JPH07103842B2 - 風力熱変換装置、及びその発熱器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、風力の変動に対して常
に最適な熱変換効率が保持される風力熱変換装置、及び
その発熱器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】風力エネルギを動力として用いる歴史は
古く、今日では風車により発電機を駆動させる風力発電
が主流となっている。しかし、風力発電は、出力・周波
数等に変動があるため、定常的な電力源として用いにく
く、その多くが水等を媒体とする蓄熱用に供されている
のが現状である。そのため、近年では、風力エネルギを
直接熱エネルギに変換する風力熱変換が、経済的にも優
れており、関心が高まっている。

【０００３】風力熱変換装置には、例えば管路にオリフ
ィスを設け、風力エネルギにより循環ポンプを駆動し、
この循環ポンプで液状流体を管路に循環させるものがあ
る。このような風力熱変換装置では、オリフィスを通過
する液状流体が高速となり、高速となった液状流体がオ
リフィス下流の低速流体に衝突し、流体同士がいわゆる
摩擦熱により昇温することで、熱エネルギが抽出され
る。

【０００４】一方、風力熱変換装置には、円筒形水槽内
で回転体を駆動し、水槽内面と回転体との間に介在する
流体の摩擦により熱エネルギを抽出するものがある。図
４は従来の風力熱変換装置の水ブレーキ式発熱器を表す
縦断面図、図５は円筒水槽と回転体との近接部を表す平
面図を示す。

【０００５】図４に示すように、熱媒体である水が満た
される円筒形の水槽１の側面上部には排水口３が設けら
れ、排水口３の下方の側面には給水口５が設けられてい
る。排水口３、及び給水口５は、図示しない蓄熱槽に接
続され、昇温した水が循環されることで熱エネルギの授
受が行われる。水槽１の内周側面には、鉛直方向に延び
る長板状の固定羽根７が水槽１の中心方向に複数枚突設
されている（図５参照）。水槽１の中心には図示しない
風車と連結した縦軸９が回動自在に支持され、縦軸９の
下端には水槽１に内設される円筒状の回転体１１が設け
られている。回転体１１の外周には鉛直方向に延びる長
板状の回転羽根１３が放射状に複数枚突設され、回転羽
根１３は僅かな間隙を隔てて固定羽根７と対向している
（図５参照）。

【０００６】このように構成される水ブレーキ式発熱器
（発熱器）１５において、風車が回転すると縦軸９が駆
動され、回転体１１が水槽１内で回転する。回転体１１
が回転することで水槽１内に満たされた水は、固定羽根
７と、回転羽根１３との僅かな間隙で激しく衝突し、い
わゆる摩擦熱により昇温する。高温となった水槽１内の
水は排水口３を介して蓄熱槽との間で循環され、熱エネ
ルギが蓄熱されていくのである。

【０００７】ところで、発熱器１５を駆動するための風
車は、無負荷の回転状態から徐々に回転負荷（ブレーキ
トルク）Ｔを加えていくと、回転速度（スピード）ωが
下がり、最終的には停止してしまう。以下に、このよう
な風車のトルク・スピード特性を図６に基づき説明す
る。図６は一定風速における風車のトルク・スピード特
性を表す説明図を示す。

【０００８】風車の回転は無負荷状態の点ａから徐々に
ブレーキトルク（トルク）Ｔを加えていくと、失速点ｂ
まではほぼ反比例してスピードωが下がっていく。失速
点ｂ以降、更にトルクＴを加えようとすると風車は失速
し、トルクＴがかえって減少する。このような特性にお
いて、風車の出力ＷはトルクＴとスピードωとの積（Ｗ
＝Ｔ×ω）であるから、線分ａｂ上の点ｃと、原点０と
を対角線とする矩形ｃｄ０ｅの面積ｓが最大となるよう
に最適点ｃを設定する必要がある。一般に線分ａｆは直
線となるため、面積ｓはｃが線分ａｆの略中央の位置で
最大となる。つまり、無負荷時のスピードωが略半分と
なるトルクＴを加えたときが、その風車から最大の出力
Ｗを引き出すことができるのである。

