JP5093629B1

JP5093629B1 - 流体加速貫通型ブレード

Info

Publication number: JP5093629B1
Application number: JP2012098167A
Authority: JP
Inventors: 明久松園; 雅紀鈴木
Original assignee: 明久松園
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-04-06
Also published as: JP2013217357A

Abstract

【課題】
地球環境とエネルギー問題を原材料生成から廃棄コスト迄を総合的に考えた場合、発電コストが最も少ないクリーンエネルギーとして昼夜、日当たり等関係なく何処でも発電可能な小型風力発電の普及が望まれる。その為には、実運用条件下で長時間ある軽風域（１．６〜３．３ｍ／秒：気象庁風力階級表）からでも発電でき、台風・突風等、過酷な自然環境下でも安定稼動し製造容易で安価、且つ安全性が高く長期間メンテナンス不要なこと等が重要である。
【解決手段】本発明の風車は、風向きに対する制御が不要で構造が簡単な垂直軸型をベースに弱風でも回転効率を高める表裏面揚力ブレードに加え、ブレード内を圧力差で流体が貫通し易くして排気力で回転力を高める構造により軽風域から起動でき、揚力加速により増速回転する構造ため弱風域の稼働時間を広げる小型風力発電を可能とするものである。
【選択図】図４

Description

本発明は風力発電、水力発電等において弱い流速域での発電効率を向上させるためのブレード形状に関するものである。

特に風力発電用の風車は、軟風（３．４〜５．４ｍ／秒：気象庁風力階級表）から雄風（１０．８〜１３．８ｍ／秒）程度の風さえあれば発電容易で環境にも優しく、古くから利用されている優れた発電手段の一つである。しかし市街地などでは、軽風域（１．６〜３．３ｍ／秒）が長時間続くため発電能力が低下し、如何に発電効率を向上させるかが大きな課題となっている。

そこで低風速でも発電可能な小型翼型風車と、この回転軸に小さい風力でも駆動トルクを発生する起動用風車を介在させ起動力を向上させたものがある（例えば特許文献１：本書類添付図７）。しかしこの発明は起動用風車も組み込む為、部品点数が増大し構造が複雑になり耐久性や製造コスト等が増えるという問題や、強風時には風の抵抗が大きいためブレーキシステム等も大きくなり全体が重く不安定になる。

またブレード形状の特許例として特許文献２「全方向風力タービン」（本書類添付図８）「抽気流路を有する翼形をした垂直支持壁の断面図」は翼の厚い部分が後縁にありしかも湾曲形状や後縁の長いフラップも有しないため本願発明と構造が異なる。また風向きに対する迎え角による裏面の加圧揚力も無く更に抽気流路の出口が斜め上下に分かれているため排出量も分割される構造も異なり推力も弱くなっている。

同、特許文献２「全方向風力タービン」（本書類添付図９）の「抽気流路を有する環状体導入口ブレードの断面図」は全体をブレード翼と考えた場合、翼弦長を３ケ所の貫通穴で４つに分断し、しかも途中の３ケの貫通穴により翼弦長が１／４と短い構造は本願発明の形状や吸入位置、排出位置の組み合わせも異なる。またブレードの４分割により圧力差がなく重要な揚力能力が生じないため異なる。

特許文献３、（本書類添付図１０）は、主翼４と副翼５を有する複翼を備え．．．気流Ｗ２に対して負角βを持たせ揚力翼で、副翼５を、主翼４の受風面６側に「所定間隔Ｎ１及び所定ずれ幅Ｎ２をもって配置し気流Ｗ２により主翼４にベルヌーイの定理で説明される揚力が発生する。」とあるが、副翼５が主翼４に比べＮ２区間が短く副翼５の後縁に上下面で圧力差を生じさせる長いフラップも下面に無く異なる。

また長い圧力遮断フラップが無い為、副翼５の下面の高圧域と分離できず排出口に減圧域が生じないため圧力変化が無く主翼４と副翼５の間の気流は抜け難くなるので本願発明案の「入口と出口の圧力差を高め排出気体を加速させる」原理と異なる。更にブレード前衛先端上部の内側空洞面のＵ字型形状による逆向きの流体の抗力活用機能も無いので構造・機能とも異なったものである。

特開平１１−２０１０２０号公報特許公表２００８−５２５６８２特許公開平６−１５９２２２

以上述べたように従来のブレードは軽風（１．６〜３．３ｍ／秒）時の抗力を中心に考えられ、揚力や圧力差を活かしていないため最も時間の長い弱風域では駆動力不足や、風速が頻繁に変わる環境下での駆動力不足となり発電効率も良くない。

