JP2004183537A

JP2004183537A - 自己姿勢制御型サボニウス風車

Info

Publication number: JP2004183537A
Application number: JP2002350295A
Authority: JP
Inventors: Tadanobu Nagasawa; 忠延長澤; Toshihiko Ikeda; 敏彦池田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】風向きが３６０度あらゆる方向に変わっても、常に自動的に風向きに対する位置および向きが一定となるように案内羽根の自己姿勢制御ができる自己姿勢制御型サボニウス風車を提供する。
【解決手段】第１の支持体１４に、半円筒状の２つのブレード１６を凹部側を互いに対向させて、かつ正対位置からずらして支持した風車ロータ１２を備えるサボニウス型の風車において、風車ロータ１２の軸線を中心として回転自在に設けられた第２の支持体３０に支持されて、風車ロータ１２の周りに配置され、風車ロータ１２へ風を送り込むように案内する案内羽根２６、２８と、第２の支持体３０上に設けられ、風向きに基づいて受ける力により、風車ロータ１２に向かう風向きがあらゆる方向に変わっても、案内羽根２６、２８を、風車ロータ１２へ風を送り込める姿勢位置まで、第２の支持体３０を介して回転、復帰させる方向制御羽根３４を具備することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自己姿勢制御型サボニウス風車およびこれを用いた発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力は古くから利用されてきた自然エネルギーであるが、近年になってクリーンエネルギーとしてその利用が注目されるようになった。
発明者等は既に、簡易な構成のサボニウス型風車を考案した。
この風車は、風車ロータの外方に配置され、ロータの軸線を中心とする円周上で移動可能、かつロータの軸線と平行な自身の軸線を中心として回転可能であって、ブレードへの風の流れを調整可能な１または複数個の案内羽根と、
該案内羽根を、前記円周上の所定位置に移動させる移動手段と、
前記案内羽根の自身の軸線を中心として所定角度位置に回転させる回転手段と、
風向検出部と
該風向検出部により検出された風向のデータが入力され、該風向データに基づき、風向が変わった際、前記案内羽根が、あらかじめ入力されている風向に対する前記円周上の設定位置、およびあらかじめ入力されている風向に対する設定角度位置となるように、前記移動手段および前記回転手段を駆動制御する制御部と
から成る（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２８９１５０号公報（特許請求の範囲）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記サボニウス型風車によれば、案内羽根によりブレードに流れ込む風の風量を増大させることができ、出力を向上させることができる。しかも風向きが変わった場合でも、案内羽根の位置および向きを風向きに合わせて変更できる利点がある。
しかしながら、案内羽根の位置および向きを変更するのに動力を要するという課題がある。
この種のサボニウス型風車は、ある程度大きな規模の型では有効利用しうるものであるが、別途動力を要するというのは、エネルギーロスを伴うと共に、簡易化、小型化に逆行する。
【０００５】
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、風向きが３６０度あらゆる方向に変わっても、自然の風力により常に自動的に風向きに対する位置および向きが一定となるように案内羽根の自己姿勢制御ができるため、方向制御のため外部から特別に動力を供給する必要がなく、簡易化が図れる自己姿勢制御型サボニウス風車およびこれを用いた発電装置を提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、本発明に係る自己姿勢制御型サボニウス風車は、第１の支持体に、半円筒状の２つのブレードを凹部側を互いに対向させて、かつ正対位置からずらして支持した風車ロータを備えるサボニウス型の風車において、前記風車ロータの軸線を中心として風車ロータとは独立して回転自在に設けられた第２の支持体に支持されて、前記風車ロータの周りに配置され、風車ロータへ風を送り込むように案内する案内羽根と、前記第２の支持体上に設けられ、風向きに基づいて受ける力により、前記風車ロータに向かう風向きが３６０°あらゆる方向に変わっても、前記案内羽根を、前記風車ロータへ風を送り込める姿勢位置まで、前記第２の支持体を介して回転、復帰させる方向制御羽根を具備していることを特徴とする。
