WO2011142286A1 - 風洞体を備える水平軸型風力発電装置 - Google Patents

風洞体を備える水平軸型風力発電装置 Download PDF

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WO2011142286A1
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wind
sector
tunnel body
wind tunnel
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昇 望月
泰昌 平田
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Ｅ＆Ｅ株式会社
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/04—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a horizontal axis type wind power generator provided with a wind tunnel body for improving conversion efficiency when wind energy is converted into rotational torque of a windmill.
  • Wind turbines for wind power generation are broadly classified into vertical axis wind turbines with the main shaft oriented vertically and horizontal axis wind turbines with the main shaft oriented horizontally.
  • a so-called propeller type horizontal axis wind power generator occupies the mainstream.
  • Wind power generation is useful as a technical means for extracting electric energy from inexhaustible natural power along with solar power generation and hydroelectric power generation.
  • Japan where there is no stable wind environment suitable for wind power generation, there is a problem that the operating rate of wind power generation devices is low.
  • the conversion efficiency when converting wind energy into wind turbine rotation energy is stagnant at a low level of 40 to 50 percent. This is the reason why wind power generation is not regarded as important.
  • wind tunnel body 2 such as a wind collecting shroud
  • Other basic actions of this type of wind tunnel body 2 are an action of increasing the wind trapping effect and increasing the flow velocity of the trapped wind. That is, since the wind collecting shroud and the like are installed in a manner surrounding the windmill 1, the diameter of the front end opening 2C for taking in the wind from the windward direction F is larger than the diameter of the windmill 1, and when viewed from the wind Wind trapping action is obtained by enlarging the substantial diameter of the wind turbine 1.
  • the shape of the inner peripheral surface S2 of the wind tunnel body 2 such as a wind collecting shroud is usually formed in a shape in which the diameter is narrowed down in the first half of the length and the diameter increases toward the latter half of the length. 1 is installed immediately after the position where the aperture is most narrowed near the front end opening 2C. Wind from the windward is captured by the front projection area of the front end opening 2C, such as a wind collecting shroud, and rushes into the wind tunnel body 2 to increase the flow velocity at the narrowed portion and efficiently drive the windmill 1 However, it is smoothly discharged into the atmosphere from the rear end opening 2 ⁇ / b> D while the pressure is reduced in the latter half of the length where the diameter is expanded.
  • the improved wind collecting shroud includes a flange ring 2B protruding in an annular shape around the rear end opening 2D of the wind tunnel body 2 (described with reference to FIG. 6).
  • the flange ring 2B is formed so as to be directed in the radial direction with respect to the axis of the wind tunnel body 2. Therefore, the flange ring 2B viewed from the air flow flowing along the outer peripheral surface S1 of the wind tunnel body 2 is an unavoidable obstacle. It is.
  • the airflow flowing toward the rear end opening 2D along the outer peripheral surface S1 of the wind tunnel body 2 is blocked by the flange ring 2B, and the air pressure on the windward side of the flange ring 2B, that is, the front end opening 2C side is increased.
  • the flange ring 2B can enhance the effect of introducing the wind into the wind tunnel body 2 as one effect.
  • the air flow over the flange ring 2B cannot immediately flow backward, but forms a turbulent flow that wraps around the back surface of the flange ring 2B.
  • the air pressure in the vicinity of the end opening 2D is reduced.
  • the air inside the wind tunnel body 2 is pulled from the rear end opening 2D side.
  • Both the air introduction efficiency on the front end opening 2C side and the discharge efficiency on the rear end opening 2D side of the wind tunnel body 2 are improved by providing the flange ring 2B.
  • the wind tunnel body 2 is installed inside the wind tunnel body 2.
  • the efficiency of the windmill 1 can be greatly improved.
  • an increase in the wind resistance P due to the flange ring 2B blocking the air flow flowing along the outer peripheral surface S2 of the wind tunnel body 2 cannot be avoided.
  • a wind collecting shroud or the like having a flange ring at the rear end opening of the wind tunnel body is a technology for a small wind turbine, although it has been recognized that the above-described remarkable effects can be achieved in improving the efficiency of the wind turbine. It is said that it is difficult to apply this to a large windmill for the following reason.
  • wind power generators which are mechanical devices that handle fluids, have been refined to exhibit an extremely elegant and modern appearance due to the history of improvements since full-scale development.
  • the breakage accident from the base of the blade, the breakage accident of the tower, the collapse of the tower, etc. especially large-scale wind power generators generate a huge moment load from building technology, design technology, mechanical structure technology, It is a structure that pursues a limit balance point that has been forcedly pressed down depending on the overall strength such as material strength, and if this balance is lost, a major accident different from general buildings such as building buildings, for example, There is a possibility of triggering. In other words, it can be said that the structure has a small stability margin against disturbance load. Even if a sufficient stability margin is secured, it is always exposed to the risk of unnecessarily disturbing loads of unexpected magnitudes during climatic conditions such as tornadoes and typhoons. It can be said that.
  • the diameter of a wind turbine in a large-scale wind power generator that must pursue efficiency is on a scale ranging from 70 meters to 100 meters. If a wind tunnel body with a flange ring is attached to such a large-diameter wind turbine, an extremely large disturbance load element is attached to the wind turbine support structure. This is the reason why the flange ring type wind tunnel body cannot be applied to a large horizontal axis wind power generator.
  • a wind tunnel body with a flange ring has a structural necessity that the front projection area cannot be kept small due to the presence of the flange ring, especially how to deal with typhoons and other strong winds. Solving the problem is the subject of the present invention.
  • the side projection area of the windmill is increased by providing the wind tunnel body.
  • the wind turbine in the horizontal axis type wind power generation apparatus has a form in which almost no drag is generated depending on the cross wind. Therefore, the wind turbine has a margin of stability exceptionally with respect to the cross wind, and the wind turbine usually has the yaw. Since it is operated by controlling its posture in such a direction that it is not subjected to cross wind by the control, the size of the side projection area is not generally regarded as a problem.
  • an object of the present invention is to provide a flange ring with a flange ring so that it can be used as a wind tunnel body having a large effect of improving the efficiency of the wind turbine when the wind is weak.
  • An object of the present invention is to provide a horizontal axis type wind power generation apparatus including a wind tunnel body that can substantially eliminate the above.
  • a horizontal axis wind power generator equipped with a wind tunnel body of the present invention includes a horizontal axis wind turbine and a flange ring protruding radially around the rear end opening of the wind tunnel body.
  • the flange ring is formed as an assembly of divided sector flanges, and each sector flange is swingably connected to the wind tunnel body, and the sector flange is driven by the flange. It is characterized in that it is raised and lowered according to the wind speed through the member.
  • the horizontal axis type wind power generator provided with the wind tunnel body of the present invention includes a horizontal axis type windmill and a wind tunnel body.
  • the wind tunnel body includes a wind tunnel body and a flange ring, and the flange ring is formed in a radial direction around the rear end opening of the wind tunnel body, that is, in a posture to receive wind from the front.
  • the windmill is installed inside the wind tunnel body, and is rotationally driven by an air flow introduced from the front end opening of the wind tunnel body and discharged from the rear end opening.
  • the flange ring in the wind tunnel body is generally an integral structure member that is continuous in a ring shape, but the flange ring in the present invention is a divided structure composed of a set of sector flanges.
  • each sector flange constituting the flange ring is swingably connected to the wind tunnel main body via an arbitrary connecting member such as a hinge mechanism that enables a swing motion.
