(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部に吸気部が設けられ、かつ、上部に排気部が設けられ、前記吸気部から前記排気部へ向かう上昇気流を形成するほぼ鉛直方向に沿って設置された風誘導塔を有するビルと、この風誘導塔の前記吸気部近傍に連通され、この風誘導塔内の上昇気流によって発生させられる負圧を受けて外気を吸引する吸気管と、この吸気管の上流に連設されて、前記吸引される外気流によって回転させられる風車と、この風車によって回転駆動される発電機とを備え、前記風車と発電機とが前記ビルの外部に配置され、前記風誘導塔の内面には蓄熱層が形成されていることを特徴とする風力発電機。
【請求項２】
前記風車と前記発電機との間に、両者の接続および切り離しを行なうクラッチ機構と、前記風車の回転を変速して前記発電機へ伝達する変速機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記蓄熱層が、前記誘導塔の内面に蓄熱塗料を塗布することによって形成されていることを特徴とする請求項１に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係わり、特に、大気の気圧差によって発生させられる気流を利用して発電を行なうようにした風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、風を利用した風力発電装置は、自然の風を利用して大きな風車を回転させるとともに、この風車の回転を発電機に伝達して発電を行なうようにしたものが知られている。
【０００３】
このような風車を用いた風力発電においては、自然の風を利用しているが、この自然の風の風量や風向が一定でないことから、発電量にばらつきが生じ、電力の供給が安定しないという問題点がある。
【０００４】
このような問題点を改善するために、たとえば、特許文献１あるいは特許文献２に記載されているような風力発電装置が提案されている。
【０００５】
前者の風力発電装置は、高層ビルに、低層階部位から屋上まで連通する垂直な風路を設け、この風路の低層階部分に空気取り入れ口を設けるとともに、屋上近傍に開口部を設け、さらに、前記風路内の所定階毎に風力発電機とその回転羽根を設置して構成したものである。
【０００６】
そして、高層に位置する開口部近傍の風速と、低層に位置する空気取り入れ口近傍の風速との違いによって生じる圧力差により、前記風路内に上昇気流を生じさせ、この上昇気流によって前記各回転羽根を回転させ、この回転を用いて前記風力発電機において発電を行なうようにしている。
【０００７】
また、後者の風力発電装置は、煙突内にその長さ方向に沿ってスパイラルファンを装着し、前記煙突の下部に連続して形成された吸気路内に発電機を設置し、前記吸気路の壁部を貫通して設置された回転伝達機構を介して、前記スパイラルファンの回転を前記発電機に伝達するようにしたものである。
【０００８】
そして、この技術も、前記煙突内に生成される上昇気流によって、前記煙突内に設けられているスパイラルファンを回転させるとともに、その回転を、回転伝達機構を介して前記発電機へ伝達して発電を行なうようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】実用新案登録第３１５３０１５号公報
【特許文献２】特開２００９−１２１４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前述した技術においても、なお、つぎのような改善すべき点が残されている。
【００１１】
すなわち、前述した何れの技術においても、風路（煙突）の吸気口から排出口に至る上昇気流の流れの中に、前記回転羽根やスパイラルファンを設置していることから、前記上昇気流の大きな抵抗となるばかりでなく、この気流を大きく乱してしまい、回転羽根やスパイラルファンの効率的な回転が阻害され、また、これらの回転が不安定なものとなる。
【００１２】
この結果、発電効率の低下や、発電量が不安定なものとなるという不具合が生じるおそれがある。
【００１３】
また、前記スパイラルファンや風力発電機を風路（煙突）内に配置することにより、これらの機器の大きさや重量が、前記風路や煙突の形状によって規制されてしまい、使用できる発電機が制約されてしまう。
【００１４】
さらに、このような上昇気流を用いた風力発電において、その発電効率や発電量を高めるための一手段として、前記風路や煙突内に流れ込む気体の温度を高め、これによって生じる浮力を利用することが挙げられる。
【００１５】
このような手段を実行する場合、前述した何れの技術においても、発電に使用される機器の全てが高温にさらされることとなり、その耐久性が損なわれるか、あるいは、高価な機器となる。
