特開 2022-118418 垂直軸型風車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022118418

(43)【公開日】2022-08-15

(54)【発明の名称】垂直軸型風車

(51)【国際特許分類】

   F03D 3/06 20060101AFI20220805BHJP

【ＦＩ】

F03D3/06 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021014924

(22)【出願日】2021-02-02

(71)【出願人】

【識別番号】504163612

【氏名又は名称】株式会社ＬＩＸＩＬ

(74)【代理人】

【識別番号】110000497

【氏名又は名称】弁理士法人グランダム特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】堀部 房二

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA16

3H178AA40

3H178BB31

3H178CC01

3H178CC02

(57)【要約】

【課題】従来と比較して高効率を実現できる垂直軸型風車を提供する。
【解決手段】垂直軸型風車１は、軸Ａ周りに回転自在であり、軸Ａを中心とする円周Ｐ上に等間隔に配置された複数の翼部材１１，１２を有する第１翼群１０と、第１翼群１０とともに軸周りに回転自在であり、円周Ｐ上に等間隔且つ第１翼群１０の各翼部材１１，１２と交互に配置された複数の翼部材２１，２２を有する第２翼群２０と、を備えており、第１翼群１０の各翼部材１１，１２と、第１翼群１０の各翼部材１１，１２の円周Ｐ上における回転方向後方に隣接する第２翼群２０の翼部材２１，２２との周方向の間隔をθ１、第１翼群１０の各翼部材１１，１２と、第１翼群１０の各翼部材１１，１２の円周Ｐ上における回転方向前方に隣接する第２翼群２０の翼部材２１，２２との周方向の間隔をθ２、円周上に配置されている全翼部材数をＮとした場合、θ１＜（３６０°／Ｎ）＜θ２を満たす。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の軸周りに回転自在であり、前記軸を中心とする円周上に等間隔に配置された複数の翼部材を有する第１翼群と、
前記第１翼群とともに前記軸周りに回転自在であり、前記円周上に等間隔且つ前記第１翼群の各翼部材と交互に配置された複数の翼部材を有する第２翼群と、
を備えており、
前記第１翼群の各翼部材と、前記第１翼群の各翼部材の前記円周上における回転方向後方に隣接する前記第２翼群の翼部材との周方向の間隔をθ１、前記第１翼群の各翼部材と、前記第１翼群の各翼部材の前記円周上における回転方向前方に隣接する前記第２翼群の翼部材との周方向の間隔をθ２、前記円周上に配置されている全翼部材数をＮとした場合、
θ１＜（３６０°／Ｎ）＜θ２
を満たす垂直軸型風車。

【請求項2】

前記翼部材の翼弦は、前記円周の接線に重なっている請求項１に記載の垂直軸型風車。

【請求項3】

前記第１翼群の一の前記翼部材と、前記一の翼部材に隣接する前記第２翼群の前記翼部材のうちの前記一の翼部材に近いほうの翼部材と、の距離は、前記翼部材の翼弦長の１．０倍以上２．０倍以下の大きさである請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の垂直軸型風車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は垂直軸型風車に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は従来の風車を開示している。この風車は、複数の直線翼を備えている。複数の直線翼は、同心円状に少なくとも内周側と外周側の２列以上の円周上に配置されている。この風車は、第１のソリディティを第２のソリディティよりも大きく設定することによって、起動性や微風時の特性等を向上させ、効率の改善を図っている。第１のソリディティは、内周側の円周に配置された複数の直線翼のソリディティである。第２のソリディティは、外周側の円周に配置された複数の直線翼のソリディティである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１２００５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の場合、ベースとなる出力特性を発揮するのは外周側の円周に配置された直線翼によるものであり、この外周側の円周に配置された直線翼による効率自体は向上できていない。一般的に、垂直軸型風車における効率は、水平軸型風車と比較しても低く、必ずしも十分とは言えないのが実情である。このため、垂直軸型風車における更なる効率の向上が望まれていた。

【0005】

本開示は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、従来と比較して高効率を実現できる垂直軸型風車を提供することを解決すべき課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の垂直軸型風車は、所定の軸周りに回転自在であり、前記軸を中心とする円周上に等間隔に配置された複数の翼部材を有する第１翼群と、前記第１翼群とともに前記軸周りに回転自在であり、前記円周上に等間隔且つ前記第１翼群の各翼部材と交互に配置された複数の翼部材を有する第２翼群と、を備えており、前記第１翼群の各翼部材と、前記第１翼群の各翼部材の前記円周上における回転方向後方に隣接する前記第２翼群の翼部材との周方向の間隔を角度θ１、前記第１翼群の各翼部材と、前記第１翼群の各翼部材の前記円周上における回転方向前方に隣接する前記第２翼群の翼部材との周方向の間隔を角度θ２、前記円周上に配置されている全翼部材数をＮとした場合、θ１＜（３６０°／Ｎ）＜θ２を満たす。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態１に係る垂直軸型風車を示す平面断面図である。