  • each swingable sector flange is driven negatively or positively by a flange driving member.
  • the flange driving member can arbitrarily position the sector flange in a range from an upright posture standing in the radial direction of the wind tunnel body to a tilting posture inclined along the axial direction of the wind tunnel body according to the wind speed. Specifically, this means that when the wind speed is low, the posture of the sector flange is set to an upright posture, and when the wind speed is high, the posture of the sector flange is set to a tilted posture.
  • the sector flange posture control range is a general range expressed based on the radial direction and the axial direction for the purpose of the present invention, and does not need to exactly match the radial direction or the axial direction.
  • the sector flange is tilted along the axial direction of the wind tunnel body, that is, the flange ring is extinguished, and the flange stands up in the radial direction.
  • the drag P received by the wind tunnel body is represented by P ⁇ Cd ⁇ A ⁇ V2 where A (m2) is the front projected area of the wind tunnel body and V (m / sec) is the wind speed.
  • the present invention can make use of this fact to make it possible to apply a wind tunnel body having a flange ring to a large horizontal axis wind power generator.
  • the wind tunnel body of the present invention contributes to improving the efficiency of the wind turbine as a wind tunnel body having no flange ring while suppressing the power increase of the drag P due to the wind by making the sector flange tilted in a strong wind.
  • the lost flange ring is restored by returning the tilted sector flange to the standing position, and the efficiency of the wind turbine is greatly increased as a highly efficient wind tunnel body with the flange ring. be able to.
  • the sector flange has an intermediate tilted posture between the standing posture and the tilted posture.
  • the wind drag P that is controlled and applied to the wind tunnel body is also suppressed to an intermediate value. In this case, the effect of improving the efficiency of the wind tunnel body by the flange ring can be enjoyed as long as it is.
  • the flange driving member is set with a posture holding driving force that maintains the standing posture of the sector flange against a predetermined wind pressure.
  • the sector flange forming the flange ring maintains the standing posture regardless of the change in the wind speed as long as the wind pressure does not reach the predetermined wind pressure by setting the posture holding driving force to the flange driving member.
  • the posture holding driving force referred to here is a load setting of the same type as the preload or preload setting for the spring member or the like, and a kind of insensitive range can be set for the spring member or the like. That is, the flange driving member does not operate within the set load range. Thereby, it is possible to eliminate a useless operation in which the sector flange is unnecessarily driven while the wind speed or the wind pressure is low.
  • the attitude holding driving force set for the flange driving member includes, for example, the size of the wind tunnel body, whether the wind tunnel body has an independent foundation, or is supported integrally with the wind turbine as an accessory of the wind turbine, etc. Considering the various conditions, the wind speed or the wind pressure that is expected to be sufficiently endured even when the sector flange is in the standing posture is set as a reference.
  • the flange driving member is an air cylinder or a hydraulic cylinder controlled at a constant pressure.
  • the spring force does not change according to the amount of deflection unlike a spring member
  • the sector flange is
  • the operating pressure set in the air cylinder or the hydraulic cylinder is kept constant regardless of the standing posture, the tilting posture, or the intermediate posture. Therefore, for example, even if a disturbance load due to turbulence or the like is applied to the sector flange, the flange drive member absorbs it up to the set pressure, thus preventing an abnormal load from being applied to the sector flange. can do.
  • a difference is set between the force and the posture holding driving force of the flange driving member with respect to the sector flange group at even positions.
  • the action of the flange ring in the wind tunnel body is to form a negative pressure region in the vicinity of the rear end opening of the wind tunnel body.
  • the formation mechanism of the negative pressure region at this time is based on a kind of air entrainment action. That is, the airflow that has passed over the flange ring, which is a protrusion, tends to flow away in the leeward direction. Moreover, the air flow discharged from the rear end opening of the wind tunnel body also tries to flow away in the leeward direction. These two air flows function so that air existing on the back surface of the flange ring is peeled off and entrained by the viscosity of the air.
  • a negative pressure region is created on the back surface of the flange ring, which appears as an effect of attracting air into the wind tunnel body.
  • air is entrained on the back surface of the flange ring. This is a result of the fact that the air entrainment cannot be completed, and does not cause a negative pressure region due to entrainment of air. .
  • region arises by such a mechanism, in order to produce a negative pressure area
  • each sector flange belonging to any one of the odd-numbered sector flange group and the even-numbered sector flange group forming the flange ring has a pair of left and right side edges protruding in the left-right direction.
  • all the sector flanges forming the flange ring are overlapped via the seal plate, and the posture holding drive force of the flange drive member belongs to the group that can fall in a direction away from the seal plate. It is preferable that the sector flange is set to be relatively small with respect to the posture holding driving force with respect to the sector flange belonging to another group.
  • the flange ring in the wind tunnel body is an assembly of a plurality of sector flanges.
  • each sector flange can be tilted.
  • air having a low viscosity as a fluid flows out of this gap, and a decrease in the efficiency of the flange ring due to air leakage cannot be ignored particularly in a low wind speed region.
  • the seal plate is attached to the left and right side edges of the sector flange belonging to either the odd group or the even group, and the adjacent sector flange is overlapped via the seal plate to prevent air leakage. is doing. Therefore, some of the sector flanges forming the flange ring are alternately provided with and without the seal plate.
  • the posture holding driving force of the flange drive member of the group sector flanges that can be changed to the tilted posture without damaging the seal plate is set to be relatively weak and tilted to the previous order.
  • the posture change of the sector flange is ordered so as to be the posture.
  • two sector flanges can be used as one set, or two or more sector flanges can be used as a set as a counting unit. That is, for example, when counting two sheets as one set, two adjacent sector flanges may be odd-numbered sector flanges or even-numbered sector flanges.
  • the present invention relates to a horizontal axis type wind power generator in which a wind tunnel body having a flange ring is attached to a horizontal axis type wind turbine to improve the efficiency of the wind turbine, and the flange ring is formed as an assembly of divided sector flanges.
  • each sector flange is connected to the wind tunnel body so that it can be tilted up and down, and the posture of the sector flange can be controlled according to the wind speed via the flange drive member. It can be used as a wind tunnel body having a large improvement effect, and in strong winds, the sector flange is tilted to substantially eliminate the flange ring, and is used as a normal wind tunnel body having no flange ring with a small Cd value. Large wind tunnels that could not be realized in the past due to the magnitude of the wind drag generated in the flange ring during strong winds It is possible to provide a horizontal axis wind turbine generator comprising a.
  • FIG. 1 It is a front view showing typically an embodiment of a horizontal axis type wind power generator provided with a wind tunnel body of the present invention. It is a longitudinal cross-sectional view of the horizontal axis type wind power generator shown in FIG. It is operation
  • FIGS. 1 to 5 a horizontal axis type wind power generator provided with a wind tunnel body according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings (FIGS. 1 to 5).
  • the horizontal axis wind power generator of the present invention comprises a windmill 10 and a wind tunnel body 20 (FIG. 1).
  • the windmill 10 has a configuration of a general horizontal axis type windmill in which three blades 13 are attached to the main shaft 11 via the hub 12. Since the present invention aims to apply the high-efficiency wind tunnel body 20 to the large windmill 10, the diameter of the windmill 10 is expected to exceed approximately 50 meters.
  • the windmill 10 and the wind tunnel body 20 are usually mounted on the same yaw control mechanism 50 and change their postures together.
