JP5441439B2

JP5441439B2 - 集風装置、及び風車装置

Info

Publication number: JP5441439B2
Application number: JP2009042829A
Authority: JP
Inventors: 一孝丸山; 三佐雄中村; 和久石垣; 康之井戸端; 和人雪田; 晃司藤本
Original assignee: エネルギープロダクト株式会社
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: JP2010196600A

Description

本発明は、集風装置、及び風車装置に関する。

近年、大気中に含まれる温室効果ガスが増大する傾向にあり、産業界ではこれを削減するための様々な試みがなされている。例えば、電力の分野においては、自然エネルギーを利用した風力発電の発電効率を高める技術の研究開発が盛んに行われている。

風力発電に用いられる風車として、プロペラ型に代表される水平軸型風車がある。水平軸型風車の場合、集風口につばが付いており、上流側から下流側へ向かうに従って内径が広がるコーン型の集風管（デフューザー）内に風車を入れて集風効果を持たせることで、発電効率を高める技術がある。しかし、水平軸型風車の場合、風向きが変わるたびに方向転換が必要であり、振動や騒音、コスト面の問題を擁する。

水平軸型風車以外の風車として、ダリウス型に代表されるような垂直軸揚力型風車がある（例えば、特許文献１や図２０を参照）。垂直軸揚力型風車は、水平軸型風車に比べると始動性に劣るものの、風向きに依存しないという利点を有する。このため、サボニウス型風車等を併用して始動性を補いつつ、垂直軸揚力型風車の利用が図られている。

特開２００３−２０６８４９号公報

垂直軸風車は、風向きに依存しないため、風を利用した風力発電に好適である。しかし、現状の垂直軸風車では、採算に見合うだけの発電効率が得られていない。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、垂直軸風車のエネルギー変換効率を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明では、集風翼で集風した風が垂直軸風車の上下に拡散するのを防止する拡散防止面を風の流路の上下に形成した。

詳細には、風車の回転軸が地面に対して略垂直に設置される垂直軸風車に、風を集める集風装置であって、前記垂直軸風車の周囲で林立し、翼面が該垂直軸風車から放射状に広がるように配置される板状の集風翼により、該垂直軸風車の周囲を通過する風を該垂直軸風車へ案内する流路を形成する集風部と、風が前記垂直軸風車の回転軸方向へ拡散するのを防ぐ拡散防止面を、前記集風部が該垂直軸風車へ案内する風の流路の上下に形成する拡散防止部と、を備える。

上記集風装置は、風向きに依存しないで風力エネルギーを回転エネルギーへ変換可能な垂直軸風車に対し、風を集めることを前提とする。この集風装置が集める風は、風車の回転軸に対して略垂直に流れる風であれば如何なるものであってもよく、例えば、自然風や空調設備の排気風等を例示できる。風は、地面に対して略水平に流れることがほとんどであり、垂直軸風車も、そのような風で動くことを前提に、回転軸が地面に対して略垂直に設置される。ところで、垂直軸風車の特性として、回転軸方向に流れる風のエネルギーは
風車が出力する回転エネルギーの向上にあまり寄与しない。よって、エネルギー変換効率の観点に鑑みれば、地面に対して略水平に流れる風は、風車を通過する途中でその流れの向きが回転軸方向へ拡散しないことが望まれる。

ここで、上記集風装置は、垂直軸風車の周囲で林立する、翼面が放射状に広がる集風翼で風を垂直軸風車へ案内する集風部を備えている。この集風部は、垂直軸風車の周囲の風を集めるものであるが、風が垂直軸風車に集まると、集まった風は拡散しようとするため、垂直軸風車の回転軸方向へも不可避的に拡散することとなる。上記集風装置では、このような風の回転軸方向への拡散によるエネルギー変換効率の低下を防ぐため、この拡散を抑制する拡散防止面を風の流路の上下に形成する拡散防止部を備えている。拡散防止部は、拡散防止面を形成し得るものであれば如何なるものであってもよく、例えば、垂直軸風車の上下に配置された、該垂直軸風車の回転軸と略直交する板状の拡散防止板で拡散防止面を形成したり、或いは、集風翼の上下端から略側方に延在する部材で拡散防止面を形成したりするものを例示できる。拡散防止部により、集風部が集風した風の流路の上下の一部或いは全部に拡散防止面が形成されることで、回転軸方向への風の拡散が抑制される。

