JP2012092816A

JP2012092816A - 風力発電装置

Info

Publication number: JP2012092816A
Application number: JP2010243064A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Yoshida; 茂雄吉田; Ikuo Tobinaga; 育男飛永
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-17
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: US20120107126A1; EP2447523B1; EP2447523A1; JP5711500B2

Abstract

【課題】ロータのオーバハングを短縮し、ナセルの軽量化が可能なダウンウィンド型の風力発電装置を提供する。
【解決手段】発電機を収容するナセル１０と、上端部がナセルに接続され下端部が基部に固定されたタワー２０と、ナセルに対して通常使用時における風下側に配置され、風力を受けて回転することにより発電機を駆動するロータ３０とを備える風力発電装置１を、ロータは、回転可能に支持されたハブ３１及びハブから放射状に延びて配置された複数のブレード３２を有し、ブレードは、無負荷時において、ハブに取り付けられる翼根部３２ａとロータ外径側の翼端部３２ｂとを結んだ直線に対して、中間部３３ｃが風下側に張り出すように湾曲して形成されたプリベント翼であり、所定のコーニング角で取り付けられる構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ナセルの風下側にロータが設けられたダウンウィンド型の風力発電装置に関し、特にナセルの全長を短縮したものに関する。

風力発電装置は、タワーの上部に設けられたナセル内に収容される発電機を、風車であるロータによって駆動して発電を行なうものである。
このような風力発電装置には、ロータが通常使用時におけるナセルの風上側に配置されたアップウィンド型、風下側に配置されたダウンウィンド型がある。
ダウンウィンド型の風力発電装置は、吹き上げ風による発電性能に優れ、また、暴風待機時の安全性に優れていることが知られている。
例えば特許文献１には、このようなダウンウィンド型の風力発電装置が記載されている。

また、風力発電装置のブレードは、その運用時に風力等によって撓みが生じる。
風力発電装置においては、このような場合であってもブレードがタワー等の他部材と干渉しないように設計する必要がある。
風力発電装置用のブレードとして、風力を受けて撓んだ場合であってもタワーとのクリアランスを適切に維持するように、翼端部が風上側に反ったプリベント翼を用いることが提案されている。
例えば特許文献２には、アップウィンド型の風力発電装置において、ブレードのプリベンディングを考慮することが記載されている。しかし、通常風力に起因する撓みによるブレードとタワーとの接近が問題とはならないダウンウィンド型の風力発電装置へのプリベント翼の適用については記載も示唆もされていない。

特開昭５９−１４７８７９号公報特開２００９−１５６２６０号公報

ダウンウィンド型の風力発電装置においては、運用時にロータがタワーと接触することがないよう、ロータの取付位置をタワーから十分に離間させる必要がある。
しかし、従来ハブの位置をタワーから風下側に遠ざけるためには、タワーからロータ回転中心までの水平距離であるロータオーバハングを延長する必要があったことから、ナセルの全長が長くなりナセルが大型化して重量も増大してしまう。
本発明の課題は、ロータのオーバハングを短縮し、ナセルの軽量化が可能なダウンウィンド型の風力発電装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、発電機を収容するナセルと、上端部が前記ナセルに接続され下端部が基部に固定されたタワーと、前記ナセルに対して通常使用時における風下側に配置され、風力を受けて回転することにより前記発電機を駆動するロータとを備える風力発電装置であって、前記ロータは、回転可能に支持されたハブ及び前記ハブから放射状に延びて配置された複数のブレードを有し、前記ブレードは、無負荷時において、ハブに取り付けられる翼根部とロータ外径側の翼端部とを結んだ直線に対して、中間部が前記風下側に張り出すように湾曲して形成されたプリベント翼であり、前記ブレードの前記翼根部近傍の領域は、前記ロータの内径側に対して外径側が前記風下側となるように前記ロータの回転中心軸と直交する平面に対して傾斜して配置されることを特徴とする風力発電装置である。

