JP5478782B2 - 速度調整及び暴風保護システムを備える垂直軸型風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、風力タービンに関し、より具体的には、風向きに対してほぼ直交する回転軸を備え、この回転軸がさらに支柱と、この支柱に取り付けた複数のブレードを設けたロータとを有する構成とした風力タービン発電機に関する。

風力タービンは、風力エネルギーを利用するための最も一般的な装置であり、水平軸型風力タービン（ＨＡＷＴ）及び垂直軸型風力タービン（ＶＡＷＴ）に分類される。研究者であるエリクソン（Erikson）氏、バーンホフ（Bernhoff）氏及びレイジョン（Leijon）氏らは、ＶＡＷＴ並びにＨＡＷＴを非特許文献１（２００８年発行の学術雑誌Renewable & Sustainable Energy Review１２号に掲載の論文「Evaluation of different turbine concepts for wind power」）において比較した。この非特許文献１によれば、大概の商業用風力発電プラントで採用しているＨＡＷＴは、構造が複雑であると指摘している。この複雑さは、タービンを風向きに合わせるヨー制御機構、及びプロペラ速度を調整するピッチ制御機構に起因する。また非特許文献１は、ＨＡＷＴはメンテナンスが困難であることを述べ、その理由は発電機アセンブリを地上から遥か上方に設置する必要があるというものである。これら制御機構によってＨＡＷＴの構造を複雑化し、またこれら制御機構が風力タービン上部に設けられているため、メンテナンスを困難にする。さらに上述した非特許文献１は、ＨＡＷＴは、メガワットレベルの用途では、考えられる限りの最大限サイズに達してしまうと述べている。この理由は、ブレードに対する周期的に逆転する重力荷重に起因するというものである。

垂直軸型風力タービン（ＶＡＷＴ）は構成がより単純とされており、これはＶＡＷＴを風向きに合わせる必要がないからである。エレクソン氏らによれば、タービンの多方向特性は、風向きが頻繁に変わる場所での使用に極めて魅力的である。しかし、ＶＡＷＴ構造自体も複雑さはある。理論的にＶＡＷＴ構造の効率性はＨＡＷＴよりも劣るものであり、これは風向きに対面するタービンの有効領域に起因するからである。風力タービンにおける理論的な最大出力係数はベッツ限界と呼ばれ、Ｃｐ＝０．５９とされている。ＨＡＷＴ構造に関しては、この性能（最大出力）係数は０．４０〜０．５０の範囲における値であるのに対し、ＶＡＷＴ構造の場合、この係数は（エリクソン氏らによれば）０．４０以下である。ＶＡＷＴ構造における効率性に悪影響を与える別の要因は、ＶＡＷＴベーンのうち１個のベーンが風に晒されて風力エネルギーに変換する間も、他のベーンが風に向かって移動してタービンの回転を持続しようとする点にある。

上述した問題点にも関わらず、ＶＡＷＴにおける機械的な単純さは、商業用の風力発電プラントの用途において極めて魅力的である。上述の非特許文献１によれば、ＶＡＷＴタービンは乱流が少ないため、ＨＡＷＴタービンよりコンパクトに構成することができる。これらの利点にも関わらず、ＶＡＷＴ構造は商業用の風力発電プラントにおいてめったに利用されない。現在のところ、ＶＡＷＴの商業的利用可能性を阻害する主な要因は以下の２つである。
１．暴風に対する保護。風速が強風域に達するとき、タービンを停止させる制御機構を設け、機械的に構造体及びタービンベーンが損傷しないよう機械的に保護しなければならない。このことは、従来のＶＡＷＴ構造、例えばサボニウス、ダリウス及びＨ型ロータ式の構造では得られない。
２．速度調整。タービンの回転速度を調整するための速度制御機構を設ける必要がある。これにより、発電される電力は、風速には依存しないようになる。

これら２つの要因が、ＶＡＷＴ構造を商業化する上での主な障害となっている。近年、これらの問題点を解決するための試みがなされており、そのうち最も大きな試みの１つとしては、スリバン（Sullivan）氏により出願された特許文献１（米国特許出願公開第２０１００１７２７５９号）がある。この特許文献１では翼型（airfoil）のベーン、及び必要に応じてベーンを回転軸方向に後退させる機構を使用する。この構造は、後退及び暴風保護能力を有するＨ型ロータ構造に極めて類似する。

