JP2004285878A

JP2004285878A - ロータ径を延伸した風車及び風力発電装置

Info

Publication number: JP2004285878A
Application number: JP2003077546A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Okazaki; 裕岡崎; Atsushi Hirayama; 淳平山; Sumio Saito; 純夫斉藤; Kenichi Sato; 健一佐藤; Satoshi Sekizuka; 智関塚
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】ブレード自体を大きくすることなく、出力の大きな風車及び発電出力の大きな風力発電装置を提供するにある。
【解決手段】ブレード３２とハブ１５の間にブレード支持具２０を備えることにより、ブレード自体を大きくすることなく、出力の大きな風車１０が提供される。更にハブ１５に直接固定されるブレード４２を備えることにより、効率のよい風車が提供される。これらの風車と発電機を備えることにより、発電出力の大きな風力発電装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車に関し、特に、ブレードの長さの１／２以上の長さを有するブレード支持具を備える風車及び風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風車の出力は、風車効率、空気密度、受風面積及び風速の３乗に比例することが知られている。したがって、風車効率、空気密度及び風速を一定と仮定すると出力を２倍にするためには、風車の直径を２の平方根倍、すなわち約１．４倍にする必要がある。そこで、風力発電装置の発電機の出力を上げるためには、風車の直径を大きくしなければならず、例えば、１，０００ｋＷ程度の発電出力を得ようとすると、所要の風車直径は５０〜６０ｍとなる。すると、ブレードを大きくすることにより、ブレードの製造工数が大きくなり、また、ブレードの輸送場所が限られてくる。
【０００３】
そこで、２組のブレードを備え、１組のブレードをハブを介して発電機の回転子と連接し、回転可能とした発電機の固定子と他の１組のブレードを連接して、互いに逆に回転させることにより、発電出力を大きく保ちつつブレードの大きさを抑えた風力発電用発電装置も提案されている。（特許文献―１参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−６５２０４号公報（２〜４ページ、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、発電機の固定子を回転させるために、構造が複雑になるなどの問題が残り、発電出力を大きく保ちつつブレードの大きさを抑えた風力発電装置は作られてはいない。そこで、本発明は、ブレード自体を大きくすることなく、出力の大きな風車及び発電出力の大きな風力発電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る風車は、例えば図１に示すように、回転するハブ１５と、ハブ１５に放射方向に取り付けられるブレード３２と、ハブ１５とブレード３２との間に介在し、ハブ１５にブレード３２を接続するブレード支持具２０とを備え、ブレード支持具２０は、ブレード３２の長さの１／２以上の長さを有している。
【０００７】
このように構成すると、ブレードの回転半径を大きくできるので、ブレード自体の長さを長くすることなく、ロータ径（ブレードが回転したときにブレードの先端が描く軌跡の直径）の大きな風車が得られる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明に係る風車では、例えば図２に示すように、ブレード３２とブレード支持具２０は、別体に構成される。
【０００９】
このように構成すると、ブレードとブレード支持具が別に製造されるので、ブレードの製造が容易になり、更に、工場から設置場所への輸送も容易となる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明に係る風車では、例えば図１に示すように、ハブ１５に放射方向に直接取り付けられたブレード４２を更に備えている。
