JP5801938B1

JP5801938B1 - 風力発電装置

Info

Publication number: JP5801938B1
Application number: JP2014183840A
Authority: JP
Inventors: 孝明原
Original assignee: 孝明原
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: JP2016056735A

Abstract

【課題】風が弱い場所であっても十分な風力発電をすることができる風力発電装置を提供すること。【解決手段】第１風取込口２４が配設された風取込部２０と、風取込部２０に連設され、第１風取込口２４から取り込んだ風の流路断面積を徐々に縮小させる流路断面漸減部３０と、流路断面漸減部３０に連設され、外壁４２に第２風取込口４４が形成されると共に、第２風取込口４４に開閉可能な縦型ルーバ４６が配設された筒状体４０と、筒状体４０の内部空間に配設され、筒状体４０の内部空間を通過する風により発電する発電装置５０と、を有してい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

本発明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。

出願人は、これら自然エネルギを用いた発電装置の一つである風力発電装置に関する出願（特許文献１参照）を既に行い、実証実験も行っている。

登録実用新案第３１６９２６９号公報

特許文献１に開示されている風力発電装置によれば、筒状体に取り込んだ風を上昇させ、筒状体の内部空間に配設した回転羽根を回転させることで発電を行っているが、筒状体に取り込む風量が不足することがあり、回転羽根を十分回転させることができないことがあるといった課題の所在が明らかになった。

そこで本発明は、風取込部よりも筒状体の流路断面積を大幅に減少させることにより、筒状体の内部空間を流通する風速を十分高め、筒状体の内部空間に配設した発電装置の稼働率及び発電量を向上させ、発電効率を大幅に向上させた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発明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、第１風取込口が配設された風取込部と、前記風取込部に連設され、前記第１風取込口から取り込んだ風の流路断面積を徐々に縮小させる流路断面漸減部と、前記流路断面漸減部に連設され、外周面に第２風取込口が形成されると共に、当該第２風取込口に開閉可能なルーバが配設された筒状体と、前記筒状体の内部空間に配設され、前記筒状体の内部空間を通過する風により発電する発電装置と、を有し、前記筒状体の外周面は、前記風取込部側から前記筒状体の先端部に近付くにつれて、明度が徐々に低くなるよう着色されていることを特徴とする風力発電装置である。

これにより、発電装置が配設されている筒状体の内部空間における風速を第１風取込部から取り込んだ際における風速よりも高めることができ、筒状体の内部空間を通過する空気流を螺旋流にすることができる。よって、第１風取込部における取込風速（外部環境における自然風の風速）が低い場合であっても筒状体の内部空間に配設された発電装置による発電が可能になり、従来の発電装置に比較して発電効率を大幅に向上させることができる。また、筒状体の外周面である外壁の表面が日光により温められることにより、筒状体の内部空間を通過する空気を膨張させ、筒状体内におけるドラフト効果を高めることができ、発電量を増加させることができる。

また、前記第１風取込口には、開口面積と前記第１風取込口の開口面に対する風の進入角度の少なくとも一方が調整可能な風取込口用ダンパが取り付けられていることが好ましい。

これにより、第１風取込部から取り込んだ空気の流れを筒状体の延長方向に沿った流れに変換することができる。また、筒状体の内部空間を通過する風速が高まり過ぎないように、第１風取込部における開口面積を調整することにより、筒状体の内部空間に配設した発電装置の破損を防止することができる。

前記第２風取込口は、前記筒状体の延長方向の複数箇所に配設されていることが好ましい。

これにより筒状体の内部空間を筒状体の延伸方向に通過させる空気流に対して筒状体の延伸方向直交方向における断面内において回転させる力を複数箇所で空気流に付与させることができ、筒状体の内部空間内を通過させる空気流を確実に螺旋流にさせることができる。

また、前記第１風取込口の開口面積は前記筒状体の流路断面積の１０倍以上であることが好ましい。

これにより、筒状体の内部空間を通過させる空気流の流速を、第１風取込口における流速の１０倍以上にすることができるので、従来の風力発電装置では発電することができなかった場所でも風力発電を行うことが可能になる。

本発明にかかる風力発電装置によれば、発電装置が配設されている筒状体の内部空間における風速を第１風取込部から取り込んだ際における風速よりも大幅に高めることができ、第２風取込口から取り込んだ風により螺旋流にすることができる。これにより、第１風取込部から取り込んだ風の速度が低い場合であっても、筒状体の内部空間を通過する空気流の速度は十分な速度を有する螺旋流になり、筒状体の内部空間に配設された発電装置の稼働率が向上する。また、日光照射による温度上昇を利用して筒状体の内部空間内における風速を増加させることにより発電量を増加させることもできるので、従来の発電装置に比較して発電効率を大幅に向上させることができる。

