JP2005036780A - Wind-turbine generator system installed at exhaust opening - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空調システム等の排気口に付設して、排気のエネルギーを有効に利用する風力発電機システムに関するものである。 The present invention relates to a wind power generator system that is attached to an exhaust port of an air conditioning system or the like and effectively uses the energy of the exhaust.
従来、空調システム等の排気口から不要になった排気を室外等へ排出しているが、特に利用していることは無かった。この排気は、気体の強い流れを持っていて、外を通過する人に不快な感覚を与えること、熱を持っていて大気を暖めるなどの不具合があった。いずれも、排気の持っているエネルギーを利用することなく排出していた。 Conventionally, exhaust that has become unnecessary from the exhaust port of an air conditioning system or the like has been discharged outside the room, but has not been particularly utilized. This exhaust had a strong flow of gas, and it had problems such as giving an unpleasant sensation to people passing outside and warming the atmosphere with heat. In both cases, the energy contained in the exhaust was discharged without using it.
排気の持っているエネルギーを有効に利用するために、排気の流れを考慮して風力発電システムを構成することに着目したが、空調システムの流量、熱等のバランスを乱すことなく風力発電機システムを構成することが必須の課題となった。 In order to effectively use the energy of the exhaust, we focused on configuring the wind power generation system in consideration of the exhaust flow, but the wind power generator system without disturbing the balance of the flow rate, heat, etc. of the air conditioning system It has become an essential task.
本願では、空調システムの排気口からの風力発電部の羽根までの距離、羽根の受風面積について、シミュレーションを行い、空調システムの流量等のバランスに影響を与えない距離と、羽根の受風面積との関連を求め、排気口付設風力発電機システムを実現した。
請求項1記載の発明は、排気口付設風力発電機システムであって、前記の風力発電機の羽根の回転部面積(羽根受風面積)を、前記排気口の断面積を(1−軸方向誘導係数a)で割り算した値にほぼ設定したことを特徴とする。In this application, simulation is performed on the distance from the air outlet of the air conditioning system to the blades of the wind power generation unit and the wind receiving area of the blades, the distance that does not affect the balance of the flow rate of the air conditioning system, and the wind receiving area of the blades And realized a wind turbine generator system with an exhaust port.
The invention according to
請求項2記載の発明は、請求項1記載の排気口付設風力発電機システムにおいて、前記の羽根の回転部面積(羽根受風面積)は、前記排気口の断面積の1.1〜2.0倍に設定したことを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, in the wind power generator system with an exhaust port according to the first aspect, the rotating portion area (blade wind receiving area) of the blade is 1.1-2. It is characterized by being set to 0 times.
請求項3記載の発明は、排気口付設風力発電機システムであって、排気口に付設する風力発電機システムであって、前記風力発電機の羽根部の位置を前記排気口の開口部より離すことで側面開口部を設け、前記の側面開口部から排気の一部を排出するように構成したことを特徴とする。The invention according to
請求項4記載の発明は、請求項3記載の排気口付設風力発電機システムにおいて、前記側面開口部は、前記排気口の前記開口部と前記羽根部との間の距離が、前記排気口の前記開口部の辺又は直径の0.02〜0.30倍に設定されたことを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, in the wind turbine generator system with an exhaust port according to the third aspect, the distance between the opening portion of the exhaust port and the blade portion of the side surface opening portion is that of the exhaust port. It is set to 0.02 to 0.30 times the side or diameter of the opening.
請求項5記載の発明は、請求項3又は請求項4記載の排気口付設風力発電機システムであって、横風を集めて前記羽根部の回転を促進する横風ガイドを前記排気口または前記排気口の近傍に付設したことを特徴とする。The invention according to
請求項6記載の発明は、請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の排気口付設風力発電機システムであって、前記羽根部は、横風を受けて回転する補助羽根を有することを特徴とする。Invention of
以下、図1〜図6を用い、本発明の実施形態について説明する。図3は、本発明の一実施形態の排気量に影響を与えない条件を説明するための図である。断面積A0の空間31に風力発電機の羽根部32(羽根の回転部面積A)を設置し、その間を滑らかに接続している。ここでいう羽根の回転部面積とは、羽根自体の面積ではなく、回転部が回転により通過する全面積をいい、以下では受風面積という。空間31には、速度V0で空気が流れていて、羽根を通過した後、速度はVに低下する。ここで、速度の低下率に軸方向誘導係数aを式(1)として導入すると、空気の密度をρとして、空気の流れから羽根の得るエネルギーPは、式(2)のようになる。ここで、a=1/3の時、エネルギーは最大値となる。このような場合、面積の関係は、式(3)となり、羽根の寸法が式(4)以上の値であれば、羽根の存在は、空間の空気の流れにとって負荷とならない。尚、式(4)内の√記号は、その後のカッコ内に適用される平方根を表している。このような事情が、文献:風車工学入門(牛山 泉著 森北出版)のページ50〜52に記述されている。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram for explaining conditions that do not affect the displacement of an embodiment of the present invention.
