JP2006291886A - 移動する流体より高効率に動力を得る方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 垂直軸方式の羽根車で移動する流体より動力を得る場合、羽根車の回転角に対応して回転力が最大になるように各羽根の傾き角を変化させて、移動する流体より高効率に動力を得る。
【解決手段】 羽根車の回転角４に対応して、回転方向３に対して最大の回転力（図４、図５、図６、図７の１２）を得るように羽根を傾斜させて（回転角８）、大きな回転力を得ることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は垂直軸方式の風力発電等の羽根車の羽根の構造に関する。

垂直軸方式の発電機の代表的な構造として、図１のロビンソン風速計がある。 これはお椀型の表の方と裏の方の風より受ける空気抵抗の差によって回転する。そして、この反対方向の回転力を遮蔽物によって取り除いた図２のパドル型風車が効率の良い風車とされている。

図１はロビンソン風速計である。これはお椀型の表の方と裏の方の風より受ける空気抵抗の差によって回転する。すなわち風に対してお椀の表側から受ける回転力が裏側より受ける回転力よりも大きく、その差でお椀の表側が風を受ける方向に回転する。お椀の裏側より受ける回転力は表側から受ける回転力（以下正の回転力という）に対して反対方向の回転力（以下負の回転力という）を生ずる。この反対方向の回転力を無くした風車が図２のパドル型風車である。

本発明は図３のように、羽根車の回転角に対応して各羽根の傾き角を変化させて，正の回転力は増大させ、また負の回転力は正の回転力に変えることにより、合計回転力を増大させるものである。

流体の移動方向に対して図４、図５の右回り（時計回り）の回転力を正の回転力とし、左回り（反時計回り）の回転力を負の回転力として、以下に述べる。図４、図５において、羽根はその傾きβに応じて、流体より抗力と揚力を受ける。その合成力Ｆより羽根車の回転中心に対する回転力Ｔを求めることが出来る。そして、羽根車の傾きαごとに、羽根の傾きβを調整して回転力Ｔが最大になる羽根の傾き角を得ることが出来る。また図６、図７の回転力は通常左回り、すなわち負の回転力と考えられるが、羽根の傾きβを調節することにより、図のように右回り、すなわち正の回転力を得ることが出来る。これはヨットが風上に向かって進むことができることと同じ原理である。

図４の羽根車の回転角α＝０°、羽根の回転角β＝０°のときの一枚の羽根がうける回転力（トルク）を１００％としたとき、パドル型風車図２の一枚の羽根の一周（α＝０°〜３６０°）についての回転力の変化を図８に示す。ここで羽根の回転角β＝０°は固定であり、羽根車の回転角α＝９０°〜２７０°については遮蔽物があるため、回転力＝０である。すなわち図８のタテ線の部分が有効な回転力部分である。同じく、本発明型の図３の一枚の羽根の一周（α＝０°〜３６０°）についての回転力の変化を図９に示す。ここで、羽根の回転角βは羽根車の回転角αにたいして、最大の回転力を得る角度である。図９のタテ線の部分が有効な回転力部分である。以上のことから判るように、本発明型は正の回転力を増大させ、また負の回転力は正の回転力に変えることにより、従来型の羽根車にくらべ、飛躍的に合計回転力を増大させるものである。

ただし、図８および図９の回転力図は流体の粘性を無視して近似的に求めたものである。

図１０のように羽根車の各羽根に角度変更用の位置決め用のモータ（パルスモータなど）を取り付け、羽根車の回転軸には角度割り出し用のエンコーダを取り付ける。そして、風向き検出機より風向きを、エンコーダより羽根車の角度を得て，そのとき各羽根の回転力が最大になる角度に位置決め用モータで羽根の角度を制御する。そして、その回転力から発電機を回して電力を得る。

図１０の羽根車の回転軸の角度割り出し用のエンコーダと各羽根の角度変更用の位置決め用のモータの代わりに、図１１のように羽根車の回転軸と各羽根の回転軸の間をタイミングベルトで結び、それぞれのプーリーの直径の比を１対２にすることにより、近似的に本発明の目的を達成することが出来る。（ただし、この場合装置全体を風向きに対して回転させる必要がある。）

ＣＯ2を出さないエネルギー確保が必要とされている現在、効率良くエネルギーを確保できる本発明は従来の垂直軸方式の羽根車型の風力発電機に代わって利用されると思われる。

ロビンソン風速計 パドル型羽根車の一枚の羽根の傾きを羽根車の回転角（３０°毎）に対して回転軸方向から見た概念図 本発明型羽根車の一枚の羽根の傾きを羽根車の回転角（３０°毎）に対して回転軸方向から見た概念図 本発明型羽根車を回転軸方向から見た第１象限（羽根車の回転角α＝０°〜９０°）の回転力（トルク）の概念図 本発明型羽根車を回転軸方向から見た第４象限（羽根車の回転角α＝２７０°〜３６０°）の回転力（トルク）の概念図 本発明型羽根車を回転軸方向から見た第２象限（羽根車の回転角α＝９０°〜１８０°）の回転力（トルク）の概念図 本発明型羽根車を回転軸方向から見た第３象限（羽根車の回転角α＝１８０°〜２７０°）の回転力（トルク）の概念図 パドル型羽根車の回転軸αに対する一枚の羽根が受ける回転力（トルク）の変化図 本発明型羽根車の回転軸αに対する一枚の羽根が受ける回転力（トルク）の変化図 本発明実施図 本発明の簡易型実施図

符号の説明

１ 流体の移動方向
２ 遮蔽板
３ 羽根車の回転方向
４ 羽根車の回転角
５ 羽根車の回転軸（回転中心）
６ 羽根車の羽根
７ 羽根の回転中心
８ 羽根の回転角
９ 羽根が受ける抗力
１０ 羽根が受ける揚力
１１ 抗力と揚力の合成力
１２ 合成力の羽根車の回転中心に対する回転力
１３ 角度位置決めモータ（パルスモータ等）
１４ 角度割り出し用エンコーダ
１５ 発電機
１６ 風向き検出機
１７ 羽根角度制御装置
１８ プーリー（小）
１９ プーリー（大）
２０ タイミングベルト

Claims (1)

1. 垂直軸方式の羽根車で移動する流体より動力を得る場合、羽根車の回転角に対応して各羽根の傾き角を変化させて、移動する流体より動力を得る方法および装置。
   

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