JP2012163030A - 連続の方程式を利用した風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車・電車等の移動体の空力性能に悪影響を及ぼすことなく、飛来物や雨水等の外的な要因の影響を受けず、また移動体の速度の変化による発電装置に対する気流の流量を制御できる風力発電装置を提供する。
【解決手段】本装置は移動体が走行時に発生する相対的な気流と本装置の流出部から吸い出される気流との流量に連続の方程式が成り立つ事を応用し、装置内に風力発電を行う為の気流を導き、発電を行う。外部の気流を直接取り込むのではなく、吸い出す構造とする事により移動体の空力性能に悪影響を及ぼす事がなく、飛来物や雨水等の外的な要因の影響を受けにくい構造とする事ができる。また、発電部の流速は、流出部の断面積と発電部の断面積により制御する事ができる事から、流出部の断面積を制御できる構造を持たせる事により、移動体の速度に対応して任意の流速を得る事ができ、移動体の幅広い速度にも一種類の発電機で対応できる。
【選択図】図２

Description

この発明は、自動車・電車に設置し、自動車・電車の移動により発生する気流に対する連続の方程式によって発生する気流の流れを利用した風力発電装置に関するものである。

（イ）車両搭載発電機にプロペラを利用した風力発電装置。
（ロ）発電装置部分は車内に設置しているが、自動車・電車の前方から気流を取り入れ、発電装置を駆動させる風力発電装置。
等がある。

特許公開２００３−７４４５６ 特許公開２０１０−３１７３９ 特許公開２００３−２９９２０７

自従来の技術（イ）では、車体の外部に取り付けた部分の風を受ける面積が大きく、また発電装置が外部に露出している為、空力特性を全く無視しており、また飛来物等に対する対応も悪く、雨水に対する対応も悪い。
従来の技術（ロ）では、発電装置の駆動部分に自動車・電車の進行方向前方からの気体の流れを取り入れる為、空力特性に大きな影響を及ぼす。また、空力特性を良くする為に空気の流入口を小さくしたり、低くすると流入量が制限され、大きくすると空力特性を悪化させ、また高速運転時の流量が大きくなりすぎる場合がある。（イ）と同様に飛来物等に対する対応も悪い。

本装置は、図面３のように気流流入部、発電部、空洞部と気流流出部から構成される。このうち、気流流入部は、外部から直接の気流を取り入れる構造ではなく、本装置内に発生する気流を充分に供給できればどのような構造でもよい。発電部は、発電機と発電機を回転させるプロペラ部分から成る。空洞部は、発電部と気流流出部を結ぶ空洞である。気流流出部は、本装置内の気流を外部へ流出する部分であり、流出部の断面積を制御できる構造をもつ事ができる。
図面２において、自動車・電車が速度Ｖで走行している時に発生する相対的な気流Ｑを利用すると、連続の方程式により本装置の気流流出部から吸い出される気流Ｑｂが発生する。このＱｂは発電部のプロペラ周囲に気流Ｑａを発生させ、プロペラを回転させる事ができるので、発電を行う事ができる。
気流流入部は前述のように外部から直接の気流を取り入れる構造ではないので、自動車・電車の空力性能に悪影響を及ぼすことがなく、飛来物や雨水等の外的な要因の影響を受けにくい構造とする事ができる。
また、連続の方程式から、本装置の気流流出部から吸い出される気流Ｑｂは、発電部の気流Ｑａが十分であれば、自動車・電車が走行時に発生する相対的な気流Ｑと同じ流量となる。発電部の流速Ｖａは、気流流出部の気流Ｑｂ（＝Ｑ）と気流流出部の断面積と発電部のプロペラ部分の断面積により制御する事ができる。つまり、Ｑｂ（＝Ｑ）は自動車・電車の走行時の速度Ｖで決定され、発電部のプロペラ部分の断面積は一定と考えると、気流流出部の断面積を制御できる構造を持てば、自動車・電車の速度と制御された気流流出部の断面積により、任意のＶａを得る事ができる。
これにより、低速時においては自動車・電車が走行時に発生する相対的な気流Ｑよりも大きなＱｂを得る事も可能であり、また自動車・電車が高速で運転される場合にはＱより小さなＱｂを得る事も可能となる事を示している。また、気流流出部の面積を制御する機構を設ける事により、新幹線のような速度幅の大きな電車においても対応幅の比較的狭い発電機でも対応が可能であり、低速で走行する事が多い自動車等でも、速度によリ得られる相対的な気流より大きな流量によって発電する機構を持つ事ができる。
空気は圧縮性流体であるが、風速１００メートル／秒（３６０キロメートル／時）位までなら動圧も低く、無視することも可能で、非圧縮性流体として扱う事が可能である。よって連続の方程式を適用する事が可能である。

