JP2010223207A

JP2010223207A - 垂直型反動風車発電機

Info

Publication number: JP2010223207A
Application number: JP2009097460A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Mitsui; 清三井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-21
Filing date: 2009-03-21
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】垂直抗力型風車では風圧を受けて回転する力と、風圧を受けて回転を妨げる力が介在しエネルギー変換効率が低く、垂直翼の形状もある程度高度な技術が必要であり、最近では抗力型と揚力型を複合化した風車の開発が行われているが、構成する部品件数が多く、そのために風車の構成は複雑化し、生産コストは低いとは言いがたい。したがって、風向きに追従し、単純な構成でエネルギー変換効率を高めた反動風車が期待されている。
【解決手段】風圧を受けて回転を妨げる力が働く領域内でも風向きに対して垂直翼に仰角を持たせ、風車が１回転してもその仰角が変わらない機構を持ち、さらに風向きが変わっても風向きに追従する機構を持つことにより、垂直翼面に作用する力を連続して効率よく風車本体の回転エネルギーに寄与することができ、これらを構成する部品件数も単純で、同一なものを使用することで生産コストは低く抑えることができ上記課題は解決できる。
【選択図】図１

Description

本発明は風車本体に設置された垂直翼翼面に作用する風圧を利用するもので、垂直翼に発生する反力を垂直翼が自転することにより風力のエネルギーを効率よく電気エネルギーに変換する垂直型反動風車発電機に関する。

現在、主流となっている風車は水平軸プロペラ型であり、アメリカではほとんどがこのタイプである。国内では垂直抗力型のサボニウス型、クロスフロー型、垂直揚力型のダリウス型、ジャイロミル型、あるいはこれらの長所を生かした複合型があり、最近ではマグナス効果を利用した水平型、垂直型の開発が行われているが風圧による反動力を効率よく生かした風車発電の進展はほとんどなされていない。
特開２００８−３８７９４特開２００８−１７５０７０

今日の反動型風車は風車本体外周に案内羽等を設け大型化しているし、揚力型、複合型においては、加工技術も高度なものもあり、風車本体の構造も複雑化し、部品件数も多く低価格の縦型風車とは言いがたいところがある。

今ある垂直反動型風車では風向きに対し、風車回転直径に働く風圧の半分しかエネルギーに変換されていないのが現状である。そこで、この発明は、垂直翼の断面が流線型点対称とし、この垂直翼を自転させることにより回転エネルギーに寄与できない領域内でも、より多くの回転エネルギーを得ることができるようにすることであり、同一部品を使用し、機械加工も単純なものとして風車本体の軽量化、および製作の簡易化を図り、低価格で提供することを課題とする。

本発明は風車本体に設置された垂直翼面に作用する風圧力を利用するものであり、風車本体の回転（以下垂直翼の公転と呼ぶ）と垂直翼の自転により風向きに対する垂直翼の仰角が公転周期ごとにその仰角が変わらないことが重要で、そのためには下記条件を満たせば解決できる。
条件１．垂直翼の断面が自転軸を対称の中心とした点対称であること
条件２．垂直翼の公転周期と垂直翼の自転周期の比が１対１／２であること
条件３．垂直翼の公転方向と垂直翼の自転方向が逆であること

以下、図２を用いて上記条件について垂直翼の１つをとりあげて説明する。
図２において、風は左から右方向に流れており、垂直翼が公転、自転するまえの状態を垂直翼仰角４５度として、歯車列とともに示している。垂直翼を自転させるため、公転中心に歯車９があり、この歯車は歯車列１０，１１，１２を介し、垂直翼を自転させるための歯車１３に連結されている。公転中心にある歯車９と垂直翼の自転用歯車１３の回転比率は歯車列を介し２対１とするここにより、公転１周期に対し自転１／２周期となる。ここで、風圧を受ける垂直翼面（斜線部）は裏面となるが垂直翼の断面が自転軸中心とする点対称形状であるため、風圧を受ける垂直翼の形状とその仰角は公転を始めるまえと同じとなる。また垂直翼の公転方向と垂直翼の自転方向を歯車列の組み合わせにより逆向きにすることができ、垂直翼公転が１／４回転（９０度）したとき、垂直翼面は風向きに対し直角となり最大風圧を受け、３／４回転（２７０度）したときに垂直翼面は風向きに対し水平となり最小風圧を受ける。風圧による垂直翼面に作用する力は空気の粘性がないものとして、翼平面に垂直に働き、その力の大きさはＳｉｎθ（θは仰角）の変化量となるので垂直翼公転３／４回転（２７０度）付近以外では垂直翼面に作用する反力を得ることができ、より多くの回転エネルギーを得ることができる。

