JP3217165U

JP3217165U - 集風装置

Info

Publication number: JP3217165U
Application number: JP2018000771U
Authority: JP
Inventors: 庸之藤井
Original assignee: 庸之藤井
Priority date: 2018-02-15
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2028-02-15

Abstract

【課題】出力とエネルギー変換率を向上するとともに、建造費を低減し、暴風や落雷による事故発生を低減し、環境にもやさしい風力発電設備の集風装置を提供する。
【解決手段】高さが地上レベルより５０ｍ未満の四角鉄塔の最頂部位に水平十字型の鉄枠を設け、鉄枠の四方先端の各上部位にドーム形状の集風ドーム１を計４基設けてドームの開放部を風向センサーにより風に向かって正対させ、風圧によって風力エネルギーを捕獲し、鉄塔のセンター部位に地上レベルまで垂直に設けた一本の鉛直管（風管６）に集風ドームから送られて来た風力エネルギーを集束し、地上レベルに設置した風車タービンに直に転送する四角鉄塔に組み込まれた単層型４頭式集風装置である。
【選択図】図１

Description

本考案は、風力発電機の風力エネルギーの捕獲に係わる機構に関するものである。

風車発電機の発生出力（Ｐ）に係わる方程式は、Ｐ＝Ｃｐ＊１／２＊ｐ＊Ａ＊Ｖ＾３と定義されている。ここで、Ｃｐ＝エネルギー変換率、ｐ＝空気密度、Ａ＝受風面積、Ｖ＝風速、である。
従って、出力を増大するには、空気密度ｐは、常温で、約１．２ＫＧ／ｍ＾３で一定であるので、変数であるＣｐ，Ａ，Ｖ，を増大させることになる。Ｃｐは学説上、最大で、５９．３％（ベッツ係数）とされており、Ｖは人為的に増大させることが出来ない。そこで、Ａ、即ち、風車の受風面積を増大させることによって風力エネルギーの捕獲を増大させて出力の増大を図っている。

風力発電機は、現在、プロペラ型風車発電機がその主流を為している。
このプロペラ型機には性能上、機構上、或いは、構造上、色々な弱点があることが知られている。即ち、その代表的な弱点は、風力エネルギーの約４０％（ベッツの法則により、エネルギーの最大変換率は、５９．３％とされている）以上が電気エネルギーに変換されずに無駄に流出していることである。
これは、同じく流体を扱う水力発電の水力発電機のエネルギー変換率が略、８０％以上であるのに比べて極めて低いエネルギー変換率である。
この低いとされる要因は、プロペラは、機構上、揚力を利用して回転しているのであるがプロペラの前方より後方に風を通過させないと揚力を得られないと云う原理がある。此れ故に、風力エネルギーの無駄な流出となりエネルギーの変換率の低下の主要因となっている。

又、プロペラ型風車発電機は、より一層の風力エネルギーを得るために地上レベルより一層高い高所に重量級のプロペラ、変速機、発電機、等を空中懸架している。従って、暴風時には、風力（風圧）が地上レベルよりが遥かに強いために、構造を耐風圧設計にしている。それにも拘わらず、羽根車やタワーの折損事故が多発しているのが実情である。更に、耐風圧設計にして強度レベルを上げて堅牢な構造にする為に製造コストレベルが上り、これが、発電設備としての全体の製造コストを押し上げる要因をなしている。加えて、主要機器が相当の上空に懸架されているために、これ等の機器のメインテナンスの難易度が高くなり、それ故、メインテナンス費用も高価となっている。

特開２０１０−１９６６００
特開２０１１−２７０９９
特開２０１７−１５０９４
特願２００２−５８１８３４

風力発電機において出力を増大させる方法の一つは受風面積を増大させて風力エネルギー（運動エネルギー）の捕獲量を増大させることである。その増大方法の機構の構築を課題とする。

抗力式風車発電機のエネルギー変換率（風力エネルギーの対電気エネルギーの変換率）をプロペラ型風車発電機の変換率以上に引き上げることを課題とする。

風力発電機としての建造費のコストレベルを風力エネルギーの捕獲機構の改革により発電設備としての全体のコストレベルを引き下げることを課題とする。

風力発電機の主要機器である風車タービン、増速機、発電機、等を地上レベルに設置することによって暴風による発電設備の倒壊事故、落雷による火災事故の発生率を引き下げることを課題とする。

プロペラ型機が回転時に発する低周波音は風車設置の近隣の住民に健康被害を及ぼしている。又、プロペラ型機は、バードストライクにより鳥類を殺傷していることが報告されている。これ等の事象を無くした環境にやさしい風力発電設備の構築を課題とする。

