(57)【要約】【課題】ジャイロミルなどの垂直軸風車では揚力翼が使われることが多い。これは数ｍ／ｓ以上の中・高風速域での高速回転中はパドル型やサポニウス型などの抗力型の風車に比べて、総合能率である風パワーに対する出力パワーで表されるパワー係数が高いためであるが反面、停止中や低速回転時の揚力が極端に小さいため、カットイン風速が高いことや立ち上がりにくく、立ち上がっても風速に見合う回転速度まで上がるのに時間がかかるため、平均のパワー係数は大幅に低下してしまい、揚力翼の利点が生かされていなかった。【解決手段】揚力翼を先行部と後行部に分割し、分割部を風が曲がりながら通る通路とすることにより、一方から入った風は先行部を内側から押すと共に斜め後方に排出されることによって新たな推進力を発生させ、揚力翼としての出力パワーを概ね維持し、カットイン風速を下げると共に、素早い立ち上がりを実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸風車の翼であって、揚力翼の翼弦に沿った翼形を表す断面で、基本形とする翼（１）の前縁から概ね翼弦長の１／６から１／２の間で切断した後方が空洞の先行部（３）と、ほぼ前記切断位置で翼厚のほぼ中央を起点とし、基本とする翼の翼厚以内の厚みで後縁まで伸びる後行部（４）とに分割したことを特徴とする分割翼（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電などに使われる垂直軸風車の翼に関し、回り始める最低風速であるカットイン風速を下げると共に、素早い立ち上がりを実現しながら揚力翼としての出力パワーを概ね維持できる風車翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロミル型などの垂直軸風車では飛行機翼に似た揚力翼が使われている。一般に揚力は翼と空気など流体の相対速度の二乗に比例することが知られている通り、数ｍ／ｓ以上の中・高風速域ではパドル型やサポニウス型などの抗力型の風車に比べて、総合能率である風パワーに対する出力パワーで表されるパワー係数が高い反面、低速回転時の揚力が極端に小さいため、カットイン風速が高いことや立ち上がりにくく、立ち上がっても風速に見合う回転速度まで上がるのに時間がかかった。
【０００３】
立ち上がりの遅い原因が風車の慣性モーメントに起因しているのであれば、エネルギーとして蓄積されるので問題は少ないが、回転速度が上がらない内は揚力が小さいことに起因していたのでは、エネルギーへの変換そのものが遅れるため、平均の出力は大幅に低下してしまう
このため、やむをえずモータを接続したり、発電機をモータとして使ったりして無風や微風時でも電池など外部電源を使って回転を止めないでおくものや、風速を検出してモータで起動するなど、余計な電力を消費する手段を講じているものもあるが、これとて低速回転からの立ち上がりの悪さはカバーできない。
【０００４】
このように揚力翼だけでは市街地など比較的平均風速が低い上、吹いたり止んだり風速の変化の大きい地域では実用になりにくく、モニュメントに留まる例も多い。
ここれを改善しようとして、小さな抗力型風車との複合風車とするとか、翼の下面の一部を開けて抗力を得ようとするもの（特許文献１）などの提案もあり、それなりの立ち上がりの改善効果があるものの、基本的に小さな抗力型風車翼を付加したような効果であり、大きな抗力は得られないばかりか、抵抗が増えるためか揚力翼としての性能が損なわれてしまう。
【特許文献１】特許公開２００４−６０５０６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
