JP6087641B2 - 風力発電装置およびその設置方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置およびその設置方法に関する。

従来、ビル用の風力発電装置は、屋上よりポールを建て、その上部に水平回転式のプロペラ発電機を搭載したものであった。この従来のビル用風力発電装置は、図８に示すような建物軒先部分での外壁面上昇流を活用できていない。図８の円形状の範囲Ｚに示す軒先部分の風向は、風速の高度分布、建物の壁面高さ、壁面面積、壁面の形状などによって違ってしまう。このような外壁面上昇流の風力を活用するものとして、建物軒先に設置する建物用風力発電装置が提案されている（特許文献１）。

特開2003-166462号公報

特許文献１の建物用風力発電装置は、プロペラ全体が外壁に沿って吹き上げる風や水平方向の風を捉えるように風向きによって位置を変えるようにしたものであるが、このようにプロペラが風向でめまぐるしく位置を変えるため、見る者に一種の不安を与えることがあった。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、装置の姿勢を固定しながら、見るものに安心感を与え、建物屋上の横向きの風力を活用するとともに建物の外壁面を吹き上げる上昇流を有効活用できる風力発電装置およびその設置方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態による風力発電装置は、回転軸を中心に回転する揚力型ブレードと、前記揚力型ブレードに直交する方向に配置され前記回転軸を中心に回転する２段構造のプロペラ型ブレードと、を備え、前記回転軸を鉛直方向に配置したとき前記２段構造の内の上段のプロペラ型ブレードを水平面に対し勾配を有するように配置したことを特徴とする。

この風力発電装置によれば、回転軸を鉛直方向に延びるように配置した場合、揚力型ブレードで横向きの風を捉えることができ、揚力型ブレードに直交する方向に配置されたプロペラ型ブレードで建物壁面を吹き上げる上昇流を捉えることができる。回転軸は建物に対し固定するように設置できるので、装置の姿勢を固定しながら、見るものに安心感を与える構造を実現できる。また、回転軸を水平方向に延びるように配置した場合でも同様の効果を得ることができる。

上記風力発電装置において前記揚力型ブレードと前記プロペラ型ブレードとをリング状接合板を介して接合することで、たとえば、縦方向に配置する揚力型ブレードと横方向に配置するプロペラ型ブレードとを明快に接合でき、また、それぞれの位置やブレード段数の設計自由度が向上する。

また、前記プロペラ型ブレードを２段構造とし、前記回転軸を鉛直方向に配置したとき前記２段構造の内の上段のプロペラ型ブレードを水平面に対し勾配を有するように配置することで、上部のプロペラ型ブレードが傾斜するので、建物軒先における斜めに吹き上がる風向にほぼ直交させることができ、より効率がよくなる。

本実施形態の風力発電装置の建物設置方法は、上述の風力発電装置を建物に設置する方法であって、前記風力発電装置を、前記回転軸が鉛直方向に位置し、建物の軒先部分において前記回転軸が前記建物のパラペット上部に位置するように設置することを特徴とする。

この風力発電装置の建物設置方法によれば、建物のパラペットに風力発電装置の荷重を負担させることができる。また、パラペットの内側に設置した場合と比べてプロペラ型ブレードの旋回部分が外壁面の外部にはみ出す領域が増えるので、建物外壁面を吹き上がる風力をより効率よく利用でき、発電効率が向上する。

本実施形態の別の風力発電装置の建物設置方法は、上述の風力発電装置を建物に設置する方法であって、前記風力発電装置を、前記回転軸が鉛直方向に位置し、建物の軒先部分において前記建物の外壁面よりも外に突き出て前記プロペラ型ブレードの旋回部分の大半が前記外壁面よりも外側に位置するように設置することを特徴とする。

この風力発電装置の建物設置方法によれば、プロペラ型ブレードの旋回部分の大半が外壁面よりも外側に位置するので、建物外壁面を吹き上がる風力を最大限に活用でき、発電効率が向上する。

本実施形態のさらに別の風力発電装置の建物設置方法は、回転軸を中心に回転する揚力型ブレードと、前記揚力型ブレードに直交する方向に配置され前記回転軸を中心に回転するプロペラ型ブレードと、を備える風力発電装置を建物に設置する方法であって、前記風力発電装置を、前記回転軸が水平方向に位置し、前記回転軸とともに水平に突き出た前記プロペラ型ブレードと前記揚力型ブレードとの旋回範囲が建物軒先上部でかつ外壁外部に位置するように設置することを特徴とする。

