JP4809461B2

JP4809461B2 - 風力発電装置

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Publication number: JP4809461B2
Application number: JP2009156520A
Authority: JP
Inventors: 通博大江
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: JP2011012584A

Description

本発明は、風力発電装置に関し、詳しくは、建築物の屋上等に設置して利用する小型風力発電装置に関する。

風力発電の受風方式としては、反動風車系の、プロペラ型、垂直軸直線翼型、ダリウス型風車等と、衝動風車系の、サボニウス型風車等が知られている。しかし、前記各受風方式には用いる場合の得失が各々にある。例えば、プロペラ型は、高風速時は風力の回転力への変換効率は高く、回転翼を長くして回転径を大きくすることにより大きな発電力が期待出来るが、低風速時は変換効率が極端に低下する。また、回転径を大きくするには高い支柱を設け基礎も大きくする必要があり、強風時には周速が急増すると共に風切り音が増大し、回転径が小さいほど回転数が急増する。それ故に、プロペラ型は、強風時の支柱の倒壊や回転翼の破損飛散や風切り音等による周辺での第三者被害が生じる恐れがあり、居住場所近くには設置困難であるという問題点がある。また、垂直軸直線翼型、ダリウス型は、プロペラ型より風力の回転力への変換効率が小さいだけでなく、回転軸が支柱を兼ねているため回転時の発生振動が伝達し易く強度対策だけでなく振動対策が必要であり装置が重量化し、建築物の上部等に設置するのは容易でないという問題点がある。サボニウス型は、前述風車より風力の回転力への変換効率が更に小さいだけでなく、羽根の一枚当たりの受風面積が大きいので強風時には倒壊・破損の恐れが高いという問題点がある。

現状の風力発電は、人家から離れた場所に設置する大規模プロペラ型風力発電が主体であり、陸上での設置可能場所が残り少なくなったため、洋上発電へと向かっていて、発電場所と消費場所とが益々離れつつある。電力を消費するのは居住地が主であり、居住地に近接した場所で発電出来るのが望ましいが、従来の風力発電の受風方式には前述の様な問題点あるため、居住地に近接した場所への発電装置の設置が困難となっている。

受風方式の問題を抜きにして風力利用の可能性を考えて見れば、都市部には、強風を得られ易い高さ２０ｍ以上の建物が膨大に存在する。この膨大な建物の屋上等を利用して風力発電が容易に可能となれば、台風や塩害や送電等の問題を考慮せねばならず建設費が巨額にならざる得ない洋上風力発電を敢えて優先的に推進する必要性は低くなる。

建築物の屋上等を利用しての風力発電を普及させるためには、風力の回転力への変換効率が良好なだけでなく、羽根の破損飛散や風切り音等による周辺の第三者被害を惹起する恐れが少なく、装置の建築物への荷重的影響を少なく出来る風車が必要となる。

地球温暖化問題と化石燃料資源枯渇問題の認識が一般にも浸透して来て、太陽光発電は急速に普及しつつあるが、夜間や降雨・曇天時には発電が困難な太陽光発電だけで前述の問題に対応するのは困難であり、今後は、小型風力発電、小水力発電、潮力・波力発電等も評価されるべきであり、小型風力発電においては、風力の回転力への変換効率が良好であり、羽根の破損飛散や風切り音等による周辺の第三者被害を惹起する恐れも少なく、装置建築物への荷重的影響が少なく、建築物の屋上等に容易に設置出来て容易に発電出来る小型風力発電装置が望まれている。

このため、本発明者は、従来の前記各受風方式の問題点を勘案して其れら代わる新たな受風方式の風力発電の提案として「風力発電装置（特開２００６−０２２７４６：特許文献１）」を既出願している。当該風力発電装置は、水平方向にある回転軸部から放射状に突出する板状の回転翼部を３枚以上有した羽根車が用いられ、羽根車の両端を支承する枠状の支承架構部位とこれを水平方向に回動可能に連結支承する主回転支持機構部位とこれを連結支承する支持架台部位を有し、支承架構部位の風上側に羽根車の回転範囲の下方向半分を防風するための防風部位と風下側に方向舵機能を発揮する垂直尾翼部位を有し、主回転支持機構部位が支承架構部位の風上側に偏心した位置を支持し、主回転支持機構部位を中心とした外周部に支承架構部位を回動可能に支持する補助回転支持機構部位を有していることを最も主要な特徴としている。そして、該「風力発電装置」はそれなりに目的を達成出来る装置となっている。

