(57)【要約】【課題】風車回転時の翼の空気抵抗を抑えながら、低風速域でも大きな揚力を得ることができる翼を提供すること。【解決手段】本発明は風力発電用垂直軸型風車の翼であって、風車の回転軸と平行に延びるように設けられた際に、回転軸側となる内側と、回転軸側と反対側となる外側を有し、この翼は紡滴型の翼断面を有し、翼断面は前縁部と後縁部とを有し、翼断面は、前記内側と前記外側にそれぞれ少なくとも一つの凸部を有し、内側の凸部から後縁部にかけて凹状の輪郭線を有し、後縁部から、内側の凸部に対して接線が存在し、翼断面を翼弦線で分割した場合に、外側にあたる領域の面積をＡとし、内側にあたる領域の面積をＢとし、後縁部から内側の凸部に対する接線と翼断面の内側の輪郭線で囲まれた領域の面積をＣとすると、Ａ＞Ｂ＞０．２５Ａ、かつ、Ｂ＞Ｃ＞０．０３Ｂの関係を満たす翼断面形状を有する。【選択図】図３
2016109078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電用垂直軸型風車の翼であって、
前記翼は、前記風力発電用垂直軸型風車の回転軸に、該回転軸と平行に延びるように設けられた際に、前記風力発電用垂直軸型風車の回転軸側を向いた内側と、前記風力発電用垂直軸型風車の回転軸側と反対側を向いた外側を有し、
前記翼は紡滴型の翼断面を有し、該翼断面は、前記風力発電用垂直軸型風車の回転方向に関して前側にある前縁部と、前記風力発電用垂直軸型風車の回転方向に関して後側にある後縁部とを有し、
前記翼の翼断面は、前記内側と前記外側にそれぞれ少なくとも一つの凸部を有し、前記内側の凸部から前記後縁部にかけて凹状の輪郭線を有し、前記翼の翼断面の後縁部から、前記内側の凸部に対して接線が存在し、
前記翼の翼断面を翼弦線で分割した場合に、前記翼弦線の外側にあたる領域の面積をＡとし、前記翼弦線の内側にあたる領域の面積をＢとし、前記後縁部から前記内側の凸部に対する接線と前記翼断面の内側の輪郭線で囲まれた領域の面積をＣとすると、
Ａ＞Ｂ＞０．２５Ａ
かつ
Ｂ＞Ｃ＞０．０３Ｂ
の関係を満たす翼断面形状を有する、風力発電用垂直軸型風車の翼。
【請求項２】
請求項１記載の風力発電用垂直軸型風車の翼を３枚備えた風力発電用垂直軸型風車であって、
前記風力発電用垂直軸型風車の回転半径をＲとし、前記翼の翼断面の翼弦長をＬとすると、
０．５Ｒ＞Ｌ＞０．４Ｒ
の関係を満たす、請求項１記載の風力発電用垂直軸型風車。
【請求項３】
前記風力発電用垂直軸型風車は、前記回転軸と同軸である円筒部を備え、
前記３枚の翼が前記風力発電用垂直軸型風車に設けられた状態で、前記風力発電用垂直軸型風車の回転軸を中心として、前記３枚の翼の前記内側の表面に接する内接円が存在し、前記風力発電用垂直軸型風車の回転半径Ｒと前記内接円の半径との差をＥとし、前記内接円の半径と前記風力発電用垂直軸型風車の円筒部の半径との差をＧとすると、
０．８＜（Ｇ／Ｅ）＜３．０
の関係を満たす、請求項２記載の風力発電用垂直軸型風車。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の風力発電用垂直軸型風車を備えた風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電用垂直軸型風車に係り、詳細には、鉛直方向に延びる回転軸を中心として、風力により回転可能な回転体を備えた風力発電用垂直軸型風車の翼、その翼を備えた風力発電用垂直軸型風車及び風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギーの一つとして近年、風力発電の重要度が増している。風力発電に用いられる風力発電機の風車としては、水平方向に延びる回転軸を有する水平型（水平軸型）風車と、鉛直方向に延びる回転軸を有する垂直軸型風車が知られている。
【０００３】
垂直軸型風車は、水平型風車と異なり、３６０度どちらの方向から吹く風についても回転駆動源とすることが可能であり、かつ、比較的狭い敷地内にも配置することができるという利点を有する。このような垂直軸型風車の一例が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０７３３２０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
