極東極楽 ごくとうごくらく

豊饒なセカンドライフを求め大還暦までの旅日記

天火同人

2017年01月29日 | 環境工学システム論

 

 

 

  

        友を求めて / 天火同人(てんかどうじん)

 

                                    


      ※ 「同人」とは、人と志を同じくする。同志を求めてともに行くこと。
        「同人雑誌」の語源である。上卦の
(乾)は剛健不息の活動力、
               下卦の(離)は輝く知性を意昧す。青白きインテリや馬車、馬的
        活動家ではない。豊かな知性と実行力とを身につけた組織者、工作
               付であり、広く柔軟な心の持ち主である。人々を組織してゆくには、
        けっして旧来の仏縁を頼りにしてはならない。あくまで公的な人間
        関係を創り出すことが大切である。そのため、初めは孤独に苦しむ
        だろうが、安易な道を選んではならない。初志を貫徹すれば、かな
        らず喜びがおとずれる。

 

【ルームトレーニング奮戦記:クランチ】

クランチは腹直筋を意識を集中して鍛えやすいエクササイズ。腰への負担も少なく特に腹直筋・上
部に効果があり。これをさらに追加しパッケージすることに。トレーニング中の呼吸の仕方は従来
法と同じ。それにしてもわたしがこんなことに精だすなんてありえなかったこと、自分でも不思議
で妙な感じ。

  

【RE100倶楽部:スマート風力タービンの開発 17】   

● 垂直軸型風車の集風装置:特開2017-015094の場合

風車の周囲に集風板を設け、風車に導入される風量を増加させ風速を増大させることで、風速が低
い環境でも垂直軸型風車を効率良く回転させ、風車の周囲の風速が高い場合には集風板を収納し、
風車の回転による総合的な発電効率を高めるというアイデアである。その背景には、小型風力発電
装置の場合は、従来、郊外の広い敷地に設置されていた比較的大型の風力発電装置とは異なり、市
街地に多数分散して設置することが期待されており、わたし(たち)が考えるスマート風力タービ
ンの設計思想に添うものである。

一般的には、風車に流入する風速が発電停止風速カットアウト風速)を超えると、風車の保護の
ために一時的に風車の回転を停止するが、その場合には、集風板がなければ、むしろ風車の運用を
継続できるため、集風板の存在が風力発電装置の効率的な運用を妨げる。①低風速の風況にあって
も効率の良い集風装置を得ること、風車を通過した風を円滑に風車から離脱させて風車に流入する
風の抵抗にならないようにすること、②強風時にも集風板を備えた風車を効率良く運用して、風力
発電
装置の効率的な運用を可能とするという課題がある。  

【要約】

発電機を接続した垂直軸型風車Wの周囲に集風板U、Dを設けて、風車周辺の風を風車に流入する
方向に集めて増速し、それにより風車の回転を増加させて風車に接続した発電機の回転数を増加す
ると共に、風車を通過した風を円滑に逃がすために風車の風下に配設した集風板を巻き取ることで
集風板の影響を減少させ、併せて、集風板により集束された風の風速が風車の定格回転数を超過す
る場合には風車の風上に配設された集風板の面積を減少させることによって集風板の影響を減少さ
せる事で、風速が弱い場合であっても、風力発電を可能とする



JP 2017-15094 A 2017.1.19

 

【符号の説明】

W  垂直軸型風車  U 上側集風板  D 下側集風板 O  外周側集風板 Us  上側集風板スリ
ット Ds  下側集風板スリット Ue  上側集風板の外縁 De  下側集風板の外縁 Ufe  垂
直軸型風車の直上に設けられた平面の外縁 Dfe  垂直軸型風車の直下に設けられた平面の外縁
Uh  上側集風板の翼型曲面 Dh  下側集風板の翼型曲面 S  起点軸 E  終点軸 A  垂直軸
型風車主軸 M  集風板駆動モータ Cs  集風板制御装置 Fk  風向計 Fs  風速計 P1
~P5  パネル Ou  上部外周側集風板 Oul  上部外周側集風板の下縁 Od  下部外周側集風
板 Odl  下部外周側集風板の上縁 G  間隙 B  ブレード(風車の羽根) Ji  内側支持柱
Jo  外側支持柱 Hu  上部外周側集風板の垂直方向の幅 Hd  下部外周側集風板の垂直方向の
幅 tu  上部外周側集風板の下縁と内側支持柱との接点 td  下部外周側集風板の上縁と内側支
持柱 との接点 1~8  集風板 220  上側集風板Uに設けられたUsの断面 230  下側
集風板 Dに設けられたDsの断面 250  帆布 270  520  下側ガイドレール 260 
510  上側ガイドレール 550  パネル駆動機構 660  主軸側ガイドレール 670 
外縁側ガイ ドレール

