JP6653685B2 - 自家発電式テレコムタワーシステム - Google Patents

Description

本発明は、商用電源を必要とせず、また定期的な燃料補給も必要としない、再生可能自然エネルギーのみで自家発電できるテレコムタワーシステムに関する。

無電化地域・山岳地域・紛争危険地域・災害多発地域・過疎地域・離島地域等の電力インフラの整備されていない又は整備不可能な地域並びに、人の立ち入りが常時不可能な危険地域又は、通信網が整備されにくく比較的電波事情の悪い地域等に再生可能自然エネルギーで自家発電して電力インフラを整備可能なテレコムタワーとする。
テレコムタワーの基本と成る通信システム等の電源の確保に関しては、パリ協定が目指す再生可能自然エネルギーの代表である全方位の風を受けて24時間何処でも風が有れば発電を可能とする垂直軸型風力発電機と、太陽光が出ている間は太陽光に逆らう事無く太陽光を追尾して太陽熱を洩らすことなく全て吸収利用する自動追尾システムを搭載し安定した発電を可能とする。

特開平８−151805号公報

一方、特許文献１は、災害時の避難場所等で電力や飲料水等の生活を行う上で不可欠なサービスを供給することができる発明として、風車発電機や太陽光発電機等の自然のエネルギーを利用した自家発電装置及びバッテリーを備えた発電手段と、源水からの飲料水を貯蔵する貯水槽を有しこの貯水槽に貯蔵された水をオゾンやイオン交換樹脂等を利用して清水・浄化するとともにその浄化後の飲料水を所定の飲料水飲み場に供給する飲料水供給装置及び非常食を貯蔵する貯蔵室を有しこの貯蔵室内の温度や湿度を調整する空調装置を備えた災害緊急用の予備手段とを災害時の非難場所に設け、発電手段による電力を利用して前記予備手段を適宜作動させ、台風や地震等の災害時に水，電力，通信，食料等の各種サービスを提供する構成とする。
特許文献１の構成は、災害時の避難場所等には適するが、電力インフラの整備されていない地域では、通信が不能であるため、本発明のように通信用の電源を自立的に確保する事が必要である事から、既設のタワーに本発明の基本ベースで有る再生可能自然エネルギーを利用した自力で発電できる本発明の風力と太陽光を融合させた構成とすることが理想的である。
本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、通信機能を備えたテレコムタワーにおいて、通信機器の電源となる電力を自家発電とし、しかも再生可能自然エネルギーで発電することにある。

本発明の技術的課題は次のような手段によって解決される。請求項１は、タワーの任意の高さに設けた水平方向が逆Ｖ状の下取付けアームの先端と上取付けアームの先端に備えた軸受けに風車の中心軸を支持し、前記中心軸から放射方向に設けた下部放射アームと上部放射アームの各外端間に鉛直方向の羽根を備えた風車を有する風力発電機を備えた風力発電式テレコムタワーであって、
前記タワーの所望の高さの平面形状が多角形のそれぞれの辺に前記の下取付けアームを載せた構造において、
前記下取付けアームの先端と反対側に延長した部分を他の下取付けアーム又は他の辺と重ねて連結してあることを特徴とする風力発電式テレコムタワーである。

請求項２は、自動追尾が可能な太陽光発電機のパネルを、前記風車の他に備えたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電式テレコムタワーである。

請求項３は、既設のタワーに風車を取付け、さらに太陽光発電パネルを取付け、通信用の電源を得るために、既設のタワーに取付けた風力発電機及び太陽光発電パネルを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電式テレコムタワーである。

請求項１のように、タワーの任意の高さに設けた水平方向が逆Ｖ状の下取付けアームの先端と上取付けアームの先端に備えた軸受けに風車の中心軸を支持し、前記中心軸から放射方向に設けた下部放射アームと上部放射アームの各外端間に鉛直方向の羽根を備えた風車を有する風力発電機を備えた風力発電式テレコムタワーである。
そして、タワーの所望の高さの平面形状が多角形のそれぞれの辺に前記の下取付けアームを載せた構造において、前記下取付けアームの先端と反対側に延長した部分を他の下取付けアーム又は他の辺と重ねて連結してあるので、全風車の重心をタワーの中心で受けることになって安定し、連結部が増えるので、強度も高まる。

