WO2012073813A1

WO2012073813A1 - プロペラ型風車並びに風力発電装置

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Publication number: WO2012073813A1
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Inventors: 勇松田
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Abstract

　【課題】アップウインド方式における、方向舵やヨーコントロール装置の問題を解決すると共に、ダウンウインド型の風車にも、縦軸型の風車にも適用可能とし、特にビルなどの屋上のスペースでも設置可能な風車並びに風力発電装置を実現する。　【解決手段】風向追尾用として、背部に向けて曲げた曲面をプロペラの機能翼の外端前寄り及び／又は後端内側に有していると、曲面も回転して筒状となるため、風が筒状部を包むように通過することとなり、結果的に常に風車が風と正対することになる。こうして風がプロペラの外端寄りに設けた曲面を通過する際に方向舵の作用をするので、風車が風と正対するのに時間遅れが生じることはない。また、風車の向きに関係無く、全方位の風に対応する風向追尾が可能となるので、ダウンウインド型でも追尾可能である。

Description

プロペラ型風車並びに風力発電装置

風力発電用の風車は、横軸のプロペラ型風車が多用されている。本発明者は、風車の回転面がタワーの風上に位置するアップウインド型のプロペラ風車を提案したが、それを改良してダウンウインド型の風車にも、縦軸型の風車としても機能できる風車並びに風力発電装置に関する。

アップウインド方式は、羽根車がタワーの風上側に位置するので、タワーによる風の乱れを受けない、という利点がある反面、羽根車が風上側に位置するので強制的に羽根車を風に対し正対するように制御するヨーコントロール駆動装置が必要となる。
　あるいは、特許文献１に記載のような方向舵を尾端に設ける必要がある。しかし、プロペラと方向舵との距離分に相当する遅れが生じるだけでなく、回転が上がると風車の回転面が壁となってしまい、方向舵が機能し難く、風向きの変化に対応しきれなくなる。
　また、前記のようなヨーコントロール装置を装備した大型の風車でも、風向に対するタイムラグは避けられず、突風には対応できないという欠点がある。

特開2005－299523

本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、プロペラ型風車は前方に障害物が有ると効率が落ちると言われているアップウインド方式における、方向舵やヨーコントロール装置の問題を解決することにある。
　また、自家発電の必要性が高まったことに伴い、ダウンウインド型の風車にも、縦軸型の風車にも適用可能とし、建物の屋上や屋外、そして、車などの移動体や工作物にも設置可能な風車並びに風力発電装置を実現する。

請求項１は、外周側に面積の広い機能翼を有するプロペラ型の風車において、機能翼の外周前寄り及び／又は後端内側に背部に向けて曲げた曲面を有していることを特徴とするプロペラ型風車である。ただし、曲面の曲げ方や曲げ方向が風車軸と平行である必要はない。

請求項２は、前記の機能翼は、プロペラ部と同じ向きに傾斜しており、しかも径方向の寸法よりも円周方向の寸法が大きいことを特徴とする請求項１に記載のプロペラ型風車である。

請求項３は、風車の回転中心と前記機能翼との間のプロペラが、スリットで２分して２段構造にすると共に、前段及び後段のプロペラの内端同士が風車の回転中心を挟んで一体に連結され、かつ前段のプロペラの内端と後段のプロペラの内端とも一体に連結してあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプロペラ型風車である。

請求項４は、アップウインド型及び／又はダウンウインド型及び／又は縦軸型に前記プロペラ型風車を配設して成ることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のプロペラ型風力発電装置である。

請求項５は、回転軸の側面方向から風を受ける構造の風力発電装置において、風車のプロペラ外端寄りに円穴の空いた仕切り壁を有することを特徴とするプロペラ型風力発電装置である。

請求項６は、前記仕切り壁の上側には、少なくともプロペラに対する向かい風を阻止する防風壁を設け、前記仕切り壁の下側には、プロペラ側に風を集めるための前開きのガイドを設けると共に、底面は平面又は風下側に上がる傾斜面とし、後方周辺は風をプロペラ側に導くガイド壁を有していることを特徴とする請求項５に記載のプロペラ型風力発電装置である。なお、それぞれの形態は平面でも曲面でもよい。

