(57)【要約】【課題】低風速時においていも、回転トルクを増大して発電可能な風速範囲を拡大することが可能であり、かつ、安価に量産し得る水平軸型風力発電機用風車を提供すること。【解決手段】略風力の方向に回転軸を有し、該回転軸に連結部材を介して複数枚のブレードを放射状に連結してなる水平軸型風力発電機用風車において、前記ブレードの受風面の基本形状を、基端側をアスペクト比１．５以上の矩形翼部とすると共に該矩形翼部の外側にアスペクト比１．５以下のデルタ翼部を連接して形成し、かつ、前記矩形翼部の両側部間に１０度〜２０度の捩り角を設定すると共に前記デルタ翼部を平面形状とする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略風力の方向に回転軸を有し、該回転軸に連結部材を介して複数枚のブレードを放射状に連結してなる水平軸型風力発電機用風車において、前記ブレードの受風面の基本形状を、基端側をアスペクト比１．５以上の矩形翼部とすると共に該矩形翼部の外側にアスペクト比１．５以下のデルタ翼部を連接して形成し、かつ、前記矩形翼部の両側部間に１０度〜２０度の捩り角を設定すると共に前記デルタ翼部を平面形状としたことを特徴とする水平軸型風力発電機用風車。
【請求項２】
前記矩形翼部の翼形は、直線、または、低いレイノルズ数で高い揚力係数を有する翼形における翼弦長の２０％〜８０％の範囲の形状であることを特徴とする請求項１に記載の水平軸型風力発電機用風車。
【請求項３】
前記ブレードの連結部に前記回転軸と直交する面に対し２０度〜２５度の取付け角が設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水平軸型風力発電機用風車。
【請求項４】
前記ブレードはアルミニウム合金、または、プラスチック材により形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の水平軸型風力発電機用風車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、略風力の方向に回転軸を有し、この回転軸に複数枚のブレードを放射状に連結してなる水平軸型風力発電機用風車に関し、さらに詳細には、ブレードの受風面形状を変えてブレードの空気力学的な性質を変えることにより、低風速時の回転トルクを増大させ、発電可能な風速範囲の拡大を図った水平軸型風力発電機用風車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、風力発電機に用いられる水平軸型の風車は、自然風のエネルギーを効率的に採用できるように、水平方向、すなわち風力方向に回転軸を有し、この回転軸に固設されたハブ等の連結部材に複数枚のブレードを放射状に連結してなり、屋上等の高所に設置されて使用されている。（例えば特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３１０１７９号公報（第２頁、図６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、風力発電を行なう場合には一定の風量が必要であるが、日本では山野が多いため年間の平均風速が１０ｍ／秒以下の領域がほとんどであり、十分な風量が得られないのが実情である。この風速は地表からの高さが増すにつれて増大するが、だからといってこの風車を高所に設置するとなれば、大掛かりな設備や費用が必要となるので、例えば個人住宅用の、中型ないし小型の水平軸型風力発電機用風車としては問題があった。
【０００５】
加えて、ブレードの取付け角（ピッチ）が固定された水平軸型風車は、風車の最大回転数に限界があり、また、風車に発生する回転トルクによって有効な発電が可能な範囲が限定されてしまい、有効迎え角が１５度前後で、また、風速が５ｍ／秒以下の低風速でブレードが失速し、有効に回転トルクを発生しない等の理由により実用化には問題があった。
【０００６】
そこで、従来、このような低速域に対処するため、各ブレードの本体に夫々先端に向かって進退する補助ブレード、あるいは補助翼を内蔵させておき、低風速時にこれらの補助ブレードあるいは補助翼を伸長させて翼の揚力を増大させ、回転トルクを増大させるようにした水平軸型風力発電機用風車が提案されている。（例えば特許文献２参照）
【０００７】
【特許文献２】
特開２００１−２３１６１５号公報（第１頁、図２、図１１）
【０００８】
しかしながら、このように各ブレード本体に補助ブレード、あるいは補助翼を内蔵させるとなると風車自体の構造が複雑かつ大型化してしまい、このため部品点数や工数が増大して製造コストがアップし、また、強風を受けた場合等には破損する懸念があった。