上記集風装置によれば、集風部が風を集めることによって不可避的に発生する回転軸方向への風の拡散を拡散防止部が防ぐため、集風した風のエネルギーを余すことなく回転エネルギーとすることが可能である。従って、垂直軸風車のエネルギー変換効率を向上させることが可能である。

なお、前記垂直軸風車は、直線翼を有する揚力型の風車であり、前記集風部は、前記集風翼の翼面が、前記垂直軸風車から該垂直軸風車の回転方向に沿って放射状に広がるように配置されることにより、該垂直軸風車の周囲を通過する風を該垂直軸風車の直線翼の前縁に対向する側へ案内する流路を形成するものであってもよい。揚力型風車の場合、直線翼の前縁側から後縁側へ向かって流れる気流の力で揚力が発生し、風車が回転するため、集風装置が、集風した風を直線翼の前縁に対抗する側へ案内すれば、風車のエネルギー変換効率を更に向上させることが可能である。

また、本発明は、風車装置として捉えることもできる。例えば、本発明は、風車装置であって、風車の回転軸が地面に対して略垂直に設置される垂直軸風車と、前記垂直軸風車の周囲で林立し、翼面が該垂直軸風車から放射状に広がるように配置される板状の集風翼により、該垂直軸風車の周囲を通過する風を該垂直軸風車へ案内する流路を形成する集風部と、風が前記垂直軸風車の回転軸方向へ拡散するのを防ぐ拡散防止面を、前記集風部が該垂直軸風車へ案内する風の流路の上下に形成する拡散防止部と、を備えるものであってもよい。

垂直軸風車のエネルギー変換効率を向上させることが可能である。

第一実施形態に係る風力発電システムの正面図。第一実施形態に係る風力発電システムの本体部の断面図。第一実施形態に係る風力発電システムの本体部の斜視図。集風翼の取り付け角度に関する説明図。制御盤の構成図。気流の流れを示す上面図。気流の流れを示す斜視図。実験データの風向について示す図。実験データを示す図。実験データを示す図。実験データを示す図。風車の回転数と風速との関係を示すグラフ。発電機の出力電力と風速との関係を示すグラフ。第一実施形態の変形例に係る風力発電システムの正面図。第二実施形態に係る風力発電システムの要部を拡大した斜視図。第二実施形態に係る集風翼の先端を示す図。第二実施形態に係る風力発電システムの上面図。第二実施形態に係る風力発電システムの正面図。第二実施形態の変形例に係る集風翼の先端を示す図。第二実施形態の変形例に係る風力発電システムの上面図。第二実施形態の変形例に係る風力発電システムの正面図。従来技術に係る垂直軸揚力型風車の正面図。

＜第一実施形態＞以下、本発明の第一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電システム１の正面図である。図１に示すように、風力発電システム１は、風車翼２を有する風車３、集風翼４と拡散防止板５とを有する集風装置６、及び機械室７で構成される本体部８と、本体部８を支持する四角柱架台９、並びに本体部８の発電を制御する機器類を収容した制御盤１０を備える。風力発電システム１は、離島や山間部といった電力事情の悪い地域や、その他のあらゆる地域に設置することが可能である。

まず、風力発電システム１の本体部８について詳述する。図２は、風力発電システム１の本体部８のＡ−Ａ断面図である。また、図３は、風力発電システム１の本体部８の斜視図である。図２や図３に示すように、風力発電システム１の本体部８は、４つの風車翼２で構成される風車３と、この風車３の周囲に４つの集風翼４が設けられている。風車３は、垂直軸を回転軸とし、直線状の風車翼２で構成される直線翼垂直軸型の風車である。直線翼垂直軸型の風車３は、風と風車回転速度が合成された相対風速が風車翼２に流入した際に発生する相対風速に直角に働く揚力と後方に働く効力の回転方向成分との差によって発生する推力を利用して回転する。風車３の周囲に配置される４つの集風翼４で構成される集風部４’が、風車３に風を集める。なお、集風翼４は、風車３に風を集めることが可能であれば如何なる断面形状を有していてもよく、例えば、断面が板状、楕円状、或いは翼型状に形成する。また、風力発電システム１の本体部８は、風車３の上下を挟む２枚の拡散防止板５を備えており、拡散防止板５の表面が拡散防止面５’を形成することで、集風翼４によって風車３に集められた風が上下方向に拡散するのを防ぐ。