請求項７は、前記仕切り壁の下側に、プロペラ背部への風量を調節する開閉手段を設けてなることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のプロペラ型風力発電装置である。

請求項１のように、風向追尾用として、背部に向けて曲げた曲面をプロペラの機能翼の外端前寄り及び／又は後端内側に有していると、曲面も回転して筒状となるため、風が筒状部を包むように通過することとなり、結果的に常に風車が風と正対することになる。こうして風がプロペラの外端寄りに設けた曲面を通過する際に方向舵の作用をするので、風車が風と正対するのに時間遅れが生じることはない。
　風車が１８０度反転して背面に風が当たった場合は、最初は逆に回転しながら風向追尾の作用で正規の向きに矯正され、かつ正規の正回転を始める。このように、風車の向きに関係無く、全方位の風に対応する風向追尾が可能となる。従って、ダウンウインド型でも追尾可能である。

請求項２のように、前記の機能翼は、その径方向の寸法よりも円周方向の寸法が大きいため、風向追尾作用をする曲面が大きく、風向追尾をより正確にかつ時間遅れが生じ難くなり、突風でも正確に追従できる。しかも、面積の大きな機能翼は、プロペラ部と同じ向きに傾斜しているので、大きな回転力が得られる。

請求項３のように、風車の回転中心と前記機能翼との間のプロペラを、スリットで２分して２段構造にすると、風車の回転速度が上昇することが明らかになった。理由は、２段構造のプロペラそれぞれに揚力が発生し、回転に寄与しているものと思われる。
　また、２分した場合、前段側のプロペラの回転中心同士が風車の回転軸と一体に連結されていることは当然であるが、後段側のプロペラの回転中心同士が風車の回転軸と一体に連結されることによって、プロペラが２分されても回転軸側は一体のため、強度は維持される。しかも、前段のプロペラの内端と後段のプロペラの内端とも一体に連結し、強度の向上を図っている。

請求項４のように、アップウインド型及び／又はダウンウインド型及び／又は縦軸型に前記プロペラ型風車を配設できるため、用途に応じた各種の配備ができ、また偏平な発電装置が可能となる。

請求項５のように、回転軸の側面方向から風を受ける構造のプロペラ型風力発電装置において、風車の機能翼の外径とほぼ同等の直径の円穴の空いた仕切り壁を有し、気圧の低い背部へ円穴から風が流れ込むことにより機能翼やプロペラの背面に当たって、回転を速め発電に寄与する。

請求項６のように、向かい風を阻止する防風壁を設けたので、追い風だけを受けることにより、高速回転に寄与できる。また、風をプロペラ側に導くガイド壁を、底面及び前面並びに後方周辺に有するので、前記円穴からの風圧を機能翼やプロペラ背部に集めることができる。

請求項７のように、前記仕切り壁の下側に、入口の開閉手段を設けて、プロペラの背部に取り込む風量調節ができるので、プロペラの回転数を制御できる。

本発明による横軸風車の第１の実施形態を示す斜視図である。スリットで２分された１対のプロペラを有する実施形態の斜視図である。図３～図５はプロペラの形状をデザイン化した実施形態で、図３は正面から見た斜視図である。打ち抜き前の形態を示す平面図である。図３の風車を背面から見た斜視図である。本発明の風車をアップウインド型、ダウンウインド型、縦軸型の風力発電装置に実施した例を示す斜視図である。ダウンウインド型特有のアシスト手段を示す斜視図である。車載型の縦軸型風車を示す平面図である。図８の装置の正面図である。図８の装置の風の流れを示す断面図である。車載状態を示す模式側面図である。半ドーム型の実施形態を示す平面図である。半ドーム型の正面図である。半ドーム型の風の流れを示す右側面図である。半ドーム型の車載状態を示す模式側面図である。半ドーム型の車載状態の別の実施形態を示す模式側面図である。

