JP2019163711A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環状のケーシングの内側に羽根車が配置された風力発電装置において、空気抵抗を低減することができる風力発電装置を得る。【解決手段】風力発電装置は、前方側から後方側へ流れる風を羽根が受けることで回転されて、発電機軸を回転させる羽根車と、羽根車を回転径方向外側から覆う環状に形成され、径方向断面において、径方向内側へ凸状に形成されていると共に、前縁１８Ａと後縁１８Ｂとを結ぶ直線Ｌ１と前後方向線Ｌ２とのなす第１角度θ１が、後縁１８Ｂの位置における径方向外側面１８Ｄの接線Ｌ３と前後方向線Ｌ２とのなす第２角度θ２よりも大きな角度に設定されたケーシング１８と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

下記特許文献１には、環状のケーシングの内側に配置された羽根車が回転されることで発電する風力発電装置が開示されている。この文献に記載された風力発電装置では、ケーシングをディフューザー形状とし、その下流側端部に径方向外側に延在する鍔部を設けたものが提案されている。この鍔部を設けることによってケーシングに沿って流れる風を剥離させて風車後方に低圧領域を生成することで、ケーシングの後方側に渦を発生させている。これにより、ケーシング内部に流れる（羽根車を通過する）空気の流速を増加させ、風力発電装置の発電効率を高めることが記載されている。

国際公開２０１０／１０９８００号

ところで、上記特許文献１に記載された風力発電装置は、羽根車を通過する風の流速を高めることができるという観点では有用な装置ではあるが、剥離を利用しているため空気抵抗が高くなるという不都合がある。すなわち、この風力発電装置は、空気抵抗を低減するという観点で改善の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、環状のケーシングの内側に羽根車が配置された風力発電装置において、空気抵抗を低減させた風力発電装置を得ることが目的である。

請求項１記載の風力発電装置は、発電機軸を有する発電機と、前方側から後方側へ流れる風を羽根で受けることで回転し、前記発電機軸を回転させる羽根車と、前記羽根車を回転径方向外側から覆う環状に形成され、径方向断面において径方向内側へ凸状に形成されていると共に、前縁と後縁とを結ぶ直線と前後方向とのなす第１角度が、前記後縁の位置における径方向外側面の接線と前記前後方向とのなす第２角度よりも大きな角度に設定されたケーシングと、を備えている。

請求項１記載の風力発電装置によれば、羽根車の羽根が、前方側から後方側へ流れる風を受けると、当該羽根車が回転される。これにより、発電機の発電機軸が回転されて発電が開始される。
ここで、この風力発電装置では、ケーシングの径方向断面において、ケーシングが径方向内側へ凸状に形成されている。したがって、ケーシングの前方側から後方側へ流れる風は、ケーシングの径方向外側面及び径方向内側面に沿って流れた後に当該ケーシングの後方側から剥離する。これにより、ケーシングの内側に配置された羽根車の前方側と後方側との圧力差が大きくなり、羽根車を通過する風の流速が高められる。

また、この風力発電装置では、ケーシングの径方向断面において、ケーシングの前縁と後縁とを結ぶ直線と前後方向とのなす第１角度が、当該ケーシングの後縁の位置における径方向外側面の接線と前後方向とのなす第２角度よりも大きな角度に設定されている。これにより、ケーシングの後方側でケーシングの径方向内側面に沿った径方向外側への流れ（巻き上がり）や流れの剥離が抑制される。この結果、風力発電装置の空気抵抗を小さくすることができる。

