(57)【要約】発電効率のさらなる向上を図り得る風力発電装置を提供する。本発明の風力発電装置は、略円筒状で側断面形状が翼型のダクト１０と、ダクトと同軸に設置される流線型のペンシル体２０の先端部を構成し、ダクト１０の内部を流れる風の力によって回転可能な羽根車３０と、羽根車３０の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機４０とを備えている。ダクト１０の側断面翼型において最大翼厚位置１０８が翼弦１０６の中心より前縁１０２寄りに位置している。また、ダクト１０の外径が少なくともダクト後部で略均一となるように翼弦１０６がダクト軸に対して傾けられている。ペンシル体２０が、先端部がダクト１０の先端部より後方に位置し、後端部がダクト１０の後端部より前方に位置するように設置されている。さらに、ダクト１０の最小内径Ｒ１に対するダクト１０の最大外径Ｒ２の比が２．０〜４．３の範囲とされている。
2004111444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒状で側断面形状が翼型のダクトと、
ダクトと同軸に設置される流線型のペンシル体と、
ペンシル体の一部を構成し、ダクトの内部を流れる風の力によってダクトの内部でダクト軸回りに回転可能な羽根車と、
羽根車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを備えた風力発電装置であって、
ダクトの側断面翼型において最大翼厚位置が翼弦中心より前縁寄りに位置し、
ダクトの先端開口径が後端開口径より小径とされ、ダクト外径が少なくともダクト後部で略均一とされ、
ペンシル体が、先端部がダクトの先端部より後方に位置し、後端部がダクトの後端部より前方に位置するように設置され、
ダクトの最小内径に対するダクトの最大外径の比が２．０〜４．３の範囲にあることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
ダクトの後端部からダクトの外径方向に突出する略環状のフラップ板を備え、ダクトの後端半径に対するフラップ板の幅の比が０．０２０〜０．１５の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
風向を測定する風向測定手段と、
風向測定手段により測定された風向に対する、ダクト軸の傾斜角が１０°以下になるように制御するダクト傾斜制御手段とを備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の風力発電装置。
【請求項４】
羽根車の羽根が、略楕円が短軸と略平行に切断されることで長軸方向について端から短縮された形状とされ、略楕円の長径に対する該羽根の長軸方向の長さの比が０．８２〜０．８７の範囲にあることを特徴とする請求項１、２又は３記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、略円筒状で側断面形状が翼型のダクトと、ダクトと同軸に設置される流線型のペンシル体と、ペンシル体の一部を構成し、ダクトの内部を流れる風の力によってダクトの内部でダクト軸回りに回転可能な羽根車と、羽根車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを備えた風力発電に関する。
【背景技術】  従来、ダクトと、ダクト内に設けられた羽根車とを備えた風力発電装置による発電効率の向上を図るため、いくつかの手法が提案されている（特開２００３−２８０４３号公報、ＥＰ００４５２０２  Ａ１公報参照）。
しかし、本願発明者は風力発電装置の近傍における気流の研究により発電効率に改善の余地があることを知得した。
そこで、本発明は、発電効率のさらなる向上を図り得る風力発電装置を提供することを解決課題とする。
【発明の開示】
本発明は、略円筒状で側断面形状が翼型のダクトと、ダクトと同軸に設置される流線型のペンシル体と、ペンシル体の一部を構成し、ダクトの内部を流れる風の力によってダクトの内部でダクト軸回りに回転可能な羽根車と、羽根車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを備えた風力発電装置に関する。
前記課題を解決するための本発明の風力発電装置は、ダクトの側断面翼型において最大翼厚位置が翼弦中心より前縁寄りに位置し、ダクトの先端開口径が後端開口径より小径とされ、ダクト外径が少なくともダクト後部で略均一とされ、ペンシル体が、先端部がダクトの先端部より後方に位置し、後端部がダクトの後端部より前方に位置するように設置され、ダクトの最小内径に対するダクトの最大外径の比が２．０〜４．３の範囲にあることを特徴とする。
