JP2019060237A - 風車システムまたはウィンドファーム - Google Patents

Abstract

【課題】ロータに対する風速の向上を考慮した風車システムまたはウィンドファームを提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するために、風を受けて回転するロータと、ロータを回転可能にするナセルと、タワー３を備える水平軸型の風車システムであって、風車システムの外側からロータ側に向かう風を遮る抵抗体９を備え、抵抗体９はロータの下端よりも低い位置に配置され、かつロータの回転面内でタワー３から最も遠い位置を含む鉛直軸線とタワー３の間に少なくとも一部が配置されることを特徴とする。【選択図】 図４

Description

本発明は、風車システムまたはウィンドファームに関するものである。

風車システムは近年実用化が進んでおり、火力、水力、原子力に続く第４の発電手段として、世界中に広く普及しつつある。風車システムは、気流の運動エネルギをブレードで受け、ロータの回転エネルギに変換し、さらに発電機により電気エネルギを生成する装置である。システムの発電量は、風速の３乗に比例して増大するため、ブレードに達する風速が僅かに増加するのみでも発電量は顕著に増大する。このため、風車周囲の気流を積極的にブレードに誘導し、発電量を増大するアイデアが幾つか提案されている。

例えば、特許文献１に示されたウィンドダイバータは、風車タワーの周囲を取り囲む一定高さの台を構築し、地表から台上までのスロープを形成する事で、従来発電に寄与しない地表付近の流れをブレード付近まで誘導することでブレードを駆動する気流を増速し、発電量の増加を目的としている。ウィンドダイバータは、風車システム上流側の気流をブレード付近まで誘導するために、スロープおよび平坦部を有し、さらに気流の横ずれを防ぐためにガイドベーンを設けている。

また、特許文献２に記載の風車は支柱の下方に風向変換器を備え、タワーから一定間隔で放射状に延びる複数の案内羽根によって、支柱に向けて吹き付ける風を支柱に沿った上昇流に変換する。垂直軸風車は上昇流を受けることによって発電機を回転駆動させることが記載されている。これに伴い、風車の回転動力のみで発電を行う従来技術に比較して風車に作用する風の風力低下に起因する発電電力を効果的に抑制することを目的としている。

特表２０１１−５２２１６０号公報 特開２０１４−１５８９９号公報

しかし、特許文献１のウィンドダイバータに関しては、ロータの下側への気流の誘導だけに留まる。よって、ロータ回転面全体に対して風量は増加しておらず、発電量の向上という観点からは寄与しにくい。

また、特許文献２に記載されている風向変換機では、ロータの下側から気流を鉛直上下方向に上昇させており、ロータの回転面に対しての垂直方向の気流の誘導は伴わない。さらに、風向変換機とブレードとの間に第２の発電機が設けられており、ブレードへの風速の増加に寄与しにくい。またブレードと風向変換機が設けられていることからもブレードへの風速の増加に寄与しにくく、発電量の向上には寄与しにくい。

そこで本発明では、発電量の向上を考慮した風車システムまたはウィンドファームを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために本発明にかかる風車システムは、風を受けて回転するロータと、前記ロータを回転可能にするナセルと、タワーを備える水平軸型の風車システムであって、前記風車システムの外側から前記ロータ側に向かう風を遮る抵抗体を備え、前記抵抗体は前記ロータの下端よりも低い位置に配置され、かつ前記ロータの回転面内で前記タワーから最も遠い位置を含む鉛直軸線と前記タワーの間に少なくとも一部が配置されることを特徴とする。

本発明によれば、発電量の向上を考慮した風車システムまたはウィンドファームを提供することが可能となる。

比較例の風車システムを示す代表的な概略構成図 比較例の風車システムを示す代表的な概略構成図 本発明の第一の実施例にかかる風車システムの構成図（斜投影図） 本発明の第一の実施例にかかる風車システムを真横から見た構成図 本発明の第一の実施例にかかる風車システムの周囲の気流の流れを表現した説明図 本発明の第一の実施例にかかる風車システムを真上から見た構成図 抵抗体９の配置例 本発明の第一の実施例にかかる風車システムの効果を表した流れ解析結果 本発明の第一の実施例にかかる風車システムの風速と出力電力の関係を表した図 実施例２にかかる抵抗体９の１構成例（流体抵抗可変：最大） 実施例２にかかる抵抗体９の１構成例（流体抵抗可変：最小） 実施例３にかかる抵抗体９の１構成例（流体抵抗可変：最大） 実施例３にかかる抵抗体９の１構成例（流体抵抗可変：最小） 実施例４にかかる本発明にかかる浮体風車の１実施例 実施例４にかかる本発明にかかる浮体風車の１実施例 実施例５にかかる抵抗体９の配置例 実施例５にかかる本発明のアップウィンド型風車における実施例。

