WO2018168746A1 - 垂直軸風車および風力発電装置 - Google Patents

Abstract

垂直軸風車は、垂直主軸に支持体を介して翼（９）が連結されている。翼（９）は、垂直主軸と平行に延びる主翼部（１０）と、この主翼部（１０）の両端部から垂直主軸の側に斜めに折れ曲がって延びる翼端傾斜部（１１）とを有する。翼（９）の横断面形状は、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、径方向外側および／または内側の面が翼（９）の回転進行方向の前後両端から次第に径方向の外側および／または内側に膨らんでいる形状である。翼端傾斜部（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。翼端傾斜部（１１）の頂点位置（Ｐ）は、回転進行方向の後端からの距離（Ｂ２）が、翼（９）の回転進行方向の幅（Ｂ１）に対して５０％から８３％の範囲内にある。

Description

垂直軸風車および風力発電装置 関連出願

　本出願は、２０１７年３月１６日出願の特願２０１７－０５０９８１，特願２０１７－０５０９９９および特願２０１７－０５１０２４の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　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。

　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、翼端に翼端傾斜部を設けた翼がある（例えば特許文献１～４）。翼端傾斜部は、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。翼端傾斜部を設けることで、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。

特開２００４－２０４８０１号公報 特開２００４－２９３４０９号公報 特開２０１１－１６９２６７号公報 特開２０１６－２０５２０４号公報

　上述の翼端傾斜部の効果は経験的には知られているが、翼全体の形状と翼端傾斜部の形状とがどのように関係するのか、また翼端傾斜部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、翼端傾斜部における前記軸心方向の最先端の位置である頂点位置と、騒音および空転時の抵抗との各関係が明確ではなかった。空転時の抵抗は、自然界の変動風下において回転が停止しやすいかの判断材料となり、発電効率に影響する。従来の翼端傾斜部を備えた垂直軸風車は、翼端傾斜部の頂点位置が経験的に決定されており、適切な位置であるかが明確ではなかった。

　この発明の目的は、騒音を抑えることができ、空転時の抵抗が小さくて、騒音および空転時の抵抗において総合的に優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、騒音が少なく、かつ自然界の変動風下において発電効率が良い風力発電装置を提供することである。

　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、
　前記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、
を備えた垂直軸風車であって、
　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翼端傾斜部とを有し、前記主翼部および前記翼端傾斜部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中央よりも前端寄りの箇所で径方向の厚みが最も厚くなるように、径方向外側および内側の少なくとも一方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および／または内側に膨らんでいる形状であり、前記翼端傾斜部は、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、かつ前記翼端傾斜部は、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、
　前記翼端傾斜部における前記軸心方向の最先端の位置である頂点位置は、前記回転進行方向の後端からの距離が、前記翼の前記回転進行方向の幅に対して５０％から８３％の範囲内にある。

　前記頂点位置は、より好ましくは前記回転進行方向の後端からの距離が、前記翼の前記回転進行方向の幅に対して６０％から７５％の範囲内にある。

　翼端傾斜部は、翼端渦の抑制を目的とする部位であるが、翼端傾斜部の頂点位置が、騒音の発生程度および空転時の抵抗に影響する。

　翼端傾斜部の頂点位置と、騒音および空転時の抵抗との関係につき流体解析を行ったところ、次の結果が得られた。すなわち、騒音については、翼の回転進行方向の幅に対する翼の後端から頂点位置までの距離の割合が大きいほど騒音が小さく、前記割合が５０％前後以下では騒音が高いレベルのまま保たれ、前記割合が５０％前後を超えると騒音レベルが二次曲線的に低下する。また、空転時の抵抗については、全体的に前記割合が大きいほど抵抗が小さく、前記割合が５０％前後以上では抵抗がある程度低く抑えられ、５０％前後以下になると抵抗が急激に大きい。

　これにより、前記割合が５０％から８３％の範囲内にあることが、騒音および空転時の抵抗において、総合的に優れることが判った。さらに、前記割合が６０％から７５％の範囲内にあることがより好ましいことが判った。

　この発明において、前記主翼部および前記翼端傾斜部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中央よりも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、前記主翼部に対する前記翼端傾斜部の折れ曲がり角度が２０°から５５°の範囲内であってもよい。前記翼端傾斜部の折れ曲がり角度は、より好ましくは４０°から５０°の範囲内である。

