JP2004251270A - 高エネルギー収量をもつ風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】山／丘の場所の風を利用するのに適当であり、従来の風力発電装置と比べて所定期間において同一の風力でもってより多くの量のエネルギーを供給する風力発電装置を実現する。
【解決手段】高エネルギー収量をもつ風力発電装置であって、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することができるエアモータ又は空気力発電機を包含する風力発電装置において、前記エアモータの発電機２２が前記エアモータのロータ１８に直接及び密接に接続されて、従来の風力発電装置よりも高い総エネルギー収量を得るようにし、また、前記エアモータは、特に山及び非常に広い場所に設置するのに適当であって、所定の期間中に多量の風エネルギーを捕らえることができ、更に防氷及び防落雷装置を備えている。
【選択図】図３

Description

【０００１】
本発明は、高エネルギー収量をもつ風力発電装置に関する。
【０００２】
より詳細には、本発明は、風力又はエアモータ発電機であって、これにより得られる電力とその構造体の高さとの非常に高い割合を有しかつ広々とした土地に設置されるのに適当な風力又はエアモータ発電機を包含する装置に関する。
【０００３】
“クリーン”な代替エネルギー源、換言すれば、環境に強い影響を与えることが少ない又はないエネルギー源の中でも、とりわけ、風は、１年にわたって風が変化しない確率が高い土地では、特別に重要である。このような土地の中でも、とりわけ、イタリア及びイベリア半島の広大な土地のような山地が特別に注目される。
【０００４】
これに関し、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する機械に関連する異なる技術的解決がある。通常風力発電機（空気力発電機）又はエアモータとして知られているこのような機械は、通常、それ自身の重さと発生せしめる電気エネルギーとの高い割合を有している。また、これらの機械は、それらの所定の構造体、すなわち、作動機械自体に加え、この作動機械自体がその機能を完全に行うために設置される支持タワーを包含する構造体に組み立てるのがかなり困難である。
【０００５】
これらの困難な状況は、この種の機械、すなわち、山地の土地であるがそれらの土地の風の特性に興味がもたらされている土地に厳しい条件で設置される機械の電力をかなり制限する。
【０００６】
従来技術の技術的欠点を良く示すためには、現在の技術にしたがって構成されたエアモータの構成を総合的に解析するのが適当であり、この試みの概要が図１に示されている。
【０００７】
図１において、エアモータは分解して概略的に示されているが、風センサ、ブレード調節アクチュエータ、支持タワーに関してのナセルの向き回転部材、及び電子制御及び電力装置、例えば、特に、発電機により生じたエネルギーのパラメータをこのエネルギーが受けられるメインネットワークのエネルギーパラメータに適合させるために前記発電機により生じたエネルギーのパラメータを操作するのに用いられるインバータなどは示されていない。
【０００８】
図１のエアモータはポッド１１のための支持タワー１０を包含し、ポッド１１はナセル１２を画成し、ナセル１２は内フレーム１３を収容し、内フレーム１３は複数の発電機１４を収容し、各発電機１４は適当な接続ジョイント１６を介してステップアップギヤ１７に接続されているそれぞれのロータ１５を備えている。
【０００９】
ポッド１１は、ハブ２０を介して、ロータ部分１８に直接に接触し、ロータ部分１８はプロペラ１９と一連のブレード２１とを包含している。
【００１０】
図１に明らかに見ることができるように、従来のエアモータはロータ１８と発電機１４との間に完全な物理的分離を有している。また、ステップアップギヤ１７が、これらのロータ１８と発電機１４との間に挿入され、風の強さに実質的に関連するロータ１８の回転数を増大せしめ、これにより、ロータ１８の回転数を発電機１４の最高作動のために必要な回転数に適応させている。
【００１１】
現在の風力発電機械に存在する他の技術的欠点は、経済的要求に十分に関連して電気エネルギーを得るためには非常に都合のよい大気条件をもつ地域を構成する山／丘の場所においてエアモータを使用することから得られる結果がかんばしくないことである。
【００１２】
このような場所の設置に用いられる従来の空気力発電機に生じる最も明白な問題は、主に、次のためによる。
【００１３】
−非常に精巧な機構を備えている重くて複雑な機械を輸送及び設置するために山／丘の場所に近づくのが困難。
【００１４】
−突風及び暴風でもって、ひんぱんに変わる強さで吹き付ける風の特性。これらの突風及び暴風は、エアモータの構造体上で空気応力に変わる。
【００１５】