停止時や低速回転時でも風速に応じた推進力を得て素早く立ち上がり、従ってモータなどによる起動動作を不要とし、高風速時も揚力翼としての出力パワーを概ね維持できる垂直軸風車用の翼を得る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は垂直軸風車の翼であって、揚力翼の翼弦に沿った翼形を表す断面で、基本形とする翼（１）の前縁から概ね翼弦長の１／６から１／２の間で切断した後方が空洞の先行部（３）と、ほぼ前記切断位置で翼厚のほぼ中央を起点とし、基本形とする翼の翼厚以内の厚みで後縁まで伸びる後行部（４）とに分割した分割翼とした。
【発明の効果】
【０００７】
停止時でも分割翼の切断位置の一方から入る風によって、先行部（３）は内側から翼の進行方向に押され、他方に排出される風で進行方向に推進力を発生し、モータなどによる起動の助けを借りることなく素早い立ち上がりを実現すると共に、周速比１を超えてもこの動作が残るため、高速回転時には基本形の揚力翼に比べてやや低い回転速度となるものの、トルクが増大するため基本形と比べて遜色のない出力パワーが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
揚力翼はそれぞれの特性の違いなどから、数多くの翼形が提案されており、データが公表されているものも多いが、本発明はこれらを含め、どのような揚力翼にも適用することができる。また請求項では先行部（３）の長さ（Ｌｆ）の範囲を、立ち上り特性の大幅な改善効果が認められ、出力パワーのあまり低下しない範囲として翼弦長の１／６から１／２としたが、最良の形態としては、一般的に揚力翼の最大翼厚を与える位置である前縁から１／３付近の位置にするのが、立ち上がり特性の大幅改善と出力パワーの維持を両立させる形態と推定される。
また、後行部（４）を薄くすると低風速時の立ち上がり特性や出力パワーがより優れたものになるが、無負荷周速比は低下する傾向にあるので、仕様や製作の都合に応じて適宜選択する余地がある。
【０００９】
本発明はジャイロミル風車として一般的な垂直直線翼に適用できる。翼の上下両端の処置は、実験では上下の長さである翼長を短くしたこともあり、それぞれ基本形の翼形をした板で塞いだが実用風車では端部で発生しやすい渦流の軽減処置など一般的な両端処置も適用できる。
また、翼を分割したため新たな支持・固定方法が必要になるが、例えば図１４に示すスペーサ（５，６）を垂直長手方向に適宜挿入してネジなどの締結部品（７）で固定し、これらにステーを接続したり、必要に応じてバンドで巻いて補強したりする方法もある。
【００１０】
以下実施例について図面を参照して説明する。なお、以下で示すデータは下記の実験風車で取得したものであり、データで、例えば無負荷の周速比が２以下など常識的な値より低いのは翼の垂直方向の長さを極端に短くしたため、翼を支えるステーの風圧抵抗が無視できないとか、翼の上下に逃げる風が無視できないとか、上下翼端で発生する渦流の影響が大きいなど、実用風車とはやや異なる部分もあるが、各種形態の翼の能力比較用としては十分と考える。
実験風車
最外周半径（翼の最外周）：１１０ｍｍ（全ての実験翼で統一）
翼数                  ：３
各翼の占有角度          ：４５度（全ての実験翼で統一）
翼長さ（垂直直線翼）  ：６４ｍｍ（全ての実験翼で統一）
最大翼厚（2種類に統一）：W＝１５ｍｍ，２０ｍｍ
簡易風洞仕様（広風速域は自動車走行による）
風速３段切り替え      ：L=１．５ｍ／ｓ，M＝２．７ｍ／ｓ，H＝３．５ｍ／ｓ
【実施例１】
【００１１】
