図１と図２は、本実施形態の垂直軸型風車の形状の一例を示す平面図と正面図である。これらの図に示されているように、本実施形態の「垂直軸型風車」は、「円筒状回転軸」１と、「円筒状回転軸」に「翼支持腕」２にて支持される複数の「翼」３と、からなる。
【００１３】
「円筒状回転軸」１は、翼の回転軸としての機能と、水平方向から吹いてくる風をその側面で受け止めて、軸周りの気流を形成する機能を有する。さらに、「翼の下面」３１に対向する面としての役割を担い、翼と円筒状回転軸の間の気流の圧力を高める機能を有する。
【００１４】
円筒状回転軸が対向する面としての役割を十分に果たすために、円筒状回転軸の直径は「翼弦長」３２と略同一とすることが好ましい。円筒状回転軸の直径を翼弦長よりも小さくすると翼の下面に対向する面としての機能が低下し、翼弦長よりも大きくし過ぎると必要以上に円筒状回転軸のサイズや重量が大きくなってしまう。なお、本明細書において、略同一であるとは、一方と他方の値の差が、一方又は他方のいずれか絶対値が小さい方の大きさの±２０％以内であることを意味する。
【００１５】
同様に、円筒状回転軸が翼の下面に対向する面の役割を十分に果たすために、円筒状回転軸の鉛直方向の長さと翼の鉛直方向の長さを略同一とすることが好ましい。円筒状回転軸の鉛直方向の長さを翼の鉛直方向の長さと比較して短くすると対向する面としての機能が低下し、円筒状回転軸の鉛直方向の長さを翼の鉛直方向の長さと比較して長くすると必要以上に円筒状回転軸のサイズや重量が大きくなってしまう。
【００１６】
図３と図４は、本実施形態の垂直軸型風車の内部構造の一例を示す側面図と平面図である。図３に示すように、「円筒状回転軸」は、「支柱部材」１１と、支柱部材と翼支持腕の部材を連結する「連結部材」１２と、支柱部材などを覆うための「円筒カバー部材」１３などからなる構成が考えられる。また、円筒カバー部材には翼支持腕の部材を通すための「アーム取出孔」１４が設けられている。
【００１７】
ここで、支柱部材についてはステンレス等の金属やカーボンファイバーなどの強度の高い素材を用い、連結部材や円筒カバー部材についてはアルミニウム等の金属やカーボンファイバー、プラスチック樹脂などの耐久性が高く軽量な素材を用いることが好ましい。なお、円筒カバー部材において強度が要求されない部分については、アクリル樹脂、ABS樹脂等の加工しやすく軽量なプラスチック素材を用いることも考えられる。
【００１８】
「翼支持腕」２は、翼と円筒状回転軸をつなぎ、翼による回転力を円筒状回転軸に伝達する機能を有する。「翼支持腕」は、例えば図３及び図４に示すように、円筒状回転軸に連結される二本の「アーム部材」２１Ａ・２１Ｂと、アーム部材を覆う一組の「アームカバー部材」２２Ａ・２２Ｂなどからなる構成が考えられる。
【００１９】
ここで、アーム部材についてはアルミニウム、カーボンファイバー等の耐久性が高く軽量な素材を用いることが好ましい。また、アームカバー部材についてはアクリル樹脂、ABS樹脂等の加工しやすく軽量なプラスチック素材を用いることが好ましい。
【００２０】
また、「翼と円筒状回転軸の間隔」４１を「翼の鉛直方向の長さ」３３以下とすることによって、以下に述べるように、翼を後縁側に引きずる力（誘導抗力）を減少させることが可能になる。
【００２１】
図５は、従来の一般的な垂直軸型風車において翼に作用する誘導抗力の様子を示した図である。従来の垂直軸型風車では、回転力を大きくする観点から「翼と回転軸の間隔」４０を比較的大きくし、強度が許す限りにおいて回転軸の直径を小さくしている。このような場合、翼と回転軸の間隔における圧力は翼の上面より少し高くなるものの、それ程高くはならない。このため、翼の後縁にて翼の上面側から下面側に向かう「気流の傾き（吹き下ろし角）」２６が大きくなる。ここで、吹き下ろし角が大きいほど翼に作用する誘導抗力が大きくなるため、翼に対して比較的大きな「誘導抗力」２７が発生する。
【００２２】
図６は、翼と円筒状回転軸の間隔が前記翼の鉛直方向の長さ以下である場合に、翼に作用する誘導抗力の様子を示した図である。「翼と円筒状回転軸の間隔」４１が鉛直方向の長さ以下である場合、翼と円筒状回転軸の間隔における圧力が従来の垂直軸型風車よりも高くなる。このため、翼の後縁にて翼の上面側から下面側に向かう「気流の傾き（吹き下ろし角）」２６が比較的小さくなる。吹き降ろし角が小さいほど翼に作用する誘導抗力が弱くなるため、吹き降ろし角の減少に伴って翼に作用する「誘導抗力」２７が減少する。つまり、回転軸を円筒状にして、かつ、翼と円筒状回転軸との間隔を翼の鉛直方向の長さ以下とすることにより、翼に作用する誘導抗力を減らすことが可能になる。