次に本発明によるプロペラ型風車の風向追尾が実際上どのように具体化されるか実施形態を詳述する。図１は本発明によるプロペラ型風車の第１の実施形態を示す斜視図であり、正面方向から見ている。１が風車軸であり、横軸を成している。直径方向に伸びた２枚のプロペラP1、P2の外端に風向追尾用の翼W1、W2を一体に備えている。
　この実施例では、風向追尾用の翼W1、W2を、細いプロペラP1、P2の外端に備えており、しかもその径方向の寸法m1よりも円周方向の寸法m2が大きい。２が風向追尾用の曲面であり、翼W1、W2の外端にかつ矢印ａ１で示す回転方向の前端寄りに形成されている。
　この曲面２は、風車の背部に向かって曲がっており、しかも円周方向に対し前端寄りが角度αだけ風車軸１側に偏倚した形状をしている。

このようにプロペラP1、P2の外端に風向追尾用の翼W1、W2を備えており、しかも翼W1、W2の前端寄りが風車の背部に向かって曲がっているため、前面から受けた風力でプロペラP1、P2が矢印ａ１方向に連続回転すると、曲面２・２によって、風下側に曲がった筒状の回転面が形成される。
　その結果、前面から風が吹き込んだとき、その風を円滑に後方に逃がすべく、風車の正面が常に来風と正対することになる。
　プロペラP1、P2の回転中心で谷状Ｖに曲げることによって迎え角だけ傾けたプロペラP1、P2の外端に、さらに風向追尾用の翼W1、W2が形成されているため、前記曲面２・２の風車軸１寄りの内側は、広い面積の機能翼ｆの寸法ｍ２の領域がプロペラP1、P2と同じ向きに傾斜していることにより、揚力発生の作用をすることで、回転速度が速くなる。

図１のプロペラP1、P2は風車軸１寄りの幅が大で風向追尾翼W1、W2寄りが小のため、風向追尾翼W1、W2寄りが凸状に湾曲し易いが、逆に破線で示すように風車軸１寄りの幅を小さくした場合は、風車軸１寄りが凸状に湾曲し易くなる。このように、プロペラP1、P2の形状によって、凸状に湾曲し易い部位は異なる。もちろん、プロペラP1、P2の全長にわたって前面が凸となるように湾曲する場合も有りうる。

図２の実施形態はスリット付きであり、プロペラP1、P2に直径方向のスリットS1、S2を有している。その結果、プロペラP1、P2は直径方向のスリットS1、S2によって２分され２段構造になると共に、回転中心を谷状Ｖに曲げた迎え角の作用で、プロペラP1、P2が矢印ａ１方向に回転したときの気流の下流側すなわち後段Ｐ12、Ｐ22が、風車軸１の発電機側（プロペラP1、P2の背部側）に、段違いにずれている。しかも、風車の回転軸１の位置、すなわち回転中心で連結軸１’を挟んで一体に連結されている。

このように、プロペラP1、P2がスリットS1、S2で分離し、かつ前段と後段とに段違いになり、かつ回転中心で連結軸１’で一体に連結されていると、２段構造のプロペラＰ11、Ｐ12とＰ21、Ｐ22それぞれに揚力が発生するので、回転速度が速くなる。また、２分したプロペラＰ11、Ｐ12とＰ21、Ｐ22それぞれの内端すなわち、回転中心寄りの部位同士が一体に連結されているので、プロペラが２分されても強度は維持されるが、スリットを設けたことによるプロペラの表面強度の低下は否めないので、スリットを塞いでリブのように強度増加もできる。なお、理論上は３分割、４分割も可能である。

