(57)【要約】【課題】装置の構成が簡単で且つ高い発電効率を示す風力発電装置を提供すること。【解決手段】前端部と後端部との間に内径が最小の小径部を有する内側に膨出したダクト、ダクトの内側面に立設された支柱に支持固定されている、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、上記の支柱がダクトの小径部よりも後方側にて筒状容器を支持しており、かつ羽根車の羽根が支柱よりも後方側かつダクト後端部を超えない位置に備えられていることを特徴とする風力発電装置。【選択図】図２
2007309287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前端部と後端部との間に内径が最小の小径部を有する内側に膨出したダクト、ダクトの内側表面に立設された支柱に支持固定されている、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、上記の支柱がダクトの小径部よりも後方側にて筒状容器を支持しており、かつ羽根車の羽根が支柱よりも後方側かつダクト後端部を超えない位置に備えられていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
ダクトの前端部での開口径（Ｄｆ）、小径部の内径（Ｄｍ）及び後端部での開口径（Ｄｅ）が下記の式（Ｉ）及び（II）を満足する請求項１に記載の風力発電装置：
（Ｉ）Ｄｆ／Ｄｍ＝１．４〜２．６
（II）Ｄｅ／Ｄｍ＝１．１〜１．６。
【請求項３】
Ｄｆ／Ｄｍが１．８〜２．３の範囲にあり、かつＤｅ／Ｄｍが１．２〜１．４の範囲にある請求項２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
ダクトの小径部から支柱までの距離が、ダクトの小径部から後端部までの距離の１０％以上の長さにある請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載の風力発電装置。
【請求項５】
ダクトの内側表面が流線形をなしている請求項１乃至４のうちのいずれかの項に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、風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置は、風により羽根車を回転させ、この回転エネルギーを発電機によって電気エネルギーに変換して発電する装置である。風力発電装置の発電効率を高くするためには、風により羽根車にて大きなトルクを生じさせるように、羽根車の直径を大きくすることが一般的である。しかしながら、羽根車の直径を大きくすると風力発電装置が大型のものとなるために、その製造、運搬、そして設置に手間がかかる。
【０００３】
このような問題を解決するため、羽根車の周囲に筒状のダクトを配置した構成の風力発電装置の開発が行なわれている。このような風力発電装置は、ダクトの形状を工夫する（ダクトの内径をその長さ方向にそって拡大あるいは縮小させる）ことにより、ダクト内部に流入する風を増速させて羽根車に接触させることができるようになるために高い発電効率を示し、このため装置の小型化も可能である。
【０００４】
特許文献１には、ダクト（シュラウド）の壁体内部に、ダクトの前端部あるいは外側表面からダクト後方の内側表面へと続く風の通路（エアチャネル）が形成された風力発電装置が開示されている。そして、このような風の通路を形成することにより、風力発電装置の性能を低下させる原因となる、ダクト内部を流れる風のダクト後方部（ディフューザーセクション）における剥離を防止することができるとされている。また、この風力発電装置には、羽根車の羽根（ローターブレード）よりも前方側に、発電機を収容する容器を支持固定している支柱（ステーターブレード）が備えられていることが望ましいとされている。なお、この風力発電装置の羽根車の羽根は、ダクト内部の内径が最小となる位置（スロート）に配置されている。
【特許文献１】英国特許出願公開第１５０８７５２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、特許文献１の風力発電装置は、ダクトの壁体に形成された風の通路によって、装置の性能を低下させる原因となるダクト後方部における風の剥離を防止している。しかしながら、この風力発電装置は、ダクトの壁体内部に風の通路を形成する必要があるため、その構成が複雑で製造に手間がかかる。
