JP6449372B2 - Design method of water flow control plate - Google Patents
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Description
本発明は、水流制御板の設計方法に関する。さらに詳しくは、潮流や海流、波等を利用した発電において良好なエネルギー変換効率を実現できるエネルギー変換機構に設置される水流制御板の設計方法に関する。 The present invention relates to a method for designing a water flow control plate . More specifically, the present invention relates to a method for designing a water flow control plate installed in an energy conversion mechanism that can realize good energy conversion efficiency in power generation using tidal currents, ocean currents, waves, and the like.
近年、再生可能エネルギーとして自然エネルギーの利用が注目されている。例えば、太陽光発電や風力発電、地熱発電、波力発電、海流発電、潮力発電などがあり、一部のものについては、すでに商業ベースでの実用化が進んでおり、貴重な電力源として活用されている。 In recent years, the use of natural energy has attracted attention as renewable energy. For example, there are solar power generation, wind power generation, geothermal power generation, wave power generation, ocean current power generation, tidal power generation, etc., and some of them have already been put into practical use on a commercial basis, and as valuable power sources It is utilized.
上記再生可能エネルギーのうち、太陽光発電や風力発電は天候などの影響を受けやすく、発電の安定性が常に問題となる。一方、海流発電や潮力発電は、天候などの影響が少なく安定した発電を維持できるという利点がある。 Of the above renewable energies, solar power generation and wind power generation are easily affected by the weather, and the stability of power generation is always a problem. On the other hand, ocean current power generation and tidal power generation have the advantage that stable power generation can be maintained with little influence from the weather.
ところで、再生可能エネルギーを利用した発電では、太陽光や風、潮流などが有するエネルギーは大きいものの、そのエネルギーを電力に変換できる効率が低いという問題がある。このエネルギー変換効率（発電効率）を向上させるために、海流発電や潮力発電でも種々開発が進められている。 By the way, in power generation using renewable energy, there is a problem that although sunlight, wind, tidal current, and the like have large energy, the efficiency with which the energy can be converted into electric power is low. In order to improve the energy conversion efficiency (power generation efficiency), various developments have been made in ocean current power generation and tidal power generation.
海流発電や潮力発電では、海流や潮流を電力に変換するために水車が使用されるため、発電効率を向上させる上では、海流や潮流によっていかに効率良く水車を回転させるかが重要である。とくに、潮流の場合には、時間によって水流の方向が完全に逆になる場合があるため、このような水流の方向の変化が生じても、発電効率をある程度高く維持できる機構が必要である。 In ocean current power generation and tidal power generation, a water turbine is used to convert the ocean current or tidal current into electric power. Therefore, in order to improve power generation efficiency, it is important to efficiently rotate the water turbine by the ocean current or tidal current. In particular, in the case of tidal currents, the direction of the water flow may be completely reversed depending on the time. Therefore, even if such a change in the direction of the water flow occurs, a mechanism that can maintain the power generation efficiency to some extent is required.
海流発電や潮力発電において、発電効率をある程度高く維持するための機構が特許文献１〜３に開示されている。 In ocean current power generation and tidal power generation, Patent Documents 1 to 3 disclose mechanisms for maintaining power generation efficiency to some extent.
特許文献１〜３の技術では、海流や潮流を通すための筒状空間を有する構造体を設け、この構造体の筒状空間の内部に水車を配置している。そして、水車が設けられている部分に向かって、筒状空間の内部断面が小さくなるように形成しており、その部分の水流が速くなるようにしている。 In the techniques of Patent Documents 1 to 3, a structure having a cylindrical space for passing ocean currents and tidal currents is provided, and a water turbine is disposed inside the cylindrical space of the structure. And it forms so that the internal cross section of cylindrical space may become small toward the part in which the water wheel is provided, and the water flow of the part is made quick.
かかる構造とすれば、筒状の構造体の筒状空間内を流れる水流の方向は、筒状空間の軸方向に沿った流れとすることができる。したがって、この方向の流れに対して効率良く回転するように筒状空間内に水車を配置しておけば、発電効率を向上させることができる。
しかも、水車が設けられている部分では、水流の流速が周辺の水流等と比べて速くなっているので、水流中に水車をそのまま配置するよりも発電量を増加させることができる。
With this structure, the direction of the water flow flowing in the cylindrical space of the cylindrical structure can be a flow along the axial direction of the cylindrical space. Therefore, power generation efficiency can be improved if a water wheel is arranged in the cylindrical space so as to efficiently rotate with respect to the flow in this direction.
In addition, in the portion where the water wheel is provided, the flow velocity of the water flow is faster than the surrounding water flow and the like, so that the amount of power generation can be increased as compared with the case where the water wheel is arranged as it is in the water flow.
また、特許文献３の技術では、構造体の外面形状を、その軸方向の中間からその端部に向かって広がるような形状としている。そして、特許文献３には、かかる形状とすることによって、構造体の外面を流れる水流によって筒状空間から水流が排出される端部に渦流を形成することができるので、その渦流の影響によって筒状空間内の水流を増速できる旨の記載もある。 Moreover, in the technique of patent document 3, the outer surface shape of a structure is made into the shape which spreads toward the edge part from the middle of the axial direction. And in patent document 3, since it is set as this shape, a vortex | eddy_current can be formed in the edge part from which a water flow is discharged | emitted from a cylindrical space by the water | flow current which flows through the outer surface of a structure. There is also a statement that the water flow in the space can be increased.
しかるに、特許文献１〜３の技術では、構造体の筒状空間の内部に水流を通すので、発電効率を向上させる上では、筒状空間の軸方向が水流や潮流の方向に一致するように構造体を設置しなければならない。しかし、海流や潮流の方向は一定ではなく、その方向は時間によって変化する。このため、特定の時間の海流や潮流に適するように構造体を設置した場合、他の時間において海流や潮流の方向が変化すると、発電の効率が大幅に低下する。したがって、発電の効率を安定した状態で維持するには、構造体を設置する場所を海流や潮流の方向があまり変化しない場所に限定したり、また、海流や潮流の方向にあわせて構造体を移動させることができるようにしたりしなければならない。 However, in the techniques of Patent Documents 1 to 3, since the water flow is passed through the cylindrical space of the structure, the axial direction of the cylindrical space coincides with the direction of the water flow or the tidal current in order to improve the power generation efficiency. A structure must be installed. However, the direction of ocean currents and tidal currents is not constant, and the direction changes with time. For this reason, when a structure is installed so as to be suitable for a current or tidal current of a specific time, if the direction of the current or tidal current is changed at other times, the efficiency of power generation is greatly reduced. Therefore, in order to maintain the power generation efficiency in a stable state, the location where the structure is installed should be limited to places where the direction of the ocean current and tidal current does not change much, and the structure can be adapted to the direction of the ocean current and tidal current. To be able to move it.
また、潮流の場合には、潮の満ち引きの状況によって水流の方向が逆転するので、特許文献１〜３の技術では、このような潮流の変化に対応することができるような構造を採用している。具体的には、構造体の構造を対称形として、筒状空間に対してどちらの開口から水流が流入しても、同等の発電効率を維持できるような構造を採用している。つまり、潮流の方向が１８０度逆転した場合でも、同等の発電効率で発電できるような構造に形成されている。
しかし、水流の方向が逆転したときに、必ずしもその方向が１８０度逆転するとは限らない。すると、一方の開口から水流が流入する状況において最適な発電効率が得られるように構造体を設置しても、他方の開口から水流が流入する状況においては、同等の効率で発電できるとは限らない。
In the case of tidal currents, the direction of water flow is reversed depending on the state of tides, so the techniques of Patent Documents 1 to 3 adopt a structure that can cope with such changes in tidal currents. ing. Specifically, the structure is structured symmetrically so that the same power generation efficiency can be maintained regardless of which opening flows into the cylindrical space. In other words, even when the direction of the tidal current is reversed by 180 degrees, the structure is formed so that power can be generated with the same power generation efficiency.