【図2】図１の部分拡大図である。

【図3】実施形態１に係る垂直軸型風車において、各翼部材の配置形態を模式的に示す図である。

【図4】実施形態１に係る垂直軸型風車の作用を説明するための図（その１）である。

【図5】実施形態１に係る垂直軸型風車の作用を説明するための図（その２）である。

【図6】実施形態２に係る垂直軸型風車において、各翼部材の配置形態を模式的に示す図である。

【図7】他の実施形態に係る垂直軸型風車において、各翼部材の配置形態を模式的に示す図である。

【図8】更に他の実施形態に係る垂直軸型風車において、各翼部材の配置形態を模式的に示す図である。

【図9】実験（１）の実験結果を示すグラフ（その１）である。

【図10】実験（１）の実験結果を示すグラフ（その２）である。

【図11】実験（２）の実験結果を示すグラフである。

【図12】実験（３）の実験結果を示すグラフである。

【図13】実験（４）の実験結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

＜実施形態１＞
実施形態１に係る垂直軸型風車１（以下、単に風車１とも表記する）は、風力発電装置に用いられる風車である。図１から図３に示すように、風車１は、第１翼群１０及び第２翼群２０を備えている。第１翼群１０及び第２翼群２０は、軸Ａ周りに回転自在である。第１翼群１０は、複数の翼部材として２つの翼部材１１，１２を有している。第２翼群２０は、複数の翼部材として２つの翼部材２１，２２を有している。第１翼群１０の各翼部材１１，１２、及び第２翼群２０の各翼部材２１，２２は、それぞれ翼型及びサイズが同等である。これら４つの翼部材１１，１２，２１，２２は、軸Ａを中心とする円周Ｐ上にそれぞれ配置されている。

【0009】

図１に示すように、第１翼群１０の２つの翼部材１１，１２は、円周Ｐ上に等間隔（周方向に１８０°間隔）に配置されている。第２翼群２０の２つの翼部材２１，２２は、第１翼群１０の翼部材１１，１２と同様に、円周Ｐ上に等間隔（周方向に１８０°間隔）に配置されている。第１翼群１０の翼部材１１，１２と、第２翼群２０の翼部材２１，２２とは、円周Ｐ上に交互に配置されている。各翼部材１１，１２，２１，２２は、軸Ａの延伸方向に沿って平行に延びたいわゆる直線翼である。各翼部材１１，１２，２１，２２は、軸Ａを中心に円周Ｐ上を回転自在に設けられている。風車１は、各翼部材１１，１２，２１，２２が翼型断面を有するいわゆる揚力型風車である。

【0010】

図１に示すように、風車１は、各翼部材１１，１２，２１，２２を、それぞれ連結部材３を介して軸部材５に連結した形態である。軸部材５は円筒状に形成されている。軸部材５は、中心軸である軸Ａ周りに回転自在に設けられている。軸部材５は、軸方向の一端側において図示しない発電機に連結されている。軸部材５は、第１翼群１０及び第２翼群２０の回転に伴って回転して発電機を駆動する。

【0011】

図２に示すように（図２では、翼部材１１，２１を例示する）、各翼部材１１，１２，２１，２２は、それぞれの翼弦Ｃの中心を円周Ｐ上に配置している。翼弦Ｃは、各翼部材１１，１２，２１，２２における翼型の前縁と後縁を結んだ線分である。各翼部材１１，１２，２１，２２は、それぞれの翼弦Ｃを円周Ｐの接線に重ねて配置している。すなわち、各翼部材１１，１２，２１，２２はピッチ角０°で円周Ｐ上に配置されている。各翼部材１１，１２，２１，２２は翼弦Ｃの長さ（翼弦長）がＬｃに設定されている。

【0012】

距離Ｓ１は、翼部材１１，１２，２１，２２の翼弦Ｃの長さＬｃよりも小さい。距離Ｓ１は、第１翼群１０の翼部材１１，１２と、翼部材１１，１２に隣接する第２翼群２０の各翼部材２１，２２のうちの近いほうの翼部材との距離である。図２に示すように、距離Ｓ１は、後述する角度θ１の間隔で隣接して配置されている翼部材間の距離である。図２に示すように、距離Ｓ１は、回転方向の前方に位置する翼部材の翼弦後端と、回転方向の後方に位置する翼部材の翼弦前端との距離である。図２の場合、距離Ｓ１は、翼部材１１の翼弦Ｃの後端と、翼部材２１の翼弦Ｃの前端との間の距離である。距離Ｓ１は、翼弦Ｃの長さＬｃよりも小さく設定されている。

【0013】

上述のように、第１翼群１０の各翼部材１１，１２と、第２翼群２０の各翼部材２１，２２とは、円周Ｐ上に交互に配置される。図３に示すように、風車１は、第１翼群１０の翼部材１１から見て、回転方向後方には第２翼群２０の翼部材２１が隣接し、回転方向前方には翼部材２２が隣接する形態である。第１翼群１０の翼部材１１と翼部材２１との間隔のほうが、第１翼群１０の翼部材１１と翼部材２２との間隔よりも小さい。すなわち、第１翼群１０の各翼部材１１，１２と、各翼部材１１，１２から見て回転方向前方に隣接する翼部材２１，２２との間隔に比べて、第１翼群１０の各翼部材１１，１２と、各翼部材１１，１２から見て回転方向後方に隣接する翼部材２１，２２との間隔のほうが小さく設定されている。具体的には、第１翼群１０の各翼部材から見て、回転方向後方で隣り合う第２翼群２０の翼部材は、角度θ１の間隔で円周Ｐ上に配置されている。第１翼群１０の各翼部材から見て回転方向前方で隣り合う第２翼群２０の翼部材は、円周Ｐ上に角度θ２の間隔で配置されている。角度θ１は角度θ２よりも小さい。

