JP2002276537A

JP2002276537A - 風力発電事業方式

Info

Publication number: JP2002276537A
Application number: JP2001128436A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yashita; 健二矢下; Toru Kurosawa; 徹黒沢; Yoshimi Baba; 芳美馬場; Kunio Kuwabara; 邦郎桑原
Original assignee: ENEKO JAPAN KK
Current assignee: ENEKO JAPAN KK
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2002-09-25

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】簡易なシステム構成で、風力からのエネルギー
の取り出し効率を最大化する事のできる、風力発電シス
テムを構築することで、高効率安価なエネルギー提供事
業を行う。【解決手段】このシステムは、風速にあわせた発電機の
選択、発電機の特性に合わせたローターの設計、系統連
係の構築、運用管理システムの構築によって、効率なら
びに利益率を最大化する。順方向電圧を用いる事で低速
域での立ち上がりを良くし低速域での効率が最高に達し
ており、逆電圧障害を用いる事で回転数を押さえ高速域
での効率が最高に達しており、併せて、電力の売電価格
が一定または変動する条件下で、全風速域での効率が最
高に達していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、風力および流体の流
れによってエネルギーを取り出す事による、発電等のエ
ネルギー事業をするためのシステムに関する。

【０００２】

【発明の概要】本発明は風のエネルギーを広く大気か
ら集め、ローター発電機系のエネルギーの散逸を抑制
し、有効風速断面積を大きくすることにより、エネルギ
ーの変換度を増加させ、効率的な風力発電を可能にした
ものである。さらに風力を外形体を障害とする事によ
り、風速の上がった条件下で、ローター発電機系のエネ
ルギーの散逸を抑制し、有効風速断面積を大きくするこ
とにより、エネルギーの変換度を増加させ、効率的な風
力発電を可能にしたものである。

【０００３】

【従来の技術】風力発電システムは、一定風速以上に
なると発電を開始し、出力が発電機の定格出力に達する
風速以上ではピッチ制御あるいはストール制御による出
力制御を行い、さらに風速が大きくなると危険防止のた
めロータの回転を止め発電を停止する。風力発電を開始
する風速を、カットイン風速、風力発電機の定格出力を
得られる風速を定格風速、危険防止のためにロータの回
転をとめる必要がある風速をカットアウト風速と呼ぶ。
これらの風速値は機種によって異なるが、一般に以下の
ような値が採用されている。カットイン風速：３〜５ｍ／ｓ定格風速：８〜１６ｍ／ｓ（定格出力に依
存）カットアウト風速：２４〜２５ｍ／ｓそして、風速に対する出力特性は、性能曲線あるいは出
力曲線（パワーカーブ）と呼ばれ、風力発電システムの
性能を表す。図２に風力発電システムの運転特性の例
（定格出力３００ｋＷ機）を示した。従って、風力発電
システムによるエネルギー取得量（発電電力量）の算定
は、風力発電システムの出力曲線と設置地点の風車タワ
ー高さにおける風速出現率分布を用いて、以下の式によ
り求められる。年間発電電力量（ｋＷｈ）＝Σ（Ｖｉ×ｆｉ×８７６０
（ｈ））Ｖｉ：風速階級ｉの発電出力（ｋＷ）ｆｉ：風速階級ｉの出現率風速出現率分布の観測データがない場合、平均風速より
推定されるワイブル分布を用いることにより発電電力量
を推定することが可能であり、導入を検討する際の概略
評価として用いられる。レーレ分布を仮定した場合の年
平均風速に対する年間発電電力量の例を図３に示す。年
平均風速６ｍ／ｓでは、３００ｋＷ機で５００，０００
ｋＷｈ／年、５００ｋＷ機で約９００，０００ｋＷｈ／
年の発電量が得られる。年間の発電量が分かれば、それ
に売電価格（又は一部の内部消費電力料）を乗じて、ほ
ぼ年間の売電収入を得ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】風速が低いと発電機
損のためにエネルギー変換効率が悪くなり、また風力ロ
スによって引き起こされる翼近傍の速度勾配は、ロータ
ーへの抽出を助長するために性能を縮める要因となる。
その意味において従来の風力発電は効率機関として必ず
しも充分と言えず、特に単体大型風車においては用途設
置を限定する要因になっている。本発明は、風力のエネ
ルギー取り出し効率を根本的に上昇させる方式を提供
し、ビジネスとして高性能な風力発電システムを得るも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記
課題を解決するため、風速の増幅、その風速に併せた発
電機の選択、発電機の特性に合わせたローターの設計、
系統連係の構築、運用管理システムの構築によって発電
抵抗を減らすことにより風力発電の効率を従来の値より
も大きくし、原理的に最高にする。特に円筒または流線
形の流体障害を用いる事で、上記の風速増幅率が２倍で
あり、障害体の側面で最高速度に達している。また上記
の発電機とローターが互いに整合がとれて、低速域での
立ち上がりと高速域での伸びが最高に達している状態が
作れる。電気的にも順方向電圧を用いる事で低速域での
立ち上がりを良くし、逆電圧障害を用いる事で、記載の
高速域での効率が最高に達していることを特徴とする。