課題を解決する為の手段

プロペラ型機は、上空でプロペラの径を拡大して受風面積を増大させて風力エネルギーの捕獲量を増大させることによって発電容量を増大させて電気エネルギーの創生の増大を図っている。
当該集風装置には、集風装置Ａと集風装置Ｂの２種類がある。
当集風装置Ａ（図１〜２）は、高層の鉄塔に矢倉を組んで、同矢倉に複数のお椀型形状のドームを搭載して同ドームの開口部を風向に正対させて上空（地上レベルより５０ｍに至る上空）で”高風速（４．５〜２５ｍ／ｓｅｃ）で、且つ、大容量”（以下、ハイレベルと称する）の風力エネルギーを捕獲して、当エネルギーを地上レベルに導かれる断面積を縮小した鉛直管（以下、風管（６）と称する）を通して地上レベルに設置された抗力式風車タービン（９）に直接に転送して同タービンを回転させるための手段である。
当集風装置Ｂは、高層の多重鉄骨枠建造物の各層に一基のお椀型形状のドームを組み込んで、同ドームの開口部を風向に正対させて、上空（５０〜１００ｍの上空）で捕獲されたハイレベル（高風速で、且つ、大容量）の風力エネルギーを同建造物の最上部のドームより下層の各階層のドームに、各階層で捕獲吸引された風力エネルギーを順次に加増しながら風管を通して地上レベルに設置された抗力式風車タービンに直接に転送して同タービンを回転させるための手段である。（図６）参照
当該集風装置Ａ，Ｂは、次の発電システムに供与される。
当該集風装置によって捕獲された風力エネルギーは、風管（６）によって速度エネルギー（運動エネルギー）に変換されて風車タービン（９）に転送されて、更に、回転エネルギーに変換されて回転トルクを生み出す。同トルクは同タービンに直結されたフライホイールに伝達され同フライホイールは回転して、自らに運動エネルギーを貯えることになる。同フライホイールは貯えられた運動エネルギーをトルクとして発電機に放出して電気エネルギーを創生する発電システム（図９）に供与される。
ここで、当該集風装置の集風能力を拡大する、即ち、上述のドームをスケールＵＰすることによって受風面積を拡大する、或いは、同ドームの員数を増大させることによって風力エネルギーの捕獲量を増大させることが可能である。
この捕獲増大されたエネルギーを上記したシステムに転送することによって発電機の出力の増大を生み、増大された電気エネルギーの創生を可能とするものである。
当発電システムにおいて、高所の上空レベルで捕獲した風力エネルギーを風管（６）を通して地上レベルに設置された風車タービン（９）に直送することを特長とするシステムであるが、これは物理の法則である“ベイヌーイの法則”の定理に習ったもので、風力エネルギーの全圧を断面積を縮小した風管（６）を通して、略、１００％近くを速度エネルギー（運動エネルギー）に変換して、同エネルギーを風車タービン（９）に直送して回転エネルギーに変換して、同エネルギーをトルクとして発電機に転送するシステムであるが、そのエネルギーの転送時において当エネルギーの漏出が殆ど無いことを特長とする発電システムである。結果、エネルギー変換率の効率化を生み出す。
プロペラ型風車発電機の場合は、ベッツの法則で知られている通り、受風面で捕獲された風力エネルギーの略、４０％以上が電気エネルギーに変換されずに無駄に流出するとされている。
当該集風装置を適用した発電システムは、水力発電において放流管を通してダムの貯水（位置エネルギー）を運動エネルギーに変換して水車タービンに直送するシステムに類するもので、エネルギーの転送時に無駄な漏出がないので高効率のエネルギー変換率を生み出すことが出来る。即ち、当集風装置によって捕獲された風力エネルギーは、断面積を縮小した風管（６）により速度エネルギー（運動エネルギー）としてダイレクトに風車タービンに転送されるので転送途上で無駄なエネルギーの漏出が無いことに起因する。因みに、水力発電のエネルギー変換率は、８０〜１００％とされている。
尚，当該集風装置には、その構造により次の三種類に分類される。
（１）集風装置Ａ−１：単層四頭式集風装置：図１参照
（２）集風装置Ａ−２：多層四頭式集風装置：図２参照
（３）集風装置Ｂ：多重式集風装置：図５参照

集風装置Ａは、高圧電力送電線用の高層四角鉄塔形状の建造物（最大高さ、５０ｍ）の上位部位に単層（Ａ−１）乃至多層（Ａ−２）の鉄枠フレーム上に矢倉を設けて同矢倉上に単層当たり４基（ａ，ｂ，ｃ＆ｄ）（図４（Ｂ）参照）のドーム形状の該集風装置を装備して、同ドームの開放面（図３（Ａ）参照）を風向に正対させて上空で高速の風力エネルギーを捕獲することを目的とした集風装置である。
図１は、単層四頭式、図２は、多層四頭式の集風装置の摸式図である。
集風装置Ｂは、高層（地上レベルより５０〜１００ｍ上空）の多重鉄骨枠建造物の各階層の鉄骨枠内にドーム形状の該集風装置を装備して、同ドームの開放面を風向に正対させて風力エネルギーを捕獲することを目的とした多重式集風装置である。
図６は、当集風装置Ｂ（多重式集風装置）の摸式図である。
同図６に示されているとおり、同建造物の最上部に集風ドームが搭載されているが、同ドームは集風装置Ａのドームの構造と機能を同じくするものである。

該集風装置Ａは、外ドーム（１ａ）と内ドーム（１ｂ）の二重ドームで構成され回転円盤（１ｄ）上に設置される。同二重ドームの開放面をセンサー検知により風向に向かって正対させて風力エネルギーを捕獲する機構を備える。
同二重ドームは、平常の風力エネルギー捕獲時は、風向のセンサー検知により、その開放面を風向に対して正対させた状態で回転盤（１ｄ）が回転動作を行うが、台風の様な暴風時、或いは、豪雪時には、内ドーム（１ｂ）は固定状態で、外ドーム（１ａ）のみが回転主軸（１ｃ）を中心に１８０°水平回転して同ドームは完全閉塞する機構を備えている。（図３（Ｂ））参照。即ち、暴風時にはカットアウト風速（２５ｍ／ｓｅｃ．）をセンサー検知して、或いは、豪雪時には、降雪センサーにより、同回転動作する機構を備えている。同ドームの完全閉塞により耐風圧、乃至、耐豪雪構造の形態をとるものである。

