JP2005054641A - 風力発電設備 - Google Patents

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Abstract

【課題】 回転機構を用いることなく、風向きの変動に追随して、風を取り込むことを可能すること。
【解決手段】 風力発電設備は、筒状体10と、給気部12と、排気部14と、発電機付き風車16とを備えている。筒状体10は、上下端が閉止された円形断面の円筒体であって、基礎18上に立設されている。風車16は、風車本体16aと、発電機16bとを備えている。風車本体16aが回転駆動されると、発電機16bにより所定の電力が得られる。給気部12は、筒状体10の外周に設けられ、外部からの風圧を受けて開口される常閉型の複数の給気口20を備えている。給気口20は、筒状体10の円筒を周方向に沿って、等角度間隔に12等分するようにした状態で配置されている。排気部14は、筒状体10の外周に設けられ常閉型の複数の給気口22を備えている。
【選択図】 図1

Description

この発明は、風力発電設備に関し、特に、発電機のロータ径が比較的小さく、建物屋上などに設置される風力発電設備に関するものである。
風力発電設備では、発電機のロータ直径が数メートル以下のマイクロ風車を用いるものがあり、この種の発電設備は、居住地域などで利用されていて、風車は、地上数メートル以下の低い場所や、建物屋上に設置されることが多い。
このような発電設備では、風速が小さいだけでなく、周囲の地形や建物などに影響されて、風向や風速の変動が大きくなる。そのため、このような風力発電設備では、(1)低風速でも発電できること、(2)風向,風速の変動が顕著な場合でも、追随しつつ安定した運転ができること、(3)強風などによる風車の翼や支柱などが破損した際の飛散対策が容易であること、(4)発生騒音対策が容易であること、などの要請があった。
そこで、例えば、特許文献1,2には、低風速化に対する対策が提案されており、特許文献1では、風向き方向に開いた専用の集風口を設ける構造が提案され、特許文献3には、屋根の傾斜を利用して風車に風を取り込む構造が提案されている。
また、特許文献1,2では、風向変動に対する追随対策として、尾翼案内風向板を設けている。しかしながら、このような従来の風力発電設備には、以下に説明する課題があった。
特開昭60−36785号公報 特開2003−49760号公報 特開平10−122124号公報
すなわち、特許文献1,2に開示されている風力発電設備では、集風口,風車,発電機などの重量物全体を、風向きに合わせて回転させる構造なので、鉛直荷重を支える部分に、風圧による偏心した不均衡な力がかかり、回転機構に故障が発生し易いという問題があった。
また、特許文献3に開示されている風力発電設備では、建物などの傾斜屋根を集風面の一部として利用するものであるが、騒音に対する対策が講じられておらず、大きな騒音が発生して、周辺に迷惑を及ぼすという問題があった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、風向きに合わせて回転させる機構を用いることなく、風向きの変動に追随して、風を取り込むことが可能で、しかも、騒音の発生が少なくなる風力発電設備を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、軸方向の両端が閉止され、立設設置される筒状体と、前記筒状体の両端に配置される給気部と排気部と、前記筒状体内の前記給気部と排気部との間に配置され、前記給気口から前記排気口に向かう空気流により回転駆動される発電機付き風車とを備え、前記給気部は、前記筒状体の外周に設けられ、外部からの風圧を受けて開口される常閉型の複数の給気口を有し、前記排気口は、前記筒状体の外周に設けられ、内部からの風圧を受けて開口される常閉型の複数の排気口を設けた。
このように構成した風力発電設備によれば、給気部は、筒状体の外周に設けられ、外部からの風圧を受けて開口される常閉型の複数の給気口を有し、排気口は、筒状体の外周に設けられ、内部からの風圧を受けて開口される常閉型の複数の排気口を設けているので、風向きが変わっても、変わった方向に対向するいずれかの給気口が、風圧を受けて開口し、開口した給気口から風が筒状体内に取り込まれ、取り込まれた空気が排気口に向かって流れる空気流となり、この空気流により、発電機付き風車を回転駆動させて、発電させることができる。