【０００６】１．発電設備の効率的な運用こうした場合、設備利用率は、システムの定格出力に対
する利用率を表すものであり、システムの評価の指標の
一つとして用いられ、以下の式により求められる。図４は、年間想定発電電力量で算出したＣ社製の３００
ｋＷ機の年間設備利用率の例である。年平均風速６ｍ／
ｓあれば、設備利用率は２０％、７ｍ／ｓで２８％程度
となる。そこでは、ある地域の風況データが得られた場
合に、風力発電量とコストの概算が得られるプログラム
を用意できます。その概要は以下のとうりです。このプ
ログラムはケース１からケース５までの５つの機能を有
している。

【０００７】ケース１年平均風速等を与えた場合に、選択した風力発電機で得
られる年間発電電力量を求め、これに基づいて経済性指
標を計算する。風力発電機の設置台数については、任意
に選択できる。ケース２基本的な機能はケース１と同じですが、平均風速の代わ
りに、実際の風速分布をインプットする。ケース３選択した風力発電機について、年平均風速に対する年間
発電電力量と発電コストの推移を計算し、グラフ表示し
ます。風力発電機の設置台数については、任意に選択で
きる。ケース４年平均風速等を与えた場合に、選択した複数機種の風力
発電機で得られる年間発電電力量と発電コストを計算す
る。風力発電機については、最大１０機種までを同時に
選ぶことができる。また、計算結果は、発電コストの安
い順番に表示する。ケース５基本的な機能はケース４と同じですが、年平均風速のか
わりに実際の風速分布をインプットする。こうしたソフ
トはそれ自体で、新規性があるとしても、それを運用し
て効率の高い発電を行う事には、事業性としての見積も
りという別な因子が関係する。風力発電事業の効率は、
単に発電量を予想する事ではなく、それを利用した事業
システムとしての性能の問題であり、それらをソフト的
にも効率的に扱える点が重要である。

【０００８】２．風について風は常に変化し、その風向・風速は絶えず変動してい
る。そのため、ある地点の風況を表すのに、風向分布、
風速分布が用いられる。ある期間における各方位別の風
向の出現率（又は頻度）を、放射状のグラフに表したも
のを風配図（ウィンドローズ）と呼ぶ。ある期間に最も
頻繁に現れる風向を卓越風向といい、図５中の実線の例
では、南東（ＳＥ）がこれに当たる。ある期間における
各風速階級ごとの出現率（頻度）を、グラフに表したも
のを風速の出現率分布と呼ぶ。風速の出現率分布は、一
般的に左右非対称で、出現率の最大は弱風側に偏ってい
る。図６に出現率分布の例を示した。

【０００９】風速の出現率分布は、下記の式に示すワイ
ブル分布で近似できることが知られている。形状係数ｋは、日本の場合、ｋ＝０．８〜２．２程度で
あり、年平均風速が大きいほど大きくなる傾向がありま
す。年平均風速が５ｍ／ｓ以上の場合、ｋ＝１．５〜
２．２程度である。出現率を、風速の大きい方から次々
に加算累積したものを累積出現率と呼び、これをグラフ
に表したものを風況曲線と呼ぶ。図７に風況曲線の例を
示した。

