JP3203180U - Vertical axis wind turbine generator with disk-type full water tank that produces high output - Google Patents
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Abstract
【課題】大出力の発電が可能な水タンク一体型の垂直軸風車発電機を提供する。【解決手段】既存の垂直軸風車発電機は起動トルクが低レベルであり、又、起動しても発生トルクが低レベルであることが挙げられている。この為に垂直軸風車発電機は発電出力は小出力に止まっている。大容量の水タンクを垂直軸風車の主軸の下部位に配置し、垂直軸風車発電機と一体化して高レベルの回転トルクを創出することによって発電出力を大容量化する。【選択図】図１A vertical axis wind turbine generator integrated with a water tank capable of generating a large output is provided. The existing vertical axis wind turbine generator has a low starting torque, and the generated torque is low even after starting. For this reason, the vertical axis wind turbine generator has a small power output. A large-capacity water tank is placed under the main shaft of the vertical axis wind turbine, and is integrated with the vertical axis wind turbine generator to create a high level of rotational torque, thereby increasing the power generation output. [Selection] Figure 1
Description
本考案は風車発電機において大スケールの円盤型満水タンク（１）を風車と一体化することによって発生回転トルクを増大させて大出力の発電を可能にした垂直軸風車発電機（以下、当該風車発電機と称する）The present invention relates to a vertical axis wind turbine generator (hereinafter referred to as the wind turbine generator) that can generate a large output by increasing a generated rotational torque by integrating a large scale disk-type full tank (1) with the wind turbine in the wind turbine generator. Called a generator)
２０１５年現在、実用化されているメガワット級の発電出力を持つ風車発電機はプロペラ型風車発電機が主流をなしている。一方、垂直軸風車発電機の発電出力は実用化されているもので、凡そ、５０ｋＷ 未満である。しかし、垂直軸風車発電機にはプロペラ型風車発電機に較べて、性能上、機構上、或いは、環境上、下記の通り、様々なメリットを備えている。
１．プロペラ型風車発電機は、風力エネルギーの電気エネルギーへの変換率が低い、理論上は、約５９％（ベッツの法則による）である。 しかし、実際は機械ロスも大きいため、約４０〜４５％である。
一方、垂直軸型風車発電機は下記の通り、機構的に風力エネルギーの捕捉率がプロペラ型機より優れて居り、且つ、鉛直構造であり風車発電機の主要機器が鉛直線上に配列されているので機械ロスが少ない、等のメリットにより風力エネルギーの電気エネルギーへの変換率がプロペラ型風車発電機より優れている。
２．プロペラ型風車発電機は建造費のレベルが高い。これは、発電出力が２０００ｋＷクラスでローター、ナセル、発電機等の主要機器の総重量は約１３０トンに及び、これが地表レベルより約８０メートル上空のタワーの頂点に設置されるため耐震、耐風上、タワーの強度設計レベルを引き上げる必要がある。それ故に、当プロペラ機の建造費が高いと云う一つの要因となっている。
一方、垂直軸型風車発電機は重量級の発電機が地表レベルに設置されるので建造物に関わる建築上の強度設計レベルを低水準に押さえることが出来る。
其のために建造費の全体コストを低く押さえることができる。又、主要機器が地表レベルに設置されているのでメインテナンスの難易度が低いのでメインテナンスの費用を安く押さえることが出来る。
３．プロペラ型風車発電機は、低周波音、又、シャドウフリッカー（太陽光を断続的に遮る現象）を発する為に風車設置近辺の住民に健康被害を及ぼす等、生活環境面に悪影響を及ぼしている。
一方、垂直軸型風車発電機は低周波音や、シャドウフリッカーを発しないので環境面でやさしい風力発電機である。
４．プロペラ型風車発電機の羽根車の周速が極端に速いために鳥類は上空で回転体を目視できずに羽根車に衝突する死亡事故が多発している。自然保護の対策が必要である。又、地表レベルより平均１００メー及ぶ高層建造物であるため設置により自然の景観を損ねている。
一方、垂直軸型風車発電機は外見が港の灯台のような円筒型の建造物であるので鳥が衝突する現象は無い。又、建造物として港の灯台のように座高がプロペラ型風車発電機より低く押さえることができるので設置上、自然の景観を損ねるものではない。
等々。As of 2015, propeller-type wind turbine generators are mainly used as wind turbine generators with megawatt-class power generation output in practical use. On the other hand, the power generation output of the vertical axis wind turbine generator has been put into practical use and is approximately less than 50 kW. However, the vertical axis wind turbine generator has various advantages in terms of performance, mechanism, and environment as compared with the propeller type wind turbine generator.
1. Propeller type wind turbine generators have a low conversion rate of wind energy to electric energy, theoretically about 59% (according to Betz's law). However, in actuality, the mechanical loss is also large, so it is about 40 to 45%.
On the other hand, the vertical axis wind turbine generator has a mechanically superior wind energy capture rate as compared with a propeller type machine as described below, and has a vertical structure in which main components of the wind turbine generator are arranged on the vertical line. Therefore, the conversion rate of wind energy to electric energy is superior to that of propeller type wind turbine generators due to the merit that mechanical loss is small.
2. Propeller type wind turbine generators have a high level of construction costs. This is because the power output is 2000kW class and the total weight of the main equipment such as rotors, nacelles, generators, etc. is about 130 tons, and it is installed at the top of the tower about 80 meters above the ground level. It is necessary to raise the strength design level of the tower. Therefore, it is one factor that the construction cost of this propeller is high.
On the other hand, since the heavy-duty generator is installed at the ground level in the vertical axis type wind turbine generator, the architectural strength design level related to the building can be kept low.
Therefore, the overall cost of construction can be kept low. In addition, since the main equipment is installed at the ground level, the maintenance difficulty is low, so the maintenance cost can be reduced.
3. Propeller-type windmill generators have adverse effects on the living environment, such as causing low-frequency noise and shadow flicker (a phenomenon that interrupts sunlight intermittently), causing health damage to residents near the windmill installation. .
On the other hand, the vertical axis wind turbine generator is an environmentally friendly wind generator because it does not emit low-frequency sound or shadow flicker.
4). Due to the extremely high peripheral speed of the impeller of the propeller-type wind turbine generator, birds frequently have fatal accidents that collide with the impeller without being able to see the rotating body in the sky. Nature conservation measures are needed. Moreover, since it is a high-rise building with an average of 100 meters from the ground level, the natural landscape is damaged by installation.
On the other hand, the vertical axis wind turbine generator has a cylindrical structure such as a port lighthouse, so there is no phenomenon of birds colliding. In addition, as a building, the seat height can be kept lower than that of a propeller-type wind turbine generator like a lighthouse at a port, so it does not impair the natural landscape in installation.
And so on.
プロペラ型風車に較べて従来型の垂直軸風車はその発生トルクモーメント（以下、回転トルクと称する）が極めて低レベルであること、又、羽根車のブレードの形状が、その殆どが揚力型でなく、直線翼であるために起動トルクが弱く自己起動性が低いこと。この二大欠点によりこれまでの垂直軸風車発電機は低発電出力に止まっている。Compared with the propeller type wind turbine, the conventional vertical axis wind turbine has a very low level of torque moment (hereinafter referred to as rotational torque), and the blade shape of the impeller is mostly not lift type. Because of the straight wing, the starting torque is weak and the self-starting property is low. Due to these two major drawbacks, the conventional vertical axis wind turbine generators have been kept at low power output.
