風力発電装置
【課題】 大型化を回避しつつ、優れた発電効率を安定して得ることの出来る、新規な構造の風力発電装置を提供すること。
【解決手段】 風上から風下に向かって拡開する内周面４６を有する風洞体１２内には、水平な略同一中心軸回りに回転可能に風車１４が配されている。また、風洞体１２内には、同一中心軸上に整流体４４が配設されている。この整流体４４の外周面は、風洞体１２の内周面４６に略対応した形状で風上側から風下側に向かって広がる表面４２とされている。そして、この整流体４４の表面４２は、その風上側の端部が風洞体１２の開口から軸方向外方に突出している。
【解決手段】 風上から風下に向かって拡開する内周面４６を有する風洞体１２内には、水平な略同一中心軸回りに回転可能に風車１４が配されている。また、風洞体１２内には、同一中心軸上に整流体４４が配設されている。この整流体４４の外周面は、風洞体１２の内周面４６に略対応した形状で風上側から風下側に向かって広がる表面４２とされている。そして、この整流体４４の表面４２は、その風上側の端部が風洞体１２の開口から軸方向外方に突出している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力で風車を回すことにより発電機を駆動せしめて発電する風力発電装置に係り、特に、小さな風速でも効率的に風車を回すことが出来、例えば小型の風車を備えた風力発電装置において有利に適用されて発電効率を向上させることの出来る風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、風車を用いて風力を回転力に変換し、発電機を駆動することで電力を得るようにした風力発電装置が知られており、環境保護の観点等から、近年では大きな注目を得るようになってきている。このような風力発電装置では、風力を回転力に効率良く変換することにより発電効率を向上させることが要求されている。そのための一つの方策として、風洞体を利用することが検討されている。
【０００３】
例えば特許文献１（特開２００３−２７８６３５号公報）に記載されているものが、それである。風洞体は、風の流れ方向に拡径する円筒形状を有しており、内部の圧力勾配を利用して、小径の流入口から入った風の速度を上げるようになっている。そして、この増速された風で、風洞体内に配した風車を効率的に回転させて効率的な発電を行うようになっている。
【０００４】
ところで、特許文献１に記載されている従来構造の風洞体では、風洞体の軸に対する側壁部の傾斜角度が５〜２５度と比較的に小さく設定されている。この程度の傾斜角度の風洞体内で十分な圧力勾配を得るためには、風洞体の軸方向長さを十分に大きく設定することが必要となる。具体的には、かかる特許文献１には、風洞体の長さ：Ｌと流入口径：Ｄの比の値をＬ／Ｄ＝１．２５としたものが実施例に示されているように、発電効率の向上効果を有効に得るためには、一般にＬ／Ｄ＞１．０とされることとなる。
【０００５】
ところが、風洞体の長さを大きくすると、風洞体そのものが大型化して重量化するだけでなく、風洞体に側面から吹き付ける風による風力が大きくなる。そのために、風力発電装置の躯体を高強度化する必要があり、風力発電装置全体の大型化が避けられないという問題がある。
【０００６】
加えて、風向の変化に際しては、風車と一体的に風洞体も首振状に方向制御することが必要となるが、その際、風洞体の長さが大きくなると、風洞体の重量や風圧が悪影響を及ぼすために、風向変化に追従した風車の速やかな方向制御が難しくなる。その結果、風車が風を上手くとらえきれずに発電効率の低下が懸念されるという問題もある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２７８６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、軸方向長さの短い小型の風洞体を用いて風力を回転力に効率的に変換することが出来、発電効率の向上が図られ得る、新規な構造の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】
【０００９】
以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することが出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。
【００１０】
風力発電装置に関する本発明の第一の態様は、（ａ）風上に向けられる軸方向一方の開口側から風下に向けられる軸方向他方の開口側に向かって拡径する略テーパ状の内周面を有しており、中心軸が略水平に延びるように配された風洞体と、（ｂ）該風洞体の中心軸上に回転軸部材が配設されると共に、該回転軸部材から略軸直角方向外方に延び出す複数枚の羽根が設けられることによって構成されて、該風洞体内で前記軸方向一方の開口部付近に該複数枚の羽根が位置せしめられた風車と、（ｃ）該風車における前記複数枚の羽根に作用する風力によって前記回転軸部材が回転せしめられることで駆動せしめられる発電装置と、（ｄ）前記風洞体の中心軸上に配設され、前記風洞体の内周面に略対応して軸方向一方の側から他方の側に向かって次第に拡径する略テーパ状の外周面を有しており、前記風車の前記羽根が位置する部分から中心軸方向の両側に延びて配されていると共に、その軸方向一方の端部が該風洞体における前記軸方向一方の開口部よりも軸方向外方に突出せしめられている整流体とを、備えていることを、特徴とする。
【００１１】
本態様の風力発電装置では、風洞体内を流通せしめられる空気（風）に対して、風洞体の内周面による案内作用だけでなく、風洞体の中心軸上に配された整流体の外周面による案内作用が、同時に作用せしめられることとなる。その結果、風洞体の内周面の軸方向後方への拡開角度を大きくした場合でも、風洞体内周面からの空気の剥離現象が抑えられて、風洞体内における空気の圧力勾配が有効に発現されるのである。
【００１２】
特に、風洞体の入口側の開口部から軸方向前方（風上側）に向かって突出するように整流体が配設されていることから、整流体の外周面による案内作用に基づいて、風洞体への流入直後における風の風洞体内周面からの剥離が抑えられる。併せて、風洞体の入口側の開口部から軸方向内方に向かって延びるように整流体が配設されていることから、整流体の外周面による案内作用が風洞体の内部においても良好に維持され得る。
【００１３】
それ故、風洞体と整流体の相乗効果により、風洞体内周面の拡開角度を十分に大きくとることで、軸方向長さを短くしつつ、内部に大きな圧力勾配を軸方向に発現させることが可能となる。しかも、風洞体内での空気の流れは、内外周の両方を整流体外周面と風洞体内周面で規定されていることから、風速の変化等に際しても安定した状態に保たれ得る。
【００１４】
その結果、風洞体内には、軸方向で大きな圧力勾配が安定して生ぜしめられることとなり、この圧力勾配によって増速された風によって、風洞内に配設された風車を効率的に回転駆動せしめることが出来る。これにより、小さな風速でも有効な発電作動が行われ得ると共に、大きな風速でも著しい効率低下が問題となることがなく、優れた発電効率が安定して発揮される風力発電装置が実現可能となるのである。
【００１５】
また、このように十分な発電効率の向上効果を十分に確保しつつ、風洞体の軸方向長さを小さくすることが出来ることから、例えば前述の特許文献１に記載されている如き従来構造の風力発電装置に比して、風力発電装置の全体サイズを小型にすることが出来る。併せて、風向変化に追従して首振り作動せしめられる風洞体の全体サイズが小さくなり、横風による悪影響も抑えられることから、風向変化への追従性も向上することとなり、更なる発電効率の向上が達成され得るのである。
【００１６】
風力発電に関する本発明の第二の態様は、前記第一の態様に係る風力発電装置において、前記整流体の前記軸方向他方の端部が、前記風洞体において前記軸方向一方の開口部から該風洞体の軸方向長さの５０％となる位置よりも風下に延び出していることを、特徴とする。
【００１７】
本態様の風力発電装置では、風洞体内を流通せしめられる風の流れに対する整流体の外周面による案内作用を、より効果的に及ぼすことが出来る。その結果、風洞体内の軸方向の全長をより効果的に利用して圧力勾配を有利に生ぜしめることが可能となり、風洞体内における風力の増大効果と、それに伴う発電効率の向上効果が、一層効果的に達成されることとなる。
【００１８】
風力発電装置に関する本発明の第三の態様は、前記第一又は第二の態様に係る風力発電装置において、前記風洞体の内周面と前記整流体の外周面が、何れも、実質的に全長に亘って略一定のテーパ角度を有していることを、特徴とする。
【００１９】
本態様の風力発電装置では、前述の如き風洞体内での風速の増大効果と発電効率の向上効果を十分に確保しつつ、風洞体の内周面と整流体の外周面を単純な形状とすることが出来る。それ故、風洞体や整流体の設計や製造が容易となる。
【００２０】
風力発電装置に関する本発明の第四の態様は、前記第一乃至第三の何れかの態様に係る風力発電装置において、前記風洞体の内周面のテーパ角度を４０〜７０度の範囲で設定したことを、特徴とする。
【００２１】
本態様の風力発電装置では、風洞体の内周面に適度なテーパ角度を付与したことにより、前述の如き風洞体内での風速の増大効果と発電効率の向上効果をより効果的に得ることが可能となる。なお、風洞体の内周面のテーパ角度が４０度より小さくなると、風洞体の内周面からの空気流（風）の剥離は発生し難いが、風下側に向けての流路拡幅による圧力低下が得られ難くなり、一方、風洞体の内周面のテーパ角度が７０度より大きくなると、風洞体の内周面から空気流が剥離し易くなって、流路拡幅の作用が実質的に発揮され難くなると考えられる。
