JPS5941679A - 風力エネルギを別種のエネルギに変換する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、同じ方向の軸を有し、格子状に配置されて
、対応するエネルギ変換器を駆動する複数のプロペラか
ら構成された、風力エネルギを別種のエネルギに変換す
る装置に関する。

上記のような装置は既知である。この既知の装置は、半
径が７メートルのオーダの複数のプロペラから構成され
ている。そのように長いプロペラを使用すると、１本の
プロペラであっても、格子状に配置された複数のプロペ
ラであっても、多くの欠点をもたらす。

まず第１に、翼の重量は、断面積と長さく半径）の積、
すなわち、大雑把に百って半径の５乗に比例する。既知
のロータは重量が大きいために、相持構造の機械的負荷
が大きくなることになる。共振現象がよく起こシ、また
、共振を迎えるには国難が必ずつきまとうし、共振を放
置すれば構造部品の金属疲労および破壊につながり、周
囲へ危険をもたらしかねない。プロペラ翼が折れて高速
で飛び散るのも杷憂ではなく、また、そのようなことに
なれば、側にいる人に害を及はすことになりかねない。

在来の装置は、さらに、始動用に羽根のセットを必要と
するので、既知の装置の構造は複雑となる。風速が約４
　ｍ／ｓｅｃにならないと、自動始動作用が得られない
。

満足できる程度の効率を得るためには、複雑な翼型が必
要になシ、よって、正確かつ高価な製造が要求される。

大型の翼に対しては、理論的に必要とされる捩ルがなお
一層大きくなるので、技術的には得ることができない。

そのため実際には、風の最適迎角に対して妥協案が選ば
れている。

既知の装置にはさらに、異常に速い風速から機器を守る
ためにプロペラを風から外れるように回すための手段を
設ける必要がある・従来技術の大型機器は低角速度で運
転されるから、たとえば、発電機を駆動するのにトラン
スミッション、たとえば歯車箱を使って回転数を上げる
必要がある。この結果、利用可能な動＝　５− 力がかなり失われると共に、前記トランスミッションが
トラブルの潜在源となる。

前記担持構造、大雑把に言って高層マストに担持される
べき質量は、プロペラと、羽根の位置を調節する機器と
、歯車トランスミッションと、さらに通常は安全のだめ
の機械式ブレーキ装置とから構成されている。前記担持
構造で支持されるべき全体の質量は、明らかに非常に大
きい。上述したよう２・に、これは機械的にはかなり都
合が良くない。

多数の重い翼を設置にするには困難が伴い、重く、複雑
で、高価な設置装置を採用しないとならないから、大型
のプロペラには常に２または３個の翼しか設けられない
。ひとつのイメージを与えると、高出力には半径が約９
０メートルの翼が提案されていることに注意されたい。

角速度が比較的低いために、騒音が衝撃的に発せられる
。さらに、前記担持マストはスラストによって間欠的に
負荷を受ける一方、前記マストを通過する際に風が衝撃
的に変化する荷重　６− にさらされる。

先に要約して述べた妥協案に関しては、平均で約０，２
５の通常最大動力係数（動力係数Ｏｐは機器の効率に対
して標準化された動力）が１年を通じて得られることが
実際に判明した。この値は、理論的かつ技術的に得られ
る値よシかなで、経済的に興味のある解決策ではない。

この発明の目的は、既知の技術の上述の問題に対して解
決策を提供すると共に、付随する限界を除くことである
。この点で、この発明は、上述の種類の装置を占有密度
が１平方メートル当り少なくとも０．４プロペラである
ように設計することを大雑把に言って提案するのである
。

この手段によって侍られる装置は、プロペラが非常に小
さいので、製造コスを過度に増大させることなく翼型を
理想的なものに非常に正確に合致させることができる。

さらに、通常運転中の回転数が既知の装置の回転数より
も相当高くなり得るので、この装置が発する騒音は、そ
の大きさが風力に依存するが、はとんどうるさくなく、
爽やかであり、またスラスト荷重はもはや発生しない。

前記プロペラの有効比質量は２５　（］　ＯｋｇＢ／　
Ｉｎより小さくするのが好ましい。

前記プロペラは、合成樹脂を含む材料を鋳造によって、
特にスプレー鋳造することＩ／Ｃよって作ると都合が良
い。全部のプロペラを鉛直軸心を中心に一体ｆ回動可能
とした装置では、プロペラの半数のものの回転方向をプ
ロペラの残シの半数のものの回転方向と逆にしておくと
都合が良い。このようにして、装置全体のジャイロモー
メントのために三次元的安定性があまりに大きくなって
しまって、変動する風向に装置を対応させるのが非常に
困難になるのを回避している。