【０００６】
本発明の目的は、装置の構成が簡単で且つ高い発電効率を示す風力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前端部と後端部との間に内径が最小の小径部を有する内側に膨出したダクト、ダクトの内側表面に立設された支柱に支持固定されている、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、上記の支柱がダクトの小径部よりも後方側にて筒状容器を支持しており、かつ羽根車の羽根が支柱よりも後方側かつダクト後端部を超えない位置に備えられていることを特徴とする風力発電装置にある。
【０００８】
本発明の風力発電装置の好ましい態様は、次の通りである。
（１）ダクトの前端部での開口径（Ｄｆ）、小径部の内径（Ｄｍ）及び後端部での開口径（Ｄｅ）が下記の式（Ｉ）及び（II）を満足する。
（Ｉ）Ｄｆ／Ｄｍ＝１．４〜２．６
（II）Ｄｅ／Ｄｍ＝１．１〜１．６
（２）Ｄｆ／Ｄｍが１．８〜２．３の範囲にあり、かつＤｅ／Ｄｍが１．２〜１．４の範囲にある。
（３）ダクトの小径部から支柱までの距離が、ダクトの小径部から後端部までの距離の１０％以上の長さにある。
（４）ダクトの内側表面が流線形をなしている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の風力発電装置は、ダクトに流入した風を、ダクト前端部から小径部までの間の領域にて増速させ、この増速した風により羽根車を回転させて発電を行なう。
【００１０】
そして、本発明の風力発電装置は、発電機等が収容される筒状容器を支持固定している支柱及び羽根車の羽根のダクト内部における配置が工夫されており、ダクトに流入した風をダクト前端部から小径部までの間の領域にて十分に高い速度にまで増速させた後に発電に使用することがき、そして発電に使用された風（羽根車を通過した風）をダクトの外部に速やかに排出して、ダクトにより多くの量の風を流入させ増速させることができるために高い発電効率（高い出力電力）を示す。
【００１１】
また、本発明の風力発電装置は、上記の支柱と羽根とをダクト内部の所定位置に配置することで構成することができ、そしてダクトの壁体内部に気体の通路を形成する必要がないため、その構成が簡単で製造も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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、本発明の風力発電装置の構成例を示す正面図であり、そして図２は、図１に記入した切断線II−II線に沿ってダクト１４を切断した風力発電装置１０の部分断面図である。
【００１３】
図１及び図２に示す風力発電装置１０は、前端部１１と後端部１２との間に内径が最小の小径部１３を有する内側に膨出したダクト１４、ダクト１４の内側表面に立設された支柱１５に支持固定されている、ダクト（断面が翼型をなす）１４の中心軸１６に沿って延びる、回転軸１７と発電機１８とを収容する筒状容器１９、そして回転軸１７に接続された羽根車２０から構成されている。
【００１４】
風力発電装置１０は、ダクト１４に流入した風が、前端部１１から小径部１３にかけてダクトの内径が次第に縮小されているために増速され、この増速した風により羽根車２０を回転させて発電を行なう。また、小径部１３から後端部１２にかけてダクト１４の内径が次第に拡大されているため、ダクトの小径部１３の後方側にて気圧が低下し、より多くの量の風がダクトに流入し増速する。
【００１５】
そして、本発明の風力発電装置１０においては、支柱１５がダクトの小径部１３よりも後方側にて筒状容器１９を支持しており、かつ羽根車２０の羽根２１が支柱１５よりも後方側かつダクト後端部１２を超えない位置に備えられている。このように支柱１５と羽根車２０の羽根２１を配置することにより、風力発電装置の発電効率を高くすることができる。その理由は、次のように理解される。
【００１６】
例えば、上記の特許文献１の風力発電装置に代表されるように、従来の風力発電装置においては、高い発電効率を得るために、羽根車の羽根を、ダクトが単体の状態（ダクト内部に羽根車等が配置されていない状態）において風速が最大となるダクトの小径部に配置することが一般的である。
【００１７】
