JP2007162593A - 輸送用機械の風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明の輸送用機械の風力発電装置は、輸送用機械の外表面に取付けるために用いられ、垂直軸型風力羽根車により風力を捕集して輸送用機械が走行移動際に風力を生じさせ羽根車の回転を動かし、さらに羽根車から伝動機構を介して羽根車と不同軸に設置された発電機を動かして発電する。
【効果】風力発電装置の受風面は風の取入口からなる風の取入れ部と、流線板からなる流線部と、伝動機構からなる伝動部とから構成され、また、発電機が風の取入れ部、流線部または伝動部にオーバーラップするように設置されることで、風力発電装置の受風面が有効に利用されることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置に関し、特に輸送用機械の外表面に取付けられ、かつ受風面を効率的に利用できる低い風圧抵抗の風力発電装置に関する。

近頃、石油の資源が段々少なくなり、その価格も高騰になりつつ、かつ石油燃料が長年に使用されることによる温室効果、並びにそのポリューションによる問題も日々酷くなりつつである。以上の問題を鑑みて、輸送用機械である自動車などの何れも、例えば電動自動車、ハイブリッド動力車などを電動化に発展して石油燃料の使用を低減させることが考える。しかし、内燃機に使用される輸送用機械の石化燃料と比較した場合、近頃、一般の電動輸送用機械が使用する電池の電気エネルギーの貯存容量は、相対的に小さく、一次充電で僅かな距離しか走行でき、かつ電池の充電も非常に遅く、時間が長くかかってしまうことなど、これらの電池技術的な問題は、電動輸送用機械が近頃広く使用できない主因となる。

また、電動輸送用機械の一回充電の走行距離を長くするためには、その上に、その他のエネルギー発電装置を増設する必要があると考える。また、環境に良いエネルギー源、例えば風力発電、ソーラーシステム発電及びブレーキエネルギーの回収など、特に、輸送用機械に取付けられた風力発電は、その走行移動により、一層大きな電力が得られるものを選ぶべきである。

風力発電のその原理は、輸送用機械の走行移動により相対的な風速を生じさせ、風力羽根車を利用して風のエネルギーを捕集した上で、風圧抵抗の一部を電力に転換して輸送用機械上の電池を充電させ、または他の電気設備に直接に使用するように提供して輸送用機械の一回充電の走行距離を増加させることができる。

事実的に、内燃機の輸送用機械にも風力発電装置を取付けるべきである。電子科学技術の進歩に従って、内燃機の輸送用機械は、電子化される傾向がある。その上に、電子ナビゲーション設備、音声エンターテインメント設備、コンピューター化された制御システム等の各種の電子装置を配備している。しかし、何れも電気エネルギーを消費しなければならず、また必要に満足する、より多くの電力を作り出すために、内燃機が連動する発電機のパワーを大きくする必要がある。そのため、内燃機の負荷がその分で加重され、より多くの燃料が消耗されてしまう。それに対して、内燃機の輸送用機械に一部の電気エネルギーの産出を分担する風力発電装置を取付けることができれば、パワーの低い内燃機を採用して発電機を動かすことができ、内燃機の負荷を少なくして燃油の消耗または排気ガスの発生が低減できる結果につながる。

多くの輸送用機械の風力発電装置の出願は、例えばアメリカ特許第4254843号明細書、アメリカ特許第5680032号明細書、アメリカ特許第5850108号明細書、アメリカ特許第6373145号明細書、特開平5−344604号公報、特開2001−180397号公報及び特開2004−197728号公報などに開示されたように、風力発電装置を輸送用機械の内部に取付け、さらに輸送用機械の前端の受風面に一つ、または複数の開口を設け、空気流を導入して風力発電装置を動かす。風力発電装置が輸送用機械の内部に装設されることで輸送用機械の外観を破壊せずに余計な風圧抵抗の増加を避けることはできるが、それに合せるための、輸送用機械の内部構造を大幅に変更しなければならず、また取付け施工もかなり複雑で、それを応用して実施することは容易ではない。

