JP4682230B2 - 風力発電用ブースター風車風洞体 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電に用いる筒状風洞体と、その外部に設けた風車とを、一体化し、この機能を活用するために調速風車を設けたブースター風車風洞体に関するものである。

従来のものは、道路トンネル等の天井部に設置して、其の噴流によって，トンネル内の換気を行っていた（例えば、特許文献１参照）。

また、風洞内に風力発電装置を設け、風洞を風の流れ方向に滑らかに拡大させることで圧力を下げ、併せて風洞体の流出口の口縁の外側に設けた鍔状片によって効率的に発電風車を回転させ、この風車の回転によって高出力の発電を行う風力発電装置が知られている。（例えば特許文献２参照。）

また、風洞内に設けられた風力発電装置には、風の流入口から流出口に向かって拡大するように対面配置した一対の風洞体と、その風洞体の流出口の外側に鍔状片を備え、流入口近傍の風力の取り出し位置に発電用の風車を配置して背圧を制御することにより、さらに効率よく風の流れを増速することが可能な風増速装置及びこれを用いた風力発電装置が知られている。（例えば特許文献３参照）

また風洞内部に直列に複数のボスヘッドとこれに対応したプロペラ型の軸流ターボファンを備え、風の吹き出し口には強制的に排気して風洞内部に気流を発生させる排気ファンを設けた風洞部材が知られている。（例えば特許文献４参照）

また風力発電機の風車起動補助装置として、発電用風車と起動用風車を設けてその起動用風車に電動フアンで風を当て発電用風車の起動を補助する装置が知られている。（例えば特許文献６参照）
特開平９−１２６１９４号公報 特開２００３−２７８６３５号公報 特開２００３−３２８９２２号公報 特開２００４−１９０５０６号公報 特開２００６−１４４７０１号公報 特開２００７−１００５５８号公報 特許第３５２９１５５号登録

しかしながら、特許文献１記載の従来のブースターファンは、道路トンネル内の排気を目的に特定して開発されたもので、風洞体そのものが道路のトンネルであり、汎用品として多目的に応用するという事が適切でないという問題がある。

また、特許文献２に記載されている従来の風胴体では、風胴体の軸に対する風胴内壁面の傾斜角度が５〜２５度と比較的小さく設定されている。この程度の風洞体内で十分な圧力勾配を得る為には、風洞体の長さをＬとし、流入口径をＤとすれば、この値をＬ／Ｄ＝＞１以上の風洞体の長さが必要という課題がある。特許文献２には風胴体の長さをＬ、流入口径Ｄの比を、Ｌ／Ｄ＝１．２５としたのが実施例に示されている。（特許文献５）（０００４）引用。

更に、前記特許文献２記載の発明では、長筒の風胴体の背後では風の流れが三次元（周方向）へ拡散するため、弱い渦が形成されることになる。したがって、長筒状の風胴体の場合、背圧はそれほど低くならず、この背圧による増速効果は比較的小さいことを、当該発明者自身が指摘している。（特許文献３の）（発明が解決しようとする課題）（０００８）引用。

また、特許文献３に記載されている風増速装置及びこれを用いた風力発電装置は前記特許文献２に記載された風力発電装置の風胴体の構成を、筒状型から画壁形状に改良したもので、一対の画壁間を通過する風が流出口の背後で二次的に拡散しながら巻き込まれ、且つ風胴体外側を通過する風も風胴体の背後へ二次的に拡散しながら巻き込まれ、風胴体背後で非常に強い渦を形成するという機構である。

しかし、特許文献３に記載される従来の風力発電装置では、装置そのものが大型化して、画壁側面に受ける風圧が大きくなり、そのため筐体の強度化が必要となり重量も増して機構全体が大きく設置面積等からも使用が限定される。更に自然環境の不規則な風向や風速の変化に対して、迅速に追尾することが困難であり、そのために画壁外側面や画壁背後からの吹き付ける風力により、画壁体の流出口近傍に渦流を形成することが期待できず、手軽には利用できないこという問題がある。

