JP2007064207A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置場所を選ぶことなく、比較的小規模な発電用として、構成が簡単で安価な風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力発電装置１０は、断面Ｒ形状を有するガイド板２３を円周上に略放射状に複数配置したガイド部１１を有し、複数の回転羽が回転軸に放射状に取り付けられたドラム型風車１２にガイド部１１を介して外部より風を導き、回転軸１２Ａを介して発電装置１３を駆動するとともに、導入された風を導出路３０を介して外部に導出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置に係り、特に設置場所を選ばない小型の風力発電装置に関する。

従来、風力発電装置は、３枚羽根などの大きく長いプロペラを風力エネルギーで直接回転する方式を採用しているものが主流であった（例えば、特許文献１参照）。
このため、広い設置スペースを要し、プロペラ回転およびプロペラの向きを変えても危険のない設置場所を選ぶ必要があった。
さらに、発電効率があまり高くはないため、風が強い場所でないと有効に発電できないという問題点があった。
具体的には、岬などの空間が広く、風が強い場所に設置するのが一般的であった。
特開２００２−２９５３６１号公報

ところで、上述したような場所では障害物も少ないため、雷などが落ちやすく、故障が生じやすいという不具合も生ずる。
また、従来の風力発電装置は、価格も高く、発電効率もそれほど高くはないという問題点があった。
したがって、比較的小規模な発電用として不向きであった。
そこで、本発明の目的は、設置場所を選ぶことなく、比較的小規模な発電用として、構成が簡単で安価な風力発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、風力発電装置は、断面Ｒ形状を有するガイド板を円周上に略放射状に複数配置したガイド部を有し、複数の回転羽が回転軸に放射状に取り付けられたドラム型風車に前記ガイド部を介して外部より風を導き、前記回転軸を介して発電装置を駆動するとともに、導入された風を導出路を介して外部に導出する、ことを特徴としている。
上記構成によれば、断面Ｒ形状を有するガイド板が設けられたガイド部を介して外部よりドラム型風車に風を導き、回転軸を介して発電装置を駆動するとともに、導入された風を導出路を介して外部に導出するので、風を容易に導くことができるとともに、風のエネルギーを効率よく回転エネルギーに変換して、比較的小規模な発電でも高効率で発電が行える。

また、風力発電装置は、断面Ｒ形状を有するガイド板を円周上に略放射状に複数配置したガイド部を有し、断面Ｒ形状を有する回転羽が回転軸に対して略放射状に取り付けられたドラム型風車に前記ガイド部を介して外部より風を導き、前記回転軸を介して発電装置を駆動するとともに、導入された風を導出路を介して外部に導出する、ことを特徴としている。
上記構成によれば、断面Ｒ形状を有するガイド板が設けられたガイド部を介して外部よりドラム型風車に風を導き、ドラム型風車は、断面Ｒ形状を有する回転羽で風を受けて回転軸を回転させ、この回転軸を介して発電装置を駆動するとともに、導入された風を導出路を介して外部に導出するので、風を容易に導くことができるとともに、風のエネルギーを効率よく回転エネルギーに変換して、比較的小規模な発電でも高効率で発電が行える。

この場合において、前記ガイド部は、少なくとも前記円周のうち、少なくとも半周以上、前記ガイド板が設けられているようにしてもよい。
上記構成によれば、設置場所により、導入される風の向きに制限がある場合でも、一定方向に回転軸を回転させて、発電が確実に行える。
また、前記ドラム型風車の下部には、当該ドラム型風車を回転可能に支持するための車輪が設けられているようにしてもよい。
上記構成によれば、より効率的に回転軸を回転させ、効率の良い発電が行える。

本発明によれば、設置場所を選ぶことなく、比較的小規模な発電用として、構成が簡単で安価な風力発電装置を構成することができる。

次に図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態の風力発電装置の側断面図である。
風力発電装置１０は、大別すると、風を内部に案内するガイド部１１と、ガイド部１１により案内された風を受けて回転するドラム型風車１２と、ドラム型風車１２の回転軸１２Ａに回転軸１３Ａが連結された発電装置１３と、風力発電装置１０の上部に設けられた屋根部１４と、を備えている。
ここで、回転軸１２Ａは、軸受け１２Ｂにより上下の所定位置で回転可能に受けられている。

