JP5757360B1

JP5757360B1 - 発電用風車装置及び発電装置

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Publication number: JP5757360B1
Application number: JP2014201295A
Authority: JP
Inventors: 隼人谷口
Original assignee: TANIGUCHI SHOKAI CO.,LTD.
Current assignee: TANIGUCHI SHOKAI CO.,LTD.
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: US20160298598A1; EP3203062A4; WO2016051816A1; US9670903B2; JP2016070207A; EP3203062B1; EP3203062A1

Abstract

【課題】羽根を密に配しても風車に当たった風が外方へ逃げることなく羽根の隙間を通り抜けるようにすることで、風車の回転効率を高めることができ、実用的な発電装置において好適に採用することのできる発電用風車装置を提供する。【解決手段】発電用風車装置を、風の通り道となる風洞路１１を有する風洞体１０と、風洞体１０の風洞路１１内に回転可能な状態で支持された風車２０とを備えたものとし、風車２０を、回転中心となるハブ２１と、ハブ２１から放射方向に延びる複数本のスポーク２３と、複数本のスポーク２３の外端を結ぶように略環状に設けられたリム２３と、略三角形状を為しその１辺がスポーク２２及びリム２３のいずれにも支持されていない開放端縁２４ａとされた複数枚の帆材２４とで構成するとともに、風洞路１１の断面積Ｓ１に対する帆材２４の風受面積Ｓ２の比Ｓ２／Ｓ１を０．９以上とした。【選択図】図２

Description

本発明は、セイルウィング風車を利用した発電用風車装置と、この発電用風車装置を用いた発電装置とに関する。

従来より、風を受ける羽根を帆材で形成した風車が知られている（例えば、非特許文献１）。この種の風車は、「セイルウィング風車」と呼ばれており、羽根が硬質な材料で形成されたプロペラ風車と比較して、（１）羽根を軽量化できる、（２）羽根を容易に作製できる等の利点を有している。しかし、従来のセイルウィング風車は、羽根を密に配することができず、それを用いて発電を行う場合には、エネルギーの変換効率を高くできないという欠点があった。というのも、従来のセイルウィング風車は、その周囲に何も存在しないオープンな環境で使用されるものであったため、羽根を密に配すると、風車が風を受けたときの抵抗が大きくなって、風車に当たった風が隣り合う羽根の隙間を通り抜けることなく風車の外方へ逃げるようになり、羽根を疎に配した場合よりも風車の回転効率が低下するからである。したがって、従来のセイルウィング風車は、実用的な発電装置において好適に採用できるものではなかった。

西沢良史、他１名，"水平軸セイルウィング風車に関する実験的研究"，風力エネルギー協会講演論文集（２００３），日本太陽エネルギー学会，２００３年１１月６日，ｐ．３２７−３３０

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、羽根を密に配しても風車に当たった風が外方へ逃げることなく羽根の隙間を通り抜けるようにすることで、風車の回転効率を高めることができ、実用的な発電装置において好適に採用することのできる発電用風車装置を提供するものである。また、この発電用風車装置を用いた発電装置を提供することも本発明の目的である。

上記課題は、
風の通り道となる風洞路を有する風洞体と、
風洞体の風洞路内に回転可能な状態で支持された風車と、
を備え、
風車が、
回転中心となるハブと、
ハブから放射方向に延びる複数本のスポークと、
複数本のスポークの外端を結ぶように略環状に設けられたリムと、
略三角形状（扇形状を含む。）を為し、２辺がスポーク又はリムによって支持されて残りの１辺がスポーク及びリムのいずれにも支持されていない開放端縁とされた複数枚の帆材と、
で構成され、
風洞路の断面積Ｓ_１に対する帆材の風受面積Ｓ_２の比Ｓ_２／Ｓ_１が、０．９以上とされたことを特徴とする発電用風車装置
を提供することによって解決される。

本発明に係る発電用風車装置は、風洞路の一端側から他端側へ風が流れた場合には、それぞれの帆材が風力を受けてその開放端縁が風洞路の他端側に変位するように膨らむことで、風力が回転力に変換されて風車が一の方向へ回転するものとなっている。また、本発明に係る発電用風車装置は、風洞路の他端側から一端側へ風が流された場合には、それぞれの帆材が風力を受けてその開放端縁が風洞路の一端側に変位するように膨らむことで、風力が回転力に変換されて風車が一の方向へ回転するものとなっている。すなわち、本発明に係る発電用風車装置では、風が風洞路のいずれの向きに流れても、風車が同じ方向に回転するようになっている。

既に述べた通り、風車に当たった風が風車の外方へ逃げてしまうと、風車の回転効率を高めることができないところ、本発明に係る発電用風車装置では、風車の周囲を風洞体によって覆っていることに加えて、風洞体の風洞路の断面積Ｓ_１（風洞路の断面積が場所によって異なる場合には風車が配される部分の断面積）に対する帆材（羽根）の風受面積Ｓ_２（風車の回転軸から平行な方向で帆材を見たときの面積）の比Ｓ_２／Ｓ_１（以下、「断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１」と表記する。）を０．９以上と高く設定しているため、風車に当たった風の殆どは、風車の外方へ逃げることなく、隣り合う帆材（羽根）の隙間から風車の反対側へと通り抜けるようになっている。このため、本発明に係る発電用風車装置は、風車の回転効率が高く、それを発電装置に利用する場合には、エネルギーの変換効率を高めることができるものとなっている。

