JP2013256920A - Wave-power generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、沿岸で使用され、波のエネルギーを利用して発電を行う波力発電装置の改良に関する。 The present invention relates to an improvement of a wave power generation apparatus that is used on the coast and generates power using wave energy.
従来、波のエネルギーを利用して発電を行う波力発電装置として、様々な形態のものが提案されており、波により海水が出入りする開口部を有する空気室に連通して空気が出入りするダクト内に、出入りする空気の移動によって回転するタービンを設けて発電機を駆動する構造の波力発電装置が公知である。
このような波力発電装置においては、短い周期でダクト内の空気流の方向が入れ替わるとともに、その周期や風速も波の状況によって一定ではないため、例えば、特許文献1に示すような、往復空気流によって同一方向に回転するタービンが用いられる。
また、広い範囲の風速で効率を維持するものとして、可変ピッチプロペラが知られており、航空機等の推進のためのプロペラや風車等に広く用いられている。
可変ピッチプロペラは、特に、航空機の推進用として1930年代以降多く用いられており、代表的なものとしてハーツウェル社の方式が主流となっているが、この方式は機械的な調速器と油圧ピストン、カム機構等からなり、複雑で維持に手間がかかり、高価であることが問題である。
この問題を解決するために様々な機構が提案されている。
例えば、特許文献2、3に示すように、ブレードの回転軸線をブレードの圧力中心より前に設け、空気力とバネの反力との釣り合いで取付角変更が自律的に行われるものが公知である。
また、特許文献4に示すように、翼先端の後縁を延長し、空気力のみによりブレードの取付角が変更されるものや、特許文献5に示すように、ブレード先端にアレイを装着し、アレイの質量分布を利用してプロペラブレードのねじれ角が自律的に変化されるものが公知である。
Conventionally, various types of wave power generation devices that generate power using wave energy have been proposed, and a duct through which air enters and exits communicates with an air chamber having an opening through which seawater enters and exits. A wave power generator having a structure in which a turbine that rotates by movement of incoming and outgoing air is provided to drive a generator is known.
In such a wave power generation device, the direction of the air flow in the duct is switched in a short cycle, and the cycle and wind speed are not constant depending on the wave condition. A turbine is used that rotates in the same direction with the flow.
A variable pitch propeller is known as one that maintains efficiency over a wide range of wind speeds, and is widely used in propellers and windmills for propulsion of aircraft and the like.
In particular, variable pitch propellers have been widely used for aircraft propulsion since the 1930s. As a representative example, the Hertzwell method has been the mainstream, but this method uses a mechanical governor and hydraulic pressure. The problem is that it consists of a piston, a cam mechanism, etc., is complicated, takes time to maintain, and is expensive.
Various mechanisms have been proposed to solve this problem.
For example, as shown in
Also, as shown in
しかしながら、特許文献1に記載のタービンは、往復空気流によって同一方向に回転し、その周期や風速によって受ける影響は少ないものの、エネルギー変換効率が40%程度と低いという問題があった
また、特許文献2、3に記載のような公知の可変ピッチプロペラは、広い範囲の風速で高い効率を維持できるものの、ブレード重心位置が回転軸線後方に位置しやすく、フラッタを起こす危険があるとともに、プロペラの回転に伴う慣性モーメントによって、ブレードの取付角を減少させるモーメントが加わり、ブレードの有効迎角を常に理想的な値に保つことが困難であった。
また、バネの弾性を使用するために可動部が多く部品点数も多くなり、メンテナンスに手間がかかるという問題があった。
特許文献4に記載のような公知の可変ピッチプロペラは、機構は単純であるものの、ブレード平面形状を最適化できないためにプロペラ効率が下がるとともに、特許文献2、3に記載のような公知の可変ピッチプロペラと同様に、ブレードの重心位置によるフラッタの問題、プロペラの回転に伴う慣性モーメントの問題があった。
特許文献5に記載のような公知の可変ピッチプロペラでは、ねじれを変化させることで、プロペラ効率は向上するものの、ブレードの構造が複雑であるとともに、取付角の変更の構成は特許文献2、3に記載のような公知の可変ピッチプロペラと同様であり、同様の問題があった。
また、高速になるブレードの先端に空気抵抗が大きいアレイを装着するため、ブレードの空気抵抗が増加するという問題があった。
そして、特許文献2乃至特許文献5に記載のような公知の可変ピッチプロペラは、一定方向の空気の流れにしか対応できないため、短い周期で空気流の方向が入れ替わる場合には、逆方向の空気流のエネルギーを利用することができず、これを利用するためには、ダクトおよび可変ピッチプロペラを複数独立させ、弁等の装置で常に一定の方向の空気流が発生するようにしなければならず、波力発電装置全体の可動部や構成部品が増大するとともに設備規模も大きくなり、設備コストが増大し、メンテナンスの頻度も増加することから、という問題があった。
However, the turbine described in
In addition, since the elasticity of the spring is used, there are many movable parts and a large number of parts, which causes a problem that maintenance is troublesome.
