JP5371087B2 - 風力発電機用ブレード - Google Patents

Description

本発明は、垂直軸型風車による風力発電機の揚力型の風力発電機用ブレードに関する。

風力発電には、一般的に、水平軸型風車と垂直軸型風車が知られている。このうち、垂直軸型風車には、ブレードに発生する揚力により風車を回転させる揚力型と、ブレードに発生する抗力により風車を回転させる抗力型とが知られている。

このうち揚力型風車は、風速比（ブレードの翼端速度／風速）が１以上でも、風車を効率よく回転させることを可能としているため、風速に応じて発電効率が上がるという利点を有しているものの、風速比が１以下では、風車を回転させるモーメントが小さく、停止状態からの起動が困難な場合があるという問題点を有していた。

このため、特許文献１には、１枚の金属板を加工することにより、飛行機に使用される流線形の翼型にブレードを形成し、下面後縁部に切欠き部を形成することで、風によって空気抵抗と揚力を発生させて、発電に必要な回転モーメントを発生させる風力発電機用ブレードが開示されている。

また、高効率な風車のブレードとして、流線形の翼型を呈し、翼厚比が１５〜２０％程度のものが知られている。
ここで、翼厚比とは、翼弦と垂直に交わる直線の長さ（翼厚）の最大値を翼弦長で割った数値をいう。

特開２００４−１０８３３０号公報（［００１４］−［００２７］、図１）

ところが、特許文献１に記載のブレードは、低風速で回転し、高風速では失速して過剰回転を防ぐというメリットを有しているものの、パワー係数が低く、効率的ではなかった。

また、翼厚比が１５〜２０％程度のブレードは、パワー係数が０．３以上となり効率的であるものの、回転数が前記特許文献１のブレードの３倍程度で大きいため、ブレードに回転数の２乗に比例する１０倍近い遠心力が生じる。そのため、風車の支持構造は、この遠心力に対して十分な耐力を有したものとする必要があった。
故に、支持構造の強度を高めることにより、費用が嵩み、風力発電機の費用低減化の妨げとなっていた。

本発明は、前記の問題点を解決するためになされたものであり、効率的、かつ、安価な風力発電機を提供することを可能とした風力発電機用ブレードを提案することを課題とする。

このような課題を解決するために、請求項１に係る風力発電機用ブレードは、垂直軸を中心として回転し、支持具を介して前記垂直軸から所定の間隔を有して複数枚配設されるものであって、流線形の翼型を呈し、翼厚比が３０％以上４０％以下の範囲内であり、最大キャンバー量が４％かつ最大キャンバー位置が翼弦長（風力発電機用ブレードの長さ）に対して前縁から４０％の位置になるように形成されていることを特徴としている。

かかる風力発電機用ブレード（以下、単に「ブレード」という場合がある）によれば、風車の回転速度を低下させることが可能となる。そのため、風車の回転数を抑え、支持構造への負担を軽減することが可能となる。故に、従来の風力発電機と比較して、簡易な支持構造により構成することが可能となり、安価な風力発電機を提供することが可能となる。

また、ブレードは、飛行機等に使用される流線形の翼型に形成されているため、高い揚力を得ることができ、大きなパワー係数が得られる。

本発明の風力発電機用ブレードによれば、効率的、かつ、安価な風力発電機を提供することが可能となる。

本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。
ここで、図１は、本実施形態に係る風力発電機用ブレードを備えた風車を示す斜視図である。また、図２は、図１に示す風車を示す側面図である。さらに、図３は、図１に示す風力発電機用ブレードを示す断面図である。本実施形態では、３枚翼の場合について説明するが、翼（ブレード）の数は２〜５枚であれば限定されるものではない。

図１に示すように、風車１は、垂直軸２と、支持具３を介して垂直軸２から所定の間隔を有して複数枚（本実施形態では２枚）配設された翼型のブレード（風力発電機用ブレード）４とからなり、風力により揚力が発生し、この揚力によってブレード４が垂直軸２を中心として水平に回転して、発電するいわゆる垂直軸型風車である。

