JP2021162010A - 円筒状小型風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、戸建て住宅の庭などに簡単に設置して利用できる風力発電装置が殆どなかったため、設置が簡単で安全かつ安価に利用できる風力発電装置を提供する。【解決手段】 円筒管に縦長のスリット１１と風取り込み羽根１２を３カ所以上に設けた円筒状外カバー１の内部に、円筒管の中心軸で回転させる回転軸２を設けて、さらに風を受けやすくするために湾曲させて風を上方に排出できるように斜めに傾けた構造とした回転羽根１２をこの回転軸２に３枚以上等間隔で固定設置することで、円筒状外カバー１の内部で高速回転できて、上方から風を排出する構造とし、回転軸２の下端に発電機４の回転軸を連結固定することで風力での発電を実現する。さらに、風速に応じて手動もしくは電動で風取り込み羽根１２の角度を可変できる構造とする。設置は、先端が杭状の円筒体などの固定設置部５で簡単に設置できる。【選択図】図１

Description

戸建住宅の庭などに簡単に設置できて、風切音や発電機の動作音などを小さくできる小型風力発電装置に関する発明である。さらに、ビルなどの建造物に設置することで、ビル風などの強い風を発電しながら上方に排出することで、横方向の風を弱める効果を発揮しながら発電できる発明である。

従来、風力発電は、プロペラ式が主流で大型化傾向にある。そのため、大掛かりな設置工事が必要となり高額な費用がかかるほかに、大型のプロペラに風が当って発生する風切り音や発電機の動作音などの問題もあって、広い敷地と住宅地から離れた設置場所での設置が必要となっている。また、台風などの強風により、プロペラなどが破損する危険性もあった。

一方戸建住宅などの家庭用や小規模の商業施設などでの自然エネルギー利用では、太陽光パネルが主流となっており、家庭用の小型風力発電機に関しては、商品がほとんどない状況にあり、昼夜問わず発生する風のエネルギーは活用されることが少なかった。

また、公知の技術として、特許文献１のように、本発明と同様に風を受けて回転する羽根と風を取り込むための羽根をそれぞれ設置し、風を取り込むための羽根の角度を可変できる構造とした発明があるが、この発明は、横風を取り込んで回転する羽根を回して横方向に風を吹き抜けさせることを前提としており、風を取り込むための羽根の角度を動かす目的は、最も効率よく風を取り込む角度に調整することであるため、風を取り込まない状態にすることや風速に応じて電気制御で角度を自動調整することを想定していない。

さらに、本発明のように円筒管をベースに一体構造で製造することを想定していないため、設置場所での装置の組み立てや比較的大掛かりな設置工事が必要となる。

そのほかにも、特許文献２や特許文献３、特許文献４のように、風を取り込むための羽根を最も効率よく風を取り込める角度に固定して設置し、その内部に回転するための羽根を設置した発明などがある。

特開平１１−０６２８１３ 特開２０１１−２４７２５４ 特開２００５−０５４６９５ 特開平０８−１２８３８３

従来、戸建住宅の庭などに簡単かつ安価に設置できて、騒音や倒壊等の問題が少ない風力発電装置はほとんどなかった。
従来の風力発電装置は、プロペラ式が主流で、コンクリートなどで土台を固めてポールを設置したうえで、プロペラ式の風力発電装置をポールに取り付けるものがほとんどで、大掛かりな取り付け工事が必要となり、強風時にはプロペラが飛んだり、ポールが倒れたりする危険性もあった。

また、プロペラ式の風力発電装置の場合は、プロペラを風向きに合わせて発電装置を回転させる必要があるため、ビルや橋などの建造物に設置する場合には、制約が多かった。さらに、プロペラが高速で回転するため、人や動物が近づけないように高い所などの安全を確保できる場所に設置する必要があった。さらに、プロペラが露出した状態で回転しているため、風切音などの騒音問題が生じていた。

プロペラ式以外の風力発電方式でも、露出した回転体に直接風を受けて回転体を回転させて発電する方式がほとんどであり、高速で回転する回転体が露出しているため、同様の安全対策が必要になるという課題があった。また、本発明のように、風を取り込む羽根の内側に風を受けて回転する回転体を設けた発明でも、横から受けた風を横方向に排出する構造であるため、風の内部での滞留や横風の排出を防ぐ効果が比較的弱いのに加えて、台風などの強風時に回転体の過度な回転を防ぐためには、ブレーキ機能が必要となる構造であり、風を取り込む羽根が破損する危険性も考えられる。

