JP2009281373A

JP2009281373A - 風力エネルギー利用システム

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Publication number: JP2009281373A
Application number: JP2008186484A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kudo; 康工藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2009-12-03
Also published as: WO2009130853A1

Abstract

【課題】自由開放空間を吹く風をそのまま捕捉するために大型風車を設置するという従来の方式に対して、むしろ障害物による風速・風圧の変化を利用して、風力エネルギーを取り出す。
【解決手段】天然の風が吹き抜ける風路上の外壁に、風向きを真横または斜めに横切る面上の横断開口部１０１と風向に平行な面上に設置した平行開口部１０３とを設け、横断開口部と風力タービン１０４の給気孔１０５とを空気流入導路で接続し、平行開口部と風力タービンの排気孔１０６とを直結し、風路上の風流によって生じる横断開口部と平行開口部との空気圧力差により、横断開口部から流入する空気流を風力タービンの給気孔に給気し、風力タービンの排気を直接、または該空気排出導路を通じて、平行開口部へ流出させることにより、風力タービンを作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力エネルギーを効率的に取り出し、風力タービンを使用して発電またはその他の動力として利用するシステムに関する。

風力エネルギーは、再生可能エネルギーのひとつである。地球環境の保全、エネルギーセキュリティの確保、経済成長の維持を同時に実現可能なエネルギー源として、世界各地で普及が進んでいる。

風力発電は従来の集中型電源とは様々な点で異なる特徴を持つ。温室効果ガスの排出が少ないことと、将来にわたって発電用燃料の調達リスク（コスト）が無いことが最大の長所であるが、その他の長所も無視できない効果を持つ（非特許文献１）。
風力発電の資源量は大きく、開発可能な量だけで人類の電力需要を充分に賄えるとされる。世界全体では少なくとも約７２ＴＷ（テラワット）が風力によって発電可能とされる。これは世界全体の電力需要量（１４ＴＷ）の約５倍に相当する。

風力原動機はローター径が大型化するにつれて効率が向上し、採算性も向上する。これは地上付近では地面や障害物等による摩擦があり、高所の方がより効率よく風を捉えられるのが大きな理由である。このため発電事業用の風力原動機は大型化する傾向にある。
発電量はローターの直径の２乗、風速の３乗に比例する。効率は最高５９％である（ベッツの法則）。１９１９年、ドイツのアルバート・ベッツにより導き出された。２００５年現在では、世界的に２．５ＭＷクラスが中心であり、５ＭＷクラスの開発が進められている。
「風力エネルギーの基礎」牛山泉著（オーム社刊・平成１７年７月２０日第１版第１刷発行）

このように風力エネルギーの利用は、発電設備として研究も進み大いに活用されているが、いくつかの解決すべき問題を有する。
第一の問題点は不稼働の問題であり、風力発電機の最大の敵は強すぎる風である。風力発電機には定格風速があり、定格を大幅に超える速度で運転すると原動機の焼損やブレードの破損などを招く場合がある。そのため風速が過大な場合は、保護のために速度を抑制するか、場合によっては一時的に発電を停止する。また落雷による故障は風力発電が停止する大きな原因の１つである。ブレードへの落雷により、ブレードが物理的に破壊される場合が多い。大型機ほど地上高が高くなるため、被雷しやすくなる。

第二の問題点は、用地確保の問題である。異なる場所に分散して設置された風車同士は、距離が近くなるに従って、出力変動の相関性が高くなる。特に速い（高い周波数の）変動においてこの傾向は顕著となり、その分、合計の出力変動が大きくなる。このため、風力発電機を２機以上設置する場合には、卓越風向に対して垂直方向に風車直径の３倍、平行方向に１０倍程度の距離が必要である。

第三の問題点は、鳥への影響の問題である。
現在一般的な円柱状タワーを用いた風力発電所では、イヌワシ、クマタカ、オオタカなどの希少猛禽類の幼鳥が、風力発電のブレード（回転羽根）に衝突（バードストライク）して死亡するケースがある。衝突死の多くは鳥が風車の回転範囲を通り抜けようとして、回転翼を避けずに体が切断されることにより生じる。一説にはモーションスミア現象によって高速の羽根が見えず、反対側の景色が透けて見えるため鳥が気づかないためといわれている。鳥類の目は人間に比べモーションスミアが起こりやすいという実験結果が出ている。鳥類は生息地の喪失、繁殖の妨害、採餌地の喪失、などの影響も受けているが、バードストライクは鳥の大群が通るルートの地域で多数発生していることがわかっている。