図１は本発明の分割翼の基本的な動作を示す１実施例の翼断面図である。基となった基本形の翼は同図で一部が点線のようにつながっている直線対称翼であるが、これを太い実線のように基本形の途中の位置（Ｌｆ）の例えば最大翼厚の位置で切断した後方が空洞の先行部（３）と、切断位置から後ろの切断面を翼厚の中央に寄せて閉じたような、切断位置を起点とする後行部（４）に分割し、翼弦に沿った翼の途中で、風が曲がりながら翼厚みを通り抜けできるような通路を設けている。後行部は同図に太い点線で示すように膨らみを薄くして風が入りやすいようにしても良い。
【００１２】
図１では図の上方の圧力が高く、風が上方から入り先行部を内側から押すと共に下後方に排出される流れを矢印で示しているが、下方の圧力が高い場合は逆の流れとなる。入った風で先行部が内側から押される力はパドル型風車の抗力のようだが、例えば図の真上から曲がりながら入った風は直交方向に翼を押し、更に下側の斜め後方に排出されて直交方向に推進力となる動作は揚力の定義にも該当するので、以後どちらとは特定せず単に推進力と呼ぶ。
また、本発明の分割翼は揚力翼をベースとしており、当然、翼に働く有効な力は一般に説明されている揚力と、前記推進力との合成力であるが以下では煩雑を避けるため、この推進力に的を絞って説明する。
【００１３】
このように動作する分割翼（１）の回転各位置における変化を、図８に停止または低速回転時の様子を、図９に風速に対する翼の最外周での回転運動による速度との比である周速比が１の状態での様子をそれぞれ示す。
図８では風向に対して３１５度付近から左廻りに２２５度付近まで、翼上面と下面とで圧力差のなくなる２７０度付近を除いてほぼ全周で図１で説明した推進力が発生する。
周速比１の場合の図９では風と翼の回転運動が合成され、各位置の翼に対する風向は同図で示すように翼の前方側に傾く。しかしこの場合でも同図に示すようにわずかの圧力差で切断位置に風の一部が流れ込む。
【００１４】
一般にこの切断位置のような流体中の不連続領域では渦流が発生し、速度が上がるほど大きな抵抗力になるはずである。しかし、回転速度が上がると切断位置付近にある空気は遠心力を受けて回転円の外側に押し出されるため、中高風速域では内側から外側への流れが多くなり、渦流による抵抗や分割したことによる揚力の低下を、この流れによる推進力で補っているようにも考えられる。
【実施例２】
【００１５】
図３は湾曲翼に本発明を実施した１実施例である。様々な翼形状があることは既に記したが、本実施例では図２に示すように垂直軸風車専用の翼として回転軸を中心とした円弧に沿って翼弦を湾曲させた湾曲翼（１ｂ）を使った例である。この翼の最外周半径と最大翼厚Ｗおよび占有角度を同図のように定義する。
【００１６】
図３は湾曲翼（１ｂ）に本発明を実施し、先行部（３ｂ）の長さ（Ｌｆ）を翼弦長の１／３（Ａ），１／４（Ｂ）および１／２（Ｃ）の位置で切断し、後行部（４ｂ）はそれぞれ先行部のほぼ前記切断位置で、翼厚のほぼ中央を起点に翼弦に沿って緩やかに膨らみ、後行部のほぼ中央で最大の厚みとなり、以後は徐々に薄くなり、後縁で閉じる形状とし、いずれの部分でも基本形以下の厚みとしている例である。
【００１７】
このようにした分割翼（２ｂ）で最大翼厚Ｗを２０ｍｍ，占有角度４５度の翼を使用して無負荷での立ち上がり特性を調べた。立ち上がりの測定は風速Ｌ（１．５ｍ／ｓ），Ｍ（２．７ｍ／ｓ），Ｈ（３．５ｍ／ｓ）の各設定風速の中で回転を拘束しておき、拘束解除後の時間と回転速度から時間と周速比に変換して比較した。なお、設定風速の中でどのような回転位置でも立ち上がらない場合は強制起動してから以後の値を測定し、翼の位置によっては立ち上がる場合は、その位置で拘束を解除した。本例では基本形だけが、風速Ｌではどの位置でも立ち上らず風速Ｍでは立ち上がらない位置があった。