　翼端傾斜部は、翼端渦の抑制を目的とする部位であるが、その折れ曲がり角度が、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。また、翼端傾斜部の折れ曲がり角度は、空転時の抵抗、および風切り音による騒音の程度にも影響する。前記空転時の抵抗が大きいと、変動風において風が弱まったときに翼の回転が止まり易い。

　翼端傾斜部の折れ曲がり角度と、回転エネルギー変換効率、空転時の抵抗、および騒音との関係につき流体解析を行ったところ、回転エネルギー変換効率は、折れ曲がり角度が大きくなるに従って低下するが、５０°前後まではある程度高く保たれることが判った。空転時の抵抗は、２０°前後で最も小さく、これより角度が大きくなっても小さくなっても抵抗は大きくなるが、４５°前後までは変化が緩いことが判った。騒音は、０°から４５°前後までは次第に小さくなるが、４５°を超えるとあまり変わらず、むしろ折れ曲がり角度が大きくなると騒音が若干大きくなることが判った。

　これにより、翼端傾斜部の折れ曲がり角度が２０°から５５°の範囲内であることが、回転エネルギー変換効率、空転時の抵抗、および騒音において、総合的に優れることが判った。さらに、折れ曲がり角度が４０°から５０°の範囲内がより好ましいことが判った。

　この発明において、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翼端傾斜部の前記軸心方向の長さの割合が１０％から２０％の範囲内であってもよい。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翼端傾斜部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。

　翼端傾斜部は、翼端渦の抑制を目的とする部位であるが、翼の全長と翼端傾斜部の長さとの割合が、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。

　翼の全長と翼端傾斜部の長さとの割合と、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翼端傾斜部の長さの割合が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、翼の全長に対する翼端傾斜部の長さの割合は、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。

　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、騒音を抑えることができ、空転時の抵抗が小さい。このため、この風力発電装置は、騒音が少なく、かつ自然界の変動風下において発電効率が良い。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
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である。 同風力発電装置の平面図である。 同垂直軸風車の翼の正面図である。 図３Ａの翼の側面図である。 図３Ａの部分拡大図である。 図３Ｂの部分拡大図である。 図４ＢのＶＡ－ＶＡ断面図である。 図４ＢのＶＢ－ＶＢ断面図である。 図４ＢのＶＣ－ＶＣ断面図である。 翼端傾斜部の折れ曲がり角度の解析に用いた各翼サンプルの一部を示す正面図である。 翼端傾斜部の折れ曲がり角度と、風によって翼が回転するときに垂直主軸に作用する回転モーメントとの関係を示すグラフである。 翼端傾斜部の折れ曲がり角度と、翼の空転時に垂直主軸に作用する回転モーメントとの関係を示すグラフである。 翼端傾斜部の折れ曲がり角度と騒音との関係を示すグラフである。 各翼サンプルの翼端における最大音響発生箇所とその音響の大きさを示す図である。 翼の全長に対する翼端傾斜部の長さの解析に用いた各翼サンプルの正面図である。 翼の全長に対する翼端傾斜部の長さと、風によって垂直軸風車が回転するときに翼に作用する回転モーメントとの関係を示すグラフである。 翼端傾斜部の頂点位置の解析に用いた各翼サンプルの一部を断面で表した平面図である。 翼端傾斜部の頂点位置と騒音との関係を示すグラフである。 各翼サンプルの翼端における最大音響発生箇所とその音響の大きさを示す図である。 翼端傾斜部の頂点位置と、垂直軸風車の空転時に翼に作用する回転モーメントとの関係を示すグラフである。

　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。

　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。

　図３Ａ，３Ｂはそれぞれ翼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翼端傾斜部１１とからなる。翼端傾斜部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よい。上下の翼端傾斜部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。

　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Ｒは、後述する翼９の断面形状によって決まる。

　図３Ａ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、翼端傾斜部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および翼端傾斜部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Ｒの位置によって厚みが異なっている。先に述べた翼端傾斜部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。

　図３Ｂに、主翼部１０および翼端傾斜部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。翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す線Ａ２は、翼端傾斜部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３Ｂ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、翼端傾斜部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、翼端傾斜部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。

　図３Ｂの部分拡大図である図４Ｂに示すように、主翼部１０は、前側の縁１３Ｆおよび後側の縁１３Ｒがそれぞれ直線で形成され、回転進行方向Ｒの幅Ｂ１が一定である。翼端傾斜部１１の前側の縁１４Ｆおよび後側の縁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Ｒ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。翼端傾斜部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。翼端傾斜部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。