ところで、本発明に係る発電用風車装置において、風車の帆材は、その開放端縁側に弛みがある程度生じる状態でスポーク及びリムに対して張る必要がある。というのも、帆材の開放端縁側の弛みを小さくしすぎると、風を受けた帆材が風下側へ僅かにしか膨らまず、帆材が受けた風力が風車の回転力へ変換されにくくなるおそれがあるからである。また、後述する帆材の垂直開口面積が小さくなって、風車の風上側から風下側へ風が通り抜けにくくなり、風車の風上側の気流が乱れて風車の回転に悪影響を及ぼすおそれもある。このため、帆材は、その開放端縁側に弛みがある程度生じる状態で張ると好ましい。特に、風速がある程度速い場合には、後述する帆材の垂直開口面積を大きくするため、帆材の開放端縁の弛みを大きくする必要が生じる。例えば、風速が２９ｍ／ｓ以上の強風域にあるときには、スポークの長さＬに対する帆材（羽根）の開放端縁の最大垂直変位Ｗの比Ｗ／Ｌ（以下、「羽根の変位比Ｗ／Ｌ」と表記する。）を０．１以上とすると好ましい。

一方、風車の帆材を、その開放端縁側に大きな弛みが生じる状態でスポーク及びリムに対して張ると、風車が風を受けたときの帆材が風下側に大きく膨らみすぎて、風車が回転する際の空気抵抗が大きくなり、風車の回転効率が低下するおそれがある。このため、帆材は、その開放端縁側に生じる弛みが大きくなりすぎないようにすることも重要である。具体的には、スポークの長さＬに対する帆材の開放端縁の最大垂直変位Ｗの羽根の変位比Ｗ／Ｌを０．３以下に抑えると好ましい。羽根の変位比Ｗ／Ｌは、０．２５以下であるとより好ましく、０．２以下であるとさらに好ましい。

ここで、帆材の開放端縁の最大垂直変位Ｗとは、図４に示すように、帆材２４の開放端縁２４ａにおいて風車２０の中間面（スポーク２２の中心線及びリム２３の中心線を含む平面）から最も大きく変位させることができる特定点Ｐを風車２０の一面側（同図の矢印Ｄを参照。）に引っ張った場合における前記中間面から特定点Ｐまでの距離（同図における線分ＰＰ’の長さ）である。図４は、帆材の開放端縁の最大垂直変位Ｗを説明する図である。

また、本発明に係る発電用風車装置において、風洞路の断面積Ｓ_１に対する帆材の垂直開口面積の和Ｓ_３の比Ｓ_３／Ｓ_１（以下、「垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１」と表記する。）も、特に限定されない。しかし、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が小さすぎると、帆材の開放端縁側の弛みを小さくしすぎた場合と同様の問題が生じるおそれがある。このため、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１は、０．０５以上とすると好ましい。垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１は、０．０７以上とするとより好ましく、０．０８以上とするとさらに好ましい。風速が強風域にある場合には、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１は、０．１以上とさらに高くした方が好ましい場合もある。

一方、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１を大きくしすぎると、帆材の開放端縁の弛みを大きくしすぎた場合と同様の問題が生じるおそれがある。このため、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１は、０．３以下とすると好ましい。垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１は、０．２５以下とするとより好ましく、０．２以下とするとさらに好ましい。

ここで、「帆材の垂直開口面積」とは、図４に示すように、帆材２４の開放端縁２４ａにおいて風車２０の中間面から最も大きく変位させることができる特定点Ｐを風車２０の一面側に引っ張った場合において、帆材２４の開放端縁２４ａと前記中間面とで形成される三角形（特定点Ｐを頂点とし、開放端縁２４ａの両端を結ぶ線分を底辺とする三角形）の面積であり、「帆材の垂直開口面積の和Ｓ_３」とは、その風車２０における全ての帆材２４についての垂直開口面積を足し合わせた値である。

本発明に係る発電用風車装置において、風車のリムは、風車を囲むように略環状に配されたものであればよく、スポークごとに分断された形態（開環状）のものであってもよい。しかし、この場合には、風車が風を受けた際に、それぞれのスポークがぐらつきやすくなる等、風車の強度が低下するおそれがある。このため、リムは、その全体が連続した形態（閉環状）とした方が好ましい。また、リムは、多角環状等、非円環状としてもよいが、円環状に形成すると好ましい。このとき、それぞれの帆材は扇形状に形成する。これにより、風洞路の断面積Ｓ_１に対する帆材の風受面積Ｓ_２の断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１を大きく確保しやすくなる。この構成は、風洞体の風洞路を断面円形に形成する場合に特に好適に採用できる。

また、本発明に係る発電用風車装置において、帆材（羽根）の枚数（以下、「風車の分割数」と呼ぶことがある。）は、風車の寸法等によっても異なり、特に限定されない。しかし、風車の分割数を少なくしすぎると、風車に当たった風が通り抜ける隙間（隣り合う帆材の隙間）の個数も少なくなって、風が風車を通り抜けにくくなり、風車の風上側に気流の乱れが生じて風車の回転に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、風車の分割数は、４以上とすると好ましい。風車の分割数は、６以上とするとより好ましい。

