WO2004061297A1 - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

発電効率のさらなる向上を図り得る風力発電装置を提供する。本発明の風力発電装置は、側壁断面形状が略翼形とされた略円筒状のダクト１と、ダクト１の軸周りに回転可能な羽根車２と、羽根車２とともに流線型のペンシル体３を構成し、羽根車２の回転力を利用する発電機４を収容するナセル５とを備えている。ダクト１の側壁断面形状がダクト１後方で減圧域が発生し得るとともにダクト１後方での渦流の発生を抑制し得る翼型とされている。また、ペンシル体３がその先端部がダクト１内部にあり、その後端部がダクト１後方に発生する減圧域の先端部に近接するようにダクト１後端部から突出して設けられている。さらに羽根車２の羽根２１がダクト１内部において最大風速領域１３に設けられている。

Description

明 細 風力発電装置 技術分野

本発明は、 側壁断面形状が略翼形とされた略円筒状のダク トと、 外方 に突出する複数の羽根を有しダクト軸周りに回転可能な羽根車と、 羽根 車とともに流線型のペンシル体を構成し、 羽根車の回転力を利用する発 電機を収容するナセルとを備えた風力発電装置に関する。 背景技術

羽根車を効率よく回転させて発電効率を向上させる観点から、 従来、 前記風力発電装置に類似する風力発電装置がいくつか提案されている (実開昭 5 6— 7 4 8 7 1号等参照）。

しかし、 本願発明者は風力発電装置の近傍における気流の研究により 発電効率に改善の余地があることを知得した。

そこで、 本発明は、 発電効率のさらなる向上を図り得る風力発電装置 を提供することを解決課題とする。 発明の開示

前記課題を解決するための本発明の風力発電装置は、 ダク トの側壁断 面形状がダク ト後方で減圧域が発生し得るとともにダク ト後方での渦流 の発生を抑制し得る翼型とされ、 ペンシル体がその先端部がダク ト内部 にあり、 その後端部がダク ト後方に発生する減圧域の先端部に近接する ようにダク ト後端部から突出して設けられ、 羽根車の羽根がダク ト内部 において最大風速領域に設けられていることを特徴とする。 本発明によれば、 ダク トの前方から後方に向かう風が生じた場合、 ダ ク ト後方で渦流の発生を抑制しながら 「減圧域」 を生じさせることがで きる。 これにより、 ダク ト前方からダク ト内部への風の流れがダク ト後 方の渦流により妨げられる事態を解消しながら、 減圧域の風の引き込み によるダク ト内部の風速増大を図ることができる。

一方、 本願発明者の得た知見によれば、 減圧域の先端部が先細で不安 定でありダク トの径方向にふらつきやすく、 近傍の風の向き等の変化に より大きめにふらつくと減圧域が全体的に消滅してしまう。 これではダ ク ト内部の風速増大、 ひいては発電効率の向上を図ることができない。

しかるに、 本発明のようにペンシル体の後端部が減圧域の先端部に近 接するようにダク ト後方から突出されることで、 減圧域の先端部がペン シル体の後端部に引き付けられてふらつきが抑制される。 これにより、 ダク ト前方から後方に向けて風が吹いている間、 減圧域の先端部がふら ついて減圧域が全体的に消滅する事態を抑制することができる。 そして. ダク ト後方の減圧域を定常的に維持し、 ダク ト内部の風速の増大を確保 することができる。

また、 羽根車の羽根がダク ト内部の最大風速領域に設けられることで 羽根車を最大限に回転させることができる。

従って、 本発明の風力発電装置によれば①ダク ト後方での減圧域の発 生によるダク ト内部の風速増大、 ②減圧域の先端部のふらつき抑制によ る減圧域の定常維持、 ③ダク ト内部の最大風速領域での羽根車の回転を 通じ、 発電効率のさらなる向上を図ることができる。

また、 本発明の風力発電装置は、 ダク トの側壁断面の翼型における翼 弦がダク ト軸に対して所定角度だけ傾けられ、 該所定角度に応じて変化 する減圧域の先端部の位置に合わ てペンシル体の後端部のダク ト後方 からの突出長が調節されていることを特徵とする。 本発明は、 次のような本願発明者の得た知見に基づいている。

即ち、 ダク トの側壁断面の翼型における翼弦がダク ト軸に対して傾け られることでダクト後方の減圧域の減圧度が変動する。 従って、 減圧域 の減圧度が最大となるように当該傾きが調節されることで、 ダク ト前方 からダク ト内部に流れ込んだ風がダクト後方の減圧域 よってさらに強 く引き込まれ、 ダクト内部の風速をさらに増速させることができる。 また、 当該傾きが大きくなるほどダク ト後方に発生する減圧域の先端 部の位置が前方にずれる。 従って、 当該傾きに応じてペンシル体の後端 部が減圧域の先端部に到るようダク トからの突出長が調節されることで. 減圧域の先端部のふらつき抑制を図ることができる。

従って、 本発明の風力発電装置によれば上記①〜③に加え、 ④ダク ト 後方での減圧域の減圧度の最大化によるダク ト内部の風の最速化を通じ 発電効率の最大化を図ることができる。

