JP2012092651A

JP2012092651A - 風力発電装置

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Publication number: JP2012092651A
Application number: JP2010237872A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Aoki; 美男青木; Yasuo Suzuki; 康夫鈴木
Original assignee: NATURAL INV KK; NATURAL INVENTION KK
Current assignee: NATURAL INV KK; NATURAL INVENTION KK
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2012-05-17

Abstract

【課題】風車や発電機が大型重量化した場合でも、風車支持装置や支柱の大型重量化を抑制しコスト低減を図ることができる高効率の風力発電装置を提供する。
【解決手段】水平回転軸をそれぞれ有し、所要の一方向に回転する前部プロペラ風車３とその逆方向に回転する後部プロヘラ風車４とを少なくとも有する複数の風車と、これら前部，後部プロペラ風車を風受け方向に並設して回転可能に支持し、これら風車の各水平回転軸を同軸状に配設したナセル２と、このナセルに配設されて前部，後部プロペラ風車の各水平回転軸により回転駆動される発電機と、ナセルを支持するタワー５と、を具備している。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、所要の一方向に回転する第１の風車と、その逆方向に回転する第２の風車とを少なくとも有する風力発電装置に関する。

現代において地球上のエネルギー問題は極めて緊急性を有する課題である。このために、従来から、自然エネルギーの風力を利用する風力発電装置も種々提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。そして、これら風力発電装置は、より高い効率の向上を求めて大型化の方向に進んでいる。

この風力発電開発の一つのテーマは、受風面積に入る全風力パワーの何割を風車の回転パワーに効率よく変換できるかにある。つまり、風力の風車回転力への変換効率を上げて、発電装置を搭載するタワー（支柱）１台当たりの発電量を増大させることが要請されている。

特開２００７−９８２２号公報特開２００７−８５３２７号公報

しかしながら、理想気体を対象とした空気力学的研究により、風力と電気変換効率には、図６で示すベッツの限界と呼ばれる上限値が存在する。図６はベッツの限界を示すグラフであり、図中横軸が風車による風速の減速の割合を示す誘導係数ａである。縦軸はいわゆる出力係数Ｃ_ｐで、風力パワーの電気出力への変換効率を示している。つまり、図６に示すように風速の減速率は、１／３程度が最適であり、その時、変換効率が最高となる。これがベッツの限界０．５９３（約５９％）である。しかも、この限界は、風上の風速と風車の所要面との風速の減速率から導き出されたもので風車のタイプ（型）に依存しない理論的限界である。

このために、従来の風力発電装置では、このベッツの限界を超えるものはない。そこで現在の風力発電装置の開発では、より大きな発電量を図るために大型化して受風面積を増やし、受風する風力エネルギーそのものを増大させ、一台あたりの発電量の増大を図っている。

このために、風車と発電機の大型重量化に伴ってこれら風車と発電機等の水平回転軸の回転モーメントも増大するので、これら風車と、発電機等を支持する風車支持装置であるナセルと、このナセルを空中高く支持する支柱（タワー）の大型重量化を招く、という課題がある。特に支柱のコストは一般にプロペラ型風力発電装置では、その全体のイニシャルコストの約１／４程度を占めるので、大きなコストアップを招くという課題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、風車や発電機が大型重量化した場合でも、風車支持装置や支柱の大型重量化を抑制しコスト低減を図ることができる高効率の風力発電装置を提供することにある。

本実施形態によれば、水平回転軸をそれぞれ有し、所要の一方向に回転する第１の風車とその逆方向に回転する第２の風車とを少なくとも有する複数の風車と、これら前部，後部の風車を風受け方向に並設して回転可能に支持し、これら風車の各水平回転軸を同軸状に配設した風車支持装置と、この風車支持装置に配設されて前記前部，後部の風車の各水平回転軸により回転駆動される発電機と、前記風車支持装置を支持する支柱と、を具備している。

本実施形態によれば、第１の風車と第２の風車の両水平回転軸が同軸状で逆回転するので、これら両水平回転軸の回転モーメント同士が相殺されて低減される。このために、風車と発電機を支持する風車支持装置とこの風車支持装置を支持する支柱の小型軽量化を図ることができ、ひいてはコスト低減を図ることができる。また、これら複数の水平回転軸により複数の発電機をそれぞれ駆動するので、発電量の増大を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示す模式図。図１で示すナセルと第１，第２のプロペラ風車の翼の一部をそれぞれ切欠いて示す要部側面図。図１，図２で示す第１，第２のプロペラ風車の翼の翼断面（エーロフォイル）と、受風による回転力等各種力との相対関係を示す図。本発明の第１の実施形態のスペックを示す表。本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置の模式図。ベッツの限界を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、これら複数の図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。

