WO2008075676A1 - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

　風向きに関係なく弱い風のエネルギーも有効に利用して効率よく発電を行うことができ、シンプルな構造で大型化、高出力化にも容易に対応することができる風力発電装置を提供する。この風力発電装置は、基礎から鉛直方向に立設した筒状部材にて構成される風洞と、前記筒状部材の周壁から法線方向に延出した複数の集風板と、該集風板相互間に設けられた上下複数のガイド板と、前記集風板によって集約された風を前記風洞内に導く複数の風取込口と、筒状部材外部から筒状部材内部への風の流通のみを許容する逆流防止手段と、前記風洞の一端部から吹き出す風によって駆動されるタービンと、該タービンにより駆動される発電機とを備えている。

Description

明 細 書

風力発電装置

技術分野

[0001] 本発明は、風力発電装置に関し、詳しくは、自然の風力が有するエネルギーを有 効に利用して発電を行う風力発電装置に関する。

背景技術

[0002] 風力発電装置は、従来から種々の形式のものが提案され、また、実施されてきてレ、 る。これらの中で、風洞の側面部に風取り入れ口を 90度間隔で 4箇所設け、風洞内 に取り入れた風によってファンを回転させる方式のものが提案されている（例えば、特 許文献 1参照。）。

特許文献 1：特開 2004— 190506号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] しかし、上述のファン回転式風力発電装置は、風洞周辺の風を風洞内に効率よく 取り入れることができず、さらに、風洞内に取り入れた風が風洞内から風下側に吹き 抜けてしまうという問題もあり、風のエネルギーを有効利用しているとはいえなかった 。また、従来から、ラッパ状の開口を風上側に向けることによって風を集めることも行 われているが、風向きによって開口の向きを調節しなければならず、複雑な機構が必 要で、大型化は困難であった。

[0004] そこで本発明は、風向きに関係なく弱い風のエネルギーも有効に利用して効率よく 発電を行うことができ、シンプルな構造で大型化、高出力化にも容易に対応すること ができる風力発電装置を提供することを目的として!/、る。

課題を解決するための手段

[0005] 本発明の風力発電装置は、基礎面から鉛直方向に立設した筒状部材にて構成さ れた風洞と、前記筒状部材の周壁から法線方向に延出した複数の集風板と、該集風 板相互間及び筒状部材の上端開口を閉塞する天板と、前記筒状部材の周壁に設け られて前記集風板によって集約された風を前記風洞内に導く複数の風取込口と、該 風取込口に設けられて筒状部材外部から筒状部材内部への風の流通のみを許容し 、内部から外部への流通を規制する逆流防止手段と、隣接する集風板間に設けられ て集風板によって集約された風を下方に向けてガイドする複数のガイド板と、前記風 洞の一端部から吹き出す風によって駆動されるタービンと、該タービンにより駆動され る発電機とを含んでいる。

[0006] また、本発明の風力発電装置は、隣接する前記集風板の外部側間に、外部から集 風板間への風の流通のみを許容し、集風板間から外部への流通を規制する第 2の 逆流防止手段が設けられていると好適である。さらに、前記集風板は、筒状部材の周 方向に 6枚が等間隔で設けられていると好適である。前記風洞には、該風洞内に取り 込まれた過剰の風を排出する余剰風排出部を設けることが好まし!/、。前記タービン 及び前記発電機は、一つの風洞に風の流れ方向に複数設けられ、前記タービンの 回転羽根は、風洞内に 1/2— 1/4を臨ませると好適である。

