(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸と直交する方向に延び、前記回転軸を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材を保持するフレーム部材と、を備え、
前記翼部材は、前記翼部材の前縁において翼弦が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線に対して７．５度〜１０度の取付角で、前記フレーム部材に対して取り付けられている、
垂直軸型水車。
【請求項２】
前記翼部材は、前記翼弦と翼中心線の距離が非対称翼であり、前記取付角が１０度である、
請求項１記載の垂直軸型水車。
【請求項３】
前記翼部材は、対称翼であり、前記取付角が７．５度である、
請求項１に記載の垂直軸型水車。
【請求項４】
前記フレーム部材は、前記回転軸から３方向に延びる腕部を備え、前記腕部のそれぞれの先に前記翼部材が取り付けられている、
請求項１から３のいずれか１項に記載の垂直軸型水車。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の垂直軸型水車と、
前記回転軸の回転駆動力により電力を発生する発電機と、
を有する水力発電装置。
【請求項６】
回転軸と、
一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸と直交する方向に延び、前記回転軸を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材を保持するフレーム部材と、を備え、
前記翼部材を、前記翼部材の前縁において翼弦が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線に対して７．５度〜１０度の取付角で、前記フレーム部材に対して取り付ける、
前記翼部材の配置方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸型水車、水力発電装置、及び翼部材の配置方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水流によって水車を回転させ、この回転運動を発電機に伝達することで電力を発生させる水力発電装置が知られている。このような水力発電装置として、近年、揚力特性を利用した垂直軸型水力発電装置が開発されている。
垂直軸型水力発電装置は、回転軸と、一定の翼断面形状を有するとともに回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、回転軸に固定され、回転軸と直交する方向に延び、回転軸に対して一定の径の円周上に、複数の翼部材を保持するフレーム部材とを備えている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−８９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、垂直軸型水車の翼部材は、翼断面形状において長手方向の前縁と後縁とを結び且つ空力中心を通る直線（翼弦）と、回転軸を中心とした円周の接線との角度（取付角度、迎角）が、一般に０度となるようにフレーム部材に取り付けられている。【０００５】
本発明は、より高いパワー係数を得ることができる垂直軸型水車、水力発電装置、及び翼部材の配置方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために以下のものを提供する。
（１）回転軸と、一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、前記回転軸に固定され、前記回転軸と直交する方向に延び、前記回転軸を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材を保持するフレーム部材と、を備え、前記翼部材は、前記翼部材の前縁において翼弦が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線に対して５度〜１０度の取付角で、前記フレーム部材に対して取り付けられている、垂直軸型水車。【０００７】