該集風装置Ａは、上述の通り、エネルギーは一本の風管（６）を通して風車タービンに直接に転送するシステム（図５参照）に供されるものであるが、同風管において同一階層の複数のドームより流入して来る流体（空気）が合流する”Ａ部”において互いに流体が干渉して流速が減衰する現象、即ち、運動エネルギーの損失が生じる。
そこで、この現象を避けるために”段差付きの合流管”（図４（Ａ））を装備することを特長とする。
同段差により流速は干渉すること無く流速は加速されることになる。即ち、同“段差付きの合流管”は、風力エネルギーを地上レベルに転送する風管においてエネルギーの損出を無くすことを目的とし、エネルギー変換率を向上させるための一つの手段である。
仮に、風力エネルギーの転送において、鉛直な直管を使用して、この合流箇所における圧力干渉による損出と同鉛直管の空気摩擦抵抗の損出をゼロとして又、空気の温度条件を一定とした場合、理論上は、上空で得た同風力エネルギー（運動エネルギー）を１００％地上設置の風車タービン（９）に転送することを可能となる。
これは上述の通り、事象として水力発電における貯水池（ダム）の水エネルギー（位置エネルギー）を放流管に流入せしめて運動エネルギーに変換して水車タービンを回転させて回転エネルギーを生み出す水力発電のシステムに類するものであり高効率のエネルギー変換率が期待される。
プロペラ型風車の場合、上述した通り、揚力により回転する為にはプロペラの前面より後方への風の流出が原理として必要であり、更に、プロペラが回転時にプロペラの先端で風の引き摺り現象があり、これ等の現象で、更に、機械損出を加えるとエネルギー変換率は、略３０〜４０％に低下するとされている。
当該集風装置Ａは、これ等の風力エネルギーの無駄な流失、並びに、風の引き摺り現象が皆無であるので略１００％の風力エネルギーを風車タービンに転送することを可能とする。依って、当該集風装置の発電システムへの適用は、エネルギー変換率の効率化の手段として最も効果的である。

集風装置Ｂは、高所（地上レベルより、５０〜１００ｍ上空）で高風速の風力エネルギーを捕獲して地上レベルに設置された風車タービン（９）に直接に転送する集風装置である。
該集風装置Ｂは、直方鉄骨体を高層に組み上げて各層にお椀型形状のドームを組み込み、各階層でドームの開放面をセンサーにより風向に正対させて高層空域での高風速の風力エネルギーを各階層で順次に風力エネルギーを吸引加速しながら地上レベルに延ばされた一本の断面積を縮小された風管（６）を通して運動エネルギーとして風車タービン（９）に直送するシステムに供される多重式集風装置である。図６参照。

該集風装置Ｂは、当多重の直方鉄骨体の最頂部に該集風装置Ａと同一形状の一基の二重ドーム（１）を装備して回転台（１ｄ）に搭載され、当ドームの開口部を風向に正対させるように同回転台が風向センサーにより３６０度自動回転動作して風力エネルギーを捕獲し、台風や、豪雪等の悪天候時には、同じく、センサー検知により内ドーム（１ｂ）が固定された状態で外ドーム（１ａ）が１８０度水平回転動作して、該ドームは完全閉塞形状をとり、耐暴風や耐豪雪機構を備えるものである。（図７）及び（図８）（Ａ）参照
尚、下層部位の各階層には、同じく半円のお椀型形状の集風二重ドーム（２）が装備され多重式集風装置の形態を為し、最頂部位に、上述の二重ドーム（１）を頂き該集風装置Ｂの形態を為す。摸式図（図）６参照。
同集風ドーム（２）は，外ドーム（２ａ）と内ドーム（２ｂ）の二重ドームの形態を為し、同ドームの開放面を風向に向かって正対させるように固定された円錐コーン（２ｄ）を中心に３６０度自由回転するように回転台（２ｃ）に搭載される。（図８）（Ｂ）参照
同円錐コーンは、広角面が上方で鋭角面が下方の形状を為し、同ドーム内に吹き込まれた風は同鋭角効果により同円錐コーンの下方域の風の流速が早くなり、風は下方に吸い込まれる現象が生まれる。この現象により各階層で捕獲された風力エネルギーは、下方階層に向かって渦回転しながら増速して、断面積が縮小された風管（６）を通して直に運動エネルギーとして風車タービン（９）に転送される。
同ドームは、非常時（暴風時、或いは、豪雪時）にのみ内ドーム（２ｂ）は固定された状態で外ドーム（２ａ）のみが、１８０度水平回転して同ドームは完全閉塞状態になり耐風構造の形態をとる。（図７）参照

当該集風装置Ａ及びＢは、ベイヌーイの定理を応用するものであるが、集風装置より風車タービンに風力エネルギーを移送する過程で同エネルギーの漏出が無い断面積を縮小した風管（６）を適用して、風力エネルギーの略、１００％近くを速度エネルギー（運動エネルギー）に変換する現象を応用したものである。
この現象を利用してエネルギーの変換率の効率化を目的とし，風力エネルギーを捕獲する手段として考案されたのが、当該集風装置Ａ、Ｂである。
このエネルギーの直送システムは、上述の通り、水力発電において貯水池に貯えられた水エネルギー（位置エネルギー）を放水管を通して運動エネルギーとして水車タービンに転送して発電するシステムに類似するもので、転送時においてエネルギーの漏出が皆無であることを特長とし、エネルギー利用の効率化、即ち、エネルギー変換率の効率化を目的としたものである。
当該集風装置より発電に至るシステムフローを図９に示す。上述の通り、捕獲された風力エネルギーの全圧は、同風管により、略、１００％近くが動圧（速度エネルギー ⇒ 運動エネルギー）に変換され、同エネルギーは風車タービンに直に転送されて回転エネルギーを生み出す。そして、捕獲する風力エネルギーを増大化することにより同回転エネルギーは、大容量の運動エネルギーの貯蔵を可能としたフライホイールに一旦、貯蔵される。貯蔵された同エネルギーは、安定した、且つ、平準化された大トルクとして発電機に放出されて大容量の電気エネルギーを創生することになる。
風力発電に係わる上記のシステムにおいて当該集風装置の導入は、風力エネルギーの対電気エネルギーの変換率の効率化にとって欠くことの出来ない、且つ、出力の大容量化を可能とした集風装置である。