【００１８】
測定結果を風速L，M，Hについて図１０に示す。これらの図から、基本形の立ち上がりはいずれの風速でも大幅に遅く、特性が湾曲していることから、発生トルクは回転速度に依存することがわかり、分割翼の場合はいずれも周速比０から直線的に立ち上がっていることから、回転速度にあまり依存せず風速に応じたほぼ一定のトルクと風車自体の慣性モーメントに依存する立ち上がり特性になったと見ることができる。
【００１９】
しかしながら、到達する周速比は基本形が一番高く、いずれの分割翼もやや低下しており、図１４の広風速域での無負荷周速比の図で（Ｗ２０基本形）と（Ｗ２０  １／３分割翼）のグラフに示すように高風速域でも同様に約８％低下する傾向となっているが極端な劣化は見られない。
【００２０】
分割翼で実際に取り出せる出力パワーはどうなるか、実験風車にはマイクロモータしか接続していないので、下記の様にしてパワー係数の相対値であるパワー係数比で比較した。
（ＡＡ）一般に回転機のパワーがトルクと角速度の積で表せ、モータをブレーキとして使った場合、制動トルクはモータ電流に比例することを利用する。
（ＢＢ）最大出力は無負荷時の周速比を１００％としたとき、これを７０％に低下させる負荷とした時に得られるとの説に従い、風速Ｌ，Ｍ，Ｈでそれぞれ無負荷時の周速比が７０％に低下するように外部電源からモータに電流ブレーキをかけ、この電流値と角速度の積をブレーキパワーとして算出する。
（ＣＣ）実験風車の最外周直径と上下翼長の積を受風面積として、各風速の３乗に比例する風パワーを算出し、前記（ＢＢ）で求めたブレーキパワーを除して擬似パワー係数を求める。
（ＤＤ）図２に示す基本形で最大翼厚Ｗ＝２０ｍｍ，占有角４５度としたものが、風速Hの中にある時の前記擬似パワー係数を１として各種翼の擬似パワー系数を基準化し、相対値であるパワー係数比とする。
【００２１】
この結果分割翼（２ｂ）では基本形（１ｂ）よりトルクが増えていることが判明し、図１１のパワー係数のグラフに示すように、風速Lでは全ての分割翼が確実に基本形を上回っており、風速M，Hでは１／４および１／２分割翼では基本形よりやや下がっているものの、１／３分割翼では基本翼とほぼ同等のパワーが得られることがわかる。
【００２２】
なお、本実施例で使用した基本となる対称翼は、飛行機翼として形状等のデータが公開されているＮＡＣＡ２４１２翼形の、翼弦より下を削除し上側を折り返して図１に示す形状の直線対称翼としたものを、直交座標上のＸ軸を占有角度で示す角度に、Ｙ軸を中心軸からの半径とする極座標に変換して湾曲させたものである。この方法は対象翼に限らずほかの飛行機翼などを任意の半径で湾曲させる手法として便利である。
【実施例３】
【００２３】
図５に飛行機翼を基本形とした１実施例を示す。垂直軸風車翼として飛行機翼がそのまま使われる例も多い。図４に実施例３の基本形（１ａ）とした飛行機翼を示す。同図は約３度の仰え角を付けた飛行機用の直線翼の断面図である。迎え角については、図１に示す直線対称翼（１）やこれを湾曲させた図２に示す湾曲対称翼（１ｂ）の場合には迎え角はほぼ不要であるが、通常翼弦より上の厚みが大きい飛行機翼では仰え角を付けた方が、無負荷周速比やパワー係数比においてやや成績が良い。なお、対称翼の場合は仰え角をつけてもほとんど差はないが、マイナスの迎え角である俯角をつけると性能が劣化する傾向がある。
【００２４】
図５は図４の基本形を前縁からの長さＬｆで切断した先行部（３ａ）と、翼厚に対する翼弦の位置に関係なく、切断位置での翼厚のほぼ中央を起点として緩やかに膨らみ、後行部のほぼ半分位置で最大の膨らみとし、後縁で閉じる後行部（４ａ）とによる分割翼（２ａ）としたものである。