（２）前記取付角は７．５度〜１０度であることが好ましい。【０００８】
（３）前記翼部材が、前記翼弦と翼中心線の距離がある非対称翼の場合、前記取付角が１０度であることがより好ましい。【０００９】
（４）前記翼部材が対称翼の場合、前記取付角が７．５度であることがより好ましい。【００１０】
（５）前記フレーム部材は、前記回転軸から３方向に延びる腕部を備え、前記腕部のそれぞれの先に前記翼部材が取り付けられていることが好ましい。【００１１】
また、本発明は、上記課題を解決するために以下のものを提供する。
（６）上記のいずれか記載の垂直軸型水車と、前記回転軸の回転駆動力により電力を発生する発電機と、を有する水力発電装置。【００１２】
さらに、本発明は、上記課題を解決するために以下のものを提供する。
（７）回転軸と、一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、前記回転軸に固定され、前記回転軸と直交する方向に延び、前記回転軸を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材を保持するフレーム部材と、を備え、前記翼部材を、前記翼部材の前縁において翼弦が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線に対して５度〜１０度の取付角で、前記フレーム部材に対して取り付ける、前記翼部材の配置方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、より高いパワー係数を得ることができる垂直軸型水車、水力発電装置、及び翼部材の配置方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態の垂直軸型水車の概略斜視図である。
【図２】ＴＷＴ型の翼部材の翼断面を示した図である。
【図３】ＮＡＣＡ００１８型の翼部材の翼断面を示した図である。
【図４】ＴＷＴ型及びＮＡＣＡ００１８型共通の、翼部材の垂直断面図である。
【図５】フレーム部材を示す図であり、（ａ）は水平平面図、（ｂ）は垂直断面図である。
【図６】フレーム部材の他の形態を示す図であり、（ａ）は、腕部が４本で互いの間隔が９０度の場合であり、（ｂ）はフレーム部材が円板状の場合を示す。
【図７】翼部材１２のフレーム部材に対する取付角（迎角）を説明する図である。
【図８】垂直軸型水車を用いた水力発電装置である。
【図９】実施形態の垂直軸型水車の効果を検証するための測定装置である。
【図１０】パワー係数Ｃｐ’を、横軸を取付角αとして示したグラフである。
【図１１】パワー係数Ｃｐを、横軸を取付角αとして示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について説明する。
（垂直軸型水車１）
図１は、実施形態の垂直軸型水車１の概略斜視図である。垂直軸型水車１は、直線翼垂直軸型水車であり、回転軸１１と、回転軸１１と直交する方向に一定の翼断面形状を有するとともに回転軸１１と平行に延びる複数の翼部材１２と、回転軸１１に固定され、回転軸１１と直交する方向に延び、回転軸１１に対して一定の径の円周上に、複数の翼部材１２を保持するフレーム部材１３と、を備える。
なお、以下の説明において、回転軸１１の延びる方向を垂直方向、垂直方向と直交する方向を水平方向として説明する。
【００１６】
（回転軸１１）
回転軸１１は、所定径の円柱部材であり、水流（潮流、川の流れ等）に対して略直交して配置される。
【００１７】
（翼部材１２）
翼部材１２は、ＴＷＴ型（Ｔｏｋａｉ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｗｉｎｇ  Ｓｅｃｔｉｏｎ）の翼部材１２Ｔや、ＮＡＣＡ型（アメリカ航空諮問委員会：Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｄｖｉｓｏｒｙ  Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ  ｆｏｒ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ）の翼部材１２Ｎ等を用いる。