風力発電機は、回転軸を有する発電機と、この発電機の回転軸を回転させるための風車を備えている。例えば、上記特許文献１の垂直軸型風車は、鉛直方向に延びる円筒部を有する回転体とこの回転体の周囲に配置された複数枚の鉛直方向に細長い翼を有している。これら複数の翼は、それぞれ翼支持腕によって回転体に連結され、この回転体は翼の鉛直方向の中心付近の高さに設置された軸受を介して、発電機を内蔵した中心軸に接続されている。このような風力発電機に向けて風が吹くと、翼がこの風を受けて、翼および回転体が滑らかに回転し、回転体に連結された発電機の回転軸を回転させる。
【０００６】
風力発電機に向けて定常的に風が吹いた場合、回転体の回転も安定して、風力発電機による安定した発電が期待できる。しかし、風のない状態では風力発電用垂直軸型風車は静止しており、このような静止状態から風車の回転状態に移行する（すなわち、風車を回し始める）には、回転体に対して、定常回転時におけるトルクよりも大きなトルクが必要となる。つまり、静止状態にある風車を回し始めるには、既に回っている風車の回転を維持するよりも、ある程度強い風が必要となる。従来の翼形状を有する風力発電用垂直軸型風車では、翼が発生する揚力が小さいことから、低風速域での自己起動性が悪く、また風車が回転を始めた後も、発電のために風車に負荷をかけると風車の回転数が大きく低下してしまい、わずかな電力しか取り出せない、という問題があった。
【０００７】
また、風力発電用垂直軸型風車の翼において、風車回転時の翼の空気抵抗が大きくなりすぎると、風車の回転数が下がり、発電効率が下がってしまう、という問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、風車回転時の翼の空気抵抗を抑えながら、低風速域でも大きな揚力を得ることができる翼を提供することを目的としている。また、本発明は、このような翼を備えた自己起動性の高い風力発電用垂直軸型風車、及びこの風力発電用垂直軸型風車を備えた発電効率の良い風力発電機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】
上記の目的を達成するために、本発明は、風力発電用垂直軸型風車の翼であって、翼は、風力発電用垂直軸型風車の回転軸に、回転軸と平行に延びるように設けられた際に、風力発電用垂直軸型風車の回転軸側を向いた内側と、風力発電用垂直軸型風車の回転軸側と反対側を向いた外側を有し、翼は紡滴型の翼断面を有し、翼断面は、風力発電用垂直軸型風車の回転方向に関して前側にある前縁部と、風力発電用垂直軸型風車の回転方向に関して後側にある後縁部とを有し、翼の翼断面は、内側と外側にそれぞれ少なくとも一つの凸部を有し、内側の凸部から後縁部にかけて凹状の輪郭線を有し、翼の翼断面の後縁部から、内側の凸部に対して接線が存在し、翼の翼断面を翼弦線で分割した場合に、翼弦線の外側にあたる領域の面積をＡとし、翼弦線の内側にあたる領域の面積をＢとし、後縁部から内側の凸部に対する接線と翼断面の内側の輪郭線で囲まれた領域の面積をＣとすると、Ａ＞Ｂ＞０．２５Ａ、かつＢ＞Ｃ＞０．０３Ｂ、の関係を満たす翼断面形状を有することを特徴としている。
【００１０】
このように構成された本発明においては、風力発電用垂直軸型風車の回転時の翼の空気抵抗を抑えながら、低風速域でも大きな揚力を得ることができる翼を提供することが可能となる。
【００１１】
また、本発明は、上述した風力発電用垂直軸型風車の翼を３枚備えた風力発電用垂直軸型風車であって、風力発電用垂直軸型風車の回転半径をＲとし、翼の翼断面の翼弦長をＬとすると、０．５Ｒ＞Ｌ＞０．４Ｒの関係を満たすことを特徴としている。
【００１２】
