特開 2023-87313 ダクト構造及び風力発電装置

(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】P2023087313

(43)【公開日】2023-06-23

(54)【発明の名称】ダクト構造及び風力発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03D 9/39 20160101AFI20230616BHJP

   F03D 1/02 20060101ALI20230616BHJP

【ＦＩ】

F03D9/39

F03D1/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021201625

(22)【出願日】2021-12-13

(71)【出願人】

【識別番号】305050410

【氏名又は名称】池田 租

(74)【代理人】

【識別番号】100174805

【弁理士】

【氏名又は名称】亀山 夏樹

(72)【発明者】

【氏名】池田 租

【テーマコード（参考）】

3H178

【Ｆターム（参考）】

3H178AA03

3H178AA22

3H178AA43

3H178AA53

3H178AA66

3H178BB35

3H178BB41

3H178CC02

3H178CC22

(57)【要約】

【課題】安全性の高い風力発電装置及びそこに適用可能なダクト構造を提供する。
【解決手段】 風力発電装置２は、ダクト構造１０と、ダクト構造１０に収容された回転羽２０と、回転羽２０の回転運動から電力を発生する電力発生機構３０と、電力発生機構３０が発生した電力をためるバッテリ４０と、バッテリ４０と電力発生機構３０を電気的に接続する配線（図示省略）と、を備える。ダクト構造１０は、垂直に起立する中空部に回転羽２０を収容する筒本体１１と、流路の入口に設けられたフード構造１７と、流路の出口に設けられた逆流防止構造１９と、を備える。筒本体１１は、二重筒構造を有するものであり、円筒状の外筒１１Ｇと、外筒１１Ｇの中空部に収容された円筒状の内筒１１Ｎと、外筒１１Ｇ及び内筒１１Ｎの間に配された配管１１Ｈと、外筒１１Ｇと内筒１１Ｎを連結する連結部材１１Ｒと、を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一方側から他方側へ延びる筒本体と、
前記筒本体の他方側の開口部を閉塞する閉塞構造と、を備え、
前記筒本体は、
前記筒本体の内壁面に開口する内壁吸気開口部と、前記内壁吸気開口部よりも一方側の外壁面に開口する外壁吸気開口部と、を連通する内部流路が形成されることを特徴とするダクト構造。

【請求項2】

前記内部流路は複数形成され、
第１の前記内部流路は、第１の前記内壁吸気開口部と、第１の前記外壁吸気開口部と、を連通し、
第２の前記内部流路は、第２の前記内壁吸気開口部と、第２の前記外壁吸気開口部と、を連通し、
前記第１の外壁吸気開口部と前記第２の外壁吸気開口部とは周方向に並び、
前記第１の内壁吸気開口部と前記第２の内壁吸気開口部とは周方向に並ぶことを特徴とする請求項１記載のダクト構造。

【請求項3】

前記第１の内壁吸気開口部に設けられた第１の開閉構造と、
前記第２の内壁吸気開口部に設けられた第２の開閉構造と、を備え、
前記開閉構造は、前記内壁吸気開口部を解放状態及び閉塞状態との間で切り替え可能であることを特徴とする請求項２記載のダクト構造。

【請求項4】

前記内部流路の圧力が前記筒本体の中空部未満の場合には、前記開閉構造は、前記内壁吸気開口部を閉塞状態にし、
前記内部流路の圧力が前記筒本体の中空部の圧力以上の場合には、前記開閉構造は、前記内壁吸気開口部を解放状態にすることを特徴とする請求項３記載のダクト構造。

【請求項5】

前記筒本体は、縦方向に延び、
前記筒本体の一方側は上部に位置し、
前記筒本体の他方側は下部に位置し、
前記開閉構造は、
前記筒本体の中空部に配された揺動軸と、
前記揺動軸に対して揺動する閉塞部材と、を備えることを特徴とする請求項４記載のダクト構造。

【請求項6】

前記揺動軸は、前記内壁吸気開口部の上方に設けられ、
前記開閉部材は、前記揺動軸の下方に位置するとともに、前記揺動軸に対して揺動自在に設けられることを特徴とする請求項５記載のダクト構造。

【請求項7】

前記筒本体は、
外部の気体を前記外壁吸気開口部へ誘導するフード構造を備え、
前記フード構造は、
前記外部の気体を取り込む入口と、
前記外壁吸気開口部と連通する出口と、を備えることを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか１項記載のダクト構造。

