JP2012163049A - 風車翼およびこれを備えた風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造により、フェザリング時に突発的な横風を受けても、風車翼に過大な力が加わらないようにする。
【解決手段】風車翼９は、フェザリング時における受風面積減少のため、その背側と腹側とを連通する開口部１５と、この開口部１５を開閉可能に閉塞する蓋部材１６とを有する。開口部１５は、風車翼９の翼根を基点として５０％以上先の範囲に設けるのが好ましい。蓋部材１６は、アクチュエータ２１の動力により閉塞位置と開放位置との間を回動するルーバ型である。アクチュエータ２１は風車翼９の外部（例えばロータハブ８の内部）に設けられ、アクチュエータ２１から蓋部材１６まで風車翼９の内部を通るリンケージ部材２２が配設され、アクチュエータ２１の動力がリンケージ部材２２を経て蓋部材１６に伝達される。蓋部材１６が開くと風車翼９の受風面積が減少し、フェザリング時に突発的な横風を受けても風車翼９に過大な力が加わらない。
【選択図】図５

Description

本発明は、フェザリング時において、突発的な横風により風車翼に過大な力が加わることを防止するようにした風車翼およびこれを備えた風力発電装置に関するものである。

標準的な水平軸アップウィンド型の風力発電装置は、回転中心部となるロータハブに複数の風車翼が取り付けられてなる風車回転翼を備えており、この風車回転翼が、タワーの上端にてヨー旋回可能に支持されたナセルの前面に軸支され、風車回転翼の回転により、ナセルの内部に設置された発電機が駆動されて発電が行われるように構成されている。ナセルは、ロータハブ（風車回転翼）の回転中心軸線が常に風上方向に指向して効率良く発電できるように旋回駆動制御される。

近年では、特許文献１等に開示されているように、風車回転翼に設けられた各風車翼を、油圧等の駆動源によりロータハブに対して回動させ、各風車翼のピッチ角（迎え角）を変化させるピッチ角制御機構が設けられている。このピッチ角制御機構により風車翼は、風力が弱い時にはピッチ角が大きくなるファイン側に回動され、風力が強い時にはピッチ角が小さくなるフェザー側に回動される。これにより、風力の大小による影響を最小限に抑えて、発電機を定格回転速度付近に維持して発電させることができる。

また、風が非常に強くなった時には、風車翼やタワー等の強度限界を超える荷重が作用する虞があるため、ナセルを風上方向に向けるとともに、各風車翼のピッチ角を最もフェザー側に回動させて（フェザリング）風車翼を風向きと略平行にすることにより風を完全に逃がし、ブレーキ装置で回転軸の回転を制動させて風力発電装置の破損を防止する制御がなされている。風力発電装置の安全装置が異常を検出した時も同様である。

特許文献１に開示されている風力発電装置では、ナセル等に設けた圧力センサにより風圧を検知し、風圧が所定以上の値である場合に、風車翼のピッチ角を小さくしてフェザリングに入るように制御している。

特開２０１０−２０９８８０号公報

しかしながら、上述のように、強風時においてナセルを風上方向に向け、風車翼のピッチ角をフェザー側に回動させて風車回転翼の回転を停止させたとしても、風には乱れがあり、その風向は時々刻々と変化するため、例えば突発的な横風が発生した場合には、フェザリング状態にある風車翼に強い横風が当たって風荷重が過大になる虞がある。特に、フェザリング時には風車回転翼の回転が制動されているため、上記のような強い横風が風車翼に当たると、風車翼の翼根部に設計値を上回る過大な曲げモーメントが掛かる懸念がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、簡素な構造により、フェザリング時に風車翼が突発的な横風を受けても、風車翼に過大な力が加わることを防止することのできる風車翼およびこれを備えた風力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
即ち、本発明に係る風車翼の第１の態様は、背側と腹側とを連通する少なくとも１つの開口部と、前記開口部を開閉可能に閉塞する蓋部材とを具備することを特徴とする。

