JP2014080983A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風車と発電機を風車取付フレームに取り付けてなる風力発電装置において、風車と発電機を風車取付フレームに簡単にかつ、風力に耐え得るように取り付けること。
【解決手段】風車取付フレームに垂直回転軸に複数の翼を備えた風車と垂直回転軸により回転される発電機とを取り付けた風力発電装置において、風車取付フレームを、縦フレームと、その縦フレームの高さの中間点に結合されている中間横フレームと、縦フレームの頂部に結合され頂上横フレームとで構成し、中間横フレームと頂上横フレームの一方に垂直回転軸の一端を取り付け、他方に発電機を取り付けるか、または中間横フレーム頂上横フレームにそれぞれ垂直回転軸の両端を取り付けた。
【選択図】図６

Description

本発明は、風車を用いて発電機を駆動する風力発電装置に関する。

従来から、冷却塔の冷却ファンから吐出される風、すなわち、排気風は散布される水滴の滴下速度を遅らせ、熱を発散させるためのみに用いられ、他の目的には用いられていない。これは排気風を無駄に捨てていることになる。

そこで、冷却塔の冷却ファンの排気風を利用して水平軸風車の１つであるプロペラ型の発電ロータを駆動し、又は上向きの排気風を横向きに偏向する偏向フードにより偏向された排気風を受けるように垂直方向に配置した垂直軸風車を駆動して発電する風力発電装置が提案されている（特許文献１〜６参照）。

実願昭５６−１３４５９７号（実開昭５８−４０５７０号）のマイクロフィルム 特開平１１−１３４２１号公報 特開２００２−２４２８１８号公報 特開２００３−３１４０７４号公報 特開２００５−２９９４７９号公報 特開２００７−１００５８３号公報

これらの風力発電装置は、冷却塔の運転時又は動力等の運転時及び冷却塔の停止時には自然風を受けて風車を回転させてそれぞれ発電機を駆動する。

しかしながら、この場合、発電は、冷却塔の運転時又は動力等の運転時及び冷却塔の停止時には自然風を受けて風車を回転させて発電機を駆動することのみに依存するため、発電効率が劣るという難点がある。

本発明者は、このような難点を解消するため、全四季に亘って常時フルに発電が可能であって、かつ発電効率が向上される風力発電装置を提供することを目的として、次のような風力発電装置を案出した。（ａ）ビルの屋上に設置された水冷式の冷却塔の冷却ファンの上方に設置された風力発電装置において、（ｂ）風力発電装置を、垂直回転軸に複数の垂直翼と複数の水平翼を備えた風車、すなわち、垂直軸風車と水平軸風車を合体してなる複式風車と前記垂直回転軸により回転される発電機とで構成し、(ｃ)前記冷却塔をビルの屋上に設置するための基礎を利用して設置された風車取付フレームに、前記風力発電装置を前記冷却ファンの上方に位置するように取付け、(ｄ)前記垂直回転軸を前記複式風車の中心に設けて、前記冷却ファンの回転軸と同心とし、かつ冷却ファンの排気風の風向と同じ向きに設置して、(ｅ)前記冷却塔の運転時には前記冷却ファンからの排気風を受けて前記水平軸風車を回転させ、前記冷却塔の停止時には自然風を受けて前記垂直軸風車を回転させるようにしたことを特徴とする風力発電装置。

上記風力発電装置は、冷却塔をビルの屋上に設置するための基礎を利用して設置された風車取付フレームに、冷却ファンの上方に位置するように取付けられる。したがって、風車には冷却ファンからの排気風および/または自然風が吹きかかるので、風車と発電機を風車取付フレームに取り付ける場合、当然ながら、これらの風力に耐え得るように取り付けることが必要である。こうして、風車と発電機を風車取付フレームにどのように取り付ければ簡単に取り付けることができ、かつ、風力に耐え得るかが課題になる。

