JP4322845B2 - テーパ付きサボニウス垂直軸風車とジャイロミル垂直軸風車とそれを応用した風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、受風面が上下方向にテーパ形状をもったサボニウス垂直軸風車と、ジャイロミル垂直軸風車と、それを応用した風力発電装置に関するものである。

サボニウス風車は、微風でも回転し始めるという特徴があることで知られている。従来のサボニウス風車は、２枚以上の円弧形状のブレードを段違いに重ね合わせたスタイルの受風面で横から風を受けて回転するものである。しかしながら、微風でも回転し始めるという特徴を有する反面、強風時での出力効率が悪い側面があり、このエネルギーの大きい風速の高い風を利用するべく種々の改善が試みられている。

出力効率を改善するものとして、ブレードの内面と外面の形状を異なるものにした発明が知られており（例えば、特許文献１、特許文献２を参照。）、またブレードにねじりを与えたツイスト型サボニウス風車がウインドサイド社（フィンランド）により製造されている。

また、サボニウス風車の形状の違いによる性能検討がなされており、ブレード周りの気流の挙動解析が知られている（非特許文献１）。従来の研究成果から、サボニウス風車の形状の違いによる性能は、バッハ型と半円形（オーバラップ有）と半円形（オーバラップ無）の３つの形状のサボニウス風車を比較した場合、バッハ型が一番効率良く、次いで半円形（オーバラップ有）、そして半円形（オーバラップ無）となっている。

非特許文献１では、従来、バッハ型の一番効率が良いのは、その形状から、モーメントのかかる部分が半円型のものより外側にあるため、それだけトルクを得やすいためと考えられていたが、ブレード周りの気流の挙動解析から、バッハ型は、その形状から戻り側にバケットの直線部分があるため、半円型より受風バケットに流入しようとする気流の流れが多いことが指摘されている。また、半円型の場合、受風バケットに流入しようとする気流の流れを、戻り側のバケットの凸部が遮ろうとしてしまう（戻り運動時の抵抗の）ためにトルクが奪われ、効率が悪くなると指摘されている。

このように従来のサボニウス風車は、２枚以上の円弧形状のブレードを段違いに重ね合わせた形状のブレードを有しているが、そのブレードの上下方向（縦方向）は直線形状であり、受風面積は上下どの断面をとっても同じである。
一方、風は地上からの高さ方向（上下方向）で風速差があり、一般的には上側の風速が高く、勿論エネルギーも大きい。
従来のサボニウス風車では、上側のエネルギーの大きい高風速域の風を小さな受風面積を有する断面で受け、一方、下側のエネルギーの小さい低風速域の風から得られるエネルギーに対して、戻り運動時の抵抗が大きくなってしまい、風車の出力を増大させることができなかった。

特許公開平８−９３６２７号公報 特開２００３−２９３９２８号公報 第２２回風力エネルギーシンポジウム講演集「垂直軸風車の内部流れの可視化による性能評価」

上述した従来のサボニウス風車では、均一な風速の風には効率改善されているが、風速差の有る実際の風には不十分で、特に上側高速風と下側低速風のエネルギーをうまく吸収できず、出力減少となっていた。

また、風車自体が重いため軸受けへの抵抗が大きいことや、吹き降ろし風によるブレード周りの気流の乱れが抵抗となる問題があり、実際の風にあわせて、風受効率のよい風車が希求されていた。

本発明に係るサボニウス垂直軸風車は、風車の出力効率を更に向上させることを目指して、エネルギーの大きい風速の高い風を利用できること、及び風速の小さい領域において、戻り運動時の風による抵抗を少なくできることを課題とする。
出力効率の高いジャイロミル垂直軸風車を提供し、本発明に係るサボニウス垂直軸風車と複合させて風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、種々の試作品を作製し改良を重ねた結果、本発明に係るサボニウス垂直軸風車を完成した。
本発明に係るサボニウス垂直軸風車は、エネルギーの大きい風速の高い風を利用すること、及び風速の小さい領域において戻り運動時の風による抵抗を少なくするために、風車ブレードの上下方向（縦方向）に断面積の違いを付けるようブレードをテーパ形状とした。一般的には上側の風速が高いので、風車ブレードのテーパ形状を、上側の受風断面積を大きくし、下側の受風断面積を小さくなるようにする。もし、風速差が上下逆の地点（上側の風速が低く、下側の風速が高い）の場合は、風車ブレードのテーパ形状を下側の受風断面積を大きくし、上側の受風断面積を小さくする。
そして、本発明に係るサボニウス垂直軸風車は、構造上、ブレードが一回転する間に、風によりエネルギーを得る運動と、風に反抗して回転する戻り運動を行うようにした。

