JP2007211667A

JP2007211667A - 風車発電装置

Info

Publication number: JP2007211667A
Application number: JP2006031706A
Authority: JP
Inventors: Goro Taguchi; 梧郎田口
Original assignee: KANKYO ENERGY KK
Current assignee: KANKYO ENERGY KK
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2007-08-23

Abstract

【課題】風車発電装置設置適地が風車発電装置建設工事困難地であっても、工場内製造費用を低減しつつ、輸送および建設費用を低減して、大容量発電を可能にする風車発電装置を提供すること。
【解決手段】端部若しくはその近傍に複数本の梁４を連結可能とした支持柱１を水平方向に３本以上配置し、隣接する支持柱１同士を梁４によって連結してなるラーメン構造体ユニット１００を、垂直方向に２段以上積み重ねてラーメン構造体を形成し、該ラーメン構造体の上下の梁４の間に配置される支持柱１に、ナセルに支持柱１が貫通するように風車１０を取り付けてなることを特徴とする風車発電装置。
【選択図】図１

Description

本発明は風車発電装置に関し、詳しくは、風車発電装置設置適地が風車発電装置建設工事困難地であっても、工場内製造費用を低減しつつ、輸送および建設費用を低減して、大容量発電を可能にした風車発電装置に関する。

風から電力を効率的に得る風車形式としては、プロペラ形風車が最も優れているといわれている。風車は風が良好に吹く場所を選定して設置されるため、設置場所の有効活用、および風車の製造価格を減少させるため、１基あたりの風車発電容量は、次第に大型化の傾向にある。
特開２００２−１４７３４０号公報

風車は、１基あたり数千ｋｗ以上の大型化の傾向にある。このように風車単基容量が大きくなることは、風車設置好適地の有効活用、風車発電出力あたりの工場製造費用の減少という利点をもたらしている。

しかしながら、風車単基容量の増大は同時に以下のような課題を誘起させている。
１）風車翼は屋内で製造するため、大きな面積の建屋設備を必要とする。
２）風車支持柱である風車塔が大口径となり、製造設備の大型化が必要である。
３）大型風車を建設するには、工場から風車塔およびナセルを建設現場に輸送するための、大型重量物の特殊運搬設備が必要となる。
４）工場と建設現場を結ぶ輸送路は、道路幅、道路曲がり半径、トンネル、橋梁等の寸法制限、重量制限等により適当な方法を選定しなければならない。特に風車建設適地は、往々にして道路事情が良くない遠隔地、高地山岳部、近寄りにくい海岸等にあるため、風車発電装置設置適地は、必ずしも風車発電装置建設工事適地とはなっていない。
５）建設現場には、大型クレーン車の設置が必要になり、風車が大型化するにつれ、より大きな建設工事用の占有面積が必要になる。
６）風車が大型化することにより、風車支持柱である風車塔下部には、集中的に大重量、転倒モーメントが作用し、これに耐える大型基礎にする必要がある。

本発明は、このような、風車の大容量化が遭遇する、製造設備大型化、輸送設備の大型特殊化、建設工事の困難性、基礎工事の大型化等の問題を解決することによって、風車発電装置設置適地が風車発電装置建設工事困難地であっても、工場内製造費用を低減しつつ、輸送および建設費用を低減して、大容量発電を可能にする風車発電装置を提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
端部若しくはその近傍に複数本の梁を連結可能とした支持柱を水平方向に３本以上配置し、隣接する支持柱同士を梁によって連結してなるラーメン構造体ユニットを、垂直方向に２段以上積み重ねてラーメン構造体を形成し、
該ラーメン構造体の上下の梁の間に配置される支持柱に、ナセルに支持柱が貫通するように風車を取り付けてなることを特徴とする風車発電装置。

（請求項２）
ナセルには、それぞれ独立して反対方向に回転可能な２基の風車を、支持柱を対称軸にして鏡対象になるように設置してなることを特徴とする請求項１記載の風車発電装置。

（請求項３）
ラーメン構造体ユニット内の各支持柱及び各梁は、同一高さでは同一寸法であることを特徴とする請求項１又は２記載の風車発電装置。

本発明によれば、風車発電装置設置適地が風車発電装置建設工事困難地であっても、工場内製造費用を低減しつつ、輸送および建設費用を低減して、大容量発電を可能にする風車発電装置を提供することができる。