【００１８】
図２はＴＷＴ型の翼部材１２Ｔの翼断面を示した図である。図３はＮＡＣＡ００１８型の翼部材１２Ｎの翼断面を示した図である。図４は、ＴＷＴ型及びＮＡＣＡ００１８型共通の、翼部材１２のＬ１に沿った断面図である。
翼部材１２の説明において、図中左側を前縁、右側を後縁として説明する。図中Ｐは空力中心であり、空力中心Ｐは，翼部材１２の前縁と後縁とを結ぶ翼弦Ｌ１上において、前縁からの距離が、ＴＷＴ型及びＮＡＣＡ型の翼部材１２において、翼弦Ｌ１全長に対して約２５％の位置にある。
ＴＷＴ型の翼部材１２Ｔは、翼弦と翼中心線の距離（キャンバー）がある非対称翼であり、ＮＡＣＡ型の翼部材１２Ｎと比べて、空力中心付近から後ろ側において、翼弦Ｌ１を挟んだ一方の側（図中上側）が他方の側に比べて凸形状となっている。
【００１９】
翼部材１２において、空力中心Ｐと、翼弦Ｌ１上の空力中心Ｐよりも後縁側の一点には、ねじ穴１４，１５がそれぞれ設けられている。
【００２０】
（フレーム部材１３）
フレーム部材１３は、互いに平行且つ水平方向に２枚設けられ、それぞれ回転軸１１に対して固定されている。
図５はフレーム部材１３を示す図であり、（ａ）は水平平面図、（ｂ）は垂直断面図である。フレーム部材１３は、回転軸１１が挿通されて回転軸１１に固定される回転軸固定部１３ａと、回転軸固定部１３ａから放射状に延びる３本の腕部１３ｂと、それぞれの腕部１３ｂの先端に設けられた翼部材取付部１３ｃとを有する。図示するフレーム部材１３は、互いの間隔が１２０度で、３本の腕部１３ｂが均等な間隔で設けられている。
【００２１】
翼部材取付部１３ｃには、翼部材１２に設けられたねじ穴１４，１５に対応する貫通穴１４ｂ，１５ｂが設けられている。貫通穴１４ｂ，１５ｂを通してねじ穴１４，１５にねじを螺合することによって、翼部材１２は、フレーム部材１３に取り付けられる。すなわち、図５のフレーム部材１３には、腕部１３ｂ及び翼部材取付部１３ｃの数に対応して、３つの翼部材１２が取り付けられ、図５の垂直軸型水車１は３翼型である。
【００２２】
なお、フレーム部材１３の形状は、図５の形状に限定されない。図６は、フレーム部材１３の他の形態を示す図であり、（ａ）は、腕部１３ｂが４本で互いの間隔が９０度の４翼型の場合であり、（ｂ）はフレーム部材１３が円板状のディスク型の場合である。
腕部１３ｂが４本の図６（ａ）の場合、フレーム部材１３には、４つの翼部材１２が取り付けられ、フレーム部材１３が円板状の図６（ｂ）の場合、フレーム部材１３には、図５の場合と同様に、互いに均等な１２０度の間隔で、３つの翼部材１２が取り付けられている。
【００２３】
（取付角）
図７は、翼部材１２のフレーム部材１３に対する取付角を説明する図である。図中、一点鎖線で示す曲線Ｌ２は、回転軸１１を中心として空力中心Ｐを通る円周を示す。図中、直線Ｌ３は回転軸１１から空力中心Ｐまで延びる半径に沿った直線である。
取付角α（迎角）とは、曲線Ｌ２の接線Ｌ４と、翼部材１２の翼弦（翼の中心線）Ｌ１とのなす角である。
翼部材１２の取付角αは、実施形態においてプラス５度からプラス１０度であり、好ましくはプラス７．５度からプラス１０度である。さらに好ましくは、ＴＷＴ型の翼部材１２Ｔの場合、プラス１０度である。ＮＡＣＡ００１８型等の対象翼である翼部材１２Ｎの場合、凸形状の非対称翼（例えばＴＷＴ型）よりも、最適取付角が小さくなり、プラス７．５度が好ましい。
なお、プラスマイナスは、翼部材１２の前縁が回転軸１１を中心とした円周外側に傾いた図７に示すような状態をプラス、前縁が回転軸１１を中心とした円周内側に傾いた状態をマイナスとする。
【００２４】
（水力発電装置）
図８は上述の垂直軸型水車１を用いた水力発電装置５０である。
図示するように水力発電装置５０は、海水中の潮流を有する個所や河川に設置され、回転軸１１の回転により電力を発生する発電機２０を有する。
【００２５】