このように構成された本発明においては、風車回転時の翼の空気抵抗を抑えながら、低風速域でも大きな揚力を得ることができる３枚の翼を備えた、自己起動性の高い風力発電用垂直軸型風車を提供することが可能となる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、風力発電用垂直軸型風車は、回転軸と同軸である円筒部を備え、３枚の翼が風力発電用垂直軸型風車に設けられた状態で、風力発電用垂直軸型風車の回転軸を中心として、３枚の翼の内側の表面に接する内接円が存在し、風力発電用垂直軸型風車の回転半径Ｒと内接円の半径との差をＥとし、内接円の半径と風力発電用垂直軸型風車の円筒部の半径との差をＧとすると、０．８＜（Ｇ／Ｅ）＜３．０の関係を満たすことを特徴としている。
【００１４】
このように構成された本発明においては、風車回転時の翼の空気抵抗を抑えながら、低風速域でも大きな揚力を得ることができる３枚の翼を備えた、自己起動性が高く発電効率の良い風力発電用垂直軸型風車を提供することが可能となる。
【００１５】
また、本発明は風力発電機であって、好ましくは、上述した風力発電用垂直軸型風車を備えたことを特徴としている。
【００１６】
このように構成された本発明においては、発電効率の良い風力発電機を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、風力発電用垂直軸型風車の回転時の翼の空気抵抗を抑えながら、低風速域でも大きな揚力を得ることができる翼及び自己起動性の高い風力発電用垂直軸型風車、発電効率の良い風力発電機を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態の風力発電用垂直軸型風車の外観を概略的に示す正面図である。
【図２】本発明の一実施形態の風力発電用垂直軸型風車の正面部分の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の風力発電用垂直軸型風車の翼の翼断面を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態の風力発電用垂直軸型風車の翼の翼断面を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の風力発電用垂直軸型風車の上面図である。
【図６】本発明に係る風力発電用垂直軸型風車について、Ｇ／Ｅの値を変化させて発電を行った際の発電量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態である風力発電用垂直軸型風車の翼を詳細に説明する。図１は本発明の好ましい実施形態の翼を備えた風力発電用垂直軸型風車の一例の外観を概略的に示す正面図である。本実施形態において、風力発電用垂直軸型風車１は、設置面に対して鉛直方向に延びる回転軸を中心として風力により回転可能な回転体１０を備えている。この回転体１０は、後述するシャフト（回転軸）１６及び軸受部４を介して、円柱または円筒形の支柱２により回転可能に支持されている。円柱または円筒形の支柱２の下端部は固定部３により設置面に固定される。支柱２は、金属等の耐久性の高い素材により製造されることが好ましい。
【００２０】
回転体１０は、円筒部１２と、風を受けるための翼１３と、この翼１３を支持して円筒部１２に固定する翼支持腕１４とを備えている。これら円筒部１２、翼１３、および翼支持腕１４はアルミニウム等の金属やカーボンファイバー、プラスチック樹脂などの軽量かつ強度および耐久性が高い素材により製造されることが好ましい。
【００２１】
円筒部１２は、支柱２より大径の中空円筒状部であり、円筒形の支柱２及び後述するシャフト（回転軸）１６と同軸に配置され、シャフト１６及び後述する軸受部４により、回転可能に支柱２に連結されている。
【００２２】
円筒部１２は図２を参照して後述する円筒部フレーム１２’を備え、更に、円筒部フレーム１２’の中央部を覆うように設けられた中央カバー１２０と、円筒部フレーム１２’の上部にかぶせるように設けられた上部カバー１２１、円筒部フレーム１２’の下部にかぶせるように設けられた下部カバー１２２を備えている。上部カバー１２１及び下部カバー１２２は、この風力発電用垂直軸型風車１に吹く風に対する抵抗を抑えるために、その輪郭が略半球状に形成されている。下部カバー１２２は、その中心部を支柱２が貫通するように、中心部付近に開口部が設けられている。
