(57)【要約】      （修正有）【課題】垂直軸型風力発電機用の風車の命である羽根の形状は、風力発電機の出力により外形寸法は異なるが、通常は目に留めない羽根の裏側すなわち背部に着目し、どんな微風でも捕捉できる形状とする。【解決手段】鉛直の中心軸６に放射状に取付けた複数本の水平アーム（ストラット）の外端に、鉛直に立った羽根１を設け、この羽根の水平断面形状は「つ」の字状の外形をしており、その流線型の前半に対し後半は、外側面が凸の円弧状をしており、中心軸側の面は、「つ」の字状に開口させたままにしてあるので、羽根の背部で効果的に風を捕捉し、押される。しかも、背部から風力で押されて風車が回転すると、次第に横側から風力を受けるようになるが、依然として、「つ」の字状部に当たる風力で他の羽根が前進方向に押されるので、風車を回転させる力として作用する。「つ」の字状の開口を凹円弧面になるように閉じた場合も同様に作用する。【選択図】図１
2015200298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アーム(ストラット)の外端に、鉛直に立った羽根を設け、この羽根の水平断面形状は変則流線形状をしており、その流線型の前半に対し後半は、外側面が凸の円弧状をしており、中心軸側の裏面は開口を閉じた凹円弧面になっていることを特徴とする風力発電機用の風車。
【請求項２】
鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アーム(ストラット)の外端に、鉛直に立った羽根を設けた風車であって、この水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状は変則流線形状をしており、その流線型の前半に対し後半は、上側面が凸の円弧状をしており、下側の面は後ろ向きの開口を残して全体として袋状に形成してあることを特徴とする風力発電機用の風車。
【請求項３】
前記の羽根の表面は軽量化を追求する為に薄い板材を貼り付けて成り、更なる軽量化を図るために中空にすると共に、補強の目的でスペーサ材を挟んだことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電機用の風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸型の風力発電機用の風車の羽根の形状並びにストラットの形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
牛山泉著の「風力発電の本」の７４ページに記載のように、特別に羽根の幅を広くしたりするような工夫をしない限り、風速２ｍ／ｓ程度以下では回りださない、という。風車が回転を開始する風速を、起動風速またはスタート風速、発電を開始する風速をカットイン風速と言う。東北の震災で福島県の原発が損傷し、原発の安全性が低下したのを機に、再生可能エネルギーを使用した発電装置の効率化が望まれている。
垂直軸型の風車では、特許文献１などが知られている。特許文献１は簡易構造のサボニウス風車の特徴を極力犠牲にすることなく、低回転数域で高トルクを発生すべく、風車の羽根の外端寄りの位置において、羽根外端寄りが受風凹曲面側に相対的にずれるように、逆Ｚ字状又はＺ字状の階段状に屈曲させた構造であり、階段状の段差板の外面で受ける風力は、本来の凹曲面で受ける風力を補助する作用をする。その結果、低回転数域でも高トルクを発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２５１４５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、サボニウス風車は、２枚の曲板羽根のうち１枚は、風向に対して逆戻り方向の力を受けるので、この抗力により、トルク又は出力の減少が避けられないという問題が有る。
本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、回転方向と逆方向に作用する力を少なくし、回転方向に効果的に作用する羽根形状とする。
【０００５】
すなわち、垂直軸型風力発電機用の風車の命である羽根の形状は、風力発電機の出力により外形寸法は異なるが、通常は目に留めない羽根の裏側すなわち背部に着目し、どんな微風でも捕捉できる形状としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１は、鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アーム（ストラット）の外端に、鉛直に立った羽根を設け、この羽根の水平断面形状は変則流線形状の外形をしており、その流線型の前半に対し後半は、外側面が凸の円弧状をしており、中心軸側の裏面からは凹円弧面になるように閉じたことを特徴とする風力発電機用の風車である。
【０００７】
請求項２は、鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アーム(ストラット)の外端に、鉛直に立った羽根を設けた風車であって、この水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状が変則流線外形をしており、その変則流線型の前半に対し後半は、上側面が凸の円弧状をしており、下側の面は後ろ向きの開口を残して全体として袋状に形成してあることを特徴とする発電機用の風車である。
【０００８】