【０００７】
また、前記案内羽根を、進みブレードに対する風の流れ込みを増大させる案内羽根（以下第１のベーンという）と、戻りブレードに対する風の流れ込みを抑制する案内羽根（以下第２のベーンという）とにより構成すると好適である。
前記方向制御羽根を前記風車ロータに流れ込む風の流路から外れる位置に配置するようにする。
また、前記方向制御羽根を、風向きに対する角度を可変に前記第２の支持体に着脱可能に取り付けると好適である。
また、前記風車ロータおよび前記第２の支持体を回転自在に支持する共通の固定軸を設けると強度を高めることができて好適である。
前記案内羽根および前記方向制御羽根が、風車ロータの回転中心からの半径が、風車ロータの半径の３倍の半径となる仮想円筒より外方に突出しない大きさに設定すると設置スペースを小さくすることができ、好適である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１にサボニウス型風車１０の概略図を、図２に方向制御の原理図を示す。
風車ロータ１２は、上下に配した、円板状の第１の支持体１４、１４に、半円筒状の２つのブレード１６ａ、１６ｂを凹部側を互いに対向させて、かつ正対位置からずらして支持させてある。
風車ロータ１２は、両第１の支持体１４、１４を貫通する固定軸１８に、ベアリング１９、１９を介して回転自在に取り付けられている。
２０は固定軸１８が挿通する中空状の出力軸であり、取付板２１を介して下側の第１の支持体１４に固定され、風車ロータ１２と共に回転する。出力軸２０は、基台２２に固定された軸受け２３を回転自在に挿通している。２４はベアリングである。
【０００９】
固定軸１８の下端は支持ブロック２５に固定され、上端は図示しない外枠によって支持される両持ち構造となっている。
上記のように、風車ロータ１２は、鉛直に配設された固定軸１８を中心として、水平面内で回転するように設けられている。
２７は発電機であり、基台２２に固定されていて、出力軸２０にギア群２９を介して連繋されている。
【００１０】
２６は第１のベーン、２８は第２のベーンである。
両ベーン２６、２８は、風車ロータ１２の周りに配置され、風車ロータ１２への風の流入を制御する。
両ベーン２６、２８は第２の支持体３０ａ、３０ｂに固定されている。
第２の支持体３０ａ、３０ｂは板状に形成されており、ベアリング３２ａ、３２ｂを介して、固定軸１８、および基台２２に対して回転自在に設けられている。したがって、両ベーン２６、２８は、第２の支持体３２ａ、３２ｂと共に風車ロータ１２の周りで風車ロータ１２とは独立して回転することが可能となっている。
【００１１】
第１のベーン２６は、図３に示すように、進み状態のブレード１６ａの前方に、風向き（矢印方向）に対して角度φ_１だけ傾斜して配設され、進み状態のブレード１６ａに対する風の流れ込みを増大させるように機能する。角度φ_１は１５０°前後が好適である。また第２のベーン２８は、戻り状態のブレード１６ｂの前方に配設され、戻りブレード１６ｂに対する風の流れ込みを抑制するように機能する。風向きに対する角度φ_２は９０°前後が好適である。
【００１２】
第１のベーン２６の取り付け方向を示す角度をθ_１を６０°、中心からの距離を０．７２Ｄ（Ｄは風車ロータ１２の直径）、第２のベーン２８の取り付け方向角θ_２を−３０°、中心からの距離を０．７２Ｄ、第１、第２のベーン２６、２８の幅を０．５Ｄ、φ_１を１５０°、φ_２を９０°とした場合の、周速比λに対する出力特性（出力係数Ｃ_ｐ）を図４に示す。ベーン２６、２８を設けた場合、設けない場合に比して出力が最大３０％程度向上する。
ベーン２６、２８の位置、大きさ、取り付け角度等の上記諸条件は図３に示す場合が好適であったが、必ずしも上記数値に限定されるものではない。案内羽根の数は２枚が好適であるが、必ずしもこれに限定されない。
【００１３】
次に図１、図２において、３４は方向制御羽根である。
