JP4903814B2 - Wind power generator - Google Patents
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Description
本発明は、風力発電装置に関し、詳しくは、自然の風力が有するエネルギーを有効に利用して発電を行う風力発電装置に関する。 The present invention relates to a wind turbine generator, and more particularly, to a wind turbine generator that generates power by effectively using energy of natural wind power.
風力発電装置は、従来から種々の形式のものが提案され、また、実施されてきている。これらの中で、風洞の側面部に風取り入れ口を90度間隔で4箇所設け、風洞内に取り入れた風によってファンを回転させる方式のものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかし、上述のファン回転式風力発電装置は、風洞周辺の風を風洞内に効率よく取り入れることができず、さらに、風洞内に取り入れた風が風洞内から風下側に吹き抜けてしまうという問題もあり、風のエネルギーを有効利用しているとはいえなかった。また、従来から、ラッパ状の開口を風上側に向けることによって風を集めることも行われているが、風向きによって開口の向きを調節しなければならず、複雑な機構が必要で、大型化は困難であった。 However, the fan rotating wind turbine generator described above cannot efficiently take the wind around the wind tunnel into the wind tunnel, and further, the wind taken into the wind tunnel blows from the wind tunnel to the leeward side. The wind energy was not used effectively. Conventionally, wind has been collected by directing the trumpet-shaped opening toward the windward side, but the direction of the opening must be adjusted according to the wind direction, and a complicated mechanism is required. It was difficult.
そこで本発明は、風向きに関係なく弱い風のエネルギーも有効に利用して効率よく発電を行うことができ、シンプルな構造で大型化、高出力化にも容易に対応することができる風力発電装置を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention can efficiently generate power by effectively using weak wind energy regardless of the wind direction, and can easily cope with an increase in size and output with a simple structure. The purpose is to provide.
本発明の風力発電装置は、基礎面から鉛直方向に立設した筒状部材にて構成された風洞と、前記筒状部材の周壁から法線方向に延出した複数の集風板と、該集風板相互間及び筒状部材の上端開口を閉塞する天板と、前記筒状部材の周壁に設けられて前記集風板によって集約された風を前記風洞内に導く複数の風取込口と、該風取込口に設けられて筒状部材外部から筒状部材内部への風の流通のみを許容し、内部から外部への流通を規制する逆流防止手段と、隣接する集風板間に設けられて集風板によって集約された風を下方に向けてガイドする複数のガイド板と、前記風洞の一端部から吹き出す風によって駆動されるタービンと、該タービンにより駆動される発電機とを含んでいる。 A wind turbine generator according to the present invention includes a wind tunnel constituted by a cylindrical member erected in a vertical direction from a base surface, a plurality of wind collecting plates extending in a normal direction from a peripheral wall of the cylindrical member, A top plate that closes between the air collecting plates and the upper end opening of the tubular member, and a plurality of air intakes that are provided on the peripheral wall of the tubular member and guide the air collected by the air collecting plate into the wind tunnel Between the adjacent air collecting plates and a backflow preventing means that is provided at the air inlet and allows only the flow of wind from the outside of the tubular member to the inside of the tubular member and restricts the flow from the inside to the outside. A plurality of guide plates that guide the wind concentrated by the air collecting plate downward, a turbine driven by wind blown from one end of the wind tunnel, and a generator driven by the turbine Contains.
また、本発明の風力発電装置は、隣接する前記集風板の外部側間に、外部から集風板間への風の流通のみを許容し、集風板間から外部への流通を規制する第2の逆流防止手段が設けられていると好適である。さらに、前記集風板は、筒状部材の周方向に6枚が等間隔で設けられていると好適である。前記風洞には、該風洞内に取り込まれた過剰の風を排出する余剰風排出部を設けることが好ましい。前記タービン及び前記発電機は、一つの風洞に風の流れ方向に複数設けられ、前記タービンの回転羽根は、風洞内に1/2−1/4を臨ませると好適である。 Further, the wind power generator of the present invention allows only the flow of wind from the outside between the wind collecting plates between the outsides of the adjacent wind collecting plates, and regulates the flow from between the wind collecting plates to the outside. It is preferable that second backflow prevention means is provided. Further, it is preferable that six air collecting plates are provided at equal intervals in the circumferential direction of the cylindrical member. It is preferable that the wind tunnel is provided with a surplus wind discharge portion that discharges excess wind taken into the wind tunnel. It is preferable that a plurality of the turbines and the generators are provided in one wind tunnel in the wind flow direction, and the rotating blades of the turbine face 1 / 2-1 / 4 in the wind tunnel.
