JP2012122477A - 抗力型風車および風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パドル前面の前凸部での風の空気抵抗をより小さくすることにより、さらに効率的に回転することができる抗力型風車を提供する。また、パドルの外周外縁端に翼を設け、風の力を回転力として得ることができると共に、この翼等に太陽電池を設けることにより、風の弱い日でも太陽光により発電できる風力発電装置を提供する。
【解決手段】抗力型風車の中心に回転可能に設けられたロータ軸９と同芯の風圧ガイド7と、水平断面形状が楕円や近似楕円の約1/2の形である仮想半楕円形状からなる複数のパドル５を風圧ガイド７の外周に公転可能に設け、風圧ガイト゛の外周と各パドルの内周外縁との間に空気の流れにより負圧を生じる隙間を設けたものである。
【選択図】図２

Description

この発明は、複数の風受け用のパドルを設け、パドルと一体的に回転する縦に配置されたロータ軸を設けた抗力型の風車であって、パドルの公転内側に風圧ガイドを設け、パドルが効率よく回転する抗力型風車と、それを利用した風力発電装置に関する。

従来、垂直軸回転型の抗力型風車は、水平軸回転型風車の一つであるプロペラ型の風車と違って、風が吹く方角に応じて風車の方向（風受け体勢）を変える必要がなく、その構造が簡単である。また、設置や運転方法も容易であることから、小型動力源、例えば小型発電装置等に利用されてきた。その構造については、回転の中心となるロータ軸の周囲に複数のパドル(又はブレード)と称される風受けを配設し、このパドルで受けた風の力をロータ軸の回転力として利用するものであった。

抗力型風車の複数のパドルは、一般的にロータ軸を中心に等間隔に配列されている。各パドルは風が当たる方角（部位）の違いでパドル前後の風力抵抗が異なる。例えば、風上側(逆風側)に位置するパドルの凸部形状である前面の抵抗が小さくなるようにパドル形状が取られている。つまり、各パドルについてみると、その凸状前面と風を受け入れる凹状後面とでは、風に対する抗力（係数）が異なる。回転する前面側である前凸部では風の抵抗は小であり、後面側の風受部では風力抵抗が大になるような形状となっている。従来の抗力型風車では、パドル前後面の抗力差を得る手段として、パドル前面を円弧形ないし、やや湾曲形に形成していた。

従来例である特許文献１では、風杯（パドル）に当たる風の力を効率的に得るために、風杯の公転外周側に放射状に風を導く案内羽根を設けたものである。この従来例では、風車全体の外形寸法は大きく、構造が複雑となり、装置のコストや風杯の保守等に課題があった。また他の従来例である特許文献２では、パドルの形状や隣接するパドルの配置や方向関係等を工夫して、パドルが風下側に位置するときにパドル受風部に、より風が当たるよう隣接するパドルをより接近する工夫がなされている。この例でも、パドルの構造や形状は複雑となる。また風上に位置する戻り側の反対の位置では、パドル前面の隣接している重なり部分が大きくなり、風の抗力が増大する課題があった。

特開２００５−１２７２９３号公報 特開２００７−２７２８号公報

従来の抗力型風車の例として、図１１に概略的な構造を示す。風車の中心に設けられたロータ軸52を中心に放射状に伸びている支持腕54を介して等間隔に配置されているパドル51(a)〜5１(d)で風を受け、ロータ軸52にその回転力が付与される。各パドル５1は水平断面が円弧形又は湾曲形の断面形状であって、風に対して風を受け入れる側（駆動側）に位置する後方の風受部パドル５１(a)で風を大きく受ける。これに対して、風上側にパドルの凸部前面を向けているパドル５１(ｃ)では、風の抵抗が後方の風受部５１（a）より小さい。このパドル前後の風受部の抗力差によりロータ軸５２に回転力が付与され、ロータ軸５２を介して風車全体が回転する。

上記のような従来の抗力型風車は、風の方角に拘わらず抗力差が得られるが、本出願人は図１、図２に示すように、風圧ガイド７をパドル５の公転内側に設け、風下に位置する駆動側のパドルへの風の流れを風圧ガイドにより効力的に集めると共に、風上に位置する戻り側のパドルは、パドルと風圧ガイドの隙間Sを設けることで風の抵抗を少なくできるのではないかと考えた。すなわち、風を後方から 受けて進むパドル5(a)はより風を受け、風上に向かうパドル5(ｃ)の方は、その内周外縁と風圧ガイドの隙間Sに風が通過する際に急速に絞られ流速を増してその位置で負圧が生じ、風の抵抗がより小さくなり、パドル間の効力差が各段に大きくなり回転力を高めることができると考えた。