また、アメリカ特許第3876925号明細書では、風力発電装置を輸送用機械の外部の頂端に取付けることによって、取付け、取り外しやすくなるが、その外形は、非流線形で、かつ輸送用機械の外形に配合していない。たとえ、より多くの風を取り入れても、高速に走行すると同時に、極大な風圧抵抗をも受けて、風力発電装置が輸送用機械から吹っ飛ばされ輸送用機械の頂部まで壊されることも考えられる。

また、アメリカ特許第3621930号明細書及びアメリカ特許第5746283号明細書に開示したように、同じく風力発電装置を輸送用機械の頂端の外部上に取付けて平行軸型風力羽根車（平行軸型は、風力羽根車の回転軸と風方向と平行し、垂直軸型は、回転軸と風方向と垂直する）を利用していた。しかし、普通の輸送用機械の走行速度は一定にならず、低速も高速も可能であるが、平行軸型風力羽根車の羽根は、略一定の受風角に形成され、ある小さい範囲の風速に対してのみ空気動力的効率があるが、他の風速に対して、その抵抗力は、羽根車を回転させるためのトルクより遥かに大きい。従って、その羽根の受風角は、輸送用機械の走行速度に応じて変化させなければ、略全ての走行速度において、平行軸型の風力羽根車が効率的に表現できず、平行軸型風力羽根車を輸送用機械の風力発電装置として利用するのに不適切であることは明らかである。また、前記両風力発電装置の何れも、発電機が風力羽根車の後方に直接に取付けられ、このようなレイアウトでは、空気流が羽根車に通過する順調度を妨げるだけでなく、風圧抵抗も余計に増加されることになる。

また、アメリカ特許第5287004号明細書とアメリカ特許第6882059号明細書との記載では、風力発電装置が輸送用機械の特定部位に取付けられ、これらの特定部位の構造及び外形を利用して高すぎた風圧抵抗の発生を避けることができる。しかし、これらの特定部位は、僅かな輸送用機械のみに利用できるため、広く応用されることができない。

他にも、前記の両風力発電装置の何れも旋回式発電機を風力羽根車軸の両端に直接に接続して装置の簡略化を図っている。しかし、通常の風力羽根車の回転速度は、１分ごと数百回転を回転するが、旋回式発電機の効率的な発電の回転速度は、数千回転以上を必要であるため、旋回式発電機を風力羽根車軸の両端に同軸に連結しても効率的な発電を得ることは容易ではない。またファラデーの法則（Faraday’s Law）により、発電機が発生する電圧は、E=−dΦ_B/dtであり（ｔは時間、Φ_Bは磁束をそれぞれ表す）、低い回転速度において同一電圧を得るためには、磁場強度を増加し、即ち、より大型で、かつ回転速度の遅い旋回式発電機を使用しなければならないが、大型発電機を風力羽根車の両端に同軸設置される構造は、必ず風力羽根車軸の両端に大きい空間を形成する必要になり、受風面の面積が増加され、装置全体の風圧抵抗も相対的に高くなる。

全体から言えば、風力発電装置を輸送用機械の内部に設置する利点は、風圧抵抗が余計に増加しないが、輸送用機械の内部設計及び配置方式を変更しなければならず、その取付けが複雑で、なお内部の乗員空間も大きく影響することになり、広く利用することは難しい。また、風力発電装置を輸送用機械の外表面に設置することは、風力発電装置を取付けやすくするためのものである。しかし、前記の風力発電装置では受風面を効果的に利用できる設計ではないため、余計な風圧抵抗が増加され、輸送用機械の動力源（例えば、内燃機）が余計に損耗されることになり、なお風力発電装置の発電効能は、動力源の余計な損耗を減じた後効果的でないので、大量に応用されることは難しい。
アメリカ特許第3621930号明細書 アメリカ特許第3876925号明細書 アメリカ特許第4254843号明細書 アメリカ特許第5287004号明細書 アメリカ特許第5680032号明細書 アメリカ特許第5746283号明細書 アメリカ特許第5850108号明細書 アメリカ特許第6373145号明細書 アメリカ特許第6882059号明細書 特開平5−344604号公報 特開2001−180397号公報 特開2004−197728号公報

