(57)【要約】【課題】  風力発電機全体の構造を改良して風の流路を制御することにより発電出力を増大させることを目的とする。【解決手段】  風洞体と風洞体内部のプロペラ型風車発電装置とからなる風力発電装置において、風洞体を形成するシュラウドの側胴部を、風の流入口からある範囲までは内径が同じ円筒部とし、この円筒部の風の流出口から風洞体の風の流出口までの範囲を内径が拡大する広がりテーパー部で構成したことを特徴とする風力発電装置。【選択図】  図１
2006307783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風洞体と風洞体内部のプロペラ型風車発電装置とからなる風力発電装置において、風洞体を形成するシュラウドの側胴部を、風の流入口からある範囲までは内径が同じ円筒部とし、この円筒部の風の流出口から風洞体の風の流出口までの範囲を内径が拡大する広がりテーパー部で構成したことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
シュラウドは、風の流入口が内径の狭まる絞りテーパー部であり、該絞りテーパー部から連続してほぼ同じ径の円筒部、そして出口に向けて径が拡大する広がりテーパー部から構成する請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
シュラウドの円筒部のアスペクト比は、Ｌ／Ｄ＝１〜５である請求項１記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風洞体内で回転する風車を備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電機の出力は風速の３乗に比例する。このため、風の流れ方向に向かって拡大する内径（断面積）をもつ風洞体では風速が増大する効果があることを利用して、この風洞体内に風車を設置した風力発電装置がある。本発明はこのようなデイフューザー型の風洞体の風速増大効果に関する研究に基づいて、安定した大出力が得られる風力発電装置を提供することを目的とする。
【０００３】
従来の、風洞体を付加したデイフューザー型風力発電装置としては、特許文献１〜３が知られている。特許文献１には、風の流れる方向に向かって内径が拡大する側胴部と、この風洞体の風の流入口に案内片と流出口に鍔状片と風の流入口近傍に配置した発電用風車とを備え、風洞体の軸に対する側胴部の傾斜角φを５〜２５°の範囲とする風力発電装置が示されている。そして、風洞体に流入した風は流入口近傍で増速されるため、流入口近傍に設置した発電用風車を高速回転させることができ、高い発電出力が得られる。しかし、この風力発電装置の風洞体の側胴部は、風の流入口近傍から内径が拡大しているため高風速となる領域が狭く、このため風洞体へ流入する風の方向が不規則に変化すると風車の回転が不安定になり、大きい発電出力が得られないという問題があった。また、自動車等の移動体に設置する風力発電装置にあっては、流出口の周辺にある鍔状片が直接に風の抵抗体（空気抵抗）となって、好ましくない作用をもたらす。
【０００４】
特許文献２には、簡単な構造で効率良く風の流れを増速することが可能な風増速装置の提供であり、この装置は風の流入口から流出口に向かって拡大する長筒状の風洞体により構成し、風の流入口の口縁には外側に向かって曲面をもって開いた流入案内片を備え、風の流出口の口縁には外側に向かって拡がる鍔状のフランジを備えて、流入口の近傍を風力の取り出し位置とする。いわゆる拡大テーパ型のものが開示されている。
【０００５】
特許文献３には 、背圧を制御することにより、さらに効率良く風の流れを増速することが可能な風増速装置およびこれを用いた風力発電装置を提供するもので、風の流入口から流出口に向かって拡大するように対面配置した一対の導風体を備え、前記流入口近傍を風力の取り出し位置とした風増速装置が示されており、ここでも鍔の構造解析がなされている。
【０００６】