この場合、風向きに追随させるための回転機構は、設けていないので、従来のこの種の設備のように、風圧の偏心作用による、故障の恐れがなくなる。
また、空気流により回転駆動される風車は、筒状体内に設置されているので、外部に漏れる騒音量を大幅に低減することができるとともに、発電機付き風車は、筒状体内に設置されているので、これが破損しても、破損した部分が外部に飛散することが防止される。
前記給気部は、前記筒状体の下端側に配置し、前記排気部を前記筒状体の上端側に配置することができる。
前記筒状体は、円形断面の円筒であって、前記円筒を周方向に沿って6ないしは12分割するように前記給気口及びまたは前記排気口を配置することができる。
前記給気口と排気口とは、前記筒状体の軸方向に沿って多段状に配置することができる。
前記給気口と排気口とは、錘付き回転窓から構成することができる。
前記給気部は、前記給気口から流入した空気流を前記風車側に導くノズル型の集風筒と、整流用固定翼とを設けることができる。
前記筒状体は、その内面に覆設された吸音材を有することができる。
前記風車は、その周囲に前記空気流の強さが所定以上に上昇した際に開口する風圧調整部を設けることができる。
本発明にかかる風力発電設備によれば、風向きに合わせて回転させる機構を用いることなく、風向きの変動に追随して、風を取り込むことが可能で、しかも、騒音の発生が少なくなる。
以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。
図1から図4は、本発明にかかる風力発電設備の一実施例を示している。これらの図に示した風力発電設備は、筒状体10と、給気部12と、排気部14と、発電機付き風車16とを備えている。
筒状体10は、上下端が閉止された円形断面の円筒体であって、基礎18上に立設されている。給気部12は、筒状体10の下端側に配置されており、排気部14は、筒状体10の上端側に配置されている。なお、この給気部12と排気部14の位置関係は、例えば、風が筒状体10の上端側に多く吹き付ける場合には、相互の位置関係を逆にしても良い。
発電機付き風車16は、本実施例の場合、複数の翼を有し、筒状体10内において、回転自在に支持された風車本体16aと、風車本体16aの回転軸に連結された発電機16bとを備えていて、筒状体10内において生起される給気部12から排気部14に向かう空気流Wにより、風車本体16aが回転駆動されて、発電機16bにより所定の電力が得られるようになっている。
なお、本実施例の場合には、筒状体10の軸心位置に、発電機16bが連結された1個の風車本体16aを配置しているが、風車本体16aの配置形態は、この状態に限る必要はなく、例えば、小径の風車本体16aを同一平面上に多数隣接配置することも可能であるし、また、小径の風車本体16aを軸方向に沿って所定の間隔を隔てて段状に配置することもできる。多段状に配置する場合には、各段で風車本体16aが同じ軸線上に位置しないようにシフトさせることもできるし、同軸上に設けることもできる。
給気部12は、筒状体10の外周に設けられ、外部からの風圧を受けて開口される常閉型の複数の給気口20を備えている。本実施例の場合、この給気口20は、筒状体10の円筒を周方向に沿って、等角度間隔に12等分するようにした状態で配置されている。
すなわち、各給気口20は、筒状体10の中心に対して、概略30°の当角度間隔で、筒状体10の外周を一周するように、所定の間隔を隔てて、同一円周上に配置されている。
なお、このような給気口20の配置状態は、等角度間隔に12等分することだけでなく、例えば、等角度間隔に6等分するように配置しても良い。また、本実施例の場合、給気口20は、筒状体10の軸方向に沿って、所定の間隔を隔てて5段状に配置されている。
一方、排気部14は、給気口20と同様に、筒状体10の外周に設けられ常閉型の複数の給気口22を備えており、本実施例の場合、この排気口22は、筒状体10の円筒を周方向に沿って、等角度間隔に12等分するようにして配置されている。排気口22は、内部からの風圧を受けて、開口するようになっており、本実施例の場合には、筒状体10の軸方向に沿って、所定の間隔を隔てて、4段状に配置されている。
常閉型の給気口20及び排気口22は、本実施例の場合には、同一構造の錘付き回転窓24から構成されており、その詳細を図3に示している。同図に示した錘付き回転窓24は、窓枠24aと、回転窓24bと、錘24cと、ピンロッド24dとを備えている。
