(57)【要約】【課題】主として低風速域における出力を増大すると共に、容易に暴風へ対処できる実用的な風車を提供する。【解決手段】自然風を増速する中空構造体１１を有する集風装置１０の内部に、マグナス型風車２０の自転円柱２２を収納する。マグナス型風車２０の機構部を分散配設して、適切な気流路を確保する。また暴風による自転円柱２２の破損を防止するため集風装置１０に過撓止め具５０を内設する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力機構部に風車の公転トルクを伝達する主軸と、該主軸から放射状に所要数配設された自転円柱と、該各自転円柱を自転駆動する入力機構部とを備え、前記各自転円柱の自転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により前記主軸を公転させて出力機構部を駆動するマグナス型風車を、風洞形の中空構造体を有する集風装置の内部に設け、前記マグナス型風車と前記中空構造体との間の流路断面積が空気流に沿って変化することによって、自然風を増速する手段を施したことを特徴とする、集風式マグナス型風車。
【請求項２】
自転円柱を挟み風上方と風下方とに、入力機構部と出力機構部とを対置したことを特徴とする、請求項１の集風式マグナス型風車。
【請求項３】
自転円柱の公転外周端が風圧によって所定量以上に風下へ撓んだ時に、前記の自転円柱の公転外周端が接触する軌道に沿い過撓止め具を設け、該過撓止め具は中空構造体の内周に固設したことを特徴とする、請求項１または請求項２の集風式マグナス型風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風車に関し、特にマグナス型風車と中空構造体を有する集風装置とを組み合わせた技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
この発明の第一の基幹はマグナス型風車である。マグナス型とは例えばプロペラ型、ダリウス型のように、風車を翼形によって対比分類した呼称である。
マグナス型風車の基本構成は、公転機構部に風車の公転トルクを伝達する公軸と、該公軸から放射状に所要数配設された自転円柱と、該各自転円柱を自転駆動する自転機構部とを備える。
動作原理は、自転円柱の自転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により公軸を公転させて公転機構部を駆動するものである。
マグナス型風車の特許文献は下記１〜５がある。この文献中で提唱されている様々な細部形状とか付加機能に拘わらず、前記の基本構成を有するものはすべて本発明におけるマグナス型風車として、要件を満たし得る。
【特許文献１】米国特許第４３６６３８６号明細書
【特許文献２】ロシア連邦特許第２１８９４９４Ｃ２号明細書
【特許文献３】特願２００４−０３１８９７
【特許文献４】国際出願  PCT/JP2004/8321(Ref.CP10AP04AK)
【特許文献５】国際出願  PCT/JP2005/2419
【０００３】
この発明の第２の基幹は集風装置である。局所的に風を集め、流速を大幅に増速させる集風装置が近年開発され、最大で２．４倍の増速が実現できた研究結果が下記の非特許文献に公開されている。この原理は空気流に沿って流路断面が変化する中空構造体を設け、その内部あるいは周辺流れにおいて、渦による取り込みや強い低圧域の生成など種々の流れ特性を応用した結果とされている。この集風装置内部に風力発電機を設ければ、発電量が飛躍的に増大できることも確認されている。
【非特許文献１】第２３回風力エネルギー利用シンポジウム予稿集（平成1３年11 月）風レンズ効果（風エネルギーの集中） による風力発電の高出力化
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
集風装置は風車の運転に適切な自然風であれば有用である。しかし突風や台風などの暴風も増速するので、風車は莫大な回転トルクを制御し、暴走の制動を要することになる。一般に現代のプロペラ型風車は耐風速が６０ｍ／secである。それでも十分でなく破壊事故が時折起きている。その耐風速を例えば一挙に２倍の１２０ｍ／secにするような強度アップは、板状のブレードを用いた従来の他型風車には形状上無理がある。
代案として集風装置にシャッターを付すとか、暴風時は風車を安全な場所へ移動する措置が考えられるが、人間が常に管理するミニチュア風車以外は、いずれも実用上困難である。なぜならこれらの措置は、限定地域の突風を含む気象予測と、実際に現象が来襲するまでに素早く動作するメカニズムが必要である、しかも前記メカニズムは通常時の風車性能を悪化させることのない収納スペースを必要とする、しかしこの条件を満たし許されるコストに見合う技術は今のところ存在しないのが現状であるからである。
【０００５】