【００１６】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、発電の元となる上昇気流を安定した状態に保持しつつ、風車へ作用する気流を確保し、これによって、効率がよく安定した発電を行ない、また、発電に用いられる機器の諸元が、上昇気流を生成する手段に左右されることのない、さらに、前記上昇気流が、発電に用いられる機器に直接作用することを防止して、その耐久性を向上させることのできる風力発電装置を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前述した課題を解決するために、本発明の風力発電装置は、下部に吸気部が設けられ、かつ、上部に排気部が設けられ、前記吸気部から前記排気部へ向かう上昇気流を形成するほぼ鉛直方向に沿って設置された風誘導塔を有するビルと、この風誘導塔の前記吸気部近傍に連通され、この風誘導塔内の上昇気流によって発生させられる負圧を利用して外気を吸引する吸気管と、この吸気管の上流側に連設されて、前記吸引される外気流によって回転させられる風車と、この風車によって回転駆動される発電機とを備え、前記風車と発電機とが前記ビルの外部に配置され、前記風誘導塔の内面には蓄熱層が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
このような構成とすることにより、風誘導塔において上昇気流が生成されると、その流れに引き込まれるようにして、前記風誘導塔の下部に設けられた吸気管から外気が吸引される。
【００１９】
ここで、前記吸引される外気は、前記吸気部に連通された吸気管を介して行なわれ、この吸気管の上流側に、発電に用いられる風車と発電機が設けられていることにより、前記上昇気流が前記風車や発電機に直接作用するようなことはない。
【００２０】
これによって、前記上昇気流は、前記風誘導塔からの抵抗が常に一定に保持され、安定した均一な流れとなる。
【００２１】
一方、前述したように前記上昇気流が安定した状態に保持されることから、これによって引き込まれる前記吸気管内の外気の流れも安定する。
したがって、この外気の気流によって作動される風車の回転ならびに発電機の作動も安定したものとなり、安定した発電量を確保することができる。
【００２２】
前記発電に用いられる風車や発電機は、前記吸気管を介して前記風誘導塔から独立して設けられるものであるから、これらの機器が風誘導塔の形状に左右されることがなく、自由な諸元の元に作成することができる。
【００２３】
また、前記上昇気流のエネルギーを高めるために、この上昇気流温度を高める必要があっても、この上昇気流が前記風車や発電機に直接作用することがないことから、これらの風車や発電機の耐久性を損なうことなく、前述した上昇気流の昇温が可能である。
したがって、発電効率の向上や発電量の増加を容易に行なうことができる。
【００２４】
さらに、前記風誘導塔は、上昇気流を生成するためだけに設けられるものであるから、単に筒状をなしていればよく、したがって、通常の煙突のみならず、たとえば、高層ビルのエレベーター設備の設置スペースであるエレベーターシャフトを利用することも可能である。
【００２５】
そして、前記風誘導塔の内面に蓄熱層を設けたことにより、前記上昇気流の持つ熱（前記風誘導塔が建築物と一体に設けられている場合には、この建築物から発生させられる、クーラーの室外機からの排気熱、電気機器によって発生させられる熱等を前記風誘導塔に導くことによって得られる熱）や、前記風誘導塔を介して伝達される熱（たとえば、前記風誘導塔が屋外に設置されている場合には、前記風誘導塔に照射される太陽光から得られる熱）等が、前記蓄熱層に蓄熱され、この熱によって、前記上昇気流の温度が徐々に高められる。
【００２６】
これによって、前記上昇気流のエネルギーが高められて、発電効率の向上や発電量の増加を期待することができる。
【００２７】
本発明の好ましい形態として、前記風車と前記発電機との間に、両者の接続および切り離しを行なうクラッチ機構を設ける。
【００２８】
このような構成とすることにより、前記風車と前記発電機との接続状態を解除することにより、前記風車の回転を止めることなく、前記発電機のメンテナンスを行なうことができる。
【００２９】
また、本発明の好ましい形態として、前記風車と前記発電機との間に、前記風車の回転を変速して前記発電機へ伝達する変速機構を設けることが挙げられる。
【００３０】
このような構成とすることにより、前記発電機に伝達される前記風車の回転力を前記変速機構によって調整して、前記風車の回転力と前記発電機に付加される駆動力とを適正に調製することができる。
これによって、前記風車において発生させられる回転力を、前記発電機の駆動に最適な駆動力に変換し、効率のよい発電を行なうことができる。
【００３１】