しかしながら、ダクトの小径部に羽根車の羽根を配置すると、ダクトに流入する風に対して羽根車の羽根が抵抗（障害物）となり、小径部における風の速度が低下する（小径部に配置された羽根に近づくにつれて風が十分に増速できなくなる）。このため、ダクト内部の風速は、小径部（羽根が配置された位置）よりも前方側にて最大となる。そして、この小径部よりも前方側における風速の最大値は、ダクトに流入した風が小径部に到達していない（十分に増速されていない）ため、ダクト単体の状態における小径部の風速値よりも小さい値を示す。このように、ダクトの小径部（あるいは小径部よりも前方側）に配置された羽根車は、ダクトに流入した風の増速を妨げる原因となる。同様に、発電機等を収容する筒状容器を支持固定している支柱もまた、ダクトに流入した風の増速を妨げる原因となる。
【００１８】
そして、本発明の風力発電装置１０においては、ダクト１４に流入した風に対する抵抗となる支柱１５と羽根車２０の羽根２１との両者がダクト１４の小径部１３よりも後方側に配置されている、特に、風に対する抵抗が比較的に大きい羽根車２０の羽根２１が、ダクト１４の小径部１３には配置されずに、小径部１３よりも更に後方側に配置されているため、ダクト１４に流入した風が、前端部１１から小径部１３に到達するまでの間に十分に高い速度にまで増速される。
【００１９】
その一方で、ダクト１４に流入した風が、小径部１３に到達するまでの間に十分に高い速度にまで増速されたとしても、この風は、ダクトの内径が小径部１３から後端部１２にかけて次第に拡大されているために減速され、羽根車２０の羽根２１をダクトの小径部１３よりも後方側に配置した場合には高い発電効率が得られ難い。
【００２０】
しかしながら、ダクト１４の小径部１３を通過した風は、ダクトの内側表面に沿って後方側に流れる傾向にある。すなわち、ダクト１４の内部を小径部１３から後方側に流れる風は均一に減速されるのではなく、ダクト１４の中心軸１６付近を後方側に流れる発電には有効に利用されない風（羽根２１の基部の側に接触し、羽根車２０にて十分なトルクを生じさせない風）は大きく減速するのに対して、ダクト１４の内側表面付近を後方側に流れる発電に有効に利用される風（羽根２１の先端部の側に接触し、羽根車２０にて大きなトルクを生じさせる風）は比較的に減速し難い。
【００２１】
このため、本発明の風力発電装置１０は、ダクト１４の小径部１３よりも後方側に羽根車２０の羽根２１が配置されているものの、羽根２１の先端部の側には（小径部１３における風速よりも僅かに速度は低下しているものの）比較的に高速の風が接触するために高い効率で発電を行なうことができる。
【００２２】
また、ダクト１４の小径部１３よりも後方側に羽根車２０の羽根２１を配置する場合には、より大きなトルクを発生することのできる大きな直径の羽根車を用いることができるため、ダクト内部を流れる風のエネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することができるようになる。
【００２３】
さらに、本発明の風力発電装置１０においては、羽根車２０の羽根２１が支柱１５よりも後方側に配置されているため、羽根車を通過した後にダクト１４の中心軸１６に対して斜め方向に進む風が支柱１５に接触し、これによりダクト内部の羽根車の後方側にて風の流れに乱れを生じさせる（例、風の渦を発生させる）ことがない。従って、羽根車２０を通過した風が速やかにダクト１４の後端部１２から外部に排出され、ダクト内部の羽根車の後方側における気圧の上昇を抑制することができるため、羽根が支柱よりも前方側に配置されている場合と比較して、より多くの量の風をダクトに流入させ増速させることができる。
【００２４】
すなわち、本発明の風力発電装置１０は、ダクト１４に流入した風をダクト１４の前端部１１から小径部１３までの間の領域にて十分に高い速度にまで増速させた後に発電に使用し、そして発電に使用された風（羽根車を通過した風）をダクトの外部に速やかに排出して、ダクトにより多くの量の風を流入させ増速させるために高い発電効率（高い出力電力）を示す。
【００２５】
また、本発明の風力発電装置１０は、支柱１５や羽根車２０の羽根２１を、ダクト１４の内部の上記所定位置に配置することで構成することができ、そしてダクトの壁体内部に気体の通路を形成する必要がないため、その構成が簡単で製造も容易である。
【００２６】
