JP5409969B1 - セール型風力・水力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】下流側の羽根の内面全体に受けられるようにし、瞬間的に大きな抗力を得られるようにして発電機に与える回転力を高めて発電効率を向上させることができる風力・水力発電機を提供する。
【解決手段】羽根２が湾曲された薄板部材により形成されたセール型をなし、流体Ｗは、流体Ｗの上流側にある所定の２枚の羽根２の間を通過して下流側の羽根２の内面全体に当たるとともに、流体Ｗが当たる瞬間には、下流側の羽根２の内面が上流方向を向き、下流側の羽根２の回転方向の先端縁Ｆ及び後端縁Ｂから上流方向に平行に延びる仮想線Ｖの間の領域γを、上流側の羽根２が遮らないように各羽根２が配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、自然エネルギー等により生じる風または水流を所定枚数の羽根に受けることで発電機を駆動させて発電を行う風力・水力発電機に関する。

従来、風力発電機に用いられる垂直回転軸型の風車は、風向きに左右されずに回転可能であるが、垂直回転軸の片側の羽根は向かい風による抵抗を受けるという難点を有しており、この難点を克服するために、羽根の形状を特定することでより効率よく回転するようにしている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開２００４−２１１７０７号公報 国際公開第２００７／１４１８３４号

しかしながら、特許文献１及び２の風力発電機にあっては、風（流体）が正面側から当たったときに、左右に配置される羽根は、互いにその向きが逆向きとなっており、一方の羽根の内面に追い風が当たったときに、他方の羽根の外面に向かい風が当たるようになり、一方の羽根の内面に受ける風の抗力により風車を回転させることができるものの、他方の羽根の外面に当たる風が風車の回転方向と逆向きのトルクを発生させ、風車の回転の邪魔をしてしまうという問題がある。また、円周方向に配置された複数の羽根のうち、風下側（下流側）の羽根の内面には、風上側（上流側）の羽根に当たって流れ方向が変化して風力が減衰した風しか当てることができず、風下側の羽根の内面が風の抗力を充分に受けることができず、発電効率が悪くなってしまうという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、下流側の羽根の内面全体に受けられるようにし、瞬間的に大きな抗力を得られるようにして発電機に与える回転力を高めて発電効率を向上させることができる風力・水力発電機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のセール型風力・水力発電機は、
発電機に回転力を伝達する回転軸を有し、該回転軸を中心とする円周方向に少なくとも３枚の羽根が等間隔に設けられ、該羽根がその回転方向の先端側となる先端縁及び後端側となる後端縁を有し、該羽根の回転方向の前記後端縁が前記回転軸から離れるように該羽根が傾けられており、前記回転軸に直交する方向から流れてくる流体から前記羽根が受けるエネルギーにより前記回転軸を回転させて発電機を駆動する風力・水力発電機であって、
前記羽根が湾曲された薄板部材により形成されたセール型をなし、該羽根の前記先端縁及び前記後端縁が断面視において鋭角状となっているとともに、該羽根の内面が前記先端縁から前記後端縁まで凹状に湾曲されており、前記流体は、該流体の上流側にある所定の２枚の羽根の間を通過して下流側の羽根の内面全体に当たるとともに、該流体が当たる瞬間には、前記下流側の羽根の内面が上流方向を向き、該下流側の羽根の回転方向の前記先端縁及び前記後端縁から前記上流方向に平行に延びる仮想線の間の領域を、前記上流側の羽根が遮らないように前記各羽根が配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、羽根が湾曲された薄板部材により形成されたセール型をなすことで、羽根が回転する際に、その回転方向に対して逆向きに流れる流体の抗力を受け難くなるとともに、少なくとも３枚の羽根のうち、下流側の羽根の内面が受ける抗力により発電機に回転力を与えられるようになり、かつ所定の２枚の羽根に遮られずに通過した流体を、下流側の羽根の内面全体に受けられるようにし、瞬間的に大きな抗力を得られるようにして発電機に与える回転力を高めて発電効率を向上させることができる。

本発明のセール型風力・水力発電機は、
前記円周方向における前記羽根の掃過領域のうち、略半分の領域が前記羽根により占められていることを特徴としている。
この特徴によれば、流体を受ける羽根の面積を確保しつつ、円周方向に等間隔に設けられた各羽根の間には、羽根の大きさとほぼ同じ大きさの開口が形成され、この開口から流体が吹き抜けるようになり、下流側の羽根の内面全体に充分な量の流体を当てることができ、発電機に与える回転力を高めて発電効率を向上させることができる。