そして、前記蓄熱層は、前記誘導塔の内面に蓄熱塗料を塗布することによって形成することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、発電の元となる上昇気流を安定した状態に保持しつつ、風車へ作用する気流を確保し、これによって、効率がよく安定した発電を行ない、また、発電に用いられる機器の諸元が、上昇気流を生成する手段に左右されることのない、さらに、前記上昇気流が、発電に用いられる機器に直接作用することを防止して、その耐久性を向上させることのできる風力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態の概略を示すシステムブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における、上昇気流による外気吸気システムを示す要部の拡大縦断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態における、上昇気流による外気吸気システムを示す要部の拡大縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態の概略を示すシステムブロック図であり、上昇気流を生成するための風誘導塔１が設けられた高層ビル等の建築物Ｂと、前記風誘導塔１の下部に連設された発電ユニット２とを備えている。
【００３５】
前記建築物Ｂは、１００ｍｍ以上の高さを有することが好ましく、本実施形態においては、この建築物Ｂ内に設けられているエレベーターシャフトの一つを用い、その昇降機構を取り除いた状態で、前記風誘導塔１が形成されている。
【００３６】
前記風誘導塔１は、その下部に、建築物Ｂの内部に開口された吸気部３が設けられ、上端に、高所の外気に開放された排気部４が設けられている。
【００３７】
前記発電ユニット２は、前記風誘導塔１の下部から前記建築物Ｂを通って外部へ敷設された吸気管５と、この吸気管５に、前記建築物Ｂの外部において接続された風車６と、この風車６によって回転駆動される発電機７とを備えている。
【００３８】
前記風誘導塔１の内部で、前記吸気部３の上部には、前記風誘導塔１の内径を漸次狭めることによって形成されたオリフィス部Ｚが設けられ、このオリフィス部Ｚに対応して、前記吸気管５の一端部が取り付けられている。
【００３９】
すなわち、前記吸気管５は、図２に示すように、前記風誘導塔１の周壁を、前記オリフィス部Ｚと前記吸気部３との間の部位に貫通して敷設され、その一端部が、前記風誘導塔１の中心部において前記排気部４へ向けて折曲されるとともに、その先端部が前記オリフィス部Ｚの最小径部近傍に位置させられている。
【００４０】
前記吸気管５の他端部（建築物Ｂの外側に位置された端部）に、前記風車６が連設されている。
この風車６は、ケーシング８内に回転自在に装着されており、このケーシング８には、外気を引き込む風導入管９が設けられ、さらに、この風導入管９には、引き込まれる外気に含まれる粉塵等を除去するフィルター１０が装着されている。
【００４１】
そして、前記ケーシング８には、前記風導入管９から外気が引き込まれ、この外気が、前記ケーシング８内の風車６に作用した後に、前記吸気管５から前記風誘導塔１内に引き込まれるようになっており、前記外気がケーシング８内を通過する間に、前記風車６を回転させるようになっている。
【００４２】
前記風車６には、図１に示すように、前記ケーシング８を貫通して設けられた回転伝達軸１１を介してクラッチ機構１２が接続され、このクラッチ機構１２には、回転伝達軸１３を介して変速機構１４が接続され、さらに、この変速機構１４には、回転伝達軸１５を介して前記発電機７が接続されている。
【００４３】
本実施形態においては、前記吸気管５、風車６、発電機７、ケーシング８、風導入管９、フィルター１０、回転伝達軸１１・１３・１５、クラッチ機構１２、および、変速機構１４によって発電ユニット２が構成されている。
【００４４】
さらに、前記風誘導塔１の内面には、図２に示すように、蓄熱層Ｈが形成されている。
この蓄熱層Ｈは、たとえば、蓄熱塗料を塗布することによって形成され、あるいは、蓄熱材を貼付することによって形成される。
【００４５】
このように構成された本実施形態に係わる風力発電装置は、前記風誘導塔１内に、その吸気部３と排気部４との気体圧力の差に基づいた上昇気流が生成され、この上昇気流を用いて発電が行なわれる。
【００４６】
前記上昇気流は、たとえば、前記高所に位置する排気部４近傍の風速と低所に位置する吸気部３近傍の風速との差に起因した圧力バランスの崩れによって発生させられ、低所の気体が吸気部３から吸い込まれて高所の排気部４から排気される。
ここで、前記風誘導塔１は、その内部に上昇気流の流れに対して抵抗となる部材が存在せず、このため、均一な上昇気流が生成される。
【００４７】
このように、前記風誘導塔１内において上昇気流が生成されると、この上昇する気体が前記オリフィス部Ｚを通過する際に（図２に実線矢印で示す）、このオリフィス部Ｚにおいて圧力降下を生じ、大気圧より低い圧力の負圧領域が形成される。
【００４８】
このようにして前記オリフィス部Ｚが負圧状態となると、このオリフィス部Ｚの近傍に位置されている前記吸気管５の先端に負圧が作用し、この吸気管５内の気体が前記風誘導塔１内へと吸引され（図２に破線矢印で示す）、その内部の気体とともに上昇気流を生成しつつ、前記排気部４から外気へ放出される。
【００４９】
そして、前記吸気管５内の気体が前記風誘導塔１内に吸引されると、これに伴って、前記ケーシング８内の圧力が低下することから、このケーシング８内に、前記フィルター１０および風導入管９を経て外気が吸い込まれる。
【００５０】
