JP6399406B2 - 発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、小電力発電を行う風力発電或いは水力発電等に用いて好適な発電装置に関する。
近時、身近な水路や小河川等を利用して水力発電を行ったり風を利用して風力発電を行う小電力発電システムが注目されており、本出願人も、既に、このような小電力発電システムに用いて好適な垂直軸風車等の垂直軸駆動装置およびこれを用いた発電装置を、特許文献１により提案した。
同特許文献１で開示される垂直軸風車等の垂直軸駆動装置およびこれを用いた発電装置は、従来、垂直軸風車の中で最も実用化されているサボニウス形風車に比べて格段に大きな出力を得（特に高負荷時）、また、回転を制御することによって、強風時の風車の破損防止を外部動力なしに自動的に行うことを目的としたものであり、具体的には、遊星軸にブレードを支持してなる複数の回転翼を中心軸の周方向に均等に配置するとともに、中心軸と一体に周回移動可能に設けた垂直軸駆動装置において、各々の回転翼が、中心軸を中心とする径方向に対してブレードの面が斜交した多点交差形配置となるように構成したものである。
国際公開公報Ｎｏ．ＷＯ０３／０９８０３５Ａ１
しかし、上述した従来の垂直軸駆動装置（発電装置）は、次のような解決すべき課題も残されていた。
第一に、水車や風車等のタービンを用いて、水力や風力等を電力にエネルギ変換する発電システムでは、如何に効率良く変換を行うかが課題となるが、特に、小電力発電システムでは、小電力ゆえにこの点が重要な課題となる。この場合、水力又は風力を回転力に運動変換して出力する羽根車の幾何学構成は、運動変換効率を高める重要な技術的要素となるが、従来の小電力発電システムにおける羽根車は、必ずしも十分な幾何学的構成を考慮しているとは言えず、運動変換効率を高める観点からは、更なる改善の余地があった。
第二に、この種の小電力発電システムにおける羽根車は、運動変換効率を確保する一方、羽根車を構成する際における小型化，軽量化及び低コスト化を如何に実現するかも、重要な課題となる。即ち、運動変換効率を確保すると同時に、小型化，軽量化及び低コスト化を確保し、これらの総合的なメリットを高める必要があるが、従来の小電力発電システムにおける羽根車は、構造が煩雑化する傾向があり、より小型化，軽量化及び低コスト化を図る観点からも更なる改善の余地があった。
本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した発電装置の提供を目的とするものである。
上述した課題を解決するため、本発明は、回転出力軸２の周囲の周方向Ｆｆへ所定間隔Ｌｃ…おきに配し、流通する流体Ｗの力が付与される複数のブレード３ｐ…を有するとともに、各ブレード３ｐ…の外端部３ｐｏ…を、回転出力軸２の軸方向Ｆｓから見て、同一円Ｓ上に位置させた流体作用部３を設けたタービン用羽根車１を備える発電装置Ｍを構成するに際し、各ブレード３ｐ…を、軸方向Ｆｓから見て、曲線のみ，又は曲線と直線を組合わせた形状に選定し、かつ中間位置を回転方向Ｆｒ前方に膨出させた曲線形状に選定するとともに、各ブレード３ｐ…を、対峙する一対の円形に形成した支持盤２１ｐ，２１ｑ間に配して流体作用部３を構成し、全ブレード３ｐ…を、三つ以上となる一定数量のブレード３ｐ…を含む四つ以上のブレードグループＧ１，Ｇ２…に区分し、かつ各ブレードグループＧ１，Ｇ２…のブレード３ｐ…を回転方向Ｆｒ最後部に位置する主ブレード３ｐｍと他の副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…に選定し、各ブレードグループＧ１，Ｇ２…の構成条件として、各ブレード３ｐ…の外端部３ｐｏ…を通る法線Ｌｖに対して、対応する内端部３ｐｉ…を回転方向Ｆｒ前側に位置させ、かつ各ブレード３ｐ…の弦線Ｌｇの延長線Ｌｇｅを回転方向Ｆｒ前方に隣接する主ブレード３ｐｍに交差させること，各副ブレード３ｐａ…の長さを主ブレード３ｐｍの長さよりも短く設定し、かつ各副ブレード３ｐａ…の長さを回転方向Ｆｒ前側に行くに従って漸次短く設定すること，主ブレード３ｐｍの弦線Ｌｇとこの主ブレード３ｐｍの外端部３ｐｍｏを通る円Ｓの法線Ｌｖ間の角度Ｒｍを１２〜２２°の範囲に選定すること，各ブレード３ｐ…の内端部３ｐｉ…同士間の間隔を対応する外端部同士間の間隔よりも狭く設定するとともに、任意の副ブレード３ｐａ…の弦線Ｌｇとこの副ブレード３ｐａ…の外端部３ｐａｏ…を通る法線Ｌｖ間の角度Ｒｓを、主ブレード３ｐｍの外端部３ｐｍｏを通る法線Ｌｖとこの主ブレード３ｐｍの弦線Ｌｇ間の角度Ｒｍよりも大きく設定すること，を満たすタービン用羽根車１と、当該タービン用羽根車１の回転力が付与される発電機１０と、放出ノズル１２から流体Ｗを放出してタービン用羽根車１の流体作用部３に流体Ｗの力を付与する流体付与手段１１とを備えることを特徴とする。
また、本発明は、好適な実施の態様により、流体Ｗの力には、風力，水力，の一方を含ませることができる。なお、ブレード３ｐ…の外端部３ｐｏ…の断面形状は、尖形形状又は丸み形状に選定することが望ましい。さらに、流体作用部３は、単一で使用，又は流体作用部ユニット３１，３２…として構成し、複数の当該流体作用部ユニット３１，３２…を同軸上で結合して使用することができるとともに、この際、複数の流体作用部ユニット３１，３２…は、回転方向Ｆｒの相対位相角度を異ならせて配することが望ましい。