However, when the direction of the water flow is reversed, the direction is not necessarily reversed by 180 degrees. Then, even if a structure is installed so that optimum power generation efficiency can be obtained in a situation where a water flow flows from one opening, it is not always possible to generate power with the same efficiency in a situation where a water flow flows from the other opening. Absent.
以上のごとく、海流発電や潮力発電において、発電効率を向上させることができ、しかも、水流や潮流の流れる方向が変化しても発電効率をある程度高く維持しておくことができる機構は開発されていない。かかる機構を実現する上では、水流や潮流の流れる方向が変化しても水車に適切に水流を制御することが必要である。 As described above, a mechanism has been developed that can improve power generation efficiency in ocean current power generation and tidal power generation, and can maintain power generation efficiency to a certain extent even if the direction of water flow or tidal current changes. Not . In order to realize such a mechanism, it is necessary to appropriately control the water flow in the water turbine even if the flow direction of the water flow or the tidal current changes.
本発明は上記事情に鑑み、水流を適切に制御できる水流制御板の設計方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the design method of the water flow control board which can control a water flow appropriately in view of the said situation.
第１発明の水流制御板の設計方法は、水流を受けて回転する垂直軸水車に供給する水流を調整する水流制御手段における水流制御板の設計方法であって、前記水流制御手段は、前記垂直軸水車の周囲に、該垂直軸水車の回転軸に対して回転対称となるように配置され、その表面が前記垂直軸水車の回転軸と平行となるように配設された４枚の平板状の水流制御板を有しており、前記垂直軸水車の回転軸と直交する断面において、各水流制御板の外端縁の位置を固定した状態で、各水流制御板の内端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ内方連結線と各水流制御板の外端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ外方連結線のなす角度を、２２．５〜６７．５度とし、隣接する水流制御板間に形成される隙間が前記垂直軸水車に向かって狭くなるように、内方連結線と外方連結線のなす角度の増加に伴って前記水流制御板の長さを長くすることを特徴とする。
第２発明の水流制御板の設計方法は、第１発明において、前記垂直軸水車の回転軸と直交する断面において、各水流制御板の外端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ外方連結線よりも前記垂直軸水車の回転方向の下流側に各水流制御板の内端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ内方連結線が位置するように、各水流制御板の長さを調整することを特徴とする。
第３発明のエネルギー変換機構は、第１、第２または第３発明のいずれかにおいて、前記垂直軸水車がサボニウス型水車であることを特徴とする。
A design method for a water flow control plate according to a first aspect of the present invention is a method for designing a water flow control plate in water flow control means for adjusting a water flow supplied to a vertical axis turbine that receives a water flow and rotates. Four flat plate-like plates arranged around the shaft water turbine so as to be rotationally symmetric with respect to the rotation shaft of the vertical shaft water turbine, and arranged so that the surface thereof is parallel to the rotation shaft of the vertical shaft water turbine. In the cross section perpendicular to the rotation axis of the vertical axis turbine, the position of the outer edge of each water flow control plate is fixed, and the inner edge of each water flow control plate and the vertical edge The angle formed by the inner connecting line connecting the rotating shaft of the axial turbine and the outer connecting line connecting the outer edge of each water flow control plate and the rotating shaft of the vertical axis turbine is 22.5 to 67.5 degrees. , the gap formed adjacent flow control plates becomes narrow toward the vertical axis water turbine In, characterized by increasing the length of the flow control plate with increasing angle of the inner connection line and outer connection line.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a design method for a water flow control plate according to the first aspect, wherein an outer end edge of each water flow control plate is connected to a rotation shaft of the vertical axis turbine in a cross section perpendicular to the rotation axis of the vertical axis turbine. Of each water flow control plate so that the inner connection line connecting the inner end edge of each water flow control plate and the rotation shaft of the vertical axis turbine is located downstream of the direction connection line in the rotation direction of the vertical axis turbine . The length is adjusted .
According to a third aspect of the present invention, there is provided the energy conversion mechanism according to any one of the first, second and third aspects, wherein the vertical axis turbine is a Savonius type turbine.
第１発明によれば、隣接する水流制御板間に形成される隙間が垂直軸水車に向かって狭くなるように配設されるので、水流制御手段によって垂直軸水車に向かう水流の流速を、垂直軸水車を設置した領域の水流よりも速くすることができる。しかも、４枚の水流制御板が内方連結線と外方連結線のなす角度が２２．５〜６７．５度をとし、かつ、内方連結線と外方連結線のなす角度の増加に伴って前記水流制御板の長さを長くする。すると、垂直軸水車に向かう水流の流路をある程度広く維持しつつ水流の流速を効果的に向上させることができ、しかも、垂直軸水車の回転に最適な水流を形成することができる。このため、垂直軸水車の回転速度を上昇させることができる。しかも、４枚の水流制御板が回転対称となる位置に設けられるので、垂直軸水車を設置した領域の水流の方向に係わらず、垂直軸水車に向かう水流を形成することができる。つまり、垂直軸水車を設置した領域の水流の方向に係わらず垂直軸水車を回転させて発電することができるので、垂直軸水車を設置する場所の自由度を高くすることができる。
第２発明によれば、垂直軸水車に向かう水流によって効果的に垂直軸水車の回転速度を上昇させることができる。
第３発明によれば、垂直軸水車がサボニウス型水車であるので、水流制御板間を流れる水流による水車の回転効率を向上させることができる。
According to the first aspect of the present invention, the gap formed between the adjacent water flow control plates is arranged so as to become narrower toward the vertical axis turbine, so that the flow rate of the water flow toward the vertical axis turbine is adjusted by the water flow control means to the vertical axis. It can be faster than the water flow in the area where the axial turbine is installed. Moreover, the angle formed by the four water flow control plates between the inner connecting line and the outer connecting line is 22.5 to 67.5 degrees , and the angle between the inner connecting line and the outer connecting line is increased. Accordingly, the length of the water flow control plate is increased. Then, the flow velocity of the water flow can be effectively improved while maintaining the flow path of the water flow toward the vertical axis turbine to a certain extent, and an optimum water flow can be formed for the rotation of the vertical axis turbine. For this reason, the rotational speed of the vertical axis turbine can be increased. Moreover, since the four water flow control plates are provided at rotationally symmetric positions, a water flow toward the vertical axis turbine can be formed regardless of the direction of the water flow in the region where the vertical axis turbine is installed. In other words, since power can be generated by rotating the vertical axis turbine regardless of the direction of water flow in the region where the vertical axis turbine is installed, the degree of freedom in the location where the vertical axis turbine is installed can be increased.
According to the second invention, the rotational speed of the vertical axis turbine can be effectively increased by the water flow toward the vertical axis turbine.
According to the third aspect of the invention, since the vertical axis turbine is a Savonius type turbine, it is possible to improve the rotation efficiency of the turbine due to the water flow flowing between the water flow control plates.