本発明のセール型風力・水力発電機は、
前記羽根の長手方向の端部が前記回転軸に連結された羽根支持部により支持され、前記羽根の回転の中心部には、前記流体が遮られずに通り抜けられる空間部が形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、羽根を支持する羽根支持部が羽根の長手方向の端部に配置されて、羽根の回転の中心部には、流体の流れに乱れを生じさせる部材が配置されずに済むようになり、流体が通り抜けられる空間部が形成され、この空間部を通過した流体が下流側の羽根の内面全体に当たって、発電機に与える回転力を高めて発電効率を向上させることができる。

本発明のセール型風力・水力発電機は、
前記羽根は、揚力を生じさせる翼形状となっていることを特徴としている。
この特徴によれば、羽根の外面に流体が当たることにより、羽根に揚力が生じるようになり、羽根の内面が受ける抗力とともに、羽根の外面に生じる揚力によっても発電機に与える回転力を高めることができる。

実施例１におけるセール型風力発電機を示す斜視図である。 セール型風力発電機を示す正面図である。 図２における羽根を示すＡ−Ａ横断平面図である。 羽根を示す拡大横断平面図である。 実施例２における羽根を示す横断平面図である。 実施例３における羽根を示す横断平面図である。 実施例４におけるセール型海流発電機を示す正面図である。

本発明に係るセール型風力・水力発電機を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係るセール型風力発電機につき、図１から図４を参照して説明する。図１の符号１は、本発明の適用されたセール型風力発電機である。この風力発電機１は、４枚の羽根２を有する垂直回転軸型の風力発電機１となっており、風向きに左右されずに回転可能となっている。また、風力発電機１は、地面に設置される基礎部３を有している。この基礎部３は平面視で四角形状をなしており、基礎部３における四隅には、鉛直方向に立設される支柱４が配置されている。

図２に示すように、各支柱４の上端同士及び下部同士が平面視でＸ字形状をなす繋ぎ梁５により連結されている。上部の繋ぎ梁５の中央には、軸受部６により枢支された回転軸８が設けられている。さらに、下部の繋ぎ梁５の中央には、発電機１０が設置されており、この発電機１０を回転駆動するための回転軸９が下部の繋ぎ梁５の上部側に突設されている。なお、この回転軸９は、下部の繋ぎ梁５に設けられた軸受部７により枢支されている。

また、上下に配置される各回転軸８，９の先端部には、各回転軸８，９から四方に放射状に延びて、それぞれの端部に羽根２の上端または下端を支持する支持部材１１，１２（羽根支持部）が取り付けられている。即ち、羽根２は、上下端部以外の部位には、風Ｗ（流体）が通り抜ける際に障害物になるような何らの部材も取り付けられておらず、これら羽根２の回転の中心部には、風Ｗが遮られずに通り抜けられる空間部１３が形成される。

図３に示すように、各羽根２は、湾曲された薄板部材により形成されたセール型をなしている。本実施例では、４枚の羽根２が、その回転方向に沿って平面視において９０度毎に等間隔に配置されている。なお、各々の羽根２は、図３中において反時計回りに回転するようになっている。

また、羽根２が風Ｗを受けて回転を始めると、その回転力が回転軸９を介して発電機１０に伝達され、発電機１０が駆動されて発電が行われるようになっている。なお、各羽根２は、その幅方向が回転方向（円周方向）に沿うように並んで配置されるとともに、羽根２の回転方向の後端縁Ｂが先端縁Ｆよりも回転軸９から離れるように傾けられて配置されている。即ち、羽根２の外面側が回転方向に若干向けられるように傾けられて配置されている。

また、回転軸９を中心として円周方向に９０度毎に分けられた角度領域θのうち、略半分の領域αが羽根２で占められており、残りの略半分の領域βが風Ｗ（流体）が吹き抜ける開口となっている。そして、円周方向における羽根２の掃過領域（全α領域＋全β領域）のうち、略半分の領域（全α領域）が羽根２により占められている。

図４（ａ）に示すように、羽根２は、揚力を生じさせる翼形状となっている。この羽根２は、その幅方向において前端寄りの位置Ｅが外方に最も膨出された湾曲線状をなし、この膨出位置Ｅから回転方向の先端側の曲率が後端側の曲率よりも大きくなっている。さらに、羽根２の先端縁Ｆ及び後端縁Ｂは、断面視において鋭角状をなしており、羽根２の幅方向に沿って流れる空気流Ｋによる抗力を受け難くなっている。