風車発電機において発電出力を大容量化するためには風車から発電機に放出される回転トルク（Ｔ２）の値が高レベルでなければならない。回転トルクは、回転体の円周上に加わる力（接線力）と半径の外積量である。接線力は回転体の質量に重力加速度（９．８Ｎ）を乗じたものであるから同トルクは回転体の質量と半径に比例して増大する。即ち、トルクは梃子の原理に準じるものである。一方、回転体の運動エネルギーは次式（１）に示す通り慣性モーメント（Ｉ）に比例して増大する。即ち、慣性モーメントは、回転体の質量と半径の二乗を乗じたモーメントであるので運動エネルギーは、回転体の質量と半径に比例して増大する。即ち、運動エネルギー（仕事）と回転トルクは質量と半径に比例して増大する。従って、比例式、運動エネルギー ∝ 回転トルクの定理が成り立つ。故に、高運動エネルギーが高回転トルクを生み出し負荷側に放出されて大容量の電気エネルギーを生み出す理論が成立つ。In order to increase the power generation output in the wind turbine generator, the value of the rotational torque (T2) released from the wind turbine to the generator must be high. The rotational torque is an outer product amount of a force (tangential force) applied on the circumference of the rotating body and a radius. Since the tangential force is obtained by multiplying the mass of the rotating body by gravitational acceleration (9.8 N), the torque increases in proportion to the mass and radius of the rotating body. That is, the torque conforms to the principle of the insulator. On the other hand, the kinetic energy of the rotating body increases in proportion to the moment of inertia (I) as shown in the following equation (1). That is, since the moment of inertia is a moment obtained by multiplying the mass of the rotating body and the square of the radius, the kinetic energy increases in proportion to the mass and radius of the rotating body. That is, kinetic energy (work) and rotational torque increase in proportion to mass and radius. Therefore, the proportional equation, kinetic energy 回 転 rotational torque theorem holds. Therefore, the theory that high kinetic energy generates high rotational torque and is released to the load side to generate large-capacity electric energy is established.
回転体の運動エネルギー（Ｋ）の値は次の定義式で表される。即ち、：−
Ｋ＝１／２Ｉ＊ω＾２・・・・・（１）式
ここで、（Ｉ）は、慣性モーメントであり、ωは角速度である。又、（Ｉ）は、
Ｉ＝ｍ＊ ｒ∧２で表される。（ｍ）は、回転体の質量であり、（ｒ）は回転体の半径を表す。即ち、上記の通り、運動エネルギー（Ｋ）は、回転体の質量とその半径の二乗と、角速度の二乗に比例すると定義されている。この運動エネルギーに関わる方程式において回転体の質量を円盤型満水タンク（１）の水の質量とし、そして、その半径を同タンクの半径とし、回転させることによって高運動エネルギー、即ち、高回転トルクを生み出すことを理論とした水タンク一体型の当該風車発電機である。即ち、密度が均一な回転円盤と同様に円盤型満水タンク（１）は回転することによって大容量の運動エネルギーを蓄えることが出来る。同満水タンクは大回転トルクを定格で負荷側（発電機）に放出することによって大電気エネルギーを創出することになる。そして、風力エネルギーが続く限り、付加トルク（Ｔ１）が同満水タンクに送られ、同タンクの回転に伴って発する慣性と相まって同タンクは回転を持続するものである。図２（Ａ）は当満水タンクの斜視図であり、図１０は、風力エネルギーの電気エネルギーへの変換プロセスに関わるフローチャートである。The value of the kinetic energy (K) of the rotating body is expressed by the following definition formula. That is:
K = 1 / 2I * ω ^ 2 (1) where (I) is the moment of inertia and ω is the angular velocity. Also, (I) is
I = m * r∧2 . (M) is the mass of the rotating body, and (r) represents the radius of the rotating body. That is, as described above, the kinetic energy (K) is defined as being proportional to the mass of the rotating body, the square of its radius, and the square of the angular velocity. In this equation related to kinetic energy, the mass of the rotating body is the mass of the water in the disk-type full tank (1), and the radius is the radius of the tank. By rotating the high kinetic energy, that is, the high rotational torque, This is a wind turbine generator integrated with a water tank based on the theory of production. That is, the disk-type full water tank (1) can store a large volume of kinetic energy by rotating in the same manner as a rotating disk having a uniform density. The full water tank creates a large electric energy by releasing a large rotational torque to the load side (generator) at a rated value. As long as the wind energy continues, the additional torque (T1) is sent to the full tank, and the tank continues to rotate in combination with the inertia generated by the rotation of the tank. FIG. 2A is a perspective view of the full water tank, and FIG. 10 is a flowchart relating to a process of converting wind energy into electric energy.
在来の直線翼垂直軸風車発電機の出力計算は，プロペラ型風車発電機と同様に風車の受風面積と風速の三乗に比例すると定義している。即ち、回転体の回転速度が出力の一つの要因となっている。故に、可能な限り回転体の角速度を大にして発電出力を上げようとしている。理論的には、これによって運動エネルギー（仕事量→動力）の増大は可能であるが、角速度の過度な増大は機械的な破壊，即ち、風車の破壊を招くことになる。 一方、上記の定義式（１）より、慣性モーメント（Ｉ）を大にすれば、運動エネルギー（Ｋ）は増大するのであるから同重量（ｍ）よりも二乗に比例する半径（ｒ）を増大させた方が有利である。従って、回転体の質量より半径を大にして同運動エネルギーの増大を図る。しかし、過度な（ｒ）の増大は負荷の増大となり起動するのに起動トルクを増大させねばならず、ここで在来の垂直軸風車では自動起動出来ないと云う問題が生じる。 これが一つの原因となり在来の垂直軸風車発電機は低出力に止まっている。The output calculation of a conventional straight-blade vertical axis wind turbine generator is defined as being proportional to the wind receiving area of the wind turbine and the cube of the wind speed, like the propeller type wind turbine generator. That is, the rotational speed of the rotating body is one factor of output. Therefore, the power generation output is increased by increasing the angular velocity of the rotating body as much as possible. Theoretically, it is possible to increase the kinetic energy (work amount → power), but excessive increase in angular velocity leads to mechanical destruction, that is, destruction of the windmill. On the other hand, from the above definition (1), if the moment of inertia (I) is increased, the kinetic energy (K) increases, so the radius (r) proportional to the square is increased rather than the same weight (m). It is more advantageous to do so. Therefore, the kinetic energy is increased by making the radius larger than the mass of the rotating body. However, an excessive increase in (r) results in an increase in load and the starting torque must be increased to start up, and a problem arises that conventional vertical axis wind turbines cannot be automatically started. This is one reason why the conventional vertical axis wind turbine generators are low in output.
