JP2007211656A - 円形筒型風車発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電システムでは、主に揚力活用のプロペラ型が利用されているが、揚力活用型のため、起動が困難であり、また回転空間も大きく、それゆえ設置場所も限定され、その設置コストも多大であり、そのうえ騒音も大きく、問題である。
【解決手段】本装置は、円形筒型の垂直軸風車を水平に設置しそれを反転可能な回転翼をガイド装置により、揚力と抗力とを同時に、且つ交互に活用することで起動を容易にし、風車体に方位変更台を設け、それに揚力活用のためのガイド装置を兼ねた風壁と天井で覆い、風洞状の函にして、その前部に開閉可能な扉を設け受風量を調節することで、高効率運転を可能とし、風車体をコンパクトにすることで設置コストを抑え、ビルの屋上等近隣でも設置することが可能となり、騒音も大幅に抑えることが可能となる。
【選択図】図１

Description

風力を回転エネルギーに変換して、エネルギー形態が電力となる風力発電装置あるいは、流体物の移動を回転エネルギーに変換する装置に関する。

従来風力を回転エネルギーに変換して発電する装置としてプロペラ型、ダリュウス型、ジャイロミル型、サボニゥス型等の風車発電がありその中でも、風速以上の力が得られる揚力活用のプロペラ型がほとんどであるが、いずれも揚力の活用か、あるいは抗力の活用のいずれか一方に限定されており、揚力と抗力とを同時に、且つ交互に活用している先行技術は見当たらない。
これら従来の風力発電は風の性質上（風の力が風速の3乗に比例し、受風面積に比例する等）大型化が必然となり巨大装置化するが、大型化することによるコスト削減は困難を伴い、騒音による環境の破壊等思うに任せられないのが実情である。
現在効率的とされるプロペラ型風車は高速回転するため騒音も大きく、ローターの直径は５0ｍ~８0ｍと大型化し、タワーにいたっては１００ｍ近いものも現れ、プロペラの破損、タワー、ナセルの破壊等の環境問題が派生しそのため設置場所も限定され、一般家庭で電力を賄うほどの風力発電を居住地域で得ることは不可能にちかく、日本における効率的な風力発電はもはや限界に来ているとさえ言われている。
特開2003−278638公報 実開Ｈ07―35765公報

プロペラ型風車は効率を求め大型化することで広い回転空間を必要とし、そのために設置場所は大幅に限定され、設置コストは大型化に比例し膨大となり、電力供給コストを押し上げる結果となる。
効率のよい揚力活用の風車の場合、風車が大型化するほど起動が困難となり、また風力が増大するとプロペラの破壊あるいはタワーの倒壊等環境破壊の懸念が生じ、風速２０ｍ〜25ｍ以上ではカットアウトが必要となる。
また、大型化することによる風車の騒音問題は今や公害とさえ言われるような状況となり、居住地域での発電は困難となりつつある。

そこで、本発明の風力発電装置は、風車体及び風車体支持板に設置するガイド装置により、風を垂直軸で水平に捉え、回転翼を揚力により前進・上昇させる。
上昇した翼を抗力により、さらに上昇させ後退・下降させ、強大なトルクを得ることで、これまで弱風では起動が困難であった風車の起動を容易にすることが可能となり、風力の活用幅を広げることになった。

つぎに、抗力の減少する位置で風車体を支える支持板のガイド溝により、翼後部を誘導することで翼を反転させる。
風車体内に入った風は、反転した翼の背面を、上方より押さえ翼をさらに下方へ移動させて風車体内を通過する、この一連の作用により翼は回転を繰り返すので、狭い空間で効率のよい発電を可能とし、ビルの屋上等近隣でも風力による発電が可能となり、設置コストを大幅に引き下げることが出来る。
風車体を風壁と天井で覆い通風函状にすることで頑丈な躯体となし、受風口の天井前部を開閉可能な装置として、受風口を広げ集風することで風力を増大させ微風でも起動を容易にし、風速２５ｍ以上の強風では受風口を狭めることにより、カットアウトすることなく、風力を調節することが可能となると同時に、風壁により自動的に方位制御が可能となる。
また、風車体を覆う風壁及び天井を防音財で構成することにより、騒音を大幅に低下させることが可能で、環境破壊に配慮すると共に、広大な回転空間を必要とせず、設置場所の選択を広げることが可能となる。

