JP4873541B2 - 人工気流を利用した風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、工場の排風等の人工気流を利用した風力発電装置に関する。

工場等の施設には、一般的に排気設備が付随する。それらの排気は、安定した風速（風量）で排出され、その後も気流としてエネルギーを保持している。しかし、そのエネルギーは通常利用されず自然に消失している。この排気という小さなエネルギーであっても、利用されていないものを有効的に使うことは、環境問題や現在の社会情勢からも意義がある。

そこで近年、工場等の施設の排気設備近傍に風力発電装置を設け、工場排風が有するエネルギーを二次利用する技術が提案されている。
特開２００２−５４５５３号公報 特開２００５−１６４５２号公報 特開２００５−３６７８０号公報

ところで、従来の風力発電装置では、自然界の風を利用してプロペラを回し電気エネルギーに変換するため、プロペラの受風面積が大きくなればなるほど大きなエネルギーが得られる。また、その風速は０〜６０ｍ／ｓと大きく変化し、発電機もそれに対応している。一般的に風力発電装置の定格発電能力は、風速１０〜１５ｍ／ｓの場合の値が用いられることが多い。

排気の風速４ｍ／ｓ程度のエネルギーを電気エネルギーに変換する場合、受風面積は排気口面積と同じとなり、限られた面積および風速で効率よくプロペラを回す技術が必要となる。しかしながら、このように限られた受風面積では、受風部の軸が気流方向にあるプロペラ式の羽では、羽先端に気流が当たらず効率良く発電ができなかった。

また、従来の風力発電機では風車の軸と発電機の軸が直結されている構造であり、上述のとおり風速１０〜１５ｍ／ｓで定格回転数となるよう発電機を設計しているが、風車の軸と発電機の軸を直結したのでは、この定格回転数に達しない。そのため従来の風力発電機をそのまま排気発電に利用することは難しかった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、工場の排風等の人工気流を利用した風力発電装置の風車に改良を施すことによって、受風面積や風速が少なくても、効率良く発電することができる人工気流を利用した風力発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、人工的に設けられた排気口から排気される排風を利用して回転する風車と、前記風車をその軸部を介して回転可能に支持する支持部と、前記風車の回転を発電機の回転軸に伝達する回転伝達手段と、この回転伝達手段を介して風車の回転により電力を発生する発電機とを備えた風力発電装置において、前記風車の軸部は、排風の風向と直交する方向に設置され、前記風車は複数枚の羽を備え、前記複数枚の羽は、前記風向に対して、前記風車の回転を推進させる面と、前記風車の回転を抑制する面とを備え、前記風車を回転させる面には、気流に対して直交する溝を設け、前記風車の回転を抑える面には、気流に対して平行となる溝を設けたことを特徴とする。

以上のような請求項１の発明では、受風部となる風車の軸が風向に対して直交する水車型の羽を用いる。受風面積が限られているため受風部となる風車の軸が気流方向にあるプロペラ式の羽では、羽先端に気流が当たらず効率良く発電ができない。そこで、風車の軸が気流方向に直交する水車型の羽を用いることで、効率良く発電することができる。

また、風車の羽の面の形状として、風車を回転させるように働く面には気流に対して直交するような溝を設け、回転を抑えるように働く面には気流に対して平行となるような溝を設けている。これにより、気流に対して直交する溝は表面に小さい渦を発生させ抵抗を大きくして風車の回転力を増幅させ、一方で気流に対して平行な溝は表面の気流を整流化し回転に対する抵抗を小さくする。このように、気流に対して羽表面で抵抗の差をつけ、回転方向に働く面を乱流化し回転を抑制する方向に働く面を整流化する渦を作ることにより、風車を効率よく回転させることが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記回転伝達手段は、前記軸部に接続された大径のプーリーと、前記発電機の回転軸に接続された小径のプーリーと、前記大径のプーリーの回転を小径のプーリーの回転に伝達するベルトと、を備えたことを特徴とする。

以上のような態様では、風車の軸部と発電機の回転軸をベルトにより接続し、大径のプーリーと小径のプーリーとにより回転比率を増幅することができる。一般的に排気口からの風速は４ｍ／ｓ前後であるが、発電機は風速１０〜１５ｍ／ｓで定格回転数となるように設計されているため、風車の軸と発電機の軸を直結したのでは発電機が定格回転数に達しないが、上記のようにプーリーを介して接続することによって排気口からの風速であっても定格回転数とすることができるようになる。

