JP5080698B1

JP5080698B1 - 流体誘導パネル及び発電装置

Info

Publication number: JP5080698B1
Application number: JP2012049853A
Authority: JP
Inventors: 勝也佐藤; 憲夫佐藤; 佐藤　　亨
Original assignee: Sato Kogyo Co Ltd
Current assignee: Sato Kogyo Co Ltd
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: JP2013185471A

Abstract

【課題】逆流側においてマイナスに作用する圧力が加わることを防止すると共に、順流側においてより大きな圧力を加えることができる流体誘導パネル及びそれを用いた発電装置を提供する。
【解決手段】羽根車２１の逆流上流側において、逆流側の流体の流れを遮るように遮蔽体１１を配置する。遮蔽体１１は、羽根車回転軸に対して垂直な面における断面形状が翼型であり、上流面１１Ａと下流面１１Ｂとを有し、前縁１１Ｃを順流側とし後縁１１Ｄを外側として、前縁１１Ｃよりも後縁１１Ｄが上流側に位置するように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、羽根車回転軸に対して垂直方向に流動する流体により回転する羽根車に流体を導く流体誘導パネル及びそれを用いた発電装置に関する。

一般に、風を受けて回転する風車には、風向きに対して回転軸が平行な水平軸風車と、風向きに対して回転軸が垂直な垂直軸風車とがある。水平軸風車としては、例えば、プロペラ風車があり、垂直軸風車としては、例えば、サボニウス型風車、クロスフロー型風車、パドル型風車、又は、Ｓ型風車がある。これらのうち、現在は、大口径のプロペラ風車が多く用いられている。しかし、大口径のプロペラ風車は、機材費用、設置費用が高額であり、また、騒音等の環境に与える影響も大きく、費用対効果の面で問題があった。

また、東京電力福島第一原子力発電所の事故により、今後はどんなに少ない電力でも必要になると思われる。そのため、簡単な構造で安価に製造可能な垂直軸風車を活用することができれば好ましい。しかし、垂直軸風車においては、風を抱く側、すなわち順流側に位置するブレードに風が当たるだけでなく、風に向かう側、すなわち逆流側に位置するブレードにも風が当たり、風圧が加わるので、逆流側に加わる圧力が回転に対してマイナスに作用し、効率良く回転させることができないという問題があった。そこで、例えば、逆流側に風が当たらないように遮風カバーで覆ったものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−７７９４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の風車では、逆流側に風が当たらないように遮るのみであり、順流側に位置するブレードに積極的に圧力がより多く加わるようにするものではなかった。

本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、逆流側においてマイナスに作用する圧力が加わることを防止すると共に、順流側においてより大きな圧力を加えることができる流体誘導パネル及びそれを用いた発電装置を提供することにある。

本発明に係る流体誘導パネルは、羽根車回転軸に対して垂直方向に流動する流体により回転する羽根車の順流側に流体を誘導するものであって、羽根車の逆流上流側において、逆流側の流体の流れを遮るように配置される遮蔽体を備え、この遮蔽体は、羽根車回転軸に対して垂直な面における断面形状が翼型であり、上流面と下流面とを有し、前縁を順流側とし後縁を外側として、前縁よりも後縁が上流側に位置するように配置され、遮蔽体には、下流面から上流面に貫通する第１貫通孔、及び、下流面から上流面のうち順流側と対向する領域に貫通する第２貫通孔が設けられたものである。

本発明に係る発電装置は、羽根車回転軸に対して垂直方向に流動する流体により回転する羽根車を備えたものであって、本発明の流体誘導パネルを備えたものである。

本発明の流体誘導パネル及び発電装置によれば、羽根車の逆流上流側において、逆流側の流体の流れを遮るように遮蔽体を配置するようにしたので、逆流側においてマイナスに作用する圧力が加わることを防止することができる。また、遮蔽体の断面形状を翼型とし、前縁を順流側とし後縁を外側として、前縁よりも後縁が上流側に位置するように配置するようにしたので、逆流側の流体を順流側に誘導すると共に、遮蔽体の上流面に沿って流れる流体の速度を速くすることができ、順流側においてより大きな圧力を加えることができる。