また、図４（ｂ）に示すように、羽根２の内面側は、凹状に湾曲されており、羽根２の内面に対して垂直方向（羽根２の厚み方向）に流れ込んでくる空気流Ｋから大きな抗力を受けるようになっている。そして、この羽根２の内面が受けた空気流Ｋは、羽根２の回転移動とともに羽根２の後端側に向かって流れるようになっている。

このように、羽根２が湾曲された薄板部材により形成されたセール型をなすことで、羽根２が回転する際に、その回転方向に対して逆向きに流れる空気流Ｋの抗力を受け難くなる。また、羽根２の外面に空気流Ｋが当たることにより、羽根２に揚力が生じるようになり、羽根２の内面が受ける抗力とともに、羽根２の外面に生じる揚力によっても羽根２の回転力が高められる。

次に、図３において紙面下方側を風力発電機１の正面側とし、この正面側（風上側）から風Ｗが吹いてくる場合を説明する。この図３に示すように、回転する羽根２のうち、風上側に配置される２枚の羽根２の間の領域βが風Ｗに対して大きく開口する瞬間がある。そして、この風Ｗは、上流側の２枚の羽根２の間を通過して下流側に配置される羽根２の内面全体に当たるようになっている。

より詳しく羽根２の配置について説明すると、下流側の羽根２の内面に風Ｗが当たる特定の瞬間では、下流側の羽根２の内面が上流方向を向き、下流側の羽根２の回転方向の先端縁Ｆ及び後端縁Ｂから上流方向に平行に延びる仮想線Ｖの間の領域γを、上流側の２枚の羽根２が遮らないように各羽根２が配置されている。即ち、図２に示すように、風力発電機１の正面視において、下流側の羽根２の内面全体が露呈するように、上流側の２枚の羽根２の間が大きく開口される瞬間がある。

このようにすることで、風Ｗを受けて羽根２が回転して発電機１０による発電が行われる際に、下流側の羽根２の内面が受ける抗力により発電機１０に回転力を与えられるようになり、かつ上流側の２枚の羽根２に遮られずに通過した風Ｗを、下流側の羽根２の内面全体に受けられるようにすることで、下流側の羽根２が瞬間的に大きな抗力を得られるようにし、発電機１０に与える回転力を高めて発電効率を向上させることができる。

また、前述したように、円周方向における羽根２の掃過領域（全α領域＋全β領域）のうち、略半分の領域（全α領域）が羽根２により占められていることで、風Ｗを受ける羽根２の面積を確保しつつ、円周方向に等間隔に設けられた各羽根２の間には、羽根２の大きさとほぼ同じ大きさの開口が形成され、この開口から風Ｗが吹き抜けるようになり、下流側の羽根２の内面全体に充分な量の風Ｗを当てることができ、発電機１０に与える回転力を高めて発電効率を向上させることができる。

また、前述したように、羽根２の回転の中心部には、風Ｗが遮られずに通り抜けられる空間部１３が形成されることで、羽根２の回転の中心部には、風Ｗの流れに乱れを生じさせる回転軸等の部材が配置されずに済むようになり、この空間部１３を通過した風Ｗが下流側の羽根２の内面全体に当たって、発電機１０に与える回転力を高めて発電効率を向上させることができる。

なお、背景技術で述べたような風力発電機の羽根では、厚み寸法が大きく、かつ羽根が径方向に向かって延びるように大きく傾いている場合には、下流側に配置される羽根の内面が風Ｗの上流方向ではなく、回転方向の後方側を向くようになり、この下流側の羽根は、その内面全体で効率的に風Ｗを受けることができず、さらに、上流側の羽根の膨出された部位が、下流側の羽根の回転方向の先端縁及び後端縁から上流方向に平行に延びる仮想線の間の領域を遮ってしまうようになり、上流側の羽根に当たって流れ方向が変化して風力が減衰した風Ｗしか下流側の羽根に当てることができないようになっている。

これに対して本発明の風力発電機１では、下流側の羽根２の内面に風Ｗが当たる特定の瞬間では、下流側の羽根２の内面が上流方向を向き、下流側の羽根２の回転方向の先端縁Ｆ及び後端縁Ｂから上流方向に平行に延びる仮想線Ｖの間の領域γを、上流側の２枚の羽根２が遮らないように各羽根２が配置されている。そのため、上流側の２枚の羽根２に遮られずに通過した風Ｗを、下流側の羽根２の内面全体に受けられるようにし、かつ下流側の羽根２が瞬間的に大きな抗力を得られるようになっている。

次に、実施例２に係るセール型風力発電機１ａにつき、図５を参照して説明する。なお、前記実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。

