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技術 風力発電装置

出願人 NTN株式会社
発明者 鈴木政彦
出願日 2015年9月11日 (5年2ヶ月経過) 出願番号 2015-179441
公開日 2017年3月16日 (3年8ヶ月経過) 公開番号 2017-053308
状態 特許登録済
技術分野
  • -
主要キーワード 縦主軸 回転内側 引揚げ 回転気流 内側面図 横枠体 竜巻状 小型風車
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年3月16日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

本発明は、空転するロータを備え、これを高速回転させることにより生じる低気圧により、外部から大量の気流を呼び込んで効率の良い回転をし、発電効率の高い風力発電装置を提供する。

解決手段

発電機9に連結された縦主軸5に、風力により、これを回転させるロータ10と、縦主軸5の周囲を空転するロータ11とを設け、空転するロータ11の揚力型ブレード14の回転直径内に生じる低圧により、外側部から気圧の差により常圧の気流を呼び込むようにした。

概要

背景

1本の縦主軸に、上下2層にロータを配設した風力発電機は、例えば特許文献1に開示されている。

概要

本発明は、空転するロータを備え、これを高速回転させることにより生じる低気圧により、外部から大量の気流を呼び込んで効率の良い回転をし、発電効率の高い風力発電装置を提供する。発電機9に連結された縦主軸5に、風力により、これを回転させるロータ10と、縦主軸5の周囲を空転するロータ11とを設け、空転するロータ11の揚力型ブレード14の回転直径内に生じる低圧により、外側部から気圧の差により常圧の気流を呼び込むようにした。

目的

本発明は、民家の庭先や田圃の畦道などでも配設することができ、低風速時に高効率の発電をすることができるようにした、風力発電装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

発電機に連結された縦主軸に、風力により、これを回転させるロータと、縦主軸の周囲を空転するロータとを設け、空転するロータの揚力型ブレード回転直径内に生じる低圧により、外側部から気圧の差により気流を呼び込むようになっていることを特徴とする風力発電装置

請求項2

前記、空転するロータは、縦主軸を回転させるロータの上部に配設したことを特徴とする請求項1に記載の風力発電装置。

請求項3

前記、空転するロータは、縦主軸を回転させるロータの下部に配設したことを特徴とする請求項1に記載の風力発電装置。

請求項4

前記、空転するロータは、縦主軸を回転させるロータの上部と下部とに設けたことを特徴とする請求項1に記載の風力発電装置。

請求項5

前記、揚力型ブレードの弦長は、回転半径の45%〜60%の範囲であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の風力発電装置。

請求項6

前記空転するロータの揚力型ブレードは、縦主軸を回転させるロータのブレードと異なる諸元を有していることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の風力発電装置。

請求項7

前記縦主軸を回転させるロータの、上部に配設される空転するロータの揚力型ブレードは、左右の支持腕の先端に、上端部を縦主軸方向に傾斜させて配設されることを特徴とする請求項1、2、4のいずれかに記載の風力発電装置。

請求項8

前記縦主軸を回転させるロータの、下部に配設される空転するロータの揚力型ブレードは、左右の支持腕の先端に、上端部を外向きに傾斜させて配設されることを特徴とする請求項1、3、4のいずれかに記載の風力発電装置。

技術分野

0001

本発明は、風力発電装置係り受風面積が小さい揚力型ブレード(以下単にブレードという)の小型風車でも、低風速時に高効率の発電をすることのできる風力発電装置に関する。

背景技術

0002

1本の縦主軸に、上下2層にロータを配設した風力発電機は、例えば特許文献1に開示されている。

先行技術

0003

特開2006−17011号公報

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献1に記載の発明では、長いブレードが使用されており、ブレードを複数層にすると、全体の高さが高くなり、小型の風力発電装置には適さない。
また、上下のロータは、縦主軸に固定されており、同時に回転するものである。
本発明は、民家の庭先や田圃の畦道などでも配設することができ、低風速時に高効率の発電をすることができるようにした、風力発電装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0005

本発明の具体的な内容は、次の通りである。

0006

(1)発電機に連結された縦主軸に、風力により、これを回転させるロータと、縦主軸の周囲を空転するロータとを設け、空転するロータの揚力型ブレードの回転直径内に生じる低圧により、外側部から気圧の差により気流を呼び込むようにしたことを特徴とする風力発電装置。

