Wind speed acceleration type fluid intertia-utilizing wind power generation system

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】 風力発電【従来の技術】従来の風力発電は風速を速めて発電効率を上げる為，ロータの長さを長くすることが必要であり，その為，風力発電機を大型にすることが避けられず製造及び設置コストが増大せざるを得なかった。 更に，
自然の風速が大きくないと発電効果が得られないので設置場所に大きな制約を受けざるを得なかった。 又，風力が増大した際，回転駆動部が高熱に耐えられなくなるので発電作業を一時停止せざるを得なかった。 【課題を解決する手段】当該システムは風速を加速する主な手段としてケースをローターの外側に設置することにより，ベル・ヌーイの法則により狭い断面積を通過する際の流体が加速される原理を利用してローターの回転力を増大させることによって発電効率を上げるので，その分，装置がコンパクトになり製造コストが節約できる。 更に，前記ローターの回転と連動する別のローターを周囲に液体を充填して回転させ，比較的小さな抵抗力で風力のエネルギーを液体の回転エネルギーに転換すると同時に液体を封じ込めている固体の容器をも液体の回転することにより固体の回転エネルギーとして自然風力の過剰のエネルギーを転換吸収する為，カットアウト風速として一定以上の風速の風を逃してその間発電作業を中止するいわゆるフェザーリング現象の必要性を取除き，継続して発電作業を可能にし，風力の強弱による発電の変動の幅を調整するレギュレーターを装備した風力発電システムです。 この他，現状の風力発電機がプロペラをローターとして使用している為，自然風との接触部分が比較的小さいことによってその分自然エネルギーの利用率が低いのに比べて，水車形状のローターを使用することにより，より多くの自然風と接触部分を持たせることにより，その分自然エネルギーを発電に多く取り入れることにより発電効率を高めることを可能にした。 【作用】ローターの前にケースが設置されることによってケースの後方が開かれているので間口が狭くなっている分，風の速度が速まる。 これは流体運動の基本原理であるベル・ヌーイの法則が速度と幅の積が一定であることによりも説明が付く。 その為発電に必要な最小の風速でもケースとローターを都合良く組合わせることにより風速を速めることが可能なので発電に必要な風速をより小さい速度にも範囲を広げる事により、いわゆるカットイン風力を下げることによって風力発電機の設置場所の条件を緩和することによって地勢学的な制約をより広く解放する。

【図面の簡単な説明】 【第一図】 前面の一部が開口していて後部が外の空間に開かれているケースに内蔵されていて発電機と連結している水車風ローターと羽と液体を内蔵したエネルギー転換装置を設置した風力発電システムの断面図の一例。 【第二図】 上記【第一図】の正面図の一例。 【符号の簡単な説明】 １． 水車風ローター ２． ケース ３． 発電機４． 増幅機 ５． 液体エネルギー転換装置 ６． 方向舵 ７． 支柱８． シャフト ９． 地面 １０． 開口部