上記課題を解決するため、本発明は、風車取付フレームに垂直回転軸に複数の翼を備えた風車と垂直回転軸により回転される発電機とを取り付けた風力発電装置において、前記風車取付フレームを、縦フレームと、その縦フレームの高さの中間位置に結合されている中間横フレームと、前記縦フレームの頂部に結合された頂上横フレームとで構成し、前記中間横フレームと前記頂上横フレームに前記垂直回転軸を取り付けたことを特徴とする。

好ましい実施の形態は、風車取付フレームの縦フレームは、平面四角形または三角形の隅において立設された複数の縦材を有し、中間横フレームは、縦フレームの内側に設けられ、外端が各縦材の中間点に結合されているとともに、内端が１点において結合されている複数本の横材を有し、頂上横フレームは、外端が縦フレームの各縦材の頂部に結合され、内端が１点において結合されて、中間横フレームの上側に配置されている複数本の横材を有し、中間横フレームの各横材の結合部と頂上横フレームの各横材の結合部とに垂直回転軸が取り付けられていることを特徴とする。

前記風車は、垂直回転軸に複数の垂直翼と複数の水平翼を備えた風車、すなわち、垂直軸風車と水平軸風車を合体してなる複式風車であることが望ましい。

風車取付フレームは、冷却塔をビルの屋上に設置するための基礎を利用して設置されるものであり、複式風車は冷却ファンの上方に位置するように風車取付フレームに取り付けられ、垂直回転軸は複式風車の中心に設けられ、冷却ファンの回転軸と同心であることが好ましい。

水平軸風車は、垂直軸風車の垂直翼を垂直回転軸に連結する腕を水平翼に形成することにより構成されていることが好ましい。

風車取付フレームには、周囲に防護ネットが設けられていることが好ましい。

本発明によれば、風車と発電機を風車取付フレームに簡単に取り付けることができ、かつ、風力に耐え得る風力発電装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態を示す側面図である。 図１に示すハイブリッド風力発電装置の平面図である。 図１に示すハイブリッド風力発電装置における複式風車の平面図である。 本発明の他の実施の形態を示す側面図である。 図４に示すハイブリッド風力発電装置の平面図である。 本発明のさらに他の実施の形態を示す斜視図である。 本発明のさらに他の実施の形態を示す側面図である。 図７に示すハイブリッド風力発電装置の平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

〈実施例１〉
図１、図４、図６、図７に示すように、この実施の形態に係る風力発電装置は、ハイブリッド風力発電装置の例の場合である。ハイブリッド風力発電装置は、風車取付フレーム４に取付けられている。この風車取付フレーム４は、散布される水滴の滴下速度を遅らせ、熱を発散させる冷却ファン１を有する冷却塔２をビルの屋上に設置するための基礎３を利用して設置されている。風車取付フレーム４は、縦フレーム４ａ、中間横フレーム４ｂ、頂上横フレーム４ｃを含む。

縦フレーム４ａは、平面四角形または三角形の隅において立設された縦材を有する。中間横フレーム４ｂは、縦フレーム４ａの内側に設けられ、複数本の横材を有して、各横材の外端は各縦材の中間点に結合されているとともに、内端が互いに結合され、または近接されている。頂上横フレーム４ｃは、中間横フレームの上側に配置された複数本の横材からなり、横材の外端は縦フレームの縦材の頂部に結合され、内端は互いに結合されている。

ハイブリッド風力発電装置は、垂直軸風車５と水平軸風車６からなる複式風車を有する。複式風車は、風車取付フレーム４に、冷却ファン１の上方において取付けられている。垂直軸風車５と水平軸風車６は共通の垂直回転軸１１を有する。また、ハイブリッド風力発電装置は、冷却塔２の運転時には水平軸風車６が冷却ファン１からの上方向きの排気風７を受け、冷却塔２の停止時には垂直軸風車５が自然風８を受けて複式風車、すなわち垂直軸風車５と水平軸風車６の協働により駆動される発電機９を備えている（図１〜図３）。

