JP4128146B2

JP4128146B2 - 屋根一体型風力発電装置

Info

Publication number: JP4128146B2
Application number: JP2004013742A
Authority: JP
Inventors: 郁夫佐野; 一徳笠井; 祐二小田; 洋一郎大木
Original assignee: エス・バイ・エル株式会社
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: JP2005207288A

Description

この発明は、建物の屋根と一体に設けられた屋根一体型風力発電装置に関するものである。

従来の風力発電装置として、屋根等に建物とは別体に取り付けられた横長型水平軸風車を備え、横長型水平軸風車に吹き付ける風を集風して加速するために、風車カバーが取り付けられているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１２９９４１号公報（第３頁、図２）

しかし、特許文献１は、風車カバーが取り付けられてはいるが、基本的に風車に対して水平に吹き付ける風のみを集風するために集風効率が悪いという問題点が存在する。また、微風時には、風車が回転しないので発電することができず、強風時には、風車を過回転から保護するために風路入口及び出口を閉じて風車を止めねばならず、発電することができないという問題点が存在する。さらに、風が、風車の全面に吹き付けるために風車を回転させる力と風車の回転を抑制する力とが風車に同時に作用し、風車の回転効率が低下するという問題点が存在する。さらに、風車が傾斜屋根の頂上部に取り付けられるため、建物全体のデザイン性を損ねるという問題点が存在する。

この発明は、これらの問題点に鑑みなされたものであり、幅広い方向から吹き付ける風を集風することが可能であり、微風時や強風時であっても発電を行うことができ、風が風車の全面に吹き付けることがなく風車の回転効率を低下させることがなく、建物のデザイン性を損なうことがない屋根一体型風力発電装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、軒先から棟部にかけて傾斜又は凸に湾曲した屋根面を有する勾配屋根と、この勾配屋根の反対側に配置され、前記屋根面に向かって吹き付ける風によって回転する水平軸風車を有する風力発電装置と、この風力発電装置を収納する収納部とを有し、該収納部から所定の長さ前記屋根面に沿って軒先方向に延び、屋根面との間に風を取り込む集風路を形成した集風屋根と、を備え、風車は、その羽根が回転軸方向にねじられた形状を有しており、風車によって送られる風を排気する開口を収納部の軸方向に形成したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記集風屋根は、前記屋根面において前記集風路が拡縮するように開閉可能に設けられていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記収納部の下方から他方の軒先にかけて第２集風路が前記集風路と連通して形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記屋根面に吹き付ける風の風向及び風速を検知するセンサと、前記集風屋根を開閉する駆動部材と、前記センサで検知された風向及び風速に基づき、前記駆動部材を駆動させて集風路を所定の開度に制御する制御装置とを備えていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記屋根面及び／又は前記集風屋根の屋根面に対向する面に屋根面に吹き付ける風を前記水平軸風車に誘導するための風向制御整流板が設けられていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかにおいて、前記集風屋根において、前記屋根面の軒先側の端部に、前記集風屋根を支持する、伸縮可能な支柱が設けられていることを特徴とする。

この発明は、前記のような構成からなるので、集風屋根を適宜開閉することにより微風時や強風時であっても安定して発電を行うことができる。また、風が、集風路を通って風車の一部に吹き付けるように構成されているので、風が風車の全面に吹き付けることがなく風車の回転効率を低下させることがない。また、前記屋根面及び／又は前記集風屋根の屋根面に対向する面に風向制御整流板を設けたことにより、幅広い方向から吹き付ける風を集風することが可能となる。また、風車が屋根と一体に形成されているので、建物のデザイン性を損なうことがない。

（実施形態１）
この発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。図１は、屋根一体型風力発電装置の概略構成を示す概略図、図２は、図１の要部拡大一部切欠斜視図、図３は、風力発電装置の羽根の斜視図、図４は、集風屋根の作用図である。