−大気の高湿度及び温度の低下に続く氷の大量の形成、及び暴風雨の天候における落雷により明らかである悪い大気状態。
【００１６】
これらの理由から明らかなように、山の場所に設置されている現在の空気力発電機群は、上述したむずかしい問題を含んで制限されやすいことから、６００Ｗの電力に制限されている。
【００１７】
更に、突風、暴風及び急激な方向変化の風の吹き付けのために、２つの問題が生じる。第１の問題は構造体の動的応力の可変性から生じ、構造体には強さ、方向及びバーストの適用点が変化する力が加えられる。第２の問題は強いけん引／吸収及びねじれ応力に続く構造体の吸収要求に関連して生じ、このような応力は、種々の部材に分配しなければならず、換言すれば、損壊なしに及び持続性振動の危険な特性を発揮させることなしに解放しなければならない。最後に、悪い大気状態に関する限りでは、風力発電装置を所定の期間（例えば、１年間）に同一量の電力のために多量のエネルギーを提供するようになおいっそう有効に管理することを注意し続けなければならない。
【００１８】
これは、また、装置の可用性に依存し、可用性がよければ、例えばブレード上への氷の堆積又は落雷による損壊の発生のような種々の障害のためによる機械の休止期間を最小に減少せしめることができる。
【００１９】
上述の要求から、本発明の目的は、したがって、高エネルギー収量をもつ風力発電装置であって、特に山／丘の場所の風を利用するのに適当であり、これにより、従来の風力発電装置と比べて所定期間において同一の風力でもってより多くの量のエネルギーを供給する風力発電装置を実現することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、高エネルギー収量をもつ風量発電装置であって、特に電力を増大できるのに軽量のエアモータを包含する風力発電装置を実現することにある。
【００２１】
本発明の更に他の目的は、高エネルギー収量をもつ風力発電装置であって、強いけん引／圧縮及びねじれ応力及び／又は持続性振動の危険な特性を吸収することができ、かつ、特に悪天候状態のためによる故障及び障害により生じる機械の休止時間を最小に減少することができる又はなくすことができる風力発生装置を実現することにある。
【００２２】
本発明の最後であるがしかし重要な目的は、高エネルギー収量を持つ風量発電装置であって、従来の風力発電装置と比べて設置するのが簡単であるに加え、どのような適用要求も非常に機能的で信頼性のある風力発電装置を実現することにある。
【００２３】
これらの及び他の目的は、本発明によれば、請求項１に記載されている高エネルギー収量をもつ風力発電装置を実現することにより、達成される。
【００２４】
有益には、本発明による風力発電装置は、経済的要求によれば、電気エネルギーを得るためには特に良好な大気条件を有している山の場所に設置することができ、かつ、電力を増大（１２００Ｗ、換言すれば、公知の空気力発電機群により現在得られている電力の２倍の電力に達する）できるのに非常に軽量の構造体を有する空気力発電機又はエアモータ群を利用することが可能である。
【００２５】
このような構造体を得るためには、従来の機械と比べて部品の数が減少されている機械（例えば、回転倍増部材が排除されている）が提案され、このような機械は機械的観点から多くの部品が一緒に統合されている。
【００２６】
この機械部材の大幅な減少は、電力（電気エネルギーをより多く処理する）と、制御（調節作用を低い機械的惰性から得られる時定数に調和するようにする）との２つの点から、比較的高性能の電子部品により補償される。
【００２７】
空気力発電機の異なる機械的構成は、また、構造体の振動の周波数の強さを制限し、したがって持続性振動の危険な特性の誘発を除去するために、特別の空気力学の研究を必要とする。
【００２８】
これらの問題は、実際上、試験により構造体の特性を再現するモデルに基づくプログラムを用いてのコンピュータシュミレーションを使用する、構造体の正確な空気−弾性の研究を通して解決される。このようなソフトウェアプログラムは、特に特別の適用のために実現され、構造体の種々の部品上の応力の最適な分配を限定し、これらの応力に安全に耐えるようにこれらの応力を比例して分配するのに適当である。
【００２９】
これらのソフトウェアプログラムは、また、適当な方法で過渡現象を制御するために、調節システムへの介入を可能にする。このような介入としては、例えば、風の突然の突風のときに、ロータ及び下流に位置しているすべての部材への応力を大きく制限するために、ロータブレードの向きへの介入がある。
【００３０】
一般には、もし最大のエネルギーが空気力発電機に達成された場合には、過渡の有効な調節はシステムのすべてのパラメータの迅速な調節を行い、発電装置のいずれかの部材にエネルギーの瞬間的な蓄積（これは、部材を異常な応力にさらす）を生じさせることなしに、最大エネルギーが発電装置の部材の連鎖に沿って主分配ネットワークにまで流れるようにする。
