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WO2003081033A1 - Generateur d'energie eolienne - Google Patents

Generateur d'energie eolienne Download PDF

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WO2003081033A1
WO2003081033A1 PCT/JP2002/013767 JP0213767W WO03081033A1 WO 2003081033 A1 WO2003081033 A1 WO 2003081033A1 JP 0213767 W JP0213767 W JP 0213767W WO 03081033 A1 WO03081033 A1 WO 03081033A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wind
flow
fuselage
wind tunnel
tunnel body
Prior art date
Application number
PCT/JP2002/013767
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yuji Ohya
Takashi Karasudani
Akira Sakurai
Masahiro Inoue
Nobutaka Fukamachi
Kimihiko Watanabe
Original Assignee
Kyushu Tlo Company, Limited
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyushu Tlo Company, Limited filed Critical Kyushu Tlo Company, Limited
Priority to AT02807109T priority Critical patent/ATE546641T1/de
Priority to HK05104548.4A priority patent/HK1071783B/xx
Priority to EP02807109A priority patent/EP1489298B1/en
Priority to AU2002357527A priority patent/AU2002357527A1/en
Publication of WO2003081033A1 publication Critical patent/WO2003081033A1/ja

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/04—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F05B2240/133—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines with a convergent-divergent guiding structure, e.g. a Venturi conduit
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine generator that accelerates the flow of wind to generate high power.
  • wind power generators have attracted attention from the viewpoints of de-oiling energy and environmental clean-up.
  • wind turbines use natural wind flow, there may be cases where sufficient wind power can not be obtained depending on the installation location and weather conditions. Therefore, it is considered to accelerate weak wind flow by some means and provide it for power generation.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view of the wind speed increasing device of Japanese Patent Application No. 2 0 0 1-4 4 1 4.
  • the wind speed-up device shown in FIG. 8 is constituted by a long cylindrical wind fuselage 51 expanding from the wind inlet 52 to the outlet 53.
  • an inflow guide piece 5 opened in a curved shape toward the outer side at the edge of the inlet 52 of the wind fuselage 51, and a flange shaped flange extending outward at the edge of the outlet 53 Each is equipped with 56, and the vicinity of the inlet 52 is taken as the takeoff position of wind power.
  • the flow of the wind at the center of the axis of the wind fuselage 51 which flows in from the front of the inflow port 52, carries the flow of the slow wind on the wall of the wind fuselage 51,
  • the flow of wind from the center and the wind fuselage 5 1 The flow of wind outside the inner wall of the wind fuselage 5 1 is entrained by the flow of wind outside the wind 5 and the height for taking out wind power near the inlet 52 inside the wind fuselage 5 1 It is possible to obtain the wind speed range.
  • a wind power generator having a wind turbine for power generation arranged at a position for taking out wind power near the inflow port 52 using such a wind speed increasing device the wind speed increasing device is obtained even when the wind is weak.
  • the wind turbine arranged in the vicinity of the inlet 52 inside the wind tunnel 51 which is the high wind velocity region of the wind tunnel 51, can be effectively rotated, and the power generation capacity can be dramatically improved as a wind turbine. It becomes possible.
  • the inclination angle of the side body portion with respect to the wind body 5 1 axis is preferably in the range of 2 to 5 °. ing. If the inclination angle is less than 2 °, the effect of increasing the speed increase ratio tends to be small even if the ratio of the length of the wind tunnel 51 to the diameter of the inlet 52 of the wind tunnel 51 is small, and the tilt angle If the temperature exceeds 5 °, the entrainment effect of the slow flow of the flow on the inner wall of the fuselage tends to decrease, so 2 to 5. It is possible to efficiently carry the slow flow of the inner wall of the wind fuselage in the range of
  • a wind turbine that includes a wind turbine that rotates in a wind tunnel, and is capable of efficiently accelerating the flow of wind and performing high-power generation.
  • the purpose is Disclosure of the invention
  • the wind turbine generator according to the present invention is a wind turbine generator including a cylindrical wind tunnel that expands in the wind flow direction and a power generation wind turbine arranged near the wind flow inlet of the wind tunnel, and the wind turbine is directed to the wind trunk axis.
  • the inclination angle of the side body portion is in the range of 5 to 25 °, more preferably in the range of 5 to 14 °.
