発電システムを備えた超高層建物

【課題】建物計画や景観の妨げとなることが無く、かつ効率的に風のエネルギーを活用して発電を行うことができる発電システムを備えた超高層建物を提供する。
【解決手段】超高層建物１の高さの中間位置よりも上方位置に、方位四方向に開口した中間階２を設けるとともに、この中間階２に、当該中間階内に流入する風のエネルギーによって発電する風力発電装置５、８を設置したことを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高層建物の高層部における強風を利用して、風の自然エネルギーを効果的に発電に利用するための発電システムを備えた超高層建物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保全の観点から二酸化炭素の削減を図るために、太陽光、風力、地熱あるいは潮力といった各種の自然エネルギーを利用して発電を行う施策が積極的に推進されている。
【０００３】
このような自然エネルギー利用の一種である風力発電は、一般的に、安定的な風向や風力を得る目的から、もっぱら周囲に建物等の人工の大型構造物が無い丘陵部、尾根、沿岸部等を立地場とし、ここに大型の風車を設置する方法が採られている。
【０００４】
一方、上記自然エネルギーの積極的な利用は、将来的には、建築分野においても強く要請される可能性が高い。
このため、例えば、都市型風力発電の一つとして、高層あるいは超高層の建物の近傍に風力発電装置を設置して、上記建物に起因するビル風を利用しようとする発案もなされているが、敷地計画や安全性、景観配慮の観点から実現が難しい。
【０００５】
また、都市部は、もともと風力が弱く、しかも風向や風速の乱れが大きいために、風力発電に関して最適環境とは言えない。
ところが、超高層建物では、周囲に高層あるいは超高層建物が少ない場合には、比較的上記乱れが少ない上空の強風を捉えることが可能である。
【０００６】
そこで、従来の風力発電システムを備えた建物として、当該建物の屋根上に、風車式等の小型の発電装置を設置するものが提案されている。
ちなみに、建物の屋上面上は、図１４および図１５に示すように、複雑な気流が発生し、安定した風況を得難いために、上記風車等を外縁部から中心方向に３ｍ以上離し、かつ屋根面上から５ｍ以上高い位置に設置することが望ましいとされている。
【０００７】
しかしながら、一般に上記屋根面上には、棟屋、清掃用のゴンドラ、設備機器類、ヘリポート等が存在しているために、これらの影響を受けて屋根面上付近の気流が更に複雑になるとともに、配置上の制約が大きいことから、現実的には発電装置の設置場所に適しているとは言い難い。
【０００８】
そこで、下記特許文献１、２においては、いずれも建物の外壁面の上端部であって、屋根面との境目部分（屋上出隅部や外壁面出隅部）に風車を配置し、当該外壁面を上昇する風によって上記風車を回転させるようにした風力発電装置あるいは給電装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１９３６３１号公報
【特許文献２】特開平１１−３３６３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しなしながら、上記従来の風力発電装置あるいは給電装置にあっては、図１５に見られるように、風の剥離が生じて風向や風力が変動し易い外壁面と屋根面との境目部分に風車を配置しているために、安定的かつ効率的な発電を行うことが難しいという問題点がある。
しかも、構造物から突出する上記風車が、景観上好ましくなく、またその保守や点検等のメンテナンスが困難であるという問題点もある。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、建物計画や景観の妨げとなることが無く、かつ効率的に風のエネルギーを活用して発電を行うことができる発電システムを備えた超高層建物を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明に係る発電システムを備えた超高層建物は、超高層建物の高さの中間位置よりも上方位置に、方位四方向に開口した中間階を設けるとともに、この中間階に、当該中間階内に流入する風のエネルギーによって発電する風力発電装置を設置したことを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記中間階を、地上から上記超高層建物の高さの７０〜８０％の位置に設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記中間階を、近隣環境も含めた気流シミュレーションまたは実験によって得られた上記超高層建物の上記外壁面において最大正圧が作用する箇所に設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記中間階の外周隅角部に、円柱状コア部を配置したことを特徴とするものであり、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、上記中間階に、複数本の柱を間隔をおいて立設し、これら柱の外周に風力発電装置の発電体となる風車を回転自在に設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