一方、風車の分割数を多くしすぎると、風車に当たった風が通り抜ける隙間（隣り合う帆材の隙間）も個数も多くなって、風車の風下側に多数の気流が生じ、これらの気流が複雑に干渉し合うことで風車の風下側に気流の乱れが生じて風車の回転に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、風車の分割数は、２０以下とすると好ましい。風車の分割数は、１６以下とするとより好ましい。

また、上記課題は、本発明に係る上記の発電用風車装置と、風車の回転力を電力に変換する電力変換装置とを備えたことを特徴とする発電装置を提供することによっても解決される。この発電装置は、風力発電装置としてだけでなく、波によって生じた気流で発電を行う波力発電装置としても好適に用いることができるものとなっている。特に、波力発電装置は、単振動する波（上昇・下降を繰り返す水位）によって向きが反転する気流を利用して発電するという発電原理から、本発明に係る発電用風車装置を好適に採用することができる。本発明に係る発電用風車装置は、上述した通り、風が風洞路のいずれの向きに流れても、風車が同じ方向に回転するからである。

以上のように、本発明によって、羽根を密に配しても風車に当たった風が外方へ逃げることなく羽根の隙間を通り抜けるようにすることで、風車の回転効率を高めることができ、実用的な発電装置において好適に採用することのできる発電用風車装置を提供することが可能になる。また、この発電用風車装置を用いた発電装置を提供することも可能となる。

本発明の発電用風車装置を利用した発電装置を示した一部破断斜視図である。本発明の発電用風車装置を風車の回転軸に平行な方向から見た状態を示した図である。本発明の発電用風車装置における風車の帆材が正方向の気流を受けたときの状態と逆方向の気流を受けたときの状態とを図２におけるＸ−Ｘ面で切断した状態を示した断面図である。本発明の発電用風車装置における風車の帆材の開放端縁の最大垂直変位Ｗを説明する図である。実験１に使用した実験装置を説明する図である。実験１に使用した試料の風車タイプＡ〜Ｈを説明する図である。実験１において測定した試料１の周速比と効率との関係を示したグラフである。実験１において測定した試料２の周速比と効率との関係を示したグラフである。実験１において測定した試料３の周速比と効率との関係を示したグラフである。実験１において測定した試料４の周速比と効率との関係を示したグラフである。実験１において測定した試料５の周速比と効率との関係を示したグラフである。実験１において測定した試料６の周速比と効率との関係を示したグラフである。実験１において測定した試料７の周速比と効率との関係を示したグラフである。実験１において測定した試料８の周速比と効率との関係を示したグラフである。実験１において測定した試料９の周速比と効率との関係を示したグラフである。実験１において測定した試料１０の周速比と効率との関係を示したグラフである。実験１において測定した試料１１の周速比と効率との関係を示したグラフである。実験１において測定した試料１２の周速比と効率との関係を示したグラフである。

本発明に係る発電用風車装置と、この発電用風車装置を用いた発電装置の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。図１は、本発明の発電用風車装置を利用した発電装置を示した一部破断斜視図である。図１において、風洞体１０は、その中心線を通る平面で破断して描いている。図２は、本発明の発電用風車装置を風車２０の回転軸（出力軸３０）に平行な方向から見た状態を示した図である。図３は、本発明の発電用風車装置における風車２０の帆材２４が正方向の気流を受けたときの状態と逆方向の気流を受けたときの状態とを図２におけるＸ−Ｘ面で切断した状態を示した断面図である。

本実施態様の発電装置は、図１に示すように、風洞体１０及び風車２０で構成された発電用風車装置と、出力軸３０と電力変換装置４０とを備えたものとなっている。風洞体１０は、風の通り道となる風洞路１１を有しており、風車２０は、風洞体１０の風洞路１１内に回転可能な状態（風洞路１１内を風が通るとその風力を受けて回転できる状態）で支持されている。風車２０の中心部（後述するハブ２１）は、出力軸３０の一端に固定されており、風車２０が回転するとこの出力軸３０も回転するようになっている。出力軸３０の他端には、出力軸３０の回転力を電力に変換するための電力変換装置４０が取り付けられている。以下、本実施態様の発電装置を構成する各構成につき、詳しく説明する。

［風洞体］
風洞体１０は、図１に示すように、風の通り道となる風洞路１１を有する筒状のものとなっており、その一端１０ａ及び他端１０ｂが開放されたものとなっている。風洞路１１は、風洞体１０の一端１０ａ側から他端１０ｂ側へ貫通して設けられている。このため、風洞体１０の一端１０ａ側から風洞路１１内に風（図１の矢印Ａ）が入った場合には、その風は風洞体１０の他端１０ｂ側から排出され、風洞体１０の他端１０ｂ側から風洞路１１内に風（図１の矢印Ｂ）が入った場合には、その風は風洞体１０の一端１０ａ側から排出されるようになっている。

