JP2005282451A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大型化しても高い風力発電効率が得られる風力発電装置を提供すること。
【解決手段】 風力発電装置１０は、回転軸１３に取付けられるハブ１４と、ハブ１４の周縁部１４ａに所定の間隔で取付けられる４枚以上の翼１５とを備え、ハブ１４は、回転軸１３方向の長さより回転軸１３の垂直方向の長さが長くなっていることを特徴とする。このような構成とすることで、ハブ１４の回転軸１３方向の長さに対する周縁部１４ａの表面積が大きくなる。したがって、４枚以上の翼１５を周縁部１４ａに所定の間隔で設置しても、隣接する翼１５，１５間に風を通過させるのに十分な空間を確保することが可能となるため、風力発電装置１０が大型化して翼１５が大型化しても、翼１５，１５間を通過して翼１５に作用する風の量を増加させることとなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

風力発電装置において、複数の翼がハブに取付けられ風力を受けて回転する構造として種々のものが提案されている。これら風力発電装置は、ハブに取付けられた翼の枚数を増加することで風力発電性能を向上させることができる。しかしながら、風力発電性能向上とコストとのバランスを考慮すると、翼枚数を増加することで、翼を有する平面内における翼の占める割合、すなわちソリディティが増加し、特に翼それぞれの翼根間に空間が確保されず風が通過しにくくなるため、翼の枚数を４枚以上とするよりも、翼の枚数を３枚としてそれぞれの翼を大型化する方が、風力発電装置における風力発電性能の向上に伴うコストの増大を抑制することができる。したがって、風力発電装置においては、翼がハブに３枚取付けられた構造のものを採用するのが一般的である。また、風力発電装置は、翼の枚数が３枚であることが外観上最も好ましいと考えられている。
また、従来の風力発電装置として、例えば、風力発電性能を向上させるために、風上側及び風下側のそれぞれにハブを有し、それぞれのハブに３枚の翼を配置したものがある（特許文献１参照）。
特開平５−２３１２９７号公報（第２−３頁、第１図）

ところで、最近の風力発電設備の大型化に伴い、風力発電装置についても大きな出力を得るために大型化する傾向にある。そのため、風力発電装置に設けられた翼が長尺化されている。しかしながら、これら翼はＦＲＰ製であり一体化して製造されるため、翼が長尺化することでその輸送が不可能または困難となる。また、翼が長尺化されることによってナセルに翼を取付けるハブの設置高さを高い位置に設置せざるを得ないため、翼のハブへの据付が不可能または困難となる。このような技術的な限界のみならず、翼の長尺化には強度的な限界があり、ある程度以上に翼を長尺化することができないこととなる。したがって、翼の長尺化による風力発電装置の風力発電性能の向上には限界があるという問題があった。

また、風力発電装置を稼動した場合、翼の先端すなわち翼端を中心に風切り音が発生する。風力発電装置を大型化によって翼を長尺化すると、回転数を下げなければ翼端の周速度上がり風切り音が増大することとなる。そこで、翼端の風切り音を増大させないように翼の回転速度を抑制している。そのとき、翼の回転速度が遅くなるため、最も仕事を行う翼の中間部から翼端にかけてのソリディティが減少しすぎてしまい、翼に風力を作用しないで翼の間を通過する風の量が多くなり、風力発電効率が向上しなくなるという問題があった。

さらに、特許文献１の風力発電装置においては、風上側の３枚の翼が風力によって回転して風がそれら翼を通過すると、その風が風下側の３枚の翼に送られる。このとき、風上側の３枚の翼を通過した風に乱れが生じるため、その風の乱れによって低下した風力で風下側の３枚の翼が回転することとなる。その結果、風下側の３枚の翼の回転効率が低下するとともに、風力発電装置の発電効率が低下してしまうこととなる。また、風上側及び風下側のそれぞれハブを有し、それぞれに翼を配置していることで、風力発電装置自体の構造が複雑となるため、構造を簡略化した風力発電装置が望まれている。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、大型化しても高い風力発電効率が得られる風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち本発明に係る風力発電装置は、回転軸に取付けられるハブと、前記ハブの周縁部に所定の間隔で取付けられる４枚以上の翼とを備え、前記ハブは、前記回転軸方向の長さより前記回転軸の垂直方向の長さが長くなっていることを特徴とする。
このような構成とすることで、ハブの回転軸方向の長さに対する周縁部の表面積が大きくなる。したがって、４枚以上の翼を周縁部に所定の間隔で設置しても、隣接する翼間に風を通過させるのに十分な空間を確保することが可能となるため、風力発電装置が大型化して翼が大型化しても、翼間を通過して翼に作用する風の量を増加させることとなる。

