JPWO2011161821A1 - 集風装置、及び風車装置 - Google Patents

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Abstract

垂直軸風車のエネルギー変換効率を向上させることを課題とする。風車３の回転軸が地面に対して垂直に設置される無指向性の垂直軸風車３に、不特定の方角から流れる風を集める集風装置４であって、垂直軸風車３の周囲で林立し、翼面が該垂直軸風車３から放射状に広がるように配置される集風翼７と、集風翼７の上側と下側を一対の集風面１０Ｕ，Ｌで覆う集風部材８，９であって、一対の集風面１０Ｕ，Ｌに囲まれる風の流路を、垂直軸風車３の外側から内側へ向けて縮小するホーン状の流路を形成する集風部材８，９と、を備える。

Description

本発明は、集風装置、及び風車装置に関する。
近年、大気中に含まれる温室効果ガスが増大する傾向にあり、産業界ではこれを削減するための様々な試みがなされている。例えば、電力の分野においては、自然エネルギーを利用した風力発電の発電効率を高める技術の研究開発が盛んに行われている。
風力発電に用いられる風車として、プロペラ型に代表される水平軸型風車がある。水平軸型風車の場合、集風口につばが付いており、上流側から下流側へ向かうに従って内径が広がるコーン型の集風管（デフューザー）内に風車を入れて集風効果を持たせることで、発電効率を高める技術がある。しかし、水平軸型風車の場合、風向きが変わるたびに方向転換が必要であり、振動や騒音、コスト面の問題を擁する。
水平軸型風車以外の風車として、ダリウス型に代表されるような垂直軸揚力型風車がある（例えば、特許文献１や図１３を参照）。垂直軸揚力型風車は、水平軸型風車に比べると始動性に劣るものの、風向きに依存しないという利点を有する。このため、サボニウス型風車等を併用して始動性を補いつつ、垂直軸揚力型風車の利用が図られている。
特開２００３−２０６８４９号公報
垂直軸風車は、風向きに依存しないため、風を利用した風力発電に好適である。しかし、現状の垂直軸風車では、採算に見合うだけの発電効率が得られていない。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、垂直軸風車のエネルギー変換効率を向上させることを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明では、風車の周りに集風翼を設けると共に、集風翼の上下を覆う部材でホーン状の流路を形成することにした。
詳細には、風車の回転軸が地面に対して垂直に設置される無指向性の垂直軸風車に、不特定の方角から流れる風を集める集風装置であって、前記垂直軸風車の周囲で林立し、翼面が該垂直軸風車から放射状に広がるように配置される集風翼と、前記集風翼の上側と下側を一対の集風面で覆う集風部材であって、該一対の集風面に囲まれる風の流路を、前記垂直軸風車の外側から内側へ向けて縮小するホーン状の流路を形成する集風部材と、を備える。
上記集風装置は、風向きに依存しないで風力エネルギーを回転エネルギーへ変換可能な無指向性の垂直軸風車に対し、不特定の方角から流れる風を集めることを前提とする。この集風装置が集める風は、風車の回転軸に対して略垂直に流れる風であれば如何なるものであってもよく、例えば、自然風や空調設備の排気風等を例示できる。風は、地面に対して略水平に流れることがほとんどであり、垂直軸風車も、そのような風で動くことを前提に、回転軸が地面に対して略垂直に設置される。
ここで、上記集風装置は、垂直軸風車の周囲で林立する、翼面が放射状に広がる集風翼を備えている。この集風翼は、垂直軸風車の周囲の風を集める。また、上記集風装置は、垂直軸風車の周囲で林立する集風翼の上側と下側を一対の集風面で覆う集風部材を備えている。この集風部材は、風の流路が風車の外側から内側へ向けて縮小するホーン状に形成されている。よって、風車の上側や下側を通過する風が集風面によって取り込まれると共に、集風翼によって集められた風が上下方向へ拡散するのを集風面が防止し、集風面によって集められた風が周方向へ拡散するのを集風翼が防止する。また、集風装置内に流入する風の流路が縮小する。この結果、風車へ流れる風の風速が速くなり、風速の３乗に比例する風車特性を利用して風車出力を増大させることが可能である。
