WO2019106958A1 - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

ダクトの軸心付近における風力の発電への寄与を向上させることができる風力発電装置を提供する。　風力発電装置は、風が通流する筒状の胴体（５）と、該胴体内に配置され、前記胴体の軸回りに回転する回転翼（１１）と、該回転翼の回転によって発電を行う発電部２と、前記胴体内にて前記回転翼よりも上流側に配置されており、前記胴体の径方向において、下流側部分が上流側部分よりも外側に位置する傾斜面を有する傾斜部（１０）とを備える。好ましくは、前記傾斜部は錐状をなし、頂部を上流側に向けて、前記回転翼に対して同軸的に配置される。

Description

風力発電装置

　本発明は、筒状の胴体内に回転翼が配置された風力発電装置に関する。

　従来、ダクトの内側に羽根車を配置し、ダクトを通流する風の力によって、発電を行う風力発電装置が提案されている。軸心に平行な面で切断したダクトの断面形状は流線形をなし、ダクト内の風速を増加させて発電量を増加させることができる（例えば特許文献１参照）。

特開２００３－２８０４３号公報

　羽根車の羽根に回転モーメントを付与することによって、羽根車は回転する。ダクトの径方向にて風力が一様である場合、ダクトの軸心付近、即ちダクトの壁面から離れた箇所を通る風が羽根に付与する回転モーメントの大きさは、ダクトの壁面に沿って流れる風が付与する回転モーメントに比べて小さい。そのため、ダクトの軸心付近における風力の発電への寄与が小さいという問題があった。

　本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ダクトの軸心付近における風力の発電への寄与を向上させることができる風力発電装置を提供することを目的とする。

　本発明に係る風力発電装置は、風が通流する筒状の胴体と、該胴体内に配置され、前記胴体の軸回りに回転する回転翼と、該回転翼の回転によって発電を行う発電部と、前記胴体内にて前記回転翼よりも上流側に配置されており、前記胴体の径方向において、下流側部分が上流側部分よりも外側に位置する傾斜面を有する傾斜部とを備える。

　本発明においては、傾斜部によって、胴体の軸心付近を通流する風を、回転翼の径方向端部に案内し、回転翼に作用する回転モーメントを増大させる。

　本発明に係る風力発電装置は、前記傾斜部は錐状をなし、頂部を上流側に向けて、前記回転翼に対して同軸的に配置されている。

　本発明においては、傾斜部を錐状に形成し、回転翼の径方向端部への風の案内を実現させる。

　本発明に係る風力発電装置は、前記胴体を支持しており、前記胴体の軸に垂直な軸回りに回転可能な回転台と、前記胴体の外周面に配されており、前記胴体の軸に垂直な軸周りにおける前記胴体の向きの変更を行う変更翼とを備える。

　本発明においては、胴体の軸方向に交差する方向に風向きが変更された場合に、変更翼に作用した風力によって、胴体は回転し、風向きの変更後も、風を胴体の内側に通流させることができる。

　本発明に係る風力発電装置は、前記回転台及び胴体は上下に並設されており、前記胴体に上向きの力を作用させるための浮上翼を備える。

　本発明においては、浮上翼に作用する風力によって、胴体に上向きの力が作用する。そのため、回転台に作用する負荷、例えば胴体の自重による負荷が低減し、回転台の回転に対する摩擦力が低減する。

　本発明に係る風力発電装置は、前記回転台の周囲に落下防止の為の安全装置が設けられている。

　例えば回転台の故障によって、回転台の回転が妨げられる場合、胴体の軸心に交差する方向から風が胴体に作用しても、胴体は円滑に回転せず、回転台に過大な負荷が作用し、回転台が破損し、胴体及び回転台などが落下するおそれがある。本発明においては、安全装置を設けることによって、胴体及び回転台などの落下を防止することができる。

