JP2014070634A - 縦軸型抗力式風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力を、揚力ではなく抗力として捕え、ローター回転に寄与する方向に角度を変化させてゆく回転ブレードを備えた、縦軸型抗力式風力発電装置を提供する。
【解決手段】一定風向に対し、ローター回転力に寄与する回転ブレードの幅方向両端点は、ローター１回転で平面軌跡として閉曲線を描く。該曲線と角度同義の変数処理図形を、円盤面に描き走路とし、該走路に駆動子を装着回動させ、駆動子軸とブレード軸とを連動回転構造を介して繋ぎ、ブレード方向を制御する。制御盤の回転自在性と対風向性は兼該必須であるが、該盤に風向舵を設けても、慣性力の差で、ローターに同調し回転してしまう。
そこで、相互逆回転ローターを制御盤上下に配備し、閉曲線走路を該盤両面に点対称位置に配置し、駆動子を回動させれば、該盤両面への作用力は拮抗し、風向舵は機能する。上下ローターの逆トルクエネルギーは２系統、もしくは１系統に集約して取り出す。
【選択図】図１

Description

本発明は、いずれの位置にあるブレードも、ローター回転に寄与せしめる角度にするための制御対策並びに、ローターの全方向対応機能に関するものである。

技術背景

ブレードをローター・アームに対して固定構造とすると、ローター縦軸の左右の受風抗力は相応つりあって回転しない。瞬時回ったとしても、風力の乱れによるものであり、永続はしない。アームに対する角度を変えても、固定取り付けとする限り、同様の結果を得る。

ブレード断面に航空機の翼に類似したものを用い、揚力を発生させて回転させる方法はダリウス型として知られている。

航空機の揚力は、一方向の強烈な定常流で発生していることと同様であるから、自然の風力を揚力として捕え回転力に転換できたとしても、風力をそのまま抗力として受ける場合と比較して、回転力（トルク）が小さいことは明らかである。

横軸型と呼ばれるプロペラ式発電機もまた、支柱に係る力に配慮して、揚力を利用しており、強く安定した風を求めて高地や洋上に設置される傾向にある。

また、サポニウス型に類するタイプは、風圧を受ける側と反対側のブレードは、風圧を逃がす形状であるが、回転を抑制していることは確かであり、大きなトルクを得られない要因である。

以上のとおり、風力を、縦軸型ブレードで抗力として捕え、回転力に転換することは難問と言える。

本発明の課題は、ローター回転中心に対して、いずれの位置のブレードにも、一方向回転に寄与する働きを、風力を揚力ではなく抗力として分担させること、並びに、ローターに比べて慣性力の小さいブレード角度制御盤に、風向舵を付属して、いかに対風向性の機能を発揮させられるかということである。

発明を解決するための手段

ローター回転中心を原点とする平面ＸＹ座標を想定し、一方向からの風力作用図を仮定する。（＋Ｙ方向へ吹くとする）（図２）

仮に、左回転ローターに寄与する、ローター・アーム各位置の回転ブレードの角度を求め、ブレード幅の両端点（Ａ点・Ｂ点）の軌跡をブロットして繋いでゆくと、図２の閉曲線Ｃ１が描かれる。ローター・アームを１回転させると、Ａ点・Ｂ点は、ブレード軸心が描く円軌跡上の１点で交差し、Ａ点はＢ点に、Ｂ点はＡ点に繋がり、ブレードは表裏反転して元に戻る。

ここで逆に、ブレードの幅方向の２点を、既存の軌跡・閉曲線Ｃ１上に拘束し、かつ、走行させることができると考えるならば、ローター・アーム回転各位置における、ブレードは、ローター左回転に寄与する角度に順次変化してゆくと言える。（図４ Ｔ１）

図３は、ブレード幅Ｗが同じで、ローター半径がＲ２とＲ３の異なる２つの閉曲線、Ｃ２とＣ３を示す。形状は異なるが、角度的には同義であることが分かる。

図４のＴ２ は閉曲線Ｃ２上に駆動子舟形走行車９Ａａを拘束し、連動回転構造９により、ブレード側と繋いでローター半径を大きくした場合の模式図である。

駆動子走行部の２点の拘束は角度的意味をもつから、強制的に閉曲線上を回動させてゆくと、ブレードも連動構造の働きにより刻々と角度を変えてゆく。

アームが右側水平に位置したときは、ブレード幅が受ける風圧の全てが抗力となり左回りの回転力として働き、アームが左側水平に位置したときは、ブレードの厚みが風向に向かうので、抗力はほぼゼロになり、最も風上風下に位置するブレードには、傾きは反対であるが、４５°傾けた幅の投影面に働く抗力の分力が左回転に作用する。これらの中間位置も角度分変化しながら同様に左回転に働く。