本発明の水流制御板の設計方法は、海流や潮流、波のエネルギーを変換する機構等に設置される垂直軸水車に供給する水流を制御する水流制御板の設計方法である。
本発明の水流制御板の設計方法によって設計された水流制御板を垂直軸水車を有するエネルギー変換機構に設ければ、エネルギー変換効率を向上させることができる。しかも、海流や潮流の流れる方向が変動したり、波のように短い周期で水が往復運動したりするような場合であっても、エネルギー変換機構によるエネルギー変換効率の低下を防ぐことができる。
The method for designing a water flow control plate of the present invention is a method for designing a water flow control plate for controlling a water flow to be supplied to a vertical axis turbine installed in a mechanism for converting ocean current, tidal current, wave energy, or the like .
By providing a flow control plate which is designed by the design method of the water flow control plate of the present invention to the energy conversion mechanism having a vertical axis water turbine, Ru can improve energy conversion efficiency. Moreover, you can vary the direction of flow of ocean currents and tidal currents, even if a short cycle as the wave water as or reciprocates, Ru it is possible to prevent a reduction in energy conversion efficiency due to energy conversion mechanism .
なお、本発明の水流制御板の設計方法は、水流のエネルギーを利用して発電する発電装置のエネルギー変換機構に設置する水流制御板の設計方法として適しているが、水流によって垂直軸水車を回転させることができる環境で使用するエネルギー変換機構に設置する水流制御板を設計する際に採用することも可能である。例えば、防波堤や縦桟橋などの固定された構造物に設置したり、または、フロートなどの浮体に搭載したりするエネルギー変換機構に設置する水流制御板を設計する際に採用することができる。 The method for designing a water flow control plate of the present invention is suitable as a method for designing a water flow control plate installed in an energy conversion mechanism of a power generation device that generates power using the energy of the water flow, but the vertical axis turbine is rotated by the water flow. It is also possible to employ when designing a water flow control plate installed in an energy conversion mechanism used in an environment that can be used. For example, it can be adopted when designing a water flow control plate installed in an energy conversion mechanism that is installed on a fixed structure such as a breakwater or a vertical pier, or mounted on a floating body such as a float .
また、本発明の水流制御板の設計方法は、防波堤や縦桟橋に設けて波のエネルギーを減衰させる効果を得るために使用される設備に設置する水流制御板の設計する際に採用することもできる。つまり、平常時は発電による波のエネルギーを利用した発電設備として機能させつつ、荒天時などには波による災害を防ぐ防災設備としても機能させることができるエネルギー変換機構に設置する水流制御板の設計にも採用することができる。
もちろん、本発明の水流制御板の設計方法は、単に波などのエネルギーを吸収する設備に設置する水流制御板の設計に採用することもできる。
以下では、水流のエネルギーを変換するエネルギー変換機構に設置される水流制御板を設計する場合にについて説明する。
In addition, the design method of the water flow control plate of the present invention may be adopted when designing the water flow control plate to be installed in a facility that is provided on a breakwater or a longitudinal jetty to obtain an effect of attenuating wave energy. it can. In other words, the design of a water flow control board installed in an energy conversion mechanism that can function as a power generation facility that uses wave energy from power generation during normal times , but can also function as a disaster prevention facility that prevents disasters caused by waves during stormy weather. Can also be adopted.
Of course, the design method of the water flow control plate of the present invention can also be adopted in the design of a water flow control plate installed in a facility that simply absorbs energy such as waves .
Below, the case where the water flow control board installed in the energy conversion mechanism which converts the energy of a water flow is designed is demonstrated.
まず、図面に基づいて、水流制御板を有するエネルギー変換機構１の構成を説明する。
なお、以下では、エネルギー変換機構１が垂直軸水車１０の回転を利用して発電する機能を有している場合を説明する。
First, the configuration of the energy conversion mechanism 1 having a water flow control plate will be described based on the drawings.
In the following, a case where the energy conversion mechanism 1 has a function of generating electric power using the rotation of the vertical axis turbine 10 will be described.
図１において、符号２は、本実施形態のエネルギー変換機構１の本体部を示している。
この本体部２は、一対のフレーム３，４を備えている。この一対のフレーム３，４は、両者間に水流を流すことができる空間２ｈが形成されるように、互いに離間した状態で配設されている。しかも、一対のフレーム３，４は、空間２ｈの周囲のどの方向からでも空間２ｈ内に水流が流入できるように設けられている。
In FIG. 1, the code | symbol 2 has shown the main-body part of the energy conversion mechanism 1 of this embodiment.
The main body 2 includes a pair of frames 3 and 4. The pair of frames 3 and 4 are arranged in a state of being separated from each other so as to form a space 2h through which a water flow can flow. Moreover, the pair of frames 3 and 4 are provided so that a water flow can flow into the space 2h from any direction around the space 2h.
なお、この一対のフレーム３，４の対向する面３ａ，４ａは、互いに平行な平坦面に形成されているが、互いに平行でなくてもよいし、平坦面でなくてもよい。しかし、一対のフレーム３，４の対向する面３ａ，４ａを、互いに平行な平坦面とした場合には、一対のフレーム３，４間を往復流が流れるときに流れの方向にかかわらず流動抵抗を少なくできるなどの利点が得られる。 The opposing surfaces 3a and 4a of the pair of frames 3 and 4 are formed as flat surfaces parallel to each other, but may not be parallel to each other or may not be flat surfaces. However, when the opposing surfaces 3a and 4a of the pair of frames 3 and 4 are flat surfaces parallel to each other, the flow resistance when the reciprocating flow flows between the pair of frames 3 and 4 regardless of the flow direction. The advantage that it can be reduced is obtained.
図１および図２に示すように、本体部２の一対のフレーム３，４間（つまり空間２ｈ）には、垂直軸水車１０が設けられている。この垂直軸水車１０は、一対のプレート１３，１３と、この一対のプレート１３，１３間に設けられた２枚の回転翼１２と、一対のプレート１３，１３の外面に立設された一対の軸１１，１１と、を備えている。なお、一対の軸１１，１１は、互いに同軸上に位置するように配設されている。以下では、一対の軸１１，１１の中心軸を通過する軸を、単に、垂直軸水車１０の回転軸ＣＬという（図２（Ａ）参照）。 As shown in FIGS. 1 and 2, a vertical axis water turbine 10 is provided between the pair of frames 3 and 4 (that is, the space 2 h) of the main body 2. The vertical shaft water turbine 10 includes a pair of plates 13, 13, two rotary blades 12 provided between the pair of plates 13, 13, and a pair of erected on the outer surfaces of the pair of plates 13, 13. Shafts 11 and 11. The pair of shafts 11 and 11 are arranged so as to be coaxial with each other. Below, the axis | shaft which passes the center axis | shaft of a pair of axis | shafts 11 and 11 is only called the rotating shaft CL of the vertical axis | shaft turbine 10 (refer FIG. 2 (A)).
この垂直軸水車１０は、その一対の軸１１，１１がそれぞれ一対のフレーム３，４に回転可能に取り付けられている。具体的には、垂直軸水車１０は、本体部２の空間２ｈに流入する水流ＷＦ（図２（Ｂ）参照）の方向に対して、その回転軸ＣＬの軸方向が交差（好ましくは直交）するように配設されている。 The vertical shaft water turbine 10 has a pair of shafts 11 and 11 rotatably attached to a pair of frames 3 and 4, respectively. Specifically, in the vertical axis turbine 10, the axial direction of the rotation axis CL intersects (preferably orthogonally) with the direction of the water flow WF (see FIG. 2B) flowing into the space 2h of the main body 2. It is arranged to do.
