JP2015036541A - 揚力型風車抗力型風車を有するハイブリッド垂直軸風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直軸風力発電装置において抗力型と揚力型の合体した装置を作り、プロペラ型でしか実現していない大型風力発電装置を提供する。
【解決手段】揚力型の翼Ｐ1、Ｐ２は直線翼を使用し、従来遠心力方向を向いていた揚力を回転方向に向けて大きな回転力を得るようにし、大型の翼を数十枚用いることにより安定した回転力と大きな回転モーメントを得る。抗力型の回転体Ｓは集風装置Ｒ１、Ｒ２を用いて、風力を広範囲から集める構造とする。又風車を円筒形とし、集風装置と円筒で作った狭い通風路を持つ構造とし、風力の強くて速い流れを作り出し、大きな回転力を得るようにする。翼の揚力型と抗力型を組み合わせた大型の垂直軸風力の発電装置である。中心軸の下端の地上にナセルＴを配置し、ナセルＴの建設コスト、ランニングコストの大巾な削減が出来る。
【選択図】図１−１

Description

発明の詳細な説明

ｉ）技術分野
自然エネルギーである風力を用いて発電する分野
ｉｉ）背景技術
風力発電装置はプロペラ型が主流で、垂直軸発電装置はダリウス型が少し運用されているものの、その他は小型しか開発されていない。
先行技術文献
東海大学関和市教授著
「直線翼垂直軸型風力発電／太陽光発電ハイブリッドシステム」
ｉｉｉ）発明が解決しようとする課題
風力発電装置の大型化はプロペラ型で計られているが、さらに大きくするためには翼長を１００ｍ以上にしなければならず強度及び質量の増大など、ほとんど限界に近くなっている。コストもそれに伴って増大しておりプロペラ式の幾何学的短所から来るこれらの問題を解決するのに、構造が異る装置の開発を行う。
（２）風力の強い洋上での発電が注目されているが、せっかく風力の強い洋上に設置しても、風速２５ｍ／ｓ以上で、止めねばならず、エネルギー量の多い２５ｍ／ｓから３５ｍ／ｓを利用出来る、強風に強い構造を持つ新装置。
（３）洋上だけでなく、強風地帯であるパタゴニアシベリアのような原野、砂漠地帯で稼動する装置。
（４）解体して部材をヘリで運べないため道を作ることから始め、倍近い建設コストをかける（出雲市の例）か又は山岳地帯は諦めている現状を打解し、山岳地帯でもヘリで部材を運び簡単に、現地組立て出来る、高圧線鉄塔イメージの新風力発装置。
（５）素材が高額なため機器コストが高い現状を打解し、超安価な素材で造ることが出来台風などで壊れたら簡単に安価で消耗品のように取替えられる新風力発電装置。
ｉｖ）課題を解決するための手段
（１）抗力型風車と揚力型風車を合わせ持つハイブリッド型風力発電装置を開発し図５に点線で表示したパワー係数を目ざす。そのためには揚力型風車の回転半径を、風速以上で回らない抗力型風車の回転半径の２倍から数倍とすることにより揚力型がうまく連動するように計る。
このように連動させることにより揚力型の高速回転を可能にするだけでなく、回りすぎを抗力型が抑える働きをする。そのため抗力型風車は揚力型よりかなり大型に作成しコンピュータ制御なしでも壊れずに稼動するようにする。（図１−１及び図２）
又揚力型抗力型が連動して点線のようなパワー係数を目ざすためには揚力型と抗力型が各々単独で風力発電能力を持つようにする必要がある。
（２）揚力型直線翼垂直軸発電装置の開発。
（２−１）現在数ｋｗ／ｈ程度の小型垂直軸発電装置が作られ使用されているが、大型化が出来てないのは、回転によって得られる揚力のベクトル方向が遠心力方向を向くように設計、設置されており、発電に必要な回転方向の揚力の分力が極めて小さいことによる。
回転方向の分力が小さいため、大型化を目ざしても、発電機本体の大型化に伴う負荷の増大及び、翼等の大型化に伴う質量の増大に対応しうるだけの回転能力が伴わず、小型のまま運用されている。小型の風力発電機であるが、高速回転は実現している。しかしせっかく高速回転により、受風面積の数十パーセントの風力エネルギーを引出しておきながら得られた揚力は遠心力方向近くを向いてており、発電に必要な回転方向でなく、装置を破壊する方向を向いており、わずかな分力で回転させている。現実には得られた風力エネルギーは大部分が熱として空中に放出されている。
揚力が遠心力方向を向いているため、それに対応して、揚力の反対方向に装置側に抵抗力が生じるが、先行文献では、それにより大きな回転力が生れるとしている。では、生れた大きな回転力は利用されずになぜ小型機のまま終っているのか疑問が残る。
