(57)【要約】      （修正有）【課題】翼の軽量化、剛性向上、及び抵抗増回避を共に図り、耐風力性能を向上させる。【解決手段】主軸５と、上下方向に延びる翼９と、この翼９の上下方向複数箇所の結合部１１にそれぞれ一端が結合されて他端が主軸５に結合された複数本のアーム８ａ，８ｂとを備える。翼９の内側面に沿って翼長手方向に延びる補剛用のアーム補助材１２が、翼９に設けられた窪み部１５内に収めるかまたは埋め込み状態として、翼内側面に対して非突出状態に設けられ、前記複数の結合部１１に結合される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立ち姿勢で回転自在に設置された主軸と、上下方向に延びる翼と、前記翼の上下方向複数箇所の結合部にそれぞれ一端が結合されて他端が前記主軸に結合された複数本のアームとを備える垂直軸風車であって、
前記翼の旋回中心側を向く翼内側面に沿って翼長手方向に延び前記複数の結合部に結合された補剛用のアーム補助材を備え、このアーム補助材は前記翼内側面に対して非突出状態とされた垂直軸風車。
【請求項２】
請求項１に記載の垂直軸風車において、前記アーム補助材が、前記翼の前記翼内側面に設けられたくぼみ部内に配置された垂直軸風車。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の垂直軸風車において、前記複数本のアームは、前記主軸側の端部が互いに結合されて前記主軸に結合され、前記複数本のアームのうちの２本以上のアームと前記アーム補助材とでトラス構造を成す垂直軸風車。
【請求項４】
請求項３に記載の垂直軸風車において、前記複数本のアームとして、１本の主アームと、この主アームの上下にそれぞれ位置する２本のサブアームとがあり、前記上下のサブアームは、前記主軸側の端部が前記主アームに結合されることで前記主軸に結合され、前記主アームおよびサブアームと前記アーム補助材とでトラス構造を成す垂直軸風車。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の垂直軸風車において、前記翼の前記複数個所の結合部が、前記翼の長手方向の複数個所で前記翼の横断面に沿って設けられた各固定用プレートにおける前記翼内側面から突出する部分からなり、前記各アームは、先端に設けられた接続プレートが前記各固定用プレートの前記突出する部分からなる前記結合部に重なって結合された垂直軸風車。
垂直軸風車。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の垂直軸風車と、この垂直軸風車の前記主軸の回転によって発電する発電機とを備える風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、小型風力発電装置等の風力発電装置に用いられる垂直軸風車、特に翼の耐風力性能の向上に係る技術、およびその垂直軸風車を用いた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換する風車、回転エネルギーを電気エネルギーに変える発電機、および発電機を制御する制御装置により主に構成され、必要に応じて、風車の回転速度を増速して発電機に伝達する増速機が設けられる。
前記風車は、翼、および翼と主軸を連結するアームで構成されており、アームの先端部と翼とはボルト等で締結される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５５６１８３７号公報
【特許文献２】特許第５２９６６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では、翼と主アームおよびサブアームの先端部とをボルト等で締結する構造となるが、風速が速くなって回転数が上がると、翼やアームの剛性が不十分となって、遠心力で翼が撓み、風力を回転に変換する機能の低下や、翼の損傷、耐久性の低下等の問題が生じる。翼の耐風力性能、つまり風速が速くなった場合の翼耐荷重性能を付与するためには、翼、主アーム、サブアームの大型化、肉厚増などの対応が必要となる。その結果として、重量増、およびコスト増となる。風車の重量増は、風車の主軸を支持する構成の大型化に繋がる。また翼から突出した部材による補強は、風車が回転した場合の空気抵抗となって、風車の回転を阻害し、発電量の低下に繋がる。
【０００５】
この発明の目的は、翼の軽量化、剛性向上、および抵抗増回避を共に図ることができ、耐風力性能を向上させることができる垂直軸風車、および優れた発電性能が得られる風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の垂直軸風車は、立ち姿勢で回転自在に設置された主軸と、上下方向に延びる翼と、前記翼の上下方向複数箇所の結合部にそれぞれ一端が結合されて他端が前記主軸に結合された複数本のアームとを備える垂直軸風車であって、
