(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車回転軸を中心とする円周上の回転対称な位置に、ブレードが該風車回転軸とアームで連結して回転自在に配設された回転ロータを具備する垂直軸型風車であって、
前記風車回転軸を通り前記風車回転軸に垂直な直線を気流中心線、前記風車回転軸に対する前記気流中心線の一方を風上側，他方を風下側、前記風上側から前記風下側へ向かう方向を気流方向、前記回転ロータを前記気流中心線により二分割したときに、前記回転ロータが順方向に回転する場合に前記気流方向に対し前記ブレードが逆行する側を左側，順行する側を右側とすると、前記回転ロータの前記気流中心線に対する左側に前記ブレードの回転軌道に近接して配設された左側フローガイド、及び右側に前記ブレードの回転軌道に近接して配設された右側フローガイドの何れか一方又は双方を備え、
前記左側フローガイドは、前記風車回転軸に平行な柱状に形成され、その断面の周線形状は、前記気流中心線に対向する側である内側が、円弧状に形成され、その逆側である外側が、風上側において内側の円弧状の周線と滑らかに接続し風下側において内側の円弧状の周線と鋭角を為して接続する逆Ｓ字状に形成され、
前記右側フローガイドは、前記風車回転軸に平行な柱状に形成され、その断面の周線形状は、前記気流中心線に対向する側である内側が、円弧状に形成され、その逆側である外側が、風下側において内側の円弧状の周線と滑らかに接続し風上側において内側の円弧状の周線と鋭角を為して接続する逆Ｓ字状に形成されていることを特徴とする垂直軸型風車。
【請求項２】
前記回転ロータの上下に、前記回転ロータに向かって風を集風する上側フローガイド及び下側フローガイドの何れか一方又は双方を備え、
前記上側フローガイドは、前記回転ロータに対向する下側面が、前記回転ロータの前記風上側から前記風下側に向かって上方に傾斜した平面状又は下に凸の曲面状に形成されており、
前記下側フローガイドは、前記回転ロータに対向する上側面が、前記回転ロータの前記風上側から前記風下側に向かって下方に傾斜した平面状又は上に凸の曲面状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の垂直軸型風車。
【請求項３】
前記左側フローガイドは、その断面の周線形状において、内側が円弧状に形成されるとともに、該円弧の下流側端部が、内側に向けて滑らかに反り返った形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２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、微風でも起動しやすく改良した垂直軸型風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直軸型風車とは、垂直回転軸を中心としてブレードが回転する風車をいい、ダリウス風車、ジャイロミル風車（直線ダリウス型風車）、サボニウス型風車、クロスフロー型風車などがある（非特許文献１，図１参照）。垂直軸型風車は、構造が簡単で高効率であるため、特に簡易型の風力発電用の風車として広く使用されている。しかしながら、垂直軸型風車は、ブレードの回転中に周期的に失速現象が現れ、特に低周速比での回転時にそれは顕著となる。そのため、ブレードに加わるトルクや出力の変動などを生じ、垂直軸型風車の効率低下の原因となることが知られている（非特許文献２，３）。そこで、かかる失速現象を抑え垂直軸型風車の効率を如何に向上させるかが重要な技術課題である。
【０００３】
垂直軸型風車の効率を向上させるために、ブレード形状、ブレード取付角、可変翼などについての数多くの研究が発表されているが、それとは別に、ブレードの周辺にフローガイドを設置することにより効率を向上させる技術についても提案がされている（非特許文献４−６，特許文献１−２０）。
【０００４】
非特許文献４では、図２５（ａ）のように、直線ダリウス型風車の上流側の回転角θ＝３３０〜３６０degの位置に平板状のフローガイドを設置し、この位置付近のブレードに衝突する風の流れを遮り衝突による正圧を低減させることにより、ブレードのトルク係数を増加させる技術について報告がされている。また、非特許文献５，６では、図２５（ｂ）のように、直線ダリウス型風車のブレードの内側に、回転中心軸と同軸で風車と共に回転する円筒型フローガイドを設置することにより、回転角θ＝１８０〜３００degでのブレードのトルク係数を増加させ、風車全体のパワー係数を増加させる技術について報告がされている。
【０００５】
垂直軸型風車のフローガイドの配置及び形状に関しては、上記非特許文献４−６以外にも多くの提案（特許文献１−２０）がされており、これらを分類すると以下の通りである。
【０００６】
（１）一方向フローガイド
特許文献１に、垂直な回転軸の周りに風を受けて回転可能なブレード（回転翼）を有する回転ロータと、ブレードが風の流れの向きに対して逆行する逆行領域においてカルマン渦を発生させるように、このブレードの逆行領域の上流側に設けられたフローガイド（整流板）とを備え、フローガイドと回転ロータのブレードとは、フローガイドが発生させたカルマン渦の流体の向きに対して逆行する部分にブレードの回転軌道が沿うように配置した垂直軸型風車が開示されている（図２６参照）。これにより、ブレードの回転方向が風の流れ方向に逆行する領域であってもカルマン渦が流れ方向と逆方向の流れを局所的に作り、ブレードの回転方向にトルクを及ぼし、ブレードの回転を促進する結果、自己起動性が著しく向上し、僅かな流れでも回転ロータを起動できるようになると記載されている。
【０００７】
また、特許文献２及び特許文献３の図６には、フローガイドの形状をブレードの回転軌道と同軸の円周に沿った円弧板状とした垂直軸型風車が開示されている。
【０００８】
（２）左右フローガイド
特許文献４には、回転ロータを内包し回転ロータの回転軸を中心に回転自在な風向回転装置を備えた垂直軸型風車が開示されている（図２７参照）。この風向回転装置は、回転ロータの左右に垂直矩形板状の整流板を相互に平行に配し、左右の整流板の前縁に垂直矩形板状の前側フローガイド（集風板）を３０〜４５°に拡開状に延設し、左右の整流板の後縁に垂直矩形板状の後側フローガイド（集風板）を３０〜４５°に拡開状に延設し、上部に尾翼付方向蛇が配設されている。風向回転装置は、方向蛇により、整流板が風の流れと平行となるように回転する。風は、左右の前側フローガイド（集風板）により集風し増速した後、整流板によって整流されて回転ロータの回転翼に衝突し、ブレード（回転翼）にトルクを与える。これにより、風車効率の向上させることを狙ったものである。
【０００９】
また、特許文献３の図１，図３及び特許文献５には、垂直な回転軸の周りに風を受けて回転可能なブレード（回転翼）を有する回転ロータと、ブレードが風の流れの向きに対して逆行する逆行領域の上流側にブレードの回転軌道に近接して設けられ、回転軌道と同軸の円周に沿った円弧板状に形成された左側フローガイドと、回転ロータの回転軸を挟んで左側フローガイドの反対側に設けられた右側フローガイドとを備えた垂直軸型風車が開示されている。
【００１０】
（３）多方向フローガイド
特許文献６−８には、垂直な回転軸の周りに風を受けて回転可能なブレードを有する回転ロータの周囲のＮ回対称位置に、翼面が回転ロータの回転軸から放射状に広がるようにＮ個のフローガイドを配置し、これらのフローガイドにより回転ロータの周囲を通過する風を回転ロータへ案内する流路を形成した垂直軸型風車が開示されている（図２８（ａ）参照）。
【００１１】