本実施態様の発電装置において、風洞路１１の出入口は、図１に示すように、真っ直ぐな筒状に形成された風洞体１０の両端１０ａ，１０ｂで対向するように設けているが、これに限定されることなく、風洞体１０の周壁に設けることもできる。また、風洞体１０を湾曲又は屈曲した形状として、風洞路１１の出入口を、風洞体１０の両端や、その風洞体１０の両端付近の周壁に設けることもできる。特に、風洞体１０における出力軸３０が延長される側（図１においては風洞体１０の他端部１０ｂ側）には、電力変換装置４０等の機器が設けられることが多く、これらの機器が風洞路１１からの風の排出や風洞路１１への風の導入の邪魔になるおそれもあるため、風洞路１１における電力変換装置４０等の機器が設けられる側の出入口は、電力変換装置４０等に対向しないように設けると好ましい。例えば、後述する実験１で使用する実験装置（図５）における回転出力測定器６０を電力変換装置４０に置き換え、抵抗器９０を削除した構成を採用すると好ましい。図５に示す風洞体１０は、その他端１０ｂ側の周壁に突出する形に風洞路１１の出入口が設けられている。また、このほか、電力変換装置４０をコンパクトに設計して風洞体１０内に配置し、風洞体１０内における電力変換装置４０が配された部分の風洞路１１の直径を大きくして、風洞路１１が電力変換装置４０によって狭まらないようにする構成を採用することもできる。

風洞体１０の風洞路１１の断面形状は、既に述べた通り、特に限定されないが、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１を高くするためには、円形とすると好ましい。本実施態様の発電装置において、風洞体１１は、真っ直ぐな円筒状となっており、風洞路１１の断面形状は、風洞体１０の一端１０ａ側から他端１０ｂ側にかけて、同一形状及び同一寸法の円形としている。ただし、風洞路１１の断面形状及び断面寸法は、風洞体１０の一端１０ａ側から他端１０ｂ側にかけて同一とする必要はなく、場所によって変えてもよい。例えば、風洞路１１における風車２０が配される部分周辺のみの断面形状を円形とし、他の部分を非円形とすることもできる。また、風洞体１０の一端１０ａ側や他端１０ｂ側をテーパー状に形成する等して、風洞路１１における風車２０の周辺に風が集まりやすくすることもできる。

風洞体１０の素材は、風洞として必要な強度を有するものであれば特に限定されないが、通常、鉄やステンレス鋼等の金属や、強化プラスチック等の高強度樹脂が採用される。風洞体１０の表面には、発電装置の使用箇所等に応じて、防錆処理等の各種処理を施してもよい。

［風車］
風車２０は、図２に示すように、その回転中心となるハブ２１と、ハブ２１から放射方向に延びる複数本のスポーク２２と、複数本のスポーク２２の外端を結ぶように環状に設けられたリム２３と、スポーク２２とリム２３によって張られた複数枚の帆材２４とで構成されている。それぞれの帆材２４の２辺は、スポーク２２又はリム２３によって支持された固定端縁となっており、残りの１辺は、スポーク２２及びリム２３のいずれにも支持されていない開放端縁２４ａとなっている。このため、それぞれの帆材は、風車２０をその回転軸（出力軸３０）に平行な方向から見ると略三角形状を為すようになっている。

ハブ２１は、風車２０の回転中心となる部分となっており、その中心部には出力軸３０が固定される。ハブ２１の形態は、特に限定されないが、本実施態様の発電装置において、ハブ２１は、厚さ１．３ｍｍで直径が１０ｍｍの円盤状としている。ハブ２１の素材は、必要な強度を付与できるものであれば特に限定されないが、通常、鉄やステンレス鋼等の金属や、強化プラスチック等の高強度樹脂や、木材等が採用される。本実施態様の発電装置において、ハブ２１は、鉄製のものとなっている。ハブ２１の表面には、防錆処理等の各種処理を施すこともできる。

スポーク２２は、帆材２４の１辺を支持するとともに、ハブ２１とリム２３とを連結するための部分となっている。スポーク２２は、通常、直線状とされ、本実施態様の発電装置においても、直線状としているが、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１を大きく低下させない範囲であれば、湾曲又は屈曲させることもできる。スポーク２２の素材は、必要な強度を付与できるものであれば特に限定されないが、通常、鉄やステンレス鋼等の金属や、強化プラスチック等の高強度樹脂や、木材等が採用される。本実施態様の発電装置において、スポーク２２は、鉄製のものとなっている。スポーク２２の表面には、防錆処理等の各種処理を施すこともできる。スポーク２２の本数は、通常、帆材２４の枚数（風車２０の分割数）に一致される。

リム２３は、帆材２４の１辺（外縁）を支持する部分となっている。リム２３は、既に述べた通り、多角形状に設けることもできるが、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１をできるだけ大きく確保するためには、円形とした方が好ましい。本実施態様の発電装置においても、リム２３は、円形（円環状）となっている。さらにまた、リム２３は、既に述べた通り、分断した形態（例えば、スポーク２２ごとに分断した形態）で設けてもよいが、本実施態様の発電装置においては、風車２０の強度を高めるために、連続した形態に設けている。リム２３の素材は、必要な強度を付与できるものであれば特に限定されないが、通常、鉄やステンレス鋼等の金属や、強化プラスチック等の高強度樹脂や、木材等が採用される。本実施態様の発電装置において、リム２３は、鉄製のものとなっている。リム２３の表面には、防錆処理等の各種処理を施すこともできる。

ところで、上述した、ハブ２１、スポーク２２及びリム２３は、別個に形成したものを組み合わせて使用してもよいが、単一の部材で形成すると好ましい。これにより、ハブ２１、スポーク２２及びリム２３からなる骨組の強度を向上するだけでなく、その骨組の製作コストを抑えることも可能になる。本実施態様の発電装置において、ハブ２１、スポーク２２及びリム２３からなる骨組は、厚さ１．３ｍｍの鉄板にレーザー加工等を施すことにより、一体的に切り出したものとなっている。