なお、前記集風部材は、例えば、前記垂直軸風車の上端と下端の周囲をそれぞれ周回するように形成された前記一対の集風面のうち、該垂直軸風車の下側にある集風面が上側へ凸状に湾曲し、該垂直軸風車の上側にある集風面が下側へ凸状に湾曲していてもよい。集風面がこのように形成されていれば、凸状に湾曲する集風面によって集められたあらゆる方向から吹く風の風速を速めて、風車が受けるエネルギーを増すことができる。従って、如何なる風向であっても、垂直軸風車のエネルギー変換効率を向上させることが可能である。
また、前記集風部材は、例えば、前記垂直軸風車の上側と下側を覆う、風が該垂直軸風車の回転軸方向へ拡散するのを防ぐ拡散防止面を更に有するものであってもよい。集風翼や集風面によって風が垂直軸風車に集まると、集まった風は拡散しようとするため、垂直軸風車の回転軸方向へも不可避的に拡散することとなる。しかし、拡散防止面があれば、このような風の回転軸方向への拡散によるエネルギー変換効率の低下を防ぐことができる。なお、拡散防止面は、如何なるもので形成されていてもよく、例えば、垂直軸風車の上下に配置された、該垂直軸風車の回転軸と略直交する板状の拡散防止板で形成できる。集風翼と集風部材が集風した風の流路の上下の一部或いは全部に拡散防止面が形成されることで、回転軸方向への風の拡散が抑制される。
また、前記垂直軸風車は、例えば、直線翼を有する揚力型の風車であり、前記集風翼は、翼面が、前記垂直軸風車から該垂直軸風車の回転方向に沿って放射状に広がるように配置されることにより、該垂直軸風車の周囲を通過する風を該垂直軸風車の直線翼の前縁に対向する側へ案内する流路を形成するものであってもよい。揚力型風車の場合、直線翼の前縁側から後縁側へ向かって流れる気流の力で揚力が発生し、風車が回転するため、集風装置が、集風した風を直線翼の前縁に対抗する側へ案内すれば、風車のエネルギー変換効率を更に向上させることが可能である。
また、本発明は、風車装置として捉えることもできる。例えば、本発明は、風車の回転軸が地面に対して垂直に設置される無指向性の垂直軸風車と、前記垂直軸風車の周囲で林立し、翼面が該垂直軸風車から放射状に広がるように配置される集風翼と、前記集風翼の上側と下側を一対の集風面で覆う集風部材であって、該一対の集風面に囲まれる風の流路を、前記垂直軸風車の外側から内側へ向けて縮小するホーン状の流路を形成する集風部材と、を備えるものであってもよい。
垂直軸風車のエネルギー変換効率を向上させることが可能である。
実施形態に係る風力発電システムの正面図。 実施形態に係る風力発電システムの本体部の断面図。 実施形態に係る風力発電システムの本体部の斜視図。 集風翼の取り付け角度に関する説明図。 制御装置の構成図。 風の流れを示す上視図。 風の流れを示す斜視図。 実験データの風向について示す図。 実験データを示す図。 実験データを示す図。 実験データを示す図。 風車の回転数と風速との関係を示すグラフ。 発電機の出力電力と風速との関係を示すグラフ。 変形例に係る風力発電システムの本体部の斜視図。 従来技術に係る垂直軸揚力型風車の正面図。
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る風力発電システム１の正面図である。図１に示すように、風力発電システム１は、風車翼２を有する風車３、及び風車３に風を集める集風装置４とを有する本体部５と、本体部５を支持する四角柱架台６を備える。風力発電システム１は、離島や山間部といった電力事情の悪い地域や、その他のあらゆる地域に設置することが可能である。
まず、風力発電システム１の本体部５について詳述する。図２は、風力発電システム１の本体部５のＡ−Ａ面の断面図である。また、図３は、風力発電システム１の本体部５の斜視図である。図２や図３に示すように、風力発電システム１の本体部５は、４つの風車翼２で構成される風車３と、この風車３の周囲に８つの集風翼７が設けられている。
