JP3621975B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風の流れを増速して高出力の発電を行う風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近来、発電の分野において、脱石油エネルギーや環境クリーン等の観点から、風力発電装置が注目されている。風力発電装置は、自然界の風の流れを利用するものであるが、設置場所の地形や気象等の条件によって十分な風力が得られないことがある。そのため、弱い風の流れを何らかの手段で増速して発電に供することが考えられている。
【０００３】
本発明者らは、特願２００１−９４１４において、簡単な構造で効率良く風の流れを増速することが可能な風増速装置を提供している。図８は特願２００１−９４１４の風増速装置の縦断面図である。
【０００４】
図８の風増速装置は、風の流入口５２から流出口５３に向かって拡大する長筒状の風胴体５１により構成したものである。また、風胴体５１の流入口５２の口縁には外側に向かって曲面をもって開いた流入案内片５５を、流出口５３の口縁には外側に向かって拡がる鍔状のフランジ５６をそれぞれ備え、流入口５２の近傍を風力の取り出し位置とする。
【０００５】
これにより、流入口５２前方より流入する風胴体５１の軸中心の風の流れによって風胴体５１の壁面部の遅い風の流れを連行し、流出口５３後方においては軸中心の風の流れと風胴体５１外部の風の流れによって風胴体５１内壁面部の遅い風の流れを連行して、風胴体５１内部の流入口５２近傍に風力を取り出すための高風速の領域を得ることが可能となる。
【０００６】
そして、このような風増速装置を用いて、流入口５２近傍の風力の取り出し位置に発電用の風車を配置した風力発電装置を構成すれば、外風が弱いときでも、風増速装置の風胴体５１の高風速領域である風胴体５１内部の流入口５２近傍に配置した風車を効果的に回転させることができ、風力発電装置として発電能力を飛躍的に向上させることが可能となる。
【０００７】
また、特願２００１−９４１４の風増速装置では、風胴体５１の軸に対する側胴部の傾斜角は、２〜５°の範囲とすることが望ましいことを提案している。傾斜角が２°未満の場合、風胴体５１の流入口５２の径に対する風胴体５１の長さの比を上げても増速比を上げる効果が小さくなる傾向にあり、傾斜角が５°を超えると風胴体内壁面部の流れの遅い風の連行効果が小さくなる傾向にあるため、２〜５°の範囲で効率的に風胴体内壁面部の流れの遅い風を連行することが可能であるというものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記風増速装置は、風増速装置単体では２〜５°の範囲で最も増速効果が高いものの、風胴体５１の流入口５２近傍に発電用の風車を配置した場合、２〜５°の傾斜角の範囲が必ずしも最適ではないことが判明した。風胴体５１内で回転する風車が、風胴体５１内を通過する風の流れに影響を及ぼすようになるためである。
【０００９】
そこで、本発明においては、風胴体内で回転する風車を備えた風力発電装置であって、効率良く風の流れを増速させ、高出力の発電を行うことが可能な風力発電装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の風力発電装置は、風の流れ方向に拡大する筒状の風胴体と、風胴体の風の流入口近傍に配置した発電用風車とを備えた風力発電装置において、風胴体の軸に対する側胴部の傾斜角を５〜２５°の範囲、より好ましくは、５〜１４°の範囲としたものである。
【００１１】
ここで、風胴体前方から風胴体内部、風胴体後方までの静圧分布および風速分布を、それぞれ図１および図２に示す。図１および図２の横軸は、風胴体流入口を原点とした水平位置Ｘを風胴体の長さＬで無次元化した比を表しており、風胴体流出口の方向を正としている。図１の静圧分布は、風胴体の影響がない位置との静圧の差を示しており、縦軸はこの静圧差を近寄り風速Ｕ_∞による動圧で無次元化した比である。図２の縦軸は、風速Ｕを近寄り風速Ｕ_∞で無次元化した比である。
【００１２】
