JP4451729B2

JP4451729B2 - 水平軸風車

Info

Publication number: JP4451729B2
Application number: JP2004182382A
Authority: JP
Inventors: 茂雄吉田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-06-21
Also published as: JP2006002726A

Description

本発明は水平軸風車に関し、特に、ダウンウィンド式の水平軸風車に関する。

従来より、風力発電に適用される風車として、断面形状が翼型に形成された複数枚のブレードを突設されたハブを有する回転速度可変のロータと、略水平方向に延在されるとともに、このハブを介してロータを軸支する回転軸と、この回転軸に連結された発電機等を収容してなるナセルと、このナセルをロータの回転面よりも風上側で軸支するタワーとを備えるダウンウィンド式の水平軸風車が実用化されている。

このダウンウィンド式の水平軸風車のタワーとして、略円柱形状に形成されたモノポール式のタワーを採用した場合、例えば、図６に示すように、タワー５２の外周に沿ってこのタワー５２を通過した直後の空気の流れであるタワー後流は、通常、一部低速化して略凹形状となるような段差を有する速度分布を示すが、従来から、このタワー後流とロータ回転面との空力干渉に起因して騒音が発生することが知られている。

かかる騒音としては、可聴音である「広域帯騒音」や、窓ガラス等を振動させるなどの物理的な影響の他、頭痛や圧迫感などの心理的な影響を与える「低周波騒音（２０Ｈｚ未満の超低周波騒音を含む）」などが挙げられており、各々の伝播領域は、図２に示すような領域となる。

図７は、従来のダウンウィンド式の水平軸風車によって発生する低周波騒音の方位特性を示したものである。図７に示すように、風の上流側から流入し、タワー５２をその外周に沿って通過した空気が、タワー５２の風下側に位置するロータ５５を通過する際に発生する低周波騒音の伝播範囲は図７（a）、（b）中に示す領域Cのようになり、風向き方向に広く、風向きと略直交する方向には狭くなるという特徴を有する。このため、例えば低周波騒音の影響を考慮する必要がある民家が存在する地点をDとすれば、風が地点Dと該水平軸風車の位置との延長線方向から吹く場合、地点Dは領域Cの中に含まれてしまうため、このような場所では水平軸風車の運転を抑えざるを得ないという問題が生じていた。

これらの騒音はロータの回転速度に依存するため、従来では夜間においてロータの回転速度を低減させるなど、昼夜で運転パターンを切替えることによって騒音を抑制する方法が取られていた。この方法を採用することにより、騒音を抑制することが可能となる。

また、上述の低周波騒音の発生に関しては、タワー後流を調整してその速度分布を平坦化することにより改善されることが知られているが、タワー後流の調整を目的としたダウンウィンド式の水平軸風車としては、タワーの外周位置であって、ロータ回転面の下部高さ位置に整流子を設けた、タワーフェアリングと呼ばれるダウンウィンド式の水平軸風車が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
実開昭６１−１５２７７５号公報

しかしながら、上述のように昼夜で運転パターンを切替える方法は、装置の稼働率低下により発電量が低下してしまう。また、方位ごとの伝播特性が大きく異なるにも拘わらず、これについて考慮されていないため、最も伝播しやすい最悪の条件を想定して計画する必要がある。これにより、風車の設置可能範囲が限定されてしまい、必ずしも経済的に採算が取れる場所に設置することができないという問題が生じていた。

また、上記特許文献１に記載されたダウンウィンド式の水平軸風車は、整流子によりタワーの外周を全周にわたって覆わなければならず、風車の大型化に伴う製造コストの増加は莫大な額となるため好ましくない。また、稼働後においても装置のメンテナンスを要するため、維持管理も含めて莫大な費用が必要とされる。さらに、このダウンウィンド式の水平軸風車は、ブレードに作用される揚力変化を小さくすることによってブレードの疲労破壊を防止することを目的としており、騒音防止と、近隣の民家に作用される低周波騒音の影響範囲については考慮されていないため、実際に建設を実現可能とするための条件、制約を考慮した場合、必ずしも十分な形状であるとは言えなかった。

そこで、本発明の目的は、稼働率への影響を最小とし、簡易な方法でタワー後流を調整して低周波騒音を低減することにより低周波騒音影響範囲を縮小し、設置可能範囲を拡大することが可能なダウンウィンド式の水平軸風車を提供することである。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数枚のブレードをハブから放射状に突設されたロータと、回転軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、前記ロータよりも風上側で前記ナセルを軸支するモノポール式のタワーとを有する水平軸風車において、前記タワーの外周位置であって、騒音対策対象地点方向と略直交する方向の面上に、前記タワー外周に沿って前記ロータに向う気流に縦渦を発生させることにより、タワー後流とその外部との風速差を低減させるための渦生成部材を備えていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、複数枚のブレードをハブから放射状に突設されたロータと、前記ロータを回転軸を介して軸支するナセルと、前記ナセルを前記ロータよりも風上側において軸支するタワーとを有する水平軸風車において、
騒音対策対象地点方向と略直交する前記タワーの外周位置に、前記タワー近傍を経由して前記ロータに向うタワー後流を調整するための渦生成部材を設けたことにより、タワー後流の速度分布が均一化され、低周波騒音の発生要因である、タワー後流とロータの回転面との空力干渉が低減され、低周波騒音の影響範囲が大幅に縮小される。

