JP2012107612A - 風洞体、垂直軸型風車、構造物、風力発電装置、油圧装置、ならびに建築物 - Google Patents

Abstract

【課題】集風効果の高い風洞体を提供する。風向変動に対する動的風向制御機構が不要で、設置コストが小さく、安全性、静寂性や効率に優れた垂直軸型風車、構造物、風力発電装置、油圧装置および建築物を提供する。
【解決手段】風洞体１２０は、回転自在に支持された軸流風力タービン１０１と、ダクト１０２と、カウル１０３と、を備え、ダクト１０２が軸流風力タービン１０１の周囲を取り囲むように載置され、カウル１０３がダクト１０２の周囲を取り囲むように載置され、軸流風力タービン１０１の回転軸１０９と、ダクト１０２の中心軸と、カウル１０３の中心軸とが略鉛直方向に略同軸である。垂直軸型風車１１０は、風洞体１２０を備え、回転軸１０９が軸流風力タービン１０１により回転されることによって風力が動力に変換され、風洞体１２０の下部に、軸流風力タービン１０１の回転軸１０９を基準として略放射状に設けられた風導入板１０４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、風洞体、垂直軸型風車、構造物、風力発電装置、油圧装置、ならびに建築物に関する。

水平軸型のプロペラ風車は、高効率な高速回転型である特徴を生かし、大型の商用風力発電から家庭用の小型風車まで幅広く普及している。

水平軸型風車では、風力タービンの軸を常に風向に向ける動的風向追従機構が必要となることがある。この動的風向追従機構には、複雑な回転機構や送電のためのスリップリング等が必要であり、製造コストの増加やメンテナンス性の悪化を招き、動的風向追従機構の性能が風車性能を大きく左右することがある。

大型風車においては、センサーによって風向を感知し、モーター駆動によって風力タービンの動的方向制御を行うことが多い。しかしながら、日本のように風向変化の激しい地域では、このモーター駆動による電力消費が増加し、風車の発電効率を低下させることがある。

また、小型の風車では、風力タービンの動的風向追従機構に尾翼を用いた風見効果を利用することが多い。この方式は電力を必要としない点で経済的であるが、住宅地のように複雑に乱れた風が小刻みに風向を変えながら吹く地域では、風力タービンや発電機ローターの回転によるジャイロ効果などによって風向追従遅れが生じ、風車性能を低下させることがある。

一方、動的方向制御を必要としない垂直軸型風車として、サボニウス風車やダリウス風車などが良く知られている。

しかしながら、サボニウス風車は一般に低回転型であり、発電には増速機構が必要となるため、コストおよび効率の点で発電に有利とはいえないことがある。また、ダリウス風車は起動トルクが小さく、構造的・性能的に小型化を実現するのが難しいことがある。

したがって、日本のような風向変化の激しい住宅地に設置する風力発電装置においては、風向変化による効率低下が少なく、複雑な動的風向追従機構を必要としない、低騒音で安全性の高い高回転型風車が望まれている。

高速回転型であるプロペラ風車のような軸流風力タービンを用いた風車は、風力タービン軸を風向に合わせて動かす動的方向制御機構を備えることが多い。しかしながら、それとは逆に、風力タービンを固定して、風を偏向板等でタービン軸方向の流れに強制的に偏向させる風車もある。軸流風力タービンを主風に対して垂直に固定した風車として、特許文献１および特許文献２に記載された風車などが挙げられる。

特開２００５−５４６４１号公報 特開２００５−５４６４２号公報

特許文献１に記載された装置は、地上部から立ち上がった大きな円筒状構造物が必要であり、また給排気口には多数の回転窓を組み入れる必要があるため、機構の複雑さを増大させ、設置施工コストが大きかった。さらに、動的機構をもつ多数の回転窓の存在がメンテナンス性を悪化させるとともに、大きな圧力損失を生じさせ、風車効率が低下することがあった。

特許文献２に記載された装置は、給気部および排気部をそれぞれ風向に合わせて回転させる動的方向制御機構が必要である。そのため、構造が複雑となり、設置コストが大きかった。また、大きな回転半径をもつ風向案内板があるため、広い設置空間を必要としていた。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、集風効果の高い風洞体を提供することを目的とする。
また、本発明は、設置コストが小さく、安全性、静寂性や効率に優れた垂直軸型風車、構造物、風力発電装置、油圧装置および建築物を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点に係る風洞体は、
回転自在に支持された回転体と、
第１の筒状体と、
第２の筒状体と、
を備え、
前記第１の筒状体が前記回転体の周囲を取り囲むように載置され、
前記第２の筒状体が前記第１の筒状体の周囲を取り囲むように載置され、
前記回転体の回転軸と、前記第１の筒状体の中心軸と、前記第２の筒状体の中心軸とが略鉛直方向に略同軸であることを特徴とする。

前記第１の筒状体と前記第２の筒状体とが径方向に離間していてもよい。

前記第１の筒状体が漏斗形状であってもよい。

前記第２の筒状体が逆漏斗形状であってもよい。

前記第１の筒状体の下端と前記第２の筒状体の下端とが略同じ高さに載置され、前記第１の筒状体の上端と前記第２の筒状体の上端とが略同じ高さに載置されてもよい。

前記第２の筒状体の外側表面上に、前記第２の筒状体の中心軸を基準として放射状に設けられた複数の板状部材を備え、前記複数の板状部材のそれぞれの一方の面が前記第２の筒状体の外側表面と当接してもよい。

前記一方の面と前記外側表面との接線の方向が、前記第２の筒状体の外側表面の勾配の最大傾斜線方向であってもよい。

前記一方の面と前記外側表面との接線の方向が、前記第２の筒状体の外側表面の勾配の最大傾斜線を基準として水平方向に傾斜していてもよい。

複数の支柱と、前記複数の支柱のそれぞれの上端部と略当接し、前記風洞体と鉛直方向に離間して、略水平方向に設けられた部材と、を備え、前記部材が前記風洞体の上空を覆ってもよい。