揚力と抗力を同時に効率的に活用するために、翼にθ角を維持させる目的で風車側面板に設置する回転翼後部支持溝をθ角傾斜させ、それを風車体支持板に設置するガイド装置により、翼後方を誘導することで揚力の活用を可能にする。

風の方向に装置を制御することで、翼前面に風を受け、風に向かって垂直に回転する翼が、風車体の下方部の風で揚力を活用することにより、高速回転するよう構成した。
それと同時に風車体上方部では抗力を効率的に活用し強大なトルクを引き出すこととなり、従来微風では起動困難とされた翼を、微風でも起動することを容易とした。
前方より風車体内に入った風は風車体を抜ける過程で反転した翼を背面から押さえ、下方へと移動させ、風車の回転力を増強させ後方へ離れ去る。
従って風により揚力と抗力を得た翼は、プロペラのような大きな回転空間を必要とせず、狭い空間で風のエネルギーを回転エネルギーに変換させ、高効率の風力発電を可能とする。
風車を構成する装置は、方位制御台に防音材による風壁、天井を併設することで騒音を抑制すると共に、風洞状の通風函となって躯体は強固となり、同時に風の受風口を調節することで風力をフル活用することが可能となった。
プロペラ風車のような巨大なブレード、タワー、ナセル等を必要とせず、発電機を低位置に設置するため、危険性は低く又保守管理等のメンテナンスに多大なコストを要せず、巨大な回転空間も必要でない。
巨大なブレード、タワー、ナセル等を必要としないため輸送コスト、建設コスト等は大幅に削減され、設置場所の制限も大幅に緩和されるため、設置コストを大幅に引き下げることが可能となり、安価な電力の供給が可能となる。
本発明の例においては風力発電による電力としたが、本装置の回転軸を鉛直に設置し、垂直軸回転エネルギー変換装置として、海水や流水等得エネルギー密度の高い流体物に応用することで、発電以外にも動力として利用することが可能である。

本発明の実施形態を詳細に説明する。
図1は本装置の実施形態で、風を水平に捉えた場合の筒型風車体の正面図であり、1は円形筒型風車で、複数のNACA型翼2とそれを両側で支える二枚の風車側面板３で構成された風車体である。
図２は、円形筒型風車体を構成するNACA型翼2で、左右同形同幅の横に長い翼で、前部2ａを反転移動の中心支点として、後部２ｂを反転移動のための支点として、風車側面板３のガイド軌跡溝３ｂを移動するためのもので、その翼の（a）断面図と（b）平面図である。
図３は回転翼２を支持する風車側面板３で、回転翼を両側で支え、風車側面板に設置された３aは、回転翼移動・反転の為の中心支点で、風車中心点Ｂに対し放射状に複数の翼を等間隔に配置し、３ｂは回転翼が反転・移動するためのガイド軌跡溝で、揚力活用のため好ましくは１２度に近い角度θ度傾斜している。
回転翼前部２a支点は風車側面板の３aに嵌合し、回転翼後部２ｂ支点は風車側面板のガイド溝３ｂに嵌合し貫通し、各翼は風車側面板と共に風車体を構成して一体化し、ガイド溝を移動し反転を繰り返すことで、揚力と抗力とを交互に活用することが可能となる。
図４は、風車体支持板４で、回転翼を揚力と抗力とを効率的に活用するために、ガイド軌跡溝４ｂを併設しており、風車体はこの風壁を兼ねる風車体支持板により支えられ回転可能となる、回転翼と風車体の中を通りぬける風のイメージ図である。

風車体に設置した各翼は、風車体下方部で受けた揚力により下方より前進・上昇し、回
転移動し翼の角度が変わるところで揚力を失い失速する。
風車体上方部へ移動し角度を変えることで揚力を失った翼は、そこで受ける風の抗力により、翼をさらに上昇させ、やがて後退・下降させる。