なお、建築基準法において、超高層建物の高さに係る直接的な定義はないものの、同法第２０条からの類推により、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において超高層建物とは、高さが６０ｍを超える建物をいう。
【発明の効果】
【００１７】
一般に、高さが高い位置程、強い風力を得ることができる。そして、超高層建物における風圧力分布は、風上に面した外壁面の停留点において最も高い正圧となり、当該停留点は、超高層建物において、通常その高さの１／２よりも高い位置になる。
【００１８】
したがって、請求項１〜５のいずれかに記載の発明によれば、このような強い風力の風を中間階に流入させて、当該中間階に設けた風力発電装置によって、発電することができる。しかも、上記中間階は、方位四方向に開口しているために、季節等によって中間階に流入する風向きが変化した場合においても、常時発電を行うことが可能である。
【００１９】
また、上記風力発電装置を中間階に設けているために、景観上、支障となることがなく、さらに当該風力発電装置が建物内に設けられているために、そのメンテナンス等も容易になる。
このように、本発明によれば、建物計画や景観の妨げとなることが無く、年間を通じて効率的に風のエネルギーを活用して発電を行うことができる。
【００２０】
ここで、本発明者等による１００ｍを超える高さの超高層建物における風圧力分布の解析結果によれば、概ね地上から上記超高層建物の高さの７０〜８０％の位置であって、かつ風向に面した外壁面の幅方向の中央部に、最も正圧が高くなる停留点が位置することが判明している。
【００２１】
そこで、請求項２に記載の発明のように、上記中間階を、地上から上記超高層建物の高さの７０〜８０％の位置に設けるとともに、当該中間階の外周隅角部に、柱、壁、ＥＶシャフト、階段室、ＰＳ、ＤＳ等からなるコア部を設置すれば、概ね最良の位置から中間階に上記風を流入させることができて好適である。
【００２２】
これに対して、上記超高層建物の周囲に、同様の超高層建物が林立している場合や、当該超高層建物の高さが、比較的低いような場合には、上述した停留点が必ずしも高さの７０〜８０％に位置しない場合も想定される。
【００２３】
このような場合には、請求項３に記載の発明のように、近隣の建物や地形等の環境も含めた気流シミュレーションの解析や、模型を用いた実験によって上記超高層建物の上記外壁面における停留点（最大正圧）を求め、当該停留点となる位置に上記中間階を設けるようにすれば、最も効率的な発電を行うことが可能になる。
【００２４】
さらに、上記中間階の外周隅角部にコア部を配置する場合には、後述する本発明者等の解析結果に見られるように、上記コア部を、請求項４に記載の発明のように円柱状とすることにより、風向きが変化した場合においても、上記コア部を角柱状に構成した場合と比較して、より一層効率的な発電を行うことができる。
【００２５】
さらに、中間階においては、そのスパンによって中央部分にも所定の間隔で柱を設ける必要がある。このような場合に、請求項５に記載の発明によれば、上記柱の外周に風力発電装置の発電体となる風車を回転自在に設けているために、これらの柱が、風の流れの妨げになることが無く、かつ風車の支持体として活用することができるために好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る発電システムを備えた超高層建物の第１の実施形態の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１の中間階部分を横断面視して示す拡大図である。
【図３】図２の発電装置を拡大して示す斜視図である。
【図４】図３の発電装置を取り付ける際の状態を示す平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の概略構成を示す斜視図である。
【図６】図５の中間階部分を横断面視して示す拡大図である。
