JPWO2005071260A1 - 回流型風洞風力発電装置 - Google Patents

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Abstract

風車の回転数が送風機風速の2倍値を風車円周で除して得られ、その回転トルクは送風機吹出し力の4倍値に風車半径を乗じて得られることから、これらによるエネルギーを消費する負荷に見合った規模の発電機を装着して風力発電を実施する回流型風洞風力発電装置である。そこで、複数の風車(5)を内蔵してその風車の両側に風洞を形成してある複数の風車収納箱(1)、(2)、(3)を、それぞれの箱内で同位置にある風車毎に風車軸(6)を貫通して各風車箱を合体し、風車軸の両端に発電機(13)、(14)を装着し、各風車収納箱内風洞を送風機(22)を装置した通風管(16)、(17)、(18)、(19)で繋いで回流型風洞として構成した。これにより、風車収納箱を増やす箱数に比例して発電量を増大でき、送風機起動時での既製電力使用はその後は補給せずに、純機械構造の装置で発生する人工風によって、再生可能エネルギーとしての風力発電が持続できる。

Description

この発明は、回流型風洞内に風車を設置しておこなう風力発電装置に関する。
これまでに、風洞を利用した風力発電装置としての技術的背景には、自然風をとり込んだ風洞内での風車発電を施した日本国実用新案登録出願・昭60−125368(公開実用新案公報(U))や同じく日本国特許出願・特開平11−62811(公開特許公報(A))などの例がある。また、自然風そのものでの風力発電は実用に供されており、例えば、『風の力を未来の力に変えて』や『WIND FARM TACHIKAMA』など、日本国山形県東田川郡立川町発行パンフはその実績を詳述している。しかし、これらいずれも自然風がエネルギー源であり、風が発生しなければ風車発電機の運転はできない。また、風が強すぎても運転を中止しなければならないために、立川町発行パンフによると100kw風車では稼働率16%、利用率6.5%であり、その他の定格風車値が大きい風車でも利用率は17%から25%程度という結果が示されている。そして構造は大型となっている。自然風を取り込む型の風洞風力発電装置においても利用率の改善は計られるとしても、基本的には風の状況に大きく左右されることには変りない。
本発明は、このような従来の風車風力発電装置の形態が有している問題を解決しようとするもので人工風を使用しながら、再生可能エネルギーとしての電力を得るための風力発電装置を実現することを目的とするものであり、その際に、日本国特許第2613740号による発電効率を高める発電機がすでに発明をみていることは本発明装置に設置でき得る発電機としても有用な手段となり得るものである。
本発明は、上記目的を達成するために、回流型風洞を構成し、その風洞において回流エネルギーの人工風により風力発電をおこなうものであり、そのために、複数の風車を内蔵しその配列した風車の両側に風洞を形成してある複数の風車収納箱を、それぞれの間に風車収納箱と同じ大きさの空箱を挟み、各風車収納箱内の同位置に配置された風車毎に風車軸を貫通して風車収納箱と空箱を風車軸が滑らかに回転するよう調整して合体し、各風車軸の両端に発電機を装着する。そして、風車収納箱の風洞の出口と次の箱の入口、その同じ箱の出口と次の箱の入口とを第1、第2、第3風車収納箱の順に、通風管で各風車収納箱内風洞を螺旋状につなぎ、第1の風車収納箱の入口と第3の風車収納箱の出口を送風機を設置した通風管で塞いで、回流エネルギーの風が各風車に対して同一方向への回転力として風車収納箱内風洞の両側で働くように吹き抜けて回流する回流型風洞風力発電装置として構成する。本発明で、風車収納箱に構成される回流型風洞の中に、例えば風車1基のみを装着し、その風車軸は送風機風速の2倍値を風車円周で除して得られる回転数と、その回転トルクは送風機吹出し力の4倍値に風車半径を乗じて得られ、これらによるエネルギーを消費する負荷に見合った規模の発電機を装着し発電が継続できる。そこで風車1基のみのままで3つの風車収納箱を風車軸を同軸にして合体すれば、風速は変化しないが、回転トルクはひと箱での時に比べ3倍になり、これに見合う新たに増大した負荷に相当する発電機を風車軸両端に二分の一相当規模のものに分けて装着が可能となる。さらに各風車収納箱内風車数を増やし、それぞれ同位置の各風車毎に風車軸を装備することによって、その軸間の状況に即して発電機の回転子と固定子の形状や大きさ等の構造を選択して、単一風車軸で得られる基本負荷を増やした風車の複数軸に分散させて発電が可能となる多様な形態での回流型風洞風力発電装置を提供できる。
