JP2012233466A

JP2012233466A - 揚力増速式風車及び発電機駆動方式

Info

Publication number: JP2012233466A
Application number: JP2011114130A
Authority: JP
Inventors: Akihisa Matsuzono; 明久松園; Masaki Suzuki; 雅紀鈴木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-02
Filing date: 2011-05-02
Publication date: 2012-11-29

Abstract

【課題】
地球環境とエネルギー問題を原材料生成から廃棄コスト迄を総合的に考えた場合、発電コストが最も少ないクリーンエネルギーとして昼夜、日当たり等関係なく何処でも発電可能な小型風力発電機の家庭レベルでの普及が望まれる。しかし普及には実運用条件下で最も長い軽風域（１〜３ｍ／秒）でも発電でき、台風・突風等、過酷な自然環境下でも安定稼動し製造容易で安価、且つ安全性が高く長期間メンテナンス不要なこと等が望まれる。
【解決手段】本発明の風車は風向きに対する制御が不要で構造が簡単な垂直軸型をベースに弱風でも回る表裏面揚力ブレードに加え、ブレード全縁の抗力を活かし圧力差で排気力を高める構造と負荷制御により軽風域から起動でき、揚力加速により自然増速回転して可変速装置により緩やかに発電機に連結する回転速度感応制御に加え、強風時の暴走回転抑制構造により弱風域から強風域の稼働時間を広げる小型風力発電を可能とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は風力発電において特に弱風域と強風域の発電効率を向上させる揚力型風車のブレード形状と効率的な風力発電機可変駆動伝達方式に関するものである。

風力発電用の風車には、風に対して回転軸が水平になっている水平軸型風車と、風に対して回転軸が垂直になっている垂直軸型風車が知られている。本発明に関係する垂直軸型風車のブレードについて述べると、ブレードに発生する抗力で風車を回す抗力形と、揚力で風車を回す揚力形（ダリウス形、直線翼型、ジャイロミル形等）といったものが知られており、共に水平軸風車に比べ風に対して無指向性なので、水平軸風車のような頻繁に変化する風に対するヨー制御とその追尾機構等が不要と言う大きい長所があるが弱風時の起動力不足等に対し改良が図られている。

低風速でも発電可能な小型翼型風車と、この回転軸に小さい風力でも駆動トルクを発生する起動用風車を介在させ、起動力を向上させたものがある（例えば、特許文献１の図５）。この発明は起動用風車も組み込む為、部品点数が増大し構造が複雑になり、製造コスト等が増えるという問題や強風時には風の抵抗が大きくなりブレーキシステムも大きく全体が重く不安定になっている。

ブレード形状の特許例として特許文献２「全方向風力タービン」の図６「抽気流路を有する翼形をした垂直支持壁の断面図」は翼の分厚い部分が一般と異なり後ろにあり、しかも風向きに対して迎角が無く揚力が少ない。また抽気流路の出口が斜め上下に分散して排出する構造のため弱くなる。しかも迎角相当の上下の動きは直進時に打ち消され、ブレードは直進方向だけの抗力のみで揚抗比が無くなるので風力ブレードとしての性能が低い。

同、特許文献２「全方向風力タービン」図７の「抽気流路を有する環状体導入口ブレードの断面図」はブレード翼とした場合、全体を３ケ所の貫通穴で４分断され、しかも途中の３ケの貫通穴により翼長が１／４と短くなるため揚力は著しく低下する。結果、入口と出口の圧力差も減少し排出力も、その反力も弱くなることから風力ブレードとしては機能不足で実用化が難しい。