当方では生れるのは装置を壊そうとする揚力による「歪み」と「熱」及び翼が遠心力方向から少しねじれた方向に取り付けられていることによる「回転方向のわずかな分力」だけという見解であり、自己起動力は小さいが、わずかでも回転し出すと徐々に加速するため、高速回転を実現していると考えている。高速回転による揚力は大きいが、「発電能力」及び「翼等の質量増化に対応しうる回転能力」に関係する回転方向の分力が小さいため、当発明では揚力の方向を変え、揚力の全部又は大部分を回転力と出来ないかに焦点を当ている。
２−２）揚力を回転方向又は回転方向に近い方向に向けないと大きな発電能力が得られないため、最初に揚力の方向を回転方向と同じ向きになるよう翼を設置して回転する条件を探し、次に全部でなくその大部分を回転力に向ける方向に翼を設置し回転させる条件を探った。そのため最初翼の底辺と半径のなす角θを０から始めて除々に増やし、回転出来る条件を探した。
θ＝４５°〜３０°風速３ｍで複雑な動きを始め、風速６ｍで少し回転したが長く続かず、逆回転もした。（直径４０ｃｍの半円円筒形翼４枚翼長１．３ｍ、回転半径３ｍ）
なおこの装置は自転車を寝かせて、ペダルに中心軸を直結し、２ｋｇ重の重りを乗せて、風車に発電機を実際に取付ける場合の風車にかかる負荷のかわりとして実験を行った。
２−３）逆回転は風車の後側に風の抵抗が働いたものと考えられ、回転が続かなかったのは、揚力の不足と風力の偏りによるエネルギーの不連続性によるものと捉え、翼の数を増やしていったところ、中心近く４枚、周囲８枚で連続して回転を始めた、プロペラ型にみられる多翼にすることにより、能力がダウンする現象もあまり見られないと思われるほど安定した高速回転が得られた、プロペラ型は、翼が中心部近くでは密集するが、直線翼では各翼間の距離がある程度、保たれていることにより、悪影響は少いのではと、問題は課題として残し、多翼にする利を優先させた。
（３）抗力型垂直軸発電装置の開発
３−１）抗力型では、集風装置による能力アップを計った。ビルの谷間では風力、風速が強まることはよく知られており、ビルの谷間で、風車を動かせば良いのではないかと誰もが思いつくことである。当方では、風車の周囲に、風車をとり囲むように無指向性集風装置を置いて、抗力型垂直軸発電装置を稼動させる特許願いを、２０１１年６月に日本特許庁へ提出したが、実験装置を外部で稼動させたところ、強風がたえ間なく吹く環境でしか作動せず、回転ムラがはげしく、風力が弱まるとすぐ止まるという現象がみられた。プロペラ式の風速３ｍからの安定した回転とは比較にならず、提出した特許願いを取下げた経緯がある。
３−２）そのため図３に示すような実験装置を室内に作り、集風装置の改善を模索した。最初作った、無指向性集風装置は効率が悪い事が解ったので、「風を取り込みやすく、逃さない（反射などの少い）構造とし」、「出口で指向化させる」と共に、「風車を円筒形とし集風装置とで風をはさみ込んで狭い通路を通すよう」にしたところレンガ５個の負荷でもよく回るようになった。
３−３）この集風装置と円筒形風車を用いた抗力型風力発電装置を図（１−４）（１−５）（１−６）に示す。
なお図（１−６）は強風地帯でこの抗力型のみで高速回転し、集風装置をＲＣ風車をステンレス炭素繊維アルミなどで作れば、長期間半自動的に発電することが可能な発電装置を示している。
大切な事は巨大な集風装置が単なる壁の障害物としてしか機能しないのを避けるため集風装置の出口の指向化通路及び、円筒形風車と集風装置で作る風の通路をかなり広げ、風が通りやすくする構造とする。
４）Ａ部とＢ部を合体し揚力抗力によるハイブリッド型垂直軸風力発電装置を図（１−１）（２）に示すＡ部の回転半径はＢ部の回転半径の２倍〜数倍とする。Ｂ部はＡの回りすぎを抑制するため高さなど大きく作る必要がある。又強風地帯でない限り回転体はアルミパイプフレームやＰＥＴ樹脂を多用して、安価にしかも軽く作る。
（Ｖ）発明の効果
（１）装置の素材はＡ部のメインフレームを炭素繊維とする以外は鉄、アルミ ＰＥＴ樹脂など安価な物でよく、機器コストを引き下げることが出来る。
（２）構造的に強風に対して強く、海上やパタゴニアなどの強風地帯において、大きなエネルギーを有する強風で止める必要がなく高い発電能力を有することから発電コストの大巾ダウンを計れる。
（３）構造的に、分解して現地組立て出来るため、山岳地帯などではヘリ運搬で建設可能となる
（４）発電機本体などの重要な機器が入っていて、しかも非常に重いナセルが地上近くの低位置にあることから、建設コスト、ランニングコストなどの大巾なダウンが計れる。