また風力発電の実運用においては風向きが頻繁に変化したり、強風、暴風等過酷な自然環境下では発電機能を抑えたりして発電効率が低下していた。

更には構造が複雑になり製造コストが上がり、長期間の耐久性も劣るためメンテナンスコストも高くなっていた。また風速が変化したときブレード形状も変形する可動部分があると更に弱く、形状がいびつになると稼働時の風きり音を発する等、騒音問題も生じる可能性があるので静かに安定して稼動すること重要である。

流体に保存されたエネルギー（速度、圧力、位置）を効率的に得る手段として、オイラーの運動方程式（数１式）があり、流体の密度によって変化するものとして、流線ｓに沿って積分（数２式）すれば、ベルヌーイの定理（数３式）として知られ、加速度は流速と位置の関数になる。
ここで、
ｐ：圧力
Ｐ：流体の密度
ｓ：流線の方向
ｕ：流速
ｇｚ：重力加速度の垂直方向成分

具体的な手段として、抗力の少ない流線形を鳥の羽根の形状に倣って湾曲させたカルマン・トレフツ型翼により、翼の表裏面の流速差から圧力差を生じさせて効率的に揚力を得ることが知られている。

そして、この流体の流れを粒子の動きとして捉え数学的に解析する手法として、ラグランジェ方があり、更にその全体を鳥瞰図的に高所から捉えて流体の経路と加速度を表す手法としてオイラーの方法が知られ、この手法によるカルマン・トレフツ型翼のコンピュータ流体シミユレーション例を図１に示す。

この図１を説明すれば、カルマン・トレフツ型ブレード（１０１）に対して流れ場の各方向ベクトル表示を流線部分表示マーカ（１０２）を、縦方向均等間隔（１０３のＡ〜Ｈ）に流速の同時開始位置から、横方向に均等な時系列間隔（１０５の流れ順序１〜５）に並べてシミユレーション処理すれば、そのマーカの位置と方向が解析結果として表示される。

そして、このブレード表面の加速変化による等速位置を結んだ線を縦方向流線表示マーカ等速線（破線１０４〜１０８）として表し、加速変化が全体として視覚化される。これにより等速線の間隔が密な部分（１１２）は低速で圧力が高く、間隔が粗な部分（１１３）は高速で圧力が低く表される。

更に、ブレード表面の流線を連結して表示したのが上部層流線（１１０）で、減圧揚力とコアンダー効果の反力により生ずる外向きの推進力となる。またブレード裏面の流線を連結して表示したのが下部層流線（１１１）として表され、その凹曲表面に沿った流れで後縁下部のフラップ（１１４）による加圧揚力が生じ、このブレード背面と腹面の速度差による圧力差からベルヌーイの定理に基づく揚力が生れ、上向きの合成推進力（１１５）となる。

図２は図１のブレードの背面の流速と圧力分布を表した図である。これを説明すればＸ軸に図１に対応するブレード翼弦長方向軸（２０１）を、右Ｙ軸２を流速軸（２０２）に対してブレード背面の流速変化曲線（２０３）で表し、左Ｙ軸１を圧力軸（２０４）に対してブレード背面の圧力変化曲線（２０５）を表している。

そして図１のブレード背面前縁の流体入口位置は（２０６）に対応し、ブレード背面後縁の流体出口位置を（２０７）と対応して流体入口と出口の圧力差（２０８）となって大きく強調される。

次に図３は図２の圧力差（２０８）を更に活かし、全く新しい機能として付加したのが本発明の流体加速貫通型ブレード構造の流体シミュレーション図である。この図を説明すれば、前記図１のカルマン・トレフツ翼型ブレードから更にエネルギーを得るためブレード形状の外表面形状の外枠（３０１，３０３）を活かし、内部を空洞にして前縁部（３０２）に流体を取入れる開口部を設けブレード内を貫通してブレ−ドの背面後縁部まで流体（３０５）が抜ける中空構造を翼内に形成させる。

これを詳細に述べれば先ずブレードの内部を貫通する流体を取り入れ易くする為、図２の（２０６）に対応して流体の流入口を圧力が最も高い位置になるブレード先端の前縁部（３０２）に形成させる。

そして更に流体の排出口を図２の（２０７）に対応しブレードの下面から隔てられ最も圧力が低くなり圧力差で流体を排出し易く、しかもその排出流体を反力として活かして加速し易い位置になるブレード後縁上面部（３０４）に形成させる。

これにより先の図２の（２０８）で表した入口の加圧流体と出口の減圧域の圧力差増による流速増が（数３式ｕ）の二乗倍の効果となりブレード内を通る流体の吸排量の増加による反力が増えブレードの推進力を増強させ、更に圧力差が増えると増速する加速効果により加速ブレード機能が形成される。

以上前記説明のブレードの背面後縁部の減圧揚力、腹面の加圧揚力に加え、新しい概念としてブレード前縁の高圧域で取り入れた流体をブレードの後縁上部の減圧域で吸い出すことにより３種類の反力の合成推進力となり、自然揚力回転を増強させる仕組みの本発明の揚力加速ブレードが構成される。

