JP2008297998A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の集風板で構成した集風部によって風を案内し、また風を逃がしながら風車を回転させるので、強風時における風車と集風部の破損を防止した発電をすることができる風力発電装置を提供する。
【解決手段】この発明は、回転軸５に沿って該回転軸５の回りに複数の羽根２１を配設した風車２と、上記回転軸５の回転によって駆動される発電機７と、上記風車２の外周側に該外周空間の風を受止めて風車２に向かって案内する集風部４とを設置している。
上記集風部４は、風車２への送風量が過剰となる強風時には風を風車２以外の方向に案内するように受止める風の風向又は風量を調節可能に構成している。
風車２と集風部４は単一のユニットとして構成され、風車２の回転軸５を横方向に連結して上記ユニットを増設するとともに、集風部４の風向又は風量の調節機構を連動可能に連結構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

従来、発電用の風車を集風部の風下側に設置して風力回転させて発電をする風力発電装置（風力利用装置）は特許文献１で示されるように既に公知である。
この風力発電装置は、横向回転型の風車を建物の壁面又は屋根に設置し、この設置面を集風部となして風を案内し、風下側の風車を回転させて発電する機構である。
特開２００１−１９３６３１号公報

上記特許文献１の風力発電装置は、風車を建物や防波堤等の施設に設置するので、施設自体が有する設置面を利用して集風部を構成することができる利点がある。
然し、上記風力発電装置は広い設置面に強風が吹き付けた場合、単に平坦な設置面は強風をそのまま風車に向けて案内するので、風車に強大な風圧を与えると共に風車が過剰回転をして破損し易い等の欠点がある。また横向回転型の風車は、横方向（車軸方向）から吹いてくる横風に対して、回転適応範囲（風向範囲）を拡大し難く受風角度も固定されているため、集風部の下手側で風車を安定回転させて発電を効率よく行うことが困難である等の課題がある。
また、防風のために風力発電プラントを沿岸部に設置することも考えられているが、防風機能を発揮するには装置全体が大規模となりコスト的にも景観的にも課題があった。

上記課題を解決するための風力発電装置は、第１に、回転軸５に沿って該回転軸５の回りに複数の羽根２１を配設した風車２と、上記回転軸５の回転によって駆動される発電機７と、上記風車２の外周側に該外周空間の風を受止めて風車２に向かって案内する集風部４とを設置し、該集風部４を、風車２への送風量が過剰となる強風時には風を風車２以外の方向に案内するように受止める風の風向又は風量を調節可能に構成したことを特徴としている。

第２に、風車２と集風部４を単一のユニットとして構成し、風車２の回転軸５を横方向に連結して上記ユニットを増設するとともに、集風部４の風向又は風量の調節機構を連動可能に連結構成したことを特徴としている。

第３に、複数枚の集風板３を風車２の外周の空間において、正面方向からの風を受止める向きに集風部４を配置してなり、上記集風板３を通過する風の上記通過方向に対して傾斜調節可能に構成し、風車２に対する風の風向又は風量を調節せしめることを特徴としている。

第４に、集風板３を風車２の回転軸５に対し傾斜させる方向に傾斜調節可能に構成し、風車２の回転軸５に沿う方向の風を風車２に向かって送風されるように案内することを特徴としている。

第５に、集風部４が防風柵を兼用することを特徴としている。

以上のように構成される本発明によれば、風量や風速が風車に過度な負担を掛けない通常状態では、風車の軸回りの風を集風部で風車に向かって案内するので、少ない風量でも風車は定格通りの出力で安定的に作動し、逆に風車に過度の負担を掛ける強風時には、風車軸回りの風を風車以外の方向（主として後方）に案内するので、集風部自体にも風車にも過度な風圧が掛かることもなく、それによって破損することもない。

風車と集風部をユニット化して増設可能にすることにより、設置現場の条件や希望する発電能力等に応じて装置の大きさを自由に設定できる。
集風部において集風板を傾動調節可能に構成しているので、風の量や風力等を制御し、風車自体に過度な風圧を与えることがない。

また上記集風板は風車の軸方向に沿う方向にも傾斜角を調節できるので、風車の側方から来る（軸方向の）風も風車に向かって案内することができ、所謂横風の場合も風車を作動させることが可能となる。

