(57)【要約】【課題】水流中に浸漬させても抵抗が少なく回転軸に過度なモーメントや腐食環境を与えないうえ、風向風速計を別途設ける必要のない直線翼型風水車およびそれを用いた発電方法を提供する。【解決手段】水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼が配置され、該水平直線翼の周りを風または水流が通過する際に発生する揚力により、前記２枚以上の水平直線翼が前記水平軸を中心として回転することを特徴とする発電用水風車およびそれを用いた発電方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼が配置され、該水平直線翼の周りを風または水流が通過する際に発生する揚力により、前記２枚以上の水平直線翼が前記水平軸を中心として回転することを特徴とする発電用水風車。
【請求項２】
前記水平直線翼の翼断面の先端に嘴状の突起を設けることにより、該水平直線翼の入水時の抵抗を低減することを特徴とする請求項１に記載の発電用水風車。
【請求項３】
前記水平直線翼の断面形状は、翼最大厚Ｗが翼弦長Ｌの１０〜３０％であり、先端部の嘴状の突起長Ｄは、翼最大厚Ｗの４０〜７０％であることを特徴とする請求項２に記載の発電用水風車。
【請求項４】
前記発電用水風車の回転により発生する電力を用いて、水流速度または風向風力を計測し表示する計測表示手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発電用水風車。
【請求項５】
前記水平直線翼と前記水平軸を支持するフレームとを、蝶番状の回転軸で固定することを特徴とする発電用水風車。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の発電用水風車の水平軸より下側の一部分を水流中に浸漬させ、前記水平直線翼に揚力を働かせて前記該水流発電用水車を回転させることにより発電することを特徴とする発電方法。
【請求項７】
請求項４に記載の発電用水風車を用いることにより、発電用水風車自身の回転により発生する電力を用いて水流速度または風向風力を計測し表示しながら発電することを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電用水風車およびそれを用いた発電方法に関する。
【０００２】
具体的には、２枚以上の直線翼を有する直線翼型風水車およびそれを用いた発電方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２枚以上の直線翼を有する直線翼型風水車は、地球環境保全やエネルギセキュリティの確保、経済成長等の見地から化石燃料等を用いずに風力や水力による発電への適用が検討されており、従来から種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、軸線の周囲に配置される主翼と、軸線と主翼とを結ぶ支持翼とをグラスファイバやカーボンファイバ等の軽量で高強度な繊維材で一体に形成することにより、垂直軸水風車の主翼と支持翼との交差部の強度等の向上を図る方法が記載されている。
【０００５】
また、下記特許文献２には、水風車の効率や自己始動性、騒音等を考慮してソリディティ、取付角、翼厚等の適正化を図った直線翼型水風車が記載されている。
【０００６】
しかし、特許文献１や特許文献２に記載された従来の直線翼型水風車は、いずれも直線翼を垂直に配置していたため以下のような問題点があった。
【０００７】
まず、直線翼を垂直に配置した水風車を水流中に浸漬させることにより水風車を回転させそのエネルギーにより発電することができるが、回転中に水の抵抗が大きくなる部分が生じるため発電効率の制約を受けるうえ、水車を回転させる垂直軸を片持ちの状態で水流中に浸漬させるため、垂直軸に大きなモーメントが働くうえ、腐食の原因となっていた。
【０００８】
また、風による災害は台風を含め多大なものが有り、特に交通災害の一つである、車両（車・電車など）の通行で進行方向の左右から吹く風又突風で車両のスムーズな進行を妨げ、事故を誘発する例は多々発生している。直線翼を垂直に配置した風車を用いて発電する場合に、この事故を未然に防止するため風向や風速を計測し表示するには、風車とは別に風向風速計を設置してその測定値を表示する必要があった。
【特許文献１】特開２００３−２０６８４８号公報