【０００９】以上は、風速が一定の場合であり、風速が
変化した場合には、トルクＴも風速に応じ変化させる必
要がある。風速が１／２になった場合、無負荷スピード
は風速に比例して１／２になり、トルクＴはスピードω
の二乗（１／２）² に比例する（Ｔ＝ω² ）ことが知ら
れている。したがって、風車は、トルク・スピード特
性、Ｔ＝ω² を満足す値で諸条件が設定されれば、各風
速においても常に最大な運転効率を取り出すことができ
るのである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】風車は、各風速におい
て常に最適な運転効率を確保するため、トルク・スピー
ド特性が、Ｔ＝ω² の二次特性を満足する必要がある。
例えば、スピードωが二倍となった際には、上述の二次
特性を満足する値、即ち、四倍で負荷Ｔを増大させなけ
ればならない。しかしながら、従来の風力熱変換装置に
用いられる発熱器１５では、固定羽根７と回転羽根１３
とがそれぞれ間隙を隔てて水槽１の内周側面、回転体１
１の外周に固定されているため、スピードωが増大して
もトルクＴは増加せず、各風速に応じて常に最適な運転
効率を確保することが困難であった。また、従来の発熱
器１５では、起動時においても少なからぬ一定のトルク
Ｔが存在するため、ある一定の風速（一般に、２ｍ／ｓ
ｅｃ〜３ｍ／ｓｅｃ）がないと動作せず、最小起動風速
が大きいという欠点があった。このため、発熱器１５を
用いた従来の風力熱変換装置では、風力熱変換の効率を
充分に高めることが困難であった。

【００１１】本発明は上記状況に鑑みてなされたもの
で、各風速において常に最適な回転負荷を風車にかける
ことで、各風速における最大発生熱量を得ることがで
き、しかも、起動風速を小さくすることができる風力熱
変換装置、及びその発熱器を提供し、もって、風力熱変
換効率の向上を図ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本各発明の構成は、これを図示の実施例に基づき述べ
ると次のとおりである。

【００１３】１．風力熱変換装置

【００１４】風車２１と、風車２１の回転軸２３に回転
体５７が連結されそれぞれの風速域で風車２１の回転が
無負荷回転時の略１／２となるような回転負荷を発生さ
せる発熱器３３と、発熱器３３に排水口３、給水口５を
介して配管接続され発熱器３３で発生した熱を液状熱媒
体を介して蓄える蓄熱槽３７とを備えたことを特徴とす
る。

【００１５】２．発熱器

【００１６】円筒形状の水槽５１と、水槽５１の内周側
面に水槽５１の中心へ向かって突設される複数の固定羽
根５３と、水槽５１の中心に縦軸５５を介して回転自在
に内設され風車２１の回転に連動して駆動される回転体
５７と、回転体５７の外周に固定羽根５３へ向かって突
設され固定羽根５３と一定の間隔を有して対向する回転
羽根５９と、回転羽根５９同士の間に設けられ回転体５
７に生じる遠心力の増加に伴い回転羽根５９から外側へ
徐々に突出して固定羽根５３に近接することで回転体５
７の任意の回転速度に対してそれぞれ所定の回転負荷を
発生させる揺動翼６１とを備えたことを特徴とする。

【００１７】

【作用】本発明に係る風力熱変換装置は、風車が回転
し、回転体が回転し始めると、発熱器にそれぞれの風速
域で風車の回転が無負荷回転時の略１／２となるような
回転負荷が発生し、それぞれの風速において常に最適な
回転負荷が風車にかけられ、風速が種々に変化しても常
にその風速における最大出力が風車から取り出され、風
車からの回転エネルギが高効率で蓄熱槽に蓄えられる。

【００１８】本発明に係る発熱器は、風車が回転してい
ないときには、揺動翼が回転羽根同士の間に収納され、
回転体の起動トルクが小さくなり、風車は小さな風速で
も回転が可能となる。回転体が回転し始め、風速が次第
に大きくなると、揺動翼がその遠心力を受け、回転羽根
の間から徐々に突出して固定羽根に接近され、回転体の
任意の回転速度に対してそれぞれ所定の回転負荷を発生
させる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明に係る風力熱変換装置、及びそ
の発熱器の好適な一実施例を図面を参照して詳細に説明
する。図１は本発明に係る風力熱変換装置の発熱器を表
す縦断面図、図２は揺動翼の取り付け状態を表す平面
図、図３は本発明に係る風力熱変換装置を表す系統図を
示す。

