(57)【要約】【課題】３枚羽根サボニウス形風車において、小型風車として望まれる低風速で回り始める起動性の高い風車を得るため、羽根断面形状の最適化により起動性向上が目的とする。【解決手段】３枚羽根サボニウス形風車の羽根断面形状において、羽根の羽根内径端７と支持軸１との隙間６の長さは、回転中心５から羽根外径端８を結ぶ基準線１０の長さに対して２４％比となり、また、羽根内径端７と羽根外径端８との位置関係は、回転中心５から羽根内径端７を結ぶ線と回転中心５と羽根外径端８を結ぶ線との角度９が１２０°をなしており、上記のように支持軸１と羽根内径端７との隙間距離と位置角度を決めると、一方の羽根の受風面に流入した流れが隙間を通って、圧力の低い他方の羽根に風を効率よく多く流すので圧力上昇し回転力が得られるため起動性が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な支持軸と、回転中心に対して回転対称に位置する３枚の羽根で構成されたサボ二ウス形風車の羽根断面形状において、支持軸と羽根内径端との隙間距離が、回転中心から羽根外径端を結ぶ距離に対して１５％から３０％であり、また、回転中心から羽根内径端までを結ぶ直線と回転中心から羽根外径端までを結ぶ直線が１１０°から１４０°の角度をなしていることを特徴とした風車。
【請求項２】
前記羽根が、エッジを持たない滑らかな湾曲した形状であることを特徴とした請求項１記載の風車。
【請求項３】
前記羽根が、滑らかに接する複数の円弧で構成されている請求項２記載の風車。
【請求項４】
前記羽根が、滑らかに接する二つの円弧で構成され、羽根内径端側の円弧より羽根外径端側の円弧の湾曲が大きいことを特徴とする請求項３記載の風車。
【請求項５】
前記羽根が、羽根内径端と羽根外径端を結ぶ直線から羽根面までの最大距離が、羽根内径端と羽根外径端の直線距離の２７％から３２％であることを特徴とした請求項１から４のいずれか記載の風車。
【請求項６】
前記羽根が、羽根内径端を起点とし羽根内径端と羽根外径端を結ぶ直線距離の４５％から６５％に位置する点で羽根面までの距離が最大となることを特徴とした請求項５記載の風車。
【請求項７】
前記羽根の厚さが、回転中心と羽根外形端を結ぶ直線距離に対して３％以下であることを特徴とした請求項６記載の風車。
【請求項８】
前記支持軸が、一方の羽根受風面に流入した風が風車内部を通って、他方の羽根受風面に流れるのを誘導するようにすることを特徴とした請求項６または７記載の風車。
【請求項９】
前記支持軸の直径が、回転中心から前記羽根外径端までの直線距離に対して１０％から２０％であることを特徴とした請求項８記載の風車。
【請求項１０】
前記支持軸の形状が、三角形状であることを特徴とした請求項８記載の風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電に用いる３枚羽根サボニウス形風車の羽根断面形状に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、独立分散型のエネルギー源として期待される小型風力発電機の開発が進む中、サボニウス形風車は風向による影響が少ない垂直軸であり、また、回転数が比較的低い抗力型の風車であるため安全性が高く低騒音という利点により、街中でも使用可能な小型風車として適しているといえる。
【０００３】
従来、この種のサボニウス形風車は、２枚羽根のタイプが主流であるが３枚羽根サボニウス形風車は、２枚羽根サボニウス形風車と比較してより風向による影響が少ないという利点が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
以下、そのサボニウス形風車について図７を参照しながら説明する。
【０００５】
図に示すように、支持軸１と３枚の羽根（羽根Ａ２、羽根Ｂ３、羽根Ｃ４）で構成されており、３枚の羽根は回転中心５より１２０°回転対称に設置されている。
【０００６】
風車の回転力は、受風面２ａ、３ａ、４ａと背面２ｂ、３ｂ、４ｂとの抗力差によって発生するのと、風が羽根Ａ２の受風面２ａより、隙間６を通って圧力が低い羽根Ｂ３の受風面３ａへ流れることにより受風面３ａの圧力が上昇することで回転力が発生する。