【００１０】ワイブル分布において、特にｋ＝２の場合
をレーレ分布と呼び、平均風速から風速出現率分布を推
定する場合、簡単のためよく用いられる。平均風速が与
えられた場合に対するレーレ分布は図８のようになる。
風は地表の摩擦の影響を受けるため、地表に近づくにつ
れて弱くなる。この垂直分布の変動は、地表の粗度（植
生、建物）が粗いほど、また地形が複雑なほど大きくな
る。平坦な場所では、１０ｍの高さで４ｍ／ｓの場合
は、３０ｍで５ｍ／ｓ、５０ｍで５．５ｍ／ｓ程度、１
０ｍの高さで５ｍ／ｓの場合、３０ｍ高さで６ｍ／ｓ、
５０ｍ高さで７ｍ／ｓ程度と推定される。田園地帯で
は、それぞれ１０％程度下がると見込まれる。風車が対
象とする地表境界層の風速の垂直分布については、経験
則として、指数法則が成り立つことが知られており、以
下の式が用いられる。べき指数ｎの値は地表の粗度状態により変わり、平坦な
海岸地域等ではｎ＝７、内陸ではｎ＝５程度が用いられ
る。この様子を図９に示した。

【００１１】表１べき法則の指数ｎの値（多くの観測値の平均）地表状態ｎ１／ｎ平坦な地形の草原７〜１００．１０〜０．１４海岸地方７〜１００．１０〜０．１４田園４〜６０．１７〜０．２５市街地２〜４０．２５〜０．５０

【００１２】３．発電システムの特徴こうした風況下で風力発電の概要としては、以下のよう
になる。風力発電は、風車等の機械本体及び発電機と制
御装置、系統に連系するための連系保護装置等の電気機
器から構成されている。一般的な構成は以下のとうり。
この様子を図１０に示した。風車本体 …… ブレード、ロータ、ハブ、増速器、ナ
セル、タワー電気機器 …… 発電機、出力制御装置、ヨー制御装
置、ブレーキ装置、系統連携保護装置（システムによっては、電力変換器・
トランスが付く）従って、風力発電機の概略寸方として
は、３００ｋＷ級（例：ＮＯＲＤＴＡＮＫ３００）でタ
ワー高（ナセルまで）３５ｍロータ直径３１ｍ、５０
０ｋＷ級（例：ＮＯＲＤＴＡＮＫ５００）でタワー高
（ナセルまで）５０ｍロータ直径４１ｍぐらいであ
る。風力発電を複数台設置する場合には、風車の相互作
用を避けるためロータ直径をＤとすると、少なくても１
０Ｄ×３Ｄ（卓越風向が顕著な場合）、できれば１０Ｄ
×１０Ｄ（卓越風向が明確出ない場合）の間隔を空ける
ことが一般的だ。

【００１３】ここで風力発電の特徴として考慮される点
は次ぎのとおり。クリーンなエネルギーである。エネル
ギーとして、無尽蔵にある。再生エネルギーとしては、
相対的に低コストである。再生エネルギーを利用した発
電設備としては、比較的大容量である。（２５０ｋＷ〜
数１０００ｋＷ複数台設置）小型システム（数１００Ｗ〜数１００ｋＷ）でも活用可
能発電出力は風の強さに依存するため、出力に不安定性が
あるが、複数台設置することでトータル出力としてより
安定化を図ることが可能である。特に大型風車の導入に
ついては、風車の設置高さ（３０〜４０ｍ）で年平均風
速が６ｍ／ｓ以上を期待される地域を選定する必要があ
る。（高さ１０ｍで５ｍ／ｓの風速は、高さ４０ｍで概
ね６ｍ／ｓ程度になる。）風が乱流とならず、できるだ
け層流の場所（周辺に風の障害物がない場所）を選ぶ。
局地的な風況・周辺地域への影響などを考慮し、風況精
査に基づいた地域の選定が望ましい。周辺で電波障害
（マイクロウェーブ、無線、テレビ電波等）が発生しな
い場所、将来への拡張性（複数台設置）の可能性のある
場所、道路等のアクセスの便が良い場所、発生電力を供
給する送電線・変電設備が近くにある場所、周辺の自然
環境、騒音問題などの影響も評価して場所を選定するこ
とが必要である。一方、小型風車の導入については、風
況と設置する風車の特性・出力について把握することが
必要。風車の耐久性、維持に必要な費用等をあらかじめ
検討することが必要。設置場所の電力需要バランスを考
慮し、必要に応じては電力系統に連系する。そして風力
発電の経済性を左右する要因としては以下のものがあ
る。設置コスト……風車・発電機等の設備機器、土木工事・
設置工事・調整費等の経費必要の応じて道路工事費、配
電工事費を含まれるので、付帯工事が少なくてすむ設置
場所を選ぶことが必要。設備利用率…… 年平均風速により設備利用率が変わ
るが、２０％以上が望ましい。耐用年数……通常１５〜１７年で計算されるが、可動部
の定期的な交換などメンテナンスを行うことで、２０年
以上も使用可能である。メンテナンス費……５００ｋＷ以上の設備には、主任技
術者の選任が必要。