Although the known variable pitch propeller as described in
In the known variable pitch propeller as described in
In addition, since an array having a high air resistance is attached to the tip of the blade that becomes high speed, there is a problem that the air resistance of the blade increases.
And since the well-known variable pitch propellers as described in
本発明は公知の課題を解決するものであって、タービンが往復空気流によって同一方向に回転し、その周期や風速が変動しても高い変換効率を維持可能であり、簡単な構造で可動部や構成部品が少なく、設備コストが低減しメンテナンスが容易となる波力発電装置を提供することを目的とするものである。 The present invention solves a known problem, in which a turbine rotates in the same direction by a reciprocating air flow, and can maintain high conversion efficiency even if its period and wind speed fluctuate. Another object of the present invention is to provide a wave power generation device that has few components, reduces equipment costs, and facilitates maintenance.
本請求項1に係る発明は、波により海水が出入りする開口部を有する空気室と、該空気室に連通して空気が出入りするダクトと、該ダクト内に設けられ出入りする空気の移動によって回転するタービンと、該タービンの回転により駆動される発電機とを有する波力発電装置であって、前記タービンが、空気の流れ方向のタービン軸を持つ可変ピッチタービンで構成され、該可変ピッチタービンが、タービン軸と、該タービン軸を中心として回転する複数枚のブレードと、該ブレードの前記タービン軸側に一体的に設けられた取付角変更軸と、前記取付角変更軸を回動可能な状態で前記タービン軸と連結するハブとを有し、前記ブレードが、ダクト内の空気の流れの方向、空気の速度およびタービン軸の回転角速度に応じて、操作入力を行うことなく自律的に前記取付角変更軸周りに回動するように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
The invention according to
本請求項2に係る発明は、請求項1に係る波力発電装置の構成に加え、前記ブレードは、前記取付角変更軸の回動軸線が前記ブレードの翼弦長の4分の1より前方に位置する翼型に形成され、前記ブレードには、固定位置調整可能なカウンターウエイトが設けられ、該カウンターウエイトの前記回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向が、前記ブレードの前記回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向と直交するように形成され、前記ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置が、前記回動軸線上に位置するように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項3に係る発明は、請求項2に係る波力発電装置の構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記回動軸線周りの慣性モーメントを変更可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項4に係る発明は、請求項2または請求項3に係る波力発電装置の構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記回動軸線と直交する平面内の重心位置を変更可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項5に係る発明は、請求項3または請求項4に係る波力発電装置の構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記ブレードまたは取付角変更軸に固定されるベース部材と、該ベース部材に固定されるウエイト本体とを有し、前記ベース部材が、前記ウエイト本体の回動軸線からの距離を変更可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項6に係る発明は、請求項3乃至請求項5のいずれかに係る波力発電装置の構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記ブレードまたは取付角変更軸に固定されるベース部材と、該ベース部材に固定されるウエイト本体とを有し、前記ベース部材が、質量の異なるウエイト本体を交換可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項7に係る発明は、請求項1乃至請求項6のいずれかに係る波力発電装置の構成に加え、前記発電機が、前記ダクト内に設けられ前記タービンのタービン回転軸に直結されていることにより、前記課題を解決するものである。
In the invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
According to the seventh aspect of the present invention, in addition to the configuration of the wave power generation device according to any one of the first to sixth aspects, the generator is provided in the duct and directly connected to a turbine rotating shaft of the turbine. Therefore, the problem is solved.
本請求項1に係る波力発電装置によれば、タービンが、ダクト内の空気の流れの方向、空気の速度およびタービン軸の回転角速度に応じて、操作入力を行うことなく自律的に前記取付角変更軸周りに回動するブレードを有する可変ピッチタービンで構成されるため、往復空気流によって正逆方向に回転し、その周期や風速が変動しても高い変換効率を維持可能となるとともに、波力発電装置全体の可動部や構成部品が少なく、設備コストが低減しメンテナンスが容易となる。 According to the wave power generation device according to the first aspect of the present invention, the turbine is autonomously installed without performing an operation input in accordance with the air flow direction in the duct, the air velocity, and the rotational angular velocity of the turbine shaft. Because it is composed of a variable pitch turbine with blades that rotate around the angle change axis, it can be rotated in the forward and reverse directions by reciprocating air flow, and even if its period and wind speed fluctuate, it can maintain high conversion efficiency, There are few movable parts and components of the entire wave power generation device, and the equipment cost is reduced and maintenance is easy.