特許文献３、図８は、主翼４と副翼５を有する複翼を備え．．．気流Ｗ２に対して負角βを持たせ揚力翼で、副翼５を、主翼４の受風面６側に「所定間隔Ｎ１及び所定ずれ幅Ｎ２をもって配置し、気流Ｗ２により、主翼４にベルヌーイの定理で説明される揚力が発生する。」とあるが、副翼５が主翼４に比べＮ２区間短く副翼５の後縁のフラップも無い為、副翼５の下面の高圧域と完全に分断されないため排出口に減圧域が生じず主翼４と副翼５の間の気流は抜け難くいので本願新発明案の「入口と出口の圧力差を高め排出気体を加速させる」機能は無く構造や動作原理、形状とも異なる。また用途も水平翼用（図９）と、本願新発明とは異なる。

特開平１１−２０１０２０号公報特許公表２００８−５２５６８２特許公開平６−１５９２２２

以上述べた従来のブレードは抗力を中心に考えられ、揚力や圧力差を活かしてないため最も時間の長い弱風域では力不足や、風速が頻繁に変わる環境下に備えたアシストのための電気エネルギーが必要となり中風域でしか発電できず発電効率が良くない。

また風力発電の実運用においては風向きが頻繁に変化する、強風、暴風等過酷な自然環境下では発電困難となり発電効率低下要因していた。

更には構造が複雑なため製造に手間がかかりコスト高になり、耐久性が劣りメンテナンスも頻繁に必要となっていた。また風速が変化したときブレードも変形する可動部分があると更に弱く、異形状になると稼働時の風きり音を発する等、大きな問題となるので静かに安定稼動すること重要である。

風を受けて効率的に力を得る風力ブレードにおいて、揚力と抗力の比を高める為、ブレードの断面を湾曲させた翼型で前縁を丸く厚くして後縁を薄くし、ブレードの表側を凸曲面にすることにより表面凸曲表面に沿って流れる風による後縁上部の減圧揚力により生ずる外向きの反力を得る構造を形成する。

更に裏側を凹曲面にして後縁にフラップを設けることにより、凹曲面の迎角による弱風での回転揚力を高め、凹曲表面に沿った流れで後縁下部のフラップによる加圧揚力とダウンウオッシュの反力により生ずる外向きの回転力を得る基本構造を形成する。

ここで全く新しい機能として、ブレードの前縁部に抗力成分で圧力の高い気体を無理なく効率的に取入れる開口部を設け、ブレード内部を抜けて圧力の低いブレ−ドの表面後縁部の減圧領域まで最短で気体が抜けるエアーダクトを翼内に組み込むことにより、入口の加圧気体と出口の減圧域の圧力差を巧みに活かしブレード内を通る排出気体を吸い出し加速させ、ブレードの回転力となる反力を増強させる仕組みを設けた増速ブレードを形成する。

以上前記説明のブレードの表面減圧揚力、裏面加圧揚力に加え、全く新しい概念として前縁で取り入れた抗力を後縁の減圧域で吸い出し加速することによる反力の３種類の合成回転力により、更に自然揚力加速回転を促進させる揚力増速ブレード構造を構成する。

次に、前記、揚力増速ブレードを垂直な回転軸のまわりに複数枚設け３６０度全方向の風力により回転させる垂直軸型風車を構成する。

なお高速回転時にはブレードの裏面後縁のフラップでの抗力が活き暴走回転を抑えて適度な発電機駆動回転が得られ、更には風車の高速回転時のジャイロ効果により回転体全体の姿勢安定化が図られる。

次に不連続で弱い風力時でも効率よく発電機を廻す駆動力伝達装置において、起動時及び低速回転時には発電機との連結を外して負荷を軽くし揚力型ブレードの自己増速による揚力加速回転を促進させる。

回転速度が一定速度以上になった段階で遠心力制御で負荷の軽い可変増減速伝達装置（特許４１８６１９６号）等を介し緩やかに発電機に連結し且つ、回転速度に応じて変速比を連続的に変え駆動トルクを変化させて発電機を回す機構を組み合わせる。

また反対に、回転速度が遅くなった段階で遠心力制御により発電機との変速比を逆に変化させ風力ブレードの回転の負荷を軽くして自然揚力加速回転を促進させる回転速度感応型可変速駆動力伝達制御装置として機能させる。

