JP2008082185A

JP2008082185A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2008082185A
Application number: JP2006260377A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ogawa; 賢小川
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-10

Abstract

【課題】従来のマグナス風風力発電機のマグナス翼形状としては単純円筒構造を採用している。しかし、単純円筒構造では翼の全長にわたって発生するマグナス力は同じであり、風を有効利用できていない。また、マグナス翼には遠心力により放射方向の風の流れが生じ、この風の流れはマグナス力の発生には寄与せず、風損となるために、この流れを防止する必要がある。
【解決手段】本発明は、マグナス円筒型風力発電機のマグナス翼の形状を回転中心部での径を小さく、円周部で大きくなるような異径マグナス円筒に見直すことにより、マグナス翼円周部のマグナス力を大きくする翼形状とし、回転モーメントを大きくして発電機出力を高くするとともに効率向上を図るものである。また、マグナス翼面での放射方向の流れを防止するマグナス翼の形状や整流板等により、風損を減少させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転するマグナス翼の円筒形状を最適化することにより、風力エネルギーを効率よく回転エネルギーに変換するマグナス型風力発電装置に関する。

現在、風力発電装置としてはプロペラ型が本流を占めている。しかし、低風速域から高速域までの幅広い風速領域に適した設備としてマグナス効果を利用したマグナス型風力発電装置が提案されている。これについては以下の特許がある。
ロシア連邦特許219494C2 ロシア連邦特許2118699 米国特許4366386 特開2005-256605 特開2005-256606

国内のメカロ秋田の開発した特開2005-256606に示されている設備では、同径円筒状のマグナス翼にスパイラル状にフィンを巻きつけ、従来のマグナス発電設備から大幅に効率向上を図れることが実証されている。また、このマグナス型風力発電装置の性能はプロペラ型風力発電装置と同等あるいはそれよりも優れたものになっている。

本発明は上記知見に基づき、マグナス円筒の形状の最適化、円筒上での風損を減少させることによりマグナス翼の高効率化を図り、高効率のマグナス型風力発電装置を提供するものである。

発電機機構の水平回転軸に、各個独立に自転する円筒を複数個放射状に軸支して配置し、各マグナス翼には自転用の駆動部を設けたマグナス型風力発電装置において、前記の各個独立に自転するマグナス翼円筒の水平回転軸部（固定側）での直径は小さく、円周部に行くほど直径が大きくなる異径の円筒形状であることを特徴とするマグナス型風力発電装置（請求項１）

前記のマグナス翼の異径円筒の形状として、固定部直径端と円周部直径端を結ぶ線は直線となることを特徴とする請求項１に記載するマグナス型風力発電装置（請求項２）

マグナス翼の異径円筒の形状として、固定部直径端と円周部直径端を結ぶ線は、凹のテーパを有することを特徴とする請求項１に記載するマグナス型風力発電装置（請求項３）

マグナス翼の異径円筒の自転軸に直角に、マグナス翼の直径よりも大きい直径の円盤型整流板を軸長方向に直角に、単数あるいは複数個配置したことを特徴とする請求項１〜３に記載するマグナス型風力発電装置（請求項４）

前記マグナス翼の整流板取り付け部でマグナス翼を複数に分割できる構造として、風力発電装置を分割して輸送し、現地で組み立てられるようにしたマグナス翼を持つことを特徴とする請求項４に記載するマグナス型風力発電装置（請求項５）

前記マグナス翼の異径円筒について、
各異径マグナス翼円周部にはスパイラル状のフィンを取り付けたマグナス翼、あるいはスパイラル状の段差溝を持つ胴構造としたことを特徴とする請求項１〜３に記載するマグナス型風力発電装置。（請求項６，７）

請求項１，２，３に記載したマグナス型風力発電装置においては、発電機回転中心軸部からの距離が離れるに従い、マグナス翼の面積が増加するために発生するマグナス力が大きくなり、発電機回転トルクを大きくすることができるので風力発電機出力が増大する。

請求項２に記載したマグナス型風力発電装置においては、上記効果とともに、マグナス翼の構造が簡単となり、製造コストの低下が期待される。

請求項３に記載したマグナス型風力発電装置においては、マグナス翼面に当たった後の風が、回転する翼の遠心力により放射方向に向きを変えるのを防止でき、風損を減少させて風速を有効利用できるために、マグナス翼の効率が向上し、風力発電機出力が増加する。

請求項４に記載したマグナス型風力発電装置においては、整流板を設置することにより、回転する翼の遠心力により放射方向に向きを変えるのを防止し、風損を減少させて風速を有効利用できるために、マグナス翼の効率が向上し、発電機出力が増加する。

