(57)【要約】【課題】  ディフューザ付風車において、ディフューザ出口付近の境界層を吸引することにより、ディフューザ入口の流入風速を高めて発電効率を向上させる。【解決手段】  ディフューザ２０の小面積開口部２１を風上側に大面積開口部２２を風下側に各々配置し、ディフューザ２０によって囲われた流路空間の風上側にロータ３０及びナセル４０を配置し、ディフューザ２０とナセル４０とを連結部５０で連結し、ディフューザ２０の大面積開口部２２近傍の内壁２２ａに孔２３を設ける。そして、孔２３からディフューザ２０内及び連結部５０内を経由してナセル４０の内部にいたる連通流路を設けるとともにナセル４０に排気口を設け、気流生成手段（冷却ファン７０）で連通流路から排気口へと向かう気流を生成する。【選択図】図２
2006152854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路面積が漸次拡大するように形成され小面積開口部が風上側に大面積開口部が風下側に各々配置されたディフューザと、前記ディフューザによって囲われた流路空間の前記小面積開口部近傍に配置され水平方向に延在する回転軸を中心に回転するロータと、前記回転軸を支持するナセルと、を備えるディフューザ付風車において、
前記ディフューザと前記ナセルとを連結する連結部と、
前記ディフューザの前記大面積開口部近傍の内壁に設けられた孔と、
前記孔から前記ディフューザ内及び前記連結部内を経由して前記ナセルの内部にいたる連通流路と、
前記ナセルに設けられた排気口と、
前記連通流路から前記排気口へと向かう気流を生成する気流生成手段と、
を備えることを特徴とするディフューザ付風車。
【請求項２】
前記ロータの回転力を電力に変換する発電機と、
前記発電機から放出される熱を前記排気口から前記ナセルの外部に排出する発電機用冷却ファンと、を備え、
前記発電機用冷却ファンは、
前記気流生成手段として機能することを特徴とする請求項１に記載のディフューザ付風車。
【請求項３】
前記ロータの回転力を電力に変換する発電機と、
前記ロータの回転数を増加させて前記発電機に伝達する増速機と、
前記増速機から放出される熱を前記排気口から前記ナセルの外部に排出する増速機用冷却ファンと、を備え、
前記増速機用冷却ファンは、
前記気流生成手段として機能することを特徴とする請求項１又は２に記載のディフューザ付風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディフューザ付風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、水平軸風車の発電量を増大させる手段として、流路面積が漸次拡大するように形成されたディフューザ（拡大管）が採用されている。ディフューザの入口（小面積開口部）を風上側に配置するとともに出口（大面積開口部）を風下側に配置し、ディフューザの入口近傍に水平軸風車のロータを配置することにより、ロータに流入する風速を高めて発電量の増大を図ることができる。
【０００３】
また、近年においては、ディフューザの出口近傍の圧力を低下させることにより、さらに集風効果を高める技術が種々提案されている。例えば、ディフューザの出口に「つば」を付けてカルマン渦を発生させ、ディフューザ出口付近に低圧域を発生させることにより、ディフューザ入口における流入風速を増大させる試みがなされている（例えば、非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】大屋裕二、他５名、「風レンズ（風の局所集中効果）による風力発電の高出力化」、第３３回流体力学講演会講演集、日本航空宇宙学会、２００１年、p.229-232
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、非特許文献１に記載された技術は、ディフューザの出口付近で積極的にカルマン渦を発生させるものであるため、図４に示すようにディフューザ１００の出口１２０の付近で境界層が剥離してしまい、実質的に流路が拡張しない。このため、ディフューザ１００の入口１１０への流入風速が低くなり、発電効率が低下するおそれがあった。
【０００５】
