(57)【要約】　　　（修正有）【課題】低風速の有効利用、強風時の制御、および最強風時の自己防御手段を備えた風力発電装置を提供する。【解決手段】筒状構造体１，台形状錐体２の構造体により、風速を数倍に増幅し、増幅度の２乗倍の風力エネルギーとして風力発電を行う。強風時にも安定な発電を行うため、増幅度を制御するための扉を用いている。また軽量化を図るため、強風時に錐体が分割され開いてしまう機構の台形状錐体２を用いている。【選択図】図１
2004100672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の筒状構造体（以下筒と称す）と、筒の断面と同様の形状の底面を有し天面が底面より小さな面積の円に近い形状である中空の台形状錐体（以下錐体と称す）と、前記錐体の天面に接する円の直径と概略同じ直径のプロペラ型風車（以下風車と称す）と、電力を発生する発電機と、前記風車に連結し風車の回転数を変更するかまたは変更せずに前記発電機に回転を伝達する伝達機構と、前記の筒の一方の底面（以下前面と称す）を風上の方向に向ける方向板と、前記の筒および前記伝達機構および前記発電機および前記方向板を支持する第１の支持機構と前記第１の支持機構を回転可能な様式で支持する第２の支持機構で構成され、前面または前記の筒の断面に、前記の錐体の底面を取り付け、その錐体の天面近くに前記風車が位置する構造の風力発電装置。
【請求項２】
前面または第１の支持機構に取り付けられ発電機の出力を制御するための要求により前面を覆うことで、前面の実効開口面積を変更することを可能とする機構の扉を付加した請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
筒の断面が多角形で、錐体が前記多角形の辺数と同数の台形状の板（以下台形板と称す）で構成され、前記台形板の底辺は前面または筒の断面の１辺で筒の内面に取り付けられ、前記の台形板が、筒に取り付けられた底辺を中心として、隣接する台形板の斜辺が互いに接して錐体を構成する第１の位置から筒の内面に接する第２の位置まで移動可能な構造とした請求項１記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関わるものである。
【従来の技術】
【０００２】
風力発電は、各地で広く実用化されている。主として、強い風力が得られる地域に大型の風力発電装置を設置して、大きな電力を得るように大型化の技術開発がなされた。しかし、弱い風速の風で発電する方面の技術開発はあまり実施されていない。
【０００３】
風が持つ１秒間のエネルギーは、下記の式で表される。
【数１】
ρＡＶ３÷２　　　　　　（１）
ここでρ：空気の密度、Ａ：受風面積、Ｖ：風速（秒速）である。この式は、運動体が持つエネルギーを表す式
【数２】
ｍＶ２÷２　　　　　　　（２）
で、受風面積　受風面積Ａが１秒間に受ける空気の体積は、ＡとＶの積であり、その重量ｍは、ρを空気の密度とすると、
【数３】
ｍ＝ρＡＶ　　　　　　　（３）
となるので、式（２）のｍにρＡＶを代入することで得られる。面積Ａが、１秒間に受けるエネルギーは、面積Ａに比例し、風速Ｖの３乗に比例する。　風速が大きい程、３乗に比例して大きいエネルギーが得られるので、大型風車では、高い風速で所定の出力が得られるように設計し、低い風速のエネルギーを利用することは、あまり考慮されていない。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、風力の少ない都市に設置する風力発電装置に関して、低風速の有効利用、強風時の制御、および最強風時の自己防御の技術課題を解決するものである。
【０００５】
