JP6632805B2 - 翼車および自然エネルギー発電機 - Google Patents
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Description
ストレート部51の長さLvを確保したうえで、繋ぎ部53の角度θを大きくすることも考えられる。この場合も前記のように翼50の全長Laが規定されていることから、ウイングレット52の水平方向長さLhが短くなる。そうすると翼端渦を低減する効果が劣る。
前記翼は、前記主軸に対し平行に延びるストレート部と、このストレート部の両側の端部から延びる翼先端部とを有し、この翼先端部は、同翼先端部を前記主軸の軸心を含む平面で切断した断面が、基端から先端に向かうに従って前記ストレート部から一方に離れるように傾斜した第1の傾斜部分と、基端から先端に向かうに従って前記第1の傾斜部分とは逆側に遠ざかるように傾斜した第2の傾斜部分とでなる二股に分岐する断面形状とし、前記第1の傾斜部分および第2の傾斜部分は、いずれも先端に向かうに従って幅狭となりかつ先端に向かうに従って薄肉となることを特徴とする。
前記翼車は、風車または水車である。
この発明の翼車において、前記第2の傾斜部分におけるストレート部長さ方向の長さが、前記第1の傾斜部分におけるストレート部長さ方向の長さよりも短くてもよい。
また、この発明の翼車において、前記第2の傾斜部分における水平方向長さは、第1の傾斜部分の水平方向長さよりも短い翼車。
特に翼先端部を第1,第2の傾斜部分で二股に分岐させたため、第1の傾斜部分における翼先端からストレート部までの水平方向長さに、第2の傾斜部分における翼先端からストレート部までの水平方向長さを加えた翼先端部全体の水平方向長さを長く確保することができる。このように二股に分岐させた翼先端部は、前述の一段に傾斜させた従来例に比べて、翼先端部に局部的に急な屈曲部分を生じさせることなく、翼先端部の水平方向長さを翼先端部全体として長く確保することができる。そのため、翼全体の長さを一定とした場合に、翼先端部の水平方向長さを所望長さに確保しながら、ストレート部の長さを長く確保できて所望の受風面積または受水面積を確保し得る。以上のように翼先端からの翼端渦を確実に低減できるうえ、所望の受風面積または受水面積を確保し得るため、僅かな微風または低流速の水でも回転が可能となる。また翼先端部の第1,第2の傾斜部分を互いに離れるように二股に分岐させたため、一方にのみ傾斜させた翼先端部よりも曲げモーメントを低減し得る。
このようにストレート部の長さを長く得られるため、翼が受けるエネルギーに対して回転エネルギーに変換する変換効率を高めることができる。また、翼先端部の水平方向長さを所望長さに確保することで、翼先端から発生する翼端渦を確実に低減でき、かつ翼先端部の局部的な曲がり角度を緩やかにできるため、翼先端部の曲がり部に作用する応力を低減でき、翼の強度を向上させることができる。
前記翼は、前記垂直主軸と平行に延びるストレート部と、このストレート部の両端部から延びる翼先端部とを有し、この翼先端部は、同翼先端部を前記垂直主軸の軸心を含む平面で切断した断面が、基端から先端に向かうに従って前記垂直主軸側に近づくように傾斜した第1の傾斜部分と、基端から先端に向かうに従って前記垂直主軸側とは逆側に遠ざかるように傾斜した第2の傾斜部分とでなる二股に分岐する断面形状としたことを特徴とする。
前記翼車は、風車または水車である。
特に翼先端部を第1,第2の傾斜部分で二股に分岐させたため、第1の傾斜部分における翼先端からストレート部までの水平方向長さに、第2の傾斜部分における翼先端からストレート部までの水平方向長さを加えた翼先端部全体の水平方向長さを長く確保することができる。このように二股に分岐させた翼先端部は、前述の一段に傾斜させた従来例に比べて、翼先端部に局部的に急な屈曲部分を生じさせることなく、翼先端部の水平方向長さを翼先端部全体として長く確保することができる。そのため、翼全体の長さを一定とした場合に、翼先端部の水平方向長さを所望長さに確保しながら、ストレート部の長さを長く確保できて所望の受風面積または受水面積を確保し得る。以上のように翼先端からの翼端渦を確実に低減できるうえ、所望の受風面積または受水面積を確保し得るため、僅かな微風または低流速の水でも回転が可能となる。
このようにストレート部の長さを長く得られるため、翼が受けるエネルギーに対して回転エネルギーに変換する変換効率を高めることができる。また、翼先端部の水平方向長さを所望長さに確保することで、翼先端から発生する翼端渦を確実に低減でき、かつ翼先端部の局部的な曲がり角度を緩やかにできるため、翼先端部の曲がり部に作用する応力を低減でき、翼の強度を向上させることができる。