前記翼の旋回中心側を向く翼内側面に沿って翼長手方向に延び前記複数の結合部に結合された補剛用のアーム補助材を備え、このアーム補助材は前記翼内側面に対して非突出状態とされている。
【０００７】
この構成によると、翼を補剛するアーム補助材を有し、このアーム補助材は、翼が各アームと結合される翼長手方向の複数箇所の結合部を互いに結ぶ。そのため、各アームとアーム補助材とが組まれたフレーム構造で翼を補剛することができ、翼を効果的に補剛できて、翼の支持剛性が向上し、少ない材料で翼の剛性を高めることができる。そのため、風速が速くなって回転数が上がった場合の翼およびアームの剛性を確保ながら、翼を構成する部材やアームの薄肉化、この薄肉化による小断面化による重量減、コスト低減が図れる。前記アーム補助材は、翼内側面に対して非突出状態に設けるので、風車が回転した場合の空気抵抗とならず、風車の回転を阻害しない。
【０００８】
この発明において、前記アーム補助材が、前記翼の前記翼内側面に設けられたくぼみ部内に配置されていても良い。
翼に前記くぼみ部を設けて翼を収めることで、翼内側面から突出させることなくアーム補助材を設けることが簡単に実現できる。
【０００９】
この発明において、前記複数本のアームは、前記主軸側の端部が互いに結合されて前記主軸に結合され、前記複数本のアームのうちの２本以上のアームと前記アーム補助材とでトラス構造を成すようにしても良い。
このように、複数本のアームとアーム補助材とでトラス構造を成すようにすることで、
翼と各アームとの組立品の剛性を高めることができる。
【００１０】
具体的には、前記複数本のアームとして、１本の主アームと、この主アームの上下にそれぞれ位置する２本のサブアームとがあり、前記上下のサブアームは、前記主軸側の端部が前記主アームに結合されることで前記主軸に結合され、前記主アームおよびサブアームと前記アーム補助材とでトラス構造を成すようにしても良い。
翼を支持するアームとして、１本の主アームとその上下のサブアームとを設け、これらのアームを１箇所で主軸に結合する構成は、アームの主軸への結合位置が低くてなって、高所作業となる保守が容易になることから、一般に採用されている。この主アームとサブアームとを１箇所で結合する構成を利用し、前記アーム補助材で各アームを相互に結合することで、主アームおよびサブアームとアーム補助材とで簡単にトラス構造を構成でき、トラス構造の剛性に優れる作用を利用して、より効果的に、翼と各アームとの組立品を補剛することができる。
なお、上下のサブアームとアーム補助材とのみでトラス構造を成すようにしても良い。
【００１１】
この発明において、前記翼の前記複数個所の結合部が、前記翼の長手方向の複数個所で前記翼の横断面に沿って設けられた各固定用プレートにおける前記翼内側面から突出する部分からなり、前記各アームは、先端に設けられた接続プレートが前記各固定用プレートの前記突出する部分からなる前記結合部に重なって結合されていても良い。
この構成とすることで、前述の各アームとアーム補助材とが組まれたフレーム構造で翼を補剛することが、効果的に実現できる。
【００１２】
この発明の風力発電装置は、この発明の上記いずれか構成の垂直軸風車と、この垂直軸風車の前記主軸の回転によって発電する発電機とを備える。
この構成によると、この発明の垂直軸風車による優れた耐風力性能により、優れた発電性能得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の垂直軸風車は、立ち姿勢で回転自在に設置された主軸と、上下方向に延びる翼と、前記翼の上下方向複数箇所の結合部にそれぞれ一端が結合されて他端が前記主軸に結合された複数本のアームとを備える垂直軸風車であって、前記翼の旋回中心側を向く翼内側面に沿って翼長手方向に延び前記複数の結合部に結合された補剛用のアーム補助材を備え、このアーム補助材は前記翼内側面に対して非突出状態とされているため、翼の軽量化、剛性向上、および抵抗増回避を共に図ることができ、耐風力性能を向上させることができる。
【００１４】
この発明の風力発電装置は、この発明の垂直軸風車を備えるため、この垂直軸風車による優れた耐風力性能により、優れた発電性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の一実施形態に係る垂直軸風車を備えた風力発電装置の正面図である。
【図２】同垂直軸風車の平面図である。
【図３】同垂直軸風車の分解斜視図である。
【図４】同垂直軸風車の翼および各アームを示す一部破断斜視図である。
【図５】同垂直軸風車の翼の部分拡大横断面図である。