【０００９】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、低風速時においていも、回転トルクを増大して発電可能な風速範囲を拡大することが可能であり、かつ、安価に量産し得る水平軸型風力発電機用風車を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、略風力の方向に回転軸を有し、該回転軸に連結部材を介して複数枚のブレードを放射状に連結してなる水平軸型風力発電機用風車において、前記ブレードの受風面の基本形状を、基端側をアスペクト比１．５以上の矩形翼部とすると共に該矩形翼部の外側にアスペクト比１．５以下のデルタ翼部を連接して形成し、かつ、前記矩形翼部の両側部間に１０度〜２０度の捩り角を設定すると共に前記デルタ翼部を平面形状とすることにより、達成される。
【００１１】
また、本発明の上記目的は、前記矩形翼部の翼形は、直線、または、低いレイノルズ数で高い揚力係数を有する翼形における翼弦長の２０％〜８０％の範囲の形状であることにより、より効果的に達成される。
【００１２】
また、本発明の上記目的は、前記ブレードの連結部に前記回転軸と直交する面に対し２０度〜２５度の取付け角が設定されていることにより、より効果的に達成される。
【００１３】
さらにまた、本発明の上記目的は、前記ブレードはアルミニウム合金、または、プラスチック材により形成されていることにより、より効果的に達成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施例に係わる水平軸型風力発電機用風車１の正面図、すなわち受風面側から見た図である。図示するように、本風車１では、略風力の方向、すなわち水平方向に配置された回転軸２にハブ３が固着され、このハブ３に翼根連結部材４を介して複数枚（本実施例では４枚）のブレード５が回転軸２の軸線と直交する平面のラジアル（放射）方向に等間隔に連結されている。このブレード５は風力により矢印Ｎの方向に回転される。なお、回転軸２の奥側端部は、図示しない支持部材等の公知の手段を介して発電機に接続されている。
【００１６】
本実施例ではブレード５の基本的な平面形状、すなわち受風面の基本形状が、図２（Ａ）に模式的に示すように、ａｂｃｄで形成される矩形翼部５Ｘと、ｅｆｇで形成されるデルタ翼部５Ｙとの組合せからなっている。ここに、矩形翼部５Ｘはアスペクト比が１．５以上に設定され、一方のデルタ翼部５Ｙはアスペクト比が１，５以下に設定されている。なお、図においてＯは回転軸２の軸心を示している。
【００１７】
図２（Ｂ）に実線で示すように、矩形翼部５Ｘの一端部側、すなわち翼根部５Ｘａ側は扇形に形成され、この中央部がハブ３に連結された細長板状の翼根連結部材４にビス６によって固定されている。一方、矩形翼部５Ｘの他端部側は、角部ｄがデルタ翼部５Ｙの左傾斜辺ｅｆの略中点と交差する位置でデルタ翼部５Ｙに連接されている。なお、矩形翼部５Ｘとデルタ翼部５Ｙの連接部分、及び、デルタ翼部５Ｙの角部ｅ，ｆ，ｇには、図示するような丸みが付され、ブレード５の全体形状がモデファイされている。
【００１８】
本風車１では、ブレード５の受風面形状が以上のとおり形成されているので、翼部、とくにデルタ翼部５Ｙの失速に至るまでの有効迎え角が３０度〜４０度と大きくなり、この部分で、５ｍ／秒以下の低風速時においても有効な揚力を発生させて回転トルクを増大させることができ、これにより発電可能な風速範囲を拡大できる。
【００１９】
本風車１では、ブレード５を形成する矩形翼部５Ｘとデルタ翼部５Ｙとが、厚さが３〜５ｍｍ程度のアルミニウム合金板をプレス加工することにより一体的に形成されている。なお、このほか、例えばプラスチック（ＦＲＰを含む）材で一体的に成型すること可能である。このように、本風車１ではブレード５が軽量な材料によりシンプルな構造に設計されているので、ブレード５を安価に量産することができ、これにより本風車１自体の製造コストを大幅に低減することができる。
【００２０】
以上のとおり矩形翼部５Ｘとデルタ翼部５Ｙとで構成されたブレード５は、図１に示すように、翼根連結部材４を介して回転軸２の軸線と直交する面のラジアル方向に等間隔に配置され、ハブ３にその翼根部５Ｘａが取り付けられるが、本風車１ではこの翼根部５Ｘａが前記回転軸２と直交する面に対し２０度〜２５度の取付け角αもって設けられている。
【００２１】
図３（Ａ）はこの状態を示す図２（Ｂ）のＡ−Ａ断面矢視図である。図示するように、端部がａ，ｂで示される翼根部５Ｘａの断面側端部（矩形翼部５Ｘの内側断面端部）は、回転軸２と直交する面Ｆに対し取付け角α（２０°〜２５°＞α＞０°）に設定されている。
【００２２】
また、本風車１においては、矩形翼部５Ｘの両側部間、すなわち図２（Ｂ）に示す矩形翼部５Ｘの短辺ａｂと短辺ｃｄ間には１０度〜２０度の捩り角βが設定されている。