【００２２】
なお、本態様において、風洞体の内周面のテーパ角度は、軸方向縦断面における両側内周面の交角（頂角）をいい、例えば円錐形内周面の場合には、中心軸に対する母線の傾斜角の２倍の値となる。このテーパ角度は、軸方向の全長に亘って、必ずしも一定である必要はない。また、本態様において、より好適には、風洞体の内周面のテーパ角度が、５２〜６０度とされる。このようなテーパ角度は、一般に想定される風速領域（風速２５ｍ／ｓ以下）において特に好適である。
【００２３】
風力発電装置に関する本発明の第五の態様は、前記第一乃至第四の何れかの態様に係る風力発電装置において、前記整流体の外周面のテーパ角度を２０〜７０度の範囲で設定したことを、特徴とする。
【００２４】
本態様の風力発電装置では、整流体の外周面に適度なテーパ角度を付与したことにより、前述の如き風洞体内での風速の増大効果と発電効率の向上効果をより効果的に得ることが可能となる。なお、整流体の外周面のテーパ角度が２０度より小さくなると、風洞体の内周面からの空気流（風）の剥離が発生して空気流路の拡幅による圧力低下が十分に得られ難くなるおそれがある。一方、整流体の外周面のテーパ角度が７０度より大きくなると、風洞体の内周面に向かう空気流が発生することで風洞体内周面付近に生ぜしめられる負圧が十分に低くならずに、空気流路の拡幅による風の増速作用が発揮され難くなると考えられる。
【００２５】
なお、本態様において、整流体の外周面のテーパ角度は、風洞体の場合と同様に、軸方向縦断面における両側外周面の交角（頂角）をいい、このテーパ角度は、軸方向の全長に亘って、必ずしも一定である必要はない。また、本態様において、より好適には、整流体の外周面のテーパ角度が、３４〜６０度とされる。このようなテーパ角度は、一般に想定される風速領域（風速２５ｍ／ｓ以下）において特に好適である。
【００２６】
また、本発明者の研究によると、整流体の外周面のテーパ角度：αは、風洞体の内周面のテーパ角度：βに比して、略同一（α≒β）か、僅かに小さく（α＜β）設定されていることが望ましく、それによって、風洞体内において風の増速効果が一層安定して発現され得る。
【００２７】
風力発電装置に関する本発明の第六の態様は、前記第一乃至第五の何れかの態様に係る風力発電装置において、前記風車の前記羽根の先端が回転によって描く円の外径寸法：Ｄに対して、前記風洞体の軸方向寸法：Ｌを、０．５Ｄ≦Ｌ≦１．０Ｄとすると共に、前記整流体の該風洞体からの突出寸法：Ｈを、０．１Ｄ≦Ｈ≦０．５Ｄとしたことを、特徴とする。
【００２８】
本態様では、短い軸方向長さで風速の増大効果を有効に得ることの出来る風洞体および整流体が、より一層効果的に実現可能となる。なお、本態様においてより好適には、０．６Ｄ≦Ｌ≦０．８Ｄ，０．２Ｄ≦Ｈ≦０．４Ｄとされる。また、整流体の軸方向長さは、０．７Ｄ〜１．１Ｄとされることが望ましく、そのうちの０．３Ｄ〜０．５Ｄの軸方向長さ部分が風車の羽根よりも軸方向前方に延び出すようにされることが望ましい。
【発明の効果】
【００２９】
上述の説明から明らかなように、本発明に従う構造とされた風力発電装置においては、従来から採用されていた風洞体に対して、該風洞体の上流側開口部よりも軸方向前方に突出し且つ風洞体内にまで延び出す特徴的構成を備えた整流体を組み合わせたことにより、従来構造の風力発電装置における風洞体に比して、軸方向長さを十分に小さく抑えつつ、風洞体内における風速の増大効果を有効に発現せしめ得たのである。
【００３０】
それにより、本発明は、小さな風速域から大きな風速域にまで亘って効率的な風力発電を安定して行うことの出来る、実用的な風洞付き風力発電装置を提供せしめ得たのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００３２】
図１および図２には、本発明の一実施形態としての風力発電装置１０が示されている。この風力発電装置１０は、風洞体１２内に風車１４が配された構造とされている。
【００３３】
より詳細には、風車１４は、複数枚（本実施形態では、２枚）の羽根が取り付けられた回転軸部材としての回転体１８によって構成されており、ナセル２０によって回転可能に支持されている。回転体１８は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）やアルミニウム合金，鋼材等の硬質材によって形成されており、略一定の円形断面で軸方向にストレートに延びるロッド部２２の軸方向一方の側に対してコーン部２４が設けられた構造とされている。なお、回転体１８は、中実構造であっても良いし、中空構造であっても良い。
【００３４】
コーン部２４は、軸方向一方の側から他方の側に行くに従って略一定の割合で外径寸法が大きくなる外形形状を有している。本実施形態では、コーン部２４の外形形状は円錐形状とされており、それによって、コーン部２４の表面が円錐状表面２６とされている。
【００３５】
そして、このようなコーン部２４の底面に対してロッド部２２の軸方向一方の端面が同一中心軸上で重ね合わせられるようにして、コーン部２４とロッド部２２が一体的に形成されている。
【００３６】
また、コーン部２４の右端の底面付近の円錐状表面２６には、回転体１８の中心軸を挟んだ軸直角方向両側に位置せしめられた状態で、略軸直角方向外方に延び出すようにして、２枚の羽根１６，１６が、一体的乃至は固定的に設けられている。これら２枚の羽根１６，１６は、何れも、アルミニウム合金や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ），ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ），木材等の硬質材で形成されている。また、羽根１６の形状は、水平軸型風車として従来から公知のものが何れも採用可能である。具体的には、例えば、テーパ及びねじりをもたない対称翼や、テーパをもたない非対称ねじり翼、或いは非対称テーパねじり翼などが適宜に採用され得る。また、ピッチ角が制御可能な羽根を採用することも可能である。更にまた、コーン部２４への羽根１６の固定は、例えば、ボルト固定等によって有利に実現される。
【００３７】
このような構造とされた風車１４は、ナセル２０によって、中心軸回りに回転可能に支持されており、このようにナセル２０によって回転可能に支持された回転体１８の中心軸は、略水平方向に延びるようになっている。ナセル２０は、その内部に収容空間２８を有する中空構造とされており、鉄鋼やアルミニウム合金，ＦＲＰ等の硬質材によって形成されている。また、ナセル２０において収容空間２８を画成する壁部の一つには、収容空間２８と外部を相互に連通する連通孔３０が形成されている。なお、図面上では明示されていないが、かかる連通孔３０には、軸受が配されている。
【００３８】
そして、ロッド部２２が連通孔３０に配された軸受によって挿通支持されることで、風車１４がナセル２０によって中心軸回りに回転可能に支持されるようになっている。また、このようにロッド部２２が軸受によって回転可能に支持されることによって、ロッド部２２の軸方向他方の端部（風下側となる図２中の右端部）が、収容空間２８内に位置せしめられている。
【００３９】
ここにおいて、図面上では明示されていないが、ロッド部２２の軸方向他方の端部には、伝達歯車が装着されており、かかる伝達歯車がギアボックス３２内に配された増速歯車列（図示せず）の１番歯車に対して噛み合わされている。また、ギアボックス３２内に配された増速歯車列の最終歯車には、発電装置としての発電機３４の駆動軸３６に設けられた駆動歯車（図示せず）が噛み合わされている。なお、発電機３４としては、従来から公知の各種構造のものが何れも採用可能である。
【００４０】
これにより、回転体１８の回転が、ギアボックス３２内に配された増速歯車列を介して、発電機３４の駆動軸３６に伝達されるようになっており、その結果、発電機３４が駆動せしめられるようになっている。
【００４１】
なお、本実施形態では、発電機３４の駆動軸３６に対して、ディスクブレーキ３８が設けられており、それによって、駆動軸３６の回転が過回転となることを防止するようになっている。
【００４２】
また、本実施形態では、ナセル２０における軸方向一方の端面、即ち、ナセル２０においてコーン部２４の底面に対向位置せしめられる軸方向端面（図２中の左端面）から軸方向の中間部分に亘って、軸方向一方の側から他方の側に行くに従って略一定の割合で拡径するテーパ付きの円筒状傾斜面４０とされている。特に、本実施形態では、かかるテーパ筒状傾斜面４０における母線のナセル２０の中心軸に対する傾斜角度は、コーン部２４の円錐状表面２６における母線のコーン部２４の中心軸に対する傾斜角度と略同じ大きさに設定されている。また、このようなテーパ筒状傾斜面４０が形成されていることによって、ナセル２０におけるコーン部２４の底面と対向位置せしめられる軸方向端面が、コーン部２４の底面と略同じ大きさの円形状とされており、かかる軸方向端面の中央部分に対して、軸受が配された連通孔３０が形成されている。
【００４３】
