JP5024975B1 - 風向制御風車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直型風車装置の利点を生かし、風速を増速して回転効率を最大にした垂直軸風車を提供する。
【解決手段】垂直型風車装置の利点を生かし、欠点である風車軸９の左右の両翼９ａに風を同時に受けて、一方で回転トルクロスが発生する現象を除くため、風向板によって整流板を風流方向に転向させ、風車翼左右の一方を受風制限し、他方のみに風を受けて、更に、風車翼後方に乱流により低気圧部を発生させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、風力を利用して風車を廻し、その回転力で発電機やポンプを駆動する動力を獲得するための風車動力装置に関するものである。

従来の風車動力装置は、垂直型風車装置として下記の特許文献に示す様な発明事例が見られるが、構造設計に無理が有り、構造が複雑で製造コストが高く、維持管理が困難な欠点が有った。

特開平３−２０２６７９号公報 特開２００５−９４７３号公報 特許第４８２６９３２号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、垂直型風車装置の利点を生かし、欠点である風車軸の左右の翼に風を同時に受けて一方でトルクを発生し、他方でトルクロスを発生し、差し引き出力が小さい欠点を除くため、風向板によって整流板を風流方向に転向させ、風車翼左右の一方を受風制限し、他方のみに風を受けて、風車翼の後方に乱流により低気圧部を発生させ、風速を増速して回転効率を最大にした垂直軸風車を提供しようとするものである。

（１）整流板により、風車翼左右に加わる風量を制御する。
（２）風向板によって、整流板の位置を常に風向方向に合わせる。
（３）風車翼への通風速度を強化する為、風下側に低気圧域を作る。
（４）受風制限板による偶力を乱流板の偶力でバランスを取る。

（１）整流板で、風車軸の左右翼に加わる風量を制御し、風車回転効率を上げる。
（２）風向板と整流板を一体構成し、固定軸と回転自在に軸支し、整流板の位置を常に風向方向に制御する。
（３）風を受ける翼の風下側に乱流板を設け、風下側に低気圧域を作り風を受ける翼への通風速度を強化する。
（４）受風制限板による受風偶力を乱流板の受風偶力でバランスを取る。

前記解決手段により、従来品に比べ、下記の点が大幅に改善される。
（１）整流板で、風車軸の左右翼に加わる風量を制御し、風車回転効率が上がる。
（２）風向板と整流板を一体構成し、固定軸と回転自在に軸支し、整流板の位置を常に風向方向に合わせる事ができる。
（３）整流板の風下側に乱流板を設け、風下側に低気圧域を作り風車翼への通風速度を強化できる。
（４）受風制限板による受風偶力を乱流板の受風偶力でバランスを取り、風向板を小さくできる。

本案の図２A-A’断面図 本案の図１B-B’断面図 本案の図１Y矢視側面図 整流板の外観斜視図

以下に図１から図４を参照して、本案の構造と作動を説明する。
図２の１固定軸は１a固定軸支持部材や１b回転止ピン等により地中に固定されている。１固定軸の上端には２軸受Aによりベアリングを用いて３整流板が、前記１固定軸と回転自在に取付けられ、その整流板の上部に略飛行機の形をした４風向板が鋲により１固定軸の中心から風下側に向けて垂直に取付けられている。
図１の←風向側から見て右側に５受風制限板が設けられ、９a風車翼右側に風を入れないように包囲し、斜面を利用して９a風車翼左側に風を流入するようにしている。
図１の←風向側から見て左側に６乱流発生板が設けられ、気流は迂回して渦を発生し、左側の９a風車翼後方に１３乱流による低気圧部を発生させ、９a風車翼の風入力側と排出側の間に圧力差が発生し、気流が増速されて、９風車軸の回転を増速する効果を得る。
９a風車翼の形状は外周を除く中央が９風車軸の回転方向に向けて９b風車翼凹み部を設け、回転角度の変化に対し、回転トルクを有効に働かせる役目を果たしている。
図２に戻り、９風車軸は１固定軸に２個の９c軸受ストッパにより７軸受Bと８軸受Cによって回転自在に取付けられ、その軸下端に１０平歯車Aがキーによって回転不能に取り付けられ、地面に設置された１２発電機の回転軸に取付けた１１平歯車Bと噛み合い、９風車軸の回転により発電できる事例を示している。
図３は図1のY←方向から見た外観図で、右側の風車翼は５受風制限板で覆われ見えない状態にある、従って風は左側の９a風車翼に集中的に流入する構造になっている。
図４は３整流板と４風向板と１４補強板を組付けた外観斜視図で、理解を容易にするために作成したもので、特に説明する意味はない。