帆材２４は、風洞体１０の風洞路１１内を流れる風を受けるための部分となっており、扇形状（略三角形状）を為している。それぞれの帆材２４は、風車２０における隣り合うスポーク２２とリム２３とで区画される隙間を埋めるように、１本のスポーク２２とリム２３とによって張られた状態に設けられる。帆材２４における残りの１辺（開放端縁２４ａ）は、スポーク２２及びリム２３のいずれにも支持されておらず、僅かに弛みのある状態で張った状態となっている。このため、帆材２４が風を受けると、その開放端縁２４ａ側が風下側に膨らむようになっている。帆材２４をスポーク２２及びリム２３に対して固定する方法は、特に限定されず、縫着、挟着、接着、ボルト留め若しくは釘留め又はこれらを組み合わせることができる。

風洞体の風洞路の断面積Ｓ_１に対する帆材（羽根）の風受面積Ｓ_２の断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１は、０．９以上とされる。断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１は、０．９３以上とするとより好ましく、０．９５以上とするとさらに好ましい。本実施態様の発電装置において、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１は、約０．９６となっている。断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１は、０．９７以上、０．９８以上とさらに高めることもできるが、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１を高くしすぎると、必然的に、風車２０の直径が風洞体１０の風洞路１１の直径に近くなり、風車２０が風洞体１０に接触しやすくなるおそれがある。このため、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１は、０．９９以下に抑えると好ましい。

また、羽根の変位比Ｗ／Ｌ（図４を参照）は、特に限定されないが、０．３以下に設定すると好ましく、０．２５以下に設定するとより好ましく、０．２以下に設定するとさらに好ましい。既に述べた通り、羽根の変位比Ｗ／Ｌを大きくしすぎると、風車２０の回転効率が低下するおそれがあるからである。一方、羽根の変位比Ｗ／Ｌの下限も、特に限定されないが、例えば風速が２９ｍ／ｓ以上となる強風条件の場合には、羽根の変位比Ｗ／Ｌを０．１以上に設定すると好ましい。既に述べた通り、強風環境下において、羽根の変位比Ｗ／Ｌを小さくしすぎると、風車２０の回転効率が低下するおそれがあるからである。本実施態様の発電装置において、羽根の変位比Ｗ／Ｌは、０．０８〜０．２程度となっている。さらに、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１も、特に限定されないが、０．０５〜０．３の範囲に設定すると好ましく、０．０７〜０．２５の範囲に設定するとより好ましく、０．１〜０．２の範囲に設定するとさらに好ましい。既に述べた通り、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１は、羽根の変位比Ｗ／Ｌと同様、小さすぎても大きすぎても、風車２０の回転効率が低下するおそれがあるからである。本実施態様の発電装置において、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１は、０．０５〜０．２程度となっている。

帆材２４の素材は、可撓性を有し、上記のように風下側に膨らむことができるものであれば特に限定されず、各種のシート（例えば、合成樹脂シートや布や金属フィルム等）を用いることができる。しかし、帆材２４の強度が低いと、長期の使用に耐え得なくなるので、ある程度の強度が必要である。また、加工容易性や、その重量が軽い事や、耐食性や、入手コストも、帆材２４の素材として、重要な条件である。これらの条件を満たす素材としては、合成樹脂シートが挙げられる。なかでも、合成樹脂繊維からなる編織地を合成樹脂で被覆した防水布（いわゆるターポリンなど）は、優れた強靭性を発揮するために好ましい。また、合成樹脂シート以外でも、例えば、炭素繊維からなる織物なども、優れた強靭性を発揮するために好ましい。帆材２４の素材として何を採用するかは、その交換頻度などを考慮して、適宜決定する。本実施態様の発電装置においては、ポリエステル繊維からなる編織地を塩化ビニルで被覆したターポリンを帆材２４として用いている。

本実施態様の発電装置において、帆材２４の枚数（風車２０の分割数）は、６枚としているが、後で説明する「風車Ａ」や「風車Ｂ」や「風車Ｃ」や「風車Ｄ」や「風車Ｅ」のように（図６を参照。）、適宜変更することもできる。風車２０の製作の容易性や風車２０の回転効率等を考慮すると、帆材２４の枚数（風車２０の分割数）は、４〜１６枚程度とすると好ましく、４〜１２枚程度とするとより好ましく、６〜８枚程度とするとさらに好ましいと考えられる。

また、本実施態様の発電装置において、それぞれの帆材２４の開き角（帆材２４におけるスポーク２３に支持される辺と開放端縁２４ａとが為す角度。以下同じ。）はいずれも６０°弱となっており、全ての帆材２４の開き角が一定となっているが、必ずしもそのようにする必要はなく、帆材２４によって開き角を変化させてもよい。ただし、この場合においても、風車２０が安定して回転できるように、できるだけ回転対称性を有するように帆材２４を配する（例えば、開き角３０°弱の帆材２４と開き角６０°弱の帆材２４とを交互に配する等。）ことが好ましい。

