JP7089848B2 - Vertical axis wind turbine and wind power generator - Google Patents
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Description
この発明は、この発明は、垂直主軸を持つ垂直軸風車、およびこの垂直軸風車を備えた風力発電装置に関する。 The present invention relates to a vertical axis wind turbine having a vertical spindle, and a wind power generator including the vertical axis wind turbine.
風力発電装置に用いられる風車は、水平軸式と垂直軸式とに大別される。垂直軸式は、風向を問わずに回転力が得られて、風向に対する制御が不要なことから、比較的小型の風車に用いられることが多い。垂直軸式の風車において、翼の形状によって発電量が左右することが知られており、効率の良い発電が可能な翼の開発が進められている。その一つとして、翼端にウイングレットを設けた翼がある(例えば特許文献1~4)。ウイングレットは、先端側を垂直主軸に近づけるよう傾斜させた翼端板のことである。ウイングレットを設けることで、翼端での渦の発生が抑制される。これにより、風から受けるエネルギーを回転エネルギーに変換する回転エネルギー変換効率を向上させることができると共に、風切り音による騒音を低減することができる。
Wind turbines used for wind power generation equipment are roughly classified into horizontal shaft type and vertical shaft type. The vertical axis type is often used for relatively small wind turbines because it can obtain rotational force regardless of the wind direction and does not require control of the wind direction. It is known that the amount of power generation of a vertical axis type wind turbine depends on the shape of the blade, and the development of a blade capable of efficient power generation is underway. One of them is a wing provided with a winglet at the tip of the wing (for example,
上述のウイングレットの効果は経験的には知られているが、翼全体の形状とウイングレットの形状とがどのように関係するのか、またウイングレットをどのような形状にすれば最適な効果が得られるのかについて、まだ十分には研究されていない事項がある。例えば、翼の全長に対するウイングレットの長さの割合と、前記回転エネルギー変換効率との関係が明確化されていなかった。このため、従来のウイングレットを備えた垂直軸風車は、回転エネルギー変換効率が十分とはなっていない。 The effect of the above-mentioned winglet is known empirically, but how is the shape of the entire wing related to the shape of the winglet, and what shape of the winglet should be used to obtain the optimum effect? There are some things that have not been fully researched yet. For example, the relationship between the ratio of the length of the winglet to the total length of the wing and the rotational energy conversion efficiency has not been clarified. Therefore, the vertical axis wind turbine equipped with the conventional winglet does not have sufficient rotational energy conversion efficiency.
この発明の目的は、回転エネルギー変換効率が良いように、翼の全長に対するウイングレットの長さの割合が最適とされた垂直軸風車を提供することである。
この発明の他の目的は、発電効率が良い風力発電装置を提供することである。
An object of the present invention is to provide a vertical axis wind turbine in which the ratio of the length of the winglet to the total length of the blade is optimized so that the rotational energy conversion efficiency is good.
Another object of the present invention is to provide a wind power generation device having good power generation efficiency.
この発明の垂直軸風車は、回転自在に設けられる垂直主軸と、この垂直主軸に設けられた支持体と、前記垂直主軸に前記支持体を介して連結され風を受けて前記垂直主軸の軸心回りに回転する翼とを備え、
前記翼は、前記垂直主軸と平行に延びる主翼部と、この主翼部の両端部から前記垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びるウイングレットとを有し、前記主翼部および前記ウイングレットにわたり前記翼の横断面形状は、前記翼の回転進行方向の前端寄りの箇所で径方向の厚みが最も厚くなるように、径方向外側ないし内側の面が前記翼の回転進行方向の前後両端から次第に径方向の外側ないし内側に膨らんでいる形状であり、前記ウイングレットは、先端側へ行くに従い径方向外側の面の膨らみ量が次第に小さくなる形状であり、かつ前記ウイングレットは、先端側へ行くに従い前記翼の回転進行方向の幅が狭くなる形状であり、
前記翼全体の前記軸心方向の長さの半分の長さに対する前記ウイングレットの前記軸心方向の長さの割合が10%から20%の範囲内であることを特徴とする。
The vertical axis wind turbine of the present invention has a rotatably provided vertical spindle, a support provided on the vertical spindle, and the axis of the vertical spindle connected to the vertical spindle via the support and receiving wind. Equipped with wings that rotate around,
The wing has a main wing portion extending parallel to the vertical main axis and a winglet extending diagonally from both ends of the main wing portion toward the vertical main axis, and the wing crosses the main wing portion and the winglet. As for the surface shape, the outer or inner surface in the radial direction is gradually outer in the radial direction from the front and rear ends in the rotation traveling direction of the wing so that the thickness in the radial direction becomes the thickest at the portion near the front end in the rotation traveling direction of the wing. The winglet has a shape that bulges inward, and the winglet has a shape in which the amount of bulge on the outer surface in the radial direction gradually decreases toward the tip side, and the winglet has a shape in which the rotation of the wing progresses toward the tip side. It has a shape that narrows the width in the direction.
