JP3164446U - 発電効率の良好ならせんループ状の風車翼構造 - Google Patents

Abstract

【課題】らせんループ翼の導入により、騒音が少なく、高トルク性の発現による発電効率の向上、しかも耐久性のある小型風車を提供する。【解決手段】低落差、低水量での発電が可能ならせん水車を参考にして、らせん水車のような一定のピッチ角を有する翼をループ状にして、風を面で受けて回転させることで騒音低減を図る。又、らせん翼をループ状に加工して、軸に取付けて、高トルク性を実現し、発電効率を向上させた。【選択図】図３

Description

本考案は、風車の翼構造に関するものであり、らせん構造におけるピッチとピッチ角で規定できる構造を一部保有するらせんループ翼の風車翼構造に関する。

多様な構造の風車翼が研究開発されている。実用化しているものでは、プロペラ型風車が多いものの、クロスフロー型、サポニウス型、ダリウス型、直線翼垂直軸型、リボン型、ループウイング型等が競合している。

一方、水車については、大型のダムからの落差を利用して、ランナーと呼ばれる羽根車に水圧を作用させるフランシス水車が、７０％をしめているもののその建設は限界に来ている。風車にも使用されているクロスフロー水車、少ない水流量でノズルから強い勢いで水を噴き出させて発電できるペルトン水車、流量は多いが落差の少ない発電所ではプロペラ水車も稼動している。しかし、水をせき止めて発電するやり方に限界が来つつある。

すなわち、大型ダムの発電技術から落差の少ない未開発の包蔵水量の活用へと移行しつつあり、水中ポンプ型水車、開放周流型水車、らせん水車等が見直されてきた。中小河川や渓谷での発電技術が、山間部やリゾート地への供給の観点から必要となりつつある。このような背景から、先行している水力発電技術の中からヒントを得て風力発電へ応用すべきであると考えた。とくに、１９４５年まで、富山県の農業で重宝されていた低落差、低水量で効率の良いらせん水車に注目した。

公報テキスト検索により公開特許公報と公開実用新案公報を検索した。らせん翼風車及びループ翼風車を検索キーワードとして、公報全文での検索をしたが、先行の特許技術はなかった。検索項目を要約と請求の範囲について検索しても同様であった。

らせんの概念は、色々のネジやばねの形状、またはサン・パトリツィオの井戸の二重らせん階段で理解できる。近年ではＤＮＡ分子の化学構造が、二重らせん状の立体構造であることが解明され、よく知られる所となった。しかし、らせん構造の概念を導入した風車は見当たらない。

一般に、らせん構造は、らせん階段で見られるように、１らせんピッチ、２ピッチ角、３らせん半径で決定できる。ここで云うピッチ角とは、らせんで形成される円柱表面で、曲線と円柱軸とのなす角を云う。ばね構造の場合に、円柱表面でらせんが上昇しているリード角で表現することがあるが、本考案では、前者を採用する。すなわち、らせんで形成される円柱の断面を、Ｘ軸とＹ軸として、円柱の軸をＺ軸とする。らせん状の羽根の先端の曲線とＺ軸の角度をピッチ角とした（非特許文献１）。

らせん水車については、２００５年ごろより大学での研究が多くなり、低落差での発電に適していることが明らかになってきた（非特許文献２）。水量としては、１秒間に、０．０８立方メートル、落差２ｍ以下での発電効率の向上が期待されている。出力Ｐは、下記の式で計算されている。
Ｐ＝２πＴｎ／６０
ここで、Ｔは軸トルク（ｋｇｆ・ｍ）、ｎは軸回転数（ｒｐｍ）である。トルクはトルクメーターで測定している（非特許文献３、非特許文献４）。これらの先行技術から水と風を流体としてとらえ、らせん構造は水力発電だけでなく、風力発電の翼にも応用できると考えた。

つぎに、ループの定義について記載する。風車のダリウス型、リボン型、ウィングループ型等に見られるように、湾曲した羽根の両端が回転軸に固定されたものと定義する。プロペラのように、羽根を突き出した構造や、クロスフロー型、直線翼垂直軸風車のように、垂直に並べた構造とは、全く異なっている。らせんループ翼では、ピッチ角の移動分だけ翼を回転軸上で移動させ、前後に取付ける構造を採らざるを得ない。

インターネット時代の数学 シリーズ７ 共立出版 ２０００年 らせん水車で水力発電、現代農業１月号、２６０頁 ２００６年 富山県立大学 研究論文集及び地域連携センター、研究紹介Ｎｏ．２５、２００７年 第５回 名古屋大学技術研修会 ピコ水力発電システム用らせん水車 ２０１０年３月１０日

これまでの風車の課題は、１騒音の発生防止、２発電効率の向上、３翼の耐久性向上であった。住宅地での設置において、翼が風を切る音の発生は、近隣からのクレイムにつながっている例がある。そこで、騒音レベルの低下を、第一の課題とした。また、低風速での自己起動性により、低風速での発電効率の向上が、第二の課題である。さらに、強風時の羽根の振動による翼の破損防止が第三の課題である。

