(57)【要約】【課題】  コンセントレータの形状と設置位置を工夫することによって、風車で風力エネルギーをより効率良く取り出せるようにすること。【解決手段】  集風口７と排風口８を備え、風車１の風上側に配置するものであって、集風口７及び排風口８は、略円形で中心が風車１の回転軸と略同一直線上に位置しており、集風口７の面積を風車のブレード３の回転領域よりも大きくするとともに、排風口８の面積を集風口７の面積よりも小さく、なおかつ風車のブレード３の回転領域よりも小さくしたことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集風口と排風口を備え、風車の風上側に配置するものであって、集風口及び排風口は、略円形で中心が風車の回転軸と略同一直線上に位置し、集風口を風車のブレードの回転領域よりも大きくするとともに、排風口を集風口の面積よりも小さく、なおかつ風車のブレードの回転領域よりも小さくしたことを特徴とする風車用コンセントレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車の性能を向上させるためのコンセントレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置の出力は、風車の受風面積に比例することが知られている。しかし風車の大型化による出力アップは、設置場所による制約や、全体的に強度アップが必要になることもあって、コンパクトな形状での出力アップが求められている。そのための手段として、従来は表１の比較例ａ２のモデル図に示すように、入口側の集風口の直径Ｄに対して出口側の排風口の直径Ｄoを小さくした筒型のコンセントレータ（集風器）の中に、風車を内蔵するやり方が一般的であった。また、特許文献１や特許文献２に記載されているように、コンセントレータを風車の風上側に配置したものもある。いずれにせよ従来のコンセントレータは、排風口の面積が風車のブレードの回転領域と同じくらいか、若干大きくなっていた。
【特許文献１】特開平４−２４６２８０号公報
【特許文献２】特開２００２−２８５９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、コンセントレータの形状と設置位置を工夫することによって、風車で風力エネルギーをより効率良く取り出せるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の課題を達成するために本発明の風車用コンセントレータは、集風口と排風口を備え、風車の風上側に配置するものであって、集風口及び排風口は、略円形で中心が風車の回転軸と略同一直線上に位置し、集風口を風車のブレードの回転領域よりも大きくするとともに、排風口を集風口の面積よりも小さく、なおかつ風車のブレードの回転領域よりも小さくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の風車用コンセントレータによれば、集風口を風車のブレードの回転領域よりも大きくし、排風口を集風口よりも小さくしたことで、風が集められて増速され、さらに排風口を風車のブレードの回転領域よりも小さくしたことで、増速した風が、風車性能に最も寄与する、風車のブレードの中心から半径６０〜９０％の領域に効率良く当たるため、風車がより力強く回転し、風力エネルギーをより効率良く取り出すことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明のコンセントレータを備えた風力発電装置の側面図であり、図２は同正面図である。この風力発電装置は、発電用の風車１と、風車１に風を集めるコンセントレータ２とを備えている。風車１は、三枚のブレード３を持ったプロペラ形の水平軸風車である。風車１は風を受けて回転し、風車１の回転軸に連結した発電機４の軸を回して発電する。コンセントレータ２は、風車１の風上側に距離Ｚをおいて配置してある。コンセントレータ２は、円形の集風口７と排風口８を有し、集風口の直径Ｄが風車のブレードの回転領域の直径ｄよりも大きく、排風口の直径Ｄoが集風口の直径Ｄよりも小さくなっており、コンセントレータ２を通過した風は増速されて風車１に当てられる。集風口７と排風口８の中心は、風車１の回転軸と同一直線上に位置している。さらに、排風口の直径Ｄoは、風車のブレード３の回転領域の直径ｄよりも小さくして、風を風車のブレード３の回転領域の中心から半径６０〜９０％の領域内、好ましくは半径約７５％領域内に集めるようにしている。こうすることで、コンセントレータ２により最も増速された風が、風車のブレード３の回転中心から半径７５％近傍に効率良く当たるようになり、風車１の効率が最大限に高められる。コンセントレータ２は、３枚の板状の支持部材６により、発電機４の外周に支持されている。本風力発電装置は支柱５上に設置してあって、風向きに応じて支柱５回りに向きを変えるようになっている。風車１は支柱５の風下側に位置し、いわゆるダウンウインド型となっている。
【０００７】
以下に、最適なコンセントレータの形状、及びコンセントレータと風車との位置関係を求めるために行った風胴実験の結果を示す。実験は、風車とコンセントレータの距離Ｚ、排風口の直径Ｄoを変化させた場合に、風車のパワー係数がどのように変化するかを測定した。パワー係数Ｃpは、風の中から風車を利用して取り出すことのできるパワーの割合を示す値であり、以下に示す式１より算出でき、パワー係数Ｃpが大きいほど風力エネルギーを効率良く取り出せることを意味する。風車は、翼素運動複合理論に基づいて設計した直径ｄ５００ｍｍの２枚翼プロペラ形風車で、設計周速比が３と４のものの二種類を用いた。なお、周速比とは、風車のブレード先端速度と風速の比であり、以下の式２により算出できる。実験の方法は、設定風速８ｍ／ｓにおいて、風洞内に保持した風車に無負荷からブレーキモータにより徐々に負荷を与えてゆき、各風車回転数における風車のトルク値を回転計及びトルク変換器で計測し、それらの値からパワー係数Ｃpを算出した。図４に実験装置の概要を示す。
【０００８】
【数１】
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【０００９】