風車３は、垂直軸を回転軸とし、直線状の風車翼２で構成される直線翼垂直軸型の風車である。直線翼垂直軸型の風車３は、風と風車回転速度が合成された相対風速が風車翼２に流入した際に発生する相対風速に直角に働く揚力と後方に働く効力の回転方向成分の差によって発生する推力を利用して回転する。
風車３に多くの風が流れるようにするため、この風力発電システム１では、風車３の周囲に配置される８つの集風翼７と、風車３の上側や下側に配置される上部集風材８、下部集風材９を備える集風装置４が、風車３に風を集める。
集風翼７は、風車３に風を集めることが可能であれば如何なる断面形状を有していてもよく、例えば、断面が板状、楕円状、或いは翼型状に形成する。集風翼７は、風車３の周囲を周回するように均等に４５°の角度で８つ配置されている。
上部集風材８と下部集風材９は、各集風翼７の上側と下側を覆う一対の集風面１０Ｕ，Ｌを有している。集風面１０Ｕ，Ｌは、これらの間に形成される風の流路が、風車３の外側から内側へ向けて縮小するホーン状の流路を形成する。すなわち、上部集風材８の集風面１０Ｕは、風車３の側から外側へ向かうにつれて上側へ向かうように湾曲している。また、下部集風材９の集風面１０Ｌは、風車３の側から外側へ向かうにつれて下側へ向かうように湾曲している。また、上部集風材８と下部集風材９は、風車３の上側と下側を覆う一対の拡散防止面１１を有している。一対の拡散防止面１１が風車３の上側と下側を覆うことで、集風翼７によって風車３に集められた風が上下方向に拡散するのを防ぐ。
図４は、集風翼７の取り付け角度に関する説明図である。集風翼７は、図４に示すように、垂直軸の回転中心ＯWを通過する仮想線ＶLに対する角度θが、風車３の回転方向の側に２２．５°だけ傾けた状態になっている。すなわち、集風翼７の翼面が風車３の回転方向に沿って放射状に広がるようになっている。これにより、風が風車３に集まる。なお、集風翼７は、その角度θが０〜３０°の範囲内であれば、風を風車３に有効に集めることができる。このような集風翼４の角度θの範囲は、風車翼２の揚力向上と集風翼７における気流の剥離防止の観点から決定されるものであるため、適用される集風翼の翼型や気体の粘性等によって適宜設定されることが好ましい。
図５は、制御装置の構成図である。風力発電システム１には、図５に示すような制御装置が設けられている。この制御装置は、風車３の下部にある発電機室１２内に設けられたブレーキを制御するブレーキコントローラ１３と、風車３が最も効率的に動作するように風車３の出力を制御すると共に、場合によっては余剰電力をダミーロード１４へ流すパワーコントローラ１５と、発電機の電力を昇圧して交流で出力するインバータ１６とを備える。ブレーキコントローラ１３は、図示しないエアーコンプレッサから供給される制御用空気を電磁弁で制御し、ディスクブレーキを動かすことで風車３の回転を制御する。風車３の過回転は、基本的にパワーコントローラ１５によって制御されるが、ブレーキコントローラ１３によっても予備的に制御される。
図６は、風車３を上から見た場合の風の流れを示す図である。また、図７は、風車３を横から見た場合の風の流れを示す図である。上記風力発電システム１によれば、風車３の周囲を流れる風が集風翼７によって風車３へ集められ、風車３の上側や下側を流れる風が集風面１０Ｕ，Ｌによって風車３へ集められる。このため、集風装置４に集められて風速の増した風が風車３を通過する。周知のように、風車の受けるエネルギーＥｗ（ｋＷ）は、ρを空気密度（ｋｇ／ｍ3）、ｖを風速（ｍ／ｓ）、Ａを受風面積（ｍ2）とすると、Ｅ＝１／２ρｖ3Ａで表されるため、風速の３乗に比例する。このため、集風翼７や集風面１０Ｕ，Ｌの設置によって風速が増すと、風車で得られるエネルギーが増し、発電電力が増加する。ここで、集風翼７で風を風車３に集める場合に、拡散防止面１１が無いと、集めた風が風車３の上下に拡散し得るが、本実施形態では、拡散防止面１１が風車３の回転軸方向への拡散を防止している。このため、風車の回転力が衰えることが無い。
