JP4814635B2 - 流体力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気または水等の流体の持つエネルギを機械的な回転力に変換し、前記回転力により発電機のロータを回転させて電力を取り出す流体力発電装置に関する。

風力を利用した発電装置としては、例えば特許文献１〜３に記載された技術が従来公知である。
（特許文献１：米国特許第６０１５２５８号明細書）
この特許文献１には、鉛直軸回りに回転するロータと、前記ロータの周囲に配置された多数の整流板によりロータに流入する空気量を増加させた技術が記載されている。
（特許文献２：特開昭５９−４６３７４号公報）
この特許文献２記載技術は、通風筒体の下部に吸気口が形成され、通風筒体上端を空洞の翼型の内部に連通させ、前記翼型の後端に排気口が形成し、前記翼型の周囲の空気流により前記排気口から空気を吸引して通風筒体内部に上昇気流を生じさせている。前記通風筒体内部には、上昇気流により回転駆動される発電用タービンが配置されている。
（特許文献３：特開２００２−３６４５１８号）
この特許文献３には、上下に延びる円筒管の上端に翼型を用いた吸引装置を設け、前記円筒管の下端に火炎燃焼による上昇気流発生機構を設け、前記円筒管内部の上昇気流により回転する発電装置を円筒管内部に設ける技術が記載されている。
「米国特許第６０１５２５８号明細書」 「特開昭５９−４６３７４号公報」 「特開２００２−３６４５１８号」

（特許文献１記載の技術の問題点）
特許文献１記載の技術では、多数の整流板によりロータに流入する空気量を増加させているが、水平方向からロータに流入する気流を利用しているだけであるので、エネルギ効率を高くすることができない。
（特許文献２記載の技術の問題点）
特許文献２記載の技術では、上下に延びる通風筒体上端に取り付けた空洞の翼型周囲を流れる気流により生じる負圧を利用して、通風筒体の内部に上昇気流を生じさせている。この場合、水平方向の気流の中の前記翼型周囲を流れる気流のみを利用しており、前記通風筒体の側面に衝突する気流のエネルギを利用していない。このため、エネルギ効率を高くすることができない。
（特許文献３記載の技術の問題点）
特許文献３記載の技術では、前記上下に延びる円筒管上端に取り付けた翼型周囲を流れる気流により生じる負圧を利用して、円筒管の内部に上昇気流を生じさせている。また、前記円筒管の下端に火炎燃焼による上昇気流を生じさせている。前記火炎燃焼はエネルギーの消費を伴う。また、この特許文献３記載の技術は、構成が複雑であり、コスト高となり、実用的でないと思われる。

本発明は前述の事情に鑑み、ロータに水平方向から流入する流体エネルギおよび前記ロータの上方を流れる流体の流体エネルギを利用し、構成が簡素且つ丈夫で寿命の長い流体力発電装置を提供することを課題とする。

次に、前記課題を解決した本発明を説明するが、本発明の要素には、後述の実施の形態の具体例（実施例）の要素との対応を容易にするため、実施例の要素の符号をカッコで囲んだものを付記する。また、本発明を後述の実施例の符号と対応させて説明する理由は、本発明の理解を容易にするためであり、本発明の範囲を実施例に限定するためではない。