図４は、集風翼４の取り付け角度に関する説明図である。集風翼４は、図４に示すように、垂直軸の回転中心Ｏ_Wを通過する仮想線Ｖ_Lに対する角度θが、風車３の回転方向の側に２２．５°だけ傾けた状態になっている。すなわち、集風翼４の翼面が風車３の回転方向に沿って放射状に広がるようになっている。これにより、風が風車３に集まる。なお、集風翼４は、その角度θが０〜３０°の範囲内であれば、風を風車３に有効に集めることができる。このような集風翼４の角度θの範囲は、風車翼２の揚力向上と集風翼４における気流の剥離防止の観点から決定されるものであるため、適用される集風翼の翼型や気体の粘性等によって適宜設定されることが好ましい。

図５は、制御盤１０の構成図である。制御盤１０は、図５に示すように、機械室７内に設けられたブレーキを制御するブレーキコントローラ１１と、風車３が最も効率的に動作するように風車３の出力を制御すると共に、場合によっては余剰電力をダミーロード１２へ流すパワーコントローラ１３と、発電機の電力を昇圧して交流で出力するインバータ１
４とを備える。ブレーキコントローラ１１は、図示しないエアーコンプレッサから供給される制御用空気を電磁弁で制御し、ディスクブレーキを動かすことで風車３の回転を制御する。風車３の過回転は、基本的にパワーコントローラ１３によって制御されるが、ブレーキコントローラ１１によっても予備的に制御される。

図６は、風車３を上から見た場合の気流の流れを示す図である。上記風力発電システム１によれば、集風翼４が取り付けられているため、風車３を通過する風の風速が増す。周知のように、風車の受けるエネルギーＥｗ（ｋＷ）は、ρを空気密度（ｋｇ／ｍ³）、ｖ
を風速（ｍ／ｓ）、Ａを受風面積（ｍ²）とすると、Ｅ＝１／２ρｖ³Ａで表されるため、風速の３乗に比例する。このため、集風翼４の設置によって風速が増すと、風車で得られるエネルギーが増し、発電電力が増加する。ここで、集風翼４で風を風車３に集める場合、拡散防止板５が無いと集めた風が風車３の上下に拡散し得るが、本実施形態では、図７に示すように、拡散防止板５が風車３の回転軸方向への拡散を防止することにより、風の流れが水平に保たれる。

以下、上記第一実施形態の効果を検証するために行った実験の結果について説明する。ここで、本実験においては、上述した第一実施形態と同様、４枚の集風翼４を風車の周囲に設置し、２枚の拡散防止板５を風車の上下に設置している。但し、本実験は、実験設備の都合上、上記第一実施形態に係る風力発電システム１を模した風車で行っている。具体的には、本実験に用いた風車は、３枚の直線翼の回転直径が６００ｍｍであり、高さが６０４ｍｍのものを用いている。また、集風翼は、幅１５０ｍｍ、高さ６５４ｍｍとし、風車の回転軸から内側で４００ｍｍ、外側で５５０ｍｍの位置にそれぞれ設置してあるものを用いている。なお、様々な風向きについて検証をするため、風向については０°、２２．５°、４５°、６７．５°の４つの場合について実験を行った。風向については、図８に示す通りである。また、集風翼の角度を調整することの有効性についても検証をするため、集風翼の角度θについては０°、５．６２５°、１１．２５°、１６．８７５°、及び２２．５°の場合について実験を行った。また、集風翼および拡散防止板を取り付けることの有効性についても検証をするため、集風翼および拡散防止板を取り付けていない場合についても実験を行った。

図９Ａ〜Ｃは、本実証実験の結果を示す実験データである。また、図１０は風車の回転数と風速との関係をグラフ化したものであり、図１１は発電機の出力電力と風速との関係をグラフ化したものである。なお、図９Ａ〜Ｃにおいて示す集風翼の取り付け角度は、小数点以下を四捨五入し、整数で表示している。図９Ａにおいて「風車単体」の欄に示されるデータが、集風翼および拡散防止板を取り付けていない場合の実験データであり、その他の欄に示されるデータが、集風翼および拡散防止板を取り付け、集風翼の取り付け角度や風向きを調整した場合の実験データである。なお、「平均上昇率」とは、各風向の回転数や電力を平均化し、集風翼および拡散防止板を取り付けていない場合に対する相対的な上昇率を、集風翼の取り付け角度毎に百分率で示したものである。集風翼および拡散防止板を取り付けた場合、取り付けていない場合に比べ、図９Ａ〜Ｃの実験データや図１０〜１１のグラフが示すように、集風効果がほとんど無いと考えられる「風向０°」以外の場合は風車の回転数が増大し、また、発電機の出力電力が最大で１７０％程度（集風板タイプ５：集風翼取付角２３°：風向４５°：風速１０ｍ／ｓ）増加することが確認された。なお、周知のように、翼弦長が短くなるとレイノルズ数が小さくなるため、風車に揚力が十分に発生しなくなる。このため、本実験の実験データにおいては低い風速（例えば、風速６ｍ／ｓ）の場合に有意な効果が現れていない。しかし、例えば翼弦長が約４．５倍の実機を用いれば、レイノルズ数も約４．５倍となり、風速では約１／４．５の２．２ｍ／ｓ程度の風速から上記実施形態に係る風力発電システム１の効果が期待できる。

