(57)【要約】【課題】  この発明は、ナセルの形状によりコアンダ効果を造り出して、流体を高速化してプロペラに当て、高速回転させることのできる、風水力発電機を提供することを目的としている。【解決手段】  支柱２上に旋回自在に配設されたナセル３の後部に、プロペラ５が配設された風水力発電機１であって、ナセル３周面に、コアンダ効果により生じる流速以上の高速流体流を生じさせて、プロペラ５前面へ通過させる風水力発電機１。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支柱上に旋回自在に配設されたナセルの後部に、プロペラが配設された風水力発電機であって、ナセルに当る流体のコアンダ効果により生じる、ナセル先端部に当る流速以上の高速流体流を、ナセル周面に生じさせて、プロペラ前面へ通過させることを特徴とする風水力発電機。
【請求項２】
支柱上に旋回自在に配設されたナセルの後部に、プロペラが配設された風水力発電機であって、ナセルは先端が球面で、先端縁部の最大直径が、プロペラ直前のナセル後端部の直径の２倍〜５倍に形成され、ナセルの先端部に当接した流体が、コアンダ効果を生じて、ナセルの周面に沿って、プロペラ前面へ高速で流動するよう構成されていること、を特徴とする風水力発電機。
【請求項３】
前記ナセルは先端部が半円球状に形成されていること、を特徴とする請求項１、２の何れかに記載された風水力発電機。
【請求項４】
前記ナセルには、後部に支持腕を介して囲壁がプロペラを覆うように配設され、該囲壁の左右後部に、外側後方へ傾斜して突出した方向舵が、一体に形成されていること、を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された風水力発電機。
【請求項５】
前記プロペラのプロペラ翼は、翼端縁部の弦長が翼根の弦長より広く形成され、翼端に前方へ傾斜する傾斜部が形成され、該傾斜部は、正面において幅中央線から左方よりも、回転方向の右方の面積が広く形成されていること、を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載された風水力発電機。
【請求項６】
前記プロペラは、その直径がナセルの最大直径の１００％〜２５０％の範囲に設定されていること、を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載された風水力発電機。
【請求項７】
前記ナセル、プロペラ翼、囲壁における、流体が当たる前面部は滑面で、それより後部の表面は、粗面に形成されたこと、を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載された風水力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風水力発電機に係り、特に、風速よりも高速な風流をプロペラに誘導して、高速回転することのできる風水力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電機は、数値１００の風力を受けた時の風車効率は、プロペラ式で４５％とされている。これはプロペラの前に風を受けて、直角横へ回転する機械的ロスと、回転時における空気抵抗、伝動機構による摩擦抵抗損などによる。
従って、風力を多く得るために、特許文献１のような、風車の前方に、集風板などを配設する物もある。また特許文献２のような、ナセルの後部にプロペラを配設したものもある。
【特許文献１】特開２００３−８３２３１号
【特許文献２】特開２００６−１５２９５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の風車において、集風板を配設した場合、風向きが変ると集風板を風向きに合わせて移動しなければならず、また小型プロペラ式風車では、プロペラの前方に集風板を配したとき、全体として重量の重いものになり、支柱に支持することが困難になる。また、特許文献２のナセルは、側面で全体的に同じ太さで、かつ、先端は風抜けが良いように先細にとがらせている。
この発明は、ナセルの形状によりコアンダ効果を造り出して、流体を高速化してプロペラに当て、高速回転させることのできる風力発電機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】
【０００４】
この発明の具体的な内容は次の通りである。
【０００５】
(1)  支柱上に旋回自在に配設されたナセルの後部に、プロペラが配設された風水力発電機であって、ナセル周面に、コアンダ効果により生じる流速以上の高速流体流を生じさせて、プロペラ前面へ通過させる風水力発電機。
【０００６】