また、風上側から流入される空気が、タワーの外周に沿ってこのタワーを通過する際に、渦生成部材によってタワーの外周面から剥離され、渦を形成することによってタワー後流とその周辺の速度分布が平坦化され、高調波成分が発生しにくくなり、低周波騒音が低減される。これによって低周波騒音対策対象範囲が縮小され、さらには前記水平軸風車の設置可能範囲が拡大されるものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記渦生成部材は、前記ロータ回転面の最下端高さ位置から、前記タワー頂部近傍ないし両者の間に渡って設けられていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、複数枚のブレードをハブから放射状に突設されたロータと、前記ロータを回転軸を介して軸支するナセルと、前記ナセルを前記ロータよりも風上側において軸支するタワーとを有する水平軸風車において、風上側から流入される空気が、タワーの外周に沿ってこのタワーを通過する際に、前記タワーの頂部近傍から前記ロータ回転面の最下端高さ位置にわたって設けられた前記渦生成部材によってタワーの外周面から剥離され、渦を形成することによってタワー後流の速度分布が平坦化され、低周波騒音が低減されるものである。これによって低周波騒音対策対象範囲が縮小され、さらには前記水平軸風車の設置可能範囲が拡大されるものである。

請求項１に記載の発明によれば、前記渦生成部材により、風上側から流入される空気がタワーの外周に沿ってこのタワーを通過する際に、渦を生じさせることによってタワー後流の速度分布を平坦化することができる。これにより、タワー後流とロータの回転面との空力干渉によって生じる高調波成分を抑制することができ、低周波騒音を大幅に抑制することができる。また、前記ダウンウィンド式の水平軸風車の周辺地区において低周波騒音の影響を受ける低周波騒音影響範囲を縮小することができる。したがって、前記ダウンウィンド式水平軸風車を設置することができる領域を拡大することができ、風車の設置可能領域を拡大することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果を得ることができる他、特に、前記渦生成部材は、前記タワーの頂部近傍から前記ロータ回転面の最下端高さ位置に渡って設けられているため、前記ロータの下部に流入するタワー後流を、最小のコストで、かつ、効率的に調整することができる。これによって、低周波騒音影響範囲を大幅に縮小することができ、ダウンウィンド式の風車を設置できる設置可能領域を拡大することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳しく説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るダウンウィンド式の水平軸風車１は、所定位置に設置された略円柱形状に形成されたモノポール式のタワー２を有しており、このタワー２の頂部には、図示しない発電機、増速機、およびブレーキなどの動力伝達装置などを収容してなるナセル３が、水平面内において回動自在に軸支されている。

タワー２とナセル３の連結部には、ナセル３の水平面内における回動運動であるヨー運動を検出および制御可能な、図示しないヨー駆動装置が設けられている。

ナセル３の内部には、略水平方向に延在されるとともに、前述した図示しない発電機および増速機などに連結された回転軸４が、その先端がナセル３の外部に突出するように回転自在に設けられている。

回転軸４の一端にはロータ５が備えられている。ロータ５は、その中心部に回転軸４に連結されたハブ７を有しており、このハブ７の周面には、断面形状が翼型に形成された複数枚のブレード６が放射状に取付けられている。ブレード６は、その接続部分においてピッチ角が可変となって取付けられている。

そして、ハブ７が回転軸４に連結されていることによってロータ５の回転運動が発電機に伝達され、運動エネルギーが電気エネルギーに変換されるように構成されている。

このように、本実施形態に係る水平軸風車１は、斜め風または横風によりロータに発生する偏揺れモーメントと、前述したヨー駆動装置とによって、ロータ５が常にタワー２よりも風下側において安定し、回転可能となって制御されるように構成されている。

本実施形態においては、さらに、図５中にBで示す、低周波騒音対策を考慮する必要がある特定領域の方向と略直交するタワー２の側面上部の両側に、前記タワー２を前記タワー２の外周に沿って通過した後ロータ５に向うタワー後流を調整すべく、鉛直方向に延在された渦生成部材１０が備えられている（図１、図３、図４、図５参照）。

また、渦生成部材１０は、例えば、四角柱形状、三角柱形状など、長尺形状に形成された部材であれば適用可能であり、円柱形状その他の長尺な部材であってもよい。また、渦生成部材１０は、図１に示すように、タワー２の頂部直近から、その下端部がロータ５の回転面の下端部と同程度の高さになるような長さに形成されている。