本願の発明者は、前記の問題を鑑みて、多くの研究を積重ねて風力発電装置の受風面が効率的に利用される技術を案出して前記多くの欠点を解決できると同時に、発電効果の増進も達成できる。

本発明は、前記の問題を解決する目的として輸送用機械の風力発電装置を提供するものである。主に、発電機と羽根車とを同軸に設置せずに、発電機を受風面になる風の取入れ部、流線部または伝動部に積重ね、伝動部が占めた受風面の割合を大幅に低減させて受風面を有効に利用できる効果を実現できるものである。

前記の目的を達成するために、本発明に係る風力発電装置は、輸送用機械の外表面に取付けるためのハウジングを備え、ハウジング内に組み付けられた羽根車は垂直軸型で、かつ羽根車が伝動機構を介して発電機を動かして発電機を前記羽根車と非同軸形態に設置する。また、前記ハウジングは、羽根車に対応して風の取入口及び風の排出口が設置され、かつ、ハウジングには風の取入口に対応して流線板を設け、この流線板により風圧抵抗を低下させ風をこの風の取入口に導入し、この風の取入口を有する一面が受風面として定義される。そして、この受風面は、風の取入口からなる風の取入れ部、流線板からなる流線部及び伝動機構からなる伝動部、から構成され、さらに、この発電機は、風の取入れ部、流線部または伝動部中にオーバーラップするように設置され、それによって、伝動部が占めた受風面の割合を低減して受風面をより有利的に運用することができる。

図１乃至図５を参照するように、本発明が選用する実施例である。まず、本発明の風力発電装置は、輸送用機械の外表面に取り付けるために提供されることによって、輸送用機械が走行移動際に生じた風力で風力発電装置を作動させることを可能にする。

図１に示すように、本発明の風力発電装置１は、ハウジング１１を備え、ハウジング１１は、輸送用機械の外表面１０に取付けるためのものである。さらに、図２を参照するように、前記ハウジング１１の内部は間隔板１２を設け、間隔板１２が前記ハウジングの内部を第１収容部１３及び第２収容部１４に区画し、第１収容部１３は羽根車２を枢設するためのもので、ハウジング１１が羽根車２に対応して前記第１収容部１３まで貫通する風の取入口１３１及び風の排出口１３２（図３に示す）が設置される。さらに、前記ハウジング１１が前記風の取入口１３１に対応して流線板１５が設けられ、この流線板１５により一部の風圧抵抗を低下させると共に、風をガイドして風の取入口１３１に導入させる。また、この風の取入口１３１及び風の排出口１３２には異物の進入を防止する遮蔽網１３３、１３４がそれぞれ設けられる。

また、図３を参照するように、羽根車２は垂直軸型羽根車で、軸２１を備え、軸２１には三枚以上の羽根２２（本実施例の図に６枚を示す。）が結合され、さらに各羽根２２の両端は、それぞれ両側板２３上に固定され、この両側板２３がさらに軸２１に固定され、この羽根車２は、軸２１により前記ハウジング１１の風の取入口１３１と風の排出口１３２との間に枢設することができ、輸送用機械が走行移動際に生ずる風力により羽根２２を移動して羽根車２を回転させることができる。

前記羽根車２の軸２１は、前記第２収容部１４まで貫通して前記伝動機構３とを連結する。図４に示すように、この伝動機構３を介して発電機４を動かすことで、輸送用機械が走行移動に生じた風力により羽根車２を動かせる際に伝動機構３を介して発電機４を動かして発電することができる。

さらに、図５を参照するように、風の取入口を有する一面をこの風力発電装置の受風面として定義し、受風面は、風の取入口からなる風の取入れ部Ｉ、流線板からなる流線部Ｇ及び伝動機構からなる伝動部Ｄ、から構成され、さらに、この発電機が風の取入れ部Ｉ、流線部Ｇまたは伝動部Ｄにオーバーラップするように設置される。図２及び図５を同時に参照するように、ハウジング１１の内部空間を対照してみれば、受風面の風の取入れ部Ｉ及び流線部Ｇはハウジング１１の第１収容部１３に対応し、伝動部Ｄは第２収容部１４に対応している。

