JP2005016452A - 風力発電システム、風力発電方法ならびに人工気流用風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した発電が可能で、恒常的に一定の発電量を確保できる風力発電技術を提供することである。特に、建物の電力系統に付帯した形で実施が可能であり、建物内の電力コスト削減に効果を発揮する風力発電技術を提供することである。
【解決手段】人工気流を利用した風力発電システムであって、人工気流を形成する空気の吹出し口（空調ダクトの給気口）８ａに対向するよう回転自在に配設された風車１０と、この風車１０によって駆動される発電機１１と、この発電機１１から得られた電気エネルギーを統御する電気エネルギー統御手段２と、を具備してなる風力発電システム。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、たとえば発電所のタービン建屋内や半導体製品などの製造工場内、公共施設や娯楽施設などの大規模建物内に形成される空調用の人工気流を利用した風力発電技術に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
近年、クリーンで、しかも枯渇することのないエネルギー源として風力が注目されており、本格的な商業発電も始まっている。しかし、風すなわち自然気流は風速や風向が一定しておらず、ときには長い時間にわたって止んでしまうこともあり、安定した発電が非常に難しい。
【０００３】
ところで、発電所の建屋など大規模な建物内には、比較的消費電力の小さな電気機器が数多く設置されている。たとえば、照明器具などは各階に多数配備されている。したがって、出力の小さな風力発電装置であっても、それを連続運転させて常時一定の発電量を確保できれば、そして、こうして得た電力を用いて照明器具などの電気機器を機能させることができれば、建物内の電力コスト削減に極めて大きな効果を発揮する。
【０００４】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、安定した発電が可能で、恒常的に一定の発電量を確保できる風力発電技術を提供することである。特に、建物の電力系統に付帯した形で実施が可能であり、建物内の電力コスト削減に効果を発揮する風力発電技術を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
ところで、上記の課題を解決するべく鋭意研究を進める過程で、本発明者は、建物内に常時形成されている空調用の気流（人工気流）を風力発電に利用できるのではないかとの閃きを手にした。
【０００６】
すなわち、発電所の建屋など大規模な建物では、関係法規によって、建物内の空気を入れ替えるための空調設備の設置が義務付けられている。この空調設備の働きによって、建物内には空気が一定流量で常に供給されており、また同時に、それとバランスする量の空気が建物外に排出されている。
【０００７】
そして、本発明者は、建物内でこうした役割を果たしている空調ダクトの給気口（空気の吹出し口）に対向するよう風車を配置し、人工気流の持つエネルギーの一部を回収して発電することを思い付いたのである。すなわち、建物内には常に空気が供給され、したがって絶えず人工気流が形成されているわけであるから、これは、風速や風向が一定していない自然気流を利用する従来の風力発電技術に比べて、格段に安定したエネルギー源になる。つまり、問題となるような出力変動を伴わない安定した風力発電が可能となり、恒常的に一定の発電量を確保することができる。
【０００８】
特に、本発明に係る風力発電技術は、空調ダクトの給気口と風車とが対になるよう配置され、その結果、必然的に建物の電力系統に付帯する形で実施されることになる。よって、得られた電力を用いて、建物内の照明器具など電気機器を作動させることが可能で、建物内の電力コスト削減に大きな効果を発揮する。
【０００９】
本発明に係る風力発電技術によれば、さらに次のような効果も奏される。本発明に係る風力発電技術がエネルギー源として利用する人工気流は、向きや流速（流量）が、おおむね一定に保たれている。ところで、従来型の風力発電装置は、向きや流速が絶えず変化する自然気流に対応可能でなければならず、実際にもそのように設計されており、構造は複雑である。しかしながら、向きや流速がほぼ一定の人工気流を利用する場合には、こうした従来型のものに比べ、装置の構造を著しく簡素化することができる。
【００１０】
しかも、本発明では、ある特定の流速にのみ対応するような、言い換えれば、その流速で最大効率を発揮するような形状・構造の風車を採用できるので、発電効率をさらに向上させることも可能である。