本発明の風力発電装置によれば、複数の集風板、特に、6枚の集風板と複数のガイド板とによって風を風洞方向に集めるので、いかなる方向から吹く風も風上側に位置した数枚の集風板及びガイド板の作用で風洞内に圧縮した状態で導くことができる。さらに、風取込口には逆流防止手段を設けているので、風洞内に取り込んだ風が風下側に吹き抜けることがない。特に、隣接する集風板間に第2の逆流防止手段を設けることにより、集風板間に取り込んだ風を効率よく風洞内に導くことができる。また、風洞内の余剰の風を余剰風排出部から排出することにより、強風時でもタービンに大きな負荷が掛かることがなくなる。さらに、一つの風洞に風の流れ方向に複数のタービン及び発電機を設け、タービンの回転羽根を風洞内に1/2−1/4を臨ませることにより、発電効率が向上する。そして、基本的に、タービンや発電機を設置した地上の基礎面から鉛直方向に筒状部材と複数の集風板とを立設するだけで形成できるので、設置場所の平均風速や必要発電量等の条件に応じて筒状部材の高さ、風洞の径、集風板の幅寸法を適宜設定することができ、設置場所の各種条件に適応した風力発電装置、風力発電設備を設置することができる。 According to the wind power generator of the present invention, the wind is collected in the wind tunnel direction by the plurality of wind collecting plates, particularly the six wind collecting plates and the plurality of guide plates, so that the wind blowing from any direction is located on the windward side. It can be guided in a compressed state in the wind tunnel by the action of several air collecting plates and guide plates. Furthermore, since the backflow prevention means is provided at the wind intake port, the wind taken into the wind tunnel does not blow through to the leeward side. In particular, by providing the second backflow prevention means between the adjacent air collecting plates, the air taken in between the air collecting plates can be efficiently guided into the wind tunnel. In addition, by discharging the excess wind in the wind tunnel from the excess wind discharge section, a large load is not applied to the turbine even in a strong wind. Furthermore, a plurality of turbines and generators are provided in the wind flow direction in one wind tunnel, and the power generation efficiency is improved by having the turbine rotating blades face 1 / 2-1 / 4 in the wind tunnel. Basically, it can be formed simply by erecting a cylindrical member and a plurality of air collecting plates in the vertical direction from the ground surface on which the turbine or generator is installed. The height of the cylindrical member, the diameter of the wind tunnel, and the width of the air collecting plate can be set appropriately according to the conditions such as, and wind power generators and wind power generation equipment adapted to various conditions of the installation location should be installed Can do.