図１に示すように、開放された空間内に配置された風胴体は、風の流入口前方と流出口後方とにおける風の静圧が周囲の大気圧の静圧とほぼ等しくなる。そして、風の流れ方向に拡大する筒状の風胴体の場合、風胴体内部における静圧は、図１に示すように流出口に向かって増加するため、風胴体内部の流入口付近で大きな圧力低下となる。したがって、流入口前方より風胴体内部に流入した風は、図２に示すように流入口付近で急激に加速されて速くなり、流出口に向かって徐々に遅くなるとともに、図１に示すように圧力が回復して流出口で大気圧の静圧とほぼ等しくなる。
【００１３】
すなわち、風の流れ方向に拡大する筒状の風胴体では、風胴体内部の流入口よりやや下流付近で大きな負圧となり風が収束するようになるため、この部分に風力を取り出すための高風速の領域を得ることができる。
【００１４】
本発明の風力発電装置では、風胴体の流入口近傍に発電用風車を配置しているため、この発電用風車自体の抵抗により、風胴体の軸に対する側胴部の傾斜角を５°以上に拡げても風胴体内壁面部の風の流れのはく離を防止することができる。また、この発電用風車の回転によって風胴体の半径方向の風の流速が高まるため、さらに風胴体内壁面部の風の流れのはく離を防止することができ、風胴体の流入口から導入された風を風胴体内壁面部に沿って流出口まで滑らかに流すことができる。したがって、側胴部の傾斜角を最大２５°まで拡げても、風胴体内壁面部の風の流れのはく離を風胴体の流出口まで防止することができる。
【００１５】
なお、側胴部の傾斜角が１４°を超える場合、風胴体内壁面部の風のはく離をわずかに生じやすくなるが、発電用風車の高速回転によって流れを風胴体内壁面部に再付着させることが可能となる。したがって、この場合においても風のはく離を小さな範囲に抑えることができ、風胴体の流入口から導入された風を風胴体内壁面部に沿って流出口まで滑らかに流すことができる。
【００１６】
すなわち、本発明の風力発電装置によれば、風胴体の流入口から導入された風を風胴体内壁面部からはく離させることなく、この風胴体内壁面部に沿って流出口まで滑らかに流すことができるため、風胴体流入口付近で負圧となった風の流れを流出口まで大きな流動損失なしに圧力回復させることができる。このため、効率良く風の流れを増速することができ、高出力の発電を行うことが可能となる。
【００１７】
また、風胴体側胴部の傾斜角については発電用風車の抵抗係数によって最適値が異なるが、特に風胴体側胴部の傾斜角を５〜１４°の範囲とすると、上述のように風胴体内部壁に沿う流れのはく離が全く生ずることはないので、結果的に最も大きな圧力回復率を得ることができ、最も効率良く風の流れを増速して高出力の発電を行うことが可能となる。
【００１８】
なお、傾斜角が５°未満の場合、圧力の回復効率が小さな値にとどまるため、流入口付近での負圧が大きくなりきれず、風車設置位置付近で大きな風の増速が得られない。一方、傾斜角が２５°を超えると、風胴体内壁面部の風の流れのはく離が顕著となり、大きな流動損失を引き起こしてしまうため、やはり圧力回復効率が低下し、大きな風の増速が得られない。
【００１９】
本発明の風力発電装置では、風胴体の流入口は、風胴体の外側すなわち風胴体に流入する風の上流側に向かって滑らかに拡大する曲面とするのが望ましい。これにより、風胴体の流入口前方近傍の風を円滑に引き込むことができ、また引き込んだ風は、流入口近傍の発電用風車の回転によって風胴体半径方向の流速が高められることによって、さらに流入口近くの風胴体内壁面部からのはく離が防止され、より効率良く高風速の領域を得て高出力の発電を行うことが可能となる。
【００２０】
また、本発明の風力発電装置では、流出口の口縁の外側に、鍔状片を備えたものとするのが望ましい。これにより、風胴体の外側を流れる風が鍔状片と衝突し、鍔状片の背後で強い渦を形成するため、風胴体の流出口付近が低圧となる。このため、風胴体内部へより強い風の流れを引き込むことができ、さらに効率良く高風速の領域を得て高出力の発電を行うことが可能となる。
【００２１】
また、この鍔状片は、風胴体の最小内径の１０〜１００％幅とするのが望ましい。風胴体の長さが風胴体の最小内径よりも長い場合（すなわち、風胴体の長さをＬ、風胴体の最小内径をＤとしたとき、Ｌ／Ｄ＞１の場合）、鍔状片の幅を例えば５０％、７５％、１００％と順次大きくすると、鍔状片の背後の渦形成が強くなっていくため、流出口付近の圧力が大気圧の静圧より低圧となる。その結果、流入口からの流れの引き込みが強められ、流入口付近の風の増速を高めることが可能となる。
【００２２】