【００１１】
本発明は、上述したような新知見に基づいてなされたものであり、上記の課題は、人工気流を利用した風力発電システムであって、人工気流を形成する空気の吹出し口に対向するよう配設された風車と、この風車によって駆動される発電機と、この発電機から得られた電気エネルギーを統御する電気エネルギー統御手段とを具備してなることを特徴とする風力発電システムによって解決される。
【００１２】
本発明に係る風力発電システムにあっては、電気エネルギー統御手段が、蓄電池を構成要素として具備してなるとともに、この電気エネルギー統御手段は、発電機から得られた電気エネルギーを蓄電池に充電し、あるいは直流電流または交流電流として電力供給対象（電気機器）に供給するよう構成されてなることが好ましい。
【００１３】
こうすることで、さらに安定した電力供給が可能となる。また、直流・交流の別なく電気機器の電源として使用でき、利便性にも優れる。ただし、上記発電機として交流式のものを採用した場合には、蓄電池への充電に先立ち、整流回路などを用いて、交流電流が直流電流に変換されることになる。
【００１４】
ひるがえって、上記の課題は、人工気流を利用した風力発電方法であって、人工気流を形成する空気の吹出し口に対向するよう配設された風車を、人工気流の作用によって回転させ、この回転力によって、風車の回転軸と接続された発電機を駆動して電気エネルギーを得ることを特徴とする風力発電方法によって解決される。
【００１５】
また、同じく上記の課題は、人工気流を利用した風力発電に用いられる装置であって、人工気流を受けて回転する風車と、入力軸が風車の回転軸と接続された発電機と、風車および発電機を、風車が人工気流を形成する空気の吹出し口に対向するよう支持する支持手段とを具備してなることを特徴とする人工気流用風力発電装置によって解決される。
【００１６】
なお、本発明に係る風力発電システム、風力発電方法、そして人工気流用風力発電装置のいずれに関しても、人工気流を形成する空気の吹出し口としては、建物内に設置された空調ダクトの給気口を挙げることができる。また、この人工気流を形成する空気の吹出し口としては、建物内の空気を建物外に排出するための排気口を挙げることができる。ただし、建物内に設置された空調ダクトの給気口に対向して風車を設置する場合と、建物内の空気を建物外に排出するための排気口に対向して風車を設置する場合とを比べると、風車が外風の影響を受け難い点において、建物内に設置された空調ダクトの給気口に対向して風車を設置する場合の方が好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る風力発電技術について、それを大規模な建物である発電所のタービン建屋内にて実施した場合を例に挙げ、図１および図２を用いて具体的に説明する。なお、図１は本実施形態に係る風力発電システムの構成を示す概念図、図２は風車と空調ダクトの給気口との位置関係を示す概略図である。
【００１８】
ただし、これは本発明の一つの形態であり、タービン建屋以外のさまざまな建物内においても同じようにして、あるいは発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更を加えて実施することができる。
【００１９】
本実施形態に係る風力発電システム（以下、本風力発電システムと言う）は、タービン建屋内の空調用の人工気流を利用したものであり、図１からわかるように、概して、人工気流用の風力発電装置１と電気エネルギー統御手段２とから構成されている。このうち電気エネルギー統御手段２は、後述する風力発電装置１の発電機から得られた電気エネルギーを統御する役割を果たす。本実施形態では、この電気エネルギー統御手段２を、充放電コントローラ３と、これに接続された蓄電池４およびインバータ５とから構成している。
【００２０】
充放電コントローラ３には、出力用の電源端子が二つ接続されている。その一つは、電力供給対象である直流式電気機器（図示せず）に直流電流を供給するための直流電源端子６であり、これは充放電コントローラ３に直結されている。もう一つの出力用電源端子は、電力供給対象である交流式電気機器（図示せず）に交流電流を供給するための交流電源端子７であり、これは上記インバータ５を介して充放電コントローラ３に接続されている。
【００２１】
上記電気エネルギー統御手段２は、風力発電装置１の発電機から得られた電気エネルギーを蓄電池３に充電したり、直流電源端子６あるいは交流電源端子７に供給（すなわち直流電流あるいは交流電流として電力供給対象に供給）したりする役割を果たす。電気エネルギー統御手段２はさらに、必要に応じて蓄電池３を放電させ、直流電源端子６あるいは交流電源端子７に所要の電力を供給する。なお本実施形態では、インバータ５の働きで、交流電源端子７から電圧が１００Ｖの交流電流を得られるようになっている。