このように、上記実施形態に係る風力発電システム１であれば、発電効率の大幅な向上
が見込める。また、上記集風装置６を用いれば、集風により風が増速するため、プロペラ型の風車等に比べて始動性に劣る直線翼垂直軸風車に適用した場合に、始動する際に必要となる風の風速が遅くなり、始動性の改善も図られる。揚力型の風車であっても、回転が停止している際は抗力が作用することで始動する。一般に、物体の抗力はＦｄ＝ρｖ²Ａ
／２ｇで表されるため、受風面積比の二乗分に相当する始動風速の改善（低下）が可能になるためである。

また、発電装置の設備利用率は、実際の年間発電量を、定格出力で１年間発電し続けたと仮定した場合の年間発電量で除算することで算出される。すなわち、設備利用率は、設備能力に対する年間平均出力の比を示している。ここで、風車が得られる風力のエネルギーは、受風面積比の３乗に比例するので、上記集風装置６の設置により、風力発電設備の設備利用率が大幅に改善される。

また、上記集風装置６によれば、集風翼４の内部に四角柱架台９の骨材を挿通した状態での据付が可能であるため、構造的に強固なものにすることが可能であり、集風翼４が破損した場合でも周囲への破片の飛散を最小限に抑えることができる。

なお、上記第一実施形態は、本体部８を上下に複数段重ねたものであってもよい。本変形例に係る風力発電システム１’を図１２に示す。上記第一実施形態は、例えば図１２に示すように、回転軸が連結された２つの風車３を上下２段に構成してもよい。この場合、回転軸は、互いに連結されていてもよいが、それぞれ独立していてもよい。その場合は、各風車３に機械室７がそれぞれ連結されている必要がある。

また、上記第一実施形態では、４枚の集風翼で構成される場合を例に説明したが、集風翼は、風を風車に集めることが可能であれば何枚であってもよく、例えば、４〜６枚の範囲で適宜選択することも可能である。また、風車と集風翼との間の相対的な距離については特に言及しなかったが、集風効果に鑑みれば、風車の中心から集風翼までの距離は、風車の回転半径を２の平方根で乗算した値以下で且つ風車と集風翼とが接触しない距離以上であることが好ましい。

また、集風翼４の材質は、風雨等による外力に耐えられるものであればよく、例えば、鉄、アルミ等の金属や、複合材、木材、及びこれらの材料で構成される骨組みに合成繊維等で構成される布状のものを紐や接着剤等で接合したものであってもよい。また、拡散防止板５は、上述したような平板上のものに限定されるものでなく、例えば、風車３の上側には下方に向けて突出する凸状の球面形状の板を用い、風車３の下側には上方へ向けて突出する凸状の球面形状の板を用いることで集風効果を高めたものであっても良い。

また、上記風力発電システム１は、太陽電池パネルや内燃式のディーゼル発電機を併用し、風況や日射状況に応じて最適な発電方式に適宜切り替えるものであってもよい。このようなハイブリッド式の発電システムとすることで、電力が供給されない離島等においても安定的な電力供給を行うことが可能である。特に、上記風力発電システム１にこのような太陽電池パネルやディーゼル発電機を内置したものをパッケージとして提供すれば、ユーザは、最適な電源の選択等の判断を迫られること無く、容易に安定的な電源を確保することが可能となる。

＜第二実施形態＞以下、本発明の第二実施形態について説明する。図１３は、第二実施形態に係る風力発電システム２１の要部を示す斜視図である。図１３に示すように、風力発電システム２１は、風車翼２２を有する風車２３、及び集風翼２４を有する集風装置２６で構成される本体部２８と、本体部２８を支持するポール１５とを備える。なお、風車２３は、上述した第一実施形態に係る風車３と異なり、風車翼２２が３本で構成されて
いるものの、その他については、上述した第一実施形態に係る風車３と同様である。