【特許文献１】特開２００２−１０６４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような従来の３枚羽根サボニウス形風車では、小型風車として望まれる低風速で回り始める起動性の高い風車の開発が課題であり、起動性向上を目的とした羽根断面形状の最適化が要求されている。
【０００８】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、羽根断面形状を最適化することにより低風速で回り始める起動性が高い３枚羽根サボニウス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】
【０００９】
本発明の風車は、３枚羽根サボニウス形風車の羽根断面形状において、支持軸と羽根内径端との隙間距離が、回転中心から羽根外径端を結ぶ距離に対して１５％から３０％であり、また、回転中心から羽根内径端までを結ぶ直線と回転中心から羽根外径端までを結ぶ直線が１１０°から１４０°の角度をなしていることを特徴としたものである。
【００１０】
この手段により、一方の羽根の受風面に流入した流れが隙間を通って、圧力の低い他方の羽根受風面に風を効率よく多く流すので圧力上昇し回転力が得られるため、起動性の高い風車が得られる。
【００１１】
また他の手段は、羽根がエッジを持たない滑らかな湾曲した形状であることを特徴としたものである。
【００１２】
この手段により、羽根背面を風が沿うように流れるため羽根背面に風があたることで生じる回転方向と逆に働く力を低減することができ、さらに、羽根受風面に生じる渦の発生を抑え渦による圧力低下をなくすことで、起動性の高い風車が得られる。
【００１３】
また他の手段は、羽根が正接する複数の円弧で構成されていることを特徴としたものである。
【００１４】
この手段により、羽根の背面を風が垂直に衝突せず左右に分散させることで、羽根背面に風があたることで生じる回転方向とは逆に働く力を低減することができ、起動性の高い風車が得られる。
【００１５】
また他の手段は、羽根が滑らかに接する二つの円弧で構成され、羽根内径端側の円弧より羽根外径端側の円弧の湾曲が大きいことを特徴としたものである。
【００１６】
この手段により、負圧面を補う隙間から流れが羽根外径端側の湾曲部にあたるため、回転中心から離れたところで圧力を上昇することにより回転力が大きくなり、起動性の高い風車が得られる。
【００１７】
また他の手段として、羽根が羽根内径端と羽根外径端を結ぶ直線から羽根面までの最大距離が、羽根内径端と羽根外径端を結ぶ直線距離の２７％から３２％であることを特徴としたものである。
【００１８】
この手段により、負圧面を補おうとする隙間からの流れを羽根受風面が効果的に受けることにより圧力上昇し回転力が得られるため、起動性の高い風車が得られる。
【００１９】
また他の手段として、羽根が羽根内径端を起点とし、羽根内径端と羽根外形端を結ぶ直線距離の４５％から６５％に位置する点で羽根面までの距離が最大となることを特徴としたものである。
【００２０】
この手段により、負圧面を補おうとする隙間からの流れを羽根受風面が効果的に受けることにより圧力上昇し回転力が得られるため、起動性の高い風車が得られる。
【００２１】
また他の手段として、羽根の厚さが回転中心と羽根外形端を結ぶ直線距離に対して３％以下であることを特徴としたものである。
【００２２】
この手段により、強度が許す範囲内での軽量化により慣性の影響が小さくなり、起動性が高い風車が得られる。
【００２３】
また他の手段として、支持軸が、一方の羽根受風面に流入した風が隙間を通って、他方の羽根受風面に流れるのを誘導するようにすることを特徴としたものである。
【００２４】
この手段により、負圧面を補おうとする隙間からの流れに対して、支持軸が誘導板の役目をすることで、低圧の羽根受風面側にスムーズに流れることにより圧力上昇し回転力が得られるため、起動性の高い風車が得られる。
【００２５】
