JP3214198U - 翼形羽根板の揚力を利用する水平式揚力回転発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力により生ずる揚力を利用し、構造が簡単で、効率よく発電できる、風力発電装置を提供する。【解決手段】前縁断面を丸く厚くし、後縁断面を薄くし、上面２３を凸状、下面２４を凹状の曲面とする断面が湾曲した流線形の翼形羽根板２を、スタンド上に水平に設置した回転軸３の中心に等角度で風向きと平行に同方向に配置し、回転軸３又はその延長上に設けられた方向舵により、回転軸３を風上に向け、翼形羽根板２に生じた揚力により回転軸３を回転させ、回転軸３に連動する発電機を動かして発電する。【選択図】図４

Description

本考案は、水平な回転軸に垂直に、風向きに対し平行に翼形の羽根板を複数設置し、風力により生ずる揚力を利用し、回転軸を回転して発電する水平式揚力回転発電装置に関する。

太陽光、風力、中小水力、地熱等の自然エネルギ、換言すれば、再生可能エネルギを利用する発電方法が、東日本大震災に原子炉容器の溶融、それにともなう核分裂物質の拡散等もあり、脚光を浴びて久しい。しかし、わが国の年間発電量のうち再生可能エネルギによる発電量の割合は、３％から５％とであり、天然ガス等の化石燃料による発電量が大半を占めている。エネルギの自給率を高めるには、自然エネルギによる発電量を徐々に増加していくことが望まれる。現在、わが国の自然エネルギによる発電量は、小水力による発電を除くと、太陽光発電が最も多く、風力による発電はその約半分となっている。太陽光発電は、当然ながら夜間は発電できず、天候にも左右される。風力発電でも、天候に左右され、風力によりその発電量は増減し、台風や突風によっては崩壊の恐れもあり、一長一短がある。

風力発電としては、風力発電所として設置する、海上や海岸、山頂付近に設置されるタワーの高さが３０メートル、そのタワーの頂点に付ける羽根の長さが２５メートル以上の大型の風力発電装置があるが、一方、工場、家庭で使用する電気を発電するための小型の風力発電装置も見受けられる。
エネルギの自給率を高めるには、個人レベルにて使用する小型風力発電機を普及することも1つの手段であり、構造が簡単で安価であり、耐久性、安全性が高いことが望まれる。

エンジニアリング設備、環境保護設備等の設計・製作している会社を永年運営している本願考案者は、大学等からの依頼を受けて、水流利用発電装置を開発するための揚水式の流水パイプラインを工場敷地内に準備し、その開発等の手助けをしてきた。その関係から、自然エネルギを利用した発電装置に興味を抱いていた。
そして、ヨットの例に見るように、順風より横風の方が推進力を生ずる可能性がある揚力を利用する風力発電方法を模索していた。

そこで、揚力を利用する風力発電について調査すると、以下のような先行技術が見受けられた。
断面を湾曲させた翼型で前縁を丸く厚くして後縁を薄くし、表側を凸曲面に裏側を凹曲面にしてフラップを出したブレードを垂直な回転軸のまわりに複数枚設け３６０度全方向の風力により回転させる垂直軸型風車による発電装置(特許文献１)、縦軸風車は、十字形状の支持アームを備えた上下一組の支持部材を備え、上下で対になる各支持アームには、羽が取付けられ、その羽は断面翼型であり、風を受けると揚力を生じ、初動が良く、強風時にも破損しない縦軸風車の回転により生じた運動エネルギを電力に変える風力発電装置(特許文献２)、羽根車が風力を受けて回転するよう、前記羽根車を垂直軸周りに回転自在に支持する支持部と、前記羽根車に設けられ、前記羽根車と共に回転して垂直方向の揚力を生じさせる揚力発生部と、を備えたことを特徴とする垂直軸型風車の回転力により駆動される発電機と、を備えた風力発電システム(特許文献３)、水平軸風車が揚力の活用で回転し、垂直軸風車が揚力かあるいは抗力のいずれか一方の活用によって回転するのに対し、本装置は垂直軸風車を水平にして軸を風に直角に設置することにより揚力と抗力とを同時に活用することで風車を高速回転させ、効率的な発電を可能とする装置(特許文献５)等がある。また、風向きに対し適当な角度を保ち、水平な回転軸を回転させるプロペラ型風車も掲載されている(非特許文献１)。

特開２０１２−２３３４６６号公報 特開２０１４−１４５２９３号公報 特開２０１４−３７８０４号公報 特開２０１２−１３７０５９号公報 特開２００７−２１１６５６号公報