【0014】

角度θ１，θ２について具体的に説明する。図３に示すように、翼弦Ｃの中心を各翼部材１１，１２，２１，２２の基準点とした場合を考える。第１翼群１０の各翼部材１１，１２の翼弦Ｃの中心を通り軸Ａに直交する直線をＬ１と定義する。各翼部材１１，１２の回転方向後方に位置する第２翼群２０の翼部材２１，２２の翼弦Ｃの中心を通り軸Ａに直交する直線をＬ２と定義する。各翼部材１１，１２の回転方向前方に位置する第２翼群２０の翼部材２１，２２の翼弦Ｃの中心を通り軸Ａに直交する直線をＬ３と定義する。直線Ｌ１と直線Ｌ２とのなす角度はθ１であり、直線Ｌ１と直線Ｌ３とのなす角度はθ２である。直線Ｌ１と直線Ｌ２とのなす角度θ１は、直線Ｌ１と直線Ｌ３とのなす角度θ２よりも小さく設定されている。第１翼群１０及び第２翼群２０の各翼部材１１，１２，２１，２２は、同じ翼群に属する翼部材同士で見ると円周Ｐ上に等間隔でありながら、周方向前後に隣接する他方の翼群の翼部材との間隔は異なっている。角度θ１及び角度θ２は、θ１＜θ２の条件を満たすように設けられている。

【0015】

第１翼群１０の各翼部材１１，１２と、これら各翼部材１１，１２の回転方向後方に隣接する第２翼群２０の各翼部材２１，２２との角度θ１は、円周Ｐ上の全翼部材を等間隔で配置した場合の角度よりも小さく設定されている。すなわち、全翼部材数をＮとすると、等間隔配置した場合の各角度は３６０°／Ｎであり、角度θ１＜（３６０°／Ｎ）である。円周Ｐ上に配置されている翼部材は、第１翼群１０及び第２翼群２０の各翼部材１１，１２，２１，２２の４つである。すなわち、全翼部材数Ｎは、Ｎ＝４である。４つの翼部材１１，１２，２１，２２を円周Ｐ上に等間隔で配置した場合の間隔は、３６０°／４＝９０°である。角度θ１は、この９０°よりも小さい間隔で設定されている。すなわち、風車１は、θ１＜θ２の条件に加えて、θ１＜（３６０°／Ｎ）の条件を満たすように設けられている。

【0016】

各翼群１０，２０の翼部材１１，１２，２１，２２が、円周Ｐ上の２箇所に１８０°間隔で纏めて配置されたことによって、風車１は２枚翼風車の形状に近い。円周Ｐ上に配置した複数の翼部材１１，１２，２１，２２が周方向に不等間隔で配置されている。複数の翼部材１１，１２，２１，２２のうちの円周Ｐ上で隣り合う翼部材同士の周方向の角度間隔において、最も小さい角度θ１は、全翼部材を円周Ｐ上に均等配置した場合の角度間隔である３６０°／Ｎよりも小さい。この場合、円周Ｐ上で隣り合う翼部材同士の周方向の角度のうち、最も大きい角度θ２は、３６０°／Ｎよりも大きい。このように、風車１における翼部材の配置は、θ１＜（３６０°／Ｎ）＜θ２を満たしている。

【0017】

上記構成の風車１の作用及び効果について説明する。風車１は、通常、軸Ａを地面に垂直にして配置される。これによって、風車１は、地面に沿って吹く風であれば、その風向きに依らず、軸Ａに交差する方向から受けることができる。風車１は、風を受けることによって各翼部材１１，１２，２１，２２に揚力及び抗力が生じ、これらの力のバランスに応じて回転トルクが発生して軸Ａ周りに回転する。回転した風車１は、軸部材５に連結されている図示しない発電機を駆動して発電することができる。

【0018】

上述のように、第１翼群１０の各翼部材１１，１２のそれぞれから見て、回転方向の前後に隣接する第２翼群２０の翼部材２１，２２は異なる間隔で配置されている。風車１は、翼部材をこのように配置したことで、円周Ｐ上において隣接する翼部材同士の間隔の小さい部分と大きい部分とを設けている。これによって、風車１は、４つの翼部材１１，１２，２１，２２を有しながら２枚翼の風車のような外観を呈している。