さらに、本発明は、好適な他の実施の態様により、支持盤２１ｐ，２１ｑは、外周縁の断面を尖形形状又は丸み形状に形成することが望ましい。また、放出ノズル１２は、噴射口１２ｅを矩形形状に選定するとともに、より望ましくは、回転出力軸２の軸方向Ｆｓから見た噴射口１２ｅの先端形状を、タービン用羽根車１における各ブレード３ｐ…の回転軌跡に沿わせた傾斜形状に選定する。
このような構成を有する本発明に係る発電装置Ｍによれば、次のような顕著な効果を奏する。
（１） 全ブレード３ｐ…に対して、三つ以上となる一定数量のブレード３ｐ…を含む四つ以上のブレードグループＧ１，Ｇ２…に区分することにより、各ブレードグループＧ１…における回転方向Ｆｒ最後部に位置するブレード３ｐを主ブレード３ｐｍ，残りのブレード３ｐ…を副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…，にそれぞれ選定し、各副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…の長さを主ブレード３ｐｍの長さよりも短く設定するとともに、各ブレード３ｐ…の法線Ｌｖ…に対して、対応する内端部３ｐｉ…を回転方向Ｆｒ前側に位置させ、かつ各ブレード３ｐ…の弦線Ｌｇ…の延長線Ｌｇｅ…が回転方向Ｆｒ前方に隣接する主ブレード３ｐｍに対して交差させてなるため、流通する流体Ｗに臨ませた際は、当該流体Ｗの力を、無駄を生じることなく効率的に受けることができる。したがって、羽根車１の運動変換効率、更には小電力発電に係わる発電装置の総合的な発電効率をより高めることができる。
（２） 羽根車１の運動変換効率を高めるに際し、基本的には各ブレード３ｐ…の幾何学的構成により実現できるため、複数のブレード３ｐ…を有する流体作用部３以外の他の部品の追加が不要になり、部品点数を増加させることなく実施できるなど、羽根車１を構成する際における小型化，軽量化及び低コスト化を実現できる。
（３） ブレードグループＧ１…における各副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…の長さは、回転方向Ｆｒ前側に行くに従って漸次短く設定したため、特に、主ブレード３ｐｍの形状やレイアウトに左右されることなく、各副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…に衝突した後の流体Ｗを円滑に排出できるとともに、他のブレード３ｐｍ，３ｐａ，３ｐｂ…に衝突させて再利用する際の有効性を高めることができる。即ち、各副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…に衝突した後の流体Ｗを、各副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…に衝突させることなく、回転方向Ｆｒ前方に隣接する主ブレード３ｐｍに直接衝突させることが可能になるため、更なる運動変換効率の向上に寄与できる。
（４） 流体作用部３を構成するに際し、主ブレード３ｐｍの外端部３ｐｍｏを通る法線Ｌｖと当該主ブレード３ｐｍの弦線Ｌｇ間の角度Ｒｍを、１２〜２２°の範囲に選定したため、各ブレード３ｐ…の角度Ｒｍを選定する観点から当該角度Ｒｍの最適化を図ることができ、運動変換効率をより高めることができる。
（５） 各ブレード３ｐ…の内端部３ｐｉ…同士間の間隔Ｌｉ…を対応する外端部３ｐｏ…同士間の間隔Ｌｃ…よりも狭く設定するとともに、当該ブレードグループＧ１…における任意の副ブレード３ｐａ…の外端部３ｐａｏ…を通る法線Ｌｖ…と当該任意の副ブレード３ｐａ…の弦線Ｌｇ…間の角度Ｒｓ…を、当該ブレードグループＧ１…における主ブレード３ｐｍ…の外端部３ｐｍｏ…を通る法線Ｌｖ…と当該主ブレード３ｐｍ…の弦線Ｌｇ…間の角度Ｒｍ…よりも大きく設定したため、最初に衝突したブレード３ｐ…から排出される流体Ｗを再利用する観点からの有効性を高めることができる。即ち、最初に衝突したブレード３ｐ…から排出される流体Ｗを回転方向Ｆｒ前方に隣接する主ブレード３ｐｍ…における回転力の発生が大きい位置に円滑かつ集中して衝突させることが可能となり、流体Ｗを効率的に再利用できるため、各ブレード３ｐ…の位置及び角度を設定する側面から更なる運動変換効率の向上に寄与できる。
（６） 放出ノズル１２から流体Ｗを放出してタービン用羽根車１の流体作用部３に流体Ｗの力を付与する流体付与手段１１を設けたため、タービン用羽根車１の目標位置に対して目的の流体Ｗを確実かつ効率的に付与することができる。
（７） 各ブレード３ｐ…を、軸方向Ｆｓから見て、曲線のみ，又は曲線と直線を組合わせた形状に選定し、かつ中間位置を回転方向Ｆｒ前方に膨出させた曲線形状に選定したため、流通する流体Ｗが衝突した際の力を効率的に取り込む観点からの最適化を図ることができる。この結果、各ブレード３ｐ…の形状を設定する側面から更なる運動変換効率の向上に寄与できる。
（８） 各ブレード３ｐ…を、対峙する一対の円形に形成した支持盤２１ｐ，２１ｑ間に配して構成したため、支持盤２１ｐ，２１ｑは、ブレード３ｐ…を支持する支持機能に加えて、流体Ｗが衝突した際の無用な飛散現象を図ることができ、運動変換効率の向上に寄与できる。
（９） 好適な態様により、流体Ｗの力には、風力，水力，の一方を含ませることができるため、小電力発電システムを構築する際における多様な流体Ｗにより実施可能となり、汎用性及び実施の容易性に優れた小電力発電システムを提供できる。