【００２３】
中央カバー１２０、上部カバー１２１、下部カバー１２２の素材として、アルミニウム等の金属やカーボンファイバー、プラスチック樹脂などの軽量かつ強度および耐久性の高い素材を用いることが好ましいが、上部カバー１２１、下部カバー１２２等、中央カバー１２０ほど高い強度が要求されない部分については、アクリル樹脂や、ＡＢＳ樹脂等の加工しやすく軽量なプラスチック素材を用いることも可能である。
【００２４】
翼１３は、この風力発電用垂直軸型風車１に向けて、図１における横方向に吹く風を受けて、揚力を発生させる機能を有しており、この揚力によって回転体１０の回転方向にトルクを発生させるためのものである。翼１３は風力発電用垂直軸型風車１のシャフト（回転軸）１６に、このシャフト１６と平行に延びるように取り付けられている。風力発電用垂直軸型風車１に翼１３が取り付けられた状態における水平切断面に関して、翼１３は上端から下端まで略同一の断面形状を有している。以下、翼１３の水平切断面の形状を断面形状、又は翼断面と称する。翼１３の断面形状は紡滴型、すなわち翼１３は紡滴型の翼断面を有しており、その詳細は図３及び図４を参照して後述する。
【００２５】
本実施形態の風力発電用垂直軸型風車１は、このような翼断面を有する翼１３を３枚備えており、この３枚の翼１３を円筒部１２の周囲に等間隔に配置することで、３６０度どちらの方向から吹く風についても、これを的確にとらえて回転体１０を回転駆動することが可能となっている。翼１３の素材として、繊維強化プラスチック、カーボンファイバー等の軽量かつ強度の高い素材を用いることが好ましい。翼の数を３枚以上に増やすことも可能であるが、本実施形態のように一つの風力発電用垂直軸型風車１には３枚の翼１３が備えられることが機能面及びコスト面から好ましい。
【００２６】
翼支持腕１４は、上述した翼１３を円筒部１２に接続し固定する機能を有している。本実施形態においては、１枚の翼１３を２本の翼支持腕１４により上下２箇所で支持している。上方の翼支持腕１４は、上部カバー１２１の下側付近で円筒部１２に接続されている。また、下側の翼支持腕１４は、下部カバー１２２の上側付近で円筒部１２に接続されている。図１に示す翼支持腕１４は図２を参照して後述する翼支持腕フレーム１４’を流線型の輪郭を有するカバー部材で覆ったものであり、この風力発電用垂直軸型風車１に向けて吹く風に対する翼支持腕１４の抵抗を抑えるようにしている。このような風力発電用垂直軸型風車１を上から見た場合、図５に示すように、ちょうど円筒部１２から径方向外側に向けて、翼支持腕１４がそれぞれ１２０度間隔をおいて３方向に広がった形となり、それぞれの先に翼１３が接続されている。翼支持腕１４の素材として、アルミニウム、カーボンファイバー等の軽量かつ耐久性の高い素材を用いることが好ましい。
【００２７】
図２は本発明の好ましい実施形態の風力発電用垂直軸型風車の一例から中央カバー１２０および、上部カバー１２１、下部カバー１２２、翼支持腕１４のカバー部材を外したものを正面から見た正面図である。上述した構成と同じ符号が付された構成については説明を省略する。円筒部フレーム１２’は中央カバー１２０、上部カバー１２１、下部カバー１２２の内側にあり、円筒部１２の主要構造を形成するフレーム部材である。円筒部フレーム１２’は上部に円形の頂板１２３を有しており、上側の翼支持腕フレーム１４’がそれぞれ頂板１２３に固定されている。翼支持腕フレーム１４’はカバー部材の内側にあり、翼支持腕１４の主要構造を形成するフレーム部材である。これら円筒部フレーム１２’及び翼支持腕フレーム１４’も、アルミニウム等の金属やカーボンファイバー、プラスチック樹脂などの軽量かつ強度および耐久性が高い素材により製造されることが好ましい。
【００２８】