これにより、回転体１８がナセル２０によって中心軸回りに回転可能に支持されて、コーン部２４の底面とナセル２０の軸方向左端面が重ね合わされるように対向位置せしめられた状態で、コーン部２４の円錐状表面２６とナセル２０のテーパ筒状傾斜面４０が略連続した外周面とされている。その結果、コーン部２４の先端からナセル２０の軸方向中間部分に亘って、外周面には円錐面４２が存在することとなる。このことから明らかなように、本実施形態では、かかる円錐面４２が存在する部分、即ち、回転体１８におけるコーン部２４と、ナセル２０における軸方向左端部から軸方向中間部分によって、整流体としての整流部４４が構成されている。
【００４４】
ここにおいて、風力発電装置の大型化を回避しつつ、後述の如き風洞体１２内における風の増速効果をより有効に得るためには、整流部４４の中心軸に対する円錐面（外周面）４２の母線の傾斜角度：（α／２）、即ちコーン部２４の中心軸に対する円錐状表面２６の母線の傾斜角度やナセル２０の中心軸に対するテーパ筒状傾斜面４０の母線の傾斜角度は、１０度〜３５度、好ましくは１７度〜３０度に設定される。そして、本実施形態のように、整流部４４の外周面が、実質的に全長に亘って略一定の割合で拡径する円錐面４２とされている場合には、整流部４４の中心軸に対する円錐面４２の母線の傾斜角度：（α／２）の２倍の値によって、整流部４４の外周面のテーパ角度：αの値が決定される。即ち、整流部４４の外周面（円錐面４２）のテーパ角度：αは、２０度〜７０度、好ましくは３４度〜６０度に設定されることとなる。因みに、本実施形態では、整流部４４の中心軸に対する円錐面４２の母線の傾斜角度：（α／２）は１７度に設定されており、それによって、整流部４４の外周面（円錐面４２）のテーパ角度：αは３４度となる。
【００４５】
また、風力発電装置の大型化を回避しつつ、後述の如き風洞体１２内における風の増速効果を一層有効に得るためには、整流部４４の軸方向長さ：Ｌ１は、羽根１６の回転直径：Ｄに対して、０．７〜１．１倍の大きさとされていることが望ましい。そして、整流部４４において羽根１６，１６よりも軸方向前方に位置せしめられる部分の長さは、羽根１６の回転直径：Ｄに対して、０．３倍〜０．５倍の大きさとされていることが望ましい。なお、羽根１６の回転直径というのは、羽根１６が回転することによって描く円の直径をいう。
【００４６】
更にまた、風力発電装置の大型化を回避しつつ、後述の如き風洞体１２内における風の増速効果を一層有効に得るためには、整流部４４の後端からナセル２０の軸方向他端までの軸方向長さ：Ｌ２は、羽根１６の回転直径：Ｄに対して、０．５〜０．８倍の大きさとされていることが望ましい。
【００４７】
このような構造とされた風車１４は、風洞体１２内に配されている。この風洞体１２は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）やアルミニウム合金等の硬質材によって形成されており、全体として、軸方向一方（図２中の左方）の側から他方（図２中の右方）の側に行くに従って次第に拡径するテーパ筒形状とされている。即ち、本実施形態の風洞体１２は、軸方向一方の開口から他方の開口に向かって略一定の割合で広がるテーパ筒状内周面４６を備えている。そして、このことから明らかなように、風洞体１２のテーパ筒状内周面４６は、整流部４４の円錐面４２と略対応する形状で軸方向一方の側から他方の側に向かって広がっていることとなる。
【００４８】
なお、本実施形態の風洞体１２では、テーパ筒状内周面４６が形成されている部分において、内径寸法の広がる割合のほうが外径寸法の広がる割合よりも大きくされており、それによって、テーパ筒状内周面４６が形成されている部分では、風洞体１２の厚さ寸法が軸方向一方の側から他方の側に行くに従って次第に小さくなっている。
【００４９】
また、本実施形態の風洞体１２の軸方向先端面は、僅かの軸方向長さの領域において風上側から風下側に向かって次第に小径化するノズル面とされている。
【００５０】
さらに、風力発電装置の大型化を回避しつつ、後述の如き風洞体１２内における風の増速効果を一層有効に得るためには、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）は、２０度〜３５度、好ましくは２６度〜３０度に設定される。そして、本実施形態のように、風洞体１２の内周面が、実質的に全長に亘って略一定の割合で拡径するテーパ筒状内周面４６とされている場合には、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）の２倍の値によって、風洞体１２の内周面のテーパ角度：βの値が決定される。即ち、風洞体１２の内周面（テーパ筒状内周面４６）のテーパ角度：βは、４０度〜７０度、好ましくは５２度〜６０度に設定されることとなる。因みに、本実施形態では、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）は２６度とされており、それによって、風洞体１２の内周面（テーパ筒状内周面４６）のテーパ角度：βは５２度となる。
【００５１】
そして、このような構造とされた風洞体１２内で、風車１４の中心軸と風洞体１２の中心軸が略一致するようにして、風車１４が風洞体１２に対して中心軸を固定的に位置決めされて配されている。即ち、このように風車１４が風洞体１２内に配された状態では、風車１４の中心軸の軸直角方向外方には、その中心軸回りの全周に亘って、風洞体１２が位置せしめられているのである。また、このように風洞体１２内に風車１４が配された状態において、風車１４における羽根１６は、風洞体１２内で風洞体１２の軸方向一方（風が流入する上流側）の開口近くに位置せしめられている。
【００５２】
更にまた、このように風車１４が風洞体１２内に配された状態において、風車１４に設けられた整流部４４は、その軸方向一方の端部が、風洞体１２における軸方向一方の開口から軸方向外方に突出せしめられている。
【００５３】
ここにおいて、風力発電装置の大型化を回避しつつ、後述の如き風洞体１２内における風の増速効果を一層有効に得るためには、風洞体１２における軸方向一方の開口からの整流部４４の突出量：Ｌ３は、羽根１６の回転直径：Ｄに対して、０．１倍〜０．５倍の大きさ、好ましくは０．２倍〜０．４倍の大きさに設定される。
【００５４】
また、同様な理由から、風車１４に設けられた整流部４４の後端、即ち、ナセル２０の軸方向一方の側から軸方向中間部分に亘って形成されたテーパ筒状傾斜面４０の大径端は、風洞体１２の軸方向一方の開口からの離隔距離：Ｌ４が風洞体１２の軸方向長さ：Ｌ５の５０％以上の位置にあることが望ましい。
【００５５】
更にまた、同様な理由から、風洞体１２の軸方向長さ：Ｌ５は、羽根１６の回転直径：Ｄに対して、０．５倍〜１．０倍の大きさ、好ましくは０．６倍〜０．８倍の大きさに設定される。
【００５６】
そして、このように配設位置せしめられた風車１４と風洞体１２に対して、所定の基盤上に略鉛直に立設されたロッド状の剛性タワー４８が固定されている。このタワー４８の下端部が、図示しない基礎に固定されることによって、風力発電装置１０が、その回転中心軸を水平に向けて、且つタワー４８の鉛直中心軸回りで、風洞体１２と風車１４が一体的に回転可能に設置されている。なお、図面上では明示されていないが、タワー４８は筒状とされており、その内部には、発電機３４が駆動せしめられることによって得られた電気を外部に送るための電線等が配されている。
【００５７】
また、タワー４８には、風洞体１２の軸直角方向外方において、風車１４を風向きに追従させるための方位制御機構５０が設けられており、それによって、風車１４を風向きに追従させることが出来るようになっている。なお、この方位制御機構５０は、従来から公知のものが何れも採用可能であり、例えば、図示しない風向センサからの信号に基づいて、モータで強制的に風車１４を風向きに追従させるような制御をするもの等によって有利に構成される。
【００５８】
このような構造とされた風力発電装置１０は、方位制御機構５０によって風車１４が風上に向けられた状態で、軸方向一方の開口から風洞体１２内に流入してくる風が羽根１６に当たることによって、回転体１８が回転せしめられるようになっており、かかる回転体１８の回転がギアボックス３２内に配された増速歯車列を介して発電機３４の駆動軸３６に伝達されることで、発電機３４が駆動せしめられるようになっている。
【００５９】
そこにおいて、本実施形態では、風洞体１２のテーパ筒状内周面４６に対応する形状の円錐面４２を備えた整流部４４が、風洞体１２の上流側開口部から軸方向前方に突出し、更に風洞体１２内にまで入り込んでいる。
【００６０】
これにより、軸方向一方の開口から風洞体１２内に流入せしめられる風は、テーパ筒状内周面４６に流入する前に、予め、テーパ筒状内周面４６と同じ方向に向けて傾斜した流れとして方向付けられることとなる。また、更に、風洞体１２の内部に流入した後も、風は、そこに存在する整流部４４の円錐面４２によって、風洞体１２のテーパ筒状内周面４６の拡開方向と同じ方向に向けて傾斜するようにして案内されつつ、風洞体１２内を流通せしめられる。
【００６１】
これにより、テーパ筒状内周面４６の拡開角度を十分に大きくしても、内部を流通せしめられる空気（風）の剥離が抑えられる。また、流通する空気（風）の速度が大きくなっても、内部を流動せしめられる空気（風）の剥離が抑えられる。
【００６２】
その結果、風洞体１２内を流通せしめられる空気における圧力勾配が、短い軸方向長さの領域でも有効に発現され得ることとなり、その結果、風車１４の配設位置における風速を効率的に増速させて、発電効率を大幅に向上させることが可能となるのである。