本発明によれば、ブレードの翼部とタワーとのクリアランスを適度に維持しつつ、ハブ位置をタワー側に接近させて配置することが可能となり、ロータの回転中心とタワーとの水平方向距離であるロータオーバハング量を短縮することができる。
これによって、ナセルの軽量化を図ることができ、ナセル及びこれを支持するタワー等も構造の簡素化を図ることができる。

本発明を適用した風力発電装置の実施例の模式的側面図である。本発明の比較例である風力発電装置の模式的側面図である。

本発明は、ナセルの全長を短縮可能なダウンウィンド型の風力発電装置を提供する課題を、翼端部がタワー側へ沿ったプリベント翼のブレードを、所定のコーニング角で装着し、ブレード通過位置とタワーとのクリアランスを維持しつつロータオーバハングを短縮することによって解決した。

以下、本発明を適用した風力発電装置の実施例について説明する。
図１は、本発明を適用した風力発電装置の実施例の模式的側面図であって、通常使用時における風向と直交する水平方向から見た状態を示すものである（後述する図２において同じ）。
風力発電装置１は、ナセル１０、タワー２０、ロータ３０等を備えて構成されている。
ナセル１０は、図示しない発電機、変圧器、制御盤、潤滑装置、冷却装置などが収容される部分である。また、ナセル１０には、ロータ３０の回転を増速して発電機に伝達する増速機構が必要に応じて設けられる。
ナセル１０は、上述した各装置類を図示しないナセル架台に搭載し、その周囲をカバーで覆って構成されている。

タワー２０は、ナセル１０を高所に支持するものである。タワー２０は、鉛直方向に略沿って延びたほぼ円柱状の支柱として形成されている。
タワー２０の下端部は、地上、海底及び洋上設置される浮体に設けられた図示しない基部に固定されている。
タワー２０の上端部は、ナセル１０の下部に接続されている。
ナセル１０は、タワー２０に対して、ヨー方向に回動可能に取り付けられている。

ロータ３０は、風力を受けて回転し、ナセル１０内の発電機を駆動する風車である。
ロータ３０は、ハブ３１、ブレード３２等を備えて構成されている。
ハブ３１は、ナセル１０に回転可能に支持され、発電機の主軸に接続されている。
ブレード３２は、ハブ３１から放射状に延びて複数設けられた翼部である。
ブレード３２は、気流が流入することによって、ロータ３０を回転させる方向への揚力を発生する翼型を有し、ピッチ角が変更可能なようにハブ３１に取り付けられている。

ブレード３２は、翼根部３２ａ、翼端部３２ｂ、中間部３２ｃを有して形成されている。
翼根部３２ａは、ハブ３１に取り付けられる基部である。
翼端部３２ｂは、ロータ３０の外径側の端部である。
中間部３２ｃは、翼根部３２ａと翼端部３２ｂとの中間に設けられた領域である。

図１に示すように、ブレード３２は、無負荷状態（スラストを発生しない状態）において、翼根部３２ａと翼端部３２ｂとを結んだ直線Ｌに対して、中間部３２ｃが通常使用時における風下側へ張り出すよう湾曲したプリベント翼となっている。
すなわち、翼端部３２ｂ近傍の領域は、タワー２０側へ反るように形成されている。
ブレード３２のロータ３０回転中心からの半径と、プリベント角度及びプリベント量の一例を表１に示す。

また、ブレード３２の翼根部３２ａ近傍の領域には、ハブ３１から外径側へ遠ざかるにつれて風下側となるように、ロータ３０の回転中心軸と直交する平面に対して傾斜するコーニング角θが付与されている。
このコーニング角θは一般的なダウンウィンド型風力発電装置におけるコーニング角よりも大きく設定される。

以下、上述した実施例による効果を、以下説明する本発明の比較例と対比して説明する。
なお、比較例において、上述した実施例と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図２は、比較例の風力発電装置の模式的側面図であって、比較のため実施例の風力発電装置も破線によって図示している。