本請求項2に記載の構成によれば、タービンの回転に伴う慣性モーメントによって発生するブレード取付角を減少させる回動軸線周りのモーメントを、固定的に設けられるカウンターウエイトによって発生する回動軸線周りのモーメントによって調整することが可能となるため、複雑な可動機構を設けることなくブレードに加わる空気力のみで自律的にブレードが最適な迎角となる。
このことで、タービンを構成する可変ピッチタービン自体が簡単な構造で可動部や部品点数が少なく、メンテナンスが容易となるとともに、ブレード平面形状を最適化して効率を向上することができ、ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置が回動軸線上に位置することでフラッタを起こさず、タービンの回転に伴う慣性モーメントの影響を排除してブレードの有効迎角を自律的に理想的な値に保つことが可能となる。
さらに、逆回転時でも、何らの制御を行うことなく最適な迎角となり、効率を向上することができる。
本請求項3に記載の構成に関し、通常のブレードにおいては主慣性軸は翼弦方向にあり、この方向の慣性モーメントはこれと直交するもう一つの慣性主軸方向の慣性モーメントより卓越しているため、回転時に慣性モーメントに起因する好ましくないブレード取付角を減少させるモーメント発生するが、本請求項3に記載の構成によれば、カウンターウエイトの慣性モーメントの調整で、タービンの回転に伴う慣性モーメントによって発生するブレード迎角を減少させる回動軸線周りのモーメントの影響を排除することができ、使用条件に応じた最適な効率を得ることが可能となる。
本請求項4に記載の構成によれば、使用条件に応じてカウンターウエイトの慣性モーメントを変更しても、常にブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置を回動軸線上に設定することが可能なため、回動軸線周りのバランスが安定し迎角が変化してもフラッタを起こさず、迎角を変化させたり安定させるために複雑な可動機構や付勢機構を設けることなく、設計の自由度が向上する。
本請求項5に記載の構成によれば、カウンターウエイトの慣性モーメントや重心位置の変更を容易に行うことができ、タービンの形状や特性の変更が容易となるとともに、メンテナンスが容易となる。
本請求項6に記載の構成によれば、カウンターウエイトの慣性モーメントや重心位置の変更を容易に行うことができるとともに、その変更範囲を大きく拡大することが可能となり、タービン特性の変更範囲が拡大し、様々な使用条件への適用が可能となる。
本請求項7に記載の構成によれば、ダクト内のタービンから発電機までの回転駆動系を省略することで発電の際の回転駆動系の損失がなく、さらにエネルギー変換効率を向上することが可能となる。
According to the second aspect of the present invention, the moment around the rotation axis that reduces the blade mounting angle generated by the moment of inertia accompanying the rotation of the turbine is reduced around the rotation axis generated by the counterweight provided in a fixed manner. Therefore, the blade can autonomously reach the optimum angle of attack only by the aerodynamic force applied to the blade without providing a complicated movable mechanism.
As a result, the variable pitch turbine itself that constitutes the turbine has a simple structure, has a small number of moving parts and parts, facilitates maintenance, and can optimize the blade planar shape to improve efficiency. The center of gravity of the weight is located on the axis of rotation so that flutter does not occur, and the effective angle of attack of the blade is autonomously maintained at an ideal value by eliminating the influence of the moment of inertia accompanying the rotation of the turbine. Is possible.
Furthermore, even during reverse rotation, an optimum angle of attack can be obtained without performing any control, and the efficiency can be improved.
In the configuration according to
According to the configuration of the fourth aspect of the present invention, even if the moment of inertia of the counterweight is changed according to the use conditions, it is possible to always set the overall gravity center position of the blade and the counterweight on the rotation axis. Therefore, even if the balance around the rotation axis is stable and the angle of attack changes, flutter does not occur, and there is no complicated moving mechanism or biasing mechanism to change or stabilize the angle of attack. Will improve.
According to the configuration of the fifth aspect of the present invention, it is possible to easily change the moment of inertia and the position of the center of gravity of the counterweight, and it is easy to change the shape and characteristics of the turbine and to facilitate maintenance.
According to the configuration of the sixth aspect of the present invention, it is possible to easily change the moment of inertia of the counterweight and the position of the center of gravity, and it is possible to greatly expand the range of change, thereby expanding the range of change of the turbine characteristics. In addition, application to various usage conditions becomes possible.
According to the configuration of the seventh aspect, by omitting the rotational drive system from the turbine in the duct to the generator, there is no loss of the rotational drive system during power generation, and energy conversion efficiency can be further improved. It becomes possible.
本発明の波力発電装置は、波により海水が出入りする開口部を有する空気室と、該空気室に連通して空気が出入りするダクトと、該ダクト内に設けられ出入りする空気の移動によって回転するタービンと、該タービンの回転により駆動される発電機とを有する波力発電装置であって、タービンが、空気の流れ方向のタービン軸を持つ可変ピッチタービンで構成され、該可変ピッチタービンが、タービン軸と、該タービン軸を中心として回転する複数枚のブレードと、該ブレードのタービン軸側に一体的に設けられた取付角変更軸と、取付角変更軸を回動可能な状態でタービン軸と連結するハブとを有し、ブレードが、ダクト内の空気の流れの方向、空気の速度およびタービン軸の回転角速度に応じて、操作入力を行うことなく自律的に取付角変更軸周りに回動するように構成されているものであって、タービンが往復空気流によって正逆方向に回転し、その周期や風速が変動しても高い変換効率を維持可能であり、簡単な構造で可動部や構成部品が少なく、設備コストが低減しメンテナンスが容易となるものであれば、その具体的な実施態様はいかなるものであっても良い。 The wave power generation device of the present invention is rotated by movement of air that is provided in the duct and has an air chamber having an opening through which seawater enters and exits by waves, a duct that communicates with the air chamber, and air enters and exits. And a generator driven by the rotation of the turbine, the turbine comprising a variable pitch turbine having a turbine shaft in the air flow direction, the variable pitch turbine comprising: A turbine shaft, a plurality of blades rotating around the turbine shaft, a mounting angle changing shaft integrally provided on the turbine shaft side of the blade, and a turbine shaft in a state in which the mounting angle changing shaft is rotatable The blade is autonomously mounted without any operation input according to the air flow direction in the duct, the air speed, and the rotational angular speed of the turbine shaft. It is configured to rotate around the further axis, and the turbine rotates in the forward and reverse directions by the reciprocating air flow, so that high conversion efficiency can be maintained even if the cycle and wind speed fluctuate. Any specific embodiment may be used as long as it has a simple structure, few movable parts and components, can reduce equipment costs, and can be easily maintained.