【００３１】
本発明による、高エネルギー収量をもつ風力発電装置の特徴及び利点は、添付図面を参照する非限定的な例に関しての下記の説明から明らかになるであろう。
【００３２】
特に図２（図１に示されている要素と類似する機能を有するエアモータ（又は空気力発電機）の要素は、同一の参照符号により示されている）において、本発明にしたがって提案されたエアモータは、従来技術にしたがって構成されたエアモータとは、とりわけ、図２に符号２２により示されて従来構造の発電機１４とは異なる発電機がロータ１８に直接及び密接に接続され、この新しい構成ではステップアップギヤ１７及び関連するジョイント１６が排除されていることが実質的に異なっている。
【００３３】
発電機２２をブレード２１のロータ１８に直接に係合することを可能にするこの基本的な結果を得るために、上記発電機２２は完全にオリジナルな方法でかつ従来の発電機１４とはいくらか異なるように構成されている。
【００３４】
発電機２２は、とりわけ、真に、扁平（長さ方向において非常に薄い）でかつ直径に沿って非常に広い特別の大きさを有する。より詳細には、本発明の好適な非限定的な実施例によれば、永久磁石を備えている同期、多極及び多相の発電機２２が、励磁回路なしに及び滑動接点なしに（複軸磁気間隔のように）直接の係合で用いられ、非常に低い回転数で作動する。
【００３５】
発電機２２は、また、支持構体に機械的に統合され、発電機のロータを構成する極ホイールはハブ２０にフランジ止めされ、一方ステータはフレーム１３にフランジ止めされ、その結果、ナセル１２は３つだけの要素、すなわちハブ２０と、発電機２２と、フレーム１３とから作られている。
【００３６】
新規の解決は、したがって、ステップアップギヤ１７、更には、液圧ユニット、伝達シャフト及びジョイントを構造体から排除させることから、重量、構成部品及び駆動システムの最大の減少を提供する。空気力発電機のこの構成は、また、通常全体ユニットの寸法が大きくかつ相当に重い支持タワー１０をかなり軽く作ることを可能にする。
【００３７】
更に、本発明による空気力発電機は、ステップアップギヤ１７をなくし及び発電機２２の励磁回路を排除して組み合わせているので、従来の構造よりも高い総エネルギー収量を有する。
【００３８】
このような場合において、実施例によれば、たとえきわめて厳しい条件であっても、空気力発電機の輸送及び設置を容易にすることを可能にする。
【００３９】
最後に、上述した空気力発電機は、所定期間（例えば、１年間）において最大量の風エネルギーを捕らえるために高い可用性を有し、この特徴は風力発電装置の使用の経済的効果のために非常に重要である。最終的の効果は、したがって時限中に生ずるエネルギと機械の重量との高い割合をもつ空気力発電機の実現である。これは、また、ブレード２１の可変ピンチを介しての動力の電気式制御及び各ブレード２１の自律のおかげであり、風に対するブレードの向きは電気的に命令した向き制御を介してなされる。回転速度は、また、その限定した範囲でもって、可変である。
【００４０】
すでに前述したように、前述の空気力発電機は、特に、防氷及び防落雷装置を備えて、山に設置されるのに適当である。これに関し、本発明による風力発電装置に用いられる空気力発電機のために設計される防氷装置は、ブレード上に氷が形成されることによる冬期中の空気力発電機の不作動期間を減少せしめ、機械の可用性を増大せしめる目的を有する。氷の形成は、実際に、空気力の不均衡を生じせしめ（氷はフィン付きプロフィルの幾何学的形状の変化を生じせしめる）、またロータ１８に作用する遠心力の不均衡を生じせしめ（氷の不均一な形成による）、その結果、構造体全体の振動のレベルを増大せしめて、発電機の停止を決定させる。
【００４１】
したがって、通常は、氷が解けるまで機械を休止し続けなければならず、このような特別の敵性環境において１年における期間の点からの可用性の減少は非常に不利益である。
【００４２】
本発明にしたがって提案された防氷装置はブレード２１内に熱い空気を吹き付けることを基本とし、空気の加熱はインバータにより放散された熱エネルギー、発電機２２により放散された熱エネルギーの一部分及びポッド１１内に設置されている２つの群の電気抵抗体により放散された熱エネルギーを利用することにより行われる。
【００４３】
また、強制循環は、タワー１０の基部に設置されている空気調整装置の複数の同一のファン又は適当に設置されている追加のファンを使用することによりかつ骨格構造体の煙突効果を利用することにより、得られる。
【００４４】
本発明による防氷装置の作用を説明するために、特に、図３が参照される。
【００４５】
