JP7466925B2

JP7466925B2 - 風車発電装置

Info

Publication number: JP7466925B2
Application number: JP2021209432A
Authority: JP
Inventors: 壮一郎浅井; 邦光佐藤; 則雄清徳; 康隆吉場
Original assignee: GREEN POWER BY ACCELERATED FLOW RESEARCH LIMITED LIABILITY COMPANY
Current assignee: GREEN POWER BY ACCELERATED FLOW RESEARCH LIMITED LIABILITY COMPANY
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2024-04-15
Anticipated expiration: 2041-12-23
Also published as: JP2023094138A; WO2023119683A1; DE112022002453T5

Description

本発明は、風車発電機がヨー機能を発揮して風向きに正対し、風車及び発電機の回転効率を向上せしめて発電電力を高めるとともに、高さの問題、設置の安定性等を改良した風車発電装置に関する。

近年、地球温暖化防止が叫ばれ、新しいクリーンエネルギーの開発が急務となっている。このクリーンエネルギーとして注目されているのがＣＯ_２を排出しない風力発電システムである。しかし、風力発電は、現在開発中であるが、現状では石油代替えエネルギーとしての位置は低い。そのため、風力エネルギーを有効に捕捉する手段を開発していかなければならない。

現状の風力発電システムは揚力型のプロペラ式風車が主流となっている。このプロペラ式風車の場合は長大なブレード（プロペラ翼）を必要とするためとするとともに、そのエネルギー効率は４０％前後であり、風力エネルギーの４０％前後を捕捉しているのが現状である。ちなみに理論的最高効率５９．３％（ベッツの法則）である。

前記の風力発電システムは、（１）できる限り回転直径の大きな羽根を備え、（２）できる限り高い位置に、（３）できる限り風が吹く場所に設置する、という方向で発展してきた。しかし、できるだけ多くの風を捕捉するために羽根の直径を大きくした場合にはその支柱を高くしなければならず、結果として強風に対して不安定になり、強風時には羽根の回転を停止しないと装置の損壊を招くという問題があった。したがって、高さの問題、設置の安定性に問題を有し、建設費にしても数億円と莫大である。

さらに、風力発電機の回転効率を向上せしめて発電効率を向上せしめて発電電力を高めるためには、風力発電機を風向きに正対するように制御する必要がある。
従来、風向計により複数の風向データを取得し、風向データとヨー誤差の関係を予め記憶したデータベースから、前記取得した複数の風向データに対応するヨー誤差を読み取る風況計測方法、風力発電装置が提案されている（特許文献１）。しかし、いずれも風向計及び複雑な制御装置等を必要としている。

その他、本発明に応用できる集風型風車が提案されている（特許文献２乃至４）。

特開２０２０－１９３６０５号公報特開２０１１－１４０８８７号公報特許第６０３３８７０号公報特許第６１１０４５５号公報

本発明は前記の事情に鑑み、風車発電機がヨー機能を発揮して風向きに正対し、風車及び発電機の回転効率を向上せしめて発電電力を高めるとともに、高さの問題、設置の安定性等を改良した風車発電装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の風車発電装置は、回動円盤と、風車、発電機及び集風体からなる風車発電機と、からなり、該風車発電機を前記回動円盤の中心から離れた地点に前記集風体の風流入口を回動円盤の中心に向けて支持したことを特徴とする（請求項１）。

前記本発明によれば、風車発電機が回動円盤の中心から離れた地点に支持される。さらに、集風体の風流入口を回動円盤の中心に向けて風車発電機が支持される。

したがって、風が風車発電機に当たると該風車発電機は自動的に回動円盤の中心よりも風下側に移動させられて全方向の風向きに正対する。

すなわち、風向きに対して自動的にヨー機能が働き、風が風車発電機に継続的に供給されて風車及び発電機の回転効率が向上させられて発電電力が高められる。さらに、本発明は、別途風向計及びそのデータの制御装置など複雑な装置を必要としない。

本発明の実施の一形態は、前記回動円盤が中心支柱を有し、前記風車発電機が支持柱を有し、該支持柱と前記中心支柱とによりに風車発電機を支持したことを特徴とする（請求項２）。この実施の一形態によれば、中心支柱を利用することにより集風体の風流入口を回動円盤の中心に向けて支持することが容易になるととともに風車発電機の取り付け強度を増すことができる。