本実施例において、発電機４は、リニア発電機である。図４に示すように、軸４１を備え、この軸４１は、本体４２中に貫設され（リニア発電機の構造は従来のものであるため、説明を省略する）、かつ、伝動機構３は、回転をリニアに変更する機構で、かつ、この回転をリニアに変更する機構がクランク３１とリンク３２とを枢設してなるものである。クランク３１は羽根車の軸２１と連結し、リンク３２がクランク３１と枢設した一端に対してリニア発電機の軸４１とを連結することで、羽根車がクランク３１を回転させる時、リンク３２を介して、このリニア発電機の軸４１を動かしてこの本体４２に対して直線的に往復動して磁束量の変化により発電を行うことができる。

勿論、前記の回転をリニアに変更する機構は、変速機能を達成する相関的な部材を増設することもでき、それによって、リニア発電機の効果をより一層著しくなる。

本発明の発電機４は、さらに、発電機が生じた電力を適切な電圧または電流に変換して輸送用機械に伝送して直接に使用、または充電使用するために、発電機と電気連結する電力調整制御装置４３を装設することもできる。

前記羽根車２の両側板２３の設置により、羽根２２と軸２１間の連結関係を強化することができ、羽根車２が高速回転された時、羽根２２が脱落の問題を避けさせ、また、この両側板２３に対する重りの設計により、側板は羽根車が回転時のホイール効果を生じ、羽根車の工作効能を増進させることができる。

また、本発明の風力発電装置１は、図６に示すように、シャーシに接近した後輪の後方部位に設置することもできる。この取付け位置では車の外観を影響することが少なく、また後輪のかく乱気流により風の取入口の風の取入れ効果を増加することができる。また図７に示すように、車のエンジンカバー、車頂面または車の側面に取付けられ、図８に示すように、船の外表面に設置される、それぞれの異なった形式の設計は、何れも輸送用機械が走行移動時に生じた風力を利用して羽根車を回転して発電機を動かして発電することができる。

本実施例は、主にリニア発電機が偏平状で、かつ、このリニア発電機を第２収容部１４に設置できるので、リニア発電機を選用した訳である。それをオーバーラップして受風面になる伝動部に位置させることで、伝動部Ｄの体積がより小さく、受風面に占めた割合を風の取入れ部及び流線部より遥かに小さくすることができる。

また、風力発電装置の構造からみれば、第１収容部に設置された羽根車は、風力を機械エネルギーに転換する主な部材であるので、羽根車と風の取入口が大きいほどより多くの風を捕集できるが、風の取入口の大きさが羽根車の寸法に相対的に制限されている。ハウジング１１の内部空間から対照してみれば、受風面の風の取入れ部Ｉ及び流線部Ｇは、恰もハウジング１１の第１収容部１３に対応し、即ち、羽根車の大きさに対応しているので、第１収容部から風の取入れ部以外の部分を引いたその大きさは不変である。

空気動力学の理論から理解できるように、空気の抵抗力Ｄ＝Ｃ_ｄ（１／２）ρＶ^２Ａで、Ｃ_ｄは、空気抵抗力係数で、装置の外形に関係する。また、ρは空気の密度、Ｖは空気の速度、Ａは装置の受風面の面積をそれぞれ示す。実際に実施時、Ａ及びＣ_ｄの値のみ変更可能で、本発明は、風圧抵抗係数Ｃ_ｄを低減するために、第１収容部が形成する受風面から風の取入口及びフレームの肉厚（風の取入れ部）を引いた以外の部分を前方向に延伸する流線板に巧妙に設計することによって、風圧抵抗を効果的に低減させると共に、風をガイドして風の取入口に導入させることもでき、この流線板の一部は、受風面になる流線部に形成せしめる。これにより、本発明の風の取入れ部及び流線部の何れも風を利用できる効率的な構造に設計されていることが理解される。