このように自励式で前記初期励磁手段を設けた発電機は、僅かなトルクで回転可能でかつ確実に発電が可能という利点が得られる。一方、前述の二股に分岐させた翼先端部を有する翼車は変換効率を高め得る。特に、二股に分岐させた翼先端部を有する垂直主軸型の翼車と、自励式で前記初期励磁手段を設けた発電機とを組み合わせることで、従来の自然エネルギー発電機では発電効率が悪かった環境下においても必要十分な発電を行うことが可能となる。また微風または低流速の水でも回転が生じる翼車の利点と、僅かなトルクで回転できて発電できる発電機の特徴が効果的に組み合わされることになり、従来の自然エネルギー発電機では発電できなかったごく僅かな微風または低流速の水での発電が可能となる。
各架設部材21c,21cの長手方向中間部に、それぞれ軸受27,27を介して垂直主軸22が回転自在に支持されている。垂直主軸22は上下方向に延び、この垂直主軸22の下端部が、基台25の内部に繋がっている。垂直主軸22の長手方向中間付近部から複数の支持体23がそれぞれ半径方向外方に延びるように設けられている。これら支持体23は、例えば、この翼車18の正面視において平行で、且つ、同翼車の平面視において同位相となるように設けられている。
図1および図4に示すように、複数(この例では2枚)の翼24は、それぞれ垂直主軸22の軸心L1(図2)に垂直な平面で切断して見た断面が翼24の回転方向に対し非対称で、且つ、同断面にて厚肉側となる部分(同図4上側部分)を各翼24の回転方向先端としている。さらに各翼24のストレート部28の外側面28aを半径方向外方に凸となる湾曲面とし、ストレート部28の内側面28bの大部分を平坦面28baとしている。
特に翼先端部29を第1,第2の傾斜部分29a,29bで二股に分岐させたため、第1の傾斜部分29aにおける翼先端からストレート部28までの水平方向長さLhaに、第2の傾斜部分29bにおける翼先端からストレート部28までの水平方向長さLhbを加えた翼先端部全体の水平方向長さ(Lha+Lhb)を長く確保することができる。このように二股に分岐させた翼先端部29は、前述の一段に傾斜させた従来例に比べて、翼先端部29に局部的に急な屈曲部分を生じさせることなく、翼先端部29の水平方向長さ(Lha+Lhb)を翼先端部全体として長く確保することができる。そのため、翼全体の長さを一定とした場合に、翼先端部29の水平方向長さ(Lha+Lhb)を所望長さに確保しながら、ストレート部28の長さLvを長く確保できて所望の受風面積または受水面積を確保し得る。以上のように翼先端からの翼端渦を確実に低減できるうえ、所望の受風面積または受水面積を確保し得るため、僅かな微風または低流速の水でも回転が可能となる。また第1,第2の傾斜部分29a,29bを互いに離れるように二股に分岐させたため、一方にのみ傾斜させた翼先端部よりも曲げモーメントを低減し得る。
翼先端部29は、基端から先端に向かうに従って幅狭となる先細形状としたため、翼先端を例えば平坦形状とするよりも翼端渦をより低減することができる。したがって、翼24が受けるエネルギーに対して回転エネルギーに変換する変換効率をさらに高めることができる。
以下の説明においては、各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
主軸22に対し半径方向外方に延びる水平軸式である。つまり主軸22はその軸心L1回りに回転自在に設けられ、この主軸22の外周に円周方向一定間隔おきに複数(例えば、2〜5枚程度:図6(A)では一枚のみ表示している)の翼24Aが固定される。翼24Aのストレート部28Aは、図6(A)に示す正面視で基端から先端に向かうに従って幅広に形成される。その他前述の実施形態と同一構成となっている。翼24Aは主軸22の回転軸心から離れる程トルクを大きく確保し得る。なお、翼先端部29を傾斜させる方向を、主軸22の基端側に向けても良いし、主軸22の先端側に向けても良い。この構成によると、ストレート部28Aが基端から先端に向かうに従って幅広に形成される、つまり面積が大きくなっているため、トルクを大きく確保できるストレート部28Aの先端の変換効率をより高め得る。また翼先端部29を前述のように二股に分岐させた断面形状としたため、翼24Aが受けるエネルギーに対して回転エネルギーに変換する変換効率を高めると共に、翼24Aの強度を向上することができる。
基台25(図2)の内部には、垂直主軸22(図2)の回転により後述のロータ5を回転させ発電を行う発電機26が設けられている。図7は、発電機26の発電機本体1の破断正面図と回路図とを組み合わせた説明図である。同図7において、発電機26の発電機本体1は、環状のステータ4と、このステータ4の内側にステータ4の中心周りで回転自在に設置されたロータ5とを有する。例えば、このロータ5と前述の垂直主軸(図2)とが同軸に連結されている。ステータ4は出力鉄心6と出力巻線7とを有する。この実施形態は2極発電機に適用した例であり、出力鉄心6は、円環状のヨーク部6aの円周方向2箇所に、内側へ突出する歯状の磁極部6bが形成されている。各磁極部6bに前記出力巻線7が巻かれている。