請求項３は、前記の羽根又は水平アームは、表面は板材を張り合わせて成り、軽量化のために中空にすると共に、補強の目的でスペーサ材を挟んだことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電機用の風車である。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載のように、鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アーム（ストラット）の外端に、鉛直に立った羽根を設け、この羽根の水平断面形状は変則流線型状の外形をしており、その流線型の前半に対し後半は、外側面が凸の円弧状をしており、中心軸側の裏面は凹円弧面型に閉口させたままにしてあるので、羽根の背部で効果的に風を捕捉し、押される。しかも、背部から風力で押されて風車が回転すると、次第に横側から風力を受けるようになるが、依然として裏面の凹字状部に当たる風力で他の羽根が前進方向に押されるので、風車を回転させる力として作用する。
【００１０】
請求項２に記載のように、鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アーム(ストラット)の外端に、鉛直に立った羽根を設けた風車であって、この水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状が変則流線形状の外形をしており、その流線型の前半に対し後半は、上側面が凸の円弧状をしており、下側の面は、中央から後方は袋状に形成してあるので、ストラットの背部で効果的に風を捕捉できるため羽根の全体を押す力が増している。
【００１１】
請求項３に記載のように、前記の羽根又は水平アーム特に羽根は、軽量化を図るため表面を薄板で張り合わせて成り、更なる軽量化のために中空にすると共に、補強の目的でスペーサ材を挟んであるので、軽量化されているにも係わらず強度が大きい。また、軽量化により小風力(0.8m/s)でも回転を開始して発電を可能となる。
【００１２】
以上のように、風車を逆転させる方向のトルクは小さく、正転させる方向のトルクが大きい。しかも、羽根だけでなく、ストラットも羽根として作用している。その結果、弱い風力でも発電できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による風車の平面図である。
【図２】図１の風車の一部を拡大して示す斜視図である。
【図３】図１の風車の受ける風力と出力を示す平面図である。
【図４】羽根の詳細を示す水平断面図である。
【図５】羽根の接続部を示す水平断面図である。
【図６】ストラットの詳細を示す鉛直断面図である。
【図７】開閉翼の開閉動作を示す水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
通常の風力発電機用の風車( 羽根) は、[ 抗力] 又は、[ 揚力] の何れかの作用を利用して風車( 羽根) を回転させているが、図１のように、本発明による垂直軸型風力発電機用の風車( 羽根) は、羽根１の表面２で受ける気流の進行方向の物体に当たる力である[ 抗力の力] を利用する事は無論の事、そこから発生する上下の圧力差による垂直方向の力である[ 揚力の力] も同時に生かし利用するという大きな特徴を持つ風車( 羽根) である。すなわち、表面２の凸曲面より半径の小さな凹曲面３を裏側すなわち羽根１の回転中心側に形成されている。
その特徴の一つである[ 抗力] と同時に[ 揚力] も生み出す方法は、(a) 羽根と、(b) 図２に示すストラット４其々の裏側の形状を凹彎曲３、５にする事により、一度の風の力で二倍の風の力を生み出せる斬新な垂直軸型風力発電機用の風車( 羽根) となっている。
【００１５】
このように、本発明による垂直軸型風力発電機用の風車( 羽根) は、風車( 羽根) の表面で[ 抗力] を生ませて風車( 羽根) を回転させ、羽根１とストラット４の裏側の凹彎曲形状３、５を利用して[ 揚力] を生ませる事により、効率の良い発電量が得られる。すなわち、一回の風で二倍の力を生み出すことに成功し、通常の風力発電機と異なり、微風の風で回転を開始させる事を可能としているため、発電を可能とする強い風が発生した時には短時間差で瞬時に発電を開始できるため、高効率発電を可能とする。
【００１６】
さらに詳述すると、本発明である垂直軸型風力発電機用風車 (羽根 )の特徴の一つである羽根１の裏側を凹彎曲形状３に整形開始する位置は、図４に示す前頭部21から45% の部位がベストである。
また、本発明である垂直軸型風力発電機用風車 (羽根 )の特徴の一つでもある風車 (羽根 )の製造に関しては、材質は軽量で強度のあるアルミ合金 (AL -5025 )を使用し、図４、図５のように全体のほぼ中心部から前後に二分割された押圧工法又は引き抜きにより、パイプ形状の中空形状に整形されている。
【００１７】
押圧工法によりパイプ形状に整形された前後二つの羽根21、22は、図５のように中央で組合立てられリベットビスにより固定することにより初めて本発明の風車用の一つの羽根として一体化され完成する。
しかし、一枚に組み立てられた羽根１の重量が重いため (機種により異なるが )、軽量化を図る目的で、後方羽根22の一部分を複数均等に刳り貫き加工し、重量の低減を図っている。すなわち、後方の薄い部分２３は、中実に徐々に薄くする。
なお、この刳り貫き加工された後方羽根２３の空洞を塞ぐための作業として、前後二種類の羽根を合体組合せ作業完了後、0.5mm 厚のアルミ板24、25で上下を塞ぐ事が必要なため、前後羽根は最初から段差をつけて成型されている。
【００１８】
