(57)【要約】【課題】発電効率が高く、そして出力の変動の小さい風力発電装置を提供すること。【解決手段】内側に膨出した内周面を有するダクト、該ダクトの内周面に立設された支柱に固定された、ダクトの中心軸に沿って延びる、回転軸と発電機とを収容する筒状容器、そして回転軸に接続された羽根車を備えた風力発電装置であって、該ダクトの後端部もしくはその近傍に、ダクトの外周面から立ち上げることが可能な可動片が付設されていることを特徴とする風力発電装置。【選択図】　　　　図１
2004052720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に膨出した内周面を有するダクト、該ダクトの内周面に立設された支柱に固定された、ダクトの中心軸に沿って延びる、回転軸と発電機とを収容する筒状容器、そして回転軸に接続された羽根車を備えた風力発電装置であって、該ダクトの後端部もしくはその近傍に、ダクトの外周面から立ち上げることが可能な可動片が付設されていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
ダクト前端部での開口径が、ダクト後端部での開口径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
地表、地表に設置された基台、もしくは地表に係留された基台に立設された支柱、該支柱の頂部に軸受を介して設置された支持台、そして該支持台に固定された風力発電装置からなり、該風力発電装置が、請求項１もしくは２に記載の風力発電装置である風力発電装置組体。
【請求項４】
地表、地表に設置された基台、もしくは地表に係留された基台に軸受を介して回転可能に設置された支柱そして該支柱の両側に互いに対称的に配置された風力発電装置からなり、該風力発電装置のそれぞれが、請求項１もしくは２に記載の風力発電装置である風力発電装置集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電装置は、風により羽根車を回転させ、この回転運動のエネルギーを発電機により電気的エネルギーに変換することにより発電する装置である。風力発電装置は、風をエネルギー源とするために、発電のために特別なエネルギー源（石油燃料や核燃料など）を確保する必要がなく、さらに発電により環境汚染物などを生じないなどの利点を有している。他方、風力発電装置は、風の持つエネルギーが低いために高出力を得にくく、そして発電に用いる風の速度にばらつきが大きいために出力の変動が大きいなどの欠点を有している。
【０００３】
上記の欠点を解決して、風力発電装置の出力を大きくするために、装置の発電効率を高くする検討がされている。発電効率を高くする方法の一つとして、羽根車を円筒状のダクトで囲む方法が知られている。円筒状のダクトを有する風力発電装置については、英国公開特許公報第１５０８７５２号に記載されている。この公報に記載の円筒状ダクトでは、ダクトの内周面を内側に膨出させることにより、ダクトの入口から流入する風を増速させている。このような円筒状ダクトを備えた風力発電装置においては、ダクトにより増速された風によって羽根車を回転させて、高い発電効率を得ている。
【０００４】
前記のように、羽根車を円筒状ダクトで囲むことによって、風力発電装置の発電効率をある程度は高くすることができるが、発電コストを考慮すれば、さらに発電効率を高くすることが好ましい。また、このような円筒状ダクトを備えた風力発電装置は、出力の変動が大きいという欠点を残したままである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、発電効率が高く且つ出力の変動の小さい風力発電装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ダクトの後端部もしくはその近傍に、ダクトの外周面から立ち上げることが可能な可動片を付設しておいて、風速が小さい時に可動片を立ち上げることによって、ダクト内を流れる風が増速し、風力発電装置の発電効率を高くすることができることを見出した。また、可動片の立ち上げ量を調節することにより、ダクト内の風を増速させる割合を調節することができ、風力発電装置の出力の変動を小さくできることも判明した。
【０００７】
