JP5626504B2 - 風水車 - Google Patents

Description

この発明は、風力発電、水力発電等の動力手段に利用するための風水車に関する。

従来の風力発電では、プロペラ風車、ダリウス風車、サポニウス風車等の風車が動力として発電装置に利用されている。風はエネルギー密度が小さいため、風を捉えるためは大型のプロペラを用い、定格風速が１２〜２３ｍ／ｓｅｃと高い風速を設定され、風車も大型化して発電容量を得ている。このため風の発生頻度が多い１２ｍ／ｓｅｃ以下の低風速域では稼動することが少なく、特定の高い風速が発生する場所等を選定し、設置されるところがある。低速な風速で動力を効率的に得るのには不十分なところがあった。

また、ダム等で堰きとめられた水を導水管で導き、高流速の水流でプロペラを駆動して水車発電をおこなっている。低流速の水流で動力を効率的に得るのには不十分なところがあった。

以上に述べた従来の風車と水車では、低風速な風や低流速の水流において、効率的に動力を得るのには不十分なところがあった。

本発明では、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、低速な風や低速な水流でも効率よい風車と水車を実現すること目的とするものである。

羽根が、風（または水流）をほぼ直角に羽根が受けるように羽根の姿勢を制御し、逆風に対してはほぼ風に平行に羽根の姿勢を制御する羽根とこの羽根の姿勢制御の旋回中心と風車（又は）の回転中心をずらして風（又は水流）から受ける風圧（又は水圧）を効率的に全圧として、効率的に羽根から回転力を得る。
本発明は、風圧（又は水圧）を受ける羽根から最大限の回転力を受け、且つ風圧（又は水力）の抵抗を最小にして、最大限の回転力を得る風水車を提供できる。

本発明では低い風速でも装置の稼動率が上がるように、受風面積を大きくし、その全圧を羽根に作用させ、最大回転力となるように、羽根の姿勢回転中心と風車の回転中心をずらすことで、最大の回転力が得られる。
また羽根が風に向かって回転する時は、羽根の姿勢を変えて、羽根の受ける負の回転力を最小化し、風車１回転する間に最大の回転力が得られる様にする。

風車の主要な機構部を基底部の低い位置に構成できるので、保守しやすい。

羽根の形状に高度の技術必要とせず、布等でも構成でき、また羽根の姿勢制御をするので、台風等の暴風に対しては、風の抵抗を最小化し被害を最小化しやすい。

落雷等の対策では風車の回転中心に避雷針が構成できる。

風力の瞬間的な変動には慣性機構を設けることで低減でき、また回転中心近傍に多軸の減速機構を設けることで複数の発電機を設置し、多極の発電機として構成できる。瞬間的な風の変動低減対策ができる。

風車形式が垂直型でも水平型でも構成でき、設計の自由度が高い。
海上等の風車を設置し易い場所に設置する場合、基礎部分の工事費を低減できる。
また潮流と風の条件があえば、同一基盤上に風車と水車を設置できる。また羽根に太陽電池パネルを設置することも可能である。

水車として利用する場合には、海峡等の潮流の早い場所、川等の流速のある流域に設けて利用できる。ダム等の施設はなくても利用できる。このことは魚類等の共生も可能とする。

羽根の速度は風速以上にはならず、暴走することはない。想定以上の風圧がかかる場合には、安全装置を設置し、回避することもできる。

この装置は発電装置の動力源だけでなく、船の推進装置としても使用できる。

水車として利用する場合、動力を得る時は水中で回転するが、動力が得られない水流に向かって回転する時は、水中を回避して、空中を回転する横型が可能である。

この装置では複数の位相差をもつ平行リンク機構を使用することで、リンク機構のもつ動作の死点の問題を解消できる。

図１においては、羽根１と姿勢軸５、羽根６と姿勢軸７は一体として、回転アーム８の両端に配置され、回転アーム８と支持アーム９と回転棒１０で支持され回転できるようになっている。姿勢軸５と姿勢軸７は平行リンク機構で接続され、羽根１と羽根６の姿勢を維持する。また、中央にもうけられた姿勢変換部３が設けられ、羽根１と羽根６は姿勢が変更できる。回転アーム８には歯車１１が設けられ、歯車１２と噛み合い、発電機１３を駆動する。
回転アーム８は支持部４に回転できるように支持されている。以下上記構成の動作を説明する。図正面より風を受けると、図の後ろ方向に風圧を受け、回転軸１０を中心に回転する。このとき羽根１は図２の平面図に示すように、平行リンク機構２と姿勢変換部３で姿勢が維持され、回転アームと一緒に回転しても、羽根１は正面をむいたままに回転する。一方羽根６は羽根１に対して直角に配置されているので、風に向かって回転しても、風から受ける力は少ない。以上のように、本実施形態によれば、低風速な風でも効率的にトルクを発生させ、発電機等を駆動できる効果がある。

