特開 2023-59550 風力発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023059550

(43)【公開日】2023-04-27

(54)【発明の名称】風力発電システム

(51)【国際特許分類】

   F03D 1/06 20060101AFI20230420BHJP

【ＦＩ】

F03D1/06 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021169628

(22)【出願日】2021-10-15

(71)【出願人】

【識別番号】000149033

【氏名又は名称】株式会社エクセディ

(71)【出願人】

【識別番号】514291912

【氏名又は名称】株式会社リアムウィンド

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】弁理士法人新樹グローバル・アイピー

(72)【発明者】

【氏名】大屋 裕二

(72)【発明者】

【氏名】小林 浩

(72)【発明者】

【氏名】山本 恒三

(72)【発明者】

【氏名】川畑 健志

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA03

3H178AA21

3H178AA43

3H178AA66

3H178BB90

3H178CC21

3H178DD26X

3H178DD67X

(57)【要約】

【課題】設備利用率を向上させることのできる風力発電システムを提供する。
【解決手段】風力発電システム１００は、人工風生成機１０と、風力発電機２０とを備えている。人工風生成機１０は、人工風を生成する。風力発電機２０は、ブレード２と、発電機３とを有する。ブレード２は、人工風によって回転するように構成される。発電機３は、ブレード２の回転によって発電する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

人工風を生成する人工風生成機と、
前記人工風によって回転するように構成されるブレード、及び前記ブレードの回転によって発電する発電機、を有する風力発電機と、
を備える、風力発電システム。

【請求項2】

前記風力発電機は、前記発電機を支持する複数の支持ステーをさらに有し、
前記支持ステーは、前記発電機から放射状に延びるステー本体部と、前記ステー本体部の先端に設けられる取付部と、を有する、
請求項１に記載の風力発電システム。

【請求項3】

前記ステー本体部は、板状であり、その面方向が前記人工風の気流の向きに沿うように配置される、
請求項２に記載の風力発電システム。

【請求項4】

前記ステー本体部は、上流側を向く面取り部を有する、
請求項２又は３に記載の風力発電システム。

【請求項5】

前記風力発電機は、前記ブレードを囲むように配置され且つ前記ブレードから下流に向かって流路面積が大きくなるディフューザをさらに有する、
請求項１から４のいずれかに記載の風力発電システム。

【請求項6】

前記ディフューザは、流入口及び流出口を含み下流に向かって径が大きくなる筒状本体部を有する、
請求項５に記載の風力発電システム。

【請求項7】

前記ディフューザは、前記筒状本体部の下流側端部から径方向外側に延びるフランジ部を有する、
請求項６に記載の風力発電システム。

【請求項8】

前記支持ステーは、前記ディフューザを支持する、
請求項２から４のいずれかに従属する請求項５から７のいずれかに記載の風力発電システム。

【請求項9】

前記ディフューザは、周方向に配列される複数のディフューザ部に分割されており、
各ディフューザ部は、周方向において隣り合う一対の支持ステーの間に配置される、
請求項２から４のいずれかに従属する請求項５から７のいずれかに記載の風力発電システム。

【請求項10】

前記風力発電機を収容するケーシングと、
前記風力発電機の下流側に配置され、前記ディフューザの流出口から吹き出された前記人工風が衝突するように配置された衝突部と、
をさらに備える、
請求項５から９のいずれかに記載の風力発電システム。

【請求項11】

前記人口風生成機は、人口風を生成するためのファンを有し、
前記ブレードは、前記ファンの回転方向と同じ回転方向となるように設計される、
請求項１から１０のいずれかに記載の風力発電システム。

【請求項12】

前記風力発電機は、建築物以外の部分に取り付けられる、
請求項１から１１のいずれかに記載の風力発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、風力発電システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、環境上の観点から、風力発電が注目されている。風力発電機は、発電量を確保するために、平均風速の高い場所に設置する必要がある。具体的には、風力発電機は、海岸沿い、又は山頂などに設置する必要がある（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－１０１７５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したように風力発電機を平均風速の高い場所に設置したとしても、自然風は常時吹いているわけではないため、風力発電機の設備利用率が低いという問題がある。

