(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  基礎１３から鉛直方向に立設した筒状部材１４からなる風洞と、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１５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１６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１７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２１と、該タービンにより駆動される発電機２２とを備えた風力発電装置である。【選択図】  図３
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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からなる風洞と、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ことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
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ことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
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ことを特徴とする請求項１又は２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、上述のものでは、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】
上記目的を達成するため、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からなる風洞と、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ことを特徴としている。
【０００６】
特に、本発明の風力発電装置は、前記集風板が筒状部材の周方向に６枚が等間隔で設けられていること、さらに、前記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ことを特徴としている。
【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。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。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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１乃至図６は、本発明の風力発電装置の一形態例を示すもので、図１は一部断面正面図、図２は横断面図、図３は装置中央部の縦断面図、図４は装置中央部の横断面図、図５は装置下部の縦断面図、図６は逆流防止手段の一例を示す縦断面図である。
【０００９】
この風力発電装置１０は、地下に発電機室１１を設けた地上に集風手段１２を設けたものであって、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の壁面に固定された６枚の集風板１５と、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、筒状部材１４の壁面に設けられた風取込口１７とを有している。
【００１０】
筒状部材１４は、その内部に地下の発電機室１１に至る風洞１８を形成するものであって、横断面は、周壁を周方向に１２等分した正１２角形状に形成されており、各辺には、前記集風板１５の取付部と前記風取込口１７とが交互に設けられている。この筒状部材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、筒状部材１４は、高さ方向全体を同一径としてもよく、筒状部材１４の強度や風洞１８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】
集風板１５の基部は、筒状部材１４の外壁に固着されており、２枚の板状部材と骨部材とを組み合わせることによって幅方向中間部が僅かに弓状に膨らんだ形状としている。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】
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、図２に示すように、集風板１５を筒状部材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枚の集風板１５によって風を中心部に集めて風洞１８内に導くことができる。なお、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。
【００１３】
このように設置した集風板１５により集められた風は、下方が基礎１３、上方が天板１６によって囲まれた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になって風洞１８内に流入する。
【００１４】
筒状部材１４及び集風板１５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。
【００１５】
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、風力発電装置の高さと直径（集風板１５の先端部を通る円の直径）の比率も任意に決定することができる。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。
【００１６】
建築物としての風力発電装置１０の強度は、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、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、必要に応じて集風板１５の先端等に集風板同士を連結する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。
【００１７】
前記風取込口１７は、筒状部材１４の壁板を上辺を残して筒内側に四角形状に打ち抜くことによって壁板に開口１７ａを設けたものであって、内部側（風洞１８側）には、開口１７ａの上部を覆う形状の風ガイド１７ｂが形成されている。さらに、開口１７ａの外部側には、筒状部材１４の外部から筒状部材１４の内部に向かう風の流通のみを許容する逆流防止手段１９が設けられている。
【００１８】
逆流防止手段１９は、風取込口１７側及び下方が開口した弁箱１９ａと、該弁箱１９ａの下部に設けられた弁座部１９ｂと、該弁座部１９ｂを開閉する球状弁体１９ｃとで構成した、いわゆるリフト式の逆止弁構造を有するものであって、風取込口１７における外部側の圧力が内部側より高くなると球状弁体１９ｃが弁箱１９ａ内で風圧により浮上することにより弁座部１９ｂと開口１７ａとが連通し、内部側の圧力が外部側よりも高くなると球状弁体１９ｃが自重及び風圧により弁座部１９ｂに押し付けられて弁座部１９ｂを閉塞する。
【００１９】
したがって、風上側に位置した逆流防止手段１９は、風圧によって自動的に開状態となり、風上側以外の逆流防止手段１９は自動的に閉状態となるように形成されている。なお、逆流防止手段１９にはスイング式やバネ式の逆止弁構造も採用できる。また、球状弁体１９ｃをゴム製とすることにより、弁座部１９ｂとの密着性を向上させて確実な閉塞状態が得られる。
【００２０】
このように形成した風取込口１７及び逆流防止手段１９は、弁箱１９ａの下方のみを開口させていることで、開口１７ａから風洞１８内への雨水の浸入を抑えることができ、風ガイド１７ｂによって風洞１８内に下方の発電機室１１に向かう風の流れを形成することができる。また、逆流防止手段１９によって風洞１８内に取り込んだ風が吹き抜けることを防止しているので、風洞１８内に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。
