(57)【要約】【課題】空調システムの風量のバランスを乱すことなく風力発電機システムを構成する。【解決手段】空調システムの排気口と風力発電部の羽根との間に側開口部を設け、その大きさの適当な範囲を決定することで、空調システムの風量等のバランスに影響を与え排気口付設風力発電機システムを実現した。【選択図】    図１
2005036780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気口に付設する風力発電機システムであって、前記の風力発電機の羽根の回転部面積（羽根受風面積）を、前記排気口の断面積を（１−軸方向誘導係数ａ）で割り算した値にほぼ設定したことを特徴とする排気口付設風力発電機システム。
【請求項２】
前記の羽根の回転部面積（羽根受風面積）は、前記排気口の断面積の１．１〜２．０倍に設定したことを特徴とする請求項１記載の排気口付設風力発電機システム。
【請求項３】
排気口に付設する風力発電機システムであって、前記風力発電機の羽根部の位置を前記排気口の開口部より離すことで側面開口部を設け、前記の側面開口部から排気の一部を排出するように構成したことを特徴とする排気口付設風力発電機システム。
【請求項４】
前記側面開口部は、前記排気口の前記開口部と前記羽根部との間の距離が、前記排気口の前記開口部の辺又は直径の０．０２〜０．３０倍に設定されたことを特徴とする請求項３記載の排気口付設風力発電機システム。
【請求項５】
横風を集めて前記羽根部の回転を促進する横風ガイドを前記排気口または前記排気口の近傍に付設したことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の排気口付設風力発電機システム。
【請求項６】
前記羽根部は、横風を受けて回転する補助羽根を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の排気口付設風力発電機システム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、空調システム等の排気口に付設して、排気のエネルギーを有効に利用する風力発電機システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、空調システム等の排気口から不要になった排気を室外等へ排出しているが、特に利用していることは無かった。この排気は、気体の強い流れを持っていて、外を通過する人に不快な感覚を与えること、熱を持っていて大気を暖めるなどの不具合があった。いずれも、排気の持っているエネルギーを利用することなく排出していた。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  排気の持っているエネルギーを有効に利用するために、排気の流れを考慮して風力発電システムを構成することに着目したが、空調システムの流量、熱等のバランスを乱すことなく風力発電機システムを構成することが必須の課題となった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】本願では、空調システムの排気口からの風力発電部の羽根までの距離、羽根の受風面積について、シミュレーションを行い、空調システムの流量等のバランスに影響を与えない距離と、羽根の受風面積との関連を求め、排気口付設風力発電機システムを実現した。
請求項１記載の発明は、排気口付設風力発電機システムであって、前記の風力発電機の羽根の回転部面積（羽根受風面積）を、前記排気口の断面積を（１−軸方向誘導係数ａ）で割り算した値にほぼ設定したことを特徴とする。
【０００５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の排気口付設風力発電機システムにおいて、前記の羽根の回転部面積（羽根受風面積）は、前記排気口の断面積の１．１〜２．０倍に設定したことを特徴とする。