（１０） 好適な態様により、ブレード３ｐ…の外端部３ｐｏ…の断面形状を、尖形形状又は丸み形状に選定すれば、流体Ｗの衝突時における無用な乱流現象や飛散現象を低減できるため、ブレード３ｐ…の先端形状を設定する側面から更なる運動変換効率の向上に寄与できる。
（１１） 好適な態様により、流体作用部３を、単一で使用すれば、羽根車１を最もシンプルな形態として低コストに実施できるため、廉価な発電装置Ｍとして提供できる。
（１２） 好適な態様により、流体作用部３を、流体作用部ユニット３１，３２…として構成し、複数の流体作用部ユニット３１，３２…を同軸上で結合して使用すれば、標準的な流体作用部ユニット３１…を複数用意し、任意の数量の組合わせが可能になるため、発電能力の大小による各種の発電装置Ｍ…を容易かつ低コストに得ることができる。
（１３） 好適な態様により、各流体作用部ユニット３１，３２…の、回転方向Ｆｒの相対位相角度を異ならせて配すれば、主ブレード３ｐｍ…の数量を実質的に増加させ、主ブレード３ｐｍ…に対して流体Ｗが与える一回の衝突当たりの力を小さくすることができるため、円滑な回転力を発生させることができる。これにより、運動変換効率の更なる向上を実現できるとともに、騒音／振動の低減に寄与できる。
（１４） 好適な態様により、流体作用部３の支持盤２１ｐ，２１ｑにおける外周縁の断面を尖形形状又は丸み形状に形成すれば、流体Ｗが衝突した際の無用な乱流現象や飛散現象をより低減できるため、運動変換効率の無用な低下の防止に寄与できる。
（１５） 好適な態様により、放出ノズル１２を、噴射口１２ｅを矩形形状に選定すれば、流体Ｗがブレード３ｐ…に衝突して羽根車１の回転運動に変換される際における運動変換効率の向上を図る観点から噴射口１２ｅの形状を選定できるため、流体Ｗと羽根車１間における運動変換の観点から当該噴射口１２ｅ形状の最適化を図ることができる。
（１６） 好適な態様により、回転出力軸２の軸方向Ｆｓから見た噴射口１２ｅの先端形状を、タービン用羽根車１における各ブレード３ｐ…の回転軌跡に沿わせた傾斜形状に選定すれば、噴射口１２ｅの全開口面をタービン用羽根車１に対して近接させることができるため、放出ノズル１２から放出した後における流体Ｗの空気抵抗等によるエネルギ損失を低減し、運動変換効率の更なる向上に寄与できる。
本発明の好適実施形態に係る発電装置に用いるタービン用羽根車の断面平面図、 同タービン用羽根車の正面図、 同タービン用羽根車の一グループ当たりのブレード数量とグループ数を変更した各種態様を示す模式図、 同タービン用羽根車に備えるブレード数量が異なる場合の作用説明図、 同タービン用羽根車に備える全ブレード枚数に対する水車総合効率の関係を示す相関図、 同タービン用羽根車に備えるブレード形状が異なる場合の作用説明図、 同タービン用羽根車に備えるブレードの断面形状に対する羽根車変換効率の特性図、 同タービン用羽根車に備えるブレード形状の各種変更例を示す模式図、 同タービン用羽根車のブレード先端の抽出拡大断面を含む同羽根車の原理説明図、 同タービン用羽根車に備える主ブレードに流体が衝突した際における作用説明図、 同タービン用羽根車に備える副ブレードに流体が衝突した際における作用説明図、 同タービン用羽根車に備える主ブレードの法線と弦線間の角度に対する出力相対値の特性図、 同発電装置と既存の羽根車を備えた発電装置を対比して示す羽根車変換効率の特性図、 同発電装置の全体構成を示す外観斜視図、 同発電装置に備える放出ノズルを示す一部断面を含む三面図、 同放出ノズルの断面形状と断面積に対する羽根車変換効率の特性図、 同放出ノズルの先端形状の変更例を示す断面平面図、 同タービン用羽根車の変更例を示す側面図、 同平面図、 同タービン用羽根車の他の変更例を示す一部を省略した側面図、
次に、本発明に係る好適実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。
まず、本実施形態に係る発電装置Ｍに用いるタービン用羽根車１の基本的な構成について、図１及び図２を参照して説明する。
タービン用羽根車１は、図１及び図２に示すように、基本構成として、回転出力軸２と、この回転出力軸２に一体となる流体作用部３を備えて構成する。流体作用部３は、回転出力軸２の周囲の周方向Ｆｆに、所定間隔（例示は一定間隔）Ｌｃ…おきに配した複数のブレード３ｐ…と、このブレード３ｐ…の軸方向Ｆｓにおける両端辺を支持（固定）する円形に形成した対峙する一対の支持盤２１ｐ，２１ｑを備える。したがって、各支持盤２１ｐ，２１ｑは、回転出力軸２に対して直角となり、この回転出力軸２は各支持盤２１ｐ，２１ｑの中心を貫通した状態で、各支持盤２１ｐ，２１ｑに固定される。これにより、流体作用部３を、流通する流体Ｗに臨ませれば、ブレード３ｐ…に流体Ｗの力が付与され、回転出力軸２を支点に旋回するため、回転出力軸２の回転力として出力可能となるタービン用羽根車１が構成される。この場合、流体作用部３は、対峙する一対の円形に形成した支持盤２１ｐ，２１ｑ間にブレード３ｐ…を配して構成するため、支持盤２１ｐ，２１ｑは、ブレード３ｐ…を支持する支持機能に加えて、流体Ｗが衝突した際の無用な飛散現象を図れるため、運動変換効率の向上に寄与できる。
