JP2008196425A - Wind and hydraulic power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、風水力発電機に係り、特に、風速よりも高速な風流をプロペラに誘導して、高速回転することのできる風水力発電機に関する。 The present invention relates to a wind-hydraulic power generator, and more particularly, to a wind-hydraulic power generator capable of rotating at a high speed by guiding a wind flow higher than the wind speed to a propeller.
従来、風力発電機は、数値100の風力を受けた時の風車効率は、プロペラ式で45%とされている。これはプロペラの前に風を受けて、直角横へ回転する機械的ロスと、回転時における空気抵抗、伝動機構による摩擦抵抗損などによる。
従って、風力を多く得るために、特許文献1のような、風車の前方に、集風板などを配設する物もある。また特許文献2のような、ナセルの後部にプロペラを配設したものもある。
Therefore, in order to obtain a large amount of wind power, there is an object such as
従来の風車において、集風板を配設した場合、風向きが変ると集風板を風向きに合わせて移動しなければならず、また小型プロペラ式風車では、プロペラの前方に集風板を配したとき、全体として重量の重いものになり、支柱に支持することが困難になる。また、特許文献2のナセルは、側面で全体的に同じ太さで、かつ、先端は風抜けが良いように先細にとがらせている。
この発明は、ナセルの形状によりコアンダ効果を造り出して、流体を高速化してプロペラに当て、高速回転させることのできる風力発電機を提供することを目的としている。
In the conventional windmill, when the wind collecting plate is arranged, the wind collecting plate must be moved in accordance with the wind direction when the wind direction changes. In the small propeller type windmill, the wind collecting plate is arranged in front of the propeller. When it becomes heavy as a whole, it becomes difficult to support the column. In addition, the nacelle of
An object of the present invention is to provide a wind power generator capable of creating the Coanda effect by the shape of the nacelle, speeding up the fluid, applying it to a propeller, and rotating the fluid at high speed.
この発明の具体的な内容は次の通りである。 The specific contents of the present invention are as follows.
(1) 支柱上に旋回自在に配設されたナセルの後部に、プロペラが配設された風水力発電機であって、ナセル周面に、コアンダ効果により生じる流速以上の高速流体流を生じさせて、プロペラ前面へ通過させる風水力発電機。 (1) A wind-hydraulic power generator in which a propeller is disposed at the rear part of a nacelle that is pivotably disposed on a support column, and a high-speed fluid flow that is higher than the flow velocity generated by the Coanda effect is generated on the circumferential surface of the nacelle. A wind-hydraulic generator that passes through the front of the propeller.
(2) 支柱上に旋回自在に配設されたナセルの後部に、プロペラが配設された風水力発電機であって、ナセルは先端が球面で、先端縁部の最大直径が、プロペラ直前のナセル後端部の直径の2倍〜5倍に形成され、ナセルの先端部に当接した流体が、コアンダ効果を生じて、ナセルの周面に沿って、プロペラ前面へ高速で流動するよう構成されている、風力発電機。 (2) A wind-hydraulic generator in which a propeller is disposed at the rear of a nacelle that is pivotably disposed on a support column. The nacelle has a spherical tip, and the maximum diameter of the tip edge is immediately before the propeller. Formed to be 2 to 5 times the diameter of the nacelle rear end, and the fluid in contact with the tip of the nacelle causes the Coanda effect to flow at high speed along the circumference of the nacelle to the propeller front Wind generators that have been.
(3) 前記ナセルは先端部が半円球状に形成されている、前記(1)(2)のいずれかに記載された風水力発電機。 (3) The wind turbine generator according to any one of (1) and (2), wherein the nacelle has a semi-spherical tip.
(4) 前記ナセルには、後部に支持腕を介して囲壁がプロペラを覆うように配設され、該囲壁の左右後部に、外側後方へ傾斜して突出した方向舵が、一体に形成されている、前記(1)〜(3)のいずれかに記載された風水力発電機。 (4) The nacelle is arranged so that the surrounding wall covers the propeller via the supporting arm at the rear part, and the rudder that projects obliquely outward and rearward is integrally formed on the left and right rear parts of the surrounding wall. The wind-hydraulic generator described in any one of (1) to (3).
