JP2014062464A - 風車の風向制御装置２ - Google Patents

Abstract

【課題】垂直型風車の利点を生かし、欠点である風車軸の左右の両翼に風を同時に受けて、一方の回転翼で回転トルクロスが発生する現象を除く。
【解決手段】地上に立脚し、風車の外周に等間隔で設置された４個の制御板７及び補助板１１によって一方の回転翼への風の流れを防ぎ、他方の回転翼にのみに風を集中流入し、更に、乱流板８により風車翼後方に乱流を発生させて低気圧部を作り、風車翼への風速を増速して回転効率を増大させた垂直軸風車を提供しようとするものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、垂直軸風車の回転力変換効率を高めるため、風向を制御して、風車の回転力を高め、発電機やポンプを駆動する動力を獲得するための風車の風向制御装置に関するものである。

従来の垂直型風車装置には、下記の特許文献に示す様な発明事例が見られるが、いずれも構造設計に無理が有り、構造が複雑で製造コストが高く、維持管理が困難な欠点が有った。

特開平３−２０２６７９号公報 特開２００５−９４７３号公報 特許第４８２６９３２号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、垂直軸風車の利点を生かし、欠点である風車軸の左右の翼に風を同時に受けて一方でトルクを発生し、他方でトルクロスを発生し、差し引き出力が小さい欠点を除くため、地上に立脚した風向の制御板及び補助板によって、風車翼左右の一方を受風防止し、他方のみに風を流入させてトルク損失をゼロにし、風車翼の後方に乱流により低気圧部を発生させ、風速を増速して回転効率を最大にした垂直軸風車を提供しようとするものである。

（１）いずれの方向から来る風でも、風車軸左右の一方の翼に加わる風を防止し、他方の翼のみに風を受ける制御板、補助板の工夫。
（２）制御板、補助板は強風に耐える強度を保証する構造とする。
（３）乱流板により、風下側に低気圧域を作り、風の流れを強化する。

（１）制御板、補助板は風車翼外周の四方に円対称に地上に固定され、いかなる方向からの風も効率良く風車軸左右の一方のみに流入させ、風車回転効率を上げる。
（２）制御板、補助板は地上に固定し天板で連結して、風の上空へ逃げることを防止し、強風に耐える強度を確保する。
（３）制御板の先端に乱流板を設け、風下側に低気圧域を作り風車への通風速度を強化する。

前記解決手段により、従来品に比べ、下記の点が大幅に改善される。
（１）制御板、補助板は風車外周の四方に円対称に地上固定することにより、あらゆる方向からの風を、風車軸の左右翼の一方のみに加わるように制御し、風車回転効率を上げる。
（２）制御板、補助板は、天板で連結し、風が上空に逃げないようにし、強風に耐える強度を有する。
３）制御板の先端に乱流板を設け、風下側に低気圧域を作り風車翼への通風速度を強化できる。

本案の天板を除く上面図 本案の側面断面図(図1のA-A’断面)

以下に図１及び図2を参照して、本案の構造と作動を説明する。
図１の１垂直軸の根元は地面に埋設し１０垂直軸ホルダーで固定されている。３風車は６風車軸と４風車翼で構成され、４風車翼の中央は回転方向に向かって４a凹みが設けられ、本図例では４枚の翼が設けられているが、３枚ないし６枚翼にしても良い。
６風車軸の上下端には２軸受Aで回転自在に１垂直軸に固定され、４風車翼の外周付近には、４風車軸を中心に、上下、左右方向の９０度ピッチの線上に、円対称の形で４個の７制御板が、それぞれ約４５度の角度で３風車の外径線上に交差する位置まで傾斜して伸び、更に前記３風車の外径線上に折曲がって一定長さの８乱流板を形成し、地上に埋設固定され５天板と結合して立脚強度を保証している。
更に、４風車翼の外周付近で、前記７制御板と４５度ずれた位置から円対称の形で４個の１１補助板が、それぞれ約４５度の角度で３風車の外径線上に交差する位置まで傾斜して伸びている。
尚、４個の７制御板及び１１補助板は４風車翼の枚数と無関係に設置され、３風車軸を中心に、いかなる方向から来る風向きにも対応し、４風車翼の左右いずれか一方の翼のみに風を受ける構造になっている。
尚、１１補助板は斜めから来る風の対応に補助的に有効で、上下左右から来る風には、７制御板のみでも４風車翼は十分有効である。
また、図２に示す様に、６風車軸の下端には９発電機駆動歯車が取り付けられ、図示していない発電機を駆動する構造に設計されている。
勿論、発電機の代わりにポンプ等を駆動しても良い。