It is characterized in that the ratio of the length of the winglet in the axial direction to the half length of the entire blade in the axial direction is in the range of 10% to 20%.
前記翼全体の前記軸心方向の長さの半分の長さに対する前記各ウイングレットの前記軸心方向の長さの割合は、より好ましくは16%から18%の範囲内である。 The ratio of the axial length of each winglet to half the axial length of the entire wing is more preferably in the range of 16% to 18%.
ウイングレットは、翼端渦の抑制を目的とする部位であるが、翼の全長とウイングレットの長さとの割合が、風エネルギーを翼の回転エネルギーに変換する回転エネルギー変換効率に影響する。 The winglet is a part intended to suppress the wing tip vortex, but the ratio of the total length of the wing to the length of the winglet affects the rotational energy conversion efficiency of converting wind energy into the rotational energy of the wing.
翼の全長とウイングレットの長さとの割合と、回転エネルギー変換効率との関係につき流体解析を行ったところ、翼全体の軸心方向の長さの半分の長さに対するウイングレットの長さの割合が17%前後で回転効率が最も高く、これよりも大きくなっても小さくなっても回転エネルギー変換効率が低下することが判った。また、前記割合が10%から20%の範囲内では、ある程度高い回転効率が保持されることが判った。このことから、翼の全長に対するウイングレットの長さの割合は、10%から20°の範囲内が好ましく、16%から18°の範囲内がより好ましいと言える。 A fluid analysis of the relationship between the total length of the wing and the length of the winglet and the rotational energy conversion efficiency revealed that the ratio of the length of the winglet to half the length of the entire wing in the axial direction was 17 It was found that the rotational efficiency was the highest at around%, and that the rotational energy conversion efficiency decreased regardless of whether it was larger or smaller than this. Further, it was found that a certain high rotational efficiency was maintained when the ratio was in the range of 10% to 20%. From this, it can be said that the ratio of the length of the winglet to the total length of the wing is preferably in the range of 10% to 20 °, and more preferably in the range of 16% to 18 °.
この発明において、前記主翼部に対する前記ウイングレットの折れ曲がり角度が20°から55°の範囲内であるのが良い。
ウイングレットの折れ曲がり角度が上記範囲内にある場合に、前記作用・効果がよく現れる。
In the present invention, the bending angle of the winglet with respect to the main wing portion is preferably in the range of 20 ° to 55 °.
When the bending angle of the winglet is within the above range, the above-mentioned action / effect often appears.
この発明の風力発電装置は、前記垂直軸風車と、この垂直軸風車の前記垂直主軸の回転で発電する発電機とを備える。
この風力発電装置に用いられる垂直軸風車は、上述したように、回転エネルギー変換効率が良い。このため、この風力発電装置は、発電効率が良い。
The wind power generator of the present invention includes the vertical axis wind turbine and a generator that generates electricity by the rotation of the vertical spindle of the vertical axis wind turbine.
As described above, the vertical axis wind turbine used in this wind power generation device has good rotational energy conversion efficiency. Therefore, this wind power generation device has good power generation efficiency.