大型全体概要図 大型の１例を示す、縦方向の断面に近い概要がわかる図として描いてある。 ａ断面図 水平方向の断面に近い図（フレームなどは省略）で翼の位置などを示すだけの図としてある。 ｂ断面図 １−２）と同じく省略した図。 ｃ断面図 集風装置と風車の水平方向の断面概要図 翼部分拡大図 翼及び指向化出口及び通風路の概要。 強風地帯でのＢ部のみの抗力型発電装置 水平断面概要。 中型機概要図 集風装置の実験 実施例 この装置の目ざすパワー係数

風速３ｍ／ｓから２５ｍ／ｓで現在稼動しているプロペラ型風力発電装置及び、中央アジアの強風地帯で稼動している装置の横にこの発明機の中型クラス（図１全体図）及び強風型（図 ）を置いて、発電能力の比較等性能を比べる必要がある。
実験機は、粉雪の舞う状態から判断出来る「つむじ風などが発生する過酷な条件」下の谷間の中腹で実験した。
実施例）図 に示すようにＡ部として翼１２枚（回転 直径６ｍ翼長１．３ｍ翼断面積６００ｃｍ^２×８枚×９００ｃｍ^２×４枚）
Ｂ部翼（高さ２ｍ、直径９０ｃｍの円筒形表面に２０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍのポケット状保獲器９６個を持つ）集風装置として出口２方２ｍ×３０ｃｍ入口２方２ｍ×４ｍの物を用意し、発電用負荷として自転車に軸を直結し、風車に５ｋｇ重の重りを乗せて実験を行った。
風速６ｍで、周速約５４ｋｍ／時で安定した回転が得られた。

機器コスト、建設コスト、ランニングコストの大巾な引下げが可能となり、発電コストが安価になるため、安価な電気が供給出来るようになる
又原野砂漠洋上での低コスト発電で出来た電力を使って、その場で水を電気分解し、Ｈ_２及びＨ_２＋ＣＯ_２→ＨＣＯＯＨ（ギ酸：液体）を製造することが容易になるため、Ｈ_２燃料の自動車燃料電池を用いた発電（各家庭及び電気自動車）などの本格的時代がやって来る。

Claims (4)

1. ▲１▼直線翼から得られる回転モーメントの総量を多くするため、及び、自己起動力を高めるため、非常に多くの直線翼を有すると共に、
   ▲２▼直線翼の回転により得られた揚力のベクトル方向が回転方向に近くなるよう翼を設置し揚力の回転方向の分力の増大を計ることにより（▲１▼と▲２▼により）発電機の大型化に伴う負荷の増大に対応出来、なおかつ大型化に伴う質量増大に対応出来る回転能力を得るように▲１▼と▲２▼を設計に入れた多翼型直線翼発電装置。（Ａ部）
2. 抗力型風車の回転能力を上げるため風車の手前に設置する集風装置において、
   ▲１▼開口部を大きく取り、風車に当てる風の出口を細め、その比率を極度に高めることにより、及び
   ▲２▼集風装置の風の吹出口を円筒形風車の接線方向と４５°〜３０°の角度をなすよう、細い誘導路の形状とし、風が指向化されて、円筒形風車にとり付けられた翼に当るよう計計する。及び▲３▼吹出口から出た風を集風装置と風車とで形成された細い通路を通すことにより風力の強い速い流れを作り、▲１▼▲２▼▲３▼によって大きな機能を発揮する集風装置。
3. 「円筒形風車にすることにより、集風装置と合いまって大きな風力、速い流速を得るよう、」又「メッシュ状でポケット状の小さな風力捕獲器を多数有する翼を円筒形表面に持つことにより風力を有効に回転力に変えるよう」設計された円筒形状風車。及びこの風車と集風装置で大きな発電能力を有する抗力型発電装置。（Ｂ部）
4. 揚力型風車を持つ揚力型発電装置（Ａ部）と抗力型風車を持つ抗力型発電装置（Ｂ部）を合体し、Ａ部の回転半径をＢ部の回転半径の数倍とすることにより連動し、大きな自己起動力を持ち、安定した回転と大きな回転力を得て、大型化が可能となった風力発電装置。（Ａ部＋Ｂ部）

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