空気は、タワー１０の基部に配置されたフィルタを備えている適当なスリットにより外部からもたらされ、それから適当なファンにより上向きに押し進められ、それから熱損失を回収するためにインバータ（図示されていない）のハウジングのまわりを流れる。タワー１０の基部から来る冷たい空気の流れＦは、風配向機構２４を越えて、パッド１１内に入り、主たる加熱を行う電気抵抗体（熱交換器）２３及び発電機２２内の他の熱交換器に会い、その結果、防氷装置はまた夏期中に発電機２２が全出力で作動するときに発電機２２を冷却するために用いることができる。
【００４６】
このようにして発生した熱い空気の流れＣはブレード２１に向けられ、ハブ２０内にある隔壁２５は空気をブレード２１の内部に案内し、ブレード内では、カナル隔壁２６及び閉口を通して、流れＣは、ブレード２１の外壁上に形成されている氷に対してほとんど確実に分配されるような特殊な方法でブレード２１の全体の内面をなめるようにしいられる。
【００４７】
また、ブレード２１の内部での熱交換係数を増大するために、ブレードの内面に適当に設けた一連の渦発生器を用いることが可能である。
【００４８】
空気は、それから、通路Ｇにしたがってハブ２０に向かって流れ、ハブ２０の正面部分に作られている穴２７を通して排出される。
【００４９】
追加の選択として、ハブ２０と各ブレード２１との間に配置した適当な空間に流出穴を設けることができる。
【００５０】
以上述べた方法において、使用した加熱装置は、典型的には中空構造体のブレード２１の内部に空気を送ることを包含し、たとえ閉回路でもブレードの内部での空気の循環を行う。空気は、実際に、熱交換作用を通して加熱され、熱交換作用では、空気それ自体は電気機械及び装置により放散されたまた構造体内にある電気抵抗体により発生された熱エネルギーを吸収する。
【００５１】
開回路では、空気の流れは外部から取り入れられ、熱い部品をなめるように導かれる。これに対し、閉回路の場合では、このような流れはブレードの内部の流れ通路に沿って循環的にもたらされて熱源と接触し、この熱源は空気を熱再生する。
【００５２】
最後に、空気力発電機が休止している場合には、加熱は氷層をブレードの表面から離し、それから重力を利用して氷層を機械から取り除くために用いられ、これに対し、空気力発電機が作動しているときには、氷の形成は装置の作動により前もって除去されることに注目すべきである。
【００５３】
前述したように、加熱は、一部分が熱損失の消散によるものであり、また一部分がポッド１１内に適当に設置された又はブレード２１のアンカー近くでハブ２０内に直接に設置された電気抵抗体２３によるものであり、これに対し、強制循環は、タワー内に設置されたファンを通して得られて、中空構造体により与えられる煙突効果により推進される。
【００５４】
このすべては、普通のブレードの使用での最大熱交換の評価及び特殊の材料から作られたブレード又は空気の循環及びブレードの取付け縁の区域での局部的な熱交換を増進するための特殊の幾何学的形状をもつブレードの開発の評価に加えて、エネルギーの収量及びエネルギーの態様の研究を通して得られる。
【００５５】
また、ブレードピッチ及び取り付けられたセンサ装置（要素は図３に符号２８により示されている）のすべての作動のための最適な気候状態の維持に加え、不作動の長びいた期間の後に発電機を加熱するための最も適当な技術を研究すること、及び激しい使用の後の発電機の段階的な冷却を可能にする最も適当な技術を研究することも行われるのでないかと思う。
【００５６】
空気調整及び防氷装置は、風力発電装置に統合され、空気力発電機全体の中空煙突構体を利用する。
【００５７】
避雷ボルトのためによる損害を最少に減少する可能性及びしたがって本発明による風力発電装置の可用性の増大に関する限り、上述したエアモータの骨格構造体は、特に、ファラデー効果を利用することを容易にする。最後に、発電機の能動部分及び回転部分を放電から保護する目的のために、（クラシックピーク理論のための）レシービング構造体を使用すること、及びベアリングを避雷通路から遠く離して設置することが可能である。
【００５８】
高エネルギー収量をもつ風力発電装置の特徴についての上述の説明から、本発明の目的は明確となり、また同様に利点も明確となったであろう。
【００５９】
最後に、種々の変形を上述の風力発電装置に、本発明のアイデアに固有の新規な特徴から逸脱することなしに、行うことができることは明らかであり、また同様に、本発明の実際の具体例において、上述した要素の材料、形状及び寸法は要求に応じてどのようにもすることができ、かつこれらの要素は技術的に同等な他の要素に置換できることも明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術にしたがって実現された風力発電機又はエアモータの概略図である。
【図２】本発明にしたがって高エネルギー収量をもつ風力発電装置に用いられるエアモータの一部分の概略側面図である。
【図３】図２の一部分の拡大詳細図であって、本発明にしたがってエアモータのブレードの内部に熱い空気を循環させることにより実現された防氷装置の通路を示す。