そこで、垂直軸型風車の集風装置で、中心に垂直軸型風車を配置構成し、①風車上側に上側集風板、
②下側に下側集風板、③外周に外周側集風板を設け、この外周側集風板は、上側集風板と下側集風
板との間に設けられ、垂直軸型風車の主軸と平行な面を有し、風車の主軸から間隔を開けた位置か
ら等間隔に放射状の方向に複数の板面が展開。上側集風板は、主軸を含む風車のブレードの回転面
に対応する部分の直上の領域では、主軸と垂直な面を有し、直上の領域の外縁から外周側集風板の
主軸から遠方の側にかけ、外周側集風板の上方を覆うように、上方へ傾斜を設けた逆円錐台状に形
成、下側集風板は、主軸を含む風車のブレードの回転面に対応する部分の直下の領域で、主軸と垂
直な面を有し、直下の領域の外縁から外周側集風板の主軸から遠方の側にかけ、下方を覆うように
下方へ傾斜を設けた円錐台状に形成、外周側集風板の板面は、上部外周側集風板と下部外周側集風
板に分割され、上部外周側集風板と下部外周側集風板との間に空隙を設けていることを特徴とする。

【実施形態】

図1は集風装置の実施形態の概要を示す斜視図。また、図2は、集風装置と風車の配置を示す説明。
但し、説明のため、図1では上側集風板と外周側集風板との一部は除いて記載、図2では、上側集
風板を除いて記載。なお、以下の説明において共通した構成要素については特掲しない限り共通し
て用いる。 図1と図2の中央部に配設されているのは、風車の主軸が水平面に対して垂直に設置さ
れる垂直軸型風車Wであり、図1と図2とでは、ジャイロミル型風車が例示されているが、風車の
形式は垂直軸型風車であれば、ダリウス型、サボニウス型、又はクロスフロー型等、任意の形式の
選択が可能。

※ 一般的に風車には、主軸が地面に対して水平の水平軸型風車と、主軸が地面に対して垂直の垂
  直軸型風車があるが、水平軸型風車では主軸を風向に合わせる機構が必要となる。しかし、垂
  直軸型風車の場合は風向きに依存しないため、そのような機構が必要とされないという利点が
  ある。

図1に示した上側集風板Uと下側集風板Dの板面は、共に、後述する図3にも示すように、それぞ
れの集風板の外縁から垂直軸型風車Wのある中心方向に対し水平面に対して30度の傾斜が設け、
このように上側集風板Uと下側集風板Dの集風路である板面の傾斜を30度とするのは、実験的に
①30度よりも小さい角度の場合、集風板の集風効果が低下する一方、②30度よりも大きい角度
とした場合は、通流する風に対して集風板が抵抗となり、エネルギーとして失われる割合が大きく
なる。

図3(A)は、こうした外周側集風板Oを外周方向から図示したものである。図中の220は上側
集風板Uに設けられたスリット部分Usの断面、230は下側集風板Dに設けられたスリット部分
Dsの断面を表し、上述したように、図中のSは外周側集風板Oのうち主軸A寄りの端部に設けら
れた起点軸Sを表し、図中のEは同じく外周側集風板Oの他端部に設けられた終点軸Eを表す。

そして、該起点軸Sと該終点軸Eとの間には帆布250が展開されており、該帆布250の上側集
風板Uと下側集風板Dとに挟まれた部分は、外周側集風板Oとして機能。帆布250は集風装置周
囲の風況に応じ、外周側集風板Oの終点軸Eに巻き取ることで、集風板として機能する面積を変動
させることで集風装置の効率的な運用可能である。

また、外周側集風板Oの該起点軸Sの上端部は、上側集風板Uの板面に設けられたスリットUsを
抜けて該上側集風板Uの上又は内部に設けられた上側ガイドレール260に摺動可能に取付けられ、
起点軸Sの下端部は、下側集風板Dの板面に設けられたスリットDsを抜けて該下側集風板の下、
または内部に、摺動可能な下側ガイドレール270を設けている。さらに、該終点軸Eの上端部は、
上側集風板Uの板面に設けられたスリットUsを通過して該上側集風板の上または内部に設けられ
た上側ガイドレール260にベアリングを介し、回動可能に接続、この起点軸Eの下端部の末端近
くは、下側ガイドレールに270にベアリングを介して支持され、下端部は帆布の巻取り等を行う
集風板駆動モータMに接続する。