【００６３】
しかも、テーパ筒状内周面４６の拡開角度を大きくすることで軸方向長さを抑えることが出来ることから、風洞体１２を小型化することが可能となり、横風による悪影響や大重量化を回避して、風向の変化への追従性を向上させることも出来るのである。
【００６４】
続いて、上述の如き構造とされた風力発電装置１０を用いて行った、幾つかの実験の結果について、図３および図４に基づいて、説明する。なお、平行して行った複数の実施例乃至は比較例において、特に明示していない実験条件については、基本的に同一条件を採用した。
【００６５】
先ず、図３には、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の傾斜角度：（β／２）が２６度に設定された風力発電装置１０を用いて風洞実験を行い、周速比と出力係数を測定した結果を、実施例１として示す。また、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の傾斜角度：（β／２）が３０度に設定された風力発電装置１０についても、同様な実験を行い、その測定結果を、実施例２として、図３に示した。なお、比較のために、本実施形態の風力発電装置１０において、風洞体１２を取り外した状態のものと、整流部４４を備えていない状態のものについても、同様な実験を行い、その測定結果を、比較例１、比較例２として、図３に併せ示した。
【００６６】
なお、整流部４４の中心軸に対する円錐面４２の母線の傾斜角度：（α／２）は、実施例１および実施例２のものについては、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）と同じ角度に設定している。また、比較例１のものについては、整流部４４の中心軸に対する円錐面４２の母線の傾斜角度：（α／２）を１７度に設定している。更にまた、比較例２のものについては、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）が２６度に設定してある。
【００６７】
図３に示された測定結果から明らかなように、本実施形態の風力発電装置１０（実施例１および実施例２）は、風洞体１２を備えていない風力発電装置（比較例１）や整流部４４を備えていない風力発電装置（比較例２）に比して、高出力な発電を行い得ることが認められ、発電効率の向上が確認された。
【００６８】
なお、本実験条件では、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）が２６度に設定されている風力発電装置１０（実施例１）のほうが、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）が３０度に設定されている風力発電装置１０（実施例２）よりも、高出力な発電を行い得ることが認められる。
【００６９】
次に、図４に示された測定結果について説明する。図４には、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の傾斜角度：（β／２）が２６度に設定された風力発電装置１０を用いて風洞実験を行い、周速比と出力係数を測定した結果が実施例３として示されている。なお、比較のために、本実施形態の風力発電装置１０において、整流部４４を備えていない状態のものや、円錐面４２の代わりに半球状の表面を有する整流部を備えた状態のものについても、同様な実験を行い、それらの測定結果を、比較例３，比較例４として、図４に併せ示した。
【００７０】
そこにおいて、実施例３のものについては、整流部４４の中心軸に対する円錐面４２の母線の傾斜角度：（α／２）が、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）と同じ大きさに設定されている。また、比較例３および比較例４については、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）が２６度に設定してある。
【００７１】
図４に示された測定結果から明らかなように、本実施形態の風力発電装置１０（実施例３）は、整流部４４を備えていない風力発電装置（比較例３）や半球状の表面とされた整流部を備える風力発電装置（比較例４）に比して、高出力な発電を行い得ることが確認された。
【００７２】
以上、本発明の一実施形態について詳述してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載や実施例の具体的なデータによって、何等、限定的に解釈されるものではない。
【００７３】
例えば、前記実施形態では、整流部４４の表面（円錐面４２）と風洞体１２の内周面（テーパ筒状内周面４６）は、何れも、直線的に広がるようになっていたが、その断面形状は任意であり、適当な多次元曲線や各種の円錐曲線等が採用可能である。具体的には、例えば朝顔のように風上側から風下側に広がる形状等であっても良い。
【００７４】
また、前記実施形態では、方位制御機構５０が設けられていたが、かかる方位制御機構５０は必要に応じて適宜設けられるものであって、必ず必要なものではない。例えば、方位制御機構５０を用いた制御の代わりに、尾翼等によるフリーヨーによる制御であっても良い。
【００７５】
更にまた、前記実施形態では、回転体１８の過回転が発電機３４の駆動軸３６に設けられたディスクブレーキ３８によって防止されるようになっていたが、他の機構によって回転体１８の過回転を防止するようにしても良い。
【００７６】
また、風洞体には、適当な大きさのノズルを風上側の流入部に設けたり、或いは適当な大きさのエッジプレートを風下側の流出部の開口周縁部から軸直角方向に広がるように形成したりすることも可能である。そのようなノズルやエッジプレート等といった従来から公知の付加構造を採用した場合には、風洞体や整流体の表面傾斜角度も、適宜に調節されることとなる。
【００７７】
更にまた、前記実施形態では、発電装置（発電機３４）は、ギアボックス３２内に収容された増速歯車列を介して駆動されるようになっていたが、発電装置として、増速歯車列を介さないで直接駆動されるものを採用しても良い。
【００７８】
また、風洞体として、例えば、枠に対して布を張った構造のものを採用しても良い。
【００７９】
その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて種々なる変更，修正，改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の一実施形態としての風力発電装置を示す正面図である。
【図２】図１に示された風力発電装置において、風車と風洞体の位置関係を説明するための図面であって、風洞体とナセルが図１におけるＩＩ−ＩＩ方向に相当する断面で示されている図面である。
【図３】風洞体と整流部の組み合わせによる相乗効果を示す実験データである。
【図４】整流部の表面の違いによる風力発電装置の性能の違いを示す実験データである。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 風力発電装置
１２ 風洞体
１４ 風車
１６ 羽根
１８ 回転体
３４ 発電機
４２ 円錐面
４４ 整流部
４６ テーパ筒状内周面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力で風車を回すことにより発電機を駆動せしめて発電する風力発電装置に係り、特に、小さな風速でも効率的に風車を回すことが出来、例えば小型の風車を備えた風力発電装置において有利に適用されて発電効率を向上させることの出来る風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、風車を用いて風力を回転力に変換し、発電機を駆動することで電力を得るようにした風力発電装置が知られており、環境保護の観点等から、近年では大きな注目を得るようになってきている。このような風力発電装置では、風力を回転力に効率良く変換することにより発電効率を向上させることが要求されている。そのための一つの方策として、風洞体を利用することが検討されている。
【０００３】
例えば特許文献１（特開２００３−２７８６３５号公報）に記載されているものが、それである。風洞体は、風の流れ方向に拡径する円筒形状を有しており、内部の圧力勾配を利用して、小径の流入口から入った風の速度を上げるようになっている。そして、この増速された風で、風洞体内に配した風車を効率的に回転させて効率的な発電を行うようになっている。
【０００４】
ところで、特許文献１に記載されている従来構造の風洞体では、風洞体の軸に対する側壁部の傾斜角度が５〜２５度と比較的に小さく設定されている。この程度の傾斜角度の風洞体内で十分な圧力勾配を得るためには、風洞体の軸方向長さを十分に大きく設定することが必要となる。具体的には、かかる特許文献１には、風洞体の長さ：Ｌと流入口径：Ｄの比の値をＬ／Ｄ＝１．２５としたものが実施例に示されているように、発電効率の向上効果を有効に得るためには、一般にＬ／Ｄ＞１．０とされることとなる。
【０００５】
ところが、風洞体の長さを大きくすると、風洞体そのものが大型化して重量化するだけでなく、風洞体に側面から吹き付ける風による風力が大きくなる。そのために、風力発電装置の躯体を高強度化する必要があり、風力発電装置全体の大型化が避けられないという問題がある。
【０００６】
