JPWO2004061297A1 - 風力発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
従って、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。
また、本発明の風力発電装置は、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調節されていることを特徴とする。
本発明は、次のような本願発明者の得た知見に基づいている。
即ち、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。従って、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。
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。従って、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。
従って、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。
さらに本発明の風力発電装置は、前記所定角度が2°〜12°の範囲内とされ、ペンシル体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。
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。
また、本発明の風力発電装置は、羽根車の羽根が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倍の範囲内に設けられていることを特徴とする。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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従って行われた。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。
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。
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。従って、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。
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。
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。
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。
従って、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。
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。
従って、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。
Claims (4)
- 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最大風速領域に設けられていることを特徴とする風力発電装置。 - 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調節されていることを特徴とする請求項1記載の風力発電装置。
- 前記所定角度が2°〜12°の範囲内とされ、ペンシル体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請求項2記載の風力発電装置。
- 羽根車の羽根が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倍の範囲内に設けられてい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。
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