本発明の第１の観点からは、一対の受風面体１が上下方向にテーパ形状を持つようにし、揚力発生スプリッタ１３を有せしめ、ブレード断面厚肉流線形に形成されていることを特徴とするサボニウス垂直軸風車が提供される。
一対の受風面体１が上下方向にテーパ形状を持つため、上下に風速差の有る風に対応でき、高速風と低速風のエネルギーをうまく吸収して出力を上げることができる。すなわち、テーパ形状とすることにより、ブレードの上下方向（縦方向）に断面積の違いを付けることができるのである。
また、揚力発生スプリッタを設けたのは、ブレードの補強のためと、上昇気流による揚力で軸受け負荷の低減を図ると共に、起動時のトルクも低減するためである。

ここで、好ましくは、本発明の第１の観点に係るサボニウス垂直軸風車は、ブレード上下方向にねじれ、又は、ずれを生ぜしめる構造、若しくは、ずれとねじれを生ぜしめる構造を備える。
ブレード上下方向にねじれやずれを設けることで、あらゆる風向にも対処でき、また、受風面体に向かおうとする流れを発生させることができる。

また、受風面体１は、カーボン素材のＦＲＰブレードから成ることが好ましい。
カーボン素材のＦＲＰブレードとすることで、ブレードを軽量で頑丈なものにして、突風や強風にも耐えられる利点があると共に、風車自体の軽量化につながり軸受け負荷の低減が図れることになる。

また、本発明の第２の観点からは、ジャイロミル垂直軸風車の風車翼の翼弦長が、回転周長に占める翼の長さの比（ソリディティ）が0.18〜0.20になるように設計されていることを特徴とするジャイロミル垂直軸風車が提供される。ここで、風車翼の厚さは、風車翼の翼厚比が0.2になるように設計されていることが好ましい。風車効率を最大限に高めることが可能となるからである。
また、風車翼の翼の反りは、５％になるように設計されていることが好ましい。低風速地域においても起動力を得ることができ、かつ、低回転域での回転性能を考慮したものである。

また、本発明の第３の観点からは、サボニウス風車が軸機構（クラッチ）を介してジャイロミル垂直軸風車と軸連結され、サボニウス垂直軸風車の出力を用いて、軸連結されたジャイロミル垂直軸風車の起動を補助し、かつ、それぞれの軸回転の方向を逆にして，それぞれの軸回転を発電機に伝えるようにして発電出力を増やすことを特徴とする風力発電装置が提供される。

サボニウス風車は、面積効力を利用しており、起動性が良く微風でも大きなトルクを発生する反面、風車の出力効率が低いという特質を有する。一方、ジャイロミル垂直軸風車は、翼揚力を利用しており、風車の起動性能は低い反面、揚力を利用できるため風車の出力効率が高いという特質を有する。サボニウス風車とジャイロミル垂直軸風車を軸機構（クラッチ）で連結することにより、ハイブリッドな複合風車として、低風速でも回転でき出力効率の高い風力発電装置とするものである。それぞれの風車の特性を生かし、風力発電装置の発電効率を向上させるものである。
また、稼動効率、発電効率の向上が期待できる本発明に係るテーパ付サボニウス垂直軸風車を用いることで、低風速でも回転でき出力効率の高い風力発電装置を実現することとしたものである。