特許文献９−１５には、上記のＮ個のフローガイドを放射状ではなく、放射方向から回転ロータの回転方向と逆向きに傾斜させた状態で設けた垂直軸型風車が開示されている（図２８（ｂ）参照）。
【００１２】
特許文献１６には、垂直な回転軸の周りに風を受けて回転可能なブレードを有する回転ロータの周囲のＮ回対称位置（Ｎ≧３）に、Ｎ個の側面の一部を切り欠いた円筒形状のフローガイド（円筒形構造物）を配置し、各フローガイド（円筒形構造物）は同型で、かつ各フローガイド（円筒形構造物）の切り欠きの平面視断面形状はブレードの回転軌道に沿った円弧状である垂直軸型風車が開示されている（図２８（ｃ）参照）。
【００１３】
（４）上下フローガイド
特許文献１７には、回転ロータの上下面に近接して、回転ロータの径よりも大きな径を有する円板状の整流板を相互に平行に配し、上下の整流板の外縁から外方に放射状に延設されたドーナツ状のフローガイド（導風板）を備え、上側のフローガイド（導風板）は、上側の整流板から上向きの傾斜状態に、下側のフローガイド（導風板）は、下側の整流板から下向きの傾斜状態にそれぞれ延設されている垂直軸型風車が開示されている（図２９参照）。この垂直軸型風車では、風車に吹き込む風をフローガイド（導風板）により集風し増速した後、整流板によって整流して回転ロータの回転翼に効率よく衝突させることにより、弱風でも大きな動力を得ることを狙ったものである。
【００１４】
（５）軌道内側フローガイド
回転ロータのブロードの回転軌道内にフローガイドを設けたもので、上記非特許文献５，６や特許文献１８に記載のもの（図２５（ｂ）参照）。
【００１５】
（６）風洞型フローガイド
特許文献１９，２０のように、フローガイドを筒状に形成し、フローガイドの筒内に回転ロータを配置したもの。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００８−１０６７３６号公報
【特許文献２】米国特許第４２８８２００号明細書
【特許文献３】特開２０１１−１７２９３号公報
【特許文献４】特開２００５−２２０８９３号公報
【特許文献５】特開２０１３−８３１８１号公報
【特許文献６】特開２０１０−１９６６００号公報
【特許文献７】特開２００６−１８８９６９号公報
【特許文献８】特開昭５７−１３２７８号公報
【特許文献９】米国特許第３９８６７８５号明細書
【特許文献１０】米国特許第４２６９５６３号明細書
【特許文献１１】米国特許第５３９１９２６号明細書
【特許文献１２】米国特許第６０１５２５８号明細書
【特許文献１３】米国特許第６７４０９８９号明細書
【特許文献１４】米国特許第６８７０２８０号明細書
【特許文献１５】米国特許第６９６６７４７号明細書
【特許文献１６】実開昭５６−４９２７４号公報
【特許文献１７】特開２００５−１４７０５４号公報
【特許文献１８】特開昭６１−９８９７３号公報
【特許文献１９】米国公開特許２０１３−０１３６５７６号明細書
【特許文献２０】特表２０１０−５０１０５４号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】鈴木政彦，鈴木修二，谷口英人，関和市，「垂直軸風車の実験的研究」，第29回風力エネルギー利用シンポジウム，2007年11月．
【非特許文献２】藤沢延行，渋谷賢志，高野剛，「ダリウス風車における動的失速現象の可視化と画像解析に関する研究」，日本機械学會論文集  B編，一般社団法人日本機械学会，1999年10月25日，65(638), pp.3374-3379.
【非特許文献３】布浦賢作，黒田成昭，朴炳湖，坪倉誠，「ジャイロミル形風車の周りの流れの解析」，日本機械学會年次大会講演論文集 : JSME annual meeting 2005(2)，一般社団法人日本機械学会，2005年9月18日，pp.163-164.
【非特許文献４】冨岡政裕，川口清司，川島佳一郎，平井僚，「ストレートダリウス型風車における翼周りの流れとフローガイドの効果：PIVと数値計算の組み合わせによる解析」，日本機械学會北信越支部第45期総会・講演会講演論文集 2008(45)，一般社団法人日本機械学会，2008年3月1日，pp.157-158.
【非特許文献５】平井僚，川口清司，渡辺大輔，山西拓也，「ストレートダリウス型風車における円筒型フローガイドを用いた性能向上：PIVと数値計算の組み合わせによる解析」，日本機械学會北信越支部第47期総会・講演会講演論文集 2010(47)，一般社団法人日本機械学会，2010年3月5日，pp.467-468.
【非特許文献６】山西拓也，川口清司，平井僚，渡辺大輔，「円筒型ガイドを用いたストレートダリウス型風車における性能向上に関する研究 : PIVと数値計算の組み合わせによる解析」，日本機械学會年次大会講演論文集 : JSME annual meeting 2010(2)，一般社団法人日本機械学会，2010年9月4日，pp.133-134.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述の通り、垂直軸型風車において、フローガイドは、風車に流入する風の流れを回転ロータに集め、各ブレードに働くトルクを大きくする作用がある。また、垂直軸型風車では風の流れに対して回転ロータの回転軸が垂直であることから、必然的に、ブレードが風の流れの向きに対して順行する順行領域と、逆行する逆行領域ができ、逆行領域にあるブレードにおいて回転ロータを減速させる方向にトルクが働く。しかし、フローガイドをうまく配置することにより、逆行領域における減速方向トルクを抑えることができる。
【００１９】
一方で、フローガイドは、風の流れに対する障害物であり流路抵抗となる。従って、回転ロータ周囲にフローガイドを設置することにより、回転ロータの周辺の圧力が上昇し、回転ロータに流入する風の流量が減少するという作用もある。従って、多方向フローガイドのように、回転ロータの周辺に余り沢山のフローガイドを設置すると、風速の条件によっては却って垂直軸型風車の効率を低下させることにもなる。
【００２０】
そこで、本発明の目的は、上記従来の垂直軸型風車におけるフローガイドを改良し、垂直軸型風車の効率を低下させることなく、微風でもより起動しやすくした従来とは異なる垂直軸型風車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る垂直軸型風車は、風車回転軸を中心とする円周上の回転対称な位置に、ブレードが該風車回転軸とアームで連結して回転自在に配設された回転ロータを具備する垂直軸型風車であって、
前記風車回転軸を通り前記風車回転軸に垂直な直線を気流中心線、前記風車回転軸に対する前記気流中心線の一方を風上側，他方を風下側、前記風上側から前記風下側へ向かう方向を気流方向、回転ロータを前記気流中心線により二分割したときに、前記回転ロータが順方向に回転する場合に前記気流方向に対し前記ブレードが逆行する側を左側，順行する側を右側とすると、前記回転ロータの前記気流中心線に対する左側に前記ブレードの回転軌道に近接して配設された左側フローガイド、及び右側に前記ブレードの回転軌道に近接して配設された右側フローガイドの何れか一方又は双方を備え、
前記左側フローガイドは、前記風車回転軸に平行な柱状に形成され、その断面の周線形状は、前記気流中心線に対向する側である内側が、円弧状に形成され、その逆側である外側が、風上側において内側の円弧状の周線と滑らかに接続し風下側において内側の円弧状の周線と鋭角を為して接続する逆Ｓ字状に形成され、