上記構成によれば、フェザリング時に蓋部材を開いて開口部を開放することにより、その開口面積の分だけ風車翼の受風面積を減少させることができる。したがって、簡素な構造により、フェザリング時に突発的な横風が吹いても、風車翼の翼根部に過大な曲げモーメントが加わることを防止することができる。通常運転時には、蓋部材によって開口部を閉塞することにより、通常の風車翼と同様な性能を発揮させることができる。

また、本発明に係る風車翼の第２の態様は、前記第１の態様において、前記開口部は、前記風車翼の翼長において、翼根を基点として５０％以上先の範囲に設けられていることを特徴とする。

上記構成とした場合、風車翼の翼長において、翼根を基点として５０％以上先の範囲は、５０％未満の範囲に比べて、風を受けた時に風車翼を曲げようとする力が強いため、この範囲に開口部を設けることにより、フェザリング時に突発的な横風を受けた場合に、風車翼の翼根部に過大な曲げモーメントが加わることを緩和することができる。

また、本発明に係る風車翼の第３の態様は、前記第１または第２の態様において、前記蓋部材は、アクチュエータの動力により前記開口部の閉塞位置と開放位置との間を移動することを特徴とする。上記構成により、開口部の開閉機構を簡素に構成することができる。

また、本発明に係る風車翼の第４の態様は、前記第３の態様において、前記アクチュエータは前記風車翼の外部に設けられると共に、前記風車翼の内部を通り、前記アクチュエータの動力を前記蓋部材に伝達するリンケージ部材が配設されたことを特徴とする。

上記構成によれば、重量の大きなアクチュエータが風車翼の外部に設けられ、風車翼の内部には配置されないため、アクチュエータにより風車翼の重量が増大することを回避し、風車翼を軽量に構成してその製造を容易にすることができる。

また、本発明に係る風車翼の第５の態様は、前記第１〜第４のいずれかの態様において、前記蓋部材は、複数のルーバを備えたルーバ型であり、これら複数のルーバが同期して前記閉塞位置と前記開放位置との間を回動することを特徴とする。

上記構成によれば、蓋部材が複数のルーバからなるために、各ルーバが開放位置にある状態でも、各ルーバが風車翼の表面から突出しないようにして、ルーバの突出による耳障りな風切音の発生を抑制することができる。

また、本発明に係る風力発電装置は、前記第１〜第５のいずれかの風車翼を備え、前記風車翼のフェザリング時に、前記開口部を開放することを特徴とする。このため、簡素な構造により、フェザリング時において風車翼に突発的な横風による過大な力が加わることを防止することができる。

以上のように、本発明に係る風車翼およびこれを備えた風力発電装置によれば、簡素な構造により、フェザリング時に風車翼が突発的な横風を受けても、風車翼に過大な力が加わることを防止することができる。

本発明に係る風車翼を適用可能な風力発電装置の一例を示す正面図である。 風車翼がフェザリング状態にある風力発電装置の正面図である。 本発明の一実施形態を示す風車翼の平面図である。 図３のIV-IV線に沿う風車翼の縦断面図である。 ロータハブ、風車翼、開口部、蓋部材、アクチュエータ、リンケージ部材等の位置関係を示す風車翼の平面図である。 開口部における蓋部材の開閉機構および開閉状態を示す縦断面図である。

以下に、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る風車翼を適用可能な風力発電装置の一例を示す正面図である。
この風力発電装置１は、例えば地中に埋設された鉄筋コンクリート製の基礎３上に立設されたタワー４と、このタワー４の上端部に設置されたナセル５と、ナセル５の前端部側に設けられた風車回転翼６とを有している。

風車回転翼６は、ナセル５の前面にて略水平な横方向の回転軸線周りに回転自在に軸支されたロータハブ８と、このロータハブ８に取り付けられて放射方向に延びる複数枚（例えば３枚）の風車翼９と、ロータハブ８の内部に設けられたピッチ角制御機構１０とを備えて構成されている。ピッチ角制御機構１０は、風車翼９をロータハブ８に対して捩る方向に回動させることにより、風車翼９のピッチ角を変更する機構である。

ナセル５の内部には図示しない発電機が収容設置され、風車回転翼６（ロータハブ８）の回転軸が発電機の主軸に増速機を介して連結されているため、風車翼９に当たった外風の風力が、風車回転翼６を回転させる回転力に変換され、これにより発電機が駆動されて発電が行われる。