0007

前記空転するロータは、縦主軸を回転させるロータの上部に配設した前記(1)に記載の風力発電装置。

0008

前記空転するロータは、縦主軸を回転させるロータの下部に配設した前記(1)に記載の風力発電装置。

0009

前記空転するロータは、縦主軸を回転させるロータの上部と下部とに設けた前記(1)に記載の風力発電装置。

0010

前記揚力型ブレードの弦長は、回転半径の45%〜60%の範囲である前記(1)〜(4)のいずれかに記載の風力発電装置。

0011

前記空転するロータの揚力型ブレードは、縦主軸を回転させるロータのブレードと異なる諸元を有している前記(1)〜(5)のいずれかに記載の風力発電装置。

0012

前記縦主軸を回転させるロータの上部に配設される、空転するロータの揚力型ブレードは、左右の支持腕の先端に、上部を縦主軸方向に傾斜させて配設される前記(1)、(2)、(4)のいずれかに記載の風力発電装置。

0013

前記縦主軸を回転させるロータの下部に配設される、空転するロータの揚力型ブレードは、左右の支持腕の先端に、上部を外向きに傾斜させて配設される前記(1)、(3)、(4)のいずれかに記載の風力発電装置。

発明の効果

0014

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

0015

前記(1)に記載の発明においては、縦主軸に、これを回転させるロータの他に、縦主軸の周囲を空転するロータが配設されているので、気流によって各ロータが回転すると、発電機に連結された縦主軸を回転させるロータの回転速度よりも、空転するロータの回転速度の方が高速となる。
各ロータに配設されている揚力型ブレードは、一定の回転周速以上の速度になると、コアンダ効果によって、揚力型ブレードの周面に沿って流れる気流は、風速以上の高速度で通過し、その反作用として、揚力型ブレードは風速以上の高速度で回転する。
空転するロータは、発電機と係りが無いので、コギングトルクがかからないため、常にコギングトルクが作用しているロータよりも高速で回転し、ブレードの回転する回転軌跡内の気流は、高速で上下方向へ通過し、ブレードの回転軌跡内は、周囲の気流よりも気圧が低下して、外部から常圧の気流を呼び込む。
その結果、風の流れ以外の大量の気流がブレードに当ることとなり、ブレードに生じる揚力を高めるため、空転するロータ以外のロータのブレードにも外部からの気流が当り、その回転を助長するので、効率の良い発電をさせる。

0016

前記(2)に記載の発明においては、縦主軸を回転させるロータの上部に、空転するロータが配設されているので、空転するロータが高速で回転すると、そのブレードの回転内側が負圧となって、外部からの気流を多量に呼び込み、その外部からの多量の気流により、縦主軸を回転させるロータも、風速よりも高速で回転し、効率のよい発電をする。

0017

前記(3)に記載の発明においては、縦主軸の周囲において、縦主軸を回転させるロータの下部に、空転するロータを配設しているので、空転するロータが、周囲の風速より高速回転し、内側に気圧の低い回転気流により生じた上昇気流により、上部にある縦主軸を回転させるロータを巻き込んで効率良く回転させる。

0018

前記(4)に記載の発明においては、空転するロータが、縦主軸を回転させるロータの上下部分に配設されるので、高速回転する上下の空転するロータによって、生じる低気圧により、外部から大量の気流が気圧の差によって呼び込まれて、発電効率を高めることができる。

0019

前記(5)に記載の発明における揚力型ブレードの弦長は、回転半径の45%〜60%としてあるので、受風面積を広くすることができるとともに、空転するロータのブレードの弦長をより長くすると、過回転を抑止することができる。

0020

前記(6)に記載の発明において、空転するロータの揚力型ブレードは、縦主軸を回転させるロータのブレードと異なった形、受風面積、大きさなどで変化させることによって、空転による気圧変化に適したものとすることができる。

0021

前記(7)に記載の発明では、縦主軸を回転させるロータの上部に配設される空転するロータの揚力型ブレードは、左右の支持腕の先端に、上部を縦主軸方向に傾斜させて配設されるので、空転により生じる竜巻状の上昇気流と、それに伴う下方向からの気流を効率良く上昇させることができる。

0022

前記(8)に記載の発明では、縦主軸を回転させるロータの下部に配設される、空転するロータの揚力型ブレードは、左右の支持腕の先端に、上部を外向きに傾斜させて配設されるので、空転により生じる竜巻状の気流と、それに伴う下方向へ移動する気流を、効率良く排除させることができる。