前記右側フローガイドは、前記風車回転軸に平行な柱状に形成され、その断面の周線形状は、前記気流中心線に対向する側である内側が、円弧状に形成され、その逆側である外側が、風下側において内側の円弧状の周線と滑らかに接続し風上側において内側の円弧状の周線と鋭角を為して接続する逆Ｓ字状に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、風上側から流入する風は、左側フローガイド及び右側フローガイドの一方又は双方により、回転ロータに向かって集風される。左右のフローガイドは、気流中心線に面する側（内側）が円弧状に形成されているため、フローガイドの内側の風はフローガイドの表面に沿って滑らかに流れ、回転ロータの方向に導かれる。これにより、回転ロータの風上側直近では風速が速くなり、回転ロータの風上側のブレードには大きな回転トルクが働く。一方、回転ロータの風下側に向かうにつれて、左側又は右側のフローガイドの内側面は円弧状に拡開しているため、圧力が低下する。そのため、回転ロータの風下側の風速は相対的に遅くなり、回転ロータの風下側のブレードに働く回転トルクはより小さくなる。垂直軸型風車では、回転ロータの風上側と風下左側では、ブレードに働く回転トルクは逆向きになるため、風下左側のブレードに働く回転トルクがより低下することで、全体の回転トルクが向上する。
【００２３】
また、左側フローガイドの外側の形状を逆Ｓ字状としたことで、左側フローガイドの外側に高速の気流（高速気流）が生じ、左側フローガイドの下流側に当該高速気流に引き込まれる気流（引込流）が生じる。左側フローガイドの内側の気流はこの引込流に向かって引き寄せられるため、左側フローガイドの内側面の風下側では、左側フローガイドの内側面に沿った気流が生じる。これにより、回転ロータの風下側の左側フローガイド付近のブレードに当たる風が弱まり、逆方向トルクが低減される。
【００２４】
また、右側フローガイドの外側の形状を逆Ｓ字状としたことで、右側フローガイドの外側には渦列が生じる。この渦列の影響により、右側フローガイドの内側面の風下側では、右側フローガイドの内側面に沿った気流が生じにくくなり、回転ロータの右側のブレードに当たる風の流速は速くなる。これにより、順方向トルクがより大きくなり、全体の回転トルクが向上する。
【００２５】
また、本発明において、フローガイドは回転ロータの左側又は右側に配置されており回転ロータに吹き込む風の流路を妨げないため、フローガイドによる流路抵抗の上昇は極力抑えられる。従って、風の捕獲効率が高くなり、弱い風でも効率的に捕らえて回転ロータに大きな回転トルクを与えることができる。
【００２６】
ここで、「回転ロータが順方向に回転する」とは、回転ロータに風を吹き込んだ時に回転ロータが通常回転する方向に、回転ロータが回転することをいう。「滑らかに接続」とは、接続点の左右の曲線の曲率が連続であることをいう。また、「逆Ｓ字状」とは、両端点の中間に１つの変曲点を有するような曲線をいう。周線が「鋭角を為して接続」とは、接続点の両側で周線の曲率が不連続に（但し、実際の製作上の多少の丸みは許容する）変化し、かつ接続点の一方の側の周線の接続点の接線と他方の側の周線の接続点の接線との為す角（接続点近傍の周線で囲まれる閉曲線図形が含まれる側の角）が９０ｄｅｇ未満であるように、周線が接続していることをいう。
【００２７】
また、本発明において、前記回転ロータの上下に、前記回転ロータに向かって風を集風する上側フローガイド及び下側フローガイドの何れか一方又は双方を備え、
前記上側フローガイドは、前記回転ロータに対向する下側面が、前記回転ロータの前記風上側から前記風下側に向かって上方に傾斜した平面状又は下に凸の曲面状に形成されており、
前記下側フローガイドは、前記回転ロータに対向する上側面が、前記回転ロータの前記風上側から前記風下側に向かって下方に傾斜した平面状又は上に凸の曲面状に形成された構成とすることもできる。
【００２８】
この構成によれば、上側フローガイド及び下側フローガイドによって回転ロータに吹き込む風が集風されるため、さらに風車効率を向上させることができる。
【００２９】
また、本発明において、前記左側フローガイドは、その断面の周線形状において、内側が円弧状に形成されるとともに、該円弧の下流側端部が、内側に向けて滑らかに反り返った形状に形成することができる。
【００３０】
このような左側フローガイドの形状とすることで、さらに風車効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上のように、本発明によれば、回転ロータの左側又は右側に、断面の周線形状が円弧状形状と逆Ｓ字状形状を合わせた柱状に形成された左側フローガイド及び／又は右側フローガイドを、上記所定の向きで配置したことにより、後述の実験により、風車効率を最大で８倍以上向上させることが確認された。
【００３２】
また、上側フローガイド及び下側フローガイドを更に追加することによって、風車効率を更に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例１に係る垂直軸型風車の基本構成を表す斜視図である。
【図２】図１の垂直軸型風車の平面視断面図である。
【図３】左側フローガイド３の断面を表す拡大図である。
【図４】静止状態において図１の垂直軸型風車１に風が吹き込んだ時の風の流れの様子を示す図である。
【図５】図２のブレードｂ０の気流中心線Ａに対する回転角θｂのそれぞれの値ついてのブレードｂ０に働くトルクの時間変化を計算した結果である。
【図６】ブレードｂ０の回転角θｂと平均トルクとの関係を示す図である。
【図７】ブレード数Ｎ＝５の場合の回転ロータ２全体に働くトルクの計算結果である。
【図８】実施例１における左側フローガイド３及び右側フローガイド４の各形状と配置に対する発電量の測定結果を示す図である。
【図９】表１，表２のFlowguide Eにおける（θｌ，θｒ）と発電量との関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２に係る垂直軸型風車の基本構成を表す斜視図である。
【図１１】静止状態において図１０の垂直軸型風車１に風が吹き込んだ時の風の流れの様子を示す図である。
【図１２】実施例２においてブレードｂ０の気流中心線Ａに対する回転角θｂのそれぞれの値ついてのブレードｂ０に働くトルクの時間変化を計算した結果である。
【図１３】実施例２における左側フローガイド３の各形状と配置に対する発電量の測定結果を示す図である。
【図１４】本発明の実施例３に係る垂直軸型風車の基本構成を表す斜視図である。
【図１５】静止状態において図１４の垂直軸型風車１に風が吹き込んだ時の風の流れの様子を示す図である。
【図１６】実施例３においてブレードｂ０の気流中心線Ａに対する回転角θｂのそれぞれの値ついてのブレードｂ０に働くトルクの時間変化を計算した結果である。
【図１７】実施例３における左側フローガイド３の各形状と配置に対する発電量の測定結果を示す図である。
【図１８】本発明の実施例４に係る垂直軸型風車の基本構成を表す斜視図である。
【図１９】図１８の垂直軸型風車の左側フローガイド３を除き左側から見た側面図である。
【図２０】図１８の垂直軸型風車の正面図である。
【図２１】上下のフローガイド５，６の前方から一様な風速の風を入力し、上下のフローガイド５，６の傾角θｔ，θｂを変えながら発電量の測定した測定結果を示す図である。
【図２２】本発明の実施例５に係る垂直軸型風車の基本構成を表す斜視図である。
【図２３】本発明の実施例６に係る垂直軸型風車の平面視断面図である。
【図２４】実施例６に係る垂直軸型風車の（ａ）ブレードｂ０の回転角θｂと平均トルクとの関係を示す図、及び（ｂ）回転ロータ２全体に働くトルクの計算結果である。