【００２２】
ちなみに、図１においては、直流電流が流れる送電ラインを破線にて、一方、交流電流が流れる送電ラインを二点鎖線にて示している。ところで、電力供給対象を直流式電気機器のみに限定する場合は、上記システムの構造をさらに簡素化することができる。つまり、インバータ５および交流電源端子７を省略できる。これに対して、電力供給対象を交流式電気機器のみに限定する場合には、直流電源端子６を省略できる。
【００２３】
さて、本実施形態に係る風力発電装置（以下、本風力発電装置と言う）１は、１本の空調ダクト８に対して複数基設置される。すなわち、図１においては本風力発電装置１を２基しか示していないが、実際には、空調ダクト８が有する給気口８ａと同数だけ設けられている。本実施形態にあっては、このように、建物内に設置された空調ダクト８の給気口８ａが、上記人工気流を形成する空気の吹出し口となっている。
【００２４】
人工気流を利用した風力発電に用いられる本風力発電装置１は、図２に示すように概して、プロペラ型の風車１０、発電機１１、そして支持具（支持手段）１２から構成されている。このうち風車１０は、人工気流を形成する空気の吹出し口、すなわち上記給気口８ａに対向するように配設されている。すなわち、給気口８ａから常に所定方向に吹き出されて来る風に向けて風車１０が配置されていて、給気口８ａからの風によって風車１０の羽根が回転するように構成されている。
【００２５】
本実施形態では、風車１０として、複数の羽根を回転軸１０ａの周りに放射状に配したものを用いた。だが、これ以外にも、たとえば複数の羽根を鉛直回転軸の軸方向に沿って、それを取り囲むように配してなる風車などを用いてもよい。すなわち風車は、さまざまな条件を考慮して、最適なものが選定されることになる。
【００２６】
発電機１１の入力軸（図示せず）には、風車１０の回転軸１０ａが接続されており、したがって発電機１１は、風車１０を定位置で回転自在に支持する。この発電機１１は、言うまでもなく、人工気流を受けて回転する風車１０によって駆動される。なお、ここで用いた発電機１１は交流式のものであるが、整流回路（図示せず）を内蔵しており、したがって本風力発電装置１は、発生させた電気エネルギーを直流電流の形で出力する。
【００２７】
支持具１２は、金属パイプなどを折り曲げて構成されたものであり、その先端側には発電機１１が取り付けられている。また、支持具１２の基端側は、空調ダクト８に固定されている。この支持具１２は、風車１０および発電機１１を、風車１０が、人工気流を形成する空気の吹出し口である給気口８ａに対向するよう支持する役割を果たす。
【００２８】
本実施形態では、給気口８ａと風車１０との距離Ｌを、たとえば風車１０の直径Ｄの０．５〜３倍程度に設定した。だが、これは、人工気流の流速（風量）や給気口８ａの寸法・形状、さらには周囲の環境などを考慮して決定される。またここでは、発電機１１を、支持具１２を介して空調ダクト８に固定した場合を例に挙げたが、むろん、建物の天井や床面、壁面（建物が階層構造である場合には各階の天井や床面、壁面）に適当な支持手段を用いて固定してもよい。
【００２９】
さらに言えば、本実施形態では、空調ダクト８として天井から吊り下げられたものを例に挙げたが、もしそれが床面や壁面に沿って配置されている場合でも、やはり先と同じようにして本風力発電装置１が設置されることになる。
【００３０】
このように本風力発電システムを用いた発電手法では、言い換えれば本実施形態に係る風力発電方法では、建物内の空調用の人工気流がエネルギー源として利用される。そして、この人工気流を形成する空気の吹出し口、つまり空調ダクト８の給気口８ａに対向するよう回転自在に配設された風車１０を、人工気流の作用によって回転させ、この回転力によって、風車１０の回転軸１０ａと接続された発電機１１を駆動して、所要の電気エネルギーを得るようになっている。
【００３１】
さて、本実施形態に係る風力発電技術を用いた場合、タービン建屋などの建物内には、絶えず一定流速の人工気流が形成されているわけであるから、風速や風向が一定していない自然気流を利用する従来技術に比べ、極めて安定した風力発電が可能となり、恒常的に一定の発電量を確保することができる。
【００３２】
また、本実施形態に係る風力発電技術は、空調ダクト８の給気口８ａと風車１０とが対になるよう配置されるので、当然のことながら、建物の電力系統に付帯する形で実施されることになる。ゆえに、得られた電力を用いて建物内の照明器具など電気機器を作動させることが可能で、建物内の電力コスト削減に大きな効果を発揮する。