水の流れにより、翼部材１２に力が加わると、フレーム部材１３に固定された翼部材１２は、回転軸１１を中心として回転する。翼部材１２、フレーム部材１３及び回転軸１１は互いに固定されているので、回転軸１１も回転する。回転軸１１の回転は発電機２０によって電力に変換される。変換された電力は、電気配線２１を介して、所望の場所へと供給される。
【００２６】
（測定装置１００）
図９は、実施形態の垂直軸型水車１の効果を検証するための測定装置１００である。測定装置１００は、垂直軸型水車１と、垂直軸型水車１の回転軸１１の上部に配置されたトルク計１０１とを備える。
そして、水槽１０２内に垂直軸型水車１を配置するとともに水流を発生させ、水槽１０２内に配置されたピトー管１０３で流速を測定しつつ、垂直軸型水車１の回転軸１１の回転数と流速とによって変化するトルクをトルク計１０１で計測した。なお、いずれもサンプリング周波数１００Ｈｚ、６０秒間で計測を行った。
使用した垂直軸型水車１の形状を以下に示す。
【００２７】
【表１】
0006628011.tif 000002
【００２８】
ここで、
Ｄ：水車の回転直径（ｍ）
Ｈ：翼の高さ
Ｔ’：計測したトルク（Ｎ・ｍ）
ρ：水槽内の水の密度（ｋｇ／ｍ３）
ｎ：水車の回転数（ｒｐｍ）
Ｖ：回流水槽主流速（ｍ／ｓ）
としたときに、周速比λは、以下の式（１）で表される。
λ＝πＤ（ｎ／６０）／Ｖ・・・（１）
また、パワー係数Ｃｐ’は、以下の式（２）で表される。
Ｃｐ’＝２πＴ’（ｎ／６０）／｛（ρＶ２／２）・ＤＨＶ｝・・・（２）
【００２９】
また、測定したトルクＴ’から、フレーム部材１３のみのトルクの計算値Ｔ０を引いた値を、翼部材１２のみの効果によるトルクＴ（Ｎｍ）（式（３））としたとき、そのトルクＴを用いたパワー係数Ｃｐは以下の式（４）で表される。
Ｔ＝Ｔ’−Ｔ０・・・（３）
Ｃｐ＝２πＴ（ｎ／６０）／｛（ρＶ２／２）・ＤＨＶ｝・・・（４）
【００３０】
上記の翼部材１２Ｔ及び１２Ｎを用いて、フレーム部材１３の形状や翼部材の枚数を変えた以下の表２に示す実施例１、実施例２、実施例３、実施例４について、取付角αを変化させて測定装置１００により、トルクＴ’及び回流水槽主流速Ｖ等を測定した。
なお、実施例では、ＴＷＴ型の翼部材１２Ｔは、前縁の翼弦Ｌ１を挟んで凸形状になっている側を径方向外側に配置した（以下の表で（表）と記載する）。また、比較例として翼部材１２Ｔにおいて、前縁の翼弦Ｌ１を挟んで凸形状になっている側を径方向内側に配置した場合も計測した（以下の表で（裏）と記載する）。
【００３１】
【表２】
0006628011.tif 000003
【００３２】
図１０は、測定装置１００を用いて、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４及び比較例の場合において、取付角αを変化させて測定したトルクＴ’及び回流水槽主流速Ｖより演算したパワー係数Ｃｐ’を、横軸を取付角αとして示したグラフである。図１１は上述の式（４）のパワー係数Ｃｐを、横軸を取付角αとして示したグラフである。なお、図１０と図１１とを比べると、略同様の結果を示すので、以下図１０のパワー係数Ｃｐ’の結果について説明する。
【００３３】
（１）実施例１のＴＷＴ型の３翼の翼部材１２Ｔにおいて、取付角を、−５度，０度，５度，７．５度，１０度と変化させると、パワー係数Ｃｐ’は、−５度から５度程度まで、−０．０９，０．１２，０．２５と略線形に増加するが、５度からは、０．２５，０．２９，０．３０，増加し続けるが増加率が減少し、１０度程度で略一定になる。すなわち、パワー係数Ｃｐ’は、１０度程度がピークと思われる。
次に述べるＮＡＣＡ型の翼部材１２Ｎにおいてパワー係数Ｃｐ’は、ピーク値を超えると下がり始めるので、１０度がピークと考えられ、１０度を超えると減少することが予想される。
以上より、ＴＷＴ型の翼部材１２Ｔの場合、取付角αは、５度から１０度が好ましく、７．５度から１０度がより好ましく、さらに１０度が最も好ましい。
【００３４】