【０００６】請求項３記載の発明は、排気口付設風力発電機システムであって、排気口に付設する風力発電機システムであって、前記風力発電機の羽根部の位置を前記排気口の開口部より離すことで側面開口部を設け、前記の側面開口部から排気の一部を排出するように構成したことを特徴とする。
【０００７】請求項４記載の発明は、請求項３記載の排気口付設風力発電機システムにおいて、前記側面開口部は、前記排気口の前記開口部と前記羽根部との間の距離が、前記排気口の前記開口部の辺又は直径の０．０２〜０．３０倍に設定されたことを特徴とする。
【０００８】請求項５記載の発明は、請求項３又は請求項４記載の排気口付設風力発電機システムであって、横風を集めて前記羽根部の回転を促進する横風ガイドを前記排気口または前記排気口の近傍に付設したことを特徴とする。
【０００９】請求項６記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の排気口付設風力発電機システムであって、前記羽根部は、横風を受けて回転する補助羽根を有することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】  以下、図１〜図６を用い、本発明の実施形態について説明する。図３は、本発明の一実施形態の排気量に影響を与えない条件を説明するための図である。断面積Ａ０の空間３１に風力発電機の羽根部３２（羽根の回転部面積Ａ）を設置し、その間を滑らかに接続している。ここでいう羽根の回転部面積とは、羽根自体の面積ではなく、回転部が回転により通過する全面積をいい、以下では受風面積という。空間３１には、速度Ｖ０で空気が流れていて、羽根を通過した後、速度はＶに低下する。ここで、速度の低下率に軸方向誘導係数ａを式（１）として導入すると、空気の密度をρとして、空気の流れから羽根の得るエネルギーＰは、式（２）のようになる。ここで、ａ＝１／３の時、エネルギーは最大値となる。このような場合、面積の関係は、式（３）となり、羽根の寸法が式（４）以上の値であれば、羽根の存在は、空間の空気の流れにとって負荷とならない。尚、式（４）内の√記号は、その後のカッコ内に適用される平方根を表している。このような事情が、文献：風車工学入門（牛山  泉著  森北出版）のページ５０〜５２に記述されている。【００１１】
【数１】
ａ＝１−Ｖ／Ｖ０  （１）
【００１２】
【数２】
Ｐ＝｛４ａ（１−ａ）２｝（１／２）ρＡＶ０３  （２）
【００１３】
【数３】
Ａ＝Ａ０／（１−ａ）  （３）
【００１４】
【数４】
√（Ａ０／（１−ａ））  （４）
【００１５】  次に排気口に排出される空気流に風力発電機の羽根を付設した場合を考えると、排気口の面積をＡ０と考えると、羽根の面積を式（３）、排気口が正方形の断面を持つ例で考えて、羽根の面積の一辺を式（４）になるように設定し、排気口と滑らかに接続すれば、羽根の存在は、排気口の空気の流れにとって負荷とならない。例えば、ａ＝１／３の時では、Ａ＝１．５Ａ０、羽根のある断面の一辺の長さは、排気口側の一辺の長さの１．２２倍であればよい。ａ＝０．１〜０．５に対して、Ａ＝（１．１〜２．０）Ａ０となる。
【００１６】  図４及び図５は、排気口に風力発電機の羽根を設置しやすいように排気口の面積とほぼ同じ面積の羽根部を取り付けた場合の状況を示していて、図４は、ダクト断面が円形、図５は、矩形の場合である。羽根部が式（３）で表される値より面積が小さくなるので、そのままでは、羽根の存在は、排気口の空気の流れにとって負荷となってしまう。このため、不足面積を流れる分の流量分を流すために側面開口部を設けなければならない。この側面開口部は、むやみに大きくても、羽根に当たる流量が少なくなり、サイズも大きくなって好ましくない。適当なサイズの範囲が存在するので、図４及び図５の諸量を用い設定値を決定した。以下その決定の結果を説明する。
【００１７】図４を例に説明すると、発電機の羽根４２のある受風面とほぼ同じ面積Ａの排気ダクト４１を速度Ｖ０で空気が通過し、距離Ｌ（側面開口部４３）離れた位置の羽根部４２に流入している。羽根部４２を通過する前のダクトを通過した空気の速度はＶ０である。羽根を通過した後の速度はＶとなっている。平均的には、（Ｖ＋Ｖ０）／２の速度で側面開口部４３から空気を流出させると見なして概算することができる。また、側面開口部は、羽根受風面の径を直径とする円柱側面に近似され、空気が通過する見込みの距離はＬｃｏｓ４５°とする。