また、本発明に係る風力発電装置において、前記ハブは、前記回転軸に沿って切断したときの断面が略楕円形であることを特徴とする。
このような構成とすることで、回転軸方向の長さを長尺化させないハブを簡易な形状で製作できるため、ハブの製作が容易となる。また、ハブの回転軸方向の長さを長尺化させないことで、ハブ及び翼から回転軸にかかる曲げモーメントが軽減される。また、簡易な形状であるため、風力発電装置にハブ及び翼を設置した後の風力発電装置の景観がよい。

また、本発明に係る風力発電装置において、前記ハブは、前記回転軸の延長方向を軸とした外縁部と、この外縁部の内部に形成されたトラスとを備えていることを特徴とする。
このような構成とすることで、ハブの回転軸方向の長さを長尺化させることなく、４枚以上の翼を取付けられたハブの強度をトラスで確保することができる。

また、本発明に係る風力発電装置において、前記翼は、翼根側の後縁の一部を切除した形状とされていることを特徴とする。
翼の翼根側の後縁の一部を切除した形状とされることで、ソリディティを減少させることができる。したがって、風力発電装置が大型化する際に翼が大型化しても、翼を通過して翼に作用する風の量を増加させることが可能となる。また、翼の翼根側の後縁の一部を切除することで、翼の重量の軽量化を図ることが可能となる。

また、本発明に係る風力発電装置において、前記翼は、翼根の一部がトラスであることを特徴とする。
翼根の一部がトラスであることで、ソリディティを減少させることができる。したがって、風力発電装置が大型化する際に翼が大型化しても、翼を通過して翼に作用する風の量を増加させることが可能となる。また、翼根の一部がトラスであることによって、高強度の翼が得られることとなる。

本発明の風力発電装置によれば、ハブの回転軸方向の長さに対する周縁部の表面積が大きくなるため、４枚以上の翼を周縁部に所定の間隔で設置しても、隣接する翼間に風を通過させるのに十分な空間を確保することが可能となる。そのため、風力発電装置が大型化する際に翼が大型化しても、翼間を通過して翼に作用する風の量を増加させることとなる。したがって、風力発電装置を大型化しても高い風力発電効率を得ることができる。

また、本発明の風力発電装置によれば、ハブが簡易な形状であるので、ハブを容易に製作することができる。また、回転軸にかかる曲げモーメントが軽減されるので、回転軸への荷重を軽減することができる。また、ハブが簡易な形状であるので、風力発電装置の景観の向上を図ることができる。

また、本発明の風力発電装置によれば、ハブの回転軸方向の長さを長尺化させることなく、４枚以上の翼が取付けられたハブの強度をトラスで確保できるので、風力発電装置を大型化しても高強度を確保することができる。

また、本発明の風力発電装置によれば、翼の翼根側の後縁の一部を切除することで、翼根に必要以上に増大したソリディティを減少させることができ、同時に風力発電装置が大型化する際に翼が大型化しても、翼間を通過して翼に作用する風の量を増加させることが可能となるので、風力発電装置を大型化しても高い風力発電効率を得ることができる。
また、翼の翼根側の後縁の一部を切除することで、翼の重量の軽量化を図ることができるので、風力発電装置の重量を大幅に増加させることなく風力発電装置を大型化することができる。

また、本発明の風力発電装置によれば、翼根の一部がトラスであることで翼根で必要以上に増大したソリディティを減少させることができ、同時に風力発電装置が大型化する際に翼が大型化しても、翼を通過して翼に作用する風の量が増加するので、高い風力発電効率を得ることができる。
また、翼根の一部がトラスであることによって高強度の翼が得られるので、風力発電装置を大型化する際の翼の強度上の問題が解消され、風力発電装置を大型化することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１及び図２は、本発明における実施の形態を示す図であって、本発明を適用した風力発電装置を示す図である。なお、この風力発電装置は、風力を受けて発電するものであり、特に、出力が５００ｋＷ以上である大型の風力発電装置である。