また、垂直軸水車１０は、空間２ｈのほぼ中央部に位置するように配設されている。例えば、図２（Ｂ）に示すように、空間２ｈの断面が正方形である場合には、その対角線ＤＬの交点を回転軸ＣＬが通過するように、垂直軸水車１０は空間２ｈ内に配設されている。 Further, the vertical axis water turbine 10 is disposed so as to be located at a substantially central portion of the space 2h. For example, as shown in FIG. 2B, when the cross section of the space 2h is a square, the vertical axis turbine 10 is arranged in the space 2h so that the rotation axis CL passes through the intersection of the diagonal lines DL. Has been.
なお、垂直軸水車１０の構造はとくに限定されず、空間２ｈ内に流入する水流によって回転するものであればよく、とくに限定されない。しかし、垂直軸水車１０として、抗力型の垂直軸水車を採用する場合には、図１、図２に示すようなサボニウス型水車を採用することが好ましい。もちろん他の抗力型の垂直軸水車を使用することは可能であるが、サボニウス型水車を使用した場合、エネルギー変換効率が高くなる。そして、後述する水流制御手段２０の水流制御板２１によって空間２ｈに流入する水流を制御した場合に、水流制御板２１の端縁近傍において水流の乱れが発生しても、その乱れの影響により回転効率が低下するなどの問題が生じにくいので、好ましい。 In addition, the structure of the vertical axis water turbine 10 is not particularly limited as long as it is rotated by a water flow flowing into the space 2h, and is not particularly limited. However, when a drag type vertical axis turbine is employed as the vertical axis turbine 10, it is preferable to employ a Savonius type turbine as shown in FIGS. Of course, other drag type vertical axis turbines can be used, but when a Savonius turbine is used, the energy conversion efficiency is increased. When the water flow flowing into the space 2h is controlled by the water flow control plate 21 of the water flow control means 20, which will be described later, even if a water flow turbulence occurs near the edge of the water flow control plate 21, the rotation is caused by the influence of the turbulence. This is preferable because problems such as reduction in efficiency are unlikely to occur.
図１に示すように、垂直軸水車１０の一方の軸１１は、その一端部がフレーム３を貫通し、フレーム３に設けられている発電手段５に連結されている。この発電手段５は、軸１１の回転によって発電することができる機能を有するものである。なお、発電手段５は、軸１１の回転によって発電することができるものであればよく、公知の発電機など種々の発電機を使用することが可能である。 As shown in FIG. 1, one shaft 11 of the vertical axis water turbine 10 has one end penetrating the frame 3 and connected to power generation means 5 provided in the frame 3. The power generation means 5 has a function capable of generating power by rotating the shaft 11. The power generation means 5 only needs to be capable of generating power by rotating the shaft 11, and various generators such as a known generator can be used.
そして、図１および図２に示すように、本体部２の一対のフレーム３，４間において、垂直軸水車１０の周囲には、水流制御手段２０の複数の水流制御板２１Ａ〜２１Ｄが設けられている。この水流制御板２１Ａ〜２１Ｄは、その表面が平坦面に形成された板状の部材であり、その表面が垂直軸水車１０の回転軸ＣＬとほぼ平行となるように設けられている。
また、図２（Ｂ）に示すように、複数の水流制御板２１Ａ〜２１Ｄは、垂直軸水車の回転軸ＣＬに対して回転対称となるように配設されている。しかも、隣接する水流制御板２１，２１の間に、垂直軸水車１０に向かって狭くなるような隙間２１ｈが形成されるように配設されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of water flow control plates 21 </ b> A to 21 </ b> D of the water flow control means 20 are provided around the vertical axis turbine 10 between the pair of frames 3 and 4 of the main body 2. ing. These water flow control plates 21 </ b> A to 21 </ b> D are plate-like members having a flat surface, and are provided so that the surface thereof is substantially parallel to the rotation axis CL of the vertical axis turbine 10.
Moreover, as shown to FIG. 2 (B), several water flow control board 21A-21D is arrange | positioned so that it may become rotationally symmetrical with respect to the rotating shaft CL of a vertical axis | shaft water turbine. In addition, a gap 21 h is formed between the adjacent water flow control plates 21 and 21 so as to narrow toward the vertical axis water turbine 10.
以上のごとく、本実施形態のエネルギー変換機構１では、本体部２の一対のフレーム３，４間の空間２ｈに垂直軸水車１０を配置しており、この空間２ｈ流入する水流ＷＦの方向に対して、垂直軸水車１０の回転軸ＣＬの軸方向が交差するように配設されている。したがって、空間２ｈに水流ＷＦが流入すれば、垂直軸水車１０を回転させることができるから、垂直軸水車１０の回転軸１１に連結された発電手段５によって発電することができるのである。 As described above, in the energy conversion mechanism 1 of the present embodiment, the vertical axis water turbine 10 is disposed in the space 2h between the pair of frames 3 and 4 of the main body 2, and the direction of the water flow WF flowing into the space 2h. Thus, the axis of the rotation axis CL of the vertical axis turbine 10 is arranged so as to intersect. Therefore, if the water flow WF flows into the space 2h, the vertical axis turbine 10 can be rotated, so that the power generation means 5 connected to the rotary shaft 11 of the vertical axis turbine 10 can generate electric power.
しかも、隣接する水流制御板２１，２１の間に、垂直軸水車１０に向かって狭くなるような隙間２１ｈが形成されるように配設されているので、エネルギー変換機構１を設置した領域の水流よりも、垂直軸水車１０に向かう水流の流速を速くすることができる。すると、水流制御手段２０が設けられていない場合に比べて、垂直軸水車１０の回転速度を上昇させることができるから、発電手段５による発電効率を高くすることができる。 Moreover, since the gap 21h is formed between the adjacent water flow control plates 21 and 21 so as to become narrower toward the vertical axis water turbine 10, the water flow in the region where the energy conversion mechanism 1 is installed is arranged. Rather, the flow velocity of the water flow toward the vertical axis turbine 10 can be increased. Then, compared with the case where the water flow control means 20 is not provided, since the rotational speed of the vertical axis water turbine 10 can be increased, the power generation efficiency by the power generation means 5 can be increased.
また、空間２ｈにはその周囲のどの方向からでも水流が流入できるようになっており、複数の水流制御板２１も垂直軸水車１０の回転軸ＣＬに対して回転対称となるように配設されている。すると、エネルギー変換機構１を設置した領域の水流の方向に係わらず、流速を速くした水流を垂直軸水車１０に供給することができる。そして、垂直軸水車１０は供給される水流ＷＦがどの方向から供給されても回転するので、どのようにエネルギー変換機構１を設置しても、エネルギー変換機構１の周囲に水流ＷＦがあれば発電することができる。つまり、エネルギー変換機構１を設置する領域の水流ＷＦの状態に係わらず発電が可能となるので、エネルギー変換機構１を設置する場所の自由度を高くすることができる。 Further, the water flow can flow into the space 2h from any direction around it, and the plurality of water flow control plates 21 are also arranged so as to be rotationally symmetric with respect to the rotation axis CL of the vertical axis turbine 10. ing. Then, regardless of the direction of the water flow in the area where the energy conversion mechanism 1 is installed, a water flow with a high flow velocity can be supplied to the vertical axis turbine 10. Since the vertical axis turbine 10 rotates regardless of the direction in which the supplied water flow WF is supplied, no matter how the energy conversion mechanism 1 is installed, if the water flow WF exists around the energy conversion mechanism 1, power generation is performed. can do. That is, since power generation is possible regardless of the state of the water flow WF in the region where the energy conversion mechanism 1 is installed, the degree of freedom in the location where the energy conversion mechanism 1 is installed can be increased.