【００２３】
なお、翼と円筒状回転軸の間隔が、翼の鉛直方向の長さの半分以下である場合は、翼に作用する誘導抗力が特に減少する点で好ましい。ただし、翼と円筒状回転軸の間隔を狭くし過ぎると逆に回転トルクが小さくなってしまうため、翼と円筒状回転軸の間隔は翼の鉛直方向の長さの２５〜３５％程度とすることが好ましい。
【００２４】
また、「翼支持腕の平均水平幅」４２は、翼支持腕の側面を流れる空気を水平方向に整流する観点から、円筒状回転軸の直径の３０％以上とすることが好ましい。なお、軽量性の観点から、翼支持腕は円筒状回転軸の直径の５０％未満とすることが好ましい。また、図２や図３に示すようにアームカバー部材を曲面状にすることによって、気流の流れをスムーズにすることが可能である。
【００２５】
また、翼支持腕のいずれかの位置に穴部を設けて、鉛直方向の流路を確保することが好ましい。当該構成とすることにより、翼支持腕が回転した状態においても鉛直方向に流路が確保されるため、翼の円周軌跡の内側に対する空気の出入りがスムーズになる。具体的には、図４に示すように、二本の「アーム部材」２１Ａ・２１Ｂを所定の間隔をあけて配置し、翼から円筒状回転軸までの領域の略中央では「アーム部材」を「アームカバー部材」２２Ａ・２２Ｂで覆わない構成とすることが考えられる。これにより、翼から円筒状回転軸までの領域の略中央に鉛直方向の流路となる「穴部」２３が形成される。
【００２６】
なお、図２と図３では翼支持腕により鉛直方向の略中央の位置一か所で翼を支持する構成を示したが、翼支持腕により上下二か所で翼を支持する構成も可能であるし、それ以上の箇所で支持する構成も可能である。また、支持点についても種々考えられる。
【００２７】
「翼」３は、揚力により回転方向にトルクを発生させる機能を有する。ここで、翼は、繊維強化プラスチック、カーボンファイバー等の軽量で強度の高い素材を用いることが好ましい。また、複数の翼は、水平方向の風が吹いてくる方向に関係なく均等にトルクを発生させる観点から、回転方向にて等間隔に支持されることが好ましい。
【００２８】
図４に示すように、「翼の上面」３０は前縁から後縁にかけて緩やかに湾曲し、「翼の下面」３１は前縁から後縁にかけて平面的になっている。また、翼の前縁部分は丸みを帯びた形状であり、後縁部分はとがった形状となっている。これらの特徴は飛行機の主翼と同様である。翼厚は、高い揚力を発生させる観点から、もっとも厚い部分で円筒状回転軸の直径の５〜３０％とすることが好ましい。
【００２９】
図７は、水平方向の風が吹いたときに翼に作用する力を示す図である。この図に示すように、「翼」３は、「水平方向からの風」５１を受けることによって「揚力」５２を発生させる。当該揚力は翼に作用する「抗力」５３と垂直な方向に作用し、「回転方向」５４の成分を有する。当該回転方向の成分を駆動源として翼は回転する。ここで、「翼を後縁側に引きずる力（誘導抗力）」２７は、上述のように、翼と円筒状回転軸の間隔を翼の鉛直方向の長さ以下とすることによって小さくなっている。このため、本実施形態の垂直軸型風車において、抗力に対する揚力の比率が大きくなり、より大きな回転力を得ることが可能になる。
【００３０】
＜効果＞
本実施形態の垂直軸型風車においては、翼を後縁側に引きずる力（誘導抗力）が小さくなり、抗力に対する揚力の比率が大きくなるため、微風速域であっても効率的に翼を回転させることが可能になる。
【００３１】
＜＜実施形態２＞＞
【００３２】
＜概要＞
本実施形態の垂直軸型風車は、実施形態１の特徴に加えて、翼支持腕が上下二か所で翼を支持することで、翼支持腕と円筒状回転軸と翼とによって囲まれる整流窓が形成されることを特徴とする。翼の円周軌跡の内側に入り込んだ空気は整流窓によって圧縮されるため、翼に作用する誘導抗力はさらに減少し、抗力に対する揚力の比率が大きくなるため、微風速域における回転効率をさらに高くすることが可能になる。
【００３３】
＜構成＞
図８は、本実施形態の垂直軸型風車の形状の一例を示す正面図である。基本的な構成は、実施形態１と同様であるが、本実施形態の垂直軸型風車は、「翼支持腕」２Ａ・２Ｂが上下二か所で「翼」３を支持することで、「翼支持腕」２Ａ・２Ｂと「円筒状回転軸」１と「翼」３とによって囲まれる「整流窓」４が形成されることを特徴とする。