また他の手段として、支持軸の直径が、回転中心から前記羽根外径端までの直線距離に対して１０％から２０％であることを特徴としたものである。
【００２６】
この手段により、負圧面を補おうとする隙間からの流れに対して、支持軸の大きさにより誘導板の役目をすることで、低圧の羽根受風面側にスムーズに流れることにより圧力上昇し回転力が得られるため、起動性の高い風車が得られる。
【００２７】
また他の手段として、前記支持軸の形状が三角形状であることを特徴としたものである。
【００２８】
この手段により、負圧面を補おうとする隙間からの流れに対して、支持軸の形状により誘導板の役目をすることで、低圧の羽根受風面側にスムーズに流れることにより圧力上昇し回転力が得られるため、起動性の高い風車が得られる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、起動性を考慮した羽根断面形状に最適化させることで、低風速でも回り始める起動性の高い風車が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の請求項１記載の風車は、３枚羽根サボニウス形風車の羽根断面形状において、支持軸と羽根内径端との隙間距離が、回転中心から羽根外径端を結ぶ距離に対して１５％から３０％であり、また、回転中心から羽根内径端までを結ぶ直線と回転中心から羽根外径端までを結ぶ直線が１１０°から１４０°の角度をなしていることを特徴としたものであり、軸と羽根内径端との間隔、すなわち隙間の距離と位置を上記のように設定することで、一方の羽根の受風面に流入した流れが隙間、すなわち間を通って、圧力の低い他方の羽根に風を効率よく多く流すので圧力上昇し回転力が得られるため、起動性を向上させる作用を有する。
【００３１】
また請求項２記載の風車は、羽根がエッジを持たない滑らかな湾曲した形状で構成されることにより、羽根背面を風が沿うように流れるため羽根背面に風があたることで生じる回転方向と逆に働く力を低減することができ、さらに、羽根受風面に生じる渦の発生を抑え渦による圧力低下をなくすことで、起動性を向上させる作用を有する。
【００３２】
また請求項３記載の風車は、羽根が滑らかに接する複数の円弧で構成されていることにより、羽根の背面を風が垂直に衝突せずに左右に分散させるために、羽根背面に風があたることで生じる回転方向とは逆に働く力を低減することができ、起動性を向上させる作用を有する。
【００３３】
また請求項４記載の風車は、羽根が滑らかに接する二つの円弧で構成され、羽根内径端側の円弧より羽根外径端側の円弧の湾曲が大きくなるように構成されることにより、負圧面を補う隙間から流れが羽根外径端側の湾曲部にあたるため、回転中心から離れたところで圧力を上昇することにより回転力が大きくなり、起動性を向上させる作用を有する。
【００３４】
また請求項５記載の風車は、羽根の羽根内径端と羽根外径端を結ぶ直線から羽根面までの最大距離が、羽根内径端と羽根外径端を結ぶ直線距離の２７％から３２％としたものであり、負圧面を補おうとする隙間からの流れを低圧の羽根受風面が受けるとき、羽根面までの最大距離が長いと風は受風面にあたらず後方に流され圧力が上昇せず、羽根面までの最大距離が短いと風は受風面をすべり圧力が上昇しないため、羽根面までの最大距離を上記の構成にすることで隙間からの流れ込みを効果的に受けることにより圧力上昇し回転力が得られるため、起動性を向上させる作用を有する。
【００３５】
また請求項６記載の風車は、羽根が羽根内径端を起点とし、羽根内径端と羽根外形端を結ぶ直線距離の４５％から６５％に位置する点で羽根面までの距離が最大としたものであり、負圧面を補おうとする隙間からの流れは羽根受風面の中間付近に流れ込むため、その付近を羽根面までの最大距離となるようにすると、隙間からの流れを羽根受風面が効果的に受けるので圧力上昇し回転力が得られるため、起動性を向上させる作用を有する。
【００３６】
また請求項７記載の風車は、羽根の厚さが回転中心と羽根外形端を結ぶ直線距離に対して３％以下であることにより、強度を許す範囲内での軽量化により慣性の影響が小さくなり、起動性を向上させる作用がある。