図３～図５はプロペラの形状をデザイン化した例であり、複雑な形状をしている。図３は正面図、図４は打ち抜いた形態を示す平面図、図５は背面図である。このような複雑な形状のプロペラを製造するには、先ず板金を図４のようにスリットS1、S2付き形状に打ち抜いた後に、曲げ加工を行なって、図３、図５のような前段プロペラＰ11、Ｐ21を回転中心で谷状Ｖに曲げて揚力発生用の迎え角を形成したり、風向追尾翼W1、W2を背面方向に曲げて曲面２・２を形成する。
　そして、気流の下流側の後段プロペラＰ12、Ｐ22の内端すなわち、回転中心寄りの部位同士を一体に連結する。加えて、前記後段プロペラＰ12、Ｐ22間の回転中心と気流の上流側の前段プロペラＰ11、Ｐ21の内端すなわち、回転中心寄りの部位同士を連結軸１’で一体に連結する。風車軸１は、前記前段側プロペラと後段側プロペラの回転中心位置に取付ける。

このようにプロペラP1、P2を板状にできるため、プロペラP1、P2の全部又は一部を肉厚が一定の材料で形成できる。従って、全体の形状を打ち抜いた後に、曲げ加工や接続加工を行なうだけで製造でき、少ない工程で製造できる。そして、もちろん鋳型形成も可能である。
　風向追尾翼W1、W2の後端に曲面２に代わる曲面を形成することもできる。この場合は、機能翼ｆの風向追尾翼W1、W2の後端の外側ではなく、回転中心寄りＲを風車背部に曲げて曲面にする。このように風向追尾翼W1、W2の後端の内側Ｒに曲面を形成した場合も、円筒状の回転面が形成され、かつ通過抵抗が少なくなるように来風が通過するので、プロペラの風向追尾が可能となる。
　なお、一つの風車において、風向追尾翼W1、W2の前端外側の曲面２と、後端内側Ｒに設ける曲面とを併用することも可能である。また、風向追尾翼W1、W2の形状やプロペラ外端との連結位置は自由であり、特に制限されない。

図６は、本発明のプロペラ型風車を、ダウンウインド型としても、縦軸型としても使用できる例を示す斜視図であり、中抜きの矢印方向から風を受けているものとする。従って、Ａがアップウインド型であり、Ｂがダウンウインド型、Ｃが縦軸型である。Ｅは発電機てあり、それぞれの風車Ａ、Ｂ、Ｃで駆動される。増速手段は図示を省いてある。
　なお、アップウインド型の風車Ａが無く、ダウンウインド型の風車Ｂ及び／又は縦軸型の風車Ｃだけで発電機を駆動してもよい。

ダウンウインド型の風車Ｂは、背部で受風した方が高速回転する構成となっており、従って、アップウインド型の風車Ａをダウンウインド用にアシスト部を形成してある。それは、図７のように、風車Ｂの受風面に補助翼３を設けて、機能翼ｆによる回転をアシストするものであれば足り、回転軸１寄りに設けてあるので回転力は小さいが、機能翼ｆと同じ向きに傾斜しているので、回転の妨げにはならない。

縦軸型の風車Ｃは、アップウインド型のプロペラ風車Ａを兼用するが、図８以下のように、風車の周辺を工夫した受風構造とすることにより、車などの移動体や建物の屋上、屋外、そして工作物などにも取り付けが可能となる。
　図８は、車載型の縦軸型風車にした例を示す平面図であり、車の前進により中抜きの矢印方向の風を受けるものとすると、プロペラ風車Ｃの外径より小さな直径の円穴４の空いた仕切り壁５をプロペラの背面側（下側）に設けてある。なお、円穴４は、風車Ｃの外径と同等程度でもよい。
　図９は前記矢印方向から見た正面図であり、仕切り壁５の風車Ｃ側に、風車Ｃの回転の妨げとなる向かい風を阻止する防風壁６を設けてある。すなわち、風車Ｃが矢印ａ１方向に回転するものとすると、向かい風すなわち逆風となる成分は回転を妨げるので、防風壁６を設けて阻止するのである。
　この防風壁６は、車の前進方向から２０±３度退避する寸法がよい。

