JP2001055969A

JP2001055969A - 風車装置

Info

Publication number: JP2001055969A
Application number: JP23077999A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kiriyama; 茂桐山
Original assignee: Nihon Safety Co Ltd
Current assignee: Nihon Safety Co Ltd
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2001-02-27

Abstract

(57)【要約】【課題】小型風車であっても、高出力・高トルクを得
ることができる風車装置を提供する。【解決手段】上流側から下流側へしだいに横断面積が
増加する外筒体１を備え、外筒体１の上流寄りに、風車
２を内有させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、風車装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、風力発電に用いられる風車装置
は、大型風車を特別の風速の強い立地を選んで建設して
発電していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、低速の風を利
用して小型風車で風力発電を行うには、その出力が余り
にも小さすぎて、実用性がないに等しかった。すなわ
ち、風車出力は、風車半径の２乗と風速の３乗に比例す
ることから、風車半径の小さい小型風車で、しかも、低
風速の風を利用して発電を行うのでは、建設費用の割に
は出力が小さ過ぎて、事実上の役に立つものはなかっ
た。

【０００４】そこで、本発明は、どこにでも手軽に設置
することができ、かつ、小型風車であっても、高出力・
高トルクを得ることができる風車装置を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明に係る風車装置は、上流側から下流側へし
だいに横断面積が増加する外筒体を備え、該外筒体の上
流端寄りに、風車を内有させたものである。

【０００６】また、外筒体の下流側開口端面に、空気の
流れを外面形状によって変化させて、外筒体の上流側開
口端面からの吸引力を促進する吸引促進部材を、設け、
かつ、該吸引促進部材の下流側端面の外面形が、逆流防
止機能を果たすように構成されたものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態を示す図面に基
づき、本発明を詳説する。

【０００８】図１は、本発明の第１の実施の形態を示
し、この風車装置は、上流側（風上側）から下流側（風
下側）へしだいに横断面積が増加する外筒体１を備え
る。外筒体１の上流側に、図２に示すように、複数の羽
２ａ…を備えた風車２が内有される。風車２は、水平軸
心Ｌを有する軸部材３の一端側に、水平軸心Ｌ廻りに回
転自在に付設される。

【０００９】外筒体１は、支持部材４の上端４ａに、支
持部材４の鉛直軸心Ｂ廻りに回転自在に付設される。支
持部材４は、外筒体１の前後方向中央より前端寄りの位
置に設けられる。外筒体１は、風が吹くと、断面積の小
さい方───すなわち、上流側開口端面１ａ───が上
流側となる向きに、自動的に鉛直軸心Ｂ廻りに回転す
る。すなわち、外筒体１の上流側開口端面１ａが、下流
側へしだいに横断面積が増加する（テーパ状）の外筒体
１自体の形状によって、自ら、常に上流側を向くよう
に、構成されている。

【００１０】風が羽２ａ…に当たると、風車２が軸部材
３の水平軸心Ｌ廻りに回転する。軸部材３の他端側に
は、プーリ５が連設され、軸部材３の回転を、プーリ５
に掛けられたベルト６を介して、他のプーリ７を回転さ
せるように構成される。プーリ７の回転が、発電器８へ
と伝達されることにより、発電が行われる。

【００１１】図３は、外筒体１と風車２のみを示した簡
略図である。すなわち、この外筒体１は、中空円錐の頂
点側及び底面を除去した形状を有し、その縦断面形状
は、横倒状の台形である。

【００１２】図４から図６に於て、層流状態の流体の中
に物体を設置した場合の、流体の流れの状態について、
簡単に説明する。

【００１３】まず、層流状態の流体の中に、図４に示す
ような中空の立方体Ｘを設置すると、立方体Ｘの前方
（上流側）でよどみを生じて流れの方向に動圧がかか
り、後方（下流側）では減圧となって周囲から流体を巻
き込み、渦流を発生する。

【００１４】図５は、図４に於ける立方体Ｘの前面Ｘ₁
及び後面Ｘ₂ を除去した形状の筒体Ｙを層流状態の流体
の中に設置した場合の流線図を示す。この場合、流体
は、よどみや渦流を生じることなく、層流のみとなる
が、流体の速度と密度は、摩擦のない理想状態において
どの位置も皆等しい。