しかし、前記風力発電装置は、羽根車の回転軸が水平方向にあるため、羽根車の回転軸と発電機の距離が大きくならざる得ず回転力の伝達ロスが多少生ずるのは否めないとともに、回転軸の端部に回転力伝達のための歯車等を配設する必要があるので無駄な風の抵抗部が生じるだけでなく装置の重心が高くなるという問題点が残っている。

特開２００６−０２２７４６号公報

本発明が解決しようとする問題点は、風力発電の主体となっている大規模プロペラ型発電装置等では居住地に近接した場所への設置が困難なため、安定的に強風の利用の可能性が高いにも拘わらず未利用のまま放置されている都市部に膨大に存在する２０ｍ以上の建築物の屋上等を利用して容易に風力発電が可能な小型風力発電装置を提供することを目的とする。
このため、従来の風力発電装置の問題点を解決する提案として、本発明者が既出願している風力発電装置の課題点の、羽根車の回転軸が水平方向にあるため、羽根車の回転軸と発電機の距離が大きくならざる得ず回転力の伝達ロスの低減は容易でないとともに、回転軸の端部に回転力伝達のための歯車等を配設する必要があるので無駄な風の抵抗部が生じるだけでなく装置の重心が高くなるという問題点を解決して、風力の回転力への変換効率が良好であり、羽根の破損飛散や風切り音等による周辺の第三者被害を惹起する恐れも少なく、装置の建築物への荷重的影響を少なくて、建築物の屋上等に容易に設置出来て容易に発電出来る小型風力発電装置を提供することにある。

前述の課題を解決するため、本発明の風力発電装置は、両端部が回動可能に支承され気流に対し直交方向で且つ鉛直方向の回転軸を有するとともに羽根が６〜１６枚の枚数で短辺側が湾曲状をなした板状長尺部材からなり且つ両端部で固定されており且つ回転軸との間に風車の回転径の約１／６〜１／３の寸法の間隙を確保して放射状に均等間隔で配設されている風車と、該風車の風上側に配設され風車の回転力に有効に働かない風車の回転径の約１／３〜１／２の領域の気流を風車の回転力に寄与する側の領域に導風出来る様にするために気流に対して約３０〜５０度の範囲の角度をなして配設された板状導風部材を具有し、且つ、前記風車と板状導風部材とが装置の平面的中央部を対称軸として概ね対称形態で一対をなし配設されていて、尚且つ、前記一対の風車と板状導風部材とを囲繞する角筒状部位を具有するとともに下部に支持架台を具有していて、更に、前記角筒状部位が中央部の風上側に偏心した位置で下部の支持架台に固設された主支承部位により回動可能に支承されているとともに主支承部位を中心とした外周部に角筒状部位を回動可能に支持する補助支持機構部位が配設されていて、前記角筒状部位の風下側に端部に向かって約２０〜５０度の角度で両側に拡大する拡大部と上部に方向舵機能を発揮する垂直尾翼部位を有しており、更には、前記角筒状部位の下部に防風室と其の内部に発電機と風車の回転力を発電機に伝達する回転伝達機構とを具有していることを特徴とする。

本発明の風力発電装置によれば、風車を衝動系風車を用いることにより、強風時でも風車の周速急増せず、羽根の破損飛散や風切り音等による周辺の第三者被害を惹起する恐れが少なくなる。更に、板状導風部材を配設することにより、風力の回転力への変換効率が良好となる。更に、風車の回転軸が鉛直方向にすることにより、風車の下部で回転軸と発電機とを近接させることが出来るので、回転力の伝達ロスが出来ると共に装置の重心位置を下げられる。更に、風車一つだと板状導風部材により角筒状部位が回転するので装置として成り立たないが、風車と板状導風部材を対称形態で一対とすることにより、板状導風部材の回転する力が打ち消し合うので装置として成り立つ様になると共に、衝動系風車に生じ易い回転の脈動の影響を二つの風車にすることで低減出来る。更に、角筒状部位の支承を風上側に偏心させ、角筒状部位の風下側に端部に向かって両側に拡大する拡大部と上部に垂直尾翼部位を設けることにより、風向の変化にも容易に対応出来る様になる。そして、、補助支持機構部位を配設することにより応力分散出来るので、角筒状部位を支承する主支承部位と支持架台を極力大掛かりにしない様に出来る。
この様なことから、、都市部に膨大に存在する２０ｍ以上の建築物の屋上等を利用して容易に風力発電が可能な小型風力発電装置を提供出来る様になる。