【００３７】
また請求項８記載の風車は、支持軸が一方の羽根受風面に流入した風が隙間を通って、他方の羽根受風面に流れるのを誘導するようにすることであり、負圧面を補おうとする隙間からの流れに対して、支持軸が誘導板の役目をすることで、低圧の羽根受風面側にスムーズに流れることにより圧力上昇し回転力が得られるため、起動性を向上させる作用が推測できる。
【００３８】
また請求項９記載の風車は、支持軸の直径が回転中心から前記羽根外径端までの直線距離に対して１０％から２０％であることにより、負圧面を補おうとする隙間からの流れに対して、支持軸の大きさにより誘導板の役目をすることで、低圧の羽根受風面側にスムーズに流れることにより圧力上昇し回転力が得られるため、起動性を向上させる作用が推測できる。
【００３９】
また請求項１０記載の風車は、前記支持軸の形状が三角形状であることにより、負圧面を補おうとする隙間からの流れに対して、支持軸の形状が誘導板の役目をすることで、低圧の羽根受風面側にスムーズに流れることにより圧力上昇し回転力が得られるため、起動性の向上が推測できる。
【００４０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４１】
（実施の形態１）
従来例と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４２】
図１に示すように、風車の直径が３６０ｍｍにおいて、支持軸１と回転中心５に対して回転対象に位置する３枚の羽根（羽根Ａ２、羽根Ｂ３、羽根Ｃ４）で羽根断面が構成されており、羽根Ｃ４の羽根内径端７と支持軸１との隙間６の長さは、回転中心５から羽根外径端８を結ぶ基準線１０の長さが１８０ｍｍのとき、２４％比となる約４２．５ｍｍとなり、また、羽根内径端７と羽根外径端８との位置関係は、回転中心５から羽根内径端７を結ぶ線と回転中心５と羽根外径端８を結ぶ線との角度９が１２０°をなしている。また、羽根形状は羽根内径端７側の直線部（８６．６ｍｍ）と羽根外径端８側の円弧（Ｒ８０ｍｍ）がエッジを持たない滑らかな湾曲した形状であり、エッジを持たず滑らかに接しており、回転中心５と羽根外径端８を結ぶ基準線１０に対して３０°となる破線と平行である回転方向に凸の湾曲した形状である。また、支持軸１の直径は基準線１０の長さに対して１５％比の２５ｍｍである。また、羽根の素材にはＦＲＰを使用し、その厚さは強度を考慮し、基準線１０の長さに対して１．５％比の約３ｍｍの厚さである。
【００４３】
上記構成のように、支持軸１と羽根内径端７との位置関係を固定することにより、一方の羽根の受風面２ａに流入した流れが隙間６、すなわち間を通って、圧力の低い他方の羽根に風を効率よく多く流すので圧力上昇し回転力が得られるため、風車効率を損なわず起動性を向上させることができる。図２は角度９を１２０°とし隙間６の長さを変化させたときの、起動性に影響を与える起動トルク及び回転時の風車効率の値を示しており、起動トルクは隙間６が３０％比程までは広いほど上昇するが、それ以降ではほぼ横ばいとなる。また、風車効率は隙間６が広いほど減少している。図２より、隙間６を３０％比以上に広げると起動トルクは変わらないが風車効率は下がっていき、また、従来風車の起動トルクに対して１０％以上の向上を目的とし、隙間比は１５％比以上にする必要がある。したがって、１５％から３０％間の隙間距離にすれば起動性は向上し、風車効率を考慮しつつ起動トルクを上昇させるには２４％比付近にすることを推奨する。また、図３は隙間６を２４％比とし角度９を変化させたときの、起動トルク及び風車効率の値を示しており、起動トルクは角度９が１１０°までは角度が小さいほど起動トルクは上昇するが、それ以降ではほぼ横ばいとなる。また、風車効率は角度が大きいほど上昇するが、１２０°から１３０°にかけて横ばいとなり、さらに角度が大きくなると再び風車効率が上昇する。図３より、従来風車の起動トルクに対して１０％以上向上するためには角度９を１４０°以下とし、また、角度９を１１０°以下にしても起動トルクは変わらず風車効率が下がる。