【００１４】特に、設置コストと発電コストの関係で
は、５００ｋＷ級の風力発電システムの各年平均風速で
の設置コストと発電コストの関係を下図に示す。５００
ｋＷ級の風車を建設すると、現状では２５〜３５万円／
ｋＷ程度が一つの目安である。例えば３０万円／ｋＷと
すると、年平均風速６ｍ／ｓあれば、発電コストは１６
円／ｋＷｈ程度になり、電力会社の余剰電力購入メニュ
ーの業務用高圧電気料金とほぼ同水準となり、経済性が
示唆される。設置コストの内訳は、風車の規模・基数・
設置点の条件により異なるが、４００〜５００ｋＷクラ
スを一基設置した場合一つの目安として、風車本体４０
％・基礎工事４０％・電気設備１０％・その他１０％程
度となっている。今後、それぞれの項目での費用の削
減、複数基設置によるコストダウン等が期待されてい
る。図１１に５００ｋＷ級風力発電の設置コストと発電
コストを示した。風力発電は、自然エネルギーである風
力エネルギーを、風車により回転エネルギーに変換し、
これで発電機を回して電気エネルギーを取り出すもので
ある。一般に風は地上からの高さが高いほど強くなるた
め、風車の高さもできるだけ高くした方が有利であり、
また風車の取得エネルギーは風車の受風面積に比例す
る。広く用いられているプロペラ型で定格出力が５００
ｋＷの場合、タワーの高さは約５０ｍ、風車の直径は約
４０ｍ程度である。風力発電の特徴は、環境汚染物質の
排出がまったくなく、クリーンな発電システムであるこ
と、風という再生可能なエネルギーを利用するため、エ
ネルギー資源がほぼ無尽蔵であることなどがあげられ
る。しかし、風は常に変化し風向や風速が絶えず変動す
るため、安定した発電出力が得にくいことや、風のエネ
ルギー密度が小さいことなどが短所となっている。これ
らの短所を、風力発電に適した風況地での導入、大型風
車設置による発電出力の増大、風車の複数設置による発
電出力の増大と安定化などで補えば、環境にやさしい発
電設備として運用することが可能である。風力発電シス
テムには、常に風の方向を向くようにするヨー制御や出
力を制御するピッチ制御の機能などが備わっており、よ
り多くの安定した出力が得られるような工夫がなされて
いる。また、低風速でも発電可能となるよう風速により
発電機を切替え、幅広い風速領域で発電が行える風力発
電システムや、風速の変化に追従するような可変速方式
の風車も実用化されている。図１２に風力発電システム
概略図（単独設置、系統連系の場合）を示した。

【００１５】風力発電システムの構成を考えると、風車
はその構成上の特徴により、回転軸が水平におかれてい
る「水平軸型風車」と、垂直におかれている「垂直軸型
風車」に分類できます。風車発電用としては、エネルギ
ー変換効率が高いプロペラ型が多く用いられます。ここ
では、プロペラ型風車の例をとり、システム構成につい
て説明します（図１参照）。風力発電システムは、風力
エネルギーを機械的動力に変換するロータ、ロータから
発電機へ動力を伝える伝達系、発電機などの電気系、シ
ステムの運転・制御を司る運転・制御系、及び支持・構
造系から構成されています。表２プロペラ型風力発電システムの構成ロータブレード・・・・・・回転羽根、翼ロータ軸・・・・・・ブレードの回転軸ハブ・・・・・・・・ブレードの付け根をロータ軸に連
結する部分伝達系動力伝達軸・・・・ロータの回転を発電機に伝達する増速機・・・ロータの回転数を発電機に必要な回転数に
増速する歯車（ギア）装置電気系発電機・・・・・・回転エネルギーを電気エネルギーに
変換する電力変換装置・・・直流、交流を変換する装置（インバ
ータ、コンバータ）トランス・・・・・系統からの電気、系統への電気の電
圧を変換する装置系統連系保護装置・・発電設備の異常、系統事故時など
に発電設備を系統と切り離し、系統側の損傷を防ぐ保護
装置運転・制御系出力制御・・・・・・風車出力を制御するピッチ制御あ
るいはストール制御ヨー制御・・・・・・ロータの向きを風向に追従させるブレーキ装置・・・・台風時、点検時などにロータを停
止させる支持・構造系ナセル・・・伝達軸、増速機、発電機などを収納する部
分タワー・・・ロータ、ナセルを支える部分基礎・・・・タワーを支える基礎部分