図を参照して発明の風力発電装置の一形態例を説明する。この風力発電装置10は、地下に発電機室11を、地上に集風手段12をそれぞれ設けている。該集風手段12は、基礎13の上方に立設した筒状部材14と、下端が基礎13に固設され、基部が筒状部材14の周壁に固定されて、該周壁の壁面から法線方向に延出した6枚の集風板15と、前記筒状部材14の上端開口及び隣接する集風板15同士の上端開口を閉塞する天板16と、前記筒状部材14の壁面に設けられた風取込口17と、隣接する集風板15間に設けられた上下複数のガイド板18とを有している。
An embodiment of the wind power generator of the invention will be described with reference to the drawings. This
前記筒状部材14は、その内部に前記発電機室11に至る風洞19を有している。この筒状部材14は、正6角形状に形成されており、各角部に前記集風板15の基部が固着され、各辺部に前記風取込口17が設けられている。前記筒状部材14は、その高さや径に応じて周方向及び高さ方向に複数に分割形成し、風力発電装置の設置場所にて組み立てることができる。また、前記筒状部材14は、高さ方向全体を同一径としてもよく、該筒状部材14の強度や前記風洞19内の圧力状態等に応じて下方を大径に、上方を小径とした緩やかな円錐形状とすることもできる。
The
前記集風板15は、風向きが年間を通して略一定の方向であれば2〜3枚とすることも可能であるが、全方向からの風を効率よく集風するためには6枚が最適である。すなわち、前記集風板15を前記筒状部材14の周囲に等間隔で6枚設置することにより、いずれの方向からの風であっても、最低でも隣接する2枚の前記集風板15によって風を中心部に集めて前記風洞19内に導くことができる。なお、前記集風板15を7枚以上設置することも可能であるが、装置コストが上昇する割には集風効果の向上は小さく経済的ではない。この集風板15も、高さや幅に応じて高さ方向及び幅方向に複数に分割形成して組み立てることができる。
The
前記ガイド板18は、その側面視が、集風板15の先端側が略水平方向を向き、集風板15の基部側が鉛直方向を向く円弧状に湾曲した形状を有している。上下のガイド板18同士の間隔は、集風板15の基部から外端までの寸法に応じて設定することができる。また、ガイド板18を設けることにより、隣接する集風板15同士を連結して集風板15を補強することができる。
When viewed from the side, the
このように設置した前記集風板15及びガイド板18により集められた風は、最下部が基礎13、最上部が天板16によって囲まれ、さらに、上下のガイド板18によって囲まれた平面視が三角形の頂点に向かって収斂する状態となるので、圧力が上昇した状態で、また、ガイド板18によって下向きの流れになって前記風取込口17から前記風洞19内に流入する。
The wind collected by the
前記風取込口17は、前記筒状部材14の壁板を四角形状に打ち抜くことによって形成したものであって、風取込口17の外側で隣接する集風板15の基部同士の間には、外部から筒状部材14の内部に向かう風の流通を許容し、筒状部材14の内部から外部への風の流通を規制する第1の逆流防止手段20を備えた壁板21が設けられている。
The
該第1の逆流防止手段20は、壁板21に設けた開口22の内側に、上部にヒンジ23を有するスイング式のフラップ24を設けたものである。このフラップ24は、外部から風圧が作用すると、ヒンジ23を中心にして下部が風取込口17側に開き、外部から筒状部材14の内部に向かう風の流通を許容する。また、外部から風圧が作用していないときには、自重によって開口22を閉じた状態になり、内部から外部への風の流通を規制する。
The first backflow prevention means 20 is provided with a swing-
さらに、隣接する集風板15の外端部には、外部から集風板15間への風の流通のみを許容し、集風板15間から外部への流通を規制する第2の逆流防止手段25が設けられている。この第2の逆流防止手段25は、集風板15の基部側に設けた前記逆流防止手段20と同様に、集風板15の外端部間を覆う壁板26に開口27を設け、この開口27の内側に、上部にヒンジ28を有するスイング式のフラップ29を設けたものである。このフラップ29も、外部から風圧が作用すると、ヒンジ28を中心にして下部が内側に開き、外部から集風板15間に向かう風の流通を許容する。また、外部から風圧が作用していないときには、自重によって開口27を閉じた状態になり、内部から外部への風の流通を規制する。
Furthermore, the outer end portion of the adjacent
したがって、風上側に位置した両逆流防止手段20,25は、風圧によってフラップ24,39が自動的に開状態となり、風上側以外の両逆流防止手段20,25は、自動的に閉状態となるように形成されている。また、開口22,27の周囲とフラップ24,29との間にゴム製シール材を設けることにより、密着性を向上させて確実な閉塞状態が得られる。なお、前記逆流防止手段20,25の構造は、これらに限定されるものではない。