【特許文献２】特開２００３−２０６８４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、水流中に浸漬させても抵抗が少なく回転軸に過度なモーメントや腐食環境を与えないうえ、風向風速計を別途設ける必要のない直線翼型風水車およびそれを用いた発電方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前述の課題を解決すべく鋭意検討の結果、水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼が配置することにより、水流中に浸漬させても抵抗が少なく回転軸に過度なモーメントや腐食環境を与えないうえ、風向風速計を別途設ける必要のない直線翼型風水車およびそれを用いた発電方法を提供するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼が配置され、該水平直線翼の周りを風または水流が通過する際に発生する揚力により、前記２枚以上の水平直線翼が前記水平軸を中心として回転することを特徴とする発電用水風車。
（２）前記水平直線翼の翼断面の先端に嘴状の突起を設けることにより、該水平直線翼の入水時の抵抗を低減することを特徴とする（１）に記載の発電用水風車。
（３）前記水平直線翼の断面形状は、翼最大厚Ｗが翼弦長Ｌの１０〜３０％であり、先端部の嘴状の突起長Ｄは、翼最大厚Ｗの４０〜７０％であることを特徴とする（２）に記載の発電用水風車。
（４）前記発電用水風車の回転により発生する電力を用いて、水流速度または風向風力を計測し表示する計測表示手段を有することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の発電用水風車。
（５）前記水平直線翼と前記水平軸を支持するフレームとを、蝶番状の回転軸で固定することを特徴とする発電用水風車。
（６）（１）乃至（５）のいずれか１項に記載の発電用水風車の水平軸より下側の一部分を水流中に浸漬させ、前記水平直線翼に揚力を働かせて前記該水流発電用水車を回転させることにより発電することを特徴とする発電方法。
（７）（４）に記載の発電用水風車を用いることにより、発電用水風車自身の回転により発生する電力を用いて水流速度または風向風力を計測し表示しながら発電することを特徴とする発電方法。
＜作用＞
（１）の発明によれば、水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼が配置されているので、水流中に浸漬させても抵抗が少なく回転軸に過度なモーメントや腐食環境を与えない。
（２）の発明によれば、水平直線翼の翼断面の先端に嘴状の突起が設けられているので、水平直線翼が着水する際に水面から受ける抵抗を極少化することができる。
（３）の発明によれば、水平直線翼の断面形状を、翼最大厚Ｗが翼弦長Ｌの１０〜３０％であり、先端部の嘴状の突起長Ｄを、翼最大厚Ｗの４０〜７０％とすることにより、揚力を大きくする一方で、水から受ける抵抗を小さくすることができる。
（４）の発明によれば、発電用水風車の回転により発生する電力を用いて、水流速度または風向風力を計測し表示する計測表示手段を設けるので別途風向風速計を設ける必要がない。
（５）の発明によれば、水平直線翼と前記水平軸を支持するフレームとを、蝶番状の回転軸で固定するので、水平直線翼の翼断面が川上に向かう状態でスイングし、水中から水平直線翼が脱出する以前の角度で４０度〜６０度の範囲でさらに水流の抵抗を低減し推進力を増大することができる。
（６）の発明によれば、発電用水風車の水平軸より下側の一部分を水流中に浸漬させ、前記水平直線翼に揚力を働かせて前記該水流発電用水車を回転させることにより水流中に浸漬させても抵抗が少なく回転軸に過度なモーメントや腐食環境を与えない発電方法を提供できる。
（７）の発明によれば、発電用水風車自身の回転により発生する電力を用いて水流速度または風向風力を計測し表示しながら発電することにより、左右からの風を容易に把握し、的確にまた安価に電光掲示板などで表示し運転者に注意を促し、事前に横風による災害を防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼が配置することにより、水流中に浸漬させても抵抗が少なく回転軸に過度なモーメントや腐食環境を与えないうえ、風向風速計を別途設ける必要のない直線翼型風水車およびそれを用いた発電方法を提供することができ、具体的には以下のような産業上有用な著しい効果を奏する。
１）水流中に浸漬させても抵抗が少なく回転軸に過度なモーメントや腐食環境を与えない。
２）水平直線翼が着水する際に水面から受ける抵抗を極少化することができる。
３）揚力を大きくする一方で、水から受ける抵抗を小さくすることができる。
４）別途風向風速計を設ける必要がない。
５）水中から、水平直線翼が脱出する以前の角度で４０度〜６０度の範囲でさらに水流の抵抗を低減し推進力を増大することができる。
６）水流中に浸漬させても抵抗が少なく回転軸に過度なモーメントや腐食環境を与えない発電方法を提供できる。
