JP2013083181A - 渦巻き式風力発電方式 - Google Patents

Abstract

【課題】効率のよい風力発電方式を提供する。
【解決手段】前方から風を受け入れ、後方に流す風洞型となし、該風洞内を流れる風流をそれを横切って延びる水平翼で受ける一方、風洞の前方開口から流入する風流を、風洞内で下方に変更して風流とし、風洞の前方開口から流入し、水平受圧翼の相殺流となろうとする風流を上方に吹き上げ、正面からの風流に合流させ、水平翼に対する相殺又は損失となる風流をガイドして渦巻き流に変更し、風力エネルギーの損失を極力少なくすることができるようにし、同一受圧面積で最大効率になるようにする風力発電方式。
【選択図】図１

Description

本発明は風力エネルギーを回転動力源として利用する渦巻き式風力発電方式に関する。

地球温暖化防止のため、温室効果ガスの排出が少ない再生可能エネルギーはこれまでも注目を集めてきた。日本では再生可能エネルギーというと、まず思い起こされるのは太陽光発電であるが、世界的にみると、電力会社レベルで商業的に利用されてきた再生可能エネルギーは主に風力エネルギーである。太陽光が先行した日本の状況は、世界的には特殊ケースであって、平成２２年度環境省より発表された「平成２２年度 再生可能エネルギー導入ポテンシャル調査報告書」によると、日本で最も可能性が高い再生可能エネルギーは風力で、他の再生可能エネルギーを圧倒している。
そこで、風の持つ運動エネルギーを理論的に見てみると、風速をV[m/s]、風に垂直な1m²の枠を1秒間に通過する空気の質量をm[kg]とすると、風の持つ運動エネルギーは

となる。そして受風面積A、プロペラの半径Rの理想の風車から取り出せるエネルギーは

となり、風車の受風面積に比例し、風速の3乗に比例する。 ところで、実際には風の全運動エネルギーを風車で取り出すことは出来ないので、風車の理論効率は、
風車の前後における風の減速比をa（0<a<1）とすると、風車の出力Lは

となり、風車の出力は減速比aのみの関数となり、風車の最大出力Lmaxはa=1/3のときに得られる。
そのときの風車の理論効率は、最大効率59.3%を発揮でき、この値は風車の出力の限界を示し、「ベッツ限界」もしくは「ベッツ数」などと呼ばれる（非特許文献１）。

風車の種類、風車の効率及び風車の出力(http:/www.rmkoubou.mce.uec.ac.jp/contents/Report/windcar/column-2.html）

したがって、理論的には風車は回転翼の受風面積を極力大きくし、回転翼通過後の風速が元の1/3になるように設計されるのが望ましいことになるが、風力発電は、地形や季節風等の自然条件を考慮して風が良く吹く場所を選択し、プロペラ型、オランダ型、多翼型、セルウィング型、パドル型、サボニウス型、クロスフロー型、ジャイロミル型、ダリウス型等、様々な種類の回転翼型が提案され、その中から、その地の風況や設置面積、投資額等の条件によって決定される発電規模に応じた風車翼を適宜選択、設置される。地中海地方では昔からセルウイング型風車が使用されている。他方、オランダではオランダ型風車が利用されている。しかしながら、上記理論的見地からみると、従来のセルウイング型風車は受圧面積が大きすぎ、他方、オランダ型風車では受圧面積が小さく、風力エネルギーの損失が大きいという問題があると思われる。現状でも実際の風車では各種損失で効率は40％以下高々３０％程度となり、その時の最大の損失は風力エネルギー損失であると言われる。その原因を考察するに、多くの水平回転軸のプロペラ型風車では大型になり易い上、風車の受圧面積を大きくすることは困難であり、他方、垂直回転軸で受圧面積を大きくした平板式では減速比が大きくなりすぎる欠点があり、その上、回転軸を対象軸とする一方の風力エネルギーが他方の風力エネルギーで相殺されるという欠点がある。そこで、風車翼を半円筒とし、一対の半円筒風車翼を回転軸を越えて連結し、中心部分に隙間を開けて風車の回転を止める力を減殺するサポニウス型が提案されているものの、その減殺効果にも限界があり、高速風流には向かない。

風力エネルギー損失を少なくするために風車の受圧面積を極力大きくするには限界があるので、本発明者は、如何にして風力エネルギーの損失を少なくするか鋭意研究の結果、最大効率になるようにするためには、前方から風を受け入れ、後方に流す風洞型となし、該風洞内を流れる風流をそれを横切って延びる水平翼で受ける一方、水平翼に対する相殺又は損失となる風流をガイドして水平翼の軸回りの渦巻き流に変更すると、全ての風力エネルギーが風車翼に対して向流となり、エネルギーの損失を極力少なくすることができることに着目してなされたもので、
本発明は前方開口から風を受け入れ、後方に流す風洞１０内にそこを流れる風流を横切って延びる水平回転軸２１を設け、該回転軸２１の半径方向に延び、風を受圧する断面を持ち、かつ軸方向に水平に延びる水平受圧翼２２を軸回転方向に等間隔で２枚以上設け、風洞前方からの風を受けて回転する翼回転体２０で風力エネルギーを回転力に変換する風力発電において、
前記風洞１０の前方開口から流入する風流Ｆ１を、水平受圧翼２２を通過して後方に流れる風流を風洞内で下方に変更して風流Ｆ２とする一方、前記風洞１０の前方開口から流入し、水平受圧翼の相殺流となろうとする風流Ｆ３を上方に吹き上げ、正面からの風流Ｆ１に合流させ、水平回転軸の回りの渦巻き流を形成することを特徴とする渦巻き式風力発電方式にある。