一方、特許文献１〜特許文献５に示されたマグナス型風車は、自転数によって公転数が制御できる特性をもっている。従って特別な暴走対策構造を何ら採らずとも、暴風時には自転さえ止めれば風車が静止したままとなり、公転することはない。
また特許文献３〜特許文献５に示された、スパイラルを付設したマグナス型風車は、特許文献４の表１からわかるように、一定回転数で自転中にたとえ突風を受けても揚力は一定以上にならず、暴走状態にならないことが実験確認されている。  
さらにマグナス型風車の翼形は円柱であるから、板状のブレードを用いた従来のプロペラ型風車と比較して、乱流のような方向不定の負荷に対して強度が有利である特徴も合わせ持っている。
すなわちマグナス型風車は暴風に対して、様々な構造上の有利性があり、他風車では不可能であった強風に対処し得る。ただし当然なことであるが、強度には限界があるので、さらに小型軽量で安全にするための工夫が望まれていた。
【０００６】
またマグナス型風車は出力機構部のほかに、自転駆動するための入力機構部が必要なために、出力機構部のみで済む他型風車と比較してスペース的に不利であった。特にこの発明のように中空構造体に風車を内設する場合は、気流路を狭めると能力ダウンが懸念される。
またマグナス型風車も他型の風車と同様に、もともとエネルギー密度が少ない低風速域における出力は少なく、人間が日常生活する風況で実用的な出力を得るのは困難だった。
一例として発明者等が行った実験では、自転円柱の自転周速を７３３０ｍｍ／secとした場合は消費電力が全風速においてほぼ一定で、約１５０ｗであった。この時の発電量は風速６ｍ／secにおいて１５１ｗであり、風速１２ｍ／secにおいては４６９ｗであった。すなわち低風速域では実質発電量がほとんど得らないという、従来の他型風車と同様の特性を示す結果であった。
【０００７】
このため一般に風車というものは、強風でありながら暴風ではない適度の風が吹き続ける特別な風況を最適条件とし、エネルギー採取用風車は人間の住居には適さないような特殊な風況地を選んで建設されている。地球上の場所によっては適風が吹かない地形も多く、わずかな適地は間もなく飽和が予見されている。
また日常生活に必要とするエネルギーの量とタイミングは、自然風の風況と必ずしも一致するものでないから、風車のエネルギーを有効利用するためには、大規模なエネルギーの貯蔵や補完の設備を伴い、多大なコストを要していた。
以上のように風車はクリーンエネルギーとして期待されながらも、特殊な立地と用途に限定され、広範な普及は進んでいない。
【０００８】
この発明は上記の現状に鑑み、集風装置とマグナス型風車とを組み合わせる発想をもとになされたもので、主として低風速域における出力を増大すると共に、容易に暴風へ対処できる風車を提供することにより、人間が日常生活する風況のもとで風力エネルギーを実用することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決する構成として、自然風を増速する中空構造体を有する集風装置の内部に、マグナス型風車の自転円柱を収納する。マグナス型風車の機構部を分散配設して、適切な気流路を確保する。また暴風による自転円柱の破損を防止するため集風装置に過撓止め具を内設する。
【発明の効果】
【００１０】
発明の効果を確認するための総合実験は準備中であるので、ここでは部分的な実験結果から効果をシミュレートする。段落０００２に示した集風装置で風速を２倍にした場合、風速６ｍ／secの自然風は風速１２ｍ／secで風車に吹き当てることができる。したがって集風装置に内設した段落０００６に示したマグナス型風車は、１５０ｗの消費電力で４６９ｗを発電し、差し引き３１９ｗの電力が得られる勘定になる。
マグナス型風車を集風装置に内設しなかった場合と比較すると、不可能であった低風速域でのエネルギーの取得が可能になる。しかもその量は多大であり、日常は時々しか吹かないような強風下での出力に相当する。  
【００１１】
すなわちこの発明の風車は従来の他型風車と比較し、設置適地を拡大すると同時に有効稼動時間を増やす。従って人間が日常生活する風況で風力エネルギーを実用するという目的を、広範な地域で達成可能とし、地球環境の保護、自然エネルギーの有効利用の点で多大な効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態は多岐に渡るが、以下に本発明の風車を風力発電機として構成した実施の一例を図示し、要旨を説明する。
【実施例１】
【００１３】
集風装置１０は円錐筒形の中空構造体１１であり、空気流に沿って流路断面が拡大する形状いわゆるデイフューザーを例示した。実験によれば開き角αは４°前後が有効で、デイフューザーの長さを直径の３倍以上にすれば、２倍以上の増速効果が得られる。ただしこれら数値はマグナス型風車との合同条件で変わるものであるから、本発明が限定するものではない。