【図７】第１の実施形態において中間階に外壁面と直交する方向（風向０°）から風が流入した場合の風速ベクトル図である。
【図８】第１の実施形態において中間階に風向２２．５°の風が流入した場合の風速ベクトル図である。
【図９】第１の実施形態において中間階に風向４５°の風が流入した場合の風速ベクトル図である。
【図１０】第２の実施形態において中間階に外壁面と直交する方向（風向０°）から風が流入した場合の風速ベクトル図である。
【図１１】第２の実施形態において中間層に風向２２．５°の風が流入した場合の風速ベクトル図である。
【図１２】第２の実施形態において中間層に風向４５°の風が流入した場合の風速ベクトル図である。
【図１３】図１０の縦断面視した風速ベクトル図である。
【図１４】一般的な超高層建物の屋根面上における風の流速分布を示す風速ベクトル図である。
【図１５】図１４の縦断面視した風速ベクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（第１の実施形態）
図１〜図４は、本発明の第１の実施形態を示すもので、図中符号１が超高層建物であり、本実施形態においては高さが１００ｍ以上であるものを想定している。
そして、この超高層建物１は、地上から超高層建物１の高さの７０〜８０％の位置に、発電システムを設置するための中間階２が設けられている。
【００２８】
この中間階２は、四隅角部に外法寸法が大きなコア部３が配設されるとともに、これらコア部３間が開放されることにより、方位四方向に開口した構造とされている。また、この中間階２の内部には、所定のスパンで円柱状の柱４が配置されている。そして、各々の柱４に、風力発電装置の一部を構成する風車５が設けられている。ここで、上記所定のスパンは、中間階２において上階の荷重を支持すべき位置であって、かつ隣接する風車５への風の影響の干渉が少ない間隔によって決定されている。
【００２９】
この風車５は、図３および図４に示すように、柱４の外周に回転自在に設けられた円筒状の本体６と、この本体６から径方向の突出する４つの翼７から構成されたもので、翼７は本体６の円周方向に等間隔をおいて設けられている。ここで、本体６は、図４に示すように、２分割体６ａの一側部同士が蝶番によって回動自在に連結されたもので、互いに開いた状態で柱４の外周を覆って他側部同士が連結されることにより、柱４廻りに回転自在に取り付けられている。
【００３０】
また、各柱４の下部には、風車５の回転によって発電するコイル等を内蔵した発電ユニット８が取り付けられている。
そして、上記風車５、発電ユニット８によって風力発電装置が構成されるとともに、当該風力発電装置およびこの風力発電装置で発電された電力を給電するための図示されない給電設備等により、この超高層建物１における発電システムが構成されている。
【００３１】
（第２の実施形態）
図５および図６は、本発明に係る発電システムを備えた超高層建物の第２の実施形態を示すもので、図１〜図４に示したものと、同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
この超高層建物１においても、第１の実施形態に示したものと同じ高さ位置に、同様の風力発電装置を備えた中間階２が設けられている。そして、この実施形態においては、中間階２の四隅角部に、大径の円柱状コア部１０が配設されている。また、この中間階２の開口部における上下面も、滑らかな凸曲面に形成されている。
【００３２】
以上の構成からなる発電システムを備えた超高層建物においては、超高層建物１の風圧が最も高くなる停留点またはその近傍に、方位四方向に開口する中間階２を設け、当該中間階２内に、風車５を備えた風力発電装置を配置しているために、上記中間階２に、風向が安定した強い風力の風を流入させて風車５を回転させることにより、効率的に発電させることができる。
【００３３】
しかも、中間階２は、方位四方向に開口しているために、季節等によって中間階に流入する風向きが変化した場合においても、年間を通じて効率的に風のエネルギーを活用して発電を行うことができる。
【００３４】
加えて、上記風力発電装置を中間階２内に設けているために、景観上、支障となることがなく、かつ上記風力発電装置のメンテナンス等も容易になる。
また、上記風力発電装置の発電体となる風車５を、中間階２内に設けた柱４廻りに回転自在に設けているために、これらの柱４が、風の流れの妨げになることが無く、かつ風車５の支持体として活用することもできる。
【００３５】