【図２５】（ａ）非特許文献４に記載の直線ダリウス型風車の構造を示す図、（ｂ）非特許文献５，６に記載の直線ダリウス型風車の構造を示す図である。
【図２６】特許文献１に記載の垂直軸型風車（一方向フローガイド型）の構造を示す図である。
【図２７】特許文献４に記載の垂直軸型風車（左右フローガイド型）の構造を示す図である。
【図２８】（ａ）特許文献６−８に記載の垂直軸型風車（多方向フローガイド型）の構造を示す図、（ｂ）特許文献９−１５に記載の垂直軸型風車（多方向フローガイド型）の構造を示す図、（ｃ）特許文献１６に記載の垂直軸型風車（多方向フローガイド型）の構造を示す図である。
【図２９】特許文献１７に記載の垂直軸型風車（上下フローガイド型）の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００３５】
図１は、本発明の実施例１に係る垂直軸型風車の基本構成を表す斜視図である。図２は、図１の垂直軸型風車の平面視断面図である。尚、図１，図２では、理解を容易にするため、垂直軸型風車１の回転ロータとフローガイドの部分のみを示し、それ以外の部分（回転ロータの軸受けや架台等）は省略している。
【００３６】
本実施例の垂直軸型風車１は、回転ロータ２、左側フローガイド３及び右側フローガイド４を備えている。回転ロータ２は、垂直に立設された円柱状の回転軸２ａと、回転軸２ａの周囲に回転軸２ａを対称軸として回転対称に設けられた複数のブレード２ｂとを備えている。図１，図２の例では、ブレード２ｂの枚数ＮがＮ＝５の例を示しているが、本発明においてはＮは任意である。各ブレード２ｂは、回転軸２ａに平行な柱状に形成されており、その断面形状は一般に使用されている翼形（例えば、ジューコフスキー翼型やＮＡＣＡ翼型など。）である。回転ロータ２は回転軸２ａを軸に回転自在とされており、回転軸２ａの下端側は発電機（図示せず）の回転軸に接続される。
【００３７】
図２に示すように、回転軸２ａに垂直な回転軸２ａの中心Ｏを通る直線を気流中心線Ａとする。風は、気流中心線Ａに平行に、図２の矢印Ｆの方向（以下、気流方向Ｆという。）に向けて一様に流入するものとする。回転軸２ａの中心を通り回転軸２ａ及び気流中心線Ａに垂直な直線を気流法線Ｂとする。また、回転ロータ２が回転したときの各ブレード２ｂの軌道を回転軌道Ｒとする。
【００３８】
左側フローガイド３は回転軸２ａに平行な柱状に形成されている。左側フローガイド３の断面形状は、気流中心線Ａに面する側（内側）３ａが円弧状に形成され、その逆側（外側）３ｂが、風上側において内側３ａの円弧と滑らかに接続し風下側において内側３ａの円弧と鋭角を為して接続する逆Ｓ字状に形成されている。内側３ａの円弧の中心点をＰとし、回転軸２ａの中心Ｏと左側フローガイド３の中心点Ｐを通る直線をＣとする。気流法線Ｂと直線Ｃとの為す角をθｌとする。本実施例においては、角θｌは２５°〜０°とするのが好適である。
【００３９】
右側フローガイド４もまた、回転軸２ａに平行な柱状に形成されている。右側フローガイド４の断面形状は、左側フローガイド３を中心点Ｐを回転中心として１８０°回転させた形状である。すなわち、気流中心線Ａに面する側（内側）４ａが円弧状に形成され、その逆側（外側）４ｂが、風下側において内側４ａの円弧と滑らかに接続し風上側において内側４ａの円弧と鋭角を為して接続する逆Ｓ字状に形成されている。内側４ａの円弧の中心点をＱとし、回転軸２ａの中心Ｏと右側フローガイド４の中心点Ｑを通る直線をＤとする。気流法線Ｂと直線Ｄとの為す角をθｒとする。本実施例においては、角θｒは１５°〜−１０°とするのが好適である。
【００４０】
また、左側フローガイド３及び右側フローガイド４の内側の円弧の半径ｒは、回転軌道Ｒの半径の０．４〜２倍とするのが好適である。
【００４１】
図３は、左側フローガイド３の断面を表す拡大図である。内側３ａの円弧の中心点Ｐを通り気流中心線Ａ（図２参照）に平行な直線をＸ，中心点Ｐを通り直線Ｘに垂直な直線をＹとする。外側３ｂの逆Ｓ字曲線の凹部頂点は直線Ｘに接しておりこの接点（頂点）をＳ１とする。外側３ｂの逆Ｓ字曲線の凸部頂点をＳ２とする。また、直線Ｘと内側３ａの円弧との交点をＳ３，Ｓ４とし、Ｓ３を下流側交点、Ｓ４を上流側交点とする。また、Ｓ６は外側３ｂの逆Ｓ字曲線の変曲点である。外側３ｂの逆Ｓ字曲線と内側３ａの円弧とは、上流側の点Ｓ４において滑らかに接続している。一方、下流側の点Ｓ５において鋭角を為して接続している。外側３ｂの逆Ｓ字曲線のうち凹部（曲線Ｓ５-Ｓ１-Ｓ６）は略円弧とし、凸部（曲線Ｓ６-Ｓ２-Ｓ４）は略楕円弧とされている。
【００４２】
図３に示した通り、点Ｓ１と点Ｓ３の距離をａ、点Ｓ１と点Ｓ４の距離をｂ、直線Ｘから点Ｓ５までの距離をｃ、直線Ｘから点Ｓ２までの距離をｄとする。左側フローガイド３の半径ｒに対し、ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ次式の通りである。
【００４３】
【数１】
0005421498.tif 000002
【００４４】
尚、本実施例においては左側フローガイド３及び右側フローガイド４は、同一の形状、同一のサイズとした例を示したが、本発明においては、左側フローガイド３及び右側フローガイド４の形状及びサイズは必ずしも同一とする必要はない。また、本発明においては、フローガイドの寸法については特に限定せず、上記式（１）は一例であり、必ずしも上記式（１）の通りでなくてもよい。
【００４５】
以上のように構成された本実施例に係る垂直軸型風車において、以下その作用について説明する。
【００４６】
図４は、静止状態において図１の垂直軸型風車１に風が吹き込んだ時の風の流れの様子を示す図である。図４において色の薄い領域が風速の速い領域を示している。風速の計算には、各ブレードの翼型としてＮＡＣＡ翼型（N:NACA 64）を使用し、二次元有限要素法によって風の流れの計算を行った。図４において、風は矢印Ｆの方向から一様な流速（１ｍ／ｓ）で吹き込んでいる。フローガイド３，４の位置は、θｌ＝２０ｄｅｇ，θｒ＝１０ｄｅｇとしている。フローガイド３，４は同型とし、フローガイド３，４のサイズは、内側の円弧部分の半径が回転ロータ２のブレードの軌道半径の１．０倍としている。
【００４７】
垂直軸型風車１に吹き込む風は、回転ロータ２の上流側左右において、まず左側フローガイド３及び右側フローガイド４に衝突する。
【００４８】
左側フローガイド３の上流側端Ｐ１は滑らかな曲線であるため、左側フローガイド３に衝突する風は上流側端Ｐ１で左側フローガイド３の表面に沿ってスムーズに左右に分離する。左側フローガイド３の外側３ｂの側面は断面が平面視で逆Ｓ字状に形成されているため、上流側端Ｐ１で外側３ｂの側面に沿って分離した風の流れの本流は、すぐに外側３ｂの側面から分離し、左側フローガイド３の外側に、左側フローガイド３から離れた速い流れＦ１が形成される。速い流れＦ１は左側フローガイド３から離れているため、左側フローガイド３の下流側の円弧と逆Ｓ字曲線との接続点Ｐ２付近の外側凹曲側面に衝突する風の量は少なく、この外側凹曲側面により生じる渦流は小さい。従って、速い流れＦ１はこの渦流の影響をあまり受けず、安定した流れとなる。一方、上流側端Ｐ１から左側フローガイド３の内側側面に沿って形成される流れは、回転ロータ２に集められる。これにより、回転ロータ２に流入する風の流速が加速される。
【００４９】
回転ロータ２に正面から流入する流れＦ３は、回転ロータ２の回転軸２ａによって本流が左右に分離され、回転ロータ２の下流側に左側の本流Ｆ４と右側の本流Ｆ５が形成される。一方、安定した速い流れＦ１の影響によって、左側フローガイド３の下流側の背後領域Ｒ１の気圧が安定する。そのため、回転ロータ２の下流側において、左側フローガイド３の内側円弧面に沿った比較的速い流れ（引込流）Ｆ６が発達形成される。この引込流Ｆ６はブレード２ｂの影響により小さい渦流の生成・消滅を伴う。従って、回転ロータ２の下流側の左側領域Ｒ２においては風が分散されて流速が弱められる。