本発明は、内側に膨出した内周面を有するダクト、ダクトの内周面に立設された支柱に固定された、ダクトの中心軸に沿って延びる、回転軸と発電機とを収容する筒状容器、そして回転軸に接続された羽根車を備えた風力発電装置であって、前記ダクトの後端部もしくはその近傍に、ダクトの外周面から立ち上げることが可能な可動片が付設されていることを特徴とする風力発電装置にある。本発明の風力発電装置において、ダクト前端部での開口径は、ダクト後端部での開口径よりも大きいことが好ましい。
【０００８】
本発明はまた、地表、地表に設置された基台、もしくは地表に係留された基台に立設された支柱、支柱の頂部に軸受を介して設置された支持台、そして支持台に固定された風力発電装置からなり、この風力発電装置が、上記の本発明の風力発電装置である風力発電装置組体にもある。
【０００９】
本発明はまた、地表、地表に設置された基台、もしくは地表に係留された基台に軸受を介して回転可能に設置された支柱そして支柱の両側に互いに対称的に配置された風力発電装置からなり、これらの風力発電装置のそれぞれが、上記の本発明の風力発電装置である風力発電装置集合体にもある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の風力発電装置を添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明に従う風力発電装置の一例の構成を示す正面図であり、図２は、図１の風力発電装置の右側面図であり、そして図３は、図１の風力発電装置の背面図である。図４は、図１に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した風力発電装置の断面図である。
【００１１】
図１〜図４に示す風力発電装置は、内側に膨出した内周面を有するダクト１１、ダクト１１の内周面に立設された支柱１２に固定された、ダクトの中心軸１３に沿って延びる、回転軸１４と発電機１５とを収容する筒状容器１６、そして回転軸１４に接続された羽根車１７などから構成されている。そして風力発電装置のダクト１１の後端部２４の近傍には、ダクトの外周面から立ち上げることが可能な四個の可動片１８が付設されている。ダクト１１の外周面には、各々の可動片１８をダクトの外周面から立ち上げるためのシリンダ１９が付設されている。
【００１２】
羽根車１７には、二枚の羽根２０が備えられている。ダクト１１の入口（前端部２３の側の開口）から流入した風を受けて、羽根車１７、および羽根車１７に接続された回転軸１４が回転する。回転軸１４の回転運動のエネルギーは、発電機１５により電気的エネルギーに変換される。電気的エネルギーは、電気配線２１を介して風力発電装置の外部に出力される。
【００１３】
次に、本発明の風力発電装置において特徴的な可動片１８の構成とその動作について説明する。四個の可動片１８は、ダクト１１の後端部２４の近傍に付設されている。ダクト１１の後端部は、四個の可動片１８から構成されている。各々の可動片１８には、シリンダ１９が接続されている。シリンダ１９によって、可動片１８をシリンダ１９の側に引き寄せることにより、可動片１８をダクト１１の外周面から立ち上げることができる。シリンダ１９に代えて電磁モータを用いたり、あるいは可動片に索を固定して、この索を電磁モータなどで引き寄せることによっても、可動片を立ち上げることができる。可動片１８を立ち上げるための駆動方法に特に制限はなく、例えば、航空機のフラップと同様の駆動手段を用いることができる。
【００１４】
図５は、可動片１８が、ダクト１１の外周面に対して概ね９０度に立ち上げられた状態における図１の風力発電装置の断面図である。そして図６は、この状態における図１の風力発電装置の背面図である。
【００１５】
図５と図６に示すように、ダクト１１の外周面に対して各々の可動片１８を立ち上げることにより、風力発電装置の発電効率を高めることができる。可動片１８を立ち上げることにより、ダクト１１の外周面に沿って流れる風が、可動片１８により急速にダクトから遠ざけられる。このため、ダクト１１の後方の空間が低圧となる。ダクト後方の空間が低圧となると、ダクト内部を流れる風の速度が増加するため、風力発電装置の発電効率が高くなる。
【００１６】