（比較例）
図１に風車のタワー３の下方に円錐台２１を備えた風車システムの具体的な構造を示す。図１における風車システムは風下にロータが面しているダウンウィンド型風車システムである。ブレード１は気流を受けて運動し、３枚一組でロータを構成している。ロータを取り付けるナセル２は、増速機や発電機を内部に備え、ブレード１の運動エネルギを発電機で最終的に電気エネルギに変換する。タワー３は例えば地上に設置され、ロータ及びナセル２の荷重を支持する。ここでタワー３は風向きに応じてナセル３を回転可能に支持しており、発電の効率を上げることを可能としている。本比較例における円錐台２１の頂上には平坦部４がある。円錐台２１はタワー３の下方に位置し、円錐台２１のスロープ５は平坦部４と地上とを斜面によって連結する。この構造により、自然風７の地上付近の気流は円錐台２１のスロープ５を経て平坦部上４まで導かれるが、ロータの下側への気流の誘導だけに留まる。

図２は、風を風車システムのタワー３へガイドする案内羽根６を備えた風車システムの１例であり、図１と異なり案内羽根６を円錐台２１のスロープ５に設ける。案内羽根６は気流を誘導するためのものである。案内羽根６によって気流の横ずれを防ぐことができる。自然風７は案内羽根６および円錐台２１によって、上部に誘導される気流８に変更される。案内羽根６は円錐台２１での出し入れが可能であり、風向に従い上流側の案内羽根６を出す事で、図１に示す円錐台２１よりも効率良く気流をロータの下側に誘導できると思われるが、図２の形態についてもロータの下側への気流の誘導だけに留まる。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。なお本実施例における風車システムは風下にロータが面しているダウンウィンド型風車システムである。

本実施例では、本発明の風車システムに関し、図３ないし図７を用いて動作を説明する。図３に示す風車システムは、ロータがおよそ水平面内を回転する水平軸風車であり、ブレード１は気流を受けて運動し、３枚一組でロータを構成している。ナセル２は増速機や発電機を備え、ブレード１の運動エネルギを発電機で最終的に電気エネルギに変換する機能を有する。タワー３は例えば地上に設置され、ロータ及びナセル２の荷重を支持する。ここでタワー３は風向きに応じてナセル２を回転可能に支持しており、発電の効率を上げることを可能としている。

本実施例にかかる抵抗体９は例えばコンクリートや鉄鋼等の剛体で作られた平板状の物体であり、タワー３の周辺を囲むように複数枚（本実施例では６枚）鉛直上下方向に配置されている。鉛直上下方向に配置されることで水平面内でどの方向から風が吹いても風を遮る効果を期待できる。図４には抵抗体９の高さについて示す。抵抗体９の高さは、タワー３の高さとロータの回転面の大きさによって決まる。ロータの回転位置と、抵抗体９の高さによっては衝突を回避する必要があり、ロータの位置によらず衝突を回避する上では、抵抗体９の頂上はロータの最下端よりも下側に位置することが望ましい。また、ロータの下端と風車システムを支持する基礎との間の距離ΔＤの１／２未満の距離の位置に抵抗体９の少なくとも一部が配置されていることが望ましい。

図５に風車周囲の気流の動きを示す。自然風７は本実施例では、左手前より右奥に向かう気流であると仮定している。自然風７の中でも地上付近を流れる風２０は抵抗体９に衝突しながら抵抗体９を乗り越えるようにしてロータの面する風下側へと流れる。この時、風２０が衝突することにより抵抗体９の風上側は正圧（高圧領域）となる。一方で抵抗体９の風下側は抵抗体９に風が遮られることで抵抗体９の風上側に比べて負圧（低圧領域）となる。その際に抵抗体９の影響により、風２０の下流側、即ち風向きに対して抵抗体の裏側に渦１０が発生する。発生した渦１０によって渦１０の付近を通過する風２０の風速は増速される。よってロータの回転面に対する流速が増速する効果が得られる。更に、抵抗体９によって生じた負圧（低圧領域）により、ロータ回転面の上側を通過する気流についてもロータ回転面に誘導され、発電量の向上に寄与する。この点で前述の比較例に示したものと異なる。即ち、本実施例における抵抗体は、風向きを自身の形状に沿って変更するガイド状部材とは一線を画している。また、抵抗体９と水平軸風車のロータの間に垂直軸風車を設けておらず、増速した風速が直接水平軸風車に当たる様にしている。