本発明によれば、ダクトの側断面における前記翼型により、ダクトの前方から後方に風が向かう場合、ダクト後部から後方にかけて渦流の発生を抑制しながら「減圧域」を生じさせることができる。そして、ダクト前方からダクト内部への風の流れがダクト後方の渦流により妨げられる事態を解消しながら、減圧域の風の引き込みによるダクト内部の風速増大を図ることができる。
また、減圧域の先端部がペンシル体の後端部に引き付けられることで、減圧域の先端部のふらつきが抑制される。また、ダクト前方から後方に向けて風が吹いている間、減圧域の先端部のふらつきによって減圧域が消滅する事態を抑制することができる。そして、ダクト後方の減圧域を定常的に維持し、ダクト内部の風速の増大を確保することができる。
従って、本発明の風力発電装置によれば、ダクト後方での減圧域の発生によるダクト内部の風速増大と、減圧域の先端部のふらつき抑制による減圧域の定常維持を通じ、発電効率のさらなる向上を図ることができる。
また本発明の風力発電装置は、ダクトの後端部からダクトの外径方向に突出する略環状のフラップ板を備え、ダクトの後端半径に対するフラップ板の幅の比が０．０２０〜０．１５の範囲にあることを特徴とする。
本発明によれば、フラップ板により、ダクトの内側の風（以下「内風」という。）と、ダクトの外側の風（以下「外風」という。）とのダクト後方における衝突が抑制される。これにより、内風の流れが、外風の不規則な流れにより乱され、さらにはダクト後部から後方にかけて生じる減圧域が消滅してしまい、発電効率が低下する事態が抑制され得る。
さらに本発明の風力発電装置は、風向を測定する風向測定手段と、風向測定手段により測定された風向に対するダクト軸の傾斜角が１０°以下になるように制御するダクト傾斜制御手段とを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、風向測定手段により風向が測定される。また、ダクト傾斜制御手段により測定風向に対するダクト軸の傾斜角が１０°以下になるように制御される。
本願発明者は実験により、風向に対するダクト軸の傾斜角が１０°を超えると発電効率の低下が顕著になるという知見を得た。従って、本発明によれば、風向に対するダクト軸の傾斜角制御によって発電効率を向上させることができる。
また、本発明の風力発電装置は、羽根車の羽根が、略楕円が短軸と略平行に切断されることで長軸方向について端から短縮された形状とされ、略楕円の長径に対する該羽根の長軸方向の長さの比が０．８２〜０．８７の範囲にあることを特徴とする。
本願発明者は実験により、羽根車の羽根を前記形状とすることで、発電効率が高くなることを知見した。従って、本発明によれば、羽根車の羽根形状の工夫により、発電効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】  図１及び２は本発明の一実施形態である風力発電装置の構成説明図であり、図３〜図５は本発明の一実施形態である風力発電装置の作用効果説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明の風力発電装置の実施形態について図面を用いて説明する。
まず、本発明の一実施形態である風力発電装置の構成について図１及び図２を用いて説明する。
図１に示す風力発電装置は略円筒状のダクト１０と、ダクト１０と同軸に設置される流線型のペンシル体２０と、ペンシル体２０の先端部を構成し、ダクト１０の内部を流れる風の力によってダクト１０の内部でダクト１０の軸回りに回転可能な羽根車３０と、羽根車３０の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機４０とを備えている。
ダクト１０の側壁断面形状は翼型とされている。ダクト１０の側断面翼型において、前縁１０２から後縁１０４まで延びる翼弦１０６の全長ｘを基準として、前縁から０．４０ｘの位置（翼弦中心より前縁寄り）に最大翼厚位置１０８が位置している。また、ダクト１０の先端開口径が後端開口径よりも小さくされている。さらにダクト１０の外径が少なくともダクト１０後部で略均一とされている。また、ダクト１０の最小内径Ｒ１に対するダクト１０の最大外径Ｒ２の比（＝Ｒ２／Ｒ１）が２．５とされている。
なお、ダクト１０の側壁断面形状としては公知の翼型であるＮＡＣＡ６５３−６１８（９−０．５）、ＮＡＣＡ６３３−６１８、ＦＡ６６−Ｓ−１９６Ｖ１等が採用され得る。
ダクト１０の後端部には、ダクト１０の外径方向に突出する略環状のフラップ板１２が設けられている。ダクト１０の後端半径に対するフラップ板１２の幅の比が「０．１０」とされている。
ペンシル体２０は先端部がダクト１０の先端部より後方に位置し、後端部がダクト１０の後端部より前方に位置するように設置されている。また、ペンシル体２０はその外径方向に延びる柱体２２を介してダクト１０に対して固定されている。
