JP4446325B2 - 二重反転ロータ付きのウインドタービン - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は電気エネルギーを発生させるために風エネルギーを捕獲する装置に関する。
【０００２】
(背景技術)
垂直マストと、マストの上部分上で垂直軸線を中心に回転することができるように設けられたナセルと、ナセルにより支持された少なくとも１つの捕獲ユニットとを備えており、風により供給されるエネルギーを捕獲する装置またはウインドタービンが知られている。風エネルギーを捕獲するためのユニットはナセル上でほぼ水平の軸線を中心に回転することができるように設けられたハブと、ほぼ半径方向にハブに固定された少なくとも２つのブレード（一般に２つまたは３つのブレード）とよりなる少なくとも１つのタービンロータを備えている。
【０００３】
概ね流線形であるナセルは、ハブの水平方向回転軸線が風に向けられるように、且つタービンロータが風速により決まる或る速度で回転されるように自動的に或いは指令により配向される。
【０００４】
ウインドタービンのタービンロータにより回収されるエネルギーを異なる方法で使用することができ、特に、このエネルギーを電気エネルギーへ変換することができ、この電気エネルギーをウインドタービンの箇所で遠隔に使用することができ、或いは分配敷設網に送ることができる。
【０００５】
この場合、ウインドタービンの捕獲ユニットはまた電気エネルギーを発生させるためのユニットを構成しており、またタービンロータに固着された少なくとも１つのロータと、ナセルに固定された少なくとも１つのステータとを有する発電機を備えている。
【０００６】
風エネルギーを捕獲し且つ電気エネルギーを生じるためのユニットの場合に生じる第１の問題はタービンロータの回転により発電機のロータを十分に高い速度で回転させることが必要であることに関する。これを達成するためには、タービンロータと発電機ロータとの間の機械的設定伝動装置を使用することが一般に必要である。このような装置が、ウインドタービンを構成したり、維持したりするのを複雑にしている。
【０００７】
また、同じ軸線に設けられ、互いに反対方向に回転する少なくとも２つのタービンロータを発電機を駆動するのに組み合わせることが提案されている。この場合、発電機のロータを駆動し且つロータの速度を調整するように２つのタービンロータ間に機械的連結手段を設けることが必要である。
【０００８】
このような機械的連結装置は複雑であり、ウインドタービンの機能部分のサイズを著しく増大する。
【０００９】
２つの二重反転タービンロータを使用する場合、第１タービンロータは風の中へ向けられ、第１タービンロータから風の方向に追う第２タービンロータは第１タービンロータにより捕獲されなかった風の回収可能なエネルギーのうちの少なくとも幾らかを使用する。
【００１０】
タービンロータ間の機械的連結用の装置は、風速がどうであれ、一般に２つのタービンロータを理想的に作動しない、すなわち、所定の期間、例えば、１年にわたって生じた総合エネルギーができるだけ最大の総合回収可能エネルギー量に近いような作動を行なわない。
【００１１】
換言すると、第１および第２二重反転タービンロータの作動を風速に応じて最適化するいずれの手段もまだ知られていない。
【００１２】
風速がウインドタービンの起動速度以上に増すと、或る風速で空気力学的失速が起こって、ウインドタービンの作動の幾らかの規制をもたらす。タービンロータを失速するか或いはフェザーリングするために、すなわち、ブレードを風を受けない位置にするために機械的手段、例えば、ウインドタービンのタービンロータのブレードのピッチを調整する装置を設けることが必要である。これらの機械的装置は複雑であり、使用中のウインドタービンの破損および磨耗の恐れを増大してしまう。
【００１３】