  • the main part of the present invention is not the windmill 10 but the wind tunnel body 20 having the flange ring 23 that can be raised and lowered. That is, the wind tunnel body 20 includes a wind tunnel body 21 and a flange ring 23, and the flange ring 23 has a unique configuration including an assembly of a number of sector flanges 22 (FIGS. 1 and 2).
  • the rotating surface of the windmill 10 is vertical, and the wind tunnel body 21 in the wind tunnel body 20 is centered on the main shaft 11 of the windmill 10 and surrounds the windmill 10 along a locus circle drawn by the tip of the blades 13 of the windmill 10. It is a short cylindrical structure to be arranged.
  • Wind power generators have a lot in common with the structure and concept of aircraft from the common point of handling wind power, and the mechanical structure of the wind tunnel body 21 in the wind tunnel body 20 is similar to the structure of an aircraft wing.
  • the outer peripheral surface 21 ⁇ / b> A of the wind tunnel body 21 in a cross-sectional view is substantially linear, and it can be said that the influence of the shape of this portion on the function of the wind tunnel body 20 is not large.
  • the inner peripheral surface 21B in the cross-sectional view of the wind tunnel body 21 is formed as a convex surface that bends smoothly or in stages, and is configured such that the diameter of the front end opening 20F of the wind tunnel body 21 is narrowed inside. .
  • Such a constricted shape of the inner peripheral surface 21 ⁇ / b> B is a characteristic of the wind tunnel body 20.
  • the curved surface shape of the inner peripheral surface 21B of the wind tunnel main body 21 only a basic theory and a general shape that is preferable are known. There is no established theory for deriving an ideal shape for each wind turbine 10, and a demonstration model is exclusively used. It will be determined by the wind tunnel experiment used. This is the same in the present embodiment. However, although the shape of the inner peripheral surface 21B of the wind tunnel body 21 has such an esoteric surface, in reality, when the diameter is once reduced inside the wind tunnel body 21 and enlarged again on the rear end opening 20B side. If the shape meets the requirements, it has a rough aspect of exerting a temporary effect.
  • a plurality of sector flanges 22, which collectively form a flange ring 23, are swingably connected to the wind tunnel body 21 via independent hinge mechanisms 30 in an arrangement surrounding the rear end opening 20 ⁇ / b> B of the wind tunnel body 21.
  • the swing range of each sector flange 22 is generally the up / down operation range of the sector flanges 22.
  • the standing posture refers to a posture in which the sector flange 22 faces in the radial direction of the wind tunnel main body 21
  • the tilted posture refers to a posture in which the sector flange 22 faces in the direction of the central axis 20 ⁇ / b> A of the wind tunnel main body 21.
  • Each of the sector flanges 22 is a plane obtained by dividing the flange into equal angular intervals when assuming an annular flange integrally formed radially around the rear end opening 20B of the wind tunnel body 21.
  • the annular flange ring 23 can be formed in the standing posture (FIG. 1).
  • a gap for avoiding operational interference is set between adjacent sector flanges 22.
  • Each sector flange 22 is provided with a hinge joint 32, a flange driving member 31, and a truss arm 35 as swing joints (FIGS. 1 to 3).
  • the hinge joint 32 has a function of linking the sector flanges 22 and the wind tunnel body 21 so as to be swingable within an angle range of at least about 90 degrees.
  • the hinge joint 32 suffices, for example, to have a structure equivalent to a hinge fitting for a door, but is used for connecting a cloth hinge that does not have a clear fulcrum and uses the flexibility of the material, and a flat belt for power transmission.
  • a comb hinge or the like can also be used.
  • the flange drive member 31 is an actuator that gives a specific posture to each sector flange 22 that does not have a self-supporting posture when connected to the wind tunnel body 21 (FIG. 3).
  • the truss arm 35 is a moment arm for converting the output of the flange driving member 31 into torque, which is made of a thin pipe material configured in a pyramid shape.
  • the flange drive member 31 in the present embodiment is an air cylinder using an air compressor (not shown) as an air source, and a large number of air cylinders corresponding to the sector flanges 22 are driven by a common air source.
  • the cylinder rear end of the air cylinder is connected to the outer peripheral surface of the wind tunnel body 21 through a dedicated bracket, and the tip of the operating rod is connected to the apex position of the truss arm 35 fixed to each sector flange 22. .
  • Each sector flange 22 takes an upright posture when the working rod of the air cylinder, which is the flange driving member 31, retreats, and takes a tilted posture by the forward movement of the working rod (see the two-dot chain line in FIG. 3).
  • the flange driving member 31 is set with a predetermined posture holding driving force, and is controlled at a constant pressure so as to maintain the set posture holding driving force.
  • the content of the posture holding driving force is a driving force in a direction to maintain the sector flanges 22 in the standing posture. That is, the driving force is directed to retract the operating rod of the air cylinder.
  • An annular flange ring 23 is formed around the rear end opening 20B of the wind tunnel main body 21 by a large number of sector flanges 22 taking an upright posture (FIGS. 1 and 3).
  • the wind tunnel body 20 In the wind tunnel body 20 yaw-controlled in the windward direction F, the wind from the windward direction F acts on the flange ring 23, and the wind tunnel body 20 is effectively used as the wind tunnel body 20 including the flange ring 23. It can contribute to the improvement of efficiency.
  • the sector flanges 22 tilt at the same time. The operation is started, and the wind tunnel body 20 functions so as not to generate wind drag more than a set value.
  • the wind drag P is expressed by P ⁇ Cd ⁇ A ⁇ V2 where A (m2) is the front projected area of the wind tunnel body and V (m / sec) is the wind speed. From this equation, the wind drag of wind speed 25 m / sec is 4.3 P, the wind drag of 60 m / sec is 25 P, and the wind speed is 80 m / sec. The wind drag of sec reaches 45P, 45 times.
  • a general drag coefficient Cd value of a wind tunnel body that does not include the flange ring 23 is about 0.06. That is, the drag coefficient Cd value differs by 10 times between the case where the sector flanges 22 are in the standing posture and the case where the sector flange 22 is in the tilted posture.
  • the wind receiving area of the wind tunnel body 20 depends on the area of the flange ring 23.
  • Each sector flange 22 is not an alternative operation of standing posture and tilting posture, but is generated in the posture holding driving force and the sector flange 22 which are set in the flange driving member 31 according to the wind speed at that time. It operates to take an inclined posture when the wind resistance balances. Further, the effect of the flange ring 23 remains so as to correspond to the inclined posture of the sector flanges 22.
  • a gap set between a plurality of adjacent sector flanges 22 is provided with a tape-like or belt-like seal plate 24 made of a flexible material such as a rubber plate at the side edge of each sector flange 22. It can be attached and closed (FIG. 4).
  • the flange ring 23 including the seal plates 24 as described above includes the posture holding drive force set on the flange drive member 31 corresponding to the sector flange 22 including the seal plates 24 and 24, and the seal plates 24 and 24.
  • the posture holding drive force of the flange drive member 31 of the sector flange 22... Group having the seal plates 24 is set weak.
  • the sector flanges 22 having the seal plates 24 are defined as the even-numbered sector flanges 22...
  • the posture holding driving force is set to be weak.
  • the even-numbered sector flanges 22... Start the tilting operation (FIG. 4B). In other words, the adjacent sector flanges 22 at odd positions are moved away from the seal plates 24, and no force is applied to the seal plates 24.