７）左右からの風を容易に把握し、的確にまた安価に電光掲示板などで表示し運転者に注意を促し、事前に横風による災害を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を実施するための最良の形態について図１〜図７を用いて詳細に説明する。
【００１３】
図３は、従来の発電用水風車を水流発電に適用した実施形態を例示する側面図（a）および上面図(b)である。
【００１４】
図３に示すように、従来の直線翼型水風車は、垂直軸の周囲に２枚以上の直線翼を配置し、水風車を流水中に浸漬させることにより回転させ、ギアユニットを介して発電機を回して発電を行うことができる。
【００１５】
このように、従来の直線翼垂直軸型水風車を用いて、水流発電を行う際には、図３（a）に示すように水風車全体を水面下に浸漬する必要があるため、垂直軸が片持ち状態となるので高い強度が必要となるうえ、垂直軸が腐食環境下に置かれるので高い耐食性が要求されていた。
また、垂直軸の周囲に２枚以上の直線翼を配置した従来の直線翼型水風車は、図３（b）に示すように、回転推力を得る翼だけでなく水の抵抗を受ける翼も流水中に浸漬されているため、水の抵抗によって発電効率が低下するという問題があった。
【００１６】
図１および図２は、本発明の発電用水風車を水流発電に適用した実施形態を例示する図であり、図１は斜視図、図２（a）は側面図、図２（ｂ）は正面図を示す。
【００１７】
図１および図２において、１は水平軸、２は水平直線翼、３は支持翼、４はフレーム、５は発電機、６は発電機軸受け、７は伝動Ｖベルト又はギアユニットを示す。
【００１８】
図１および図２に示すように、本発明の発電用水風車は、水平軸１を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼２が配置され、図７に示すように水平直線翼２の周りを風または水流が通過する際に水平直線翼２の後部に負圧が生じて発生する揚力によって、前記２枚以上の水平直線翼２が前記水平軸１を中心として水の流れに向かって図２に示す回転方向に回転する。
【００１９】
本発明の発電用水風車は、水平軸１を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼２が配置され、水流により水平直線翼２に働く揚力により回転推力を得て回転し、伝動Ｖベルト又はギアユニット７を介して発電機５を回すことにより発電することができる。
【００２０】
本発明の発電用水風車は、水平軸１を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼２が配置されているので、水風車全体を水流中に浸漬させる必要がなく、回転推力を得ることができる水平軸１より下部の一部分のみ水流中に浸漬させることにより、水の抵抗を受ける回転角にある翼は水面より上に露出させておくことができるので、水の抵抗による発電効率の低下を防止することができる。
【００２１】
また、本発明の発電用水風車は、水平軸１を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼２が配置されているので、水平軸１の両端をフレーム４によって支えることができるため回転軸に過度なモーメントが働かないうえ、水平軸が水面から露出しているので腐食環境を与えにくい。
【００２２】
本発明における発電用水風車の浸漬深さは問わないが、図２に示すように、発電用水車の半径ｒの２/３以下の部分を水面下に浸漬することにより、回転推力を有する回転角にある翼を水流中に浸漬し、水の抵抗を受ける回転角にある翼は水面より上に露出させておくことができる。
【００２３】
CO2削減はもちろん自然エネルギーの活用が要望される中、日本国内には農業用水路が４０万ｋｍ有りその他の用水路を加えると莫大な長さの水の流れが有る、但し農業用水路は季節により７ヶ月は水位が下がり水深は５００ｍｍ以下になる、この状況下で用水路の有効活用が必要とされている。一般的には効果的な発電は望めないため、水深の浅い状況でも効果的な発電できる方法が必要とされており、水力発電においてダムや特別な水路を造ることなく、水深が３００ｍｍから５００ｍｍの浅い水深の流れで発電を可能にすることが望まれている。
【００２４】
本発明における発電用水風車は、発電用水風車の水平軸より下側の一部分を水流中に浸漬させ、前記水平直線翼に揚力を働かせて前記該水流発電用水車を回転させることにより発電することにとり、水深が３００ｍｍ以上あれば設置可能であり水車の軸両端に軸受けを配置でき、かつ水中に浸漬しないことから、製作も容易であり、耐久性も確保できる。
【００２５】
図７は、本発明に用いる直線翼の好ましい実施形態を例示する図である。
【００２６】