【図６】同垂直軸風車のアーム補助材、アーム、翼の結合部の関係を示す部分拡大正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の一実施形態に係る垂直軸風車を備えた風力発電装置の正面図、図２はその平面図、図３はその垂直軸風車を主に示す一部分解斜視図である。図１において、地面に築かれた基礎１に鉄塔２が構築され、この鉄塔２の上に風力発電装置３が設置されている。風力発電装置３は、垂直軸風車４と、この垂直軸風車４の主軸５の回転で発電する発電機６と、その他に配電用、制御用等の機器とを備える。主軸５は上下方向に沿って延びる軸であって、軸受（図示せず）によって回転自在に支持され、下部が発電機６に連結されている。
【００１７】
垂直軸風車４は、前記主軸５に支持体８を介して、複数の翼９が取り付けられている。図の例では、翼９の数が２つであり、それぞれの翼９は主軸５を中心として１８０°位相の異なる位置に設けられている。翼９の数は３つ以上であってもよい。
【００１８】
翼９は、上下方向に沿って延びる主翼部９ａと、この主翼部９ａから旋回中心側へ折れ曲がって延びるウィングレット９ｂとでなる。翼９の断面形状は、揚力を発生する形状であり、図２に示すように、翼旋回中心に対する外方となる外側面が膨らみ、その最膨部分が翼幅方向の片側に偏った形状とされている。ウィングレット９ｂは、翼端渦の発生を抑制する部位であり、必ずしも設けられていなくても良い。
【００１９】
図３に示すように、前記支持体８は、翼９の上下方向複数箇所の結合部１１にそれぞれ一端が結合されて他端が前記主軸５に結合された複数本のアーム、具体的には１本の水平な主アーム８ａと、この主アーム８ａの上下にそれぞれ位置して傾斜した２本のサブアーム８ｂとからなる。サブアーム８ｂは、主軸５側の端部が主アーム８ａに結合されている。両側の主アーム８ａ，８ａは、１本の鋼管等の鋼材の半部、または一本の鋼管または鋼材で構成され、主軸５の上端に結合部材（図示せず）を介して接合されている。
【００２０】
上記構成の垂直軸風車４において、各翼９の旋回中心側を向く翼内側面に沿って、翼長手方向に延びる補剛用のアーム補助材１２が設けられ、翼９の前記複数の結合部１１で結合されている。アーム補助材１２が上記のように結合されることで、主アーム８ａおよびサブアーム８ｂとアーム補助材１２とでトラス構造を成している。アーム補助材１２は、図示の例では上下に並ぶ全ての結合部１１に渡って連続する１本であるが、主アーム８ａの上側と下側とに分割されていても良い。
【００２１】
アーム補助材１２は、翼９に設けられたくぼみ部内に配置するか、または翼９に対し埋め込み状態とすることなどで、翼９の内側面に対して非突出状態に設けられる。具体的には、図５に翼断面の一部を拡大して示すように、翼９の外皮１４に設けられた翼長手方向に延びる溝状のくぼみ部１５内にアーム補助材１２が配置され、アーム補助材１２を覆ってくぼみ部１５を閉じるアームカバー１６が設けられている。アーム補助材１２は、形鋼等からなり、この例では２本のＬ形鋼を背合わせに接合したＴ字形断面の部材とされ、そのＴ字の脚部がくぼみ部１５の溝底側に向くように設置されている。くぼみ部１５の断面形状は、アーム補助材１２の断面の縁部がくぼみ部１５の内面との間に若干の隙間が生じる程度の大きさの円弧状とされている。くぼみ部１５の断面形状は、この他に、三角形や四角形などの多角形であっても、また楕円などの任意の曲線形状であっても良い。
【００２２】
アームカバー１６は、アーム補助材１２に沿って延びる短冊状であり、両側縁がくぼみ部１５の両側の開口縁１５ａ，１５ａに接して取付けられている。アームカバー１６は、中央の結合部１１の箇所で上下の分割カバー１６ａ，１６ａに分割されている。図４において、アームカバー１６は、アーム補助材１２に対して固定であっても、非固定であっても良い。  アームカバー１６の材料は、前記外皮１４と同程度の線膨張係数を持つ材料とされる。また剛性は外皮１４ｂと同等もしくは低い材質が好ましい。  
【００２３】
翼９は、図６に分解斜視図で示すように、翼幅方向に延びる複数本（図の例では３本）の桁材１７と、外面側外皮１４ａおよび内面側外皮１４ｂの２枚で構成される外皮１４とで主に構成され、長手方向の複数箇所、この例では３ヵ所に固定用プレート１８が設けられている。固定用プレート１８は、鋼板等で形成されていて、翼断面に沿う外形を有し、かつ一部に、翼内面から突出して前記結合部１１を構成する。
【００２４】
材質例を説明すると、桁材１７、外側外皮１４ａ、内側外皮１４ｂ、固定用プレート１８のいずれも、プラスチック、繊維強化プラスチック、木材、金属、発泡体等、およびこれらの複数素材で構成される。アーム補助材１２は、桁材１７と同等か、これよりも硬い材質が好ましく、鋼材等が用いられる。アームカバー１６は、前述のように、内側外皮１４ｂと線膨張係数が同じ材質であることが好ましく、内側外皮１４ｂと同じ材質としても良い。また剛性は外皮１４ｂと同等もしくは低い材質が好ましい。
【００２５】