垂直軸２は、図１および図２に示すように、垂直に立設された円筒状の管材から構成されており、上下２箇所において、ブレード４，４を固定するための、支持具３が固定されている。
なお、垂直軸２は、風車１を支持するために必要な強度を有し、ブレード４，４の配置が可能なものであれば、円筒状の管材に限定されるものではなく、適宜公知の部材を使用可能なことはいうまでもない。

また、垂直軸２には、発電機５が設置されており、ブレード４，４に回転に伴い垂直軸２が回転することにより発生する回転エネルギーを発電機５に伝達して、発電することを可能としている。

支持具３は、図２に示すように、固定部材３ａと棒状部材３ｂを組み合わせてなる部材である。固定部材３ａは垂直軸２の所定の位置に固定されており、棒状部材３ｂはこの固定部材３ａを挟んで対向する方向に延設されている。

棒状部材３ｂの先端部（ブレード４側端部）は、図３に示すように、ブレード４に固定するための取付治具３ｃが一体に固定されている。
棒状部材３ｂの先端にはネジ加工が施されている。この棒状部材３ｂの先端をブレード４に貫通させた状態でナット３ｄを螺着することで、棒状部材３ｂとブレード４とを固定している。また、取付治具３ｃは、ブレード４から突設された取付板４ａにボルトｂ，ｂ，ｂを介して固定されている。

なお、支持具３は、複数のブレード４を垂直軸２から所定の間隔を有した位置に配置することが可能であれば、その構成は限定されるものではなく、ブレード４の枚数や材料の強度および重量等を考慮した上で、適宜設定すればよい。また、支持具３とブレード４との固定方法も限定されるものではなく、適宜公知の手段により行えばよい。

ブレード４は、図３に示すように、流線形の翼型を呈し、翼厚比が２５％以上４０％以下の範囲内となるように形成されている。また、ブレード４は、最大キャンバー量が４％程度、最大キャンバー位置がブレード４の長さに対して前縁Ｆ（ブレード４回転方向先端）から４０％程度の位置となるように、形成されている。なお最大キャンバー量および最大キャンバー位置はこれに限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

本実施形態では、ブレード４を、金属板を加工することにより形成されており、必要に応じて、内部の中空部に中詰材を充填するものとする。なお、ブレード４を構成する材料は限定されるものではなく、適宜公知の材料から選定して採用すればよい。

ブレード４は、図３に示すように、閉鎖断面の筒状に構成されている。本実施形態では、上面（回転軸と反対側の面）Ｔが、回転方向外側に突出する流線形を呈している。

ブレード４には、支持具３の棒状部材３ｂを挿通するための貫通孔が、ブレード４の先端（前縁Ｆ）から中央に近い位置に形成されている。なお、支持具３の固定位置（貫通孔の位置）は限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

また、ブレード４の下面Ｂの後縁Ｒ側には、支持具３の取付治具３ｃを固定するための取付板４ａが突設されている。取付板４ａには、複数のボルト孔が形成されており、ボルトｂによる取付治具３ｃの固定が可能に形成されている。
なお、取付板４ａは支持具３の固定方式に応じて形成するものであって、省略してもよい。

本実施形態に係るブレード４は、翼厚比が２５％以上４０％以下の範囲内であって、従来の風力発電機用ブレードと比較して厚みが厚く形成されているため、風車１の回転数が少なくなる。そのため、風車１の支持構造（垂直軸２や支持具３）への負担が従来の風車に比べて少なく、簡易な支持構造による支持が可能となる。故に、経済的に優れている。また、支持構造の簡素化により、風車１全体の軽量化が可能となるため、設置箇所の自由度が増す。