このように構成するタービン用羽根車１は、基本的に各ブレード３ｐ…の幾何学的構成により実現できるため、複数のブレード３ｐ…を有する流体作用部３以外の他の部品の追加が不要になり、部品点数を増加させることなく実施できるなど、羽根車１を構成する際における小型化，軽量化及び低コスト化を実現できるとともに、後述するように、同時に羽根車１における運動変換効率をより高めることができる。
次に、このような基本構成を有するタービン用羽根車１の細部の構成について、図１〜図１１を参照して具体的に説明する。
図１に示すように、例示するタービン用羽根車１は、全１６枚のブレード３ｐ…を使用する。この１６枚のブレード３ｐ…は、各ブレード３ｐ…の外端部３ｐｏ…を、回転出力軸２の軸方向Ｆｓから見て、同一円Ｓ上、即ち、円形に形成した支持盤２１ｐ，２１ｑの外周縁（又はその近傍）に位置させるとともに、周方向Ｆｆに沿って所定間隔（一定間隔）Ｌｃ…おきに配する。また、全ブレード３ｐ…（１６枚）は、少なくとも三つ以上（例示は四つ）となる一定数量のブレード３ｐ…を含む少なくとも四つ以上（例示は四つ）のブレードグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に区分する。
したがって、ブレードグループＧ１…のグループ数及び各ブレードグループＧ１…に含まれるブレード３ｐ…の数量は、図３に示すような各種態様により実施可能である。図３（ｂ）は、全１２枚のブレード３ｐ…を使用し、四つのブレードグループＧ１…Ｇ４と各グループＧ１…に三枚のブレード３ｐ…を含ませた構成例を示す。図３（ｃ）は、全１５枚のブレード３ｐ…を使用し、五つのブレードグループＧ１…Ｇ５と各グループＧ１…に三枚のブレード３ｐ…を含ませた構成例を示す。図３（ｄ）は、全１８枚のブレード３ｐ…を使用し、六つのブレードグループＧ１…Ｇ６と各グループＧ１…に三枚のブレード３ｐ…を含ませた構成例を示す。なお、図３（ａ）は、対比のために示したものであり、図１と同一である。即ち、全１６枚のブレード３ｐ…を使用し、四つのブレードグループＧ１…Ｇ４と各グループＧ１…に四枚のブレード３ｐ…を含ませた基本例となる。
このような条件に従うことにより、ブレード３ｐ…の全数量として、少なくとも１２枚以上が確保されるため、流体Ｗを羽根車１の定位置に作用（衝突）させた際には、図４（ａ）に示すように、運動変換に寄与しない無駄な流体Ｗｒはほとんど発生しなくなる。なお、図４（ｂ）は、特許文献１における従来の羽根車１００の場合を示しており、この場合、かなりの割合で運動変換に寄与しない無駄な流体Ｗｒを生じてしまう。なお、図４（ｂ）中、３ｐｒはブレード、２ｒは回転出力軸を示す。
図４（ａ），（ｂ）のいずれの場合も、タービン用羽根車１に対して流体Ｗが衝突する位置を、回転出力軸２側に移動させた場合、運動変換に寄与しない無駄な流体Ｗｒを無くすことができる反面、運動変換効率は低くなる。即ち、図４（ｂ）の場合、無駄な流体Ｗｒをなくすために、羽根車１に対する流体Ｗが衝突する位置を、回転出力軸２側に移動させても運動変換効率は低くなる。したがって、流体Ｗの有するエネルギをできるだけ多く回転出力軸２の回転エネルギとして取り出すためには、運動変換に寄与しない無駄な流体Ｗｒを無くす又はできるだけ少なくするとともに、羽根車１に対する流体Ｗが衝突する位置を外周に対して、より近い位置を選定する必要があり、このためには羽根車１におけるブレード３ｐ…の枚数を多くすることが必要となる。
図５は、タービン用羽根車１における全ブレード枚数とタービン用羽根車１を水車として用いた場合の総合効率（水車総合効率）の関係を示している。全ブレード枚数が８枚の場合、水車総合効率は概ね４４％、全ブレード枚数が１２枚の場合、水車総合効率は概ね６１％、全ブレード枚数が１５枚以上の場合、水車総合効率は概ね６５〜６９％である。これより明らかなように、全ブレード枚数が増えるに従って、水車総合効率は高くなる。なお、水車総合効率が高くなる度合は徐々に緩やかになり、特に、１５枚以上では、その度合は僅かである。
また、一つのブレード３ｐの基本的な形状は次のように形成する。図１に例示するブレード３ｐは、回転出力軸２の軸方向Ｆｓから見た形状を、曲線のみにより形成し、中間位置を回転方向Ｆｒ前方に膨出させた曲線形状に選定している。この場合、特に、曲線形状は、外側の曲率半径を小さくし、内側の曲率半径を大きく選定している。このように形成することにより、図６（ａ）に示すように、流体Ｗを羽根車１の定位置に衝突させた際における外側に跳ね返る流体Ｗｏの流出角度Ｒｒを小さくすることができる。この流出角度Ｒｒは小さくなるほど、羽根車１に与える力は大きくなることが知られている。なお、図６（ｂ）は、曲率半径が一定となる円弧形状の場合を示しているが、例示の場合、外側に跳ね返る流体Ｗｏの流出角度Ｒｒは、図６（ａ）の場合に比べて大きくなる。
図１に示すブレード３ｐ…の形状は複合曲線タイプの一例となる。ブレード３ｐ…の形状は、その他、図８に示すような各種形状により実施可能である。図８（ｂ）は、外側を曲率半径が一定となる円弧形状Ｘｏとし、内側を直線形状ＸｉとしたＪタイプを示す。図８（ｃ）は全体を直線形状Ｘｓとした直線タイプを示す。図８（ｄ）は、全体の曲率半径が一定となる円弧形状Ｘｒとした円弧タイプを示す。図８（ａ）は、対比のために示したものであり、図１と同じ条件により構成したブレード３ｐ、即ち、外側を曲率半径の小さい円弧形状Ｘｏとし、内側を曲率半径の大きい円弧形状Ｘｉとした複合曲線タイプとなる。図７に、ブレード３ｐの断面形状に対する羽根車変換効率の特性を示す。これより明らかなように、複合曲線タイプが最も良好な結果を得た。次にＪタイプが良好な結果となり、次に円弧タイプが良好な結果となった。