以下、集風装置４の設置効果を検証するために行った実験の結果について説明する。ここで、本実験においては、上述した実施形態に係る風力発電システム１と異なり、４枚の集風翼４を風車３の周囲に設置し、一対の拡散防止面１１を風車３の上下に形成しただけの構成としている。すなわち、本実験では、４枚の集風翼７と一対の拡散防止面１１を設けた場合の効果のみを検証するものとし、集風面１０Ｕ，Ｌの設置効果については検証をしない。
本実験に用いる風車は、直線翼が３枚で、回転直径が６００ｍｍであり、高さが６０４ｍｍのものを用いている。また、集風翼は、幅１５０ｍｍ、高さ６５４ｍｍとし、風車の回転軸から内側で４００ｍｍ、外側で５５０ｍｍの位置にそれぞれ設置してあるものを用いている。なお、様々な風向きについて検証をするため、風向については０°、２２．５°、４５°、６７．５°の４つの場合について実験を行っている。風向については、図８に示す通りである。また、集風翼の角度を調整することの有効性についても検証をするため、集風翼の角度θについては０°、５．６２５°、１１．２５°、１６．８７５°、及び２２．５°の場合について実験を行った。また、集風翼および拡散防止板を取り付けることの有効性についても検証をするため、集風翼および拡散防止板を取り付けていない場合についても実験を行った。
図９Ａ〜Ｃは、本実証実験の結果を示す実験データである。また、図１０は風車の回転数と風速との関係をグラフ化したものであり、図１１は発電機の出力電力と風速との関係をグラフ化したものである。なお、図９Ａ〜Ｃにおいて示す集風翼の取り付け角度は、小数点以下を四捨五入し、整数で表示している。図９Ａにおいて「風車単体」の欄に示されるデータが、集風翼および拡散防止板を取り付けていない場合の実験データであり、その他の欄に示されるデータが、集風翼および拡散防止板を取り付け、集風翼の取り付け角度や風向きを調整した場合の実験データである。なお、「平均上昇率」とは、各風向の回転数や電力を平均化し、集風翼および拡散防止板を取り付けていない場合に対する相対的な上昇率を、集風翼の取り付け角度毎に百分率で示したものである。集風翼および拡散防止板を取り付けた場合、取り付けていない場合に比べ、図９Ａ〜Ｃの実験データや図１０〜１１のグラフが示すように、集風効果がほとんど無いと考えられる「風向０°」以外の場合は風車の回転数が増大し、また、発電機の出力電力が最大で１７０％程度（集風板タイプ５：集風翼取付角２３°：風向４５°：風速１０ｍ／ｓ）増加することが確認された。なお、周知のように、翼弦長が短くなるとレイノルズ数が小さくなるため、風車に揚力が十分に発生しなくなる。このため、本実験の実験データにおいては低い風速（例えば、風速６ｍ／ｓ）の場合に有意な効果が現れていない。しかし、例えば翼弦長が約４．５倍の実機を用いれば、レイノルズ数も約４．５倍となり、風速では約１／４．５の２．２ｍ／ｓ程度の風速から上記実施形態に係る風力発電システム１の効果が期待できる。
このように、上記実施形態に係る風力発電システム１であれば、発電効率の大幅な向上が見込める。また、上記集風装置４を用いれば、集風により風が増速するため、プロペラ型の風車等に比べて始動性に劣る直線翼垂直軸風車に適用した場合に、始動する際に必要となる風の風速が遅くなり、始動性の改善も図られる。揚力型の風車であっても、回転が停止している際は抗力が作用することで始動する。一般に、物体の抗力はＦｄ＝ρｖ2Ａ／２で表されるため、受風面積比の二乗分に相当する始動風速の改善（低下）が可能になるためである。
また、発電装置の設備利用率は、実際の年間発電量を、定格出力で１年間発電し続けたと仮定した場合の年間発電量で除算することで算出される。すなわち、設備利用率は、設備能力に対する年間平均出力の比を示している。ここで、風車が得られる風力エネルギーは、受風面積比の３乗に比例するので、上記集風装置４の設置により、風力発電設備の設備利用率が大幅に改善される。
なお、上記第一実施形態は、本体部５を上下に複数段重ねたものであってもよい。この場合、回転軸は、互いに連結されていてもよいが、それぞれ独立していてもよい。独立される場合には、各風車３に機械室Ｘがそれぞれ連結されている必要がある。
