JP2003129938A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】風力をより効率よく電力に変換すること。 【解決手段】風の風向７を内周側翼１２が移動する方向
の反対方向に変更する小型ガイドベーン３と、ガイドベ
ーン３の風下に配置される風車１０とを具備している。
風車１０は、風を直接に受ける外周側翼１１と、ガイド
ベーン３により風向７を変更された風を受ける内周側翼
１２とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、風力発電装置に関
し、特に、風力をより効率よく電力に変換する風力発電
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】風車は、自然エネルギーから回転動力を
生成するために古くから利用され、近年、風力を電力に
変換する風力発電装置が広く利用されている。その風力
発電装置は、風力を回転に変換する風車と、回転を電力
に変換する発電機とを備えている。風力発電装置は、単
機の容量の増大が望まれている。

【０００３】翼長が大きい３５ｍ級の風力発電装置が開
発されている。この風力発電装置は、多くの風を受ける
ことができ、単機の容量が大きい。翼長が大きい風車
は、翼端の速度が速く、風きり音が発生する。このた
め、翼端の速度の抑制が要請されて回転数が制限されて
いる。

【０００４】図１１は、公知の同期発電機が適用された
風力発電装置を示している。その風力発電装置１０１
は、風車１０２、発電機１０３、タワー１０４およびナ
セル１０５を備えている。風車１０２は、翼１０６と風
車ロータ１０７とを備えている。タワー１０４は、地表
に建造されている。ナセル１０５は、鉛直方向を回転軸
に回転可能にタワー１０４に支持されている。

【０００５】風車１０２は、翼１０６と風車ロータ１０
７とを備えている。風車ロータ１０７は、軸受け１０８
を介して回転軸１０９を中心にして回転可能にナセル１
０５に支持されている。ナセル１０５は、回転軸１０５
が風向と平行になるようにタワー１０７に対して回転す
る。

【０００６】発電機１０３は、ナセル１０５の内部に配
置されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、風力
をより効率よく電力に変換する風力発電装置を提供する
ことにある。本発明の他の課題は、風車の翼の風に対す
る相対速度のバラツキを低減する風力発電装置を提供す
ることにある。本発明のさらに他の課題は、風車の回転
速度を速くしないで風力をより効率よく電力に変換する
風力発電装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以下に、［発明の実施の
形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特
許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載と
の対応関係を明らかにするために付加されたものであ
り、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的
範囲の解釈に用いてはならない。

【０００９】本発明による風力発電装置（１）は、風の
風向（７、２７）を変更するガイドベーン（３、２３）
と、ガイドベーン（３、２３）の風下に配置される風車
（１０、３０）とを具備している。風車（１０、３０）
は、風を直接に受ける外周側翼（１１、３１）と、ガイ
ドベーン（３、２３）により風向（７、２７）を変更さ
れた風を受ける内周側翼（１２、３２）とを備えてい
る。風車（１０、３０）を回転させる原動力は、翼に作
用する揚力である。その揚力は、相対風速の２乗に比例
する。ガイドベーン（３、２３）は、風向（７、２７）
を変更して内周部の相対風速を増すことにより内周側翼
（１２、３２）の揚力を増加させる。

【００１０】風車（１０、３０）は、風により回転軸
（４、２４）を中心に回転運動し、内周側翼（１２、３
２）は、外周側翼（１１、３１）より回転軸（４、２
４）に近い位置に配置される。内周側翼（１２、３２）
は、外周側翼（１１、３１）より速さが小さく、回転を
起こさせる揚力が小さい。ガイドベーン（３、２３）
は、内周側翼（１２、３２）の揚力が上昇するように、
風向（７、２７）を変更する。

【００１１】ガイドベーン（３、２３）の風下の風の風
向は、内周側翼（１２、３２）が移動する方向に負の成
分を有する。内周側翼（１２、３２）が移動する方向
は、ガイドベーン（３、２３）を通過する前の風向
（７、２７）と垂直である。ガイドベーン（３、２３）
は、内周側翼（１２、３２）が移動する方向の反対方向
に風の風向（７、２７）を変更する。すなわち、ガイド
ベーン（３、２３）を通過して内周側翼（１２、３２）
が受ける風の風向を示すベクトルとその内周側翼（１
２、３２）が移動する方向のベクトルとの内積は、負で
ある。ガイドベーン（３、２３）が風向（７、２７）を
変更することにより、内周側翼（１２、３２）の風に対
する相対速度が速くなり、内周側翼（１２、３２）は、
より大きな揚力を取得することができる。

【００１２】内周側翼（１２、３２）の翼弦線と回転軸
（４、２４）とのなす角であるオリエンテーション角
は、回転軸（４、２４）からの距離に応じて増加し、外
周側翼（１１、３１）の翼弦線と回転軸（４、２４）と
のなす角であるオリエンテーション角は、回転軸（４、
２４）からの距離に応じて増加する。外周側翼（１１、
３１）の翼弦線と回転軸（４、２４）とのなす角である
オリエンテーション角の最小値は、内周側翼（１２、３
２）の翼弦線と回転軸（４、２４）とのなす角であるオ
リエンテーション角の最大値より小さい。オリエンテー
ション角は、風向（７、２７）に応じて設定させる。