　図３Ａの部分拡大図である図４Ａに示すように、翼端傾斜部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。翼端傾斜部１１の前側の縁１４Ｆは、この例では、曲がり部１１ａでは主翼部１０の前側の縁１３Ｆ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および翼端傾斜部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。

　主翼部１０の外側面１５と翼端傾斜部１１の曲がり部１１ａの外側面１６ａとが滑らかに繋がり、翼端傾斜部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、翼端傾斜部１１の外側面１６を構成する。図３Ａ，図４Ａにおける主翼部１０および翼端傾斜部１１の外側の外形線は、図３Ｂ，図４Ｂにおける線Ａ１，Ａ２に相当し、主翼部１０および翼端傾斜部１１の最大厚み部を示す。図４Ａ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、翼端傾斜部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。

　また、主翼部１０の内側面１７と翼端傾斜部１１の曲がり部１１ａの内側面１８ａとが滑らかに繋がり、翼端傾斜部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、翼端傾斜部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、翼端傾斜部１１の内側面１８を構成する。

　図５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、それぞれ図４Ｂ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および翼端傾斜部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てよい。

　図５Ａ，５Ｂ，５Ｃに示すように、主翼部１０および翼端傾斜部１１は、回転進行方向Ｒの中央よりも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の一方だけが翼弦長１９に対して膨らむ形状であってもよい。

　図５Ａ～５Ｃの例の場合、主翼部１０および翼端傾斜部１１の内側面１７，１８（１８ａ，１８ｂ）は、前端ＱＦ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ＱＲ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。

　図５Ａ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５Ｂ，５Ｃに示すように、翼端傾斜部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、この曲面上に翼端傾斜部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、この交差部が翼端傾斜部１１の後端ＱＲとなる。

　主翼部１０の先端の断面形状と翼端傾斜部１１の基端の断面形状は、互いに同じである。翼端傾斜部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および翼端傾斜部１１の最大厚み部の位置が回転進行方向Ｒの同位置にあるため、翼端傾斜部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翼端傾斜部１１の最大厚み部の位置が回転進行方向Ｒにずれている場合、翼端傾斜部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。

　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Ｒ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および／または内側面１７，１８ａ，１８ｂが翼９の回転進行方向Ｒの前後両端から次第に径方向の外側および／または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に示す回転進行方向Ｒに回転する。

　翼９の両端に翼端傾斜部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。

　翼９の断面形状を、回転進行方向Ｒ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Ｒの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。

　また、翼端傾斜部１１は、先端側へ行くに従い翼９の回転進行方向Ｒ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。

　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、翼端傾斜部１１の詳細な形状が以下のように定められている。

　［翼端傾斜部の折れ曲がり角度］
　主翼部１０に対する上下の翼端傾斜部１１の折れ曲がり角度θ（図３Ａ）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）と翼端傾斜部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と翼端傾斜部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。

　試供体として図６に示す５つの翼サンプル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、翼端傾斜部を有しない。（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）に示す各翼９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ，９Ｅは、翼端傾斜部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、かつ互いに翼端傾斜部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。

　（１）翼端傾斜部の折れ曲がり角度と回転エネルギー変換効率との関係
　翼端傾斜部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。

　（２）翼端傾斜部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「翼端傾斜部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、翼端傾斜部を有しない翼９Ａについても同条件で回転モーメントを計算したが、翼端傾斜部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。

　（３）翼端傾斜部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「翼端傾斜部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、翼端傾斜部を有しない翼９Ａ、および翼端傾斜部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。

　（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翼端傾斜部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に対する翼端傾斜部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。このように翼端傾斜部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。

　［翼全長の半分の長さに対する翼端傾斜部の長さ］
　翼９全体の上下方向全長の半分の長さＬ１（図３Ａ）に対する翼端傾斜部１１の上下方向長さＬ２（図３Ａ）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、翼端傾斜部１１の上下方向長さＬ２は、翼端傾斜部１１の曲がり部１１ａの基端から翼端傾斜部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。

　試供体として図１１に示す３つの翼サンプル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）、翼端傾斜部１１の折れ曲がり角度θはいずれも４５°とした。

　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の長さと翼端傾斜部１１の長さとの前記望ましい割合が導かれる。

　［翼端傾斜部の頂点位置］
　翼端傾斜部１１の頂点位置Ｐ（図３Ｂ）は、翼９の回転進行方向Ｒの幅Ｂ１に対する翼９の回転進行方向Ｒ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。この望ましい翼端傾斜部１１の頂点位置Ｐは、以下の流体解析により得られた。

