吹流し型 風力発電 試作機能テスト


まず最初 CADで書いた 簡易展開図を そのままテープで張り合わせて 回転するかテスト。
1 小さなおもちゃの扇風機にかざす と 場所によっては 良く回る が 場所によっては ゆっくり逆転する?
 ( 扇風機の回転方向が 羽根ピッチと逆だったんで 場所によって 旋回流を モロに受けていたと判明)
直径150mm程度で そよ風程度で モーター端子間で 約0.1V(テスターのみ接続) 一応発電はしている
 パラシュートの糸の根元にあるのは 絡み防止の羽根(セロテープ)である


次に 軟質塩ビ0.2tで試作 風を受けていないときは 岡のくらげ状態である。


無理やり 傘を広げさせた所。(構造は上の紙製と同じだが剛性がないので 形をとどめない)
 扇風機の前に持って行くが 全く反応しない 膜体が重過ぎるのである。
 時折 風の吹いている屋根の上で 強い風(たぶん5m/sぐらいか?)でやっと傘が開くが ダイナモを回転させるには至らない(しかも、瞬間しか方向が定まらないので) 一応 傘が開くことは 確認。
 これを川の流れに入れて見ると 0.5m/s 程度の流れでも 傘が開き ハブダイナモを 1rps程度で回転させた
(一応 水力は大丈夫そうである<形状を煮詰めないと トルクより 今の所 抗力の方が大きい)


これは 膜体を軽くするために 一般のゴミ袋の素材 0.04t で試作
作っている間に 力がかかると 変形してしまうので 翼の形状を保てなかったが、
無負荷ではあるが、そよ風程度で 傘が開き、回転を始めた

一応の纏めとしては、機能的には問題なさそうである 後 膜材質と 詳細な翼形状の検討と言うこととなる。
多翼と言うことも有って 扇風機の羽根よりは効率をよく出来そうである。

この形状設計当たって 3DCADをフル活用を試みたが、面は作れるのだが 平面展開ができない?
今の所 手作業で 平面展開しているので 時間がかかりすぎ プログラム作らないと だめか?
で つづく 

2000/5/18
 何とか平面展開して 改良型を数種作成(紙型で数十種 紙だとうまく機能するが ふにゃふにゃだと チョット違う) 
翼形状はタービンブレードに似た感じで 全くの骨無しふにゃふにゃ状態より
手で 振り回すと ちゃんとした 多翼形状になり 安定して回転をするようになった。
一端傘が開けば 微風でも安定して回転すし、有る程度のトルクもある。
ただ 扇風機の風では 旋回流のため動きが安定しない 旋回流と同期して本体までも旋回してしまう(追従性が良すぎ?)
 外で少々強い風に当てると 回転速度が上がるほど遠心力のせいか軸が安定して回転している(バランスなど取ってないし 製作誤差は数ミリ単位)
これは、結構いけるかもしれない 自転車の発電器で1M程度の直径であれば 微風域より発電できそうな感じがしてきた。
「水力はチョットお休みで 此方に全力を入れることになってしまった。
 今度は ゴミ袋ではなく パラシュートの膜材で試作したいが どこで 手に入れれば良いのやら(デパートの洋裁売り場で 怪訝な顔をされてしまった)
もし誰か パラシュートクロス 売っているところ 教えてください。> 東急ハンズにありました 平米千円 高いのか安いのか?
(直径1mの風車を作成するのに 約2u必要で 余白分50%にて 材料費3000円)
ゴミ袋+セロテ−プ風車 耐久テスト 時速60km/h までは何とか回転その後 セロテープがはがれ 破壊 
この程度で 風速14m/s に耐えられた

2000/5/26
この3DCGは現在の所、製作し安さ 形状安定性 などより パフォーマンスの良い物である
中央部と周囲をパラシュートの様に糸で吊ってハブに取り付けてある。(シューディングすると線が見えない)