本発明に係る風力発電装置は、空気抵抗を低減することができる。

第１実施形態の風力発電装置の斜視図である。 図１に示された２−２線に沿って切断したケーシングの径方向断面を示す拡大断面図である。 第１比較例に係るケーシングの断面を示す図２に対応する拡大断面図である。 第１実施形態に係るケーシングの周りの流れ場を示した模式図である。 第１比較例に係るケーシングの周りの流れ場を示した模式図である。 パワー係数Ｃｐと空気抵抗との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係るケーシングの断面を示す図２に対応する拡大断面図である。 第２比較例に係るケーシングの断面を示す図２に対応する拡大断面図である。 第２実施形態に係るケーシングの周りの流れ場を示した模式図である。 第２比較例に係るケーシングの周りの流れ場を示した模式図である。 バリエーションに係る風力発電装置を示す正面図である。 バリエーションに係る風力発電装置を示す正面図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る風力発電装置について図１〜図６を参照して説明する。なお、以下の説明において前後上下の方向を示して説明するときは、風力発電装置の前後上下の方向を示すものとし、また各図に適宜示す矢印ＦＲは前方向、矢印ＵＰは上方向をそれぞれ示すものとする。

図１に示すように、本実施形態の風力発電装置１０は、陸上風力発電に用いられるものである。この風力発電装置１０は、地面１１に設置（固定）される支柱部１２と、支柱部１２の上端部に設けられた発電機１４と、発電機１４の図示しない発電機軸を回転させる羽根車１６と、羽根車１６の外周部に設けられたケーシング１８と、を備えている。

支柱部１２は、上下方向を長手方向とする筒状に形成されており、この支柱部１２の内部には、発電機等と接続された配線が配索されている。

発電機１４は、発電機軸１４Ａが回転されることで発電する交流発電機である。この発電機軸１４Ａと羽根車１６が固定される羽根車軸との間には、ギヤボックスが設けられている。これにより、羽根車１６の回転が増速されて発電機軸１４Ａに伝達されるようになっている。

羽根車１６は、羽根車軸に固定される軸芯部１６Ａと、軸芯部１６Ａから回転径方向外側へ向けて延びると共に回転周方向へ等間隔に配置された３つの羽根１６Ｂと、を備えている。そして、前方から後方側へ流れる風が３つの羽根１６Ｂを通過することで、羽根車１６が回転するようになっている。

図１及び図２に示されるように、ケーシング１８は、羽根車１６を径方向外側から覆う環状に形成されている。なお、ケーシング１８は、図１に示すように、取付部材１９を介して発電機１４に固定されている。

ケーシング１８は、図２に示すように、径方向断面において、前側に位置する前段部２０と、前段部２０よりも後方側に位置する後段部２２と、から構成されている。

前段部２０は、前方側端部２０Ａ（ケーシング１８の前縁１８Ａ）から後方側端部２０Ｂに向って径方向内側に凸状に形成されている。

また、後段部２２は、前方側端部２２Ａから後方に向って径方向内側に凸状に形成された湾曲部２４と、湾曲部２４の後方側端部２４Ｂから後方に向って延在する後方延在部２６とを有する。

すなわち、ケーシング１８は、全体として径方向内側に凸に形成されている。

さらに、前段部２０の後方側端部２０Ｂよりも後段部２２の前方側端部２２Ａの方が径方向外側に位置し、前段部２０と後段部２２の間にスロット２８が形成されている。

また、前段部２０の前方側端部２０Ａがケーシング１８の前縁１８Ａとなり、後段部２２の後方側端部２０Ｂがケーシング１８の後縁１８Ｂとなる。

なお、以下の説明において、ケーシング１８の径方向断面において、前縁１８Ａと後縁１８Ｂとを結ぶ直線Ｌ１を「翼弦線Ｌ１」という。また、ケーシング１８の径方向内側の面１８Ｃを「内周面１８Ｃ」といい、ケーシング１８の径方向外側の面１８Ｄを「外周面１８Ｄ」という。さらに、前段部２０、後段部２２の径方向内側の面２０Ｃ、２２Ｃをそれぞれ「内周面２０Ｃ」、「内周面２２Ｃ」といい、前段部２０、後段部２２の径方向外側の面２０Ｄ、２２Ｄをそれぞれ「外周面２０Ｄ」、「外周面２２Ｄ」という。すなわち、前段部２０の内周面２０Ｃ及び後段部２２の内周面２２Ｃがケーシング１８の内周面１８Ｃに相当する。また、前段部２０の外周面２０Ｄ及び後段部２２の外周面２２Ｄがケーシング１８の外周面１８Ｄに相当する。