また、特許文献４の装置は、直列に複数個の風洞内部を絞る流線型のボスヘッド機構を設け、其の各々にプロペラを有する軸流ターボ型ファンを設けた装置では初段目、２段、３段と、各段毎に後段のプロペラを有する軸流ターボ型ファンが、前段ファンによる気流の旋廻成分の影響を受けるため、その影響を受けなくするためには（特許文献４に示された機構の仕様が解らないので）仮に風洞内の風速が５ｍ／Ｓ程度と見積もってもプロペラの回転直径の１０倍以上の間隔を開けることが望ましく、ボスヘッド機構の設置台数分の長さの風洞となると、その排気口に、排気ファンを設けて風洞内の抵抗をなくし、風力を増幅して風力ファンの回転を高めるには、発電機ファンの設置台数分の損失エネルギーを排気ファンが補う必要がある。其の駆動エネルギーが、発電機からの取り出すエネルギー以上に必要となり、実現が期待できないという問題がある。

上記課題を解決手段としてこの発明は、
円筒形の外輪と回転軸間に凹型の切欠がある輻を複数個、回転軸を中心とする周方向に一定間隔をおいて放射状に設けて、その輻の切り欠き凹面を筒状風洞体の排気口縁に回転自在に隙き間嵌めして着装され一体化した極めてシンプルな構造である。

筒状風洞体外周近傍を、軸方向に風上側から風下方向に流れる気流によって回転するブースター風車が、回転モードの時は調速風車を回転駆動して、筒状風洞体内の背圧を下げて気流を加速させる機能を有し、ブースター風車が回転停止モードの時は、筒状風洞体排気口縁で渦巻き気流を形成して圧力を下げ、大気の背圧により筒状風洞体内を流れる気流を加速させる機能を有する。

また、弱風下における発電用風車の自己起動を促進するには、筒状風洞体の気流入り口近傍に浮遊する風を、ブースター風車の回転によって強制的に筒状風洞体の気流入り口に集め、風洞内に設けられた風車の無負荷起動を容易に促進する機能を有し、一定値以上の強風時には風洞内に設けた調速風車の回転手段で気流を抑圧制御するガバナー機能を有し、弱風から強風まで安定した風力発電装置が可能となる。

本発明は、上記の構成により、次のような効果を有する装置を提供できる。
ブースター風車と筒状風洞体を一体化したことで、極めてシンプルな構成でありながら、風洞内の気流を加速させる機能や風洞内の流通気流を制御するガバナー機能を併有していて、従来からの課題であった、弱風下における風力発電機の起動、停止動作が頻繁に繰り返される問題や風洞体内に流通する気流が、急激に強弱を繰り返し変化することで発電機出力が変動することなどの問題を、複雑な機械機構を設ける事無く風車の起動促進が容易になり、また風洞内の流通気流の頻繁な流速変化による発電出力の平滑化も可能で、設置場所も取らず制作費も廉価で汎用性に富む風力発電装置を提供する。

ブースター風車と筒状風洞体を一体化したことで小型化が可能になり、筒状風洞体の気流入り口を、風向方向や風速の急激な変化に対しても追尾制御駆動が可能となり、風洞体気流入り口を、迅速に風上方向に追尾するため、筒状風洞体の側面や風洞排気口の背後から吹き込む風力で、風洞排気口縁に形成される渦巻き気流に影響を受けることなく、風洞体の構造も簡単に製作出来る効果がある。

また、予め所定の値に設定した風速以上の強風時には、風洞気流入り口を風向に対して９０度旋廻して風洞内に流入する強風を回避し、併せてブースター風車と調速風車の逆回転制御による、風洞内の気流を抑制するガバナー機構が動作することで強風の被害を食い止めることが可能となる。

筒状風洞体とブースター風車とを一体化して、筒状風洞体外周を流れる気流を効果的に活用した機能を駆使したことで、シンプルでありながら効率の高い発電装置が可能となり、ビルの屋上や工事現場の仮設電源また、防錆処理やガードを取り付け漁船用やアウトドア用電源に応用も可能で、汎用電源として利用する等用途は広がり、量産が進めば生産コストも安くなり今後は広く一般家庭にも普及する効果がある。