【００２３】
図３（Ｂ）はこの状態を示す図２（Ｂ）のＢ−Ｂ断面矢視図である。図示するように、断面端部がｃ，ｄで示される矩形翼部５Ｘの外側断面端部は、前記翼根部５Ｘａの取付け角αに対し捩り角β（１０°〜２０°＞β＞０°）をもって設定されている。
【００２４】
さらにまた、本風車１においては、矩形翼部５Ｘの翼形が、ＮＡＣＡ４字系翼形、ＲＡＦ翼形、ゲッチンゲン翼形等で代表される低いレイノルズ数で高い揚力係数を有し飛行機等に使用される流線形の翼形の一部に形成されている。
【００２５】
すなわち、この矩形翼部５Ｘの翼形は、図４に太線で示すように、前記流線形の翼形６において、翼弦長Ｌに対し前縁Ｇより２０％〜８０％の範囲における（図４で曲線Ｌ１Ｌ２で示される）上部側翼形６ｕに形成されている。
【００２６】
なお、このような翼形を有する矩形翼部５Ｘに対し、この矩形翼部５Ｘに連接して設けられるデルタ翼部５Ｙは平面形状に形成されている。このようなデルタ翼部５Ｙを矩形翼部５Ｘの外側に設けることにより、前述したように、失速に至るまでの有効迎え角を３０度〜４０度と大きくすることができ、この部分で、５ｍ／秒以下の低風速時においても有効な揚力を発生させて回転トルクを増大させることができ、これにより発電可能な風速範囲を拡大することができる。
【００２７】
以上のとおり、ブレード５に対し、取付け角αを２０度〜２５度に設定し、かつ、捩り角βを１０度〜２０度に設定することにより、ブレード５の受風面の全面が有効に揚力を発生することが、本発明者の実験によって確認されている。
【００２８】
以上、本発明の内容を一実施例に基づき説明したが、本発明は必ずしも上記実施例に限定されるものではなく、例えば構成を次のように変更することができる。
【００２９】
前記実施例ではブレードの設置枚数を４枚としたが、この枚数は２枚以上、すなわち複数枚であればその数は限定されるものではない。なお、風車の起動時から回転時のバランスを考えると、枚数を偶数枚に設定することが望ましい。
【００３０】
また、前記実施例ではブレードの矩形翼部５Ｘにおける翼形を、低いレイノルズ数で高い揚力係数を有する翼形における翼弦長の２０％〜８０パーセントの範囲の形状を用いたが、この形状は直線形状であっても、前記と同様の効果が得られることが確認されている。
【００３１】
さらにまた、ブレードを回転軸に対し連結する手段として、ハブ、連結部材、ブレードの三者を一枚板で、あるいは一体成型等により形成し、これを回転軸に直接取り付けるようにすることも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上に詳述したように、前記特許請求の範囲、請求項１〜３に記載されたブレードの受風面形状及び取付け構造の改良に係わる発明によれば、空気力学的な性質を変えることにより、低風速時においても有効な揚力を発生させて回転トルクを増大させることができ、発電可能な風速範囲を拡大することができる。よって、本発明に係わる水平軸型風力発電機用風車は、例えば中・低層ビルや個人住宅の屋上等の低所に設置して使用することが可能となり、省電力システムを構築する発電機として広く利用することができる。
【００３３】
とくに、ブレード自体を軽量な材料によりコンパクトな構造に製作できるので、ブレードを安価に量産することができ、これにより、水平軸型風力発電機用風車全体の製造コストを低減化することができる。また、強風による破損の心配も不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係わる水平軸型風力発電機用風車１の正面図である。
【図２】（Ａ）は、本実施例におけるブレード５の基本的な平面形状、すなわち受風面の基本形状をに模式的に示す図、（Ｂ）は、このブレード５の全体形状がモデファイされた図である。
【図３】（Ａ）は、図２（Ｂ）のＡ−Ａ断面矢視図、（Ｂ）は同図のＢ−Ｂ断面矢視図である。
【図４】本実施例における矩形翼部の形状を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　（本発明に係わる）水平軸型風力発電機用風車
２　　　　　　　　回転軸
３　　　　　　　ハブ
４　　　　　　　翼根連結部材
５　　　　　　　ブレード
５Ｘ　　　　　　矩形翼部
５Ｘａ　　　　　翼根部
５Ｙ　　　　　　デルタ翼部
６　　　　　　　流線形翼形
【図１】
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【図２】
2004137910.tif 000004
【図３】
2004137910.tif 000005
【図４】
2004137910.tif 000006