図１，図２において、１は屋根一体型風力発電装置である。この屋根一体型風力発電装置１は、一方の軒先３から棟部５にかけて凸に湾曲した第１屋根面７を有する勾配屋根９と、第１屋根面７よりも小面積であり、他方の軒先１１から棟部５にかけて凹に湾曲した第２屋根面１３を有する勾配屋根８と、勾配屋根９の反対側、つまり、勾配屋根８の第２屋根面１３に棟部５に隣接して水平に配置された１対の風力発電装置１７ａ，１７ｂと、これらの風力発電装置１７ａ，１７ｂを収納する収納部１９と、この収納部１９から所定の長さ第１屋根面７に沿って軒先３の方向に延びた集風屋根２３とを備えている。

勾配屋根９の第１屋根面７は、軒先３から棟部５にかけて徐々に傾斜が小さくなっていき、棟部５において、傾斜が略水平となる。また、勾配屋根８の第２屋根面１３は、軒先１１から棟部５にかけて傾斜が徐々に大きくなっていき棟部５において、略直角をなすように第１屋根面７と接合する。よって、第２屋根面１３の棟部５に隣接する部分は、棟部５の全長に渡る凹部２５となっており、この凹部２５に風力発電装置１７ａ，１７ｂが収納される。ここで、第１屋根面７は、上に凸に湾曲して形成されているが、軒先３から棟部５にかけて傾斜した平面となっていてもよい。同様に、第２屋根面１３も、軒先１１から棟部５にかけて傾斜した平面となっていてもよい。一般的な建物の場合、第１屋根面７は南側に面した屋根面となるように、第２屋根面１３は北側に面した屋根面となるように配置されることが好ましい。また、第２屋根面１３は屋根一体型風力発電装置１において必須ではなく、例えば、片流れ屋根のように、第１屋根面７のみを備えていてもよい。

風力発電装置１７ａ，１７ｂは、凹部２５の長手方向の中央部に固定された発電機５５ａ，５５ｂと、これらの発電機５５ａ，５５ｂに回転軸２７ａ，２７ｂが水平となるように接続された対称形の水平軸風車１５ａ，１５ｂとからなる。水平軸風車１５ａ，１５ｂにおいて、発電機５５ａ，５５ｂと接続されていない側の回転軸２７ａ，２７ｂの端部は、棟部５の両端付近に設けられた支持部材（不図示）に軸受を介して軸支されており、水平軸風車１５ａ，１５ｂは、羽根２９ａ，２９ｂに風を受けて回転軸２７ａ，２７ｂを中心として回転可能に構成されている。また、水平軸風車１５ａ，１５ｂにおいて、回転軸２７ａ，２７ｂよりも上側の羽根２９ａ，２９ｂの一部は棟部５よりも高く配置されている。水平軸風車１５ａの羽根２９ａとしては、図３に示すように、回転軸２７ａ方向にねじられたＳ型ロータ風車が用いられている。尚、図示はしないが、羽根２９ｂは、羽根のねじり方向が反対である点を除けば、羽根２９ａと同形状である。ここで、水平軸風車１５ａ，１５ｂとは、一般に垂直軸風車（Ｓ型ロータ、クロスフロー型、サボニウス型、ダリウス型、ジャイロミル型等）と呼ばれるものを水平に配置した風車のことを示すものとする。羽根２９ａ，２９ｂは、図３の矢印で示すように羽根２９ａ，２９ｂに衝突して水平軸風車１５ａ，１５ｂを回転させた風が、収納部１９内を回転軸２７ａ，２７ｂに沿って、後述の排気口３１ａ，３１ｂ方向に進行するようにねじられていれば良い。より具体的には、羽根２９ａは、発電機５５ａ側から見たときに、時計回り方向にねじられている。また、羽根２９ｂは発電機５５ｂ側から見たときに、反時計回り方向にねじられている。また、羽根２９ａ，２９ｂのねじり回数であるが、余りにも多いと、水平軸風車１５ａ，１５ｂに風が吹き付けたときの回転効率が低下するために好ましくなく、余りにも少ない場合、羽根２９ａ，２９ｂに衝突した後の風が回転軸２７ａ，２７ｂ方向に進行し難くなり、排気口３１ａ，３１ｂからの排気効率が低下するために好ましくない。よって、羽根２９ａ，２９ｂのねじり回数は、水平軸風車１５ａ，１５ｂの回転効率と排気効率とのバランスにより決定される。