第四の問題は、方向調整機構の必要性である。多く用いられる横軸型風車は常に風に対して正対せねばならず、風向の変化に追随して、風車の方向を自動的に追随させる機構が必要である。

第五の問題は、風の利用高度範囲が限定される問題である。大型風車の構造寸法上の制約から、地表高度概ね１００ｍ以上の部分を吹く風を効果的に利用することはできない。

第六の問題は、景観上の問題である。例えば風光明媚な観光地などでは、風力発電機の設置によって景観が変わるために反対される場合もある。

第七の問題は、用地整備・道路造成による自然破壊の問題である。周辺地域と比較して高所に設置する場合には、立地点の用地を整備する必要があり、また、資材運搬、運用時のメンテナンスのために林道を造成する必要があり、それに伴う樹木の伐採が問題視される場合がある。

本発明はかかる課題に鑑みなされてものであり、これらの課題はいずれも、経済的実現性の要請から、大型風車を高さ４０ｍから１００ｍ程度に設置することに起因している。
本発明は、自由開放空間を吹く風をそのまま捕捉するために大型風車を設置するという従来の方式に対して、全く別の新しい着想として、むしろ障害物による風速・風圧の変化を利用して、風力エネルギーを取り出そうとするものである。その意味で先行技術文献は見当たらない。

そのため本発明では、天然の風が吹き抜ける風路上の障害物の外壁に、風向きを真横または斜めに横切る面上に設置した横断開口部と風向に平行な面上に設置した平行開口部とを設け、該障害物内部において、該横断開口部と風力タービンの給気孔とを空気流入導路で接続し、該平行開口部と該風力タービンの排気孔とを直結し、または空気排気導路で接続し、該風路上の風流によって生じる該横断開口部と該平行開口部との間の空気圧力差により該横断開口部から流入する空気流を該空気流入導路を通じて該風力タービンの該給気孔に給気し、該風力タービンの排気を直接、または該空気排出導路を通じて、該平行開口部へ流出させることにより、該風力タービンを作動させることを特徴とする風力エネルギー利用システムを提供し、

または、風向きによって開口部が横断開口部または平行開口部のいずれにもなり得る場合には、天然の風が吹く抜ける風路上の障害物の外壁に、複数の開口部を設け、該障害物の内部において、該開口部それぞれと風力タービンの間に二股分岐空気導路を設け、該二股分岐空気導路の一方の分岐肢に吸気弁、他方の分岐肢に排気弁を取り付け、該吸気弁を有するすべての分岐肢を該風力タービンの給気孔に接続し、該排気弁を有するすべての分岐肢を該風力タービンの排気孔に接続し、該複数の開口部のうち風向きを真横または斜めに横切る面上に偶々位置し大気圧以上の正圧がかかる横断的開口部に対応する該吸気弁を開き該排気弁を閉じ、該複数の開口部のうち風向きと平行する面上に偶々位置する平行的開口部に対応する該吸気弁を閉じ該排気弁を開くこと特徴とする風力エネルギー利用システムを提供するものである。

以上に述べたように、本発明のシステムでは、地表に限られた開口部のみを設ければ足りるので、用地確保、景観、用地整備・道路造成の問題が解決でき、また、設備を地表または地下に設置できるので、落雷、鳥への影響の問題も解決でき、強風に対しても、風量調節機構の設置が容易であり、暴風時にも運転を継続することが可能であり、強風による不稼働の問題は解決でき、さらに、風向に従って設備全体の向きを変える必要もなく方向調節機構は不要となる。また、詳細は省略するが、高さ数百米の鉄塔上に据え付けることもできるので、風の利用高度範囲の制限の問題が解決され、大気境界層の中で風速が大きく比較的安定な地表１００ｍから１，０００ｍの上部摩擦層を利用することができ、経済的な大出力システムの建設が容易であるという効果がある。

