风力发电装置 【技术领域】
本发明，涉及将风的气流增速而进行高输出功率发电的风力发电装置。
背景技术
近年来，在发电领域中，从摆脱石油能量及环境清洁等的观点来看，对风力发电装置进行关注。风力发电装置，是利用自然界的风的气流的装置，但因设置场所的地形及气象等的条件而往往不能获得足够的风力。因此，考虑用某种装置使弱的风的气流增速而供于发电。
本发明者们，在日本专利特愿2001-9414中，提供结构简单的能高效地使风的流速增速的风增速装置。图8是日本专利特愿2001-9414的风增速装置的纵剖视图。
图8的风增速装置，是利用从风的流入口52向流出口53扩大的长筒状的风筒体51所构成的装置。另外，在风筒体51的流入口52的口缘上向外侧具有曲面并开放的流入导向片55，在流出口53的口缘上具有向外侧扩大的凸缘状的凸缘56，且将流入口52的附近作为风力的取得位置。
由此，利用从流入口52前方流入的风筒体51的轴中心的风的气流，使风筒体51的壁面部的慢的风的气流牵连地流动，在流出口53后方，利用轴中心的风的气流和风筒体51外部的风的气流，使风筒体51的内壁面部的慢的风的气流牵连地流动，就能在风筒体51内部的流入口52附近获得用于取得风力的高风速的区域。
并且，使用这样的风增速装置，只要在流入口52附近的风力的取得位置构成配置有发电用的风轮的风力发电装置，即使在外风弱的时候，也能有效地使配置在风增速装置的风筒体51的高风速区域即风筒体51内部的流入口52附近的风轮进行旋转，作为风力发电装置就能飞跃地提高发电能力。
另外，在日本专利特愿2001-9414的风增速装置中，提出最好将侧筒部相对于风筒体51的轴的倾斜角做成2～5°的范围的方案。在倾斜角小于2°的场合，即使风筒体51的长度相对于风筒体51的流入口52的直径之比上升，也存在增速比上升的效果变小的倾向，当倾斜角超过5°时，由于存在风筒体内壁面部的气流慢的风的牵连流动的效果变小的倾向，故在2～5°的范围中能有效地使风筒体内壁面部的气流慢的风进行牵连地流动。
可是，上述风增速装置，在风增速装置单体中、在2～5°的范围中，增速效果最好，但发现在风筒体51的流入口52附近配置了发电用的风轮的场合，2～5°的倾斜角的范围未必是最合适的。这是因为在风筒体51内进行旋转的风轮，对通过风筒体51内的风的气流施加影响的缘故。
【发明内容】
因此，本发明的目的在于，提供一种具有在风筒体内进行旋转的风轮、且能高效地使风的流速增速而进行高输出功率发电的风力发电装置。
本发明的风力发电装置，具有向风的流动方向扩大的筒状的风筒体和配置在该风筒体的风的流入口附近的发电用风轮，将侧筒部相对于所述风筒体的轴的倾斜角做成5～25°的范围，最好是做成5～14°的范围。
这里，从风筒体前方至风筒体内部、风筒体后方的静压分布和风速分布，分别如图1和图2所示。图1和图2的横轴表示将风筒体流入口作为原点的水平位置X用风筒体的长度L进行无因次化的比值，将风筒体流出口的方向作为正。图1的静压分布，表示与无风筒体的影响的位置的静压的差，纵轴是将该静压差用由靠近风速U∞引起的动压做成无因次化的比值。图2的纵轴是将风速U用靠近风速U∞做成无因次化之比。
如图1所示，配置在开放的空间内的风筒体，风的流入口前方和流出口后方中的风的静压与周围的大气压的静压大致相等。并且，在向风的流动方向扩大的筒状的风筒体的场合，由于风筒体内部的静压、如图1所示向流出口增加，故在风筒体内部的流入口附近呈大的压力降低。因此，从流入口前方向风筒体内部流入的风，如图2所示在流入口附近急剧地加速而变快，向流出口逐渐地变慢，且如图1所示压力进行回复而在流出口成为与大气压的静压大致相等。
也就是说，在向风的流动方向扩大的筒状的风筒体中，由于从风筒体内部的流入口的稍微下游附近成为大的负压、风成为收缩的状态，故在该部分能获得将用于获取风力的高风速的区域。
在本发明的风力发电装置中，由于将发电用风轮配置在风筒体的流入口附近，故利用该发电用风轮自身的阻力，即使侧筒部相对风筒体的轴的倾斜角扩大成5°以上也能防止风筒体内壁面部的风的气流的脱流。另外，由于利用该发电用风轮的旋转使风筒体的半径方向的风的流速增大，故能进一步防止风筒体内壁面部的风的气流的脱流，能使从风筒体的流入口导入的风沿风筒体内壁面部圆滑地流动至流出口。因此，即使将侧筒部的倾斜角扩大至最大25°，也能防止风筒体内壁面部的风的气流的脱流直至风筒体的流出口。
