JP2004052721A

JP2004052721A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2004052721A
Application number: JP2002214356A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Sugiyama; 杉山　雄一
Original assignee: FUJIN CORP KK
Current assignee: FUJIN CORP KK
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】発電効率が高い風力発電装置を提供すること。
【解決手段】内側に膨出した内周面を有するダクト、該ダクトの内周面に立設された支柱に固定された、ダクトの中心軸に沿って延びる、回転軸と発電機とを収容する筒状容器、そして回転軸に接続された羽根車を備えた風力発電装置であって、該ダクトの内周が、ダクト前端部から少なくとも羽根車を囲む位置までは円形をなし、そして該円形内周面の後端部よりダクトの後端部にかけて、該ダクト後端部が非円形開口をなすように連続的に変化していることを特徴とする風力発電装置。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電装置は、風により羽根車を回転させ、この回転運動のエネルギーを発電機により電気的エネルギーに変換することにより発電する装置である。風力発電装置は、風をエネルギー源とするために、発電のために特別なエネルギー源（石油燃料や核燃料など）を確保する必要がなく、さらに発電により環境汚染物などを生じないなどの利点を有している。他方、風力発電装置は、風の持つエネルギーが低いために高出力を得にくく、そして発電に用いる風の速度にばらつきが大きいために出力の変動が大きいなどの欠点を有している。
【０００３】
上記の欠点を解決して、風力発電装置の出力を大きくするために、装置の発電効率を高くする検討がされている。発電効率を高くする方法の一つとして、羽根車を円筒状のダクトで囲む方法が知られている。円筒状のダクトを有する風力発電装置については、英国公開特許公報第１５０８７５２号に記載されている。この公報に記載の円筒状ダクトでは、ダクトの内周面を内側に膨出させることにより、ダクトの入口から流入する風を増速させている。このような円筒状ダクトを備えた風力発電装置においては、ダクトにより増速された風によって羽根車を回転させて、高い発電効率を得ている。
【０００４】
前記のように、羽根車を円筒状ダクトで囲むことによって、風力発電装置の発電効率をある程度は高くすることができるが、発電コストを考慮すれば、さらに発電効率を高くすることが望ましい。また、このような円筒状ダクトを備えた風力発電装置は、出力の変動が大きいという欠点を残したままである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、発電効率が高い風力発電装置を提供することにある。
本発明の目的はまた、発電効率が高く、そして出力の変動が小さい風力発電装置を提供することにもある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者の検討により、風力発電装置が備えるダクトの内周を、ダクト前端部から少なくとも羽根車を囲む位置までは円形とし、そしてこの円形内周面の後端部よりダクトの後端部にかけて、ダクト後端部が非円形開口をなすように連続的に変化させることにより、ダクト内の風の流れが円滑となり、風力発電装置の発電効率が高くなることが判明した。また、ダクトの後端部もしくはその近傍に、ダクトの外周面から立ち上げることが可能な可動片を付設しておいて、風速が小さいときに可動片を立ち上げることにより、ダクト内を流れる風が増速し、風力発電装置の発電効率をさらに高くすることができることも判明した。また、可動片の立ち上げ量を調節することにより、ダクト内の風を増速させる割合を調節することができ、風力発電装置の出力の変動を小さくできることも判明した。
【０００７】