さわやかエンエルギー入門 ４０ページ図１ ２００４年 株式会社三省堂 出版 牛山泉著

各特許文献を対比検討すると、特許文献１では、ブレード内に気体が抜けるエアーダクトを組込む工夫がされ、特許文献２では、一定の強さ以上の風を受けたときには、軸周りの一方向の回転である公転を支持部材とともに行うようになっている。特許文献３では、前記羽根車と共に回転して垂直方向の揚力を生じさせる揚力発生部が上端部に設けられ、特許文献４では、一定の割合で連続的に位相角を変化させ、特許文献５では、円形筒型の垂直軸風車を水平に設置しそれを反転可能な回転翼をガイド装置により、揚力と抗力とを同時に活用することで起動を容易にするなど、各考案共に工夫が凝らされている。
しかし、各考案を検討すると、部品点数が多く構造が複雑であり、生産コストが高価になる恐れがあり、回転軸が風に対し垂直になっている点において共通する。また非特許文献１では、回転軸は水平であるが、羽根板は風向きに対し適当な角度を保ち回転するいわゆるプロペラ型である。
そこで、本願考案者は、風力により生ずる揚力を利用し、効率よく発電でき、構造が簡単で手軽に入手可能な風力発電装置が想起された。

本願の課題は、風力により生ずる揚力を利用し、構造が簡単で、効率よく発電できる、風力発電装置を提供するものである。

すなわち、第１考案は、前縁断面を丸く厚くし、後縁断面を薄くし、上面を凸状、下面を凹状の曲面とする断面が湾曲した流線形の翼形羽根板を、スタンド上に水平に設置した回転軸を中心に等角度で風向きと平行に同方向に配置し、回転軸又はその延長上に設けられた方向舵により、回転軸を風向きに向け、翼形羽根板に生じた揚力により回転軸を回転させ、回転軸に連動する発電機を動かして発電する水平式揚力回転発電装置である。

図１に翼形羽根板２の断面概略図、図２に全体概略図を示す。翼形羽根板２は、前縁２１断面を丸く厚くし、後縁２２断面を薄くし、上面２３を凸状、下面２４を凹状の曲面とする断面が湾曲した流線形である。抗力２６は、はく離流により急激に大きくなるが、流線型は、はく離流の原因となる拡大流を抑制し、さらに、上面２３付近では大気圧より低い気圧とし、下面２４付近では大気圧より高い気圧として、揚力２５を生じさせるものある。

図３に大気流と揚力、抗力の概略図を示す。翼形羽根板２は、飛行機の翼と同じように風向きと平行であり、(Ａ)は 大気流に対し上面２３を上に(Ｂ)は上面を下にしている。(Ａ)では、揚力は大気流に対し上方向に生じ、(Ｂ)では、揚力は大気流に対し下方向いわゆるダウンフォースが生ずる。
明細書や図３において、風向きと大気流の記載がある。風向きも大気の流れであるが、翼形羽根板２の近傍では風向きの方向が変わるため、大気流と表現した。風向きは、自然の風が流れてくる方向いわゆる風上を風向きとした。

本願の特徴は、回転軸３は水平であり、図２に示す翼形羽根板２も風向きに対し平行に付けられている。大型の風力発電のように、風向きの抗力を利用して回転軸を回転させるものではなく、大気流の翼形羽根板に生ずる揚力を利用して回転軸を回転させるためである。図２に示す翼形羽根板２が、回転軸を中心として風向きに対し垂直に回転することになる。
翼形羽根板２は回転軸３を中心に等角度で風向きと平行に同方向に配置している。翼形羽根板２が４枚ならば、回転軸３を中心として、９０度、６枚ならば６０度の間隔をおいて配置する。翼形羽根板２を同方向に配置するとは、その上面を回転の同一方向に向けて配置するということである。揚力２５は大気流に垂直に生ずるものであり、各翼形羽根板２の向きを同一にして揚力の合力を回転軸に与えるためである。
風向きと平行にとしたのは、風向きは２次元ではなく、３次元であり、風の流れに翼形羽根板２が水平になっていることをいうものである。
図３において、(Ａ)の状態では、揚力２５は大気流に対し上方向に生じ、１８０度回転した(Ｂ)の状態では、下方向に生ずる。この揚力２５により回転軸を回転させるものである。

図４は、翼形羽根板２の上面２３、下面２４の向きと揚力２５による回転とを示す図である。スポーク２８を介し翼形羽根板２が回転軸３に取り付けられている。
(Ａ)は、翼形羽根板２の上面が上に、(Ｂ)は下面が下に向いて風向きと略垂直に置かれている。(Ａ)では、揚力が紙面の表方向に生じ、(Ｂ)では揚力が紙面の裏方向に生じ、回転軸３は、風向きから見て時計回りに回転することになる。

