JP3169269U - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造でありながらも安定した発電出力での継続運転が可能な安価な風力発電装置を提供すること。【解決手段】設置面に立設された筒状体２０と、筒状体２０の外周面に形成された風取込口２４と、筒状体２０の内部空間に固定具３４により上向きまたは下向きにして配設された回転羽根である羽根３２と、羽根３２に直結された発電装置とを有し、筒状体２０の風取込口２４より筒状体２０の内部空間に取り込まれた自然風をドラフト効果により発生させた上昇気流によって羽根３２を回転させることにより発電装置に発電させることを特徴とする風力発電装置１００である。【選択図】図３

Description

本考案は風力発電装置に関し、より詳細には、筒状体の内部空間に取り込んだ自然風をドラフト効果（煙突効果ともいう）により上昇させた上昇気流により筒状体の内部空間に設けられた回転羽根を回転させることにより、発電装置に発電させる風力発電装置に関する。

地下資源の枯渇や地球温暖化を防止するため、発電用の燃料が不要であり、かつ、発電時における二酸化炭素を排出しない発電装置の提供が強く望まれている。このような発電装置としてはいわゆる自然エネルギーを用いた発電方法があり、具体的には太陽光発電装置、風力発電装置、マイクロ水力発電装置等が知られている。これら自然エネルギーによる発電装置においては、発電時における二酸化炭素の排出がなく、発電に必要なエネルギー源はほぼ無限にあるものの、発電装置に供給されるエネルギー量が一定ではないため、発電量が不安定になってしまう傾向があり、普及の妨げになっている。

近年では、これら自然エネルギーを用いた発電装置において複数種類の自然エネルギーを組み合わせた発電装置の提案がなされている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１には、太陽輻射熱を利用して空気を暖めるソーラーコレクターと、ソーラーコレクターにより暖められた空気が導入され、空気の浮力により上昇気流を発生させるドラフトダクトと、ドラフトダクトの上部空気出口に設置された発電用タービンとを備え、上昇気流により発電用タービンを回転させることで発電を行うというドラフトダクト型発電装置の構成が開示されている。

特開２００７−７７９４１号公報

特許文献１に開示されている発電装置は、ソーラーコレクターで集めた太陽エネルギーにより暖めた空気による上昇気流を用いて回転羽根を回転させているため、天候や季節等の変動による影響が大きく、安定した発電出力で発電装置の運転をすることができないうえに、発電装置の構造が複雑になってしまうという課題がある。
また、ソーラーコレクターが大規模な構造物になるため建設費用が高価になり、発電装置の製造コストやメンテナンスコストが高くなるといった課題がある。

そこで本考案は、自然エネルギーの中でも立地条件によらず安定したエネルギー供給が期待できる風力発電装置として、簡易な構造でありながらも安定した発電出力での継続運転が可能な安価な風力発電装置の提供を目的としている。

上記課題を解決するために本考案者は鋭意研究を行った結果、以下の構成に想到した。
すなわち、設置面に立設された筒状体と、該筒状体の外周面に形成された風取込口と、前記筒状体の内部空間に固定具により上向きまたは下向きにして配設された回転羽根と、該回転羽根に直結された発電装置と、を有し、前記筒状体の風取込口より前記筒状体の内部空間に取り込まれた自然風をドラフト効果により発生させた上昇気流によって前記回転羽根を回転させることにより前記発電装置に発電させることを特徴とする風力発電装置である。
また、前記筒状体は、高さ方向に複数の分割ブロック体を連結することにより形成され、前記固定具は前記分割ブロック体により上下から挟持されることで前記筒状体に組み付けられていることが好ましい。

さらには、前記発電装置は、前記筒状体の高さ方向の複数個所に配設されていることが好ましい。
さらにまた、前記風取込口は、前記筒状体の周方向に単数または複数箇所に形成されていることが好ましい。
また、前記風取込口は、前記筒状体の高さ方向において前記発電装置の設置面側に単数もしくは複数箇所に形成されていることが好ましい。
これらの構成により、さらに効率的に風力発電をすることができる。

また、前記風取込口には、前記筒状体の内部に取り込む風量を調整するための取り込み風量調節手段が設けられていることが好ましい。これにより、回転羽根の回転数が調整でき、発電出力の調整も可能になる。
そして、前記筒状体の内底部には、加熱装置が設けられていることが好ましい。これにより、筒状体の内部空間には常に上昇気流が生じることになるので、ドラフト効果をさらに向上させることができる。