請求項２のように、自動追尾が可能な太陽光発電機のパネルを、前記風車の他に備えたので、太陽光発電パネルは自動追尾によって最適な条件で効率良く太陽光発電できる事と、太陽光発電パネルによる反射光が家屋の中に入るとしてトラブルが起きているが、自動追尾構造だと、そのようなトラブルを起こすことも無い。

請求項３のように、既設のタワーに風車を取付け、さらに太陽光発電パネルを取付け、通信用の電源を得るために、既設のタワーに取付けた風力発電機及び太陽光発電パネルを有するので、自然エネルギーによる自家発電が可能となる。

本発明による自家発電式テレコムタワーの斜視図である。 タワーに取付ける風車の平面図である。 風力発電機の正面図である。 太陽光パネルの自動追尾装置の斜視図である。 風力発電機を追加搭載した筒式タワーの水平断面図である。 前記筒式タワーの正面図である。 三角タワーの水平断面図である。 前記三角タワーの正面図である。 四角タワーの水平断面図である。 前記四角タワーの正面図である。 前記三角タワーの他の実施例の水平断面図である。 前記四角タワーの他の実施例の水平断面図である。 固定式の太陽光発電と本発明の追尾式太陽光発電との効率比較をグラフで示す図である。 図１の自家発電式テレコムタワーの詳細を示す図である。 前記の風力発電機と太陽光発電機の出力を蓄電する際の回路図である。

次に本発明による自家発電式テレコムタワーシステムが実際上どのように具体化されるか実施形態を説明する。図１は本発明による自家発電式テレコムタワーの斜視図であり、その詳細を図１４に示す。Ｔは既設のタワーであり、設置地域の状況に応じた高さに風車Ｗを取付け、また下部に太陽光発電パネルＰ…を取付け、通信用の電源はタワーＴに取付けた風力発電機や太陽光発電パネルＰにより自家発電される。
図２は、タワーＴに取付ける風車の平面図で、中心軸ａから放射方向に設けた放射アーム１…の外端に取付けた羽根２…の周回力で中心軸ａが回転して、発電機を駆動する。矢印は周回方向で、反時計方向に回る。
図３は、風力発電機の正面図で、羽根２…の周回力で中心軸ａが回転して発電機が回転駆動され、この発電機Ｅを中心軸ａの下端に設けてあり、自家発電が行われる。この発電機Ｅや風車Ｗが前記タワーＴに搭載される。なお、羽根２…の外面の面積は広く、広告などにも利用できる。

垂直軸型の風力発電機Ｅは、水平軸型の風力発電機とは異なり、微風から風車を回転させ360 °全方位の風に逆らう事無く、的確な発電出力が得られる。また、搭載されるタワーＴの設置状況に適合させた搭載風力の選択並びに、風車本体の形状及び、出力の変更を可能とする大きな利点を秘めた機種であると共に、垂直さえ維持されていれば騒音並びに、振動の発生は軽微な風車である。従って、風力発電機が追加搭載されるテレコムタワーは堅牢な構造とすることが肝要である。

図４は図１の太陽光パネルＰ…が太陽光を自動追尾するための自動追尾装置の斜視図で、本体地下基礎３の上に設けた地上基礎となる支柱４の上端に東西制御機構５が搭載されている。そして、この東西制御機構５の上で南北制御機構６が南北方向に動く。この南北制御機構６によって南北方向に動く架台固定台７上に太陽光発電パネルＰの固定架台８が搭載される。なお、９は太陽光熱感知追尾センサーである。

太陽光発電パネルＰによる反射光が家屋の中に入るとしてトラブルが起きているが、自動追尾方式だと、そのようなトラブルを来すことは無い。
太陽光自動追尾発電機とは、太陽光が上る朝日から日が沈む夕日迄までの時間、太陽光が発する太陽熱をくまなく感知する追跡センサー９の機能を搭載した太陽光追尾システム機能と、追尾システム機能の上に搭載される太陽光ソーラーパネルＰ等で構成されている為、通常の固定式の太陽光ソーラー発電と、太陽光自動追尾太陽光ソーラーシステムとの発電効率を比較した場合、10% 〜20% の高い発電効率が得られる。この発電効率をグラフで示すと図１３のとおりである。
換言すると、タワーＴに搭載されている太陽光自動追尾ソーラー発電機の技術的な特徴は、太陽光の放つ熱光線を熱感知ソーラーが感知し、搭載されている二機の電動機に信号を送る事により太陽熱に合わせた位置を保つことにより、漏れなく太陽光を吸収すると共に、パネルＰの体制維持に努めると共に、強風又は、台風時には搭載されている風向風速計の信号を分析して事前にパネルＰの体制を水平体制に保つ動作を行う。
なお、本発明の自家発電式テレコムタワーＴに搭載されている太陽光自動追尾ソーラーシステムは、固定式太陽光ソーラー発電システムと比較する発電効率は、固定式太陽光システムが10% に対して、本太陽光自動追尾システムは33% と三倍近い開きが有る。図12に、固定式と本発明の追尾式発電との効率比較をグラフで図示する。