次に本案の作動原理と発明の着眼点を説明する。
本来、垂直軸風車は翼面積が大きく、風車出力を大きく出来るはずなのに、プロペラ風車に比べて出力が小さい原因の１つは、風車軸の左右に有る翼は気流に対し、一方が風を受けてトルクを発生しても、他方の翼は逆風を受けてトルク損失を発生させ、トータル出力を少なくしてしまうからである。その対策として、従来は、前記引例特許に示す様に、風に向う側の翼を水平にして、損失を最小にする工夫をしてきたが、それでも損失はゼロに出来ないし、作動機構が複雑になってコスト高や、故障因子が多くなり実用化されにくい原因になった。
そこで、発明者は根本的に考え直し、本案が示す様に、逆風を受ける側の風車翼の前に傾斜した７制御板及び１１補助板を設けて、逆風を回避し、その風を順風として受ける側の翼に集中させ、しかも、順風側翼の後方に乱流を作る８乱流板を設けて、低気圧部を形成し、気流の圧力が入力側+と排出側-を形成し、気圧差を作り、順風速度を増速させることにより、逆風側の翼トルク損失はゼロとし、順風側の翼の受圧面積が大きいだけ、プロペラ風車より大出力が得られるように工夫した。
本案の具体的な作動原理を図１を用い説明する。
図１の風向Xは実線で示し、右側から左側に流れる事例とし、６風車の回転中心水平線より上側の風は右上に記された７制御板の斜面により下側に流れて４風車翼に集中し、４風車翼の外径より下側の風は１１補助板を平行に通過し、右下に記された７制御板の斜面で上側に流れて４風車翼に集中し、更に下側の風は８乱流板の下側に回り込んで風下側に渦巻きを発生して、低気圧部を発生させ、前記の流入側の+高気圧は、前記乱流による-低気圧側に吸い寄せられ、４風車翼への流入圧力を高める効果を発揮する。
尚、前記説明は風向が右から左に流れる場合の説明であるが、左から右に流れる場合、又は上から下に、下から上に、流れる風向の場合でも、７制御板及び８乱流板は、円対称的に４個配置されているので同じ作用を行う設計に成っている。また、風向Xと４５度ずれた風向Yは点線で示し、６風車軸より上側の風は１１補助板で止められて、斜め下の４a翼凹み側に流入し、６風車軸より下側の風は４a翼凹み側に向かい、風向Xと同様の効果をもたらす設計に成っている。
また、５天板は、４風車翼上側と７制御板の上端を結ぶ円盤であり、地上を流れる風は、前記7制御板によって１つの４風車翼面積に圧縮されると上側に抜けてしまうのを防止する効果を果たし、更に強風で７制御板及び１１補助板と６風車軸に掛かる横風力を４個の７制御板及び１１補助板に連結分散させて強度を高める効果を果たし、更に、太陽光や雨や雪を３風車に直接当てない様に環境保護の役目も果たす。

現状では、水平軸にプロペラ翼を装着した大型風車が先行的に採用されている。その理由は、水平軸ペロペラ風車の発電効率が良く、大型発電に適しているからである。
一方、家庭用では、太陽光発電が主に設置されているが、その理由は、設置場所が狭くプロペラ風車は設置できないからである。
しかし、太陽光発電は昼間のみで、好天気に恵まれる必要条件が有り、曇天時や夜間でも風があれば発電できる風力発電は魅力的である。従って、今後の家庭での発電量増大策は、太陽光発電と風車発電のハイブリット化が有力視されているが、急がねばならないのは家庭で設置できる小型で発電効率の良い垂直軸風車である。本案はその目的を達する為に開発した物で、風に逆らう側の翼は制御板及び補助板で流入を防止してトルク損失ゼロとし、風に受ける側の翼は、制御板及び補助板で風集合させて風力を強め、更に、乱流板で翼後方に乱流を発生させて低気圧部を作り、気圧差で風速増加を行って、風力変換効率を大幅に改善しようとするものです。
本案では、それを可能な限り簡単な構造で、製造費を安く、小スペースで、維持管理費の安い安全設計を達成させたものです。

１垂直軸、２軸受A、３風車翼、４a翼凹み、５天板、６風車軸、７制御板、８乱流板、９発電機駆動歯車、１０垂直軸ホルダー、１１補助板

Claims (5)

1. 垂直軸風車において、地面に固定された垂直軸に前記風車を軸受Aにより回転自由に取付け、前記風車の外周四方に円対称的に形成された４個の制御板を設置し、前記制御板は、前記風車の回転軸水平線上の風車翼外周付近から前記風車の外周水平線上付近に向けて一定角度傾斜する板材を地面から立設し、縦横何れの方向から来る風にも、前記風車の回転軸左右のいずれか一方の受風翼のみに風を集中流入させるようにしたことを特徴とする風車の風向制御装置。
2. 前記請求項１に記載の風車の風向制御装置において、前記４個の制御板の中間に、それぞれ４個の補助板を設置し、前記補助板は、前記風車翼外周付近から前記風車の外周水平線上付近に向けて一定角度傾斜する板材を地面から立設し、縦横斜めいずれの方向から来る風にも、前記風車の回転軸左右のいずれか一方の受風翼のみに風を集中流入させるようにしたことを特徴とする風車の風向制御装置。
   
3. 前記請求項１又は２のいずれか１項に記載の風車の風向制御装置において、前記制御板の外端に、前記風車の外周水平線方向に曲げて、一定長さの乱流板を延設し、前記風車翼の風の流入側で風の通過後方部に乱流による低気圧部を発生させて風の入力通過風速を増速するようにしたことを特徴とする風車の風向制御装置。
4. 前記請求項１から３のいずれか１項に記載の風車の風向制御装置において、前記風車翼の形状は、風車翼の外周を除く中央面内に前記風車の回転方向に凹みを設けたことを特徴とする風車の風向制御装置。
5. 前記請求項１から４のいずれか１項に記載の風車の風向制御装置において、前記風車と前記制御板の上面を覆い、前記制御板のそれぞれの上端面と連結する天板を設け、前記風車翼への流入気流の上空への漏洩防止と前記制御板の立脚強度増加を行うようにしたことを特徴とする風車の風向制御装置。