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公開番号2024126799
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-20
出願番号2023035441
出願日2023-03-08
発明の名称過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法、プログラム、及び過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置
出願人国立大学法人鳥取大学,日軽金アクト株式会社
代理人個人,個人
主分類F03D 17/00 20160101AFI20240912BHJP(液体用機械または機関;風力原動機,ばね原動機,重力原動機;他類に属さない機械動力または反動推進力を発生するもの)
要約【課題】過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車の特性評価方法、プログラム、及び過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置を提供すること。
【解決手段】本発明の過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車の特性評価方法は、風車本体部分10の回転部周りの第1回転トルクを算出する第1回転トルク算出ステップと、過回転抑制部分の回転部周りの第2回転トルクを算出する第2回転トルク算出ステップと、第1回転トルクと第2回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップとを有することを特徴とする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
風車本体部分と、過回転抑制部分とから構成され、
前記風車本体部分は、
発電部を有する基部と、
前記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、
前記回転部にアームを介して連結されて前記垂直軸周りに回転する複数の風車翼と
を備え、
前記過回転抑制部分は、
前記アームに設けられ、前記回転部と前記風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部と、
前記可動部に設けられ、前記風車翼の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部を前記アーム軸周りに傾斜させ、前記風車翼の回転停止時には前記可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体と
を備える
過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法であって、
前記風車本体部分の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、
前記過回転抑制部分の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、
前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップと
を有することを特徴とする過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
続きを表示（約 2,100 文字）【請求項２】
前記風車本体部分及び前記過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、
前記第１回転トルク算出ステップで算出される前記第１回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第１構造データを変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
【請求項３】
前記風車本体部分及び前記過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、
前記第２回転トルク算出ステップで算出される前記第２回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第２構造データを変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
【請求項４】
前記風車本体部分及び前記過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、
前記風車全体回転トルク算出ステップで算出される前記風車全体回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データの少なくともいずれかを変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法。
【請求項５】
風車本体部分と、過回転抑制部分とから構成され、
前記風車本体部分は、
発電部を有する基部と、
前記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、
前記回転部にアームを介して連結されて前記垂直軸周りに回転する複数の風車翼と
を備え、
前記過回転抑制部分は、
前記アームに設けられ、前記回転部と前記風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部と、
前記可動部に設けられ、前記風車翼の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部を前記アーム軸周りに傾斜させ、前記風車翼の回転停止時には前記可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体と
を備える
過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法を行うプログラムであって、
コンピュータに、
前記風車本体部分の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、
前記過回転抑制部分の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、
前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップと
を実行させるためのプログラム。
【請求項６】
前記コンピュータに、
前記風車本体部分及び前記過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップ
を実行させ、
前記入力ステップで受け付けた前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データを用いて、前記第１回転トルク算出ステップ及び前記第２回転トルク算出ステップを実行させるための請求項５に記載のプログラム。
【請求項７】
風車本体部分と、過回転抑制部分とから構成され、
前記風車本体部分は、
発電部を有する基部と、
前記基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、
前記回転部にアームを介して連結されて前記垂直軸周りに回転する複数の風車翼と
を備え、
前記過回転抑制部分は、
前記アームに設けられ、前記回転部と前記風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部と、
前記可動部に設けられ、前記風車翼の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部を前記アーム軸周りに傾斜させ、前記風車翼の回転停止時には前記可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体と
を備える
過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置であって、
前記風車本体部分の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出手段と、
前記過回転抑制部分の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出手段と、
前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出手段と
を有することを特徴とする過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸風車に関するもので、更に詳細には、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法、この特性評価方法を行うプログラム、及び過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装に関する。
続きを表示（約 5,000 文字）【背景技術】
【０００２】
水平軸風車は商業的理由から一般的に大型であり、強風に晒される海岸線、山岳地帯等に設置場所が限定される、一方、小型の垂直軸風車は平均風速3.7m/s程度の風でも発電可能であるため、日本中のほぼ全域で設置可能であり、地元で発電し地元で消費する地産地消型に適し、期待度の高い風車である。
出願人らは、水平軸風車に比べて低風速である垂直軸風車として、発電部を有する基部と、基部に対して垂直軸周りに回転する回転部と、回転部にアームを介して連結されて垂直軸周りに回転する複数の風車翼とを備え、アームは、回転部と風車翼とを結ぶアーム軸の軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部を有し、可動部に、風車の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって可動部をアーム軸周りに傾斜させ、風車の回転停止時には可動部を初期状態に戻す過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車を既に提案している（特許文献１）。
なお、特許文献２では、垂直軸風車（主にダリウス形風車）について、ブレードの自重を抑制でき、かつ、ブレードに発生する曲げモーメントがブレードスパン方向に変化しても、曲げ応力σ
M A X