本考案のらせんループ翼構造とは、これまでの風車の羽の構造とは、全く異なるものである。ループ翼の一部に、らせん翼構造の１らせんピッチと２ピッチ角構造を付与し、風車の回転軸からループ状の翼の先端までの距離が、らせん半径となることで構造が決定され、特定構造の採用によって課題解決を図る。

本考案者は、水車で成功しているらせん構造の羽根を採用し、巨大化しがちならせん構造を、一定のピッチ角とピッチ長を持ったループ翼とすることで解決した。らせん翼を狭幅とした時には、回転軸への取り付けに、二つの方法がある。一つは、回転軸方向から見て、狭幅の翼が一面のみを見せるように取付ける方法であり、他の一つは、らせん角の回転により裏表が逆転する取付け方である。本考案では、どちらも採用できる。

発電効率を向上させる手段として、らせんを二重から四重らせんとして、翼の数を多くするのも一つの手段である。さらに、水量や落差によって、ピッチ角を適宜選択して効率を向上させる。

本考案によって、らせん翼の先端で風を受けるのではなく、翼のらせん面で風を受ける構造となり、効果の第一は、騒音の発生が解決し、団地の住宅のベランダへの取付けが可能になった。また、らせん翼の効果として、回転の力としの軸の高トルクが実現する。したがって、低風速で自己回転ができ、軸トルクの向上が発電効率を上げることにつながった。さらに、翼の両端が回転軸で固定される効果として、強風時の振動や翼の破損が起こり難い構造となった。

らせんループ翼構造を回転軸方向から見た模式図 翼の断面の模式図 Ａ−Ｂ断面とＣ−Ｄ断面の模式図 狭幅のらせんループ翼の回転軸方向からの投影模式図 狭幅のらせんループ翼を反転させて、回転軸に取付けたらせんループ翼 面積の広い三枚翼の風車の二連結の模式図

ＪＩＳ記号呼称のＡ５０５２、Ａ２０１７、Ａ７０７５等のアルミニウム合金で、らせんループ翼を製造する。これらの合金は、軽量で、純アルミニウムより数倍から１０倍の引張り強さと耐力を持つマグネシウム、銅、亜鉛等の合金である。比重もスチールの７．９に比較すると、２．６８程度であり、強くて軽量な金属翼となる。中型の風力発電には、Ａ２０１７を使用するが、小型の風車では、合金呼称Ａ５０５２でよい。風車の大きさや設置場所により、アルミニウム合金の選択を決定する。

翼の断面は、図２に示すように、矩形で良く、アスペクト比は、狭幅と広幅で異なるが、２０から５０程度を目標に設計する。水車の事例に見られるように、翼の長さ方向に溝を加工する場合や少し湾曲させることがあってもよい。また、取付け部分や、図４の反転翼では、翼の一部で、らせんのピッチ角は維持できないが、回転の高トルク性は維持され、発電力を大きく低下させることはない。

らせん構造のピッチ角としては、発電効率の点から、４０度から８０度がよい。また、らせん構造が、二重らせん、三重らせん、四重らせんの中から風車の回転性を考慮して適宜選択して決定するのが好ましい。出力の点から図５のように、二連結の風車も製作でき発電力が安定する。

図３により説明する。図３の５は、ローター直径１２０ｃｍの風車の翼の一つである。軽量で加工性の良い合金呼称のＪＩＳ記号Ａ５０５２のマグネシウム含有の合金を加工して、翼を製造した。冷間加工と安定化加工によりピッチ角６０度で加工して、引張り強さ２４０Ｎ／ｍｍ^２、ビッカース硬さ８２の翼となった。回転軸への取付け部分は、前ハブの取付けとピッチ角分だけ後へずれた所で、後ハブへの取付けを行い、他の２翼と共に、図３のように、３枚翼を固定してある。４ｍ／秒の風速で、定額出力４００Ｗの騒音の少ない発電効率の良いらせんループ翼風車を完成させた。

住宅地での風車発電が普及すれば、屋根の太陽光発電、小川のマイクロ水車発電とのハイブリッド化につながり、コンバータやパワーコントローラ、さらに系統連系装置のニーズが発生し、家庭でのスマートグリッド化へと進むことが予測される。さらに、中小企業の工場への普及となれば、エコロジー関連の企業を支える部品産業の活性化につながる。

１ 風車の回転軸の模式図
２ 翼の１枚の模式図
３ らせん翼の厚みの模式図
４ 図１の翼のＡ−Ｂ及びＣ−Ｄの断面模式図
５ 一定のピッチ角を有するらせんループ構造の模式図
６ 回転軸上で反転しているらせんループ翼の模式図
７ ２連結した後側の翼の一枚の模式図

Claims (3)

1. らせん構造のピッチ角を持ち、ループ状の羽根で構成されているらせんループの風車翼構造
2. らせん構造のピッチ角が４０度から８０度であることを特徴とする請求項１の風車翼構造
3. らせん構造が二重から四重らせん構造であることを特徴とする請求項１の風車翼構造

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