風車を適当な形の中空構造体の中に置くと、入口直後の風速が増加して、風力発電機の発電出力の増大に有効であることが知られている（非特許文献１）。特に、中空構造体の出口側に「つば」を設置して渦を発生させることにより発電出力が２〜３倍に増加する効果があるという報告があり（非特許文献２）、風洞実験によりいろいろな中空構造体が風速を増大する現象（この研究では、「風レンズ効果」と称している）の調査を行い、その結果の一部を図２及び図３に引用した。これらの図には風速の増加割合がアスペクト比（Ｌ／Ｄ、Ｌは長さでＤは入り口の直径）にも関係することが示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開2003-278635号公報（[0027]、[0029]、図４）
【特許文献２】特開2002-213343号公報（[0010]、図１）
【特許文献３】特開2003-328922号公報（[0010]、[0011]、図１）
【非特許文献１】永井  寛、伊良部  邦夫、日本機械学会論文集Ｂ、pp.1543-1547(1987)
【非特許文献２】大屋  裕二他、第23回風力エネルギー利用シンポジウム講演論文集pp.76-79(2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
地球環境保護やエネルギー資源の有効活用の観点から自然エネルギーを利用した発電は積極的に取り組む課題である。風力発電の出力は風速の３乗に比例するので、強風の発生する地域に設置して大型化の研究開発が活発に行われてきた。一方、近年の環境意識の高まりにつれて、小形の風車の研究も多くなり、低コストの製品が販売されつつある。小形とは発電出力が２０〜３０ｋＷ以下とされている。本発明では自動車や船舶に搭載することを狙って、発電出力がさらに小さいマイクロ風力発電機を対象とする。発電出力は風を受けるブレード（羽根）の有効面積にも比例し、現状の概略仕様としては、ブレード（羽根）の直径が１．５ｍのプロペラ型風車の場合、風速が４０ｋｍ／ｈの時の発電出力は最大１ｋＷ程度である。そこで、本発明の目的は、風力発電機全体の構造を改良して風の流路を制御することにより発電出力を増大させることを目的としたのである。
【０００９】
そこで、本発明では熱流体工学の分野で論じられているディフューザ（はじめ減少し、その後再び拡大する断面を持つノズル）を参考にして製作した中空構造体（以下「風洞体」又は「シュラウド」という）を用いて、マイクロ風力発電機の発電出力に及ぼす効果について検討することにした。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、風洞体と風洞体内部のプロペラ型風車発電装置とからなる風力発電装置において、風洞体を形成するシュラウドの側胴部を、風の流入口からある範囲までは内径が同じ円筒部とし、この円筒部の風の流出口から風洞体の風の流出口までの範囲を内径が拡大する広がりテーパー部で構成したことを特徴とする風力発電装置である。
【００１１】
ここでシュラウドは、風の流入口が内径の狭まる絞りテーパー部であり、この絞りテーパー部から連続してほぼ同じ径の円筒部、そして出口に向けて径が拡大する広がりテーパー部から構成する。絞りテーパー部、ほぼ同じ径の円筒部及び広がりテーパー部のそれぞれの形状、大きさ、比率などの影響はもちろん無視できないが、円筒部のそれら物理定数が大きく風圧に影響する。
【００１２】
シュラウドの円筒部のアスペクト比は、Ｌ／Ｄ＝１〜５、好ましくはＬ／Ｄ＝１．５〜３．５の範囲である。
Ｌ／Ｄ＜１であると、円筒部を設けたことによる風速の加速効果が不十分となり、
Ｌ／Ｄ＞５になると、加速効果はよくなるが、装置の大型化のために取り扱いやコストアップをもたらして好ましくない。好適なのは上記のＬ／Ｄ＝１．５〜３．５の範囲である。
【発明の効果】
【００１３】
風洞体の側胴部を、風の流入口からある範囲までは内径が同じ円筒部とし、この円筒部の風の流出口から風洞体の風の流出口までの範囲を内径が拡大する側胴部で構成したものである。この風洞体の円筒部では広範囲の高風速領域が出現するので、この円筒部の高風速領域に発電用風車を配置した風力発電装置は、風洞体へ流入する風の方向が不規則に変化しても発電用風車は高速かつ安定に回転するので大出力の風力発電装置が得られる。したがって、従来の開口部に設ける外方にカールした案内片や背後の鍔状片のない簡単な構造の風洞体で同様の効果が得られた。
【００１４】
