JP7089848B2 - 垂直軸風車および風力発電装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 （Ａ）は同垂直軸風車の翼の正面図、（Ｂ）はその側面図である。 （Ａ）は図３（Ａ）の部分拡大図、（Ｂ）は図３（Ｂ）の部分拡大図である。 （Ａ）は図４（Ｂ）のＶＡ－ＶＡ断面図、（Ｂ）は図４（Ｂ）のＶＢ－ＶＢ断面図、およびＶＣ－ＶＣ断面図である。 （Ａ）～（Ｅ）はそれぞれウイングレットの折れ曲がり角度の解析に用いた翼の一部を示す正面図である。 ウイングレット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。 ウイングレット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。 ウイングレットの折れ曲がり角度と騒音との関係を示すグラフである。 （Ａ）～（Ｅ）は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。 （Ａ）～（Ｃ）はそれぞれ翼の全長に対するウイングレットの長さの解析に用いた翼の正面図である。 翼の全長に対するウイングレットの長さと、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。 （Ａ）～（Ｄ）はそれぞれウイングレットの頂点位置の解析に用いた翼の一部を断面で表した平面図である。 ウイングレットの頂点位置と騒音との関係を示すグラフである。 （Ａ）～（Ｄ）は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。 ウイングレットの頂点位置と、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

［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。

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。

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。

［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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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

Claims (2)

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。
2. 請求項１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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