更に、発電機のロータまたは１つまたはそれ以上のタービンロータの駆動は、特にタービンロータおよび発電機ロータの回転軸線の方向に捕獲ユニットのサイズを増す機械的手段の使用を要する。
【００１４】
従って、タービンロータと発電機ロータとの間に直接連結装置を設けることが好ましい。この種類の装置は電流型発電機の場合には使用することができない。軸方向場を持つディスコイド型発電機の使用により、ウインドタービンのタービンロータとの容易な連結を行なうことが可能であり、且つ軸方向におけるウインドタービンの捕獲ユニットのコンパクト性を高めることが可能である。しかしながら、このようなディスコイド型発電機は二重反転タービンロータ付きのウインドタービンには使用されてなかった。
【００１５】
従って、本発明の目的は、垂直マストと、マストの上部分上で垂直軸線を中心に回転することができるように設けられたナセルと、少なくとも１つの捕獲ユニットとを備えており、捕獲ユニットが、ナセル上でほぼ水平の軸線を中心に回転することができるように設けられたハブ、およびほぼ半径方向にハブに固定された少なくとも２つのブレードよりなる少なくとも１つのタービンロータと、タービンロータおよびナセルに固定された少なくとも１つのステータにより回転駆動されるようにタービンロータに連結された少なくとも１つのロータを有する発電機とを備えており、高い装着パワーを発揮するとともに、基準期間の間、例えば、１年の過程にわたって発生されたエネルギー量を増大することが可能にしながら、コンパクトに得られる、電気エネルギーを発生させるために風エネルギーを捕獲する装置を提供することである。
【００１６】
（発明の開示）
この目的で、本発明による捕獲装置は第１捕獲ユニットおよび第２捕獲ユニットを備えており、これらの捕獲ユニットは、それぞれ、二重反転し、マストの垂直軸線の各側に配置され、ハブが整合軸線を中心に互いに独立して回転するように設けられている第１および第２タービンロータと、ディスコイド形状で製造された第１および第２発電機とを備えており、これらの発電機の各々は
− 対応するタービンロータに固着された少なくとも１つのディスク形部分を有する少なくとも１つのロータと、
− ロータに面した少なくとも１つのディスク形部分を有する少なくとも１つのステータと、
− 捕獲ユニットの各々においてロータの速度を独立して調整するように発電機と関連されたパワーエレクトロニクス手段と備えている。
【００１７】
また、本発明は基準期間にわたって最大の総合エネルギーを生じるように捕獲装置の作動を最適化するために捕獲装置を調整する方法に関する。
【００１８】
本発明を理解し易くするために、風エネルギーを捕獲し、電気エネルギーを発生させるための本発明による装置、および基準期間にわたって最大の総合エネルギー量を生じるための装置の使用を添付図面を参照して例として以下に説明する。
【００１９】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は全体的に参照符号１で示す本発明による捕獲装置を示す。
【００２０】
図１はベアリング４を介してナセル３を上端部に支持する捕獲装置のマスト２の上部分のみを示しており、ベアリング４により、ナセル２が垂直軸線５を中心にマスト２の上部分上で回転することができるようにナセル３が設けられている。
【００２１】
上部分のみを図１に示してあるマスト２は高さが非常に高く、例えば、４０ｍほどの高さであり、マストの下部分は風エネルギー発生個所で地面の固形足場に固定される。
【００２２】
輪郭形状の流線形ケーシング６がナセル３の構造のまわりに嵌合されている。流線形ケーシング６の形状は特にウインドタービンの視覚衝撃に関する要件を満たすように選択される。
【００２３】
マスト２の垂直軸線５（マスト２はこの軸線のまわりに回転するように設けられる）の各側において、ナセル３は２つの延長部３a、３ｂを有しており、これらの延長部の各々には、捕獲装置の第１タービンロータ１０aの第１ハブ８aと、第２タービンロータ１０ｂの第２ハブ８ｂとがそれぞれベアリング７a、７ｂを介して設けられている。
