(57)【要約】【課題】コンパクトな構成で、大幅な風の流入効率向上が図れるクロスフロー風車を提供する。【解決手段】クロスフロー風車２は回転自在に支持された風車本体４を備える。風車本体４を覆ってケーシング７が設けられ、該ケーシング７に風車本体４に対して風を流入案内する流入口８が設けられると共に、該流入口８に対向した風向きＰの風のケーシング７外周に沿った流れによって発生する揚力により生じる最大負圧発生領域付近に面して、風車本体４を通過する風を流出案内する流出口９が設けられる。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持された風車本体に対し、風を案内するための流路を形成するクロスフロー風車における風流路形成方法において、
前記風車本体を覆うケーシングを設け、該ケーシングに風車本体に対して風を流入案内する流入口を設けると共に、該流入口に対向する風向きのケーシング外周に沿った風の流れによって発生する揚力により生じる最大負圧発生領域付近に面して、風車本体を通過する風を流出案内する流出口を設けることを特徴とするクロスフロー風車における風流路形成方法。
【請求項２】
回転自在に支持された風車本体を備えたクロスフロー風車において、
前記風車本体を覆ってケーシングが設けられ、該ケーシングに風車本体に対して風を流入案内する流入口が設けられると共に、該流入口に対向した風向きの風のケーシング外周に沿った流れによって発生する揚力により生じる最大負圧発生領域付近に面して、風車本体を通過する風を流出案内する流出口が設けられたことを特徴とするクロスフロー風車。
【請求項３】
前記ケーシングは円筒形状とされ、その周面一側に前記流入口が設けられ、該流入口から周方向に略９０度離隔した位置に前記流出口が設けられたことを特徴とする請求項２に記載のクロスフロー風車。
【請求項４】
前記ケーシングは翼型形状とされたことを特徴とする請求項２に記載のクロスフロー風車。
【請求項５】
前記流出口が複数の位置に設けられたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のクロスフロー風車。
【請求項６】
前記クロスフロー風車が上下方向の軸心回りに回転自在に支持されたことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載のクロスフロー風車。
【請求項７】
請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の前記クロスフロー風車の回転軸からその回転力を取出して発電する発電機が備えられたことを特徴とする風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クロスフロー風車における風の流入効率向上を図った流路を形成する風流路形成方法、そのような風の流路を備えたクロスフロー風車およびクロスフロー風車を用いた風力発電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小型のクロスフロー風車は低風速から稼働するが、回転数が低いため、その発電効率が低いという問題があった。
【０００３】
そこで、ガイドベーンやダクト等により整流を行い、より多くの風を流入させることによって、風の流入効率向上を図っていた。
【０００４】
例えば、特開平５−２１５０６２号公報、特開２０００−１６１１９６号公報、実開平７−２２０７５号公報等に開示の如くである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来方式のクロスフロー風車によれば、風の流入効率向上を図れるものの、大幅な風の流入効率向上が期待し得ず、大幅な風の流入効率向上を図ろうとすれば、風を流入案内するためのガイドベーンやダクト等が大型化し、装置の大型化を招くという問題もあった。
【０００６】
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、コンパクトな構成で、大幅な風の流入効率向上が図れるクロスフロー風車における風流路形成方法、クロスフロー風車およびクロスフロー風車を用いた風力発電機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための風流路形成方法の技術的手段は、回転自在に支持された風車本体に対し、風を案内するための流路を形成するクロスフロー風車における風流路形成方法において、前記風車本体を覆うケーシングを設け、該ケーシングに風車本体に対して風を流入案内する流入口を設けると共に、該流入口に対向する風向きのケーシング外周に沿った風の流れによって発生する揚力により生じる最大負圧発生領域付近に面して、風車本体を通過する風を流出案内する流出口を設ける点にある。