羽根車３０は外径方向に突出する複数の羽根３２を備えている。羽根３２にダクト１０の最小内径位置を基準としたダクト１０の全長に対する前後のずれ比が０．０７の範囲内に位置している。また、羽根３２は、図２に示すように略楕円が短軸と略平行に切断されることで長軸方向について端から短縮された形状とされている。また、略楕円の長径に対する羽根３２の長軸方向の長さの比が「０．８５」とされている。
また、ダクト１０の径方向について、羽根３２の先端部とダクト１０の内壁との間隔が、次式（１）で示される間隔ｃに設定されている。
ｃ＝ｖ・Δｔ／Ｒｅ      ‥（１）
ここで、ｖはダクト１０の軸方向についての風速、Δｔは羽根３２の近傍領域を風が流れる時間、Ｒｅは羽根３２の近傍領域を代表長さとして決定されるレイノルズ数である。
例えば、風速ｖ＝１４［ｍ／ｓ］の場合に前記時間Δｔ＝０．２［ｓ］であり、且つ、Ｒｅ＝２００とすると、当該間隔ｃは１．４［ｃｍ］に設定される。
発電機４０による発電エネルギーは、柱体２２及びダクト１０を貫通するリード４２を介して外部に供給される。
本発明の一実施形態である前記構成の風力発電装置の作用効果について図３〜図５を用いて説明する。
前記構成の風力発電装置によれば、ダクト１０の側断面における前記翼型により、ダクト１０の前方から後方に風が向かう場合、ダクト１０の後部から後方にかけて渦流の発生を抑制しながら図１に斜線で示すように減圧域５０を生じさせることができる。そして、ダクト１０の前方からダクト１０の内部への風の流れがダクト１０の後方の渦流により妨げられる事態を解消しながら、減圧域５０の風の引き込みによるダクト１０の内部の風速増大を図ることができる。
また、図１に示すように減圧域５０の先端部がペンシル体２０の後端部に引き付けられることで、減圧域５０の先端部のふらつきが抑制される。また、ダクト１０の前方から後方に向けて風が吹いている間、減圧域５０の先端部のふらつきによって減圧域が消滅する事態を抑制することができる。そして、ダクト１０の後方の減圧域５０を定常的に維持し、ダクト１０の内部の風速の増大を確保することができる。
ここで、ダクト１０の側断面翼型を特徴付けるダクト１０の最大半径Ｒ２と最小半径Ｒ１との比と、風力発電装置による発電量との関係を図３に示す。図３から明らかなように、当該比が２．０から４．３までの範囲にある場合、特に当該比が２．２から４．１の範囲にある場合、発電量が多くなる。従って、当該比が「２．５」であるダクト１０を備えている風力発電装置による発電効率の向上が図られる。
また、フラップ板１２により、内風（ダクト１０の内側の風）と、外風（ダクトの外側の風）とのダクト１０の後方における衝突が抑制される。これにより、内風の流れが、外風の不規則な流れにより乱され、さらにはダクト１０の後部から後方にかけて生じる減圧域５０が消滅してしまい、発電効率が低下する事態が抑制され得る。
ここで、フラップ１２の形状を特徴付けるフラップ１２の径方向の幅とダクト１０の後端半径との比と、風力発電装置による発電量との関係を図４に示す。図４から明らかなように、当該比が０．０２０から０．１５までの範囲にある場合、発電量が他の場合よりも多くなる。従って、当該比が「０．１０」であるフラップ１２を備えている風力発電装置による発電効率の向上が図られる。
さらに、羽根車３０の羽根３２を、図２に示すように略楕円が長軸方向について端から全長の０．１３〜０．１８倍の範囲にある位置で切断された形状とされている。これにより、発電効率の向上が図られている。
ここで、略楕円の長径に対する羽根３２の長さの比と、風力発電装置による発電量との関係を図５に示す。図５から明らかなように、当該比が０．８２〜０．８７の範囲にある場合、発電量が他の場合よりも多くなる。従って、当該比が「０．８５」である羽根３２を備えている風力発電装置による発電効率の向上が図られる。
前記のように本発明の一実施形態である風力発電装置によれば、ダクト１０の側断面翼型の調整（図１、図３参照）、ペンシル体２０の配置調整、フラップ板１２の幅の調整（図１、図４参照）、及び羽根３２の形状調整（図２、図５参照）により、総合的に発電効率の向上を図ることができる。
なお、本発明の他の実施形態として、風力発電装置は、風向を測定する風向測定装置と、風向測定装置により測定された風向に対するダクト軸の傾斜角が１０°以下になるように制御するダクト傾斜制御装置とを備えていてもよい。
当該他の実施形態によれば、風向に対するダクト軸の傾斜角制御によって発電効率を向上させることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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