JP5349667B1

JP5349667B1 - 風力発電装置

Info

Publication number: JP5349667B1
Application number: JP2012225271A
Authority: JP
Inventors: 昌宏白石; 忠夫田鍋
Original assignee: SUN DESIGN OFFICE CO., LTD.
Current assignee: SUN DESIGN OFFICE CO., LTD.
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2032-10-10
Also published as: TWI607147B; EP2910774A4; JP2014077393A; CN104718373A; WO2014057789A1; EP2910774A1; HK1211648A1; TW201432142A; CN104718373B

Abstract

【課題】鉛直方向に延びる風洞筒を通して風車に十分な風速で風を送り、十分な発電量を得ることができる風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力発電装置１０は、下端が閉塞され、上端に風の吹出口３２が設けられ、周壁の全周域に複数の開口が縦横に設けられた筒状の風洞筒３０と、該風洞筒３０の外側から受ける風により開口を開き、風洞筒３０の内側から受ける風では開口を閉じた状態にする複数の開閉窓５２と、風洞筒３０の上側に吹出口３２に面して配された風車６０と、該風車６０の回転により発電する発電機とを備える。
【選択図】図１０

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

風力発電装置として、鉛直方向に延びる筒状の風洞を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の風力発電装置は、上記風洞の周壁に、外部から風洞内への流通のみを許容する風取込口と、風洞内に取り込まれた風を下方へ導くガイドとが設けられており、風洞の下端の吹出口から吹き出した風により風車（タービン）を回転させて該風車の回転により発電機を駆動させようとしている。

国際公開ＷＯ２００８／０７５６７６

しかしながら、本願の発明者等が上記風力発電装置の効果を確認する実験を実施したところ、十分な発電量が得られないことが確認された。これは、風洞の上側からそれよりも高圧の風洞の下側へ風を送ろうとしていることにより、風を十分な風速で風車に送ることが出来ていないこと等が理由と思われる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、鉛直方向に延びる風洞筒を通して風車に十分な風速で風を送り、十分な発電量を得ることができる風力発電装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る風力発電装置は、周壁の全周域に複数の風の取込口が縦横に設けられ、下端が閉塞され、上端に風の吹出口が設けられた筒状の風洞筒と、前記風洞筒の外側から受ける風により水平軸周りに回動して上側が前記風洞筒の内側へ倒れた姿勢で前記取込口を開き、前記風洞筒の内側から受ける風では前記取込口を閉じた状態にする複数の開閉窓と、前記風洞筒の上側に配され前記吹出口から吹き出す風により回転する風車と、前記風車の回転により発電する発電機とを備え、前記開閉窓の内面の下寄りに水平に配され、前記開閉窓を回動可能に支持する回動軸と、前記回動軸よりも前記風洞筒の内側かつ上側に配され、前記開閉窓の閉位置からの回動を開位置で止める回動制限部材と、前記開閉窓の外面の下部に、下端が前記開閉窓の下端よりも下側に位置するように取り付けられ、下部が前記取込口の下縁に当接することで前記開閉窓の前記開位置からの回動を前記閉位置で止めると共に、自重により前記開閉窓を前記開位置から前記閉位置へ回動させる錘とを備える。

前記風力発電装置において、前記風車の羽には通風口が設けられていてもよい。

前記風力発電装置は、前記風洞筒の周囲に設けられ、前記複数の取込口に導風する導風部を備えてもよい。

本発明によれば、鉛直方向に延びる風洞筒を通して風車に十分な風速で風を送り、十分な発電量を得ることができる風力発電装置を提供できる。

一実施形態に係る風力発電装置１０を示す立断面図（図２の１−１断面図）である。図１の２−２断面図（立断面図）である。図１の３−３断面図（平断面図）である。風取込部を拡大して示す立面図である。図４の５−５断面図（立断面図）である。図４の６−６断面図（平断面図）である。一対の風車を拡大して示す立断面図である。図７の８−８断面図である。本実施形態に係る風力発電装置の作用を示す立面断面図である。本実施形態に係る風力発電装置の作用を示す立面断面図である。模型実験の様子を示す図である。当該実験での測定結果をまとめた表である。測点Ｃでの測定結果をまとめたグラフである。測点Ａ〜Ｃでの平均値及び測点間での風速の増減率をまとめた表である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る風力発電装置１０を示す立断面図（図２の１−１断面図）であり、図２は、図１の２−２断面図（立断面図）である。これらの図に示すように、風力発電装置１０は、地面から鉛直上方に延びる塔体２０と、塔体２０の頂上部に設置された一対の風車６０及び一対の発電機７０とを備えている。