請求項５に記載したマグナス型風力発電装置においては、整流板部でマグナス翼を分割して現地に搬入することが可能なため、従来のプロペラ型大型風車等では大型化の制約条件となっていた陸送や海送の制約が大幅に減少する。このため、孤島や山上でも大型マグナス型風力発電装置の設置が容易となる。

請求項６，７に記載したマグナス型風力発電装置においては、マグナス翼の外周部にマグナス翼面上の風速を有効利用できるスパイラル状フィンやスパイラル状溝を設置して、軸方向の流れの整流効果とともに、風を有効に受けることにより異径マグナス翼の効率向上を図れる。特に、スパイラル状溝を設置したマグナス翼の場合、製造コストの低減と翼強度の向上、飛来物により損傷しにくい構造となる。

同径円筒を使用するマグナス型風力発電装置においてはマグナス翼の全長にわたって発生するマグナス力は同一である。しかし、回転トルクはマグナス力と発電機回転軸からの距離の積であるために、マグナス翼の円周部に発生するマグナス力は発電機回転トルクへの寄与が大きいが、発電機中心軸近辺で発生するマグナス力の寄与は少ない。このため、マグナス翼の円周部で発生するマグナス力を増大させるようなマグナス翼の形状が好ましい。また、マグナス翼の表面上では回転に伴い遠心力による放射方向の風の流れが発生し、この流れはマグナス力の発生に寄与せずに風損となるため、法線方向の風の流れの発生を防止する機能を持つ装置が有効である。

従来のマグナス型風力発電装置の構造を図９に示す。地上の基礎２４に固定された支柱２２の上端にナセル２０がある。ナセル２０は軸５０を回転軸としてWIND（風）の方向に自由に向くようになっている。ナセル２０の中には発電機３０が水平方向に設置されており、発電機の回転軸の延長に軸駆動のため複数のマグナス翼３６，３８，４０が放射状に取り付けられている。マグナス翼の数は３枚に限定されるものではない。各マグナス翼の取り付け部４４には電動機等の駆動機３４があり、WINDの中で、各マグナス翼３６，３８，４０を矢印イのように回転（自転と呼ぶ）させることにより、マグナス翼３６，３８，４０に矢印ロ方向への力が発生する。この力をマグナス力と呼び、マグナス力と回転軸からの半径との積が回転モーメントとなり、風力発電機３０を回転させる力となる。

従来のマグナス翼には図９に示すような単純な円筒状のものが多く、マグナス効果も小さく、発電効率も低いものであった。しかし近年、図１０に示すような円筒３６にスパイラル状のフィン４６を巻いたマグナス翼が開発され、従来の単純な円筒状のマグナス翼を凌ぐ効率が得られている。また、このスパイラルフィン型円筒マグナス翼４７を採用した風力発電装置は、汎用化されているプロペラ型風力発電設備よりも高い効率を発揮していると発表されている。

マグナス効果を利用する風力発電装置ではマグナス翼回転軸の中心部よりも円周部で生ずるマグナス効果が、より発電機の回転トルクに寄与する。マグナス型風力発電装置は比較的低回転領域での運用が適しているが、全長にわたって同一径の円筒では回転断面に対する翼占有面積が少なく、風の有効利用ができていない。また、スパイラルフィン型円筒マグナス翼４７においても回転中心部から円周部端までの全長にわたって同一径の円筒を使用しており、必ずしも最適な形状とは言えない。
マグナス型風力発電装置の回転力を高めるには、発電機回転軸部よりも、回転軸から離れた部位でのマグナス力の発生を増加させることが好ましい。このためには中心軸部から距離が離れるに従い円筒径を大きくした、異径円筒の構造が好ましい。

本発明は、スパイラルフィン型円筒マグナス翼４７の効率をさらに改善すべく発明されたものである。図１は本発明のマグナス翼を採用した風力発電装置を示す。基礎２４の上に支柱２２を建て、その上に発電機３０を設置している。発電機回転軸３１はマグナス翼の固定部であるスピンナー３２に連結されている。スピンナー３２には異径マグナス翼５１，５２，５３，５４を放射状に取り付け、取付部４４にはマグナス翼自転用の駆動源３４がある。本発明の特徴はこのマグナス翼の形状に関するものであり、中心回転軸３１に近い内周部の径ｄ１は小さくして、円周部の径ｄ２を大きくし、頭部を切り取った円錐構造のマグナス翼である。この構造を採用することにより、円周部でのマグナス力の発生を大きくすることができ、発電機回転トルクが大きくする効果が得られる。これは、発電機軸の回転モーメントはマグナス力と回転軸からの半径（ｌ＋ｍ）に比例するため、回転軸から離れた円周部で発生するマグナス力の方が発電機軸への回転モーメントへの寄与が大きためである。以下その説明を示す。

