(57)【要約】【課題】筒状ダクト（２）内に羽根車（４）が配設された型の風力発電装置において、構造を徒に複雑化せしめることなく、そしてまた製造コストを徒に増大せしめることなく、筒状ダクトを流動する風の増速率を大幅に増大せしめ、かくして発電効率を大幅に増大せしめる。【解決手段】筒状ダクトの後端に、筒状ダクトの外周面から半径方向外方に延出する環状フィン（２４）を配設する。【選択図】          図１
2005240694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状ダクトと該筒状ダクト内に回転自在に配設された羽根車とを具備する風力発電装置において、
該筒状ダクトの後端には、該筒状ダクトの外周面から半径方向外方に延出する環状フィンが配設されている、ことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
該環状フィンは該筒状ダクトの中心軸線に対して７０乃至１１０度である角度αをなして延出している、請求項1記載の風力発電装置。
【請求項３】
該角度αは８５乃至９５度である、請求項２記載の風力発電装置。
【請求項４】
該筒状ダクトの軸線方向長さをＬとし、該環状フィンの半径方向外方延出長さをＸとすると、０．０５Ｌ≦Ｘ≦０．３０Ｌである、請求項１から３までのいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項５】
０．１０Ｌ≦Ｘ≦０．２０Ｌである、請求項４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、風力発電装置、更に詳しくは筒状ダクトとこの筒状ダクト内に回転自在に配設された羽根車とを具備する型の風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１及び２に開示されている如く、筒状ダクト内に羽根車を回転自在に配設した型の風力発電装置が提案されている。かような型の風力発電装置においては、筒状ダクト内を流動することによって増速された風が羽根車に作用せしめられ、それ故に筒状ダクトを備えていない型の風力発電装置に比べて相当高い発電効率を有する。
【特許文献１】米国特許第４，４１０，４３３号
【特許文献２】特開２００３−２８０４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
筒状ダクトを備えた型の風力発電装置は、筒状ダクトを備えていない型のものに比べて相当高い発電効率を有するが、未だ充分に満足し得るものではなく、発電効率の点から更に改良すべき余地がある。
【０００４】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、構造を徒に複雑化せしめることなく、そしてまた製造コストを徒に増大せしめることなく、筒状ダクトを流動する風の増速率を大幅に増大せしめ、かくして発電効率を大幅に増大せしめることができる、新規且つ改良された風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者等は、鋭意研究の結果、筒状ダクトの後端に、筒状ダクトの外周面から半径方向外方に延出する環状フィンを配設することによって上記主たる技術的課題を達成することができることを見出した。
【０００６】
即ち、本発明によれば、上記主たる技術的課題を達成する風力発電装置として、筒状ダクトと該筒状ダクト内に回転自在に配設された羽根車とを具備する風力発電装置において、
該筒状ダクトの後端には、該筒状ダクトの外周面から半径方向外方に延出する環状フィンが配設されている、ことを特徴とする風力発電装置が提供される。
【０００７】
該環状フィンは該筒状ダクトの中心軸線に対して７０乃至１１０度、特に８５乃至９５度である角度αをなして延出しているのが好適である。該筒状ダクトの軸線方向長さをＬとし、該環状フィンの半径方向外方延出長さをＸとすると、０．０５Ｌ≦Ｘ≦０．３０Ｌ、特に０．１０Ｌ≦Ｘ≦０．２０Ｌ、であるのが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の風力発電装置においては、筒状ダクトの外周面に沿って流動する風が筒状ダクトの後端にて環状フィンによって堰き止められることに起因して、環状フィンの下流側に負圧が生成され、かかる負圧によって筒状ダクト内の風の流動が促進され、筒状ダクト内を流動する風の増速率が大幅に増大せしめられ、かくして発電効率が大幅に向上せしめられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に従って構成された風力発電装置の好適実施形態を図示している添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
