JP4395869B2 - 風力発電装置 - Google Patents

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Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、側壁断面形状が略翼形とされた略円筒状のダクトと、外方に突出する複数の羽根を有しダクト軸周りに回転可能な羽根車と、羽根車とともに流線型のペンシル体を構成し、羽根車の回転力を利用する発電機を収容するナセルとを備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
羽根車を効率よく回転させて発電効率を向上させる観点から、従来、前記風力発電装置に類似する風力発電装置がいくつか提案されている（実開昭５６−７４８７１号等参照）。
【０００３】
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。
【０００４】
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】
【０００５】
前記課題を解決するための本発明の風力発電装置は、略円筒状のダクトと、外方に突出する複数の羽根を有しダクト軸周りに回転可能な羽根車と、羽根車とともに流線型のペンシル体を構成し、羽根車の回転力を利用する発電機を収容するナセルとを備えた風力発電装置であって、ダクトの側壁断面形状がダクト後方で減圧域が発生し得るとともにダクト後方での渦流の発生を抑制し得る翼型とされ、ペンシル体がその先端部がダクト内部にあり、その後端部がダクト後方に発生する減圧域の先端部に近接するようにダクト後端部から突出して設けられ、羽根車の羽根がダクト内部においてダクトの最小内径部分を基準とし、前方にダクト長の０．０７倍、且つ、後方にダクト長の０．１８倍の範囲内にある最大風速領域に設けられ、ダクトの側壁断面の翼型における翼弦がダクト軸に対して２°〜１２°の範囲内の所定角度だけ傾けられ、該所定角度に応じて変化する減圧域の先端部の位置に合わせてペンシル体の後端部のダクト後方からの突出長がダクト長の０．１〜０．４倍の範囲内に設定されていることを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、ダクトの前方から後方に向かう風が生じた場合、ダクト後方で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。これにより、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。
【０００７】
一方、本願発明者の得た知見によれば、減圧域の先端部が先細で不安定でありダクトの径方向にふらつきやすく、近傍の風の向き等の変化により大きめにふらつくと減圧域が全体的に消滅してしまう。これではダクト内部の風速増大、ひいては発電効率の向上を図ることができない。
【０００８】
しかるに、本発明のようにペンシル体の後端部が減圧域の先端部に近接するようにダクト後方から突出されることで、減圧域の先端部がペンシル体の後端部に引き付けられてふらつきが抑制される。これにより、ダクト前方から後方に向けて風が吹いている間、減圧域の先端部がふらついて減圧域が全体的に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。
【０００９】
また、羽根車の羽根がダクト内部の最大風速領域に設けられることで、羽根車を最大限に回転させることができる。
【００１０】
したがって、本発明の風力発電装置によれば、（１）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、（２）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、（３）ダクト内部の最大風速領域での羽根車の回転を通じ、発電効率のさらなる向上を図ることができる。
【００１１】
また、ダクトの側壁断面の翼型における翼弦がダクト軸に対して傾けられることでダクト後方の減圧域の減圧度が変動する。したがって、減圧域の減圧度が最大となるように当該傾きが調節されることで、ダクト前方からダクト内部に流れ込んだ風がダクト後方の減圧域によってさらに強く引き込まれ、ダクト内部の風速をさらに増速させることができる。