風の流れと、風の流れの中に流れを乱す障害物が存在することが、発明を実施するための最良の形態であるが、風向きに対して常に一定の条件を満たすことができる場合とできない場合で実施形態が異なる。以下実施例に従い説明する。

図１に、風向きに対して常に平行な開口部を設けることができる場合においての本発明のシステム構成図を示す。一般に、風の流れの中に、流れを乱す障害物が存在すると、風上に面した部分には風圧が強く作用し、風下に面した部分には無風状態が生じ、風の方向に平行な部分には負圧が作用する。ベルヌーイの定理によれば、空気の定常流では、流管の各部において

（数１）ｖ^２／２ｇ＋ｈ＋ｐ／ｇρ＝一定

の関係が成り立つ。ここに、ｖは風速、ｇは重力の加速度、ｈは標高、ｐは静風圧、ρは空気の密度であり、左辺第１項は速度落差、第２項は位置落差、第３項は圧力落差を示す。

Ｈを大気圧として数１式を書き換えて、

（数２） ρｖ^２／２＋ρｇｈ＋Ｈ−ｐ_ｎ＝一定

とすれば、ρｖ^２／２は動圧、ｐ_ｎは風の流れによって生ずる負圧の大きさを示す。

ここで、図１に示すように、障害物１００が存在する地点において、風上に当たる地点Ｌに風向きを真横または斜めに横切る面上にあって風向きに正対する横断開口部１０１を設け、風下に当たる地点Ｍに同じく風向きを真横または斜めに横切る面上にあって風向きに背対する横断開口部１０２を設け、障害物の頂上にあたる地点Ｎに常に風向きに平行な面上にある平行開口部１０３を設ける。このとき、各開口部の標高の高低差を小さいものとして無視すれば、横断開口部１０１には、ρｖ^２／２（動圧）＋（Ｈ−ｐ_ｎ）（静圧）が作用し、横断開口部１０２は無風状態にあり、Ｈ（大気圧）のみが作用し、平行開口部には、（Ｈ−ｐ_ｎ）（静圧）のみが作用する。

したがって、横断開口部１０１及び１０２、平行開口部１０３をそれぞれ風力タービン１０４に導けば、横断開口部１０１と平行開口部１０３との間には、圧力差ρｖ^２／２（動圧）がかかり、横断開口部１０２と平行開口部１０３との間には、圧力差ｐ_ｎ（負圧）がかかり、共に風力タービン１０４内で機械エネルギーを生ずる。従って、風力タービンの損失を無視すれば、理論的には、圧力差ρｖ^２／２（動圧）と圧力差ｐ_ｎ（負圧）による風の持つエネルギーすべてを機械エネルギーに変換し、これを利用することが出来る。

図２は、風向きに対して常に平行な開口部を設けることができない場合における本発明のシステム構成図を示す。図示されていない障害物の外壁に複数の開口部２０１、２０２、・・・・、２０Ｎを設ける。各開口部は、風向によって、ある時は風上に、ある時は風下に、ある時は風の方向に平行に位置することになる。複数の開口部２０１、２０２、・・・・、２０Ｎそれぞれと風力タービン１０４との間に二股分岐空気導路２１１、２１２、・・・・、２１Ｎを設け、該二股分岐空気導路の一方の分岐肢に吸気弁２２１、２２２、・・・・、２２Ｎを設け、他方の分岐肢に排気弁２３１、２３２、・・・・、２３Ｎを設置し、該吸気弁を有するすべての分岐肢２４１、２４２、・・・・、２４Ｎを該風力タービンの給気孔１０５に接続し、該排気弁を有するすべての分岐肢２５１、２５２、・・・・、２５Ｎを該風力タービン１０４の排気孔１０６に接続する。

該複数の開口部のうち風向きを真横または斜めに横切る面上に偶々位置し大気圧以上の正圧がかかる横断的開口部に対応する吸気弁を開き排気弁を閉じ、該複数の開口部のうち風向きと平行する面上に偶々位置し大気圧以下の負圧がかかる平行的開口部に対応する吸気弁を閉じ排気弁を開くようにする。