図２においては、偏心アーム１４、偏心アーム１７、偏心アーム１８、伝達アーム１５、回転アーム８が平行リンク機構２を構成していることを示す。
以下、上記構成の動作を説明する。偏心アーム１７がこの図の状態で固定され、回転アームが回転軸１６の周りを回転すると、偏心アーム１４と偏心アーム１８も偏心アーム１７同様の姿勢を維持して回転軸５の周りを旋回する。図で羽根１と羽根６は直角に配置されているのは交互に風を受け、また交互に風を回避するためである。以上のように、本実施形態によれば、羽根の姿勢を維持する効果がある。

図３においては、偏心アーム１４、偏心アーム１７、偏心アーム１８、伝達アーム１５、回転アーム８が平行リンク機構を構成し、また偏心アーム１９、偏心アーム２１、偏心アーム２２、伝達アーム２０、回転アーム８が平行リンク機構を構成している。偏心アーム１４と偏心アーム１９、偏心アーム１７と偏心アーム２１、偏心アーム１８と偏心アーム２２は、それぞれおよそ９０度の位相差を設けて一体として固定した。この様に二つの平行リンク機構を構成したことを示す。以上のように、本実施形態によれば、リンク機構の持つ動作の死点を解消する効果が得られる。

図４においては、羽根１と羽根６は平行リンク機構２で姿勢を維持されるが、風の向きで回転に寄与できなくなる前に、羽根の姿勢を変更する必要が生じる。そこで風の向きで定まる方向に設けた作動板案内２７に案内されている。作動板２５の両端の案内ローラ２６は、回転アーム８の中央に設けられたカム２３の形状に習って動作すると、偏心アーム２４は９０度方向変換し、羽根と羽根の姿勢を変換する。

図５において３枚の羽根１、羽根６と羽根２８を回転アーム８に配置し、尾翼３０で風の向きを整合するように構成している。以上の実施形態であれば、図１の２枚羽根の風車と同様に風を受け姿勢を制御して回転する。

図６においては、浮遊体３１の上に複数の水車を設けた構成を示す。以下構成の動作を説明する。風車を動力として、発電機を駆動し、海上、湖畔、河川の風を電力に変換する。作られた電力は、蓄電池ユニット等に充電するか、水を電気分解して、水素タンク３２等に貯蔵する。以上の本実施形態によれば、自然エネルギーを利用したエネルギーの製造拠点とする効果がある。
図７においては、浮遊体３１の上に複数の水車を設けた構成を示す。以下構成の動作を説明する。潮流の早い海上、河川の流速の早い所に設置し、水車を動力として発電機を駆動し、水流のエネルギーを電力に変換し、蓄電池ユニット等に充電するか、水を電気分解して、水素タンク等に貯蔵し、自然エネルギーを利用したエネルギーの製造拠点とする効果がある。

図８においては、貯水タンク３３の支柱３５に縦型の風車と避雷針３４を設けた構成を示す。以下構成の動作を説明する。風車の動力で発電機１３を駆動し、電力を得て、その電力にて、水をポンプ等で揚水し、貯水タンクに水の位置エネルギーとして貯蔵する。以上の実施形態によれば、電気の供給され難いところにも、水道設備として利用できる効果と落雷防止の効果がある。

本発明の半断面図 本発明のアーム部の断面図 本発明のアーム部の断面図 本発明のアーム部中心のリンク姿勢変換部の部分図 本発明を応用した風車の平面図 本発明を応用した横型風車の斜視図 本発明を応用した水車の斜視図 本発明を応用した縦型風車の斜視図

１ 羽根
２ 平行リンク機構
３ 姿勢変換機構
４ 支持部
５ 姿勢軸
６ 羽根
７ 姿勢軸
８ 回転アーム
９ 支持アーム
１０ 回転棒
１１ 歯車
１２ 歯車
１３ 発電機
１４ 偏心アーム（リンク１）
１５ 伝達アーム（リンク２）
１６ 回転軸
１７ 偏心アーム（リンク３）
１８ 回転アーム（リンク４）
１９ 偏心アーム（リンク５）
２０ 伝達アーム（リンク６）
２１ 偏心アーム（リンク７）
２２ 偏心アーム（リンク８）
２３ カム
２４ 偏心アーム
２５ 作動板
２６ 案内ローラ
２７ 作動板案内
２８ 羽根
２９ 姿勢軸
３０ 尾翼
３１ 浮遊体
３２ 水素タンク
３３ 貯水タンク
３４ 避雷針

Claims (2)

1. 風（又は水流）を受け、かつ風車回転中心より距離を設けた羽根と、この羽根の姿勢を維持する平行リンク機構と、風車の中心部に設けた羽根の姿勢を変更する機構と、これらを支持する筐体とを具備した風水車
2. 風（又は水流）を受けるかつ風車回転中心より距離を設けた羽根と、この羽根の姿勢を維持する位相差を設けた複数の平行リンク機構と、風車の中心部に設けた羽根の姿勢を変更する機構とこれらを支持する筐体とを具備した風水車

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