【００２５】
図５では飛行機翼の慣例に合わせて直交座標上で先行部の寸法を取ったが、これを垂直軸風車に使うと先行部（３ａ）の切断位置が極座標で切断した実施例１の図３とは上面・下面の切断位置で少し異なるが、翼の性能にはほとんど影響しない。重要なのは後行部が上面・下面の切断位置を結んだ切断面のほぼ中央を起点としていることである。これは切断位置を通り抜ける風が曲がらなければならないことと、できるだけ多くの風が通り抜けられることとを両立させるためである。
【００２６】
すなわち風の入り口と出口をほぼ同じ寸法とし、曲がらずに素通りする風を防ぎ、かつ最短の通路を作るためであり、例えば後行部の起点を先行部の内側に入りこむようにずらすと、素通りは確実に防げるが通路が長くなり、逆に起点を後ろにずらして切断面との間に隙間ができると素通りする風が増え、いずれも分割翼の性能を劣化させてしまう。この傾向はそれほど敏感ではないが、いずれの翼形状の場合でも切断位置における翼厚寸法の±１０％以内のずれに抑えることが望ましい。
【００２７】
具体的な例として、形状などのデータが公開され、飛行機や風車に使われているNACA４４１２翼形に、最大翼厚Ｗ＝１５ｍｍと占有角度４５度を適用して、翼弦長の比率をやや縮めた翼に本発明を実施し、分割位置（Ｌｆ）を翼弦長の１／３とした分割翼（２ａ）を実験風車に取り付けて調べた。
【００２８】
図１２に風速Ｌにおける立ち上がり特性を（Ｗ１５  基本形）と（Ｗ１５  １／３分割翼）に示す。この試験で基本形はどのような回転位置においても立ち上らないため、時間０においてかなり回っているように起動したので時間を比べることはできないが、同図に示すように分割翼の場合はは直線的に立ち上っており大幅に改善されていることがわかる。また到達する周速比は図１０の（Ｗ２０  １／３分割翼）とほぼ同様に基本形に比べてやや低下しており、図１４の広風速域の無負荷周速比では（Ｗ１５  １／３分割翼）はおよそ風速３ｍ／ｓまでは緩やかに低下しこれ以上では（Ｗ２０  １／３分割翼）とほぼ同じ特性となっているが、（Ｗ１５  基本形）からは約１０％低下している。
【００２９】
図１３の（Ｗ１５基本形）と（Ｗ１５  １／３分割翼）に示すパワー係数比ではＷ２０翼と同様に風速Ｌでは基本形を上回り、風速Ｍ，Ｈでは基本形とほば同じかやや高いパワーが得られることがわかる。Ｗ２０翼に比べて翼が薄くなったため、パワー係数比が相対的に低下しているが、Ｗ１５翼が悪いということではなく、Ｗ１５翼を使う場合は占有角度を広げるとか、翼の数を増やすなどの余地があることを示しているにすぎない。
【実施例４】
【００３０】
図６および図７に後行部の膨らみを無くした１実施例を示す。実施例１の図１の分割翼では後行部（４）の膨らみを薄くできることを記したが、これを推し進めると図６の（４ｄ）に示すように湾曲した平板としたり、（４ｃ）に示すように直線的な平板としたりすることができる。以後、後行部として膨らみのない平板を使った分割翼を分割平翼と呼ぶ。後行部（４ｃ）は先行部（３ｂ）の切断位置（Ｌｆ）で翼厚のほぼ中央の起点と、後縁を直線で結んだ平板としたもので、パワー係数比において（４ｄ）を使った分割平翼よりやや優れているようなので、最大翼厚Ｗ＝２０ｍｍ，占有角度４５度の分割平翼（２ｄ）として調べた。
【００３１】