これによって、前記フィルター１０から風導入管９、前記ケーシング８、および、吸気管５を経て前記風誘導塔１内へ至る気流が生じ、前記ケーシング８内を流れる気体によって前記風車６が回転させられ、この風車６の回転が、前記回転伝達軸１１、前記クラッチ機構１２、前記回転伝達軸１３、前記変速機構１４、および、前記回転伝達軸１５を経て前記発電機７へ伝達されることにより、この発電機７が回転駆動させられて発電が行なわれる。
【００５１】
本実施形態においては、前記風誘導塔１と前記発電ユニット２とを吸気管５を介して連結し、前記発電ユニット２の主要構成部材を前記風誘導塔１から独立して設置した構成となっている。
【００５２】
これによって、前記発電ユニット２は、前記建築物Ｂや前記風誘導塔１の形状や寸法等に係わらず、独立した諸元の元に製作することができ、その設計の自由度が極めて大きく、風力発電装置を設置する場所の気候状況等に応じた適切な諸元の風力発電装置とすることができる。
【００５３】
一方、本実施形態においては、前記風誘導塔１が前記建築物Ｂの内部に形成されており、この風誘導塔１に吸引される外気は、前記建築物Ｂの外部から引き込まれ、建築物Ｂ内の気体とともに吸引される。
【００５４】
ここで、前記建築物Ｂの内部気体は、前記建築物Ｂ内の電気機器から発せられる熱によって加熱されており、前記風誘導塔１の吸気部３内に引き込まれた際に、前記風誘導塔１の上部と下部とに温度差が形成される。
【００５５】
この温度差により、前記風誘導塔１内の上昇気流の速度が加速され、これに伴い、前記オリフィス部Ｚにおける前記吸気管５からの気体の吸引力も上昇するとともに、前記ケーシング８内の気体流速も上昇して、前記風車６に対する駆動エネルギーも上昇する。
【００５６】
この結果、前記風車６によって回転駆動される前記発電機７の駆動力も増加して、発電量や発電効率が向上する。
【００５７】
一方、前記風誘導塔１内においては、その内部の気体が前記蓄熱層Ｈに接触しつつ上昇移動する。
このような接触により、前記気体の熱が前記蓄熱層Ｈに伝導して蓄積される。
【００５８】
前記蓄熱層Ｈにおいて蓄熱された熱は、前記風誘導塔１の内部を暖めた状態に保持し、たとえば、低い温度の気体が吸引された際に、その気体を暖めて、この気体に上昇のためのエネルギーを与えることができる。
【００５９】
このような蓄熱層Ｈの作用によって、前記風誘導塔１内の上昇気流を安定したものとし、この点からも、前記発電ユニット２における発電効率や発電量の安定化を図ることができる。
【００６０】
ところで、本実施形態においては、前記風車６と前記発電機７との間にクラッチ機構１２を設けてある。
このクラッチ機構１２により、前記風車６が回転状態にある場合においても、この風車６と前記発電機７との間の回転伝達を遮断することができるので、この発電機７の保守点検時等において、前記風車６の稼働状態に左右されることなく作業を行なうことができる。
【００６１】
また、前記クラッチ機構１２と前記発電機７との間に変速機構１４を設けてある。
この変速機構１４は、前記風車６の回転を変速して前記発電機７へ伝達するようにしたもので、この変速比を適宜設定することにより、前記風車６から前記発電機７へ加えられる駆動力を適切なものに調製して、この発電機７の稼働状態を安定化することができる。
【００６２】
なお、前記実施形態において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００６３】
たとえば、前記実施形態においては、前記吸気管５の先端を、前記風誘導塔１の中心部において上方へ折曲形成することにより、この先端を、前記オリフィス部Ｚに位置させた例について示したが、これに代えて、図３に示すように、前記吸気管５の先端を、前記オリフィス部Ｚの最小径部に開口させるように設置することも可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１  風誘導塔
２  発電ユニット
３  吸気部
４  排気部
５  吸気管
６  風車
７  発電機
８  ケーシング
９  風導入管
１０  フィルター
１１  回転伝達軸
１２  クラッチ機構
１３  回転伝達軸
１４  変速機構
１５  回転伝達軸
Ｂ  建築物（高層ビル）
Ｈ  蓄熱層
Ｚ  オリフィス部
【要約】
【課題】発電の元となる上昇気流を安定した状態に保持しつつ、風車へ作用する気流を確保し、これによって、効率がよく安定した発電を行なうことのできる風力発電装置を提供することを課題とする。
【解決手段】下部に吸気部３が設けられ、上部に排気部４が設けられ、吸気部から排気部へ向かう上昇気流が形成されるほぼ鉛直方向に沿って設置された風誘導塔１と、風誘導塔の吸気部近傍に連通され、風誘導塔内の上昇気流によって外気を吸引する吸気管５と、吸気管の上流側に連設されて、吸引される外気流によって回転させられる風車６と、風車によって回転駆動される発電機７とを備え、風誘導塔の内面には蓄熱層Ｈが形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１【図１】
0005635652.tif 000002
【図２】
0005635652.tif 000003
【図３】
0005635652.tif 000004