（水流制御板２１の設計方法の説明）
水流制御手段２０の水流制御板２１Ａ〜２１Ｄは、上述したように、隣接する水流制御板２１，２１の間に、垂直軸水車１０に向かって狭くなるような隙間２１ｈが形成されるように配設されている。このような状態となるように水流制御板２１を設計する方法は種々あるが、以下のように各水流制御板２１を設計することが好ましい。
(Description of design method of water flow control plate 21 )
As described above, the water flow control plates 21 </ b> A to 21 </ b> D of the water flow control means 20 are arranged such that a gap 21 h that narrows toward the vertical axis turbine 10 is formed between the adjacent water flow control plates 21 and 21. It is installed. Although there are various methods for designing the water flow control plate 21 so as to be in such a state, it is preferable to design each water flow control plate 21 as follows.
（水流制御板２１の傾斜について）
図３に示すように、各水流制御板２１Ａ〜２１Ｄの外端縁２１ａと垂直軸水車１０の回転軸１１と結ぶ線Ｌａに対して、各水流制御板２１Ａ〜２１Ｄの表面が傾斜するように各水流制御板２１Ａ〜２１Ｄの配置を設計する。しかも、線Ｌａ（外方連結線Ｌａ）に対して、各水流制御板２１の内端縁２１ｂが垂直軸水車１０の回転方向の下流側に位置するように各水流制御板２１Ａ〜２１Ｄの配置を設計する。このように設計すれば、各水流制御板２１の表面に沿う水流は、垂直軸水車１０の回転翼１２を押す力が発生するように流れるので、この水流によって効果的に垂直軸水車１０の回転速度を上昇させることができる。
(About the inclination of the water flow control plate 21)
As shown in FIG. 3, with respect to the rotation axis 11 and the connecting line La of the outer edge 21a and the vertical axis water turbine 10 of the water flow control plate 21A～21 D, so that the surface of the water flow control plate 21A~21D is inclined The arrangement of the water flow control plates 21A to 21D is designed . In addition , the water flow control plates 21A to 21D are arranged so that the inner end edge 21b of each water flow control plate 21 is located on the downstream side in the rotation direction of the vertical axis turbine 10 with respect to the line La (outer connection line La). To design. If designed in this way, the water flow along the surface of each water flow control plate 21 flows so as to generate a force that pushes the rotor blades 12 of the vertical axis turbine 10, so that the rotation of the vertical axis turbine 10 can be effectively performed by this water flow. The speed can be increased.
とくに、隣接する一対の水流制御板２１，２１のうち、垂直軸水車１０の回転方向の上流側に位置する水流制御板２１の内端縁２１ｂが、垂直軸水車１０の回転軸１１を含み隣接する一対の水流制御板２１，２１における外端縁２１ａ間を２等分する面よりも、下流側に位置するように各水流制御板２１Ａ〜２１Ｄの配置を設計することが好ましい。例えば、図３において一対の水流制御板２１Ａ，２１Ｂであれば、上流側に位置する水流制御板２１Ａの内端縁２１ｂが、垂直軸水車１０の回転軸１１を含みかつ水流制御板２１Ａ，２１Ｂの外端縁２１ａ間を２等分する面ＳＦよりも、下流側に位置するように設計することが好ましい。
このように設計すれば、各水流制御板２１の表面に沿う水流が、垂直軸水車１０の回転を妨げる流れとなることを確実に防ぐことができるので、水流により垂直軸水車１０の回転速度を上昇させる効果を確実に得ることができる。
In particular, of the pair of adjacent water flow control plates 21 and 21, the inner edge 21 b of the water flow control plate 21 located on the upstream side in the rotation direction of the vertical axis turbine 10 includes the rotation shaft 11 of the vertical axis turbine 10. It is preferable to design the arrangement of each of the water flow control plates 21A to 21D so as to be located on the downstream side of the surface that bisects the space between the outer end edges 21a of the pair of adjacent water flow control plates 21 and 21. For example, in FIG. 3, if it is a pair of water flow control plates 21A and 21B, the inner end edge 21b of the water flow control plate 21A located on the upstream side includes the rotating shaft 11 of the vertical axis turbine 10 and the water flow control plates 21A and 21B. It is preferable to design so that it may be located in the downstream rather than the surface SF which bisects between the outer edge 21a.
If designed in this way, it is possible to reliably prevent the water flow along the surface of each water flow control plate 21 from becoming a flow that hinders the rotation of the vertical axis turbine 10, so that the rotation speed of the vertical axis turbine 10 is controlled by the water flow. The effect to raise can be acquired reliably.
なお、上述したような効果を得ることができるのであれば、各水流制御板２１の外方連結線Ｌａに対する傾斜角度はとくに限定されない。しかし、垂直軸水車１０の回転軸１１と直交する断面において、外方連結線Ｌａと水流制御板２１の内端縁２１ｂと垂直軸水車１０の回転軸１１とを結ぶ線（内方連結線Ｌｂ）とのなす角度θが、２２．５〜６７．５度となるように設計することが好ましい。角度θが、２２．５度以下となると、水流制御板２１によって形成される水流のうち垂直軸水車１０の回転を妨げる水流となる割合が大きくなる。一方、６７．５度以上となると、水流制御板２１が垂直軸水車１０に向かう流れに対して抵抗となってしまい垂直軸水車１０に供給できる水量が少なくなってしまうからである。
したがって、内方連結線Ｌｂと外方連結線Ｌａのなす角度θが、２２．５〜６７．５度となるように設計することが好ましく、４５±１０度となるように設計することがさらに好ましい。
In addition, if the above effects can be obtained, the inclination angle of each water flow control plate 21 with respect to the outer connecting line La is not particularly limited. However, in a cross section orthogonal to the rotation shaft 11 of the vertical axis turbine 10, a line connecting the outer connection line La, the inner end edge 21b of the water flow control plate 21 and the rotation shaft 11 of the vertical axis turbine 10 (inner connection line Lb). ) Is preferably designed so as to be 22.5 to 67.5 degrees. When the angle θ is 22.5 degrees or less, the ratio of the water flow formed by the water flow control plate 21 to be a water flow that hinders the rotation of the vertical axis turbine 10 is increased. On the other hand, when the angle is 67.5 degrees or more, the water flow control plate 21 becomes resistant to the flow toward the vertical axis turbine 10 and the amount of water that can be supplied to the vertical axis turbine 10 is reduced.
Therefore, the angle of the inner connection line Lb and the outer connecting line La theta is preferably be designed to be from 22.5 to 67.5 degrees, more can be designed to be 45 ± 10 ° preferable.
（水流制御板２１と垂直軸水車１０との距離について）
また、垂直軸水車１０の半径方向において、各水流制御板２１の内端縁２１ｂの位置は、垂直軸水車１０の回転翼２１に接触しないように設計すればよく、とくに限定されない。
(About the distance between the water flow control plate 21 and the vertical axis turbine 10)
Further, in the radial direction of the vertical axis turbine 10, the position of the inner end edge 21 b of each water flow control plate 21 may be designed so as not to contact the rotary blade 21 of the vertical axis turbine 10, and is not particularly limited.
