JP4627700B2

JP4627700B2 - 風力発電装置

Info

Publication number: JP4627700B2
Application number: JP2005230966A
Authority: JP
Inventors: 律三郎上中
Original assignee: 東洋セラミックス株式会社
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-08-09
Also published as: JP2007046520A

Description

本発明は、ビルの屋上または山頂等の高所に設置された風車および発電機を有する風力発電装置に関するものである。

従来、下記特許文献１に示されるように、表面に太陽電池モジュールを貼り付け、または太陽電池モジュールで形成された風洞と、この風洞の内部に設けられた風車と、この風車により駆動される発電機とを設け、太陽電池の発電効率を高い状態に維持した太陽光発電と、太陽光のエネルギー等によって発生する気流エネルギーを利用した風力発電とを複合させた複合発電装置が知られている。
特開２００５−８３３２７号公報

上記特許文献１に開示された複合発電装置では、太陽電池モジュールを利用した太陽光発電と、上昇気流を利用した風力発電との両方を利用することにより、電気エネルギーを安定して供給できるという利点がある。そして、上記特許文献１には、太陽電池モジュールが太陽光により暖められると同時に、発電による発熱で風洞の内部温度が上昇することにより風洞内部の空気が暖められて上昇気流が発生すると記載されている。しかし、上記のように太陽電池モジュールを利用した太陽光発電を行った場合には、太陽光のエネルギーの一部が電気エネルギーに変換されるために、太陽光のエネルギーの全てを風洞の加熱に利用した場合に比べて加熱効率が低下することが避けられず、上記風洞を設けたにも拘わらず、風力発電の発電効率を効果的に向上させることができないという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、太陽光のエネルギーを有効に利用して風力発電の発電効率を向上させ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。

請求項１に係る発明は、高所に設置された発電機と、この発電機を回転駆動する風車と、地上付近の外気を上記風車の設置部に案内する風洞とを備え、この風洞に、太陽光を集光するレンズ体と、このレンズ体により集光された太陽光のエネルギーによって加熱される加熱板とを設けたものである。

請求項２に係る発明は、上記請求項１記載の風力発電装置において、風洞内に発生した上昇気流を旋回させるガイド羽根を風洞の内部に設けたものである。

請求項３に係る発明は、上記請求項１または２に記載の風力発電装置において、加熱板に注水する注水手段を備えたものである。

請求項１に係る発明によれば、風洞に照射された太陽光がレンズ体により集光されて内筒が高温に加熱されるため、風洞内の空気密度が低下して上昇気流が発生するとともに、これに対応して風洞の下端部開口部から風洞内に外気が連続的に導入され、上記風洞を介して風車の設置部に案内されることになる。したがって、高所に吹き付けられた風のエネルギーと、風洞に照射された太陽光のエネルギーとの両方を有効に利用して風車を高速で回転させることにより、発電機の発電効率を効果的に向上できるという利点がある。

請求項２に係る発明によれば、風洞内において発生した上昇気流をスパイラル流に変化させることにより、風洞内をスムーズに流動させて上記風車を効率よく回転駆動することができる。

請求項３に係る発明によれば、加熱板に注水して風洞内に蒸気を発生させることにより、風洞内における上昇気流を効果的に強化できるという利点がある。

図１は、本発明に係る風力発電装置の実施形態を示している。この風力発電装置は、ビル１の屋上等に設置された発電機２と、この発電機２を回転駆動する風車３と、地上付近の外気を風車３の設置部に案内する風洞４とを備えている。この風洞４は、ビル１の南側に位置する壁面に沿ってビル１の２階部分等から屋上まで設置され、その下端部が南側に向けて開口するとともに、上端部が上記風車３に向けて開口している。

上記風洞４は、図２および図３に示すように、太陽光を集光するレンズ体５が設置された外筒６と、その内方側に設置された内筒７からなる加熱板とを有し、これらの直径が上端部に至る程小さくなるように設定されることにより上窄まりに形成されている。レンズ体５は、複数の凸レンズ状部８が一定間隔で設置されたガラス製の板材からなっている。そして、多数のレンズ体５が取付枠体９に嵌め込まれて接着またはボルト止め等の手段で固定されることにより、上記外筒６が構成されている。また、内筒７は、鋼板または銅板等によって形成された円筒状体からなり、その外面が黒色に着色されている。そして、上記凸レンズ状部８により集光された太陽光Ａが内筒７上において焦点を結ぶように、上記外筒６と内筒７との間隔Ｓが設定されている。