(5) 前記プロペラのプロペラ翼は、翼端縁部の弦長が翼根の弦長より広く形成され、翼端に前方へ傾斜する傾斜部が形成され、該傾斜部は、正面において幅中央線から左方よりも、回転方向の右方の面積が広く形成されている、前記(1)〜(4)のいずれかに記載された風水力発電機。 (5) The propeller blade of the propeller is formed such that the chord length of the blade tip edge is wider than the chord length of the blade root, and an inclined portion inclined forward is formed at the blade tip. The wind-hydraulic power generator according to any one of (1) to (4), wherein an area on the right side in the rotation direction is wider than that on the left side from the line.
(6) 前記プロペラは、その直径がナセルの最大直径の100%〜250%の範囲に設定されている、前記(1)〜(5)のいずれかに記載された風水力発電機。 (6) The wind turbine generator according to any one of (1) to (5), wherein the propeller has a diameter set in a range of 100% to 250% of a maximum diameter of the nacelle.
(7) 前記ナセル、プロペラ翼、囲壁における、流体が当たる前面部は滑面で、それより後部の表面は、粗面に形成されたことを特徴とする、前記(1)〜(6)の何れかに記載された風水力発電機。 (7) In the nacelle, the propeller blade, and the surrounding wall, the front surface portion where the fluid hits is a smooth surface, and the rear surface is a rough surface. The wind-hydraulic generator described in any one.
本発明によると次のような効果がある。 The present invention has the following effects.
(1) 請求項1に記載された発明の風水力発電機は、ナセルの先端に流体を受けると、コアンダ効果により、ナセル先端部で圧縮され、密度の高くなった流体がナセルの周面に沿って後方へ高速で通過してプロペラにあたるので、プロペラはナセル前面にあたる流体流よりも速度の速い流体を受けて、高速回転する。
(1) When the hydrodynamic power generator of the invention described in
(2) 請求項2に記載された発明の風水力発電機は、ナセルの先端縁部の最大直径と、後部の直径の差が大きいので、前面に当る流体は、圧縮効果が高く、これによるコアンダ効果も高くなるため、ナセルの周面に沿って高速流体流を通過させることができる。
(2) Since the difference between the maximum diameter of the front edge portion of the nacelle and the diameter of the rear portion of the wind-hydraulic power generator of the invention described in
(3) 請求項3に記載された発明の風水力発電機は、ナセルの前端部が球面状なので、前面に当る流体は、圧縮効果が高く、これによるコアンダ効果も高くなるため、ナセルの周面に沿って高速流体流を、プロペラに向けて通過させることができる。
(3) Since the front end portion of the nacelle has a spherical shape in the wind-hydraulic generator according to the invention described in
(4) 請求項4に記載された発明の風水力発電機は、後部の両側部に方向舵が形成されているので、微風時における流体流の向きの変化にも、敏感に方向を変えて、流動上方にナセルを向けることができる。
(4) Since the rudder is formed on both sides of the rear part of the wind-hydraulic power generator of the invention described in
(5) 請求項5に記載された発明の風水力発電機は、プロペラ翼の翼端傾斜部の面積が、中央の左側よりも右側の面積が大きく設定されているので、プロペラ翼を回転方向へ回転するとき、プロペラ翼に当る相対流を早く後方へ通過させて、抵抗を軽減させることができる。 (5) In the wind turbine generator according to the fifth aspect of the invention, since the area of the blade tip inclined portion of the propeller blade is set larger on the right side than the central left side, the propeller blade is rotated in the direction of rotation. When rotating to the right, the relative flow hitting the propeller blades can be quickly passed backwards to reduce the resistance.