【請求項8】

請求項１ないし７のうちいずれか１項記載のダクト構造と、
前記筒本体の中空部に配された回転羽と、
前記回転羽の回転運動から電力を発生する電力発生機構と、を備えることを特徴とする風力発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ダクト構造及び風力発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、原子力エネルギーを利用して発電（電気エネルギーの生産）を行なうことは危険性が大きなことから世界的に敬遠されつつある。また、原子力ほど危険性が少ないと考えられる火力発電による電気エネルギーの生産は、酸性雨や二酸化炭素による温暖化現象などの環境破壊から地球を守るという気運の高まりもあるため、これもまた敬遠されてきている。

【0003】

そこで、係る酸性雨や二酸化炭素の増加による温暖化現象などの環境破壊、或いは、ダムによる生態系の環境破壊を伴わないクリ－ンなエネルギーの１つとして、風力発電装置が注目視されてきている。

【0004】

風力発電装置として、例えば、タワー（高さ４０～５０ｍ程度）と、タワーの先端において回転自在に設けられたプロペラ（長さ３０～４５ｍ程度）と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００３－０６５２１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１の風力発電装置は、回転するプロペラが露出しているため、プロペラの破損やプロペラの落下は、危険であり、設置場所及びその周囲に対し損害を与えるため好ましくない。

【0007】

本発明は、斯かる実情に鑑み、安全性の高い風力発電装置及びそこに適用可能なダクト構造を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明のダクト構造は、一方側から他方側へ延びる筒本体と、前記筒本体の他方側の開口部を閉塞する閉塞構造と、を備え、前記筒本体は、前記筒本体の内壁面に開口する内壁吸気開口部と、前記内壁吸気開口部よりも一方側の外壁面に開口する外壁吸気開口部と、を連通する内部流路が形成されることを特徴とする。

【0009】

本発明の風力発電装置は、上記のダクト構造と、前記筒本体の中空部に配された回転羽と、前記回転羽の回転運動から電力を発生する電力発生機構と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、安全性の高い風力発電装置及びそこに適用可能なダクト構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】（Ａ）は、風力発電装置の概要を示す平面図である。（Ｂ）は、風力発電装置の概要を示す側面図である。

【図2】風力発電装置の概要を示すＩＩｂ－ＩＩｂ’線断面図である。

【図3】風力発電装置の上部分の概要を示すＩＩｂ－ＩＩｂ’線断面図である。

【図4】風力発電装置の下部分の概要を示すＩＩｂ－ＩＩｂ’線断面図である。

【図5】筒本体の概要を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１～２に示すように、風力発電装置２は、ダクト構造１０と、ダクト構造１０に収容された回転羽２０と、回転羽２０の回転運動から電力を発生する電力発生機構３０と、電力発生機構３０が発生した電力をためるバッテリ４０と、バッテリ４０と電力発生機構３０を電気的に接続する配線（図示省略）と、を備える。

【0013】

図２～４に示すように、ダクト構造１０は、垂直に起立する中空部に回転羽２０を収容する筒本体１１と、筒本体１１に形成された流路の入口に設けられたフード構造１７と、流路の出口に設けられた逆流防止構造１９と、を備える。

【0014】

筒本体１１は、円筒状に形成され、直線状に延びる。筒本体１１の長さは、特に限定されないが、小型であれば、例えば、５～８ｍであり、中型であれば、２０～５０ｍであり、大型であれば、８０ｍ～１２０ｍ等となる。また、筒本体１１の直径も、特に限定されないが、例えば、１ｍ～５ｍである。筒本体１１の下端は水平面に設置され、上端は、水平面の上方に向かって開口する。以下、説明の便宜上、筒本体１１の長さ方向をＺ方向と称し、Ｚ方向に直交する水平面のうち任意の方向をＸ方向、水平面のうちＸ方向に直交する方向をＹ方向と称する。

【0015】

筒本体１１は、二重筒構造を有するものであり、円筒状の外筒１１Ｇと、外筒１１Ｇの中空部に収容された円筒状の内筒１１Ｎと、外筒１１Ｇ及び内筒１１Ｎの間に配された配管１１Ｈと、外筒１１Ｇと内筒１１Ｎを連結する連結部材１１Ｒと、を備える。

【0016】

内筒１１Ｎの外径は、外筒１１Ｇの内径よりも小さい。内筒１１Ｎの下端側の開口は、閉塞構造１１ＮＺにより閉塞されている。内筒１１ＮのＺ方向の長さは、外筒１１ＧのＺ方向の長さよりも短い方が好ましい。

【0017】

Ｚ方向において、外筒１１Ｇの上端と内筒１１Ｎの上端とは面一であることが好ましい。また、内筒１１Ｎの下端は、外筒１１Ｇの下端よりも上側に退避していることが好ましい。連結部材１１Ｒは、外筒１１Ｇの上端と内筒１１Ｎの上端とを連結するとともに、外筒１１Ｇの中途部と内筒１１Ｎの下端とを連結する。