図１に示すように本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置１は、風車支持装置の一例であるナセル２に、前部，後部の風車であって、ほぼ同形、同大の前部プロペラ風車３と後部プロペラ４とを、図中矢印で示す受風の前後方向（図中左右方向）に所要の間隔を置いて回転可能に配設している。このナセル２は、支柱の一例であるタワー５により回動可能に支持されている。

上記前部プロペラ風車３と後部プロペラ風車４との所要の間隔とは、例えばこれら風車３，４の半径以内であればよい。すなわち、前部プロペラ風車３より後方の風は、前部プロペラ風車３から後方に向けて末広状に漸次拡径するので、これら両風車３，４の間隔が半径以上になると、前部プロペラ風車３からの後方風の垂直方向断面形状、すなわち、ナセル２の軸方向にほぼ平行に通風する受風の通風方向に対して直交する方向の断面形状が後部プロペラ風車４よりも大径になる。このために、後部プロペラ風車４により受風されずに、その直径方向外側を通風する風量が増大するので、後部プロペラ風車４の受風面積が減少する。このために、後部プロペラ風車４の風力パワーが低下する。

これに対して、前部，後部プロペラ風車３，４同士の間隔が近い場合には、後部プロペラ風車４が受ける受風の垂直断面形状の末広がりの拡径が少ないので、後部プロペラ風車４の受風の風速が約１／３程度減速するものの、受風面積の減少は抑制される。したがって、前部，後部プロペラ風車３，４同士の間隔は短いほど好ましい。

タワー５は、その図１中、下端部に、地面６より下の地中に埋設される基礎部５ａを一体に連成し、この基礎部５ａを、地中に埋設された基台７上に立設している。タワー５は、その下端部内に変圧器８を配設し、地面６上には、系統連係保護装置９、方位制御装置１０を配設している。系統連係保護装置９は、風力発電装置１により発電された電力を、変圧器８により所要の電圧に変圧した後、図示しない電力系統に連係させる。

方位制御装置１０は、風向を検出する風向検出器（図示省略）からの風向検出信号を受けて、ナセル２、すなわち、前部プロペラ風車３と後部プロヘラ４とを風の吹き出し方向（受風方向）に正対させる方角に制御するための方位制御信号を方位制御用モータ１０ａ（図２参照）に与える。方位制御用モータ１０ａは、例えばタワー５内の上端部に配設されたステップモータ等により構成されており、このステップモータの回転出力軸１０ｂの回転力によりナセル２の方角を制御し、タワー５内を挿通する図示しない配線により方位制御装置１０に電気的に接続されている。

ナセル２は、ほぼ円筒状のナセルハウジング２ａを具備している。このナセルハウジング２ａは、その図１，図２中、前端部に、先端部がドーム状の流線形状のフロントフェアリング２ｂを一体に形成し、後端部には風向板の一例である単一または複数の尾翼２ｃ，２ｃを形成している。また、ナセルハウジング２ａは、このフロントフェアリング２ｂの後方（図１，図２では右側方）に、円筒状の前部ロータ部３ａを回転可能に同心状に設け、さらに、この前部ロータ部３ａの後方に、円筒状の後部ロータ部４ａを同心状に回転可能に配設している。これら前部，後部の両ロータ部３ａ，４ａは、これらロータ部３ａ，４ａ本体内に配設された図示省略のベアリングを介してナセルハウジング２ａにより回転可能に支持されている。

前部，後部ロータ部３ａ，４ａは、その各円筒状外周面に、周方向に例えば１２０°等所要のピッチを置いて、前部，後部プロペラ風車３，４の複数、例えば３枚の翼３ｂ，３ｂ，３ｂ、４ｂ，４ｂ，４ｂをそれぞれ固着している。

そして、これら前部，後部プロペラ風車３，４は、その回転方向が相互に逆転するように各翼３ｂ，４ｂの翼横断面形状を正反対に形成している。すなわち、図３に示すように前部，後部プロペラ風車３，４は、その各一面をほぼ平坦面に形成する一方、その他面の曲面側の形状を前部，後部プロペラ風車３，４で正反対に形成している。つまり、前部プロペラ風車３はその曲面側を、各翼３ａの、翼横断面形状を、例えば図１，図２中、前縁部を山形の肉厚部ａ（図３参照）に形成し、後縁部に行くに従って漸次薄くなる薄肉部ｂに一体に連成している。

