JP2015178779A

JP2015178779A - 風力発電装置

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Publication number: JP2015178779A
Application number: JP2014055403A
Authority: JP
Inventors: 巳治裕早川; Michihiro Hayakawa
Original assignee: Teral Inc
Current assignee: Teral Inc
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2034-03-18
Also published as: JP6378509B2

Abstract

【課題】風胴体付きの風力発電装置において、発電効率を更に向上させる。
【解決手段】筒状の風胴体（20）と、風胴体（20）の流入口（21）の内部近傍に配置された発電用の風車（30）とを備えた風力発電装置において、風胴体（20）の流出口（22）の外周縁部に周方向に配列して固定され、風胴体（20）の外側の風を旋回流とする複数の旋回翼（53）を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、風の流れを利用して高出力の発電を行う風力発電装置に関する。

近年、再生可能なクリーンエネルギーを得る手段として、風力発電装置が注目されている。この風力発電装置として、比較的小型の風車の周囲に風胴体（いわゆる風レンズ）を付設したものがある。特許文献１には、この種の風力発電装置が開示されている。

この風力発電装置では、風下側に向かって徐々に拡径した風洞体の喉部（スロート部）に発電用の風車を配置している。風洞体に流入した風は、風車の回転に利用された後、風胴体の流出口より流出する。この風力発電装置では、風洞体内部の喉部で大きな風速領域が形成される。このため、この高風速領域に風車を設置することにより、高出力の発電を行うことが可能となる。

特許公報第３６２１９７５号

上述のような風胴体付きの風力発電装置は、中型ないし小型であり、より高い効率で風力エネルギーを取り出せることが望まれる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、風胴体付きの風力発電装置において、発電効率を更に向上させることである。

第１の発明は、筒状の風胴体（20）と、該風胴体（20）の流入口（21）の内部近傍に配置された発電用の風車（30）とを備えた風力発電装置を対象とし、上記風胴体（20）の流出口（22）の外周縁部に周方向に配列され、該風胴体（20）の外部の風を旋回流とする複数の旋回翼（53）を備えていることを特徴とする。

第１の発明では、風胴体（20）の内部及び外部を風が流れる。風胴体（20）の内部の風は、発電用の風車（30）を回転させた後、該風車（30）を通過して風胴体（20）の流出口（22）より外部へ流出する。風胴体（20）の内部から外部へ流出した風は、風車（30）の順回転方向に旋回する旋回流となる。このため、仮に風胴体（20）の外部の風が風胴体（20）の外周壁に沿って筒軸方向に真っ直ぐ流れると、風胴体（20）内部のディフューザ効果のみが有効となるので、風車（30）近傍の圧力低下には限界が生じる。

これに対し、本発明では、風胴体（20）の流出口（22）の外周縁部に複数の旋回翼（53）を設けている。このため、風胴体（20）の外部の風は、複数の旋回翼（53）によって旋回流となる。これにより、風胴体（20）の内部から風車（30）により形成された旋回流は、風胴体（20）の外部の風と干渉せずにスムーズな流れを形成する。この結果、風胴体（20）の内部の圧力が低下し、風車（30）の近傍を流れる風の高速化が図られる。

第２の発明は、第１の発明において、上記旋回翼（53）は、風上側に位置し上記風胴体（20）の外周壁から径方向外方に立設する縦板部（53a）と、上記縦板部（53a）の風下端部から上記風車（30）の順回転方向に湾曲する曲板部（53b）とを備えていることを特徴とする。

第２の発明では、複数の旋回翼（53）が縦板部（53a）と曲板部（53b）とを有する。風胴体（20）の外部の風は、まず、旋回翼（53）の縦板部（53a）に沿って筒軸方向に流れ、その後、曲板部（53b）に沿って周方向へと流れの向きを変える。これにより、風胴体（20）の流出口（22）の外周縁部では、旋回流が形成される。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、上記複数の旋回翼（53）を囲むように配置され、該複数の旋回翼（53）の各外側端部が固定される１つの環状の外側筒部（52）を備えていることを特徴とする。