受風面を構成する伝動部の設計は、受風面積Ａが効果的に利用できるか否かのポイントである。

本発明は、従来技術における発電機９１の何れも羽根車９２（垂直軸型）と同軸に設置して、図９に示すように、羽根車の一側に軸方向へ延伸し、大空間を形成する、不必要な受風面の面積が増加されることを鑑みて考案されたものである。従って、本発明は、発電機と羽根車と非同軸設置の形態を採用して羽根車の軸方向への延伸空間は、伝動機構のみを設置して第２収容部（受風面の伝動部）が必要な空間を大幅に縮減することができ、図９と図５とを比較して本発明の伝動部Ｄは、その大きさが略三分の二に縮小することがわかる。

また、伝動機構は、一定の空間が必要とし、また本実施例に選用するリニア発電機は、偏平状に形成しているので、リニア発電機を第２収容部に設置して、第２収容部（即ち、受風面の伝動部）の空間を増加することはない。

本発明の風力発電装置の受風面において、風の取入れ部と流線部の何れも風を有効に利用できる設計で、最適化設計とすることができる。そして、風を利用できない伝動部は、既に前記のように小さく設計されていると同時に、流線板１５を伝動部Ｄに延伸させる。即ち、本発明では伝動部が占めた受風面の割合を大幅に低減させる上、全体の風圧抵抗を低減して受風面を有効に利用できる効果を実現することができる。

さらに説明するように、本発明の輸送用機械の風力発電装置は、受風面を有効に利用する設計を通して、受風面の風圧抵抗を低減させ、発電装置の増設により生じた損耗も効果的に低下させる。言い換えれば、本発明を電動輸送用機械上に取付ける時、一回充電で走行距離を効果的に長くすることができる。また内燃機の輸送用機械上に取付けた場合、内燃機に対する負荷を低減させ、燃油の消耗及び排気ガスの発生を低減させることができる。

勿論、本発明には、尚も多くの実施例を有しており、僅かな局部的な変化である。図１０及び図１１を参照するように、本発明の第2実施例を示す。図に、発電機４Ａは、旋回式発電機である。この旋回式発電機は、受風面になる流線部Ｇにオーバーラップするように設置され、また、図１１に示すように、この旋回式発電機は、伝動機構３Ａと連結する回転軸４１Ａを備え、伝動機構３Ａはプリーユニットで、このプリーユニットは羽根車に結合する第１プリー３１Ａと、旋回式発電機の回転軸４１Ａに結合する第２のプリー３２Ａと、第１、２プリーの間に囲んで設置するベルト３３Ａとを備え、かつ第１、２プリーは異なる直径を備え、プリーユニットが変速効果を有し、羽根車が回転する時、プリーユニットを介して旋回式発電機を動かして発電機を発電させることができる。

本実施例では、旋回式発電機を流線板１５Ａの下方空間に設置し、即ち発電機４Ａと受風面になる流線部Ｇとをオーバーラップするように設置する。また伝動機構３Ａはプリーユニットであって、その占めた空間がかなり小さいので、受風面になる伝動部は、最小化に設計可能で、前記第１実施例と同一効果を達成することができる。

本実施例が採用する旋回式発電機の形態について言えば、発電機を前記流線板の下方空間に設置して発電機と流線部とをオーバーラップするように設置する他、発電機をハウジングの後方に設置して風の取入れ部（図示しない）にオーバーラップさせることもできることで、この設置形式が達成できる効果も前記と同一である。

尚、前記第２実施例のプリーユニットを歯車ユニット（図示しない）またはチェーン伝動機構に取り替えることもできる。羽根車が回転する時、この歯車ユニットを通して旋回式発電機を動かして発電することができる。これにより、前記の実施例と同一効果を達成することができる。

前記の各実施例の変化例の他、一部の部品を簡単な変化を行い、例えば羽根車の羽根形状を平板状、または円弧状などの一般的な等効的に変化したり、流線板を平板状から弧面の形態に変化する形態、または第１収容部の内壁面を羽根車に合せる円弧状に設計して、さらに受風面になる伝動部の外形を流線形に設計して受風面の風圧抵抗を低減する設計など、の何れの簡単な変化も本発明の技術に含まれる範囲である。