a=1−V/V0 (1)a = 1-V / V 0 (1)
P={4a(1−a)2}(1/2)ρAV0 3 (2)P = {4a (1-a) 2 } (1/2) ρAV 0 3 (2)
A=A0/(1−a) (3)A = A 0 / (1-a) (3)
√(A0/(1−a)) (4)√ (A 0 / (1-a)) (4)
次に排気口に排出される空気流に風力発電機の羽根を付設した場合を考えると、排気口の面積をA0と考えると、羽根の面積を式(3)、排気口が正方形の断面を持つ例で考えて、羽根の面積の一辺を式(4)になるように設定し、排気口と滑らかに接続すれば、羽根の存在は、排気口の空気の流れにとって負荷とならない。例えば、a=1/3の時では、A=1.5A0、羽根のある断面の一辺の長さは、排気口側の一辺の長さの1.22倍であればよい。a=0.1〜0.5に対して、A=(1.1〜2.0)A0となる。Now consider the case of attaching a blade of a wind power generator in an air stream to be discharged to the exhaust port, considering the area of the exhaust port and A 0, the area of the blade formula (3), the cross section of the exhaust port square If one side of the area of the blade is set as in equation (4) and smoothly connected to the exhaust port, the presence of the blade does not become a load for the air flow at the exhaust port. For example, when a = 1/3, A = 1.5A 0 , and the length of one side of the section with blades may be 1.22 times the length of one side of the exhaust port. against a = 0.1~0.5, the A = (1.1~2.0) A 0.
図4及び図5は、排気口に風力発電機の羽根を設置しやすいように排気口の面積とほぼ同じ面積の羽根部を取り付けた場合の状況を示していて、図4は、ダクト断面が円形、図5は、矩形の場合である。羽根部が式(3)で表される値より面積が小さくなるので、そのままでは、羽根の存在は、排気口の空気の流れにとって負荷となってしまう。このため、不足面積を流れる分の流量分を流すために側面開口部を設けなければならない。この側面開口部は、むやみに大きくても、羽根に当たる流量が少なくなり、サイズも大きくなって好ましくない。適当なサイズの範囲が存在するので、図4及び図5の諸量を用い設定値を決定した。以下その決定の結果を説明する。 4 and 5 show the situation when a blade portion having the same area as that of the exhaust port is attached so that the blades of the wind power generator can be easily installed in the exhaust port. FIG. FIG. 5 shows a case of a circle and a rectangle. Since the area of the blade portion is smaller than the value represented by Equation (3), the presence of the blade is a load for the air flow at the exhaust port. For this reason, a side opening must be provided in order to allow a flow rate corresponding to the insufficient area to flow. Even if the side opening is unnecessarily large, the flow rate hitting the blade is reduced, and the size is increased, which is not preferable. Since there is an appropriate size range, the set values were determined using the quantities shown in FIGS. The result of the determination will be described below.
図4を例に説明すると、発電機の羽根42のある受風面とほぼ同じ面積Aの排気ダクト41を速度V0で空気が通過し、距離L(側面開口部43)離れた位置の羽根部42に流入している。羽根部42を通過する前のダクトを通過した空気の速度はV0である。羽根を通過した後の速度はVとなっている。平均的には、(V+V0)/2の速度で側面開口部43から空気を流出させると見なして概算することができる。また、側面開口部は、羽根受風面の径を直径とする円柱側面に近似され、空気が通過する見込みの距離はLcos45°とする。Referring to FIG. 4 as an example, the air passes through the exhaust duct 41 having substantially the same area A as the wind receiving surface where the blades 42 of the generator are located at a speed V 0 , and the blades at a position separated by a distance L (side opening 43). It flows into the part 42. Velocity of air passing through the duct before passing through the blade unit 42 is V 0. The speed after passing through the blade is V. On average, it can be estimated by assuming that air flows out from the side opening 43 at a speed of (V + V 0 ) / 2. Further, the side opening is approximated to a cylindrical side surface having the diameter of the blade wind receiving surface as a diameter, and the expected distance through which air passes is L cos 45 °.