このため、外周側集風板Oを構成する起点軸Sと終点軸Eとの間に展開されている帆布250の
積を減少させる場合には、終点軸Eの下部に設けられている集風板駆動モータMで、終点軸Eを回
転、終点軸Eの周囲に帆布250を巻き取り、併せて、該起点軸Sの上端部と下端部とを上記ガイ
ドレール260及び270上を摺動させて、該起点軸Sを主軸Aとの平行を維持したまま該終点軸
E方向に移動させ、該起点軸Sと該終点軸Eとの距離を変動させる事によって、その間に展開され
た帆布250の面積を減少できる。

図3(B)は、このように図3(A)に示した外周側集風板Oを構成する帆布250を終点軸Eに
巻き取った場合
を示したものである。このように起点軸Sと終点軸Eとの間に展開されていた該帆
布250が該終点軸Eに巻
き取られると、該起点軸Sは該帆布250の巻き取りに伴い該終点軸E
の近傍へ平行移動し、垂直軸型風車
Wの周囲が開放されて、該帆布250により生じていた集風板
の効果は喪失する。また、外周側集風板Oの面積を増加させる場合、面積を減少させる場合の逆に
モータMを回転させる。



上図4は、本発明の垂直軸型風車の集風装置の制御の流れを示すブロック図。垂直軸型風車の集風
装置には、集風板制御装置Csが備えられ、集風板制御装置Csには、集風装置の近傍に配置され
た(図示しない)風向計Fk及び風速計Fsから風向と風速を示す信号が入力され、更に集風装置
が設けられた垂直軸型風車Wに設置された(図示しない)風車の回転計Roと発電機の電力計Pw
とから、垂直軸型風車Wを構成する風車の回転数と発電機の発電量を示す信号が入力。集風板制御
装置Csには、外周側集風板Oを構成する1~8の各集風板に設けられた集風板駆動モータMが接
続、集風板駆動モータMは集風板制御装置Csにより制御され、個々の外周側集風板1~8の面積
の増減を行う。


集風装置は初期状態では、外周側集風板Oを構成する各集風板1~8の帆布250は全て展開され
た状態になっている。集風板制御装置Csには、風速計Fsで計測された風速と、風向計Fkで計
測された風向と、風車の回転数と発電量を示す信号が入力され、これに基づいて、集風板制御装置
Csでは、集風装置近傍の風況と風車に通流されている実際の風速とを判定する。なお、この際行
われる判定は、各計測器から入力される情報を単独で利用しても良いし、組み合わせて利用しても
良い。


そして、風車に通流されている実際の風速が、集風装置が設けられた垂直軸型風車Wのカットオフ
風速に至ったと集風板制御装置Csが判定した場合は、集風板駆動モータMを駆動して外周側集風
板Oとして構成されている帆布250を巻取り、集風板による集風効果を喪失させる制御を行う。

また、その後、集風装置近傍の風況から風車に通流されている実際の風速が、集風装置が設けられ
た垂直軸型風車Wのカットオフ風速より低下したと集風板制御装置Csが判定した場合には、集風
板駆動モータMを逆転する等して駆動し、外周側集風板として構成されている帆布250を展開し、
外周側集風板Oによる集風効果を復活させ制御を行う。

※ここで、上記翼弦はそれぞれ水平から30度の傾斜を設けてあり、翼型は上下の集風板で同じも
 のを用いても異なるものを用いても良い。また翼型はNACA4412又は、NACA0012
 の翼型上面を用いることが望ましい。なお、ここでNACA翼型とは、アメリカ航空宇宙局(N
 ASA)の前身である国家航空宇宙諮問委員会(NACA)が定義した翼型をいう。

なお、表1は本発明の実施形態のうち、下側集風板Dの傾斜を水平乃至極めて小さくした場合の上
側集風板Uの傾斜の効果を実測したもの。ここでは、垂直軸型風車Wのみの場合に比べて、上側集
風板Uの傾斜を水平面に対して、それぞれ、45度、30度、とした場合と、当該上側集風板Uの
板面を翼型とし、上側集風板Uの外縁Ueを前縁とし垂直軸型風車Wの主軸A側を後縁とした翼型
形状の翼弦を水平面に対して30度とした場合の、回転増加率と出力増加率を示す
。ここで、回転
増加率とは、上側集風板Uを設けない場合の垂直軸型風車Wの回転数を1とした場合の当該垂直軸
型風車Wの回転数の増加率をいい、出力増加率とは当該上側集風板Uを設けない場合の垂直軸型風
車Wによる出力と比較した増加率をいう。本表1から明らかなように、上側集風板Uの傾斜は45
度よりも30度の方が回転増加率と出力増加率は向上し、更に傾斜が30度の場合であれば、上側
集風板Uの板面が翼型の方が、回転増加率と出力増加率とが向上する。