回転により翼の角度が変わり抗力の減少する位置で風車体支持板の、ガイド軌跡装置により、図５のＥ地点で反転を開始し、Ｆ地点で反転を完了する。

反転した翼は、風車体の中に入った風が貫流となって風車体を抜ける過程で、回転翼の背を上方より押さえ下降させ、風は風車体を離れる。

この一連の作用により、回転翼は風の揚力と抗力を効率的に、交互に活用することで風車体を回転させることを可能とする。
図５は、揚力導入及び揚力維持のためのθ角維持装置で、揚力の導入及び抗力の活用により、風車体を回転させ回転翼を反転させるための、ガイド軌跡を図解した風車体支持板図である。

風車体支持板のガイド軌跡溝４ｂは、風車中心点Ｂより迎角θ延長線上に２a、２ｂ間と等距離右下に移動した点Ｃに中心点を置き、２aの軌跡円と同等の円を平行移動したもので、下半分にθ角傾斜した半円を描き、その軌跡を移動するための溝４ｂである。
つぎに、４ｂはＢを中心にした２ｂの軌跡円２b′(内円)の軌跡に繋ぎ、２ｂは抗力を活用しながら反転支点Ｅまで軌跡溝を移動する。
Ｂを中心とした２ｂの軌跡円２bツーダッシュ（外円）と、Ｂ点を通過する水平線ＸＸの交点をＤとし、ＢＣと平行してＤ点上を通過する線と、軌跡円２ｂ′(内円)との交点をＥとし、Ｅ点より各翼が反転を開始するよう２ｂを誘導する（∠ＢＤＥはθ角である）。

点ＢＣの延長線と２ｂの軌跡円2ｂ″（外円）との交点をＦとし、各翼はＦ点で反転を完了し、再び４ｂのガイド溝に繋ぐ。

Ｅ点から、Ｆ点まで直線又はゆるやかな凸曲線で２ｂを誘導することで、ＥＦ線に沿って移動しながら翼は反転する。
従って２ｂは４ｂの揚力維持および反転のためのガイド溝に嵌合したまま、回転移動する過程で、揚力と抗力とを効率的に活用することを可能とする。
図６は、風向変更に対処するための方位制御台５で、風車体支持板を兼ねる風壁で方位変更を容易にする目的で風車体を方位制御台５に乗せ、それを両側で支えることにより、風車体の方位回転を可能にする。
方位制御台前部下位に方位変更支点６を設け、後部下位に車輪７を設置することで方位変更を容易にする装置である。
方位制御台５の天井部に天井8を併設し、風壁と共に風車体を覆う形とし、風洞状の函
にして天井及び風壁を防音財で構成することで、騒音を減少させると共に風車体を強固な
躯体とする。
天井8は風車体中央部より、風を下方へ向け翼を下方へ移動させる目的で天井後部９を
下方へ傾斜させる（風車体のガイドベーンとなる）。
図７は方位制御台５に設置する風壁と天井の前方部分に設置する、受風口扉１０を拡げることにより風壁前部、天井前部からより多くの風を取り込み、受風口を拡げることで風
力を増大させ、風車の回転力を増大させることを可能にする装置である。

強風の場合は扉１０を狭めることで、取り入れる風をコントロールすることが可能で、
２５ｍ以上の強風でもカットアウトすることなく風車を運転することが可能となる。
扉１０は、天井８の前部を構成し、風壁前部に設置する誘導溝１０ｂにより、取り込む風量を調節するための装置である。

図8は、本装置を流体の中で利用する場合の水車体１１の正面図で、１２は水車回転翼で凹型に湾曲した上下に長い板で構成する。
１２aは回転翼前部に設置する反転のための中心支点であり、１２ｂは回転翼後部のガイド溝移動のための支点である。
１３は水車回転翼支持板で、回転翼中心点１３a及びガイド溝１３ｂで、１２aは１３aに嵌合し、１２ｂは１３ｂに嵌合し水車体として一体化する。
各回転翼１２は水車側面板１３ｂのガイド溝を、反転を繰り返しながら効力により吸い車体を回転させる。
水車翼は揚力を活用しないため、迎角θ度傾斜を必要とせず、従って１３ｂのガイド溝は中心点に水平で、放射状に等間隔に複数配置する。
図９は水車体を構成する回転翼で、NACA型翼と異なり凹型に湾曲した翼の（a）断面図と（ｂ）平面図である。