前記第１の筒状体の下部口縁と前記第２の筒状体の下部口縁との間に、前記第１の筒状体の前記下部口縁または前記第２の筒状体の前記下部口縁の少なくとも一方と接するように、略水平方向に延びる第１のガイド部材が設けられてもよい。

前記第１の筒状体の上部口縁と前記第２の筒状体の上部口縁との間に、前記第１の筒状体の前記上部口縁または前記第２の筒状体の前記上部口縁の少なくとも一方と接するように、略水平方向に延びる第２のガイド部材が設けられてもよい。

前記第２の筒状体の下部口縁に、前記第２の筒状体の前記下部口縁から略水平方向外側に延びる第３のガイド部材が設けられてもよい。

本発明の第２の観点に係る垂直軸型風車は、
上記風洞体を備え、
前記回転軸が前記回転体により回転されることによって風力が動力に変換され、
前記風洞体の下部に、前記回転体の前記回転軸を基準として略放射状に設けられた偏向部材を備えることを特徴とする。

複数の前記偏向部材が、風を受けることによって前記風の下流側に動いてもよい。

複数の前記偏向部材が可撓性部材であってもよい。

複数の前記偏向部材の枚数が５枚以下であってもよい。

複数の前記偏向部材の間に傾斜部材が設けられ、前記傾斜部材が鉛直方向下向きに傾斜する面を有し、前記傾斜する面の法線ベクトルの水平方向成分が、前記回転体の前記回転軸から遠ざかる向きであってもよい。

前記傾斜部材が、複数の前記偏向部材に略当接して設けられてもよい。

本発明の第３の観点に係る構造物は、
上記垂直軸型風車が列状に複数個並ぶことを特徴とする。

本発明の第４の観点に係る風力発電装置は、
上記垂直軸型風車と、
前記回転軸によって伝達される前記動力を用いる発電機と、
を備えることを特徴とする。

本発明の第５の観点に係る油圧装置は、
上記垂直軸型風車と、
前記回転軸によって伝達される前記動力を用いる油圧ポンプと、
を備えることを特徴とする。

本発明の第６の観点に係る建築物は、
屋根を有する建築物であって、
上記垂直軸型風車を備え、
前記垂直軸型風車の下部が前記屋根の上面と接するように固定状態で設けられたことを特徴とする。

前記傾斜部材が前記屋根であってもよい。

太陽電池パネルが前記屋根の上面と接するように設けられてもよい。

太陽電池パネルが前記第２の筒状体の外側表面と接するように設けられてもよい。

本発明によれば、集風効果の高い風洞体を実現できる。また、本発明によれば、設置コストが小さく、安全性、静寂性や効率に優れた垂直軸型風車、構造物、風力発電装置、油圧装置および建築物を実現できる。

本発明の実施の一形態である垂直軸型風車を備えた風力発電装置の構造を示す鳥瞰模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車を備えた風力発電装置の構造を示す断面模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車のカウルの構造と風の流れを示し、（ａ）はカウルの外壁斜度が緩い形態、（ｂ）はカウルの外壁斜度が急な形態を示す模式図である。 本発明の実施の一形態である風導入板の構造を示す模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車を備えた風力発電装置の動作を示す断面模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車を備えた風力発電装置の動作を示す断面模式図である。 本発明の実施の一形態である油圧装置の構造を示す断面模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車を備えた建築物の構造を示す鳥瞰模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車を備えた建築物の構造を示す鳥瞰模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車を備えるフェンス状の構造物の鳥瞰模式図である。 本発明の実施の一形態であるフェンス状の構造物の配置を示す平面模式図である。 本発明の実施の一形態である風洞体の構造を示し、（ａ）はダクト上端部がカウル上端部よりも高い形態、（ｂ）はダクト上端部がカウル上端部よりも低い形態を示す断面模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車のカウルの構造と風の流れを示し、（ａ）は板状部材が縦方向に設けられた形態を示し、（ｂ）は板状部材が傾斜して設けられた形態を示す模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車のカウルの構造と風の流れを示す模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車を備えた風力発電装置の構造を示す鳥瞰模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車を備えた風力発電装置の構造を示す鳥瞰模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車を備えた風力発電装置の構造を示す鳥瞰模式図である。 本発明の実施の一形態である風導入板の配置を示す平面模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車の構造と風の流れを示す断面模式図である。 本発明の実施の一形態である垂直軸型風車の構造と風の流れを示す断面模式図である。 本発明の実施例の結果を示すグラフ図である。 本発明の実施例を説明する断面模式図である。

以下、本発明を実施するための形態に係る風洞体、垂直軸型風車、構造物、風力発電装置、油圧装置、ならびに建築物について、図面を参照しつつ説明する。

本実施の形態に係る風力発電装置１００は、図１および図２（図１のＡ−Ａ’断面図）に示すように、集風塔型の垂直軸型風車１１０と、発電機１０８と、から構成される。以下、風向きを白抜き矢印と、矢印付の鎖線とで表す。

垂直軸型風車１１０は、集風装置として機能する風洞体１２０と、風導入板１０４（偏向部材）と、スロープ１０７（傾斜部材）と、から構成される。

風洞体１２０は、プロペラ型の軸流風力タービン１０１（回転体）と、ダクト１０２（第１の筒状体）と、カウル１０３（第２の筒状体）と、軸流風力タービン１０１の回転軸１０９と、から構成される。

図１に示すように、垂直軸型風車１１０の外部を水平方向に吹いている風（主風）ｗは、風導入板１０４、およびスロープ１０７によって鉛直上向きの流れとなってダクト１０２の下側開口部１０５から流入し、軸流風力タービン１０１を回転させた後、ダクト１０２の上側開口部１０６から排出され、主風ｗと合流し、流れ去る。