【００１８】以下、図４及び図５の円形ダクト、矩形ダクトに付いて、排気口での各流量の関係を記述する。式（１）を用いて、排気口に入力する流量は、受風面の面積Ａに対して、円形ダクトの断面積は、Ａであり、矩形ダクトの断面積は、４Ａ／πとなることを考慮に入れて計算を進めると、円形ダクトでは、ＡＶ０であり、矩形ダクトでは、４ＡＶ０／πである。
羽根の後方に出る受風面流量は、円形及び矩形ダクト共、ＡＶである。
側面開口部から出る流量は、円形ダクトでは、式（５）の様になり、矩形ダクト（側面開口部の面積を円形部と矩形部の平均で表現する）では、式（６）の様になる。排気口から出る流量に対して、他の２者の和の比を流量負担率ｋとして表せば、正方形ダクトおよび円形ダクトについて、各々、式（７）、式（８）となる。ｋが、１より小さい場合は、排気の流れに影響があることを示し、入ってくる排気の排気量が制限を受けることを示している。例えば、０．９の場合は、１０％が排気速度が遅くなることに対応する。この値がどこまで許容できる状態かに対応して限界のｋは決められる。ｋ＝１の場合は、羽根の設置は、排気の流れに全く影響が無いことを示している。排気の容量に余裕が無ければ、ｋ＝１で設定すればよい。
【００１９】
【数５】
（Ｖ＋Ｖ０）／２・２π√（Ａ／π）・Ｌｃｏｓ４５°＝Ｖ（１＋１／（１−ａ））／２・２π√（Ａ／π）・Ｌｃｏｓ４５°  （５）
【００２０】
【数６】
（Ｖ＋Ｖ０）／２・（π＋４）√（Ａ／π）・Ｌｃｏｓ４５°＝Ｖ（１＋１／（１−ａ））／２・（π＋４）√（Ａ／π）・Ｌｃｏｓ４５°  （６）
【００２１】
【数７】
ｋ＝（１−ａ）・［１＋√（π／Ａ）・｛１＋１／（１−ａ）｝Ｌｃｏｓ４５°］  （７）
【００２２】
【数８】
ｋ＝π（１−ａ）／４・［１＋（π＋４）／２・√（π／Ａ）・｛１＋１／（１−ａ）｝Ｌｃｏｓ４５°］  （８）
【００２３】  式（７）、式（８）から、正方形ダクト及び円形ダクトについて側面開口部距離Ｌを求めると、各々式（９）、式（１０）のようになる。
【００２４】
【数９】
Ｌ＝２√（Ａ／π）｛ｋ／（１−ａ）−１｝／２／｛１＋１／（１−ａ）｝／ｃｏｓ４５°  （９）
【００２５】
【数１０】
Ｌ＝２√（Ａ／π）｛４ｋ／π／（１−ａ）−１｝π／（π＋４）／｛１＋１／（１−ａ）｝／ｃｏｓ４５°  （１０）
【００２６】式（９）及び式（１０）内の係数を側面開口部距離係数として、円形ダクトに付いてＳｃ及び、矩形ダクトに付いてＳｒと表すと、各々、式（１１）、式（１２）となる。
【００２７】
【数１１】
Ｓｃ＝｛ｋ／（１−ａ）−１｝／２／｛１＋１／（１−ａ）｝／ｃｏｓ４５°  （１１）
【００２８】
【数１０】
Ｓｒ＝｛４ｋ／π／（１−ａ）−１｝π／（π＋４）／｛１＋１／（１−ａ）｝／ｃｏｓ４５°  （１２）
【００２９】これをｋをパラメータにして、ａに対して計算すると、表１、及び表２のようになる。
【００３０】
【表１】
2005036780.tif 000003
【００３１】
【表２】
2005036780.tif 000004
【００３２】  前述したように、軸方向誘導係数ａは、１／３のとき、得られるエネルギーが最大であった。例えば、ｋ＝１では、円形ダクト、及び矩形ダクトでは、Ｓの値は０．１５、０．１７となり、排気口の断面の１辺の長さの約０．１５倍の側面開口部距離とすればよい。すなわち、２ｍ×２ｍの排気口では、３０ｃｍ離して羽根部を設置するのが理想的となる。そしてこの表１、及び表２は、理想的でなくとも、排気口からの空気の流れに影響を与えることなく、風力発電部の羽根を設置できるところの所謂使用可能な条件が定められる。理想値を中心にａの値として、０．３±０．２を考慮すると、
ｋ＝０．９５を許容した場合、  ０．２１≧Ｓ≧０．０２となり、
ｋ＝１．００を許容した場合、  ０．２５≧Ｓ≧０．０３となり、