以下、図4及び図5の円形ダクト、矩形ダクトに付いて、排気口での各流量の関係を記述する。式(1)を用いて、排気口に入力する流量は、受風面の面積Aに対して、円形ダクトの断面積は、Aであり、矩形ダクトの断面積は、4A/πとなることを考慮に入れて計算を進めると、円形ダクトでは、AV0であり、矩形ダクトでは、4AV0/πである。
羽根の後方に出る受風面流量は、円形及び矩形ダクト共、AVである。
側面開口部から出る流量は、円形ダクトでは、式(5)の様になり、矩形ダクト(側面開口部の面積を円形部と矩形部の平均で表現する)では、式(6)の様になる。排気口から出る流量に対して、他の2者の和の比を流量負担率kとして表せば、正方形ダクトおよび円形ダクトについて、各々、式(7)、式(8)となる。kが、1より小さい場合は、排気の流れに影響があることを示し、入ってくる排気の排気量が制限を受けることを示している。例えば、0.9の場合は、10%が排気速度が遅くなることに対応する。この値がどこまで許容できる状態かに対応して限界のkは決められる。k=1の場合は、羽根の設置は、排気の流れに全く影響が無いことを示している。排気の容量に余裕が無ければ、k=1で設定すればよい。Hereinafter, the relationship between each flow rate at the exhaust port will be described with respect to the circular duct and the rectangular duct of FIGS. Using equation (1), the flow rate input to the exhaust port is such that the cross-sectional area of the circular duct is A and the cross-sectional area of the rectangular duct is 4 A / π with respect to the area A of the wind receiving surface. If the calculation is advanced in consideration of the above, it is AV 0 for the circular duct and 4 AV 0 / π for the rectangular duct.
The wind-receiving surface flow rate that comes out behind the blades is AV for both the circular and rectangular ducts.
The flow rate from the side opening is as shown in Equation (5) for a circular duct, and as shown in Equation (6) for a rectangular duct (the area of the side opening is expressed as an average of the circular portion and the rectangular portion). Become. If the ratio of the sum of the other two to the flow rate from the exhaust port is expressed as the flow rate share k, Equation (7) and Equation (8) are obtained for the square duct and the circular duct, respectively. When k is smaller than 1, it indicates that the flow of exhaust is affected, and that the amount of exhaust of incoming exhaust is limited. For example, in the case of 0.9, 10% corresponds to a slower exhaust speed. The limit k is determined according to how far this value is acceptable. When k = 1, it is shown that the installation of the blades has no influence on the exhaust flow. If there is no margin in the exhaust capacity, k = 1 may be set.
(V+V0)/2・2π√(A/π)・Lcos45°=V(1+1/(1−a))/2・2π√(A/π)・Lcos45° (5)(V + V 0 ) / 2 · 2π√ (A / π) · Lcos 45 ° = V (1 + 1 / (1-a)) / 2 · 2π√ (A / π) · Lcos 45 ° (5)
(V+V0)/2・(π+4)√(A/π)・Lcos45°=V(1+1/(1−a))/2・(π+4)√(A/π)・Lcos45° (6)(V + V 0 ) / 2 · (π + 4) √ (A / π) · Lcos 45 ° = V (1 + 1 / (1-a)) / 2 · (π + 4) √ (A / π) · Lcos 45 ° (6)
k=(1−a)・[1+√(π/A)・{1+1/(1−a)}Lcos45°] (7)k = (1-a) · [1 + √ (π / A) · {1 + 1 / (1-a)} L cos 45 °] (7)
k=π(1−a)/4・[1+(π+4)/2・√(π/A)・{1+1/(1−a)}Lcos45°] (8)k = π (1-a) / 4 · [1+ (π + 4) / 2 · √ (π / A) · {1 + 1 / (1-a)} L cos 45 °] (8)
式(7)、式(8)から、正方形ダクト及び円形ダクトについて側面開口部距離Lを求めると、各々式(9)、式(10)のようになる。 When the side surface opening distance L is obtained for the square duct and the circular duct from the expressions (7) and (8), the expressions (9) and (10) are obtained, respectively.