(2)  支柱上に旋回自在に配設されたナセルの後部に、プロペラが配設された風水力発電機であって、ナセルは先端が球面で、先端縁部の最大直径が、プロペラ直前のナセル後端部の直径の２倍〜５倍に形成され、ナセルの先端部に当接した流体が、コアンダ効果を生じて、ナセルの周面に沿って、プロペラ前面へ高速で流動するよう構成されている、風力発電機。
【０００７】
(3)  前記ナセルは先端部が半円球状に形成されている、前記(1)（２）のいずれかに記載された風水力発電機。
【０００８】
(4)  前記ナセルには、後部に支持腕を介して囲壁がプロペラを覆うように配設され、該囲壁の左右後部に、外側後方へ傾斜して突出した方向舵が、一体に形成されている、前記(1)〜(3)のいずれかに記載された風水力発電機。
【０００９】
(5)  前記プロペラのプロペラ翼は、翼端縁部の弦長が翼根の弦長より広く形成され、翼端に前方へ傾斜する傾斜部が形成され、該傾斜部は、正面において幅中央線から左方よりも、回転方向の右方の面積が広く形成されている、前記(1)〜(4)のいずれかに記載された風水力発電機。
【００１０】
(6)  前記プロペラは、その直径がナセルの最大直径の１００％〜２５０％の範囲に設定されている、前記(1)〜(5)のいずれかに記載された風水力発電機。
【００１１】
(7)  前記ナセル、プロペラ翼、囲壁における、流体が当たる前面部は滑面で、それより後部の表面は、粗面に形成されたことを特徴とする、前記(1)〜(6)の何れかに記載された風水力発電機。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると次のような効果がある。
【００１３】
（１）  請求項１に記載された発明の風水力発電機は、ナセルの先端に流体を受けると、コアンダ効果により、ナセル先端部で圧縮され、密度の高くなった流体がナセルの周面に沿って後方へ高速で通過してプロペラにあたるので、プロペラはナセル前面にあたる流体流よりも速度の速い流体を受けて、高速回転する。
【００１４】
（２）  請求項２に記載された発明の風水力発電機は、ナセルの先端縁部の最大直径と、後部の直径の差が大きいので、前面に当る流体は、圧縮効果が高く、これによるコアンダ効果も高くなるため、ナセルの周面に沿って高速流体流を通過させることができる。
【００１５】
（３）  請求項３に記載された発明の風水力発電機は、ナセルの前端部が球面状なので、前面に当る流体は、圧縮効果が高く、これによるコアンダ効果も高くなるため、ナセルの周面に沿って高速流体流を、プロペラに向けて通過させることができる。
【００１６】
（４）  請求項４に記載された発明の風水力発電機は、後部の両側部に方向舵が形成されているので、微風時における流体流の向きの変化にも、敏感に方向を変えて、流動上方にナセルを向けることができる。
【００１７】
（５）  請求項５に記載された発明の風水力発電機は、プロペラ翼の翼端傾斜部の面積が、中央の左側よりも右側の面積が大きく設定されているので、プロペラ翼を回転方向へ回転するとき、プロペラ翼に当る相対流を早く後方へ通過させて、抵抗を軽減させることができる。  
【００１８】
（６）  請求項６に記載された発明の風水力発電機は、プロペラの直径を小さくすることができ、プロペラの直径が小さくても、ナセルのコアンダ効果による高速流を得て、高速回転することができて発電効率をたかめる。
【００１９】
（７）  請求項６に記載された発明の風水力発電機は、流体の当る前面以外は、粗面に形成されているので、コアンダ効果で周面に沿って流動する流体が、粘性を増してコアンダ効果を高める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
この発明は、支柱の上に旋回自在にナセルを配し、ナセルの後部にプロペラを配し、ナセルの形状をコアンダ効果の生じる前部の太い略魚形に形成し、プロペラの直径を、ナセルの最大部の直径ないし直径の２．５倍とする。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明に係る風力発電機の側面図、図２は平面図、図３は正面図である。ここでは流体を風として説明する。
図において風力発電機１は、支柱２の上に、旋回自在にナセル３が配設されている。
【００２２】
ナセル３の側面は、図示するように、前部が太く、後方へ次第に細く、略マグロ状の略魚形に形成されている。例えばナセル３の前縁部の直径は２５ｃｍ、後端部の直径は６ｃｍのように、大きな差が形成されて、ナセル３の前から当る風流は、ナセル３の形状によりコアンダ効果（流体粘性による付着流動現象）が生じる。
【００２３】
ナセル３の内部には、図示省略した発電器と、これに連結された変速機、出力軸４が常法により配設され、出力軸４の後端部にはプロペラ５が配設されている。該プロペラ５のプロペラ翼６は、先端部が前方へ４５℃傾斜された傾斜部６ａが形成されている。