円筒管の外周に風を取り込むための縦長のスリット１１を３か所以上に設けて円筒状外カバー１を構成し、このスリット１１に風を効率良く取り込むための風取り込み羽根１２を縦長のスリット１１の片側に円筒管の垂直面よりもスリット１１側に傾けた状態で全ての縦長のスリットの同一側に可動可能な状態で取り付ける。

これにより、変化する風の向きに対して、常に発電機４を同一方向に回転させるために吹き込む方向の風のみを風取り込み羽根１２からスリット１１に取り込むことになり、発電機４を一方向に回転させる風だけを取り込めるようにしている。スリット１１を３か所以上としたのは、１か所や２か所では、風取り込み羽根１２に風が吹き込まない方向から風が吹く場合があり風が十分取り込めない状況になることが考えられるためである。

さらに、円筒状外カバー１の中心に回転可能な状態で回転軸２を設けて、この回転軸２に風を受けやすくするために湾曲させた回転羽根２１を３枚以上均等間隔で固定設置する。このとき、風取り込み羽根１２の面積に応じて受けた比較的多量の風がスリット１１から流入したときに風を受けて回転羽根２１を回転させるとともに、受けた風を回転しながら上方に排出させるために、下部から上部に向けて斜めに傾けた状態で回転羽根２１を固定設置する構造としている。

さらに、流入した横風を円筒状外カバー１の上部から放出する構造とするため、風を上方に排出するための開口部を設けた回転保持部３を円筒状外カバー１の上部に設置し、回転軸２を回転可能な状態で保持する。

これにより、流入した横風を内部に滞留させることなく回転羽根２１を風圧で回転させることで発電し、風圧を弱めた状態で上部から放出させる構造としており、円筒状外カバー１内部の空気圧を減衰させる効果を生じさせて、スリット１１から流入する風を効率的に取り込むことを可能としているため、比較的効率の良い発電能力を安定的に得ることが可能となり、横方向から吹き込む風の風圧を減衰させて上方から放出することで、横方向の風圧を弱める防風効果も得ることができる。

さらに、風取り込み羽根１２の角度を手動もしくは電動で可変するための羽根角度調整盤１３を設けた構造とすることにより、風の強さに応じて風取り込み羽根１２の角度を変化させてスリット１１への風の取り込み量を調整できるようにしている。

さらに、円筒状外カバー１の上部もしくは別な場所に風速計６を設置し、風速計６の風速に応じた電気信号を受信して羽根角度調整盤１３を電動で動かすための角度調整装置１４を設けることで、風速計６の電気信号を角度調整装置１４が受信し、風速の変化に応じて羽根角度調整盤１３を電動で動かすことにより風取り込み羽根１２の角度の自動調整を可能にしている。

これにより、弱風時や強風時など風速の違いに対応して風取り込み羽根１２の角度を手動もしくは自動で調整して、比較的安定した回転数の維持が可能となる。さらに、台風などの強風時には、風取り込み羽根１２の角度を調整して、スリット１１を塞ぐ角度まで傾けることにより、円筒状外カバー１内に流入する風を遮断できるので、強風による過剰な回転や故障、破損を回避することが可能となるのに加えて、でっぱりのほとんどない円筒形となるため、受ける風圧荷重も比較的小さくなり倒壊の危険性も軽減できる。

また、風力発電で課題となる風切音や発電機の動作音などの騒音問題については、円筒状外カバー１の内部に、風を受けて回転する回転羽根２１や発電機4を取り付ける構造としていることから、円筒状外カバー１に防音素材を使用するなど遮音性を高めることにより外部に漏れ出る騒音を軽減することができる。

さらに、円筒状外カバー１の内部に回転羽根２１や発電機４を設置する構造とすることで、プロペラ式風力発電装置とは異なり回転部分が外部に露出しないため、風取り込み羽根１２の可動範囲の円形の設置面積があれば安全に固定設置が可能となる。また、円筒状外カバー１の内部に充電制御装置４１と蓄電池を内蔵させることにより、本発明の円筒状小型風力発電装置単体で、安定的に直流電源を供給することが可能となる。