第３の発明では、複数の旋回翼（53）の周囲に外側筒部（52）が配置され、各旋回翼（53）の外側端部が固定される。

本発明によれば、風胴体（20）の流出口（22）の外周縁部に旋回流を形成することで、風車（30）の近傍を流れる風の高速化が図られる。この結果、風車（30）の出力が増大し、ひいては発電効率の向上を図ることができる。

第２の発明によれば、比較的簡易な構成により、風胴体（20）の流出口（22）の外周縁部に旋回流を形成できる。

第３の発明によれば、複数の旋回翼（53）の取付強度を向上できる。また、旋回翼（53）の外周端部が外部へ露出してしまうことを回避できる。

図１は、実施形態に係る風力発電装置の概略構成を示す縦断面図である。図２は、実施形態に係る風力発電装置の正面（風上側面）図である。図３は、実施形態に係る旋回流形成部材の斜視図であり、外側筒部の図示を省略したものである。図４は、実施形態に係る旋回流形成部材の側面図である。図５は、実施形態に係る旋回流形成部材の旋回翼を外周側から視た平面図である。図６は、旋回翼の転向角βとパワー係数Ｃｐとの関係を検証した試験の結果を示すグラフである。図７は、ピッチコード比Ｐ／Ｃとパワー係数Ｃｐとの関係を検証した試験の結果を示すグラフである。図８は、拡大角度α＝１４°の風胴体を用いた風力発電装置の概略構成を示す縦断面図である。図９は、拡大角度α＝７°の風胴体を用いた風力発電装置の概略構成を示す縦断面図である。図１０は、拡大角度αが異なる旋回翼型及びディフューザ型における、周速比λとパワー係数Ｃｐとの関係を検証した試験の結果を示すグラフである。図１１は、他の型式の風力発電装置の概略構成を示す縦断面図であり、図１１(Ａ)は風車単体型を、図１１(Ｂ)はつば型を、図１１(Ｃ)はディフューザ型をそれぞれ示すものである。図１２は、風車単体型、つば型、ディフューザ型、及び旋回翼型における、周速比λとパワー係数Ｃｐとの関係を検証した試験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

〈風力発電装置の構成〉
本発明に係る風力発電装置（10）は、風力を電力に変換して発電を行うものである。図１及び図２に示すように、風力発電装置（10）は、風胴体（20）と発電用の風車（30）と発電機（40）とを備えている。

風胴体（20）は、略円筒状に形成される。風胴体（20）の筒軸方向の一端（図１における左端）には、空気（風）の流入口（21）が形成され、風胴体（20）の筒軸方向の他端（図１における右端）には、空気（風）の流出口（22）が形成される。風胴体（20）では、流入口（21）から流出口（22）に亘って風の流路（5）が形成される。

風胴体（20）は、真円筒状の外周壁部（23）と、該外周壁部（23）の内部に一体に形成される内周壁部（24）とを有している。外周壁部（23）の軸心と内周壁部（24）の軸心とは同じ水平軸線上に位置している。

内周壁部（24）は、風上側に向かって徐々に内径が拡大した風上側拡径部（24a）と、風下側に向かって徐々に内径が拡大した風下側拡径部（24b）と、風上側拡径部（24a）と風下側拡径部（24b）との間に形成された最小内径部（24c）とを有している。風上側拡径部（24a）の筒軸方向の幅は、風下側拡径部（24b）の筒軸方向の幅よりも短い。最小内径部（24c）は、縦断面が円弧状に形成される。

風下側拡径部（24b）は、風胴体（20）の内部の流路（5）を徐々に拡大させる拡大管（ディフューザ）を構成している。風胴体（20）では、外周壁部（23）と風下側拡径部（24b）との間に所定の角度（図１に示す角度α、以下、拡大角度αともいう）が形成されている。図１に示すように、本実施形態では、この拡大角度αが２１°に設定されている。

風車（30）は、水平方向に延びる出力軸（31）と、該出力軸（31）に連結される３枚の回転羽根（32）とを有している。３枚の回転羽根（32）は、出力軸（31）の風上端部の周囲に等間隔を置いて周方向に配列される。各回転羽根（32）は、風胴体（20）の内部の流路（5）のうち最小内径部（24c）に対応した位置に配置される。