【００１１】
このように構成すると、ロータ径の異なるブレードで、それぞれ効率良く風を受けるようにできるので、効率の高い風車が得られる。
【００１２】
更に、請求項４に記載の発明に係る風力発電装置では、例えば図４に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の風車と、ブレード３２、４２により駆動される発電機５５を備えている。
【００１３】
このように構成すると、ブレード自体の長さを長くすることなく、効率の高い風車を備えるので、発電出力の大きな風力発電装置が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず図１の斜視図を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明による風車１０の全体をハブ側斜め方向から眺めた斜視図である。
【００１５】
タワー１１は円柱状または角柱状の形状をしており、地上から上方へ立設されている。タワー１１の下端は、地上に固定されている。あるいは、海上で、船の上に固定されていても良い。タワー１１の頂部には、ヨーシステム１２が設置されている。このヨーシステム１２は、ブレード３２、４２を風向きに合わせるために用いられる。
【００１６】
ヨーシステム１２の上には、ヨーシステム１２により水平方向に旋回できるナセル１３が設置されている。ナセルには、増速機、発電機、制御装置等が格納されている。あるいは、ポンプ用風車などの動力風車では、クランク軸などを格納し、この場合には、ヨーシステムを備えていないこともある。
【００１７】
ナセル１３の水平端には、水平軸回りに回転するハブ１５が設置されている。ハブ１５は、前述の増速機等と連接され、ハブ１５の回転が増速機を介して発電機に伝えられる。
【００１８】
ハブ１５の周りに、等間隔で３本のブレード支持具２０が放射状に設置されている。ブレード支持具２０の放射状の先端には、ブレード３２が付設されている。
【００１９】
ハブ１５には、ブレード３２を支持するブレード支持具２０の他に、ブレード４２が直接固定されている。ここで、直接固定されているとは、ハブとブレードの間に短い部分であって、風力を受けることを目的としない要素が設置されている場合を含む。
【００２０】
すなわち、図２（ａ）の部分図に示すように、ハブ１５から放射状に腕１６が突出し、腕１６の先端に固着されたハブフランジ１７にブレード４２のフランジ４１を締結することにより、ブレード４２がハブ１５に固定されている場合も、直接固定されている状態である。逆に、直接固定されていない場合とは、図２（ｂ）の部分図に示すように、ハブ１５とブレード３２の間にブレード支持具２０が設置されている場合である。なお、ブレード４２は、腕１６及びハブフランジ１７を介さずに、直接ハブ１５に固定されても良い。
【００２１】
ここで、図２（ｂ）の部分図を参照して、ハブ１５とブレード支持具２０とブレード３２の設置について説明する。ハブ１５の外周から、ブレード支持具を取り付けるため等間隔で短い腕１６が放射線状に突出している。腕の先端には、ハブフランジ１７が固着されている。
【００２２】
ハブフランジ１７は、ブレード支持具２０のハブ側フランジ２１と締結される。ブレード支持具２０は、棒状の形状である棒部２２の両端にハブ側フランジ２１とブレード側フランジ２３を有する。
【００２３】
ブレード支持具２０は、ブレード３２で受けた風力をハブ１５に伝達し、且つ、大きな変形をしないだけの強度及び剛性を有しつつ、ブレード３２及びハブ１５の回転に対して空気抵抗を受けないように細く、ブレード３２が受けた風力で回転するのに障害とならないように軽く作るのが良い。そこで、強度と剛性に優れる鋼製、あるいは、強度と軽量性に優れる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製とするのが良い。あるいは、上記の要件を満たす他の素材で製作しても良い。
【００２４】
また、棒部２２の断面形状は、中実棒、あるいは剛性を高めるために中空丸棒としても良い。更に、風力を受ける方向での剛性を高めるためにＨ形形状としても良いし、空気抵抗を減少するために流線型としても良い。
【００２５】