風力発電装置１０は、地上に設置されたタワー１１の上端には、機器類を収容するナセル１２が設けられ、ナセル１２の内部には回転軸１３が設置されている。回転軸１３は、その先端がナセル１２から突出するように設けられている。回転軸１３の先端にはハブ１４が取付けられており、ハブ１４の周縁部１４ａには４枚以上、例えば６枚の翼１５が所定の間隔、例えば周縁部１４ａを回転方向に６等分する位置にそれぞれ取付けられている。ハブ１４は、図２に示すように、回転軸１３に沿って切断したときの断面形状が略楕円形となるように形成されており、すなわち回転軸１３方向の長さよりも回転軸１３の垂直方向の長さが長くなるように形成されている。また、これら翼１５は、例えばＦＲＰ製であり、風上側から風力を受けて回転軸１３を軸としてハブ１４とともに回転するようになっている。なお、ハブ１４は、鋳造によって形成された金属製のものであり、ハブ１４に取付けられたすべての翼１５，１５，・・・を後述の翼根１５ｃで支持できる強度を有する構造部材である。

ハブ１４に取付けられた翼１５の形状を図３に示す。翼１５がハブ１４に取付けられて回転する方向を矢印の方向としたとき、図３における上側が前縁１５ａ、下側が後縁１５ｂ、左側が翼根１５ｃ、右側が翼端１５ｄとなる。図３における後縁１５ｂ側の破線は、従来の翼の後縁の形状を示したものである。本発明における翼１５は、翼根１５ｃ側において従来の翼よりも後縁１５ｂ側を切除した形状、すなわち前縁１５ａ及び後縁１５ｂの距離を短くした形状とされている。

このような風力発電装置１０において、回転軸１３方向の長さに対してハブ１４の周縁部１４ａの表面積が大きくなる。したがって、６枚の翼１５を周縁部１４ａに周縁部１４ａを６等分するように設置しても、隣接する翼１５，１５間に風を通過させるのに十分な空間を確保することが可能となるため、風力発電装置が大型化して翼１５が大型化しても、翼１５，１５間を通過してそれぞれの翼１５に作用する風の量を増加させることとなる。したがって、風力発電装置１０を大型化しても高い風力発電効率を得ることができる。

また、ハブ１４の回転軸１３方向の長さを長くすることなくハブ１４を簡易な形状で製作することができるので、ハブ１４を容易に製作することができる。また、ハブ１４が簡易な形状であるので、風力発電装置１０の景観の向上を図ることができる。また、ハブ１４の回転軸１３方向の長さが短くなるため、回転軸１３にかかる曲げモーメントが軽減される。したがって、回転軸１３への荷重を軽減することができる。

また、翼１５の翼根１５ｃ側の後縁１５ｂの一部を切除した形状とされることで、翼１５を有する平面内における翼１５の占める割合、すなわちソリディティの翼根１５ｃで増加しすぎた部分を減少させることができる。したがって、風力発電装置１０が大型化する際に翼１５が大型化しても、翼１５，１５間を通過して翼１５に作用する風の量を増加させることが可能となる。したがって、風力発電装置１０を大型化しても高い風力発電効率を得ることができる。また、翼１５の翼根１５ｃ側の後縁１５ｂの一部を切除した形状とされることで、切除した部分において翼１５の重量の軽量化を図ることが可能となるので、風力発電装置１０の重量を大幅に増加させることなく風力発電装置１０を大型化することができる。

なお、上記実施の形態において、図４及び図５に示すように、翼１５を翼１６に代えてもよい。すなわち、この翼１６は、図５において上側が前縁１６ａ、下側が後縁１６ｂ、左側が翼根１６ｃ、右側が翼端１６ｄとすると、翼根１６ｃの一部をトラス１６ｅとしそれ以外の部分をＦＲＰ製の翼本体１６ｆとした形状のものである。
このように翼１６の翼根１６ｃの一部がトラス１６ｅであることで、翼根１６ｃで増加しすぎたソリディティを減少させることができる。したがって、風力発電装置１０が大型化する際に翼１６が大型化しても、翼１６を通過して翼１６に作用する風の量を増加させることが可能となるので、高い風力発電効率を得ることができる。
また、翼根１６ｃの一部がトラス１６ｅであることによって、高強度の翼１６が得られるので、風力発電装置１０を大型化する際の翼１６の強度上の問題が解消され、風力発電装置１０を大型化することができる。