発明の効果

[0007] 本発明の風力発電装置によれば、複数の集風板、特に、 6枚の集風板と複数のガ イド板とによって風を風洞方向に集めるので、いかなる方向から吹く風も風上側に位 置した数枚の集風板及びガイド板の作用で風洞内に圧縮した状態で導くことができ る。さらに、風取込口には逆流防止手段を設けているので、風洞内に取り込んだ風が 風下側に吹き抜けることがない。特に、隣接する集風板間に第 2の逆流防止手段を 設けることにより、集風板間に取り込んだ風を効率よく風洞内に導くことができる。また 、風洞内の余剰の風を余剰風排出部から排出することにより、強風時でもタービンに 大きな負荷が掛カ、ることがなくなる。さらに、一つの風洞に風の流れ方向に複数のタ 一ビン及び発電機を設け、タービンの回転羽根を風洞内に 1/2— 1/4を臨ませる ことにより、発電効率が向上する。そして、基本的に、タービンや発電機を設置した地 上の基礎面から鉛直方向に筒状部材と複数の集風板とを立設するだけで形成できる ので、設置場所の平均風速や必要発電量等の条件に応じて筒状部材の高さ、風洞 の径、集風板の幅寸法を適宜設定することができ、設置場所の各種条件に適応した 風力発電装置、風力発電設備を設置することができる。

図面の簡単な説明 [0008] [図 1]本発明の風力発電装置の一形態例を示す正面図である。

[図 2]同じく横断面図である。

[図 3]装置中央部の縦断面図である。

[図 4]図 3の 4 4断面図である。

[図 5]装置中央部の正面図である。

[図 6]1つの風洞にタービン及び発電機を複数設けた例を示す縦断面図である。

[図 7]図 6のタービン及び発電機の設置部分の横断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0009] 図を参照して発明の風力発電装置の一形態例を説明する。この風力発電装置 10 は、地下に発電機室 11を、地上に集風手段 12をそれぞれ設けている。該集風手段 12は、基礎 13の上方に立設した筒状部材 14と、下端が基礎 13に固設され、基部が 筒状部材 14の周壁に固定されて、該周壁の壁面から法線方向に延出した 6枚の集 風板 15と、前記筒状部材 14の上端開口及び隣接する集風板 15同士の上端開口を 閉塞する天板 16と、前記筒状部材 14の壁面に設けられた風取込口 17と、隣接する 集風板 15間に設けられた上下複数のガイド板 18とを有している。

[0010] 前記筒状部材 14は、その内部に前記発電機室 11に至る風洞 19を有している。こ の筒状部材 14は、正 6角形状に形成されており、各角部に前記集風板 15の基部が 固着され、各辺部に前記風取込口 17が設けられている。前記筒状部材 14は、その 高さゃ径に応じて周方向及び高さ方向に複数に分割形成し、風力発電装置の設置 場所にて組み立てることができる。また、前記筒状部材 14は、高さ方向全体を同一 径としてもよぐ該筒状部材 14の強度や前記風洞 19内の圧力状態等に応じて下方 を大径に、上方を小径とした緩やかな円錐形状とすることもできる。

[0011] 前記集風板 15は、風向きが年間を通して略一定の方向であれば 2〜3枚とすること も可能である力 全方向からの風を効率よく集風するためには 6枚が最適である。す なわち、前記集風板 15を前記筒状部材 14の周囲に等間隔で 6枚設置することにより 、いずれの方向からの風であっても、最低でも隣接する 2枚の前記集風板 15によつ て風を中心部に集めて前記風洞 19内に導くことができる。なお、前記集風板 15を 7 枚以上設置することも可能である力 S、装置コストが上昇する割には集風効果の向上 は小さく経済的ではない。この集風板 15も、高さや幅に応じて高さ方向及び幅方向 に複数に分割形成して組み立てることができる。

[0012] 前記ガイド板 18は、その側面視が、集風板 15の先端側が略水平方向を向き、集風 板 15の基部側が鉛直方向を向く円弧状に湾曲した形状を有している。上下のガイド 板 18同士の間隔は、集風板 15の基部から外端までの寸法に応じて設定することが できる。また、ガイド板 18を設けることにより、隣接する集風板 15同士を連結して集風 板 15を補強することができる。