請求項３の発明は、前記回転伝達手段は、前記風車の軸部の両端にそれぞれ設けられ、前記発電機は、前記２つの回転伝達手段に対応して２機設けられていることを特徴とする。

以上のような態様では、一般的に風力発電機は、風車の軸と発電機の軸が直結され正面から風を受ける構造のため、風車が風を受けるのを妨げないように風下側に発電機を１台設置するが、本発明では風車の風を受ける位置と発電機の設置場所は分かれており、風車の軸両端、つまり２台の発電機を設置することができる。風車と発電機の軸部分は、エネルギーを伝達するときにねじれを生じ、そのねじれによりエネルギーを損失する。本発明では、両端に発電機を設置することで、片端だけに設置する場合と比較して、風車の軸に均一に力がかかり、軸のねじれが小さく、エネルギー損失を抑えることができる。また、風力発電システムで一番故障の多い発電機部分を２つに分けることにより、故障時の発電できないというリスクを低減させることができる。

以上のような本発明によれば、工場排風を利用する風力発電装置の風車の羽形状に改良を施すことによって、受風面積や風速が少なくても、効率良く発電することができる人工気流を利用した風力発電装置を提供することができる。

以下、本発明の人工気流を利用した風力発電装置に係る実施の形態（以下、実施形態という）の一例について、図面を参照して具体的に説明する。

［１．実施形態の構成］
［１−１．全体構成］
図１は、本実施形態の排風を利用した風力発電装置１の全体構成を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態の風力発電装置１は、風向に対して直交する方向に軸を備えた水車型の風車２と、風車２を回転可能に軸支する軸３を備え、この軸３は、両端を支持部４によって支持され、軸３の一端には、大径のプーリー５が設けられている。

一方、支持部４の下部には発電機Ｄが設けられ、この発電機Ｄの回転軸に小径のプーリー６が取り付けられている。大径のプーリー５と小径のプーリー６とには、ベルトＶが掛けられ、これにより風車２の回転数が大径のプーリー５及び小径のプーリー６により回転比率が増幅されて発電機Ｄの回転軸に伝達されるようになっている。

［１−２．羽の構成］
次に、本実施形態における風車２の羽形状を具体的に説明する。図２は本実施形態における風車２の側面図であり、図３は風車２の羽表面の拡大図である。

図２に示すように、風車２には４枚の羽根２１，２２，２３，２４が設けられている。これらの羽根２１〜２４は、それぞれ軸３に対して固定されている。なお、風車２の羽根の枚数は、必要に応じて変更することが可能である。また、ダクトＰの大きさ等に応じて、羽の枚数や大きさを変更することもできる。

ここで、本実施形態における風車２のように、抗力形の羽からなる風車は、(1) 片方の面Ａに当たる空気の力が風車を回転させ、(2) その反対面Ｂは回転を抑える抵抗となっている。面Ａの方が面Ｂより大きい場合に正しい方向に風車は回転する。すなわち、面Ａ の力をできるだけ大きく、面Ｂの力をできるだけ小さくすることが、効率良く発電するための条件である。

そこで、風車２の羽表面は、面Ａと面Ｂとで気流に対する抵抗の差をつける。すなわち、面Ａには気流に対して直交するような溝を設け、面Ｂには気流に対して平行となるような溝を設ける。これにより、面Ａでは気流に対して直交する溝により表面に小さい渦が発生させ抵抗を大きくし、風車の回転力を大きくする。また、面Ｂでは気流に対して平行な溝により表面の気流を整流化し回転に対する抵抗を小さくする。

図３に、風車２における羽の表面加工の例を示す。図では、理解しやすいように深く刻んでいるが、実際には、引っ掻き傷程度の溝を設ければ本実施形態の効果を十分発揮しうる。また、面Ａ側の溝は直交する溝としているが、突起物など表面に小さな渦を発生させるものでも良い。面Ｂの平行な溝の他、鮫肌のような表面にしても十分に気流を整流化する効果がある。

これらの溝は、空気に対して羽表面で抵抗の差をつけ気流を乱流化もしくは整流化する渦を作っている。なお、ポリテトラフルオロエチレンなど金属表面と比較して著しく抵抗の小さいものを筋状に塗布しても塗布面と金属面の抵抗の差により渦は発生し上記実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