以下この発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１は実施例の作用説明を兼ねた構成斜視図である。
図２は実施例のブースター風車の主要部の説明を兼ねた斜視図である。
図３は図１の部分要部の説明を兼ねた斜視図である。
図４は風洞体とブースター風車を一体化した説明を兼ねた斜視図である。
図５は実施例の作用説明を兼ねた構成図である。
図６は気流の状態と渦流生成手段の説明を兼ねた斜視図である。
図７は実施例の集風手段の説明を兼ねた斜視図である。

図２、図３及び図５で示すように、円筒形の外輪（以下外輪という）１と、この外輪１を支える回転軸２との間に設ける輻３の形状をブレード状５にして、更に径方向の先端部分の風洞体の排気口縁７と嵌合する位置８に凹面の切り欠け４を設ける。その輻３を、複数個（この実施図２では３個）回転軸２を中心とする周方向に一定間隔をおいて放射状に設けて、前記輻３に設けた切り欠け凹面の周方向に調整された口径（図４の３４）筒状風洞体（以下風洞体という）６の排気口縁７に、前記回転軸２を中心に回転する輻３の切り欠け凹面が回転自在に隙き間嵌め８に装着され一体化した風洞体で、この風洞体の外周近傍を軸方向に風上側３６から風下３７方向に流れる気流によってブースター風車１１が回転する。

この発明の実施例は、図５の風力発電装置の一部配役した例である。
この場合、渦巻き渦流生成手段として、風洞体６の排気口縁７の外周面と外輪１との間に、周方向に、一定間隔を置いて放射状に複数個（この実施図２では８個）の整流偏向板９を「風洞体の外周面を摺接しない程度に間隙（図５の８）をあけて」外輪１に設け、其の角度はブレード形状の輻３の角度と同一方向とする。この、ブースター風車１１が回転停止モードの時は、前記風洞体６の外周近傍を軸方向に風上側３６から風下３７方向に流れる気流（図６の２１）が前記整流偏向板９の手段によって、気流が軸方向から周方向に偏向旋回２２して風洞体排気口近傍で渦巻き気流（図６の２４）を生成する。

また、前記実施例に示した渦巻き気流生成の相乗効果を得る手段として、風洞体排気口縁７近傍に調速風車１４及び電動・発電機１７を設ける。其の電動・発電機１７の出力軸に設けたクラッチｂ１６を介して調速風車１４の回転軸１５ｂに接合され電動・発電機１７が回転するとその伝達によって調速風車１４も回転する。その結果風洞体内１０から気流２３が排出される。其の排出される気流２３が、回転停止モードのブースター風車１１の輻３の取り付け角度の手段によって、軸方向（図６の２３）から周方向に偏向され、その偏向された周方向の速度成分２４と、前項実施例の、非回転の整流偏向板（図６の９）の手段によって、軸方向２１から周方向に偏向２２された気流２４の、周方向の速度成分と回転合成２４されて、更に強い渦巻き気流を生成して風洞体内１０の圧力を下げ風洞の流通気流を加速させる。

また、図５の風力発電装置の一配役として。
前記調速風車１４の回転手段として、ブースター風車１１の回転軸２に併設したブレーキ１８及び回転方向を切り替え可能なクラッチａ１２を調速風車軸ａ１３に接合した調速風車１４を、前記ブースター風車１１が、風洞体外周近傍を風上側３６から風下３７方向に流れる気流２１によって回転して、その回転した駆動力の伝達によって、調速風車１４が回転することで、風洞体内１０の背圧を下げて風洞体内を流れる気流２０を加速させる。

微風下において、筒状風洞体内１０を流れる気流のエネルギー密度が少なく、発電機用風車３１の軸にかかる摩擦抵抗や直流発電機の磁気抵抗によるゴギング等の要因で自己起動が困難な時や、発電機３２の出力が所定値に至らない時には、筒状風洞体６の外周近傍を軸方向に風上側３６から風下３７方向に流れる気流２１によって回転するブースター風車１１の回転駆動の伝達によって回転する調速風車１４と、更に筒状風洞体内１０を流れる気流のエネルギーによって回転する調速風車１４の駆動エネルギーを、合わせた駆動力で電動・発電機１７を作動させて小電力を取り出し、長時間の微風領域の間でも電力を蓄えることが出来る。なお、上記発電機３２や電動・発電機１７からの電力を蓄える蓄電部が筒状風洞体６の外部に設けられている。

