JP2005344728A

JP2005344728A - 水平軸型羽根車

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Publication number: JP2005344728A
Application number: JP2005198057A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Goto; 良洋後藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】風力や潮力を用いた発電用水平軸型羽根車のエネルギー変換効率を改善する。
【解決手段】複数ブレード間の関係においてはブレードの実羽根１ａ，２ａの通過帯域を略分離して構成する。実羽根１ａは点線５ａ，６ａの間の領域（帯域）を通過する。実羽根２ａは６ａの内側を通過する。ただし、羽根車としての重心は回転軸内にある。３ａはパイプ状のものでも複雑な骨組みを持ったものでもよく、実羽根を細くして連続的に形成したものでもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は羽根車に係り、特に、風力や潮力を用いた発電用水平軸型羽根車の技術に関する。

化石燃料の利用がもたらす地球温暖化、それに伴う気象異常や海水の水位上昇による小島の海中水没が懸念されており、これを解決するために、自然エネルギーの利用が見直されている。昼間は太陽光エネルギーを利用した発電が有効であるが、夜は無力となる。その点、風力発電、海流を利用した潮力発電は夜昼関係なく発電可能である。

従来から、風水や潮力を利用する装置には、特許文献１−５及び書籍文献１に記載されたように、種々の工夫がなされている。
特開２００５−０６１３９２号公報特開２００４−３４６９２３号公報特開２００３−２７８６３７号公報特開２００３−０６５２０５号公報特開平１０−５０４３６６号公報牛山泉著２００２年１１月２２日（第１版第２刷）森北出版株式会社発行「風車工学入門」

特許文献１と２には可変羽根を持つ風水車が記載され、特許文献４には径を可変にしたプロペラが記載されている。非特許文献１の５５ページには風車の説明があり、水平軸型と垂直軸があること、及び、６５ページでは水平軸型では一般的に“風車の掃過面積に対するロータ・ブレードの全投影面積の比が小さいほどロータ回転数は高い”ことが記載されている。これは、“ブレード枚数が少ない方が多いものより高速回転が可能である”と考えるのが常識であることを意味し、実際、１０９ページには、１枚ブレードの風車も作られていることが記載されている。

しかし、高速回転を期待して１枚ブレードにすると、バランスをとるための錘を必要とすることになる。錘はブレードを重くするだけで、回転力へのエネルギー変換には寄与していない。

本発明ではブレード間の干渉に注目する。２枚ブレードの羽根車を二つ用意して、同一風力条件で別々に回転させたときの回転数よりも、二つを結合して４枚ブレードの羽根車にしたときの回転数のほうが小さいということは、ブレード間に干渉があることを意味している。第一のブレードに空気が衝突してエネルギーの一部を失うとともに空気の流れが変化する。そこに第二のブレードが進入するので、第一のブレードほどのエネルギーを受け取れない。第二第三のブレードの関係も同様である。このように、後から来るブレードに悪い影響を与えるので回転数が小さくなる。

本発明はブレード間の干渉を減少させることにより、流体流れから回転力へのエネルギー変換効率を改善するものである。例えばブレード枚数は２枚のままで、ブレード間の干渉を少なくすることによって回転数を増加させる。

発電用水平軸型羽根車におけるブレード間の干渉を少なくするための手段としては、羽根車の重心は回転軸内にあるようにしつつ、前記複数ブレード間の関係においてはブレードの実羽根の通過帯域を略分離して構成する。

また、回転の内側から外側への流体の流れを減少させるために、前記二枚の実羽根のうち回転軸から遠い位置の実羽根の回転軸に近い方の端よりさらに回転軸に近い位置に流体ストッパーを設ける。

そして、干渉を少なくするための他の手段としては、流体の後流も別方向に振り向けて後流からブレードへの反作用を減少させることを考慮し、回転軸から遠い実羽根位置では前記実羽根の勾配方向を回転の接線方向よりは外側方向に向け、回転軸に近い実羽根位置では前記実羽根の勾配方向を回転の接線方向よりは内側方向に向けて構成する。

そしてまた、後流を別の方向向に振り向けるために、二枚のうち回転軸から遠い位置の実羽根と流体が来る方向と去る方向との関係においては、説明のために回転軸に垂直な面を基準面として用いれば、前記回転軸から遠い位置の実羽根の回転軸から遠い端を基準面よりも流体が去る側に位置させて、前記回転軸に近い位置の実羽根の回転軸に遠い端を基準面よりも流体が来る側に位置させる。