さらに本発明の装置は、集風部を防風柵に兼用することにより、従来の防風柵に形状的に近いフェンス状の形態であって景観的にも違和感がなく、また、強風から植生及び各種施設を保護しながら発電を行うことができる利点がある。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の風力発電装置１の全体構造を模式的に示す正面図であり、正面からの風を受けて発電する使用態様を示す。図２は図１の発電装置１が横方向からの風を受けて発電する使用態様を示す。図３は上記発電装置１を構成する風車２と複数の集風板３を有する集風部４等からなる発電ユニット１ａのユニット構造を示す正面図である。図４は図３の構成を示す側面図である。図５は集風板３の閉状態を示す正面図であり、図６は図５の側面図である。図７は集風板３の半開状態を示す正面図であり、図８は図７の側面図である。図９は集風板３の全開状態を示す正面図であり、図１０は図９の側面図である。

先ず図示例の発電装置１は、例えば強風地帯の沿岸域に海に面して設置し、風力エネルギを利用した発電と植生及び農業用ハウス等の各種施設の保護や防風林の育成、或いは農水産業における強風害、交通障害等への防風対策を同時行うことができる構成となっている。
即ち、この発電装置１は集風部４の上部に風車２を備えた複数の発電ユニット１ａを、各風車２の回転軸５を軸方向に連結して横方向に列設し、端部側の発電ユニット１ａの風車２の回転軸５に制御部（発電制御ユニット）６が備える発電機７を設けている。

以下各部の構成について説明する。図３，図４に示すように発電ユニット１ａは、左右両端に位置する縦フレーム８（装置フレーム）の上部で回転軸５の両側を回転自在に軸支している。集風部４は左右の縦フレーム８を風車２の下方で、正面側からの風を遮るように複数枚の集風板３を配置して構成されている。各集風板３は、縦フレーム８と交差して設けられた横フレーム９に後端を軸支され、前端は上下揺動調節される。尚、上記縦フレーム８は側面視で二股形状をなし地面に安定的に立設される。また各縦フレーム８の下端の地中埋設部には、埋設後に土中で広がる爪を付した簡易施工法による埋設構造を採用することができる。

図示例の集風板３は、それぞれ防風面の受風角度を調節する受風角度調節機構１０を備えて連結フレーム９に取付支持しており、これにより風車２に案内する風の方向や強さを制御する機能を有して、集風部４の上部に設置された風車２に向かって風を案内し、且つ風車２に対して適切な防風効果を得ることができる。

即ち、集風板３はその上辺の中央部にパイプ状の取付筒軸１１を有し、且つ下辺（前端）の中央部に後述する開閉リンク１２を枢支する連結軸１３を設けている。一方縦フレーム８の最上段の横フレーム９には傾斜モータ１４を設置しその回転軸１５の先端に取付軸１６を横設し、該取付軸１６に最上段の集風板３の取付筒軸１１を回動自在に挿入支持している。
また下段に位置する各集風板３は、その取付筒軸１１を下段の横フレーム９の中央部に前方に向けて突設した回転軸１５ａの先端に横設された取付軸１６ａに回動自在に挿入支持している。

この状態において上下段に支持される各集風板３は、各取付筒軸１１の一側端を傾斜リンク１７によって互いに連結している。これにより傾斜モータ１３が制御部６の制御指令又は人為操作によって正逆回転すると、最上段の集風板３は回転軸１５を支点とし上下方向に傾斜回動し、各傾斜リンク１７を介し下段の各集風板３を共に同方向に追随回動させることができる。この集風板左右回動手段によって集風板３を正面視で右方向又は左方向に傾斜させ、横方向からの横風であっても風車２に向けて確実に案内することができる。
尚、図示例の集風板３は回転軸１５を支点に、左右に各３０度程度の範囲で傾斜調節することができる。

また集風部４は最上段の横フレーム９の中央部に開閉モータ１８を設け、モータ軸が備える作動リンク１９の先端に、リンク軸２０を介して最上段の集風板３の開閉リンク１２を連結し、且つ各集風板３は各連結軸１３を介して開閉リンク１２で連結している。
これにより開閉モータ１８が制御部６の制御指令又は人為操作によって正逆回転すると、最上段の集風板３が作動リンク１９と開閉リンク１２を介し下段の集風板３を上下方向に開閉回動させる。この集風板開閉手段によって正面方向からの風を風車２に向けて案内するほか、風の一部を集風板３の後方に向かって案内する（逃がす）ことができる。

