(57)【要約】      （修正有）【課題】高出力が得られ、かつ低製造コストの実現が可能である２次元輪郭をもつ小型風力発電用ブレードによって、消費者のニーズに合った安価で高出力の得られる費用対効果の高い小型風力発電機の風車ロータを提供する。【解決手段】本発明では、流線形をした断面を有する３次元的ブレード形状を排除した、製造コスト削減が可能な単純な２次元的輪郭をもつ小型風力発電用ブレード形状を小型風力発電機に用いることによって、消費者のニーズに合った安価で高出力の得られる費用対効果の高い小型風力発電機の風車ロータ部分を製造することを可能にすることができ、またそれにより消費者の購買意欲と合致し小型風力発電機の低需要を打開することが可能である。【選択図】図−４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車の中心部分に回転可能に設けられる風車ロータに対し、円周に沿って複数のものが均等間隔で取り付けられることで風力発電を行う風力発電用ブレードであって、前記風車ロータの取り付け部分に最も近いところに位置する辺である基端縁と、この基端縁から半径方向に最も離れた位置において前記基端縁を構成する辺と平行な辺である先端縁と、前記基端縁の前端である基端縁前端と、前記基端縁の後端である基端縁後端と、前記先端縁の前端である先端縁前端と、前記先端縁の後端である先端縁後端と、前記基端縁と前記先端縁の間の距離である全長と、前記基端縁前端から前記先端縁前端までの間を前側に飛び出した後に後退する滑らかなカーブを描きながら連結する前縁と、前記基端縁後端から前記先端縁後端までの間を前側に飛び出した後に後退する滑らかなカーブを描きながら連結する後縁とを備えており、前記基端縁に平行な任意の直線が前記前縁と交わる前縁交点と前記後縁と交わる後縁交点との間の距離は常に等しくなるように構成されており、前記基端縁後端から前記先端縁後端までの前後方向の離間距離である後退量の全長に対する百分率（＝後退量／全長×１００）が１９％〜２５％、前記基端縁前端から前記前縁の最も前方に移動したところに位置する頂点との間の前後方向の離間距離である前進量を前記全長の４％〜８％とし、前記頂点と前記基端縁との間の半径方向の離間距離である円弧頂点距離が前記全長の２分の１以下とした小型風力発電用ブレード。
【請求項２】
回転中心に位置すると共に風力によって回転可能に設けられた風車ロータと、この風車ロータに取り付けられる請求項１に記載の小型風力発電用ブレードとを備え、前記小型風力発電用ブレードは前記風車ロータの円周方向に沿って均等な間隔で複数に設けられている小型風力発電用風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、発明者が第６２回日本学生科学賞に投稿する研究テーマとして高出力が得られ、かつ低コストで製造が可能である２次元輪郭をもつ小型風力発電用ブレード形状を明らかにしたことから、消費者のニーズに合った安価で高出力の得られる費用対効果の高い小型風力発電機の風車ロータを発明するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、小型風力発電ブレードは流線形の翼断面形状をした３次元的な構造にすることにより揚抗比をできるだけ小さくし高出力を得ようとするものであった。そのため、ブレードの製造コストが大きくなり、小型風力発電機の価格は消費者の購買意欲に反し必然的に高くなっており、小型風力発電機の需要は現在のところ低調である。【０００３】
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願２０１６−５０１９１０公報
【特許文献２】特願２０１５−５０２５９６公報
【特許文献３】特開２００６−１５２８６４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、高出力が得られ、かつ低製造コストの実現が可能である２次元輪郭をもつ小型風力発電用ブレードによって、消費者のニーズに合った安価で高出力の得られる費用対効果の高い小型風力発電機の風車ロータを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  小型風力発電ブレードの３次元断面形状による高製造コストを排除した、２次元輪郭をもつ小型風力発電用ブレードの特別な形状を小型風力発電機に用いることによって、消費者のニーズに合った安価で高出力の得られる費用対効果の高い小型風力発電機の風車ロータを製造することを可能にするものである。
ここに記した２次元輪郭をもつ小型風力発電用ブレード形状の各寸法要素と得られる出力の関係については、先行研究事例がなく発明者が第６２回日本学生科学賞に投稿するため研究したことで、世界で初めて明らかにされたことである。