収納部１９は、水平軸風車１５ａ，１５ｂをその内部に収納するものであり、前記した凹部２５と、この凹部２５に水平軸風車１５ａ，１５ｂを挟んで対向するカバー３３とから構成されている。カバー３３において、その上方の一端縁３３ａは、第１屋根面７と所定の間隔を空けて配置されている。そして、この一端縁３３ａ付近から後述する集風屋根２３が軒先３方向に延出している。この第１屋根面７と一端縁３３ａとの所定の間隔は、集風屋根２３と第１屋根面７とで形成される第１集風路２１の風車側出口３５とされており、この風車側出口３５は、水平軸風車１５ａ，１５ｂの前記した棟部５よりも高く配置された羽根２９ａ，２９ｂの一部に臨んでいる。カバー３３は、前記一端縁３３ａから、水平軸風車１５ａ，１５ｂの周面と所定の間隔を保ちつつ、周面に沿って下方に延出していき、他端縁３３ｂにおいて第２屋根面１３との間に所定の間隔を空けるように配置されている。この第２屋根面１３と他端縁３３ｂとの間の所定の間隔は、第２屋根面１３とカバー３３とで形成される第２集風路３７の風車側出口３９とされており、この風車側出口３９は、水平軸風車１５ａ，１５ｂの回転軸２７ａ，２７ｂよりも下方に存在する羽根２９ａ，２９ｂの一部に臨んでいる。ここで、第２集風路３７は、収納部１９の下方から軒先１１にかけて、第１集風路２１と連通して形成されていると言うこともできる。また、収納部１９において、長手方向の両端部は開口されており、水平軸風車１５ａ，１５ｂによって送られる風、すなわち、羽根２９ａ，２９ｂと衝突した後の風を排気する排気口３１ａ，３１ｂとされている。また、カバー３３は、適当な箇所において、第１屋根面７及び第２屋根面１３に支持部材４１により固定されている。

集風屋根２３は、収納部１９の一端縁３３ａ付近から第１屋根面７に沿って軒先３方向に、第１屋根面７の途中まで延出しており、第１屋根面７と略等しいアールを有する湾曲板状に形成されている。第１屋根面７と集風屋根２３との間には間隙が形成されており、この間隙が風車側出口３５に連通する第１集風路２１とされている。集風屋根２３は、その棟部５側の端縁の両角部付近において、カバー３３の長手方向の両端部に設けられた支軸４３により第１集風路２１が拡縮するように開閉可能に軸支されている。また、集風屋根２３の軒先３側の端縁の両角部には、集風屋根２３を支持する伸縮可能な支柱４５が設けられている。また、第１屋根面７には、第１集風路２１に吹き付ける風を水平軸風車１５ａ，１５ｂに誘導するための風向制御整流板４７が設けられている。

