JP2019085937A - 風力発電装置付き照明設備 - Google Patents

Abstract

【課題】基礎の質量の増大を抑えつつ、基礎の支持剛性を増大させて、照明設備全体の共振周波数を高くすることにより、風車を加振源とする共振を防止することができる風力発電装置付き照明設備を提供する。【解決手段】風力発電装置付き照明設備は、地面に建てられた支柱１に少なくても風力発電装置２および照明器具４が設けられている。風力発電装置２で発電された電気を蓄電池５に蓄電し、この蓄電池に蓄電されている電気を使って照明器具４を点灯させる。支柱１の下端が固定され地盤１２に対して支柱１を支持する基礎１０を有する。基礎１０の底面における水平面に沿う方向の寸法の最大値が、基礎１０の高さ寸法よりも大きい。【選択図】図２

Description

この発明は、街路灯等に使用される風力発電装置付き照明設備に関する。

商用電源を使用しない自己発電型の街路灯として、太陽光発電装置により発電された電気を蓄電池に蓄電し、この蓄電池に蓄電された電気を使って照明器具を点灯させるものがある。しかし、太陽光発電装置だけでは日照時間が少ない場合に十分な発電ができないことから、図１１、図１２に示すように、電力不足を補うために風力発電装置を併設したものが知られている。図１１、図１２に図示する風力発電装置付き照明設備は、支柱１の上部に風力発電装置２、太陽光発電装置３、および照明器具４が設けられている。支柱１の下端は、基礎１０に固定されている。図示例の場合、基礎１０は直方体のケーソン基礎であって、図１２のように、地盤１２に埋め込んで設置される。

風力発電装置２の風車は、強風時に高速で回転する。風車を支持する支柱１の剛性が小さい場合、高速回転時の風車の加振周波数が、支柱１とこの支柱１に取り付けられた風力発電装置２、太陽光発電装置３等を含む照明設備全体の共振周波数と一致または限りなく近づくことがある。その場合、支柱１が共振により大きく振動する。このことは、太陽光発電装置３を有しておらず、風力発電装置２のみで発電する照明設備についても言える。

上記共振を防止するために、例えば以下の提案がなされている。
特許文献１の「風車用制振装置〜」は、風力を受けて回転する風車が加振源となり、加振周波数が風力発電装置の固有振動数と一致した場合に、共振により風力発電装置が振動することへの対策として用いられ、風車用制振装置により風車を制振するようにしている。

特許文献２の「〜制振装置」は、風力発電装置の支柱等のタワー状建造物の上部に設けられるマスダンパー型の制振装置である。同文献には、タワー状建造物の基礎に対して特別な対策が記載されていないので、従来と同様の基礎が採用されると思われる。

特許文献３の「風力発電設備用の円筒部材」には、垂直回転型風車を備えた風力発電設備に適用した例が示されている。同文献に、共振を防止するためには、風力発電設備の固有振動数を風車部の回転により生じる曲げ振動数よりも十分に高く設定する（ポールの剛性を高める）ことが有効であり、具体的に、（１）ポールの径を大きくする、（２）リブを設けてポールを補強する、（３）ポールの形状をテーパ状にする等の対策があることが記載されている。
しかし、これらの対策にはそれぞれ課題があることから、風力発電設備の風車部を支持する円筒部材（ポール）を、風車部を支持する第一円筒部材と、第一円筒部と同心の第二円筒部材とで構成し、これら第一および第二円筒部材の間に制振材を設けることが提案されている。

特許文献４の「洋上風力発電装置の基礎〜」は、海底に打設した鋼管杭により、基礎受けフレームと基礎ブロックを支持することで、海底の掘削作業を不要にしてコスト削減を図っている。このように、洋上風力発電装置では、基礎に杭が用いられる。

特開２００９−１５０３１９号公報 特開２０１３−１５１８８３号公報 特開２００６−３３６５５５号公報 特開２００５−１９４７９２号公報

上記のように、特許文献１〜３では、風車の加振周波数が風力発電装置の共振周波数と一致することで発生する共振を防止するために、制振装置や制振材を設けている。特許文献３には、支柱の固有振動数を高くすることで共振を防止できることが記載されているが、そのことを利用した対策はとっていない。

風力発電装置付き照明設備において、照明設備全体の共振周波数を高くすれば、風車が高速回転している時でも風車の加振周波数が前記共振周波数に近づくことがなくなり、共振の防止につながる。
ところで、照明設備全体の共振周波数を決定するのは、支柱の固有振動数だけではなく、支柱を支持する基礎の質量や、基礎における地盤に対して接触する部分の剛性（以下、「基礎の支持剛性」とする。）が影響する。つまり、基礎の質量が増加すると照明設備全体の共振周波数が低くなり、基礎の支持剛性が大きくなると、照明設備全体の共振周波数が高くなる。