加えて、風向の変化に際しては、風車と一体的に風洞体も首振状に方向制御することが必要となるが、その際、風洞体の長さが大きくなると、風洞体の重量や風圧が悪影響を及ぼすために、風向変化に追従した風車の速やかな方向制御が難しくなる。その結果、風車が風を上手くとらえきれずに発電効率の低下が懸念されるという問題もある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２７８６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、軸方向長さの短い小型の風洞体を用いて風力を回転力に効率的に変換することが出来、発電効率の向上が図られ得る、新規な構造の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】
【０００９】
以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することが出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。
【００１０】
風力発電装置に関する本発明の第一の態様は、（ａ）風上に向けられる軸方向一方の開口側から風下に向けられる軸方向他方の開口側に向かって拡径する略テーパ状の内周面を有しており、中心軸が略水平に延びるように配された風洞体と、（ｂ）該風洞体の中心軸上に回転軸部材が配設されると共に、該回転軸部材から略軸直角方向外方に延び出す複数枚の羽根が設けられることによって構成されて、該風洞体内で前記軸方向一方の開口部付近に該複数枚の羽根が位置せしめられた風車と、（ｃ）該風車における前記複数枚の羽根に作用する風力によって前記回転軸部材が回転せしめられることで駆動せしめられる発電装置と、（ｄ）前記風洞体の中心軸上に配設され、前記風洞体の内周面に略対応して軸方向一方の側から他方の側に向かって次第に拡径する略テーパ状の外周面を有しており、前記風車の前記羽根が位置する部分から中心軸方向の両側に延びて配されていると共に、その軸方向一方の端部が該風洞体における前記軸方向一方の開口部よりも軸方向外方に突出せしめられている整流体とを、備えていることを、特徴とする。
【００１１】
本態様の風力発電装置では、風洞体内を流通せしめられる空気（風）に対して、風洞体の内周面による案内作用だけでなく、風洞体の中心軸上に配された整流体の外周面による案内作用が、同時に作用せしめられることとなる。その結果、風洞体の内周面の軸方向後方への拡開角度を大きくした場合でも、風洞体内周面からの空気の剥離現象が抑えられて、風洞体内における空気の圧力勾配が有効に発現されるのである。
【００１２】
特に、風洞体の入口側の開口部から軸方向前方（風上側）に向かって突出するように整流体が配設されていることから、整流体の外周面による案内作用に基づいて、風洞体への流入直後における風の風洞体内周面からの剥離が抑えられる。併せて、風洞体の入口側の開口部から軸方向内方に向かって延びるように整流体が配設されていることから、整流体の外周面による案内作用が風洞体の内部においても良好に維持され得る。
【００１３】
それ故、風洞体と整流体の相乗効果により、風洞体内周面の拡開角度を十分に大きくとることで、軸方向長さを短くしつつ、内部に大きな圧力勾配を軸方向に発現させることが可能となる。しかも、風洞体内での空気の流れは、内外周の両方を整流体外周面と風洞体内周面で規定されていることから、風速の変化等に際しても安定した状態に保たれ得る。
【００１４】
その結果、風洞体内には、軸方向で大きな圧力勾配が安定して生ぜしめられることとなり、この圧力勾配によって増速された風によって、風洞内に配設された風車を効率的に回転駆動せしめることが出来る。これにより、小さな風速でも有効な発電作動が行われ得ると共に、大きな風速でも著しい効率低下が問題となることがなく、優れた発電効率が安定して発揮される風力発電装置が実現可能となるのである。
【００１５】
また、このように十分な発電効率の向上効果を十分に確保しつつ、風洞体の軸方向長さを小さくすることが出来ることから、例えば前述の特許文献１に記載されている如き従来構造の風力発電装置に比して、風力発電装置の全体サイズを小型にすることが出来る。併せて、風向変化に追従して首振り作動せしめられる風洞体の全体サイズが小さくなり、横風による悪影響も抑えられることから、風向変化への追従性も向上することとなり、更なる発電効率の向上が達成され得るのである。
【００１６】
風力発電に関する本発明の第二の態様は、前記第一の態様に係る風力発電装置において、前記整流体の前記軸方向他方の端部が、前記風洞体において前記軸方向一方の開口部から該風洞体の軸方向長さの５０％となる位置よりも風下に延び出していることを、特徴とする。
【００１７】
本態様の風力発電装置では、風洞体内を流通せしめられる風の流れに対する整流体の外周面による案内作用を、より効果的に及ぼすことが出来る。その結果、風洞体内の軸方向の全長をより効果的に利用して圧力勾配を有利に生ぜしめることが可能となり、風洞体内における風力の増大効果と、それに伴う発電効率の向上効果が、一層効果的に達成されることとなる。
【００１８】
風力発電装置に関する本発明の第三の態様は、前記第一又は第二の態様に係る風力発電装置において、前記風洞体の内周面と前記整流体の外周面が、何れも、実質的に全長に亘って略一定のテーパ角度を有していることを、特徴とする。
【００１９】
本態様の風力発電装置では、前述の如き風洞体内での風速の増大効果と発電効率の向上効果を十分に確保しつつ、風洞体の内周面と整流体の外周面を単純な形状とすることが出来る。それ故、風洞体や整流体の設計や製造が容易となる。
【００２０】
風力発電装置に関する本発明の第四の態様は、前記第一乃至第三の何れかの態様に係る風力発電装置において、前記風洞体の内周面のテーパ角度を４０〜７０度の範囲で設定したことを、特徴とする。
【００２１】
本態様の風力発電装置では、風洞体の内周面に適度なテーパ角度を付与したことにより、前述の如き風洞体内での風速の増大効果と発電効率の向上効果をより効果的に得ることが可能となる。なお、風洞体の内周面のテーパ角度が４０度より小さくなると、風洞体の内周面からの空気流（風）の剥離は発生し難いが、風下側に向けての流路拡幅による圧力低下が得られ難くなり、一方、風洞体の内周面のテーパ角度が７０度より大きくなると、風洞体の内周面から空気流が剥離し易くなって、流路拡幅の作用が実質的に発揮され難くなると考えられる。
【００２２】
なお、本態様において、風洞体の内周面のテーパ角度は、軸方向縦断面における両側内周面の交角（頂角）をいい、例えば円錐形内周面の場合には、中心軸に対する母線の傾斜角の２倍の値となる。このテーパ角度は、軸方向の全長に亘って、必ずしも一定である必要はない。また、本態様において、より好適には、風洞体の内周面のテーパ角度が、５２〜６０度とされる。このようなテーパ角度は、一般に想定される風速領域（風速２５ｍ／ｓ以下）において特に好適である。
【００２３】
風力発電装置に関する本発明の第五の態様は、前記第一乃至第四の何れかの態様に係る風力発電装置において、前記整流体の外周面のテーパ角度を２０〜７０度の範囲で設定したことを、特徴とする。
【００２４】
本態様の風力発電装置では、整流体の外周面に適度なテーパ角度を付与したことにより、前述の如き風洞体内での風速の増大効果と発電効率の向上効果をより効果的に得ることが可能となる。なお、整流体の外周面のテーパ角度が２０度より小さくなると、風洞体の内周面からの空気流（風）の剥離が発生して空気流路の拡幅による圧力低下が十分に得られ難くなるおそれがある。一方、整流体の外周面のテーパ角度が７０度より大きくなると、風洞体の内周面に向かう空気流が発生することで風洞体内周面付近に生ぜしめられる負圧が十分に低くならずに、空気流路の拡幅による風の増速作用が発揮され難くなると考えられる。
【００２５】
なお、本態様において、整流体の外周面のテーパ角度は、風洞体の場合と同様に、軸方向縦断面における両側外周面の交角（頂角）をいい、このテーパ角度は、軸方向の全長に亘って、必ずしも一定である必要はない。また、本態様において、より好適には、整流体の外周面のテーパ角度が、３４〜６０度とされる。このようなテーパ角度は、一般に想定される風速領域（風速２５ｍ／ｓ以下）において特に好適である。
【００２６】
また、本発明者の研究によると、整流体の外周面のテーパ角度：αは、風洞体の内周面のテーパ角度：βに比して、略同一（α≒β）か、僅かに小さく（α＜β）設定されていることが望ましく、それによって、風洞体内において風の増速効果が一層安定して発現され得る。
【００２７】
風力発電装置に関する本発明の第六の態様は、前記第一乃至第五の何れかの態様に係る風力発電装置において、前記風車の前記羽根の先端が回転によって描く円の外径寸法：Ｄに対して、前記風洞体の軸方向寸法：Ｌを、０．５Ｄ≦Ｌ≦１．０Ｄとすると共に、前記整流体の該風洞体からの突出寸法：Ｈを、０．１Ｄ≦Ｈ≦０．５Ｄとしたことを、特徴とする。
【００２８】
本態様では、短い軸方向長さで風速の増大効果を有効に得ることの出来る風洞体および整流体が、より一層効果的に実現可能となる。なお、本態様においてより好適には、０．６Ｄ≦Ｌ≦０．８Ｄ，０．２Ｄ≦Ｈ≦０．４Ｄとされる。また、整流体の軸方向長さは、０．７Ｄ〜１．１Ｄとされることが望ましく、そのうちの０．３Ｄ〜０．５Ｄの軸方向長さ部分が風車の羽根よりも軸方向前方に延び出すようにされることが望ましい。
【発明の効果】
【００２９】