【００１５】図６は、縦断面形状が横倒状の障害物Ｚを
層流状態の流体の中に設置した場合の流線図を示す。こ
の場合、（図４のときと同様に、）障害物Ｚの前方でよ
どみを生じて流れの方向に動圧がかかり、後方では減圧
となって周囲から流体を巻き込み、渦流を発生する。

【００１６】図７は、第１の実施の形態に於ける外筒体
１───図６に於ける障害物Ｚの前面Ｚ₁ 及び後面Ｚ₂
を除去した形状を有する───を層流状態の流体の中に
設置した場合の流線図を示す。

【００１７】この場合、流体は、よどみや渦流を生じる
ことなく、層流のみとなるとともに、外筒体１の下流側
開口端面１ｂに於て後方への吸引力がはたらき、この吸
引力によって、外筒体１の上流側開口端面１ａでの流入
速度が増大する、という吸引現象が起きる。

【００１８】この吸引現象によって、風車２の羽２ａ…
に当たる風の風速を、飛躍的に増大させる。外筒体１の
ない風車のみの発電装置から発電する場合と比較して、
同一風速の風から、かなり大きな電力を得ることができ
る。

【００１９】上流側開口端面１ａに対する下流側開口端
面１ｂの面積比は、 1.0を越えて、4.0未満とするのが
好ましい。この面積比が 1.0以下のときは、吸引作用が
無く、 4.0を越えるときは、経済的効率が悪い。

【００２０】また、図３に示す外筒体１の長さＥ₁ は、
上流側開口端面１ａの直径Ｅ₂ の 1.0倍以上から 3.0倍
以下に設定される。長さＥ₁ が直径Ｅ₂ の 1.0倍未満の
とき、又は、 3.0倍を越えるときは、吸引効率が悪い。

【００２１】図８は、第２の実施の形態を示し、外筒体
１の下流側開口端面１ｂに、空気の流れを外面形状によ
って変化させて、外筒体１の上流側開口端面１ａからの
吸引力を促進する吸引促進部材９が、設けられる。

【００２２】吸引促進部材９は、後方へしたがって断面
積が大きくなる円錐状であって、その下流側端面９ａ
は、速度の小さくなった流体の逆流防止機能───外筒
体１の後方から内部へと逆流するのを防ぐ機能───を
有する。

【００２３】図９は、第３の実施の形態を示し、外筒体
１の横断面積の増加率は、変化線Ｍにて、変化する。具
体的には、変化線Ｍ前方での増加率よりも、変化線Ｍ後
方での増加率の方が大きい。

【００２４】吸引促進部材９の下流側端面９ａの形状
は、背面視に於て、中心と外周円部が凸部となるような
円周状凹面に形成される。この吸引促進部材９によっ
て、下流側開口端面１ｂから後方への吸引が、より一層
促進され、風車２の羽２ａ…に当たる風の風速を、飛躍
的に増大させる。

【００２５】図10は、第４の実施の形態を示し、外筒体
１は、変化線Ｍの前方に円筒部10を有する。

【００２６】なお、本発明は、設計変更可能であって、
例えば、外筒体１の横断面積の増加率は、３段階に変化
するも良い。また、外筒体１がラッパ状の形状であるも
良い。また、外筒体１の断面形状は、円でなく、例え
ば、矩形、六角形等でも良い。また、吸引促進部材９の
形状は、例えば、開閉自在な弁式や扉式のものに設計変
更自由である。

【００２７】

【実施例】次に、具体的な本発明の実施例について、図
11から図14に示すような形状・寸法の外筒体１を作成し
た。また、比較例として、外筒体１なしの風車装置も作
成した。

【００２８】一般に、次式が成立する。 λ₀ ×（μｖ₀ ）×（１−ａ）＝２πｒｎ／６０ ………(1) ここに、各値は、以下のように定義される。 λ₀ ：ここに用いた風車の先端周速比で外筒体１を設け
ない風車２を異なった風速のもとで回転速度を実測して
算出した2.60を適用した。（表１のＮo.１参照） μ：外筒体や吸引促進部材の形状や位置によって決まる
定数。ｖ₀ ：外気風速。ａ：干渉係数。１−ａ＝0.4 と計算された。ｒ：風車２の半径。0.15ｍ。ｎ：風車２の回転速度（r.p.m.）。