このように、回転出力軸２の軸方向Ｆｓから見た各ブレード３ｐ…の形状を、曲線のみ，又は曲線と直線の組合わせを含み、かつ中間位置を回転方向Ｆｒ前方に膨出させた曲線形状に選定すれば、流通する流体Ｗが衝突した際の力を効率的に取り込む観点からの最適化を図ることができるため、各ブレード３ｐ…の形状を設定する側面から更なる運動変換効率の向上に寄与できる。なお、回転出力軸２の軸方向Ｆｓから見た各ブレード３ｐ…の形状を、直線形状に選定すれば、最もシンプルな形状により実施できるため、製造コストを削減する観点からのメリットを享受できる。
また、ブレード３ｐ…の外端部３ｐｏ…の断面形状は、図９の部分抽出拡大図に示すように、尖形形状に形成する。これにより、流体Ｗの衝突時における無用な乱流現象や飛散現象を低減でき、ブレード３ｐ…の先端形状を設定する側面から更なる運動変換効率の向上に寄与できる利点がある。なお、ブレード３ｐの外端部３ｐｏの断面形状は、仮想線３ｐｏｅで示すように、丸み形状に形成しても同様の効果を得ることができる。
一方、ブレードグループＧ２（他のブレードグループＧ１，Ｇ３，Ｇ４も同じ）内おける各ブレード３ｐ…は、図１に示すように、回転方向Ｆｒ最後部に位置するブレード３ｐを、主ブレード３ｐｍとし、残りの三つのブレード３ｐ…を副ブレード３ｐａ，３ｐｂ，３ｐｃにそれぞれ選定する。この場合、各副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…の長さは、主ブレード３ｐｍの長さよりも短く設定、望ましくは、ブレードグループＧ２における各副ブレード３ｐａ，３ｐｂ，３ｐｃの長さ（両端距離）を、回転方向Ｆｒ前側に行くに従って漸次短く設定する。即ち、図９に示すように、主ブレード３ｐｍの長さＬｓｍに対して、副ブレード３ｐａの長さＬｓａを短く設定し、また、副ブレード３ｐａの長さＬｓａに対して、副ブレード３ｐｂの長さＬｓｂを短く設定し、さらに、副ブレード３ｐｂの長さＬｓｂに対して、副ブレード３ｐｃの長さＬｓｃを短く設定する。このように設定することにより、特に、主ブレード３ｐｍの形状やレイアウトに左右されることなく、各副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…に衝突した後の流体Ｗを円滑に排出できるとともに、他のブレード３ｐｍ，３ｐａ，３ｐｂ…に衝突させて再利用する際の有効性を高めることができる。即ち、各副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…に衝突した後の流体Ｗを、各副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…に衝突させることなく、回転方向Ｆｒ前方に隣接する主ブレード３ｐｍに直接衝突させることが可能になるため、更なる運動変換効率の向上に寄与できる利点がある。
この場合、図９に示すように、各ブレード３ｐ…の外端部３ｐｏ…を通る法線Ｌｖ…に対して、対応する内端部３ｐｉ…は、回転方向Ｆｒ前側に位置させ、かつ各ブレード３ｐ…の外端部３ｐｏ…と内端部３ｐｉ…を結ぶ弦線Ｌｇ…の延長線Ｌｇｅ…が回転方向Ｆｒ前方に隣接する主ブレード３ｐｍに対して交差するように設定する。
これにより、図１０に示すように、流体Ｗが主ブレード３ｐｍに衝突した際は、当該主ブレード３ｐｍに沿って流体Ｗが流れた後、この主ブレード３ｐｍから流出する流体Ｗは、回転方向Ｆｒ前側に位置する次の主ブレード３ｐｍに対して交差する方向から衝突する。この流体Ｗの衝突は羽根車１を回転させる二次的水力として作用し、流体Ｗの一部は主ブレード３ｐｍに沿って外端部３ｐｍｏ側に流れた後、外部に排出されるとともに、流体Ｗの残りは、さらに、回転方向Ｆｒ前側に位置する次の主ブレード３ｐｍに対して交差する方向から衝突する作用を繰り返すことになる。また、図１１に示すように、流体Ｗが副ブレード３ｐａ…（例示は３ｐｂ）に衝突した際も同様となり、流体Ｗが副ブレード３ｐｂに衝突した際は、当該副ブレード３ｐｂに沿って流体Ｗが流れるとともに、この副ブレード３ｐｂから流出する流体Ｗは、回転方向Ｆｒ前側に位置する次の主ブレード３ｐｍに対して交差する方向から衝突する。この流体Ｗの衝突は羽根車１を回転させる二次的水力として作用し、流体Ｗの一部は主ブレード３ｐｍに沿って外端部３ｐｍｏ側に流れた後、外部に排出されるとともに、流体Ｗの残りは、さらに、回転方向Ｆｒ前側に位置する次の主ブレード３ｐｍに対して交差する方向から衝突する作用を繰り返すことになる。
また、図９に示すように、主ブレード３ｐｍの外端部３ｐｍｏを通る法線Ｌｖと当該主ブレード３ｐｍの弦線Ｌｇの角度Ｒｍは、１２〜２２°の範囲、望ましくは１７°前後に選定する。このように選定する理由について、図１２を参照して説明する。図１２は、羽根車１に備える主ブレード３ｐｍの法線Ｌｖと弦線Ｌｇ間の角度Ｒｍに対する出力相対値の特性を示したものである。同図から明らかなように、角度Ｒｍの大きさを変化させることにより、出力相対値も変化し、概ね１２〜２２°の範囲が良好な範囲になるとともに、１７°付近が最も良好となる。したがって、主ブレード３ｐｍの外端部３ｐｍｏを通る法線Ｌｖと当該主ブレード３ｐｍの弦線Ｌｇ間の角度Ｒｍを、１２〜２２°の範囲に選定すれば、各ブレード３ｐ…の角度Ｒｍを選定する観点から当該角度Ｒｍの最適化を図れるため、運動変換効率をより高めることができる利点がある。
