JP2006152854A - Wind mill with diffuser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディフューザ付風車に関する。 The present invention relates to a wind turbine with a diffuser.
現在、水平軸風車の発電量を増大させる手段として、流路面積が漸次拡大するように形成されたディフューザ(拡大管)が採用されている。ディフューザの入口(小面積開口部)を風上側に配置するとともに出口(大面積開口部)を風下側に配置し、ディフューザの入口近傍に水平軸風車のロータを配置することにより、ロータに流入する風速を高めて発電量の増大を図ることができる。 Currently, as a means for increasing the amount of power generated by a horizontal axis wind turbine, a diffuser (expansion tube) formed so that the flow passage area gradually increases is employed. The diffuser inlet (small area opening) is arranged on the leeward side, the outlet (large area opening) is arranged on the leeward side, and the rotor of the horizontal axis wind turbine is arranged near the diffuser inlet to flow into the rotor. The amount of power generation can be increased by increasing the wind speed.
また、近年においては、ディフューザの出口近傍の圧力を低下させることにより、さらに集風効果を高める技術が種々提案されている。例えば、ディフューザの出口に「つば」を付けてカルマン渦を発生させ、ディフューザ出口付近に低圧域を発生させることにより、ディフューザ入口における流入風速を増大させる試みがなされている(例えば、非特許文献1参照。)。
しかし、非特許文献1に記載された技術は、ディフューザの出口付近で積極的にカルマン渦を発生させるものであるため、図4に示すようにディフューザ100の出口120の付近で境界層が剥離してしまい、実質的に流路が拡張しない。このため、ディフューザ100の入口110への流入風速が低くなり、発電効率が低下するおそれがあった。
However, since the technique described in Non-Patent
本発明の課題は、ディフューザ付風車において、ディフューザ出口付近の境界層の剥離を抑制することにより、ディフューザ入口の流入風速を高めて発電効率を向上させることである。 An object of the present invention is to improve power generation efficiency by increasing the inflow air velocity at the diffuser inlet by suppressing separation of the boundary layer in the vicinity of the diffuser outlet in the wind turbine with a diffuser.
以上の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、流路面積が漸次拡大するように形成され小面積開口部が風上側に大面積開口部が風下側に各々配置されたディフューザと、前記ディフューザによって囲われた流路空間の前記小面積開口部近傍に配置され水平方向に延在する回転軸を中心に回転するロータと、前記回転軸を支持するナセルと、を備えるディフューザ付風車において、前記ディフューザと前記ナセルとを連結する連結部と、前記ディフューザの前記大面積開口部近傍の内壁に設けられた孔と、前記孔から前記ディフューザ内及び前記連結部内を経由して前記ナセルの内部にいたる連通流路と、前記ナセルに設けられた排気口と、前記連通流路から前記排気口へと向かう気流を生成する気流生成手段と、を備えることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to
請求項1に記載の発明によれば、ディフューザの出口(風下側の大面積開口部)近傍の内壁に孔を設け、この孔からナセルの内部にいたる連通流路を設けるとともに、この連通流路からナセルに設けられた排気口へと向かう気流を気流生成手段で生成する。このため、ディフューザの出口近傍の空気を、連通流路を経由させてナセルの内部に導いて排気口から排出することができる。従って、ディフューザの出口内壁における境界層の剥離を抑制することができるので、ディフューザ出口付近の流路を実質的に拡張することができる。この結果、ディフューザ入口の流入風速を高めることができ、発電効率を向上させることができる。 According to the first aspect of the present invention, a hole is provided in the inner wall near the exit of the diffuser (a large area opening on the leeward side), and a communication channel extending from the hole to the inside of the nacelle is provided. The airflow generating means generates an airflow that goes from the exhaust to the exhaust port provided in the nacelle. For this reason, the air in the vicinity of the outlet of the diffuser can be guided to the inside of the nacelle via the communication channel and discharged from the exhaust port. Accordingly, separation of the boundary layer on the inner wall of the diffuser outlet can be suppressed, so that the flow path near the diffuser outlet can be substantially expanded. As a result, the inflow wind speed at the diffuser inlet can be increased, and the power generation efficiency can be improved.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のディフューザ付風車において、前記ロータの回転力を電力に変換する発電機と、前記発電機から放出される熱を前記排気口から前記ナセルの外部に排出する発電機用冷却ファンと、を備え、前記発電機用冷却ファンは、前記気流生成手段として機能することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the wind turbine with a diffuser according to the first aspect, a generator for converting the rotational force of the rotor into electric power, and heat released from the generator from the exhaust port to the nacelle. A generator cooling fan that discharges to the outside, and the generator cooling fan functions as the airflow generating means.