出力軸（31）には、発電機（40）が連結される。回転羽根（32）の回転に伴い出力軸（31）が回転すると発電機（40）で発電が行われる。

本実施形態の風力発電装置（10）は、旋回流形成部材（50）を備えている。旋回流形成部材（50）は、風胴体（20）の外周面のうち風下寄りの部分に固定されている。旋回流形成部材（50）は、真円筒状の内側筒部（51）と、該内側筒部（51）より大径の真円筒状の外側筒部（52）と、内側筒部（51）と外側筒部（52）との間に固定される複数の旋回翼（53）とを備えている。内側筒部（51）と外側筒部（52）とは同軸上に配置され、両者の筒部（51,52）の間に複数の旋回翼（53）が収容される環状の空間（6）が形成される。この空間（6）には、風胴体（20）の外部の空気（風）が流通する。

図３及び図４にも示すように、複数の旋回翼（53）は、風胴体（20）の周方向に等間隔を置いて配列される。旋回翼（53）は、風上寄りの縦板部（53a）と、風下寄りの曲板部（53b）とで構成される。縦板部（53a）は、内側筒部（51）の外周壁から径方向外方に立設している。縦板部（53a）は、旋回流形成部材（50）の風上端部から風下方向へ延びている。縦板部（53a）の外側端部は、外側筒部（52）の内周壁に固定される。なお、図３及び図４では、外側筒部（52）の図示を省略している。曲板部（53b）は、縦板部（53a）の風下端部から風車（30）の順回転方向に湾曲している。

旋回流形成部材（50）では、隣り合う各旋回翼（53）の間に通風路（7）がそれぞれ形成される。風胴体（20）の外部を流れる風は、各通風路（7）を流れ、曲板部（53b）に沿って風の向きを変える。これにより、旋回流形成部材（50）の下流近傍では、風車（30）の順回転方向と同一方向の旋回流が形成される。なお、旋回流形成部材（50）で形成される旋回流の方向は、必ずしも風車（30）の順回転方向と同一でなくてよく、風車（30）の逆回転方向と同一であってもよい。

〈風力発電装置の動作〉
風力発電装置（10）では、風胴体（20）の内部と外部とを風が流れる。具体的に、風の一部は、風胴体（20）の流入口（21）から風胴体（20）の内部に流入し、風上側拡径部（24a）の内側を流れて風車（30）を通過する。これにより、風車（30）及び出力軸（31）が図１の矢印方向に回転し、発電機（40）で発電が行われる。風車（30）を通過した空気は、風下側拡径部（24b）の内側を流れて、風胴体（20）の流出口（22）より流出する。風胴体（20）から流出した風は、風車（30）の回転に利用されているため、風車（30）の順回転方向と同一方向に旋回する旋回流となる。

一方、風胴体（20）の外部を流れる風は、風胴体（20）の外周壁部（23）に沿って筒軸方向に流れた後、旋回流形成部材（50）の各通風路（7）に流入する。各通風路（7）を流れる風は、旋回翼（53）の壁面に沿うように流れの向きを変え、通風路（7）から流出する。この結果、旋回流形成部材（50）の下流近傍では、風車（30）の順回転方向と同一方向に旋回する旋回流が形成される。つまり、風力発電装置（10）の流出口（22）の近傍では、旋回流が形成される。

このように、旋回流形成部材（50）の下流近傍に旋回流を形成すると、ディフューザ効果によって風胴体（20）の内部の圧力が低下するため、風胴体（20）への流入風量が増大することになる。これにより、風車（30）を通過する風の流速が高速化され、発電機（40）の入力が増大する。

〈旋回翼の転向角βの検証結果〉
実施形態に係る風力発電装置（10）について、各旋回翼（53）の曲板部（53b）の最適な転向角βを求める検証試験を行った。ここで、転向角βは、旋回翼（53）の曲板部（53b）の弦に相当する線分と、この線分と交わり軸方向に延びる線分との間の角度である（図５を参照）。最適な転向角βを求めるために、転向角βを６０°、７５°、７７°、８０°、８５°、９０°と変更した各装置について、パワー係数Ｃｐを計測した。ここで、パワー係数Ｃｐは、以下の（１）式で求められるものであり、風力発電装置（10）の発電効率を表す指標である。