風洞体へ流入する風の方向が変化しても、広範囲の高風速領域が得られるので、風車が安定かつ高速に回転する風力発電装置が得られる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の具体的実施形態を図にしたがって詳細に説明する。図１は本発明の風力発電機のシュラウド断面と従来例の拡大テーパ型シュラウド断面について、流入口からの風速分布を示す説明図である。図２，図３は従来のもので、図２は従来の形状における風洞体の長さＬ／Ｄに対する最大風速の変化を、図３は風洞体付加要素による最大風速の増加をそれぞれ示すグラフである。
図４は、発電実験に用いた本発明予備実験機の、図５は、発電実験に用いた本発明改良機の風力発電機とシュラウドの概略構成図である。
【００１６】
図６〜図９は、予備実験機におけるシュラウド有／無でのトラックの車速と発電出力の関係、発電出力比（シュラウド有／無）とトラックの車速の関係、発電機の回転数と発電出力の関係、発電機の回転数比（シュラウド有／無）と車速の関係を、それぞれ示すグラフである。図１０〜図１３は、改良機における発電機の発電出力とトラックの車速の関係などを示すグラフである。図１４は、発電機の発電出力比とトラックの車速における予備試験機と改良機の比較を示すグラフである。そして、図１５は、風力発電機をウインド・ディフレクターの位置に設置した冷凍自動車の状態を示す概略図である。
【００１７】
風力発電機の発電出力は風速の３乗に比例して増大することが知られている。本発明は風力発電機１のブレード２（羽根）に当たる風の流路を制御して発電出力の増大を図るものである。発電実験は、風洞実験設備がないため、風の流路を制御するシュラウド３と風力発電機１を組み合せた実験装置をトラックの荷台に積載して走行することにより行う。発電装置のブレード２にあたる風の速度が、ブレードの周囲に設置したシュラウド３の効果により増大するので、発電機の出力が増大する。実験に使用した風力発電機１とシュラウド３の構成を以下に述べる。
【００１８】
実施例１  予備実験機の風力発電機とシュラウドの概略構成
先に予備実験を行うために、市販品の風力発電機（エアロゼン２）を用いた。シュラウド３はこの発電機のブレード２（羽根）のサイズに合わせて製作した。これらの組み合わせを予備実験機と言い、図４に概略構成を示す。シュラウド３の直径（Ｄ）と長さ（Ｌ）のアスペクト比は、Ｄ／Ｌ＝２００／６００＝０．３３である。予備実験機のアスペクト比が１より小さいが、この理由はシュラウドの効果を確認することを予備実験の目的としたためである。
【００１９】
実施例２  改良機の風力発電機とシュラウドの概略構成
予備実験機とは別に風力発電機１とシュラウド３の両方について新規に設計を行って改良機を製作した。図５にその概略構成を示す。シュラウド３のアスペクト比は、Ｌ／Ｄ＝６４０／３００＝２．１３である。この改良機のシュラウドは、風の入り口４から内径の狭まる絞りテーパー部５から連続してほぼ同じ内径の円筒部６、そして出口８に向けて径が拡大する広がりテーパー部７からなる。この、円筒部６の存在が、改良機の特徴である。
【００２０】
実施例３  実験方法
上記の図４，図５に示す風力発電装置とシュラウドをトラックに積載して、２０〜６５ｋｍ／ｈの範囲の速度でトラックを走行させて発電実験を行った。その際、ブレードの回転数、発電装置の出力電流、及び出力電圧をデジタルメータで測定し、風速は風速計で測定した。発電出力に対するシュラウドの効果を調べるために、風力発電装置にシュラウドを装着しない場合と装着した場合の両方について発電実験を行った。また、予備実験機の実験はバッテリー負荷と抵抗負荷について、改良機の実験はバッテリー負荷について調査した。
【００２１】
実施例４  予備実験機の性能（結果は図６〜図９）
図６はシュラウド有／無でのトラックの車速と発電出力の関係を示す。発電装置の負荷にバッテリーを接続した場合と抵抗（２Ω）を接続した場合の両方とも、シュラウド有の方が発電出力が大きい。抵抗負荷よりバッテリー負荷の方が発電出力が大きいが、この理由は発電装置の内部抵抗があるためである。
【００２２】
図７はシュラウド有／無での発電出力比とトラックの車速の関係を示す。トラックの車速が２０ｋｍ／ｈの場合はシュラウドの効果がよく現われており、シュラウド無に比べて約４倍の発電出力が得られた。しかし、そこからトラックの車速が増加するとシュラウドの効果が小さくなり、トラックの車速が４０ｋｍ／ｈでは、１．３倍程度になる。
【００２３】
