JP2016001001A - 集風型風車 - Google Patents

Abstract

【課題】羽根の回転効率、ひいては発電電圧（発電量）を向上せしめた集風型風車を提供する。【解決手段】前方風胴体１１と、風車１４が内部に設置されている中間風胴体１２と、後方風胴体１３とから一体的に構成された集風型風車であって、前方風胴体１１は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい扁平な横断面を持つ風流入口１１ａを有し、かつその横断面積が風流入口１１ａから中間風胴体１２との接続部分１１ｂまでの間で縮小するように構成されており、中間風胴体１２は、前方風胴体１１の縮小した横断面積が、後方風胴体１３との接続部分１２ａまでの間で拡大するか又は同じ横断面積を保持するように構成されており、そして後方風胴体１３は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい扁平な横断面を持つ風流出口１３ａを有し、かつその横断面積が中間風胴体１２との接続部分１２ａから風流出口１３ａまでの間で拡大するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、集風型風車に関し、特に特定構造の風導管（風胴体）を有してなり、風車背面の風速を上げ、その結果、風車の羽根の回転効率を向上せしめて、発電電力を高めると共に、高さの問題、設置の安定性及び風胴体支持の安定性を改良した集風型風車に関する。

近年、地球温暖化防止が叫ばれ、新しいクリーンエネルギーの開発が急務となっている。このクリーンエネルギーの一つとして注目されているのが、ＣＯ_２を排出しない風力発電システムである。ただ、風力発電は、現状では、石油代替エネルギーとしての位置は極めて低い。それは、風力エネルギーを有効に捕捉する手段が開発されていないからである。

現在では、揚力型のプロペラ型風車が、風力発電の主流となっている。このプロペラ型風車の場合、長大なブレード（プロペラ翼）を必要とするため、風車自体があまりにも大きくなり過ぎるという問題がある。つまり、従来、風車は、（１）できるだけ回転直径の大きな羽根を備え、（２）できるだけ背の高い風車を、（３）できるだけ風が吹く場所に設置するという方向で発展してきた。しかし、できるだけ多くの風を捕捉するために回転羽根の直径を大きくした結果、支柱を高くしなければならず、強風には不安定となり、風が強すぎると運転を停止しなければならないという問題がある。

そのために、より小さな風車で、より効率的に風力を有効に利用すべく、風車後方の風の流れに着目し、風の風速を高める効果を持つ風力発電装置として、風の流れ方向に拡大する筒状の風胴体と、同風胴体の風流入口近傍に配置された発電用風車とを備えた風力発電装置において、前記風胴体の軸に対する側胴部の傾斜角を５〜２５°の範囲とし、さらに風胴体の風流出口の口縁の外側に、鍔状片を備えた風力発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、風胴体の外側の風の流れを鍔状片で堰き止め、鍔状片の背面に渦流を生じせしめ、風車背後の風の流れが空気分子の流れを巻き込むこと等により、その圧力を下げる効果があるものと考えられる。しかし、この鍔状片の鍔幅には限界があり、大き過ぎると効果がなくなる。従って、回転半径の小さな羽根の小型風車には有効であるが、風車に当たる風速は同じであるから、相似的にスケールアップすることはできないものと考えられる。つまり、風車羽根径が大きくなると、鍔幅の面積が風胴体の断面積に比し相対的に減少し、「鍔」効果が減少するからである。

ところで、人がビルの谷間やアーケードを通過する時、思いもよらぬ強風に出会うことがある。これは、ビルの壁等に堰き止められた風が空隙を求めて谷間やアーケードの通過可能地点に集中するためである。これは、一種のラバール管効果と考えられる。従って、ラッパ管を前後に繋ぎ合わせた形のラバール管の中央、すなわち、最小断面積の近傍に風車を置く風力発電装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、本発明者等は、扇風機と風車との間に隔壁を設け、その壁面に穴を開け、その穴を通して扇風機で風を送り、その穴の直後に風車を置き、風車の回転数を検討した。驚いたことに、隔壁を設けずに扇風機から直接風車に風を送った場合に比べ、はるかに風車の回転数が落ちることが分かった。その結果、風車の回転には、風車に当たる前面の風だけではなく、風車の周辺から背面へと通過する風の量も重要であることが分かり、二重構造風胴体の外側の風胴体により収束した大量の風力を風車背面へと送ることにより風車の発電効率を高める集風型風車を提案した（例えば、特許文献３参照）。

上記したような集風型風車は、以下述べるような原理で機能する。

風車を通過する空気の速度をＶ、密度をρ、圧力をＰとすれば、単位体積当たりの風の全エネルギーは（１／２）ρＶ^２＋Ｐ＝一定であるから、集風は圧力エネルギーが減り、運動エネルギーを増やす。これは、Ｖ、Ｐの整流化（ランダム化の反対）だからエントロピー（Ｓ）の減少である。従って、−ＴΔＳ（Ｔ：温度）だけ自由エネルギーが増大する。従って、集風型の方がエネルギー効率が高い。だが、これは、ベルヌーイ流管の定常流を想定した場合である。これに風車を置き、エネルギーを取り出せば、風車の背後のＶは減少し、Ｐは増大する。従って、これを定常流に近づけるためには流管外側の高速流の摩擦によって低速流を高速化する必要がある。言い換えれば、高速空気分子によって低速化した風車背後の空気分子を後方へ叩き出すのである。

特開２００３−２７８６３５号公報 特開２００８−５２０９００号公報 特開２０１１−１４０８８７号公報

従来の風車は、上記した各種風車を含めて、円運動をする風車の回転面に合わせて、風の流れを円で捉える。つまり、風車が捉える風の流れの断面は全て円であった。従って、より多くの風量を捉えようとすると、大きな円断面の風の入口が必要となり、それを支える支柱も太く長いものが必要となる。風車の高効率化という利点があるとしても、従来の風車では、台風等のような多量の風による圧力により風車自体が不安定となり、回転翼（羽根）の損傷という問題が生じる恐れがあり、また、風車の使用を中止せざるを得ない場合も生じる。

本発明の課題は、上記した点を踏まえて上述の従来技術の問題点を解決することにあり、羽根の回転効率、ひいては発電電圧（発電量）を向上せしめた集風型風車を提供することにある。