【００２０】図３に示すように、風車２１の回転軸２３
はギヤ２５、接続軸２７を介して増速器２９へ接続さ
れ、回転軸２３の回転は増速器２９により増大される。
増大された回転は駆動軸３１により出力され、駆動軸３
１は水ブレーキ式発熱器（発熱器）３３の縦軸３５に連
結されている。発熱器３３には排水口３、給水口５が設
けられ、排水口３、給水口５は蓄熱槽３７にそれぞれ配
管接続されている。発熱器３３の給水口５に接続される
配管３９には循環ポンプ４１が設けられ、循環ポンプ４
１が駆動されることで液状熱媒体である水が発熱器３３
と蓄熱槽３７との間を循環するようになっている。つま
り、風車２１の回転により発熱器３３で抽出された熱エ
ネルギは水を介して蓄熱槽３７に送られ、蓄熱槽３７内
で蓄えられるのである。一方、蓄熱槽３７には吐出管４
３、戻り管４５が設けられ、吐出管４３、戻り管４５は
熱交換器（ＨＥＸ）４７へとそれぞれ接続されている。
したがって、蓄熱槽３７で蓄熱された熱エネルギは、水
を熱媒体として更に熱交換器４７へ送られ、熱交換器４
７で授受された熱エネルギは種々の熱源、例えば、給
湯、暖房、温室栽培用熱源等に供されるのである。蓄熱
槽３７、戻り管４５には図示しない制御装置へと接続さ
れる温度検出器４９がそれぞれ取り付けられ、制御装置
は所定位置での検出温度に基づき熱媒体の流量制御を行
い、熱エネルギの授受を制御するようになっている。

【００２１】次に、図１、図２に基づいて、上述の発熱
器３３を更に詳しく説明する。熱媒体である水が満たさ
れる円筒形の水槽５１の内周側面には、鉛直方向に延び
る長板状の固定羽根５３が中心方向に複数枚突設されて
いる（図２参照）。水槽５１の中心には駆動軸３１と連
結した縦軸５５が回動自在に支持され、縦軸５５の下端
には水槽５１に内設される円筒状の回転体５７が設けら
れている。回転体５７の外周には回転羽根５９が縦軸５
５を中心に放射状に複数枚形成され、回転羽根５９と固
定羽根５３との間には、縦軸５５が回転される際、発熱
器３３の最小起動トルクが増大しない程度の間隙が形成
されている。つまり、回転羽根５９と固定羽根５３との
間に所定の間隙が形成されていることで、その間に介在
する水により、回転羽根５９と固定羽根５３とが起動時
から著しく影響し合うことがなく、起動時のトルクが大
きくならないようになっているのである。

【００２２】ところで、回転羽根５９同士の間には、台
形板状の揺動翼６１がそれぞれ設けられている。揺動翼
６１は、回転羽根５９の下部に軸６３を介して揺動自在
に支持されている。揺動翼６１には調節おもり６５が取
り付けられ、回転体５７の停止状態ではその板面のほと
んどが回転羽根５９同士の間に収納された状態となる。
一方、回転体５７が回転すると揺動翼６１は遠心力を受
け、軸６３を揺動中心として回転体５７の外周方向に揺
動され、回転羽根５９同士の間からその一部が矩形状に
突出するようになっている。揺動翼６１は回転羽根５９
同士の間から突出された際、僅かな間隙を隔てて固定羽
根５３と対向するようになっている。つまり、発熱器３
３は揺動翼６１の突出状態において、その間に介在する
水によりトルクが増大されるようになっているのであ
る。調節おもり６５は、回転体５７のスピードωの二乗
に比例してトルクＴ（図６参照）が大きくなるように調
整されている（即ち、揺動翼６１の突出程度が最適とな
るように遠心力に対抗する重量が調整されている）。し
たがって、発熱器３３では、それぞれの風速域で風車２
１の回転が無負荷回転時の略１／２となるトルクＴが、
発生するようになっているのである。このことにより、
風車２１からは、それぞれの風速域で最大の出力Ｗを引
き出すことができるのである。

【００２３】固定羽根５３の上部には緩衝ゴム６７が取
り付けられ、揺動翼６１が突出状態となる際、回転羽根
５９との衝撃が吸収されるようになっている。回転体５
７、回転羽根５９、揺動翼６１は、起動トルクを小さく
するため、軽量であることが望ましく、防錆性、及びキ
ャビテーションに対する強度も有することが望ましい。
なお、上述の発熱器３３は揺動翼６１が軸６３を介して
揺動自在に取り付けられ、回転羽根５９の間から突出す
るようになっているが、揺動翼６１をスライド自在と
し、遠心力により外側へ突出するような構成としてもよ
い。