垂直軸風車５は、垂直回転軸１１の周囲に複数個の垂直翼１０を同心円上に配設して構成されている。垂直回転軸１１は排気風の風向と同じ向きに設置されている。したがって、垂直軸風車５は、自然風の風向きに左右されず、何れの方向の自然風によっても回転される（図２〜図３）。

垂直軸風車５は水平軸風車６の外側に設けられている。

複式風車の垂直回転軸１１と冷却ファン１の回転軸１２は、共通の垂直線上に位置されている。

垂直軸風車５は、羽根の中心回転軸が風方向と直交するものであって、クロスフロー型、ダリウス型、ジャイロミル型、サボニウス型、Ｓ型ローター型、パドル型等のいずれを用いても良い（「トコトンやさしい風力発電の本」、第４章「風車の種類と使われ方」、２０１０年１月２０日初版１刷発行、日刊工業新聞社）。

垂直軸風車５は、水平軸風車６に対比して、風向きに左右されず何れの方向の風も利用でき、したがって風向制御装置が不要であり、風切り音が少なく騒音の問題が低減されるので、都心のビル街、マンション、アパート住宅区域においても設置可能であるという利点がある。

垂直軸風車５としては、ジャイロミル型を採用することが好ましい。

水平軸風車６は、羽根（ブレード）の中心回転軸が風方向と平行するもので、プロペラ型、多翼型、セイルウイング型、かざぐるま型、リボン型、オランダ型等で構成される（「トコトンやさしい風力発電の本」、第４章「風車の種類と使われ方」、２０１０年１月２０日初版１刷発行、日刊工業新聞社）。

水平軸風車６は、風の抗力を利用するので比較的大きなトルクが得られるという利点がある一方、風向きに左右され、したがって風向制御装置が必要であるが、本発明のハイブリッド風力発電装置においては冷却塔２からの上方向きの排気風を受けるので、風向が一定であり、風向制御装置は不要である。

水平軸風車６としては、プロペラ型を採用することが好ましい。

以上の実施の形態において、垂直回転軸１１はその一端が発電機９の駆動軸に直結されている。発電機９は、頂上横フレーム４ｃの横材の結合部に取り付けられている。そして、垂直回転軸１１の他端は、中間横フレーム４ｂの横材の結合部に設けられた軸受により回転自在に支持されている。しかし、垂直回転軸１１はベルト、ギアリングなどの伝達機構を介して発電機９の駆動軸に連結でき、かつ伝達機構の伝達比を変えることにより発電機９の駆動軸の回転速度を変速することも可能である。

また、ハイブリッド風力発電装置は、ビル等の最上部に設置されるので、鳥を守るためと飛来物から保護するため、防護ネットを設置することが好ましい。

また、メンテナンス、危険防止用に垂直軸風車５の回転を止めるストッパー(ブレーキ)を設置することが好ましい。すなわち、冷却塔２及び風力発電用羽根の修理・メンテナンスの際は、ブレーキを設置して回転物（羽根）を止める安全面での構造が必要である。風車自体が強風による破損を防止するためにブレーキをかける構造としても、その時には羽根が停止しているだけであるので、冷却塔２の運転状態に影響を与える事は無い。

〈実施例２〉
図４〜図７に示すように、本実施の形態に係るハイブリッド風力発電装置は、散布される水滴の滴下速度を遅らせ、熱を発散させる冷却ファン１を有する冷却塔２をビルの屋上に設置するための基礎３を利用して風車取付フレーム４が装架されている。

この実施の形態においては、風車取付フレーム４に、冷却ファン１の上方で垂直軸風車５を垂直回転軸１１が垂直方向となるように配置し、垂直軸風車５を垂直回転軸１１に連結する腕１２により垂直回転軸１１が垂直方向に配置される水平軸風車６ａが形成されている。そして、冷却塔２の運転時には水平軸風車６ａが冷却ファン１からの上方向きの排気風７を受け、冷却塔２の停止時には垂直軸風車５が自然風８を受けて垂直軸風車５と水平軸風車６ａの協働により駆動される発電機９を備えている。

