JP6189025B2 - エネルギー変換機構 - Google Patents
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Description
しかも、水車が設けられている部分では、水流の流速が周辺の水流等と比べて速くなっているので、水流中に水車をそのまま配置するよりも発電量を増加させることができる。
しかし、水流の方向が逆転したときに、必ずしもその方向が180度逆転するとは限らない。すると、一方の開口から水流が流入する状況において最適な発電効率が得られるように構造体を設置しても、他方の開口から水流が流入する状況においては、同等の効率で発電できるとは限らない。
該4枚の水流制御板は、前記垂直軸水車の回転軸と直交する断面において、該水流制御板の内端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ内方連結線と該水流制御板の外端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ外方連結線のなす角度が、22.5〜67.5度となり、かつ、隣接する水流制御板間に形成される隙間が、前記垂直軸水車に向かって狭くなるように配設されており、前記複数のエネルギー変換セットが、前記垂直軸水車の軸が互いに平行かつ一列に並ぶように配設されており、前記垂直軸水車の軸が一列に並ぶ方向において隣接するエネルギー変換セットでは、隣接する水流制御板の基端同士が該基端間に隙間ができないように連結されることを特徴とする。
第2発明のエネルギー変換機構は、第1発明において、前記4枚の水流制御板は、前記垂直軸水車の回転軸と直交する断面において、該水流制御板の内端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ内方連結線と該水流制御板の外端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ外方連結線のなす角度が、45±10度となるように配設されていることを特徴とする。
第3発明のエネルギー変換機構は、第1または第2発明において、前記水流制御板は、前記垂直軸水車の回転軸と直交する断面において、該水流制御板の内端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ内方連結線が、該水流制御板の外端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ外方連結線よりも、前記垂直軸水車の回転方向の下流側に位置するように配設されていることを特徴とする。
第4発明のエネルギー変換機構は、第1、第2または第3発明のいずれかにおいて、前記垂直軸水車がサボニウス型水車であることを特徴とする。
第2発明によれば、エネルギー変換効率を高くすることができる。
第3発明によれば、垂直軸水車に向かう水流によって効果的に垂直軸水車の回転速度を上昇させることができるので、エネルギー変換効率をより高くすることができる。
第4発明によれば、垂直軸水車がサボニウス型水車であるので、水流制御板間を流れる水流による水車の回転効率を向上させることができ、エネルギー変換効率を向上させることができる。
もちろん、本発明のエネルギー変換機構は、単に波などのエネルギーを吸収する設備として使用してもよいのは、いうまでもない。
なお、以下では、エネルギー変換機構1が発電する機能を有している場合を説明する。
この本体部2は、一対のフレーム3,4を備えている。この一対のフレーム3,4は、両者間に水流を流すことができる空間2hが形成されるように、互いに離間した状態で配設されている。しかも、一対のフレーム3,4は、空間2hの周囲のどの方向からでも空間2h内に水流が流入できるように設けられている。
また、図2(B)に示すように、複数の水流制御板21A〜21Dは、垂直軸水車の回転軸CLに対して回転対称となるように配設されている。しかも、隣接する水流制御板21,21の間に、垂直軸水車10に向かって狭くなるような隙間21hが形成されるように配設されている。
水流制御手段20の水流制御板21A〜21Dは、上述したように、隣接する水流制御板21,21の間に、垂直軸水車10に向かって狭くなるような隙間21hが形成されるように配設されている。このような状態となるように水流制御板21を配設する方法は種々あるが、以下のように各水流制御板21を配設することが好ましい。
図3に示すように、各水流制御板21A〜21Dは、その外端縁21aと垂直軸水車10の回転軸11と結ぶ線Laに対して、その表面が傾斜するように設けられている。しかも、各水流制御板21は、線La(外方連結線La)に対して、その内端縁21bが垂直軸水車10の回転方向の下流側に位置するように配設されている。つまり、各水流制御板21の表面に沿う水流は、垂直軸水車10の回転翼12を押す力が発生するように流れるので、この水流によって効果的に垂直軸水車10の回転速度を上昇させることができる。
この場合、各水流制御板21の表面に沿う水流が、垂直軸水車10の回転を妨げる流れとなることを確実に防ぐことができるので、水流により垂直軸水車10の回転速度を上昇させる効果を確実に得ることができる。
したがって、内方連結線Lbと外方連結線Laのなす角度θは、22.5〜67.5度が好ましく、45±10度がさらに好ましい。
また、垂直軸水車10の半径方向において、各水流制御板21の内端縁21bを配置する位置は、垂直軸水車10の回転翼21に接触しない位置であればよく、とくに限定されない。
水流制御手段20は、垂直軸水車10の周囲に設置する水流制御板21の数はとくに限定されないが、少なくとも4枚以上設けることが好ましい。一方、水流制御板21の数が多すぎると、空間2hに流入する水流の流量が少なくなるので、エネルギー変換効率が低下する。したがって、垂直軸水車10の周囲に設置する水流制御板21の枚数は、4枚以上が好ましく、4〜6枚がより好ましい。
上記例では、複数の水流制御板21が垂直軸水車10の回転軸CLに対して回転対称となるように設置した場合を説明したが、エネルギー変換機構1を設置する領域の水流の特性に合わせて各水流制御板21毎にその姿勢を変更してもよい。例えば、流れが変化したときに流れの方向が正反対にならないような場所に設置する場合には、現場状況の観測に基づいて、各方向の水流に対して適正な角度θとなるように、各水流制御板21の姿勢を調整すればよい。