ここで、集風屋根２３の軒先３方向への延出長さであるが、延出長さが余りにも短い場合、充分な集風効果が得られないために好ましくなく、逆に余りにも長い場合、集風屋根２３の重量が大きくなり、支柱４５及び支軸４３に掛かる機械的負荷が大きくなるために好ましくない。よって、集風屋根２３の延出長さは、集風効果と支柱４５及び支軸４３に掛かる機械的負荷とのバランスにより決定され、棟部５から軒先３に至る長さの１／３〜１／２程度とすることが好ましい。支柱４５の上端は、集風屋根２３に係合され、下端は、第１屋根面７の屋根裏等に設けられた支柱基部（不図示）に接続されている。よって、この支柱４５を伸縮させることで、集風屋根２３は支軸４３を支点として開閉することが可能となる。支柱４５は、金属棒の周面にネジが形成された長いボルト状のものとして構成されており、支柱基部に固定されたナットに螺合されている。よって、支柱４５を後述の駆動部材５３により正逆回転させることで、支柱４５の第１屋根面７からの突出長さを変更すること、つまり、支柱４５を第１屋根面７上で伸縮することが可能となる。風向制御整流板４７は、所定の高さを有するフィンであり、第１集風路２１の棟部５側端部から軒先３側端部に至るまで、放射状に湾曲して設けられている。ここで、風向制御整流板４７は、第１屋根面７にのみ設けられているが、集風屋根２３の第１屋根面７に対向する面にも同様の風向制御整流板を設けてもよい。

また、第１屋根面７には、建物に吹き付ける風の風向及び風速を検知するセンサ４９が設けられている。また、建物の適所には、センサ４９からの入力を受ける制御装置５１が設けられている。さらに、制御装置５１により制御され、支柱４５を伸縮するためのモータ等の駆動部材５３が、支柱４５の支柱基部に取り付けられている。

また、図示はしないが、屋根一体型風力発電装置１により発電された電力又は機械的に取り出された水平軸風車１５ａ，１５ｂの回転力を利用して、壁体内、小屋裏や建物内の大気を流通させるファン等の通気手段が建物内部の各所に設けられている。

続いて、屋根一体型風力発電装置１の動作について図１〜図４を参照して説明する。建物に風が吹き付けた場合、その風向及び風速は、センサ４９により検知される。センサ４９によって検知された風向及び風速は、制御装置５１に出力され、制御装置５１は予め備えられている風向及び風速と第１集風路２１の開度との関係を記憶したテーブルを参照して、第１集風路２１の開度、すなわち集風屋根２３の開閉度を決定し、第１集風路２１の開度に基づいて駆動部材５３を制御する。駆動部材５３は、制御装置５１の制御を受けて、モータ等を駆動することにより、周面にネジが形成された支柱４５を所定の回転数だけ正逆回転させることで集風屋根２３を開閉し、第１集風路２１を所定の開度に拡縮する。ここで、風向及び風速と第１集風路２１の開度との関係を記憶したテーブルには、検知された風向及び風速において、屋根一体型風力発電装置１の発電量を最大とするような第１集風路２１の開度が記憶されている。ただし、水平軸風車１５ａ，１５ｂが過回転するような風向及び風速の場合（例えば、台風等の強風時の場合）は、前記テーブルには第１集風路２１を最小の開度とすることが記憶されている。

第１屋根面７に吹き付けた風は、第１集風路２１を通過することで、第１集風路２１の開度に応じて集風されて風速を増し、風車側出口３５から水平軸風車１５ａ，１５ｂの棟部５よりも高く配置された羽根２９ａ，２９ｂの一部に吹き付ける。羽根２９ａ，２９ｂに吹き付けた風は、水平軸風車１５ａ，１５ｂを回転させて発電を行うとともに、図３に示すように回転軸２７ａ，２７ｂ方向にねじられた形状を有する羽根２９ａ，２９ｂとの衝突により、回転軸２７ａ，２７ｂ方向の進行成分を得て、収納部１９内を回転軸２７ａ，２７ｂに沿って排気口３１ａ，３１ｂ側に進行し、収納部１９の両端の排気口３１ａ，３１ｂから排気される。このようにして発電された電力又は水平軸風車１５ａ，１５ｂの回転力は、建物の内部に設けられたファン等の通気手段に供給され、通気手段が駆動することで、建物内の大気を流通させる。

