(57)【要約】【課題】都市部においては、建物の構造体に付属あるいは一体化した占有面積の少ない発電装置が求められているが、風力を電気エネルギーに転換する装置（とくに横軸風車）は特有の低周波振動を惹起し、市街地に設置することが困難であった。また気流の速度（平均風速）が低いためエネルギー密度も低く、電力供給源としての実用性は乏しかった。【解決手段】これらの課題を解決するため、発電機一体型薄型ファンを並列多重に組み合わせた風力発電装置を提供する。発電機一体型薄型ファンを並列多重に組み合わせることで、低いエネルギー密度しかない低風速の気流でも、多段階で電気エネルギーに転換できる風力発電装置である。太陽光発電パネルを発電装置の周囲に設置することで、十分な風力が得られない場合でも安定して電力を供給することが可能となる。また気流によって建物自体が冷却されるため、直接に夏季の居住環境が改善する。【選択図】図２
2011058389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機一体型薄型ファンを並列多重に組み合わせた風力発電装置。
【請求項２】
風力発電装置の上部および側面に設ける気流圧縮用の整流板と太陽光発電パネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエネルギー密度の低い低風速の気流に対し、発電機一体型薄型ファンを並列ならびに重層することで、利用可能な気流エネルギーを拡大して発電する装置である。
【背景技術】
【０００２】
回転翼（プロペラ）を用いる風力発電装置は多数開発されているが、比較的エネルギー変換効率が高いと言われる横軸風車でも、低風速では十分なエネルギー密度が得られず、小型でエネルギー変換効率の高い風力発電装置は開発されていない。また横軸風車では気流方向と回転軸が一致していないと、回転力が生み出されない。このため回転翼を巨大化して風車の回転軸を風向に同調させることで、利用可能な気流エネルギーを拡大する試みがなされてきた。一部では横軸風車による商業発電も行なわれているが、市街地の近隣では騒音（低周波）障害などが発生するとして導入が進んでいない。一方、垂直軸風車は風向に回転軸を合致させる必要がないため小型軽量で可動部分が少なく、市街地での設置にも好適と考えられている。しかし垂直軸風車ではエネルギー変換効率の低さという基本的制約が拭い切れず、気流を整流板によって圧縮増速してエネルギー密度を高める工夫が行なわれている。このような場合は整流装置を巨大化しなければ十分に気流を圧縮することができず、整流装置の開口部断面積によって制約を受ける。なぜなら整流装置の性能を高めるには、奥行き（受風部から風車までの距離を拡大することが必要で、結果的に整流装置の大型化が避けられない。逆に風速が高まった場合には風車の回転数が至適領域を超えて変換効率が低下して行くため、安定した発電能力の維持は難しく整流装置の強度も問題となる。このように風力発電装置には幾つかの課題があり、現時点で市街地に設置可能な実用的装置は考案されていない。とくに装置全体（回転翼のみならず整流板も含めて）を大型化して発電量を増やそうとする限り、機械的強度の不足による破損や触雷あるいは騒音発生という課題が表面化して、市街地での設置要件を満たさなくる。また広大な敷地面積を必要とする装置では、都市部に用地を確保できないのは当然であろう。したがって実用化された風力発電装置は、高風速にも耐えられる横軸風車であり、海上や山間僻地に立地されてきた。ところが電力消費地である都市から離れた場所での発電には、送電ロスという別の問題が持ち上がってしまう。これら矛盾する要求を同時に満たす風力発電装置は、現在まで知られていない。
【０００３】
垂直軸風車による発電装置は多く考案されているが、もともと変換効率が低く、低風速すなわち気流エネルギー密度が低いという自然条件を克服することが難しい。そのため種々の整流板が工夫されているが、垂直軸風車は市街地の建物構造体に付加することが困難で、実用的な発電装置としては離島や山岳地帯などに適していると言わざるを得ない。このためエネルギー換効率の高い横軸風車が選好されるが、固有の欠点を克服する努力が必要である。
【０００４】