図５〜図12は前記のように、風力発電機が追加搭載されるテレコムタワーを堅牢とする構造であり、図５、図６は筒式タワーの水平断面図と部分正面図、図７、図８は三角タワーの水平断面図と部分正面図、図９、図10は四角タワーの水平断面図と部分正面図である。
図５、図６の円筒式タワーでは、円筒状の支柱10の側部に２本の逆Ｖ状の下取付けアーム11・12と２本の逆Ｖ状の上取付けアーム13・14とを水平に取付け、逆Ｖ状の交点で互いに連結してあり、この連結部に上部軸受けと下部軸受けとを設けて、風車Ｗの回転軸ａを支持してある。この回転軸ａの下端に発電機Ｅを設けるが、図示を省略してある。円筒状の支柱10には、このような、逆Ｖ状の取付けアームが１８０度反対側にも取付けて、風車Ｗを取付け支持してある。なお、支柱10の正面側と背面側にも風車Ｗや発電機を取付け、計４組設けることもできる。円筒状の支柱10は、携帯基地局用の支柱であってもよい。

図７、図８は三角タワーＴでは、３つのそれぞれの辺15、16、17に、２本の逆Ｖ状の下取付けアーム11・12と２本の逆Ｖ状の上取付けアーム13・14とを水平に取付け、逆Ｖ状の交点で互いに連結してあり、この連結部に上部軸受けと下部軸受けとを設けて、風車Ｗの回転軸ａを支持してある。この回転軸ａの下端に発電機Ｅを設けるが、図示を省略してある。三角タワーＴでは、このような、逆Ｖ状の取付けアームを１２０度間隔に３組取付けて、風車Ｗを取付け支持してある。

図９、図10は四角タワーＴでは、４つのそれぞれの辺18、19、20、21に、２本の逆Ｖ状の下取付けアーム11・12と２本の逆Ｖ状の上取付けアーム13・14とを水平に取付け、逆Ｖ状の交点で互いに連結してあり、この連結部に上部軸受けと下部軸受けとを設けて、風車Ｗの回転軸ａを支持してある。この回転軸ａの下端に発電機Ｅを設けるが、図示を省略してある。四角タワーＴでは、このような、逆Ｖ状の取付けアームを９０度間隔に４組取付けて、風車Ｗを取付け支持してある。

図11、図12は、前記三角タワーと四角タワーの他の実施例であり、堅牢な構造とするべく、逆Ｖ状の上下の取付けアーム11・12と13・14とを反対側すなわち、タワーＴの中心を通り越して固定してある。図11では、各辺15、16、17に２本の逆Ｖ状の下取付けアーム11・12と２本の逆Ｖ状の上取付けアーム13・14とを水平に取付け、逆Ｖ状の交点で互いに連結してあり、この連結部に上部軸受けと下部軸受けとを設けて、風車Ｗの回転軸ａを支持してある。しかし、この実施例では、逆Ｖ状の交点とは反対側が各辺15、16、17の上にボルトナット22などで固定し、さらに各辺15、16、17の上を通過して、隣接する反対側への延長部にボルトナット22で連結固定し、また隣接する辺15、16、17にもボルトナット22で連結固定してある。