本発明に用いる直線翼の断面形状は問わないが、図７に示すように、水平直線翼の翼断面の先端に嘴状の突起を設けることにより、該水平直線翼の入水時の抵抗を低減することができ、最大幅Ｗが翼長Ｌの１０〜３０％であり、先端部の嘴状の突起長Ｄは、翼最大厚Ｗの４０〜７０％とすることにより、垂直翼の回転推進力を維持しつつ水平直線翼の入水時の抵抗を効果的に低減することができる。
【００２７】
図５および図６は、従来の発電用水風車を風力発電に適用した実施形態を例示する側面図である。
【００２８】
図５に示すように、従来の直線翼垂直軸型風水車を風力発電に適用する場合には、図６に示すようなプロペラ型風車と異なり、３６０°方向の風に対して方向性を持たないことを特徴としており尾翼や風向制御が不要で有ることを最大の利点としていた。
【００２９】
しかし、従来の直線翼垂直軸型風水車を風力発電に適用する場合に、風向および風速を測定し表示するためには、別途、風向風速計を設置する必要があった。
【００３０】
図４は、本発明の発電用水風車を風力発電に適用した実施形態を例示する上面図および正面図である。
【００３１】
図４（a）に示すように、本発明の直線翼水平軸型風水車の水平軸を車道と平行に配置した場合、車道の左右から吹く風によって水風車が揚力を得て回転し、車の進行方向の風では回転しないため道路上の進行方向の左右の方向からの風にのみ回転し発電が可能であり、前記発電用水風車の回転により発生する電力を用いて、風向風力を計測し表示する計測表示手段を設けることにより、道路交通上危険な横風を感知し注意を喚起することができる。
【００３２】
図６に示すようにプロペラ型風車を左右に一台ずつ自転しないように固定することで同様の機能を果たすが、この場合二台のプロペラ風車が必要になり、費用が増加するデメリットがある。風向だけの測定であれば既成の風向計を設置すればよいが、発電しその電力を活用することはできない。
【００３３】
図８は、本発明に用いる直線翼とフレームの好ましい取り付け固定の実施形態を例示する図であり、図８（a）は斜視図、図８（ｂ）は側面図である。
【００３４】
図８（a）に示すように、水平軸を支持するフレーム４と水平直線翼２とを、蝶番型の回転軸からなるスイング軸で固定することにより、図８（ｂ）に示すように水平直線翼２の翼断面が川上に向かう状態でスイングし、水中から、水平直線翼が脱出する以前の角度で４０度〜６０度の範囲でさらに水流の抵抗を低減し推進力を増大することができる一方、完全固定の場合はＡ〜Ｂの範囲で水流の抵抗が大きい。
【００３５】
なお、本発明においては、前記スイング軸の位置は問わないが、水平直線翼２の翼先端から翼弦長の１／４の位置とすることにより水流の抵抗をさらに低減することができる。
【００３６】
また、過度のスイングを防止するため図８（a）に示すようにスイング範囲規制ガイドを設けることが好ましい。
【実施例】
【００３７】
本発明の風水車を下記条件にて水流発電に適用したところ効率よく発電することができ、本発明の効果が確認された。
＜実施条件＞
・  水風車の半径ｒ：７００ｍｍ
・  水風車の浸漬深さ：４８０ｍｍ
・  直線翼枚数：５枚
・  翼弦長Ｌ：３００ｍｍ
・  翼最大幅Ｗ：８０ｍｍ
・  突起長Ｄ：４０ｍｍ
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の発電用水風車を水流発電に適用した実施形態を例示する斜視図である。
【図２】本発明の発電用水風車を水流発電に適用した実施形態を例示する側面図および正面図である。
【図３】従来の発電用水風車を水流発電に適用した実施形態を例示する側面図および上面図である。
【図４】本発明の発電用水風車を風力発電に適用した実施形態を例示する上面図および正面図である。
【図５】従来の発電用水風車を風力発電に適用した実施形態を例示する側面図である。
【図６】従来の発電用水風車を風力発電に適用した実施形態を例示する側面図である。
【図７】本発明に用いる直線翼の好ましい実施形態を例示する図である。
【図８】本発明に用いる直線翼とフレームの好ましい取り付け固定の実施形態を例示する図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  水平軸              
２  水平直線翼              
３  支持翼
４  フレーム
５  発電機
６  発電機軸受け
７  伝動Ｖベルト又はギアユニット
【図１】
2008175147.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008175147.tif 000005
【図４】
2008175147.tif 000006
【図５】
2008175147.tif 000007
【図６】
2008175147.tif 000008
【図７】
2008175147.tif 000009
【図８】
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