另外，当侧筒部的倾斜角超过14°的场合，虽然稍微容易产生风筒体内壁面部的风的脱流，但能利用发电用风轮的高速旋转使气流再次附着于风筒体内壁面部上。因此，即使在该场合，也能将风的脱流抑制在小的范围内，能使从风筒体流入口导入的风沿风筒体内壁面部圆滑地流动至流出口。
也就是说，采用本发明的风力发电装置，使从风筒体的流入口导入的风不会从风筒体内壁面部脱流，由于能沿该风筒体内壁面部圆滑地流动至流出口，故使在风筒体流入口附近成为负压的风的气流流动至流出口能无较大流动损失地进行压力回复。因此，能高效地使风的气流增速，就能进行高输出功率的发电。
另外，对于风筒体侧筒部的倾斜角，因发电用风轮的阻力系数而最佳值不同，但尤其将风筒体侧筒部的倾斜角做成5～14°的范围时，由于如上所述沿风筒体内部壁的气流完全不产生脱流，故结果是能获得最大的压力回复率，就能最有效地使风的气流增速而进行高输出功率的发电。
另外，在倾斜角小于5°的场合，由于压力的回复效率限于小的值，故在流入口附近的负压不能变大，在风轮设置位置附近不能获得大的风的增速。另一方面，当倾斜角超过25°时，由于风筒体内壁面部的风的气流的脱流变得显著、而引起大的流动损失，故仍使压力回复效率降低、不能获得大的风的增速。
在本发明的风力发电装置中，风筒体的流入口，最好是做成向风筒体的外侧、即向风筒体流入的风的上游侧圆滑地扩大的曲面。由此，能将风筒体的流入口前方附近的风圆滑地引入，另外，被引入的风，利用流入口附近的发电用风轮的旋转能使风筒体半径方向的流速增大。由此，能进一步防止从流入口附近的风筒体内壁面部的脱流，就能更高效地获得高风速的区域并进行高输出功率的发电。
另外，在本发明的风力发电装置中，在流出口的口缘的外侧，最好是做成具有凸缘片的结构。由此，由于在风筒体的外侧流动的风与凸缘片冲撞、而在凸缘片的背后形成强大的旋涡，故风筒体的流出口附近成为低压。因此，能将更强的风的气流向风筒体内部引入，就能更高效地获得高风速的区域并进行高输出功率的发电。
另外，该凸缘片，最好是做成风筒体的最小内径的10～100％宽度。在风筒体的长度比风筒体的最小内径长的场合(即、将风筒体的长度设为L、将风筒体的最小内径设为D时，L/D＞1的场合)，当将凸缘片的宽度依次地增大成、例如50％、75％、100％时，由于凸缘片的背后的旋涡的形成变强，故流出口附近的压力成为比大气压的静压低的压力。其结果，能增强从流入口的气流的引入，就能提高流入口附近的风的增速。
另一方面，在风筒体的长度比风筒体的最小内径短的场合(即、L/D＜1的场合)，当使凸缘片的宽度过分增大时，由于大的凸缘片相反对风的流动造成堵塞，故凸缘片的存在对上游造成压力上升，就会阻碍风向风筒体的流入。因此，在L/D＝1附近时，具有风筒体的最小内径的50％左右的宽度的凸缘片是比较适宜的大小。
附图的简单说明
图1是表示静压分布的图；
图2是表示风速分布的图；
图3是本发明的实施形态的风力发电装置的立体图；
图4是图3的纵剖视图；
图5是表示周速比与输出系数的关系的图；
图6是表示周速比与输出系数的关系的图；
图7是表示风筒体侧筒部的倾斜角与最大输出系数的关系的图；
图8是以往的风增速装置的纵剖视图。
【具体实施方式】
图3是本发明的实施形态的风力发电装置的立体图，图4是图3的纵剖视图。
如图所示，本发明的实施形态的风力发电装置，将筒状的风筒体1的风的流入口2a的附近作为风力的取得位置而配置有发电用的风轮3。风轮3的旋转叶片3a不与风筒体1的内壁面接触地保持若干间隙(风筒体的最小内径D的1～2％程度)进行旋转。
风筒体1，是从风的流入口2a向流出口2b扩大的、长度为L(从风轮3的旋转叶片的安装位置至流出口2b的长度)的扩大管(扩散管)。风筒体1的侧筒部的倾斜角φ做成5～25°。风筒体1的流入口2a，做成向风筒体1的外侧圆滑地扩大的曲面5。另外，在风筒体1的流出口2b上，具有风筒体1的最小内径D的50％的宽度B的凸缘片4。
若将上述结构的风力发电装置配置在风的气流中，由于静压从风筒体1的流入口2a向流出口2b增加，故在风筒体1内部的静压、在流入口2a附近成为大的负压。另外，由于凸缘片4的作用使风筒体1的流出口2b附近的风的静压比大气压的静压要低得多，故在风筒体1的流入口2a附近成为更大的负压，从流入口2a前方流入的风、在流入口2a附近急剧地加速而变快。