この発明の垂直軸風車は、回転自在に設けられる垂直主軸と、この垂直主軸に設けられた支持体と、前記垂直主軸に前記支持体を介して連結され風を受けて前記垂直主軸の軸心回りに回転する翼とを備え、前記翼は、前記垂直主軸と平行に延びる主翼部と、この主翼部の両端部から前記垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びるウイングレットとを有し、前記主翼部および前記ウイングレットにわたり前記翼の横断面形状は、前記翼の回転進行方向の前端寄りの箇所で径方向の厚みが最も厚くなるように、径方向外側ないし内側の面が前記翼の回転進行方向の前後両端から次第に径方向の外側ないし内側に膨らんでいる形状であり、前記ウイングレットは、先端側へ行くに従い径方向外側の面の膨らみ量が次第に小さくなる形状であり、かつ前記ウイングレットは、先端側へ行くに従い前記翼の回転進行方向の幅が狭くなる形状であり、前記翼全体の前記軸心方向の長さの半分の長さに対する前記ウイングレットの前記軸心方向の長さの割合が10%から20%の範囲内であるため、回転エネルギー変換効率が良い。 The vertical axis wind turbine of the present invention has a rotatably provided vertical spindle, a support provided on the vertical spindle, and the axis of the vertical spindle connected to the vertical spindle via the support and receiving wind. The wing comprises a wing that rotates around, the wing having a wing portion extending parallel to the vertical spindle and a winglet extending diagonally from both ends of the wing portion toward the vertical spindle. The cross-sectional shape of the wing over the portion and the winglet has the radial outer or inner surface in the direction of rotation of the wing so that the thickness in the radial direction is the thickest at the portion near the front end in the direction of rotation of the wing. The winglet has a shape that gradually bulges outward or inward in the radial direction from both front and rear ends, and the winglet has a shape in which the amount of bulge on the outer surface in the radial direction gradually decreases toward the tip side, and the winglet has a tip. The width of the wing in the rotational traveling direction becomes narrower toward the side, and the ratio of the length of the winglet in the axial direction to half the length of the entire wing in the axial direction is 10. Since it is in the range of% to 20%, the rotational energy conversion efficiency is good.
この発明の垂直軸風車は、前記垂直軸風車と、この垂直軸風車の前記垂直主軸の回転で発電する発電機とを備えるため、発電効率が良い。 Since the vertical axis wind turbine of the present invention includes the vertical axis wind turbine and a generator that generates electricity by the rotation of the vertical spindle of the vertical axis wind turbine, the power generation efficiency is high.
この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1はこの発明の一実施形態に係る垂直軸風車を備えた風力発電装置の正面図、図2はその平面図である。地面に築かれた基礎1に鉄塔2が構築され、この鉄塔2の上に風力発電装置3が設置されている。風力発電装置3は、垂直軸風車4と、この垂直軸風車4の垂直主軸5の回転で発電する発電機6と、その他の配電用、制御用等の機器とを備える。垂直主軸5は上下方向に沿って延びる軸であって、軸受によって回転自在に支持され、下部が発電機6に連結されている。垂直主軸5、発電機6、および他の機器は、カバー7によって覆われている。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a front view of a wind power generator provided with a vertical axis wind turbine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof. A