本考案にかかる風力発電装置によれば、地表面等の設置面に立設された筒状体の風取込口から取り込まれた空気がドラフト効果（煙突効果ともいう）により上昇気流を発生させて、筒状体の内部空間に設けられた回転羽根を回転させて発電することができるため、効率的で安定した風力発電が可能になる。また、風力発電装置の構造もきわめて単純であるため、製造コストやメンテナンスコスト等が安価な風力発電装置を提供することができる。また、回転羽根には常に下側から上側に向かう風が供給されているため、ヨー制御装置等の構成を省略することができ、製造コストをさらに低減することができる。

本実施形態にかかる風力発電装置の正面図である。 本実施形態にかかる風力発電装置の平面図である。 図１内のＡ−Ａ線における概略断面図である。 分割ブロック体の正面側断面図である。

以下、本考案にかかる風力発電装置の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１、図２、図３に示すように、本実施形態にかかる風力発電装置１００は、設置面である地表面１０に立設された筒状体２０と、筒状体２０の内部空間に配設された回転羽根である羽根３２および羽根３２に直結された発電装置からなる同期発電機または誘導発電機３０（以下、単に同期発電機３０という）と、を有している。ここでは、地表面１０に筒状体２０を直接立設させているが、現地盤の状態によっては、現地盤に杭を打設し、鉄筋コンクリート造等によるベースを構築した後に、ベースの上面を設置面として用いることもある。

筒状体２０は、径寸法が１ｍ程度の円筒体に形成された複数の分割ブロック体２２，２２，・・・を高さ方向に積み重ね、上下に隣接する分割ブロック体２２，２２どうしをボルト締め等により連結することで組み立てられている。筒状体２０の最上部位置には必要に応じて避雷針４０を設置してもよい。
分割ブロック体２２は、コンクリート管、鋼管、コンクリート鋼管等により形成することができる。図４に示すように分割ブロック体２２は、円筒体に形成された本体部２２ａと、本体部２２ａの上下端部において本体部２２ａの内周面から径方向内側に配設された内側リブ２２ｂと、本体部２２ａの上下端部において本体部２２ａの外周面から径方向外側に配設された外側リブ２２ｃが突設されている。内側リブ２２ｂと外側リブ２２ｃにはボルト挿通孔２２ｄ，２２ｅが穿設されている。

ここでは分割ブロック体２２を円筒体に形成しているが、分割ブロック体２２は円筒体に限定されるものではなく、発電装置である同期発電機３０が収容可能な内部空間を有する形状（筒状体）であれば断面形状は特に限定されるものではない。このようにして形成された分割ブロック体２２を高さ方向に連続的に連結することで径寸法が１ｍ、高さ１００ｍ程度の筒状体２０を構築することができる。筒状体２０の径寸法および高さ寸法は、発電出力に応じてより大径に、またはより高くすることができる。
上下に隣接する分割ブロック体２２，２２どうしを連結する際には、上下に隣接する内側リブ２２ｂ，２２ｂどうしと、上下に隣接する外側リブ２２ｃ，２２ｃどうしのボルト挿通孔２２ｄ，２２ｅに挿通させたボルトＢをナットＮにより締め付け固定すればよい。

先にも説明したとおり、筒状体２０の内部空間には同期発電機３０が配設されている。本実施形態においてはプロペラ型の同期発電機３０を用いた。この同期発電機３０は、図２、図３に示すように、分割ブロック体２２の開口部を横切って架設された固定具３４に回転羽根である羽根３２の正面を下向きにした状態で（設置面に向けた状態で）組み付けると共に、羽根３２の上側位置で羽根３２に直結された発電装置とを有している。発電装置は、羽根３２の回転軸に直結された磁石３６と、磁石３６の外周面をとり囲む配列で固定具３４に取り付けられたコイル３８とを有し、羽根３２の回転を利用した電磁誘導により発電が行われる。このような同期発電機３０の出力は、同期発電機３０の大きさにもよるが、数百ワットから数メガワット程度のものが用いられる。

固定具３４は、両端縁位置が分割ブロック体２２の外側リブ２２ｃの外周縁位置と同程度となるものが用いられている。外側リブ２２ｃにボルト挿通孔２２ｅを設ければ、上下に隣接する分割ブロック体２２，２２に固定具３４を挟持させた状態で外側リブ２２ｃのボルト挿通孔２２ｅにボルトＢを挿通した後ナットＮにて締め付け固定することができる。なお、内側リブ２２ｂのボルト挿通孔２２ｄにボルトＢを挿通した後にナットＮにより締め付け固定してもよい。
同期発電機３０は、筒状体２０の高さ方向の少なくとも一箇所に配設されている。筒状体２０の高さおよび風量が十分にある場合には、同期発電機３０を筒状体２０の高さ方向に沿って複数箇所に設置してもよい。また筒状体２０の最上部位置のみに同期発電機３０を配設するようにしてもよい。