【００１２】
また、当該傾きが大きくなるほどダクト後方に発生する減圧域の先端部の位置が前方にずれる。したがって、当該傾きに応じてペンシル体の後端部が減圧域の先端部に到るようダクトからの突出長が調節されることで、減圧域の先端部のふらつき抑制を図ることができる。
【００１３】
したがって、本発明の風力発電装置によれば上記（１）〜（３）に加え、（４）ダクト後方での減圧域の減圧度の最大化によるダクト内部の風の最速化を通じ、発電効率の最大化を図ることができる。
【００１４】
ここで「所定角度」は当該翼弦の翼前縁が翼後縁よりもダクト軸から離反するような傾斜角度を「正」として定義される。
【発明の実施の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１に示す風力発電装置は略円筒状のダクト１と、外方に突出する複数の羽根２２を有しダクト軸ｘ周りに回転可能な羽根車２と、羽根車２とともに流線型のペンシル体３を構成し、回転軸２４を介して伝達される羽根車２の回転力を利用する発電機４を収容するナセル５とを備えている。ナセル５はダクト１の内壁から突出する柱体６によりダクト１に対して固定されている。発電機４による発電エネルギーは、柱体６及びダクト１を貫通するリード４２を介して外部に供給される。
【００１７】
ダクト１の側壁断面形状は翼型とされている。これは、後述のようにダクト１後方で減圧域が発生し得るとともにダクト１後方での渦流の発生を抑制するためである。ダクト１１０の側壁断面形状としては公知の翼形であるＮＡＣＡ６５3 −６１８（９−０．５）、ＮＡＣＡ６３3 −６１８、ＦＡ６６−Ｓ−１９６Ｖ１等が採用される。
【００１８】
また、ダクト１の側壁断面の翼型における翼弦１１がダクト軸１２に対し、所定角度θだけ傾けられている。所定角度θはダクト１の後端径に対する先端径の比が増大する方向を正として定義される。
【００１９】
ペンシル体３はその先端部にあたる羽根車２の先端部がダクト１内部にあり、その後端部にあたるナセル４の後端部がダクト１の後端から突出するように設けられている。ペンシル体３の後端部のダクト１からの突出長Ｌ2 はダクト長Ｌ1 のｃ（＞０）倍に設定されている。係数ｃは所定角度θを変数としてｃ（２°）＝０．４、ｃ（１２°）＝０．１という条件を満たす単調減少関数ｃ（θ）として表される。これは、後述のようにペンシル体３の後端部をダクト１後方に発生する減圧域の先端部に近接させるためである。
【００２０】
羽根車２の羽根２１はダクト１内部において最大風速領域１３、即ち、ダクト１の最小内径部分１４を基準とし、前方にダクト長Ｌ1 の０．０７倍、且つ、後方にダクト長Ｌ1 の０．１８倍の範囲に設けられている。
【００２１】
前記構成の風力発電装置の機能について図２〜図４を用いて説明する。
【００２２】
本願発明者は、ダクト１前方から後方に向かい風が生じたとき、ダクト１の近傍における風の流れ及び風速をシミュレーションにより検討した。
【００２３】
このシミュレーションは、Ｋ．Ｋｕｗａｈａｒａの論文“Ｕｎｓｔｅａｄｙ Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ”（アメリカ航空・航宙学会 ＮＡＣＡ−６４０５）に記載されている方法にしたがって行われた。この方法によれば、まず、空間に仮想の格子系が構成され、その各格子点におけるナビエ−ストークス方程式（連続体の運動量保存則を表す方程式）が立てられる。この上で、一の格子点におけるナビエ−ストークス方程式の空間偏微分項に、その近傍にある他の格子点における流体の影響が繰り込まれた上でシミュレーション用の偏微分方程式が立てられる。そして、この偏微分方程式が解かれることにより各格子点における風速が求められる。
【００２４】
また、このシミュレーションに際し、所定角度θを８．７°、ダクト長Ｌ1 を５，０００［ｍｍ］、ペンシル体３の後端突出長Ｌ2を１，０００［ｍｍ］（＝０．２０Ｌ1 ）、ダクト１の最小内径を１，８００［ｍｍ］、先端径を３，１６６［ｍｍ］とした。
【００２５】
このシミュレーション結果から次のことが知見された。即ち、この風力発電装置によれば、ダクト１前方から後方に向かう風が生じた場合、図２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。また、図３に実線で表される風の流れを見ると、ダクト１後方で渦流の発生が抑制されている。したがって、ダクト１前方からダクト１内への風の流れがダクト１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１内部の風速増大を図ることができる。