また、この実施形態では、外周側集風板Oを起点軸Sと終点軸Eとの間に展開した帆布250によ
り構成しているが、帆布の材質は、布の他にアラミド繊維のような各種合成繊維でもよく、また、
帆布の代わりに複数のパネルにより構成する事も可能である。
例えば、下図6は複数のパネルによ
り構成される外周側集風板Oのうちの一つの集風板についてその概略を図示した説明図である。こ
こで同図(A)は該パネルにより構成される外周側集風板Oの一つにおいて、パネルを展開した状
態を示した一部正面図。同図(B)は当該パネルが展開された状態におけるパネル同士の重なり状
態を上面から見た説明図。同図(C)は該パネルにより構成される集風板において、パネルを収納
した状態を示した一部正面図。同図(D)は当該パネルが収納された状態におけるパネル同士の重
なり状態を上面から見た説明図である。


図6に示した外周側集風板Oでは、外周側集風板Oを構成する個々の集風板はそれぞれ複数のパネ
ルによって構成され、本実施例の場合は、P1~P5までのパネルにより構成されている。各パネ
ルの上部は、上側ガイドレール510に摺動可能に取付けられ、各パネルの下部は、下側ガイドレ
ール520に同様に摺動可能に取付けられている。そして、下側ガイドレール520に摺動可能に
設けられた各パネルには、更に下側ガイドレール520に設けられたパネル駆動機構550が接続
されている。

上図7はこのように帆布250の展開と巻取りを上下方向に行って、外周側集風板Oの面積を変動
させる場合の、当該集風板の一つの構成について、その概略を示した一部正面図である。
図7では、
起点軸Sは垂直軸型風車Wの主軸Aと垂直に設けられ、上側集風板U側に配設され、終点軸Eは同
様に該垂直軸型風車Wの主軸Aと垂直に設けられ、下側集風板D側に配設されている。さらに、起
点軸Sの一方の端は、垂直軸型風車Wの主軸Aと平行であり主軸A寄りに配設された主軸側ガイド
レール660に上下に摺動可能に接続、起点軸Sの他端は、垂直軸型風車Wの主軸Aと平行であり
主軸からさらに、外縁側に配設された外縁側ガイドレール670に上下に摺動可能に接続。また、
終点軸Eの一方の端部側は、主軸側ガイドレール660にベアリングを介し、回動可能に接続、そ
の端部には駆動モータMが設けられており、終点軸Eの他端はベアリングを介して、外縁側ガイド
レール670に回動可能に設ける。


また、図7では既に、帆布250が半分ほど巻き取られた状態が示され、起点軸Sは終点軸Eをモ
ータMで回転することにより帆布250が該終点軸Eに巻き取られている結果、上側集風板Uより
も更に下方に降下して、外周側集風板Oの面積を減少させる。なお、ここでは帆布250の巻取り
を行う終点軸Eを下側集風板D側に設けているが、これを上側集風板U側に設け、帆布250の巻
取りを上側に行っても良い。さらに、帆布250を上側若しくは下側に巻き取ることとした場合に
は、突発的な強風や故障に備えて、上側集風板U側に配設される起点軸S又は終点軸E自体を、帆
布250の巻取り状態に関わらず速やかに下側集風板D側に降下させる機構を設ける事も可能であ
る。


上図8は垂直軸型風車の集風装置の別の実施形態を示す概略正面図。なお、実施形態における垂直
軸型風車の集風装置の構成は、上述した実施形態の垂直軸型風車の集風装置と略同様であるため、
相違点を中心に以下の説明を行い、上記同様の構成は符号を付す等により説明を省略する。


この実施形態では、外周側集風板Oを上部外周側集風板Ouと下部外周側集風板Odとの上下2つに

分割し、これら上下に分割した外周側集風板Oの上部外周側集風板Ouと下部外周側集風板Odとの
間に間隙Gを設けている。具体的には、上下に分割された外周側集風板Oのうちの、上記上部外周
側集風板Ouの下縁Oulは、本集風装置の垂直軸型風車Wの主軸Aを中心として、垂直軸型風車Wの
主軸Aに取付けられたブレードBの回転半径から適当な距離をおいて、上側集風板Uと下側集風板
Dとを繋ぐように垂直に設けられた内側支持柱Jiから、本集風装置の外周において上側集風板U
と下側集風板Dとを繋ぐように垂直に設けられた外側支持柱Joにかけて、上記上側集風板Uの傾斜
と平行に構成され、上記下部外周側集風板Odの上縁Odlも、同様に上記内側支持柱Jiから本集風
装置の外周に設けられた外側支持柱Joにかけて下側集風板Dに設けられた傾斜と平行に構成。