請求項2に記載の発明によれば、発電機から放出される熱を排気口からナセルの外部に排出して発電機を冷却する発電機用冷却ファンを気流生成手段として機能させる。すなわち、気流生成手段を別途設けることなく従来から使用されている発電機用冷却ファンを有効に利用して本発明の作用効果(集風作用及び発電量増大効果)を得ることができるので、低コスト化を達成することができる。 According to the second aspect of the present invention, the generator cooling fan that cools the generator by discharging the heat released from the generator from the exhaust port to the outside of the nacelle is caused to function as the airflow generating means. That is, since the function and effect of the present invention (wind collecting function and power generation amount increasing effect) can be obtained by effectively using a cooling fan for a generator that has been used conventionally without separately providing an airflow generating means, Costing can be achieved.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載のディフューザ付風車において、前記ロータの回転力を電力に変換する発電機と、前記ロータの回転数を増加させて前記発電機に伝達する増速機と、前記増速機から放出される熱を前記排気口から前記ナセルの外部に排出する増速機用冷却ファンと、を備え、前記増速機用冷却ファンは、前記気流生成手段として機能することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the wind turbine with a diffuser according to the first or second aspect, a generator that converts the rotational force of the rotor into electric power, and the rotational speed of the rotor is increased and transmitted to the generator. And a speed increasing gear cooling fan that discharges heat released from the speed increasing gear to the outside of the nacelle from the exhaust port, and the speed increasing speed cooling fan is configured to generate the airflow. It functions as a means.
請求項3に記載の発明によれば、増速機から放出される熱を排気口からナセルの外部に排出して増速機を冷却する増速機用冷却ファンを気流生成手段として機能させる。すなわち、気流生成手段を別途設けることなく従来から使用されている増速機用冷却ファンを有効に利用して本発明の作用効果(集風作用及び発電量増大効果)を得ることができるので、低コスト化を達成することができる。 According to the third aspect of the present invention, the speed-up gear cooling fan that cools the speed-up gear by discharging the heat released from the speed-up gear to the outside of the nacelle from the exhaust port is caused to function as the airflow generation means. In other words, the effect of the present invention (wind collecting action and power generation increase effect) can be obtained by effectively using the cooling fan for the speed increaser that has been conventionally used without separately providing an airflow generating means. Cost reduction can be achieved.
本発明によれば、ディフューザの出口近傍の内壁に孔を設け、この孔からナセルの内部にいたる連通流路を設けるとともに、この連通流路から排気口へと向かう気流を生成することにより、ディフューザの出口近傍の空気をナセルの内部に導いて排気口から排出することができる。この結果、ディフューザの出口内壁における境界層の剥離を抑制してディフューザ内の気流の円滑化を達成することができ、ディフューザ入口の流入風速を高めて発電効率を向上させることができる。 According to the present invention, by providing a hole in the inner wall near the outlet of the diffuser, providing a communication channel from the hole to the inside of the nacelle, and generating an air flow from the communication channel to the exhaust port, The air in the vicinity of the outlet can be led into the nacelle and discharged from the exhaust port. As a result, separation of the boundary layer at the outlet inner wall of the diffuser can be suppressed to achieve smooth airflow in the diffuser, and the inflow air velocity at the diffuser inlet can be increased to improve power generation efficiency.
