JP2017072055A - 小型流体発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転する物が高速で在れば在る程回転体の精密な出来が要求され、その精度の差が、振動、騒音、その現象に伴う機器自体の寿命にも大きく影響をもたらす。
【解決手段】最初の高速、高回転を次の事象に移る時点でバランスが採れる状態にする事で、その後の事象に対して、低速、低回転にもっていく事で前述事項の解決を図って、尚且つ、長寿命も気体出来る。小型になればなるほどトルク不足で、風車発電や、小さい流れでの発電を可能にする技術で、流れを受ける翼を、有効で無い方向に際しての角度を変え、逆らわない方向に逃がす事に依って、エネルギーの多くを得て、尚且つ高トルク化を図り、発電可動とするものです。
【選択図】図１

Description

小型の流体利用での発電に於いて、一般に、プロペラ式やスクリュウ式で行う時、回転力を得るには、翼の面に架かるベクトル的な力は、瞬間瞬間のどの時点に於いても、単位面積当たりの力は、１よりも相当に小さく、どうしても、半径の大きさが相当に大きく為らざるを得ない。

極小型の水力発電に於いては、スクリュウ式は可能であるが、流速の相当の大きさが求められる、その立地性に頼よわざるを得ない。

現在行われている補助金制度に依る種々の発電方式では、コストの相当部分を補助金に頼り、個々の力だけではパホーマンス的に賄い切れない状態である。

本発明に依る形式では、流体、主に水や空気であるが、その流速に依る力を、出来るだけ受ける面に垂直に架かる様に、形状や、角度、位置、翼の動き等の組み合わせを考慮して、陸屋根の上にも発電が可能な、それも多数の小型発電が設置出来る様なものが出来ればと思います。

以前、農村地帯によく見られた水車の原理を、大気中や、水中でも効率よく利用出来ればと思い考えたものです。

現在、多く見られるものは、大気中ではプロペラ式、水中ではスクリュウ式が殆ど全てと言っていいような状態で、水車タイプの物は見かけません。

本発明に於いては、その水車タイプの物を風力発電や、水力発電に利用しようと思い、此処に書き述べた次第です。

小型で屋上にでも設置可能な発電装置で、数多く並べて使用も可能な物にする。

現在よく見かけるのが、巨大なポール状の塔の上に巨大なプロペラを取り付けた物で、個々の家庭や、個人の方々が簡単に設置できる物ではありません。

上記の様な発電装置に於いては、近隣の方々へ非常な迷惑状態になっているのが現状で、特に大きなうなり音問題がよく耳にします。

このプロペラ式の装置の後方近くでは、前方からの流体の過流現象が影響して同じ発電装置が働きにくく利用に支障を来たす事となります。

また、今でも時々耳にするのが、強風時に崩壊して倒れる物や、羽が落ちて来る物が有るようです。

現在よく見かけるプロペラ式の物では、小規模の装置が難しく、一般の家庭や、中小零細企業が、個々に設置出来るような小型の発電装置で、水車を、大気中では水平に、水中では垂直も水平も両方ありです。

この装置は、比較的小型、軽量なもので、屋上でも、多くの装置を設置する事が出来る物です。

装置に流体物が作用しても、回転体で有るために、逆方向の場面では力が逆の作用をしてしまい、効率が悪く為ってしまいます。

上記のロスを減らすように、逆向きの状態時に回転翼が作用する抵抗力を小さくする様な装置を用いて、より効果が発揮出来る様に工夫する必要があります。

小型になる程トルクが小さく、それの回避の為に、回転数を下げてその分トルクを上げ、比較的弱い流れにも、対応しようとする必要がある。

流体物の作用物件の後方に於いては、渦流に依って、利用の妨げに為る事が多いですが、その渦流現象を小さくし、効率良くする工夫が必要になる。

何よりも装置が働くとき、流れが速くなる程、大きなうなり音が問題になっていることです。

ビルの屋上等で、緑化をする時、灌木や草花にしておけば、緑化と風力発電とが共存出来る様な、其れも数多くの風車発電ができれば良いのではないでしょうか。

本発明が、一番に狙うのが、流れと逆向きに動く回転子翼が、流れに抗して生じるロスを小さくするもので、同時に音も小さくなる。

小さな回転翼でも、その回転数を下げる事で、トルクを大きくし、発電に有効な力が得られる。

狭い場所に密集する様な状態で使用しても、流体の流れを乱す様な現象が生じ難いので、密集状態でも有効な利用が可能になる。

二重リングの、外周枠と、中間枠の間に回転翼を設置し、必要な状態の時にそれを、流れに逆らわない様に回転させて素直に逃がす様にする。

回転翼の取り付け枠に於いて、骨組み材の内、水平方向に使用する分には、角材については水平に対して４５°傾けた菱形形状に、又は楕円状のパイプを、内方向に圧縮する様な力の加わらない箇所に於いては板状の部材を使用する事で、流体の抵抗を減らす事が出来る。