この実施の形態において、垂直軸風車５は、垂直回転軸１１の周囲に同心円で設けられた複数個の垂直翼１０で構成され、垂直回転軸１１は排気風の風向と同じ向きに設置され、自然風の風向きに左右されず何れの方向の自然風に対しても回転できるように垂直回転軸１１を垂直方向に配置されている。

垂直軸風車５を垂直回転軸１１に連結する腕１２により垂直回転軸１１が垂直方向に配置される水平軸風車６ａが形成される実施の形態によれば、垂直軸風車と水平軸風車の構築が簡便になり、冷却塔への設置も容易になる。

なお、以上の風力発電装置において、冷却塔２としては、角型冷却塔（図１、図４、図６）のみならず丸型冷却塔（図７）にも設置対応が可能である。

また、以上の風力発電装置において、冷却塔としては、単体の冷却塔を示しているが、冷却塔の冷却ファン１が並んで設置されているものは、その冷却ファンの数だけ発電機を設置できるので、相当量の発電電力量が得られる。

以上の風力発電装置において、風車取付フレーム４の縦フレーム４ａは冷却塔２の４隅（基礎３の位置の４方向）としたが、丸型冷却塔では３方向の設置でも可能であり、各方向からの柱とし分散することにより、冷却塔自身の基礎をそのまま利用できるため新たに強固な基礎を作る必要がない。

本実施の形態に係る風力発電装置において、基礎３の基礎工事においても、建築物の躯体に影響をすることもなく設置が可能である。

本実施の形態に係る風力発電装置において、新規設置の場合、冷却塔２自身の脚部を風車の荷重に耐えるものを設置するだけで、現状と同じ配置で設置が可能である。

本実施の形態に係る風力発電装置において、通常風力発電の修理及びメンテナンスはその都度高所作業のため足場を設置して相当高さ上で作業をするが、本機は冷却塔２の上部にあるため、冷却塔２を利用することができるので、足場を設置しないで修理及びメンテナンスが可能である。したがって、足場設置の経費及び時間等が節約できる。

本実施の形態に係る風力発電装置においては、上記のような構造のため改めて高所作業とする必要が無いため、日常の点検の一つとして気軽に点検をすることができる。

本実施の形態に係る風力発電装置は都心の屋上に設置することで風力発電装置を最大限利用することができる。

風力発電は通常風が強く吹く場所を選んで設置しなければならないが、本実施の形態は、都心のビルの屋上は常に高所にあり、自然風の強い場所と言うメリットを活用できる利点を有する。

冷却塔は規模の大きなものになると、数台から十数台での並列設置であるが、この風力発電装置もその台数及び排風口の数の分を設置することができる。

続いて、本実施の形態に係る風力発電装置の動作について説明する。

冷却塔２の運転時は、冷却ファン１の排気風７を水平軸風車６、６ａが受けて回転し発電する。

冷却塔２がサーモ停止のときでも、自然風８があれば、垂直軸風車５が全方位からの横風を受けて回転し発電する。

冷房時以外の冷却塔２の停止時も、全方位からの自然風８を垂直軸風車５が受けて回転し発電する。

暖房時で冷却塔２が全く停止している状態でも、自然風８により発電が可能である。

夏の気温が上昇して冷房最盛期の無風時には、冷却ファン１の運転が連続されるため、排気風７も連続して発生するので、水平軸風車６、６ａの回転時間が長くなり、発電容量と発電時間が最大となる。冷房時の無風時の発電も可能なうえ、暖房時の冷却塔２が停止時も自然風８により発電が見込めるため、年間で最大量の発電が見込める。

本実施の形態に係る風力発電装置は、無風時には発電しない従来の風力発電の欠点を、無風時に捨てていた冷却塔２の風を受けて発電ができるようにすることにより、解消した。

都心のど真ん中での風力発電設備の設置は、スペースの関係上非常に無理な面が多いが、都心ならではのビルの屋上に風力発電設備を設置するとなると、設置可能な場所は非常に多くなる。