【００１３】本発明による風力発電装置（１）は、風車
（１０）を支持するタワー（６）を更に具備している。
風車（１０）は、タワー（６）の風上に配置される。ガ
イドベーン（３）は、支持具（８）を介してナセル
（５）に固定される。このような風車（１０）は、風車
（１０）がタワー（６）の風下に発生する風の乱れであ
るタワーウェイクの影響を受けない点で好ましい。

【００１４】本発明による風力発電装置（２１）は、風
車（３０）を支持するタワー（２６）を更に具備してい
る。風車（３０）は、タワー（２６）の風下に配置され
る。ガイドベーン（２３）は、ナセル（２５）に直接に
同体に固定することができ、支持具（８）を別途設ける
必要がない。

【００１５】

【発明の実施の形態】図面を参照して、本発明による風
力発電装置の実施の形態を説明する。その風力発電装置
１は、図１に示されているように、風車２とともにガイ
ドベーン３が設けられている。風車２は、概ね水平であ
る回転軸４を中心に回転運動可能にナセル５に固定され
ている。ナセル５は、鉛直方向を回転軸にして回転可能
にタワー６に固定されている。ナセル５は、図示されて
いない発電機を内部に格納し、その発電機は、風車２の
回転運動を電力に変換する。ナセル５がタワー６に対し
て回転することにより、風車２の回転軸４が風７の風向
と概ね平行であり、風車２がタワー６より風上に配置さ
れるように制御される。

【００１６】ナセル５には、複数の支持具８が同体に固
定されて設けられている。支持具８は、棒状であり、各
々が風車２に接触しないように、ナセル５から回転軸４
と垂直方向に延び、風車２の翼長を越えた部分で屈曲
し、風車２のナセル５と反対側の回転軸４に延び、ガイ
ドベーン３に同体に固定されている。すなわち、支持具
８は、風車２を囲むように配置され、ガイドベーン３を
ナセル５に固定している。ガイドベーン３と風車２と
は、タワー６より風上に配置され、風車２はガイドベー
ン３とナセル５との間に配置されている。

【００１７】ガイドベーン３は、複数の静翼から形成さ
れている。その静翼は、回転軸４と垂直な方向に延び、
風７の一部の風向を変更する。風車２は、ガイドベーン
３の静翼より翼長が長い翼１０を備えている。その翼１
０は、内周側翼１２と外周側翼１１とから形成されてい
る。内周側翼１２は、回転軸４から垂直な方向に延び、
ガイドベーン３の静翼の翼長に等しい。外周側翼１１
は、内周側翼１２より外側に形成されている。

【００１８】図２は、風車２の翼１０の翼長方向（回転
の半径方向）に垂直な平面で切断した翼形を示してい
る。その翼形１３は、風上側の端である前縁１４が丸み
を帯びて、風下側の端である後縁１５は端に近づくにつ
れ翼厚が徐々に薄くなっている。前縁１４と後縁１５と
を結んだ線分である翼弦１６は、回転軸４とオリエンテ
ーション角θだけずれている。

【００１９】図３は、翼１０の翼形１３の位置ｒとオリ
エンテーション角θとの関係を示している。オリエンテ
ーション角θは回転軸４からの距離である位置ｒの関数
であり、内周側翼１２のオリエンテーション角θは位置
ｒに応じて増加し、外周側翼１１のオリエンテーション
角θは位置ｒに応じて増加している。内周側翼１２のオ
リエンテーション角θの最大値は、外周側翼１１のオリ
エンテーション角θの最小値より小さい。すなわち、翼
１０のオリエンテーション角θは、根本から離れるにつ
れ大きくなり、内周側翼１２と外周側翼１１との継ぎ目
で小さくなり、再度根本から離れるにつれ大きくなって
いる。

【００２０】風車２は、図４に示されているように、風
７を受けることにより１つの回転方向Ａに回転する。風
力発電装置１が電力に変換する風を受ける領域は、内周
側翼１２が風７を受ける領域１７と外周側翼１１が風７
を受ける領域１８とからなる。領域１７を通過する風１
７は、ガイドベーン３により、内周側翼１２が移動する
方向の反対方向Ｂに変更される。

【００２１】すなわち、ガイドベーン３を通過して内周
側翼１２が受ける風の風向は、内周側翼１２が移動する
方向に負の成分を有する。内周側翼１２が移動する方向
は、ガイドベーン３を通過する前の風向７と垂直であ
る。ガイドベーン３は、内周側翼１２が移動する方向の
反対方向に風の風向７を変更する。ガイドベーン３を通
過して内周側翼１２が受ける風の風向を示すベクトルと
その内周側翼１２が移動する方向のベクトルとの内積
は、負である。

【００２２】内周側翼１２が移動する速さは、外周側翼
１１が移動する速さより遅い。翼が風の流れにより受け
る揚力は、一般にその翼に対する風の相対速度の２乗に
比例する。ガイドベーン３により風向が変更された風の
風向は、内周側翼１２との相対速度を増加させる。この
結果、内周側翼１２が生成する揚力は大きくなり、回転
力に効率よく変換される。また内周側に限定して設置す
ることで小型のガイドベーンで効果を上げることができ
る。