この風力発電装置の建物設置方法によれば、２種類のブレードの縦横の役割分担を替えて設置することができるとともに、プロペラ型ブレードと揚力型ブレードとの旋回範囲が建物軒先上部でかつ外壁外部に位置するので、建物屋上の横向きの風力および建物外壁面を吹き上がる風力を最大限に活用でき、発電効率が向上する。

本実施形態による別の風力発電装置は、回転軸を中心に回転する揚力型ブレードと、前記揚力型ブレードに直交する方向に配置され前記回転軸を中心に回転する２段構造のプロペラ型ブレードと、前記回転軸の回転により発電するように前記回転軸に連結された発電機と、を備え、前記発電機側のプロペラ型ブレードを前記発電機側に傾斜するように配置したことを特徴とする。
前記発電機側のプロペラ型ブレードを前記発電機側に傾斜するように配置することで、発電機側のプロペラ型ブレードに傾斜をもたせて、斜めに吹き上がる風力に直交させることができ、発電効率が向上する。

本実施形態のさらに別の風力発電装置の建物設置方法は、上記発電機を備える風力発電装置を建物に設置する方法であって、前記風力発電装置を、前記回転軸が水平方向に位置し、建物の軒先部分において前記回転軸とともに水平方向に突き出た前記プロペラ型ブレードの内の前記発電機側のプロペラ型ブレードの旋回端が前記建物のパラペットのほぼ上部に位置するように設置することを特徴とする。

この風力発電装置の建物設置方法によれば、回転軸を水平方向に設置した場合に、発電機側のプロペラ型ブレードが傾斜し、その旋回端が建物のパラペットのほぼ上部に位置することで、傾斜したプロペラ型ブレードが斜めに吹き上がる風力に直交し、発電効率が向上する。

本発明によれば、装置の姿勢を固定しながら、見るものに安心感を与え、建物屋上の横向きの風力を活用するとともに建物の外壁面を吹き上げる上昇流を有効活用できる風力発電装置およびその設置方法を提供することができる。

本実施形態による第１例の風力発電装置を示す側面図（ａ）および平面図（ｂ）である。 本実施形態による第２例の風力発電装置を示す側面図である。 本実施形態による第３例の風力発電装置を示す側面図である。 本実施形態による第４例の風力発電装置を示す側面図（ａ）および平面図（ｂ）である。 本実施形態による第５例の風力発電装置を示す側面図（ａ）および平面図（ｂ）である。 本実施形態による第６例の風力発電装置を示す側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。 本実施形態による第７例の風力発電装置を示す側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。 建物の軒先部分における風向を概略的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。図１〜図７を参照して本実施形態の第１例〜第７例について説明する。

図１は本実施形態による第１例の風力発電装置を示す側面図（ａ）および平面図（ｂ）である。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、風力発電装置１０は、回転軸１１と、複数枚のブレードを有する揚力型ブレード１２と、上下２段のプロペラ部１３ａ、１３ｂを有するプロペラ型ブレード１３と、揚力型ブレード１２とプロペラ型ブレード１３とを接合する上下２枚のリング状接合板１４と、回転軸１１に連結されて回転軸１１とともに回転することで発電する発電機１５と、発電機１５が固定される基礎部１６と、を備える。各プロペラ部１３ａ、１３ｂは複数枚のプロペラブレードからなる。

揚力型ブレード１２は、複数枚のブレードが回転軸１１と平行に回転軸１１の方向に直線状に延びるようにしてリング状接合板１４に連結することで一体に構成され、図１（ａ）のように横向きＨの風を受けることで回転軸１１を中心にして回転するようになっている。

プロペラ部１３ａ、１３ｂは、各プロペラブレードが揚力型ブレード１２に直交する水平方向に配置され、内端部が回転軸１１に接合し、外端部がリング状接合板１４に接合することで回転軸１１から半径方向に延びるようにして一体に構成されている。プロペラ部１３ａ、１３ｂは、図１（ａ）のように、建物Ｂの外壁面Ｂ１に沿って吹き上がる上向きＶの風に直交するように水平方向に配置され、上向きＶの風を受けることで回転軸１１を中心にして回転するようになっている。プロペラ部１３ａ、１３ｂは、図１（ｂ）のように、それぞれ回転軸１１を中心にした円形の旋回領域Ｃを形成し、この旋回領域Ｃが上下２段に形成される。