  • the remaining sector flanges 22... At the odd-numbered positions start a tilting operation and follow-up operation so as to partially overlap the preceding sector flanges 22.
  • the tilting operations of the plurality of sector flanges 22 can be ordered in order and the operation interference of the adjacent sector flanges 22 can be avoided.
  • the ordering in the raising / lowering operation of the sector flanges 22 as described above according to the manner of setting the posture holding driving force of the flange drive member 31 avoids interference between the sector flanges 22 even in the flange ring where the seal plate 24 is not provided. This is because the gap set between the adjacent sector flanges 22 can be minimized.
  • an air cylinder is adopted as the flange drive member 31.
  • the posture of the sector flange 22 is elastically controlled using a hydraulic cylinder as in the case of the air cylinder.
  • the sector flanges 22 can be driven using a screw feed mechanism such as a screw jack. In this case, it is preferable to realize a gentle operation with respect to the sector flanges 22 by interposing a shock absorber or the like between the screw jack and the sector flanges 22.
  • the horizontal axis type wind power generator provided with the wind tunnel body of the present invention greatly reduces the burden on the tower and other supporting members even when applied to the small-diameter wind turbine 10 as compared with the case provided with a fixed flange ring. A significant effect can be achieved.
  • the present invention can be used as a wind tunnel body having a large efficiency improvement effect for a wind turbine by providing a flange ring when the wind is weak, and in a strong wind, the sector ring is substantially tilted to make the flange ring substantially tilted.
  • the present invention relates to a horizontal axis wind power generator having a wind tunnel body that can be eliminated, and has industrial applicability.

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Abstract

　水平軸型風力発電装置において、大型の風車には適用が困難であるとされてきたフランジ環付きの風洞体を採用した大型の風力発電装置を提供する。　水平軸型の風車１０をフランジ環２３を備える風洞体２０によって取り囲む。風洞体２０におけるフランジ環２３は、風洞本体２１の後端開口２０Ｂの周囲に径方向に円環状に突出し、したがって風洞体２０の口径が大口径である場合は、特に強風時において巨大な抗力を生じさせることとなる。そこで、フランジ環２３を分割構造の多数のセクタフランジ２２…の集合体として形成するとともに、各セクタフランジ２２を定圧に制御したエアシリンダ３１を介して起倒自在とし、所定風速以上の風に対しては、各セクタフランジ２２が傾倒姿勢となる。

Description

風洞体を備える水平軸型風力発電装置
　本発明は、風エネルギーを風車の回転トルクに変換する際の変換効率を改善するための風洞体を備える水平軸型風力発電装置に関する。
　風力発電用の風車には、大きく分類して主軸を上下方向に向けて配置する垂直軸型風車と、主軸を水平方向に向けて配置する水平軸型風車とがあるが、事業用途の風力発電装置としては、いわゆるプロペラ型と称する水平軸型風力発電装置が主流を占める。
　風力発電は、太陽光発電、水力発電と並んで無尽蔵の自然力から電気エネルギーを取り出す技術手段として有用である。しかし、風力発電に適する安定な風環境に恵まれないわが国においては、風力発電装置の稼働率が低いという問題がある。また、稼働率の問題とは別に、風力発電装置に共通する一般論として、風のエネルギーを風車の回転エネルギーに変換する際の変換効率が４０ないし５０パーセントという低いレベルに低迷していることも風力発電が重要視されない原因となっている。
　わが国における風力発電装置の稼働率をいかにして向上させるかは、風力発電に適するとされる風速領域に加え、その前後に位置付けられるより低風速領域とより高風速領域の風をいかに利用することができるかにかかる問題であるといえる。また、風力発電装置のエネルギー変換効率の低迷問題については、従来、風車の大径化による効率改善対策が採用されているところであるが、風力発電を導入するにしても常に大型の風車を採用することができる設置条件が整うものではない。
　この問題に関し、主軸１Ａを水平方向にして設置される水平軸型の風車１を取り囲むように集風シュラウド等と称する風制御用の風洞体２を設置することによって、風車１のエネルギー変換効率を改善するとともに、より低風速領域の風を有効に活用することができるようにする技術が知られている（図６参照、下記、特許文献１ないし４参照）。なお、主軸１Ａには、ハブ１Ｈを介して複数枚のブレード１Ｂ…が放射方向に取り付けられ、風車１は、ブレード１Ｂ…の回転面をほぼ鉛直面に一致させる姿勢で運転される。
集風シュラウド等、その他この種の風洞体２の基本的作用は、風の捕捉効果の増大と、捕捉した風の流速を増す作用である。すなわち、集風シュラウド等は、風車１を取り囲む態様で設置されることから、風上方向Ｆからの風を取り込む前端開口２Ｃの口径は風車１の口径より大径であり、風から見た際の風車１の実質的口径を拡大したような風捕捉作用がある。