回転窓24bは、中心よりも上部側に偏位した個所が、ピンロッド24dを支点として回転自在に支持されている。錘24cは、回転窓24bの上端に、窓24bの閉止状態に置いて概略水平方向を指向するように固設されている。
このように構成した錘付き回転窓24では、風W0風圧が弱いと、錘24cを含む支点よりも上部側の自重が、支点よりも下部側の自重よりも小さいので、回転窓24bは、窓枠24aに密着して、これを閉止している。そして、風W0所定値よりも大きくなって、風圧を受けた回転窓24bの上部側の合力(自重+風圧)が、支点よりも下部側の自重よりも大きくなると、その大きさに対応して、回転窓24bが回転して、回転窓24が開口される構造になっている。
また、給気部20には、給気口20から流入した空気流Wを、風車16側の導く集風筒26と、整流用の固定翼28とが設けられている。集風筒26は、両端が開口した筒体であって、筒状体10の内径を風車本体16aの外周径に絞り込む形態のノズル状に形成されている。整流用の固定翼28は、集風筒26の内面に、相互に平行になるように固設された平板であって、風車本体16aに導く空気流Wが、風車本体16aの翼と直交するように整流する。
なお、図1および図2に符号30で示した部材は、風車本体16aに導かれる空気流Wの強さが所定以上に上昇した際に開口する風圧調整部である。本実施例の風圧調整部30は、リング板30aと、風圧開閉板30bと、ストッパ30cとを備えている。
リング板30aは、外周面が筒状体10の内面に固設され、内周面側に風車本体16aが配置されるドーナツ型の平板である。風圧調整板30bは、一端側がリング板30aの内周縁にヒンジ結合されていて、先端側が風車本体16aの後方内面側まで延設されていて、空気流Wを受けて、ヒンジ結合部を支点として上下方向に回動するようになっている。ストッパ30cは、風圧調整板30bの背面側に設けられ、風圧調整板30bの上方側への回動を規制する。
このように構成された風圧調整部30によれば、空気流Wの強さが所定以下の場合には、風圧調整板30bが自重により下方に回動して、その先端側が風車本体16aの後方内面側まで延設されていて、空気流Wが風車本体16aに全て当たるようになっている。
一方、空気流Wの強さが所定以上に上昇すると、風圧調整板30bが上方側に回動して、風圧調整板30bと風車本体16aとの間に開口が生じ、この開口を介して、空気流Wの一部が、風車本体16aに当たることなく、排気口22側に流れて、風車本体16aを保護する機能を有している。
このような機能を備えた風圧調整部30は、本実施例の場合、図2に示すように、風車本体16aに対して、90°の等角度間隔で4個配置されている。また、上記下筒状体10の内面には、給気口20と排気口22との部分を除いて、内面に図示省略の吸音材が貼着されている。
以上のように構成された風力発電設備においては、以下に説明するメカニズムにより発電が行われる。まず、円形断面の建築物に対して、外部から風が吹き付けた場合に、軸心上の風向に対して、全周の風圧係数は、図4に示すようになることが実験により確認されている。
図4において、軸心(風向0°)において、1.00の風は、その上下方向の概略45°の範囲内において、正の風圧係数となり、それ以外の部分は、全て負の風圧係数となる。
すなわち、本実施例のように円形断面の筒状体10において、軸心上に風が吹きつけた場合、軸心から上下方向の概略45°の範囲内において、外部から内方に向かう風圧は、正となり、これ以外の部分には、外部から内方に向かう風圧は、負となる。
このような風圧を給気部12が受けると、給気部12は、筒状体10の外周に設けられ、外部からの風圧を受けて開口される常閉型の複数の給気口20を有しているので、軸心から上下方向の概略45°の範囲内に存在する給気口20が、正の風圧を受けて、錘付き回転窓24が錘の付勢力に抗して、回転することで開口するとともに、これ以外の部分の給気口20は、負の風圧が作用するので、開口せずに閉止したままとなる。
すなわち、本実施例の場合には、各給気口20は、筒状体10の中心に対して、概略30°の当角度間隔で、筒状体10の外周を一周するように、所定の間隔を隔てて配置されているので、筒状体10の軸心を中心として、その上下に位置する合計4個の給気口20が開口し、これ以外の8個の給気口20は、閉止した状態となる。
そして、開口した給気口20から筒状体10内に流入した風は、対向している部分の給気口20が閉止しているので、上方に向かう空気流Wとなって、整流用固定翼28で整流されて、集風筒26を介して、絞り込まれた後に、風車本体16aに当たってこれを回転させる。風車本体16aが回転すると、これに発電機16bが連結されているので、発電機16bが回転駆動されて、発電され、得られた電力は、バッテリーなどに蓄電される。