エリクソン氏らは上述の非特許文献１において、ＶＡＷＴ構造が原則的に抗力によって動作するものであり、このことは回転速度を制限し、ＨＡＷＴ構造よりも大形のブレード面積が必要であると究明している。これらのトレードオフは、ブレードの製造コストが低減すれば容認できるであろう。

米国特許出願公開第２０１０／０１７２７５９号明細書

２００８年発行の学術雑誌Renewable & Sustainable Energy Review１２号に掲載の論文「Evaluation of different turbine concepts for wind power」

本発明の課題は、暴風保護及び速度調整機能を備える改良したＶＡＷＴ構造を変更することにある。本発明では、ＶＡＷＴ構造用の回動可能に連結したベーンを使用し、これらベーンが自動的に昇降して、タービンの回転角速度を調整できるようにする。また、回動可能に連結したベーン構造によれば、過度の風速が発生した場合にベーン完全に下降させることができ、これにより、タービンが暴風保護モードになる。理論的には、ＶＡＷＴ構造の効率性は商業用のＨＡＷＴよりも低いが、本発明による上述した２つの特徴によってＶＡＷＴ構造の効率性を向上させ、相対的に低い効率性を埋め合わせることができる。

タービンの回動可能に連結したベーンは主支柱の上端部分に向けて上昇し、これにより、風速が期待されるよりも低いとき風捜することができるようになる。

本発明による風力タービン構造の主な特徴は、メガワットレベルの用途への拡張可能性にある。この構造に使用する回動可能連結機構はストリング及びプーリであり、これらストリング及びプーリは、ベーンのスパンが過度に大きい場合でもベーンの重量を担持することができる。さらに本発明による構造における別の特徴は、柔軟なベーンを使用することであり、これらベーンは柔らかい帆を用いることによって製造することができる。この柔軟な帆は、ベーンの製造上の外観を拡大することができるだけでなく、ベーンの製造コストを低減することができる。このような特徴はタービンの動作を「抗力」によるものに限定することで風力タービンの回転速度を制限するが、このタービン構造では、安価な製造コストで全体の規模を拡大させることができるため、効率損失を埋め合わせることができる。本発明の構成は、特許文献１（米国特許出願公開第２０１０／０１７２７５９号）とは以下の点において異なる。すなわち、柔軟なベーンの使用、及びベーンの上側部分及び下に側部分おけるストリングアセンブリによって、重力に依存することなくベーンを昇降させることができる引込み（後退）機構を利用する点において上述した従来技術とは異なるものである。

ベーンが完全に伸展した状態のタービンにおける概観を示す説明図である。 ベーンのヒンジ機構、及び中心主柱に対する連結部を示す詳細図である。 中心回転軸に取り付けたベーンを昇降させるための好適な一実施形態による機構を示す説明図である。 速度調整モードにおける下降した状態のベーンを示す説明図である。 風を捕まえるよう中心回転軸の上方にベーンが上昇した状態を示す説明図である。 タービンの風被曝を減少するよう、ベーンを完全に下降させた暴風保護モードを示す説明図である。 柔軟な材料で形成したベーンの実施形態における、高抗力係数形態及び低抗力係数形態での状態を示す説明図である。 ベーン構造の一実施形態における、ベーンの抗力係数を増大させるようベーンのシャッタを閉じた状態を示す説明図である。 ベーンの実施形態におけるシャッタ機構の、シャッタ閉鎖状態を示す詳細図である。 ベーン構造の一実施形態における、ベーンのシャッタを開放して抗力係数を低減させるようにした状態を示す説明図である。 ベーンのシャッタ機構におけるシャッタ開放モードの状態を示す詳細図である。 タービンシステムを示すブロック図である。

以下、風力タービンの動作を詳細に説明する。図１は、完全に伸展させたベーンを設けたタービンの好適な一実施形態におけるベーンを完全に伸展させた状態の全体的な外観を示す。図示の構成は、垂直軸型風力タービン（ＶＡＷＴ）における代表的な構造であり、ベーン２１，３４を中心回転軸２６に連結して回転運動を発電機ハウジング２０に伝達する。発電機ハウジング２０は、タービン構体のベース部に配置する。風３３が吹くと、風に晒されているベーン２１がこれらベーンに作用する抗力によって移動し、タービンが時計方向に回転する。この時計方向の回転によって、反対側のベーン３４は風３３に向かって移動する。ベーンは、風３３とは反対側（風下）のベーン３４における抗力係数が、風上側のベーンの抗力係数よりも小さくなるよう構成し、これにより、タービンが回転する。