この翼の立ち上がり特性を図１０の（Ｗ２０  １／３分割平翼）のグラフに示す。同図から明らかなように分割平翼は到達する無負荷周速比は他の分割翼にくらべてやや低下しており、図１３に示す広風速域の無負荷周速比では風速５ｍ／ｓ程度まで緩やかに低下し、以後は基本形に対し約１８％低下したまま推移している。しかし分割平翼は切断位置にに風が入りやすいためか、立ち上り特性はいずれの風速でも最も早いことがわかる。また図１１に示すＷ２０翼のパワー係数比では、（１／３分割平翼）は風速Ｍ，Ｈで（基本形）や（１／３先行翼）と同等としても、風速Ｌではこれらを大きく上回っていることがわかる。
【００３２】
別の例として図７は基本形として実施例２でも使用した飛行機翼を使った分割平翼（２ｃ）の例である。ここでは最大翼厚ｗ＝１５ｍｍ，占有角度＝４５度とし、同図で先行部の長さＬを翼弦長の１／６，１／３および２／３と大きく変化させた場合を調べた。図６との違いは翼厚のほかにＷ１５翼は湾曲翼ではなく、図７に示すように翼弦が直線のままの飛行機翼であることにより、平板（４ｃ）の角度が小さくなっていることである。またこの分割平翼は図４の基本形で説明した約３度の迎え角を付けて測定した。
【００３３】
この例の立ち上がり特性は、図１２で重なってしまったが（Ｗ１５  １／３分割平翼）と（Ｗ１５  １／６分割平翼）が共に最も早く、（Ｗ１５  ２／３分割平翼）は基本形よりは優れているが、どの回転位置でも立ち上らず、不十分な結果であった。また到達する無負荷周速比も基本形より低く、図１４の広風速域の無負荷周速比の（Ｗ１５  １／３分割平翼）に示すように、風速５ｍ／ｓ付近から上はなぜか（Ｗ２０  １／３分割平翼）とほぼ同じ特性で、基本形からはほぼ２０％低下する結果となった。図１３のパワー係数比では（１／３分割平翼）がいずれの風速でも最も優れ、風速Ｌでは（１／６分割平翼）が基本形を大きく超えているが（２／３分割平翼）ではは基本形に近い結果となった。
これらと実施例２の結果から、分割翼としては分割位置を翼弦長の１／６から１／２の間とするのが良く、以上の実験からは１／３付近が最も良い結果であった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】分割翼の基本的な動作を示す実施例１の翼断面図
【図２】湾曲翼を使用する場合の寸法などを定義する図
【図３】湾曲翼に適用した実施例２を示す図
【図４】直線翼を使用する場合の寸法などを定義する図
【図５】直線翼に適用した実施例３を示す図
【図６】湾曲翼に適用した実施例４を示す図
【図７】直線翼に適用した実施例４を示す図
【図８】停止または低速回転中の分割翼の動作図
【図９】周速比１で回転する分割翼の動作図
【図１０】Ｗ２０の湾曲翼の立ち上がり特性のグラフ
【図１１】Ｗ２０の湾曲翼のパワー係数比のグラフ
【図１２】Ｗ１５の直線翼の風速Ｌでの立ち上がり特性のグラフ
【図１３】Ｗ１５の直線翼のパワー係数比のグラフ
【図１４】広風速域の無負荷周速比のグラフ
【図１５】分割翼の支持具の一例を示す図
【符号の説明】
【００３５】
１：基本形とする揚力翼
１ａ：直線翼
１ｂ：湾曲翼
２：分割翼
２ａ：直線翼を基本形とした分割翼
２ｂ：湾曲用を基本形とした分割翼
２ｃ：後行部の翼厚を薄くした直線分割翼
２ｄ：後行部の翼厚を薄くした湾曲分割翼
３：先行部
３ａ：直線翼の先行部
３ｂ：湾曲翼の先行部
４：後行部
４ａ：直線翼の後行部
４ｂ：湾曲翼の後行部
４ｃ：厚みを薄くした直線後行部
４ｄ：厚みを薄くした湾曲後行部
５：先行部と後行部の間隔を維持するスペーサ
６：後行部に内装するスペーサ
７：締結部品
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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