以下、上述した第一実施形態と大きく異なる集風装置２６について説明する。図１３に示すように、本実施形態に係る集風装置２６は、上述した第一実施形態に係る集風装置６のように拡散防止板５が設けられておらず、集風翼４の先端が図１４に示すように翼弦長Ｃの０．５倍〜２．０倍の範囲内で折り曲げられたようになっている。本実施形態に係る集風翼２４は、長手方向と直交する基準線に対し、翼端部分が３０〜６０°の範囲内に折り曲げられている。なお、翼端部の折り曲げ方向は、風車２３の回転方向と反対側である。図１５は本実施形態に係る風力発電システム２１の上面図であり、図１６は正面図である。図１５や図１６に示すように、集風装置２６が有する４つの集風翼２４の各両端部は、風車２３の回転方向と反対側に折り曲げられている。この折り曲げられた部分に形成される拡散防止面２５’が、上述した第一実施形態の拡散防止面５’と同様の作用を奏する。

本実施形態によれば、各集風翼２４の翼端が折り曲げられているため、風が集風装置２６で風車２３に集風される際、風車２３の上側や下側へ拡散する風量が減るために集風効果が高くなり、結果的に発電効率が増す。なお、本実施形態は、集風翼２４の翼端が折り曲げられたようになっているが、例えば、図１７に示すように、翼端が末広がり状になっていてもよい。このような末広がり状の集風翼３４が、図１８や図１９に示すように風車２３の周囲に４つ配置されていても、上記各実施形態や各変形例と同様、風車２３の上側や下側へ拡散する風量を減らして集風効果を高め、発電効率が増すことができる。

なお、上記各実施形態や各変形例に係る集風装置は、上述したような揚力型の風車のみならず、例えばパドル型風車のような抗力型の風車等に対して適用することも可能である。

１，１’ ，２１・・風力発電システム
２，２２・・風車翼
３，２３・・風車
４，２４，３４・・集風翼
４’・・集風部
５・・拡散防止板
５’，２５’・・拡散防止面
６，２６・・集風装置
７・・機械室
８，２８・・本体部
９・・四角柱架台
１０・・制御盤
１１・・ブレーキコントローラ
１２・・ダミーロード
１３・・パワーコントローラ
１４・・インバータ
１５・・ポール

Claims

風車の回転軸が地面に対して略垂直に設置される、直線翼を有する揚力型の垂直軸風車に、風を集める集風装置であって、
前記垂直軸風車の周囲で林立し、翼面が該垂直軸風車から放射状に広がるように配置される板状の集風翼により、該垂直軸風車の周囲を通過する風を該垂直軸風車へ案内する流路を形成する集風部と、
風が前記垂直軸風車の回転軸方向へ拡散するのを防ぐ拡散防止面を、前記集風部が該垂直軸風車へ案内する風の流路の上下に形成する拡散防止部と、を備え、
前記集風部は、前記集風翼の翼面が、前記垂直軸風車から該垂直軸風車の回転方向に沿って放射状に広がるように配置されることにより、該垂直軸風車の周囲を通過する風を該垂直軸風車の直線翼の前縁に対向する側へ案内する風の流路を形成する、
集風装置。
前記拡散防止部は、前記垂直軸風車の上下に配置された、該垂直軸風車の回転軸と略直交する板状の拡散防止板で、前記拡散防止面を形成する、
請求項１に記載の集風装置。
前記拡散防止部は、前記集風翼の上下端から略側方に延在する部材で前記拡散防止面を形成する、
請求項１に記載の集風装置。
風車の回転軸が地面に対して略垂直に設置される、直線翼を有する揚力型の垂直軸風車と、
前記垂直軸風車の周囲で林立し、翼面が該垂直軸風車から放射状に広がるように配置される板状の集風翼により、該垂直軸風車の周囲を通過する風を該垂直軸風車へ案内する流路を形成する集風部と、
風が前記垂直軸風車の回転軸方向へ拡散するのを防ぐ拡散防止面を、前記集風部が該垂直軸風車へ案内する風の流路の上下に形成する拡散防止部と、を備え、
前記集風部は、前記集風翼の翼面が、前記垂直軸風車から該垂直軸風車の回転方向に沿って放射状に広がるように配置されることにより、該垂直軸風車の周囲を通過する風を該
垂直軸風車の直線翼の前縁に対向する側へ案内する風の流路を形成する、
風車装置。