各プロペラ翼の後縁の近くに少なくとも１個の補助翼を
配設して局所的な風向に対する拡大された最大迎角が得
られるようにしたことを特徴とする変形によって、非常
に大きな融通性が得られる。

風速を測定する測定手段と、前記プロペラ翼の先端速度
と乱されていない風の速度、すなわち、従動プロペラか
ら所定距離だけ離れた所の風速との比率をコントロール
すべく前記測定手段によって支配されるコントロール手
段とを使うと都合が良い。

言うまでもなく、最大のエネルギ収量を得る傾向がある
。各プロペラ翼の偶力はできるだけ大きくするべきであ
る。この目的のために最大全体揚力モーメントを発生す
る必要があると共に、制動モーメントは抵抗の結果とし
て最小にする。揚力はいわゆる揚力係数０１で表わされ
、抵抗は抵抗係数Ｃａによって表わされる。したがって
、目的は揚抗比ｃ１１０ｄで代表されるアチーブメント
全損失することなく、最大揚力を得ることとなる。

この発明によれば、上述の目的は各プロペラの真心、す
なわち、翼弦の四分の−の所に位置　９− する点の軌跡を回転方向と共に自由翼端へ向かう方向に
だんだん大きく傾斜させると共に、自由翼端に向かう方
向に、回転軸心の方向に、前記真心を風の流れてくる方
向に傾斜させたことを特徴とする装置によって得られる
。この点で、各プロペラ翼の翼弦長を回転中心から少な
くとも所定の軸方向距離にわたって減少させた変形を使
うと都合が良い。各プロペラ翼の翼弦長を前記真心上の
所定の点から自由翼端へ向かう方向に増大させ、その点
を前記プロペラ翼の端から回転中心へ向かう軸長の約０
．７〜０．９倍の間に位置させたという特別な態様を持
つデザインによってエネルギ収量で一層の向上が得られ
ることが判明している。

以下に、図面を参照しながらこの発ＢＡヲ詳述する。

第１図には、この発明を実施した装置１が示されている
。この装置は、相持ボール２を具備し、この担持ボール
にフレーム３が固着され、そして、このフレームに担持
された多数の発電１０− 機４（第２図参照）が６本の翼６を持つプロペラ５によ
って駆動されるのである。

フレーム５は前記ポールに軸受７′（ｉ−介して相持さ
れている。第２図から明らかなように、プロペラ５はフ
レーム３０回転軸心の後方でボール２」二に位置してい
るので、このプロペラは常に風に向かうようになる。プ
ロペラ場の両側でフレーム３にはさらに２個の風速計１
４．１５が設けらｎでいる。この風速計は等しめ風速を
受けると、等しい信号を発する。この装置の上記自己設
定効果が不注意によりくずれると、前記２個の風速計の
うちの一方の回転数がこの装置の減少効果のために低く
なシ、よって、発する信号も低くなる。前記２つの信号
の間の差がコントロール信号となって、（図示しない）
手段でフレーム３の位置を正すのに役立ち、または第７
図を参照しながら後述するようにプロペラの高速運転係
数を適合させるのに役立つ。

図面には、発電機４を接続して、そのエネルギを消費者
の回路に伝える手段が示されてｂない。なお、場合によ
っては、前記消費者の回路ニハ、アキュムレータ等の蓄
積手段が組合されている。

第３図には、プロペラ５が示されている。その回転の方
向は矢印８で指示されている。

第４図には、プロペラ５を付けた発電機４が示されてい
る。第３図および第４図にはさらに、プロペラ５を付け
た発電機４をフレーム３に固着する固着要素？、１ｏの
存在が示されている。

翼６の翼型は、所定範囲の先端速度比、ここでは高速運
転比、すなわち、翼の先端速度と有効風速との比ともい
うに適合している。ここで注意することは、非常にシン
プルで安価な実施例では、自動車の駆動用換気口に接続
する市販の自動車のダイナモを採用することができるこ
とである。しかしながら、空気力学的にう１く設計した
翼型の方が効果が大きいことは自明であろう。

第５図および第６図にはプロペラｌｌ＆１１が示されて
おり、このプロペラ翼の後縁の近くには、比較的小型の
補助翼１２が配設されている。このような配置によυ、
風の最大迎角を拡大するのに役立つ。