図２は、図１のＡ−Ａ断面矢視図である。
ガイド部１１は、それぞれドーナツ板形状を有する一対の支持板２１、２２の間に、断面Ｒ形状を有するガイド板２３が放射状に複数配置され、支持されている。ここで、各隣設されたガイド板２３同士は、内側（ドラム型風車１２側）の離間距離Ｌ１１が、外側の離間距離Ｌ１２よりも小さくなるように配置されている。
ここで、ガイド板２３の材料としては、大型（直径数十センチメートル〜数メートル）の風力発電装置１０を構成する場合には、ステンレスやアルミなどが用いられ、小型（直径数十センチメートル未満）の風力発電装置１０を構成する場合には、アルミやプラスチックなどが用いられる。

また、ガイド板２３の枚数としては、風力発電装置１０の外径に応じて２０〜３０枚となる。具体的には、風力発電装置１０の外径が５メートルの場合には、ガイド板２３は、３０枚程度が適当である。
また、ガイド板２３の断面における曲率半径Ｒは、風力発電装置１０の外径に応じて適宜設定される。例えば、風力発電装置１０の外径（直径）が１０センチメートルの場合、曲率半径Ｒ＝４０センチメートル程度が適当である。また、風力発電装置１０の外径（直径）が２０センチメートルの場合、曲率半径Ｒ＝６０センチメートル程度が適当である。

ドラム型風車１２は、それぞれドーナツ板形状を有する一対の支持板２４、２５の間に、回転羽板２６Ａおよび回転羽板２６Ｂが、交互、かつ、等角度毎の放射状にそれぞれ複数配置され、支持されている。また、ドラム型風車１２の中心部には、略円筒形の空間として構成されて上下方向に風を導出する導出路３０が設けられている。回転羽板２６Ａ、２６Ｂの下方の支持板２５の下部には、ドラム型風車１２が傾くのを抑制しつつ、回転を容易とするための車輪３１が複数設けられている。

回転羽板２６Ａ、２６Ｂの材料としては、大型の風力発電装置１０を構成する場合には、ステンレスやアルミなどが用いられ、小型の風力発電装置１０を構成する場合には、アルミやプラスチックなどが用いられる。
また、回転羽板２６Ａ、２６Ｂの枚数としては、両者を併せて、風力発電装置１０の外径に応じて８〜２０枚となる。具体的には、風力発電装置１０の外径が５メートルの場合には、回転羽板２６Ａ、２６Ｂの枚数は両者併せて２０枚程度が適当である。

発電装置１３は、支持板２２の下方に設けられており、支持板２６に固定されている。この支持板２６には、当該風力発電装置１０全体の発電制御を行うための制御ユニット３２が設けられている。制御ユニット３２は、電圧変換を行うためのトランスや、各種制御を行うマイクロコンピュータとして構成されたコントローラを備えている。

屋根部１４には、太陽光発電パネル（ソーラーパネル）３５が設けられており、制御ユニット３２の制御下で発電を行うようにされている。
上記構成において、風力発電装置１０の外径、すなわち、ガイド部１１の外径（直径）をｒとした場合に、ドラム型風車１２の外径（直径）は、０．７〜０．８ｒ、導出路３０の直径は、０．１〜０．２ｒ程度とするのが好ましい。具体的には、ガイド部１１の直径を５メートルとした場合、ドラム型風車の直径は４メートル、導出路３０の直径は１メートル程度とすればよい。

次に動作を説明する。
風力発電装置１０の任意の直径方向から吹き付ける風Ｗは、ガイド部１１のガイド板２３に案内され、整流されてドラム型風車１２の回転羽板２６Ａ、２６Ｂに対して吹き付けられる。この場合において、ガイド板２３同士は、内側（ドラム型風車１２側）の離間距離Ｌ１１が、外側の離間距離Ｌ１２よりも小さくなるように配置されているので、案内された風Ｗは、回転羽板２６Ａ、２６Ｂに対してより流速が高くなった状態で吹き付けられることとなる。
これにより風Ｗのエネルギーは、ドラム型風車１２の回転エネルギーに効率よく変換され、ドラム型風車１２の回転軸１２Ａを一定方向（図２では、時計回り方向ＣＷ）に回転させる。