図７を併せ参照して説明する。
弱風下における風力発電機の起動、停止の動作が頻繁に繰り返される問題の対処として、前実施例の構成により電動・発電機１７の回転駆動によって調速風車１４が回転する。その回転する調速風車軸ａ１３を伝達してブースター風車１１も同時に回転する。この手段により風洞体外周近傍の風を風上側３６から風下３７方向へ強制的に吸い込む事で風洞体気流入り口周辺に浮遊する気流２５を風洞体気流入り口３０に誘導し、併せて、調速風車１４の回転によって風洞体内部１０の気流も排出２３されて、その結果背圧も下がり、前記、風洞体気流入り口近傍に浮遊２５して集まった気流１９が大量に風洞内３０へ流れ込むことによって風車３１の回転起動が容易になる。

また、風洞体内部１０を流れる気流の速度の変化が頻繁に繰り返される問題には、風洞体内部１０を流れる気流２０の速度を一定範囲内で調速する。其の手段としてブースター風車１１は、風洞体外周近傍を流れる気流２１によって回転する。そのブースター風車１１の回転軸２に併設したブレーキ１８及びクラッチａ１２を介して調速風車１４も同時に回転する。また、調速風車１４の回転方向を、右回転または左回転方向に切り替える手段を備えた前記クラッチａ１２は、風洞内に設けられた風圧・風速センサーの情報を制御装置３５において処理され、その制御信号の手段によって切り替えられる。前記の機構から、風洞体外周近傍を流れる気流２１によって回転するブースター風車１１の回転エネルギーを、調速風車１４の右または左回転によって流通方向を変換する。その変換された気流と、風洞入り口から流入した風洞内の流通気流２０を、風洞内１０で双方が対峙して、予め所定の値に設定して決めたエネルギー密度に調速するガバナー機構を備える。
本発明の主体は気流を利用した風車と風洞体の実装及び活用方法にあるので電子と機構系の関連説明は省略する。

風力発電装置の発電出力は風のエネルギー密度に強く依存するため、風の情報を発電装置に反映させることが必要不可欠であり、其の情報を収集する手段として、風向・風速センサー２７を気流入り口の外周点と旋廻自在保持棒点を基準に垂直の交わる位置２６、に設けている。そのセンサーで収集した情報を処理する手段に記憶・演算・信号処理機能等が電子制御部３５内には備えている。

風向・風速センサー２７が風向・風速の情報を検知して其の計測数値を電子制御部３５に送信してそれを基に信号を処理して、その指示を追尾駆動制御装置２９に送信する。その指示に従って追尾駆動制御装置２９は風洞体の気流入り口３０を風上方向３６に追尾駆動をする。

また、予め所定の値に設定した以上の強風時には、風洞体の気流入り口３０を風向に対して９０度自動旋廻して、風洞内に流入する強風１９を回避し、併せてブースター風車１１と調速風車１４の回転制御によって風洞内の気流を抑制するガバナー機構が動作する。その手段によって強風の被害を食い止めることが可能となる。
尚この追尾制御装置は既に多くの方式が知られているが、本件申請人が既に発明した（特許文献６参照）旋廻機構部を応用することも可能である。

また、風速・風圧・回転センサーで時時刻刻と絶え間なく検知して、其の数値を電子制御部３５へ送信して、その情報に基づいて処理された信号によって、電動・発電機１７の右回転または左回転及び回転速度の制御を行う。その制御手段として電動・発電機１７の電子ブレーキやクラッチａ１２並びにブレーキ１８を併用して行うことによって前記ブースター風車風洞体の機能を達成する。

