JP4510602B2

JP4510602B2 - ディフューザ付風車

Info

Publication number: JP4510602B2
Application number: JP2004341730A
Authority: JP
Inventors: 茂雄吉田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: JP2006152854A

Description

本発明は、ディフューザ付風車に関する。

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。

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。）。
大屋裕二、他５名、「風レンズ（風の局所集中効果）による風力発電の高出力化」、第３３回流体力学講演会講演集、日本航空宇宙学会、２００１年、p.229-232

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｓ_１、Ｕ_１、ｐ_１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Ｕ_２、Ｓ_２、ｐ_２とする。そして、断面積Ｓ_０の流管における一様流の速度及び静圧を各々Ｕ_０、ｐ_０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。

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）Ｕ_１を求めると、流入風速Ｕ_１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Ｃ_Ｐ２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Ｕ_１が増加することが明らかとなる（集風作用）。

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）Ｅ_Ｒは以下の式（Ｄ）で表される。そして、式（Ｄ）のＵ_１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Ｅ_Ｒはディフューザ出口における圧力係数Ｃ_Ｐ２の関数として表されることとなる。

この式（Ｅ）を圧力係数Ｃ_Ｐ２で微分すると、以下の式（Ｆ）が得られる。

ここで、ディフューザ出口における圧力ｐ_２が一様流の圧力ｐ_０に充分近いことに着目すると、式（Ｆ）において「Ｃ_Ｐ２≒０」と近似することができる。そして、式（Ｆ）において「ｄＥ_Ｒ」を出力変動「ΔＥ_Ｒ」とおき、「ｄＣ_Ｐ２」を圧力係数変動「ΔＣ_Ｐ２」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ΔＣ_Ｐ２が負となる場合）に、出力Ｅ_Ｒが増大する（出力Ｅ_Ｒの変動量ΔＥ_Ｒが正となる）ことが明らかとなる（発電量増大効果）。

＜具体例＞
一様流の速度Ｕ_０を「８m/s」、出力係数ηを「０．３５」、空気密度ρを「１．２２５kg/m^３」、ロータ３０の面積（＝ディフューザ入口における流路面積）Ｓ_１を「２００m^２」、ディフューザ出口における流路面積Ｓ_２を「２３０m^２」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Ｃ_Ｐ２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Ｃ_Ｐ２を「−０．６」として式（Ｃ）及び式（Ｅ）を用いて流入風速Ｕ_１及び出力Ｅ_Ｒの理論値を求め、その結果を表１に示した。

表１に示されるように、ディフューザ出口の圧力係数Ｃ_Ｐ２を「−０．４」から「−０．６」に低下させた場合には、流入風速Ｕ_１の理論値が「０．８m/s」増加し、出力Ｅ_Ｒの理論値が「１２．３kW」増加することとなった。

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、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。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施の形態に係るディフューザ付風車の概略斜視図である。（ａ）は図１に示したディフューザ付風車のII−II部分の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したディフューザ付風車のディフューザ出口近傍の内壁の一部を矢印Ｂ方向から見た場合の拡大図である。本発明の実施の形態に係るディフューザ付風車のディフューザ内の気流を表す概念図である。従来のディフューザ付風車のディフューザ内の気流を表す概念図である。

符号の説明

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）

Claims

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ディフューザ付風車。
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請求項１に記載のディフューザ付風車。
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請求項１又は２に記載のディフューザ付風車。