JP6249162B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、排風機器から放出される排気風の活用を目的にしたマイクロ風力発電装置に関するものである。

特殊な風速分布を伴わない自然風を風車によって捉えて回転する大型風力発電装置では、様々な羽根形状の風車が提案されている。また、冷却塔や換気扇などの排風機器からの排気風の活用を目的にしたマイクロ風力発電装置では、風速分布が自然風とは異なっているため、使用する風車は、いわゆるプロペラ形状の、複数枚の羽根で構成されている。

特許文献１では、風車に対して効率よく排気風を供給するために整流機構を設け、風車の旋回面に対してより大きい風速で風を供給せしめ、発電量の向上を図っている。
特許文献２では、発電機を回転駆動する風車よりも上手側に、通過する風に従動して回転する従動風車を設けて、発電に有効な領域の風速を増大させる試みが取られている。

特開２０１３−７２８８号公報 特開２０００−２２０５６１号公報

マイクロ風力発電装置で使用される風車の羽根形状の設計は、特殊な風速分布を伴わない自然風のような均一風を前提にプロペラ形状の設計が行われている。そのため、均一ではない風速条件下では、その発電性能が低下する。

冷却塔などは、その機能上、一定量の排気風を定常的に生じるが、これらの排気風は風速が均一とみなせる自然風とは異なり、排気面内において風速が均一ではなく、局所偏在する分布となっていることが多い。

さらに、排風機器の近傍においては、排風機器の駆動機構、たとえば風車回転駆動のためのベルトおよびそのカバー等が風の遮蔽物として作用してしまい、マイクロ風力発電装置の風車へ放出される排気風の乱れを生じせしめ、マイクロ風力発電装置の風車の振動を起こさせる。

また、特許文献１，２の技術は風車に対して複雑な機構を設ける必要があり、装置自体の大型化を招き、その構造を採用するにあたり実現コストが高価になってしまう。特に、マイクロ風力発電装置は、その規模の特性上、コスト制約が強く、大掛かりな仕組みを導入することが困難である。
本発明は、特殊な風速分布の排気風であっても安定で良好な発電性能を得ることができ、しかも、比較的低コストで実現できる風力発電装置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、本発明の風力発電装置は、排気機器に設けられた駆動モータでベルトを介して排気側風車を回転駆動し、前記排気側風車から排出される排気風を捉えて発電側風車が回転し、前記発電側風車の回転によって発電機を回転駆動するとともに、前記排気風の風速分布が前記排気側風車の旋回面内で前記排気側風車の風車半径の１／２近傍がもっとも風速が速く、さらに前記ベルトを覆うカバーを設けた風力発電装置において、前記発電側風車は、風車旋回中心軸の軸心上に基端が取り付けられた複数枚の羽根を備え、前記羽根の形状が、羽根中央部から羽根先端に向かって羽根幅が減少し、かつ前記羽根中央部から前記羽根の基端に向かって羽根幅が減少する形状であり、前記発電側風車の旋回中心軸の位置が、前記排気側風車の旋回中心軸の軸心上からずらせて配置されており、前記羽根の形状は、羽根長さ方向の距離の３乗に比例した成分を羽根幅にもつ形状で、さらに前記排気側風車と前記発電側風車との間に前記カバーが配置されるように取り付けた、ことを特徴とする。

この構成によれば、簡素な構成で発電風車の旋回を安定させて良好な発電性能を得ることができ、しかも、比較的低コストで小型の風力発電装置の具現化を可能とするものであり、排気風の利活用実施によるエネルギーロスの低減に寄与するものである。

本発明の風力発電装置を備えた排風機器の断面図 図１の要部を風車の旋回面を上面から見た平面図 風車の（ａ）従来の羽根を旋回面上面から見た平面図と（ｂ）本発明の実施例の羽根を旋回面上面から見た平面図 本発明の風力発電装置に作用する排気風の分布を示す排風機器の断面図 本発明の実施例における羽根の回転とその時々に作用する排気風を旋回面上面から見た平面図 比較例１における羽根の回転とその時々に作用する排気風を旋回面上面から見た平面図 比較例２における羽根の回転とその時々に作用する排気風を旋回面上面から見た平面図

以下、本発明の風力発電装置を実施の形態に基づいて説明する。
図１，図２は、排風機器としての冷却塔１に風力発電装置２を取り付けた状態を示している。

冷却塔１のハウジング内には、ハウジング外へ向かう排気風３を生成するために、排気側風車４が配置されている。排気側風車４は、基端が排気側風車ハブ５に取り付けられた複数枚の羽根６ａ，６ｂ，６ｃと、排気側風車ハブ５が取り付けられた排気側シャフト７とで構成されている。排気側シャフト７は、軸受け８と排気側フレーム９を介して冷却塔ケーシング１０の上面に取り付けられて支持されている。１１は排気側風車４の周りを取り囲む円筒状の排気フードで、下端が冷却塔ケーシング１０に取り付けられている。