[0013] このように設置した前記集風板 15及びガイド板 18により集められた風は、最下部が 基礎 13、最上部が天板 16によって囲まれ、さらに、上下のガイド板 18によって囲ま れた平面視が三角形の頂点に向かって収斂する状態となるので、圧力が上昇した状 態で、また、ガイド板 18によって下向きの流れになって前記風取込口 17から前記風 洞 19内に流入する。

[0014] 前記風取込口 17は、前記筒状部材 14の壁板を四角形状に打ち抜くことによって 形成したものであって、風取込口 17の外側で隣接する集風板 15の基部同士の間に は、外部から筒状部材 14の内部に向かう風の流通を許容し、筒状部材 14の内部か ら外部への風の流通を規制する第 1の逆流防止手段 20を備えた壁板 21が設けられ ている。

[0015] 該第 1の逆流防止手段 20は、壁板 21に設けた開口 22の内側に、上部にヒンジ 23 を有するスイング式のフラップ 24を設けたものである。このフラップ 24は、外部から風 圧が作用すると、ヒンジ 23を中心にして下部が風取込口 17側に開き、外部から筒状 部材 14の内部に向かう風の流通を許容する。また、外部から風圧が作用していない ときには、自重によって開口 22を閉じた状態になり、内部から外部への風の流通を 規制する。

[0016] さらに、隣接する集風板 15の外端部には、外部から集風板 15間への風の流通の みを許容し、集風板 15間から外部への流通を規制する第 2の逆流防止手段 25が設 けられている。この第 2の逆流防止手段 25は、集風板 15の基部側に設けた前記逆 流防止手段 20と同様に、集風板 15の外端部間を覆う壁板 26に開口 27を設け、この 開口 27の内側に、上部にヒンジ 28を有するスイング式のフラップ 29を設けたもので ある。このフラップ 29も、外部から風圧が作用すると、ヒンジ 28を中心にして下部が内 側に開き、外部から集風板 15間に向力、う風の流通を許容する。また、外部から風圧 が作用していないときには、自重によって開口 27を閉じた状態になり、内部から外部 への風の流通を規制する。

[0017] したがって、風上側に位置した両逆流防止手段 20, 25は、風圧によってフラップ 2 4, 39が自動的に開状態となり、風上側以外の両逆流防止手段 20, 25は、 自動的 に閉状態となるように形成されている。また、開口 22, 27の周囲とフラップ 24, 29と の間にゴム製シール材を設けることにより、密着性を向上させて確実な閉塞状態が得 られる。なお、前記逆流防止手段 20, 25の構造は、これらに限定されるものではない

[0018] このように形成した前記逆流防止手段 20, 25は、開口 22, 27の下方を開口させて いることで、開口 27から集風板 15間に流入する風及び開口 22から風洞 19内に流入 する風に下方に向かう流れを形成する。特に、前記ガイド板 18及び前記逆流防止手 段 20の相乗作用によって風洞 19内に下方の発電機室 11に向かう風の流れを効率 よく形成することカできる。また、前記逆流防止手段 20, 25によって集風板 15間及 び風洞 19内に取り込んだ風が外部に吹き抜けることを防止できるので、取り込んだ 風を発電用として有効に利用することができる。

[0019] 前記風取込口 17や前記逆流防止手段 20, 25の大きさ（流量)や設置数は、前記 集風板 15によって集風される風量に応じて設定され、集風板 15の幅寸法が小さけ れば設置数を少なぐあるいは、小さな風取込口 17とし、集風板 15の幅寸法が大き いときには、設置数を多くして風取込口 17や逆流防止手段 20, 25も大きなものとす れば'よい。

[0020] 地下に設けられた前記発電機室 11には、前記風洞 19に連通する地下風洞 30が 設けられ、この地下風洞 30内を流れる風によって回転駆動されるタービン 31と、この タービン 31によって駆動される発電機 32と、その他の送電設備等が設けられている 。このタービン 31及び発電機 32には、風洞 19から地下風洞 30に供給される風圧、 風量に対応したものを選択して使用することができ、風力発電装置 10の設置場所に おける電力の使用目的に応じて選択すればよい。また、タービン 31を駆動した風は 、地下風洞 30の末端から大気に排気される。