（第１発明）
前記技術的課題を解決するために、第１発明の流体力発電装置は、次の構成要件（Ａ01）〜（Ａ06），（Ａ06ａ），（Ａ06ｂ）を有することを特徴とする。
（Ａ01）鉛直方向に延び且つ回転可能に支持されたロータ軸（１７）と、前記ロータ軸（１７）に連結され前記ロータ軸回りの流体の旋回流により回転力が発生するロータブレード（１９）とを有するロータ（１６）、
（Ａ02）前記ロータ軸（１７）の回転に連動して回転する回転子を有する発電機（２１）、
（Ａ03）前記ロータ（１６）の上方に配置され、鉛直方向から見た場合に前記ロータブレード（１９）の外周が内部に収容される大きさに形成された上端開口（７ａ）および下端開口（７ｂ）を有し、上方に行くに従って直径が縮小する筒状錐壁（７）であって、前記筒状錐壁（７）の上面に沿って流れる流体が上端開口（７ａ）から剥離する際に生じる剥離渦により筒状錐壁（７）内部の流体を上方に吸引する前記筒状錐壁（７）、
（Ａ04）前記ロータブレード（１９）の外周に沿って所定間隔で配置され、且つ、下方から上方に行くに連れてねじれた板状に形成された複数の上昇旋回流生成用整流板（１３）であって、前記ロータブレード（１９）の外周の接線方向に流れる水平な流体を前記ロータ軸（１７）に接近させ且つ上方に偏向させるように下方から上方に行くに連れてねじれた板状に形成され、前記ロータブレード（１９）が配置された空間に上昇旋回流を生じさせる前記複数の上昇旋回流生成用整流板（１３）、
（Ａ05）前記ロータ（１６）の下方に向かう水平な流体を上昇させながらロータ（１６）に導入するために前記ロータブレード（１９）の下方に近接して配置され、前記ロータ（１６）の軸から半径方向外方に行くに従って下方に傾斜する傾斜壁（３ａ）により構成された上昇流導入壁（３ａ）、
（Ａ06）前記複数の上昇旋回流生成用整流板（１３）の外側に配置されて、水平な流体を前記ロータ（１６）に接近する方向に偏向させることにより、前記上昇旋回流生成用整流板（１３）が配置された空間に流入する流体流量を増加させる流量増加用整流板（６）、（Ａ06ａ）前記ロータ軸（１７）に対して放射状に複数配置された前記流量増加用整流板（６）、
（Ａ06ｂ）前記筒状錐壁（７）と前記上昇流導入壁（３ａ）と前記流量増加用整流板（６）どうしとの間に囲まれた空間により構成されて、流体を前記上昇旋回流生成用整流板（１３）に向けて導入する開口であって、
鉛直方向の長さが、前記ロータブレード（１９）の鉛直方向の長さ以上の長さに設定されると共に、
前記流量増加用整流板（６）どうしの間隔である水平方向の長さが、少なくとも前記ロータブレード（１９）の直径以上に設定され、
前記上昇旋回流生成用整流板（１３）が前記開口を通じて露出し、且つ、前記開口内に前記上昇旋回流生成用整流板（１３）および前記ロータ（１６）以外の部材が配置されない前記開口。

また、前記第１発明の流体力発電装置は、次の構成要件（Ａ07）を備えることができる。
（Ａ07）前記上昇旋回流生成用整流板（１３）が配置された空間に流入する流体に旋回流を生じさせるように配置された前記流量増加用整流板。

（第１発明の作用）
前記構成要件（Ａ01）〜（Ａ06），（Ａ06ａ），（Ａ06ｂ）を備えた第１発明の流体力発電装置（Ｕ）では、鉛直方向に延びるロータ軸（１７）は回転可能に支持されている。前記ロータ軸（１７）に連結されたロータブレード（１９）は前記ロータ軸（１７）回りの流体の旋回流により回転力が発生する。
前記ロータブレード（１７）の外周に沿って所定間隔で配置された複数の上昇旋回流生成用整流板（１３）は、前記ロータブレード（１９）の外周の接線方向に流れる水平な流体を前記ロータ（１６）に接近させ且つ上方に偏向させるように下方から上方に行くに連れてねじれた板状に形成され、前記ロータブレード（１９）が配置された空間に上昇旋回流を生じさせる。
前記ロータ（１６）の上方に配置され、鉛直方向から見た場合に前記ロータブレード（１９）の外周が内部に収容される大きさに形成された上端開口（７ａ）および下端開口（７ｂ）を有し、上方に行くに従って直径が縮小する筒状錐壁（７）は、前記筒状錐壁（７）に沿って流れる流体が上端開口（７ａ）から剥離する際に生じる剥離渦により筒状錐壁（７）内部の流体を上方に吸引する。
したがって、前記複数の上昇旋回流生成用整流板（１３）により、前記ロータブレード（１９）が配置された空間に生じる上昇旋回流は、前記筒状錐壁（７）の上面に沿って流れる流体が上端開口（７ａ）から剥離する際に生じる剥離渦により上方に吸引される。このため、前記上昇旋回流の流量および流速が増加するので、ロータ（１６）の回転速度が増加する。発電機（２１）の回転子は、前記ロータ軸（１７）の回転に連動して回転し、発電する。