L=2√(A/π){k/(1−a)−1}/2/{1+1/(1−a)}/cos45° (9)L = 2√ (A / π) {k / (1-a) -1} / 2 / {1 + 1 / (1-a)} / cos 45 ° (9)
L=2√(A/π){4k/π/(1−a)−1}π/(π+4)/{1+1/(1−a)}/cos45° (10)L = 2√ (A / π) {4k / π / (1-a) -1} π / (π + 4) / {1 + 1 / (1-a)} / cos 45 ° (10)
式(9)及び式(10)内の係数を側面開口部距離係数として、円形ダクトに付いてSc及び、矩形ダクトに付いてSrと表すと、各々、式(11)、式(12)となる。When the coefficients in the expressions (9) and (10) are expressed as Sc for the circular duct and Sr for the rectangular duct as the side opening distance coefficient, respectively, the expressions (11), (12) and Become.
Sc={k/(1−a)−1}/2/{1+1/(1−a)}/cos45° (11)Sc = {k / (1-a) -1} / 2 / {1 + 1 / (1-a)} / cos 45 ° (11)
Sr={4k/π/(1−a)−1}π/(π+4)/{1+1/(1−a)}/cos45° (12)Sr = {4k / π / (1-a) -1} π / (π + 4) / {1 + 1 / (1-a)} / cos 45 ° (12)
これをkをパラメータにして、aに対して計算すると、表1、及び表2のようになる。When this is calculated with respect to a using k as a parameter, Table 1 and Table 2 are obtained.
前述したように、軸方向誘導係数aは、1/3のとき、得られるエネルギーが最大であった。例えば、k=1では、円形ダクト、及び矩形ダクトでは、Sの値は0.15、0.17となり、排気口の断面の1辺の長さの約0.15倍の側面開口部距離とすればよい。すなわち、2m×2mの排気口では、30cm離して羽根部を設置するのが理想的となる。そしてこの表1、及び表2は、理想的でなくとも、排気口からの空気の流れに影響を与えることなく、風力発電部の羽根を設置できるところの所謂使用可能な条件が定められる。理想値を中心にaの値として、0.3±0.2を考慮すると、
k=0.95を許容した場合、 0.21≧S≧0.02となり、
k=1.00を許容した場合、 0.25≧S≧0.03となり、
従って、Sとして、0.02〜0.30の範囲で計算した側面開口部距離を適用すれば、羽根の設置は、排気の流れにほぼ影響が無く使用可能であることとなる。As described above, when the axial induction coefficient a is 1/3, the obtained energy is the maximum. For example, in the case of k = 1, in the circular duct and the rectangular duct, the values of S are 0.15 and 0.17, and the side opening distance is about 0.15 times the length of one side of the cross section of the exhaust port. do it. That is, it is ideal to install the blade portions 30 cm apart at the 2 m × 2 m exhaust port. In Tables 1 and 2, so-called usable conditions in which the blades of the wind power generation unit can be installed without affecting the air flow from the exhaust port, even if not ideal, are determined. Considering 0.3 ± 0.2 as the value of a around the ideal value,
When k = 0.95 is allowed, 0.21 ≧ S ≧ 0.02,
When k = 1.00 is allowed, 0.25 ≧ S ≧ 0.03,
Therefore, if the side opening distance calculated in the range of 0.02 to 0.30 is applied as S, the installation of the blades can be used without substantially affecting the flow of the exhaust.
以上では、羽根部の面積は、羽根の回転部が通過する面積が排気口の断面積にほぼ等しいことで説明したが、羽根部の取り付け部の断面積が、排気口の断面積にほぼ等しく設置することが施工上便利であると思われる。このような場合は、羽根部の通過する受風面積が排気口の断面積より小さくなるが、その場合にも、側面開口部は大きくなるだけで、上記の側面開口部距離係数Sの範囲の設定で十分対応が可能である。勿論、側面開口部は、排気口の断面積より羽根部の面積が大きい場合も、排気への負荷低減効果がある。In the above description, the area of the blade part has been described in that the area through which the rotating part of the blade passes is approximately equal to the cross-sectional area of the exhaust port, but the cross-sectional area of the attachment part of the blade part is approximately equal to the cross-sectional area of the exhaust port. It seems to be convenient to install. In such a case, the wind receiving area through which the blades pass is smaller than the cross-sectional area of the exhaust port, but in this case as well, the side opening is only increased, and the range of the side opening distance coefficient S described above It is possible to cope with the setting. Of course, the side opening has an effect of reducing the load on the exhaust even when the area of the blade is larger than the cross-sectional area of the exhaust.