円筒部フレーム１２’は鉛直方向に関して中央付近に中板１２４を有しており、シャフト１６が中板１２４の中央部に円筒部フレーム１２’と同軸に固定されている。支柱２、円筒部フレーム１２’、シャフト１６、の鉛直方向に延びる中心軸をＡで示す。シャフト１６が中板１２４の下方に延びた先には軸受部４が設けられている。軸受部４はボールベアリングなどにより、シャフト１６を回転可能に軸受けするものであり、円筒部１２の内部空間の下方に挿入された支柱２の上端部に設けられている。シャフト１６は、この軸受部４を介して図示しない発電機に接続されている。発電機は支柱２の内部に配置されており、円筒部１２が回転することにより、軸受部４により軸受されたシャフト１６が回転し、その結果、発電機で発電が行なわれる。これら風力発電用垂直軸型風車と発電機をあわせた構成を風力発電機と称する。
【００２９】
円筒部フレーム１２’は下部に円形の底板１２５を有しており、下側の翼支持腕１４がそれぞれ底板１２５に固定されている。底板１２５の中央部には、支柱２の直径よりもやや大きい直径を有する穴が開けられており、この穴を通って支柱２が円筒部１２の内部に挿入されている。また、この底板１２５には、円筒部１２が回転可能な状態を保ちながら、円筒部１２が鉛直方向から所定角度を超えて傾くことを防止するための規制手段として、ガイドローラー１５０が３つ取り付けられている。
【００３０】
次に、図３及び図４を参照して、本発明の好ましい各実施形態の風力発電用垂直軸型風車の翼の翼断面の形状について説明する。
【００３１】
図３は、本発明の好ましい実施形態の風力発電用垂直軸型風車１に取り付けられた翼１３の水平切断面の断面形状、すなわち翼断面の一例を示している。上述したように、風力発電用垂直軸型風車１に取り付けられた状態における水平切断面に関して、翼１３は上端部から下端部まで略同一の断面形状を有している。なお、本発明の各実施形態において、翼１３の上端部、下端部をテーパした形状とすることも可能であるが、これらの場合も同じ断面形状を有しながら、その寸法だけが小さくなるようにするのが好ましい。また、翼１３の上端部、下端部にカバー部材を設けることも可能であるが、翼１３の翼断面の形状により得られる揚力特性や空気抵抗特性に悪影響を及ぼさないようにすることが好ましい。
【００３２】
図３に示すように、翼１３の翼断面３００は紡滴型形状を有している。なお、図３では、翼断面３００の各寸法の関係を見やすくするために、翼断面３００を取り囲むように補助線が引かれている。翼１３は、風力発電用垂直軸型風車１の回転方向に関して前側にある前縁部３０１と、後側にある後縁部３０２を有している。また、図３には、翼１３が風力発電用垂直軸型風車１に設けられた際に、風力発電用垂直軸型風車１の回転軸側となる方を「内側」、風力発電用垂直軸型風車１の回転軸側と反対側となる方を「外側」、と示している。
【００３３】
図３に示すように、翼１３の前縁部３０１及び後縁部３０２は丸みを帯びているのが好ましい。図３において、前縁部３０１から後縁部３０２には翼弦線３０３が引かれており、この翼弦線３０３の長さ、即ち翼弦長はＬである。翼１３の翼断面３００はこの翼弦線３０３により分割され、この分割された領域のうち、翼弦線３０３の外側にあたる領域の面積をＡとし、翼弦線３０３の内側にあたる領域の面積をＢとする。
【００３４】
また、図３に示すように、翼１３の翼断面３００は、内側に凸部３０５、外側に凸部３０６、と内側及び外側にそれぞれ一つの凸部を有している。そして翼１３の翼断面３００は、内側の凸部３０５から後縁部３０２にかけて凹状に湾曲した輪郭線を備えている。つまり、翼１３の内側に連続的な凹面が形成されている。このような翼断面３００において、後縁部３０２から内側の凸部３０５に対して接線３０８を引くことが可能である（すなわち接線３０８が存在する）。この接線３０８と、翼断面３００の内側の輪郭線で囲まれた領域の面積をＣとする。この領域は空間であり、翼１３には含まれていない。内側の凸部３０５から後縁部３０２にかけて凹状に湾曲した輪郭線上の点から接線３０８に下した垂線の長さを、接線３０８と輪郭線上の点との間の距離とすると、輪郭線上の点が内側の凸部３０５から後縁部３０２に向けて、この距離は徐々に増加し、最大値となる点を通過すると、徐々に減少していく。
【００３５】
本発明の発明者は翼１３の翼断面に関して実験を繰り返し、本発明の実施形態である翼１３は、上述した変数Ａ、Ｂ、Ｃに関して、以下の関係を満たす翼断面形状を有することが好ましいことを見出した。