【００２４】
第１タービンロータ１０aは第１発電機９aのロータを回転させるものであり、第２タービンロータ１０ｂの捕獲装置の第２発電機９ｂのロータを回転させるものである。第１タービンロータ１０aおよび第１発電機９aは第１捕獲／電気エネルギー発生ユニットを構成しており、第２タービンロータ１０ｂおよび第２発電機９ｂ捕獲装置１の第２捕獲／電気エネルギー発生ユニットを構成している。
【００２５】
ハブ８a、８ｂを回転可能に取付けるためのベアリング７a、７ｂはほぼ水平の共通軸線１１を有しており、この共通軸線１１はウインドタービンが作動中である間、風が吹く全方向に向けられる。風は在来のように第２タービンロータ１０ｂの上流の第１タービンロータ１０a、１３'の上流の矢印１３で示してある。
【００２６】
一般に、捕獲ユニットを構成するタービンロータ１０a、１０ｂおよび発電機９a、９ｂはマスト２の垂直軸線に対して対称配置でナセルに設けられている。
【００２７】
第１タービンロータ１０aは矢印１３で示す風の中へ向けて設置され、第２タービンロータ１０ｂは第１タービンロータ１０aの風下側に設置され、第１タービンロータ１０aを通過した残りの風を受けるようになっており、この残りの風は矢印１３‘により示してあり、２つのタービンロータ１０a、１０ｂは風の方向に整合されている。タービンロータ１０a、１０ｂは互いに全く独立してナセルに回転することができるように設けられており、２つのタービンロータド間の機械的連結手段は設けられていない。
【００２８】
タービンロータ１０a、１０ｂの各々は対応ハブ８a、８ｂと、これらのハブ８a、８ｂにほぼ半径方向にしっかりと固定された１組のブレード１２a、１２ｂとよりなる。
【００２９】
ロータの各々は、例えば、ハブの回転軸線１１のまわりに１８０°または１２０°に設定された２つまたは３つの半径方向ブレードを有している。
【００３０】
図１の中央部分に見えるように、ブレード１２a、１２ｂはタービンロータの回転軸船と平行な平面上で輪郭決めされた横断面形状を有している。
【００３１】
ブレード１２a、１２ｂの輪郭は互いに逆であり、これは風が２つのタービンロータを反対方向に回転させることを意味している。従って、２つのタービンロータは二重反転ロータであると言える。円形矢印１４、１４'を使用してそれぞれ第１タービンロータ１０aおよび第２タービンロータ１０ｂの回転方向を示してある。
【００３２】
発電機９a、９ｂの各々はディスコイドすなわち平円盤状形態で製造されており、各々が対応タービンロータと一体に回転する２つのロータと、ナセルの一部に固定された二重ステータとよりなる。
【００３３】
軸線５に対して対称に配置された２つの発電機９a、９ｂは同じ方法で製造されるので、第１捕獲ユニットの発電機９aのみを図２を参照して詳細に説明する。
【００３４】
ディスコイド形態で製造された発電機９aは全体形状が環状の２つのステータ１５、１５'を備えており、これらのステータはこれに面した外面に永久磁石１７、１７'を支持する平らなディスクの形態の部分１６、１６'を備えている。ロータ１５、１５'のディスク１６、１６'は層積重ね体よりなる積層コアを有する環状の中空ロータボディに固着されている。ロータ１５はハブ８aおよびタービンロータ１０aを回転取付けするベアリング７aの回転内側部分をも固定するねじ１９によりハブ８aに直接固定されている。
【００３５】
ベアリング７aの固定された外側部分はナセル３の一部に固着されており、ナセル３には、永久磁石１７、１７'を支持するステータ１６、１６'の平らなディスコイド面に面して設置された２つの平らなディスコイド面を有する全体形状が環状のステータ１８も固定されている。
【００３６】