通常、都市ではあまり強い風は吹いていないことが多い。ある都市の実測例では、１時間平均の風速で１年間を通じて、毎秒１ｍから１０ｍの風が吹き、秒速２ｍ近辺の風が多い。１０ｍ以上の風は、突風的には吹くが１時間平均して吹くことは１年間に数時間しかない。しかし、年間の最大風速は３２．９ｍで、突風的に強い風が吹く。室戸岬では、１時間の平均風速が秒速４ｍから２２ｍであり、秒速６ｍが最も頻度が多い。実測した都市の風速とは異なる。実測例は１都市であるが、他の多くの都市でも、ビル風を除き、私見であるが強い風が吹く印象は少なく、概略この都市の例に近いと思われる。この都市の例で、低風速の有効利用を設計しておき、強い風に対応する機能を考慮しておけば、風の強い都市では問題なく運転できる。この実測例により、都市に設置する風力発電機は、発生頻度が多い風速２ｍ程度の低風速のエネルギーも有効に利用することを考慮することが肝要である。低風速を有効利用すると、逆に高風速では、風車が高速回転となり、定常運転範囲として定められた最高回転数以下になるように制御することが必要になる。場合によっては、風車の負荷となる蓄電池が満充電であるなどの条件により、発電を制御しなければならないこともある。また、突風的に非常に強い風が吹くので、突風で風力発電装置が破壊されないように対策する必要がある。
【発明が解決するための手段】
【０００６】
本発明の風力発電装置で、低風速の風力エネルギーを有効利用するための発明の部分は、筒と、筒の内面に取り付けられ天面が円に近い形状である錐体の部分である。　筒の前面から取り込んだ風は錐体で絞り込まれ、風速が絞り込んだ分だけ速くなる。これは、風速が増幅されたことを意味している。　また筒で錐体を覆うことにより、風の回り込みによる風速増幅の性能の劣化を少なくしている。風速の増幅度ｇは計算値として、
【数４】
ｇ＝（錐体の底面の面積）÷（錘体の天面の面積）　　（４）
で与えられる。しかし、台形状錐体による紋り込みの角度が急であったり、増幅度が大きかったりすると、風の回り込みが大きく、増幅度ｇの実際値は計算値より小さくなる。錐体の角度を緩くして長い錐体とし、筒も十分に長くして回り込みを防ぎ、特に筒の出口側にも台形状錘体を逆向きに使用して徐々に風速を緩和するれば、計算値に近い増幅度とすることができる。しかし、風力発電装置は大きな形状の物体であり、あまり長くすることは強風を防御する面で好ましくない。本発明では、実測例の都市で発生頻度の高い秒速２ｍの風を５ｍに増幅して発電が可能な状態にすることを目標とした。実施例では、錐体の底面の面積は３．０ｍ２、天面の面積１ｍ２で、絞り込み面積は３分の１であり計算増幅度は３．０である。
【０００７】
秒速２ｍの風を３．０ｍ２の面積で受風したときの風の持つエネルギーをＷ１、計算値として風速を３倍して秒速６ｍとし、１．０ｍ２の面積で受風したときの風の持つエネルギーをＷ２とすると、（１）式により
【数５】
Ｗ１　＝　ρＡＶ３÷２＝　ρ×３×２×２×２÷２＝１２ρ
【数６】
Ｗ２　＝　ρＡＶ３÷２＝　ρ×１×６×６×６÷２＝１０８ρ
計算値としての風のエネルギーＷ２はＷ１の９倍となっている。
【０００８】
風のエネルギーを風車により回転エネルギーに変換するが、理想的な風車を使用しても、風の持つエネルギーの約５割しか利用できないことが分かっている。しかも、実際の風車は、理想風車の７割程度の効率である。理想風車の７割の効率の風車で、風速２ｍの風を受風面積３．０ｍ２の風車で受けると風車の出力は、約６Ｗ（ワット）と計算される。同様に風速５ｍの風を受風面積１．０ｍ２の風車で受けると風車の出力は、約３１．８Ｗと計算される。（「小型風車ハンドブック」牛山・三野共著　パワー社による）実際には、風速２ｍ程度の風では、従来の風車は摩擦等の損失で風車が回り始める限界で、風車の出力はほとんど０Ｗである。風速２ｍ以上で風車が回りだし風車の出力が、得られるようになる。結論として、都市で最も発生頻度の多い風速２ｍの風を発電に利用するためには、風速の増幅が重要な要件である。筒や錐体など、大きな構造物が必要であるが、風速２ｍの風を利用できる利点は大きい。