[0021] また、前記風洞 19の上下両端部に、風洞 19内の圧力があらかじめ設定した圧力を 超えたときに風洞 19内から外部に圧力を逃がすための余剰風排出部をそれぞれ設 けておくことにより、強風時に風洞 19内に取り込まれた過剰の風を排出することがで きるので、タービン 31の過負荷を防止することができる。余剰風排出部としては、天 板 16に通風孔を形成して、該通風孔を開閉するフラップ状のものを設けることもでき

[0022] 上下の余剰風排出部の作動圧力は同一に設定することができるが、風洞 19内の 風の流れを考慮すると、下方の余剰風排出部の作動圧力を低く設定することが好ま しい。また、余剰風排出部における排気流量も同一としておくとができる力 台風等 の強風時を考慮すると、作動圧力を高めに設定した上方の余剰風排出部の排気流 量を多く設定しておくことにより、通常の風力の変動範囲では、作動圧力を低く設定 した下方の余剰風排出部のみが作動して風洞 19内の風の流れを乱さずに少量の余 剰風を排出し、台風等の強風時には作動圧力を高く設定した上方の余剰風排出部 も作動して大量の余剰風を排出することにより、タービン 31等の機器を確実に保護 すること力 Sでさる。

[0023] また、排気方向を風下側に向けることができるように、複数の方向に向けて余剰風 排出部を設けておくこともできる。さらに、前記発電機 32の発電状態に応じて排気量 を自動的に調整する自動調整式の余剰風排出部を設けることもできる。また、前記風 洞 19や前記地下風洞 30の底部には、風洞 19内に侵入した水分を排出するドレンを 設けておくことが好ましい。

[0024] さらに、前記風取込口 17から風洞 19内に異物が侵入することを防止するため、前 記風取込口 17の外側や前記逆流防止手段 20, 25の外側にスクリーンを設置してお くこと力 S好ましい。スクリーンは、例えば、通常の金網等をフレームにより保持し、この フレームを隣接する集風板 15や壁板 21 , 26に固定することによって設置することが できる。

[0025] このように、風力発電装置 10における集風手段 12として筒状部材 14と、複数、特 に 6枚の集風板 15と複数のガイド板 18とを組み合わせることにより、様々な方向から の風を有効に捕集して発電用に使用することができ、弱風状態でも十分な発電出力 を得ること力 Sできる。また、設置場所の条件に応じて高さと直径とを選択することによ つて必要な電力供給を安定して行うことができる。さらに、比較的小型の風力発電装 置 10では、基礎 13に代わる底板を組み合わせて集風手段 12をユニット化することも 可能であり、この複数のユニットを積み重ねて用いることもできる。

[0026] 前記タービン 31及び前記発電機 32は、一つの地下風洞 30に風の流れ方向に所 定間隔を存して複数設け、風速に応じて発電機 32の稼働数を増減させるようにして もよい。例えば、図 6に示すように、地下風洞 30に 5つのタービン 31a, 31b、 31c、 3 Id, 31eを設け、各タービン 31a— 31eによって馬区動される発電機 32a, 32b, 32c, 32d, 32eをそれぞれ設けることができる。地下風洞 30に導入された風は、前記ター ビン 31a— 31eを回転駆動し、これらのタービン 31a— 31eによって各発電機 32a— 2 2eを駆動して発電する。これらのタービン 31a— 31eを回転駆動した風は、地下風洞 30の末端から排気される。

[0027] さらに、このように複数のタービン 31及び発電機 32を設置する場合、図 7に示すよ うに、タービン 31の羽根車 33は、地下風洞 30内に 1/2— 1/4程度を臨ませること により、地下風洞 30内の風は風速の落ちないまま通過し、これらの複数のタービン 3 1を回転駆動することができる。