可動片１８の長さは、ダクト１１の前端部と後端部とを結ぶ直線（図４：２５）の長さに対して、５乃至１５％の範囲にあることが好ましい。また、可動片１８を立ち上げた場合に、可動片と可動片との隙間、あるいは可動片とダクト外周面との隙間を流れる風を、ダクトの外周面から遠ざけるように、ダクト１１の外周面に、これらの隙間を塞ぐ補助的な固定壁を付設することも好ましい。
【００１７】
図１に示す風力発電装置は、可動片１８を立ち上げることにより、ダクト１１の内部を流れる風の速度を極めて高くすることができる。コンピュータシミュレーションにより、図１の風力発電装置において、ダクト前端部２３での開口径を２０１２ｍｍ、ダクト１１の中心軸に沿った長さを３１７２ｍｍ、羽根車１７の直径を１１０６ｍｍ、そして可動片１８の長さを２２２ｍｍとした場合、可動片をダクトの外周面から概ね垂直に立ち上げると、ダクトの入口から流入する風は、羽根車１７が配置された位置において、３．５倍程度に増速されることが確認できた。なお、従来の風力発電装置と同様の円筒状ダクトを備えた風力発電装置の場合には、ダクトの入口から流入する風は、羽根車が配置された位置において、１．７倍程度に増速されることが確認できた。
【００１８】
風のエネルギーは、風速の三乗に比例するため、図１の風力発電装置は、同じ直径の羽根車のみを用いた風力発電装置の４２．９倍程度の出力が得られると推測される。ダクトの入口から流入する風の速度が６ｍ／ｓ程度である場合、このような小型の風力発電装置一台によって、４１３０Ｗ程度の高出力が得られと推測される。
【００１９】
また、可動片１８の立ち上げ量（図５に示す可動片の場合には、立ち上げ前の可動片に対する、立ち上げ後の可動片の角度）を調節することにより、ダクト１１の後方の空間の圧力を調節できる、即ち、風力発電装置の発電効率を調節することができる。ダクト１１の入口から流入する風の速度が低い場合には、可動片１８の立ち上げ量を大きくし、逆に風の速度が高い場合には、可動片１８の立ち上げ量を小さくすることにより、発電効率が調節されて、風力発電装置の出力の変動を小さくすることができる。可動片１８の立ち上げ量は、１１０度以下であることが好ましい。
【００２０】
上記のように、風力発電装置のダクト１１の後端部近傍に、可動片１８を付設することによって、従来の風力発電装置に対して、発電効率が高く、そして出力の変動が小さい風力発電装置を提供することができる。
【００２１】
本発明の風力発電装置において、ダクトの断面形状は、航空機の分野で詳細に検討されている翼の形状であることが好ましい。ダクトの断面形状として好ましい翼の例としては、ＮＡＣＡ６５３　−６１８（ａ＝０．５）、ＮＡＣＡ６４３　−６１８、およびＮＡＣＡ６３３　−６１８が挙げられ、ＮＡＣＡ６５３　−６１８（ａ＝０．５）の翼の形状が特に好ましい。
【００２２】
風力発電装置の羽根車の直径に対して、ダクトの体積を小さくすると、風力発電装置の占有する空間に対する出力が大きくなる。即ち、風力発電装置の小型化が可能となる。従って、図１から図６に示すように、羽根車１７が、ダクト内部の前方に配置されている場合には、風力発電装置のダクト前端部での開口径は、ダクト後端部での開口径よりも大きいことが好ましい。この場合、ダクトの前端部と後端部とを結ぶ直線（図４：２５）と、ダクトの中心軸（図４：１３）とのなす角度が、２乃至１０度の範囲にあることが好ましい。
【００２３】
また、ダクト内部の羽根車１７の後方において渦が発生すると、ダクト１１の入口から風が流入し難くなり、風力発電装置の発電効率が低下する。このような渦は、羽根車１７の後方のダクト内周面を螺旋運動しながらダクトの出口へとゆっくりと移動する場合が多い。このような渦の螺旋運動を抑制して、渦をダクトの出口から速やかに排出させるために、羽根車１７の後方のダクト内周面に、支柱１２と同様にダクトの長さ方向に延びる補助壁体を固定することが好ましい。
【００２４】
補助壁体としては、例えば、細長い板状の部材を用いることができる。板状部材は、その長さ方向がダクトの長さ方向と一致するようにして、ダクトの内周面に立設される。補助壁体は、ダクトの内周面に、ダクトの中心に対して対称に配置されるようにして、２乃至６個立設することが好ましい。このような補助壁体の付設により、ダクト内周方向に沿った渦の移動が妨げられ、渦は補助壁体の長さ方向に沿って移動して、速やかにダクトの出口から排出される。従って、ダクトの入口から風が流入し易くなり、風力発電装置の発電効率を高くすることができる。なお、円筒状ダクトを備えた従来の風力発電装置に、このような補助壁体を付設することにより、同様の効果が得られる。
