JP5354297B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置などに関する。

風力発電装置は、風力を利用してプロペラを回転させ、それにより発電機を回転させる。しかし、地形や気候条件による風速変動、あるいは風力発電装置を設置している車や船の速度により、プロペラを回転させるための風力を十分得られないことがある。
水平軸風車の発電量を増やす方法として、ディフューザ効果を有する風洞体の出口近傍の内壁に複数個の孔を設け、この孔から風洞体の流出口近傍の空気を連通流路を経由して風車のナセル内部に導き、ナセルの風下の排気口から排出することにより、風洞体出口付近の流路を実質的に拡張し、風洞体入口の流入風速を高める方式が知られている（特許文献１参照）。これは、風洞体の流入口と流出口に圧力差を設けるようにして風速を増そうとするものである。

特開２００６−１５２８５４号公報

しかしながら、従来は、風洞体の筒部を長くしなければ、風速が低い場合に風の流れを増速することは困難であった。

そこで、本発明では、風洞体の筒部が短く、風速が低い場合であっても、風の流れを増速させ、プロペラを回転させて発電する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。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、発電機と、前記発電機に接続され、風力で回転するプロペラと、前記プロペラの周囲を取り囲んで設けられた風洞体と、前記風洞体の外側に設けられ、風を取り込む吸入口と、前記吸入口に連通する補助流路と、前記補助流路と連通して前記プロペラの風上側に設けられ、前記補助流路を通過する風を当該プロペラへ向けて排出する排出口と、を備え、前記風洞体は、その流路面積が風上側から風下側に向かって拡大する形状であり、前記吸入口は、前記風洞体の外側表面に設けられており、前記補助流路は、前記風洞体の内部に形成されており、前記排出口は、前記風洞体の内側表面に設けられた風力発電装置が適用される。

本発明によれば、風洞体の筒部が短く、風速が低い場合であっても、風の流れを増速させ、プロペラを回転させて発電することが可能な風力発電装置を提供することができる。

風力発電装置を風上側から見た図である。 風力発電装置の側面図である。 風力発電装置を風下側から見た図である。 風力発電装置の断面図である。 風洞体の部分断面図である。 風力発電装置における風の流れを示す図である。 風力発電装置における風の流れを示す図である。 風力発電装置における風の流れを示す図である。 風力発電装置の特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。

＜第１実施形態＞
まず、図１から図５を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る風力発電装置の構成について説明する。図１は、風力発電装置を風上側から見た図である。図２は、風力発電装置の側面図である。図２において、左側が風上側、右側が風下側である。図３は、風力発電装置を風下側から見た図である。図４は、風力発電装置の断面図であり、図１におけるX−X断面図で、おおまかな風の流れも表示されている。図５は、風洞体の部分断面図である。

図４に示すように、風力発電装置Ｗのプロペラ１は、連結部２ａを介して発電機２ｂに接続されている。したがって、風力によりプロペラ１が回転し、ナセル２の内部に納められている発電機２ｂを回転させることにより風力発電が行われる。
図１から図４に示すように、プロペラ１の周囲には、風を増速するための風洞体３がプロペラ２を取り囲んで設けられている。風洞体３は、その流路面積が風上側の流入口１１から風下側の流出口６に向かって拡大する形状である。
なお、図示しないが、ナセル２と風洞体３は支柱によりタワーに固定されている。また、ナセル２と風洞体３は、風の方向により同時に向きを変えることができ、水抜き穴も備えている。

図５に示すように、風洞体３は２重フレームの構成で、外フレーム４と内フレーム５よりなっている。外フレーム４と内フレーム５とで挟まれた空間で補助流路１０が形成されている。すなわち、補助流路１０は、風洞体３の内部に形成されている。
風洞体３の流出口６の近傍の外フレーム４の外側表面には、風の吸入口７が複数個（本実施形態では６個）設けられている（図１参照）。言い換えると、風洞体３の外側であって、プロペラ１よりも風下側には、風を取り込む吸入口７が設けられている。補助流路１１は、吸入口７に連通する。
吸入口７の外フレーム４と一体になった枠体７Ａの後部（風下側）には、吸入口７の数に対応する複数個（本実施形態では６個）の穴８が設けられている。穴８の面積は吸入口７の面積より少し大きくなっている。

