JP6164597B1 - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電装置において、導風路内に形成される上昇気流の運動エネルギーをタービンの回転エネルギーに変換する効率を高めることにより、風力発電装置の発電効率を向上させる。【解決手段】高層建築物１の下部から上部に亙って形成された導風路２ａ、２ｂ内を流れる上昇気流により、前記導風路内に設置されたタービン７を回転させ、このタービンの回転によって発電機３を駆動して発電を行なうようにした風力発電装置Ｇであって、前記導風路内に設置され、前記タービンの回転を前記発電機へ伝達する回転伝達軸４を備え、前記タービンが、前記回転伝達軸に、前記導風路の長さ方向に間隔をおいて複数装着されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は風力発電装置に係わり、特に、高層建築物に設けられる風力発電装置に関するものである。

高層建築物に設置される風力発電装置として、たとえば、特許文献１に示されるように、高層建築物の外壁面に沿い、かつ、この高層建築物の下部から屋上に至る導風路を設け、この導風路を、前記高層建築物の屋上に設置されている発電機のタービンへ接続した構成のものが提案されている。

この技術は、高層建築物の下部と屋上との間における気圧差によって生じる上昇気流や、空気が加熱されることによって生じる上昇気流を、前記導風路によって前記タービンへ導くことによりこのタービンを回転させ、このタービンの回転によって発電機を駆動するようにしている。

特開２００１−３２９９４１号公報

前述した風力発電装置によって、空気流を用いた自然エネルギーによる発電が可能となったが、なお、つぎのような改善すべき問題点が残されている。

すなわち、タービンの回転に用いられる上昇気流は、前記導風路によって、高層建築物の下部から屋上へ導かれ、この屋上においてタービンへ接触させられる。

したがって、前記上昇気流は、屋上に到達するまでは前記導風路内を上昇しているのみで、発電には全く寄与していない。

上昇気流の運動エネルギーは、屋上にあるタービンの回転エネルギーに変換され発電に用いられるが、屋上のタービンのみで回転エネルギーに変換できる運動エネルギーは限られており、前記タービンによって回転エネルギーに変換されずに放出される運動エネルギーは少なくない。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、風力発電装置において、導風路内に形成される上昇気流の運動エネルギーをタービンの回転エネルギーに変換する効率を高めることにより、風力発電装置の発電効率を向上させることを解決すべき課題とする。

本発明の風力発電装置は、高層建築物の下部から上部に亙って形成された導風路内を流れる上昇気流により、前記導風路内に設置されたタービンを回転させ、このタービンの回転によって発電機を駆動して発電を行なうようにした風力発電装置であって、前記導風路内に設置され、前記タービンの回転を前記発電機へ伝達する回転伝達軸を備え、前記タービンが、前記回転伝達軸に、前記導風路の長さ方向に間隔をおいて複数装着されていることを特徴としている。

このような構成とすることにより、前記導風路の煙突効果、あるいは、導風路内空気の温度上昇により、この導風路内に上昇気流が発生する。

この上昇気流の運動エネルギーは、前記導風路内に設置された回転伝達軸に装着された前記タービンに接触して、このタービンを回転させることによって回転エネルギーに変換され、この回転エネルギーによって前記回転伝達軸が回転させられて、前記発電機が駆動され電力が生成される。

ここで、前記タービンが、前記回転伝達軸に、その長さ方向に間隔をおいて複数装着されていることにより、これらの複数のタービンにおいて、前記上昇気流の運動エネルギーが、前記発電機を駆動する回転エネルギーに変換される。

この結果、前記導風路内の上昇気流の運動エネルギーが、前記多数のタービンによって回転エネルギーに変換されるので、その変換効率が向上するとともに、発電機における発電効率も向上する。

そして、前記複数のタービンの間隔を適宜設定することにより、下方のタービンを通過する際に乱れた上昇気流の流れを極力安定化させた後に、上方のタービンへ導くことができる。

前記各タービンを、前記高層建築物の近接する階の主要構造体に支持させることが好ましい。

このような構成とすることにより、複数の前記タービンの重量を前記高層建築物の主要構造体に支持させて、前記回転伝達軸にかかる荷重を軽減することができる。
これによって、前記回転伝達軸の回転負荷を軽減することができる。