これに対し、後部プロペラ風車４は、その曲面側を、例えば図１，図２中、前縁部を薄肉部ｂに形成し、後縁部に行くに従って漸次厚くなる山形の肉厚部ａに一体に連成している。但し、前部，後部プロペラ風車３，４は、上記曲面側形状を逆に形成してもよい。すなわち、前部プロペラ風車３の翼横断面形状を上記後部プロペラ風車４の翼断面形状のように、前縁部を薄肉部ｂに形成する一方、後縁部を厚肉部ａに形成してもよい。また、後部プロペラ風車４の翼横断面形状を上記前部プロペラ風車３の翼断面形状のように前縁部を厚肉部ａに形成する一方、後縁部を薄肉部ｂに形成してもよい。

図３は、これらプロペラ風車３，４が風を受けたときに、その風速と風向によって、どのような回転力（接線力）ｄＴが生ずるかを示す。前部，後部プロペラ風車３，４の各翼３ｂ，４ｂに風が当たると、その翼の翼型とピッチ角によって、揚力ｄＬと抗力ｄＤが生ずる。接線力ｄＴはその揚力ｄＬと抗力ｄＤの回転面への投影を合成したものである。この接線力ｄＴにより前部，後部プロペラ風車３，４を回転させる。

次に、これら前部，後部プロペラ風車３，４のエネルギー変換効率について述べる。

まず、出力係数Ｃ_ｐは、前部，後部プロペラ風車３，４の回転面積（受風面積）を単位時間当りに通過する気流の運動エネルギーと風力発電出力の比で定義され、総合効率に相当する。つまり、次式が成立する。
［数１］
Ｃ_ｐ＝Ｐ／（１／２）ρｖ^３Ａ
ここで、Ｐ：発電出力、ρ：空気密度、ｖ：風速、Ａ：受風面積である。
また、出力係数Ｃ_ｐは風速比とピッチ角の関数であり、相似則が成り立つ。ここで、風速比λは、半径×角速度／流入風速＝ＲΩ／ｖである。

Ｃ_ｐの解析式は以下の通りである。

ある受風面積の風力エネルギーをいかに風車の回転エネルギーに変換できるかは、前部，後部プロペラ風車３，４の出力係数Ｃ_ｐを周速比λの関数として示す風車の特性曲線により表わすことができる。

なお、空気力学の理論的研究から、損失のない理想流体では、出力係数Ｃ_ｐ最大値は１６／２７＝０．５９３であり、これをベッツの限界という。これは風力を利用しての発電出力は最大でも０．５９３倍にしかならないということであり、現実の設計では例えば最大値は０．４５付近である。

そして、図２に示すように前部プロペラ風車３は、その前部回転ロータ３ａに、前部水平回転軸１１を同心状に固着している。この前部水平回転軸１１は調速機の一例である前部増速機１２の入力軸に接続される。この前部増速機１２により所要の回転数（回転速度）に制御される。前部増速機１２の出力軸１２ａは発電機１３の図２中前面側から内部に延在して、図示しない電機子と界磁の一方、例えば電機子に同心状に接続され、この出力軸１２ａにより電機子が回転駆動される。発電機１３は、例えば永久磁石形同期発電機や誘導発電機等からなり、電機子と界磁が同心状に逆回転して発電するように構成されている。

一方、後部プロペラ風車４は、その後部回転ロータ４ａに、後部水平回転軸１４を同心状に固着している。この後部水平回転軸１４は後部増速機１５の入力軸に接続される。この後部増速機１５の出力軸１５ａは発電機１３の図２中、背面側から、その内部に延在して、界磁に接続され、界磁を回転駆動する。これら前部，後部水平回転軸１１，１４と、前部，後部増速機１２，１５の各出力軸１２ａ，１５ａとはみな同軸状に配設されている。

次に、上記風力発電装置１の作用を説明する。図１に示すように、風力発電装置１が図中矢印で示す方向から風を受けると、前部プロペラ風車３は、その翼横断面形状により発生する揚力により、例えば図１中矢印方向に回転（これを例えば正転という）する。

これにより、前部プロペラ風車３の後方の風の風速は前部プロペラ風車３が受ける風速のほぼ２／３に減速して後部プロペラ風車４に対して向い風となって受風される。すなわち、前部プロペラ風車３を通風した後方風は、軸方向の風速が例えば約１／３程度減速して２／３程度になるものの、前部プロペラ風車３の回転により、後部プロペラ風車４の回転方向と同じ方向の回転力が付与される。これにより、後部プロペラ風車４の回転パワーが増大する。後部プロペラ風車４はその翼横断面形状が前部プロペラ風車３と前後方向（前縁部と後縁部）の形状が正反対であるために前部プロペラ風車３とは反対方向へ回転、すなわち逆転する。