この形状を展開して パラシュートクロスにて直径500mmの物を試作した
無負荷では調子が良いのであるが、負荷をかけると吊ってある糸が捩じれてしまい形状を保て無くなってしまう。
現状負荷として自転車用のハブダイナモを利用しているが 無負荷においても起動トルクが大きく(コギングがあるため余計に大きくなっている)

 ハブダイナモ 発電実験
無負荷始動トルク 約0.01kgm 開放電圧 約50V/1000rpm 最高電流 0.5A(これ以上は内部インダクタンスが高いため回転数を上げても流れない)
14V出力電圧でも0.5Aは出るので最高7Wと言うことになるブリッジダイオードの損失もあるので実8Wと言うところか
10Wは引き出せると思ったがそうは行かなかった、コイルの巻き数を変更すれば20W程度は可能性があると思うが本体がアルミの鋳込?一体構造なので分解できない しかし8Wでも3000円以下の価格は ステッピングモーターよりコストパフォーマンスは良いといえる。

このダイナモで発電するには 伝達機能を少々工夫する必要がる。(剛体で作れば何と言うことはないのだが)
 めざすところ ポータブル風力発電なので

トルク伝達をセンターワイヤロープ(可撓軸)に改良 
発電機 ステッピングモーターに変更(ハブダイナモより小さいが テストの結果 10W 1000rpm 手で回転させても0.5W程度は発電できる)
ハブダイナモよりコスト高となるが インダクタンス等の選択肢が広がり コギングトルクが小さい

 

風圧を受けないと形状を保てないが これが風圧を受けるとCGみたいに広がり回転を始める。
風車の重量は約50g 縫製で仕上げれば 多分15g程度に収まる(縫製できないので接着剤とハトメで接合<これが重量の2/3となっている)
周囲のテンションストリングはトルク伝達をセンターのワイヤーを介して行なうようして有り、発電機と風車のセンターはいいかげんである
(軸芯の狂いは曲がりは すべて ワイヤーのたわみで吸収している>多少はトルク損失が出る)

本日雨のため 野外テストは出来ないが 風速4-5m/sで負荷の電球(6V 2.4W)が煌々と灯れば風車効率30%程度は確保できることになる。
2000/5/28  野外テスト
まづ 自転車にて 走行テスト 約10km/h程度で回転を開始 15km/h程度にて 電球がボンヤリ点灯 一応発電は出来た
軽トラの荷台にて テストを開始する

走行速度0km/h 垂れ下がった状態
本日 風速4m南風 但し吹いたり 吹かなかったり 風の有るとき15km/h追い風で無風状態となる


走行速度10km/h 風車の形状になり 回転開始 
風車がチョット重いので回転始めるが 斜めの状態

走行速度15km/h だんだんと回転速度が上がる 電球はボンヤリ点灯(昼間天気が良いので明るいのかも?)
騒音も無く 風車芯ぶれもほとんどない 抗力はそれほど感じないので 1kgも無いと思われる
製作精度が出て無いせいか 翼面先端部に多少フラッタリングあり 30km/h位より パタパタと旗のハタメキと同じ音がしてくる

走行速度50km/h さらに回転速度が上がる 電球はギンギンに点灯
回転は非常に安定しており、円周部を手で触ると かなりのトルクを感じることができる(皮膚に回転部が触れても風車の方が変形して 手は痛くも痒くも無い)
これより 60km/h +風速4mまで速度を上げると風車が旋回をはじめる(多分軽トラの荷台部分が乱流になった為だと考えられる)
てで モーターを持っているのが多少きつくなる(抗力7kg程度か 10kgでは支えられない) それとモーターが発熱してくる。
 ここまでで 強度的な不安は全く無し 最高回転数は500-600rpmと言ったところか(過去の機械の経験より推測)
 出力周波数を図れば良かったが 気が回らなかった これより逆算すると10rps/200p で2Khz相当となる(高速タイプのダイオードで無いと損失が大きくなってるかもしれない)