このとき該横断的開口部と該平行的開口部の間に生じる空気圧力差によって、該横断的開口部から流入する空気流を当該横断的開口部に接続された二股分岐空気導路、開いた吸気弁、分岐肢を経て、該風力タービン１０４の吸気孔１０５に導き、該風力タービン１０４の排気孔１０６より排気される空気は、該平行的開口部に対応する分岐肢、開かれた排気弁、二股分岐空気導路を経て、該平行的開口部より排出される。

実施例１と同じ原理により、この空気流によって、該横断的開口部と該平行的開口部の間の圧力差が機械的エネルギーに変換され、風力エネルギーを利用することが出来る。

図３（ａ）は、例えば建物の屋上などに設置するに適する本発明による風車発電機である風力エネルギー利用システム３００の構成を示す。本システム３００は円柱形状を成し、内部は、風車発電機の収納されている上部と吸い出し口の設置されている下部に分かれ、中板３７０により仕切られている。また、側面は案内板３０９および案内板３１２によって、それぞれ６分割されてはいるが、大きな上部開口３４０および下部開口３５０を形成している。３４１〜３４６および３５１〜３５６は、それぞれ分割された上部開口３４０および下部開口３５０の個々の開口を示す。

羽根車３０１と発電機３０２は、同一の駆動軸３０３に固定され、駆動軸３０３の周りを回転する。本システム３００の側面開口部３４０の開口高Ｘに対して、羽根車３０１の高さｘは小さく、開口部３４０の上部円周と羽根車３０１の上部円周を漏斗形状の仕切板３２０で結合している。また、図４のＡ−Ａ’断面図に示すように、漏斗形状仕切板３２０と中板３７０で構成される回廊部３９０は６枚の案内板３０９により６分されている．

又，同じように本システム３００の側面開口部３５０の開口高Ｙに対し、吸い出し部３１０の小口径の開口部３０８と底面３８０との隙間ｙは小さく、開口部３５０の上部円周と吸い出し部３１０の小口径の開口部３０８の円周を漏斗形状の仕切板３３０で結合している。図５のＢ−Ｂ’断面図に示すように、漏斗形状仕切板３３０と底板３８０で構成される回廊３９５は、６枚の案内板３１２により６分されている。

図３（ｂ），図４，図５によって、本風力エネルギー利用システム３００に於ける風の流れとそれにより機械エネルギーに変換される風力エネルギーについて説明する。
一般に流体タービンにおいては、流体の密度をρ、流量をＱ、重力の加速度をｇ、タービンの回転数をｎ、比速度をｎ_ｑ、得られる動力をＬ_ｂとすると

（数３）Ｌ_ｂ＝ρＱｇ（Ｈ_ＩＮ−Ｈ_ＯＵＴ）
（数４）ｎ_ｑ＝ｎＱ^１／２／（Ｈ_ＩＮ−Ｈ_ＯＵＴ）^３／４

が成立し、（Ｈ_ＩＮ−Ｈ_ＯＵＴ）を消去すると

（数５）Ｌ_ｂ＝ρｇ（ｎ／ｎ_ｑ）^４／３Ｑ^５／３

となる。ここに、Ｈ_ＩＮ、Ｈ_ＯＵＴはそれぞれタービンの入力および出力における流体ヘッドで、入力および出力の流速をｖ_ＩＮ、ｖ_ＯＵＴ、静圧をＨ−ｐ_ＩＮ、Ｈ−ｐ_ＯＵＴとすれば、

（数６）Ｈ_ＩＮ＝ｖ_ＩＮ ^２／２ｇ＋（Ｈ−ｐ_ＩＮ）／ρｇ
（数７）Ｈ_ＯＵＴ＝ｖ_ＯＵＴ ^２／２ｇ＋（Ｈ−ｐ_ＯＵＴ）／ρｇ

で表される。

開口部３４１，３４２，３４３，３４４，３４５，３４６においては、風向により流速、静圧はそれぞれ変化するが、ベルヌーイの定理を適用すれば、流体ヘッドＨ_ＩＮはいずれの開口部に対しても一定でＨ／ρｇに等しい。
吸い出し部３１０の小口径開口部３０８においては、空気流は、案内板３１２および仕切り板３３０によって集束されるため、平行風流の風速ｖ’は外界の風速ｖより高速（ｖ’＞ｖ）となり、ベルヌーイの効果（数１式）が成り立つので、生じる負圧ｐ_ｎ’は、集束無しの平行風流で発生する負圧ｐ_ｎに対し、ｐ_ｎ’＞ｐ_ｎとなり、より大きな負圧を生じる。