そして、本実施形態では、翼弦線Ｌ１と前後（水平）方向（前後方向線Ｌ２）とのなす第１角度θ１が、ケーシング１８の後縁１８Ｂの位置における外周面（後方延在部２６の外周面）１８Ｄの接線Ｌ３（以下「後縁外接線Ｌ３」という）と前後方向とのなす第２角度θ２よりも大きな角度に設定されている。なお、本実施形態のケーシング１８では、後縁外接線Ｌ３と前後方向（前後方向線Ｌ２）が一致しているため、第２角度θ２が０°となっている。

（作用）
次に、本実施形態の作用について説明する。

図１及び図２に示されるように、本実施形態の風力発電装置１０によれば、羽根車１６が、前方側から後方側へ流れる風を受けると、当該羽根車１６が回転される。これにより、発電機１４の発電機軸１４Ａが羽根車軸及びギヤボックスを介して回転されて発電が開始される。

一方、図２に示すように、ケーシング１８の径方向断面において、ケーシング１８（前段部２０、後段部２２）が径方向内側に凸に形成されているため、ケーシング１８の後方側で内外の流れが大きく剥離し、強い渦列が形成されることにより低圧領域が形成される。これにより、ケーシング１８の内側において羽根車１６の前方側と後方側との圧力差が大きくなり、羽根車１６を通過する流速が高められる。

また、ケーシング１８は前段部２０と後段部２２の間にスロット２８が形成されているため、前段部２０の外周面２０Ｄに沿って流れてきた流体の一部がスロット２８からケーシング１８の内周面１８Ｃに流入する。このように、ケーシング１８の外周面１８Ｄからスロット２８を介してケーシング１８の内周面１８Ｃ側に高エネルギの流体（風）が導かれるため、ケーシング１８の内周面１８Ｃ（後段部２２の内周面２２Ｃ）に沿った流体流れを再付勢し、流れの剥離を抑制するため、ケーシング１８内部の流速を一層増加させることができる。

この結果、風力発電装置１０は、ケーシング１８の内側（羽根車１６）を通過する流体の流速を増加させ、発電量を増加させることができる。

また、ケーシング１８は、径方向断面において、翼弦線Ｌ１と前後方向（前後方向線Ｌ２）とのなす第１角度θ１が、後縁外接線Ｌ３と前後方向（前後方向線Ｌ２）とのなす第２角度θ２よりも大きな角度（θ１＞θ２）に設定されている。

この構造による作用について、本実施形態のケーシング１８と、第１比較例のケーシング１００（図３参照）に対するＣＦＤ（computational fluid dynamics）による解析結果（図４、図５参照）を用いて説明する。なお、風力発電装置１０は、流速が大きいときには羽根車１６の回転を停止させるため、羽根車１６が無回転の場合についてＣＦＤで求めたものである。また、図４、図５は、ケーシング１８、１００周辺の流速分布を示し、流速が高い部分ほどドットが密に記載され、流速が低い部分ほどドットが疎に記載されている。なお、白部分がドットが最も疎な（流速が最も低い）部分である。

第１比較例に係るケーシング１００は、ケーシング１８と略同様の構造（全体として径方向内側に凸状に形成）であり、略同様の構成要素には、同一の構成符号に１００を足して示す。ケーシング１００が、ケーシング１８と大きく異なるのは、ケーシング１８が湾曲部２４の後方側端部２４Ｂから後方に延在する後方延在部２６が形成されているのに対して、ケーシング１００は湾曲部１２４の後方側端部１２４Ｂから径方向外側に延在する外方延在部１３０が形成されている点である。この結果、ケーシング１００は、径方向断面において、翼弦線Ｌ１と前後方向（前後方向線Ｌ２）とのなす第１角度θ１が、後縁外接線Ｌ３と前後方向（前後方向線Ｌ２）とのなす第２角度θ２よりも小さな角度（θ１＜θ２）に設定されている。