また、遮蔽体に、下流面から上流面に貫通する第１貫通孔を設けるようにすれば、第１貫通孔を通って流体が下流側から上流側に流れることにより、遮蔽体よりも下流側の圧力が低くなり、逆流側に位置する羽根車のブレードが遮蔽体の方に吸い込まれて、回転数及び駆動トルクを増加させることができる。

更に、遮蔽体に、下流面から上流面のうち順流側と対向する領域に貫通する第２貫通孔を設けるようにすれば、第２貫通孔を通って逆流側から順流側に流体が流れることにより、遮蔽体よりも逆流側の圧力が低くなり、逆流側に位置する羽根車のブレードが遮蔽体の方に吸い込まれて、回転数及び駆動トルクをより増加させることができる。

加えて、遮蔽体から下流側に向かって、羽根車の逆流側外周の少なくとも一部を覆うように覆体を設けるようにすれば、遮蔽体の下流側近傍の圧力をより低くすることができる。

更にまた、発電機の渦巻きコイルが、ロータ回転軸を中心とする径方向に伸長して巻回され、渦巻きコイルの内周における径方向の回転軸側端部が、永久磁石の回転軌道よりもロータ回転軸の側に位置し、渦巻きコイルの内周における径方向の反対側端部が、永久磁石の回転軌道よりも外側に位置するようにすれば、永久磁石と渦巻きコイルとの間隔を渦巻きコイルの太さ分だけ少なくすることができ、発電効率を向上させることができる。また、永久磁石の回転軌道と渦巻きコイルとの交差角度が直角に近くなるので、発電効率をより向上させることができる。更に、渦巻きコイルの巻き始めと巻き終わりが永久磁石の回転軌道の外側に位置するようにすれば、渦巻きコイルの端末処理を容易とすることができる。よって、簡単な構造で、発電効率を向上させることができ、駆動トルクが小さくても発電することができる。

加えてまた、発電機により発生させた交流電力を整流し、蓄電して、インバーターにより交流１００Ｖに変換するようにすれば、発電電圧が小さくても一般家庭等で利用できる電圧に変換することができると共に、周波数・電圧共に安定した出力を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係る流体誘導パネル及び発電装置の構成を表わす図である。図１に示したＩ−Ｉ線に沿った端面構造を表わす図である。図２の一部を拡大して表す図である。図１に示した発電機の構成を表す断面図である。図４に示した発電機の永久磁石と渦巻きコイルとの位置関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る流体誘導パネル１０及び発電装置２０の構成を表すものである。図２は、図１に示したＩ−Ｉ線に沿った端面構造を表すものであり、図３は、その一部を拡大して表すものである。本実施の形態に係る流体誘導パネル１０は、羽根車回転軸に対して垂直方向に流動する流体により回転する羽根車２１の順流側に流体を誘導するものであり、本実施の形態に係る発電装置２０は、羽根車回転軸に対して垂直方向に流動する流体により回転する羽根車２１と、本実施の形態の流体誘導パネル１０とを備えたものである。流体としては、例えば、空気や水が挙げられる。

流体誘導パネル１０は、例えば、羽根車２１の逆流上流側に、逆流側の流体の流れを遮るように配置された遮蔽体１１を備えている。なお、順流側というのは、羽根車２１において流体の流れを抱く側、すなわち流体の流れを受けて動く側であり、逆流側というのは、羽根車２１において流体の流れに向かう側、すなわち流体の流れに逆らって動く側である。遮蔽体１１は、例えば、流体が特定の方向から流れてくるが予定されている場合や、流体が特定の方向から流れる割合が高いと考えられる場合には、その流体の流れに応じて、羽根車２１の逆流上流側となるように配置される。