Therefore, both the backflow prevention means 20 and 25 located on the windward side automatically open the
このように形成した前記逆流防止手段20,25は、開口22,27の下方を開口させていることで、開口27から集風板15間に流入する風及び開口22から風洞19内に流入する風に下方に向かう流れを形成する。特に、前記ガイド板18及び前記逆流防止手段20の相乗作用によって風洞19内に下方の発電機室11に向かう風の流れを効率よく形成することができる。また、前記逆流防止手段20,25によって集風板15間及び風洞19内に取り込んだ風が外部に吹き抜けることを防止できるので、取り込んだ風を発電用として有効に利用することができる。
The backflow prevention means 20 and 25 formed in this way are opened below the
前記風取込口17や前記逆流防止手段20,25の大きさ(流量)や設置数は、前記集風板15によって集風される風量に応じて設定され、集風板15の幅寸法が小さければ設置数を少なく、あるいは、小さな風取込口17とし、集風板15の幅寸法が大きいときには、設置数を多くして風取込口17や逆流防止手段20,25も大きなものとすればよい。
The size (flow rate) and the number of installations of the
地下に設けられた前記発電機室11には、前記風洞19に連通する地下風洞30が設けられ、この地下風洞30内を流れる風によって回転駆動されるタービン31と、このタービン31によって駆動される発電機32と、その他の送電設備等が設けられている。このタービン31及び発電機32には、風洞19から地下風洞30に供給される風圧、風量に対応したものを選択して使用することができ、風力発電装置10の設置場所における電力の使用目的に応じて選択すればよい。また、タービン31を駆動した風は、地下風洞30の末端から大気に排気される。
The
また、前記風洞19の上下両端部に、風洞19内の圧力があらかじめ設定した圧力を超えたときに風洞19内から外部に圧力を逃がすための余剰風排出部をそれぞれ設けておくことにより、強風時に風洞19内に取り込まれた過剰の風を排出することができるので、タービン31の過負荷を防止することができる。余剰風排出部としては、天板16に通風孔を形成して、該通風孔を開閉するフラップ状のものを設けることもできる。
Further, by providing a surplus wind discharge section at both upper and lower ends of the
上下の余剰風排出部の作動圧力は同一に設定することができるが、風洞19内の風の流れを考慮すると、下方の余剰風排出部の作動圧力を低く設定することが好ましい。また、余剰風排出部における排気流量も同一としておくとができるが、台風等の強風時を考慮すると、作動圧力を高めに設定した上方の余剰風排出部の排気流量を多く設定しておくことにより、通常の風力の変動範囲では、作動圧力を低く設定した下方の余剰風排出部のみが作動して風洞19内の風の流れを乱さずに少量の余剰風を排出し、台風等の強風時には作動圧力を高く設定した上方の余剰風排出部も作動して大量の余剰風を排出することにより、タービン31等の機器を確実に保護することができる。
Although the operating pressures of the upper and lower surplus wind discharge sections can be set to be the same, it is preferable to set the operating pressure of the lower surplus wind discharge section low in consideration of the flow of wind in the
また、排気方向を風下側に向けることができるように、複数の方向に向けて余剰風排出部を設けておくこともできる。さらに、前記発電機32の発電状態に応じて排気量を自動的に調整する自動調整式の余剰風排出部を設けることもできる。また、前記風洞19や前記地下風洞30の底部には、風洞19内に侵入した水分を排出するドレンを設けておくことが好ましい。
Moreover, the surplus wind discharge part can also be provided toward several directions so that an exhaust direction can be turned to the leeward side. Furthermore, an automatically adjustable surplus wind discharge unit that automatically adjusts the displacement according to the power generation state of the
