JP4918664B2 - 風力発電機 - Google Patents

Description

この発明は、風力発電機に関する。

近年、代替となるエネルギー、もしくは新規なエネルギーの研究に力が注がれている。代替エネルギーとして常に見られるものに、太陽エネルギー、風力エネルギー、潮汐力エネルギーなどから、バイオマス・エネルギーに至るまで、各種挙げることができる。これらは、自然界の途切れることのないエネルギーを各種の使用可能なエネルギーに転換しようとするものである。

上述する自然界のエネルギーの内、風力エネルギーは応用が比較的容易で、しかも枯渇することがない。風の発生は、大気の不均一が熱作用を受けて生じる対流運動によるものである。

風力発電機は、一般に風力による気流を利用して発電機のモータギーの使用効率に影響を与える。それとギーの使用効率に影響を与える。それと５６ ともに、たとえばブレードの形状、枚数などの構造の設計も風力エネルギーの使用効率に影響を与える。

風力発電機は風を受ける方向の違いによって、アップウインド型とダウンウインド型の二種類に大別される。一般によく見かける風力発電機はアップウインド型であって、風力による気流がブレードハブの正面から直接ブレードにぶつかってこれを回転させ、ここから風力エネルギーを電気エネルギーに転換する。この場合、ブレードハブの風に向かう面は、風が吹いてくる方向に対して正確に向かっていなければならない。さもなければ、風車は最大の効果を発揮することができない。したがって、ほとんどの風力発電機にはヨーギアなどの風車が自動的に風の方向を向くようにした装置が設けられていて、例えば、風向きを自動的に検知して動力装置で風車を回転させて向きを変更し、好ましい風力利用効率を得る。係る風力発電機は、構造が複雑であるのみならず、製造コストも決して安くない。

また、ダウンウインド型の風力発電機のブレードハブはハウジングの後方に設けられている。しかもハウジングの中心を通る軸線を外れて支持シャフトが設けられる。よって、回転の中心点と支点は位置を共有しない。ブレードが風を受けて回転すると、気流はハウジングの鼻先に向かって移動し、ブレードとハウジングの支点との間の距離だけモーメントアームが形成され、これに連動してブレードの回転によるトルクが発生して自動的に風向きを検知する効果が生まれる。

また、ダウンウインド型であろうと、アップウインド型であろうと、図１に開示するように、風力発電機１０は支持柱２０上に回動自在に設けられる。風力発電機１０はハウジング１１と、発電機セット１２と、ブレードハブ１３を含んでなる。

ハウジング１１は、弾頭に似た流線型上を呈する。即ち、ハウジング１１の前端から中央の部分に向かって直径が徐々に広がり、中央の部分から後端に向かって徐々に縮小する。よって、気流は、図面において矢印で開示するようにハウジング１１の前端から吹くと、先ず外方向に拡散した状態になる。一部の気流はハウジング１１の中央の部分に至り、内部に収縮する。この外方向に拡散すると内部に収縮する気流とのいずれもがブレードハブ１３にぶつかって乱流を発生させる。

ブレードハブ１３には複数のブレード１２１を設ける。このため、風圧に押されて垂直抗力が発生し、ブレードハブが回転して風力エネルギーを電気エネルギーに転換する、但し、気流がブレード１１の末端に至ると渦と風きり音が発生する。ブレード１３１の末端はブレードハブ１３が回転する場合、最大のトルクが発生する位置である。ブレード１３１の末端に発生する翼端渦はブレード１３を逆方向に動かす力を発生させる。よって、ブレードハブ１３の回転に抵触する力が発生する。よって、ハウジングの設計であろうと、ブレードの設計であろうと、いずれも風力発電機の風力エネルギーに対する利用効率に影響を与え、甚だしくは発電効率にも影響を与える。

この発明は、乱流による抗力を減少させ、風圧を高めて風力エネルギーの利用効率を高めることのできるハウジングを有する風力発電機を提供することを特徴とする。

また、この発明は自動的に風向きを検知する効果を具えるハウジングを有する風力発電機を提供することを特徴とする。

また、この発明は、ブレードにおける翼端渦の発生と、ブレードハブが回転するときの風きり音の発生とを抑制し、風力エネルギーの利用効果を高めることのできる風力発電機を提供することを課題とする。