他の各辺16、17や図12の各辺18、19、20、21も同様に逆Ｖ状の上下の取付けアーム11・12と13・14の延長部を連結固定してタワーを堅牢にする。
このような、各辺15、16、17の上を通過して他の延長部と連結固定すると、総ての風車や発電機を足した重心がタワーＴの中心位置と一致するので、最も安定し堅牢となる。
前記タワーＴ一部の支柱を利用して風向計を取付けたり、クリスマスツリーや七夕祭りなどのイベント用具、スピーカ又は赤色回転灯を取付け、又は前記タワーを電飾したり前記タワーをイルミネーションで飾って地域に対し十分なサービスが可能となることで、地域に対し十分なサービスが可能となる。
また、地球の温暖化対策を目指したパリ協定が米国や中国で発効し、日本でも批准されたが、本発明の風力発電や太陽光発電の装置で自家発電するテレコムタワーシステムは、パリ協定の志向している地球の温暖化対策に最適の装置であり、そのことを多くの人に周知することは異常気象を防いだり、本発明のタワーＴの採用を勧める上でも有効である。
そのためには、前記タワー、前記風車又は前記の風力発電機の任意の部位にパリ協定又はParis Agreement 、パリ協定遵守、パリ協定志向又はパリ協定急務の表示を設ける構成が有効である。
前記風車の羽根２…の外面は広いので広告又は本発明の利点を表示した構成にすると、風車が低速で周回している場合は、容易に判読できる。従って、動く広告塔となって本発明の再生可能自然エネルギーを利用した技術をＰＲしたり、本発明のシステムを採用した企業をＰＲできる。

表１に、タワーＴに搭載する発電機の基本仕様とその他の発電数値を示す。

表２に、タワーの形状の違いごとの発電数値を示す。

表３に、タワーに搭載する発電機別の発電効率比較を示す。

図１５は、前記の風力発電機と太陽光発電機の出力を蓄電する際の回路図である。

前記タワーＴに搭載する垂直軸型風力発電機の技術的特徴は次の通りである。
1)前記の自家発電式テレコムタワーＴに搭載されている垂直軸型風力発電機の技術的な特徴としては、搭載するテレコムタワーの形状及び、異なる構造強度に対応する必要性から、搭載する垂直軸型風力発電機の出力及び、形状は通常の同型出力機種よりも小型化軽量化が図られている。
2)また、前記の自家発電式テレコムタワーＴに搭載される垂直軸型風力発電機の大きさは、一般的なテレコムタワーの構造上の問題から( Φ1.6m×高さ1m) 以内とされているが、垂直軸型風力発電機の特徴として発電効率は20〜25%(水平軸18〜20%)と限られてしまうため1kw(平均的発電量200w〜250w) の風力発電機を最適な機種として選択されていると共に、形状に関しても通常よりも40% 程度小型化され尚且つ、搭載するテレコムタワーＴの構造のバランス上、均等配置されている。
無論、各機種ごとに発電機は風車と共に一体化されている為バランスの良い発電を可能としている。

表４に、前記タワーＴに搭載する小型化された機種と通常機種との発電効率比較を示す。

Ｔ タワー
Ｐ… 太陽光発電パネル
ａ 中心軸
１… 放射アーム
２ 羽根
Ｅ 発電機
Ｗ 風車
３ 本体地下基礎
４ 支柱
５ 東西制御機構
６ 南北制御機構
７ 架台固定台
８ 固定架台
９ 太陽光熱感知追尾センサー
９ 追跡センサー
10 円筒状の支柱
11・12 下取付けアーム
13・14 上取付けアーム
15、16、17 辺
18、19、20、21 辺
22 ボルトナット

Claims (3)

1. タワーの任意の高さに設けた水平方向が逆Ｖ状の下取付けアームの先端と上取付けアームの先端に備えた軸受けに風車の中心軸を支持し、前記中心軸から放射方向に設けた下部放射アームと上部放射アームの各外端間に鉛直方向の羽根を備えた風車を有する風力発電機を備えた風力発電式テレコムタワーであって、
   前記タワーの所望の高さの平面形状が多角形のそれぞれの辺に前記の下取付けアームを載せた構造において、
   前記下取付けアームの先端と反対側に延長した部分を他の下取付けアーム又は他の辺と重ねて連結してあることを特徴とする風力発電式テレコムタワー。
2. 自動追尾が可能な太陽光発電機のパネルを、前記風車の他に備えたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電式テレコムタワー。
3. 既設のタワーに風車を取付け、さらに太陽光発電パネルを取付け、通信用の電源を得るために、既設のタワーに取付けた風力発電機及び太陽光発電パネルを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電式テレコムタワー。

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