風力発電は、平地では風が少ないため極力柱を立てて羽根（垂直翼）１０を上方に設置する必要があるが、ビルの屋上のため、羽根（垂直翼）１０が受ける風は高い柱を立てる以上に効果がある。

水平軸風車６、６ａが回転することで、水平軸風車６、６ａ上方方向の気流が発生し、冷却ファン１上の風の方向に遮蔽物となり、垂直軸風車５の羽根（垂直翼）１０が水平軸風車６、６ａ上方の上昇気流により遮蔽物ではなく排気筒としての役目を担い、排気風のショートサーキットを防ぐ事により、効率が上がり更に相乗効果が得られる。

この効果と垂直軸風車５の羽根（垂直翼）１０がさらに冷却ファン１上の気流分散を抑えて気流をまとめる役目をするため、風車の回転を促進することができる。

何らかの理由（故障等）で風車が回らないときに冷却塔２の排気風７が垂直軸風車５の羽根（垂直翼）１０に当たっても抵抗になる程度ではないため、冷却塔２の能力等に与える影響は無い。

また、自然風８が発電するのに必要な風量のときは、その効果は更に高められる。これは、夏場の自然風が大きなときは垂直軸風車５による風力発電がその効果を発揮するが、その時、水平軸風車６、６ａによる風力発電が起こす上昇気流が冷却塔２の排気風を助ける役目を果たし、冷却塔２の効率を上げることができる。これによって冷却塔２自体の電力消費が抑えられるメリットがある。

なお、自然風の強いときは、発電機と風車の接続部を切り離し、冷却塔のファンシャフトに直接接続して冷却塔側のファンを直接回転させることにより、発電ロスを無くすことができる。発電する回転数２００ｒｐｍと冷却塔の能力を１００％発揮するときの回転数４００ｒｐｍは異なるため、風力で回転させるときの負荷は低負荷時に限る。

以下、本実施の形態の風力発電装置における垂直軸風車５と水平軸風車６、６ａの動作を夏季と冬季について説明する。

夏季＝冷却塔が稼動の場合：
自然風が無いときは、水平軸風車６、６ａが回転され発電される。この場合、垂直軸風車５は負荷として従動回転されるが、冷却塔からの排気風７は真直ぐ上方に通り抜けるので、反トルクは生じることはなく、排気筒としての役目を担うことになる。

自然風があるときは、垂直軸風車５と水平軸風車６、６ａが回転され発電される。

冬季＝冷却塔が停止の場合：
自然風が無いときは、垂直軸風車５と水平軸風車６、６ａは回転されず発電されない。

自然風があるときは、垂直軸風車５が回転され発電される。この場合、水平軸風車６、６ａは負荷として従動回転されるが、水平軸風車６、６ａの回転モーメントは小さいので、垂直軸風車５の回転が阻害されることはない。

以上の説明からも明らかなように、本実施の形態によれば、冷却塔の運転時には冷却塔からの排気風を受けて水平軸風車を回転させ、冷却塔の停止時には自然風を受けて垂直軸風車を回転させて発電機を駆動することにより、フルに発電が可能であり、常時発電が達成できる。すなわち、本実施の形態のハイブリッド風力発電装置の最大のメリットは、都心や繁華街等のビルの屋上に設置されている冷却塔を利用する自然エネルギ一風力発電システムであり、真夏は冷却塔２の運転で、ほぼフルに発電が可能であり、常時発電が望めるし、冷却塔２の停止時でも自然風を受けて発電が可能であることである。