さらに、回転軸１２Ａに連結された発電装置１３の回転軸１３Ａが回転され、発電装置１３により発電がなされることとなる。
このとき、制御ユニット３２の図示しないトランスにより電圧変換がなされ、波形整形あるいは整流が行われて、図示しない蓄電池に蓄電され、あるいは、図示しない電流経路を介して図示しない負荷に供給されることとなる。
その後、回転羽板２６Ａ、２６Ｂに吹き付けられた風Ｗは、ドラム型風車１２の中心部の導出路３０を介して上下方向に導出されるので、発電に寄与した後の風Ｗは、効率よく外部に導出され、風Ｗがスムーズに導出されない場合のように、空気抵抗の増加に伴ってドラム型風車１２の回転が抑制されることがない。

これらの動作と並行して、屋根部１４のソーラーパネル３５は、太陽光により無風時を含む昼間に発電を補助的に行うこととなる。
以上の説明においては、風力発電装置１０の設置場所については、詳しく説明しなかったが、本発明の風力発電装置は、小型であるため、地面、ビルの屋上、屋根の上、庭先、路上等や、山中、海岸等など、ある程度風が吹くと見込まれる場所であれば、どのような場所であっても容易に設置が可能である。

以上の説明のように、本第１実施形態によれば、風力発電装置１０は、狭い設置場所であっても、周囲の風Ｗのエネルギーを効率よくドラム型風車１２の回転エネルギーに変換することができ、ひいては、効率よく発電を行えるので、設置場所を選ぶことなく、効率の高い発電を行える。

また、風力発電装置１０の周面部は回転しないガイド部１１であるので、子供などが触れたとしても安全を確保できる。特にガイド部１の周面に手や指を入れにくいように金網などで覆ったり、風力発電装置１０の周囲を金網製の柵で囲ったりすることにより、より確実に安全を確保できる。

［２］第２実施形態
上記第１実施形態は、ドラム型風車１２の回転羽板が平板形状をしていたが、本第２実施形態のドラム型風車１２Ｘは、断面Ｒ形状を有する回転羽板が放射状に複数配置されている場合の実施形態である。
図３は、第２実施形態の風力発電装置の水平断面図である。
図３に示すように、本第２実施形態のドラム型風車１２Ｘは、断面Ｒ形状を有する回転羽板４１Ａ、４１Ｂが放射状に複数配置され、各隣設された回転羽板４１Ａと、回転羽板４１Ｂとは、内側（ドラム型風車１２Ｘ側）の離間距離Ｌ２１が、外側の離間距離Ｌ２２よりも小さくなるように配置されている。

次に動作を説明する。
風力発電装置１０Ｘの任意の直径方向から吹き付ける風Ｗは、ガイド部１１のガイド板２３に案内され、整流されてドラム型風車１２Ｘの回転羽板４１Ａ、４１Ｂに対して吹き付けられる。この場合において、ガイド板２３同士は、内側（ドラム型風車１２Ｘ側）の離間距離Ｌ１１が、外側の離間距離Ｌ１２よりも小さくなるように配置されているので、案内された風Ｗは、回転羽板４１Ａ、４１Ｂに対してより流速が高くなった状態で吹き付けられることとなる。
この場合において、ガイド板２３同士の離間距離Ｌ１１と離間距離Ｌ１２との比Ｘ１（＝Ｌ１２／Ｌ１１）は、回転羽板４１Ａと回転羽板４１Ｂの離間距離Ｌ２１と離間距離Ｌ２２との比Ｘ２（＝Ｌ２２／Ｌ２１）は、次式の関係となっている。
Ｘ２＜Ｘ１
したがって、第１実施形態の場合と比較して、回転羽板４１Ａ、４１Ｂに対する風圧は増加し、より大きなエネルギーが回転羽板４１Ａ、４１Ｂに与えられることとなる。

すなわち、第１実施形態と比較して、より効率的にドラム型風車１２Ｘの回転エネルギーに変換され、ドラム型風車１２Ｘの回転軸１２Ａを一定方向（図３では、時計回り方向）に回転させ、回転軸１２Ａに連結された発電装置１３の回転軸１３Ａが回転され、発電装置１３により発電がなされることとなる。
その後、回転羽板２６Ａ、２６Ｂに吹き付けられた風Ｗは、ドラム型風車１２Ｘの中心部の導出路３０を介して上下方向に導出されるので、発電に寄与した後の風Ｗは、効率よく外部に導出され、風Ｗがスムーズに導出されない場合のように、空気抵抗の増加に伴ってドラム型風車１２Ｘの回転が抑制されることがない。
以上の説明のように、本第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、風力発電装置１０Ｘは、狭い設置場所であっても、周囲の風Ｗのエネルギーが小さい場合であっても、エネルギーを効率よくドラム型風車１２Ｘの回転エネルギーに変換することができ、ひいては、効率よく発電を行える。