垂直軸風車4は、前記垂直主軸5に支持体8を介して複数の翼9が取り付けられている。図の例では、翼9の数が2つであり、それぞれの翼9は垂直主軸5を中心として180°位相の異なる位置に設けられている。翼9の数は3つ以上であってもよい。支持体8は、垂直主軸5の上端に水平に固定された1本の水平アーム8aと、この水平アーム8aの中央部付近からそれぞれ図の左右両側に向かって上向きの斜め方向および下向きの斜めに延びる計4本の斜めアーム8bとからなる。水平アーム8aの左端および左側の2本の斜めアーム8bの先端に左側の翼9が結合され、水平アーム8aの右端および右側の2本の斜めアーム8bの先端に右側の翼9が結合されている。垂直軸風車4は、風を受けると、垂直主軸5の軸心Oの回りに図2の矢印方向に回転する。
In the vertical
図3(A),(B)は翼9の正面図と側面図である。翼9は、垂直主軸5(図1参照)と平行、すなわち上下方向に沿って延びる主翼部10と、この主翼部10の上下両端からそれぞれ垂直主軸5の側に斜めに折れ曲がって延びる上下のウイングレット11とからなる。ウイングレット11は直線状に延びていてもよく、曲線状に延びていてもよい。曲線状である場合、その曲線は、円弧状であっても、曲率が異なる複数の円弧が組み合わされたものであってもよい。上下のウイングレット11は、主翼部10の長手方向中間部の中心線CLに対し、線対称となる同一形状に形成されている。
3 (A) and 3 (B) are a front view and a side view of the
なお、以下の説明では、垂直主軸5の軸心方向を「上下方向」とする。また、垂直主軸5の軸心Oを中心として径方向の外径側を「外側」、内径側を「内側」とする。また、垂直軸風車4が図2の矢印方向に回転するときに翼9が進行する側を「前側」、その反対側を「後側」とする。翼9の回転進行方向は、後述する翼9の断面形状によって決まる。
In the following description, the axial direction of the
図3(A)に示すように、主翼部10の断面形状および断面寸法は上下全域にわたって一定であり、ウイングレット11は先端側に行くに従って厚みが薄くなっている。但し、主翼部10およびウイングレット11のいずれについても、後で説明するように回転進行方向の位置によって厚みが異なっている。先に述べたウイングレット11の厚みは、回転進行方向の最大厚み部の厚みについてである。
As shown in FIG. 3A, the cross-sectional shape and the cross-sectional dimension of the
図3(B)に、主翼部10およびウイングレット11の最大厚み部の位置が線A1,A2で示されている。主翼部10の最大厚み部を示す線A1は直線である。ウイングレット11の最大厚み部を示す線A2は、ウイングレット11の上下方向の最先端の位置である頂点位置Pによって変わる。頂点位置Pは線A2上に位置する。図3(B)に示す例のように、頂点位置Pが主翼部10の最大厚み部を示す線A1の延長線上に位置する場合、ウイングレット11の最大厚み部を示す線A2は直線となる。頂点位置Pが主翼部10の最大厚み部を示す線A1の延長線からずれている場合、ウイングレット11の最大厚み部を示す線A2は、主翼部10の最大厚み部を示す線A1に対して曲がった線となる。この場合、線A2は曲線であっても直線であってもよいが、いずれの場合も、線A1の先端と線A2の基端とは、その繋がり部が滑らかに繋がっているのが望ましい。
In FIG. 3B, the positions of the maximum thickness portions of the
図3(B)の部分拡大図である図4(B)に示すように、主翼部10は、前後の縁13F,13Rが直線で形成され、回転進行方向の幅B1が一定である。ウイングレット11の前後の縁14F,14Rは、主翼部10の前後の縁13F,13Rとそれぞれ滑らかに繋がる曲線で形成されており、回転進行方向の幅は先端側へ行くに従い連続的に徐々に狭くなっている。ウイングレット11の前後の縁14F,14Rは互いに滑らかに繋がり、その繋がり部が前記頂点位置Pとなる。ウイングレット11の前後の縁14F,14Rをなす曲線は、例えば円弧、楕円弧からなる。前記縁14F,14Rを成す曲線は、単一の曲線であってもよく、複数の曲線が組み合わされていてもよい。また、前後の縁14F,14Rは、直線と曲線を組み合わせて構成されていてもよい。
As shown in FIG. 4 (B), which is a partially enlarged view of FIG. 3 (B), the front and
図3(A)の部分拡大図である図4(A)に示すように、ウイングレット11は、主翼部10の上下両端に続く曲がり部11aと、この曲がり部11aから斜めに延びる傾斜部11bとからなる。主翼部10の前側の縁13Fは正面視で直線状である。ウイングレット11の前側の縁14Fは、この例では、曲がり部11aでは主翼部10の縁14Fに滑らかに繋がる円弧状で、傾斜部11bでは直線状である。主翼部10およびウイングレット11の後側の縁13R,14Rは、正面視で前側の縁13F,14Fと同位置に重なる。
As shown in FIG. 4 (A), which is a partially enlarged view of FIG. 3 (A), the
主翼部10の外側面15とウイングレット11の曲がり部11aの外側面16aとが滑らかに繋がり、ウイングレット11の曲がり部11aの外側面16aと傾斜部11bの外側面17とが滑らかに繋がっている。曲がり部11aの外側面16aと傾斜部11bの外側面16bとで、ウイングレット11の外側面16を構成する。図3(A),図4(A)における主翼部10およびウイングレット11の外側の外形線は、図3(B),図4(B)における線A1,A2に相当し、主翼部10およびウイングレット11の最大厚み部を示す。図4(A)に示す正面視において、主翼部10の外側の外形線は直線状であり、ウイングレット11の外側の外形線は、曲がり部11aでは円弧状、傾斜部11bでは前記円弧に滑らかに繋がる曲線または直線である。