前記本発明は簡単な構成の筒状錐壁（７）を使用することにより、ロータ（１６）の上方を流れる流体のエネルギを利用してロータ（１６）の回転速度を増加させることができるので、風力エネルギを電力エネルギに変換する際のエネルギ変換効率を高めることができる。
また、筒状錐壁（７）の構成は簡素且つ堅牢であり、長寿命である。したがって、流体力発電装置（Ｕ）の発電コストを低く抑えることができる。
なお、本発明の流体力発電装置（Ｕ）で使用する筒状錐壁は、円錐壁、多角錐壁により構成することが可能である。

前記構成要件（Ａ０５）を備えた第１発明では、前記ロータ（１６）の下方に近接して配置され、前記ロータ（１６）の軸（１７）から半径方向外方に行くに従って下方に傾斜する傾斜壁（３ａ）により構成された上昇流導入壁（３ａ）は、前記ロータ（１６）の下方に向かう水平な流体を上昇させながらロータ（１６）に導入する。このため、ロータブレード（１９）が配置された空間に生じる上昇旋回流の流量および流速が増加するので、発電量が増加する。

前記構成要件を備えた第１発明は、前記複数の上昇旋回流生成用整流板（１３）の外側に配置された流量増加用整流板（６）は、水平な流体を前記ロータに接近する方向に偏向させることにより、前記上昇旋回流生成用整流板（１３）が配置された空間に流入する流体流量を増加させる。このため、ロータブレード（１９）が配置された空間に生じる上昇旋回流の流量および流速が増加するので、発電量が増加する。
前記流量増加用整流板（６）は、前記ロータ軸（１７）に対して放射状に複数配置されており、前記筒状錐壁（７）と前記上昇流導入壁（３ａ）と前記流量増加用整流板（６）どうしとの間に囲まれた空間により、流体を前記上昇旋回流生成用整流板（１３）に向けて導入する開口が構成されている。
前記開口は、鉛直方向の長さが、前記ロータブレード（１９）の鉛直方向の長さ以上の長さに設定されると共に、前記流量増加用整流板（６）どうしの間隔である水平方向の長さが、少なくとも前記ロータブレード（１９）の直径以上に設定されている。また、開口内に前記上昇旋回流生成用整流板（１３）および前記ロータ（１６）以外の部材が配置されず、前記上昇旋回流生成用整流板（１３）が前記開口を通じて露出している。

前記構成要件（Ａ０７）を備えた第１発明では、前記流量増加用整流板（６）は、前記上昇旋回流生成用整流板（１３）が配置された空間に流入する流体に旋回流を生じさせる。このため、前記上昇旋回流生成用整流板（１３）の内側のロータ（１６）が配置された空間に生じる上昇旋回流の流速が増加するので、発電量が増加する。

前記本発明は、ロータに水平方向から流入する流体エネルギおよび前記ロータの上方を流れる流体の流体エネルギを利用することができる。また、本発明は、構成が簡素且つ丈夫であるので、寿命の長い流体力発電装置を提供することができる。

図１は本発明の流体力発電装置の実施例１の説明図で斜視図である。
図２は同実施例１の説明図で、図２Ａは平面図、図２Ｂは前記図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線断面図である。
図３は同実施例１の説明図で、図３Ａは平面図、図３Ｂは前記図３ＡのＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図である。
図１〜図３において、実施例１の流体力発電装置Ｕは、平面図で正方形の角錐台１を有している。角錐台１は、正方形の底壁２と、前記底壁２の４つの側辺から上方斜めに延び且つ上方に行くに従って外径が縮小する角錐壁３と、前記角錐壁３の上端に連結する正方形の上壁４とを有している。前記角錐壁３は４個の傾斜壁３ａにより構成されている。前記上壁４の中央部にはロータ軸貫通口４ａが形成されている。