［３］第３実施形態
図４は、第３実施形態の風力発電装置の側断面図である。
図５は、第３実施形態の風力発電装置のＡ−Ａ断面図である。
図４及び図５において、第１実施形態の図１あるいは図２と同様の部分には同一の符号を付すものとする。
本第３実施形態の風力発電装置１０Ｙが第１実施形態と異なる点は、ドラム型風車１２の中心部に設けていた導出路３０を設けていない点である。
これにより、第１実施形態と比較して、ある程度の効率の低下は認められるものの、設置面積を小さくすることができ、よりさまざまな場所に設置することが可能となる。
この場合において、動作については、第１実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
以上の説明のように、本第３実施形態によれば、風力発電装置１０Ｙは、より狭い設置場所であっても、周囲の風Ｗのエネルギーを効率よくドラム型風車１２の回転エネルギーに変換することができ、ひいては、効率よく発電を行えるので、設置場所を選ぶことなく、効率の高い発電を行える。

［４］第４実施形態
上記第３実施形態は、ドラム型風車１２の回転羽板が平板形状をしていたが、本第４実施形態のドラム型風車１２Ｘは、断面Ｒ形状を有する回転羽板が放射状に複数配置されている場合の実施形態である。
図６は、第４実施形態の風力発電装置の水平断面図である。
図６において、第２実施形態の図３と同様の部分には同一の符号を付すものとする。
本第４実施形態の風力発電装置１０Ｚにおいても、ガイド板２３同士の離間距離Ｌ１１と離間距離Ｌ１２との比Ｘ１（＝Ｌ１２／Ｌ１１）は、ドラム型風車１２Ｚの回転羽板４１Ａと回転羽板４１Ｂの離間距離Ｌ２１と離間距離Ｌ２２との比Ｘ２（＝Ｌ２２／Ｌ２１）は、次式の関係となっている。
Ｘ２＜Ｘ１

したがって、第３実施形態の場合と比較して、回転羽板４１Ｂに対する風圧は増加し、より大きなエネルギーが回転羽板４１Ｂに与えられることとなる。
したがって、第３実施形態と比較して、より効率的にドラム型風車１２Ｚの回転エネルギーに変換され、ドラム型風車１２Ｚの回転軸１２Ａを一定方向（図６では、時計回り方向ＣＷ）に回転させ、回転軸１２Ａに連結された発電装置１３の回転軸１３Ａが回転され、発電装置１３により発電がなされることとなる。
以上の説明のように、本第４実施形態によれば、第３実施形態の効果に加えて、風力発電装置１０Ｙは、狭い設置場所であっても、周囲の風Ｗのエネルギーが小さい場合であっても、エネルギーを効率よくドラム型風車１２Ｘの回転エネルギーに変換することができ、ひいては、効率よく発電を行える。

［５］第５実施形態
図７は、第５実施形態の風力発電装置の側断面図である。
以上の各実施形態は、ドラム型風車および発電装置をそれぞれ一つずつ設けた場合の実施形態であったが、本第５実施形態は、一つの風力発電装置１０Ｍに複数（図７では、二組）のドラム型風車１２および発電装置１３を設けた場合の実施形態である。
本第５実施形態によれば、設置面積が同一の場合、ドラム型風車の重量を低減することができ、同一の風エネルギーであれば、より高効率で発電を行うことができる。
この場合においても、第１実施形態と同様の回転羽板の構造あるいは第２実施形態と同様の回転羽板の構造のいずれを採用することも可能である。