すなわち、風車を支える構造体である支持柱を鉄骨で作る場合でも、製鉄所で標準的に製造される標準形鋼や鋼管を使用することが可能であり、従来の風車塔を作るのに比較すると、工場面積は少なく、製作納期を短縮することができる。

また、風車翼や支持柱や梁は、道路輸送制限内の寸法で輸送が可能であり、特殊輸送設備、道路を必要としない。

さらに、建設には大型特殊クレーンやそれらの建設用敷地を必要としない。

また、風車発電装置の荷重は３本以上の支持柱に分散されるため、風車支持構造体の支持柱や梁は細く、基礎も力やモーメントが軽減されるため小型になる。

また、風車発電装置は小型基礎に分散されるため、風車発電装置の下方の土地は、有効に利用することができる。

また、風車発電装置を２段風車とすれば、１段風車より高効率発電を可能にする。

さらに、風車発電装置は同一の風車を支持柱と梁によるラーメン構造体に取り付けることによって、所望規模の風車発電装置を簡単に構成することができ、大型発電をも可能にする。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明に係る風車発電装置の一例の全体構造を示す斜視図である。図中、１は支持柱、４は梁である。

支持柱１は、水平方向に３本以上（図１では４本を示す。）配置され、その水平方向に隣接する支持柱１同士が梁４によって連結されて一つのラーメン構造体ユニット１００を形成している。

各支持柱１は、後述する風車１０の風車翼１８ａ、１８ｂの直径よりも長い長さを有しており、図２に示すように、その端部（図２では上端部）近傍に梁４を連結するための連結部材２が設けられている。図中のＡ部分は支持柱１と梁４との連結部分を示す。

図２に示す支持柱１の連結部材２は、水平方向にほぼ９０°の角度で突設する２方向の連結部材２が設けられており、これによって図１に示すように、各支持柱１にそれぞれ２本の梁４を連結可能としているが、ラーメン構造体ユニット１００を構成可能であれば、１本の支持柱１に連結可能な梁４の数は問わない。支持柱１の連結部材２は、例えば水平方向にほぼ９０°の角度で突設する３方向又は４方向の連結部材とすれば、３本又は４本の梁４を連結可能とすることができる。

また、連結部材２の位置は、支持柱１の端部又はその近傍であればよい。

各支持柱１の上端及び下端には、それぞれフランジ３が設けられており、上下の支持柱１のフランジ同士３が重なるようにラーメン構造体ユニット１００同士が垂直方向に積み重ねて連結されることで、図１に示す３段構造のラーメン構造体を形成している。

このラーメン構造体において、上下に隣接するラーメン構造体ユニット１００の梁４の間に配置される支持柱１に、プロペラ形の風車１０が取り付けられている。

図３は、風車の取り付け構造を示す断面図である。

支持柱１にはナセル支持座１４が固定され、このナセル支持座１４にナセル１２のヨー軸受１３が回転可能に取り付けられている。これにより、ナセル１２のほぼ中央を支持柱１が貫通するようにして、風車１０が支持柱１の廻りを水平方向に回転できるように取り付けられている。

本実施形態では、２基の風車１０、１０が一つのナセル１２に設けられている。

一方の風車１０の風車翼１８ａはナセル１２の一端に設けられたハブ１７ａに取り付けられている。ハブ１７ａの回転力は主軸１６ａを介して、ナセル１２内に配設された発電機１５ａに伝えられる。同様に、他方の風車１０の風車翼１８ｂはナセル１２の他端に設けられたハブ１７ｂに取り付けられている。ハブ１７ｂの回転力は主軸１６ｂを介して、ナセル１２内に配設された発電機１５ｂに伝えられる。

すなわち、各ナセル１２には、それぞれ発電機１５ａ、１５ｂ、主軸１６ａ、１６ｂ及び風車翼１８ａ、１８ｂにより構成される２基の風車１０、１０が、支持柱を対称軸にして鏡対称となるように設置されている。

各風車１０、１０の風の上流側風車翼１８ａと下流側風車翼１８ｂは、全く独立して回転可能であり、風の流れ方向から見てそれぞれ反対方向に回転するようになっている。

このような風車１０、１０が取り付けられる支持柱１は、ラーメン構造体の中で、上下の梁４に挟まれた支持柱１である。これにより、風車１０、１０が取り付けられる支持柱１は、上下端部でそれぞれ梁４によって支持される構造となるため、風車１０、１０を安定して支持することが可能となる。