上述の説明から明らかなように、本発明に従う構造とされた風力発電装置においては、従来から採用されていた風洞体に対して、該風洞体の上流側開口部よりも軸方向前方に突出し且つ風洞体内にまで延び出す特徴的構成を備えた整流体を組み合わせたことにより、従来構造の風力発電装置における風洞体に比して、軸方向長さを十分に小さく抑えつつ、風洞体内における風速の増大効果を有効に発現せしめ得たのである。
【００３０】
それにより、本発明は、小さな風速域から大きな風速域にまで亘って効率的な風力発電を安定して行うことの出来る、実用的な風洞付き風力発電装置を提供せしめ得たのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００３２】
図１および図２には、本発明の一実施形態としての風力発電装置１０が示されている。この風力発電装置１０は、風洞体１２内に風車１４が配された構造とされている。
【００３３】
より詳細には、風車１４は、複数枚（本実施形態では、２枚）の羽根が取り付けられた回転軸部材としての回転体１８によって構成されており、ナセル２０によって回転可能に支持されている。回転体１８は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）やアルミニウム合金，鋼材等の硬質材によって形成されており、略一定の円形断面で軸方向にストレートに延びるロッド部２２の軸方向一方の側に対してコーン部２４が設けられた構造とされている。なお、回転体１８は、中実構造であっても良いし、中空構造であっても良い。
【００３４】
コーン部２４は、軸方向一方の側から他方の側に行くに従って略一定の割合で外径寸法が大きくなる外形形状を有している。本実施形態では、コーン部２４の外形形状は円錐形状とされており、それによって、コーン部２４の表面が円錐状表面２６とされている。
【００３５】
そして、このようなコーン部２４の底面に対してロッド部２２の軸方向一方の端面が同一中心軸上で重ね合わせられるようにして、コーン部２４とロッド部２２が一体的に形成されている。
【００３６】
また、コーン部２４の右端の底面付近の円錐状表面２６には、回転体１８の中心軸を挟んだ軸直角方向両側に位置せしめられた状態で、略軸直角方向外方に延び出すようにして、２枚の羽根１６，１６が、一体的乃至は固定的に設けられている。これら２枚の羽根１６，１６は、何れも、アルミニウム合金や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ），ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ），木材等の硬質材で形成されている。また、羽根１６の形状は、水平軸型風車として従来から公知のものが何れも採用可能である。具体的には、例えば、テーパ及びねじりをもたない対称翼や、テーパをもたない非対称ねじり翼、或いは非対称テーパねじり翼などが適宜に採用され得る。また、ピッチ角が制御可能な羽根を採用することも可能である。更にまた、コーン部２４への羽根１６の固定は、例えば、ボルト固定等によって有利に実現される。
【００３７】
このような構造とされた風車１４は、ナセル２０によって、中心軸回りに回転可能に支持されており、このようにナセル２０によって回転可能に支持された回転体１８の中心軸は、略水平方向に延びるようになっている。ナセル２０は、その内部に収容空間２８を有する中空構造とされており、鉄鋼やアルミニウム合金，ＦＲＰ等の硬質材によって形成されている。また、ナセル２０において収容空間２８を画成する壁部の一つには、収容空間２８と外部を相互に連通する連通孔３０が形成されている。なお、図面上では明示されていないが、かかる連通孔３０には、軸受が配されている。
【００３８】
そして、ロッド部２２が連通孔３０に配された軸受によって挿通支持されることで、風車１４がナセル２０によって中心軸回りに回転可能に支持されるようになっている。また、このようにロッド部２２が軸受によって回転可能に支持されることによって、ロッド部２２の軸方向他方の端部（風下側となる図２中の右端部）が、収容空間２８内に位置せしめられている。
【００３９】
ここにおいて、図面上では明示されていないが、ロッド部２２の軸方向他方の端部には、伝達歯車が装着されており、かかる伝達歯車がギアボックス３２内に配された増速歯車列（図示せず）の１番歯車に対して噛み合わされている。また、ギアボックス３２内に配された増速歯車列の最終歯車には、発電装置としての発電機３４の駆動軸３６に設けられた駆動歯車（図示せず）が噛み合わされている。なお、発電機３４としては、従来から公知の各種構造のものが何れも採用可能である。
【００４０】
これにより、回転体１８の回転が、ギアボックス３２内に配された増速歯車列を介して、発電機３４の駆動軸３６に伝達されるようになっており、その結果、発電機３４が駆動せしめられるようになっている。
【００４１】
なお、本実施形態では、発電機３４の駆動軸３６に対して、ディスクブレーキ３８が設けられており、それによって、駆動軸３６の回転が過回転となることを防止するようになっている。
【００４２】
また、本実施形態では、ナセル２０における軸方向一方の端面、即ち、ナセル２０においてコーン部２４の底面に対向位置せしめられる軸方向端面（図２中の左端面）から軸方向の中間部分に亘って、軸方向一方の側から他方の側に行くに従って略一定の割合で拡径するテーパ付きの円筒状傾斜面４０とされている。特に、本実施形態では、かかるテーパ筒状傾斜面４０における母線のナセル２０の中心軸に対する傾斜角度は、コーン部２４の円錐状表面２６における母線のコーン部２４の中心軸に対する傾斜角度と略同じ大きさに設定されている。また、このようなテーパ筒状傾斜面４０が形成されていることによって、ナセル２０におけるコーン部２４の底面と対向位置せしめられる軸方向端面が、コーン部２４の底面と略同じ大きさの円形状とされており、かかる軸方向端面の中央部分に対して、軸受が配された連通孔３０が形成されている。
【００４３】
これにより、回転体１８がナセル２０によって中心軸回りに回転可能に支持されて、コーン部２４の底面とナセル２０の軸方向左端面が重ね合わされるように対向位置せしめられた状態で、コーン部２４の円錐状表面２６とナセル２０のテーパ筒状傾斜面４０が略連続した外周面とされている。その結果、コーン部２４の先端からナセル２０の軸方向中間部分に亘って、外周面には円錐面４２が存在することとなる。このことから明らかなように、本実施形態では、かかる円錐面４２が存在する部分、即ち、回転体１８におけるコーン部２４と、ナセル２０における軸方向左端部から軸方向中間部分によって、整流体としての整流部４４が構成されている。
【００４４】
ここにおいて、風力発電装置の大型化を回避しつつ、後述の如き風洞体１２内における風の増速効果をより有効に得るためには、整流部４４の中心軸に対する円錐面（外周面）４２の母線の傾斜角度：（α／２）、即ちコーン部２４の中心軸に対する円錐状表面２６の母線の傾斜角度やナセル２０の中心軸に対するテーパ筒状傾斜面４０の母線の傾斜角度は、１０度〜３５度、好ましくは１７度〜３０度に設定される。そして、本実施形態のように、整流部４４の外周面が、実質的に全長に亘って略一定の割合で拡径する円錐面４２とされている場合には、整流部４４の中心軸に対する円錐面４２の母線の傾斜角度：（α／２）の２倍の値によって、整流部４４の外周面のテーパ角度：αの値が決定される。即ち、整流部４４の外周面（円錐面４２）のテーパ角度：αは、２０度〜７０度、好ましくは３４度〜６０度に設定されることとなる。因みに、本実施形態では、整流部４４の中心軸に対する円錐面４２の母線の傾斜角度：（α／２）は１７度に設定されており、それによって、整流部４４の外周面（円錐面４２）のテーパ角度：αは３４度となる。
【００４５】
また、風力発電装置の大型化を回避しつつ、後述の如き風洞体１２内における風の増速効果を一層有効に得るためには、整流部４４の軸方向長さ：Ｌ１は、羽根１６の回転直径：Ｄに対して、０．７〜１．１倍の大きさとされていることが望ましい。そして、整流部４４において羽根１６，１６よりも軸方向前方に位置せしめられる部分の長さは、羽根１６の回転直径：Ｄに対して、０．３倍〜０．５倍の大きさとされていることが望ましい。なお、羽根１６の回転直径というのは、羽根１６が回転することによって描く円の直径をいう。
【００４６】
更にまた、風力発電装置の大型化を回避しつつ、後述の如き風洞体１２内における風の増速効果を一層有効に得るためには、整流部４４の後端からナセル２０の軸方向他端までの軸方向長さ：Ｌ２は、羽根１６の回転直径：Ｄに対して、０．５〜０．８倍の大きさとされていることが望ましい。
【００４７】
このような構造とされた風車１４は、風洞体１２内に配されている。この風洞体１２は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）やアルミニウム合金等の硬質材によって形成されており、全体として、軸方向一方（図２中の左方）の側から他方（図２中の右方）の側に行くに従って次第に拡径するテーパ筒形状とされている。即ち、本実施形態の風洞体１２は、軸方向一方の開口から他方の開口に向かって略一定の割合で広がるテーパ筒状内周面４６を備えている。そして、このことから明らかなように、風洞体１２のテーパ筒状内周面４６は、整流部４４の円錐面４２と略対応する形状で軸方向一方の側から他方の側に向かって広がっていることとなる。
【００４８】
