JP2006348866A - Wind power generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、風力発電装置に関し、詳しくは、自然の風力が有するエネルギーを有効に利用して発電を行う風力発電装置に関する。 The present invention relates to a wind turbine generator, and more particularly, to a wind turbine generator that generates power by effectively using energy of natural wind power.
風力発電装置は、従来から種々の形式のものが提案され、また、実施されてきている。これらの中で、風洞の側面部に風取り入れ口を90度間隔で4箇所設け、風洞内に取り入れた風によってファンを回転させる方式のものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかし、上述のものでは、風洞周辺の風を風洞内に効率よく取り入れることができず、さらに、風洞内に取り入れた風が風洞内から風下側に吹き抜けてしまうという問題もあり、風のエネルギーを有効利用しているとはいえなかった。また、従来から、ラッパ状の開口を風上側に向けることによって風を集めることも行われているが、風向きによって開口の向きを調節しなければならず、複雑な機構が必要で、大型化は困難であった。 However, in the above-mentioned, the wind around the wind tunnel cannot be efficiently taken into the wind tunnel, and further, the wind taken into the wind tunnel blows from the wind tunnel to the leeward side. It could not be said that it was used effectively. Conventionally, wind has been collected by directing the trumpet-shaped opening toward the windward side, but the direction of the opening must be adjusted according to the wind direction, and a complicated mechanism is required. It was difficult.
そこで本発明は、風向きに関係なく弱い風のエネルギーも有効に利用して効率よく発電を行うことができ、シンプルな構造で大型化、高出力化にも容易に対応することができる風力発電装置を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention can efficiently generate power by effectively using weak wind energy regardless of the wind direction, and can easily cope with an increase in size and output with a simple structure. The purpose is to provide.
上記目的を達成するため、本発明の風力発電装置は、基礎面から鉛直方向に立設した筒状部材からなる風洞と、前記筒状部材の周壁から法線方向に延出した複数の集風板と、該集風板相互間及び筒状部材の上端開口を閉塞する天板と、前記筒状部材の周壁に設けられて前記集風板によって集約された風を前記風洞内に導く複数の風取込口と、該風取込口に設けられて筒状部材外部から筒状部材内部への風の流通のみを許容する逆流防止手段と、前記風洞の一端部から吹き出す風によって駆動されるタービンと、該タービンにより駆動される発電機とを備えていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a wind turbine generator according to the present invention includes a wind tunnel made of a cylindrical member erected in a vertical direction from a base surface, and a plurality of wind collecting members extending in a normal direction from the peripheral wall of the cylindrical member. A plurality of plates, a top plate that closes between the air collecting plates and the upper end opening of the tubular member, and a plurality of winds that are provided on the peripheral wall of the tubular member and guide the wind collected by the air collecting plate into the wind tunnel Driven by a wind inlet, a backflow prevention means provided at the wind inlet and allowing only the flow of wind from the outside of the cylindrical member to the inside of the cylindrical member, and the wind blown from one end of the wind tunnel A turbine and a generator driven by the turbine are provided.
特に、本発明の風力発電装置は、前記集風板が筒状部材の周方向に6枚が等間隔で設けられていること、さらに、前記風洞内に取り込まれた過剰の風を排出する余剰風排出部が設けられていることを特徴としている。 In particular, in the wind power generator of the present invention, six air collecting plates are provided at equal intervals in the circumferential direction of the cylindrical member, and surplus air that exhausts excess wind taken into the wind tunnel is discharged. A wind discharge part is provided.