さらに、前記風取込口17から風洞19内に異物が侵入することを防止するため、前記風取込口17の外側や前記逆流防止手段20,25の外側にスクリーンを設置しておくことが好ましい。スクリーンは、例えば、通常の金網等をフレームにより保持し、このフレームを隣接する集風板15や壁板21,26に固定することによって設置することができる。
Furthermore, in order to prevent foreign matter from entering the
このように、風力発電装置10における集風手段12として筒状部材14と、複数、特に6枚の集風板15と複数のガイド板18とを組み合わせることにより、様々な方向からの風を有効に捕集して発電用に使用することができ、弱風状態でも十分な発電出力を得ることができる。また、設置場所の条件に応じて高さと直径とを選択することによって必要な電力供給を安定して行うことができる。さらに、比較的小型の風力発電装置10では、基礎13に代わる底板を組み合わせて集風手段12をユニット化することも可能であり、この複数のユニットを積み重ねて用いることもできる。
In this way, the wind from various directions is effectively obtained by combining the
前記タービン31及び前記発電機32は、一つの地下風洞30に風の流れ方向に所定間隔を存して複数設け、風速に応じて発電機32の稼働数を増減させるようにしてもよい。例えば、図6に示すように、地下風洞30に5つのタービン31a,31b、31c、31d,31eを設け、各タービン31a−31eによって駆動される発電機32a,32b,32c,32d,32eをそれぞれ設けることができる。地下風洞30に導入された風は、前記タービン31a−31eを回転駆動し、これらのタービン31a−31eによって各発電機32a−22eを駆動して発電する。これらのタービン31a−31eを回転駆動した風は、地下風洞30の末端から排気される。
A plurality of
さらに、このように複数のタービン31及び発電機32を設置する場合、図7に示すように、タービン31の羽根車33は、地下風洞30内に1/2−1/4程度を臨ませることにより、地下風洞30内の風は風速の落ちないまま通過し、これらの複数のタービン31を回転駆動することができる。
Furthermore, when installing a plurality of
前記筒状部材14、前記集風板15、ガイド板18等は、風力発電装置全体の大きさや予測される最大風速等の条件に応じて適当な材料及び製造方法を採用することができる。一般的には、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の耐食性に富んだ金属材料が好適であり、また、金属製の骨組に防蝕鉄板やFRP等の板材を張り付ける構造とすることもできる。
The
前記集風板15の幅寸法は、風力発電装置の設置場所における各種条件に応じて決定することができ、また、前記風力発電装置の高さと直径(前記集風板15の先端部を通る円の直径)の比率も任意に選択することができる。例えば、高さ制限がない場合には、高さを100mあるいは200m以上に高くして前記集風板15を幅狭にしてもよく、設置面積に余裕がある場合には、高さを低く抑えて前記集風板15の直径を100m以上に大きくすることができる。通常は、地表部に比べて安定している上空の風を効果的に集風できるように、できるだけ高く形成することが好ましい。また、高層ビルの屋上等ならば高さや直径が数m乃至10m程度のものでも十分な集風力を得ることができる。
The width of the
建築物としての風力発電装置10の強度は、前記筒状部材14を中心として6方向に集風板15を設けているので、前記筒状部材14の高さ、集風板15の幅を適切に設定することにより、強風や地震に対しても十分な強度を得ることが可能である。また、必要に応じて適当な位置に補強部材を設けることもでき、耐震性に対しては適当な柔構造を採用することもできる。
The strength of the
さらに、前記天板16の上部に展望台41を設けたり、下部にホール42を設けたりすることができ、ホール42から展望台41に昇降するためのエレベータを、筒状部材14や集風板15に沿って設けることができる。また、風力発電装置10の上部は、展望台31の他、ヘリポート、電波塔、無線中継所、測候所、天体観測所等を設置することもできる。さらに、筒状部材14や集風板15に梯子(ステップ)を設けておくことにより、逆流防止手段20,25等の保守、点検を行うことができる。また、集風板15や逆流防止手段25の外面を広告宣伝用として利用することができ、集風板15や逆流防止手段25に周囲の景観に応じた着色や模様を施したり、夜間にライトアップしたりすることも可能である。
Further, an observation deck 41 can be provided at the upper part of the
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