２つのロータ１５、１５'はステータのディスクを多部分周リング２０に締め付けるねじにより互いに固着されている。これらのロータは回転ベアリングと関連したスラストベアリングと、ロータを軸方向におよび２つの反対方向に保持する二重スラストベアリング２１とにより軸方向に保持される。
【００３７】
ステータ１８はロータ１６、１６'にそれぞれ面した２つの部分を有しており、それらの各々はロータ１６、１６'の永久磁石１７、１７'に面したコイルが設けられる積層コアよりなる。
【００３８】
ステータ２０のコイルは発電機を発生電流用の使用者の電線に接続する手段に導電体により接続される。また、ステータコイルはナセル３に固着されたボックス２２に接続されており、ボックス２２は発電機を制御し且つロータ１５、１５'の回転速度を調整するためのパワーエレクトロニクスを収容している。
【００３９】
もちろん、第２発電機９ｂは第１発電気と同じ方法でボックス２２内のパワーエレクトロニクスに接続されて、第１および第２発電機を全く独立して制御することができ、且つ第１発電機のロータ、第一タービンロータ、第２発電機のロータおよび第２タービンロータの速度を全く独立して調整することができるようになっている。
【００４０】
本発明による捕獲装置の発電機のロータおいび２つの捕獲ユニットのタービンロータの速度を調整することによって本発明による捕獲装置を調整する方法を図３および図４を参照して以下に説明する。
【００４１】
図３は本発明による捕獲装置が受ける風が横軸に沿って示される速度を有する１年の基準期間における（縦軸に沿った）時間を曲線２３の形態で表している。実際、或る風速の場合の時間を示す点は１m／秒の大きさの速度範囲に対応する。
【００４２】
曲線２３はウインドタービンが構築する個所における年の過程にわたる風速の分布を表している。曲線２３はウインドタービンを起動するのに必要とされる風速である３ｍ／秒程度の速度に対応する図３の左側の初期点を有している。また、本発明による第１捕獲ユニットおよび第２捕獲ユニットによりそれぞれ供給される電力は風速の関数として曲線２４、２５の形態で図３に示されている。
【００４３】
最後に、曲線２６は装置により供給される全電力、すなわち、装置の第１および第２捕獲ユニットにより供給される電力の和を表している。
【００４４】
図３でわかるように、２つの捕獲ユニットは３m／秒程度の風速で起動し、捕獲ユニットのタービンロータは風速が速くなるにつれて速くなる速度で回転する。これに対応して、電力の増大量は捕獲ユニットの各々により生じる。
【００４５】
第１帯域Aでは、風に面した第１捕獲ユニットの回転部分の速度は第１捕獲ユニットの回転部分を空気力学的に失速することによって調整の立上げに相当する速度に達するまで増大する。空気力学的失速が始まるときの速度は約９m／秒である。この失速は風速が第１捕獲ユニットの特性により定められる限度に達するときに自動的に指令され、すなわち、得られる。
【００４６】
帯域Aにおける作動条件下では、第１捕獲ユニットその最大の効率で作用し、電力係数CPまたはベッツ係数が最大である。電力係数CPまたはベッツ係数は風の運動エネルギーの約６０％を表す最大の回収可能なエネルギーに対する回収エネルギーの比として定められる。
【００４７】
第１捕獲ユニットが最大効率で作動しているので、第２捕獲ユニットはこれを駆動するのに有用な回収可能な運動エネルギーの部分のみを有しており、この部分は例えば、第１捕獲ユニットにより吸収されるエネルギーの５０〜８０％を表している。
【００４８】
図３は第２捕獲ユニットがこれを駆動するのに有用な第１捕獲ユニットにより捕獲されるエネルギーの５０％のみを有する概要を表している。第２捕獲ユニットの回転部分の回転速度は、この第２捕獲ユニットが最大効率CPで作用するように風速に合うように適合される。
【００４９】
帯域Aでは、全回収電力はこの場合には第１捕獲ユニットにより捕獲された電力の１．５倍に等しい。従って、第２捕獲ユニットによる電力の増加はこの場合には帯域Aで約５０％である。
【００５０】