遮蔽体１１は、例えば、羽根車２１の羽根車回転軸に対して垂直な面における断面形状が翼型であり、上流面１１Ａと下流面１１Ｂとを有している。翼型というのは、流体との相互作用によって効率よく揚力を得られるように形成された形状であり、例えば、前縁１１Ｃが丸く、後縁１１Ｄが尖った形状を有している。上流面１１Ａは、例えば、前縁１１Ｃから後縁１１Ｄに向かい、上流側に突出するように湾曲した曲面とされていることが好ましい。上流面１１Ａに沿って流れる流体の速度を速くすることができるからである。下流面１１Ｂは、例えば、平面でもよく、前縁１１Ｃから後縁１１Ｄに向かい、下流側に突出するように湾曲した曲面でもよく、上流側に凹むように湾曲した曲面でもよい。

遮蔽体１１は、例えば、前縁１１Ｃを順流側とし、後縁１１Ｄを外側として、前縁１１Ｃよりも後縁１１Ｄが上流側に位置するように配置されている。逆流側の流体を順流側に誘導するためである。また、遮蔽体１１は、例えば、羽根車回転軸の長さ方向に伸長して、羽根車２１の長さに対応して設けられていることが好ましい。

遮蔽体１１には、例えば、下流面１１Ｂから上流面１１Ａに貫通する第１貫通孔１１Ｅが設けられていることが好ましい。上流面１１Ａの側では流体が速く流れているので、流体は第１貫通孔１１Ｅを通って下流側から上流側に流れ、遮蔽体１１よりも下流側の圧力が低くなり、逆流側に位置する羽根車２１のブレード２１Ａが遮蔽体１１の方に吸い込まれて、回転数及び駆動トルクを増加させることができるからである。第１貫通孔１１Ｅは、流体が上流面１１Ａに沿って流れる際に速度が速くなる領域に設けられることが好ましく、最も速く流れる箇所に設けるようにすればより好ましい。より高い効果を得ることができるからである。第１貫通孔１１Ｅは、例えば、遮蔽体１１の長さ方向、すなわち羽根車回転軸の長さ方向に、間隔を開けて複数設けられることが好ましい。

遮蔽体１１には、また、下流面１１Ｂから上流面１１Ａのうち順流側と対向する領域に貫通する第２貫通孔１１Ｆが設けられていることが好ましい。上流面１１Ａの順流側と対向する領域では、順流側に位置する羽根車２１のブレード２１Ａが回転して流体が吸い込まれることと、上流面１１Ａに沿って流体が誘導されることの相乗効果により、流体の流れが速くなっているので、第２貫通孔１１Ｆを通って逆流側から順流側に流体が流れ、逆流側の圧力が低くなり、逆流側に位置する羽根車２１のブレード２１Ａが遮蔽体１１の方に吸い込まれて、回転数及び駆動トルクを増加させることができるからである。第２貫通孔１１Ｆは、例えば、第１貫通孔１１Ｅよりも前縁１１Ｃの方に位置している。第２貫通孔１１Ｆは、例えば、遮蔽体１１の長さ方向、すなわち羽根車回転軸の長さ方向に、間隔を開けて複数設けられることが好ましい。

流体誘導パネル１０は、また、遮蔽体１１から下流側に向かって伸長された覆体１２を備えていることが好ましい。遮蔽体１１の下流側近傍の圧力をより低くすることができるからである。覆体１２は、羽根車２１の逆流側外周の少なくとも一部を覆うように設けられることが好ましく、例えば、上流側から１／３以上２／３以下程度を覆うように設けられることが好ましい。覆う量が少ないと十分な効果を得ることができず、覆う量が多いと順流側を流れる流体を十分に排出することができないからである。

羽根車２１は、例えば、羽根車回転軸を垂直とした縦軸型のものであり、羽根車回転軸を中心として放射状に複数のブレード２１Ａが配設されている。ブレード２１Ａは、例えば、順流側における流体の流れの方向に湾曲されている。