本発明の波力発電装置の基本構成および動作について、図1および図2に基づいて説明する。
本発明の波力発電装置10は、海水Wが出入り可能な開口部12を有する空気室11と、該空気室11に連通して空気が出入りするダクト13と、該ダクト13内に設けられて出入りする空気の移動(空気流F)によって回転するタービン14と、該タービン14の回転により駆動される発電機(詳細は後述する)とを有しており、海岸等に設置される。
開口部12は、例えば、本波力発電装置10が海岸に設置された場合、その上端が干潮時でも海面上に出ないように設けられており、波が押し寄せた時に、図1に示すように空気室11内に海水Wが開口部12から浸入し、波が引いた時に、図2に示すように空気室11内から海水Wが排出され、空気室11内の空気は開口部12からは出入りしないように設定される。
A basic configuration and operation of the wave power generation device of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
The wave
For example, when the wave
この海水Wの出入りによって、空気室11内の空気は、連通するダクト13から外部に出入して、ダクト13内に波の周期と同期して方向が入れ替わるとともに、波の大きさに応じて風速が変動する空気流Fが発生する。
ダクト13内には、可変ピッチタービン100で構成されるタービン14がそのタービン軸を空気流Fの往復方向となるように設置されており、タービン14はダクト13内の空気流Fによって回転駆動される。
本実施形態では、タービン14は発電機102(詳細は後述する)がタービン軸と同軸に設けられており、発電機102で発電された電力は、外部に適宜設けられた変電装置15を介して送電される。
As the seawater W enters and exits, the air in the
In the
In the present embodiment, the
次に、本発明の波力発電装置のタービンを構成する可変ピッチタービンの基本動作について説明する。
本発明の波力発電装置のタービンを構成する可変ピッチタービンは、ブレードに作用する揚力の作用点が、迎角に応じて翼弦長方向に位置を変えることを利用し、ブレードの取付角変更軸の回転軸線の位置を所定の迎角の時の揚力の作用点に位置させることで安定させ、カウンターウエイトを付加することで、タービンの回転に伴う慣性モーメントを変化させて、回転数の変化による迎角の変化を最適なものとするものである。
Next, the basic operation of the variable pitch turbine constituting the turbine of the wave power generator of the present invention will be described.
The variable pitch turbine constituting the turbine of the wave power generation device of the present invention uses the fact that the point of action of the lift acting on the blade changes its position in the chord length direction according to the angle of attack, thereby changing the blade mounting angle The position of the axis of rotation of the shaft is stabilized by positioning it at the point of action of the lift at a predetermined angle of attack, and by adding a counterweight, the moment of inertia accompanying the rotation of the turbine is changed, and the change in the rotational speed It makes the change in the angle of attack due to the optimum.
図3に、翼弦長がcでモーメント係数(Cm)が正のブレードのレイノルズ数200,000の場合の、迎角と揚力の関係を示す。
例えば、このブレードの回転軸線の位置を迎角が5°の時に揚力が作用する位置とし、前後の重量バランスを取ると、揚力に起因する回転軸線周りのモーメントは、迎角5°未満になった場合は迎角を大きくする方に、迎角5°を超えると迎角を小さくする方に作用するため、揚力のみを考慮すると迎角5°に自律的に安定する。
なお、この揚力はブレードの翼弦方向の対気速度Uの2乗に比例する。
また、ブレードの長手方向の捻れを考慮した場合、長手方向のすべての断面における回転軸線周りのモーメントの総和がゼロになる迎角で自律的に安定する。
FIG. 3 shows the relationship between the angle of attack and lift when the chord length is c and the moment coefficient (Cm) is a Reynolds number of 200,000 for a positive blade.
For example, if the position of the rotational axis of this blade is the position where lift acts when the angle of attack is 5 °, and the weight balance between the front and rear is taken, the moment around the rotational axis resulting from the lift will be less than 5 °. In this case, the angle of attack increases toward the angle of attack, and when the angle of attack exceeds 5 °, the angle of attack decreases. Therefore, when only lift is considered, the angle of attack is autonomously stabilized at 5 °.
This lift is proportional to the square of the airspeed U in the blade chord direction.
In addition, when the twist of the blade in the longitudinal direction is taken into consideration, the blade is autonomously stabilized at an angle of attack at which the sum of moments about the rotation axis in all cross sections in the longitudinal direction becomes zero.