垂直軸風車発電機において、この問題を解決するために考案されたのが、密度が均一な物質である水を満タンにした円盤型満水タンク（１）を垂直軸風車発電機と一体化した当該風車発電機である。図１は、当円盤型満水タンクと垂直軸風車発電機を一体型にした発電システムの概念図である。
当水タンクを満水にしたタンクには次の通り二つの顕著な機能がある。
其の一：満水タンクは回転することによってその内部に運動エネルギーを蓄える機能を持つ。又、満水タンクはスケールＵＰ（質量と径の増大）することによってより多くの運動エネルギーを蓄えることが出来る。従って、満水タンクはエネルギーを貯め込むことによって、風車から伝達される入力トルク（Ｔ１）より大きな定格トルクを負荷側に定格に放出することができる。
これは、密度が均一な回転体、例えば、フライホイールが回転することによって運動エネルギーを蓄える機能と同じくするものである。
更に、満水タンクは外力（風力エネルギー：Ｔ１）が加えられることにより増速し、そして同タンクの運動エネルギーは、式（１）にある通り、角速度、即ち、回転速度の二乗に比例して増大し、それを蓄えることが出来る特有な機能を持つ。
即ち、満水タンクはフライホイールと同様に密度が均一な物体であるので回転することによって運動エネルギーの蓄積が可能である。従って、フライホイールと同様に回転体自体からの回転トルクの算出が容易に得られると云う利便性がある。
この満水タンクの機能については、水力発電所のダムの貯水池の機能に喩えることが出来る。ダムは上流から流れ込んで来る水を位置エネルギーとして貯水池に貯め込み満水状態にして水圧管を通して水車に運動エネルギーとして水を放流して発電装置により水力発電を行う。満水タンクは、この貯水池の機能に喩えることが出来る。即ち、貯水池のスケールを大にすればより大量の水（位置エネルギー→運動エネルギー）を貯め込むことができることと同じく、満水タンクもスケールＵＰすれば大量の運動エネルギーを蓄えることが出来る。そして、水力発電は貯水池からの放水量を増やすことによって運動エネルギーが増大し発電量を増大することになる。同じく、満水タンクから大量の運動エネルギー、即ち、異次元の物理量である大量の回転トルクを発電機に放出することによって発電量が増大する。即ち、物理的に、同貯水池も満水タンクもエネルギーの貯蔵機能に於いて同じくするものである。このエネルギーの貯蔵機能を持つ満水タンクを風車と一体型にすることによって、定格に大回転トルクを負荷側（発電機側）に放出することによって大出力、即ち、大電気エネルギーを生み出すことを可能としたものである。
この満水タンクをスケールＵＰすることによって大回転トルクの創出を可能としたものがこの考案の主体である。そして、外力（エネルギー）の補給、即ち、風力エネルギーが続く限り付加トルク（Ｔ１）が満水タンクに送られて、更に、回転による慣性がプラスαとなり同満水タンクは回転維持乃至増速して回転トルクを発電機に放出して電気エネルギーを生み出すことに なる。。
其の二：満水タンクは運動エネルギーを蓄える一方、同エネルギーを平準化して安定したトルクを負荷側に放出する機能を持つ。即ち、上述の通り、満水タンクはフライホイールと同様に密度が均一な物体である。従って、満水タンクはフライホイールと同様に回転することによって蓄積された運動エネルギーを平準化して安定したトルクを負荷側に放出する機能を持つものである。
一方、満水タンクは負荷側にトルクを放出することによって蓄えられたエネルギーが減少し回転は減速する。そこで、連続して負荷側に平準化したトルクを放出するためには風車より連続して同満水タンクに回転トルク（Ｔ１）、即ち、付加トルクを補給する必要がある。風車から送られて来る付加トルクよって満水タンクは加速されて、更なるエネルギーを蓄え、そして、同付加トルクを超えた平準化した定格回転トルク（Ｔ２）を放出して安定した電気エネルギーを生み出すことになる。図１０は、この満水タンクを中枢とした当該風車発電機による発電に至る風力エネルギーの電気エネルギーへの変換プロセスに関わるフローチャートである。
一方、安定した電気エネルギーを得るには風車を安定した風力エネルギーを得る地域に設置することが肝要である。その為に、近年、風力発電は安定した風力エネルギーを得られる洋上風力発電が主流になりつつある。欧州の風力発電の主流は殆どが洋上風力発電である。従って、当該風車発電機も安定した風力エネルギーを得られる海浜、乃至、洋上に設置されるのが一番効果的である。
特に、当該風車発電機は、一つの用途として、タンカーや大型客船の甲板上の設置は、航海中は、４〜５ｍ／ｓｅｃ．以上の風速を連続して得られるので安定した電気エネルギーを得られる発電機として有用である。In order to solve this problem in the vertical axis wind turbine generator, a disk-type full water tank (1) filled with water, which is a substance of uniform density, is integrated with the vertical axis wind turbine generator. The wind turbine generator. FIG. 1 is a conceptual diagram of a power generation system in which a disk-type full water tank and a vertical axis wind turbine generator are integrated.
A tank that fills the water tank has two distinct functions:
The first: A full-water tank has the function of storing kinetic energy inside by rotating. A full tank can store more kinetic energy by increasing the scale (increasing mass and diameter). Therefore, the full-water tank can discharge a rated torque larger than the input torque (T1) transmitted from the windmill to the load side by storing energy.
This is the same as the function of storing kinetic energy by rotating a rotating body having a uniform density, for example, a flywheel.
Furthermore, the full water tank is accelerated by applying external force (wind energy: T1), and the kinetic energy of the tank increases in proportion to the angular velocity, that is, the square of the rotational speed, as shown in equation (1). And it has a unique function that can store it.
That is, since the full water tank is an object having a uniform density like the flywheel, the kinetic energy can be accumulated by rotating. Therefore, there is the convenience that the calculation of the rotational torque from the rotating body itself can be easily obtained as in the flywheel.
The function of this full water tank can be compared to the function of a dam reservoir in a hydroelectric power plant. The dam stores the water flowing from the upstream as potential energy in the reservoir, fills it up, discharges it as kinetic energy to the water turbine through the hydraulic pipe, and hydroelectric power is generated by the power generator. A full water tank can be likened to the function of this reservoir. That is, if the scale of the reservoir is increased, a larger amount of water (potential energy → kinetic energy) can be stored. Similarly, if the full tank is scaled up, a large amount of kinetic energy can be stored. And in hydroelectric power generation, the kinetic energy increases and the power generation amount increases by increasing the amount of water discharged from the reservoir. Similarly, the amount of power generation is increased by releasing a large amount of kinetic energy from the full tank, that is, a large amount of rotational torque that is a physical quantity of a different dimension to the generator. That is, physically, the reservoir and the full tank are the same in the energy storage function. By integrating the full water tank with this energy storage function with the windmill, it is possible to produce a large output, that is, a large electric energy by releasing a large rotational torque to the load side (generator side). It is a thing.
The main idea of this invention is to create a large rotational torque by scaling up this full tank. Then, as long as wind energy continues, external torque (energy) is supplied, and additional torque (T1) is sent to the full tank. Furthermore, the inertia due to rotation becomes plus α, and the full tank is maintained or accelerated to rotate. Torque is released to the generator to produce electrical energy. .
Part 2: The full water tank stores kinetic energy, while leveling the energy to release a stable torque to the load side. That is, as described above, the full tank is an object having a uniform density, similar to the flywheel. Accordingly, the full water tank has a function of leveling the kinetic energy accumulated by rotating in the same manner as the flywheel and releasing a stable torque to the load side.
On the other hand, in the full tank, the stored energy is reduced by releasing torque to the load side, and the rotation is decelerated. Therefore, in order to continuously release the leveled torque to the load side, it is necessary to replenish the full water tank with rotational torque (T1), that is, additional torque, continuously from the windmill. The full tank is accelerated by the additional torque sent from the windmill to store more energy, and release the leveled rated rotational torque (T2) that exceeds the additional torque to produce stable electrical energy become. FIG. 10 is a flowchart relating to a process of converting wind energy into electric energy that results in power generation by the wind turbine generator centered on the full water tank.
On the other hand, in order to obtain stable electric energy, it is important to install a windmill in an area where stable wind energy is obtained. Therefore, in recent years, offshore wind power generation that can obtain stable wind energy has become mainstream. The mainstream of wind power generation in Europe is mostly offshore wind power generation. Therefore, it is most effective to install the wind turbine generator on the beach or on the ocean where stable wind energy can be obtained.
In particular, the wind turbine generator can be installed on a deck of a tanker or a large passenger ship as one application. Since the above wind speed can be obtained continuously, it is useful as a generator capable of obtaining stable electric energy.