【００１０】
図１及び図２を参照して説明すると、図示の風力発電装置は筒状ダクト２とこの筒状ダクト２内に回転自在に配設された羽根車４とを具備している。
【００１１】
繊維強化合成樹脂の如き適宜の材料から形成することができる筒状ダクト２は全体として略円筒形状である。筒状ダクト２の内周面は前端(図１において左端）から後端(図１において右端）に向かって滑らかな流線形状をなし、内径は前端から後端に向かって漸次減少し、次いで漸次増大せしめられており、軸線方向中央領域に最小内径部６が存在する。筒状ダクト２の外周面も前端から後端に向かって滑らかな流線形状をなし、外径は前端から後端に向かって漸次増大し、次いで漸次減少せしめられており、前端部に最大外径部８が存在する。図１に図示する断面図において、筒状ダクト２の前端と後端とを結ぶ直線１０は中心軸線１２に対して２乃至６度程度の傾斜角度θで前端から後端に向かって半径方向内側に傾斜せしめられているのが好適である。
【００１２】
筒状ダクト２の好適流線形断面形状としては、「ＮＡＳＡ６５３−６１８（ａ＝０．５）」、「ＮＡＳＡ６４３−６１８」、「ＮＡＳＡ６３３−６１８（ａ＝０．５）」、「ＦＸ６１−１８４」及び「ＦＡ６６−Ｓ−１９６Ｖ１」として当業者には周知の形状を挙げることができる。図示の実施形態における筒状ダクト２の断面形状は「ＮＡＳＡ６５３−６１８（ａ＝０．５）」と称されているものである。
【００１３】
図１及び図２を参照して説明を続けると、筒状ダクト２内には、周方向に間隔をおいて配設された複数個(図示の場合は２個）の接続部材１４を介して、静止支持手段１６が固定されている。図示の実施形態における静止支持手段１６は筒状ダクト２の中心軸線方向に延在する中空部材から形成されており、その前部及び中間部は円筒形状でその後部は後方に向かって外径が漸次減少する円錐形状である。静止支持手段１６内には適宜の軸支手段（図示していない）を介して回転軸１８が回転自在に装着されている。この回転軸１８は静止支持手段１６の前端を越えて前方に突出せしめられており、上記羽根車４は回転軸１８の先端部に装着されている。静止支持手段１６内には発電手段(図示していない）が配設されており、回転軸１８の後端は発電手段の回転部材に接続されている。
【００１４】
図示の実施形態における羽根車４は、回転軸１８に固定された中央スピナ２０とこのスピナ２０に周方向に間隔をおいて固定された複数個の羽根部材２２とから構成されている。図示の実施形態においては、１８０度の角度間隔をおいて２個の羽根部材２２がスピナ２０に固定されている。羽根部材２２の各々は風を受けて回転するのに適した形状であることが重要である。図３は羽根部材２２の図２における線III−IIIにおける断面図であり、図４は羽根部材２２の図２における線ＩＶ−ＩＶにおける断面図であり、図５は羽根部材２２を先端から見た端面図である。図３に図示する形状は「Ｒｉｓｏ−Ａ２７ｍｏｄ．」として当業者には周知の形状であり、図４は「ＦＸ６３−１３７ｍｏｄ．」として当業者には周知の形状である。羽根車４を構成するスピナ２０及び羽根部材２２も、筒状ダクト２と同様に繊維強化合成樹脂から好都合に形成することができる。
【００１５】
図１を参照して説明を続けると、本発明に従って構成された風力発電装置においては、筒状ダクト２にその外周面後端から半径方向外方に延出する環状フィン２４が付設されていることが重要である。環状フィン２４は、筒状ダクト２の中心軸線１２に対して７０乃至１１０度、特に８５乃至９５度、であるのが好適である角度αをなして延在せしめられているのが好ましい。環状フィン２４の半径方向外方延出長さＸは筒状ダクト２の軸線方向長さＬに対して、０．０５Ｌ≦Ｘ≦０．３０Ｌ、特に０．１０Ｌ≦Ｘ≦０．２０Ｌ、であるのが好ましい。
【００１６】
上述したとおりの風力発電装置は、例えば上記特許文献２の図３及び図４に図示されている如く、鉛直方向に延びる支持柱に同一方向に向けて複数個装着して使用することができる。風の流動方向に応じて支持柱を鉛直方向に延びる回転軸線を中心として回転せしめることによって、風力発電装置の各々はその前端(図１において左端）が風上に指向せしめられる。風下に流動する風は筒状ダクト２内を流動することによって増速され、羽根車４に作用して羽根車４を回転せしめる。羽根車４の回転は回転軸１８を介して発電手段(図示していない）に伝動され、かくして発電手段にて発電が遂行される。