図８はトラックの車速に比例して上昇する発電装置の回転数と発電出力の比をシュラウド有／無の場合で検討した結果を示す。どの速度域においてもシュラウド有の方がシュラウド無の回転数を上回っていることが分かる。図９はシュラウド有／無での回転数の比とトラックの車速の関係を示す。トラックの車速が３０ｋｍ／ｈ以上ではシュラウド有／無での回転数の差が縮まり２倍から１．３倍程度になる。
【００２４】
実施例５  改良機の性能（結果は図1及び図１０〜図１３）
図１０はシュラウド有／無での発電出力とトラックの車速の関係を示す。シュラウド無はトラックの車速が４０ｋｍ／ｈの時はほとんど発電しないが、トラックの車速が増加するにつれて発電出力が現れ、６５ｋｍ／ｈの時に最大２Ｗが得られた。シュラウド有では４０ｋｍ／ｈの時の発電出力が約１Ｗで、トラックの車速の増加につれて発電出力が増加し、シュラウド無との差が徐々に大きくなり、６５ｋｍ／ｈの時に最大７Ｗとなり、シュラウド無しの実に３．５倍になった。
【００２５】
図１１はシュラウド有／無での発電出力比とトラックの車速の関係を示す。トラックの車速が４０ｋｍ／ｈの時は、シュラウド無ではほとんど発電せず、発電出力比が得られなかったが、トラックの車速が速くなるにつれて増加して、５５ｋｍ／ｈでは最大で５倍になった。しかし、それより高速域ではシュラウドの効果が低下し、６５ｋｍ／ｈでは上記のように約３．５倍になった。
【００２６】
図１２はシュラウド有／無での発電装置の回転数と発電出力比の関係を示す。回転数はトラックの車速に比例して上昇し、シュラウド有では発電出力とともに回転数が大幅に増加し、最大で５００００ｒｐｍ付近まで上昇した。図１３は、シュラウド有／無での回転数比とトラックの車速との関係を示す。データのバラツキが大きく明確でないが、全体的に見るとトラックの車速が上昇するにつれて回転数比（シュラウドの効果に対応すると考えれれる）が低下するが、図９の予備実験機の結果と比べると改良機の方が優れている。
【００２７】
実施例６  予備実験機と改良機の性能比較
図７と図１１のデータから、本発明の予備実験機と改良機のシュラウドの効果（発電出力）を比較するグラフを作成した結果を図１４に示す。図７のトラックの車速が２０ｋｍ／ｈのデータはトラックの車速が低いこと、及び図１１のグラフでトラックの車速が５５ｋｍ／ｈのデータは測定誤差が大きいと思われることにより省略した。予備実験機の性能は、トラックの車速が３０〜４０ｋｍ／ｈに増加すると発電出力比が減少して、シュラウドの効果が現れないが、この理由はシュラウドのアスペクト比が小さいためと考えられる。改良機では低車速度域で発電装置のブレードが回転せず発電出力が現れない。しかし、トラックの車速が５０ｋｍ／ｈ付近からブレードの高速回転とシュラウドの形状を円板型から筒型に変更してアスペクト比を大きくしたことにより発電出力比が増加し、高車速域でのシュラウドの効果が著しく改善した。
【００２８】
シュラウドの効果に関して、従来の鍔付き中空構造体の風洞実験による評価と本発明の実験装置の比較を表１に示す。鍔付き中空構造体（シュラウド）の出口側に設置した「鍔（つば）」により風速を大幅に増加でき、発電出力が２〜３倍に増大するとしている。これに対し、本発明の改良機は鍔を省いて、筒型（デイフューザ）の構成のシュラウドを使用することで、発電装置の構造やその他の実験条件は異なるが、「鍔（つば）」を設置しない構成でも発電出力は３．４倍に増大した。結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
2006307783.tif 000003
【００３０】
表１の結果からも明らかなように、風力発電装置とシュラウドの両方とも設計、製作した改良機を使用した実験において、シュラウドの設置により発電出力を３倍に増加するという本発明の目標を達成できた。また予備実験機に比べて、高車速域（約５０ｋｍ／ｈ以上）における発電出力が格段に向上した。さらに自動車や船舶などの移動体に搭載することを想定すると、本発明の「鍔（つば）」のない筒型（デイフューザ）の方が単純な構成であり、このため比較的高風速域での使用に適する。
【００３１】
実施例７  円筒部のＬ／Ｄと発電機のブレード位置の影響