つまり、一方向の風力に対して、いずれの位置のブレードもローター一方向回転に寄与させることが可能であることが分かる。

しかし、以上の一連の動作はいずれも、一方向風力に対して閉曲線が一定の方向に固定されているという前提で成立する。ここで、閉曲線に対風向性機能をいかにして備えさせるかという問題が浮上する。

盤状に閉曲線を描き、走行路を設け、ブレードの角度制御盤とするが、該制御盤はローター回転に抵抗し、かつ、風向変化に対応しなければならないが、ローターとの慣性力の差が大きく、風航舵で応じるとするならば、ローターを凌ぐ大きな風向舵を設けなければ機能しない。つまり、ローターに同調して回転してしまう。

制御盤に作用する一方向回転の慣性力を減殺する方法を考える。これまで、制御盤上に左回転ローターを配置する１組を考えてきたが、２組の組み合わせを試みる。

制御盤両面に反回転の作用を生じさせるため、一方向の風力に対して右回りに回転するローターを制御盤下側に配置し、該ローターに応じて盤裏面にも閉曲線を描き走行路とし、各装備をする。

制御盤表裏面に作用する外力は拮抗し、付属する風向舵は巨大でなくとも働き、風向変化に対応できる。

発明の効果

本発明の縦軸型抗力式風力発電装置は、風力を抗力として効率よく受風し、風向変化に対しても対応できる。ローター径、ブレード高に選択の自由度があり、また、定常風でなくても作動すると考えられるので、設置場所の条件は緩和され、これからの時代に渇望されている再生エネルギー開発に役立つ。

本発明の縦軸型抗力式風力発電装置は、図１に示されるように、上下にそれぞれ逆方向に回転するローターを配置し、各ブレードは回転自在構造でアーム先端に付く。

上下ローターの間に位置する円盤部（以下、ブレード角度制御盤、または制御盤と記述）は、発電装置本体の支柱に回転自在構造で装備され、該制御盤には風向舵が付属する。

次に、それぞれ自由回動できる部分を、連動回転・走行回転などの働きで繋ぎ、風力の作用で、ブレード面が抗力を受ける角度に変化してゆき、ローターを回動する力に変換してゆく相互の働きを、上側ローターに着目して説明する。

図６のＤは、［０００９］、［００１０］で求めた閉曲線Ｃ０の溝・走行路の断面と駆動子走行部（＝舟形走行車）の断面模式図である。該走行車は、駆動子の水平平棒部と回動構造で付属し、溝・走行路壁と底面に対してはころがり接触とする。

図６のＨは、閉曲線Ｃ０の溝・走行路交差部の平面模式図である。交差角Ｋは、構造上できるだけ大きいほうが良い。（図２）

図５は、駆動子とブレードを繋ぐ連動構造部を示す。ブレード軸延長部と、駆動子側軸に歯車（回転率は１：１）を設け、チェーンあるいはベルト状で噛み合わせ繋ぐ。駆動子は、閉曲線の溝をころがり走行する２つの船形車、水平平棒、該水平平棒中心に直角に固定された円棒軸とからなり、ローター・アームに固着した支持材に対し回動できる。

ブレード角度制御盤が、風向きに対し固定されているとすれば、ブレードは風圧を受け抗力として、ローター回動に働くと同時に、駆動子軸位置は、ローター中心に円を描き回動する。このとき、連動構造を介して駆動子の船形走行車が溝内の走行を開始するが、該２つの船形車は閉曲線形の２点で制約されるから、駆動子の水平平棒の角度は変化してゆき、該角度変化は円棒軸を介して１：１でブレード角度に連鎖反映されてゆく。

次に、ローターに同調して回転する制御盤を風力で制しなければならない。

制御盤に作用する回転力は、ローターの回転力が、連動構造各部の摩擦力、駆動子船形車の走行摩擦力等と、ブレードの角度変化強制に対する抵抗力が構造を介して伝わったものである。