一方風車の背面側に、風を集めるための前開きのガイド壁８・８を両側に設けてあるが、ガイド壁８・８の最も狭い部分が前記円穴４と一致するように配置するのがよい。この空間からプロペラの背面に風を当てるので、この空間を背風室と呼ぶ。
　また、図10に示すように、ガイド壁８・８の後方周囲には、集めた風を前記機能翼ｆ側に導く立ち上がりガイド壁９を設けてある。
　従って、左右のガイド壁８・８間の入口ｉから入って来た風は、奥のガイド壁９で立ち上がって機能翼ｆの裏面に当たり、矢印ａ１方向に回転させる。また、前記仕切り壁５の上側に到来した風は、前記防風壁６で阻止されない有効成分だけがプロペラＣの追い風として作用し、プロペラを効果的に回転させる。

この構成を車載用としたのが図11であり、図示のようにボンネット10の下に組み込んだり、屋根に取付けてカバー11で覆ったりできる。カバー11の後方ほど間隔を大きくしておくと、カバー11に当たった風は後方に吹き飛ばされるので、何ら支障は生じない。なお、車載用風力発電装置は傾いた状態で設置することもできる。
このような要領で、車に限らず列車や船舶などの移動体に取付けて風力発電し、消費することができる。このようにプロペラ型の風車を縦軸型として実装することで偏平になるので、前記のような発電形態が可能で、今後の自家発電の用途が期待できる。

図８～図11の実施形態をさらに改良したのが図12以下であり、風車Ｃの回転の妨げとなる向かい風を阻止する防風壁６は、プロペラの前半分を覆うような半ドーム状部６’と連続的に形成するのが効果的であることが実験の結果判明した。この半ドーム状部６’を設ける場合、風の取り込み口Ｏが正面に開口しており、その高さ方向の寸法はプロペラＣの高さの１／２～１／３であり、水平方向の寸法は９０±２０度程度が効果的で、プロペラの回転数を多くできる。すなわち、半ドーム状部６’で、プロペラＣの前半分を覆うことにより、正面から入る風圧で、円穴４の下から上向きに流れる風圧とぶつかるのを防ぎ、かつ風圧が当たる天井を高くしている。

図14は、以上のような風の流れを表現した右側面図である。この図から明らかなように、背風室の底面８８は前下がりの斜面になっているので、入口ｉから入った風は、プロペラＣの背面に向かってガイドされる。
　この半ドーム状部６’の下端とプロペラＣの回転風が正面衝突する部位は、プロペラＣの円滑な回転を妨げるので、半ドーム状部６’の下端６’’を、半径が大きくなるように膨らませるのがよい。なお、膨大部分６’’は、本来の位置より、角度βだけ後退させるのが効果的である。

このような背風室から上向きの風は、ダウンウインド型風車が受ける風と同じ効果である。また、半ドーム状部６’の設置効果は、入口ｉから吹き込む上向きの風と仕切り壁５の上側の風がぶつかって渦ができ、風の流れが抵抗を受けて風のスピードが阻害されるのを防ぐことである。そして、半ドーム状部６’の下端の風の取り込み口Ｏを開くことで、機能翼の曲面に当たる風が揚力を強め、回転数を更に上げることができる。

半ドーム状部６’により、図15のようにボンネット10が高くなる場合は、図16のように、ボンネット10全体を高くするのでなく、半ドーム状部６’の部分のみボンネット10を高くし、風の下流側に開口部を設けて風の流出を早くすることで、回転数を更に上げることができる。

高速道路を走行する際などに、仕切り壁５の下側の入口ｉから入り、上向きに流れる風圧が強過ぎる場合は、入口ｉから入る風量を絞って回転数を調節する必要がある。そのために、入口ｉの閉鎖手段１２を設けて風の流入量を絞り、上向きの風圧が強過ぎないようにしている。
　このように、入口ｉを閉じることが、プロペラすなわち発電機の回転過剰に対する制動作用をするので、閉鎖手段１２は入口ｉの自動開閉制御が好ましい。
閉鎖手段１２は、図示例ではゼンマイ状を用いて、巻き取ったり繰り出したりできる構造を採用しているが、入口ｉの開閉量を調節可能に水平方向に可動式の閉鎖手段であれば、ゼンマイ状以外でも差し支えない。12ｅは、閉鎖手段１２の先端である。