ここで、第１屋根面７に吹き付ける風が、水平軸風車１５ａ，１５ｂの方向に向かう進行成分を有していない場合（水平軸風車１５ａ，１５ｂの回転軸２７ａ，２７ｂ方向に平行な場合）であっても、第１屋根面７に設けられた風向制御整流板４７により、風が誘導されて水平軸風車１５ａ，１５ｂに向かう進行成分を得るので、水平軸風車１５ａ，１５ｂを回転させ、発電を行うことができる。また、風が、第１屋根面７ではなくて、第２屋根面１３に吹き付けた場合であっても、風は、第２集風路３７を通過して、風車側出口３９から、水平軸風車１５ａ，１５ｂの回転軸よりも下方に存在する羽根２９ａ，２９ｂの一部に吹き付け、水平軸風車１５ａ，１５ｂを回転させ、発電を行うことができる。尚、水平軸風車１５ａ，１５ｂを回転させ終わった風は、前述同様に排気口３１ａ，３１ｂから排気される。

より具体的には、第１屋根面７に吹き付ける風が弱い場合には、制御装置５１は、第１集風路２１の開度が大きくなるように駆動部材５３を制御する。すなわち、駆動部材５３は、図４中実線で示すように、支柱４５を伸張することで、集風屋根２３を開く。これにより、第１集風路２１は、軒先３側から風車側出口３５に向かうに従って徐々に集風路の幅が狭くなるので、第１屋根面７に吹き付ける風は、第１集風路２１を通過するに従って集風され風速を増し、効果的に水平軸風車１５ａ，１５ｂを回転させることができる。

また、第１屋根面７に吹き付ける風が強い場合には、制御装置５１は、第１集風路２１の開度が小さくなるように駆動部材５３を制御する。すなわち、駆動部材５３は、図４中仮想線で示すように、支柱４５を短縮することで、集風屋根２３を閉じる。これにより、風の入口から取り込まれる風量を少なくし、水平軸風車１５ａ，１５ｂに吹き付ける風の量を減少させることができるので、強風時であっても水平軸風車１５ａ，１５ｂを過回転させることなく発電を行うことができる。

このように本実施形態においては、第１屋根面７と集風屋根２３との間に形成される第１集風路２１により第１屋根面７に吹き付ける風が集風され風力を増すので、微風であっても効率よく水平軸風車１５ａ，１５ｂを回転させ発電を行うことができる。

また、集風屋根２３を開閉することにより第１集風路２１を自在に拡縮することができるので、第１屋根面７に吹き付ける風の風向及び風速に応じて、第１集風路２１を所定の開度に拡縮することにより、効率よく水平軸風車１５ａ，１５ｂを回転させ発電を行うことができる。

また、第２集風路３７が、収納部１９の下方から軒先１１にかけて第１集風路２１と連通して形成されているので、第１屋根面７に吹き付ける風のみでなく、第２屋根面１３に吹き付ける風をも利用して、水平軸風車１５ａ，１５ｂを回転させ発電を行うことができる。

また、センサ４９により検知された風の風向及び風速に基づいて、最大の発電量が得られるように、制御装置５１が駆動部材５３を駆動して、集風屋根２３を開閉させ、第１集風路２１の開度を制御するので、第１屋根面７に吹き付ける風の強弱によらず、安定的に水平軸風車１５ａ，１５ｂを回転させ発電を行うことができる。

また、第１屋根面７には、風向制御整流板４７が設けられているので、水平軸風車１５ａ，１５ｂの回転軸２７ａ，２７ｂ方向を含む幅広い方向から第１屋根面７に吹き付ける風を水平軸風車１５ａ，１５ｂに誘導して、発電を行うことができる。

また、第１屋根面７の軒先３側の端部に集風屋根２３を支持する伸縮可能な支柱４５が設けられているので、集風屋根２３を開閉し、第１集風路２１の開度を調整することができる。