　本発明に係る風力発電装置は、前記回転台は、前記胴体側に配置された回転部と、前記胴体の反対側に配置された固定部とを有し、前記安全装置は、前記回転部に対向する摩擦低減部を有する。

　本発明においては、回転部が固定部に対して相対的に回転することによって、胴体は回転する。故障によって、回転部の姿勢が偏倚し、回転部が安全装置に接近する場合でも、回転部は摩擦低減部に接触するので、回転部の回転が妨げられることを抑制することができる。

　本発明に係る風力発電装置は、前記胴体は空気が流入する流入口を有し、前記流入口は排気装置の排気口に対向配置されている。

　本発明においては、所定の大きさの風力を生む排気装置に風力発電装置を取り付けることによって、安定的な発電が可能となる。そのため、電気機器の消費電力の一部を風力発電装置の発電によって安定的に回収し、電気料金を削減することができる。

　本発明に係る風力発電装置は、前記回転翼は、前記胴体の軸回りに回転可能なハブと、該ハブから径方向に延びた羽根とを有し、前記羽根は、前記ハブに連結し、上流側に向けて突出するように湾曲する第一羽根部と、該第一羽根部の外縁部分から径方向外向きに延出する第二羽根部とを有し、前記ハブの軸線と前記第一羽根部とがなす第一角度は、前記ハブの軸線と前記第二羽根部とがなす第二角度よりも小さい。

　本発明においては、第一羽根部に当たった風（空気）を効率的に下流に流す。

　本発明に係る風力発電装置は、前記第一羽根部の表面積が前記第二羽根部の表面積の倍である。

　本発明においては、第一羽根部には第二羽根部よりも多量の風が当たり、この多量の風が後側に円滑に流される。そのため、胴体内に集まった空気が排出されずに貯留し、回転翼の回転が阻害され、回転数の著しい低下又は回転の停止が発生することを防止できる。

　本発明に係る風力発電装置にあっては、傾斜部によって、胴体の軸心付近を通流する風を、回転翼の径方向端部に案内し、回転翼に作用する回転モーメントを増大させる。そのため、胴体の軸心付近を通流する風の力を効率よく電力に変換させることができる。

実施の形態１に係る風力発電装置を略示する側面図である。 風力発電装置を略示する正面図である。 胴体を略示する側面断面図である。 回転台を略示する部分拡大側面図である。 回転台を略示する平面図である。 橋桁から吊り下げた風力発電装置を略示する側面図である。 実施の形態２に係る風力発電装置を略示する縦断面図である。 回転翼を略示する斜視図である。 回転翼を略示する平面図である。 回転翼の部分拡大縦断面図である。

　（実施の形態１）
　以下本発明を実施の形態１に係る風力発電装置を示す図面に基づいて説明する。図１は、風力発電装置を略示する側面図、図２は、風力発電装置を略示する正面図である。風力発電装置は、地上に設置された支柱１と、該支柱１に支持された発電部２と、回転台３を介して発電部２に設けられた支持ロッド４と、該支持ロッド４に支持された胴体５とを備える。

　発電部２は発電機（図示略）を備える。発電部２の上側に回転台３が設けられている。回転台３は上下方向を回転軸方向として回転する。回転台３の詳細は後述する。回転台３には支持ロッド４が立設している。胴体５の軸方向は略水平方向であり、支持ロッド４の上端部は胴体５下部の軸方向中央部を支持している。胴体５の一端部には、空気が流入する流入口６が形成されている。胴体５の他端部には、空気が流出する流出口７が形成されている。流入口６の直径は、流出口７の直径よりも大きい。胴体５は、例えば繊維強化プラスチック材によって構成されている。

　胴体５の外周面における軸方向中央部に二つの主翼８（浮上翼）が設けられている。図２に示すように、二つの主翼８は、水平方向における胴体５の反対側にそれぞれ配置されている。主翼８は胴体５から斜め上向きに突出している。図１に示すように、側面視において、主翼８は流線形状をなし、流入口６側が上位置になり且つ流出口７側が下位置になるように、傾斜している。胴体５の外側において、流入口６側から流出口７側に風が流れている場合、主翼８には浮力が作用する。