さらに、本実施の形態によれば、垂直軸風車、発電機は屋上に設置されるので、一般の人が近寄ることも少なく安全である。

また、本実施の形態によれば、垂直軸風車、発電機は基礎も要らず、冷却塔等に抱き合わせて設置が可能であるので、工事費が安価である。

また、本実施の形態によれば、垂直軸風車、発電機は屋上設置により自然風を受けやすいため発電効率が良い。

さらに、本実施の形態によれば、垂直軸風車、発電機は都心のビルの屋上等に設置が可能であり、設置領域が格段に広がる。

また、本実施の形態によれば、垂直軸風車は既設の冷却塔に設置が可能であり、改めて冷却塔の構造を変える必要がない。

また、本実施の形態によれば、垂直軸風車は大きな羽根を使用することもなく、システム自体も安価になる。

また、本実施の形態によれば、冷却塔運転時の風を利用した上、冷却塔の停止時(冬季)でも自然の風を利用可能で風力発電としては１年中効率が高い発電が望める。

さらに、本実施の形態によれば、災害時に、ビルの屋上に避難ということもありうるが、ハイブリッド風力発電装置は、そのようなときにも有効に発電されるので、電力源として利用され実力を発揮する。

なお、通常ビルの受電設備及び緊急時の自家発電設備は、かなりの割合で地下に設けられている。都心のビルに襲いかかる災害の大きなものとしては、地震による津波災害と台風等による水害があげられる。大きな津波及び水害が発生したときには、電気関係に大きな影響が出て、復旧に手間取ることになる。地下に浸水して電気が使用不能になった場合、地震水害等の規模によっては復旧に相当の日数（数か月単位）が必要となる可能性がある。電力会社からの送電復旧と受電設備の復旧を考えると、どちらが欠けていても電気は使えない。

このような時に必要となる最低の電気を本実施の形態の風力発電装置で給電できることは非常に大きなメリットとなる。常時使用については電気自動車の充電、建物内の照明等に使うことができるが、いざという時には、自然風で発電した電気によりパソコン・携帯電話の充電、非常時の照明設備の電源供給を行なうこと等があげられる。

１・・・冷却ファン
２・・・冷却塔（水冷冷却塔）
３・・・基礎
４・・・風車取付フレーム
５・・・垂直軸風車
６、６ａ・・・水平軸風車
７・・・排気風
８・・・自然風
９・・・発電機
１０・・・垂直翼(羽根)
１１・・・回転軸
１２・・・水平翼(腕)

Claims (6)

1. 風車取付フレームに垂直回転軸に複数の翼を備えた風車と垂直回転軸により回転される発電機とを取り付けた風力発電装置において、前記風車取付フレームを、縦フレームと、その縦フレームの高さの中間位置に結合されている中間横フレームと、前記縦フレームの頂部に結合された頂上横フレームとで構成し、前記中間横フレームと前記頂上横フレームに前記垂直回転軸を取り付けたことを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置において、前記風車取付フレームの縦フレームは、平面四角形または三角形の隅において立設された複数の縦材を有し、前記中間横フレームは、前記縦フレームの内側に設けられ、外端が各縦材の中間点に結合されているとともに、内端が１点において結合されている複数本の横材を有し、前記頂上横フレームは、外端が前記縦フレームの各縦材の頂部に結合され、内端が１点において結合されて、前記中間横フレームの上側に配置されている複数本の横材を有し、前記中間横フレームの各横材の結合部と前記頂上横フレームの各横材の結合部とに前記垂直回転軸が取り付けられていることを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１または２記載の風力発電装置において、前記風車は、垂直回転軸に複数の垂直翼と複数の水平翼を備えた風車、すなわち、垂直軸風車と水平軸風車を合体してなる複式風車であることを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項３記載の風力発電装置において、前記風車取付フレームは、冷却塔をビルの屋上に設置するための基礎を利用して設置され、前記複式風車は冷却ファンの上方に位置するように風車取付フレームに取り付けられ、前記垂直回転軸は前記複式風車の中心に設けられて、前記冷却ファンの回転軸と同心であることを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項３または４記載の風力発電装置において、前記水平軸風車は、前記垂直軸風車の垂直翼を前記垂直回転軸に連結する腕を水平翼に形成することにより構成されていることを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項1から５までのいずれか１項に記載の風力発電装置において、前記風車取付フレームには、周囲に防護ネットが設けられていることを特徴とする風力発電装置。

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