本発明の一実施例正面図。 NACA型回転翼図（a）断面図、（b）平面図。 風車側面板図。 風車体支持板（風壁）。 風車回転翼及び風の移動図（イメージ図）。 風向制御台図。 風量制御開閉扉装置図（側面図）。 水車回転翼支持板図。 水車回転翼図（a）断面図、（b）平面図。

符号の説明

１ 円形筒型風車
２ NACA型回転翼
２a 回転翼前部反転支持支点
２a′ 2a回転軌跡円
２b 回転翼後部反転ガイド軌跡移動支点
２b′ 2b回転軌跡円（内円）
2ｂ″ 2b回転軌跡円（外円）
３ 風車側面板
３a 回転翼支持反転中心支点
３ｂ 回転翼ガイド軌跡溝
４ 風車体支持板（風壁）
４ｂ θ角揚力維持ガイド軌跡溝
５ 方位制御台
６ 方位制御台回転支点
７ 方位制御台回転車輪
８ 天井
９ 天井後部（ガイドベーン）
１０ 受風口開閉扉（天井前部）
１０a 受風口開閉扉支点
１０b 受風口開閉誘導溝
１１ 水車
１２ 水車回転翼
１２a 水車回転翼前部反転支持支点
１２b 水車回転翼後部反転ガイド軌跡移動支点
１３ 水車側面板
１３a 水車回転翼反転中心支点
１３b 水車回転翼反転ガイド溝
1４ 水車体支持板
1５ 発電機
Ｂ 風車中心点
Ｃ 揚力維持ガイド軌跡溝中心点
Ｄ 水平線ＸＸと２a軌跡線との交点
Ｅ 回転翼反転開始点
Ｆ 回転翼反転完了点

Claims (6)

1. 水平軸風車が揚力の活用で回転し、垂直軸風車が揚力かあるいは抗力のいずれか一方の活用によって回転するのに対し、本装置は垂直軸風車を水平にして軸を風に直角に設置することにより揚力と抗力とを同時に活用することで風車を高速回転させ、効率的な発電を可能とすることを特徴とする装置。
2. 請求項1の風車は飛行機翼（NACA型翼）と同様の断面で左右同形同幅の長い複数の翼と、翼を支える風車側面板で構成された円形筒型風車で、風車側面板に等間隔で配置された各翼はガイド装置により、回転運動の過程で反転を繰り返しながら揚力と抗力を交互に、且つ同時に活用することが可能で、ガイド装置は揚力を取得活用する目的でθ角傾斜するのを特徴とする装置。
3. 請求項2の翼はガイド装置により、風車体下方部で揚力を得て翼を前進・上昇させその後、風車体上方部で抗力により翼を後退・上昇させその後、後方・下位へ回転移動させ、抗力の減少した位置で翼を反転させ、風車体の中へ入った風は、貫流となり後方へ移動した翼を上から押さえ、翼をさらに下降させて風車体を通りぬける、この場合翼に揚力を得させそれを維持するため回転翼をθ角傾斜させる装置として、風車体支持板に設置したガイド装置により、翼後方部を軌跡誘導するのを特徴とする装置。
4. 円形筒型風車の各翼が風を翼前面で水平に受けるために方位制御の目的で、防音材による風壁及び天井を方位変更のための方位制御台の上に設置し、風洞状の函を構成して風車体を囲うのを特徴とする装置。
5. 請求項４の天井は、風の強弱にあまり影響を受けることなく効率的に風車体を回転させる目的で、方位制御台に設置する天井部前部に開閉可能な扉を設け、天井後方部を下方へ折り曲げ風車体のベーンとなすことで風の力を効率的に利用し、受風面積を調節することを可能とするのを特徴とする装置。
6. 本装置は海流、水流等エネルギー密度の高い流体物の中で活用することが可能である、
   この場合は、回転軸を鉛直に立て抗力を活用することにより、高トルクを得ることが可能
   で、この場合は請求項３、請求項4及び請求項５の装置は不要となり、回転翼を支える支
   持板のガイド装置はθ角を必要とせず、回転翼は円弧状の湾曲板（凹型）で上下同形同幅
   の長い複数の翼で構成された水車体。
   

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