　胴体５の他端部に二つの尾翼９（変更翼）が設けられている。一方の尾翼９は、胴体５の外周面から上方に突出し、他方の尾翼９は下方に突出している。図１に示すように、胴体５の軸方向における尾翼９の幅は、突出端部に向かうに従って漸次短くなる。図２に示すように、尾翼９の突出端部には、胴体５の軸に直交する水平方向の幅が他の部分よりも狭いくびれ部９ａが形成されている。

　図３は、胴体５を略示する側面断面図である。胴体５の軸に平行な面で切断した胴体５の断面形状は流線形をなす。なお前記断面形状は流線形に限定されず、胴体５は真っ直ぐな筒形でもよい。胴体５の内側には、回転翼１１が支持されている。回転翼１１は、胴体５の軸上に配置されており、胴体５の軸回りに回転可能なハブ１２と、該ハブ１２を中心にして放射状に延びた複数の羽根１３とを備える。

　ハブ１２の前方には、錐状、例えば円錐形又は角錐形をなす傾斜部１０が設けられている。傾斜部１０は、頂部を流入口６側に向けて、回転翼１１に対して同軸的に配置されている。傾斜部１０の外周面は、下流側に向かうに従って、胴体５の軸心から離れるように傾斜している。即ち、傾斜部１０の外周面の下流側部分は上流側部分よりも、胴体５の径方向外側に配置されており、前記径方向において、回転翼１１の端部、換言すれば羽根１３の先端部に近い。なお傾斜部１０の形状は錐状に限定されず、例えば、一又複数の傾斜板を使用してもよい。この場合でも、傾斜板の傾斜面の下流側部分は、胴体５の径方向において、上流側部分よりも外側に配置されている。

　図４は、回転台３を略示する部分拡大側面図である。回転台３は、ベアリング３１と、該ベアリング３１の内輪又は外輪の一方に連結された回転板３２と、ベアリング３１の内輪又は外輪の他方に連結された固定板３３とを備える。ベアリング３１は上下方向を回転軸方向としており、回転板３２は上側に配置され、固定板３３は下側に配置されている。回転板３２及び固定板３３は、ベアリング３１に対して同軸的な平面視円形をなし、相対的に回転可能である。固定板３３は、発電部２の上部に固定されている。回転板３２の径方向中央部には貫通穴（図示略）が形成されており、支持ロッド４はベアリング３１に対して同軸的に、貫通穴に嵌入されている。

　図５は、回転台３を略示する平面図である。回転台３は、胴体５及び回転台３などの落下を防止する四つの安全装置３４を備える。図５に示すように、四つの安全装置３４は回転板３２の周縁部に、周方向に略等しい間隔を空けて配されている。安全装置３４は、側面視コの字形をなす枠体３５を有する。枠体３５は、第１板部３５ａと、該第１板部３５ａの一縁部から直角に突出した第２板部３５ｂと、第１板部３５ａの他縁部から直角に突出した第３板部３５ｃとを備える。第２板部３５ｂ及び第３板部３５ｃは同方向に突出し、互いに対向している。第２板部３５ｂの第３板部３５ｃに対向する面には、一又は複数の転動体３６（摩擦低減部）が設けられている。

　第１板部３５ａがベアリング３１の外周部に対向し、第２板部３５ｂが回転板３２の上側に位置し、第３板部３５ｃが固定板３３の下側に位置するように、枠体３５は配置されている。即ち、第２板部３５ｂ及び第３板部３５ｃの間に、回転板３２及び固定板３３は配置されている。第３板部３５ｃは締結部材３７によって、固定板３３に固定されている。転動体３６は回転板３２の上面に対向しており、転動体３６と回転板３２との間には隙間が設けられている。また回転板３２と第１板部３５ａとの間に隙間が設けられている。回転板３２は、転動体３６及び枠体３５に接触することなく、回転することができる。

