(57)【要約】【課題】  低風時に高効率で回転する回転円筒体付き風車を提供する。【解決手段】  回転円筒体付き風車１０は支持軸１２に回転自在に装着した円筒体１４と、この円筒体１４に、半径方向に離間して取り付けられ、前記円筒体１４と一体に回転するブレード１６とを備えている。この場合において、前記円筒体１４の半径をｒとしたときに、前記円筒体１４と前記ブレード１６との距離を０．４ｒ以上０．６ｒ以下としている。【選択図】    図１
2006002725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持軸に回転自在に装着した円筒体と、この円筒体に、半径方向に離間して取り付けられ、前記円筒体と一体に回転するブレードとを有し、前記円筒体の半径をｒとしたときに、前記円筒体と前記ブレードとの距離を０．４ｒ以上０．６ｒ以下としたことを特徴とする回転円筒体付き風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転円筒体付き風車に係り、特に低風速時に効率良く回転する回転円筒体付き風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石炭，石油等の化石燃料に代わる代替エネルギーとして太陽光，波力，風力等によるクリーンエネルギーの技術開発が行われている。なかでも風力による発電に利用されている風車は水平軸型と垂直軸型とに大別され実用化されている。水平軸型には水平軸プロペラ風車，多翼型風車等があり、特にプロペラ風車は最も多く発電に利用されている。水平軸型は回転軸中心が風向に向くように方向制御が必要となる。
【０００３】
一方、垂直型は３枚〜５枚のブレード（回転翼）を垂直な細い回転軸周りに動径方向へ等距離に配置し、ブレードに作用する空力の接線方向成分の力によって発生するトルクによって、ブレードを回転軸回りに回転させるものがある。したがって、垂直型は、水平軸プロペラ風車のように風向に依存しないため、あらゆる方向の風向に対して回転可能である。このような垂直型風車として特許文献１には、回転体２に複数枚のブレード３を取り付けた風車が開示されている。この風車は、図５に示したように、細い支持軸１の回りを回転体２とともに翼形状のブレード３が回転するようになっている。ブレード３の方向制御を行うことにより回転体２の回転数を規定の範囲に制御して一定に保持することができる。
【特許文献１】特開２００３−２７８６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の風車は、風によってブレード３に生じる揚力によって回転する。そして、本発明者は垂直型風車の鋭意研究を重ねた結果、風車の回転が円筒体とブレードとの間の距離に影響するという重要な関係があることを見出した。しかしながら、特許文献１による風力発電用風車は風車を細い支持軸１に取り付け、回転体２に形成したブレード３とともに回転させているが、回転体２とブレード３との間の距離について何ら規定されておらず、十分な回転効率が得られない。また、ブレード３の方向制御に複雑な機構とパワーが必要である。
本発明は上記従来技術の問題点に着目し、回転効率が高く、低風速時にも回転する回転円筒体付き風車を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る回転円筒体付き風車によれば、支持軸に回転自在に装着した円筒体と、この円筒体に、半径方向に離間して取り付けられ、前記円筒体と一体に回転するブレードとを有し、前記円筒体の半径をｒとしたときに、前記円筒体と前記ブレードとの距離を０．４ｒ以上０．６ｒ以下としたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
回転円筒体付き風車は上記に示すように円筒体とブレードとの距離を規定した構成にしている。ブレードに風が当たることによってブレードに揚力および推力が発生する。さらに本発明は、円筒体とブレードとの間の距離を０．４ｒ〜０．６ｒ（ｒは円筒体の半径）としたことにより、ブレードと円筒体との間を流れる気流によって地面効果が生じる。このため、ブレードの誘導抗力が減少して相対的に揚力および推力が大きくなる。したがって、ブレードの回転効率が向上し、ひいてはエネルギー変換効率が上昇する。この地面効果による揚抗比の向上により推力が増加し、例えば３ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓのような低風速であっても風車を回転させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明に係る回転円筒体付き風車の実施形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図１は実施形態に係る回転円筒体付き風車の構成概略を示す図である。（１）は回転円筒体付き風車の側面を示す図である。（２）は回転円筒体付き風車の側面の断面図を示す。図２は図１の回転円筒体付き風車のＡ−Ａ断面を示す図である。