  • the static pressure distribution and wind velocity distribution from the front of the wind fuselage to the inside of the wind fuselage and the rear of the wind fuselage are shown in Fig. 1 and Fig. 2 respectively.
  • FIG. 2 represent the non-dimensional ratio of the horizontal position X with the fuselage inlet as the origin and the length L of the fuselage, and the direction of the fuselage outlet is positive.
  • the static pressure distribution in Fig. 1 shows the difference in static pressure from the position where there is no influence of the wind fuselage, and the vertical axis is the ratio that makes this static pressure difference non-dimensional by the dynamic pressure due to the near wind velocity U ⁇ .
  • the vertical axis in Fig. 2 is the ratio of the wind speed U close to non-dimensional with the wind speed U ⁇ .
  • the inclination angle of the side body relative to the wind fuselage axis is 5 ° or more by the resistance of the power generation wind turbine itself. Even if it is extended, it is possible to prevent the separation of the flow of the wind on the inner wall of the wind tunnel.
  • the flow velocity of the wind in the radial direction of the wind tunnel is increased by the rotation of the wind turbine for power generation, the separation of the flow of the wind on the inner wall surface of the wind tunnel can be prevented, and it is introduced from the inlet of the wind tunnel.
  • the wind can flow smoothly along the inner wall of the wind fuselage to the outlet. Therefore, even if the inclination angle of the side body is extended up to 25 °, the separation of the wind flow on the inner wall surface of the wind tunnel can be prevented up to the outlet of the wind tunnel.
  • the wind introduced from the inflow port of the wind tunnel can smoothly flow along the inner wall surface of the wind trunk to the outflow port without separating from the inner wall surface of the wind trunk.
  • the optimum value of the inclination angle of the wind tunnel side body depends on the resistance coefficient of the wind turbine for power generation, especially when the inclination angle of the wind trunk side cylinder is in the range of 5 to 14 °, the wind is as described above. Since there is no separation of the flow along the inner wall of the fuselage, as a result, the highest pressure recovery rate can be obtained, and the wind flow can be accelerated most efficiently to generate high power. It becomes possible.
  • the pressure recovery efficiency remains small, so the negative pressure near the inlet can not be increased, and a large wind acceleration can not be obtained near the wind turbine installation position.
  • the inclination angle exceeds 25 °, the separation of the wind flow on the inner wall of the wind fuselage becomes remarkable, causing a large flow loss, so the pressure recovery efficiency also decreases and the large wind acceleration I can not get it.
  • the inlet of the wind tunnel be a curved surface that smoothly expands toward the outside of the wind tunnel, that is, the upstream side of the wind flowing into the wind tunnel.
  • the outside of the rim of the outlet is provided with a scaly piece It is desirable to As a result, the wind flowing on the outside of the wind tunnel collides with the hook-like piece to form a strong vortex behind the hook-like piece, so the pressure near the outlet of the wind trunk becomes low. As a result, stronger wind flow can be drawn into the wind fuselage, and high-power generation can be performed by obtaining an area of high wind speed more efficiently.
  • the scale-like piece has a width of 10 to 100% of the minimum inner diameter of the wind tunnel. If the length of the fuselage is longer than the minimum inside diameter of the fuselage (ie, if the length of the fuselage is L and the minimum inside diameter of the fuselage is D, L / D> 1), for example, if the width is increased gradually to 50%, 75%, 100%, for example, the vortice formation behind the scaly fragments becomes stronger, so the pressure near the outlet becomes lower than the static pressure of the atmospheric pressure. Become. As a result, the drawing of the flow from the inflow is enhanced, and it is possible to increase the wind speed increase near the inflow.
  • FIG. 1 is a view showing a static pressure distribution
  • FIG. 2 is a view showing a wind velocity distribution
  • FIG. 3 is a perspective view of a wind turbine generator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of FIG. 3
  • FIG. 5 is a view showing a relationship between a peripheral speed ratio and an output coefficient
  • FIG. 6 is a view showing a relationship between the peripheral speed ratio and an output coefficient
  • FIG. 8 is a view showing a relationship between an inclination angle of a wind tunnel side body and a maximum output coefficient
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a conventional wind speed increasing device.
  • FIG. 3 is a perspective view of a wind turbine generator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view of FIG.
  • the wind turbine generator according to the embodiment of the present invention has the wind turbine 3 for power generation arranged with the vicinity of the wind inlet 2 a of the cylindrical wind fuselage 1 as the wind power extraction position. .