軸流風力タービン１０１は、回転軸１０９が略鉛直方向となるように固定され、回転軸１０９を中心として回転自在に設置される。軸流風力タービン１０１は、風をプロペラで受け、プロペラが回転軸１０９を回すことによって、風力を軸動力に変換する機能を有する。つまり、風の運動エネルギーを機械エネルギーに変換する。図２中、回転軸１０９の下部は、風導入板１０４と重なっているため、図示されていない。

ダクト１０２は、たとえば、樹脂や、亜鉛メッキを施した鋼板等から構成される。ダクト１０２は、中心軸が略鉛直方向となるように固定され、軸流風力タービン１０１の周囲を取り囲むように設置される。ダクト１０２の中心軸と、軸流風力タービン１０１の回転軸１０９とが、略同軸になるように設置される。

ダクト１０２はディフューザー型（漏斗形状）となっており、ダクト１０２の内径は下側開口部１０５から上側開口部１０６に向けて漸次的に増加し、ダクト１０２の上側開口部１０６の内径は、ダクト１０２の下側開口部１０５の内径よりも大きい。

下側開口部１０５から流入した流量Ｑ（ｍ^３／ｓ）の風の運動エネルギーの一部は、軸流風力タービン１０１を回転させることによって、軸動力として吸収される。また、ダクト１０２内の平均風速Ｖ（ｍ／ｓ）は、流量Ｑと、ダクト１０２の断面積Ａ（ｍ^２）との関係式（Ｖ＝Ｑ／Ａ）とによって定まる。ダクト１０２の形状は、上側開口部１０６の内径（ｄ_１）が下側開口部１０５の内径（ｄ_２）よりも大きい漏斗形状なので、上側開口部１０６の断面積Ａ_１は下側開口部１０５の断面積Ａ_２よりも大きい。つまり、軸流風力タービン１０１の下流側（図１および図２の上側）におけるダクトの断面積は、軸流風力タービン１０１の上流側（図１および図２の下側）におけるダクトの断面積よりも大きい。そのため、風量が同じ場合には、軸流風力タービン１０１の下流側における平均風速は軸流風力タービン１０１の上流側における平均風速よりも小さくなる。したがって、軸流風力タービン１０１の回転による風の運動エネルギーの吸収があったとしても、軸流風力タービン１０１下流側の静圧が大気圧とほぼ等しい圧力（つまり、軸流風力タービン１０１上流側の静圧とほぼ等しい圧力）となる。ゆえに、ダクト１０２の形状がディフューザー型になっていることで、下側開口部１０５から風がよりスムースに取り込まれ、風洞体１２０の集風効率と、垂直軸型風車１１０の風車効率とを、より一層高めることができる。

カウル１０３は、たとえば、樹脂や、亜鉛メッキを施した鋼板等から構成される。ダクト１０３の形状は逆ディフューザー型（逆漏斗形状）となっており、図１および図２において、カウル１０３の内径は下側部分から上側部分に向けて漸次的に減少し、カウル１０３の上側部分の内径は、カウル１０３の下側部分の内径よりも小さい。

ダクト１０２とカウル１０３とは、カウル１０３の下端部の鉛直方向の高さと、ダクト１０２の下端部の鉛直方向の高さとが、同じになるように設置される。

カウル１０３は、中心軸が略鉛直方向となるように固定され、ダクト１０２の外周部（周囲）を取り囲むように、ダクト１０２と径方向に離間して設置される。カウル１０３の中心軸と、ダクト１０２の中心軸とが略同軸になるように設置されるので、風洞体１２０を上部から見ると、ダクト１０２とダクト１０３とが同心円の形状をなす。カウル１０３とダクト１０２とは接しておらず、鉛直方向のそれぞれの高さにおいて、カウル１０３の内径はダクト１０２の外径よりも大きい。つまり、カウル１０３の上端部の内径はダクト１０２の上端部の外径よりも大きく、カウル１０３の下端部の内径はダクト１０２の下端部の外径よりも大きい。

ダクト１０２が軸流風力タービン１０１の周囲を取り囲み、カウル１０３がダクト１０２の外周部を取り囲むように設置されているため、カウル１０３がない場合と比較して、軸流風力タービン１０１から生じる騒音の外部への漏れを抑制する防音効果が大きい。また、軸流風力タービン１０１の部品（たとえば風力タービンの羽根）が風洞体１２０の外部に飛び出すことを抑制することができ、安全性を高めることができる。

カウル１０３がダクト１０２の外周部を取り囲むように設置されているため、カウル１０３が風の導入路の役割を果たし、ダクト１０２およびカウル１０３の下側からの風が、ダクト１０２の内側により多く流れるようになる。これによって、風洞体１２０の集風効率と、垂直軸型風車１１０の風車効率を高めることができる。また、カウル１０３によって、横方向からの風の流れがダクト１０２および軸流風力タービン１０１に直接達することを抑制することができ、軸流風力タービン１０１の回転効率の低下を抑制することができる。

また、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、カウル１０３は、カウル１０３から剥離した風の流れによって、上側開口部１０６の外側の圧力を低下させ、いわゆる吸い出し効果を生じさせる。

より詳細には、図３（ａ）に示すように、カウル１０３の外壁斜度が緩い場合には、カウル１０３上面の風の流れは、航空機の翼の上面と同様に加速流となり、上側開口部１０６の外側の圧力が低下し、吸い出し効果が生じる。

図３（ｂ）に示すように、カウル１０３の外壁斜度が急な場合には、カウル１０３上部で剥離渦が形成されることによって上側開口部１０６の外側の圧力が低下し、吸い出し効果が生じる。

上述の吸い出し効果によって、ダクト１０２内部の上部を上向きに流れる風の流速が大きくなり、ダクト１０２内部の風の流れがスムースになる。これによって、風洞体１２０の集風効率と、垂直軸型風車１１０の風車効率とを、より一層高めることができる。