図２は、好適な一実施形態における連結機構の詳細を示す。ベーン２１は、支柱２３，２５によって中心回転軸２６に連結する。支柱２３，２５はポイント２７及び２２で回動可能にヒンジ連結するためベーン２１はこれらヒンジポイントで自在に昇降することができる。ベーンの移動機構を図３に示す。ベーン２１の昇降移動はストリング２４によって制御し、これらストリング２４は中心回転ピラー２８の上部に配置したプーリ２９を介して中心回転ピラー２８に取り付ける。ストリング２４の一方の端部は中心回転ピラー２８を経て、タービン構体のベース部に配置した制御空間２０に達する構成とする。ストリング２４を引っ張ることによって、ベーン２１の位置を調整することができる。図４は、タービンのベーンが降下した状態を示し、これは制御ストリング２４の長さを伸ばし、またベーン２１の底部に位置する制御ストリング４１の長さを短くすることによって行う。ストリング４１，２４は連動しており、この連動は一方が伸びると、他方が短縮するよう構成する。ストリングアセンブリ４１，２４は連動することによって、ベーン２１における引き出しレベルを制御する。図５に示すとおり、タービンにおけるベーン２１は、中心回転ピラー２８の上端部に向けて上昇させることもできる。図５では、制御ストリング２４は中心回転ピラー２８を通して引っ張ることによって短縮し、これによりベーン２１は中心回転軸２８における上端部と同一の高さに上昇する。この姿勢は、風速が低いとき有用である。一般的に知られているように、風速は高さが高くなれば増大する。

図６はタービンの暴風保護モードを示し、この場合、制御ストリング２４をできるだけ繰り出し、また制御ストリング４１をできるだけ短くし、これによりベーン２１を最低位置まで降下させ、中心回転軸２６に隣接させる。この特別な状態においては、タービンの外観は極めてスリムになり、高い風速に耐えることができる。

図７，８，９及び１０は、本発明によるタービンに使用可能なベーン構造の幾つかの実施形態を示す。図７は、本発明に使用することが考えられる柔軟なベーンの一実施形態示す。図７‐Ａは、柔軟な材料として帆布で形成したベーン５１を示す。柔軟な材料は堅固な剛性素子によって支持し、これら剛性素子は上端部分５３で水平状態に、また中間部では垂直軸５４として配置する。これら剛性素子は、帆としてのベーン５１を、風力３３の影響の下にどの部分で折り畳んだり、広げたりするかのガイドをする。柔軟なベーン５１は垂直軸５４に沿い自在に折り畳み又は展開することができる。図７‐Ａは、柔軟なベーン５１の展開形態を示し、この場合のベーン５１に作用する抗力係数は大きい。図７‐Ｂは柔軟なベーン５１の閉じた形態を示し、この場合、柔軟なベーン材料を、上端部分５３における剛性素子によってガイドされる垂直軸５４に沿って折り畳む。この特別な形態においては、ベーン５１に作用する抗力係数は低い。なぜなら、風３３に対するベーン５１の風受輪郭が小さく維持されるからである。

図８及び図９は、剛性を有する堅固なベーン構造とした別の一実施形態を示す。図８はベーン２１の頂部から見た平面図を示し、このベーンは複数個のシャッタ３１で構成する。図９はシャッタ３１の詳細を示し、シャッタ３１は翼形に構成し、かつポイント３２において回動可能にヒンジ連結する。ベーン２１に向かって吹く風３３の影響で、シャッタ３３は閉じ、ベーンが高抗力係数を有するようになり、これによりベーン２１が矢印３４の方向に回転する。

図１０及び図１１は、図８及び図９に示すベーン構造の実施形態における、低抗力係数形態を示す。図１０は風３３の方向に移動するベーン２１を示し、この場合、ベーン２１における複数個のシャッタ３１が開放し、抗力係数が低下する。図１１は、ポイント３２において回動可能にヒンジ連結するシャッタ３１の詳細を示す。ベーン２１が矢印３４の方向に回転すると、シャッタが風３３の方向になびき、翼形によって生する揚力３５は、ヒンジ連結したシャッタに作用する求心力３６による対向力を受け、シャッタ３１を開放状態に維持することができる。