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、図1及び図2を用いて、本発明の実施の形態に係るディフューザ付風車1の構成について説明する。本実施の形態に係るディフューザ付風車1は、図1及び図2に示すように、所定の場所に設置されるタワー10、タワー10の頂部に取り付けられたディフューザ20、ディフューザ20によって囲われる流路空間に配置されたロータ30及びナセル40、ディフューザ20とナセル40と連結する連結部50、ナセル40の内部に搭載された発電機60及び冷却ファン70等を備えて構成されている。
First, the structure of the
ディフューザ20は、図1及び図2に示すように、流路面積が漸次拡大するように形成された拡大管であり、風上側に配置される小面積開口部21と、風下側に配置される大面積開口部22と、を有している。ディフューザ20の大面積開口部22近傍の内壁22aには、図2に示すように、複数のオリフィス(孔)23が設けられている。また、ディフューザ20の内部には、図2に示すように、各オリフィス23に連通するとともに後述する連結部内流路51に連通接続されるディフューザ内流路24が設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ロータ30は、図1及び図2に示すように、風力を回転力に変換する2枚のブレード31及びハブ32を有しており、ハブ32に固定された水平方向に延在する回転軸33を中心に回転するように構成されている。ロータ30は、ディフューザ20によって囲われる流路空間の風上側(すなわち小面積開口部21の近傍)に配置されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ナセル40は、図1及び図2に示すように、ロータ30の風下側に配置された状態で連結部50によってディフューザ20に連結される。ナセル40の内部には、発電機60、冷却ファン70及び図示されていないコントローラ等の各種機器が搭載される。ナセル40の風上側端部には、ロータ30の回転軸33が回転自在に取り付けられており、ナセル40の風下側端部には、ナセル40内の空気を外部に排出するための図示されていない排気口が設けられている。また、ナセル40の上下面には、後述する連結部内流路51に位置合わせされる図示されていない貫通孔が設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ディフューザ20とナセル40とを連結する連結部50は、図1及び図2に示すように、ディフューザ20によって囲われる流路空間でナセル40の姿勢を一定に保持する。本実施の形態においては、連結部50として、所定の厚さを有しナセル40の上下に配置される2枚の板状部材を採用している。連結部50の内部には、図2に示すように、ディフューザ20内に設けられたディフューザ内流路24に連通接続され、ナセル40に設けられた貫通孔に位置合わせされる連結部内流路51が設けられている。ディフューザ内流路24と連結部内流路51とナセル40に設けられた貫通孔とによって、ディフューザ20のオリフィス23からナセル40内部にいたる連通流路が構成されることとなる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the connecting
発電機60は、図2(a)に示すようにナセル40の内部に搭載され、ロータ30の回転力を電力に変換する。冷却ファン70は、ナセル40の内部において風上側から風下側へと向かう気流を生成することにより、発電機60から放出される熱を排気口からナセル40の外部に排出して発電機60を冷却する。また、冷却ファン70は、前記したように風上側から風下側へと向かう気流を生成することにより、連通流路を介してオリフィス23から境界層を吸い込み、ナセル40内に流入した空気を排気口から排出する。すなわち、冷却ファン70は、本発明における気流生成手段として機能することとなる。
The
次に、図3及び表1を用いて、本実施の形態に係るディフューザ付風車1を採用した場合における集風作用及び発電量増大効果について説明する。
Next, with reference to FIG. 3 and Table 1, a wind collecting action and a power generation amount increasing effect when the
まず、図3に示すように、ディフューザ20の入口(小面積開口部21)における流路面積、気流の速度及び静圧を各々S1、U1、p1とし、ディフューザ20の出口(大面積開口部22)における開口面積、気流の速度及び静圧を各々U2、S2、p2とする。そして、断面積S0の流管における一様流の速度及び静圧を各々U0、p0とし空気密度をρとすると、ベルヌイの式(A)及び流量の式(B)は以下のようになる。
First, as shown in FIG. 3, the flow area at the inlet (small area opening 21) of the
これらベルヌイの式(A)及び流量の式(B)を用いて、ロータ30に流入する気流の速度(ディフューザ入口における気流の速度:以下「流入風速」という)U1を求めると、流入風速U1は、式(C)に示されるようにディフューザ出口における圧力係数CP2の関数として表される。かかる式(C)により、ディフューザ出口における圧力が低くなるほど流入風速U1が増加することが明らかとなる(集風作用)。 Using the Bernoulli equation (A) and the flow rate equation (B), the velocity of the airflow flowing into the rotor 30 (the velocity of the airflow at the diffuser inlet: hereinafter referred to as “inflowing wind velocity”) U 1 is obtained. 1 is expressed as a function of the pressure coefficient C P2 in the diffuser outlet as shown in equation (C). Such formula (C), the pressure at the diffuser outlet is more incoming wind speed U 1 is found to increase low (wind collecting action).
次に、ディフューザ付風車1の出力係数をη(定数)とすると、発電に利用できる単位時間当りの空気エネルギ(以下「出力」という)ERは以下の式(D)で表される。そして、式(D)のU1に式(C)を代入することにより式(E)が得られる。式(E)に示されるように、出力ERはディフューザ出口における圧力係数CP2の関数として表されることとなる。
Next, when the output coefficient of the diffuser with the
この式(E)を圧力係数CP2で微分すると、以下の式(F)が得られる。 When this equation (E) is differentiated by the pressure coefficient CP2 , the following equation (F) is obtained.