回転軸１１と、複数枚のブレードを有する揚力型ブレード１２と、複数枚のプロペラブレードからなる上下２段のプロペラ部１３ａ、１３ｂを有するプロペラ型ブレード１３と、がリング状接合板１４を介して一体になって、風力回転体Ａを構成している。
風力発電装置１０は、風力回転体Ａにおいて揚力型ブレード１２が建物の屋上の横向きＨの風を受けるとともにプロペラ型ブレード１３が建物の外壁面Ｂ１に沿って吹き上がる上向きＶの風を受けて回転軸１１を中心にして回転することで発電機１５を回転させて発電する。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、風力発電装置１０は、回転軸１１が鉛直方向に位置するように建物Ｂの屋上Ｂ２に設置され、具体的には建物Ｂの外端に位置するパラペットＢＰの内側に設置されている。このとき、プロペラ型ブレード１３の旋回領域Ｃは、その一部が図１（ｂ）のように外壁面Ｂ１からはみ出しており、この建物の軒先のはみ出し領域で外壁面Ｂ１に沿って吹き上がる上向きＶの風を捉える。

図１（ａ）（ｂ）の風力発電装置１０によれば、回転軸１１が建物Ｂに対し固定して設置されるので、装置の姿勢を固定しながら見るものに安心感を与える構造を実現できる。また、建物屋上の横向きの風を捉えることができるとともに外壁上部で外壁面Ｂ１に沿って吹き上がる風力を活用することができる。

次に、本実施形態による第２例について図２を参照して説明する。図２は本実施形態による第２例の風力発電装置を示す側面図である。なお、図２では図１と同様の構成部分には同一の符号を付し、その説明は省略する（以下の図面でも同様である）。

図２の風力発電装置２０は、図１のものと比べ、プロペラ型ブレード１３の複数枚のプロペラブレードからなる上段のプロペラ部１３ｃが水平面に対し勾配を有するように構成されている点が相違し、この点以外は図１と同様の構成である。上段のプロペラ部１３ｃは、各プロペラブレードが回転軸１１の上端から斜め上方へ延びるようにしてリング状接合板１４に接合している。

図２の風力発電装置２０によれば、プロペラ型ブレード１３の水平の下段のプロペラ部１３ａが外壁面Ｂ１に沿って吹き上がる上向きＶの風を捉えるとともに、上段のプロペラ部１３ｃが傾斜しているので、建物軒先における斜め方向Ｖ１に吹き上がる風向にほぼ直交し、より効率よく風力を利用することができる。

次に、本実施形態による第３例について図３を参照して説明する。図３は本実施形態による第３例の風力発電装置を示す側面図である。図３の風力発電装置３０は、図２と同様に、プロペラ型ブレード１３の複数枚のプロペラブレードからなる上段のプロペラ部１３ｄが水平面に対し勾配を有するように構成されているが、上段のプロペラ部１３ｄは各プロペラブレードが回転軸１１の上端から斜め下方へ延びるようにしてリング状接合板１４に接合している点が相違し、この点以外は図２と同様の構成である。

図３の風力発電装置３０によれば、プロペラ型ブレード１３の水平の下段のプロペラ部１３ａが外壁面Ｂ１に沿って吹き上がる上向きＶの風を捉えるとともに、上段のプロペラ部１３ｃが傾斜しているので、建物軒先における斜め方向Ｖ２に吹き上がる風向にほぼ直交し、より効率よく風力を利用することができる。

次に、本実施形態による第４例について図４を参照して説明する。図４は本実施形態による第４例の風力発電装置を示す側面図（ａ）および平面図（ｂ）である。

図４（ａ）（ｂ）の風力発電装置４０は、図１の風力発電装置１０と基本的に同一の構成であるが、鉛直方向に延びる回転軸１１を建物ＢのパラペットＢＰの上部に設置したものである。

風力発電装置４０は、図４のように、発電機１５がパラペットＢＰに基礎部１６を介して固定され、回転軸１１がパラペットＢＰの上部で鉛直方向に延びるように設置され、パラペットＢＰに風力発電装置４０の荷重を負担させることができる。また、風力発電装置４０は、発電機１５を水平方向に支持する支持部材１７と、防振ゴムからなる防振板１９を介して屋上Ｂ２で鉛直方向に支持部材１７を支持する垂直支持部材１８とによりさらに支持されている。