【００１６】ブレードの枚数としては、１〜３枚が用い
られています。枚数が少ないと回転速度があがり騒音が
大きくなるという問題がありますが、軽量化・低コスト
化・設置が容易という利点があります。一方３枚ブレー
ドは、一般に振動が起きにくく安定性が良く、ヨーロッ
パでは主流になっています。ブレードの材質としては、
軽量で耐久性が良いことが要求され、現在では主とし
て、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）が用いら
れています。また、一部で木材／エポキシの積層材など
も採用されています。ロータの回転数はその直径にもよ
るが毎分数十回転です。一方、風力発電システムで用い
られる交流発電機の回転数は一般に毎分１，５００ない
し１，８００回転であるため、歯車（ギア）を用いて増
速を行います。歯車の方式としては、大きさの異なる２
つの歯車が平行に噛み合い動力を伝える平行式、外周歯
車と中央の小さな太陽歯車の間にある遊星歯車が動力を
伝える遊星式、平行式と遊星式を併用した併用式などが
あります。

【００１７】風車騒音のうち、機械騒音源の主たるもの
が歯車によるものであることから、発電機を多極化し歯
車をなくしたギアレス風車も開発されています。交流発
電機のタイプとして誘導発電機と同期発電機の２種類が
あります。誘導発電機は、出力変動による電圧変動の問
題がありますが、構造が簡単で低コストであるため広く
用いられています。同期発電機は、電圧制御が可能なた
め系統への影響がなく、また独立運転も可能であるとい
う利点を持ちますが、誘導発電機に比べコスト増になり
ます。交流発電機の極数は一般に４極が用いられていま
すが、６極と４極の極数変換方式を採用し、ロータ回転
数を低速／高速運転の２段切替えとすることにより、カ
ットイン（起動）風速を下げるとともに低風速域でのブ
レード騒音を低減することが可能であり、近年この方式
を採用したものが多くなっています。この場合、風車の
定格出力は、大小２つの定格で表されます。交流発電機
の出力を系統に連系する場合、トランス（変圧器）のみ
を介して直接系統に接続するＡＣリンク方式と、コンバ
ータ・インバータなどから構成される電力変換装置を用
いるＤＣリンク方式があります（図３．３−１参照）。
ＤＣリンク方式は、発電機の交流出力を一旦直流に変換
し、さらに系統と同じ周波数の交流に変換するもので、
コスト増にはなりますが、風力発電システム固有の問題
点である出力変動にかかわらず、品質の高い電力として
系統に連系する方法であり、可変速風力発電システムで
主に用いられています。

【００１８】ＡＣリンク方式では発電機の回転数が系統
周波数の関係から一定となるためロータの回転数も一定
の運転となるのに対し、可変速運転では、ロータの回転
速度を風の強さに応じて変化させる運転方法であり、ブ
レードや主軸への荷重が軽減され機械・材料設計が楽に
なり、その分軽量化が図れます。この場合、発電機の回
転数も一定ではなくなるため、連系はＤＣリンク方式と
なり、このための設備の追加が必要となります。発電機
の定格出力は限られているため、定格風速以上では風車
出力の制御を行う必要があり、出力制御方式としてピッ
チ制御、あるいはストール（失速）制御が用いられま
す。ピッチ制御は、風速・発電機出力を検知して、ブレ
ードの取り付け角（ピッチ角）を変化させることにより
出力を制御するもので、通常油圧で行いますが、小型機
ではメカニカルガバナーなど機械的に行うものもありま
す。ピッチ制御システムは、出力制御を行うだけでな
く、台風などによる強風時にはピッチ角を風向に平行
（フェザー状態）にしロータを停止させる機能、回転数
制御による過回転防止など、安全・制動装置としても用
いられます。ストール制御は、ピッチ角は固定とし、風
速が一定以上になるとブレードの形状がもたらす空気特
性により失速現象が起こり、回転が低下することを利用
して出力を制御するもので、ピッチ制御に対して構造が
シンプルで低コストです。ヨー制御システムは、ロータ
の方向を風向に追従させるもので、フリーヨー、強制
（アクティブ）ヨーがあります。フリーヨーは、ダウン
ウィンド型の場合に、ロータに働く空気力が自動的にロ
ータを風向に追従させる力として機能するものです。強
制ヨーシステムは、風向センサーによりロータに相対的
な風向を検知して、油圧あるいは電動モータによるヨー
駆動装置を用いて、制御を行うものです。