本発明の波力発電装置のタービンを構成する可変ピッチタービンは、カウンターウエイトを付加することで、タービンの回転と慣性モーメントに起因する取付角を減少させようとするモーメントを取り除き、ブレードに加わる空気力のみによってブレードの迎角をタービンの回転数に応じて自律的に最適に安定させるものである。
図4は半径0.4R、0.6R、0.8Rのブレード断面とカウンターウエイトを模式的に示している。
本発明の波力発電装置のタービンを構成する可変ピッチタービンのブレードは、モーメント係数(Cm)が正の翼型であり、0.25以下の定数kを用いてブレード前縁から翼弦長のk倍の位置に取付角変更軸の回転軸線CPが置かれている。
回転軸線CPと直交する慣性主軸のうち、慣性モーメントが大きい方の軸をy軸とし、小さい方の軸をz軸とし、それぞれの慣性モーメントをIyy、Izzと表記する。
一般にy軸はブレードの前縁と後縁を結ぶ方向にある。
また、ブレードのタービン軸側付け根のz軸方向に上下対称のカウンターウエイトが設けられており、上下それぞれの重心の回転軸線CPからの距離をl、質量をmとする。
このカウンターウエイトの重心の回転軸線CPからの距離lと質量mは可変であり、ブレードとカウンターウエイト全体の回転軸線CP周りの重心位置は、図示しない別途の質量を付加することで回転軸線CPに一致させる。
The variable pitch turbine constituting the turbine of the wave power generator of the present invention removes the moment to reduce the mounting angle due to the rotation of the turbine and the moment of inertia by adding a counterweight, and the air applied to the blades The angle of attack of the blade is autonomously and optimally stabilized according to the rotational speed of the turbine only by the force.
FIG. 4 schematically shows blade cross sections and counterweights having radii of 0.4R, 0.6R, and 0.8R.
The blade of the variable pitch turbine that constitutes the turbine of the wave power generation device of the present invention is a blade type having a positive moment coefficient (Cm), and has a chord length from the blade leading edge using a constant k of 0.25 or less. The rotation axis CP of the mounting angle changing shaft is placed at a position of k times.
Of the principal axes of inertia perpendicular to the rotation axis CP, the axis with the larger moment of inertia is the y-axis, the axis with the smaller moment is the z-axis, and the moments of inertia are denoted as Iyy and Izz.
Generally, the y-axis is in the direction connecting the leading edge and the trailing edge of the blade.
In addition, a counterweight that is vertically symmetrical is provided in the z-axis direction of the root of the blade on the turbine shaft side, and the distance from the rotation axis CP of the center of gravity of each of the upper and lower sides is 1 and the mass is m.
The distance l and the mass m of the counterweight center of gravity from the rotation axis CP are variable, and the center of gravity position around the rotation axis CP of the blade and the entire counterweight is added to the rotation axis CP by adding a separate mass (not shown). Match.
ブレードとカウンターウエイト全体の回転体全体のIyy、Izz、はブレード単体の慣性モーメントをIyy’、Izz’、カウンターウエイトの慣性モーメントをIyy”、Izz”とすれば、
Iyy=Iyy’+Iyy”
Izz=Izz’+Izz”
となり、
カウンターウエイトのz軸方向の慣性モーメントIzz”は、
Izz”=2ml2
で与えられる。
ブレード単体の慣性モーメントIyy’、Izz’は一定であり、カウンターウエイトのy軸方向の慣性モーメントIyy”は、本モデルでは前後の長さが小さく微小であるため、回転体全体のy軸方向の慣性モーメントIyyは実質一定である。
回転体全体のz軸方向の慣性モーメントIzzは、カウンターウエイトの重心の回転軸線CPからの距離lまたは質量mを変えてIzz”を変えることで調整可能となる。
Iyy, Izz of the entire rotating body of the blade and the counterweight is Iyy ′, Izz ′ and the inertia moment of the counterweight is Iyy ″, Izz ″,
Iyy = Iyy '+ Iyy "
Izz = Izz ′ + Izz ”
And
The moment of inertia Izz "of the counterweight in the z-axis direction is
Izz ”= 2 ml 2
Given in.
The inertia moments Iyy 'and Izz' of the blade itself are constant, and the inertia moment Iyy "of the counterweight in the y-axis direction is small in the front and rear lengths in this model. The moment of inertia Iyy is substantially constant.
The moment of inertia Izz in the z-axis direction of the entire rotating body can be adjusted by changing Izz ″ by changing the distance l or the mass m of the center of gravity of the counterweight from the rotation axis CP.
上記のブレードをタービン軸周りに回転させると、タービン軸から直交する方向にブレードの重心を通るように延びるx軸(本説明では回転軸線CPと一致)周りに、次のモーメントMiが発生することが一般に知られている。
Mi=−1/2Ω2(Iyy−Izz)sin2θ
ここでΩは回転角速度であり、θは回転面からのy軸の傾きである。なお、Miは取付角が大きくなる方向を正とした。
IyyとIzzの値の差が大きくなる程モーメントMiは大きくなり、またモーメントMiはθが45°の時に最大となり、回転角速度Ωの二乗に比例する。
When the above blade is rotated around the turbine axis, the following moment Mi is generated around the x-axis (which coincides with the rotation axis CP in this description) extending through the center of gravity of the blade in a direction orthogonal to the turbine axis. Is generally known.