【0019】

翼部材を等間隔に配置した一般的な風車では、ソリディティσが小さく、周速比λが大きいほど効率（パワー係数Ｃｐ）が高くなることが知られている。具体的には、同翼型、同サイズの翼部材を有する風車の効率を翼部材の枚数の違いで比較した場合、２枚の翼部材を有する風車（２枚翼風車）は、３枚翼風車、４枚翼風車等の翼部材の数が相対的に多い風車よりも効率がよい。本願発明者は、風車の効率の向上を図るにあたりこの点に着目した。すなわち、本願発明者は、４枚翼以上の複数の翼部材を有する風車において、２枚翼風車の形状に近づけるため、周方向に隣接する翼部材を近づけて配置して翼部材同士の間隔の相対的に小さい部分を形成した。これによって、翼部材同士の間隔の相対的に大きい部分を設けるようにした。

【0020】

２枚翼風車が相対的に高効率であるのは以下の理由であると考える。図４に示すように、翼部材同士の間隔の相対的に大きい部分において風車を通過する風は、風上側を移動する翼部材による攪乱の影響を受けることなく風下の翼部材に到達することができる。これに対し、図５に示すように、翼部材同士の間隔が均等である場合、風車を通過する風は、風上側を移動する翼部材によって攪乱されて速度低下が生じると考えられる。この場合、風下側を移動する翼部材が風から受ける運動エネルギーは、攪乱されていない風を受ける場合と比較して小さくなってしまう。このように、等間隔配置した場合よりも翼部材同士の間隔が大きい部分を設けた場合、翼部材が受ける風の運動エネルギーの低下を抑制でき、効率が向上すると考えられる。すなわち、本開示に係る風車は、翼部材の配置がθ１＜（３６０°／Ｎ）＜θ２の条件を満たすように設けたことによって、全翼部材を等間隔配置した場合よりも翼部材同士の間隔の大きい部分を設け、効率向上を図っている。

【0021】

本実施形態の場合、異なる翼群の翼部材同士を周方向に近接させて配置して角度θ１の部分を設けたことで、全翼部材を周方向に等間隔配置した場合よりも翼部材同士の間隔が相対的に大きい部分である角度θ２の部分を設けた。これによって、風車１は、角度θ２の間隔で翼部材が配置された部分を風が通過する際の風の速度低減率を小さくすることができ、効率を向上させることができると考えられる。

【0022】

第１翼群１０の翼部材１１，１２と、これら翼部材１１，１２に隣接する第２翼群２０の翼部材２１，２２のうちの各翼部材１１，１２に近い方の翼部材との距離Ｓ１が翼弦Ｃの長さＬｃよりも小さい。このように、距離Ｓ１を翼弦Ｃの長さＬｃよりも小さくしたことによって、各翼部材間の間隔が大きいほうの部分における距離は、相対的に大きくされる。このため、風車１を通過する風の速度低減率が一層抑えられる。

【0023】

距離Ｓ１を小さくする意義としては、円周Ｐ上を移動する際に風車１全体が空気から受ける抗力を抑制する効果があると考えられる。すなわち、近接して配置された２つの翼部材のうち、回転方向後方に位置する翼部材は、前方に位置する翼部材が風除けとなるため、抗力が減少すると考えられる。特に、揚力型風車の場合、翼部材の回転円周上の移動速度は風速より大きくなるため、抗力の抑制という観点において、翼部材同士を回転方向において近接して配置することは効果的であると考える。

【0024】

各翼部材１１，１２，２１，２２は、それぞれの翼弦Ｃが円周Ｐの接線に重なるように配置されている。このように各翼部材１１，１２，２１，２２を配置したことによって、円周軌道に対して効果的にトルクを伝達することができるので、発生トルクのロスを低減できる。円周Ｐ上を移動する際に翼部材が移動方向の空気から受ける抗力を低減することができる。

【0025】

各翼部材１１，１２，２１，２２の翼弦Ｃは、円周Ｐの接線に重ねて配置されている。このため、各翼部材１１，１２，２１，２２が円周Ｐ上を移動する際、移動方向における各翼部材１１，１２，２１，２２の投影面積が抑えられ、円周Ｐ上を移動することによって生じる抗力の大きさが抑えられる。

【0026】

＜実施形態２＞
実施形態２に係る垂直軸型風車２０１について、図６等を参照しつつ説明する。実施形態２において、上記実施形態１と略同じ構成部位には同符号を付けて、構造、作用及び効果の説明は省略する。

【0027】

垂直軸型風車２０１（以下、単に風車２０１とも表記する）は、実施形態１の風車１の構成である第１翼群１０及び第２翼群２０に加えて、第３翼群３０を備えている。第３翼群３０は、複数の翼部材として２つの翼部材３１，３２を有している。すなわち、風車２０１の円周Ｐ上の全翼部材数Ｎは、Ｎ＝６である。第３翼群３０の各翼部材３１，３２は、翼部材１１，１２，２１，２２と翼型及びサイズが同等である。

【0028】

翼部材３１，３２は、翼部材１１，１２，２１，２２と同様に、連結部材３を介して軸部材５に連結されている。第３翼群３０の各翼部材３１，３２は、第１翼群１０及び第２翼群２０と同様に、円周Ｐ上に等間隔（周方向に１８０°間隔）に配置されている。各翼部材３１，３２は、円周Ｐ上において第１翼群１０の各翼部材１１，１２の前方にそれぞれ配置されている。換言すると、第１翼群１０、第２翼群２０、及び第３翼群３０の各翼部材１１，１２，２１，２２，３１，３２は、回転方向前方から、第１翼群１０の翼部材１１，１２、第２翼群２０の翼部材２１，２２、第３翼群３０の翼部材３１，３２、の順に円周Ｐ上に配置されている。