（イ）進行方向前方に風の取入口等の構造を持たないので、自動車・電車の空力性能への影響を最小限に抑えることができる。
（ロ）進行方向前方に風の取入口等の構造を持たないので、飛来物や雨水等の外的な要因の影響を最小限にできる。
（ハ）気流の吸出口の大きさを変更する事により、発電装置の駆動部分の流量を制御できるので、自動車・電車の速度の変化に対して最大限の効率で発電する事ができる。
（二）新幹線のような速度幅の大きな電車においても対応幅の比較的狭い発電機でも対応が可能である。
（ホ）自動車・電車の走行により車体の周りに発生する気流を利用するので、天候に左右されない発電量を確保できる。特に電車の場合は運行ダイアに従い、計画的な発電量を確保できる。

連続の方程式においては、ａ点とｂ点での流量は同じである。ここに、ａ点での流速をＶａとし、ｂ点での流速をＶｂとすると、ＶａとＶｂの間にはａ点の面積とｂ点の面積比に対し、反比例の関係になる。よって、ｂ点での流量を一定とした場合、ａ点の流速はｂ点の面積により制御する事ができる。流体を空気で考えた場合、前述のように空気は圧縮性流体であるが、一定の流速以下では非圧縮性流体として扱う事が可能である事から、本発明を電車・自動車等に応用する事が可能である。 電車や自動車が走行時に発生する相対的な気流の流量をＱとした場合、Ａ点に設置した発電装置の流入口側に充分な流量Ｑａがある場合、流出口Ｂ点の流量Ｑｂは外部の流量Ｑと同じとなる。従って、Ａ点に設置した発電装置を駆動する流量ＱａはＢ点の流出口の面積とＡに設置した発電装置の断面積により、外部の流量Ｑに対して面積比で算出でき、また制御する事ができる。本装置では、Ａ点の流量Ｑａを確保する必要があるが、電車や自動車の走行時にそれらの空力性能に悪影響を及ぼすことなく、飛来物や雨水等の外的な要因の影響を受けないような形状とする必要がある。 図面２において、Ａ点に設置した発電装置の断面積は一定であり、Ｑａを制御する為にはＢ点の流出口の面積を制御すればよい事になる。実際の適用例としては、Ｃ部に発電装置を設置し、Ｄ部に発電装置を駆動する為のプロペラ等の装置を設置する。流出口となるＥ部には、例えばフラッパ機能等を設置して面積を制御できるようにする。 電車においては、図面３で示した発電装置を複数個、それぞれの流出口からの気流の影響を受けないような縦／横方向への配置をする事により、一車両に複数個を設置する事も可能である。ただし、電車に於いては両方向に進行する事に対する配置上の配慮が必要となる。 自動車においては、図面３で示した発電装置を進行方向に平行に複数個配置をする事により、一車両に数個を設置する事も可能である。また、バスや運搬車両の場合は、上記電車の場合のような配置が可能であり、また進行方向の配慮も要らないので大きなエネルギーを得る事が可能となる。 電気自動車等に適応する場合は、従来の自動車に比べエンジン部に比べ余裕が考えられるので、フロント部分に本装置を配置する事により、車高を変更せず、また室内空間を圧迫する事なく設置する事が可能である。

（イ）電車の屋外に設置し、計画的な発電を行い、走行用／空調用等の電気エネルギーとして利用する
（ロ）電気自動車・ハイブリッド自動車に設置し、電気エネルギーとして利用する
（ハ）保冷車に設置し、保冷用電気エネルギーとして利用する
（二）一般車両の電気エネルギー（エアコン用途他）として
（ホ）走行時にバッテリー等に蓄電し、売却（ガソリンスタンドや自宅から）

なし

現在、風力発電用の小型発電機の開発も進展しており、電車や大型の自動車／バス等においてはすぐにでも利用可能な技術である。また、小型／中型自動車においても本装置の配置方法の工夫や更なる小型発電機の開発により十分利用可能な技術である。自動車／バスにおいては、それ自身が電気動力でない場合で発電したエネルギーを蓄電する必要がある場合も、電気自動車の実用化が進む現在ではバッテリー技術も向上しており、対応に問題は無い。その蓄電した電気を自宅等において電力会社に販売する装置等も家屋屋上での太陽光発電等による技術を応用すれば問題ないはずである。

図１ ａ ：任意の断面位置ａ
図１ Ｖａ：任意の断面位置ａの流速
図１ ｂ ：任意の断面位置ｂ
図１ Ｖｂ：任意の断面位置ｂの流速
図２ Ｑ ：電車や自動車が走行時、回りに発生する相対的な気流の流量
図２ Ａ ：発電装置を設置している位置
図２ Ｑａ：Ａ点に設置した発電装置付近の流量
図２ Ｂ ：発電装置からの流出口
図２ Ｑｂ：Ｂ点の流量
図２ Ｖ ：電車や自動車の走行速度
図３ Ｃ ：発電装置
図３ Ｄ ：発電装置を駆動する為のプロペラ等の装置
図３ Ｅ ：流出口

Claims (2)

1. 自動車・電車に設置して走行時に連続の方程式に従い発生する気流を利用した風力発電装置
2. 請求項１において、吸出口の面積を制御する事により発電装置の気流の速さを調節できるようにするための装置を有する風力発電装置

Images