図9に示すように、主界磁巻線9には並列に整流素子11が接続されているため、主界磁巻線9には整流素子11が流すことができる向きの電流が流れる。そのため、主界磁巻線9に流すことができる電流によって決まる向きの磁束が発生する。また、電磁誘導により、電流がつくる磁束と同方向の磁束の減少を妨げる向きに電流が流れるが、磁束が増えるのを阻止する向きには電流は流れない。そのため、磁束の減少は妨げられるが、磁束の増加は妨げられない。副界磁巻線10には直列に整流素子12が接続され、主界磁巻線9と同じ方向の電流のみが流れる。
発電機26が自励式であるため、他励のための給電が不要で構成が簡単であり、また磁界を与える永久磁石が不要で、コギングトルクも問題とならない程度に小さい。コギングトルクが小さいため、小さなトルクで始動させることができる。始動時は磁界が必要であり、残留磁束があれば始動できるが、長期の放置や保守で残留磁束が消滅することがあり、残留磁束が消滅していると始動することができない。しかし、前記初期励磁手段2を設けることで、確実な始動が行える。界磁となる磁束は回転するに従って増大するため、初期励磁に必要な磁束は僅かであり、前記コギングトルクへの影響も小さくて、僅かなトルクで回転を開始し発電が行える。
第1の傾斜部分29aの内面側部分29aa,外面側部分29abは、それぞれ基端からある一定の位置まで、定められた曲率半径から成るものとし、前記一定の位置から先端まで二次曲線等の放物線状の曲線から成るものとしても良い。この曲率半径と放物線状の曲線との関係を逆にしても良い。その他曲率半径と放物線状の曲線とを複合的に組み合わせたものとしても良い。第2の傾斜部分29bについても、前述の第1の傾斜部分29aと同様の変更を行っても良い。
翼枚数は一段当たり二枚に限定されるものではなく、3枚以上としても良い。
発電機26は、界磁の生成に永久磁石を用いた同期発電機を用いても良い。
1本の垂直主軸22に対して複数の発電機26を設け、前記1本の垂直主軸22の回転により各発電機26を個別に発電することも可能である。
4…ステータ
5…ロータ
6…出力鉄心
7…出力巻線
8…界磁鉄心
9…主界磁巻線
10…副界磁巻線
11,12…整流素子(整流手段)
18…翼車
19…自然エネルギー発電機
22…垂直主軸(主軸)
23…支持体
24…翼
26…発電機
28…ストレート部
29…翼先端部
29a…第1の傾斜部分
29b…第2の傾斜部分
Claims (5)
- 軸心回りに回転自在に設けられる主軸と、この主軸に固定され風または水を受けて回転する翼とを備えた翼車であって、
前記翼は、前記主軸に対し平行に延びるストレート部と、このストレート部の両側の端部から延びる翼先端部とを有し、この翼先端部は、同翼先端部を前記主軸の軸心を含む平面で切断した断面が、基端から先端に向かうに従って前記ストレート部から一方に離れるように傾斜した第1の傾斜部分と、基端から先端に向かうに従って前記第1の傾斜部分とは逆側に遠ざかるように傾斜した第2の傾斜部分とでなる二股に分岐する断面形状とし、前記第1の傾斜部分および第2の傾斜部分は、いずれも先端に向かうに従って幅狭となりかつ先端に向かうに従って薄肉となり、前記翼車は、前記翼が前記主軸に支持体を介して前記主軸から半径方向に離れた位置で連結された垂直軸式であることを特徴とする翼車。 - 請求項1に記載の翼車において、前記第2の傾斜部分におけるストレート部長さ方向の長さは、前記第1の傾斜部分におけるストレート部長さ方向の長さよりも短い翼車。
- 請求項1または請求項2に記載の翼車において、前記第2の傾斜部分における水平方向長さは、第1の傾斜部分の水平方向長さよりも短い翼車。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の翼車と、この翼車により駆動される発電機とを備える自然エネルギー発電機。
- 請求項4に記載の自然エネルギー発電機において、前記発電機は、出力巻線が巻かれた出力鉄心と、主界磁巻線および副界磁巻線が巻かれた界磁鉄心とのいずれか一方がステータとなり、他方がロータとなり、前記各界磁巻線に整流手段が接続され、前記翼が回転し前記ステータとロータとが相対回転することにより発電電力を得る自励式であって、発電の初期励磁に必要な程度の磁力を生じさせる初期励磁手段を有する自然エネルギー発電機。
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