したがって、角度９が１１０°から１４０°の範囲内にすれば起動性が向上し、風車効率を考慮しつつ起動トルクを上昇させるには１２０°付近にすることを推奨する。また、羽根の形状はエッジを持たず滑らかな形状にすることにより、羽根の背面２ｂを風が沿うように流れるため羽根背面に風があたることで生じる回転方向と逆に働く力を低減することができ、さらに、羽根の受風面２ａに生じる渦の発生を抑え渦による圧力低下をなくすことで起動性が向上する。また、支持軸１を上記の構成にすることにより、支持軸は隙間６から流れ込む空気流を低圧の受風面２ａへと送る誘導板となり受風面２ａの圧力が上昇し起動性が向上する。また、羽根の素材と厚さを上記の構成にすることで羽根が軽量となり慣性の影響が小さくなり起動しやすくなる。受風面３ａと背面３ｂ、および受風面４ａと背面４ｂの関係も、上記受風面２ａと背面２ｂとの関係と同様である。
【００４４】
なお、実施の形態１では風車直径が３６０ｍｍ時の羽根断面形状を表すが、風車直径が変わっても同様に起動性を向上させることができる。
【００４５】
なお、羽根内径端とは回転中心側の羽根端であり、羽根外径端はもう一方の羽根端である。
【００４６】
なお、受風面２ａ、３ａ、４ａは風があたったときに回転方向に力が働く側の羽根面で、背面は受風面とは逆面で風があたったときに回転方向とは逆に力が働く側の面である。
【００４７】
なお、エッジを持たない滑らかな湾曲した形状とは、羽根の曲線を構成する線同士が接する点での接線が等しく、羽根面を風が沿うように流れて剥離が発生しない湾曲をもった羽根形状であることをいい、実施の形態１程度の風車直径の場合、湾曲は羽根を構成する円弧の半径が６０ｍｍ以上であればよい。
【００４８】
なお、滑らかに接するとは、羽根を構成する線同士が接する箇所が角にならず正接することである。
【００４９】
なお、起動トルクは風車が停止しているときに風を受けて発生する回転し始めようとする力のことであり、風車効率は風車が回転しているさいに風から受けるエネルギーが風車の回転力へとなる割合のことである。
【００５０】
なお、従来風車の羽根形状では、起動トルクは０．０２４である。
【００５１】
なお、羽根の素材に鋼材を用いる場合には、羽根の厚さは１％から０．６％比程度が望ましい。
【００５２】
（実施の形態２）
従来例、実施の形態１と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５３】
図４は、羽根直径が３６０ｍｍで、実施の形態１の図２と図３のグラフより推奨する隙間６を２４％比（４２．５ｍｍ）、角度９を１２０°とし、羽根形状を変えたものである。羽根の形状は滑らかに正接する二つの円弧からなり、羽根内径端側円弧１１（Ｒ１４０ｍｍ）よりも羽根外径端側円弧１２（Ｒ８０ｍｍ）の湾曲が大きく、羽根外径端円弧１２の中心点は羽根の中心である回転中心５から羽根外径端８を結ぶ基準線１０上にあり、また、羽根内径端７と羽根外径端８を結ぶ羽根端間線１３から羽根面までの羽根面最大距離１４は羽根端間線１３が２１８ｍｍに対して２９％比の約６３ｍｍとなり、また、羽根内径端７を起点とし羽根端間線１３の長さに対して５５％比の約１２０ｍｍとなる羽根端間線１３上の点である最大距離位置１５で羽根面までの距離が最大となる。
【００５４】
上記構成により、羽根形状に直線部を持たないため背面２ｂに風が垂直に衝突せず左右に分散されるため抗力が低下し、また、隙間６から流入した空気流は羽根外径端側の湾曲が大きな羽根外径端側円弧１２によって押し止められて回転中心５から遠いところで圧力が上昇するため、高い起動トルクが得られる。また、図５は最大距離位置１５が４５％比から６５％比間で羽根面最大距離１４を変化させたときの起動トルク及び風車効率の値を示しており、起動トルク及び風車効率は羽根面最大距離１４が２９％比付近で極大値をとる。図５より、風車効率は従来風車と同様な出力を得るためには羽根面最大距離１４を２７％比以上、３２％比以下とする必要がある。したがって、羽根面最大距離１４を２７％比から３２％比の範囲内で起動性を向上させ、極大値となる羽根面最大距離１４が２９％比付近で最も起動性が向上する。