図２に示すように、ダクトの小径部１３から支柱１５までの距離Ｌ1 は、ダクトの小径部１３から後端部１２までの距離Ｌ2 の１０％以上の長さにあることが好ましい。これにより、ダクト１４に流入した風の増速を妨げ易い支柱１５、そして羽根車２０の羽根２１がダクト内部にて十分に後方側に配置されるため、ダクトの前端部１１から小径部１３までの間の領域における風の増速率を十分に高くすることができるからである。
【００２７】
なお、筒状容器１９は、通常、ダクト１４に流入する風に対して低い抵抗を示す形状に設定されるため、容器１９の前端部の側はダクトの小径部１３よりも前方側に配置されていてもよいが、図２に示すように容器１９の前端部もまた、ダクトの小径部１３よりも後方側に配置されていることが好ましい。この筒状容器１９としては、発電機１８の本体のケースを用いることもできる。上記のように筒状容器１９の内部に発電機１８が収容されていると、発電機が故障した際のメンテナンスや交換が容易である。
【００２８】
本発明の風力発電装置においては、ダクトの前端部での開口径Ｄｆ、小径部の内径Ｄｍ及び後端部での開口径Ｄｅが下記の式（Ｉ）及び（II）を満足することが好ましい。
（Ｉ）Ｄｆ／Ｄｍ＝１．４〜２．６
（II）Ｄｅ／Ｄｍ＝１．１〜１．６
【００２９】
これは、Ｄｆ／Ｄｍの値が１．４未満であると、ダクト１４に流入した風が、ダクトの前端部１１から小径部１３までの間の領域において増速し難くなり、一方、Ｄｆ／Ｄｍの値が２．６を超えると、ダクトの前端部の側が広角に拡がり過ぎて、ダクトの前端部１１及びその近傍の部位の風に対する抵抗が大きくなり、ダクトの前端部から風が流入し難くなる（風の一部がダクトの外側を流れるようになる）からである。
【００３０】
一方、Ｄｅ／Ｄｍの値が１．１未満であると、ダクト１４の小径部１３の後方側において気圧が上昇し、ダクトの前端部１１から風が流入し難くなる。一方、Ｄｅ／Ｄｍの値が１．６を超えると、ダクト１４の小径部１３から後端部１２へと流れる風がダクト内側表面から剥離して風の流れに乱れを生じ、これにより羽根車２０の羽根２１に接触する風の速度が低下して出力電力が低下したり、あるいは出力電力が不安定になるなどの問題を生じ易い。
【００３１】
上記のＤｆ／Ｄｍの値は１．８〜２．３の範囲にあり、かつＤｅ／Ｄｍの値は１．２〜１．４の範囲にあることが特に好ましい。この条件を満たす形状のダクトは、ダクトの前端部から後端部までの間の領域における風の増速率が高く、かつダクトの小径部よりも後方側における気圧の上昇やダクト内側表面からの風の剥離が効果的に抑制されるため、風力発電装置が極めて高い発電効率を示すようになるからである。
【００３２】
ダクト１４の内部における風の流れを円滑なものとするために、ダクトの内側表面は流線形をなしていることが好ましい。更に、図２に示すように、ダクト１４は、その壁体断面の前端部１１に丸みを帯び、風に対して低い抵抗を示す翼型のような形状に設定されていることが望ましい。
【００３３】
また、図１及び図２に示すように、風力発電装置１０には、ダクト１４の長さ方向の中央よりも後方の外側表面にダクトの周囲に沿って設けられている、ダクトの外側表面からダクトの後方外側へと伸びる斜面３１ａを持つ裾部３１と、裾部３１の斜面３１ａに接続し、斜面３１ａのダクト中心軸１６に対する傾斜角αよりも大きな角度βをもってダクトの外側へと伸びる表面３２ａを持つ縁部３２とからなる環状の風向調節具３０が備えられていることが好ましい。
【００３４】
風向調節具３０は、ダクト１４の外側表面に沿って後方側へと向かう風の向きを、裾部３１にて次第にダクトの径方向外側に向かうように、次いで縁部３２にて急激にダクトの径方向外側に向かうように調節する。これにより、ダクト１４及び縁部３２の後方側と、更に縁部３２の径方向外側の領域の後方側とに気圧が低い空間領域（以下、減圧域とも云う）が生成される。このような減圧域を生成させることにより、ダクト１４の前端部１１から更に多くの量の風を流入させ増速させることができるようになる。
【００３５】
なお、風向調節具に裾部が備えられていない場合には、縁部に垂直に近い角度で風が接触するため、ダクト及び縁部の後方側には気圧が低い空間領域が生成されるものの、縁部の径方向外側の領域の後方側の気圧は大きく低下しないため、上記の裾部３１を持つ風向調節具３０の場合よりもダクトの前端部から流入する風の量が少なくなる。
【００３６】
裾部３１の斜面３１ａの傾斜角αは２０〜３０度の範囲にあることが好ましい。この傾斜角αが２０度未満であると、縁部の径方向外側の領域の後方側に気圧の低い空間領域を生成させ難くなり、そして傾斜角αが３０度を超えると風向調節具３０のサイズ（すなわち縁部３２の外径）が大きくなり、風力発電装置１０の取り扱いや車両による運搬が難しくなるからである。