当該集風装置によって捕獲された風力エネルギーが生み出す出力に係わる計算式を下記に示す。
プロペラ型風車発電機の出力（Ｐ）の計算式は、学説として、上記段落（０００２）に述べられている通り、Ｐ＝Ｃｐ＊１／２＊ｐ＊Ａ＊Ｖ＾３と定義されている。
即ち、出力は、変換率（Ｃｐ）と空気密度（ｐ）を一定とすると、受風面積（Ａ）と風速（Ｖ）に比例して増大すると定義している。
そこで、出力の増大には、出力は風速（Ｖ）の三乗に比例するのであるから（Ｖ）を増大させるのが最も効果的である。しかし、自然界の風速は人為的に増大させるのは不可能である。
故に、風車の受風面積（Ａ）を増大させて出力を増大させることが最も手っ取り早い手段と云うことになる。因みに、福島沖で計画されている出力７０００ｋＷのプロペラ型風車の直径は、１００ｍとされている。即ち、受風面積は、７，８５０ｍ^２と云う広大な面積をとる。
従って、当該集風装置における課題は、高風速を得られる高空域の空間に風の捕獲能力の優れたお椀型形状のドームを複数基設けてより多くの風力エネルギーを捕獲することを課題とする。
該集風装置Ａのドームの集風面は、仮に、ドームの低面の直径を５ｍとし、高さを１０ｍとすると、その長方形面積は５０ｍ^２である、そして、その上部の半円の面積は、π＊Ｒ＾２をベースに計算すると、約１０ｍ^２であるので、同ドーム一基当たりの受風面積は、約６０ｍ^２となる。
一層当たり、４基のドームが設置されるので一層当たりの受風面積は、約２４０ｍ^２となる。因みに、５層では、総受風面積は、約１２００ｍ^２となる。
風力によって受風面で受ける力Ｆ（Ｎ）は、定義式、Ｆ（Ｎ）＝Ｃｐ＊１／２＊ｐ＊Ａ＊Ｖ＾２（論文”サポニウス型風車における羽根枚数による性能比較と実験”高知工科大学知能機械システム工学科の同論文の５ページ参照。同ページを参考資料−１として添付）をベースとして、仮に、風速を、１０ｍ／ｓｅｃ．、Ｃｐ＝０．７，ｐ＝１．２ｋｇ／ｍ＾３とすると、Ｆ（Ｎ）＝０．７＊１／２＊１．２＊１２００＊１００≒５０，４００（Ｎ）である。
当風力Ｆ（Ｎ）エネルギーが、風車タービン（９）に転送されて回転トルクが生み出されることになるが、仮に当タービンの径（半径Ｒ）を５ｍとすると、トルク（Ｔ）は、定義式Ｔ＝Ｆ（Ｎ）＊Ｒ（ｍ）より、Ｔ＝５０，４００（Ｎ）＊５（ｍ）≒２５２，０００（Ｎ・ｍ）となる。
一方、トルクによって風車が生み出す出力Ｐ（ｋＷ）は、；−
Ｐ（ｋＷ）＝Ｔ＊Ｎ（回転数、ｒｐｍ）／９５４８
と定義されている。
従って、仮に、回転数を１００ｒｐｍとすると出力は、；−
Ｐ（ｋＷ）＝２５２，０００＊１００／９５４８≒２，６４０ｋＷ
が理論上の最大出力になる。
上記は、該集風装置Ａによる出力計算例であるが、該集風装置Ｂにおいても同じく、総受風面積をＢ算出することによってその出力を計算することができる。