このために、前部プロペラ風車３の前部ロータ３ａと前部水平回転軸１１が正転し、前部増速機１２により所要の単位時間当りの回転数（回転速度）に制御されてから発電機１３の電機子を正転させる。

一方、後部プロペラ風車４の後部ロータ４ａと後部水平回転軸１４が逆転し、後部増速機１５により所要の回転速度に制御されてから発電機１３の界磁を逆転させる。

このために、発電機１３は、その例えば電機子と界磁とを相互に逆転させるので、電機子と界磁の一方をステータとして静止させる場合に比して、界磁と電機子との相対的な回転速度をほぼ２倍に増加させることができるので、発電機１３の電気出力を例えば約２倍程度に増大させることができる。この発電機１３の全体の電気出力等は図４で示す表の通りである。

なお、表中、Ｄは比例定数であり、風力パワー（ＰＷ）は風速ｖの３乗に比例する。

また、前部，後部プロペラ風車３，４の発電パワーＰ１，Ｐ２は、次式によりそれぞれ算出される。
［数３］
Ｐ１＝Ｃｐ×ＰＷ１＝０．５９３×Ｄｖ^３ ……（１）
Ｐ２＝Ｃｐ×ＰＷ２＝０．５９３×Ｄ（２ｖ／３）^３ ……（２）

さらに、風力発電装置１全体の発電力（Ｐｏ）と、風力電力変換効率（Ｃｐ）は次の通りである。
［数４］
Ｐｏ＝０．５９３・Ｄｖ^３（１＋８／２７） ……（３）
Ｃｐ＝Ｐ／ＰＷ１＝０．５９３×３５／２７＝０．７７ ……（４）

しかし、この風力発電装置１全体の変換効率（Ｃ_ｐ０）０．７７は、空気を粘性の無い理想気体として想定した場合の計算値であり、実際の空気の場合の変換効率は上述したように例えば０．４５程度であるから、実際の変換効率は０．７７×０．４５／０．５９３＝０．５８となる。しかし、この変換効率は理想気体を前提とするベッツの限界に近い効率である。

そして、前部，後部両プロペラ風車３，４は、２対以上設けてもよく、その場合の変換効率は等比級数的に向上する。さらに、前部，後部プロペラ風車３，４は、これらの半径以内の間隔を置いて３台以上設けてもよく、この場合の変換効率の限界値は次の（５）式に示すように約０．８４程度になると考えられる。

また、風力発電装置１は、前部，後部プロペラ風車３，４により１台の発電機１３の電機子と界磁を相互に逆転させ、これらの相対速度を例えば２倍に増加させているので、ほぼ２倍の電力を発電し出力することができる。

この発電機１３の電力は変圧器８と系統連係保護装置９を介して図示しない電力系統に供給される。

そして、前部プロペラ風車３の前部水平回転軸１１および前部増速機１２の出力軸１２ａと、後部プロペラ風車４の後部水平回転軸１４および後部増速機１５の出力軸１５ａとがみな同一軸上にあって、相互に逆転するので、これらの回転モーメントを相殺し、低減することができる。

このために、発電機１３に負荷される回転モーメントを低減することができるうえに、前部，後部ロータ３ａ，４ａ、前部，後部水平回転軸１１，１４を回転可能に支持する図示省略のベアリングや前部，後部増速機１２，１５に負荷される回転モーメントも相殺されて低減され、その機械的強度の軽減を図ることができる。

これにより、前部，後部ロータ３ａ，４ａ、前部，後部水平回転軸１１，１４、前部，後部増速機１２，１５、発電機１３を内部に収容し支持するナセルハウジング２ａの回転モーメントも低減でき、その機械的強度の軽減を図ることができる。

その結果、ナセルハウジング２ａの小型軽量化を図ることができ、ひいてはこのナセルハウジング２ａを支持するタワー５の機械的強度の軽減を図ることができるので、その小型軽量化も図ることができる。これにより、風力発電装置１のコスト低減を図ることができる。特に、タワー５は風力発電装置１の製造コストの例えばほぼ１／４程度を占めるので、このタワー５のコスト低減効果は大きい。