Ａ＞Ｂ＞０．２５Ａ                            ・・・（１）
かつ
Ｂ＞Ｃ＞０．０３Ｂ                            ・・・（２）
【００３６】
このような関係を満たす翼断面形状を有する翼１３によると、風車回転時の翼の空気抵抗を抑えながら、低風速域でも大きな揚力を得ることが可能となる。
【００３７】
上述した関係を満たす翼断面形状の他の例を図４に示す。図４は、本発明の他の好ましい実施形態の翼断面を示している。図３に示した翼断面３００と同様に、図４に示す翼断面４００も紡滴型の形状を有している。図３と同様に、図４でも、翼断面４００の各寸法の関係を見やすくするために、翼断面４００を取り囲むように補助線が引かれている。図３に示した翼断面３００と同様に、前側、後側、内側、外側が定められており、丸みを帯びた前縁部４０１及び後縁部４０２、翼弦線４０３、内側の凸部４０５、外側の凸部４０６を備えている。図４において、前縁部４０１から後縁部４０２には翼弦線４０３が引かれており、翼弦長はＬ’である。翼１３の翼断面４００はこの翼弦線４０３により分割され、この分割された領域のうち、翼弦線４０３の外側にあたる領域の面積をＡ’とし、翼弦線４０３の内側にあたる領域の面積をＢ’とする。
【００３８】
また、図４に示した翼断面４００は、内側の凸部４０５から後縁部４０２にかけて凹状に湾曲した輪郭線と、外側の凸部４０６から後縁部４０２にかけて凹状に湾曲した輪郭線を備えている。つまり、翼１３の内側と外側にそれぞれ、連続的な凹面が形成されている。このような翼断面４００において、後縁部４０２から内側の凸部４０５に対して接線４０８を引くことが可能であり、また、後縁部４０２から外側の凸部４０６に対して接線４０９を引くことが可能である。すなわち、接線４０８と接線４０９が存在する。この接線４０８と、翼断面４００の内側の輪郭線で囲まれた領域の面積をＣ’とする。また接線４０９と、翼断面４００の外側の輪郭線で囲まれた領域の面積をＤ’とする。これら、面積Ｃ’、面積Ｄ’を有する領域は空間であり、翼１３に含まれていない。
【００３９】
図３に示した実施形態と同様に、内側の凸部４０５から後縁部４０２にかけて凹状に湾曲した輪郭線上の点から接線４０８に下した垂線の長さを、接線４０８と輪郭線上の点との間の距離とすると、輪郭線上の点が内側の凸部４０５から後縁部４０２に向けて、この距離は徐々に増加し、最大値となる点を通過すると、徐々に減少していく。翼１３の外側においても同様に、外側の凸部４０６から後縁部４０２にかけて凹状に湾曲した輪郭線上の点から接線４０９に下した垂線の長さを、接線４０９と輪郭線上の点との間の距離とすると、輪郭線上の点が外側の凸部４０６から後縁部４０２に向けて移動するにつれて、この距離は徐々に増加し、最大値となる点を通過すると、徐々に減少していく。
【００４０】
本発明の発明者は翼１３の翼断面に関して実験を繰り返し、本発明の実施形態である翼１３は、上述した変数Ａ’、Ｂ’、Ｃ’に関して、翼断面４００の外側の輪郭線が外側の凸部４０６から後縁部４０２にかけて凹状に湾曲した輪郭線であった（すなわちＤ’＞０）としても、以下の関係を満たす翼断面形状を有することが好ましいことを見出した。
Ａ’＞Ｂ’＞０．２５Ａ’                      ・・・（１’）
かつ
Ｂ’＞Ｃ’＞０．０３Ｂ’                      ・・・（２’）
【００４１】
このような関係を満たす翼断面形状を有する翼１３によると、風車回転時の翼の空気抵抗を抑えながら、低風速域でも大きな揚力を得ることが可能となる。
【００４２】
次に、図１に示した風力発電用垂直軸型風車１の上面図である図５を参照して、本発明の実施形態の翼を３枚備えた風力発電用垂直軸型風車１について説明する。図５に示すように、円筒部１２を中心として、径方向外側に向けて翼支持腕１４がそれぞれ１２０度間隔をおいて３方向に広がっており、各翼支持腕１４の先に翼１３が接続されている。風が吹いた場合、風力発電用垂直軸型風車１は図５において反時計回りに回転する。この図５には、円筒部１２の中心（すなわち回転軸）と同心の円が２つ描かれており、外側の円５００はこの風力発電用垂直軸型風車の回転半径Ｒを半径とする円である。内側の円５０１は、３つの翼１３の内側の表面に接する内接円である。この外側の円５００の半径（すなわち回転半径Ｒ）と内側の円５０１の半径との差Ｅが存在する。また、内側の円５０１の半径と円筒部１２の半径との差Ｇが存在する。