【００２４】風車２１、発熱器３３、蓄熱槽３７を主な
部材として本発明に係る風力熱変換装置７１が構成され
ている。

【００２５】このように構成される風力熱変換装置７１
において、風車２１が回転していないときには、発熱器
３３の揺動翼６１は調節おもり６５によって回転羽根５
９同士の間に収納され、回転体５７の起動トルクが小さ
くなり、風車２１は小さな風速でも回転が可能となって
いる。そして、回転体５７が回転し始め、風速が次第に
大きくなると、揺動翼６１がその遠心力を受け、回転羽
根５９の間から突出して固定羽根５３に接近する。回転
体５７のスピードωが大きくなる程、揺動翼６１は大き
な遠心力を受け、前述したようにスピードωの二乗に比
例したトルクＴを発生させ、このトルクＴにより風車２
１の回転が無負荷時のスピードωの略半分となる。した
がって、このようなトルク・スピード特性をもたせるこ
とによって、それぞれの風速において常に最適な回転負
荷（トルクＴ）が風車２１にかけられ、風速が種々に変
化しても常にその風速における最大出力が風車２１から
取り出されることになる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る風力熱変換装置は、風車と、それぞれの風速域で風車
の回転が無負荷回転時の略１／２となるような回転負荷
を発生させる発熱器と、発生した熱を液状熱媒体を介し
て蓄える蓄熱器とを備えたので、それぞれの風速におい
て常に最適な回転負荷が風車にかけられ、風速が種々に
変化しても常にその風速における最大出力が風車から取
り出され、風車からの回転エネルギを高効率で蓄熱槽に
蓄えることができる。本発明に係る発熱器は、回転体に
生じる遠心力の増加に伴い、回転羽根から外側へ徐々に
突出して固定羽根に近接し、回転体の任意の回転速度に
対してそれぞれ所定の回転負荷を発生させる揺動翼を回
転羽根同士の間に備えたので、風車が回転していないと
きには、揺動翼が回転羽根同士の間に収納され、回転体
の起動トルクが小さくなり、風車は小さな風速でも回転
が可能となるとともに、風速が次第に大きくなると、揺
動翼がその遠心力を受け、回転羽根の間から徐々に突出
して固定羽根に接近するようにしたので、回転体の任意
の回転速度に対してそれぞれ所定の回転負荷を発生させ
ることができる。この結果、風力熱変換効率を著しく向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る風力熱変換装置の発熱器を表す縦
断面図である。

【図２】揺動翼の取り付け状態を表す平面図である。

【図３】本発明に係る風力熱変換装置を表す系統図であ
る。

【図４】従来の風力熱変換装置の水ブレーキ式発熱器を
表す縦断面図である。

【図５】円筒水槽と回転体との近接部を表す平面図であ
る。

【図６】一定風速における風車のトルク・スピード特性
を表す説明図である。

【符号の説明】

３ 排水口 ５ 給水口 ２１ 風車 ２３ 回転軸 ３３ 発熱器 ３７ 蓄熱槽 ５１ 水槽 ５３ 固定羽根 ５５ 縦軸 ５７ 回転体 ５９ 回転羽根 ６１ 揺動翼 ７１ 風力熱変換装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐倉 勇 東京都港区元赤坂一丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 大和田 淳 東京都港区元赤坂一丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 熊沢 務 東京都港区元赤坂一丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 二階堂 稔 東京都調布市飛田給二丁目19番１号 鹿島 建設株式会社技術研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 風車と、 該風車の回転軸に回転体が連結されそれぞれの風速域で
   該風車の回転が無負荷回転時の略１／２となるような回
   転負荷を発生させる発熱器と、 該発熱器に排水口、給水口を介して配管接続され該発熱
   器で発生した熱を液状熱媒体を介して蓄える蓄熱槽とを
   備えたことを特徴とする風力熱変換装置。
2. 【請求項２】 円筒形状の水槽と、 該水槽の内周側面に該水槽の中心へ向かって突設される
   複数の固定羽根と、 前記水槽の中心に縦軸を介して回転自在に内設され風車
   の回転に連動して駆動される回転体と、 該回転体の外周に前記固定羽根へ向かって突設され前記
   固定羽根と一定の間隔を有して対向する回転羽根と、 該回転羽根同士の間に設けられ前記回転体に生じる遠心
   力の増加に伴い該回転羽根から外側へ徐々に突出して前
   記固定羽根に近接することで前記回転体の任意の回転速
   度に対してそれぞれ所定の回転負荷を発生させる揺動翼
   とを備えたことを特徴とする発熱器。