風洞は風の流れを規制するに優れるが、風洞内に風流方向に延びる回転軸を備えるタービンを設けるのはコストがかかる。本発明では風洞内にそこを流れる風流を横切って延びる水平翼回転体を配置し、風洞内を通過しようとする風流を水平翼の回転方向にガイドして回転軸回りの渦巻き流とすることにより、風力エネルギーを最大限利用する（図１(a)〜(ｃ)参照）。本発明によれば、風車の受圧面積が同一であれば風力エネルギーを最大限効率よく利用することができる。

前方から風洞内に流入する風量Ｆ１は風洞前方開口を図２に示すように風洞の正面開口を拡大することによりＦ１＋Ｆ６として増加させることができる（図２(a)〜(ｃ)参照）。

本発明の渦巻き式風力発電方式の基本原理を説明するための動作説明図である。 本発明の渦巻き式風力発電方式の改良原理を説明するための動作説明図である。 本発明の渦巻き式風力発電装置の第１実施例の分解組み立て図である。 図３の第１実施例の斜視図である。 本発明の渦巻き式風力発電装置を車載した場合の斜視図である。 本発明の渦巻き式風力発電装置の第２実施例の分解組み立て図である。 図６の第２実施例の斜視図である。

図１は本発明の渦巻き式風力発電装置の基本原理を説明するための動作説明図で、
前方開口から風流Ｆ１を受け入れ、後方に流す風洞１０と、該風洞１０内にそこを流れる風流を横切って延びる水平回転軸２１を備え、該回転軸２１の半径方向に延び、風を受圧するように湾曲した断面を持ち、かつ軸方向に水平に延びる水平受圧翼２２を軸回転方向に等間隔（９０度）で４枚設け、風洞前方からの風を受けて回転する翼回転体２０を回転させるようになっている。

前記風洞１０の前方開口は水平回転軸の上半分は開放して前方からの風流F1を第１水平受圧翼２２aで受ける。後方に流れる風流F２は、後方で９０度下方に湾曲する第１ガイド３１で水平回転軸２１の回転方向に変流させ、第２水平受圧翼２２ｂで受ける。他方、開口入口には正面からの相殺流となろうとする風流Ｆ３が存在するが、これを第２ガイド３２で反対側に吹き上げ、風流Ｆ１と合流させ、第１水平受圧翼２２ａで受ける。第２ガイド３２の下方は開口して後方に流れ、風流Ｆ４を形成する時は後方で第３ガイド３３でこれを受け、逆転させ、逆転風流Ｆ５とし、第３水平受圧翼２２ｃで受けるようにすることができる。そのため、風洞１０の正面からの風流Ｆ１＋Ｆ３を水平回転軸２１の回りの渦巻き流Ｆ１＋Ｆ３⇒Ｆ２⇒Ｆ２＋Ｆ５とすることができる。したがって、翼回転体２０は風洞１０内で形成される渦巻き流Ｆ１＋Ｆ３⇒Ｆ２⇒Ｆ２＋Ｆ５により、図１(ａ)の状態から(ｂ)の状態に、そして(ｃ)の状態に移り、各水平受圧翼２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは風流Ｆ１、Ｆ２を逃がさず、また、相殺流となろうとする風流Ｆ３、Ｆ４を水平受圧翼への向流Ｆ１、Ｆ５に変換し、風流全体を効率よく利用することができる。

図２は風洞１０の正面から風流の流入量をＦ６、ΔＦ４として増加させる場合の改良例で、風洞１０の上板１１の外周に大口径の補助風洞１１を設け、これを第１ガイド３１に連結し、正面からの風流Ｆ１に風流Ｆ６を追加するとともに、風流Ｆ１の水平受圧翼２２ａを通過したＦ２とともに風流Ｆ６を９０度変流して下方に流す一方、第２ガイド３２の下方を大きく広げ、風流Ｆ４の風量をＦ４＋ΔＦ４として増加させ、これを第３ガイド３３で逆転させ、向流Ｆ５をＦ５＋ΔＦ５として増加させることができ（図２(a)〜(ｃ)参照）、風力エネルギーの変換出力を増大させる。