ここで、サボニウス風車とジャイロミル垂直軸風車を連結する軸機構（クラッチ）は、ジャイロミル垂直軸風車の初期回転を補助し、かつ、回転数が上がるとその回転補助を切断する軸機構を有することが好ましい。ジャイロミル垂直軸風車が定常回転となると、サボニウス風車の軸回転より高速となり、サボニウス風車の軸回転が負荷となることが想定されるため、回転数が上がるとその回転補助を切断する軸機構としたものである。
サボニウス風車の起動力を、中間に置いた軸機構（クラッチ）を介して、ジャイロミル垂直軸風車やダリウス垂直軸風車などの揚力形風車に伝動させ、揚力形風車が一定の回転力を得たところで、サボニウス風車を切り離すのである。

本発明に係るサボニウス垂直軸風車では、一対の受風面体１が上下方向にテーパ形状を持ち、揚力発生スプリッタ１３を有し、ブレード断面厚肉流線形に形成されているので、上下に風速差の有る風に対応し、高速風と低速風のエネルギーをうまく吸収して出力を上げることができる。つまり、エネルギーの大きい風速の高い風を利用でき、また、風速の小さい領域において、戻り運動時の風による抵抗を少なくできる効果を有する。

また、本発明に係るサボニウス垂直軸風車と出力効率の優れたジャイロミル垂直軸風車を軸機構（クラッチ）で連結することにより、ハイブリッドな複合風車として、低風速でも回転でき出力効率の高い風力発電装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。

以下、本発明に係るサボニウス垂直軸風車の実施の一形態として、図１と図２により詳細に説明する。図１は本発明に係るサボニウス垂直軸風車の正面図である。また、図２は本発明に係るサボニウス垂直軸風車の受風面体の１つについて、その断面図（ａ）と側面からの外観図（ｂ）を示したものである。特に、図２（ａ）は、受風面体の断面の様子を、下部端の位置（図２のＡ）、高さの１／３の位置（図２のＢ）、高さの２／３の位置（図２のＣ）、上部端の位置（図２のＤ）の４箇所について、その断面形状と真上から見た配置を示したものである。

図１の正面図で、１は一対の受風面体であって、上部面は広く、下部面は狭く、全体として逆テ―パ形状となされ、上下方向にずれが生じ螺旋状に１８０度ねじれている。即ち、受風面体１は風車の旋回中心の回りに１／２回転して設けられている。このことは、図２（ａ）断面図、（ｂ）側面の外観図からも理解できる。
図２の（ａ）は、一対の受風面体１の一方に着目して、図２の（ｂ）に示す下部端の位置（Ａ）、高さの１／３の位置（Ｂ）、高さの２／３の位置（Ｃ）、上部端の位置（Ｄ）の４箇所における受風面体の断面形状を示している。Ａ断面が下部端のもので、Ｂ断面が高さの１／３の位置のもので、Ｃ断面が高さの２／３の位置のもので、Ｄ断面が上部端のものである。Ａ断面からＤ断面と断面形状が相似的に大きくなり、また、下部端から上部端旋にかけて、風車の旋回中心の回りに１／２回転するように配設されているのが理解できる。この受風面体１のねじれは、スムーズな回転と、風切り音など騒音が少ないという効果をもたらす。

受風面体１の上下方向の中途には、揚力発生スプリッタ１３と揚力発生スプリッタ１４の２段が設けられている。２は上部端板、３は下部端版であり、前記一対の受風面体１の上部面１１と下部面１２とを挟み込み、一体化している。

４は軸受けであって、サボニウス垂直軸風車の重量を支えて、回転自在としている。前記揚力発生スプリッタ１３，１４が回転時に揚力を発生して軸受けへの負担を軽くする。

受風面体１は、ブレード断面厚肉流線形に形成されており、前記揚力発生スプリッタ１３，１４とともに風によるブレード周りの気流状況を良好にしている。カーボン素材のＦＲＰ製であって、軽量且つ頑丈に厚肉成形されている。

次に、図３に本発明に係る風力発電装置の外観図を示す。本実施例では、サボニウス垂直軸風車とジャイロミル垂直軸風車の複合風車の構成としている。

５は軸の回転を伝達もしくは遮断するクラッチである。６は両面ツインローター発電機であり、サボニウス垂直軸風車の回転で発電する。７はジャイロミル垂直軸風車である。８は補助太陽電池であり、９は支持フレームである。