そして、前記、基本揚力増速ブレードを垂直な回転軸のまわりに複数枚設けることにより３６０度全方向の風力により回転させる垂直軸型風車を構成する。

上述したように本発明に係る風力発電用の垂直軸型風車では、垂直回転軸のまわりに設けたブレードの表／裏両面後部の減圧／加圧揚力と、ブレード前縁の高圧域で流体を取り込み、圧力差で排気力を高める構造による自然揚力加速で従来型のモータアシストの電力も要らず、弱風域でもより効率的に風力エネルギーを取り出せ、しかも風向きや風速が頻繁に変化する自然環境においても発電機を廻し易くなる。

更に強風域以上ではブレードの裏面後縁のフラップの抗力により回転速度抑制効果が働き、暴走回転による過大な電圧発生を抑えるため、ブレーキシステムや電力制御システム等も簡単になり軽くなることにより過酷な自然環境でも壊れにくく稼働率の高い小型風力発電機が可能となる。

なおブレードの材質としては軽金属、ＦＲＰ、炭素繊維等、多様で安価な素材が利用でき、構造が簡単で小型や中型の風車を安価に製造すれば、素材生成から廃棄までの製品ライフサイクルにおける総エネルギーコストも小さい。また家庭用の手軽な発電から、マンション、学校、工場、事業所等のビル屋上、ビル周りの風や、公園、草原、山間、離島、日の当らない北側や、縦積による立体空間活用、高緯度地域等、天候を問わず昼夜稼働させることが可能となる。

更には電力配電網システム等、膨大な設備投資や継続的な維持管理コスト、待機維持電力も不要な自立分散型発電で、電力グリッド的粗結合共助システム化も実現可能となる。また使い慣れた見える技術を進歩させ改良を加えることにより環境・資源問題や安心・安全面からも優れ、扱いやすいエネルギー取得装置と成る。

カルマン・トレフツ型翼におけるオイラーの方法によるラグランジュ表示シミュレーション図である。本発明に関するブレードの背面の流速と圧力分布グラフである。本発明の流体加速貫通型ブレード翼枠流体シミュレーション図である。本発明の流体加速貫通型ブレードの斜視図である。本発明の流体加速貫通型ブレードの流体説明図である。本発明の流体加速貫通型ブレードによる風車の斜視図である。特許文献１の小型風力発電装置の風車本体を示す斜視図である。特許文献２の抽気流路を有する翼形をした垂直支持壁の断面図である。特許文献２の抽気流路を有する環状体導入口ブレードの断面図である。特許文献３の風車の一実施例の要部断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。図４は本発明の揚力増強型ブレード外観図を示し、図５はそのブレードの流体説明図で、回転稼動状態でのブレードの風の流れの概念と圧力変化による各種揚力のベクトル図を示し、図６はそれを垂直軸風力発電用回転ブレードとして組み込んだ外観図を示す。

先ず請求項１を実現するため風力増速ブレードは図４の斜視図と図５のブレードの流体図で実施例を説明すれば、流線形を湾曲させた翼型で前縁（３０７）を丸く厚くして後縁（４０３）を薄くし、ブレードの背面側（３０１）を凸曲面にして、腹面側（３０３）を凹曲面にしてフラップ（３０８）を出したカルマン・トレフツ型翼外形形状を形成する。

これにより、裏面の凹曲面の迎角により弱風での揚力を高め、凹曲表面に沿った流れで後縁下部のフラップによる加圧揚力（５０９）とダウンウオッシュ（５０７）の反力と、ブレード背面凸曲表面に沿って流れる風による後縁上部の減圧揚力（５０８）により生ずる外向きの反力で回転力（５１１）を与える。

更に圧力が高くなるブレード先端の前縁部（３０７）に流体を取入れる開口部（３０２）を設け、ブレード内を貫通して圧力の低いブレ−ドの表面後縁部の減圧領域（５０１）まで最短で流体が抜ける中空内部構造（４０２）を翼内に形成することにより、開口部入口（３０２）の加圧流体と排出口（３０４）の減圧域（５０１）の圧力差を有効に活かしブレード内中空部を通る排出流体（５０６）の反力との３種目の合成推進力により、更に自然揚力加速回転を促進させる仕組みのブレード構造を実現している。

また弱風時の抗力を活かして起動性能を良くするため、ブレードの前衛先端上部の内側空洞面をＵ字枠（３０７）に形成させ、弱風時にブレードの後縁開口部から流入した逆流体エネルギー（３０６）を抗力として取り出し易くしている。更にＵ字枠（３０７）によりブレード先端の機械的な強度を高めたブレード構造を形成している。