  • the rotating blades 3 a of the wind turbine 3 are rotated while maintaining a slight clearance (about 1 to 2% of the minimum inner diameter D of the wind fuselage) so as not to touch the inner wall surface of the wind fuselage 1.
  • the fuselage 1 is an expanding pipe (diffuser) having a length L (length from the mounting position of the rotating blades of the wind turbine 3 to the outlet 2b) extending from the inlet 2a to the outlet 2b. Ru.
  • the inclination angle ⁇ > of the side body of the fuselage 1 shall be 5 to 25 °.
  • the inlet 2 a of the fuselage 1 is a curved surface 5 that smoothly expands toward the outside of the fuselage 1.
  • the outflow port 2 b of the wind fuselage 1 is provided with a hook-shaped piece 4 having a width B of 50% of the minimum inner diameter D of the wind fuselage 1.
  • the static pressure in the wind tunnel 1 flows There is a large negative pressure near the inlet 2 a.
  • the static pressure of the wind near the outlet 2 b of the wind tunnel 1 is much lower than the static pressure of the atmospheric pressure by the action of the scissor 4, so a further negative negative near the inlet 2 a of the wind tunnel 1 As the pressure becomes higher, the air flowed in from the front of the inlet 2a is accelerated rapidly in the vicinity of the inlet 2a.
  • the flow velocity in the radial direction of the air flowing into the wind tunnel 1 is determined by the rotating blades 3 a of the wind turbine 3 rotating while maintaining a slight clearance on the inner wall surface of the wind tunnel 1. Be enhanced.
  • the radial flow of wind and the resistance of the wind turbine 3 itself prevent separation of the flow of wind in the inner wall portion of the wind tunnel 1 up to the outlet 2 b of the wind tunnel 1, and the inlet 2 of the wind tunnel 1.
  • the wind introduced from a flows smoothly along the inner wall surface of the wind fuselage 1 to the outlet 2b.
  • the flow of the wind that has become negative pressure inside the wind tunnel 1 can be pressure restored to the outlet 2 b without large flow loss, and the flow of wind can be increased efficiently. It is possible to speed up. That is, in the wind turbine of the above configuration, the wind flowing from the wind inlet 2a of the wind turbine 1 is rapidly accelerated in the vicinity of the inlet 2a and becomes faster. Can be rotated It is possible to perform high power generation by the rotation of the wind turbine 3.
  • the inclination angle ⁇ of the side body portion of the wind tunnel 1 is 5 to 14 °, the separation of the flow of the wind on the inner wall surface portion of the wind tunnel 1 is completely prevented. Flows smoothly along the inner wall of the fuselage 1 to the outlet 2 b. For this reason, a large pressure recovery rate can be obtained up to the outlet 2b, and power generation with the highest output can be performed.
  • the side trunk portion of the wind fuselage 1 is a linearly expanded diffuser, but it may be a shape that expands smoothly as shown by an alternate long and short dash line in FIG. 4.
  • the inclination angle ⁇ of the side body of the fuselage 1 is set to 5 to 25 ° in the vicinity of the inlet 2 a.
  • the inner wall portion of the side trunk portion smoothly expands in the vicinity of the inflow port 2a, a larger enlargement ratio of the side trunk portion can be obtained while suppressing the separation of the wind flow from the vicinity of the inflow port 2a.
  • the pressure recovery efficiency may be further enhanced, and high power generation can be expected.
  • Power coefficient C w is (the cube of to approach wind velocity U ⁇ (MXS)) Power output (W) (1/2) ⁇ ( air density iO (kgZm 3)) ⁇ . ( Rotating vane It is non-dimensionalized by dividing by the rotation area 7 ⁇ r 2 ) of the root 3 a.
  • the wind turbine generator according to the present invention is a device that generates high power by accelerating the flow of wind, and in particular, sufficient wind power can be obtained depending on the conditions of the installation location, weather conditions, etc. It is suitable for use in places that can not be separated.