空気密度ρ、風速V、上部の静圧をｐ_１、下部の静圧をｐ_２、マグナス円筒の自転による周速度ｕ、下部の静圧をｐ_２とするとベルヌーイの定理より下記のように現せる。
1/2ρ(V＋ｕ)^２＋ｐ_１＝1/2ρ(V−ｕ)^２＋ｐ_２〔数1〕
単位面積に発生するマグナス力Ｌ_ｍは
Ｌ_ｍ＝ｐ_２−ｐ_１＝1/2ρ(V＋ｕ)^２−1/2ρ(V−ｕ)^２〔数２〕
円筒自転角速度ω、円筒直径ｄとすると
ｕ＝ωｄ／２〔数３〕
Ｌ_ｍ＝1/2ρ［(V＋ω・ｄ／２)^２−(V−ω・ｄ／２)^２］＝ρVωｄ〔数４〕
となり、風速V、円筒自転角速度ω、円筒直径ｄに比例する。このため、風速V、円筒自転角速度ωが一定ならば、円周部でのマグナス円筒直径を大きくすれば発生するマグナス力Ｌ_ｍが大きくなる。
また、マグナス翼の単位長さ（１×ｄ）に発生する揚力は
Ｌ_ｍ×（１×ｄ）＝ρVωｄ×（１×ｄ）＝ρVωｄ^２〔数５〕
となり、円筒直径ｄの二乗に比例する。このため、マグナス力を大きくするには円筒直径ｄを大きくすることが効果的である。

図２はそのもっとも単純な異径円筒モデル５１ａを示し、径の小さい固定部ｄ１から径の大きい円周部ｄ２に直線的に径を大きくしたマグナス翼を示したものである。丁度、円錐の先端部を切欠いた形状である。ｄ２/ｄ１については空気力学的な面と翼強度の構造的な面から最適な値を決定する必要がある。基本的に円筒形状のために強度が高く、構造が簡単なために製造も容易となり、コスト低減が期待される。

図２に示すマグナス翼５１ａの場合、平行流中に静止して置かれた場合は放射方向への流れは発生しない。しかし、発電機軸を中心として回転する場合、図３に示すように、マグナス翼に当たった空気流れＶはマグナス円筒の自転による接線方向の周速度Ｕが加わるとともに、翼全体が回転するために遠心力が加わり、放射方向に向かう流れＵ１が発生し、全体としてはこの合成方向に空気が流れる。この流れＵ１は、マグナス翼に沿って放射方向（円周側）に流れて、揚力発生に貢献せずに翼端で失速して抵抗増加のみを発生させる。この流れを防止するためにマグナス翼の途中に整流板を設置することが効果的である。

マグナス翼の円周部ほど遠心力が大きくなり、風が円周側に吹き飛ばされるのを防止するために整流板を取り付けることにより、円周側への流れの向きを内向きに変え、マグナス力の低下を防止する。図３にその例を示し、６０ａ、６０ｂ、６０ｃが整流板である。整流板のマグナス翼への取り付け枚数、取り付け角度は想定する風速を考慮して決定すればよい。この整流板は図１０における、スパイラル状フィン４６と同様の効果を持っている。

従来風力発電設備の設置上の大きい制約条件として風況が適した地域は、島や山上等の風力発電設備の輸送に不便な土地が多く、プロペラ型風力発電設備ではプロペラが分解輸送ができないために大型機の設置が難しい面があった。しかし、本マグナス翼の場合、図３の６０ａ、６０ｂの整流板部でマグナス翼を３分割した構造にすることが可能である。このため、マグナス型風力発電設備を孤島や山上の輸送が困難な場所に設置する場合、マグナス翼は整流板部で数個に分解して輸送し、現地でボルトナットや溶接により接合して組み立てることが可能なために、大型機の設置が可能となる。

実施例１と実施例２の合わせた効果を持たす新しい形状のマグナス翼５１ｂを図４に示す。径の小さい固定部d1から径の大きい円周部d2にテーパを持たせて径を大きくしたマグナス翼である。この形状により、円周部分でのマグナス翼面積を大きく取ることができるとともに、徐々に広がるテーパにより、法線方向への空気流れを阻止することも可能となる。

図５にその変形翼５１ｃを示す。これは、テーパの代わりにマグナス翼を数段に区切ることにより、各段違いの部位が整流板６０と同様の効果を得るものである。段違でない箇所には整流板６０ａを設けてもよい。構造が単純なために製造コストの低減が期待できる。図６に野球のバット型のマグナス翼を示す。図５、図６のマグナス翼は２〜３分割して輸送することが可能である。

