JPWO2018105023A1 - ブレード ファン - Google Patents

Abstract

【課題】 垂直軸型発電における問題点である「垂直軸上で回転する羽根に対して、回す方向に働く風と、同じ強さでブレーキとなる風が同時に作用し効率が悪い」「回転羽根が剥き出しであることによる危険性と、騒音から設置場所が限定されてしまう」「軸受けが風雨にさらされることによる性能劣化」「流体と共に浮遊物が回転羽根に接触することで、故障等の原因となる」といったものを解決する。【解決手段】 図のような形状のカバーを取り付け、その形状により正面より受けた風をカバー内で羽根の回転方向に風が当たるよう誘導し、羽根を押す方向で力を与えると同時に、カバー側面から後端部分にかけて流れる、流速の上がった風によって生じる負圧を利用し、回転羽根軸を中心にスワール渦を発生させ、全方位から回転羽根を回転させる力に変換する。同時に、回転羽根を覆う事で、静音化・回転軸受が直接風雨にさらされることも防ぐ。【選択図】図１

Description

風力発電、小規模風力発電、水力発電、小規模水力発電、発電効率化、安全装置
この発明は、流体発電用のファンのカバーの形状に関する。

従来の風力発電装置として使用されているものに、水平軸型（プロペラ式、セイルウィング式、オランダ式、多翼式など）、垂直軸型（ダリウス式、直線翼式、サボニウス式、パドル式、クロスフロー式、S字ローター式など）がある。

水平軸型の場合、発電効率が良い反面、専有面積が大きいため、複数設置する場合、各機器間の間を空けなければならず、結果的に効率を上げるためには、広大な面積が必要となる。
垂直軸型の場合、設置面積の面でメリットがあるものの、垂直軸上で回転する羽根に対して、回す方向に働く風と、同じ強さでブレーキとなる風が同時に作用するため、発電効率が悪く、様々な形状によってその問題を解決しようと開発がすすめられている。
また双方とも回転羽根がむき出しとなっているため、安全面と騒音の二つの問題があるため、設置場所の制限や、安全確保のための専有面積の確保が必要となっている。
合わせて構造上、回転軸受部分が風雨にさらされるケースが多く、それによりメンテナンスの頻度も高くなるという問題も抱えている。
そこで、本発明によって垂直軸型の効率を上げると同時に、安全装置として回転羽根を覆うことにより、防音対策と軸受の保護を同時に行い、より設置場所の自由度を上げ、小型化したものを多数設置することを可能にすることによる、発電効率の高効率化を図ることを課題とする。
小型水力発電の場合、水平軸型の場合、発電機を水中に沈めるか、水上に発電機を設置するには、傘歯車等により回転方向を変換しなければならず、構造的に複雑な上、効率の低下と製造コストの上昇が発生する。
また一機当たりの発電効率を上げるためには、羽根の面積を大きくする必要があり、それにより水平方向に専有面積が大きくなるので、木やゴミ等の浮遊物と接触する確率が高くなり、構造上回転羽根にそれらの浮遊物が直接接触することもあり、障害の発生率も高くなる。

以上の課題を解決するために、図1図2のような形状のカバーを取り付け、回転羽根を覆うことで、その形状により風向きに対して常に一定方向にカバーの向きを向けさせ、正面より受けた風をカバー内で羽根の回転方向に風が当たるよう誘導し、羽根を押す方向で力を与えると同時に、カバー側面から後端部分にかけて流れる、流速の上がった風によって生じる負圧を利用し、カバー内部で羽根の回転方向に力がかかるよう、吸い出す方向に誘導させることにより、回転羽根軸を中心にスワール渦を発生させ、カバーに当たる風を全方位から回転羽根を回転させる力に利用させる。
同時に、回転羽根を覆う事で、回転部分に直接接触することを防ぎ、回転羽根の風切り音も外部へ漏れることを防ぐと同時に、回転軸受が直接風雨にさらされることも防ぐ。
また風力発電の場合、回転羽根がむき出しのため、安全性の面から人や物から隔離する必要があり、設置場所がかなり限定されてきたが、小型でかつカバーで覆われていることから、設置場所についても自由度があがり、多数設置されていくことで、製造コストの低下とメンテナンスコストの低下にも貢献する。
小規模水力発電として使用する場合、本発明の装置を上下逆にし、カバーのスカート部分（発電機側）に浮力体を設け、その浮力体を鎖などで固定させて設置することで、発電機自体を水中に沈めることなく、回転羽根とカバーのみを水中に沈めることになるので、メンテナンス性にも優れ、また河川なのでの流木やゴミ等の浮遊物は、浮力体やカバーが直接回転羽根に当たるのを回避することになるので、故障の原因を軽減することにもつながる。
また発電効率を上げるためには、本発明の場合は垂直方向に回転羽根の長さを伸ばすことで、水平方向の幅を広げる必要がなく、複数設置したとしても水平方向の専有面積が小さいため、より高効率の小規模水力発電が可能となる。