これは、負圧面を補おうとする隙間からの流れを低圧の受風面２ａが受けるとき、羽根面までの最大距離が長いと風は受風面２ａにあたらず後方に流され圧力が上昇せず、羽根面までの最大距離が短いと風は受風面２ａをすべり圧力が上昇しないため、羽根面までの最大距離を上記の構成にすることで隙間からの流れ込みを効果的に受けることにより圧力上昇し回転力が得られることと、また、負圧面を補おうとする隙間からの流れは受風面２ａの中間付近に流れ込むため、その付近を羽根面までの最大距離となるようにすることで、隙間からの流れを受風面２ａが効果的に受けることにより圧力上昇し回転力が得られたものである。受風面３ａと背面３ｂ、および受風面４ａと背面４ｂの関係も、上記受風面２ａと背面２ｂとの関係と同様である。
【００５５】
なお、羽根を構成する円弧は二つだけでなく、複数個であっても構わない。しかし、円弧の数が多くなるほど形状が複雑になることも考慮する必要がある。
【００５６】
なお、滑らかに接するとは、羽根の曲線を構成する複数の円弧が互いに接する点での接線が等しいことである。
【００５７】
なお、従来風車の出力は風速１５ｍ／ｓで３０Ｗである。
【００５８】
（実施の形態３）
従来例及び実施の形態１、２と同一部分は同一番号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５９】
図６は、風車の直径が３６０ｍｍで、支持軸１の形状以外は実施の形態２と同様である。支持軸１は正三角形状であり、直径が基準線１０の１８０ｍｍに対して１５％となる約２５ｍｍの円が内接円となる大きさをもち、支持軸１を構成する線分である支持軸線分１６の１つが基準線１０と交差し６０°となる角度をもつ。
【００６０】
上記の構成にすることで、羽根Ａ２の受風面２ａに流れ込んだ風は、支持軸線分１６により羽根Ｂ３の受風面３ａへと誘導されるため、受風面３ａに多くの風が流れ込んで圧力上昇を促し起動性が向上する。受風面３ａ、４ａ側も同様となる。
【００６１】
なお、基準線１０と支持軸１を構成する線分が交差し、そのなす角は６０°に限定されるものではなく誘導板としての効果がある角度であればよい。
【００６２】
なお、支持軸の三角形状の角が丸みを持っていても同様な効果が得られる。
【００６３】
なお、支持軸が三つの円弧で囲まれた形状であっても同様な効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の３枚羽根サボニウス風車は、起動性向上を目的とした羽根断面形状の最適化により低風速で回り始める風車を実現し、小型風車として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態１の羽根断面形状を示す平面図
【図２】同隙間の距離を変化させたときの起動トルク及び風車効率の関係図
【図３】同羽根端の角度を変化させたときの起動トルク及び風車効率の関係図
【図４】本発明の実施の形態２の羽根断面形状を示す平面図
【図５】同羽根面までの最大距離を変化させたときの起動トルク及び風車効率の関係図
【図６】本発明の実施の形態３の羽根断面形状を示す平面図
【図７】従来技術の３枚羽根サボニウス形風車の羽根断面形状を示す平面図
【符号の説明】
【００６６】
１    支持軸
２    羽根Ａ
２ａ  受風面
２ｂ  背面
３    羽根Ｂ
３ａ  受風面
３ｂ  背面
４    羽根Ｃ
４ａ  受風面
４ｂ  背面
５    回転中心
６    隙間
７    羽根内径端
８    羽根外径端
９    角度
１０  基準線
１１  羽根内径端側円弧
１２  羽根外径端側円弧
１３  羽根端間線
１４  羽根面最大距離
１５  最大距離位置
１６  支持軸線分
【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】
2007239631.tif 000007
【図６】
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【図７】
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