また、上記実施の形態において、図６に示すように、ハブ１４をハブ１７に代えてもよい。すなわち、ハブ１７は、回転軸１３の延長方向に延在した軸１７ａと、軸１７ａを中心した外縁部としての円筒１７ｂと、この円筒１７ａの内部に形成された複数のトラス１７ｃとを備えたものである。なお、これらトラス１７ｃは、翼１５の自重及び風力等によって翼１５にかかる荷重を軸１７ａに伝達できるように配置されかつ補強されている。すなわちこのハブ１７は、ハブ１７に取付けられたすべての翼１５，１５，・・・を後述の翼根１５ｃで支持できる強度を有する構造部材である。
このような構成とすることで、ハブ１７の軸１７ａの方向の長さを長くすることなく、６枚の翼１５，１５，・・・を取付けられたハブ１７の強度をトラス１７ｃで確保することができる。したがって、風力発電装置を大型化しても高強度を確保することができる。
なお、この場合、上記実施の形態における翼１５を前述の翼１６に代えてもよい。

また、上記実施の形態において、ハブ１４は、すべての翼１５を支持する十分な強度を有していれば、鋳造した金属製に限るものではない。また、このハブ１４は、回転軸１３方向の長さより回転軸１３の垂直方向の長さが長くなっていれば、回転軸１３に沿って切断したときの断面が楕円形でなくてもよく、さらに、前述したように軸１７ａとした円筒１７ｂと、この円筒１７ｂの内部に形成されたトラス１７ｃとを備えた構造に限るものではない。

また、上記実施の形態において、翼の枚数が６枚であることに限るものではないが、４枚以上であることが好ましい。
また、上記実施の形態において、風力発電装置１０は、ハブを２つ以上有し、それぞれのハブの少なくとも１つに４枚以上の翼を取付けたものであってもよい。
また、上記実施の形態において、ハブに取付けられたそれぞれの翼がすべて同一の形状でなくてもよい。すなわち、例えばハブに翼を６枚取付ける場合、３枚を前述の翼１５とし、３枚を前述の翼１６としてもよい。

ここで、風力発電装置の翼枚数と風力発電効率との関係について説明する。
図７は、出力が１３００ｋＷの風力発電装置の各種風速に対する出力性能（ｋＷ）及び効率Ｃｐを示している。
この風力発電装置において、理論上の最大風力発電効率はＣｐ＝５９．３％であるが、実際の風力発電装置の風力発電効率は、翼枚数が３枚の場合、風速８〜１０ｍ／ｓのとき４０〜４５％程度である。

図８は、風力発電効率が低下した風速１５ｍ／ｓにおける風力発電装置の翼枚数に対する風車出力係数を示している。この図において、翼枚数を３，５，６枚と変化させたときの結果を示している。
この図によれば、翼枚数の増加に伴い、風力発電効率に相当する風車出力係数が上昇していることがわかる。したがって、この結果を図７にあてはめると、翼枚数が５枚の場合、翼枚数が６枚の場合について、図７に示すとおりになる。すなわち、翼枚数を増加させると、風力発電効率が高風速域において向上することとなる。
このような結果により、風力発電装置の翼枚数を増加させることにより、風力発電効率が少なくとも高風速域において向上し、それ以外の風速域においても風力発電効率が向上することが期待できる。

本発明における実施の形態に係る風力発電装置の正面図である。 本発明における実施の形態に係る風力発電装置の部分側面図である。 本発明における実施の形態に係る翼を説明する図である。 本発明における実施の形態に係る風力発電装置の正面図である。 本発明における実施の形態に係る翼を説明する図である。 本発明における実施の形態に係るハブを説明する図である。 風力発電装置の各種風速に対する出力性能（ｋＷ）及び効率Ｃｐを示す図である。 風力発電装置の翼枚数に対する風車出力係数を示す図である。

符号の説明

１０ 風力発電装置
１１ タワー
１３ 回転軸
１４ ハブ
１４ａ 周縁部
１５ 翼
１６ 翼
１６ｅ トラス
１７ ハブ
１７ａ 軸
１７ｂ 円筒（外縁部）
１７ｃ トラス

Claims (5)

1. 回転軸に取付けられるハブと、
   前記ハブの周縁部に所定の間隔で取付けられる４枚以上の翼とを備え、
   前記ハブは、前記回転軸方向の長さより前記回転軸の垂直方向の長さが長くなっていることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記ハブは、前記回転軸に沿って切断したときの断面が略楕円形であることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
3. 前記ハブは、前記回転軸の延長方向を軸とした外縁部と、この外縁部の内部に形成されたトラスとを備えていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
4. 前記翼は、翼根側の後縁の一部を切除した形状とされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の風力発電装置。
5. 前記翼は、翼根の一部がトラスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の風力発電装置。

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