前記角錐壁３の４個の各傾斜壁３ａの各接続部３ｂには上方に延びる流量増加用整流板６が設けられている。流量増加用整流板６はこの実施例１では合計４枚設けられている。前記流量増加用整流板６の下端の内端部は前記上壁４の上面に延びて配置されている。前記４枚の各流量増加用整流板６の上端は内側に行くに従って上方に傾斜している。
前記４枚の各流量増加用整流板６の上端には、上方に行くに従って直径が縮小する角筒状錐壁７が支持されている。前記角筒状錐壁７は、上端開口７ａおよび下端開口７ｂを有している。前記角筒状錐壁７の上端には、前記上端開口７ａの内側下方に延びる鉛直板７ｃが設けられている。

図４は前記角錐台１の上壁４上に支持される円筒状の上昇旋回流生成部材と、前記上昇旋回流生成部材の内側に配置されるロータとの説明図である。
図５は前記図４の円筒状に配置される上昇旋回流生成部材と、その内側に配置されるロータとの分解説明図であり、図５Ａは円筒状の上昇旋回流生成用整流部材の斜視図、図５Ｂはロータとロータ軸の下端部に連結される発電機とを示す図である。
図４、図５において、円筒状の上昇旋回流生成部材１１は、間隔を置いて配置される３枚のリング状連結プレート１２と、各リング状プレート１２を連結する複数の上昇旋回流生成用整流板１３とを有している。
前記リング状プレート１２および複数の上昇旋回流生成用整流板１３の内測にロータ１６が配置されている。

前記各上昇旋回流生成用整流板１３は、円周方向に沿って所定間隔で配置され、前記円筒状の上昇旋回流生成部材１１の外周の接線方向に流れる水平な流体を内測且つ上方に偏向させることにより、前記ロータ１６が配置された空間に上昇旋回流を生じさせるように、各上昇旋回流生成用整流板１３の上端および下端はねじれた状態で前記リング状プレート１２に連結されている。
前記複数の上昇旋回流生成用整流板１３は、前記３枚のリング状プレート１２の中の上下方向の中央部に配置されたリング状プレート１２により上下２段に別れて配置されている。このように、前記複数の上昇旋回流生成用整流板１３を上下に複数段（２段以上）に別けて配置することにより、上昇旋回流生成用整流板１３下側から上方に行くに従ってねじれた状態で配置することが容易となる。

図５において、前記円筒状の上昇旋回流生成部材１１の内部に配置される前記ロータ１６は、鉛直方向に延び且つ回転可能に支持されたロータ軸１７と、前記ロータ軸１７上端および下部にそれぞれ連結された半径方向に延びる複数の放射状連結部材１８，１８と、前記放射状連結部材部材１８，１８の外端に連結された３個のロータブレード１９とを有する。前記３個のロータブレード１９の上端は上側リング状連結部材２０ａにより連結され、前記３個のロータブレード１９の下端は下側リング状連結部材２０ｂにより連結されている。
前記ロータ軸１７の下端部は、前記ロータ軸貫通口４ａを貫通して前記角錐台１の上壁４の下方に延びている。前記角錐台１内部には発電機２１が配置されており、前記ロータ軸１７の下端部は発電機２１の回転子に回転力を伝達するように連結されている。そして前記ロータ１６およびそのロータ軸１７が回転すると、発電機２１が発電するようにされている。発電した電力は図示しない蓄電器に蓄電される。