（２）実施例３の３翼、及び実施例４の４翼のＮＡＣＡ型の翼部材１２Ｎの場合、ＴＷＴ型の翼部材１２Ｔと同様に、取付角αが５度，７．５度，１０度におけるパワー係数Ｃｐ’は、実施例３の場合、それぞれ０．２７，０．３１，０．２９、実施例４の場合、それぞれ０．２４，０．３０，０．２５と高い値を示す。したがって、取付角αは、５度から１０度が好ましく、７．５度から１０度がより好ましい。
しかし、ＮＡＣＡ型の翼部材１２Ｎの場合、実施例３及び実施例４ともにＴＷＴ型の翼部材１２Ｔよりも低い値でピークとなり、取付角αは７．５度が最も好ましい。
【００３５】
（３）取付角０度における、実施例１と実施例２と比較例とを比較すると、実施例１と実施例２とは、ＴＷＴ（表）であるが、実施例１のフレーム部材１３が３腕形状で、実施例２のフレーム部材１３が円板形状である点が異なる。このとき、実施例１のパワー係数Ｃｐ’は０．１２、実施例２のパワー係数Ｃｐ’は０．０９である。
この結果より、フレーム部材１３として３腕形状と円板形状とを比べたときに、３腕形状のほうが大きいパワー係数Ｃｐ’を得ることができるので、フレーム部材１３としては３腕形状が好ましいと考えられる。
【００３６】
（４）実施例３の３翼型のＮＡＣＡ型の翼部材１２Ｎと、実施例４の４翼型のＮＡＣＡ型の翼部材１２Ｎとを互いに比べると、全体的に実施例３のほうが実施例４よりも大きいパワー係数Ｃｐ’を得ることができた。したがって、３翼型のほうが好ましいと考えられる。
【００３７】
実施例１と比較例１に大きな特性の違いが無いことから、翼部材１２Ｔにおいて、前縁の翼弦Ｌ１を挟んで凸形状になっている側を径方向内側に配置した場合も、凸形状になっている側を径方向外側に配置した場合と同様の特性をもつと言える。
【００３８】
以上、本実施形態の垂直軸型水車１によると、翼部材１２の取付角αは、プラス５度からプラス１０度であり、好ましくはプラス７．５度からプラス１０度である。さらに好ましくは、ＴＷＴ型の翼部材１２Ｔの場合、プラス１０度、ＮＡＣＡ型の翼部材１２Ｎの場合プラス７．５度である。したがって、上記のように、大きいパワー係数Ｃｐ’を得ることができる。
【００３９】
なお、水車の軸が流れに対して略直交であれば，水車の設置は垂直方向に限らない。
【符号の説明】
【００４０】
１    垂直軸型水車
４    翼型
１１    回転軸
１２    翼部材
１２Ｎ    ＴＮＴ型翼部材
１２Ｔ    ＮＡＣＡ型翼部材
１３    フレーム部材
１３ａ    回転軸固定部
１３ｂ    腕部
１３ｃ    翼部材取付部
５０    水力発電装置
１００    測定装置
Ｌ１    翼弦
Ｌ４    接線
α    取付角
【要約】
より高いパワー係数を得ることができる垂直軸型水車、水力発電装置、及び翼部材の配置方法を提供する。
本発明の垂直軸型水車１は、回転軸１１と、一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸１１と平行に延びる複数の翼部材１２と、前記回転軸１１に固定され、前記回転軸１１と直交する方向に延び、前記回転軸１１を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材１２を保持するフレーム部材１３と、を備え、前記翼部材１２は、前記翼部材の前縁において翼弦Ｌ１が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線Ｌ４に対して５度〜１０度の取付角αで、前記フレーム部材１３に対して取り付けられている。【図１】
0006628011.tif 000004
【図２】
0006628011.tif 000005
【図３】
0006628011.tif 000006
【図４】
0006628011.tif 000007
【図５】
0006628011.tif 000008
【図６】
0006628011.tif 000009
【図７】
0006628011.tif 000010
【図８】
0006628011.tif 000011
【図９】
0006628011.tif 000012
【図１０】
0006628011.tif 000013
【図１１】
0006628011.tif 000014