　支持ロッド４は筒状をなし、その内側に伝動部材、例えばベルト、プーリ及びギヤなどが設けられている。流入口６から流入した空気、換言すれば風によって、回転翼１１は回転し、回転翼１１の回転は伝動部材を介して、発電部２の発電機に伝達され、発電機は回転する。発電機の回転によって、発電が行われる。

　図３の矢印に示すように、胴体５の軸心付近を通流する風は、傾斜部１０によって、回転翼１１の径方向端部に案内され、羽根１３の先端部に風が当たり易くなり、回転翼１１に作用する回転モーメントを増大させる。そのため、胴体５の軸心付近を通流する風の力を効率よく電力に変換させることができる。また傾斜部１０を錐状に形成し、回転翼１１の径方向端部への風の案内を実現する。

　水平方向において、胴体５の軸方向に交差する方向に風向きが変更された場合、向きが変更された風は尾翼９に当たる。尾翼９に風が当たることによって、胴体５は回転し、流入口６は風の上流側に向き、胴体５の内側を風が通流する。風向きの変更後も、胴体５は迅速に向きを変更することができるので、発電効率を向上させることができる。また図２の矢印に示すように、尾翼９に当たった風は尾翼９に沿って移動し、くびれ部９ａに風力が集中して、尾翼９に作用するモーメントが増幅され、胴体５の向きは更に迅速に変更される。

　また主翼８に作用する風力によって、胴体５に上向きの力が作用し、回転台３に作用する負荷、例えば胴体５の自重による負荷が低減し、回転台３の回転に対する摩擦力が低減する。そのため、胴体５の軸方向に交差する方向に風向きが変更された場合に、回転台３は円滑に回転し、胴体５の向きが迅速に変更される。

　また回転台３の故障によって、回転台３の回転が妨げられ、胴体５が円滑に回転せず、回転台３に過大な負荷が作用した場合でも、安全装置３４を設けることによって、胴体５及び回転台３などの落下を防止することができる。

　また回転板３２が固定板３３に対して相対的に回転することによって、胴体５は回転する。故障によって、回転板３２の姿勢が偏倚し、回転板３２が枠体３５に接近する場合でも、回転板３２は転動体３６に接触するので、回転板３２の回転が妨げられることを抑制することができる。即ち、回転台３の故障によって、回転台３に過剰な負荷が作用することを防止することができる。

　風力発電装置は吊り下げてもよい。図６は、橋桁５０から吊り下げた風力発電装置を略示する側面図である。図６に示すように、橋桁５０から支柱１が垂下しており、支柱１の下端部に発電部２が設けられている。発電部２は、回転台３及び支持ロッド４を介して、胴体５に連結している。この場合においても、主翼８に作用する風力によって、胴体５に上向きの力が作用する。そのため、回転台３に作用する負荷、例えば胴体５の自重による負荷が低減し、回転台３の回転に対する摩擦力が低減する。

　上述した実施の形態１においては、安全装置３４の数は四つに限定されず、三つ以下又は五つ以上であってもよい。また主翼８は、回転台３よりも胴体側の構成であれば、胴体５以外に設けてもよく、例えば支持ロッド４に設けてもよい。また転動体３６は摩擦低減部の一例であり、転動体３６に代えて、低摩擦シート又は底摩擦コーティングを用いてもよい。

　実施の形態１に係る風力発電装置は、種々の場所又は物体に設置することができ、例えば、高層ビル及びコンビニエンスストアなどの建物の屋上、道路、橋梁の下部、車両、住宅、工場の屋根、工場の敷地又は船舶などに設置することができる。風速が小さい場合、例えば風速が５ｍ／ｓ未満である場合であっても、実施の形態に係る風力発電装置は、風向きの変更に応じて、胴体５の向きも迅速に変更されるので、効率良く発電を行うことができる。