図1は、本発明の一実施態様を示す図であり、風力発電機11を排気ダクト12の排気口13に付設したもので、2mx2mの排気口に対して、側面開口部のために30cmの距離をとって、風力発電機を取り付けたものである。図2は、同様に本発明の一実施態様を示す図であり、複数の風力発電機21を集積して付設したものである。 FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention, in which a wind power generator 11 is attached to an exhaust port 13 of an exhaust duct 12 and is 30 cm for a side opening with respect to a 2 mx 2 m exhaust port. A wind generator is installed at a distance. FIG. 2 is a diagram similarly showing an embodiment of the present invention, in which a plurality of
図6は、本発明を更に発展させた実施態様を示すもので、羽根部61と発電機の電力出力用の線62を有する発電機60が排気ダクト63に発明の趣旨の距離だけ離して取り付けてある。排気ダクト63からは、矢印64で示すように排気が発電機の羽根部61を回すように吹き出している。排気ダクト63には、更にスカート状に付設された横風ガイド65があり、これは、横風66を集めて、羽根部61を排気64と共同して回すことを促進している。この構成では、横風の補助を受けて羽根部61が廻り、排気64を吸い込むように補助するので、発電機を取り付けた負荷が更に軽減される。この横風ガイド65は、排気ダクト63の近傍、例えば発電機60を支持する部材に取り付けたり、または接触することなく周囲に設置することもできる。羽根部61には、更に横風66で廻る多数の羽根を有する補助羽根67が付設しているが、これは更に回転を増強できて好都合である。 FIG. 6 shows a further development of the present invention, in which a generator 60 having blades 61 and a power output line 62 of the generator is attached to an exhaust duct 63 at a distance of the spirit of the invention. It is. From the exhaust duct 63, exhaust gas is blown out so as to turn the blades 61 of the generator as indicated by an arrow 64. The exhaust duct 63 further includes a cross wind guide 65 attached in a skirt shape, which facilitates collecting the cross wind 66 and rotating the blade portion 61 in cooperation with the exhaust 64. In this configuration, the blade portion 61 rotates with the assistance of the cross wind and assists in sucking the exhaust 64, so that the load attached with the generator is further reduced. The cross wind guide 65 can be attached to the vicinity of the exhaust duct 63, for example, a member that supports the generator 60, or can be installed in the surroundings without contact. The blade portion 61 is additionally provided with an auxiliary blade 67 having a large number of blades rotating by the cross wind 66. This is advantageous in that the rotation can be further increased.
以上、説明したように、排気口に設置する風力発電機の羽根の回転部面積を、式(3)により排気口の断面積に関連づけて決定するか、又は、ほぼ同一の面積を持つが、側面開口部を設けたので、羽根の設置は、排気の流れにほぼ影響を回避することができ、排気口に風力発電機を付設して発電する事が可能となった。
更に、排気ダクトに横風を集めて発電機の羽根の回転を補助するガイドを設けた構成では、更に排気への負荷軽減を図ることが出来た。As described above, the rotating part area of the blades of the wind power generator installed at the exhaust port is determined in relation to the cross-sectional area of the exhaust port according to the equation (3), or has substantially the same area, Since the side opening is provided, the installation of the blades can substantially avoid the influence of the exhaust flow, and it is possible to generate power by attaching a wind power generator to the exhaust port.
Furthermore, in the configuration in which a guide for collecting the cross wind in the exhaust duct to assist the rotation of the blades of the generator is provided, the load on the exhaust can be further reduced.
11,21・・・風力発電機、12,41,63・・・排気ダクト
13・・・排気口、31・・・断面積A0の空間
32,42,61・・・羽根部、43・・・側面開口部、60・・・発電機
62・・・電力出力用の線、64・・・排気を示す矢印、65・・・横風ガイド
66・・・横風、67・・・補助羽根11, 21 ... wind turbines 12,41,63 ... exhaust duct 13 ... exhaust port, 31
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