【００４３】
本発明の発明者は、図５に示した風力発電用垂直軸型風車に関して実験を繰り返し、本発明の実施形態である風力発電用垂直軸型風車は、上述した風力発電用垂直軸型風車の回転半径Ｒと、翼１３の翼断面の翼弦長Ｌ（図４に示した翼弦長Ｌ’についても同様である）との間で以下の関係を満たすことが好ましいことを見出した。
０．５Ｒ＞Ｌ＞０．４Ｒ                        ・・・（３）
【００４４】
この（３）の関係を満たすことにより得られる効果は、翼１３が３枚備えられている風力発電用垂直軸型風車において、特に顕著である。これにより、風車回転時の翼の空気抵抗を抑えながら、低風速域でも大きな揚力を得ることができる３枚の翼を備えた、自己起動性の高い風力発電用垂直軸型風車を提供することが可能となる。
【００４５】
更に本発明の発明者は、図５に示した風力発電用垂直軸型風車に関して、上述した外側の円５００の半径（すなわち回転半径Ｒ）と内側の円５０１の半径との差Ｅ、及び内側の円５０１の半径と円筒部１２の半径との差Ｇの２つの変数の比（Ｇ／Ｅ）を変化させ、それぞれの発電量を計測した。その計測結果のグラフを図６に示す。図６のグラフは横軸に（Ｇ／Ｅ）の値をとり、縦軸は発電量（相対値）を示している。この実験の結果から、２つの変数の比（Ｇ／Ｅ）が、以下の関係を満たすことが好ましいことが見出された。
０．８＜（Ｇ／Ｅ）＜３．０                    ・・・（４）
【００４６】
上述した（４）の関係を満たすことにより得られる効果は、図５に示されているように、翼１３が３枚備えられている風力発電用垂直軸型風車において、特に顕著であり、この関係を満たす風力発電用垂直軸型風車を使用することにより、発電効率を向上することが可能となる。
【００４７】
２つの変数の比（Ｇ／Ｅ）に関して、ＧがＥに比べて大きすぎる場合（すなわち（Ｇ／Ｅ）が３．０以上の場合）は、翼１３と円筒部１２との間が広すぎる状態に相当し、翼１３と円筒部１２との間を流れる空気の圧縮率が小さくなるため、空気が流れることにより得られる流体力学的効果が弱まったものと考えられる。一方、２つの変数の比（Ｇ／Ｅ）に関して、ＧがＥに比べて小さすぎる場合（すなわち（Ｇ／Ｅ）が０．８以下の場合）は、翼１３と円筒部１２との間が狭すぎる状態に相当し、翼１３と円筒部１２との間を流れる空気の流量が充分に確保できなくなったものと考えられる。よって、上述した（４）の関係を満たすことが好ましい。
【００４８】
上述した実施形態において、翼１３の数は３枚であることが好ましいが、４枚以上設けても構わない。その場合、４枚以上の翼１３はそれぞれ回転対称となるように、円周上に等しい角度間隔で配置されることが好ましい。このように配置することで、強さにむらの有る風がどの方向から吹いたとしても対応することが可能となり、また、回転体１０の重心に偏りが生じないようにすることができる。
【００４９】
以上説明したように、本発明の各実施形態によると、風車回転時の翼の空気抵抗を抑えながら、低風速域でも大きな揚力を得ることができる翼を提供することが可能となる。また、このような翼を備えた自己起動性の高い風力発電用垂直軸型風車、及びこの風力発電用垂直軸型風車を備えた発電効率の良い風力発電機を提供することが可能となる。
【００５０】
本発明は、前記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内で種々の変更、変形が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１  風力発電用垂直軸型風車
２  支柱
３  固定部
４  軸受部
１０  回転体
１２  円筒部
１２’  円筒部フレーム
１３  翼
１４  翼支持腕
１４’  翼支持腕フレーム
