JP4184847B2

JP4184847B2 - 風車装置及びそれを用いた風力発電装置

Info

Publication number: JP4184847B2
Application number: JP2003086767A
Authority: JP
Inventors: 寿松田; 麻子猪亦; 良樹新関; 吉則山下; 由夫中田; 康巳木崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004293409A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風を受けることにより揚力を発生する翼により回転する風車装置及びそれを用いた風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電用の風車として、プロペラ型風車が一般的である。これは、航空用プロペラの技術的基盤に依存しているところが大きく、現在ではギガＷクラスの大型風車の開発も進められている。
【０００３】
しかし、プロペラ型を代表とする水平軸風車は、風向に合わせ回転面を対向させる風向制御が必要であり、また風車の構造上、発電機等を地表から数ｍ上、大型風車の場合は数十ｍ上の風車軸端に設置する必要があるなど、技術面・保守点検面での大きな課題を有している。
【０００４】
一方、垂直軸型の風車は、無指向性であるため風向制御が不必要であり、発電機等を地表に容易に装備可能であるという特徴がある。
【０００５】
このような垂直軸風車としては、大きな起動トルクが得られやすいパドル風車やサボニウス風車に代表される抗力型と、高い周速比が得やすいダリウス風車に代表される揚力型とに大まかにグループ分けでき、高効率の垂直軸風力発電風車として揚力型が有力視されて、例えば直線翼を用いたダリウス風車（直線翼垂直軸型風車）が研究されている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００６】
図１４は、このようなダリウス風車として直線ダリウス風車を用いた風力発電装置の斜視図で、複数の直線状の翼１１１が翼支持棒１１２により回転軸１１３に支持されて、風を受けて翼１１１に発生する揚力で回転軸１１３が回転する。この回転軸１１３には発電機１１４が連結されて、当該回転軸１１３が回転することにより発電機１１４が駆動されて風力発電が行われるようになっている。
【０００７】
【特許文献１】
関・相良・山本（第２２回風力エネルギー利用シンポジウム予稿集、ｐｐ１２８−１３１、（２０００）
【特許文献２】
特開平６−３３０８４３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、直線翼を用いたダリウス風車における翼端では翼端渦が発生し、各翼の翼端で発生した翼端渦が干渉しあって強い空気の乱れが発生して、大きな騒音を生ずると共に発電効率を低下させる問題があった。
【０００９】
この翼端渦の発生メカニズムを図１５を参照して説明する。一般に翼の翼幅方向（長手方向）に対して垂直な断面は、一方の翼面の曲率と他方の翼面の曲率とが異なる曲率に形成されている。このため空気の流速が表翼面と裏翼面とで異なり、この結果圧力差が発生して、この圧力差が揚力となる。
【００１０】
図１５に示す翼１１１では、表翼面１１１ａが裏翼面１１１ｂより膨れた形状を有しているので、空気がこの翼１１１を流れる際に、膨れの大きい表翼面１１１ａの流速が裏翼面１１１ｂの流速より大きくなり、裏翼面１１１ｂの圧力が表翼面１１１ａの圧力より大きくなって、揚力が裏翼面１１１ｂから表翼面１１１ａの方向に作用するようになる。
【００１１】
この圧力関係は、翼端１１１ｃでも生じるため、当該翼端１１１ｃでは圧力差を緩和するように裏翼面１１１ｂから表翼面１１１ａに向かって空気の流れが生じ、この空気の流れが渦となって下流に流出するようになる。
【００１２】
この渦が翼端渦１１５であり、この翼端渦を形成するために費やされるエネルギーは、空気抵抗という形で現れ、この空気抵抗を誘導抵抗という。
【００１３】
図１４に示すような風力発電装置においては、回転軸１１３の回転モーメントは翼１１１に発生する揚力によるため、当該翼１１１にも翼端渦１１５が発生して、発電効率を低下させる要因となる。
【００１４】
特に、風力発電装置では、複数の翼１１１が設けられているため、各翼１１１で発生した翼端渦１１５が互いに干渉し合うと大きな空気の乱れが生じて、騒音の増大や発電効率の低下をもたらす。
【００１５】