尚、上記風車２は回転軸５の回りに複数の羽根２１を配置した籠型風車を横向に支持して回転させる方式である。即ち、図示例の風車２では回転軸５の外周に長板片からなる複数の羽根２１を配設し、風車２に直接的に当たる風並びに集風部４で案内されて送られる風を受けて回転させることができる。

以上のように構成される発電ユニット１ａは、個々の風車２の回転軸５に制御部６を設けると各単体ユニット毎に発電をすることができるが、実施形態のように発電装置１を横方向に並設し、防風柵を兼ねて使用するような場合には、１つの発電ユニット１ａに対してのみ発電機７を設置し、この発電ユニット１ａに対し他の発電ユニット１ａを風車２の軸方向に並べて縦フレーム８を連結し、また隣接する各風車２の回転軸５を自在継手型のジョイント２２で着脱自在に連結することが望ましい。

また上記発電装置１の制御部６は制御盤６ａに発電機７と風センサ（風向風速センサ）２３とを備え、且つバッテリ或いは電力利用施設等の電力利用部２４に接続している。これにより風向風速センサ２３による制御指令によって前記傾斜モータ１４と開閉モータ１８とを制御し、回転駆動することができる。

また複数の発電ユニット１ａの風車２を連結した発電装置１は、終段の発電ユニット１ａに設置された発電機７によって発電された電力を、任意施設の原動機やバッテリ或いは売電施設等の電力利用部２４に出力することができる。
尚、集風板３の受風角度及び風車２に対する傾斜角度の制御は、例えば風センサ２３の数値をもとに、風力エネルギ利用と防風機能の目的が最適になるよう遺伝的アルゴリズム等の学習アルゴリズムによる最適化制御手段によって行うことが望ましい。

以上のように構成される発電装置１は図１で示すように防風壁の機能を持たせる際に、例えば沿岸等現地において、地面に立設される縦フレーム８に複数の集風板３を備えた集風部４の上に風車２を設けた必要数の発電ユニット１ａを、横方向に並べて隣接する回転軸５及び縦フレーム８等を連結して設置する。そして、終段の風車２の回転軸５に発電機７及び制御部６を設けることにより、簡潔で廉価な構成にすることができる。

このように発電ユニット１ａを増設して構成される発電装置１は、各発電ユニット１ａが複数の集風板３の受風角度を調節自在としているので、風センサ２３による風速検出信号により制御部６の指令に基づき開閉モータ１８が正逆回転し、受風角度調節機構１０を介し集風板３の受風角度を自動調節する。これにより隣接する集風板３の間を通過させる風の逃がし量を調節しながら風車２を回転させる。そして、強風時における風車２と集風部４が受ける風圧を低減させ装置の破損を防止した発電をスムーズに行う。

即ち、各発電ユニット１ａが正面から微風を受ける場合は、図５，図６で示すように集風板３の受風角度を最大にすると、上下に隣接する集風板３と集風板３の隙間を最小にし、上方に向けて後退傾斜する広い面積の集風部４で風を受けるので、集風作用を上げて風を上方後方の風車２の下部に案内し、風車２を矢印方向に回転させ効率よく発電することができる。

また発電ユニット１ａが正面から強風を受ける場合は、図７，図８で示すように集風板３の受風角度を小さくするように取付軸１６，１６ａを支点に上方に回動すると、上下に隣接する集風板３と集風板３の隙間を大きく形成することができるので、この隙間から風を逃がしながら集風した風の流れを形成して上方に案内し、風車２を回転させることができる。

さらに強風を受ける場合は、図９，図１０で示すように集風板３は上方に回動し受風角度を最小にするので、前記隙間を最大にすることができ、大量の風を逃がしながら上方に案内して風車２を回転させる。
従って、強風時において発電ユニット１ａが受ける風圧を簡単に緩和することができ、風車２や集風部４の破損を防止した発電を行うことができる。