以上で述べた風車２０は、そのいずれ側から風を受けても常に同じ向きに回転するものとなっている。すなわち、図３（ａ）に示すように、帆材２４が正方向Ａの気流（風）を受けると、風圧力ｆ_Ａによって帆材２４の開放端縁２４ａ側が正方向Ａ側へ押されて変位する一方、図３（ｂ）に示すように、帆材２４が逆方向Ｂの気流（風）を受けると、風圧力ｆ_Ｂによって帆材２４の開放端縁２４ａ側が逆方向Ｂ側へ押されて変位するようになっている。換言すると、帆材２４が受ける風圧の向きが反転すると、それぞれの帆材２４の傾斜（その回転面に対する傾斜）が反転するようになっている。したがって、帆材２４が正方向の風圧ｆ_Ａを受けた場合の風圧力ｆ_Ａの回転面に平行な成分ｆ_Ａ’の向きと、帆材２４が逆方向の風圧力ｆ_Ｂを受けた場合（図３（ｂ）の場合）の風圧力ｆ_Ｂの回転面に平行な成分ｆ_Ｂ’の向きとが、いずれも矢印Ｃの向きになるようになっており、図３（ａ）と図３（ｂ）のいずれの場合においても、帆材２４（羽根）は、矢印Ｃの向きに移動するようになっている。すなわち、風車２０は、それが受ける風圧力の向きが反転した場合であっても矢印Ｃの向きに回転し続けるようになっている。

［出力軸］
出力軸３０（風車２０の回転軸）は、図１に示すように、その一端側を風車２０の回転中心（ハブ２１の中心）に固定され、その他端側を電力変換装置４０に接続されている。この出力軸３０は、風を受けて回転する風車２０の回転力を後述する電力変換装置４０に伝達するためのものとなっている。出力軸３０は、風洞体１０の風洞路１１における中心線からずれた位置に設けたり、当該中心線に対して傾斜した状態に設けたりすることもできるが、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１をできるだけ大きく確保するという観点からは、出力軸３０の中心線と風洞路１１の中心線とが重なるように配すると好ましい。

ところで、本実施態様の発電装置においては、風車２０と電力変換装置４０とを１本の出力軸３０で直接的に連結しているが、電力変換装置４０のレイアウトに制限がある等の理由で、風洞路１１の中心線の延長線上に電力変換装置４０を設けることができないような場合には、歯車やリンク機構等の動力伝達機構を介して間接的に連結してもよい。ただし、介在する動力伝達機構の数が増大すると、エネルギー損失が大きくなるため、その場合でも動力伝達機構の数を最小限に抑える工夫を施すと好ましい。

［電力変換装置］
電力変換装置４０は、風車２０（出力軸３０）の回転力を電力に変換できるものであれば特に限定されず、各種の発電機を採用することができる。

［用途］
以上で述べた本実施態様の発電装置は、発電量が小さな小型発電装置から発電量が大きな大型発電装置に至るまで、各種の発電装置として使用することができる。本実施態様の発電装置は、風力発電装置としてだけでなく、波によって生じた気流で発電を行う波力発電装置としても好適に用いることができるものとなっている。風が風洞路１１のいずれの向きに流れても風車２０が同じ方向に回転する本実施態様の発電装置は、特に波力発電装置として好適に用いることができる。なかでも、波の上下運動を空気室（風洞体１０の風洞路１１）に送り込んで空気流を発生させ、その空気流で風車２０を回転させるＯＷＣ（ＯｓｃｉｌｌａｔｉｎｇＷａｔｅｒＣｏｌｕｍｎ）方式の波力発電装置として好適に用いることができる。

［実験１］
本発明に係る発電用風車装置の回転効率を確認するため、図５に示す実験装置を用いて、以下の実験１を行った。図５は、実験１に使用した実験装置を説明する図である。図５に示す実験装置は、風洞体１０と、風洞体１０内の風洞路の略中間部で回転可能な状態で支持された風車２０とからなる発電用風車装置を用いたものとなっている。風車２０の中心部には、出力軸３０の一端が固定されている。出力軸３０の他端には、回転出力測定器６０と、抵抗器９０が取り付けられている。回転出力計測機（トルクメータ）６０は、出力軸３０の回転トルク及び回転数を計測するためのものとなっており、抵抗器９０は、出力軸３０に回転抵抗を付与するためのものとなっている。風洞体１０は、その両端１０ａ，１０ｂが開放された筒状のものとなっており、その風洞路の断面が直径１００ｍｍの円形となっている。風洞体１０の他端１０ｂ側の開放口は、風洞体１０の周壁に設けている。風洞体１０の一端１０ａには、ブロワー５０の送風口が接続されている。ブロワー５０は、インバータ制御可能なものとなっており、その送出風量を調節できるものとなっている。ブロワー５０から送出された風は、風洞体１０の一端１０ａから風洞体１０内に導入され、風洞体１０の他端１０ｂから排出されるようになっている。

以上の実験装置において、ブロワー５０を駆動して風洞体１０内に気流（風）を発生させ、風車２０を回転させた際にトルクメータ６０で計測される出力軸３０の回転トルクを計測する実験を行った。風洞体１０内の風洞路に発生させる風速は、１４．５ｍ／ｓと１８．０ｍ／ｓと２９．０ｍ／ｓの３通りについて試した。風洞路の風速は、風洞路内に風車２０を設置しない状態で予め測定した数値を採用した。また、風洞路内に配する風車２０は、下記表１に示す試料１〜１２の１２種類について試した。下記表１における風車タイプの「風車Ａ」、「風車Ｂ」、「風車Ｃ」、「風車Ｄ」、「風車Ｅ」、「風車Ｆ」、「風車Ｇ」及び「風車Ｈ」については、図６に示す通りである。図６は、実験１に使用した試料の風車タイプＡ〜Ｈを説明する図である。図６に示す風車Ａ〜Ｇのうち、風車Ａ〜Ｇは、その羽根が帆材で形成されたもの（セイルウイング風車）となっており、風車Ｈは、回転ドラムの外周部に複数の剛性羽根が配置されたウェルズタービンとなっている。