上表2は、上記のように、上部外周側集風板Ouの幅Huと下部外周側集風板Odの幅Hdとを、共
に本発明に用いられる構造体のフレーム程度の大きさに設定した場合に、外周側集風板Oの起点か
ら外縁までの長さが、集風装置の回転増加率と出力増加率に与える影響を計測したものである。本
表2中、φは垂直軸型風車WにおいてブレードBを回転させた場合の直径を示す。この結果から、
外周側集風板Oの起点から外縁までの長さが、5φ~3φまではあまり変化がなく、それ以下にす
ると回転数が減少する事から、外周側集風板Oの起点から外縁までの長さは3φ程度以上とするの
が望ましい。なお、ここで外周側集風板Oの起点とは、垂直軸型風車Wの主軸AからブレードBの
回転半径の外縁から適当な距離を置いた位置をいう。

また、下図9は、上記のように、上部外周側集風板Ouと下部外周側集風板Odとのそれぞれの垂直
方向の幅HuとHdとが、本発明に用いられる構造体のフレーム(図示しない)程度の大きさであっ
て、外周側集風板Oの起点から外縁までの長さが5φの時に、上側集風板Uの起点から外延までの
長さが垂直軸型風車Wに与える影響を測定したものである。ここで図9(A)は、計測結果、図9
(B)は計測結果をグラフにしたものである。この結果、上側集風板Uの起点からの長さが増加す
ることにより、風車の回転数の増加が見られたが、上側集風板Uの起点からの長さが1.5φ以上
では回転数の増加がわずかであった。したがって、上側集風板Uの起点からの長さは1.5φ程度
が必要と考えられる。なお、ここで上側集風板Uの起点とは、上側集風板Uのうち、垂直軸型風車
Wの主軸Aを含む風車のブレードBの回転面に対応する部分の直上の領域の外縁の部分を言う。

JP 2017-15094 A 2017.1.19

以上、要所と思われる部分を抜粋掲載する。ここで掲載されている動機は理解できるが、このよう
なトランスフォーメイション(変形可能)タービン(風車)型の機構は、複雑となりコンパクト(
ダウンサイジング、ダウンスペーシング、シュリング)でシンプルで、堅牢という設計思想とは相
反する。これに関して、わたし(たち)の考え方をまた後日掲載することとする。

※ Sさん、君の出番だ!

  ● 今夜の技術

ナノ炭素を活用する次世代電子材料の製造効率が格段に向上

光照射でナノ炭素材料の高純度な薄膜を簡便に形成

これは実に面白い!

 

  ● 今夜の一曲

プロコフィエフ  弦楽四重奏曲第2番 ヘ長調

弦楽四重奏曲第2番ヘ長調作品92は、旧ソ連の作曲家セルゲイ・プロコフィエフによって1941年に作曲
された弦楽四重奏曲。1941年にナチス・ドイツがソ連へ侵攻し、独ソ戦が始まると、プロコフィエフは
国内の他の作曲家とともに大都市から退去、カバルディノ・バルカル自治共和国の首都ナリチクに疎開。
同共和国はカフカース北部に位置し、ヨーロッパ・ロシアやトルコ、カスピ海と国境を接している。プ
ロコフィエフはナリチク滞在中に同地の民俗音楽を吟味して、この弦楽四重奏曲を書き上げ、民謡や民
俗音楽の要素を取り入れたこともあり、モダンな第1番に比べ、明るく平明で叙情的な作品である。
1942年4月7日にベートーヴェン四重奏団によりモスクワにて初演されている。

【楽曲構成】

  1. 第1楽章 Allegro sostenuto
  2. 第2楽章 Adagio
  3. 第3楽章 Allegro

プロコフィエフは、カバルダ民謡の主題を作品中に用いたが、それと同時に独特な和声付けの様式を維
持。民族音楽の特徴は、中近東の擦弦楽器や打楽器を模す。万策尽くし、音響効果を用いる姿勢と結び
付く。第2楽章で背景となる伴奏楽器は、カフカスの擦弦楽器カマンチャを模倣している。
 

 

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