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【手続補正書】 【提出日】平成１４年７月２１日（２００２．７．２
１） 【手続補正１】 【補正対象書類名】明細書【補正対象項目名】特許請求の範囲【補正方法】変更【補正内容】 【特許請求の範囲】 【請求項１】風力発電システムとして，水車型の回転軸に放射状に複数の羽を固定した風車を，前方が風の入口のスリットが開いていて後端が外側に突出た壁を形成しているフランジとなって前面の面積よりは等しいか大きい後端の面積が外に開かれた出口を形成している箱の中に，前方からスリットを通って侵入する風が風車の上半分の羽を押して風車を回転させて前記箱の後部から気流が通り抜ける位置に風車を設置して，風車の回転軸が発電機の回転軸に連結して発電する仕組の風力発電システム。 【請求項２】風力のエネルギーは３枚羽の風車の場合，
直径の２乗と風速の３乗に比例するので，プロペラの直径の２乗に比例するとは回転面積の平面積にも比例します。 従来の風車のプロペラの羽の幅を見込む角度が３６
０°の内，１０°以内が一般的ですので，３枚の羽の角度の合計が３０°以内ですから，３６０°の内，発電に利用している風のエネルギーは風が連続していることを考慮しますと１／１２に過ぎず，残り１１倍の風のエネルギーを捨てています。 当該風力発電システムは水車型の風車と前記スリットを組合せることにより，通過する風がほぼ全量風車の回転に作用する構図ですのでプロペラの直径が同じですと従来の風車に較べて１１倍の発電能力を持ちます。 風力のエネルギーの取出す効率が６０
％未満であっても，そのエネルギーの利用効率が同じ比率と考えれば１１倍の発電効率です。 【請求項３】当該風力発電システムは風車を設置している箱の中と外側で風の入口であるスリットの面積が箱の前面の面積比で小さい為気圧差が生じ，箱の中側の気圧が小さいことと箱の後端が外に開かれたフランジの壁が壁の外側の気流を塞止めているので壁の内側の圧力が更に低下して前記スリットから侵入した風の速度を加速させて前記風車回転させて発電するので，自然の風速と加速された風速の和の３乗に比例する大きな風力エネルギーをエネルギーの最大転換利用効率の６０％未満を発電に利用する仕組の風力発電システムです。 【請求項４】当該風力発電システムは，従来の風車の場合は発電量を大きくする大型の発電には羽の直径を長くする必要性から風の取入口の表面積が大きくなるのでベルヌーイの法則から侵入する風速が弱まり風車に覆いを被せて風速を速める発電方式が大型発電には不適なのに対して，前記スリットと箱内の圧力差を組合せて大型発電に適応可能な風力発電システム。 【請求項５】内部に風車を設置した箱のスリットに風が乱入しようとして風の方向に対してスリットの面積を常に最大限に保つ為に，その位置を風の向きに対して常に垂直に保とうとする風力が絶えず作用するので，箱全体の風向きに対する方向は常に自然に垂直に保たれます。
又，急に風向きが変化する場合，箱が方向転換をし易いように箱の後端に布状の物体を取付けて，物体の表面積が風の抵抗を常に最小にする為に気流に則した体勢で箱を絶えず方向づける方向舵と同じ機能を有する風力発電システムです。 【請求項６】当該風力発電システムは過剰の風力を一時的に気体，液体，固体の回転慣性エネルギーに変えてエネルギーを保管し、過剰の風力が収まり減少した時，保管されている回転慣性エネルギーを発電機のシャフトの回転エネルギーに転換して発電作業を継続しますのでフェザーリング現象やそれに類する発電作業を一時中断して過剰の風力が作用する間停止する必要を取除き発電効率を高く保つと同時に，生産される電力の変動幅も抑える機能を持ちます。 即ち，当該風力発電システムの風車の羽の回転シャフトの延長線上の軸の外周に，回転体としての固体の容器を，一例として，箱の壁に嵌込まれたベアリングに重量を支えられて設置した固体の容器を，
前記シャフトの延長された軸に弾性体を固定して他端が前記固体の回転体の内壁に接触して流体を遮断し，前記固体の回転体の内壁から中心部に向かって固体の突起が突出ていて，更に前記回転軸に固定された弾性体の間に挟まれた軸上に別の柔軟な物質が固定されその他端が上方に伸びでている物体の周囲に液体が充填されていて，
風車の羽のシャフトが回転するとそれと同軸に固定されている前記柔軟な物体が液中を回転して前記固体の突起物に接触するが，柔軟な物体が撓んで擦抜けて回転する。 更に，シャフトの回転が加速されると柔軟な物体を取囲む液体と共に回転して前記固体の突起物に圧着して押す事により動かして結果的に固体の容器も回転させるので，過剰の風力が風車の羽を回転させて気体、液体、
固体の順に回転させて，各々回転慣性エネルギーの形でエネルギーを保管してエネルギーを吸収して事故を起こさないようにすると同時に，風力が弱まると，逆の順序で保管されている回転慣性エネルギーを風車のシャフトの回転力に還元して発電力の持続性を確保すると共に生産する電力の変動幅を抑える調整器を備えた風力発電システム。 【請求項７】当該風力発電システムの箱の中に設置された水車型の風車の羽に，スリットから侵入する風が風車の上半分の羽に当たって羽を回転させて発電して，風車の下半分の羽の回転に対してスリットから侵入する風向きは向かい風となり風車の回転の負荷となるので，前記スリットと風車の間に板を置いて風を遮断すると同時に，前記箱の下が開いていて外部の空気の流通が自由になっている為，前記スリットの箱の内側の下の気圧が上の気圧に対して低くならないようにして気流が常に箱の上半分を通り抜けるようにした構図の風力発電システム。 【手続補正２】 【補正対象書類名】明細書【補正対象項目名】発明の詳細な説明【補正内容】 【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】風力発電【従来の技術】従来の風力発電機はプロペラのブレードを長くすることによって発電力を大きくしていますが，
装置が大型化する上コストが嵩むことと設置場所も風力が強い極地に集中する不便さを伴うのが実情です。 これは発電能力が他の火力発電や原子力発電に較べて小さいことが原因です。 その発電能力を高める為にプロペラに覆いを被せて風速を速めて発電力を増す方法がありますが，ブレードを長くするとプロペラの回転面積が大きくなりその為ベルヌーイの定理によって風速が遅くなるので大型の発電には適用出来ず余り実用化されていません。 更に従来のプロペラで最も一般的な三枚羽を例にとると，三枚のブレードの合計角が３０°以内であることから揚力による回転力の弾みで加速される発電力の増大を考慮しても３６０°中の内の３０°の風力エネルギーを発電に利用して後の３３０°の風力エネルギーを利用せずに捨ててしまっています。 この為，依然発電力が小さい儘です。 又，過剰の風力が風車の発電を停止して発電効率を下げる原因を作ると同時にその為の装置にコストがかかります。 【課題を解決する手段】従来の風力発電の決定的な欠陥は発電力が小さい事です。 この風力発電の出力を増大させる為の手段は現在行われている方法として２方法が一般的です。 その２方法の内，最も実際的な方法は風車型のプロペラのブレードの長さを長くすることが出力がプロペラの半径の二乗に比例することから長くする傾向にありますが，逆に現状では制作コストが半径の三乗に比例します為，電力コストが高まりますので限界がある上，出力不足の根本的な解決にはなりません． 次に，もう一つの出力を増大させる方法として風車型のプロペラに覆いを被せて風速を加速させて発電力を増大させる方法は前項で記載しましたように大型発電には技術的に不適当です。 その技術的欠陥を当該風力発電装置は風車を内蔵する箱の前面壁に加工されたスリットと水車型の風車を組合せることによって自然の風の風速を加速させて出力を増大することで問題を解決しました。 先ず，この方式の有効性の基本を理論的考察しますと次の計算式となりま。 す。 即ち，箱前方の風速と圧力及び箱面のスリット部を通過する風速と圧力について，ベルヌーイの定理を適用すると以下の通りです。