【0018】

内筒１１Ｎの下側には、内筒開口部１１ＮＸが形成される。外筒１１Ｇの上側には、外筒開口部１１ＧＸが形成される。外筒開口部１１ＧＸは、内筒開口部１１ＮＸよりも上方に位置する。配管１１Ｈは、内筒開口部１１ＮＸと外筒開口部１１ＧＸと、を連通する。また、外筒開口部１１ＧＸは、Ｚ方向において所定のピッチで並ぶことが好ましい。Ｚ方向に並ぶ外筒開口部１１ＧＸ同士は、同一の配管１１Ｈと連通することが好ましい。これにより、外筒開口部１１ＧＸから入った気体は、配管１１Ｈを通って、内筒開口部１１ＮＸから出る。

【0019】

配管１１Ｈは、外筒開口部１１ＧＸに接続するエルボ管１１ＨＡと、内筒開口部１１ＮＸに接続するエルボ管１１ＨＢと、エルボ管１１ＨＡ及びエルボ管１１ＨＢを接続するストレート管１１ＨＳと、を備えていることが好ましい。また、Ｚ方向に並ぶ外筒開口部１１ＧＸが同一の配管１１Ｈに接続する場合、エルボ管１１ＨＡとストレート管１１ＨＳとの間に、チーズ管１１Ｃを接続させてもよい。

【0020】

エルボ管１１ＨＡは、外筒１１Ｇの外側に開口する入口と下方に開口する出口を備え、入口から出口に向かってＬ字状に湾曲する流路を形成する。

【0021】

エルボ管１１ＨＢは、上方向に開口する入口と内筒１１Ｎの内側に開口する出口を備え、入口から出口に向かってＬ字状に湾曲する流路を形成する。また、エルボ管１１ＨＢには、Ｌ字状に曲がった流路から分岐して下方に延びるドレン構造１１ＨＢＸが形成されていることが好ましい。ドレン構造１１ＨＢＸにより、気体とともに外部から流入した液体を貯めることができる。なお、ドレン構造１１ＨＢＸを備えたエルボ管１１ＨＢとして、チーズ管を用いてもよい。

【0022】

図５に示すように、同一の配管１１Ｈと連通する外筒開口部１１ＧＸ及び内筒開口部１１ＮＸの組みは、筒本体１１の周方向に沿って所定のピッチで並ぶことが好ましい。これにより、筒本体１１の周囲にある気体をより多く取り込むことができる。

【0023】

図４に示すように、逆流防止構造１９は、内筒開口部１１ＮＸに対して設けられるものであり、内筒１１Ｎの中空部に配された揺動軸１９Ａと、揺動軸１９Ａに対して揺動する蓋部材１９Ｂと、を備え、内筒開口部１１ＮＸが中空部に解放された解放状態と、内筒開口部１１ＮＸが中空部に対して解放状態から退避された閉塞状態と、の間で切り替え可能である。

【0024】

揺動軸１９Ａは、内筒開口部１１ＮＸの上方において、水平に配される。蓋部材１９Ｂは、板状に形成され、上端部が揺動軸１９Ａに連結する。このため、蓋部材１９Ｂは、揺動軸１９Ａを中心に揺動自在となる。

【0025】

逆流防止構造１９は、配管１１Ｈにおいて気体の流通がおこなわれないとき（配管１１Ｈと及び内筒１１Ｎの中空部との間の圧力差がないとき）や、配管１１Ｈよりも内筒１１Ｎの中空部における圧力が低いときは、蓋部材１９Ｂが内筒開口部１１ＮＸを解放する解放状態となるため、配管１１Ｈから内筒１１Ｎの中空部への流通を許容する。一方、配管１１Ｈよりも内筒１１Ｎの中空部における圧力が高いときは、蓋部材１９Ｂが内筒開口部１１ＮＸを閉じる閉塞状態となるため、内筒１１Ｎの中空部から配管１１Ｈへの気体の流通が規制される。これにより、任意のエルボ管１１ＨＢから流出した気体が、別のエルボ管１１ＨＢへ逆流することを防ぐ。なお、逆流防止構造１９は、蓋部材１９Ｂの自重によって閉塞状態となり、蓋部材１９Ｂを揺動できる程度の圧力差になった場合に解放状態となっていてもよい。

【0026】

図１，５に示すように、フード構造１７は、外筒１１Ｇの外周にある気体を外筒開口部１１ＧＸへ誘導するためのエルボ状の流路を形成するためのものであり、外部の気体を取り込む外気入口と、外壁吸気開口部と連通する外気出口と、を備える。フード構造１７によって形成されるエルボ状の流路は、基端部（外筒１１Ｇ側）から先端部にかけて、外側が凸となるように湾曲していることが好ましい。