【００２１】
風取込口１７の大きさ（流量）や設置数は、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も大きなものとすればよい。
【００２２】
地下に設けられた発電機室１１には、風洞１８内に取り込んだ風によって回転駆動されるタービン２１と、このタービン２１によって駆動される発電機２２と、その他の送電設備等が設けられている。このタービン２１及び発電機２２には、風洞１８からタービン２１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２１及び発電機２２は、一つの風洞１８に対して複数設け、風速に応じて発電機２２の稼働数を増減させるようにしてもよい。
【００２３】
一方、風洞１８の上下両端部には、風洞１８内に取り込まれた過剰の風を排出する余剰風排出部２３，２４がそれぞれ設けられている。この余剰風排出部２３，２４は、強風時におけるタービン２１の過負荷を防止するためのものであって、風洞１８内の圧力があらかじめ設定した圧力を超えたときに風洞１８内から外部に圧力を逃がす構造の弁、例えば保圧弁を使用することができ、また、逆流防止手段１９と同じ構造で、球状弁体１９ｃの重量を設定圧力に応じて調節したものを使用することも可能である。
【００２４】
余剰風排出部２３，２４の作動圧力は同一に設定することができるが、風洞１８内の風の流れを考慮すると、下方の余剰風排出部２３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２３，２４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２４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２３のみが作動して風洞１８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２４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２１等の機器を確実に保護することができる。
【００２５】
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、発電機２２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、風洞１８の底部には風洞１８内の水分を排出するドレンを設けておくことが好ましい。
【００２６】
さらに、風取込口１７から風洞１８内に異物が侵入することを防止するため、風取込口１７の外側にスクリーン２５を設置しておくことが好ましい。スクリーン２５は、例えば、通常の金網等を利用して形成することができ、方形の金網２５ａの四辺をフレーム２５ｂにて保持し、このフレーム２５ｂを隣接する集風板１５間に上下方向に適当な間隔で設けた水平方向の支持部材２６で支持することによって所定位置に設置することができる。また、支持部材２６を設けることにより、隣接する集風板１５の基部付近同士を連結して集風板１５の基部を補強することができる。さらに、集風板１５の基部付近に梯子（ステップ）２７をそれぞれ設けておくことにより、逆流防止手段１９やスクリーン２５の保守、点検を行うことができる。
【００２７】
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るので、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。
【００２８】
また、天板１６の上面は、天板１６の高さや広さに応じて様々な用途が考えられる。例えば、僻地や離島に設置した風力発電装置では、平板状態のままでもヘリポートとして利用でき、天板１６の上に電波塔や無線中継所、測候所、天体観測所等を設置することもできる。さらに、都市部や近郊に設置した風力発電装置ならば、集風板１５の側面１５ａを広告宣伝用として利用することができ、集風板１５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。なお、天板１６の高さが所定高さを超える場合には、法規に基づいて航空障害灯を設置したり、所定の塗色を施す必要がある。
【００２９】
図７及び図８は、本発明の風力発電装置の上部に建物を設置した形態例を示すもので、図７は正面図、図８は横断面図である。本形態例では、集風板１５の先端を結ぶ直線に対応させて平面視六角形の建物３１を構築するとともに、屋上３２にアンテナ３３を設置している。さらに、各集風板１５の間には、水平方向の作業フロア３４を複数段設けるとともに、各作業フロア３４及び建物３１を支持するための複数の支柱３５を設けている。加えて、本形態例では、集風板１５の内部にエレベータ３６を収容して建物３１への昇降を容易に行えるようにしている。
【００３０】
例えば、大規模発電用として、高さが１５０ｍ程度、集風板１５の直径が１００ｍ程度の風力発電装置を考えると、風洞１８を形成する筒状部材１４の外径は１０ｍ程度となる。この筒状部材１４の外周は約３０ｍとなるので、１２等分すると約２．５ｍとなる。風取込口１７を設ける部分の幅寸法を多少狭くすれば、集風板１５の基部の厚さを約３ｍとすることができるので、集風板１５の内部にエレベータ３６や非常階段を収納するのに十分なスペースが得られる。さらに、集風板１５の底部をエレベータ３６への通路３７として利用することもできる。
【００３１】
なお、集風板１５の基部に十分なスペースが得られない場合は、集風板１５の中間部や先端部にエレベータを設けることもできる。また、エレベータを設ける場合には、平均的に風下側となる部分に設けることが望ましく、必要に応じて２方向以上に分散して設けることも可能である。
【００３２】
このようにしてエレベータ３６を設置することにより、建物３１内を一般の人が利用可能な展望フロアやレストランとして活用することができ、また、アンテナ３３を管理、使用する事業者の事務室等としても活用することができる。したがって、風力発電装置としての機能だけでなく、様々な機能を付加することができる。
【００３３】
風力発電装置１０の大きさを試算したところ、例えば、風洞直径０．３ｍ、高さ３〜５ｍ、直径１〜２ｍ程度で一般家庭や農業用ハウス等の電力供給用として利用することが可能であり、風洞直径０．６ｍ、高さ４０ｍ、直径４ｍ程度にすれば小規模なビルやマンションに、風洞直径１ｍ、高さ８０ｍ、直径１０ｍ程度にすれば工場やビルやマンションに、風洞直径２ｍ、高さ１００ｍ、直径２０ｍ程度にすれば大きな工場あるいは地域の発電施設に、それ以上の大きさにすれば、例えば風洞直径３ｍ、高さ１５０ｍ、直径５０ｍ、さらに、風洞直径４ｍ、高さ２００ｍ、直径８０ｍ、また、風洞直径１０ｍ、高さ３００ｍ、直径２００ｍ等の風力発電装置１０を構築することにより、都市部や近郊部、工業団地等での発電施設としても十分に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の風力発電装置の一形態例を示す一部断面正面図である。
【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】装置中央部の横断面図である。
【図５】装置下部の縦断面図である。
【図６】逆流防止手段の一例を示す縦断面図である。
【図７】本発明の風力発電装置の上部に建物を設置した形態例を示す正面図である。
【図８】同じく横断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…風力発電装置、１１…発電機室、１２…集風手段、１３…基礎、１４…筒状部材、１５…集風板、１６…天板、１７…風取込口、１７ａ…開口、１７ｂ…風ガイド、１８…風洞、１９…逆流防止手段、１９ａ…弁箱、１９ｂ…弁座部、１９ｃ…球状弁体、２１…タービン、２２…発電機、２３，２４…余剰風排出部、２５…スクリーン、２６…支持部材、２７…梯子、３１…建物、３２…屋上、３３…アンテナ、３４…作業フロア、３５…支柱、３６…エレベータ、３７…通路
【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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【図８】
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