また、風車側出口３５，３９を水平軸風車１５ａ，１５ｂの羽根２９ａ，２９ｂの一部に臨むように配置しているので、風が、水平軸風車１５ａ，１５ｂの羽根２９ａ，２９ｂの全面に吹き付けることを防止することができ、水平軸風車１５ａ，１５ｂの回転効率が低下することがない。

また、水平軸風車１５ａ，１５ｂは棟部５付近に建物と一体に取り付けられるので、建物のデザイン性を損なうことがない。

（実施形態２）
図５は、屋根一体型風力発電装置の他の実施の形態を示す側面図である。実施形態２の屋根一体型風力発電装置１は、集風屋根２３の開閉をワイヤ５７により行う点が実施形態１と異なっている。すなわち、図５に示すように、端部が集風屋根２３の軒先３側の端部に固定され、集風屋根２３及びカバー３３上に張り渡されたワイヤ５７を建物内部の所定箇所に設けられたワイヤ巻取り装置５９に接続し、ワイヤ５７を巻き取ることで集風屋根２３を開き、ワイヤ５７を繰り出すことで集風屋根２３をその自重により閉じるように構成している。また、集風屋根２３の安定性を高めるために、集風屋根２３の軒先３側の端縁の両角部には、釣竿式の伸縮自在な支柱６１を設けられている。

実施形態１の屋根一体型風力発電装置の概略構成を示す概略図である。図１の要部拡大一部切欠斜視図である。風力発電装置の羽根の斜視図である。集風屋根の作用図である。実施形態２の屋根一体型風力発電装置の概略構成を示す側面図である。

符号の説明

１屋根一体型風力発電装置３一方の軒先
５棟部７第１屋根面
８，９勾配屋根１１他方の軒先
１３第２屋根面１５ａ，１５ｂ水平軸風車
１７ａ，１７ｂ風力発電装置１９収納部
２１第１集風路２３集風屋根
２５凹部２７ａ，２７ｂ回転軸
２９ａ，２９ｂ羽根３１ａ，３１ｂ排気口
３３カバー３３ａ一端縁
３３ｂ他端縁３５，３９風車側出口
３７第２集風路４１支持部材
４３支軸４５，６１支柱
４７風向制御整流板４９センサ
５１制御装置５３駆動部材
５５ａ，５５ｂ発電機５７ワイヤ
５９ワイヤ巻取り装置

Claims

軒先から棟部にかけて傾斜又は凸に湾曲した屋根面を有する勾配屋根と、この勾配屋根の反対側に配置され、前記屋根面に向かって吹き付ける風によって回転する水平軸風車を有する風力発電装置と、この風力発電装置を収納する収納部とを有し、該収納部から所定の長さ前記屋根面に沿って軒先方向に延び、屋根面との間に風を取り込む集風路を形成した集風屋根と、を備え、
風車は、その羽根が回転軸方向にねじられた形状を有しており、風車によって送られる風を排気する開口を収納部の軸方向に形成したことを特徴とする屋根一体型風力発電装置。
前記集風屋根は、前記屋根面において前記集風路が拡縮するように開閉可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の屋根一体型風力発電装置。
前記収納部の下方から他方の軒先にかけて第２集風路が前記集風路と連通して形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の屋根一体型風力発電装置。
前記屋根面に吹き付ける風の風向及び風速を検知するセンサと、前記集風屋根を開閉する駆動部材と、前記センサで検知された風向及び風速に基づき、前記駆動部材を駆動させて集風路を所定の開度に制御する制御装置とを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の屋根一体型風力発電装置。
前記屋根面及び／又は前記集風屋根の屋根面に対向する面に屋根面に吹き付ける風を前記水平軸風車に誘導するための風向制御整流板が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の屋根一体型風力発電装置。
前記集風屋根において、前記屋根面の軒先側の端部に、前記集風屋根を支持する、伸縮可能な支柱が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の屋根一体型風力発電装置。