そしてまた、説明のために回転軸に垂直な面を基準面として用いれば、前記一方の実羽根の回転軸から遠い端を前記基準面よりも流体が去る側に位置させて構成し、他方の実羽根と流体が来る方向と去る方向との関係においては、実羽根の回転軸に近い端を前記基準面よりも流体が去る側に位置させて構成する。

これにより、エネルギー変換効率を改善した水平軸型羽根車を提供することができるようになる。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
ブレード間の干渉を減少させる羽根車の一つを図１で説明する。前記複数ブレード間の関係においてはブレードの実羽根１ａ，２ａの通過帯域を略分離して構成する。実羽根１ａは説明のための点線５ａ，６ａの間の領域（帯域）を通過する。実羽根２ａは６ａの内側を通過する。ただし、羽根車としての重心は回転軸内にある。点線５ａ，６ａは、実羽根の通過帯域の説明の為に描いたものであり、装置として組み込まれているものではない。３ａは説明のため簡単にパイプ状のもので書いてあるが、図４の３ｂのように複雑な骨組みを持ったものでもよく、実羽根を細くして連続的に形成したものでもよい。

実羽根とは、ブレードのうち風や海水の流体の流れからエネルギーを受け取る主要部分を意味している。本発明では、ブレードとは、図１で言えば、１ａと３ａで１枚のブレードを構成し、実羽根は１ａ，２ａを意味する。当然、１ａ，２ａ，３ａ，４ａを別々に作ったあとで組み合わせてもよく、１枚の材料から切り出して、１ａ，２ａ，３ａ，４ａの形に変形して作成してもよく、本発明は両方を含む。

略分離とは、異なるブレードの実羽根の端が通過する領域がわずかに重なる場合があり、逆に異なるブレードの実羽根の端が通過する領域が離れてしまう場合もあることを意味する。主要部分が分離しているだけでもよい。当然、“略分離”には厳密な分離も含まれる。

図２で羽根車のバランスについて説明する。回転軸から遠い実羽根は小さくしたほうが高速回転できるが、そのためには、バランスの微調整が必要になる。錘の位置をずらせて、重心の位置を調整するのが簡単である。図２は錘２０をつけて調整する例である。錘の位置は図に限定されるものではない。高速化のためには、流体の抵抗が少なくなるところに付ければよい。当然、バランス錘なしで調整した羽根車も本発明に含まれる。

図３には３枚ブレードの羽根車を示す。実羽根の通過帯域は、説明のための点線５ｂ，６ｂ，７ｂで略分離されており、角度α、β、γは任意でよいが、羽根車としての重心は回転軸内にある。

図４で流体の流れ（特に後流）を分離する羽根車を説明する。
また、二枚のブレードを有する発電用水平軸型羽根車において、羽根車の重心は回転軸内にあり、前記二枚のブレード間の関係においてはブレードの実羽根の通過帯域を略分離して構成し、前記二枚の実羽根のうち回転軸から遠い位置の実羽根の回転軸に近い方の端よりさらに回転軸に近い位置に流体ストッパー４０を設ける。

図５で強風に対する手段を説明する。強風の場合の調節機構の一つは、図５のように風に撓うようにすればよい。

図６に後流（風なら羽根よりも風下の流れ）を別の方向向に振り向けて、干渉を減少させる手段を示す。流体６１ａは６１ｂ方向へ流れ、流体６２ａは６２ｂ方向へと別方向に流れる。説明のために回転軸に垂直な面６０（装置として組み込まれているものではない）を基準面として用いれば、前記一方の実羽根の回転軸から遠い端を前記基準面よりも流体が去る側に位置させて構成（本発明では外向後流タイプと記す）し、他方の実羽根と流体が来る方向と去る方向との関係においては、実羽根の回転軸から遠い端を前記基準面よりも流体が来る側に位置させて構成（本発明では内向後流タイプと記す）する。図（ｂ）は図（ａ）を横から見た図である。

図７で、通過帯域を略分離して、かつ、流体の後流が干渉するのを減少させる手段を説明する。羽根車としての重心は回転軸内にあり、二枚のブレード間の関係においてはブレードの実羽根の通過帯域を略分離して構成している。流体が風の場合は、図（ａ）は風上から見た羽根車である。（ｂ）は（ａ）を横から見た図である。二枚のブレード７４，７５のうち回転軸から遠い位置の実羽根７４と流体が来る方向と去る方向との関係においては、説明のために回転軸に垂直な面を基準面として用いれば、前記回転軸から遠い位置の実羽根７４の回転軸から近い端７２を基準面よりも流体が来る側に位置させ（外向後流タイプ）て、前記回転軸から近い位置の実羽根７５の回転軸から遠い端を７３基準面よりも流体が来る側に位置（内向後流タイプ）させる。