図５の改良機を基本形状にして、円筒部のＬ／Ｄと発電機のブレード位置の影響について電子計算機を用いて解析した。図１は本発明の風力発電機のシュラウド断面と従来例の拡大テーパ型シュラウド断面について、流入口からの風速分布を示す説明図である。図５に示すように、改良機はシュラウドの全長Ｌ０＝６４０ｍｍ、外径３００ｍｍであり、円筒部のＬ／Ｄは１．３２（直線部の長さ２６５ｍｍ、内径２００ｍｍ）である。図１のグラフに見られるように、発電機のブレード位置と発電機の位置の風速との関係は、図１から見て入り口から２００〜３００ｍｍの間で風速が最大になっていることがわかる。
【００３２】
今後、自動車に装着する風力発電機として、冷凍車などの電力確保に有用で、図１５に示すように運転席の上部のウインド・デイフレクタのところに、本発明のシュラウド付き風力発電装置を搭載することになる。さらに、プロペラ型以外の、例えばダリウス型あるいはクロスフロー型風車を搭載することにより、より高い発電出力の向上効果を期待できる。
【００３３】
発電運転の制御においても、空気抵抗による燃費の増大を考えると、鍔なしの本発明が好ましいし、自動車に搭載した風力発電装置の運転は長い下り坂（減速期間）でのみ行うのが良い。そこで、エンジンの回転数をセンサーで検出した後、コンパレータを通して発電装置の励磁回路のＯＮ／ＯＦＦ制御により発電制御を行うなどの制御方法を採用することで、本発明の発電装置の効果が更に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の風力発電機のシュラウド断面と従来例の拡大テーパ型シュラウド断面について、流入口からの風速分布を示す説明図である。
【図２】従来の風洞体の長さＬ／Ｄに対する最大風速の変化を示すグラフである。
【図３】従来の風洞体付加要素による最大風速の増加を示すグラフである。
【図４】発電実験に用いた予備実験機（従来の形状）の風力発電機とシュラウドの概略構成図である。
【図５】発電実験に用いた改良機（本発明の形状）の風力発電機とシュラウドの概略構成図である。
【図６】予備実験機におけるシュラウド有／無でのトラックの車速と発電出力の関係を示すグラフである。
【図７】予備実験機における発電出力比（シュラウド有／無）と車速の関係を示すグラフである。
【図８】予備実験機における発電機の回転数と発電出力の関係を示すグラフである。
【図９】予備実験機における発電機の回転数比（シュラウド有／無）と車速の関係を示すグラフである。
【図１０】改良機における発電機の発電出力と車速の関係を示すグラフである。
【図１１】改良機における発電機の発電出力比（シュラウド有／無）と車速の関係を示すグラフである。
【図１２】改良機における発電機の回転数と発電出力の関係を示すグラフである。
【図１３】改良機における発電機の回転数比（シュラウド有／無）と車速の関係を示すグラフである。
【図１４】発電機の発電出力比と車速における予備試験機と改良機の比較を示すグラフである。
【図１５】風力発電機をウインド・ディフレクターの位置に設置した冷凍自動車の状態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  風力発電装置
２  ブレード
３  シュラウド
４  風の流入口
５  絞りテーパー部
６  円筒部
７  広がりテーパー部
８  出口
【図１】
2006307783.tif 000004
【図２】
2006307783.tif 000005
【図３】
2006307783.tif 000006
【図４】
2006307783.tif 000007
【図５】
2006307783.tif 000008
【図６】
2006307783.tif 000009
【図７】
2006307783.tif 000010
【図８】
2006307783.tif 000011
【図９】
2006307783.tif 000012
【図１０】
2006307783.tif 000013
【図１１】
2006307783.tif 000014
【図１２】
2006307783.tif 000015
【図１３】
2006307783.tif 000016
【図１４】
2006307783.tif 000017
【図１５】
2006307783.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月2日(2005.5.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006307783.tif 000019