【0005】

本発明の課題は、設備利用率を向上させることのできる風力発電システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る風力発電システムは、人工風生成機と、風力発電機とを備えている。人工風生成機は、人工風を生成する。風力発電機は、ブレードと、発電機とを有する。ブレードは、人工風によって回転するように構成される。発電機は、ブレードの回転によって発電する。

【0007】

この構成によれば、人工風生成機によって生成された人工風によって電力を生成することができる。このように自然風に頼らずに発電することができるため、設備利用率を向上させることができる。また、人工風生成機として、換気扇を用いる場合、換気扇に必要な電力を風力発電機によって生成することができるため、省エネルギ化を図ることができる。

【0008】

好ましくは、風力発電機は、発電機を支持する複数の支持ステーをさらに有する。支持ステーは、ステー本体部と取付部とを有する。ステー本体部は、発電機から放射状に延びている。取付部は、ステー本体部の先端に設けられる。

【0009】

好ましくは、ステー本体部は、板状である。そして、ステー本体部の面方向が人工風の気流の向きに沿うように、ステー本体部は配置される。

【0010】

好ましくは、ステー本体部は、上流側を向く面取り部を有する。

【0011】

好ましくは、風力発電機は、ブレードを囲むように配置されるディフューザをさらに有する。ディフューザの流路面積は、ブレードから下流に向かって大きくなる。この構成によれば、ディフューザ内を流れる人工風の風速を向上させることができる。

【0012】

好ましくは、ディフューザは、筒状本体部を有する。筒状本体部は、流入口及び流出口を含む。筒状本体部は、下流に向かって径が大きくなる。

【0013】

好ましくは、ディフューザは、フランジ部を有する。フランジ部は、筒状本体部の下流側端部から径方向外側に延びる。この構成によれば、ディフューザ内を流れる人工風の風速をより向上させることができる。

【0014】

好ましくは、支持ステーは、ディフューザを支持する。

【0015】

好ましくは、ディフューザは、周方向において複数のディフューザ部に分割されている。各ディフューザ部は、周方向において隣り合う一対の支持ステーの間に配置される。

【0016】

好ましくは、風力発電システムは、ケーシングと衝突部とをさらに備える。ケーシングは、風力発電機を収容する。衝突部は、風力発電機の下流側に配置される。衝突部は、ディフューザの流出口から吹き出された気流が衝突するように配置される。この構成によれば、衝突部が無い場合よりもディフューザ効果を向上させることができる。ここでディフューザ効果とは、ディフューザが無い場合における風力発電機の出力（Ｐ_０）に対する、ディフューザを有する場合における風力発電機の出力（Ｐ_１）の割合（Ｐ_１／Ｐ_０）を意味する。

【0017】

好ましくは、人口風生成機は、人口風を生成するためのファンを有する。ブレードは、ファンの回転方向と同じ回転方向となるように設計される。

【0018】

好ましくは、風力発電機は、建築物以外の部分に取り付けられる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、設備利用率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】風力発電システムの断面図。

【図2】風力発電機の斜視図。

【図3】風力発電機の断面図。

【図4】変形例に係る風力発電システムの断面図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本実施形態に係る風力発電システムについて図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、軸方向とは、風力発電機の回転軸が延びる方向である。また、周方向とは、回転軸を中心とした円の周方向であり、径方向とは、回転軸を中心とした円の径方向である。また、以下の説明において、上流側及び下流側とは、風力発電システムにおける気流の上流側及び下流側を意味する。

【0022】

＜全体構成＞
図１に示すように、風力発電システム１００は、人工風生成機１０と、風力発電機２０、制御部３０とを有している。人工風生成機１０の回転軸Ｏと、風力発電機２０の回転軸Ｏとは、互いに実質的に同一線上に配置されている。