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Description

明 細 書 風力発電装置 技術分野
この発明は、 風の流れを増速して高出力の発電を行う風力発電装置に関する。 背景技術
近来、 発電の分野において、 脱石油エネルギーや環境クリーン等の観点から、 風 力発電装置が注目されている。風力発電装置は、 自然界の風の流れを利用するもの であるが、設置場所の地形や気象等の条件によって十分な風力が得られないことが ある。そのため、弱い風の流れを何らかの手段で増速して発電に供することが考え られている。
本発明者らは、特願 2 0 0 1—9 4 1 4において、簡単な構造で効率良く風の流 れを増速することが可能な風増速装置を提供している。図 8は特願 2 0 0 1 - 9 4 1 4の風増速装置の縦断面図である。
図 8の風増速装置は、風の流入口 5 2から流出口 5 3に向かって拡大する長筒状 の風胴体 5 1により構成したものである。 また、風胴体 5 1の流入口 5 2の口縁に は外側に向かって曲面をもって開いた流入案内片 5 5を、流出口 5 3の口縁には外 側に向かって拡がる鍔状のフランジ 5 6をそれぞれ備え、流入口 5 2の近傍を風力 の取り出し位置とする。
これにより、流入口 5 2前方より流入する風胴体 5 1の軸中心の風の流れによつ て風胴体 5 1の壁面部の遅い風の流れを連行し、流出口 5 3後方においては軸中心 の風の流れと風胴体 5 1外部の風の流れによって風胴体 5 1内壁面部の遅い風の 流れを連行して、風胴体 5 1内部の流入口 5 2近傍に風力を取り出すための高風速 の領域を得ることが可能となる。 そして、 このような風増速装置を用いて、流入口 5 2近傍の風力の取り出し位置 に発電用の風車を配置した風力発電装置を構成すれば、外風が弱いときでも、風増 速装置の風胴体 5 1の高風速領域である風胴体 5 1内部の流入口 5 2近傍に配置 した風車を効果的に回転させることができ、風力発電装置として発電能力を飛躍的 に向上させることが可能となる。
また、特願 2 0 0 1 - 9 4 1 4の風増速装置では、風胴体 5 1の軸に対する側胴 部の傾斜角は、 2〜5 ° の範囲とすることが望ましいことを提案している。傾斜角 が 2 ° 未満の場合、風胴体 5 1の流入口 5 2の径に対する風胴体 5 1の長さの比を 上げても増速比を上げる効果が小さくなる傾向にあり、傾斜角が 5 ° を超えると風 胴体内壁面部の流れの遅い風の連行効果が小さくなる傾向にあるため、 2〜5。 の 範囲で効率的に風胴体内壁面部の流れの遅い風を連行することが可能であるとい うものである。
ところが、上記風増速装置は、風増速装置単体では 2〜5 ° の範囲で最も増速効 果が高いものの、風胴体 5 1の流入口 5 2近傍に発電用の風車を配置した場合、 2 〜5 ° の傾斜角の範囲が必ずしも最適ではないことが判明した。風胴体 5 1内で回 転する風車が、風胴体 5 1内を通過する風の流れに影響を及ぼすようになるためで ある。
そこで、 本発明においては、 風胴体内で回転する風車を備えた風力発電装置で あって、効率良く風の流れを増速させ、高出力の発電を行うことが可能な風力発電 装置を提供することを目的とする。 発明の開示
本発明の風力発電装置は、風の流れ方向に拡大する筒状の風胴体と、風胴体の風 の流入口近傍に配置した発電用風車とを備えた風力発電装置において、風胴体の軸 に対する側胴部の傾斜角を 5〜2 5 ° の範囲、 より好ましくは、 5〜1 4 ° の範囲 としたものである。 ここで、風胴体前方から風胴体内部、風胴体後方までの静圧分布および風速分布 を、 それぞれ図 1および図 2に示す。 図 1および図 2の横軸は、 風胴体流入口を原 点とした水平位置 Xを風胴体の長さ Lで無次元化した比を表しており、風胴体流出 口の方向を正としている。 図 1の静圧分布は、風胴体の影響がない位置との静圧の 差を示しており、 縦軸はこの静圧差を近寄り風速 U∞による動圧で無次元化した比 である。 図 2の縦軸は、 風速 Uを近寄り風速 U∞で無次元化した比である。