発電機の出力の設定をベースに当該集風装置の受風面積の確定に係わる計算式を下記する。
（１）例題として、発電機の仕様を、出力２０００ｋＷ，回転数１００ｒｐｍとする。
この条件下に於いて、発電機が要求するトルク（以下、トルクＴ２と呼称する）は、定義式、出力（ｋＷ）＝トルク（Ｔ）＊回転数（Ｎ，ｒｐｍ）／９５４９より逆算してトルクＴ２を算出することができる。
即ち、Ｔ２＝２０００ｋＷ＊９５４８／１００ｒｐｍ＝１９０，９６０（Ｎ・ｍ）が算出される。
（２）次に、要求されるトルクＴ２に対して、風車タービンよりフライホイールに転送されるトルク（以下、Ｔ１と呼称する）モーメントの設定を行う。
そこで、Ｔ２がＴ１より勝るとフライホイールの回転は減速することになるので、条件として、Ｔ１≧Ｔ２を満足する様に設定する。
一方、Ｔ１の増大が継続するとフライホイールが増速するので回転数をセンサー検知して風車タービン側で流入風量の制御を行い、回転数の自動制御を行う必要がある。
（３）フライホイールが貯蔵する運動エネルギーはフライホイールのスケール（質量と径）に比例する。即ち、回転体の運動エネルギ―（Ｋ）は、Ｋ＝１／２Ｉ＊ω＾２と定義されている。ここで、（Ｉ）は、慣性モーメントで質量と半径の二乗に比例する。従って、同運動エネルギーの増大は、回転速度（ω）を一定とすると、質量と半径を増大させることに帰結する。
そして、二乗に比例する半径を増大させる方が効果的と云える。
回転体のトルク（Ｔ）は、Ｔ＝接線力（Ｆ）＊半径（Ｒ）と定義されている。
ここで、接線力（Ｆ）は、Ｆ＝重力加速度（９．８Ｎ）＊質量である。
従って、仮に、フライホイールの質量を５，０００ｋＧ，半径（Ｒ）を４ｍに設定すると、トルク（Ｔ）は、：−
Ｔ＝５，０００ｋＧ＊９．８Ｎ＊４ｍ＝１９６，０００（Ｎ・ｍ）である。
即ち、Ｔ１＝１９６，０００（Ｎ・ｍ），Ｔ２＝１９０，９６０（Ｎ・ｍ）で、式Ｔ１≧Ｔ２を満足している。従って、発電システム上は、問題無く機能する。
（４）次に、風車タービン（９）が風力エネルギーによって発するトルク計算である。
上記段落（００１８）に記載されている通り、風力によって風車の受風面が受ける力Ｆ（Ｎ）は、Ｆ（Ｎ）＝Ｃｐ＊１／２＊ｐ＊Ａ＊Ｖ＾２と定義されている。
仮に、同変数をＣｐ＝０．７，ｐ＝１．２ｋＧ／ｍ＾３，Ａ＝１，２００ｍ^２、Ｖ＝１０ｍとすると、Ｆ（Ｎ）＝０．７＊０．５＊１．２＊１，２００＊１００＝５０，４００（Ｎ・ｍ）である。
従って、風車タービンの径（半径）を仮に、４ｍとすると、発生トルク（Ｔ）は、Ｔ＝Ｆ（Ｎ）＊Ｒ＝５０，４００＊４＝２０１，６００（Ｎ・ｍ）である。
上記の通り、フライホイールの発生トルクは、Ｔ１＝１９６，０００（Ｎ・ｍ）であり，同タービンより転送されるトルクは、２０１，６００（Ｎ・ｍ）であるのでシステムの機能上の問題はない。トルクのオーバーによりフライホイールは増速するが、回転数の自動制御機能により風量制御を行い規定回転数を維持する。
（５）上記のプロセスをベースに、ここで、当該受風装置の受風面積の設定を行う。
該集風装置Ａにおいて、仮に、ドーム一基当たりの受風面積を上記段落（００１８）に記載されている通り、ドームの低面の直径を５ｍとし、高さを１０ｍとすると、同段落記載通り、一基当たりの受風面積は、略、６０ｍ^２である。
従って、一層当たりの４基のドームであるので、一層当たりの受風面積は２４０ｍ^２である。
上記を念頭にして、発電機の仕様を出力２０００ｋＷ，回転数１００ｒｐｍと計画した場合、当該受風装置の受風面積を如何ほどに設定すればよいかの設問になる。
手順として：−
（１）該発電機の必要トルク（Ｔ２）を、式Ｐ（ｋＷ）＝Ｔ＊Ｎ／９５４９より逆算してＴ（トルク）を求める。即ち、Ｔ２＝２０００＊９５４９／１００＝１９０，９８０（Ｎ・ｍ）
（２）次に、風車タービンの径（半径）を、５ｍと設定した場合、風車が生み出すトルクは、式、Ｔ１＝Ｆ（Ｎ）（風車が風力受ける力）＊５ｍより逆算して、Ｆ（Ｎ）を求める。この場合、Ｔ１は、Ｔ２以上であらねばならない。（上記した、Ｔ１≧Ｔ２より）
即ち、Ｆ（Ｎ）＝１９０，９８０（Ｎ・ｍ）／５ｍ≒３８，２００（Ｎ）は最低値である。
（３）次に、上述した式、Ｆ（Ｎ）＝Ｃｐ＊１／２＊ｐ＊Ａ＊Ｖ＾２より逆算して、Ａ（受風面積）を求める。
仮に、風速を、１０ｍ／ｓｅｃとし、Ｃｐを、０．７（変換率）とすると、Ａ＝３８，２００／０．７＊１／２＊１．２＊１００≒９１０ｍ^２が求められる。
上記した通り、一層当たりの受風面積は、２４０ｍ^２であるので，９１０／２４０≒３．８より、最低、４層以上の受風面積が求められる。従って、余裕を取って、当該集風装置は、５層以上に設定することが出来る。そして、風力エネルギーによって発生するトルクは、式、Ｔ１≧Ｔ２を満足するので発電システムとして、問題無く機能する。