そこで、本発明者はハウジング先端部と、一端が縮径部となり、他端が拡径部となり、かつ該縮径部と該拡径部の接する部位を谷部とする鞍状部が形成されたハウジング本体と、によってなるハウジングと、
該ハウジング内に設けられ、かつ駆動軸を具え、該駆動軸を回転させて電気エネルギーを発生させる発電機セットと、
外周面に、ダウン・ウオッシュを末端に形成した複数のブレードを輻射状に設けたハブを具え、かつ該駆動軸の一端に連結したブレードハブと、含んでなる風力発電機であって、該ブレードの末端にダウン・ウオッシュを形成し、該ブレードの受風面及び／もしくは背面に凹状部を形成してなる風力発電機の構造よって課題を解決できる点に着眼し、係る知見に基づいて本発明を完成させた。

以下、この発明について具体的に説明する。
請求項１に記載する風力発電機は、ハウジング先端部と、一端が縮径部となり、他端が拡径部となり、かつ該縮径部と該拡径部の接する部位を谷部とする鞍状部が形成されたハウジング本体と、によってなるハウジングと、
該ハウジング内に設けられ、かつ駆動軸を具え、該駆動軸を回転させて電気エネルギーを発生させる発電機セットと、
外周面に、ダウン・ウオッシュを末端に形成した複数のブレードを輻射状に設けたハブを具え、かつ該駆動軸の一端に連結したブレードハブと、含んでなる。

請求項２に記載する風力発電機は、請求項１における鞍状部に少なくとも１以上のフィンを該ハウジング本体の軸線に平行するように設ける。

請求項３に記載する風力発電機は、請求項１におけるダウン・ウオッシュの折り曲げる方向は該ブレードの受風面と逆であって、かつ該ダウン・ウオッシュと該ブレードとの間に形成される角度が９０度と等しいか、もしくは９０度以上である。

請求項４に記載する風力発電機は、請求項１における記ブレードの受風面に半球状を呈する凹状部が複数形成される。

請求項５に記載する風力発電機は、請求項１におけるブレードの受風面と背面のいずれにも、半球状を呈する凹状部が複数形成され。

この発明によれば、乱流による抗力を減少させ、風圧を高めて風力エネルギーの利用効率を高めることができ、風力エネルギーの利用効率を高めるという利点を有する、

また、この発明は自動的に風向きを検知する効果を具えるとともに、ブレードにおける翼端渦の発生と、ブレードハブが回転するときの風きり音の発生とを抑制し、かつ使用寿命を延長させることができ、利便性と実用性を兼ね備えるという利点を有する。

従来の風力発電機における気流を示した説明図である。 この発明による風力発電機の構造を示した分解図である。 この発明による風力発電機を示した奢侈図である。 この発明の風力発電機における気流を示した説明図である。 この発明におけるブレードの先端部と気流を示した局拡大説明図である。 この発明による風力発電機の風向きを検知する動作示した説明図である。

図２、３に開示するように、この発明による風力発電機は、ハウジング３０と、発電機セット４０と、ブレードハブ５０とを含んでなる。

ハウジング３０は、ハウジング先端部３１と、ハウジング本体３２とによってなる。ハウジング先端部３１の下方には固定座３１１を設ける。ハウジング先端部３１の外周面には複数の凹溝３１２を形成する。また、それぞれの凹溝３１２内には少なくとも１以上の取り付け孔３１３を形成する。

ハウジング本体３２は中空の筒状を呈し、内部には収納空間３２１を有する。また、ハウジング先端部３１に形成した取り付け孔３１３に対応する位置には固定孔３２２を形成し、取り付け孔３１３と固定孔３２２とにネジなどの締結部材を貫通させてハウジング本体３２とハウジング先端部３１とを連結する。

また、ハウジング本体３２の外周面には、円弧線を描いて括れた鞍状部３２３が形成される。即ち、ハウジング本体３２は、ハウジング先端部３１側の一端から中心部に向かって縮径する縮径部３２３１と、中心部からブレードハブ側の一端に拡径する拡径部３２３２とが形成され、縮径部３２３１と拡径部３２３２とが接する位置は谷部３２３３が形成される。