羽根１とセンターシャフト６とを連結固定する場合は、ストラット (桁) と言われているアーム４で固定して羽根１を支えるが、本発明では、通常はあまり重要視されていないアーム４に着目し、図６のように、羽根１の裏側の凹彎曲形状よりもより空気抵抗を受け入れやすい袋形状７とし、[ 抗力 ]により羽根１の表面で受けた風で回転した羽根１から発生する気流を、[ 揚力 ]の回転運動により回転する羽根１と、本発明であるストラット( 桁) ４と共に風を受け止め、後方から押すことにより、更に効率の良い回転運動を得る事を可能とした。なお、この袋形状７で受けた受圧力による回転効果は、回転半径の大きい位置ほど強くなる。
【００１９】
ストラット( 桁) ４の彎曲形状は、羽根１ [幅 360×65 ]とは異なり、ストラット( 桁) ４自体の面積が小さい[ 幅 140×45 ]ため、効率よく風を受けやすくするべく後方部及び、前頭部より60±10％の位置で大きく解放させているが、本発明の垂直軸型風力発電用ストラット( 桁) の特徴である。
羽根１及びストラット４は軽量化のために中空にして、強度向上の目的で補強部材Ｓを挟んだ構造にしている。外気に露出する表面板は、板材を組立てたり加工したりして製造する。
なお、羽根１の後端の凹曲面３と１番目及び必要に応じて２番目の補強部材Ｓを省いてストラット４と同様な袋形状も可能である。
【００２０】
鎖線のような開閉構造の開閉翼Ｍを羽根１やストラット４の外面に取付けることも有効である。図７のように、この開閉翼Ｍは板状をしており、その前端をヒンジＨを介して羽根１の外面に取付けてある。従って、図７（１）のように、風Ｗに向かって羽根１が回転している場合は、風圧で開閉翼Ｍは閉じられるが、図７（２）のように１８０度回転移動して風Ｗが後端の凹曲面３を押す状態になると、開閉翼Ｍが風圧で押し開かれると共に開閉翼Ｍの広い面で風圧を受ける状態となり、より効果的に風圧を利用できる。
さらに回転移動して、開閉翼Ｍが閉じる方向の風圧を前端から受けるようになると、開閉翼Ｍが閉じて、羽根１を押し戻す方向の力は最小となる。
図６のストラット４に取付けた開閉翼Ｍ、Ｍは、鎖線で示したとおりであり、閉じた状態と開いた状態の両方を示してある。
なお、開閉翼Ｍの先端を少し開き気味に曲げておくと、開閉翼Ｍが確実に風圧で開く。
開閉翼Ｍが開く際の角度を約３０度以上にすると、かえって抵抗となるので、あまり大きくならないようにストッパーを設ける必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
以上のように、垂直軸型風力発電機用風車 (羽根 )において、外端の風車 (羽根 )は、外面を凸円弧状にすると共に内面は半径が前記外面より小さな凹円弧とし、しかもストラット( 桁) を袋状としてあるため、風を効果的に捕捉して回転し、発電可能にしてある。
尚、当然のように各機種により羽根及びストラットの形状自体には変化はないが、外形サイズは異なる。
【符号の説明】
【００２２】
１  羽根
２  表面
21  前頭部
22  羽根の後部
３  凹曲面
４  ストラット
５  凹彎曲
23  後方の薄い部分
６  センターシャフト
７  袋形状
Ｍ  開閉翼
Ｈ  ヒンジ
【図１】
2015200298.tif 000003
【図２】
2015200298.tif 000004
【図３】
2015200298.tif 000005
【図４】
2015200298.tif 000006
【図５】
2015200298.tif 000007
【図６】
2015200298.tif 000008
【図７】
2015200298.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月5日(2014.12.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アームの外端に、鉛直に立った羽根を設け、
この羽根の水平断面形状は流線形状をしており、その流線形の前側45±10％に対し後側は、外側面が凸の円弧状をしているが、中心軸側は、前記羽根の後端から中心軸側の羽根厚変異位置まで連続した閉じた凹円弧面になっており、しかも羽根厚が、全寸から次第に薄くなっていることを特徴とする風力発電機用の風車。
【請求項２】
前記の凹円弧面は、前記流線形の前端と羽根後端を結ぶ直線よりも前記外側面寄りに窪んだ領域を有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電機用の風車。
【請求項３】
前記の羽根の表面は軽量化を追求する為に薄い板材を張り付けて成り、更なる軽量化を図るために中空にすると共に、補強の目的でスペーサ材を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電機用の風車。
【請求項４】
前記の水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状は、中空状の流線形状の中空部に補強部材を挟むと共に、その前頭部より60±10％の位置より後側は、上側面が流線形の一部を成す凸の円弧状をしており、下側の面が除去されて、後ろ向きの開口を残した構造を特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の風力発電機用の風車。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸型の風力発電機用の風車の羽根の形状並びにストラットの形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