また、パドル５の外周外縁端の延長上に、翼１９を突設することにより、風Wを確実に捉えて風力を有効に利用し回転力を大きく得ることができるとともに、風受部側5(a)で発生する風の渦（出入りする風の衝突等による）による乱流の影響を少なくすることで、より安定して回転力を維持することができるとも着想し、数値解析と風洞実験を行った。

つまり、この発明は、パドル５の前後の風の空気抵抗の差（抗力差）をより大きくすることにより、さらに効率的に風車を回転することができる抗力型風車を提供することを課題とした。

また、パドル５の外周外縁端に翼19を設け、風の力を回転力として得ることができるとともに、この翼に太陽電池Pを設けることにより、風の弱い日でも太陽光により発電できる風力発電装置を提供できると考えた。

上記の課題を解決するために、この発明は、抗力型風車Mの中心Oに回転可能に設けられたロータ軸９と同芯の風圧ガイド７と、水平断面の形状が楕円や楕円形に類似の近似楕円の約半分である仮想半楕円形状からなる複数のパドル５を風圧ガイドの外周に公転可能に設け、風圧ガイドにより、風の流れは駆動側のパドルにより多く集められ、一方、風圧ガイドの外周と各パドルの内周側縁との間に空気の流れ(絞り)が生じて空気の負圧が発生する隙間を設けた。

この構成によれば、水平断面が仮想半楕円形状の凸部で風を受けることで風の抵抗が小さくなる。また風から受ける力は、後方の風受け側でより風圧ガイドにより効率的に集められる。この抗力差によって抗力型風車は効率よく回転する。さらに、パドルの公転の内側（風車中心O側）である内周側と風圧ガイド外周とで形成される隙間に入り込む風が絞られて負圧が生じ、パドル側面側の空気抵抗が小さくなり、パドル前後の抗力差がさらに大きくなることが数値解析と実験で確認された。

また第２の解決手段は、風車の中心Oを芯として回転可能な天板と底板とを設け、両板とパドルを固定したものである。この構成によれば、風車の中心に回転する天板と底板との間に各パドルを一体的に固定したことで、より剛性のあるパドルの構造を得ることができる。

また第３の解決手段は、各パドルと天板・底板との取付位置及び、または取付角度を調整自在にしたものである。この構造によれば、風車を設置する環境に応じて最適なパドルと風圧ガイドとの隙間やパドルの姿勢を個々に調整することができる。

また第４の解決手段は、各パドルの水平断面の仮想半楕円形状の短軸に対する長軸の比率が、２．５〜３．５にしたものである。この形状によって、パドル前凸部の空気抵抗が小さくなり、パドル前後の抗力差が大となり、効率的な回転力を得ることができることが実験から得られた。

また第５の解決手段は、天板と底板とに対して各パドルが風車の中心方向に傾斜する取付角度であり、風圧ガイドの外周は各パドルの傾斜角度とやや平行な円錐形状で、かつ風圧ガイドの外周と各パドル内周側縁との間に隙間を設けたものである。この構成により、風車の高さを低く抑えることができる。

また第６の解決手段は、各パドル後方の風受部を閉じた形状にしたものである。パドルの後方の風受部を閉じた形状にすることにより、パドル後方に開口した風受部の場合に比べて風から受ける抗力は大きくなると共に、後方が開いているパドルでは出入する風が衝突し、その際に発生する風の渦を少なくすることで風の乱流の発生を防止し、より安定した回転力を維持することができることが実験で確認された。

また第７の解決手段は、各パドルの外周外縁端に翼を風車中心側にやや傾斜した状態で突設したものである。これによれば、風が翼の横方向から受けた場合は、中心側に傾斜した翼の形状により回転方向に推進力が得られる。また翼により風を逃がさないで確実に捉えることができ、風の力を有効に得ることができる。

また第８の解決手段は、各パドルや翼の表面に太陽電池を設けたものである。この構成によれば、パドルや翼に太陽電池を設けることで、風のない日でも太陽光により発電することができる。また、太陽電池を回転するパドルに設けることで、風の冷却効果で太陽電池が高熱になることを防止し、電池の発電効率の低下を防ぐことができる。

また第９の解決手段は、各パドル及び、又は翼の内周部に天板・底板とに平行に設けられた風圧セパレータを設けたものである。パドルや翼の内周部に風圧セパレータを設けることで、パドルや翼に受けた風を上下左右に逃げることなく確実に捉えることができる。またパドルや翼の剛性を高めることができる。