なお、本実施形態の風洞体１２では、テーパ筒状内周面４６が形成されている部分において、内径寸法の広がる割合のほうが外径寸法の広がる割合よりも大きくされており、それによって、テーパ筒状内周面４６が形成されている部分では、風洞体１２の厚さ寸法が軸方向一方の側から他方の側に行くに従って次第に小さくなっている。
【００４９】
また、本実施形態の風洞体１２の軸方向先端面は、僅かの軸方向長さの領域において風上側から風下側に向かって次第に小径化するノズル面とされている。
【００５０】
さらに、風力発電装置の大型化を回避しつつ、後述の如き風洞体１２内における風の増速効果を一層有効に得るためには、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）は、２０度〜３５度、好ましくは２６度〜３０度に設定される。そして、本実施形態のように、風洞体１２の内周面が、実質的に全長に亘って略一定の割合で拡径するテーパ筒状内周面４６とされている場合には、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）の２倍の値によって、風洞体１２の内周面のテーパ角度：βの値が決定される。即ち、風洞体１２の内周面（テーパ筒状内周面４６）のテーパ角度：βは、４０度〜７０度、好ましくは５２度〜６０度に設定されることとなる。因みに、本実施形態では、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）は２６度とされており、それによって、風洞体１２の内周面（テーパ筒状内周面４６）のテーパ角度：βは５２度となる。
【００５１】
そして、このような構造とされた風洞体１２内で、風車１４の中心軸と風洞体１２の中心軸が略一致するようにして、風車１４が風洞体１２に対して中心軸を固定的に位置決めされて配されている。即ち、このように風車１４が風洞体１２内に配された状態では、風車１４の中心軸の軸直角方向外方には、その中心軸回りの全周に亘って、風洞体１２が位置せしめられているのである。また、このように風洞体１２内に風車１４が配された状態において、風車１４における羽根１６は、風洞体１２内で風洞体１２の軸方向一方（風が流入する上流側）の開口近くに位置せしめられている。
【００５２】
更にまた、このように風車１４が風洞体１２内に配された状態において、風車１４に設けられた整流部４４は、その軸方向一方の端部が、風洞体１２における軸方向一方の開口から軸方向外方に突出せしめられている。
【００５３】
ここにおいて、風力発電装置の大型化を回避しつつ、後述の如き風洞体１２内における風の増速効果を一層有効に得るためには、風洞体１２における軸方向一方の開口からの整流部４４の突出量：Ｌ３は、羽根１６の回転直径：Ｄに対して、０．１倍〜０．５倍の大きさ、好ましくは０．２倍〜０．４倍の大きさに設定される。
【００５４】
また、同様な理由から、風車１４に設けられた整流部４４の後端、即ち、ナセル２０の軸方向一方の側から軸方向中間部分に亘って形成されたテーパ筒状傾斜面４０の大径端は、風洞体１２の軸方向一方の開口からの離隔距離：Ｌ４が風洞体１２の軸方向長さ：Ｌ５の５０％以上の位置にあることが望ましい。
【００５５】
更にまた、同様な理由から、風洞体１２の軸方向長さ：Ｌ５は、羽根１６の回転直径：Ｄに対して、０．５倍〜１．０倍の大きさ、好ましくは０．６倍〜０．８倍の大きさに設定される。
【００５６】
そして、このように配設位置せしめられた風車１４と風洞体１２に対して、所定の基盤上に略鉛直に立設されたロッド状の剛性タワー４８が固定されている。このタワー４８の下端部が、図示しない基礎に固定されることによって、風力発電装置１０が、その回転中心軸を水平に向けて、且つタワー４８の鉛直中心軸回りで、風洞体１２と風車１４が一体的に回転可能に設置されている。なお、図面上では明示されていないが、タワー４８は筒状とされており、その内部には、発電機３４が駆動せしめられることによって得られた電気を外部に送るための電線等が配されている。
【００５７】
また、タワー４８には、風洞体１２の軸直角方向外方において、風車１４を風向きに追従させるための方位制御機構５０が設けられており、それによって、風車１４を風向きに追従させることが出来るようになっている。なお、この方位制御機構５０は、従来から公知のものが何れも採用可能であり、例えば、図示しない風向センサからの信号に基づいて、モータで強制的に風車１４を風向きに追従させるような制御をするもの等によって有利に構成される。
【００５８】
このような構造とされた風力発電装置１０は、方位制御機構５０によって風車１４が風上に向けられた状態で、軸方向一方の開口から風洞体１２内に流入してくる風が羽根１６に当たることによって、回転体１８が回転せしめられるようになっており、かかる回転体１８の回転がギアボックス３２内に配された増速歯車列を介して発電機３４の駆動軸３６に伝達されることで、発電機３４が駆動せしめられるようになっている。
【００５９】
そこにおいて、本実施形態では、風洞体１２のテーパ筒状内周面４６に対応する形状の円錐面４２を備えた整流部４４が、風洞体１２の上流側開口部から軸方向前方に突出し、更に風洞体１２内にまで入り込んでいる。
【００６０】
これにより、軸方向一方の開口から風洞体１２内に流入せしめられる風は、テーパ筒状内周面４６に流入する前に、予め、テーパ筒状内周面４６と同じ方向に向けて傾斜した流れとして方向付けられることとなる。また、更に、風洞体１２の内部に流入した後も、風は、そこに存在する整流部４４の円錐面４２によって、風洞体１２のテーパ筒状内周面４６の拡開方向と同じ方向に向けて傾斜するようにして案内されつつ、風洞体１２内を流通せしめられる。
【００６１】
これにより、テーパ筒状内周面４６の拡開角度を十分に大きくしても、内部を流通せしめられる空気（風）の剥離が抑えられる。また、流通する空気（風）の速度が大きくなっても、内部を流動せしめられる空気（風）の剥離が抑えられる。
【００６２】
その結果、風洞体１２内を流通せしめられる空気における圧力勾配が、短い軸方向長さの領域でも有効に発現され得ることとなり、その結果、風車１４の配設位置における風速を効率的に増速させて、発電効率を大幅に向上させることが可能となるのである。
【００６３】
しかも、テーパ筒状内周面４６の拡開角度を大きくすることで軸方向長さを抑えることが出来ることから、風洞体１２を小型化することが可能となり、横風による悪影響や大重量化を回避して、風向の変化への追従性を向上させることも出来るのである。
【００６４】
続いて、上述の如き構造とされた風力発電装置１０を用いて行った、幾つかの実験の結果について、図３および図４に基づいて、説明する。なお、平行して行った複数の実施例乃至は比較例において、特に明示していない実験条件については、基本的に同一条件を採用した。
【００６５】
先ず、図３には、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の傾斜角度：（β／２）が２６度に設定された風力発電装置１０を用いて風洞実験を行い、周速比と出力係数を測定した結果を、実施例１として示す。また、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の傾斜角度：（β／２）が３０度に設定された風力発電装置１０についても、同様な実験を行い、その測定結果を、実施例２として、図３に示した。なお、比較のために、本実施形態の風力発電装置１０において、風洞体１２を取り外した状態のものと、整流部４４を備えていない状態のものについても、同様な実験を行い、その測定結果を、比較例１、比較例２として、図３に併せ示した。
【００６６】
なお、整流部４４の中心軸に対する円錐面４２の母線の傾斜角度：（α／２）は、実施例１および実施例２のものについては、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）と同じ角度に設定している。また、比較例１のものについては、整流部４４の中心軸に対する円錐面４２の母線の傾斜角度：（α／２）を１７度に設定している。更にまた、比較例２のものについては、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）が２６度に設定してある。
【００６７】
図３に示された測定結果から明らかなように、本実施形態の風力発電装置１０（実施例１および実施例２）は、風洞体１２を備えていない風力発電装置（比較例１）や整流部４４を備えていない風力発電装置（比較例２）に比して、高出力な発電を行い得ることが認められ、発電効率の向上が確認された。
【００６８】
なお、本実験条件では、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）が２６度に設定されている風力発電装置１０（実施例１）のほうが、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）が３０度に設定されている風力発電装置１０（実施例２）よりも、高出力な発電を行い得ることが認められる。
【００６９】
次に、図４に示された測定結果について説明する。図４には、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の傾斜角度：（β／２）が２６度に設定された風力発電装置１０を用いて風洞実験を行い、周速比と出力係数を測定した結果が実施例３として示されている。なお、比較のために、本実施形態の風力発電装置１０において、整流部４４を備えていない状態のものや、円錐面４２の代わりに半球状の表面を有する整流部を備えた状態のものについても、同様な実験を行い、それらの測定結果を、比較例３，比較例４として、図４に併せ示した。