【００２５】
図７は、本発明の風力発電装置の別の一例の構成を示す背面図である。図７の風力発電装置の構成は、可動片７８の幅Ｌが狭いこと以外は、図１〜図６に示す風力発電装置と同様である。図１〜図６に示す風力発電装置には、ダクトの後端部が四分割された構成の可動片が付設されているため、可動片１８をダクトの内側の方向には立ち上げることはできない。図７に示すように、各々の可動片７８の幅Ｌを短くすることにより、可動片７８を、ダクト１１の外側の方向みでなく、内側の方向にも立ち上げることが可能となる。可動片７８の立ち上げ量（立ち上げ前の可動片に対する、立ち上げ後の可動片の角度）は、可動片をダクトの外側の方向に立ち上げる場合には、１１０度以下であることが好ましく、可動片をダクトの内側の方向に立ち上げる場合には、３０度以下であることが好ましい。
【００２６】
従来の風力発電装置は、羽根車が暴風を受けると、出力が大きく変動する場合がある。また暴風を受けて羽根車が破損する場合もある。暴風時には、可動片７８をダクトの内側の方向に立ち上げることにより、ダクト内部を流れる風の速度を低くすることができる。従って、暴風時の風力発電装置の出力の変動を小さくすることができ、そして羽根車の破損も防止することができる。
【００２７】
図８は、可動片の別の一例について説明する断面図である。可動片をダクトの外側の方向にのみ立ち上げる場合には、図８に示すように、可動片８８をダクトの外周面の側に付設することもできる。
【００２８】
図９は、可動片のさらに別の一例について説明する断面図である。図１０は、図９に示す可動片９８を備えた風力発電装置において、可動片を立ち上げた状態における、装置の背面図である。図９と図１０に示すように、可動片９８を、ダクト１１の外周面に概ね垂直な方向に立ち上がるように、ダクト１１の後端部近傍に付設することもできる。可動片９８は、ダクトの中心軸に対して垂直に立ち上がるように、ダクト１１に付設することが好ましい。可動片９８の立ち上げ量（図９に示す可動片の場合には、ダクト１１の外周面に対する可動片９８の高さ）を調節することにより、風力発電装置の出力の変動を小さくすることができる。
【００２９】
図９に示す可動片９８と同様にして、風力発電装置のダクトの後端部近傍に、ダクトの内周面から立ち上げることができる可動片をさらに付設して、暴風時には、この可動片を立ち上げることによって、ダクト内部を流れる風の速度を低くすることができる。従って、前記と同様に、暴風時の風力発電装置の出力の変動を小さくすることができ、そして羽根車の破損も防止することができる。
【００３０】
図１１は、本発明の風力発電装置組体の一例の構成を示す正面図であり、図１２は、図１１の風力発電装置組体の右側面図である。図１１と図１２に示す風力発電装置組体は、地表１１１に設置された支柱１１２、支柱１１２の頂部に軸受１１３を介して設置された支持台１１４、そして支持台１１４に固定された風力発電装置１１５から構成されている。風力発電装置１１５としては、図１の風力発電装置が用いられている。
【００３１】
図１１と図１２に示す風力発電装置組体において、ダクト１１の外周面が受けた風の力により生じる、軸受１１３を中心とするモーメントにより軸受１１３を滑らせ、風力発電装置１１５が設置された支持台１１４を、風力発電装置１１５が風に向うように回転させることができる。このためには、ダクト１１の側面から風が当たった場合の風圧抵抗中心が、軸受１１３の回転中心と一致しないように、風力発電装置１１５を支持台１１４に設置すればよい。図１１と図１２に示す風力発電装置組体の場合、風力発電装置１１５は、風圧対向中心が、軸受１１３の回転中心よりやや後方に位置するように配置されている。
【００３２】
図１２に示すように、支持台１１４に方向舵１２１を付設することも好ましい。方向舵は、風力発電装置１１５のダクト１１の外周面に付設してもよい。なお、図１１と図１２に示す風力発電装置組体においては、可動片１８を立ち上げた際に、可動片１８と方向舵１２１とが接触しないように、風力発電装置１１５は、図１の正面図に記載した状態に対して、ダクトの中心軸を支点として４５度回転された状態で支持台１２４の上に設置されている。