前項の具体的な形として、枠の外周リングと中間リングの吊り下げ構造において、三角形をなす上辺部は板材を使用し、下辺部材に付いては菱形又は楕円部材を使用する。

回転翼は、外周側は大きく、内周側は小さくして、回転翼の振れを抑えるダンパーの組み入れる余地を確保する為にしておく。

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回転中心軸から放射状に配置された翼支持枠の上下にある、三角形をなす支持棧上方薄棧の形状を回転進行方向に向かって斜め上方に設置しておく事で、浮力が生じ、翼や支持枠自体の重量負担を軽減する。

回転翼を支えるバンパーパイプの頭部と尾部双方上死点手前、取り付け時下方側にダンパー用の穴の形状がパイプ面より外側にせり出した形になる様に設え、取り付け後の雨水の
浸入を防止する様にしておく。

回転翼組支持枠と回転軸の一体化した回転翼体を挿入し支持する中空パイプとの間には、コロ軸受け（ベアリング）を上下二ヶ所に、挿入口にはスラスト型円錐コロ軸受け（ベアリング）を雨水の浸入を防止する屋根を装置して、回転翼体の平滑で静粛な回転を支え、長期安定した運転を期待する。

プレス化工した翼頭部のジョイント取り付け部に補強用の板を接着（溶接も）して置くか、取り付ける可動パイプ材と一体化した物にして軽量化し（翼材自体を薄く出来る）、長期の使用にも耐え得る物にしておく。

中心軸又は内リング位置に有る２柱間、もしくは３柱間前の、中間支持柱の上及び下端近くにジョイント取り付け用部材を設置しておき、可動翼尾部との間にジョイントを両端に配置したエアーバンパーを取り付け、可動翼頭部とのジョイント群と相まって翼のスムーズな開閉を助け、動作の静粛性を助ける事に依って全体の長寿化を図る。

可変翼頭部取り付けの可動支柱パイプ内上下部分に、グリスタンク内蔵のベアリング設けて置き、翼枠の外リング支柱をこの支柱パイプを通し、風雨から防御する。

上記回転翼体が小型で有るため、そのトルクを補う為に、回転軸に直結した２連式の減速器を通して発電機軸に伝え、減速量に反比例した形での高トルクを得る事で、小型でも大きなトルクに依る発電が可能になる。

可動翼尾部に取り付けるシャフトは、伸縮出来る構造で、伸の終端及び縮の終端部に近づく直前に速度を和らげるダンパーの役目をする構造のシャフトにして置き、関係部材の破損防止と、衝撃音とを小さくし、寿命にも優れた物にして置く。

上記、伸縮シャフトは、可動翼の大きさの比率に応じて、１ 中心軸型（中心〜中間軸間をｒとした時、中間軸〜外軸間は１ｒ）、２ 二中間軸型（中心〜中間軸間をｒの時、中間軸〜外軸間は１．４ｒ以内）、３ 三中間軸型（中間軸〜外軸間は１．８４ｒ以内）の三つに分類し、伸縮シャフト最大長は （１）中心軸から中間軸間の長さ、（２）中間軸２スパン長に、（３）中間軸３スパン長に、各々その取り付け箇所を異にする。

伸縮シャフトが可動翼の尾端を外軸以内に留める事に依って、最風下以降になった時に翼の角度が進行方向の力に働く様にさせる。

多重同軸減速機に依る減速に依って、高トルクが得られ、発電可能な状態になる。

流体に因って得られるエネルギーを出来得る限り獲得し、受ける力が逆になる場合には受け流す事に依って、エネルギーの無駄を減らし、騒音や、抵抗も減らす事が出来る。

小さな力を大きなトルクの得られる形にする事に依って、色々な状態の場所で利用可能な形になり、ビルの谷間の小さな家屋の上でも発電が可能になり、屋上緑化と併用も可となる。

今迄捨てられていた小さなエネルギーも、無駄なく利用可能になる事で、再生可能エネルギーとしても太陽光発電システムとも併用する事で、全天候的な方策も可となる。

発電機構造上面図、側面図 伸縮棒の取り付け位置図１、中心軸型、中心〜中間円＝1ｒ、伸縮棒＝Ｌ1、中心〜外周円＝Ｒ1、Ｌ1≦１ｒ、Ｒ1≦（1+１）ｒ 伸縮棒の取り付け位置図２、中間軸２型、伸縮棒＝Ｌ２、中心〜外周円＝Ｒ２、Ｌ２≦１．４ｒ、Ｒ２≦（１＋１．４）ｒ＝２．４ｒ 伸縮棒の取り付け位置図３、中間軸３型、伸縮棒＝Ｌ３、中心〜外周円＝Ｒ３、Ｌ３≦１．８４ｒ、Ｒ３≦（１＋１．８４）ｒ＝２．８４ｒ、 可動翼、伸縮シャフト取り付け状態図と詳細図、可動翼は頭部を中空パイプに溶着して置き、そのパイプ内にベアリングを内蔵させて置く。各部品類に上位置になる場合には、全てに於いて覆い被さる様４にする。 可動翼単体図 固定支持軸と回転中心軸の上下間に全回転体を支えるストラスタイプのベアリングを、固定支持軸と回転中心軸との左右、ラジアル方向に対しては、ラジアルタイプのベアリングを取り付ける。 伸縮棒詳細図、この棒は、ダンパーの役目をする物で、ピストン棒を囲うパイプの両端から少し中心よりの処に、ダンパーの働きをさせる空気穴を設け、穴の先端は取り付け時に下方になる様にし、先端自体を突出させて置く。 小型発電機の基本設置例。 小型発電機の過密設置例。 密集設置例の側面図