発電装置２０は、また、羽根車２１の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電機３０と、発電機３０により発生させた交流電力を整流する整流器２２と、整流器２２により整流した直流電力を蓄える蓄電池２３と、蓄電池２３から出力された直流電力を交流１００Ｖの交流電力に変換するインバーター２４とを備えている。発電機３０は、例えば、３相交流出力をするように構成され、整流器２２では例えば３相整流を行うように構成される。整流器２２と蓄電池２３の間には、蓄電池２３の過充電を防止する過充電制御装置２６を挿入することが好ましい。過充電制御装置２６は、例えば、充電電圧と蓄電池電圧とを監視することにより充電を制御するようになっている。また、インバーター２４には、蓄電池２３の過放電を防止する過放電制御警報装置２７を接続することが好ましい。過放電制御警報装置２７は、例えば、インバーター２４から蓄電池電圧の低下信号が入力されるとインバーター２４を停止し、警報を発するようになっている。

図４は、発電機３０の断面構成を表すものである。この発電機３０は、例えば、ハウジング３１の中に、ロータ３２と、ステータコイル３３とを備えている。ハウジング３１には、例えば、ロータ回転軸３４が回転可能に支持されており、ロータ回転軸３４は外部動力により回転可能とされている。

ロータ３２は、例えば、ロータ回転軸３４に対して軸方向に間隔を開けて固定された一対の円盤状のロータディスク３２Ａを有している。一対のロータディスク３２Ａには、例えば、それぞれネオジム磁石等よりなる複数の永久磁石３２Ｂが対向する位置に嵌合固定されている。各永久磁石３２Ｂは、例えば、各ロータディスク３２Ａにおいて、円周方向、すなわちロータ回転軸３４の軸心を中心とする同一円軌跡上に、等間隔にそれぞれ配置されている。対向する一対の永久磁石３２Ｂの対向面における磁性は、Ｎ極とＳ極又はＳ極とＮ極というように異なっている。また、同一のロータディスク３２Ａにおける同一円軌跡上の位相の異なる複数の複数の永久磁石１２Ｂの極性は、１個又は複数個毎にそれぞれ反転されている。

ステータコイル３３は、例えば、ハウジング３１に固定されて一対のロータディスク３２Ａの間に位置するように配設されたステータディスク３３Ａを有している。ステータディスク３３Ａには、例えば、円周方向、すなわちロータ回転軸３４の軸心を中心とする同一円軌跡上に、複数のコアレス型の渦巻きコイル３３Ｂが取り付けられている。各渦巻きコイル３３Ｂは、例えば、平角コイルにより構成されており、永久磁石３２Ｂの磁極に渦巻き面が対向するように配設されている。

図５は、永久磁石３２Ｂ及び渦巻きコイル３３Ｂの位置関係を表す図である。各渦巻きコイル３３Ｂは、例えば、ロータ回転軸３４の軸心を中心とする径方向に伸長して巻回された楕円形状に近い形状を有している。渦巻きコイル３３Ｂの内周における径方向の回転軸側端部３３Ｃは、例えば、永久磁石３２Ｂの回転軌道３２Ｃよりもロータ回転軸３４の側に位置している。渦巻きコイル３３Ｂの内周における径方向の反対側端部３３Ｄは、永久磁石３２Ｂの回転軌道３２Ｃよりも外側に位置している。渦巻きコイル３３Ｂの巻き始め３３Ｅと巻き終わり３３Ｆは、永久磁石３２Ｂの回転軌道３２Ｃの外側に位置している。なお、図５では、永久磁石３２Ｂの回転軌道３２Ｃを梨地で示している。