満水タンクはフライホイールと同様に密度が均一な物体である。故に、回転することによって安定した回転トルクを生み出し、その回転力を動力源として安定した発電出力が可能となる。
即ち、満水タンクは密度が均一な円盤と同じくするもので、その動力算出は次によって求められる。（添付参考資料―１参照。出典 工業力学入門講座―第１０回“トルクと回転数と動力”）
即ち、半径Ｒ（ｍ）の円盤型満水タンクがその接線方向にＦ（Ｎ）の力を受けて回転数ｎ（ｒｐｍ）で回転している場合、同満水タンクの回転トルクは、接線力（Ｆ）と同満水タンクの半径（Ｒ）の積で表される。ここで、接線力（Ｆ）は同満水タンクの質量に重力加速度（９．８Ｎニュートン）を乗じた値である。
即ち、トルクＴは、：−
トルクＴ（Ｎ・ｍ）＝接線力Ｆ（Ｎ）＊回転半径Ｒ（ｍ）
ここで、同満水タンクを一分間（ｎ）廻した時の仕事（運動エネルギー）は次式によって与えられる。即ち、：−
仕事Ｌ（Ｎ・ｍ）＝接線力Ｆ（Ｎ）＊移動距離Ｓ（ｍ）
＝Ｆ（Ｎ）＊２πＲｎ（ｍ）
＝２πＲＦｎ（Ｎ・ｍ）
＝２πＴｎ（Ｎ・ｍ）
仕事（エネルギー）の単位は、ジュールであり、エネルギー・仕事・電力量の各単位の関係（換算）は次に様に定義されている。
即ち、：−
１ジュール／秒＝１ニュートン・メートル＝１ワット
従って、動力（仕事率）Ｐ＝１分間に行う仕事／１分間
＝２πＴｎ（Ｎ・ｍ）／６０（ｓｅｃ）
Ｋｗ表示で表すと、：−
Ｐ（Ｋｗ）＝Ｔｎ／９５４９・・・・（２）式
となり、動力Ｐ（Ｋｗ）は、トルク （Ｎ・ｍ）と回転速度（ｒｐｍ）に比例することを表している。
（注）在来の風車発電機の動力計算は、風車の受風面における密度のある空気の移動（風速）による運動エネルギーを計算ベースにしたものである。 この計算方式は、プロペラ型風車、サポニウス型風車、直線翼垂直軸風車、等に適用されている。即ち、風の運動エネルギー（Ｐｗ）が醸し出す動力の計算式は次に様に定義されている。
Ｐｗ＝１／２ｐＡＶｗ∧３・・・・（３）式
ここで、ｐ：空気密度、Ａ：受風面積、Ｖｗ：風速を示す。 添付参考資料―２参照（エネルギー総合工学研究所 発行「風力発電」〜風車のトルクの式〜より転載 出典：遠隔講義『風力発電最前線』八戸工業大学）
即ち、同運動エネルギーは、空気密度を一定として、受風面積と風速の三乗に比例するとしている。そして、出力係数（ベッツの法則 ０．５９３）を乗じて風による風車の出力としている。
しかし、この動力計算式には次の通り疑義が生じる。即ち、：−
発電機の出力は入力トルクをベースとして算出されるもので入力トルクの大小によって発電出力の大小が決まる。風車なる回転体が発する回転トルクが発電機に放出されて出力されるが、この回転トルクのモーメントは回転体が発する運動エネルギーのモーメントの大小に比例する。そして、同運動エネルギーは、上記の（１）式、Ｋ＝１／２Ｉ＊ω＾２より、角速度以外に回転体の質量と半径に比例するものである。従って、同質量も回転トルク発生の重要なファクターである。それにも拘らず、在来の動力計算式は、移動する空気の質量を計算ベースとし回転体の質量を計算外としている。 即ち、プロペラ型風車を例に挙げれば、全く外形寸法が同じプロペラで一つは、アルミ製で、もう一つは鉄製の場合、鉄製のプロペラが質量が大であるから当然、運動エネルギーが大となり、回転トルクが大となる。従って、発生動力は大となる。即ち、在来の学説の動力計算式において、この回転体の質量を動力計算のファクターとして組み入れていない、或いは、計算外としているところに疑義が生じる。
回転体としてコマを例にあげれば、外形寸法が全く同じＡ，Ｂの二つのコマがある。Ａは鉄製で、Ｂはアルミ製である。同じ回転スピードでこの二つのコマを廻した場合、コマの運動エネルギーは質量に比例するのであるから、保持するエネルギーはＡ＞Ｂである。同じく、発生トルクは質量に比例するのであるからＡ＞Ｂである。エネルギーが大であれば、より多くの仕事を為すことであり、コマはＡがＢより長い間廻り続ける。 一方、コマを回転させた場合の発生動力は、トルクと回転数に比例するのであるからＡがより大きい動力を発する、と云う理論が成り立つ。即ち、回転体に於いて、同回転体の質量を無視した発生動力の計算式には疑問を投じるものである。回転体が発するトルクにとって、回転体の質量はネグリジブル（ｎｅｇｌｉｇｉｂｌｅ）なものではない。
一方、運動エネルギーの（１）式において、慣性（Ｉ）は半径（ｒ）の二乗に比例するのであるから質量（ｍ）より半径を大にした方が有利である。従って、近年、プロペラ型風車は羽根車にＦＲＰを採用し、軽量にして羽根車の径を大して運動エネルギーを大にする傾向がある。この理論、即ち、質量より径を大にする理論については否定するものではない。A full water tank is an object of uniform density, similar to a flywheel. Therefore, a stable rotational torque is produced by rotation, and a stable power generation output is possible using the rotational force as a power source.
That is, the full water tank is the same as a disk having a uniform density, and the power calculation is obtained as follows. (See Attached Reference Material-1. Source: Introduction to Industrial Mechanics-10th "Torque, Speed and Power")
That is, when a disk-type full tank with a radius R (m) receives F (N) force in the tangential direction and rotates at a rotational speed n (rpm), the rotational torque of the full tank is tangential force ( It is expressed as the product of F) and the radius (R) of the full water tank. Here, the tangential force (F) is a value obtained by multiplying the mass of the full tank by gravitational acceleration (9.8 N Newton).
That is, the torque T is:-
Torque T (N · m) = Tangent force F (N) * Turning radius R (m)
Here, work (kinetic energy) when the full water tank is rotated for one minute (n) is given by the following equation. That is:
Work L (N · m) = tangential force F (N) * travel distance S (m)
= F (N) * 2πRn (m)
= 2πRFn (N · m)
= 2πTn (N · m)
The unit of work (energy) is Joule, and the relationship (converted) between the units of energy, work, and electric energy is defined as follows.
That is:
1 Joule / second = 1 Newton meter = 1 watt Therefore, power (working rate) P = work done in 1 minute / minute
= 2πTn (N · m) / 60 (sec)
Expressed in Kw display:-
P (Kw) = Tn / 9549 ··························································································
(Note) The power calculation of a conventional wind turbine generator is based on the kinetic energy generated by the movement of the dense air (wind speed) on the wind-receiving surface of the wind turbine. This calculation method is applied to propeller type wind turbines, Saponius type wind turbines, straight blade vertical axis wind turbines, and the like. That is, the formula for calculating the power generated by the wind kinetic energy (Pw) is defined as follows.
Pw = 1 / 2pAVw ∧ 3 ···· (3) formula, where, p: indicates the wind speed: air density, A: swept area, Vw. Refer to attached reference material-2 (reproduced from “Energy Engineering Research Institute“ Wind Power Generation ”-Wind Turbine Torque Formula” Source: Distance Lecture “Front Line of Wind Power Generation” Hachinohe Institute of Technology)
That is, the kinetic energy is proportional to the cube of the wind receiving area and the wind speed with the air density being constant. And the output factor (Betz's law 0.593) is multiplied to make the wind turbine output by wind.
However, this power calculation formula is questioned as follows. That is:
The output of the generator is calculated based on the input torque, and the magnitude of the power generation output is determined by the magnitude of the input torque. The rotational torque generated by the rotating body, which is a windmill, is released and output to the generator. The moment of this rotational torque is proportional to the magnitude of the moment of kinetic energy generated by the rotating body. The kinetic energy is proportional to the mass and radius of the rotating body other than the angular velocity, from the above equation (1), K = 1 / 2I * ω ^ 2. Therefore, the same mass is also an important factor in generating rotational torque. Nevertheless, the conventional power calculation formula uses the mass of the moving air as the calculation base and excludes the mass of the rotating body from the calculation. In other words, in the case of a propeller type windmill, for example, if the propeller has the same external dimensions, one is made of aluminum and the other is iron, the propeller made of iron has a large mass. Thus, the rotational torque becomes large. Therefore, the generated power becomes large. In other words, in the power calculation formula of the conventional theory, there is a doubt that the mass of the rotating body is not incorporated as a factor for power calculation or is out of calculation.