また集風効果を高めるため、中空構造体１１の風上方には空気流に沿って流路断面が縮小するインレット１２が付設され、風下方には中空構造体１１の外周から突出させたツバ１３が付設されている実施例を示した。ただしインレット１２とかツバ１３などの補助機能は本発明の要件ではなく、設置スペースとか風況とかの個別都合により採否する。
【００１４】
マグナス型風車２０は、前記した中空構造体１１の円錐軸と同芯である主軸２１から、放射状に自転円柱２２を２本対向して配設し、その自転円柱２２の外周にはスパイラル状の突条２３を付設した場合を例示した。
【００１５】
自転円柱２２を挟み風上方には出力機構部３０を設置した。この出力機構部３０は発電機３１のケース３２が、公転中央部から放射状に配設された３本のスポーク３５によって中空構造体１１に拘止され、発電機３１の軸３３は主軸２１としてハブ３４を装着している。このハブ３４には前記した２本の自転円柱２２が軸着されている。
なお発電機３１の性能特性によっては、軸３３に増減速機(図示せず)を介しハブ３４を装着する場合もある。
【００１６】
自転円柱２２を挟み風下方には入力機構部４０を設置した。この入力機構部４０はモータ４１のケース４２が、公転中央部から放射状に配設された３本のスポーク４３によって中空構造体１１に拘止され、モータ４１の軸４４と自転円柱２２とには一対の傘歯車４５を装着し自転駆動している。
なお精度および強度を向上するために、軸４４とハブ３４とをベアリンング(図示せず)を介して連結したり、軸４４を延長し主軸２１とベアリンング(図示せず)を介して連結するとかの構造は有効である。
またモータ４１の軸４４が増減速機(図示せず)を介して傘歯車４５を装着するとか、傘歯車４５が存在せず各々の自転円柱２２に個別にモータ(図示せず)を直結するとかの、本図と異なる入力機構部４０の構造であっても本発明は実施できる。
【００１７】
上記のように出力機構部３０と入力機構部４０とを分散し、自転円柱２２を挟んで対向配置することにより、対向配置しなかった場合に比べてケース３２およびケース４２が小さい直径の砲弾形にできる。従って広い気流路が確保でき、段落０００６で述べた能力ダウンの懸念は解決される。
【００１８】
なお出力機構部３０と入力機構部４０の配置位置は組立やメンテナンスなどの都合次第で逆であっても構わない。また公転中央部に配置されるケース３２、ケース４２は断面が多角形であったり、流気方向のサイズが中空構造体１１よりも長いとかと、本図例とは異なる細部形状をなす場合もあるが、本発明は集風装置１０に自転円柱２２を収納することを要件とし、関連部品の形状やサイズを限定するものではない。同様に本図例に示した自転円柱２２やスポーク３５、スポーク４３の個数や形状も強度とか設定能力都合に従い任意であり、本発明が限定するものではない。
【００１９】
また本実施例では、中空構造体１１の内周に過撓止め具５０を固設してあり、自転円柱２２の公転外周端が風圧によって所定量以上に風下へ撓んだ時に、前記の自転円柱２２の公転外周端が接触する構造である。
なお、従来のプロペラ型風車の板状のブレードを過撓止め具５０で保護することは、脈動する方向不定の暴風の際に板状のブレードは特定方向にだけ多く撓む結果単振動が起こり、過撓止め具５０に対し衝突を繰り返して却って破損を招く懸念がある。
この点でマグナス型風車２０は翼形が円柱であるため、全方向の負荷に対して強度が平等であり、同一荷重で特定方向にだけ多く撓むことはない。すなわち過撓止め具５０は、マグナス型風車２０に限り多大な効果があり、暴風時における自転円柱２２の破損を防止して、風車の安全を一層確実にするものである。また過撓止め具５０がない場合に比べて風車を小型軽量にもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
風車エネルギーの利用分野は揚水、粉砕など種々あるが、特に発電機としてはあらゆる産業、生活に広範に利用できる。この発明の風車は大規模なエネルギーの貯蔵や補完の設備は不要であるから、例えば自家発電機に用いれば独立電源として特段に適している。また商用発電に用いれば優れた分散電源として利用できる。
設置の場所については、この発明の風車は特別な風況を必要としないから、従来風車の設置が適さなかった市街地や工場敷地内に設置しても有効である。すなわち風車の利用適地を一挙に拡大する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の風車の一例を風上から見た正面図
【図２】本発明の風車一例を側面から見た上部分の断面図。
【符号の説明】
【００２２】
１０  集風装置
１１  中空構造体
２０  マグナス型風車
２１  主軸
２２  自転円柱
３０  出力機構部
３５  スポーク
４０  入力機構部
４３  スポーク
５０  過撓止め具
【図１】
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【図２】
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