このように、本実施の形態に係る流体誘導パネル１０及び発電装置２０によれば、羽根車２１の逆流上流側において、逆流側の流体の流れを遮るように遮蔽体１１を配置するようにしたので、逆流側においてマイナスに作用する圧力が加わることを防止することができる。また、遮蔽体１１の断面形状を翼型とし、前縁１１Ｃを順流側とし後縁１１Ｄを外側として、前縁１１Ｃよりも後縁１１Ｄが上流側に位置するように配置するようにしたので、逆流側の流体を順流側に誘導すると共に、遮蔽体１１の上流面１１Ａに沿って流れる流体の速度を速くすることができ、順流側においてより大きな圧力を加えることができる。

また、遮蔽体１１に、下流面１１Ｂから上流面１１Ａに貫通する第１貫通孔１１Ｅを設けるようにすれば、第１貫通孔１１Ｅを通って流体が下流側から上流側に流れることにより、遮蔽体１１よりも下流側の圧力が低くなり、逆流側に位置する羽根車２１のブレード２１Ａが遮蔽体１１の方に吸い込まれて、回転数及び駆動トルクを増加させることができる。

更に、遮蔽体１１に、下流面１１Ｂから上流面１１Ａのうち順流側と対向する領域に貫通する第２貫通孔１１Ｆを設けるようにすれば、第２貫通孔１１Ｆを通って逆流側から順流側に流体が流れることにより、遮蔽体１１よりも逆流側の圧力が低くなり、逆流側に位置する羽根車２１のブレード２１Ａが遮蔽体１１の方に吸い込まれて、回転数及び駆動トルクをより増加させることができる。

加えて、遮蔽体１１から下流側に向かって、羽根車２１の逆流側外周の少なくとも一部を覆うように覆体１２を設けるようにすれば、遮蔽体１１の下流側近傍の圧力をより低くすることができる。

更にまた、発電機３０の渦巻きコイル３３Ｂが、ロータ回転軸３４を中心とする径方向に伸長して巻回され、渦巻きコイル３３Ｂの内周における径方向の回転軸側端部３３Ｃが、永久磁石３２Ｂの回転軌道３２Ｃよりもロータ回転軸３４の側に位置し、渦巻きコイル３３Ｂの内周における径方向の反対側端部３３Ｄが、永久磁石３２Ｂの回転軌道３２Ｃよりも外側に位置するようにすれば、永久磁石３２Ｂと渦巻きコイル３３Ｂとの間隔を渦巻きコイル３３Ｂの太さ分だけ少なくすることができ、発電効率を向上させることができる。また、永久磁石３２Ｂの回転軌道３２Ｃと渦巻きコイル３３Ｂとの交差角度が直角に近くなるので、発電効率をより向上させることができる。更に、渦巻きコイル３３Ｂの巻き始め３３Ｅと巻き終わり３３Ｆが永久磁石３２Ｂの回転軌道３２Ｃの外側に位置するようにすれば、渦巻きコイル３３Ｂの端末処理を容易とすることができる。加えて、渦巻きコイル３３Ｂの巻数を増やせば、ロータ３２が低回転でも、有効に発電することができる。よって、簡単な構造で、発電効率を向上させることができ、例えば、ロータ３２の回転数が５５０ｒｐｍ程度の低回転でも発電することができる。

加えてまた、発電機３０により発生させた交流電力を整流し、蓄電して、インバーター２４により一般家庭等で使用する交流１００Ｖに変換するようにすれば、発電電圧が小さくても一般家庭等で利用できる電圧に変換することができると共に、周波数・電圧共に安定した出力を得ることができる。

よって、ビルや学校の屋上、その他風が吹き抜ける場所、又は水路等に、簡単かつ安価に設置することができ、小エネルギーを有効利用することができる。また、一般電力会社の配電線が近辺にない場所、例えば、僻地、山間部、登山等で利用する山小屋において、近隣に風が吹き抜ける場所や水路等があり、発電装置を設置可能であれば、実用性のある電力を供給することができる。更に、特殊技術や大規模な設備が必要でなく、安価に製造及び設置が可能であるので、発展途上国等への援助に貢献することもできる。