図３のグラフは、帯域Aの後に、（９m／秒程度の風速のための）第１捕獲ユニットの空気力学的失速点から（１１m／秒程度の風速のための）第２捕獲ユニットの空気力学的失速点まで及ぶ帯域Bを示している。
【００５１】
この帯域Bでは、第１捕獲ユニットの回転部分は空気力学的失速を受け始め、風が強くなればなるほど、第１捕獲ユニットの回転部分はは失速をより受ける。これは、第２捕獲ユニットの回転部分により回収することができる残留エネルギーが、第２捕獲ユニットの回転部分がその特性に応じて決まる速度（例えば１１m／秒）で失速する点まで増大することを意味している。帯域Bでは、第２捕獲ユニットは最大値ＣＰで作動している。
【００５２】
次の帯域Cでは、２つの捕獲ユニットは失速を増大する条件で作動しており、第１捕獲ユニットは第２捕獲ユニットの前に最大の失速に達する。これは、第２捕獲ユニットの回転部分により寄与される電力の増大が帯域Cにおいて失速の立上げ時の速度の５０％から両捕獲ユニットの回転部分が空気力学的失速を受けているときの風速の１００％まで進行することを意味している。
【００５３】
従って、最も高い風速（帯域D）まで、両捕獲ユニットは捕獲装置により供給される全電力に対する同じ分布を行なっている。
【００５４】
従って、捕獲ユニットの各々の回転部分で独立的に達成される速度調整により、風エネルギーーの量を回収することができるなら、この装置により供給される電力ができるだけ高いようにいずれの風力でも捕獲装置を最適にすることができる。
【００５５】
捕獲ユニットの回転部分の速度はこれらの捕獲ユニットの発電機と関連されたパワーエレクトロニクスにより調整される。
【００５６】
図４は風速の関数としての第１捕獲ユニットにより一年の基準期間で発生されるエネルギーを曲線２７の形態で、および風速の関数としての第１および第２捕獲ユニットよりなる捕獲装置全体により年ごとに発生されるエネルギーを曲線２８の形態で示している。
【００５７】
曲線２７、２８は供給される電力をその風力に対応する時間を掛けることによってそれぞれ曲線２３、２４から得られる。
【００５８】
ウインドタービンのナセルに設けられた第２捕獲ユニットを第１捕獲ユニットの後に使用することにより、この捕獲ユニットの回転部分と同じ直径および同じ空気力学的特性を有する回転部分を有する単一の捕獲ユニットを使用した場合と比較して約６０％ないし７０％だけエネルギー回収を高めることができる。
【００５９】
捕獲ユニットの回転部分の速度を調整することにより、捕獲ユニット各々についてエネルギーの回収を最適にすることが可能であり、特に、第１捕獲ユニットにより捕獲されない回収可能なエネルギーの回収に最適である方法で第２捕獲ユニットを作動させることが可能である。
【００６０】
従って、本発明による装置および方法によれば、第１および第２捕獲ユニットを次々に使用することによって風を捕獲するための装置の据付電力を増大することが可能であり、且つ第１および第２捕獲ユニットを調整することによって基準期間にわたって発生されるエネルギーを増大することが可能である。
【００６１】
また、本発明による装置は次々に配置された２つの捕獲ユニットを使用するにもかかわらず、非常にコンパクトである。このコンパクト性はディスコイド発電機の使用により得られる。
【００６２】
更に、本発明による捕獲装置は複雑且つ壊れ易い機械部分を有しておらず、捕獲ユニットの回転部分の速度はもっぱら電子手段により調整される。
本発明は以上に説明した実施例に限定されない。
かくして、捕獲ユニットのタービンロータおよび発電機を異なる形態で製造し得る。
捕獲ユニットのタービンロータは長さが非常に広い範囲から選択し得る任意の数のブレードを有してもよい。
発電機は単一のロータおよび単一のステータを有してもよく、或いは１つまたはそれ以上のユニット自身が１つまたはそれ以上のロータおよび１つまたはそれ以上のステータを有してもよい。