本発明の課題は、ディフューザ付風車において、ディフューザ出口付近の境界層の剥離を抑制することにより、ディフューザ入口の流入風速を高めて発電効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、流路面積が漸次拡大するように形成され小面積開口部が風上側に大面積開口部が風下側に各々配置されたディフューザと、前記ディフューザによって囲われた流路空間の前記小面積開口部近傍に配置され水平方向に延在する回転軸を中心に回転するロータと、前記回転軸を支持するナセルと、を備えるディフューザ付風車において、前記ディフューザと前記ナセルとを連結する連結部と、前記ディフューザの前記大面積開口部近傍の内壁に設けられた孔と、前記孔から前記ディフューザ内及び前記連結部内を経由して前記ナセルの内部にいたる連通流路と、前記ナセルに設けられた排気口と、前記連通流路から前記排気口へと向かう気流を生成する気流生成手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、ディフューザの出口（風下側の大面積開口部）近傍の内壁に孔を設け、この孔からナセルの内部にいたる連通流路を設けるとともに、この連通流路からナセルに設けられた排気口へと向かう気流を気流生成手段で生成する。このため、ディフューザの出口近傍の空気を、連通流路を経由させてナセルの内部に導いて排気口から排出することができる。従って、ディフューザの出口内壁における境界層の剥離を抑制することができるので、ディフューザ出口付近の流路を実質的に拡張することができる。この結果、ディフューザ入口の流入風速を高めることができ、発電効率を向上させることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のディフューザ付風車において、前記ロータの回転力を電力に変換する発電機と、前記発電機から放出される熱を前記排気口から前記ナセルの外部に排出する発電機用冷却ファンと、を備え、前記発電機用冷却ファンは、前記気流生成手段として機能することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、発電機から放出される熱を排気口からナセルの外部に排出して発電機を冷却する発電機用冷却ファンを気流生成手段として機能させる。すなわち、気流生成手段を別途設けることなく従来から使用されている発電機用冷却ファンを有効に利用して本発明の作用効果（集風作用及び発電量増大効果）を得ることができるので、低コスト化を達成することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のディフューザ付風車において、前記ロータの回転力を電力に変換する発電機と、前記ロータの回転数を増加させて前記発電機に伝達する増速機と、前記増速機から放出される熱を前記排気口から前記ナセルの外部に排出する増速機用冷却ファンと、を備え、前記増速機用冷却ファンは、前記気流生成手段として機能することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、増速機から放出される熱を排気口からナセルの外部に排出して増速機を冷却する増速機用冷却ファンを気流生成手段として機能させる。すなわち、気流生成手段を別途設けることなく従来から使用されている増速機用冷却ファンを有効に利用して本発明の作用効果（集風作用及び発電量増大効果）を得ることができるので、低コスト化を達成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ディフューザの出口近傍の内壁に孔を設け、この孔からナセルの内部にいたる連通流路を設けるとともに、この連通流路から排気口へと向かう気流を生成することにより、ディフューザの出口近傍の空気をナセルの内部に導いて排気口から排出することができる。この結果、ディフューザの出口内壁における境界層の剥離を抑制してディフューザ内の気流の円滑化を達成することができ、ディフューザ入口の流入風速を高めて発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。
【００１４】
まず、図１及び図２を用いて、本発明の実施の形態に係るディフューザ付風車１の構成について説明する。本実施の形態に係るディフューザ付風車１は、図１及び図２に示すように、所定の場所に設置されるタワー１０、タワー１０の頂部に取り付けられたディフューザ２０、ディフューザ２０によって囲われる流路空間に配置されたロータ３０及びナセル４０、ディフューザ２０とナセル４０と連結する連結部５０、ナセル４０の内部に搭載された発電機６０及び冷却ファン７０等を備えて構成されている。
【００１５】
ディフューザ２０は、図１及び図２に示すように、流路面積が漸次拡大するように形成された拡大管であり、風上側に配置される小面積開口部２１と、風下側に配置される大面積開口部２２と、を有している。ディフューザ２０の大面積開口部２２近傍の内壁２２ａには、図２に示すように、複数のオリフィス（孔）２３が設けられている。また、ディフューザ２０の内部には、図２に示すように、各オリフィス２３に連通するとともに後述する連結部内流路５１に連通接続されるディフューザ内流路２４が設けられている。
【００１６】
ロータ３０は、図１及び図２に示すように、風力を回転力に変換する２枚のブレード３１及びハブ３２を有しており、ハブ３２に固定された水平方向に延在する回転軸３３を中心に回転するように構成されている。ロータ３０は、ディフューザ２０によって囲われる流路空間の風上側（すなわち小面積開口部２１の近傍）に配置されている。
【００１７】