ナセル５は、風車回転翼６と共に、タワー４の上端において水平方向に旋回することができ、図示しない駆動装置と制御装置により、常に風上方向に指向して効率良く発電できるように制御される。また、ピッチ角制御機構１０の主要な機構部はロータハブ８の内部に収容されており、一般には油圧等の駆動源により各風車翼９をロータハブ８に対し回動させてピッチ角を変更する。そして、随時変化する風力に応じて、適切な回転速度となるピッチ角が選定される。

風が非常に強くなった時には、図２に示すように、ピッチ角制御機構１０によって全ての風車翼９のピッチ角がフェザー側に回動され、風車翼９を風向きと略平行にすることにより風を完全に逃がすフェザリング状態とし、風車回転翼６の回転を停止させる制御がなされる。そして、図３および図４に示すように、各風車翼９には、フェザリング時に風車翼９の受風面積を減少させて横風による悪影響を抑制するための開口部１５が設けられている。

開口部１５は、風車翼９の背側と腹側とを連通する例えば矩形の貫通穴として各風車翼９の先端側の受風面に少なくとも１つ形成されており、開閉可能な蓋部材１６を備えている。蓋部材１６は、例えば複数のルーバ１６ａ〜１６ｅを備えたルーバ型であり、これら複数のルーバ１６ａ〜１６ｅが同期して閉塞位置１６Ａと開放位置１６Ｂとの間を回動し、フェザリング時には一斉に開放位置１６Ｂに回動して開口部１５を開くため、開口部１５の面積分だけ風車翼９の受風面積が減少する。なお、各ルーバ１６ａ〜１６ｅは内開き式であり、その閉塞位置１６Ａにおいては各ルーバ１６ａ〜１６ｅの表面が風車翼９の外面に対して連続する平滑面となり、開放位置１６Ｂにおいては各ルーバ１６ａ〜１６ｅが風車翼９の外面よりも内側に没入する。

図４に示すように、風車翼９には厚みがあるため、開口部１５の蓋部材１６を構成するルーバ１６ａ〜１６ｅは、風車翼９の背側と腹側の両面に設置されている。また、一般に風車翼９は内部に梁を持つものの、空洞構造体であるため、開口部１５から流入した外気（横風）が風車翼９の内部空洞内に進入したり、風切音が発生することを防止するために、開口部１５の内周を覆うように側壁１８ａ〜１８ｃが形成されている。なお、梁の一部を側壁１８ａ，１８ｂとして利用しても良い。

このような開口部１５を各風車翼９に形成し、フェザリング時に開口部１５（蓋部材１６）を開いて風車翼９の受風面積を減少させることにより、フェザリング時に突発的な横風が吹いても、この横風が開口部１５を通り抜けることができる（図４参照）。このため、横風が風車翼９の全面を強打することを回避し、風車翼９の翼根部に過大なモーメントが加わることを防止することができる。なお、フェザリング以外の時には、蓋部材１６（ルーバ１６ａ〜１６ｅ）を閉塞位置１６Ａに回動させて開口部１５を閉塞することにより、風車翼９に本来の揚力を発揮させることができる。

開口部１５の設置位置は、風車翼９の翼長において、翼根、即ちロータハブ８の回転中心軸８ａを基点として５０％以上先の範囲に設けるのが望ましい。本実施形態では、図３に示すように、風車翼９の翼半径の８０％から９０％の範囲にかけて開口部１５が形成されている。当然ながら、全ての風車翼９において、その開口部１５を同一位置および同一形状に形成し、風車回転翼６の回転バランスが崩れないようにする必要がある。１本の風車翼９に複数の開口部１５を形成する場合も同様である。

風車翼９の、翼根回転中心から翼半径の５０％以上先の範囲は、５０％未満の範囲に比べて、風を受けた時に風車回転翼６を曲げようとする力が強いため、この範囲に開口部１５を設けることにより、フェザリング時に突発的な横風を受けた場合に、風車翼９の翼根部に過大な曲げモーメントが加わることを緩和する効果が高い。