そこで、大きさは等しく逆作用を働かせる工夫として、制御盤裏面に、上面と同じ閉曲線ＣＵを点対称位置に描くかまたは、同義の閉曲線ＣＬを描き走行路とし、逆回転のローターを下側に配置すれば、該盤が受ける上下からの外力は拮抗する。

制御盤に付属する風向舵は、風向の変化に不断に働き、全方向に対応できる。

閉曲線形内に配置される駆動子の数は自ずと制約され、ローター・アーム３本タイプが実際の候補にあがる。つまり、図１の構造斜視図となる。但し、図２の交差角Ｋが小さくても走行部が問題無く通過回動できれば、この限りではない。

また、連動回転構造の無い図４ Ｔ１のタイプは、アームの長さに応じて制御盤も大きくなるので、小型機への適用に限定される。

本発明の縦軸型抗力式風力発電装置の当該部構造斜視図 ブレードの回転による幅方向端点Ａ点・Ｂ点の軌跡、閉曲線 Ｃ１ 角度的に同義である閉曲線 Ｃ２と 閉曲線 Ｃ３ 閉曲線とブレードの関係模式図 Ｔ１、Ｔ２ 駆動子とブレードを繋ぐ連動回転構造図（または、連動構造部と略記載） 閉曲線の走行路を溝とした場合の、舟形走行車断面模式図 一例 Ｄ 閉曲線の走行路を溝とした場合の、交差部舟形走行車平面模式図 一例 Ｈ

１ ・・・ 上部ローター（左回転のみ可）
２ ・・・ 下部ローター（右回転のみ可）
３ ・・・ 本体装置のパイプ軸
４ ・・・ 上部ローター軸（３のパイプ軸の内を通り回動）
５ ・・・ 下部ローター軸（３のパイプ軸の外を通り回動）
６ ・・・ 回転ブレード（軸部を含む）
７ ・・・ ブレード角度制御盤（円盤、あるいは制御盤と略記載）
８ ・・・ 風向舵（ブレード角度制御盤に付属）
９ ・・・ 連動回転構造部
９Ａ・・・ 駆動子（または、駆動子走行部と記載）
９Ａａ・・ 舟形走行車（走行路が溝型の場合の１例）
９Ａａイ・・ ローラー
９Ａａロ・・ 車（１箇所）
９Ａｂ・・ 舟形走行車支持横材
９Ａｃ・・ 駆動子軸（横材と固定）
９Ｂ・・・ 歯車（ブレード軸側＝駆動子軸側）
９Ｃ・・・ チェーン あるいは、チェーンの役割をするベルト状繋ぎ材
１０・・・ ローター・アーム
Ｃ０・・・閉曲線（Ｃ１〜Ｃ３：変数処理可であるから一般形を示す）
ＣＵ・・・ 制御盤上面の閉曲線形の走行路
ＣＬ・・・ 制御盤下面の閉曲線形の走行路
ＰＡ ・・・ ブレードの幅方向端点 Ａ点
Ｐ８ ・・・ ブレードの幅方向端点 Ｂ点
Ｋ ・・・ 閉曲線Ｃ０の交差角
Ｗ ・・・ ブレード幅
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ ・・・ローター半径

Claims (2)

1. 一定風向に対し、ローター一方向回転に寄与する回転自在ブレードの角度変化を、該ブレード幅方向両端点の平面軌跡として捉え、結果得られた閉曲線（Ｃ１）、または角度的に同義の閉曲線（Ｃ０）を円盤（７）上に描き走路とし、ブレード（６）軸の延長上に駆動子走行部（９Ａ）を設けて該走路上に回動させるか、もしくは、ブレード（６）と、駆動子（９Ａ）を連動回転構造（９）で繋ぎ、該駆動子走行部（９Ａ）を前記走路上に回動させることにより、ローター回転時、ブレードの方向を刻々と制御することを特徴とする縦軸型抗力式風力発電装置。
2. 請求項１に記載する閉曲線（Ｃ０）を、円盤（７）両面に、相互に盤厚・回転軸中心を点対称点とする位置に描き走路とし、該円盤を挟んで上下に配置した逆回転ローターに装備する駆動子走行部（９Ａ）を、該走路上に各回動させ、円盤に作用する逆回転慣性力を相互に制し、円盤に付属する風向舵を機能させることを特徴とする縦軸型抗力式風力発電装置。
   ［選択図］図１

Images