　（実施の形態２）
　以下本発明を実施の形態２に係る風力発電装置を示す図面に基づいて説明する。図７は風力発電装置を略示する縦断面図である。実施の形態２に係る風力発電装置は、回転台３、支持ロッド４、主翼８及び尾翼９を備えず、排気装置、例えば空気調和機の室外機２０に設置される。

　室外機２０の上面に排気口２１が形成されている。室外機２０の内側にファンモータ２２が設置されている。ファンモータ２２の回転軸にはファン２３が取り付けられている。ファン２３は排気口２１の内側に配置されている。ファンモータ２２の駆動によって、ファン２３が回転し、排気口２１から空気が排出される。

　室外機２０の周囲には支持フレーム２４が設置されている。風力発電装置の胴体５は、流入口６を排気口２１に対向させて、支持フレーム２４によって支持されている。排気口２１から排出された空気は流入口６から胴体５に入り、回転翼１１を回転させて、流出口７から出る。回転翼１１の回転は伝動部材（図示略）を介して、発電機（図示略）に伝達され、発電機は回転する。発電機の回転によって、発電が行われる。

　所定の大きさの風力を生む排気装置、例えば空気調和機の室外機２０に風力発電装置を取り付けることによって、安定的な発電が可能となる。そのため、空気調和機の消費電力の一部を風力発電装置の発電によって安定的に回収し、電気料金を削減することができる。更には二酸化炭素の排出量の削減にも貢献できる。

　上述した実施の形態１及び２において、回転翼１１は、例えば以下のように構成される。図８は回転翼１１を略示する斜視図、図９は回転翼１１を略示する平面図、図１０は回転翼１１の部分拡大縦断面図である。図８～図１０にて示す矢印は気流の向きを示し、図８～図１０は上流を前側とし、下流を後側として描かれている。

　ハブ１２は胴体５と同軸的な筒状をなす。ハブ１２の外周面から径方向外向きに延びた羽根１３は、第一羽根部１３ａ及び第二羽根部１３ｂを備える。図１０に示すように、第一羽根部１３ａはハブ１２に連結し、上流側に向けて突出するように湾曲する。第一羽根部１３ａとハブ１２との連結部分はハブ１２の軸線に交差する。図９に示すように、前記連結部分に沿った線をＬ１とし、前記軸線をＤとした場合、線Ｌ１と軸線Ｄとは第一角度θ１で交差する。

　図１０に示すように、第二羽根部１３ｂは、第一羽根部１３ａの外縁部分からハブ１２の径方向外向きに突出する。なお図８における二点鎖線は第一羽根部１３ａの外縁を示す。第二羽根部１３ｂは、第二羽根部１３ｂの径方向外側部分が径方向内側部分よりも上流側に配置されるように傾斜する。換言すれば、第二羽根部１３ｂは上流に向けて倒れるように傾斜する。図９に示すように、平面視において、第二羽根部１３ｂは軸線Ｄを横切るように交差し、略直交するように交差する。軸線Ｄ付近における第二羽根部１３ｂの外縁部分の接線をＬ２とした場合、接線Ｌ２と軸線Ｄとは、第一角度θ１よりも大きい第二角度θ２で交差する。即ち、第一角度θ１は第二角度θ２よりも小さく、そのため、第一羽根部１３ａに当たった風は第二羽根部１３ｂに当たった風よりも後側に流されやすい。なお接線Ｌ２に限定されず、第二羽根部１３ｂの大部分と軸線Ｄとがなす角度は第一角度θ１よりも大きい。