【0023】

＜人工風生成機＞
人工風生成機１０は、人工風を生成するように構成されている。なお、人工風とは、自然風ではなく、人工的に生成された風を意味する。人工風は、例えば、送風機などによって生成したり、温度差を形成することによって生成したり、移動体の走行によって生成したりすることができる。

【0024】

具体的には、人工風生成機１０として、屋上換気扇、壁面用の有圧換気扇、遠心送風機、又は軸流ファンなどを用いることができる。なお、本実施形態では、人工風生成機１０は、屋上換気扇である。人工風生成機１０は、工場、倉庫、又はビルなどの建物の屋上に設置されており、建物の換気に用いられる。人工風生成機１０は、ケーシング１１、ファン１２、モータ１３を有している。

【0025】

ケーシング１１は、ファン１２及びモータ１３を収容している。また、ケーシング１１は、風力発電機２０も収容している。ケーシング１１は、ダクト１１１と、フード１１２（衝突部の一例）とを有している。

【0026】

ダクト１１１は、建物の屋上に取り付けられている。また、ダクト１１１は、取り付けられた建物内の空間と連通している。ダクト１１１は、平面視が矩形状である。ダクト１１１の内壁面には、枠部材１１３が溶接などによって取り付けられている。

【0027】

フード１１２は、ダクト１１１の上方に配置されている。フード１１２は、ダクト１１１を覆うように配置されている。フード１１２は、ダクト１１１に取り付けられている。フード１１２は、風力発電機２０の下流側に配置される。

【0028】

フード１１２は、天板１１２ａと、側板１１２ｂとを有している。フード１１２は下方に開口している。天板１１２ａは、風力発電機２０と軸方向において対向している。天板１１２ａは、平面視が矩形状である。側板１１２ｂは、天板１１２ａの外周縁から下方に延びている。側板１１２ｂは、ダクト１１１の上端部を囲むように配置されている。側板１１２ｂの内周面とダクト１１１の外周面との間には隙間が形成されている。この隙間から、人工風が外部へと排出される。

【0029】

ダクト１１１内には、ファン１２及びモータ１３が配置されている。ファン１２は、回転可能にモータ１３に取り付けられている。モータ１３はファン１２を回転させる。モータ１３は、ダクト１１１に取り付けられている。詳細には、モータ１３は、モータ支持部材１３１によって、枠部材１１３に取り付けられている。

【0030】

ファン１２が回転することによって、ダクト１１１内に気流（人工風）が生成される。詳細には、ファン１２の回転によってダクト１１１内を上方に向かう気流が生成される。この気流は、フード１１２と衝突することによって進行方向が水平に向かい、ダクト１１１とフード１１２との隙間から外部へと向かう。

【0031】

＜風力発電機＞
図２に示すように、風力発電機２０は、複数のブレード２、発電機３、複数の支持ステー４、及びディフューザ５を有している。風力発電機２０は、人工風生成機１０によって生成された人工風を利用して発電するように構成されている。風力発電機２０は、建物ではなく、人工風生成機１０に取り付けられている。

【0032】

ブレード２は、人工風生成機１０によって生成された人工風によって回転するように構成される。ブレード２は、ファン１２の回転方向と同じ回転方向となるように設計されている。このため、ブレード２の回転方向は、ファン１２の回転方向と同じである。ブレード２は、発電機３に取り付けられている。複数のブレード２は、発電機３から放射状に延びている。

【0033】

発電機３は、ブレード２の回転によって発電するように構成されている。発電機３によって生成された電力は、制御部３０によって蓄電されたり利用されたりする。

【0034】

支持ステー４は、発電機３を支持している。詳細には、複数の支持ステー４は、発電機３から放射状に延びている。支持ステー４は、板状である。また、支持ステー４は、ディフューザ５も支持している。

【0035】

支持ステー４は、ステー本体部４１と、取付部４２とを有している。ステー本体部４１は板状である。ステー本体部４１は、その面方向が気流の向きに沿うように配置されている。このため、気流に対するステー本体部４１による抵抗を低減することができる。ステー本体部４１は、径方向外側に向かって幅が徐々に大きくなっている。