上記構造の垂直軸風車装置では、逆テーパ形状のツイスト受風面体１の上半分が上側高速風を受け、下半分が下側低速風を受けるので、風エネルギーの吸収が良い。揚力発生スプリッタ１３，１４が旋回によって風車自体の重さを軽減し軸受け４への負担を軽くする。微風でも始動しやすいサボニウス垂直軸風車は、クラッチ５および発電機６を介して始動し難いジャイロミル垂直軸風車７を回してやることで、発電効率が良くなる。

ジャイロミル垂直軸風車が高速回転し始めれば、クラッチ５を切ってサボニウス風車の回転をフリーとし、ジャイロミル垂直軸風車のみでの発電とする。

ここで、ジャイロミル垂直軸風車の風車翼の翼弦長は、ソリディティσ＝0.18になるように翼弦長を設計することが好ましい。ソリディティσは、回転周長に占める翼の長さの比を表すもので、回転半径と翼枚数が決まれば、σ＝0.18になるように翼弦長を決めることができるのである。図５は、ジャイロミル垂直軸風車の風車翼のソリディティσをパラメータとして、風車効率と周速比の関係を表したグラフである。なお、図５のグラフは、実際に発明者が行った翼の揚力・効力特性の実験結果に基づいたものである。

また、ジャイロミル垂直軸風車の風車翼の厚さは、風車翼の翼厚比β＝0.2（20％）になるように翼の厚さを設計することが好ましい。風車翼の翼厚比βは、弦長と翼厚みの比を表すので、翼弦長が決まれば、β＝0.2になるように翼の厚さを決めることができるのである。図６は、ジャイロミル垂直軸風車の風車翼の翼厚比βをパラメータとして、風車効率と周速比の関係を表したグラフである。なお、図６のグラフは、実際に発明者が行った翼の揚力・効力特性の実験結果に基づいたものであり、該グラフによれば、翼厚比β＝0.2（20％）で最高効率を示すことが理解できる。

さらに、ジャイロミル垂直軸風車の風車翼の翼の反りは、低回転域での回転性能のよい、反り５％の翼が好ましい。翼反りλ＝0（0％）で最高効率を示すのであるが、この反り０％の翼は起動力がほとんど無く、低風速地域には不向きであるため、低風速地域においては最高効率が多少低下するものの、低回転域での回転性能のよい、反り５％の翼のほうが好ましいからである。図７に、ジャイロミル垂直軸風車の風車翼の翼反りλをパラメータに，風車効率と周速比の関係を求めたグラフを示す。図７のグラフから、翼反りλ＝0（0％）で最高効率を示すことが分かるが、この反り０％の翼は起動力がほとんど無く、低風速地域には不向きであることが理解できる。

図４の（ａ）と（ｂ）は、本発明の実施例２の形状を示し、この実施例２の逆テ―パ形状の受風面体１はねじれておらず直線的である。
上部面１１が広く風を受けやすく、下部面１２が狭くなされているのは前記実施例と同じであるが、ブレード上下方向にねじれが無いので、わかりやすい形状になっている。

図４（ｂ）に示す如く、受風面体１の大きめの上端面１１０と小さめの下端面１２０との間には、風車の旋回中心側への、ずれがあり、上部端板２の径は大きく下部端板３の径は小さい。揚力発生スプリッタ１３，１４は前記実施例と同様に上下に２段設けられており、旋回時に上向きに力を発生して軸受け４への負担を軽減している。揚力発生スプリッタ１３，１４は風車の旋回方向に対して水平もしくは仰角を持たせるのが良い。

このような構造のサボニウス垂直軸風車は、上下方向に風速差の有る風のエネルギーをよく吸収し、スムーズな回転を得ることができる。

本発明に係るサボニウス垂直軸風車は、稼動効率が良く、また小型で騒音が少ないので、低層・高層の建築物における自家発電システムとして利用できる。また、発電効率も良く、外灯などの屋外灯の発電用装置や、高速道路や橋梁等の発電システムとしても有用である。