本発明の風力発電装置によれば、複数の集風板、特に、6枚の集風板によって風を風洞方向に集めるので、いかなる方向から吹く風も風上側に位置した数枚の集風板の作用で風洞内に圧縮した状態で導くことができる。さらに、風取込口には逆流防止手段を設けているので、風洞内に取り込んだ風が風下側に吹き抜けることがない。また、風洞内の余剰の風を余剰風排出部から排出することにより、強風時でもタービンに大きな負荷が掛かることがなくなる。そして、基本的に、タービンや発電機を設置した地上の基礎面から鉛直方向に筒状部材と複数の集風板とを立設するだけで形成できるので、設置場所の平均風速や必要発電量等の条件に応じて筒状部材の高さ、風洞の径、集風板の幅寸法を適宜設定することができ、設置場所の各種条件に適応した風力発電装置、風力発電設備を設置することができる。 According to the wind power generator of the present invention, the wind is collected in the direction of the wind tunnel by the plurality of air collecting plates, in particular, the six air collecting plates, so that several air collecting plates are located on the windward side. It can guide in the state compressed in the wind tunnel by the action of. Furthermore, since the backflow prevention means is provided at the wind intake port, the wind taken into the wind tunnel does not blow through to the leeward side. In addition, by discharging the excess wind in the wind tunnel from the excess wind discharge section, a large load is not applied to the turbine even in a strong wind. Basically, it can be formed simply by erecting a cylindrical member and a plurality of air collecting plates in the vertical direction from the ground surface on which the turbine or generator is installed. The height of the cylindrical member, the diameter of the wind tunnel, and the width of the air collecting plate can be set appropriately according to the conditions such as, and wind power generators and wind power generation equipment adapted to various conditions of the installation location should be installed Can do.
図1乃至図6は、本発明の風力発電装置の一形態例を示すもので、図1は一部断面正面図、図2は横断面図、図3は装置中央部の縦断面図、図4は装置中央部の横断面図、図5は装置下部の縦断面図、図6は逆流防止手段の一例を示す縦断面図である。 1 to 6 show an embodiment of the wind power generator according to the present invention. FIG. 1 is a partially sectional front view, FIG. 2 is a transverse sectional view, and FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a central portion of the apparatus. 4 is a cross-sectional view of the central part of the apparatus, FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of the lower part of the apparatus, and FIG. 6 is a vertical cross-sectional view showing an example of the backflow prevention means.
この風力発電装置10は、地下に発電機室11を設けた地上に集風手段12を設けたものであって、集風手段12は、基礎13の上方に立設した筒状部材14と、下端が基礎13に固設され、基部が筒状部材14の壁面に固定された6枚の集風板15と、筒状部材14の上端開口及び隣接する集風板15同士の上端開口を閉塞する天板16と、筒状部材14の壁面に設けられた風取込口17とを有している。