また、前記回転伝達軸や複数の前記タービンの重量を、前記高層建築物の複数の階に分散させて支持させることにより、前記高層建築物へ集中荷重が作用することを防止し、この高層建築物の健全性を確保することができる。

前記各タービンを、前記回転伝達軸に対して、その軸線回りに係合し、かつ、その軸線方向に摺動可能に装着することが好ましい。
その構造としては、たとえば、スプライン嵌合や、軸線方向の長溝と、この長溝に係合させられる突起とを用いることが挙げられる。

このような構成とすることにより、前記各タービンと前記回転伝達軸との一体回転を保持しつつ、前記各タービンの重量が前記回転伝達軸へ作用することを効果的に抑制することができ、この回転伝達軸の回転負荷をさらに軽減することができる。

前記回転伝達軸へかかる回転負荷の軽減は、前記回転伝達軸をその長さ方向に複数に分割し、分割された各回転伝達軸どうしを、その軸線回りの相対動を拘束し、かつ、その軸線方向の相対動が可能に係合させ、これらの分割された各回転伝達軸に前記タービンを装着する構成とすることによっても達成することができる。
その構造として、前述したスプラインを用いた構造や、軸線方向の長溝と、この長溝に係合させられる突起とによる構造が挙げられる。

また、前記各タービンと前記回転伝達軸との間に、この回転伝達軸の先行回転を許容するワンウェイクラッチを介装することもできる。

このような構成とすることにより、多数の前記タービン間に回転差が生じた際に、前記回転伝達軸は、回転の速いタービンとともに回転し、回転の遅いタービンよりも早く回転することが可能となる。

これによって、回転の遅いタービンによって前記回転伝達軸の回転が阻害されてしまうことを防止することができる。

さらに、前記各タービンと前記回転伝達軸との間に、この回転伝達軸の軸線回りの相対動の拘束とその解除を行なうクラッチを介装しておくことも可能である。

このような構成とすることにより、たとえば、前記タービンが回転不良となった場合に、そのタービンを、前記クラッチによって前記回転伝達軸から切り離すことができる。
あるいは、回転の遅いタービンのみを切り離すことができる。

これによって、前記回転伝達軸の回転負荷を軽減して、運動エネルギーの変換効率を高めることができる。

本発明に係わる風力発電装置によれば、上昇気流を生成する導風路内に設置された回転伝達軸に複数のタービンを装着することにより、前記上昇気流の運動エネルギーを多段階に回転エネルギーに変換することができ、そのエネルギー変換効率を高めて、発電効率を高めることができる。

本発明の第１の実施形態が適用された高層建築物の概略正面図である。 本発明の第１の実施形態を示すもので、要部の拡大縦断面図である。 本発明の第２の実施形態を示すもので、要部の拡大縦断面図である。 本発明の第３の実施形態を示すもので、要部の拡大縦断面図である。 本発明の第４の実施形態を示すもので、要部の拡大縦断面図である。

以下、本発明の第１の実施形態について図１および図２を参照して説明する。
図において、符号1は、本実施形態が適用された高層建築物を示し、この高層建築物１の外壁の内側に沿うように、導風路２が１階部分から屋上にかけて形成されている。

前記導風路２の下端部で前記高層建築物１の１階部分には、外気を導入する吸気部２ａが設けられ、上端部の、前記高層建築物１の屋上部分には、前記導風路２内の空気を外部へ排出する排気部２ｂが設けられている。

前記導風路２には、煙突効果による前記吸気部２ａと前記排気部２ｂ間の気圧差や、内部空気の温度差等によって上昇気流が生じている。

また、前記高層建築物１の屋上には、発電機３が設置され、前記導風路２内には、前記発電機３の駆動軸に連結された回転伝達軸４が回転自在に設けられている。

前記回転伝達軸４は、前記導風路２に沿って配置された鉛直部４ａと、前記高層建築物１の屋上に沿って配置された水平部４ｂとによって構成され、この水平部４ｂは、前記鉛直部４ａの上端部において、この鉛直部４ａに、ベベルギヤ５を介して直交するように連結されているとともに、前記発電機３の駆動軸へ連結されている。

また、前記回転伝達軸４の水平部４ｂには、前記回転伝達軸４と前記発電機３の駆動軸との接続および切り離しを行なう電磁クラッチ等のクラッチ６が設けられている。

一方、前記回転伝達軸４の鉛直部４ａには、図１に示すように、前記導風路２を遮るようにタービン７が装着されており、前記導風路２内の上昇気流によって回転させられるようになっている。