また、集風シュラウド等の風洞体２の内周面Ｓ２の形状は、通常、長さ前半部の内部で口径が絞り込まれ、長さ後半部に向かって口径が拡大する形状に形成され、風車１は、前端開口２Ｃ寄りの最も口径が絞られた位置の直後に設置される。風上からの風は、集風シュラウド等の前端開口２Ｃの前面投影面積相当で捕捉されて風洞体２の内部に突入し、口径が絞られた部分で流速を増して効率よく風車１を駆動し、口径が開拡する長さ後半部で圧力低下しながら後端開口２Ｄから円滑に大気中に排出される。これが集風シュラウド等の基本的作用である。なお、集風シュラウド等による風車１の効率改善効果は、これを備えない風車に対して、１５０パーセントないし２００パーセントに及ぶとの実験的データが知られている。
　このような集風シュラウドには、さらに、効率を改善した改良型が知られている（下記、特許文献１参照）。改良型の集風シュラウドは、風洞体２の後端開口２Ｄの周囲に円環状に突出するフランジ環２Ｂを備える（上記図６を用いて説明する。）。フランジ環２Ｂは、風洞体２の軸に対して径方向を向けて形成されており、したがって、風洞体２の外周面Ｓ１に沿って流れる空気流からみたフランジ環２Ｂは、避けられない障害物である。
　風洞体２の外周面Ｓ１に沿って後端開口２Ｄに向かって流れる空気流は、フランジ環２Ｂによって堰き止められ、フランジ環２Ｂの風上側、つまり前端開口２Ｃ側の気圧を上昇させる。この結果、風上側からの風は、相対的に圧力の低い風洞体２の内部により多く流入することとなる。つまり、フランジ環２Ｂの存在によって、一つの作用効果として、風洞体２内への風の導入効果が高められることが挙げられる。
一方、フランジ環２Ｂの背面側では、フランジ環２Ｂを乗り越えた空気流が直ちに後方に流れ去ることができずに、フランジ環２Ｂの背面に巻き込むような乱流を形成し、風洞体２の後端開口２Ｄ近傍の気圧を低下させる。この結果、風洞体２の内部の空気は、後端開口２Ｄ側から牽引されることとなる。つまり、他の作用効果として、フランジ環２Ｂが作り出す負圧によって風洞体２の内部への風の呼び込み効果及び排出効率が高められること挙げられる。このような、風洞体２の前端開口２Ｃ側における空気の導入効率と後端開口２Ｄ側における排出効率とがともにフランジ環２Ｂを設けることによって改善され、結果として風洞体２の内部に設置された風車１の効率を大きく向上させることができる。ただし、フランジ環２Ｂが風洞体２の外周面Ｓ２に沿って流れる空気流を阻止することによる風抗力Ｐの増大は、避けることができない。
特許第３６２１９７５号公報 特開２００６‐１４４７０１号公報 特開２００２-２８５９４８号公報 特開２００９‐１８５８０６号公報
　上記風洞体の後端開口にフランジ環を備える集風シュラウド等は、風車の効率改善において上記のように顕著な効果を奏することが認められているものの、専ら小型の風車用の技術であり、これを大型の風車に適用することは、次のような理由により困難であるとされている。
　すなわち、流体を扱う機械装置である風力発電装置は、本格的開発以来の改良の歴史によって極めて流麗で近代的な外観を呈するように洗練されている。しかし、ブレードの基部からの折損事故、タワーの折損事故、タワーの倒壊事故等に示唆されるように、特に大型の風力発電装置は、巨大なモーメント荷重を建築技術、設計技術、機械構造技術や材料強度等の総合力に依存して強引に押さえ込んだ限界的バランス点を追及した構造物であり、このバランスが失われるとすれば、例えばビル建築物等の一般建築物とは異なる大きな事故を惹起する可能性をはらんでいる。換言すれば、外乱荷重に対する安定性マージンが少ない構造物といえる。また、仮に安定性マージンが十分に確保されているとしても、竜巻や台風の到来時等の以上気候時において、予測を超える大きさの未必的な外乱性荷重が負荷される危険に常時さらされていると言える。
　効率を追求せざるを得ない大型の風力発電装置における風車の口径は、７０メートル級から１００メートル級に及ぶ規模となっている。このような大口径の風車にフランジ環付きの風洞体を付属させるとすれば、風車支持構造に極めて大きな外乱荷重要素を付属させる結果となる。これが大型の水平軸型風力発電装置にフランジ環型の風洞体を適用することができない理由である。フランジ環付きの風洞体は、フランジ環の存在によって前面投影面積を小さく抑えることができないという構造必然性があり、特に台風その他の強風時にどのように対処するのかということが問題になるのであり、この問題を解決することが本発明の課題である。
　なお、風洞体は、口径に応じた一定の長さを必要とすることから、風洞体を設けることによって風車の側面投影面積も増大することとなる。しかし、水平軸型の風力発電装置における風車は、横風によってはほとんど抗力を生じない形態であり、したがって、横風に対しては例外的に安定性マージンに余裕があるとともに、通常、風車は、ヨー制御によって横風を受けない向きに姿勢制御して運転されることから、側面投影面積の大小に付いては一般的にも問題視されていない。
　そこで、本発明の目的は、弱風時には、フランジ環を備えることによって風車に対する効率改善効果の大きい形式の風洞体として利用することができるとともに、強風時においては、セクタフランジを傾倒姿勢としてフランジ環を実質的に消失させることができる風洞体を備える水平軸型風力発電装置を提供することにある。
　上記目的を達成するための本発明の風洞体を備える水平軸型風力発電装置は、水平軸型の風車と、風洞本体の後端開口の周囲に径方向に突出するフランジ環を有し風車を取り囲む風洞体とを備える水平軸型風力発電装置において、フランジ環を分割構造のセクタフランジの集合体として形成するとともに、各セクタフランジを風洞本体に揺動自在に連結し、このセクタフランジをフランジ駆動部材を介して風速に応じて起倒動作させることを特徴とする。
　本発明の風洞体を備える水平軸型風力発電装置は、水平軸型の風車と風洞体とからなる。風洞体は、風洞本体とフランジ環とからなり、フランジ環は風洞本体の後端開口の周囲に径方向に、つまり、風を正面から受ける姿勢に形成されている。風車は風洞本体の内部に設置され、風洞本体の前端開口から導入され後端開口から排出される空気流によって回転駆動される。
風洞体におけるフランジ環は、一般的にはリング状に連続するように一体構造部材であるが、本発明におけるフランジ環は、セクタフランジの集合からなる分割構造である。また、フランジ環を構成する各セクタフランジは、首振り動作を可能とするヒンジ機構等の任意の連結部材を介して風洞本体に揺動自在に連結されている。また、揺動自在の各セクタフランジは、フランジ駆動部材によって消極的にまたは積極的に駆動される。
　上記フランジ駆動部材は、セクタフランジの姿勢を風速に応じて風洞本体の径方向に起立する起立姿勢から風洞本体の軸方向に沿って傾く傾倒姿勢に至る範囲で任意に位置決めすることができる。これは、具体的には、風速が小さい場合にセクタフランジの姿勢を直立姿勢とし、風速が大きい場合にセクタフランジの姿勢を傾倒姿勢とし、その中間も制御範囲であるとの意味である。なお、セクタフランジの姿勢制御範囲については、本発明の趣旨から、径方向や軸方向を基準として概ねの範囲を表現したものであって、厳密に径方向や軸方向に一致する必要はない。
このような揺動自在のフランジ環を備える風洞体においては、セクタフランジが風洞本体の軸方向に沿って傾倒姿勢となった状態、いわばフランジ環が消滅した状態と、径方向に起立してフランジ環を形成した状態とで、風洞体の前面投影面積及び風の抗力係数Ｃｄ値を大きく変化させることができる。風洞体が受ける抗力Ｐは、風洞体の前面投影面積をＡ（ｍ２）、風速をＶ（ｍ／ｓｅｃ）とするとき、Ｐ∝  Ｃｄ×Ａ×Ｖ２で示される。