本発明者等は、風の取り入れ口の横断面を、円形状ではなく、楕円形・多角形等の非円形状にして、横に広げた扁平形にすることにより、断面積が同じであっても、支柱を大幅に低くして高さの問題、設置の問題等を解決することができることに気が付き、本発明を完成させるに至った。このような横断面を構成することにより、山やビルの屋上等では、高い支柱で支えることが必要ではなくなるので、極めて高さの低い、従って堅固な安定した風車を設置することができる。そのため、台風等のような高速・高エネルギーの風でも利用でき、風車の使用効率が格段に高まるという利点がある。

本発明に係る集風型風車は、前方風胴体と、風車が内部に設置されている中間風胴体と、後方風胴体とから一体的に構成された集風型風車であって、前記前方風胴体は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい扁平な横断面を持つ風流入口を有し、かつその横断面積が前記風流入口から前記中間風胴体との接続部分までの間で縮小するように構成されており、前記中間風胴体は、前記前方風胴体の縮小した横断面積が、前記後方風胴体との接続部分までの間で拡大するか又は同じ横断面積を保持するように構成されており、そして前記後方風胴体は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい扁平な横断面を持つ風流出口を有し、かつその横断面積が前記中間風胴体との接続部分から前記風流出口までの間で拡大するように構成されていることを特徴とする。

前記集風型風車において、前記風車が内部に設置されている中間風胴体が、前記風車の設置されている部分の横断面が縦の長さよりも横の長さの方が大きい扁平な横断面であって、前記風車の大きさよりも大きな横断面を有する風胴体で構成されており、前記風車の周囲である側面の両側や上下面側に風が吹き抜ける隙間が設けられ、前記隙間を吹き抜けた風流が風車背面の風流を叩き出すように構成されていることが好ましい。

前記集風型風車において、前記風車が内部に設置されている中間風胴体が、前記前方風胴体の縮小した横断面と同じ扁平な長方形形状を保持したまま、接続部分から中間風胴体と後方風胴体との接続部分までの間で、直線的若しくは曲線的に傾斜してその形状を維持したまま拡大するか、又は同じ断面積を保持するように構成されており、前記風車の周囲である側面の両側や上下面側に風が吹き抜ける隙間が設けられ、前記隙間を吹き抜けた風流が風車背面の風流を叩き出すように構成されていることが好ましい。

前記集風型風車において、前記前方風胴体の風流入口の横断面の面積から風車位置の横断面の面積までが１／４まで縮小されていることが好ましい。

本発明の集風型風車によれば、縦の長さよりも横の長さの方が大きい扁平な横断面を有し、かつ風車が設置された場所の横断面積よりも大きな横断面積を有する風流入口と、縦の長さよりも横の長さの方が大きい扁平な横断面を有し、かつ風車が設置された場所の横断面積よりも大きな横断面積を有する風流出口とを有しているので、羽根の回転効率、ひいては発電量を向上せしめることができると共に、集風型風車自体の縦の寸法を小さくすることができるという効果を奏する。

本発明の集風型風車によれば、風車が設置される部分の風胴体の横断面が、縦の長さよりも横の長さの方が大きい扁平な横断面（例えば、楕円形や多角形のような非円形の横長の横断面）であって、風車の大きさよりも大きな横断面を有する風胴体で構成されているので、風車の側面の両側に、場合によっては風車の上面・下面側にも、風がそのまま吹き抜ける隙間ができる。このため、吹き抜けた高速の風流が風車背面の速度の低下した風流を叩き出し、速度エネルギーを回復させる効果を奏する。

本発明に係る集風型風車の第１の実施の形態であって、プロペラ型風車を設置した場合を示す模式的構成例の斜視図。 本発明に関連する集風型風車の実施の形態（第１の実施の形態）であって、プロペラ型風車を設置した場合を示す模式的構成例の斜視図。 本発明に係わる集風型風車の第２の実施の形態であって、パドル型風車を設置した場合を示す模式的構成例の斜視図。 本発明に係わる集風型風車のさらに別の実施の形態であって、図３の変形例を示す模式的構成例の斜視図であり、パドル型風車の設置部分を切開してある。 図４におけるパドル型風車の設置態様を説明するための集風型風車の模式的横断面図。

本発明に係る集風型風車の第１の実施の形態によれば、この集風型風車は、横断面積が非円形状である筒状の前方風胴体と、風車が内部に設置されており、横断面積が非円形状である筒状の中間風胴体と、横断面積が非円形状である筒状の後方風胴体とから一体的に構成された集風型風車である。前方風胴体は、縦の長さ（すなわち、縦の幅）よりも横の長さ（すなわち、横の幅）の方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持つ風流入口を有し、かつその横断面積がこの風流入口から中間風胴体との接続部分までの間で、直線的又は曲線的に傾斜してその形状を維持したまま縮小するように構成されている。中間風胴体は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持ち、かつ前方風胴体の縮小した横断面積が、後方風胴体との接続部分までの間で、直線的若しくは曲線的に傾斜してその形状を維持したまま拡大するか又は同じ横断面積を保持するように構成されている。そして後方風胴体は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持ち、かつ縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持つ風流出口を有すると共に、その横断面積が中間風胴体との接続部分から風流出口までの間でその形状を維持したまま拡大するように構成されている。

上記したように、前方風胴体の風流入口の横断面、前方風胴体と中間風胴体との接続部分の横断面、中間風胴体と後方風胴体との接続部分の横断面、及び後方風胴体の風流出口の横断面が、縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な形状を有する。

上記本発明の第１の実施の形態において、風車は、前方風胴体と中間風胴体との接続部分の近辺、例えば中間風胴体内に設置されており、前方風胴体の末端部又は中間風胴体の先端部に設置されていればよい。

上記本発明の第１の実施の形態において、前方風胴体と中間風胴体と後方風胴体とを一体的に構成するには、その作製方法に制限はなく、これらを一体成形して作製しても良いし、それぞれを別々に作製して密に接合しても良い。これらの風胴体の材質は、集風型風車の設置場所の環境により劣化し難い材質であることが好ましいが、特に制限はない。例えばステンレス、鉄、アルミニウム、合成樹脂等で作製すればよい。