【0027】

図１，３に示すように、筒本体１１は、回転羽２０を支持する支持アーム１２をさらに備える。支持アーム１２は、内筒１１Ｎの内壁面から起立するように設けられ、ＸＹ平面上に延びる。

【0028】

回転羽２０は、自身の軸を中心に回動自在の状態で、支持アーム１２上に支持される。回転羽２０と支持アーム１２の対は、Ｚ方向において、１つ設けられてもよいし、複数設けられてもよい。また、複数の回転羽２０が共通の回動軸に接続されていてもよい。

【0029】

電力発生機構３０は、回転羽２０の回転により、電力を発生する。バッテリ４０は、外筒１１Ｇの中空部において、内筒１１Ｎよりも下方に収容される。

【0030】

次に、風力発電装置２の使用方法について説明する。

【0031】

筒本体１１の外部空間で風が吹くと、外筒１１Ｇに設けられた各フード構造１７を介して、外筒開口部１１ＧＸに気体が流入する。外筒開口部１１ＧＸに流入した気体は、内筒開口部１１ＮＸから、内筒１１Ｎの中空部へ向かう。外筒１１Ｇには、多数の外筒開口部１１ＧＸがＺ方向に並ぶため、多量の気体を取り込むことができる。そして、内筒１１Ｎの下端側の開口は、閉塞構造１１ＮＺにより閉塞されているため、内筒１１Ｎの中空部に流入した気体は、内筒１１Ｎの中空部において下端から上端に向かって流れる。

【0032】

さらに、外筒１１Ｇには、多数の外筒開口部１１ＧＸが周方向に並ぶため、風向きに関わらず、多量の気体を取り込むことができる。このとき、気体を取り込んだ配管１１Ｈにおいては、内筒１１Ｎの中空部よりも圧力が高いため、逆流防止構造１９は解放状態となる。このため、外筒開口部１１ＧＸに流入した気体は、内筒１１Ｎの中空部に流入する。一方、他の配管１１Ｈ（例えば、気体を取り込んだ配管１１Ｈとは反対側に位置する配管１１Ｈ）の外筒開口部１１ＧＸにおいては、当該配管１１よりも内筒１１Ｎの中空部のほう圧力が高いため、逆流防止構造１９は閉塞状態となる。このため、外筒開口部１１ＧＸに流入した気体は、当該配管１１Ｈには流入せずに、内筒１１Ｎの中空部において下端から上端に向かって流れる。

【0033】

このとき、内筒１１Ｎの中空部に配された回転羽２０が回転する。電力発生機構３０は、回転羽２０の回転運動から電力を発生させる。バッテリ４０は、発電された電力を蓄電する。

【0034】

このように、風力発電装置２は、電力を発生させる回転羽２０が筒本体１１に収容されるため、安全性が高い。また、多数の外筒開口部１１ＧＸが形成されるため、十分な電力を発電できる。

【0035】

上記実施形態では、円筒状の筒本体１１を用いたが、本発明はこれに限られず、楕円筒状や角筒状の筒本体１１でもよい。また、筒本体の断面形状は、楕円、円弧と直線や、楕円弧と直線の組み合わせであってもよい。

【0036】

配管１１Ｈは、外筒１１Ｇの外壁面よりも外周に向けて突出していてもよいし、外筒１１Ｇの外壁面と面一であってもよい。同様に、配管１１Ｈは、内筒１１Ｎの内壁面よりも内周に向けて突出していてもよいし、内筒１１Ｎの内壁面と面一であってもよい。

【0037】

なお、周方向において隣り合う外筒開口部１１ＧＸは、Ｚ方向における高い位置と低い位置との間で、互い違いとなるように配置されることが好ましい（図１（Ｂ））。

【0038】

また、周方向において隣り合う外筒開口部１１ＧＸに対して取り付けられるフード構造１７の向きは、上方から見て時計回りと、反時計回りとのように、互い違いとなっていることが好ましい。これにより、筒本体１１の周囲にある気体を配管１１Ｈへ取り入れやすくなる。

【0039】

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

【符号の説明】

【0040】

２ 風力発電装置
１０ ダクト構造
１１ 筒本体
１１Ｃ チーズ管
１１Ｇ 外筒
１１ＧＸ 外筒開口部
１１Ｈ 配管
１１ＨＡ エルボ管
１１ＨＢ エルボ管
１１ＨＢＸ ドレン構造
１１ＨＳ ストレート管
１１Ｎ 内筒
１１ＮＸ 内筒開口部
１１ＮＺ 閉塞構造
１１Ｒ 連結部材
１２ 支持アーム
１７ フード構造
１９ 逆流防止構造
１９Ａ 揺動軸
１９Ｂ 蓋部材
２０ 回転羽
３０ 電力発生機構
４０ バッテリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】