図３，図４に示すように、結合部１１における各アーム８ａ，８ｂの結合は、各アーム８ａ，８ｂの先端に溶接等で固定された接合プレート１９を、前記固定用プレート１８の一部で構成される結合部１１に重ね、この重なり部分に設けられた接合孔に挿通されるボルトおよびナット等の固着具を締めつけることなどで行われる。
【００２６】
図６は、アーム補助材１２と、各アーム８ａ，８ｂと、翼９の前記結合部１１との関係を示す。翼９の前記複数個所の結合部１１が、翼９の長手方向の複数個所で翼の横断面に沿って設けられた各固定用プレート１８における前記翼内側面から突出する部分からなり、前記各アーム８ａ，８ｂは、先端に設けられた接続プレート１９が前記各固定用プレート１８の前記突出する部分からなる前記結合部１１に重なって結合されていても良い。この構成とすることで、前述の各アーム８ａ，８ｂとアーム補助材１２とが組まれたフレーム構造で翼９を補剛することが、効果的に実現できる。
【００２７】
この構成によると、任意方向の風を受けることで、翼９が主軸５と回転する。回転方向は翼９の断面形状によって定まり、図２の矢印ａ方向となる。上記のように風を受けて回転するとき、風速が速いと、翼９に大きな遠心力が作用するため、翼９を撓ませようとする応力が発生する。そのため、翼９に剛性を持たせる必要がある。
これにつき、上記構成によると、翼９を補剛するアーム補助材１２を有し、このアーム補助材１２は、翼９が各アーム８ａ，８ｂと結合される翼長手方向の複数箇所の結合部１１を互いに結ぶ。そのため、各アーム９ａ，９ｂとアーム補助材１２とが組まれたトラス状のフレーム構造で翼９を補剛することができ、翼９を効果的に補剛できる。これにより翼９の支持剛性が向上し、少ない材料で翼９の剛性を高めることができる。そのため、風速が速くなって回転数が上がった場合の翼９およびアーム９ａ，９ｂの剛性を確保ながら、翼９を構成する各部材やアーム８ａ，８ｂの薄肉化、この薄肉化による小断面化による重量減、コスト低減が図れる。
なお、翼９と主軸５とを繋ぐアームを、上記サブアーム８ｂのような傾斜したアームだけとし、その傾斜したアームとアーム補助材１２とでトラス構造を成すようにしても良い。
【００２８】
アーム補助材１２が翼表面から突出していると、翼回転時に空気が流れ込むことで、乱流が生じ、空気抵抗の増加による翼の回転阻害となって、発電量の低下に繋がる。また、風切り音などの原因となる。しかし、上記のようにアーム補助材１２は、翼内側面に対して非突出状態に設けるので、風車が回転した場合の空気抵抗とならず、風車の回転４を阻害しない。また、風切り音の発生が回避できる。アームカバー１６を設けた場合は、翼９とアーム補助材１２間の隙間や段差を無くすことができ、より一層、風車４が回転した場合の空気抵抗を減らし、風車４の回転抵抗が小さくなる。また、翼９とアーム補助材１２の隙間からごみ等の侵入を防ぐ効果も期待できる。
【００２９】
この場合に、アーム補助材１２は、これを収めるくぼみ部１５の内面と非接触であり、アームカバー１６の外周縁がくぼみ部１５の開口周縁に接するようにしているため、次の利点が得られる。すなわち、アーム補助材１２を構成する部材は、その補剛の目的のために、翼９の表面を構成する外皮１４に比べて剛性の高い鋼材等の材質が好ましい。しかし線膨張係数の違う部材が互いに接触していると、昼夜の大きな温度差による延び縮み等で擦れ合うことで、無用な応力が発生し外皮１４の損傷する要因となる、また、きしみ音等の騒音の原因となる。これにつき、上記のように翼９のくぼみ部１５の内面とアーム補助材１２とを非接触とすることで、上記の無用な応力やきしみ音等の騒音の発生を防止することができる。
【００３０】
支持体８は、図示の例の他に、複数本のアームを梯子状に設けても良いが、この例では主アーム８ａおよびサブアーム８ｂとアーム補助材１２とでトラス構造を構成しているため、トラス構造の剛性に優れる作用により、より効果的に、翼９と各アーム８ａ，８ｂとの組立品を補剛することができる。
【００３１】
また、この風力発電装置は、上記構成の垂直軸風車４を備えるため、この垂直軸風車４による優れた耐風力性能により、優れた発電性能得ることができる。
【００３２】
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３３】
３…風力発電装置
４…垂直軸風車
５…主軸
６…発電機
８…支持体
８ａ…主アーム
８ｂ…サブアーム
９…翼
９ａ…主翼部
９ｂ…ウィングレット
１１…結合部
１２…アーム補助材
１４…外皮
１５…くぼみ部
１６…アームカバー
１６ａ，１６ｂ…分割カバー
１８…固定用プレート
【図１】
2018150862.tif 000003
【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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