The
また、主翼部10の内側面17とウイングレット11の曲がり部11aの内側面18aとが滑らかに繋がり、ウイングレット11の曲がり部11aの内側面18aと傾斜部11bの内側面18bとが滑らかに繋がっている。この例では、ウイングレット11の傾斜部11bの内側面18bは、先端部分を除いて平面状で、先端部は曲面状である。曲がり部11aの内側面18aと傾斜部11bの内側面18bとで、ウイングレット11の内側面18を構成する。
Further, the
図5(A),(B),(C)は、図4(B)のVA-VA断面図、VB-VB断面図、およびVC-VC断面図である。これらの各断面図では、主翼部10およびウイングレット11が中実で示されているが、実際には、軽量化のためにさまざまな材料により構成されている。例えば、繊維強化樹脂等により中空状に形成されるか、または発泡体やアルミ等の軽量な材料で形成されている。
5 (A), (B), and (C) are a VA-VA sectional view, a VB-VB sectional view, and a VC-VC sectional view of FIG. 4 (B). In each of these cross-sectional views, the
図5(A),(B),(C)に示すように、主翼部10およびウイングレット11は、回転進行方向の前端寄りの箇所で径方向の厚みが最も厚くなるように、外側面15,16(16a,16b)と内側面17,18(18a,18b)が、翼弦長19に対して、前後両端から次第に径方向の外側と内側に膨らんでいる形状である。前記翼弦長19は、翼9の前端QFおよび後端QRを通る直線を指す。言い換えると、外側面15,16は、翼弦長19に対して外側に膨らんでおり、内側面17,18は翼弦長19に対して内側に膨らんでいる。外側面15,16および内側面17,18の片方だけが翼弦長19に対して膨らむ形状であってもよい。
図5の例の場合、主翼部10およびウイングレット11の内側面17,18(18a、18b)は、前端付近は内側に膨らむ曲線状で、この曲線状部分の端から後端にかけて直線状となっているが、前端から後端にかけて全体が曲線によって径方向の内側に膨らんだ形状であってもよく、また径方向の中央部分が凹んだ形状であってもよい。なお、翼9の回転軌跡Cは、翼9の前端QFおよび後端QRが通る軌跡である。
As shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, the
In the case of the example of FIG. 5, the inner side surfaces 17, 18 (18a, 18b) of the
図5(A)に示すように、主翼部10の外側面15および内側面17の前端側は滑らかな曲面で互いに繋がっており、この曲面上に主翼部10の前端QFが位置する。また、外側面15および内側面17の後端側は互いに鋭角をなして交差しており、この交差部が主翼部10の後端QRとなる。同様に、図5(B),(C)に示すように、ウイングレット11の外側面16(16a,16b)および内側面18(18a,18b)の前端側は滑らかな曲面で互いに繋がっており、この曲面上にウイングレット11の前端QFが位置する。また、外側面16および内側面18の後端側は互いに鋭角をなして交差しており、この交差部がウイングレット11の後端QRとなる。
As shown in FIG. 5A, the
主翼部10の先端の断面形状とウイングレット11の基端の断面形状は、互いに同じである。ウイングレット11における傾斜方向の各部の断面形状は、傾斜方向の位置によって寸法のみが変化する相似形であってもよく、寸法だけでなく形状も変化する非相似形であってもよい。この実施形態では、主翼部10およびウイングレット11の最大厚み部の位置が回転進行方向の同位置にあるため、ウイングレット11における傾斜方向の各部の断面形状が互いにほぼ相似形となるが、主翼部10の最大厚み部の位置に対してウイングレット11の最大厚み部の位置が回転進行方向にずれている場合、ウイングレット11における傾斜方向の各部の断面形状が互いに相似形とならない。
The cross-sectional shape of the tip of the
この構成の垂直軸風車4の作用・効果、および具体的な構成を説明する。
翼9の横断面形状が、翼9の回転進行方向の前端寄りの箇所で径方向の厚みが最も厚くなるように、外側面15,16a,16bないし内側面17,18a,18bが翼9の回転進行方向の前後両端から次第に径方向の外側ないし内側に膨らんでいる形状である。このため、翼9が風を受けると翼9に揚力が発生し、この揚力によって、垂直軸風車4が垂直主軸5の軸心O回りに図2の矢印方向に回転する。
The action / effect of the vertical
The
翼9の両端にウイングレット11が設けられていると、翼9の内側面17,18と外側面15,16の圧力差が小さくなり、気流の巻き込みが抑制されるため、翼端付近に渦が発生し難く、騒音の発生が抑えられる。
When the
翼9の断面形状を、回転進行方向の前端寄りの箇所で径方向の厚みが最も厚くなるようにしたことで、回転進行方向前方に強い揚力が発生し、回転軌跡C上に翼9の前端QFおよび後端QRが配置されるピッチ角が0°である状態でも、翼9が回転することができる。ピッチ角が0°となることで回転時の抵抗、特に、空転時の抵抗が小さくなり、垂直軸風車4の回転が止まり難い。
By making the cross-sectional shape of the
また、ウイングレット11は、先端側へ行くに従い翼9の回転進行方向の幅が狭くなる形状であるため、翼9が回転進行しているときにおける翼端周辺の空気の流れがスムーズになり、騒音の発生を抑えられる。