上記楕円形は、扁平で横長であれば、どんな形状のものでも良く、いわゆる正楕円形状でも近似楕円形状でも良く、また、多角形も扁平で横長であれば、その形状は問わない。三角形でも、四角形でも、五角形でも、六角形でも良い。

上記本発明の第１の実施の形態に係る集風型風車において、この集風型風車の形状はラバール管形状である。ラバール管形状を有する場合、その横断面の面積に関しては、特開２０１１−１４０８８７号公報に記載されているように、特にその図８に示すグラフから明らかなように、前方風胴体の風流入口の横断面積及び後方風胴体の風流出口の横断面積をＳ_１とし、風車が設置されている場所の横断面積をＳ_２とした時、Ｓ_１とＳ_２との比Ａ（Ｓ_１／Ｓ_２）が１＜Ａ＜２０、好ましくは２≦Ａ＜２０の関係を満足するように構成されている。すなわち、風車が設置された場所の横断面積が風流入口及び風流出口の横断面積より大きいか又は同じであると（Ａが１以下）、また、逆に風車が設置された場所の横断面積の方があまりに小さ過ぎると（２０を超える）本発明の効果を達成できないという傾向がある。この理論的根拠は、特開２０１１−１４０８８７号公報中で詳細に説明されている。また、上記前方風胴体の風流入口の横断面積及び後方風胴体の風流出口の横断面積は、同じ横断面積であっても、前方風胴体の風流入口の横断面積が後方風胴体の風流出口の横断面積より大きくても、その逆であってもよい。

本発明に関連する集風型風車の第１の実施の形態によれば、この集風型風車は、風車が内部に設置されており、横断面積が非円形状である筒状の内側風胴体と、内側風胴体の外側に設けられ、横断面積が非円形状である筒状の外側風胴体とから一体的に構成された集風型風車である。内側風胴体は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持つ風流入口を有する前方内側風胴部材と、縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持つ風流出口を有する後方内側風胴部材とから一体的に構成されている。そして外側風胴体は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持つ風流入口を有する前方外側風胴部材と、縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持つ風流出口を有する後方外側風胴部材とから一体的に構成されている。

上記本発明に関連する第１の実施の形態において、前方内側風胴部材は、その横断面積が風流入口から後方内側風胴部材との接続部分までの間で、直線的又は曲線的に傾斜してその形状を維持したまま縮小するように構成されており、後方内側風胴部材は、前方内側風胴部材の縮小した横断面積が、接続部分から風流出口までの間で、直線的又は曲線的に傾斜してその形状を維持したまま拡大するか又は同じ横断面積を保持するように構成されている。そして前方外側風胴部材は、その横断面積が風流入口から後方外側風胴部材との接続部分までの間で、直線的又は曲線的に傾斜してその形状を維持したまま縮小するように構成されており、後方外側風胴部材は、前方外側風胴部材の縮小した横断面積が、前方外側風胴部材との接続部分から風流出口までの間で、直線的又は曲線的に傾斜してその形状を維持したまま拡大するように構成されている。

上記本発明に関連する第１の実施の形態において、風車は、前方内側風胴部材と後方内側風胴部材との接続部分の近辺、すなわち、前方内側風胴部材の末端部から後方内側風胴部材の先端部までの間に設置されていればよい。後方内側風胴部材内に設置されていても良い。前方外側風胴部材の風流入口は、前方内側風胴部材と後方内側風胴部材との接続部分から後方内側風胴部材の風流出口の前までの間の所定の位置に配置されており、後方内側風胴部材の風流出口が、前方外側風胴部材と後方外側風胴部材との接続部分又はその近辺に配置されている。

上記本発明に関連する第１の実施の形態において、前方内側風胴部材の風流入口、後方内側風胴部材の風流出口、前方外側風胴部材の風流入口及び後方外側風胴部材の風流出口以外の前方内側風胴部材と後方内側風胴部材との接続部分及び前方外側風胴部材と後方外側風胴部材との接続部分の横断面は、上記したように、縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な形状であることが好ましい。なお、前方内側風胴部材と後方内側風胴部材の接続部分、すなわち風車を配置した位置の近辺の横断面は、円形状であっても良い。

上記本発明に関連する第１の実施の形態において、前方内側風胴部材と後方内側風胴部材とを、また、前方外側風胴部材と後方外側風胴部材とを一体的に構成するには、その作製方法に制限はなく、両者を一体成形して作製しても良いし、両者を別々に作製して密に接合しても良い。また、内側風胴部材と外側風胴部材とは、既知の取り付け手段により固定される。これらの風胴体の材質は、集風型風車の設置場所の環境により劣化し難い材質であることが好ましいが、特に制限はない。例えばステンレス、鉄、アルミニウム、合成樹脂等で作製すればよい。

上記本発明に関連する第１の実施の形態において、楕円形は、上記したように、扁平で横長であれば、どんな形状のものでも良く、いわゆる正楕円形状でも近似楕円形状でも良く、また、多角形も扁平で横長であれば、その形状は問わない。三角形でも、四角形でも、五角形でも、六角形でも良い。

上記本発明に関連する第１の実施の形態に係る集風型風車において、内側風胴体は、その形状がラバール管形状である。ラバール管形状を有する場合、上記したように、内側風胴体の風流入口の横断面積及び風流出口の横断面積をＳ_１とし、風車が設置されている場所の横断面積をＳ_２とした時、Ｓ_１とＳ_２との比Ａ（Ｓ_１／Ｓ_２）が１＜Ａ＜２０、好ましくは２≦Ａ＜２０の関係を満足するように構成されている。すなわち、風車が設置された場所の横断面積が風流入口及び風流出口の横断面積より大きいか又は同じであると（Ａが１以下）、また、逆に風車が設置された場所の横断面積の方があまりに小さ過ぎると（２０を超える）本発明の効果を達成できないという傾向がある。また、上記内側風胴体の風流入口の横断面積及び風流出口の横断面積は、上記本発明の第１の実施の形態の場合と同様に、同じ横断面積であっても、内側風胴体の風流入口の横断面積が内側風胴体の風流出口の横断面積より大きくても、その逆であってもよい。上記した点は、外側風胴体の場合も内側風胴体の場合と同様である。