さらに、図９に示すように、各ブレード３ｐ…の内端部３ｐｉ…同士間の間隔Ｌｉ…を対応する外端部３ｐｏ…同士間の間隔Ｌｃ…よりも狭く設定する。また、各ブレードグループＧ１…における任意の副ブレード３ｐａ…、例えば、副ブレード３ｐｂの場合、この副ブレード３ｐｂにおける法線Ｌｖとこの副ブレード３ｐｂの弦線Ｌｇ間の角度Ｒｓを、当該ブレードグループＧ１における主ブレード３ｐｍの外端部３ｐｍｏにおける法線Ｌｖとこの主ブレード３ｐｍの弦線Ｌｇ間の角度Ｒｍよりも大きく設定する。
このように設定すれば、最初に衝突したブレード３ｐ…から排出される流体Ｗを再利用する観点からの有効性を高めることができる。即ち、最初に衝突したブレード３ｐ…から排出される流体Ｗを回転方向Ｆｒ前方に隣接する主ブレード３ｐｍ…における回転力の発生が大きい位置に円滑かつ集中して衝突させることが可能となり、流体Ｗを効率的に再利用できるため、各ブレード３ｐ…の位置及び角度を設定する側面から更なる運動変換効率の向上に寄与できる利点がある。
よって、このようなタービン用羽根車１によれば、基本構成として、各ブレード３ｐ…の外端部３ｐｏ…を同一円Ｓ上に位置させ、かつ周方向Ｆｆに沿って所定間隔Ｌｃ…おきに配するとともに、全ブレード３ｐ…に対して、少なくとも三つ以上となる一定数量のブレード３ｐ…を含む少なくとも四つ以上のブレードグループＧ１，Ｇ２…に区分することにより、各ブレードグループＧ１…における回転方向Ｆｒ最後部に位置するブレード３ｐを主ブレード３ｐｍ，残りのブレード３ｐ…を副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…，にそれぞれ選定し、各副ブレード３ｐａ，３ｐｂ…の長さを主ブレード３ｐｍの長さよりも短く設定するとともに、各ブレード３ｐ…の外端部３ｐｏ…を通る法線Ｌｖ…に対して、対応する内端部３ｐｉ…を回転方向Ｆｒ前側に位置させ、かつ各ブレード３ｐ…の外端部３ｐｏ…と内端部３ｐｉ…を結ぶ弦線Ｌｇ…の延長線Ｌｇｅ…が回転方向Ｆｒ前方に隣接する主ブレード３ｐｍに対して、交差するように設定してなるため、流通する流体Ｗに臨ませた際は、当該流体Ｗの力を、無駄を生じることなく効率的に受けることができる。したがって、羽根車１の運動変換効率、更には小電力発電に係わる発電装置の総合的な発電効率をより高めることができる。
次に、タービン用羽根車１を用いた本実施形態に係る発電装置Ｍについて、図１３〜図１７を参照して説明する。
本実施形態に係る発電装置Ｍは、図１４に示すように、上述したタービン用羽根車１と、当該タービン用羽根車１における回転出力軸２をカップリング２５を介して回転入力シャフト１０ｓに結合し、回転出力軸２の回転力が付与される発電機１０と、タービン用羽根車１における流体作用部３の定位置に対して、流通する流体Ｗを作用させ、流体Ｗの力を付与する流体付与手段１１とを備えて構成する。
この場合、タービン用羽根車１は、後述する変更例のように、同軸上で結合した複数の流体作用部ユニット３１，３２…（図１８参照）の組合わせにより構成することも可能であるが、図１４に示すタービン用羽根車１は単一の流体作用部３を用いた場合を例示する。このように単一の流体作用部３を用いれば、羽根車１を最もシンプルな形態として低コストに実施できるため、廉価な発電装置Ｍとして提供できる利点がある。
また、発電機１０は、特定の発電機に限定されるものではなく、回転入力を電気出力に変換する機能を有するものであれば、公知の各種発電機を用いることができる。さらに、流体付与手段１１には、図１５に示す放出ノズル１２を使用することが望ましい。例示の場合、放出ノズル１２は、流体Ｗとして水（河川水等）を放出する機能を有し、特に、放出ノズル１２の噴射口１２ｅは矩形形状に選定する。図１５中、（ａ）は放出ノズル１２の一部断面平面図、（ｂ）は同正面図、（ｃ）は同一部断面側面図をそれぞれ示すとともに、（ｄ）に噴射口１２ｒｅが円形形状となる従来の放出ノズル１２ｒを比較用として仮想線で示す。例示の放出ノズル１２は、流体Ｗとして水（河川水等）を放出するが、流体Ｗとして、風（空気）を放出しても同様に実施可能である。このように、タービン用羽根車１には、流体Ｗとして水又は風を利用可能、即ち、流体Ｗの力には、風力又は水力のいずれも利用できるため、小電力発電システムを構築する際における多様な流体Ｗにより実施可能となり、汎用性及び実施の容易性に優れた小電力発電システムを提供できる。
図１６に、放出ノズル１２，１２ｒの噴射口１２ｅ，１２ｒｅの形状（矩形，円形），噴射口１２ｅ，１２ｒｅの断面積（１５３平方ｍｍ，３１３平方ｍｍ），流体作用部３におけるブレード３ｐ…の数量（３枚，４枚），ブレードグループＧ１…のグループ数（４グループ，６グループ）の組合わせに対する羽根車１の変換効率の関係を実験により求めた結果を示す。なお、横軸における、例えば、「４枚−４Ｇ」の表示は、１グループ当たりのブレード３ｐ…の数量（枚数）が４枚であって、ブレードグループＧ１…のグループ数が４グループであることを示している。この結果から明らかなように、放出ノズル１２，１２ｒの噴射口１２ｅ，１２ｒｅの形状は、矩形形状が円形形状よりも良好な結果を得ている。