上述したように、本実施形態のエネルギー変換機構1では、複数の水流制御板21によって垂直軸水車10が囲まれたようになっている。そして、複数の水流制御板21の間に形成される隙間21hは、垂直軸水車10に近づくにつれて、その間隔が狭くなっている。言い換えれば、垂直軸水車10の収容されている領域が外部に開口している面積が小さくなっている。
また、流木やゴミなどが空間2hに侵入することを防ぐ上では、エネルギー変換機構1の周囲に網などを設けることも有効である。
本実施形態のエネルギー変換機構1は、一基を単独で設置してもよいが、複数を並べて設置してもよい。つまり、本体部2と、垂直軸水車10と、水流制御手段20をエネルギー変換セットとすると、各エネルギー変換セットにおける垂直軸水車10の軸11同士が互いに平行となるように、複数のエネルギー変換セットを配設してもよい。この場合、隣接するエネルギー変換セット内で形成される水流の影響によって、垂直軸水車10に向かう水流の流速を増速する効果を高くすることができる。
とくに、垂直軸水車10の軸11が一列に並ぶように配設した場合には、より効果的に、垂直軸水車10に向かう水流の流速を増速する効果を高くすることができる。
また、周速比λに対するトルク係数Crの変化特性を調べることによって、水車の特性を確認した。
なお、動力係数Cp、トルク係数Crおよび周速比λは以下の式に基づいて算出した。
動力係数:Cp=Ttω/(0.5ρu3(2RH))
トルク係数:Cr=Tt/(0.5ρu2(2RH)R)
周速比 :λ=Rω/u
Tt:時刻tにおいて測定された負荷トルク
R:水車の半径
ω:水車回転軸の回転角速度
H:回転翼の回転軸方向の長さ
u:流体の速度
2RH:水車が水流に対して占める断面積
なお、図5の装置(C)が、本発明のエネルギー変換機構の水流制御板に相当する「渦流型流向制御板」を設置した装置である。この図5の装置(C)は、その横断面が実質的に図3と同様の構造を有しており、図3における角度θが45度となるように水流制御板を設置している。
図6に示すように、周速比に係わらず、本発明のエネルギー変換機構の水流制御板に相当する「渦流型流向制御板」(以下、単に「渦流型流向制御板」という)を設置した装置の動力係数が高くなっていることが確認できる。各条件における動力係数の最高値を比較しても、「渦流型流向制御板」を設置した装置では、水流制御板を設けない場合に比べて10倍程度、他の形状の水流制御板を設けた場合と比べても約2倍以上となっており、水流エネルギーの取得効率が非常に高くなっていることが確認できる。
実験では、図5の装置(C)において、角度θを0、22.5、45,67.5、90度、と変化させた。なお、水流制御板は、水流制御板と水車との接触を防ぐために、角度θの変化とともにその長さも変化させている。各角度における水流制御板の長さは、0度(90mm)、22.5度(98mm)、45度(130mm),67.5度(147mm)、90度(174mm)である。
図8に示すように、角度θを変化させると、負荷トルクおよび仕事率が変化し、45度の条件(つまり130mmの条件)が最も動力係数およびトルク係数が大きくなっていることが確認された。
また、22.5度と67.5度の場合には、45度と比べて大きな差はなかったのに対し、0度および90度の場合には、負荷トルクが小さくなり、仕事率は低下している。
以上の結果より、角度θを変化させることによって、負荷トルクおよび仕事率が変化し、角度θを22.5〜67.5度とすれば、負荷トルクを大きくでき、仕事率を向上させることができることが確認された。
10 垂直軸水車
20 水流制御手段
21 水流制御板
21h 隙間
CL 回転軸
Lb 内方連結線
La 外方連結線
Claims (4)
- 水流を受けて回転する垂直軸水車と、該垂直軸水車に供給される水流を調整する水流制御手段と、を有するエネルギー変換セットを複数備えており、
各エネルギー変換セットの水流制御手段は、
前記垂直軸水車の周囲に該垂直軸水車の回転軸に対して回転対称となるように配置された4枚の水流制御板を有しており、
該4枚の水流制御板は、
その表面が前記垂直軸水車の回転軸と平行となるように配設された平板であり、
該4枚の水流制御板は、
前記垂直軸水車の回転軸と直交する断面において、該水流制御板の内端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ内方連結線と該水流制御板の外端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ外方連結線のなす角度が、22.5〜67.5度となり、かつ、隣接する水流制御板間に形成される隙間が、前記垂直軸水車に向かって狭くなるように配設されており、
前記複数のエネルギー変換セットが、
前記垂直軸水車の軸が互いに平行かつ一列に並ぶように配設されており、
前記垂直軸水車の軸が一列に並ぶ方向において隣接するエネルギー変換セットでは、隣接する水流制御板の基端同士が該基端間に隙間ができないように連結される
ことを特徴とするエネルギー変換機構。 - 前記4枚の水流制御板は、
前記垂直軸水車の回転軸と直交する断面において、該水流制御板の内端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ内方連結線と該水流制御板の外端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ外方連結線のなす角度が、45±10度となるように配設されている
ことを特徴とする請求項1記載のエネルギー変換機構。 - 前記水流制御板は、
前記垂直軸水車の回転軸と直交する断面において、該水流制御板の内端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ内方連結線が、該水流制御板の外端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ外方連結線よりも、前記垂直軸水車の回転方向の下流側に位置するように配設されている
ことを特徴とする請求項1または2記載のエネルギー変換機構。 - 前記垂直軸水車がサボニウス型水車である
ことを特徴とする請求項1、2または3記載のエネルギー変換機構。
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