　第一羽根部１３ａの表面積は第二羽根部１３ｂの表面積の略倍である。即ち、第一羽根部１３ａには第二羽根部１３ｂよりも多量の風が当たり、この多量の風が後側に円滑に流される。そのため、胴体５内に集まった空気が排出されずに貯留し、回転翼１１の回転が阻害されることによる回転数の著しい低下又は回転の停止を防止することができる。一方、第二羽根部１３ｂに当たった風は第二羽根部１３ｂに大きな力を作用させ、大きな回転トルクを生じさせる。

　第一羽根部１３ａ、即ち回転翼１１の中心部分においては、風を後側に送りながら、風から与えられた力によって回転翼１１の回転数を増加させ、且つ第二羽根部１３ｂ、即ち回転翼１１の外側部分においては、回転翼１１の中心部分よりも風力を効率的に伝達させて、回転翼１１の回転数の増大を実現する。このように、空気の効率的な排出及び風力の効率的な伝達をバランス良く両立させることによって、胴体５内における回転翼１１の回転数及び回転トルクを上昇させて、発電量を増大させることができる。

　今回開示した実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。各実施例にて記載されている技術的特徴は互いに組み合わせることができ、本発明の範囲は、請求の範囲内での全ての変更及び請求の範囲と均等の範囲が含まれることが意図される。

　２　発電部
　３　回転台
　３２　回転板（回転部）
　３３　固定板（固定部）
　３４　安全装置
　３６　転動体（摩擦低減部）
　５　胴体
　９　尾翼（変更翼）
　８　主翼（浮上翼）
　１０　傾斜部
　１１　回転翼
　１２　ハブ
　１３　羽根
　１３ａ　第一羽根部
　１３ｂ　第二羽根部

Claims (9)

1. 　風が通流する筒状の胴体と、
   　該胴体内に配置され、前記胴体の軸回りに回転する回転翼と、
   　該回転翼の回転によって発電を行う発電部と、
   　前記胴体内にて前記回転翼よりも上流側に配置されており、前記胴体の径方向において、下流側部分が上流側部分よりも外側に位置する傾斜面を有する傾斜部と
   　を備える風力発電装置。
2. 　前記傾斜部は錐状をなし、頂部を上流側に向けて、前記回転翼に対して同軸的に配置されている
   　請求項１に記載の風力発電装置。
3. 　前記胴体を支持しており、前記胴体の軸に垂直な軸回りに回転可能な回転台と、
   　前記胴体の外周面に配されており、前記胴体の軸に垂直な軸周りにおける前記胴体の向きの変更を行う変更翼と
   　を備える請求項１又は２に記載の風力発電装置。
4. 　前記回転台及び胴体は上下に並設されており、
   　前記胴体に上向きの力を作用させるための浮上翼を備える
   　請求項３に記載の風力発電装置。
5. 　前記回転台の周囲に落下防止の為の安全装置が設けられている
   　請求項３又は４に記載の風力発電装置。
6. 　前記回転台は、前記胴体側に配置された回転部と、前記胴体の反対側に配置された固定部とを有し、
   　前記安全装置は、前記回転部に対向する摩擦低減部を有する
   　請求項５に記載の風力発電装置。
7. 　前記胴体は空気が流入する流入口を有し、
   　前記流入口は排気装置の排気口に対向配置されている
   　請求項１又は２に記載の風力発電装置。
8. 　前記回転翼は、
   　前記胴体の軸回りに回転可能なハブと、
   　該ハブから径方向に延びた羽根と
   　を有し、
   　前記羽根は、
   　前記ハブに連結し、上流側に向けて突出するように湾曲する第一羽根部と、
   　該第一羽根部の外縁部分から径方向外向きに延出する第二羽根部と
   　を有し、
   　前記ハブの軸線と前記第一羽根部とがなす第一角度は、前記ハブの軸線と前記第二羽根部とがなす第二角度よりも小さい
   　請求項１～７のいずれか一つに記載の風力発電装置。
9. 　前記第一羽根部の表面積が前記第二羽根部の表面積の倍である
   　請求項８に記載の風力発電装置。

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