また第１０の解決手段は、上下複数段からなる抗力型風車において、最上段の風車の各パドルは風車中心に傾斜する取付角度で、かつ風圧ガイドが円錐形である抗力型風車であり、下段の風車は天板と底板とに対して各パドルが垂直方向に設けられ、かつ風圧ガイドが円筒形である上下複数段の抗力型風車とで構成されたものである。この構成によれば、風車全体の高さを抑えることができる。また、最上段の風車に設けられたパドルや翼の太陽電池の照射角度をより太陽光に垂直に近い角度で配置することが可能となり、太陽光発電の効率を高めることができる。

また第１１の解決手段は、抗力型風車の下方に基台を設け、パドルによるロータ軸の回転力を利用して発電する風力発電装置である。

本発明の抗力型風車は、風圧ガイド７により風を有効に集めると共に、風圧ガイド７とパドル５との間に風の流れを急速に絞る隙間Sを設けることでパドル内側に負圧が生じ、風力抵抗を極力小さくして、パドルの前後の風受部の抗力差を格段に大きくして効率的な回転力を得ることができる。

また各パドル５の外周側縁に設けられた翼１９により風の力を受けて回転力を高めることができる。またパドルや翼に太陽電池Pを設けることにより風の弱い環境下においても太陽光による発電が可能となる。

この発明に係る実施例１の抗力型風車を示す斜視図である。 同上の風車が回転する様子を説明する図１のA-A断面図である。 パドルの形状と抗力の関係を示すグラフである。 実施例２のパドルである後部を閉じた例を説明する平面図である。 実施例３のパドルである外周縁端部に翼を設けた例を説明する平面断面図である。 同上のパドルと翼に仕切り板（風圧セパレータ）を設けた例の斜視図である。 同上のパドルを設けた風車が回転する様子を示す模式的な平面図である。 実施例４のパドルを風車中心方向に傾斜させた例を示す抗力型風車の斜視図である。 実施例５の円筒型風車と円錐型風車を上下2段に構成した斜視図である。 本発明の抗力型風車を利用した発電装置を示す模式的な正面図である。 従来のパドル型風車を模式的に説明する図である。

この発明は、基本的にはパドル5と風圧ガイド7との配置構成に特異性を持たせて所期の目的を達成したものである。またパドルの形状、構造、パドル外周側縁端に設けた翼19にも特異性を持たせ、また、太陽電池Pおよび風圧セパレータ11を設けることにより、さらに目的の達成に有効となる。以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

図1は、本発明の実施例１を示したもので、その抗力型風車Mは、それぞれ回転可能に設けられた天板1と底板3との間に、中心Oに対して等間隔に配置されたパドル5を複数個配置している。天板1と底板3とは、パドル5の上端と下端とを固定ねじ３２等で固定することで一体化されている。また、各パドル５の内周側で風車の中心Oを芯として円筒形状の風圧ガイド7が、パドル５の内周縁と隙間Sを開けて設けられている。この風圧ガイド7は、風車Mを支持固定する支柱２（図２）を介して固定されている。また、風車Mの中心Oを中心にしたロータ軸9は中空状の支柱２の内側に設けられ、天板および底板と結合され、パドル５が回転することで回転駆動されるように設けられている。

図２は図1の水平断面A-Aを示す概略図である。抗力型風車Mは、円形の天板1（図示せず）と底板3との間に、中心Oから十文字の位置毎に(90度毎の位相において)パドル5を4個配置し、天板1と底板3とは各パドル5を介して一体化されている。また、各パドル5の囲みの中の風車中心部には、円筒形の風圧ガイド7が支柱２に固定された状態で設けられている。さらに、中空状の支柱２の内部には回転可能な状態でロータ軸9が図示しない軸受で保持されている。このロータ軸９と天板１および底板３とは結合され、パドル５の回転がロータ軸９に回転伝達される。

図２の上方から吹いてくる風Wは、駆動側のパドル（後方から風を受けるパドル）へは風Wを集めて大きくパドルを駆動する。一方、風Wはパドル５の内周側と風圧ガイド７の隙間Sに入り込み、風の絞りで負圧となっていることが数値解析から分かった。この場合の隙間Sについては、風圧ガイド平均径が風車平均径の約０．４の場合に風車の回転効率が高くなった。その場合の隙間の大きさは、例えば風圧ガイド平均径６４ｍｍ、風車平均径１１０ｍｍ、パドル短軸径を５０ｍｍとすると、片側２８ｍｍの隙間である。