穴８には蓋９が取り付けられており、その蓋９には図示しないバネが組み込まれている。蓋９は、そのバネにより風上側に付勢されることによって閉じるようになっている。そのバネの弾発力により発電機２ｂの出力が定格出力に達する風速まで蓋９は穴８を閉じておくようになっている。なお、このとき、蓋９の風下側にはある程度の渦流が生じる。
定格出力以上の風速になった場合には、吸入口７を通った風の蓋９にかかる風圧がバネ力にまさり、蓋９が開いて吸入口７を通った風を風下側に逃がすようになっている。すなわち、補助流路１０は、補助流路１０を開閉して補助流路１０を通過する風量を調整する風量調整手段としての蓋９を有しており、風速が所定値よりも高い場合には、蓋９が開放することによって、風を風洞体３の風下側から逃がすようになっている。

風洞体３の外フレーム４と内フレーム５間の風の補助流路１０の断面積は、排出口１２およびその近傍を除き、風の吸入口７の面積の総和とほぼ等しくなっている。また、外フレーム４と内フレーム５の内面は、風の流れの妨げとならないように、凹凸を極力排除した滑らかな面となっている。

風洞体３の外フレーム４が内側に曲がり込むことによって流入口１１が形成されている。外フレーム４の内側部と内フレーム５の内側部により、リング状の補助流路１０が形成されている。流入口１１の近傍に、断面積が、風下側に向かったリング状の補助流路１０の断面積よりも小さな隙間が形成されている。この隙間を、吸入口７から流入した風の排出口１２とする。
すなわち、排出口１２は、補助流路１０と連通してプロペラ１の風上側であって風洞体３の内側表面に設けられており、補助流路１０を通過する風をプロペラ１へ向けて排出する。
排出口１２の大きさは、曲がり込んだ外フレーム４の先端部４ａの内側径を風洞体３の内側を形成する内フレーム５の先端部５ａの内径部にほぼ等しくしたものになっている。内フレーム５の内側部が排出面積を維持した状態で外フレーム４の内側に回り込んでおり、排出口１２は、リング型ノズル構造になっている。

２重フレームからなる風洞体３の内径側では、風の流出口６の面積は流入口１１の面積より大きくなっている。また、風洞体３の内径部では、排出口１２が設けられている位置を最小内径として、内フレーム５の内径が流出口６に向かって曲線的に徐々に大きくなっている。
風洞体３の外径側においては、外フレーム４の外径が、流入口１１の外周部から風下に向かって直線的に徐々に大きくなるように設定されている。外フレーム４と内フレーム５とは、風洞体３の流出口６の風洞端13で連結されている。風の吸入口７が設けられた枠体７Ａは、外フレーム４の外側に複数個（本実施形態では６個）の凸部を設けることにより構成されている。

次に、図６から図８を参照しつつ、風力発電装置における風の流れを説明する。図６は、風力発電装置における風の流れを示す図であり、風速が所定値以下の場合である。図７は、風力発電装置における風の流れを示す図であり、風速が所定値を超えた場合である。図８は、風力発電装置における風の流れを示す図であり、突風が吹いた場合の風速変化にともなう風洞体の内側と外側の風の流れを示す説明図である。

図６に示すように風上から弱い風が吹いた場合、流入口１１の風洞体３の近傍において、風は、（１）風洞体３の外フレーム４の風上側かつ内側に沿って風洞体３の内側に入り、内フレーム５に沿って流出口６に流れる風ｗ１と、（２）風洞体３の外側に流れた風であって、（２−ａ）外フレーム４に沿って風洞端13達する風ｗ２と、（２−ｂ）吸入口７より風洞体３の中に入る風ｗ３との３つに分かれる。
風洞体３の内部に入った風ｗ３は、圧縮されリング状の排出口１２から周辺風速より増速されて、風下方向に吐き出される。吐き出された増速風はコアンダ効果により内フレーム５に沿って流れ、プロペラ１の外周部分に向けて、プロペラ１の起動あるいは回転に十分な風を送ることができる。また、風洞体３の内フレーム５に沿って、周辺の風速より速い風が流れるので、風洞体３の流入口１１より、さらに風洞体３に風を誘い込むことができるようになる。よって、周辺風速がそれ程速くならなくても効率良くエネルギーを得ることができる。

図７に示すように発電機２ｂの定格出力を越えるような周辺風速になった場合、風の吸入口７の後部（風下側）に位置する穴８の蓋９に作用する風圧が、蓋９を押しているバネの弾発力より強くなると蓋９は少し開くように、そのバネのバネ係数が設定されている。したがって、吸入口７から入った風は、風の流れの方向性により、穴８を抜ける風が排出口１２に導かれる風の量より多くなるので、風洞体３の内部風速の変化は急激に生じない。したがって、周辺風速が速くなっても、プロペラ１の回転数はそれ程増えないので、風力発電装置Ｗとしての定出力範囲を広く得ることが可能となる。