本発明は、内側に膨出した内周面を有するダクト、ダクトの内周面に立設された支柱に固定された、ダクトの中心軸に沿って延びる、回転軸と発電機とを収容する筒状容器、そして回転軸に接続された羽根車を備えた風力発電装置であって、前記ダクトの内周が、ダクト前端部から少なくとも羽根車を囲む位置までは円形をなし、そしてこの円形内周面の後端部よりダクトの後端部にかけて、ダクト後端部が非円形開口をなすように連続的に変化していることを特徴とする風力発電装置にある。
【０００８】
本発明の風力発電装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）非円形が、多角形である。多角形は、三乃至八角形であることが好ましく、正方形であることがさらに好ましい。
（２）ダクトの後端部もしくはその近傍に、ダクトの外周面から立ち上げることが可能な可動片が付設されている。
（３）ダクト前端部での開口面積がダクト後端部での開口面積よりも大きい。
【０００９】
本発明はまた、地表、地表に設置された基台、もしくは地表に係留された基台に立設された支柱、支柱の頂部に軸受を介して設置された支持台、そして支持台に固定された風力発電装置からなり、この風力発電装置が、上記本発明の風力発電装置である風力発電装置組体にもある。
【００１０】
本発明はまた、地表、地表に設置された基台、もしくは地表に係留された基台に軸受を介して回転可能に設置された支柱、そして支柱の両側に互いに対称的に配置された風力発電装置からなり、これらの風力発電装置のそれぞれが、上記本発明の風力発電装置である風力発電装置集合体にもある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の風力発電装置を添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明に従う風力発電装置の一例の構成を示す一部切欠斜視図であり、図２は、図１の風力発電装置の正面図であり、そして図３は、図１の風力発電装置の背面図である。図４は、図３に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した風力発電装置の断面図である。なお、図４は、羽根車１７の有する二枚の羽根２０が、図１に示すようにダクト内において上下に配置された状態における風力発電装置の断面図を示している。
【００１２】
図１〜図４に示す風力発電装置は、内側に膨出した内周面を有するダクト１１、ダクトの内周面に立設された支柱１２に固定された、ダクト１１の中心軸１３に沿って延びる、回転軸１４と発電機１５とを収容する筒状容器１６、そして回転軸１４に接続された羽根車１７などから構成されている。風力発電装置のダクト１１の内周は、ダクトの前端部２３から少なくとも羽根車１７を囲む位置までは円形をなし、そしてこの円形内周面の後端部よりダクト１１の後端部２４にかけて、ダクト後端部２４が正方形の開口をなすように連続的に変化している。
【００１３】
羽根車１７には、二枚の羽根２０が備えられている。ダクト１１の入口（前端部２３側の開口）から流入した風を受けて、羽根車１７、および羽根車１７に接続された回転軸１４が回転する。回転軸１４の回転運動のエネルギーは、発電機１５により電気的エネルギーに変換される。電気的エネルギーは、電気配線２１を介して風力発電装置の外部に出力される。
【００１４】
次に、本発明において特徴的な風力発電装置の発電効率を高くするためのダクトの形状について説明する。本発明者は、風力発電装置の発電効率を高くする方法を見出すために、先ず、従来より知られている円筒状ダクトを備えた風力発電装置について、ダクト内部の風の流れをコンピュータによりシミュレーションした。その結果、ダクトの入口から流入した風の速度は、ダクトの内径が小さくなれるにつれて次第に増加し、ダクトの内径が最小となる位置において概ね最大値を示すことが確認できた。通常、羽根車は、このダクトの内径が最小となる位置もしくはその近傍に配置される。
【００１５】