【００７０】
そこにおいて、実施例３のものについては、整流部４４の中心軸に対する円錐面４２の母線の傾斜角度：（α／２）が、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）と同じ大きさに設定されている。また、比較例３および比較例４については、風洞体１２の中心軸に対するテーパ筒状内周面４６の母線の傾斜角度：（β／２）が２６度に設定してある。
【００７１】
図４に示された測定結果から明らかなように、本実施形態の風力発電装置１０（実施例３）は、整流部４４を備えていない風力発電装置（比較例３）や半球状の表面とされた整流部を備える風力発電装置（比較例４）に比して、高出力な発電を行い得ることが確認された。
【００７２】
以上、本発明の一実施形態について詳述してきたが、これはあくまでも例示であって、本発明は、かかる実施形態における具体的な記載や実施例の具体的なデータによって、何等、限定的に解釈されるものではない。
【００７３】
例えば、前記実施形態では、整流部４４の表面（円錐面４２）と風洞体１２の内周面（テーパ筒状内周面４６）は、何れも、直線的に広がるようになっていたが、その断面形状は任意であり、適当な多次元曲線や各種の円錐曲線等が採用可能である。具体的には、例えば朝顔のように風上側から風下側に広がる形状等であっても良い。
【００７４】
また、前記実施形態では、方位制御機構５０が設けられていたが、かかる方位制御機構５０は必要に応じて適宜設けられるものであって、必ず必要なものではない。例えば、方位制御機構５０を用いた制御の代わりに、尾翼等によるフリーヨーによる制御であっても良い。
【００７５】
更にまた、前記実施形態では、回転体１８の過回転が発電機３４の駆動軸３６に設けられたディスクブレーキ３８によって防止されるようになっていたが、他の機構によって回転体１８の過回転を防止するようにしても良い。
【００７６】
また、風洞体には、適当な大きさのノズルを風上側の流入部に設けたり、或いは適当な大きさのエッジプレートを風下側の流出部の開口周縁部から軸直角方向に広がるように形成したりすることも可能である。そのようなノズルやエッジプレート等といった従来から公知の付加構造を採用した場合には、風洞体や整流体の表面傾斜角度も、適宜に調節されることとなる。
【００７７】
更にまた、前記実施形態では、発電装置（発電機３４）は、ギアボックス３２内に収容された増速歯車列を介して駆動されるようになっていたが、発電装置として、増速歯車列を介さないで直接駆動されるものを採用しても良い。
【００７８】
また、風洞体として、例えば、枠に対して布を張った構造のものを採用しても良い。
【００７９】
その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて種々なる変更，修正，改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の一実施形態としての風力発電装置を示す正面図である。
【図２】図１に示された風力発電装置において、風車と風洞体の位置関係を説明するための図面であって、風洞体とナセルが図１におけるＩＩ−ＩＩ方向に相当する断面で示されている図面である。
【図３】風洞体と整流部の組み合わせによる相乗効果を示す実験データである。
【図４】整流部の表面の違いによる風力発電装置の性能の違いを示す実験データである。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 風力発電装置
１２ 風洞体
１４ 風車
１６ 羽根
１８ 回転体
３４ 発電機
４２ 円錐面
４４ 整流部
４６ テーパ筒状内周面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風上に向けられる軸方向一方の開口側から風下に向けられる軸方向他方の開口側に向かって拡径する略テーパ状の内周面を有しており、中心軸が略水平に延びるように配された風洞体と、
該風洞体の中心軸上に回転軸部材が配設されると共に、該回転軸部材から略軸直角方向外方に延び出す複数枚の羽根が設けられることによって構成されて、該風洞体内で前記軸方向一方の開口部付近に該複数枚の羽根が位置せしめられた風車と、
該風車における前記複数枚の羽根に作用する風力によって前記回転軸部材が回転せしめられることで駆動せしめられる発電装置と、
前記風洞体の中心軸上に配設され、前記風洞体の内周面に略対応して軸方向一方の側から他方の側に向かって次第に拡径する略テーパ状の外周面を有しており、前記風車の前記羽根が位置する部分から中心軸方向の両側に延びて配されていると共に、その軸方向一方の端部が該風洞体における前記軸方向一方の開口部よりも軸方向外方に突出せしめられている整流体と
を、備えていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記整流体の前記軸方向他方の端部が、前記風洞体において前記軸方向一方の開口部から該風洞体の軸方向長さの５０％となる位置よりも風下に延び出している請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記風洞体の内周面と前記整流体の外周面が、何れも、実質的に全長に亘って略一定のテーパ角度を有している請求項１又は２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記風洞体の内周面のテーパ角度を４０〜７０度の範囲で設定した請求項１乃至３の何れに記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記整流体の外周面のテーパ角度を２０〜７０度の範囲で設定した請求項１乃至４の何れかに記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記風車の前記羽根の先端が回転によって描く円の外径寸法：Ｄに対して、前記風洞体の軸方向寸法：Ｌを、０．５Ｄ≦Ｌ≦１．０Ｄとすると共に、前記整流体の該風洞体からの突出寸法：Ｈを、０．１Ｄ≦Ｈ≦０．５Ｄとした請求項１乃至５の何れかに記載の風力発電装置。
【請求項１】
風上に向けられる軸方向一方の開口側から風下に向けられる軸方向他方の開口側に向かって拡径する略テーパ状の内周面を有しており、中心軸が略水平に延びるように配された風洞体と、
該風洞体の中心軸上に回転軸部材が配設されると共に、該回転軸部材から略軸直角方向外方に延び出す複数枚の羽根が設けられることによって構成されて、該風洞体内で前記軸方向一方の開口部付近に該複数枚の羽根が位置せしめられた風車と、
該風車における前記複数枚の羽根に作用する風力によって前記回転軸部材が回転せしめられることで駆動せしめられる発電装置と、
前記風洞体の中心軸上に配設され、前記風洞体の内周面に略対応して軸方向一方の側から他方の側に向かって次第に拡径する略テーパ状の外周面を有しており、前記風車の前記羽根が位置する部分から中心軸方向の両側に延びて配されていると共に、その軸方向一方の端部が該風洞体における前記軸方向一方の開口部よりも軸方向外方に突出せしめられている整流体と
を、備えていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記整流体の前記軸方向他方の端部が、前記風洞体において前記軸方向一方の開口部から該風洞体の軸方向長さの５０％となる位置よりも風下に延び出している請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記風洞体の内周面と前記整流体の外周面が、何れも、実質的に全長に亘って略一定のテーパ角度を有している請求項１又は２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記風洞体の内周面のテーパ角度を４０〜７０度の範囲で設定した請求項１乃至３の何れに記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記整流体の外周面のテーパ角度を２０〜７０度の範囲で設定した請求項１乃至４の何れかに記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記風車の前記羽根の先端が回転によって描く円の外径寸法：Ｄに対して、前記風洞体の軸方向寸法：Ｌを、０．５Ｄ≦Ｌ≦１．０Ｄとすると共に、前記整流体の該風洞体からの突出寸法：Ｈを、０．１Ｄ≦Ｈ≦０．５Ｄとした請求項１乃至５の何れかに記載の風力発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１４４７０１（Ｐ２００６−１４４７０１Ａ）
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３３７８６２（Ｐ２００４−３３７８６２）
【出願日】平成１６年１１月２２日（２００４．１１．２２）
【出願人】（３０４０２６６９６）国立大学法人三重大学 (270)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月２２日（２００４．１１．２２）
【出願人】（３０４０２６６９６）国立大学法人三重大学 (270)
【Ｆターム（参考）】
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