図４に示すＣＦＤの解析結果を参照すると、ケーシング１８の後方側におけるケーシング１８の内周面１８Ｃに沿った径方向外側への流れ（巻き上がり）（矢印Ｈで指し示された部分の流れ）が、図５に示された第１比較例に係るケーシング１００の内周面１００Ｃに沿った径方向外側への流れ（矢印Ｊで指し示された部分の流れ）と比べて小さくなっていることがわかる。

すなわち、第１比較例のケーシング１００と比較してケーシング１８は、第１角度θ１を第２角度θ２よりも小さな角度（θ１＜θ２）に設定したため、空気抵抗を低減できることが確認された。

また、本実施形態に係るケーシング１８と第１比較例のケーシング１００を有する風力発電装置について、パワー係数Ｃｐと流速８ｍｓの場合の空気抵抗について実験およびＣＡＥで求めた結果を図６に示す。ここで、パワー係数Ｃｐとは、風車出力（Ｎ／ｍｓ）／受風面積に流入する風エネルギ（Ｎ／ｍｓ）である。

このように、第１比較例に係るケーシング１００を有する風力発電装置（図６、白丸参照）と比較して、ケーシング１８を有する風力発電装置１０（図６、黒丸参照）は、パワー係数Ｃｐが若干低下するものの、空気抵抗を半分近くに低減することができることが確認された。

したがって、風力発電装置１０を設置する際に装置の転倒を防止するための基礎工事等が簡略化され、風力発電装置１０の設置コストを大きく低減することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る風力発電装置について図６〜図１０を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、第１実施形態と異なるのは、ケーシングのみなので、ケーシングについてのみ説明する。

（構成）
風力発電装置４０のケーシング４１は、径方向断面において、図７に示すように、径方向内側に凸となるように湾曲して形成された湾曲部４２と、湾曲部４２の後方側端部４２Ｂから径方向外側に延在する鍔部４４と、鍔部４４の径方向外側端部４４Ｂから後方側に延在する後方延在部４６と、を有する。したがって、ケーシング４１は、全体として径方向内側に凸といえる。

また、湾曲部４２の前方側端部４２Ａがケーシング４１の前縁４１Ａとなり、後方延在部４６の後方側端部４６Ｂがケーシング４１の後縁４１Ｂとなる。

また、ケーシング４１は、径方向断面において、翼弦線Ｌ１と前後方向（前後方向線Ｌ２）とのなす第１角度θ１が、ケーシング４１の後縁４１Ｂの位置における外周面４１Ｄ（後方延在部４６の外周面４６Ｄ）の後縁外接線Ｌ３と前後方向（前後方向線Ｌ２）とのなす第２角度θ２よりも大きな角度（θ１＞θ２）に設定されている。なお、本実施形態では、後縁外接線Ｌ３は前後方向と一致しており、第２角度θ２は０°となっている。

（作用）
次に、本実施形態の作用について説明する。

ケーシング４１は、径方向断面において、湾曲部４２の後方側端部４２Ｂから径方向外側に延在する鍔部４４が形成されているため、鍔部４４の後方側に低圧部分が形成され、渦列が形成されることにより、ケーシング４１の内部（羽根車）を通過する流速が増加され、風力発電装置４０の発電量が増加される。

また、ケーシング４１は、鍔部４４の径方向外側端部４４Ｂから後方側に延在する後方延在部４６が形成されているため、ケーシング４１の後縁４１Ｂの位置におけるケーシング４１の外周面（後方延在部２６の外周面）４１Ｄの後縁外接線Ｌ３と前後方向とのなす第２角度θ２が０°となり、翼弦線Ｌ１と前後方向とのなす第１角度θ１よりも小さく設定されている（θ１＞θ２）。