【００３３】
加えて、本実施形態に係る風力発電技術がエネルギー源として利用する人工気流は、向きや流速（流量）が、おおむね一定に保たれている。したがって、人工気流を利用する場合には、向きや流速が絶えず変化する自然気流に対応可能でなければならず、実際にもそのように設計されている従来型装置に比べ、装置構造を著しく簡素化することができる。しかも、ある特定の流速にのみ対応し、その流速で最大効率を発揮するような形状・構造の風車を採用できるので、発電効率をさらに向上させることが可能である。
【００３４】
なお、本実施形態では、人工気流を形成する空気の吹出し口として、建物内に設置された空調ダクトの給気口を用いた場合を例に挙げた。しかしながら、人工気流を形成する空気の吹出し口は、こうしたものに限定されるわけではない。本発明の他実施形態としては、たとえば建物内の空気を建物外に排出するための排気口を、人工気流を形成する空気の吹出し口として利用したものが挙げられる。つまり、排気口付近に生じている人工気流を風力発電のエネルギー源として利用することもできる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、安定した風力発電が可能で、恒常的に一定の発電量を確保することができる。特に、建物の電力系統に付帯する形で風力発電が可能であり、建物内の電力コスト削減に効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る風力発電システムの構成を示す概念図
【図２】風車と空調ダクトの給気口との位置関係を示す概略図
【符号の説明】
１ 風力発電装置（人工気流用風力発電装置）
２ 電気エネルギー統御手段
３ 充放電コントローラ
４ 蓄電池
５ インバータ
６ 直流電源端子
７ 交流電源端子
８ 空調ダクト
８ａ 空調ダクトの給気口（人工気流を形成する空気の吹出し口）
１０ 風車
１０ａ 風車の回転軸
１１ 発電機
１２ 支持具（支持手段）

Claims (10)

1. 人工気流を利用した風力発電システムであって、
   前記人工気流を形成する空気の吹出し口に対向するよう配設された風車と、
   この風車によって駆動される発電機と、
   この発電機から得られた電気エネルギーを統御する電気エネルギー統御手段
   とを具備してなることを特徴とする風力発電システム。
2. 電気エネルギー統御手段は、蓄電池を構成要素として具備してなるとともに、発電機から得られた電気エネルギーを前記蓄電池に充電し、あるいは直流電流または交流電流として電力供給対象に供給するよう構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の風力発電システム。
3. 人工気流を形成する空気の吹出し口が、建物内に設置された空調ダクトの給気口であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電システム。
4. 人工気流を形成する空気の吹出し口が、建物内の空気を建物外に排出するための排気口であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電システム。
5. 人工気流を利用した風力発電方法であって、
   前記人工気流を形成する空気の吹出し口に対向するよう配設された風車を、前記人工気流の作用によって回転させ、この回転力によって、前記風車の回転軸と接続された発電機を駆動して電気エネルギーを得ることを特徴とする風力発電方法。
6. 人工気流を形成する空気の吹出し口が、建物内に設置された空調ダクトの給気口であることを特徴とする請求項５に記載の風力発電方法。
7. 人工気流を形成する空気の吹出し口が、建物内の空気を建物外に排出するための排気口であることを特徴とする請求項５に記載の風力発電方法。
8. 人工気流を利用した風力発電に用いられる装置であって、
   前記人工気流を受けて回転する風車と、
   入力軸が前記風車の回転軸と接続された発電機と、
   前記風車および前記発電機を、前記風車が前記人工気流を形成する空気の吹出し口に対向するよう支持する支持手段と
   を具備してなることを特徴とする人工気流用風力発電装置。
9. 人工気流を形成する空気の吹出し口が、建物内に設置された空調ダクトの給気口であることを特徴とする請求項８に記載の人工気流用風力発電装置。
10. 人工気流を形成する空気の吹出し口が、建物内の空気を建物外に排出するための排気口であることを特徴とする請求項８に記載の人工気流用風力発電装置。

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