牛山泉著の「風力発電の本」の７４ページに記載のように、特別に羽根の幅を広くしたりするような工夫をしない限り、風速２ｍ／ｓ程度以下では回りださない、という。風車が回転を開始する風速を、起動風速またはスタート風速、発電を開始する風速をカットイン風速と言う。東北の震災で福島県の原発が損傷し、原発の安全性が低下したのを機に、再生可能エネルギーを使用した発電装置の効率化が望まれている。
垂直軸型の風車では、特許文献１などが知られている。特許文献１は簡易構造のサボニウス風車の特徴を極力犠牲にすることなく、低回転数域で高トルクを発生すべく、風車の羽根の外端寄りの位置において、羽根外端寄りが受風凹曲面側に相対的にずれるように、逆Ｚ字状又はＺ字状の階段状に屈曲させた構造であり、階段状の段差板の外面で受ける風力は、本来の凹曲面で受ける風力を補助する作用をする。その結果、低回転数域でも高トルクを発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２５１４５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、サボニウス風車は、２枚の曲板羽根のうち１枚は、風向に対して逆戻り方向の力を受けるので、この抗力により、トルク又は出力の減少が避けられないという問題が有る。
本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、回転方向と逆方向に作用する力を少なくし、回転方向に効果的に作用する羽根形状とする。
【０００５】
すなわち、垂直軸型風力発電機用の風車の命である羽根の形状は、風力発電機の出力により外形寸法は異なるが、通常は目に留めない羽根の裏側すなわち背部に着目し、どんな微風でも捕捉できる形状としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１は、鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アームの外端に、鉛直に立った羽根を設け、
この羽根の水平断面形状は流線形状をしており、その流線形の前側45±10％に対し後側は、外側面が凸の円弧状をしているが、中心軸側は、前記羽根の後端から中心軸側の羽根厚変異位置まで連続した閉じた凹円弧面になっており、しかも羽根厚が、全寸から次第に薄くなっていることを特徴とする風力発電機用の風車である。
【０００７】
請求項２は、前記の凹円弧面は、前記流線形の前端と羽根後端を結ぶ直線よりも前記外側面寄りに窪んだ領域を有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電機用の風車である。
【０００８】
請求項３は、前記の羽根の表面は軽量化を追求する為に薄い板材を張り付けて成り、更なる軽量化を図るために中空にすると共に、補強の目的でスペーサ材を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電機用の風車である。
【０００９】
請求項４は、前記の水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状は、中空状の流線形状の中空部に補強部材を挟むと共に、その前頭部より60±10％の位置より後側は、上側面が流線形の一部を成す凸の円弧状をしており、下側の面が除去されて、後ろ向きの開口を残した構造を特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の風力発電機用の風車である。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載のように、鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アームの外端に、鉛直に立った羽根を設け、この羽根の水平断面形状は流線形状をしており、その流線形の前側45±10％に対し後側は、外側面が凸の円弧状をしているが、中心軸側は、前記羽根の後端から中心軸側の羽根厚変異位置まで連続した閉じた凹円弧面になっており、しかも羽根厚が、全寸から次第に薄くなっているので、羽根の背部で効果的に風を捕捉し、押される。しかも、背部から風力で押されて風車が回転すると、次第に横側から風力を受けるようになるが、依然として裏面の凹円弧面に当たる風力で他の羽根が前進方向に押されるので、風車を回転させる力として作用する。
【００１１】
請求項２に記載のように、前記の凹円弧面は、後端の内面より前記羽根厚変異位置寄りの内面が、前記流線形の前端と羽根後端を結ぶ直線よりも前記外側面寄りに窪んでいることは、図４、図５に記載のとおりである。
【００１２】
請求項３に記載のように、前記の羽根の表面は軽量化を追求する為に薄い板材を張り付けて成り、更なる軽量化を図るために中空にすると共に、補強の目的でスペーサ材を設けてあるので、軽量化されているにも係わらず強度が大きい。また、軽量化により小風力(0.8m/s)でも回転を開始して発電を可能となる。
【００１３】
請求項４に記載のように、前記の水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状は、中空状の流線形状の中空部に補強部材を挟むと共に、その前頭部より60±10％の位置より後側は、上側面が流線形の一部を成す凸の円弧状をしており、下側の面が除去されて、後ろ向きの開口を残してあるので、ストラットの背部でも効果的に風を捕捉でき、羽根の全体を押す力が増している。
【００１４】
以上のように、風車を逆転させる方向のトルクは小さく、正転させる方向のトルクが大きい。しかも、羽根だけでなく、ストラットも羽根として作用している。その結果、弱い風力でも捕捉して発電できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による風車の平面図である。