前記プロペラ翼６の枚数は、２枚〜６枚程度で、弦長は先端部が広く設定されている。この弦長は、プロペラ５の半径の３０％〜６０％にすることができる。
【００２４】
ナセル３の後端縁部には、放射方向を向く複数の支持腕７を介して、風流拡散を防止するための囲壁８がプロペラ５を囲むように配設されている。
前記支持腕７は、図１に断面を示すように、コアンダ効果が生じるように、前部は板厚が厚く、両側へ膨出して、後方へかけて次第に薄く形成されている。支持腕７の前部に当る風流は、前部で圧縮され、高速で両側面を後方へ通過する。コアンダ効果が生じる部位においては、乱流が生じない。
【００２５】
囲壁８は、図示するように縦断側面において、コアンダ効果が生じるように、前部は板厚が厚く、内側へ膨出して、後方へかけて次第に薄く形成されている。また囲壁８の左右両側後部には、後部が外側方へ傾斜した方向舵９が一体に形成されている。
【００２６】
該囲壁８及び方向舵９は、例えば発泡スチロール樹脂成形体を、カーボン繊維、ガラス繊維などを使用したＦＲＰ樹脂被膜で被覆すると、軽量で剛性に優れた囲壁８及び方向舵９が得られる。
【００２７】
図４は、本発明風水力発電機１における、風流変化を示す平面図である。海において、鯛とマグロとでは、圧倒的にマグロの方が高速で泳ぐことができる。これは、マグロの体型が魚雷のように、前部が丸く太く、後方は細いため、尾鰭で加速すると、コアンダ効果が生じるためである。
【００２８】
本願におけるナセル３も、マグロの体型に似たものに形成されている。図４において、ナセル３の前に当る風流は、ナセル３の前端部で抵抗を受けて圧縮される。
圧縮された気流は、密度が高くなり、ナセル３の周面に沿って、内部では水飴が流れるように密接して流れ、外部では、圧縮された濃度の高い気流が分岐して高速で後方へ流動する。
【００２９】
すなわち、圧縮されて空気密度の高くなった気流は、後部の気圧よりも高いので、気圧の低い後方へ、ナセル３周面に沿って高速で流動する気流は、ナセル３前部の大きな直径部から周囲へ分岐拡散して、細い後方へ通過するために、拡散されて空気密度が薄くなり、負圧になる。ナセル３の後部は前部よりも細いために、前から吹く風流は、気圧の低くなったナセル３の後部に高速で集中して通過する。  
【００３０】
その結果、プロペラ５は、ナセル３の前面に当る風速よりも高速な気流を、前面に受けることになり、高速回転をする。すなわち同じ風速の中で、ナセル３の形状によってナセル３の周面には高速気流が生じてプロペラにあたる。その結果、例えば風速５ｍ／ｓの風が吹いている時、プロペラに当る風速は６ｍ／ｓというように、高速風流を得ることができる。
【００３１】
前記囲壁８は、ナセル３の周囲を高速で通過する気流を外方へ拡散させず、内面の膨出面により気流をより高速化させ、後方外側方へ拡散させる。
ナセル３の前方から吹く風流は、囲壁８後部における左右の方向舵９の前面を圧迫して、ナセル３の先端部を風上に向けて保持させる。
【００３２】
風向きが変ったとき、片方の方向舵９に対する風圧がなくなり、他方の方向舵９にのみ風圧がかかるので、その風圧に押されてナセル３は旋回して、前端部を風上に瞬時に向ける。このように風向きに敏感に反応して、風向きが変化しても、直ちにプロペラ５を風に対面させるので、風力を無駄なく受取ることができる。  
【００３３】
図５はプロペラ翼の正面図、図６はＡ−Ａ断面を示す平面図、図７は側面図である。プロペラ翼６は、図５において右側が回転前側端部６ｂ、左側が回転後側端部６Ｃである。図６においてＡ−Ａ断面は、回転前側端部６ｂの板厚は、回転半径の７％〜１５％の範囲に厚く設定され、回転後側端部６Ｃは薄く設定されて、回転時に全体としてコアンダ効果が生じるように形成されている。
【００３４】
また、相対流Ｂはプロペラ翼６の前後に分かれて、高速で通過し、プロペラ翼６の回転後側端縁部に負圧を生じさせることから、周囲の常気圧流が集合してプロペラ翼６の回転後側方から回転前方向へ押すことになる。
【００３５】
図６においてプロペラ翼６の背面は、出力軸４に対して直角に設定され、前面は膨出した右側から左側端部にかけて傾斜されている。従ってプロペラ翼６の前方から吹く風流Ａは、プロペラ翼６の前面に当って左側端へと流動して、プロペラ翼６を回転前側端部６ｂ方へ回転させる。
【００３６】
また、プロペラ翼６の回転に伴い、プロペラ翼６の回転前側端部６ｂに当る相対流Ｂは、回転前側端部６ｂで圧縮され、コアンダ効果で高速で回転後側端部６Ｃへと流動して、その反動でプロペラ翼６は回転前側端部６ｂが回転方へ回転する。この場合、プロペラ翼６の前面には負圧が生じるため、前方から吹く風流Ａを多く呼び込んで、回転効率が高まる。
【００３７】