図 1に示すように、 開放された空間内に配置された風胴体は、風の流入口前方と 流出口後方とにおける風の静圧が周囲の大気圧の静圧とほぼ等しくなる。 そして、 風の流れ方向に拡大する筒状の風胴体の場合、風胴体内部における静圧は、 図 1に 示すように流出口に向かって増加するため、風胴体内部の流入口付近で大きな圧力 低下となる。 したがって、 流入口前方より風胴体内部に流入した風は、 図 2に示す ように流入口付近で急激に加速されて速くなり、流出口に向かって徐々に遅くなる とともに、図 1に示すように圧力が回復して流出口で大気圧の静圧とほぼ等しくな る。
すなわち、風の流れ方向に拡大する筒状の風胴体では、風胴体内部の流入口より やや下流付近で大きな負圧となり風が収束するようになるため、この部分に風力を 取り出すための高風速の領域を得ることができる。
本発明の風力発電装置では、風胴体の流入口近傍に発電用風車を配置しているた め、 この発電用風車自体の抵抗により、風胴体の軸に対する側胴部の傾斜角を 5 ° 以上に拡げても風胴体内壁面部の風の流れのはく離を防止することができる。また、 この発電用風車の回転によって風胴体の半径方向の風の流速が高まるため、さらに 風胴体内壁面部の風の流れのはく離を防止することができ、風胴体の流入口から導 入された風を風胴体内壁面部に沿って流出口まで滑らかに流すことができる。した がって、側胴部の傾斜角を最大 2 5 ° まで拡げても、風胴体内壁面部の風の流れの はく離を風胴体の流出口まで防止することができる。
なお、側胴部の傾斜角が 1 4 ° を超える場合、風胴体内壁面部の風のはく離をわ ずかに生じやすくなるが、発電用風車の高速回転によって流れを風胴体内壁面部に 再付着させることが可能となる。 したがって、 この場合においても風のはく離を小 さな範囲に抑えることができ、風胴体の流入口から導入された風を風胴体内壁面部 に沿って流出口まで滑らかに流すことができる。
すなわち、本発明の風力発電装置によれば、風胴体の流入口から導入された風を 風胴体内壁面部からはく離させることなく、この風胴体内壁面部に沿って流出口ま で滑らかに流すことができるため、風胴体流入口付近で負圧となった風の流れを流 出口まで大きな流動損失なしに圧力回復させることができる。 このため、効率良く 風の流れを増速することができ、 高出力の発電を行うことが可能となる。
また、風胴体側胴部の傾斜角については発電用風車の抵抗係数によって最適値が 異なるが、特に風胴体側胴部の傾斜角を 5〜1 4 ° の範囲とすると、上述のように 風胴体内部壁に沿う流れのはく離が全く生ずることはないので、結果的に最も大き な圧力回復率を得ることができ、最も効率良く風の流れを増速して高出力の発電を 行うことが可能となる。
なお、 傾斜角が 5 ° 未満の場合、 圧力の回復効率が小さな値にとどまるため、 流 入口付近での負圧が大きくなりきれず、風車設置位置付近で大きな風の増速が得ら れない。 一方、 傾斜角が 2 5 ° を超えると、 風胴体内壁面部の風の流れのはく離が 顕著となり、大きな流動損失を引き起こしてしまうため、やはり圧力回復効率が低 下し、 大きな風の増速が得られない。
本発明の風力発電装置では、風胴体の流入口は、風胴体の外側すなわち風胴体に 流入する風の上流側に向かって滑らかに拡大する曲面とするのが望ましい。これに より、風胴体の流入口前方近傍の風を円滑に引き込むことができ、 また引き込んだ 風は、流入口近傍の発電用風車の回転によつて風胴体半径方向の流速が高められる ことによって、 さらに流入口近くの風胴体内壁面部からのはく離が防止され、 より 効率良く高風速の領域を得て高出力の発電を行うことが可能となる。
また、 本発明の風力発電装置では、 流出'口の口縁の外側に、 鍔状片を備えたもの とするのが望ましい。 これにより、 風胴体の外側を流れる風が鍔状片と衝突し、 鍔 状片の背後で強い渦を形成するため、風胴体の流出口付近が低圧となる。このため、 風胴体内部へより強い風の流れを引き込むことができ、さらに効率良く高風速の領 域を得て高出力の発電を行うことが可能となる。