本発明に関連する集風型風車の別の実施の形態によれば、この集風型風車は、風車が内部に設置されており、横断面積が非円形状である筒状の内側風胴体と、内側風胴体の外側に設けられ、横断面積が非円形状である筒状の外側風胴体とから一体的に構成された集風型風車である。内側風胴体は、本発明に関連する第１の実施の形態における内側風胴体と同様に構成されており、外側風胴体はこの第１の実施の形態における前方外側風部材のみからなるものである。

すなわち、内側風胴体は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持つ風流入口を有する前方内側風胴部材と、縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持つ風流出口を有する後方内側風胴部材とから一体的に構成されている。外側風胴部材は、その横断面積が風流入口から風流出口までの間で、直線的又は曲線的に傾斜してその形状を維持したまま縮小するように構成されている。

上記本発明に関連する別の実施の形態において、前方内側風胴部材は、その横断面積が風流入口から後方内側風胴部材との接続部分までの間で、直線的又は曲線的に傾斜してその形状を維持したまま縮小するように構成されており、後方内側風胴部材は、前方内側風胴部材の縮小した横断面積が、接続部分から風流出口までの間で、直線的又は曲線的に傾斜してその形状を維持したまま拡大するか又は同じ横断面積を保持するように構成されている。外側風胴体は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持つ風流入口及び縦の長さよりも横の長さの方が大きい楕円形又は多角形の非円形状の扁平な横断面を持つ風流出口を有する。外側風胴体は、その横断面積が風流入口から後方内側風胴部材の風流出口に対応する場所又はその近傍に設けた風流出口までの間で、直線的又は曲線的に傾斜してその形状を維持したまま縮小するように構成されている。

上記本発明に関連する別の実施の形態において、風車は、本発明に関連する第１の実施の形態の場合と同様に設置され、外側風胴体の風流入口もこの第１の実施の形態の場合に準じて、前方内側風胴部材と後方内側風胴部材との接続部分から後方内側風胴部材の風流出口の前までの間に配置されている。また、前方内側風胴部材と後方内側風胴部材の接続部分の形状、楕円形又は多角形の形状、前方内側風胴部材と後方内側風胴部材との一体化、内側風胴体と外側風胴体の取り付け等についても、この第１の実施の形態の場合と同様である。

以下本発明及び関連発明における実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。以下の各図面では、各部材の寸法は、説明の便宜上、各部材の縮尺を適宜変更し、模式的な構成例として示してある。

上記本発明の第１の実施の形態に係る集風型風車について、図１を参照して以下説明する。図１は、前方風胴体と風車が内部に設置されている中間風胴体と後方風胴体とから構成されている集風型風車の模式的構成例を示す斜視図である。

図１に示す集風型風車は、ラバール管型風車であり、前方風胴体１１と中間風胴体１２と後方風胴体１３とから一体的に構成され、プロペラ型風車１４が中間風胴体１２の内部の所定の場所、好ましくはその先端部に設置されている。

前方風胴体１１は、横断面の横の長さｒ_２が縦の長さｒ_１より大きい扁平な長方形形状の風流入口１１ａを有し、かつその横断面が同じ扁平な長方形形状を保持したまま、風流入口１１ａから前方風胴体１１と中間風胴体１２との接続部分１１ｂまでの間で風の流れ方向に沿って直線的（又は曲線的）に傾斜して縮小するように構成されている。接続部分１１ｂの横断面の縦の長さはｒ_１であり、横の長さはｒ_３（ｒ_１＜ｒ_３）である。風流入口１１ａの縦の長さは、風車１４が設置された中間風胴体１２の縦の長さと同じでも、それより大きくても良い。また、中間風胴体１２の縦の長さは、風車の縦径と同じでも、風車の縦径よりも大きくても良い。勿論、風車１４が回転できるような余裕を有している。

中間風胴体１２は、その縮小した横断面が同じ扁平な長方形形状を保持したまま、接続部分１１ｂから中間風胴体１２と後方風胴体１３との接続部分１２ａまでの間で、直線的若しくは曲線的に傾斜してその形状を維持したまま拡大するか、又は同じ断面積を保持するように構成されている。図１では、長方形形状がその形状のまま同じ横断面積を保持するように構成されている。中間風胴体１２は、上記したように構成されるので、風車１４の周囲、すなわち、風車１４の側面の両側及び／又は上下面に風がそのまま吹き抜ける隙間ができる。このため、風がこの隙間をそのまま吹き抜け、風車１４の背面に、吹き抜けた風の高速気流が供給され、集風された高速の風流が風車背面の速度の低下した風流を叩き出し、速度エネルギーを回復させることができる。上記中間風胴体１２はまた、後述する図４及び５に示すようにパドル型風車を設置する場合、中間風胴体１２の底面を、このパドル型風車の下方部分を適宜設置し、取り付けることができるような形状に拡大して構成しても良い。

後方風胴体１３は、扁平な長方形形状の横断面を有する中間風胴体１２との接続部分１２ａ（横の長さｒ_３＞縦の長さｒ_１）から風流出口１３ａまで、その横断面が同じ形状を保持したまま、風の流れ方向に沿って直線的に又は曲線的に傾斜して拡大するように形成されている。図１では、直線的に拡大するように形成されている。風流出口１３ａの横断面の縦の長さはｒ_１であり、横の長さはｒ_４である。縦の長さに関しては、風流入口１１ａ及び風流出口１３ａの縦の長さが中間風胴体１２の縦の長さよりも大きいか等しければ良く、横の長さに関しては、ｒ_２＞ｒ_３、ｒ_４＞ｒ_３の関係を満たせば良い。図１では、ｒ_２＝ｒ_４としてある。

上記したように、前方風胴体１１の風流入口１１ａ及び接続部分１１ｂ、中間風胴体１２の両端部（接続部分１１ｂ及び１２ａ）並びに後方風胴体１３の風流出口１３ａの横断面は、扁平な楕円形又は多角形の形状を有していれば良い。図１では、長方形として示してある。