上述したように本発明に係る風力発電用の垂直軸型風車では、垂直回転軸のまわりに設けたブレードの表／裏両面後部の減圧／加圧揚力と、ブレード全縁の抗力を取り込み、圧力差で排気力を高める構造による弱風域での起動容易性に加え、自然揚力加速で従来型のモータアシストの電力も要らず、より弱風域でも効率的に風力エネルギーを取り出せ、しかも風向きや風速が絶えず変化する実運用環境においても発電機を廻すことが可能となる。

更に強風域以上ではブレードの裏面後縁のフラップによる抗力により回転速度抑制効果が働き、暴走回転による過大な電圧発生を抑えるため、ブレーキシステムや電力制御システム等も簡単になり軽くなることにより過酷な自然環境でも発電稼働率が高い小型風力発電機の利用が広がる。

なおブレードの材質としては軽金属、ＦＲＰ等、多様で安価な素材が利用でき、構造が簡単で小型や中型の風車を安価に製造することが出来、素材生成から廃棄までの製品ライフサイクルにおける総エネルギーコストも小さい。また家庭用の手軽な発電から、マンション、学校、工場、事業所等のビル屋上、ビル周りの風や、公園、草原、山間、離島、日の当らない北側や、縦積による立体空間活用、高緯度地域等、天候を問わず昼夜稼働させることが可能となる。

更には電力配電システム等、膨大な設備投資や継続的な維持管理コスト、待機維持電力も不要な自立分散型発電で、電力グリッド的な粗結合共助システム化も容易である。また使い慣れた見える技術を進歩させ改良を加えた環境・資源、安心・安全面からも優れ人類に広く平等・平穏なエネルギである。

揚力増強型ブレードの斜視図である。ブレードの流体説明図である。揚力増強型ブレードによる風車の斜視図である。可変速トルク制御装置と発電機連結構成図である。特許文献１の小型風力発電装置の風車本体を示す斜視図である。特許文献２の抽気流路を有する翼形をした垂直支持壁の断面図である。特許文献２の抽気流路を有する環状体導入口ブレードの断面図である。特許文献３の風車の一実施例の要部断面図である。特許文献３の風車の正面図である。

図１は本発明の揚力増強型ブレード外観図を示し、図２はそのブレードの流体説明図で、回転稼動状態でのブレードの風の流れの概念と気圧変化による各種揚力のベクトル図を示し、図３はそれを垂直軸風力発電用回転ブレードとして組み込んだ外観図を示し、図４は回転速度感応による揚力増強型可変速動力伝達制御装置と発電機までの連結構造図を示す。

請求項１を実現するため風力増速ブレードは図１の斜視図と、図２のブレードの流体図で実施例を説明すれば、ブレード（１０１）の断面を湾曲させた翼型で前縁（１０２）を丸く厚くして後縁（１０３）を薄くし、ブレードの表側（１０４）を凸曲面にして、裏側（１０５）を凹曲面にしてフラップ（１０６）を出した基本形状を形成することにより、裏面の凹曲面の迎角により弱風での揚力を高め、凹曲表面に沿った流れで後縁下部のフラップによる加圧揚力（２０９）とダウンウオッシュの反力により生ずる外向きの回転力（２０７）と表面凸曲表面に沿って流れる風による後縁上部の減圧揚力（２０８）により生ずる外向きの反力で回転力を得る。

更に抗力（２０５）を受け圧力が高くなるブレード先端の前縁部（１０２）に気体を取入れる開口部（１０７）を設け、ブレード内を貫通して圧力の低いブレ−ドの表面後縁部の減圧領域（２０１）まで最短で気体が抜けるエアーダクト（１０８）を翼内に形成することにより、開口部入口（１０７）の加圧気体と排出口（１０９）の減圧域（２０１）の圧力差を巧みに活かしブレード内エアーダクトを通る排出気体（２０６）の反力との３種目の合成回転力により、更に自然揚力加速回転を促進させ水平方向のあらゆる風向きに対し瞬時に回転力を増強させる仕組みのブレード構造を実現させている。