本発明により、これまでの垂直軸型の場合、一部の風しか羽根の回転に利用できず、それ以外の風は逆にブレーキとならないような対策を施すものが多かったが、ブレーキとなる風を直接羽根にあてるないだけでなく、その風の負圧を利用して更に羽根の回転に利用できるため、発電効率が向上した。
また同時に、回転羽根を覆う事で、より安全性を確保すると同時に、羽根の風切音を低減させることができるため、これまで設置の難しかった場所への設置を可能とし、より小型化したものを多数設置させることが可能となるため、これまで設置できなかった場所への設置や、面積当たりの発電効率を向上させる。

この発明の上面図(回転羽根右回転の場合)である。 この発明の上面図(回転羽根左回転の場合)である。 この発明の側面図である。

軽量で剛性の高いプラスチック等の素材で、図のような形状のカバーを作成し、発電機にカバー軸受と、カバーの底の部分となるプレートを取り付ける。
次に発電機の回転軸に回転軸と回転羽根を取り付け、回転羽根を覆うように、カバーを被せ、底となるプレートとカバーを結合する。

例えばガードレールの各支柱の上部や、信号機、中央分離帯、高速道路、鉄道線路等のフェンスの上部に複数取りつけることで、通常の風だけでなく、自動車や電車の走行による風を発電に活かすことができる。
また家の屋根やビルの屋上等に設置する際にも、専有面積が小さいので、小型軽量の物を複数取りつける事で、屋根への負担を軽減でき、設置コストを軽減することができる。
小規模水力発電としては、河川の橋脚などに本発明の装置に取りつけた浮力体とを鎖でつないで浮かせて使用すれば、多くの発電機を設置できる。
また水平方向の専有面積の小ささから、本発明の装置を直列に設置することもできるので、河川の流れに影響を与えず発電効率を上げることができる。

電力自由化とともに、エネルギーの地産地消が必要とされる中、地方自治体等により学校等の各公共施設の建物の屋上や、壁面に多数設置し、24時間発電できる仕組みを構築することで、原発のような大規模発電からの送電網による損失の無駄をなくすだけでなく、万が一の大規模災害時の送電網の復旧を待たず、避難場所での自家発電システムの構築が可能となり、災害対策にもなりえる。
また各河川の橋脚に小規模水力発電用に本発明の装置を設置し、小規模水力発電装置を多数設置させ、電力を安定的に供給させることができ、その際に橋の通路と反対面（裏面）にも風力発電装置を多数設置させることができるので、一つの橋で水力・風力の両方から電気を生み出すことができ、エネルギーの地産地消につながる。
ガードレールや中央分離帯、信号機や道路標識、高速道路や鉄道のフェンスの上部に多数設置させ、通常の風だけでなく、自動車・鉄道の走行による風を取り込み発電・蓄電を行い、その作られた電気から夜間の照明に使用することで、夜間での交通事故の減少につなげる。
各家庭に自家発電装置として販売する場合においても、天候に左右されるデメリットなく、太陽光発電のように屋根の向きや日当たりとは関係なく、専有面積も小さいことから安価に複数台設置することができるため、各家庭への普及が見込まれる。
またカバーによる安全性の確保によって、設置場所の自由度が増すため、マンション・アパートのような集合住宅においても、ベランダ等に設置することもできるので、一つの建物に対して、多様な設置場所を可能となるため、ビル風を利用した発電も可能となる。
農業においても、専有面積が小さいことから、大きな日照の妨げにならないことで、多数の発電装置を設置することができるので、太陽光発電のように広大な土地を使うことなく、農地との併用で発電装置を広げていくことができ、売電による農家の副収入として農業の疲弊を防止させる。
漁業においても、船舶上に設置した風力発電により常時蓄電させることで、船舶エンジンの発電に消費されるエネルギーを抑える。
また漁港など海辺は風も強く、専有面積の小さい本発明の装置であれば、多数設置することができるので、その売電による副収入が、疲弊した海沿いの地域の活性化にもつながる。

Claims (1)

1. 垂直軸型回転羽根のカバーおける、流線形の形状のカバーの前部から取り入れた空気を、回転羽根の回転方向へ誘導させるダクト形状と、側面から後端にかけて流速の上がる部分では、そのバキューム効果による負圧を、回転羽根の回転方向へ誘導させるダクト形状となっていることで、回転羽根周囲にスワール渦を発生させる形状

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