ところで、図５に示すように、開口部１５を開閉する蓋部材１６（ルーバ１６ａ〜１６ｅ）は、アクチュエータ２１の動力によって開閉する。アクチュエータ２１は、風車翼９の外部、本実施形態ではロータハブ８の内部に設置されており、アクチュエータ２１から蓋部材１６まで、風車翼９の内部を通るリンケージ部材２２が配設され、アクチュエータ２１の動力がリンケージ部材２２を経て蓋部材１６に伝達されるようになっている。アクチュエータ２１としては、サーボモータ（電動モータ）が好適であるが、液圧、空圧、電磁力等、他の駆動手段を用いてもよい。

アクチュエータ２１は、その設置先を、風車翼９を軸受を介して回転可能に軸支するロータハブ８にすることで、強固かつ遠心力の影響を低減して設置することができる。特に、図５に示すように、風車翼９の翼根部を閉塞する天板９ａにアクチュエータ２１を設置することで、風車翼９のピッチ回転の影響を受けないように構成することができる（風車翼９のピッチ回転と同時にアクチュエータ２１も回動するため）。

図６に示すように、蓋部材１６を構成する各ルーバ１６ａ〜１６ｅは、それぞれヒンジ１６ｈによって開口部１５の間口に回動自在に枢着されており、これらのルーバ１６ａ〜１６ｅは、連動ロッド２４によって一斉に同期して閉塞位置１６Ａと開放位置１６Ｂとの間を回動する。連動ロッド２４は、各ルーバ１６ａ〜１６ｅの自由端とヒンジ１６ｈとの中間点付近を互いに連結している。

一方、図５に示すリンケージ部材２２は例えば回転軸であり、アクチュエータ２１（サーボモータ）の回転力を開口部１５の蓋部材１６（ルーバ１６ａ〜１６ｅ）の近傍まで伝達する。リンケージ部材２２の先端部には回転プレート２２ａが一体的に設けられており、図６に示すように、回転プレート２２ａの縁部の連結点２２ｂに一端が連結された２本の伝達ロッド２５の他端が、連動ロッド２４の先端にそれぞれ連結されている。

回転軸であるリンケージ部材２２は回転プレート２２ａと共にアクチュエータ２１に回転駆動されて正逆方向に１８０度回動し、回転プレート２２ａの連結点２２ｂが風車翼９の前縁側にある時には、伝達ロッド２５が連動ロッド２４を引き、各ルーバ１６ａ〜１６ｅを開放位置１６Ｂに回動させて開口部１５が開かれる。また、回転プレート２２ａの連結点２２ｂが風車翼９の後縁側にある時には、伝達ロッド２５が連動ロッド２４を押し、各ルーバ１６ａ〜１６ｅを閉塞位置１６Ａに回動させて開口部１５が閉じられる。なお、各ルーバ１６ａ〜１６ｅを開放位置１６Ｂに軽く付勢するスプリング等の付勢手段を設ければ、通常運転時において各ルーバ１６ａ〜１６ｅが閉塞位置１６Ａに置かれた時に、風車翼９の表面を流れる気流により振動して異音を発する等の不具合を抑制できる。

上記の実施態様では、各ルーバ１６ａ〜１６ｅの動作にアクチュエータを用いる例を説明したが、各ルーバ１６ａ〜１６ｅを閉塞位置１６Ａに付勢するスプリング等の付勢手段を設けることで、受風面に付勢力を超える風圧を受けた際に、各ルーバ１６ａ〜１６ｅが自動的に開放位置に移動する構成としても良い。但し、この場合は、受風面の反対側のルーバは風車翼から突出してしまう方向に回動することとなる。

以上のように構成された風力発電装置１は、その風車回転翼６を構成する風車翼９に、その受風面積を減少させる開口部１５が形成され、フェザリング時に開口部１５が開かれるようにされているため、フェザリング時に突発的な横風が吹いても、風車翼９の翼根部に過大な曲げモーメントが加わることを防止することができる。また、フェザリング時以外は、開口部１５を閉じることにより、風車翼９の受風面積を元に戻して通常通りの風車性能を発揮させることができる。