(6) 請求項6に記載された発明の風水力発電機は、プロペラの直径を小さくすることができ、プロペラの直径が小さくても、ナセルのコアンダ効果による高速流を得て、高速回転することができて発電効率をたかめる。
(6) The hydrodynamic power generator of the invention described in
(7) 請求項6に記載された発明の風水力発電機は、流体の当る前面以外は、粗面に形成されているので、コアンダ効果で周面に沿って流動する流体が、粘性を増してコアンダ効果を高める。
(7) Since the hydrodynamic power generator of the invention described in
この発明は、支柱の上に旋回自在にナセルを配し、ナセルの後部にプロペラを配し、ナセルの形状をコアンダ効果の生じる前部の太い略魚形に形成し、プロペラの直径を、ナセルの最大部の直径ないし直径の2.5倍とする。 In this invention, a nacelle is pivotably arranged on a support column, a propeller is arranged at the rear part of the nacelle, and the shape of the nacelle is formed into a thick, generally fish shape at the front part where the Coanda effect occurs. The diameter of the largest part of the material or 2.5 times the diameter.
図1は、本発明に係る風力発電機の側面図、図2は平面図、図3は正面図である。ここでは流体を風として説明する。
図において風力発電機1は、支柱2の上に、旋回自在にナセル3が配設されている。
FIG. 1 is a side view of a wind power generator according to the present invention, FIG. 2 is a plan view, and FIG. 3 is a front view. Here, the fluid is described as wind.
In the figure, the
ナセル3の側面は、図示するように、前部が太く、後方へ次第に細く、略マグロ状の略魚形に形成されている。例えばナセル3の前縁部の直径は25cm、後端部の直径は6cmのように、大きな差が形成されて、ナセル3の前から当る風流は、ナセル3の形状によりコアンダ効果(流体粘性による付着流動現象)が生じる。
As shown in the drawing, the side surface of the
ナセル3の内部には、図示省略した発電器と、これに連結された変速機、出力軸4が常法により配設され、出力軸4の後端部にはプロペラ5が配設されている。該プロペラ5のプロペラ翼6は、先端部が前方へ45℃傾斜された傾斜部6aが形成されている。
前記プロペラ翼6の枚数は、2枚〜6枚程度で、弦長は先端部が広く設定されている。この弦長は、プロペラ5の半径の30%〜60%にすることができる。
Inside the
The number of the
ナセル3の後端縁部には、放射方向を向く複数の支持腕7を介して、風流拡散を防止するための囲壁8がプロペラ5を囲むように配設されている。
前記支持腕7は、図1に断面を示すように、コアンダ効果が生じるように、前部は板厚が厚く、両側へ膨出して、後方へかけて次第に薄く形成されている。支持腕7の前部に当る風流は、前部で圧縮され、高速で両側面を後方へ通過する。コアンダ効果が生じる部位においては、乱流が生じない。
On the rear edge of the
As shown in the cross section of FIG. 1, the
囲壁8は、図示するように縦断側面において、コアンダ効果が生じるように、前部は板厚が厚く、内側へ膨出して、後方へかけて次第に薄く形成されている。また囲壁8の左右両側後部には、後部が外側方へ傾斜した方向舵9が一体に形成されている。
As shown in the figure, the surrounding
該囲壁8及び方向舵9は、例えば発泡スチロール樹脂成形体を、カーボン繊維、ガラス繊維などを使用したFRP樹脂被膜で被覆すると、軽量で剛性に優れた囲壁8及び方向舵9が得られる。
The surrounding
図4は、本発明風水力発電機1における、風流変化を示す平面図である。海において、鯛とマグロとでは、圧倒的にマグロの方が高速で泳ぐことができる。これは、マグロの体型が魚雷のように、前部が丸く太く、後方は細いため、尾鰭で加速すると、コアンダ効果が生じるためである。
FIG. 4 is a plan view showing a wind flow change in the wind