ここで、ディフューザ出口における圧力p2が一様流の圧力p0に充分近いことに着目すると、式(F)において「CP2≒0」と近似することができる。そして、式(F)において「dER」を出力変動「ΔER」とおき、「dCP2」を圧力係数変動「ΔCP2」とおくことにより、近似式(G)が得られる。かかる式(G)により、ディフューザ出口における圧力が低下した場合(ディフューザ出口における圧力係数変動ΔCP2が負となる場合)に、出力ERが増大する(出力ERの変動量ΔERが正となる)ことが明らかとなる(発電量増大効果)。 Here, focusing on the fact that the pressure p 2 at the diffuser outlet is sufficiently close to the uniform flow pressure p 0 , it can be approximated as “C P2 ≈0” in the equation (F). The approximate expression (G) is obtained by setting “dE R ” as the output fluctuation “ΔE R ” and “dC P2 ” as the pressure coefficient fluctuation “ΔC P2 ” in the expression (F). Such formula (G), when the pressure at the diffuser outlet is decreased (when the pressure coefficient variation [Delta] C P2 in the diffuser outlet is negative), the variation amount Delta] E R of the output E R increases (output E R and a positive It becomes clear (power generation increase effect).
<具体例>
一様流の速度U0を「8m/s」、出力係数ηを「0.35」、空気密度ρを「1.225kg/m3」、ロータ30の面積(=ディフューザ入口における流路面積)S1を「200m2」、ディフューザ出口における流路面積S2を「230m2」とする。そして、本発明を適用しない場合におけるディフューザ出口の圧力係数CP2を「−0.4」、本発明を適用した場合におけるディフューザ出口の圧力係数CP2を「−0.6」として式(C)及び式(E)を用いて流入風速U1及び出力ERの理論値を求め、その結果を表1に示した。
<Specific example>
The uniform flow velocity U 0 is “8 m / s”, the output coefficient η is “0.35”, the air density ρ is “1.225 kg / m 3 ”, the area of the rotor 30 (= flow path area at the inlet of the diffuser) S 1 is “200 m 2 ”, and the flow path area S 2 at the diffuser outlet is “230 m 2 ”. Then, the pressure coefficient C P2 at the diffuser outlet when the present invention is not applied is “−0.4”, and the pressure coefficient C P2 at the diffuser outlet when the present invention is applied is “−0.6”. and it obtains the theoretical value of the incoming wind speed U 1, and the output E R by using equation (E), and the results are shown in Table 1.
表1に示されるように、ディフューザ出口の圧力係数CP2を「−0.4」から「−0.6」に低下させた場合には、流入風速U1の理論値が「0.8m/s」増加し、出力ERの理論値が「12.3kW」増加することとなった。 As shown in Table 1, when the pressure was decreased coefficient C P2 of the diffuser outlet to "-0.6" from "-0.4" is the theoretical value of the incoming wind speed U 1 is "0.8 m / s "increases, the theoretical value of the output E R has become possible to increase" 12.3kW ".