翼形羽根板２揚力２５を生じさせるには、風向きに対し翼形羽根板２を略垂直に向ける必要がある。そのため、回転軸３又はその延長上に設けられた方向舵４換言すれば垂直尾翼を設けるものである。
スタンド５上には、回転軸３、回転軸の中心から所定の間隔で等角度に配置された複数の翼形羽根板２、回転軸３又はその延長上に設けられた方向舵４及び回転軸３に連動する発電機６が搭載されている。なお、発電機６は、必ずしもスタンド５上に搭載される必要はなく、地表等に置き、回転軸の回転を伝える図示しない伝達機構により発電機を動かすことも可能である。

続いて、第２考案は、風向きに対し所定の仰角を付けた第１考案の水平式揚力回転発電装置である。

揚力は、速度言い換えれば、風速の２乗に比例して変化し、風速が小さくなると揚力は急激に小さくなる。そこで、少しでも揚力を生じやすくするため、風向きに対し仰角を設けるものである。仰角とは風向きは水平であると仮定し、水平面と翼形羽根板２のなす角度を言うものであり図５に示す。
仰角の絶対値が小さいときには揚力係数は略仰角に比例するため、揚力は増すが、絶対値が大きくなると、はく離流が生じ揚力は急激に減少する。仰角は、本願に係る考案の生産時に固定して付けることができるし、また翼形羽根板２の回転数あるいは風速によって自動的に調整することもできる。

第１考案では、回転軸を水平にし、風向きに平行な翼形羽根板の揚力を利用する比較的簡単な構造の風力発電装置を提供するものであり、第２考案では、風速が低い場合、あるいは発電効果を上げるために仰角を付けるものである。

図１は、翼形羽根板の概略断面図である。 図２は、翼形羽根板の全体の概略図である。 図３は、大気流と揚力・抗力の関係図である。 図４は、翼形羽根板の上面、下面の向きと揚力による回転とを示す図である。 図５は、翼形羽根板の仰角を示す図である。 図６は、水平式揚力回転発電装置の概略図である。 図７は、側板付翼形羽根板の概略図である。

本願考案の実施例を以下に示す。

図６は、水平式揚力回転発電装置の概略図である。回転軸３はスタンド５上に回転自在に水平に搭載され、その先端の中心には翼形羽根板２が付けられ、一方の端は発電機６に連動している。そして回転軸３の延長方向には方向舵が付けられている。風向きに平行におかれた翼形羽根板２の揚力により、翼形羽根板２は回転軸を中心として回転し、すなわち風向きに対し略垂直に回転し、連動する発電機６により発電する。
尚、重複するが翼形羽根板２は、風向きに対し平行であるが、図６では上手く表現されていない。図３及び図４を参照されたい。なお、図６では、翼形羽根板２は４枚配置されているが、この数に限定されるものではなく、３枚、６枚、８枚等とすることもでき、その数は任意である。

翼形羽根板２は、図２に記載の形状に限定されるものではなく、図７の側板２９付翼形羽根板２の概略図に見られるように、風を取り込むため側板２９を翼形羽根板２の左右両面に付けることもでき、また、前縁の幅を広く、後縁に行くにしたがいその幅を狭くすることもできる。また、翼形羽根板２の内部を図示しないが空洞とすることもできる。図７(Ａ)は、側板２９付翼形羽根板２の平面概略図であり、(Ｂ)は、同じく側板２９付翼形羽根板２の側面概略図である。測板２９は、抗力やはく離流を少なくするため、先端部、後端部が丸みを帯びた形としている。翼形羽根板２８や側板２９付翼形羽根板２は、ＦＲＰ、プラスチックあるいはカーボンファイバーなど比重が軽い材料を使用することが好ましい

本願は、風向きの抗力ではなく揚力を利用するものであり、翼形羽根板は風向きに対し水平であるため、強風時でも破損の恐れが少ない。さらに構造が簡単であり安価に生産可能であり、需要が期待される。

１ 水平式揚力回転発電装置
２ 翼形羽根板 ２１ 前縁 ２２ 後縁 ２３ 上面 ２４ 下面 ２５ 揚力 ２６ 抗力 ２７ 仰角 ２８ スポーク ２９ 側板
３ 回転軸
４ 方向舵
５ スタンド
６ 発電機

Claims (2)

1. 前縁断面を丸く厚くし、後縁断面を薄くし、上面を凸状、下面を凹状の曲面とする断面が湾曲した流線形の翼形羽根板を、スタンド上に水平に設置した回転軸を中心に等角度で風向きと平行に同方向に配置し、回転軸又はその延長上に設けられた方向舵により、回転軸を風向きに向け、翼形羽根板に生じた揚力により回転軸を回転させ、回転軸に連動する発電機を動かして発電する水平式揚力回転発電装置。
2. 風向きに対し所定の仰角を付けた請求項１の水平式揚力回転発電装置。