JP2008202588A

JP2008202588A - 複動回転により揚抗力を利用する風水力翼車

Info

Publication number: JP2008202588A
Application number: JP2007075555A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Abe; 豐阿部
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2008-09-04

Abstract

【課題】（１）風水力を利用する翼車に関し、揚力のみならずそれ以上に大きな抗力の大部分を回転力として取り込む風水力翼車の実用化。
（２）低流速ながら巨大なエネルギーを持つ海流や河川流にも対応可能な風水力翼車の開発。
【解決手段】翼車の回転軸４を中心として円周上に複数の回転翼１を設け、翼車の一回転に対し回転翼１はその二分の一の速度で逆方向に回転するよう制御する。
風水流に対し翼車の直角方向の片側で平行に、反対側で直角となるように設定する。
以上のようにして揚力と抗力を共に利用して回転力を取り出す。
【選択図】図３

Description

風水流力により翼車を回転させる装置に関し、翼に働く揚力と抗力の両方を効率的に利用する技術に関するもの。

現在多く利用されている風車は、揚力を利用する高速回転風車が主流である。
即ちプロペラ型や垂直軸型のダリウス風車が広く実用化されている。

発明が解決しようとする課題

翼車の翼に加わる風水力は、その迎角に基づいて大きく変化し揚力と抗力を発生する。一方のみを利用するのではなく、揚力とそれ以上に大きい抗力を最大限回転力として取り出す装置の実用化を課題とする。また低流速ながら巨大なエネルギーを持つ、河川流や海流を発電などに広く利用できるようにする。

課題を解決するための手段

翼の迎角が１０度前後では揚力は抗力の数十倍と大きい為もあり、現在の風車は揚力を利用する高速回転タイプが主流となっている。しかし揚力利用型では抗力は全てマイナス回転力となるので、一定以上の高速化を阻む一因となっている。
抗力利用の翼車は回転軸左右の抗力差を回転力として取り出すものであり、流速以下になる低速度回転と相俟って、揚力型に較べ一般的にそのパワー係数は二分の一から三分の一と少なく低性能である。本発明では揚抗力両方を効率よく利用するため、回転台２の回転軸４を中心として円周上に翼軸３と、それに広幅で翼面積が大きく前後同形の回転翼１を風水流に対し垂直に設ける。そして回転台２の一回転に対し回転翼１が二分の一逆方向に回転するよう歯車、チェーンなどによって制御し、揚抗力の両方を効率よく回転力として取り出す。