【０００９】
本発明の風力発電装置では、風速増幅機構により、風速２ｍの風を増幅して利用することを既に述べた。この増幅機構は、風速が大きい場合にも有効であるため、風車の出力を制御する必要がある。例えば、風速２０ｍの場合は、風車の風は風速５０ｍの暴風となってしまう。風速の増幅度を制御するために、本発明では、筒の前面に扉を装備し、扉の開度を制御することで、風速の増幅度を制御するものである。扉を閉め切れば、増幅度を０とすることができる。また扉の形状を流線型とすれば、風による力を減らすことができる。扉の開度の制御は、簡単なものでは、風速を利用するものがあるが、発電機の出力の要求により扉の開度を制御するのが望ましい。発電機の負荷となるバッテリーが満充電状態で、これ以上充電ができない場合は、扉を閉めて発電を止めるように制御すればよい。また、暴風時には、発電機の出力を制御することで、扉はほぼ閉じた状態になり、発電機の異常な高速回転を防ぐことができる。風速増幅機構を装備すれば、増幅度を制御する機構の装備も望まれる。
【００１０】
筒や錐体、前面扉など、大型の構造物は、暴風に耐えるように強固に製作されなければならない。また、これらの構造物を支える支持機構や、回転する支持機構も、頑丈に製作されなければならない。しかし、これらの構造物は、単純な構造であるため、頑丈に製作したからといって、あまり高価になるわけではない。
【００１１】
本発明の風力発電機は、都市に設置することを意図しており、民家の屋根にも設置される。この場合には、できるだけ、重量を軽くすることが望まれる。大型の構造物を、風に逆らわない構造にすることで、強度を削減して、重量軽減を図ることができる。一つの実施例として筒の断面を正方形とする。錐体は、４枚の台形板で構成する。各台形板の底辺は、筒の前面の各辺に、蝶番で取り付ける。４枚の台形板の斜辺が互いに接する位置を第１の限度位置とし、台形板が、筒状構造体に接する位置を第２の限度位置とし、台形板は、第１の限度位置と第２の限度位置の間を移動可能とする。第１の限度位置には、台形板がそれ以上移動しないように、移動を停止する構造物を設置する。台形板は、バネにより通常第１の限度位置にあるものとする。台形板は、風圧等で強く押されると第２の限度位置まで移動する構造とする。４枚の台形板が、第１の限度位置にあるときには、錐体を構成する。ただし、この錘体の天面が、正方形で、円形では無いため、風車との間に隙間ができてしまう。隙間があっても、動作上は大きな問題では無いが、台形板の上辺が、円の４分の１を形成し、４枚で円となるように、台形板を変形しておくのもよい。所定の風速以上になれば、風圧により台形板が移動して風の抵抗を減らす。風圧により台形板が筒の内面に接する状態となり、風速の増幅度を下げることになる。　この方式では、風速の増幅度を１以下にすることは出来ないが、風は筒を抜けて行くため、風が、錐体を押す力を軽減することができる。また、台形板が移動することで、風速の増幅度が概略１倍に近くなり、風車の保護になる。しかし、増幅度を１倍以下に制御することは出来ず、風車は、強風下での高速回転にも耐える設計にするか、高速回転にならないようなブレーキ機構が必要である。台形板の移動制御は、風圧で行う方法を実施例としたが、別な実施例として、移動制御機構を設備して正確に移動制御を行ってもよい。
【発明実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