風力発電の課題の第一は、出力の増大化のために如何にして発生トルクを増大させかであり、第二は、不安定に吹く風によって得られる不安定な風力エネルギーを如何にして平準化したトルクを発電機に放出して安定した電気エネルギーを創生するかである。
この二つの課題を全うするためには、はずみ車（フライホイール）を発電システムに組み入れることが必要条件となる。
フライホイールの代表的な機能としては、大型のディ―ゼルエンジンに採用されているフライホイールの機能を挙げることができる。エンジンが発する回転力は脈動が有り不安定である。そこで、この不安定な回転力をクランクシャフトを通してフライホイールに運動エネルギーとして貯蔵することによって安定した、且つ、平準化したトルクを負荷側に放出することが出来る機能である。
第２の機能は、フライホイールは回転することによって運動エネルギーを貯蔵する機能である。そして、フライホイールをスケールＵＰ（径と質量の増大）すればする程、膨大な運動エネルギーを自らに貯蔵することが出来る機能である。
回転体（フライホイール）の運動エネルギーは、慣性モーメントと角速度の二乗を乗じた値に比例すると定義されている。従って、慣性モーメントは、回転体の質量と半径の二乗を乗じた値であるので、フライホールをスケールＵＰする事によって貯蔵エネルギーを理論的には無限に増大させることが可能となり、この増大した運動エネルギーをトルクとして負荷側（発電機）に放出することによって、理論的には出力の増大は幾らでも可能となる。
但し、エネルギー一定の法則より、フライホイールへの入力トルクを増大させる必要がある。その為に、風車の受風面積を拡大して風力エネルギーの捕獲を増大させてトルクを増大させることが必要条件となる。
このフライホイールのエネルギーの貯蔵機能を発電システムに組み入れることによって安定した、且つ、平準化したトルクを風車発電機に転送して出力の増大化を可能とする。
過去、プロペラ型風車発電機においてフライホイールを風車と一体型にする考案が為されていたが、プロペラとの機械バランス上の問題、構造上の問題、等で今だに実現化していない。
当該集風装置の開発によりエネルギー変換率の効率化が可能となり、又、風力エネルギーの捕獲拡大が可能となったので、現存のプロペラ型発電機並みの発電出力が可能となり、加えて、水力発電と同様に地上レベルに発電設備を設置することを可能としたので発電用建造物としての耐風耐震上の強度レベルを引き下げることが可能となり、結果、発電設備の全体の建造コストを引き下げることを可能とした。
此れを当該集風装置の導入による最大のメリットとして挙げることができる。
更に、発電設備として、低周波音を発しない、バードストライクの事象がない、シャドウフリッカーが無い等、環境にやさしい発電設備であることもメリットとして挙げることができる。

当該集風装置を適用した発電システムにおける出力に係わるエネルギーの変換率（風力エネルギーの対電気エネルギーの変換率）は、上記した概念より、”０．７”に仮り設定する。
プロペラ型風車の場合、その変換率は、最大で０．５９３（ベッツ係数）と定義づけられている。これは、上記した通り、プロペラは揚力を利用して回転を得てトルクを発しているが、回転原理として、プロペラの前面より後方へ風を流出させないと回転しないと云うその原理がある。従って、この原理により、プロペラ型発電機は、約４０％の風力エネルギーを無駄に漏出していることになる。
更に、プロペラの回転時に羽根の先端部位での風の引き釣り現象により、風力エネルギーを逃がしているとされており、同変換率は更に、低いとされている。加えて、機械ロス、電気系統のロスを加算すると、同変換率は、３０％台とされており発電装置としての総合効率は可なり低いレベルである。
一方、上記した通り、水力発電の発電装置による水エネルギー（位置エネルギー）の対電気エネルギーの変換率は、８０〜９０％とされている。プロペラ型風車発電機の同変換率に比べて、水力発電は、倍以上の変換率を得ている。
この変換率の差の要因は、何かと云うと、その発電システムにおいて、エネルギーの転送時に於けるエネルギーの漏出の有無が主原因となっている。
即ち、プロペラ型発電機の場合は、上述した通り、約４０％の漏出があるが、水力発電の場合は、放水管で貯水池（ダム）より水車にエネルギーを送る過程において、配管ロスを除くと、略、１００％近くの運動エネルギーがタービンに転送されている。更に、システムにおいてダムより水車へのエネルギーの転送過程において、放水管に直管を採用しているのでエネルギーロスが殆ど無いことも挙げられる。総合的に発電に至るエネルギーフロ―のシステムの相違がエネルギー変換率の相違の主要因となっている。
当該集風装置Ａ，Ｂにおける集風機構は、上空での風力エネルギーの捕獲後、風管（径を縮小した鉛直管）（６）で転送時にエネルギーの漏出が無く、地表レベルに設置された風車タービン（９）にダイレクトに風力エネルギーを転送するシステムになっている。そして、エネルギー転送時における配管摩擦抵抗のみがエネルギー損出であり、これが水力発電との共通点であり、後は、機械ロスと電気機器の抵抗ロスである。この概念を以って、当該集風装置を適用した発電システムのエネルギー変換率は、水力発電より低めの”０．７”と仮り設定している。

大容量の電力を創生する為に、当発電システムには、上記の通り、大スケ―ルのフライホイールを装備する。この装備により著しく起動トルクが増大して低風速では起動始動が出来ない問題が生じる。
そこで開発されたのが、圧搾空気による始動起動装置（特許第５４１３７５７号）である。これは、風車とフライホイールに接続される主軸を中空軸（ホローシャフト）にしてフライホイールの外周部に設けられた複数の空気噴射ノズルより別置きのコンプレッサーにより生じた圧搾空気を噴射させてフライホイール及び、同ホイールに接続されている風車タービンを強制的に回転起動始動させる装置である。
同始動装置は、該集風装置付属の風速計がカットイン風速（４ｍ／ｓｅｃ．）を検知して同コンプレッサー付属の空気槽の弁の自動開動作により圧搾空気が同ホローシャフトを経由して同空気噴射ノズルに送られて同ノズルより発射された圧搾空気圧によりフライホイール及び風車タービン（以下、回転体と称する）を瞬時に起動始動させる装置である。
コンプレッサーによる空気噴射圧は、電車の開閉扉、ダンプカーのブレーキ装置、或いは、潜水艦の魚雷発射装置、等に使用されており、その圧搾空気の瞬時の動作威力は広く知られている。
同起動始動後は、同圧搾空気の圧送は自動停止になり、同回転体は回転により生じた慣性と該集風装置より送られて来る風力エネルギー（運動エネルギー）により風車タービンは回転持続する。尚、この時点では、フライホイールと発電機間に設けられたクラッチはオフ（ＯＦＦ）状態にあり、発電機は未だ停止状態にある。同回転体の回転が規定回転数に達したところで同クラッチは自動でオン（ＯＮ）動作して発電機は回転始動する。
同回転体は、始動後、同回転体の慣性と風車タービン（９）による加速で増速状態になる。そこで、発電機に連結されている同回転体の回転速度を自動検知して予め設定された規定回転数にするべく（該集風装置の鉛直管に設けられている電動ボールバルブ（４）の開度を同検知信号により自動制御して）風量制御を行い、更に、同風車タービン（９）の外周部に設けられたガイドベーン（１０）の角度を自動制御して、この両自動制御により風量コントロールを行い同規定回転数を保持するシステムを構築するものである。