前記全ての実施例は、何れも本発明を説明するためのものである。本発明を制限するものではないので、何れの数値的な変換または部材の等効的な置き換えなども、本発明の範疇に属するべきである。

本発明の実施例による風力発電装置の立体外観図。 図１のＡ−Ａ線の断面図、図に、主にハウジングの第１、２収容部と羽根車及び伝動機構の配置関係の見取図。 図１のＢ−Ｂ線の断面図、図に、主にハウジングの第１収容部に羽根車の配置を設置した見取図。 図１のＣ−Ｃ線の断面図、図に、主にハウジングの第２収容部に伝動機構及び発電機を設置する見取図。 本発明の受風面の構成見取図。 本発明の風力発電装置が車に設置された実施状態一を示す。 本発明の風力発電装置が車に設置された実施状態二を示す。 本発明の風力発電装置が船舶に設置された実施状態三を示す。 従来技術の発電機と羽根車と同軸設置した構造の見取図。 本発明の第二実施例の第２収容部に伝動機構と発電機とを設置する見取図。 本発明の第二実施例の受風面の構成の見取図。

符号の説明

１ 風力発電装置 １０ 外表面
１１ ハウジング １２ 間隔板
１３ 第１収容部 １３１ 風の取入口
１３２ 風の排出口 １３３、１３４ 遮蔽網
１４ 第２収容部 １５ 流線板
１５Ａ 流線板
２ 羽根車 ２１ 軸
２２ 羽根 ２３ 側板
３ 伝動機構 ３Ａ 伝動機構
３１ クランク ３１Ａ 第１プリー
３２ リンク ３２Ａ 第２プリー
３３Ａ ベルト
４ 発電機 ４Ａ 発電機
４１ 軸 ４１Ａ 回転軸
４２ 本体 ４３ 電力調節制御装置
９１ 発電機 ９２ 羽根車
Ｄ 伝動部 Ｉ 風の取入れ部
Ｇ 流線部

Claims (5)

1. 輸送用機械の外表面に取付けられ、この輸送用機械の走行移動により生じる風力によって動かされる風力発電装置において、輸送用機械の外表面に取付けるためハウジングを備え、このハウジング内に羽根車が設置され、羽根車が垂直軸型風力羽根車でありかつ羽根車が伝動機構を介して発電機を動かし、この発電機と前記羽根車とを非同一軸形態で設置し、ハウジングに羽根車に対応して風の取入口と風の排出口とが設けられ、さらに、このハウジングの風の取入口には流線板が設けられ、この流線板により風圧抵抗を降下させ、さらに風をこの風の取入口にガイドし、風力発電装置の受風面として定義されるこの風の取入口を備えた一面が、風の取入口からなる風の取入れ部と、流線板からなる流線部と、伝動機構からなる伝動部とから構成され、また、この発電機が風の取入れ部、流線部または伝動部にオーバーラップするように設置されることを特徴とする輸送用機械の風力発電装置。
2. 前記発電機はリニア発電機であり、かつ前記伝動機構が旋回運動をリニアに変換する機構であって、このリニア発電機が受風面になる伝動部にオーバーラップするように設置され、軸を備え、この軸が本体に貫設され、前記旋回運動をリニアに変換する機構により軸を動かして本体に対して往復リニア移動し、磁束量変化により発電することができる請求項１記載の輸送用機械の風力発電装置。
3. 前記発電機は旋回式発電機で、かつこの旋回式発電機が受風面になる風の取入れ部または流線部にオーバーラップするように設置され、旋回式発電機が前記伝動機構と連結する回転軸を備え、前記伝動機構により回転軸を回転させて発電を行う請求項１記載の輸送用機械の風力発電装置。
4. 前記羽根車は軸を有し、この軸に三枚以上の羽根が結合され、羽根車が前記の軸により前記ハウジングの風の取入口と風の排出口との間に枢設されることによって、輸送用機械が走行移動の際に生じた風力により羽根を動かして回転する請求項１記載の輸送用機械の風力発電装置。
5. 前記流線板は略斜面をなした形態で、輸送用機械が走行移動する際に生じた風をガイドして風の取入口に導入させる請求項１記載の輸送用機械の風力発電装置。

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