実施例３件に共通する翼の複動回転に伴う、回転力の発生について図３により説明する。図３において風水流は下から上方向で、回転翼１を取り付けた翼軸３は回転軸４を中心に右回転し、同時に回転翼１を取り付けた各翼軸３はその二分の一の速度で逆方向に左回転させる。図は翼軸３が八分の一づつ右回転した翼位置０〜７の状態を示している。翼軸３が回転軸４を中心として右回転する場合、回転翼１は翼位置０で風水流と平行になるようにする。翼位置２に於いて風速をＵ、翼軸３の速度をＶとすると、回転翼１に作用する相対速度はＷとなる。図例でのＶはＵの二分の一と仮定したものを示している。その揚力をＬ、抗力はＤとすると、発生する回転力は揚力Ｌに基づくＰ１から、抗力による逆回転力Ｐ２を差し引いたもので矢印で表している。揚力Ｌは翼位置０と４を除いて全ての翼位置で発生し回転力となる。抗力Ｄは全ての翼位置で発生するが相対速度Ｗの方向が、回転軸４の右側にあるときは逆回転力となる。翼位置２〜３の間でＷの方向が左側になると揚力と共に回転力となる。右側でＷ方向が回転軸４に近づくに従って迎角が大きくなり抗力は増大するが、角度の関係で逆回転力はそれ程大きくならない。抗力ＤはＷ方向が回転軸４の左側になると非常に大きくなり、翼位置４では全て回転力となる。風下側も同様であるが翼位置５〜７では、風水流の速度低下と乱流化のため揚抗力は少なく設定している。中心部に各位置の回転力を集めて環状に示している。翼軸３が左回転する場合も同様である。
風水力による揚抗力は翼面積と質量それに相対速度の二乗に比例するので、速度が５倍になると出力は２５倍になる。揚力型の高速回転風車は、迎角１０度前後の比較的低い揚抗力での大きな差を利用したものである。本発明の複動回転翼車では揚力と共にそれ以上に大きな抗力を利用する。さらに翼面積を５〜１０倍以上とする事も容易で、揚力のみを利用する風車と比較して、同等またはそれ以上のパワー係数を持つ翼車の開発が期待される。また図３で受風方向をずらすと回転力は減少し、９０度ずらすと回転力は０となる。また装置を追加して全ての回転翼１を風水流と平行にし、回転力を０に調整して強風に対処する事もできる。
図１は、支柱９によって回転可能に架設された回転台２の上下に、各三枚の垂直状の回転翼１を図２が示すように配置した風車の例である。風方向は図２で下から上とする。支柱９内の回転軸４は回転台２に固定され出力軸となる。中心に設けられた中心歯車５と外歯車７は中間歯車６を介して結合し、回転台２が一回転すると外歯車７とそれに固定された、翼軸３と回転翼１は逆方向に二分の一回転する。回転翼１の各回転位置での受風による作用は、図３により説明した通りである。風向きが変化した時は制向歯車８によって中心歯車５を回転させ、常時図３で説明した翼位置を保つよう制御する。構造上高強度化が比較的容易で且つ低速回転なので、強風の際に発電負荷を大きくしカットオフの省略もできる。
図４、５は水平方向に翼を配置した例で、風向きは左から右方向とする。両側に回転台２があって各回転翼１の翼軸３を保持し、回転軸４を中心として回転する。回転台２は右回転し回転翼１は、チェーン１２伝導によりその二分の一の速度で逆方向に左回転する。風車全体は支柱９上に架設され、尾翼１０によって常時風上方向に向くよう制御している。回転軸４の両端に発電機１１を取り付けている。
図６，７，８は、海流発電に利用した実施例である。海流は速い処でも毎秒１〜２ｍ程度と低速で、仮に風速の二十分の一とすれば速度による揚抗力は四百分の一になる。他方流体の質量に比例するのでその力は約８００倍となり、また流速と方向がほぼ一定であるので、速度変化の大きな風力と比較しても安定した出力が得られる。
波浪などに対応し且つ巨大エネルギーを得るため、水中翼１５を保持する環状支台１４の直径は数百ｍ、水中翼１５は幅百ｍを超えるものを想定した例である。勿論数ｍから千ｍを超えるものまで広く適用できる。水中翼１５の上部は円盤状の浮体１６を形成し、大きな浮力によって海面３２上方の水上構造物を支架する。各水中翼１５は環状支台１４の下に等間隔で取り付けられ、図例では６台が設置されている。
環状支台１４の水中翼１５の取付け部には軸受枠２３を設け、その内部に多段の減速装置２０を納める。環状覆１３内には環状歯車２１が固定され、これに減速装置２０に結合する受歯車２２が噛み合っている。受歯車２２は回転支軸２４を中心として支えられた枠に軸架され、諸要因による環状歯車２１との結合ぶれの調整と、回転方向の変換をする。減速装置２０によりその出力側の回転支軸２４は、環状支台１４が一回転すると二分の一ほど逆回転する。水中翼１５とは大型の十字軸２５で結合して揺れによる回転支軸２４に加わる衝撃を緩和する。結合部は十字軸でなく翼方向の一軸支持としても、また緩衝材やバネを組み合わせても可能である。水中翼１５の水流圧による傾きは浮体１６によって大きく軽減される。
環状支台１４上には軌道２６が設けられ、それに車輪２７を持つ台車２９が多数設置されている。車輪２７の回転は低速なので増速して発電機３１を駆動する。車輪径を小さくすると十数分で環状支台１４が一回転するような場合でも、車輪は毎秒１回転程度にする事ができる。回転する環状支台１４側に設置するので集電装置が必要となるが、環状ギア２１又は受ギア２２に接続しても発電機を駆動できる。環状支台１４と環状覆１３の間に、多極板状の環発電機３０を設けてもよい。図８では説明上両方を示している。台車２９の上に環状覆１３が、車輪２７の接触圧を平均化するためバネ２８を介して支架されている。これら構造物は適当な方法で、図では環状覆１３の両側に取り付けられた繋留梁１７と繋索１８や鎖などで繋留される。軌道２６と車輪２７は上下逆に設置してもよい。
浮体１６の外周部には左右で海流による抵抗差を生ずる形状の突起１９を設け、発生する自転力により減速装置２０による水中翼１５の駆動負担を大きく軽減できる。
また浮体１６の外周部で海水を噴射したり、スクリューなどの推進装置を設けても同様な働きをさせられる。さらにその回転推進力や抗力差をコンピュータによって制御し、水中翼１５の各位置での求められる角度を、減速装置２０によらずに制御できる。また位置によって角度を増減して最適角度に微調整する事も可能である。前述の環発電機３０にすると上述の歯車駆動装置は全て必要でなくなり、直径数百ｍを超える巨大な水中翼の制御も可能となる。
環状支台１４と環状覆１３は、水中翼１５と浮体１６の浮力により海面３２上に保持されるが、浮力が不足する場合は中央の空きスペースに円形の浮き台を設けるなどして、環状覆１３や環状支台１４と一体化して支える他必要な諸施設を積載できる。
これらの環状体はその直径を大きくして出力を増加させる他、横に直線又は円弧状に複数並べる事によつても大出力が得られる。同様に図１，図４例の風車も、大型化して多数の台車によって支架し大型の風車とする事も可能である。