（水流制御板２１の数）
水流制御手段２０は、垂直軸水車１０の周囲に設置する水流制御板２１の数はとくに限定されないが、少なくとも４枚以上となるように設計することが好ましい。一方、水流制御板２１の数が多すぎると、空間２ｈに流入する水流の流量が少なくなるので、エネルギー変換効率が低下する。したがって、垂直軸水車１０の周囲に設置する水流制御板２１の枚数は、４枚以上となるように設計することが好ましく、４〜６枚となるように設計することがより好ましい。
(Number of water flow control plates 21)
The number of the water flow control plates 21 installed around the vertical axis turbine 10 is not particularly limited, but the water flow control means 20 is preferably designed to be at least 4 or more. On the other hand, if the number of water flow control plates 21 is too large, the flow rate of the water flow flowing into the space 2h decreases, so that the energy conversion efficiency decreases. Accordingly, the number of flow control plate 21 to be installed around a vertical axis water turbine 10 is preferably designed such that four or more, more preferably designed such that a 4-6 sheets.
（複数の水流制御板２１の配置について）
上記例では、複数の水流制御板２１が垂直軸水車１０の回転軸ＣＬに対して回転対称となるように設計した場合を説明したが、エネルギー変換機構１を設置する領域の水流の特性に合わせて各水流制御板２１毎にその姿勢をそれぞれ設計してもよい。例えば、流れが変化したときに流れの方向が正反対にならないような場所に設置する場合には、現場状況の観測に基づいて、各方向の水流に対して適正な角度θとなるように、各水流制御板２１の姿勢を設計すればよい。
(About the arrangement of a plurality of water flow control plates 21)
In the above example, the case where the plurality of water flow control plates 21 are designed to be rotationally symmetric with respect to the rotation axis CL of the vertical axis turbine 10 has been described, but according to the characteristics of the water flow in the region where the energy conversion mechanism 1 is installed. The posture may be designed for each water flow control plate 21. For example, when installing in a place where the flow direction does not become the opposite when the flow changes, based on observation of the field situation, each angle is set so that it is at an appropriate angle θ with respect to the water flow in each direction. The posture of the water flow control plate 21 may be designed .
（複数の水流制御板２１の他の機能について）
上述したように、エネルギー変換機構１では、複数の水流制御板２１によって垂直軸水車１０が囲まれた状態となるように複数の水流制御板２１が設計されている。そして、複数の水流制御板２１の間に形成される隙間２１ｈは、垂直軸水車１０に近づくにつれて、その間隔が狭くなるように複数の水流制御板２１が設計されている。言い換えれば、垂直軸水車１０の収容されている領域が外部に開口している面積が小さくなるように複数の水流制御板２１が設計されている。
(About other functions of the plurality of water flow control plates 21)
As described above, in the energy conversion mechanism 1 , the plurality of water flow control plates 21 are designed so that the vertical axis turbine 10 is surrounded by the plurality of water flow control plates 21 . The plurality of water flow control plates 21 are designed so that the gaps 21 h formed between the plurality of water flow control plates 21 become narrower as they approach the vertical axis turbine 10. In other words , the plurality of water flow control plates 21 are designed so that the area in which the region in which the vertical axis turbine 10 is accommodated opens to the outside is small.
このため、流木やゴミなどの漂流物や小船舶等がエネルギー変換機構１に衝突したとしても、漂流物などが垂直軸水車１０に接触することを防止できる。つまり、漂流物などとの接触によって垂直軸水車１０が損傷する可能性を低くすることができる。 For this reason, even if a drifting object such as driftwood or garbage or a small ship collides with the energy conversion mechanism 1, the drifting object or the like can be prevented from contacting the vertical axis turbine 10. That is, it is possible to reduce the possibility that the vertical axis turbine 10 is damaged due to contact with drifting objects or the like.
したがって、本実施形態のエネルギー変換機構１を海底などに設置しても、長期間安定して発電を維持することができ、漂流物などとの接触による損傷に起因するメンテナンスの頻度を低くできる。 Therefore, even if the energy conversion mechanism 1 of the present embodiment is installed on the seabed or the like, power generation can be stably maintained for a long period of time, and the frequency of maintenance due to damage due to contact with drifting objects can be reduced.
なお、本実施形態のエネルギー変換機構１を海底などに設置して漂流物などとの衝突を防ぎつつ、エネルギー変換効率を高く維持する上では、隙間２１ｈの最も狭い部分の幅は垂直軸水車１０の半径程度となるように複数の水流制御板２１を設計することが望ましい。
また、流木やゴミなどが空間２ｈに侵入することを防ぐ上では、エネルギー変換機構１の周囲に網などを設けることも有効である。
In order to maintain high energy conversion efficiency while installing the energy conversion mechanism 1 of the present embodiment on the seabed or the like to prevent collision with drifting objects and the like, the width of the narrowest part of the gap 21h is the vertical axis turbine 10. It is desirable to design the plurality of water flow control plates 21 so as to have a radius of approximately.
In order to prevent driftwood or dust from entering the space 2h, it is also effective to provide a net or the like around the energy conversion mechanism 1.
（並列式）
本発明の水流制御板の設計方法によって設計された水流制御板を有するエネルギー変換機構１は、一基を単独で設置してもよいが、複数を並べて設置してもよい。つまり、本体部２と、垂直軸水車１０と、水流制御手段２０をエネルギー変換セットとすると、各エネルギー変換セットにおける垂直軸水車１０の軸１１同士が互いに平行となるように、複数のエネルギー変換セットを配設してもよい。この場合、隣接するエネルギー変換セット内で形成される水流の影響によって、垂直軸水車１０に向かう水流の流速を増速する効果を高くすることができる。
とくに、垂直軸水車１０の軸１１が一列に並ぶように配設した場合には、より効果的に、垂直軸水車１０に向かう水流の流速を増速する効果を高くすることができる。
(Parallel type)
The energy conversion mechanism 1 having the water flow control plate designed by the water flow control plate design method of the present invention may be installed alone or in a plurality. That is, when the main body 2, the vertical axis turbine 10, and the water flow control means 20 are energy conversion sets, a plurality of energy conversion sets are set so that the axes 11 of the vertical axis turbine 10 in each energy conversion set are parallel to each other. May be provided. In this case, the effect of increasing the flow velocity of the water flow toward the vertical axis turbine 10 can be increased due to the influence of the water flow formed in the adjacent energy conversion set.
In particular, when the shafts 11 of the vertical axis turbine 10 are arranged in a line, the effect of increasing the flow velocity of the water flow toward the vertical axis turbine 10 can be increased more effectively.