【００２６】
図２にダクト１前方における風速を１．０とした場合の増速度とともにダクト１内の等風速線を示す。図２から、ダクト１の最大風速領域１３における増速度が２．２であること、即ち、当該領域１３における風速が先端部の風速の２．２倍となることがわかる。風力エネルギーは、風速ｖ、流体密度ρ、ダクト１の断面積ＳとしてρＳｖ3 ／２と表されるが、本実施形態ではダクト１の開口断面積は最小内径位置の断面積の約３．１倍なので、ダクト１の最大風速領域１３における風力エネルギーは、ダクト１前方における風力エネルギーの２．２3 ／３．１〜３．４３倍に増幅され得る。
【００２７】
また、図２に示すようにペンシル体３の後端部がダクト１後方から突出され、減圧域５０の先端部５１に到っている。これにより、減圧域５０の先端部５１がペンシル体３の後端部に引き付けられて安定し、そのふらつきが抑制される。これにより、ダクト１前方から後方に向け風が吹いている間、減圧域５０の先端部５１がふらついて減圧域５０が全体的に消滅する事態を抑制することができる。そして、ダクト１後方の減圧域５０を定常的に維持し、ダクト１内部の風速の増大を確保することができる。
【００２８】
さらに羽根車２の羽根２１がダクト１内部の最大風速領域１３に設けられることで、羽根車２を最大限に回転させることができる。
【００２９】
したがって、本発明の風力発電装置によれば、（１）ダクト１後方での減圧域５０の発生によるダクト１内部の風速増大、（２）減圧域５０の先端部５１のふらつき抑制による減圧域５０の定常維持、（３）ダクト１内部の最大風速領域１３での羽根車２の回転を通じ、発電効率のさらなる向上を図ることができる。
【００３０】
また、図４に所定角度θを変化させ、これに応じてペンシル体３の後端突出長Ｌ2 （＝ｃ（θ）・Ｌ1 ）を変化させたときのダクト１の最大風速領域１３における増速度のシミュレーション結果を示す。図４から、所定角度θが２°以上１２°以下に設定された場合、ダクト１内での風の増速度を最大（＝２．２）にすることができる。即ち、所定角度θが２°以上１２°以下に設定された場合、ダクト１後方の減圧域５０の減圧度が最大となり、ダクト１前方からダクト１内部に流れ込んだ風がダクト１後方の減圧域５０によってさらに強く引き込まれ、ダクト１内部の風速をさらに増速させることができる。
【００３１】
したがって、所定角度θを２°以上１２°以下に設定し、これに応じてペンシル体３の後端突出長Ｌ2 を調節することで、上記（１）〜（３）に加え、（４）ダクト後方での減圧域の減圧度の最大化によるダクト内部の風の最速化を通じ発電効率の最大化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態の風力発電装置の側断面図。
【図２】 本実施形態の風力発電装置の機能説明図。
【図３】 本実施形態の風力発電装置の機能説明図。
【図４】 本実施形態の風力発電装置の機能説明図。

Claims (1)

  1. 略円筒状のダクトと、
    外方に突出する複数の羽根を有しダクト軸周りに回転可能な羽根車と、
    羽根車とともに流線型のペンシル体を構成し、羽根車の回転力を利用する発電機を収容するナセルとを備えた風力発電装置であって、
    ダクトの側壁断面形状がダクト後方で減圧域が発生し得るとともにダクト後方での渦流の発生を抑制し得る翼型とされ、
    ペンシル体がその先端部がダクト内部にあり、その後端部がダクト後方に発生する減圧域の先端部に近接するようにダクト後端部から突出して設けられ、羽根車の羽根がダクト内部においてダクトの最小内径部分を基準とし、前方にダクト長の０．０７倍、且つ、後方にダクト長の０．１８倍の範囲内にある最大風速領域に設けられ、
    ダクトの側壁断面の翼型における翼弦がダクト軸に対して２°〜１２°の範囲内の所定角度だけ傾けられ、該所定角度に応じて変化する減圧域の先端部の位置に合わせてペンシル体の後端部のダクト後方からの突出長がダクト長の０．１〜０．４倍の範囲内に設定されていることを特徴とする風力発電装置。
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