さらに本発明の風力発電装置は、 前記所定角度が 2 ° 〜 1 2 ° の範囲 内とされ、 ペンシル体のダクト後方からの突出長がダクト長の 0 . 1〜 0 . 4倍の範囲内に設定されていることを特徴とする。

ここで 「所定角度」 は当該翼弦の翼前縁が翼後縁よりもダク ト軸から 離反するような傾斜角度を 「正」 として定義される。

また、 本発明の風力発電装置は、 羽根車の羽根がダク トの最小内径部 分を基準とし、 前方にダク ト長の 0 . 0 7倍、 且つ、 後方にダク ト長の 0 . 1 8倍の範囲内に設けられていることを特徴とする。 図面の簡単な説明

図 1は本実施形態の風力発電装置の側断面図であり、 図 2〜図 4は本 実施形態の風力発電装置の機能説明図である。 発明を実施するための最良の形態

本発明の風力発電装置の実施形態について図面を用いて説明する。 図 1に示す風力発電装置は略円筒状のダク 卜 1 と、 外方に突出する複 数の羽根 2 2を有しダク ト軸 X周りに回転可能な羽根車 2と、 羽根車 2 とともに流線型のペンシル体 3を構成し、 回転軸 2 4を介して伝達され る羽根車 2の回転力を利用する発電機 4を収容するナセル 5とを備えて いる。 ナセル 5はダク ト 1の内壁から突出する柱体 6によりダク ト 1に 対して固定されている。 発電機 4による発電エネルギーは、 柱体 6及び ダク ト 1を貫通するリード 4 2を介して外部に供給される。

ダク ト 1の側壁断面形状は翼型とされている。 これは、 後述のように ダク ト 1後方で減圧域が発生し得るとともにダクト 1後方での渦流の発 生を抑制するためである。 ダク ト 1 1 0の側壁断面形状としては公知の 翼形でぁるNA C A 6 53 — 6 1 8 ( 9 — 0. 5 ), NA CA 6 33 - 6 1 8、 F A 6 6 — S— 1 9 6 V 1等が採用される。

また、 ダク ト 1の側壁断面の冀型における翼弦 1 1がダク ト軸 1 2に 対し、 所定角度 0だけ傾けられている。 所定角度 0はダク ト 1の後端径 に対する先端径の比が増大する方向を正として定義される。

ペンシル体 3はその先端部にあたる羽根車 2の先端部がダク 卜 1内部 にあり、 その後端部にあたるナセル 4の後端部がダクト 1の後端から突 出するように設けられている。 ペンシル体 3の後端部のダク ト 1からの 突出長 L₂ はダク ト長 の じ (> 0 ) 倍に設定されている。 係数 cは 所定角度 0を変数として c ( 2 ° ) = 0. 4、 c ( 1 2 ° ) = 0. 1 と いう条件を満たす単調減少関数 c ( Θ ) として表される。 これは、 後述 のようにペンシル体 3の後端部をダク ト 1後方に発生する減圧域の先端 部に近接させるためである。

羽根車 2の羽根 2 1はダク ト 1内部において最大風速領域 1 3、 即ち， ダクト 1の最小内径部分 1 4を基準とし、 前方にダク ト長 1^ の 0. 0 7倍、 且つ、 後方にダク ト長 Li の 0. 1 8倍の範囲に設けられている, 前記構成の風力発電装置の機能について図 2〜図 4を用いて説明する, 本願発明者は、 ダク ト 1前方から後方に向かい風が生じたとき、 ダク ト 1の近傍における風の流れ及び風速をシミュレーシヨンにより検討し た。

このシミュレーションは、 K. Kuw a h a r aの論文 "Un s t e a d y F l ow S i mu l a t i o n a n d I t s V i s u a 1 i z a t i o n " (アメリカ航空 · 航宙学会 NAC A— 6 4 0 5) に記載されている方法に従って行われた。 この方法によれば、 まず. 空間に仮想の格子系が構成され、 その各格子点におけるナビエ一ストー クス方程式 （連続体の運動量保存則を表す方程式） が立てられる。 この 上で、 一の格子点におけるナビエーストークス方程式の空間偏微分項に. その近傍にある他の格子点における流体の影響が繰り込まれた上でシミ ユレ一シヨン用の偏微分方程式が立てられる。 そして、 この偏微分方程 式が解かれることにより各格子点における風速が求められる。

また、 このシミュレーションに際し、 所定角度 0を 8. 7 ° 、 ダク ト 長 L i を 5， 0 0 0 [mm], ペンシル体 3の後端突出長 L ₂を 1， 0 0 0 [mm] (= 0. 2 0 L 1 ), ダク ト 1の最小内径を 1， 8 0 0 [m m]、 先端径を 3 , 1 6 6 [mm] とした。