本発明の実施の一形態は、集風体は、その断面積が風流入口から風車の設置さ
れた位置までの間で直線的又は曲線的に縮小するように形成されている前方集風
体と、その縮小した断面積が風車の設置された位置から風流出口までの間で直線
的若しくは曲線的に拡大するか又は同じ断面積を保持するように形成されている
ことを特徴とする（請求項３）。

この実施の一形態によれば、風車に集められた風の速度が増して風車及び発電機の回転効率が向上して発電電力が高められる。

本発明の実施の一形態は、前記集風体は、短辺部及び長辺部を有する断面略長方形状であり、前記風車と集風体の長辺部間との間隔を最小として、集風体の短辺部と長辺部の比を１～１０倍とするとともに後方集風体の出口部分の短辺部と長辺部の比を１～１０倍としたことを特徴とする（請求項４）。

ここで断面略長方形状とは短辺部及び長辺部を有する楕円形その他の多角形も含まれる。この実施の一形態によれば、集風体を円形状や正方形状とした場合に比べて風車の脇を流れる風速を風車の上下に逃がすことなく風車の両側の空間部へ供給して風車の背面の速度が低下した気流を効果的に叩き出して風車背面の気流の速度エネルギーを回復させることができる。

まず、風流入口から風を受けると、該風が前方集風体を通って断面略長方形状の縮小部に設置された風車に至り該風車を回転させる。同時に、風車の両側の空間部からの高速気流が吹き抜ける。そして、風車によってエネルギーが奪われた風車背面の速度の低下した気流を、風車の両側の空間部から吹き抜ける高速気流が叩き出して風車背面の気流の速度エネルギーを回復させる。その結果、断面積が風流入口から風車の設置された位置までの間で直線的又は曲線的に縮小するように形成された前方集風体により風の速度を上げて風車に導かれて風車を通過する風の量及び速度が上昇させられて後方集風体に供給される。

つぎに、前記風車を通過した風は後方集風体に供給される。該後方集風体は縮小した断面積が風車の設置された位置から風流出口までの間で直線的若しくは曲線的に拡大するか又は同じ断面積を保持するように形成されている。該後方集風体に供給された前記風車を通過し風に対し、後方集風体の外側を吹き抜ける、より速い、より低圧の気流と接触させて混合・摩擦・吸収により供給された、より低速、より高圧の後方集風体内の風を風流出口から引きずり出し、再度、風車を通過する風の量及び速度を上昇させる。すなわち、二段構えの風速加速により風車背面の風速を上げ、風車の回転効率を向上せしめて、発電効率を高めるものである。

さらに、前記風車と集風体の長辺部間との間隔を最小として、集風体の短辺部と長辺部の比を１～１０倍とするとともに後方集風体の出口部分の短辺部と長辺部の比を１～１０倍とされる。該比１～１０倍において、前記比１０倍を超えると面積に対する周長／面積比の増加が大きくならない。また、１０倍を超えると装置の大型化を招くという問題も生じるものである。

本発明の実施の一形態は、集風体の風流出口の口縁に集風体の外側の風を分散し集風体の外側の風が集風体内の風との接触面積を増やす形状の風分散部を設けたことを特徴とする（請求項５）。この実施の一形態によれば、風車の後方に小さい流速で存在する風を強制的に追い出すことができ、風車及び発電機の回転効率を向上せしめて発電電力を高めることができる。

本発明によれば、自動ヨー制御により風車発電機の回転効率を向上せしめて発電電力を高めるとともに、高さの問題、設置の安定性等が改良された風車発電装置を提供することができる。

本発明の実施の一形態に係る集風型風車の要部平面図である。図１の要部側面図である。図１の要部正面図である。本発明の他の実施の一形態に係る集風型風車の要部平面図である。図４の要部側面図である。図４の要部正面図である。切り欠き突起風分散部の正面図である。星形風分散部（ａ）（ｂ）（ｃ）の正面図である。鍔状風分散部の正面図である。歯車形風分散部の正面図である。

以下に本発明の実施の一形態を図1乃至図３について説明する。

本発明の風車発電装置は、回動円盤１と、風車２、発電機３及び集風体４から
なる風車発電機５と、によって構成される。

前記回動円盤１は、固定基台６上に配置した複数のローラ７を介して支持されて、その中心Ｃを軸に回動自在に構成されている。さらに、前記中心Ｃには中心支柱８が設けられる。該中心支柱８は、前記固定基台６部に設けたベアリング９により回転自在に構成されている。