市街地での設置を前提とすれば、狭隘な都市空間においては建物構造体と一体化するか、あるいは道路などの公共空間を利用するしかない。建物構造体に付属した整流板を利用する場合、太陽光発電パネルと一体化しようとする試みは既に行なわれているが、外壁部分を整流板として気流を風車に導こうとすれば、風車までの距離が延長して気流抵抗が生じるのは避け難い。また整流板が建物外部に突出するという基本的な欠点が存在する。限られたスペースを利用してプロペラを設置しようとしても実用性に乏しい。道路などの公共空間を利用して都市部に横軸風車発電装置を設置しようとする場合、防風機能を主体と考えることも不可能ではない。このため小型プロペラを並列にならべ防風あるいは風力の減衰を主目的とした出願が見受けられるが、並列に置かれた回転翼で電気に転換できる気流エネルギーは限られており、風車を通過した気流のエネルギーは大きく減少しない。このため防風壁としての機能も限定されたものになる。仮に変換効率を１０パーセントと仮定しても、９０パーセントの風が通過することになる。さらに建物構造体に付属して設置することも困難（風の通過する地点でなければならない）で、市街地での実用性（発電および防風機能）は期待できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５ー１４７０５４
【特許文献２】特許第４０３５５３７号
【特許文献３】特開平９ー１８４３２９
【特許文献４】特開２００５ー５４７１８
【特許文献５】特開２００３ー２６２１８３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
化石エネルギーの涸渇および廃棄物の増大によって再生可能な自然エネルギー利用の拡大が求められているが、エネルギー密度の低い自然気流を電力に変換するには一定以上の風速が必要であり、低風速でも安定した出力を確保しようとすれば風車の大型化が避けられない。しかしながら変換効率の高い大型の横軸風車を常に風上に向け続ける風向調節装置は現実的でなく、一定の風速風向時にのみ発電が行なわれるため安定した電力供給源とはならない。また回転翼が固有の低周波振動を発生し、機械強度にも多くの困難を抱えるなど、市街地での発電には不適とされてきた。しかし遠隔地で発電された電力の送電ロスも課題となり、日本の気象条件では期待通りの発電能力が発揮されていない。逆に市街地での風力発電を実用化しようとすれば、周囲の環境に影響を与えず低風速でも安定した出力を発揮する風力発電装置が、喫緊に求められる課題となる。とくに風車ならびに整流板を含めた発電装置全体が小型であり、建物構造体と一体化して占有面積が少なくなければならない。あるいは発電装置が建物構造の一部として許容できる範囲にあることが求められる。さらに低風速でも発電できる高効率の風車が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は発電機一体型薄型ファンを並列（二次元）および多重（三次元）に並べ、開口部の上下左右に一定面積の整流板を設けた風力発電装置である。ただし整流板は設置条件によって割愛され、常に全ての面で必要とされる訳ではない。しかし上部の整流板は雨水ならびに直射日光から風力発電装置を守る役割を担うとともに、太陽光発電装置（パネル）を兼ねる構造となる。
【発明の効果】
【０００８】
発電機一体型薄型ファンを並列および重層化することで、低風速での発電能力を高めるとともに騒音の減弱および装置の小型軽量化が実現できる。また市街地では傾斜した屋根ならびに屋上平面への設置が可能となるため、送電ロスの少ない電力の地域供給が実現する。同時に市街地のビル風対策(ビル間の風速低減）にも寄与する。さらに多重化されたファンの上部に整流板を置くが、気流エネルギーの電気への転換効率を高めると同時に、整流板上の太陽光発電装置と組み合わせて電力供給の安定化が図れる。しかも単独の大風車（横軸風車）と異なり、小型軽量な発電機一体型薄型ファンを用いるため、特別な支持構造体を必要としない。たとえば太陽光発電パネルを設置する場合に、その下部構造として発電機一体型薄型ファンを並列重層化した風力発電機を設けることができる。また下部の整流板に屋根の傾斜構造を流用すれば、一般住宅などへの設置が容易となる。
【０００９】
最初に直立する正方形断面を想定した場合、単独の大風車と並列小型風車の占有（受風）面積は理論的に同一である。これは正方形に内接する円の面積比率が一定であることによるもので、一つの大きな正方形に内接する単独の円と、分割された小正方形の各々に内接する小円の面積合計は同一である。このため任意の正方形断面を想定すると、単独の横軸風車によって気流エネルギーを電力に転換するか、あるいは多数の小風車によって風力エネルギーを利用可能な電力に転換するかは、受風面積から考えると理論的に等価の課題となる。
【００１０】