本発明のパドル5は、水平断面の形状が楕円または近似楕円の約1/2である仮想半楕円形の形状をしている。風に対する抗力の風洞実験をした結果、仮想半楕円形の長軸と短軸との比が約３：１であるとパドルの抵抗、特に戻り側パドルの前凸部１５の値が最も小さくなることが分かった（図３）。

実施例１と同じ部分は同一番号で示し詳細な説明は省略する。パドル５の実施例２として後側開口部を閉じる形状１７にすることで、後部の風受部に当たる風の抵抗力（駆動力）が増すことが確かめられた（図３および図４）。この後端を閉じた形状のパドル５では、その抗力型風車のいずれの方向から風が吹き込んできた場合でも、風に対して閉端面１７を向ける位置のパドルで風を大きく受ける。風上に前凸部１５を向ける位置のパドルでは、仮想半楕円形状の流線型で風を受ける。風を受ける抵抗は、前凸部と比べて閉端面の方が非常に大きいために、この抗力差によって一方のパドルが効率的に回進し、他方側のパドルは戻りとなってこの抗力型風車が回転する。

各パドル５は、天板１と底板３と固定ボルト３３により固定されている。またパドル５の上下端の風圧セパレータ１１(仕切り板)には、長孔３２が2本設けられ、パドル５の位置と角度の調整が可能となっており、隙間Sの大きさやパドル５の角度（風を迎える角度）の調整を行うことができる。

このパドルでは、風を仮想半楕円形状の前凸部１５の流線型で受けることで抵抗が極く少ないことに加え、後ろ側の閉端面１７では回転に乱れを生じさせる風の渦流の発生が少ない。従来例の凹部形状(図１１)では、凹部に一旦入った空気が流出する空気と衝突して乱流となるが、閉端面17では進行を妨げる渦流56の発生がほとんどない。このことからパドル5(a)の回転駆動に干渉することが少ないことから、安定した回転力を得ることができる。また風圧ガイド７とパドル内周縁との隙間Sへの風の流入によりパドル内側部に負圧が生じて風の抗力が減じ、さらに回転力が増大する。

実施例１と同じ部分は同一番号で示し詳細な説明は省略する。パドル５のさらに他の実施例３（図５）として、パドル外周縁端から翼１９をやや風車中心部に傾けた状態で固定する。翼１９とパドル５の閉端面１７とは、補強リブの働きも行う風圧セパレータ１１で上下および中間部が結合されている。風Wがパドル５の横方向から吹いて翼１９に当たる場合（図５のW1）には、風W1の分力はパドル５の回転方向に推進力を付加する。またパドル５の後方から吹く場合（図５のW2）は、風W2は翼１９と風圧セパレータ１１で確実に捉えられて風を有効に利用することができる。さらに風W２は、翼１９と風圧セパレータ１１で捕捉されてパドル前方側へ抜ける際に発生する乱流が抑えられ、安定した回転を得ることができる。

図６は、上記実施例３のパドル５と翼１９、仕切り板としての風圧セパレータ１１を上下端と中間部に固定したものを示す斜視図である。風圧セパレータ１１は、風Wが上下左右に分散して風の力が弱くなることがないよう封じるように各パドルと翼に固定され、風の力を効率的に利用できる。また、補強リブとして機能してパドル５と翼１９の剛性を高めることができる。図７はこの実施例３の平面模式図である。各パドルは風圧ガイド７の周囲を時計方向に公転する。風圧ガイド７で集められた風Wは駆動側パドル５（a）に大きく当たると共に、風圧ガイドとパドル間の隙間Sの箇所で発生する負圧により抗力が減らされて効率よく回転する。またパドルの前凸部の仮想半楕円形状で風の抗力を低減できる。また、パドルの後方を閉端面１７で閉じることでさらに安定した回転力が得られる。さらにパドルに翼１９、風圧セパレータ１１を設けることで風の推力を有効に利用し、風車の回転力が安定して得られる。

図８は、さらに他の実施例４を示したもので、実施例１と同じ部分は同一番号で示し詳細な説明は省略する。この抗力型風車Mは、小さい円形の天板1とそれより大きな底板3との間に、中心Oから十文字の位置毎に(90度毎の位相において)4個の各パドル5を配置し、天板1と底板3とが各パドル5を介して一体化されている。また、パドル5の囲みの中の中央部には、円錐形の風圧ガイド7が支柱２を介して風車Mに固定して設けられている。さらに、底板3の中心で支柱２の内部にはロータ軸9が天板１と底板３と結合され図示しない軸受により回転可能に垂設されている。各パドル５の外周端縁には翼１９が設けられている。この実施例４では、翼１９、パドル５、天板１の表面には太陽電池Pが貼付けられている。この太陽電池Pを設ける場合には、風車の傾斜の角度は、太陽光の入射角をより垂直方向から受けることで、太陽光発電の効率が良くなる。また太陽電池の発電効率は、表面が高温になることで発電効率が低下するが、風車の翼に張り付けることで回転冷却されて発電効率が低下することを防ぐことができる。