［２．作用効果］
以上のような構成からなる本実施形態の風力発電装置では、受風面積が限られているため受風部となる風車の軸が気流方向にあるプロペラ式の羽では、羽先端に気流が当たらず効率良く発電ができないことから、受風部となる風車の軸が風向に対して直交する水車型の風車を用いている。これにより羽の形状を排気口に合わせることができ、効率良く発電することができる。

また、風車２の軸３と発電機Ｄの回転軸をベルトＶにより接続し、大径のプーリー５と小径のプーリー６とにより回転比率を増幅することができる。一般的に排気口からの風速は４ｍ／ｓ前後であるが、発電機は風速１０〜１５ｍ／ｓで定格回転数となるように設計されているため、風車の軸と発電機の軸を直結したのでは発電機が定格回転数に達しないが、上記のようにプーリーを介して接続することによって排気口からの風速であっても定格回転数とすることができるようになる。

さらに、本実施形態の風車２における羽の表面形状は、風車を回転させるように働く面には気流に対して直交するような溝を設け、回転を抑えるように働く面には気流に対して平行となるような溝を設けている。これにより、気流に対して直交する溝は表面に小さい渦を発生させ抵抗を大きくして風車の回転力を増幅させ、一方で気流に対して平行な溝は表面の気流を整流化し回転に対する抵抗を小さくする。このように、気流に対して羽表面で抵抗の差をつけ、回転方向に働く面を乱流化し回転を抑制する方向に働く面を整流化する渦を作ることにより、風車を効率よく回転させることが可能となる。

［３．他の実施形態］
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものでなく、以下のような態様も含むものである。従来の風力発電装置においては、風車の軸と発電機の軸が直結され、正面から風を受ける構造のため、風車が風を受けるのを妨げないように風下側に発電機を１台設置していたが、本発明では、風車の風を受ける位置と発電機の設置場所は分かれており、風車の軸両端に２台の発電機を設置することが可能である。

風車と発電機の軸部分は、エネルギーを伝達するときにねじれを生じ、そのねじれによりエネルギーを損失するが、本発明において、例えば、風力発電装置の一端だけでなく、両端に発電機を設置することで、片端だけに設置する場合と比較して、風車の軸に均一に力がかかり、軸のねじれが小さく、エネルギー損失を抑えることができる。また、風力発電システムで一番故障の多い発電機部分を２つに分けることにより、故障時の発電できないというリスクを低減させることができる。

本実施形態の風力発電装置の全体構成を示す斜視図。 本実施形態の風力発電装置の羽の構成を示す側面図。 本実施形態の風力発電装置の羽の構成を示す表面拡大図。

符号の説明

１…風力発電装置
２…風車
２１〜２４…羽根
３…軸
４…支持部
５…大径のプーリー
６…小径のプーリー
Ｄ…発電機
Ｐ…ダクト
Ｖ…ベルト

Claims (3)

1. 人工的に設けられた排気口から排気される排風を利用して回転する風車と、前記風車をその軸部を介して回転可能に支持する支持部と、前記風車の回転を発電機の回転軸に伝達する回転伝達手段と、この回転伝達手段を介して風車の回転により電力を発生する発電機とを備えた人工気流を利用した風力発電装置において、
   前記風車の軸部は、排風の風向と直交する方向に設置され、
   前記風車は複数枚の羽を備え、
   前記複数枚の羽は、前記風向に対して、前記風車の回転を推進させる面と、前記風車の回転を抑制する面とを備え、
   前記風車を回転させる面には、気流に対して直交する溝を設け、
   前記風車の回転を抑える面には、気流に対して平行となる溝を設けたことを特徴とする人工気流を利用した風力発電装置。
2. 前記回転伝達手段は、前記軸部に接続された大径のプーリーと、前記発電機の回転軸に接続された小径のプーリーと、前記大径のプーリーの回転を小径のプーリーの回転に伝達するベルトと、を備えたことを特徴とする請求項１記載の人工気流を利用した風力発電装置。
3. 前記回転伝達手段は、前記風車の軸部の両端にそれぞれ設けられ、
   前記発電機は、前記２つの回転伝達手段に対応して２機設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の人工気流を利用した風力発電装置。

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