また、この鍔状片は、風胴体の最小内径の 1 0〜1 0 0 %幅とするのが望ましい。 風胴体の長さが風胴体の最小内径よりも長い場合 （すなわち、 風胴体の長さを L、 風胴体の最小内径を Dとしたとき、 L/D > 1の場合）、鍔状片の幅を例えば 5 0 %、 7 5 %、 1 0 0 %と順次大きくすると、鍔状片の背後の渦形成が強くなつていくた め、 流出口付近の圧力が大気圧の静圧より低圧となる。 その結果、 流入口からの流 れの引き込みが強められ、 流入口付近の風の増速を高めることが可能となる。
一方、風胴体の長さが風胴体の最小内径よりも短い場合 （すなわち、 L/D < 1 の場合）、 鍔状片の幅を大きくしすぎると、 逆に大きな鍔状片が風の流れをブロッ クするため、鍔状片の存在が上流に圧力上昇を与え、風胴体への風の流入を阻害す るようになる。 したがって、 LZD = 1付近では、 風胴体の最小内径の 5 0 %程度 の幅を有する鍔状片が適当な大きさとなる。 図面の簡単な説明
図 1は、 静圧分布を示す図であり、 図 2は、 風速分布を示す図であり、 図 3は、 本発明の実施の形態における風力発電装置の斜視図であり、 図 4は、 図 3の縦断面 図であり、 図 5は、 周速比と出力係数との関係を示す図であり、 図 6は、 周速比と 出力係数との関係を示す図であり、図 7は、風胴体側胴部の傾斜角と最大出力係数 との関係を示す図であり、 図 8は、 従来の風増速装置の縦断面図である。 発明を実施するための最良の形態
図 3は本発明の実施の形態における風力発電装置の斜視図、図 4は図 3の縦断面 図である。 図に示すように、本発明の実施の形態における風力発電装置は、筒状の風胴体 1 の風の流入口 2 aの近傍を風力の取り出し位置として発電用の風車 3を配置した ものである。風車 3の回転羽根 3 aは、風胴体 1の内壁面に触れないように若干の クリアランス（風胴体の最小内径 Dの 1〜 2 %程度）を保って回転するものである。 風胴体 1は風の流入口 2 aから流出口 2 bに向かって拡大する長さ L (風車 3の 回転羽根の取付け位置から流出口 2 bまでの長さ） の拡大管 （ディフューザ） であ る。風胴体 1の側胴部の傾斜角 < >は、 5〜2 5 ° とする。風胴体 1の流入口 2 aは、 風胴体 1の外側に向かって滑らかに拡大する曲面 5とする。 また、風胴体 1の流出 口 2 bには、 風胴体 1の最小内径 Dの 5 0 %の幅 Bの鍔状片 4を備える。
上記構成の風力発電装置を風の流れの中に配置すれば、風胴体 1の流入口 2 aか ら流出口 2 bに向かって静圧が増加するため、風胴体 1内部における静圧は流入口 2 a付近で大きな負圧となる。 また、鍔状片 4の作用により風胴体 1の流出口 2 b 付近での風の静圧が大気圧の静圧よりはるかに低くなるため、風胴体 1の流入口 2 a付近でさらに大きな負圧となり、流入口 2 a前方より流入した風は流入口 2 a付 近で急激に加速されて速くなる。
また、本実施形態における風力発電装置では、風胴体 1の内壁面に若干のクリァ ランスを保って回転する風車 3の回転羽根 3 aによって、風胴体 1内に流入した風 の半径方向の流速が高められる。 この半径方向の風の流れと、風車 3自体の抵抗に より、風胴体 1の内壁面部の風の流れのはく離が風胴体 1の流出口 2 bまで防止さ れ、風胴体 1の流入口 2 aから導入された風が風胴体 1の内壁面部に沿って流出口 2 bまで滑らかに流れていく。
したがって、本実施形態における風力発電装置では、風胴体 1内部で負圧となつ た風の流れを流出口 2 bまで大きな流動損失なしに圧力回復させることができ、効 率良く風の流れを増速することが可能である。すなわち、上記構成の風力発電装置 では、風胴体 1の風の流入口 2 aから流入した風が、流入口 2 a付近で急激に加速 されて速くなるため、この部分に配置した風車 3を効率的に回転させることができ、 この風車 3の回転によって高出力の発電を行うことが可能である。
また、本実施形態における風力発電装置において、風胴体 1の側胴部の傾斜角^ が 5〜14° のときには、風胴体 1の内壁面部の風の流れのはく離が完全に防止さ れ、風は風胴体 1の内壁面部に沿って流出口 2 bまで滑らかに流れていく。 このた め、流出口 2 bまでの間に大きな圧力回復率を得ることができ、最も高出力の発電 を行うことが可能となっている。