図６は本発明の流体加速貫通型ブレード（６０２）を、発電機に連結される垂直な回転軸（６０１）のまわりに複数枚設け、３６０度全方向の風力により回転させる垂直軸型風車を構成することにより水平方向のあらゆる風向きに対し瞬時に回転力を増強させることが出来る。

また高速回転ではブレードの裏面後縁のフラップ（３０８）で風の抗力も大きくなるので暴走回転が抑制され適度な発電機駆動回転が得られる。更には高速回転時のジャイロ効果により風車全体の姿勢安定化が得られ強風に煽られにくくなる。

環境とエネルギー問題として、特に電気エネルギーは産業だけでなく人類の生活維持に不可欠であり、究極的に、子子孫孫に環境負荷を与えず再生可能なものが望まれる。そこで手軽な分散小型発電装置により家庭レベルから電気を“創り”補うことが出来、普及すれば、徐々に問題が軽減されていくと考え、本発明の発電効率向上が見込める弱風対応型小型風力発電システムを提唱する。

１０１カルマン・トレフツ型翼シミュレーション用基本ブレード
１０２流線部分表示マーカ（流れ場での層流表示ベクトルを縦・横に表示）
１０３縦方向流線表示マーカ均等位置番号（Ａ〜Ｈ）
１０４〜１０８横方向流線表示マーカ等速線
１０９横方向流線表示マーカ等速線番号（１〜５）
１１０ブレード背面部層流線（上部流線表示マーカ連結線）
１１１ブレード腹面部層流線（下部流線表示マーカ連結線）
１１２高圧域（ブレード前縁部）
１１３低圧域（ブレード背面後縁部）
１１４ブレード後縁フラップ部
１１５合成推進力ベクトル
２０１流速と圧力分布グラフＸ軸（ブレードモデル翼弦長方向）
２０２流速と圧力分布グラフ右Ｙ軸２（流速表示）
２０３ブレード背面の流速
２０４流速と圧力分布グラフ左Ｙ軸１（圧力表示）
２０５ブレード背面の圧力変化
２０６ブレード前縁の流体入口近傍
２０７ブレード背面後縁の流体出口近傍
２０８ブレード流体入口〜流体出口の圧力差
３０１新型ブレードモデル前縁背面部（上面側凸曲面）
３０２ブレード前縁流体流入口
３０３ブレード腹面後縁部（下面側凹曲面）
３０４ブレード背面後縁部流体排出口
３０５ブレード内貫通流体線（太破線表示）
３０６後縁開口部から逆流入する想定流入線（２点鎖線表示）
３０７ブレード前衛先端上部（裏側はＵ字枠）
３０８ブレードフラップ部（背面後縁部流体排出口より後縁部）
４０１ブレード内補強部材
４０２ブレード内中空構造部
４０３ブレード背面後縁部
５０１ブレード背面後縁部流体排出口付近の揚力減圧域
５０２ブレード腹面後縁部の揚力加圧域
５０３ブレード背面部への流体の流れ
５０４ブレード腹面部への流体の流れ
５０６ブレード内から吸い出された排出流体
５０７ダウンウオシュの流れ（２点鎖線）
５０８表面の減圧揚力のベクトル方向
５０９裏面の加圧揚力のベクトル方向
５１０新型ブレード支えアーム
５１１新型ブレード回転方向
６０１回転軸
６０２新型ブレード

Claims

流体のエネルギーを効率よく取り出す為のブレードの形状に関し、前縁を丸く厚くして後縁を薄くした流線形をベースにブレードの上側背面を凸曲面に、下側腹面を凹曲面に湾曲させたカルマン・トレフツ翼とも称されるブレード形状をベースに、外表面形状を外枠とし、内部を空洞にして前縁部に流体を取入れる開口部を設けブレード内を貫通してブレ−ドの背面後縁部まで流体が抜ける中空構造をブレード内に形成させたことを特徴とする流体加速貫通型ブレード。
請求項１に記載の流体加速貫通型ブレードであって、ブレードの内部を貫通する流体を取り入れ易くする為、流体の流入口を流れ時に圧力が最も高くなり且つ、吸い込み易い位置となるブレード先端の前縁部に形成させ、更に流体の排出口をブレードの下面と隔てられ、最も圧力が低くなり圧力差で流体を排出し易く、しかもその排出流体を反力として活かして加速し易い位置となる、ブレード上部背面後縁部に形成させたことを特徴とする流体加速貫通型ブレード。
請求項１、２いずれか１項に記載の流体加速貫通型ブレードであって、前記ブレードにおいて、弱風時の抗力を活用して起動性能を高めるため、ブレードの前縁先端上部の内側空洞面をＵ字型に形成させたことにより、起動時や低速動作時にブレードの後縁開口部から流入する逆流流体を抗力エネルギーとして取り込み易く且つ、ブレード先端部の機械的な強度を高めたことを特徴とする流体加速貫通型ブレード。