【図２】図１の風車の一部を拡大して示す斜視図である。
【図３】図１の風車の受ける風力と出力を示す平面図である。
【図４】羽根の詳細を示す水平断面図である。
【図５】羽根の接続部を示す水平断面図である。
【図６】ストラットの詳細を示す鉛直断面図である。
【図７】開閉翼の開閉動作を示す水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
通常の風力発電機用の風車( 羽根) は、[ 抗力] 又は、[ 揚力] の何れかの作用を利用して風車( 羽根) を回転させているが、図１のように、本発明による垂直軸型風力発電機用の風車( 羽根) は、羽根１の表面２で受ける気流の進行方向の物体に当たる力である[ 抗力の力] を利用する事は無論の事、そこから発生する上下の圧力差による垂直方向の力である[ 揚力の力] も同時に生かし利用するという大きな特徴を持つ風車( 羽根) である。すなわち、表面２の凸曲面より半径の小さな凹曲面３を裏側すなわち羽根１の回転中心側に形成されている。
その特徴の一つである[ 抗力] と同時に[ 揚力] も生み出す方法は、(a) 羽根と、(b) 図２に示すストラット４其々の裏側の形状を凹彎曲３、５にする事により、一度の風の力で二倍の風の力を生み出せる斬新な垂直軸型風力発電機用の風車( 羽根) となっている。
【００１７】
このように、本発明による垂直軸型風力発電機用の風車( 羽根) は、風車( 羽根) の表面で[ 抗力] を生ませて風車( 羽根) を回転させ、羽根１とストラット４の裏側の凹彎曲形状３、５を利用して[ 揚力] を生ませる事により、効率の良い発電量が得られる。すなわち、一回の風で二倍の力を生み出すことに成功し、通常の風力発電機と異なり、微風の風で回転を開始させる事を可能としているため、発電を可能とする強い風が発生した時には短時間差で瞬時に発電を開始できるため、高効率発電を可能とする。
【００１８】
さらに詳述すると、本発明である垂直軸型風力発電機用風車 (羽根 )の特徴の一つである羽根１の裏側を凹彎曲形状３に整形開始する位置は、図４に示す前頭部21から45％の部位がベストである。
また、本発明である垂直軸型風力発電機用風車 (羽根 )の特徴の一つでもある風車 (羽根 )の製造に関しては、材質は軽量で強度のあるアルミ合金 (AL -5025 )を使用し、図４、図５のように全体のほぼ中心部から前後に二分割された押圧工法又は引き抜きにより、パイプ形状の中空形状に整形されている。
【００１９】
押圧工法によりパイプ形状に整形された前後二つの羽根21、22は、図５のように中央で組合わせて組立てられ、リベットビスにより固定することにより初めて、本発明の風車用の一つの羽根として一体化され完成する。
しかし、一枚に組み立てられた羽根１の重量が重いため (機種により異なるが )、軽量化を図る目的で、後方羽根22の一部分を複数均等に刳り貫き加工し、重量の低減を図っている。すなわち、後方の薄い部分２３は、中実に徐々に薄くする。
なお、この刳り貫き加工された後方羽根２３の空洞を塞ぐための作業として、前後二種類の羽根を合体組合せ作業完了後、0.5mm 厚のアルミ板24、25で上下を塞ぐ事が必要なため、前後羽根は最初から段差をつけて成型されている。
【００２０】
羽根１とセンターシャフト６とを連結固定する場合は、ストラット (桁) と言われているアーム４で固定して羽根１を支えるが、本発明では、通常はあまり重要視されていないアーム４に着目し、図６のように、羽根１の裏側の凹彎曲形状よりもより空気抵抗を受け入れやすい袋形状７とし、[ 抗力 ]により羽根１の表面で受けた風で回転した羽根１から発生する気流を、[ 揚力 ]の回転運動により回転する羽根１と、本発明であるストラット( 桁) ４と共に風を受け止め、後方から押すことにより、更に効率の良い回転運動を得る事を可能とした。なお、この袋形状７で受けた受圧力による回転効果は、回転半径の大きい位置ほど強くなる。
【００２１】
ストラット( 桁) ４の彎曲形状は、羽根１ [幅 360×65 ]とは異なり、ストラット( 桁) ４自体の面積が小さい[ 幅 140×45 ]ため、効率よく風を受けやすくするべく後方部及び、前頭部より60±10％の位置で大きく解放させているが、本発明の垂直軸型風力発電用ストラット( 桁) の特徴である。
羽根１及びストラット４は軽量化のために中空にして、強度向上の目的で補強部材Ｓを挟んだ構造にしている。外気に露出する表面板は、板材を組立てたり加工したりして製造する。
なお、羽根１の後端の凹曲面３と１番目及び必要に応じて２番目の補強部材Ｓを省いてストラット４と同様な袋形状も可能である。
【００２２】
鎖線のような開閉構造の開閉翼Ｍを羽根１やストラット４の外面に取付けることも有効である。図７のように、この開閉翼Ｍは板状をしており、その前端をヒンジＨを介して羽根１の外面に取付けてある。従って、図７（１）のように、風Ｗに向かって羽根１が回転している場合は、風圧で開閉翼Ｍは閉じられるが、図７（２）のように１８０度回転移動して風Ｗが後端の凹曲面３を押す状態になると、開閉翼Ｍが風圧で押し開かれると共に開閉翼Ｍの広い面で風圧を受ける状態となり、より効果的に風圧を利用できる。
さらに回転移動して、開閉翼Ｍが閉じる方向の風圧を前端から受けるようになると、開閉翼Ｍが閉じて、羽根１を押し戻す方向の力は最小となる。
図６のストラット４に取付けた開閉翼Ｍ、Ｍは、鎖線で示したとおりであり、閉じた状態と開いた状態の両方を示してある。
なお、開閉翼Ｍの先端を少し開き気味に曲げておくと、開閉翼Ｍが確実に風圧で開く。