幾つかのベーンに作用する高抗力及び他のベーンに作用する低抗力の正味の作用によって、タービンの回転を維持することができる。

図１２は、タービンシステムの動作を示す。コンピュータのハードウェア及びソフトウェア６１は、風センサ６３及び電力需要情報通信手段６４からの入力をアナログ又はデジタル情報として受信し、タービン６５のベーンの引き込みレベルに関する決定を行う。この決定はアクチュエータ６２に送信され、アクチュエータ６２は、図３及び図４につき説明したようにストリング２４及び４１を制御する。風速が過大なとき、センサ６３から受信した情報は暴風状況であることを示し、この状況をコンピュータのハードウェア及びソフトウェア６１が決定し、アクチュエータ６２に対してタービン６５のベーンを引っ込ませ、暴風保護モードにするよう指令する。

Claims (7)

1. 引込み可能なベーンを有し、エネルギーを発生させる垂直軸型風力タービンであって、前記ベーンの引込み度をストリングのセットによって制御し、該ストリングは前記ベーンの上端側及び下端側に連結し、また前記ベーンは中心回転軸に連結し、この場合、前記ストリングはプーリによって中心回転軸内を通して該中心回転軸のベース部に配置した発電機ハウジングまでガイドし、前記ストリングの長さを、アクチュエータモータによって前記ストリングを引き入れる又は繰り出すことで制御する構成とし、
   前記ストリングの上側セットおよび下側セットは連動し、前記上側セットのストリングを伸ばすと、前記下側セットのストリングが短くなり、これにより前記ベーンを前記中心回転軸に対して固定状態に維持する構成とした、風力タービン。
2. 複数のベーン、中心回転軸、および該中心回転軸を支持する発電機ハウジングを有し、エネルギーを発生させる垂直軸型風力タービンであって、前記ベーンを柔軟な材料で形成し、また第一広がり直径から該第一広がり直径よりも小さい第二広がり直径へ引き込み可能とし、引込み度は、該ベーンに第一端が取り付けられ、該中心回転軸に第二端が取り付けられる複数のストリングによって制御され、
   前記ベーンの引込み度を、該ベーンの上端側に連結するストリングの上側セットおよび該ベーンの下端側に連結するストリングの下側セットによって制御し、また前記ベーンは前記中心回転軸に連結し、この場合、前記ストリングはプーリによって中心回転軸内を通して該中心回転軸のベース部に配置した発電機ハウジングまでガイドし、前記ストリングの長さを、該ストリングを引き入れる又は繰り出す少なくとも１つを生じさせるアクチュエータモータによって制御する構成とし、
   前記ストリングの上側セットおよび下側セットは連動し、該上側セットにおける該ストリングの長さを増すと、前記下側セットにおける該ストリングの長さが減り、これにより前記ベーンを前記中心回転軸に対して固定状態に維持する構成とした風力タービン。
3. 複数のベーン、中心回転軸、および該中心回転軸を支持する発電機ハウジングを有し、エネルギーを発生させる垂直軸型風力タービンであって、前記ベーンを柔軟な材料で形成し、また第一広がり直径から該第一広がり直径よりも小さい第二広がり直径へ引き込み可能とし、引込み度は、該ベーンに第一端が取り付けられ、該中心回転軸に第二端が取り付けられる複数のストリングによって制御され、
   前記ベーンを、前記中心回転軸に固定位置でヒンジ連結する支柱によって連結し、この場合、該ベーンは常に該中心回転軸に対し平行に位置する風力タービン。
4. 請求項２又は３に記載の風力タービンにおいて、前記ベーンはベーンアセンブリであり、複数のベーンアセンブリを層状に重ね合わせて該ベーンアセンブリの全てがエネルギーの発生に寄与するように構成される風力タービン。
5. 請求項２又は３に記載の風力タービンにおいて、現在の電力需要と風速に基づき、前記ベーンの引き込み度の最適値を決定するコントローラを更に備える風力タービン。
6. 請求項２又は３に記載の風力タービンにおいて、高い風速の間、前記ベーンを前記中心回転軸に可能な限り近づけて輪郭を小さくする暴風保護位置に該ベーンを引込み可能とする風力タービン。
7. 請求項５に記載の風力タービンにおいて、前記コントローラから情報を受け取り、また前記情報に対応して前記ベーンに連結する前記ストリングの長さを制御するアクチュエータモータを更に備える風力タービン。

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