（実施例１の作用）
図６は本発明の流体力発電装置Ｕの作用説明図である。
図６において、前記構成を備えた本発明の流体力発電装置の実施例１では、鉛直方向に延びるロータ軸１７は回転可能に支持されている。前記ロータ軸１７に連結されたロータブレード１９は前記ロータ軸１７回りの流体の旋回流により回転力が発生する。
前記ロータブレード１９の外周に沿って所定間隔で配置された複数の上昇旋回流生成用整流板１３は、前記ロータブレード１９の外周の接線方向に流れる水平な流体を前記ロータ軸１７に接近させ且つ上方に偏向させることにより、前記ロータブレード１９が配置された空間に上昇旋回流を生じさせる。
前記ロータ１６の上方に配置され、上端開口７ａおよび下端開口７ｂを有し、上方に行くに従って直径が縮小する角筒状錐壁７は、前記角筒状錐壁７の上面に沿って流れる流体が上端開口７ａから剥離する際に生じる剥離渦により角筒状錐壁７内部の流体を上方に吸引する。
したがって、前記複数の上昇旋回流生成用整流板１３により、前記ロータブレード１９が配置された空間に生じる上昇旋回流は、前記角筒状錐壁７の上面に沿って流れる流体が上端開口７ａから剥離する際に生じる剥離渦により上方に吸引される。このため、前記上昇旋回流の流量および流速が増加するので、ロータ１６の回転速度が増加する。発電機２１の回転子は、前記ロータ軸１７の回転に連動して回転し、発電する。

前記本発明は簡単な構成の角筒状錐壁７を使用することにより、ロータ１６の上方を流れる流体のエネルギを利用してロータ１６の回転速度を増加させることができるので、風力エネルギを電力エネルギに変換する際のエネルギ変換効率を高めることができる。
また、角筒状錐壁７の構成は簡素且つ堅牢であり、長寿命である。したがって、流体力発電装置Ｕの発電コストを低く抑えることができる。
なお、本発明の流体力発電装置Ｕにおいて、角筒状錐壁７の代わりに、円錐壁、６角錐壁等を採用することが可能である。

また、前記ロータ１６の下方に近接して配置され、前記ロータ１６のロータ軸１７から半径方向外方に行くに従って下方に傾斜する傾斜壁３ａは、前記ロータ１６の下方に向かう水平な流体を上昇させながらロータ１６に導入する上昇流導入壁３ａとしての機能を有している。このため、ロータブレード１９が配置された空間に生じる上昇旋回流の流量および流速が増加するので、発電量が増加する。
また、前記複数の上昇旋回流生成用整流板１３の外側に配置された流量増加用整流板６は、水平な流体を前記ロータ１６に接近する方向に偏向させることにより、前記上昇旋回流生成用整流板１３が配置された空間に流入する流体流量を増加させる。このため、ロータブレード１９が配置された空間に生じる上昇旋回流の流量および流速が増加するので、発電量が増加する。

（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ０１）〜（Ｈ０２）を下記に例示する。
（Ｈ０１）前記実施例１では、前記上昇旋回流生成用整流板１３の外測に配置された前記流量増加用整流板６は、ロータ１６のロータ軸１７から放射状に配置されている（平面図で、流量増加用整流板を延長線がロータ軸１７に交わる）が、円周方向に９０度間隔で配置され且つロータ軸１７を中心とする４本の螺旋の接線方向に沿って配置することにより、前記上昇旋回流生成用整流板１３が配置された空間に旋回流を流入させることが可能である。その場合、前記上昇旋回流生成用整流板１３の内側のロータ１６が配置された空間に生じる上昇旋回流の流速が増加するので、発電量が増加する。
（Ｈ０２）角錐台１の代わりに円錐台を使用可能である。その場合、前記ロータ１６の下方に向かう水平な流体を上昇させながらロータ１６に導入する上昇流導入壁は、円錐壁により形成されることになる。また、前記上昇流導入壁は、漏斗状の曲面により形成することも可能である。