パワー係数Ｃｐ＝Ｌｗ／（ρ×Ａ×Ｖ^３）／２・・・（１）
ここで、Ｌｗ：軸動力[ｗ]、ρ：空気密度[ｋｇ／ｍ^３]、Ａ：風車の受風面積[ｍ^２]、Ｖ：風速[ｍ／ｓ]である。

また、検証試験では、各装置について、拡大角度α＝２１°、Ｐ／Ｃ＝０．８とした。ここで、Ｐ／Ｃは、旋回翼（53）の曲線部（53b）の弦の長さＣ[ｍ]に対する、隣り合う旋回翼（53）の間隔Ｐ[ｍ]の比である。

検証試験で得た転向角βとパワー係数Ｃｐとの関係を図６に示す。パワー係数Ｃｐは、転向角βが７５°を越えると大きくなり、転向角βが８５°のときに最大（Ｃｐ＝０．５５３）となった。図６に示すように、転向角βは、７５°＜β＜９０°の範囲が好ましく、更には７７°＜β＜９０°の範囲が好ましい。最適な転向角βは８５°である。これにより、パワー係数Ｃｐが約０．４５ないし０．５を越えることになり、風力発電装置（10）の発電効率が向上する。

〈Ｐ／Ｃの検証結果〉
次いで、実施形態に係る風力発電装置（10）について、最適なＰ／Ｃ（以下、ピッチコード比ともいう）を求める検証試験を行った。検証試験では、ピッチコード比Ｐ／Ｃを０．５、０．６、０．７、０．８と変更した各装置について、パワー係数Ｃｐを計測した。また、検証試験では、各装置の拡大角度αを２１°、転向角βを８５°とした。

検証試験で得たピッチコード比Ｐ／Ｃとパワー係数Ｃｐとの関係を図７に示す。パワー係数Ｃｐは、ピッチコード比Ｐ／Ｃが０．７より小さくなると大きくなり、Ｐ／Ｃが０．５のときに最大（Ｃｐ＝０．６２３）となった。図７に示すように、ピッチコード比Ｐ／Ｃは、０．４≦Ｐ／Ｃ≦０．６の範囲が好ましく、０．５が最適である。これにより、パワー係数Ｃｐが約０．６を越えることになり、風力発電装置（10）の発電効率が向上する。

〈拡大角度αの検証結果〉
次いで、実施形態に係る風力発電装置（10）について、最適な拡大角度αを求める検証試験を行った。検証試験では、拡大角度α＝２１°（図１）、拡大角度α＝１４°（図８）、拡大角度α＝７°（図９）とした旋回流形成部材（50）付きの装置（以下、旋回翼型ともいう）について、周速比λとパワー係数Ｃｐとの関係を計測した。ここで、周速比λは、以下の（２）式で求められるものである。

周速比λ＝Ｕ／Ｖ・・・・（２）
ここで、Ｕ：風車の先端の周速[ｍ／ｓ]、Ｖ：風速[ｍ／ｓ]である。

旋回翼型（後述するディフューザ型に旋回流形成部材（50）を付設したもの）の各装置では、転向角β＝８５°、ピッチコード比Ｐ／Ｃ＝０．５とした。

また、検証試験では、比較対象として旋回流形成部材（50）が付いていない装置（例えば図１１（Ｃ））を参照、以下、ディフューザ型ともいう）について、拡大角度αを２１°、１４°、７°と変更しながら、周速比λとパワー係数Ｃｐとの関係を計測した。

検証試験で得た周速比λとパワー係数Ｃｐとの関係を図１０に示す。パワー係数Ｃｐはディフューザ型と比べて旋回翼型の方が全体的に大きい傾向にあった。また、旋回翼型とディフューザ型との双方について、拡大角度αが大きいほどパワー係数Ｃｐも大きくなる傾向にあった。旋回翼型（拡大角度α＝７°）では、周速比λ＝７．０のときにパワー係数Ｃｐが最大（Ｃｐ＝０．５０２）であった。旋回翼型（拡大角度α＝１４°）では、周速比λ＝７．０のときにパワー係数Ｃｐが最大（Ｃｐ＝０．５６３）であった。旋回翼型（拡大角度α＝２１°）では、周速比λ＝８．０のときにパワー係数Ｃｐが最大（Ｃｐ＝０．６２３）であった。旋回翼型では、拡大角度αが２１°であることが最適であり、その際の周速比λは６．０≦λ≦９．０が好ましい。