風車Ａ〜Ｈのうち、セイルウイング風車である風車Ａ〜Ｇのハブ、スポーク及びリムの素材及び寸法、並びに、帆材の素材は、いずれも、上記実施態様の発電装置で説明した風車２０と同じものを採用している。また、ウェルズタービンである風車Ｈは、ＡＢＳ樹脂製のものとなっており、その外径が９８ｍｍ、ハブ直径が６８ｍｍ、チップ（羽根）：ハブ比が２９：７１、羽根の枚数が８枚、チップ（羽根）の断面形状が「ＮＡＣＡ００２１」、チップ（羽根）のアスペクト比が０．６１、チップ（羽根）のソリディティが０．７１のものとなっている。

以上の実験１を行ったところ、試料１〜１２につき、それぞれ、図７〜１８のグラフに示す結果が得られた。図７〜１８は、それぞれ、試料１〜１２の周速比と効率との関係を示したグラフである。図７〜１８のグラフにおける横軸の「周速比」は、風車の周速を風洞路内の風速で除して算出される値である。ここで、「風車の周速」とは、風車の外周上の特定点が単位時間当たりに移動する距離である。また、図７〜１８のグラフにおける縦軸の「効率」は、回転出力計測機６０で測定されたトルクと回転数から得られた出力値を、風洞路内を流れる風のエネルギーで除して算出される値である。

まず、羽根を帆材により形成したセイルウイング風車において、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１が効率にどのような影響を及ぼすかを検討するために、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１が０．９６の試料６についての測定結果（図１４）と、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１が０．８３の試料１０についての測定結果（図１６）と、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１が０．５５の試料１１についての測定結果（図１７）とを比較した。試料６，１０，１１のいずれも、羽根が帆材からなるセイルウィング風車を用いたものとなっている。

図１４を見ると、試料６の効率は、最大で３６〜３７％にも達しており、最低でも２０％以上となっていることが分かる。これに対し、図１６を見ると、効率は、最大でも１４％までしか達しておらず、図１７を見ると、効率は、最大でも４％程度となっていることが分かる。加えて、試料６と同じセイルウィング風車を直径が１０６ｍｍと大きめの風洞路内に配することによって断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１を０．８２とし、同様の測定を行ったところ、試料１０と同程度の効率しか出なかった。以上のことから、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１を大きくすれば効率が高くなること、及び、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１を０．９以上に設定すれば効率を顕著に向上させることができることが確認できた。

続いて、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が効率にどのような影響を及ぼすかを検討するために、風車タイプが同じで垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が異なる試料の測定結果を比較した。具体的には、風車タイプがいずれも「風車Ｂ」と同一で垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が異なる試料２（垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が０．０８）及び試料３（垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が０．１１）の測定結果（図８及び図９）を比較するとともに、風車タイプがいずれも「風車Ｃ」と同一で垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が異なる試料４（垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が０．０８）、試料５（垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が０．１０）、試料６（垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が０．１８）及び試料７（垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が０．２７）の測定結果（図１０、図１１、図１２及び図１３）を比較した。すると、風車タイプが「風車Ｂ」の場合（図８及び図９）と、風車タイプが「風車Ｃ」の場合（図１０〜１３）のいずれにおいても、広範囲な風速で平均的に高い効率を得るためには、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が大きすぎても小さすぎてもよくないこと、及び、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が０．０８〜０．１１程度の試料で効率が高くなることが確認できた。

ただし、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が０．０８と小さい試料４であっても、風速を２９．０ｍ／ｓとした場合においては、効率が低下することが確認できた。試料４について風速を２９．０ｍ／ｓとした場合にこのような効率の低下が生じた理由は、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が試料４に近い０．０９である試料２においては、風速を２９．０ｍ／ｓとした場合においてもこのような効率低下がみられないことや、試料４において試料２と異なるのは羽根の変位比Ｗ／Ｌであることや、試料４と同様に羽根の変位比Ｗ／Ｌが低い試料９においても風速２９．０ｍ／ｓにおける効率が低いこと等を考慮すると、羽根の変位比Ｗ／Ｌの小ささが影響したためと推測される。具体的には、羽根の変位比Ｗ／Ｌが小さいにもかかわらず風速を速くすると、風洞路内における風車の周辺に効率低下に繋がる気流の乱れが生じると推測される。このことから、風速が速い場合において、高効率を維持するためには、羽根の変位比Ｗ／Ｌは、０．１よりも大きくした方が好ましいことが確認できた。