Mi = −1 / 2Ω 2 (Iyy−Izz) sin 2θ
Here, Ω is the rotation angular velocity, and θ is the y-axis inclination from the rotation surface. Note that Mi is positive in the direction in which the mounting angle increases.
The moment Mi increases as the difference between the values of Iyy and Izz increases, and the moment Mi becomes maximum when θ is 45 °, and is proportional to the square of the rotational angular velocity Ω.
ブレードの形状は、所定の条件(所定のブレード翼弦方向の対気速度Uと回転角速度Ωの関係)における所定の迎角を想定してタービンの効率が最適となるように設計されている。そして、上記所定の条件が変化すると、空気力モーメントによりブレードの迎角が変化する際に自律的に安定するy軸の傾きθは、慣性モーメントに起因する前記Miの影響をうけることとなり、空力的な最適値から外れてタービン効率が低下するという問題がある。
本発明は、ブレード翼弦方向の対気速度Uと回転角速度Ωの関係の変化に対してもタービン効率が最適となるように、上記Izz”を任意に設定可能なカウンターウエイトを固定するものである。
すなわち、回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向が、ブレードの回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向と異なるよう形成したカウンターウエイトをブレードに固定可能とし、該カウンターウエイトの位置や重さを調整し、Iyy=Izz(Mi=0)とすることで、空気力により自律的にブレードの迎角が変化する際に、前記式に従って変化するMiの影響が排除され、取付角変更軸の回動機構以外の付加的な可動機構を一切設けずに、ブレードを自律的に最適な迎角とし、タービン効率を最適に維持することが可能となる。
また、タービン軸に対して上記説明と逆方向の気流に対しても、ブレードは単に180°角度を変え、幾何学的には同一の形状となるため、気流の向きに関わらず同じ効率を発揮する。
The shape of the blade is designed so that the efficiency of the turbine is optimized assuming a predetermined angle of attack under a predetermined condition (a relationship between the air velocity U and the rotational angular velocity Ω in a predetermined blade chord direction). When the predetermined condition changes, the y-axis inclination θ that is autonomously stable when the angle of attack of the blade changes due to the aerodynamic moment is affected by the Mi due to the inertial moment. There is a problem that the turbine efficiency is lowered from the optimum value.
In the present invention, a counterweight capable of arbitrarily setting the above Izz ″ is fixed so that the turbine efficiency is optimized even when the relationship between the air velocity U and the rotational angular velocity Ω in the blade chord direction is changed. is there.
That is, a counterweight formed so that the direction of maximum moment of inertia around the rotation axis is different from the direction of maximum moment of inertia around the rotation axis of the blade can be fixed to the blade, and the position and weight of the counterweight can be fixed. By adjusting Iy = Izz (Mi = 0), when the angle of attack of the blade changes autonomously by aerodynamic force, the influence of Mi that changes according to the above equation is eliminated, and the mounting angle changing shaft Without providing any additional movable mechanism other than the rotating mechanism, the blade can be autonomously set to the optimum angle of attack, and the turbine efficiency can be maintained optimally.
Also, even for airflow in the direction opposite to that described above with respect to the turbine shaft, the blade simply changes the angle by 180 ° and geometrically has the same shape, so the same efficiency is exhibited regardless of the direction of airflow. To do.