図４（ａ）（ｂ）の風力発電装置４０によれば、図４（ｂ）のように、プロペラ型ブレード１３の回転軸１１を中心にした円形の旋回領域Ｃが外壁面Ｂ１からはみ出すが、このはみ出し領域は、回転軸１１が図１（ｂ）の場合よりも外壁面Ｂ１に近い位置となるので、より広くなる。このため、この建物の軒先のはみ出し領域で外壁面Ｂ１に沿って吹き上がる上向きＶの風をより効率的に捉えることができ、発電効率が向上する。

次に、本実施形態による第５例について図５を参照して説明する。図５は本実施形態による第５例の風力発電装置を示す側面図（ａ）および平面図（ｂ）である。

図５（ａ）（ｂ）の風力発電装置５０は、図４の風力発電装置４０と基本的に同一の構成であるが、鉛直方向に延びる回転軸１１を建物Ｂの外壁面Ｂ１よりも突き出すようにして設置したものである。すなわち、発電機１５を水平方向に支持する支持部材１７ａを図４の場合よりも長く構成し、支持部材１７ａがパラペットＢＰから突き出すことで、回転軸１１の位置が建物の軒先部分において建物の外壁面Ｂ１よりも外に突き出る構成にした。
図５（ａ）（ｂ）の風力発電装置５０によれば、プロペラ型ブレード１３の回転軸１１を中心にした円形の旋回領域Ｃの大半が外壁面Ｂ１からはみ出すので、この建物の軒先の旋回領域Ｃのはみ出し領域で外壁面Ｂ１に沿って吹き上がる上向きＶの風を図４の場合よりも効率的に捉えることができ、発電効率が向上する。

次に、本実施形態による第６例について図６を参照して説明する。図５は本実施形態による第６例の風力発電装置を示す側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。

図６（ａ）（ｂ）の風力発電装置６０は、図１の風力発電装置１０と基本的に同一の構成であるが、回転軸１１を水平方向に設置し、風力回転体Ａにおいてプロペラ型ブレード１３が建物の屋上の横向きＨの風を受けるとともに揚力型ブレード１２が建物の外壁面Ｂ１に沿って吹き上がる上向きＶの風を受けるように構成したものである。

図６（ａ）のように、支持部材１７の一端で発電機１５を支持固定し、他端の軸受６１で発電機１５とともに回転軸１１を回転可能に水平方向に支持している。回転軸１１は、発電機１５から外壁面Ｂ１方向に突き出ており、この水平に突き出た部分でプロペラ型ブレード１３と揚力型ブレード１２との旋回範囲が建物軒先上部でかつ外壁面Ｂ１の外部に位置している。

また、図６（ｂ）のようにプロペラ型ブレード１３の円形の旋回領域Ｃが建物Ｂの上端であるパラペットＢＰよりも上側になるように回転軸１１の鉛直方向位置を決め、また、揚力型ブレード１２全体が外壁面Ｂ１から突き出るように回転軸１１の水平方向位置を決めることが好ましい。

図６（ａ）（ｂ）の風力発電装置６０によれば、プロペラ型ブレード１３と揚力型ブレード１２との旋回範囲が建物軒先上部で外壁面Ｂ１から突き出しているので、外壁面Ｂ１に沿って吹き上がる上向きＶの風および横向きＨの風を効率的に捉えることができ、発電効率が向上する。

次に、本実施形態による第７例について図７を参照して説明する。図７は本実施形態による第７例の風力発電装置を示す側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。

図７（ａ）（ｂ）の風力発電装置７０は、図６の風力発電装置６０と基本的に同一の構成で、回転軸１１を水平方向に設置したものであるが、プロペラ型ブレード１３の発電機１５側のプロペラ部１３ｅを、各プロペラブレードが鉛直方向から発電機１５側に傾斜するように構成したものである。すなわち、プロペラ型ブレード１３は、発電機１５側のプロペラ部１３ｅの各プロペラブレードの旋回端が建物のパラペットＢＰのほぼ上部に位置するように傾斜して構成される。

図７（ａ）（ｂ）の風力発電装置７０によれば、プロペラ型ブレード１３の発電機１５側のプロペラ部１３ｅが傾斜しているので、建物軒先における斜め方向Ｖ３に吹き上がる風向にほぼ直交し、より効率よく風力を利用することができる。