Taking a frame as an example of the rotating body, there are two frames A and B having the same external dimensions. A is made of iron and B is made of aluminum. When these two pieces are rotated at the same rotational speed, the kinetic energy of the piece is proportional to the mass, so the energy to be held is A> B. Similarly, since the generated torque is proportional to the mass, A> B. If the energy is large, it means to do more work, and the frame continues to run for A longer than B. On the other hand, the generated power when the top is rotated is proportional to the torque and the rotational speed, so the theory that A generates a larger power is valid. That is, in the rotating body, the formula for calculating the generated power ignoring the mass of the rotating body is questioned. For the torque generated by the rotating body, the mass of the rotating body is not negligible.
On the other hand, in equation (1) of kinetic energy, inertia (I) is proportional to the square of radius (r), so it is advantageous to make the radius larger than mass (m). Therefore, in recent years, propeller-type wind turbines tend to employ FRP in the impeller, reduce the weight, increase the diameter of the impeller, and increase the kinetic energy. This theory, that is, the theory of making the diameter larger than the mass is not denied.
満水タンクを回転させた場合の発生動力の理論計算を下記に示す。
同満水タンクの満水時の質量と半径の設定：総質量１５ｔｏｎ、半径▲Ｒ▼２ｍ．
（（同満水タンクを３段直列接続、１段当たりの質量を５ｔｏｎ（タンクを構成する鋼 板＋水の質量）とする）図４：多段式満水タンク参照））
・同タンクの接線力：５ｔｏｎ＊９８０６（Ｎ）＝４９，０３０（Ｎ）
・（１Ｋｇ当たりの接線力：１Ｋｇ＊９．８０６（Ｎ）
・１段当たりのタンクの放出トルク：４９，０３０（Ｎ）＊２．０ｍ．＝９８，０６０（Ｎ）
・３段の総放出トルク：９８，０６０（Ｎ）＊３段＝２９４，１８０（Ｎ）
・同タンクの定格回転数を１００ｒｐｍ．と設定した場合の動力（Ｐ）：
動力（Ｐ）＝トルク（Ｔ）＊回転数（Ｎ）／９，５４９
＝２９４，１８０（Ｎ・ｍ）＊１００（ｒｐｍ）／９，５４９
≒３，０８０ｋＷ
（注）上記は理論計算であり、出力係数、機械ロスは計算外としている。
参考までに、プロペラ型風車の場合の出力計算は、出力係数：０．５９３（ベッツ係数）を組み入れている。即ち、これは出力において風力エネルギーの 約４０％は捕捉出来ていないことを示すものである。更に、増速機等の機械ロスを組み入れるとプロペラ型風車の風力エネルギーの電気エネルギーに対する変換率は、上記した通り、概ね４０〜４５％である。
プロペラ型風車の場合は、プロペラの外周部の風力エネルギーの引摺り現象、プロペラの前面から背面への風力エネルギーの漏出、風向の変位に対しヨー機構によって風向に機械的に正対させているが完全に正対させるまでにタイムラグが生じその間、風力エネルギーを逃がしている、等々で機構上、エネルギーの漏出が多い。従って、エネルギーの変換効率が低いことが指摘されている。
当該風車発電機が装備している羽根車（１２）の形状は抗力式”Ｖ”字型ブレード（１９）であり同ブレードの外周部にはコーナーブレード（２０）（別称、ウイングレット）を備えており、風力エネルギーの捕捉を向上させ羽根による風力エネルギーの引摺り現象を無くしている。又、羽根車の外周部位には可動式ガイドベーン（２１）を備えて風量制御を行い、ガイドベーン効果、即ち、ガイドベーンの開閉角度調整により風力を羽根車の外周部に集束させて回転トルクを向上させる効果、所謂、挺子の原理の応用により風力エネルギー利用効率の向上を図っている。図５は、ガイドベーン効果の概念図である。
その上、図６に示している通り、羽根車は風向に対して３６０度の無指向性であるので風向の変位に対して風力エネルギーの捕捉率が優れている。The theoretical calculation of generated power when the full water tank is rotated is shown below.
Setting of mass and radius when the tank is full: total mass 15 ton, radius ▲ R ▼ 2m.
((The same full tank is connected in series in three stages, the mass per stage is 5 ton (the steel plate constituting the tank + the mass of water)) Figure 4: Refer to the multi-stage full tank)
・ Tangential force of the tank: 5ton * 9806 (N) = 49,030 (N)
・ (Tangential force per 1kg: 1kg * 9.806 (N)
-Tank discharge torque per stage: 49,030 (N) * 2.0 m. = 98,060 (N)
・ Total release torque of 3 stages: 98,060 (N) * 3 stages = 294,180 (N)
・ The rated speed of the tank is 100 rpm. Power (P) when set as:
Power (P) = Torque (T) * Number of revolutions (N) / 9,549
= 294,180 (N · m) * 100 (rpm) / 9,549
≒ 3,080kW
(Note) The above is a theoretical calculation, and the output coefficient and mechanical loss are not included in the calculation.
For reference, the output calculation in the case of a propeller type windmill incorporates an output coefficient: 0.593 (Betz coefficient). In other words, this indicates that about 40% of the wind energy is not captured at the output. Furthermore, when mechanical loss such as a speed increaser is incorporated, the conversion rate of the wind energy of the propeller type windmill to the electric energy is approximately 40 to 45% as described above.
In the case of a propeller type wind turbine, the wind energy is dragged from the outer periphery of the propeller, the wind energy leaks from the front to the back of the propeller, and the wind direction displacement is mechanically opposed to the wind direction by the yaw mechanism. There is a time lag until it is completely aligned, and wind energy is released during that time, and so on, and there is a lot of energy leakage due to the mechanism. Therefore, it is pointed out that the energy conversion efficiency is low.
The shape of the impeller (12) equipped with the wind turbine generator is a drag type “V” -shaped blade (19), and a corner blade (20) (also called a winglet) is provided on the outer periphery of the blade. In addition, the trapping of wind energy is improved and the drag phenomenon of wind energy by the blades is eliminated. Further, a movable guide vane (21) is provided on the outer peripheral portion of the impeller to control the air volume, and the wind torque is focused on the outer peripheral portion of the impeller by adjusting the guide vane effect, that is, the opening / closing angle of the guide vane. The wind energy utilization efficiency is improved by applying the so-called lever principle. FIG. 5 is a conceptual diagram of the guide vane effect.
In addition, as shown in FIG. 6, since the impeller is 360 degree non-directional with respect to the wind direction, the wind energy capture rate is excellent with respect to the displacement of the wind direction.
上述した通り、在来の垂直軸風車発電機は機構上、発生起動トルクが弱いために起動始動が難しいという弱点がある。加えて、起動出来ても発生回転トルクが弱いと云う致命的な欠点がる。故に、垂直軸風車発電機に於いて大出力の大型機種は実用化に至っていない
この欠点を解消したものが円盤型満水タンクを風車と一体化した当該風車発電機の考案である。即ち、大電気エネルギーを生み出すプロセスを要約すると、大スケールの満水タンクを垂直軸風車発電機と一体型とするが、風車の起動時は同タンクから水を排水したドライタンクとして負荷トルクを軽減してセルモーターで起動回転し、その回転と同時に注水ポンプを起動して風車の中空主軸の頂部より注水を行い同タンク内に注水を開始する。同タンク内の注水開始時は水は遠心力によって同タンク内の円周部位に引き寄せられて水の重力によって一時的に回転体の接線力が増大して回転トルクが増大する、即ち、起動トルクの増大となり風車の回転始動を助長する理論である。同タンクが満水後は回転することによって運動エネルギーを蓄えて、風車から送られて来る付加トルク（Ｔ１）と慣性によって一層回転は増速して、増速に比例して蓄えられる運動エネルギーは増大する。
そして、増大した運動エネルギーを負荷側に大回転トルクとして放出することによって蓄えられた同運動エネルギーは減少して同タンクの回転速度は減速することになる。そこで、ガイドベーンの開度調整により風量制御を行って同タンクの回転速度を一定に保つものである。これは同タンクの回転速度とガイドベーンの開度調整が連動して行われる自動制御であるが、これによって、定格に平準化された大運動エネルギー、即ち、大回転トルクが負荷側に放出されて大容量の電気エネルギーを生み出すことになる。As described above, the conventional vertical axis wind turbine generator has a weak point that it is difficult to start and start because the generated starting torque is weak. In addition, there is a fatal defect that even if it can be started, the generated rotational torque is weak. Therefore, in the vertical axis wind turbine generator, a large-powered large-sized model that has not been put into practical use is a device for the wind turbine generator in which a disk-shaped full water tank is integrated with the wind turbine. That is, to summarize the process of generating large electrical energy, a large-scale full water tank is integrated with a vertical axis wind turbine generator, but when the wind turbine starts up, the load torque is reduced as a dry tank that drains water from the tank. The cell motor starts and rotates, and at the same time, the water injection pump is started to inject water from the top of the hollow main shaft of the wind turbine and start water injection into the tank. At the start of water injection in the tank, water is attracted to the circumferential part of the tank by centrifugal force, and the tangential force of the rotating body temporarily increases due to the gravity of the water, so that the rotational torque increases, that is, the starting torque This is a theory that promotes the rotation start of the windmill. When the tank is full, the kinetic energy is stored by rotating, and the rotation speed is further increased by the additional torque (T1) and inertia sent from the windmill, and the kinetic energy stored in proportion to the increased speed increases. To do.