吸い出し部３１０内の空気流の流速は、吸い出し部３１０の流量をＱ、断面積をＡとしてＱ／Ａで表されるので、流体ヘッドＨ_ＯＵＴは

（数８）Ｈ_ＯＵＴ＝（Ｑ／Ａ）^２／２ｇ＋（Ｈ−ｐ_ｎ’）／ρｇ

となる。従って

（数９）（Ｈ_ＩＮ−Ｈ_ＯＵＴ）＝ｐ_ｎ’／ρｇ−（Ｑ／Ａ）^２／２ｇ

となり、

（数１０）Ｌ_ｂ＝ρＱｇ（Ｈ_ＩＮ−Ｈ_ＯＵＴ）
（数１１）
＝Ｑ｛ｐ_ｎ’−ρ（Ｑ／Ａ）^２／２｝

が得られ、
Ｑ＝０またはＱ＝Ａ（２ｐ_ｎ’／ρ）^１／２の時

（数１２）Ｌ_ｂ＝０

Ｑ＝Ａ（２ｐ_ｎ’／３ρ）^１／２の時、Ｌ_ｂは最大値Ｌ_ｂｍａｘをとり

（数１３）Ｌ_ｂｍａｘ＝（２Ｐ_ｎ’／３）Ｑ
＝Ａρ^−１／２（２ｐ_ｎ’／３）^３／２

となる。

横軸にＱ、縦軸にＬ_ｂをとり、先に得られた関係式（数５）

Ｌ_ｂ＝ρｇ（ｎ／ｎ_ｑ）^４／３Ｑ^５／３

および（数１１）

Ｌ_ｂ＝Ｑ｛ｐ_ｎ’−ρ（Ｑ／Ａ）^２／２｝

をプロットすれば（プロットした図は省略するが）、両曲線の交点からタービンの動作点を求めることができる。
上記の計算は、風の方向に関係なく常に成り立つので、本風力エネルギー活用システム３００は、風速ｖが同じであれば、風の方向Ｗが変化しても、同一の出力が得られる効果を有する。

また、本システム３００には、集束機構が設けられており、集束効果によりｐ_ｎ’＞ｐ_ｎとなるので、得られる動力Ｌ_ｂは、集束なしの場合より、より大きなエネルギーを得ることが出来、全体としてのエネルギー変換効率の向上が図れる効果がある。

集風手段を設ける場合［図３（ａ），図３（ｂ）］、小口径開口部３０８から吐出する空気流Ｗｏｕｔと風速ｖ’の高速空気流Ｗとの相互作用で発生する渦流による損失が生じる。この損失を軽減するための一改良案を図６に示す。
図６では、吸い出し部３１０の末端を末広がりにし、小口径開口部３０８を形成し、その中央部に円錐形の整流体３１３を設ける。小口径開口部３０８から吐出する空気流は、円錐状整流体３１３により、放射状に分流し、高速空気流Ｗの風上側では、高速空気流Ｗとの相互作用により、流路内に渦流３１４を発生する。風流Ｗｏｕｔは、風上側の渦流３１４に阻まれて、整流体３１３に沿って風下側へ吐出し、高速空気流Ｗに並行して合流し、渦流を生ずることがなく、損失が軽減される。

図６に示す円錐状整流体３１３は、図７に示すように、保持板３１５によって、吸い出し部３１０の内壁に固定されている。保持板３１５は、円錐状整流体３１３を固定すると同時に、空気流を保持板３１５と円錐状整流体３１３とで形成される流路に沿って整流し、渦流の発生を抑え、損失を最小限にとどめるのに貢献する。