【0029】

図６に示すように、第３翼群３０の各翼部材３１，３２は、第１翼群１０及び第２翼群２０の各翼部材１１，１２，２１，２２と同様、それぞれの翼弦Ｃの中心が円周Ｐ上に配置され、それぞれの翼弦Ｃが円周Ｐの接線に重なっている。

【0030】

図６に示すように、第１翼群１０の各翼部材から見て回転方向後方に隣り合う第２翼群２０の翼部材は、周方向に角度θ１の間隔で配置されている。第１翼群１０の各翼部材から見て回転方向前方に隣り合う第２翼群２０の翼部材は、周方向に角度θ２の間隔で配置されている。角度θ１は、角度θ２よりも小さく設定されている。すなわち、風車２０１は、θ１＜θ２の条件を満たすように設けられている。

【0031】

角度θ１，θ２と全翼部材を円周Ｐ上に均等配置した場合の各翼部材の間隔３６０°／Ｎと比較すると、θ１＜（３６０°／Ｎ）＜θ２が成立する。上述のように、風車２０１における全翼部材数Ｎは、Ｎ＝６である。６つの翼部材１１，１２，２１，２２，３１，３２を円周Ｐ上に等間隔で配置した場合の間隔は、３６０°／６＝６０°である。角度θ１は、６０°よりも小さく設定されている。すなわち、風車２０１は、θ１＜θ２の条件に加えて、θ１＜（３６０°／Ｎ）の条件を満たすように設けられている。

【0032】

図６に示すように、第３翼群３０の各翼部材３１，３２は、第２翼群２０の各翼部材２１，２２から見て、回転方向後方にそれぞれ位置している。すなわち、第３翼群３０の各翼部材は、第１翼群１０及び第２翼群２０の各翼部材が角度θ２の間隔で配置されている部分に配置されている。第３翼群３０の各翼部材３１，３２は、回転方向前方の第２翼群２０の翼部材２１，２２から見て周方向に角度θ３の間隔で配置されている。第３翼群３０の各翼部材３１，３２は、回転方向後方の第１翼群１０の翼部材１１，１２から見て周方向に角度θ４の間隔で配置されている。角度θ２と、角度θ３及び角度θ４との関係は、θ２＝θ３＋θ４である。

【0033】

円周Ｐ上で隣接する第１翼群１０及び第２翼群２０の各翼部材同士の配置間隔である角度θ１が６０°（＝３６０°／Ｎ）よりも小さい場合、角度θ２の範囲に配置される第３翼群３０の翼部材３１，３２を如何様な配置とした場合であっても、角度θ３及び角度θ４の少なくとも一方は、６０°よりも大きくなる。

【0034】

角度θ３は角度θ１と等しい大きさに設定されている。すなわち、第１翼群１０の翼部材１１，１２と、これらの翼部材１１，１２の回転方向後方に隣接して配置された第２翼群２０の翼部材２１，２２とのなす角度θ１は、第２翼群２０の翼部材２１，２２と、これらの翼部材２１，２２の回転方向後方に隣接して配置された第３翼群３０の翼部材３１，３２とのなす角度θ３と略同等である。これによって、風車２０１は、各翼群１０，２０，３０の翼部材１１，１２，２１，２２，３１，３２が円周Ｐ上の２箇所に纏まって配置され、２枚翼風車のような外観をなしている。

【0035】

上記構成の垂直軸型風車２０１も、実施形態１の垂直軸型風車１と同様の効果を奏する。風車２０１は、それぞれ複数の翼部材を円周上に等間隔で配置した第１翼群１０、第２翼群２０、及び第３翼群３０の３つの翼群を備え、第１翼群１０及び第２翼群２０の翼部材同士を周方向に近接させて角度θ１の間隔で配置した部分を設けたことによって、全翼部材を周方向に等間隔配置した場合よりも翼部材同士の間隔が相対的に大きい部分を設けることができる。これによって、翼部材同士の間隔が等間隔である場合と比較して、等間隔配置した場合よりも翼部材同士の間隔の大きな部分を設けることができ、この部分を風が通過する際の風の速度低減率を小さくすることができる。その結果、従来と比較して効率を向上させることができる。

【0036】

風車２０１は、第１翼群１０、第２翼群２０、及び第３翼群３０の各翼部材を円周Ｐ上の２箇所に纏めて配置した２枚翼風車のような形状をなしている。これによって、全翼部材を等間隔配置した場合と比較して、翼部材同士の間隔の一層大きな部分を設けることができ、この部分を風が通過する際の風の速度低減率を一層小さくすることができる。その結果、従来と比較して効率を一層向上させることができる。

【0037】

＜他の実施形態＞
本開示は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本開示の技術的範囲に含まれる。