実羽根の通過帯域を分離させて干渉を減少させ、かつ、流体の後流の干渉するのを減少させる手段を図８で説明する。二枚のブレード間の関係においてはブレードの実羽根の通過帯域は略分離して構成する。羽根車としての重心は回転軸内にある。回転軸から遠い実羽根８１位置では前記実羽根の勾配方向を羽根車の回転の接線方向よりは外側８３方向に向け、回転軸に近い実羽根８０位置では前記実羽根の勾配方向を回転の接線方向よりは内側８４方向に向けて構成する。

図９（ａ）には４枚のブレードを備え、内向後流タイプ実羽根９０ａ，９０ｂと外向後流タイプ実羽根９１ａ，９１ｂを交互に備えた羽根車概略を示す。後流の干渉を減少させることができる。（ｂ）には６枚ブレードの羽根車を示す。８枚ブレードの羽根車も同様に、外向後流タイプ実羽と内向後流タイプ実羽根を交互に配列する。

図１０に内向後流タイプ実羽根１０ａ，１０ｂと外向後流タイブ実羽根１１ａ，１１ｂをつなぎ合わせてブレードとした羽根車概略図を示す。図（ｂ）は図（ａ）を横から見た図である。後流の干渉を減少させることができる。

本発明の羽根車は、例えば、非特許文献１の６７ページに掲載されているような風力発電システム（掲載図は基本要素のレイアウトで方位制御は省略）に適用すると図１１のようになるが、このようなレイアウトにのみ限定されるものではない。例えば、ダリウス型羽根車やサボニウス型羽根車と組み合わせて使用してもよい。
また、発電機の代わりに空気圧縮器に結合すれば、本発明はエアコンの動力源にもなる。また、洗濯機の直接的動力源としても使用できる。

前記した“弦長”は、書籍文献１の７４、８１ページに記載されている。“羽根車”を水流や潮流に適用すれば“水車”と呼び、風に適用すれば“風車”と呼ぶ。ブレードの材質は、アルミニウム、ジュラルミン、チタニウム、ステンレスなどの金属系でもよく、プラスチック、グラスファイバー、カーボン繊維、ケブラー複合材料などでもよく、木材や竹などでもよく、また、これらに限定されない。
本発明は羽根の種類に限定されない。例えば、非特許文献１に記載されている、プロペラ型、セイルウイング型、オランダ型、多翼型など、いずれも適用できる。
実羽根の断面については図面に記載していないが、飛行機の翼やヘリコプターの回転翼に類似する断面でもよく、たんなる平板でも湾曲板でもよく、また、これらに限定されない。前記した“水平軸型“とは分類を意味し、軸が常に水平である必要はない。

本発明における、実羽根の通過帯域を略分離した二枚ブレードの羽根車の概略図である。バランス調節のための錘をつけた二枚ブレードの羽根車概略図である。実羽根の通過帯域を略分離した三枚ブレードの羽根車概略図である。後流の干渉を減少させるストッパーをつけた例である。撓りが可能な、実羽根の通過帯域を略分離した二枚ブレードの羽根車概略図である。流体の後流を撮り分けるようにした二枚ブレードの羽根車概略図である。実羽根の通過帯域を略分離し、かつ、流体の後流を振り分けるようにした二枚ブレードの羽根車概略図である。実羽根の通過帯域を略分離し、かつ、流体の後流を振り分けるようにした二枚ブレードの羽根車概略図である。偶数枚のブレードを備え、内向後流タイプ実羽根と外向後流タイプ実羽根を交互に備えた羽根車概略図である。内向後流タイプ実羽根部分と外向後流タイプ実羽根部分をつなぎ合わせてブレードとした羽根車概略図である。風力発電システム（掲載図は基本要素のレイアウトで方位制御は省略）に適用した１例である。

符号の説明

１ａ，２ａ，１ｂ，２ｂ，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，７４，７５，８０，８１…実羽根である。
３ａ，８２…ブレードの一部で実羽根を支える物である。
４ａ…回転軸である。
５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ｂ…通過帯域分離を説明する点線である。
２０…バランス調節用の錘である。
４０…流体の後流を分離するストッパーである。
８０…回転軸に垂直な、位置の説明のための基準面である。
６１ａ，６２ａ…流体を示す。
６１ｂ，６２ｂ，７０，７１，８３，８４…流体の後流方向を示す。
７２，７３…実羽根の端を示す。
７７ａ，７７ｂ，１１ａ，１１ｂ，９１ａ，９１ｂ，９５ａ，９５ｂ，９５ｃ…外向後流タイプと命名した実羽根である。
７８ａ，７８ｂ，１０ａ，１０ｂ，９０ａ，９０ｂ，９４ａ，９４ｂ，９４ｃ…内向後流タイプと命名した実羽根である。