図面の簡単な説明

0023

本発明の一実施形態を示す正面図である。
図1に示す風力発電装置の平面図である。
図1におけるブレードの内側面図である。
図3におけるIV−IV線横断面図である。
本発明の風力発電装置の実施例2を示す正面図である。
本発明の風力発電装置の実施例3を示す正面図である。
空転ロータの1実施形態を示すブレードの内側面図である。
図5におけるブレードの平面図である。
図5におけるブレードの正面図である。

0024

以下本発明を、図面を参照して説明する。

0025

図1において、本発明の風力発電装置1は、基盤G上に構築された支持枠体2の内側に支持台3を設け、その上に固定した筒状の下部軸受4を介して、縦主軸5が立設されている。縦主軸の上端部は、支持枠体2の上部に固定された、横枠体7の中央部に配設した上部軸受8に支持されている。

0026

支持枠体2は、基盤G上に立設された複数(図2では4本)の支柱6と複数の横枠体7とで枠組されている。上部の横枠体7は、方形外枠体7Aの内側に、十字状に配した中桟7Bの中央に上部軸受8が固定されている。

0027

前記下部軸受4は、内部にベアリング4A、4Bを介して縦主軸5が支持されており、下部軸受4の上端部には、フランジ4Cが形成されており、その上面に発電機9のコイル部材9Aが固定されている。

0028

縦主軸5が中央部を貫通しているコイル部材9Aの上部において、縦主軸5に発電機9における磁石部材9Bが固定されている。
縦主軸5の回転に伴い、磁石部材9Bが回転して、コイル部材9Aに対する磁束の断接が生じて、コイル部材9Aにおいて誘導発電が行われる。

0029

縦主軸5には、上下2層に、下部に縦主軸を回転させるロータ10、及び上部に空転するロータ11が配設されている。各ロータ1011における揚力型ブレード12、14の弦長は、回転半径の45〜50%としてある。これより弦長が狭いと、受風面積が小さくなり、気流を十分に活かせない。これより広いと回転時の抵抗になる。

0030

下部のロータ10の、左右の支持腕10Aの基端部は、縦主軸5に固定された固定部材10Bに固定され、各先端部には、垂直のブレード12、12が、広い内側面12Bを縦主軸5に対面させて装着されている。また各ブレード12の上下端部は、縦主軸5方向へ傾斜する傾斜部12Aとされている。

0031

上部のロータ11における支持腕11Aの基端部は、縦主軸5に回転可能に装着された回転体13に、左右対称に固定され、その先端部には、それぞれ垂直のブレード14、14が、広い内側面14Bを縦主軸5に対面して固着されている。
また各ブレード14の上下端部は、縦主軸5方向へ傾斜する傾斜部14Aとされている。

0032

図4に示すように、各ブレード12の横断面は、ほぼ形をなし、内側面12Bは肉厚膨出しているが、外側面12Cは前後にほぼ直線状とされている。
支持腕8Aに対して、後縁12Eが僅かに外側方向へ傾いており、回転時に内側面12Bに風を受けると、前縁10D方向へ回転するようになっている。

0033

ブレード10の高さは、回転半径の1.5倍程度、弦長は、回転半径の45%〜50%前後としてある。ブレード12の最大厚さは、弦長の20〜30%としてあるが、設置する環境によって設定されるもので、ここに記載された各数値はそれぞれ限定されるものではない。

0034

下部のロータ10が、ブレード12に気流を受けると回転し、縦主軸5と、それに連結された発電機の磁石部材9Bを回転させて発電させる。上部のロータ11のブレード14が気流を受けると、縦主軸5の周囲を空回転する。

0035

この空回転は、縦主軸5を回転させる下部のロータ10よりも高速で回転し、ブレード14の弦方向に生じる、コアンダ効果によって通過する高速気流により、揚力が生じ、風速以上の高速で回転する。

0036

高速回転するブレード14の側面には、流体粘性により、ブレード14とともに回転する気流があり、高速回転に伴って、流体の密度が粗くなり気圧が低下する。
この低圧になる気流に、回転直径内の気流は、遠心方向へ引かれて、ブレード14の内側面に沿って渦を巻きながら上下方向へ抜ける。すると、周囲から気圧の差により、常圧の気流が引寄せられて、ブレード14に当り回転を速める。