塔体２０は、四角筒形状の風洞筒３０と、風洞筒３０の周囲に設けられた導風部４０と、風洞筒３０の四面のそれぞれに鉛直方向に並べて設けられた風取込部５０とを備えている。風洞筒３０の頂上部には吹出口３２が設けられ、一対の風車６０がこの吹出口３２に面して配されており、風取込部５０から風洞筒３０内に取り込まれた風が、吹出口３２から一対の風車６０に向けて吹出されるようになっている。

導風部４０は、フレームとパネルとが組み合わされて構成された複数階建ての構造体であり、この導風部４０の各階には、風洞筒３０へ風を導く導風口４２が形成されている。また、各風取込部５０は、各階の導風口４２に面して風洞筒３０の周壁面に配されている。各風取込部５０は、開閉可能に構成されており、導風口４２から風洞筒３０の周壁面に導かれた（集められた）風により開き、風洞筒３０内に取り込まれた風によっては開かないように構成されている。

図３は、図１の３−３断面図（平断面図）である。この図に示すように、塔体２０は、断面四角形状の風洞筒３０が、断面八角形状の導風部４０の中央部に配された構成である。導風部４０は、各階を周方向に仕切る仕切板４６を備えている。この仕切板４６は、風洞筒３０の対角線の延長線上に配された四角形状のパネルであり、内周側の縦辺が風洞筒３０の角部に接合されている。

即ち、左右一対の仕切板４６により仕切られた空間が導風口４２となっている。この導風口４２は、外周側から内周側へかけて横方向の幅が減少するように構成されており、風取込部５０へ導風（集風）する。

図４は、風取込部５０を拡大して示す立面図である。図３及び図４に示すように、風取込部５０は、４行４列の四角形状の開閉窓５２を備えている。この開閉窓５２が開くことにより風が風洞筒３０内に流入可能になり、開閉窓５２が閉じることにより、風洞筒３０内への風の流入及び風洞筒３０外への風の流出が阻止される。

図５は、図４の５−５断面図（立断面図）であり、図６は、図４の６−６断面図（平断面図）である。これらの図に示すように、風洞筒３０の壁面には、各導風口４２毎に４行４列の四角形状の開口３４が形成されており、各開口３４に開閉窓５２が配されている。

風洞筒３０の内壁面には、各導風口５２毎に４本の支軸５４が水平かつ互いに平行に取り付けられている。各支軸５４は、各行の４個の開口３４と重なるように配されている。また、各支軸５４は、開口３４の下寄りに配され、開閉窓５２の背面における下寄りに軸受５５が取り付けられており、軸受５５に支軸５４が挿通されている。これにより、開閉窓５２が軸受５５及び支軸５４を介して風洞筒３０の周壁に水平軸周りに回動可能に支持されている。

また、開閉窓５２の下部には錘５６が取り付けられている。錘５６の下端は開閉窓５２の下端よりも下側に配されており、開閉窓５２が錘５６の重量又は背面に受ける風力により閉じる方向へ回動すると、錘５６の下部が開口３４の下縁に当接する。これにより、開閉窓５２は、直立した姿勢に維持される。

また、風洞筒３０の内壁面には、各導風口４２毎に４本の軸５８が水平かつ互いに平行に取り付けられている。各軸５８は、各行の４個の開口３４と重なるように配されており、その両端がブラケット５９を介して風洞筒３０の内壁面に支持されている。また、各軸５８は、開口３４の高さ方向中央かつ支軸５４よりも風洞筒３０の内側に配されている。

風取込部５０では、開閉窓５２は、導風口４２から風を受けていないときは、錘５６の重量による閉まる方向への力によって閉まった状態に維持される。また、開閉窓５２は、風洞筒３０の内側から背面に風を受けているときは、風力により閉まった状態に維持される。一方、開閉窓５２は、導風口４２側から風を受けているときは、風力により開いた状態にされる。この状態で、開閉窓５２の背面が軸５８に当接し、開閉窓５２は、上側が風洞筒３０の内側へ倒れた姿勢に維持される。

図７は、一対の風車６０を拡大して示す立断面図であり、図８は、図７の８−８断面図である。これらの図に示すように、一対の風車６０は、風洞筒３０の吹出口３２の上に左右に並べて配されている。この一対の風車６０の回転軸は同じ高さに配され、一対の風車６０の回転軸間の中心が、風洞筒３０の軸心と一致するように配されている。

風車６０は、回転軸から外径方向へ延びる複数の羽６２を備えている。この羽６２の先端は、回転方向の逆側に屈折している。また、羽６２の基端側には、幅方向（回転軸と平行な方向）の一端側から他端側まで広がる開口６４が形成されている。さらに、一対の風車６０の回転軸間の距離は、相互に回転半径が重なり合わないように設定されている。即ち、一対の風車６０の回転軸間において、一方の風車６０の羽６２の先端と他方の風車６０の羽６２の先端との間に通風可能な空間が形成されている。