なお、図７（ａ）（ｂ）の風力発電装置７０を、回転軸１１が鉛直方向に延びるように設置してもよく、この場合、図４や図５のように設置することが好ましい。

以上のように本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、本実施形態においてプロペラ型ブレード１３は２段構成としたが、本発明はこれに限定されず、１段としてもよく、また３段もしくはそれ以上としてもよい。

また、プロペラ型ブレード１３のプロペラブレードは、片方が単なるフレームでプロペラ型となっていなくてもよく、また、複数段の各旋回半径が異なっていてもよい。

また、本実施形態では揚力型ブレード１２はその延在方向に直線状に構成されているが、曲線状に構成してもよい。

また、プロペラ型ブレード１３のプロペラブレードの本数および揚力型ブレード１２のブレード本数は、本実施形態での各例では同数としたが、これに限定されず、適宜設定することができる。

また、本発明の風力発電装置は、ビル等の建物に設置して好適なものであるが、これに限定されず、横向きおよび上向きの風が吹くような場所に設置することで横向きおよび上向きの風力を効率よく活用できる。

本発明によれば、プロペラ型ブレードと揚力型ブレードとを組み合わせることで、鉛直方向の風向きの風力および水平方向の風向きの風力をともに活用できるので、建物軒先で変化する風力を効率よく活用できる風力発電装置を提供することができる。これにより、自然エネルギーの風力を有効活用することができ、電力需要に貢献することができる。

１０、２０，３０，４０，５０，６０，７０ 風力発電装置
１１ 回転軸
１２ 揚力型ブレード
１３ プロペラ型ブレード
１３ａ〜１３ｅ プロペラ部
１４ リング状接合板
１５ 発電機
Ａ 風力回転体
Ｂ 建物
Ｂ１ 外壁面
Ｂ２ 屋上
ＢＰ パラペット
Ｃ 旋回領域

Claims (8)

1. 回転軸を中心に回転する揚力型ブレードと、
   前記揚力型ブレードに直交する方向に配置され前記回転軸を中心に回転する２段構造のプロペラ型ブレードと、を備え、
   前記回転軸を鉛直方向に配置したとき前記２段構造の内の上段のプロペラ型ブレードを水平面に対し勾配を有するように配置したことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記揚力型ブレードと前記プロペラ型ブレードとをリング状接合板を介して接合したことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 請求項１または２に記載の風力発電装置を建物に設置する方法であって、
   前記風力発電装置を、前記回転軸が鉛直方向に位置し、建物の軒先部分において前記回転軸が前記建物のパラペット上部に位置するように設置することを特徴とする風力発電装置の建物設置方法。
4. 請求項１または２に記載の風力発電装置を建物に設置する方法であって、
   前記風力発電装置を、前記回転軸が鉛直方向に位置し、建物の軒先部分において前記建物の外壁面よりも外に突き出て前記プロペラ型ブレードの旋回部分の大半が前記外壁面よりも外側に位置するように設置することを特徴とする風力発電装置の建物設置方法。
5. 回転軸を中心に回転する揚力型ブレードと、前記揚力型ブレードに直交する方向に配置され前記回転軸を中心に回転するプロペラ型ブレードと、を備える風力発電装置を建物に設置する方法であって、
   前記風力発電装置を、前記回転軸が水平方向に位置し、前記回転軸とともに水平に突き出た前記プロペラ型ブレードと前記揚力型ブレードとの旋回範囲が建物軒先上部でかつ外壁外部に位置するように設置することを特徴とする風力発電装置の建物設置方法。
6. 回転軸を中心に回転する揚力型ブレードと、
   前記揚力型ブレードに直交する方向に配置され前記回転軸を中心に回転する２段構造のプロペラ型ブレードと、
   前記回転軸の回転により発電するように前記回転軸に連結された発電機と、を備え、
   前記発電機側のプロペラ型ブレードを前記発電機側に傾斜するように配置したことを特徴とする風力発電装置。
7. 前記揚力型ブレードと前記プロペラ型ブレードとをリング状接合板を介して接合したことを特徴とする請求項６に記載の風力発電装置。
8. 請求項６または７に記載の風力発電装置を建物に設置する方法であって、
   前記風力発電装置を、前記回転軸が水平方向に位置し、建物の軒先部分において前記回転軸とともに水平方向に突き出た前記プロペラ型ブレードの内の前記発電機側のプロペラ型ブレードの旋回端が前記建物のパラペットのほぼ上部に位置するように設置することを特徴とする風力発電装置の建物設置方法。

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