このように、流体付与手段１１に、流体Ｗを放出する放出ノズル１２を使用すれば、タービン用羽根車１の目標位置に対して目的の流体Ｗを確実かつ効率的に付与することができる。この際、放出ノズル１２における噴射口１２ｅの形状を矩形形状に選定すれば、流体Ｗがブレード３ｐ…に衝突して羽根車１の回転運動に変換される際における運動変換効率の向上を図る観点から噴射口１２ｅの形状を選定できるため、流体Ｗと羽根車１間における運動変換の観点から当該噴射口１２ｅ形状の最適化を図ることができる。
なお、回転出力軸２の軸方向Ｆｓから見た噴射口１２ｅの先端形状は、図１７に示すように形成することができる。即ち、前述した図１４及び図１５等で示した先端形状は、放出方向に対して、略直角にカットした形状に選定したが、図１７に示す先端形状は、各ブレード３ｐ…の回転軌跡に沿わせた傾斜形状に選定したものである。この場合、図１７（ａ）に示すように、円形に形成した支持盤２１ｑ…の外周円に近接する円弧線Ｆｍｒに沿った傾斜形状であってもよいし、図１７（ｂ）に示すように、円形に形成した支持盤２１ｑ…の外周円の法線に対して垂直となる直線Ｆｍｓに沿った傾斜形状であってもよい。このような傾斜形状に選定すれば、噴射口１２ｅの全開口面をタービン用羽根車１に対して近接させることができるため、放出ノズル１２から放出した後における流体Ｗの空気抵抗等によるエネルギ損失を低減し、運動変換効率の更なる向上に寄与できる。
図１３に、小水力発電装置として構成した本実施形態に係る発電装置Ｍと既存の羽根車を備えた発電装置を対比して示す総合効率特性を示す。図中、「□」と「〇」は本実施形態に係る発電装置１であり、「□」は「４枚−４Ｇ」の流体作用部３を使用し、「〇」は「３枚−６Ｇ」の流体作用部３を使用したものである。即ち、本実施形態に係る発電装置１は、点線楕円により囲った範囲に包含される。最大出力としては、概ね５〜５０〔Ｗ〕程度となり、総合効率は、概ね７０〔％〕程度の高い効率を得ている。一方、「△」と「▽」は従来の発電装置であり、「△」は一般既設例、「▽」は市販カタログ値を示している。従来の発電装置では、最大出力として、概ね１０〜３００〔Ｗ〕のものが含まれるとともに、総合効率は、ほとんどが６０〔％〕未満である。このように、本実施形態に係る発電装置Ｍは高い総合効率を得ることができる。
次に、タービン用羽根車１の変更例について、図１８〜図２０を参照して説明する。
図１８及び図１９に示す変更例に係るタービン用羽根車１は、流体作用部３を構成するに際し、同軸上で結合した複数の流体作用部ユニット３１，３２…の組合わせにより構成したものである。即ち、図１４に示した標準的な流体作用部３の軸方向Ｆｓにおける厚さを薄く構成（例示は１／２に構成）した流体作用部ユニット３１を複数（例示は二つ）用意し、一方を流体作用部ユニット３１、他方を流体作用部ユニット３２として回転出力軸２における同軸上で結合したものである。
この場合、流体作用部ユニット３１と３２を結合するに際しては、回転方向Ｆｒの相対位置が一致するように配してもよいし、例示のように、回転方向Ｆｒの相対位相角度を異ならせて配してもよい。回転方向Ｆｒの相対位相角度を異ならせる場合、最大位相角度は、例示のように、４５〔°〕となるが、設定する相対位相角度の大きさは任意に設定できる。なお、図１９中、３ｐｍ１は流体作用部ユニット３１の主ブレードを示し、３ｐｍ２は流体作用部ユニット３２の主ブレードを示す。
このような変更例に係るタービン用羽根車１は、組合わせる流体作用部ユニット３１，３２…の数量を任意に選定できるとともに、各流体作用部ユニット３１…の軸方向Ｆｓにおける厚さも任意に設定できる。図１８及び図１９において、２５…は、流体作用部ユニット３１と３２を結合するボルトナット、即ち、流体作用部ユニット３１の支持盤２１ｑと流体作用部ユニット３２の支持盤２１ｐを結合するボルトナットを示す。
したがって、図１８及び図１９に示す変更例に係るタービン用羽根車１は、流体作用部３を、同軸上で結合した複数の流体作用部ユニット３１，３２…の組合わせにより構成するため、発電能力の大小による各種の発電装置Ｍ…を容易かつ低コストに得ることができる。また、この場合、各流体作用部ユニット３１，３２…は、回転方向Ｆｒの相対位相角度を異ならせて配することができるため、主ブレード３ｐｍ…の数量を実質的に増加させ、主ブレード３ｐｍ…に対して流体Ｗが与える一回の衝突当たりの力を小さくし、円滑な回転力を発生させることができる。これにより、運動変換効率の更なる向上を実現できるとともに、騒音／振動の低減に寄与できる。
一方、図２０に示す変更例に係るタービン用羽根車１は、タービン用羽根車１を構成する支持盤２１ｐ，２１ｑにおける外周縁の断面を尖形形状又は丸み形状に形成したものであり、図２０（ａ）は、タービン用羽根車１を単一使用する場合であって、支持盤２１ｐ，２１ｑにおける外周縁の断面を丸み形状に形成した例を示すとともに、図２０（ｂ）は、タービン用羽根車１を流体作用部ユニット３１…として構成し、二つの流体作用部ユニット３１，３２を結合して使用する場合であって、支持盤２１ｐ，２１ｑにおける外周縁の断面を尖形形状に形成した例を示す。支持盤２１ｐ，２１ｑにおける外周縁の断面をこのような尖形形状又は丸み形状に形成すれば、流体Ｗが衝突した際の無用な乱流現象や飛散現象を低減できるため、運動変換効率の無用な低下防止に寄与できる利点がある。
以上、変更例を含む好適実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。