0037

従って、下部のロータ10の上方において、空転するロータ11が高速回転をすると、下部のロータ10から上昇する竜巻状の気流を、空転するロータ11に生じる低圧の上昇気流が引揚げる作用をし、下部のロータ10の回転直径内の気圧をより低下させ、外部からの常圧気流を大量に吸引する作用をして、その回転効率と、合わせて発電効率を高める。

0038

上下のロータ10、11の支持腕10A、11Aの長さは、図1においては同じものとしてある。またブレード12、14も同じ態様の物を使用しているが、これは設置する場所等により、各諸元を異なるものとすることができる。

0039

図2において、空転するロータ11のブレード14の回転方向左回り)と、下部のロータ10のブレード12の回転方向(右回り)とは逆回りとしてあり、好ましいが、上下のロータ10、11の回転方向を同じものとしてもかまわない。

0040

図5は、風力発電装置1の実施例2を示す正面図である。前例と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。
この実施形態では、図1に示した風力発電装置1の、縦主軸5を回転させるロータ10の下部に、別の空転するロータ15を配設したものである。

0041

この空転するロータ15の諸元は、前記図1の空転するロータ11と同じものが図示されているが、諸元を、例えば下のロータ15のブレード16を、上のロータ11のブレード14より大型もしくは小型とするなど、任意に変化させることができる。

0042

図6は、図5に示した風力発電装置1の、空転するロータ11、及び15のブレード14、16の、支持腕11A、15Aに対する取付角度を変化させた実施例である。
すなわち、空転するロータ11のブレード14は、上部を縦主軸5方向へ傾斜させたものである。また、下部のロータ15のブレード16は、上部を外側へ傾斜させたものである。

0043

上部の空転するロータ11のブレード14は、回転時に、上部よりも下部の回転周速が早くなり、比較の上でブレード14の上部よりも、下部の方で低圧の気流が生じる。低圧の気流は軽く上昇しやすいので、上昇気流が早く生じて、下方の上昇気流を吸引する。

0044

下部のロータ15におけるブレード16は、回転するとブレード16の下部よりも上部の回転周速が早くなり、低圧の気流が生じ、下部から気圧の差による気流が生じて、縦主軸5を回転させるロータ10により生じる上昇気流を、押上げて上昇し、外部からの常圧気流を大量に呼び込んで、回転効率と発電効率を高める。

0045

図7は、空転するロータのブレードとして使用される、一例を示すブレードの回転時の内側面図(左側面)で、図8はその平面図、図9は正面図である。
このブレード17は、図7に示す内側面17Cに特徴がある。

0046

すなわち、一般の縦軸風車におけるブレードは、縦長のものである。それに対して、このブレード17は、高さよりも弦長が長いことに特徴がある。その弦長は、回転半径の50〜60%ほどの物とすることができる。60%を超えると、回転時の抵抗が大となる。50%未満では、過回転抑止の目的には適合しなくなる。

0047

また、図8に示す平面視において、外側面17Fは、前後方向で、ほぼ直線であるが、内側面17Cは、前縁17D部分の厚さが厚く、後縁17Eへかけて薄く形成されている。

0048

その結果、回転時に前縁17Dに当たる相対流は、内側面17Cを後縁17E方向へ、コアンダ効果により高速で通過し、その反作用は、ブレード17を回転方向へ強く押出すので、弦長の長いことはマイナスとならない。

実施例

0049

更に空転するロータ11、15は、コギングトルクがかからないために高速回転をするが、弦長が長いために一定の速度に達すると、抵抗が生じるので、過回転が抑制され、過回転によるブレードの破壊などが抑止される。

0050

本発明によると、風況の優れていない土地においても、低速風により空転するロータの回転により生じる低気圧により、外部から気流を呼び込んで発電することのできる、風力発電装置として、効果的に利用することができる。

0051

1.風力発電装置
2.支持枠体
3.支持台
4.下部軸受
4A、4B.ベアリング
4C.フランジ
5.縦主軸
6.支柱
7.横枠体
8.上部軸受
9.発電機
9A.コイル部材
9B.磁石部材
10.縦主軸を回転させるロータ
10A.支持腕
11.空転するロータ
11A.支持腕
12.揚力型ブレード
12A.傾斜部
12B.内側面
12C.外側面
12D.前縁
12E.後縁
13.回転体
14.ブレード
14A.傾斜部
14B.内側面
15.空転するロータ
15A.支持腕
16.ブレード
16A.傾斜部
16B.内側面
17.空転するブレード
17A、17B.傾斜部
17C.内側面
17D.前縁
17E.後縁
17F.外側面

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