戸建住宅の庭などに複数台設置して上部や下部を連結することで、フェンスのような状態で設置することも可能となり、発電電力量も増やすことができて強風のときでも倒壊したり吹き飛んだりする危険性を軽減して、発電と同時に防風効果も実現できる。

設置に関しては、小型化が可能であるため、発電能力は小さくなるが、加わる風力荷重も小さくなり、固定設置部５を地面に打ち込んで固定設置してから固定設置部５の上部と円筒状外カバー１の下部を連結することで戸建住宅の庭などに簡単に固定設置することができる構造としている。

また、ビルや橋などの建造物に取り付ける場合には、壁面や橋脚に取り付け可能な構造の固定設置部５を利用して固定設置することにより、配線は必要になるものの取り付けスペースの必要面積は小さくなるため、比較的容易に固定設置が可能となる。

本発明では、風を受けて回転する回転羽根２１とその回転により発電する発電機４を円筒状外カバー１の内部に収納することで、風切音や発電機４の動作音が円筒状外カバー１で軽減されて騒音を抑止できる構造としているため、円筒状外カバー１を防音素材や吸音素材で構成することで、ご近所との騒音トラブルを防ぐ効果も期待できる。

さらに、高速で回転する回転羽根２１を円筒状外カバー１の内部に収納して外部に露出しない構造としているため、人や動物が誤って高速回転する回転羽根２１に接触してけがをする危険性を防ぐことが期待できることと、プロペラ式のように風向によって装置そのものが回転する必要がないため、風取り込み羽根１２の可動範囲の円形の面積があれば安全に設置が可能であり、本発明を複数台近接させて設置することも可能である。

本発明では、円筒状外カバー１と回転羽根２１の直径の大きさや高さを変えることで、発電電力量の大きさを調整できるため、設置条件や発電電力量に応じて円筒状外カバー１と回転羽根２１の直径や高さを変えて製造することにより、発電電力量の異なる製品として提供することが出来る。

さらに、風取り込み羽根１２の角度を変えるための羽根角度調整盤１３を設けることにより、風速に応じて手動で羽根角度調整盤１３を回転させて、円筒状外カバー１の角度を変えることで内部に吹き込む風量を調整できるため、台風などの予測できる強風時に風取り込み羽根１２でスリット１１を塞ぐ角度に設定すれば、発電機の過度な回転を防ぐことができるし、風を受ける突出部が殆どない円筒状になるため強風時の風圧荷重もかなり軽減できて、破損や倒壊の危険性を回避できる。

また、角度調整装置１４と風速計６を設置することにより、風速計６の風速データーを電気的に角度調整装置１４が受信して、風速の変化に応じた位置まで羽根角度調整盤１３を回転させることで、風取り込み羽根１２の角度を弱風時には多くの風を受ける角度にし、強風時にはスリット１１を塞ぐ方向の角度に自動で調整することを可能としているため、常に変化する風のエネルギーを効率良く発電に繋げることが可能となる。

本発明では、横から吹き付ける風を回転羽根２１の回転力に変換して発電し、さらに、回転エネルギーに変換したあとの風を上方に排出する構造としているため、横風のエネルギーを弱めてから上方に排出することによる防風効果も期待できることから、風の強い場所に複数台横並びに設置することで防風フェンスとして利用したり、ビルなどの壁面に取り付けて、壁面にぶつかって吹き抜けるビル風を軽減するための防風装置としても活用できる。

また、弱風や強風など、自然の風の強さは変化するため、発電電力量も変化することから、充電制御装置４１と蓄電池４２を円筒状外カバー１の内部に設けた装置とすることで、本発明の円筒状小型風力発電装置だけで昼夜を問わず不安定に吹く風を一般家庭の照明用電源などに活用することが容易に実現できる。

設置工事に関しては、大型風力発電装置だけでなく従来の小型風力発電装置でもコンクリートなどの基礎を造って、ある程度の高さを有したポールを建てて、その上部に風力発電装置を設置する工事が必要であり、ある程度の工事期間と工費が必要であったが、本発明の円筒状小型風力発電装置では、先端が杭状になった固定設置部５を地面に打ち込んでから固定設置部５の上部に円筒状外カバー１を設置するだけなので、大掛かりな工事が必要なく、工事期間や工費を大幅に削減できる。