Then, by releasing the increased kinetic energy as a large rotational torque to the load side, the stored kinetic energy is reduced and the rotational speed of the tank is reduced. Therefore, the air volume control is performed by adjusting the opening degree of the guide vanes to keep the rotation speed of the tank constant. This is an automatic control in which the rotation speed of the tank and the opening adjustment of the guide vane are performed in conjunction with each other. By this, large kinetic energy leveled to the rating, that is, large rotational torque is released to the load side. It will produce a large amount of electrical energy.
ガイドベーンの開度調整による風量制御は当該風車発電機において重要な機構である。この機構は水力発電のフランシス水車において流入水量を制御するガイドベーンの操作機構を適用したものである。図１１は、同ガイドベーンの操作機構を示す。
即ち、ガイドベーンの機構はガイドリングとクランクによって構成され、ガイドリングを回すと接続されたクランクによりガイドベーン軸の回転運動に変換されて開度調整が行われるものである。同回転の操作源は油圧装置によるもので、同ベーンの制御は中央制御盤に組み込まれた自動制御システムによって行われる。＊＊＊＊The air volume control by adjusting the opening degree of the guide vane is an important mechanism in the wind turbine generator. This mechanism is an application of a guide vane operating mechanism that controls the amount of inflow water in a hydroelectric Francis turbine. FIG. 11 shows the operation mechanism of the guide vane.
That is, the mechanism of the guide vane is constituted by a guide ring and a crank, and when the guide ring is turned, the opening is adjusted by being converted into a rotational motion of the guide vane shaft by the connected crank. The operation source of the rotation is by a hydraulic device, and the vane is controlled by an automatic control system incorporated in the central control panel. ***
満水タンクの形状は図２（Ａ）に示す通り円盤投げの円盤の形状乃至巷で目撃されている円盤状のＵＦＯ型の形状を為している。即ち、円盤形状は回転時に空気抵抗を低減させて回転エネルギーの低下を出来るだけ防ぐ構造としたものである。この円形の形状については、飛行機の先端部、或いは、新幹線の先頭車両の先端も同じく円型形状を為している。これは云うまでもなく空気抵抗を下げて運動エネルギーの損出を極力少なくする物理に則ったものである。
同水タンクは溶接鋼板製でコマの様に同センターの中心には中空軸が鉛直に貫通しており同タンクの内部の円周部位には固定されたインナーブレード（Ｉｎｎｅｒ Ｂｌａｄｅｓ）（１４）が同軸より円周方向に放射状に設けられている。又、同タンク内の同軸には水平対角線上の部位に注水用の開口部が二か所設けられている。
図２の（Ｂ）は、同タンクの“Ｆ−Ｆ”断面図を示す。
同インナーブレードは同水タンクの回転始動時に中空軸を通してタンク内に注水され流れ込んだ水が遠心力によって同タンクの外周部位に引き寄せられる結果、同部位には水の質量が一時的に増大し同水タンクの回転始動時の回転トルクの増大を助長することを目的としたもので、これは、所謂、梃子の原理を組み込み応用したものである。
この機構によって風車の起動トルクを増大させて垂直軸風車発電機の起動始動を容易とするものである。これにより、垂直軸風車発電機の大型化、即ち、出力の大容量化を可能としたものである。
即ち、垂直軸風車発電機は、従来、起動トルクが弱いことで大容量化は難しいとされていたが、この弱点が解消されたことになる。
この機構について要約すると、同水タンクの起動時は同タンクは水の無いドライタンクの状態であるので負荷が小さくセルモーター方式で同タンクを容易に起動始動が可能となった。
始動後は上記した通り、同タンク内への注水により注水スタート時は梃子の原理の応用により起動トルクが増大する。そして、同タンクが満水時は同タンクの回転により慣性が発生し、更に、風車から送られて来る付加トルク（Ｔ１）によって同風車は回転持続乃至増速することとなる。ここで、風車に装備されているガイドベーンによって風量の自動制御を行い定速運転により出力の定格化を図ったものである。上記の通り、図１０は、風力エネルギーの電気エネルギーへの変換プロセスのフローチャートを示す。As shown in FIG. 2A, the full water tank has a disk-shaped disk shape or a disk-shaped UFO shape that is witnessed by a spear. In other words, the disk shape has a structure in which air resistance is reduced during rotation to prevent a reduction in rotational energy as much as possible. As for this circular shape, the tip of the airplane or the tip of the leading vehicle on the Shinkansen also has a circular shape. Needless to say, this is based on the physics of reducing air resistance and minimizing loss of kinetic energy.
The water tank is made of welded steel plate, like a coma, with a hollow shaft extending vertically through the center of the center and a fixed inner blade (Inner Blades) (14) around the circumference of the tank. It is provided radially in the circumferential direction from the same axis. In addition, two openings for water injection are provided on the same diagonal line in the tank.
FIG. 2B shows a “FF” cross-sectional view of the tank.
When the water tank starts rotating, the water that is poured into the tank through the hollow shaft is drawn into the outer periphery of the tank by centrifugal force. The purpose is to promote an increase in the rotational torque at the time of starting the rotation of the water tank, which is an application of the so-called lever principle.
By this mechanism, the starting torque of the wind turbine is increased to facilitate the starting and starting of the vertical axis wind turbine generator. As a result, the vertical axis wind turbine generator can be enlarged, that is, the output capacity can be increased.
In other words, the vertical axis wind turbine generator has conventionally been considered difficult to increase in capacity due to weak starting torque, but this weakness has been eliminated.
To summarize this mechanism, when the water tank was started, the tank was in a dry tank state without water, so the load was small and the tank could be started and started easily by the cell motor method.
After starting, as described above, the starting torque increases due to the application of the lever principle at the start of water injection due to water injection into the tank. When the tank is full, inertia is generated by the rotation of the tank, and the wind turbine is continuously rotated or accelerated by the additional torque (T1) sent from the wind turbine. Here, the air volume is automatically controlled by the guide vanes installed in the wind turbine, and the output is rated by constant speed operation. As described above, FIG. 10 shows a flowchart of a process for converting wind energy to electrical energy.