発電機Ｅは、増速手段で増速してから発電機を駆動する場合が多く、風車の出力そのままで発電機Ｅを駆動することはないが、高性能発電機が開発されれば、増速手段なしも可能になる。
　図では、この増速手段は図示されていないが、図８以下の場合でも、増速手段を介して発電機を回すことになる。

建物の屋上や屋外などに設置する場合は、設置場所の状況に応じて支柱の有無を判断し、風車の周辺装置の風向追尾を方向舵やヨー制御で実施する。そのために、エーロベーン型の風向計１３や方向舵を設けて、回転部にベアリングを介在させて容易に回転可能にすれば、手動又は自動で図８～図１４の装置全体が常に風向に向く構成にする。また、背風室の周辺形態は自由であり、設置場所の状態によって色々なバリエーションがある。なお、半ドーム状部６’と閉鎖手段１２を撤去した状態の設置もありうる。そして、背風室及び周辺装置に設置する風車は風向追尾型にこだわらない。また、風車を背風室の中へ沈めて高さを調節することによって回転数のコントロールができるので台風時でも回転を止めることなく発電が可能である。

以上のように、風向追尾用として、風車の背部方向に曲がった曲面をプロペラの機能翼の外端及び／又は内端に有しているので、アップウインド方式のプロペラ型風車における方向舵やヨーコントロール装置の問題を解決する必要が無くなる。また、ダウンウインド型や縦軸型としても使用できるだけでなく、プロペラの周辺を改良することにより小型発電機や移動体型、建物の屋上型や屋外型の風力発電機も実現できる。さらに、風切音の問題に対しては、翼に当たる風圧に時間差があるため、ほとんど風切音が無いことも大きな特徴である。

１　風車軸
１’　連結軸
P1・P2　プロペラ
W1・W2　風向追尾用の翼
ｆ　機能翼
２　風向追尾曲面
Ｖ　谷状折り曲げ部
S1・S2　スリット
Ｐ11・Ｐ12　２分されたプロペラP1
Ｐ21・Ｐ22　２分されたプロペラP2
Ｒ　風向追尾翼の後端内側の部分
Ａ　アップウインド型
Ｂ　ダウンウインド型
Ｃ　縦軸型
Ｅ　発電機
Ｏ　風の取り込み口
ｉ　入口
３　補助翼
４　円穴
５　仕切り壁
６　防風壁
６’　半ドーム状部　
８　前開きのガイド壁
88　背風室の底面
９　立ち上がりガイド壁
10　ボンネット
11　カバー
12 閉鎖手段
12ｅ　閉鎖手段の先端
13　風向計

Claims

外周側に面積の広い機能翼を有するプロペラ型の風車において、機能翼の外周前寄り及び／又は後端内側に背部に向けて曲げた曲面を有していることを特徴とするプロペラ型風車。
前記の機能翼は、その径方向の寸法よりも円周方向の寸法が大きいことを特徴とする請求項１に記載のプロペラ型風車。
風車の回転中心と前記機能翼との間のプロペラが、スリットで２分して２段構造にすると共に、前段及び後段のプロペラの内端同士が風車の回転中心を挟んで一体に連結され、かつそれぞれの内端同士が同一体で回転軸に連結してあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプロペラ型風車。
アップウインド型及び／又はダウンウインド型及び／又は縦軸型に前記プロペラ型風車を配設して成ることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のプロペラ型風力発電装置。
回転軸の側面方向から風を受ける構造の風力発電装置において、風車のプロペラ外端寄りに円穴の空いた仕切り壁を有することを特徴とするプロペラ型風力発電装置。
前記仕切り壁の上側には、プロペラに対する向かい風を阻止する防風壁を設け、前記仕切り壁の下側には、プロペラ側に風を集めるための前開きのガイドを設けると共に、底面は平面又は風下側に上がる傾斜面とし、後方周辺は風をプロペラ側に導くガイド壁を有していることを特徴とする請求項５に記載のプロペラ型風力発電装置。
前記仕切り壁の下側には、プロペラ背部に取り込む風量を調節する開閉手段を設けてなることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のプロペラ型風力発電装置。