そこで、前記実施例で示した機構を備えたブースター風車風洞体に風力発電装置３８を備える。其の構成は風洞体６の気流入り口３０近傍に風車３１を設け、風洞体内を流れる気流２０により回転する風車と、その風車と一体化した発電機３２を設け、更に風洞体の軸方向に、風洞体の重量が釣り合う支点の近傍に、旋回自在の支持棒２８でブースター風車風洞体を支持して、その支持棒２８と一体化した追尾駆動制御装置２９を備え、風向や風速の急激な変化に対しても、風洞体気流入り口３０を、迅速に風上方向３６に追尾するため、ブースター風車風洞体の側面や風洞体排気口近傍へ背後から吹き込む風力で、風洞排気口縁７に形成される渦巻き気流に影響を受けることなく、風洞体の構造も簡単な構造に出来る効果がある。

風洞体とブースター風車を一体化して、風洞体外周を流れる気流２１を活用して複数の機能を併用したことで、シンプルでありながら効率の高い発電装置が可能となり、ビルの屋上や工事現場の仮設電源やまた、防塩処理して漁船用に汎用電源として利用する等用途は広がり、量産が進めば生産コストも安くなり、今後は広く一般家庭にも普及する効果がある。

実施例の基本的構成の説明斜視図である。 要部の説明を兼ねた斜視図である。 要部の説明を兼ねた斜視図である。 実施例説明を兼ねたブースター風車風洞体の斜視図である。 実施例の基本的構成説明図である。 実施例の渦流生成手段の説明図である。 実施例の集風手段の説明図である。

１ 円筒型外輪
２ ブースター風車回転軸
３ 輻
４ 凹型の切り欠け
５ ブレードの形状
６ 筒状風洞体
７ 排気口縁
８ 隙き間嵌め嵌合部
９ 整流偏向板
１０ 筒型風洞体内部
１１ ブースター風車
１２ クラッチａ
１３ 調速風車軸ａ
１４ 調速風車
１５ 調速風車軸ｂ
１６ クラッチｂ
１７ 電動・発電機
１８ ブレーキ
１９ 風洞内へ流入気流
２０ 風洞内流通気流
２１ 風洞体外周流通気流
２２ 円周方向に偏向気流
２３ 風洞外へ排出気流
２４ 回転合成気流
２５ 浮遊集合気流
２６ センサー設置位置
２７ 風向・風速センサー
２８ 旋回自在支持棒
２９ 追尾駆動制御装置
３０ 気流入り口近傍
３１ 風車
３２ 発電機
３３ ブースター風車風洞体
３４ 風洞体直径
３５ 電子制御部
３６ 風上側
３７ 風下側
３８ 風力発電装置

Claims (9)