当該集風装置の装備により風車発電機の主要機器である風車、発電機、或いは、増速機，等の重量級の機器を地上レベルに設置することが可能となった。
これにより、次の在来の風車発電機のデメリットを排除することができる。
（１）プロペラ型発電機は、出力３０００ｋＷの風車発電設備で約２００トンの主要機器が地上レベルより約８０ｍ上空にタワーによって懸架されている。
従って、同タワー自体も、耐風耐震上、堅牢にする必要がある。その為に、発電装置としての建造費レベルの高騰の要因を為している。
（２）タワーの建造の強度レベルを上げて、堅牢にしているにも拘わらず暴風（台風）による繰返し応力により金属疲労を起こし、タワーの倒壊事故が多発している。
（３）同主要機器が地上レベルより上空の空域にある為に、同機器類のメインテナンスの難易度のレベルが非常に高い。その為に、メインテナンス費用レベルが高い。
（４）発電機、等の主要な電気機器が上空に懸架されているために、落雷の頻度が高く火災が発生した場合、高空のため消火不能で燃え尽きるのを待つ外ない事象を多々見受ける。
上記した事象を全て払拭可能としたのが、発電用主要機器を地上レベルに設置可能とした当該集風装置の発電システムへの導入である。

発電用の主要機器が地上レベルの建屋（８）内に収納され，更に、風車タービン（９）は風車ケーシング（９ａ）に内蔵される構造である。図５参照。
従って、風車が回転時に発する空気との摩擦音は殆ど建屋外部に漏れることはない。プロペラ型風車は回転時に低周波音を発し、人に健康被害を及ぼしている事が知られている。この事象が当該集風装置を導入してステムには無い。又、バードストライク、即ち、プロペラ型風車は回転時の周速が可なり早く、鳥類はこの回転物を目視出来ずに激突死する事故が多発していると報告されている。当該集風装置は、受風面の部位に鳥類の侵入防止網（図３（Ｃ））を設けているので係るバードストライクの事象が無い環境にやさしい装置である、と云える。

プロペラ型風車発電機は、台風、ハリケーン、やモンスーンの無い、温暖なヨーロパで発達した風車発電機である。この風車発電機を毎年、強烈な台風に襲われる風土の日本に持ち込んでは、当然なことながら、暴風によるプロペラの破損、タワーの倒壊事故に遭遇するのは必然である。
従って、台風に襲われる日本固有の風土に適った風車発電機を開発することは必須である。
この要望に応えるものが、当該集風装置を適用した風車発電システムである。
当該集風装置のコンセプトは、上述則り、最大１００ｍの上空でお椀型形状のドームの開放面を風向に正対させて地上レベルに設置された抗力式風車タービンに風力エネルギーを直送して同エネルギーを回転エネルギーに変換して、一旦、同タービンに直結されたフライホイールに運動エネルギーとして貯蔵して、同エネルギーを回転トルクとして発電機に放出して電気エネルギーを創生するシステムに供与する集風装置である。図９参照

考案の効果

当該集風装置を同システムに導入した場合のメリットを次の通り、総括する。
（１）最大のメリットは、上述の通り、風力エネルギーの対電気エネルギーの変換率を大幅に引き上げることを可能とした。
（２）発電の主要機器である風車タービン、発電機、等を地上レベルに設置することが可能となったことで、発電装置としての全体の建造費を大幅に引き下げることを可能とした。
（３）同主要機器を地上レベルに設置したことで、メインテナンスの難易度レベルが下がり、メインテナンス費用を安価にすることを可能とした。
（４）プロペラ型風車発電機の弱点である、運転時に発する低周波音、バードストライク、シャドウフリッカー、等を払拭する環境にやさしい発電装置を可能とした。

当該集風装置を風力発電システムに適用することによって、構造的に台風に弱い（プロペラの折損、タワーの倒壊事故，火災事故、等）在来のプロペラ型風車発電機の最大の弱点を払拭することを可能とした。これは、当該集風装置を適用することによって重量級の風車タービン、発電機、等を地上レベルに設置することによって重力中心を地上に移したこと、及び、電気機器を地上に移したことによる避雷効果に起因するものである。
同折損、倒壊事故例の情景写真を参考資料−２として添付。
当該集風装置Ａ，Ｂを発電システムに導入した場合の陸上風力発電所（図１０）及び洋上風力発電所（図１１）の情景のイメージ図を添付する。