風車本体16aを通過して、空気流Wは、その後、排気部14に流入する。排気部14は、筒状体の外周に設けられ、内部からの風圧を受けて開口される常閉型の複数の排気口22を設けているので、空気流Wを受けた部分の排気口22が開口して、空気流Wは、筒状体10の外部に排出される。
この場合、排気口22は、内部からの風圧を受けて開放されるので、全てが開口することはなく、風圧を受けた部分だけが開口する。この際に開口する排気口22は、通常、給気口20の開口部位と対向する部位となる。
以上のような給気口20と排気口22の開放ないしは開口状態は、風向き変わっても、変わった方向に対向位置するいずれかの給気口20が開口され、開口した給気口20を介して、風が筒状体10内に取り込まれ、取り込まれた空気が排気口22に向かって流れる空気流Wとなり、この空気流Wにより、発電機付き風車16を回転駆動させて、発電させることができる。
この場合、風向きに追随させるための回転機構は、給,排気部12,14に設けていないので、従来のこの種の設備のように、風圧の偏心作用による、故障の恐れがなくなる。また、空気流Wにより回転駆動される風車16は、筒状体10内に設置されているので、外部に漏れる騒音量を大幅に低減することができるとともに、発電機付き風車16は、筒状体10内に設置されているので、これが破損しても、破損した部分が外部に飛散することが防止される。
本発明にかかる風力発電設備は、風力により電気を得ることができるので、例えば、住宅などの発電設備として有効利用することができる。
本発明にかかる風力発電設備の一実施例を示す縦断面説明図である。 図1の要部断面図である。 図1の給気ないしは排気部の詳細説明図である。 円形断面の建築物に作用する風圧係数の説明図である。
符号の説明
10 筒状体
12 給気部
14 排気部
16 風車付き発電機
18 基礎
20 給気口
22 排気口
24 錘付き回転窓
26 集風筒
28 整流用固定翼
30 風圧調整部

Claims (8)

  1. 軸方向の両端が閉止され、立設設置される筒状体と、
    前記筒状体の両端に配置される給気部と排気部と、
    前記筒状体内の前記給気部と排気部との間に配置され、前記給気口から前記排気口に向かう空気流により回転駆動されるる発電機付き風車とを備え、
    前記給気部は、前記筒状体の外周に設けられ、外部からの風圧を受けて開口される常閉型の複数の給気口を有し、
    前記排気口は、前記筒状体の外周に設けられ、内部からの風圧を受けて開口される常閉型の複数の排気口を有することを特徴とする風力発電設備。
  2. 前記給気部は、前記筒状体の下端側に配置し、前記排気部を前記筒状体の上端側に配置することを特徴とする請求項1記載の風力発電設備。
  3. 前記筒状体は、円形断面の円筒であって、前記円筒を周方向に沿って6ないしは12分割するように前記給気口及びまたは前記排気口を配置することを特徴とする請求項1または2記載の風力発電設備。
  4. 前記給気口と排気口とは、前記筒状体の軸方向に沿って多段状に配置することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の風力発電設備。
  5. 前記給気口と排気口とは、錘付き回転窓から構成することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の風力発電設備。
  6. 前記給気部は、前記給気口から流入した空気流を前記風車側に導くノズル型の集風筒と、整流用固定翼とを有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載の風力発電設備。
  7. 前記筒状体は、その内面に覆設された吸音材を有することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載の風力発電設備。
  8. 前記風車は、その周囲に前記空気流の強さが所定以上に上昇した際に開口する風圧調整部を有することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項記載の風力発電設備。
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