図１に示す風流入口１１ａ、風流出口１３ａ、並びに接続部分１１ｂ及び１２ａの横断面の形状は、全て同じ形状であっても、それぞれ異なった形状であっても良い。また、その横断面の面積に関しては、上記したように、風流入口１１ａの横断面積及び風流出口１３ａの横断面積をＳ_１とし、風車が設置されている場所の横断面積をＳ_２とした時、Ｓ_１とＳ_２との比Ａ（Ｓ_１／Ｓ_２）が１＜Ａ＜２０、好ましくは２≦Ａ＜２０の関係を満足するように構成されている。すなわち、風車が設置された場所の横断面積が風流入口１１ａ及び風流出口１３ａの横断面積より大きいか又は同じであると（Ａが１以下）、また、逆に風車が設置された場所の横断面積の方があまり小さ過ぎると（２０を超える）本発明の効果を達成できないという傾向がある。また、上記前方風胴体の風流入口の横断面積及び後方風胴体の風流出口の横断面積は、上記本発明の第１の実施の形態の場合と同様に、同じ横断面積であっても、前方風胴体の風流入口の横断面積が後方風胴体の風流出口の横断面積より大きくても、その逆であってもよい。

上記本発明に関連する第１の実施の形態に係る集風型風車について、図２を参照して以下詳細に説明する。

図２は、二重構造の風胴体を有し、外側風胴体を構成する前方外側風胴部材の風流入口が、内側風胴体を構成する後方内側風胴部材の長手方向の所定の場所に配置されている集風型風車の模式的構成例を示す斜視図である。

図２に示す集風型風車は、横の長さが縦の長さより長い扁平な長方形形状の断面を有する筒状の内側風胴体２２と、内側風胴体の外側に設けた縦の長さが横の長さより長い扁平な長方形形状の断面を有する筒状の外側風胴体２３とから一体的に構成され、プロペラ型風車２１が内側風胴体２２の内部の所定の場所に設置されている。内側風胴体２２は、ラバール管形状であり、前方内側風胴部材２２ａと後方内側風胴部材２２ｂとから一体的に構成され、図２では、プロペラ型風車２１は、この後方内側風胴部材２２ｂの内部に設置されている。風車２１は、前方内側風胴部材２２ａの後端部に設置されていてもよい。外側風胴体２３は、ラバール管形状であり、前方外側風胴部材２３ａと後方外側風胴部材２３ｂとから一体的に構成されている。

前方内側風胴部材２２ａは、扁平な長方形の横断面を持つ風流入口２２ｃ（縦の長さｒ_１＜横の長さｒ_２）を有する前方内側風胴部材２２ａと、扁平な長方形形状の横断面を持つ風流出口２２ｅ（縦の長さｒ_１＜横の長さｒ_４）を有する後方内側風胴部材２２ｂとが接続部分２２ｄ（扁平な長方形形状の横断面を持つ；縦の長さｒ_１＜横の長さｒ_３）を介して固定されている。縦の長さｒ_１は、前方内側風胴部材２２ａの風流入口２２ｃ、接続部分２２ｄ、及び後方内側風胴部材２２ｂの風流出口２２ｅにおいて、同じであっても異なっていても良い。特に、接続部分２２ｄの縦の長さは風車２１の直径より大きい方が好ましい。また、横の長さｒ_２及びｒ_３は、以下のような関係を満足すればよい。
ｒ_２＞ｒ_３

前方内側風胴部材２２ａは、縦の長さｒ_１（風車２１を設置した場所の横断面の縦の長さｒ_１と同じ）及び横の長さｒ_２（風車２１を設置した場所の横断面の横の長さｒ_３よりも大きい）を有する横断面を持つ風流入口２２ｃから接続部分２２ｄまでの間で、その横断面積が、風の流れ方向に沿って直線的に傾斜してその形状を維持したまま縮小するように形成されている。後方内側風胴部材２２ｂは、接続部分２２ｄから風流出口２２ｅまでの間で、前方内側風胴部材２２ａの縮小した横断面積が同じ横断面積を保持するように形成されている（風の流れ方向に沿って直線的若しくは曲線的に傾斜してその形状を維持したまま拡大しても良い）。風流入口２２ｃ及び接続部分２２ｄの縦の長さは、風車を設置した場所の縦の長さと同じでも、それより大きくても良い。

前方外側風胴部材２３ａは、接続部分２２ｄと風流出口２２ｅとの間の外側の所定の場所に、その場所における後方内側風胴部材２２ｂの横断面の縦の長さの大きさと同じ縦の長さ：ｒ_１（又はｒ_１より大きい縦の長さ）と、後方内側風胴部材２２ｂの横断面の横の長さよりも大きい横の長さ（ｒ_５）とを有する扁平な長方形形状を持つ横断面からなる風流入口２３ｃを有する。前方外側風胴部材２３ａは、風流入口２３ｃから接続部分２３ｄ（後方内側風胴部材２２ｂの風流出口２２ｅに対応する場所又はその近傍）までの間で、その横断面積が風の流れ方向に沿って直線的（又は曲線的）に傾斜しその形状を維持したまま縮小するように構成されている。接続部分２３ｄは、縦の長さｒ_１（又はｒ_１より大きい縦の長さ）及び横の長さｒ_６を持つ扁平な長方形形状の横断面を有している。

後方外側風胴部材２３ｂは、接続部分２３ｄから風流出口２３ｅまでの間で、その横断面積が風の流れ方向に沿って直線的（又は曲線的）に傾斜してその形状を維持したまま拡大するように構成されている。図２では、接続部分２３ｄが後方内側風胴部材２２ｂの風流出口２２ｅに対応する場所に設けられるように配置されているが、その場所の近傍であってもよい。風流出口２３ｅは、縦の長さｒ_１（又はｒ_１より大きい縦の長さ）及び横の長さｒ_７を持つ扁平な長方形形状の横断面を有している。

前方内側風胴部材２２ａの風流入口２２ｃ及び接続部分２２ｄ、後方内側風胴部材２２ｂの風流出口２２ｅ、前方外側風胴部材２３ａの風流入口２３ｃ及び接続部分２３ｄ、並びに後方外側風胴部材２３ｂの風流出口２３ｅの横断面は、上記したように、楕円形状又は多角形状等の横に広がった扁平な非円形状（図２では、扁平な長方形形状を示している）である。この場合の楕円形状及び多角形状は、上記した通りである。