測定結果

外部抵抗 7.5Ω
風速 時速 電流値(直流) 計算電圧 賞味出力 発生出力 抗力kg(感じ
4.166666667 15 0.1 0.75 0.075 0.145 1 滑らかに回転 向かい風補正
5.555555556 20 0.2 1.5 0.3 0.44 1.5 滑らかに回転 向かい風補正
8.333333333 30 0.4 3 1.2 1.48 2 多少ばたつく 向かい風補正
11.11111111 40 0.6 4.5 2.7 3.12 3 多少ばたつく 向かい風補正
16.66666667 60 0.8 6 4.8 5.36 7 旋回する 向かい風

上記の結果より効率が低い(1%程度しか出ていない) 発電機の容量が少なすぎて殆んど無負荷運転になっているようだ
また 回転数が上がれば発電機自身のインダクタンスにより 電流が制限されている様でもある

今回のまとめ
風車自身は有る程度 良好な結果と思われるが、賞味効率を上げるには発電機の容量を上げる必要がある。
コストとの兼ね合いであるが 300rpm-100W程度が必要かと 推測される。
 この後用水路に2m/sていどの 程よい水流が有ったので ついでに 水力発電も試みたが 回転する以前に抗力が大きすぎ
周囲を吊着してある 抗力リミッターが働き 水車の形状を拝むことは出来なかった、もしリミッター(20kg程度で働く)がなかったら 私も流されていたかもしれない。
水の力はやはり 空気とは比べ物にならない

2001/6/11
 発電機である ステッピングモーターの高回転(300rpm以上付近より)発電効率が 急低下しているようであるので、小型直流モーターをギヤ増速して実験
の結果 広範囲の回転数に対して安定して発電できる事を確認。 耐久性 騒音等の問題はあるが 軽量化が可能である。
重量/能力の比較で 小型モーターを高速回転させた方が有利と判断、ギヤ1段1:12 (一個のドリブンギャに複数のモーターを配置)して多極発電の約2倍となり、重量は1/2となる。
 また 発電回転数を上げるため 翼形状の周速比を上げてみる と トルクに翼形状が捩じれてしまい トルクと形状維持風圧のバランス もう少し考慮する必要がある。

2001/7/8
 少々 時間が過ぎたが  小型モーター増速方式で 入力軸回転数100rpm程度より 12vバッテリー充電電圧(14V)は達成できた。DC小型モーターであるが整流ブラシが存在するため寿命に制限がでるが 回転数と自己インダクタンス増加の影響が少ない事が分かり 幅広い回転数領域で 良い特性が出てきた。 また コストが低い事も魅力である。
100rpm程度より充電電圧 1000rpm にて15W 外形φ85*60 重量250g 無負荷トルク 200g-cm で回転数の上昇と共にトルクも比例し 風力用途としては 満足する性能と思われる。
(ただし 量産しないと 調達の面で 少々苦労しそうである)
 ”クラゲ翼”も風速比を上げるよう 仰角を小さくなる形状を いろいろとやって 現状3枚翼 までなってしまった。風速比は上がるのだが形状安定性が不安定になってくるので、もう少し改良の余地が有るが、効率は良くなりそうである。

2009/11/31 日テレのぶらり途中下車の旅にて 俳優の阿藤海さん(本当は阿藤”でかい”さんではなかろうか?)に
 撮影用に急遽作製したヘルメット装着型にて番組中に自転車で走って頂いた。
放送的にはコミカルで面白い場面ではあったが、この風車は走って(人力)発電することを目的とをはしていないのです。
町中では風が吹かない為の、デモンストレーションであることを付記させていただきます。
※放送では分かりませんでしたが、ネコの腹筋とヘルメットにつけた白色LEDが結構明るく点灯していたのでした。
(ネコのオモチャの方がおまけなのでした)