また、ビルや橋などの建造物に設置する場合でも、プロペラ式のように風向きによって風力発電装置本体を回転させる必要がなく、プロペラなどの高速回転する部分の露出もないため、設置場所の制約が少なく設置工事も比較的容易に施工できる。

斜視図 固定設置部を除く本発明の側面図 図２のＡ−Ａ‘の断面の平面図 図３の羽根角度調整盤１３を中間位置まで回転させた状態の平面図 図３の羽根角度調整盤１３を回転させてスリット１１を塞いだ状態の平面図 実施例２の斜視図 実施例３の斜視図 実施例３のビル壁面設置時の斜視図

本発明は、円筒管を加工して製造することを想定しており、設置場所での装置の組み立てが必要ない構造で、装置本体と固定設置部５のセットで用意することにより、設置場所において容易に固定設置できる構成とした風力発電装置として実施する。

実施例１

実施例１では、戸建住宅の庭の地面に固定設置部５を杭のように打ち込んで固定設置し、その上部に回転羽根２１と発電機４を内蔵した円筒状外カバー１を固定的に設置し、外部設置した充電制御装置４１を介して蓄電池４２に給電して家庭用の補助電源として活用する実施例である。また、本実施例では、風取り込み羽根１２の角度を手動で可変する構造とした円筒状小型風力発電装置を示す。

本実施例では、円筒状外カバー１に塩化ビニール製などの円筒管を利用し、外周に対して均等間隔で４か所に縦長のスリット１１を設ける。さらに、円筒状外カバー１のスリット１１の片方の端辺に風取り込み羽根１２を同じ状態で４か所に取り付ける。

さらに、手動で風取り込み羽根１２の角度を調整するために、風取り込み羽根１２の取り付け側とは反対側の端辺の上端部と下端部を羽根角度調整盤１３に可動的に連結し、上下の羽根角度調整盤１３を連結して同時に手動で回転できる構造としており、風取り込み羽根１２の角度を円筒状外カバー１の外周の垂直面からスリット１１側に少し傾けた状態からスリット１１を風取り込み羽根１２で塞ぐ角度まで調整できる構造としている。

これにより、手動で羽根角度調整盤１３を回転させることで、風取り込み羽根１２の角度を調整することができるため、台風などの強風時にスリット１１を塞ぐ位置まで風取り込み羽根１２の角度を変えることで、回転羽根２１の過度な高速回転による発電機４の故障や装置そのものの破損が防げるのに加えて、風を受ける部分の少ない円筒体となるため風圧荷重を軽減し倒壊の危険性も回避できる。

本実施例では、円筒状外カバー１内部の回転軸２に６枚の回転羽根２１を固定設置する。この回転羽根２１は風を受けやすくするために湾曲させた縦長の羽根とし、上方に風を排出しやすくするため、斜めに傾けて固定設置している。

さらに、回転羽根２１の回転の中心軸となる回転軸２を回転可能な状態で保持するために、円筒状外カバー１の上部に、風を排出するための開口部を設けた回転保持部３を設置し、回転軸２を回転可能な状態で保持する。さらに、回転軸２の下方の端部には、発電機４の回転軸を固定的に連結し、発電機４を円筒状外カバー１の内壁に固定的に設置することで、回転軸２に固定設置した回転羽根２１が円筒状外カバー１の内壁に接触することなく高速回転できる構造としている。

また、設置に関しては、固定設置部５の上部にハンマーなどで打ち込むための頭部５２を設けて、地面に突き刺すための杭部を下部に設けている。さらに、円筒状外カバー１の底部に固定設置部５と固定的に連結するための結合部５１を設けているため、固定設置部５をハンマーなどで地面に打ち込み固定設置してから円筒状外カバー１を結合部５１で固定設置することで、本発明の円筒状小型風力発電装置の設置が完了する。

本実施例では、発電機４を交流発電機とし、設置後に電源ケーブル４３を用いて、発電機４の出力端子から外部に設置するコンバーターを内蔵した充電制御装置４１を介して蓄電池４２に接続することで、本発明の円筒状小型風力発電装置で発電する電力を利用できる構成を示している。