【００５０】
一方、右側フローガイド４に衝突した風の流れは、右側フローガイド４の上流側先端Ｐ２において左右に分離する。右側フローガイド４の内側円弧面内に沿って形成される流れは、回転ロータ２に集められる。これにより、回転ロータ２に流入する風の流速が加速される。一方、右側フローガイド４の外側の流れの本流は、内側の円弧面と外側の逆Ｓ字状曲面との接続点Ｐ３において右側フローガイド４の側面から剥離し、右側フローガイド４から外側に離れた速い分離流Ｆ９が形成される。しかし、接続点Ｐ３が鋭角であり、その直背に右側フローガイド４の外側凹曲面が形成されているため、分離流Ｆ９と右側フローガイド４の外側凹曲面との間に大きな渦流Ｆ７ａが形成される。この渦流Ｆ７ａは、図４の点線矢印Ｄ１に沿って下流側に移動し、移動した後には新たな渦流が発生するという現象が繰り返される。これにより、右側フローガイド４の外側には、図４の渦流Ｆ７ａ，Ｆ７ｂ，Ｆ７ｃのような大きな渦の渦列が生じる。この連続的に発生・移動する渦列の影響により、右側フローガイド４の下流側の背後領域Ｒ３に停滞した高気圧領域が生じ、回転ロータ２の下流側の右側フローガイド４の内側円弧面に沿った流れＦ８はあまり発達することができず弱い流れとなる。従って、回転ロータ２の下流側の右側領域Ｒ４においては風があまり分散されないため、左側領域Ｒ２に比べて流速が速くなる。
【００５１】
図５は、図２のブレードｂ０の気流中心線Ａに対する回転角θｂのそれぞれの値ついてのブレードｂ０に働くトルクの時間変化を計算した結果である。計算条件及びブレード形状，フローガイド形状は図４の場合と同様であり、ブレード数はＮ＝５とし入力風速は一定（１ｍ／ｓ）として、回転ロータ２は静止状態として２次元有限要素法によって計算を行った。ｂ０に働くトルクは周期的な変動を示すが、これはブレードに当たる風によって生じる渦の影響である。図５より、フローガイド３，４を設置することによって、トルク変動の振幅が増幅されており、これはフローガイド３，４による回転ロータ２への集風作用の影響であると考えられる。
【００５２】
図６は、ブレードｂ０の回転角θｂと平均トルクとの関係を示す図である。図６において、「no flowguide」がフローガイド３，４がない場合、「with LR flowguide」がフローガイド３，４を設置した場合を表している。フローガイド３，４がない場合、ブレード回転角θｂ＝１６０〜３５０ｄｅｇの範囲において、ブレードには回転方向と逆方向のトルク（減速方向トルク）が働いており、これが回転ロータ２の起動，回転を妨げる作用を生じる。一方、フローガイド３，４を設置した場合、ブレードには減速方向トルクが働く範囲はおよそθｂ＝１８５〜２７５ｄｅｇの範囲に狭まっている。これは、図４の引込流Ｆ６によって図４の領域Ｒ２の流れＦ４が弱まる影響と、領域Ｒ３に停滞する高気圧帯により領域Ｒ４の流れＦ５が強まる影響によるものと考えられる。
【００５３】
図７は、ブレード数Ｎ＝５の場合の回転ロータ２全体に働くトルクの計算結果である。計算条件は図５の場合と同じである。ブレード数はＮ＝５（回転ロータ２は回転軸２ａに対して５回対称）なので、回転ロータ２全体に働く平均トルクの回転角依存性は７２ｄｅｇ周期である。図７（ａ）はθｂ＝０，３６ｄｅｇにおける回転ロータ２全体に働く平均トルクのフローガイド３，４の有無による比較を示している。図７（ｂ），（ｃ）はθｂ＝０，３６ｄｅｇにおける回転ロータ２全体に働くトルクの時間変化を表している。また、図７において、「no flowguide」がフローガイド３，４がない場合、「with LR flowguide」がフローガイド３，４を設置した場合を表している。この結果から、θｂがいずれの角度の場合においても、フローガイド３，４を設置することによって回転ロータ２全体に働く平均トルクも上昇することが予測される。また、フローガイド３，４の設置により、回転ロータ２全体に働くトルクの順方向の瞬時値（瞬時トルク）が、フローガイド３，４のない場合に比べて極めて大きく（２〜５倍程度）なっていることがわかる。これにより、回転ロータ２に発電機を付加した際の回転ロータ２の起動特性が改善され、従来よりも弱い入力風速で回転ロータ２を起動させることが可能となる。
【００５４】
（実験結果）
次に、実際の垂直軸型風車１における左側フローガイド３及び右側フローガイド４の効果について実験による検証を行った結果について説明する。まず、左側フローガイド３及び右側フローガイド４の好適な形状と配置を調べるため、図３のパラメータｒｇ，ａ，ｂ，ｃ，ｄを次表の通り設定したフローガイドを製作し、これらのフローガイドを用いて垂直軸型風車１を構成した。
【００５５】
【表１】
0005421498.tif 000003
【００５６】
回転ロータ２のブレード２ｂの数ＮはＮ＝５とした。ブレード２ｂの高さは３００ｍｍとし、フローガイドの高さは４８０ｍｍとした。回転ロータ２の回転軌道の半径ｒｗは１５０ｍｍとした（図２参照）。左右のフローガイド３，４の形状は同じとした。フローガイドの配置は、回転軸２ａの中心点Ｏから左側フローガイド３の中心点Ｐ又は右側フローガイド４の中心点Ｑまでの距離Ｌｇを、Flowguide Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆでそれぞれ２５０.５ｍｍ，２３３.５ｍｍ，２３８ｍｍ，２５９.５ｍｍ，２８５ｍｍ，２１５.５ｍｍとし、気流法線Ｂと線分ＯＰの為す角θｌ及び気流法線Ｂと線分ＯＱの為す角θｒの組合わせ（θｌ，θｒ）を、それぞれ（θｌ，θｒ）＝（２０°，１０°），（２０°，０°）とした（図２参照）。そして、垂直軸型風車１の回転軸２ａの下端に発電機を接続し、風上側から風速６ｍ／ｓで垂直軸型風車１に送風し、フローガイドを設置しない場合と、上記各フローガイドＡ〜Ｆを設置した場合とにおける発電量の計測を行った。
【００５７】
図８に測定結果を示す。発電量は電力で測定し、左右のフローガイド３，４がない場合の発電量を１として規格化して示している。図８より、フローガイドのない場合に比べて、左右のフローガイド３，４を設置することによって発電量は約４．６〜８．３倍に増加することが分かる。また、最も発電量が大きかったのは、Flowguide Eで（θｌ，θｒ）＝（２０°，１０°）とした場合で、発電量は約８．３倍であった。
【００５８】
【表２】
0005421498.tif 000004
【００５９】
表２は、上記フローガイドにおいて（θｌ，θｒ）を変化させた場合の発電量の変化を測定した結果である。発電量は、図８の場合と同様、左右のフローガイド３，４がない場合の発電量を１として規格化している。図９に、Flowguide Eにおける（θｌ，θｒ）と発電量との関係を示す。
【００６０】
以上の実験により、回転ロータ２が回転している状態においても、フローガイド３，４を設置することにより、フローガイド３，４がない場合に比べて発電量が約２〜８．３倍上昇することが確認された。フローガイド３，４の設置位置としては、上記実験結果から、６ｄｅｇ＜θｌ＜１８．５ｄｅｇ，−６ｄｅｇ＜θｒ＜１２．５ｄｅｇの範囲が好適であることが確認された。
【００６１】
尚、本発明の垂直軸型風車１は、風向きに対して気流方向Ｆと気流中心線Ａとが一致するようにフローガイド３，４の配置向きの調整が必要であるが、この向き調整については、フローガイド３，４を回転軸２ａと同軸の回転台上に設置し、方位風向板などによって回転台の向きを調節することができる。これについては周知の事項であるため、詳細な説明については省略する。