図８に示すように突風が吹いた場合、吸入口７より入った風の強い風圧により、蓋９が図示せぬストッパーに当たるまで速やかに全開して、風を風下側に逃がすようになっている。よって、風は排出口１２の方にはほとんど回りこむことはできず、排出口１２より吐き出される風はほとんどない。
したがって、プロペラ１には風洞体３の流入口１１から入った風が当たり、プロペラ１の空気特性を利用して、プロペラ１の回転を制御しやすいので（ストール制御）、速やかに発電停止（カットアウト）することが可能である。また、風洞体３にかかる風圧も軽減できる。

図９は、ストール制御を行う風力発電装置の特性図である。より詳しく説明すると、図９は、従来のストール制御を行っている風力発電装置の、風速と発電機出力の特性と、上記説明による本実施形態の風力発電装置Ｗの特性とを比較したものである。図９によれば、発電開始風速（カットイン）の低減、定格出力に達するまでの風速変化、発電機の定格出力範囲の広範囲化を読み取ることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る風力発電装置Ｗは、風速が低くても水平軸風車のプロペラ１を回転させるために、風洞体３をその内部に風が通る補助流路１０を有する２重フレームの構造とし、風上に向けた風洞体３の外径側に設けた吸入口７より周辺風速の風を取り込み、取り込んだ風が風洞体３の内部の補助流路１０の壁に沿って、面積が吸入口７よりも小さい排出口１２に向かって流れ、その排出口１２は風洞体３の内径側の風洞体３の流入口１１の近傍に位置し、かつ風洞体３の内面に沿ったように配置されている。そのため、排出口１２より出る風は周辺風速より早くなり、その風を風洞体３の内面に沿って流すことにより、風洞体３の流出口６の近傍の風の背面剥離も無くなり、風洞体３の流入口１１よりの風の吸い込み量も増える。したがって、風洞体３の筒が短くてもディフューザ効果を得ることができ、プロペラ１にもっとも揚力を与えやすいプロペラ１の外径部に周辺風速よりも速い風が効率よく当たるようになっている。

また、本実施形態に係る風力発電装置Ｗは、周辺風速より速い風を風洞体３の内径に沿って流すと共に、プロペラ１の外径部に強力な風を当てるために、風上に向けた吸入口７から入った風が、２重フレームにおける外フレーム４の内側表面と内フレーム５の外側表面の間に設けた補助流路１０を回り込み、風洞体３の流入口１１の近傍に位置し、吸入口７の面積と補助流路１０の断面積より小さい面積を有する排出口１２から吐き出すことにより、吸入口７の風速より排出口１２の風速を速くすることができる。
流れの速い平行風は、通常、コアンダ効果により、近接するフレーム形状に沿って流れようとする。排出口１２から出た風を風下に向かって風洞体３の内側表面に沿って流すには、排出口１２に位置する外フレーム４の内側表面を内フレーム５の内径にほぼ等しくすることによって、内フレーム５の内側表面が排出口１２の面積を維持した状態で、外フレーム４の内側表面に沿って内フレーム５の内側表面が曲がり込んだノズル構造を採用する。このようなノズル構造により、風洞体３の内径形状に沿った風速の速い風を流し、プロペラ１の外径部に強力な風を当てることができるようになる。
また、風洞体３の内径表面の風速が周辺風速より速いので、その速度差を緩和しようとして、さらに多くの空気が風洞体３の流入口１２より吸い込まれ、プロペラ１を回転するのに十分な風を供給することができる。

また、本実施形態に係る風力発電装置Ｗは、風上に向けた風の吸入口７を有する枠体７Ａの後部に、吸入口７に応じた風の逃げる穴８を設け、その穴８は風速が低い場合は蓋９がバネ力に押されて閉まっていて、吸入口７より吸い込まれた風は、２重フレームの中を通り排出口１２に導かれ、周辺風速より増速されて吐き出され、弱い周辺風速でのプロペラ１の起動と設定された風速域までプロペラ１の回転数を急速に上げることができる。
設定された風速以上になると、吸入口７より入った風の風圧により蓋９は少し開き、風下側に吐き出される風と、２重フレームの中を通り排出口１２に導かれる風に分かれるので、排出口１２から出される風速は蓋９が閉じた状態よりそれほど速くならず、プロペラ１の急激な回転数上昇を防止することができる。
また瞬間的な突風が吹いた場合、吸入口７から入った風の大きな風圧により蓋９は全開して、風の大半を風下側に逃がすことにより、排出口１２より噴出する風をほぼ無くすと同時に、風洞体３の全体にかかる大きな風圧を軽減することができる。