また発電ユニット１ａは、風センサ２３による風向検出信号により制御部６の指令によって傾斜モータ１４を正逆回転し、受風角度調節機構１０を介し集風板３を風車２の回転軸５に対し左右の傾斜角を方向調節自在に設けているので、前記受風角度の調節と組み合わせることにより、装置に対し左右方向から吹く横風を風車２に案内して発電をすることができる。

即ち、発電ユニット１ａに対し左方向から横風が吹く場合に、図２で示すように集風板３は左方を低く右方を高くするように方向調節することができるので、この傾斜調節に合わせて集風板３を例えば前記図１０で説明したように上方全開側に開動すると、横風を集風板３に沿って効率よく方向変更させて風車２に向けて案内することができる。

また強い横風の場合には、集風板３を図８で示すように半開状態に開動させ、且つ集風板３を緩傾斜方向に調節することにより風車２に対し風を適切に案内することができる。 従って、一般的には横向回転型の発電風車が有する欠点である、受風角度の狭さを克服し、発電に有効利用することができる風向範囲を拡大することができる。

また横向の集風板３を上下段に有する集風部４の上部に横向の風車２を着脱自在に組付けて単体ユニット化した発電ユニット１ａは、沿岸等の現場において組立て易く横方向に順次並べて連結するだけで簡単に増設することができる。従って、複数の発電ユニット１ａを用いて大型の発電装置１を廉価に構成することができると共に、エネルギの利用形態や使用目的に合わせた回転出力やトルクを簡単に得ることができる。

また発電装置１は横方向に広い面積の集風部４を連ねて構成するので、微風時においても所定の発電能力を確保することができる。さらに発電装置１は沿岸部において集風部４を海側に向け地表に低く沿わせて設置することが容易であり、地上に近い所に設置されて広い面積で風を受ける防風柵として好適化することができ、作物や各種の施設物に対する優れた風害防止の機能を備えることができる。

尚、発電装置１の設置に当たり、風車２の設置高さは２．５〜３．５メートル程度にすることにより、人との接触を防止しながら集風作用も好適に行うことができる。また発電ユニット１ａは既設のビル等の施設物の鉛直方向の壁面に対し、集風部４及び風車２を縦方向に並べて設置することもできる。

本発明に係わる風力発電装置の全体構造を示す正面図である。 図１の作用を示す正面図である。 発電装置を構成する風車と複数の集風板を有する集風部等からなる発電ユニットのユニット構造を示す正面図である。 図３の構成を示す側面図である。 集風板の閉状態を示す正面図である。 図５の側面図である。 集風板の半開状態を示す正面図である。 図７の側面図である。 集風板の全開状態を示す正面図である。 図９の側面図である。

符号の説明

１ 発電装置
１ａ 発電ユニット
２ 風車
３ 集風板
４ 集風部
５ 回転軸
６ 制御部
７ 発電機
１２ 開閉リンク
１４ 傾斜モータ
１８ 開閉モータ
１９ 作動リンク

Claims (5)

1. 回転軸（５）に沿って該回転軸（５）の回りに複数の羽根（２１）を配設した風車（２）と、上記回転軸（５）の回転によって駆動される発電機（７）と、上記風車（２）の外周側に該外周空間の風を受止めて風車（２）に向かって案内する集風部（４）とを設置し、該集風部（４）を、風車（２）への送風量が過剰となる強風時には風を風車（２）以外の方向に案内するように受止める風の風向又は風量を調節可能に構成した風力発電装置。
2. 風車（２）と集風部（４）を単一のユニットとして構成し、風車（２）の回転軸（５）を横方向に連結して上記ユニットを増設するとともに、集風部（４）の風向又は風量の調節機構を連動可能に連結構成した請求項１の風力発電装置。
3. 複数枚の集風板（３）を風車（２）の外周の空間において、正面方向からの風を受止める向きに集風部（４）を配置してなり、上記集風板（３）を通過する風の上記通過方向に対して傾斜調節可能に構成し、風車（２）に対する風の風向又は風量を調節せしめる請求項１又は２の風力発電装置。
4. 集風板（３）を風車（２）の回転軸（５）に対し傾斜させる方向に傾斜調節可能に構成し、風車（２）の回転軸（５）に沿う方向の風を風車（２）に向かって送風されるように案内する請求項３の風力発電装置。
5. 集風部（４）が防風柵を兼用する請求項１又は２又は３又は４の風力発電装置。

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