また、タワー３に対して放射状に取り囲むことによって、抵抗体９はいずれの風向きでも低圧領域を風向きに対してロータの回転面の後ろ側に形成し、タワー３に対してナセル２が風向きに応じて回転する際も、抵抗体９の存在により、増速した風をロータに誘導することが可能になる。

さらに、タワー３に対して抵抗体９を軸対称に配置されていることが望ましい。これに伴い、タワー３に対してナセル２が風向きに応じて回転する際にも、風向きからロータの回転面に対して左右均等に風速を誘導することが可能である。

さらに、図６のようにロータの回転面内でタワー３から最も遠い位置を含む鉛直軸線とタワー３の間に少なくとも抵抗体の一部が配置されていることが望ましい。これに伴い、ロータの回転面の後ろに負圧領域を設けることができ、抵抗体９によって増速された風のロータへの寄与を大きくすることが出来る。

本実施例では、タワー３に円錐台２１などを設ける必要性もなく、抵抗体９を設けることで簡単にロータの回転面に対する風を増速させることが可能である。

また、ダウンウィンド型風車システムはタワー３よりも風下にロータが位置することから、風向きに対してタワー３の後流に死水域（タワーシャドウ）が発生する。これに伴い、タワーシャドウをロータが通過する際、タワーシャドウとタワーシャドウ以外の箇所とで風速が異なる。よって、ブレードがタワーシャドウを通過するタイミングでブレードに作用する流体力が変動し、ロータへの変動荷重が増大する事が知られている。本実施例のように抵抗体９をロータの回転軸を含む鉛直面からずれて位置する様に設け、当該一部の抵抗体９がロータの回転軸を含む鉛直面からずれて位置する様に配置されていることによって、風向きに対して抵抗体９の後ろ側に位置するタワーシャドウにも風速の補完が可能となり、タワーシャドウとタワーシャドウ以外の箇所とで風速の差を小さくすることができる。よって、ロータへの変動荷重が減少する事で、信頼性や製品寿命の向上も期待できる。

ダウンウィンド型風車システムにおける抵抗体９の別の形態を図７を用いて説明する。本実施例では、抵抗体９を、上流側から見てタワー３を中心として左右非対称に配置しており、具体的にはタワー３上方から見れば、抵抗体９はタワー３を中心に回転対称に配置されている。本実施例で示しているダウンウィンド型風車では、タワー３の下流側にブレード１が存在するため、タワー３下流側の低速領域が大きいと、ブレード１に作用する非定常的な流体力が増大し、大きな変動が生じる。本実施例はその対策の１例であり、抵抗体９により、下流側に渦１０が形成されるとともに、非対称とした効果により、タワー後ろ側に回り込む流れが形成されることで、タワー３下流側の低速領域の発生を緩和することが出来る。また本実施例では、抵抗体９をタワー３に対して回転対称に配置しているため、水平面内で３６０度いずれの方向から風が吹いても、いずれかの抵抗体９が同じ様に風を遮る機能を果たすので、タワーシャドウにおける風の減少分を補うことができる。

図８は数値解析により風車周囲の流速を評価した結果である。図８中の左図は抵抗体９の無い場合、右図は抵抗体９を有する場合である。一般に、自然風の速度は地表でゼロであり、上空に向かうに従い指数関数的に増大する。円２２は、ブレード１の軌跡を表しており、抵抗体９が無い時のナセル２の高さの平均流速をＶと定義して、ロータ位置での速度分布を円２２に等高線で示している。下から上に向かうに従い、0.8Ｖ、1.0Ｖ、1.2Ｖと速度が増大している。また、タワー３の下流側では、極端に速度が低下するタワーシャドウが存在している。抵抗体９の有無の効果を見比べると、0.8Ｖ、1.0Ｖ、1.2Ｖの等高線ともに、抵抗体９が存在する場合は等高線の位置は鉛直下方に移動している。これはロータ回転面における風速が全体的に増速したことによって生じる。