実施例２

実施例２は、戸建住宅の庭の地面に固定設置部５を杭のように打ち込んで固定設置するところは実施例１と同様であるが、発電機４に直流発電機を用いて、さらに発電機４の下部の円筒状外カバー１の内部に充電制御装置４１と蓄電池４２を設置し、発電機４で発電した電気を充電制御装置４１を介して蓄電池４２に蓄電できる構成としている。

さらに、蓄電池４２の電力を利用し、羽根角度調整盤１３を電動で回転させて風取り込み羽根１２の角度を可変できる角度調整装置１４を設けた構造とし、円筒状外カバー１上部の回転保持部３から排出する風を妨げない位置に雨カバー３１を設置し、さらにその上に、風速計６を設置する。

ここで、角度調整装置１４は、モーター１５と風速データーに対応してモーター１５の回転量を制御するモーター制御装置１７とモーター１５の回転軸に取り付けた歯車１６とで構成しており、歯車１６の回転により羽根角度調整盤１３を回転できる構造としている。

本実施例では、風速に応じた風速計６の電気信号を信号ケーブル６１で接続した角度調整装置１４のモーター制御装置１７で受信し、一定時間間隔で分析して平均値を割り出し、予め設定した１０段階程度に分割した風速の範囲を判別し、風速の範囲の段階に変化が生じたときに、風取り込み羽根１２の角度を風速の範囲の段階毎に設定した所定の角度まで羽根角度調整盤１３をモーター１５と歯車１６で回転させる機構としている。これにより、風速に応じた風取り込み羽根１２の角度を弱風の時は円筒の垂直面に近い角度とし、強風の時はスリット１１を塞ぐ角度に自動で制御する構造としている。

さらに、一定時間間隔で制御し、風速の範囲を１０段階程度に区切る設定とすることにより、角度調整装置１４や羽根角度調整盤１３の過度な動作を防いで、故障や破損の危険性を軽減している。また、台風などの予測可能な強風の危険性がある場合に対応するため、人の手で電動制御できる切り替え機能も設けることで、状況に応じた利用を可能としている。

実施例３

実施例３では、設置方法を除いて、実施例２と同様の構造とした円筒状小型風力発電装置であり、設置場所をビルや橋などの建造物に取り付けることを想定した実施例を示す。

本実施例では、ビルや橋などの人が容易に操作できない場所への設置を想定しているため、実施例２と同様風速に応じて自動的に風取り込み羽根１２の角度を調整できる構造としている。

取り付け場所が壁面や橋梁を想定しており、取り付け工事が必要となるが固定設置部５の構造を杭状のものではなく、円筒状外カバー１の上部と下部を連結するＬ字型の構造とし、壁面や橋梁にボルト止めなどの方法で固定設置し、円筒状外カバー１の上部と下部をそれぞれ固定設置部５に固定設置することで取り付けることを可能にしている。

このとき、下部の固定設置部５は円筒状外カバー１を差し込む構造とし、上部の固定設置部５は開閉式の固定機構を設けることで、円筒状外カバー１を下部の固定設置部５に差し込んだ状態で上部の固定設置部５の取り付け位置に設置した後に、開閉式の固定機構を閉じて締め付けることで固定設置できるようにしているので、設置工事を比較的容易にできるようにしている。

本実施例では、壁面へ設置する場合を示しており、壁面に沿って吹く風を効果的にスリット１１に取り込むため、壁面側に風導入板７を補助的に設置している。このとき、風取り込み羽根１２の可動範囲の邪魔にならない状態で風導入板７を設置する。

本実施例の円筒状小型風力発電装置をビルなどの壁面に複数設置する事により、ビル風などの吹き抜ける強い横風を発電に利用した後に上方に排出するため、防風効果を持たせるとともに街灯の照明用電力などに利用することが可能となる。

環境問題の深刻化により、再生可能エネルギーへの転換が叫ばれており、太陽光発電や水力発電、潮力発、そして風力発電などに取り組んでいるが、その多くが発電所のような大規模なプロジェクトが主流で、多額の投資と広大な設置場所が必要となっているため、設置場所や設置数が限られているのが現状である。