開閉翼Ｍが開く際の角度を約３０度以上にすると、かえって抵抗となるので、あまり大きくならないようにストッパーを設ける必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
以上のように、垂直軸型風力発電機用風車 (羽根 )において、外端の風車 (羽根 )は、外面を凸円弧状にすると共に内面は半径が前記外面より小さな凹円弧とし、しかもストラット( 桁) を袋状としてあるため、風を効果的に捕捉して回転し、発電可能にしてある。
尚、当然のように各機種により羽根及びストラットの形状自体には変化はないが、外形サイズは異なる。
【符号の説明】
【００２４】
１  羽根
２  表面
21  前頭部
22  羽根の後部
３  凹曲面
４  ストラット
５  凹彎曲
23  後方の薄い部分
６  センターシャフト
７  袋形状
Ｍ  開閉翼
Ｈ  ヒンジ
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月11日(2015.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アームの外端に、鉛直に立った羽根を設け、
この羽根の水平断面形状は流線形状をしており、その流線形の前側45±10％に対し後側は、外側面が凸の円弧状をしているが、中心軸側は、前記羽根の後端から中心軸側の羽根厚変異位置まで連続した閉じた凹円弧面になっており、しかも羽根厚が、全寸から次第に薄くなっており、
さらに前記の水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状は、中空状の流線形状の中空部に補強部材を挟むと共に、その前頭部より60±10％の位置より後側は、上側面が流線形の一部を成す凸の円弧状をしており、下側の面が除去されて、後ろ向きの開口を残した構造を特徴とする風力発電機用の風車。
【請求項２】
前記の凹円弧面は、前記流線形の前端と羽根後端を結ぶ直線よりも前記外側面寄りに窪んだ領域を有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電機用の風車。
【請求項３】
前記の羽根の表面は軽量化を追求する為に薄い板材を張り付けて成り、更なる軽量化を図るために中空にすると共に、補強の目的でスペーサ材を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電機用の風車。
【請求項４】
前記羽根の羽根厚変異位置の外面にヒンジを介して開閉翼の前端を取付けてあり、
しかも前記の水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状は、中空状の流線形状の中空部に補強部材を挟むと共に、その前頭部より60±10％の位置より後側は、上側面が流線形の一部を成す凸の円弧状をしており、下側の面が除去されて、後ろ向きの開口を残した構造を特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の風力発電機用の風車。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸型の風力発電機用の風車の羽根の形状並びにストラットの形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
牛山泉著の「風力発電の本」の７４ページに記載のように、特別に羽根の幅を広くしたりするような工夫をしない限り、風速２ｍ／ｓ程度以下では回りださない、という。風車が回転を開始する風速を、起動風速またはスタート風速、発電を開始する風速をカットイン風速と言う。東北の震災で福島県の原発が損傷し、原発の安全性が低下したのを機に、再生可能エネルギーを使用した発電装置の効率化が望まれている。
垂直軸型の風車では、特許文献１などが知られている。特許文献１は簡易構造のサボニウス風車の特徴を極力犠牲にすることなく、低回転数域で高トルクを発生すべく、風車の羽根の外端寄りの位置において、羽根外端寄りが受風凹曲面側に相対的にずれるように、逆Ｚ字状又はＺ字状の階段状に屈曲させた構造であり、階段状の段差板の外面で受ける風力は、本来の凹曲面で受ける風力を補助する作用をする。その結果、低回転数域でも高トルクを発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２５１４５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、サボニウス風車は、２枚の曲板羽根のうち１枚は、風向に対して逆戻り方向の力を受けるので、この抗力により、トルク又は出力の減少が避けられないという問題が有る。
本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、回転方向と逆方向に作用する力を少なくし、回転方向に効果的に作用する羽根形状とする。
【０００５】
すなわち、垂直軸型風力発電機用の風車の命である羽根の形状は、風力発電機の出力により外形寸法は異なるが、通常は目に留めない羽根の裏側すなわち背部に着目し、どんな微風でも捕捉できる形状としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１は、鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アームの外端に、鉛直に立った羽根を設け、
この羽根の水平断面形状は流線形状をしており、その流線形の前側45±10％に対し後側は、外側面が凸の円弧状をしているが、中心軸側は、前記羽根の後端から中心軸側の羽根厚変異位置まで連続した閉じた凹円弧面になっており、しかも羽根厚が、全寸から次第に薄くなっており、