また、各風車６０の回転軸は、各発電機７０に連結されており、風車６０の回転力により発電機７０が駆動されて発電される。

図９及び図１０は、本実施形態に係る風力発電装置１０の作用を示す立面断面図である。図９に示すように、或る方向から風力発電装置１０に向けて風が吹くと、風上側に開口した導風口４２から風取込部５０に導風され、当該風取込部５０の開閉窓５２が風力で開かれて、風洞筒３０内に風が取り込まれる。この際、他の３面の風取込部５０の開閉窓５２は、その背面に風力を受けるが、錘５６を開口３４の下縁に当接させた状態で直立姿勢、即ち閉じた状態に維持される。

ここで、図１０に示すように、風洞筒３０の下端は閉じられ、上端の吹出口３２は開口しているため、複数階の風取込部５０から風洞筒３０内に取り込まれた風は、集積されて上昇して吹出口３２から吹き出す。そして、吹出口３２から吹き出した風は、一対の風車６０の羽６２の先端同士の間や羽６２の基端側の開口６４（図７及び図８参照）を通過する。この際、風車６０は、羽６２が受ける風力により回転し、その回転力により発電機７０（図２及び図８参照）が駆動されて発電する。

図１１は、模型実験の様子を示す図である。この図に示すように、風力発電装置１０の１／２０の縮尺の模型１（例えば、高さ３ｍ程度）を作製し、この模型１に扇風機２で風を送り、所定の測点Ａ〜Ｃでの風速を測定した。扇風機２の直径はφ０．４５ｍであり、模型１の外周から１．６ｍの位置に上下に重ねて２台設置した。下段の扇風機２の回転軸の高さは１．１３ｍであり、上段の扇風機２の回転軸の高さは１．８８ｍである。測点Ａは、導風口４２の入口に設定され、測点Ｂは、風洞筒３０の入口（外壁近傍）に設定され、測点Ｃは、風洞筒３０の吹出口３２に設定する。

また、７Ｆの測定時には１〜６Ｆの開閉窓５２（図４等参照）を閉じて、７階の開閉窓５２を開いた状態、６Ｆの測定時には１〜５Ｆの開閉窓５２を閉じて、６、７Ｆの開閉窓５２を開いた状態、５Ｆの測定時には１〜４Ｆの開閉窓５２を閉じて、５〜７Ｆの開閉窓５２を開いた状態というように、測定階より下の開閉窓５２を閉じて、測定階以上の開閉窓５２を開いた状態にする。なお、１階の測定時には全ての階の開閉窓５２を開いた状態にする。

図１２は、当該実験での測定結果をまとめた表である。また、図１３は、測点Ｃでの測定結果をまとめたグラフである。この表及びグラフに示すように、測定階が下にいくにつれて、即ち、開閉窓５２の開いている範囲が下に広がり、風洞筒３０内に取り込む風量が増えるにつれて、風洞筒３０の吹出口３２での風速が上がることが確認された。

図１４は、測点Ａ〜Ｃでの平均値及び測点間での風速の増減率をまとめた表である。この表に示すように、風速は、導風口４２の入口（測点Ａ）から風洞筒３０の入口（測点Ｂ）にかけて４２．４４％に減じている。しかし、吹出口３２（測点Ｃ）での風速は、風洞筒３０の入口での風速の１．３３９倍に増えている。このことから、風を風洞筒３０内に取り込む際に風速が減ずるが、複数階の風取込部５０から風洞筒３０内に取り込まれた風が集積されて吹出口３２まで上昇することによって風速が増すことがわかる。なお、吹出口３２での風速の平均値は、導風口４２の入口での風速の平均値の５６．８４％となっているが、例えば、１Ｆ〜７Ｆの開閉窓５２を開いた状態では８９．４７％であるように、開閉窓５２を開く階数を多くすれば、吹出口３２での風速を十分なレベルにできることがわかる。

以上説明したように、本実施形態に係る風力発電装置１０は、下端が閉塞され、上端に風の吹出口３２が設けられ、周壁の全周域に複数の開口３４が縦横に設けられた筒状の風洞筒３０と、該風洞筒３０の外側から受ける風により開口３４を開き、風洞筒３０の内側から受ける風では開口３４を閉じた状態にする複数の開閉窓５２と、風洞筒３０の上側に吹出口３２に面して配された風車６０と、該風車６０の回転により発電する発電機７０とを備える（図１等参照）。

風洞筒３０の外側の或る方向からの風を表面（外面）で受けた開閉窓５２は、開口３４を開いた状態になるが、その他の風洞筒３０内からの風を背面（内面）で受けた開閉窓５２は、開口３４を閉じた状態になる。即ち、風洞筒３０は、外部から風を受ける面（風上側の面）の開口３４のみが開き、その他の面は閉塞されることになり、さらに下端が閉塞されているため、風洞筒３０内に取り込まれた風は、上昇して上端の吹出口３２から吹き出す。そして、風洞筒３０の上側に吹出口３２に面して配された風車６０が、吹出口３２から吹き出した風により回転され、該風車６０の回転により発電機７０が発電される。