また大型の横軸風車は回転翼の重量を片持ち梁（回転軸）で支えなければならず、回転数が上昇するにつれて回転翼に加わる遠心力が増大する。強風時の破損に備えて回転翼の機械強度を高めれば、それだけ翼の重量（慣性重量）が増すため、低風速で十分な回転力を得ることが難しくなる。これに対して小風車の集合体を想定すれば、機械強度の制約が少なく回転翼の慣性重量が少なくて済むため、低風速でも十分な回転力を得ることができる。また強風下でも破損が発生し難く、容易に回転半径（受風面積）内に占める回転翼の面積を増やすことが可能になる。これは翼端速度によって決定される機械的条件によるもので、小型風車の方が風速と無関係に気流エネルギーを電気に変換できる。
【００１１】
ただし小型の横軸風車を二次元に並列した場合、風向の変化に対応して風車群の向きを変更することは事実上困難となる。また翼の回転力を電気エネルギーに転換する機構が複雑化し、装置全体の重量が増加するのではないかと懸念される。単純に小型風車を寄せ集めた場合、風車同士の接触を防ぐ隙間も必要となり、さらに発電装置部分が占有する空間も必要となる。これらの課題は小型風車そのものに小型の発電装置を組み込む薄型ファンによって解決されるが、風向の変化に応じて風車群を直立（回転翼を風上に向け）させる機構を付与することは容易ではない。このため現実的には必ずしも風向に合わせて回転軸の方向を変えるのではなく、整流板によって気流方向を修正する方法が用いられる。本発明では風上側に向って開いた整流板を設け、風向を追従する装置を付加していない。これは都市部での建物構造体と一体化した設置を念頭においたもので、広大な敷地に設置することを前提とすれば装置を常に気流方向へ向ける構造を組み込むことも不可能ではない。しかし市街地での自給的発電を目的とする限り、こうした機構が果す役割は限られている。
【００１２】
重層した薄型風車は複数のブロックに分かれ、それぞれのブロックごとに異なる大きさの風車から構成されるが、これは気流の風力エネルギーが電気エネルギーに転換されるにつれて、風力（風速）が減衰することに対応するためである。もともと低風速でも一定の回転が得られる発電機一体型薄型ファンを用いるが、回転翼の直径を小さくすればするほど慣性重量が少なくなり、低風速でも回転し易い。しかしながら小口径の発電機一体型薄型ファンでは転換可能な気流エネルギーも小さくなり、装置全体の効率が下がる傾向にある。したがって異なる回転半径を持つ発電機一体型薄型ファンの集積が最も合理的である。
【００１３】
ブロック内部の発電機一体型薄型ファンの回転翼は、段毎にひねり角度が逆方向に設定されており、気流に対して常に逆回転するように設定される。これは装置全体のトルクを打ち消す役割を果すとともに、回転翼に衝突した気流の方向が変化することを想定したものである。また一段ごとにひねり角度が大きくなっているが、これも気流エネルギーの減少に対応したものである。これらの工夫によって、小口径の発電機一体型薄型ファンといえども実用的な電力供給源となる。
【００１４】
小口径の発電機一体型薄型ファンは機械振動が少なく、気流による回転翼の歪みも事実上無視できる範囲にある。このため回転数が上下しても、大型風車のような低周波騒音を発生しない。したがって都市部に設置したとしても、騒音被害を考慮する必要がなくなる。また下部の整流板（たとえば傾斜屋根）に断熱材を用いれば、住宅の外断熱性能を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は発電機一体型薄型ファンを並列多重に組み合わせた風力発電装置の正面図である。直立した平面に発電機一体型薄型ファンを並列することで、ほぼ大型の風車に等しい有効な風受け面積を確保することができる。大型風車の場合には回転翼の慣性モーメントが大きくなると機械強度を増加する必要が拡大するが、発電機一体型薄型ファンを多数配置する方式では、機械強度の増加は最小限に抑制される。また風受け面積はファンの数を増やすことで容易に拡大でき、さらに二次元の形状も比較的自由に決定できる。
【図２】図２は発電機一体型薄型ファンを並列多重に組み合わせた風力発電装置の側面断面図である。上部および両側の整流板によって気流はファンに向い、風上側の発電機一体型薄型ファンを回転させた気流は次の発電機一体型薄型ファンの回転翼に衝突して回転力となる。風上側の発電機一体型薄型ファン群でエネルギーを失った気流は減速するが、至適回転数の異なる発電機一体型薄型ファンを回転させるだけのエネルギーを保持しており、第二段以後のファンを回転させる。複数個の発電機一体型薄型ファンによってエネルギーの低下した気流は、斜行する整流板によって圧縮および増速され、次の小型薄型ファン群に到達する。最初の薄型ファンより小型薄型ファンの慣性力は小さく、このため低速の気流によっても回転力が得られる。同様に小型ファン群を経た気流は次の超小型ファン群に到達して、気流エネルギーを放出しながら次第に風速を低下して行く。