另外，在实施形态的风力发电装置中，利用与风筒体1的内壁面保持若干间隙地进行旋转的风轮3的旋转叶片3a，提高向风筒体1内流入后的风的半径方向的流速。通过该半径方向的风的气流及风轮3自身的阻力，能防止到风筒体1的流出口2b为止的风筒体1的内壁面部的风的气流的脱流，使从风筒体1的流入口2a导入的风沿风筒体1的内壁面部圆滑地流动至流出口2b处。
因此，在本实施形态的风力发电装置中，能使在风筒体1内部成为负压的风的气流至流出口2b处无大的流动损失地压力回复，能高效地使风的气流增速。也就是说，在上述结构的风力发电装置中，从风筒体1的风的流入口2a流入的风，由于在流入口2a附近急剧地加速而变快，故能高效地使配置在该部分的风轮3进行旋转，并能利用该风轮3的旋转进行高输出功率的发电。
另外，在本实施形态的风力发电装置中，在风筒体1的侧筒部的倾斜角φ为5～14°时，能完全地防止风筒体1的内壁面部的风的气流的脱流，风沿风筒体1的内壁面部圆滑地流动至流出口2b处。因此，能在至流出口2b之间获得大的压力回复率，就能进行最高输出功率的发电。
另外，在本实施形态中，风筒体1的侧筒部，做成直线状地扩大的扩散管，但也可以做成用图4的点划线所示的、圆滑地扩大的形状。这时，风筒体1的侧筒部的倾斜角φ在流入口2a附近做成5～25°。该场合，由于在流入口2a附近、侧筒部内壁面部圆滑地扩大，故能从该流入口2a附近抑制风的气流的脱流的同时、获得更大的侧筒部的扩大率，能进一步提高压力回复效率，能期望进行更高输出功率的发电。
以下，对使用上述结构的风力发电装置的模型进行实验所得到的结果进行说明。
图5是表示做成风筒体1的最小内径D＝40cm、风筒体1的长度L与最小内径D之比L/D＝1.25、风筒体1的侧筒部的倾斜角φ＝10°、靠近的风速(接近风筒体1的风的流速)U∞＝11m/s时的，①图4所示的风力发电装置、②仅将曲面5从图4的风力发电装置去除后的装置、③仅将凸缘片4从图4的风力发电装置去除后的装置、④将曲面5和凸缘片4从图4的风力发电装置去除后的装置、⑤仅为风轮3的5种情况下的周速比ωr/U∞与输出系数CW的关系。
这里，周速比ω r/U∞，是在将旋转叶片3a的直径做成d(m)时、将旋转叶片3a的圆周方向速度ω r(ω：角频率(弧度/秒)、r＝d/2)除以靠近风速U∞而无因次化。输出系数CW，是将发电输出功率(W)除以(1/2)·(空气密度ρ(kg/m3))·(靠近风速U∞(m/s)的3次方)·(旋转叶片3a的旋转面积πr2)而做成无因次化的值。
从图5可知，在使周速比ωr/U∞变化时，存在按⑤、④、③、②、①的顺序、输出系数CW的最大值增大的倾向，用⑤的风力发电装置能获得最高的输出系数CW。
图6表示对与上述①相同的情况、在做成D＝40cm、L/D＝1.25、靠近风速U∞＝11m/s、使风筒体1的侧筒部的倾斜角φ在4～14°的范围中进行变化时的周速比ωr/U∞与输出系数CW的关系。
从图6可知，在上述①的形状的场合、使风筒体1的侧筒部的倾斜角φ从4°变化至14°时，在至φ＝10°时输出系数CW的最大值增大，当超过φ＝10°时存在下降的倾向。
图7表示对与上述①～⑤相同的情况、在做成D＝40cm、L/D＝1.25、U∞＝11m/s时的、使各个风筒体1的侧筒部的倾斜角φ与最大输出系数CWmax(输出系数CW的最大值)的关系。
从图7可知，在上述①的形状的场合、在φ＝10°时最大输出系数CWmax成为最大，当超过该成为最大的倾斜角φ时最大输出系数CWmax逐渐地下降。还可知，在上述①的形状的场合、与其它的②～⑤的形状的场合相比较在所有的φ时都是最大。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的风力发电装置，是使风的气流增速而进行高输出功率发电的装置，尤其适用于因设置场所的地形及气象等的条件而不能获得足够的风力的场所。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1、一种风力发电装置，具有向风的流动方向扩大的筒状的风筒体和配置在该风筒体的风的流入口附近的发电用风轮，其特征在于，
在所述风筒体的风的流出口的口缘外侧，具有所述风筒体的最小内径10～100％宽度的凸缘片，
侧筒部相对于所述风筒体轴的倾斜角设成5～25°的范围。
2、如权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述风筒体的风的流入口，是向所述风筒体的外侧圆滑地扩大的曲面。
3、(删除)。
4、(删除)。