例えば、図４に示すように、エネルギー変換セットを、本体部２の一対のフレーム３，４が正方形の平板であって、４枚の水流制御板２１の基端が一対のフレーム３，４の各頂点に位置し、かつ、４枚の水流制御板２１が回転対称となるように設計した場合を考える。この場合に、一対のフレーム３，４の一辺同士が接触し、かつ、垂直軸水車１０の軸１１が一列に並ぶように配設する。つまり、複数のエネルギー変換セットを並べたエネルギー変換機構１が、平面視で略長方形状になるように配置する。すると、隣接するエネルギー変換セットにおいて、水流制御板２１の基端同士が連結された様な状態となる。かかるエネルギー変換機構１は、平面視略長方形状の長辺側が、水流に対向するように設置する。例えば、防波堤に設置した場合には、平面視略長方形状の長辺が、海岸線と略平行となるように設置する。すると、エネルギー変換機構１の各エネルギー変換セットに流入する水流は、水流が流入する側（つまり長方形の長辺側）に位置する水流制御板２１によって制御増速されて垂直軸水車１０に供給される。しかも、水流と平行な側面（つまり平面視略長方形状の短辺）には隣接するエネルギー変換セットが設けられているので、この隣接するエネルギー変換セット内の水流の影響により、垂直軸水車１０に供給される水流を増速する効果はより高くなる。したがって、各エネルギー変換セットの垂直軸水車１０の軸に上述したような発電手段５を設けておけば、発電効率をさらに高くすることができる。 For example, as shown in FIG. 4, the energy conversion set includes a pair of frames 3 and 4 of the main body 2 that are square flat plates, and the base ends of the four water flow control plates 21 are a pair of frames 3 and 4. Consider a case where the four water flow control plates 21 are designed to be rotationally symmetric at each vertex . In this case, it arrange | positions so that the one side of a pair of flame | frames 3 and 4 may contact, and the axis | shaft 11 of the vertical axis | shaft turbine 10 may be located in a line. That is, the energy conversion mechanism 1 in which a plurality of energy conversion sets are arranged is arranged so as to have a substantially rectangular shape in plan view. Then, in the adjacent energy conversion sets, the base ends of the water flow control plates 21 are connected to each other. The energy conversion mechanism 1 is installed so that the long side of the substantially rectangular shape in plan view faces the water flow. For example, when it is installed on a breakwater, it is installed so that the long side of the substantially rectangular shape in plan view is substantially parallel to the coastline. Then, the water flow flowing into each energy conversion set of the energy conversion mechanism 1 is controlled and accelerated by the water flow control plate 21 located on the side where the water flow flows (that is, the long side of the rectangle) and is supplied to the vertical axis turbine 10. The Moreover, since an adjacent energy conversion set is provided on a side surface parallel to the water flow (that is, a short side having a substantially rectangular shape in plan view), the vertical axis turbine 10 is affected by the influence of the water flow in the adjacent energy conversion set. The effect of accelerating the supplied water flow is higher. Therefore, if the power generation means 5 as described above is provided on the shaft of the vertical axis turbine 10 of each energy conversion set, the power generation efficiency can be further increased.
水車の周囲に水流制御手段を設けたことによって、どのようにエネルギー変換効率が変化するのかについて確認した。 We confirmed how the energy conversion efficiency changes by providing water flow control means around the water wheel.
実験では、サボニウス型の水車の周囲に水流制御板を設けた装置を水路内に設置し、水路に水流を形成して、水車の回転数と負荷トルクを測定し、水車の回転数と負荷トルクに基づいて水車の動力特性とトルク係数を算出した。 In the experiment, a device equipped with a water flow control plate around a Savonius-type water wheel was installed in the water channel, a water flow was formed in the water channel, the rotation speed and load torque of the water wheel were measured, and the rotation speed and load torque of the water wheel were measured. Based on the above, the power characteristics and torque coefficient of the turbine were calculated.
水車の動力特性として、周速比λに対する動力係数Ｃｐの変化特性を調べることによって、水流エネルギーの取得効率を確認した。
また、周速比λに対するトルク係数Ｃｒの変化特性を調べることによって、水車の特性を確認した。
なお、動力係数Ｃｐ、トルク係数Ｃｒおよび周速比λは以下の式に基づいて算出した。
動力係数：Ｃｐ＝Ｔｔω／（０．５ρｕ３（２ＲＨ））
トルク係数：Ｃｒ＝Ｔｔ／（０．５ρｕ２（２ＲＨ）Ｒ）
周速比 ：λ＝Ｒω／ｕ
Ｔｔ：時刻ｔにおいて測定された負荷トルク
Ｒ：水車の半径
ω：水車回転軸の回転角速度
Ｈ：回転翼の回転軸方向の長さ
ｕ：流体の速度
２ＲＨ：水車が水流に対して占める断面積
As the power characteristics of the water turbine, the flow energy acquisition efficiency was confirmed by examining the change characteristics of the power coefficient Cp with respect to the circumferential speed ratio λ.
Further, the characteristics of the water turbine were confirmed by examining the change characteristics of the torque coefficient Cr with respect to the peripheral speed ratio λ.
The power coefficient Cp, torque coefficient Cr, and peripheral speed ratio λ were calculated based on the following equations.
Power coefficient: Cp = T t ω / (0.5ρu 3 (2RH))
Torque coefficient: Cr = T t /(0.5ρu 2 (2RH) R)
Peripheral speed ratio: λ = Rω / u
T t : Load torque measured at time t R: Turbine radius ω: Rotational angular speed of the turbine rotating shaft H: Length of the rotating blade in the rotating shaft direction u: Fluid speed 2 RH: Breakage of the turbine relative to the water flow area
実験には、いずれもサボニウス型水車（回転翼の回転軸方向の長さＨ＝３００ｍｍ、直径１２０ｍｍ、回転翼の外径７０ｍｍ）を有する装置を使用した。そして、サボニウス型水車の周囲に水流制御板を設置した装置（図５に示す３種類）と、水流制御板が無い装置の４種類の装置について、測定を行った。
なお、図５の装置（Ｃ）が、本発明のエネルギー変換機構の水流制御板に相当する「渦流型流向制御板」を設置した装置である。この図５の装置（Ｃ）は、その横断面が実質的に図３と同様の構造を有しており、図３における角度θが４５度となるように水流制御板を設置している。
In each experiment, an apparatus having a Savonius type turbine (length H = 300 mm in the rotation axis direction of the rotary blade, diameter 120 mm, outer diameter 70 mm of the rotary blade) was used. And it measured about four types of apparatuses, the apparatus (three types shown in FIG. 5) which installed the water flow control board around the Savonius type | mold water wheel, and the apparatus without a water flow control board.
The apparatus (C) in FIG. 5 is an apparatus in which a “vortex flow direction control plate” corresponding to the water flow control plate of the energy conversion mechanism of the present invention is installed. The apparatus (C) in FIG. 5 has a structure whose cross section is substantially the same as that in FIG. 3, and the water flow control plate is installed so that the angle θ in FIG. 3 is 45 degrees.
水車の回転数と負荷トルクは、水車の軸に取り付けられた、トルクメータ（小野測器製トルク検出器、型番：DP005）により測定した。測定では、トルクメータの負荷側に電気磁気ブレーキを作用させて、水車の回転数と負荷トルクを同時に測定した。 The rotation speed and load torque of the turbine were measured with a torque meter (Tono detector manufactured by Ono Sokki, model number: DP005) attached to the shaft of the turbine. In the measurement, an electromagnetic brake was applied to the load side of the torque meter, and the rotation speed and load torque of the turbine were measured simultaneously.
使用した水路は幅５００ｍｍの水路であり、この水路に水深ｈ＝０．４４ｍとなるように水を流した。なお、装置は水路内の幅方向の中央に設置した。 The used water channel was a water channel having a width of 500 mm, and water was poured into this water channel so that the water depth h = 0.44 m. In addition, the apparatus was installed in the center of the width direction in a water channel.
結果を図６および図７に示す。
図６に示すように、周速比に係わらず、本発明のエネルギー変換機構の水流制御板に相当する「渦流型流向制御板」（以下、単に「渦流型流向制御板」という）を設置した装置の動力係数が高くなっていることが確認できる。各条件における動力係数の最高値を比較しても、「渦流型流向制御板」を設置した装置では、水流制御板を設けない場合に比べて１０倍程度、他の形状の水流制御板を設けた場合と比べても約２倍以上となっており、水流エネルギーの取得効率が非常に高くなっていることが確認できる。
The results are shown in FIG. 6 and FIG.
As shown in FIG. 6, regardless of the peripheral speed ratio, a “vortex flow direction control plate” (hereinafter simply referred to as “vortex flow direction control plate”) corresponding to the water flow control plate of the energy conversion mechanism of the present invention was installed. It can be confirmed that the power coefficient of the device is high. Even if the maximum value of the power coefficient in each condition is compared, the device with the “vortex flow direction control plate” is provided with a water flow control plate of another shape about 10 times compared to the case without the water flow control plate. Compared to the case where the water flow energy is about twice or more, it can be confirmed that the water flow energy acquisition efficiency is very high.
