(57)【要約】  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。
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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いる請求項１記載の風力発電装置。
【請求項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。
【請求項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いる請求項１記載の風力発電装置。
【請求項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記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【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、実施されてきている。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】
【発明が解決しようとする課題】
【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いる。
【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い。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かることがなくなる。さらに、一つの風洞に風の流れ方向に複数のター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、その高さや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く、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が、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によっ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が、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２４，３９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ができる。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く、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る。【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が、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ができる。【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が好ましい。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ができる。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っ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、３１ｄ，３１ｅを設け、各タービン３１ａ−３１ｅによって駆動される発電機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−２２ｅ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３１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ができる。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もできる。【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を幅狭にしてもよく、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１００ｍ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ができる。【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ができ、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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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