さらに前記の水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状は、中空状の流線形状の中空部に補強部材を挟むと共に、その前頭部より60±10％の位置より後側は、上側面が流線形の一部を成す凸の円弧状をしており、下側の面が除去されて、後ろ向きの開口を残した構造を特徴とする風力発電機用の風車である。
【０００７】
請求項２は、前記の凹円弧面は、前記流線形の前端と羽根後端を結ぶ直線よりも前記外側面寄りに窪んだ領域を有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電機用の風車である。
【０００８】
請求項３は、前記の羽根の表面は軽量化を追求する為に薄い板材を張り付けて成り、更なる軽量化を図るために中空にすると共に、補強の目的でスペーサ材を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電機用の風車である。
【０００９】
請求項４は、前記羽根の羽根厚変異位置の外面にヒンジを介して開閉翼の前端を取付けてあり、
しかも前記の水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状は、中空状の流線形状の中空部に補強部材を挟むと共に、その前頭部より60±10％の位置より後側は、上側面が流線形の一部を成す凸の円弧状をしており、下側の面が除去されて、後ろ向きの開口を残した構造を特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の風力発電機用の風車である。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載のように、鉛直の中心軸に放射状に取付けた複数本の水平アームの外端に、鉛直に立った羽根を設け、この羽根の水平断面形状は流線形状をしており、その流線形の前側45±10％に対し後側は、外側面が凸の円弧状をしているが、中心軸側は、前記羽根の後端から中心軸側の羽根厚変異位置まで連続した閉じた凹円弧面になっており、しかも羽根厚が、全寸から次第に薄くなっているので、羽根の背部で効果的に風を捕捉し、押される。しかも、背部から風力で押されて風車が回転すると、次第に横側から風力を受けるようになるが、依然として裏面の凹円弧面に当たる風力で他の羽根が前進方向に押されるので、風車を回転させる力として作用する。
さらに、前記の水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状は、中空状の流線形状の中空部に補強部材を挟むと共に、その前頭部より60±10％の位置より後側は、上側面が流線形の一部を成す凸の円弧状をしており、下側の面が除去されて、後ろ向きの開口を残してあるので、ストラットの背部でも効果的に風を捕捉でき、羽根の全体を押す力が増している。
【００１１】
請求項２に記載のように、前記の凹円弧面は、後端の内面より前記羽根厚変異位置寄りの内面が、前記流線形の前端と羽根後端を結ぶ直線よりも前記外側面寄りに窪んでいることは、図４、図５に記載のとおりである。
【００１２】
請求項３に記載のように、前記の羽根の表面は軽量化を追求する為に薄い板材を張り付けて成り、更なる軽量化を図るために中空にすると共に、補強の目的でスペーサ材を設けてあるので、軽量化されているにも係わらず強度が大きい。また、軽量化により小風力(0.8m/s)でも回転を開始して発電を可能となる。
【００１３】
請求項４に記載のように、前記羽根の羽根厚変異位置の外面にヒンジを介して開閉翼の前端を取付けてあるので、段落「0022」に記載のごとく、図７（１）のように、風Ｗに向かって羽根１が回転している場合は、風圧で開閉翼Ｍは閉じられるが、図７（２）のように１８０度回転移動して風Ｗが後端の凹曲面３を押す状態になると、開閉翼Ｍが風圧で押し開かれると共に開閉翼Ｍの広い面で風圧を受ける状態となり、より効果的に風圧を利用できる。
さらに回転移動して、開閉翼Ｍが閉じる方向の風圧を前端から受けるようになると、開閉翼Ｍが閉じて、羽根１を押し戻す方向の力は最小となる。
また、前記の水平アームの少なくとも外端寄りの鉛直断面形状は、中空状の流線形状の中空部に補強部材を挟むと共に、その前頭部より60±10％の位置より後側は、上側面が流線形の一部を成す凸の円弧状をしており、下側の面が除去されて、後ろ向きの開口を残してあるので、ストラットの背部でも効果的に風を捕捉でき、羽根の全体を押す力が増している。
【００１４】
以上のように、風車を逆転させる方向のトルクは小さく、正転させる方向のトルクが大きい。しかも、羽根だけでなく、ストラットも羽根として作用している。その結果、弱い風力でも捕捉して発電できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による風車の平面図である。
【図２】図１の風車の一部を拡大して示す斜視図である。
【図３】図１の風車の受ける風力と出力を示す平面図である。
【図４】羽根の詳細を示す水平断面図である。
【図５】羽根の接続部を示す水平断面図である。
【図６】ストラットの詳細を示す鉛直断面図である。
【図７】開閉翼の開閉動作を示す水平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
通常の風力発電機用の風車( 羽根) は、[ 抗力] 又は、[ 揚力] の何れかの作用を利用して風車( 羽根) を回転させているが、図１のように、本発明による垂直軸型風力発電機用の風車( 羽根) は、羽根１の表面２で受ける気流の進行方向の物体に当たる力である[ 抗力の力] を利用する事は無論の事、そこから発生する上下の圧力差による垂直方向の力である[ 揚力の力] も同時に生かし利用するという大きな特徴を持つ風車( 羽根) である。すなわち、表面２の凸曲面より半径の小さな凹曲面３を裏側すなわち羽根１の回転中心側