こうして、上記課題を達成するために発明に係る小型風力発電用ブレードは、風車の中心部分に回転可能に設けられる風車ロータに対し、円周に沿って複数のものが均等間隔で取り付けられることで風力発電を行うものであって、前記風車ロータの取り付け部分に最も近いところに位置する辺である基端縁と、この基端縁から半径方向に最も離れた位置において前記基端縁を構成する辺と平行な辺である先端縁と、前記基端縁の前端である基端縁前端と、前記基端縁の後端である基端縁後端と、前記先端縁の前端である先端縁前端と、前記先端縁の後端である先端縁後端と、前記基端縁と前記先端縁の間の距離である全長と、前記基端縁前端から前記先端縁前端までの間を前側に飛び出した後に後退する滑らかなカーブを描きながら連結する前縁と、前記基端縁後端から前記先端縁後端までの間を前側に飛び出した後に後退する滑らかなカーブを描きながら連結する後縁とを備えており、前記基端縁に平行な任意の直線が前記前縁と交わる前縁交点と前記後縁と交わる後縁交点との間の距離は常に等しくなるように構成されており、前記基端縁後端から前記先端縁後端までの前後方向の離間距離である後退量の全長に対する百分率（＝後退量／全長×１００）が１９％〜２５％、前記基端縁前端から前記前縁の最も前方に移動したところに位置する頂点との間の前後方向の離間距離である前進量を前記全長の４％〜８％とし、前記頂点と前記基端縁との間の半径方向の離間距離である円弧頂点距離が前記全長の２分の１以下としたことを特徴とする。
また、別の発明に係る小型風力発電用風車は、回転中心に位置すると共に風力によって回転可能に設けられた風車ロータと、この風車ロータに取り付けられる上記小型風力発電用ブレードとを備え、前記小型風力発電用ブレードは前記風車ロータの円周方向に沿って均等な間隔で複数に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】  本発明によれば、２次元輪郭をもつ小型風力発電用ブレードを小型風力発電機に用いることによって、消費者のニーズに合った安価で高出力の得られる費用対効果の高い小型風力発電機の風車ロータを製造することを可能である。従来のような断面が翼断面形状をした３次元的なブレードに比べ大幅な製造コストダウンが可能であり、消費者の購買意欲に合致する。これは、災害時のための自家用電源の普及の初動ともなり得、小型風力発電機の存在価値を高める役割を果たすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】  従来の翼断面形状をした小型風力発電用ブレード
【図２】  従来の小型風力発電用ブレードの製造用型
【図３】  本発明による２次元的な形状をした小型風力発電用ブレード
【図４】  本発明による小型風力発電用ブレード形状の寸法定義
【図５】  ５種類の試作ブレードによる性能比較のグラフ
【図６】  本発明によるブレード風車ロータに取り付けた小型風力発電用風車の外観図
【発明を実施するための形態】
【０００９】以下、現在の小型風力発電機の低需要を打開するための費用対効果の高い小型風力発電用ブレードの発明の様子について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１０】図１には、製造コストのかかる従来のブレード形状の代表例を示す。ＸＹ平面（１）に関しては単純な形状となっているが、３次元的ブレード形状、すなわちブレード翼断面（２）には任意の曲線がつけられており、型を利用した熱成形などの製造コストの増加が生じる。
【００１１】図２には、図１で示した３次元的ブレード形状をもつブレードを製作するための型（３）を示す。型断面Ａ−Ａ（４）と型断面Ｂ−Ｂ（５）において、それぞれの曲線の形状が異なっており、型を製作するための製造コストの増加が生じる。
【００１２】図３には、本発明による最適な２次元的形状をもったカーブブレード（６）を示す。このカーブブレードの断面Ａ−Ａ（７）は平板断面状をしており従来の製造コストを要する翼断面形状と比べて、翼断面に関する加工を施す必要がなく全体的に低製造コストが望まれる。
【００１３】図４には、発明者が第６２回日本学生科学賞に投稿するため研究した、カーブブレード（３５）の詳細な構造を示す。本発明において、図４に示す位置で、上側を前側と、下側を後側と、上下方向を前後方向と、左右方向を半径方向と示す。なお、カーブブレード（３５）は、左端側を風車ロータに固定された状態で、前側（上側）に向かって回転することで発電を行う。カーブブレード（３５）は、風車の中心部分に回転可能に設けられる円盤（３６）（本願発明の風車ロータに該当する）に対し、円盤（３６）の円周に沿って複数のもの（図６では３個）が均等間隔で取り付けられている。カーブブレード（３５）において、風車ロータ取り付け部分に最も近い位置にある辺は基端縁（８）とされている。基端縁（８）から半径方向に最も離れた位置には、基端縁（８）を構成する辺と平行な辺は先端縁（９）が設けられている。両端縁（８，９）間の距離は、カーブブレード（３５）の全長（１０）とされている。カーブブレード（３５）において、基端縁（８）の中点近傍には風車ロータ取り付け用の取付穴（１１）が４か所に渡って略長方形状に設けられている。基端縁（８）の前端は基端縁前端（２８）とされ、基端縁（８）の後端は基端縁後端（１２）とされている。一方、先端縁（９）の前端は先端縁前端（１３．５）とされ、先端縁（９）の後端は先端縁後端（１４）とされている。