このシミュレーション結果から次のことが知見された。 即ち、 この風 力発電装置によれば、 ダク ト 1前方から後方に向かう風が生じた場合、 図 2に斜線で示すように減圧域 5 0を生じさせることができる。 また、 図 3に実線で表される風の流れを見ると、 ダク ト 1後方で渦流の発生が 抑制されている。 従って、 ダク ト 1前方からダク ト 1内への風の流れが ダク ト 1後方の渦流により妨げられる事態を解消しながら、 減圧域 5 0 の風の引き込みによるダク ト 1内部の風速増大を図ることができる。 図 2にダクト 1前方における風速を 1 . 0とした場合の増速度ととも にダク ト 1内の等風速線を示す。 図 2から、 ダク ト 1の最大風速領域 1 3 (こおける増速度が 2 . 2であるこ.と、 即ち、 当該領域 1 3における風 速が先端部の風速の 2 . 2倍となることがわかる。 風力エネルギーは、 風速 V、 流体密度 p 、 ダク ト 1の断面積 Sとして p S v ³ / 2 と表され るが、 本実施形態ではダク ト 1の開口断面積は最小内径位置の断面積の 約 3 . 1倍なので、 ダク ト 1の最大風速領域 1 3における風力エネルギ 一は、 ダク ト 1前方における風力エネルギーの 2 . 2 3 / 3 . 1〜 3 . 4 3倍に増幅され得る。

また、 図 2に示すようにペンシル体 3の後端部がダクト 1後方から突 出され、 減圧域 5 0の先端部 5 1に到っている。 これにより、 減圧域 5 0の先端部 5 1がペンシル体 3の後端部に引き付けられて安定し、 その ふらつきが抑制される。 これにより、 ダク ト 1前方から後方に向け風が 吹いている間、 減圧域 5 0の先端部 5 1がふらついて減圧域 5 0が全体 的に消滅する事態を抑制することができる。 そして、 ダク ト 1後方の減 圧域 5 0を定常的に維持し、 ダク ト 1内部の風速の増大を確保すること ができる。

さらに羽根車 2の羽根 2 1がダク ト 1内部の最大風速領域 1 3に設け られることで、 羽根車 2を最大限に回転させることができる。

従って、 本発明の風力発電装置によれば、 ①ダク ト 1後方での減圧域 5 0の発生によるダク ト 1内部の風速増大、 ②減圧域 5 0の先端部 5 1 のふらつき抑制による減圧域 5 0の定常維持、 ③ダク ト 1内部の最大風 速領域 1 3での羽根車 2の回転を通じ、 発電効率のさらなる向上を図る ことができる。

また、 図 4に所定角度 0を変化させ、 これに応じてペンシル体 3の後 端突出長 L ₂ ( = c ( θ ) · L i ) を変化.させたときのダク ト 1の最大 風速領域 1 3における増速度のシミュレーション結果を示す。 図 4から, 所定角度 0が 2 ° 以上 1 2 ° 以下に設定された場合、 ダク ト 1内での風 の増速度を最大 （= 2 . 2 ) にすることができる。 即ち、 所定角度 Θが 2 ° 以上 1 2 ° 以下に設定された場合、 ダク ト 1後方の減圧域 5 0の減 圧度が最大となり、 ダク ト 1前方からダク ト 1内部に流れ込んだ風がダ ク ト 1後方の減圧域 5 0によってさらに強く引き込まれ、 ダク ト 1内部 の風速をさらに増速させることができる。

従って、 所定角度 0を 2 ° 以上 1 2 ° 以下に設定し、 これに応じてべ ンシル体 3の後端突出長 L ₂ を調節することで、 上記①〜③に加え、 ④ ダク ト後方での減圧域の減圧度の最大化によるダク ト内部の風の最速化 を通じ発電効率の最大化を図ることができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 略円筒状のダク トと、

外方に突出する複数の羽根を有しダク ト軸周りに回転可能な羽根車と. 羽根車とともに流線型のペンシル体を構成し、 羽根車の回転力を利用 する発電機を収容するナセルとを備えた風力発電装置であって、

ダク トの側壁断面形状がダク ト後方で減圧域が発生し得るとともにダ ク ト後方での渦流の発生を抑制し得る翼型とされ、

ペンシル体がその先端部がダク ト内部にあり、 その後端部がダク ト後 方に発生する減圧域の先端部に近接するようにダク ト後端部から突出し て設けられ、 羽根車の羽根がダク ト内部において最大風速領域に設けら れていることを特徴とする風力発電装置。

2 . ダクトの側壁断面の翼型における翼弦がダク ト軸に対して所定角度 だけ傾けられ、 該所定角度に応じて変化する減圧域の先端部の位置に合 わせてペンシル体の後端部のダク ト後方からの突出長が調節されている ことを特徴とする請求項 1記載の風力発電装置。

3 . 前記所定角度が 2。 〜 1 2 ° の範囲内とされ、 ペンシル体のダク ト 後方からの突出長がダク ト長の 0 . 1〜 0 . 4倍の範囲内に設定されて いることを特徴とする請求項 2記載の風力発電装置。

4 . 羽根車の羽根がダク トの最小内径部分を基準とし、 前方にダク ト長 の 0 . 0 7倍、 且つ、 後方にダク ト長の 0 . 1 8倍の範囲内に設けられ ていることを特徴とする請求項 1、 2又は 3記載の風力発電装置。