そこで、本発明は、大きな騒音の発生を抑制すると共に発電効率の向上が可能な風車装置及びそれを用いた風力発電装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、風を受けることにより揚力を発生する翼が回転軸を取り囲むように複数設けられると共に、各翼の翼幅方向が回転軸の軸方向に沿って設けられて、揚力により回転軸を回転させる揚力型風車を備えた風車装置において、翼の翼端で発生する翼端渦と他の翼の翼端で発生した翼端渦との干渉を抑制する翼端渦干渉抑制手段として、翼の翼端の高さ位置を隣接する翼で異なる高さにし、しかも、回転軸をはさんで反対側の翼の翼端の高さ位置が同じになるように構成したことを特徴とする。
【００１８】
請求項２にかかる発明は、翼の翼端の高さ位置を隣接する翼で異なる高さにして翼端渦干渉抑制手段を構成する際に、同じ翼幅を持つ複数の翼を高さ位置を交互に設けて構成し、または異なる翼幅を持つ複数の翼を交互に設けて構成して隣接する翼の翼端で発生する翼端渦の干渉を抑制し、これにより大きな騒音の発生を抑制し風車の回転効率を向上させたことを特徴とする。
【００２０】
請求項３にかかる発明は、翼の翼端に当該翼の表翼面と裏翼面との圧力差を緩和すべく流れる空気の流を抑制する翼端板を設けて翼端渦干渉抑制手段を構成し翼端渦の発生そのものを抑制して、大きな騒音の発生を抑制し風車の回転効率を向上させたことを特徴とする。
【００２１】
請求項４にかかる発明は、翼の翼端に当該翼の表翼面と裏翼面との圧力差を緩和すべく流れる空気の流により揚力を発生するウィングレットを設けて翼端渦干渉抑制手段を構成して翼端渦がウィングレットを吹き抜ける際に揚力を発生させて当該翼端渦のエネルギーを小さくして、これにより大きな騒音の発生を抑制し風車の回転効率を向上させたことを特徴とする。
【００２２】
請求項５にかかる発明は、翼のピッチ角を変更可能に設けて、風速に応じて効率的に風車が回転できるようにしたことを特徴とする。
【００２３】
請求項６にかかる発明は、鉛直方向に風車を複数設けられて、１の回転軸を回転させるようにして、設置面積を変えることなく風車の回転効率を向上させたことを特徴とする。
【００２４】
請求項７にかかる発明は、風を受けた際に抗力が作用して回転する抗力型風車が、揚力型風車と共に設けられて、揚力型風車の起動トルク不足を抗力型風車で補うことにより、幅広い風速範囲で風車の回転効率を向上させたことを特徴とする。
【００２５】
請求項８にかかる発明は、請求項１乃至６いずれか１項記載の風車装置と、該風車装置の回転軸に連結されて、当該回転軸が回転することにより駆動されて発電を行う発電機とを備えて、発電効率の向上を図ったことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は、本実施の形態の説明に適用される風力発電装置の概略構成を示す図で、当該風力発電装置１は風車装置２と、該風車装置２により駆動される発電機３とを主要構成としている。
【００２７】
風車装置２は直線ダリウス型風車で、複数の直線状の翼１１が翼支持棒１２により連結部１３を介して回転軸１４に支持されて、風を受けて翼１１が回転することにより回転軸１４に取り付けられた発電機３が回転して発電するようになっている。
【００２８】
なお、本明細書では風車装置２は４枚の翼１１により形成される場合を例に説明するが、本発明はこれに限定されるものではないことを予め付言する。
【００２９】
また、翼１１は風速に応じて最適な回転効率が得られるように、図示しない機構により当該翼１１のピッチ角が変えられるようになっている。
【００３０】
このとき、全ての翼１１の翼幅Ｌは同じ長さであり、その連結部１３の高さ位置を隣接する翼１１で変えることにより、隣接する翼１１の翼端の高さ位置が異なる高さになるようにして、翼端渦干渉抑制手段を構成している。
【００３１】
なお、図１では同じ高さの翼端位置を点線円弧１１ｄ，１１ｅで示し、対向する翼１１の翼端位置が同じ高さの場合を示している。
【００３２】
これにより、翼１１で発生する翼端渦が隣接する翼１１で発生した翼端渦と干渉するのが低減でき、大きな騒音の発生及び発電効率の低下を抑制することができるようになる。
【００３３】
なお、上記説明では、隣接する翼１１における連結部１３の高さ位置を変えることにより、翼１１の翼端位置が異なる高さ位置になるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３４】
例えば、図２に示すように、翼１１の翼幅を変えることにより隣接する翼１１の翼端位置が異なる高さ位置になるようにしてもよい。図２では、翼幅がＬ１の翼１１とＬ２の翼１１とを示している（Ｌ１≠Ｌ２）。
【００３５】