カーブブレード（３５）は、基端縁後端（１２）から基端縁（８）に対する垂線（１３）よりも先端縁後端（１４）が下側（図示後側）になるように、滑らかなカーブを描きながら先端縁（９）が後方位置に移動している。このとき、基端縁後端（１２）から先端縁後端（１４）までの垂直方向への移動距離が後退量（１５）とされている。また、基端縁（８）から先端縁（９）までにかけて、前端（１３．５、２８）同士を滑らかに連結するところが前縁（１６）、両端縁（８，９）までにかけて、後端同士を滑らかに連結するところが後縁（１７）とされている。本発明において、基端縁（８）と平行である任意の直線（１８）を引いたとき、この直線（１８）が前縁（１６）と交わるところを前縁交点（１９）とし、後縁（１７）と交わるところを後縁交点（２０）とすると、前縁交点（１９）と後縁交点（２０）の距離（２１）は常に等しいように構成されている。基端縁（８）と平行な任意の直線（２２）と前縁（１６）、後縁（１７）の交点をそれぞれ前縁交点Ｃ（２３）、後縁交点Ｄ（２４）とする。適当な位置の直線（２２）を選択すると、両交点（２３，２４）の位置で、前縁（１６）、後縁（１７）のそれぞれが、最も前方に移動したところ位置する頂点Ａ（２５）、頂点Ｂ（２６）をとる。頂点Ａ（２５）から基端縁（８）を延長した直線に下した垂線の距離を円弧頂点距離（２７）とする。本発明では、基端縁前端（２８）を通り、基端縁に対する垂線（２９）より頂点Ａ（２５）が上側にあり、頂点Ａ（２５）が基端縁前端（２８）との間の距離を前進量（３０）とする。
以上の定義内容を３ＤＣＡＤソフトに入力し、スプラインカーブを適応することで、カーブブレード（３５）の全形状を決定した。そのため、カーブブレード（３５）の全定義が完了している状態で、後退量（１５）のみのパラメータを変更した場合、円弧頂点距離（２７）、前進量（３０）のパラメータが追随して変化する。また円弧頂点距離（２７）に関しては、ほぼ初期のパラメータとの差異がないようにしてカーブブレード（３５）の形状を変形させる。
【００１４】図５には、発明者が第６２回日本学生科学賞における実験の際に、［００１３］で定義されるカーブブレード（３５）に関して、後退量（１５）の全長（１０）に対する百分率（３１）（＝後退量（１５）／全長（１０）×１００）と最大仕事率（３２）の関係を調べ、得られた近似曲線（３３）を示した。近似曲線（３３）は各後退量（１５）の全長（１０）に対する百分率（３１）における最大仕事率（３２）を表す計測値（３４）に対して、Ｅｘｃｅｌを利用することによって、誤差を最小とする計算を行った結果として得られた。また最大仕事率（３２）とは、本発明であるカーブブレード（３５）を有する風車に関して風洞実験を行い、トルク計測器で測定され得られた値を用いた。この近似曲線（３３）は極大値を有しており、極大値周辺が最大効果の得られるカーブブレード（３５）であり、最も費用対効果の高い小型風力発電用ブレードであった。
【００１５】図６には、本発明によって発明された低製造コストを実現した単純で高出力の得られる、すなわち費用対効果の高いカーブブレード（３５）を取り付けた風車の外観図を示す。風車は本発明によって発明されたカーブブレード（３５）、ブレード取付用の円盤（３６）、ブレード取付用のアングル（３７）、シャフト（３８）で構成されている。
【符号の説明】１…ＸＹ平面
２…ブレード翼断面
３…図１で示した３次元的ブレード形状をもつブレードを製作するための型
４…型断面Ａ−Ａ
５…型断面Ｂ−Ｂ
６…本発明による最適な２次元的形状をもったカーブブレード（小型風力発電用ブレード）
７…断面Ａ−Ａ
８…基端縁
９…先端縁
１０…全長
１１…取付穴
１２…基端縁後端
１３…基端縁後端を通る基端縁に対する垂線
１３．５…先端縁前端
１４…先端縁後端
１５…後退量
１６…前縁
１７…後縁
１８…基端縁と平行である任意の直線
１９…前縁交点Ａ
２０…後縁交点Ｂ
２１…前縁交点Ａと後縁交点Ｂの距離
２２…基端縁と平行な任意の直線
２３…前縁交点Ｃ
２４…後縁交点Ｄ
２５…頂点
２６…頂点
２７…円弧頂点距離
２８…基端縁前端
２９…基端縁前端を通る基端縁に対する垂線
３０…前進量
３１…後退量の全長に対する百分率
３２…最大仕事率
３３…近似曲線
３４…最大仕事率を表す計測値
３５…本発明によって発明されたカーブブレード（小型風力発電用ブレード）
３６…ブレード取付用の円盤（風車ロータ）
３７…ブレード取付用のアングル
３８…シャフト
【図−１】
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【図−２】
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【図−３】
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【図−４】
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【図−５】
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【図−６】
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