図１０に示す、メカロ秋田の単純円筒型マグナス翼にスパイラル状フィン４６を巻きつける方式は、本発明の異径マグナス翼にも採用可能である。図７に異径マグナス翼５１にスパイラル状フィン４６を巻きつけた、異径スパイラルフィン型マグナス翼７０の例を示す。円周部での翼面積拡大効果と共にスパイラルフィン４６による円周方向の流れの整流板効果が得られる。フィンの角度として、風速とマグナス表面の自転速度との合計速度ベクトルとマグナス翼自転用による軸方向の流速ベクトルとの合成ベクトルとがフィンにほぼ直行するように取り付けた構造が良い。

図８にスパイラル状フィン４６と同様の効果を持つ異径スパイラル胴型マグナス翼８０を示す。このマグナス翼はスパイラル状フィン４６の代わりに、異径円筒にスパイラル状の段をつけた胴構造にすることによりスパイラル状フィンと同様の効果を得るものである。スパイラル段差の角度として、風速とマグナス表面の自転速度との合計速度ベクトルとマグナス翼自転用による軸方向の流速ベクトルとの合成ベクトルとが、フィンあるいは段差溝にほぼ直行するように取り付けた構造が風速を効率的に利用できる。スパイラル状フィン４６を取り付ける必要がないために、異物の飛来によりフィンが曲がったり外れたりすることがなく、フリーメンテナンス構造で高い風速に対しても強度を持つ。製造においては標準翼を一体成型により製造することも可能で、量産コストも期待でき、製造コストも安くなると予想される。

本発明のマグナス型風力発電設備の正面図、側面図である。本発明のマグナス翼（その１）である。本発明の整流板をマグナス翼に取り付けたものである。本発明のマグナス翼（その２）である。本発明のマグナス翼（その３）である。本発明のマグナス翼（その４）である。本発明のマグナス翼（その５）である。本発明のマグナス翼（その６）である。従来のマグナス型風力発電設備（米国特許4366386）の正面図、側面図である。スパイラルフィン円筒マグナス翼型風力発電設備（メカロ秋田の開発。特開2005-256605、2005-256606）のマグナス翼である。

符号の説明

２０ナセル
２２支柱
２４基礎
２８カバー
３０発電機
３１発電機回転軸
３２スピンナー
３４マグナス翼自転用駆動機
３６同径円筒型マグナス翼１
３８同径円筒型マグナス翼２
４０同径円筒型マグナス翼３
４４マグナス翼摺動部
４６スパイラルフィン
４７スパイラルフィン円筒型マグナス翼
５１異径円筒型マグナス翼１
５１ａ円錐型
５１ｂテーパ型
５１ｃ多段型
５１ｄバット型
５２異径円筒型マグナス翼２
５３異径円筒型マグナス翼３
５４異径円筒型マグナス翼４
６０ａ，ｂ，ｃ整流板
７０異径スパイラルフィン型マグナス翼
８０異径スパイラル胴型マグナス翼
８１段差溝

Claims

発電機機構の水平回転軸に、各個独立に自転する円筒（以下、マグナス翼と呼ぶ）を複数個放射状に軸支して配置し、各マグナス翼には自転用の駆動部を設けたマグナス型風力発電装置において、
前記の各個独立に自転するマグナス翼の水平回転軸部（固定側）での直径は小さく、円周部に向けて直径が大きくなる異径の円筒形状であることを特徴とするマグナス型風力発電装置
前記マグナス翼の異径円筒の形状は、
固定部直径端と円周部直径端を結ぶ線が直線となることを特徴とする請求項１に記載するマグナス型風力発電装置
マグナス翼の異径円筒の形状は、
固定部直径端と円周部直径端を結ぶ線が凹のテーパを有することを特徴とする請求項１に記載するマグナス型風力発電装置
マグナス翼の異径円筒において、
各個独立に回転するマグナス翼の自転軸に直角に、マグナス翼の直径よりも大きい直径を持つ円盤型整流板を軸長方向に直角に、単数あるいは複数個配置したことを特徴とする請求項１〜３に記載するマグナス型風力発電装置
前記マグナス翼の異径円筒の整流板取り付け部において、
マグナス翼を複数個に分割した構造として、現地組み立て可能としたマグナス翼としたことを特徴とする請求項４に記載するマグナス型風力発電装置
マグナス翼の異径円筒において、
異径マグナス翼には外周部にスパイラル状のフィンを取り付けたことを特徴とする請求項１〜３に記載するマグナス型風力発電装置。
マグナス翼の異径円筒について、
異径マグナス翼はスパイラル状の段差溝を持つ胴構造としたことを特徴とする請求項１〜３に記載するマグナス型風力発電装置。