縮径部３２３１の円弧線の角度は拡径部３２３２の円弧線の角度より小さいか、もしくは等しくし、かつ縮径部３２３１の円弧線の長さは拡径部３２３２の円弧線の角度より短いか、もしくは等しくする。また、鞍状部３２３にはフィン３２４を設ける。フィン３２４はハウジング本体の軸線の方向に沿って設け、かつハウジング本体３２の表面から突出するように設ける。

発電機セット４０は、ハウジング本体３２に内に設ける。また、発電機セット４０の中心にはハブ５１を設ける。ハブ５１の外周には輻射状に複数のブレード５２を設ける。ハブ５１の中心には軸孔５１１を穿設し、駆動軸４１の末端を軸孔５１に取り付けて連結し、ハブ５１の回転に供する。

それぞれのグレード５２は、受風面５２１と背面５２２とを具え、かつ末端にダウン・ウオッシュ５４３を形成する。ダウンウ・ウオッシュ５４３の湾曲する方向は受風面４２１と逆方向であって、ダウンウ・ウオッシュ５４３とブレード５２のとの間に形成される角度は９０度に等しいか、もしくはこれ以上とする。

また、ブレード５２の受風面４２１には複数の凹状部５３を形成するか、もしくは受風面５２１と背面５２２のいずれにも、複数の凹状部４３を形成する。凹状部５３は半球状を呈し、かつゴルフボールの球面のような態様を呈する。

以上の構成による風力発電機を組み立てる場合、ハウジング先端部３１の下方の固定座４１１を支持柱６０上に設け、ハウジング３０を支持柱６０上に回動自在に設ける。また、ブレードハブ５０が風を受けて回転すると、発電機セット４０を連動させて電気エネルギーが発生する。

図２、４に開示するように、この発明による風力発電機に高速の急流が当たると（図面に矢印で気流の方向を開示した）、気流はハウジング先端部３１の方向から吹く付け、ハウジング本体３２の縮径部３２３に至り、真空効果が発生して気流が吸引される。気流が鞍状部３２３の谷部３２３３から拡径部３２３２に至ると、拡径部３２３２によって吹く出す気流の上昇角度が改善される。

鞍状部３２３の縮径部３２３と拡径部３２３２との円弧線角度及び円弧線の長さに係る設計によって気流の流動する速度、延伸する距離、及び気流が吹き出した後の上昇角度が変化し、気流がブレード５０の最大受風面積部、もしくは最も外側の一端に直接当たり、最大のトルクが発生する。

したがって、本発明による風力発電機は、従来の技術に見られる乱流によって発生する抵抗力を減少させ、吹き出した後の気流を集中させてブレード５０の最大受風面積の部位に吹き付けさせることができる。このため風圧の効果を高め、風力発電を行なう場合の風力エネルギーの利用効率を大幅に高めることができる。実験によれば、同様の風速の条件下において、風力エネルギーの利用効率を確かに高めることができることが実証された。これは、風力発電技術にとって、技術上の大きな突破といえる。

図２、図５に開示するように、この発明におけるブレード５２の受風面５２１が気流を受けると（図面に気流の方向を矢印で開始した）、ブレードハブ５０を回転させて電気エネルギーが発生する。この発明ではブレード４２の末端のダウン・ウオッシュ５２３によってブレード４２を越えて翼端渦流を形成する可能性のある気流を阻止し、直接後方に吹き出させることによって、翼端渦流の発生を大幅に減少させることができる。

実験によれば、翼端渦流発生によって、少なくとも凡そ１％の発電効率が相殺されることが実証されている。この発明におけるダウン・ウオッシュ５２３の設計は、相殺されるエネルギーの減失を取り戻し、相対的に風力発電の効率を高めることができる一種の方式である。また、ブレード５２の末端の翼端渦流は風きり音を発生させる原因ともなる。よって、当然のことながら風きり音の発生を減少させることになる。