図１に示すように、４枚の風導入板１０４が、ダクト１０２およびカウル１０３を含む風洞体１２０の下部に設置される。風導入板１０４は、たとえば、亜鉛メッキを施した鉄板から構成される。４枚の風導入板１０４は、それぞれ９０度の角度を保って、軸流風力タービン１０１の回転軸１０９を基準として放射状に設置される。それぞれ９０度の角度を保って放射状に設置されることによって風向に対する指向性が低下し、特に風向が変化する場合に、風をダクト１０２内部に効率よく導くことが可能となる。そのため、軸流風力タービン１０１の回転軸に対して横から吹く主風は、軸流風力タービン１０１の回転軸周りのどの方向の風であっても風導入板１０４によって、軸流風力タービン１０１の回転軸方向の流れに偏向されてダクト１０２内に流入し、軸流風力タービン１０１を効率良く回転させることができる。

図１に示すように、垂直軸型風車１１０に対して横向きに吹いてくる風ｗは、風導入板１０４に当たることによって鉛直上向き方向に流れを変え、ダクト１０２の下側開口部１０５に効率良く導かれる。

図４に示すように、風導入板１０４は、板１１２と、板１１４との２つの板から構成され、板１１４は地面に固定されている。板１１２と板１１４とは、たとえば、スプリング付の蝶番１５８によって接続されている。

板１１２は、スプリング付の蝶番１５８（ヒンジ）によって板１１４と接続されているため可動式である。風導入板１０４が通常受けると予測される風力の際に風洞体１２０の集風効率が最適となり、なおかつ、強風時に垂直軸型風車１１０がオーバーランすることを抑制できるように板１１２が大きく倒れる程度のバネ定数のスプリングが用いられる。

風導入板１０４に風が当たると、風圧によって、板１１２が風の下流側に倒れる。したがって、風導入板１０４で集めた風は、下側開口部１０５の風下側（図２中、右側）にも流れる。ゆえに、風洞体１２０に、より多くの風をバランス良く集めることが可能となり、複雑な動的風向追従機構を設けることなく垂直軸型風車１１０の風車効率を高めることができる。そのため、小型化と製造コスト低減の両方を実現しつつ、風車出力を増加させることができる。

また、図５に示すように、強風時には板１１２が大きく倒れるので、風導入板１０４によって集められた風の一部がダクト１０２の外側に流れる。そのため、強風時にはダクト１０２内部の風速が過度に大きくならず、最適な風速で軸流風力タービン１０１を回転させることができる。さらに、図６に示すように、予期しないほどの強風時には、板１１２がほぼ鉛直下向きになるまで倒れることによって、ダクト１０２内部への風の流入を抑制することで垂直軸型風車１１０のオーバーランを抑制することができる。したがって、風力発電装置１００の故障発生を抑制し、メンテナンスコストを低減することができる。

４個のスロープ１０７（傾斜部材）が図１に示すように複数の風導入板１０４の間に、風導入板１０４と当接するように固定状態に設置され、スロープ１０７の水平方向に対する角度は、風が効率良くダクト１０２に導かれるように適宜調整される。スロープ１０７は、たとえばセメントコンクリートから構成される。スロープ１０７はそれぞれ９０°の角度を保って、風導入板１０４の間に設置されており、その立体形状は頂点が回転軸１０９と略当接し、底面が地面と接する三角錐である。スロープ１０７の傾斜面は鉛直方向下向きに傾斜しており、傾斜面の法線ベクトルの水平方向成分は軸流風力タービン１０１の回転軸１０９から放射状に遠ざかる向きである。

横向きの風がスロープ１０７に当たることによって、水平方向に吹いている主風の鉛直方向への風向変化が助長され、ダクト１０２内への集風効率が、より高まる。そのため、垂直軸型風車１１０の風車出力を、より一層向上させることができる。

図１に示すように、発電機１０８は風力発電装置１００の下部に、たとえば、地面や床面と接するように固定状態で設置され、軸流風力タービン１０１の回転軸１０９と連結される。発電機１０８は、軸流風力タービン１０１で発生される動力を電力に変換する機能を有する。

発電機１０８が風力発電装置１００の下部に設置されているため、発電機１０８が、より安定的に固定される。そのため、発電機１０８の重量が増大した場合でも、発電機１０８を支える構造を強固にする必要がなく、設備コストを低減することができる。

風力発電装置１００は垂直軸型風車１１０を備えるので、設置コストの低減、高い防音性と、高い安全性とを実現しつつ、高い発電効率を得ることができる。したがって、風力発電装置１００を住宅地などに設置することが可能である。

以上、述べたように、風力タービンの方向を風向変化に合わせるための動的風向追従機構を必要とせず、安全性や静寂性が向上した、高回転型で風車効率の高い、軸流風力タービンを用いた高性能の集風塔型の垂直軸型風車１１０を低い製造コストで実現することができる。

また、高回転・高効率の特徴を有する垂直軸型風車１１０を発電機１０８と連結することによって、住宅地や道路脇に設置しやすく、安全性や静寂性が高く、高性能な風力発電装置１００を実現することができる。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。たとえば、本実施形態においては、風力発電装置１００に設けられるプロペラ型の軸流風力タービン１０１について説明したが、電力を取り出すための風力タービンには限定されず、風力エネルギーを動力エネルギーに変換するためのタービン（回転体）であればよい。たとえば、図７に示すように、タービン１５９の回転軸１０９が油圧ポンプ１５６に接続され、油圧装置２００を動かすことに利用することができる。また、油圧装置２００を用いて摩擦熱を発生させ、ヒーターの熱源とすることもできる。