第2は、複数の風車を収納した風車収納箱ひと箱を使用して第1の例の原理にもとづき小規模・小型発電装置としてもまとめられるように、送風機を風車収納箱と同じ枠内の一部所に内蔵した構造として構成し、その機能を発揮させる。
第3は、自然風をエネルギー源とする従来型の風車複数基を回流型風洞内に設置して人工風により風力発電をおこなうこととしたもので、送風機風速を風車定格風速値に合うように調整して設置し、数基の設置風車がそのそれぞれの定格出力に対して高い効率で発電が継続でき送風機の出力分を差引いても相当量が生産できる構造として構成する。これによって人工風による風力発電で再生可能エネルギーとしての電力の生産量を飛躍的に拡大できる。
第1図は、本発明の実施形態を示す回流型風洞風力発電装置の斜視図とそのW方向からの投影図、XX・YY面のZ方向からの断面図、そしてAA方向からの分解正面図である。第2図は本発明の二つ目の実施形態を示す回流型風洞風力発電装置の斜視図とその分解斜視図で、第3図は本発明の三つ目の実施形態を示すものであり、自然風をエネルギー源とした従来型風車を回流型風洞内に設置しておこなう回流型風洞風力発電装置の斜視図である。
本発明の実施の形態を第1図〜第3図に基づいて説明する。
第1図に示されている第1、第2、第3風車収納箱1、2、3においては、それらへの風車配置の組み立て方は共通であり、3の第3風車収納箱から箱側板(II)3cを取り外してAA方向から投影した第1図の下図の分解正面図のように、風車5は箱囲み板3a、箱側板(I)3bがネジ止め(ネジの頭は表面にでない構造。図では省略)で形成された第3風車収納箱3において、3aの内側両面と9によって仕切られた風車室に、風車羽根5aが3aの両内面と9の凹円弧面とに接触しないように、配置されている。このとき5の車輪の直径と同寸法である風車室仕切り凹円弧板9の3aに面した両端と3aの両内面との間隔は等しくなるようにして、箱側板3bと3cからネジによって、両側板の表面にネジの頭がでない構造(図では省略)で両方から固着されている。1、2も以上の通りの手順で組み立てられている。
1と2との間と2と3の間にこれらと同じ大きさの空箱4を挟み、風車収納箱抱え板10、軸受け取付け板11とで上下、左右から1、2、3の風車収納箱は締付け装着されているが、その際、各第1、第2、第3風車収納箱内風車5のキー溝に、その風車の各位置毎に風車車輪の厚さ以内の寸法で埋め込まれた風車軸6のキー7を挿入するようにして、風車軸6が貫通されている(キー7の長さは図では省略)。
風車5の羽根5aの枚数は図では9枚となっているが、5の車輪面と風車収納箱3aの両内面との間隔の取り方、つまり風車収納箱内の風洞となる部分をどれだけとるかとの関わりで、風車の回転に当って、羽根5aがいずれの9の弧面にも1枚以上が常に存在するよう選定する枚数となる。これによって風車収納箱における風車両側の風洞が形成される。
風車軸6は両端に軸受け取付け板11に固着されているベアリング8によって支持され、そのそれぞれの先端に発電機回転子14を、そして発電機固定子13を固着してある固定子取付け金具12が11に装着され、発電機の機能が果たされるようになっている。風車収納箱内に形成されている風洞の入口、出口を取付けるための1、2、3の共通板3dには、1用としてO、P、2用としてQ、R、3用としてS、T、と指定箇所に、風車収納箱の箱囲み板3aの深さと、風車5の車輪面と3aの内面との間隔で決まる長方形の孔をあけてあるが、これが1、2、3にネジ止めで固着されている(ネジ止め部は図では省略)。そしてこの通風管取付け板3dには通風管取付け金具15がO、P、Q、R、S、Tと各箇所に取付けられており、これにP〜Qをつなぐ通風管16、R〜Sをつなぐ17を嵌め込み固着されている。