以上、実施の形態及び実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、羽根車２１に対する遮蔽体１１の位置は、流体の流れに応じて、逆流上流側となるように回転可能としてもよい。また、羽根車２１は、羽根車回転軸を水平とした横軸型のものでもよい。

更に、上記実施の形態では、発電機３０について、ハウジング３１の中に、一対のロータディスク３２Ａと、その間に配置された１つのステータディスク３３Ａとを備える場合について説明したが、同一のロータ回転軸３４に３以上のロータディスク３２Ａを配設し、それらの間にステータディスク３３Ａをそれぞれ配設するようにしてもよい。

法面排水の施工に用いることができる。

１０…流体誘導パネル、１１…遮蔽体、１１Ａ…上流面、１１Ｂ…下流面、１１Ｃ…前縁、１１Ｄ…後縁、１１Ｅ…第１貫通孔、１１Ｆ…第２貫通孔、１２…覆体、２０…発電装置、２１…羽根車、２１Ａ…ブレード、２２…整流器、２３…蓄電池、２４…インバーター、２６…過充電制御装置、２７…過放電制御警報装置、３０…発電機、３１…ハウジング、３２…ロータ、３２Ａ…ロータディスク、３２Ｂ…永久磁石、３２Ｃ…回転軌道、３３…ステータコイル、３３Ａ…ステータディスク、３３Ｂ…渦巻きコイル、３３Ｃ…回転軸側端部、３３Ｄ…反対側端部、３３Ｅ…巻き始め、３３Ｆ…巻き終わり、３４…ロータ回転軸

Claims

羽根車回転軸に対して垂直方向に流動する流体により回転する羽根車の順流側に流体を誘導する流体誘導パネルであって、
前記羽根車の逆流上流側において、逆流側の流体の流れを遮るように配置される遮蔽体を備え、
この遮蔽体は、前記羽根車回転軸に対して垂直な面における断面形状が翼型であり、上流面と下流面とを有し、前縁を順流側とし後縁を外側として、前縁よりも後縁が上流側に位置するように配置され、
前記遮蔽体には、前記下流面から前記上流面に貫通する第１貫通孔、及び、前記下流面から前記上流面のうち順流側と対向する領域に貫通する第２貫通孔が設けられた
ことを特徴とする流体誘導パネル。
前記遮蔽体から下流側に向かって伸長され、前記羽根車の逆流側外周の少なくとも一部を覆うように設けられた覆体を備えたことを特徴とする請求項１記載の流体誘導パネル。
羽根車回転軸に対して垂直方向に流動する流体により回転する羽根車を備えた発電装置であって、
請求項１又は請求項２に記載の流体誘導パネルを備えたことを特徴とする発電装置。
前記羽根車の機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電機を備え、
この発電機は、ロータ回転軸に固定したロータディスクに対して、円周方向に異極が交互に現れるように複数個の永久磁石を設けたロータと、ハウジングに固定したステータディスクに対して、前記永久磁石の磁極に渦巻き面が対向するようにコアレス型の複数の渦巻きコイルを円周方向に設けたステータコイルとを有し、
前記渦巻きコイルは、前記ロータ回転軸を中心とする径方向に伸長して巻回されており、
渦巻きコイルの内周における径方向の回転軸側端部は、前記永久磁石の回転軌道よりもロータ回転軸の側に位置し、渦巻きコイルの内周における径方向の反対側端部は、前記永久磁石の回転軌道よりも外側に位置し、
前記渦巻きコイルの巻き始めと巻き終わりは、前記永久磁石の回転軌道の外側に位置する
ことを特徴とする請求項３記載の発電装置。
前記発電機により発生させた交流電力を整流する整流器と、
この整流器により整流した直流電力を蓄える蓄電池と、
この蓄電池から出力された直流電力を交流１００Ｖの交流電力に変換するインバーターと
を備えたことを特徴とする請求項４記載の発電装置。