【００２３】図５は、本発明による風力発電装置の実施
の他の形態を示している。その風力発電装置２１は、風
車２２とともにガイドベーン２３が設けられている。風
車２２は、概ね水平である回転軸２４を中心に回転運動
可能にナセル２５に固定されている。ナセル２５は、鉛
直方向を回転軸にして回転可能にタワー２６に固定され
ている。ナセル２５は、図示されていない発電機を内部
に格納し、その発電機は、風車２２の回転運動を電力に
変換する。ナセル２５がタワー２６に対して回転するこ
とにより、風車２２の回転軸２４が風２７の風向と概ね
平行であり、風車２２がタワー２６より風下に配置され
るように制御される。

【００２４】ナセル２５は、ガイドベーン２３に同体に
固定されている。風車２２は、タワー２６より風下に配
置されている。ガイドベーン２３は、複数の静翼から形
成されている。その静翼は、回転軸２４と垂直な方向に
延び、風２７の一部の風向を変更する。風車２２は、ガ
イドベーン２３の静翼より翼長が長い翼２０を備えてい
る。その翼２０は、内周側翼２１と外周側翼２２とから
形成されている。内周側翼２１は、回転軸２４から垂直
な方向に延び、ガイドベーン２３の静翼の翼長に等し
い。外周側翼２２は、内周側翼２１より外側に形成され
ている。

【００２５】風車２２は、風２７を受けることにより１
つの回転方向に回転する。ガイドベーン２３は、風２７
の風向を内周側翼３２が移動する方向の反対方向に変更
する。すなわち、ガイドベーン２３を通過して内周側翼
３２が受ける風の風向は、内周側翼３２が移動する方向
に負の成分を有する。内周側翼３２が移動する方向は、
ガイドベーン２３を通過する前の風向２７と垂直であ
る。ガイドベーン２３は、内周側翼３２が移動する方向
の反対方向に風の風向２７を変更する。ガイドベーン２
３を通過して内周側翼３２が受ける風の風向を示すベク
トルとその内周側翼３２が移動する方向のベクトルとの
内積は、負である。を示すベクトルとその内周側翼３２
が移動する方向のベクトルとの内積は、負である。

【００２６】内周側翼３２が移動する速さは、外周側翼
３１が移動する速さより遅い。翼が風の流れにより受け
る揚力は、一般にその翼に対する風の相対速度の２乗に
比例する。ガイドベーン２３により風向が変更された風
は、内周側翼３２との相対速度を増加させる。この結
果、内周側翼３２が生成する揚力は大きくなり、回転力
に効率よく変換される。

【００２７】

【発明の効果】本発明による風力発電装置は、風力をよ
り効率よく電力に変換することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による風力発電装置の実施の形
態を示す側面図である。

【図２】図２は、翼形を示す断面図である。

【図３】図３は、翼の回転軸からの位置とオリエンテー
ション角との関係を示すグラフである。

【図４】図４は、本発明による風力発電装置の実施の形
態を示す正面図である。

【図５】図５は、本発明による風力発電装置の実施の他
の形態を示す側面図である。

【図６】図６は、公知の風力発電装置の実施の形態を示
す断面図である。

【符号の説明】

１：風力発電装置 ２：風車 ３：ガイドベーン ４：回転軸 ５：ナセル ６：タワー ７：風 ８：支持具 １０：翼 １１：外周側翼 １２：内周側翼 １３：翼形 １４：前縁 １５：後縁 １６：翼弦線

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 風の風向を変更するガイドベーンと、 前記ガイドベーンの風下に配置される風車とを具備し、 前記風車は、 前記風を直接に受ける外周側翼と、 前記ガイドベーンにより風向を変更された前記風を受け
   る内周側翼とを備える風力発電装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記風車は、前記風により回転軸を中心に回転運動し、 前記内周側翼は、前記外周側翼より前記回転軸に近い位
   置に配置される風力発電装置。
3. 【請求項３】請求項２において、 前記ガイドベーンの風下の風の風向は、前記内周側翼が
   移動する方向に負の成分を有する風力発電装置。
4. 【請求項４】請求項３において、 前記内周側翼の翼弦線と前記回転軸とのなす角は、回転
   軸からの距離に応じて増加し、 前記外周側翼の翼弦線と前記回転軸とのなす角は、回転
   軸からの距離に応じて増加し、 前記外周側翼の翼弦線と前記回転軸とのなす角の最小値
   は、前記内周側翼の翼弦線と前記回転軸とのなす角の最
   大値より小さい風力発電装置。
5. 【請求項５】請求項４において、 前記風車を支持するタワーを更に具備し、 前記風車は、前記タワーの風上に配置される風力発電装
   置。
6. 【請求項６】請求項４において、 前記風車を支持するタワーを更に具備し、 前記風車は、前記タワーの風下に配置される風力発電装
   置。