また、図７に示すように、周速比に係わらず、トルク係数も、「渦流型流向制御板」を設置した装置が高くなっていることが確認できる。各条件における最高のトルク係数を比較しても、「渦流型流向制御板」を設置した装置では、水流制御板を設けない場合に比べて８倍程度、他の形状の水流制御板を設けた場合と比べても約２倍以上となっており、水車の特性が向上していることが確認できる。 Further, as shown in FIG. 7, regardless of the peripheral speed ratio, it can be confirmed that the torque coefficient of the device provided with the “vortex flow direction control plate” is high. Even when comparing the maximum torque coefficient under each condition, the device installed with the “vortex flow direction control plate” was provided with a water flow control plate of another shape about 8 times compared to the case without the water flow control plate. Compared to the case, it is about twice or more, and it can be confirmed that the characteristics of the water turbine are improved.
以上の結果より、本発明のエネルギー変換機構のように水流制御板を設置することによって、動力係数およびトルク係数が高くなっていることから、本発明のエネルギー変換機構のように水流制御板を設置することによってエネルギー変換効率を向上させることができることが確認できた。 From the above results, since the power coefficient and torque coefficient are increased by installing the water flow control plate as in the energy conversion mechanism of the present invention, the water flow control plate is installed as in the energy conversion mechanism of the present invention. It was confirmed that energy conversion efficiency can be improved by doing so.
本発明のエネルギー変換機構のように水流制御板を設置した場合において、水流制御板の設置角度が負荷トルクおよび仕事率に与える影響を確認した。 When the water flow control plate was installed as in the energy conversion mechanism of the present invention, the influence of the installation angle of the water flow control plate on the load torque and power was confirmed.
実験は、実施例１と同様の方法によって行った。
実験では、図５の装置（Ｃ）において、角度θを０、２２．５、４５，６７．５、９０度、と変化させた。なお、水流制御板は、水流制御板と水車との接触を防ぐために、角度θの変化とともにその長さも変化させている。各角度における水流制御板の長さは、０度（９０ｍｍ）、２２．５度（９８ｍｍ）、４５度（１３０ｍｍ），６７．５度（１４７ｍｍ）、９０度（１７４ｍｍ）である。
The experiment was performed in the same manner as in Example 1.
In the experiment, in the apparatus (C) of FIG. 5, the angle θ was changed to 0, 22.5, 45, 67.5, and 90 degrees. Note that the length of the water flow control plate is changed along with the change of the angle θ in order to prevent contact between the water flow control plate and the water wheel. The length of the water flow control plate at each angle is 0 degree (90 mm), 22.5 degrees (98 mm), 45 degrees (130 mm), 67.5 degrees (147 mm), and 90 degrees (174 mm).
結果を図８に示す。
図８に示すように、角度θを変化させると、負荷トルクおよび仕事率が変化し、４５度の条件（つまり１３０ｍｍの条件）が最も動力係数およびトルク係数が大きくなっていることが確認された。
また、２２．５度と６７．５度の場合には、４５度と比べて大きな差はなかったのに対し、０度および９０度の場合には、負荷トルクが小さくなり、仕事率は低下している。
以上の結果より、角度θを変化させることによって、負荷トルクおよび仕事率が変化し、角度θを２２．５〜６７．５度とすれば、負荷トルクを大きくでき、仕事率を向上させることができることが確認された。
The results are shown in FIG.
As shown in FIG. 8, when the angle θ is changed, the load torque and the power change, and it was confirmed that the power coefficient and the torque coefficient are the largest under the condition of 45 degrees (that is, the condition of 130 mm). .
In addition, in the case of 22.5 degrees and 67.5 degrees, there was no big difference compared to 45 degrees, whereas in the case of 0 degrees and 90 degrees, the load torque becomes small and the work rate decreases. doing.
From the above results, by changing the angle θ, the load torque and the power change, and if the angle θ is 22.5 to 67.5 degrees, the load torque can be increased and the power can be improved. It was confirmed that it was possible.
本発明のエネルギー変換機構は、防波堤や縦桟橋などの固定された構造物に設置したり、または、フロートなどの浮体に搭載して、水流のエネルギーを利用して発電する発電装置のエネルギー変換機構に適している。 The energy conversion mechanism of the present invention is installed in a fixed structure such as a breakwater or a vertical pier, or is mounted on a floating body such as a float, and the energy conversion mechanism of a power generation apparatus that generates power using the energy of water flow Suitable for
１ エネルギー変換機構
１０ 垂直軸水車
２０ 水流制御手段
２１ 水流制御板
２１ｈ 隙間
ＣＬ 回転軸
Ｌｂ 内方連結線
Ｌａ 外方連結線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Energy conversion mechanism 10 Vertical axis | shaft turbine 20 Water flow control means 21 Water flow control board 21h Crevice CL Rotating shaft Lb Inner connection line La Outer connection line
Claims (3)
前記水流制御手段は、
前記垂直軸水車の周囲に、該垂直軸水車の回転軸に対して回転対称となるように配置され、その表面が前記垂直軸水車の回転軸と平行となるように配設された４枚の平板状の水流制御板を有しており、
前記垂直軸水車の回転軸と直交する断面において、各水流制御板の外端縁の位置を固定した状態で、各水流制御板の内端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ内方連結線と各水流制御板の外端縁と前記垂直軸水車の回転軸とを結ぶ外方連結線のなす角度を、２２．５〜６７．５度とし、隣接する水流制御板間に形成される隙間が前記垂直軸水車に向かって狭くなるように、内方連結線と外方連結線のなす角度の増加に伴って前記水流制御板の長さを長くする
ことを特徴とする水流制御板の設計方法。 A method for designing a water flow control plate in a water flow control means for adjusting a water flow to be supplied to a vertical axis water turbine that rotates by receiving a water flow,
The water flow control means includes
Around the vertical axis turbine, four sheets are arranged so as to be rotationally symmetric with respect to the rotation axis of the vertical axis turbine, and the surface thereof is arranged to be parallel to the rotation axis of the vertical axis turbine. It has a flat water flow control plate,
In a cross section perpendicular to the rotation axis of the vertical axis water turbine, the inner end connecting the inner edge of each water flow control plate and the rotation axis of the vertical axis turbine with the position of the outer edge of each water flow control plate fixed. The angle formed by the outer connecting line connecting the connecting line and the outer edge of each water flow control plate and the rotating shaft of the vertical axis water turbine is 22.5 to 67.5 degrees, and is formed between adjacent water flow control plates. as the gap is narrowed toward the vertical axis hydraulic turbine that, and characterized <br/> increasing the length of the flow control plate with increasing angle of the inner connection line and outer connection line To design a water flow control board.
ことを特徴とする請求項１記載の水流制御板の設計方法。 In the cross section orthogonal to the rotation axis of the vertical axis water turbine, each downstream side of the rotation direction of the vertical axis water turbine from the outer connecting line connecting the outer edge of each water flow control plate and the rotation axis of the vertical axis water turbine. The length of each water flow control plate is adjusted so that an inner connecting line connecting an inner end edge of the water flow control plate and a rotating shaft of the vertical axis turbine is located. The design method of the water flow control board of description.
ことを特徴とする請求項１または２記載の水流制御板の設計方法。 3. The method for designing a water flow control plate according to claim 1, wherein the vertical axis turbine is a Savonius type turbine.
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