【００３４】
「整流窓」は、翼支持腕と円筒状回転軸と翼の間の空間に流れ込む空気の流速や方向を整える機能を有する。整流窓に流れ込む空気は圧縮されるため、翼に作用する誘導抗力がさらに減少する。よって、本実施形態の垂直軸型風車では、抗力に対する揚力の比率がさらに高くなり、微風速域であってもより高い回転効率を得ることが可能になる。
【００３５】
図９は本実施形態の垂直軸型風車の構造の一例を示す側面図である。この図に示すように、「翼支持腕」が二本の「アーム部材」２１Ａ・２１Ｂ（２１Ｃ・２１Ｄ）と「アームカバー部材」２２Ａ・２２Ｂ（２２Ｃ・２２Ｄ）とからなる場合、アームカバー部材を双曲面として、整流窓を正面から見た場合に略０字型になるようにすることが考えられる。なお、アームカバー部材は、円錐台や、半球面などの曲面形状とすることも可能である。
【００３６】
整流の効果を高くするために、翼支持腕の水平幅は翼の回転方向の長さの３０％以上とすることが好ましい。なお、５０％以上としても整流の効果に大きく影響を与えないため、軽量化の観点において３０〜５０％とすることが好ましい。
【００３７】
また、上下二か所の翼支持腕の間隔は、翼の鉛直方向の長さの５０％以上とすることが好ましい。整流窓の領域をある程度大きくすることによって、所定量以上の空気を水平方向に整流（圧縮）することが可能になる。
【００３８】
また、翼と円筒状回転軸の間隔は、上下二か所の翼支持腕の間隔の略半分とすることが特に好ましい。当該間隔は、翼の鉛直方向の長さの半分以下であるため、翼の後縁側に作用する力（誘導抗力）を十分減少させることが可能であり、かつ、翼と円筒状回転軸の間に一定の間隔が存在するため、比較的大きな回転トルクを発生させることが可能である。
【００３９】
＜効果＞
本実施形態の垂直軸型風車においては、実施形態１の垂直軸型風車と比較して、さらに誘導抗力が減少するため、微風速域であってもより高い回転効率を得ることが可能になる。
【００４０】
＜＜実施形態３＞＞
【００４１】
＜概要＞
【００４２】
本実施形態の垂直軸型風車は、実施形態１又は２の構成に加えて、円筒状回転軸と軸を共有する発電機を有することを特徴とする。当該構成により、円筒状回転軸の回転をダイレクトに発電機に伝達することが可能になり、効率的に発電を行うことが可能になる。
【００４３】
＜構成＞
図１０は、本実施形態の垂直軸型風車の構造の一例を示す図である。基本的な構成は、実施形態１又は２と同様であるが、本実施形態の垂直軸型風車は、「円筒状回転軸」１と「軸」１１を共有する「発電機」５を有することを特徴とする。
【００４４】
「発電機」は、円筒状回転軸の軸回転を電力に変換する機能を有する。本実施形態の発電機は円筒状回転軸と軸を共有しているため、円筒状回転軸の回転力を直接的に利用することができ、効率的に発電を行うことが可能になる。発電機の具体例としては、例えば永久磁石式の交流発電機などを用いることが考えられる。発電機により発電された電力は図示しない配線によって取り出される。当該電力は、照明器具などの電気機器にて消費されたり、バッテリーに充電されたりすることが考えられる。
【００４５】
図１１は、本実施形態の垂直軸型風車の構造の他の例を示す図である。発電機は図１０に示したように円筒状回転軸の内部に配置することも可能であるが、例えば発電機の形状が大きく、円筒状回転軸の内部に配置できない場合などは、図１１に示すように円筒状回転軸の下方に配置する構成も可能である。また、発電機を円筒状回転軸の上方に配置する構成も同様に可能である。
【００４６】
なお、円筒状回転軸と軸を共有するギア、プーリーなどの変速機を配置し、当該変速機と連結される発電機を設けることによって、低回転高出力風力発電機を構成することも可能である。
【００４７】
また、上記発電機を垂直軸型風車の内部又は外部に設置される制御コントローラによって制御する構成も可能である。例えば、回転速度を一定速度域に制御したい場合は発電機に接続されるバッテリーの電力を利用して電気ブレーキをかけたり、加速させたりすることが考えられる。
【００４８】
＜効果＞
本実施形態の垂直軸型風車により、実施形態１の効果に加えて、円筒状回転軸の回転をダイレクトに発電機に伝達することができるため、効率的に発電を行うことが可能になる。