また、上記のコンピュータシミュレーションにより、ダクト内部のダクト内径が最小となる位置からダクトの後端部にかけて、幾つかの渦が発生していることも確認できた。ダクトの内径は、ダクトの内径が最小となる位置から次第に大きくなるが、ダクト内部を流れる風が、このダクト内周の形状と対応して均等に広がらないために、前記の渦が発生すると推測される。また、ダクト内部の羽根車の後方に配置されている、支柱や筒状容器の後方からも渦が発生していることが確認できた。
【００１６】
このようにダクト内部の羽根車の後方において発生した渦は、ダクト内部の風の流れに従って、ダクトの出口へと移動する。渦がダクトの出口へと移動する速度は、渦が移動方向以外の速度成分を有するために、ダクト内部を流れる（渦以外の）風の速度よりも低い。このため、羽根車の後方に渦が発生すると、ダクトの入口から風が流入し難くなり、風力発電装置の発電効率が低下する。
【００１７】
本発明者は、このようなダクト内部の羽根車の後方にて発生する渦について詳細に検討した。その結果、羽根車の後方において発生した渦は、ダクトの内周方向に沿って螺旋運動をしながらゆっくりと出口に移動する場合が多いことも判明した。このように渦が螺旋運動をすると、渦がダクトの出口から排出されるまでに長い時間を要するため、風力発電装置の発電効率がさらに低下する。
【００１８】
本発明者は、ダクトの内周を、ダクト前端部から少なくとも羽根車を囲む位置までは円形とし、そしてこの円形内周面の後端部よりダクトの後端部にかけて、ダクト後端部が非円形開口をなすように連続的に変化させることにより、前記の渦の螺旋運動が抑制できることを見出した。これは、ダクトの内周が非円形であると、ダクト内周に沿った渦の移動が妨げられるためと考えられる。
【００１９】
渦の螺旋運動を抑制することにより、羽根車の後方にて発生した渦はダクトの出口から速やかに排出され、ダクト内の風の流れが円滑となる。このため、ダクトの入口から風が流入し易くなるために、風力発電装置の発電効率が高くなる。
【００２０】
また、ダクトの内周面を、羽根車を囲む位置から直ちに非円形の筒状にすると、ダクト内部の風の流れが急激に変化するために、さらに多くの渦が発生する。従って、ダクトの内周は、ダクト後端部が非円形開口をなすように連続的に変化させる。
【００２１】
図５は、図３に記入した切断線ＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した風力発電装置の断面図である。ダクトの内周を、ダクト後端部が正方形開口をなすように連続的に変化させるために、図５に示すように、ダクトの内周は、正方形の角に相当するダクトの後端２４が、図４の場合よりもダクトの中心軸から遠くに位置するように連続的に変化している。なお、図５は、羽根車１７の有する二枚の羽根２０が、図１に示すようにダクト内において上下に配置された状態における風力発電装置の断面図を示している。
【００２２】
本発明の風力発電装置において、発電効率をさらに高くするためにダクトの後端部もしくはその近傍に、ダクトの外周面から立ち上げることが可能な可動片を付設することが好ましい。図１の風力発電装置には、ダクトの後端部近傍に可動片１８が付設されている。
【００２３】
図６は、図１の風力発電装置の可動片１８の動作を説明する斜視図である。可動片１８は、図６に示すように、ダクト１１の外周面から立ち上げることができる。
【００２４】
図７は、図１の風力発電装置の可動片１８の駆動方法を説明する断面図である。図７に示すように、シリンダ１９によって、可動片１８をシリンダ１９の側に引き寄せることにより、可動片をダクト１１の外周面から立ち上げることができる。シリンダ１９に代えて電磁モータを用いたり、あるいは可動片に索を固定して、この索を電磁モータなどで引き寄せることによっても、可動片を立ち上げることができる。可動片１８を立ち上げるための駆動方法に特に制限はなく、例えば、航空機のフラップと同様の駆動手段を用いることができる。
【００２５】
可動片１８を、ダクト１１の外周面から立ち上げることにより、ダクトの外周面に沿って流れる風が、可動片１８によって急速にダクトから遠ざけられる。このため、ダクト１１の後方の空間が低圧となる。ダクト１１の後方の空間が低圧となると、ダクト内部を流れる風の速度が増加するため、風力発電装置の発電効率がさらに高くなる。また、ダクト１１の後方の空間が低圧となると、前記のような羽根車の後方で発生した渦も、ダクトの出口から排出され易くなる。可動片１８の長さは、ダクト１１の中心軸に沿った長さに対して、５乃至１５％の範囲にあることが好ましい。