【図３】図３は整流板に太陽光発電パネルを併設する場合の側面断面図である。いわゆる太陽光発電装置の設置が推進されているが、建物構造によって発電パネルの下に死腔が発生し易い。とくに水平な屋上や地表に太陽光発電パネルを設置すると、主として北側に開いた死腔が生じる。ここに本発明の発電機一体型薄型ファンを並列多重に組み合わせた風力発電装置を設置するならば、太陽光発電パネルにかかる風圧を減弱し、また日射が少なくて風のある時期（たとえば夜間）に補完的な電力供給が行える。逆に発電機一体型薄型ファンが雨水や直射日光に曝されなくなるため、ファンの機械的寿命が延長する。
【図４】図４は複数の発電機一体型薄型ファンを回転させる気流と回転翼の構造を示した断面の説明図である。奇数段と偶数段の回転翼のひねり角度が正反対に設定されており、回転翼によって生じる気流の偏向を最大限に受け止める構造となっている。
【図５】図５は実施例１の側面断面図である。傾斜角を持つ屋根の上に整流板を張り出させ、本来の屋根との間に風力発電装置を設置する。これにより整流板上部の太陽光発電パネルが水平に近づき、太陽光を電気エネルギーに転換する効率が上昇する。また導風路を設けることで太陽光発電パネルの裏面（下面）を気流が吹き抜け、太陽光パネル本体が冷却される。導風路を通過する気流は外気温以上に上昇せず、建物本体に熱を伝達および蓄積しない。こうした場合、建物の外壁に当った気流は上昇して整流板の内部に流れ込むが、これは建物自体が整流板としての効果を発揮することを意味する。
【図６】図６は実施例２の側面断面図である。傾斜角を持つ片屋根そのものを整流板および太陽光発電パネルとする構造であり、いわゆる屋根裏に風力発電装置が設置されることになる。この場合、建物本体の上部構造が防水および防音断熱機能を有していなければならないが、整流板の上部に設置される太陽光発電パネルの面積が大きくなり、風力発装置の開口部も大きくなるため全体の発電量が増加する。また上記の導風路を太陽光発電パネルの裏面に設けることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は地上のみならず平坦な屋上あるいは傾斜した屋根にも取り付けることができる。また垂直壁にも設置可能であるが、この場合は建物構造体の外部に張り出すことになり、未利用の空間を有効に活用することに繋がらない。このため実施するための最良の形態は、都市部における一般住宅（とくに傾斜屋根をもつ建物）あるいは平坦な屋上を有する建物である。これらにおいては地表占有面積を増やすことなく、太陽光発電パネル３の補完的な役割を果す。また都市部におけるビル風の低減にも寄与する。
【実施例１】
【００１７】
図５は傾斜した屋根とくに北側に設置した場合の側面断面図である。本来の屋根は北側に向って下がっている構造のため、太陽光発電パネル３などを設置しても十分に日射を利用できない場合がある。このような場合でも発電機一体型薄型ファンを並列多重に組み合わせた風力発電装置２を設置すれば、自由に太陽光発電パネル３の傾斜角を決定できるため、風力による発電のみならず太陽光発電パネル３の受光面積を増すことが可能である。
【実施例２】
【００１８】
図６は片屋根の屋根裏に発電機一体型薄型ファンを並列多重に組み合わせた風力発電装置
２を設置した場合の側面断面図である。整流板によって集められた気流は太陽光発電パネル３を冷却し、同時に建物の天井部分を吹き抜けるため、天井部分の温度上昇が気温と同程度に抑制される。このため外断熱工法を用いれば冷房の必要性が著しく低下する。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は広く都市部において、利用可能な気流エネルギーを多段階に電気エネルギーに転換する発電機一体型薄型ファンを並列多重に組み合わせた風力発電装置である。建物の屋根あるいは屋上部分に設置することで、周囲の環境に対する負荷を最小限に抑制しつつ、風力の有効利用を達成することができる。また太陽電池パネルを設置するスペースと本発明の設置条件が重なることから、本発明の占める面積あるいはスペースは、実質的に無視できる。しかも太陽光が利用できない夜間や雨天でも発電が可能なため、太陽光発電を補完するエネルギー源として貴重である。
【符号の説明】
【００２０】
１  気流
２  発電機一体型薄型ファンを並列多重に組み合わせた風力発電装置
３  太陽光発電パネル
【図１】
2011058389.tif 000003
【図２】
2011058389.tif 000004
【図３】
2011058389.tif 000005
【図４】
2011058389.tif 000006
【図５】
2011058389.tif 000007
【図６】
2011058389.tif 000008