例えば、流体Ｗの力には、風力，水力をはじめ、蒸気やガス等の各種流体Ｗの力を利用可能である。また、数量に関して、ブレードグループＧ１…の数として４〜６、各グループＧ１…におけるブレード３ｐ…の数として３〜５を例示したが、羽根車１の大きさ等に対応して最適となる任意の数量を選定できる。さらに、各ブレード３ｐ…の外端部の周方向に沿った間隔Ｌｃ…を一定間隔に設定することが望ましいが、不等間隔に設定する場合を排除するものではない。他方、発電装置Ｍは、最もシンプルな構成を例示したが、様々な付属機器や付加機構を追加可能である。また、流体付与手段１１として、流体Ｗを放出する放出ノズル１２を使用した場合を例示したが、放出ノズル１２における噴射口１２ｅの形状は例示以外の各種形状、例えば、楕円形状などの各種形状を排除するものではない。なお、羽根車１の回転出力軸２と発電機１０の回転入力シャフト１０ｓは歯車等の増減速装置（機構）を介して結合することも可能である。
本発明に係る発電装置は、特に、小電力発電を行う風力発電或いは水力発電等の各種発電システムに利用することができる。なお、小電力発電とは電力の容量範囲を特定するものではなく、本発明を適用可能な範囲を全て含む概念である。したがって、マイクロ電力発電，中規模電力発電等、用語に特定されない各種発電方式を包含する概念である。
１：タービン用羽根車，２：回転出力軸，３：流体作用部，３ｐ…：ブレード，３ｐｏ…：ブレードの外端部，３ｐｉ…：ブレードの内端部，３ｐｍ：主ブレード，３ｐａ…：副ブレード，３ｐｍｏ：主ブレードの外端部，３ｐａｏ…：副ブレードの外端部，１０：発電機，１１：流体付与手段，１２：放出ノズル，１２ｅ：放出ノズルの噴射口，３１：流体作用部ユニット，３２：流体作用部ユニット，Ｆｆ：周方向，Ｆｒ：回転方向，Ｆｓ：軸方向，Ｌｃ…：所定間隔（外端部同士間の間隔），Ｌｉ…：内端部同士間の間隔，Ｌｖ…：法線，Ｌｇ…：弦線，Ｌｇｅ…：弦線の延長線，Ｗ：流体，Ｓ：同一円，Ｇ１…： ブレードグループ，Ｍ：発電装置，Ｒｍ：法線と弦線間の角度，Ｒｓ…：法線と弦線間の角度

Claims (8)

  1. 回転出力軸の周囲の周方向へ所定間隔おきに配し、流通する流体の力が付与される複数のブレードを有するとともに、各ブレードの外端部を、前記回転出力軸の軸方向から見て、同一円上に位置させた流体作用部を設けたタービン用羽根車を備える発電装置であって、前記各ブレードを、前記軸方向から見て、曲線のみ，又は曲線と直線を組合わせた形状に選定し、かつ中間位置を回転方向前方に膨出させた曲線形状に選定するとともに、前記各ブレードを、対峙する一対の円形に形成した支持盤間に配して前記流体作用部を構成し、全ブレードを、三つ以上となる一定数量のブレードを含む四つ以上のブレードグループに区分し、かつ各ブレードグループのブレードを回転方向最後部に位置する主ブレードと他の副ブレードに選定し、各ブレードグループの構成条件として、各ブレードの外端部を通る法線に対して、対応する内端部を回転方向前側に位置させ、かつ各ブレードの弦線の延長線を回転方向前方に隣接する主ブレードに交差させること，各副ブレードの長さを主ブレードの長さよりも短く設定し、かつ各副ブレードの両端距離を回転方向前側に行くに従って漸次短く設定すること，主ブレードの弦線とこの主ブレードの外端部を通る前記円の法線間の角度を１２〜２２°の範囲に選定すること，各ブレードの内端部同士間の間隔を対応する外端部同士間の間隔よりも狭く設定するとともに、任意の副ブレードの弦線とこの副ブレードの外端部を通る前記法線間の角度を、主ブレードの外端部を通る前記法線とこの主ブレードの弦線間の角度よりも大きく設定すること，を満たすタービン用羽根車と、当該タービン用羽根車の回転力が付与される発電機と、放出ノズルから前記流体を放出して前記タービン用羽根車の流体作用部に流体の力を付与する流体付与手段とを備えることを特徴とする発電装置。
  2. 前記流体の力には、風力，水力，の一方を含むことを特徴とする請求項１記載の発電装置。
  3. 前記流体作用部は、前記ブレードの一部又は全部における外端部の断面形状を、尖形形状又は丸み形状に選定してなることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
  4. 前記流体作用部は、単一で使用，又は流体作用部ユニットとして構成することにより複数の当該流体作用部ユニットを同軸上で結合して使用することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
  5. 前記複数の流体作用部ユニットは、回転方向の相対位相角度を異ならせて配することを特徴とする請求項４記載の発電装置。
  6. 前記支持盤は、外周縁の断面を尖形形状又は丸み形状に形成してなることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
  7. 前記放出ノズルは、噴射口を矩形形状に選定することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
  8. 前記放出ノズルは、前記回転出力軸の軸方向から見た噴射口の先端形状を、前記タービン用羽根車における各ブレードの回転軌跡に沿わせた傾斜形状に選定することを特徴とする請求項１又は７記載の発電装置。
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