基礎の支持剛性を増加させるためには、基礎と地盤との接地面積を大きくすることが有効である。しかし、単に基礎の寸法を大きくするのでは、基礎の質量が増大して、照明設備全体の共振周波数を低くしてしまうため、有効な対策にならない。したがって、基礎の質量の増大を抑えつつ、基礎の支持剛性を増大させることが重要である。

この発明の目的は、基礎の質量の増大を抑えつつ、基礎の支持剛性を増大させて、照明設備全体の共振周波数を高くすることにより、風車を加振源とする共振を防止することができる風力発電装置付き照明設備を提供することである。

この発明の風力発電装置付き照明設備は、地面に建てられた支柱に少なくても風力発電装置および照明器具が設けられ、前記風力発電装置で発電された電気を蓄電池に蓄電し、この蓄電池に蓄電されている電気を使って前記照明器具を点灯させるものにおいて、
前記支柱の下端が固定され地盤に対して前記支柱を支持する基礎を有し、この基礎の底面における水平面に沿う方向の寸法の最大値が、前記基礎の高さ寸法よりも大きいことを特徴とする。

この構成によると、基礎の底面における水平面に沿う方向の寸法の最大値を基礎の高さ寸法よりも大きくしたことにより、基礎の質量を増大させずに、基礎が地盤から受ける反力の総和を大きくして、基礎の支持剛性を増大させることができる。それにより、照明設備全体の共振周波数が高くなる。このため、風車の高速回転時においても、風車の加振周波数が照明設備の共振周波数と一致したり、あるいは限りなく近づいたりすることがなく、風車を加振源とする共振を防止することができる。

この発明において、前記基礎の底面に凹部が設けられていてもよい。
基礎の底面に凹部を設けると、基礎の質量が小さくなり、それにより照明設備全体の共振周波数が高くなる。また、凹部を設けると、基礎と地盤との接触面積がより広くなるため、基礎の支持剛性が増大し、それにより照明設備全体の共振周波数が高くなる。このように、基礎の質量、および基礎の支持剛性の両面から、照明設備全体の共振周波数を高くすることができる。

前記凹部の内壁面は、上側に行くに従い内側に位置する傾斜面であってもよい。
この場合も、基礎と地盤との接触面積が広くなり、基礎の支持剛性を増大させることができる。加えて、凹部の内壁面が傾斜面であると、内壁面が垂直面である場合と比べて、基礎の下側の地盤部分と基礎の凹部内の地盤部分とが分離し難いという効果がある。

この発明において、前記基礎の外周面に、上側に行くに従い内側に位置する傾斜面部が設けられていてもよい。
質量が同じで底面の面積が互いに異なる二つの基礎を比べた場合、底面の面積が広い基礎の方が狭い基礎よりも、照明設備全体の共振周波数が高い。基礎の外周面に傾斜面部を設けることで、質量を変えずに底面の面積を広くすることができる。これにより、照明設備全体の共振周波数を高くすることができる。

この発明において、前記基礎の一部または全体が前記地盤の地表面よりも上側に位置していてもよい。
基礎が地盤の地表面よりも上側に位置していると、基礎が地盤に埋め込まれている場合と比べて、基礎と地盤との接触面積が狭くなり基礎の支持剛性が低下するが、基礎の底面は地盤に接しているため、基礎の支持剛性の低下は限定的である。このため、設置場所の地理的条件等によっては、基礎の一部または全体が地盤の地表面よりも上側に位置に位置するように風力発電装置付き照明設備を設置しても構わない。

この発明において、前記基礎は、前記支柱の下端が固定されるブロック状の基礎本体と、この基礎本体の底面から下方に突出しその突出部が前記地盤中に延びる杭とを有していてもよい。
杭を採用することで、基礎の質量を小さくできる。また、杭と地盤とが接触する表面積を大きくすることで、地盤からの反力が増加して、基礎の剛性が増大する。これらのことから、照明設備全体の共振周波数を高くすることができる。

この発明において、前記風力発電装置の風車は、複数枚の翼を有する垂直軸風車であってもよく、また複数枚の翼を有する水平軸風車であってもよい。いずれの場合も、上記各作用・効果が得られる。

この発明の風力発電装置付き照明設備は、地面に建てられた支柱に少なくても風力発電装置および照明器具が設けられ、前記風力発電装置で発電された電気を蓄電池に蓄電し、この蓄電池に蓄電されている電気を使って前記照明器具を点灯させ、前記支柱の下端が固定され地盤に対して前記支柱を支持する基礎を有し、この基礎の底面における水平面に沿う方向の寸法の最大値が、前記基礎の高さ寸法よりも大きいため、基礎の質量の増大を抑えつつ、基礎の支持剛性を増大させて、照明設備全体の共振周波数を高くすることにより、風車を加振源とする共振を防止することができる。