この排気側風車４は、排気側フレーム９に取り付けられた駆動モータ１２と、駆動モータ１２の出力軸に取り付けられた駆動プーリ１３と、排気側シャフト７の上端に取り付けられた排気風車プーリ１４と、駆動プーリ１３と排気風車プーリ１４に掛け渡された連結手段のベルト１５によって回転駆動されている。１６は排気風３がベルト１５に吹き付けることを防いでいるカバーで、排気風３の通過を妨げることを低減するようにカバー１６の内側には貫通孔１７が形成されている。１８はカバー１６の外周の内側と貫通孔１７を取り囲む壁とで仕切られたベルト通過経路である。カバー１６は例えば排気側フレーム９に取り付けられている。

風力発電装置２は、発電機１９の発電側シャフト２０に取り付けられた発電側風車２１を有している。発電側風車２１は、基端が発電側風車ハブ２２に取り付けられた複数枚の羽根２３ａ，２３ｂ，２３ｃを有している。発電側風車ハブ２２が発電側シャフト２０に取り付けられている。発電機１９は、発電側フレーム２４を介して冷却塔ケーシング１０に取り付けられている。発電側風車２１は、排気風３を受けて回転して発電機１９を回転駆動するよう、排気フード１１の外部で排気側風車４と対向して配置されている。

発電側シャフト２０と排気側シャフト７は、この実施の形態では発電側シャフト２０の軸心を排気側シャフト７の軸心から距離Ｄだけ離して、互いに並行した位置関係に配置されている。

発電側風車２１の羽根２３ａ，２３ｂ，２３ｃの形状は、従来とは異なっている。
図３（ａ）は自然風のような均一風を前提に設計された一般的な羽根２５を示している。この形状の羽根２５は、風車旋回中心Ｏから羽根長さ方向に沿った距離をＬとしたとき、１／Ｌに比例した形状であり、羽根基端から羽根先端に向かって次第に羽根幅が減少している。

これに対して実施の形態の羽根２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、図３（ｂ）に示すように、羽根中央部Ｎ２から羽根先端Ｎ３に向かって羽根幅が減少し、羽根中央部Ｎ２から羽根基端Ｎ１に向かって羽根幅が減少する形状である。仮想線は一般的な羽根２５の形状を示している。詳しくは、羽根２３ａ，２３ｂ，２３ｃの幅は羽根長さ方向の羽根中央部Ｎ２の付近で最も幅が広い形状で、その最大幅は図２に示したベルト通過経路１８の外側の幅Ｗ１よりも広い形状である。排気風車プーリ１４とカバー１６の影響を考慮し、風速分布の断面は排気側風車４の羽根半径の２乗の項を持つ分布でよく近似できることを勘案して、ひとつの実施例としては、発電側風車２１の風車旋回中心Ｏから羽根長さ方向に沿った距離をＬとしたとき、距離Ｌの３乗に比例した成分を羽根の幅に持つ形状である。

まず、発電側シャフト２０の軸心と排気側シャフト７の軸心が距離Ｄだけ離れて配置されている点について、具体的に説明する。
ベルト１５を保護するためのカバー１６が、排気側風車４と発電側風車２１の間に配置されていると、羽根２３ａ，２３ｂ，２３ｃがカバー１６の後方を通過するタイミングに、羽根に作用する排気風３の面積が変動する。

図６（ａ）〜（ｃ）の比較例１は、発電側風車２１の羽根として図３（ａ）に示した形状の羽根２５ａ，２５ｂ，２５ｃを使用した場合を示している。さらに、この比較例１では、排気側シャフト７の軸心と発電側シャフト２０の軸心とが一致している場合であって、発電側風車２１の回転角度によって排気風３が作用する受風部分がハッチングＰで図示され、排気フード１１，カバー１６に邪魔されて排気風３が当たらない部分からはハッチングＰが除かれて空白で図示されている。その他の図も同様である。

このように比較例１では、羽根２５ａはカバー１６の位置を通過する時に排気風３が当たらない部分が発生し、羽根２５ｂ，２５ｃはその羽根の全領域で風を受けている。毎分数百回転する発電側風車２１は、図６（ａ）〜（ｃ）の受風状態を繰り返すことになり、羽根２５ａ，２５ｂ，２５ｃを使用した場合には、発電側風車２１が振動する。

図７（ａ）〜（ｃ）の比較例２は、発電側風車２１の羽根形状が図３（ｂ）に示した形状で、かつ排気側シャフト７の軸心と発電側シャフト２０の軸心とが一致している場合を示している。この比較例２の場合も比較例１の場合と同様に、カバー１６の後方を通過するタイミングに羽根２３ａ，２３ｂ，２３ｃに作用する排気風３の面積が変動するが、羽根中央部Ｎ２の羽根の幅が図６の比較例１の場合よりも広いことにより、カバー１６の後方を通過するタイミングにおける受風面積を、比較例１よりも増大することができ、発電側風車２１の１回転中における各羽根の受風量変動を抑制できる。つまり、発電側風車２１の１回転中に羽根が受けるモーメントの変動が小さくなるので、発電側風車２１の振動を低減できる。