This
筒状部材14は、その内部に地下の発電機室11に至る風洞18を形成するものであって、横断面は、周壁を周方向に12等分した正12角形状に形成されており、各辺には、前記集風板15の取付部と前記風取込口17とが交互に設けられている。この筒状部材14は、その高さや径に応じて周方向及び高さ方向に複数に分割形成し、風力発電装置の設置場所にて組み立てることができる。また、筒状部材14は、高さ方向全体を同一径としてもよく、筒状部材14の強度や風洞18内の圧力状態等に応じて下方を大径に、上方を小径とした緩やかな円錐形状とすることもできる。
The
集風板15の基部は、筒状部材14の外壁に固着されており、2枚の板状部材と骨部材とを組み合わせることによって幅方向中間部が僅かに弓状に膨らんだ形状としている。この集風板15も、高さや幅に応じて高さ方向及び幅方向に複数に分割形成して組み立てることができる。
The base portion of the
集風板15は、風向きが年間を通して略一定の方向であれば2〜3枚とすることも可能であるが、全方向からの風を効率よく集風するためには6枚が最適である。すなわち、図2に示すように、集風板15を筒状部材14の周囲に等間隔で6枚設置することにより、いずれの方向からの風であっても、最低でも隣接する2枚の集風板15によって風を中心部に集めて風洞18内に導くことができる。なお、集風板15を7枚以上設置することも可能であるが、装置コストが上昇する割には集風効果の向上は小さく経済的ではない。
The
このように設置した集風板15により集められた風は、下方が基礎13、上方が天板16によって囲まれた三角形の頂点に向かって収斂する状態となるので、圧力が上昇した状態になって風洞18内に流入する。
The wind collected by the
筒状部材14及び集風板15は、風力発電装置全体の大きさや予測される最大風速等の条件に応じて適当な材料及び製造方法を採用することができる。一般的には、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の耐食性に富んだ金属材料が好適であり、また、金属製の骨組に防蝕鉄板やFRP等の板材を張り付ける構造とすることもできる。
The
集風板15の幅寸法は、風力発電装置の設置場所における各種条件に応じて決定することができ、また、風力発電装置の高さと直径(集風板15の先端部を通る円の直径)の比率も任意に決定することができる。例えば、高さ制限がない場合には、高さを100mあるいは200m以上に高くして集風板15を幅狭にしてもよく、設置面積に余裕がある場合には、高さを低く抑えて集風板15の直径を100m以上に大きくすることができる。通常は、地表部に比べて安定している上空の風を効果的に集風できるように、できるだけ高く形成することが好ましい。また、高層ビルの屋上等ならば高さや直径が数m乃至10m程度のものでも十分な集風力を得ることができる。
The width dimension of the
建築物としての風力発電装置10の強度は、筒状部材14を中心として6方向に集風板15を設けているので、筒状部材14の高さ、集風板15の幅を適切に設定することにより、強風や地震に対しても十分な強度を得ることが可能である。また、必要に応じて集風板15の先端等に集風板同士を連結する補強部材を設けることもでき、耐震性に対しては適当な柔構造を採用することもできる。
As the strength of the
前記風取込口17は、筒状部材14の壁板を上辺を残して筒内側に四角形状に打ち抜くことによって壁板に開口17aを設けたものであって、内部側(風洞18側)には、開口17aの上部を覆う形状の風ガイド17bが形成されている。さらに、開口17aの外部側には、筒状部材14の外部から筒状部材14の内部に向かう風の流通のみを許容する逆流防止手段19が設けられている。
The
逆流防止手段19は、風取込口17側及び下方が開口した弁箱19aと、該弁箱19aの下部に設けられた弁座部19bと、該弁座部19bを開閉する球状弁体19cとで構成した、いわゆるリフト式の逆止弁構造を有するものであって、風取込口17における外部側の圧力が内部側より高くなると球状弁体19cが弁箱19a内で風圧により浮上することにより弁座部19bと開口17aとが連通し、内部側の圧力が外部側よりも高くなると球状弁体19cが自重及び風圧により弁座部19bに押し付けられて弁座部19bを閉塞する。
The backflow prevention means 19 includes a
したがって、風上側に位置した逆流防止手段19は、風圧によって自動的に開状態となり、風上側以外の逆流防止手段19は自動的に閉状態となるように形成されている。なお、逆流防止手段19にはスイング式やバネ式の逆止弁構造も採用できる。また、球状弁体19cをゴム製とすることにより、弁座部19bとの密着性を向上させて確実な閉塞状態が得られる。