本発明は、このことを利用して大型の水平軸型風力発電装置にフランジ環を備える風洞体を適用可能とすることができる。そして、本発明の風洞体は、強風時においてはセクタフランジを傾倒姿勢とすることにより、風による抗力Ｐの累乗的増大を抑えながらフランジ環を有しない風洞体として風車の効率改善に寄与することができるとともに、低風速時においては、傾倒姿勢となったセクタフランジを起立姿勢に復帰させることによって消失したフランジ環を再現し、フランジ環を備える高効率の風洞体として風車の効率を大幅に高めることができる。
さらに、風速がセクタフランジを起立姿勢とする風速と、セクタフランジを傾倒姿勢とする風速との中間の風速領域である場合には、セクタフランジは、起立姿勢と傾倒姿勢との中間の傾斜姿勢に制御され、風洞体に負荷されることとなる風の抗力Ｐも中間的な値に抑えられる。この場合、フランジ環による風洞体の効率改善効果もその限りにおいて享受することができる。
　本発明としては、フランジ駆動部材に、セクタフランジの起立姿勢を設定された所定の風圧に抗して維持する姿勢保持駆動力が設定されていることが好ましい。
　本発明によれば、フランジ環を形成するセクタフランジは、フランジ駆動部材に姿勢保持駆動力が設定されていることによって、風圧が所定の風圧に至らない間は風速変化にかかわらず起立姿勢を維持するように駆動される。ここで言う姿勢保持駆動力は、バネ部材等に対するプレロードないし予荷重の設定と同種の荷重設定であり、バネ部材等に対して一種の不感範囲を設定することができる。つまり、フランジ駆動部材は、設定された荷重の範囲内では動作しない。これによって、風速又は風圧が小さい間にセクタフランジが不必要に駆動される無駄な動作を排除することができる。
　なお、フランジ駆動部材に設定する姿勢保持駆動力は、例えば、風洞体の規模や、風洞体が独立の基礎を有するか、あるいは風車の付属物として風車と一体に支持されているのか等、その他、もろもろの条件に配慮して、セクタフランジを起立姿勢としておいても十分に耐えられると見込まれる風速ないし風圧を基準に設定されることとなる。
　本発明としては、フランジ駆動部材が、定圧制御されたエアシリンダまたは油圧シリンダであることが好ましい。
　本発明によれば、セクタフランジの姿勢が定圧制御されたエアシリンダ又は油圧シリンダによって制御される場合、例えば、バネ部材のようにたわみ量に従ってバネ力が変化するようなことはなく、セクタフランジが起立姿勢であっても傾倒姿勢であっても中間姿勢であっても、エアシリンダまたは油圧シリンダに設定された作動圧力は一定に維持される。したがって、例えば、乱気流等による外乱性の荷重がセクタフランジに負荷されても、フランジ駆動部材が設定された圧力を限度としてこれを吸収してしまうので、セクタフランジに異常な荷重が加わる事態を防止することができる。
ここで、フランジ駆動部材にエアシリンダを用いる場合と油圧シリンダを用いる場合とでは、これらのアクチュエータを同じく定圧制御する場合においても、エアシリンダを用いる方が風力発電装置においては有利である。自然力を扱う風力発電装置においては、乱気流の発生等の外乱荷重要素を排除することができないことから、作動流体に弾性体である空気を使用し、外乱荷重を即時に吸収することができるエアシリンダの性質が有利に機能する。なお、油圧シリンダを用いる場合で合っても、油圧変動を吸収する高感度のアキュムレータを介して定圧制御することによりエアシリンダと同等の外乱荷重吸収性能を実現することができる。
　本発明としては、解決手段２または解決手段３に記載の発明を基本発明として、フランジ環を形成するいずれか一のセクタフランジを基準とする奇数位置のセクタフランジ群に対するフランジ駆動部材の姿勢保持駆動力と、偶数位置のセクタフランジ群に対するフランジ駆動部材の姿勢保持駆動力との間に差異が設定されていることを特徴とする。
　本発明によれば、風洞体におけるフランジ環の作用は、風洞本体の後端開口の近傍に負圧領域を形成することである。この際の負圧領域の形成メカニズムは、一種の空気の連行作用による。つまり、突出物であるフランジ環を乗り越えた空気流は、そのまま風下方向に流れ去ろうとする。また、風洞本体の後端開口から排出された空気流も、そのまま風下方向に流れ去ろうとする。これら２系統の空気流は、いずれも空気の粘性によってフランジ環の背面に存在する空気を引き剥がして連行するように機能する。これによってフランジ環の背面に負圧領域が生じ、風洞本体内部への空気の呼び込み効果となって現れる。実際には、フランジ環の背面に空気の巻き込みが生じるが、このことは、空気の連行動作が完全であり得ないことによる結果現象であって、空気の巻き込みによって負圧領域が生じるものではない。そして、負圧領域がこのようなメカニズムによって生じることから、負圧領域を生じさせるためにはフランジ環が連続した円環状である必要はなく、部分的に存在することをもって足りる。
　そこで、上記発明のように、フランジ環を形成している奇数位置のセクタフランジ群に対するフランジ駆動部材の姿勢保持駆動力と、偶数位置のセクタフランジ群に対するフランジ駆動部材の姿勢保持駆動力との間に差異を設定しておくことによって、一群のセクタフランジを傾倒姿勢として風洞体全体に加わる抗力を安全範囲にとどめながら、起立姿勢で残る群のセクタフランジによる負圧作用を利用して風洞体の効率を改善するという中間的な動作を可能とすることができる。なお、奇数位置及び偶数位置は、多数のセクタフランジに対する単なる区別用概念であり、これらを入れ替えて認識しても同じことである。
　本発明としては、フランジ環を形成する奇数位置のセクタフランジ群と偶数位置のセクタフランジ群とのいずれか一方の群に属する各セクタフランジが、左右の側縁部に左右方向に突出する一対のシールプレートを備えるとともに、フランジ環を形成する全数のセクタフランジがシールプレートを介してオーバラップしており、フランジ駆動部材の姿勢保持駆動力は、シールプレートから離れる向きに倒れることができる群に属するセクタフランジについて、他の群に属するセクタフランジに対する姿勢保持駆動力に対して相対的に小さく設定されていることが好ましい。
　本発明によれば、風洞体におけるフランジ環は、複数のセクタフランジの集合体である。しかも、各セクタフランジは起倒動作をすることができる。各セクタフランジに個別の動作をさせる場合、隣接するセクタフランジ間には、干渉を避けるためのギャップを設定する必要がある。しかし、流体としての粘性が小さい空気は、このギャップから流出し、特に低風速領域において空気の漏出によるフランジ環の効率低下が無視できない。
　上記発明は、奇数群または偶数群のいずれかの群に属するセクタフランジの左右の側縁部にシールプレートを取り付け、隣接するセクタフランジをシールプレートを介してオーバラップさせることによって空気の漏出を防止している。したがって、フランジ環を形成しているセクタフランジの中にはシールプレートを備えるものと備えないものが交互に存在する。この場合、重なり合いの順序によって独立して起立姿勢から傾倒姿勢に姿勢変化可能なセクタフランジ群と、隣接するセクタフランジと共でない限り姿勢変化できないセクタフランジの群が生じる。この差異は、姿勢変化がシールプレートに密着する方向であるか、離れる向きであるかの差異によって生じる。そこで、上記発明は、両群のセクタフランジにおいて、シールプレートを破損することなく傾倒姿勢に変化できる群のセクタフランジのフランジ駆動部材の姿勢保持駆動力を相対的に弱く設定し、先順位に傾倒姿勢となるようにセクタフランジの姿勢変化を順序付けている。
　上記構成における奇数位置および偶数位置の表現に関しては、２枚のセクタフランジを１組として、又は、２枚以上のセクタフランジを１組として計数単位とすることができるものとする。つまり、例えば、２枚を１組として計数する場合には、隣接する２枚のセクタフランジがいずれも奇数位置のセクタフランジであり、または偶数位置のセクタフランジであることがある。