本システム３００において、回廊３９０および３９５が案内板３０９および３１２によって、それぞれ６分されているが、分割数は６に限られるものでなく、任意の整数値ｍ（ｍは概ね６以上が望ましい）とすることが出来る。整数値ｍの値がおおきい程、出力変動を小さくできる。
又、外観は円柱形状に限定されることはなく、分割数に合わせて、６角柱形状でも良いし、一般にはｍ角柱形状とすることが出来る。

以上本発明による風力エネルギー活用システムを実施例１、２および３を用いて説明したが、本発明の対象は、風流以外の水流、潮流であっても良く、一般に流体に適用できる。

実施例１のシステム構成図実施例２のシステム構成図実施例３の風車発電機の構成図実施例３の風車発電機のＡ−Ａ’切断面の風流実施例３の風車発電機のＢ−Ｂ’切断面の風流実施例３の渦流の整流方法実施例３の渦流の整流体

符号の説明

Ｌ丘陵の風上
Ｍ丘陵の風下
Ｎ丘陵の頂
Ｔ大地
Ｗ風
Ｗｉｎ給気
Ｗｏｕｔ排気
Ｚ流入空気

１００自然の丘陵
１０１風向に正対する横断開口部
１０２風向に背対する横断開口部
１０３風向きに平行な平行開口部
１０４風力タービン
１０５風力タービンの給気孔
１０６風力タービンの排気孔
２０１、２０２、・・・・、２０Ｎ
開口部
２１１、２１２、・・・・、２１Ｎ二股分岐空気導路
２２１、２２２、・・・・、２２Ｎ吸気弁
２３１、２３２、・・・・、２３Ｎ排気弁
２４１、２４２、・・・・、２４Ｎ空気導路の吸気弁側分岐肢
２５１、２５２、・・・・、２５Ｎ空気導路の排気弁側分岐肢
３００本発明の風力エネルギー利用システム
３０１羽根車
３０２発電機
３０３駆動軸
３０８小口径開口部
３０９上部回廊の案内板
３１０吸い出し部
３１２下部回廊の案内板
３１３円錐状整流体
３１４渦流
３１５保持板
３２０漏斗形状の上部仕切板
３３０漏斗形状の下部仕切板
３４０側面上部開口部（３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６）
３５０側面下部開口部（３５１、３５２、３５３、３５４、３５５、３５６）
３６０天井板
３７０中板
３８０底板
３９０上部回廊
３９５下部回廊

Claims

天然の風が吹き抜ける風路上の障害物の外壁に、風向きを真横または斜めに横切る面上に設置した横断開口部と風向に平行な面上に設置した平行開口部とを設け、該障害物内部において、該横断開口部と風力タービンの給気孔とを空気流入導路で接続し、該平行開口部と該風力タービンの排気孔とを直結し、または空気排気導路で接続し、該風路上の風流によって生じる該横断開口部と該平行開口部との間の空気圧力差により該横断開口部から流入する空気流を該空気流入導路を通じて該風力タービンの該給気孔に給気し、該風力タービンの排気を直接、または該空気排出導路を通じて、該平行開口部へ流出させることにより、該風力タービンを作動させることを特徴とする風力エネルギー利用システム。
天然の風が吹く抜ける風路上の障害物の外壁に、複数の開口部を設け、該障害物の内部において、該開口部それぞれと風力タービンの間に二股分岐空気導路を設け、該二股分岐空気導路の一方の分岐肢に吸気弁、他方の分岐肢に排気弁を取り付け、該吸気弁を有するすべての分岐肢を該風力タービンの給気孔に接続し、該排気弁を有するすべての分岐肢を該風力タービンの排気孔に接続し、該複数の開口部のうち風向きを真横または斜めに横切る面上に偶々位置し大気圧以上の正圧がかかる横断的開口部に対応する該吸気弁を開き該排気弁を閉じ、該複数の開口部のうち風向きと平行する面上に偶々位置し大気圧以下の負圧がかかる平行的開口部に対応する該吸気弁を閉じ該排気弁を開くこと特徴とする風力エネルギー利用システム。
請求項１または請求項２に記載の風力発電システムであって、平行開口部に風の集束機構を具備することを特徴とする風力エネルギー活用システム。
請求項１、請求項２または請求項３に記載した風力エネルギー活用システムと全く同一原理で作動する潮力エネルギー活用システム