本発明の第１の発明は、筒と、筒の断面と同様の形状の底面を有し天面が底面より小さな面積の円に近い形状である錐体と、前記錐体の天面に接する円の直径と概略同じ直径の風車と、電力を発生する発電機と、前記風車に連結し風車の回転数を変更するかまたは変更せずに前記発電機に回転を伝達する伝達機構と、前記の筒の前面を風上の方向に向ける方向板と、前記の筒および前記伝達機構および前記発電機および前記方向板を支持する第１の支持機構と前記第１の支持機構を回転可能な様式で支持する第２の支持機構で構成され、前面または前記の筒の断面に、前記の錐体の底面を取り付け、その錐体の天面近くに前記風車が位置する構造の風力発電装置・としたもので、錐体の構造物で、風の速度を増幅して発電するものである。風の増幅度を、確保するために筒により、錐体の天面側への風の回り込みを少なくしている。この風力発電装置は、強風時にも発電機や支持機構を余裕のある設計とする必要がある。
【００１３】
本発明の第２の発明は、前面または第１の支持機構に取り付けられ発電機の出力を制御するための要求により前面を覆うことで、前面の実効開口面積を変更することを可能とする機構の扉を付加した本発明第１の発明の風力発電装置・としたもので、強風の場合は発電機が高速回転になり発電量が所定値を越えるようになり、発電機の出力を制御するための要求が発電量を少なくする要求となる。この要求により風の入り口である筒の前面を、扉により必要量だけ覆って、発電機が所定以上の高速回転にならないようにしている。扉の開閉は、モーターにより制御している。扉は、風の抵抗が少ないように丸形の流線型としている。本実施例の風力発電装置は、筒など大型の構造物が強風に耐えるように、頑丈に製作する必要がある。
【００１４】
本発明の第３の発明は、筒の断面が多角形で、錐体が前記多角形の辺数と同数の台形板で構成され、前記台形板の底辺は前面または筒の断面の１辺で筒の内面に取り付けられ、前記の台形板が、筒に取り付けられた底辺を中心として、隣接する台形板の斜辺が互いに接して錐体を構成する第１の位置から筒の内面に接する第２の位置まで移動可能な構造とした本発明第１の発明の風力発電装置・としたもので、風速増幅機能を有した風力発電装置の重量を削減して民家の屋根に設置することを意図したものである。主として風の力を受ける部分は、錐体と風車である。風車が受ける力の低減は、風車の翼を可変ピッチにするなどの提案がされているが、本発明の風車は小型のものなので、風車が受ける力の低減は配慮していない。本発明の場合、風の力を受けるのは、風を３分の１に絞る錐体である。この錐体を、４枚の台形板で構成し、これを取り付ける筒の断面も正方形とした。強風時には風圧で、台形板が、筒に接するように開き、風の力を削減するようにしている。強風が収まればバネにより錐体の形状に戻る。前記の仕組みにより、強風時に風の力をうけるのは、主として風車のみとすることができて、大型構造物の強度を削減し、重量低減をすることができる。
【実施例】
本発明の実施例を図面をもちいて説明する。
【００１５】
本発明の第１の発明の実施例を図１に示す。図１において、筒状構造体（筒）１は、中空の筒で、実施例では、断面を正方形としたが、円形でも、角を丸めた方形でも構わない。台形状錐体（錐体）２は、筒１の断面と同じ形状の底面をもち、天面が円形である中空の錐体である。錐体２で、風を絞り込み、風速の増幅を行う。底面の面積と、天面の面積比で増幅度は決まるが、増幅度には限界がある。風を絞り込む角度が急であると、風が錐体２に入らず外に逃げてしまうためである。また、錐体２の天面に外部の風が回り込んだりするためである。筒１により、錐体２の天面に風が回り込むのを防いでいる。本実施例では、絞り込み面積を３分の１とした。風車３は、錐体２の天面の円の直径と概略同じ直径のもので、錐体２で増幅された風を受けてそのエネルギーを回転力に変える。伝達機構４は、風車３の回転数を、増速するか、減速するか、または同じ回転数で、発電機５に伝達する。増速、減速または等速で伝達するのは、風車の回転数と発電機の回転数を整合するためである。方向板６は、回転機構８により、筒１の前面を風上の方向に向ける。第１の支持機構７は、筒１，伝達機構４，発電機５を支持する機構である。指示機構７は回転機構８を介して第２の支持機構９の支持を受ける。第２の支持機構は、風力発電装置が設置される台に取り付けられる。