一方、風胴体の長さが風胴体の最小内径よりも短い場合（すなわち、Ｌ／Ｄ＜１の場合）、鍔状片の幅を大きくしすぎると、逆に大きな鍔状片が風の流れをブロックするため、鍔状片の存在が上流に圧力上昇を与え、風胴体への風の流入を阻害するようになる。したがって、Ｌ／Ｄ＝１付近では、風胴体の最小内径の５０％程度の幅を有する鍔状片が適当な大きさとなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図３は本発明の実施の形態における風力発電装置の斜視図、図４は図３の縦断面図である。
図に示すように、本発明の実施の形態における風力発電装置は、筒状の風胴体１の風の流入口２ａの近傍を風力の取り出し位置として発電用の風車３を配置したものである。風車３の回転羽根３ａは、風胴体１の内壁面に触れないように若干のクリアランス（風胴体の最小内径Ｄの１〜２％程度）を保って回転するものである。
【００２４】
風胴体１は風の流入口２ａから流出口２ｂに向かって拡大する長さＬ（風車３の回転羽根の取付け位置から流出口２ｂまでの長さ）の拡大管（ディフューザ）である。風胴体１の側胴部の傾斜角φは、５〜２５°とする。風胴体１の流入口２ａは、風胴体１の外側に向かって滑らかに拡大する曲面５とする。また、風胴体１の流出口２ｂには、風胴体１の最小内径Ｄの５０％の幅Ｂの鍔状片４を備える。
【００２５】
上記構成の風力発電装置を風の流れの中に配置すれば、風胴体１の流入口２ａから流出口２ｂに向かって静圧が増加するため、風胴体１内部における静圧は流入口２ａ付近で大きな負圧となる。また、鍔状片４の作用により風胴体１の流出口２ｂ付近での風の静圧が大気圧の静圧よりはるかに低くなるため、風胴体１の流入口２ａ付近でさらに大きな負圧となり、流入口２ａ前方より流入した風は流入口２ａ付近で急激に加速されて速くなる。
【００２６】
また、本実施形態における風力発電装置では、風胴体１の内壁面に若干のクリアランスを保って回転する風車３の回転羽根３ａによって、風胴体１内に流入した風の半径方向の流速が高められる。この半径方向の風の流れと、風車３自体の抵抗により、風胴体１の内壁面部の風の流れのはく離が風胴体１の流出口２ｂまで防止され、風胴体１の流入口２ａから導入された風が風胴体１の内壁面部に沿って流出口２ｂまで滑らかに流れていく。
【００２７】
したがって、本実施形態における風力発電装置では、風胴体１内部で負圧となった風の流れを流出口２ｂまで大きな流動損失なしに圧力回復させることができ、効率良く風の流れを増速することが可能である。すなわち、上記構成の風力発電装置では、風胴体１の風の流入口２ａから流入した風が、流入口２ａ付近で急激に加速されて速くなるため、この部分に配置した風車３を効率的に回転させることができ、この風車３の回転によって高出力の発電を行うことが可能である。
【００２８】
また、本実施形態における風力発電装置において、風胴体１の側胴部の傾斜角φが５〜１４°のときには、風胴体１の内壁面部の風の流れのはく離が完全に防止され、風は風胴体１の内壁面部に沿って流出口２ｂまで滑らかに流れていく。このため、流出口２ｂまでの間に大きな圧力回復率を得ることができ、最も高出力の発電を行うことが可能となっている。
【００２９】
なお、本実施形態においては、風胴体１の側胴部は、直線状に拡大したディフューザとしているが、図４の一点鎖線で示すように滑らかに拡大する形状としてもよい。このとき、風胴体１の側胴部の傾斜角φは流入口２ａ近傍で５〜２５°とする。この場合、流入口２ａ付近で側胴部内壁面部が滑らかに拡大しているため、この流入口２ａ付近から風の流れのはく離を抑えながら、より大きな側胴部の拡大率を得ることができ、圧力回復効率がさらに高まる可能性があり、さらに高出力の発電を行うことが期待できる。
【００３０】
【実施例】
以下、上記構成の風力発電装置のモデルを用いて実験を行った結果について説明する。
【００３１】
図５は、風胴体１の最小内径Ｄ＝４０ｃｍ、風胴体１の長さＬと最小内径Ｄの比Ｌ／Ｄ＝１．２５、風胴体１の側胴部の傾斜角φ＝１０°、近寄り風速（風胴体１に近寄ってくる風の流速）Ｕ_∞＝１１ｍ／ｓとしたときの、▲１▼図４に示す風力発電装置、▲２▼図４の風力発電装置から曲面５のみを取り除いたもの、▲３▼図４の風力発電装置から鍔状片４のみを取り除いたもの、▲４▼図４の風力発電装置から曲面５および鍔状片４を取り除いたもの、▲５▼風車３のみ、のそれぞれについて、周速比ωｒ／Ｕ_∞と出力係数Ｃ_Ｗとの関係を示している。
【００３２】