本発明の実施例１に係るサボニウス垂直軸風車の正面図。 本発明に係る実施例１のサボニウス垂直軸風車の受風面体の１つについて、その断面図（ａ）と側面からの外観図（ｂ）を示したものである。 本発明に係る風力発電装置の外観図である。 本発明の実施例２の外観形状を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）平面図である。 ジャイロミル垂直軸風車の風車翼のソリディティσをパラメータとして、風車効率と周速比の関係を表したグラフである。 ジャイロミル垂直軸風車の風車翼の翼厚比βをパラメータとして、風車効率と周速比の関係を表したグラフである。 ジャイロミル垂直軸風車の風車翼の翼反りλをパラメータに，風車効率と周速比の関係を表したグラフである。

符号の説明

１ 受風面体
２ 上部端板
３ 下部端板
４ 軸受け
５ 軸機構（クラッチ）
６ 両面ツインローター発電機
７ ジャイロミル垂直軸風車
８ 補助太陽電池
９ 支持フレーム
１１ 上部面
１２ 下部面
１３ 揚力発生スプリッタ
１４ 揚力発生スプリッタ
１１０ 上端面
１２０ 下端面

Claims (10)

1. 一対の受風面体１が上下方向にテ―パ形状を持ち、上昇気流により揚力を発生させ起動時のトルクを低減させ得る揚力発生スプリッタ１３を有し、ブレード断面厚肉流線型に形成されていることを特徴とするサボニウス垂直軸風車。
2. 一対の受風面体１が上下方向にテーパ形状を持ち、上昇気流により揚力を発生させ起動時のトルクを低減させ得る揚力発生スプリッタ１３を有し、ブレード上下方向にねじれを生ぜしめ、ブレード断面厚肉流線型に形成されていることを特徴とするサボニウス垂直軸風車。
3. 一対の受風面体１が上下方向にテ―パ形状を持ち、上昇気流により揚力を発生させ起動時のトルクを低減させ得る揚力発生スプリッタ１３を有し、ブレード上下方向にずれを生ぜしめ、ブレード断面厚肉流線型に形成されていることを特徴とするサボニウス垂直軸風車。
4. 一対の受風面体１が上下方向にテ―パ形状を持ち、上昇気流により揚力を発生させ起動時のトルクを低減させ得る揚力発生スプリッタ１３を有し、ブレード上下方向にずれとねじれを生ぜしめ、ブレード断面厚肉流線型に形成されていることを特徴とするサボニウス垂直軸風車。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の受風面体１がカーボン素材のＦＲＰブレードとなされたことを特徴とするサボニウス垂直軸風車。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載のサボニウス垂直軸風車が、軸機構（クラッチ）を介して、ジャイロミル垂直軸風車と軸連結され、前記サボニウス垂直軸風車の出力を用いて、軸連結された前記ジャイロミル垂直軸風車の起動を補助し、かつ、それぞれの軸回転の方向を逆にして，それぞれの軸回転を発電機に伝えるようにして発電出力を増やすことを特徴とする前記サボニウス垂直軸風車を利用した風力発電装置。
7. 前記ジャイロミル垂直軸風車の初期回転を補助し、かつ、回転数が上がるとその回転補助を切断する軸機構を有することを特徴とする請求項６に記載の前記サボニウス垂直軸風車を利用した風力発電装置。
8. 前記ジャイロミル垂直軸風車の風車翼の翼弦長が、回転周長に占める翼の長さの比（ソリディティ）が0.18〜0.20になるように設計されていることを特徴とする請求項６に記載の前記サボニウス垂直軸風車を利用した風力発電装置。
9. 前記ジャイロミル垂直軸風車の風車翼の厚さが、風車翼の翼厚比が0.2になるように設計されていることを特徴とする請求項８に記載の前記サボニウス垂直軸風車を利用した風力発電装置。
10. 前記ジャイロミル垂直軸風車の風車翼の翼の反りが、５％になるように設計されていることを特徴とする請求項９に記載の前記サボニウス垂直軸風車を利用した風力発電装置。