上記風流入口２２ｃ、接続部分２２ｄ、風流出口２２ｅ、風流入口２３ｃ、接続部分２３ｄ、風流出口２３ｅの横断面積の関係を纏めれば次のようになる。風流入口２２ｃの横断面積は接続部分２２ｄの横断面積よりも大きく、接続部分２２ｄの横断面積は風流出口２２ｅの横断面積より小さいか又は等しく、風流入口２３ｃの総横断面積（後方内側風胴部材２２ｂの横断面積を含める）は風流出口２３ｅの面積よりも小さく、また、風流入口２３ｃの実質横断面積（風流入口２３ｃの総横断面積から後方内側風胴部材２２ｂの横断面積を引いた面積）は接続部分２３ｄの実質横断面積（接続部分２３ｄの総横断面積から後方内側風胴部材２２ｂの横断面積を引いた面積）よりも大きい。

図２において、内側風胴体２２は、上記したように構成されるので、風車２１の側面の両側及び／又は上下面に風がそのまま吹き抜ける隙間ができる。このため、風がこの隙間をそのまま吹き抜け、風車２１の背面に、吹き抜けた風の高速気流が供給され、集風された高速の風流が風車背面の速度の低下した風流を叩き出し、速度エネルギーを回復させることができる。

上記各風流入口及び風流出口等の扁平な横断面の形状は、全て同じ形状であっても、それぞれ異なった形状であっても良い。また、その横断面の面積に関しては、上記したように、内側風胴体２２の場合、風流入口２２ｃの横断面積及び風流出口２２ｅ（２３ｅ）の横断面積をＳ_１とし、風車が設置されている場所（例えば、接続部分２２ｄ近傍）の横断面積をＳ_２とした時、Ｓ_１とＳ_２との比Ａ（Ｓ_１／Ｓ_２）が１＜Ａ＜２０、好ましくは２≦Ａ＜２０の関係を満足するように構成されている。すなわち、風車が設置された場所の横断面積が風流入口及び風流出口の横断面積より大きいか又は同じであると（Ａが１以下）、また、逆に風車が設置された場所の横断面積の方があまりに小さ過ぎると（２０を超える）本発明の効果を達成できないという傾向がある。Ｓ_１の大きさについては上記した通りである。

内側風胴体２２及び外側風胴体２３は、図示していない取り付け部材により固定されて取り付けられており、内側風胴体２２（後方内側風胴部材２２ｂ）の外壁と外側風胴体２３（前方外側風胴部材２３ａ）の内壁との間に風の直線流路が形成されるように構成されている。

上記図１及び２において用いたプロペラ型風車は、従来、ビルや山の上であっても、広範な風を捕捉するためにはブレードを大きくしなければならず、従って、支柱も高くしなければならなかった。巨大なプロペラには、捩れの問題、振動の問題、騒音問題などがあり、更に適格風速の問題があって、通常、２５ｍ／ｓｅｃを超える風速がある場合には停止しなければならない。こうした強度の問題に関しては、図１及び２に示した集風型風車は、高さが低いため、又設置の安定性が良いため、極めて有効であり、台風級の風速を有する風を捕捉することも可能である。

本発明で用いることができる風車としては、特に制限はない。図１及び２に示したようなプロペラ型風車の他に、例えばパドル型風車も使用できる。例えば、図３に示すような送風ダクトを設けてなるパドル型風車を設置した集風型風車も、上記プロペラ型風車の場合と同様に構成できる。

図３に示す集風型風車は、図１に示す集風型風車において、プロペラ型風車をパドル型風車１５で置き換えたものであり、その他の構成は図１の場合と同じであるので詳しい説明は省略する。

パドル型風車は、通常、例えば、一対の平板の翼部材からなる羽根の複数枚が、羽根用回転軸に対して軸対称に、かつ回転自在に取り付けられており、受風面が風を受けて回転するように構成されている。羽根の翼部材は、受風面である羽根の回転に有効な翼部材の面と受風面でない回転の抵抗になる面とを有する。取り込んだ風を効率よく風車の羽根の受風面に当て、その風力エネルギーで風車出力を生じさせるには、回転に抵抗する翼部材に対して、図３に示すように、風を遮蔽するようにすることが好ましい。このようなパドル型風車を設置した本発明の集風型風車の場合、羽根を通過した風流の減速の問題を解決するために、羽根の下方や横方の風流も取り込むことができる手段を設けることにより、この取り込まれる風流を減速した風流に接触・混合させることによって減速した風流を加速せしめ、風車出力を高めるようにする。この時、本流も新たな支流も風流の取り入れ口でまず風流を絞り、加速し、次に排出口を拡大するように構成して全体としてラバール管形状を取るようにする。

図３に示す集風型風車の変形例である図４及び５に示す集風型風車は、図１に示す集風型風車において、プロペラ型風車をパドル型風車１６で置き換えたものであり、その他の構成は図１の構成と実質的に同じであるので、パドル型風車１６の設置態様以外の詳しい説明は省略する。

図４及び５に示す集風型風車は、パドル型風車１６を設置した集風型風車であり、パドル型風車１６の複数枚の羽根の翼部材１７の受風面が、中間風胴体１２内を流れる風を効率よく受風できるように中間風胴体内に設置され、取り付けられている。図４及び５では、図３に示すようなパドル型風車１５の全体を中間風胴体１２内に設置して取り付けた集風型風車と異なり、パドル型風車１６の上方部分（翼部材１７の枚数の半分程度）が、中間風胴体１２内を流れる風の流路内に設置され、パドル型風車１６の下方部分（翼部材１７の枚数の残り半分程度）が、中間風胴体の底面に設けた開口部内に設置され、取り付けられるように構成されている。この場合、上方部分及び下方部分の割合は任意で良く、パドル型風車の羽根の受風面に風が効率よく当たるように配置されていれば良い。図４及び５に示す集風型風車は、全体としてラバール管形状を取るように構成されているので、上記したように、パドル型風車１６の翼部材１７を通過した風流の減速の問題が解決され、むしろ加速され、風車出力を高めることができる。