比較例の風力発電装置１Ａは、実施例におけるロータ３０のブレード３２を、以下説明するブレード３３としたものである。
ブレード３３は、無負荷状態において、中間部３３ｃが翼根部３３ａと翼端部３３ｂとを結んだ直線にほぼ沿って配置された非プリベント翼である。

実施例、比較例のようなダウンウィンド型の風力発電装置においては、ブレード３２，３３はスラスト発生時に翼端部３２ｂ，３３ｂが風下側、すなわちタワー２０から遠ざかる方向に撓むが、曲げ振動の発生によって翼端部３２ｂ，３３ｂが風上側に変位した場合を考慮し、タワー２０とブレード３２，３３とのクリアランスを十分に確保する必要がある。
このため、比較例においては、ナセル１０をタワー２０よりも風下側に延長し、その端部に非プリベント翼であるブレード３３を有するロータ３０のハブ３１を取り付ける構成となっており、ロータオーバハングが比較的大きくなってナセル１０の大型化、重量増が問題となる。

これに対して、実施例によれば、ブレード３２の翼端部３２ｂがタワー２０側へ曲がったプリベント翼とし、さらに、翼根部３２ａにコーニング角を付与してハブ３１に取り付けることによって、タワー２０との干渉が問題となり得る翼端部３２ｂの通過位置をタワー２０から離して、干渉防止に必要なクリアランスを確保しながら、ハブ３１を比較例に対してタワー２０側（風上側）に配置することが可能となり、ロータオーバハングを短縮して、ナセル１０のタワー２０から風下側への延長部分を短くすることができる。
その結果、ナセル１０のコンパクト化、軽量化が可能となり、これによってタワー２０等の構造も簡素化することができる。
例えば、実施例の場合においては、ロータ３０の半径が一例として４０ｍである場合に、ロータオーバハングを例えば８３０ｍｍ短縮し、タワー２０の中心からハブ３１の中心までの水平距離を例えば約３．４ｍから約２．６ｍに短縮することが可能である。
発明者らの概算によると、ロータオーバハングが１０％短縮した場合、ナセル１０全体の重量を約１０％軽量化できることがわかっており、本実施例によれば、ナセル１０を例えば２０％以上軽量化してナセル１０、タワー２０等の構造を簡素化することが可能となる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）実施例におけるブレードのプリベント量、角度などは一例であって、風力発電装置のサイズやロータ以外の部分の構成等に応じて適宜変更することが可能である。
（２）風力発電装置を構成する各部分の形状、構造、配置等は、実施例の構成に限らず適宜変更することができる。例えば、実施例ではナセル内に変圧器や制御盤などを搭載しているが、これらの一部又は全部をタワー内や地上等に配置することも可能である。また、増速機構の有無も適宜設定することが可能である。

１、１Ａ風力発電装置１０ナセル
２０タワー３０ロータ
３１ハブ３２ブレード
３２ａ翼根部３２ｂ翼端部
３２ｃ中間部Ｌ直線
３３ブレード３３ａ翼根部
３３ｂ翼端部３３ｃ中間部
θ コーニング角

Claims

発電機を収容するナセルと、
上端部が前記ナセルに接続され下端部が基部に固定されたタワーと、
前記ナセルに対して通常使用時における風下側に配置され、風力を受けて回転することにより前記発電機を駆動するロータと
を備える風力発電装置であって、
前記ロータは、回転可能に支持されたハブ及び前記ハブから放射状に延びて配置された複数のブレードを有し、
前記ブレードは、無負荷時において、ハブに取り付けられる翼根部とロータ外径側の翼端部とを結んだ直線に対して、中間部が前記風下側に張り出すように湾曲して形成されたプリベント翼であり、
前記ブレードの前記翼根部近傍の領域は、前記ロータの内径側に対して外径側が前記風下側となるように前記ロータの回転中心軸と直交する平面に対して傾斜して配置されること
を特徴とする風力発電装置。