また高速回転ではブレードの裏面後縁のフラップ（１０６）で風の抗力が大きくなるので暴走回転が抑制され適度な発電機駆動回転が得られる。更には高速回転時のジャイロ効果により風車全体の姿勢安定化が得られ強風に煽られにくくなる。

請求項２を実現する揚力自然加速対応型可変速トルク伝達制御方式について説明すれば、図３は揚力増強型垂直軸風力発電用回転ブレードで、図４は不連続で弱い回転力（３０３）を効率よく発電機に伝達する回転速度感応型可変速動力伝達制御装置と発電機連結構成図である。

先ず図３は風力増速ブレード（１０１）を垂直な回転軸（３０１）のまわりに複数枚設け３６０度全方向の風力により回転させる垂直軸型風車（図３）を構成し、起動時及び低速回転時には遠心力制御板（４１１）内の重り（４１１−ＴＰ、４１１−ＳＬ：注１）は太陽歯車（４０２）とワイヤー（４１４）で繋がり引っ張られ、太陽歯車（４０２）の重さで、発電機との連結が外れた下段位置（４０２−ＯＰ）にあり、負荷を軽くし揚力増速ブレード組み込み垂直軸型風車（図３）の自己増速による揚力加速回転を促進させる。

回転速度が一定速度以上になった段階で負荷の軽い可変増減速伝達装置（歯数可変円錐歯車活用：特許４１８６１９６号等）を介し遠心力制御板（４１１−ＴＰ〜４１１−ＳＬ）により動力可変速伝達装置の原軸側の第１の太陽歯車（４０２−ＳＬ）が円錐型の遊星歯車の最大歯数位置（４１３−Ｌ、４１３−Ｒ）と噛み合い、円錐歯車軸連結固定歯車（４０４−Ｌ、４０４−Ｒ）と噛み合っている従軸側の第２の太陽歯車（４０７）を駆動させることにより緩やかに連結駆動して発電機（４０９）を廻し、更に回転速度とトルクの変化に応じた遠心力制御板（４１１）で変速比と駆動トルクを太陽歯車１（４０２−ＯＰ〜４０２−ＴＰ）で連続的に移動範囲（４１０）を制御して発電機（４０９）を廻す仕組みにより、揚力自然加速対応型可変速トルク伝達制御を行う。

更に回転速度が上がれば、速度に応じて遠心力制御板内の重りが高速位置（４１１ーＴＰ）にシフトし、それにより原軸側の第１の太陽歯車位置が円錐型遊星歯車（４０３−Ｌ、４０３−Ｒ）の最小歯数位置（４１２−Ｌ、４１２−Ｒ）と噛み合い変速比（トルク）が変わり、より早く発電機を廻すことになる。

逆に発電機を廻す時のトルク不足や、回転速度が落ちた時、遠心力制御板内の重り位置が戻り（４１１−ＳＬ）がで再び発電機との連結を外して（４０２−ＯＰ）位置に戻ることによりブレードの回転に負荷を与えず、再び自然揚力加速回転を促進させている。

注１：本来、遠心力制御板（４１１−ＴＰと４１１−ＳＬ）は連結ワイヤー（４１４）で同様な動きをするが、図４では、遠心力の最大／最少の変遷状態として中心軸の左、右に分けて図示している。

環境とエネルギー問題は、産業だけでなく人類の生活そのものであり、子子孫孫、持続発展できるものでなければならない。従って、先ずは基本となる身近な家庭の電気エネルギー問題として捉え手軽に少しずつ補うことから始め、徐々に電力グリッド方式、高性能リチューム電池等で拡大連携させていけば、１０年〜２０年後には技術の進歩も手伝い問題が軽減されていくと考え、その一案として本発明の弱風対応型小型風力発電システムがある。