　試供体として図１３に示す４つの翼サンプル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。

　（１）翼端傾斜部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、つまり翼端傾斜部１１の頂点位置Ｐが回転進行方向Ｒ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。

　（２）翼端傾斜部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、つまり翼端傾斜部１１の頂点位置Ｐが回転進行方向Ｒ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。

　（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、翼端傾斜部１１の頂点位置Ｐがあまりに前側過ぎると、翼端傾斜部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。このように翼端傾斜部の頂点位置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。

　以上に説明したように、この垂直軸風車４は、空転時の抵抗が小さく、騒音を抑えることができる。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。

　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。

　次に、上記で説明した垂直軸風車において、翼端傾斜部における頂点位置を限定しない、本発明の範囲に含まれない応用態様に係る垂直軸風車について説明する。この応用態様は、以下の態様１～６を含む。この応用形態に係る垂直軸風車によっても、回転エネルギー変換効率に優れ、および／または空転時の抵抗が小さく騒音を抑えることができる垂直軸風車が得られる。
［態様１］
　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た垂直軸風車であって、
　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翼端傾斜部とを有し、前記主翼部および前記翼端傾斜部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中央よりも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、かつ前記翼端傾斜部は、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、
　前記主翼部に対する前記翼端傾斜部の折れ曲がり角度が２０°から５５°の範囲内である垂直軸風車。
［態様２］
　態様１に記載の垂直軸風車において、前記翼端傾斜部の折れ曲がり角度が４０°から５０°の範囲内である垂直軸風車。
［態様３］
　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た垂直軸風車であって、
　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翼端傾斜部とを有し、前記主翼部および前記翼端傾斜部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中央よりも前端寄りの箇所で径方向の厚みが最も厚くなるように、径方向外側および内側の少なくとも一方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および／または内側に膨らんでいる形状であり、前記翼端傾斜部は、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、かつ前記翼端傾斜部は、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翼端傾斜部の前記軸心方向の長さの割合が１０％から２０％の範囲内である垂直軸風車。
［態様４］
　態様３に記載の垂直軸風車において、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翼端傾斜部の前記軸心方向の長さの割合が１６％から１８％の範囲内である垂直軸風車。
［態様５］
　態様３または態様４に記載の垂直軸風車において、前記主翼部に対する前記翼端傾斜部の折れ曲がり角度が２０°から５５°の範囲内である垂直軸風車。
［態様６］
　態様１から態様６のいずれかに記載の垂直軸風車と、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風力発電装置。

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…翼端傾斜部
１５…主翼部の外側面
１６ａ，１６ｂ…翼端傾斜部の外側面
Ｂ１…翼の回転進行方向の幅
Ｂ２…翼の回転進行方向の後端から頂点位置までの距離
Ｏ…軸心
Ｐ…頂点位置
Ｒ…回転進行方向

Claims (7)

1. 　回転自在に設けられる垂直主軸と、
   　前記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、
   を備えた垂直軸風車であって、
   　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翼端傾斜部とを有し、前記主翼部および前記翼端傾斜部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中央よりも前端寄りの箇所で径方向の厚みが最も厚くなるように、径方向外側および内側の少なくとも一方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および／または内側に膨らんでいる形状であり、前記翼端傾斜部は、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、かつ前記翼端傾斜部は、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、
   　前記翼端傾斜部における前記軸心方向の最先端の位置である頂点位置は、前記回転進行方向の後端からの距離が、前記翼の前記回転進行方向の幅に対して５０％から８３％の範囲内にある垂直軸風車。
2. 　請求項１に記載の垂直軸風車において、前記頂点位置は、前記回転進行方向の後端からの距離が、前記翼の前記回転進行方向の幅に対して６０％から７５％の範囲内である垂直軸風車。
3. 　請求項１または２に記載の垂直軸風車において、
   　前記主翼部および前記翼端傾斜部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中央よりも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、
   　前記主翼部に対する前記翼端傾斜部の折れ曲がり角度が２０°から５５°の範囲内である垂直軸風車。
4. 　請求項３に記載の垂直軸風車において、前記翼端傾斜部の折れ曲がり角度が４０°から５０°の範囲内である垂直軸風車。
5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の垂直軸風車において、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翼端傾斜部の前記軸心方向の長さの割合が１０％から２０％の範囲内である垂直軸風車。
6. 　請求項５に記載の垂直軸風車において、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翼端傾斜部の前記軸心方向の長さの割合が１６％から１８％の範囲内である垂直軸風車。
7. 　請求項１から６のいずれか一項に記載の垂直軸風車と、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風力発電装置。

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