以上説明した実施の形態に係るディフューザ付風車1においては、ディフューザ20の出口(大面積開口部22)近傍の内壁22aにオリフィス23を設け、オリフィス23からナセル40の内部にいたる連通流路(ディフューザ内流路24、連結部流路51及び貫通孔)を設けるとともに、冷却ファン70で連通流路から排気口へと向かう気流を生成する。このため、ディフューザ20の出口近傍の空気を、連通流路を経由させてナセル40の内部に導いて排気口から排出することができる。従って、ディフューザ20の出口内壁22aにおける境界層の剥離を抑制することができるので、ディフューザ20の出口付近で実質的に流路を拡張することができる。この結果、ディフューザ20の入口の流入風速を高めることができ、発電効率を向上させることができる。
In the
また、以上説明した実施の形態に係るディフューザ付風車1においては、発電機60から放出される熱を排気口からナセル40の外部に排出して発電機60を冷却する冷却ファン70を気流生成手段として機能させることができる。すなわち、気流生成手段を別途設けることなく従来から使用されている発電機60用の冷却ファン70を有効に利用して、本発明の作用効果(集風作用及び発電量増大効果)を得ることができるので、低コスト化を達成することができる。
Moreover, in the
なお、以上の各実施の形態においては、発電機60用の冷却ファン70のみを設けた例を示したが、ロータ30と発電機60の間に増速機を設けるとともに、増速機を冷却する増速機用冷却ファンを設け、増速機用冷却ファンによって風上側から風下側へと向かう気流を生成することもできる。かかる場合における増速機用冷却ファンは、本発明における気流生成手段として機能する。また、発電機用冷却ファンや増速機用冷却ファンとは別の専用ファンを気流生成手段としてナセル40の内部に搭載して、風上側から風下側に向かう気流を生成することもできる。
In each of the above embodiments, an example in which only the cooling
また、以上の実施の形態においては、連結部50(板状部材)をナセル40の上下に配置した例を示したが、連結部50の位置はこれに限られるものではなく、例えばナセル40の左右に連結部50を配置することもできる。また、以上の実施の形態においては、連結部50として「板状部材」を採用したが、ディフューザ20に対してナセル40を固定することができかつその内部に流路を設けることができる部材であればいかなる部材を用いることもできる。
Moreover, in the above embodiment, although the example which has arrange | positioned the connection part 50 (plate-shaped member) on the upper and lower sides of the
また、以上の実施の形態においては、ディフューザ20の大面積開口部22近傍の内壁22aに複数のオリフィス23を設けた例を示したが、ディフューザ20の内壁22aに設けられる孔の形態はこれに限定されるものではない。例えば、オリフィス23に代えて溝孔を設け、この溝孔をディフューザ内流路24に連通させることもできる。
Moreover, in the above embodiment, although the example which provided the some
1 ディフューザ付風車
20 ディフューザ
21 小面積開口部
22 大面積開口部
22a 内壁
23 オリフィス(孔)
24 ディフューザ内流路(連通流路の一部)
30 ロータ
33 回転軸
40 ナセル
50 連結部
51 連結部内流路(連通流路の一部)
60 発電機
70 冷却ファン(発電機用冷却ファン、気流生成手段)
DESCRIPTION OF
24 Channel in diffuser (part of communication channel)
30
60
Claims (3)
前記ディフューザと前記ナセルとを連結する連結部と、
前記ディフューザの前記大面積開口部近傍の内壁に設けられた孔と、
前記孔から前記ディフューザ内及び前記連結部内を経由して前記ナセルの内部にいたる連通流路と、
前記ナセルに設けられた排気口と、
前記連通流路から前記排気口へと向かう気流を生成する気流生成手段と、
を備えることを特徴とするディフューザ付風車。 A diffuser formed so that the flow channel area gradually increases, with a small area opening on the leeward side and a large area opening on the leeward side, and in the vicinity of the small area opening in the flow channel space surrounded by the diffuser In a wind turbine with a diffuser, comprising: a rotor that rotates around a rotating shaft that is disposed in a horizontal direction and a nacelle that supports the rotating shaft;
A connecting portion for connecting the diffuser and the nacelle;
A hole provided in an inner wall near the large-area opening of the diffuser;
A communication flow path from the hole to the inside of the nacelle through the diffuser and the connecting portion;
An exhaust port provided in the nacelle;
An air flow generating means for generating an air flow from the communication channel toward the exhaust port;
A wind turbine with a diffuser characterized by comprising:
前記発電機から放出される熱を前記排気口から前記ナセルの外部に排出する発電機用冷却ファンと、を備え、
前記発電機用冷却ファンは、
前記気流生成手段として機能することを特徴とする請求項1に記載のディフューザ付風車。 A generator for converting the rotational force of the rotor into electric power;
A generator cooling fan that discharges heat released from the generator to the outside of the nacelle from the exhaust port, and
The generator cooling fan is:
The wind turbine with a diffuser according to claim 1, wherein the wind turbine functions as the air flow generation means.
前記ロータの回転数を増加させて前記発電機に伝達する増速機と、
前記増速機から放出される熱を前記排気口から前記ナセルの外部に排出する増速機用冷却ファンと、を備え、
前記増速機用冷却ファンは、
前記気流生成手段として機能することを特徴とする請求項1又は2に記載のディフューザ付風車。 A generator for converting the rotational force of the rotor into electric power;
A speed increaser that increases the number of rotations of the rotor and transmits it to the generator;
A speed-up gear cooling fan that discharges heat released from the speed-up gear to the outside of the nacelle from the exhaust port, and
The cooling fan for the gearbox is
The wind turbine with a diffuser according to claim 1 or 2, wherein the wind turbine functions as the air flow generation means.
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