ブレード側フランジ２３は、ブレードのフランジ３１と締結される。ハブ１５との間にブレード支持具２０を有することにより、小さなブレード３２を用いても、ロータ径の大きな風車が得られる。
【００２６】
従来は、大きな出力の風車を建設するためにロータ径を大きくするときには、ブレードを大きくしてきたので、ブレードの製造工数が大きくなり、大きなブレードの輸送場所が限られるなど、種々の問題を抱えていた。しかし、設置現場で、ブレード支持具２０とブレード３２を固定することにより、小さなブレードからロータ径の大きな風車が得られると、ブレードの製造工数も大きくならず、輸送場所の制限を受けることがない。
【００２７】
また、ハブフランジ１７とハブ側フランジ２１の締結、及び、ブレード側フランジ２３とブレードのフランジ３１の締結とを、着脱可能とすれば、ブレード支持具２０を異なる長さのものに変えるだけで、風車のロータ径を変更することができる。すると、同一のブレードであっても、風車の設置場所あるいは季節により変化する風速に応じて、最適なロータ径の風車が容易に得られる。
【００２８】
更に、ブレードの補修や清掃のためにブレードを地上に降ろすときにも、ブレード側フランジ２３とブレードのフランジ３１の締結を外して、ブレード３２だけを降ろせばよいので、ブレード３２の長さが短く、扱いやすい。
【００２９】
あるいは、設置場所により、最適なロータ径が定まっているときには、建設時に設置場所でブレード側フランジ２３とブレードのフランジ３１を、溶接等により取り外しができないように固着しても良い。この場合には、フランジ部で緩みが生じることがなくなり、確実に計画した剛性が得られる。
【００３０】
次に、風車の出力について、説明する。風車の出力Ｌは、
Ｌ＝１／２Ｃｐ・ρ・Ａ・Ｖ^３
で表される。ここで、Ｃｐ：風車効率、ρ：空気密度、Ａ：受風面積、Ｖ：風速である。
【００３１】
一方、風車効率Ｃｐは、風速とブレードの進行速度により変化することが知られている。そこで、ブレードの先端の進行速度と風速の比である周速比ＴＳＲが、風車の性能を表す指標として、用いられている。周速比ＴＳＲは、
ＴＳＲ＝２πｎＲ／Ｖ
で表される。ここで、π：円周率、ｎ：風車の回転速度、Ｒ：風車の半径、Ｖ：風速である。
【００３２】
図３に、種々のブレードの形状及び枚数を有する風車における周速比ＴＳＲと風車効率Ｃｐとの関係を示す。図３から明らかなように、ブレードの枚数が多いほど、風車効率Ｃｐが高くなる周速比ＴＳＲが小さくなる。すなわち、風速Ｖと風車の回転速度ｎが一定の場合を考えると、周速比ＴＳＲがハブ中心からの距離に比例して小さくなるので、ロータ径の大きな風車に比べ、ロータ径の小さな風車ではブレードの枚数を増やした方が、風車効率Ｃｐが良くなる。
【００３３】
このことは、ロータ径を大きくした場合に、ブレードの先端の方は効率良く風のエネルギを回転力に変換しても、内側では風のエネルギを効率よく回転力に変換していないことを示している。すなわち、風のエネルギを効率良く回転力に変換していない内側において、ブレードとして風のエネルギを利用しても、ブレード支持具として全く利用していなくても、風車の出力には、あまり差がないことになる。よって、ロータ径の大きな風車においては、大きなブレードを備えていても、ブレード支持具で支持したブレードを備えていても、出力はあまり変わらないことになる。
【００３４】
そこで、小さなブレードを用いて、大きなロータ径に匹敵する出力を得るために、ブレードの１／２の長さ以上のブレード支持具を用いる。ブレード支持具の長さが短いと、風車の出力の差は、それほど大きくならず、効果が顕著ではなくなる。ブレード支持具２０の長さが長過ぎると、ブレード３２により風力から変換された回転力に対して、ブレード支持具２０で受ける空気抵抗やブレード支持具２０の重量が大きくなり過ぎ、結果として大きな出力が得られない。そこで、ブレード支持具２０の長さは、支持するブレード３２の長さの１／２以上、３倍以下であることが好ましい。更に好ましくは、ブレード３２の長さの１／２以上１．５倍以下である。
【００３５】
更に、ブレード支持具２０で支持されたブレード３２とハブ１５に直接固定されたブレード４２を有する風車においては、ブレードで受けるべき風の重複を避けるために、ブレード支持具２０の長さは、ハブ１５に直接固定するブレード４２の長さ以上とすることが好ましい。最も好ましくは、ブレード支持具２０の長さは、ブレード３２の長さとほぼ同等とすることである。