上記具体例では水平受圧翼の枚数は４枚としたが、等間隔で２から１０枚を設けることができる。水平受圧翼を回転させる渦巻き流との関係では３枚から６枚が好ましい。

風洞内を通過する風速の減速比は三分の一とするのが最大効率を得るのに適当で、水平受圧翼の受圧面積、及びその回転軸の負荷で調整するのがよい。回転軸の負荷が大きいほど出力は大きくなるが、減速比が三分の一を大きく外れることのないように設計する必要があり、水平翼の風力エネルギーを受けて回転する回転軸の負荷は上記効率を考慮して決定される。

図３は本発明の第１渦巻き式風力発電装置の具体例の分解組み立て図で、風洞１０は上板１１と、左右側板１２，１３と、底板１４とからなる。この 風洞１０内には、上板１１と後方で連結され、下方に湾曲して垂下する第１ガイド３１と、正面下方で上方に湾曲して延びる第２ガイド３２と、該第２ガイド３２の上端で連結され、後方に湾曲して延び、折り返して第３ガイド３３を形成させる。

第１ガイド３１、第３ガイド３３で囲まれた風洞１０内には翼回転体３０を回転可能に装着する。翼回転体２０は中心軸を有する円筒状水平回転軸３１を該風洞１０内にそこを流れる風流を横切って延びるように軸支持させ、該回転軸２１の周囲にはその半径方向に延び、風を受圧するように湾曲した断面を持ち、かつ軸方向に水平に延びる半円筒形状の水平受圧翼２２を軸回転方向に等間隔（９０度）で４枚設ける。水平受圧翼２２の両端には一対の閉鎖片２３、２３を儲け、水平受圧翼２２の受ける風流が逃げないようにすることができる。半円筒状の受圧翼を一対の円盤内側に固定して翼回転体２０を形成するようにすることもできる。

前記風洞１０の正面開口には縦風きり板１５、１５を設ける一方、風洞１０の背後には両側板１２、１３に連続して縦風きり板１６、１６を設けるようにすることができる。この風きり板１５，１６は風向計として機能させることができる。

図４は本発明の渦巻き式風力発電装置の斜視図で、横長とし、図５に示すように、車載することができるが、縦長とし、風向きに応じて旋回するように配置することができる。車載の場合は自動車進行方向の正面からの一方向風流となるので、図４に示す装置を横長として図５に示すように自動車の屋根に配置するのが好ましい。この場合風洞全体に流線型のデザインを持たせるのがよい。

発電装置の出力を上げるには風洞１０の風流取り込み量を増加させるのが好ましく、
図６はそれを実施するための風力発電装置の第２実施例の分解組み立て図、および図７はその斜視図である。第２実施例では図２に示す風洞１０の正面から風流の流入量をＦ６、ΔＦ４として増加させる場合の改良例で、風洞１０の上板１１と第１ガイド３１とを分離し、上板１１の上方に補助風洞１０’を設け、これを上板１１の後方の第１ガイド３１に連結し、正面からの風流Ｆ１に風流Ｆ６を追加するとともに、風流Ｆ１の水平受圧翼２２ａを通過したＦ２とともに風流Ｆ６を９０度変流して下方に流す一方、第２ガイド３２の下方を大きく開口し、流路３４を拡大し、風流Ｆ４の風量をＦ４＋ΔＦ４として増加させ、これを第３ガイド３３で逆転させ、向流Ｆ５をＦ５＋ΔＦ５として増加させる（図２(a)〜(ｃ)参照）。その他は第１実施例と同一部品には同一番号を付して説明を省略する。

Claims (3)

1. 前方開口から風を受け入れ、後方に流す風洞１０内にそこを流れる風流を横切って延びる水平回転軸２１を設け、該回転軸２１の半径方向に延び、風を受圧する断面を持ち、かつ軸方向に水平に延びる水平受圧翼２２を軸回転方向に等間隔で２枚以上設け、風洞前方からの風を受けて回転する翼回転体２０で風力エネルギーを回転力に変換する風力発電において、
   前記風洞１０の前方開口から流入する風流Ｆ１を、水平受圧翼２２を通過して後方に流れる風流を風洞内で下方に変更して風流Ｆ２とする一方、前記風洞１０の前方開口から流入し、水平受圧翼の相殺流となろうとする風流Ｆ３を上方に吹き上げ、正面からの風流Ｆ１に合流させ、水平回転軸の回りの渦巻き流を形成することを特徴とする渦巻き式風力発電方式。
2. 正面からの相殺流となろうとする風流Ｆ４を回転体２０の後方で逆転させて水平受圧翼２２の向流に変換して風流Ｆ５とし、水平回転軸の回りの渦巻き流を形成する請求項１記載の渦巻き式風力発電方式。
3. 風洞１０の正面入口開口を拡大し、風洞内に流入する風量Ｆ１をＦ１＋Ｆ６として増加させ、回転体２０の後方で下方に誘導して水平回転軸の回りの渦巻き流を形成する請求項１記載の渦巻き式風力発電方式。

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