このように翼幅を変えると、それに伴い揚力も変化するので、翼幅を長くした翼１１による揚力の増加分が、翼幅を短くした翼１１による揚力の減少分を補完するようにすると図１に示す場合と同じ揚力を得ることが可能になり、同じ発電効率を達成することが可能になる。
【００３６】
また、上記説明では、直線状の翼１１を備える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曲線であってもよい。
【００３７】
例えば、図３に示すように、翼１１をトロポスキン曲線の一部を利用した曲線を持つ翼１１としてもよい。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施の形態の説明を図を参照して説明する。なお、先に説明した第１の実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００３９】
上記第１の実施の形態では、翼端渦が干渉するのを抑制すべく、隣接する翼１１の翼端位置を異なる高さに設定した。
【００４０】
これに対して本実施の形態では、強い翼端渦の発生を抑制することで、たとえ翼端渦が干渉し合っても大きな騒音の発生を抑制すると共に発電効率の低下を抑制するようにしたものである。
【００４１】
このため本実施の形態では、図４に示すように、翼端１１ｃの形状を楕円状にしている。
【００４２】
無論、翼端形状は楕円に限定されるものではなく、長円形状、台形形状であってもよく、図５に示すように、徐々に翼幅を短くしたテーパ形状であってもよい。
【００４３】
次に、本発明の第３の実施の形態の説明を図を参照して説明する。なお、先に説明した第１及び第２の実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００４４】
これまで説明した各実施の形態では、翼端位置を変えたり翼端形状を楕円形状にする等により、騒音の発生を抑制し、これにより発電効率の向上を図った。
【００４５】
これに対して本実施の形態では、図６に示すように翼端に翼端板１５を設け、また図７に示すようにウィングレット１６を設けて、誘導抵抗を低減し、これにより騒音の抑制及び発電効率の向上を図るものである。
【００４６】
この翼端板１５は、翼端渦を抑制して誘導抵抗の低減を図るもので、翼端に装備されて当該翼端で生ずる翼１１の一方の翼面から他方の翼面へ回り込む空気の流れをブロックすることにより、この空気の流れにより生じる翼端渦を抑制して、誘導抵抗を低減するものである。
【００４７】
一方ウィングレット１６は、このような翼端渦を積極的に利用するもので、翼端に装備されて当該翼端で生ずる一方の翼面から他方の翼面へ回り込む空気の流れが、当該ウィングレット１６の面に沿って流れて当該ウィングレット１６で揚力を発生させ、これにより翼端渦のエネルギーを揚力として取り出すと共に誘導抵抗を低減するものである。
【００４８】
このようにウィングレット１６は、翼端渦を積極的に利用する点で翼端板１５と機能が異なり、翼端板１５は翼厚変化がない平板状部材でも機能するのに対し、ウィングレット１６は揚力が発生できるように表面と裏面との曲率が異なるように形成されて、曲率の大きな翼面が翼１１側に面するように設けられている。
【００４９】
このような翼端板１５やウィングレット１６は、翼１１と一体に形成することも可能であり、また別部材として形成し、リベットやネジを用いて固着するようにしてもよい。
【００５０】
なお、図６や図７に示す風車装置では、翼１１は直線状をなす場合を示したが、図３に示すように翼１１をトロポスキン曲線の一部を利用した曲線を持つ翼１１としてもよい。
【００５１】
また、翼端板１５はそれぞれの翼１１の翼端に設ける構成であったが、対向する翼１１の翼端を繋ぐような構成であってもよい。
【００５２】
このような構成として、例えば図８に示すような構成が考えられる。図８に示す構成は、翼１１の形状がトロポスキン曲線の一部を利用したものであり、また対向する翼１１の翼端を長い翼端板１７で連結した構成である。
【００５３】
このように翼端板１７を対向する翼１１の翼端に連結して設けることにより、当該翼端板１５が翼１１を支持する翼支持棒１２の機能をなすため構成部品の削減が図れると共に、翼端渦を略完全に抑制することができる利点がある。
【００５４】
翼端渦は、先に説明したように翼１１の裏翼面と表翼面との圧力差を緩和する空気により生じ、翼端板はこの空気の流れをブロックして翼端渦の発生を抑制するものである。従って、翼端板が有限の長さである限り、かかる空気の流れを完全にブロックすることができない。
【００５５】