１０１ブレード
１０２ブレード前縁
１０３ブレード後縁
１０４ブレード表面
１０５ブレード裏面
１０６フラップ
１０７ブレード開口部
１０８ブレード内エアーダクト
１０９ブレード後部排出口
１１０ブレード内補強部材
２０１揚力減圧域
２０２揚力加圧域
２０３ブレード上部の風の流れ
２０４ブレード下部の風の流れ
２０５ブレード前縁部の流入気体（抗力成分）
２０６ダクトから吸い出された排出気体
２０７ダウンウオシュの流れ
２０８表面の減圧揚力のベクトル方向
２０９裏面の加圧揚力のベクトル方向
３０１回転軸
３０２ブレード支持アーム
３０３ブレード回転方向
４０１原軸側回転軸（図３の風車回転軸に連結）
４０２−ＯＰ原軸側の第１の太陽歯車（低速回転時の動力伝達遮断位置）
４０２−ＳＬ同、第１の太陽歯車（連結時の円錐型遊星歯車との噛合位置）
４０２−ＴＰ同、第１の太陽歯車（高速時の円錐型遊星歯車との噛合位置）
４０３−Ｌ円錐型遊星歯車左側
４０３−Ｒ円錐型遊星歯車右側（更にｎ個可）
４０４−Ｌ円錐歯車軸連結固定歯車左側（第２の太陽歯車と噛み合う）
４０４−Ｒ円錐歯車軸連結固定歯車右側（第２の太陽歯車と噛み合う）
４０５−Ｌ円錐歯車支え軸左側
４０５−Ｒ円錐歯車支え軸右側
４０６−Ｌ円錐歯車支えベアリング左側
４０６−Ｒ円錐歯車支えベアリング右側
４０７従軸側の第２の太陽歯車（発電機に常時連結）
４０８発電機連結回転軸
４０９発電機
４１０第１の太陽歯車の移動範囲（低速時は重さで下にあり、高速時は遠心力制御板からのワイヤーで制御）
４１１遠心力制御板
４１１ーＴＰ遠心力制御板（左は重りが外周にある高速回転時）
４１１−ＳＬ遠心力制御板（右は重りが中心部にある低速時）
４１２−Ｌ左円錐型遊星歯車最小歯数位置
４１２−Ｒ右円錐型遊星歯車最小歯数位置
４１３−Ｌ左円錐型遊星歯車最大歯数位置
４１３−Ｒ右円錐型遊星歯車最大歯数位置
４１４遠心力制御連結ワイヤー

Claims

風を受けて力を得る風力ブレードにおいて、ブレードの断面を湾曲させた翼型で前縁を丸く厚くして後縁を薄くし、ブレードの表側を凸曲面に裏側を凹曲面にしてフラップを出した基本形状に加え、ブレードの先端の前縁部に気体を取入れる開口部を設けブレード内を貫通し、ブレ−ドの表面後縁部の減圧領域まで最短で気体が抜けるエアーダクトを翼内に形成することにより、入口の加圧気体と出口の減圧域の圧力差を活かし排出気体を加速させ、ブレードの回転力となる反力を増強させる仕組みを設けたことを特徴とする増速ブレード構造。
前記請求項１の増速ブレードを垂直な回転軸のまわりに複数枚設け３６０度全方向の風力により回転させる垂直軸型風車において、弱風での発電率を上げるため起動時及び低速回転時には発電機との連結を外して負荷を軽くし、揚力増速ブレードの自己増速による揚力加速回転を促進させ、回転速度が一定速度以上になった段階で負荷の軽い可変増減速伝達装置（特許４１８６１９６号等）を介し回転トルクを制御して緩やかに発電機に連結し、更に回転速度の変化に応じた遠心力で変速比と駆動トルクを連続的に変化させ発電機を廻す仕組みを具備したことを特徴とする揚力自然加速対応型可変速トルク伝達制御装置。