【０００８】
また、上記目的を達成するためのクロスフロー風車の技術的手段は、回転自在に支持された風車本体を備えたクロスフロー風車において、前記風車本体を覆ってケーシングが設けられ、該ケーシングに風車本体に対して風を流入案内する流入口が設けられると共に、該流入口に対向した風向きの風のケーシング外周に沿った流れによって発生する揚力により生じる最大負圧発生領域付近に面して、風車本体を通過する風を流出案内する流出口が設けられた点にある。
【０００９】
さらに、前記ケーシングは円筒形状とされ、その周面一側に前記流入口が設けられ、該流入口から周方向に略９０度離隔した位置に前記流出口が設けられた構造としてもよい。
【００１０】
また、前記ケーシングは翼型形状とされた構造としてもよい。
【００１１】
さらに、前記流出口が複数の位置に設けられた構造としてもよい。
【００１２】
また、前記クロスフロー風車が上下方向の軸心回りに回転自在に支持された構造としてもよい。
【００１３】
さらに、上記目的を達成するための風力発電機の技術的手段は、前記クロスフロー風車の回転軸からその回転力を取出して発電する発電機が備えられた点にある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明すると、図１および図２に示される如く、風力発電機１は、クロスフロー風車２を用いた構造とされており、低層や中・高層建築物、例えば、ビルの屋上３等に設置され、自家発電システム等に利用される構造とされている。
【００１５】
風力発電機１は中心部に風車本体４を備え、該風車本体４は複数の羽根板５を所定間隔を有して環状に配置された円筒状の羽根車構造とされており、風車本体４の軸心方向両端部に突設された回転軸６が、軸受等を介して上下方向の軸心回りに回転自在としてケーシング７に支持された構造とされている。
【００１６】
前記ケーシング７は、風車本体４の外周を覆うと共に、風車本体４の軸心と一致する上下方向の軸心を有する円筒形状に構成されており、ケーシング７の周面一側に、風車本体４に対して風を流入案内する流入口８が設けられている。
【００１７】
そしてこの流入口８は、外周部で広く、中心方向に向かうに従って漸次狭くなるガイドベーン形状に構成されている。
【００１８】
また、流入口８に対向した風向きＰの風が、ケーシング７外周面に沿った流れによって発生する揚力により生じる最大負圧発生領域付近に面して、風車本体４を通過する風を流出案内する流出口９が設けられている。
【００１９】
即ち、図３および図４に示される如く、円柱周りの風の流れにおける圧力分布は、風向きＰに対する角度θを図３のように取った場合、θ＝０度から漸次減少し、θ＝９０度付近で最大揚力が発生し、理論上約−２．４と最も負圧となることが知られており、本実施形態においては、流入口８から周方向に略９０度離隔した位置に流出口９が設けられた構造とされている。なお、角度θを反対方向に取った場合も同様である。
【００２０】
この際、流出口９は中心部から外周部方向に向かうに従って漸次拡開するいわゆるディフューザ形状に構成されている。
【００２１】
また、風車本体４下端の回転軸６は、ケーシング７に適宜取り付け固定された発電機１１に直結された構造とされている。
【００２２】
さらに、流入口８および流出口９の上下を仕切るべく、円形の天板１２および底板１３が備えられており、ここに、流入口８から風車本体４を通過して流出口９に至る風の流路が形成された構造とされている。
【００２３】
そして、屋上３に設置された支持台１５に、上下方向の軸心周りに回転自在にターンテーブル構造の円形の回転テーブル１６が支持され、その回転テーブル１６上にケーシング７が設置された構造とされている。
【００２４】
本実施形態は以上のように構成されており、風向きＰに沿って流れてきた風は流入口８からケーシング７内に流入し、風車本体４を通過して流出口９より流出する。この際、流出口９付近では揚力によって略最大の負圧が生じているため、流入口８の入口付近と流出口９の出口付近とで大きな圧力差があり、この圧力差により流入口８側において吸い込み機能が発揮され、風車本体４に対する風の流入効率を大幅に向上することができ、低風速でも稼働でき、稼働効率の向上が図れると共に、風車本体４の回転による出力の向上、即ち発電効率の向上が図れ、高効率な発電を行うことができる。
【００２５】
また、風の流れによって発生する揚力により生じる負圧を利用した構造であるため、コンパクトな構成でよく、低コスト化が図れる利点もある。
【００２６】
さらに、風車本体４の外周部をケーシング７で覆った構造であり、風車本体４によって生じる風切り音等による騒音が有効に低減できる利点がある。
【００２７】
また、流入口８におけるガイドベーン形状や流出口９におけるディフューザ形状によっても風の流入効率の向上が図れ、より効率のよい発電を行うことができる。