本発明装置の一実施形態例を示す正面図・平面図（ａ）正面図（ｂ）平面図図１の例の正面断面図・平面断面図（ｃ）図１に示すＣ−Ｃ断面の正面断面図（ｄ）Ｄ−Ｄ断面の平面断面図図１の例の平面断面図（ｅ）図２に示すＥ−Ｅ断面の平面断面図（ｆ）Ｆ−Ｆ断面の平面断面図図１の例の平面断面図（ｇ）図２に示すＧ−Ｇ断面の平面断面図（ｈ）Ｈ−Ｈ断面の平面断面図図１の例の側面図・側面断面図（ｉ）側面図（ｊ）図２に示すＪ−Ｊ断面の側面断面図風車と板状導風部材を対称形態で一対とする場合の図１の例と異なる形態例の正面図・平面断面図（ｋ）正面図（ｌ）平面断面図

本発明の装置の実施の一形態例を図１〜５を参照して説明する。
本発明装置１は、図１、図２，図５に示す様に、上下両端部が回動可能に支承され気流に対し直交方向で且つ鉛直方向の回転軸１１を有するとともに羽根１２が６〜１６枚の枚数で短辺側が湾曲状をなした板状長尺部材からなり且つ上下両端部が回転軸１１に固設された円盤状部材１３に固設されており且つ回転軸１１との間に風車の回転径の約１／６〜１／３の寸法の間隙を確保して放射状に均等間隔で配設されている風車１０と、風車１０の風上側に配設され風車の回転力に有効に働かない風車の回転径の約１／３〜１／２の領域の気流を風車の回転力に寄与する側の領域に導風出来る様にするために気流に対して傾斜角θ１が約３０〜５０度の範囲の角度をなして配設された板状導風部材２１を具有している。
そして、風車１０と板状導風部材２１とが、図２に示す様に、装置の平面的中央部を対称軸として概ね対称形態で一対をなし配設されていて、且つ、一対の風車１０と板状導風部材２１とを囲繞する角筒状部位３０を具有するとともに下部に支持架台４０を具有している。
尚、風車１０と板状導風部材２１との対称形態で一対をなす形態は、図２に示す例以外にも、例えば、図６に示す様な形態でも構わない。
そして、図３、図５に示す様に、角筒状部位３０が中央部の風上側に偏心した位置で下部の支持架台４０に固設された主支承部位５０により回動可能に支承されていると共に、図１（ａ）、図４（ｈ）、図５に示す様に、主支承部位を中心とした外周部に角筒状部位３０を回動可能に支持する補助支持機構部位６０が配設されている。
そして、図（１）、図２に示す様に、角筒状部位３０の風下側に端部に向かって開角θ２が約２０〜５０度の角度で両側に拡大する拡大部３１を有していて、図１、図５（ｉ）に示す様に、風下上部に方向舵機能を発揮する垂直尾翼部位７１を有している。
そして、図１（ａ）、図５に示す様に、角筒状部位３０の下部に防風室１００が設けられていて、図２（ｃ）、図３、図５（ｊ）に示す様に、防風室１００の内部に発電機８０と風車の回転力を発電機に伝達する回転伝達機構９０とを具有していることを特徴としている形態の装置である。

以下、本発明装置の主要な部位・部材等について特記すべきことを記載する。
風車１０に関しては、材質としては、目的を達成出来る強度、耐久性、耐候性等を有すると共に出来るだけ軽量出来るものが好ましく、例えば、アルミ合金や繊維強化プラスチック等が考えられ好ましいが、目的を達成出来るものであれば限定されない。そして、羽根１２では、短辺側の湾曲形状は外周側に湾曲を強める様にした形態のものが好ましく、羽根枚数は実用面と効果を勘案すれば８〜１２枚が好ましい。

板状導風部材２１に関しては、材質は風車１０に準ずるものが用いられる。そして、気流に対しての傾斜角θ１は実用面と効果を勘案すれば約３５〜４５度の範囲が好ましい。また、図２（ｄ）に示す様に、風下側に風車の外周に沿う様に導風部材２２を配設することが好ましい。

角筒状部位３０に関しては、材質は風車１０に準ずるものが用いられる。そして、図２に示す様に、一対の風車の間には、風力をより効果的に活用するためと強度的補強を兼ねて内部仕切兼補強部材２２が配設され、それ以外にも、風抵抗を極力生じない様に配慮して補強部材で適宜補強される。また、拡大部３１に関しては、外側への突出寸法は角筒状部位３０の横幅の約１／４〜１／２を目処するのが良い。