発電機を制御し且つタービンロータと関連されたロータの速度を調整するためのパワーエレクトロニクスは当業者に公知な任意の手段により製造し得る。
本発明は電流を生じるのに使用される任意のウインドタービンの製造および作動に当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による捕獲装置の軸方向断面図である。
【図２】 捕獲ユニットのうちの１つの発電機を示す図１の一部の拡大図である。
【図３】 捕獲ユニットの各々により供給される電力と、装置により供給される全電力と、１年の基準期間にわたる時間に対する風速の分布とを風速の関数として示す図である。
【図４】 本発明による捕獲装置の年間エネルギー発生を風速の関数として示す図である。

Claims (4)

1. 垂直マスト（２）と、該マスト（２）の上部分上で垂直軸線を中心に回転することができるように設けられたナセル（３）と、少なくとも１つの捕獲ユニットとを備えており、該捕獲ユニットは、ナセル上でほぼ水平の軸線を中心に回転することができるように設けられたハブ（８a、８ｂ）およびほぼ半径方向にハブ（８a、８ｂ）に固定された少なくとも２つのブレード（１２a、１２ｂ）よりなる少なくとも１つのタービンロータ（１０a、１０ｂ）と、該タービンロータ（１０a、１０ｂ）と一体に回転する少なくとも１つのロータ（１５、１５'）およびナセル（３）に固定された少なくとも１つのステータ（１６）とを備えている、電気エネルギーを発生させるために風エネルギーを捕獲する装置において、第１捕獲ユニットおよび第２捕獲ユニットを備えており、これらの捕獲ユニットは、ぞれぞれ、二重反転し、マスト（２）の垂直軸線（５）の各側に配置され、ハブ（８a、８ｂ）が整合軸線を中心に互いに独立して回転するように設けられた第１および第２タービンロータ（１０a、１０ｂ）と、ディスコイド形状で製造された第１および第２発電機（９a、９ｂ）とを備えており、これらの発電機の各々は
   − 対応するタービンロータ（１０a、１０ｂ）に固着された少なくとも１つのディスク形部分を有する少なくとも１つのロータ（１５、１５'）と、
   − ロータ（１５、１５'）に面した少なくとも１つのディスク形部分を有する少なくとも１つのステータ（１６）と、
   − 捕獲ユニットの各々においてロータ（１５、１５'）の速度を独立して調整するように発電機（９a、９ｂ）と関連されたパワーエレクトロニクス手段（２２）と備えていることを特徴とする風エネルギーを捕獲するための装置。
2. 請求項１に記載の風エネルギーを捕獲する装置により発生されたエネルギーおよび電力を最適化する方法において、パワーエレクトロニクス手段（２２）を使用して、ロータ（１５、１５'）および捕獲ユニット各々のタービンロータ（１０a、１０ｂ）の速度を風速に応じて調整することを特徴とする方法。
3. 第１作動帯域Aにおいて、捕獲ユニット起動速度から第１捕獲ユニットの回転部分が空気力学的に失速される速度までに及ぶ風速で、第１捕獲ユニットおよび第２捕獲ユニットを最大効率の条件下で作動し、次いで、第１捕獲ユニットの回転部分の空気力学的失速を調整し、且つ残留エネルギーを第２捕獲ユニットにより回収するために捕獲ユニットの回転部分の速度を調整して、増大風速の場合に、第２捕獲ユニットにより生じられた電力およびエネルギーの増大が電力と、第１捕獲ユニットにより回収されたエネルギーとの値に次第に達するようにすることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 第２捕獲ユニットにより生じられた電力およびエネルギーの増大が、第１捕獲ユニットの回転部分における失速の立上げ後、第１捕獲ユニットにより生じられた電力およびエネルギーの５０％から１００％まで漸次、変化することを特徴とする請求項３に記載の方法。

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