第７図には、この発明を実施した装置の達成グラフと、
比較のために、従来技術の装置の達成グラフとが示され
ている。縦軸にはパワ係数Ｏｐがプロットしである。こ
のパワ係数は標準化されたパワ、すなわち、無次元化さ
れたパワである・横軸には上述の先端速度比λがプロッ
トされている。これにあてはまるのは、 λ＝ΩＲ／Ｕ である。ここで、 Ω−回転数、単位はＲａ　Ｃ３ Ｒ−プロペラの中径、単位はｍ Ｕ−風速、単位はｍ７Ｂ 曲線１３は在来の装置の達成グラフである。

上述したように、プロペラ翼の設計は空気力学的な妥協
である。捩シはあｔｂ太きくすべきでない。（翼弦の方
向に）先細形とすることが第１次の、すなわち、線型の
アプローチである〇１３− 翼は、翼弦の四分の−の翼軸上に位置している。

真心は、三次元的曲線でなければならないのに、直線で
ある。したがって、達成される最大パワ係数は、ごく限
られた値となる。先端速度比λの非常に小さいとき（始
動時）では、達成可能な最大揚力係数の結果として風の
流れの剥離さえも発生する。流れが翼型にそっていかな
いのである。

曲線１４、すなわち、この発明を実施した装置の達成グ
ラフは、パワ係数の多少増大した値を示しており、また
、曲線１３とは対照的に上記パワ係数はいかなる先端速
度比に対しても負になっていない。

大きく異なる風速値に対してさえもパワ係数部が最大値
をとることを保証するために、向かい風の速度に比例し
たコントロールを発電機４に対して行なってもよい。そ
のようなコントロールは、速ｆコントロールトハワ・コ
ントロールとを組合せたものとなろう。

第８図は、プロペラ翼２ｏの断面図である。

１４− 矢印２１は翼の長さ、すなわち、典型の最前点と最後点
との間の距離を指示してｂる。矢印２２によって指示さ
れる先縁から四分の−の所に、いわゆる真心となる点２
３が位置している。

第９図には、２つのグラフ２４および２５が示されてい
る。水平には抵抗係数Ｃａがプロットされている。鉛直
には揚力係数Ｃ」がプロットされている。曲線２４は、
後縁の近くに補助翼を付けていない典型に対応している
。曲線２５は、典型に補助翼金膜けた場合の対応するグ
ラフ表示である。座標の原点を通る接線２６は、明らか
なように、最大比０１１０ｄｆ示している。

第１０図は、プロペラｇ２７の正面図である。

回転の方向が矢印２８によって指示されている。

半径には２９が付けられている。真心６０、すなわち、
無弦の四分の−の所に位置する点の軌跡は回転方向につ
れて自由翼端に向かう方向にだんだん大きく傾斜してい
ることが明らかになっている、第１０図にはさらに、翼
弦長が回転中心から最初は減少し、その後に再び軸長の
約０．８倍の所を越えて増大していることが示されてい
る。

第１１図には、参照番号３１で指示された回転軸心の方
向に流れ込んでくる風の方向に傾斜している。流れ込ん
でくる風の方向は、矢印６２で指示されている。

第１２図には、翼型全体が捩られていることが示されて
いる。

第１３図から第１７図にはいろいろな立面図が示されて
おり、第１３〜１５図は第１０〜１２図に対応した変形
であって、第１０〜１２図に示された実施例とは補助翼
３３がプロペラ翼の後縁に配設されている点だけが異な
っている。

ここで一般的に注意すべきことは、各プロペラ翼の真心
が回転方向につれて自由翼端へ向かう方向に傾斜してい
る構造ば”フオアスウープ′と貯んでもよいことである
。この１フオアスウープ１は、自由翼端すなわち先端に
向かう方向の境界層の出口角度が主として補償されるべ
くつシ合わされている。

ここで注意すべきことは、この発明によれば、翼のセッ
トは行なわれずに、局所的な風向、したがって、流のパ
ターンが使用されることである。第７図を参照した記述
に従って回転速度を風速に結びつけることが好ましいか
らである。

これに関連して、独国特ｌｙｆ願ＤＯ８２９０８７６１
号に記載されているような既知の構造はこの点において
役に立たないことを強調しておく。この既知の技術によ
れば、翼の外形が適合する風速１回転速度の組合せは１
組しかないから、最大パワ出力を達成することはできな
い、 この発明は、上述の実施例に限定されるものではない。