1. 筒状風洞体（６）の排気口縁（７）に、該筒状風洞体（６）の外周面より突出して、円筒形の外輪（１）を有するブースター風車（１１）を設け、
   前記ブースター風車（１１）は、前記外輪（１）と、該外輪（１）を支える回転軸（２）の間に設ける輻（３）を、ブレード形状にして風車翼を形成し、
   前記ブースター風車（１１）の輻（３）には、径方向の先端部分に前記排気口縁（７）に嵌合する位置に凹状の切り欠け（４）を設け、
   前記輻（３）を複数個、前記回転軸（２）を中心とする周方向に一定間隔をおいて放射状に設け、
   前記輻（３）に設けた切り欠け（４）の凹面が前記筒状風洞体（６）の排気口縁（７）に、回転自在に隙き間嵌めして前記ブースター風車（１１）が前記筒状風洞体（６）に装着され一体化した
   ことを特徴とする風力発電用ブースター風車風洞体。
2. 前記筒状風洞体（６）の排気口縁（７）の外周面と、前記ブースター風車（１１）の外輪（１）との間に、周方向に一定間隔をおいて放射状に、複数個の整流偏向板（９）を、前記筒状風洞体（６）の外周面を摺接しない程度に間隙をあけて前記ブースター風車（１１）の外輪（１）に設け、
   前記整流偏向板（９）の取り付け角度を、ブレード状の前記輻（３）の角度と同一方向に取付けることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用ブースター風車風洞体。
3. 前記筒状風洞体（６）の排気口縁（７）の近傍に、該筒状風洞体（６）内を流れる気流を制御する調速風車（１４）を設け、
   該調速風車（１４）の回転手段として、前記ブースター風車（１１）の回転軸（２）にブレーキ（１８）と右回転、左回転を切り替え可能なクラッチａ（１２）を併設し、
   前記クラッチａ（１２）は前記調速風車（１４）の調速風車軸ａ（１３）に接合されていて、前記ブースター風車（１１）の回転する駆動力の伝達によって該調速風車（１４）が回転するように構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電用ブースター風車風洞体。
4. 前記筒状風洞体（６）内に電動・発電機（１７）を設け、該電動・発電機（１７）の出力軸にクラッチｂ（１６）を併設し、
   該クラッチｂ（１６）は前記調速風車軸ａ（１３）と一体化されていて、前記電動・発電機（１７）の回転する駆動力の伝達によって前記調速風車（１４）を回転させ、
   該調速風車（１４）の回転により筒状風洞体（６）の内部から気流が排出され、その排出した気流が、静止しているブースター風車（１１）の輻（３）の取り付け角度の手段によって、軸方向から周方向に偏向され、其の偏向された周方向の速度成分で、筒状風洞体（６）の排気口近傍に渦巻き気流を生成するように構成したことを特徴とする請求項３に記載の風力発電用ブースター風車風洞体。
5. 前記筒状風洞体（６）の気流入り口（３０）の外周に、旋回自在支持棒（２８）を基準として、垂直方向の位置に風向・風速センサー（２７）を設け、
   前記筒状風洞体（６）の軸方向に該筒状風洞体（６）の重量が釣り合う支点の近傍に、前記旋回自在支持棒（２８）で前記筒状風洞体（６）を支持し、該旋回自在支持棒（２８）と一体化した追尾駆動制御装置（２９）を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の風力発電用ブースター風車風洞体。
6. 前記筒状風洞体（６）内の流通気流エネルギー密度が少なく、発電機（３２）と一体化されて該筒状風洞体（６）の気流入り口近傍に設けた発電機用風車（３１）の自己起動が困難な時には、前記筒状風洞体（６）の外周近傍を軸方向に、風上側（３６）から風下（３７）方向に流れる気流によって回転するブースター風車（１１）の手段によって回転駆動をする電動・発電機（１７）を、セカンド発電機として用いる機構を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の風力発電用ブースター風車風洞体。
7. 前記筒状風洞体（６）の外周近傍を、軸方向に風上側（３６）から風下（３７）方向に流れる気流によって回転する前記ブースター風車（１１）の回転力によって前記調速風車（１４）が回転して、前記クラッチａ（１２）の手段によって前記筒状風洞体（６）内の気流を排気口縁（７）側から気流入り口（３０）方向へ流れを変換し、その変換された気流のエネルギーと、風洞入り口から流入した筒状風洞体（６）内を流れる気流のエネルギーを筒状風洞体（６）内で双方が対峙して、予め所定の値に設定した決めた筒状風洞体（６）内の流通気流のエネルギー密度に調速する、ガバナー機構を備えたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の風力発電用ブースター風車風洞体。
8. 前記請求項１〜請求項７のいずれかに記載の風力発電用ブースター風車風洞体を用い、
   前記筒状風洞体（６）の気流入り口（３０）の近傍に、発電機用風車（３１）と一体化した発電機（３２）を設け、該発電機（３２）にて発電した電力を蓄える蓄電部を筒状風洞体（６）の外部に設け、
   前記筒状風洞体（６）内の気流情況を管理するために風速センサー、風圧センサー、回転センサーを備えたことを特徴とする風力発電機用ブースター風車風力発電装置。
9. 前記風速センサー、風圧センサー、回転センサーの各々センサーが検出した情報を基に、前記電動・発電機（１７）の回転動作を右回転または左回転及び回転速度の制御を行う手段を備えたことを特徴とする請求項８に記載の風力発電機用ブースター風車風力発電装置。

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