【実施例２】
【００６２】
図１０は、本発明の実施例２に係る垂直軸型風車の基本構成を表す斜視図である。本実施例では、実施例１と比べ右側フローガイド４が省略され、左側フローガイド３のみとした点が異なり、それ以外は実施例１と同様である。
【００６３】
図１１は、静止状態において図１０の垂直軸型風車１に風が吹き込んだ時の風の流れの様子を示す図である。図１１において色の薄い領域が風速の速い領域を示している。風速の計算は、実施例１と同様、各ブレードの翼型としてＮＡＣＡ翼型（N:NACA 64）を使用し、二次元有限要素法によって風の流れの計算を行った。また、風は矢印Ｆの方向から一様な流速（１ｍ／ｓ）で吹き込んでいる。
【００６４】
垂直軸型風車１に吹き込む風は、回転ロータ２の上流左側において、まず左側フローガイド３に衝突する。左側フローガイド３の上流側端Ｐ１は滑らかな曲線であるため、左側フローガイド３に衝突する風は上流側端Ｐ１で左側フローガイド３の表面に沿ってスムーズに左右に分離する。左側フローガイド３の外側３ｂの側面は断面が平面視で逆Ｓ字状に形成されているため、上流側端Ｐ１で外側３ｂの側面に沿って分離した風の流れの本流は、すぐに外側３ｂの側面から分離し、左側フローガイド３の外側に、左側フローガイド３から離れた速い流れＦ１が形成される。これは、実施例１の場合と同様である。
【００６５】
一方、上流側端Ｐ１から左側フローガイド３の内側側面に沿って形成される流れは、回転ロータ２の方へ押し出され、左側フローガイド３の内側側面に沿って斜め右方向に向かう流れＦ２が形成される。これにより、回転ロータ２に流入する風の流速が加速される。また、本実施例では右側フローガイド４がないため、回転ロータ２に流入する風の本流は、流れＦ２の影響により斜め右方向に傾斜した強い流れＦ３，Ｆ４となる。従って、回転ロータ２のフレードのうち、右側の領域Ｒ１にあるブレードには強い流れが当たることになり、加速方向トルクの大きさが大きくなる。
【００６６】
左側フローガイド３の内側側面に沿った流れＦ２は、回転ロータ２前側のブレードにより、左側フローガイド３の内側側面に沿った流れＦ２ａと、本流Ｆ３に合流する流れＦ２ｂとに分離する。左側フローガイド３の内側側面に沿った流れＦ２ａは、流れＦ１，Ｆ３の間にあるが、流れＦ３に近くまた流れＦ３は流速・流量が大きいため、流れＦ２ａは流れＦ３に引き寄せられて、引き込み流Ｆ５が形成される。そのため、左側フローガイド３の内側側面の後側に沿った流れは形成されない。また、回転ロータ２の下流側の左側領域Ｒ２においては、風の流れは、主にブレードの内側に沿って回転方向と逆方向でかつ斜め方向（流れＦ３に寄る方向）に向かう流れとなる。そのため、領域Ｒ２のブレードには、主に回転軸２ａ方向に向かう揚力が生じ、減速方向トルクの大きさは小さくなる。
【００６７】
尚、本実施例のケースでは、左側フローガイド３の背後（下流側）に回り込む流れ（図４の引き込み流Ｆ６のような流れ）が生じないため、速い流れＦ１の影響で左側フローガイド３の背後に渦流Ｆ６ａが生じる。この渦流Ｆ６ａは速い流れＦ１によって後流側に移動するため、左側フローガイド３の背後には矢印Ｄ６方向に移動する渦列Ｆ６ａ，Ｆ６ｂ，Ｆ６ｃ，…が生じる。また、右側の領域Ｒ１のブレードの背後（下流側）にも渦流Ｆ７ａが生じる。この渦流Ｆ７ａは速い流れＦ３，Ｆ４によって後流側に移動するため、右側の領域Ｒ１のブレードの背後には矢印Ｄ７方向に移動する渦列Ｆ７ａ，Ｆ７ｂ，Ｆ７ｃ，…が生じる。
【００６８】
図１２は、ブレードｂ０の気流中心線Ａに対する回転角θｂのそれぞれの値ついてのブレードｂ０に働くトルクの時間変化を計算した結果である。回転角θｂは図２と同様、１つのブレードｂ０に注目したときに、ブレードｂ０が気流中心線Ａとなす角で定義されている。計算条件及びブレード形状，フローガイド形状は図１１の場合と同様であり、ブレード数はＮ＝５とし入力風速は一定（１ｍ／ｓ）として、回転ロータ２は静止状態として２次元有限要素法によって計算を行った。ｂ０に働くトルクは周期的な変動を示すが、これはブレードに当たる風によって生じる渦の影響である。図１２より、フローガイド３を設置することによって、トルク変動の振幅が増幅されており、これはフローガイド３による回転ロータ２への集風作用の影響であると考えられる。但し、右側フローガイド４がないため、集風効果は実施例１の場合よりも小さく、トルク変動振幅の増幅度は実施例１の場合よりも小さい。
【００６９】
ブレードｂ０の回転角θｂと平均トルクとの関係を図６に示す。図６において、「with L flowguide」がフローガイド３のみを設置した場合を表している。フローガイド３を設置した場合、ブレードには回転方向と逆方向のトルクが働く範囲はおよそθｂ＝１８５〜２７０ｄｅｇの範囲に狭まっている。これは、図１１の引込流Ｆ５によって、逆行領域にあるブレードに当たる風向きが偏向されるとともに減少し、逆行領域のブレードに働く減速方向トルクが減少した効果と、フローガイド３により順行領域にあるブレードに当たる風量が増加する効果によるものと考えられる。
【００７０】
図７に、図１０の垂直軸型風車１における回転ロータ２全体に働くトルクの計算結果を示す。ブレード数はＮ＝５であり、計算条件は図１２の場合と同じである。図７において、「with L flowguide」がフローガイド３のみを設置した場合を表している。この結果から、θｂが３６ｄｅｇ付近において、フローガイド３を設置することによって回転ロータ２全体に働く平均トルクが大きく上昇することが予測される。θｂが０ｄｅｇ付近では、平均トルクの上昇は見られず、フローガイドがない場合と殆ど同じである。
【００７１】
尚、回転ロータ２全体に働く瞬時トルクについては、フローガイドがない場合からあまり大きくは増加していない。これは、右側フローガイド４がないため、実施例１に比べて集風効果が小さいためである。
【００７２】
（実験結果）
次に、実際の垂直軸型風車１における左側フローガイド３のみの効果について実験による検証を行った結果について説明する。使用した６種類の左側フローガイド３の形状は、表１に示した通りである。回転ロータ２の形状も、実施例１の場合と同様である。
【００７３】
図１３及び表３に測定結果を示す。発電量は電力で測定し、左側フローガイド３がない場合の発電量を１として規格化して示している。図１３より、フローガイドのない場合に比べて、左側フローガイド３を設置することによって発電量は最大で約５倍に増加することが分かる。また、最も発電量が大きかったのは、Flowguide EとFlowguide Cでθｌ＝１２．５°とした場合で、発電量は約５．１倍であった。
【００７４】
【表３】
0005421498.tif 000005
【００７５】
以上の実験から、左側フローガイド３のみの場合においても、垂直軸型風車の効率を大きく（４〜５倍程度）向上できることが確認された。
【実施例３】
【００７６】
図１４は、本発明の実施例３に係る垂直軸型風車の基本構成を表す斜視図である。本実施例では、実施例１と比べ左側フローガイド３が省略され、右側フローガイド４のみとした点が異なり、それ以外は実施例１と同様である。
【００７７】
図１５は、静止状態において図１４の垂直軸型風車１に風が吹き込んだ時の風の流れの様子を示す図である。図１５において色の薄い領域が風速の速い領域を示している。風速の計算は、実施例１と同様、各ブレードの翼型としてＮＡＣＡ翼型（N:NACA 64）を使用し、二次元有限要素法によって風の流れの計算を行った。また、風は矢印Ｆの方向から一様な流速（１ｍ／ｓ）で吹き込んでいる。