なお、上記本発明の集風型風車は載置台に乗せて使用されるが、その風流入口を風の吹いてくる方向に向けるために、載置台を回転自在にすることが好ましい。なお、この載置台については、例えば、図５に示すような台としても良い。

本実施例では、本発明の集風型風車と通常のプロペラ型風車とを比較した。

１枚の羽根の長さが１０ｍ（半径）の回転面を持つプロペラ型風車の回転面積をＡ_１（３１４ｍ^２）、その回転面に当たる風の速度をＶ、空気密度をα、この風車を通過する風力エネルギー（運動エネルギー）をＳ_１とすると、次の式が成り立つ。

[数１]
Ｓ_１＝（１／２）・αＡ_１Ｖ^３＝（３１４／２）αＶ^３

上記において羽根の長さ（半径）を半分（５ｍ）にした場合、その回転面積Ａ_２＝（１／４）・Ａ_１＝３１４／４ｍ^２＝７８．５ｍ^２となる。このプロペラ型風車を使用した図１に示す集風型風車を想定する。

風流入口の横断面積をＡ_１（３１４ｍ^２）とし、風流入口を長方形形状とし、その縦の長さｒ_１＝１０ｍ（羽根が回転できるように若干余裕をもたせる）とすると、横の長さｒ_２＝３１４／１０＝３１．４ｍとなる。この集風型風車の前方風胴体を、その風流入口の形状を維持したまま絞り、プロペラ型風車の設置された位置での横断面積Ｂを風流入口の横断面積の半分（１／２）・Ａ_１＝１５７ｍ^２にすると、この横の長さは１／２・ｒ_２＝１５．７ｍとなる。この面を通過する風速（２Ｖ）と風力エネルギーＳ_２との関係は以下のようになる。

[数２]
Ｓ_２＝（１／２）・αＡ_２・（２Ｖ）^３＝αＡ_１Ｖ^３＝３１４αＶ^３

従って、羽根の半径を半分にし、回転面積を１／４にしても、風力エネルギーは２倍となるのである。従って、元の風車と同じ風力エネルギーを得る場合は、回転面積を１／８にまで下げられる。この時の羽根の半径Ｒ_１は、３１４／８＝３．１４Ｒ_１ ^２となり、従って、Ｒ_１＝３．５４ｍとなる。つまり、集風型風車では、回転半径だけでも１／３程度に小型化できる。

さらに、前方風胴体の風流入口からプロペラ型風車位置までの絞りを１／４にすると、風速は４倍となる。従って、風力エネルギー密度は６４倍となるので、風車の回転面積は１／６４で良い。そうなると、プロペラ型風車の回転半径Ｒ_２は、３１４／６４＝３．１４Ｒ_２ ^２となり、従って、Ｒ_２＝１．２５ｍとなる。つまり、１／８の高さまで小型化できる。

しかも、この時のプロペラ型風車位置での横断面積は、１／４・Ａ_１であるから、これは回転面積の１６倍である。従って、風車外（風車外周）の空隙（隙間）は風車面積の１５倍となり、風車を通らずに風車背面に通り抜ける風流も風車通過風量の１５倍となる。従って、風車背面での流速低下と背圧増加とを打ち消すのに充分な風量が確保可能となる。

ラバール管では絞り部分でベルヌーイの定理に従い、流速が増し、圧力が低下するが、それは流れが連続な流管においてである。だが、風車を設置すれば、そこでエネルギーを失い、連続性が損なわれる。そこで、その連続性をできるだけ維持し、理想状態に近づけるためには、風車背面における流速低下と圧力増大とを減らすべく、背面流を加速する必要がある。そのためには、風車通過流管の外側でこの風流に接する高速風流による摩擦・混合により加速すればよい。それには外側高速風流は多ければ多いほどよい。

以上から、本発明の集風型風車は、絞りを大きくすることにより、小型化できると共に、風車の側面側の両側、場合によっては風車の上面・下面側の空隙率が大きくなり、外部風量が増大して、吹き抜けた高速の風流が風車背面の速度の低下した風流を叩き出し速度エネルギーを回復させるという極めて顕著な効果を奏する。この場合、上記したように、絞りの比率Ａは１＜Ａ＜２０という制限条件がある。この範囲内で最適条件を見つけて、適宜設計すればよい。

本実施例では、図１に示すようなラバール管型の集風型風車及び図２に示すような内側風胴体及び外側風胴体からなる二重型風胴体を有する集風型風車を、山の上のビルの屋上に設置し、自然通風で風車を作動させ、その発電機負荷を電圧計で測定し、プロペラ型風車単独の場合との発電機負荷を比較した。

風車としては、図１の場合も図２の場合も、プロペラ型風車単独の場合も、自然の風社製の小型（直径１５０ｍｍ）の風力発電機用風車（商品名：ＳＷ−１１４）を用いた。この風車の風車面積（風受け面積）は、７．５ｃｍ×７．５ｃｍ×３．１４ｃｍ≒１７７ｃｍ^２であった。

また、図１に示すような中央に風車を設置するラバール管様の集風型風車においては、風車１４は、ラバール管の中央部のくびれ部分である中間風胴体１２の内部の先端部に設置した。風車１４の前面の前方風胴体１１の風流入口１１ａの横断面は、風車の直径と同じ１５０ｍｍ（勿論、風車が回転できるように若干の余裕を持たせる）の縦の長さｒ_１を有し、横断面積が風車面積の４倍になるように設定した横の長さｒ_２（ｒ_２＝４７０ｍｍ）を有し、その横断面積がこの風流入口１１ａから中間風胴体１２との接続部分１１ｂまでの間で、風の流れ方向に沿って直線的に傾斜してその形状を維持したまま縮小するように形成してある。接続部分１１ｂの横断面は、風車の直径と同じ１５０ｍｍの縦の長さｒ_１（勿論、風車が回転できるように若干の余裕を持たせる）、風車面積の２倍になるように設定した横の長さｒ_３（２３５ｍｍ）を有するように構成した。１１ａの横断面積＝４７ｃｍ×１５ｃｍ＝７０５ｃｍ^２であり、１１ｂの横断面積＝２３．５ｃｍ×１５ｃｍ＝３５３ｃｍ^２であった。