　本発明は、水平軸型の風車にフランジ環を備える風洞体を取り付けて風車の効率を改善するようにしてなる水平軸型風力発電装置において、フランジ環を分割構造のセクタフランジの集合体として形成するとともに、各セクタフランジを風洞本体に起倒自在に連結し、このセクタフランジをフランジ駆動部材を介して風速に応じて姿勢制御可能としたことによって、弱風時には、フランジ環を備える風車の効率改善効果の大きい風洞体として利用することができるとともに、強風時においては、セクタフランジを傾倒姿勢としてフランジ環を実質的に消失させ、Ｃｄ値が小さなフランジ環を有しない通常の風洞体として利用することができるので、強風時にフランジ環に発生する風抗力の大きさに起因して従来実現できなかった大型の風洞体を備える水平軸型風力発電装置を提供することが可能である。
本発明の風洞体を備える水平軸型風力発電装置の一実施の形態を模式的に示す正面図である。 図１に示す水平軸型風力発電装置の縦断面図である。 図１に示す水平軸型風力発電装置の要部の動作説明図である。 図１に示す水平軸型風力発電装置の要部の動作説明図である。 図１に示す水平軸型風力発電装置の動作後の正面図である。 従来の風洞体を備える水平軸型風力発電装置の代表的形態を模式的に示す縦断面図である。
　以下、本発明の一実施形態に係る風洞体を備える水平軸型風力発電装置を図面を引用しながら説明する（図１ないし図５）。
　本発明の水平軸型風力発電装置は、風車１０と風洞体２０とからなる（図１）。風車１０は、３枚のブレード１３…をハブ１２を介して主軸１１に取り付けてなる一般的な水平軸型風車の構成である。本発明は、大型の風車１０に高効率の風洞体２０を適用することを目的とすることから風車１０の口径規模としては、概ね５０メートルを超えるサイズが予定されている。風車１０と風洞体２０とは、通常同一のヨー制御機構５０に搭載され、姿勢変化を共にする。
　本発明の主要部は、風車１０ではなく起倒自在のフランジ環２３を備える風洞体２０にある。すなわち、風洞体２０は、風洞本体２１とフランジ環２３とからなり、フランジ環２３は多数のセクタフランジ２２…の集合体からなる特異な構成である（図１，図２）。
　風車１０の回転面は垂直方向であり、風洞体２０における風洞本体２１は風車１０の主軸１１を中心とし、風車１０のブレード１３…の先端部が描く軌跡円に沿って風車１０を取り囲むように配置される短筒状の構造体である。
　風力発電装置は、風力を扱うという共通点から航空機の構造や考え方との共通点が多く、風洞体２０における風洞本体２１の機械構造は、航空機の翼の構造に類似する。断面視における風洞本体２１の外周面２１Ａは、略直線状であり、この部分の形状が風洞体２０の機能に及ぼす影響力は、大きくないといえる。一方、風洞本体２１の断面視における内周面２１Ｂは、円滑に屈曲するまたは段階的に屈曲する凸面に形成され、風洞本体２１の前端開口２０Ｆの口径が内部において絞り込まれるように構成されている。このような、内周面２１Ｂのくびれ形状が風洞体２０の特徴である。
　風洞本体２１の内周面２１Ｂの曲面形状に関しては、基本理論と好ましいとされる概ねの形状が知られているのみで、風車１０ごとに理想形状を導くような定説はなく、専ら実証モデルを用いた風洞実験等によって決定されることになる。この点は、本実施の形態においても同様である。ただし、風洞本体２１の内周面２１Ｂの形状は、このように難解な面を持ちながらも、現実には、風洞本体２１の内部で口径が一旦絞られて後端開口２０Ｂ側で再び拡大すると言う要件を充足する形状であれば、一応の効果を発揮するというおおらかな一面を併せ持つ。
　集合してフランジ環２３を形成する多数枚のセクタフランジ２２…は、風洞本体２１の後端開口２０Ｂの周囲を取り巻く配列で各々独立のヒンジ機構３０を介して風洞本体２１に揺動自在に連結されている（図３）。ここで、各セクタフランジ２２の揺動範囲は、概ね、セクタフランジ２２…の起倒動作範囲である。この際の起立姿勢とは、セクタフランジ２２が風洞本体２１の径方向に向く姿勢をいい、傾倒姿勢とは、セクタフランジ２２が、風洞本体２１の中心軸２０Ａの方向に向く姿勢を示す。
　各セクタフランジ２２…は、風洞本体２１の後端開口２０Ｂの周囲に径方向に向けて一体的に形成された環状のフランジを仮定した場合に、このフランジを等角度間隔に分割したような平面形状に形成され、したがって、起立姿勢としたときにおいて円環状のフランジ環２３を形成することができる（図１）。ただし、互いに隣接するセクタフランジ２２…間には、動作上の干渉を避けるための隙間が設定されている。
　各セクタフランジ２２には、揺動継ぎ手であるヒンジジョイント３２とフランジ駆動部材３１とトラスアーム３５とが付属する（図１ないし図３）。ヒンジジョイント３２は、各セクタフランジ２２…と風洞本体２１とを少なくとも９０度程度の角度範囲内で揺動自在に連結する機能を有する。ヒンジジョイント３２は、例えば、ドア用のヒンジ金具と同等の構造で足りるが、明確な支点を有さず素材の可撓性を利用する布ヒンジや、動力伝達用の平ベルトの連結に用いられる櫛形ヒンジ等を用いることもできる。
　フランジ駆動部材３１は、風洞本体２１に連結された状態において自立姿勢を有しないこととなる各セクタフランジ２２…に特定の姿勢を付与するアクチュエータである（図３）。また、トラスアーム３５は、角錐形に構成された細いパイプ材からなり、フランジ駆動部材３１の出力をトルクに変換するためのモーメントアームである。
　本実施の形態におけるフランジ駆動部材３１は、図示しないエアコンプレッサをエア源とするエアシリンダであり、セクタフランジ２２…に対応する多数のエアシリンダは、共通のエア源によって駆動される。エアシリンダのシリンダ後端は、専用のブラケットを介して風洞本体２１の外周面に連結され、作動ロッドの先端は、各セクタフランジ２２…に固定されたトラスアーム３５の頂点位置に連結されている。各セクタフランジ２２…は、フランジ駆動部材３１であるエアシリンダの作動ロッドが後退動作した際に起立姿勢をとり、作動ロッドの前進動作によって傾倒姿勢をとる（図３の２点差線を参照）。
　フランジ駆動部材３１…には、所定の姿勢保持駆動力が設定され、設定された姿勢保持駆動力を維持するように定圧制御される。姿勢保持駆動力の内容は、各セクタフランジ２２…を起立姿勢に維持する向きの駆動力である。すなわち、エアシリンダの作動ロッドを後退させる向きの駆動力である。多数のセクタフランジ２２…が起立姿勢をとることにより風洞本体２１の後端開口２０Ｂの周囲には、円環状のフランジ環２３が形成される（図１、図３）。
　風上方向Ｆに向けてヨー制御された風洞体２０において、風上方向Ｆからの風がフランジ環２３に作用し、風洞体２０は、フランジ環２３を備える風洞体２０として効果的に風車１０の効率改善に寄与することができる。ここで、風速が増して各セクタフランジ２２…における風抗力が増大し、フランジ駆動部材３１に設定された姿勢保持駆動力を上回る事態となったとき、各セクタフランジ２２…は、いわば一斉に傾倒動作を開始し、風洞体２０に設定値以上に風抗力が生じないように機能する。すなわち、各セクタフランジ２２…が、傾倒姿勢をとることにより風洞体２０の前面投影面積が、最大でフランジ環２３を有しない風洞体２０と同等程度にまで減少し（図１、図５）、ヨー駆動機構５０やその他の支持部材に過大な荷重が加わることを有効に阻止する。そして、このことにより大型の風車１０にフランジ環２３を備える風洞体２０を適用することが可能になる。
このことをより具体的に説明すると、風抗力Ｐは、風洞体の前面投影面積をＡ（ｍ２）、風速をＶ（ｍ／ｓｅｃ）とするとき、Ｐ∝  Ｃｄ×Ａ×Ｖ２で示される。この式から、風力発電装置が定格出力に到達する風速１２ｍ/secの風抗力Ｐに対して、風速２５ｍ／ｓｅｃの風抗力は４．３Ｐ、風速６０ｍ/secの風抗力は２５Ｐ、風速８０ｍ/secの風抗力は４５倍の４５Ｐにも到達する。