【００７８】
垂直軸型風車１に吹き込む風は、回転ロータ２の上流右側において、まず右側フローガイド４に衝突する。右側フローガイド４の上流側端Ｐ２は滑らかな曲線であるため、右側フローガイド４に衝突する風は上流側端Ｐ２で右側フローガイド４の表面に沿ってスムーズに左右に分離し、２つの流れＦ１，Ｆ２となる。右側フローガイド４の左側に分流した流れＦ２は、右側フローガイド４により回転ロータ２内に押し込まれるため、回転ロータ２の右側の領域Ｒ１では風速が強まる。また、その影響で、回転ロータ２のブレードの逆行領域Ｒ２においても風速が多少増加する。一方、右側フローガイド４の右側に分流した流れＦ１は、右側フローガイド４の円弧面と逆Ｓ字状曲面との接続点Ｐ３において、右側フローガイド４の側面から剥離し、右側に膨らむ流れＦ１となる。このとき、流れＦ１の影響で右側フローガイド４の逆Ｓ字状曲面の凹面部で渦Ｆ３ａが生じる。渦Ｆ３ａは発生した後に矢印Ｄ３の方向に押し流されて移動し、移動した後に新たな渦が発生するという現象が繰り返し生じる。従って、右側フローガイド４の右側方から下流にかけて、矢印Ｄ３に沿った渦列Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ３ｃ，…が形成される。これらの渦列Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ３ｃ，…はすべて反時計回りであるため、渦中心に対し回転ロータ２の側では流れＦ２の方向と逆行する流れとなる。従って、右側フローガイド４の下流側領域Ｒ３には引き込み流は形成されず、流れＦ２は殆ど分流することなく回転ロータ２内を流れる。これにより、回転ロータ２に作用する順方向トルクが増加する。しかしながら、上述の通りブレードの逆行領域Ｒ２においても風速が多少増加するため、逆行領域Ｒ２において回転ロータ２に作用する逆方向トルクも多少増加し、順方向トルクの増加が打ち消される。故に、本実施例の垂直軸型風車１では、実施例１，２の場合ほど風車効率の向上は見込まれないことが予測できる。
【００７９】
図１６は、ブレードｂ０の気流中心線Ａに対する回転角θｂのそれぞれの値ついてのブレードｂ０に働くトルクの時間変化を計算した結果である。回転角θｂは図２と同様、１つのブレードｂ０に注目したときに、ブレードｂ０が気流中心線Ａとなす角で定義されている。計算条件及びブレード形状，フローガイド形状は図１５の場合と同様であり、ブレード数はＮ＝５とし入力風速は一定（１ｍ／ｓ）として、回転ロータ２は静止状態として２次元有限要素法によって計算を行った。ｂ０に働くトルクは周期的な変動を示すが、これはブレードに当たる風によって生じる渦の影響である。図１６より、フローガイド４を設置することによって、θｂ＝３６，２５２，２８８ｄｅｇにおけるトルク変動の振幅が大きく増幅されており、これはフローガイド４による回転ロータ２への偏向集風作用の影響であると考えられる。
【００８０】
ブレードｂ０の回転角θｂと平均トルクとの関係を図６に示す。図６において、「with R flowguide」がフローガイド４のみを設置した場合を表している。フローガイド４を設置した場合、ブレードには回転方向と逆方向のトルク（逆方向トルク）が働く範囲はおよそθｂ＝１７５〜３４５ｄｅｇの範囲であり、これはフローガイドがない場合（no flowguide）と殆ど同じである。しかしながら、順方向トルクが作用する角度領域（θｂ＝０〜１７０ｄｅｇ付近）では、順方向トルクの大きさはフローガイドがない場合よりも増幅されている。これは、図１５の流れＦ２によって、順行領域にあるブレードに当たる風量・風速が増加したためと考えられる。一方、逆方向トルクが作用する角度領域（θｂ＝１７５〜３４５ｄｅｇ付近）では、逆方向トルクの大きさはフローガイドがない場合とおおよそ大差はないが、θｂ＝２１５ｄｅｇでは逆方向トルクの大きさは半減し、逆にθｂ＝２５０ｄｅｇでは逆方向トルクの大きさは大きく増加しているのが特徴的である。
【００８１】
図７に、図１４の垂直軸型風車１における回転ロータ２全体に働くトルクの計算結果を示す。ブレード数はＮ＝５であり、計算条件は図１５の場合と同じである。図７において、「with R flowguide」がフローガイド４のみを設置した場合を表している。この結果から、θｂが０ｄｅｇ付近において、フローガイド３を設置することによって回転ロータ２全体に働く平均トルクが大きく上昇するが、逆にθｂが３６ｄｅｇ付近においては回転方向とは逆向きのトルクが回転ロータ２に作用することが予測される。即ち、回転角７２ｄｅｇ周期で周期的な失速現象が生じることを示唆している。しかしながら、θｂ＝０ｄｅｇ付近の順方向トルクの大きさが、θｂ＝３６ｄｅｇ付近の逆方向トルクの大きさの３．３倍程度であるため、時間平均では回転ロータ２には順方向トルクが作用し、その大きさはフローガイドがない場合の２〜３倍程度であることが予測される。
【００８２】
（実験結果）
次に、実際の垂直軸型風車１における左側フローガイド４のみの効果について実験による検証を行った結果について説明する。使用した６種類の左側フローガイド３の形状は、表１に示した通りである。回転ロータ２の形状も、実施例１の場合と同様である。
【００８３】
図１７及び表４に測定結果を示す。発電量は電力で測定し、右側フローガイド４がない場合の発電量を１として規格化して示している。図１７より、フローガイドのない場合に比べて、右側フローガイド４を設置することによって発電量は最大で約２．４倍に増加することが分かる。また、最も発電量が大きかったのは、Flowguide E，Flowguide Cでθｌ＝６．０°，０．０°とした場合で、発電量はそれぞれ約２．３倍，約２．４倍であった。
【００８４】
【表４】
0005421498.tif 000006
【００８５】
以上の実験から、右側フローガイド２のみの場合においても、垂直軸型風車の効率を２倍程度向上できることが確認された。
【実施例４】
【００８６】
図１８は本発明の実施例４に係る垂直軸型風車の基本構成を表す斜視図である。図１９は図１８の垂直軸型風車の左側フローガイド３を除き左側から見た側面図、図２０は図１８の垂直軸型風車の正面図である。図１８乃至図２０において、回転ロータ２、回転軸２ａ、ブレード２ｂ、左側フローガイド３、及び右側フローガイド４は、実施例１の図１と同様であり、同符号を付して説明は省略する。尚、図１８乃至図２０において、理解を容易にするため、垂直軸型風車１の回転ロータとフローガイドの部分のみを示し、それ以外の部分（回転ロータの軸受け、架台、フローガイドの支持構造等）は省略している。
【００８７】
本実施例における垂直軸型風車１は、新たに、上側フローガイド５及び下側フローガイド６を備えている。上側フローガイド５及び下側フローガイド６は、ともに円弧板状体により構成されている。上側フローガイド５は下に凸の円弧板状であり、下側フローガイド６は上に凸の円弧板状である。上側フローガイド５は回転ロータ２の風上側の回転ロータ２の斜め上方に近接して配置され、下側フローガイド６は回転ロータ２の風上側の回転ロータ２の斜め下方に近接して配置されている。
【００８８】
このように上側フローガイド５及び下側フローガイド６を設けることによって、回転ロータ２に吹き込む風は上下方向に集風されて回転ロータ２に流入するため、更に風車効率を向上させることができる。
【００８９】
尚、本実施例では上側フローガイド５及び下側フローガイド６を円弧板状体としているが、上側フローガイド５及び下側フローガイド６の回転ロータ２に対向する面が円弧面であればよく、例えば、上側フローガイド５及び下側フローガイド６を闕円柱（平面上の弓形（闕円）を該平面に垂直な方向に引き延ばしてできる立体図形）状体としてもよい。