【数２】
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【００１０】
表１は、設計周速比３の風車を用いた場合の実験結果をまとめたものであり、各グラフは、その左側のモデル図に示すコンセントレータの各設置状態において、風車を低速から高速まで回転させたときに得られた最大のパワー係数Ｃpをプロットして作成している。
表１の実施例Ａ１は、本発明に係るコンセントレータを用い、コンセントレータと風車の距離Ｚを変えた場合のパワー係数Ｃpの変化を示しており、表１の実施例Ａ２は、コンセントレータと風車の距離Ｚを１００ｍｍに固定して、排風口の直径Ｄoを変化させた場合の最大パワー係数Ｃpの変化を示している。また、本発明のものと比較するため、比較例ａ１としてコンセントレータ無しの場合、比較例ａ２としてコンセントレータに風車を内蔵した場合、比較例ａ３として排風口の直径Ｄoが風車のブレードの回転領域の直径ｄよりも大きい場合についても実験を行った。表中の「出力比」は、コンセントレータ無しの場合の風車の出力を１００として、コンセントレータを設置した場合の出力がいくらになるか算出したものである。
【００１１】
【表１】
2005120865.tif 000005
【００１２】
この結果から分るように、排風口の直径Ｄoが風車のブレードの回転領域の直径ｄより大きい場合（比較例ａ３のグラフ参照）には、パワー係数Ｃpが最大でも０．４２（４２％）であるのに対して、排風口の直径Ｄoがブレードの回転領域の直径ｄよりも小さい場合（実施例Ａ１、実施例Ａ２のグラフ参照）には、最大で０．５４（５４％）の高い値が得られた。このときの出力比は１５８となり、コンセントレータ無しの比較例ａ１の場合に比べて、５０％以上も出力が向上することになる。さらに、排風口の直径Ｄoを一定にして距離Ｚを変化させた実施例Ａ１の場合、距離Ｚを一定にして排風口の直径Ｄoを変化させた実施例Ａ２の場合のいずれにおいても、パワー係数Ｃpがピークを示す条件があることが分る。その条件は、距離Ｚと排風口の直径Ｄoを、概ねコンセントレータを通過する風が、風車性能に最も寄与する、風車のブレードの回転領域の中心から半径約７５％の領域内に集まるように設定した場合であると考えられる。最適なコンセントレータの形状及び風車との位置関係は、風を風車のブレードの回転領域の中心から半径約７５％の領域内に集めることを目標にして、概ね作図的にでも求めることができる。
【００１３】
以上に述べたような傾向は、以下の表２に示すように、設計周速比４の風車を用いた場合でも同様に確認された。表２中の実施例Ｂのグラフに示すように、排風口の直径Ｄoを風車の直径より小さい４５０ｍｍとし、コンセントレータと風車との距離Ｚを１００ｍｍとしたときに、パワー係数Ｃpが０．５５（５５％）と最大になった。また比較例ｂ４として、排風口の直径Ｄoを５５０ｍｍ、コンセントレータと風車の距離Ｚを５０ｍｍで固定し、集風口の直径Ｄを６８０〜８８０ｍｍの間で変化させて、集風口の直径Ｄが風車性能に及ぼす影響を調べた。比較例ｂ４のグラフに示すように、集風口の直径Ｄは大きいほどパワー係数が大きくなる傾向が見られ、Ｄ＝８８０ｍｍのときに最大パワー係数Ｃp＝０．５７（５７％）が得られた。この傾向は、排風口の直径Ｄoがブレードの回転領域の直径ｄよりも小さい場合でも同様であると考えられる。
【００１４】
【表２】
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【００１５】
図５は、表２の実施例Ｂのモデル図に示すコンセントレータを用いて、コンセントレータまわりの風速分布を測定した結果を示している。この図から、コンセントレータとの距離Ｚ＝５０〜１５０ｍｍにおいて風速が増大していること、風車性能に最も寄与する風車ブレードの半径６０〜９０％に相当する半径１５０〜２２５ｍｍの領域において、風速の増大が特に顕著であることが分かる。この結果から、本発明に係るコンセントレータが高い出力増強効果を発揮できる理由が説明できる。
【００１６】
図３は、本発明のコンセントレータを備えた風力発電装置の別の実施形態を示している。この実施形態は、風車１が支柱５の風上側に位置する、いわゆるアップウインド型となっている。それ以外の点は先に述べた実施形態と同様である。このように構成しても、先の実施形態のものと同じように、風車の性能が向上する。
【００１７】
本発明の風車用コンセントレータは、以上に述べた実施形態に限定されない。風車１はプロペラ形に限らず、様々なタイプの風車に用いることができる。コンセントレータ２は、集風口７から排風口８にかけての面が、湾曲しながら縮径するベルマウス形であってもよいし、直線的に縮径するテーパー形であってもよい。コンセントレータの集風口の直径Ｄは、大きいほど風車の性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の風車用コンセントレータを備えた風力発電装置の側面図である。
【図２】本発明の風車用コンセントレータを備えた風力発電装置の正面図である。
【図３】本発明の風車用コンセントレータを備えた風力発電装置の別の実施形態を示す側面図である。
【図４】実験装置の概要を示す図である。
【図５】コンセントレータまわりの速度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
１  風車
２  コンセントレータ
３  ブレード
４  発電機
５  支柱
６  支持部材
７  集風口
８  排風口
Ｄ  集風口直径
Ｄo  排風口直径
ｄ  風車ブレードの回転領域の直径
Ｚ  コンセントレータと風車の距離
【図１】
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【図２】
2005120865.tif 000008
【図３】
2005120865.tif 000009
【図４】
2005120865.tif 000010
【図５】
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