本発明は、流体の自然の動きを妨げる事無く（少なく）作動させるもので、建物の屋上部に密集して設置する事が出来、特に問題になる様な事案物で無く、あらゆる箇所で抵抗になる事を減らす事で比較的に小さな力を有効に利用する事であり、その回転数を落とす事に依って、トルクを稼ぎ、発電にも向く様にした物である。

本発明は、その接地面上に他に特に利用しない場合、回転翼体を、その上下位置を設置隣接する物と重なり合う様に異にすれば、より一層の密集度合を上げる事が出来る。

本装置の設置する面上に、屋上緑化に伴う芝等の植えこみが在っても良し、太陽光発電システム（陰影にも強い物が在る）が在っても良し、と云う事で、其々の条件に依って密にも、疎にも設置設計が自在に出来る。

上記３項は屋上設置について述べたものであるが、此れからも解る様に、必ずしも地上面に直接設置しなくても良く、余り強い太陽光の要らない作物畑の上にも、その作業機器等の支障のない範囲であれば利用可である。

乾燥地帯に於いても、本体上面を穴開きステンレス板等で直射日光を遮蔽し、大規模にすれば、地表面の温度上昇も避けられ、従って上昇気流も起こり難く、砂塵の舞い上がりも起こり難くなり、これ等の接地区域と植樹区域、場合に依っては太陽光発電も併用して設置すれば、その地域独特の風向きに従って、風上側から順に温和な気候帯に、少しずつではあるが、改善されて行くのではないでしょうか。

１−０可動翼単体、 １−１可動翼頭部円筒部。
２−０エアーダンパー外筒、 ２−１エアーダンパー外筒ダンプ孔、 ２−２ユニバーサルジョイント、 ２−３ダンパーピストンシャフト
３回転体外周円部材上下（平板）
４回転体中間円部材上下（平板）
５回転中心軸
６回転外周縦桟円柱
７回転中間縦桟円柱
８回転ラジアル三角桟上部材上下（平板）
９回転ラジアル三角桟下部材上下（楕円又は菱形）
１０可動翼頭部内蔵ベアリング上下
１１固定支持円柱
１２多重型減速機、
１３発電機本体

Claims (8)

1. 可動翼の尾部の辺長を翼頭部より小さくし、伸縮シャフトの稼働する余地を設ける。
2. 可動翼頭部をパイプと一体化し、翼の強化と回転部パイプに内蔵されたベアリング等に雨水の侵入を防ぐ事を目的とし、同時に翼の滑らかな動きを助ける。
3. 可動翼尾部と伸縮シャフトとの取り付け部は、ベアリングやユニバーサルジョイント等を噛まし、傾斜した伸縮シャフトの動作を妨げ無い様にする。（流体が空気の時に有効）
4. 可動翼頭部の取り付けには、上部三角桟の固定外軸に被さる様な傘状の板を挿入し、下部三角桟との間に挟み込む様に取り付ける事に依って雨水の侵入に依る腐食から守る。
5. 上下三角桟それぞれの上方部材は平板状にして、その進行方向に向かって少し上向きになる様に加工して、回転時に浮力が生じる様にし、三角桟其々の下部材は、抵抗を減らす目的で、菱形又は楕円部材を充てる。
6. 可動翼尾部に接続された伸縮シャフトの他端は、翼の長さ形態に依って、１（図２）中心軸〜中間円の間、２（図３）中間軸２スパン前方軸上に、３（図４）中間軸３スパン前方軸上に、各々ジョイントを介して取り付け、翼自体の上下の傾きと、伸縮シャフトの傾斜とで、他の翼やシャフト等とお互いに邪魔にならない様にして置く。
7. 中央回転軸下部に同軸減速装置２段を発電機との間に装置し、可動翼の回転を下げる事に依って、発電に必要なトルクの上昇を図る。
8. 伸縮シャフト外側ダンパー用パイプの上下死点手前に、取り付け時下方になる位置に、雨水侵入防止の為、穴の縁が下方に伸びた状態にして置き、シャフト端と外側パイプ間にピストンを設け、先の上下死点手前の穴とピストンとでエアー式ダンパーの働きを持たす。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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