そして、前記タービン７は、前記導風路２の長さ方向、すなわち、前記回転伝達軸４の長さ方向に所定間隔をおいて複数設けられている。

本実施形態においては、前記タービン７が、前記高層建築物１の各階毎に設けられている。

そして、前記各タービン７は、図に示すように、前記高層建築部１の各階の構造体、たとえば、柱や壁、あるいは、床等（図示略）によって回転自在に支持されている。
これによって、前記各タービン７の重量が、前記高層建築物１の各階の構造体によって支持されているとともに、各タービン７が、前記高層建築物１の階高をピッチとした間隔に保持されている。

このような間隔で各タービン７が保持されることにより、前記導風路２の上流側に設けられた前記タービン７を通過する際に生じる上昇気流の乱れが、この上昇気流が隣接する下流側に設けられた前記タービン７へ到達する間に整えられる。

前記各タービン７の支持のために、本実施形態においては、前記高層建築物１の構造体に固定されたステー８と、このステー８によって、前記導風路２の中央部に保持された軸受け９とが設けられている。

そして、前記軸受け９に、前記タービン７が装着されている前記回転伝達軸４の鉛直部４ａが支持されることにより、前記タービン７が、前記導風路２内に回転自在に保持されている。

一方、前記回転伝達軸４の鉛直部４ａは、図２に示すように、隣接する前記タービン７間において分割されているとともに、その分割部分において自在継ぎ手１０を介して連結されている。

このように、前記回転伝達軸４の分割された鉛直部４ａが前記自在継ぎ手１０によって連結されることにより、分割された鉛直部４ａ間においてその荷重が分割されて、上方に位置する前記回転伝達軸４の鉛直部および前記タービン７の荷重が、下方に位置する前記回転伝達軸４の鉛直部４ａへ加わることが抑制されている。

また、前記自在継ぎ手１０により、前記回転伝達軸４の上下の鉛直部４ａが一体回転可能な構成となされている。

本実施形態においては、前記導風路２、発電機３、回転伝達軸４、ベベルギヤ５、クラッチ６、タービン７、ステー８、軸受け９、および、自在継ぎ手１０によって風力発電装置Ｇが構成されている。

このように構成された本実施形態に係わる風力発電装置Ｇでは、前記導風路２内に、その煙突効果による前記吸気部２ａと前記排気部２ｂ間の気圧差や温度差により、空気の上昇気流が生じる。

そして、この上昇気流により、前記導風路２内に設置されている複数の前記タービン７が回転させられる。

このタービン７の回転は、前記回転伝達軸４の鉛直部４ａを介して前記ベベルギヤ５、および、前記回転伝達軸４の水平部４ｂへ伝達され、さらに、前記発電機３の駆動軸に伝達される。

これによって、前記発電機３が駆動させられて発電が行なわれる。
ここで、前記上昇気流の運動エネルギーが、多数の前記タービン７において回転エネルギーに変換されることから、その変換効率が高く、したがって、発電効率も向上する。

また、前記複数のタービン７間が、前記高層建築物１の階高をピッチとして離間させられていることにより、下方の前記タービン７を通過する際に生じる上昇気流の乱れが、上方の前記タービン７へ到達する間において整えられる。

これによって、前記各タービン７の回転が安定し、この点からも、上昇気流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換する効率が高められる。

そして、本実施形態のように、前記タービン７を多数設置した場合にあって、各タービン７の重量を、前記高層建築物１の構造体に支持させたことにより、前記回転伝達軸４にかかる荷重を前記高層建築物１に分散させて支持させることができる。

この結果、前記回転伝達軸４の回転時の負荷を軽減することができ、前述した上昇気流の運動エネルギーを効果的に回転エネルギーに変換することができる。

図３は、本発明の第２の実施形態を示すもので、前記各タービン７を、軸受け１１およびステー８によって前記高層建築物１の構造体に回転自在に支持させ、前記各タービン７と前記回転伝達軸４とを、この回転伝達軸４の軸線方向に沿ったスプライン１２を介して結合させたものである。

このような構成とすることにより、前記回転伝達軸４と前記各タービン７とを、前記回転伝達軸４の軸線方向への相対移動を自由にして、前記各タービン７の重量が前記回転伝達軸４へ作用すること防止することができる。