また、ナセル１２には、支持柱１を挟んで２基の風車１０、１０が鏡対称に設けられているため、荷重バランスのとれた状態で支持柱１に取り付けられる。しかも、一つのナセル１２に設けられた２基の風車１０、１０の風車翼１８ａ、１８ｂは、それぞれ独立して反対方向に回転するため、支持柱１に掛かる力および曲モーメントは、静的に動的に軽減され、軽量にして、振動に強い、風車支持構造体となる。

さらに、２基の風車１０、１０が、支持柱１を挟んで一つのナセル１２に設置されているので、一方の風車１０の風車翼１８ａが風上側を向くと、他方の風車１０の風車翼１８ｂは風下側になるような、いわゆる風の流れに対して風車が２段に設置されることになる。

１段風車の理論最高効率は５９．３％であることは、風車理論のベッツ限界としてよく知られていることである。表１は、１段風車効率と発生動力を示しているが、ここに示されるように、前面流速Ｖ_１＝10 m/s、風車受風面積Ａ＝１m²、空気密度ρ＝0.123 kg/m³とした場合、後面流速Ｖｅ＝3.33 m/s（前面流速Ｖ_１の１／３）のとき、理論風車効率は最大となり、36.444 Wの理論発生動力が得られることがわかる。

この理論から計算すると、本実施形態に示す風車発電装置のごとく風流れに対して２段風車とした場合では、表２に示すように、１段風車と同様、前面流速Ｖ_１＝10 m/sとし、最後面流速（２段目後面流速）Ｖｅ＝3.33 m/s（前面流速Ｖ_１の１／３）の条件下で、１段目風車の後面流速Ｖ_２＝6.7 m/s（前面流速Ｖ_１の２／３）にした場合に、38.722 Wの最大理論発生動力が得られることがわかる。従って、２段風車の総合理論効率は、表２に示すように約６３％（0.6296≒0.63）となり、効率良く発電を行うことが可能となる。

本発明は、このように２基の風車１０、１０を一つのナセル１２に設置した２段風車とするものに限らず、１基の風車のみからなる１段風車としてもよいことはもちろんである。

また、図１に示すラーメン構造体は、ラーメン構造体ユニット１００を垂直方向に３段構造としたが、垂直方向には２段以上であればよく、なんら限定されない。

さらに、本発明において、ラーメン構造体は垂直方向のみならず、ラーメン構造体ユニット１００を水平方向にも複数設置することもでき、風車発電装置設置適地に応じて、ラーメン構造体ユニット１００を垂直方向及び水平方向に組み合わせていくことによって、簡単に所望規模の風車発電装置を構成することができる。

また、図１に示す風車１０、１０は、ラーメン構造体の風上側に配置されている支持柱１のみにナセル１２を取り付けることにより設けられているが、特に限定されるわけではなく、上下の梁４の間に配置される各支持柱１のそれぞれに風車１０、１０を取り付けるようにしてもよい。

なお、各支持柱１及び各梁４はそれぞれ同一寸法とすることができるが、少なくとも、同一高さのラーメン構造体ユニット１００内では同一寸法であることが、製造コスト、荷重バランス等の点で好ましい。

本発明に係る風車発電装置の一例の全体構造を示す斜視図支持柱を示す斜視図風車の取り付け構造を示す断面図

符号の説明

１：支持柱
２：連結部材
３：フランジ
４：梁
１０：風車
１２：ナセル
１３：ヨー軸受
１４：ナセル支持座
１５ａ、１５ｂ：発電機
１６ａ、１６ｂ：主軸
１７ａ、１７ｂ：ハブ
１８ａ、１８ｂ：風車翼
１００：ラーメン構造体ユニット

Claims

端部若しくはその近傍に複数本の梁を連結可能とした支持柱を水平方向に３本以上配置し、隣接する支持柱同士を梁によって連結してなるラーメン構造体ユニットを、垂直方向に２段以上積み重ねてラーメン構造体を形成し、
該ラーメン構造体の上下の梁の間に配置される支持柱に、ナセルに支持柱が貫通するように風車を取り付けてなることを特徴とする風車発電装置。
ナセルには、それぞれ独立して反対方向に回転可能な２基の風車を、支持柱を対称軸にして鏡対象になるように設置してなることを特徴とする請求項１記載の風車発電装置。
ラーメン構造体ユニット内の各支持柱及び各梁は、同一高さでは同一寸法であることを特徴とする請求項１又は２記載の風車発電装置。