本考案に係わる単層四頭式集風装置の側面摸式図本考案に係わり多層四頭式集風装置の側面摸式図同単層、多層四頭式に係わる：− （Ａ）ドーム開放正面外観摸式図（Ｂ）暴風時ドーム完全閉塞外観摸式図（Ｃ）Ｆ−Ｆ断面図（鳥類侵入防止網）同単層、多層四頭式に係わる：− （Ａ）風管用段差付き合流管（Ａ部）の拡大図（Ｂ）Ｇ−Ｇ断面図（矢倉）（Ａ）四頭式集風装置と風車タービンを風管（６）で直結した摸式図（Ｂ）ＡＢ拡大図（バケット拡大図、抗力式タービンブレード）多重式集風装置の側面摸式図多重式集風装置の集風ドームの開放と完全閉塞の展開図多重式集風装置に係わる：− （Ａ）ドーム（１）の正面開放図（Ｂ）ドーム（２）の正面開放図当該集風装置（一例）と抗力式風車タービンによる発電システム図当該集風装置Ａを適用した陸上風力発電所の操業イメージ図当該集風装置Ｂを適用した洋上風力発電の操業イメージ図

（１）集風ドーム、四頭式集風装置
（１ａ）外ドーム、四頭式集風装置
（１ｂ）内ドーム、四頭式集風装置
（１ｃ）回転主軸、四頭式集風装置
（１ｄ）回転台、四頭式集風装置
（２）集風ドーム、多重式集風装置
（２ａ）外ドーム、多重式集風装置
（２ｂ）内ドーム、多重式集風装置
（２ｃ）回転台、多重式集風装置
（２ｄ）円錐コーン、多重式集風装置
（３）避雷針兼風向計
（３ａ）風向計、多重式集風装置
（４）電動ボールバルブ
（５）電磁弁、ドレーン
（６）風管
（７）鉄塔
（８）収納棟
（９）風車タービン
（９ａ）風車ケーシング
（９ｂ）ドレーンパン、風車ケーシング
（１０）ガイドベーン、風車タービン

参考資料の説明

参考資料―１：風力発電機の出力に係わるトルク算出式
高知工科大学知能機械システム学科
平成１２年度卒業論文”サポニウス型風車における羽根枚数による性能比較と実験”より引用
参考資料―２：プロペラ型風車の暴風、落雷、漏電に依る破壊例

Claims

高さが地上レベルより５０ｍ未満の四角鉄塔の最頂部位に水平十字型の鉄枠を設けて、その鉄枠の四方先端の各上部位にドーム形状の集風ドーム（１）を計４基設けて同ドームの開放部を風向センサーにより風に向かって正対させて風圧によって捕獲された風力エネルギーを同鉄塔のセンター部位に地上レベルまで垂直に設けられた一本の鉛直管（以下、風管６と称する）に該ドームから送られて来た同風力エネルギーを集束して地上レベルに設置された風車タービンに直に転送する同四角鉄塔に組み込まれて単層４頭式集風装置Ａ−１（図１）
高さが地上レベルより５０ｍ未満の四角鉄塔の最頂部位、及びその下部位に至る中間部位に水平十字型の鉄枠を組んだ複数の階層を設けて、同鉄枠の四方先端の各上部位にドーム形状の集風ドーム（１）を計４基設けて同ドームによって捕獲された風力エネルギーを一本の風管（６）に集束して地上レベルに設置された風車タービンに直に転送する機構を備えた多層四頭式とした請求項１記載の集風装置Ａ−２（図２）
当該集風ドーム（１）は外ドーム（１ａ）と内ドーム（１ｂ）の二重構造を為し回転台（１ｄ）に搭載されており、平常の集風時は同外ドームと同内ドームは重なった状態で同ドームの開放面を風向に向かって正対させ、暴風時にはカットアウト風速（２５ｍ／ｓｅｃ．以上）を検知して、或いは、豪雪時には雪センサー検知により、同内ドームは同回転台に固定された状態で同外ドームのみが同集風ドームのセンター軸（１ｃ）を中心に水平に１８０度回転作動して、お椀を伏せた形状の完全閉塞の耐風圧ドーム（図３（Ｂ））の形状を為す機構を備えた請求項１乃至請求項２記載の集風装置Ａ−１乃至Ａ−２
高さが地上レベルより１００ｍ未満の高空域に長方体の鉄骨の枠組みをした高層建造物の最頂部位に請求項３と同じ構造の集風ドーム（１）を搭載し、下層の各階層に円錐コーン（２ｄ）を内蔵したお椀型形状の集風ドー（２）を設けて同ドーム（１）及び（２）で風圧によって捕獲された風力エネルギーを集束して順次に同最頂部位の同集風ドームより下層部位の同各階層の同集風ドームへ加速して送り込み、最下層の同ドームの排風口を同鉄骨枠の中心部に地上レベルまで延ばされた鉛直な風管（６）に接続して地上レベルに備えられた風車タービンに直に風力エネルギーを転送する機構を備えた同高層建造物と一体化した集風装置Ｂ（図６）
集風装置Ｂにおいて、同装置の最頂部に集風装置Ａのドーム（１）と同じ構造及び形状のドーム（１）を搭載し、同装置Ｂの下部階層の集風ドーム（２）は、外ドーム（２ａ）と内ドーム（２ｂ）の二重構造の形状を為して回転台（２ｃ）に搭載されており、平常の集風時は同外ドームと同内ドームは重なった状態で同ドームの開放面を風向に向かって正対させて風力エネルギーを捕獲し、暴風時には、カットアウト風速（２５ｍ／ｓｅｃ．以上）を検知して、或いは、豪雪時には雪センサー検知により同内ドームは同回転台に固定された状態で、同外ドームのみが同回転台上で、円錐コーン（２ｄ）を中心に１８０度水平回転動作して完全閉塞ドームの形成して耐暴風耐豪雪の機構を備えた請求項４記載の集風装置Ｂ（図７）