ナセル４０は、図１及び図２に示すように、ロータ３０の風下側に配置された状態で連結部５０によってディフューザ２０に連結される。ナセル４０の内部には、発電機６０、冷却ファン７０及び図示されていないコントローラ等の各種機器が搭載される。ナセル４０の風上側端部には、ロータ３０の回転軸３３が回転自在に取り付けられており、ナセル４０の風下側端部には、ナセル４０内の空気を外部に排出するための図示されていない排気口が設けられている。また、ナセル４０の上下面には、後述する連結部内流路５１に位置合わせされる図示されていない貫通孔が設けられている。
【００１８】
ディフューザ２０とナセル４０とを連結する連結部５０は、図１及び図２に示すように、ディフューザ２０によって囲われる流路空間でナセル４０の姿勢を一定に保持する。本実施の形態においては、連結部５０として、所定の厚さを有しナセル４０の上下に配置される２枚の板状部材を採用している。連結部５０の内部には、図２に示すように、ディフューザ２０内に設けられたディフューザ内流路２４に連通接続され、ナセル４０に設けられた貫通孔に位置合わせされる連結部内流路５１が設けられている。ディフューザ内流路２４と連結部内流路５１とナセル４０に設けられた貫通孔とによって、ディフューザ２０のオリフィス２３からナセル４０内部にいたる連通流路が構成されることとなる。
【００１９】
発電機６０は、図２（ａ）に示すようにナセル４０の内部に搭載され、ロータ３０の回転力を電力に変換する。冷却ファン７０は、ナセル４０の内部において風上側から風下側へと向かう気流を生成することにより、発電機６０から放出される熱を排気口からナセル４０の外部に排出して発電機６０を冷却する。また、冷却ファン７０は、前記したように風上側から風下側へと向かう気流を生成することにより、連通流路を介してオリフィス２３から境界層を吸い込み、ナセル４０内に流入した空気を排気口から排出する。すなわち、冷却ファン７０は、本発明における気流生成手段として機能することとなる。
【００２０】
次に、図３及び表１を用いて、本実施の形態に係るディフューザ付風車１を採用した場合における集風作用及び発電量増大効果について説明する。
【００２１】
まず、図３に示すように、ディフューザ２０の入口（小面積開口部２１）における流路面積、気流の速度及び静圧を各々Ｓ１、Ｕ１、ｐ１とし、ディフューザ２０の出口（大面積開口部２２）における開口面積、気流の速度及び静圧を各々Ｕ２、Ｓ２、ｐ２とする。そして、断面積Ｓ０の流管における一様流の速度及び静圧を各々Ｕ０、ｐ０とし空気密度をρとすると、ベルヌイの式（Ａ）及び流量の式（Ｂ）は以下のようになる。
【００２２】
【数１】
2006152854.tif 000003
【００２３】
【数２】
2006152854.tif 000004
【００２４】
これらベルヌイの式（Ａ）及び流量の式（Ｂ）を用いて、ロータ３０に流入する気流の速度（ディフューザ入口における気流の速度：以下「流入風速」という）Ｕ１を求めると、流入風速Ｕ１は、式（Ｃ）に示されるようにディフューザ出口における圧力係数ＣＰ２の関数として表される。かかる式（Ｃ）により、ディフューザ出口における圧力が低くなるほど流入風速Ｕ１が増加することが明らかとなる（集風作用）。
【００２５】
【数３】
2006152854.tif 000005
【００２６】
次に、ディフューザ付風車１の出力係数をη（定数）とすると、発電に利用できる単位時間当りの空気エネルギ（以下「出力」という）ＥＲは以下の式（Ｄ）で表される。そして、式（Ｄ）のＵ１に式（Ｃ）を代入することにより式（Ｅ）が得られる。式（Ｅ）に示されるように、出力ＥＲはディフューザ出口における圧力係数ＣＰ２の関数として表されることとなる。
【００２７】
【数４】
2006152854.tif 000006
【００２８】
【数５】
2006152854.tif 000007
【００２９】
この式（Ｅ）を圧力係数ＣＰ２で微分すると、以下の式（Ｆ）が得られる。
【００３０】
【数６】
2006152854.tif 000008
【００３１】
ここで、ディフューザ出口における圧力ｐ２が一様流の圧力ｐ０に充分近いことに着目すると、式（Ｆ）において「ＣＰ２≒０」と近似することができる。そして、式（Ｆ）において「ｄＥＲ」を出力変動「ΔＥＲ」とおき、「ｄＣＰ２」を圧力係数変動「ΔＣＰ２」とおくことにより、近似式（Ｇ）が得られる。かかる式（Ｇ）により、ディフューザ出口における圧力が低下した場合（ディフューザ出口における圧力係数変動ΔＣＰ２が負となる場合）に、出力ＥＲが増大する（出力ＥＲの変動量ΔＥＲが正となる）ことが明らかとなる（発電量増大効果）。
【００３２】
【数７】
2006152854.tif 000009
【００３３】
＜具体例＞