なお、上記実施形態においては、一般的に風圧が最も高くなる停留点が位置する地上から超高層建物１の高さの７０〜８０％の位置に、風力発電装置を設置した中間階２を設けた場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、例えば、超高層建物１の周囲に、同様の超高層建物が林立している場合等においては、近隣の建物や地形等の環境も含めた気流シミュレーションの解析等によって停留点（最大正圧）を求め、当該停留点に中間階２を形成するようにすれば、最も効率的な発電を行うことが可能になる。
【００３６】
また、中間階２に設ける風力発電装置も、上述した風車５を用いたものに限定されるものではなく、当該中間階２を流れる風のエネルギーを電力に変換し得るものであれば、各種形態の風力発電装置を設置することが可能である。
【実施例】
【００３７】
次いで、本発明者等は、中間階２の四隅角部に、第１の実施形態に示したような角柱状のコア部３を配置した場合と、第２の実施形態に示したような円柱状コア部１０を配置した場合とにおける同様の風力発電装置による発電量の相違を解析によって検証した。
【００３８】
なお、解析に用いたモデルは、幅４０ｍ、奥行き４０ｍ、高さ１６０ｍの超高層建物の１１８ｍから１２２ｍまでの４ｍに中間階を設けたものであり、建物の影響の無い高道祖１６０ｍの位置において、風速１０ｍ／ｓである風が上記中間層に流入した場合における高さ１２０ｍの位置の風速ベクトルを求めた。
【００３９】
図７〜図９は、第１の実施形態と同様に角柱状のコア部３を配置した場合における解析結果を示す風速ベクトル図であり、図７は風向０°、図８は風向２２．５°、図９は風向４５°の場合である。また、図１０〜図１２は、第２の実施形態と同様に円柱状コア部１０を配置した場合における解析結果を示す風速ベクトル図であり、図１０は風向０°、図１１は風向２２．５°、図１２は風向４５°の場合である。なお、いずれの図においても、符号×は、上記風力発電装置を設置した場合の仮想位置の印である。
【００４０】
先ず、図７においては、図中×印で示す位置における風速（ｍ／ｓ）が、上方、右側、下方、左方の時計回り方向に、順次３．４、９．２、２．６、１０．４であった。
また、図８においては、同様に順次９．４、８．７、１．７、９．２であり、図９においては、順次９．８、９．８、８．０、８．１であった。
【００４１】
これに対して、図１０においては、同様に順次９．０、９．０、９．８、１２．３であり、図１１においては、順次９．８、９．７、７．２、１１．２であった。また、図１２においては、順次１１．１、１１．１、１０．６、１０．８であった。
【００４２】
以上のことから、図７、図８、図９に示した場合の発電量を、それぞれＡ、Ｂ、Ｃとすると、発電量は風速の３乗に比例することから、図１０、図１１、図１２に示した場合の発電量は、各々２．０Ａ、１．６Ｂ、１．７Ｃになり、よって第２の実施形態のように、中間階２の四隅角部に、円柱状コア部１０を配置した場合に、より高い発電量を得られることが判明した。
【００４３】
また、図１３に示す縦断面視した風速ベクトル図に見られるように、本発明によれば、中間階において高さ方向に一様な速度分布が得られ、よって風力発電装置に均整の取れた風を安定的に作用させ得ることが実証された。
【符号の説明】
【００４４】
１超高層建物
２中間階
３コア部
４柱
５風車
８発電ユニット
１０円柱状コア部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
超高層建物の高さの中間位置よりも上方位置に、方位四方向に開口した中間階を設けるとともに、この中間階に、当該中間階内に流入する風のエネルギーによって発電する風力発電装置を設置したことを特徴とする発電システムを備えた超高層建物。
【請求項２】
上記中間階を、地上から上記超高層建物の高さの７０〜８０％の位置に設けたことを特徴とする請求項１に記載の発電システムを備えた超高層建物。
【請求項３】
上記中間階を、近隣環境も含めた気流シミュレーションまたは実験によって得られた上記超高層建物の上記外壁面において最大正圧が作用する箇所に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の発電システムを備えた超高層建物。
【請求項４】
上記中間階の外周隅角部に、円柱状コア部を配置したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の発電システムを備えた超高層建物。
【請求項５】
上記中間階に、複数本の柱を間隔をおいて立設し、これら柱の外周に風力発電装置の発電体となる風車を回転自在に設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の発電システムを備えた超高層建物。

【図１】