【0038】

（１）翼部材の材質、構成、形状、翼型等は特に限定されない。翼部材が直線翼であることは必須でなく、例えば、ヘリカル型、ダリウス型等であってもよい。翼部材の形状は、揚力で主な回転力を得る形状であれば、如何様な形状であってもよい。

【0039】

（２）第３翼群、第４翼群等の他の翼群を更に備える場合、他の翼群の構成、翼部材の数、翼部材の配置等は特に限定されない。他の翼群は、例えば、第１翼群及び第２翼群とともに所定の軸周りに回転自在であり、第１翼群及び第２翼群の各翼部材が配置される円周上に等間隔に配置された複数の翼部材を有することができる。この場合、他の翼群の翼部材は、例えば、近接して配置されている第１翼群及び第２翼群の各翼部材に対して近接して配置されることが好ましい。

【0040】

（３）各翼群が有する翼部材の数は、３以上であってもよい。図７に、各翼群がそれぞれ３枚の翼部材を有する垂直軸型風車３０１（以下、単に風車３０１と表記する）を例示する。この風車３０１では、第１翼群３１０の３つの翼部材１１，１２，１３は円周Ｐ上に等間隔（１２０°間隔）で配置され、第２翼群３２０の３つの翼部材２１，２２，２３は円周Ｐ上に等間隔（１２０°間隔）で配置される。第１翼群３１０の各翼部材１１，１２，１３と、第１翼群３１０の各翼部材１１，１２，１３の円周Ｐ上における回転方向後方に隣接する第２翼群３２０の各翼部材２１，２２，２３との周方向の間隔をθ１、円周Ｐ上における回転方向前方に隣接する翼部材２１，２２，２３との周方向の間隔をθ２、円周Ｐ上に配置されている全翼部材数をＮとした場合、風車３０１は、θ１＜（３６０°／Ｎ）＜θ２を満たしている。換言すると、風車３０１は、各翼群１０，２０の翼部材１１，１２，１３，２１，２２，２３を円周Ｐ上の３箇所に１２０°間隔で纏めて配置したことによって、３枚翼風車の形状に近づけている。この場合も、上述の各実施形態と同様の効果を奏する。

【0041】

各翼部材のピッチ角は特に限定されない。例えば、各翼部材は、翼群毎に異なるピッチ角で配置されていてもよいし、個別の翼部材毎に異なるピッチ角であってもよい。例えば、図８に示す垂直軸型風車４０１は、第１翼群１０の翼部材１１，１２のピッチ角と、第２翼群２０の翼部材２１，２２のピッチ角とが異なっている。特に、風車４０１の場合、近接して隣り合う２つの翼部材１１，２１（１２，２２）の翼弦Ｃが同一直線状に配置されるようにピッチ角を設定している。この場合も、上述の実施形態と同様に、従来の風車と比較して高効率化を図ることができる。

【0042】

本開示に係る風車の効果を確認するため、以下の実験を行った。各実験は、実験１として、従来の風車との効率の比較、実験２として、４枚翼風車における翼部材間の周方向の間隔の違いによる効率の比較、実験３として、６枚翼風車における翼部材間の周方向の間隔の違いによる効率の比較をそれぞれ行った。

【0043】

（１）実験１
本開示に係る風車と従来の風車との効率の比較を行った。実験では、本開示に係る風車としての実験例１の風車と、比較例として、翼部材を等間隔に配置した従来の風車４種類（比較例１から比較例４）のそれぞれについて出力測定を行い、測定した出力値に基づいてパワー係数Ｃｐを求めた。実験条件は、各風車における受風面積（円周Ｐの直径×翼長）、翼部材の翼型、大きさ等を同一とした。詳細は以下のとおりである。
翼部材の翼型 NACA００２１
翼弦の長さ（Ｌ） ３４０ｍｍ
翼長 ４０００ｍｍ
円周Ｐの直径 １８００ｍｍ
風速（Ｖ） １０ｍ／ｓ

【0044】

パワー係数Ｃｐは、風車が受ける風の運動エネルギーの回転エネルギーへの変換効率を示す数値であり、以下の数式で表される。
パワー係数 Ｃｐ＝Ｗ／（１／２ρＡＶ³）
（Ｗ：風車の出力、ρ：空気の密度、Ａ：風車の受風面積、Ｖ：風速）
結果を表１に示す。

【0045】

【表1】

【0046】

表１によれば、実験例１の風車のパワー係数Ｃｐは、いずれの比較例よりも大きかった。特に、実験例１の風車は、同数の翼部材を等間隔配置した比較例３の風車と比較すると、パワー係数Ｃｐが約１．５倍も大きかった。これは、上述したように、回転方向前後の翼部材との間隔が異なるように翼部材を配置したことによって、翼部材を等間隔配置した従来の風車よりも風の速度低減率が小さくなったためと考えられる。上記数式に示したように、風車の出力の大きさは、風速の３乗に比例する。したがって、風の速度低減率を抑制することは、風車の効率の向上に極めて大きな意義があると考える。