【００３３】
図１３は、本発明に従う風力発電装置集合体の一例の構成を示す正面図である。図１３の風力発電装置集合体は、地表１１１に設置された基台１３１に軸受１１３を介して回転可能に設置された支柱１３２、そして支柱１３２の両側に互いに対称的に配置された風力発電装置１１５から構成されている。風力発電装置１１５としては、図１の風力発電装置が用いられている。
【００３４】
図１３に示すように、風力発電装置１１５を支柱１３２の両側に対称的に配置することにより、風力発電装置の自重により支柱のそれぞれの側で生ずる曲げモーメントを釣り合わせ、支柱１３２や軸受１１３に加わる曲げモーメントを小さくすることができる。曲げモーメントを小さくすることにより、支柱１３２や軸受１１３に必要とされる機械的強度が小さくなり、支柱の太さや軸受けの大きさを小さく設定できる。
【００３５】
本発明の風力発電装置は、発電効率が高いために、低速の風でも発電が可能であり、発電装置の小型化も可能である。従って、従来は風力発電装置の運搬と設置が困難であった山間部などにも設置が可能である。そして本発明の風力発電装置を用いた風力発電装置組体及び風力発電装置集合体は、陸地よりも風速の高い沿岸部や海上に設置することも好ましい。沿岸部においては海底（地表）に設置され海上へと延びる支柱を用いて、あるいは陸地や海底に係留され、海面に浮かぶ基台に設置された支柱を用いて、風力発電装置組体もしくは風力発電装置集合体を構成することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明により、高い発電効率と小さな出力変動を示す風力発電装置を提供することができる。また、本発明の風力発電装置は、発電効率が高いために小型でも高出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う風力発電装置の一例の構成を示す正面図である。
【図２】図１の風力発電装置の右側面図である。
【図３】図１の風力発電装置の背面図である。
【図４】図１に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した風力発電装置の断面図である。
【図５】図１の風力発電装置の可動片の動作を説明する断面図である。
【図６】図１の風力発電装置の可動片の動作を説明する背面図である。
【図７】本発明の風力発電装置の別の一例の構成を示す背面図である。
【図８】可動片の別の一例について説明する断面図である。
【図９】可動片のさらに別の一例について説明する断面図である。
【図１０】図９の可動片を備えた風力発電装置の構成を説明する背面図である。
【図１１】本発明の風力発電装置組体の一例の構成を示す正面図である。
【図１２】図１の風力発電装置組体の右側面図である。
【図１３】本発明の風力発電装置集合体の一例の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１１　ダクト
１２　支柱
１３　ダクトの中心軸
１４　回転軸
１５　発電機
１６　筒状容器
１７　羽根車
１８　可動片
１９　シリンダ
２０　羽根
２１　電気配線
２３　ダクト前端部
２４　ダクト後端部
２５　ダクトの前端部と後端部を結ぶ直線
７８　可動片
８８　可動片
９８　可動片
１１１　地表
１１２　支柱
１１３　軸受
１１４　支持台
１１５　風力発電装置
１２１　方向舵
１３１　基台
１３２　支柱
１３３　避雷針
【図１】
2004052720.tif 000003
【図２】
2004052720.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004052720.tif 000009
【図８】
2004052720.tif 000010
【図９】
2004052720.tif 000011
【図１０】
2004052720.tif 000012
【図１１】
2004052720.tif 000013
【図１２】
2004052720.tif 000014
【図１３】
2004052720.tif 000015