【００２６】
図１に示す風力発電装置は、可動片１８を立ち上げることにより、ダクト１１の内部を流れる風の速度を極めて高くすることができる。コンピュータシミュレーションにより、図１の風力発電装置において、ダクト前端部２３での開口径を２０１２ｍｍ、ダクト１１の中心軸に沿った長さを３１７２ｍｍ、羽根車１７の直径を１１０６ｍｍ、そして可動片１８の長さを２２２ｍｍとした場合、可動片をダクトの外周面から概ね垂直に立ち上げると、ダクトの入口から流入する風は、羽根車１７が配置された位置において、４倍程度に増速されることが確認できた。なお、従来の風力発電装置と同様の円筒状ダクトを備えた風力発電装置の場合には、ダクトの入口から流入する風は、羽根車が配置された位置において、１．７倍程度に増速されることが確認できた。
【００２７】
風のエネルギーは、風速の三乗に比例するため、図１の風力発電装置は、同じ直径の羽根車のみを用いた風力発電装置の６４倍程度の出力が得られると推測される。ダクトの入口から流入する風の速度が６ｍ／ｓ程度である場合、このような小型の風力発電装置一台によって、６１７０Ｗ程度の高出力が得られと推測される。
【００２８】
また、可動片１８の立ち上げ量（図７に示す可動片の場合には、立ち上げ前の可動片に対する、立ち上げ後の可動片の角度）を調節することにより、ダクト１１の後方の空間の圧力を調節できる。即ち、風力発電装置の発電効率を調節することができる。ダクト１１の入口から流入する風の速度が低い場合には、可動片１８の立ち上げ量を大きくし、逆に風の速度が高い場合には、可動片１８の立ち上げ量を小さくすることにより、発電効率が調節されて、風力発電装置の出力の変動を小さくすることができる。可動片の立ち上げ量は、１１０度以下であることが好ましい。
【００２９】
風力発電装置の羽根車の直径に対して、ダクトの体積を小さくすると、風力発電装置の占有する空間に対する出力が大きくなる。即ち、風力発電装置の小型化が可能となる。従って、図１から図７に示すように、羽根車１７が、ダクト内部の前方に配置されている場合には、風力発電装置のダクト前端部での開口面積は、ダクト後端部での開口面積よりも大きいことが好ましい。
【００３０】
図８は、本発明に従う風力発電装置の別の一例の構成を示す斜視図である。ダクト１１の後方の空間をさらに低圧とするために、図８に示すように、可動片１８が立ち上がった状態において、可動片と可動片の隙間を流れる風をダクトから遠ざけるための補助固定壁８１を付設することが好ましい。補助固定壁８１の付設により、ダクト１１の後方の空間をより低圧とすることができ、風力発電装置の発電効率をさらに高くすることができる。図８の風力発電装置の構成は、補助固定壁８１が付設されていること以外は、図１の風力発電装置と同様である。
【００３１】
図９は、可動片の別の一例の構成を説明する断面図である。図９に示すように、可動片９８を、ダクト１１の外周面に概ね垂直な方向に立ち上がるように、ダクト１１の後端部２４の近傍に付設することもできる。可動片９８は、ダクトの中心軸に対して垂直に立ち上がるように、ダクト１１に付設することが好ましい。可動片９８の立ち上げ量（図９に示す可動片の場合には、ダクト１１の外周面に対する可動片９８の高さ）を調節することにより、風力発電装置の出力の変動を小さくすることができる。
【００３２】
従来の風力発電装置は、羽根車が暴風を受けると、出力が大きく変動する場合がある。また、暴風を受けて羽根車が破損する場合もある。図９の可動片９８と同様にして、風力発電装置のダクトの後端部近傍に、ダクトの内周面から立ち上げることができる可動片をさらに付設して、暴風時には、この可動片を立ち上げることにより、ダクト内部を流れる風の速度を低くすることができる。従って、暴風時の風力発電装置の出力の変動を小さくすることができ、そして羽根車の破損も防止することができる。
【００３３】