また、この発明におけるブレード５２の表面にはゴルフボールの球面に類似した凹状部５３が形成される。これは、ゴルフボールが飛ぶ時の原理とどうように、上昇力を高め、風の流量を増加させる効果を有する。よって、乱流、風きり音の発生を効率よく低減させるとともに、風量と流動方向を集中させ、埃の発生を低減させ、ブレードハブ５０の使用寿命を延長させることができ、同時に発生する音量を減少させることができる。

また、図２、６に開示するように、ハウジング３０に形成する鞍状部３２３に設けるフィン３２４は、気流（図面に矢印で開示した）の方向に平行して設けられる。よって、気流が上昇して吹き出す時に、気流を阻止することができる。このため、フィン３２４を設けることによって整流の効果が得られる。

さらに、気流の方向が変化すると、フィン３２４は気流の方向に角度を偏向させる。このため、気流がフィン３２４の方向に沿って進む力によって、ハウジング３０を回転させて向きを偏移させる作用が発生する。このため、ブレードハブ５０は常に気流が流れてくる方向に向いて、方向を保持することができる。これもこの発明の特色の1つである。

上述の構成によるこの発明の風力発電機は、次に掲げる特徴を有する。
１、
ハウジング３０が円弧線を描く凹状部を有し、かつ流線型を呈する設計は、高速の気流が吹きつけた場合整流と風圧増加の効果を発生させ、気流が吹き出す際に上昇角度を挙げるという特徴を具える。よって、風力発電を行なう場合、風力エネルギーの利用効率を大幅に高めることができる。
２、
また、ブレード５２の末端にダウン・ウオッシュ４２３が形成される。このため翼端渦流の発生を減少させて風力発電の効果を大幅に高めることができる。
３、
鞍状部３２３に少なくとも１以上のフィン３２４を設けることによって、気流の吹いてくる方向に常に向かい、保持することができる。よって、』自動的に風の向きを検知する効果が得られる。
４、
ブレード５２の表面ゴルフボールの球面に類似した態様を有する凹状部５３を複数形成することによって、空気の抵抗を低減させ、乱流、風きり音の発生を低減させることができ、風量と気流の方向を集中させ、埃の発生を減失させることによって、ブレードハブ５０の使用寿命を延長させ、音が発生死ぬくい静かな風力発電機を実現することができる。

以上は、この発明の好ましい実施の形態であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る変更、修正などであって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するもの、例えばハウジングの形状、ダウン・ウオッシュの角度の設定、形状、寸法、もしくはブレード表面の凹状部の形状、間隔などの変更、修正などは、いずれもこの発明の実用新案登録請求の範囲に属するものとする。

３０ ハウジング
３１ ハウジング先端部
３１１ 固定座
３１２ 凹溝
３１３ 取り付け孔
３２ ハウジング本体
３２１ 収納空間
３２２ 固定孔
３２３ 鞍状部
３２３１ 縮径部
３２３２ 拡径部
３２３３ 谷部
３２４ フィン
４０ 発電機セット
４１ 駆動軸
５０ ブレードハブ
５１ ハブ
５１１ 軸孔
５２ ブレード
５２１ 受風面
５２２ 背面
５２３ ダウン・ウオッシュ
５３ 凹状部
６０ 支持柱

Claims (5)

1. ハウジング先端部と、一端が縮径部となり、他端が拡径部となり、かつ該縮径部と該拡径部の接する部位を谷部とする鞍状部が形成されたハウジング本体と、によってなるハウジングと、
   該ハウジング内に設けられ、かつ駆動軸を具え、該駆動軸を回転させて電気エネルギーを発生させる発電機セットと、
   外周面に、ダウン・ウオッシュを末端に形成した複数のブレードを輻射状に設けたハブを具え、かつ該駆動軸の一端に連結したブレードハブと、含んでなることを特徴とする風力発電機。
2. 前記鞍状部に少なくとも１以上のフィンを該ハウジング本体の軸線に平行するように設けることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
3. 前記ダウン・ウオッシュの折り曲げる方向は該ブレードの受風面と逆であって、かつ該ダウン・ウオッシュと該ブレードとの間に形成される角度が９０度と等しいか、もしくは９０度以上であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
4. 前記ブレードの受風面に半球状を呈する凹状部が複数形成されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
5. 前記ブレードの受風面と背面のいずれにも、半球状を呈する凹状部が複数形成されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
   
   

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