図５に示すように、実施例２における風力発電機１ａは、３枚の羽根２ａを有している。そして、３枚の羽根２ａが、その回転方向に沿って平面視において１２０度毎に等間隔に配置されている。なお、回転軸９を中心として円周方向に１２０度毎に分けられた角度領域θのうち、略半分の領域αが羽根２ａで占められており、残りの略半分の領域βが風Ｗ（流体）が吹き抜ける開口となっている。

なお、実施例２の羽根２ａは、実施例１のものよりも相対的に大きく形成され、この羽根２ａの内面は、より広い面積で風Ｗを受けることができる。さらに、羽根２ａの回転方向の後端縁Ｂが先端縁Ｆよりも回転軸９から離れるように傾けられて配置されており、この羽根２ａの傾きは、実施例１よりも大きくなっており、羽根２ａの内面に当たった風Ｗを羽根２ａの回転方向と逆向きに受け流し易くなっている。

また、下流側の羽根２ａの内面に風Ｗが当たる瞬間には、下流側の羽根２ａの内面が上流方向を向き、下流側の羽根２ａの回転方向の先端縁Ｆ及び後端縁Ｂから上流方向に平行に延びる仮想線Ｖの間の領域γを、上流側の２枚の羽根２ａが遮らないように各羽根２ａが配置されている。

このように、３枚羽根２ａであっても、風Ｗを受けて羽根２ａが回転して発電機１０による発電が行われる際に、下流側の羽根２ａの内面が受ける抗力が発電機１０に回転力を与えるようになり、かつ上流側の２枚の羽根２ａに遮られずに通過した風Ｗを、下流側の羽根２ａの内面全体に受けられるようにし、瞬間的に大きな抗力を得られるようにして発電機１０に与える回転力を高めて発電効率を向上させることができる。

次に、実施例３に係るセール型風力発電機１ｂにつき、図６を参照して説明する。なお、前記実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。

図６に示すように、実施例３における風力発電機１ｂは、６枚の羽根２ｂを有している。そして、６枚の羽根２ｂが、その回転方向に沿って平面視において６０度毎に等間隔に配置されている。なお、回転軸９を中心として円周方向に６０度毎に分けられた角度領域θのうち、略半分の領域αが羽根２ｂで占められており、残りの略半分の領域βが風Ｗ（流体）が吹き抜ける開口となっている。

なお、実施例３の羽根２ｂは、実施例１のものよりも相対的に小さく形成され、風力発電機１ｂの下流側に風Ｗの抗力を受ける羽根２ｂを３枚配置できるようになっている。さらに、羽根２ｂは、実施例１と同様に、揚力を生じさせる翼形状となっているが、この羽根２ｂは、その幅方向において前端寄りの位置Ｅ（実施例１の図４参照）が、実施例１のものよりも厚く形成されている。そのため羽根２ｂの揚力を高めることができるようになっている。

また、下流側の羽根２ｂの内面に風Ｗが当たる瞬間には、下流側の羽根２ｂの内面が上流方向を向き、下流側の羽根２ｂの回転方向の先端縁Ｆ及び後端縁Ｂから上流方向に平行に延びる仮想線Ｖの間の領域γを、上流側の２枚の羽根２ｂが遮らないように各羽根２ｂが配置されている。

このように、６枚羽根２ｂであっても、風Ｗを受けて羽根２ｂが回転して発電機１０による発電が行われる際に、下流側の羽根２ｂの内面が受ける抗力により発電機１０に回転力を与えられるようになり、かつ上流側の羽根２ｂに遮られずに通過した風Ｗを、下流側の羽根２ｂの内面全体に受けられるようにすることで、瞬間的に大きな抗力を得られるようにし、発電機１０に与える回転力を高めて発電効率を向上させることができる。

次に、実施例４に係るセール型海流発電機１４につき、図７を参照して説明する。なお、前記実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。

図７に示したのは、海底に設置されて海流（水力，流体）から羽根２が受けるエネルギーにより回転軸９を回転させて発電機１０を駆動する海流発電機１４（水力発電機）である。この実施例４における海流発電機１４では、上部の回転軸８に発電機１５が接続されている。この発電機１０は、浸水を防ぐように構成された水中用発電機１５となっている。

また、実施例４では、実施例１における基礎部３の代りにバージ３’が設けられている。このバージ３’は、その内部に空気を溜めることで浮力を生じさせる密閉された船体構造となっている。さらに、バージ３’の内部には、バラストとして砕石１６が収容されており、バージ３’から空気を抜くと海底に沈むようになっている。