Therefore, the backflow prevention means 19 positioned on the windward side is automatically opened by the wind pressure, and the backflow prevention means 19 other than the windward side is automatically closed. The backflow prevention means 19 can also employ a swing type or spring type check valve structure. Further, by making the
このように形成した風取込口17及び逆流防止手段19は、弁箱19aの下方のみを開口させていることで、開口17aから風洞18内への雨水の浸入を抑えることができ、風ガイド17bによって風洞18内に下方の発電機室11に向かう風の流れを形成することができる。また、逆流防止手段19によって風洞18内に取り込んだ風が吹き抜けることを防止しているので、風洞18内に取り込んだ風を発電用として有効に利用することができる。
The
風取込口17の大きさ(流量)や設置数は、集風板15によって集風される風量に応じて設定され、集風板15の幅寸法が小さければ設置数を少なく、あるいは、小さな風取込口17とし、集風板15の幅寸法が大きいときには、設置数を多くして風取込口17も大きなものとすればよい。
The size (flow rate) and the number of installations of the
地下に設けられた発電機室11には、風洞18内に取り込んだ風によって回転駆動されるタービン21と、このタービン21によって駆動される発電機22と、その他の送電設備等が設けられている。このタービン21及び発電機22には、風洞18からタービン21に供給される風圧、風量に対応したものを選択して使用することができ、風力発電装置10の設置場所における電力の使用目的に応じて選択すればよい。また、タービン21及び発電機22は、一つの風洞18に対して複数設け、風速に応じて発電機22の稼働数を増減させるようにしてもよい。
The
一方、風洞18の上下両端部には、風洞18内に取り込まれた過剰の風を排出する余剰風排出部23,24がそれぞれ設けられている。この余剰風排出部23,24は、強風時におけるタービン21の過負荷を防止するためのものであって、風洞18内の圧力があらかじめ設定した圧力を超えたときに風洞18内から外部に圧力を逃がす構造の弁、例えば保圧弁を使用することができ、また、逆流防止手段19と同じ構造で、球状弁体19cの重量を設定圧力に応じて調節したものを使用することも可能である。
On the other hand, surplus
余剰風排出部23,24の作動圧力は同一に設定することができるが、風洞18内の風の流れを考慮すると、下方の余剰風排出部23の作動圧力を低く設定することが好ましい。また、余剰風排出部23,24における排気流量も同一としておくとができるが、台風等の強風時を考慮すると、作動圧力を高めに設定した上方の余剰風排出部24の排気流量を多く設定しておくことにより、通常の風力の変動範囲では、作動圧力を低く設定した下方の余剰風排出部23のみが作動して風洞18内の風の流れを乱さずに少量の余剰風を排出し、台風等の強風時には作動圧力を高く設定した上方の余剰風排出部24も作動して大量の余剰風を排出することにより、タービン21等の機器を確実に保護することができる。
The operating pressures of the surplus
また、排気方向を風下側に向けることができるように、複数の方向に向けて余剰風排出部を設けておくこともできる。さらに、発電機22の発電状態に応じて排気量を自動的に調整する自動調整式の余剰風排出部を設けることもできる。また、風洞18の底部には風洞18内の水分を排出するドレンを設けておくことが好ましい。
Moreover, the surplus wind discharge part can also be provided toward several directions so that an exhaust direction can be turned to the leeward side. Furthermore, an automatically adjustable surplus wind discharge unit that automatically adjusts the displacement according to the power generation state of the
さらに、風取込口17から風洞18内に異物が侵入することを防止するため、風取込口17の外側にスクリーン25を設置しておくことが好ましい。スクリーン25は、例えば、通常の金網等を利用して形成することができ、方形の金網25aの四辺をフレーム25bにて保持し、このフレーム25bを隣接する集風板15間に上下方向に適当な間隔で設けた水平方向の支持部材26で支持することによって所定位置に設置することができる。また、支持部材26を設けることにより、隣接する集風板15の基部付近同士を連結して集風板15の基部を補強することができる。さらに、集風板15の基部付近に梯子(ステップ)27をそれぞれ設けておくことにより、逆流防止手段19やスクリーン25の保守、点検を行うことができる。
Furthermore, in order to prevent foreign matter from entering the