【0047】

図９は、表１に示した各例のパワー係数Ｃｐをソリディティσとの相関として示したグラフである。図１０は、表１に示した各例のパワー係数Ｃｐを周速比λとの相関として示したグラフである。ソリディティσとは、周長に対する全翼部材の翼弦の長さの合計の比率である。周速比λとは、風速に対する翼部材の周速（円周Ｐ上の移動速度）の比率である。上述のように、一般的な従来の風車では、ソリディティσが小さく、周速比λが大きいほど効率（パワー係数Ｃｐ）が高くなることが知られている。図９及び図１０において、比較例１から比較例４を見るとそのような傾向が表れている。すなわち、比較例１から比較例４を比較した場合、ソリディティσが最も小さく周速比λが最も大きい比較例１の風車において、パワー係数Ｃｐが最も大きいという結果であった。これに対し、実験例１の風車については、ソリディティσ及び周速比λが比較例３と略同等であるにも関わらず、比較例のうちで最も高いパワー係数Ｃｐを示した比較例１よりも高いパワー係数Ｃｐを示した。

【0048】

上述のように、従来の風車では、２枚翼風車のような相対的にソリディティσの小さい、周速比λの大きい風車ほど効率が高くなることが知られている。その一方で、ソリディティσが小さい風車の場合には、回転開始時に大きなトルクを必要とするため、回転し難いというデメリットがある。同様に、周速比λが大きい風車、すなわち回転速度が相対的に大きくなる風車の場合には、それに耐えうる強度が必要となる。実験例１の風車は、翼部材を等間隔に配置した従来の風車と比較してソリディティσを大きく、周速比λを小さく設定しながら高効率化を図ることができる、という顕著な効果を奏すると言える。

【0049】

（２）実験２
４枚翼風車における翼部材間の周方向の間隔の違いによる効率の比較を行った。実験では、同じソリディティσで角度θ１の大きさの異なる実験例２、及び実験例３の２種類の風車と、これらの風車と同じソリディティσであって、従来の等間隔配置の比較例５の風車とを比較した。実験条件は以下の通りである。
翼部材数（Ｎ） ４枚
翼部材の翼型 NACA４４１２
翼弦の長さ（Ｌｃ） ４５ｍｍ
翼長 ３００ｍｍ
円周Ｐの直径 ３００ｍｍ
風速（Ｖ） １０ｍ／ｓ
各風車における角度θ１，θ２（図３参照）、距離Ｓ１（図２参照）は表２のとおりである。

【0050】

【表2】

【0051】

結果を図１１に示す。これによると、実験例２及び実験例３の各風車のパワー係数Ｃｐの最大値は、比較例５よりも極めて大きかった。このように、本実験において、翼部材同士の間隔をθ１＜（３６０°／Ｎ）＜θ２とすることによる効率向上の効果を実証できた。特に、実験例２の風車のパワー係数Ｃｐの最大値は、比較例５の風車のパワー係数Ｃｐの最大値よりも約２．３倍も大きかった。実験例３の風車のパワー係数Ｃｐの最大値についても、比較例５よりも約６０％大きかった。このように、本実験の実験結果によれば、相対的に角度θ１が小さい（角度θ２が大きい、距離Ｓ１が小さい）程、効率が高くなる、と言える。

【0052】

（３）実験３
６枚翼風車における翼部材間の周方向の間隔の違いによる効率の比較を行った。実験では、同じソリディティσで角度θ１の大きさの異なる実験例４、及び実験例５の２種類の風車と、これらの風車と同じソリディティσであって、従来の等間隔配置の比較例６の風車とを比較した。実験条件は以下の通りである。
翼部材数（Ｎ） ６枚
翼部材の翼型 NACA４４１２
翼弦の長さ（Ｌｃ） ４５ｍｍ
翼長 ３００ｍｍ
円周Ｐの直径 ３００ｍｍ
風速（Ｖ） １０ｍ／ｓ
各風車における角度θ１，θ２、θ３（図６参照）、距離Ｓ１（図２参照）は表３のとおりである。

【0053】

【表3】

【0054】

結果を図１２に示す。これによると、実験例４及び実験例５の各風車のパワー係数Ｃｐの最大値は、比較例６よりも大きかった。このように、本実験においても、翼部材同士の間隔をθ１＜（３６０°／Ｎ）＜θ２とすることによる効率向上の効果を実証できた。実験例４の風車のパワー係数Ｃｐの最大値は、比較例６の風車のパワー係数Ｃｐの最大値よりも約４０％大きかった。実験例５の風車のパワー係数Ｃｐの最大値は、実験例４の風車と比較すると小さいものの、比較例５よりも約３５％大きかった。実験例４と実験例５とを比較すると、角度θ１の大きさは同じであり、角度θ３の大きさについては実験例４のほうが小さい。したがって、本実験の結果によれば、角度θ３を小さくする程、効率を高くできる、と言える。これに加えて、６枚翼風車の場合、角度θ１の大きさが同等の場合には、角度θ３の大きさの小さな風車のほうが、更に効率を高くできる、とも言える。