図１０は、可動片のさらに別の一例の構成を説明する断面図である。図１０に示すように、可動片１０８を、ダクト１１の外周面と内周面のいずれからも立ち上がるように付設することもできる。可動片１０８を、風力発電装置の出力が小さい場合にはダクトの外側の方向へ立ち上げ、出力が大きい場合にはダクトの内側の方向に立ち上げることにより、風力発電装置の出力の変動を小さくすることができる。可動片１０８の立ち上げ量（立ち上げ前の可動片に対する、立ち上げ後の可動片の角度）は、可動片をダクトの外側の方向に立ち上げる場合には、１１０度以下であることが好ましく、可動片をダクトの内側の方向に立ち上げる場合には、３０度以下であることが好ましい。
【００３４】
図１１は、風力発電装置のダクト後端部での開口形状の例を説明する図である。ダクト後端部での開口形状は、ダクトの後端部もしくはその近傍に可動片を付設することが容易となるため、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、少なくとも直線部を有する形状であることが好ましい。また、ダクト後端部での開口形状は、ダクトの内部を流れる風がダクトの中心に対して均等に流れるように、図１１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、多角形であることが好ましい。また、ダクト後端部での開口形状は、ダクトの製造が容易となることから、三乃至八角形であることが好ましく、図１の風力発電装置のように正方形であることがさらに好ましい。なお、本明細書において、「多角形」には、各々の角に丸みが付与された形状も含まれる。
【００３５】
図１２は、本発明の風力発電装置組体の一例の構成を示す正面図であり、図１３は、図１２の風力発電装置組体の右側面図である。図１２と図１３に示す風力発電装置組体は、地表１２１に設置された支柱１２２、支柱１２２の頂部に軸受１２３を介して設置された支持台１２４、そして支持台１２４に固定された風力発電装置１２５から構成されている。風力発電装置１２５としては、図１の風力発電装置が用いられている。
【００３６】
図１２と図１３に示す風力発電装置組体において、ダクト１１の外周面が受けた風の力により生じる、軸受１２３を中心とするモーメントにより軸受１２３を滑らせ、風力発電装置１２５が設置された支持台１２４を、風力発電装置１２５が風に向うように回転させることができる。このためには、ダクト１１の側面から風が当たった場合の風圧抵抗中心が、軸受１２３の回転中心と一致しないように、風力発電装置１２５を支持台１２４に設置すればよい。図１２と図１３に示す風力発電装置組体の場合、風力発電装置１２５は、風圧抵抗中心が、軸受１２３の回転中心よりやや後方に位置するように配置されている。
【００３７】
図１３に示すように、支持台１２４に方向舵１３１を付設することも好ましい。方向舵は、風力発電装置１２５のダクト１１の外周面に付設してもよい。
【００３８】
図１４は、本発明に従う風力発電装置集合体の一例の構成を示す正面図である。図１４の風力発電装置集合体は、地表１２１に設置された基台１４１に軸受１２３を介して回転可能に設置された支柱１４２、そして支柱１４２の両側に互いに対称的に配置された風力発電装置１２５から構成されている。風力発電装置１２５としては、図１の風力発電装置が用いられている。
【００３９】
図１４に示すように、風力発電装置１２５を支柱１４２の両側に対称的に配置することにより、風力発電装置の自重により支柱のそれぞれの側で生ずる曲げモーメントを釣り合わせ、支柱１４２や軸受１２３に加わる曲げモーメントを小さくすることができる。曲げモーメントを小さくすることにより、支柱１４２や軸受１２３に必要とされる機械的強度が小さくなり、支柱の太さや軸受けの大きさを小さく設定できる。
【００４０】