なお、本実施形態においては、風胴体 1の側胴部は、直線状に拡大したディフユ一 ザとしているが、図 4の一点鎖線で示すように滑らかに拡大する形状としてもよい。 このとき、風胴体 1の側胴部の傾斜角 øは流入口 2 a近傍で 5〜 25° とする。 こ の場合、流入口 2 a付近で側胴部内壁面部が滑らかに拡大しているため、 この流入 口 2 a付近から風の流れのはく離を抑えながら、より大きな側胴部の拡大率を得る ことができ、圧力回復効率がさらに高まる可能性があり、 さらに高出力の発電を行 うことが期待できる。
以下、上記構成の風力発電装置のモデルを用いて実験を行った結果について説明 する。
図 5は、風胴体 1の最小内径 D = 40 cm、風胴体 1の長さ Lと最小内径 Dの比 L/D= 1. 25、 風胴体 1の側胴部の傾斜角 0= 10° 、 近寄り風速 （風胴体 1 に近寄ってくる風の流速） U∞=l lm/sとしたときの、 ①図 4に示す風力発電 装置、②図 4の風力発電装置から曲面 5のみを取り除いたもの、③図 4の風力発電 装置から鍔状片 4のみを取り除いたもの、④図 4の風力発電装置から曲面 5および 鍔状片 4を取り除いたもの、 ⑤風車 3のみ、 のそれぞれについて、 周速比 curZU ∞と出力係数 Cwとの関係を示している。
ここで、 周速比 o rZU∞は、 回転羽根 3 aの直径を d (m) としたとき、 回転 羽根 3aの周方向速度 (ω：角周波数 （r a d/s)， r = d/2) を近寄り 風速 U∞で割って無次元化したものである。 出力係数 Cwは、 発電出力 （W) を （1 /2) · (空気密度 iO (kgZm3)) · (近寄り風速 U∞ (mXs) の 3乗） .（回転羽 根 3 aの回転面積 7Γ r 2 ) で割って無次元化したものである。
図 5から、 周速比 r/U∞を変化させたとき、 ⑤、 ④、 ③、 ②、 ①の順に出力 係数 Cwの最大値は高くなる傾向にあり、 ⑤の風力発電装置で最も高い出力係数 C wが得られることが分かる。
図 6は、 上記①と同じものについて、 D = 40 cm、 L/D= 1. 25、 近寄り 風速 U∞= l 1 m/sとし、 風胴体 1の側胴部の傾斜角 <ίを 4~14° の範囲で変 化させたときの周速比 ω rZU∞と出力係数 Cwとの関係を示している。
図 6から、上記①の形状の場合、風胴体 1の側胴部の傾斜角 øを 4° から 14° まで変化させたとき、 0= 1 0° までは出力係数 Cwの最大値は高くなり、 φ= 1 0° を超えると下がる傾向にあることが分かる。
図 7は、 上記①〜⑤と同じものについて、 D = 40 cm、 L/D= 1. 25、 U ∞= 1 lmZsとしたときの、 それぞれの風胴体 1側胴部の傾斜角 øと最大出力係 数 CWmax (出力係数 Cwの最大値） との関係を示している。
図 7から、 上記①の形状の場合、 0= 1 0° で最大出力係数 CWmaxが最大とな り、 この最大となる傾斜角 (^を超えると徐々に最大出力係数 CWmaxが下がること が分かる。 また、 上記①の形状の場合、 他の②〜⑤の形状の場合と比較してすべて の øで最大となっていることが分かる。 産業上の利用可能性
以上のように、本発明に係る風力発電装置は、風の流れを増速して高出力の発電 を行う装置であり、特に設置場所の地形や気象等の条件によつて十分な風力が得ら れない場所に用いるのに適している。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 風の流れ方向に拡大する筒状の風胴体と、 同風胴体の風の流入口近傍に配置し た発電用風車とを備えた風力発電装置において、
前記風胴体の軸に対する側胴部の傾斜角を 5〜2 5 ° の範囲とした風力発電装 置。
2. 前記風胴体の流入口は、前記風胴体の外側に向かって滑らかに拡大する曲面で ある請求の範囲第 1項記載の風力発電装置。
3. 前記流出口の口縁の外側に、鍔状片を備えた請求の範囲第 1項記載の風力発電 装置。
4. 前記流出口の口縁の外側に、鍔状片を備えた請求の範囲第 2項記載の風力発電
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