この発明の一実施形態に係る風力発電装置付き照明設備の斜視図である。 同風力発電装置付き照明設備の設置状態を示す図である。 同風力発電装置付き照明設備の基礎の断面図である。 基礎が地盤から受ける反力の大きさを示す図である。 他の基礎の断面形状を示す図である。 さらに他の基礎の断面形状を示す図である。 さらに他の基礎の断面形状を示す図である。 さらに他の基礎の断面形状を示す図である。 さらに他の基礎の断面形状を示す図である。 この発明の他の実施形態に係る風力発電装置付き照明設備の設置状態を示す図である。 従来の風力発電装置付き照明設備の斜視図である。 同風力発電装置付き照明設備の設置状態を示す図である。

この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の一実施形態に係る風力発電装置付き照明設備の斜視図、図２はその設置状態を示す図である。この照明設備は、地面に建てられた支柱１に、風力発電装置２、太陽光発電装置３、および照明器具４が設けられている。この実施形態の風力発電装置２の風車は、複数枚（例えば２枚）の翼２ａを有する垂直軸風車２Ａである。支柱下部１ａは支柱上部１ｂよりも径が太くなっていて、この支柱下部１ａに蓄電池５が内蔵されている。蓄電池５は、風力発電装置２および太陽光発電装置３で発電された電気を蓄電し、その蓄電された電気を使って夜間等に照明器具４を点灯させる。支柱１以外の箇所に蓄電池５が設けられていてもよい。太陽光発電装置３を設けずに、風力発電装置２のみで発電するようにしてもよい。

支柱１は、下端のフランジ部１ｃで、コンクリート等からなるブロック状の基礎１０に、アンカーボルト１１によって固定されている。この実施形態の基礎１０は、直方体形状であるが、円柱形状あるいは他の形状であってもよい。図２に示すように、基礎１０は、例えば上面を地表に露出させて地盤１２に埋め込まれる。

ブロック状の基礎１０は、その寸法が次のように定められている。すなわち、図３に示すように、底面における水平面に沿う方向の寸法の最大値Ｂが、高さ寸法Ｄよりも大きい。この実施形態のように基礎１０が直方体形状である場合、前記最大値Ｂは底面を成す長方形の長辺の寸法であり、基礎１０が円柱状である場合、前記最大値Ｂは底面を成す円の直径である。

上記のように寸法を定める理由について説明する。
図４は、基礎１０が地盤１２から受ける反力の大きさを示す図である。同図に示すように、基礎１０の側面が受ける反力は、地盤１２の深さに比例して大きくなる。これに対し、基礎１０の底面が受ける反力は、どこでも同じ大きさである。従って、基礎１０の質量が同じである場合、側面の面積を広くするよりも、底面の面積を広くすることが、基礎１０の支持剛性を増大させることに有効である。

基礎１０の支持剛性が増大することで、照明設備全体の共振周波数が高くなる。これにより、風車２Ａの高速回転時においても、風車２Ａの加振周波数が照明設備の共振周波数と一致したり、あるいは限りなく近づいたりすることがなくなる。その結果、風車２Ａを加振源とする共振を防止することができる。

なお、基礎１０を含む照明設備の固有振動数は、基礎１０の質量の１／２乗に反比例する。よって、基礎１０の質量を増やすのは、固有振動数が低くなるため、好ましくない。底面の寸法の最大値Ｂと高さ寸法Ｄとの関係を上記のように定めることにより、基礎１０の質量を大きくすることなく、基礎１０の支持剛性を増大させて、照明設備全体の共振周波数を高くすることができる。

つまり、底面の寸法の最大値Ｂ＜高さ寸法Ｄとした場合に対して、底面の寸法の最大値Ｂ＞高さ寸法Ｄとすると、図４に示すように側面よりも底面の剛性が大きくなることから、共振周波数が大きくなり、共振が生じ難くなる。

［基礎の他の形状］
図５に示す基礎１０は、底面に凹部２０が設けられている。凹部２０の内壁面２０ａは、水平面に対して垂直面である。

基礎１０の底面に凹部２０を設けると、基礎１０の質量が低減し、それにより照明設備全体の共振周波数が高くなる。また、凹部２０を設けると、基礎１０が地盤１２と接する面積がより広くなるため、基礎１０と地盤１２の支持剛性を増大し、それにより照明設備全体の共振周波数が高くなる。このように、基礎１０の質量、および基礎１０と地盤１２の支持剛性の両面から、照明設備全体の共振周波数を高くすることができる。

図６に示す基礎１０は、底面に設けられた凹部２１の内壁面２１ａを、上側に行くに従い内側に位置する傾斜面としたものである。「内側」とは、中心側のことである。

この場合も、図５の例と同様に、基礎１０と地盤１２との接触面積が広くなり、基礎１０の支持剛性を増大させることができる。加えて、凹部２１の内壁面２１ａが傾斜面であると、内壁面が垂直面である場合（図５）と比べて、基礎１０の下側の地盤部分と基礎の凹部２１内の地盤部分とが分離し難いという効果がある。