風向きが変わった場合、自己制御では、風車本体中空軸を貫通している内軸先端部にある方向舵が風向きに追従し、内軸に装着している中心歯車、および歯車列を介し垂直翼に装着した自転用歯車を回転させ自己補正を行うことで解決できるし、方向舵別設置では方向舵からの電気指令により風向き方向に追従できるよう制御モータを回転させ、ウォーム歯車を介し、内軸に装着しているウォームホイールを回転させ、内軸に装着している中心歯車、および歯車列を介し、垂直翼に装着した自転用歯車を回転させて、補正を行うことで解決できる。

歯車配列については、風車本体中心内軸に装着された中心歯車と風車本体に設置された垂直翼の自転用歯車との間に、歯車回転比率が内軸に装着された中心歯車を２、垂直翼の自転用歯車を１となるように歯車列を含めたそれぞれのピッチ円直径を決めればよく、自転用歯車、歯車列、中心歯車を含め奇数配列とすることにより公転方向と自転方向を逆にすることができる。また、歯車列の一部の歯車中心軸をオフセットさせ、オフセットさせた歯車より２個の垂直翼の自転駆動をおこなうことができ、直列に配置したときより歯車数を少なくすることもできる。
図１、図６

歯車配列機構には、リング状の外歯、内歯をもった歯車を使用することも可能で、垂直翼を多く設置するのに利用することができる。図３

垂直翼を風車中心軸対称に２個、風車中心軸１２０°ピッチに３個とする場合、傘歯車
を使用することで、風車本体の軽量化をより可能にすることができる。
図４

以上説明したごとく、本発明は、風車本体中心軸を内軸、中空軸の２重構造とし、歯車列を使用することにより風車本体が風向きに追従し、風向きに対する垂直翼との仰角が１公転ごとに同じ角度となり連続して回転し、この回転力を効率の良い風車出力として得ることができる。

垂直翼の形状は特殊加工をする必要もなく、風車本体を構成する部品もほとんどが単純な部品の構成であるため、コストを安く抑えることができる。

垂直翼の形状を幅方向に大きくし、あるいは縦方向に長くした垂直翼を選択することにより、年間平均風速の異なる地域でも対応することができる。

本発明の一実体の垂直型反動風車発電機の正面図である。垂直翼の公転と自転の関係、風向きに対する垂直翼仰角の変移、垂直翼面に作用する力の方向についての説明図である。リング状の外歯、内歯をもつ歯車を使用しての垂直翼自転駆動系を示す。傘歯車を使用しての垂直翼自転駆動系を示す。風向きに対して自己制御補正をする方向舵の取り付け位置を示す。歯車列の一部をオフセットさせ、歯車の数を少なくした歯車配列の実施例を示す。

以下、本発明の実施形態を図面によって説明する。図１は本発明の一実施形態を示すもので、風車本体中心軸は、中空軸１、中空軸２、内軸３より構成されている。

内軸３は、風向きに対し、各垂直翼の仰角が常に同じとなるよう風向きに追従する方向舵によって制御される。

方向舵は小型風車用として自己制御方式と中型、大型風車用として別設置方式とがあり、

自己制御方式では、図７に示すように、内軸３の先端部に直接方向舵を取り付け、自己制御を行い、

別設置では風向きの偏差分を電気信号に変え、制御モータ１８を駆動し、ウォーム歯車１４、１５を回転させ、内軸３に装着している歯車９を回転してその偏差分の補正を行う。

中空軸１は垂直翼自転軸５の上端部を支持する円盤状の上板６、垂直翼自転軸５の下端上部を支持し、歯車列の歯車１０，１１，１２の各軸上端部を支持する円盤状の中板７に直結されていて、中空軸１の上端部は四本の地上支柱に固定されたアーム２０により軸受３１を介し支持されている。

中空軸２は垂直翼自転軸５の下端下部を支持し、歯車列の歯車１０，１１，１２の各軸下端部を支持する円盤状の下板８に直結された風車出力軸であり、発電機を駆動する歯車１６を装着し、発電機回転軸に装着している歯車１７を回転させ発電を行い、地上支柱に固定された構造物により、軸受３２を介し支持されている。

風車本体の円盤状の中板７と円盤状の下板８は、歯車列それぞれの歯車１０，１１，１２は軸受２５，２６，２７が内装されているので、それぞれの歯車軸２２，２３，２４の両端を固定することができ、円盤状の中板７と円盤状の下板８は連結され、風車本体の強度メンバーとなっている。

風向きに対し垂直翼の仰角が常に同じとなる機構について、図２に示す垂直翼一つを例にとって説明する。

風は方向を変えず左から右へ流れるものとして、風車本体中心軸内軸３に装着された歯車９は回転せず固定したものと考えてよい。垂直翼の公転方向と、垂直翼の自転方向とは歯車列による組み合わせにより逆向きとすることができ、歯車９、および歯車列を介しての垂直翼の自転用歯車１３の回転比率を、前者が２、後者が１であることにより垂直翼の公転１回転で、垂直翼の自転は１／２回転し、垂直翼翼断面形状は垂直翼自転の軸を対称の中心とする点対称形状なので垂直翼の仰角は変わらず、歯車９を中心としての垂直翼公転軌道上どの位置に垂直翼を設置しても同じことが言える。