【0036】

取付部４２は、ステー本体部４１の先端に取り付けられている。この取付部４２は、ダクト１１１内の部材に取り付けられている。詳細には、ダクト１１１内の枠部材１１３に対して、取付部４２がボルトなどの締結部材によって取り付けられる。

【0037】

ディフューザ５は、筒状である。ディフューザ５は、ブレード２を囲むように配置されている。ディフューザ５内の流路面積は、ブレード２から下流に向かって大きくなる。ブレード２の先端面は、ディフューザ５の内周面と対向している。また、ブレード２の先端面とディフューザ５の内周面との間には、隙間が形成されている。

【0038】

図３は、風力発電機２０の断面図である。なお、発電機３の内部構造は、従来のものと同じであるため、詳細を省略している。図３に示すように、ディフューザ５は、筒状本体部５１と、フランジ部５２とを有している。筒状本体部５１は、気流方向に開口している。筒状本体部５１は、流入口５１１及び流出口５１２を含む。流入口５１１を介して人工風が筒状本体部５１内に流れ込み、流出口５１２を介して人工風が筒状本体部５１内から排出される。

【0039】

筒状本体部５１は、下流に向かって径が大きくなる。すなわち、筒状本体部５１は、流出口５１２に向かって径が大きくなる。なお、筒状本体部５１は、上流に向かっても径が大きくなっている。すなわち、筒状本体部５１は、流入口５１１に向かって径が大きくなっている。このため、筒状本体部５１は、くびれを有している。流出口５１２の径は、流入口５１１の径よりも大きい。

【0040】

フランジ部５２は、筒状本体部５１の下流側端部から径方向外側に延びている。すなわち、フランジ部５２は、筒状本体部５１の流出口５１２側の端部に形成されている。なお、フランジ部５２は、筒状本体部５１と一つの部材によって構成されている。

【0041】

このようにディフューザ５が上流側において徐々に流路面積が絞られることによって、筒状本体部５１内を流れる人工風が加速される。また、ディフューザ５が徐々に流路面積が大きくなるとともにフランジ部５２が形成されているため、気流の渦が発生し、風力発電機２０の下流側に負圧領域が形成される。この結果、ディフューザ５内を流れる人工風の風速を向上させることができる。

【0042】

また、フード１１２が風力発電機２０の下流側において、ディフューザ５の流出口５１２から吹き出された人工風と衝突するように配置されている。このため、ディフューザ５の流出口５１２から吹き出された気流の向きは、フード１１２によってディフューザ５の径方向外側に変更される。この結果、フード１１２が無い場合よりもディフューザ効果を向上させることができる。なお、ディフューザ効果とは、ディフューザ５が無い場合における風力発電機２０の出力（Ｐ_０）に対する、ディフューザ５を有する場合における風力発電機２０の出力（Ｐ_１）の割合（Ｐ_１／Ｐ_０）を意味する。

【0043】

図２に示すように、ディフューザ５は、周方向において複数のディフューザ部５０に分割されている。なお、本実施形態におけるディフューザ５は、４つのディフューザ部５０に分割されている。

【0044】

各ディフューザ部５０は、周方向において隣り合う一対の支持ステー４の間に配置されている。ディフューザ部５０は、周方向に延びている。ディフューザ部５０は、軸方向 視において円弧状である。ディフューザ部５０は、両端部において、ボルトなどの締結部材によって、支持ステー４に固定されている。

【0045】

図１に示すように、ディフューザ５は、一部がダクト１１１内に配置されている。具体的には、筒状本体部５１の流入口５１１はダクト１１１内に配置されており、筒状本体部５１の流出口５１２及びフランジ部５２はダクト１１１内には配置されていない。

【0046】

制御部３０は、風力発電機２０によって生成された電力を蓄電するように構成されている。詳細には、制御部３０は、風力発電機２０によって生成された交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をバッテリに蓄電するように構成されている。また、制御部３０は、パワーコンディショナによって交流電力に変換して系統電源へ流したり，その他の電気機器に供給したりするように構成されていてもよい。