Further, since the
この実施形態の垂直軸風車4は、さらに回転エネルギー変換効率を良くし、空転時の抵抗を小さくし、騒音を抑制するために、ウイングレット11の詳細な形状が以下のように定められている。
In the vertical
[ウイングレットの折れ曲がり角度]
主翼部10に対する上下のウイングレット11の折れ曲がり角度θ(図3(A))は、20°から55°の範囲内、より好ましくは40°から50°の範囲内とされる。ここで、前記折れ曲がり角度θは、主翼部10の径方向の中心(横断面の中心)とウイングレット11の径方向の中心(横断面の中心)とが成す角度であり、この例では、主翼部10の前後の縁13F,13Rとウイングレット11の傾斜部11bにおける前後の縁14F,14Rとが互いに成す角度と一致する。上記の望ましい折れ曲がり角度θは、以下の流体解析により得られた。
[Bending angle of winglet]
The bending angle θ (FIG. 3A) of the upper and
試供体として図6に示す5つの翼を想定して解析を行った。(A)に示す翼9Aは、主翼部10のみからなり、ウイングレットを有しない。(B),(C),(D),(E)に示す各翼9B,9C,9D,9Eは、ウイングレット11の折れ曲がり角度θがそれぞれ0°,20°,45°,60°である。翼9Aの全長と翼9Bの全長は同じである。翼9B,9C,9D,9Eは、互いに主翼部10の長さが同じで、かつ互いにウイングレット11の長さも同じである。翼9B,9C,9D,9Eのサイズは、全長2800mm程度とした。
The analysis was performed assuming the five wings shown in FIG. 6 as the specimen. The
(1)ウイングレットの折れ曲がり角度と回転エネルギー変換効率との関係
ウイングレット11を有する各翼9B,9C,9D,9Eについて、一定方向に吹く風によって翼9が回転するときに垂直主軸5に作用する回転モーメントを計算した。翼9の回転速度を4通りに変えて計算を行い、そのうち最も効率の良い結果が得られた回転速度の解析結果を図7に示す。この解析結果から、全体的に折れ曲がり角度θが大きくなるほど回転エネルギー変換効率が低下するが、折れ曲がり角度θが50°前後までは回転エネルギー変換効率が高く保たれ、50°を超えると回転エネルギー変換効率の低下率が大きくなることが判った。
(1) Relationship between the bending angle of the winglet and the rotational energy conversion efficiency For each
(2)ウイングレットの折れ曲がり角度と空転時の抵抗との関係
無風環境において翼9を回転させ、このときに垂直主軸5に作用する回転モーメントを計算した。これにより、空転時の抵抗、つまり風が弱まったときの翼9の回転の止まり難さが判る。翼9の回転速度は、前記「ウイングレットの折れ曲がり角度と回転エネルギー変換効率との関係」の解析により得られる最も効率の良い回転速度とした。その解析結果を図8に示す。この解析結果から、折れ曲がり角度θが20°前後で空転時の抵抗が最も小さく、これよりも折れ曲がり角度θが大きくなっても小さくなっても空転時の抵抗が大きくなることが判った。また、折れ曲がり角度θが45°前後で空転時の抵抗が大きくなる率が緩くなることも判った。参考までに、ウイングレットを有しない翼9Aについても同条件で回転モーメントを計算したが、ウイングレット11を有する翼9B,9C,9D,9Eと比べて、翼9Aは空転時の抵抗が極端に大きいことが判る。
(2) Relationship between the bending angle of the winglet and the resistance at the time of idling The
(3)ウイングレットの折れ曲がり角度と騒音との関係
無風環境において翼9を回転させ、翼端における音響を計算した。翼9の回転速度は、前記「ウイングレットの折れ曲がり角度と回転エネルギー変換効率との関係」の解析により得られる最も効率の良い回転速度とした。その解析結果を図9に示す。また、ウイングレットを有しない翼9A、およびウイングレット11の折れ曲がり角度θがそれぞれ0°,20°,45°,60°である翼9B,9C,9D,9Eについて、翼端における最大音響発生箇所とその音響の大きさを図10に示す。これらの解析結果から、折れ曲がり角度θが0°から45°前後までは騒音が次第に小さくなるが、45°を超えると騒音の低下がなくなり、ある折れ曲がり角度θ以上になるとむしろ騒音が大きくなる傾向があることが判った。
(3) Relationship between the bending angle of the winglet and noise The
(1)~(3)の解析結果から、回転エネルギー変換効率については折れ曲がり角度θが55°未満であることが好ましく、空転時の抵抗についてはウイングレット11を有していれば良く、騒音については折れ曲がり角度θが20°以上であることが好ましいと言える。これらを複合的に判断すると、主翼部10に対するウイングレット11の折れ曲がり角度θが20°から55°の範囲内であることが好ましく、より好ましくは40°から50°である。このようにウイングレット11の折れ曲がり角度θを設定することで、回転エネルギー変換効率、空転時の抵抗、および騒音のいずれについても満足させることができる垂直軸風車4が得られる。
From the analysis results of (1) to (3), it is preferable that the bending angle θ is less than 55 ° for the rotational energy conversion efficiency, it is sufficient to have the
[翼全長の半分の長さに対するウイングレットの長さ]