Claims (12)

1. 特に山／丘及び／又は激しい風の吹く場所に設置するのに適当である、高エネルギー収量をもつ風力発電装置であって、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる少なくともひとつのエアモータ又は空気力発電機を包含し、前記エアモータが、少なくともひとつの発電機（１４，２２）を収容する少なくともひとつのナセル（１２）と、一連のブレード（２１）を備えているロータ部分（１８）とを包含している風力発電装置において、前記発電機（２２）が前記エアモータの前記ロータ部分（１８）に直接及び密接に接続されて、従来の風力発電装置よりも高い総エネルギー収量を得ることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１記載の風力発電装置において、前記発電機（２２）が前記ブレード（２１）のロータ（１８）に直接に係合して配置され、前記発電機（２２）が扁平で直径が広い表面の形に構成されていることを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１記載の風力発電装置において、前記発電機（２２）が永久磁石を備えている同期、多極及び多相の型式であり、励磁回路及び／又は滑動接点を有していないことを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項１記載の風力発電装置において、前記発電機（２２）が、前記エアモータの受け台構体に機械的に一体に統合され、かつ前記ロータ部分（１８）のハブ（２０）に接続されているロータと、前記ナセル（１２）を収容するフレーム（１３）に固定されているステータとを包含し、前記ナセル（１２）が前記ハブ（２０）、前記発電機（２２）及び前記フレーム（１３）から作られていることを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項１記載の風力発電装置において、更に、前記エアモータの前記ブレード（２１）上に氷が形成されるのを防止するのに適当な装置を包含し、この装置が空気を前記ブレード（２１）内に供給するのに適当な手段を包含していることを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項５記載の風力発電装置において、前記ブレード（２１）内に入る空気が前記エアモータの内部にある電気機械及び／又は装置により放散される熱エネルギーにより予め加熱されることを特徴とする風力発電装置。
7. 請求項６記載の風力発電装置において、空気を加熱するために用いられる熱エネルギーが前記発電機及び／又は前記エアモータの内部に設置されている電気抵抗体（２３）の群により供給されることを特徴とする風力発電装置。
8. 請求項７記載の風力発電装置において、空気が強制循環手段によりまた支持タワーの煙突効果を利用して前記ブレード（２１）内に供給され、前記空気の全部は適当なスリットにより外部からもたらされ、ファン手段により上向きに押し進められることを特徴とする風力発電装置。
9. 請求項８記載の風力発電装置において、前記電気機械及び／又は装置及び／又は電気抵抗体（２３）を冷たい空気（Ｆ）が通過することにより発生した熱い空気の流れ（Ｃ）が通路手段（２５，２６）を通して前記ブレード（２１）に向かって供給され、前記通路手段（２５，２６）は、前記熱い空気の流れ（Ｃ）を、前記ブレード（２１）の外壁上に形成されている氷に対してほとんど確実に分配するような特殊な方法で各ブレード（２１）の内面をなめるように送ることを特徴とする風力発電装置。
10. 請求項９記載の風力発電装置において、前記通路手段（２５，２６）が、一連の渦発生器を包含して、各ブレード（２１）内の熱交換係数を増大せしめることを特徴とする風力発電装置。
11. 請求項９記載の風力発電装置において、前記ブレード（２）の内部に送られた前記熱い空気の流れ（Ｃ）が、所定の通路（Ｇ）にしたがって、前記ロータ構体（１８）の前記ハブ（２０）に向かって流れ、それから前記ハブ（２０）に作られている少なくともひとつの開口（２７）を通して外部へ排出され、これにより、前記熱い空気の流れ（Ｃ）の循環が各ブレード（２）の構造体の内部で行われ、前記熱い空気の流れ（Ｃ）は、空気が前記電気機械及び装置により放散される熱エネルギー及び前記エアモータ内にある前記電気抵抗体（２３）により発生される熱エネルギーを吸収する熱交換作用により加熱されることを特徴とする風力発電装置。
12. 請求項１記載の風力発電装置において、更に、避雷ボルトを保護し及び／又は他の有害天候状態から保護する手段を包含することを特徴とする風力発電装置。

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