本願におけるナセル3も、マグロの体型に似たものに形成されている。図4において、ナセル3の前に当る風流は、ナセル3の前端部で抵抗を受けて圧縮される。
圧縮された気流は、密度が高くなり、ナセル3の周面に沿って、内部では水飴が流れるように密接して流れ、外部では、圧縮された濃度の高い気流が分岐して高速で後方へ流動する。
The
The compressed airflow has a high density and flows closely along the peripheral surface of the
すなわち、圧縮されて空気密度の高くなった気流は、後部の気圧よりも高いので、気圧の低い後方へ、ナセル3周面に沿って高速で流動する気流は、ナセル3前部の大きな直径部から周囲へ分岐拡散して、細い後方へ通過するために、拡散されて空気密度が薄くなり、負圧になる。ナセル3の後部は前部よりも細いために、前から吹く風流は、気圧の低くなったナセル3の後部に高速で集中して通過する。
That is, since the compressed airflow having a higher air density is higher than the rear atmospheric pressure, the airflow flowing at a high speed along the circumferential surface of the
その結果、プロペラ5は、ナセル3の前面に当る風速よりも高速な気流を、前面に受けることになり、高速回転をする。すなわち同じ風速の中で、ナセル3の形状によってナセル3の周面には高速気流が生じてプロペラにあたる。その結果、例えば風速5m/sの風が吹いている時、プロペラに当る風速は6m/sというように、高速風流を得ることができる。
As a result, the
前記囲壁8は、ナセル3の周囲を高速で通過する気流を外方へ拡散させず、内面の膨出面により気流をより高速化させ、後方外側方へ拡散させる。
ナセル3の前方から吹く風流は、囲壁8後部における左右の方向舵9の前面を圧迫して、ナセル3の先端部を風上に向けて保持させる。
The surrounding
The wind that blows from the front of the
風向きが変ったとき、片方の方向舵9に対する風圧がなくなり、他方の方向舵9にのみ風圧がかかるので、その風圧に押されてナセル3は旋回して、前端部を風上に瞬時に向ける。このように風向きに敏感に反応して、風向きが変化しても、直ちにプロペラ5を風に対面させるので、風力を無駄なく受取ることができる。
When the wind direction changes, the wind pressure on one rudder 9 disappears, and the wind pressure is applied only to the other rudder 9, so that the
図5はプロペラ翼の正面図、図6はA−A断面を示す平面図、図7は側面図である。プロペラ翼6は、図5において右側が回転前側端部6b、左側が回転後側端部6Cである。図6においてA−A断面は、回転前側端部6bの板厚は、回転半径の7%〜15%の範囲に厚く設定され、回転後側端部6Cは薄く設定されて、回転時に全体としてコアンダ効果が生じるように形成されている。
FIG. 5 is a front view of the propeller blade, FIG. 6 is a plan view showing the AA cross section, and FIG. 7 is a side view. In FIG. 5, the
また、相対流Bはプロペラ翼6の前後に分かれて、高速で通過し、プロペラ翼6の回転後側端縁部に負圧を生じさせることから、周囲の常気圧流が集合してプロペラ翼6の回転後側方から回転前方向へ押すことになる。
Further, since the relative flow B is divided before and after the
図6においてプロペラ翼6の背面は、出力軸4に対して直角に設定され、前面は膨出した右側から左側端部にかけて傾斜されている。従ってプロペラ翼6の前方から吹く風流Aは、プロペラ翼6の前面に当って左側端へと流動して、プロペラ翼6を回転前側端部6b方へ回転させる。
In FIG. 6, the back surface of the
また、プロペラ翼6の回転に伴い、プロペラ翼6の回転前側端部6bに当る相対流Bは、回転前側端部6bで圧縮され、コアンダ効果で高速で回転後側端部6Cへと流動して、その反動でプロペラ翼6は回転前側端部6bが回転方へ回転する。この場合、プロペラ翼6の前面には負圧が生じるため、前方から吹く風流Aを多く呼び込んで、回転効率が高まる。
As the