次に本案の作動原理と発明の着眼点を説明する。
本来垂直軸風車は翼面積が大きく、風車出力を大きく出来るはずなのに、プロペラ風車に比べて出力が小さい原因は、風車軸の左右に有る翼は気流に対し、一方が風を受けてトルクを発生しても、他方の翼は逆風を受けてトルク損失を発生させ、トータル出力を少なくしてしまうからである。その対策として、従来は、前記引例特許に示す様に、風に向う側の翼を水平にして、損失を最小にする工夫をしてきたが、それでも損失はゼロに出来ないし、作動機構が複雑になってコスト高や、故障因子が多くなり実用化されにくい原因になった。
そこで、発明者は根本的に考え直し、本案が示す様に、逆風を受ける側の翼前に傾斜したカバーを設け、逆風を偏向して順風を受ける側の翼に集中させ、しかも、順風側翼の後方に乱流による低気圧部を形成し、気流の入力側と排出側に気圧差を作り、順風速度を増速すれば、逆風側の翼トルク損失はゼロで、順風側の翼の受圧面積が大きいだけ、プロペラ風車より大出力が得られると考えました。
本案の具体的な説明は前記構造説明の中で述べたので省略しますが、
この事例は、基本原理を示したもので、前記３整流板の強度を更に強化するために、１固定軸への軸受を図１の様に上部のみにせず、下側でも同様の軸受方法で支えて強化することが望ましい。
また、本案の風車で、実用上問題になるのは、３整流板の回転方向の安定性で、５受風制限板で受けた風力による左回転方向の回転トルクを、６乱流発生板で受ける風力の右回転トルクで帳消しにする工夫を行った、その差で発生した回転トルクは４風向板で補って、気流方向に正確に合わせる事が大切です。
そのためには、前記機能のトルクバランスを合わせる、サイズ設計が課題です。

現状では、水平軸にプロペラ翼を装着した大型風車が先行的に採用されている。その理由は、水平軸ペロペラ風車の発電効率が良く、大型発電に適しているからである。
一方、家庭用では、太陽光発電が主に設置されているが、その理由は、設置場所が狭くプロペラ風車は設置できないからである。
しかし、太陽光発電は昼間のみで、好天気に恵まれる必要条件が有り、曇天時や夜間でも風があれば発電できる風力発電は魅力的である。従って、今後の発電量増大策は、太陽光発電と風車発電のハイブリット化が有力視されているが、急がねばならないのは家庭で設置できる小型風力発電機である。小型化を進めるには垂直軸の風力発電装置の開発が必要です。本案はその目的を達する為に開発した物で、風を受ける側の翼は受風制限板で封鎖し、トルク損失ゼロとし、風に受ける側の翼は、翼後方に乱流発生板で気圧差を作り、風速増加を行って、風力変換効率を大幅に改善しようとするものです。
本案では、それを可能な限り簡単な構造で、製造費を安く、維持管理費の安い安全設計を達成させたものです。

１固定軸、１a固定軸支持部材、１b回転止ピン、２軸受A、３整流板、４風向板、５受風制限板、６乱流発生板、７軸受B、８軸受C、９風車軸、９a風車翼、９b風車翼凹み部、９c軸受ストッパ、１０平歯車A、１１平歯車B、１２発電機、１３乱流による低気圧部、１４補強板、

Claims (4)

1. 地面に固定された固定軸の上端に軸受Aを介して回転自在に取付けられた整流板を設け、前記整流板の上部に、前記固定軸の中心から風下方向に一定幅で、一定長さの、直立した風向板を取付け、前記風向板の長手方向と平行な前記整流板の左右側面の一方に、垂直方向に伸びて、風車翼の非風入力側で風の入力前方部を前記風車翼の外側から中心側へ傾斜面で包囲して、受風を前記風車翼の風入力側へ流入させる受風制限板を設け、他の一方に、垂直方向に伸びて、前記風車翼の風入力側で、風の通過後方部に乱流による低気圧部を発生させる乱流発生板を設け、前記整流板と受風制限板と乱流発生板に囲まれる内側に、前記固定軸の外周に取付けた軸受Bに軸支される風車軸を回転自在に取付け、前記風車軸には複数の風車翼を取付け、前記風車翼への通風速度を強化する為、風を風車の一方側に誘導し、風下側に低気圧域を作り、受風制限板による偶力を乱流板の偶力でバランスを取る様に構成したことを特徴とする風向制御風車装置。
2. 前記請求項１に記載の風向制御風車装置において、前記風向板は、前記整流板の上面中央に垂直に固定取付けし、前記風向板と前記整流板を一体構成し、前記固定軸に回転自在に軸支し、前記整流板の位置を常に風向き方向に制御するようにしたことを特徴とする風向制御風車装置。
3. 前記請求項１又は２のいずれか１項に記載の風向制御風車装置において、前記風車翼の形状は、風車翼の垂直及び水平の外周を除く内面に前記風車の回転方向の風を受ける面に凹みを設けたことを特徴とする風向制御風車装置。
4. 前記請求項１から３のいずれか１項に記載の風向制御風車装置において、前記整流板の前記受風制限板と乱流発生板は略コ字形に一体形成され、前記受風制限板と乱気流発生板の垂直面の下端部両側に複数の補強板を固定して、連結補強したことを特徴とする風向制御風車装置。