第１実施形態にかかる風力発電装置の正面図である。第１実施形態にかかる風力発電装置の左側面図である。第１実施形態にかかる風力発電装置の内部構造を示す一部透視正面図である。図１内の４−４線における端面図である。第２実施形態にかかる風力発電装置の要部を示した説明平面図である。第２実施形態にかかる風力発電装置の要部を示した説明図である。

（第１実施形態）
以下、本発明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４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に構築された風取込部２０と、風取込部２０に連設された流路断面漸減部３０と、流路断面漸減部３０に連設され、地表面１０から離反する方向に延設された筒状体４０と、筒状体４０の内部空間に配設された発電装置である発電用風車５０とを有する。

風取込部２０は、地表面１０に立設された鉄骨フレーム体２１と鉄骨フレーム体２１の外表面を被覆する４つの外壁２２を有している（図２、図３参照）。正面側の外壁２２には第１風取込口２４が配設されている。第１風取込口２４には、第１風取込口２４の開口面積および第１風取込口２４の開口面に対する風の進入角度を調整するための風取込口用ダンパである水平ルーバ２６が配設されている。

本実施形態においては、図１に示すように、正面側の外壁２２に対して複数個の第１風取込口２４を３行５列のマトリクス状配列に配設した。第１風取込口２４の開口面積はすべて同じ面積である。また、第１風取込口２４に配設された水平ルーバ２６の開閉状態は個別に手動または自動で複数段階または無段階に調整可能に設けられている。水平ルーバ２６とは、水平方向に配設したルーバ板を水平軸周りに回動させるものである。本実施形態においては、正面側の外壁２２に第１風取込口２４を配設しているが、風力発電装置１００の設置場所に応じて第１風取込口２４を配設すべき外壁２２は複数面または全面を適宜選択することができる。

風取込部２０の上側部分には、中空構造の四角錐台形状に形成された流路断面漸減部３０が連設されている。流路断面漸減部３０における空気の流路である内部空間の断面積は、風取込部２０から離反する（筒状体４０に接近する）に伴って徐々に減少する。本実施形態の流路断面漸減部３０は、風取込部２０との接続部分（図１内のＡ部分）における流路断面積に対して筒状体４０との接続部分（図１内のＢ部分）における流路断面積が１５分の１となるようにした。

流路断面漸減部３０の上には四角形断面の筒状体４０が連接されている。筒状体４０の内部空間は高さ方向に一定の流路断面積となるように形成されている。本実施形態における筒状体４０の流路断面積は、水平ルーバ２６を取り外した状態における第１風取込口２４一箇所の開口面積と等しく（流路断面漸減部３０と筒状体４０との接続部分における流路断面積と同面積）に形成されている。このように、風取込部２０における開口面積である第１風取込口２４の合計断面積に対して筒状体４０の空気流通路における断面積を１５分の１にしているので、筒状体４０内を上昇する空気の速度（筒状体内風速）を第１風取込口２４から取り込んだ風の速度（風取込時風速）の１５倍程度に増速させることができる。

また、本実施形態における筒状体４０の外周面の一部である正面側の外壁４２には、第２風取込口４４が配設されている。第２風取込口４４には第２風取込口４４から筒状体４０の内部空間に取り込む風量と筒状体４０の内部空間に進入させる風の向き（図４内の矢印Ａ）をそれぞれ調整するための縦型ルーバ４６が配設されている。図１に示すように本実施形態における縦型ルーバ４６は、筒状体４０の高さ方向の複数箇所に配設されている。縦型ルーバ４６はルーバ板４６Ａの状態を複数段階または無段階で遠隔操作可能であることが好ましい。図４に示すように縦型ルーバ４６はルーバ板４６Ａを鉛直軸４６Ｂ周りに回動させるものである。

このような縦型ルーバ４６を配設することにより、筒状体４０の内部空間を通過（上昇）する空気流（図４の紙面直交方向）に対して、水平面内に回転させるための力（図内の矢印Ａおよび矢印Ｂ）を所要高さ範囲にわたって付与させることができる。よって筒状体４０の内部空間を上昇する空気流を螺旋流にさせ易くすることができる点において好都合である。筒状体４０の内部空間内を単純に上昇させた空気流による発電用風車５０の回転数に比較して、筒状体４０の内部空間内を螺旋流により上昇させた際の発電用風車５０の回転数の方が高回転にすることができ、従来の発電装置に比較して大幅に発電量を増加させることができる点において好適である。