一様流の速度Ｕ０を「８m/s」、出力係数ηを「０．３５」、空気密度ρを「１．２２５kg/m３」、ロータ３０の面積（＝ディフューザ入口における流路面積）Ｓ１を「２００m２」、ディフューザ出口における流路面積Ｓ２を「２３０m２」とする。そして、本発明を適用しない場合におけるディフューザ出口の圧力係数ＣＰ２を「−０．４」、本発明を適用した場合におけるディフューザ出口の圧力係数ＣＰ２を「−０．６」として式（Ｃ）及び式（Ｅ）を用いて流入風速Ｕ１及び出力ＥＲの理論値を求め、その結果を表１に示した。
【００３４】
【表１】
2006152854.tif 000010
【００３５】
表１に示されるように、ディフューザ出口の圧力係数ＣＰ２を「−０．４」から「−０．６」に低下させた場合には、流入風速Ｕ１の理論値が「０．８m/s」増加し、出力ＥＲの理論値が「１２．３kW」増加することとなった。
【００３６】
以上説明した実施の形態に係るディフューザ付風車１においては、ディフューザ２０の出口（大面積開口部２２）近傍の内壁２２ａにオリフィス２３を設け、オリフィス２３からナセル４０の内部にいたる連通流路（ディフューザ内流路２４、連結部流路５１及び貫通孔）を設けるとともに、冷却ファン７０で連通流路から排気口へと向かう気流を生成する。このため、ディフューザ２０の出口近傍の空気を、連通流路を経由させてナセル４０の内部に導いて排気口から排出することができる。従って、ディフューザ２０の出口内壁２２ａにおける境界層の剥離を抑制することができるので、ディフューザ２０の出口付近で実質的に流路を拡張することができる。この結果、ディフューザ２０の入口の流入風速を高めることができ、発電効率を向上させることができる。
【００３７】
また、以上説明した実施の形態に係るディフューザ付風車１においては、発電機６０から放出される熱を排気口からナセル４０の外部に排出して発電機６０を冷却する冷却ファン７０を気流生成手段として機能させることができる。すなわち、気流生成手段を別途設けることなく従来から使用されている発電機６０用の冷却ファン７０を有効に利用して、本発明の作用効果（集風作用及び発電量増大効果）を得ることができるので、低コスト化を達成することができる。
【００３８】
なお、以上の各実施の形態においては、発電機６０用の冷却ファン７０のみを設けた例を示したが、ロータ３０と発電機６０の間に増速機を設けるとともに、増速機を冷却する増速機用冷却ファンを設け、増速機用冷却ファンによって風上側から風下側へと向かう気流を生成することもできる。かかる場合における増速機用冷却ファンは、本発明における気流生成手段として機能する。また、発電機用冷却ファンや増速機用冷却ファンとは別の専用ファンを気流生成手段としてナセル４０の内部に搭載して、風上側から風下側に向かう気流を生成することもできる。
【００３９】
また、以上の実施の形態においては、連結部５０（板状部材）をナセル４０の上下に配置した例を示したが、連結部５０の位置はこれに限られるものではなく、例えばナセル４０の左右に連結部５０を配置することもできる。また、以上の実施の形態においては、連結部５０として「板状部材」を採用したが、ディフューザ２０に対してナセル４０を固定することができかつその内部に流路を設けることができる部材であればいかなる部材を用いることもできる。
【００４０】
また、以上の実施の形態においては、ディフューザ２０の大面積開口部２２近傍の内壁２２ａに複数のオリフィス２３を設けた例を示したが、ディフューザ２０の内壁２２ａに設けられる孔の形態はこれに限定されるものではない。例えば、オリフィス２３に代えて溝孔を設け、この溝孔をディフューザ内流路２４に連通させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態に係るディフューザ付風車の概略斜視図である。
【図２】（ａ）は図１に示したディフューザ付風車のII−II部分の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したディフューザ付風車のディフューザ出口近傍の内壁の一部を矢印Ｂ方向から見た場合の拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るディフューザ付風車のディフューザ内の気流を表す概念図である。
【図４】従来のディフューザ付風車のディフューザ内の気流を表す概念図である。
【符号の説明】
【００４２】
１      ディフューザ付風車
２０    ディフューザ
２１    小面積開口部
２２    大面積開口部
２２ａ  内壁
２３    オリフィス（孔）
２４    ディフューザ内流路（連通流路の一部）
３０    ロータ
３３    回転軸
４０    ナセル
５０    連結部
５１    連結部内流路（連通流路の一部）
６０    発電機
７０    冷却ファン（発電機用冷却ファン、気流生成手段）
【図１】
2006152854.tif 000011
【図２】
2006152854.tif 000012
【図３】
2006152854.tif 000013
【図４】
2006152854.tif 000014