【００３７】
また、縁部３２は、その製造が容易になることから、ダクト１４の後端部１２に設けられていることが好ましい。また縁部３２の外径はダクト１４の前端部１１での開口径Ｄｆの１１５〜１４５％の範囲にあることが好ましい。縁部３２の外径が小さすぎると上記の減圧域を生成させ難くなり、そして径が大きすぎると上記のように風力発電装置１０の取り扱い等が難しくなるからである。上記減圧域を生成させ易くするために、縁部３２の表面３２ａのダクト中心軸１６に対する傾斜角βは８０〜１００度の範囲にあることが好ましい。
【００３８】
風向調節具３０のダクトの中心軸方向に沿う長さＬ3 は、ダクトの中心軸方向の長さＬ0 の５〜２５％の範囲あることが好ましい。風向調節具の長さが短すぎると上記の減圧域を生成させ難くなり、長さが長すぎると風向調節具のサイズが大きくなり過ぎて、上記のように風力発電装置１０の取り扱い等が難しくなるからである。
【００３９】
このように、本発明の風力発電装置は、その発電効率が高いために、低速の風でも十分に高い出力電力が得られ、また装置の小型化も容易である。このため、本発明の風力発電装置は、従来は風力発電装置の運搬や設置が困難であった山間部、ビルなどの建築物の壁面や屋上などにも設置することができる。
【実施例１】
【００４０】
先ず、ダクトとほぼ同じ形状のフレームを作製し、その内側と外側とにＦＲＰ（ガラス繊維強化ポリエステル樹脂）シートを貼り付けることにより図１及び図２に示すダクト１４を作製した。
【００４１】
このダクト１４の前端部での開口径Ｄｆは２０７５ｍｍに、小径部の内径Ｄｍは１０３７ｍｍに、そして後端部での開口径Ｄｅは１３５２ｍｍに、すなわちダクトのＤｆ／Ｄｍの値を２．０に、そしてＤｅ／Ｄｍの値を１．３に設定した。なお、ダクトの全長Ｌ0 は３６１４ｍｍに、そしてダクトの小径部１３から後端部１２までの距離Ｌ2 は２１７６ｍｍに設定した。
【００４２】
また、風向調節具３０のダクト１４の中心軸方向に沿う長さＬ3 は４８２ｍｍに、すなわちダクトの中心軸方向の長さＬ0 の１３％の長さに設定した。そして、この風向調節具３０の裾部３１の斜面３１ａの傾斜角αは２５度に、そして縁部３２の表面３２ａの傾斜角βは９０度に設定した。縁部３２の外径Ｄｓは２７００ｍｍに、すなわちダクト１４の前端部１１での開口径Ｄｆの１３０％の長さに設定した。
【００４３】
次に、筒状容器１９の内部に発電機（同期型三相交流発電機）１８と回転軸１７とを収容し、この回転軸１７に、直径（図１：Ｄｐ）が１１３０ｍｍの羽根車２０を取り付けた。この筒状容器を、ダクトの内側表面に四本の支柱１５を用いて固定した。この際に、ダクトの小径部１３から支柱１５までの距離Ｌ1 を４３１ｍｍに、すなわちダクトの小径部１３から後端部１２までの距離の２０％の長さに設定した。
【００４４】
このようにして、図１に示す風力発電装置１０を作製した。なお、発電機１８の出力電力は、支柱１５及びダクト１４の内部に埋設された電気配線３３を介して取り出される。
【００４５】
作製した風力発電装置１０のダクトの前方側から風速１０．５ｍ／秒の風を流したところ、発電機１８の出力電力は４３３０Ｗであった。なお、羽根車（直径１２００ｍｍ）の周囲にダクトを備える市販の風力発電装置（ダクトの小径部に羽根車が配置され、その後方側にて筒状容器が支柱によりダクトの内側表面に固定されているもの）は、風速が１２ｍ／秒の場合であっても、その出力電力が１２００〜１５００Ｗ程度であり、本発明の風力発電装置の発電効率は極めて高いことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の風力発電装置の構成例を示す正面図である。
【図２】図１に記入した切断線II−II線に沿ってダクト１４を切断した風力発電装置１０の部分断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  風力発電装置
１１  前端部
１２  後端部
１３  小径部
１４  ダクト
１５  支柱
１６  中心軸
１７  回転軸
１８  発電機
１９  筒状容器
２０  羽根車
２１  羽根
３０  風向調節具
３１  裾部
３１ａ  裾部の斜面
３２  縁部
３２ａ  縁部の表面
３３  電気配線
【図１】
2007309287.tif 000003
【図２】
2007309287.tif 000004