【実施例１】
【００４９】
本実施例の垂直軸型風車は、円筒状回転軸と、翼を上下二か所で支持する翼支持腕と、回転方向にて等間隔に支持される三枚翼と、円筒状回転軸と軸を共有し円筒状回転軸の内部に配置される発電機と、から構成される。本実施形態の垂直軸型風車の形状は、図７及び図８に示す例と同様であり、構造は図１０に示す例と同様である。【００５０】
円筒状回転軸は、支柱部材と、支柱部材と翼支持腕を連結する連結部材と、支柱部材などを覆う中空の円筒カバー部材と、から構成される。ここで、支柱部材はステンレス素材であり、連結部材や円筒カバー部材はアルミニウム素材である。なお、円筒カバー部材の上部及び下部はアクリル樹脂素材のドームとなっている。円筒カバー部材の直径は、翼の翼弦長と同一であり、ドームを含めた円筒カバー部材の鉛直方向の長さは、翼の鉛直方向の長さの１１５％となっている。なお、翼弦長は０．３０［ｍ］であり、翼の鉛直方向の長さは１［ｍ］となっている。【００５１】
本実施例の垂直軸型風車においては、三枚翼を上下二か所で支持するため、全部で６つの翼支持腕が存在する。各翼支持腕は、隙間を開けて配置される二本のアーム部材と、一組のアームカバー部材と、から構成される。アーム部材はアルミニウム素材であり、アームカバー部材はアクリル樹脂素材である。円筒カバー部材から翼までの間隔は、翼の鉛直方向の長さの３０％となっている。また、翼支持腕の平均水平幅（アームカバー部材の平均水平幅）は、円筒状カバー部材の直径の４０％となっている。また、アームカバー部材は双曲面となっており、アームカバー部材と円筒カバー部材と翼とによって囲まれる整流窓は水平方向から見て略０字形状となっている。【００５２】
翼の上面は前縁から後縁にかけて緩やかに湾曲した形状となっており、翼の下面は前縁から後縁にかけて平面的な形状となっている。また、翼の前縁部分は丸みを帯びた形状であり、後縁部分はとがった形状となっている。翼の円周軌跡の直径は、翼の鉛直方向の長さと同一になっている。また、翼のもっとも厚い部分は翼の鉛直方向の長さの５％となっている。なお、各翼の重さは３［ｋｇ］となっている。【００５３】
発電機は永久磁石式の三相交流発電機であり、円筒状回転軸の内部に配置されている。ここで、発電機のボディと翼支持腕はアルミニウムの連結部材で連結されている。【００５４】
図１２は、本実施例の垂直軸型風車の発電量と風速の関係を示した図である。この図に示すように、本実施例の垂直軸型風車は、風速４［ｍ／ｓ］において１１［Ｗ］の電力を発電し、風速１２［ｍ／ｓ］において３０５［Ｗ］の電力を発電することが可能である。つまり、微風速域においても効率的に発電を行うことが可能であった。
【符号の説明】
【００５５】
１…円筒状回転軸、２…翼支持腕、３…翼、４…整流窓、５…発電機、１１…支柱部材、１２…連結部材、１３…円筒カバー部材、１４…アーム取出孔、２１Ａ〜Ｄ…アーム部材、２２Ａ〜Ｄ…アームカバー部材、２３…穴部、２６…吹き降ろし角、２７…誘導抗力、３０…翼の上面、３１…翼の下面、３２…翼弦長、３３…翼の鉛直方向の長さ、４０…翼と回転軸の間隔（従来技術）、４１…翼と円筒状回転軸の間隔、４２…翼支持腕の水平幅、５１…水平方向の風、５２…翼に作用する揚力、５３…翼に作用する抗力、５４…翼の回転方向
【図１】
2012073321.tif 000003
【図２】
2012073321.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012073321.tif 000006
【図５】
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【図６】
2012073321.tif 000008
【図７】
2012073321.tif 000009
【図８】
2012073321.tif 000010
【図９】
2012073321.tif 000011
【図１０】
2012073321.tif 000012
【図１１】
2012073321.tif 000013
【図１２】
2012073321.tif 000014
【国際調査報告】
2012073321.tif 000015
2012073321.tif 000016
2012073321.tif 000017
2012073321.tif 000018