次に、図を参照して本実施形態に係る水平軸風車の作用について詳しく説明する。

本実施形態に係る水平軸風車１は、斜め風あるいは横風によって発生する偏揺れモーメントにより、ロータ５がタワー２に対して常に風の下流側位置で安定する特性を有しており、風の上流側からタワー２近傍を通過してロータ５の回転面に流入される空気の力を受けたブレード６によりハブ７が回転され、この回転力がハブ７に連結された回転軸４に伝達される。

そして、回転軸４に伝達された回転力が、この回転軸４に連結された発電機を駆動させることにより、風車の回転運動による運動エネルギーが電気エネルギーに変換されて発電が行われるものである。

ここで、風車の運転によって生じる騒音（特に、タワー後流とロータの回転面との空力干渉によって生じる「低周波騒音」）の方位特性について、図２を参照して詳しく説明する。

図２は、本実施形態にかかる水平軸風車１の運転に起因して発生する騒音の方位特性を示したものであり、△印を結んだ領域が、可聴音である「広域帯騒音」の影響範囲であり、○印を結んだ領域が、非可聴音である「低周波騒音（２０Ｈｚ未満の超低周波騒音を含む）」の影響範囲を示している。

図２から分かるように、水平軸風車１の設置場所を基準にした場合、風向きと略垂直な方向における「広域帯騒音」と「低周波騒音」のレベルがほぼ同程度である場合であっても、風向きに平行な方向では、「広域帯騒音」は影響範囲が狭く、逆に「低周波騒音」は影響範囲が広くなるという特徴を有している。

このような低周波騒音の方位特性は、前述したように、主にタワー後流の空力干渉によるものであって、本出願人は、鋭意開発の結果、タワー後流の速度分布を平坦化することによってこの低周波騒音の影響が改善されることを突き止めた。

ここで、本実施形態に係る水平軸風車１では、図１または図３に示すように、タワー２の外周位置であって、タワー２の頂部近傍からロータ５の回転面の下部と同程度の高さ位置にわたって渦生成部材１０を設けたことにより、このタワー２を通過した後のタワー後流の速度分布は、図４に示すように、タワー２の後方部分の風速が周囲の風速よりも低速となるものの、図６に示す従来のもののように明らかな速度差を有するものではなく、幾分平坦化された速度分布となるものである。

その結果、このダウンウィンド式の水平軸風車１における低周波騒音の方位特性は、図５（a）、（b）に示すように、タワー２の外周に設けた渦生成部材１０を結ぶ線の延長線方向から風が吹く場合の低周波騒音影響範囲は従来と同様であるが、前記渦生成部材１０を結ぶ線の方向と略直交する方向から風が吹く場合の低周波騒音影響範囲は改善されて大幅に縮小され、風向きに対して垂直な方向の低周波騒音を低減することができるものである。

以上のように、本実施形態に係るダウンウィンド式水平軸風車によれば、タワー外周上の位置であって低周波騒音を考慮する必要がある特定領域の方向と垂直な方向の面上の位置に渦生成部材を設けることにより、このタワーの外周に沿って通過するタワー後流に渦を作り出すことができる。これにより、タワー後流の速度分布を平坦化することができ、タワー後流とロータの回転面が空力干渉することにより生じる低周波騒音を抑制することができる。

これにより、前記特定領域方向に風が吹いたときの低周波騒音影響領域を大幅に縮小することができ、水平軸風車の設置可能領域を大幅に拡大することができる。また、設計段階においても、設置可能箇所選定の自由度を高めることができ、立地条件の良好な地点において効率よく発電を行うことにより大幅にコストを削減することができる。

本実施形態に係る水平軸風車の全体構成を示す概略図である。ダウンウィンド式の水平軸風車の低周波騒音の方位特性を示すグラフの一例である。本実施形態に係る水平軸風車のタワーに配設された渦生成部材付近を通過する空気の流れを示す模式図である。本実施形態におけるタワー後流の速度分布を示す模式図である。本実施形態に係る水平軸風車による低周波騒音影響領域を説明するための説明図である。従来技術によるタワー後流の速度分布を示す模式図である。従来技術によるダウンウィンド式の水平軸風車による低周波騒音影響領域を説明するための説明図である。

符号の説明

１水平軸風車
２タワー
３ナセル
４回転軸
５ロータ
６ブレード
７ハブ
１０渦生成部材
A 低周波騒音影響領域
B 特定領域

Claims

複数枚のブレードをハブから放射状に突設されたロータと、回転軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、前記ロータよりも風上側で前記ナセルを軸支するモノポール式のタワーとを有する水平軸風車において、前記タワーの外周位置であって、騒音対策対象地点方向と略直交する方向の面上に、前記タワー外周に沿って前記ロータに向う気流に縦渦を発生させることにより、タワー後流とその外部との風速差を低減させるための渦生成部材を備えていることを特徴とする水平軸風車。
前記渦生成部材は、前記ロータ回転面の最下端高さ位置から、前記タワー頂部近傍ないし両者の間にわたって設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の水平軸風車。