翼9全体の上下方向全長の半分の長さL1(図3(A))に対するウイングレット11の上下方向長さL2(図3(A))の割合は、10%から20°の範囲内、より好ましくは16%から18°の範囲内とされる。ここで、ウイングレット11の上下方向長さL2は、ウイングレット11の曲がり部11aの基端からウイングレット11の頂点位置Pまでの上下方向長さを指す。上記の望ましい割合は、以下の流体解析により得られた。
[Winglet length for half the total length of the wing]
The ratio of the vertical length L2 (FIG. 3 (A)) of the
試供体として図11に示す3つの翼を想定して解析を行った。(A)に示す翼9Fは(L2/L1)が11.4%であり、(B)に示す翼9Gは(L2/L1)が17.0%であり、(C)に示す翼9Hは(L2/L1)が26.8%である。各翼9F,9G,9Hは、全長が同じで(例えばL1が約1400mm)、ウイングレット11の折れ曲がり角度θはいずれも45°とした。
The analysis was performed assuming the three wings shown in FIG. 11 as the specimen. The
各翼9F,9G,9Hについて、風によって翼9が回転するときに垂直主軸5に作用する回転モーメントを計算した。翼9の回転速度を4通りに変えて計算を行い、そのうち最も効率の良い結果が得られた回転速度の解析結果を図12に示す。この解析結果から、(L2/L1)が17%前後で回転エネルギー変換効率が最も高く、これよりも大きくなっても小さくなっても回転エネルギー変換効率が低下することが判った。また、(L2/L1)が10%から20%の範囲内では、ある程度高い回転エネルギー変換効率が保持されることが判った。これらのことから、翼9の長さとウイングレット11の長さとの前記望ましい割合が導かれる。
For each
[ウイングレットの頂点位置]
ウイングレット11の頂点位置P(図3(B))は、翼9の回転進行方向の幅B1に対する翼9の回転進行方向の後端からの距離B2の割合が50%から83%の範囲内、より好ましくは60%から75%の範囲内とされる。この望ましいウイングレット11の頂点位置Pは、以下の流体解析により得られた。
[Winglet vertex position]
At the apex position P of the winglet 11 (FIG. 3B), the ratio of the distance B2 from the rear end of the
試供体として図13に示す4つの翼を想定して解析を行った。(A)に示す翼9Iは(B2/B1)が83%であり、(B)に示す翼9Jは(B2/B1)が75%であり、(C)に示す翼9Kは(B2/B1)が53%であり、(D)に示す翼9Lは(B2/B1)が33%である。各翼9I,9J,9K,9Lの進行方向の幅B1は同一であり、厚みも同一である。
The analysis was performed assuming the four wings shown in FIG. 13 as the specimen. The wing 9I shown in (A) has (B2 / B1) 83%, the
(1)ウイングレットの頂点位置と騒音との関係
無風環境において翼9を回転させ、翼端における音響を計算した。その解析結果を図14に示す。また、各翼9I,9J,9K,9Lにつき、翼端における最大音響発生箇所とその音響の大きさを図15(A),(B),(C),(D)にそれぞれ示す。この解析結果から、全体的に(B2/B1)が大きいほど、つまりウイングレット11の頂点位置Pが回転進行方向の前側に位置するほど騒音が小さく、また、(B2/B1)が50%前後以下では騒音が高いレベルのまま保たれ、(B2/B1)が50%前後を超えると騒音レベルが二次曲線的に低下することが判った。
(1) Relationship between the apex position of the winglet and noise The
(2)ウイングレットの頂点位置と空転時の抵抗との関係
無風環境において翼9を回転させ、このときに垂直主軸5に作用する回転モーメントを計算した。これにより、空転時の抵抗、つまり、変動風において風が弱まったときの翼9の回転の止まり難さが判る。その解析結果を図16に示す。この解析結果から、全体的に(B2/B1)が大きいほど、つまりウイングレット11の頂点位置Pが回転進行方向の前側に位置するほど空転時の抵抗が小さいことが判った。また、(B2/B1)が50%前後以上では空転時の抵抗がある程度低く抑えられ、50%前後以下になると空転時の抵抗が急激に大きくことが判った。
(2) Relationship between the apex position of the winglet and the resistance at the time of idling The
(1),(2)の解析結果から、騒音については(B2/B1)が50%以上であることが好ましく、また空転時の抵抗についても(B2/B1)が50%以上であることが好ましいと言える。但し、ウイングレット11の頂点位置Pがあまりに前側過ぎると、ウイングレット11の前端の面が広くなり、空気抵抗が大きくなる。これらを複合的に判断した結果、B2/B1値が50%から83%の範囲内が好ましく、60%から75%の範囲内がより好ましい。このようにウイングレットの頂点位置Pを設定することで、騒音および空転時の抵抗のいずれについても満足させることができる垂直軸風車4が得られる。
From the analysis results of (1) and (2), it is preferable that (B2 / B1) is 50% or more for noise, and (B2 / B1) is 50% or more for resistance during idling. It can be said that it is preferable. However, if the apex position P of the