また、本実施形態における筒状体４０の外壁４２は、流路断面漸減部３０との接続部分から筒状体４０の先端（上端）に接近するに伴って明度が徐々に低くなるように塗装されている。このように筒状体４０の外壁の表面を塗装することで、筒状体４０の外壁４２への日光照射による温度上昇を利用し、筒状体４０の内部空間を通過させる空気を膨張させることで、筒状体４０の内部空間を通過させる空気の流速をさらに上昇させることができる。よって、筒状体４０の外壁４２の塗装に用いる色は黒色系であることが好ましい。

また、本実施形態における発電用風車５０は、回転羽根５２と回転羽根５２の回転軸に連結された増速器５４と増速器５４を介して回転駆動する発電機５６とを有している。先述のとおり筒状体４０の内部空間内を上昇する風速は十分な速度を有しているので、増速器５４を介しても発電機５６を十分に回転駆動させることができる。これにより発電機５６による発電量をさらに増加させることができる。なお、発電用風車５０における増速器５４の構成は省略することもできる。

本実施形態にかかる風力発電装置１００を用いた発電機構について説明する。風力発電装置１００の周囲において発生した自然風は、水平ルーバ２６により開口面積および取り込み角度が調整された第１風取込口２４から風取込部２０の内部空間に取り込まれる。風取込部２０に対して水平方向に吹き込む自然風は、水平ルーバ２６により風取込部２０の内部空間内を上昇流になった状態で流路断面漸減部３０に流入する。流路断面漸減部３０の内部空間を通過することにより、空気流の速度は風取込部２０に取り込まれた際の速度に対して大幅に増速させた状態で筒状体４０に供給されることになる。このように増速された状態で筒状体４０に供給された風は、ドラフト効果により筒状体４０の内部空間を上昇することになる。

また、筒状体４０の外壁４２に配設された第２風取込口４４からも外部の風（空気）が筒状体４０の内部空間に取り込まれる。これによって図４の矢印Ａおよび矢印Ｂに示すように筒状体４０の内部空間を上昇する空気流に水平面内に回転させる力が付与されることになる。すなわち、筒状体４０の内部空間を通過（上昇）する空気の流れは螺旋流となり、発電用風車５０には螺旋流（竜巻状の流れ）の空気が供給されることになる。螺旋流の空気が発電用風車５０に供給されることにより、単純な上昇流が供給された発電用風車５０による発電量よりもより多くの発電を行うことができる。

（第２実施形態）
図５、図６は第２実施形態にかかる風力発電装置の要部を示すものである。
本実施形態にかかる風力発電装置１００は、発電用風車５０の筒状体４０への取り付け構造が特徴的である。発電用風車５０は、取付用ケーシング６０を介して筒状体４０に取り付けられている。

取付用ケーシング６０は、発電用風車５０の径寸法よりもわずかに大径寸法の円筒部６２と、円筒部６２の上部に連設されたファンネル部６４と、円筒部６２の外周面に立設され、円筒部６２と筒状体４０との間の隙間部分を閉塞するフランジ部６６を有している。取付用ケーシング６０は、フランジ部６６またはフランジ部６６に装着した図示しない取付具を介して筒状体４０の内部空間に配設される。

このようにして筒状体４０の内部空間に取付用ケーシング６０を介して発電用風車５０を配設することで、発電用風車５０の取付位置近傍には、フランジ部６６によって筒状体４０の内部に足場を形成することができる。筒状体４０の外部から筒状体４０内部にある取付用ケーシング６０へのアクセス箇所を配設することで、発電用風車５０の配設位置において発電用風車５０のメンテナンスを行うことができる点で好都合である。

また、筒状体４０と発電用風車５０との間の隙間部分がフランジ部６６により被覆されていることにより、筒状体４０の内部空間を上昇する空気の螺旋流の全てを円筒部６２に集中させてから発電用風車５０に供給している。これにより、筒状体４０の内部空間における空気流の速度よりも高速な空気流で発電用風車５０を回転させることができ、発電量を増加させることができる。

なお、図示しないが、フランジ部６６は円筒部６２の外表面に直交方向に立設させた足場としての第１のフランジ部と、筒状体４０の内部空間から円筒部６２の内部空間へ流路断面漸減させることで、筒状体４０から円筒部６２への空気流入抵抗を低減させた状態で筒状体４０と取付用ケーシング６０との隙間を閉塞する閉塞板としての第２のフランジ部と、を有する構成を採用してもよい。

以上に説明したように、本発明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を安価にすることができる。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に比較して低コストで簡易な構成でありながらも発電効率のよい風力発電装置１００を提供することができ、風力発電を大幅に普及させることが可能になる。

以上に本実施形態に基づいて本発明にかかる風力発電装置１００の説明をしてきたが、本発明にかかる風力発電装置１００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、以上の実施形態においては、筒状体４０の内部空間に発電装置としての発電用風車５０を１つだけ配設した形態について説明しているが、発電用風車５０は筒状体４０の延伸方向の複数箇所に配設してもよい。