【００２８】
さらに、回転テーブル１６上にケーシング７が設置されているため、風向きＰの変化に対しても流入口８や流出口９を通過する風の流れにより、ケーシング７が自動的に回転して風車本体４の回転が得られ、ここに、風向きの制限を受けずに稼働でき、稼働効率の向上が図れる利点もある。
【００２９】
図５は第２の実施形態を示しており、第１の実施形態と同様構成部分は同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３０】
即ち、本実施形態においては、ケーシング７の周方向に等間隔を有した三方位置に流出口９を兼ねた流入口８が設けられた構造とされており、その他の構成は第１の実施形態と同様に構成されている。
【００３１】
そして、風向きＰに沿って流入口８から流入した風は、風車本体４を通過して揚力により生じる最大負圧発生領域付近に面する両側の流出口９から流出する構造とされている。
【００３２】
従って、本実施形態においても第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、両側の流出口９で圧力差による風の吸い込み機能が発揮されるため、流入口８からの風の流入効率をより向上することができる。
【００３３】
さらに、流入口８に対する三方向からのいずれの風に対しても同様に効果が得られるため、特定の風向きＰに限らず、高効率な発電を行うことができ、しかも、ターンテーブル構造によりクロスフロー風車２が上下方向の軸心周りに回転自在に支持されているため、ケーシング７の回転により、常に風の流入効率に優れる最適なケーシング７の向きが得られ、この点からも高効率の発電を行うことができる。
【００３４】
図６は第３の実施形態を示しており、第１の実施形態と同様構成部分は同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３５】
即ち、第１の実施形態においてはケーシング７の外形が円形に形成された構造とされているが、本実施形態においては、ケーシング７の外形がいわゆる飛行機の翼型形状に形成された構造とされ、揚力によって生じる最大負圧発生領域付近に面して流出口９が設けられた構造とされており、その他の構成は第１の実施形態と同様に構成されている。
【００３６】
従って、本実施形態においても第１の実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、特にケーシング７が翼型形状に形成されているため、揚力によって生じる最大負圧も大きく、流入口８の入口付近と流出口９の出口付近とでより大きな圧力差が生じるため、風車本体４に対する風の流入効率をより一層向上することができ、稼働効率の向上が図れると共に発電効率の向上が図れ、高効率な発電を行うことができる。
【００３７】
また、回転テーブル１６上にケーシング７が設置され、しかもケーシング７が翼型形状とされているため、風向きＰの変化に対してもより円滑にケーシング７が自動的に回転し、最適なケーシング７の向きが容易に得られるため、稼働効率の向上が図れる利点がある。
【００３８】
図７は第４の実施形態を示しており、第１の実施形態と同様構成部分は同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
即ち、第１の実施形態においてはケーシング７の外形が円形に形成された構造とされているが、本実施形態においては、ケーシング７の外形が楕円形状に形成された構造とされ、揚力によって生じる最大負圧発生領域付近に面して両側に流出口９がそれぞれ設けられると共に、流入口８も両側にそれぞれ設けられた構造とされており、その他の構成は第１の実施形態と同様に構成されている。
【００４０】
そして、風向きＰに沿って流入口８から流入した風は、風車本体４を通過して揚力により生じる最大負圧発生領域付近に面する両流出口９および反対側の流入口８に兼用された流出口９から流出する構造とされている。
【００４１】
従って、本実施形態においても第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、両側の流出口９で圧力差による風の吸い込み機能が発揮され、また反対側の流入口８に兼用された流出口９の出口付近では風の流れによる剥離現象によって生じる負圧による風の吸い込み機能も期待できるため、流入口８からの風の流入効率をより向上することができる。
【００４２】
さらに、二方向からの風に対しても同様に効果が得られるため、特定の風向きＰに限らず、高効率な発電を行うことができ、しかも、回転テーブル１６上にケーシング７が設置され、しかもケーシング７が楕円形状とされているため、風向きＰの変化に対しても円滑にケーシング７が自動的に回転し、最適なケーシング７の向きが得られるため、稼働効率の向上が図れる利点がある。