をある設定値以下に抑える垂直軸風車のブレード、垂直軸風車、垂直軸風車のブレードの設計装置および方法、並びに垂直軸風車のブレードの設計プログラムを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２２-１０８９１７号公報
特開２００４-３０８６４３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で開示している過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車によれば、ばねなどの弾性体を不要にし、耐久性が高く、シンプル構造であり、かつ、強風状態における風車回転数は定格回転数（最大回転数）よりも十分に低い状態に抑制することができる。
しかし、このような過回転抑制誘導体を備えた垂直軸風車の特性を評価する方法を確立する必要がある。
なお、特許文献２では、ブレード及びブレード支持部材を設計対象としており、一つの動作体系である風車本体のみの設計であり、互いに動作体系が異なる部分を有する風車についての設計方法を提案していない。
【０００５】
本発明は、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法、プログラム、及び過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の本発明の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法は、風車本体部分１０と、過回転抑制部分２０とから構成され、前記風車本体部分１０は、発電部を有する基部１１と、前記基部１１に対して垂直軸Z周りに回転する回転部１２と、前記回転部１２にアーム１３を介して連結されて前記垂直軸Z周りに回転する複数の風車翼１４とを備え、前記過回転抑制部分２０は、前記アーム１３に設けられ、前記回転部１２と前記風車翼１４とを結ぶアーム軸１３ａの軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部２１と、前記可動部２１に設けられ、前記風車翼１４の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部２１を前記アーム軸１３ａ周りに傾斜させ、前記風車翼１４の回転停止時には前記可動部２１を初期状態に戻す過回転抑制誘導体２２とを備える過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法であって、前記風車本体部分１０の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、前記過回転抑制部分２０の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップとを有することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、前記第１回転トルク算出ステップで算出される前記第１回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第１構造データを変更することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、前記第２回転トルク算出ステップで算出される前記第２回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記第２構造データを変更することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、前記風車全体回転トルク算出ステップで算出される前記風車全体回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、前記入力ステップでの前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データの少なくともいずれかを変更することを特徴とする。
請求項５記載の本発明のプログラムは、風車本体部分１０と、過回転抑制部分２０とから構成され、前記風車本体部分１０は、発電部を有する基部１１と、前記基部１１に対して垂直軸Z周りに回転する回転部１２と、前記回転部１２にアーム１３を介して連結されて前記垂直軸Z周りに回転する複数の風車翼１４とを備え、前記過回転抑制部分２０は、前記アーム１３に設けられ、前記回転部１２と前記風車翼１４とを結ぶアーム軸１３ａの軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部２１と、前記可動部２１に設けられ、前記風車翼１４の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部２１を前記アーム軸１３ａ周りに傾斜させ、前記風車翼１４の回転停止時には前記可動部２１を初期状態に戻す過回転抑制誘導体２２とを備える過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法を行うプログラムであって、コンピュータに、前記風車本体部分１０の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、前記過回転抑制部分２０の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップとを実行させることを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法のプログラムにおいて、前記コンピュータに、前記風車本体部分１０及び前記過回転抑制部分２０の翼形状に関する空力データ、前記風車本体部分１０の構造に関する第１構造データ、及び前記過回転抑制部分２０の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを実行させ、前記入力ステップで受け付けた前記空力データ、前記第１構造データ、及び前記第２構造データを用いて、前記第１回転トルク算出ステップ及び前記第２回転トルク算出ステップを実行させることを特徴とする。
請求項７記載の本発明の過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置は、風車本体部分１０と、過回転抑制部分２０とから構成され、前記風車本体部分１０は、発電部を有する基部１１と、前記基部１１に対して垂直軸Ｚ周りに回転する回転部１２と、前記回転部１２にアーム１３を介して連結されて前記垂直軸Ｚ周りに回転する複数の風車翼１４とを備え、前記過回転抑制部分２０は、前記アーム１３に設けられ、前記回転部１２と前記風車翼１４とを結ぶアーム軸１３ａの軸周りに回転可能な過回転抑制用の可動部２１と、前記可動部２１に設けられ、前記風車翼１４の回転時に生じる遠心力、空気力、及び重力の作用によって前記可動部２１を前記アーム軸１３ａ周りに傾斜させ、前記風車翼１４の回転停止時には前記可動部２１を初期状態に戻す過回転抑制誘導体２２とを備える過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価装置であって、前記風車本体部分１０の前記回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出手段と、前記過回転抑制部分２０の前記回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出手段と、前記第１回転トルクと前記第２回転トルクから前記垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、風車本体部分の慣性モーメントと、過回転抑制部分の慣性モーメントとを、それぞれの運動方程式を使用して、風車本体部分の回転速度変化と過回転抑制部分の回転速度変化を、分離して求めるに際し、風車本体部分のトルクと過回転抑制部分のトルクとを分けて解析しているので、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の挙動を解析するシミュレーション解析を極めて簡単に行うことができる。このため、シミュレーション結果に基づく風車設計や風車の実測値に基づく風車設計を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明の一実施例による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の全体構成図
同垂直軸風車の要部斜視図
同垂直軸風車の特性評価方法を示すフローチャート
空力データ準備ステップの説明図
第１構造データ入力ステップの説明図
風車本体部分の計算条件設定ステップの説明図
第１回転トルク算出ステップに用いる式
第１回転トルク算出ステップの説明図
第２構造データ入力ステップの説明図
第２回転トルク算出ステップに用いる式
過回転抑制部分が存在しない場合の出力係数（Cp）（Without MA）と、過回転抑制部分が存在する場合の出力係数（Cp）（With MA）の比較を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の第１の実施の形態による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法は、風車本体部分の回転部周りの第１回転トルクを算出する第１回転トルク算出ステップと、過回転抑制部分の回転部周りの第２回転トルクを算出する第２回転トルク算出ステップと、第１回転トルクと第２回転トルクから垂直軸風車の風車全体回転トルクを算出する風車全体回転トルク算出ステップとを有するものである。
本実施の形態によれば、風車本体部分のトルクと過回転抑制部分のトルクとを分けて解析しているので、過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の挙動を解析するシミュレーション解析を極めて簡単に行うことができる。
【００１０】
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による過回転抑制機構を備えた垂直軸風車の特性評価方法において、風車本体部分及び過回転抑制部分の翼形状に関する空力データ、風車本体部分の構造に関する第１構造データ、及び過回転抑制部分の構造に関する第２構造データの入力を受け付ける入力ステップを有し、第１回転トルク算出ステップで算出される第１回転トルクが所定の回転トルクとならない場合には、入力ステップでの第１構造データを変更するものである。
本実施の形態によれば、風車本体部分の最適設計を行いやすい。
（【００１１】以降は省略されています）

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