【０００８】
図１に示すように、回転円筒体付き風車１０は、支持軸１２の回りを回転する円筒体１４と、円筒体１４の外側に形成し円筒体１４と一体に回転可能なブレード１６とを基本構成としている。支持軸１２は垂直方向に直立した軸である。また、支持軸１２は直径が従来に比較して太く、例えば電柱や煙突等の既存の構造物を用いることができる。円筒体１４は支持軸１２の外側を取り巻く円筒状であって、材質に例えばアルミ等の金属あるいはプラスチック樹脂等を用いて軽量化を図るようにするとよい。支持軸１２と円筒体１４との間にはベアリング部２２が設けてある。ベアリング部２２は円筒部１４の両端部に支持軸１２の外側を覆うリング状に形成してある。これにより、円筒体１４が支持軸１２周りを回転する際に発生する摩擦抵抗を低減することができる。
【０００９】
円筒体１４の上下開口両端部にはフランジ部１８が形成してある。フランジ部１８はドーナツ状の平板であって、円筒体１４と直交して形成してある。フランジ部１８は前述同様に軽量化を図るため円筒体１４と同質材料を用いるとよい。フランジ部１８は後述するブレード１６の両端部を支持軸１２中心から規定した間隔をおいて支持軸１２の軸心と平行に固定保持する。
【００１０】
上下のフランジ部１８の間にはブレード１６を設置してある。図２に示すように、ブレード１６は断面形状が空気抵抗を低減しかつ、推力を発生しやすくした翼形状であって、ブレード１６の翼幅上下方向の長さは円筒体１４と同じ長さに形成してある。ブレード１６は翼弦長の方向が円筒体１４の接線方向と一致している。ブレード１６は円筒体１４の外表面に２〜５枚の複数枚設置することができ、本実施形態では２枚のブレードを円筒体１４の直径方向に設置してある。ここで、円筒体１４に設置するブレード１６と円筒体１４との関係は円筒体半径に依存している。本実施形態では図２に示すように、円筒体１４の半径をｒとした場合、ブレード１６に地面効果が生ずるように、円筒体１４とブレード１６外表面との距離ａを０．４ｒ〜０．６ｒに設定してある。
【００１１】
また、回転円筒体付き風車１０は支持軸１２に取り付けた止具２０で支持してある。止具２０ａは支持軸１２の直径とほぼ同径の内径を有するリング状に形成してある。止具２０ａはボルト等の固着手段によって支持軸１２に固定してある。風車１０は支持軸１２の上方から円筒体１４の内部を貫通させて装入し止具２０ａの上に配置し、支持軸１２に装着する。また、回転円筒体付き風車１０の上端部に風車の位置ずれを防止するため止具２０ｂを配置する。したがって、回転円筒体付き風車１０は止具２０の取付位置を調節することにより、支持軸１２の上下方向の任意の位置に設置できる。また、回転円筒体付き風車１０の上端部に止具２０ｂを配置した後、さらに支持軸１２上部から回転円筒体付き風車１０を挿入する。風車の上端部に止具２０を配置することにより、回転円筒体付き風車１０を支持軸１２の垂直方向に容易に多段に装着することができる。
【００１２】
上記構成による回転円筒体付き風車１０は以下に示すように作用する。支持軸１２の任意に設定した箇所に止具２０ａを固定する。そして、支持軸１２の上方から回転円筒体付き風車１０の円筒体１４開口部を挿入して、止具２０ａ上に配置し、支持軸１２に装着する。風車を装着した後、回転円筒体付き風車１０の上端部に止具２０ｂを配置する。これにより、回転円筒体付き風車１０は、支持軸１２に着脱自在に装着され、円筒体１４両端部のベアリング部２２を介して摩擦抵抗が低減されて、支持軸１２の軸回りを回転自在となる。なお、回転円筒体付き風車１０を支持軸１２の垂直方向に多段に設置する場合には、前述のように回転円筒体付き風車１０上端部に止具２０ｂを配置した後、さらに支持軸１２上部から回転円筒体付き風車１０を挿入して上端部に止具２０を配置するとよい。
【００１３】
回転円筒体付き風車１０は、ブレード１６に風が当たると揚力および推力を生じ、ブレード１６が円筒体１４と一体に回転する。そして、回転円筒体付き風車１０は円筒体１４の半径をｒとしたときに、円筒体１４とブレード１６との間隔ａを０．４ｒ〜０．６ｒにしてあるため、円筒体１４とブレード１６との間を流れる空気（気流）によって地面効果が生じ、ブレード１６の誘導抗力が減少する。このため、ブレード１６に作用する揚力および推力が抗力に対して相対的に大きくなり、回転効率が向上して風速３ｍ／ｓ程度であっても容易に回転し、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００１４】