このとき、羽根２３ａ，２３ｂ，２３ｃの最大幅は、カバー１６の幅Ｗ１の２倍以上を取ることが望ましい。羽根２３ａ〜２３ｃの最大幅を２倍以上とすることで、比較例１と同等の受風面積を確保しつつ、発電側風車２１の受風量変動を小さくすることができる。

ここで、排気風３の風速分布は、図４に示すように排気側風車４の旋回面内で風車半径の１／２近傍がもっとも風速が速く、その部分の風エネルギを有効に活用することが重要であり、該当部分の羽根の幅が最も広い形状をとった比較例２の方が、比較例１よりも発電性能を向上できる。

図５（ａ）〜（ｃ）は、図７に示した比較例２の発電側風車２１の軸心を、排気側風車４の軸心から距離Ｄだけ横にずらせた実施例を示している。図５（ａ）では羽根２３ａの受風量がカバー１６のために減少するが、各羽根２３ａ，２３ｂ，２３ｃの風量ばらつきについては、発電側風車２１の軸心を距離Ｄだけ排気側風車４の軸心からずらせたことで、羽根２３ａがカバー１６の後方を通過するタイミングにおける羽根２３ｂ，２３ｃの先端受風面が比較例２の場合よりも減少し、各羽根の受風量の差が比較例２の場合よりも小さくなり、羽根にかかるモーメントを低減、風車旋回中の各羽根の受風量変動が抑制されており、さらに比較例２の場合よりも安定して発電側風車２１が旋回する。

ここで、発電側風車２１の旋回中心を、排気側風車４の旋回中心から距離Ｄだけずらした場合の影響が懸念されるが、実際の冷却塔１の風速分布の一例は図４のような風速分布２６を示す。排気風車プーリ１４と排気側風車ハブ５の影響を考慮して、風速分布の断面は排気側風車４の半径の２乗の項を持つ分布でよく近似できる。この分布で旋回中心を距離Ｄだけずらしても、排気風の分布特徴のため、風車が受ける風のエネルギは大きく減少することはなく、実用上は無視できる減少量である。例えば、直径２ｍの排気側風車４に直径１．８ｍの発電側風車２１を設置するときに、距離Ｄを排気側風車４の直径の２０％、すなわち、０．４ｍとしても、受風のエネルギは９９．９％にとどまり、実用上、発電性能への影響はきわめて小さい。

このように、簡素な構成で風車回転の安定化を実現でき、各種の工場などで用いられる冷却塔、換気扇などの排風機器から出る排気風を再利用することが可能となり、エネルギーロスの低減に寄与することができる。

本発明は、各種工場などで用いられる冷却塔などの排気風を再利用することが可能となり、エネルギーロスの低減に寄与することができる。

１ 冷却塔（排風機器）
２ 風力発電装置
３ 排気風
４ 排気側風車
５ 排気側風車ハブ
６ａ，６ｂ，６ｃ 羽根
７ 排気側シャフト
８ 軸受け
９ 排気側フレーム
１０ 冷却塔ケーシング
１１ 排気フード
１２ 駆動モータ
１３ 駆動プーリ
１４ 排気風車プーリ
１５ ベルト（連結手段）
１６ カバー
１７ 貫通孔
１８ ベルト通過経路
１９ 発電機
２０ 発電側シャフト
２１ 発電側風車
２２ 発電側風車ハブ
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 羽根
２４ 発電側フレーム
Ｄ 距離
Ｏ 風車旋回中心
Ｌ 羽根長さ方向に沿った距離
Ｎ１ 羽根基端
Ｎ２ 羽根中央部
Ｎ３ 羽根先端

Claims (2)

1. 排気機器に設けられた駆動モータでベルトを介して排気側風車を回転駆動し、前記排気側風車から排出される排気風を捉えて発電側風車が回転し、前記発電側風車の回転によって発電機を回転駆動するとともに、前記排気風の風速分布が前記排気側風車の旋回面内で前記排気側風車の風車半径の１／２近傍がもっとも風速が速く、さらに前記ベルトを覆うカバーを設けた風力発電装置において、
   前記発電側風車は、風車旋回中心軸の軸心上に基端が取り付けられた複数枚の羽根を備え、前記羽根の形状が、羽根中央部から羽根先端に向かって羽根幅が減少し、かつ前記羽根中央部から前記羽根の基端に向かって羽根幅が減少する形状であり、前記発電側風車の旋回中心軸の位置が、前記排気側風車の旋回中心軸の軸心上からずらせて配置されており、前記羽根の形状は、羽根長さ方向の距離の３乗に比例した成分を羽根幅にもつ形状で、さらに前記排気側風車と前記発電側風車との間に前記カバーが配置されるように取り付けた、
   風力発電装置。
2. 前記発電側風車の旋回中心軸の軸心を、前記排気側風車の旋回中心軸の軸心上から、前記排気側風車の直径の２０％ずらせて配置した、
   請求項１記載の風力発電装置。

Images