しかし、図８に示すように、翼端板１７が他の翼１１の翼端と連結した構成であると、有限の翼端板１７でも翼１１の裏翼面から表翼面に向かう空気の流れが略完全にブロックでき、翼端渦を略完全に抑制することができるようになる。
【００５６】
また、一般に風速は地上（設置底面）近くでは遅く、高い方が速いことから、翼端渦は上方の翼端で発生し易い。
【００５７】
そこで、例えば図９に示すように、当該上方の翼端には対向する翼１１の翼端を連結する翼端板１７を設け、下方の翼端には、図４や図５に示すような翼端形状を楕円形状、長円形状、台形形状、テーパー形状にしてもよい。
【００５８】
以上のように翼端に、翼端板１５，１７やウィングレット１６を設けることにより、翼端渦の干渉による騒音が低減し、また誘導抵抗の低減できて、発電効率が向上する。
【００５９】
次に、本発明の第４の実施の形態の説明を図を参照して説明する。なお、先に説明した第１〜第３の実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００６０】
これまで説明した構成は、１の風車装置２により発電機３を駆動する構成であった。風力発電において、発電能力を大きくするためには、複数の風力発電装置を設置する必要がある。しかし、風車発電において最も問題になるのはその設置スペースの確保であり、簡単に複数の風力発電装置を設置することができない場合がある。
【００６１】
そこで、本発明では、図１０や図１１に示すように、複数の風車装置２を上下鉛直方向に連結して、１台の発電機３を駆動できるようにすることで、設置面積を増やすことなく発電能力を増大できるようにしたものである。
【００６２】
図１０に示す構成は、図７に示す風車装置２を２台上下に連結したものであり、図１１に示す構成は図７に示す風車装置２と図８に示す風車装置２とを上下に連結した構成を示している。
【００６３】
このような構成により、風車台数が増えた数だけ発電能力が大きくなると共に、これらが上下方向に設けられるため、上方の風車に吹き付ける風が下方の風車に吹き付ける風より強いで、例えば２台の風車を上下に設けた場合には２倍以上の発電能力を得ることが可能になる。
【００６４】
次に、本発明の第５の実施の形態の説明を図を参照して説明する。なお、先に説明した第１〜第４の実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００６５】
風車装置２としては、プロペラ型を代表とする水平軸風車と、ダリウス風車を代表とする垂直軸風車とがあり、垂直軸風車は無指向性であるため風向制御が不必要である利点があることを先に述べた。
【００６６】
また、この垂直軸風車には、大きな起動トルクが得られやすいパドル風車やサボニウス風車に代表される抗力型と、高い周速比が得やすいダリウス風車に代表される揚力型とがあり、高効率の垂直軸風力発電風車には揚力型が有望視され、これまでの説明ではかかる揚力型風車を例に説明した。
【００６７】
ところが、この揚力型風車は起動トルクにおいて抗力型風車より幾分劣るため、本実施の形態では図１２や図１３に示すように、揚力型風車と抗力型風車とが一体に設けられた風車装置２を構成して、これにより発電可能な風速範囲を大きくしたものである。
【００６８】
以下、起動トルクを得ることを目的とした風車を起動風車と記載し、この起動風車に対して定常発電を目的とした風車を定常発電風車と記載する。
【００６９】
図１２に示す構成は、図６に示す各翼１１の翼端に翼端板１５を設けた風車の内側に起動トルクを得るためのサボニウス型風車１９を起動風車として組み合わせたものであり、図１３は図１０に示す構成の風車に起動トルクを得るためのサボニウス型風車１９を起動風車として組み合わせたものである。
【００７０】
無論、抗力型風車としては、サボニウス型風車以外に、パドル型やクロスフロー型等の風車があり、起動風車としてこれらの風車も利用可能である。
【００７１】
そして、この起動風車は減速機を介して発電機３に連結され、または定常発電風車と回転軸を同一にして設けられている。
【００７２】
なお、図１３に示すサボニウス型風車１９は、図１２に示すサボニウス型風車１９と同様に、直線型風車の内側に設けるようにしてもよい。
【００７３】
このような構成にすると風速が弱い場合でも、まず起動用のサボニウス風車で発電を始めることができ、その後は定常発電が主に作用して定常発電が行われるので、風速の広い範囲で風車効率を高めることが可能となる。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、ダリウス型風車における、翼の翼端で発生する翼端渦と他の翼の翼端で発生した翼端渦との干渉を抑制する翼端渦干渉抑制手段を設けたので、翼端渦の干渉による大きな空気の乱れの発生が抑制でき、これにより大きな騒音の発生が低減すると共に発電効率の向上が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の説明に適用される直線上の翼の取付け高さ位置を変化させた場合の風力発電装置の概略構成である。