次に、本発明の1実施形態に係る波力発電装置10のタービン14を構成する可変ピッチタービン100について、図5乃至図7に基づいて説明する。
本実施形態に係る波力発電装置10のタービン14を構成する可変ピッチタービン100は、図5に示すように、発電機102の回転軸が直接タービン軸110となっており、タービン軸110に固定されたハブ140にブレード120の取付角変更軸121が回動可能に取付けられて構成されている。
発電機102は、タービン軸110が突出するように発電機マウント101に固定されるとともに、該発電機マウント101には発電機102の外周を覆うように発電機ハウジング103が固定され、該発電機ハウジング103には発電機102を収容するようにハウジングベース104が固定されている。
Next, a
As shown in FIG. 5, in the
The
ハブ140にはベアリング143が設けられ、該ベアリング143の内周にブレード120の取付角変更軸121が挿入され、取付角変更軸121の端部にナット144が螺合されることで、ブレード120がハブ140に対して取付角変更軸121の回動軸線回りの回動のみ可能となるように取付けられている。
なお、図示では、ベアリング143はスラストおよびラジアルの2列のボールベアリングで構成されている。
取付角変更軸121には、ハブ140に近接してカウンターウエイト130が固定されている。
The
In the drawing, the
A
ハブ140およびカウンターウエイト130の周囲は、図3および図4に示すように、タービン軸110およびハブ140と一体に回転するスピナ142で覆われている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the periphery of the
また、スピナ142の左右にはブレード120の取付角変更軸121を挿入可能な取付角変更軸挿通孔145が設けられている。
なお、本実施形態に係る波力発電装置10のタービン14を構成する可変ピッチタービン100は2枚のブレード120をタービン軸110に対して回転方向180°の位置に配するものであるため、ハブ140およびスピナ142は、タービン軸110の軸線に対して180°回転対称の形状・構造であるが、ブレード120の枚数が3枚、4枚等である場合は、ハブ140およびスピナ142の形状、構造も120°回転対称、90°回転対称等の形状、構造としても良い。
Also, left and right of the
Note that the
カウンターウエイト130は、図7に示すように、固定片132を有する複数のウエイト本体131と、該固定片132を固定可能な3方向に延びるアーム部139を有するベース部材134とで構成される。
ベース部材134には、ブレード120の取付角変更軸121が挿入されるブレード固定孔137が設けられ、側方からブレード固定孔137内に貫通し内周面にネジ山が設けられたブレード固定ネジ孔138を有している。
ベース部材134は、ブレード固定孔137に取付角変更軸121が挿入し、ブレード固定ネジ(図示せず)をブレード固定ネジ孔138に螺合して締め付けることで、取付角変更軸121に強固に固定されて、ブレード110と一体となってタービン軸線回りを回転、および、回動軸線回りを回動する。
As shown in FIG. 7, the
The
The
ウエイト本体131の固定片132には固定用長孔133が設けられ、ベース部材134の3方向に延びるアーム部139には、それぞれ、固定片132を固定するための2つのウエイト固定ネジ孔135が設けられている。
アーム部139と固定片132が、ウエイト固定ネジ136を固定片132の固定用長孔133を挿通してウエイト固定ネジ孔135に締め付けることにより強固に固定されることで、ベース部材134とウエイト本体131が一体となってカウンターウエイト130を構成する。
A fixing
The
各アーム部139の2つのウエイト固定ネジ孔135は、取付角変更軸121の回動軸線から離れる方向に並べて設けられており、固定片132の固定用長孔133は、該2つのウエイト固定ネジ孔135の間隔よりも長く設定されている。
このことで、ウエイト本体131の取付角変更軸121の回動軸線からの距離を調整して固定することが可能で、回動軸線周りの慣性モーメントを調整可能に構成されている。
また、ウエイト固定ネジ136を完全に取外すことで、ウエイト本体131の交換が可能であり、異なる質量のウエイト本体131を固定することでも、回動軸線周りの慣性モーメントを調整可能である。
The two weight fixing
Thus, the distance from the rotation axis of the mounting
Further, the weight
3方向に延びるアーム部139のうち、2つは取付角変更軸121の回動軸線に直交する平面内で180°対称の方向に延び、残り1つは90°の方向に延びるように構成され、ベース部材134を取付角変更軸121に固定する際に、前者の2つのアーム部139がブレード120の回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向と直交する方向となるように設定される。
このことで、前者の2つのアーム部139に取り付けられたウエイト本体131により、タービンの回転に伴う慣性モーメントによって発生するブレード120の取付角を減少させる回動軸線周りのモーメントを調整して最適なモーメントとすることが可能となる
また、後者の90°の方向に延びるアーム部139に取り付けられたウエイト本体131により、ブレード120全体の回動軸線周りの重心位置を最適に維持することが可能となる。
なお、本実施形態では、3つのアーム部139の形状・寸法、および、それぞれに取り付けられるウエイト本体131の形状・寸法を同一のものとしたが、それぞれ異なる形状・寸法としても良い。
また、各部の形状・構造・寸法は、図示のものに限定されるものではない。
Of the
Thus, the
In the present embodiment, the shape and dimensions of the three
Further, the shape, structure, and dimensions of each part are not limited to those shown in the drawings.
次に、本発明の波力発電装置のタービンを構成する可変ピッチタービンの実験例について説明する。
実験に使用したタービンのブレードは設計点として以下の諸元を用い、公知の設計方法、性能推定方法で、図8に示すような前面投影形状に設計した。
対気速度(U) 13.9m/s(100km/h)
直径(D) 0.2667m(10.5inch)
角速度(回転数n) 1043rad/s(10,000rpm)
出力パワー 225W(0.3hp)
変換効率 80%
Next, an experimental example of a variable pitch turbine constituting the turbine of the wave power generation device of the present invention will be described.
The blades of the turbine used in the experiment were designed in the front projection shape as shown in FIG. 8 by using the following specifications as design points and using a known design method and performance estimation method.
Airspeed (U) 13.9m / s (100km / h)
Diameter (D) 0.2667m (10.5inch)
Angular velocity (rotation speed n) 1043 rad / s (10,000 rpm)
Output power 225W (0.3hp)
Conversion efficiency 80%
このタービンを、固定ピッチタービンとして使用した場合、図9に示すように、設計点から外れると直ちに変換効率が低下する。
これに対し、このタービンを本発明の波力発電装置のタービンを構成する可変ピッチタービンの構成とすることにより、広い周速比の範囲で高い変換効率を実現することができる。
このように、本発明の波力発電装置のタービンを構成する可変ピッチタービンは、周速比、すなわち、前述した対気速度と回転角速度の関係が幅広く変化するような使用条件であっても、高効率を維持することが可能となる。
When this turbine is used as a fixed pitch turbine, as shown in FIG. 9, the conversion efficiency decreases immediately when the turbine deviates from the design point.