以上に説明したように、この垂直軸風車4は、回転エネルギー変換効率が良い。このため、この垂直軸風車4を用いた風力発電装置3は、発電効率が良く、かつ騒音が少ない。
As described above, the vertical
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 Although the embodiments for carrying out the present invention have been described above based on the examples, the embodiments disclosed here are exemplary in all respects and are not limiting. The scope of the present invention is shown by the scope of claims rather than the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
3…風力発電装置
4…垂直軸風車
5…垂直主軸
6…発電機
8…支持体
9…翼
10…主翼部
11…ウイングレット
15…主翼部の外側面
16…ウイングレットの外側面
L1…翼全体の軸心方向の長さの半分の長さ
L2…ウイングレットの軸心方向の長さ
O…軸心
3 ...
Claims (2)
前記翼は、前記垂直主軸と平行に延びる主翼部と、この主翼部の両端部から前記垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びるウイングレットとを有し、前記主翼部および前記ウンイグレットにわたり前記翼の横断面形状は、前記翼の回転進行方向の前端寄りの箇所で径方向の厚みが最も厚くなるように、径方向外側の面が前記翼の回転進行方向の前後両端から次第に径方向の外側に膨らんでいる形状であり、前記ウイングレットは、先端側へ行くに従い径方向外側の面の膨らみ量が次第に小さくなる形状であり、かつ前記ウイングレットは、先端側へ行くに従い前記翼の回転進行方向の幅が狭くなる形状であり、
前記翼全体の前記軸心方向の長さの半分の長さに対する前記ウイングレットの前記軸心方向の長さの割合が16%から18%の範囲内であり、
前記主翼部に対する前記ウイングレットの折れ曲がり角度が45°よりも大きく、かつ55°以下の範囲内である、
ことを特徴とする垂直軸風車。 A vertical spindle provided rotatably, a support provided on the vertical spindle, and a wing connected to the vertical spindle via the support and receiving wind to rotate around the axis of the vertical spindle. It ’s a vertical axis windmill.
The wing has a wing portion extending parallel to the vertical main axis and a winglet extending diagonally from both ends of the main wing portion toward the vertical main axis, and the wing extends over the main wing portion and the uniglet. In the cross-sectional shape, the outer surface in the radial direction gradually becomes outward in the radial direction from both front and rear ends in the rotational traveling direction of the wing so that the thickness in the radial direction becomes the thickest at the portion near the front end in the rotational traveling direction of the wing. The winglet has a bulging shape, and the winglet has a shape in which the amount of bulging of the radial outer surface gradually decreases toward the tip side, and the winglet has a width in the rotational traveling direction of the wing toward the tip side. Is a shape that narrows
The ratio of the axial length of the winglet to half the axial length of the entire wing is in the range of 16% to 18%.
The bending angle of the winglet with respect to the main wing portion is larger than 45 ° and within the range of 55 ° or less.
A vertical axis wind turbine that features that.
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