また、図４に示す第３の実施形態のように、前記タービン７の、前記回転伝達軸４との嵌合部分に、この回転伝達軸４の軸線方向に沿った長溝１３を形成しておき、前記回転伝達軸４に、前記長溝４に摺動自在に嵌合させられる係合ピン１４を突設した構成することもできる。

このような構成によっても、前述した第２の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

さらに、図５に示す第４の実施形態のように、前記軸受け１１および前記ステー８によって支持された前記タービン７と前記回転伝達軸４との間に、電磁クラッチ等のクラッチ１５を介装することもできる。

このような構成とすることにより、たとえば、前記導風路２内の上昇気流の乱れ等によって、多数設置された前記タービン７のそれぞれに回転差が生じた場合、回転の遅いタービン７を前記クラッチ１５によって前記回転伝達軸４から切り離しておくことができる。

前述したように、前記各タービン７間において回転差が生じると、回転の速いタービン７の回転が、回転の遅いタービン７によって阻害されることが想定されるが、前述したように、この回転の遅いタービン７を前記回転伝達軸４から切り離すことによって、その不具合を解消することができる。

そして、このようなクラッチ１５に代えて、前記回転伝達軸４と前記各タービン７との間に、前記回転伝達軸４の先行回転（前記タービン７の回転よりも速い回転）を許容するワンウェイクラッチとすることもできる。

このような構成によっても、速い回転のタービン７によって前記回転伝達軸４を回転させる作用が、遅い回転のタービン７によって阻害されてしまうことを抑制することができる。

なお、前記実施形態において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。

たとえば、前記導風路２の外壁面を光透過性材料によって形成しておくことにより、前記導風路２内の空気を太陽光によって暖め、これによって、前記導風路２内の上昇気流の流速を早めるようにすることができる。

また、前記導風路２の内壁に蓄熱性材料を施しておくことにより、前記導風路２内の空気温度を高めて、前述した上昇気流の運動エネルギーを高めるようにすることも可能である。

１ 高層建築物
２ 導風路
２ａ 吸気部
２ｂ 排気部
３ 発電機
４ 回転伝達軸
４ａ鉛直部
４ｂ 水平部
５ ベベルギヤ
６ クラッチ
７ タービン
８ ステー
９ 軸受け
１０ 自在継ぎ手
１１ 軸受け
１２ スプライン
１３ 長溝
１４ 係合ピン
１５ クラッチ
Ｇ 風力発電装置

Claims (5)

1. 高層建築物の下部から上部に亙って形成された導風路内を流れる上昇気流により、前記導風路内に設置されたタービンを回転させ、このタービンの回転によって発電機を駆動して発電を行なうようにした風力発電装置であって、前記導風路内に設置され、前記タービンの回転を前記発電機へ伝達する回転伝達軸を備え、前記タービンが、前記回転伝達軸に、前記導風路の長さ方向に間隔をおいて複数装着されているとともに、前記回転伝達軸に対して、その軸線回りに係合し、かつ、その軸線方向に摺動可能に装着されていることを特徴とする風力発電装置。
2. 高層建築物の下部から上部に亙って形成された導風路内を流れる上昇気流により、前記導風路内に設置されたタービンを回転させ、このタービンの回転によって発電機を駆動して発電を行なうようにした風力発電装置であって、前記導風路内に設置され、前記タービンの回転を前記発電機へ伝達する回転伝達軸を備え、前記タービンが、前記回転伝達軸に、前記導風路の長さ方向に間隔をおいて複数装着され、前記回転伝達軸がその長さ方向に複数に分割され、分割された各回転伝達軸が、その軸線回りの相対動が拘束され、かつ、その軸線方向の相対動が可能に係合させられ、これらの分割された各回転伝達軸に前記タービンが装着されていることを特徴とする風力発電装置。
3. 前記各タービンが、前記高層建築物の近接する階の主要構造体によって支持されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。
4. 前記各タービンと前記回転伝達軸との間に、この回転伝達軸の先行回転を許容するワンウェイクラッチが介装されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の風力発電装置。
5. 前記各タービンと前記回転伝達軸との間に、この回転伝達軸の軸線回りの相対動の拘束とその解除を行なうクラッチが介装されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の風力発電装置。