また、図示しないが、流路断面漸減部３０の内部空間には螺旋形状に形成された風ガイド体を配設してもよい。このような風ガイド体を流路断面漸減部３０の内部空間に配設することにより、第２風取込口４４を閉じた状態にしても筒状体４０の内部空間を通過させる空気流を螺旋流にすることができる点において好都合である。

さらには、風取込部２０の外壁２２のうち正面側の外壁２２にのみに第１風取込口２４を配設した実施形態について説明したが、風取込部２０の機械的強度が十分確保できる場合には、風取込部２０の外壁２２の複数またはすべてに第１風取込口２４を配設してもよい。同様に、筒状体４０の外壁４２においても正面側の外壁４２のみに第２風取込口４４を配設した実施形態について説明したが、筒状体４０の複数またはすべての外壁４２に第２風取込口４４を配設することもできる。

また、風取込部２０の第１風取込口２４は、３行５列のマトリクス状配列を採用したがこの配列に限定されるものではない。風力発電装置１００の設置場所の条件に応じて第１風取込口２４の配設形態を適宜調整した形態を採用することができる。

このように風取込部２０の複数の外壁２２に第１風取込口２４を配設することにより、外壁２２の一面あたりにおける第１風取込口２４の配設数を削減することも可能になる。これによって風取込部２０の平面面積の削減が可能になり、風力発電装置１００の設置面積を削減することができるといった効果を得ることができる。

また、以上の実施形態においては、筒状体４０を四角形断面形状にしているため、風取込部２０の平面形状も四角形形状に形成しているが、筒状体４０および風取込部２０の平面形状は四角形形状に限定されるものではなく、任意の断面形状に形成することもできる。また流路断面漸減部３０は風取込部２０との接続側における流路断面積に対して筒状体４０との接続側における流路断面積を１０分の１〜２０分の１程度に縮小させることができればよく、円錐台や多角形錐台に限定されるものではない。また、筒状体４０は先端部に接近するに伴って流路断面積が徐々に減少する形態を採用することもできる。

また、以上の実施形態においては筒状体４０の外壁４２において、流路断面漸減部３０側から筒状体４０の先端（上端）側に進むにつれて徐々に明度が低くなるように塗装した形態について説明したが、風力発電装置１００の外表面全体において、風取込部２０から筒状体４０の先端部にかけて同様に明度が徐々に低くなるような塗装を施すこともできる。

さらには、以上の実施形態における風力発電装置１００は地表面に立設させた形態について説明しているが、風力発電装置１００の設置場所の条件によっては平面配置を採用することもできる。すなわち、風上から風下に向って、風取込部２０、流路断面漸減部３０、筒状体４０をこれらの記載順に一直線状に設置してもよい。このとき第１風取込口２４は地表面に対して立設させた配置となる。このような形態を採用することにより、風力発電装置１００に取り込んだ風の流れを、第１風取込口２４から筒状体４０の先端部（風力発電装置１００の出口）まで一直線状に通過させることができ、風力発電装置１００の内部において空気流が曲がることによる流速損失を低減させることができる点において好都合である。

さらには、以上の実施形態と上記の変形例を任意に組み合わせた形態を採用することもできる。

１０設置面（地表面），
２０風取込部，
２１鉄骨フレーム，２２外壁，２４第１風取込口，２６水平ルーバ，
３０流路断面漸減部，
４０筒状体，４２外壁，４４第２風取込口，
４６縦型ルーバ，４６Ａルーバ板，４６Ｂ鉛直軸，
５０発電用風車，５２回転羽根、５４増速器，５６発電機，
６０取付用ケーシング，６２円筒部，６４ファンネル部，６６フランジ部
１００風力発電装置

Claims

第１風取込口が配設された風取込部と、
前記風取込部に連設され、前記第１風取込口から取り込んだ風の流路断面積を徐々に縮小させる流路断面漸減部と、
前記流路断面漸減部に連設され、外周面に第２風取込口が形成されると共に、当該第２風取込口に開閉可能なルーバが配設された筒状体と、
前記筒状体の内部空間に配設され、前記筒状体の内部空間を通過する風により発電する発電装置と、を有し、
前記筒状体の外周面は、前記風取込部側から前記筒状体の先端部に近付くにつれて、明度が徐々に低くなるよう着色されていることを特徴とする風力発電装置。
前記第１風取込口には、開口面積と前記第１風取込口の開口面に対する風の進入角度の少なくとも一方が調整可能な風取込口用ダンパが取り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。
前記第２風取込口は、前記筒状体の延長方向の複数箇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。
前記第１風取込口の開口面積は前記筒状体の流路断面積の１０倍以上であ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。