図３は実施形態に係る回転円筒体付き風車のパワー係数の比較を示す図である。図中の曲線（１）は本実施形態に係る回転円筒体付き風車であり、円筒体１４の半径をｒとしたときに、円筒体１４とブレード１６との間隔を０．４ｒにしてある。曲線（２）は円筒体を固定しその回りをブレードだけが回転する例であって、固定された円筒体とブレードとの間の距離が（１）と同じになるように設置してある。曲線（３）は円筒体とブレードとの距離を０．３ｒとした回転円筒体付き風車である。また、図３の横軸は翼端周速と風速との比となる周速比λ、縦軸はパワー係数（Ｃｐ）である。なお、いずれも翼弦長は円筒体１４の半径をｒとしたときに、０．４ｒにしてある。
【００１５】
図示のように曲線（１）の円筒体とブレードとの距離を０．４ｒとした風車の場合には、周速比λが２．５程度においてパワー係数が最大となる約０．３を示した。パワー係数が大きいほど、風車の回転効率が大きく、出力が増大する。曲線（１）のパワー係数（Ｃｐ）が大きいのは、回転円筒体付き風車に風が当たるとブレード自身に発生する揚力に加えて、さらに円筒体の影響によりブレードと円筒体との間の気流が変化する地面効果によってブレードの揚抗比が向上し、揚力および推力が抗力に対して相対的に大きくなることによる。
【００１６】
一方、曲線（２）の場合には、周速比λが１．８くらいでパワー係数（Ｃｐ）が最大の０．０７程度となるがパワー係数は低下している。これは円筒体が固定されているためであり、円筒体がブレードと一体となって回転しないと円筒体とブレードの間の距離が最適でも効率向上は見込めない。また、円筒体とブレードの間の距離が０．７ｒ以上に離れた場合にも、曲線（２）と同様な性能を示した。曲線（３）の場合には、曲線（２）よりもさらにパワー係数は低い値を示した。これは、ブレードと円筒体との間の距離が短いためにブレードに当たる気流が円筒体の影響を受けて十分な推力を発生できず、ブレードを支持する円筒体を回転させることによるエネルギーロスが生じることによるものと考えられる。
【００１７】
なお、実施形態の回転円筒体付き風車１０は、円筒体とブレードとの距離を０．５ｒとし、翼弦長ｌを０．８ｒとした場合、パワー係数は前述の曲線（１）と同様のパワー係数を示し、翼弦長ｌを長くしてもパワー係数に大きな変化は見られなかった。よって、前述の地面効果は円筒体とブレードの間の距離に影響して、翼弦長ｌには影響していないものと考えられる。
【００１８】
このように本発明に係る円筒付き垂直軸風車は、円筒体の影響によりブレードと円筒体との間の気流が変化する地面効果によってブレードの揚抗比が向上し、例えば３ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓのような低風速であっても風車を高効率で回転させることが可能となる。
【００１９】
図４は実施形態に係る回転円筒体付き風車の設置状態を示す図である。図示のように回転円筒体付き風車１０は支持軸１２の垂直方向に多段に設置している。これにより大電力を発電することができる。また、回転円筒体付き風車１０の下方の支持軸１２に駆動力を電力に変換する発電ユニット３０を設置している。発電ユニット３０は回転円筒体付き風車１０の回転によって得られる動力を内部に設置した発電機の駆動に伝達されて発電可能に形成してある。また、円筒体１４の内径を任意に設計変更することによって、電柱、煙突等の既存の構造物に設置することができる。よって、設置場所の確保や支持軸の新設にともなうコストの低減を図ることができる。さらに、ブレード１６が回転する際発生する音はプロペラに比べ風切音が小さいため、市街地等に設置し発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態に係る回転円筒体付き風車の構成概略を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線図の断面を示す図である。
【図３】実施形態係る回転円筒体付き風車のパワー係数の比較を示す図である。
【図４】実施形態に係る回転円筒体付き風車の設置状態を示す図である。
【図５】従来の垂直軸風車の構成概略を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１………支持軸、２………回転体、３………ブレード、１０………回転円筒体付き風車、１２………支持軸、１４………円筒体、１６………ブレード、１８………フランジ部、２０………止具、２２………ベアリング部、３０………発電ユニット。
【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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