方向制御羽根３４は、上側に位置する第２の支持体３０ａの上面に固定されている。したがって、方向制御羽根３４は、風車ロータ１２に流れ込む風の流路外に位置し、風車ロータ１２への風の流入の障害となることはない。
方向制御羽根３４は、流れ込む風から力を受けることにより、風車ロータ１２への風向きが３６０°あらゆる方向に変わっても、ベーン２６、２８を、風向きに対して常に図３に示す一定の位置（風車ロータへ風を送り込むように案内する前記位置：以下初期位置ということがある）まで回転、復帰させるように、第２の支持体３０ａ、３０ｂを介して回転させるよう機能する。
【００１４】
図２の平面図において、風向き方向をＸ軸、風車ロータ１２の中心を通ってＸ軸に直交する方向をＹ軸とした場合、第１のベーン２６は第２象限、第２のベーン２８は第３象限に位置する。
方向制御羽根３４が、風車ロータ１２に流れ込む風の向きが３６０°あらゆる方向に変わっても、ベーン２６、２８を風向きに対して常に図３に示す一定の位置に復帰させるように回転させるというのは、図２の状態の停止位置において、第１のベーン２６、方向制御羽根３４に加わる時針回転方向の回転モーメントと、第２のベーン２８に加わる反時針回転方向の回転モーメントが釣り合うことを意味する。
したがって、方向制御羽根３４は図２において第１象限に位置するとき、良好な釣り合い状態を実現できることが期待できる。
しかし、方向制御羽根３４の大きさや風向きに対する角度によっては、３６０°あらゆる方向に風向きが変わった場合に、ベーン２６、２８を図２に示す位置に常に回転、復帰させることができるわけではない。
したがって、３６０°あらゆる方向に風向きが変わった場合にも、ベーン２６、２８を、図２に示す位置に常に回転、復帰させる条件を見出す必要がある。
また、風向きの変化に追従してできるだけ速やかにベーン２６、２８が回転復帰することが好ましい。
【００１５】
方向制御羽根３４の機能を調べるため、図３に示した案内羽根（ベーン）条件の風車について実験を行った。
図５に示すように、方向制御羽根３４を取り付け角度を種々に変更して取り付けられるようにした。具体的には、方向制御羽根３４を取り付け板３５に固定し、取り付け板３５には２箇所にピンを設け、第２の支持体３０ａに、中心からの角度を１０°づつ変位させた位置（１１段階）にピン挿通孔を設けて、ピンをピン挿通孔に挿通して支持することで、方向制御羽根３４を風向きに対して種々の角度で取り付けられるようにした。また、方向制御羽根３４の大きさ、ａ（縦）×ｂ（横）も種々に変化させて実験を行った。
釣り合い状態にある初期位置から角度βだけ時針回転方向にベーン２６、２８をずらした位置で解放し、ベーン２６、２８が初期位置まで戻る時間（Ｔｓ）を計測した。なお、ベーン２６、２８が初期位置付近にまで回転復帰しても、しばらくは初期位置を中心に振り子状に振れるので、振り子の振幅が角度１０°以内になった時点を戻り時間（Ｔｓ）とした。風速は４ｍ／ｓと、１０ｍ／ｓの２段階で計測した。
【００１６】
図６は、ａ×ｂ＝６０×２００（単位：ｍｍ）の大きさの方向制御羽根３４を、１（Ｈ１：外側）と２（Ｈ２：内側）の位置のピン挿通孔を用いて取り付けた状態を示す。
角度βだけずらした位置からのベーン２６、２８の戻り時間を計測した結果を図７に示す。
図７で、データのプロットが無い箇所（β＝９０°、１３５°）では、ベーン２６、２８が初期位置まで戻り得なかったことを示す。すなわち、図６に示す方向制御羽根３４の条件下では、３６０°あらゆる方向への風向き変化に対して、ベーン２６、２８が常に初期位置に回転、復帰するとは言い得ない。
【００１７】
図８は、ａ×ｂ＝１１０×２００の方向制御羽根３４を、４（Ｈ１：外側）と５（Ｈ２：内側）の位置のピン挿通孔を用いて取り付けた状態を示す。
同様に角度βだけずらした位置からのベーン２６、２８の戻り時間を計測した結果を図９に示す。
このように、方向制御羽根３４の寸法を大きくし、取り付け位置を適切に選定した結果、必要な回転モーメントが得られ、図９に示すように、３６０°あらゆる方向への風向き変化に対して、ベーン２６、２８を初期位置に回転復帰させることができた。
【００１８】
図１０は、３６０°あらゆる方向への風向き変化に対してもベーン２６、２８が初期位置にまで、図９に示すものより短持間で回転、復帰した風車のスペックの一例を示す。
この図では、方向制御羽根３４の取り付け状態が明確になるように、羽根内側縁位置をｙとθ_３で、取り付け方向をφ_３で示している。