実施例１と同じ部分は同一番号で示し詳細な説明は省略する。図９は実施例５を示す。下方に設けられた円筒形の風車M1と、上方の円錐形の風車M2を、上下2段で構成したものである。円筒形風車M1と円錐形風車M2の各ロータ軸９は結合され回転力を合成して高め、風の力を有効に利用できる。風車Mの他の特徴は上述の説明の通りであり、いずれも風圧ガイド７、仮想半楕円形状のパドル５、翼１９がそれぞれの風車M1,M2に設けられている。図示はしないが、太陽電池Pは翼１９やパドル５、天板１の表面に貼付され、風の無い晴れた日でも太陽光により発電が行われる。

図１０は、本発明の抗力型風車Mを基台２３の上に搭載し、風車Mと太陽電池Pとの自然エネルギーを結合した発電装置Eを構成したものである。風車Mを地面等に固定する基台２３の内部には、風力発電機２５が設けられている。この発電機２５は、風車Mで発生した回転を伝達するロータ軸9の回転を高める増速機27と連結されている。直交変換器29は、太陽電池Pにより発生した電気を図示しない配線を介して集められた直流電気を交流に変換する。バッテリー31は両方の電気を合わせて蓄電し、適宜、家庭や車、また電力会杜等に分配するための電気機器等が基台２３の内部に設けられている

M 抗力型風車
E 発電装置
P 太陽電池
W 風
S 隙間
O 中心
1 天板
2 支柱
3 底板
5 パドル
7 風圧ガイド
9 ロータ軸
11 風圧セパレータ
13 仮想半楕円
15 前凸部
17 閉端面
19 翼
23 基台
25 風力発電機
32 長孔
33 固定ボルト

Claims (11)

1. 中心にはロータ軸を縦軸方向に回転可能に設け、該ロータ軸の外側には風圧ガイドを設け、前記ロータ軸と結合する水平断面の形状が仮想半楕円形状からなる複数のパドルを前記風圧ガイドの外周に公転可能に設け、前記風圧ガイドの外周と前記パドルの内周外縁との間に空気の流れの絞りによる空気の負圧を生じる隙間を設けたことを特徴とする抗力型風車。
2. 風車の中心を芯として回転可能な天板と底板とを設け、該天板及び底板とパドルとを固定したことを特徴とする請求項１記載の抗力型風車。
3. パドルと天板及び底板との取付位置及び、または取付角度をパドル個々に調整可能にしたことを特徴とする請求項２記載の抗力型風車。
4. パドルの水平断面の仮想半楕円形状の短軸に対する長軸の比率が、２．５〜３．５であることを特徴とする請求項１乃至３記載の抗力型風車。
5. 天板及び底板に対して各パドルが風車の中心方向に傾斜する取付角度であり、風圧ガイドの外周面は各パドルの傾斜角度とほぼ平行な円錐形状で、且つ風圧ガイドの外周面と各パドルの内周外縁との隙間に風が通ることで風が絞られて負圧が生じることを特徴とする請求項1乃至４記載の抗力型風車。
6. パドルの後方の風受部を閉じた形状にしたことを特徴とする請求項１乃至５記載の抗力型風車。
7. パドルの外周外縁端に翼を風車中心側に傾斜して突設したことを特徴とする請求項１乃至６記載の抗力型風車。
8. パドルの表面および、または翼の表面に太陽電池を設けたことを特徴とする請求項１乃至７記載の抗力型風車。
9. パドルおよび、又は翼の内周部に天板及び底板に平行に設けられた風圧セパレータを設けたことを特徴とする請求項１乃至８記載の抗力型風車。
10. 上下複数段からなり、最上段の風車のパドルは風車中心に傾斜する取付角度で、且つ風圧ガイドが円錐形であり、下段の風車は天板及び底板に対してパドルが垂直方向に設けられ、且つ風圧ガイドが円筒形で構成されたことを特徴とする請求項1乃至９記載の抗力型風車。
11. 請求項１乃至１０に係る抗力型風車の下方に基台を設け、パドルによるロータ軸の回転力を利用して発電する風力発電機を基台内に設けたことを特徴とする風力発電装置。

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