たとえば１個の発電機を、たとえば遊星歯車機構や駆動
ベルトを使用することによって、複数のプロペラで駆動
することの可能性についても当たってみた。

風力エネルギを機械的エネルギに変換する際のパワ係数
を最大にするために、風速計によってコントロールされ
る摩擦体を使用してもよい。

（ｔ［のものとして、既知の遠心コントロール装１７− 置を採用してもよい。そのような機械装置においては、
エネルギ変換機から蓄積部材または消費ステーションへ
の移送は、ヒート・パイプを介して行なうことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明を実施した装置の正面図であり、 第２図は、第１図の装置の側面図であり、第５図は、プ
ロペラの正面図であり、 第４図は、第３図のプロペラを発電機と直結した側面図
であシ、 第５図は、１個の補助翼を備えたプロペラ翼の正面図で
あり、 第６図は、第５図に示されたプロペラ翼の長さ方向から
見た立面図であり、 第７図は、この発明を実施した装置のいくつかの重要な
特性を従来技術のものと比較したグラフであり、 第８図は、プロペラ翼の断面図であり、第９図は、この
発明を実施した翼構造を説明１８− するためのグラフであり、 第１０図は、この発明を実施したプロペラ翼の正面図で
おり、 第１１図は、その側面図であり、 第１２図は、翼の根元から遠ざかるようにみた斜視図で
おり、 第１３図は、１個の補助翼を付けた翼の第１０図に対応
する図であり、 第１４図は、第１５図に示された翼の第１１図に対応す
る図であり、 第１５図は、第１６図に示された翼の第１２図に対応す
る図であり、 第１６図は、第１３図の翼の一側の斜視図であυ、 第１７図は、第１５図に示された翼の他側からの斜視図
である。 １　：風力エネルギを電気エネルギに変換する装置４：
発電機 ５；プロペラ 出願人代理人　古　谷　　　　馨 １９− ２ｊｌ！　　　２３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　対応するエネルギ変換器を駆動し、同じ方向の細心
   を有していて、格子状に配置された複数個のプロペラか
   ら構成されていて、占有密度が１平方メートル当）少な
   くとも［１，４プロペラとしたことを特徴とする風力エ
   ネルギを別種のエネルギに変換する装置。 ２　前記プロペラの有効比質量を２５００　Ｋｙｅ／ｒ
   ｒ？よう小さくしたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の装置。 ３　前記プロペラを鉛直軸心を中心に一体に回動可能と
   し、しかも、前記プロペラの半数のものの回転方向を前
   記プロペラの残シの半数のものの回転方向と逆にしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項のう
   ちのいずれか１項記載の装置。 ４　各プロペラの翼の後縁の近くに少なくとも１個の補
   助翼を配設して、局所的な風向に対する拡大された最大
   迎角が得られるようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１〜５項のうちのいずれか１項記載の装置。 ５　風速を測定する測定手段と、前記プロペラ翼の先端
   速度と乱されていない風の速度との比率をコントロール
   すべく前記測定手段によって支配されるコントロール手
   段と、を特徴とする特許請求の範囲第１〜４項のうちの
   いずれか１項記載の装置。 ６　前記プロペラを鋳造で作ったことを特徴とする特許
   請求の範囲第１〜５項のうちのいずれか１項記載の装置
   。 ７　前記プロペラを１合成樹脂を含む材料をスプレー鋳
   造することによって作ったことを特徴とする特許請求の
   範囲第６項記載の装置・８　前記プロペラを鉛直軸心を
   中心に一体に回動可能とし、しかも、前記プロペラの全
   部に同時に風が作用する有効点を前記鉛直軸心の後方に
   位置させたことを特徴とする特許悄求の範囲第１〜７項
   のうちのいずれか１項記載の装置。 ９　各プロペラ翼の真心、すなわち、翼弦の四分の１の
   所に位置する点の軌跡を回転方向と共に自由翼端−＼向
   かう方向にだんだん大きく傾斜させると共に、前記真心
   を回転軸心の方向に風の流れてくる方向に自由翼端へ向
   かう方向に傾斜させたことを特徴とする特ｆｆ梢求の範
   囲第１〜８項のうちのいずれか１項記載の装置。 １０　　各プロペラ翼の翼弦長を回転中心から少なくと
   も所定の軸方向長さにわたって減少させたことを特徴と
   する特許請求の範囲第ｑｙ４記載の装置。 １１　　各プロペラ翼の翼弦長を前記真心上の所定の点
   から自由翼端へ向かう方向に増大させ、その点を回転中
   心から前記プロペラ翼の端までの軸長の約０．７〜０．
   ９倍の間に位置させたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１０項記載の装置。