一方、太陽光発電では、一般家庭への普及も拡大しているものの、数百万円の投資と日中しか発電できないということがあった。風力発電に関しては、小型のプロペラ式が一般家庭や施設などの一部で設置されているが、設置工事が大変なうえに風切り音の問題などもあり、あまり普及していない現状がある。

本発明の円筒状小型風力発電装置は、これらの課題の一部を解消し、発電電力量は小さいけれども、数多く設置することで、一般的にあまり利用されていなかった自然エネルギーである風を電気に変える仕組みを提供することにより、環境にやさしく安価で騒音問題などの少ない再生可能エネルギーの利用拡大につなげることが期待できる。

特に円筒管をベースにした本体に、すべての機構を一体的に構成できることから、工場内で本発明の円筒状小型風力発電装置を量産することで安価に製造することが可能となり、現地での装置の組み立ても不要にできるため、簡単な設置が可能となり、利用促進につなげることが可能となる。

発電した電力を一般家庭の庭などの夜間照明用などに利用する目的であれば、人が持ち運べる大きさで本発明の円筒状小型風力発電装置を製造することにより、ホームセンターなどでの販売も可能になるため、自然エネルギーである風力を一般家庭で手軽に利用できる風力発電装置を提供することを実現できる。

また、ビルや橋などの建造物に取り付けることで、発電をしながらビル風などを弱める防風効果も期待できるので、より多くの需要の掘り起こしが期待できる。

１ 円筒状外カバー
１１ スリット
１２ 風取り込み羽根
１３ 羽根角度調整盤
１４ 角度調整装置
１５ モーター
１６ 歯車
１７ モーター制御装置
２ 回転軸
２１ 回転羽根
３ 回転保持部
３１ 雨カバー
４ 発電機
４１ 充電制御装置
４２ 蓄電池
４３ 電源ケーブル
５ 固定設置部
５１ 結合部
５２ 頭部
５３ 杭部
６ 風速計
６１ 信号ケーブル
７ 風導入板

Claims (3)

1. 円筒管に風を取り込むための縦方向のスリット（１１）を３か所以上に設けた円筒状外カバー（１）を構成し、それぞれのスリット（１１）の同一側の端辺に、スリット（１１）に効果的に風を流入させるための風取り込み羽根（１２）を設ける。この風取り込み羽根（１２）は円筒管の垂直方向よりスリット（１１）側に傾けて可動的に設置し、さらに、風取り込み羽根（１２）を垂直よりも狭い角度からスリット（１１）を塞ぐ角度まで可動調整するための羽根角度調整機構（１３）を設ける。
   さらに、円筒状外カバー（１）の内部に、円筒の中心を軸として回転する回転軸（２）を設ける。この回転軸（２）を回転可能な状態で保持するため、風を排出できる開口部を設けた回転保持部（３）を円筒状外カバー（１）の最上部に設ける。また、回転軸（２）の下端には、発電機（４）の回転軸を連結し、回転軸（２）と発電機（４）の回転軸が円筒の中心を軸として回転できる状態となるように発電機（４）を円筒状外カバー（１）内に固定設置する。
   さらに、スリット（１１）から入り込む風を受けて回転し、この風を円筒状外カバー（１）の上部方向に排出するように傾斜させて、かつ風を受けやすくするために湾曲させた構造とした回転羽根（２１）を３枚以上均等間隔で回転軸（２）に固定設置する。
   さらに、円筒状外カバー（１）を地面もしくは構造物に固定設置するための固定設置部（５）を設けたことを特徴とする円筒状小型風力発電装置。
2. 円筒状外カバー（１）の内部に、発電機（４）で発電した電気を充電するための充電制御装置（４１）と蓄電池（４２）を電気的に接続して円筒状外カバー（１）内に一体的に設置することを特徴とする請求項１記載の円筒状小型風力発電装置。
3. 円筒状外カバー（１）の上部もしくは別な場所に風速計（６）を設置し、風速計（６）の風速に応じた電気信号を受信して回転羽根（２１）を所定の角度に電動で動かすための羽根角度調整機構（１３）と角度調整装置（１４）を設けることで、風取り込み羽根１２の角度を円筒に対して垂直に近い角度からスリット（１１）を塞ぐ角度まで、自動で制御する構造としたことを特徴とする請求項１及び請求項２記載の円筒状小型風力発電装置

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