【００１９】ブレーキ装置としては、ピッチ制御の場合
のフェザーリング装置以外に、油圧によるディスクブレ
ーキなどがあります。ストール制御の場合、ロータの過
回転時にブレードの先端部が遠心力の作用により９０度
回転する空力ブレーキを備えているものが多くありま
す。タワーには、格子状のトラス（ラティス）式と円柱
状のモノポール式があります。トラス式は、低コストで
あり、ダウンウィンド型の場合に風の乱れを防ぐために
用いられることもありますが、景観の問題があり、最近
ではモノポール式が多く用いられています。

【００２０】４．発電システムに関する工夫上記により、与えられた環境下で発電システムを設置し
て最高の能力を発揮させる条件が検討された。更に、効
率的なシステム運用を行う為に、以下のような工夫が行
われる。１）増風装置この概念は、単純であると同時に実用的
である。一般に、速度増大機として働く部品を追加する
ことが出来るが、その際、風の流れる道筋の中に障害物
を設置し、それによって、その回りで空気の加速を引き
起こすものである。その時、回転子を最も局所速度の高
い領域に設置し、最終的なシステム・エネルギー出力
を、自由な流れの中で単独に働く回転子の出力に比べ
て、実質的に大幅に増大させる事が出来る。より明確に
は、半円の通路内に取り付けられた一組の回転子を伴
う、窪みの付いた円環体計の内部部品からなっており、
この結果、図１１に示したように、それらの回転子は１
８０度離れて、それぞれ吹いて来る風に対して、面と向
かうようになる。回転子を自由流に対して±９０度に置
く事の背景となる理由は、２次元のポテンシャル流束理
論に拠ると、この配置の時、局所流速が最大になるから
である。理想的には、ポテンシャル流かつ無限小回転子
翼の場合には、回転子が受ける局所流は自由流速度の２
倍になると想定される（図１３参照）。前記されたよう
に、有効パワーは速度の３乗に比例するから、このシス
テムの潜在的なパワー出力は、同じ大きさで増幅されな
い気流中で働く回転子から達成される場合の８倍に成り
得る。この”８”というパワー増幅因子（ＰＡＦ）はあ
る理論的な最大値にすぎず、実際のＰＡＦは、回転子が
有限の大きさである事および２次元ポテンシャル流の条
件を達成するのが不可能である事から、小さくなるだろ
うと思われるにも関わらず、まだ、増幅されない回転子
システムに比べて大幅な改善を表す可能性がある。本発
明の達成可能最大パワー増幅の予想値を、中心体半径に
対する回転子半径の関数として得られる。

【００２１】これらについては、以下の文献に詳しい。１． ″ＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆｔｈｅＴｏｒｏｉｄａｌＡｃｃｅｌｅｒａ
ｔｏｒＲｏｔｏｒＰｌａｔｆｏｒｍＷｉｎｄＥ
ｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，−
ＳｕｍｍａｒｙＲｅｐｏｒｔ；″，Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ
Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｏｒ；Ｄｒ．Ｒｏｂｅｒｔ
Ｅ．Ｄｕｆｆｙ，ＥｎｅｒｇｙＡｕｔｈｏｒｉｔｙ
Ｒｅｐｏｒｔ８８−５，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ１９８
８，ＰｒｏｊｅｃｔＭａｎａｇｅｒ；ＢａｒｒｙＬ
ｉｅｂｏｗｉｔｚ，ＰｒｏｊｅｃｔＮｏ．４３１−Ｅ
Ｔ−ＲＥＲ−８２，ＮｅｗＹｏｒｋＳｔａｔｅＥ
ｎｅｒｇｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏ
ｐｍｅｎｔＡｕｔｈｏｒｉｔｙ２．我々の前特許（出願番号平成１２年２１７０２９
１）ところで、円筒ではなく、半円の溝を切った効果につい
ては、まだ論じられていない。この場合、風は上下方向
から絞り込まれる為、更に増速する。この効果がどの程
度であるか、その上限がどこまでかは、初等的な理論で
は明らかではない。むしろ、上記円筒または流線形の障
害によって増速し、理想形よりのずれによって、減った
分だけ再度補うと考えられる。本システムのパワー出力
に於ける、潜在的に重大な増加に加えて、この概念それ
自体もまた他の風力発電システムに対して、いくつかの
優位性を提供する。第一のその利点とは、本発明システ
ムは既存の構造物（例えば、農場サイロ、高層建築、汚
染制御煙突、沖合いの台座）に集積設置しうる事であ
る。農場サイロおよび風力塔システムは、上記に続く研
究で評価されている。多くの応用例において、このシス
テムとは別に考えられるべき支持構造や地代にまつわる
経費は決して必要とされないだろう。そしてその結果、
エネルギーの総合コストを下げる事になるだろう。この
新しい概念の別な利点は、本発明構造の基本単位構築法
である。単位として構築され、「パワー塔」として容易
に一つずつ積み重ねられる可能性がある。これらの構造
は有効空間の活用を大幅に改善し、パワー出力密度を最
大化するだろうと予想される。