支持架台４０に関しては、図２、図５に示す様に、主架構４１で躯体が形成され最上部に架台床部４２が敷設される。

主支承部位５０に関しては、図１（ａ）、図３〜５に示す様に、例えば、架台床４２上に固定補強部材５３で固定された主支持部材５１と角筒状部位３０の下部に固定補強部材５３で固定された上部受部材５２とでカップリングし、抜け・ずれ防止も兼ねた回動可能な支承となっている。尚、前述例は一例であって、本発明の目的を達成出来るものであれば限定されない。そして、回動を円滑にする為に、主支持部材５１と上部受部材５２の接触部には、摺動部材やベアリング部材等が適宜配設される。そして、

補助支持機構部位６０に関しては、主支承部位５０の負担を軽減させる為と回動をより円滑にさせるために、図１（ａ）、図２（ｃ）、図４（ｈ）、図５に示す様に、主支承部位５０を中心とした外周部に補助支持機構部位６０が配設される。そして、補助支持機構部位６０の形態としては、例えば、ローラー機構と支柱を組み合わせたものが考えられるが、本発明の目的を達成出来るものであれば限定されない。また、配設箇所数は、例図では２箇所で例示しているが、適宜バランス良く配設されれば良く２箇所以上なら配設箇所数は限定されない。

発電機８０に関しては、回転軸が垂直方向に容易に設置出来るものが良く、既存の小型風力発電装置等に用いられているものに類する中から適宜選択して用いられて良いが、永久磁石同期式の軽量で発電効率の高いものが発電機が好ましい。

回転伝達機構９０に関しては、図２（ｃ）、図３、図５（ｊ）に示す様に、風車１０の回転軸１１の下部と発電機８０の回転軸を連結して、回転力を伝達する機構であるが、例えば、プーリー・ベルト機構または歯車・チェーン機構９１と歯車・歯車機構９２との組み合わせが考えられるが、本発明の目的を達成出来るものであれば限定されない。

防風室１００に関しては、図３に示す様に、前方部は中央から両側に向かって開角θ３が約３０〜５０度の角度をなした形態であり、機器・部材搬入および保全・点検用の作業用扉１０１が配設される。

１；本発明の風力発電装置の一実施例装置
１０；風車
１１；回転軸
１２；羽根
１３；円盤状部材
２１；板状導風部材
２２；導風補助部材
３０；角筒状部位
３１；川下側拡大部
３２；内部仕切兼補強部材
４０；支持架台
４１；主架構
４２；架台床部
５０；主支承部位
５１；主支持支柱部材
５２；上部受部材
５３；固定補強部材
６０；補助支持機構部位
７１；垂直尾翼部位
８０；発電機
９０；回転伝達機構
９１；プーリー・ベルト機構または歯車・チェーン機構
９２；歯車・歯車機構
１００；防風室
１０１；作業用扉

Claims

両端部が回動可能に支承され気流に対し直交方向で且つ鉛直方向の回転軸を有するとともに羽根が６〜１６枚の枚数で短辺側が湾曲状をなした板状長尺部材からなり且つ両端部で固定されており且つ回転軸との間に風車の回転径の約１／６〜１／３の寸法の間隙を確保して放射状に均等間隔で配設されている風車と、
該風車の風上側に配設され風車の回転力に有効に働かない風車の回転径の約１／３〜１／２の領域の気流を風車の回転力に寄与する側の領域に導風出来る様にするために気流に対して約３０〜５０度の範囲の角度をなして配設された板状導風部材を具有し、
且つ、前記風車と板状導風部材とが装置の平面的中央部を対称軸として概ね対称形態で一対をなし配設されていて、
尚且つ、前記一対の風車と板状導風部材とを囲繞する角筒状部位を具有するとともに下部に支持架台を具有していて、
更に、前記角筒状部位が中央部の風上側に偏心した位置で下部の支持架台に固設された主支承部位により回動可能に支承されているとともに主支承部位を中心とした外周部に角筒状部位を回動可能に支持する補助支持機構部位が配設されていて、前記角筒状部位の風下側に端部に向かって約２０〜５０度の角度で両側に拡大する拡大部と上部に方向舵機能を発揮する垂直尾翼部位を有しており、
更には、前記角筒状部位の下部に防風室と其の内部に発電機と風車の回転力を発電機に伝達する回転伝達機構とを具有していることを特徴とする風力発電装置。