また、図８に示すように、垂直軸型風車１１０を建築物１５０の屋根１５２の上に載せることもできる。つまり、垂直軸型風車１１０の下部が、屋根１５２の上面と接するように固定状態で設置されていてもよい。特に、建築物１５０の屋根１５２が斜度を有する場合（三角屋根や円錐形状の屋根など）、屋根１５２を、風向きを鉛直方向上向きに変えることを助長するスロープ（傾斜部材）として活用することが可能となる。そのため、別途、スロープを設ける必要がなく、製造コストの低減を実現できる。また、垂直軸型風車１１０に発電機１０８を連結することで風力発電装置として活用することもできる。そうすることで、風力発電装置によって発電された電力を建築物１５０で容易に利用することができる。したがって、送電線が引かれていないような山間部の展望台などの独立電源として、照明等の用途に使用することができる。また、図９に示すように、建築物１５０の屋根１５２上や風洞体１２０上に設置された太陽電池パネル１５４と組み合わせて使用することもできる。こうすることで、風が弱い場合には太陽電池からのエネルギーを建築物１５０に用いることができるハイブリッド型電源として使用することができる。また、屋根１５２上や風洞体１２０上にそのまま太陽電池パネル１５４を設置することができるので設備コストの低減を実現できる。

また、図１０に示すように、複数個の垂直軸型風車１１０を一列に並べて、フェンス状の構造物１３０を構築することもできる。この形態においては、風導入板１０４を、家屋の塀の一部または全部として利用することもできるし、道路や線路沿いなどの防風柵や防雪柵の一部または全部として利用することもできる。そのため、安全性や静寂性に優れた垂直軸型風車１１０を住宅地、道路沿い、線路沿いに設置することが容易となり、風力利用の適地範囲を拡大することが可能となる。また、上述したように、垂直軸型風車のタービン動力を用いて、油圧装置を動かしたり、摩擦熱を発生させることでロードヒーティングの熱源とすることもできる。また、垂直軸型風車のタービンと連結された発電機を備えた複数の風力発電装置を一列に並べて、フェンス状の構造物を構築してもよい。こうすることで、風力発電装置によって発電された電力を、家屋の照明、道路沿いの街灯や道路のロードヒーティング等に用いることができ、風力の利用を拡大することができる。なお、特に、フェンス状の構造物１３０を防風柵や防雪柵として利用する場合、図１１に示すように、道路１３２の両側に構造物１３０を設置して、二列の防風柵や防雪柵としてもよい。

また、本実施形態においては、ダクト１０２の上端部の高さとカウル１０３の上端部の高さが略同じ高さで、ダクト１０２の下端部の高さとカウル１０３の下端部の高さが略同じ高さである形態について説明したが、ダクト１０２の上端部の高さとカウル１０３の上端部の高さが異なっていたり、ダクト１０２の下端部の高さとカウル１０３の下端部の高さが異なっていてもよい。つまり、鉛直方向のいずれかの高さにおいて（軸流風力タービン１０１の回転軸方向のいずれかの位置において）、カウル１０３がダクト１０２を取り囲むように設けられていればよい。たとえば、図１２（ａ）に示すように、ダクト１０２の上端部がカウル１０３の上端部よりも鉛直方向に高くてもよいし、図１２（ｂ）に示すようにカウル１０３の上端部がダクト１０２の上端部よりも鉛直方向に高くてもよい。

また、図１３（ａ）に示すように、カウル１０３の外壁に、カウル１０３の中心軸を基準として放射状に複数のフィン１１６（板状部材）を設けてもよい。フィン１１６の長尺方向の一方の面がカウル１０３の外壁と密着（当接）しており、フィン１１６とカウル１０３との間の接線の方向は、カウル１０３の外側表面の勾配の最大傾斜線方向と略同じである。すなわち、フィン１１６とカウル１０３との間の接線の方向はカウル１０３の外側表面の最大勾配の方向と略同じである。フィンとフィンとの間を通過する際に風速が大きくなるため、図３（ａ）の形態と同様、上側開口部１０６の出口外側の圧力が低下し、吸い出し効果が生じる。

図１３（ｂ）に示すように、カウル１０３の外壁に、傾斜させたフィン１１７（板状部材）を設けてもよい。フィン１１７は、カウル１０３の中心軸を基準として放射状に複数個設けられている。フィン１１７は矩形状の板状部材であってもよいし、カウル１０３の外壁と密着（当接）できるよう、カウル１０３の外側表面の膨らみに合わせるような形状で、カウル１０３との接触面が凹面となっていてもよい。図１３（ｂ）に示すように、フィン１１７の一方の面とカウル１０３の外側表面とが形成する接線の方向は、カウル１０３の外側表面の最大傾斜線を基準として水平方向に傾斜している。すなわち、フィン１１７とカウル１０３との間の接線の方向はカウル１０３の外側表面の最大勾配の方向を基準として水平方向に傾斜している。フィン１１７によってダクト１０２の出口（上側開口部１０６）に強い旋回流れが生じることによって上側開口部１０６の出口外側の圧力が低下し、吸い出し効果が一層高まる。