【００２２】２）追い風回転力の付加通常の国内での環境では、発電および風車システムの受
けるエネルギーは最適回転数および最低回転数に比べ
て、運用上低いレベルに推移している時間がかなり長い
と推定しうる。そうした場合、実際の風で行われ回転数
よりも早い回転数で回転させてやる事が考えられる。他
所から電力を供給して発電機をモーター（電動機）とし
て使い、回転させる事である。こうすると、風車は風に
よって回されつつも、更に供給された電力でも回転する
状態となり、充分な高速で常に回転させる事ができる。
発電効率の点からは、供給電力より、出力電力が大きい
事がポイントになる。こうしたシステムを発電効果のあ
るように使う為には、回転子ローター（プロペラ）の設
計において、迎え角およびらせん速度が追い風下で充分
合理的に意味を持てるようになっている必要がある。追
い風が更に、ローターの回転を押すように組み立てら
れ、風の翼に対する速度の変更に於いて、よく回転数を
変更して追従できる仕組みが必要である。翼の角度が変
更できる場合は、回転数と角度という２つの要因で、発
電機の効率低下に対応するが、基本的には、どちらか一
方しか変化できない条件下でも、効率最高の条件は常に
存在しており、高速のコンピュータによる制御が必要と
される。本発明においては、それが構築されている。

【００２３】３）逆起電力の付加更に、強風下にある時には、発電機をオーバーヒートな
どの故障から守る為、発電を中止する場合がある。これ
は、発電機それ自体は、ある回転数の領域で発電が可能
であり、特定の回転数で効率が最大になるという性質の
ものであるからである。上記の追い風に於けるモーター
ドライビングとは異なり、逆電圧は回転を阻止する方向
に加えられるが、この結果、発電電圧が上昇した事に相
当する効果を生ずる為、エネルギー収支が好転しなお且
つ回転が抑えられる効果が得られる。この方式による制
御が可能な範囲は、発電量が大き過ぎず、風車の強度が
持つ範囲である。逆電圧の計算の仕方は、発電機が要求
する回転数を超える場合に、回転子が受ける回転力と反
対の向きに回転させるように外部の電圧を駆ける事によ
って、回転を阻止しようとするが、実際はその方向に回
り続けるように逆電圧は小さくされる。回転数は、電流
に比例するため、そのモニターにより常時監視される。
その際、突風等での急激な風速の増加に対応するには、
かなり高速な制御を要する。これは、専用のコンピュー
タ制御システムを作って対応する事によってのみ解決さ
れる。これらの基本的な部分の回路図を図１４に示す。

【００２４】

【実施例および発明の効果】上記のようなシステムを順
に構築し、それらを併せて運用したところ、以下のよう
な効果が得られた。簡易なシステム構成だが自由空間に
於ける風速を増幅出来る装置と、風力からのエネルギー
の取り出し効率を最大化する事のできる風力発電システ
ムを併せて構築することで、高効率安価なエネルギー提
供事業を行い、日本の電力供給事業を改変する事を目的
とする事ができた。風力発電として有名なデンマーク製
３枚羽システムは、事業補助金と供に多数設置されて来
ており、われわれも青森県で一機実証システムを持って
おります。運用経験から、同じ風の条件下でもっと効率
良く発電できるシステムの有用性を痛感した。窪みのつ
いた円筒形を使う事で、自由空間での風速の３倍を達成
し、一般に風のエネルギーは風速の３乗に比例すると言
われる為、従来比で２０倍以上の効率で取り出す事がで
きた。