以上により、風車本体に設置された垂直翼仰角を、風向きに対して決めることにより、垂直翼の公転方向は左回り、停止、右回りすることができるので、公転力を最大限得る仰角を選定すればよく、複数個の垂直翼を使用する場合でも同じことが言える。

風向きが変われば、方向舵により、その偏差分を内軸３が回転し補正するので垂直翼仰角は変わらず連続して回転することができる。

本発明の垂直型反動風車発電機には歯車を多く使用しており、歯車から発生する騒音が問題視されるが、樹脂系の歯車の使用、あるいは強力な磁石を用いた無接点歯車を使用することで解決できる。

台風等の強風時には、本発明の風車は垂直翼の形状にもよるが規定風速以上になると風車の回転数は上昇しなくなるので自己制御方式の小型風車ではこのときの強度が保たれればよく、別設置方式の中型、大型風車においては遠心力による機器破損がともなうことがあるので、この場合は風向きに対する制御を離脱させ、制御モータにより右巻き方向、あるいは左巻き方向に回転させることにより風車の回転数を下げることができる。

１風車本体中空軸
２風車本体中空出力軸
３風車本体内軸
４垂直翼
５垂直翼回転軸
６風車本体円盤状上板
７風車本体円盤状中板
８風車本体円盤状下板
９風車本体中心中軸に装着した歯車
１０歯車列歯車
１１歯車列歯車
１２歯車列歯車
１３垂直翼自転用歯車
１４風車本体中心中軸に装着したウォームホイール歯車
１５ウォーム歯車
１６出力歯車
１７発電機回転軸に装着した歯車
１８制御モータ
１９発電機
２０支柱よりのアーム
２１基礎架構
２２歯車列歯車軸
２３歯車列歯車軸
２４歯車列歯車軸
２５歯車装着軸受
２６歯車装着軸受
２７歯車装着軸受
２８垂直翼自転用軸受
２９垂直翼自転用軸受
３０垂直翼自転用軸受
３１風車本体上軸受
３２風車本体下軸受
３３外歯、内歯をもつリング状歯車
３４外歯、内歯をもつリング状歯車の側面支持板
３５風車本体内軸装着の傘歯車
３６垂直翼自転駆動用傘歯車
３７垂直翼自転駆動用軸
３８垂直翼自転駆動用傘歯車
３９垂直翼自転傘歯車
４０垂直翼自転駆動用軸支持板
４１垂直翼自転駆動用軸支持板
４２方向舵

Claims

垂直型風車の回転中心軸を内軸と中空軸よりなる２重構造とし、内軸は垂直翼仰角が風向き方向に追従できるよう垂直翼自転用の中心歯車を装着し中空軸を貫通し、小型風車においては内軸上端部に直接方向舵を取り付け、風向き方向に内軸が回転する自己制御方式により垂直翼仰角を追従させることができ、大型風車、中型風車においては内軸下端部にウォーム減速機のウォームホイールを装着させ、別設置方式の方向舵からの電気指令により風向き方向に制御モータが回転し、ウォーム減速機を介し内軸中心歯車を回転させ、垂直翼の仰角が風向きに対して追従することができることを特徴とする垂直型反動風車発電機。
中空軸は中空軸その１、中空軸その２があり、中空軸その１は垂直翼軸上端部を支持する円盤状の上板が直結し、また垂直翼軸下端上部を支持し、歯車列の各歯車軸上部を支持する円盤状の中板が直結しており、中空軸その２は垂直翼軸下端下部を支持し、歯車列の各歯車軸下部を支持する円盤状の下板が直結しており、中空軸その２を風車出力軸としたことを特徴とする請求項目１の垂直型反動風車発電機。
風車本体が１回転するのに対し垂直翼が１／２回転すると、垂直翼が風圧を受ける面は回転前の裏面となるが垂直翼断面は１８０度回転しても同じ形状となるよう垂直翼の自転軸を対称の中心とした点対称翼とし、風を切るときの乱流防止のため流線型としたことを特徴とする請求項目１の垂直型反動風車発電機。
風車本体の回転力を減衰させないために、垂直翼が自転するための歯車回転比率が歯車列を含めて内軸に装着の中心歯車を２、垂直翼装着の歯車を１とし、風車本体が回転する方向と、垂直翼自体が回転する方向は逆向きとなる歯車列を有することを特徴とする請求項目１、請求項目３の垂直型反動風車発電機。
中空軸その２の出力軸には複数の発電機の設置、また必要に応じ風車起動用駆動モータも設置できるように歯車を装着したことを特徴とする請求項目１、請求項目２の垂直型反動風車発電機。