１６  シャフト
１２０  中央部カバー
１２１  上部カバー
１２２  下部カバー
１２３  頂板
１２４  中板
１２５  底板
１５０  ガイドローラー
３００、４００  翼断面
３０１、４０１  前縁部
３０２、４０２  後縁部
３０３、４０３  翼弦線
３０５、４０５  凸部
３０６、４０６  凸部
３０８、４０８  接線
４０９  接線
５００  回転半径Ｒを有する円
５０１  内側の円（内接円）
【図１】
2016109078.tif 000003
【図２】
2016109078.tif 000004
【図３】
2016109078.tif 000005
【図４】
2016109078.tif 000006
【図５】
2016109078.tif 000007
【図６】
2016109078.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月10日(2014.12.10)
【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】
風力発電用垂直軸型風車の翼であって、
前記翼は、前記風力発電用垂直軸型風車の回転軸に、該回転軸と平行に延びるように設けられた際に、前記風力発電用垂直軸型風車の回転軸側を向いた内側と、前記風力発電用垂直軸型風車の回転軸側と反対側を向いた外側を有し、
前記翼は紡滴型の翼断面を有し、該翼断面は、前記風力発電用垂直軸型風車の回転方向に関して前側にある前縁部と、前記風力発電用垂直軸型風車の回転方向に関して後側にある後縁部とを有し、
前記翼の翼断面は、前記内側と前記外側にそれぞれ少なくとも一つの凸部を有し、前記内側の凸部から前記後縁部にかけて凹状の輪郭線を有し、前記翼の翼断面の後縁部から、前記内側の凸部に対して接線が存在し、
前記翼の翼断面を翼弦線で分割した場合に、前記翼弦線の外側にあたる領域の面積をＡとし、前記翼弦線の内側にあたる領域の面積をＢとし、前記後縁部から前記内側の凸部に対する接線と前記翼断面の内側の輪郭線で囲まれた領域の面積をＣとすると、
Ａ＞Ｂ＞０．２５Ａ
かつ
Ｂ＞Ｃ＞０．０３Ｂ
の関係を満たす翼断面形状を有する、風力発電用垂直軸型風車の翼。
【請求項２】
請求項１記載の風力発電用垂直軸型風車の翼を３枚備えた風力発電用垂直軸型風車であって、
前記風力発電用垂直軸型風車の回転半径をＲとし、前記翼の翼断面の翼弦長をＬとすると、
Ｒ＞Ｌ＞０．８Ｒ
の関係を満たす、請求項１記載の風力発電用垂直軸型風車。
【請求項３】
前記風力発電用垂直軸型風車は、前記回転軸と同軸である円筒部を備え、
前記３枚の翼が前記風力発電用垂直軸型風車に設けられた状態で、前記風力発電用垂直軸型風車の回転軸を中心として、前記３枚の翼の前記内側の表面に接する内接円が存在し、前記風力発電用垂直軸型風車の回転半径Ｒと前記内接円の半径との差をＥとし、前記内接円の半径と前記風力発電用垂直軸型風車の円筒部の半径との差をＧとすると、
０．８＜（Ｇ／Ｅ）＜３．０
の関係を満たす、請求項２記載の風力発電用垂直軸型風車。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の風力発電用垂直軸型風車を備えた風力発電機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、本発明は、上述した風力発電用垂直軸型風車の翼を３枚備えた風力発電用垂直軸型風車であって、風力発電用垂直軸型風車の回転半径をＲとし、翼の翼断面の翼弦長をＬとすると、Ｒ＞Ｌ＞０．８Ｒの関係を満たすことを特徴としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
本発明の発明者は、図５に示した風力発電用垂直軸型風車に関して実験を繰り返し、本発明の実施形態である風力発電用垂直軸型風車は、上述した風力発電用垂直軸型風車の回転半径Ｒと、翼１３の翼断面の翼弦長Ｌ（図４に示した翼弦長Ｌ’についても同様である）との間で以下の関係を満たすことが好ましいことを見出した。
Ｒ＞Ｌ＞０．８Ｒ                        ・・・（３）