【００３６】
図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る風車は、ブレード支持具２０にて支持され、ロータ径の大きなブレード３２を３枚、ハブ１５に直接固定され、ロータ径の小さなブレード４２を６枚有している。ブレード３２とブレード４２は、同一のハブ１５に接続し、同一の回転速度となるので、ロータ径の大きなブレード３２に対し、ロータ径の小さなブレード４２は枚数を増やして風車効率Ｃｐを高めている。このように、ロータ径の異なるブレードを備えることにより、風車は、大きなロータ径の位置での風のエネルギも、小さなロータ径の位置での風のエネルギも、効率よく回転力に変換するので、大きな出力を得ることができる。
【００３７】
なお、ブレードの枚数は、一義的に決められるものではなく、ブレード自体の大きさ、各ブレードの回転半径、風速や必要な出力により、更に、ブレードの経済的な大きさなどにより、決められるものである。
【００３８】
続いて、図４の一部断面側面図を参照して、本発明の第２の実施の形態である、風車と発電機とを備える風力発電装置について説明する。ナセル１３内において、ハブ１５と同軸に固定された主軸５１が、主軸受５２に回転自由に支持されている。主軸５１の他端は、増速機５３に接続されている。増速機５３では、ハブにより回転された主軸の回転速度を増加させる。この回転速度の増加は、後述の発電機５５の運転回転数に合わせるためのものである。増速機５３で主軸５１の回転速度は増加され、動力軸５４へと伝達される。動力軸５４は、発電機５５の回転子（図示せず）に接続され、動力軸５４により回転子が回転させられる。
【００３９】
風のエネルギは、ブレード３２、４２によりハブ１５を回転する力に変換され、ハブ１５が回転することにより、主軸５１、動力軸５４が回転し、その結果、発電機５５の回転子が回転するので、発電機５５で発電が行われる。
【００４０】
風車が、ブレード支持具２０で支持されたロータ径の大きなブレード３２と、ハブ１５に直接固定されたロータ径の小さなブレード４２とを備えていると、風のエネルギが効率よくハブを回転する力に変換されるので、発電出力の大きな風力発電装置が得られる。
【００４１】
なお、発電機５５は、ナセル内ではなく、地上に置いても良い。その際には、ハブ１５及び主軸５１の回転を、鎖歯車などにより、地上の発電機の回転子に伝達する。重量の大きな発電機を地上に設置することにより、ナセルを小形軽量化することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、ブレードとハブの間にブレード支持具を備えることにより、ブレード自体を大きくすることなく、出力の大きな風車が提供され、該風車と発電機を備えることにより、発電出力の大きな風力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明する風車の斜視図である。
【図２】ハブとブレードの固着の方法及びブレード支持具を説明する部分図である。
【図３】種々のブレードの形状及び枚数を有する風車における周速比ＴＳＲと風車効率Ｃｐとの関係を表すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施の形態を説明する風力発電装置の一部分断面側面図である。
【符号の説明】
１０風車
１３ナセル
１５ハブ
２０ブレード支持具
２１ハブ側フランジ
２２棒部
２３ブレード側フランジ
３２ブレード
４２ブレード
５１主軸
５３増速機
５５発電機

Claims

回転するハブと；
前記ハブに放射方向に取り付けられるブレードと；
前記ハブと前記ブレードとの間に介在し、前記ハブに前記ブレードを接続するブレード支持具とを備え；
前記ブレード支持具は、前記ブレードの長さの１／２以上の長さを有する；
風車。
前記ブレードと前記ブレード支持具は、別体に構成される、請求項１に記載の風車。
前記ハブに放射方向に直接取り付けられたブレードを更に備える；
請求項１又は請求項２に記載の風車。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の風車と；
前記ブレードにより駆動される発電機を備える；
風力発電装置。