送風機箱20を風車収納箱抱え板10の下部で、第1と第2の風車収納箱の間に挟まれた空箱4の真下に固定されている送風機箱取付け板21に固着し、20の入口、出口には通風管取付け金具15が固着され、これに通風管18と19を取付け、第1風車収納箱1の風洞入口Oに取付けてある通風管取付け金具15に18を、第3風車収納箱3の風洞出口Tに取付けてある通風管取付け金具に19を嵌め込み固着されている。送風機箱20には、送風機22が装着されている。そして送風機22は本実施例としての図では複雑さを避けるために1台としているが、設計上では複数台設置による一定の時間毎の交替駆動を前提として提起するものである。また、本装置駆動開始時における送風機22の初期起動に要する動力は既製電力に待つことになるが、本発明装置の発電開始後は、その電力の一部を送風機駆動の持続電力として切り替え処置(図では省略)も施すこととするものである。
以上の実施形態による構成の動作を説明すると、図の中の→印は風の流れの向きを示すものである。まず第1図において、送風機22から吹出される風は、通風管18から第1風車収納箱1の入口Oから流入し、1に配置された風車5とその羽根5aや風車室仕切り凹円弧板9に遮られて、1の箱内両側に形成される風洞を吹き抜け、1の出口Pから通風管16によって2の第2風車収納箱にQの入口から流入、1と同じようにその風洞を吹き抜け、その出口Rから17の通風管によって3の第3風車収納箱にSの入口から流入し、1、2のそれと同様に風洞を吹き抜けて、その出口Tから通風管19を介して送風機22に吸引され本装置の回流型風洞は機能する。そして回流型風洞においては、送風機の吹出し力と吸引力とが同時に作用することから、その倍増した風速の人工風が風車収納箱1、2、3の風洞のいずれの箇所においても同時に作用し、各風車軸は送風機風速の2倍値を風車円周で除して得られる回転数となり、しかも複数箇の風車軸6に固着して1、2、3の風車収納箱に配置してある同軸のそれぞれの風車5には、送風機の吹出し力プラス吸引力という倍増された力が、それぞれの風車の両側で作用し、ひとつの風車軸には送風機吹出し力の4倍値に風車半径と同軸の風車数とを乗じた回転トルクが得られ、風車軸両側に装着の発電機回転子14を起動し、継続駆動によって、その発電量は風車収納箱をふやせば、実施図のように三つの箱であれば各風車軸の回転トルクは送風機吹出し力の12倍に風車半径を乗じて得られるように、増やした箱数に比例して回転トルクが増大し、それに見合う出力の風車軸両端に装着してある発電機が、それぞれの風車軸6によって駆動される。その際に、風車収納箱内風車数を増やし、三つの軸数を装着することでは発電量の増大はなく、同構造の単一軸として得られる回転数と回転トルクなどによるエネルギーを消費する負荷に見合う規模の発電機容量を三つの風車軸に分散させ、構造上の多様性の要望に応えることになるものである。そして複数台設置した送風機の一定の時間毎の交替駆動と発電開始後は、その電力の一部を送風機駆動の持続電力として切り替え処置(図では省略)とによって既製電力を補給することなしに再生可能エネルギーとしての電力生産のために本回流型風洞風力発電装置は継続して運転できる。
第2図は二つ目の実施例であり、201は風車収納箱で、202は箱を構成する箱囲み板、以下203は箱側板、204は風車、205は風車軸、206は風車室仕切り凹円弧板、207は軸受支持板、208は風車収納箱抱え板、209は発電機固定子取付け金具、210は発電機、211は送風機で、組立ての手法は第1図に準じているので省略する。単一風車軸で得られる発電機容量を三つの風車軸に分散させ構造上の多様化と、これによって小規模・小型発電装置の求めにも応えられる。そして送風機211が風車収納箱201の枠内の一部所に内蔵されていることが特徴であり、また、送風機211を複数台設置(図では省略)と送風機211の初期起動から発電開始後のその電力の一部を持続電力として切り替え処置を講じることによる構成と動作、作用も第1の実施例に準ずるものである。
第3図は三つ目の実施例であり、301は回流型風洞で、この風洞内に、回流調整管302を数箇所に設置し、回流の出口に寄せた位置に、自然風用従来型風車303を設置してある。そして、304は送風機取付け金具で送風機305が装着されている。その動作であるが、風車定格風速値に合うように風速を調整した送風機305から吹出される風は回流型風洞301に数箇所に設置された回流調整管302を吹き抜け、自然風用従来型風車303を回転させ、送風機305に吸引される。その際に送風機305における吹出し力と吸引力は同時に作用するために、この倍増の回流エネルギーの風の作用はどの位置でも同時に作用することになるが、回流調整管302によって、各風車303に均一な風が当たり、発電効果があがるようになっている。送風機305の複数台設置(図では省略)と送風機305の初期起動の既製電力から発電開始後その電力の一部を持続電力として切り替える処置による構成と動作、作用も前者の通りである。