【図２】図１に代わる構成で、直線上の翼の翼幅を変化させた場合の風力発電装置の概略構成である。
【図３】図２に代わる構成で、トロポスキン曲線形状の翼を持つ風力発電装置の概略構成である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の説明に適用される翼端形状を略楕円形状にした場合の風力発電装置の概略構成である。
【図５】図４に代わる構成で、翼端形状をテーパー形状にした場合の風力発電装置の概略構成である。
【図６】本発明の第３の実施の形態の説明に適用される翼端板を設けた場合の風力発電装置の概略構成である。
【図７】図６に代わる構成で、ウィングレットを設けた場合の風力発電装置の概略構成である。
【図８】図６に代わる構成で、対向する翼を連結するように翼端板を設けた場合の風力発電装置の概略構成である。
【図９】図６に代わる構成で、上方の翼端に対向する翼を連結するように翼端板を設け、下方の翼端形状を略楕円形状にした場合の風力発電装置の概略構成である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態の説明に適用される２の風車装置を鉛直方向に設けた場合の風力発電装置の概略構成である。
【図１１】図１０に代わる構成で、上方の風車装置と下方の風車装置との翼形状を変えた場合の風力発電装置の概略構成である。
【図１２】本発明の第５の実施の形態の説明に適用される揚力型風車に抗力型風車を組み込んで構成した風車装置を持つ風力発電装置の概略構成である。
【図１３】図１２に代わる構成で、２の揚力型風車と１の抗力型風車を組み込んで構成した風車装置を持つ風力発電装置の概略構成である。
【図１４】従来の技術の説明に適用される風力発電装置の概略構成である。
【図１５】翼で発生する揚力、翼端渦等の説明に適用される図である。
【符号の説明】
１風力発電装置
２風車装置
３発電機
１１翼
１１ｃ翼端
１１ｄ，１１ｅ点線円弧
１２翼支持棒
１３連結部
１４回転軸
１５，１７翼端板
１６ウィングレット
１９サボニウス型風車

Claims

風を受けることにより揚力を発生する翼が回転軸を取り囲むように複数設けられると共に、各翼の翼幅方向が回転軸の軸方向に沿って設けられて、前記揚力により前記回転軸を回転させる揚力型風車を備えた風車装置において、
前記翼の翼端で発生する翼端渦と他の前記翼の翼端で発生した翼端渦との干渉を抑制する翼端渦干渉抑制手段として、前記翼の翼端の高さ位置を隣接する前記翼で異なる高さにし、しかも、前記回転軸をはさんで反対側の翼の翼端の高さ位置が同じになるように構成したことを特徴とする風車装置。
前記翼の翼端の高さ位置を隣接する前記翼で異なる高さにして前記翼端渦干渉抑制手段を構成する際に、同じ翼幅を持つ複数の前記翼を高さ位置を交互に設けて形成し、または異なる翼幅を持つ複数の前記翼を交互に設けて形成して構成したことを特徴とする請求項１記載の風車装置。
前記翼の翼端に当該翼の表翼面と裏翼面との圧力差を緩和すべく流れる空気の流を抑制する翼端板を設けて前記翼端渦干渉抑制手段を構成したことを特徴とする請求項１または２記載の風車装置。
前記翼の翼端に当該翼の表翼面と裏翼面との圧力差を緩和すべく流れる空気の流により揚力を発生するウィングレットを設けて前記翼端渦干渉抑制手段を構成したことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の風車装置。
前記翼のピッチ角が変更可能に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の風車装置。
前記風車が複数鉛直方向に設けられて、１の前記回転軸を回転させることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の風車装置。
風を受けた際に抗力が作用して回転する抗力型風車が、前記揚力型風車と共に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の風車装置。
請求項１乃至７いずれか１項記載の風車装置と、該風車装置の前記回転軸に連結されて、当該回転軸が回転することにより駆動されて発電を行う発電機とを備えたことを特徴とする風力発電装置。