上記風車３は、図４および図５に示すように、弓形に湾曲したブレード材からなる３枚のダリウスロータ１１と、複数枚の半円筒状体が組み合わされた上下一対のサポニウスロータ１２，１３とを有し、これらのロータ１１〜１３がビル１の屋上に吹き付けた風に応じて回転することにより発電を行うように構成されている。すなわち、上記ロータ１１〜１３がそれぞれ垂直軸１０に取り付けられるとともに、その基端部に発電機２が設置され、上記垂直軸１０がロータ１１〜１３と一体に回転駆動されることにより、上記発電機２による発電が行われるようになっている。

また、上記風洞４は、その上端部が下方のサポニウスロータ１３の右半部を指向するように設置され、後述するように風洞４内において発生した上昇気流Ｂが、風洞４の上端開口部からサポニウスロータ１３の右半部に吹き付けられることにより、上記風車３が回転駆動されるように構成されている。

上記構成において、ビル１の南側壁面に沿って設置された風洞４に太陽光Ａが照射されると、上記レンズ体５の凸レンズ状部８により集光された太陽光Ａが内筒７からなる加熱板上において焦点を結ぶことにより、この内筒７が高温に加熱されて風洞４内の温度が上昇するとともに、この温度が外筒６と内筒７との間において維持される。このため、風洞４内の空気密度が低下し、風洞４の内部と外気との温度差に応じて上昇気流Ｂが発生し、これに対応して風洞４の下端部開口部から風洞４内に外気が連続的に導入されるとともに、その上端開口部から風車３の設置部に向けて上記上昇気流Ｂが案内されることになる。

そして、上記風車３を構成するダリウスロータ１１およびサポニウスロータ１２，１３がビル１の屋上に吹き付けられた風Ｃによって回転駆動されるとともに、風洞４により案内された上記上昇気流Ｂに応じて下方のサポニウスロータ１３が回転駆動されることにより、上記垂直軸１０が強い力で回転駆動されて上記発電機２による発電が効率よく行われることになる。すなわち、ビル１の屋上に吹き付けられた風Ｃのエネルギーと、風洞４に照射された太陽光Ａのエネルギーとの両方を有効に利用して上記風車３を高速で回転駆動することにより、発電機２の発電効率を効果的に向上させることができる。

特に、上記実施形態に示すように、風洞４を構成する外筒６および内筒７の直径を上端部に至る程小さくして風洞４を上窄まりに形成した場合には、風洞４内において発生した上昇気流Ｂが上昇するのに伴って流速が早くなるため、上記風車３を、より高速で回転駆動できるという利点がある。また、上記実施形態では、風洞４の下端部を南側に向けて開口したため、ビル１の壁面に向けて吹き付けたビル風を風洞４内に効率よく取り込むことにより、このビル風を有効に利用することができる。

図６に示すように、風洞４内において発生した上昇気流Ｂを旋回させるスパイラル状のガイド羽根１４を、風洞４の内部（具体的には上記加熱板を構成する内筒７の内壁面）に設けた構造としてもよい。このように構成した場合には、上記レンズ体５の凸レンズ状部８により集光された太陽光のエネルギーに応じて発生した上昇気流Ｂを風洞４内においてスムーズに流動させることにより、上記風車３を効率よく回転駆動することができるという利点がある。

また、図７に示すように、屋上の貯留槽に貯留された水道水等を、上記内筒７からなる加熱板に向けて注水する注水管および注水ノズル等を有する注水手段１５を設け、上記内筒７の温度が充分に高くなったことが図外の温度センサにより検出された時点で、上記注水手段１５から加熱板（内筒７）に向けて注水することにより、この注水された水道水等を気化させて風洞４内に蒸気を発生させるように構成してもよい。このように太陽光Ａにより加熱された内筒７の温度を利用して水蒸気を発生させるように構成した場合には、この水蒸気の膨張作用により風洞４内における上昇気流Ｂを充分に強化して、さらに効率よく上記風車３を回転駆動することができる。特に、上記ガイド羽根１４と注水手段１５との両方を風洞４に設けた構造とした場合には、上記上昇気流Ｂを、より効果的に強化できるという利点がある。