筒状体２０を構成する分割ブロック体２２のうち、最下部に配設される分割ブロック体２２の底部外周面には、自然風および空気を分割ブロック体２２（筒状体２０）の内部空間に取り込むための風取込口２４が形成されている。風取込口２４は分割ブロック体２２の周方向で少なくとも一箇所に配設されている。分割ブロック体２２の底部外周面の周方向における複数個所に風取込口２４を配設すれば、風向きにかかわらず分割ブロック体２２（筒状体２０）の内部空間に風を取り込むことができるため好都合である。分割ブロック体２２の外周面に風取込口２４を形成することにより、分割ブロック体２２の強度が若干低下することになるが、風取込口２４の開口部付近に補強材を用いて補強加工をしておけばよい。

風取込口２４には筒状体２０の内部空間に取り込む風量を調整するための取り込み風量調節手段である可変ダンパー２６を配設することが好ましい。可変ダンパー２６は、複数枚の金属製または合成樹脂製のルーバー板を所要間隔をあけて、設置角度を調整可能な状態で配設することにより構成することができる。各ルーバー板は、手動で風取込口２４の開口度を調節してもよいが、図示しない可変ダンパー調整部により所要設置角度状態となるように調整可能に設けられていてもよい。
例えば可変ダンパー調整部は、同期発電機３０の羽根３２の回転数を検出する羽根回転数検出手段と、可変ダンパー２６のルーバー板の設置角度と、同期発電機３０の羽根３２の回転数との相関マップが予め記録された記憶手段と、羽根回転数検出手段により検出された羽根３２の回転数と、可変ダンパー２６のルーバー板の設置角度を調整するアクチュエータとを有している。可変ダンパー調整部は羽根回転数検出手段により検出された羽根３２の回転数がパーソナルコンピュータ等の記憶手段に送信され、パーソナルコンピュータの記憶手段に記憶させておいた相関マップのデータに基づいて、ＣＰＵ等の制御手段が流体シリンダ等のアクチュエータにより可変ダンパー２６のルーバー板の設置角度を調整させることで、強風発生時においても安定した状態で同期発電機３０を回転させることにより、安定した発電出力での運転を可能にしている。

また、図３に示すように、筒状体２０の内底部には、風取込口２４から取り込んだ自然風が筒状体２０の内部空間を上昇する際におけるドラフト効果（煙突効果ともいわれる）を向上させるため、加熱手段としての釜場５０を配設することもできる。釜場５０で燃料を燃焼させることで風取込口２４から筒状体２０の内部空間に取り込んだ風が加熱されて筒状体２０の内部空間における上昇気流の風量および風速が増加し、発電効率を向上させことができる。釜場５０で用いる燃料として間伐材等を原料にした木炭を採用すれば、燃焼ガスに含まれている二酸化炭素はカーボンニュートラルであるため、二酸化炭素排出量としてカウントされることはなく、環境負荷を高めてしまうことはない。また、燃料コストも低額に抑えることができる。

本実施形態にかかる風力発電装置１００は以上に説明した構成を採用することができる。このような構成を有する風力発電装置１００は、図３内の太線矢印に示すように風力発電装置１００の周囲の自然風が風取込口２４から筒状体２０の内部に風が取り込まれることになる。筒状体２０の内底部に配設された釜場５０では木炭の燃焼ガスによる上昇気流が発生しているので、風取込口２４から取り込まれた風（空気）は、燃焼ガスと共に筒状体２０の内部空間を上昇する。このとき、燃焼ガスにより筒状体２０に取り込まれた風（空気）の流速はドラフト効果により加速されることになる。

筒状体２０の内部空間には同期発電機３０が羽根３２の正面を下に向け（設置面に向け）た状態で配設されているので、筒状体２０の内部空間を上昇してきた気流が同期発電機３０の羽根３２を回転させ、羽根３２の回転軸および固定具３４に取り付けられた磁石３６とコイル３８を用いた電磁誘導により発電が行われる。同期発電機３０により発電された電気は、パワーコンディショナ等を介して送電線や蓄電装置（いずれも図示せず）に送電される。
可変ダンパー調整部により可変ダンパー２６のルーバー板の設置角度を制御することにより、風取込口２４から筒状体２０の内部空間に取り込まれる風量の調整が可能になり、同期発電機３０の羽根３２の回転数（すなわち発電出力）を適切に制御することができる。

以上に説明したように、本考案にかかる風力発電装置１００はきわめてシンプルな構造であるため、風力発電装置１００の製造コストやメンテナンスコストが低額で済む。また、風力発電装置１００の構成がシンプルであることにより故障の発生頻度が低く、信頼性が高く風力発電装置の発電コストを大幅に低下させることができる。
以上により従来の発電装置より低コストで簡易な構成の風力発電装置１００の設置が可能になり、風力発電を大幅に普及させることができる。