さらに、ナセルハウジング２ａは、発電機１３の前後に、図２に示すように前部，後部ロータ３ａ，４ａ、前部，後部水平回転軸１１，１４、前部，後部増速機１２，１５およびその出力軸１２ａ，１５ａを、それぞれ対称に配置し、重量が比較的重い発電機１３の下部の重心部にて、タワー５により支持されているので、ナセル２の重量バランスをとることができる。このために、発電機１３の前後に発生する回転モーメントの大きさがほぼ等しくなるので、回転モーメントの相殺量、すなわち、低減量の増大を図ることができる。タワー５によるナセルハウジング２ａの支持の安定性の向上を図ることができる。

また、風力発電装置１は、ナセル２の方位を、方向板２ｃと方位制御装置１０の両者により、風受け方向に制御するので、方位制御装置１０のみにより方位制御する場合に比して方位制御装置１０の駆動電力の低減を図ることができる。

図５は本発明の第２の実施形態に係る風力発電装置１Ａの斜視図である。この風力発電装置１Ａは、前部プロペラ風車３を、これよりも直径が小さい小形前部プロペラ風車１６に置換した点に特徴があり、これ以外の構成は、上記第１の実施形態に係る風力発電装置１とほぼ同様の構成である。

この風力発電装置１Ａによれば、小形前部プロペラ風車１６が上記前部プロペラ風車３よりも小径であるので、その分、回転トルクが低下するので、風力パワーが低下し発電機１３の電機子の回転速度が低下する。

しかし、小形前部プロペラ風車１６の後方で、これよりも大径の後部プロペラ風車４の受風面積が小形前部プロペラ風車１６よりも大きい分増大するので、その分、後部プロペラ風車４の風力パワーが増大し、発電機１３の界磁速度を上げることができる。このために、小形前部プロペラ風車１６による回転速度の低下分を所要量補償することができる。このために、風力発電装置１Ａの全体の変換効率の低下を抑制できる。

また、小形前部プロペラ風車１６と後部プロペラ風車４の前後を入れ替えて、後部プロペラ風車４を小形前部プロペラ風車１６に置換してもよい。これによっても、風力発電装置１Ａとほぼ同様の作用効果を奏することができる。なお、上記各実施形態では、前部，後部増速機１２，１５を具備した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、前部，後部増速機１２，１５を削除して前部，後部水平回転軸１１，１４により直接発電機１３を回転駆動するように構成してもよい。この場合、発電機１３の出力電力の周波数をインバータにより所要周波数に変換してから変圧器８により所要電圧に制御し、系統連係保護装置９により電力系統に連係させてもよい。また、発電機１３から出力された交流電力を整流器により直流に整流して蓄電池に充電させ、この直流をインバータにより所要周波数の交流に再び変換して変圧器８と系統連係保護装置９を介して電力系統に連係させてもよい。

以上、本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，１Ａ…風力発電装置、２…ナセル、２ａ…ナセルハウジング、３…前部プロペラ風車、３ａ…前部ロータ、３ｂ，４ｂ…翼、４…後部プロペラ風車、４ａ…後部ロータ、５…タワー、１０…方位制御装置、１０ａ…方位制御用モータ、１０ｂ…回転出力軸、１１…前部水平回転軸、１２…前部増速機、１２ａ…出力軸、１４…後部水平回転軸、１５…後部増速機、１５ａ…出力軸、１６…小形前部プロペラ風車。

Claims

水平回転軸をそれぞれ有し、所要の一方向に回転する第１の風車とその逆方向に回転する第２の風車とを少なくとも有する複数の風車と、
これら前部，後部の風車を風受け方向に並設して回転可能に支持し、これら風車の各水平回転軸を同軸状に配設した風車支持装置と、
この風車支持装置に配設されて前記前部，後部の風車の各水平回転軸により回転駆動される発電機と、
前記風車支持装置を支持する支柱と、
を具備していることを特徴とする風力発電装置。
前記第１の風車と第２の風車は、その翼横断面形状を、それらの揚力を発生させる方向が相互に逆向きになるように形成されたプロペラ風車であることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
前記発電機は、前記前部，後部の風車の一方により回転駆動される界磁と、その他方の風車により回転駆動される電機子と、を具備していることを特徴とする請求項１または２記載の風力発電装置。
前記前部，後部の風車は、その一方を他方よりも小径に形成していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記風車支持装置は、前記第１の風車と第２の風車の中間位置に、前記発電機を配設していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記風車支持装置は、前記前部，後部の風車の各水平回転軸の回転数を制御する調速機をそれぞれ配設していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記風車支持装置は、前記支柱に、その中心軸回りに回転可能に支持され、前記風車支持装置を、風を受けた方向に向ける風向板を具備していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記支柱は、前記風車支持装置を、その重心部で回転可能に支持していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の風力発電装置。