ここで、風洞筒３０の下端と上端の吹出口３２とでは、吹出口３２の方が気圧が低いため、風洞筒３０内に取り込んだ風は、上下の気圧差によって生じる浮力を受ける。これにより、風洞筒３０内で風が滞留したり減速したりすることを抑制して、吹出口３２での風速の低下を抑制することができる。従って、風力を効率よく発電に活用することができる。

また、風洞筒３０の全周域に開口３４を設け、風を受ける領域（風上側の領域）の開口３４のみ開閉窓５２により開かれ、風を受けない領域の開口３４は開閉窓５２により閉じられるように構成されていることにより、風向にかかわらず、風力を発電に活用することができる。

また、本実施形態に係る風力発電装置１０では、風車６０の羽６２には通風口たる開口６４が設けられており、風洞筒３０の吹出口３２から吹き出した風が開口６４を通過して吹き抜ける。これにより、風が風車６０の位置で滞留することを抑制して、吹出口３２での風速の低下をより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態に係る風力発電装置１０では、風洞筒３０の周囲に、風の取込口たる開口３４に導風する導風部４０が備えられている。これにより、風を集めて風洞筒３０内に取り込むことができ、風力を効率よく発電に活用することができる。

また、本実施形態に係る風力発電装置１０では、開閉窓５２は、水平に配された支軸５４の周りに回動可能に開口３４に配されている。また、第一の回動制限部材たる軸５８が風洞筒３０内に開閉窓５２の背面に面して配されており、閉位置から開位置への開閉窓５２の回動を開位置で止め、第二の回動制限部材たる錘５６が、開閉窓５２の表面の下部に配され、開位置から閉位置への開閉窓５２の回動を閉位置で止める。これにより、風洞筒３０の外側から風を受けて閉位置から回動した開閉窓５２を、開位置で停止させることができ、風洞筒３０の内側から風を受けた開閉窓５２を、閉位置で停止させることができる。

さらに、上記錘５６が、自重により開閉窓５２を開位置から閉位置へ回動させることにより、風洞筒３０の外側からの風を受けなくなった開閉窓５２を自動で閉位置へ回動させることができる。また、風洞筒３０の外側からの風を受けていない開閉窓５２を閉位置で止めておくことができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。例えば、上記実施の形態では、風洞筒３０を断面四角形状、導風部４０を断面八画形状にしたが、これらの形状は適宜変更してもよい。また、風洞筒３０の周壁における開口３４や開閉窓５２の配置等も適宜変更してもよい。さらに、上記実施の形態では、風車６０を風洞筒３０の上側に吹出口３２に面して配すことにより、該風車６０が、吹出口３２から吹き出した風により回転される構成したが、風車６０を吹出口３２の中に配すことにより、該風車６０が、吹出口３２から吹き出そうとして風により回転される構成にしてもよい。

１模型、２扇風機、１０風力発電装置、２０塔体、３０風洞筒、３２吹出口、３４開口、４０導風部、４２導風口、４６仕切板、５０風取込部、５２開閉窓、５４支軸、５５軸受、５６錘、５８軸、５９ブラケット、６０風車、６２羽、６４開口、７０発電機

Claims

周壁の全周域に複数の風の取込口が縦横に設けられ、下端が閉塞され、上端に風の吹出口が設けられた筒状の風洞筒と、
前記風洞筒の外側から受ける風により水平軸周りに回動して上側が前記風洞筒の内側へ倒れた姿勢で前記取込口を開き、前記風洞筒の内側から受ける風では前記取込口を閉じた状態にする複数の開閉窓と、
前記風洞筒の上側に配され前記吹出口から吹き出す風により回転する風車と、
前記風車の回転により発電する発電機と
を備え、
前記開閉窓の内面の下寄りに水平に配され、前記開閉窓を回動可能に支持する回動軸と、
前記回動軸よりも前記風洞筒の内側かつ上側に配され、前記開閉窓の閉位置からの回動を開位置で止める回動制限部材と、
前記開閉窓の外面の下部に、下端が前記開閉窓の下端よりも下側に位置するように取り付けられ、下部が前記取込口の下縁に当接することで前記開閉窓の前記開位置からの回動を前記閉位置で止めると共に、自重により前記開閉窓を前記開位置から前記閉位置へ回動させる錘と
を備える風力発電装置。
前記風車の羽には通風口が設けられている請求項１に記載の風力発電装置。
前記風洞筒の周囲に設けられ、前記複数の取込口に導風する導風部を備える請求項１又は請求項２に記載の風力発電装置。