本発明の風力発電装置は、発電効率が高いために低速の風でも発電が可能であり、発電装置の小型化も可能である。従って、従来は風力発電装置の運搬と設置が困難であった山間部などにも設置が可能である。そして本発明の風力発電装置を用いた風力発電装置組体及び風力発電装置集合体は、陸地よりも風速の高い沿岸部や海上に設置することも好ましい。沿岸部においては海底（地表）に設置され海上へと延びる支柱を用いて、あるいは陸地や海底に係留され、海面に浮かぶ基台に設置された支柱を用いて、風力発電装置組体もしくは風力発電装置集合体を構成することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明により、高い発電効率を示す風力発電装置を提供することができる。そして、本発明の風力発電装置に、さらに可動片を付設することにより、高い発電効率と小さな出力変動を示す風力発電装置を提供することができる。また、本発明の風力発電装置は、発電効率が高いために小型でも高出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う風力発電装置の一例の構成を示す一部切欠斜視図である。
【図２】図１の風力発電装置の正面図である。
【図３】図１の風力発電装置の背面図である。
【図４】図３に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した、風力発電装置の断面図である。
【図５】図３に記入した切断線ＩＩ−ＩＩ線に沿って切断した、風力発電装置の断面図である。
【図６】図１の風力発電装置の可動片の動作を説明する斜視図である。
【図７】図１の風力発電装置の可動片の駆動方法を説明する断面図である。
【図８】本発明に従う風力発電装置の別の一例の構成を示す斜視図である。
【図９】可動片の別の一例の構成を説明する断面図である。
【図１０】可動片のさらに別の一例の構成を説明する断面図である。
【図１１】風力発電装置のダクト後端部での開口形状の例を説明する図である。
【図１２】本発明に従う風力発電装置組体の一例の構成を示す正面図である。
【図１３】図１２の風力発電装置組体の右側面図である。
【図１４】本発明に従う風力発電装置集合体の一例の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１１　ダクト
１２　支柱
１３　ダクトの中心軸
１４　回転軸
１５　発電機
１６　筒状容器
１７　羽根車
１８　可動片
１９　シリンダ
２０　羽根
２１　電気配線
２３　ダクト前端部
２４　ダクト後端部
２５　ダクトの前端部と後端部を結ぶ線
８１　補助固定壁
９８　可動片
１０８　可動片
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ　ダクト後端部開口形状の例
１２１　地表
１２２　支柱
１２３　軸受
１２４　支持台
１２５　風力発電装置
１３１　方向舵
１４１　基台
１４２　支柱
１４３　避雷針

Claims

内側に膨出した内周面を有するダクト、該ダクトの内周面に立設された支柱に固定された、ダクトの中心軸に沿って延びる、回転軸と発電機とを収容する筒状容器、そして回転軸に接続された羽根車を備えた風力発電装置であって、該ダクトの内周が、ダクト前端部から少なくとも羽根車を囲む位置までは円形をなし、そして該円形内周面の後端部よりダクトの後端部にかけて、該ダクト後端部が非円形開口をなすように連続的に変化していることを特徴とする風力発電装置。
非円形が、多角形である請求項１に記載の風力発電装置。
多角形が、三乃至八角形である請求項２に記載の風力発電装置。
多角形が、正方形である請求項２に記載の風力発電装置。
ダクトの後端部もしくはその近傍に、ダクトの外周面から立ち上げることが可能な可動片が付設されている請求項１に記載の風力発電装置。
ダクト前端部での開口面積が、ダクト後端部での開口面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
地表、地表に設置された基台、もしくは地表に係留された基台に立設された支柱、該支柱の頂部に軸受を介して設置された支持台、そして該支持台に固定された風力発電装置からなり、該風力発電装置が、請求項１乃至６のうちのいずれかの項に記載の風力発電装置である風力発電装置組体。
地表、地表に設置された基台、もしくは地表に係留された基台に軸受を介して回転可能に設置された支柱、そして該支柱の両側に互いに対称的に配置された風力発電装置からなり、該風力発電装置のそれぞれが請求項１乃至６のうちのいずれかの項に記載の風力発電装置である風力発電装置集合体。