中間風胴体１２では、その内部の先端部分に風車が設置されており、後方風胴体１３との接続部分１２ａは、前方風胴体１１との接続部分１１ｂと同じ横断面積を有するように形成されている。

後方風胴体１３は、中間風胴体１２との接続部分１２ａから風流出口１３ａまでの間で、風の流れ方向に沿って直線的に傾斜してその形状を維持したまま拡大するように形成されている。風流出口１３ａの断面は、風車の直径と同じ１５０ｍｍの縦の長さｒ_１、横断面積が風車面積の４倍になるように設定した横の長さｒ_４（ｒ_４＝４７０ｍｍ）を有するように構成した。

以上のように構成することにより、風車１４の両側面に設けられた間隙に高速風の流れが通過する通路ができ、また、接続部分１１ｂの縦の長さｒ_１が風車１４の直径よりも大きい場合には、風車１４の両側面及び上下面に設けられた間隙に高速流の流れが通過する通路ができ、この高速風の流れが風車を通過してくる風車背面の低速化した風の流れを直接風流出口１３ａへ向かって押し出すことが可能となる。

図２の集風型風車において、風流入口２２ｃの横断面は、横の長さが縦の長さよりも大きい扁平な長方形形状であり、縦の長さｒ_１を風車の直径＝１５０ｍｍとほぼ同じとし、横断面積が風車面積の２倍（３５４ｃｍ^２）になるように設定した横の長さｒ_２を有し、その横断面が風流入口２２ｃから接続部分２２ｄまでの間で、風の流れ方向に沿って直線的に傾斜してその形状を維持したまま縮小するように形成されている。後方内側風胴部材２２ｂは、風の流れ方向に沿って、風流出口２２ｅまで、接続部分２２ｄの横断面積と同じ横断面積を保持するように形成されている。

前方外側風胴部材２３ａの風流入口２３ｃの断面は、前方内側風胴部材の風流入口２２ｃの場合と同様に、扁平な長方形形状である(縦の長さｒ_１＜横の長さｒ_５)。風流入口２３ｃの横断面に関しては、縦の長さｒ_１を風車の直径＝１５０ｍｍと同じとし、横の長さｒ_５をその実質横断面積（風流入口２３ｃの総横断面積から後方内側風胴部材２２ｂの横断面積を引いた面積）が風車面積の２倍（３５４ｃｍ^２）になるように設定した。この横断面積が、風流入口２３ｃから、前方外側風胴部材２３ａと後方外側風胴部材２３ｂとの接続部分２３ｄまでの間で、風の流れ方向に沿って直線的に傾斜してその形状を維持したまま縮小するように形成されている。この接続部分２３ｄの実質横断面積（接続部分２３ｄの総横断面積から後方内側風胴部材２２ｂの横断面積を引いた面積）を、風の流れ方向に沿って、風流入口２３ｃの実質横断面積の半分に絞るように設定した。次いで、接続部分２３ｄに接続した後方外側風胴部材２３ｂの横断面は、風の流れ方向に沿って、その風流出口２３ｅへ向かって直線的に傾斜してその形状を維持したまま拡大するように形成した。外側風胴体２３は、ラバール管様形状を有している。上記の場合、風流入口２３ｃの総横断面積（後方内側風胴部材２２ｂの総横断面積を含める）は風流出口２３ｅの面積よりも小さく、また、風流入口２３ｃの実質横断面積は接続部分２３ｄの実質横断面積（接続部分２３ｄの総横断面積から後方内側風胴部材２２ｂの横断面積を引いた面積）よりも大きい。

以上のように構成した２種の集風型風車及び対照のプロペラ型風車単独を用い、種々の風速にて発電実験を実施した。電圧計で測定した出力電圧（Ｖ）と風速（ｍ／ｓ）との関係を以下の表１に示す。

表１から明らかなように、風胴体の風流入口及び風流出口の横断面が扁平な長方形形状である本発明の集風型風車は、プロペラ型風車単独の場合に比べて極めて高い出力電圧を得ることができることが分かる。

本実施例では、内側風胴体の風流入口の横断面積及び風流出口の横断面積をＳ_１とし、風車が設置されている位置における断面積をＳ_２とした場合、Ａ＝Ｓ_１／Ｓ_２＝２として行ったが、Ａを２０未満とした場合、すなわちＡ＝１５、１０、５とした場合も、上記実施例の場合と同様な結果が得られた。

本発明の集風型風車によれば、高い発電電圧を得ることができるので、高い風力エネルギーを必要とする技術分野、例えば風力発電等の分野で利用可能である。

１１ 前方風胴体 １１ａ 風流入口
１１ｂ 接続部分 １２ 中間風胴体
１２ａ 接続部分 １３ 後方風胴体
１３ａ 風流出口 １４ （プロペラ型）風車
１５ パドル型風車 １６ パドル型風車
１７ 翼部材 ２１ （プロペラ型）風車
２２ 内側風胴体 ２２ａ 前方内側風胴部材
２２ｂ 後方内側風胴部材 ２２ｃ 風流入口
２２ｄ 接続部分 ２２ｅ 風流出口
２３ 外側風胴体 ２３ａ 前方外側風胴部材
２３ｂ 後方外側風胴部材 ２３ｃ 風流入口
２３ｄ 接続部分 ２３ｅ 風流出口
ｒ_１ 縦の長さ ｒ_２〜ｒ_７ 横の長さ

Claims (1)

1. 前方風胴体と、風車が内部に設置されている中間風胴体と、後方風胴体とから一体的に構成された集風型風車であって、前記前方風胴体は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい扁平な横断面を持つ風流入口を有し、かつその横断面積が前記風流入口から前記中間風胴体との接続部分までの間で縮小するように構成されており、前記中間風胴体は、前記前方風胴体の縮小した横断面積が、前記後方風胴体との接続部分までの間で拡大するか又は同じ横断面積を保持するように構成されており、そして前記後方風胴体は、縦の長さよりも横の長さの方が大きい扁平な横断面を持つ風流出口を有し、かつその横断面積が前記中間風胴体との接続部分から前記風流出口までの間で拡大するように構成されていることを特徴とする集風型風車。
   

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