[0028] 前記筒状部材 14、前記集風板 15、ガイド板 18等は、風力発電装置全体の大きさ や予測される最大風速等の条件に応じて適当な材料及び製造方法を採用すること カできる。一般的には、ステンレス鋼やアルミニウム合金等の耐食性に富んだ金属材 料が好適であり、また、金属製の骨組に防蝕鉄板や FRP等の板材を張り付ける構造 とすることあでさる。

[0029] 前記集風板 15の幅寸法は、風力発電装置の設置場所における各種条件に応じて 決定することができ、また、前記風力発電装置の高さと直径 (前記集風板 15の先端 部を通る円の直径）の比率も任意に選択することができる。例えば、高さ制限がない 場合には、高さを 100mあるいは 200m以上に高くして前記集風板 15を幅狭にして もよぐ、設置面積に余裕がある場合には、高さを低く抑えて前記集風板 15の直径を 1 00m以上に大きくすることができる。通常は、地表部に比べて安定している上空の風 を効果的に集風できるように、できるだけ高く形成することが好ましい。また、高層ビ ルの屋上等ならば高さや直径が数 m乃至 10m程度のものでも十分な集風力を得るこ と力 Sできる。

[0030] 建築物としての風力発電装置 10の強度は、前記筒状部材 14を中心として 6方向に 集風板 15を設けているので、前記筒状部材 14の高さ、集風板 15の幅を適切に設定 することにより、強風や地震に対しても十分な強度を得ることが可能である。また、必 要に応じて適当な位置に補強部材を設けることもでき、耐震性に対しては適当な柔 構造を採用することもできる。

[0031] さらに、前記天板 16の上部に展望台 41を設けたり、下部にホール 42を設けたりす ること力 Sでき、ホール 42から展望台 41に昇降するためのエレベータを、筒状部材 14 や集風板 15に沿って設けることができる。また、風力発電装置 10の上部は、展望台 31の他、ヘリポート、電波塔、無線中継所、測候所、天体観測所等を設置することも できる。さらに、筒状部材 14や集風板 15に梯子 (ステップ)を設けておくことにより、 逆流防止手段 20, 25等の保守、点検を行うことができる。また、集風板 15や逆流防 止手段 25の外面を広告宣伝用として利用することができ、集風板 15や逆流防止手 段 25に周囲の景観に応じた着色や模様を施したり、夜間にライトアップしたりすること も可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 基礎面から鉛直方向に立設した筒状部材にて構成された風洞と、前記筒状部材の 周壁から法線方向に延出した複数の集風板と、該集風板相互間及び筒状部材の上 端開口を閉塞する天板と、前記筒状部材の周壁に設けられて前記集風板によって 集約された風を前記風洞内に導く複数の風取込口と、該風取込口に設けられて筒状 部材外部から筒状部材内部への風の流通のみを許容し、内部から外部への流通を 規制する逆流防止手段と、隣接する集風板間に設けられて集風板によって集約され た風を下方に向けてガイドする複数のガイド板と、前記風洞の一端部から吹き出す風 によって駆動されるタービンと、該タービンにより駆動される発電機とを備えていること を特徴とする風力発電装置。

[2] 隣接する前記集風板の外部側間に、外部から集風板間への風の流通のみを許容 し、集風板間から外部への流通を規制する第 2の逆流防止手段が設けられて!/、る請 求項 1記載の風力発電装置。

[3] 前記集風板は、筒状部材の周方向に 6枚が等間隔で設けられている請求項 1記載 の風力発電装置。

[4] 前記風洞に、該風洞内に取り込まれた過剰の風を排出する余剰風排出部が設けら れて!/、る請求項 1記載の風力発電装置。

[5] 前記タービン及び前記発電機は、一つの風洞に風の流れ方向に複数設けられ、前 記タービンの回転羽根は、風洞内に 1/2— 1/4を臨ませる請求項 1記載の風力発 ¾¾ 。