また、図１４に示すように、風洞体１２０と所定の距離をもって鉛直方向に離間し、風洞体１２０の上空を覆うように、略水平方向に屋根１６２（部材）を設けることもできる。屋根１６２と風洞体１２０との間の距離は、後述する効果を奏する範囲で好適に設定される。屋根１６２は、たとえば、中空状の樹脂（プラスチック等）等から構成され、その形状はたとえば楕円体である。図１４に示すように上記楕円体は横からみると楕円形であり、また、上からみると円形である。屋根１６２は、屋根１６２の底面の一部と、複数の支柱１６４の上端部とが略当接することによって支持される。ここで、略当接とは、支柱１６４と屋根１６２との間に接続部品を設けることによって、支柱１６４と屋根１６２とを繋げる形態をも含むものとする。支柱１６４の材質、太さや本数は、風ｗの流れを大きく妨げない範囲で好適に設定され、たとえば４本の鉄製の支柱で屋根１６２を支持することもできる。屋根１６２は、風洞体１２０の上空を覆うように設けられているので、降雪時に軸流風力タービン１０１に雪１６０が着雪することを抑制する。そのため、降雪時の軸流風力タービン１０１の回転の低下を抑制することができる。また、屋根１６２が風洞体１２０と所定の距離をもって離間して設けられていることによって、風ｗの流路が狭くなり、風洞体１２０と屋根１６２との間の風速が大きくなる。そのため、上側開口部１０６の外側の圧力が一層低下し、より一層高い吸い出し効果が生じる。上述の吸い出し効果によって、ダクト１０２内部の上部を上向きに流れる風の流速が大きくなり、ダクト１０２内部の風の流れがスムースになる。これによって、風洞体１２０の集風効率と、垂直軸型風車１１０の風車効率とを、より一層高めることができる。なお、屋根１６２の形状は、上述の効果を奏する形状であればよく、皿状でもよいし、板状でもよい。また、屋根１６２は、中空状に限られるものではなく、中実状であってもよい。また、屋根１６２の材質は、樹脂に限られるものではなく、たとえば、薄い鉄板等であってもよい。また、図１４中、支柱１６４は鉛直方向に立っているが、屋根１６２を支えられる範囲で傾いていてもよい。また、図１４に示す屋根１６２が風洞体１２０の全面の上空を覆う形態に限られず、上述の効果を奏する形態であればよい。たとえば、屋根１６２が、軸流風力タービン１０１と、ダクト１０２との上空を覆う形態であってもよい。

また、本実施形態においては、発電機１０８や油圧ポンプ１５６を、地面または床面に設置する形態について説明したが、別途、架台等を設けて、その上に発電機や油圧ポンプを設置してもよい。

また、本実施形態においては、板１１２と板１１４とがスプリング付の蝶番（ヒンジ）で連結されて風導入板１０４を構成する形態について説明したが、図１５に示すように、風導入のために、風導入板１０４の代わりに、たとえば布やゴムのような可撓性のシートを用いてもよい。風導入シート１３４（偏向部材）は、風を受けるとヨットの帆のように下流側に膨らんで多くの風を集めるとともに、風導入シート１３４の上部も下流側に膨らむため、集めた風をダクト入口部全体に導くことができる。さらに、図１６および図１７に示すように、風導入板１０４がワイヤ１３６等で吊り下げられた状態で設置されていてもよい。この形態においては、発電機１０８は地面や床面ではなく、図１６および図１７に示すように軸流風力タービンの直下に設置されるか、軸流風力タービンの上に設置される（架台は不図示）。風導入板１０４は主風ｗの風圧によって常に下流側に押し出される構造となっており、風導入板１０４で集めた風をダクト入口部（下側開口部１０５）全体に効率良く導くことができる。

また、本実施形態においては、風導入板１０４の枚数が４枚である形態について説明したが、風導入板１０４の枚数は５枚以上であってもよいし、３枚以下でもよい。特に、図１８に示すような方向で風向きが固定されているような場合には、風導入板の枚数を５枚として、隣り合う風導入板どうしがなす角度を、それぞれおよそ７２°とすることで、風導入板で集めた風をダクト１０２入口部（下側開口部１０５）全体に効率良く導くことができる。よって、集風効率が高まり、風車出力を向上させることができる。

また、本実施形態においては、ダクト１０２がディフューザー型（漏斗形状）、カウル１０３が逆ディフューザー型（逆漏斗形状）の形態について説明したが、ダクト１０２、カウル１０３ともに筒状体であればよい。たとえば、ダクト１０２、カウル１０３ともに、円筒形状、角筒形状、中空の円錐形状、漏斗形状、逆漏斗形状等であってもよい。

また、本実施形態においては、スロープ１０７が設けられた形態について説明したが、スロープが設けられない形態であってもよい。また、スロープの傾斜面の形状は平面に限られるものではなく、曲面であってもよい。

また、本実施形態においては、ダクト１０２とカウル１０３とが離間している形態について説明したが、ダクト１０２の外壁表面の一部とカウル１０３の内壁表面の一部とが局所的に接していてもよい。

また、図１９に示すように、ダクト１０２の下部口縁１７０とカウル１０３の下部口縁１７１との間に、下部口縁１７０の外壁と接するように、略水平方向に延びる第１の風案内部材１７２（第１のガイド部材）を設け、ダクト１０２の上部口縁１７３とカウル１０３の上部口縁１７４との間に、上部口縁１７４の内壁と接するように、略水平方向に延びる第２の風案内部材１７５（第２のガイド部材）を設け、カウル１０３の下部口縁１７１から略水平方向外側に延びるように第３の風案内部材１７６（第３のガイド部材）を設けてもよい。風洞体１２０を上部からみると、第１の風案内部材１７２、第２の風案内部材１７５、第３の風案内部材１７６の形状は、たとえば、ドーナツ型の形状であり、それぞれの中心軸はダクト１０２の中心軸およびカウル１０３の中心軸と略同軸であり、ダクト１０２と、カウル１０３と、第１の風案内部材１７２と、第２の風案内部材１７５と、第３の風案内部材１７６とが同心円の形状をなす。第１の風案内部材１７２、第２の風案内部材１７５、および第３の風案内部材１７６は、たとえば、樹脂や、亜鉛メッキを施した鋼板等から構成され、それぞれの風案内部材とダクト１０２またはカウル１０３とは、それぞれの材質が亜鉛メッキを施した鋼板である場合、ビス、ネジ等によって接続され、それぞれの材質が樹脂である場合、接着剤などで接続される。第１の風案内部材１７２は風洞体１２０の入口近傍の風の流れを整える機能を有し、第２の風案内部材１７５は風洞体１２０の出口近傍の風の流れを整える機能を有し、第３の風案内部材１７６は風洞体１２０の入口の周縁部の風の流れを整える機能を有する。なお、図１９および以下の図２０において、図面の簡略化のため、図中、一部の符号が省略されている。