当水タンクへの注水は次の機構によって行われる。
当該風車発電機の主軸は中空軸と固体軸の連結によって構成される。コマの主軸と同じように当水タンクの主軸は同水タンクの本体の中心部を鉛直に貫通して取り付けられる。
当主軸の水タンクの取付け部位は中空軸になっており水タンク内に注水できるように当中空軸の水平対角線上の部位の二か所に開口部が設けられている、この開口部より同水タンク内に注水が行われる。図１、図４は、注水システムを示す。同タンクへ注水は、図９“水タンクの運転ロジック”のプロセスに従って行われる。
即ち、当風車発電機に備えられている風速計がカットイン風速（４〜５ｍ／ｓｅｃ．）を検知して風車が駆動装置（セルモーター）により起動始動した時点で備えられている注水ポンプが自動起動して同主軸の頂部より同中空軸に注水が行われ同タンク内の軸の同開口部より注水が行われる。
同水タンクにはフロート式満水検知器並びに複数のフロート式排気弁が設けられている。同水タンクが満水した時（多段式の時は、全ての同タンクが満水した時）に同満水検知器の動作により同ポンプは自動停止する。
そして、風力が止まった時点では風車は回転停止するが、回転検知センサーがこれを検知して同水タンクの底部位に取り付けられた複数の排水ノズル付属の電磁弁が“開”動作して同水タンクは完全排水状態になる。
その後、風力が再開された時点で風速計がカットイン風速を検知して同水タンクが完全排水状態であることを前提条件に同水タンクの駆動装置（セルモーター）が作動して同水タンクは回転起動して、この起動を条件に再度注水が開始される。Water is poured into the water tank by the following mechanism.
The main shaft of the wind turbine generator is formed by connecting a hollow shaft and a solid shaft. Like the main shaft of the top, the main shaft of the water tank is attached vertically through the center of the main body of the water tank.
The installation site of the water tank of this spindle is a hollow shaft, and there are two openings on the horizontal diagonal of the hollow shaft so that water can be poured into the water tank. Water is poured into the water tank. 1 and 4 show a water injection system. Water is poured into the tank in accordance with the process shown in FIG. 9 “Operation logic of water tank”.
That is, the water injection pump provided when the anemometer provided in the wind turbine generator detects the cut-in wind speed (4 to 5 m / sec.) And the wind turbine is activated and started by the driving device (cell motor). It starts automatically and water is injected from the top of the main shaft into the hollow shaft, and water is injected from the opening of the shaft in the tank.
The water tank is provided with a float type full water detector and a plurality of float type exhaust valves. When the water tank is full (in the case of multistage, all the tanks are full), the pump is automatically stopped by the operation of the full water detector.
When the wind power stops, the windmill stops rotating, but the rotation detection sensor detects this, and the solenoid valves attached to the drainage nozzles attached to the bottom part of the water tank are “opened”. The water tank is completely drained.
After that, when the wind power resumes, the anemometer detects the cut-in wind speed and the water tank drive device (cell motor) is activated on the premise that the water tank is completely drained. Starts rotating, and water injection is started again on the condition of this start.
水タンクが単段（以下、シングルステージと称する）の時には同水タンクの下部位に同水タンクの容量と同じ容量の受水槽（Ａ）を設けて風車が回転停止した時点で排水ノズルに設けられた電磁弁が開動作して同タンク内からの排水を受水する。図３（Ａ）は、同タンクの外観図を示し、同図の（Ｂ）は、同タンクの“Ｈ−Ｈ”断面図を示す。
自然蒸発により同受水槽内の水位が既定の水位より低下した時は、これを検知して雨水を貯め込んだ補水槽（Ｃ）より雨水を補水する。図１、図４は、そのシステムを示す。
水タンクが多段（以下、マルティステージと称する）の時は、同マルティステージの総水容量と同じ容量の受水槽（Ｂ）を別に設ける。そして、（Ａ）受水槽が満タンになり次第、同（Ａ）受水槽の満水検知器が作動して受水槽（Ｂ）に排水する。
同マルティステージのタンク内の水が完全に排水された時点で、同受水槽（Ｂ）の水位が低下している時は、シングルステージの場合と同様に、補水槽（Ｃ）より同受水槽（Ｂ）に自動給水されるようにリレーが組込まれている。
補水槽（Ｃ）への給水は補助電源として設けられている太陽光パネルに降った雨水が同パネルの下部位に設けられた樋を通して行われる。図１、図４参照。
同太陽光パネルによって蓄電された電気は風車のガイドベーンの操作電源、給水ポンプのモーターの電源、水タンク起動用セルモーターの電源、或いは、当該風車発電機を収納する格納容器の操作電源に供される。When the water tank is a single stage (hereinafter referred to as a single stage), a water receiving tank (A) having the same capacity as that of the water tank is provided below the water tank, and provided at the drain nozzle when the wind turbine stops rotating. The opened solenoid valve opens and receives the waste water from the tank. FIG. 3A shows an external view of the tank, and FIG. 3B shows a “HH” cross-sectional view of the tank.
When the water level in the water receiving tank drops below the predetermined water level due to natural evaporation, this is detected and rainwater is replenished from the water reserving tank (C) in which rainwater is stored. 1 and 4 show the system.
When the water tank is multistage (hereinafter referred to as a multistage), a water receiving tank (B) having the same capacity as the total water capacity of the multistage is provided separately. Then, as soon as the (A) water receiving tank is full, the full water detector of the (A) water receiving tank is activated and drains into the water receiving tank (B).
When the water level in the multi-stage tank is completely drained and the water level in the water-receiving tank (B) is low, the water-receiving tank from the water-reserving tank (C) is the same as in the case of the single stage. A relay is incorporated so that water is automatically supplied to (B).
Water is supplied to the water reserving tank (C) through rainwater that has fallen on a solar panel provided as an auxiliary power source through a gutter provided at a lower part of the panel. See FIG. 1 and FIG.
The electricity stored by the solar panel is supplied to the wind turbine guide vane, the water pump motor power, the water tank activation cell motor power, or the containment vessel power supply for the wind turbine generator. Is done.
完全に排水した同水タンク（以下、ドライ水タンクと称する）の回転起動は自動車等に適用されているセルモーター方式を採用する。
ドライ水タンクの底部位の外周部分には大歯車のリングギアー（９）が装備されており、セルモーター（８）のピニオンギアー（８ａ）が噛み合う構造になっている。
ピニオンはソレノイドアクチュエータによって軸方向にスライドし、モーターのスイッチが入れられた際にのみリングギアーに噛み合う機構になっている。
そして、セルモーターのトルクが同リングギアーに伝達され同ドライ水タンクは起動始動する。
回転始動後は、同リングギアーとピニオンギアーは噛み合いを断接するクラッチ機構を備えている。
そして、当セルモーターは同水タンクがドライ状態にあり、且つ、完全回転停止状態にあることを条件として起動するように保護リレーが組込まれている。
加えるに、同セルモーターは別に備えられている風速計がカットイン風速を検知し、且つ、上記の条件を満たした時にのみ始動するように同じく保護リレーが組込まれている。The cell motor system that is applied to automobiles and the like is adopted for rotational activation of the completely drained water tank (hereinafter referred to as dry water tank).
A large gear ring gear (9) is mounted on the outer peripheral portion of the bottom portion of the dry water tank, and the pinion gear (8a) of the cell motor (8) is engaged.
The pinion is slid in the axial direction by a solenoid actuator, and engages with the ring gear only when the motor is switched on.
Then, the torque of the cell motor is transmitted to the ring gear, and the dry water tank is started and started.
After the rotation is started, the ring gear and the pinion gear are provided with a clutch mechanism for connecting and disconnecting the mesh.
The cell motor has a built-in protection relay that is activated on condition that the water tank is in a dry state and in a complete rotation stop state.
In addition, a protective relay is also incorporated so that the cell motor is started only when the anemometer provided separately detects the cut-in wind speed and the above conditions are satisfied.