に形成されている。
その特徴の一つである[ 抗力] と同時に[ 揚力] も生み出す方法は、(a) 羽根と、(b) 図２に示すストラット４其々の裏側の形状を凹彎曲３、５にする事により、一度の風の力で二倍の風の力を生み出せる斬新な垂直軸型風力発電機用の風車( 羽根) となっている。
【００１７】
このように、本発明による垂直軸型風力発電機用の風車( 羽根) は、風車( 羽根) の表面で[ 抗力] を生ませて風車( 羽根) を回転させ、羽根１とストラット４の裏側の凹彎曲形状３、５を利用して[ 揚力] を生ませる事により、効率の良い発電量が得られる。すなわち、一回の風で二倍の力を生み出すことに成功し、通常の風力発電機と異なり、微風の風で回転を開始させる事を可能としているため、発電を可能とする強い風が発生した時には短時間差で瞬時に発電を開始できるため、高効率発電を可能とする。
【００１８】
さらに詳述すると、本発明である垂直軸型風力発電機用風車 (羽根 )の特徴の一つである羽根１の裏側を凹彎曲形状３に整形開始する位置は、図４に示す前頭部21から45％の部位がベストである。
また、本発明である垂直軸型風力発電機用風車 (羽根 )の特徴の一つでもある風車 (羽根 )の製造に関しては、材質は軽量で強度のあるアルミ合金 (AL -5025 )を使用し、図４、図５のように全体のほぼ中心部から前後に二分割された押圧工法又は引き抜きにより、パイプ形状の中空形状に整形されている。
【００１９】
押圧工法によりパイプ形状に整形された前後二つの羽根21、22は、図５のように中央で組合わせて組立てられ、リベットビスにより固定することにより初めて、本発明の風車用の一つの羽根として一体化され完成する。
しかし、一枚に組み立てられた羽根１の重量が重いため (機種により異なるが )、軽量化を図る目的で、後方羽根22の一部分を複数均等に刳り貫き加工し、重量の低減を図っている。すなわち、後方の薄い部分２３は、中実に徐々に薄くする。
なお、この刳り貫き加工された後方羽根２３の空洞を塞ぐための作業として、前後二種類の羽根を合体組合せ作業完了後、0.5mm 厚のアルミ板24、25で上下を塞ぐ事が必要なため、前後羽根は最初から段差をつけて成型されている。
【００２０】
羽根１とセンターシャフト６とを連結固定する場合は、ストラット (桁) と言われているアーム４で固定して羽根１を支えるが、本発明では、通常はあまり重要視されていないアーム４に着目し、図６のように、羽根１の裏側の凹彎曲形状よりもより空気抵抗を受け入れやすい袋形状７とし、[ 抗力 ]により羽根１の表面で受けた風で回転した羽根１から発生する気流を、[ 揚力 ]の回転運動により回転する羽根１と、本発明であるストラット( 桁) ４と共に風を受け止め、後方から押すことにより、更に効率の良い回転運動を得る事を可能とした。なお、この袋形状７で受けた受圧力による回転効果は、回転半径の大きい位置ほど強くなる。
【００２１】
ストラット( 桁) ４の彎曲形状は、羽根１ [幅 360×65 ]とは異なり、ストラット( 桁) ４自体の面積が小さい[ 幅 140×45 ]ため、効率よく風を受けやすくするべく後方部及び、前頭部より60±10％の位置で大きく解放させているが、本発明の垂直軸型風力発電用ストラット( 桁) の特徴である。
羽根１及びストラット４は軽量化のために中空にして、強度向上の目的で補強部材Ｓを挟んだ構造にしている。外気に露出する表面板は、板材を組立てたり加工したりして製造する。
なお、羽根１の後端の凹曲面３と１番目及び必要に応じて２番目の補強部材Ｓを省いてストラット４と同様な袋形状も可能である。
【００２２】
鎖線のような開閉構造の開閉翼Ｍを羽根１やストラット４の外面に取付けることも有効で
ある。図７のように、この開閉翼Ｍは板状をしており、その前端をヒンジＨを介して羽根１の外面に取付けてある。従って、図７（１）のように、風Ｗに向かって羽根１が回転している場合は、風圧で開閉翼Ｍは閉じられるが、図７（２）のように１８０度回転移動して風Ｗが後端の凹曲面３を押す状態になると、開閉翼Ｍが風圧で押し開かれると共に開閉翼Ｍの広い面で風圧を受ける状態となり、より効果的に風圧を利用できる。
さらに回転移動して、開閉翼Ｍが閉じる方向の風圧を前端から受けるようになると、開閉翼Ｍが閉じて、羽根１を押し戻す方向の力は最小となる。
図６のストラット４に取付けた開閉翼Ｍ、Ｍは、鎖線で示したとおりであり、閉じた状態と開いた状態の両方を示してある。
なお、開閉翼Ｍの先端を少し開き気味に曲げておくと、開閉翼Ｍが確実に風圧で開く。
開閉翼Ｍが開く際の角度を約３０度以上にすると、かえって抵抗となるので、あまり大きくならないようにストッパーを設ける必要がある。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
以上のように、垂直軸型風力発電機用風車 (羽根 )において、外端の風車 (羽根 )は、外面を凸円弧状にすると共に内面は半径が前記外面より小さな凹円弧とし、しかもストラット( 桁) を袋状としてあるため、風を効果的に捕捉して回転し、発電可能にしてある。
尚、当然のように各機種により羽根及びストラットの形状自体には変化はないが、外形サイズは異なる。
【符号の説明】
【００２４】
１  羽根
２  表面
21  前頭部
22  羽根の後部
３  凹曲面
４  ストラット
５  凹彎曲
23  後方の薄い部分
６  センターシャフト
７  袋形状
Ｍ  開閉翼
Ｈ  ヒンジ