このように、風力発電装置10における集風手段12として筒状部材14と、複数、特に6枚の集風板15とを組み合わせることにより、様々な方向からの風を有効に捕集して発電用に使用することができるので、弱風状態でも十分な発電出力を得ることができる。また、設置場所の条件に応じて高さと直径とを選択することによって必要な電力供給を安定して行うことができる。さらに、比較的小型の風力発電装置10では、基礎13に代わる底板を組み合わせて集風手段12をユニット化することも可能であり、この複数のユニットを積み重ねて用いることもできる。
In this way, by combining the
また、天板16の上面は、天板16の高さや広さに応じて様々な用途が考えられる。例えば、僻地や離島に設置した風力発電装置では、平板状態のままでもヘリポートとして利用でき、天板16の上に電波塔や無線中継所、測候所、天体観測所等を設置することもできる。さらに、都市部や近郊に設置した風力発電装置ならば、集風板15の側面15aを広告宣伝用として利用することができ、集風板15に周囲の景観に応じた着色や模様を施したり、夜間にライトアップしたりすることも可能である。なお、天板16の高さが所定高さを超える場合には、法規に基づいて航空障害灯を設置したり、所定の塗色を施す必要がある。
The top surface of the
図7及び図8は、本発明の風力発電装置の上部に建物を設置した形態例を示すもので、図7は正面図、図8は横断面図である。本形態例では、集風板15の先端を結ぶ直線に対応させて平面視六角形の建物31を構築するとともに、屋上32にアンテナ33を設置している。さらに、各集風板15の間には、水平方向の作業フロア34を複数段設けるとともに、各作業フロア34及び建物31を支持するための複数の支柱35を設けている。加えて、本形態例では、集風板15の内部にエレベータ36を収容して建物31への昇降を容易に行えるようにしている。
7 and 8 show an example in which a building is installed on the wind power generator of the present invention, FIG. 7 is a front view, and FIG. 8 is a cross-sectional view. In the present embodiment, a
例えば、大規模発電用として、高さが150m程度、集風板15の直径が100m程度の風力発電装置を考えると、風洞18を形成する筒状部材14の外径は10m程度となる。この筒状部材14の外周は約30mとなるので、12等分すると約2.5mとなる。風取込口17を設ける部分の幅寸法を多少狭くすれば、集風板15の基部の厚さを約3mとすることができるので、集風板15の内部にエレベータ36や非常階段を収納するのに十分なスペースが得られる。さらに、集風板15の底部をエレベータ36への通路37として利用することもできる。
For example, when considering a wind power generator having a height of about 150 m and a
なお、集風板15の基部に十分なスペースが得られない場合は、集風板15の中間部や先端部にエレベータを設けることもできる。また、エレベータを設ける場合には、平均的に風下側となる部分に設けることが望ましく、必要に応じて2方向以上に分散して設けることも可能である。
If a sufficient space cannot be obtained at the base of the
このようにしてエレベータ36を設置することにより、建物31内を一般の人が利用可能な展望フロアやレストランとして活用することができ、また、アンテナ33を管理、使用する事業者の事務室等としても活用することができる。したがって、風力発電装置としての機能だけでなく、様々な機能を付加することができる。
By installing the
風力発電装置10の大きさを試算したところ、例えば、風洞直径0.3m、高さ3〜5m、直径1〜2m程度で一般家庭や農業用ハウス等の電力供給用として利用することが可能であり、風洞直径0.6m、高さ40m、直径4m程度にすれば小規模なビルやマンションに、風洞直径1m、高さ80m、直径10m程度にすれば工場やビルやマンションに、風洞直径2m、高さ100m、直径20m程度にすれば大きな工場あるいは地域の発電施設に、それ以上の大きさにすれば、例えば風洞直径3m、高さ150m、直径50m、さらに、風洞直径4m、高さ200m、直径80m、また、風洞直径10m、高さ300m、直径200m等の風力発電装置10を構築することにより、都市部や近郊部、工業団地等での発電施設としても十分に利用可能である。
When the size of the
10…風力発電装置、11…発電機室、12…集風手段、13…基礎、14…筒状部材、15…集風板、16…天板、17…風取込口、17a…開口、17b…風ガイド、18…風洞、19…逆流防止手段、19a…弁箱、19b…弁座部、19c…球状弁体、21…タービン、22…発電機、23,24…余剰風排出部、25…スクリーン、26…支持部材、27…梯子、31…建物、32…屋上、33…アンテナ、34…作業フロア、35…支柱、36…エレベータ、37…通路
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