Claims

二枚のブレードを有する水平軸型羽根車において、前記二枚のブレード間の関係においてはブレードの実羽根の通過帯域を略分離して構成し、羽根車としての重心は回転軸内にあり、回転軸から遠い実羽根位置では前記実羽根の勾配方向を回転の接線方向よりは外側方向に向け、回転軸に近い実羽根位置では前記実羽根の勾配方向を回転の接線方向よりは内側方向に向けて構成する水平軸型羽根車。
流体の流れを回転力に変換する水平軸型羽根車において、二枚のブレードを有し、重心は回転軸内にある羽根車であって、前記二枚のブレード間の関係においてはブレードの実羽根の通過帯域を略分離して構成し、二枚のうち回転軸から遠い位置の実羽根と流体が来る方向と去る方向との関係においては、説明のために回転軸に垂直な面を基準面として用いれば、前記回転軸から遠い位置の実羽根の回転軸から遠い端を基準面よりも流体が去る側に位置させて、前記回転軸から遠い位置の実羽根の回転軸に近い端を基準面よりも流体が来る側に位置させて、構成する水平軸型羽根車。
水平軸型羽根車において、二枚のブレードを有し、重心は回転軸内にある羽根車であって、前記二枚のブレード間の関係においてはブレードの実羽根の通過帯域を略分離して構成し、二枚のうち回転軸に近い位置の実羽根と流体が来る方向と去る方向との関係においては、説明のために回転軸に垂直な面を基準面として用いれば、前記回転軸に近い位置の実羽根の回転軸に近い端を基準面よりも流体が去る側に位置させて、前記回転軸に近い位置の実羽根の回転軸から遠い端を基準面よりも流体が来る側に位置させて、構成する水平軸型羽根車。
二枚ブレードを有する水平軸型羽根車において、いずれか一方の実羽根と流体が来る方向と去る方向との関係においては、説明のために回転軸に垂直な面を基準面として用いれば、前記一方の実羽根の回転軸から遠い端を前記基準面よりも流体が去る側に位置させて構成し、他方の実羽根と流体が来る方向と去る方向との関係においては、実羽根の回転軸から遠い端を前記基準面よりも流体が来る側に位置させて構成する、水平軸型羽根車。
水平軸型羽根車において、羽根車の重心は回転軸内にあるような二枚のブレードを有し、前記二枚のブレード間の関係においてはブレードの実羽根の通過帯域を略分離して構成し、前記二枚の実羽根のうち回転軸から遠い位置の実羽根の回転軸に近い方の端よりさらに回転軸に近い位置に流体ストッパーを設けた水平軸型羽根車。
水平軸型羽根車において、羽根車の重心は回転軸内にあるような複数のブレードを有し、前記複数ブレード間の関係においてはブレードの実羽根の通過帯域を略分離して構成し、実羽根の面積は回転軸から遠い実羽根位置から近い実羽根位置になるに従い順に大きくなる水平軸型羽根車。
水平軸型羽根車において、羽根車の重心は回転軸内にあるような複数のブレードを有し、前記複数ブレード間の関係においてはブレードの実羽根の通過帯域を略分離して構成し、実羽根の平均弦長は回転軸から遠い実羽根位置から近い実羽根位置になるに従い順に大きくなる水平軸型羽根車。
水平軸型羽根車において、羽根車としての重心は回転軸内にあるような偶数枚のブレードを有し外向後流タイプの実羽根と内向後流タイプの実羽根を交互に配置した水平軸型羽根車。
水平軸型羽根車において、羽根車の重心は回転軸内にあるような複数のブレードを有し、前記複数ブレード間の関係においてはブレードの実羽根の通過帯域を略分離して構成する、水平軸型羽根車。
水平軸型羽根車において、羽根車の重心は回転軸内にあるような複数のブレードを有し、前記複数ブレードのそれぞれは回転軸に近い位置の羽根部分と遠い位置の羽根部分の結合で構成され、前記近い位置の羽根部分は内向後流タイプで、前記遠い位置の羽根部分は外向後流タイプである、水平軸型羽根車。