この問題をフランジ環２３を備える風洞体２０についてみると、フランジ環２３を備えるタイプの風洞体２０の抗力係数Ｃｄ値は、一般的に概ね、Ｃｄ＝０.６程度と推定される。一方、フランジ環２３を備えない風洞体の一般的な抗力係数Ｃｄ値は、０.０６程度である。つまり、セクタフランジ２２…が起立姿勢をとる場合と、傾倒姿勢をとる場合とでは、抗力係数Ｃｄ値が１０倍も異なる。また、風洞体２０の受風面積については、フランジ環２３の面積にもよるのであるが、例えば、セクタフランジ２２…が起立姿勢の状態と傾倒姿勢の状態とで１/５に変化する場合、風力発電機が定格発電状態に到る風速１２ｍ/sec時の風抗力Ｐに対して、セクタフランジ２２…が傾倒姿勢をとる風速８０ｍ/sec時の風抗力Ｐは、４５/５/１０＝０．９倍となる。つまり、風速８０ｍ/secの強風が来襲してもセクタフランジ２２…を傾倒姿勢とすることによって風抗力Ｐを定格出力時レベルに抑えることができるのである。
　なお、各セクタフランジ２２…は、起立姿勢と傾倒姿勢との２者択一動作ではなく、その時々の風速に応じてフランジ駆動部材３１に設定された姿勢保持駆動力とセクタフランジ２２…に生ずる風抗力とがバランスする時点で傾斜姿勢をとるように作動する。また、フランジ環２３の効果は、セクタフランジ２２…の傾斜姿勢に対応するように残存することになる。
　相互に隣接する多数のセクタフランジ２２…間に設定された隙間は、各セクタフランジ２２…の側縁部に、例えばゴム板等の可撓制素材からなるテープ状ないし帯状のシールプレート２４…を付設して塞ぐようにすることができる（図４）。
　シールプレート２４…の取り付け方としては、多数のセクタフランジ２２…の一枚おきに、左右の側縁部に１対のシールプレート２４を取り付ける方法がある（図４（Ａ））。この取り付け方においては、シールプレート２４，２４を備えるセクタフランジ２２と備えないセクタフランジ２２…とが交互に存在することとなる。なお、本実施の形態における各対のシールプレート２４，２４は、セクタフランジ２２の背面に取り付けられているが、前面（風上方向Ｆの面）に取り付けてもシールプレート２４…による風封じ作用には大差は生じない。
　上記のようなシールプレート２４…を備えるフランジ環２３においては、シールプレート２４，２４を備えるセクタフランジ２２…に対応するフランジ駆動部材３１に設定する姿勢保持駆動力と、シールプレート２４，２４を有しないセクタフランジ２２…に対応するフランジ駆動部材３１に設定する姿勢保持駆動力との間に差異を設定することによって、シールプレート２４…に無理を強いることのない円滑な起倒動作を実現することができる。
　具体的には、シールプレート２４…を有するセクタフランジ２２…群のフランジ駆動部材３１の姿勢保持駆動力が弱く設定される。ここで、シールプレート２４，２４を有するセクタフランジ２２…を偶数位置のセクタフランジ２２…と定めると、フランジ環２３に衝突する風速が徐々に強まる場合において、まず、姿勢保持駆動力が弱く設定された偶数位置のセクタフランジ２２…群が傾倒動作を開始する（図４（Ｂ））。つまり、隣接する奇数位置のセクタフランジ２２…がシールプレート２４…から離れる向きの動作であり、シールプレート２４…には何らの力が加わらない。
　次いで、残る奇数位置のセクタフランジ２２…群が傾倒動作を開始し、先行するセクタフランジ２２…に一部重なるように後追い動作をする。このように、フランジ駆動部材３１に対する姿勢保持駆動力を調節することによって多数のセクタフランジ２２…の傾倒動作を整然と順序付け、隣接するセクタフランジ２２…の動作上の干渉を回避することができる。
　フランジ駆動部材３１の姿勢保持駆動力の設定の仕方による上記のようなセクタフランジ２２…の起倒動作における順序付けは、シールプレート２４…を設けないフランジ環においてもセクタフランジ２２…間の干渉を回避する意味において有効であり、これによって隣接するセクタフランジ２２…間に設定される隙間を最小限にまで狭めることが可能となるからである。
　なお、上記実施の形態においては、フランジ駆動部材３１としてエアシリンダを採用しているが、前述したように油圧シリンダを用いてエアシリンダと同様にセクタフランジ２２…の姿勢を弾性的に制御することも可能である。さらに、例えば、スクリュジヤッキ等のネジ送り機構を用いてセクタフランジ２２…を駆動することもできる。この場合には、スクリュジヤッキ等をセクタフランジ２２…との間にショックアブソーバ等を介在させることによりセクタフランジ２２…に対して穏やかな動作を実現するようにすることが好ましい。
　また、本発明の風洞体を備える水平軸型風力発電装置は、小口径の風車１０に適用した場合においても、固定のフランジ環を備えるものに比べて、タワーその他の支持部材の負担を大きく軽減することができるという有意の効果を奏することができる。
　本発明は、弱風時には、フランジ環を備えることによって風車に対する効率改善効果の大きい形式の風洞体として利用することができるとともに、強風時においては、セクタフランジを傾倒姿勢としてフランジ環を実質的に消失させることができる風洞体を備える水平軸型風力発電装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
　１０　　風車
　２０　　風洞体
　２０Ｆ　前端開口
　２０Ｂ　後端開口
　２１　　風洞本体
　２２　　セクタフランジ
　２３　　フランジ環
　２４　　シールプレート
　３０　　ヒンジ機構
　３１　　フランジ駆動部材

Claims (5)

  1. 　水平軸型の風車と、風洞本体の後端開口の周囲に径方向に突出するフランジ環を有し前記風車を取り囲む風洞体とを備える水平軸型風力発電装置において、
    　前記フランジ環を分割構造のセクタフランジの集合体として形成するとともに、各セクタフランジを風洞本体に揺動自在に連結し、このセクタフランジをフランジ駆動部材を介して風速に応じて起倒動作させることを特徴とする風胴体を備える水平軸型風力発電装置。
  2. 前記フランジ駆動部材に、前記セクタフランジの起立姿勢を設定された所定の風圧に抗して維持する姿勢保持駆動力が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の風洞体を備える水平軸型風力発電装置。
  3. 　前記フランジ駆動部材が、定圧制御されたエアシリンダ又は油圧シリンダであることを特徴とする請求項２に記載の風洞体を備える水平軸型風力発電装置。
  4. 　前記フランジ環を形成するいずれか一のセクタフランジを基準とする奇数位置のセクタフランジ群に対する前記フランジ駆動部材の姿勢保持駆動力と、偶数位置のセクタフランジ群に対する前記フランジ駆動部材の姿勢保持駆動力との間に差異が設定されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の風洞体を備える水平軸型風力発電装置。
  5. 　前記奇数位置のセクタフランジ群と前記偶数位置のセクタフランジ群とのいずれか一方の群に属する各セクタフランジが、左右の側縁部に左右方向に突出する一対のシールプレートを備えるとともに、前記フランジ環を形成する全数のセクタフランジがシールプレートを介してオーバラップし、
    　前記フランジ駆動部材の姿勢保持駆動力は、前記シールプレートから離れる向きに倒れることができる群に属するセクタフランジについて、他の群に属するセクタフランジに対する姿勢保持駆動力に対して相対的に小さく設定されていることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の風洞体を備える水平軸型風力発電装置。
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