以上のように、本発明にかかる回流型風洞風力発電装置は、運転過程での化石燃料をはじめとした各種燃料類は一切必要とせず、既製電力の使用も本装置の初期起動時のみで、風車収納箱ないしは風洞内に空気の存在だけが必須条件という、「燃料漏れ」や「燃料切れ」の心配はなく、また、純機械構造のそれ自体としても危険性を伴わずに持続運転が可能であり、その大、中、小それぞれの規模の製品化は、再生可能エネルギーとしての電力が生産できる自家発電装置として、各方面からの期待に応えることができる。例えば、一般家庭用やマンションなど集合住宅向け自家発電装置として、事業所や工場用自家発電に、自治体の事務所や各種会館、学校用、そして大学や劇場用、或は災害時避難場所用に、病院の自家発電用、水道施設、下水道施設の自家発電用に、船舶や航空機用に、架線もパンダグラフも必要ない新型電車の開発に、電気自動車ないしはハイブリッドカー用、そして野外活動用の携帯発電装置等々、多方面で有用である。
このような本発明にかかる発電装置が、全世界的な規模で普及が図られれば、地球温暖化防止対策として、「大気中の二酸化炭素濃度を現状レベルで安定させるには、その排出量を50%〜70%削減する必要がある」と訴えた世界の科学者らによる国連研究チーム報告の通りに、その実現への現実的可能性を広げられ得る。また、様々な要因で惹起する広域停電問題に対応できる小規模・分散型の電力供給体制を確立することにも役立てられる。
こうして、破壊が許されない自然と、それとは相容れない相関関係にある利便性・快適性の飽くなき追及の止むことのない人間の物質代謝において、本発明装置はそれを両立させ、各方面での産業振興と経済活動の豊かな発展に寄与できる。

Claims (3)

  1. 回流型風洞においては、送風機を駆動すると、送風機には風の吹出し力と吸引力とが同時に作用して風車収納箱に構成される回流型風洞の中の風車の回転数は送風機風速の2倍値を風車円周で除して得られ、回転トルクは送風機吹出し力の4倍値に風車半径を乗じて得られる。これらによるエネルギーを消費する負荷に見合った規模の発電機を装着し人工風により、風力発電を可能にする。風力発電開始時における送風機の初期起動に要する動力を既製電力で賄うが、発電開始後は、その電力の一部を送風機駆動の持続電力として切り換え処置を施すこととともに、送風機複数台を装置し、一定の時間毎に交替して駆動することにより、既製電力を補給することなしに発電の継続を提供できることを特徴としたものである。その実施例として複数の風車(5)を箱の長手方向に沿う風車室に配置したその複数の風車収納箱(1)、(2)、(3)を、それぞれの箱内の同位置にある風車毎に風車軸(6)を貫通させて合体し、各風車軸の両端に発電機(13)、(14)を装着する。各風車収納箱においては、配列した風車の両側に風洞を形成し、それらの風洞を通風管(16)、(17)、(18)、(19)によって螺旋状につなぎ合わせるとともに、送風機(22)を設置した通風管で第1風車収納箱(1)の入口と(3)の第3風車収納箱の出口を塞いだ回流型風洞において風力発電を実施することができ、風車収納箱を増やせば、その増やした箱数に比例して増大した回転トルクに準じたさらに出力の大きな発電機を装着し得る構造を特徴とする回流型風洞風力発電装置。
  2. 小規模・小型発電装置として提供することもできるものとしての構造例であるが、(201)の風車収納箱ひと箱を使用し、送風機(211)を風車収納箱の風車室に並ぶ一部所に内蔵し原理は前1項に準じた回流型風洞風力発電装置。
  3. 三つ目の実施例は、自然風をエネルギー源とする従来型の風車(303)を風速と吹出し力がいずれも倍増する回流型風洞の中に配置して行う回流型風洞風力発電装置。
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