【００１６】
本発明の第２の発明の実施例を図２に示す。図２において、筒１から第２の支持機構９までは同じもので、説明を省略する。扉１０は、開閉軸１２を中心に回転して、筒１の前面の実質開口面積を減らすことができる。開閉用歯車１１は、開閉駆動モーター１３の駆動により扉１０を回転させる。図示を省略したが、発電機５からの電力出力１５を監視して出力を上げるまたは下げる要求を検出する仕組みからの出力制御入力１６を受け、開閉制御駆動部１４が開閉駆動モーター１３を駆動する。扉１０は、風の抵抗を減らすため丸形流線型としている。強風時には、発電機が高速回転して電力出力が許容限度に近くなる。これを電力出力１５を監視する外部の仕組みが検出して、出力制御入力１６に出力を下げるように要求が来る。開閉制御駆動部１６は、扉１０を閉める方向に駆動する。扉１０により強風時にも安定した発電をすることができる。このことで、扉１０により風車３，発電機５の防御も行われることになる。
【００１７】
本発明の第３の発明の実施例を図３に示す。図３おいて、筒１の断面を正方形とし、錐体２の形状が異なる以外は、図１に示した本発明第１の発明の実施例と同じである。錐体２を、４枚の台形板で構成し、台形板の底辺を蝶番で筒１の前面または断面の１辺にとりつけ、４枚の台形板が、台形状錐体を構成する第１の位置から、筒１に接する第２の位置まで、移動可能な機構としている。台形板の移動範囲を決めるための、台形板受け構造物２１と、縦方向バネ２２，横方向バネ２３により、通常状態では、台形板が錐体を構成するようにしている。強風時には、風圧により台形板は、筒１に接する方向に移動する。図には明示していないが、移動を安定にするために縦方向バネ２２の中央および横方向バネの中央が、台形板受け構造物２１に支持され、各バネには、オイルダンプ機構を含んでいる。錐体２が、強風時には筒１に接するように移動して風を筒抜けとし、風による力を減少させるように移動することで、風力発電装置の軽量化を図り、民家の屋根などへの設置を可能としている。風車３、発電機５も、風の増幅度が低くなるため防御される。
【発明の効果】
本発明により、都市に吹く弱い風でも発電することができる。
【００１８】
発明の効果を数字で示すため、次の計算をする。増幅せずに、効率が理想風車の７０％の受風面積が３ｍ２の風車による１年間の風車出力と、３ｍ２の面積の風を３倍の風速に増幅して、理想風車の７０％の受風面積が１ｍ２の風車による１年間の風車出力を、ある都市の風速データにより計算する。受風面積３ｍ２の風車で増幅無しの場合１年間の風車出力は３６３，１８９ｗｈ、受風面積３ｍ２、風車の受風面積１ｍ２で３．０倍増幅ありの場合、１年間の風車出力は３，２６０，３８２ｗｈとなり、同じ受風面積３ｍ２でも増幅することにより９倍の出力が得られる。（「小型風車ハンドブック」牛山・三野共著、パワー社を参照した計算。）なおこの値は計算上の値である。風車の効率はもっと悪く、機械損失や発電機の効率も考慮すると、実際の発電電力は計算値より少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の発明の実施例を示す風力発電装置の姿図。
【図２】本発明の第２の発明の実施例を示す風力発電装置の姿図。
【図３】本発明の第３の発明の実施例を示す風力発電装置の姿図。
【符号の説明】
１　筒状構造体
２　台形状錐体
３　プロペラ型風車
４　伝達機構
５　発電機
６　方向板
７　第１の支持機構
８　回転機構
９　第２の支持機構
１０　扉
１１　開閉用歯車
１２　開閉軸
１３　開閉駆動モーター
１４　開閉制御駆動部
１５　電力出力
１６　出力制御入力
２１　台形板受け構造物
２２　縦方向バネ
２３　横方向バネ
【図１】
2004100672.tif 000003
【図２】
2004100672.tif 000004
【図３】
2004100672.tif 000005