この作用について、本実施形態のケーシング４１と、第２比較例のケーシング２００（図８参照）に対するＣＦＤ（computational fluid dynamics）による解析結果（図９、図１０参照）を用いて説明する。なお、ＣＦＤは、流速が大きいときには羽根車の回転を停止させるため、羽根車が無回転の場合について求めたものである。また、図９、図１０は、図４、図５と同様である。

第２比較例に係るケーシング２００は、図８に示すように、ケーシング４１と略同様の構造であり、略同様の構成要素には、同一の構成符号に２００を足して示す。ケーシング２００がケーシング４１と異なるのは、ケーシング２００には後方延在部４６が存在しないことである。これにより、後縁外接線Ｌ３と前後方向（前後方向線Ｌ２）とのなす第２角度θ２が９０°となり、翼弦線Ｌ１と前後方向（前後方向線Ｌ２）とのなす第１角度θ１よりも大きく設定されている（θ１＜θ２）。

ＣＦＤの解析結果を参照すると、図９に示すように、ケーシング４１の後方側における流れの剥離領域（矢印Ｋで指し示された部分）の大きさが、図１０に示す第２比較例に係るケーシング２００の流れの剥離領域（矢印Ｍで指し示された部分）と比べて小さくなっていることがわかる。

すなわち、第２比較例のケーシング２００と比較してケーシング４１は、第１角度θ１を第２角度θ２よりも小さな角度（θ１＜θ２）に設定したため、空気抵抗を低減できることが確認された。

また、本実施形態に係るケーシング４１と第２比較例のケーシング２００を有する風力発電装置について、パワー係数Ｃｐと流速８ｍｓの場合の空気抵抗について実験およびＣＡＥで求めた結果を図６に示す。

このように、第２比較例に係るケーシング２００を有する風力発電装置（図６、白三角参照）と比較して、ケーシング１８を有する風力発電装置１０（図６、黒三角参照）は、パワー係数が若干低下するものの、空気抵抗を２／３程度に低減することができることが確認された。

したがって、風力発電装置１０を設置する際に装置の転倒を防止するための基礎工事等が簡略化され、設置コストを大きく低減することができる。

（その他）
一連の実施形態では、第２角度θ２が０°の場合について説明したが、第２角度θ２が第１角度θ１よりも小さければ、同様の作用を奏する。

また、一連の実施形態では、地上に設置された風力発電装置１０、４０について説明したが、図１１のように海上に設置された風力発電装置６０でも良い。また、一連の実施形態では、風力発電装置１０、４０に１つのケーシング１８、４１と羽根車１６を備えるものについて説明したが、図１２に示すように、複数の羽根車１６を備える風力発電装置７０であっても良い。この場合、複数の羽根車１６のいずれか１つにケーシング１８（４１）を設ければよいが、図１２に示された風力発電装置７０では、全ての羽根車１６の回りにケーシング１８（４１）を設けている。

さらに、一連の実施形態では、風力発電装置に用いた例について説明したが、潮流発電装置等に適用することも可能である。

１０、４０、６０、７０ 風力発電装置
１４ 発電機
１４Ａ 発電機軸
１６ 羽根車
１６Ｂ 羽根
１８、４１ ケーシング
１８Ａ、４１Ａ 前縁
１８Ｂ、４１Ｂ 後縁
１８Ｃ、４１Ｃ 内周面（径方向内側面）
１８Ｄ、４１Ｄ 外周面（径方向外側面）
θ１ 第１角度
θ２ 第２角度
Ｌ１ 前縁と後縁とを結ぶ直線
Ｌ３ 後縁の位置における外周面（径方向外側面）の接線

Claims (1)

1. 発電機軸を有する発電機と、
   前方側から後方側へ流れる風を羽根で受けることで回転し、前記発電機軸を回転させる羽根車と、
   前記羽根車を回転径方向外側から覆う環状に形成され、径方向断面において径方向内側へ凸状に形成されていると共に、前縁と後縁とを結ぶ直線と前後方向とのなす第１角度が、前記後縁の位置における径方向外側面の接線と前記前後方向とのなす第２角度よりも大きな角度に設定されたケーシングと、
   を備えた風力発電装置。