以上に本実施形態に基づいて本考案にかかる風力発電装置１０の説明をしてきたが、本考案にかかる風力発電装置１０の技術的範囲は以上の実施形態に限定されるものではない。例えば、図１では、同期発電機３０の発電装置である磁石３６とコイル３８が筒状体２０の最上部から外部に露出している形態となっているが、磁石３６とコイル３８が直接外部に露出しないように、筒状体２０の最上部に磁石３６とコイル３８の周囲を被覆する図示しないカバー体（ナセル）を装着してもよい。

また、本実施形態においては、プロペラ型の羽根３２と、羽根３２の回転軸に直結された磁石３６と磁石３６の周辺に配設されたコイル３８と、を用いた同期発電機３０を採用しているが、この形態に限定されるものではなく、他の公知の発電装置を採用することもできる。また、図２、図３には、発電装置（磁石３６、コイル３８）が羽根３２の上側位置で羽根３２に直結されたいわゆるアップウインドゥ方式の同期発電機３０の形態を示しているが、発電装置（磁石３６、コイル３８）が羽根３２の下側位置で羽根３２に直結されたいわゆるダウンウインドゥ方式の同期発電機３０とすることもできる。

また、同期発電機３０は固定具３４を介して筒状体２０に組み付けられた実施形態について説明しているが、外径寸法を分割ブロック体２２（筒状体２０）の内径寸法に一致させた寸法の枠体に固定具３４を固定し、分割ブロック体２２の内側リブ２２ｂにより枠体を保持させた状態で筒状体２０に同期発電機３０を設置することもできる。
また、本実施形態においては、筒状体２０の最下部に配設された分割ブロック体２２にのみ風取込口２４を配設した実施形態について説明をしているが、筒状体２０の中途高さ位置において、同期発電機３０よりも設置面側となる位置に他の風取込口２４を配設することも可能である。
さらに、取り込み風量調整手段としていわゆるブラインド型の可変ダンパー２６の構成について説明しているが、スライドシャッター型の取り込み風量調整手段を採用してもよい。要は、風取込口２４から取り込まれる風量を適宜調整することができればよい。

また、本実施形態における釜場５０は、筒状体２０の設置面上に直接配設されているが、設置面に凹部を形成し、設置面よりも下方位置となる凹部の底部分に釜場５０が配設された実施形態を採用することもできる。この構成を採用することにより、設置面御高さ位置において上昇気流を生じさせることができ、風取込口２４から取り込まれた風に対して直ちに上昇気流を作用させることができる点において好都合である。
さらにまた、筒状体２０の外周面や外側リブ２２ｃに図示しないワイヤの一端部を係合し、ワイヤの他端部を設置面に打設したアンカー（図示せず）に係合させることで、筒状体２０をさらに安定させるのが好ましい。

１０ 設置面
２０ 筒状体
２２ 分割ブロック体
２２ａ 本体部
２２ｂ 内側リブ
２２ｃ 外側リブ
２２ｄ，２２ｅ ボルト挿通孔
２４ 風取込口
２６ 可変ダンパー
３０ 同期発電機
３２ 羽根
３４ 固定具
３６ 磁石
３８ コイル
４０ 避雷針
５０ 釜場
１００ 風力発電装置
Ｂ ボルト
Ｎ ナット

Claims (7)

1. 設置面に立設された筒状体と、
   該筒状体の外周面に形成された風取込口と、
   前記筒状体の内部空間に固定具により上向きまたは下向きにして配設された回転羽根と、
   該回転羽根に直結された発電装置と、を有し、
   前記筒状体の風取込口より前記筒状体の内部空間に取り込まれた自然風をドラフト効果により発生させた上昇気流によって前記回転羽根を回転させることにより前記発電装置に発電させることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記筒状体は、高さ方向に複数の分割ブロック体を連結することにより形成され、
   前記固定具は前記分割ブロック体により上下から挟持されることで前記筒状体に組み付けられていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 前記発電装置は、前記筒状体の高さ方向の複数個所に配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の風力発電装置。
4. 前記風取込口は、前記筒状体の周方向に単数または複数箇所に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の風力発電装置。
5. 前記風取込口は、前記筒状体の高さ方向において前記発電装置の設置面側に単数もしくは複数箇所に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の風力発電装置。
6. 前記風取込口には、前記筒状体の内部に取り込む風量を調整するための取り込み風量調節手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の風力発電装置。
7. 前記筒状体の内底部には、加熱装置が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の風力発電装置。

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