【0055】

（４）実験４
実験４は、翼部材間の距離に着目したものである。実験４では、６枚翼風車における翼部材間の距離の違いによる効率の比較を行った。具体的には、同じソリディティσであって、距離Ｓ１の大きさの異なる実験例６、実験例７、及び実験例８の３種類の風車について効率を求め、これらを比較した。実験条件は以下の通りである。
翼部材数（Ｎ） ６枚
翼部材の翼型 NACA４４１２
翼弦の長さ（Ｌｃ） ７８ｍｍ
翼長 ７００ｍｍ
円周Ｐの直径 ６００ｍｍ
風速（Ｖ） １０ｍ／ｓ
各風車における距離Ｓ１（図２参照）、角度θ１，θ２（図７参照）は表４のとおりである。

【0056】

【表4】

【0057】

結果を図１３に示す。これによると、各風車のパワー係数Ｃｐは、翼部材間の距離が最も小さい実験例６において最も小さく、翼部材間の距離が最も大きい実験例８において最も大きかった。すなわち、距離Ｓ１が大きい程効率が向上するという結果であり、小さければ小さい程よい、といったものではないことが分かった。その一方で、距離Ｓ１を大きくしてゆくと、いずれ等間隔配置と同等の配置になることは明らかである。このことから、効率向上を図ることができる距離Ｓ１の大きさには上限が存在するものと考えられる。

【0058】

ここで、上述の（２）実験２において、実験例２及び実験例３の各風車の効率は比較例２よりも高く、そのＳ１／Ｌｃの大きさは、それぞれ０．７６倍及び２．４７倍であった（表２参照）。したがって、本開示においては、距離Ｓ１に対する翼弦Ｃの長さＬｃの比が、少なくとも０．７６倍以上２．４７倍以下の範囲であれば効率向上を図ることができる、と言える。すなわち、本開示に係る風車において、第１翼群の一の翼部材と、この一の翼部材に隣接する第２翼群の翼部材のうちの第１翼群の一の翼部材に近いほうの翼部材と、の距離は、各翼部材における翼弦長の０．７６倍以上２．４７倍以下であることができる。この範囲であれば、全翼部材を等間隔配置した風車と比較して確実に効率を向上させることができる。本実験４の結果と合わせて推測した結果、このＳ１／Ｌｃの範囲は、１．０倍以上２．０倍以下であることが好ましく、１．２倍以上１．５倍以下であることが殊更好ましい、と考えられる。これらの範囲であれば、一層の効率向上を図ることができる、と考える。

【0059】

以上のように、本開示に係る風車によれば、所定の軸周りに回転自在であり、この軸を中心とする円周上に等間隔に配置された複数の翼部材を有する第１翼群と、この第１翼群とともに軸周りに回転自在であり、円周上に等間隔且つ第１翼群１０の各翼部材と交互に配置された複数の翼部材を有する第２翼群と、を備えている。そして、第１翼群の各翼部材と、これら第１翼群の各翼部材の円周Ｐ上における回転方向後方に隣接する第２翼群の翼部材との周方向の間隔をθ１、第１翼群の各翼部材と、これら第１翼群の各翼部材の円周上における回転方向前方に隣接する第２翼群の翼部材との周方向の間隔をθ２、円周上に配置されている全翼部材数をＮとした場合、θ１＜（３６０°／Ｎ）＜θ２を満たしている。

【0060】

このような構成によって、本開示の風車は、全翼部材を円周上に均等配置した場合と比較して高効率化を図ることができる。このため、翼数及びソリディティが等しい従来の等間隔配置の風車と比較して、高効率を実現できる。このため、例えば、単に高効率化を図るのみならず、高ソリディティ化によって周速比を抑えることで耐久性の向上を図る等、風車の設計自由度を向上させることができる。

【0061】

本開示に係る風車の構成は、既存の風車に適用する場合にも有効である。例えば、２ｎ枚（ｎは２以上の整数）の翼部材を有する既存風車において、それぞれ２枚の翼部材を有するｎの翼群に分けたり、それぞれｎ枚の翼部材を有する２つの翼群に分けたりし、翼群毎に翼部材を円周上に等間隔配置するとともに、異なる翼群の翼部材同士を周方向に近接させて配置（少なくとも一の翼群に属する翼部材を、全翼部材を円周上に等間隔配置した場合の位置から周方向に位相をずらして配置）することによって、本開示に係る風車を容易に実現することができる。このように、高効率化を図るために既存の風車を改良する場合でも、本開示に係る風車は、翼部材や連結部材等を再設計することなく高効率化を図ることができる。

【0062】

本開示に係る風車は、従来の等間隔配置の風車と比較して相対的に高ソリディティであっても、従来と同様の効率を実現できる。このため、例えば、翼枚数を増やした構成を採用することで加振トルクを分散させ、風車回転時の共振を軽減することができる。

【符号の説明】

【0063】

１，２０１，３０１，４０１…垂直軸型風車、１０…第１翼群、１１，１２…第１翼群の翼部材、２０…第２翼群、２１，２２…第２翼群の翼部材、Ｌｃ…翼部材の翼弦の長さ（翼弦長）、Ｓ１…翼部材間の距離、θ１，θ２，θ３…翼部材間の周方向の間隔を表す角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】