_ｃ ）−１｝

^２ ：Ｃ

_ｃ ＝１．０（コーナを丸めた場合），急拡大の損失は，

ξ｛１−（ａ／Ａ）｝ ξ＝１．０ ａ：スリット断面積，Ａ：箱断面積，Ｐ

_１ −Ｐ

_２ ：箱前面と内面との圧力差Ｃｄ：箱の抵抗係数，Ｃｄ＝２．０（２次元矩形の場合であり，小さな値になるかも知れません）これによって，（１）式，（２）式から風速の増大率は， ａ／Ａ＝０．１として、簡単な試算をしますと， 結果を得ますが，飽迄，風速が加速される傾向が理論的に言えることでして，実祭には風力の分力としての揚力が同じ分力の推進力を数十倍上回る事実により風車の回転力に弾みを付けて加速することが考えられます。 事実，弊社の制作しました風車型の実験機では、プロペラに覆いを被せただけで発電力ベースで１０倍の加速結果を得ています。 又，デルフト工科大学の研究所で揚力が推進力の５０倍を確認した結果が報じられていますことを考えますと，当該風力発電方式で大幅な発電力が得られることが出来ます。 又，弊社の開発しました調整器で過剰の風力を気体，液体，固体の順に回転慣性エネルギーとしてエネルギーを保存しますので，フェザーリング現象や発電作業の一時停止をする事なく発電作業を継続可能にして発電の効率を下げない方法です。 【作用】 当該風力発電は発電の出力を大幅に増大すると共にカットイン風力を２ｍ／秒に拡大する為に，従来地勢学的に規制されていた風力発電機の設置場所を至る所に設置場所を解放することによって経済的にも電力が大幅に安くなり，排ガス規制にも大いに役立つ事になります。 【手続補正３】 【補正対象書類名】明細書【補正対象項目名】図面の簡単な説明【補正方法】変更【補正内容】 【図面の簡単な説明】 【第一図】 前面の一部にスリットが開口していて，箱の後部が開放されされ，その後端がフランジが外側に突出ている壁を形成している箱の中に設置されている風車と発電機と調整器を内臓している風力発電システムの断面積の一例。 【第二図】 上記【第一図】の正面図の一例。 【第三図】 空気圧の均衡をとる為，向い風の遮蔽板をつけた風力発電シスムの断面図の一例。 【第四図】 調整器の断面図の一例。 【符号の簡単な説明】 １． 水車型風車 ２． 箱

３． 発電機４． 増幅器 ５． 液体エネルギー転換装置

６． 方向舵７． 支柱 ８． 回転軸

９． 地面７． 支柱 ８． 回転軸

９． 地面１０． スリット １１． 箱の下方部の空気の侵入口 １２． 箱の後端の壁１３． 調整器の固体容器１４． 調整器内壁の突起物

１５． 液体１６． 柔軟な物質【手続補正４】 【補正対象書類名】図面【補正対象項目名】全図【補正方法】変更【補正内容】 【第一図】 【第二図】 【第三図】 【第四図】