図７において、プロペラ翼６が回転すると、翼根部位から翼端方へ遠心力により拡散風流Ｃが生じる。また前方から吹く風流Ａが傾斜部６ａにあたる時、点ＯからＰへ至る風速よりも点ＱからＰへ滑走する風速の方が早くなり、この域に負圧が生じ、前方から吹く風流を多く集合させる。
【００３８】
図５に示すように、傾斜部６ａは、幅中央線Ｓから左側部の面積よりも右側の面積が広いので、プロペラ翼６の前右先端部位に風流が多く集合することになり、回転力が高まるとどうじに、回転方向におけるプロペラ翼６にあたる相対流を早く後方へ通過させて、抵抗を軽減させる。
【００３９】
以上のように構成されたこの風水力発電機１は、ナセル３の形を前縁部が太く大きく、後部が細い形状として、コアンダ効果により、ナセル３周面に沿って流動する高速気流を造り出して、プロペラ５に当てるようにした。
【００４０】
これに加えて、プロペラ翼６の断面を、コアンダ効果が出るように、回転前側端部６ｂの板厚が厚く形成されたので、回転に伴いプロペラ翼６の前後面に沿う高速風の通過に伴う反作用として、プロペラ翼６の回転後側端方から、回転後側端部６Ｃへかかる風圧により、回転が加速されることとなり、相乗効果により、プロペラ翼面積の同じ従来型風力発電機と比較して、実験的に発電効率が１．５倍〜２倍に向上した。
【実施例２】
【００４１】
図８は、実施例２を示す風水力発電機の側面図で、図９は背面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。  
この実施例２におけるナセル３は、先端部が半円球状に形成され、後方へ急激に細く設定されている。ナセル３前部の最大直径と、プロペラ５直前のナセル３後端部の直径との差は、５対１に形成されている。
【００４２】
また、ナセル３の最大直径と、プロペラ５の直径は、１対１．７で、プロペラ５の直径が小さく設定されている。これによって、ナセル３の周面に生じるコアンダ効果は高速流をプロペラ５に導き、またプロペラ５は直径が小さいので、傾斜部６ａによる気流捕捉性に優れて、回転効率が向上する。
【００４３】
囲壁８は、図９に示すように左右一対で、対面する上下の間に間隙がある。これによって、 囲壁８板厚の左右両側部において、囲壁８の内外を流通する気流の速度差があり、風向きの変化に対して、敏感に反応して方向の制御性に優れる。
【００４４】
図８．９において、ナセル３，プロペラ５、支持腕７、囲壁８における前から流体を受ける面は平滑面とし、それ以外の面は、粗面（砂点で表示）１ａとする。これによって、周面に沿って後方へ流動する流体は、粗面により粘着性を増してコアンダ効果を向上させる。
【００４５】
なおこの風水力発電機１は、適宜支持体を介して水中に設置して、水流を利用した発電をすることができる。その場合、前記風流等における風は水または流と読み替える。水中においても、コアンダ効果は同様に生じる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
この風水力発電機１は、弱風、弱水流でも発電効率がよいため、プロペラ５の直径を小さくすることができるので、小型で性能のよい風水力発電機１を得ることができる。家庭用、農事用、僻地での電源確保その他、幅広い分野に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る風水力発電機の側面図である。
【図２】本発明に係る風水力発電機の正面図である。
【図３】本発明に係る風水力発電機の平面図である。
【図４】風流を示す風水力発電機の平面図である。
【図５】本発明に係るプロペラ翼の正面図である。
【図６】図５におけるＡ−Ａ断面図である。
【図７】本発明に係るプロペラ翼の側面図である。
【図８】実施例２を示す風水力発電機の側面図である。
【図９】図８の背面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１．  風水力発電機
１ａ． 粗面
２．  支柱
３．  ナセル
４．  出力軸
５．  プロペラ
６．  プロペラ翼
６ａ．傾斜部
６ｂ．回転前側端部
６ｃ  回転後側端部
７．  支持腕
８．  囲壁
９．  方向舵  
【図１】
2008196425.tif 000003
【図２】
2008196425.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008196425.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008196425.tif 000008
【図７】
2008196425.tif 000009
【図８】
2008196425.tif 000010
【図９】
2008196425.tif 000011