【0047】

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

【0048】

変形例１
上記実施形態では、衝突部の一例としてフード１１２を挙げているが、衝突部は他の構成とすることができる。例えば、風力発電機２０をダクト内に配置し、風力発電機２０の下流側においてダクトを折り曲げることによって、衝突部を構成することができる。その他にも、風力発電機２０の下流側に邪魔板を配置することによって、衝突部を構成することもできる。

【0049】

変形例２
図４に示すように、人工風生成機１０として壁面用の有圧換気扇を用いることができる。この場合、人工風生成機１０は、ファン１２、モータ１３、フレーム１４、及び取付枠１５を有している。取付枠１５は、建物に形成された開口部に取り付けられている。取付枠１５は筒状であり、建物を貫通して延びている。

【0050】

フレーム１４は、取付枠１５に取り付けられている。詳細には、フレーム１４は、取付枠１５の一方の開口部（図４の右側の開口部）に取り付けられている。なお、フレーム１４は、ベルマウス１４ａを含んでいる。モータ１３は、フレーム１４にモータ支持部材１３１を介して取り付けられている。また、風力発電機２０は、支持ステー４によって、取付枠１５に取り付けられている。なお、風力発電機２０は、建物に直接取り付けられていてもよい。

【0051】

変形例３
ディフューザ５の筒状本体部５１は、くびれを有していなくてもよい。すなわち、筒状本体部５１は、流入口５１１から流出口５１２に向かって径が大きくなるように構成されていてもよい。

【0052】

変形例４
上記実施形態では、風力発電機２０はディフューザ５を有しているが、風力発電機２０の構成はこれに限定されない。すなわち、風力発電機２０は、ディフューザ５を有していなくてもよい。

【0053】

変形例５
上記実施形態では、風力発電機２０は、人工風生成機１０の下流側に配置されているが、人工風生成機１０の上流側に配置してもよい。

【0054】

変形例６
上記実施形態では、ディフューザ５は筒状であったが、ディフューザ５はブレード２を囲うように配置されていれば筒状でなくてもよい。例えば、ブレード２を囲むように配置された複数のディフューザ部によってディフューザ５は構成されていてもよい。なお、ディフューザ５が筒状でない場合、複数のディフューザ部によって囲われる部分が流路面積である。

【0055】

変形例７
上記実施形態では、ディフューザ５は複数のディフューザ部５０に分割されていたが、ディフューザ５の構成はこれに限定されない。例えば、ディフューザ５は、一つの部材によって筒状に構成されていてもよい。

【0056】

変形例８
上記実施形態では、ディフューザ５はフランジ部５２を有していたが、ディフューザ５の構成はこれに限定されず、例えば、ディフューザ５はフランジ部５２を有していなくてもよい。

【0057】

変形例９
上記実施形態では、ダクト１１１及び天板１１２ａは、平面視が矩形状であったが、これらの形状はこれに限定されない。例えば、ダクト１１１及び天板１１２ａは、平面視が円形状であってもよい。

【0058】

変形例１０
上記実施形態では、風力発電機２０は、いわゆる水平軸風車であったが、風力発電機２０の構成はこれに限定されず、垂直軸風車であってもよい。

【0059】

変形例１１
ステー本体部４１は、上流側を向く面取り部を有していてもよい。すなわち、ステー本体部４１は、上流側を向く角部が面取り加工されていてもよい。詳細には、ステータ本体部４１の角部を丸めるように、Ｒ面取り加工されていてもよいし、ステータ本体部４１の角無を斜めに削るＣ面取り加工されていてもよい。より好ましくは、ステータ本体部４１の上流側を向く面の全体が湾曲するように構成されていてもよい。

【符号の説明】

【0060】

１０ 人工風生成機
１１２ フード
２０ 風力発電機
２ ブレード
３ 発電機
４ 支持ステー
４１ ステー本体部
４２ 取付部
５ ディフューザ
５０ ディフューザ部
５１ 筒状本体部
５１１ 流入口
５１２ 流出口
５２ フランジ部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】