したがって、本実施形態に係る風力発電装置Ｗによれば、風洞体３の周辺の風速が遅くても、風洞体３の吸入口７より取り込んだ風は、風洞体３の流入口１１の近傍の排出口１２より、周辺風速より速い風となって風洞体３の内径に沿って吐き出されることにより、風洞体３の筒が短くても、風洞体３の流入口１１から吸い込まれる風も増える。
したがって、弱い風速でもプロペラ１を確実に回転させるので、発電開始（カットイン）風速を従来に比べ低くすることができるとともに、定格出力を得るプロペラ１の回転数を弱い風速で得ることが可能となる。

また、風の吸入口７を有する枠体７Ａの後部に設けている穴８の蓋９の押し付け力を、ある周辺風速に合わせて設定しておけば（例えば発電機２ｂの定格出力に達するプロペラ１の回転数）、その設定風速を越えた場合に、風圧に押されて蓋９は少し開き、排出口１２に周る風の量を減らすので排出口１２の増速された風速は、それほど上がらない。
さらに周辺風速が上がれば、蓋９の開きは今まで以上に大きくなり、風洞体３の風下側に風を逃がして排出口１２からは増速された風は出てこず、周辺風速がだんだん速くなった割にはプロペラ１の回転数はそれほど上がらないので、発電機２ｂの定格出力領域を広くした状態で発電停止（カットアウト）風速まで発電することが可能となる。
また、突風などが吹けば、風圧により蓋９はほぼ完全に開いてしまい、制御的に追いつかない発電機２ｂ、インバータ（図示せず）の焼損の防止、突風による風洞体３の破損圧と風音の軽減なども可能である。

以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態では、蓋９の押さえにバネ力を用いて、吸入口７より入った風の風圧で蓋９が開閉するようになっているが、風洞体３が大きくなり風速計を別途設けるならば、小型のブレーキ付きモータ（超音波モータ含む）で蓋９の開閉制御を行っても良い。また、風量調整手段として、蓋９の代わりに弁などを用いても良い。更に、排出口１２の近傍にフィンなどの偏向手段を配置することにより、排出口１２から排出される風の向きをプロペラ１の回転方向に合わせると、より効率良くプロペラ１を回転させることができるので望ましい。

１ プロペラ
２ ナセル
２ｂ 発電機
３ 風洞体
４ 外フレーム
５ 内フレーム
６ 流出口
７ 吸入口
８ 穴
９ 蓋
１０ 補助流路
１１ 流入口
１２ 排出口
１３ 風洞端

Claims (6)

1. 発電機と、
   前記発電機に接続され、風力で回転するプロペラと、
   前記プロペラの周囲を取り囲んで設けられた風洞体と、
   前記風洞体の外側に設けられ、風を取り込む吸入口と、
   前記吸入口に連通する補助流路と、
   前記補助流路と連通して前記プロペラの風上側に設けられ、前記補助流路を通過する風を当該プロペラへ向けて排出する排出口と、を備え、
   前記風洞体は、その流路面積が風上側から風下側に向かって拡大する形状であり、
   前記吸入口は、前記風洞体の外側表面に設けられており、
   前記補助流路は、前記風洞体の内部に形成されており、
   前記排出口は、前記風洞体の内側表面に設けられた
   ことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記排出口の面積は、前記吸入口の面積より小さい
   ことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 前記補助流路が、当該補助流路を開閉する風量調整手段を有しており、
   風速が所定値よりも高い場合には、前記風量調整手段が開放することによって 風を前記プロペラの風下側から逃がす
   ことを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。
4. 前記風量調整手段がバネにより風上側に付勢されることによって閉じる
   ことを特徴とする請求項３記載の風力発電装置。
5. 前記排出口に、前記プロペラの回転方向へ風を偏向させる偏向手段を備えた
   ことを特徴とする請求項３記載の風力発電装置。
6. 前記風洞体が、外フレームと内フレームからなる２重フレームで構成されており、
   前記補助流路が、前記外フレームと前記内フレームとで挟まれた空間で形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の風力発電装置。

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