図１は本発明の流体力発電装置の実施例１の説明図で斜視図である。 図２は同実施例１の説明図で、図２Ａは平面図、図２Ｂは前記図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線断面図である。 図３は同実施例１の説明図で、図３Ａは平面図、図３Ｂは前記図３ＡのＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図である。 図４は前記角錐台１の上壁４上に支持される円筒状の上昇旋回流生成部材と、前記上昇旋回流生成部材の内側に配置されるロータとの説明図である。 図５は前記図４の円筒状に配置される上昇旋回流生成部材と、その内側に配置されるロータとの分解説明図であり、図５Ａは円筒状の上昇旋回流生成用整流部材の斜視図、図５Ｂはロータとロータ軸の下端部に連結される発電機とを示す図である。 図６は本発明の流体力発電装置Ｕの作用説明図である。

符号の説明

３ａ…上昇流導入壁（傾斜壁）、
６…流量増加用整流板、
７…筒状錐壁、
７ａ…上端開口、
７ｂ…下端開口、
１３…上昇旋回流生成用整流板、
１６…ロータ、
１７…ロータ軸、
１９…ロータブレード、
２１…発電機、
Ｕ…流体力発電装置、

Claims (2)

1. 次の構成要件（Ａ01）〜（Ａ06），（Ａ06ａ），（Ａ06ｂ）を備えた流体力発電装置、
   （Ａ01）鉛直方向に延び且つ回転可能に支持されたロータ軸と、前記ロータ軸に連結され前記ロータ軸回りの流体の旋回流により回転力が発生するロータブレードとを有するロータ、
   （Ａ02）前記ロータ軸の回転に連動して回転する回転子を有する発電機、
   （Ａ03）前記ロータの上方に配置され、鉛直方向から見た場合に前記ロータブレードの外周が内部に収容される大きさに形成された上端開口および下端開口を有し、上方に行くに従って直径が縮小する筒状錐壁であって、前記筒状錐壁の上面に沿って流れる流体が上端開口から剥離する際に生じる剥離渦により筒状錐壁内部の流体を上方に吸引する前記筒状錐壁、
   （Ａ04）前記ロータブレードの外周に沿って所定間隔で配置され、且つ、下方から上方に行くに連れてねじれた板状に形成された複数の上昇旋回流生成用整流板であって、前記ロータブレードの外周の接線方向に流れる水平な流体を前記ロータ軸に接近させ且つ上方に偏向させるように下方から上方に行くに連れてねじれた板状に形成され、前記ロータブレードが配置された空間に上昇旋回流を生じさせる前記複数の上昇旋回流生成用整流板、
   （Ａ05）前記ロータの下方に向かう水平な流体を上昇させながらロータに導入するために前記ロータブレードの下方に近接して配置され、前記ロータの軸から半径方向外方に行くに従って下方に傾斜する傾斜壁により構成された上昇流導入壁、
   （Ａ06）前記複数の上昇旋回流生成用整流板の外側に配置されて、水平な流体を前記ロータに接近する方向に偏向させることにより、前記上昇旋回流生成用整流板が配置された空間に流入する流体流量を増加させる流量増加用整流板、
   （Ａ06ａ）前記ロータ軸に対して放射状に複数配置された前記流量増加用整流板、
   （Ａ06ｂ）前記筒状錐壁と前記上昇流導入壁と前記流量増加用整流板どうしとの間に囲まれた空間により構成されて、流体を前記上昇旋回流生成用整流板に向けて導入する開口であって、
   鉛直方向の長さが、前記ロータブレードの鉛直方向の長さ以上の長さに設定されると共に、
   前記流量増加用整流板どうしの間隔である水平方向の長さが、少なくとも前記ロータブレードの直径以上に設定され、
   前記上昇旋回流生成用整流板が前記開口を通じて露出し、且つ、前記開口内に前記上昇旋回流生成用整流板および前記ロータ以外の部材が配置されない前記開口。
2. 次の構成要件（Ａ07）を備えた請求項１記載の流体力発電装置、
   （Ａ07）前記上昇旋回流生成用整流板が配置された空間に流入する流体に旋回流を生じさせるように配置された前記流量増加用整流板。

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