図7において、プロペラ翼6が回転すると、翼根部位から翼端方へ遠心力により拡散風流Cが生じる。また前方から吹く風流Aが傾斜部6aにあたる時、点OからPへ至る風速よりも点QからPへ滑走する風速の方が早くなり、この域に負圧が生じ、前方から吹く風流を多く集合させる。
In FIG. 7, when the
図5に示すように、傾斜部6aは、幅中央線Sから左側部の面積よりも右側の面積が広いので、プロペラ翼6の前右先端部位に風流が多く集合することになり、回転力が高まるとどうじに、回転方向におけるプロペラ翼6にあたる相対流を早く後方へ通過させて、抵抗を軽減させる。
As shown in FIG. 5, since the
以上のように構成されたこの風水力発電機1は、ナセル3の形を前縁部が太く大きく、後部が細い形状として、コアンダ効果により、ナセル3周面に沿って流動する高速気流を造り出して、プロペラ5に当てるようにした。
This wind-
これに加えて、プロペラ翼6の断面を、コアンダ効果が出るように、回転前側端部6bの板厚が厚く形成されたので、回転に伴いプロペラ翼6の前後面に沿う高速風の通過に伴う反作用として、プロペラ翼6の回転後側端方から、回転後側端部6Cへかかる風圧により、回転が加速されることとなり、相乗効果により、プロペラ翼面積の同じ従来型風力発電機と比較して、実験的に発電効率が1.5倍〜2倍に向上した。
In addition to this, the cross section of the
図8は、実施例2を示す風水力発電機の側面図で、図9は背面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。
この実施例2におけるナセル3は、先端部が半円球状に形成され、後方へ急激に細く設定されている。ナセル3前部の最大直径と、プロペラ5直前のナセル3後端部の直径との差は、5対1に形成されている。
FIG. 8 is a side view of the wind-hydraulic power generator showing the second embodiment, and FIG. 9 is a rear view. The same parts as those in the previous example are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
The
また、ナセル3の最大直径と、プロペラ5の直径は、1対1.7で、プロペラ5の直径が小さく設定されている。これによって、ナセル3の周面に生じるコアンダ効果は高速流をプロペラ5に導き、またプロペラ5は直径が小さいので、傾斜部6aによる気流捕捉性に優れて、回転効率が向上する。
Further, the maximum diameter of the
囲壁8は、図9に示すように左右一対で、対面する上下の間に間隙がある。これによって、 囲壁8板厚の左右両側部において、囲壁8の内外を流通する気流の速度差があり、風向きの変化に対して、敏感に反応して方向の制御性に優れる。
As shown in FIG. 9, the surrounding
図8.9において、ナセル3,プロペラ5、支持腕7、囲壁8における前から流体を受ける面は平滑面とし、それ以外の面は、粗面(砂点で表示)1aとする。これによって、周面に沿って後方へ流動する流体は、粗面により粘着性を増してコアンダ効果を向上させる。
In FIG. 8.9, the surface of the
なおこの風水力発電機1は、適宜支持体を介して水中に設置して、水流を利用した発電をすることができる。その場合、前記風流等における風は水または流と読み替える。水中においても、コアンダ効果は同様に生じる。
In addition, this wind-
この風水力発電機1は、弱風、弱水流でも発電効率がよいため、プロペラ5の直径を小さくすることができるので、小型で性能のよい風水力発電機1を得ることができる。家庭用、農事用、僻地での電源確保その他、幅広い分野に利用することができる。
Since this wind-
1. 風水力発電機
1a. 粗面
2. 支柱
3. ナセル
4. 出力軸
5. プロペラ
6. プロペラ翼
6a.傾斜部
6b.回転前側端部
6c 回転後側端部
7. 支持腕
8. 囲壁
9. 方向舵
1.
Claims (7)
7. The nacelle, the propeller blade, and the surrounding wall, wherein a front surface portion to which a fluid hits is a smooth surface, and a rear surface surface thereof is a rough surface. Feng hydro power generator.
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