従って、Ｓとして、０．０２〜０．３０の範囲で計算した側面開口部距離を適用すれば、羽根の設置は、排気の流れにほぼ影響が無く使用可能であることとなる。
【００３３】以上では、羽根部の面積は、羽根の回転部が通過する面積が排気口の断面積にほぼ等しいことで説明したが、羽根部の取り付け部の断面積が、排気口の断面積にほぼ等しく設置することが施工上便利であると思われる。このような場合は、羽根部の通過する受風面積が排気口の断面積より小さくなるが、その場合にも、側面開口部は大きくなるだけで、上記の側面開口部距離係数Ｓの範囲の設定で十分対応が可能である。勿論、側面開口部は、排気口の断面積より羽根部の面積が大きい場合も、排気への負荷低減効果がある。
【００３４】  図１は、本発明の一実施態様を示す図であり、風力発電機１１を排気ダクト１２の排気口１３に付設したもので、２ｍｘ２ｍの排気口に対して、側面開口部のために３０ｃｍの距離をとって、風力発電機を取り付けたものである。図２は、同様に本発明の一実施態様を示す図であり、複数の風力発電機２１を集積して付設したものである。
【００３５】  図６は、本発明を更に発展させた実施態様を示すもので、羽根部６１と発電機の電力出力用の線６２を有する発電機６０が排気ダクト６３に発明の趣旨の距離だけ離して取り付けてある。排気ダクト６３からは、矢印６４で示すように排気が発電機の羽根部６１を回すように吹き出している。排気ダクト６３には、更にスカート状に付設された横風ガイド６５があり、これは、横風６６を集めて、羽根部６１を排気６４と共同して回すことを促進している。この構成では、横風の補助を受けて羽根部６１が廻り、排気６４を吸い込むように補助するので、発電機を取り付けた負荷が更に軽減される。この横風ガイド６５は、排気ダクト６３の近傍、例えば発電機６０を支持する部材に取り付けたり、または接触することなく周囲に設置することもできる。羽根部６１には、更に横風６６で廻る多数の羽根を有する補助羽根６７が付設しているが、これは更に回転を増強できて好都合である。
【発明の効果】
【００３６】以上、説明したように、排気口に設置する風力発電機の羽根の回転部面積を、式（３）により排気口の断面積に関連づけて決定するか、又は、ほぼ同一の面積を持つが、側面開口部を設けたので、羽根の設置は、排気の流れにほぼ影響を回避することができ、排気口に風力発電機を付設して発電する事が可能となった。
更に、排気ダクトに横風を集めて発電機の羽根の回転を補助するガイドを設けた構成では、更に排気への負荷軽減を図ることが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明に係る排気口付設風力発電機システムの一実施態様を示す斜視図である。
【図２】    本発明に係る排気口付設風力発電機システムの別の一実施態様を示す斜視図である。
【図３】    本発明に係る排気口付設風力発電機システム機の排気量への影響の計算のための説明図である。
【図４】    本発明に係る排気口付設風力発電機システムで円形ダクトでの側面開口部を指定する距離を設定するための説明図である。
【図５】    本発明に係る排気口付設風力発電機システムで矩形ダクトでの側面開口部を指定する距離を設定するための説明図である。
【図６】    本発明に係る排気口付設風力発電機システムで、ダクトに横風ガイドを有する実施態様を示す図である。
【符号の説明】
１１，２１・・・風力発電機、１２，４１，６３・・・排気ダクト
１３・・・排気口、３１・・・断面積Ａ０の空間
３２，４２，６１・・・羽根部、４３・・・側面開口部、６０・・・発電機
６２・・・電力出力用の線、６４・・・排気を示す矢印、６５・・・横風ガイド
６６・・・横風、６７・・・補助羽根
【図１】
2005036780.tif 000005
【図２】
2005036780.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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