なお、海流発電機１４を海洋の所定の設置場所まで移動させる際には、バージ３’に設けられた給排気バルブ１７から空気を給気してバージ３’に浮力を発生させるとともに、この海流発電機１４を作業船等により曳航して移動させる。そして、海流発電機１４の設置場所に到着したら、給排気バルブ１７から空気を排気するとともにバージ３’内に海水を注入し、バージ３’の浮力を失わせて、かつアンカーチェーン１８により海底に固定して設置するようになっている。

そして、図７に示すように、羽根２が海流を受けて開店し始めると、海流発電機１４の正面視において、下流側の羽根２の内面全体が露呈するように、上流側の２枚の羽根２の間が大きく開口される瞬間がある。

このようにすることで、海流を受けて羽根２が回転して発電機１０による発電が行われる際に、下流側の羽根２の内面が受ける抗力により発電機１０に回転力を与えられるようになり、かつ上流側の２枚の羽根２に遮られずに通過した海流を、下流側の羽根２の内面全体に受けられるようにすることで、下流側の羽根２が瞬間的に大きな抗力を得られるようにし、発電機１０に与える回転力を高めて発電効率を向上させることができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例１から４では、自然エネルギーにより生じる風や海流により羽根２を回転させて発電を行っているが、発電に用いる流体は風Ｗや海流に限らず、人工的に作られた機械要素から生じる空気流や水流であってもよく、所定の機械装置の空気ダクトや配管などの中に、本発明のセール型風力・水力発電機を設置して空気ダクトや配管内を流れる流体により発電を行うようにしてもよい。

また、前記実施例１から４では、基礎部３から鉛直方向に立設される支柱４を配置して、この支柱４及び上部の繋ぎ梁５により上部の回転軸８を支持しているが、支柱４や上部の回転軸８は必ずしも必要ではなく、例えば、基礎部３の上面に羽根２の下端を固定したターンテーブル等を設置するとともに、羽根２の上端同士は、支持部材１１（羽根支持部）のみで連結した構成とし、上部の回転軸８及び支柱４等を省略した構成としてもよい。

また、前記実施例４では、海流発電機１４を海底に設置して発電を行っているが、この海流発電機１４は、海底に設置するのみならず、河川や水路などに設置してもよく、水の流れにより発電を行う水力発電機として用いてもよい。

１，１ａ，１ｂ 風力発電機
２，２ａ，２ｂ 羽根
３ 基礎部
３’ バージ
４ 支柱
５ 繋ぎ梁
６，７ 軸受部
８，９ 回転軸
１０ 発電機
１１，１２ 支持部材（羽根支持部）
１３ 空間部
１４ 海流発電機（水力発電機）
１５ 水中用発電機
１６ 砕石
１７ 給排気バルブ
１８ アンカーチェーン

Claims (4)

1. 発電機に回転力を伝達する回転軸を有し、該回転軸を中心とする円周方向に少なくとも３枚の羽根が等間隔に設けられ、該羽根がその回転方向の先端側となる先端縁及び後端側となる後端縁を有し、該羽根の回転方向の前記後端縁が前記回転軸から離れるように該羽根が傾けられており、前記回転軸に直交する方向から流れてくる流体から前記羽根が受けるエネルギーにより前記回転軸を回転させて発電機を駆動する風力・水力発電機であって、
   前記羽根が湾曲された薄板部材により形成されたセール型をなし、該羽根の前記先端縁及び前記後端縁が断面視において鋭角状となっているとともに、該羽根の内面が前記先端縁から前記後端縁まで凹状に湾曲されており、前記流体は、該流体の上流側にある所定の２枚の羽根の間を通過して下流側の羽根の内面全体に当たるとともに、該流体が当たる瞬間には、前記下流側の羽根の内面が上流方向を向き、該下流側の羽根の回転方向の前記先端縁及び前記後端縁から前記上流方向に平行に延びる仮想線の間の領域を、前記上流側の羽根が遮らないように前記各羽根が配置されていることを特徴とするセール型風力・水力発電機。
2. 前記円周方向における前記羽根の掃過領域のうち、略半分の領域が前記羽根により占められていることを特徴とする請求項１に記載のセール型風力・水力発電機。
3. 前記羽根の長手方向の端部が前記回転軸に連結された羽根支持部により支持され、前記羽根の回転の中心部には、前記流体が遮られずに通り抜けられる空間部が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のセール型風力・水力発電機。
4. 前記羽根は、揚力を生じさせる翼形状となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のセール型風力・水力発電機。

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