On the other hand, by using this turbine as a variable pitch turbine that constitutes the turbine of the wave power generation device of the present invention, high conversion efficiency can be realized in a wide range of peripheral speed ratios.
As described above, the variable pitch turbine constituting the turbine of the wave power generation device of the present invention has a circumferential speed ratio, that is, even under use conditions in which the relationship between the airspeed and the rotational angular velocity described above varies widely. High efficiency can be maintained.
本発明の波力発電装置のタービンを構成する可変ピッチタービンは、周速比が幅広く変化しても高効率を維持することが可能であり、簡単な構造で可動部や部品点数が少なく、メンテナンスも容易なことから、他の風力発電等の用途にも好適である。 The variable pitch turbine constituting the turbine of the wave power generation device of the present invention can maintain high efficiency even if the peripheral speed ratio varies widely, has a simple structure and has a small number of moving parts and parts, and maintenance. Therefore, it is also suitable for other uses such as wind power generation.
10 ・・・波力発電装置
11 ・・・空気室
12 ・・・開口部
13 ・・・ダクト
14 ・・・タービン
15 ・・・変電装置
100 ・・・可変ピッチタービン
101 ・・・発電機マウント
102 ・・・発電機
103 ・・・発電機ハウジング
104 ・・・ハウジングベース
110 ・・・タービン軸
120 ・・・ブレード
121 ・・・取付角変更軸
130 ・・・カウンターウエイト
131 ・・・ウエイト本体
132 ・・・固定片
133 ・・・固定用長孔
134 ・・・ベース部材
135 ・・・ウエイト固定ネジ孔
136 ・・・ウエイト固定ネジ
137 ・・・ブレード固定孔
138 ・・・ブレード固定ネジ孔
139 ・・・アーム部
140 ・・・ハブ
142 ・・・スピナ
143 ・・・ベアリング
144 ・・・ナット
145 ・・・取付角変更軸挿通孔
W ・・・海水
F ・・・空気流
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記タービンが、空気の流れ方向のタービン軸を持つ可変ピッチタービンで構成され、
該可変ピッチタービンが、タービン軸と、該タービン軸を中心として回転する複数枚のブレードと、該ブレードの前記タービン軸側に一体的に設けられた取付角変更軸と、前記取付角変更軸を回動可能な状態で前記タービン軸と連結するハブとを有し、
前記ブレードが、ダクト内の空気の流れの方向、空気の速度およびタービン軸の回転角速度に応じて、操作入力を行うことなく自律的に前記取付角変更軸周りに回動するように構成されていることを特徴とする波力発電装置。 An air chamber having an opening through which seawater enters and exits by waves; a duct communicating with the air chamber through which air enters and exits; a turbine that is provided in the duct and that is rotated by movement of the air that enters and exits; and the rotation of the turbine A wave power generator having a driven generator,
The turbine comprises a variable pitch turbine having a turbine axis in the direction of air flow;
The variable pitch turbine includes a turbine shaft, a plurality of blades rotating around the turbine shaft, a mounting angle changing shaft integrally provided on the turbine shaft side of the blade, and the mounting angle changing shaft. A hub connected to the turbine shaft in a rotatable state;
The blade is configured to autonomously rotate around the mounting angle changing shaft without performing operation input according to the direction of air flow in the duct, the air speed, and the rotational angular speed of the turbine shaft. A wave power generation device characterized by comprising:
前記ブレードには、固定位置調整可能なカウンターウエイトが設けられ、
該カウンターウエイトの前記回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向が、前記ブレードの前記回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向と直交するように形成され、
前記ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置が、前記回動軸線上に位置するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の波力発電装置。 The blade is formed in an airfoil in which the rotation axis of the mounting angle changing shaft is positioned in front of a quarter of the blade chord length of the blade,
The blade is provided with a counterweight capable of adjusting a fixed position,
A direction in which the moment of inertia around the rotation axis of the counterweight is maximized is perpendicular to a direction in which the moment of inertia around the rotation axis of the blade is maximized,
2. The wave power generation device according to claim 1, wherein the center of gravity of the blade and the counterweight is configured to be positioned on the rotation axis.
前記ベース部材が、前記ウエイト本体の回動軸線からの距離を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の波力発電装置。 The counterweight has a base member fixed to the blade or the mounting angle changing shaft, and a weight body fixed to the base member;
5. The wave power generation device according to claim 3, wherein the base member is configured to be capable of changing a distance from a rotation axis of the weight main body.
前記ベース部材が、質量の異なるウエイト本体を交換可能に構成されていることを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれかに記載の波力発電装置。 The counterweight has a base member fixed to the blade or the mounting angle changing shaft, and a weight body fixed to the base member;
The wave power generator according to any one of claims 3 to 5, wherein the base member is configured to be able to exchange weight bodies having different masses.
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