港の灯台は円筒型形状の建造物である。これは、円筒形状の建造物は暴風に対して強いことが立証されているからである。
当該風車発電機は、プロペラ型風車発電機と異なり、その構造が鉛直構造であるので、この円筒式格納容器（２３）に容易に収納することが可能である。図７は当該風車発電機が当円筒式格納容器に収納され、風車の運転のために同容器の外套がスライドダウンされた時の外観図を示す。
図８は、当該風車発電機が円筒式格納容器に完全に収納された状態から電動式で完全に露出された時の操作展開図である。
同格納容器は、暴風時にカットオフ風速（２５ｍ／ｓｅｃ．）をセンサー検知して当該風車発電機を同容器に自動収納する機構を持つもので、図８（Ａ）は、当該風車発電機を完全に収納した概念図であり、同図（Ｂ）は、同格納容器の上部をスライド降下させた時の概念図で、同図（Ｃ）は、同格納容器を完全に降下させた時の状態を示した概念図である。同容器の上下動作はエレベータ方式の電動巻上機の作動によって行われる。この操作は風車防護のために殆ど台風襲来時にのみ行われるもので年間を通じる消費電力は僅かで操作は太陽光パネルの蓄電によっておこなわれる。
灯台型形状の建造物は、耐暴風、耐震、耐豪雪の堅牢な建造物で特に頻繁に台風に襲われる日本の風土には欠かせない打って付けの風車収納型の格納容器である。従って、暴風によって風車が破壊される事象は払拭される。又、その建造物の形状より渡り鳥が飛行中に衝突して死に至らしめることは無く、又、プロペラ型風車が発するシャドウフリッカー現象を生じることもない環境を害しない建造物である。その上、同格納容器の最頂部には避雷針（２４ａ）を設けているので落雷により風車が破壊されることは無い。そして、海辺の灯台と同じくこの建造物は景観を損なうものではない。The port lighthouse is a cylindrical building. This is because cylindrical structures have been proven to be strong against storms.
Unlike the propeller-type wind turbine generator, the wind turbine generator has a vertical structure and can be easily accommodated in the cylindrical storage container (23). FIG. 7 shows an external view when the wind turbine generator is housed in the cylindrical storage container, and the jacket of the container is slid down for the operation of the wind turbine.
FIG. 8 is an operation development view when the wind turbine generator is completely exposed by electric drive from a state where the wind turbine generator is completely stored in the cylindrical storage container.
The containment vessel has a mechanism for detecting the cut-off wind speed (25 m / sec.) During a storm and automatically storing the wind turbine generator in the vessel. FIG. 8A shows the wind turbine generator. FIG. 2B is a conceptual diagram when the upper part of the storage container is slid down, and FIG. 2C is a conceptual view when the storage container is completely lowered. It is the conceptual diagram which showed the state. The vertical movement of the container is performed by the operation of an elevator type electric hoist. This operation is performed only when a typhoon strikes to protect the windmill, and the power consumption throughout the year is very small, and the operation is performed by the storage of solar panels.
The lighthouse-type building is a robust structure that is resistant to storms, earthquakes, and heavy snow, and is a windmill storage type containment that is indispensable for the Japanese climate that is frequently hit by typhoons. Therefore, the phenomenon that the windmill is destroyed by the storm is wiped out. In addition, it is a building that does not harm the environment in which migratory birds do not collide during flight due to the shape of the building and cause the shadow flicker phenomenon generated by the propeller type windmill. In addition, since the lightning rod (24a) is provided at the top of the containment vessel, the windmill is not destroyed by lightning. And like the seaside lighthouse, this structure does not detract from the landscape.
以上、上記したものが円盤型満水タンク一体型垂直軸風車発電機の大容量発電出力に至る機構と運転システムである。
コマは紐を通して人力（運動エネルギー）によって回転して運動エネルギーを蓄える機能を持っている。そして、コマは空気抵抗や摩擦抵抗が無い限り慣性によって引力を無視すれば永遠に廻り続けることになる。これは、人口衛星が地球を廻り続けるのと同じ理論である。
ここで、コマの質量と径をスケールＵＰして、それなりにコマに加える運動エネルギーを増大してコマを回転させればコマは同エネルギ―に比例して蓄える運動エネルギーを増大させることになる。
ここで、このコマを満水タンクに置き替えれば、上記と同じ理論で同タンクは回転することによって大容量の運動エネルギーを蓄えることが出来る。
回転体の運動エネルギーと回転トルクはその物理的な構成要素、即ち、回転体の質量と径に依存して増大するものであるから運動エネルギー ∝ 回転トルクの関係にある。即ち、運動エネルギーの増大は回転トルクの増大に繋がる。
この増大した回転トルクを負荷側（発電機）に放出することによって発電機は大電気エネルギーを創出することになる。
在来の垂直軸風車発電機は起動トルクが弱い、且つ、起動しても回転トルクが弱いと云う弱点を上記した機構並びに、システムによって克服したものが、この考案の円盤型満水タンク一体型垂直軸風車発電機である。What has been described above is the mechanism and operating system that reach the large-capacity power generation output of the disk-type full-water tank integrated vertical axis wind turbine generator.
The top has a function of rotating by human power (kinetic energy) through a string and storing kinetic energy. Then, unless there is air resistance and frictional resistance, the top will continue to turn forever if it ignores the attractive force due to inertia. This is the same theory that artificial satellites continue to travel around the earth.
Here, if the mass and diameter of the frame are scaled up, and the kinetic energy applied to the frame is increased to rotate the frame, the frame will increase the kinetic energy stored in proportion to the same energy.
Here, if this piece is replaced with a full tank, the tank can store a large amount of kinetic energy by rotating according to the same theory as described above.
Since the kinetic energy and rotational torque of the rotating body increase depending on its physical components, that is, the mass and diameter of the rotating body, there is a relationship of kinetic energy 回 転 rotational torque. That is, an increase in kinetic energy leads to an increase in rotational torque.
By releasing this increased rotational torque to the load side (generator), the generator creates large electrical energy.
A conventional vertical axis wind turbine generator has a weak starting torque and a weak rotating torque even if it is started. It is an axial wind turbine generator.
１ 水タンク
２ 受水槽（Ａ）
３ 中空軸
４ 固体軸
５ 排水ノズル
６ 電磁弁
７ メカニカルシール
８ セルモーター
８ａ ピニオンギアー
９ リングギアー
１０ 満水検知器
１０ａ 排気弁
１１ 注水ポンプ
１２ 風車
１３ 発電機（Ｇ）
１４ 制水弁
１４ａ 制水弁
１４ｂ チェッキ弁
１５ 水タンクサポーター
１６ 補水槽（Ｃ）
１７ 太陽光パネル
１７ａ 樋
１７ｂ 制水弁
１８ 受水槽（Ｂ）
１９ “Ｖ”字型ブレード、羽根車
２０ コーナーブレード、羽根車
２１ ガイドベーン
２１ａ ガイドリング
２１ｂ クランク
２２ ガイドベーン駆動用油圧装置
２３ 円筒式格納容器
２４ ドーム、円筒式格納容器
２４ａ 避雷針、円筒式格納容器
２５ フレーム、円筒式格納容器
ＡＯＬ 空気逃げ口
Ｇ 発電機
Ｗ 水流
ＷＴＧ 風力発電機1 Water tank 2 Receiving tank (A)
3 hollow shaft 4 solid shaft 5 drainage nozzle 6 solenoid valve 7 mechanical seal 8 cell motor 8a pinion gear 9 ring gear 10 full water detector 10a exhaust valve 11 water injection pump 12 windmill 13 generator (G)
14 Water Control Valve 14a Water Control Valve 14b Check Valve 15 Water Tank Supporter 16 Replenishment Tank (C)
17 Solar panel 17a １７ 17b Water control valve 18 Receiving tank (B)
19 “V” -shaped blade, impeller 20 corner blade, impeller 21 guide vane 21a guide ring 21b crank 22 guide vane drive hydraulic device 23 cylindrical containment vessel 24 dome, cylindrical containment vessel 24a lightning rod, cylindrical containment vessel 25 Frame, cylindrical containment vessel AOL Air outlet G Generator W Water flow WTG Wind generator
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| JP2015006672U JP3203180U (en) | 2015-12-24 | 2015-12-24 | Vertical axis wind turbine generator with disk-type full water tank that produces high output |
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- 2015-12-24 JP JP2015006672U patent/JP3203180U/en not_active Expired - Fee Related
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