また、上記実施形態では、８枚の集風翼で構成される場合を例に説明したが、集風翼は、風を風車に集めることが可能であれば何枚であってもよい。また、風車と集風翼との間の相対的な距離については特に言及しなかったが、集風効果に鑑みれば、風車の中心から集風翼までの距離は、風車の回転半径に２の平方根を乗算した値以下で且つ風車と集風翼とが接触しない距離以上であることが好ましい。
また、集風翼７の材質は、風雨等による外力に耐えられるものであればよく、例えば、鉄、アルミ等の金属や、複合材、木材、及びこれらの材料で構成される骨組みに合成繊維等で構成される布状のものを紐や接着剤等で接合したものであってもよい。
また、上記風力発電システム１は、太陽電池パネルや内燃式のディーゼル発電機を併用し、風況や日射状況に応じて最適な発電方式に適宜切り替えるものであってもよい。このようなハイブリッド式の発電システムとすることで、電力が供給されない離島等においても安定的な電力供給を行うことが可能である。特に、上記風力発電システム１にこのような太陽電池パネルやディーゼル発電機を内置したものをパッケージとして提供すれば、ユーザは、最適な電源の選択等の判断を迫られること無く、容易に安定的な電源を確保することが可能となる。
なお、上記実施形態に係る集風装置４は、上述したような揚力型の風車のみならず、例えばパドル型風車のような抗力型の風車等に対して適用することも可能である。
また、上記実施形態に係る集風装置４は、集風翼７の上側と下側に、ホーン状の流路を形成する集風面１０Ｕ，Ｌを有しているが、例えば、図１２に示すように、拡散防止面が集風翼の上側や下側まで延在する構成を採ってもよい。この場合、風車の上側や下側を流れる風を集める効果は無くなるが、集風翼があるため、少なくとも風車の周囲を流れる風を集める効果がある。このため、風車のエネルギー変換効率を向上させることができる。
１・・風力発電システム
２・・風車翼
３・・風車
４・・集風装置
５・・本体部
７・・集風翼
８・・上部集風材
９・・下部集風材
１０Ｕ，Ｌ・・集風面
１１・・拡散防止面

Claims (5)

  1. 風車の回転軸が地面に対して垂直に設置される無指向性の垂直軸風車に、不特定の方角から流れる風を集める集風装置であって、
    前記垂直軸風車の周囲で林立し、翼面が該垂直軸風車から放射状に広がるように配置される集風翼と、
    前記集風翼の上側と下側を一対の集風面で覆う集風部材であって、該一対の集風面に囲まれる風の流路を、前記垂直軸風車の外側から内側へ向けて縮小するホーン状の流路を形成する集風部材と、を備える、
    集風装置。
  2. 前記集風部材は、前記垂直軸風車の上端と下端の周囲をそれぞれ周回するように形成された前記一対の集風面のうち、該垂直軸風車の下側にある集風面が上側へ凸状に湾曲し、該垂直軸風車の上側にある集風面が下側へ凸状に湾曲している、
    請求項１に記載の集風装置。
  3. 前記集風部材は、前記垂直軸風車の上側と下側を覆う、風が該垂直軸風車の回転軸方向へ拡散するのを防ぐ拡散防止面を更に有する、
    請求項１または２に記載の集風装置。
  4. 前記垂直軸風車は、直線翼を有する揚力型の風車であり、
    前記集風翼は、翼面が、前記垂直軸風車から該垂直軸風車の回転方向に沿って放射状に広がるように配置されることにより、該垂直軸風車の周囲を通過する風を該垂直軸風車の直線翼の前縁に対向する側へ案内する流路を形成する、
    請求項１から３の何れか一項に記載の集風装置。
  5. 風車の回転軸が地面に対して垂直に設置される無指向性の垂直軸風車と、
    前記垂直軸風車の周囲で林立し、翼面が該垂直軸風車から放射状に広がるように配置される集風翼と、
    前記集風翼の上側と下側を一対の集風面で覆う集風部材であって、該一対の集風面に囲まれる風の流路を、前記垂直軸風車の外側から内側へ向けて縮小するホーン状の流路を形成する集風部材と、を備える、
    風車装置。
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