【００１７】
風下に流動する風が筒状ダクト２内を流動することによって増速されることに加えて、本発明に従って構成された風力発電装置においては、筒状ダクト２の外周面に沿って流動する風が筒状ダクト２の後端にて環状フィン２４によって堰き止められ、これに起因して環状フィン２４の下流側に負圧が生成される。そして、かかる負圧に起因して筒状ダクト２内を流動する風が筒状ダクト２の下流側に吸引され、筒状ダクト２内を流動する風が更に効果的に増速される。羽根車４の回転による発電量は理論的には羽根車４に作用する風の速度の３乗に比例し、従って本発明に従って構成された風力発電装置によれば、環状フィンが付設されていない従来の風力発電装置に比べて、著しく高効率で発電が遂行され得る。
【００１８】
シュミレーション１
図６は、図１乃至図５に図示するとおりの風力発電装置（X＝０．１５L、α＝９０度）における筒状ダクト２を流動する風の流れを、筒状ダクト２内の接続部材１４、静止支持手段１６及び羽根車４を省略して、換言すれば筒状ダクト２のみを対象として、所謂コンピュータシュミレーションした状態を図示した流動模式図であり、図７はかかるシュミレーションにおける筒状ダクト２の最小内径部６における風速増大率を示す線図である。コンピュータシュミレーション様式は、例えばthe
American Institute of Aeronautics and Astronauticsの主催で２０００年６月１９日から２２日まで米国コロラド州デンバーにて開催された「Fluids
２０００」において「ＡＩＡＡ２０００−２６５６」として発表された講演論文、the American Institute of Aeronautics and
Astronauticsの主催で２００１年６月１１日から１４日まで米国カルホルニア州アナヘイムにて開催された「１５th AIAA Computational
Fluid Dynamics Conference」において「ＡＩＡＡ２００１−２５４５」として発表された講演論文、及びthe American
Institute of Aeronautics and Astronauticsの主催で２００２年１月１４日から１７日まで米国ネバダ州レノにて開催された「４０th
AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit」において「ＡＩＡＡ２００２−０１３３」として発表された講演論文に記載されている様式でよい。かかるシュミレーション１から、環状フィン２４が付設された、本発明に従う筒状ダクト２によれば、最小内径部６の中央部において略５．８の高増速率が得られることが理解される。
【００１９】
シュミレーション２
図８は、筒状ダクトに環状フィンが付設されていないことを除いてシュミレーション１と同様の所謂コンピュータシュミレーションした状態を図示した流動模式図であり、図９はかかるシュミレーションにおける筒状ダクトの最小内径部における風速増大率を示す線図である。かかるシュミレーション２から、環状フィンが付設されていない従来の筒状ダクトにおいては、最小内径部の中央部における増速率は３以下であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に従って構成された風力発電装置の好適実施形態を示す断面図。
【図２】図１の風力発電装置の端面図。
【図３】図１の風力発電装置における羽根部材の、図２における線III−IIIにおける断面図。
【図４】図１の風力発電装置における羽根部材の、図２における線ＩＶ−ＩＶにおける断面図。
【図５】図１の風力発電装置における羽根部材の端面図。
【図６】シュミレーション１における流動模式図。
【図７】シュミレーション１における増速率線図。
【図８】シュミレーション２における流動模式図。
【図９】シュミレーション２における増速率線図。
【符号の説明】
【００２１】
２：筒状ダクト
４：羽根車
２４：環状フィン
【図１】
2005240694.tif 000003
【図２】
2005240694.tif 000004
【図３】
2005240694.tif 000005
【図４】
2005240694.tif 000006
【図５】
2005240694.tif 000007
【図６】
2005240694.tif 000008
【図７】
2005240694.tif 000009
【図８】
2005240694.tif 000010
【図９】
2005240694.tif 000011