【００９０】
（実験例）
上側フローガイド５及び下側フローガイド６の幅をそれぞれＷｔ，Ｗｂとする（図２０参照）。また、図１９に示した様に、上側フローガイド５の円弧の中心点をＯｔ、下側フローガイド６の円弧の中心点をＯｂとし、上側フローガイド５及び下側フローガイド６の円弧の半径をそれぞれｒｔ，ｒｂ、上側フローガイド５の円弧中心点をＯｔに対し上側フローガイド５が張る角をφｔ、下側フローガイド６の円弧中心点をＯｂに対し下側フローガイド６が張る角をφｂとする。中心点Ｏｔから上側フローガイド５の円弧の中央点Ｐｔに下ろした線を直線ＯｔＰｔとし、中央点Ｐｔにおける弧の接線が水平線（回転軸２ａの法線）となす角を上側フローガイド５の傾角θｔとする。中心点をＯｂから下側フローガイド６の円弧の中央点Ｐｂに下ろした線を直線ＯｂＰｂとし、中央点Ｐｂにおける弧の接線が水平線（回転軸２ａの法線）となす角を下側フローガイド６の傾角θｂとする。回転ロータ２の各ブレード２ｂの回転軌道の半径をｒｗ、ブレード２ｂの回転軌道上端と上側フローガイド５との間の隙間距離をＤｔ、ブレード２ｂの回転軌道下端と下側フローガイド６との間の隙間距離をＤｂとする。上側フローガイド５の前端がブレード２ｂの回転軌道の前側にはみ出した距離をζｔ、下側フローガイド６の前端がブレード２ｂの回転軌道の前側にはみ出した距離をζｂとする。
【００９１】
実験は、回転ロータ２の回転軸２ａの下端に発電機を取り付け、上下のフローガイド５，６の前方から一様な風速の風を入力し、上下のフローガイド５，６の傾角θｔ，θｂを変えながら発電量の測定を行った。尚、本実験では、上下のフローガイド５，６の影響のみを調べるため、左右のフローガイド３，４は除いた状態で測定を行った。回転ロータ２の半径はｒｗ＝１５０ｍｍとした。上下のフローガイド５，６は同型のものを使用し、形状パラメータは、φｔ＝φｂ＝１０６ｄｅｇ，ｒｔ＝ｒｂ＝８７．５ｍｍ，Ｗｔ＝Ｗｂ＝３１０ｍｍとした。また、ブレード２ｂと上下のフローガイド５，６との間の隙間距離はＤｔ＝Ｄｂ＝５ｍｍ、はみ出し距離はζｔ＝ζｂ＝２０ｍｍとした。
【００９２】
表５及び図２１に測定結果を示す。発電量は電力で測定し、上下のフローガイド５，６がない場合の発電量（ガイドなし発電量）を１として規格化した値を相対発電量として示している。風速３ｍ／ｓではガイドなし発電量は０Ｗ（風車が起動しない）であった。また、風速４ｍ／ｓでは相対発電量が４０〜５０と非常に大きな値を示しているが、これはフローガイド５，６がない場合に回転ロータ２の回転が非常に遅く、ガイドなし発電量が非常に小さい値（０．０００８Ｗ）となったためである。従って、上下のフローガイド５，６の効果を評価するのは、風速６ｍ／ｓのデータを参照するのが適当と考えられる。
【００９３】
【表５】
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【００９４】
以上の実験から、上下のフローガイド５，６を付けることにより、垂直軸型風車の効率を大きく（５．４〜６．８倍程度）向上できることが確認された。
【００９５】
尚、本実施例では、上側フローガイド５及び下側フローガイド６の両方を備えた垂直軸型風車１の例を示したが、本発明は上側フローガイド５及び下側フローガイド６の何れか一方を備えたものであってもよい。上側フローガイド５と下側フローガイド６はそれぞれ独立に、回転ロータ２の上側又は下側において回転ロータ２に吹き込む風を集風する作用があるため、上側フローガイド５又は下側フローガイド６の何れか一方であっても垂直軸型風車の効率を向上させる効果があるからである。
【実施例５】
【００９６】
図２２は本発明の実施例５に係る垂直軸型風車の基本構成を表す斜視図である。本実施例では、上側フローガイド５及び下側フローガイド６の形状を、円弧板状ではなく平板状とした点で実施例４と異なり、それ以外は実施例４と同様である。このようにしても、上側フローガイド５及び下側フローガイド６の集風効果により垂直軸型風車の効率を向上させることができる。
【００９７】
尚、本実施例では、上側フローガイド５及び下側フローガイド６の両方を備えた垂直軸型風車１の例を示しているが、本発明は上側フローガイド５及び下側フローガイド６の何れか一方を備えたものであってもよい。
【実施例６】
【００９８】
本実施例では、左側フローガイド３と右側フローガイド４との形状が異なる例について説明する。
【００９９】
図２３は、本発明の実施例６に係る垂直軸型風車の平面視断面図である。本実施例の垂直軸型風車１’は、実施例１の垂直軸型風車１と比べ、左側フローガイド３の下流側端部の形状が相違し、それ以外は実施例１の垂直軸型風車１と同様である。尚、図２３において、参考のため実施例１の左側フローガイド３を点線により示している。
【０１００】
本実施例の垂直軸型風車１’の左側フローガイド３は、内側側面の円弧状面の点Ｓ７より下流側の曲率が、点Ｓ７より上流側の円弧の曲率と逆符号であり、点Ｓ７より下流側の側面が内側（回転ロータ２側）に向けて滑らかに撓んで反り返っている。また、外側側面の逆Ｓ字曲線の点Ｓ７より下流側の曲率が小さく略直線状（平面状）となっている。内側側面と外側側面の接続点Ｓ５’において、両側面は鋭角を為して接続している。図２３に示した様に、接続点Ｓ５’は、実施例１の場合の接続点Ｓ５よりも下流側に移動しており、接続点Ｓ５における内側側面と外側側面の中線Ｅ（接続点Ｓ５における内側側面の接線と外側側面の接線との中央線）の向きは、気流中心線Ａの向きに近くなっている。
【０１０１】
図２４は、実施例６に係る垂直軸型風車の（ａ）ブレードｂ０の回転角θｂと平均トルクとの関係を示す図、及び（ｂ）回転ロータ２全体に働くトルクの計算結果である。本実施例の垂直軸型風車１’では、全体的にみて、ブレードｂ０の回転角がθｂ＝１８０〜２７０ｄｅｇ付近において作用する減速方向トルクの大きさが、実施例１の場合に比べて減少する傾向が見られる。また、θｂ＝５０〜１５０ｄｅｇ付近において作用する加速方向トルクの大きさが増加する傾向が見られる。逆に、θｂ＝０〜５０付近において作用する加速方向トルクの大きさが若干減少している。その結果、回転ロータ２全体に働くトルクは、実施例１の場合に比べて若干増加している。
【符号の説明】
【０１０２】
１，１’  垂直軸型風車
２  回転ロータ
２ａ  回転軸
２ｂ  ブレード
３  左側フローガイド
４  右側フローガイド
５  上側フローガイド
６  下側フローガイド
Ａ  気流中心線
Ｂ  気流法線
Ｆ  気流方向
Ｏ  回転軸２ａの中心
【要約】
【課題】効率を低下させることなく微風でもより起動しやすくした従来と異なる垂直軸型風車の提供。
【解決手段】回転ロータ２の気流中心線に対する左側及び右側にブレードの回転軌道に近接して配設された左側フローガイド３、右側フローガイド４を備える。左側フローガイド３は、風車回転軸２ａに平行な柱状に形成し、断面の周線形状は、内側が円弧状、外側が風上側において内側の円弧状の周線と滑らかに接続し風下側において内側の円弧状の周線と鋭角を為して接続する逆Ｓ字状に形成する。右側フローガイド４は、風車回転軸２ａに平行な柱状に形成し、断面の周線形状は、内側が円弧状、外側が風下側において内側の円弧状の周線と滑らかに接続し風上側において内側の円弧状の周線と鋭角を為して接続する逆Ｓ字状に形成する。
【選択図】図１【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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