〈装置の型式毎の検証結果〉
次いで、実施形態に係る風力発電装置（10）と、他の型式の風力発電装置の性能を検証した。検証試験では、比較対象として、風胴体（20）を有しない風車（30）のみの装置（図１１（Ａ）、以下、風車単体型（1）という）と、風胴体（20）の流出口（22）の外縁に径方向外方へ張り出した円板状のつば（2a）を設けた装置（図１１（Ｂ）、以下、つば型（2）という）と、上述したディフューザ型（3）（図１１（Ｃ））を用い、それぞれの装置について、周速比λとパワー係数Ｃｐとの関係を計測した。

検証試験で得た周速比λとパワー係数Ｃｐとの関係を図１２に示す。パワー係数Ｃｐは、風車単体型（1）、つば型（2）、ディフューザ型（3）、旋回翼型（本実施形態の風力発電装置（10））の順に大きい傾向にあった。風車単体型（1）では、周速比λが５．０のときにパワー係数Ｃｐが最大で０．３２７であった。つば型（2）では、周速比λが８．０のときにパワー係数Ｃｐが最大で０．５４７であった。ディフューザ型（3）では、周速比λが６．０のときにパワー係数が最大で０．５７７であった。旋回翼型（10）では、周速比λが８．０のときにパワー係数が最大で０．６２３であった。以上のように、本実施形態に係る風力発電装置（10）は、他の型式と比較してパワー係数Ｃｐが高く、例えば風車単体型（1）のパワー係数Ｃｐの１．９１倍であり、高い発電効率が得られることが確認できた。

−実施形態の効果−
以上のように、本実施形態では、風胴体（20）の流出口（22）の外縁部に旋回流形成部材（50）を設け、風胴体（20）の流出口の周囲に旋回流を形成するので、風胴体（20）の内部の圧力が低下し、風車（30）の近傍に高風速の領域を形成できる。この結果、図１２にも示すように、高いパワー係数Ｃｐを得ることができ、発電効率の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、複数の旋回翼（53）の周囲に外側筒部（52）を設け、各旋回翼（53）を固定したため、旋回流形成部材（50）の剛性を高めることができる。また、旋回翼（53）が外部へ露出してしまうことも防止できる。

更に、本実施形態では、風胴体（20）の拡大角度αを２１°、旋回翼の転向角βを７５°＜β＜９０°、ピッチコード比Ｐ／Ｃを０．４≦Ｐ／Ｃ≦０．６とすることで、パワー係数Ｃｐを増大でき、風力発電装置（10）の発電効率を向上できる。

《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態の旋回流形成部材（50）では、図１に示すように、旋回翼（53）の周囲に外側筒部（52）を設けている。しかしながら、この外側筒部（52）を省略した構成としてもよい。また、旋回流形成部材（50）の内側筒部（51）を省略し、旋回翼（53）を風胴体（20）の外周壁部（23）に直に固定（例えば溶接）する構成としてもよい。

以上説明したように、本発明は、風の流れを利用して高出力の発電を行う風力発電装置について有用である。

10 風力発電装置
20 風胴体
21 流入口
22 流出口
30 風車
52 外側筒部
53 旋回翼
53a 縦板部
53b 曲板部

Claims

筒状の風胴体（20）と、
上記風胴体（20）の流入口（21）の内部近傍に配置された発電用の風車（30）とを備えた風力発電装置であって、
上記風胴体（20）の流出口（22）の外周縁部に周方向に配列され、該風胴体（20）の外部の風を旋回流とする複数の旋回翼（53）を備えていることを特徴とする風力発電装置。
請求項１において、
上記旋回翼（53）は、
風上側に位置し上記風胴体（20）の外周壁から径方向外方に立設する縦板部（53a）と、
上記縦板部（53a）の風下端部から上記風車（30）の順回転方向に湾曲する曲板部（53b）と
を備えていることを特徴とする風力発電装置。
請求項１又は２において、
上記複数の旋回翼（53）を囲むように配置され、該複数の旋回翼（53）の各外側端部が固定される１つの環状の外側筒部（52）
を備えていることを特徴とする風力発電装置。