以上の結果より、抵抗体９の設置により同じ自然風の速度の下でも発電量を増大できる。図９に抵抗体９を設置した本方式と設置しない従来方式との各風速における発電量の定格出力が表される。本方式を採用した場合には、従来方式と比べ低風速時の出力の増大が確認できる。

本発明の第２の実施例を、図１０および図１１を用いて説明する。図１０は抵抗体９の１構成例であり、多翼構造により抵抗体９の流体抵抗を可変とさせる例である。翼１２は、本実施例では駆動用の水平軸（棒軸）を有し、風力で変形が生じないような長方形の剛体である。本実施例では、１０本の翼１２で１枚の抵抗体９を構成する。支柱１３は翼１２の荷重を支持し、例えば地上に固定され翼１２を可動状態で支持する構造体である。そのため翼１２の水平軸を（回転）駆動するための駆動機構１４を支柱１３は有する。図１０は各翼が垂直に整列している状態を表しており、この場合、気流は翼９により阻止され、抵抗体９による流体抵抗は最大となる。一方、図１１は駆動機構１４により、すべての翼１２を水平に整列させたケースである。この場合、気流は翼間を自在に通過する事が可能で、抵抗体９による流体抵抗は最小となる。すなわち、本構成において、駆動機構１４により流体抵抗を自在に調整可能となる。例えば、台風などの暴風時にロータ周囲の流速を上昇させたくない場合がある。また、抵抗体９自身も暴風の影響による破壊を防止するため、流体抵抗を下げる必要が想定され、受風面積を調整することが可能な本構成が有効であるといえる。なお、本実施例では、支柱１３を２本設けているが、片側の支柱をタワー３と一体化することにより、支柱１本でも同様な抵抗体を構成可能である。無論、翼１２の本数や方向、駆動のさせ方はここで示した例に限定されない。

本発明の第３の実施例を、図１２および図１３を用いて説明する。図１２は抵抗体９の１構成例であり、帆布１５により抵抗体９を成す例である。帆布１５は、可変性があり、尚且つ空気抵抗を生じさせる。帆布１５の吊り下げ用部材１６は、例えばワイヤーロープである。帆布１５は、吊り下げ用部材１６により、複数箇所で吊り下げられた状態で固定される。吊り下げ用部材１６を支持する支柱１７は、例えば地上に固定される。帆布１５は１箇所または複数個所で支柱１７にも固定される。図１３は帆布１５を広げた状態を表したもので、この時、抵抗体９の流体抵抗は最大となる。図１３は帆を畳んだ状態の１例である。例えば、台風などの暴風時にロータ周囲の流速を上昇させたくない場合がある。また、抵抗体９自身も暴風の影響による破壊を防止するため、流体抵抗を下げる必要が想定され、本構成が有効であるといえる。なお、本実施例では、支柱１７を２本設けているが、片側の支柱１７をタワー３と一体化することにより、支柱１本でも同様な抵抗体９を構成可能である。

本発明の第４の実施例を、図１４および図１５を用いて説明する。図１４は本発明の洋上風車への適用例を示したもので、浮体１８は、海底もしくは海岸に係留され、風車を支持する。抵抗体用浮体１９は、浮体１８を囲むような形で、浮体１８との距離を保つように浮体１８に係留される。抵抗体９は、前記各実施例に示す形態のいずれも適用できる。図１５は抵抗体９の別な形態であり、製造コストを抑える目的で抵抗体用浮体１９の支柱を省略し、実施例３の抵抗体９を構成した例である。帆は３角形に近い形状となるが、実施例１のような、ロータの回転面に増速された風を誘導する効果は得られる。

本発明の第５の実施例を、図１６を用いて説明する。本実施例では、抵抗体９をタワー３より一定距離離した（抵抗体９とタワー３との間に隙間を有する）状態で配置している点に特徴がある。実施例１に示した抵抗体９下流側では、流速が低下し、特に抵抗体９中心のタワー３の位置で最低となる。この低速領域が大きいと、風車を複数台配置するウィンドファームを構築する場合、上流側風車の作った低速領域の影響で下流側風車の風速が低下し、発電量が低下することが考えられる。本実施例はその対策の１例であり、抵抗体９とタワー３との間に間隙を設けている。この結果、前記間隙を通り抜ける高速な流れ場が形成されて、低速領域の影響を緩和することができる。