図１１は、方向制御羽根３４の内側縁までの風車中心からの距離ｙ＝４５ｍｍ、該内側縁と風車中心とのなす角度θ_３＝６０°、方向制御羽根３４の風向きに対する角度φ_３＝１５５°、方向制御羽根３４の大きさａ×ｂ＝１１０×２００（ｍｍ）の場合の測定結果である。
【００１９】
上記実施の形態に示されるように、ベーン２６、２８、および方向制御羽根３４を、風車ロータ１２の回転中心からの半径が、風車ロータ１２の半径の３倍の半径となる仮想円筒より外方に突出しない大きさに設計でき、小型化できて好適である。
なお、ベーン２６、２８を、３６０°あらゆる方向への風向き変化に対して常に初期位置まで回転、復帰させるための、方向制御羽根３４の大きさ、取り付け角度、取り付け位置等の条件は、ベーン２６、２８の大きさ、取り付け角度、取り付け位置との相対的な関係に影響されるものであり、上記数値には限定されない。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、風向きが３６０度あらゆる方向に変わっても、常に自動的に風向きに対する位置および向きが一定となるように案内羽根の自己姿勢制御ができ、方向制御のための特別な動力を必要とせず、簡易化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】風車の概略を示す説明図である。
【図２】案内羽根（ベーン）と方向制御羽根の位置関係を示す説明図である。
【図３】案内羽根の取り付け位置を示す説明図である。
【図４】図３に示す風車の出力特性を示すグラフである。
【図５】方向制御羽根の取り付け角度を変更する方法の説明図である。
【図６】大きさ６０×２００（ｍｍ）の方向制御羽根の取り付け状態を示す説明図である。
【図７】図６の風車の案内羽根の戻り時間を示すグラフである。
【図８】大きさ１１０×２００（ｍｍ）の方向制御羽根の取り付け状態を示す説明図である。
【図９】図８の風車の案内羽根の戻り時間を示すグラフである。
【図１０】案内羽根の戻り時間の短い風車のスペックの一例を示す説明図である。
【図１１】図１０の風車の案内羽根の戻り時間を示すグラフである。
【符号の説明】
１０風車
１２風車ロータ
１４第１の支持体
１６ａ、１６ｂブレード
１８固定軸
２０出力軸
２２基台
２６、２８案内羽根（ベーン）
２７発電機
３０ａ、３０ｂ第２の支持体
３４方向制御羽根

Claims

第１の支持体に、半円筒状の２つのブレードを凹部側を互いに対向させて、かつ正対位置からずらして支持した風車ロータを備えるサボニウス型の風車において、
前記風車ロータの軸線を中心として風車ロータとは独立して回転自在に設けられた第２の支持体に支持されて、前記風車ロータの周りに配置され、風車ロータへ風を送り込むように案内する案内羽根と、
前記第２の支持体上に設けられ、風向きに基づいて受ける力により、前記風車ロータに向かう風向きが３６０°あらゆる方向に変わっても、前記案内羽根を、前記風車ロータへ風を送り込める姿勢位置まで、前記第２の支持体を介して回転、復帰させる方向制御羽根を具備していることを特徴とする自己姿勢制御型サボニウス風車。
前記案内羽根は、進みブレードに対する風の流れ込みを増大させる第１のベーンと、戻りブレードに対する風の流れ込みを抑制する第２のベーンとを具備することを特徴とする請求項１記載の自己姿勢制御型サボニウス風車。
前記方向制御羽根が前記風車ロータに流れ込む風の流路から外れる位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の自己姿勢制御型サボニウス風車。
前記方向制御羽根が、風向きに対する角度を可変に前記第２の支持体に取り付けられていることを特徴とする請求項１、２または３記載の自己姿勢制御型サボニウス風車。
前記風車ロータおよび前記第２の支持体を回転自在に支持する共通の固定軸を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の自己姿勢制御型サボニウス風車。
前記案内羽根および前記方向制御羽根が、風車ロータの回転中心からの半径が、風車ロータの半径の３倍の半径となる仮想円筒より外方に突出しない大きさに設定されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の自己姿勢制御型サボニウス風車。
請求項１〜６いずれか１項記載の自己姿勢制御型サボニウス風車の出力軸に発電機が連繋されたことを特徴とする発電装置。