また、ブレード４は、その形状により、揚力が大きくかつ風車の回転数は少ないため、発電効率に優れている。風車の回転数が少ないことで、トルクが大きくなるため、高価なコアレス構造の発電機を使用する必要がなく、永久磁石使用同期発電機等を使用することが可能なため、安価である。

ブレード４は、流線形の翼型に形成されているため、比較的弱い風力で風車１が初動良く回転し、かつ、風速比（ブレードの翼端速度／風速）が１以上でも、風車１を効率よく回転させることを可能としている。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、本発明に係る風力発電機用ブレードを採用した風車の設置箇所は限定されるものではなく、例えば、建物の屋上や建物の近傍等に配置することが可能である。

以下、本発明に係る風力発電機用ブレードの実証実験結果について記載する。
ここで、図４は、本発明に係る風力発電機用ブレードを採用した風車による風速と回転数との関係を示したグラフである。また、図５は、従来の風力発電機用ブレードを採用した風車による風速と回転数との関係を示したグラフであって、（ａ）は翼厚比が１５％であって下面の後縁が切り欠かれた風力発電機用ブレード、（ｂ）は翼厚比が２１％の風力発電機用ブレードを採用した風車である。

本実証実験では、本発明の風力発電機用ブレードとして、翼厚比が３０％のものを使用する。
図４に示すように、本発明の翼厚比が３０％の風力発電機用ブレードによれば、風速２ｍ／ｓに対して回転数が２０ｒｐｍ程度である。また、風速が風速３ｍ／ｓであっても、回転数は３０ｒｐｍ程度である。

一方、従来の切欠を有した風力発電機用ブレードは、図５（ａ）に示すように、風速２ｍ／ｓで回転数は３０ｒｐｍ程度、風速３ｍ／ｓでは回転数は４５ｒｐｍ程度である。

また、翼厚比が２１％の風力発電機用ブレードによれば、図５（ｂ）に示すように、風速１ｍ／ｓで回転数が４０ｒｐｍ近く、風速２ｍ／ｓでは回転数が７０ｒｐｍ程度である。

したがって、本発明に係る風力発電機用ブレードが、従来の切欠を有した風力発電機用ブレードと比較して回転数を２／３程度に低下させることが可能であり、翼厚比が２１％の風力発電機用ブレードと比較した場合は、回転数を２／７程度に低下させることが可能であることが実験にて確認された。
したがって、本発明に係る風力発電機用ブレードが、従来の風力発電機用ブレードよりも、支持構造に与える負担が小さく、簡易な支持構造により風車を構成することが可能であることが証明された。

また、図４に示すように、本発明の風力発電機用ブレードによれば、風速が１ｍ／ｓに満たない弱風であっても、風車は回転し、発電することが可能である。

本発明の好適な実施の形態に係る風力発電機用ブレードを備えた風車を示す斜視図である。 図１に示す風車を示す側面図である。 図１に示す風力発電機用ブレードを示す断面図である。 本発明に係る風量躯発電機用ブレードの実証実験結果を示すグラフであって、風車の風速と回転数との関係を示している。 従来の風力発電機用ブレードの実証実験結果を示すグラフであって、（ａ）は翼厚比が１５％であって下面の後縁が切り欠かれた風力発電機用ブレード、（ｂ）は翼厚比が２１％の風力発電機用ブレード、を採用した風車による風速と回転数との関係を示している。

符号の説明

１ 風車
２ 垂直軸
３ 支持具
４ ブレード
Ｆ 前縁
Ｒ 後縁
Ｂ 下面
Ｔ 上面

Claims (1)

1. 垂直軸を中心として回転し、支持具を介して前記垂直軸から所定の間隔を有して複数枚配設される風力発電機用ブレードであって、
   流線形の翼型を呈し、翼厚比が３０％以上４０％以下の範囲内であり、最大キャンバー量が４％かつ最大キャンバー位置が翼弦長に対して前縁から４０％の位置になるように形成されていることを特徴とする、風力発電機用ブレード。

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