以上、本発明の実施例について説明してきたが、上記に示した実施例はあくまでも例に過ぎず、本発明を限定するものではない。例えば相対的にダウンウィンド型風車システムほどではないものの、図１７のようにロータがタワー３の上流側にあるアップウィンド型風車システムにおいても、タワーシャドウに伴うブレード１に対する非定常流体力は生じる。すなわち、風に対して一定の投影面積を有するタワー３が回転するブレード１のすぐ下流側にあることによって、その部分の風の流れがせき止められ、ブレード１への変動荷重や、ロータのトルク脈動の要因となり得る。抵抗体９の下流に生じた低速領域を避ける方向にフローパタンが変化して、上空の流速が上昇する。それに伴い、上流側のフローパタンにも干渉し、アップウィンド型風車でもロータに対する風速向上の効果は得られる。

１・・・ブレード
２・・・ロータ及びナセル
３・・・タワー
４・・・円錐台の平坦部
５・・・円錐台のスロープ
６・・・円錐台のガイドベーン
７・・・自然風を模式的に示した矢印
８・・・円錐台の気流を模式的に示した矢印
９・・・抵抗体
１０・・・抵抗体の影響で生成された渦を模式的に表した矢印
１１・・・渦によって生じた低圧領域に向かう流れを表した矢印
１２・・・翼
１３・・・支柱
１４・・・駆動機構
１５・・・帆布
１６・・・吊り下げ機構
１７・・・支柱
１８・・・浮体
１９・・・抵抗体用浮体
２０・・・地上付近を流れる気流を模式的に示した矢印
２１・・・円錐台
２２・・・ブレードの軌跡

Claims (14)

1. 風を受けて回転するロータと、
   前記ロータを回転可能にするナセルと、
   タワーを備える水平軸型の風車システムであって、
   前記風車システムの外側から前記ロータ側に向かう風を遮る抵抗体を備え、
   前記抵抗体は前記ロータの下端よりも低い位置に配置され、かつ前記ロータの回転面内で前記タワーから最も遠い位置を含む鉛直軸線と前記タワーの間に少なくとも一部が配置されることを特徴とする風車システム。
2. 請求項１に記載の風車システムであって、
   高さ方向で、前記ロータの下端から、前記ロータの下端と前記風車システムを支持する基礎との間の距離の１／２未満の距離の位置に前記抵抗体の少なくとも一部が配置されていることを特徴とする風車システム。
3. 請求項２に記載の風車システムであって、
   前記抵抗体は鉛直上下方向に形成されることを特徴とする風車システム。
4. 請求項２または３に記載の風車システムであって、
   前記抵抗体は受風面積を変更可能であることを特徴とする風車システム。
5. 請求項２または３に記載の風車システムであって、
   前記抵抗体は板状部材であることを特徴とする風車システム。
6. 請求項４に記載の風車システムであって、
   前記各板材は棒軸で支持され、前記棒軸を中心に前記板材を回転制御させて受風面積を異ならせる駆動装置を有することを特徴とする風車システム。
7. 請求項４に記載の風車システムであって、
   前記抵抗体は帆布で構成されることを特徴とする風車システム。
8. 請求項４に記載の風車システムであって、
   前記抵抗体が風向きに対して三角形状であることを特徴とする風車システム。
9. 請求項５に記載の風車システムであって、
   前記抵抗体は前記タワーに対して放射状に配置されていることを特徴とする風車システム。
10. 請求項５に記載の風車システムであって、
    前記抵抗体は、前記タワーを中心に回転対称に配置されていることを特徴とする風車システム。
11. 請求項５ないし９のいずれか１項に記載の風車システムであって、
    前記抵抗体は、前記タワーに対して軸対称に配置されていることを特徴とする風車システム。
12. 請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の風車システムであって、
    前記ロータは、発電運転時に風下に配置されるダウンウィンド型ロータであり、
    水平面内でいずれの風向きに対しても、少なくとも一部の前記抵抗体が、前記ロータよりも風上に位置する様に配置され、かつ当該一部の抵抗体が前記ロータの回転軸を含む鉛直面からずれて位置する様に配置されていることを特徴とする風車システム。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の風車システムであって、
    前記抵抗体を水上で支持する浮体を更に備え、
    前記抵抗体が前記浮体上に配置されていることを特徴とする風車システム。
14. 請求項１ないし１３に記載の複数の風車システムから構成されるウィンドファームであって、
    各風車システムが有する前記抵抗体は、当該風車システムにおけるタワーと離れて配置されていることを特徴とするウィンドファーム。

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