［６］第６実施形態
上記各実施形態は、いずれの方向からであっても風が流れ込む可能性がある場合の実施形態であったが、本第６実施形態は、壁面に近接して風力発電装置を設置する場合の実施形態である。
図８は、第６実施形態の風力発電装置の水平断面図である。
図８に示すように、本第６実施形態の風力発電装置１０Ｎのガイド部１１Ｎは、ドラム型風車１２を確実に矢印方向ＣＷ方向に回転させるべく、図８中、左側にのみガイド板１１ＮＡを設けている。この場合において、風力発電装置１０Ｚの周面は、複数の支柱５０で支持された金網５１で覆ってあり、手や指などが差し込まれないようにしている。
本第６実施形態によれば、壁面に近接して配置されるなど、全周方向から風が導入されない場合であっても、確実にドラム型風車１２を一定方向に回転させて発電を効率よく行うことができる。
以上の説明では、円周の半分（半周）にガイド板を設けていたが、風向に応じて半周より大きく全周未満の領域にガイド板を設けるように構成することも可能である。

［７］第７実施形態
上記各実施形態は、風力発電装置を地面やビルの屋上などに設置する場合について説明したが、本発明の風力発電装置は、小型化が容易で、高効率であるため、携帯電話端末、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡなどの携帯型電子機器に取り付けることも可能である。
そこで、本第７実施形態は、本発明の風力発電装置を携帯電話端末に設けた場合のものである。

図９は、第７実施形態の説明図である。
携帯電話端末６０の上端面には、本第７実施形態の風力発電装置６１が設けられている。 風力発電装置６１は、図示しないドラム型風車を内蔵し、直径５ミリメートル〜１センチメートル程度とされたガイド部６２を有し、ガイド部６２の下部には、発電装置６３が配置されている。この発電装置６３の発電電力は、図示しない電気経路及び電力変換回路（整流回路も含む）を介して、携帯電話端末６０が内蔵するバッテリーに供給されることとなる。
本第７実施形態の風力発電装置６１の図示しないドラム型風車は、非常に軽量であるので、ユーザが息をかけたり、携帯時の周囲で風が吹くことにより容易に回転し、発電が行えるので、補助電源として有効である。
［８］実施形態の効果
以上の説明のように、各実施形態によれば、設置場所を選ぶことなく、比較的小規模な発電用として、構成が簡単で安価な風力発電装置を構成することができる。

第１実施形態の風力発電装置の側断面図である。 図１のＡ−Ａ断面矢視図である。 第２実施形態の風力発電装置の水平断面図である。 第３実施形態の風力発電装置の側断面図である。 第３実施形態の風力発電装置のＡ−Ａ断面図である。 第４実施形態の風力発電装置の水平断面図である。 第５実施形態の風力発電装置の側断面図である。 第６実施形態の風力発電装置の水平断面図である。 第７実施形態の説明図である。

符号の説明

１０、１０Ｍ、１０Ｎ、１０Ｘ、１０Ｙ、１０Ｚ…風力発電装置、１１、１１Ｎ…ガイド部、１２、１２Ｘ、１２Ｚ…ドラム型風車、１２Ａ…回転軸、１３…発電装置、１４…屋根部、２１〜２６…支持板、２６Ａ、２６Ｂ…回転羽板、３０…導出路、３１…車輪、３２…制御ユニット、３５…ソーラーパネル、４１Ａ…転羽板、４１Ｂ…回転羽板、５０…支柱、５１…金網、６０…携帯電話端末、６１…風力発電装置、６２…ガイド部、６３…発電装置、Ｗ…風。

Claims (4)

1. 断面Ｒ形状を有するガイド板を円周上に略放射状に複数配置したガイド部を有し、
   複数の回転羽が回転軸に放射状に取り付けられたドラム型風車に前記ガイド部を介して外部より風を導き、前記回転軸を介して発電装置を駆動するとともに、導入された風を導出路を介して外部に導出する、
   ことを特徴とする風力発電装置。
2. 断面Ｒ形状を有するガイド板を円周上に略放射状に複数配置したガイド部を有し、
   断面Ｒ形状を有する回転羽が回転軸に対して略放射状に取り付けられたドラム型風車に前記ガイド部を介して外部より風を導き、前記回転軸を介して発電装置を駆動するとともに、導入された風を導出路を介して外部に導出する、
   ことを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１または請求項２記載の風力発電装置において、
   前記ガイド部は、少なくとも前記円周のうち、少なくとも半周以上、前記ガイド板が設けられていることを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の風力発電装置において、
   前記ドラム型風車の下部には、当該ドラム型風車を回転可能に支持するための車輪が設けられていることを特徴とする風力発電装置。
   
   

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