【図面の簡単な説明】

【図１】プロペラ型風力発電システムを示す図である。

【図２】風力発電システムの運転特性の例（定格出力３
００ｋＷ機）を示す図である。

【図３】年平均風速に対する年間想定発電電力量の例を
示す図である。

【図４】年平均風速に対する設備利用率の例を示す図で
ある。

【図５】年間の風配図の例を示す図である。

【図６】風速の出現率分布の例を示す図である。

【図７】風況曲線の例を示す図である。

【図８】平均風速に対するレーレ分布を示す図である。

【図９】風速の高度分布を示す図である。

【図１０】風力発電システムを示す図である。

【図１１】５００ｋＷ級風力発電の設置コストと発電コ
ストを示す図である。

【図１２】風力発電システム概略図（単独設置、系統連
系の場合）を示す図である。

【図１３】増速装置外観を示す図である。

【図１４】順方向逆方向回転力装置付き発電機の回路図
を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者矢下健二東京都武蔵野市吉祥寺南町２−23−５ (72)発明者黒沢徹東京都目黒区下目黒１−２−22ハイホーム目黒801 (72)発明者馬場芳美神奈川県横浜市港北区太尾町644 (72)発明者桑原邦郎東京都目黒区原町１−22−３Ｆターム(参考） 3H078 AA02 AA26 BB01 BB11 CC02 CC12 CC15 CC22 CC41 CC47 CC73 5G066 HA30 HB02 5H590 AA02 AB15 BB09 CA14 CA28 CB01 CC01 CC08 CD01 CD03 CE01 EA01 EA05 EA07 EB11 FA01 FA08 FC27 GB05 JA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】風速に併せた発電機の選択、発電機の特
性に合わせたローターの設計、系統連係の構築、運用管
理システムの構築によって発電抵抗を減らすことにより
風力発電の効率を従来の値よりも大きくし、原理的に最
高にし、かつ電力の売電価格が一定または変動する条件
下で、効率ならびに利益率を最大化することを特徴とす
る風力発電およびその制御の方式。
【請求項２】流体障害を用いる事で、風速の増幅が行
われる事に特徴のある、請求項１記載の風力発電および
その制御の方式。
【請求項３】請求項１又は２記載の発電機とローター
互いに整合がとれて、低速域での立ち上がりと高速域で
の伸びが最高に達していることを特徴とする風力発電お
よびその制御の方式。
【請求項４】順方向電圧を用いる事で低速域での立ち
上がりを良くし低速域での効率が最高に達しており、逆
電圧障害を用いる事で回転数を押さえ高速域での効率が
最高に達しており、併せて、電力の売電価格が一定また
は変動する条件下で、全風速域での効率が最高に達して
いることを特徴とする請求項１記載の風力発電およびそ
の制御の方式。
【請求項５】流体障害を用いる事で風速の増幅が行わ
れ、請求項２記載の風速増幅率が２倍であり、側面で最
高速度に達していることを特徴とする風力発電およびそ
の制御の方式。
【請求項６】風車体の周囲および基部に支持柱を設
け、該支持柱に担持壁若しくは回転する補強部材を延出
させ、風車体を風車滑動手段を介して前記担持壁若しく
は補強部材に支持させてある請求項１乃至請求項５のい
ずれか１項に記載の発電用風車およびその制御システ
ム。
【請求項７】風車滑動手段は円形のレールとレール受
けであり、最下段の風車体の下面円板に設けられた円形
のレールの内側面には歯を形成し、支持柱の基部に位置
する基台の上面に前記レールを支承するレール受けを設
け、且つ、前記レールの内側面の歯に噛合する歯車が軸
に取り付けられ、該軸の回転に伴い発電を行う複数の小
型補助発電機を備える請求項６に記載の発電用風車およ
びその制御システム。
【請求項８】風車滑動手段は円形のレールとレール受
けであり、全段の風車体の側面に設けられた円形の本体
外側面に複数の凹溝を形成し、支持柱の基部に位置する
基台の前記回転用レールを支承するレール受けを設け、
且つ、ベルトまたはギヤーを介して前記本体とを連結
し、該軸の回転に伴い発電を行う複数の小型補助発電機
を備える請求項６に記載の発電用風車およびその制御シ
ステム。