図７に示す基礎１０は、底面に図６に示す基礎１０の凹部２１と同様の凹部２１が設けられていることに加えて、外周面に、上側に行くに従い内側に位置する傾斜面部２３が設けられている。

質量が同じで底面の面積が互いに異なる二つの基礎を比べた場合、底面の面積が広い基礎の方が狭い基礎よりも、照明設備全体の共振周波数が高い。図７のように、基礎１０の外周面に傾斜面部２３を設けることで、質量を変えずに底面の面積を広くすることができる。これにより、照明設備全体の共振周波数を高くすることができる。

図８に示す基礎１０は、全体が地盤１２の地表面よりも上側に位置していて、底面のみが地盤１２に接触している。図の例では、基礎１０が段付きの形状であるが、他の形状であってもよい。図８のように、基礎１０の全体が地盤１２の地表面よりも上側に位置することに限らず、基礎１０の一部だけ、例えば段よりも上の部分１０ａのみが地盤１２の地表面よりも上側に位置していてもよい。

基礎１０の一部または全体が地盤１２の地表面よりも上側に位置していると、基礎１０全体が地盤１２に埋め込まれている場合と比べて、基礎１０と地盤１２との接触面積が狭くなり基礎１０の支持剛性が低下するが、基礎１０の底面は地盤１２に接しているため、基礎１０の支持剛性の低下は限定的である。このため、設置場所の地理的条件等によっては、基礎１０の一部または全体が地盤１２の地表面よりも上側に位置するように風力発電装置付き照明設備を設置しても構わない。

図９に示す基礎１０は、支柱１の下端が固定されるブロック状の基礎本体２４と、この基礎本体２４の底面から下方に突出しその突出部が地盤１２に延びる複数本の杭２５とからなる。

杭２５を採用することで、基礎１０の質量を小さくできる。また、杭２５と地盤１２とが接触する表面積を大きくすることで、地盤１２からの反力が増加して、基礎１０の剛性を増大する。これらのことから、照明設備全体の共振周波数を高くすることができる。

図１、図２に示す風力発電装置付き照明設備は、風車として、２枚翼の垂直軸風車２Ａが使用されているが、翼２ａの数が３枚以上の垂直軸風車２Ａを使用してもよい。また、図１０に示すように、風車として、複数枚の翼２ｂを有する水平軸風車２Ｂを使用してもよい。いずれの場合も、前記各作用・効果が得られる。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…支柱
２…風力発電装置
２Ａ…垂直軸風車
２Ｂ…水平軸風車
３…太陽光発電装置
４…照明器具
５…蓄電池
１０…基礎
１２…地盤
２０…凹部
２０ａ…内壁面
２１…凹部
２１ａ…内壁面
２３…傾斜面部
２４…基礎本体
２５…杭
Ｂ…基礎の底面における水平面に沿う方向の寸法の最大値
Ｄ…基礎の高さ寸法

Claims (8)

1. 地面に建てられた支柱に少なくても風力発電装置および照明器具が設けられ、前記風力発電装置で発電された電気を蓄電池に蓄電し、この蓄電池に蓄電されている電気を使って前記照明器具を点灯させる風力発電装置付き照明設備において、
   前記支柱の下端が固定され地盤に対して前記支柱を支持する基礎を有し、この基礎の底面における水平面に沿う方向の寸法の最大値が、前記基礎の高さ寸法よりも大きいことを特徴とする風力発電装置付き照明設備。
2. 請求項１に記載の風力発電装置付き照明設備において、前記基礎の底面に凹部が設けられた風力発電装置付き照明設備。
3. 請求項２に記載の風力発電装置付き照明設備において、前記凹部の内壁面は、上側に行くに従い内側に位置する傾斜面である風力発電装置付き照明設備。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の風力発電装置付き照明設備において、前記基礎の外周面に、上側に行くに従い内側に位置する傾斜面部が設けられている風力発電装置付き照明設備。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の風力発電装置付き照明設備において、前記基礎の一部または全体が前記地盤の地表面よりも上側に位置する風力発電装置付き照明設備。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の風力発電装置付き照明設備において、前記基礎は、前記支柱の下端が固定されるブロック状の基礎本体と、この基礎本体の底面から下方に突出しその突出部が前記地盤中に延びる杭とを有する風力発電装置付き照明設備。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の風力発電装置付き照明設備において、前記風力発電装置の風車は、複数枚の翼を有する垂直軸風車である風力発電装置付き照明設備。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の風力発電装置付き照明設備において、前記風力発電装置の風車は、複数枚の翼を有する水平軸風車である風力発電装置付き照明設備。

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