発明の効果

（１）揚力の全てとそれ以上に大きい抗力の大部分を回転力として取り出し、比較的低い揚力ながら高速回転により出力を得る、従来の風車と同等或いはそれ以上のパワー係数を持つ翼車の実用化。
（２）巨大なエネルギーを持ちながら極く低速の為、実用が困難であった海流や河川流を動力源として利用できる。
（３）プロペラ型回転翼車より大型さらに巨大な回転翼車を、現在の製造技術で比較的容易に実用化できる。

本発明の実施例である垂直に回転翼１を設けた風車を示し、図２のＡ−Ａ縦断面図。図１に示した風車を上から見た平面図。回転翼１の回転に伴う迎角の変化と、各位置での回転翼１に加わる諸力とそれにより発生する回転力の関係を示したしたもの。回転翼１を水平に配置した風車を示し、図５のＢ−Ｂの縦断面図。図４の風車を上から見た片側の一部を示した図。海流発電に応用した実施例で、全体の環状構造物を上から見た平面図。図６の実施例を横から見た側面図。図６Ｃ−Ｃの縦断面図で中心部分の拡大図。

符号の説明

１回転翼２回転台
３翼軸４回転軸
５中心歯車６中間歯車
７外歯車８制向歯車
９支柱１０尾翼
１１発電機１２チェーン
１３環状覆１４環状支台
１５水中翼１６浮体
１７繋留梁１８繋索
１９突起２０減速装置
２１環状歯車２２受歯車
２３軸受枠２４回転支軸
２５十字軸２６軌道
２７車輪２８バネ
２９台車３０環発電機
３１発電機３２海面
Ｕ風速Ｖ翼軸速度
Ｗ相対速度Ｌ揚力
Ｄ抗力Ｐ１揚力分回転力
Ｐ２抗力分回転力

Claims

円盤状の回転台２や環状の環状支台１４のような台の円周上に、回転翼１や水中翼１５を流れに対し直角方向に任意数設置する。その各回転翼１や水中翼１５を歯車、チェーン等の伝導装置又はコンピューター制御によって駆動し、台の回転速度の二分の一の速度で逆方向に回転させる。風水流に対しその直角方向に位置する片側の翼を平行に、反対側を直角になるように制御して、回転台２や環状支台１４を回転させ動力として利用する風水力翼車。
海流や河川流を利用する水中翼１５の上部を、浮力の増加と流圧による水中翼１５の傾きを軽減させる円盤状の浮体１６に形成した水力翼車の水中翼。
水中翼１５上部に形成される浮体１６の外周部に、水流に対し左右で抗力差を生ずる突起２６、またはスクリュウや水流の噴射によって水中翼１７に自転力を持たせる。さらにコンピューターによりその自転力を制御して、水中翼１７に求められる翼角度を保って自転する水中翼１５を設けた水力翼車。