このように、風車翼９の背側と腹側とを連通する開口部１５を設け、この開口部１５を蓋部材１６で開閉させるという非常にシンプルな構造により、風車翼９の受風面積を減少させて、フェザリング時における突発的な横風から風車翼９を保護することができる。しかも、開口部１５は、風車翼９の翼長において、翼根を基点として５０％以上先の範囲に設けられているため、フェザリング時に突発的な横風を受けた場合に、風車翼９の翼根部に過大な曲げモーメントが加わることを効果的に緩和することができる。

開口部１５は、アクチュエータ２１の動力により閉塞位置１６Ａと開放位置１６Ｂとの間を回動するルーバ型の蓋部材１６により開閉されるため、開閉機構の構造を簡素にすることができる。しかも、本実施形態のように蓋部材１６を構成する各ルーバ１６ａ〜１６ｅを内開き式にすることにより、開放位置１６Ｂにおいて各ルーバ１６ａ〜１６ｅを風車翼９の表面から突出させないようにし、ルーバ１６ａ〜１６ｅが突出することに起因する耳障りな風切音の発生を抑制できる。

アクチュエータ２１は風車翼９の外部、例えばロータハブ８の内部に設置され、このアクチュエータ２１から蓋部材１６（ルーバ１６ａ〜１６ｅ）まで、風車翼９の内部を通るリンケージ部材２２が配設され、アクチュエータ２１の動力がリンケージ部材２２を経てルーバ１６ａ〜１６ｅに伝達される構成であるため、重量の大きなアクチュエータ２１が風車翼９の内部に配置されることがなく、これにより風車翼９の重量が増大することを回避し、風車翼９を軽量に構成してその製造および保守等を容易にすることができる。また、アクチュエータ２１をロータハブ８の内部に設置したことにより、重量の大きなアクチュエータ２１が風車回転翼６の回転中心部付近に位置するため、アクチュエータ２１に遠心力が加わることによる悪影響を排除することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、開口部１５は１本の風車翼９の複数箇所に設けてもよい。さらに、蓋部材１６は、ルーバ型が好ましいが、必ずしもルーバ型でなくてもよく、スライドする扉状等、別な形式にしてもよい。また、蓋部材１６を開閉させる機構も本実施形態の態様のみに限定されない。

さらにまた、本実施形態ではナセル５の前面に風車回転翼６が設けられたアップウィンド型の風力発電装置に本発明を適用した例について説明したが、ナセルの後面に風車回転翼が設けられたダウンウィンド型の風力発電装置に本発明を適用してもよい。なお、言うまでもなく、本発明に係る風車翼を風力発電装置以外の風車装置に適用してもよい。

１ 風力発電装置
４ タワー
５ ナセル
６ 風車回転翼
８ ロータハブ
８ａ 風車翼の回転中心軸（翼根）
９ 風車翼
１０ ピッチ角制御機構
１５ 開口部
１６ 蓋部材
１６ａ〜１６ｅ ルーバ
１６Ａ 閉塞位置
１６Ｂ 開放位置
２１ アクチュエータ
２２ リンケージ部材

Claims (6)

1. 背側と腹側とを連通する少なくとも１つの開口部と、
   前記開口部を開閉可能に閉塞する蓋部材とを具備することを特徴とする風車翼。
2. 前記開口部は、前記風車翼の翼長において、翼根を基点として５０％以上先の範囲に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
3. 前記蓋部材は、アクチュエータの動力により前記開口部の閉塞位置と開放位置との間を移動することを特徴とする請求項１または２に記載の風車翼。
4. 前記アクチュエータは前記風車翼の外部に設けられると共に、
   前記風車翼の内部を通り、前記アクチュエータの動力を前記蓋部材に伝達するリンケージ部材が配設されたことを特徴とする請求項３に記載の風車翼。
5. 前記蓋部材は、複数のルーバを備えたルーバ型であり、これら複数のルーバが同期して前記閉塞位置と前記開放位置との間を回動することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風車翼。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の風車翼を備え、前記風車翼のフェザリング時に、前記開口部を開放することを特徴とする風力発電装置。

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