前記風車発電機５は前記集風体４の内部に風車２及び発電機３が配置された構成である。該風車発電機は前記回動円盤１の中心から離れた地点に前記集風体４の風流入口１０を前記回動円盤１の中心に向けて支持される。集風体４は、その断面積が風流入口１０から風車２の設置された位置までの間で直線的又は曲線的に縮小するように形成されている前方集風体１１と、その縮小した断面積が風車２の設置された位置から風流出口１２までの間で直線的若しくは曲線的に拡大するか又は同じ断面積を保持するように形成されている後方集風体１３とからなり、且つ短辺部１４及び長辺部１５を有する断面略長方形状である。

さらに、図３及び図６に示すように、前記風車２と集風体４の長辺部１５間との間隔を最小として集風体４の短辺部１４と長辺部１５の比を１～１０倍とするとともに後方集風体１３の出口部分の短辺部２１と長辺部２２の比を１～１０倍とされる。なお、前記集風体４は本風車発電装置の設置場所に合わせて横長あるいは縦長にして使用される。

さらに、集風体４の風流出口１２の口縁に集風体４の外側の風を分散し集風体４の外側の風が集風体４内の風との接触面積を増やす形状の風分散部が設けられる。図７には切り欠き突起分散部１６を示す。なお、風分散部の形状を問わない。例えば、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す星形分散部、図９に示す鍔状分散部、図１０に示す歯車型分散部、その他の形状であってもよい。

本発明は、前記風車発電機５を構成する風車２、発電機３及び集風体４が前記回動円盤１の中心Ｃから離れた地点に支持される。さらに前記集風体４の風流入口１０を回動円盤１の中心Ｃに向けて風車発電機５が支持される。

本発明では、風車発電機５を支持柱１８と中心支柱８とによって支持するとともに風車発電機５の主軸１７の両端部を前記中心支柱８と別に設けた主軸支柱１９により回動円盤１上に支持している。

前記構成にあって、回動円盤１は回動自在である。したがって、風車発電機５に風が当たると回動円盤１が回転し、同時に風車発電機５は回動円盤１の中心Ｃよりも風下側に移動させられてその集風体４の風流入口１０が全方向の風向きに正対する。

風車発電機２の集風体４の風流入口１０が風向きに常に正対することにより風車１０が常に風を捕捉しつつ回転させられて発電機３の回転効率が向上して発電効率が高められる。

つぎに、図４乃至図６の実施例について説明する。なお、図１乃至図３と共通する符号は同一符号で表す。

この実施例は、風車２及び発電機３を中心支柱８と風車発電機５の支持柱１８によって支持し、集風体４の両端部を支持柱２０により支持し、風力に対する強度の向上を図っている。

風車発電装置がヨー機能を発揮して風向きに正対し、風車及び発電機の回転効率を向上せしめて発電電力を高めることができるのでその利用分野は広大である。

１回動円盤
２風車
３発電機
４集風体
５風車発電機
１０風流入口
１２風流出口

Claims

回動円盤と、風車、発電機及び集風体からなる風車発電機と、からなり、該風車発電機を前記回動円盤の中心から離れた地点に前記集風体の風流入口を回動円盤の中心に向けて支持したことを特徴とする風車発電装置。
前記回動円盤が中心支柱を有し、前記風車発電機が支持柱を有し、該支持柱と前記中心支柱とにより前記風車発電機を支持したことを特徴とする請求項１に記載の風車発電装置。
前記集風体は、その断面積が風流入口から風車が設置された位置までの間で直線的又は曲線的に縮小するように形成されている前方集風体と、その縮小した断面積が風車の設置された位置から風流出口までの間で直線的若しくは曲線的に拡大するか又は同じ断面積を保持するように形成されている後方集風体とからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の風車発電装置。
前記集風体は、短辺部及び長辺部を有する断面略長方形状であり、前記風車と集風体の長辺部間との間隔を最小として、集風体の短辺部と長辺部の比を１～１０倍とするとともに後方集風体の出口部分の短辺部と長辺部の比を１～１０倍としたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の風車発電装置。
集風体の風流出口の口縁に集風体の外側の風を分散し集風体の外側の風が集風体内の風との接触面積を増やす形状の風分散部を設けたことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の風車発電装置。