さらに、上記レンズ体５が設置された風洞４の上端部から下端部に至る略全域に亘って複数の注水手段１５を一定間隔で配設するとともに、上端または下端の注水手段１５から順番に上記水道水等を内筒７に向けて吹き付け、あるいは図外の温度センサの検出信号に応じて温度が高いと判定された個所を選定して水道水等を吹き付けることにより、連続的に水蒸気を発生させるように構成することも可能である。このように構成した場合には、上記風洞４に照射された太陽光Ａのエネルギーを有効に利用して長期間に亘り上昇気流Ｂを強化することができるため、発電効率を効果的に向上させることができる。

なお、上記風洞４を構成する外筒６の南側に位置する壁面にのみ上記レンズ体５を設置した構造としてもよいが、図８に示すように、風洞４の背面側に反射板１６を設置するとともに、この風洞４を構成する外筒６の全周に上記レンズ体５を設置し、上記反射板１６を利用して風洞４の背面側にも太陽光Ａを照射するように構成してもよい。このように構成した場合には、ビル１の壁面等に向けて照射された太陽光のエネルギーを効果的に利用して、より強い上昇気流Ｂを発生させることができるという利点がある。

また、ビル１の屋上に発電機２および風車３を設置するとともに、ビル１の壁面に沿って風洞４を設置してなる上記実施形態に代え、図９に示すように、風の強い山１７の頂に発電機２および風車３を設置するとともに、山１７の南側斜面に沿って風洞４ａを設置し、この風洞４ａにより山麓付近の風を風車３の設置部に向けて案内するように構成してもよい。この場合においても、上記風洞４ａに設けられたレンズ体５により集光された太陽光のエネルギーを利用して風洞４ａの内部に設けられた加熱板を加熱することにより上昇気流Ｂを発生させることができる。したがって、この上昇気流Ｂと、山頂に吹き付けた風Ｃとの両方で上記風車３を高速で回転させることにより、上記発電機２の発電効率を効果的に向上させることができる。

なお、上記実施形態では、ダリウスロータ１１およびサポニウスロータ１２，１３を有する風車３を、ビル１の屋上、または山頂等の高所に設置した例について説明したが、これに限らず、通常のプロペラ型風車またはガイドベーン付クロスフロー型風車を用いたり、あるいはこれらを組み合わせたりすることも可能である。例えば、図１０に示すように、高所に吹き付ける風Ｃを利用する風車３の下方にプロペラ型風車１８を設置するとともに、このプロペラ型風車１８に地上付近の外気を上昇気流Ｂとして案内する風洞４ｂを設けた構造としてもよい。

本発明に係る風力発電装置の実施形態を示す説明図である。レンズ体の具体的構成を示す正面図である。風洞の具体的構成を示す部分断面図である。風車の具体的構成を示す説明図である。風車の具体的構成を示す平面断面図である。内筒にガイド羽根を設けた例を示す断面斜視図である。内筒に注水する注水手段を設けた例を示す部分断面図である。本発明に係る風力発電装置の別の実施形態を示す平面断面図である。本発明に係る風力発電装置のさらに別の実施形態を示す斜視図である。本発明に係る風力発電装置のさらに別の実施形態を示す説明図である。

符号の説明

２発電機
３風車
４風洞
５レンズ体
７内筒（加熱板）
１４ガイド羽根
１５注水手段

Claims

高所に設置された発電機と、この発電機を回転駆動する風車と、地上付近の外気を上記風車の設置部に案内する風洞とを備え、この風洞に、太陽光を集光するレンズ体と、このレンズ体により集光された太陽光のエネルギーによって加熱される加熱板とを設けたことを特徴とする風力発電装置。
風洞内に発生した上昇気流を旋回させるガイド羽根を風洞の内部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
加熱板に注水する注水手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。