続いて、セイルウィング風車において、風車の分割数が効率にどのような影響を及ぼすかを検討するために、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１が０．９６で等しく分割数が異なる試料１〜９の測定結果（図７〜１５）を比較した。図７〜１５を見比べると、風速が１８．０ｍ／ｓ以下の場合には、風車の分割数が６又は８の試料２〜７のうち垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１が小さめの試料２〜５の効率（図８〜１１）が、他の試料１，６〜９（図７，１２〜１５）よりも概ね高くなることが分かる。また、風車の分割数が４と少ない試料１の風車の効率（図７）は、周速比が高めのときに最大となるが、風車の分割数が１２の試料８の効率（図１４）や、風車の分割数が１６の試料９の効率（図１５）は、周速比が低めのときに最大となっていることも分かる。これは、風車の分割数が少ないと、隣り合う帆材（羽根）の隙間の数も減って風車を風が通り抜けにくくなり、特に風速が低めで空気が風車を通り抜けにくいときに、風車の上流側で生じた気流の乱れが風車の回転抵抗を増大させるように作用するのに対し、風車の分割数が多いと、隣り合う帆材（羽根）の隙間の数が多くなったことによって風車の風下側に多数の気流が生じ、特に風速が高めで空気が風車をやや通り抜けすぎるときに、これらの気流が複雑に干渉し合うことで風車の風下側に気流の乱れが生じて風車の回転抵抗を増大させるように作用するためではないかと推測される。

また、断面閉塞比Ｓ_２／Ｓ_１が０．９６で等しい試料１〜９の測定結果（図７〜１５）を比較すると、風速が２９．０ｍ／ｓと速いときには、分割数が４〜６の試料１〜３の効率が、分割数が８〜１６の試料４〜９の効率よりも高くなっていることも分かる。すなわち、風速が速い環境下で使用する場合には、風車の分割数は、４〜６程度と少なめに抑えた方が有利であることも分かった。このことは、風速が速い場合に羽根の変位比Ｗ／Ｌを小さくしすぎると効率の低下が発生するという上述した現象にも矛盾しないものとなっている。というのも、垂直開口比Ｓ_３／Ｓ_１を抑えながら羽根の変位比Ｗ／Ｌをある程度確保しようとするなら、風車の分割数を少なく抑えるしか方法がないからである。

さらに、実験１の結果からは、本発明の発電用風車装置に係る風車（試料１〜９）は、ＯＷＣ方式の波力発電装置に用いられているウェルズタービン（試料１２）との比較においては、１４．５ｍ／ｓ、１８．０ｍ／ｓ及び２９．０ｍ／ｓのいずれの風速においても、格段に優れた効率を発揮できることも分かった。ただし、本発明の発電用風車装置において、効率をより高くするためには、風速は、２９．０ｍ／ｓと速くした場合よりも、１４．５ｍ／ｓや１８．０ｍ／ｓとやや遅くした方が好ましいことも分かった。具体的には、本発明の発電用風車装置は、風速が２５ｍ／ｓ以下の環境下で用いると好ましく、風速が２０ｍ／ｓ以下の環境下で用いるとより好ましいと考えられる。風速の下限は、特に限定されないが、小さすぎても、風車の回転効率が低下することが予想されるため、本発明の発電用風車装置は、風速が５ｍ／ｓ以上の環境下で用いると好ましく、風速が１０ｍ／ｓ以上の環境下で用いるとより好ましく、１２ｍ／ｓ以上の環境下で用いるとさらに好ましいと考えられる。

［実験２］
また、念のために、上記表１における試料１〜９の風車に対し、実験１とは逆方向に風を流した場合の各風車の挙動を確認する実験２を行った。その結果、試料１〜９のいずれの場合においても、実験１とは風向きが逆転したにも関わらず、実験１で回転した向きと同じ向きに風車が回転することが確認できた。

１０風洞体
１０ａ風洞体の一端
１０ｂ風洞体の他端
１１風洞路
２０風車
２１ハブ
２２スポーク
２３リム
２４帆材（羽根）
３０出力軸
４０電力変換装置
６０回転出力測定器
９０抵抗器

Claims

風の通り道となる風洞路を有する風洞体と、
風洞体の風洞路内に回転可能な状態で支持された風車と、
を備え、
風車が、
回転中心となるハブと、
ハブから放射方向に延びる複数本のスポークと、
複数本のスポークの外端を結ぶように略環状に設けられたリムと、
略三角形状を為し、２辺がスポーク又はリムによって支持されて残りの１辺がスポーク及びリムのいずれにも支持されていない開放端縁とされた複数枚の帆材と、
で構成され、
風洞路の断面積Ｓ_１に対する帆材の風受面積Ｓ_２の比Ｓ_２／Ｓ_１が、０．９以上とされたことを特徴とする発電用風車装置。
スポークの長さＬに対する帆材の開放端縁の最大垂直変位Ｗの比Ｗ／Ｌが０．３以下とされた請求項１記載の発電用風車装置。
風洞路の断面積Ｓ_１に対する帆材の垂直開口面積の和Ｓ_３の比Ｓ_３／Ｓ_１が０．０５〜０．３とされた請求項１又は２記載の発電用風車装置。
風洞体の風洞路が断面円形に形成されるとともに、
リムが円環状に形成され、それぞれの帆材が扇形状に形成された請求項１〜３いずれか記載の発電用風車装置。
１つの風車につき４枚以上の帆材が設けられた請求項１〜４いずれか記載の発電用風車装置。
請求項１〜５いずれか記載の発電用風車装置と、
風車の回転力を電力に変換する電力変換装置と、
を備えたことを特徴とする発電装置。