図１９に示すように、第１の風案内部材１７２が、ダクト１０２のみと接するように（すなわち、第１の風案内部材１７２とカウル１０３との間には隙間があり、第１の風案内部材１７２を介することによってはダクト１０２とカウル１０３とが一体の構造物とはならない）風洞体１２０に設けられることによって、主風ｗがダクト１０２内部に流れ込む際の風のはく離や縮流が抑制され（整流効果）、主風ｗのダクト１０２への導入がより一層促進され、ダクト１０２とカウル１０３とが二重になって回転体を取り囲む構造によって生じる上述の防音効果、安全性向上効果および吸い出し効果等を維持しつつ、風洞体１２０の増速率をより一層向上させることができる。また、第２の風案内部材１７５が、カウル１０３のみと接するように（すなわち、第２の風案内部材１７５とダクト１０２との間には隙間があり、第２の風案内部材１７５を介することによってはダクト１０２とカウル１０３とが一体の構造物とならない）風洞体１２０に設けられることによって、ダクト１０２とカウル１０３とが二重になって回転体を取り囲む構造によって生じる上述の防音効果、安全性向上効果および吸い出し効果等を維持しつつ、風洞体１２０の増速率をより一層向上させることができる。また、第３の風案内部材１７６が風洞体１２０に設けられることによって、主風ｗがダクト１０２内部に流れ込む際の風のはく離や縮流が抑制され（整流効果）、主風ｗのダクト１０２への導入が、さらにより一層促進され、風洞体１２０の増速率を、さらにより一層向上させることができる。

第１の風案内部材１７２の寸法、第２の風案内部材１７５の寸法、および第３の風案内部材１７６の寸法は、本実施形態の効果を奏する範囲で適宜選択され、以下に限定されるものではないが、たとえば、第３の風案内部材１７６の径方向の長さＬは、好ましくはカウル１０３の径の長さの５％〜３０％の長さであり、より好ましくはカウル１０３の径の長さの８％〜１５％の長さである。

図１９においては、第１の風案内部材１７２がダクト１０２の下部口縁１７０の外壁と接する形態について説明したが、第１の風案内部材１７２がダクト１０２の下部口縁１７０とカウル１０３の下部口縁１７１との間に、ダクト１０２の下部口縁１７０またはカウル１０３の下部口縁１７１のどちらか一方と接するように略水平方向に延びていればよく、以下に限定されるものではないが、たとえば図２０に示すように、第１の風案内部材１７２がカウル１０３の下部口縁１７１の内壁と接していてもよい。同様に、図１９においては、第２の風案内部材１７５がカウル１０３の上部口縁１７４の内壁と接する形態について説明したが、第２の風案内部材１７５がダクト１０２の上部口縁１７３とカウル１０３の上部口縁１７４との間に、ダクト１０２の上部口縁１７３またはカウル１０３の上部口縁１７４のどちらか一方と接するように略水平方向に延びていればよく、以下に限定されるものではないが、たとえば図２０に示すように、第２の風案内部材１７５がダクト１０２の上部口縁１７３の外壁と接していてもよい。

図１９および図２０においては、第１の風案内部材１７２がダクト１０２の下部口縁１７０またはカウル１０３の下部口縁１７１のどちらか一方のみと接する形態について説明したが、たとえば、第１の風案内部材１７２がダクト１０２の下部口縁１７０の外壁とネジ止めで接合されつつ、カウル１０３の内壁と局所的に接してもよいし、第１の風案内部材１７２がカウル１０３の下部口縁１７１の内壁とネジ止めで接合されつつ、ダクト１０２の外壁と局所的に接してもよい。上記形態においても、主風ｗがダクト１０２内部に流れ込む際の風のはく離や縮流が抑制され（整流効果）、主風ｗのダクト１０２への導入がより促進され、風洞体１２０の増速率をより向上させることができる。
同様に、図１９および図２０においては、第２の風案内部材１７５がカウル１０３の上部口縁１７４またはダクト１０２の上部口縁１７３のどちらか一方のみと接する形態について説明したが、たとえば、第２の風案内部材１７５がカウル１０３の上部口縁１７４の内壁とネジ止めで接合されつつ、ダクト１０２の外壁と局所的に接してもよいし、第２の風案内部材１７５がダクト１０２の上部口縁１７３の外壁とネジ止めで接合されつつ、カウル１０３の内壁と局所的に接してもよい。上記形態においても、風洞体１２０の増速率をより向上させることができる。

以下、本発明を実施例により、具体的に説明する。

図２１は、風力発電装置の高さを３２５ｍｍ、カウルの直径を２２０ｍｍとしたときの、風導入板であるセパレーター（偏向部材）の枚数による風力発電装置の起電力の違いを示す。風力発電装置の起電力は集風塔型の垂直軸型風車の回転数にほぼ比例する。

風速Ｖ_０を８ｍ／ｓで常に一定とし、風力発電装置への風向の角度θ（図２２参照）を０°から３６０°まで変化させた。

図２１中、最大起電力は０°から３６０°まで変化させたときに発生した最大の起電力であった。平均起電力は、０°から３６０°まで変化させたときの起電力の平均値であった。

図２１に示すように、最大起電力はセパレーターの枚数が２枚、３枚、４枚、５枚の時に、より良好であり、セパレーターの枚数が３枚、４枚、５枚の時に、より一層良好であった。また、平均起電力はセパレーターの枚数が３枚、４枚、５枚の時に、より良好であった。