【００４３】
なお、上記各実施形態において、風力発電機１がターンテーブル構造の支持台１５上に設置された構造を示しているが、屋上３に直接設置する構造であってもよい。
【００４４】
また、回転軸６が発電機１１に直結された構造を示しているが、回転軸６をギヤ機構等の連動機構を介して発電機１１の駆動軸に連結し、回転軸６の回転力を取出す構造であってもよい。
【００４５】
さらに、風車本体４が上下方向の軸心周りに回転自在に支持された縦型構造を示しているが、風車本体４を横方向の軸心周りに回転自在に支持した横型構造であってもよい。
【００４６】
また、ケーシング７の形状に関しても、上記各実施形態の形状に限られず、揚力の発生しやすい形状を適宜採用すればよい。
【００４７】
さらに、上記各実施形態において、ビルの屋上３に設置してビル風を利用する構造を示しているが、ビルの屋上３に限らず、ビルの側面や高さ方向の中途部に設置する構造であってもよく、さらには、その他の低層や中・高層の建築物等に設置して自家発電システムに利用したり、高速道路、橋梁等に設置して外灯等の屋外灯の発電システムやウインドファーム形式による発電システム等に利用する構造であってもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明のクロスフロー風車における風流路形成方法によれば、風車本体を覆うケーシングを設け、該ケーシングに風車本体に対して風を流入案内する流入口を設けると共に、該流入口に対向する風向きのケーシング外周に沿った風の流れによって発生する揚力により生じる最大負圧発生領域付近に面して、風車本体を通過する風を流出案内する流出口を設ける方法であり、流入口と流出口との相互間に生じる大きな圧力差により流入口側において風の吸い込み機能が発揮され、風車本体に対する風の流入効率を大幅に向上することができ、風車本体の回転による出力の向上が図れると共に、コンパクトに構成でき、風車本体を覆うケーシングによって風切り音等の騒音低減も図れるという利点もある。
【００４９】
また、本発明のクロスフロー風車によれば、風車本体を覆ってケーシングが設けられ、該ケーシングに風車本体に対して風を流入案内する流入口が設けられると共に、該流入口に対向した風向きの風のケーシング外周に沿った流れによって発生する揚力により生じる最大負圧発生領域付近に面して、風車本体を通過する風を流出案内する流出口が設けられた構造であり、流入口と流出口との相互間に生じる大きな圧力差により流入口側において風の吸い込み機能が発揮され、風車本体に対する風の流入効率を大幅に向上することができ、風車本体の回転による出力の向上が図れると共に、コンパクトに構成でき、風車本体を覆うケーシングによって風切り音等の騒音低減も図れるという利点もある。
【００５０】
さらに、ケーシングは円筒形状とされ、その周面一側に流入口が設けられ、該流入口から周方向に略９０度離隔した位置に流出口が設けられた構造とすれば、流出口が揚力により生じる最大負圧発生領域付近に面する構造となり、上記の利点が有効に発揮できる。
【００５１】
また、ケーシングが翼型形状とされた構造であれば、流入口と流出口との相互間により大きな圧力差が生じ、風車本体に対する風の流入効率をより一層向上することができる。
【００５２】
さらに、流出口が複数の位置に設けられた構造とすれば、両側の流出口で圧力差による風の吸い込み機能が発揮されるため、流入口からの風の流入効率をより向上することができる。
【００５３】
また、クロスフロー風車が上下方向の軸心回りに回転自在に支持された構造とすれば、風の流入効率に優れる最適なクロスフロー風車の向きが自動的に得られ、風向きに対する自由度が向上する利点がある。
【００５４】
さらに、本発明の風力発電機によれば、前記クロスフロー風車の回転軸からその回転力を取出して発電する発電機が備えられた構造であり、高効率の発電を行うことができ、発電効率の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す概略側面図である。
【図２】同水平断面図である。
【図３】円柱周りの流れ模式図である。
【図４】円柱周りの圧力分布図である。
【図５】第２の実施形態を示す要部水平断面図である。
【図６】第３の実施形態を示す要部水平断面図である。
【図７】第４の実施形態を示す要部水平断面図である。
【符号の説明】
１　風力発電機
２　クロスフロー風車
３　屋上
４　風車本体
６　回転軸
７　ケーシング
８　流入口
９　流出口
１１　発電機
１５　支持台
１６　回転テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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