【００２９】式(1) より、 μλ₀ ＝0.0393ｎ／ｖ₀ ………(2) が成立する。

【００３０】図11から図14に示す外筒体１について、風
車の回転速度ｎと外気風速ｖ₀ とから、μλ₀ を求め、
λ₀ ＝2.60を代入して、μの値を求めた。測定結果を表
１及び表２に示す。なお、μは、図11に示す外筒体１の
場合、後方からの逆流がないとすれば、μ＝Ｓ₂ ／Ｓ₁
で表されるが、実際には１＜μ＜Ｓ₂ ／Ｓ₁ である。こ
こに、Ｓ₁ は、外筒体１の上流側開口端面１ａの面積で
あり、Ｓ₂ は、下流側開口端面１ｂの面積である。な
お、外筒体１なしの風車装置（比較例）では、μ＝1.00
となる。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】表１及び表２より、いずれの実施例におい
ても、μ＞１であることが分かる。また、μの値は、吸
引促進部材９を付設することにより、大きくなるという
ことが分かる。μの値は、Ｎo.５の風車装置のときが最
大で、μ＝3.22であることが分かる。また、表１及び表
２の結果を、図15に示す。

【００３４】風車出力Ｐは、次式によって算出される。Ｐ＝Ｃ_P×（１／２）×ρ× (μ×ｖ₀)³ ×Ａ×9.8 ……(3) ここに、各値は、以下のように定義される。Ｃ_P：出力定数。 0.324。 ρ：空気の密度。0.1229（kg・s²／ｍ⁴ ）Ａ：風車受風面の面積（ｍ²）

【００３５】すなわち、風車出力Ｐは、 (μ×ｖ₀)³ に
比例する。表３に、μ＝1.00及びμ＝3.22の場合につい
て、風車の直径Ｄを変化させたときの風車出力Ｐを示
す。

【００３６】

【表３】

【００３７】表３より、μ＝3.22の場合には、μ＝1.00
の場合と比較して、飛躍的に風車出力Ｐが向上している
ことが分かる。例えば、風車２の直径Ｄ＝0.30（ｍ）、
かつ、風速ｖ₀ ＝ 8.0（ｍ／ｓ）のとき、μ＝1.00の場
合には風車出力Ｐ＝ 7.1（Ｗ）に対して、μ＝3.22の場
合には、風車出力Ｐ＝ 235.4（Ｗ）であって、約33倍の
風車出力Ｐを得ることができる。このように、μの値が
大きくなるほど、効率良く発電することができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明は上述の如く構成されるので、次
に記載する効果を奏する。

【００３９】（請求項１によれば）風車半径の小さい小
型風車であっても、（外筒体１が集風洞として作用し）
高出力・高トルクを得ることができる。また、低風速の
風を有効に利用して発電を行うことができる。さらに、
小型風車であっても実用性のある発電を行うことができ
るので、農業、畜産、養殖の作業場や、学校、病院、自
宅等、どこにでも手軽に設置することができて、至便で
ある。

【００４０】（請求項２によれば）外筒体１の下流側開
口端面１ｂにおける流体の吸引力を促進することがで
き、同一風速の風を、より効率良く発電に利用すること
ができる。また、流体の逆流を防ぐことができ、流体の
有するエネルギーを有効に電気エネルギーに変化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す断面側面図で
ある。

【図２】風車を示す背面図である。

【図３】簡略断面側面図である。

【図４】説明図である。

【図５】説明図である。

【図６】説明図である。

【図７】説明図である。

【図８】第２の実施の形態を示す簡略断面側面図であ
る。

【図９】第３の実施の形態を示す簡略断面側面図であ
る。

【図10】第４の実施の形態を示す簡略断面側面図であ
る。

【図11】実施例を示す簡略断面側面図である。

【図12】実施例を示す簡略断面側面図である。

【図13】実施例を示す簡略断面側面図である。

【図14】実施例を示す簡略断面側面図である。

【図15】風速と回転速度との相関関係を示すグラフ図で
ある。

【符号の説明】

１外筒体１ａ上流側開口端面１ｂ下流側開口端面２風車９吸引促進部材９ａ下流側端面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上流側から下流側へしだいに横断面積が
増加する外筒体１を備え、該外筒体１の上流端寄りに、
風車２を内有させたことを特徴とする風車装置。
【請求項２】外筒体１の下流側開口端面１ｂに、空気
の流れを外面形状によって変化させて、外筒体１の上流
側開口端面１ａからの吸引力を促進する吸引促進部材９
を、設け、かつ、該吸引促進部材９の下流側端面９ａの
外面形が、逆流防止機能を果たすように構成された請求
項１記載の風車装置。