実施例より、セパレーターの枚数が、２枚〜５枚の時に、より望ましい風車効率を得ることができ、３枚〜５枚の時に、より一層望ましい風車効率を得られることがわかった。

なお、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形及び応用が可能である。

１００ 風力発電装置
１０１ 軸流風力タービン
１０２ ダクト
１０３ カウル
１０４ 風導入板
１０５ 下部開口部
１０６ 上部開口部
１０７ スロープ
１０８ 発電機
１０９ 回転軸
１１０ 垂直軸型風車
１１２ 板
１１４ 板
１１６ フィン
１１７ フィン
１２０ 風洞体
１３０ 構造物
１３２ 道路
１３４ 風導入シート
１３６ ワイヤ
１５０ 建築物
１５２ 屋根
１５４ 太陽電池パネル
１５６ 油圧ポンプ
１５８ 蝶番
１５９ タービン
１６０ 雪
１６２ 屋根
１６４ 支柱
１７０ 下部口縁
１７１ 下部口縁
１７２ 第１の風案内部材
１７３ 上部口縁
１７４ 上部口縁
１７５ 第２の風案内部材
１７６ 第３の風案内部材
２００ 油圧装置

Claims (25)

1. 回転自在に支持された回転体と、
   第１の筒状体と、
   第２の筒状体と、
   を備え、
   前記第１の筒状体が前記回転体の周囲を取り囲むように載置され、
   前記第２の筒状体が前記第１の筒状体の周囲を取り囲むように載置され、
   前記回転体の回転軸と、前記第１の筒状体の中心軸と、前記第２の筒状体の中心軸とが略鉛直方向に略同軸であることを特徴とする風洞体。
2. 前記第１の筒状体と前記第２の筒状体とが径方向に離間している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の風洞体。
3. 前記第１の筒状体が漏斗形状である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の風洞体。
4. 前記第２の筒状体が逆漏斗形状である、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風洞体。
5. 前記第１の筒状体の下端と前記第２の筒状体の下端とが略同じ高さに載置され、
   前記第１の筒状体の上端と前記第２の筒状体の上端とが略同じ高さに載置される、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の風洞体。
6. 前記第２の筒状体の外側表面上に、前記第２の筒状体の中心軸を基準として放射状に設けられた複数の板状部材を備え、
   前記複数の板状部材のそれぞれの一方の面が前記第２の筒状体の外側表面と当接する、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の風洞体。
7. 前記一方の面と前記外側表面との接線の方向が、前記第２の筒状体の外側表面の勾配の最大傾斜線方向である、
   ことを特徴とする請求項６に記載の風洞体。
8. 前記一方の面と前記外側表面との接線の方向が、前記第２の筒状体の外側表面の勾配の最大傾斜線を基準として水平方向に傾斜している、
   ことを特徴とする請求項６に記載の風洞体。
9. 複数の支柱と、
   前記複数の支柱のそれぞれの上端部と略当接し、前記風洞体と鉛直方向に離間して、略水平方向に設けられた部材と、
   を備え、
   前記部材が前記風洞体の上空を覆う、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の風洞体。
10. 前記第１の筒状体の下部口縁と前記第２の筒状体の下部口縁との間に、前記第１の筒状体の前記下部口縁または前記第２の筒状体の前記下部口縁の少なくとも一方と接するように、略水平方向に延びる第１のガイド部材が設けられた、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の風洞体。
11. 前記第１の筒状体の上部口縁と前記第２の筒状体の上部口縁との間に、前記第１の筒状体の前記上部口縁または前記第２の筒状体の前記上部口縁の少なくとも一方と接するように、略水平方向に延びる第２のガイド部材が設けられた、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の風洞体。
12. 前記第２の筒状体の下部口縁に、前記第２の筒状体の前記下部口縁から略水平方向外側に延びる第３のガイド部材が設けられた、
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の風洞体。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の風洞体を備え、
    前記回転軸が前記回転体により回転されることによって風力が動力に変換され、
    前記風洞体の下部に、前記回転体の前記回転軸を基準として略放射状に設けられた偏向部材を備える、
    ことを特徴とする垂直軸型風車。
14. 複数の前記偏向部材が、風を受けることによって前記風の下流側に動く、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の垂直軸型風車。
15. 複数の前記偏向部材が可撓性部材である、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の垂直軸型風車。
16. 複数の前記偏向部材の枚数が５枚以下である、
    ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の垂直軸型風車。
17. 複数の前記偏向部材の間に傾斜部材が設けられ、
    前記傾斜部材が鉛直方向下向きに傾斜する面を有し、
    前記傾斜する面の法線ベクトルの水平方向成分が、前記回転体の前記回転軸から遠ざかる向きである、
    ことを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載の垂直軸型風車。
18. 前記傾斜部材が、複数の前記偏向部材に略当接して設けられた、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の垂直軸型風車。
19. 請求項１３乃至１８のいずれか１項に記載の垂直軸型風車が列状に複数個並ぶ、
    ことを特徴とする構造物。
20. 請求項１３乃至１８のいずれか１項に記載の垂直軸型風車と、
    前記回転軸によって伝達される前記動力を用いる発電機と、
    を備える、
    ことを特徴とする風力発電装置。
21. 請求項１３乃至１８のいずれか１項に記載の垂直軸型風車と、
    前記回転軸によって伝達される前記動力を用いる油圧ポンプと、
    を備える、
    ことを特徴とする油圧装置。
22. 屋根を有する建築物であって、
    請求項１７または１８に記載の垂直軸型風車を備え、
    前記垂直軸型風車の下部が前記屋根の上面と接するように固定状態で設けられた、
    ことを特徴とする建築物。
23. 前記傾斜部材が前記屋根である、
    ことを特徴とする請求項２２に記載の建築物。
24. 太陽電池パネルが前記屋根の上面と接するように設けられた、
    ことを特徴とする請求項２２または２３に記載の建築物。
25. 太陽電池パネルが前記第２の筒状体の外側表面と接するように設けられた、
    ことを特徴とする請求項２４に記載の建築物。