ここで、周速比ωｒ／Ｕ_∞は、回転羽根３ａの直径をｄ（ｍ）としたとき、回転羽根３ａの周方向速度ωｒ（ω：角周波数（ｒａｄ／ｓ），ｒ＝ｄ／２）を近寄り風速Ｕ_∞で割って無次元化したものである。出力係数Ｃ_Ｗは、発電出力（Ｗ）を（１／２）・（空気密度ρ（ｋｇ／ｍ^３））・（近寄り風速Ｕ_∞（ｍ／ｓ）の３乗）・（回転羽根３ａの回転面積πｒ^２）で割って無次元化したものである。
【００３３】
図５から、周速比ωｒ／Ｕ_∞を変化させたとき、▲５▼、▲４▼、▲３▼、▲２▼、▲１▼の順に出力係数Ｃ_ｗの最大値は高くなる傾向にあり、▲１▼の風力発電装置で最も高い出力係数Ｃ_ｗが得られることが分かる。
【００３４】
図６は、上記▲１▼と同じものについて、Ｄ＝４０ｃｍ、Ｌ／Ｄ＝１．２５、近寄り風速Ｕ_∞＝１１ｍ／ｓとし、風胴体１の側胴部の傾斜角φを４〜１４°の範囲で変化させたときの周速比ωｒ／Ｕ_∞と出力係数Ｃ_Ｗとの関係を示している。
【００３５】
図６から、上記▲１▼の形状の場合、風胴体１の側胴部の傾斜角φを４°から１４°まで変化させたとき、φ＝１０°までは出力係数Ｃ_ｗの最大値は高くなり、φ＝１０°を超えると下がる傾向にあることが分かる。
【００３６】
図７は、上記▲１▼〜▲５▼と同じものについて、Ｄ＝４０ｃｍ、Ｌ／Ｄ＝１．２５、Ｕ_∞＝１１ｍ／ｓとしたときの、それぞれの風胴体１側胴部の傾斜角φと最大出力係数Ｃ_Ｗｍａｘ（出力係数Ｃ_ｗの最大値）との関係を示している。
【００３７】
図７から、上記▲１▼の形状の場合、φ＝１０°で最大出力係数Ｃ_Ｗｍａｘが最大となり、この最大となる傾斜角φを超えると徐々に最大出力係数Ｃ_Ｗｍａｘが下がることが分かる。また、上記▲１▼の形状の場合、他の▲２▼〜▲５▼の形状の場合と比較してすべてのφで最大となっていることが分かる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明により、以下の効果を奏することができる。
【００３９】
（１）風の流れ方向に拡大する筒状の風胴体と、風胴体の風の流入口近傍に配置した発電用風車とを備えた風力発電装置において、発電用風車自体の抵抗とその回転により、風胴体の軸に対する側胴部の傾斜角を５〜２５°の範囲で、風胴体の流入口から導入された風を風胴体内壁面部からはく離させることなく、この風胴体内壁面部に沿って流出口まで滑らかに流して効率良く風の流れを増速することができ、高出力の発電を行うことが可能となる。
【００４０】
（２）風胴体の流入口を、風胴体の外側に向かって滑らかに拡大する曲面とすることによって、風胴体の流入口前方近傍の風を円滑に引き込み、風の流れのはく離を生じにくくさせ、より効率良く高風速の領域を得て高出力の発電を行うことが可能となる。
【００４１】
（３）流出口の口縁の外側に鍔状片を備えることによって、この鍔状片の背後で強い渦を形成し、風胴体の流出口付近を低圧として、風胴体内部へより強い風の流れを引き込み、さらに効率良く高風速の領域を得て高出力の発電を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】静圧分布を示す図である。
【図２】風速分布を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における風力発電装置の斜視図である。
【図４】図３の縦断面図である。
【図５】周速比と出力係数との関係を示す図である。
【図６】周速比と出力係数との関係を示す図である。
【図７】風胴体側胴部の傾斜角と最大出力係数との関係を示す図である。
【図８】従来の風増速装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１ 風胴体
２ａ 流入口
２ｂ 流出口
３ 風車
３ａ 回転羽根
４ 鍔状片
５ 曲面

Claims (1)

1. 風の流れ方向に拡大する筒状の風胴体と、同風胴体の風の流入口近傍に配置した発電用風車とを備えた風力発電装置において、
   前記風胴体の風の流出口の口縁の外側に、前記風胴体の外側を流れる風が衝突して背後で強い渦を形成させる前記風胴体の最小内径の１０〜１００％幅の前記風の流れ方向に対して垂直な平板状の鍔状片を備え、
   前記風胴体の軸に対する側胴部の傾斜角を５〜２５°の範囲とした風力発電装置。

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